专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器，其包括呈板形或封底管形且被装配在金属壳体等内的传感元件，并且更具体地涉及一种检测气体内特定气体成分的气体传感器，所述气体是由氧气传感器、宽量程空气燃料比传感器、NOx传感器等进行测量的目标。
背景技术：
对于内燃机，公知的是，基于有关作为测量目标的废气中氧气浓度等的检测信息来进行燃烧控制对于节能、排放气体的净化以及其它来说是有效的。作为检测废气中氧气浓度等的气体传感器，已知的是利用其传感元件由比如部分稳定氧化锆的固体电解质构成的气体传感器。这种气体传感器已经进行了各种改进。
上述气体传感器中已知的一种具有一种具体结构，包括传感元件，其具有将要暴露于废气的气体接触部分；保持该传感元件的金属壳体；在其前端与该金属壳体相连接的外套筒；多个电连接到该传感元件的电极输出端子；多根导线，每根导线都连接到电极输出端子；分隔器，其容纳在外套筒内并在内部设置每个电极输出端子同时将它们彼此隔开；以及形成有插孔的弹性密封元件，每根导线插入穿过每个所述插孔。这种气体传感器中的分隔器包括保持每根导线一部分和电极输出端子的主体部；以及直径比主体部大的凸缘部。外套筒包括小直径部，其内径大于主体部的外径并且小于凸缘部的外径；大直径部，其内径大于凸缘部的外径；以及连接小直径部和大直径部的肩部。
分隔器被布置为使得凸缘部的一个表面啮合外套筒的肩部而凸缘部的另一个表面由在压力之下装配在外套筒的大直径部中的弹性元件(推压元件)压缩和固定。从而，分隔器被保持在外套筒中。简言之，分隔器被固定在弹性元件和外套筒的肩部之间(例如参见专利文献1和2)。
日本专利申请公开No.2001-147213[专利文献2]日本专利申请公开No.2001-31171
发明内容然而，专利文献1和2中公开的每种气体传感器都被构造为使得分隔器固定在弹性元件和外套筒的肩部之间同时分隔器的凸缘部与外套筒的肩部相接触。当在与凸缘部的一个表面相接触的部分处，散射的石头等碰撞到外套筒的外表面时，由于碰撞所导致的压力将被直接传递到分隔器。因此，专利文献1和2所公开的气体传感器就存在着问题当散射的石头等碰撞到外表面时，分隔器很可能会被损坏。
对于使用板形传感元件的气体传感器，经常采取电极端子部被固定地保持在传感元件和分隔器之间的结构。因此，在分隔器与外套筒相接触时，当散射的石头等碰撞到外套筒的外表面时，由于碰撞所导致的压力将被直接传递到分隔器。这样不仅会导致分隔器损坏，而且还会导致传感元件的破裂。
本发明正是开发来解决上述问题，并且其目的是提供一种适于即使在冲击从外面施加于外套筒时也能防止分隔器破裂并且将分隔器稳定地保持在外套筒内的气体传感器。
为了实现上述目的，根据权利要求1的气体传感器包括传感元件，其形成为在轴向上延伸并且在前端侧暴露于作为检测目标的气体；保持该传感元件的金属壳体；在其前端部与金属壳体相连接的外套筒；多个与传感元件呈导电关系的电极输出端子；多根分别连接至电极输出端子的导线；分隔器，其容纳在外套筒中并且将电极输出端子彼此间绝缘地分别设置在其中；以及具有导线插孔的弹性密封元件，导线分别通过所述导线插孔插入，该弹性密封元件被定位在外套筒内比分隔器更靠近后端侧，其中分隔器被保持在外套筒内以使得其在与弹性密封元件的前端表面相接触时被朝向后端推压，并且分隔器的外圆周表面不与外套筒的内圆周表面相接触。
在根据权利要求2的气体传感器中，除了权利要求1所述的本发明结构之外，进一步地，分隔器还包括位于后端侧上的后端侧部分、位于前端侧上的前端侧部分、以及位于后端侧部分和前端侧部分之间的凸缘部，凸缘部的直径比后端侧部分和前端侧部分大并且包括形成于前端侧部分的一侧上且朝向前端侧的前端侧表面，并且分隔器被保持在弹性密封元件和推压元件之间，同时借助于在凸缘部的前端侧表面上朝向弹性密封元件的前端表面施加压力的推压元件来将分隔器与弹性密封元件的前端表面相接触地朝向后端推压。
而且，在根据权利要求3的气体传感器中，除了权利要求2所述的本发明结构之外，推压元件定位在分隔器的前端侧部分的外周边上，并借助于一个变形部将分隔器朝向后端推压，所述变形部已经由于径向向内地压下外套筒位于推压元件径向外侧的一部分而被变形为向内的凸形。
在根据权利要求4的气体传感器中，除了权利要求2或3所述的本发明结构之外，传感元件为板形并且在后端侧上的前和后表面上具有多个电极端子部，电极输出端子被固定地保持在分隔器和传感元件之间，同时电极输出端子与传感元件的相应电极端子部相接触，并且位于每个电极输出端子和传感元件的每个电极端子部之间的接触部分与分隔器由推压元件所支撑的被支撑部分在气体传感器的轴向上定位为相对彼此呈偏移关系。
而且，在根据权利要求5的气体传感器中，除了权利要求1至4中任一项所述的本发明结构之外，分隔器的外圆周表面和外套筒的内圆周表面在径向上间隔0.5mm或更大。
在根据权利要求6的气体传感器中，除了权利要求1至5中任一项所述的本发明结构之外，分隔器的后端表面被形成为从周边边缘径向向内地凹陷的形状，并且分隔器被保持在外套筒内以使得后端表面的周边边缘与弹性密封元件的前端表面相接触。
根据权利要求1所述的气体传感器，分隔器用来在内部设置多个电连接到传感元件的电极输出端子中的每个并且改进电极输出端子之间的绝缘性能。该分隔器被容纳在外套筒内比形成有导线插孔的弹性密封元件更靠近外套筒的前端侧。分隔器被保持在外套筒内以使得分隔器的外圆周表面不与外套筒的内圆周表面相接触。换言之，分隔器被容纳在外套筒内且与外套筒的内圆周表面有间隙。这个间隙可以释放由于冲击所导致的压应力，即使是在散射的石头等碰撞外套筒的情况下。即使这种冲击从外面施加于外套筒，于是，这种冲击不会被直接传递到分隔器。因而就能防止分隔器的损坏或破裂。
而且，根据权利要求1所述的气体传感器，在分隔器如上所述那样不与外套筒的内圆周表面相接触地被保持在外套筒内的情况下，被朝向后端推压的分隔器被保持为与具有导线插孔的弹性密封元件的前端表面相接触。根据本发明，当分隔器被弹性地保持为与弹性密封元件相接触时，即使有冲击从外面施加于外套筒，弹性元件也会缓冲或吸收冲击，从而防止分隔器在外套筒内摇晃。因而，根据本发明，在气体传感器的使用期间，分隔器能被稳定地保持在外套筒内同时分隔器也被保持为不与外套筒的内圆周表面相接触。
至于这种气体传感器，传感元件的形状并无需具体地限定；例如，可以是封底管形或板形。为了推压分隔器，可以采用任何将分隔器朝向后端推压的机构(推压元件)。例如，可将其外圆周形成有齿形突出的爪状部分的环形金属板压入外套筒以使得爪状部分在压力之下与外套筒的内圆周表面向接触，从而将分隔器朝向后端推压。
分隔器可以是在工作温度下极少老化且具有绝缘性质的任何材料。例如，材料可以包括比如氧化铝和氮化硅的陶瓷，以及比如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫(PPS)的工程塑料。绝缘密封元件例如可以是耐热的橡胶材料，比如氟橡胶和硅酮橡胶。
根据权利要求2所述的气体传感器，分隔器以上述具体形状形成，并且推压元件被用来从凸缘部的前端侧表面朝向弹性密封元件的前端表面提供压力(推压)，从而将分隔器向弹性密封元件的前端表面推压从而将分隔器保持在弹性元件和推压元件之间。在被推压元件支撑时，分隔器能被稳定地保持在外套筒内。
而且，根据权利要求3所述的气体传感器，推压元件定位在分隔器的前端侧部分的外周边上，并随着外套筒的位于推压元件径向外侧的变形部一起变形，所述变形部被径向向内地压下并被变形以便向内突出，从而将分隔器朝向后端推压。这里，将分隔器朝向后端推压的推压元件可以是如现有技术那样推压元件本身被压配合入外套筒且被保持在外套筒内的构造，但是难以断言在气体传感器的装配中将推压元件适当地推压入分隔器(具体地说，分隔器的前端侧部分)和外套筒之间是一个容易的过程。因此，在本发明中，从金属外套筒的外侧向内突出的变形部被形成为同时使推压元件变形，从而将分隔器朝向后端推压。这样就可以便于将分隔器与推压元件一起朝向后端推压并且将分隔器稳定地保持在外套筒内，以较低的成本获得气体传感器。
而且，在根据权利要求4所述的气体传感器中，其中使用的传感元件为在后端侧上的前和后表面上具有多个电极端子部的板形。电极输出端子被固定在分隔器和传感元件之间，同时电极输出端子与传感元件的电极端子部中的任何一个相接触。
同时，在本发明的气体传感器中，使用推压元件来将分隔器朝向后端推压以便将分隔器保持为与弹性元件的前端表面相接触。于是，在散射的石头等碰撞外套筒时，弹性密封元件缓冲或吸收这种冲击。因而就能防止分隔器摇晃，但是根据冲击的程度，在其由推压元件所支撑的被支撑区域附近可能有一点摇晃。如果分隔器的由推压元件所支撑的被支撑区域与电极输出端子和传感元件的电极端子部之间的接触区域在气体传感器的轴向上彼此相重合，那么在分隔器在其由推压元件所支撑的被支撑区域附近摇晃时所引起的应力很可能会影响到电极输出端子和传感元件的电极端子部之间的接触区域。这可能会引起板形传感元件的比如裂纹或破裂之类的缺陷。
相反，本发明的气体传感器被用来使得位于每个电极输出端子和传感元件的每个电极端子部之间的接触部分与分隔器的由推压元件所支撑的被支撑部分在气体传感器的轴向上定位为相对彼此呈偏移关系。于是，即使分隔器在其由推压元件所支撑的被支撑区域附近摇晃时，由于分隔器摇晃所导致的应力不大可能影响以上接触区域，从而有效地防止了分隔器的破裂或其它缺陷的出现。
除了位于每个电极输出端子和传感元件的每个电极端子部之间的接触部分以及分隔器的由推压元件所支撑的被支撑部分应当在气体传感器的轴向上布置在不同的位置上之外，对于它们的位置关系没有特定的限制。考虑到有效地获得推压元件将分隔器朝向后端推压的推压力，被支撑区域优选地被定位为在气体传感器的轴向上位于接触区域的后面。
根据权利要求5所述的气体传感器，分隔器的外圆周表面和外套筒的内圆周表面在径向上间隔0.5mm或更大。因而，即使外套筒本身由于散射的石头等的碰撞而变形时，外套筒的内圆周表面也不大可能接触到分隔器的外圆周表面。这样就可以进一步防止分隔器被损坏。
此外，根据权利要求6所述的气体传感器，分隔器被形成有从周边边缘径向向内地凹陷的后端表面。这种“从周边边缘径向向内地凹陷”的构造表示分隔器的后端表面从周边边缘朝着中心部球形、圆锥形或锥形地凹陷的状态。具体地说，后端表面球形或圆锥形地凹进的构造。在本发明中，这种分隔器被朝向后端推压并且分隔器的后端表面被保持为其周边边缘与弹性密封元件的前端表面相接触。利用这种结构，即使在气体传感器的使用期间弹性元件发生热膨胀，膨胀的弹性密封元件的前端部分也能被释放入分隔器的后端表面。因此，根据本发明，除了权利要求1至3所述的本发明效果之外，还可以有效地防止由于分隔器施加于弹性密封元件上的约束(压力)而给弹性密封元件带来的损坏，即使弹性密封元件发生热膨胀。
图1是总体地示出一个优选实施例中的宽量程空气燃料比传感器的剖视图；图2是示出构成该宽量程空气燃料比传感器的传感元件的示意性结构的透视图；图3是引线框架的透视外视图；图4是分隔器的透视外视图；图5是分隔器的透视图，其中引线框架布置在插孔内；和图6是在分隔器的前端侧部分处布置在其分隔器周围的推压金属片的局部截取的侧视图。
附图标记说明2宽量程空气燃料比传感器(气体传感器)，4传感元件，6陶瓷套筒，8传感部，10引线框架(电极输出端子)，11第一引线框架，30，31，32，34，36电极端子部，44外套筒，50弹性密封元件，54第一管状部分，56第二管状部分，58第三管状部分，61导线插孔，64导线，65变形部，82分隔器，83凸缘部，86第一框架定位凹槽，88第二框架定位凹槽，102金属壳体，200推压金属片(推压元件)，211第二引线框架。
具体实施例方式
现在将参照附图给出对本发明优选实施例的描述。
本实施例将针对一种类型的气体传感器进行说明一种宽量程空气燃料比传感器2(下文中称之为“空气燃料比传感器2”)，其安装在内燃机的排气管中并且其中具有一个传感元件以便检测废气的特定气体(具体地，氧气浓度)，所述废气作为用于车辆或各种内燃机的空气燃料比反馈控制中的测量目标。
图1是示出根据本发明的本实施例中的空气燃料比传感器2的整体结构的剖视图。该空气燃料比传感器2包括具有外表面的管状金属壳体102，所述外表面形成有用于固定到排气管的螺纹部103；在轴向上(图中的垂直方向)延伸的板形传感元件4；管状陶瓷套筒6，其布置为径向地包围传感元件4的外周边；引线框架10，其电连接到传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36，形成电流通路；分隔器82，其由绝缘材料制成并且保持与传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36相连接的引线框架10，所述引线框架10位于分隔器82和传感元件4之间；以及在引线框架10和传感器的外部之间形成电流通路的导线46。每根导线46由导电的芯线以及覆盖芯线的树脂绝缘涂覆材料构成，并且芯线的前端部分和后端部分没有被树脂涂覆材料所覆盖。
传感元件4为轴向延伸的板形并且形成有传感部8，所述传感部8在前端侧(图中的下侧)由电极保护层覆盖，所述前端侧将布置为暴露于待测量气体，并且在后端侧(图中的上侧)上由形成外部前和后表面的第一板面21和第二板面22上的电极端子部30、31、32、34和36所覆盖。引线框架10布置在传感元件4和分隔器82之间，以使得引线框架10分别与传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36相接触地电连接。引线框架10还电连接并机械连接到从传感器外部延伸到内部的导线46，从而形成电流通路，电流将通过该电流通路在导线46所连接至的外部设备(例如ECU)和电极端子部30、31、32、34和36之间通过。
金属壳体102被设计为基本上呈管状并且具有轴向贯穿地形成的通孔109和在通孔109内径向向内地突出的肩部107。金属壳体102还被构造为保持插入通孔109内的传感元件4以使得传感部8位于通孔9前端侧的外部同时电极端子部30、31、32、34和36位于通孔9后端侧的外部。肩部107被形成为相对于垂直于轴向的平面向内倾斜的锥形表面。
在金属壳体102的通孔109中，环形陶瓷保持件106、粉末填充层108(下文中称之为滑石环108)、辅助套筒110、第二粉末填充层111以及前述的陶瓷套筒6按此顺序层状地在从前端侧到后端侧的方向上布置。而且，压接环112布置在陶瓷套筒6和金属壳体102的后端部104之间，并且后端部104被压接为通过压接环112将陶瓷套筒6朝向前端侧压下。
用作保持气密性的垫圈的保护盖129布置在陶瓷保持件106和金属壳体102的肩部107之间。该保护盖129由金属材料(例如不锈钢)制成并且以管状形成从而覆盖陶瓷保持件106、滑石环108和辅助套筒110的侧面，并且具有覆盖陶瓷保持件106的前端侧周边边缘的底部。保护盖129的底部具有其尺寸足以允许传感元件4在中央插入其中的中央开口。
这里，图2示出了传感元件4的示意结构的透视图。在图2中，传感元件4被示出为省略其轴向中部。传感元件4以轴向剖面为矩形的板状形成，其中层压有在轴向(图2中的左右方向)上形成为板状的设备部件20和类似地在轴向上形成为板状的加热器22。将要用作空气燃料比传感器2的传感元件4是非常常规的类型，因此省略对其内部结构和其它内容的详细说明，但是其示意性结构如下。
首先，设备部件20由以下部件构成氧浓差电池设备，包括其两侧设有多孔电极的固体电解质基片；氧气泵设备，其同样包括其两侧设有多孔电极的固体电解质基片；以及在这些设备之间层化并且形成空心测量气体腔室的隔板。固体电解质基片由包含溶解作为稳定剂的氧化钇的氧化锆构成。多孔电极基本上由Pt制成。形成测量气体腔室的隔板主要由氧化铝制成。在中空的测量气体腔室中，暴露出氧浓差电池设备的一个多孔电极和氧气泵设备的一个多孔电极。测量气体腔室被形成为位于设备部件20的前端侧。在隔板的前端侧，形成有由多孔陶瓷制成的扩散控制部件，用来在测量气体腔室和外部之间提供通讯。包括测量气体腔室的这个部分相当于传感部8。加热器22由以下部件构成主要由氧化铝制成的绝缘基片；以及主要由Pt制成且被夹在绝缘基片之间的加热电阻结构。设备部件20和加热器22通过陶瓷层(例如氧化锆陶瓷和氧化铝陶瓷)被层压起来。传感元件4包括由防止污染的多孔陶瓷制成的电极保护层(未示出)，所述电极保护层位于处于前端侧上的至少一个电极的表面上并且将暴露于测量目标(本实施例中为废气)。在本实施例中，前端侧上的传感元件4，包括将暴露于废气的电极表面，由电极保护层完全地覆盖。
在这种传感元件4中，如图2所示，三个电极端子部30、31和32形成于后端侧(图2中的右侧)的第一板面21上，同时两个电极端子部34和36形成于后端侧的第二板面23上。电极端子部30、31和32形成于设备部件20上；其中之一公有地电连接到氧浓差电池设备的一个多孔电极和氧气泵设备的一个多孔电极，这两个多孔电极都暴露在测量气体腔室内部。电极端子部30、31和32中的其余两个分别电连接到氧浓差电池设备的其它多孔电极和氧气泵设备的其它多孔电极。电极端子部34和36形成于加热器22上并通过一个在厚度方向横截加热器的通路(未示出)连接到加热电阻结构的两端。
如上构造的传感元件4以如图1所示的状态固定在金属壳体102中，所述状态为布置在前端侧(图1中的侧)上的传感部8从将要固定到排气管的金属壳体102的前端突出并且电极端子部30、31、32、34和36从金属壳体102的后端突出。而且，每个都覆盖传感元件4的突出部并且具有多个孔和封底的护罩42和内护罩43在前端侧由激光等焊接到金属壳体102的外周边，如图1所示。
由不锈钢合金制成且厚度为0.5mm的外套筒44被固定到金属壳体102后端侧的外周边。如图1所示，外套筒44包括连接到金属壳体102的第一管状部分54、定位为比第一管状部分54更靠近后端并且直径小于第一管状部分54的第二管状部分56、位于它们之间的第一肩部49、定位为比第二管状部分56更靠近后端并且直径小于第二管状部分56的第三管状部分58、以及位于它们之间的第二肩部48。在本实施例中，外套筒44固定到金属壳体102以使得外套筒44位于金属壳体102后端侧上的外周边上，并且外套筒44与金属壳体102的重叠部从外套筒44的外部径向向内地压接并且然后用激光圆周地焊接。
由氟橡胶制成的弹性密封元件50安装在外套筒44的后端开口(即第三管状部分58的内部)中，所述弹性密封元件50包括导线插孔61以及径向向外突出的突出部53，五根导线46通过所述导线插孔61插入并分别连接到传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36。
此外，分隔器82位于从金属壳体102的后端部104突出的传感元件4的后端侧(图1中的上侧)上。在本实施例中，这个分隔器82被布置为包围其上形成有电极端子部30、31、32、34和36的传感元件4的外周边。
这里，如图1所示，这个分隔器82被保持在外套筒44内，同时分隔器82的外圆周表面不与外套筒44的内圆周表面相接触。更具体地说，分隔器82被保持在外套筒44内，同时分隔器82被下述推压金属片200朝向后端推压以使得分隔器82与弹性密封元件50的前端表面52相接触并且被支撑在弹性密封元件50的前端表面52和推压金属片200之间，并且还不与外套筒44的内圆周表面相接触。在本实施例中，分隔器82的外圆周表面和外套筒44的内圆周表面在空气燃料比传感器2的径向上间隔0.5mm或更多。它们之间的最小距离S设置为1.5mm。
以下将说明分隔器82。图4示出了分隔器82从前端侧看的外部视图。如图1和4所示，分隔器82形成为管状，其具有轴向贯穿地形成的插孔84，并且具有后端侧部分303、前端侧部分301以及插入它们之间且直径比它们大的凸缘部83。如图1所示，分隔器82的后端表面305(具体地，后端侧部分303)形成为从周边边缘径向向内地凹进的凹形。具体地，这个后端表面305形成为从周边边缘朝着中央定位的插孔84凹进的球形。
在插孔84的内壁表面上，面对传感元件4的第一板面21(未示出)，两个第一肋87在如图4所示的向内方向上突出。第一肋87提供作为插入插孔的引线框架边界部件，所述边界部件在三个第一框架定位凹槽86之间形成边界，三个引线框架10分开地以电绝缘的关系布置在所述定位凹槽内。这三个第一框架定位凹槽86形成在与传感元件4的第一板面21上的电极端子部30、31和32相应的位置处。
在插孔84的内壁表面上，面对传感元件4的第二板面23(未示出)，一个第二肋89形成为向内突出。第二肋89提供作为插入插孔的引线框架边界部件，所述边界部件在两个第二框架定位凹槽88之间形成边界，两个引线框架10分开地以电绝缘的关系布置在所述定位凹槽内。这两个第二框架定位凹槽88形成在与传感元件4的第二板面23上的电极端子部34和36相应的位置处。
第一肋87和第二肋89具有防止布置在相邻框架定位凹槽内的引线框架10彼此接触的作用。由于防止了相邻布置的引线框架10彼此间的电导接触，因而就防止了电流通路的故障。
在前端侧表面(图中的前表面)上，分隔器82包括第一啮合凹槽90和第二啮合凹槽91，这些凹槽都形成为朝着前端侧上的插孔84的孔开口。
第一啮合凹槽90被形成为从分隔器82的前端侧看时大致类似于字母L，以便允许定位引线框架10的将在后面描述的第一框架啮合部19。第一啮合凹槽90形成在延续到三个第一框架定位凹槽86之中位于两侧上的两个第一框架定位凹槽86的两个位置处，并且形成在延续到两个第二框架定位凹槽88的两个位置处。第二啮合凹槽91包括形成于两个突出部92之间的小宽度凹槽部93和在分隔器82的前端侧表面上形成于小宽度凹槽部93的径向外侧的大宽度凹槽部94，以允许定位引线框架10的将在后面说明的第二框架啮合部219。突出部92被形成为从第一肋87的前端部延续。而且，第二啮合凹槽91形成在延续到三个第一框架定位凹槽86中位于中间的一个第一框架定位凹槽86的一个位置处。
随后，将说明推压金属片200。推压金属片200如图1所示位于分隔器82的前端侧部分301周围。这个推压金属片200如图6所示具有管状部201，以及在其后端202与管状部201整体地形成的J形保持部203和管状延伸部204。在图6中，推压金属片200示出为处于其被布置在外套筒44内并形成下述变形部65之前的状态。四个J形保持部203以相等的圆周间隔来提供，在径向向内的方向上延伸并且逐渐地向前端侧大致弯曲为字母J。这些J形保持部203被构造为在推压金属片200安装到分隔器82的前端侧部分301上时被弹性地变形，从而将推压金属片200本身保持在前端侧部分301上。保持强度能根据J形保持部203的宽度、形状和其它性质来调整。
每个管状延伸部204形成于J形保持部204之间并且如同J形保持部203那样向内弯曲成字母J。然而，J形保持部203具有被调整来在径向上比管状延伸部204更向内突出的曲率。如图1所示，在变形部65形成于外套筒的第二管状部分56中的同时，变形部205也形成于管状部201中。于是，管状部201将分隔器82的凸缘部83的前端侧表面，即分隔器82，朝向后端推压。
下面将说明引线框架10。图3示出了每个引线框架10的外部透视图。本实施例中的空气燃料比传感器2被设计为包括两种框架啮合部件的形状有所不同的引线框架10(图3中左边的为第一引线框架11，右边的为第二引线框架211)。引线框架10由即使在反复地经受高温之后也能保持弹性(回弹力)的公知材料(例如铬镍铁合金、不锈钢)制成。
首先，第一引线框架11由轴向延伸的长板形框架本体12以及从框架本体12的端部延伸且其弯曲形部件位于框架本体12和传感元件4之间的设备接触部件16所构成，并且被布置来让设备接触部件16的部件与传感元件4的一个电极端子部相接触。
框架本体12在轴向上基本上中点处具有弯曲部13并且被设计来使得比弯曲部13更靠近前端的前端部以及比弯曲部13更靠近后端的后端部被布置在板厚方向上的不同位置处。
第一引线框架11在框架本体12的前端侧上设有第一框架啮合部件19，其被形成为放置在分隔器82的第一啮合凹槽90中。第一框架啮合部件19被设计来从框架本体12的前端的侧面朝着垂直于板面的方向延伸，同时被弯曲来提供一个平行于框架本体12的板面的部分。
设备接触部件16被形成为具有连接侧端部14，其延续到框架本体12的前端并径向向内地弯曲以转变方向，同时在轴向上变为后端部分的开口侧端部15在第一引线框架11本身处于自由状态时与框架本体12分开。设备接触部件16形成为弯曲形状以使得其距离框架本体12轴向中点的间隙大于从开口侧端部15到框架本体12的间隙，并且弯曲形状的凸面被带入与传感元件4相接触。
设备接触部件16的连接侧端部14被设计为在受到外力时可弹性变形，以使得当连接侧端部14被弹性变形从而使开口侧端部15更靠近框架本体12时，开口侧端部15就与框架本体12的弯曲部13相接触。该第一引线框架被构造为使得在开口侧端部15与框架本体12的弯曲部13相接触时，设备接触部件16的弯曲部被弹性地变形。
此外，第一引线框架11包括在框架本体12的后端(图中的上端)整体地形成且宽度大于框架本体12的导线连接部件17。该导线连接部件17通过弯曲而形成为管状并且随后与插入其中的导线46(省略其图示)的芯线一起径向向内地卷曲，并且因而其与导线46相结合。
接着，第二引线框架211由第二框架本体212和第二设备接触部件216构成，所述第二框架本体212具有在轴向上位于中间位置向前的前部并且宽度小于第一引线框架的框架本体12的宽度，所述第二设备接触部件216的宽度小于第一引线框架11的设备接触部件16。
第二框架本体212在板面的宽度上与第一引线框架11的框架本体12不同，但是在平行于轴向且垂直于板面的平面上的剖面形状上类似于框架本体12，并且包括相当于弯曲部13的第二弯曲部213。
第二设备接触部件216在板的宽度和厚度上与第一引线框架11的设备接触部件16不同，但是在平行于轴向且垂直于板面的平面上的剖面形状上类似于设备接触部件16，并且包括相当于连接侧端部14的第二连接侧端部214和相当于开口侧端部15的第二开口侧端部215。
第二引线框架211在框架本体212的前端侧上设有第二框架啮合部件219，其被形成为放置在分隔器82的第二啮合凹槽91中。第二框架啮合部件219被设计来从框架本体212在垂直于板面的方向上延伸并且被向外弯曲从而形成一个平行于框架本体212的板面的部分。第二引线框架211还包括位于第二框架本体212的后端处的第二导线连接部件217，其形状基本上与第二引线框架11的导线连接部件17相同。
在如上构造的引线框架10中，四个第一引线框架11和一个第二引线框架211布置在分隔器82的插孔84内同时它们借助于第一肋87和第二肋89来彼此绝缘。在此情况下，这四个第一引线框架11被布置为两个处于与传感元件4的电极端子部30和32相应的第一框架定位凹槽86中并且两个处于与传感元件4的电极端子部34和36相应的第二框架定位凹槽88中。第二引线框架211被布置在与传感元件4的电极端子部31相应的第一框架定位凹槽86中。
图5示出了分隔器82的透视图，其中引线框架10放置在插孔84内。如图5所示，当第一引线框架11被布置在插孔84内时，第一框架啮合部件19被啮合在分隔器82的第一啮合凹槽90中。当第二引线框架211被布置在插孔84内时，第二引线框架211的第二框架啮合部件219被啮合在分隔器82的第二啮合凹槽91中。
引线框架10以如此的方式布置在插孔84内以使得每根导线连接部件17(第二导线连接部件217)与每根导线46相结合并且随后将引线框架10与导线46一起插入到分隔器82的插孔84内。
每个引线框架10被固定地保持在分隔器82的插孔84的内壁和传感元件4之间同时设备接触部件16与传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36中的任何一个相接触地被弹性变形。在本实施例中的空气燃料比传感器2中，如图1所示，引线框架10的设备接触部件16和传感元件4的电极端子部之间的接触区域301在空气燃料比传感器2的轴向(图1中的垂直方向)上被定位在分隔器82的由推压金属片200支撑的被支撑区域303的后面。在本实施例中，事先调整分隔器82的凸缘部83的形成位置以使得分隔器82的由推压金属片200支撑的被支撑区域303被定位在引线框架10的设备接触部件16和传感元件4的电极端子部之间的接触区域301的后面。
下面将说明在外套筒44中将分隔器82保持为与引线框架10相装配的同时装配空气燃料比传感器2的工作。空气燃料比传感器2的装配方法(制造方法)可以有很多种，但是这里将举例说明其中两个。
空气燃料比传感器2的第一种装配方法如下。
五个分别连接到导线46的引线框架10布置在如上所述的分隔器82中。此时，推压金属片200安装在分隔器82的前端侧部分301的外周边上以使得J形保持部203与凸缘部83的前端侧表面相接触。随后，将弹性密封元件50放置在分隔器82的后端表面305上并且在此状态下从弹性密封元件50一侧移动外套筒44。外套筒44被移动，直到外套筒44的第二肩部48变得与弹性密封元件50的突出部305相接触从而将分隔器82和弹性密封元件50容纳在外套筒44内。在此状态下，分隔器82被容纳为不与外套筒44的内圆周表面相接触。
通过使用压力夹具来将外套筒44的第二管状部分56的位于推压金属片200的管状部分201的径向外侧的一部分径向向内地压接以形成变形部65，从而同时使存在于其内侧的推压金属片200变形。因而，推压金属片200将分隔器82朝向后端推压。变形部65由从所有侧面的圆形压接形成。在推压金属片200被变形同时分隔器82被保持为与弹性密封元件50的前端表面相接触的情况下，推压金属片200在弹性密封元件50上的小负荷(大约5N)作用之下从后端向前端变形从而防止弹性密封元件50的较大位移。
然后，通过使用压力夹具来压接外套筒44的第三管状部分58的位于弹性密封元件50周围的一部分从而将弹性密封元件50相对于外套筒44和每根导线46气密地密封。于是，分隔器82就被固定地保持在推压金属片200和弹性密封元件50之间并且不与外套筒44的内圆周表面相接触，而后端表面305的周边边缘仍与弹性密封元件50的前端表面52相接触。如同刚才所述的，首先制造了上组件。
接着，另外地执行装配下组件的工作，所述下组件包括传感元件4、陶瓷套筒6、滑石环108、陶瓷保持件106、金属壳体102、外保护件42及其它部件。这个下组件以适合的方式制造以使得板形传感元件4的后端侧部分从金属壳体102的后端突出。
以上制造的上和下组件被相对地移动以便将传感元件4的后端侧插入分隔器82的其中已经布置有引线框架10的插孔84内。于是，引线框架10的设备接触部件16(第二设备接触部件216)就与传感元件4的电极端子不30、31、32、34和36相接触，提供与之的电连接。然后，定位于金属壳体102径向外侧的外套筒44(第一管状部分54)就被径向向内地压接并且由激光圆周地焊接从而将外套筒44连接到金属壳体102。以上述方式，就完成了空气燃料比传感器2。
接着，将说明装配空气燃料比传感器2的第二种方法。
五个分别连接到导线46的引线框架10布置在如上所述的分隔器82中。此时，推压金属片200安装在分隔器82的前端侧部分301的外周边上以使得J形保持部203与凸缘部83的前端侧表面相接触。随后，将弹性密封元件50放置在分隔器82的后端表面305上并且在此状态下从弹性密封元件50一侧移动外套筒44。外套筒44被移动，直到外套筒44的第二肩部48变得与弹性密封元件50的突出部305相接触从而将分隔器82和弹性密封元件50容纳在外套筒44内。在此状态下，分隔器82被容纳为不与外套筒44的内圆周表面相接触。
通过使用压力夹具来将外套筒44的第二管状部分56的位于推压金属片200的管状部分201的径向外侧的一部分径向向内地压接以形成变形部65，从而同时使存在于其内侧的推压金属片200变形。因而，推压金属片200将分隔器82朝向后端推压。如刚才所述，首先制造出了上组件。要说明的是，变形部65由从所有侧面的圆形压接形成。在推压金属片200被变形同时分隔器82被保持为与弹性密封元件50的前端表面相接触的情况下，推压金属片200在弹性密封元件50上的小负荷(大约5N)作用之下从后端向前端变形从而防止弹性密封元件50的较大位移。
然后，另外地执行装配下组件的工作，所述下组件包括传感元件4、陶瓷套筒6、滑石环108、陶瓷保持件106、金属壳体102、外保护件42及其它部件。这个下组件以适合的方式制造以使得板形传感元件4的后端侧部分从金属壳体102的后端突出。
以上制造的上和下组件被相对地移动以便将传感元件4的后端侧插入分隔器82的其中已经布置有引线框架10的插孔84内。于是，引线框架10的设备接触部件16(第二设备接触部件216)就与传感元件4的电极端子部30、31、32、34和36相接触，提供与之的电连接。
这里，在第二种装配方法中，通过推压金属片200的变形，上组件的分隔器82被推向弹性密封元件50。那时，然而，与前述第一种装配方法不同，弹性密封元件50没有通过压接到外套筒44而被压缩地变形。于是，分隔器82以相对较小的力保持在推压金属片200和弹性密封元件50之间。此时，陶瓷套筒6、金属壳体102和其它部件的尺寸公差以及构成下组件的传感元件4本身的制造因素可能会导致传感元件4相对于金属壳体102中心轴线稍微偏心的装配以及从金属壳体102突出的后端侧部分的翘曲。
在第二种装配方法的上组件中，然而，如上所述放置在推压金属片200和弹性密封元件50之间的分隔器82以相对较小的力保持。于是，在传感元件4的后端被插入分隔器82的插孔84中的情况下，允许分隔器82在分隔器82的被推压金属片200支撑的被支撑区域附近稍微倾斜，即使是传感元件4的后端侧部分中有翘曲。这使得可以有效地防止传感元件4破裂或破碎。
然后，定位于金属壳体102径向外侧的外套筒44(第一管状部分54)就被径向向内地压接并且由激光圆周地焊接从而将外套筒44连接到金属壳体102。随后，通过使用压力夹具来压接外套筒44的第三管状部分58的位于弹性密封元件50周围的一部分从而将弹性密封元件50相对于外套筒44和每根导线46气密地密封。于是，分隔器82就被固定地保持在推压金属片200和弹性密封元件50之间并且不与外套筒44的内圆周表面相接触，同时后端表面305的周边边缘仍与弹性密封元件50的前端表面52相接触。以上述方式，就完成了空气燃料比传感器2。
在本实施例中，引线框架10相当于权利要求中的电极输出端子，推压金属片200相当于推压元件。
如上所述，在本实施例的空气燃料比传感器2中，分隔器82被保持在外套筒44中同时分隔器82的外圆周表面不与外套筒44的内圆周表面相接触。换言之，分隔器82被容纳在外套筒44内，且与外套筒44的内圆周表面具有间隙。于是，即使散射的石头等与外套筒44相碰撞，由于冲击所导致的压应力也能在间隙中释放。因而，即使从外面对外套筒44施加冲击，这种冲击也不会被直接传递到分隔器82，因而就能防止分隔器82的破裂。
在本实施例中，此外，当分隔器82被保持在外套筒44中且不与外套筒44的内圆周表面相接触时，分隔器82在与弹性密封元件50的前端表面50相接触的情况下被保持并且被推向后端。这样，由于分隔器82被弹性地保持为与弹性密封元件50相接触，即使有冲击从外面施加到外套筒44，弹性密封元件50也能缓冲或吸收冲击，从而防止分隔器82在外套筒44中摇晃。因此，在分隔器82被保持为不与外套筒44的内圆周表面相接触时，在空气燃料比传感器2的使用期间，分隔器82能被稳定地保持在外套筒44内。
在本实施例中，此外，由于通过使用如图6所示的推压元件200将分隔器82保持在外套筒44中，就能稳定地保持分隔器82。
在本实施例中，分隔器82的由推压金属片200支撑的被支撑区域301被定位为在空气燃料比传感器2的轴向上比引线框架10的设备接触部件16和传感元件4的电极端子部之间的接触区域303更靠近后端。由于分隔器82的由推压金属片200支撑的被支撑区域301与位于引线框架10的设备接触部件16和传感元件4的电极端子部之间的接触区域303被定位为如上所述在空气燃料比传感器2的轴向上呈偏移的关系，在被支撑区域303附近由于分隔器82摇晃所导致的应力不大可能影响接触区域301，并且能有效地防止传感元件4等的破裂。
而且，在本实施例中，分隔器82的外圆周表面和外套筒44的内圆周表面从径向上看间隔0.5mm或更大。因此，外套筒44的内圆周表面不大可能与分隔器82的外圆周表面相接触，即使散射的石头等与外套筒44相碰撞。这使得能有效地防止分隔器82的破裂。
在本实施例中，此外，分隔器82的后端表面305被形成为从周边边缘朝着中心定位的插孔84球形地凹进，并且只是让分隔器82的后端表面305的球形边缘与弹性密封元件50的前端表面52相接触。具有这种结构，即使在空气燃料比传感器2的使用期间弹性密封元件50热膨胀，也可以允许弹性密封元件50被释放入分隔器82的后端表面305的凹进部分。因此，即使有热膨胀，也能防止弹性密封元件50由于分隔器82的约束(压力)而被损坏。
在上述优选实施例中已经解释了本发明，但是本发明并不限于前述实施例而是可以在不偏离其主旨的范围内进行适当的变化。例如，本发明所应用的传感器并不限于传感元件形成有五个电极端子部的气体传感器，而是可以应用于传感元件包括四个或更少或者六个或更多电极的任何气体传感器。上述实施例中使用的是由检测气体的设备部件和加热该设备部件的加热器所构成并且这两者通过陶瓷层相连接的传感元件。替代地，可以使用由整体层压且一起烧结的板形设备和加热器所构成的传感元件。
权利要求
1.一种气体传感器，包括传感元件，其形成为在轴向上延伸并且在前端侧暴露于作为检测目标的气体；保持该传感元件的金属壳体；在其前端部与金属壳体相连接的外套筒；多个与传感元件呈导电关系的电极输出端子；多根分别连接至电极输出端子的导线；分隔器，其容纳在外套筒中并且将电极输出端子彼此间绝缘地分别设置在其中；和具有导线插孔的弹性密封元件，导线分别通过所述导线插孔插入，该弹性密封元件被定位在外套筒内比分隔器更靠近后端侧，其中分隔器被保持在外套筒内以使得其在与弹性密封元件的前端表面相接触的同时被朝向后端推压，并且分隔器的外圆周表面不与外套筒的内圆周表面相接触。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中分隔器包括位于后端侧上的后端侧部分、位于前端侧上的前端侧部分、以及位于后端侧部分和前端侧部分之间的凸缘部，凸缘部的直径比后端侧部分和前端侧部分大并且包括有形成于前端侧部分的一侧上且朝向前端侧的前端侧表面，并且分隔器被保持在弹性密封元件和推压元件之间，同时借助于在凸缘部的前端侧表面上朝向弹性密封元件的前端表面施加压力的推压元件来将分隔器与弹性密封元件的前端表面相接触地朝向后端推压。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中推压元件定位在分隔器的前端侧部分的外周边上，并借助于一个变形部将分隔器朝向后端推压，所述变形部已经由于径向向内地压下外套筒位于推压元件径向外侧的一部分而被变形为向内的凸形。
4.根据权利要求2或3所述的气体传感器，其中传感元件为板形并且在后端侧上的前和后表面上具有多个电极端子部，电极输出端子被固定地保持在分隔器和传感元件之间，同时电极输出端子与传感元件的相应电极端子部相接触，并且位于每个电极输出端子和传感元件的每个电极端子部之间的接触部分与分隔器的由推压元件所支撑的被支撑部分在气体传感器的轴向上定位为相对彼此呈偏移关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其中分隔器的外圆周表面和外套筒的内圆周表面在径向上间隔0.5mm或更大。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器，其中分隔器的后端表面被形成为从周边边缘径向向内地凹陷的形状，并且分隔器被保持在外套筒内以使得后端表面的周边边缘与弹性密封元件的前端表面相接触。
全文摘要
一种气体传感器，其中即使在有冲击从外面施加于外套筒的时候也能防止分隔器破裂并且分隔器能被稳定地保持在外套筒内。分隔器(82)被容纳在外套筒(44)内且不与外套筒(44)的内圆周表面相接触，并且分隔器(82)被保持为与弹性密封元件(50)的前端表面相接触并且被朝向后端推压。这时，分隔器(82)被保持在推压金属片(200)和弹性密封元件(50)之间同时被朝向弹性密封元件(50)推压。推压金属片(200)定位于分隔器(82)的前端侧部分(301)周围，并且在外套筒(44)的变形部(205)的作用下，推压金属片(200)被变形以便将分隔器(82)朝向后端推压。由于以上结构，即使在有冲击从外面应用于外套筒(44)的时候，冲击也不会被直接传递到分隔器(82)并且弹性密封元件(50)吸收或缓冲这种冲击。于是，就能防止分隔器(82)的破裂。
文档编号G01N27/41GK1860362SQ20048002818
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年9月29日
发明者松尾康司, 德重和朗 申请人:日本特殊陶业株式会社