专利名称：氧气传感器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及氧气传感器，更详细地说，涉及适合于检测从汽车内燃机排出的废气中的氧气浓度的类型的氧气传感器。
背景技术：
迄今为止，特别是在汽车内燃机的领域中，已经提出了各种类型的氧气传感器，并已付诸实施。
在日本专利申请公开(特开平)9-178694中表示出了这种氧气传感器中的一种。该专利申请公开的氧气传感器一般包括一个管状外壳，一个安装到该管状外壳内的氧气检测单元，一个插入到该管状外壳的敞开的基端内的橡胶衬套，和从氧气检测单元通过橡胶衬套延伸到管状外壳外部的引出线。
在使用中，为了测量废气中的氧气的量，将氧气传感器安装到在发动机运转时被高度加热的排气歧管或排气管内。即，在发动机运转时，橡胶衬套持续受到热冲击。因此，通常，橡胶衬套由耐热型的橡胶制成，通过增加外壳的长度将橡胶衬套置于远离被高度加热的管状外壳的头部部分和/或通过利用独立的热保护构件保护橡胶衬套免受高热。
发明的内容然而，即使是上面所述的用于避免对橡胶衬套的剧烈的热冲击的措施，也未能显示出令人满意的结果，特别是在从发动机排出的废气的温度非常高和/或由于氧气传感器所处的有限的空间而使得实际上不可能实现管状外壳的延长的情况下，更是如此。实际上，在摩托车的情况下，很难提供具有足以放置这种氧气传感器的空间的发动机排气系统。当然，迄今为止，已经提出了用于保护橡胶衬套免受这样的高热的各种措施，并已付诸实际应用。但是，由于将这些措施付诸实际应用的困难性，几乎所有这些措施都导致氧气传感器的制造成本增加。
因此，本发明的一个目的是提供一种没有上述缺点的氧气传感器。
即，本发明的主要目的是提供一种氧气传感器，该氧气传感器通过实际上利用引出线作为热传导和热辐射手段来保护橡胶衬套免受高热。
根据本发明的第一个方面，提供一种氧气传感器，该氧气传感器包括管状外壳；安装在管状外壳的前端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过管状外壳的敞开的基端延伸到管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到管状外壳的敞开的基端内的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤50％其中，Al引出线的总的截面面积。
Ar橡胶衬套的截面面积。
根据本发明的第二个方面，提供一种氧气传感器，该氧气传感器包括管状外壳；安装在管状外壳的顶端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过管状外壳的敞开的基端延伸到管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到管状外壳的敞开的基端中的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构满足以下的不等式Ao/Ar≥40％其中，Ao引出线的全部芯线的截面面积。
Ar橡胶衬套的截面面积。
根据本发明的第三个方面，提供一种氧气传感器，该氧气传感器包括管状外壳；安装在管状外壳的前端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过管状外壳的敞开的基端延伸到管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到管状外壳的敞开的基端中的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构包括多个被相等地分隔开的橡胶衬套区域，所述区域的数目对应于引出线的数目，橡胶衬套的每一个区域具有一个中心位置，对应的引出线通过该中心位置，其中，所述耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤50％其中Al引出线的总的截面面积。
Ar橡胶衬套的截面面积。
通过下面结合附图的说明，本发明的其它目的和优点将会变得十分清楚。
图1是根据本发明的氧气传感器的剖视图；图2是沿着图1的II-II线所取的剖视图；图3是按照线束占有率与橡胶衬套的温度之间的关系、表示对于本发明的氧气传感器的橡胶衬套的温度降低能力的曲线；图4是按照芯线占有率与橡胶衬套的温度之间的关系、表示对于本发明的氧气传感器的橡胶衬套的温度降低能力的曲线；图5是按照芯线的铜含量百分比与橡胶衬套的温度之间的关系、表示对于本发明的氧气传感器的橡胶衬套的温度降低能力的曲线。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行详细的描述。
为了便于理解，在下面的描述中，采用了各种有关方向的术语，例如，右、左、上、下、向右等等。然而，应当理解，这些术语只是相对于表示对应的部件或部分的附图而言的。
参照图1和图2，特别是参照图1，图中表示出了根据本发明的氧气传感器100。
在所揭示的例子中，氧气传感器100用于感知来自汽车内燃机(未示出)的废气中的氧气浓度，并且因此，传感器100安装在从内燃机中延伸出来的排气管30上。
如从图1中看出的那样，氧气传感器100包括圆柱形保持器4，该圆柱形保持器4具有从其中穿过地形成的圆柱形孔3，以及紧密地容纳在该圆柱形孔3内的圆柱形杆构件2。如图所示，圆柱形杆构件2具有暴露在圆柱形孔3外部的左端部分和右端部分。左端部分设有氧气检测元件2b，右端部分设有电极2a。尽管没有很好地表示出来，然而，在氧气检测元件2b与每个电极2a之间延伸有用于在其间进行电连接的导线。
氧气检测元件2b容纳在双管型的保护器9内，该保护器9具有通过焊接、铆接等固定到圆柱形保持器4上的敞开的基端。
如图所示，双管型的保护器9包括内管和外管，所述内管和外管连接在一起，以便在它们之间形成圆柱形的空间。内管和外管形成有小的开口9a和9b，通过这些小的开口，排出管30内的部分废气被引导至氧气检测元件2b。
保持器4的圆柱形孔3形成于电极2a附近的位置，并带有一个沿直径方向扩大的空间部分10，在该空间部分10内紧密地安装着密封结构5，用以在圆柱形杆构件2和圆柱形孔3之间实现气密性的密封。
密封结构5包括容纳在扩大的空间部分10内的大量的陶瓷粉末12(例如，未烧结的滑石粉等)和设置成紧密地将陶瓷粉末12封装在扩大的空间部分10内的垫圈13。
如图所示，圆柱形杆构件2的右端被紧密地容纳在围绕电极2a的圆柱形玻璃保持器7内。圆柱形玻璃保持器7的左端被一个由圆柱形保持器4的右端所限定的保持部分紧紧地抓住。
圆柱形玻璃保持器7置于圆柱形外壳8内，该圆柱形外壳8具有通过激光束焊接固定到圆柱形保持器4的右侧外周端部上的左端。如图所示，在玻璃保持器7和圆柱形外壳8之间限定出圆柱形的空间。由于激光束焊接，在圆柱形外壳8与圆柱形保持器4之间的连接部分被气密性地密封。
圆柱形外壳8在其右侧具有沿直径方向缩小的保持部8b，该保持部8b具有安装于其内的圆柱形的橡胶衬套16。橡胶衬套16用耐热材料、例如氟橡胶等构成。圆柱形外壳8的保持部8b具有凸缘8a，由该凸缘8a紧密地保持橡胶衬套16的右侧周缘。
如从图2中可以最清楚地看出的那样，有四个引出线17延伸通过橡胶衬套16。每个引出线17包括由金属制造的芯线17a和包裹芯线17a的绝缘体覆层17b。
返回来参考图1，由于橡胶衬套16所具有的弹性，可以在每个引出线17和橡胶衬套16之间以及在橡胶衬套16和圆柱形外壳8之间实现气密性的密封。即，将限定于玻璃保持器7和圆柱形外壳8之间的圆柱形的内部空间与氧气传感器100的外部密封地隔离开。
如图1所示，引出线17在它们的左端具有各自的被保持在玻璃保持器7内的终端构件6。将每个终端构件6制成表现出弹性，借助该弹性，将终端构件6压到对应的电极2a上，以便实现它们之间的所需的电连接。
在使用中，将氧气传感器100安装到排气管30上，使其检测侧(即，双管型保护器9侧)暴露于排气管30的内部。为了进行这一安装，排气管30形成有螺纹孔31，圆柱形保持器4的螺纹部分4b与之紧密地配合。垫圈19有效地配置在排气管30和氧气传感器100之间，以便在其间获得气密性的密封。
在运转过程中，当通过小的开口9a、9b将流入排气管30内的部分废气引导到双管型保护器9的内部时，氧气检测元件2b检测出废气中的氧的量，并发出相应的信息信号。该信息信号通过导线、电极2a、终端构件6和引出线17被引导至外部的电气装置(未示出)中。
下面将参照附图，特别是参照图3至图5详细说明本发明的重点和特征。
在本发明中，由于随着描述的进行将会变得更加清楚的原因，将每个引出线17(更详细地说，是引出线17的芯线17a)制造得比如上面提到的专利公开(即，特开平9-178694)中所揭示的传统的引出线粗。即，通过采用这种较粗的引出线17，可以获得引出线17的有效的热传导和热辐射，这促进了对橡胶衬套16过热的抑制。即，通过使用这种较粗的引出线17，改进了橡胶衬套16的耐热性，并因此抑制了衬套16的不希望的破裂。
图3为一曲线图，表示为了研究并提供本发明的第一个实施例、由本发明人等所进行的实验的结果。为了进行这些实验，本发明人等准备了各种类型的试验片，这些试验片除了引出线17的数目和厚度之外与图1所示的氧气传感器的结构相同。
在图3的曲线图中，x轴(即，横坐标)表示线束占有率“Rh”，y轴(即，纵坐标)表示橡胶衬套16的温度“T”。
由下面的等式计算出线束占有率“Rh”Rh＝Al/Ar …………(1)其中Al全部的引出线17的截面面积。
Ar橡胶衬套16的截面面积。
应当注意，每个引出线17的截面面积和橡胶衬套16的截面面积，是相对于定义为垂直于相应的轴的横截面的面积所测得的。
还应当注意，橡胶衬套16的温度“T”是由设置于在实验过程中其温度保持恒定的排出管内的各个试验片的橡胶衬套16所指示的温度。
还应当注意，在实验中使用的各个引出线17是覆层电线，所述覆层电线包括热传导率为398W/m□K的铜芯线17a和被覆铜芯线17a的氟树脂的覆层17b。
如可以从图3的曲线看出的那样，随着线束占有率“Rh”的增加，即，随着各个引出线17的厚度的增加，橡胶衬套16的温度“T”降低。这意味着，随着线束占有率“Rh”的增加，引出线17对于橡胶衬套16的所谓降低温度的能力增加。
当线束占有率“Rh”超过大约10％时，对于橡胶衬套16的降低温度的能力变为恒定，同时保持足够的效果。因此，从降低温度的效果的角度出发，优选采用在高于10％的范围内的线束占有率“Rh”。
但是，当线束占有率“Rh”超过50％时，橡胶衬套16的密封性能变差。这可能是由于橡胶衬套16的体积减少、其弹性降低所引起的。
另外的实验表明，当线束占有率“Rh”低于30％时，即，当10％≤Al/Ar≤30％成立时，橡胶衬套16表现出优异的密封能力。
由上面描述的实验，揭示出当线束占有率“Rh”在约10％至约50％的范围内时，即，当10％≤Rh≤50％成立时，可以同时确保对于橡胶衬套16的降低温度的能力和橡胶衬套16的密封性能。进而，揭示出当线束占有率“Rh”在约10％至约30％的范围内时，即，当10％≤Rh≤30％成立时，除了有足够的降低温度的能力之外，橡胶衬套16还显示出极好的密封能力。
另外的实验进一步表明，当将引出线17以相等的间隔配置在橡胶衬套16中时，对于橡胶衬套16的降低温度的能力和橡胶衬套16的密封性能显示出它们的最佳值。因此，如从图2中看出的那样，如果引出线17的数目是四个，则四个引出线17应当分别位于橡胶衬套16的四个相等的区域内，所述四个相等的区域是通过以90度划分橡胶衬套16的截面面积而提供的。
图4是一个曲线图，表示本发明人等为了研究并提供本发明的第二个实施例而进行的其它实验的结果。
在图4的曲线图中，x轴(即，横坐标)表示芯线占有率“Rc”，y轴(即，纵坐标)表示橡胶衬套16的温度“T”。
由下面的等式计算出芯线占有率“Rc”Rc＝Ao/Ar ……………(2)其中Ao引出线17的全部芯线17a的截面面积。
Ar橡胶衬套16的截面面积。
如从图4的曲线图中看出的那样，随着芯线占有率“Rc”的增加，即，随着每个引出线17的芯线17的厚度的增加，橡胶衬套16的温度降低。这意味着，随着芯线占有率“Rc”的增加，对于橡胶衬套16的降低温度的能力增加。
当芯线占有率“Rc”超过大约40％时，对于橡胶衬套16的降低温度的能力变为恒定，并保持足够的效果。因此，从降低温度的效果的角度出发，优选使用在高于40％的范围内的芯线占有率“Rc”。
很容易理解，当芯线17a变细时，引出线17的整个结构的热传导和热辐射能力降低，这使得对于橡胶衬套16的降低温度的能力减小。当然，从电阻的角度出发，过细的芯线17a也是不可取的。
图5是一个曲线图，表示本发明人等为了研究并提供本发明的第三个实施例而进行的进一步的另外的实验的结果。
在图5的曲线图中，x轴(即，横坐标)表示铜含量百分比“Ru”，y轴(即，纵坐标)表示橡胶衬套16的温度“T”。
应当注意，铜含量百分比“Ru”是包含在引出线17的芯线17a中的铜的百分比。
还应当注意，在实验中使用的芯线17a是组合的导线构件，包括热传导率约为398W/m□K的铜线和热传导率约为23W/m□K的不锈钢线。
如可以从图5的曲线图中看出的那样，随着铜的百分比含量“Ru”的增加，即，随着芯线17a的热传导率的增加，橡胶衬套16的温度“T”降低。这意味着，随着铜的百分比含量“Ru”的增加，对于橡胶衬套16的降低温度的能力增加。
当铜的百分比含量“Ru”超过大约50％时，对于橡胶衬套16降低温度的能力变为恒定，并且保持足够的效果。因此，从降低温度的效果的角度出发，优选使用在高于50％的范围内的铜百分比含量“Ru”。
很容易理解，当在芯线17a内较高传导率的金属的含量小时，芯线17a的热传输能力和热辐射能力以及引出线17的整个结构的热传输能力和热辐射能力减小，这使得对于橡胶衬套16的降低温度的能力变差。热传导率在300W/m□K以上的金属是铜(Cu)、银(Ag)和金(Au)。因此，作为经济的制造芯线17a的材料，可以使用黄铜、磷青铜和/或镀铜的不锈钢。
如上面已经描述过的那样，当线束占有率”Rh”在约10％至约50％的范围内时(即，第一个实施例)，可以同时确保对于橡胶衬套16的降低温度的能力和橡胶衬套16的密封性能。
进而，当线束占有率”Rh”在约10％至约30％的范围内时，除了对于橡胶衬套16的足够的降低温度的能力之外，橡胶衬套16的密封性能变得非常好。
当芯线占有率“Rc”采取超过40％的值时(即，第二个实施例)，确保对于橡胶衬套16的降低温度的能力。
当热传导率大于300W/m□K的金属的百分比含量“Ru”采取超过50％的值时(即，第三个实施例)，确保对于橡胶衬套16的降低温度的能力。
2004年10月27日提出的日本专利申请2004-312081的全部内容在这里被结合作为参考。
尽管上面参照本发明的实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上面所描述的实施例。根据上面的描述，熟悉本领域的人员可以完成各种改型和变型。
权利要求
1.一种氧气传感器，包括管状外壳；安装在该管状外壳的前端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过所述管状外壳的敞开的基端延伸到管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到所述管状外壳的敞开的基端内的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤50％其中Al引出线的总的截面面积，Ar橡胶衬套的截面面积。
2.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤30％。
3.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述耐热结构满足以下的不等式Ao/Ar≥40％其中Ao引出线的全部芯线的截面面积，Ar橡胶衬套的截面面积。
4.如权利要求3所述的氧气传感器，其特征在于，在所述芯线的材料的重量百分比中，超过50％是由热传导率高于300W/m□K的金属构成的。
5.一种氧气传感器，包括管状外壳；安装在管状外壳的顶端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过所述管状外壳的敞开的基端延伸到所述管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到管状外壳的敞开的基端中的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构满足以下的不等式Ao/Ar≥40％其中Ao引出线的全部芯线的截面面积，Ar橡胶衬套的截面面积。
6.如权利要求5所述的氧气传感器，其特征在于，在所述芯线的材料的重量百分比中，超过50％是由热传导率高于300W/m□K的金属构成的。
7.如权利要求5所述的氧气传感器，其特征在于，每个引出线的芯线的材料是黄铜、磷青铜和镀铜的不锈钢中的任意一种。
8.一种氧气传感器，包括管状外壳；安装在管状外壳的前端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过所述管状外壳的敞开的基端延伸到所述管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到所述管状外壳的敞开的基端中的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构，其中，该耐热结构包括多个被相等地分隔开的橡胶衬套区域，所述区域的数目对应于引出线的数目，橡胶衬套的每一个区域具有一个中心位置，对应的引出线通过该中心位置，并且其中，所述耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤50％其中Al引出线的总的截面面积，Ar橡胶衬套的截面面积。
9.如权利要求8所述的氧气传感器，其特征在于，所述耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤30％。
10.如权利要求8所述的氧气传感器，其特征在于，所述耐热结构满足以下的不等式Ao/Ar≥40％其中Ao引出线的全部芯线的截面面积。
11.如权利要求10所述的氧气传感器，其特征在于，在所述芯线的材料的重量百分比中，超过50％是由热传导率高于300W/m□K的金属构成的。
12.如权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述橡胶衬套是由氟橡胶制成的。
全文摘要
一种氧气传感器，该氧气传感器包括管状外壳；安装在管状外壳的前端的氧气检测元件；引出线，所述每一个引出线从氧气检测元件通过管状外壳的敞开的基端延伸到管状外壳的外部，每一个引出线包括一个金属的芯线；插入到管状外壳的敞开的基端内的橡胶衬套，该橡胶衬套具有穿过其内部的引出线；以及用于保护橡胶衬套免受高温的耐热结构。所述耐热结构满足以下的不等式10％≤Al/Ar≤50％其中Al引出线的总的截面面积。Ar橡胶衬套的截面面积。
文档编号G01N27/416GK1769883SQ20051010867
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月18日 优先权日2004年10月27日
发明者内川晶, 塚田正夫, 堺祥一, 川岛正己, 森启治 申请人:株式会社日立制作所