排气传感器及其制造方法

专利名称：排气传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种排气传感器。
背景技术：
排气传感器有助于保证内燃机保持最佳空燃比。典型地，设置 在汽车上的排气传感器可将排气中的氧含量与环境大气中的氧含 量进行比较。来自传感器的反馈控制喷入发动机的燃料量。平面型 传感器和套管型传感器是两种常见排气传感器。平面型传感器具有 扁平陶瓷传感元件。套管型传感器具有套管形状传感元件。

发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种制造排气传感器的方法。 该方法包括将排气传感器的至少一部分组件安置在模制夹具中，用 陶瓷材料包覆成型该组件的至少一部分，以及从模制夹具中去除该 包覆成型的组件。
在另一个实施例中，本发明提供了一种排气传感器装置，其包 括壳体、部分容纳在壳体中的传感元件以及模制到壳体上以对传感 元件的一部分进行封装的陶瓷材料。
在又一个实施例中，本发明提供了一种排气传感器装置，包括 壳体、传感元件以及与壳体和传感元件连接的套筒。该套筒包含模 制在其中的陶瓷材料并且限定出供导电元件延伸穿过的孔。
通过对本发明详细描述和附图的理解，本发明的其它方面可以 变得明显。


图1是本发明的排气传感器的透视图； 图2是沿图1的线2-2截取的排气传感器的剖视图； 图3是图1所示排气传感器组件安置在模制夹具中的剖视图； 图4是图l所示排气传感器部件的局部分解透视图； 图5是本发明的排气传感器的另一种结构的剖视图； 图6是图5所示排气传感器安置在模制夹具中的部分的透视图； 图7是图5所示排气传感器部件的局部分解透视图。 在详细描述本发明的任何实施例之前，应当指出，本发明的应 用并不局限于以下描述或附图中所展示的详细结构和各个元件的 配置。本发明可以具有其它实施例，并且能够以其它实施例实施， 并且能够以不同的方式实施或实现。此外，应当理解，这里使用的 措辞和术语仅仅用于解释，而不应理解为构成限制。使用"包含"、 "包括"或"具有"以及它们的不同变化指的是包括了此后所列 举的项目及其等同物，同时还涵盖了附加项目。除非另行规定或限 制，否则术语"安装"、"连接"、"支撑"、"结合"及其变形 都涵盖了直接和间接安装、连接、支撑、结合。此外，"连接"和 "结合"并不局限于物理或机械连接或结合。
具体实施例方式
图1示出了本发明的排气传感器10。传感器10包括传感器组 件14和引出导线或束线组件18。所示传感器组件14，或短传感器 装置，包括大致圆柱形金属壳体22，其构造成可通过螺纹啮合于机 动式或非机动式用途，例如摩托车、雪地车、全地形汽车、剪草机 等的内燃机的排气管(未示出)或其它部件的螺纹孔上。
参照图2，所示传感器组件14也包括陶瓷材料26、传感元件 30、隔离片34和焊接环38。陶瓷材料26模制在壳体22上以封装 传感元件30的中间部并且部分地填充壳体22的孔42。模制过程中， 陶瓷材料26与壳体22和传感元件30的中间部结合。在所示结构 中，陶瓷材料26是法国的Saint-Gobain Quartz S.A. S.提供的 MICAVEI^HT云母材料。陶瓷材料26邻接隔离片34，该隔离片在所 述实施例中是烧结的块滑石衬套，其设置在壳体22中用作排气(例 如高于摄氏700度)与陶瓷材料26之间的隔热层。在所述实施 例中，隔离片34防止陶瓷材料26完全填充壳体22的孔42。在低 温下应用时，随着陶瓷材料26更多地注入孔42，可取消该隔离片 34。陶瓷材料26也与焊接环38结合，以支撑焊接环38远离壳体 22。焊接环38为束线组件18提供了连接区域，这将在下文描述。
图示结构中，传感元件30是平面型传感器。参考1997年12 月16日申请的美国专利No. 6164120，该文献中的全部内容在此引 作参考，这里就不对平面型传感器的附加特征和操作进行描述。传 感元件30具有从陶瓷材料26 —端延伸出的第一端46和从陶瓷材 料26另一端延伸出的第二端50。所示实施例中，传感元件30的第 一端或排气侧46被内保护管54和外保护管58包围。传感元件30 的排气侧46暴露在内燃机产生的尾气中。
传感元件30的第二端或基准侧50被束线组件18环绕并暴露在 周围环境的基准大气中。然而，在其它构造中(未示出)，陶瓷材 料26也可封装传感元件30的基准侧50并在陶瓷材料26中模制或 成型加工(例如，通过钻孔)空气通道，以便允许传感元件30与 基准大气连通。
在所述实施例中，四个引线脚或焊接脚62通过例如电阻焊接或 铜焊的方式与传感元件30进行电连接。陶瓷材料26局部封装引线
脚62以致每个引线脚62的一端能从陶瓷材料26中延伸。引线脚 62便于束线组件18和传感元件30之间的电接触。在其它实施例中， 可以使用更少或更多的引线脚。
束线组件18包括信号线66、加热线70、罩74、密封垫圈78 和套筒82。焊接端子86设置在每根导线66、 70上并通过电阻焊接 或其它合适的替换方式与传感器组件14的相应的引线脚62电连 接。所述束线组件18包括四根导线66、 70和焊接端子86。然而， 对本领域技术人员而言，很显然，束线组件18可修改为包括更少 或更多的导线66、 70和焊接端子86以与传感器组件14的引线脚 62的数量相匹配。
密封垫圈78局部位于套筒82的第一端90内以支撑导线66、 70。罩74确保密封垫圈78在适当位置并且通过压接或其它合适的 定位方式(例如，铜焊、焊接、粘结等)连接到套筒82的第一端 90。束线组件18通过压配合和激光焊接的方式在套筒82的第二端 94连接到传感器组件14的焊接环38。当然，也可以使用其它合适 的定位操作方式。
如图3所示，在模制夹具102的模制腔98内定位传感器组件 14、去掉陶瓷材料26来制造排气传感器10。将液化或可流动陶瓷 材料喷入(例如，在压力作用下)模制腔98内，包覆成型壳体22 的一部分并局部充满壳体22的孔42。喷入的陶瓷材料也包覆成型 并局部包围传感元件30的中间部和引线脚62部分。当喷入的陶瓷 材料冷却后，陶瓷材料26变硬，因此可粘结到壳体22上。在硬化 期间，陶瓷材料26也粘结并封装了传感元件30的中间部和引线脚 62部分，形成围绕传感元件30中间部和引线脚62部分的密封。焊 接环38在模制腔98中定位成远离壳体22，以便当喷入的陶瓷材料 冷却时，陶瓷材料26也可与焊接环38相粘结。 一旦陶瓷材料26
硬化，包覆成型的传感器组件14从模制腔98中移出。陶瓷材料26 与壳体22、传感元件30、引线脚62及焊接环38的粘结使传感器 组件14组合成单个的、不可分的零件。
图4示出了与束线组件18分离的包覆成型的传感器组件14。 在包覆成型传感器组件14从模制夹具102中移出后，内保护管54 和外保护管58通过压接、焊接或其它合适方式连接到与传感元件 30的排气侧46相邻的壳体22上。束线组件18的零部件组装成远 离传感器组件14，然后第一电阻焊接焊接端子86到引线脚62上， 再压配合和激光焊接套管82到焊接环38上，这样，束线组件18 连接到传感器组件14上。
所述排气传感器IO减少了构造所需的零部件总量。例如，现有 技术中，排气传感器使用围绕传感元件中部的块滑石填料和氮化硼 填料来使排气侧从基准侧密封。这些填料对由燃料蒸汽污染带来的 特性下滑(CSD)问题很敏感。在所述排气传感器10中，块滑石填 料和氮化硼填料都由陶瓷材料26来代替，其用作密封并且对CSD有 较小的敏感度。
此外，所述排气传感器10降低了制造工艺所要求的复杂度和尺 寸。不仅减少了所要求的零部件数量，而且传感元件的长度相比目 前使用的排气传感器也减小。
所述排气传感器IO还在金属部件(例如，壳体22和套筒82)
之间设置了隔热层以防止过量热传导至灵敏部件，例如，密封垫圈 78和导线66， 70。陶瓷材料26是高度隔热层其可阻止热量从传感 元件30的排气侧46传递到基准侧50。陶瓷材料26通过切断金属 与金属间的接触以及具有的相对于块滑石套筒(大约1.6『/ml) 或不锈钢(大约14『/附1)更低的热传导率(大约0. 8『/mi)来 改善排气传感器10的热运行特性。
此外，陶瓷材料26夹持并隔离了引线脚62，使其能耐受高的 牵引力和振动。也就是说，由于包覆成型的陶瓷材料26，要不然会 引起传感元件30和引线脚62分离的牵引力和振动不会在所述排气 传感器10中引起这样的分离。
图5示出了本发明排气传感器110的另一个结构。排气传感器 110包括传感器组件114和束线组件118。传感器组件114包括与 前述实施例的壳体22起相同作用的壳体122、与壳体122直接连接 的焊接环或套筒126、传感元件130、传导元件134和衬套138。
所述结构中，传感元件130是杯状陶瓷元件，或套管型传感器。 参考2004年4月12日申请的美国专利申请公开文献 No. 2005/0224347Al，该文献中的全部内容在此引作参考，这里就 不对套筒型传感器的附加特征和运行进行描述。传感元件130包括 开口端142和封闭端146。传感元件130局部设置在壳体122的孔 150中，以致封闭端146延伸出壳体122。保护管154连接(例如 压接)在壳体122上并包围封闭端146以保护传感元件130并临时 捕集传感元件130的外表面158附近的排气。传感元件130的开口 端142允许基准大气与传感元件130的内表面162相通。传导元件 134与传感元件130在开口端142附近电连接。在所述结构中，示 出了两个传导元件134。然而，对本领域技术人员而言，很显然， 更少或更多的传导元件134可与传感元件130连接。
衬套138的大部分设置在焊接环126和壳体122的孔150的内 部。衬套138包围传导元件134以绝热并支撑该传导元件134。邻 近焊接环126的内表面170安置的盘簧166与衬套138的台肩174 配合，使得衬套138偏向壳体122。
束线组件118包括套筒或束线盖178、陶瓷材料182和焊接端 子186。套筒178以与前述实施例的套筒82和焊接环38相类似的
方式与焊接环126相连接。陶瓷材料182，即法国Saint-Gobain Quartz S. A. S.的MICAVERHT云母材料，部分地填充并模制或粘结在 套筒178的内表面上。导线186部分地延伸穿过陶瓷材料182中的 孔190，并通过电阻焊接的方式与传导元件134电连接。导线密封 件194 (例如，VitorT密封体，从DuPont Performance Elastomers L.L.C of Wilmington, Delaware获得)围绕与焊接端子186连接 的导线196并密封束线组件118的端部。
在一个实施例中，如图6所示，通过在模制夹具198上安置套 筒178来制造排气传感器110。模制夹具198可限定或可不限定模 制腔。模制夹具198包括两个用来产生陶瓷材料182的孔190的插 头202。然而，对本领域技术人员而言，很显然，可包括更少或更 多的插头202与焊接端子186的数量相匹配，因此，也和传感器110 的传导元件134数量相匹配。液化或可流动的陶瓷材料(未示出) 喷入(例如，在压力作用下)套筒178中来部分地填充套筒178。 当喷入的陶瓷材料冷却后，陶瓷材料182变硬并且粘结到套筒178 上。 一旦陶瓷材料182硬化后，套筒178就从模制夹具198中移出。 在另一个结构中，孔190可在陶瓷材料182硬化后形成(例如，通 过钻孔)。
图7示出了与传感器组件114分离的套筒178和包覆成型的陶 瓷材料182。套筒178从模制夹具198上分离后，密封件194插入 陶瓷材料182的孔190中。焊接端子186通过电阻焊接的方式与传 导元件134和导线196相连然后滑入孔190。组装好的束线组件118 然后通过压配合和激光焊接套筒178至焊接环126上的方式与传感 器组件114连接。
现有技术中，束线组件在套管中需要由聚四氟乙烯(PTFE)制 成的结构性密封圈(与图2所示的密封圈类似)，以密封并支撑导
线196。结构性密封圈是束线组件的可分离的部件，并因此，需要
盖或另一固定结构来将密封圈保持在套管中。此外，在套筒中邻近
结构性密封圈安置O型环以确保在结构性密封圈和套筒之间有适当 的密封。
用所述排气传感器110的陶瓷材料182代替结构性密封圈，由 此，允许更高的运行温度并有效减少从排气传到导线密封件194的 热量。此外，陶瓷材料182粘结到套筒178，由此，就无需盖来保 持套筒178中的陶瓷材料182,且无需用0型环在陶瓷材料182和套 筒178之间进行密封。
陶瓷材料182也减少了对束线组件118的其它PTFE和氟烃橡胶 部件例如，导线密封件194等损坏的危害。
尽管参照不同的传感元件类型对排气传感器10、 110和各自陶 瓷材料26、 182进行了描述，然而，对本领域技术人员而言，很显 然，套管型传感器110的束线组件118可适用于并构造成替代平面 型传感器10的束线组件18。也就是说，例如，图5所示的陶瓷材 料182可模制到盖74中以替代图2所示的密封圈78。此外，传感 器110的传感器组件114中的衬套138可以用与传感器10的陶瓷 材料26所描述的相同的方式模制的陶瓷材料来代替。
本发明的各个特点和优点在权利要求中确定。
权利要求
1.一种制造排气传感器的方法，该方法包括将排气传感器的组件的至少一部分安置在模制夹具中；用陶瓷材料包覆成型该组件的至少一部分；和从模制夹具中移出该包覆成型的组件。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，该组件包括传感元件， 并且其中，包覆成型该组件包括至少部分地封装传感元件。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，该组件包括与传感元件 电连接的引线脚，且该方法还包括连接导线至引线脚上。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，包覆成型该组件包括封 装引线脚的至少一部分。
5. 如权利要求l所述的方法，其中，该组件包括壳体，并且 其中，包覆成型使陶瓷材料粘结到壳体上。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，壳体包括孔，并且其中， 包覆成型使陶瓷材料至少部分地填充该孔。
7. 如权利要求1所述的方法，还包括将焊接环围绕陶瓷材料 的一部分安置。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，围绕陶瓷材料安置焊接 环包括在组件的包覆成型过程中，将陶瓷材料模制到焊接环上。
9. 如权利要求7所述的方法，还包括将束线套筒连接至焊接环。
10. 如权利要求l所述的方法，其中，该组件包括套筒，并且其中，包覆成型该组件包括用陶瓷材料填充套筒的至少一部分。
11. 如权利要求io所述的方法，其中，用陶瓷材料填充套筒包括在陶瓷材料中形成至少一个孔。
12. —种排气传感器装置，包括 壳体；部分容纳于壳体中的传感元件；和 模制到壳体上以封装传感元件的一部分的陶瓷材料。
13. 如权利要求12所述的排气传感器装置，其中，陶瓷材料 封装传感元件的中间部，留有传感元件的至少一端不封装。
14. 如权利要求12所述的排气传感器装置，其中，陶瓷材料 至少部分地模制到壳体内的孔中。
15. 如权利要求12所述的排气传感器装置，还包括安置在壳 体中的隔离片，陶瓷材料邻接隔离片。
16. 如权利要求12所述的排气传感器装置，还包括束线组件， 束线组件包括导线和套筒。
17. 如权利要求16所述的排气传感器装置，其中，焊接环安 置在陶瓷材料上，且束线组件的套筒连接至焊接环。
18. 如权利要求16所述的排气传感器装置，还包括具有与传 感元件电连接的第一端的引线脚，其中，引线脚被陶瓷材料至少部 分地封装以使引线脚的第二端从陶瓷材料延伸并与束线组件的导线连接。
19. 如权利要求12所述的排气传感器装置，其中，传感元件 为平面传感元件。
20. 如权利要求12所述的排气传感器装置，其中，模制的陶 瓷材料为云母材料。
21. —种排气传感器装置，包括-壳体；传感元件；和与壳体和传感元件连接的套筒，套筒包括模制在其中的陶瓷材 料，并且限定出供传导元件延伸穿过的孔。
22. 如权利要求21所述的排气传感器装置，还包括安置在由 模制的陶瓷材料限定出的孔内的密封件，其中，密封件环绕与传导 元件相连的导线的一部分。
23. 如权利要求21所述的排气传感器装置，其中，传感元件 包括杯状陶瓷元件。
24. 如权利要求21所述的排气传感器装置，其中，模制的陶瓷 材料是云母材料。
全文摘要
本发明公开了一种排气传感器及其制造方法。所述排气传感器装置，包括壳体；部分容纳于壳体中的传感元件；和模制到壳体上以封装传感元件的一部分的陶瓷材料。所述制造方法包括在模制夹具中安置排气传感器的组件的至少一部分，用陶瓷材料包覆成型组件的至少一部分，和从模制夹具中移出包覆成型的组件。
文档编号G01N27/409GK101206190SQ20071016466
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者J·罗比森 申请人:罗伯特·博世有限公司