具有增强可靠性的气体传感器以及相关制造方法

专利名称：具有增强可靠性的气体传感器以及相关制造方法
技术领域：
本发明涉及多种气体传感器的结构以及相关的制造方法，每个气体 传感器进行工作，以检测例如从汽车发动机等中排出的废气中特定(或 指定)气体的浓度，尤其涉及一种杯状气体传感器和相关的制造方法。
背景技术：
在相关技术中，迄今为止人们已经进行了尝试，以提供气体传感器， 其中每个气体传感器安装在例如汽车发动机或类似物的内燃机的废气流 动通道中，以检测测量气体中特定气体成分的浓度，从而基于检测到的 特定气体浓度计算空燃比，以进行内燃机的燃烧控制。
对于这些气体传感器中的一种，氧气传感器或类似物被广泛使用， 该氧气传感器包括氧浓度检测元件，其由有底圆筒状固体电解质本体组 成，该有底圆筒状固体电解质本体由例如氧化锆等的氧离子传导材料制 成，并具有形成有电极层的内壁和外壁，该电极层由铂或类似物制成。 该氧气传感器还包括插入到氧浓度检测元件内部的加热器，其用于加热 该元件；输出提取装置，其用于将来自氧浓度检测元件的输出提取到其 外部；以及电能输送装置，通过该电能输送装置将电能供给至加热器。
同时，随着现代汽车工业中价格方面的不断竞争，在这种类型的气 体传感器中，开发出一种可有利地减少组成部件的数目并简化组装步骤 的传感器结构和相关的制造方法已经成为降低生产成本的重要关键因 素。
例如，美国专利No. 7032433公开了一种气体传感器，其具有增强的 可靠性且易于生产，并公开了一种相关的制造方法。如图11A (其为该美 国专利的图2的翻版)所示，示出了一种气体传感器l，其包括氧气传感 元件2、用于保持气体传感元件2的主金属接头3、从气体传感元件2的后 侧伸出的一个或多个传感器端子接头16， 17、具有与主金属接头3相连的 前端的金属外部套筒21、以及电绝缘隔离件31，该电绝缘隔离件31容纳 在金属外部套筒21的内部，该金属外部套筒21具有形成有邻接表面34a的 凸缘部分34。金属外部套筒21具有凸缘邻接表面24b，其可以与外部套筒 邻接表面34a邻接接合，该外部套筒邻接表面34a具有向着前端径向扩展 的倾斜表面，以容许隔离件31通过金属外部套筒21保持，且隔离件31被 向后抵压。
该相关技术所公开的制造方法可以避免多种缺陷，例如浓度检测元 件的破裂和传感器端子元件的损坏，其可能由传感器端子元件本身或者 因传感器端子元件的位置或状态的偏差而导致的在传感器端子元件和浓 度检测元件之间产生的应力所引起。
此外，在该相关技术所公开的气体传感器l中，如图ll (其为上述美 国专利的图4的翻版)所示，采用了包括棒状陶瓷加热器的加热器15。加 热器15主要由一芯件构成，并形成有具有电阻式加热元件的加热部分 15a，该芯件由氧化铝制成。加热器15具有形成有电极垫15e、 15f的后端， 该后端通过钎焊与加热器端子接头16、 17和加热器引线18、 19相连。随 着加热器15通过这些元件被供给电能，氧浓度检测元件2的前端部分被加
热。加热器端子接头17包括连接部分17a，该连接部分夹紧加热器引线18 的芯线，以在加热器端子接头17和加热器引线18之间提供电连接。
如图11C和11D (其为上述美国专利的图7和8的翻版)所示，从传感 元件2中引出信号的第一和第二传感器端子接头11、 12以及加热器15和加 热器引线18、 19不与传感元件2相连。在组装时，这些组成部件预先组装 到隔离件31上，以容纳在金属套筒21的内部。然后，加热器15被插入到 传感元件2中，从而减小作用于加热器15和传感器端子接头11、 12之间的 连接部分上的应力，以防止在组装期间加热器15的下折断裂以及传感器 输出引线13、 14的连接部分的破裂。
迄今为止已经进行了另一种尝试，以提供一种如日本专利申请公开 No.2000 -193629中所披露的氧气传感器。在该相关技术中，氧气传感器 包括盖元件，其具有通气孔，以用于将大气作为基准气体引入，陶瓷隔 离件和连接接头预先安装到该盖元件上。在组装过程中，盖元件安装在 一壳体上， 一传感元件预安装在该壳体上，从而可以容许连接接头插入 和安装到传感元件上。
在美国专利No. 7032433所公开的相关技术结构的气体传感器和相关 制造方法中，加热器端子接头16、 17被钎焊到加热器电极垫15e、 15f上。 因此，如图11C所示，加热器15被强制地不设置于传感元件2上，而是设 置于隔离件31上。如图11D所示，在将加热器15插入到传感元件2的组装 过程中，为了避免损坏加热器15，需要使用特定的卡紧机构CH，以插入 加热器15并夹紧它，从而导致复杂的组装过程。
与加热器15相似，传感器端子接头ll、 12类似地不与传感元件2相连， 而是与隔离件31相连。在这种情况下，传感器端子接头ll、 12在从引线 13、 14中伸出的连接部分lla、 12a处通过引线13、 14牢固地固定在隔离 件31上，并且在隔离件邻接部分llb、 12b处仅仅以弹性方式通过隔离件
31支承。
同时，第一传感器接头ll的插入部分llc以加压接触的方式插入到氧 气传感器2的有底孔2a中，以确保与传感器内部电极2c的电连接。因此， 可以想象，在这种插入步骤中，插入部分llc将遇到相对较大的摩擦力。
此外，第二传感器接头12的插入部分12c形成比传感元件2的外径小 的内径，以弹性地保持传感元件2。也可以想象，在将第二传感器接头12 插入到传感元件2中的步骤中，插入部分12c将遇到相对较大的摩擦力。
在试图将传感器端子接头ll、 12组装到传感元件2中时，摩擦力的存 在导致阻力的增加。因此，在引线13、 14的连接部分lla、 12a的正上方 位置处没有护套的区域中，引线13、 14的刚性减弱部分将会翘曲，从而 导致断裂的发生。
或者，考虑到为了防止发生这种翘曲，传感器接头13、 14的连接部 分需要具有削弱的推压力，以容许从引线13、 14上悬置的传感器接头11、 12可以容易地插入到氧气传感器2中。
因此，可能担心传感器接头ll、 12以及传感元件的内部和外部电极 2c、 2ft间的电连接出现接触不良的情况。
此外，传感器端子接头ll、 12被金属外部套筒21覆盖，不能观察到 传感器端子接头ll、 12的安装状态，并且很难确认(或确定)传感器端 子接头ll、 12是否正常地安装到传感元件2上。
而且，在未安装传感器端子接头ll、 12的情况下，加热器15被组装 到隔离件31上，传感元件2被组装到主金属接头3上。因此，无法在启动 加热器15以对传感元件2加热的同时做出评估以确认传感元件2的功能和 特性。也就是说，对传感元件2的评估应当在接近完成的状态下并且盖元 件21安装在壳体3上的情况下进行，其中传感元件2预先组装到该壳体3 上。
另外，在传感元件2组装到主金属接头3上的状态下，传感器端子接 头ll、 12被安装。结果，传感元件2具有与传感器端子接头11、 12相连的 区域，且该区域从主金属接头3中露出，从而增大了传感元件2的物理尺 寸。
而且，对于上述后提到的相关技术中的氧气传感器，加热器和传感 器连接接头安装在盖元件上，传感元件安装在壳体上，其中未安装传感 器连接接头。因此，如果盖元件被同时安装到壳体上，传感器连接接头 不能插入和安装在传感元件上。
因此，在如先前提到的相关技术中的气体传感器的制造过程中，不 能完成传感元件的功能评估。
此外，对于上述结构的气体传感器和相关技术的制造方法，在存在 组装的加热器时，难于确认将大气作为基准气体引入的大气引入部分的 通气能力。

发明内容
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种易于组装且 具有增强(或提高)可靠性的结构的气体传感器和相关的制造方法，从 而使得可以在制造气体传感器过程期间检查例如大气引入部分的通气性 能、信号提取(取出)部分的绝缘性能、以及浓度检测元件的反应和密 封性能等功能和特性。
为了达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种杯状气体传感器， 其具有由离子传导固体电解质本体构成的浓度检测元件，该浓度检测元 件形成为带有封闭前端的有底圆筒状结构，并具有内壁和外壁，所述内 壁形成有可用于与基准气体保持接触的基准电极层，所述外壁形成有可 用于与测量气体保持接触的测量电极层，以检测测量气体中特定气体的
浓度。该气体传感器包括检测单元，其至少由所述浓度检测元件、将 所述浓度检测元件固定地支承在测量气体流动通道中的外壳和一对输出 端子构成，其中所述一对输出端子包括从所述基准电极层延伸的基准电 极输出端子和从所述测量电极层延伸的测量电极输出端子；以及输出提 取单元，其至少包括可与一外部控制器相连的一对信号线、分别与所述 一对信号线相连的一对输出提取端子、绝缘地保持所述一对输出提取端 子的绝缘体、保护所述绝缘体的大致圆筒形壳体、在其底端部分处位于 所述壳体中以绝缘地密封所述一对信号线和一对导电端子的密封件、以 及将大气引入到所述壳体内部的通气部分。所述基准电极输出端子和所 述测量电极输出端子夹紧作为绝缘支承件的加热器的绝缘基体的一部 分，以确保所述基准电极输出端子和所述测量电极输出端子之间的绝缘。 所述绝缘体具有输出端子插入孔，在该输出端子插入孔中，所述输出端 子和所述输出提取端子彼此电连接。所述检测单元和所述输出提取单元 彼此结合成一体。
通过本发明的第一方面的气体传感器，可以进行评估，以在将这些 组成部件组装起来之前独立地检査检测单元和输出提取单元，并可以在 完成组装之前在制造阶段发现缺陷。这样可以避免浪费材料，同时使得 作为成品的气体传感器的可靠性显著提高。
此外，在绝缘体内，输出端子与牢固地固定在绝缘体上的输出提取 端子相连，从而不必担心由于外来震动而导致的电线的脱开。这提高了 气体传感器的可靠性。
在本发明的第一方面的气体传感器中，所述输出端子和所述输出提 取端子中的任一个可优选包括弹簧状端子，每个弹簧状端子由弹性金属 材料制成，并形成为大致"U"形结构，所述输出端子和所述输出提取端 子中的另 一个可优选包括板状端子。
通过这种结构的气体传感器，输出端子和输出提取端子彼此弹性地 导通。这种弹簧状端子允许板状端子自始至终被弹性压紧在电连接状态， 从而不会由于车辆的震动等而在相关端子之间发生断开现象。
在本发明的第一方面的气体传感器中，所述弹簧状端子和所述板状 端子可优选具有接触面，其中所述弹簧状端子和所述板状端子中的任一 个具有平坦表面状横截面，所述弹簧状端子和所述板状端子中的另一个
可优选具有圆弧状横截面，以抵靠所述弹簧状端子和所述板状端子中的 所述任一个凸出。
通过这种结构的气体传感器，输出端子和输出提取端子在接触面处 保持彼此接触，其中的一个具有平坦表面状横截面，另一个具有圆弧状 横截面。因此，即使输出端子和输出提取端子在组装位置中偏离中心， 输出端子和输出提取端子也可以高度可靠的方式在一条直线上或一点上 保持彼此电接触。因此，气体传感器可以具有增强(或提高)的可靠性。
在本发明的第一方面的气体传感器中，输出端子插入孔可优选具有 锥形引导部分，以用于引导正被插入的输出端子。
通过这种结构的气体传感器，即使输出端子相对于绝缘体的轴线在 倾斜状态下插入到绝缘体的端子插入孔中，锥形引导部分引导输出端子， 以分别与输出提取端子邻接接合。这使得在将输出端子插入穿过绝缘体 的端子插入孔的步骤中，输出端子和输出提取端子可以在稳定的状态下 进行电接触。这使得气体传感器具有进一步增强的可靠性。
在本发明的第一方面的气体传感器中，输出端子插入孔可优选具有 突起，其可用于分别与板状端子邻接接合。
通过这种结构的气体传感器，突起分别支承被弹性加压的板状端子。 这使得弹簧状端子和板状端子可以可靠地彼此电接触，而不会使板状端 子在加压方向上屈服或脱开。因此，气体传感器可以具有进一步增强的
可靠性。
在本发明的第一方面的气体传感器中，所述检测单元可优选包括加 热器和所述输出提取单元，所述加热器在被供给电能时用于产生热量， 所述输出提取单元可优选包括分别与外部电源相连的一对导线和与所述 一对导线相连的一对导电端子，其中所述一对导电端子在绝缘状态下被 保持在所述绝缘体中。
通过这种结构的气体传感器，当利用加热器加热检测单元时，可以 进行评估，以检查检测单元的反应等性能。另外，可以进行进一步的评 估，以检查检测单元的绝缘状态。因此，即使对于具有加热器的气体传 感器，在将这些组成部件进行组装之前，也可以进行评估，以检查检测 单元和输出提取单元。这使得在生产过程中可以确认气体传感器的缺陷。 这样可以避免浪费材料，同时作为成品的气体传感器的可靠性得到显著 提高。
本发明的第二方面提供了一种制造杯状气体传感器的方法，该气体 传感器具有由离子传导固体电解质本体构成的浓度检测元件，该浓度检 测元件形成为带有封闭前端的有底圆筒状结构，并具有内壁和外壁，所 述内壁形成有可用于与基准气体保持接触的基准电极层，所述外壁形成 有可用于与测量气体保持接触的测量电极层，以检测测量气体中特定气 体的浓度。该方法包括以下步骤形成检测单元，其包括如下步骤在 浓度检测元件中设置基准电极接头，其具有基准电极输出端子和基准电 极连接部分，将具有测量电极输出端子和测量电极连接部分的测量电极 接头与测量电极层相连，通过固定件将浓度检测元件插入到大致圆筒状 外壳中，以将浓度检测元件固定到外壳上，从而形成检测单元，该检测 单元至少包括由基准电极输出端子和测量电极输出端子构成的一对输出 端子以及所述外壳，其中所述一对输出端子暴露于所述外壳的上部区域；
以及形成输出提取单元，其包括如下步骤在所述绝缘体中安装一对输 出提取端子，将一对信号线与所述一对输出端子相连，将所述一对信号 线通过一密封件插入到其中形成的多个插入孔中，以及将所述绝缘体容 纳在一大致圆筒状壳体中，从而形成至少包括信号线、输出提取端子、 绝缘体、壳体和绝缘件的输出提取单元；形成端子接头，其包括如下步 骤形成呈弹簧状端子形式的输出端子和输出提取端子中的任一个，每 个弹簧状端子由弹性金属材料制成，以及形成呈板状端子形式的输出端 子和输出提取端子中的另一个；以及组装气体传感器，其包括如下步骤-将所述检测单元插入到所述输出提取单元中，并同时使所述输出端子和 所述输出提取端子在形成于所述绝缘体中的输出端子插入孔中彼此弹性 导通，从而完成气体传感器的组装。
在本发明的第二方面的制造方法中，检测单元和输出提取单元可以 通过分离方式彼此独立地进行组装。而且，在组装检测单元时，所有的 组成部件在一简化过程中依次组装，所有组成部件的中心被同轴放置。 这样可特别容易地实现检测单元的合理化组装。
组装输出提取单元的步骤仅包括插入和压力接合组成部件的步骤， 这使得制造过程变得更加合理、更加容易。
基准电极连接部分和测量电极连接部分可以容纳在外壳中。因此， 不再需要从外壳中露出与浓度检测单元的基准电极连接部分和测量电极 连接部分相连的区域，从而可以最小化气体传感器的物理尺寸。


图1 A是根据本发明的第一实施例的气体传感器的横截面图。
图1B是沿图1 A中的线AO- AO剖开的横截面图。
图2A至2D是示出了制造检测单元的方法的视图，其中图2A表示形成
为图1A和1B中所示的气体传感器的一部分的检测单元的透视图，图2B表 示图2A所示检测单元的分解图，图2C表示图2A所示检测单元的横截面， 其中壳体的下端部分被凿压(或巻边)，图2D表示图2A所示检测单元的 横截面，其中壳体的上端部分被凿压。
图3A至3C是横截面图，示出了形成如图1A和1B所示的气体传感器的 另一部分的输出提取单元的制造方法，其中图3A表示制造初始阶段中输 出提取单元的分解横截面，图3B表示在制造中间阶段中输出提取单元的 横截面，图3C表示制造最后阶段中输出提取单元的横截面。
图4A和4B是横截面图，示出了组装检测单元和输出提取单元以形成 本实施例的气体传感器的方法，其中图4A表示检测单元和输出提取部件 被组装之前的阶段的横截面，图4B表示检测单元和输出提取部件被组装 之后的阶段的横截面。
图5是分解透视图，示出了构成根据本发明的第一实施例的气体传感 器的绝缘体、导电(通电)端子、形成输出提取装置的输出提取端子。
图6A至6E是示出了绝缘体和输出提取端子的细节的横截面图；其中 图6A表示输出提取端子组装在其上的绝缘体的横截面，图6B表示沿图6A 中的线6B-6B剖开的横截面，图6C表示沿图6A中的线6C-6C剖开的横截 面，图6D表示沿图6A中的线6D-6D剖开的横截面，图6E表示沿线6E-6E 剖开的横截面。
图7A至7F是横截面图，示出了绝缘体、输出端子和导电端子的细节， 以用于图解第一实施例的气体传感器的效果，其中图7A表示在输出端子 与绝缘体的锥形引导部分即将邻接接合之前的状态下的绝缘体的横截 面，图7B表示处于输出端子在输出端子的倾斜部分和绝缘体的突出部之 间穿过的状态下的绝缘体，图7C表示处于输出端子位于输出端子的倾斜 部分和绝缘体的突出部之间的正确位置上的状态下的绝缘体，图7D表示
沿图7A的线7D-7D剖开的横截面，且图解了将加热器组装到固定在绝缘 体中的导电端子上的第一步骤，图7E表示一横截面，图解了将加热器组 装到固定在绝缘体中的导电端子上的第二步骤，图7F表示一横截面，图 解了将加热器组装到固定在绝缘体中的导电端子上的最后步骤。
图8是局部放大横截面图，示出了根据本发明的第一实施例的气体传 感器的另一效果。
图9A和9B是概念图，示出了在生产过程中对检测单元和输出提取单 元实施的示例性评估检查，其中图9A表示检查检测单元的方法，图9B表 示检查输出提取单元的方法。
图10是橫截面图，示出了根据本发明的第二实施例的气体传感器的 主要部分。
图11A是横截面图，示出了相关技术结构的气体传感器的整体结构；
图11B是分解透视图，示出了在相关技术结构的氧气传感器中氧气传 感元件和加热器组装到隔离件上的状态。
图11C是横截面图，示出了内部保持传感器端子接头的隔离件置于金 属外套中的状态。
图11D是横截面图，示出了加热器如何被引导以及插入到相关技术结 构的氧气传感器中的氧气传感元件的后端开口中。
具体实施例方式
现在，将在下面参照附图详细描述根据本发明的各实施例的气体传 感器以及相关的制造方法。但是，本发明并不限于下述这些实施例，而 且本发明的技术概念可以与其他公知技术或者与这些公知技术具有等同 功能的其他技术组合起来进行实施。
在下面的描述中，应当理解，在图1A和1B中，本实施例的气体传感
器具有表示沿着由空箭头BE指示的方向定向的底端(基端)部分的上端 部分和表示沿着由空箭头LE指示的另一个方向定向的前端部分的下端部 分。这也适用于实施本发明的其他实施例的气体传感器。
此外，在下面的描述中，应当理解，例如"内"、"外"、"内部"、 "外部"、"向内"、"向外"、"上"、"下"、"径向"、"轴向"、 "同轴"、"轴向地"、"平行"、"向着"、"相反"、"背离"、 "横向"等均是为了便于描述而采用的词语，其不应认为是限制性术语。
下面，参照附图详细描述根据本发明的第一实施例的气体传感器。
图1A是横截面图，示出了根据本发明的第一实施例的气体传感器l 的整体结构。图1B是沿图1A中的线AO-AO剖开的横截面图。
如图1A和1B所示，气体传感器1通常包括分别沿着前端LE和底端(基 端)BE定向的检测单元10和输出提取(取出或引出)单元20。
检测单元10包括浓度检测元件140;加热器IOO，其布置在浓度检测 元件140的内部，并且在接收到电能时工作，以产生热量；壳体150，其 将浓度检测元件140固定地支承在测量气流通道中； 一对输出端子接头 110、 120，其从浓度检测元件140伸出(或延伸)，以从壳体150中露出， 且进一步地伸向底端部分；固定件130，其插入于浓度检测元件140和壳 体150之间；以及盖本体160，其覆盖浓度检测元件140的前端部分140a。
浓度检测元件140包括固体电解质本体141，其形成为有底圆筒状并 具有封闭的前端141a，该前端141a由如氧化锆等氧离子传导材料制成。 固体电解质本体141具有内壁和外壁，其中内壁形成有基准电极层142， 外壁形成有测量电极层143。固体电解质本体141具有中间区域，其形成 有大直径环形固体电解质接合部分144。
基准电极接头11 O插入到浓度检测元件140的内部，与其紧密配合， 并作为输出端子接头，以在基准电极层142和基准电极连接部分112之间
提供电连接。
此外，基准电极连接部分112具有基准电极端子111，其被形成为沿 底端方向BE向上延伸。另外，基准电极连接部分112具有前端部分，其形 成有加热器夹紧部分113。
加热器100包括加热器基体104，其由如氧化铝等陶瓷材料制成，并 呈细长轴的形式，且具有内部结合加热元件103的前端。加热元件103具 有底端，该底端具有外部圆周表面，其形成有通过一对导线(未示出) 与加热元件103电连接的一对加热器电极101、 102。
加热器100插入到浓度检测元件140中，并通过加热器夹紧部分113弹 性地固定。
外壳150包括外壳本体152，从外壳本体152的上部区域向着下部区域 在内部依次形成有大直径孔152a、中间直径孔152b和小直径孔152c。外 壳接合部分151以环形台肩的形式形成于中间直径孔152b和小直径孔 152c之间的边界处。外壳本体152具有底端，其形成有作为上凿压部分的 上开口端部154、凸起部分155、形成有螺纹部分153的前端部分和作为下 凿压部分的下开口端部156。
环形固体电解质接合部分144抵靠在外壳本体152的壳体接合部分 151上，以通过金属缓冲件131被紧密配合地保持。
固体电解质本体141位于壳体150内部，在固体电解质本体141的外周 壁和外壳本体152的大直径孔152a的内壁之间提供一环形空隙AS。环形空 隙AS具有下环形部分、中间环形部分和上环形部分，其中下环形部分由 例如滑石等绝缘粉末132填充，中间环形部分中放置绝缘压縮体133，上 环形部分由例如陶瓷或玻璃等绝缘材料制成的绝缘密封件134填充。环形 空隙AS具有最上部区域，其中放置有弹性封装件135，其与绝缘密封件134 的上端面接触。因此，金属缓冲件131、绝缘粉末132、绝缘压縮体133、
绝缘密封件134和弹性封装件135形成检测元件固定件130。通过作为子组 件组装到这种结构中的检测元件固定件130，上凿压部分154在壳体150的 最上端处被凿压，以与壳体150—起将浓度检测元件140固定地保持在一 整体结构中。
输出提取单元20包括一对输出提取端子202、 212;分别与输出提取 端子202、 212相连的一对信号线200、 210; —对导电端子222、 232;分 别与导电端子222、 232相连的一对导线(电能传导线)220、 230;绝缘 体240;绝缘体保持接头250;壳体260;连接接头201、 211、 221、 231; 过滤器支承件270;圆筒状脱水过滤器272;以及分别作为上衬套和下衬 套的密封件273、 274。
输出提取端子202、 212和导电端子222、 232以绝缘状态通过绝缘体 240被固定地支承。输出提取端子202、 212和导电端子222、 232具有相对 应的底端，其端部从绝缘体240中露出，并通过连接接头201、 211、 221、 231与相应的信号线200、 210和导线220、 230相连。
绝缘体240内部形成有轴向延伸的输出端子插入孔241a、 241b和轴向 延伸的加热器插入孔245。
输出提取端子202、 212和由弹性金属材料制成的导电端子222、 232 形成为大致"U"形弹簧结构。输出提取端子202、 212具有向输出端子插 入孔241a、 241b暴露的相应前端部分。同样地，导电端子222、 232具有 向加热器插入孔245暴露的相应前端部分。
输出端子lll、 121和输出提取端子202、 212在输出端子插入孔241a、 241b中彼此弹性地连接。加热器电极IOI、 102和导电端子222、 232在加 热器插入孔245中也彼此弹性地连接。
绝缘体240通过绝缘体保持接头250固定到壳体260上。
壳体260具有底端，其通过由弹性件形成并分别作为上衬套和下衬套
的密封件273、 274进行密封。密封件273、 274支承信号线200、 210和这 些线以绝缘状态与外部元件相连的导线220、 230。
此外，密封件273、 274分别形成为大体圆筒状，并具有中央孔，其 中容纳有装配接合的过滤器支承件270和脱水过滤器272。
过滤器支承件270呈有底圆筒状，其具有封闭底端。过滤器支承件270 具有形成有多个横向延伸的通气孔271的侧壁。圆筒状脱水过滤器272安 装于过滤器支承件270的外圆周上，以覆盖过滤器支承件，从而在阻挡液 体流过的同时可以透过大气。脱水过滤器272由例如聚四氟乙烯(PTFE) 的树脂制成的多孔体形成。
密封件273、 274具有多个密封元件通气孔275，其形成于面向支承件 通气孔271的位置上，以用于流体连通。
壳体具有与外壳250的突出部分154紧密接合的前端部分263。前端部 分263通过例如由激光焊接等形成的连接装置280牢固地固定在外壳250 的突出部分154上。
利用上述这种结构，通过将螺纹部分153拧紧在测量气流通道壁3上 并借助于例如弹簧垫圈等弹性件290上将气体传感器1安装在测量气流通 道壁3上，以使得浓度检测元件140可以暴露于测量气流通道中。
现在，将在下面详细描述根据本发明的第一实施例的气体传感器l的 制造方法。
首先，参照图2A至2D，逐步地描述检测单元10的制造方法。 如图2A所示，首先，形成加热器IOO。为此，加热器基体104由例如 氧化铝等陶瓷材料以细长杆的形式形成。在形成这种加热器基体104的过 程中，由钨等构成的加热元件103 (未示出)在前端部分104a处结合在加 热器基体104内部。加热元件103通过轴向延伸穿过加热器基体104的一对 引线(未示出)与成对的加热器电极IOI、 102相连。加热器基体104具有
形成有成对的加热器电极101、 102的底端104b。通过这种方式，形成加 热器IOO。
在形成浓度检测元件140的过程中，固体电解质本体141由例如氧化 锆等氧离子传导固体电解质材料制成，且形成为具有封闭前端141a的有 底圆筒状结构。固体电解质本体141具有分别形成有多孔基准电极层142 和多孔测量电极层143的内壁和外壁，该多孔基准电极层和多孔测量电极 层由钼或铂合金制成。
在这种形成步骤中，如图2A所示，大直径环形固体电解质接合部分 144在中间区域141b处形成于固体电解质本体141上。测量电极层143包括 固体电解质本体141，该固体电解质本体141具有底端部分141c、前端部 分141a和中间部分141b，其中底端部分141c形成有围绕底端部分141c的外 圆周的测量电极层连接部分143a，前端部分141a形成有测量电极层测量 部分143c，中间部分141b形成有测量电极层前端部分143b，以在测量电 极层连接部分143a和测量电极层测量部分143c之间提供电连接。
接下来，形成由例如不锈钢等弹性金属材料制成的基准电极接头 110。在该形成步骤中，基准电极接头110形成有基准电极连接部分112， 该基准电极连接部分112形成为部分切除的套筒(横截面呈大致C形)， 其直径略大于浓度检测元件140的内径。基准电极输出端子lll具有板形 形状，且包括一个径向弯曲部分llla，基准电极输出端子lll从该径向弯 曲部分开始在平行于加热器100的轴线的方向上向着气体传感器1的底端 部分延伸。
加热器夹紧部分113形成为部分切除的套筒(横截面大致呈C形)， 其直径略小于加热器100的直径。
在夹紧加热器100时，加热器夹紧部分113的直径被弹性地扩张，且 加热器100的前端部分104a插入到加热器夹紧部分113中并被夹紧。然后，
收縮基准电极连接部分112的直径将使得加热器100和基准电极连接部分 112插入到固体电解质本体141中。
由例如不锈钢等弹性金属材料制成的测量电极接头120形成为具有 测量电极输出端子121和测量电极连接部分122，其中，测量电极输出端 子121具有平行于浓度检测元件140的轴线的方向向着底端侧延伸的板形 形状，测量电极连接部分形成为部分切除的套筒(横截面大致呈C形)， 其直径略小于形成浓度检测元件140的固体电解质本体141的底端部分 141c的外径。
测量电极连接部分122的直径的弹性扩展允许测量电极连接部分122 插入并安装到与测量电极层143的测量电极层连接部分143a电连接的固 体电解质本体141的底端部分141c中。
如图2B所示，接下来，金属缓冲件131插入到外壳150中。然后，浓 度检测元件140插入到大体圆筒状外壳150中，直到固体电解质接合部分 144通过压在其间的金属缓冲件131抵靠在外壳150的外壳接合部分151 上。接下来，在浓度检测元件140和外壳150之间的空隙AS中充填固定件 130，例如，该固定件130包括如滑石粉等的绝缘粉末132，绝缘粉末压縮 体133，由陶瓷、玻璃等制成的绝缘密封件134，以及由如橡胶等弹性材 料制成的弹性封装件135等。
然后，由盖内壳161和盖本体163构成的双层覆盖本体160附着到外壳 150的前端上，以在暴露于测量气体的区域中保护浓度检测元件140的前 端部分141a。
如图2C所示，上、下开口端部分154、 156分别沿A1、 A2箭头所示方 向进行凿压。这样完成了检测单元10的子组装，并且一对输出端子lll、 121和加热器电极101、 102暴露于外壳150的底端，如图2D所示。
在如图2A至2D所示的步骤中，检测单元10可以在所有的相关组成部
件沿单个中心轴线排列的情况下组装，从而可以很容易地获得非常合理 的生产过程。
接下来，依次参照图3A至3C详细描述输出提取单元20的制造方法。 如图3A所示，利用如氧化铝等绝缘材料制备绝缘体240。形成为具有 多个插入孔241a、 241b、 245的大致圆柱体的绝缘体240组装到绝缘体保 持接头250上。在该组装步骤期间，输出提取端子202、212和导电端子222、 232被插入并牢固地固定到绝缘体240上。另外，下面将详细描述绝缘体 240、输出提取端子202、 212和导电端子232、 222。
此外，在图3A中，由如不锈钢等金属制成的壳体260形成为大致圆筒 状套筒。壳体具有形成有小直径壳体部分261的底端部分260a和形成有大 直径壳体部分261的前端部分160b。环形台肩262在整个圆周区域或沿周 向间隔的多个位置处形成于小直径壳体部分261和大直径壳体部分261之 间的边界处，以在基本上垂直于中心轴线的平面上、即相对于中心轴线 基本上在水平方向上沿径向向内延伸。环形台肩262作为壳体接合部分。 小直径壳体部分261具有多个沿径向向内开口的壳体排气口264。小直径 壳体部分261具有形成于整个圆周区域上或者位于环形台肩262和通气孔 264之间的位置处的周向间隔的多个区域处的径向向内延伸的接合部分 265。
如图3A所示，成对的信号线200、 210和成对的导线220、 230初步插 入到由橡胶制成的大致圆筒状密封件273、 275中。然后，密封件273、 275 从底端部分260a的上侧插入到壳体260中。在该插入步骤中，信号线200、 210和输出提取端子202、 212的前端从壳体260的前端处取出。信号线200、 210分别以压力接合连接方式通过连接接头201、 211与输出提取端子202、 212相连。同样地，导电端子222、 232和导线220、 230分别以压力接合方 式通过连接接头221、 231彼此相连。
密封件273、 275插入到小直径壳体部分261中，直到密封件275的底 壁与接合部分265邻接接合。密封件273、 275具有与密封件273、 275的中 心轴同轴地形成的过滤器插入孔277、 278。
形成有多个通气孔271的圆筒状有底过滤器支承件279安装在脱水过 滤器272上，该脱水过滤器272则插入到形成于密封件273、 275的中心轴 处的过滤器插入孔277、 278中。
通过处于这种状态的密封件273、 275，壳体通气孔264与形成于密封 件273、 275中的密封件通气孔274、 276以及形成于过滤器支承件270中的 支承件通气孔271流体连通。
保持着绝缘体240的绝缘体保持接头250被插入到大直径壳体部分 263中，同时，从小直径部分261的底端拉出信号线200、 210和导线220、 230。这允许绝缘体保持接头250插入到壳体260的大直径壳体部分263中， 直到绝缘体保持接头250的径向延伸的环形凸缘254与壳体接合部分262 邻接接触为止，如图3C所示。绝缘体保持接头250具有多个向下且倾斜地 延伸的夹具部分255，其与壳体260的大直径壳体部分263的内壁配合，以 将绝缘体保持接头250固定地保持在大直径壳体部分263中。
随后，壳体260的小直径部分261分别按图3C中箭头A3、 A4所示在以 给定距离轴向隔开的两个凿压部分266、 267处进行凿压。这允许密封件 273、 275，信号线200、 210，导线220、 230，脱水过滤器272和过滤器支 承件270被固定就位，从而形成输出提取单元20。 接下来，将参照图4A和4B详细描述气体传感器1的组装方法。
如图4A和4B所示，形成检测单元10的外壳150的凸起部分155插入到 输出提取单元20的小直径部分263中。在这种插入步骤中，输出端子lll、 121和加热器100被插入到形成于绝缘体240中的插入孔241a、 241b、 245 中。这样使得输出端子lll、 121和输出提取端子202、 212可以彼此电连
接，而且加热器电极IOI、 102和导电端子232、 222也可彼此电连接。
然后，外壳150的凸起部分155的整个圆周与大直径部分263的下端通
过激光焊接等连接在一起，从而完成气体传感器l。
参照图5，将描述输出提取端子202、 212，导电端子222、 232和绝缘 体240。
图5是透视图，示出了输出提取端子202、 212，导电端子222、 232和 绝缘体240。
由弹性金属材料制成的输出提取端子202、 212被形成为横截面大致 呈"U"形。特别地，输出提取端子202、 212具有前端，该前端形成有径 向向内延伸的弯曲部分204、 214，向着绝缘体240的轴线倾斜并从弯曲部 分204、 214径向向内延伸的倾斜部分205、 215，以及形成于倾斜部分205、 215的底端处并再次径向弯曲以可与输出端子111、 121邻接接合的邻接部 分206、 216。
此外，输出提取端子202、 212具有中间部分，该中间部分形成有径 向向外延伸的弯曲接合部分203、 213，其在插入到绝缘体240中时，作为
可锁定的锁定部件。
由弹性金属材料制成的导电端子222、 232形成为横截面大致呈"U" 形。特别地，输出提取端子222、 232具有前端，该前端形成有沿底端方 向径向向内延伸的弯曲部分223、 233，向着绝缘体240的轴线倾斜并从弯 曲部分223、 233径向地向内延伸的倾斜部分224、 234，以及形成于倾斜 部分224、 234的底端处并再次径向弯曲以可与加热器端子101、 102邻接 接合的邻接部分225、 235。
此外，输出提取端子222、 232包括横向伸出以在插入到绝缘体240中 时作为可以锁定的锁定部件的输出端子翼226、 236。
图6A示出了带有保持在固定插入状态的输出端子202、 212和导电端
子222、 232的绝缘体240的细节。
图6B是沿图6A中的线6B-6B剖开的绝缘体240的横截面图。图6C是沿 图6A中的线6C-6C剖开的绝缘体240的横截面图。图6D是沿图6A中的线 6D-6D剖开的绝缘体240的横截面图。图6E是沿图6A中的线6E-6E剖开的 绝缘体240的横截面图。
如图6A所示，绝缘体240具有输出端子插入孔241a、 241b，以用于容 纳输出提取端子202、 212。输出端子插入孔241a、 241b具有底端，其形 成有端子接合止动部分244a、 244b，其径向向内延伸，以作为输出提取 端子202、 212的弯曲接合部分203、 213抵靠在其上的止动件。
输出端子插入孔241a、 241b具有轴向延伸突起243a、 243b，其形成 为横截面呈半圆形，以向着输出提取端子202、 212凸出。另外，突起243a、 243b具有前端部分，该前端部分形成有锥形引导部分242a、 242b，该锥 形引导部分242a、 242b从突起243a、 243b的前端向着绝缘体240的轴线逐 渐縮减(倾斜)，以允许输出端子插入孔241a、 241b向着绝缘体240的前 端逐渐变宽。
如图6A至6E所示，加热器插入孔245具有轴向延伸的壁，其形成有当 插入到加热器插入孔245中时分别与导电端子222、 232配合的导电端子接 合止动部分246a、 246b。
图7A至7F示出了输出端子111、 121和加热器100如何插入到绝缘体 240中。
如图7A所示，即使在相应的倾斜状态下输出端子lll、 121插入到绝 缘体240中，在输出端子lll、 121向上运动期间，输出端子lll、 121的顶 端与锥形引导部分242a、 242b配合，并在其上滑动。这导致输出端子lll、 121径向向外弓曲，从而使得输出端子lll、 121的顶端如图7B中箭头B所 示在倾斜部分205、 215和突起243a、 243b之间被引导。因此，在输出端 子11K 121的最后运动过程中，输出端子lll、 121分别在正确的位置处 与输出提取端子202、 212的邻接部分206、 216进行电连接，如图7C所示。
此外，如图7D至7F所示，随着加热器100沿箭头A1所示向上移动， 以插入到形成于绝缘体240中的加热器插入孔245中，加热器100的顶端 100t与导电端子222、 232的倾斜部分224、 234邻接接触。这导致导电端子 222、 232的倾斜部分224、 234如图7E中的箭头A8所示弓曲。在加热器IOO 的向上运动的最后阶段中，通过如图7D中箭头A9如示的倾斜部分224、 234的径向向内作用的弹性力，加热器电极IOI、 102与导电端子222、 232 的邻接部分225、 235进行弹性电接触。因此，由于倾斜部分224、 234的 弹性作用，导电端子222、 232的倾斜部分224、 234被弓曲，从而使得加 热器100可以无障碍地穿过加热器插入孔245。
图8是沿图7C中的线8A-8A剖开的部分放大横截面图。如图8所示， 通过使输出提取端子202在一固定位置处置于输出端子插入孔241a中，基 准电极接头110的突起243a的弯曲面与基准电极端子lll的内凹面配合， 基准电极端子的外凸面与输出提取端子202的邻接部分206邻接接合。这 也同样适用于输出端子121和输出提取端子212之间的关系。
在这种状态下，即使基准电极接头110或测量电极接头120在从正确 位置处偏离的周向旋转位置上附着于浓度检测元件140上，输出端子lll、 121具有圆弧形横截面，且邻接部分206、 216具有平坦的横截面，以使得 邻接部分206、 216可以牢固地与基准电极输出端子111和测量电极输出端 子121各自在一个点处进行电接触。
另外，突起243a、 243b具有比输出端子111、 121的凹面小的曲率半 径，因此输出端子lll、 121的凹面和突起243a、 243b可以各自在一个点 处彼此牢固地接触。因此，由弹簧作用产生的输出提取端子lll、 121的 弹性力集中作用在接触点处，从而使得输出端子lll、 121和输出提取端
子lll、 121以高可靠性的方式彼此电接触。
图9A和9B示出了当实施本发明时在可实施本实施例的气体传感器 的制造的中间阶段中检查各单元的方法。特别地，图9A是概念图，示出 了检查检测单元10的方法，图9B是概念图，示出了检査输出提取单元20 的方法。
如图9A所示，处于组装状态的检测单元10被安装到形成为与废气通 道类似的结构的测量气体通道3中，特定气体浓度周期性变化的已知成分 的气体被引入其中。在这种安装状态下，加热器电极IOI、 102通过供电 控制器5与供电装置4电连接，以接收电能。同时，输出端子lll、 121与 检测单元6、如用于测量检测单元10的输出的电位计电相连。因此，通过 将电能供应至加热器电极IOI、 102，电位计6可以用于评估检测单元10的 脉冲响应。
如图9B所示，输出提取单元20的壳体260固定置于基座300上，该基 座的管道300a气密地与一管302相连，该管的一端302a与如压缩机等的排 气单元304相连，另一端与压力计8相连。在评估测试期间，基准气体(大 气)RG被引入到壳体260中。压力计8实施对壳体260的通气性能的评估。 绝缘计7的一端7a与壳体260相连，另一端与输出提取端子202、 212或导 电端子222、 232相连，以测量壳体260和输出提取端子202、 212或导电端 子222、 232之间的绝缘性能。这可以评估输出提取单元20的性能。 此外，便利地使用压力计8可以评估检测单元10的密封能力。 尽管例如在上面已经参照具有这种结构的气体传感器对本发明进行 了描述，在该结构中，输出端子lll、 121以板形结构形成，且输出提取 端子202、 212以弹簧形状形成，但是这种结构可以图10中所示方式进行 改进。尤其是，通过如图10所示改进形式的气体传感器1C，输出提取端 子202c、 212c可以形成为板形结构，且输出端子lllc、 113c可以形成为弹
簧结构，也可以得到与上述实施例相同的效果。
此外，尽管已经参照具有包括加热器100的检测单元10的气体传感器
对本发明进行了描述，但本发明不限于这种结构。也就是说，在不需要
加热器100加热浓度检测单元140以进行启动以及气体传感器被安装成使 得浓度检测单元140暴露在高温测量气体中的情况下，气体传感器可以构 造成没有加热器100的结构。在这种情况下，输出端子可以设置于检测单 元上，而输出提取端子则安装在输出提取单元上。这允许气体传感器很 容易地组装，并可以提高可靠性。
尽管上面已经详细描述了本发明的具体实施例，但应当理解，在已 公开的全面教导下，本领域的普通技术人员可以对这些细节做出各种修 改和替换。例如，己经参照包括具有固体电解质本体的浓度检测元件的 氧浓度传感器对本发明的实施例进行了描述，其中该固体电解质本体由 氧离子传导材料制成，并具有形成有电极层的内壁和外壁，但是本发明 也可以优选应用于包括形成有多个电极层和固体电解质层的测量部分的 N(V(专感器等上。
此外，本发明的气体传感器也可以适当地采用关于通气部分的本发 明的概念(在由同一发明人于先前的申请日提交的日本专利申请No. 2005-321156中公开)。
权利要求
1.一种杯状气体传感器，其具有由离子传导固体电解质本体构成的浓度检测元件，该浓度检测元件形成为带有封闭前端的有底圆筒状结构，并具有内壁和外壁，所述内壁形成有可用于与基准气体保持接触的基准电极层，所述外壁形成有可用于与测量气体保持接触的测量电极层，以检测测量气体中特定气体的浓度，该气体传感器包括检测单元，其至少由所述浓度检测元件、将所述浓度检测元件固定地支承在测量气体流动通道中的外壳和一对输出端子构成，其中所述一对输出端子包括从所述基准电极层延伸的基准电极输出端子和从所述测量电极层延伸的测量电极输出端子；以及输出提取单元，其至少包括可与一外部控制器相连的一对信号线、分别与所述一对信号线相连的一对输出提取端子、绝缘地保持所述一对输出提取端子的绝缘体、保护所述绝缘体的大致圆筒形壳体、在其底端部分处位于所述壳体中以绝缘地密封所述一对信号线和一对导电端子的密封件、以及将大气引入到所述壳体内部的通气部分；其中所述基准电极输出端子和所述测量电极输出端子夹紧作为绝缘支承件的加热器的绝缘基体的一部分，以确保所述基准电极输出端子和所述测量电极输出端子之间的绝缘；其中所述绝缘体具有输出端子插入孔，在该输出端子插入孔中，所述输出端子和所述输出提取端子彼此电连接；以及其中所述检测单元和所述输出提取单元彼此结合成一体。
2. 如权利要求l所述的气体传感器，其特征在于 所述输出端子和所述输出提取端子中的任一个包括弹簧状端子，每个弹簧状端子由弹性金属材料制成，并形成为大致"U"形结构，所述输 出端子和所述输出提取端子中的另一个包括板状端子。
3. 如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于所述弹簧状端子和所述板状端子具有接触面，其中所述弹簧状端子 和所述板状端子中的任一个具有平坦表面状横截面，所述弹簧状端子和 所述板状端子中的另一个具有圆弧状横截面，以抵靠所述弹簧状端子和 所述板状端子中的所述任一个凸出。
4. 如权利要求l所述的气体传感器，其特征在于所述输出端子插入孔具有锥形引导部分，以用于引导正被插入的输 出端子。
5. 如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于所述输出端子插入孔具有可用于分别与所述板状端子邻接接合的突起。
6. 如权利要求l所述的气体传感器，其特征在于所述检测单元包括加热器和所述输出提取单元，所述加热器在被供 给电能时用于产生热量，所述输出提取单元包括分别与外部电源相连的 一对导线和与所述一对导线相连的一对导电端子，其中所述一对导电端 子在绝缘状态下被保持在所述绝缘体中。
7. 如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于-所述绝缘体具有加热器插入孔，在所述加热器插入孔中，形成于所 述加热器的表面上的加热器电极与所述导电端子彼此导通。
8. 如权利要求l所述的气体传感器，其特征在于所述绝缘体包括圆弧状突起，其径向面向外部分别与所述基准电极 端子和所述测量电极端子接触，所述基准电极端子和所述测量电极端子 在分别形成于所述绝缘体中的输出端子插入孔中与所述输出提取端子保 持电接触。
9. 如权利要求8所述的气体传感器，其特征在于-所述输出提取端子具有前端，该前端形成有相对于所述绝缘体的轴线以给定角度倾斜的倾斜部分以及分别形成于所述倾斜部分的内端上的 邻接部分，所述邻接部分分别与所述输出端子保持电连接。
10. 如权利要求9所述的气体传感器，其特征在于 所述绝缘体包括锥形引导部分，以用于分别向着所述输出提取端子的倾斜部分引导输出端子。
11. 如权利要求9所述的气体传感器，其特征在于 所述绝缘体包括端子接合止动部分；以及所述输出提取端子包括与所述绝缘体的端子接合止动部分保持邻接 接合的接合部分。
12. —种制造杯状气体传感器的方法，所述气体传感器具有由离子 传导固体电解质本体构成的浓度检测元件，该浓度检测元件形成为带有 封闭前端的有底圆筒状结构，并具有内壁和外壁，所述内壁形成有可用 于与基准气体保持接触的基准电极层，所述外壁形成有可用于与测量气 体保持接触的测量电极层，以检测测量气体中特定气体的浓度，该方法 包括以下步骤形成检测单元，其包括如下步骤在浓度检测元件中设置基准电极 接头，其具有基准电极输出端子和基准电极连接部分，将具有测量电极 输出端子和测量电极连接部分的测量电极接头与测量电极层相连，通过 固定件将浓度检测元件插入到大致圆筒状外壳中，以将浓度检测元件固 定到外壳上，从而形成检测单元，该检测单元至少包括由基准电极输出 端子和测量电极输出端子构成的一对输出端子以及所述外壳，其中所述 一对输出端子暴露于所述外壳的上部区域；以及形成输出提取单元，其包括如下步骤在所述绝缘体中安装一对输出提取端子，将一对信号线与所述一对输出端子相连，将所述一对信号 线通过一密封件插入到其中形成的多个插入孔中，以及将所述绝缘体容 纳在一大致圆筒状壳体中，从而形成至少包括信号线、输出提取端子、绝缘体、壳体和绝缘件的输出提取单元；形成端子接头，其包括如下步骤形成呈弹簧状端子形式的输出端 子和输出提取端子中的任一个，每个弹簧状端子由弹性金属材料制成， 以及形成呈板状端子形式的输出端子和输出提取端子中的另一个；以及组装气体传感器，其包括如下步骤将所述检测单元插入到所述输 出提取单元中，并同时使所述输出端子和所述输出提取端子在形成于所 述绝缘体中的输出端子插入孔中彼此弹性导通，从而完成气体传感器的 组装。
全文摘要
本发明公开了一种气体传感器和相关的制造方法。该气体传感器包括检测单元，该检测单元包括由具有形成有电极的内壁和外壁的固体电解质本体构成的浓度检测元件、外壳、输出端子和输出提取单元，该输出提取单元至少包括信号线、导线、输出提取端子、导电端子、绝缘体和壳体。检测单元和输出提取单元在绝缘体中彼此相连，从而使得输出端子和输出提取端子在绝缘体内彼此导通。
文档编号G01N27/407GK101173908SQ20071018179
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月29日 优先权日2006年10月30日
发明者山内政伸 申请人:株式会社电装