气体传感器的制造方法
气体传感器的制造方法
【专利摘要】提供一种能够降低制造成本、并且能够防止在气体检测元件与主体金属外壳进行电导通的部位产生主体金属外壳的腐蚀的气体传感器。例如，在于排放气体中含有水分的情况下，该水分侵入保护件（47）与主体金属外壳（13）之间的间隙，但是在本发明的气体传感器（3）中，通过缩小保护件（47）与主体金属外壳（13）之间的最小间隙（W2）而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳（13）的顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀），从而抑制腐蚀产生于保护件（47）的后端侧的凸缘部（57）与主体金属外壳（13）的台阶部（17）之间的接触部分的、主体金属外壳（13）的一侧。
【专利说明】气体传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种搭载于例如机动二轮车(摩托车)等以检测从其内燃机(发动机)排出的排放气体中的氧等的气体传感器。
【背景技术】
[0002]以往，作为具有气体检测元件的气体传感器，例如已知有如下传感器:其具备由氧离子导电性的固体电解质体形成的气体检测元件，且安装于摩托车等的发动机的排气管以检测排放气体中的氧浓度。
[0003]作为此种气体检测元件，例如已知有如下气体检测元件:其具有顶端侧封闭的筒状的元件主体，在该元件主体的内侧具备内侧电极并且在外侧具备外侧电极。
[0004]例如，如图8所示，在下述专利文献1中公开有如下气体传感器P5:其隔着环状的金属制的密封件P2等将气体检测元件P1固定于主体金属外壳P3内，并且以金属制的保护件P4覆盖从主体金属外壳P3的顶端突出的气体检测元件P1的顶端侧。
[0005]该气体传感器P5不具有用于对气体检测元件P1进行加热的加热器，即所谓的无加热器构造。另外，该气体传感器P5的内侧电极P6与端子金属外壳P7相接触，从而使外部电路(未图示)从端子金属外壳P7获取传感器输出，另一方面，外侧电极P8与沿着气体检测元件P1的外周延伸的导线部P9相连接，并借助导线部P9和密封件P2而与主体金属外壳P3电连接。
[0006]专利文献1:2009 - 63330号公报
[0007]但是，在上述现有技术中，通常，内侧电极P6、外侧电极P8以及导线部P9由钼形成，并且密封件P2、主体金属外壳P3由不锈钢(例如SUS430)形成。因此，即使从保护件P4的气体导入孔导入至保护件4内的被检测气体到达了密封件P2附近，在密封件P2与主体金属外壳P3之间的接触部分、密封件P2与导线部P9之间的接触部分因被检测气体中的水分而产生腐蚀的可能性也较低。另外，即使到达保护件P4的内表面的水滴到达了密封件P2附近，在接触部分因水滴而产生腐蚀的可能性也较低。
[0008]但是，在以降低成本为目的而以低价的碳钢来制造主体金属外壳P3的情况下，存在有在密封件P2与主体金属外壳P3之间的接触部分(在主体金属外壳P3侧)因被检测气体中的水分、到达保护件P4的内表面的水滴而产生腐蚀的问题。而且，若产生了腐蚀，则存在有因电导通劣化而对气体传感器P5的气体检测造成影响的隐患。
[0009]与此相对，通过进一步缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙(空隙)，从而能够使被检测气体难以到达密封件P2附近，能够针对由碳钢形成的主体金属外壳P3抑制在该主体金属外壳P3与密封件P2之间的接触部分处产生腐蚀。另外，附着于保护件P4的内表面的水滴难以到达密封件P2附近，从而能够针对由碳钢形成的主体金属外壳P3抑制在该主体金属外壳P3与密封件P2之间的接触部分处产生腐蚀。
[0010]但是，采用上述结构，通过进一步缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙，被检测气体难以与气体检测元件P1相接触，从而存在有气体传感器P5的检测精度下降的隐患。另外，通过缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙，在将气体检测兀件P1保持于主体金属外壳P3时,气体检测兀件P1与主体金属外壳P3相接触,从而存在有在气体检测元件P1上产生裂纹、缺口的隐患。
【发明内容】
[0011]本发明就是为了解决上述问题点而完成的，其目的在于提供一种能够降低制造成本、并且能够防止在气体检测元件与主体金属外壳进行电导通的部位产生主体金属外壳的腐蚀的气体传感器。
[0012](1)作为第1技术方案，本发明为一种气体传感器，其包括:气体检测兀件，其包括元件主体、内侧电极以及外侧电极，该元件主体沿着轴线方向延伸，并由顶端侧被封闭的筒状的固体电解质形成，该内侧电极设于该元件主体的内侧，该外侧电极设于该元件主体的外侧；筒状的主体金属外壳，其嵌于该气体检测元件的外侧并且使上述气体检测元件的顶端侧从该主体金属外壳自身的顶端突出；以及筒状的保护件，其与该主体金属外壳相卡合，并覆盖上述气体检测元件的顶端侧；该气体传感器的特征在于，上述保护件包括:筒状部，其沿着上述轴线方向延伸；以及环状的凸缘部，其设于该筒状部的后端侧，并向径向外侧扩展；上述气体检测元件具备凸肩部，该凸肩部遍布整周地向上述径向外侧突出并且在该凸肩部自身的朝向顶端的面上具有与上述外侧电极电连接的导线部，并且上述主体金属外壳具备台阶部，该台阶部遍布整周地向上述径向内侧突出，上述凸缘部被夹在上述气体检测元件的凸肩部与上述主体金属外壳的台阶部之间，并使上述导线部及上述主体金属外壳电连接，上述主体金属外壳由碳钢形成，并且上述保护件由铁的含量小于上述碳钢的金属材料形成，在比上述凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，上述保护件与上述主体金属外壳之间的最小间隙比上述保护件与上述气体检测元件之间的最小间隙窄。
[0013]另外，在本发明中，作为主体金属外壳的材质的碳钢指的是JIS G4051(2010年)的表1中所规定的碳钢。具体地说，作为主体金属外壳的材质，例如能够采用S17C、S25C等。
[0014]另外，作为铁的含量小于作为保护件的材质的碳钢的金属材料，例如列举有不锈钢。具体地说，例如，列举有SUS310S、因科镍合金750 (注册商标)、因科镍合金601 (注册商标)以及铁氧体系不锈钢等。
[0015]进而，列举有在比凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，保护件与气体检测元件之间的间隙以及保护件与主体金属外壳之间的间隙在整个轴线方向上均匀的例子，但是该间隙也可以不均匀。
[0016]另外，在比气体检测元件的凸肩部靠轴线方向的后端侧处，形成有如主体金属外壳的台阶部、保护件的凸缘部以及气体检测元件的凸肩部这样的、用于实现外侧电极与主体金属外壳之间的导通的部位，因此通过在比气体检测元件的凸肩部靠顶端侧(详细地说是比凸肩部的顶端靠顶端侧)处指定上述间隙之间的关系，能够可靠地确保外侧电极与主体金属外壳之间的导通。
[0017]另外，“保护件与气体检测元件之间的最小间隙”指的是在垂直于传感器的轴线并且从传感器的轴线起呈放射状地延伸的虚拟线上，保护件的内表面与气体检测元件的外表面之间的距离中的最小距离。进而，“保护件与主体金属外壳之间的最小间隙”指的是在垂直于传感器的轴线并且从传感器的轴线起呈放射状地延伸的虚拟线上，保护件的外表面与主体金属外壳的内表面之间的距离中的最小距离。另外，在保护件与气体检测元件、或者保护件与主体金属外壳相接触的情况下，将各自的最小间隙看做ο (mm)。
[0018]另外，虽然保护件与气体检测元件之间的周向上的间隙、保护件与主体金属外壳之间的周向上的间隙可以不均匀，但是更加优选在周向上形成均匀的间隙。即，出于使腐蚀积极地产生于主体金属外壳的顶端侧附近这一点，更加优选遍布周向地设置保护件与气体检测元件之间的最小间隙、保护件与主体金属外壳之间的最小间隙。
[0019](2)作为第2技术方案，本发明的特征在于，上述保护件的筒状部的至少一部分被压入并固定于上述主体金属外壳。
[0020](3)作为第3技术方案，本发明的特征在于，在上述主体金属外壳具备将上述气体传感器固定于安装对象的螺纹部，并且在上述主体金属外壳的上述轴线方向上的设有上述螺纹部的区域内，上述主体金属外壳与上述保护件的筒状部分离。
[0021]另外，更加优选的是，优选保护件的筒状部与主体金属外壳之间的压入部设于比主体金属外壳的螺纹部靠后端侧处。保护件在顶端部容易受到排放气体的热量。因此，若压入部设于比螺纹部靠顶端侧处，则保护件的热量经由压入部向主体金属外壳传递，因此会妨碍热量向保护件的后端部传递。与此相对，若压入部设于比螺纹部靠后端侧处，则热量向保护件的后端侧传递，结果，能够更好地对气体检测元件进行加热。
[0022](4)作为第4技术方案，本发明的特征在于，上述气体传感器不具有对上述气体检测元件进行加热的加热器。
[0023]在本发明中，主体金属外壳由碳钢形成。由此,能够使主体金属外壳的成本低于以往的不锈钢。在此基础上，保护件由铁的含量少于碳钢的金属材料(例如不锈钢)形成，并且设于保护件的凸缘部被夹在气体检测元件的凸肩部与主体金属外壳的台阶部之间。由此，主体金属外壳的腐蚀电位变得比保护件的腐蚀电位低，在于主体金属外壳与保护件之间产生有腐蚀的情况下，腐蚀电位较低的主体金属外壳的台阶部处于易于腐蚀的状态。另外，为了使腐蚀产生于主体金属外壳侧，需要使主体金属外壳的腐蚀电位低于保护件的腐蚀电位。
[0024]这样，在由碳钢形成的主体金属外壳中，若被检测气体、水滴到达保护件的凸缘部附近，则存在有在主体金属外壳产生腐蚀的隐患。因此，在本发明中，在比气体检测元件的凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，保护件与主体金属外壳之间的最小间隙变得比保护件与气体检测元件之间的最小间隙窄。由此，被检测气体、水滴难以到达保护件的凸缘部附近，从而能够抑制在主体金属外壳的台阶部产生腐蚀的情况，能够使产生腐蚀的位置比主体金属外壳的台阶部靠顶端侧处。
[0025]即，例如在将气体传感器安装于排气管等并进行使用时，虽然水滴有可能附着于保护件，但是在该情况下，腐蚀产生于(腐蚀电位较低的)主体金属外壳的顶端侧附近。
[0026]另外,例如在于排放气体中含有水分的情况下,该水分侵入保护件与主体金属外壳之间的间隙，但是在本发明中，通过缩小保护件与主体金属外壳之间的间隙而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳的顶端侧附近(即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够抑制腐蚀产生于保护件的(后端侧的)凸缘部与主体金属外壳的台阶部之间的接触部分处的主体金属外壳侧。
[0027]由此，能够在长时间内确保保护件与主体金属外壳之间的电导通(进而气体检测元件的外侧电极(导线部）与主体金属外壳之间的电导通)。
[0028]另外，将保护件配置于主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙，并且使保护件与气体检测元件之间的最小间隙比保护件与主体金属外壳之间的最小间隙宽。因此，能够抑制如以往那样进一步缩小主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙而成的结构所产生的、被检测气体难以与气体检测元件相接触的情况，能够抑制气体传感器的检测精度下降。另外，还能够抑制因将气体检测元件保持于主体金属外壳时气体检测元件与主体金属外壳相接触而在气体检测元件产生裂纹、缺口的情况。
[0029]在第2技术方案中,保护件的筒状部被压入并固定于主体金属外壳。S卩，由于未设置保护件的筒状部与主体金属外壳之间的间隙，因此，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分不会到达比保护件与主体金属外壳之间的压入部靠后端侧处，通过使腐蚀积极地产生于比主体金属外壳的进行压入的部位靠顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够防止腐蚀产生于保护件的凸缘部与主体金属外壳的台阶部之间的接触部分处的主体金属外壳侧。另外，虽然水滴有可能附着于保护件，但是在该情况下，水滴不会到达比保护件与主体金属外壳之间的压入部靠后端侧处，而是在主体金属外壳的顶端侧附近产生腐蚀。
[0030]由此，能够在更长时间内确保保护件与主体金属外壳之间的电导通(进而气体检测元件的外侧电极(导线部）与体金属外壳之间的电导通)。
[0031]进而，通过将保护件的筒状部压入并固定于主体金属外壳，使保护件的筒状部与主体金属外壳相接触。因此，不仅是保护件的凸缘部与主体金属外壳的台阶部处的导通，还能够在保护件与主体金属外壳之间的压入部实现电导通。由此，增大了能够电导通的区域，从而能够可靠地实现电导通。
[0032]进而，在本发明的气体传感器中，例如，将排放气体的热量向保护件传递并利用来自该保护件的辐射热对气体检测元件进行加热，从而使该气体检测元件处于(能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。
[0033]进而，如本第3技术方案那样，通过在主体金属外壳的轴线方向上的设有用于将上述气体传感器安装于排气管等的螺纹部的区域内使主体金属外壳与保护件的筒状部分离，从而具有保护件的热量难以利用热传导而经由主体金属外壳向外部放出（即难以冷却）这样的效果。因此，例如，能够利用被排放气体加热了的保护件较好地对气体检测元件进行加热。结果，具有能够迅速地开始例如氧浓度等的检测这样的优点。
[0034]本第4技术方案的气体传感器是所谓的无加热器的气体传感器。在该无加热器的气体传感器中，尤其可通过将排放气体的热量向保护件传递并利用来自该保护件的辐射热对气体检测元件进行加热，从而使该气体检测元件处于（能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。由此，通过具有上述结构，能够有效地对气体检测元件进行加热。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图I是表示沿轴线方向剖切具备第I实施方式的气体传感器的气体传感器单元的状态的说明图。
[0036]图2是表示沿轴线方向剖切第2实施方式的气体传感器的状态的说明图。
[0037]图3是局部剖切气体检测元件而进行表示的主视图。[0038]图4是表示保护件的主视图。
[0039]图5是剖切气体检测元件并扩大其主要部分而进行表示的说明图。
[0040]图6是表示实验中所使用的气体传感器的试样的说明图。
[0041]图7是剖切第2实施方式的气体传感器的气体检测元件并扩大其主要部分而进行表示的说明图。
[0042]图8是现有技术的说明图。
【具体实施方式】
[0043]以下将结合【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0044]第1实施方式
[0045]在此，举例说明具备第1实施方式的气体传感器的气体传感器单元。
[0046]如图1所示，第1实施方式的气体传感器单元1包括:筒状的气体传感器3，其沿着轴线0方向延伸；以及传感器罩5，其配置于该气体传感器3的轴线0方向的后端侧(图1的上侧)。
[0047]该气体传感器单元1为如下氧传感器:其以使气体传感器3的顶端部分向诸如摩托车等车辆的排气管(未图示)内突出的方式组装于该排气管，并测量排放气体中的氧浓度。
[0048]以下，说明各结构。另外，在以下的说明中，将沿着轴线0的方向中的、安装传感器罩5的一侧设为后端侧，将与上述后端侧相反的一侧设为顶端侧，并进行说明。
[0049]a)首先，说明气体传感器3的结构。
[0050]如图2所示，本实施方式的气体传感器3主要包括气体检测元件7、陶瓷套筒9、端子构件11以及主体金属外壳13。
[0051]该气体传感器3不具备用于对气体检测元件7进行加热的加热器，即为所谓的无加热器的传感器，该气体传感器3利用排放气体的热量使气体检测元件7活性化，从而测量氧浓度。
[0052]气体传感器3的结构中的主体金属外壳13是由碳钢的例如S17C形成的圆筒状的构件。为了支承后述的气体检测元件7的凸肩部15，向顶端侧(图2的下侧)缩径的锥形状的台阶部17以从内周面向径向内侧突出的方式环绕设置于该主体金属外壳13。
[0053]另外，在主体金属外壳13的顶端侧的外周面形成有用于将气体传感器3安装于排气管的螺纹部19，在该螺纹部19的后端侧(图2的上侧)环绕设置有供用于将螺纹部19旋入排气管的安装工具卡合的六角部21。
[0054]进而，在该主体金属外壳13的后端侧设有用于收纳气体检测元件7的后端侧、陶瓷套筒9等的筒状部23。
[0055]如图3所示,气体检测元件7具有筒状的元件主体8,该元件主体8由具有氧离子传导性的固体电解质形成，呈顶端部25被封闭的有底状，且沿着轴线0方向延伸。在该元件主体8的外周环绕设置有向径向外侧突出的凸肩部15。
[0056]另外，作为构成元件主体8的固体电解质，代表性的固体电解质例如是使Y203或CaO固溶而成的Zr02，除此以外，也可以使用碱土类金属或稀土类金属的氧化物和Zr02的固溶体。进而，该固溶体也可以含有Hf02。[0057]外侧电极27在该气体检测元件7的顶端部25处形成于元件主体8的外周面。该外侧电极27是通过将Pt或Pt合金形成为多孔状而形成的。从该外侧电极27起沿着轴线方向形成有由Pt等形成的纵导线部29，且该导线部29连接于呈环状地形成于凸肩部15的朝向顶端的面侧（图3的下侧）的、由Pt等形成的环状导线部31 (权利要求范围内的导线部)。
[0058]另一方面，在气体检测元件7的元件主体8的内周面形成有内侧电极33。该内侧电极33也是通过将Pt或Pt合金形成为多孔状而形成的。
[0059]回到图2，陶瓷套筒9由绝缘性陶瓷(具体地说为氧化铝)形成，且具有圆筒状。关于该陶瓷套筒9，厚壁的顶端侧部分35以包围比气体检测元件7的凸肩部15靠后端侧的部分的周围的方式与由滑石形成的陶瓷粉末37 —起保持为夹设于气体检测元件7与主体金属外壳13之间。
[0060]端子构件11为如下筒状的金属端子：其被插入到气体检测元件7的内部的空间39内，通过与内侧电极33相接触来获取传感器输出。该端子构件11例如由因科镍合金(英因科镍合金社，商标名）形成，且具有传感器罩5侧的输出侧端子部41、与内侧电极33相接触的元件侧端子部43以及连接两者的端子连接部45。
[0061]b)接着，说明本实施方式的气体传感器3的主要部分。
[0062]在本实施方式中，以从气体检测元件7的凸肩部15覆盖至顶端侧的方式配置有由不锈钢(例如SUS310S)形成的长条的保护件47。
[0063]如图4所示，该保护件47是在其顶端侧设有用于将排放气体导入到内部的多个通气孔49的筒状体，且该保护件47具备：顶端侧的圆盘状的顶端部51 ;筒状部53，其从顶端部51向后端侧延伸；以及环状的凸缘部57，其设于筒状部53的后端部，且以向外周向倾斜的方式向后端侧延伸。另外，在顶端部51设有排出孔55 (参照图5)。
[0064]尤其在本实施方式中，如在图5中扩大后进行表示的那样，保护件47的凸缘部57以被按压的状态夹在气体检测元件7的凸肩部15的朝向顶端的面59与主体金属外壳13的台阶部17的上表面61之间。
[0065]由此，气体检测元件7的环状导线部31 (与该导线部31电导通的外侧电极27)、保护件47以及主体金属外壳13被电连接。
[0066]另外，保护件47被压入并固定于主体金属外壳13。详细地说，保护件47的筒状部53被压入并固定于呈环状地从主体金属外壳13的内周面起沿轴线侧突出的压入部54。在该压入部54处，筒状部53与主体金属外壳13相密合。另外，压入部54的轴线方向上的长度例如为I. 5mm。
[0067]进而，气体检测元件7的外周面与主体金属外壳13的内周面之间的筒状的空间被保护件47的筒状部53分隔为圆筒状的内侧空间63与圆筒状的外侧空间65。
[0068]而且，在主体金属外壳13的轴线方向上的设有螺纹部19的区域（图5的T区域）内，利用外侧空间65将保护件47的外周面与主体金属外壳13的内周面分离。
[0069]而且，在本实施方式中，在比凸肩部15 (详细地说为凸肩部15的轴线方向的顶端）靠轴线方向的顶端侧（图5的H区域)，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙（即，外侧空间65的最小间隙）被设定为比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙（即，内侧空间63的最小间隙）小。[0070]详细地说，如在同一附图中扩大局部而进行表示的那样，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2 (例如，0mm)比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙W1(例如，0.35mm)窄。另外，由于保护件47的筒状部53被压入于主体金属外壳13,因此最小间隙W2为0mm。
[0071]另外，在本实施方式中，保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙W1以及保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2均是凸肩部15的顶端处的位置，但是并不局限于此。
[0072]c)接着，简单说明传感器罩5的结构。
[0073]回到图1，传感器罩5主要具备罩端子67、覆盖构件69、导线71以及过滤构件73。
[0074]罩端子67是以夹着陶瓷套筒9的后端侧的方式从同一附图的上侧嵌入的构件，例如由不锈钢(SUS310S等)形成，并利用拉深加工等将板材形成为双层大致圆筒形状。
[0075]该罩端子67具有:板状的环状部75，其关于轴线0呈同心环状；把持部77，其与环状部75的外周边缘相连接并向沿着轴线0的一侧(同一附图的下侧)突出；以及圆筒状的插入部79，其与环状部75的内周边缘相连接并向与把持部77相同的一侧突出。
[0076]覆盖构件69是用于覆盖并保持罩端子67的构件，通过使用绝缘性的氟基橡胶将该覆盖构件69成形为空心状而构成收纳罩端子67的罩端子收纳空间81。
[0077]该覆盖构件69具有在构成气体传感器单元1时以覆盖罩端子67和陶瓷套筒9的后端侧的方式向同一附图的下侧开口的结合开口部83，并且具有用于收纳过滤构件73的过滤用连通孔85和用于收纳导线71的导线用连通孔87。
[0078]过滤构件73由微细气孔连续的连续多孔质构造的PTFE形成，通过过滤构件73的大气经由罩端子收纳空间81被导入气体检测元件7的内部的空间39内。
[0079]导线71除了芯线以外还具有包覆材料。该导线71的顶端侧向结合开口部83侧延伸，并被导线固定构件88的铆接部89铆接。
[0080]该导线固定构件88具有大致圆筒形状，且除了铆接部89以外还具有用于固定导线(包覆材料)的包覆材料固定部91和与罩端子67的插入部77的内壁相嵌合的嵌合部93。而且，该导线固定构件88被按压于罩端子67的轴线中心的开口部95并与该开口部95构成为一体。
[0081]因而，在传感器罩5安装于气体传感器3的后端侧的情况下，在气体检测元件7的后端侧嵌入有具备导线固定构件88的罩端子67，从而该罩端子67与(与气体检测元件7的内侧电极33相接触的)端子构件11电连接。
[0082]由此，端子构件11经由罩端子67和导线固定构件88而与导线71相连接，通过该导线71能够将来自气体传感器3的气体检测元件7的内侧电极33的输出信号向外部装置(例如，发动机控制单元(EOT))传送。
[0083]d)接着，简单说明气体传感器单元1的制造方法。
[0084]首先，如图1所示，从同一附图的上侧将保护件47嵌入主体金属外壳13的轴线中心的通孔97。此时，压入保护件47直到保护件47的凸缘部57抵接于主体金属外壳13的台阶部17为止。另外，保护件47的筒状部53被压入并固定于主体金属外壳13。
[0085]接着，将设有外侧电极27、内侧电极33的气体检测元件7插入主体金属外壳13的通孔97。此时，插入气体检测元件7直到气体检测元件7的凸肩部15抵接于保护件47的凸缘部57为止。由此，凸肩部15的下表面59的环状导线31与凸缘部57相接触(参照图5)而被电连接。
[0086]接着，将陶瓷粉末37以预定量填充于主体金属外壳13与气体检测元件7之间的间隙部分。
[0087]接着，以使陶瓷套筒9的顶端侧部分35夹设于气体检测元件7与主体金属外壳13之间的方式插入陶瓷套筒9，并使该陶瓷套筒9抵接于陶瓷粉末37。
[0088]接着，朝向顶端侧对陶瓷套筒9加压，并在该加压状态下以使铆接环101 (参照图I)夹设于主体金属外壳13的铆接部99 (参照图I)与陶瓷套筒9之间的方式对铆接部99进行铆接，从而将上述结构部件固定为一体。
[0089]接着，将端子构件11插入陶瓷套筒9和气体检测元件7的内侧。具体地说，一边使端子构件11的元件侧端子部43弹性地缩径，一边将其插入到气体检测元件7内，并与内侧电极33电连接。与此同时，向顶端侧压入输出侧端子部41，并使其花瓣状的止动部103(参照图I)抵接于陶瓷套筒9的后端面。如此一来，完成气体传感器3。
[0090]之后，通过将传感器罩5嵌入气体传感器3的后端侧并且将罩端子67嵌入端子构件11，从而将气体传感器3与传感器罩5 —体化,完成气体传感器单兀I。
[0091]e)接着，说明基于上述结构的本实施方式的作用效果。
[0092]在本实施方式中，主体金属外壳13由作为碳钢的例如S17C形成。由此，与以往相t匕，能够使成本比主体金属外壳13的不锈钢低。在此基础上，保护件47由不锈钢的例如SUS310S形成，并且设于保护件47的凸缘部57被夹在气体检测元件7的凸肩部15与主体金属外壳13的台阶部17之间。由此，主体金属外壳13的腐蚀电位变得比保护件47的腐蚀电位低，在于主体金属外壳13与保护件47之间产生有腐蚀的情况下，腐蚀电位较低的主体金属外壳13的台阶部17处于容易腐蚀的状态。
[0093]因此，在本实施方式中，在比气体检测元件7的凸肩部15靠轴线O方向的顶端侧H处，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙Wl窄。由此，被检测气体、水滴难以到达保护件47b的凸缘部57附近，从而不会在主体金属外壳13的台阶部17产生腐蚀，能够使产生有腐蚀的位置位于比主体金属外壳13的台阶部17靠顶端侧处。
[0094]S卩，例如在将气体传感器单元I安装于排气管并进行使用时，虽然水滴有可能附着于保护件47，但是在该情况下，腐蚀产生于(腐蚀电位较低的)主体金属外壳13的顶端附近。
[0095]另外，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分侵入保护件47与主体金属外壳13之间的间隙，但是在本实施方式中，通过缩小保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳13的顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀),从而抑制腐蚀产生于保护件47的后端侧的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17之间的接触部分的、主体金属外壳13的一侧。
[0096]由此，能够在长时间内确保保护件47与主体金属外壳13之间的电导通(进而气体检测元件7的外侧电极27 (环状导线部31)与主体金属外壳13之间的电导通)。
[0097]在此基础上，将保护件47配置于主体金属外壳13与气体检测元件7之间的间隙，并且使保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙Wl比保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2宽。因此，能够抑制如以往那样进一步缩小主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙而成的结构所产生的、被检测气体难以与气体检测元件相接触的情况，能够抑制气体传感器的检测精度下降。另外，还能够抑制因将气体检测元件保持于主体金属外壳时气体检测元件与主体金属外壳相接触而在气体检测元件产生裂纹、缺口的情况。
[0098]另外，在本实施方式中，保护件47的筒状部53的一部分被压入并固定于主体金属外壳13。S卩，由于未设置保护件47的筒状部53与主体金属外壳13之间的间隙W2,因此，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分不会到达比保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54靠后端侧处，通过使腐蚀积极地产生于比主体金属外壳13的压入部54靠顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够防止腐蚀产生于保护件47的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17之间的接触部分的、主体金属外壳13的一侧。另外，虽然水滴有可能附着于保护件47，但是在该情况下，水滴不会到达比保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54靠后端侧处，而是在比主体金属外壳13的压入部54靠顶端侧附近产生腐蚀。由此，能够在更加长时间内确保保护件47与主体金属外壳13之间的电导通(进而外侧电极27与主体金属外壳13之间的电导通)。
[0099]进而，由于保护件47的筒状部53被压入并固定于主体金属外壳13，因此保护件47的筒状部53与主体金属外壳13相接触。因此，不仅是保护件47的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17处的导通，还能够在保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54实现电导通(进而外侧电极27与主体金属外壳13之间的电导通)。由此，增大了能够电导通的区域，从而能够可靠地实现电导通。
[0100]进而，在本实施方式中，通过在主体金属外壳13的轴线O方向上的设有用于安装于排气管等的螺纹部19的区域T内使主体金属外壳13与保护件47的筒状部53分离，从而使保护件47的热量难以因热传导而经由主体金属外壳13向排气管侧放出。因此，能够利用被排放气体加热了的保护件47较好地对气体检测元件7进行加热。其结果，具有能够迅速地开始氧浓度的检测这样的优点。
[0101]在此基础上，气体传感器3是所谓的无加热器的气体传感器。在该无加热器的气体传感器3中，尤其可通过将排放气体的热量向保护件47传递并利用来自该保护件47的辐射热对气体检测元件7进行加热，从而使该气体检测元件7处于(能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。由此，通过具有上述结构，能够有效地对气体检测元件7进行加热。
[0102]f )接着，说明为了确认本发明的效果所进行的实验例。
[0103]在本实验例中，作为本发明的范围内的试样（实施例1、2)，如下述表I所示，改变主体金属外壳和保护件的材料，制造构造与上述实施方式的构造相同的气体传感器111的试样。
[0104]另外，作为本发明的范围外的试样（比较例1、2)，制造如以往的构造(参照图8)那样在气体检测元件与主体金属外壳之间配置了环状的（SUS430制的）密封件的构造的气体传感器。
[0105]另外，在各试样中，将与气体检测元件的外侧电极相连接的纵导线部延长并形成至后端。另外，并未连接端子构件。
[0106]实验方法如下所述。
[0107]首先，针对气体传感器111的各试样，检测外侧电极(即纵导线部)与主体金属外壳之间的电阻(初始电阻)。在下述表1中记述其结果。
[0108]接着，如图6所示，将由铝形成的(顶端封闭的)筒状的毂115螺合并固定于各气体传感器111的顶端侧的螺纹部113。另外，此时，在毂115的内部空间117填充PH2的醋酸水溶液。
[0109]接着，将该各试样放入炉内并上升至150°C，在该温度下加热100小时，之后，冷却
至室温。
[0110]接着，从炉中取出各试样，从各气体传感器111拆除毂115，针对气体传感器111的各试样检测外侧电极(即纵导线部）与主体金属外壳之间的电阻(耐久后电阻)。在下述表1中记述该结果。
[0111][表1]
[0112]
【权利要求】
1.一种气体传感器，其包括： 气体检测元件，其包括元件主体、内侧电极以及外侧电极，该元件主体沿着轴线方向延伸，并由顶端侧被封闭的筒状的固体电解质形成，该内侧电极设于该元件主体的内侧，该外侧电极设于该元件主体的外侧； 筒状的主体金属外壳，其嵌于该气体检测元件的外侧并且使上述气体检测元件的顶端侧从该主体金属外壳自身的顶端突出；以及 筒状的保护件，其与该主体金属外壳相卡合，并覆盖上述气体检测元件的顶端侧；该气体传感器的特征在于， 上述保护件包括：筒状部，其沿着上述轴线方向延伸；以及环状的凸缘部，其设于该筒状部的后端侧，并向径向外侧扩展； 上述气体检测元件具备凸肩部，该凸肩部遍布整周地向上述径向外侧突出并且在该凸肩部自身的朝向顶端的面上具有与上述外侧电极电连接的导线部，并且上述主体金属外壳具备台阶部，该台阶部遍布整周地向上述径向内侧突出， 上述凸缘部被夹在上述气体检测元件的凸肩部与上述主体金属外壳的台阶部之间，并使上述导线部及上述主体金属外壳电连接， 上述主体金属外壳由碳钢形成，并且上述保护件由铁的含量小于上述碳钢的金属材料形成， 在比上述凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，上述保护件与上述主体金属外壳之间的最小间隙比上述保护件与上述气体检测元件之间的最小间隙窄。
2.根据权利要求I所述的气体传感器，其特征在于， 上述保护件的筒状部的至少一部分被压入并固定于上述主体金属外壳。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于， 在上述主体金属外壳具备将上述气体传感器固定于安装对象的螺纹部， 并且在上述主体金属外壳的上述轴线方向上的设有上述螺纹部的区域内，上述主体金属外壳与上述保护件的筒状部分离。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于， 上述气体传感器不具有对上述气体检测元件进行加热的加热器。
【文档编号】G01N27/409GK103562713SQ201280026547
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2011年8月17日
【发明者】渥美尚胜 申请人:日本特殊陶业株式会社
【专利摘要】提供一种能够降低制造成本、并且能够防止在气体检测元件与主体金属外壳进行电导通的部位产生主体金属外壳的腐蚀的气体传感器。例如，在于排放气体中含有水分的情况下，该水分侵入保护件（47）与主体金属外壳（13）之间的间隙，但是在本发明的气体传感器（3）中，通过缩小保护件（47）与主体金属外壳（13）之间的最小间隙（W2）而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳（13）的顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀），从而抑制腐蚀产生于保护件（47）的后端侧的凸缘部（57）与主体金属外壳（13）的台阶部（17）之间的接触部分的、主体金属外壳（13）的一侧。
【专利说明】气体传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种搭载于例如机动二轮车(摩托车)等以检测从其内燃机(发动机)排出的排放气体中的氧等的气体传感器。
【背景技术】
[0002]以往，作为具有气体检测元件的气体传感器，例如已知有如下传感器:其具备由氧离子导电性的固体电解质体形成的气体检测元件，且安装于摩托车等的发动机的排气管以检测排放气体中的氧浓度。
[0003]作为此种气体检测元件，例如已知有如下气体检测元件:其具有顶端侧封闭的筒状的元件主体，在该元件主体的内侧具备内侧电极并且在外侧具备外侧电极。
[0004]例如，如图8所示，在下述专利文献1中公开有如下气体传感器P5:其隔着环状的金属制的密封件P2等将气体检测元件P1固定于主体金属外壳P3内，并且以金属制的保护件P4覆盖从主体金属外壳P3的顶端突出的气体检测元件P1的顶端侧。
[0005]该气体传感器P5不具有用于对气体检测元件P1进行加热的加热器，即所谓的无加热器构造。另外，该气体传感器P5的内侧电极P6与端子金属外壳P7相接触，从而使外部电路(未图示)从端子金属外壳P7获取传感器输出，另一方面，外侧电极P8与沿着气体检测元件P1的外周延伸的导线部P9相连接，并借助导线部P9和密封件P2而与主体金属外壳P3电连接。
[0006]专利文献1:2009 - 63330号公报
[0007]但是，在上述现有技术中，通常，内侧电极P6、外侧电极P8以及导线部P9由钼形成，并且密封件P2、主体金属外壳P3由不锈钢(例如SUS430)形成。因此，即使从保护件P4的气体导入孔导入至保护件4内的被检测气体到达了密封件P2附近，在密封件P2与主体金属外壳P3之间的接触部分、密封件P2与导线部P9之间的接触部分因被检测气体中的水分而产生腐蚀的可能性也较低。另外，即使到达保护件P4的内表面的水滴到达了密封件P2附近，在接触部分因水滴而产生腐蚀的可能性也较低。
[0008]但是，在以降低成本为目的而以低价的碳钢来制造主体金属外壳P3的情况下，存在有在密封件P2与主体金属外壳P3之间的接触部分(在主体金属外壳P3侧)因被检测气体中的水分、到达保护件P4的内表面的水滴而产生腐蚀的问题。而且，若产生了腐蚀，则存在有因电导通劣化而对气体传感器P5的气体检测造成影响的隐患。
[0009]与此相对，通过进一步缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙(空隙)，从而能够使被检测气体难以到达密封件P2附近，能够针对由碳钢形成的主体金属外壳P3抑制在该主体金属外壳P3与密封件P2之间的接触部分处产生腐蚀。另外，附着于保护件P4的内表面的水滴难以到达密封件P2附近，从而能够针对由碳钢形成的主体金属外壳P3抑制在该主体金属外壳P3与密封件P2之间的接触部分处产生腐蚀。
[0010]但是，采用上述结构，通过进一步缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙，被检测气体难以与气体检测元件P1相接触，从而存在有气体传感器P5的检测精度下降的隐患。另外，通过缩小主体金属外壳P3与气体检测元件P1之间的间隙，在将气体检测兀件P1保持于主体金属外壳P3时,气体检测兀件P1与主体金属外壳P3相接触,从而存在有在气体检测元件P1上产生裂纹、缺口的隐患。
【发明内容】
[0011]本发明就是为了解决上述问题点而完成的，其目的在于提供一种能够降低制造成本、并且能够防止在气体检测元件与主体金属外壳进行电导通的部位产生主体金属外壳的腐蚀的气体传感器。
[0012](1)作为第1技术方案，本发明为一种气体传感器，其包括:气体检测兀件，其包括元件主体、内侧电极以及外侧电极，该元件主体沿着轴线方向延伸，并由顶端侧被封闭的筒状的固体电解质形成，该内侧电极设于该元件主体的内侧，该外侧电极设于该元件主体的外侧；筒状的主体金属外壳，其嵌于该气体检测元件的外侧并且使上述气体检测元件的顶端侧从该主体金属外壳自身的顶端突出；以及筒状的保护件，其与该主体金属外壳相卡合，并覆盖上述气体检测元件的顶端侧；该气体传感器的特征在于，上述保护件包括:筒状部，其沿着上述轴线方向延伸；以及环状的凸缘部，其设于该筒状部的后端侧，并向径向外侧扩展；上述气体检测元件具备凸肩部，该凸肩部遍布整周地向上述径向外侧突出并且在该凸肩部自身的朝向顶端的面上具有与上述外侧电极电连接的导线部，并且上述主体金属外壳具备台阶部，该台阶部遍布整周地向上述径向内侧突出，上述凸缘部被夹在上述气体检测元件的凸肩部与上述主体金属外壳的台阶部之间，并使上述导线部及上述主体金属外壳电连接，上述主体金属外壳由碳钢形成，并且上述保护件由铁的含量小于上述碳钢的金属材料形成，在比上述凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，上述保护件与上述主体金属外壳之间的最小间隙比上述保护件与上述气体检测元件之间的最小间隙窄。
[0013]另外，在本发明中，作为主体金属外壳的材质的碳钢指的是JIS G4051(2010年)的表1中所规定的碳钢。具体地说，作为主体金属外壳的材质，例如能够采用S17C、S25C等。
[0014]另外，作为铁的含量小于作为保护件的材质的碳钢的金属材料，例如列举有不锈钢。具体地说，例如，列举有SUS310S、因科镍合金750 (注册商标)、因科镍合金601 (注册商标)以及铁氧体系不锈钢等。
[0015]进而，列举有在比凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，保护件与气体检测元件之间的间隙以及保护件与主体金属外壳之间的间隙在整个轴线方向上均匀的例子，但是该间隙也可以不均匀。
[0016]另外，在比气体检测元件的凸肩部靠轴线方向的后端侧处，形成有如主体金属外壳的台阶部、保护件的凸缘部以及气体检测元件的凸肩部这样的、用于实现外侧电极与主体金属外壳之间的导通的部位，因此通过在比气体检测元件的凸肩部靠顶端侧(详细地说是比凸肩部的顶端靠顶端侧)处指定上述间隙之间的关系，能够可靠地确保外侧电极与主体金属外壳之间的导通。
[0017]另外，“保护件与气体检测元件之间的最小间隙”指的是在垂直于传感器的轴线并且从传感器的轴线起呈放射状地延伸的虚拟线上，保护件的内表面与气体检测元件的外表面之间的距离中的最小距离。进而，“保护件与主体金属外壳之间的最小间隙”指的是在垂直于传感器的轴线并且从传感器的轴线起呈放射状地延伸的虚拟线上，保护件的外表面与主体金属外壳的内表面之间的距离中的最小距离。另外，在保护件与气体检测元件、或者保护件与主体金属外壳相接触的情况下，将各自的最小间隙看做ο (mm)。
[0018]另外，虽然保护件与气体检测元件之间的周向上的间隙、保护件与主体金属外壳之间的周向上的间隙可以不均匀，但是更加优选在周向上形成均匀的间隙。即，出于使腐蚀积极地产生于主体金属外壳的顶端侧附近这一点，更加优选遍布周向地设置保护件与气体检测元件之间的最小间隙、保护件与主体金属外壳之间的最小间隙。
[0019](2)作为第2技术方案，本发明的特征在于，上述保护件的筒状部的至少一部分被压入并固定于上述主体金属外壳。
[0020](3)作为第3技术方案，本发明的特征在于，在上述主体金属外壳具备将上述气体传感器固定于安装对象的螺纹部，并且在上述主体金属外壳的上述轴线方向上的设有上述螺纹部的区域内，上述主体金属外壳与上述保护件的筒状部分离。
[0021]另外，更加优选的是，优选保护件的筒状部与主体金属外壳之间的压入部设于比主体金属外壳的螺纹部靠后端侧处。保护件在顶端部容易受到排放气体的热量。因此，若压入部设于比螺纹部靠顶端侧处，则保护件的热量经由压入部向主体金属外壳传递，因此会妨碍热量向保护件的后端部传递。与此相对，若压入部设于比螺纹部靠后端侧处，则热量向保护件的后端侧传递，结果，能够更好地对气体检测元件进行加热。
[0022](4)作为第4技术方案，本发明的特征在于，上述气体传感器不具有对上述气体检测元件进行加热的加热器。
[0023]在本发明中，主体金属外壳由碳钢形成。由此,能够使主体金属外壳的成本低于以往的不锈钢。在此基础上，保护件由铁的含量少于碳钢的金属材料(例如不锈钢)形成，并且设于保护件的凸缘部被夹在气体检测元件的凸肩部与主体金属外壳的台阶部之间。由此，主体金属外壳的腐蚀电位变得比保护件的腐蚀电位低，在于主体金属外壳与保护件之间产生有腐蚀的情况下，腐蚀电位较低的主体金属外壳的台阶部处于易于腐蚀的状态。另外，为了使腐蚀产生于主体金属外壳侧，需要使主体金属外壳的腐蚀电位低于保护件的腐蚀电位。
[0024]这样，在由碳钢形成的主体金属外壳中，若被检测气体、水滴到达保护件的凸缘部附近，则存在有在主体金属外壳产生腐蚀的隐患。因此，在本发明中，在比气体检测元件的凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，保护件与主体金属外壳之间的最小间隙变得比保护件与气体检测元件之间的最小间隙窄。由此，被检测气体、水滴难以到达保护件的凸缘部附近，从而能够抑制在主体金属外壳的台阶部产生腐蚀的情况，能够使产生腐蚀的位置比主体金属外壳的台阶部靠顶端侧处。
[0025]即，例如在将气体传感器安装于排气管等并进行使用时，虽然水滴有可能附着于保护件，但是在该情况下，腐蚀产生于(腐蚀电位较低的)主体金属外壳的顶端侧附近。
[0026]另外,例如在于排放气体中含有水分的情况下,该水分侵入保护件与主体金属外壳之间的间隙，但是在本发明中，通过缩小保护件与主体金属外壳之间的间隙而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳的顶端侧附近(即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够抑制腐蚀产生于保护件的(后端侧的)凸缘部与主体金属外壳的台阶部之间的接触部分处的主体金属外壳侧。
[0027]由此，能够在长时间内确保保护件与主体金属外壳之间的电导通(进而气体检测元件的外侧电极(导线部）与主体金属外壳之间的电导通)。
[0028]另外，将保护件配置于主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙，并且使保护件与气体检测元件之间的最小间隙比保护件与主体金属外壳之间的最小间隙宽。因此，能够抑制如以往那样进一步缩小主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙而成的结构所产生的、被检测气体难以与气体检测元件相接触的情况，能够抑制气体传感器的检测精度下降。另外，还能够抑制因将气体检测元件保持于主体金属外壳时气体检测元件与主体金属外壳相接触而在气体检测元件产生裂纹、缺口的情况。
[0029]在第2技术方案中,保护件的筒状部被压入并固定于主体金属外壳。S卩，由于未设置保护件的筒状部与主体金属外壳之间的间隙，因此，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分不会到达比保护件与主体金属外壳之间的压入部靠后端侧处，通过使腐蚀积极地产生于比主体金属外壳的进行压入的部位靠顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够防止腐蚀产生于保护件的凸缘部与主体金属外壳的台阶部之间的接触部分处的主体金属外壳侧。另外，虽然水滴有可能附着于保护件，但是在该情况下，水滴不会到达比保护件与主体金属外壳之间的压入部靠后端侧处，而是在主体金属外壳的顶端侧附近产生腐蚀。
[0030]由此，能够在更长时间内确保保护件与主体金属外壳之间的电导通(进而气体检测元件的外侧电极(导线部）与体金属外壳之间的电导通)。
[0031]进而，通过将保护件的筒状部压入并固定于主体金属外壳，使保护件的筒状部与主体金属外壳相接触。因此，不仅是保护件的凸缘部与主体金属外壳的台阶部处的导通，还能够在保护件与主体金属外壳之间的压入部实现电导通。由此，增大了能够电导通的区域，从而能够可靠地实现电导通。
[0032]进而，在本发明的气体传感器中，例如，将排放气体的热量向保护件传递并利用来自该保护件的辐射热对气体检测元件进行加热，从而使该气体检测元件处于(能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。
[0033]进而，如本第3技术方案那样，通过在主体金属外壳的轴线方向上的设有用于将上述气体传感器安装于排气管等的螺纹部的区域内使主体金属外壳与保护件的筒状部分离，从而具有保护件的热量难以利用热传导而经由主体金属外壳向外部放出（即难以冷却）这样的效果。因此，例如，能够利用被排放气体加热了的保护件较好地对气体检测元件进行加热。结果，具有能够迅速地开始例如氧浓度等的检测这样的优点。
[0034]本第4技术方案的气体传感器是所谓的无加热器的气体传感器。在该无加热器的气体传感器中，尤其可通过将排放气体的热量向保护件传递并利用来自该保护件的辐射热对气体检测元件进行加热，从而使该气体检测元件处于（能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。由此，通过具有上述结构，能够有效地对气体检测元件进行加热。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图I是表示沿轴线方向剖切具备第I实施方式的气体传感器的气体传感器单元的状态的说明图。
[0036]图2是表示沿轴线方向剖切第2实施方式的气体传感器的状态的说明图。
[0037]图3是局部剖切气体检测元件而进行表示的主视图。[0038]图4是表示保护件的主视图。
[0039]图5是剖切气体检测元件并扩大其主要部分而进行表示的说明图。
[0040]图6是表示实验中所使用的气体传感器的试样的说明图。
[0041]图7是剖切第2实施方式的气体传感器的气体检测元件并扩大其主要部分而进行表示的说明图。
[0042]图8是现有技术的说明图。
【具体实施方式】
[0043]以下将结合【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0044]第1实施方式
[0045]在此，举例说明具备第1实施方式的气体传感器的气体传感器单元。
[0046]如图1所示，第1实施方式的气体传感器单元1包括:筒状的气体传感器3，其沿着轴线0方向延伸；以及传感器罩5，其配置于该气体传感器3的轴线0方向的后端侧(图1的上侧)。
[0047]该气体传感器单元1为如下氧传感器:其以使气体传感器3的顶端部分向诸如摩托车等车辆的排气管(未图示)内突出的方式组装于该排气管，并测量排放气体中的氧浓度。
[0048]以下，说明各结构。另外，在以下的说明中，将沿着轴线0的方向中的、安装传感器罩5的一侧设为后端侧，将与上述后端侧相反的一侧设为顶端侧，并进行说明。
[0049]a)首先，说明气体传感器3的结构。
[0050]如图2所示，本实施方式的气体传感器3主要包括气体检测元件7、陶瓷套筒9、端子构件11以及主体金属外壳13。
[0051]该气体传感器3不具备用于对气体检测元件7进行加热的加热器，即为所谓的无加热器的传感器，该气体传感器3利用排放气体的热量使气体检测元件7活性化，从而测量氧浓度。
[0052]气体传感器3的结构中的主体金属外壳13是由碳钢的例如S17C形成的圆筒状的构件。为了支承后述的气体检测元件7的凸肩部15，向顶端侧(图2的下侧)缩径的锥形状的台阶部17以从内周面向径向内侧突出的方式环绕设置于该主体金属外壳13。
[0053]另外，在主体金属外壳13的顶端侧的外周面形成有用于将气体传感器3安装于排气管的螺纹部19，在该螺纹部19的后端侧(图2的上侧)环绕设置有供用于将螺纹部19旋入排气管的安装工具卡合的六角部21。
[0054]进而，在该主体金属外壳13的后端侧设有用于收纳气体检测元件7的后端侧、陶瓷套筒9等的筒状部23。
[0055]如图3所示,气体检测元件7具有筒状的元件主体8,该元件主体8由具有氧离子传导性的固体电解质形成，呈顶端部25被封闭的有底状，且沿着轴线0方向延伸。在该元件主体8的外周环绕设置有向径向外侧突出的凸肩部15。
[0056]另外，作为构成元件主体8的固体电解质，代表性的固体电解质例如是使Y203或CaO固溶而成的Zr02，除此以外，也可以使用碱土类金属或稀土类金属的氧化物和Zr02的固溶体。进而，该固溶体也可以含有Hf02。[0057]外侧电极27在该气体检测元件7的顶端部25处形成于元件主体8的外周面。该外侧电极27是通过将Pt或Pt合金形成为多孔状而形成的。从该外侧电极27起沿着轴线方向形成有由Pt等形成的纵导线部29，且该导线部29连接于呈环状地形成于凸肩部15的朝向顶端的面侧（图3的下侧）的、由Pt等形成的环状导线部31 (权利要求范围内的导线部)。
[0058]另一方面，在气体检测元件7的元件主体8的内周面形成有内侧电极33。该内侧电极33也是通过将Pt或Pt合金形成为多孔状而形成的。
[0059]回到图2，陶瓷套筒9由绝缘性陶瓷(具体地说为氧化铝)形成，且具有圆筒状。关于该陶瓷套筒9，厚壁的顶端侧部分35以包围比气体检测元件7的凸肩部15靠后端侧的部分的周围的方式与由滑石形成的陶瓷粉末37 —起保持为夹设于气体检测元件7与主体金属外壳13之间。
[0060]端子构件11为如下筒状的金属端子：其被插入到气体检测元件7的内部的空间39内，通过与内侧电极33相接触来获取传感器输出。该端子构件11例如由因科镍合金(英因科镍合金社，商标名）形成，且具有传感器罩5侧的输出侧端子部41、与内侧电极33相接触的元件侧端子部43以及连接两者的端子连接部45。
[0061]b)接着，说明本实施方式的气体传感器3的主要部分。
[0062]在本实施方式中，以从气体检测元件7的凸肩部15覆盖至顶端侧的方式配置有由不锈钢(例如SUS310S)形成的长条的保护件47。
[0063]如图4所示，该保护件47是在其顶端侧设有用于将排放气体导入到内部的多个通气孔49的筒状体，且该保护件47具备：顶端侧的圆盘状的顶端部51 ;筒状部53，其从顶端部51向后端侧延伸；以及环状的凸缘部57，其设于筒状部53的后端部，且以向外周向倾斜的方式向后端侧延伸。另外，在顶端部51设有排出孔55 (参照图5)。
[0064]尤其在本实施方式中，如在图5中扩大后进行表示的那样，保护件47的凸缘部57以被按压的状态夹在气体检测元件7的凸肩部15的朝向顶端的面59与主体金属外壳13的台阶部17的上表面61之间。
[0065]由此，气体检测元件7的环状导线部31 (与该导线部31电导通的外侧电极27)、保护件47以及主体金属外壳13被电连接。
[0066]另外，保护件47被压入并固定于主体金属外壳13。详细地说，保护件47的筒状部53被压入并固定于呈环状地从主体金属外壳13的内周面起沿轴线侧突出的压入部54。在该压入部54处，筒状部53与主体金属外壳13相密合。另外，压入部54的轴线方向上的长度例如为I. 5mm。
[0067]进而，气体检测元件7的外周面与主体金属外壳13的内周面之间的筒状的空间被保护件47的筒状部53分隔为圆筒状的内侧空间63与圆筒状的外侧空间65。
[0068]而且，在主体金属外壳13的轴线方向上的设有螺纹部19的区域（图5的T区域）内，利用外侧空间65将保护件47的外周面与主体金属外壳13的内周面分离。
[0069]而且，在本实施方式中，在比凸肩部15 (详细地说为凸肩部15的轴线方向的顶端）靠轴线方向的顶端侧（图5的H区域)，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙（即，外侧空间65的最小间隙）被设定为比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙（即，内侧空间63的最小间隙）小。[0070]详细地说，如在同一附图中扩大局部而进行表示的那样，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2 (例如，0mm)比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙W1(例如，0.35mm)窄。另外，由于保护件47的筒状部53被压入于主体金属外壳13,因此最小间隙W2为0mm。
[0071]另外，在本实施方式中，保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙W1以及保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2均是凸肩部15的顶端处的位置，但是并不局限于此。
[0072]c)接着，简单说明传感器罩5的结构。
[0073]回到图1，传感器罩5主要具备罩端子67、覆盖构件69、导线71以及过滤构件73。
[0074]罩端子67是以夹着陶瓷套筒9的后端侧的方式从同一附图的上侧嵌入的构件，例如由不锈钢(SUS310S等)形成，并利用拉深加工等将板材形成为双层大致圆筒形状。
[0075]该罩端子67具有:板状的环状部75，其关于轴线0呈同心环状；把持部77，其与环状部75的外周边缘相连接并向沿着轴线0的一侧(同一附图的下侧)突出；以及圆筒状的插入部79，其与环状部75的内周边缘相连接并向与把持部77相同的一侧突出。
[0076]覆盖构件69是用于覆盖并保持罩端子67的构件，通过使用绝缘性的氟基橡胶将该覆盖构件69成形为空心状而构成收纳罩端子67的罩端子收纳空间81。
[0077]该覆盖构件69具有在构成气体传感器单元1时以覆盖罩端子67和陶瓷套筒9的后端侧的方式向同一附图的下侧开口的结合开口部83，并且具有用于收纳过滤构件73的过滤用连通孔85和用于收纳导线71的导线用连通孔87。
[0078]过滤构件73由微细气孔连续的连续多孔质构造的PTFE形成，通过过滤构件73的大气经由罩端子收纳空间81被导入气体检测元件7的内部的空间39内。
[0079]导线71除了芯线以外还具有包覆材料。该导线71的顶端侧向结合开口部83侧延伸，并被导线固定构件88的铆接部89铆接。
[0080]该导线固定构件88具有大致圆筒形状，且除了铆接部89以外还具有用于固定导线(包覆材料)的包覆材料固定部91和与罩端子67的插入部77的内壁相嵌合的嵌合部93。而且，该导线固定构件88被按压于罩端子67的轴线中心的开口部95并与该开口部95构成为一体。
[0081]因而，在传感器罩5安装于气体传感器3的后端侧的情况下，在气体检测元件7的后端侧嵌入有具备导线固定构件88的罩端子67，从而该罩端子67与(与气体检测元件7的内侧电极33相接触的)端子构件11电连接。
[0082]由此，端子构件11经由罩端子67和导线固定构件88而与导线71相连接，通过该导线71能够将来自气体传感器3的气体检测元件7的内侧电极33的输出信号向外部装置(例如，发动机控制单元(EOT))传送。
[0083]d)接着，简单说明气体传感器单元1的制造方法。
[0084]首先，如图1所示，从同一附图的上侧将保护件47嵌入主体金属外壳13的轴线中心的通孔97。此时，压入保护件47直到保护件47的凸缘部57抵接于主体金属外壳13的台阶部17为止。另外，保护件47的筒状部53被压入并固定于主体金属外壳13。
[0085]接着，将设有外侧电极27、内侧电极33的气体检测元件7插入主体金属外壳13的通孔97。此时，插入气体检测元件7直到气体检测元件7的凸肩部15抵接于保护件47的凸缘部57为止。由此，凸肩部15的下表面59的环状导线31与凸缘部57相接触(参照图5)而被电连接。
[0086]接着，将陶瓷粉末37以预定量填充于主体金属外壳13与气体检测元件7之间的间隙部分。
[0087]接着，以使陶瓷套筒9的顶端侧部分35夹设于气体检测元件7与主体金属外壳13之间的方式插入陶瓷套筒9，并使该陶瓷套筒9抵接于陶瓷粉末37。
[0088]接着，朝向顶端侧对陶瓷套筒9加压，并在该加压状态下以使铆接环101 (参照图I)夹设于主体金属外壳13的铆接部99 (参照图I)与陶瓷套筒9之间的方式对铆接部99进行铆接，从而将上述结构部件固定为一体。
[0089]接着，将端子构件11插入陶瓷套筒9和气体检测元件7的内侧。具体地说，一边使端子构件11的元件侧端子部43弹性地缩径，一边将其插入到气体检测元件7内，并与内侧电极33电连接。与此同时，向顶端侧压入输出侧端子部41，并使其花瓣状的止动部103(参照图I)抵接于陶瓷套筒9的后端面。如此一来，完成气体传感器3。
[0090]之后，通过将传感器罩5嵌入气体传感器3的后端侧并且将罩端子67嵌入端子构件11，从而将气体传感器3与传感器罩5 —体化,完成气体传感器单兀I。
[0091]e)接着，说明基于上述结构的本实施方式的作用效果。
[0092]在本实施方式中，主体金属外壳13由作为碳钢的例如S17C形成。由此，与以往相t匕，能够使成本比主体金属外壳13的不锈钢低。在此基础上，保护件47由不锈钢的例如SUS310S形成，并且设于保护件47的凸缘部57被夹在气体检测元件7的凸肩部15与主体金属外壳13的台阶部17之间。由此，主体金属外壳13的腐蚀电位变得比保护件47的腐蚀电位低，在于主体金属外壳13与保护件47之间产生有腐蚀的情况下，腐蚀电位较低的主体金属外壳13的台阶部17处于容易腐蚀的状态。
[0093]因此，在本实施方式中，在比气体检测元件7的凸肩部15靠轴线O方向的顶端侧H处，保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2比保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙Wl窄。由此，被检测气体、水滴难以到达保护件47b的凸缘部57附近，从而不会在主体金属外壳13的台阶部17产生腐蚀，能够使产生有腐蚀的位置位于比主体金属外壳13的台阶部17靠顶端侧处。
[0094]S卩，例如在将气体传感器单元I安装于排气管并进行使用时，虽然水滴有可能附着于保护件47，但是在该情况下，腐蚀产生于(腐蚀电位较低的)主体金属外壳13的顶端附近。
[0095]另外，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分侵入保护件47与主体金属外壳13之间的间隙，但是在本实施方式中，通过缩小保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2而使腐蚀积极地产生于主体金属外壳13的顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀),从而抑制腐蚀产生于保护件47的后端侧的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17之间的接触部分的、主体金属外壳13的一侧。
[0096]由此，能够在长时间内确保保护件47与主体金属外壳13之间的电导通(进而气体检测元件7的外侧电极27 (环状导线部31)与主体金属外壳13之间的电导通)。
[0097]在此基础上，将保护件47配置于主体金属外壳13与气体检测元件7之间的间隙，并且使保护件47与气体检测元件7之间的最小间隙Wl比保护件47与主体金属外壳13之间的最小间隙W2宽。因此，能够抑制如以往那样进一步缩小主体金属外壳与气体检测元件之间的间隙而成的结构所产生的、被检测气体难以与气体检测元件相接触的情况，能够抑制气体传感器的检测精度下降。另外，还能够抑制因将气体检测元件保持于主体金属外壳时气体检测元件与主体金属外壳相接触而在气体检测元件产生裂纹、缺口的情况。
[0098]另外，在本实施方式中，保护件47的筒状部53的一部分被压入并固定于主体金属外壳13。S卩，由于未设置保护件47的筒状部53与主体金属外壳13之间的间隙W2,因此，例如在于排放气体中含有水分的情况下，该水分不会到达比保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54靠后端侧处，通过使腐蚀积极地产生于比主体金属外壳13的压入部54靠顶端侧附近（即通过设置牺牲防腐蚀)，从而能够防止腐蚀产生于保护件47的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17之间的接触部分的、主体金属外壳13的一侧。另外，虽然水滴有可能附着于保护件47，但是在该情况下，水滴不会到达比保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54靠后端侧处，而是在比主体金属外壳13的压入部54靠顶端侧附近产生腐蚀。由此，能够在更加长时间内确保保护件47与主体金属外壳13之间的电导通(进而外侧电极27与主体金属外壳13之间的电导通)。
[0099]进而，由于保护件47的筒状部53被压入并固定于主体金属外壳13，因此保护件47的筒状部53与主体金属外壳13相接触。因此，不仅是保护件47的凸缘部57与主体金属外壳13的台阶部17处的导通，还能够在保护件47与主体金属外壳13之间的压入部54实现电导通(进而外侧电极27与主体金属外壳13之间的电导通)。由此，增大了能够电导通的区域，从而能够可靠地实现电导通。
[0100]进而，在本实施方式中，通过在主体金属外壳13的轴线O方向上的设有用于安装于排气管等的螺纹部19的区域T内使主体金属外壳13与保护件47的筒状部53分离，从而使保护件47的热量难以因热传导而经由主体金属外壳13向排气管侧放出。因此，能够利用被排放气体加热了的保护件47较好地对气体检测元件7进行加热。其结果，具有能够迅速地开始氧浓度的检测这样的优点。
[0101]在此基础上，气体传感器3是所谓的无加热器的气体传感器。在该无加热器的气体传感器3中，尤其可通过将排放气体的热量向保护件47传递并利用来自该保护件47的辐射热对气体检测元件7进行加热，从而使该气体检测元件7处于(能够进行氧浓度等的检测的）活性状态。由此，通过具有上述结构，能够有效地对气体检测元件7进行加热。
[0102]f )接着，说明为了确认本发明的效果所进行的实验例。
[0103]在本实验例中，作为本发明的范围内的试样（实施例1、2)，如下述表I所示，改变主体金属外壳和保护件的材料，制造构造与上述实施方式的构造相同的气体传感器111的试样。
[0104]另外，作为本发明的范围外的试样（比较例1、2)，制造如以往的构造(参照图8)那样在气体检测元件与主体金属外壳之间配置了环状的（SUS430制的）密封件的构造的气体传感器。
[0105]另外，在各试样中，将与气体检测元件的外侧电极相连接的纵导线部延长并形成至后端。另外，并未连接端子构件。
[0106]实验方法如下所述。
[0107]首先，针对气体传感器111的各试样，检测外侧电极(即纵导线部)与主体金属外壳之间的电阻(初始电阻)。在下述表1中记述其结果。
[0108]接着，如图6所示，将由铝形成的(顶端封闭的)筒状的毂115螺合并固定于各气体传感器111的顶端侧的螺纹部113。另外，此时，在毂115的内部空间117填充PH2的醋酸水溶液。
[0109]接着，将该各试样放入炉内并上升至150°C，在该温度下加热100小时，之后，冷却
至室温。
[0110]接着，从炉中取出各试样，从各气体传感器111拆除毂115，针对气体传感器111的各试样检测外侧电极(即纵导线部）与主体金属外壳之间的电阻(耐久后电阻)。在下述表1中记述该结果。
[0111][表1]
[0112]
【权利要求】
1.一种气体传感器，其包括： 气体检测元件，其包括元件主体、内侧电极以及外侧电极，该元件主体沿着轴线方向延伸，并由顶端侧被封闭的筒状的固体电解质形成，该内侧电极设于该元件主体的内侧，该外侧电极设于该元件主体的外侧； 筒状的主体金属外壳，其嵌于该气体检测元件的外侧并且使上述气体检测元件的顶端侧从该主体金属外壳自身的顶端突出；以及 筒状的保护件，其与该主体金属外壳相卡合，并覆盖上述气体检测元件的顶端侧；该气体传感器的特征在于， 上述保护件包括：筒状部，其沿着上述轴线方向延伸；以及环状的凸缘部，其设于该筒状部的后端侧，并向径向外侧扩展； 上述气体检测元件具备凸肩部，该凸肩部遍布整周地向上述径向外侧突出并且在该凸肩部自身的朝向顶端的面上具有与上述外侧电极电连接的导线部，并且上述主体金属外壳具备台阶部，该台阶部遍布整周地向上述径向内侧突出， 上述凸缘部被夹在上述气体检测元件的凸肩部与上述主体金属外壳的台阶部之间，并使上述导线部及上述主体金属外壳电连接， 上述主体金属外壳由碳钢形成，并且上述保护件由铁的含量小于上述碳钢的金属材料形成， 在比上述凸肩部靠轴线方向的顶端侧处，上述保护件与上述主体金属外壳之间的最小间隙比上述保护件与上述气体检测元件之间的最小间隙窄。
2.根据权利要求I所述的气体传感器，其特征在于， 上述保护件的筒状部的至少一部分被压入并固定于上述主体金属外壳。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于， 在上述主体金属外壳具备将上述气体传感器固定于安装对象的螺纹部， 并且在上述主体金属外壳的上述轴线方向上的设有上述螺纹部的区域内，上述主体金属外壳与上述保护件的筒状部分离。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于， 上述气体传感器不具有对上述气体检测元件进行加热的加热器。
【文档编号】G01N27/409GK103562713SQ201280026547
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2011年8月17日
【发明者】渥美尚胜 申请人:日本特殊陶业株式会社
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