專利名稱：可確保高度氣密性密封的改進(jìn)氣體傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種氣體傳感器，其被安裝在例如車輛內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中，用于測(cè)量排氣中的特定成分。特別地講，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的氣體傳感器結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)んw理想地卷曲，以確保在殼體與檢測(cè)元件之間建立高度的氣密性密封。
背景技術(shù)：
安裝在車輛內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)(例如排氣歧管或排氣管)中的點(diǎn)氣體傳感器被構(gòu)造成具有一個(gè)檢測(cè)元件，其被氣密性地裝配在一個(gè)中空?qǐng)A柱形殼體中。這種裝配是以下述方式實(shí)現(xiàn)的，即卷曲或彎曲殼體的一個(gè)開(kāi)口端部，以使檢測(cè)元件恒定地鄰接殼體內(nèi)壁。檢測(cè)元件內(nèi)形成有一個(gè)內(nèi)腔，其被用作基準(zhǔn)氣體內(nèi)腔，作為基準(zhǔn)氣體的空氣可以引入其中。內(nèi)外電極分別固定在檢測(cè)元件的內(nèi)壁和外壁上。內(nèi)電極暴露于檢測(cè)元件的內(nèi)腔中，外電極暴露于環(huán)繞著檢測(cè)元件限定出的受測(cè)氣體腔中，以測(cè)量流入受測(cè)氣體腔中的內(nèi)燃機(jī)排氣中的特定成分的濃度。殼體的開(kāi)口端部的卷曲還在殼體與檢測(cè)元件之間也就是在受測(cè)氣體腔與基準(zhǔn)氣體腔之間建立了氣密性密封。
授予Watanabe等的美國(guó)專利6,303,013(該專利已轉(zhuǎn)讓給與本申請(qǐng)相同的受讓人)中公開(kāi)了一種采用前述卷曲工藝將檢測(cè)元件安裝在殼體中的方法。如Watanabe等所公開(kāi)，殼體被構(gòu)造成具有一個(gè)用于被卷曲的環(huán)形延伸段。該環(huán)形延伸段的壁向著殼體的開(kāi)口端縮減，而且壁的尺寸被選擇，以防止延伸段在卷曲之后鼓出。
該環(huán)形延伸段的減縮壁的最大厚度為最小厚度的兩倍。具體而言，環(huán)形延伸段的厚度變化很大，這導(dǎo)致難以使環(huán)形延伸段均勻變形。特別地講，如果所使用的卷曲機(jī)已極大地磨損，或者環(huán)形延伸段存在尺寸誤差，則難以將環(huán)形延伸段彎曲90°，這通常會(huì)導(dǎo)致殼體與檢測(cè)元件之間的附著力不足，也就是說(shuō)，受測(cè)氣體腔與基準(zhǔn)氣體腔之間的氣密性密封程度不夠。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)首要目的是避免現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的氣體傳感器結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)んw理想地卷曲，以確保在限定在氣體傳感器內(nèi)的受測(cè)氣體腔與基準(zhǔn)氣體腔之間建立高度的氣密性密封。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種改進(jìn)的氣體傳感器結(jié)構(gòu)，該氣體傳感器用于測(cè)量氣體中的某種指定成分。所述氣體傳感器包括(a)一個(gè)中空?qǐng)A柱形殼體，其具有一個(gè)長(zhǎng)度尺寸，并且具有彼此相反的第一和第二端部；(b)一個(gè)檢測(cè)元件，其裝配在所述中空?qǐng)A柱形殼體中，所述檢測(cè)元件中形成有一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔；(c)一個(gè)暴露于受測(cè)氣體的罩蓋，其結(jié)合在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部，所述暴露于受測(cè)氣體的罩蓋中限定了一個(gè)受測(cè)氣體腔，將要被所述檢測(cè)元件檢測(cè)的氣體可進(jìn)入所述受測(cè)氣體腔中，并且所述檢測(cè)元件暴露于所述受測(cè)氣體腔中；(d)一個(gè)暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋，其結(jié)合在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第二端部，所述暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋中限定了一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔，基準(zhǔn)氣體可進(jìn)入所述基準(zhǔn)氣體腔，并且所述基準(zhǔn)氣體腔通向檢測(cè)元件的基準(zhǔn)氣體腔；(e)一個(gè)密封元件，其布置在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部與所述檢測(cè)元件之間；(f)一個(gè)環(huán)形端部，其形成在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部。所述環(huán)形端部包括一個(gè)環(huán)形頸部和一個(gè)環(huán)形延伸段，所述環(huán)形延伸段從所述環(huán)形頸部向著所述第一端部的末端延伸，并且外徑大于所述環(huán)形頸部。所述環(huán)形延伸段被卷曲，以通過(guò)所述密封元件推壓所述檢測(cè)元件以使之與所述中空?qǐng)A柱形殼體恒定地鄰接，以便在所述暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋的所述基準(zhǔn)氣體腔與所述受測(cè)氣體腔之間建立氣密性密封。在被卷曲之前，所述環(huán)形延伸段具有下述形狀，即包括一個(gè)環(huán)形錐部，其外徑向著第一端部的末端縮減，以及一個(gè)環(huán)形直立部，其從所述環(huán)形錐部向著所述第一端部的末端延伸。所述環(huán)形直立部被向著所述中空?qǐng)A柱形殼體的內(nèi)側(cè)彎曲，以推動(dòng)所述檢測(cè)元件而實(shí)現(xiàn)其與所述中空?qǐng)A柱形殼體之間的所述恒定鄰接。
殼體的上述結(jié)構(gòu)使得所述直立部能夠被彎曲到幾乎90°并且具有均勻的變形度。這樣可以沿殼體的縱向緊密地推壓密封元件，從而在檢測(cè)元件與殼體之間建立牢固的附著。這樣，可以確保在受測(cè)氣體腔與基準(zhǔn)氣體腔之間建立高度的氣密性密封。即使是在卷曲機(jī)因多次使用而出現(xiàn)很大磨損或殼體的環(huán)形端部存在尺寸誤差的情況下，也能夠確保實(shí)現(xiàn)直立部的均勻程度的變形。
在本發(fā)明的優(yōu)選模式中，在所述環(huán)形延伸段被卷曲之前，在所述中空?qǐng)A筒形殼體的所述環(huán)形端部中，如果將所述環(huán)形延伸段的環(huán)形直立部的末端部的厚度定義為t1，將環(huán)形錐部的最大直徑定義為t3，將環(huán)形頸部的厚度定義為t4，則可以滿足下述關(guān)系t1＜t4＜t3。
具體而言，如果厚度t1小于厚度t4，則直立部可以被變形，而環(huán)形頸部幾乎不出現(xiàn)變形。如果厚度t4小于厚度t3，則便于使環(huán)形頸部屈縮。
在所述環(huán)形延伸段被卷曲之前，在所述中空?qǐng)A筒形殼體的所述環(huán)形端部中，如果將與所述環(huán)形錐部相連的環(huán)形直立部基端處的厚度定義為t2，將環(huán)形頸部的厚度定義為t4，則可以滿足下述關(guān)系(t1+t2)/2＜t4。這樣可以避免在環(huán)形直立部被卷曲之后導(dǎo)致環(huán)形頸部鼓出。
另一個(gè)關(guān)系t1≤t2≤1.1×t1也可以被滿足。這使得環(huán)形頸部具有沿殼體縱向均勻分布的外徑，或者向著殼體末端縮減的外徑。這樣，便于對(duì)環(huán)形直立部進(jìn)行卷曲處理。
如果將所述環(huán)形延伸段在所述中空?qǐng)A筒形殼體的縱向上的長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)1，將所述直立部在所述中空?qǐng)A筒形殼體的縱向上的長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)2，則滿足下述關(guān)系0.4×L1＜L2＜0.7×L1。這樣，便于對(duì)環(huán)形直立部進(jìn)行卷曲處理。


通過(guò)下面的詳細(xì)描述以及示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖，可以更全面的理解本發(fā)明。然而，圖中所示的特定實(shí)施例并不意味著對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，它們僅被用于解釋和理解的目的。
圖1是局部放大的縱向剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的殼體的結(jié)構(gòu)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。
圖3是在殼體端部被卷曲之后具有不同厚度關(guān)系的殼體試樣的環(huán)形頸部的變形程度的曲線圖。
圖4是具有不同厚度關(guān)系的殼體試樣的端部的作為用于表示卷曲程度的參數(shù)的卷曲角度的曲線圖。
圖5是具有不同長(zhǎng)度關(guān)系的殼體試樣的端部的作為用于表示卷曲程度的參數(shù)的卷曲角度的曲線圖。
圖6是顯示殼體端部被卷曲的方式的局部放大縱向剖視圖。
圖7是圖6所示的殼體端部在被卷曲之后其結(jié)構(gòu)的局部放大縱向剖視圖。
圖8是顯示一個(gè)對(duì)比例的局部放大縱向剖視圖，其中具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的殼體的端部被卷曲。
圖9是圖8所示的殼體端部在被卷曲之后其結(jié)構(gòu)的局部放大縱向剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參看附圖，其中相同的附圖標(biāo)記在不同的圖中表示相同的元件；特別是參看圖2，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器1，其被安裝在車輛內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中，用于測(cè)量排氣中的氧氣含量，以便對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行燃燒控制。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明并不局限于氧氣傳感器，而是可以應(yīng)用于各式各樣的氣體傳感器，例如HC、CO、NOx等的傳感器。
氣體傳感器1主要包括一個(gè)檢測(cè)元件3、一個(gè)中空?qǐng)A柱形殼體2、一個(gè)暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5、一個(gè)暴露于空氣的罩蓋6。殼體2中形成有一個(gè)內(nèi)腔201，其在圖中的上下端敞開(kāi)。檢測(cè)元件3被限定在殼體2的內(nèi)腔201中。暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5在其一端與殼體2的下端結(jié)合。暴露于空氣的罩蓋6結(jié)合在殼體2的上端。暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5、殼體2、暴露于空氣的罩蓋6沿縱向L排列，以確定出氣體傳感器1的長(zhǎng)度。
檢測(cè)元件3由一個(gè)杯形密實(shí)電解質(zhì)體構(gòu)成，其內(nèi)部限定出一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔30，空氣可以作為基準(zhǔn)氣體進(jìn)入該基準(zhǔn)氣體腔中。暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5中限定了一個(gè)氣體腔50，在該氣體腔中，檢測(cè)元件3的頂部(即檢測(cè)部分)暴露在受測(cè)氣體中。暴露于空氣的罩蓋6中限定了一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔60，其通向檢測(cè)元件3的基準(zhǔn)氣體腔30。
殼體2具有一個(gè)形成在其上端的環(huán)形端部20。該環(huán)形端部20被向著殼體2的內(nèi)側(cè)卷曲或彎曲，以將檢測(cè)元件1牢固地限定在殼體2中。圖1中以放大剖視圖示出了向內(nèi)彎曲之前的環(huán)形端部20。密封部分4布置在環(huán)形端部20與檢測(cè)元件3之間。通過(guò)將環(huán)形端部20抵靠著密封部分4向內(nèi)擠壓并彎曲，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)元件3在殼體2中的牢固安裝，從而確保將檢測(cè)元件3緊固在殼體2中。
如圖2中清楚地顯示，環(huán)形端部20具有一個(gè)環(huán)形的頸部22和一個(gè)環(huán)形的卷曲延伸段21，該卷曲延伸段從該頸部延伸出來(lái)并且具有末端211A。
在被彎曲以實(shí)現(xiàn)上述卷曲安裝之前，如圖1所示，環(huán)形的卷曲延伸段21包括一個(gè)環(huán)形的錐部212和一個(gè)環(huán)形直立部211。錐部212的壁向著末端211A縮減。直立部211具有基本一致的直徑，并且從錐部212延續(xù)伸出。如圖2和7所示，通過(guò)將直立部211向內(nèi)彎曲或塑性變形，以將檢測(cè)元件3牢固裝配在殼體2中，實(shí)現(xiàn)了所述卷曲安裝。
氣體傳感器1在本例中是一個(gè)氧氣(O2)傳感器，其被安裝在車輛內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中，以用于實(shí)施燃燒控制。
如前所述，檢測(cè)元件3為杯形，其具有一個(gè)形成有基準(zhǔn)氣體腔30密實(shí)電解質(zhì)體。檢測(cè)元件3的操作和形狀是本領(lǐng)域公知的，不是本發(fā)明的重要部分，因此這里不再解釋。
檢測(cè)元件3沿縱向L具有一個(gè)長(zhǎng)度，并且具有一個(gè)封閉的頂端。密實(shí)電解質(zhì)體具有分別固定在其外壁和內(nèi)壁上的外電極和內(nèi)電極。在基準(zhǔn)氣體腔30中布置著一個(gè)棒狀加熱器35，其用于將檢測(cè)元件3的密實(shí)電解質(zhì)體加熱到可以正確測(cè)量氧氣濃度的預(yù)期高溫。
檢測(cè)元件3的外電極和內(nèi)電極電連接著傳感器輸出線301。傳感器輸出線301在瓷制絕緣體11中電結(jié)合在引線131上。引線131穿過(guò)襯套12延伸到氣體傳感器1的外側(cè)。
如圖2中清楚地顯示，密封部分4包括一個(gè)由滑石粉制成的粉末密封部43、一個(gè)絕緣體42、一個(gè)金屬環(huán)41和一個(gè)金屬墊圈44。絕緣體42用于使檢測(cè)元件3與殼體2絕緣。金屬環(huán)41布置在卷曲延伸段21與絕緣體42之間，從而以鄰接于這二者之間的方式實(shí)現(xiàn)二者之間的氣密性密封。金屬墊圈44布置在檢測(cè)元件3的外側(cè)環(huán)形錐肩31與殼體2的內(nèi)側(cè)環(huán)形錐肩24之間，以加強(qiáng)它們之間的附著性能。粉末密封部43、絕緣體42、金屬環(huán)41布置在一個(gè)圓筒內(nèi)腔25中，該圓筒內(nèi)腔25限定在檢測(cè)元件3的外周與殼體2的內(nèi)周之間。
具體而言，金屬墊圈44、檢測(cè)元件3的錐肩31、粉末密封部43、絕緣體42和金屬環(huán)44在彈性壓力的作用下被以彼此牢固鄰接的方式限定在殼體2的錐肩24與殼體2的卷曲延伸段21的環(huán)形端部20之間，所述彈性壓力是因卷曲延伸段21向殼體2內(nèi)側(cè)彎曲而產(chǎn)生的。
暴露于空氣的罩蓋6在其一個(gè)開(kāi)口端部601處焊接在殼體2上，并且圍繞著殼體2的環(huán)形端部20；在氣體傳感器1的使用過(guò)程中，暴露于空氣的罩蓋6暴露于空氣中。磁制絕緣體11布置在暴露于空氣的罩蓋6中。橡膠制成的襯套12裝配在暴露于空氣的罩蓋6上沿縱向L與開(kāi)口端部601相反設(shè)置的另一開(kāi)口端部602中。
暴露于空氣的罩蓋6中形成有多個(gè)通氣口63，其通向基準(zhǔn)氣體腔60，用于將空氣作為基準(zhǔn)氣體引入。一個(gè)圓筒形防水過(guò)濾器61圍繞著通氣口63布置。一個(gè)外罩62固定在暴露于空氣的罩蓋6的一個(gè)小徑部分上。這種固定是通過(guò)將外罩62向內(nèi)擠壓而實(shí)現(xiàn)的，從而可以同時(shí)將過(guò)濾器61限定在外罩62與暴露于空氣的罩蓋6之間。外罩62還具有透過(guò)過(guò)濾器61與通氣口63連通的多個(gè)通氣口64。
將在檢測(cè)元件3中用作基準(zhǔn)氣體的空氣被從氣體傳感器1的外側(cè)引入，并且通過(guò)暴露于空氣的罩蓋6的基準(zhǔn)氣體腔60流入檢測(cè)元件3的基準(zhǔn)氣體腔30中。
如前所述的暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5將其一端安裝在一個(gè)形成于殼體2底部的環(huán)形槽中。暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5包括一個(gè)內(nèi)罩51和一個(gè)外罩52，二者均具有氣體入口53，透過(guò)這些氣體入口，受測(cè)氣體可進(jìn)入暴露出檢測(cè)元件3的氣體腔50中。
如圖1和2所示，殼體2具有一個(gè)罩蓋焊接部分23，其上焊接著暴露于空氣的罩蓋6。罩蓋焊接部分23布置在暴露于空氣的罩蓋6的開(kāi)口端部601中。罩蓋焊接部分23的外徑小于殼體2的最大外徑。罩蓋焊接部分23形成在殼體2的環(huán)形端部20與凸緣70之間。
如前所述，卷曲延伸段21的直立部211具有基本一致的直徑。類似地，罩蓋焊接部分23具有基本一致的直徑。
卷曲延伸段21的卷曲是通過(guò)冷卷曲和熱卷曲實(shí)現(xiàn)的。冷卷曲的操作方式為，在室溫下，利用一個(gè)冷卷曲機(jī)豎直(即沿縱向L)擠壓環(huán)形直立部211以使其向內(nèi)彎曲。熱卷曲的操作方式為，在冷卷曲之后，使一個(gè)熱卷曲機(jī)抵靠在彎曲了的環(huán)形直立部211上，加熱并軟化環(huán)形直立部211，并擠壓環(huán)形直立部211以使之進(jìn)一步變形。我們對(duì)環(huán)形直立部211通過(guò)冷卷曲操作而被彎曲之后的卷曲狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，如下面所討論。
如圖7所示，卷曲狀態(tài)以一個(gè)由直線A1和A2限定的角度θ為參數(shù)來(lái)表示，該直線A1沿縱向L穿過(guò)金屬環(huán)41的中心，直線A2穿過(guò)金屬環(huán)41的中心以及金屬環(huán)41的外表面與卷曲延伸段21的環(huán)形直立部211的內(nèi)表面之間的接觸點(diǎn)。角度θ在后文中被稱作卷曲角。我們得出結(jié)論，卷曲角θ越接近于零(0°)，卷曲狀態(tài)越好。
在環(huán)形直立部211被彎曲到幾乎為90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)卷曲角θ為0°。在達(dá)到了卷曲角θ為0°時(shí)，可以導(dǎo)致最大的壓力作用在粉末密封部43上。
殼體2的環(huán)形卷曲延伸段21在被卷曲之前其形狀被特別設(shè)計(jì)，以提高殼體2與檢測(cè)元件3之間的氣密性密封程度。具體而言，環(huán)形卷曲延伸段21的尺寸為t1至t4以及L1和L2，如下面所討論。
參看圖1，尺寸t1為環(huán)形直立部211的末端211A的厚度，也就是暴露在內(nèi)腔201中的直立部211的開(kāi)口端部?jī)?nèi)表面與直立部211的開(kāi)口端部外表面之間的距離。尺寸t2為直立部211的基端211B的厚度，也就是環(huán)形卷曲延伸段21在直立部211與錐部212之間交界處的內(nèi)外表面之間的距離。尺寸t3是錐部212的最大厚度，也就是暴露在內(nèi)腔201中的錐部212的內(nèi)表面與錐部212的外表面之間的最大距離。尺寸t4是環(huán)形頸部22的厚度，也就是暴露在內(nèi)腔201中的環(huán)形頸部22的內(nèi)表面與環(huán)形頸部22的外表面之間的距離。
尺寸L1為環(huán)形卷曲延伸段21沿殼體2的縱向L的長(zhǎng)度，也就是末端211A的端面到錐部212與環(huán)形頸部22之間交界處的距離。尺寸L2為直立部211的長(zhǎng)度，也就是末端211A的端面到直立部211與錐部212之間交界處的距離。
環(huán)形卷曲延伸段21的前述尺寸t1至t4以及L1和L2具有下述關(guān)系t1＜t4＜t3，(t1+t2)/2＜t4，t1≤t2≤1.1×t1，0.4×L1＜L2＜0.7×L1。例如，尺寸t1和t2彼此相等并且為大約0.9mm。尺寸t3為大約1.3mm。尺寸t4為大約1.0mm。尺寸L1為大約3.7mm。尺寸L2為大約1.8mm。
下面討論上述尺寸關(guān)系的原因。
關(guān)系t1＜t4是通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)因素得出的，即在環(huán)形直立部211的末端211A的厚度t1小于環(huán)形頸部22的厚度t4時(shí)，可以在對(duì)直立部211進(jìn)行卷曲操作時(shí)使環(huán)形頸部22幾乎不出現(xiàn)變形。關(guān)系t4＜t3是通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)因素得出的，即在環(huán)形頸部22的厚度t4小于錐部212的最大厚度t3時(shí)，可以在進(jìn)行前述熱卷曲時(shí)使環(huán)形頸部22沿縱向L屈縮，而錐部212幾乎不沿縱向L屈縮。
我們進(jìn)行了第一至第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以提供支持(t1+t2)/2＜t4、t1≤t2≤1.1×t1、0.4×L1＜L2＜0.7×L1這三個(gè)關(guān)系的證據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示于圖3至5中。
圖3是表示為證明(t1+t2)/2＜t4而進(jìn)行的第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。橫坐標(biāo)代表t4/((t1+t2)/2)的值，縱坐標(biāo)代表殼體2的環(huán)形頸部22的外徑φD的變化量(mm)。
我們制備了殼體2的六個(gè)試樣，它們的t4/((t1+t2)/2)的值在0.9至1.3之間，這些試樣被冷卷曲處理，然后測(cè)量試樣的殼體2的環(huán)形頸部22的外徑φD的變化量。應(yīng)當(dāng)指出，考慮到卷曲機(jī)在被使用很多次數(shù)之后通常出現(xiàn)的磨損的影響，因此在第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中采用了一個(gè)已被用過(guò)10000次的卷曲機(jī)。每個(gè)試樣被設(shè)計(jì)成存在下述關(guān)系t2/t1＝1和t3/t1＝1.5。
圖中顯示出，在t4/((t1+t2)/2)的值位于1.0至1.3之間時(shí)，每個(gè)試樣的環(huán)形頸部22的外徑φD幾乎不變，而在t4/((t1+t2)/2)的值位于0.9至0.95之間時(shí)，每個(gè)試樣的環(huán)形頸部22的外徑φD會(huì)增大。換言之，我們發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形直立部211的平均厚度(即(t1+t2)/2)小于或等于環(huán)形頸部22的厚度t4時(shí)，每個(gè)試樣的環(huán)形頸部22的外徑φD幾乎不變。出于這個(gè)原因，本實(shí)施例中的殼體2被設(shè)計(jì)成滿足下述關(guān)系(t1+t2)/2＜t4。
圖4是表示為證明t1≤t2≤1.1×t1而進(jìn)行的第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。橫坐標(biāo)代表t2/t1的值，縱坐標(biāo)代表圖7所示的環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ。
我們制備了殼體2的四個(gè)試樣，它們的t2/t1的值在1至1.5之間，這些試樣被冷卷曲處理，然后測(cè)量環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ(°)。應(yīng)當(dāng)指出，考慮到卷曲機(jī)在被使用很多次數(shù)之后通常出現(xiàn)的磨損的影響，因此在第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中采用了一個(gè)已被用過(guò)10000次的卷曲機(jī)。每個(gè)試樣被設(shè)計(jì)成存在下述關(guān)系L2/L1＝1和t3/t1＝1.5。
圖中顯示出，在t2/t1的值為1或1.1時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ可以減小到13°以下，而在t2/t1的值為1.3或1.5時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ會(huì)增大到15°以上。換言之，我們發(fā)現(xiàn)，在t2/t1的值為1或1.1時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ理想地減小。出于這個(gè)原因，本實(shí)施例中的殼體2被設(shè)計(jì)成滿足下述關(guān)系t1≤t2≤1.1×t1。
我們還用一個(gè)未使用過(guò)的卷曲機(jī)進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)。其它實(shí)驗(yàn)條件與第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用未使用過(guò)的卷曲機(jī)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ可以減小到大約6°以下。我們還發(fā)現(xiàn)，在t2/t1的值小于1時(shí)，即環(huán)形直立部211的直徑向著末端211A逐漸增大，具有這種尺寸的殼體2不適合于進(jìn)行本實(shí)施例中所需的冷卷曲處理。
圖5是表示為證明0.4×L1＜L2＜0.7×L1而進(jìn)行的第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。橫坐標(biāo)代表L2/L1的值，縱坐標(biāo)代表圖7所示的環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ。
我們制備了殼體2的七個(gè)試樣，它們的L2/L1的值在0至0.9之間，這些試樣被冷卷曲處理，然后測(cè)量環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ(°)。應(yīng)當(dāng)指出，考慮到卷曲機(jī)在被使用很多次數(shù)之后通常出現(xiàn)的磨損的影響，因此在第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中采用了一個(gè)已被用過(guò)10000次的卷曲機(jī)。每個(gè)試樣被設(shè)計(jì)成存在下述關(guān)系t2/t1＝1和t3/t1＝1.5。
圖中顯示出，在L2/L1的值在0.4至0.9之間時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段2 1的卷曲角θ可以減小到10°以下，而在L2/L1的值為0或0.2時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ會(huì)增大到20°以上。換言之，我們發(fā)現(xiàn)，在L2/L1的值大于0.4時(shí)，環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ理想地減小。我們還發(fā)現(xiàn)，在L2/L1的值大于或等于0.7時(shí)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)形直立部211的尺寸L2相對(duì)于環(huán)形卷曲延伸段21的長(zhǎng)度L1不理想地過(guò)大，從而導(dǎo)致在冷卷曲之后進(jìn)行的熱卷曲會(huì)將環(huán)形直立部211加熱到不理想的溫度，這使得環(huán)形頸部22難以理想地屈縮，因此保持殼體2與檢測(cè)元件3恒定附著所需的沿縱向L的應(yīng)力出現(xiàn)不足。出于上述原因，本實(shí)施例中的殼體2被設(shè)計(jì)成滿足下述關(guān)系0.4×L1＜L2＜0.7×L1。
下面描述將環(huán)形端部20的卷曲延伸段21的直立部211被向殼體2內(nèi)彎折或彎曲以將檢測(cè)元件3限定在殼體2中的方式。
在直立部211被卷曲之前，如圖2所示，金屬墊圈44被放置在殼體2的環(huán)形錐肩24上，然后，檢測(cè)元件3被插入殼體2的內(nèi)腔201中。接下來(lái)，粉末例如滑石粉被加載到位于檢測(cè)元件3的外周與殼體2的內(nèi)周之間的圓筒內(nèi)腔25中，并被壓機(jī)壓制，以形成粉末密封部43。
絕緣體42和金屬環(huán)41被放置在粉末密封部43上。
接下來(lái)，殼體2的卷曲延伸段21通過(guò)冷卷曲和熱卷曲兩個(gè)步驟而被向內(nèi)彎曲。冷卷曲是在室溫下利用一個(gè)環(huán)形冷卷曲機(jī)71實(shí)施的，如圖6所示。熱卷曲是以下述方式實(shí)施的，即擠壓卷曲延伸段21并加熱環(huán)形頸部22，以使環(huán)形頸部22屈縮。
環(huán)形冷卷曲機(jī)71的內(nèi)表面711被彎曲成一定形狀，該形狀與冷卷曲后直立部211形成的預(yù)期外表面相匹配。在金屬墊圈44、粉末密封部43、絕緣體42、金屬環(huán)41排列在圓筒內(nèi)腔25中后，冷卷曲機(jī)71沿縱向L接近殼體2，直至抵靠在卷曲延伸段21的直立部211的末端211A上。
接下來(lái)，冷卷曲機(jī)71被強(qiáng)制向下移動(dòng)，如圖7所示，以將環(huán)形直立部211擠壓并彎曲成與冷卷曲機(jī)71的內(nèi)表面711相符的形狀，從而使直立部211覆蓋在金屬環(huán)41上。直立部211的彎曲導(dǎo)致環(huán)形錐部212略微變形。如前所述，直立部211具有均勻的厚度，因此其整體上發(fā)生顯著的變形。通過(guò)這種方式，檢測(cè)元件3通過(guò)金屬墊圈44、粉末密封部43、絕緣體42、金屬環(huán)41而被牢固限定在殼體2中。
最后，向環(huán)形端部20供應(yīng)電流以將其加熱，并且利用一個(gè)熱卷曲裝置(未示出)進(jìn)一步沿縱向L擠壓直立部211，以使其具有與熱卷曲機(jī)的內(nèi)表面相符的形狀，從而實(shí)現(xiàn)熱卷曲操作。這會(huì)導(dǎo)致環(huán)形頸部22屈縮，以進(jìn)一步壓縮粉末密封部43，從而增強(qiáng)殼體2與檢測(cè)元件3之間通過(guò)金屬墊圈44實(shí)現(xiàn)的附著能力。冷卷曲和熱卷曲導(dǎo)致環(huán)形卷曲延伸段21產(chǎn)生沿縱向L作用在密封部分4上的極大的應(yīng)力，從而確保殼體2與檢測(cè)元件3之間牢固附著。
從上面的描述可以清楚地看到，本實(shí)施例中的冷卷曲使得直立部211被冷卷曲機(jī)71向內(nèi)卷曲，并且出現(xiàn)基本上均勻的變形。直立部211被彎曲成大致90°。環(huán)形卷曲延伸段21的卷曲角θ被最小化。直立部211的大致90°彎曲變形導(dǎo)致分波密封部43被沿縱向L緊密壓縮，以使殼體2與檢測(cè)元件3之間實(shí)現(xiàn)牢固附著，同時(shí)又能保持殼體2與檢測(cè)元件3之間電絕緣。這樣可以確保暴露于受測(cè)氣體的罩蓋組件5中的氣體腔50與檢測(cè)元件3的基準(zhǔn)氣體腔60之間氣密性密封。具體而言，在受測(cè)氣體進(jìn)入氣體腔50而空氣或基準(zhǔn)氣體進(jìn)入基準(zhǔn)氣體腔60和30中后，密封部分4在殼體2與檢測(cè)元件3之間形成的氣密性密封可以將受測(cè)氣體與基準(zhǔn)氣體完全分隔，即使是在受測(cè)氣體的問(wèn)題升高的情況下(內(nèi)燃機(jī)排氣)，因此，對(duì)受測(cè)氣體(即O2)的濃度的測(cè)量精度可以提高。
即使是在冷卷曲機(jī)71被多次用于卷曲殼體2的環(huán)形卷曲延伸段21之后，或者是在環(huán)形卷曲延伸段21存在任何尺寸誤差的情況下，本實(shí)施例中的冷熱卷曲操作也能夠使直立部211基本上均勻地變形，并且直立部211的卷曲角θ可以保持最小化。
我們發(fā)現(xiàn)，在冷熱卷曲操作之后，環(huán)形頸部22的外徑φD幾乎不會(huì)變化，而且罩蓋焊接部分23幾乎不變形。因此，可以容易地將罩蓋焊接部分23插入暴露于空氣的罩蓋6的基準(zhǔn)氣體腔60中，因此促進(jìn)了殼體2與暴露于空氣的罩蓋6的組裝過(guò)程的簡(jiǎn)化。
我們進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，其中使用了一個(gè)已被用過(guò)10000次的卷曲機(jī)71對(duì)傳統(tǒng)氣體傳感器殼體中的向著末端911縮減的卷曲延伸段91進(jìn)行冷卷曲處理。我們發(fā)現(xiàn)，如圖9所示，難以將卷曲延伸段91彎曲成90°并將卷曲角θ減小到理想的較小值；而本發(fā)明的本實(shí)施例中的氣體傳感器1的殼體2能夠?qū)崿F(xiàn)卷曲延伸段21的理想卷曲，從而可以確保殼體2與檢測(cè)元件3之間的高度氣密性密封。
雖然前面為了便于更好地了解而參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，本發(fā)明可以以多種方式實(shí)施。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)理解為包含所有那些在不脫離權(quán)利要求書(shū)中限定的本發(fā)明原理的前提下對(duì)上述實(shí)施例所作出的其它實(shí)施形式和改造。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，包括一個(gè)中空?qǐng)A柱形殼體，其具有一個(gè)長(zhǎng)度尺寸，并且具有彼此相反的第一和第二端部；一個(gè)檢測(cè)元件，其裝配在所述中空?qǐng)A柱形殼體中，所述檢測(cè)元件中形成有一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔；一個(gè)暴露于受測(cè)氣體的罩蓋，其結(jié)合在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部，所述暴露于受測(cè)氣體的罩蓋中限定了一個(gè)受測(cè)氣體腔，將要被所述檢測(cè)元件檢測(cè)的氣體可進(jìn)入所述受測(cè)氣體腔中，并且所述檢測(cè)元件暴露于所述受測(cè)氣體腔中；一個(gè)暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋，其結(jié)合在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第二端部，所述暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋中限定了一個(gè)基準(zhǔn)氣體腔，基準(zhǔn)氣體可進(jìn)入所述基準(zhǔn)氣體腔，并且所述基準(zhǔn)氣體腔通向檢測(cè)元件的基準(zhǔn)氣體腔；一個(gè)密封元件，其布置在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部與所述檢測(cè)元件之間；一個(gè)環(huán)形端部，其形成在所述中空?qǐng)A柱形殼體的第一端部，所述環(huán)形端部包括一個(gè)環(huán)形頸部和一個(gè)環(huán)形延伸段，所述環(huán)形延伸段從所述環(huán)形頸部向著所述第一端部的末端延伸，并且外徑大于所述環(huán)形頸部；所述環(huán)形延伸段被卷曲，以通過(guò)所述密封元件推壓所述檢測(cè)元件以使之與所述中空?qǐng)A柱形殼體恒定地鄰接，以便在所述暴露于基準(zhǔn)氣體的罩蓋的所述基準(zhǔn)氣體腔與所述受測(cè)氣體腔之間建立氣密性密封；在被卷曲之前，所述環(huán)形延伸段具有下述形狀，即包括一個(gè)環(huán)形錐部，其外徑向著第一端部的末端縮減，以及一個(gè)環(huán)形直立部，其從所述環(huán)形錐部向著所述第一端部的末端延伸，所述環(huán)形直立部被向著所述中空?qǐng)A柱形殼體的內(nèi)側(cè)彎曲，以推動(dòng)所述檢測(cè)元件而實(shí)現(xiàn)其與所述中空?qǐng)A柱形殼體之間的所述恒定鄰接。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，在所述環(huán)形延伸段被卷曲之前，在所述中空?qǐng)A筒形殼體的所述環(huán)形端部中，如果將所述環(huán)形延伸段的環(huán)形直立部的末端部的厚度定義為t1，將環(huán)形錐部的最大直徑定義為t3，將環(huán)形頸部的厚度定義為t4，則滿足下述關(guān)系t1＜t4＜t3。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，在所述環(huán)形延伸段被卷曲之前，在所述中空?qǐng)A筒形殼體的所述環(huán)形端部中，如果將所述環(huán)形延伸段的環(huán)形直立部的末端部的厚度定義為t1，將與所述環(huán)形錐部相連的環(huán)形直立部基端處的厚度定義為t2，將環(huán)形頸部的厚度定義為t4，則滿足下述關(guān)系(t1+t2)/2＜t4。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，在所述環(huán)形延伸段被卷曲之前，在所述中空?qǐng)A筒形殼體的所述環(huán)形端部中，如果將所述環(huán)形延伸段的環(huán)形直立部的末端部的厚度定義為t1，將與所述環(huán)形錐部相連的環(huán)形直立部基端處的厚度定義為t2，則滿足下述關(guān)系t1≤t2≤1.1×t1。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，如果將所述環(huán)形延伸段在所述中空?qǐng)A筒形殼體的縱向上的長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)1，將所述直立部在所述中空?qǐng)A筒形殼體的縱向上的長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)2，則滿足下述關(guān)系0.4×L1＜L2＜0.7×L1。
全文摘要
提供了一種改進(jìn)的氣體傳感器結(jié)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成能夠理想地卷曲傳感器殼體的端部，以便在殼體與檢測(cè)元件之間建立氣密性密封。檢測(cè)元件裝配在傳感器殼體中。傳感器殼體的端部被卷曲或彎曲，以通過(guò)一個(gè)密封元件而推壓檢測(cè)元件，使之與殼體內(nèi)壁恒定地鄰接。殼體具有選定的獨(dú)特形狀和尺寸，從而即使是在卷曲機(jī)出現(xiàn)磨損或殼體存在尺寸誤差的情況下，也能夠確保實(shí)現(xiàn)高度的氣密性密封。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1580755SQ200410056288
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者辻伸幸 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝