專利名稱：排氣傳感器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及排氣傳感器。
背景技術(shù)：
排氣傳感器在汽車行業(yè)中是眾所周知的，它們用于檢測內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣流中的氧氣、一氧化碳或碳?xì)浠衔锏暮俊；瘜W(xué)計(jì)量式或“能斯特”型氧氣傳感器(一種廣泛使用的排氣傳感器)測量排氣中的氧氣與大氣中的氧氣之間的局部壓力差值。通過確定排氣中的氧氣量，氧氣傳感器使得內(nèi)燃機(jī)控制單元能夠調(diào)節(jié)空氣/燃料混合物并且實(shí)現(xiàn)最佳內(nèi)燃機(jī)性能。汽車行業(yè)中還已知并廣泛使用基于不同原理的其它類型的排氣傳感器。
現(xiàn)有多種傳統(tǒng)方法用來向大致杯狀傳感元件的內(nèi)表面施加電極材料。許多這樣的現(xiàn)有方法中所使用的昂貴電極材料量要比產(chǎn)生傳感元件內(nèi)部電極實(shí)際需要的電極材料量大。使用過量的電極材料導(dǎo)致排氣傳感器的制造成本高。此外，一些現(xiàn)有技術(shù)的電極材料施加方法要求傳感元件和施加電極材料的裝置之間同時(shí)作相對平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些方法復(fù)雜，并且要求采用能夠作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和部件。采用這些方法，在控制電極材料的厚度、尺寸和位置方面也會(huì)有困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了改進(jìn)的排氣傳感器制造方法，更具體地講，提供了一種改進(jìn)的向傳感元件的內(nèi)表面施加電極材料以形成內(nèi)部或基準(zhǔn)電極的至少一部分的方法。利用本發(fā)明的方法，可以極大地降低或消除施加過量的電極材料，并且不再需要傳感元件和施加電極材料的裝置之間作相對旋轉(zhuǎn)和/或平移運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的方法可以在傳感元件的內(nèi)表面上產(chǎn)生均勻且良好控制的電極材料層。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種排氣傳感器制造方法。所述方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面。所述方法還包括利用超聲噴涂裝置霧化電極材料，以便在傳感元件的內(nèi)表面上沉積一層電極材料。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種排氣傳感器制造方法。所述方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面，將噴嘴插入內(nèi)腔中，向噴嘴供應(yīng)電極材料，以及在噴嘴和傳感元件之間基本上沒有任何相對旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，霧化電極材料，以圍繞著噴嘴以大致360度的角度在傳感元件的內(nèi)表面上沉積一層電極材料。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種排氣傳感器制造方法。所述方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面，將噴嘴插入內(nèi)腔中，向噴嘴供應(yīng)電極材料，以及在噴嘴和傳感元件之間基本上沒有任何相對運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，霧化電極材料，以大致圍繞著噴嘴末端形成電極材料霧，并且使所述霧沉積在傳感元件的內(nèi)表面上以形成內(nèi)部電極。
通過結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它方面可以顯現(xiàn)出來。


圖1是采用了本發(fā)明的排氣傳感器的剖視圖。
圖2是圖1中的排氣傳感器的傳感元件的放大剖視圖。
圖3是用于向圖2中的傳感元件施加電極材料時(shí)所用的超聲噴涂裝置和支承夾具的俯視圖。
圖4是沿著圖3中的線4-4所作的放大剖視圖。
圖5是傳感元件的剖視圖，示出了向傳感元件的內(nèi)表面施加導(dǎo)電引線。
在詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的應(yīng)用并不局限于下面的詳細(xì)描述以及附圖中所展示的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和元件配置。本發(fā)明能夠以其它實(shí)施例實(shí)施，并且能夠以各式各樣的方式實(shí)施。另外，可以理解，這里使用的措詞和術(shù)語只是用于說明的目的，不應(yīng)理解為構(gòu)成限制。使用“包含”、“包括”、“具有”指的是囊括了所列舉的項(xiàng)目及其等價(jià)物，同時(shí)還涵蓋了可能包括附加項(xiàng)目。除非另加規(guī)定和限制，否則術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”、“結(jié)合”涵蓋了直接和間接安裝、連接、支撐、結(jié)合。此外，“連接”、“結(jié)合”并不局限于物理或機(jī)械連接或結(jié)合。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的排氣傳感器10。傳感器10被顯示為安裝在汽車或其它由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的車輛的排氣導(dǎo)管12上。所示出的傳感器10是圓角殼體、不加熱的單線式傳感器，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，傳感器10可以被改型為加熱、多線式的傳感器。除了施加內(nèi)部電極的方法以及由此施加的內(nèi)部電極將在下面描述以外，所示出的傳感器10的總體結(jié)構(gòu)詳細(xì)描述于2004年4月22日出版的美國專利申請公開文獻(xiàn)No.2004/0074284中，該文獻(xiàn)中的全部內(nèi)容在此引作參考?？梢岳斫?，本發(fā)明可以應(yīng)用于其它包括杯狀或套管式傳感元件的排氣傳感器設(shè)計(jì)，如后面詳細(xì)描述。本發(fā)明還可以被構(gòu)造成適合于其它應(yīng)用，其中可以向大致管狀基體的內(nèi)表面施加基本均勻和良好控制的材料層。
傳感器10包含殼體14，與殼體14a相連的套筒18，以及穿過環(huán)管26而從套筒18伸出的引線22。絕緣襯套30容納在套筒18中，并且具有一個(gè)通孔，用于容納觸針34并且將其電絕緣。
傳感器10還包含陶瓷的杯狀或套管形傳感元件38，傳感元件的類型是公知的，并且由諸如穩(wěn)定ZrO2，由CaO和/或Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，Al2O3，Mg尖晶石，鎂橄欖石等材料制成。傳感元件38被限定在殼體14中，并且如圖2和5所示，包含開口端42、封閉端46、外表面50和內(nèi)表面54。內(nèi)表面54限定了延伸于開口端42和封閉端46之間的內(nèi)腔58。
如最佳顯示于圖1和2，由導(dǎo)電性和催化活性電極材料，例如鉑或其它類似的導(dǎo)電性和催化活性材料(例如，Pd和Rh)制成的外部或排氣電極62安置在外表面50上。排氣電極62的引線部分66沿著外表面50向傳感元件38的開口端42延伸，以便電接觸殼體14a的通孔70，從而通過殼體14將排氣電極62接地。排氣電極62與排氣流(如圖1中的箭頭74所示)連通，這一點(diǎn)可被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。
由導(dǎo)電性和催化活性電極材料，例如鉑或其它類似的導(dǎo)電性和催化活性材料(例如，Pd和Rh)制成的內(nèi)部或基準(zhǔn)電極78在內(nèi)腔58中安置在傳感元件38的內(nèi)表面54上?；鶞?zhǔn)電極78的引線部分82沿著內(nèi)表面54向傳感元件38的開口端42延伸，并且沿著限定了傳感元件38的開口端42的端面86離開內(nèi)腔58(見圖2和5)。引線部分82被構(gòu)造成電接觸容納在傳感器襯套30中的觸針34?；鶞?zhǔn)電極78與內(nèi)腔58中的基準(zhǔn)空氣連通，這一點(diǎn)同樣可被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。
傳感器10還包含管90，其大致上包圍并且保護(hù)傳感元件38的伸入到排氣流74中的端部。所示出的管90由不銹鋼或其它耐熱合金制成，并且被緊固在殼體14上。管90允許排氣進(jìn)入，以使空氣與傳感元件38連通，同時(shí)又保護(hù)傳感元件38不會(huì)遇到容納于排氣流74中的碎屑和顆粒。
下面參照圖3-5詳細(xì)描述將基準(zhǔn)電極78施加到傳感元件38的內(nèi)表面54上的方法。圖3示出了超聲噴涂裝置94，其被用于將基準(zhǔn)電極78的至少一部分施加到傳感元件38的內(nèi)表面54上。所示出的超聲噴涂裝置94包含框架或支架98，其支撐著移動(dòng)托架102。所示出的托架102可以豎直(如圖3中的箭頭106所示)和水平(進(jìn)出圖3所在紙面)移動(dòng)。超聲噴嘴組件110安裝在托架102上，并且包含噴嘴或末端112。通過輸入裝置114，使用者可以控制托架102的運(yùn)動(dòng)和噴嘴組件110的操作。
噴嘴組件110電連接著寬帶超聲波發(fā)生器118。當(dāng)然，任何適宜的超聲噴嘴組件和超聲波發(fā)生器可被使用，所示出的噴嘴組件110和寬帶超聲波發(fā)生器118可以購自紐約Milton的Sono-TekCorporation，即型號(hào)為8600-6015的帶MicroSpray噴嘴的噴嘴組件，以及零件號(hào)為06-05108的寬帶(20-120kHz)超聲波發(fā)生器。電極材料以膏或漿的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)存容器122中，并且通過導(dǎo)管126提供給噴嘴組件110。在所示出的實(shí)施例中，漿料或膏料含有陶瓷和懸浮在液體介質(zhì)(基于水或溶劑，并且?guī)в休o助添加劑例如分散劑、粘合劑類等等)中的直徑小于大約6微米的金屬顆粒。在所示出的實(shí)施例中，固態(tài)陶瓷和金屬顆粒構(gòu)成漿料或膏料總重量的大約百分之三十至大約百分之七十，剩下的比例部分由液體成分構(gòu)成。所示出的實(shí)施例中使用的漿料或膏料的粘度在大約50至大約1000mPas之間。
圖3和4中還示出了夾具130，用于支撐一個(gè)或多個(gè)傳感元件38。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，任何適宜的夾具可被使用，以支撐和限定傳感元件38。為了將電極材料供應(yīng)到傳感元件38的內(nèi)表面54上，噴嘴112插入到傳感元件38的內(nèi)腔58中，如圖4所示。隨著電極材料被提供到噴嘴112，寬帶超聲波發(fā)生器118向噴嘴組件110供應(yīng)能量，以使得離開噴嘴112的電極材料被霧化成精細(xì)霧(如圖4中的附圖標(biāo)記126所示)，所述霧在噴嘴112的周圍以基本上360度的角度沉積在傳感元件38的內(nèi)表面54上。換言之，霧126沿所有方向從噴嘴112向外移動(dòng)，從而基本上噴涂在傳感元件38的封閉端46的整個(gè)內(nèi)表面54上，而在施加霧化電極材料126的過程中基本上不需要在噴嘴112和傳感元件38之間進(jìn)行任何相對運(yùn)動(dòng)(例如，旋轉(zhuǎn)或平移)。電極材料126霧化形成的霧可在內(nèi)表面54上提供一種基本均勻和良好控制的電極材料層。
利用超聲噴涂裝置94施加內(nèi)部電極78的至少一部分，可以顯著降低沉積在傳感元件38的內(nèi)腔58上的昂貴電極材料多余用量。在包含二十五次采樣運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)中，超聲噴涂裝置94所用的平均電極材料膏為23.7mg，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.02。對于現(xiàn)有技術(shù)的“充填—抽取(fill&extract)”和“滴落—吹制(drip&blow)”方法，同樣進(jìn)行了二十五次采樣運(yùn)轉(zhuǎn)。利用現(xiàn)有技術(shù)的“充填—抽取”方法，每次運(yùn)轉(zhuǎn)平均使用36.0mg的膏，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.0。利用現(xiàn)有技術(shù)的“滴落—吹制”方法，每次運(yùn)轉(zhuǎn)平均使用60.0mg的膏，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.0。
使用所述用于本發(fā)明方法的超聲噴涂裝置94，可以極大地減少靠近傳感元件38的封閉端46施加內(nèi)部電極78一部分所需的昂貴電極材料的量。此外，內(nèi)部電極78可以被精確地構(gòu)造尺寸和定位，電極材料的厚度可以被精確地控制。另外，所沉積的霧化形成的霧126可以導(dǎo)致良好的電極同質(zhì)性，并且超聲波振動(dòng)還可以使得膏料或漿料在施加之前維持良好散布的懸浮狀態(tài)。此外，施加內(nèi)部電極78不需要采用氣壓。這就消除了現(xiàn)有技術(shù)中與使用氣壓有關(guān)的額外的過量噴涂問題。
此外，本發(fā)明的方法在施加電極材料126時(shí)基本上消除了傳感元件38和噴嘴112之間的任何相對運(yùn)動(dòng)(例如，旋轉(zhuǎn)或平移)，這是因?yàn)殡姌O材料126霧化形成的霧圍繞著噴嘴112以360度的角度向外噴射。這與從相對于傳感元件旋轉(zhuǎn)和/或平移的噴嘴中刷涂或噴涂膏料而施加環(huán)形內(nèi)部電極的現(xiàn)有技術(shù)不同。在對現(xiàn)有技術(shù)“環(huán)形電極”形成方法進(jìn)行的二十五次采樣運(yùn)轉(zhuǎn)中，每次運(yùn)轉(zhuǎn)平均使用35.4mg的膏，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.90。因此，本發(fā)明的方法通現(xiàn)有技術(shù)“環(huán)形電極”形成方法相比可以使用更少的電極材料，并且在施加電極材料的過程中消除了噴嘴112和傳感元件38之間的復(fù)雜的機(jī)械式相對旋轉(zhuǎn)和/或平移。
可以理解，超聲噴涂裝置94可被其它裝置替代，所述其它裝置可采用除超聲波之外的技術(shù)，并且能夠產(chǎn)生可被沉積的電極材料126霧化形成的霧從而以前述方式形成內(nèi)部電極78。所述技術(shù)可以是目前存在的技術(shù)，也可以是尚待發(fā)展的技術(shù)。例如，利用氣壓產(chǎn)生電極材料126霧化形成的霧的噴射裝置可以用來形成內(nèi)部電極78，而不要求在施加過程中在利用氣壓噴射的噴嘴和傳感元件38之間進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，或者至少不需要相對旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)例子中，機(jī)械振動(dòng)噴嘴可被用于電極材料126霧化形成的霧，而不需要在施加過程中在機(jī)械振動(dòng)噴嘴和傳感元件38至今進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
在利用超聲噴涂裝置94施加了內(nèi)部電極78一部分后，噴嘴112被從內(nèi)腔58中移出。接下來，通過如圖5所示將一些電極材料在傳感元件38的內(nèi)表面54上滴落，內(nèi)部電極78的引線部分82被形成。這一過程可在傳感元件38保留在夾具130中時(shí)進(jìn)行，或者，如圖5所示，可以在傳感元件38被移離夾具130之后進(jìn)行。如前面所討論，引線部分82提供了與超聲噴涂裝置94施加的內(nèi)部電極78的其它部分之間的電連接。
在內(nèi)部電極78和引線部分82被施加后，外部電極62和引線部分66可以通過任何適宜的技術(shù)施加到外表面50上。接下來，傳感元件38在大約500℃至大約1,500℃的溫度下被燒結(jié)，以使電極材料結(jié)合在傳感元件的陶瓷基體上，從而分別形成金屬陶瓷型內(nèi)外電極78和62。所產(chǎn)生的電極78、62具有大量的三相邊界，因此活性高且對污染物的抵抗力強(qiáng)。燒結(jié)金屬陶瓷電極78、62中的金屬與氧化物陶瓷的重量比為大約10∶1至大約3∶2。金屬陶瓷電極78、62的層厚可以為大約2至大約30微米。在燒結(jié)后，傳感元件38即作好準(zhǔn)備可以安裝到排氣傳感器10中。
本發(fā)明的各個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在權(quán)利要求中確定。
權(quán)利要求
1.一種排氣傳感器制造方法，所述方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面；利用超聲噴涂裝置霧化電極材料，以便在傳感元件的內(nèi)表面上沉積一層電極材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，超聲噴涂裝置包括噴嘴，并且所述方法還包括將噴嘴插入內(nèi)腔中。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括向噴嘴供應(yīng)膏料和漿料之一形式的電極材料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在傳感元件和超聲噴涂裝置之間基本上沒有任何相對旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，所述電極材料層圍繞著傳感元件的內(nèi)表面以大約360度的角度沉積。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所沉積的電極材料層限定出內(nèi)部電極，并且所述方法還包括在所述內(nèi)表面上形成導(dǎo)電引線，其電接觸所述內(nèi)部電極并且向著傳感元件的開口端延伸。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，形成導(dǎo)電引線的步驟包括使電極材料沿著傳感元件的內(nèi)表面滴落并且接觸到內(nèi)部電極。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括燒結(jié)傳感元件。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，提供傳感元件的步驟包括提供陶瓷材料制成的傳感元件，并且在燒結(jié)傳感元件的步驟中電極材料結(jié)合在陶瓷傳感元件上以形成金屬陶瓷型內(nèi)部電極。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，傳感元件還包括外表面，所述方法還包括向傳感元件的外表面施加外部電極。
10.一種排氣傳感器制造方法，所述方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面；將噴嘴插入內(nèi)腔中；向噴嘴供應(yīng)電極材料；在噴嘴和傳感元件之間基本上沒有任何相對旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，霧化電極材料，以圍繞著噴嘴以大致360度的角度在傳感元件的內(nèi)表面上沉積一層電極材料。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，噴嘴是超聲噴涂裝置的一部分。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，向噴嘴供應(yīng)電極材料的步驟包括向噴嘴供應(yīng)膏料和漿料之一形式的電極材料。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，霧化電極材料的步驟產(chǎn)生基本上圍繞著噴嘴末端的電極材料霧。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所沉積的電極材料層限定出內(nèi)部電極，并且所述方法還包括在所述內(nèi)表面上形成導(dǎo)電引線，其電接觸所述內(nèi)部電極并且向著傳感元件的開口端延伸。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，形成導(dǎo)電引線的步驟包括使電極材料沿著傳感元件的內(nèi)表面滴落并且接觸到內(nèi)部電極。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括燒結(jié)傳感元件。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，提供傳感元件的步驟包括提供陶瓷材料制成的傳感元件，并且在燒結(jié)傳感元件的步驟中電極材料結(jié)合在陶瓷傳感元件上以形成金屬陶瓷型內(nèi)部電極。
18.一種排氣傳感器制造方法，所述方法包括提供陶瓷傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面；將噴嘴插入內(nèi)腔中；向噴嘴供應(yīng)電極材料；在噴嘴和傳感元件之間基本上沒有任何相對運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，霧化電極材料，以大致圍繞著噴嘴末端形成電極材料霧，并且使所述霧沉積在傳感元件的內(nèi)表面上以形成內(nèi)部電極。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，噴嘴是超聲噴涂裝置的一部分。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，向噴嘴供應(yīng)電極材料的步驟包括向噴嘴供應(yīng)膏料和漿料之一形式的電極材料。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，電極材料霧化形成的霧圍繞著噴嘴以大致360度的角度沉積在傳感元件的內(nèi)表面上。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所沉積的電極材料層限定出內(nèi)部電極，并且所述方法還包括在所述內(nèi)表面上形成導(dǎo)電引線，其電接觸所述內(nèi)部電極并且向著傳感元件的開口端延伸。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，形成導(dǎo)電引線的步驟包括使電極材料沿著傳感元件的內(nèi)表面滴落并且接觸到內(nèi)部電極。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括燒結(jié)傳感元件。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，提供傳感元件的步驟包括提供陶瓷材料制成的傳感元件，并且在燒結(jié)傳感元件的步驟中電極材料結(jié)合在陶瓷傳感元件上以形成金屬陶瓷型內(nèi)部電極。
全文摘要
一種排氣傳感器制造方法包括提供傳感元件，其具有開口端、封閉端以及在開口端和封閉端之間限定出內(nèi)腔的內(nèi)表面。所述方法還包括將噴嘴插入內(nèi)腔中，向噴嘴供應(yīng)電極材料，以及在噴嘴和傳感元件之間基本上沒有任何相對運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下霧化電極材料以大致圍繞著噴嘴末端形成電極材料霧，并使其沉積在傳感元件的內(nèi)表面上以形成內(nèi)部電極。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1847839SQ200610075320
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月12日
發(fā)明者韋斯利·保羅·李, 邁克爾·戴爾·伯克, 約翰·埃弗里特·戴, 延斯·斯特凡·施奈德 申請人:羅伯特·博世有限公司