專利名稱：排氣傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種排氣傳感器。
背景技術(shù)：
排氣傳感器有助于保證內(nèi)燃機(jī)保持最佳空燃比。典型地，設(shè)置 在汽車上的排氣傳感器可將排氣中的氧含量與環(huán)境大氣中的氧含 量進(jìn)行比較。來自傳感器的反饋控制噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料量。平面型 傳感器和套管型傳感器是兩種常見排氣傳感器。平面型傳感器具有 扁平陶瓷傳感元件。套管型傳感器具有套管形狀傳感元件。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制造排氣傳感器的方法。 該方法包括將排氣傳感器的至少一部分組件安置在模制夾具中，用 陶瓷材料包覆成型該組件的至少一部分，以及從模制夾具中去除該 包覆成型的組件。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種排氣傳感器裝置，其包 括殼體、部分容納在殼體中的傳感元件以及模制到殼體上以對(duì)傳感 元件的一部分進(jìn)行封裝的陶瓷材料。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種排氣傳感器裝置，包括 殼體、傳感元件以及與殼體和傳感元件連接的套筒。該套筒包含模 制在其中的陶瓷材料并且限定出供導(dǎo)電元件延伸穿過的孔。
通過對(duì)本發(fā)明詳細(xì)描述和附圖的理解，本發(fā)明的其它方面可以 變得明顯。


圖1是本發(fā)明的排氣傳感器的透視圖； 圖2是沿圖1的線2-2截取的排氣傳感器的剖視圖； 圖3是圖1所示排氣傳感器組件安置在模制夾具中的剖視圖； 圖4是圖l所示排氣傳感器部件的局部分解透視圖； 圖5是本發(fā)明的排氣傳感器的另一種結(jié)構(gòu)的剖視圖； 圖6是圖5所示排氣傳感器安置在模制夾具中的部分的透視圖； 圖7是圖5所示排氣傳感器部件的局部分解透視圖。 在詳細(xì)描述本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的應(yīng) 用并不局限于以下描述或附圖中所展示的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和各個(gè)元件的 配置。本發(fā)明可以具有其它實(shí)施例，并且能夠以其它實(shí)施例實(shí)施， 并且能夠以不同的方式實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的 措辭和術(shù)語僅僅用于解釋，而不應(yīng)理解為構(gòu)成限制。使用"包含"、 "包括"或"具有"以及它們的不同變化指的是包括了此后所列 舉的項(xiàng)目及其等同物，同時(shí)還涵蓋了附加項(xiàng)目。除非另行規(guī)定或限 制，否則術(shù)語"安裝"、"連接"、"支撐"、"結(jié)合"及其變形 都涵蓋了直接和間接安裝、連接、支撐、結(jié)合。此外，"連接"和 "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示出了本發(fā)明的排氣傳感器10。傳感器10包括傳感器組 件14和引出導(dǎo)線或束線組件18。所示傳感器組件14，或短傳感器 裝置，包括大致圓柱形金屬殼體22，其構(gòu)造成可通過螺紋嚙合于機(jī) 動(dòng)式或非機(jī)動(dòng)式用途，例如摩托車、雪地車、全地形汽車、剪草機(jī) 等的內(nèi)燃機(jī)的排氣管(未示出)或其它部件的螺紋孔上。
參照?qǐng)D2，所示傳感器組件14也包括陶瓷材料26、傳感元件 30、隔離片34和焊接環(huán)38。陶瓷材料26模制在殼體22上以封裝 傳感元件30的中間部并且部分地填充殼體22的孔42。模制過程中， 陶瓷材料26與殼體22和傳感元件30的中間部結(jié)合。在所示結(jié)構(gòu) 中，陶瓷材料26是法國的Saint-Gobain Quartz S.A. S.提供的 MICAVEI^HT云母材料。陶瓷材料26鄰接隔離片34，該隔離片在所 述實(shí)施例中是燒結(jié)的塊滑石襯套，其設(shè)置在殼體22中用作排氣(例 如高于攝氏700度)與陶瓷材料26之間的隔熱層。在所述實(shí)施 例中，隔離片34防止陶瓷材料26完全填充殼體22的孔42。在低 溫下應(yīng)用時(shí)，隨著陶瓷材料26更多地注入孔42，可取消該隔離片 34。陶瓷材料26也與焊接環(huán)38結(jié)合，以支撐焊接環(huán)38遠(yuǎn)離殼體 22。焊接環(huán)38為束線組件18提供了連接區(qū)域，這將在下文描述。
圖示結(jié)構(gòu)中，傳感元件30是平面型傳感器。參考1997年12 月16日申請(qǐng)的美國專利No. 6164120，該文獻(xiàn)中的全部內(nèi)容在此引 作參考，這里就不對(duì)平面型傳感器的附加特征和操作進(jìn)行描述。傳 感元件30具有從陶瓷材料26 —端延伸出的第一端46和從陶瓷材 料26另一端延伸出的第二端50。所示實(shí)施例中，傳感元件30的第 一端或排氣側(cè)46被內(nèi)保護(hù)管54和外保護(hù)管58包圍。傳感元件30 的排氣側(cè)46暴露在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的尾氣中。
傳感元件30的第二端或基準(zhǔn)側(cè)50被束線組件18環(huán)繞并暴露在 周圍環(huán)境的基準(zhǔn)大氣中。然而，在其它構(gòu)造中(未示出)，陶瓷材 料26也可封裝傳感元件30的基準(zhǔn)側(cè)50并在陶瓷材料26中模制或 成型加工(例如，通過鉆孔)空氣通道，以便允許傳感元件30與 基準(zhǔn)大氣連通。
在所述實(shí)施例中，四個(gè)引線腳或焊接腳62通過例如電阻焊接或 銅焊的方式與傳感元件30進(jìn)行電連接。陶瓷材料26局部封裝引線
腳62以致每個(gè)引線腳62的一端能從陶瓷材料26中延伸。引線腳 62便于束線組件18和傳感元件30之間的電接觸。在其它實(shí)施例中， 可以使用更少或更多的引線腳。
束線組件18包括信號(hào)線66、加熱線70、罩74、密封墊圈78 和套筒82。焊接端子86設(shè)置在每根導(dǎo)線66、 70上并通過電阻焊接 或其它合適的替換方式與傳感器組件14的相應(yīng)的引線腳62電連 接。所述束線組件18包括四根導(dǎo)線66、 70和焊接端子86。然而， 對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，束線組件18可修改為包括更少 或更多的導(dǎo)線66、 70和焊接端子86以與傳感器組件14的引線腳 62的數(shù)量相匹配。
密封墊圈78局部位于套筒82的第一端90內(nèi)以支撐導(dǎo)線66、 70。罩74確保密封墊圈78在適當(dāng)位置并且通過壓接或其它合適的 定位方式(例如，銅焊、焊接、粘結(jié)等)連接到套筒82的第一端 90。束線組件18通過壓配合和激光焊接的方式在套筒82的第二端 94連接到傳感器組件14的焊接環(huán)38。當(dāng)然，也可以使用其它合適 的定位操作方式。
如圖3所示，在模制夾具102的模制腔98內(nèi)定位傳感器組件 14、去掉陶瓷材料26來制造排氣傳感器10。將液化或可流動(dòng)陶瓷 材料噴入(例如，在壓力作用下)模制腔98內(nèi)，包覆成型殼體22 的一部分并局部充滿殼體22的孔42。噴入的陶瓷材料也包覆成型 并局部包圍傳感元件30的中間部和引線腳62部分。當(dāng)噴入的陶瓷 材料冷卻后，陶瓷材料26變硬，因此可粘結(jié)到殼體22上。在硬化 期間，陶瓷材料26也粘結(jié)并封裝了傳感元件30的中間部和引線腳 62部分，形成圍繞傳感元件30中間部和引線腳62部分的密封。焊 接環(huán)38在模制腔98中定位成遠(yuǎn)離殼體22，以便當(dāng)噴入的陶瓷材料 冷卻時(shí)，陶瓷材料26也可與焊接環(huán)38相粘結(jié)。 一旦陶瓷材料26
硬化，包覆成型的傳感器組件14從模制腔98中移出。陶瓷材料26 與殼體22、傳感元件30、引線腳62及焊接環(huán)38的粘結(jié)使傳感器 組件14組合成單個(gè)的、不可分的零件。
圖4示出了與束線組件18分離的包覆成型的傳感器組件14。 在包覆成型傳感器組件14從模制夾具102中移出后，內(nèi)保護(hù)管54 和外保護(hù)管58通過壓接、焊接或其它合適方式連接到與傳感元件 30的排氣側(cè)46相鄰的殼體22上。束線組件18的零部件組裝成遠(yuǎn) 離傳感器組件14，然后第一電阻焊接焊接端子86到引線腳62上， 再壓配合和激光焊接套管82到焊接環(huán)38上，這樣，束線組件18 連接到傳感器組件14上。
所述排氣傳感器IO減少了構(gòu)造所需的零部件總量。例如，現(xiàn)有 技術(shù)中，排氣傳感器使用圍繞傳感元件中部的塊滑石填料和氮化硼 填料來使排氣側(cè)從基準(zhǔn)側(cè)密封。這些填料對(duì)由燃料蒸汽污染帶來的 特性下滑(CSD)問題很敏感。在所述排氣傳感器10中，塊滑石填 料和氮化硼填料都由陶瓷材料26來代替，其用作密封并且對(duì)CSD有 較小的敏感度。
此外，所述排氣傳感器10降低了制造工藝所要求的復(fù)雜度和尺 寸。不僅減少了所要求的零部件數(shù)量，而且傳感元件的長度相比目 前使用的排氣傳感器也減小。
所述排氣傳感器IO還在金屬部件(例如，殼體22和套筒82)
之間設(shè)置了隔熱層以防止過量熱傳導(dǎo)至靈敏部件，例如，密封墊圈 78和導(dǎo)線66， 70。陶瓷材料26是高度隔熱層其可阻止熱量從傳感 元件30的排氣側(cè)46傳遞到基準(zhǔn)側(cè)50。陶瓷材料26通過切斷金屬 與金屬間的接觸以及具有的相對(duì)于塊滑石套筒(大約1.6『/ml) 或不銹鋼(大約14『/附1)更低的熱傳導(dǎo)率(大約0. 8『/mi)來 改善排氣傳感器10的熱運(yùn)行特性。
此外，陶瓷材料26夾持并隔離了引線腳62，使其能耐受高的 牽引力和振動(dòng)。也就是說，由于包覆成型的陶瓷材料26，要不然會(huì) 引起傳感元件30和引線腳62分離的牽引力和振動(dòng)不會(huì)在所述排氣 傳感器10中引起這樣的分離。
圖5示出了本發(fā)明排氣傳感器110的另一個(gè)結(jié)構(gòu)。排氣傳感器 110包括傳感器組件114和束線組件118。傳感器組件114包括與 前述實(shí)施例的殼體22起相同作用的殼體122、與殼體122直接連接 的焊接環(huán)或套筒126、傳感元件130、傳導(dǎo)元件134和襯套138。
所述結(jié)構(gòu)中，傳感元件130是杯狀陶瓷元件，或套管型傳感器。 參考2004年4月12日申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)公開文獻(xiàn) No. 2005/0224347Al，該文獻(xiàn)中的全部內(nèi)容在此引作參考，這里就 不對(duì)套筒型傳感器的附加特征和運(yùn)行進(jìn)行描述。傳感元件130包括 開口端142和封閉端146。傳感元件130局部設(shè)置在殼體122的孔 150中，以致封閉端146延伸出殼體122。保護(hù)管154連接(例如 壓接)在殼體122上并包圍封閉端146以保護(hù)傳感元件130并臨時(shí) 捕集傳感元件130的外表面158附近的排氣。傳感元件130的開口 端142允許基準(zhǔn)大氣與傳感元件130的內(nèi)表面162相通。傳導(dǎo)元件 134與傳感元件130在開口端142附近電連接。在所述結(jié)構(gòu)中，示 出了兩個(gè)傳導(dǎo)元件134。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然， 更少或更多的傳導(dǎo)元件134可與傳感元件130連接。
襯套138的大部分設(shè)置在焊接環(huán)126和殼體122的孔150的內(nèi) 部。襯套138包圍傳導(dǎo)元件134以絕熱并支撐該傳導(dǎo)元件134。鄰 近焊接環(huán)126的內(nèi)表面170安置的盤簧166與襯套138的臺(tái)肩174 配合，使得襯套138偏向殼體122。
束線組件118包括套筒或束線蓋178、陶瓷材料182和焊接端 子186。套筒178以與前述實(shí)施例的套筒82和焊接環(huán)38相類似的
方式與焊接環(huán)126相連接。陶瓷材料182，即法國Saint-Gobain Quartz S. A. S.的MICAVERHT云母材料，部分地填充并模制或粘結(jié)在 套筒178的內(nèi)表面上。導(dǎo)線186部分地延伸穿過陶瓷材料182中的 孔190，并通過電阻焊接的方式與傳導(dǎo)元件134電連接。導(dǎo)線密封 件194 (例如，VitorT密封體，從DuPont Performance Elastomers L.L.C of Wilmington, Delaware獲得)圍繞與焊接端子186連接 的導(dǎo)線196并密封束線組件118的端部。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖6所示，通過在模制夾具198上安置套 筒178來制造排氣傳感器110。模制夾具198可限定或可不限定模 制腔。模制夾具198包括兩個(gè)用來產(chǎn)生陶瓷材料182的孔190的插 頭202。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，可包括更少或更 多的插頭202與焊接端子186的數(shù)量相匹配，因此，也和傳感器110 的傳導(dǎo)元件134數(shù)量相匹配。液化或可流動(dòng)的陶瓷材料(未示出) 噴入(例如，在壓力作用下)套筒178中來部分地填充套筒178。 當(dāng)噴入的陶瓷材料冷卻后，陶瓷材料182變硬并且粘結(jié)到套筒178 上。 一旦陶瓷材料182硬化后，套筒178就從模制夾具198中移出。 在另一個(gè)結(jié)構(gòu)中，孔190可在陶瓷材料182硬化后形成(例如，通 過鉆孔)。
圖7示出了與傳感器組件114分離的套筒178和包覆成型的陶 瓷材料182。套筒178從模制夾具198上分離后，密封件194插入 陶瓷材料182的孔190中。焊接端子186通過電阻焊接的方式與傳 導(dǎo)元件134和導(dǎo)線196相連然后滑入孔190。組裝好的束線組件118 然后通過壓配合和激光焊接套筒178至焊接環(huán)126上的方式與傳感 器組件114連接。
現(xiàn)有技術(shù)中，束線組件在套管中需要由聚四氟乙烯(PTFE)制 成的結(jié)構(gòu)性密封圈(與圖2所示的密封圈類似)，以密封并支撐導(dǎo)
線196。結(jié)構(gòu)性密封圈是束線組件的可分離的部件，并因此，需要
蓋或另一固定結(jié)構(gòu)來將密封圈保持在套管中。此外，在套筒中鄰近
結(jié)構(gòu)性密封圈安置O型環(huán)以確保在結(jié)構(gòu)性密封圈和套筒之間有適當(dāng) 的密封。
用所述排氣傳感器110的陶瓷材料182代替結(jié)構(gòu)性密封圈，由 此，允許更高的運(yùn)行溫度并有效減少從排氣傳到導(dǎo)線密封件194的 熱量。此外，陶瓷材料182粘結(jié)到套筒178，由此，就無需蓋來保 持套筒178中的陶瓷材料182,且無需用0型環(huán)在陶瓷材料182和套 筒178之間進(jìn)行密封。
陶瓷材料182也減少了對(duì)束線組件118的其它PTFE和氟烴橡膠 部件例如，導(dǎo)線密封件194等損壞的危害。
盡管參照不同的傳感元件類型對(duì)排氣傳感器10、 110和各自陶 瓷材料26、 182進(jìn)行了描述，然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯 然，套管型傳感器110的束線組件118可適用于并構(gòu)造成替代平面 型傳感器10的束線組件18。也就是說，例如，圖5所示的陶瓷材 料182可模制到蓋74中以替代圖2所示的密封圈78。此外，傳感 器110的傳感器組件114中的襯套138可以用與傳感器10的陶瓷 材料26所描述的相同的方式模制的陶瓷材料來代替。
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
1.一種制造排氣傳感器的方法，該方法包括將排氣傳感器的組件的至少一部分安置在模制夾具中；用陶瓷材料包覆成型該組件的至少一部分；和從模制夾具中移出該包覆成型的組件。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，該組件包括傳感元件， 并且其中，包覆成型該組件包括至少部分地封裝傳感元件。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，該組件包括與傳感元件 電連接的引線腳，且該方法還包括連接導(dǎo)線至引線腳上。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，包覆成型該組件包括封 裝引線腳的至少一部分。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，該組件包括殼體，并且 其中，包覆成型使陶瓷材料粘結(jié)到殼體上。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，殼體包括孔，并且其中， 包覆成型使陶瓷材料至少部分地填充該孔。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將焊接環(huán)圍繞陶瓷材料 的一部分安置。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，圍繞陶瓷材料安置焊接 環(huán)包括在組件的包覆成型過程中，將陶瓷材料模制到焊接環(huán)上。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括將束線套筒連接至焊接環(huán)。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，該組件包括套筒，并且其中，包覆成型該組件包括用陶瓷材料填充套筒的至少一部分。
11. 如權(quán)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個(gè)孔。
12. —種排氣傳感器裝置，包括 殼體；部分容納于殼體中的傳感元件；和 模制到殼體上以封裝傳感元件的一部分的陶瓷材料。
13. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，其中，陶瓷材料 封裝傳感元件的中間部，留有傳感元件的至少一端不封裝。
14. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，其中，陶瓷材料 至少部分地模制到殼體內(nèi)的孔中。
15. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，還包括安置在殼 體中的隔離片，陶瓷材料鄰接隔離片。
16. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，還包括束線組件， 束線組件包括導(dǎo)線和套筒。
17. 如權(quán)利要求16所述的排氣傳感器裝置，其中，焊接環(huán)安 置在陶瓷材料上，且束線組件的套筒連接至焊接環(huán)。
18. 如權(quán)利要求16所述的排氣傳感器裝置，還包括具有與傳 感元件電連接的第一端的引線腳，其中，引線腳被陶瓷材料至少部 分地封裝以使引線腳的第二端從陶瓷材料延伸并與束線組件的導(dǎo)線連接。
19. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，其中，傳感元件 為平面?zhèn)鞲性?br> 20. 如權(quán)利要求12所述的排氣傳感器裝置，其中，模制的陶 瓷材料為云母材料。
21. —種排氣傳感器裝置，包括-殼體；傳感元件；和與殼體和傳感元件連接的套筒，套筒包括模制在其中的陶瓷材 料，并且限定出供傳導(dǎo)元件延伸穿過的孔。
22. 如權(quán)利要求21所述的排氣傳感器裝置，還包括安置在由 模制的陶瓷材料限定出的孔內(nèi)的密封件，其中，密封件環(huán)繞與傳導(dǎo) 元件相連的導(dǎo)線的一部分。
23. 如權(quán)利要求21所述的排氣傳感器裝置，其中，傳感元件 包括杯狀陶瓷元件。
24. 如權(quán)利要求21所述的排氣傳感器裝置，其中，模制的陶瓷 材料是云母材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種排氣傳感器及其制造方法。所述排氣傳感器裝置，包括殼體；部分容納于殼體中的傳感元件；和模制到殼體上以封裝傳感元件的一部分的陶瓷材料。所述制造方法包括在模制夾具中安置排氣傳感器的組件的至少一部分，用陶瓷材料包覆成型組件的至少一部分，和從模制夾具中移出包覆成型的組件。
文檔編號(hào)G01N27/409GK101206190SQ20071016466
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者J·羅比森 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司