专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器，所述气体传感器用于测量车辆的发动机排出的废气中的氧气浓度或类似气体浓度，以便利用测量结果进行燃烧控制或起到类似的作用。
背景技术：
根据车辆的发动机排出的废气中的氧气浓度或类似气体浓度进行燃烧控制，能有效地使燃料燃烧并进行有效地废气净化。
用于检测废气中的氧气浓度或类似气体浓度的气体传感器，其内部包括敏感元件(传感器元件)，用于测量被测量气体(待检测的气体)的特定气体浓度。
这种气体敏感元件具有包括固体电解质和一对电极的电化学电池，并且根据以大气作为基准气体，在电极之间产生的电动势、流过电极之间的极限电流或者类似的参数，对被测量气体中的氧气浓度或类似气体浓度进行测量。
因此，需要气体传感器同时接触大气和被测量气体，气体传感器的外表面包括暴露在被测量气体中的被测量气体表面以及暴露在大气中的大气表面。被测量气体表面具有进入孔，使被测量气体进入气体传感器内部，同时大气表面具有进入孔，使大气进入气体传感器内部。
例如，在图1所示以及下面描述的气体传感器中，气体传感器插在排气管中的安装孔内，排气管内流动废气，并且外壳被分成两半，其中的一半形成大气表面，另一半形成被测量气体表面。
同时，在气体传感器的零件中，具有耐热性差的材料。例如，树脂基去水过滤器(见图1和其它图)，有时可以使大气进入大气侧外罩的内部，但防止水份进入其中。这种去水过滤器是由多孔的树脂材料制成的，例如，四氟乙烯，其耐热性比金属或陶瓷材料的低。
另外，弹性绝缘材料(见图1和其它图)有时用于气密封大气侧外罩的底端(底部末端部分)，并用于固定从气体传感器外部进入的导线。但是，这种弹性绝缘材料是由树脂或橡胶制成的，耐热性差。
并且，近些年来，每年的废气法规变得更加严格，在这种情况下，需要进一步提高废气的温度，排气管的外表面被热的废气加热变成灼热，从而进一步产生辐射热。
由于气体传感器外表面的大气表面暴露在排气管的外部，因此它将变成辐射热的接收表面。这种辐射热进一步加热了气体传感器，从而可能超过对热敏感(耐热性差)的材料的耐热极限。
已经提出了一种结构，其中大气侧外罩底端的外表面形成不规则结构作为散热部分，或者气体传感器的尺寸增大，使排气管与外表面之间的距离延长，防止气体传感器的温度过多地增大。
但是，优选的是，放置在有限空间内的气体传感器应尽可能的�。⑶掖硬牧铣杀镜慕嵌瘸龇⒁膊幌Ｍ叽绶糯蟆６遥圃炀哂胁还嬖蚪峁沟耐獗砻嬉灿欣眩贾律式档�。
发明内容
本发明的提出是为了消除上述传统的问题，因此本发明的目的是提供一种气体传感器，所述气体传感器不容易被外部的辐射热影响，并且温度增大很小。
为了这个目的，根据本发明的第一方面，提供一种气体传感器，其内部包括敏感元件，用于测量待测量的被测量气体中的特定气体浓度，其中，气体传感器的外表面包括暴露在被测量气体中的被测量气体表面以及暴露在大气中的大气表面，并且至少一部分大气表面的辐射率等于或小于0.3。
在根据本发明的气体传感器中，辐射率等于或小于0.3的区域位于大气表面上，从而降低大气表面上由于辐射热造成的传热，因此气体传感器的温度升高很小。并且，由于这可以阻止热传递到大气表面，因此大气表面附近的温度增大很小。
因此，本发明能提供一种气体传感器，所述气体传感器不容易被外部的辐射热影响，并且温度增大很小。
结合附图，并从下面对优选实施例的详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得更加容易理解。在附图中图1是表示根据本发明第一实施例的气体传感器的轴线剖视图；
图2是表示根据第一实施例的气体传感器的侧视图；图3是表示根据第一实施例的气体传感器的另一种结构的轴线剖视图；以及图4是根据本发明第二实施例用于解释测量气体传感器部分的温度的方法的示意图。
具体实施例方式
本发明可以应用于各种类型的气体传感器，例如，氧气传感器、NOx传感器、其它气体传感器、用于根据废气中的氧气浓度测量车辆发动机的燃烧室内的空燃比的空燃比传感器，以及其它类型的气体传感器。
敏感元件可以层叠类型或者杯形类型实现。
虽然将在下面描述气体传感器的详细结构，但也可以在除那些实施例中描述之外的气体传感器的条件下，可以获得本发明的效果。
当辐射率等于或小于0.3的区域不是位于大气表面上时，由于辐射热而使气体传感器的加热被增强，从而有可能超过对热敏感的材料的耐热极限。
在这种情况下，在气体传感器的零件中，“对热敏感的材料”是指由树脂、橡胶或类似物质制成的每种材料，例如，去水过滤器、具有导线插入孔并且位于大气侧外罩的底端的弹性绝缘件、以及其它零件(见第一实施例)。
辐射率可以设定为零。在这种情况下，所有外部的热都被反射，因此气体传感器为得极其不受热的影响，从而进一步抑制了温度升高。
并且，优选的是，至少一部分上述的大气表面的辐射率等于或小于0.15。
当辐射率设定为等于或小于0.15的数值时，由于辐射热对大气表面的传热进一步减�。佣露仍龈吆苄�。
再者，优选地，上述辐射率是对应于波长为0.5到1.0μm的电磁波的数值。
在这种情况下，辐射的反射在可见光区和红外区变得切实可行。当诸如排气管的金属材料灼热时产生的电磁波的波长大致在可见光区和红外区的波长之间，如果这种波长的电磁波可以反射，则在抑制气体传感器温度升高方面将达到充分的效果。
并且，优选地，大气表面是由喷砂处理的表面形成的。
喷砂处理能去除大气表面的面上形成的氧化膜和其它物质，从而呈现金属光泽表面。因此，得到低的辐射率。
对于上述的喷砂处理，优选的是使用玻璃、陶瓷或类似物质的细粉作为磨料。并且，在根据本发明的气体传感器中，大气表面是由大气侧外罩和其它部分，或者外壳和其它部分形成的。
即，一般地，如同下面在第一实施例中的描述，气体传感器包括外壳、位于外壳顶端的被测量气体侧外罩以及位于外壳底端的大气侧外罩。除了大气侧外罩和被测量气体侧外罩以外的外罩部件可以暴露在外表面上。
大气侧外罩和被测量气体侧外罩中的每一个外罩内部形成大气环境或被测量气体环境，包括在气体传感器内部的敏感元件设置成同时跨过大气环境和被测量气体环境(跨骑二者之间的边界)。
在此结构中，优选地，预先在整个大气侧外罩上形成钝化膜(氧化膜)，并且对所需的区域进行喷砂处理，形成喷砂处理表面。
即，在气体传感器中，由于敏感元件制成是为了将大气环境用作基准气体执行检测，当形成气体传感器的金属件，例如大气侧外罩在高温环境下氧化时，大气环境的氧气浓度下降，从而检测值不准确。
因此，一般地，通过预先将其加热到高温，使大气侧外罩或类似零件的表面形成强的钝化膜(氧化膜)，从而防止在使用时的高温环境下氧化加速。通过这种处理，大气侧外罩具有褐色到暗褐色光泽的氧化表面，其辐射率将是高的。因此，根据本发明，得到低辐射率的最容易的制造方法是喷砂处理。
作为另外的方法，研磨和酸处理也可以用于去除钝化膜。
并且，优选地，占据大气表面60％或大于60％的区域的辐射率等于或小于0.3。
这减小了由于辐射热对大气表面的传热，使气体传感器的温度增大很小。另外，热传递到大气表面的障碍防止大气表面的温度升高。
假定辐射率等于或小于0.3的区域不到60％，则抑制气体传感器的温度升高的效果可能不充分。
最优选的是，整个大气表面的辐射率等于或小于0.3。
再者，优选的是，当沿气体传感器轴线方向从大气表面的底端部分到其顶端部分的距离设为H，则在对应于沿气体传感器轴线方向从大气表面的底端部分朝其顶端部分的距离为0.6H或大于0.6H的区域，其辐射率设定为0.3或小于0.3。
当气体传感器用在插入车辆发动机的排气管并暴露在废气的状态下，排气管被热废气加热并灼热到产生辐射热。并且，对于大多数气体传感器，如同下面在第一实施例中的描述，诸如树脂和橡胶之类的对热敏感的零件位于气体传感器的底端。因此，当低辐射率的部分位于底端时，可以特别地抑制底端附近的温度升高。
如果辐射率等于或小于0.3的区域小于0.6H的距离，则抑制气体传感器底端温度升高的效果可能不是特别的充分。
<第一实施例>
如图1和2所示，根据此实施例的气体传感器一般地用参考数字1表示，其内部包括敏感元件2，用于测量被测量气体的特定气体浓度，气体传感器1的外表面100具有暴露在被测量气体中的被测量气体表面101以及暴露在大气中的大气表面102。至少一部分的大气表面102的辐射率(辐射系数)等于或小于0.3。
下面将给出根据此实施例的气体传感器1的详细描述。
如图1所示，根据此实施例的气体传感器1制成使其外壳10螺纹固定在车辆发动机的排气管3中形成的气体传感器固定孔的螺纹部分上，气体传感器1的一部分顶端暴露在废气中，以根据废气中的氧气浓度测量车辆发动机的燃烧室(未图示)内的空燃比。
根据此实施例，虽然没有图示，敏感元件2制成使得一对电极装在板状固体电解质元件上，一个电极与被测量气体环境119接触，而另一个电极与大气环境124接触。形成被测量气体环境119的废气的氧气浓度在使用气体传感器1内部的大气环境124作为基准气体时是可以检测的。
如图1所示，根据此实施例的气体传感器1包括圆柱形外壳10和敏感元件2，敏感元件2穿过器件侧绝缘体13进入外壳10的内部。
在敏感元件2与器件侧绝缘体13之间具有气密封材料29，用于阻止气体的流动。密封材料29形成大气环境124与被测量气体环境119之间的边界。
在外壳10的顶端，具有双结构的被测量气体侧外罩11用于覆盖敏感元件2顶端的气体浓度检测部分。被测量气体侧外罩11具有进入孔110，被测量气体由此从气体传感器1的外部进入外罩11的内部。外罩11的内部形成被测量气体环境119。
另外，在器件侧绝缘体13的底端具有圆柱形大气侧绝缘体14，用于覆盖敏感元件2的底端，大气侧外罩121固定地焊接在外壳10的底端，从而覆盖大气侧绝缘体14的外侧。
在大气侧外罩121的底端的外圆周上，外罩122中具有圆柱形去水过滤器125，并从外罩122的外侧牢固地固定，从而固定去水过滤器125。在去水过滤器125的位置上，在大气侧外罩121和外罩122上形成进入孔120，使大气进入大气侧外罩121的内部。大气侧外罩121的内部形成大气环境124。大气侧外罩121的底端被弹性绝缘件129气密封，这将在下面描述。
在大气侧绝缘体14的内部，输出端子、电源端子(未图示)以及端子弹簧151彼此接触，端子弹簧151的底端位于大气侧绝缘体14外部，通过连接端子152连接到导线153。导线153通过导线插孔128延伸到传感器1的外部，导线插孔128是在大气侧外罩151底端内部中的弹性绝缘件129内形成的通孔。
大气侧外罩121和外罩122都是由不锈钢材料制成的，在其表面上，通过将其加热到高温形成钝化膜(氧化膜)。作为不锈钢材料，使用的是具有耐热性能的奥氏体不锈钢SUS310或SUS316。
即，在气体传感器1中，由于敏感元件2在检测时使用气体传感器1中的大气环境124作为基准气体，当组成气体传感器1的金属件，例如大气侧外罩121在高温环境下氧化时，大气环境124的氧气浓度下降，从而在检测值准确性方面遇到了困难。
基于这个原因，大气侧外罩121和其它零件预先在高温下加热，在其表面上形成强的钝化膜(氧化膜)，用于防止使用过程中在高温下的氧化加速。通过这个处理，大气侧外罩121和其它零件成为具有褐色到暗褐色光泽的氧化表面状态。
在此实施例中，对大气侧外罩121和外罩122进行喷砂处理，从而去除与大气表面102对应的钝化膜，使不锈钢产生金属光泽。这样，辐射率变为0.3或小于0.3。
对于上述的喷砂处理，使用玻璃、陶瓷或类似物质的细粉作为磨料。
在外壳10中，其顶端部分的直径�。屑洳糠值闹本洞螅锥瞬糠值闹本缎。⑶以诖笾本兜闹屑洳糠值南卤砻嫔献坝械刹糠�105。小直径的顶端部分的侧面具有螺纹部分106，与排气管3的气体传感器固定孔内的螺纹部分对应。
当气体传感器1的外壳10拧入排气管3时，弹簧部分105朝向顶端的表面与排气管3的表面30接触。
并且，在气体传感器1的外表面100上，暴露在排气管3内部的被测量气体侧外罩11的表面形成被测量气体表面101，而外壳底端的侧表面、大气侧外罩121的侧表面以及外罩122的侧表面形成大气表面102。
另外，在图1或2中，外表面100、被测量气体表面101和大气表面102的存在范围利用箭头表示出来。
在根据此实施例的气体传感器1中，形成大气表面102时，使其辐射率为0.3或低于0.3，这减小了由于辐射热对大气表面102的传热，使气体传感器1的温度升高很小。并且，由于这阻止了对大气表面102的传热，因此大气表面附近的温度升高很小。
在根据此实施例的气体传感器1中，去水过滤器125是由四氟乙烯制成的，弹性绝缘件129是由氟橡胶制成的。
在排气管3内部流动的废气的最高温度约为800℃，因此，排气管3的表面30也被加热到这个温度附近，其发热产生电磁波，即红外或可见光。
假定形成的钝化膜仍保留在大气侧外罩121和其它零件的表面上，气体传感器1的温度升高是不可避免的，如同下面第二实施例中提及的，并且去水过滤器125和弹性绝缘件129出现热退化。
在此实施例中，由于使用喷砂处理对大气侧外罩121的大气表面102和其它部分进行了处理，不锈钢呈现金属光泽，辐射率变成等于或小于0.3。如同下面第二实施例中提及的，气体传感器1的温度升高很�。梢苑乐谷ニ似�125或弹性绝缘件129的热退化。
如上所述，根据此实施例，可以提供一种气体传感器，所述气体传感器不容易受到外部的辐射热，并且温度升高很小。
另外，如图3所示，还可以进一步延长大气侧外罩121外部的外罩122。
此外，如图3所示，即使没有设定整个大气表面102的辐射率等于或小于0.3，但范围103所示区域的辐射率设定为等于或小于0.3，而与此区域不同的其它部分的辐射率大于0.3，也能达到此实施例的效果。
此区域的范围是从气体传感器1的底端开始沿气体传感器1的轴线方向的长度为0.6H或大于0.6H，这里H代表大气表面102沿其轴线方向的长度。
在根据此实施例的气体传感器1中，对热敏感的部分是用于气密封大气侧外罩121的底端部分的弹性绝缘件129和去水过滤器125。如上所述主，弹性绝缘件129置于大气侧外罩121的底端部分，去水过滤器125基本处于气体传感器1的底端，因为大气在此位置进入(第一实施例)。因此，辐射率等于或小于0.3的区域是从底端到距离等于或大于0.6H的位置，从而特别地阻止了气体传感器1底端附近的温度升高，保护了弹性绝缘件129和去水过滤器125。
<第二实施例>
根据此实施例，在具有如第一实施例所示结构的气体传感器中，大气表面或低辐射率区域的表面的辐射率是变化的，并测量抑制温度升高的效果。
样品0是参考样品，其中在大气表面上形成钝化膜，而不形成喷砂处理的表面，略微呈现出金属光泽，但大气表面的辐射率高达0.4。
样品1的大气表面不形成钝化膜，直接呈现出SUS310的金属光泽。
在样品3的大气表面上，通过加热充分形成钝化膜。
样品2的大气表面具有通过喷砂处理样品3状态下的大气表面形成的处理表面。
在基于样品1到3的每个气体传感器中，从大气表面底端到其顶端的整个区域的辐射率被设定为一个预定值。
在基于样品4到6的每个气体传感器中，大气表面预定区域的辐射率设定为0.3。即，在样品4的条件下，从大气表面底端部分到对应于距离0.7H的位置之间的范围是喷砂处理的，而样品5在从大气表面底端部分到对应于距离0.6H的位置之间的范围是喷砂处理的，样品6在从大气表面底端部分到对应于距离0.5H的位置之间的范围是喷砂处理的。
为了测量每个样品的大气表面的辐射率，使用覆盖可见光和近红外光的分光辐射谱仪测量其反射率。由于电磁波发射不出现在大气表面上，因此辐射率＝1-反射率。
此外，下面将描述测量气体传感器温度的方法。
如图4所示，气体传感器1插入安装工具4的固定孔41。将工具4加热，直到工具表面40的温度达到800℃。在此状态下，经过30分钟，在此时间内温度测量位置42的温度达到稳定状态，利用装在温度测量位置42上的热电偶测量温度。温度测量位置42是距离气体传感器1底端部分t＝10mm的位置。
当插入气体传感器1时，如同实际使用的状态，被测量气体表面位于图中的右侧，而大气表面位于图中的左侧。
使用样品0测量的数值作为基准数值，相对于此基准数值的温差表示在下面的表1中。
表1样品大气表面的状态辐射率 范围温差评价0 加热变成褐色到暗褐 0.4 H基准 —色，有光泽1 SUS310的底面 0.15 H-25℃A2 SUS310的喷砂表面 0.3 H-18℃A3 加热变为褐色，有光泽 0.35 H-5℃ C4 SUS310的喷砂表面 0.3 0.7H-14℃A5 SUS310的喷砂表面 0.3 0.6H-11℃A6 SUS310的喷砂表面 0.3 0.5H-8℃ B在上面的表1中，当温差等于或小于5℃时，评价结果标记为“C”；当温差大于5℃但小于10℃时，评价结果标记为“B”；当温差等于或大于10℃时，评价结果标记为“A”。
从表1可以清楚看出，在样品1到3中，当辐射率等于或小于0.3时，达到了降低高温的效果。
并且，可以发现，在样品4到6中，当辐射率等于或小于0.3的区域处于从气体传感器底端部分到对应于距离等于或大于0.6H的位置之间时，可以达到降低高温的效果。
应该理解的是，本发明并不限于上述的实施例，而是覆盖不偏离本发明的精神和范围的、本发明实施例的所有变化和修改。
权利要求
1.一种气体传感器，所述气体传感器内部包括敏感元件，用于测量待测量的被测量气体中的特定气体浓度，所述气体传感器的外表面包括暴露在所述被测量气体中的被测量气体表面以及暴露在大气中的大气表面，并且至少一部分所述大气表面的辐射率等于或小于0.3。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，至少一部分所述大气表面的辐射率等于或小于0.15。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述辐射率是相对于波长为0.5到1.0μm的电磁波的数值。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述大气表面包括喷砂处理的表面。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，占据所述大气表面60％或大于60％的所述大气表面区域的辐射率等于或小于0.3。
6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，当沿所述气体传感器轴线方向从所述大气表面的底端部分到其顶端部分的距离设为H，则在对应于沿所述轴线方向从所述大气表面的所述底端部分朝所述顶端部分的距离为0.6H或大于0.6H的区域，所述辐射率设定为等于或小于0.3。
全文摘要
在一种气体传感器中，所述气体传感器内部包括敏感元件，用于测量被测量气体的特定气体浓度，气体传感器的外表面包括暴露在被测量气体中的被测量气体表面以及暴露在大气中的大气表面，并且至少一部分大气表面的辐射率等于或小于0.3。优选地，所述辐射率是相对于波长为0.5到1.0μm的电磁波的数值，并且占据大气表面60％或大于60％的大气表面区域，其辐射率等于或小于0.3。这提供了一种不容易受到辐射热的影响并且温度增大很小的气体传感器。
文档编号G01N27/407GK1573325SQ20041004853
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年6月6日
发明者山田弘一 申请人:株式会社电装
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
