专利名称：气体传感器用的保护罩，气体传感器以及气体传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器用的保护罩，气体传感器以及气体传感器的制造方法。在下文中术语“前面”表示相对于一个气体传感器的轴方向的一个传感端侧面，以及术语“后面”表示与前侧面相对的一个侧面。
背景技术：
日本待审的专利申请公开NO.11-352095公开了一种普通类型的气体传感器，如图8所示，它具有一个圆筒形的金属壳体81，一个传感器元件82，一个加热器83，金属保护罩84和一个接地端子91，一个输出端子92，一个接地导线93，一个输出导线94，一对加热器端子95(图中仅示出一个)和加热器导线(图中未示出)。壳体81具有一个金属壳81a和一个内管81b相互固定，虽然它们可以代替地形成一个整件。传感器元件82沿轴向设置在壳体81内，并且其传感部分从壳体81的前端伸出，以及加热器83插入在传感器元件82内。接地和输出端子91和92装至传感器元件82的后端，以便形成传感器元件82和接地和输出导线93和94之间的电连接，而加热器端子95装至加热器83的后端，以便形成加热器83和加热器导线之间的电连接。保护罩84接合至壳体81的前端部分以覆盖传感器元件82的传感部分。保护罩85接合至壳体81的后端部分，以覆盖接地和输出端子91和92以及加热器端子95，并且接地和输出导线93和94以及加热器导线从保护罩85向后伸出。
在上述的普通类型的气体传感器内，存在的困难是接合保护罩84和85至壳体81。
已具有的接合一个保护罩至一个传感器壳体的普通实践是借助在保护罩上形成一个接合部分，用保护罩的接合部分与壳体接合，以及随后焊接保护罩的接合部分至壳体。然而，严格的尺寸控制要求用于壳体和保护罩的接合部分之间的正确的接合。壳体和保护罩的加工和检查是消耗时间和劳动量的，因而导致气体传感器高的制造费用。在保护罩借助拉延奥氏体不锈钢板成形的情况下，保护罩可以由于塑性容易地膨胀。在这种容易膨胀的保护罩的加工和检查中进行严格的尺寸控制是特别负担重的和因此也是价格昂贵的。
针对这个背景，在日本的专利申请公开NO.11-352095内建议另一种保护罩连接方法，其中保护罩84和85的部分84a和85a嵌塞在壳体81的前和后端部分，以及随后焊接至壳体81的焊接部分W1和W2。这样使得有可能简化壳体81和保护罩84和85的加工和检查，不需要严格的尺寸控制以及从而有可能降低气体传感器的制造费用。
然而，在上述建议的方法中，保护罩84和85的部分84a和85a在嵌塞之前具有内径显著地大于壳体81的前和后端部分的外径，从而使保护罩84和85的部分84a和85a可以容易地围绕壳体81设置。它不容易可靠地嵌塞如此大直径的保护罩84和85的部分84a和85a至壳体81，因为保护罩84和85具有较大的厚度，用以保护传感部分和端子91，92和95避免外来撞击。然而，这里不能保留间隙在壳体81和保护罩84和85的部分84a和85a之间，以便牢固地焊接保护罩84和85的部分84a和85a至壳体81。因此，保护罩的部分84a和85a不得不通过施加高应力来嵌塞，它导致嵌塞工具等的耐久性受损。气体传感器的制造费用随后不能显著地降低。
可以想像的是用较软的材料制造保护罩84和85，这样使保护罩84和85的部分84a和85a可以不用施加高的压力就可以嵌塞。这样使它有可能降低气体传感器的制造费用至很大的程度。然而，保护罩84和85在作用于保护抵抗外来撞击时变得太脆弱。气体传感器不能获得足够的耐久性，例如在车辆中使用时。
如果保护罩84具有一个双壁结构，这里出现另一个问题，气体传感器在响应测量气体内的突然改变时延迟。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种气体传感器用的保护罩，它能够容易和可靠地接合至一个传感器壳体，以覆盖传感器元件和传感器端子，而不会引起上述的费用和耐久性问题，以及提供具有这样一个或多个保护罩的一种气体传感器和气体传感器的一种制造方法。
本发明的另一目的是提供一种带有双壁保护罩的气体传感器，它显示出较高的响应性。
按照本发明的第一方面，提供一种气体传感器用的保护罩，包括一个圆筒形金属壳体和一个传感器元件沿轴向设置在壳体内，并且其一个传感部分从壳体的前端伸出，保护罩包括一个接合部分，准备接合至壳体的前端部分，以便用保护罩覆盖传感部分，接合部分具有的硬度比保护罩其余部分的硬度低。
按照本发明的第二方面，提供一种气体传感器用的保护罩，包括一个圆筒形金属壳体，一个传感器元件沿轴向设置在壳体内以及在其前端具有一个传感部分和一个传感器端子装至传感元件的后端，以便由传感部分产生一个信号输出，保护罩包括一个接合部分，准备接合至壳体的后端，以便用保护罩覆盖传感器端子，接合部分具有的硬度比保护罩的其余部分的硬度低。
按照本发明的第三方面，提供一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，在其前端具有一个传感部分以及轴向地设置在壳体内，并且传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分，第一保护罩包括一个接合部分，接合包着壳体的前端部分；以及一个第二保护罩，接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，其中接合部分具有的硬度比保护罩的其余部分的硬度低。
按照本发明的第四方面，提供一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，在其前端具有一个传感部分以及沿轴向设置在壳体内，并且传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分；以及一个第二保护罩，接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，第二保护罩包括一个接合部分，接合包着壳体的后端部分，其中接合部分具有的硬度比第二保护罩的剩余部分的硬度低。
按照本发明的第五方面，提供一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，在其前端具有一个传感部分以及沿轴向设置在壳体内，并且传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分；以及一个第二保护罩，接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，其中第一保护罩具有一个外罩元件，包括一个接合部分，接合至壳体的前端部分，以及一个外周边壁，外周边壁具有在其内制成的外气体输入孔以供给测量气体进入外罩元件；以及一个内罩元件固定在外罩元件内以及包括一个内周边壁，保持与外周边壁平行，以及在其后端一个壁边弯曲至外周边壁，壁边具有在其内制成的内气体输入孔以供给测量气体由外罩元件进入内罩元件。
按照本发明的第六方面提供一种气体传感器的制造方法，包括设置一个传感器元件在一个圆筒形金属壳体内，此传感器元件在其前端具有一个传感部分从壳体的前端伸出；形成一个带有一个接合部分的保护罩；使接合部分的硬度比保护罩的其余部分的硬度低；以及接合保护罩的接合部分至壳体的一个前端部分，以便用保护罩覆盖传感部分。
按照本发明的第七方面提供一种气体传感器的制造方法，包括设置一个传感器元件在一个圆筒形金属壳体内，此传感器元件在其前端具有一个传感部分；配合传感器端子至传感器元件的后端，用于从传感部分的信号输出；形成一个带有接合部分的保护罩；使接合部分的硬度比保护罩的其余部分的硬度低；以及接合保护罩的接合部分至壳体的一个后端部分，以便用保护罩覆盖传感器端子。
图1是按照本发明的一个实施例的一个氧传感器的剖面图。
图2是制造此氧传感器的一个流程图。
图3A是在成形过程之后氧传感器的端子罩的剖面图。
图3B是在硬度控制过程中的端子罩的剖面图。
图4是氧传感器的传感器元件罩的局部切除图。
图5是一个剖面图，示出氧传感器是如何装配的。
图6是氧传感器的一个剖面图，处于端子罩尚未嵌塞的情况下。
图7是硬度和在端子罩上位置的关系图。
图8是一个普通类型的气体传感器的剖面图。
具体实施例方式
本发明在下面将参见附图予以说明。虽然本发明可以使用于各种类型的传感器，包括一种气体浓度传感器，可以探测一种测量气体的一种特定的组元的浓度(比如氧传感器，HC传感器或NOx传感器)以及一种温度传感器，可以探测一种测量气体的温度，但是下列的实施例专门涉及一种氧传感器。
如图1所示，按照本发明的一个实施例的氧传感器具有一个传感器元件1，一个接地端子2，一个输出端子3，一个接地导线4，一个输出导线5，一个加热器6，一对加热器端子7(仅示出1个)，加热器导线8(仅示出一个)，一个圆筒形壳体14(作为传感器壳体)以及金属保护罩15和16。
传感器元件1在其前端具有一个传感部分用以探测一种测量气体内的氧浓度。传感器元件1包括一个圆筒形元件体，具有封闭的前端，一个内电极层设在元件体的内表面上，以及一个外电极层设在元件体的外表面上。元件体是用一种固体电解质制成的，如用氧化钆(Y2O3)或氧化钙(CaO)稳定化的氧化锆(ZrO2)，而内和外电极层用例如铂(Pt)制成。
接地和输出端子2和3是装至传感器元件1的后端。接地端子2建立传感器元件1的外电极层和接地导线4之间的电连接，以实现传感器元件1的接地，而输出端子3建立传感器元件1的内电极层和输出导线5之间的电连接，以接收来自传感器元件1的传感部分的一个输出信号。
加热器6插入在传感器元件1的主体内，而加热器端子7装至加热器6的后端。加热器导线8连接至相应的加热器端子7以便激励加热器6。
传感器元件1轴向地设置在金属壳体14内，并且传感部分从金属壳体14的一个前端伸出。多个金属密封件9a和9b，一个陶瓷支座10，一个密封件11(例如由滑石制造的)，一个陶瓷衬套12和一个金属环13插入在传感器元件1和金属壳体14之间。金属壳体14的一个后端部分通过陶瓷衬套12径向向内地嵌塞至传感器元件1，这样使传感器元件1支持在金属壳体14内，而又保持与金属壳体14绝缘。
金属壳体14包括前和后圆筒形凸起端部14a和14b，一个凸缘部分14c和一个阳螺纹部分14d成形在凸起端部14a和凸缘部分14c之间。一个垫片G包着金属壳体14装在凸缘部分14c和阳螺纹部分14d之间。
保护罩15接合至金属壳体14的凸起端部14a以覆盖传感器元件1的传感部分。优选地，保护罩15具有一个双壁结构，并且带有一个外罩元件15a和一个固定在外罩元件15a内的内罩元件15b(如图4所示)。
外罩元件15a具有一个周边壁15w和一个与周边壁15w成整体的圆筒形接合部分15c设在外罩元件15a的后端。接合部分15c围绕金属壳体14的凸起端部14a设置以形成在接合部分15c和凸起端部14a之间的一个搭接部O1，以及借助在搭接部O1处的嵌塞和焊接接合至凸起端部14a。
内罩元件15b具有一个周边壁15x，保持与周边壁15w平行，并且在它们之间保留预定的间距，以及在一个壁边15y的后端进入与周边壁15w的内表面接触。
在本实施例中，接合部分15c具有的硬度比保护罩15的其余部分(包括周边壁15x和15w以及壁边15y)的硬度低，从而使接合部分15c能够容易和可靠地嵌塞到金属壳体14的凸起端部14a，而在接合部分15c和凸起端部14a之间不留间隙。优选地，接合部分15c具有维氏(Vickers)硬度为100至200，以及保护罩15的其余部分具有维氏硬度为250或更高，优选地为250至500，更优选地为300至400。如果接合部分15c的维氏硬度低于100，则在嵌塞和焊接之后接合部分15c不能够保证足够的强度。如果接合部分维氏硬度高于200，则它难以可靠地嵌塞接合部分15c到凸起端部14a，而又使保护罩15带有较大的厚度。如果保护罩15的其余部分的维氏硬度低于300，显著地低于250，则罩15的其余部分在作用于保护抵抗外来冲击和获得足够的耐久性方面变得太脆弱。如果保护罩15的其余部分的维氏硬度高于400，显著地高于500，则其余部分变得由于脆性而对裂纹敏感以及难以成形。在这里，维氏硬度定义为在维氏硬度试验时获得的测量平均值，并且用一个300g载荷以规定的轴向间隔(本实施中为每0.5mm)施加至通过保护罩15的轴向截面的一半径向厚度处。
罩15的每个接合部分15c和其余部分优选地具有厚度为0.3mm或更大，更优选地为0.4mm或更大，从而获得足够的抗冲击性。罩15的接合部分15c和其余部分出于可成形性的考虑优选地具有厚度为1.0mm或更小。在保护罩15具有上述的双壁结构的情况下优选地外罩元件15a具有厚度为0.4至1.0mm，以及内罩元件15b具有厚度为小于0.4mm。内罩元件15b不需要具有像外罩元件15a那样高的耐久性。因此，内罩元件15b可以制成比外罩元件15a�。约跎傺醮衅鞯某叽�。在本实施例中，外和内罩元件的厚度分别地制成0.5mm和0.3mm。
罩15的接合部分15c和其余部分优选地用奥氏体不锈钢制造，比如SUS304L或SUS310。
在保护罩15具有总长度20至50mm的情况下，接合部分优选地具有长度为5至7mm。如果接合部分15c的长度小于5mm，它难以嵌塞和焊接接合部分15c到凸起端部14a。如果接合部分15c的长度大于7mm，在作用于保护抵抗外来冲击和获得足够的耐久性方面，罩15的其余部分变得太短。在本实施例中，保护罩15及其接合部分的长度分别制成为20mm和5mm。此外，内罩元件15b具有的长度比外罩元件15a短，这样使保护罩15仅在外罩元件15b的接合部分15c处接合至金属壳体14。与通过内罩元件15b嵌塞和焊接接合部分15c至金属壳体14比较，它更容易直接地嵌塞和焊接接合部分15c至金属壳体14。
气体输入孔15d和15e分别地制成在外罩元件15a的周边壁15w和内罩元件15b的壁边15y内，从而供给测量气体至传感器元件1的传感部分。为了使壁边15y方便地设有气体输入孔15e，切口15z制成在壁边15y内，随后壁边15y弯曲至周边壁15w，以这样一种方式使壁边15y进入与周边壁15w的表面接触。这样一来，气体输入孔15e容易地被壁边15y和周边壁15w的切口15z限定，从而面对在周边壁15x和15w之间的气体通道。
气体输出孔15h，15k分别地制成在内和外罩元件15a和15b的底面内，以使测量气体从保护罩15排出。在本实施例中，外和内罩元件15a和15b连接到一起，例如借助围绕气体输出孔15k和15h位置处的点焊，以避免气体从气体输入孔15d直接地流至气体输出孔15k。气体输出孔15h和15k是相互共轴的。此外，气体输出孔15k的直径大于气体输出孔15h，这样使测量气体能够有效地从保护罩15排出。优选地控制气体输出孔15h和15k的直径之间的差别，以满足下列的公式t＜d＜3t其中t是外罩元件15a的厚度。式中t是外罩元件的厚度，和d是外和内气体输出孔的直径之间的差。
在上述的保护罩15的双壁结构中，测量气体通过气体输入孔15d流动进入外罩元件15a，通过周边壁15x和15w之间的气体通道向后流动，通过气体输入孔15e流动进入内罩元件15b，流动通过壁边15y和凸起端部14a之间的气体通道，在内罩元件内向前的流动被供给至传感部分和随后通过气体输出孔15h和15k从保护罩15流出。由于气体入口孔15e面对着周边壁15x和15y之间的气体通道，测量气体流动进入内罩元件，没有大的流动阻力。另外，在内罩元件15b内的测量气体流动以这样一种方式迫使气体在内罩元件15b内朝着气体输出孔15h和15k堵塞。因此气体的交替可以借助这种曲折的流动平稳地进行。即使如果出现氧浓度的突然的改变，氧传感器变得能够对这种突然的改变提供迅速的响应。这就是说，本实施例的氧传感器能够获得比带有双壁传感器罩的普通的氧传感器更高的响应性。
在这里有一种可能性，一个水滴可能积聚在壁边15y和凸起端部14a之间的气体通道内，从而干扰气体流动至传感器元件1的传感部分。为了避免这样一种可能性，最好使凸起端部分14a的前边缘的厚度14t小于罩元件15b和15a的周边壁15x和15w之间的距离15t(即壁边15y的长度)或者形成跨过壁边15y和周边壁15x的切口15z。有可能更有效地避免水滴与气体流动的干拢，其方法是切斜凸起端部14a的内前边缘。
保护罩16接合至金属壳体14的凸起端部14b，以便用从保护罩16向后伸出的接地和输出导线4和5以及加热器导线8覆盖接地和输出端子2和3。
保护罩16包括在其前端的一个圆筒形接合部分16a。接合部分16a设成包着凸起端部14b，以形成在接合部分16a和凸起端部14b之间的一个搭接部O2，以及借助嵌塞和在搭接部O2处焊接接合至凸起端部14b。
在本实施例中，接合部分具有的硬度比罩16的其余部分的硬度低，从而使接合部分16a能够容易和可靠地嵌塞到金属壳体14的凸起端部14b，而在接合部分16a和凸起端部14b之间不留间隙。优选地接合部分16a具有维氏硬度为100至200以及其余部分16b具有维氏硬度为250或更高，优选地为250至500，更优选地为300至400。如果接合部分16a的维氏硬度低于100，则在嵌塞和焊接之后接合部分16a不能获得足够的强度。如果接合部分16a的硬度高于200，则它难以可靠地嵌塞接合部分16a到凸起端部14b，而又使保护罩16带有较大的厚度。如果其余部分16b的维氏硬度低于300，显著地低于250，则其余部分16b在作用于保护抵抗外来撞击和获得足够的耐久性方面变得太脆弱。如果其余部分16b的维氏硬度高于400，显著地高于500，则其余部分16b变得由于脆性对裂纹敏感以及难以成形。在这里维氏硬度用与上述相同的方式定义，也就是在维氏硬度试验时获得的测量平均值，并且用一个300g载荷以规定的轴向间距(例如每0.5mm)施加至通过保护罩16的轴向截面的一半径向厚度处。
罩16的接合部16a和其余部分16b希望具有厚度为0.3mm或更大，更优选地为0.4mm或更大，从而获得足够的抗冲击性。每个接合部分16a和其余部分16b出于成形性的考虑优选地具有厚度为1.0mm或更小。在本实施例中，接合部分16a和其余部分16b都制成厚度为0.5mm。
罩16的接合部分16a和其余部分16b优选地用奥氏体不锈钢(如SUS304L或SUS310)制造。
在保护罩16具有总长度为20至50mm的情况下，接合部分优选地具有长度为5至7mm。如果接合部分16a的长度小于5mm，它难以嵌塞和焊接接合部分16a到凸起端部14b。如果接合部分16a的长度大于7mm，在作用于保护抵抗外来冲击和获得足够的耐久性方面罩16的接合部分16b变得太短。在本实施例中，保护罩16及其接合部分16a的长度分别地制成为47mm和6mm。
一个带有凸缘部分18a的陶瓷隔片18借助弹簧片17固定到保护罩16a内，从而使隔片18包着接地端子2和接地导线4之间的连接，输出端子3和输出导线5之间的连接，以及加热器端子7和加热器导线8之间相应的连接。
一个橡胶衬垫19固定至保护罩16的后端，传感器导线4和5和加热器导线8通过该衬垫。衬垫19具有一个位于其中心的通孔19a，以及一个过滤器组件20设置在孔19a内。过滤器组件20具有一个圆筒形金属支承20a和一个过滤器20b连接至支承部分20a的后端表面和周边部分。过滤器20b是用例如聚四氟乙烯(PTFE)制造的，以及用于清除空气的水份，这样使脱水的空气供给至保护罩16的内部。
上述构造的氧传感器可以按照本发明的一个实施例用下列的程序制造。
首先，准备氧传感器的全部元件(包括传感器元件1，接地端子2，输出端子3，接地导线4，输出导线5，加热器6，加热器端子7，加热器导线8，密封件9a和9b，支座10，密封件11，衬套12，环13，金属壳体14，保护罩15和16，弹簧17，隔片18，衬垫19，以及过滤器组件20)。具体地，保护罩15和16可以在随后的成形和硬度控制过程步骤中准备(如在图2的步骤S1和S2)。
为了准备保护罩16，一个奥氏体不锈钢板或管子经受压延以形成一个管形件31，管形件31具有一个小直径部分31a和与小直径部分31a整体地制成的大直径部分31b(如图3A所示)。四个径向向内的凸台31c借助压延形成在小直径部分31a上，这样使它能与隔片18的凸缘部分18a接合。之后，仅大直径部分31b的开放端侧面(它相当于保护罩16的接合部分16a)借助围绕大直径部分31b的开放端侧面放置一个高频线圈40进行退火，如图3B所示，供给高频电流至线圈40使大直径部分31b的开放端侧面经受感应加热至约700℃，以及在空气中冷却部分31b的经退火的开放端面。代替的方案是，退火可以借助使用电子束。使用退火，接合部分16a变得硬度比其余部分16b的硬度低。优选地控制接合部分16a的维氏硬度在100至200的范围内，以及控制剩余部分16b的维氏硬度在300至400的范围内，如以上所述。此外，接合部分16a具有的内径显著地大于金属壳体14的凸起端部14b的外径，从而使接合部分16a能够容易地设成包着凸起端部14b。
保护罩15可以用同样的方式准备。使用退火，接合部分15c也可以成为硬度比罩15的其余部分的硬度低，并且费用较低。如上所述，优选地控制接合部分15c的维氏硬度在100至200的范围内，以及控制罩15的其余部分的维氏硬度在300至400的范围内。此外，接合部分15c具有的内径显著地大于金属壳体14的凸起端部14a的外径，从而使接合部分15c能够容易地设成包着凸起端部14a。
之后，已准备的元件组合成为第一和第二子组件。
第一子组件的组合方法为引导导线4，5和8通过衬垫19，以及之后通过隔片18；把接地和输出端子2和3分别地与导线4和5连接起来；以及通过相应的加热器端子7把加热器6与导线8连接起来；放置弹簧片17到隔片18的前端部分；将隔片18插入保护罩16内直到隔片18的凸缘部分18a邻接在凸台31c上；以及插入衬垫19在罩16的后端内。
第二子组件的组合方法为按照说明顺序插入密封件9a，支座10和密封件9b在金属壳体14内；放置传感器元件1在金属壳体14内，这样使其被密封件9a支座10和密封件9b包着；把密封件11，衬套12和环13安排在传感器元件1和金属壳体14之间；通过衬套12嵌塞金属壳体14的后端部分至传感器元件1；放置保护罩15在金属壳体14上，从而使接合部分15c周边地包着凸起端部14a，以形成搭接部O1；嵌塞接合部分15c至凸起端部14a(如在图2的步骤S3内)；以及把接合部分15c和凸起端部14a焊接在一起(如在图2的步骤S4内)。在本实施例中，接合部分15c是周边地嵌塞至凸起端部14a(这就是接合部分15c之间的搭接部O1是径向向内地嵌塞)，以便无困难地进行随后的焊接，以及从而牢固地把保护罩15固定至金属壳体14。嵌塞可以借助使用配备一个滚筒或六个或更多冲头的嵌塞工具进行。优选地，使用带有八个或更多冲头的嵌塞工具，从而借助用这些冲头围绕接合部分15c使接合部分15c整个周边可靠地嵌塞至凸起端部14a，接合部分15c也是沿周边焊接至凸起端部14a(也就是一个周边的焊接段W1形成在接合部分15c和凸起端部14a之间的搭接部O1)，以便牢固地固定保护罩15至金属的壳体14，尽管接合部分15c能够替换地借助点焊连接至凸起端部14a。为了容易焊接，优选地借助使用激光束沿周边焊接接合部分15c。
当第一子组件被夹盘CH支承时，第二子组件的加热器6插入到第一子组件的传感器元件1的主体内，直到第一子组件的保护罩16顶着第二子组件的金属壳体14的凸缘部分14c。当把加热器6插入至传感器元件1内，电连接建立在传感器元件1的接地端子2和外电极层之间，和在传感器元件1的输出端子3和内电极层之间。这时，氧传感器进入如图6所示的装配状态，并有径向间隙留在保护罩16的接合部分16a和金属壳体14的凸起端部14b之间。
之后，接合部分16a嵌塞和焊接至凸起端部14b(如在图2的步骤S3和S4)。为了没有困难地进行随后的焊接步骤以及从而牢固地把保护罩15固定至金属壳体14，接合部分16a沿周边嵌塞至凸起端部14b(这就是在接合部分16a和凸起端部14b之间的搭接部O2是径向向内嵌塞)。嵌塞可以借助使用配备一个滚筒或六个或更多冲头的嵌塞工具进行。优选地，使用带有八个或更多冲头的嵌塞工具，借助使用这些冲头围绕接合部分16a从而使接合部分16a可靠地沿整个周边嵌塞至凸起端部14b。尽管接合部分16a能够代替地借助点焊连接至凸起端部14b，但接合部分16a也是沿周边焊接至凸起端部14b(这就是一个周边焊接段W2形成在接合部分16a和凸起端部14b之间的搭接部O2)，以便牢固地把保护罩16固定至金属壳体14，为了容易焊接，优选地使激光束沿周边焊接接合部分16a。
最后，保护罩16是径向向内地嵌塞在轴向地对应于弹簧片17的一个位置，从而保持隔片18并且使凸缘部分18a插入在罩16的凸台31c和弹簧片17之间，以及是嵌塞在一个轴向地对应于衬垫19的位置。氧传感器随后完成(如图1所示)。
为了使用氧传感器，氧传感器安装在例如车辆的一个排气管内。当测量气体通过气体输入孔15d和15e供给至传感器元件1的传感部分时，按照测量气体内的氧浓度在传感器元件1的内和外电极层之间产生一个电动力。电动力是作为来自内电极层通过输出端子3和输出导线5的一个信号输出的，而输出电极层是通过接地端子2和接地导线4接地的。在氧浓度的测量时，保护罩15保护传感部分避免水或油滴，以及保护罩16保护传感部分和端子2，3和6避免飞来的砾石等。此外，过滤器组件20借助过滤器20供给脱水的空气进入保护罩16，这样来建立输出信号用的一个标准。加热器6是通过加热器端子7和导线8激励，以便迅速致动传感部分。
如上所述，保护罩15和16的接合部分15c和16a制成硬度低的。甚至当保护罩15和16具有较大的厚度以便保护传感器元件1和端子2，3和7避免外来冲击和当接合部分15c和16a具有的内径比凸起端部14a和14b的外径大以便围绕凸起端部14a和14b容易地排列时，接合部分15c和16a因此可以容易和可靠地嵌塞至金属壳体14的凸起端部14a和14b，而在它们之间没有间隙。甚至在保护罩15和16是借助拉延奥氏体不锈钢板制成的情况下，接合部分15c和凸起端部14a之间以及接合部分16a和凸起端部14b之间的接合也没有必要进行严格的尺寸控制。此外，这里没有必要施加高的压力以嵌塞接合部分15c和16a，从而避免嵌塞工具等的耐久性受损。上述的可靠嵌塞的接合部分15c和16a能够容易和可靠地焊接至金属壳体14，并且具有足够的焊接强度。保护罩15和16正确地工作以保护传感器元件1和端子2，3和7避免外来冲击，因为保护罩15和16具有较大的厚度以及罩15和16的其余部分具有较高的硬度。有可能按照本发明的本实施例简化氧传感器的制造过程，以降低制造费用，而在车辆中使用的情况下，氧传感器具有足够的耐久性。
本发明将借助以下的实例特别较详细地说明。然而，应该指出，以下的实例仅是示范性的，不应有意地限制本发明。
实例一个保护罩(相当于以上实施例中的罩16)是用SUS304L不锈钢制成的，具有如图3A所示的下列尺寸。仅有罩的一个接合部分是使用一个高频线圈退火的，如图3B所示。
罩的长度47mm接合部分的长度6mm罩的厚度0.5mm已准备的罩显示的硬度如图7所示。这就是接合部分具有维氏硬度100至200，以及罩的其余部分具有维氏硬度300至400(平均值)。
一个氧传感器是使用已准备的保护罩按照上述的实施例装配的。嵌塞是借助使用带有八个冲头的嵌塞工具进行的，以及焊接是借助激光焊接进行的。罩的接合部分是容易和可靠地嵌塞的，没有引起冲头的耐久性受损。此外，保护罩能够满意地起到保护作用。因此它能够降低氧传感器的制造费用，而借助使用实例的保护罩保证传感器足够的耐久性。
比较实例1重复上述实例中的相同的程序，但整个罩不给予退火。如图7所示，已准备的罩全部长度具有维氏硬度300至400。在氧传感器的装配中，罩的接合部分是借助施加增加的压力进行嵌塞，可以引起嵌塞工具等的耐久性损伤。因此可以得出结论，借助使用比较实例1的保护罩不能够充分地降低氧传感器的制造费用。
比较实例2重复上述的实例中的相同的程序，但整个罩给予退火。如图7所示，已准备的罩整个长度具有维氏硬度200或更低。在氧传感器的装配中，保护罩的接合部分的嵌塞没有引起嵌塞工具等的耐久性的损伤。然而，在作用于保护抵抗外来冲击方面，保护罩是太脆弱。因此可以得出结论，借助使用比较实例2的保护罩，氧传感器不能获得足够的耐久性，虽然传感器的制造费用可以降低。
日本专利申请NO.2002-239354(申请日August 20，2002)的全部内容列于此处供参考。
虽然本发明已参照本发明的特定的实施例说明，本发明不应局限于上述的实施例。对于本专业技术人员，按照以上的教导，上述的实施例的不同的改进和变动是可以产生的。例如，保护罩15和16的任何一个接合部分15c和16a可以具有比其余部分的硬度低的硬度。此外，传感器壳体可以具有一个圆筒形金属壳和一个内管，相互借助例如嵌塞固定。本发明的范围如参见下列权利要求所限定。
权利要求
1.一种气体传感器用的保护罩，包括一个圆筒形金属壳体和一个轴向地设置在壳体内的传感器元件，传感器元件的一个传感部分由壳体的一个前端伸出，保护罩包括一个接合部分，准备接合至壳体的前端部，以便用保护罩覆盖传感部分，接合部分具有的硬度比其余部分的硬度低。
2.一种气体传感器用的保护罩，包括一个圆筒形金属壳体，一个轴向地设置在壳体内的传感器元件，传感器元件的前端具有一个传感部分以及一个传感器端子，传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出，保护罩包括一个接合部分，准备接合至壳体的后端部，以便用保护罩覆盖传感器端子，接合部分具有的硬度比保护罩其余部分的硬度低。
3.按照权利要求1或2的保护罩，其特征在于，保护罩的接合部分具有维氏硬度为100至200。
4.按照权利要求1或2的保护罩，其特征在于，保护罩的其余部分具有维氏硬度为250或更大。
5.按照权利要求4的保护罩，其特征在于，保护罩的其余部分具有维氏硬度为300至400。
6.按照权利要求1或2的保护罩，其特征在于，保护罩的每个接合部分和其余部分的厚度为0.3mm或更大。
7.按照权利要求6的保护罩，其特征在于，保护罩的每个接合部分和其余部分具有厚度为0.4mm或更大。
8.按照权利要求1或2的保护罩，其特征在于，保护罩的接合部分和其余部分是用奥氏体不锈钢制造的。
9.按照权利要求1或2的保护罩，其特征在于，仅有保护罩的接合部分是经退火的。
10.按照权利要求1的保护罩，其特征在于，保护罩包括一个外罩元件和一个内罩元件，内罩元件固定在外罩元件上以覆盖传感部分，以及接合部分是制成在外罩元件上。
11.按照权利要求10的保护罩，其特征在于，外罩元件的厚度为0.4mm或更大，以及内罩元件的厚度比外罩元件的厚度小。
12.一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，在传感器元件前端具有一个传感部分和沿轴向设置在壳体内，所述的传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分，第一保护罩包括一个接合部分，接合包着壳体的前端部分；以及一个第二保护罩，接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，其中接合部分具有的硬度比第一保护罩的其余部分的硬度低。
13.按照权利要求12的气体传感器，其特征在于，第一保护罩的接合部分是借助嵌塞和焊接围绕壳体的前端部分接合的。
14.按照权利要求12的气体传感器，其特征在于，第一保护罩的接合部分是沿周边焊接至壳体的前端部分的。
15.按照权利要求12的气体传感器，其特征在于，第一保护罩包括一个外罩元件和一个内罩元件，固定在外罩元件上以覆盖传感部分，和接合部分制成在外罩元件上。
16.按照权利要求15的气体传感器，其特征在于，外罩元件包括一个外周边壁；外周边壁具有外气体输入孔制成在其内，以供给测量气体进入外罩元件；内罩元件包括一个内周边壁，保持与外周边壁平行以及在其后端处一个壁边弯曲至外周边壁；以及内罩元件的壁边具有内气体输入孔制成在其内，以便供给测量气体由外罩元件进入内罩元件。
17.按照权利要求16的气体传感器，其特征在于，内罩元件的壁边具有切口制成在其内，以限定内气体输入孔。
18.按照权利要求15的气体传感器，其特征在于，外罩元件的厚度为0.4mm或更大，以及内罩元件的厚度比外罩元件的厚度小。
19.一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，传感器元件前端具有一个传感部分以及轴向地设置在壳体内，并且传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分；以及一个第二保护罩接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，第二保护罩包括一个接合部分，接合包着壳体的后端部分，其中接合部分具有的硬度比第二保护罩的其余部分的硬度低。
20.按照权利要求19的气体传感器，其特征在于，第二保护罩的接合部分是借助嵌塞和焊接接合包着壳体的后端部分。
21.按照权利要求20的气体传感器，其特征在于，第二保护罩的接合部分是沿周边焊接至壳体的后端部分的。
22.一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体；一个传感器元件，传感器元件前端具有一个传感部分以及轴向地设置在壳体内，并且传感部分从壳体的前端伸出；一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以覆盖传感部分；以及一个第二保护罩接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，其中第一保护罩具有一个外罩元件，包括一个接合部分接合至壳体的前端部分，以及一个外周边壁，外周边壁具有外气体输入孔制成在其内，以供给测量气体进入外罩元件；以及一个内罩元件固定在外罩元件上，以及包括一个内周边壁保持与外周边壁平行，以及在其后端处一个壁边弯曲至外周边壁，壁边具有内气体输入孔制成在其内，以供给测量气体由外罩元件进入内罩元件。
23.按照权利要求22的气体传感器，其特征在于，接合部分的硬度比第一保护罩其余部分的硬度低。
24.按照权利要求22的气体传感器，其特征在于，内罩元件的壁边具有切口制成在其内以限定内气体输入孔。
25.按照权利要求22的气体传感器，其特征在于，外罩元件的厚度比内罩元件的厚度大。
26.按照权利要求22的气体传感器，其特征在于，外和内罩元件分别地限定其底面内的外和内气体输出孔，外气体输出孔与内气体输出孔是共轴的，外气体输出孔直径比内气体输出孔的直径大，并满足下列公式t＜d＜3t，其中t是外罩元件的厚度，以及d是外和内气体输出孔的直径之间的差。
27.按照权利要求22的气体传感器，其特征在于，金属壳体的前端的厚度比外周边壁和内周边壁之间的距离小。
28.一种气体传感器的制造方法，它包括如下步骤设置一个传感器元件在一个圆筒形金属壳体内，此传感器元件在其前端具有一个传感部分从壳体的前端伸出；形成带有一个接合部分的保护罩；使接合部分的硬度比保护罩的其余部分的硬度低；以及接合保护罩的接合部分至壳体的一个前端部分，以便用保护罩覆盖传感部分。
29.按照权利要求28的方法，其特征在于，所述的接合步骤包括安排保护罩的接合部分包着壳体的前端部分；嵌塞保护罩的接合部分至壳体的前端部分；以及沿周边焊接保护罩的接合部分至壳体的前端部分。
30.一种气体传感器的制造方法，包括设置一个传感器元件在一个圆筒形金属壳体内，此传感器在其前端具有一个传感部分；把传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出；形成带有一个接合部分的保护罩；使接合部分的硬度比保护罩的其余部分的硬度低；以及接合保护罩的接合部分至壳体的后端部分，以便用保护罩覆盖传感器端子。
31.按照权利要求30的方法，其特征在于，所述的接合步骤还包括安排保护罩的接合部分包着壳体的后端部分；嵌塞保护罩的接合部分至壳体的后端部分；以及沿周边焊接保护罩的接合部分至壳体的后端部分。
32.按照权利要求28或30的方法，其特征在于，保护罩是借助拉延奥氏体不锈钢板制造的。
33.按照权利要求28或30的方法，其特征在于，接合部分的硬度是借助退火来降低的。
34.按照权利要求28或30的方法，其特征在于，退火是借助高频感应加热进行的。
35.按照权利要求28或30的方法，其特征在于，焊接是使用激光焊。
全文摘要
一种气体传感器，包括一个圆筒形金属壳体，一个传感器元件，在其前端具有一个传感部分并轴向地设置在壳体内，传感部分从壳体的前端伸出，一个传感器端子装至传感器元件的后端，以便从传感部分产生一个信号输出，一个第一保护罩接合至壳体的前端部分以及一个第二保护罩接合至壳体的后端部分以覆盖传感器端子，第一和第二保护罩分别具有接合部分，接合包着壳体的前和后端部分。第一和第二保护罩的至少一个接合部分具有的硬度比保护罩其余部分的硬度低。
文档编号G01N27/409GK1485613SQ0315496
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月19日 优先权日2002年8月20日
发明者田口政孝, 弘, 林孝浩, 明, 藤田康弘, 松原仪明, 饭见均 申请人:日本特殊陶业株式会社
专业数控铣床产品供应商
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