專利名稱：具增大水侵入阻力的氣體傳感器和操作氣體傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)例如機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)等的測(cè)量氣體中一種 具體氣體成分的濃度的氣體傳感器，并且更具體地涉及具有用于保 護(hù)氣體感測(cè)元件的蓋體結(jié)構(gòu)的氣體傳感器。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，已經(jīng)試圖提供一種安裝在內(nèi)燃機(jī) (比如機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī))的廢氣管上的氣體傳感器。該氣體傳感器檢 測(cè)例如測(cè)量氣體中一種特定氣體成分(比如氧氣)的濃度以便輸出 檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)應(yīng)用至電控單元，該電控單元基于所檢測(cè)的氧 氣濃度計(jì)算空燃比，從而用于執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)的燃燒控制。利用這種結(jié)構(gòu)，氣體傳感器通常包括固定地安裝在廢氣流道的 壁上的殼體、穿過殼體并且在前端部分暴露于廢氣流道的情況下保 持在固定位置的氣體感測(cè)元件、以及覆蓋氣體感測(cè)元件前端部分以 保護(hù)其免受廢氣影響的蓋體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在內(nèi)燃機(jī)在低溫下的啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，仍處于寒冷狀態(tài)下 的廢氣管吸收包含在廢氣中的水汽的熱，水汽就被冷凝從而形成水 滴。水滴穿過廢氣流道。那么，就不會(huì)發(fā)生水滴的蒸發(fā)，水滴與測(cè) 量氣體一起侵入氣體傳感器內(nèi)部。因而，水滴易于附著到氣體感測(cè) 元件上，導(dǎo)致下述的不利影響。在通常實(shí)踐中，由固體電解質(zhì)等制成的氣體感測(cè)元件由加熱器 等加熱到大于40(TC的高溫從而維持在活化狀態(tài)。因此，由于水滴進(jìn)入氣體傳感器內(nèi)部并附著到氣體感測(cè)元件 上，就存在著氣體感測(cè)元件受到熱沖擊從而由于水侵入而發(fā)生破裂 的危險(xiǎn)。而且，著眼于以提高的精度執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)的燃燒控制，就需要?dú)?體傳感器具有進(jìn)一步增大的響應(yīng)。因此，為了讓氣體傳感器具有增 大的響應(yīng)，氣體傳感器需要具有立即準(zhǔn)許測(cè)量氣體進(jìn)入氣體傳感器 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因此，就要求氣體傳感器的蓋體具有水侵入阻力(water-incursion resistance)禾P高響應(yīng)的矛盾特性。為了滿足這種要求，因此已經(jīng)試圖提供一種包括蓋體的氣體傳 感器，所述蓋體形成為由直徑不同的內(nèi)殼體和外殼體所構(gòu)成的雙層 圓柱形結(jié)構(gòu)，如日本專利申請(qǐng)公開2004-245103所公開的。具有這 種蓋體，內(nèi)殼體和外殼體分別具有氣體引入孔，用于準(zhǔn)許測(cè)量氣體 進(jìn)入氣體傳感器內(nèi)部以確保響應(yīng)。蓋體具有限定于內(nèi)殼體外周邊和 外殼體內(nèi)壁之間固定范圍內(nèi)的側(cè)面間隙，從而試圖防止水滴從蓋體 的側(cè)面侵入從而最小化水侵入的出現(xiàn)。另外，形成于外殼體底壁上的外殼體底壁開口和形成于內(nèi)殼體 底壁上的內(nèi)殼體底壁開口以彼此同心的關(guān)系定位，并且內(nèi)殼體底壁 開口直接暴露于穿過廢氣流道的廢氣流。而且，本發(fā)明人已經(jīng)建議了一種包括蓋體的氣體傳感器，其結(jié) 構(gòu)形成為使得提供增大的水侵入阻力，如日本專利申請(qǐng)序列號(hào)No. 2006-124074所公開的。具有這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器的一個(gè)例子在 圖12中示出。在圖12中，氣體傳感器1C包括氣體感測(cè)元件11和以雙層圓 柱體結(jié)構(gòu)形成的蓋體。蓋體包括內(nèi)殼體12C和外殼體13C，并且外殼體13C具有外殼 體側(cè)壁開口 132C而內(nèi)殼體12C具有在更靠近內(nèi)殼體底壁的方向上 軸向地遠(yuǎn)離外殼體側(cè)壁開口 132C的區(qū)域中形成的內(nèi)殼體側(cè)壁開口 123C。另外，外殼體13C和內(nèi)殼體12C分別具有形成于同心位置 的底壁開口 133C和126C。內(nèi)殼體側(cè)壁開口 123C形成為在一向上部件中從內(nèi)殼體12C的 外部區(qū)域向其內(nèi)部的方向上朝上開口。這防止了隨著廢氣流通過外 殼體側(cè)壁開口 132C進(jìn)入的水滴進(jìn)入到內(nèi)殼體12C內(nèi)部。廢氣中的水滴沿著形成于內(nèi)殼體12C前端部分上的直徑減小 部分124C的內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)，于是水滴通過底壁開口 133C排出到 測(cè)量氣體流道。形成于內(nèi)殼體12C的底壁125C上的底壁開口 126C布置在與 形成于外殼體13C的底壁135C上的底壁開口 133C相同的平面上 或者從底壁開口 133C向下伸出的位置以便直接暴露于測(cè)量氣體流 道。然而，具有上述相關(guān)技術(shù)所公開的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和圖12 所示氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，形成于內(nèi)殼體的底壁上的底壁開口暴露于 廢氣流道，氣體傳感器就變得難以完全防止廢氣中包含的水滴通過 內(nèi)殼體底壁開口侵入，這取決于氣體傳感器安裝在廢氣管的壁上的 角度。尤其，在形成于內(nèi)殼體12C的底壁125C上的底壁開口 126C 布置在與形成于外殼體13C的底壁135C上的底壁開口 133C相同
的平面上的情況下，不僅廢氣中包含的水滴直接侵入內(nèi)殼體12C的內(nèi)部，而且殘留在外殼體底壁開口 133C的開口邊緣上的水滴在廢 氣流高速地流動(dòng)時(shí)會(huì)散射。因而，就存在著侵入內(nèi)殼體12C內(nèi)部的 水滴附著至U氣體感測(cè)元件上的危險(xiǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在著眼于解決上述問題而完成并且其目標(biāo)是提供一種 氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)形成為使得氣體感測(cè)元件不宜于遭受水侵入同 時(shí)改進(jìn)極好的響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的第一方面提供了一種用于檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體成分的濃度的氣體傳感器，包括具有基端部分 和前端部分的濃度感測(cè)元件，用以檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體成分的 濃度；殼體，用于插入濃度感測(cè)元件以固定地支撐該濃度感測(cè)元件 從而允許濃度感測(cè)元件的前端部分處于測(cè)量氣體流流過的流道中； 和有底的圓柱形蓋體結(jié)構(gòu)，其由殼體固定地支撐并且具有圓柱形多 層結(jié)構(gòu)，其包括彼此直徑不同并且相對(duì)彼此以同心的關(guān)系布置的內(nèi) 殼體和外殼體以便在暴露于測(cè)量氣體流的區(qū)域中包圍濃度感測(cè)元 件的前端部分。在內(nèi)殼體的外周邊和外殼體的內(nèi)周邊之間限定了環(huán) 形側(cè)面間隙。內(nèi)殼體具有基端部分和前端部分，內(nèi)殼體的基端部分 具有形成于從內(nèi)殼體的外部區(qū)域朝著其內(nèi)部區(qū)域向上指向的部件 中的內(nèi)殼體側(cè)壁開口 ，內(nèi)殼體具有其中心區(qū)域形成有內(nèi)殼體底壁開 口的內(nèi)殼體底壁。外殼體具有基端部分和前端部分，外殼體的基端 部分具有多個(gè)用以準(zhǔn)許測(cè)量氣體流進(jìn)入環(huán)形側(cè)面間隙的外殼體側(cè) 壁開口。外殼體的前端部分具有與內(nèi)殼體底壁間隔開的外殼體底壁 以在其間限定出底部間隙。多個(gè)外殼體底壁開口形成于外殼體底壁 上內(nèi)殼體底壁開口徑向外側(cè)的外圓周區(qū)域中。
通常，準(zhǔn)許測(cè)量氣體流通過外殼體側(cè)壁開口進(jìn)入限定于內(nèi)殼體 的外周邊和外殼體的內(nèi)周邊之間的側(cè)面間隙，從而在朝向外殼體底 壁開口的方向上形成氣流。由于內(nèi)殼體具有相對(duì)于內(nèi)殼體的內(nèi)壁向 上定向的內(nèi)殼體側(cè)壁開口的具體結(jié)構(gòu)，即使在測(cè)量氣體流中具有水 滴，也不準(zhǔn)許水滴進(jìn)入內(nèi)殼體側(cè)壁開口，同時(shí)僅準(zhǔn)許測(cè)量氣體通過 內(nèi)殼體側(cè)壁開口進(jìn)入到內(nèi)殼體內(nèi)部。因此，準(zhǔn)許通過外殼體側(cè)壁開 口的水滴立即通過外殼體底壁開口排出到測(cè)量氣體流道。因而，濃 度感測(cè)元件不易于受到水侵入。而且，在內(nèi)殼體底壁開口和外殼體底壁開口之間沒有形成直接 的流體相通。因此，即使水滴通過外殼體底壁開口侵入，也不會(huì)有 水滴直接侵入內(nèi)殼體的內(nèi)部，并且穿過內(nèi)殼體底壁和外殼體底壁之 間底部間隙的水滴被蒸發(fā)以減少。因而，濃度感測(cè)元件就不易于受 到水侵入并且氣體傳感器的響應(yīng)增大。對(duì)于本發(fā)明的氣體傳感器，內(nèi)殼體的前端部分可優(yōu)選地包括其 直徑朝著內(nèi)殼體底壁減小的錐形部分。具有這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)殼體，限定于外殼體的內(nèi)壁和內(nèi)殼體的外周 邊之間的側(cè)面間隙在空間上朝著外殼體底壁擴(kuò)展。這使得側(cè)面間隙 的壓力損失降低。因此，準(zhǔn)許通過外殼體側(cè)壁開口進(jìn)入側(cè)面間隙的 測(cè)量氣體流立即移動(dòng)，使得包含在測(cè)量氣體流中的水滴易于通過外 殼體底壁開口排出到氣體傳感器外面。因此，濃度感測(cè)元件更不易 于受到水侵入。另外，內(nèi)殼體具有減小的內(nèi)部體積以獲得測(cè)量氣體加快的交 換，從而提供氣體傳感器響應(yīng)的增大。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，內(nèi)殼體可優(yōu)選地包括形成于內(nèi)殼 體的基端部分和前端部分之間的區(qū)域中且其直徑朝著內(nèi)殼體底壁
減小的錐形臺(tái)肩，以及形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的 區(qū)域中的多個(gè)凹陷部分，其中內(nèi)殼體側(cè)壁開口在錐形臺(tái)肩和所述多 個(gè)凹陷部分中的至少一個(gè)中以切口形狀形成。具有朝著內(nèi)殼體的基端部分的上部向內(nèi)區(qū)域開口的形成為切 口形狀的內(nèi)殼體側(cè)壁開口，水滴變得難以侵入內(nèi)殼體的內(nèi)部。因而， 濃度感測(cè)元件不易于受到水侵入。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，外殼體的前端部分可優(yōu)選地包括 其直徑朝著外殼體底壁減小的錐形部分。具有這種結(jié)構(gòu)，限定于外殼體的錐形部分的內(nèi)壁和內(nèi)殼體的外 周邊之間的側(cè)面間隙部分地變窄。這使得準(zhǔn)許進(jìn)入外殼體內(nèi)部的測(cè) 量氣體流朝著外殼體底壁以加大的速度流動(dòng)。因此，準(zhǔn)許通過外殼 體側(cè)壁開口的水滴傾向于從外殼體底壁開口排出。因此，濃度感測(cè) 元件不易于受到水侵入。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，所述多個(gè)外殼體底壁開口可優(yōu)選 地包括形成于與外殼體的軸線同心的圓形區(qū)域中等距地間隔開的 位置處的三至六個(gè)開口。具有形成有這種數(shù)量外殼體底壁開口的外殼體側(cè)壁，氣體傳感 器能在水侵入阻力增大的情況下具有最佳的響應(yīng)。如果外殼體底壁開口的數(shù)量小于2，那么，就需要在固定安裝 方向性之上將氣體傳感器安裝在排氣管上，這就導(dǎo)致了實(shí)踐的缺 點(diǎn)。另外，測(cè)量氣體的引入和排出變得不充分，導(dǎo)致氣體傳感器響 應(yīng)的下降。而且，如果外殼體底壁開口的數(shù)量大于7，那么，水滴 侵入內(nèi)殼體內(nèi)部的可能性增大。這不僅導(dǎo)致了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)下降， 而且還導(dǎo)致測(cè)量氣體流的流速降低，其結(jié)果是氣體傳感器的響應(yīng)下 降。
對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，所述多個(gè)外殼體底壁開口形成于 外殼體底壁上沿著內(nèi)殼體前端部分的錐形部分延伸的延長(zhǎng)線和外 殼體底壁之間的相交圓外側(cè)的圓形區(qū)域中。具有形成于這個(gè)圓形區(qū)域中的外殼體底壁開口，外殼體底壁開 口定位于沿著內(nèi)殼體前端部分的錐形表面經(jīng)過測(cè)量氣體流的延長(zhǎng) 線上的區(qū)域中。這使得測(cè)量氣體中的水滴易于從外殼體底壁開口排 出。因此，濃度感測(cè)元件不易于受到水侵入。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，外殼體底壁開口每個(gè)都可優(yōu)選地形成為圓形，其直徑的數(shù)值等于或大于l.Omm并且等于或小于 2.0mm。具有以這種直徑形成的外殼體底壁開口，氣體傳感器具有最佳 的響應(yīng)，同時(shí)允許濃度感測(cè)元件具有增大的水侵入阻力。如果外殼體底壁開口的直徑小于l.Omm，那么，廢氣流就難以 準(zhǔn)許通過外殼體側(cè)壁開口并通過外殼底壁開口排出，導(dǎo)致氣體傳感 器的響應(yīng)下降。相反，如果外殼體底壁開口的直徑大于2.0mm，那么，包含在 測(cè)量氣體中的水滴就易于侵入內(nèi)殼體的內(nèi)部，導(dǎo)致本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)下 降。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，外殼體底壁開口可優(yōu)選地形成于 外殼體底壁上并且和一個(gè)與外殼體的軸線同心且直徑等于或大于 6.0mm并且等于或小于7.0mm的圓相一致。具有這種結(jié)構(gòu)，氣體傳感器能具有最佳的響應(yīng)，同時(shí)準(zhǔn)許濃度 感測(cè)元件不易于受到水侵入。如果外殼體底壁開口位于直徑小于6.0mm的圓形區(qū)域內(nèi)，那 么內(nèi)殼體底壁開口和外殼體底壁開口就被帶入彼此直接流體相通，
導(dǎo)致難以獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。而且，如果布置位置位于直徑為7.0mm的圓的外側(cè)，那么， 外殼體就需要具有增大的直徑并且需要各種設(shè)計(jì)變型。對(duì)于本實(shí)施例的氣體傳感器，外殼體底壁和內(nèi)殼體底壁之間的 底部間隙可優(yōu)選地為等于或大于l.Omm并且等于或小于3.0mm的 數(shù)值。具有這種結(jié)構(gòu)，氣體傳感器能具有最佳的響應(yīng)，同時(shí)準(zhǔn)許濃度 感測(cè)元件不易于受到水侵入。如果底部間隙小于l.Omm，那么測(cè)量氣體的引入和排出變得不 充分，導(dǎo)致氣體傳感器的響應(yīng)下降。相反，如果底部間隙大于2.0mm，那么，水滴就易于以增大的 速度侵入內(nèi)殼體的內(nèi)部。這導(dǎo)致本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)下降。本發(fā)明的另一方面提供了一種操作氣體傳感器以檢測(cè)流過測(cè) 量氣體流道的測(cè)量氣體中特定氣體成分的濃度的方法，該方法包 括準(zhǔn)備具有基端部分和前端部分的濃度感測(cè)元件，用以檢測(cè)測(cè)量 氣體中特定氣體成分的濃度。準(zhǔn)備殼體，用于插入濃度感測(cè)元件以 固定地支撐該濃度感測(cè)元件從而允許濃度感測(cè)元件的前端部分處 于測(cè)量氣體流流過的流道中。準(zhǔn)備有底的圓柱形蓋體結(jié)構(gòu)，用于覆 蓋濃度感測(cè)元件的前端部分并且包括外殼體和內(nèi)殼體，外殼體具有 多個(gè)外殼體側(cè)壁開口和多個(gè)外殼體底壁開口，內(nèi)殼體具有多個(gè)朝著 內(nèi)殼體的底壁形成于軸向地遠(yuǎn)離外殼體側(cè)壁開口的區(qū)域中并通向 內(nèi)殼體上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域的內(nèi)殼體側(cè)壁開口 ，以及與外殼體的內(nèi)周邊徑 向地間隔開給定量的偵lj面間隙的錐形前端部分，該側(cè)面間隙沿著內(nèi) 殼體的軸線在徑向空間中變化，該內(nèi)殼體具有與外殼體底壁軸向地 間隔開給定量的底部間隙并且形成有多個(gè)內(nèi)殼體底壁開口的內(nèi)殼 體底壁。準(zhǔn)許測(cè)量氣體流通過外殼體側(cè)壁開口進(jìn)入外殼體的內(nèi)部以 允許測(cè)量氣體流撞擊內(nèi)殼體的外壁。將測(cè)量氣體流朝著外殼體的底 壁軸向向下地導(dǎo)向通過側(cè)面間隙。準(zhǔn)許一部分測(cè)量氣體流在外殼體 側(cè)壁開口下游的區(qū)域處通過內(nèi)殼體側(cè)壁開口流動(dòng)到內(nèi)殼體的上部 內(nèi)側(cè)區(qū)域。將其余測(cè)量氣體流沿著內(nèi)殼體的錐形前端部分的外周邊 通過側(cè)面間隙和外殼體底壁開口排出到測(cè)量氣體流道。將準(zhǔn)許進(jìn)入 內(nèi)殼體的那部分測(cè)量氣體流通過內(nèi)殼體底壁開口和外殼體底壁開 口排出到測(cè)量氣體流道。因而，根據(jù)本發(fā)明，氣體傳感器能具有濃度感測(cè)元件的響應(yīng)增 大和水侵入阻力增大的結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的氣體傳感器操作方法 實(shí)現(xiàn)了具有高度耐用性的氣體傳感器的可靠操作同時(shí)具有增大的 水侵入阻力和增大的響應(yīng)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的氣體傳感器的縱向橫截 視圖。圖2A是示出圖1所示氣體傳感器的內(nèi)殼體構(gòu)成部件的結(jié)構(gòu)的 透視圖。圖2B是示出圖1所示氣體傳感器的外殼體構(gòu)成部件的結(jié)構(gòu)的 透視圖。圖2C是示出用于圖l所示氣體傳感器中的蓋體結(jié)構(gòu)的透視圖。圖3A是實(shí)施本發(fā)明的氣體傳感器在評(píng)測(cè)試驗(yàn)中使用的橫向橫 截視圖。圖3B是示出用安裝在測(cè)量氣體流道中的如圖3A所示的氣體 傳感器測(cè)量氣體的流動(dòng)模式的示意圖。
圖4A是示出用于模擬出現(xiàn)在實(shí)施本發(fā)明的氣體傳感器上的水 侵入模式的水侵入試驗(yàn)設(shè)備的示意圖。圖4B是示出在對(duì)利用圖4A所示的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行評(píng)測(cè)中評(píng)觀U水侵入阻力的過程的視圖。圖5是示出現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器和圖l所示本實(shí)施例的氣體 傳感器的水侵入評(píng)測(cè)結(jié)果的圖表。圖6是示出現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器和圖l所示本實(shí)施例的氣體 傳感器的階躍響應(yīng)評(píng)測(cè)結(jié)果的圖表，在階躍響應(yīng)試驗(yàn)在空燃比在 14和15之間移動(dòng)的情況下評(píng)測(cè)變化時(shí)間63%中進(jìn)行的狀況下。圖7A和7B是示出應(yīng)用于圖1所示第一實(shí)施例的氣體傳感器 中蓋體結(jié)構(gòu)的內(nèi)殼體和外殼體底壁開口的錐形表面之間的位置關(guān) 系的視圖。圖8A和8B是示出外殼體形成有三個(gè)底壁開口的蓋體結(jié)構(gòu)的 視圖。圖8C和8D是示出外殼體形成有四個(gè)底壁開口的蓋體結(jié)構(gòu)的 視圖。圖8E和8F是示出外殼體形成有五個(gè)底壁開口的蓋體結(jié)構(gòu)的視圖。圖8G和8H是示出外殼體形成有六個(gè)底壁開口的蓋體結(jié)構(gòu)的 視圖。圖9是示出繪出本發(fā)明在以各種方式實(shí)施的氣體傳感器上顯 現(xiàn)的有利影響的圖表的視圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的氣體傳感器的縱向橫截 視圖。
圖11是內(nèi)殼體的透視圖，其示出以變型形式形成的內(nèi)殼體側(cè) 壁開口。圖12是示出現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)的縱向橫截視圖， 用于比較的目的。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在，下面將參照附圖詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的氣 體傳感器以及操作氣體傳感器的相關(guān)方法。然而，本發(fā)明構(gòu)造為并 不限于下述的實(shí)施例并且本發(fā)明的技術(shù)概念可與其它已知技術(shù)或 者與這種已知技術(shù)等同地起作用的其它技術(shù)組合地實(shí)施。在下面的描述中，可以理解為，氣體傳感器適于插入測(cè)量氣體 流道的那部分稱作"前端部分"并且氣體傳感器暴露于大氣的相對(duì) 側(cè)稱作"基端"或"基端部分"。而且，將理解到，根據(jù)本發(fā)明本實(shí)施例的氣體傳感器可廣泛地應(yīng)用于氧氣傳感器、A/F傳感器、NOx傳感器等。 (第一實(shí)施例)下面參照?qǐng)D1和2描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的氣體傳感器。如圖1所示，氣體傳感器1包括用于檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體 成分濃度的氣體感測(cè)元件11、用于固定地支撐將要暴露于測(cè)量氣體 流道80的氣體感測(cè)元件11的殼體14、以及蓋體2，蓋體2由例如 不銹鋼等制成用于覆蓋殼體14和將要暴露于測(cè)量氣體的氣體感測(cè) 元件11的前端部分lla。殼體14包括殼體本體14a，其外周邊形成有呈殼體螺母部分 143形式的工具安裝部分14b，工具(未示出)可與所述殼體螺母 部分143相嚙合；從殼體本體14a軸向地向上延伸的上圓柱形部分
14c;以及從殼體本體14a軸向地向下延伸的下圓柱形部分14d。工 具安裝部分14b形成為基本上六邊形輪廓，并且六邊形表面的兩個(gè)面對(duì)表面彼此間隔開給定的值。如圖1所示，而且，殼體本體14a的下圓柱形部分14d具有形 成有螺紋部分142的外周邊，所述螺紋部分142能螺旋入例如內(nèi)燃 機(jī)的廢氣管8的壁。廢氣管8用作測(cè)量氣體流道80。在殼體14安 裝在廢氣管8上時(shí)，氣體感測(cè)元件11的前端部分lla暴露于橫穿 廢氣管8的測(cè)量氣體流S，而氣體感測(cè)元件11的基端部分lib暴 露于大氣環(huán)境。蓋體2呈多層結(jié)構(gòu)的形式，形成為有底的圓柱形形狀，其包括 直徑不同且相對(duì)彼此同心地布置的內(nèi)殼體12和外殼體13。內(nèi)殼體12呈所謂的帽型，截面為圓柱形并且具有開口的上端 和有底的下端。內(nèi)殼體12的上端具有徑向向外延伸的徑向延伸的 內(nèi)殼體環(huán)形凸緣部分121。類似地，外殼體13也呈所謂的帽型，截面為圓柱形并且具有 開口的上端和有底的下端。外殼體13的上端具有徑向向外延伸的 徑向延伸的外殼體環(huán)形凸緣部分131。內(nèi)殼體12和外殼體13彼此疊置以使得內(nèi)殼體環(huán)形凸緣部分 121和外殼體環(huán)形凸緣部分131彼此疊置。在這種疊置狀態(tài)下，內(nèi) 殼體環(huán)形凸緣部分121和外殼體環(huán)形凸緣部分131通過形成于下圓 柱形部分14d的末端上的斂縫部分141固定地緊固至殼體14的下 端面?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2A至2C更詳細(xì)地描述構(gòu)成蓋體2的內(nèi)殼體12和 外殼體13的結(jié)構(gòu)。圖2A是示出內(nèi)殼體12的透視圖，圖2B是示出外殼體13的
透視圖。圖2C是示出內(nèi)殼體12和外殼體13布置為組合狀態(tài)時(shí)的蓋體2的透視圖。外殼體13包括基端部分13a，用作圓柱形側(cè)壁并且具有六個(gè) 沿著外殼體13的圓周方向形成于等間距的位置處的外殼體側(cè)壁開 口 132;以及具有外殼體底壁134的前端部分13b。外殼體側(cè)壁開 口 132的截面為圓形并且每個(gè)具有例如3.0mm的直徑用于準(zhǔn)許測(cè) 量氣體流進(jìn)入限定于內(nèi)和外殼體12,13之間的環(huán)形側(cè)面間隙200。外殼體13的外殼體底壁134具有四個(gè)外殼體底壁開口 133，它 們形成于在與外殼體13的軸線同心地且直徑為7.0mm的圓上圓周 地和等距地間隔開的位置處。外殼體底壁開口 133的截面為圓形并 且每個(gè)具有例如l.Omm的直徑。如圖1和2A所示，內(nèi)殼體12包括具有開口的基端部分12a， 其形成有環(huán)形凸緣121;前端部分12b，其從基端部分12a軸向地 向下延伸并且具有形成有內(nèi)殼體底壁125的最低端；以及在基端部 分12a和前端部分12b之間形成為直徑朝著前端部分12b變小的環(huán) 形錐形臺(tái)肩122。內(nèi)殼體12的內(nèi)殼體底壁125具有形成有直徑為例如3.0mm的 內(nèi)殼體底壁開口 126的中心區(qū)域，底壁開口 126用以將測(cè)量氣體從 內(nèi)殼體12的內(nèi)部排出到其外面。內(nèi)殼體12的環(huán)形錐形臺(tái)肩122具有多個(gè)內(nèi)殼體側(cè)壁開口 123， 它們位于沿著內(nèi)殼體12的圓周方向等間距的位置處，并且形成為 朝著前端部分12b且處于與外殼體側(cè)壁開口 132軸向錯(cuò)開的位置。如同圖2A最佳地示出的，內(nèi)殼體側(cè)面開口 123朝著內(nèi)殼體12 的前端部分12b的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域開口以便具有開口部件以僅允許 測(cè)量氣體朝著前端部分12b的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域軸向向上地流動(dòng)同時(shí)
可靠地避免包含在準(zhǔn)許進(jìn)入外殼體13內(nèi)部的測(cè)量氣體中的水滴進(jìn) 入前端部分12b的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域。更具體地，多個(gè)徑向向內(nèi)的凹陷部分122a可通過壓力成形而 沿著錐形臺(tái)肩122的圓周方向在等間距的位置處形成于內(nèi)殼體12 的錐形臺(tái)肩122上以便與內(nèi)殼體12的軸線平行地縱向延伸。在這 種壓力成形操作期間，徑向向內(nèi)的凹陷部分122a的上部末端分別 形成為切口形狀，它們朝著內(nèi)殼體12的基端部分12a的上部?jī)?nèi)側(cè) 區(qū)域開口，作為內(nèi)殼體側(cè)壁開口 123。如圖1和2A所示，內(nèi)殼體12的前端部分12b具有直徑朝著內(nèi) 殼體12的內(nèi)殼體底壁125變小的錐形部分124。因此，限定于內(nèi)和外殼體12,13之間的環(huán)形側(cè)面間隙200在環(huán) 形空間中朝著外殼體13的前端部分13b逐漸擴(kuò)大。在內(nèi)和外殼體12,13如圖2C所示在同心裝配的狀態(tài)下彼此疊 置時(shí)，在內(nèi)殼體12的內(nèi)殼體底壁125和外殼體13的外殼體底壁 13 4之間限定了居間的底部間隙2 01 。氣體感測(cè)元件11的基端部分lib電連接至內(nèi)部信號(hào)引線110， 內(nèi)部信號(hào)引線110通過連接終端111連接至外部信號(hào)引線112。而且，氣體感測(cè)元件11具有中間部分llc，其延伸貫穿瓷制絕 緣本體15的通孔15a。瓷制絕緣本體15具有容納在殼體14的殼體 本體14a和上圓柱形部分14c中的外周邊。而且，瓷制絕緣本體15 具有形成有圓柱形腔15b的基端部分，該圓柱形腔15b由密封劑元 件16所埋住，以將氣體感測(cè)元件11支撐于與殼體14和蓋體2同 心的固定位置處。另外，杯形瓷制絕緣元件17在瓷制絕緣本體15的上端壁處布 置在絕緣本體15上，并且具有罩住信號(hào)引線110的腔17a。而且， 信號(hào)引線112埋在絕緣元件18中并且保持在固定的位置。絕緣元件17、 18覆蓋有大氣側(cè)蓋元件19。大氣側(cè)蓋元件19 具有前端部分19a，其通過焊接固定地緊固至殼體14的上圓柱形 部分14c;以及基端部分19b，其形成有徑向延伸的環(huán)形臺(tái)肩19c。 徑向延伸的環(huán)形臺(tái)肩19c保持為與絕緣元件19的上端面壓力地接 觸以受力緊靠絕緣本體15以使得絕緣本體15與殼體14壓力接觸 地保持在固定的位置。在氣體傳感器1以這種結(jié)構(gòu)裝配時(shí)，通過將殼體14的螺紋部 分142螺旋至測(cè)量氣體流道80，殼體14安裝在測(cè)量氣體流道80 的壁上。此時(shí)，殼體14被緊固至測(cè)量氣體流道80的壁以便允許氣 體測(cè)量元件11的、由內(nèi)和外殼體12,13所覆蓋的前端部分11a暴露 于測(cè)量氣體流S。在殼體螺母部分143緊固操作結(jié)束時(shí)，將彈性元件20壓縮在 殼體14的殼體螺母部分143和測(cè)量氣體流道80的外壁之間，從而 在其間提供氣密的密封作用。氣體測(cè)量元件11包括層壓型氧氣傳感器元件，其包括由例如 鋯等制成的氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)本體，以及測(cè)量電極、參考電 極、形成于固體電解質(zhì)本體兩側(cè)上的參考?xì)怏w引導(dǎo)層和加熱層的疊 層。另外，氣體測(cè)量元件11可用作NOx傳感器和空燃比傳感器等， 這根據(jù)測(cè)量氣體的種類和要執(zhí)行的具體控制的目的來進(jìn)行適當(dāng)?shù)?選擇。圖3A是示出具有相關(guān)尺寸關(guān)系的內(nèi)殼體12的仰視圖，并且圖 3B是示出穿過氣體傳感器1附近區(qū)域的測(cè)量氣體的氣流速度矢量 的模式圖。如圖3A所示，內(nèi)殼體12的錐形臺(tái)肩122的每個(gè)凹陷部分122a
在內(nèi)殼體12的錐形臺(tái)肩122上形成為具有圓周寬度W,為2mm且 徑向深度D！為0.5mm的橫向延伸切口 123。本實(shí)施例具有這種內(nèi)殼體12的氣體傳感器1安裝在將要暴露 于穿過測(cè)量氣體流道80的測(cè)量氣體流S的壁8上。測(cè)量氣體流S 設(shè)置為以25m/秒的流速流動(dòng)，這等同于在2000rpm的旋轉(zhuǎn)速度下 運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流速。圖3B示出了在氣體傳感器1暴露于以25m/秒的流速流過測(cè)量 氣體流道80的測(cè)量氣體流S時(shí)橫穿氣體傳感器1附近區(qū)域并且流 過氣體傳感器1內(nèi)部的測(cè)量氣體的流速矢量，上述流速等同于在 2000rpm的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流速。如同從圖3B中很清楚地，測(cè)量氣體流S撞擊氣體傳感器1的 外殼體13的外周邊。此時(shí)，測(cè)量氣體流分量F1穿過布置于測(cè)量氣 體流S中上游側(cè)處的上游側(cè)外殼體側(cè)壁開口 132a，并且撞擊內(nèi)殼 體12的基端部分12a的外周邊。這使得測(cè)量氣體流分量F1軸向向 下地偏轉(zhuǎn)從而形成流入內(nèi)殼體12和外殼體13之間環(huán)形側(cè)面間隙 200的測(cè)量氣體流分量F2。測(cè)量氣體流分量F2朝著外殼體底壁134 流過環(huán)形側(cè)面間隙200，由此測(cè)量氣體流分量F2通過外殼體底壁 開口 133被排出到其外面，如箭頭A1所示。由于在存在錐形部分124的情況下環(huán)形側(cè)面間隙200的環(huán)形空 間在內(nèi)和外殼體12,13之間朝著外殼體底壁134擴(kuò)大的具體結(jié)構(gòu)， 就會(huì)出現(xiàn)氣體流分量F2的流動(dòng)阻力的降低。因而，氣體流分量F2 從靠近內(nèi)殼體12錐形臺(tái)肩122的上游區(qū)域朝著外殼體13的外殼體 底壁134以增大的流速流過環(huán)形側(cè)面間隙200。而且，由于氣體流分量F2流過外殼體底壁134之上的一個(gè)區(qū) 域，在外殼體底壁134上主要的測(cè)量氣體就穿過外殼體底壁開口133被拖到其外面，如圖3B中箭頭A2所示。因而，作為支配氣流 的測(cè)量氣體流分量就從外殼體13的內(nèi)部被排出到外部。因此，就沒有水滴從外殼體13的外殼體底壁開口 133進(jìn)入內(nèi) 殼體12的內(nèi)部。而且，在氣體傳感器1的下游區(qū)域處在測(cè)量氣體流S中出現(xiàn)渦 流。這使得在測(cè)量氣體流S中出現(xiàn)回流分量F3?；亓鞣至縁3準(zhǔn)許 穿過布置在測(cè)量氣體流S下游側(cè)的下游側(cè)外殼體側(cè)壁開口 132b。 回流分量F3然后被內(nèi)殼體12的基端部分12a的外周偏轉(zhuǎn)為被軸向 向下地導(dǎo)向入側(cè)面間隙200。此后，穿過側(cè)面間隙200的回流分量F3流入外殼體13的外殼 體底壁134附近的下端區(qū)域，由此回流分量F3通過外殼體底壁開 口 133被排出到外殼體13的外部，如箭頭A2所示。在測(cè)量氣體流分量F2和F3流動(dòng)穿過外殼體13的外殼體底壁 開口 133期間，測(cè)量氣體流分量F2和F3在外殼體底壁134之上流 動(dòng)。這導(dǎo)致在內(nèi)殼體底壁125和外殼體底壁134之間的居間底部間 隙201中形成負(fù)壓。因此，在內(nèi)殼體底壁開口 126附近區(qū)域中主要 的測(cè)量氣體就被拖入居間底部間隙201。這使得將被通過外殼體底 壁開口 133排出到外殼體13外部的測(cè)量氣體進(jìn)入測(cè)量氣體流S。在測(cè)量氣體流分量F2和F3流動(dòng)穿過內(nèi)殼體底壁125和外殼體 底壁134之間的居間底部間隙201期間，準(zhǔn)許通過外殼體側(cè)壁開口 132a和132b的測(cè)量氣體流分量F2和F3就部分地準(zhǔn)許通過形成于 內(nèi)殼體12的錐形臺(tái)肩122中的內(nèi)殼體側(cè)壁開口 123，作為進(jìn)入內(nèi) 殼體12內(nèi)部的測(cè)量氣體流分量F4。因此，準(zhǔn)許進(jìn)入內(nèi)殼體12內(nèi)部的測(cè)量氣體流分量F4就與氣體 感測(cè)元件11的前端部分lla相接觸，用以檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣 體成分的濃度。那么，準(zhǔn)許進(jìn)入內(nèi)殼體12內(nèi)部的測(cè)量氣體流分量F4就在居間底部間隙201中負(fù)壓占優(yōu)的情況下排出通過內(nèi)殼體底 壁開口 126。因而，測(cè)量氣體流分量F4就通過外殼體13的外殼體 底壁開口 133排入測(cè)量氣體流道。這樣就使氣體傳感器1的響應(yīng)增 大。圖4A和4B示出了用于確認(rèn)本實(shí)施例的氣體傳感器1的結(jié)果 的試驗(yàn)方法。圖4A示出了用于模擬本實(shí)施例的氣體傳感器1的結(jié) 果的水侵入阻力試驗(yàn)裝置100，并且圖4B示出了在圖4A所示試驗(yàn) 裝置中進(jìn)行的評(píng)估氣體傳感器1的試驗(yàn)結(jié)果的方法。如圖4A所示，水侵入阻力試驗(yàn)裝置100包括壓縮空氣管道 102，其連接至壓縮空氣供應(yīng)源(未示出)并且供應(yīng)以12.6m/秒的 流速流動(dòng)的壓縮空氣流CA;加熱腔104，其與壓縮空氣管道102 相通并且其中結(jié)合有用于加熱壓縮空氣流CA的加熱器106;以及 傾斜的加熱空氣管道108，其相對(duì)于水平面(也就是加熱器104的 軸線)以45。的角度傾斜。水泵250在加熱器104的剛剛下游區(qū)域 處被安裝在傾斜的加熱空氣管道108上以將水滴WD朝著氣體傳感 器1噴射入傾斜的加熱空氣管道108 (氣體傳感器1在水泵250下 游區(qū)域中安裝在傾斜的加熱空氣管道108上)，噴射五次，每次 0.2cc。對(duì)于圖4B所示結(jié)構(gòu)的水侵入阻力試驗(yàn)裝置100，壓縮空氣流 CA以12.6m/秒的流速引入加熱腔104并用加熱器106加熱。然后， 加熱后的氣流被傳送到類似于圖1所示廢氣管的加熱空氣管道 108。在發(fā)生這種情況時(shí)，水滴WD從水泵250以每次體積0.2cc 地噴射五次而噴射到氣體傳感器1的目標(biāo)。水滴WD通過外殼體側(cè) 壁開口 132和外殼體底壁開口 133侵入氣體傳感器1的內(nèi)部從而附 著到氣體感測(cè)元件11的前端部分lla上。 此后，卸下氣體傳感器1并從加熱空氣導(dǎo)管108移除，并且然 后拆卸以暴露氣體感測(cè)元件11。拍攝由于水滴WD而導(dǎo)致的氣體感測(cè)元件11的水侵入標(biāo)記WIM的照片。接著，對(duì)水侵入標(biāo)記WIM 進(jìn)行如箭頭BP所示的二值化處理操作以獲得如圖4B所示的二值 化處理數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)輸入到微型計(jì)算機(jī)以計(jì)算水滴附著表面積以 便評(píng)測(cè)氣體傳感器1的水侵入阻力結(jié)果。對(duì)于如圖4A所示的水侵入阻力試驗(yàn)裝置100，氣體傳感器1 被設(shè)置為相對(duì)于加熱空氣管道108以45。的角度定向以允許氣體傳 感器易于受到水滴WD影響。圖12所示的氣體傳感器lb用作比較例。圖12所示氣體傳感 器lb與圖1所示本實(shí)施例的氣體傳感器1相同的那些組成部件具 有同樣的參考標(biāo)號(hào)以省略對(duì)于相同組成部件的重復(fù)性描述。具有如圖12所示比較例的結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼體底壁125C和外殼體底 壁135C在同一平面上對(duì)齊，在該平面之下，在外殼體底壁135C 上與形成于內(nèi)殼體12上的內(nèi)殼體底壁開口 126C同心的區(qū)域中形成 外殼體底壁開口 133C。圖5是表示現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器和第一實(shí)施例的氣體傳感器 之間受到水滴的水侵入表面積的對(duì)比結(jié)果的圖表。在圖5的圖表 中，符號(hào)"O":"穿過側(cè)孔的目標(biāo)流"表示受到穿過外殼體側(cè)壁開 口 132進(jìn)入的水滴的水侵入表面積。符號(hào)"參""穿過端孔的目標(biāo) 流"表示受到穿過外殼體底壁開口 133進(jìn)入的水滴的水侵入表面 積。如圖5的圖表所示，對(duì)于比較例的氣體傳感器，在水滴通過外 殼體底壁開口 133進(jìn)入的情況下，氣體感測(cè)元件具有大約40mm2 范圍內(nèi)的水侵入表面積。相比之下，對(duì)于實(shí)施本發(fā)明的第一實(shí)施例 的氣體傳感器，在水滴通過外殼體底壁開口 133進(jìn)入的情況下，氣體感測(cè)元件具有大約lOmm2范圍內(nèi)的水侵入表面積。因而，在水 滴穿過外殼體底壁開口 133時(shí)，甚至與現(xiàn)有技術(shù)的氣體感測(cè)元件相 比，第一實(shí)施例的氣體傳感器的氣體感測(cè)元件的水侵入表面積的數(shù) 值也會(huì)出現(xiàn)顯著減小。而且，對(duì)于比較例的氣體傳感器，在水滴通過外殼體側(cè)壁開口 132進(jìn)入的情況下，氣體感測(cè)元件具有大約6mn^范圍內(nèi)的水侵入 表面積。相比之下，對(duì)于實(shí)施本發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體傳感器， 在水滴通過外殼體側(cè)壁開口 132進(jìn)入的情況下，氣體感測(cè)元件具有 大約2mr^范圍內(nèi)的水侵入表面積。因而，甚至在水滴通過外殼體 側(cè)壁開口 132進(jìn)入時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)的氣體感測(cè)元件相比，第一實(shí)施 例的氣體傳感器的氣體感測(cè)元件的水侵入表面積的數(shù)值也會(huì)出現(xiàn) 顯著減小。因而，證明了與現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器相比，實(shí)施本發(fā)明的第 一實(shí)施例的氣體傳感器的水侵入阻力進(jìn)一步增大。而且，在氣體傳感器都安裝在以2000rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)速度操作的 3L6氣缸型直接噴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣通道中的試驗(yàn)條件下，在實(shí)施本 發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體傳感器和現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器上進(jìn)行 階躍響應(yīng)試驗(yàn)。在階躍響應(yīng)試驗(yàn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比在數(shù)值"14" 和"15"之間變化的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，并且測(cè)量到63%比率的變化時(shí)間。 因而，進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)并且相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果在圖6的圖表中示 出。圖6示出了表示實(shí)施本發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體傳感器和現(xiàn)有 技術(shù)的氣體傳感器關(guān)于階躍響應(yīng)評(píng)測(cè)試驗(yàn)的階躍響應(yīng)(毫秒)中的 變化的圖表。
在圖6的圖表中，符號(hào)"〇"表示當(dāng)評(píng)測(cè)試驗(yàn)在空燃比從"15" 變化到"14"之下進(jìn)行時(shí)氣體傳感器中階躍響應(yīng)的變化。符號(hào)"參"表示當(dāng)評(píng)測(cè)試驗(yàn)在空燃比從"14"變化到"15"之下進(jìn)行時(shí)氣體傳感器中階躍響應(yīng)的變化。如同將從圖6的圖表中理解到的，在實(shí)施本發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體傳感器和現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器中，即使在存在空燃比變化 的情況下，階躍響應(yīng)中都幾乎不存在差別。因而，這證明了第一實(shí) 施例的氣體傳感器具有與現(xiàn)有技術(shù)的氣體傳感器相同的響應(yīng)。圖7A是以放大的尺寸示出處于已裝配狀態(tài)的內(nèi)殼體12和外殼 體13的縱向橫截視圖，并且圖7B是以放大的尺寸示出內(nèi)殼體12 和外殼體13的橫向橫截視圖。如圖7A和7B所示，假設(shè)內(nèi)殼體12的前端部分12b的錐形部 分124具有從錐形部分124的外周邊延伸的延長(zhǎng)線124a，那么延長(zhǎng) 線124a就橫截外殼體底壁134從而形成如圖7B所示的相交圓 124b。外殼體底壁開口 133形成于外殼體13的底壁134上相交圓 124b徑向向外的區(qū)域中圓周地且等同地間隔開的位置處。對(duì)于形 成于這樣位置處的外殼體底壁開口 133，外殼體底壁開口 133采取 其上測(cè)量氣體沿著前端部分12b的錐形表面流動(dòng)的延長(zhǎng)線上的位 置。這使得測(cè)量氣體中的水滴易于通過外殼體底壁開口 133脫離。 因此，對(duì)于外殼體13具有形成于適當(dāng)范圍中的外殼體底壁開口 133 的結(jié)構(gòu)，如圖7B中相交圓124b外面的陰影區(qū)域所示，氣體感測(cè)元 件具有更少的水侵入。圖8A-8H示出了在外殼體形成有三至六個(gè)底壁開口之下的結(jié) 構(gòu)中的蓋組件。圖8A是示出外殼體13的結(jié)構(gòu)的縱向橫截視圖，其具有形成于
同心圓上等間距的位置處的三個(gè)底壁開口 133，并且圖8B是圖8A 所示外殼體13的仰視圖。在圖8A中，參考標(biāo)號(hào)"201"表示內(nèi)和 外殼體12,13的底壁之間的底面區(qū)域中的間隙(下文中也稱為"底 部間隙")。圖8C是示出外殼體13的結(jié)構(gòu)的縱向橫截視圖，其具有形成于 同心圓上等間距的位置處的四個(gè)底壁開口 133，并且圖8D是圖8C 所示外殼體13的仰視圖。在圖8D中，參考標(biāo)號(hào)"OP"表示其中 形成外殼體底壁開口 133的開口位置。圖8E是示出外殼體13的結(jié)構(gòu)的縱向橫截視圖，其具有形成于 同心圓上等間距的位置處的五個(gè)底壁開口 133，并且圖8F是圖8E 所示外殼體13的仰視圖。圖8G是示出外殼體13的結(jié)構(gòu)的縱向橫截視圖，其具有形成于 同心圓上等間距的位置處的六個(gè)底壁開口 133，并且圖8H是圖8G 所示外殼體13的仰視圖。圖9示出了關(guān)于根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的響應(yīng)和 水侵入表面積的試驗(yàn)結(jié)果。然而，階躍響應(yīng)試驗(yàn)在以低的發(fā)動(dòng)機(jī)速 度(也就是1000rpm的速度)運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，其中氣體傳感 器很可能會(huì)遭受水侵入。在圖9中，第一行表示在氣體傳感器的外殼體中形成有變化數(shù) 量的底壁開口的情況下氣體傳感器上的試驗(yàn)結(jié)果，這在以1000rpm 的發(fā)動(dòng)機(jī)速度運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。在圖9中，第一行示出了第一至第三圖表中繪出的試驗(yàn)結(jié)果， 它們表示階躍響應(yīng)(毫秒)、與氣體傳感器的端孔相關(guān)的水侵入表 面積(mm2)以及與氣體傳感器的側(cè)孔相關(guān)的水侵入表面積(mm2) 中的變化。
此外，第二行示出了對(duì)外殼體底壁開口的直徑變化的氣體傳感 器進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，第一至第三圖表中繪出的試驗(yàn)結(jié)果表示階躍響應(yīng)(毫秒)、與氣體傳感器的端孔相關(guān)的水侵入表面積(mm2)以 及與氣體傳感器的側(cè)孔相關(guān)的水侵入表面積(mm2)中的變化。此外，第三行示出了對(duì)外殼體底壁開口的開口形成位置不同的 氣體傳感器進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，第一至第三圖表中繪出的試驗(yàn)結(jié)果表 示階躍響應(yīng)(毫秒)、與氣體傳感器的端孔相關(guān)的水侵入表面積 (mm2)以及與氣體傳感器的側(cè)孔相關(guān)的水侵入表面積(mm2)中 的變化。而且，第四行示出了對(duì)氣體傳感器的內(nèi)和外殼體的底壁之間不 同底部間隙的氣體傳感器進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，第一至第三圖表中繪出 的試驗(yàn)結(jié)果表示階躍響應(yīng)(毫秒)、與氣體傳感器的端孔相關(guān)的水 侵入表面積(mm2)以及與氣體傳感器的側(cè)孔相關(guān)的水侵入表面積 (mm2)中的變化。如同從圖9的第一行中很明顯的，即使在形成于氣體傳感器的 外殼體13中的外殼體底壁開口的數(shù)量從"3"變化到"6"的情況 下，氣體傳感器的階躍響應(yīng)幾乎沒有變化。水侵入表面積這樣變化，即，外殼體底壁開口的數(shù)量越大，從 外殼體底壁開口侵入水滴的可能性越大，并且導(dǎo)致水侵入表面積增 大。此外，如同從圖9的第一行中明顯所示，受到通過外殼體底壁 開口進(jìn)入的水滴影響的水侵入表面積發(fā)生變化，以使得外殼體底壁 開口的數(shù)量越大，水侵入表面積越大，即使增大程度很小。因此，為了讓氣體傳感器具有增大的水侵入阻力同時(shí)維持階躍 響應(yīng)，將提供于氣體傳感器中的外殼體底壁開口的數(shù)量可優(yōu)選地盡
可能地小。然而，在外殼體13具有三個(gè)底壁開口的情況下，氣體 傳感器水侵入阻力取決于外殼體底壁開口所導(dǎo)致的方向特性，其具 有實(shí)際可加工性的困難。因此，考慮到實(shí)際可加工性，氣體傳感器 優(yōu)選地具有四個(gè)外殼體底壁開口。氣體傳感器的階躍響應(yīng)這樣變化，即，外殼體底壁開口的直徑 越大，氣體傳感器的階躍響應(yīng)將由于測(cè)量氣體相對(duì)于氣體傳感器的 交換速率增大而更高。然而，隨著外殼體底壁開口直徑的增大，水滴從氣體傳感器的 外殼體底壁開口侵入的可能性就增大，其結(jié)果是氣體感測(cè)元件的水 侵入表面積增大。同時(shí)，隨著外殼體底壁開口直徑的增大，進(jìn)入到內(nèi)殼體內(nèi)部的 水滴易于通過外殼體底壁開口高速地排出。這使得氣體感測(cè)元件的 水侵入表面積減小。因此，考慮到可加工性，外殼體底壁開口可優(yōu)選地選擇具有數(shù)值落入從l.Omm至2.0mm的范圍內(nèi)的直徑。如上所述，外殼體底壁開口可優(yōu)選地形成于外殼體底壁134上 的、處于內(nèi)殼體12的前端部分12b的錐形部分124的外表面延伸 的延長(zhǎng)線124a和外殼底壁134之間的相交線124b外側(cè)的區(qū)域中。 對(duì)于外殼體底壁形成于這種適當(dāng)位置，外殼體底壁開口能布置在延 長(zhǎng)線上的一區(qū)域中，在該區(qū)域中測(cè)量氣體沿著內(nèi)殼體12的前端部 分12b的錐形表面流動(dòng)。這允許了測(cè)量氣體中主要的水滴易于從氣 體傳感器的外殼體底壁開口中脫離。同時(shí)，即使將要形成外殼體底壁開口的開口位置在從6.0mm至 7.0mm的范圍內(nèi)變化，氣體傳感器的階躍響應(yīng)和水侵入幾乎沒有變 化。因此，外殼體底壁開口的開口位置可優(yōu)選地選擇為落入從6.0mm至7.0mm的范圍內(nèi)的任意值。在考慮可加工性的可操縱性 之下，外殼體底壁開口可優(yōu)選地以7.0mm的數(shù)值形成。這證明了內(nèi)殼體底壁125和外殼體底壁134之間的底部間隙 201 (參見圖8A)越大，氣體傳感器的階躍響應(yīng)越高。然而，隨著底壁間隙201增大，在這種增大的底壁間隙中不發(fā) 生水滴的蒸發(fā)，使得水滴易于在其中自由地移動(dòng)。這導(dǎo)致了氣體傳 感器水侵入的增大。而且，幾乎沒有由于底部間隙201 (水滴在其下面通過氣體傳 感器的外殼體底壁侵入)而對(duì)氣體傳感器的水侵入表面積產(chǎn)生負(fù)面 影響。因此，底部間隙201可優(yōu)選地設(shè)置為處于等于或大于l.Omm和 等于或大于3.0mm的范圍內(nèi)，并且考慮到氣體傳感器的響應(yīng)和水 侵入，更優(yōu)選地在例如2.0mm的范圍內(nèi)。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)的縱 向橫截視圖。第二實(shí)施例的氣體傳感器與圖l所示第一實(shí)施例的氣體傳感器 的不同之處在于外殼體13的結(jié)構(gòu)。因而，第二實(shí)施例的氣體傳感 器與第一實(shí)施例的氣體傳感器相同的組成部件具有同樣的參考標(biāo) 記以省略重復(fù)性描述。對(duì)于第二實(shí)施例的氣體傳感器1A，外殼體13A具有形成為基 本上圓柱形形狀的基端部分13Aa、以及起外殼體錐形部分136作 用的錐形前端部分13Ab，錐形前端部分13Ab朝著外殼體13A的 末端直徑減小。對(duì)于以這種結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)殼體12和外殼體13，氣體傳感器1A 的蓋體結(jié)構(gòu)具有環(huán)形空間200A，其介于內(nèi)殼體12的錐形前端12b的外壁和外殼體13的錐形前端13Ab的內(nèi)壁之間并且空間局部地變 窄。這使得被引入外殼體13A內(nèi)部的測(cè)量氣體流以加大的流速朝著外殼體13A的底壁134流動(dòng)。這使得準(zhǔn)許通過外殼體側(cè)壁開口 132 的測(cè)量氣體中的主要水滴易于從外殼體底壁開口 133中脫離。因 此，本實(shí)施例的氣體傳感器1A的氣體感測(cè)元件11具有增大的水侵 入阻力。圖11示出了內(nèi)殼體12的變型。雖然上面已經(jīng)參照內(nèi)殼體12 具有形成為定位于內(nèi)殼體12的基端部分12a中的凹陷部分中的多 個(gè)切口形式的側(cè)壁開口 123描述了各個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器，但是 本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。也就是，內(nèi)殼體12的基端部分12a可 形成有直徑朝著前端部分12b減小的錐形部分124。對(duì)于以這種結(jié) 構(gòu)形成的內(nèi)殼體12，多個(gè)側(cè)壁開口 123A可形成于錐形部分122上 圓周地和等距地間隔開的位置中、朝著內(nèi)殼體12的前端部分12b 處于軸向地遠(yuǎn)離外殼體13的側(cè)壁開口 132的區(qū)域中。在此情況下， 側(cè)壁開口 123A定向在向上的方向以具有從外部區(qū)域朝著內(nèi)部區(qū)域 指向的部件。這僅允許測(cè)量氣體流被引入內(nèi)殼體12的內(nèi)部同時(shí)避 免了包含在測(cè)量氣體中的水滴的侵入。雖然上面已經(jīng)參照形式呈雙層結(jié)構(gòu)的蓋體結(jié)構(gòu)描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。也就是，蓋體結(jié)構(gòu)可形成為三層結(jié)構(gòu)，另外地包括同心地布置在外殼體13的外側(cè)區(qū)域上并與之為同心關(guān)系的最外蓋。具有這種三層結(jié)構(gòu)，氣體傳感器具有增大的保熱性以穩(wěn)定氣體感測(cè)元件的活化狀態(tài)。因此，這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器 在操作中具有增大的響應(yīng)。雖然已經(jīng)參照包括例如層壓類型氣體感測(cè)元件的結(jié)構(gòu)描述了 本發(fā)明，但是本發(fā)明可應(yīng)用于杯型的氣體傳感器。而且，由本申請(qǐng)?zhí)峤坏娜毡緦＠暾?qǐng)No.2006-12407中公開的
氣體傳感器的結(jié)構(gòu)可適合地應(yīng)用于內(nèi)殼體側(cè)壁開口。雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的熟 練技術(shù)人員將理解到，在本公開的總體教導(dǎo)之下，能對(duì)細(xì)節(jié)開發(fā)出 各種變型和替換。因此，所公開的具體布置僅僅是示例性的而不是要限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求的全部范圍 及其所有等同來給出。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體成分的濃度的氣體傳感器，包括具有基端部分和前端部分的濃度感測(cè)元件，用以檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體成分的濃度；殼體，用于插入濃度感測(cè)元件以固定地支撐該濃度感測(cè)元件從而允許濃度感測(cè)元件的前端部分處于測(cè)量氣體流流過的流道中；和有底的圓柱形蓋體結(jié)構(gòu)，其由殼體固定地支撐并且具有圓柱形多層結(jié)構(gòu)，其包括彼此直徑不同并且相對(duì)彼此以同心的關(guān)系布置的內(nèi)殼體和外殼體以便在暴露于測(cè)量氣體流的區(qū)域中包圍濃度感測(cè)元件的前端部分；其中在內(nèi)殼體的外周邊和外殼體的內(nèi)周邊之間限定了環(huán)形側(cè)面間隙；其中內(nèi)殼體具有基端部分和前端部分，內(nèi)殼體的基端部分具有形成于從內(nèi)殼體的外部區(qū)域朝著其內(nèi)部區(qū)域向上指向的部件中的內(nèi)殼體側(cè)壁開口，內(nèi)殼體具有其中心區(qū)域形成有內(nèi)殼體底壁開口的內(nèi)殼體底壁；其中外殼體具有基端部分和前端部分，外殼體的基端部分具有多個(gè)用以準(zhǔn)許測(cè)量氣體流進(jìn)入環(huán)形側(cè)面間隙的外殼體側(cè)壁開口；其中外殼體的前端部分具有與內(nèi)殼體底壁間隔開的外殼體底壁以在其間限定出底部間隙；和其中多個(gè)外殼體底壁開口形成于外殼體底壁上，處于內(nèi)殼體底壁開口徑向外側(cè)的外圓周區(qū)域中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中內(nèi)殼體的前端部分可優(yōu)選地包括朝著內(nèi)殼體底壁直徑減小的 錐形部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中內(nèi)殼體包括形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的區(qū) 域中且朝著內(nèi)殼體底壁直徑減小的錐形臺(tái)肩；以及形成于內(nèi)殼體 的基端部分和前端部分之間的區(qū)域中的多個(gè)凹陷部分，其中內(nèi)殼 體側(cè)壁開口在錐形臺(tái)肩和所述多個(gè)凹陷部分中的至少之一中以切 口形狀形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中外殼體的前端部分包括朝著外殼體底壁直徑減小的錐形部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中所述多個(gè)外殼體底壁開口包括形成于與外殼體的軸線同心的 圓形區(qū)域中等距地間隔開的位置處的三至六個(gè)開口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中所述多個(gè)外殼體底壁開口形成于外殼體底壁上，處于沿著內(nèi) 殼體前端部分的錐形部分延伸的延長(zhǎng)線和外殼體底壁之間的相交 圓外側(cè)的圓形區(qū)域中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中外殼體底壁開口每個(gè)都形成為圓形，其直徑的數(shù)值等于或大 于l.Omm并且等于或小于2.0mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中外殼體底壁開口形成于外殼體底壁上并且和與外殼體的軸線同心且直徑等于或大于6.0mm并且等于或小于7.0mm的圓相一 致。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中外殼體底壁和內(nèi)殼體底壁之間的底部間隙為等于或大于1.0mm并且等于或小于3.0mm的數(shù)值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中內(nèi)殼體包括形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的區(qū)域中的錐形臺(tái)肩，其直徑朝著內(nèi)殼體底壁減小；和其中內(nèi)殼體側(cè)壁開口包括多個(gè)以切口形狀形成的凹陷部分以 便通向內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域以允許被準(zhǔn)許進(jìn)入外殼體內(nèi)部的測(cè) 量氣體在內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域中向上流動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中內(nèi)殼體包括形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的區(qū)域 中的錐形臺(tái)肩，其直徑朝著內(nèi)殼體底壁減?。缓推渲袃?nèi)殼體側(cè)壁開口包括形成于錐形臺(tái)肩上等距地間隔開的 位置處的多個(gè)開口以便通向內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域以允許被準(zhǔn)許 進(jìn)入外殼體內(nèi)部的測(cè)量氣體在內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域中向上流 動(dòng)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中 外殼體具有圓柱形截面；內(nèi)殼體包括形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的區(qū)域 中的錐形臺(tái)肩，其直徑朝著內(nèi)殼體底壁減??；和 其中內(nèi)殼體側(cè)壁開口通向內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域以允許被準(zhǔn) 許進(jìn)入外殼體內(nèi)部的測(cè)量氣體在內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域中向上流 動(dòng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的氣體傳感器，其中外殼體的基端部分具有圓柱形截面并且外殼體的前端部分具 有錐形截面；內(nèi)殼體包括形成于內(nèi)殼體的基端部分和前端部分之間的區(qū)域 中的錐形臺(tái)肩，其直徑朝著內(nèi)殼體底壁減?。缓推渲袃?nèi)殼體側(cè)壁開口通向內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域以允許被準(zhǔn) 許進(jìn)入外殼體內(nèi)部的測(cè)量氣體在內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)側(cè)區(qū)域中向上流 動(dòng)。
14. 一種操作氣體傳感器以檢測(cè)流過測(cè)量氣體流道的測(cè)量氣 體中特定氣體成分的濃度的方法，該方法包括準(zhǔn)備具有基端部分和前端部分的濃度感測(cè)元件，用以檢測(cè)測(cè) 量氣體中特定氣體成分的濃度；準(zhǔn)備殼體，用于插入濃度感測(cè)元件以固定地支撐該濃度感測(cè) 元件從而允許濃度感測(cè)元件的前端部分處于測(cè)量氣體流流過的流 道中；禾口準(zhǔn)備有底的圓柱形蓋體結(jié)構(gòu)，用于覆蓋濃度感測(cè)元件的前端 部分并且包括外殼體和內(nèi)殼體，外殼體具有多個(gè)外殼體側(cè)壁開口 和多個(gè)外殼體底壁開口，內(nèi)殼體具有多個(gè)朝著內(nèi)殼體的底壁、形 成于與外殼體側(cè)壁開口軸向錯(cuò)開的區(qū)域中并通向內(nèi)殼體上部?jī)?nèi)側(cè) 區(qū)域的內(nèi)殼體側(cè)壁開口 ，以及與外殼體的內(nèi)周邊徑向地間隔開給 定量的側(cè)面間隙的錐形前端部分，該側(cè)面間隙沿著內(nèi)殼體的軸線在徑向空間中變化，該內(nèi)殼體具有與外殼體底壁軸向地間隔開給定量的底部間隙并且形成有多個(gè)內(nèi)殼體底壁開口的內(nèi)殼體底壁；準(zhǔn)許測(cè)量氣體流通過外殼體側(cè)壁開口進(jìn)入外殼體的內(nèi)部以允 許測(cè)量氣體流撞擊內(nèi)殼體的外壁；將測(cè)量氣體流朝著外殼體的底壁軸向向下地導(dǎo)向通過側(cè)面間隙；準(zhǔn)許一部分測(cè)量氣體流在外殼體側(cè)壁開口下游的區(qū)域處通過 內(nèi)殼體側(cè)壁開口流動(dòng)到內(nèi)殼體的上部?jī)?nèi)偵l」區(qū)域；將其余測(cè)量氣體流沿著內(nèi)殼體的錐形前端部分的外周邊通過 側(cè)面間隙和外殼體底壁開口排出到測(cè)量氣體流道；和將準(zhǔn)許進(jìn)入內(nèi)殼體的那部分測(cè)量氣體流通過內(nèi)殼體底壁開口 和外殼體底壁開口排出到測(cè)量氣體流道。
全文摘要
一種氣體傳感器和相關(guān)操作方法公開為具有用于檢測(cè)測(cè)量氣體中特定氣體成分濃度的濃度感測(cè)元件。殼體支撐該濃度感測(cè)元件和蓋體結(jié)構(gòu)，該蓋體結(jié)構(gòu)包括用于在暴露于測(cè)量氣體流的區(qū)域中包圍濃度感測(cè)元件的前端部分的內(nèi)殼體和外殼體。環(huán)形側(cè)面間隙限定于內(nèi)殼體和外殼體之間。內(nèi)殼體具有其上部區(qū)域中形成有內(nèi)殼體側(cè)壁開口的側(cè)壁和形成有內(nèi)殼體底壁開口的底壁。外殼體具有形成有外殼體側(cè)壁開口的側(cè)壁和在內(nèi)殼體底壁開口徑向外側(cè)的外圓周區(qū)域中形成有外殼體底壁開口的底壁。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101113986SQ200710137060
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者山田康平 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝