專(zhuān)利名稱(chēng)：陶瓷加熱器的密封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及內(nèi)置于氣體傳感器內(nèi)的陶瓷加熱器的改進(jìn)密封，該氣體傳感器可用來(lái)測(cè)量來(lái)自汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中特定成分的濃度。
背景技術(shù)：
圖7示出了一種氣體傳感器的典型例子，該氣體傳感器被設(shè)計(jì)成用來(lái)測(cè)量來(lái)自汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中某一成分的濃度。
氣體傳感器60具有安裝在其內(nèi)的陶瓷加熱器9，該陶瓷加熱器9用來(lái)將傳感元件65加熱升高至預(yù)定的激活溫度。如圖8和9所示，陶瓷加熱器9包括陶瓷加熱器本體92、按特定的模式形成在加熱器本體92上和內(nèi)的一對(duì)導(dǎo)體93、以及引線941。導(dǎo)體93裝有端子931。各引線941分別地經(jīng)過(guò)釬焊金屬91被結(jié)合至端子931，用來(lái)將電能供應(yīng)至導(dǎo)體93。例如，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)文獻(xiàn)No.11-292649(美國(guó)專(zhuān)利No.6,118,110和6,121,590)公開(kāi)了此類(lèi)型的陶瓷加熱器。
參看回圖7，氣體傳感器60還包括將傳感元件65保持在其內(nèi)的空心圓柱殼體68。陶瓷加熱器9安置在傳感元件65的內(nèi)側(cè)。傳感元件65在其頂端的外表面處暴露給允許廢氣進(jìn)入的氣體室610，傳感元件65在其內(nèi)表面處暴露給允許大氣進(jìn)入的空氣室620。陶瓷加熱器9在端子931處暴露給空氣室620。為了避免廢氣泄漏進(jìn)入空氣室620，密封材料631安置在傳感元件65和殼體68之間來(lái)確保它們之間的氣密性密封。
然而，近年來(lái)，為了適應(yīng)變嚴(yán)格的廢氣控制法律要求，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的溫度被提高，因而導(dǎo)致了陶瓷加熱器9的密封材料631上熱負(fù)載的增加，這使得殼體68和傳感元件65之間氣密性程度降低。這造成了廢氣泄漏進(jìn)入空氣室620以至包含在廢氣中諸如氧化氮的導(dǎo)致腐蝕物質(zhì)到達(dá)陶瓷加熱器9的端子931。另外，包含在廢氣中的濕氣可附著至陶瓷加熱器9或在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)冷凝，因而導(dǎo)致了端子931和引線941的結(jié)合部913的腐蝕，并且在最差的情況下中斷它們之間的連接。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的是避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出一種陶瓷加熱器的密封結(jié)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成用來(lái)改進(jìn)陶瓷加熱器的耐久性。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，提出了一種陶瓷加熱器，其被用來(lái)將氣體傳感器的傳感元件加熱升高至預(yù)定的激活溫度。陶瓷加熱器包括(a)陶瓷本體；(b)形成在所述陶瓷本體上的一對(duì)電導(dǎo)體，每個(gè)所述導(dǎo)體裝有一個(gè)端子；(c)與所述導(dǎo)體的端子結(jié)合的引線，其被用來(lái)將電能供應(yīng)至所述導(dǎo)體；和(d)密封部，其密封地覆蓋了所述引線和所述導(dǎo)體的端子之間的結(jié)合部。密封部的使用避免了引線和端子的結(jié)合部與包含在氣體傳感器所測(cè)量氣體中的致腐蝕物質(zhì)或濕氣的直接接觸，還避免了電解質(zhì)的形成，該電解質(zhì)產(chǎn)生自生產(chǎn)陶瓷加熱器期間致腐蝕物質(zhì)粘附至結(jié)合部。這避免了結(jié)合部的腐蝕并且，在最壞情況下，引線從端子的物理性脫離。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中，密封覆蓋了導(dǎo)體的端子的整體以改進(jìn)避免結(jié)合部的腐蝕。
在氣體傳感器的操作溫度高或使用在高溫環(huán)境的情況中，為了抵抗高溫，密封部可由玻璃制成。玻璃可被結(jié)晶化或被非結(jié)晶化。在氣體傳感器的操作溫度較低情況下，密封部可選地由樹(shù)脂制成。
為了在使用陶瓷加熱器期間減小加熱器本體和密封部之間熱膨脹的差異以避免密封部?jī)?nèi)的裂縫，密封部的熱膨脹系數(shù)位于加熱器本體的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選±15×10-7/℃、并且更優(yōu)選±10×10-7/℃的范圍內(nèi)。
例如，當(dāng)加熱器本體由氧化鋁(Al2O3)制成并且具有60×10-7/℃熱膨脹系數(shù)時(shí)，密封部?jī)?yōu)選地具有45-75×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)并且更加優(yōu)選地50-70×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)。可選地，當(dāng)加熱器本體由氮化硅(Si3N4)制成并且具有25×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)時(shí)，密封部?jī)?yōu)選地具有10-40×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)并且更加優(yōu)選地為15-35×10-7/℃。
密封部可具有400℃或以上的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并且具有900℃或以下的熔接溫度，因而確保了密封部的耐久性并確保了端子和引線的結(jié)合部的氣密性和液密性密封部而無(wú)任何負(fù)面影響。特別地，氣體傳感器的最大操作溫度為大約400℃。因此，只要密封部的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為400℃或以上，則在使用氣體傳感器期間將保持密封部為固體狀態(tài)。當(dāng)密封部的熔接溫度超過(guò)900℃時(shí)，可造成端子和引線之間的結(jié)合部熔化，并且還導(dǎo)致端子和加熱器本體之間結(jié)合強(qiáng)度的降低。
密封部的熱膨脹系數(shù)位于引線的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選±15×10-7/℃、并且更優(yōu)選±10×10-7/℃的范圍內(nèi)，因而減小在使用陶瓷加熱器期間引線和密封部之間熱膨脹的差異以避免密封部?jī)?nèi)的裂縫。
引線可由42合金和科瓦合金之一制成。在這種情況下，可以使引線的熱膨脹系數(shù)接近于密封部的熱膨脹系數(shù)，這樣做是為了在使用加熱器期間減小引線和密封部之間熱膨脹的差異以使密封部與引線界面上的裂縫最小化。
陶瓷加熱器可以還包括將所述密封部保持在其內(nèi)的保持器，以將所述密封部的外形保持在預(yù)定的形狀下。所述保持器可由氧化鋁或多鋁紅柱石制成。


通過(guò)以下所給出的詳細(xì)說(shuō)明以及本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的附圖，將更加全面理解本發(fā)明；然而，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式并不將本發(fā)明局限于此，而僅僅是出于解釋和理解的目的。
在各附圖中圖1是說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的陶瓷加熱器的俯視圖；圖2是沿圖1中的線A-A的局部橫剖視圖，其說(shuō)明了圖1陶瓷加熱器中的引線和端子之間結(jié)合部的密封結(jié)構(gòu)；圖3是沿圖2中的線B-B的局部縱向剖視圖，其說(shuō)明了圖1陶瓷加熱器中的引線和端子之間結(jié)合部的密封結(jié)構(gòu)；圖4是縱向剖視圖，其說(shuō)明了裝備有圖1至3傳感元件的氣體傳感器；圖5是局部橫剖視圖，其說(shuō)明了據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例陶瓷加熱器中的引線和端子之間結(jié)合部的密封結(jié)構(gòu)；圖6是局部縱向剖視圖，其說(shuō)明了第二實(shí)施例陶瓷加熱器中的引線和端子之間結(jié)合部的密封結(jié)構(gòu)；
圖7是縱向剖視圖，其說(shuō)明了裝備有傳統(tǒng)陶瓷加熱器的氣體傳感器；圖8是俯視圖，其說(shuō)明了設(shè)置在圖7氣體傳感器內(nèi)的陶瓷加熱器；并且圖9是局部橫剖視圖，其說(shuō)明了圖8加熱器的端子和引線之間的結(jié)合部。
具體實(shí)施例方式
參看附圖，其中在幾個(gè)圖中類(lèi)似的部分用類(lèi)似的附圖標(biāo)記指示，尤其參看圖1、2和3，它們示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的陶瓷加熱器1，其被設(shè)置在如圖4所示的氣體傳感器內(nèi)，該氣體傳感器被設(shè)計(jì)成用來(lái)測(cè)量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中特定成分的濃度。
陶瓷加熱器1基本上由桿形的陶瓷加熱器本體2和裝備有端子31的一對(duì)加熱器導(dǎo)體3組成，所述端子31被安裝至加熱器本體2的一個(gè)端部。為了將電能供應(yīng)至加熱器導(dǎo)體3，引線41經(jīng)過(guò)結(jié)合部13被連接至端子31。結(jié)合部13由玻璃密封部5所覆蓋。
如圖1至3所示，玻璃密封部5覆蓋著端子31的整體。玻璃密封部5的熱膨脹系數(shù)位于加熱器本體2的熱膨脹系數(shù)±15×10-7/℃、優(yōu)選±10×10-7/℃的范圍內(nèi)。例如，當(dāng)加熱器本體2由氧化鋁(Al2O3)制成并且具有60×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)時(shí)，玻璃密封部5優(yōu)選地具有45-75×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)，并且更加優(yōu)選地為50-70×10-7/℃。可選地，當(dāng)加熱器本體2由氮化硅(Si3N4)制成并且具有25×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)時(shí)，玻璃密封部5優(yōu)選地具有10-40×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)，并且更加優(yōu)選地為15-35×10-7/℃。
玻璃密封部5具有400℃或以上的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，并且具有900℃或以下的熔接溫度。
正如圖2所清楚示出，每一個(gè)引線41通過(guò)釬焊金屬11被焊接至端子31中的一個(gè)。引線41可按其他任何焊接方式被焊接至端子31。玻璃密封部5同樣覆蓋了釬焊金屬11的整體，因而密封了釬焊金屬11和引線41之間的結(jié)合界面以及釬焊金屬11和端子31之間的結(jié)合界面。
加熱器本體2為大致圓柱形并且由陶瓷芯桿21和繞陶瓷芯桿21的外周纏繞的陶瓷片狀體22組成。如圖2和3所示，陶瓷片狀體22具有形成在其內(nèi)的加熱器導(dǎo)體3，每個(gè)加熱器導(dǎo)體3包括加熱元件34、所述端子31、內(nèi)引線32和導(dǎo)體通孔33。內(nèi)引線32經(jīng)過(guò)導(dǎo)體通孔33電連接至端子31還有加熱元件34。加熱元件34和內(nèi)引線32形成在陶瓷片狀體22的內(nèi)表面上，而端子31形成在陶瓷片狀體22的外表面上。
在加熱器本體2的端部12處，各端子31在圓周上徑向相對(duì)放置。如以上所說(shuō)明，引線41通過(guò)釬焊金屬11分別與端子31結(jié)合。玻璃密封部5繞端部12的整個(gè)圓周而形成以密封地包圍端子31和引線41間的結(jié)合部13。
通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃密封部5對(duì)于結(jié)合部13的密封，即將玻璃膏涂布在接合部13上或?qū)㈩A(yù)焙玻璃放在一模具內(nèi)，然后利用隧道式烘爐或分層式烘爐在例如750℃下將其焊接至結(jié)合部13?？蛇x地，密封由以下步驟實(shí)現(xiàn)，即將陶瓷加熱器1的端部12安放于形成在模具內(nèi)的結(jié)合部13之上、引導(dǎo)密封材料進(jìn)入模具內(nèi)、冷卻模具以凝固密封材料、并且從模具移出端部12。
如以上所說(shuō)明，陶瓷加熱器1可設(shè)置在如圖4所示的氣體傳感器內(nèi)。
圖4的氣體傳感器6包括空心圓柱形殼體68、杯形氣體傳感元件65、保護(hù)蓋組件61和空氣蓋62。氣體傳感元件65保持在殼體68內(nèi)側(cè)。保護(hù)蓋組件61被結(jié)合至殼體68的頂端?？諝馍w62與保護(hù)蓋組件61對(duì)齊被焊接至殼體68的基端。
保護(hù)蓋組件61具有限定在其內(nèi)的氣體室610，如來(lái)自汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的氣體被導(dǎo)入該氣體室內(nèi)。氣體傳感元件65被暴露給氣體室610并且其運(yùn)轉(zhuǎn)以產(chǎn)生隨包含在該氣體內(nèi)氧氣的濃度而變化的信號(hào)?？諝馍w62具有限定在其內(nèi)的空氣室620，大氣被導(dǎo)入該空氣室。空氣室620通向氣體傳感元件65內(nèi)側(cè)。
在殼體68的內(nèi)壁和氣體傳感元件65的外壁之間安置粉末密封部631和絕緣體632以形成與外界隔絕的密封。環(huán)形墊圈634安置在絕緣體632的末端。殼體68的環(huán)形端部向內(nèi)卷曲以推壓環(huán)形墊圈634使其與絕緣體632恒定鄰接，從而提高殼體68和氣體傳感元件65之間的密封程度。
氣體傳感元件65包括具有底部的空心圓柱固體電解質(zhì)本體69和附加于固體電解質(zhì)本體69的內(nèi)和外表面上的內(nèi)和外電極(未示出)。陶瓷加熱器1安置在固體電解質(zhì)本體69內(nèi)側(cè)。
端子671和672附加在氣體傳感元件65上并且電導(dǎo)通至內(nèi)和外電極。端子671和672還被結(jié)合至外電極603和604。
陶瓷加熱器1的各引線41被分別連接至各外引線601(為了簡(jiǎn)化表示僅僅示出了一個(gè))。
如以上所說(shuō)明，陶瓷加熱器1在端子31和引線41間的結(jié)合部13被玻璃密封部5密封地覆蓋；因而避免了結(jié)合部13與濕氣和包含在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣內(nèi)的導(dǎo)致結(jié)合部13腐蝕的物質(zhì)直接接觸。
安裝在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣管內(nèi)氣體傳感器6的操作將在以下說(shuō)明。
新鮮空氣通過(guò)斥水過(guò)濾器622進(jìn)入空氣蓋62內(nèi)側(cè)。
發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，氣體傳感器6開(kāi)始測(cè)量包含在來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣內(nèi)的氧氣的濃度。廢氣進(jìn)入保護(hù)蓋組件61。部分廢氣可通過(guò)粉末密封部631和絕緣體632泄漏并且到達(dá)陶瓷加熱器1的端子31和引線41間的結(jié)合部13。然而，結(jié)合部31被玻璃密封部5完全覆蓋，因而避免了其與可導(dǎo)致結(jié)合部13腐蝕的廢氣的直接接觸。
玻璃密封部5還用于避免陶瓷加熱器1的任何缺陷，這些缺陷產(chǎn)生自制造陶瓷加熱器1期間粘附至結(jié)合部13的可引起腐蝕的化學(xué)物質(zhì)。例如，在生產(chǎn)加工期間陶瓷加熱器1通常所經(jīng)歷的電鍍處理中，氯可附著和停留在結(jié)合部13上。如果水與氯混合，則將產(chǎn)生出導(dǎo)致結(jié)合部13腐蝕的電解質(zhì)。在最差的情況下，這造成引線41與端子31的脫離。玻璃密封部5用來(lái)避免此問(wèn)題并且確保陶瓷加熱器1的耐久性。
如以上所說(shuō)明，玻璃密封部5覆蓋端子31的整體，因而進(jìn)一步避免結(jié)合部13的腐蝕以改進(jìn)陶瓷加熱器1的耐久性。
玻璃密封部5的材料具有抵抗高溫的能力，因而確保了在高溫環(huán)境中端子31和引線41的結(jié)合強(qiáng)度。
如以上所說(shuō)明，玻璃密封部5具有位于加熱器本體2的熱膨脹系數(shù)±15×10-7℃的范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)，從而減小了使用陶瓷加熱器1期間加熱器本體2和密封部5之間熱膨脹的差異，以最小化密封部5內(nèi)的裂縫。
玻璃密封部5具有400℃或以上的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并且具有900℃或以下的熔接溫度，因而確保了玻璃密封部5的耐久性并確保了端子31和引線41間的結(jié)合部13的氣密性和液密性密封而無(wú)任何負(fù)面影響。特別地，釬焊金屬11的熔點(diǎn)為大約950-970℃。因而，只要密封部5的熔接溫度為900℃或以下，則在密封部5焊接至加熱器本體2期間釬焊金屬11將不會(huì)被熔化。氣體傳感器6的最大操作溫度為大約400℃。因此，只要密封部5的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為400℃或以上，則在使用氣體傳感器6期間將保持密封部5為固體狀態(tài)。
圖5和6說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的陶瓷加熱器1，其與圖1至3中的陶瓷加熱器的不同之處在于，玻璃密封部5由保持器51所覆蓋以將玻璃密封部5的輪廓保持為預(yù)定的形狀。
特別地，如圖6清楚所示，保持器51為杯形并且安裝在整個(gè)密封部5上。換句話說(shuō)，保持器51被密封部5充滿以密封地覆蓋端子31和引線41間的結(jié)合部13。保持器51可由氧化鋁或多鋁紅柱石制成。其他結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的相同，并且對(duì)于它們的詳細(xì)說(shuō)明在此將被忽略。
下面將說(shuō)明第三實(shí)施例的陶瓷加熱器1。
陶瓷加熱器1具有由42合金或科瓦(kovar)合金制成的引線41。42合金是鎳和鐵的合金并且具有45-65×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)。科瓦合金是鎳、鈷和鐵的合金并且具有45-65×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)。
加熱器本體2由氧化鋁制成。密封部5由玻璃制成。其他結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的相同。
玻璃密封部5的熱膨脹系數(shù)位于引線41的熱膨脹系數(shù)±15×10-7/℃的范圍內(nèi)，并且也可優(yōu)選地該范圍被選擇為±10×10-7/℃，以更加接近于引線41的熱膨脹系數(shù)。特別地，如以上所說(shuō)明，在由氧化鋁制成的加熱器本體2的熱膨脹系數(shù)是60×10-7/℃的情況下，玻璃密封部5優(yōu)選地具有45-75×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)并且更加優(yōu)選地50-70×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)。在這種情況中，通過(guò)用42合金制造引線41，可以使引線41的熱膨脹系數(shù)接近于玻璃密封部5的熱膨脹系數(shù)，這樣做是為了在使用加熱器1期間減小引線41和玻璃密封部5之間熱膨脹系數(shù)的差異，以使密封部5與引線41界面上的裂縫最小化。
在加熱器1被設(shè)置在將在300-350℃低溫操作溫度下使用的氣體傳感器內(nèi)的情況下，端子31和引線41間的結(jié)合部13可選地可由諸如聚酰胺樹(shù)脂等的樹(shù)脂而非玻璃密封部5覆蓋。
密封部5不是必須覆蓋加熱器導(dǎo)體3的端子31的整體，而是可至少覆蓋端子31和引線41間的結(jié)合部13。在第一實(shí)施例中，密封部5可覆蓋至少釬焊金屬11和引線41之間的結(jié)合面111。
盡管本發(fā)明公開(kāi)了幾個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例以便于更好地理解本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是在不脫離本發(fā)明原理的前提下，本發(fā)明可以采取各種不同的方式來(lái)實(shí)施。因而，本發(fā)明應(yīng)該被理解為包括所有可能的實(shí)施例以及對(duì)所示實(shí)施例的修改，這種修改在不脫離權(quán)利要求中限定的本發(fā)明原理的前提下可被實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用在氣體傳感器內(nèi)的陶瓷加熱器，其包括陶瓷本體；形成在所述陶瓷本體上的一對(duì)電導(dǎo)體，每個(gè)所述導(dǎo)體裝有一個(gè)端子；與所述導(dǎo)體的端子結(jié)合的引線，其被用來(lái)將電能供應(yīng)至所述導(dǎo)體；密封部，其密封地覆蓋了所述引線和所述導(dǎo)體的端子之間的結(jié)合部。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述密封部覆蓋了所述導(dǎo)體的所述端子的整體。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述密封部由玻璃制成。
4.如權(quán)利要求3所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述密封部的熱膨脹系數(shù)位于所述加熱器本體的熱膨脹系數(shù)±15×10-7/℃的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述密封部具有400℃或以上的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并且具有900℃或以下的熔接溫度。
6.如權(quán)利要求3所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述密封部的熱膨脹系數(shù)位于所述引線的熱膨脹系數(shù)±15×10-7/℃的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求3所述的陶瓷加熱器，其特征在于，所述引線由42合金和科瓦合金之一制成。
8.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，還包括將所述密封部保持在其內(nèi)的保持器，以將所述密封部的外形保持在預(yù)定的形狀下。
全文摘要
提出了一種陶瓷加熱器，其安裝在氣體傳感器內(nèi)以將傳感元件加熱升高至預(yù)定的激活溫度。該陶瓷加熱器包括一對(duì)形成在陶瓷本體上的電導(dǎo)體。每個(gè)電導(dǎo)體裝有一個(gè)端子。為了將電能供應(yīng)至導(dǎo)體，引線被結(jié)合至所述端子。密封部將引線和端子之間的結(jié)合部密封地覆蓋，因而使其的腐蝕最小化以避免端子和引線之間的脫落。這改進(jìn)了陶瓷加熱器的耐久性。
文檔編號(hào)H05B3/00GK1725906SQ20051008602
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者高村鋼三, 白井誠(chéng), 深谷賢治 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝