DE112010000950T5

DE112010000950T5 - Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, sowie Gassensor

Info

Publication number: DE112010000950T5
Application number: DE112010000950T
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Katou; Masataka Taguchi; Yasuhiro Fujita; Takayoshi Atsumi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: DE112010000950B4; CN102265148A; WO2010100851A1; US20110239739A1; JPWO2010100851A1; JP5170910B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung in der Korrosionsbeständigkeit einer Schweißverbindung zwischen einer Metallhülse und einem Außengehäuse. Als eine Lösung zu diesem Problem sind eine Metallhülse (11) und ein Außenmetallgehäuse (16) über eine Schweißverbindung 100 durch Einstrahlen eines Laserstrahl auf den gesamten Umfang eines umgebördelten Gebiets (90) in einer Umfangsrichtung des Außenmetallgehäuses (16) miteinander laserverschweißt. Dieser Laserschweißvorgang wird an einer Vielzahl von Positionen (zwei Positionen) ausgeführt, welche voneinander in der Richtung einer Achse O versetzt sind, so dass die Schweißverbindung (100) mit einer vorderen Schweißzone (110) und einer hinteren Schweißzone (120) gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, der zur Messung der Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in einem Messgas verwendet wird, sowie auf einen Gassensor.
Hintergrund
Ein Gassensor ist bekannt, der eine Metallhülse, ein in der Metallhülse gehaltenes Sensorelement, wobei ein Messabschnitt desselben einem Messgas ausgesetzt ist, um die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in dem Messgas zu messen, und einem mit einem hinteren Endbereich der Metallhülse verbundenen Außengehäuse beinhaltet. Bei der Herstellung dieses Typs von Gassensor werden die Metallhülse und das Außengehäuse im Allgemeinen durch Laserschweißen miteinander verbunden. Konkreter erfolgt das Verbinden der Metallhülse und des Außengehäuses durch Einfügen des hinteren Endbereich der Metallhülse in einen vorderen Endbereich des Außengehäuses, Umbördeln eines Überlappgebiets zwischen der Metallhülse und dem Außengehäuse zum zeitweiligen Befestigen des Außengehäuses an der Metallhülse, und dann Einstrahlen eines Laserstrahls auf den gesamten Umfang des umgebördelten Gebiets von der Außenseite des Außengehäuses her.
Vorbekannte Dokumente
Patentdokument

Patentdokument 1: offengelegte, japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-239888 .

Zusammenfassung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Da das Außengehäuse an einer Position entfernt von einem vorderen Rand des Außengehäuses umgebördelt wird und ein solches gebördeltes Gebiet einem Laserschweißen unterwarfen wird, um eine Schweißzone an dem umgebödelten Gebiet zu bilden, verbleibt ein schmaler Spalt zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Metallhülse und einer inneren Umfangsfläche des Außengehäuses vom vorderen Rand des Außengehäuses zur Schweißzone. Sofern der Gassensor während seiner Benutzung nass wird, dringt Wasser in den Spalt zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse ein, so dass die Schweißzone in Kontakt mit Wasser für einen langen Zeitraum verbleibt. Während des langandauernden Kontakts von Schweißzone und Wasser schreitet die Korrosion an einer Grenzfläche zwischen der Schweißzone und einer Nichtschweißzone im Hinblick auf die Tatsache voran, dass die Grenzfläche der Schweißzone, die durch das Laserscheißen aufgeschmolzen wurde, relativ anfällig hinsichtlich der Korrosion durch Wasser ist. Dies führt zu einem Versagen des Gassensors aufgrund des Eintritts von Wasser in den Gassensor.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Korrosionsbeständigkeit einer Schweißverbindung zwischen einer Metallhülse und einem Außengehäuse eines Gassensors zu verbessern.
Mittel zur Lösung der Probleme
Anwendungsaspekt 1
Ein Herstellungsverfahren für einen Gassensor, wobei der Gassensor umfasst: ein Gassensorelement, welches sich in axialer Richtung des Gassensors erstreckt und an einem vorderen Endbereich desselben einen Messabschnitt hat, um ein Messgas zu erfassen; eine Metallhülse mit einem zylindrischen Bereich, um einen Außenumfang des Sensorelements zu umgeben, wobei der vordere Endbereich und ein hinterer Endbereich des Sensorelements außerhalb der Metallhülse hin freiliegen; und ein an der Metallhülse befestigtes zylindrisches Außengehäuse, um den hinteren Endbereich des Sensorelements zu umgeben, wobei das Herstellungsverfahren umfasst: einen Außengehäuseplatzierungsschritt zum Platzieren des Außengehäuses an der Metallhülse in solch einer Weise, dass ein vorderer Endbereich des Außengehäuses den zylindrischen Bereich der Metallhülse umgibt; und einen Schweißschritt zum Durchführen eines Laserschweißvorgangs an dem gesamten Umfang eines Überlappgebiets zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse und dadurch Ausbilden einer Schweißzone, welche sich auf beiden Seiten einer Grenze zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse ausdehnt oder über die Grenze erstreckt, wobei in dem Schweißschritt der Laserschweißvorgang mehrfach an Positionen durchgeführt wird, weiche voneinander in axialer Richtung des Gassensors versetzt sind.
Anwendungsaspekt 2
Das Herstellungsverfahren des Gassensors gemäß Anwendungsaspekt 1, wobei der Laserscheißvorgang mehrfach durchgeführt wird, um eine Vielzahl von Schweißzonen in dem Schweißschritt in solch einer Weise zu bilden, dass benachbarte zwei der Schweißzonen innere Schweißregionen haben, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse angeordnet sind und teilweise einander überlappen.
Anwendungsaspekt 3
Das Herstellungsverfahren des Gassensors gemäß Anwendungsaspekt 1 oder 2, wobei der Laserschweißvorgang in dem Schweißschritt mehrfach durch Versetzen der Position des Laserschweißvorgangs von einer vorderen Seite zu einer hinteren Seite des Überlappgebiets durchgeführt wird.
Anwendungsaspekt 4
Das Herstellungsverfahren des Gassensors gemäß einem der Anwendungsaspekte 1 bis 3, wobei der Schweißschritt ausgeführt wird, um eine erste Schweißzone durch einen ersten Laserschweißvorgang zu bilden und um eine zweite Schweißzone durch einen zweiten oder nachfolgenden Laserschweißvorgang in solch einer Weise zu bilden, dass die zweite Schweißzone größer in der Tiefe als die erste Schweißzone ist.
Anwendungsaspekt 5
Ein Gassensor, umfassend: ein Sensorelement, dass sich in einer axialen Richtung des Gassensors erstreckt und an einem vorderen Endbereich desselben einen Messabschnitt hat, um ein Messgas zu erfassen; eine Metallhülse mit einem zylindrischen Bereich, um einen Außenumfang des Sensorelements zu umgeben, wobei der vordere Endbereich und ein hinterer Endbereich des Sensorelements außerhalb der Metallhülse freiliegen; ein an der Metallhülse befestigtes zylindrisches Außengehäuse, um den hinteren Endbereich des Sensorelements zu umgeben; und eine Vielzahl von Schweißzonen, wobei jede auf beiden Seiten einer oder über eine Grenze zwischen einem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse entlang des gesamten Umfangs eines Überlappgebiets zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse gebildet und versetzt in Positionen voneinander in axialer Richtung des Gassensors ist.
Anwendungsaspekt 6
Der Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 5, wobei benachbarte zwei der Schweißzonen teilweise einander in solch einer Weise überlappen, dass, wenn in Querschnitt entlang der Achse gesehen, eine hintere der benachbarten zwei der Schweißzonen teilweise eine vordere der benachbarten zwei der Schweißzonen überdeckt.
Anwendungsaspekt 7
Der Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 6, wobei die hintere der benachbarten zwei der Schweißzonen größer in der Tiefe als die vordere der benachbarten zwei der Schweißzonen ist.
Anwendungsaspekt 8
Der Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 5, wobei benachbarte zwei der Schweißzonen innere Schweißregionen haben, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse angeordnet sind und teilweise einander überlappen.
Anwendungsaspekt 9
Der Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 5, wobei die Schweißzonen eine erste Schweißzone und eine zweite Schweißzone beinhalten, welche die erste Schweißzone teilweise überdeckt und eine Tiefe größer als eine Weite der ersten Schweißzone hat.
Anwendungsaspekt 10
Der Gassensor gemäß einem der Anwendungsaspekte 5 bis 9, wobei sich die Schweißzonen bis zu einem Punkt nicht mehr als eine Hälfte einer Dicke des zylindrischen Bereichs der Metallhülse erstrecken.
Wirkungen der Erfindung
In dem Gassensorherstellungsverfahren nach Anwendungsaspekt 1 wird der Laserschweißvorgang mehrfach an axial voneinander versetzen Positionen auf dem Überlappgebiet zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse ausgeführt. Es ist daher möglich, die gesamte axiale Weite der Schweißverbindung auf beiden Seiten der Grenze zwischen dem vorderen Endbereich dem Außengehäuse und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse (im Nachfolgenden als „Schweißweite” bezeichnet) zu erhöhen, und es ist möglich, das Voranschreiten der Korrosion der Schweißverbindung zu hemmen, und damit den Eintritt von Wasser in den Gassensor zu hemmen.
In dem Gassensorherstellungsverfahren nach Anwendungsaspekt 2 wird der Laserschweißvorgang mehrfach durchgeführt, um eine Vielzahl von Schweißzonen in solch einer Weise zu bilden, dass die inneren Schweißregionen von benachbarten zwei von Schweißzonen teilweise einander überlappen. Es ist möglich, die Schweißfestigkeit von Außengehäuse und Metallhülse durch die Bildung von solch einem Überlapp zwischen den inneren Scheißregionen zu erhöhen.
Wenn der Laserschweißvorgang wiederholt durch Versetzen der Position des Laserschweißvorgangs von der hinteren Seite zur vorderen Seite des Überlappgebiets durchgeführt wird, könnte der vordere Endbereich des Außengehäuses jedes Mal, wenn die Schweißzone durch den Laserschweißvorgang gebildet wird, radial nach außen expandieren. Dies führt zu einer Vergrößerung des Spalts zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse. Da es wahrscheinlicher ist, dass Wasser in solch einen vergrößerten Spalt eindringt, kann sich das Fortschreiten der Korrosion der Schweißzone beschleunigen. Insbesondere könnte die vordere Schweißzone nicht in der gewünschten Form aufgrund der Vergrößerung des Spalts zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse bereitgestellt werden. In dem Gassensorherstellungsverfahren nach Anwendungsaspekt 3 wird der Laserschweißvorgang wiederholt durch Versetzen der Position des Laserschweißvorgangs von der vorderen Seite zur hinteren Seite des Überlappgebiets durchgeführt. Es ist dadurch möglich zu verhindern, dass der Spalt zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse während des Schweißschritts vergrößert wird und, als ein Ergebnis, ist es nicht nur möglich, den Eintritt von Wasser in den Gassensor zu vermeiden, sondern auch die gewünschte Form der Schweißzone zu erlangen.
Der zylindrische Bereich der Metallhülse und der vordere Endbereich des Außengehäuses sind vor dem ersten Laserschweißvorgang noch nicht miteinander verbunden. Dies macht es schwierig, ungeachtet der Absicht, die Schweißzone mit einer großen Tiefe zu bilden, die Schweißzone in solch einer gewünschten Form bereitzustellen. In dem Gassensorherstellungsverfahren gemäß Anwendungsaspekt 4 wird der Laserschweißvorgang wiederholt in solch einer Weise durchgeführt, dass die Tiefe der durch den ersten Laserschweißvorgang gebildeten ersten Zone etwas kleiner als die Zieltiefe wird, und in solch einer Weise, dass die Tiefe der durch den zweiten oder nachfolgenden Laserschweißvorgang gebildeten zweiten Schweißzone größer als die Tiefe der ersten Schweißzone wird. Da der zylindrische Bereich der Metallhülse und der vordere Endbereich des Außengehäuses zum Zeitpunkt der Bildung der zweiten Schweißzone durch den zweiten oder nachfolgenden Schweißvorgang über die erste Schweißzone miteinander verbunden sind, ist es möglich, die gewünschte große Tiefenform der zweiten Schweißzone zu erlangen.
In dem Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 5 wird eine Vielzahl von Schweißzonen an axial voneinander versetzten Positionen auf dem Überlappgebiet zwischen dem Außengehäuse und der Metallhülse gebildet. Es ist daher möglich, die Schweißweite zu erhöhen, und es ist möglich, das Voranschreiten der Korrosion der Schweißzonen zu hemmen, und damit den Eintritt von Wasser in den Gassensor zu hemmen.
In dem Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 6 werden zwei benachbarte Schweißzonen in solch einer Weise gebildet, dass die hintere der zwei benachbarten Schweißzonen teilweise die vordere der zwei benachbarten Schweißzonen überdeckt. Mit anderen Worten wird der Laserschweißvorgang wiederholt durch Versetzen der Position des Laserschweißens von der vorderen Seite zur hinteren Seite des Überlappgebiets durchgeführt. Es ist daher möglich zu verhindern, dass der Spalt zwischen Außengehäuse und der Metallhülse während des Schweißschritts vergrößert wird, und, als ein Ergebnis, ist es möglich, nicht nur den Eintritt von Wasser in den Gassensor zu vermeiden, sondern auch die gewünschte Form der Schweißzone zu erlangen. Hierbei bedeutet der Ausdruck „die hintere Schweißzone überdeckt teilweise die vordere Schweißzone”, dass, wenn der Gassensor (Schweißzonen) im Querschnitt entlang der Achse gesehen wird, eine Grenze der hinteren Schweißzone visuell erkannt werden kann, aber eine Grenze der vorderen Schweißzone in dem Überlapp zwischen den vorderen und hinteren Schweißzonen visuell nicht erkannt werden kann.
In dem Gassensor von Anwendungsaspekt 7 wird die hintere Schweißzone in der Tiefe größer ausgeführt als die vordere Schweißzone. Es ist möglich, die gewünschte Form der vorderen Schweißzone durch Setzen der Tiefe der vorderen Schweißzone etwas kleiner als die Zieltiefe zu erlangen. Es ist ebenfalls möglich, die gewünschte Form der hinteren Schweißzone durch Setzen der Tiefe der hinteren Schweißzone größer als die Tiefe der vorderen Schweißzone zu erlangen.
In dem Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 8 werden die Schweißzonen durch Wiederholen des Laserschweißvorgangs in solch einer Weise gebildet, dass die inneren Schweißregionen der zwei benachbarten Schweißzonen teilweise einander überlappen. Es ist dadurch möglich, die Schweißfestigkeit von Außengehäuse und Metallhülse zu erhöhen.
In dem Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 9 ist es möglich, die gewünschte Form der ersten Schweißzone durch Setzen der Tiefe der ersten Schweißzone etwas kleiner als die Zieltiefe zu erlangen, auch wenn die erste Schweißzone in einem Zustand gebildet wird, in dem die Metallhülse und das Außengehäuse noch nicht miteinander verbunden sind. Es ist ebenfalls möglich, die gewünschte Form der zweiten Schweißzone durch Setzen der Tiefe der zweiten Schweißzone größer als die Tiefe der ersten Schweißzone zu erlangen. Hierbei bedeutet der Ausdruck „die zweite Schweißzone überdeckt teilweise die erste Schweißzone”, dass, wenn der Gassensor (Schweißzonen) im Querschnitt entlang der Achse gesehen wird, eine Grenze der zweiten Schweißzone visuell erkannt werden kann, aber dass eine Grenze der ersten Schweißzone in dem Überlapp zwischen der ersten und zweiten Schweißzone visuell nicht erkannt werden kann.
In dem Gassensor gemäß Anwendungsaspekt 10 erstrecken sich die Schweißzonen bis zu einem Punkt nicht mehr als die Hälfte der Dicke des zylindrischen Bereichs der Metallhülse. In diesem Fall ist es möglich, die Schweißfestigkeit des Außengehäuses und der Metallhülse zu erhöhen, da die Bestandteile des Außengehäuses und der Metallhülse aufgeschmolzen und sicher miteinander gemischt werden können. Sofern die Schweißzonen die Hälfte der Dicke des zylindrischen Bereichs der Metallhülse übersteigen, kann die Schweißfestigkeit von Außengehäuse und der Metallhülse möglicherweise durch Verschlechterung der Balance des Mischungsverhältnisses der Bestandteile von Außengehäuse und Metallhülse abnehmen.
In der vorliegenden Erfindung können die obigen verschiedenen Aspekte geeignet modifiziert, kombiniert oder teilweise gemäß den Anwendungen weggelassen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche die detaillierte Gestaltung einer Schweißverbindung 100 zwischen einer Metallhülse 11 und einem Außenmetallgehäuse 16 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm von Prozessschritten zur Herstellung des Gassensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Ansicht, welche einen Schweißschritt während der Herstellung des Gassensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine schematische Schnittansicht, welche die detaillierte Gestaltung einer Schweißverbindung 100a zwischen einer Metallhülse 11 und einem Außenmetallgehäuse 16 gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine schematische Schnittansicht, welche die detaillierte Gestaltung einer Schweißzone 110b zwischen einer Metallhülse 11 und einem Außenmetallgehäuse 16 gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die besten Arten zur Ausübung der Erfindung
A. Erstes Ausführungsbeispiel
A1. Gassensoraufbau
1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher als Sauerstoffsensor ausgeführt ist, um Sauerstoff im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine zu erfassen. Im Allgemeinen umfasst der Gassensor 10 ein Sauerstoffsensorelement 20, eine Metallhülse 11, ein Außenmetallgehäuse 16, ein inneres Anschlussglied 30, ein äußeres Anschlussglied 40 und einen keramischen Heizer 50.
In 1 ist eine Achse O des Gassensors 10 angedeutet. Hierbei beziehen sich die Begriffe ”vorder” und ”hinter” auf Seiten eines strukturellen Elements näher an einem Festelektrolyt-Körper 21 beziehungsweise einer Durchführungsdichtung 17 bezüglich einer Richtung der Achse O (d. h. obere und untere Seiten von 1); und der Begriff ”longitudinale Richtung FD” bezieht sich auf eine Richtung parallel zur Richtung der Achse O (d. h. eine vertikale Richtung von 1).
Das Sauerstoffsensorelement 20 ist in eine mit Boden versehene zylindrische Gestalt entlang der Richtung der Achse O (der vertikalen Richtung in 1) ausgebildet. Ein vorderes Ende 20s des Sauerstoffsensorelements 20 (die untere Seite von 1) ist geschlossen, wohingegen ein hinteres Ende 20k des Sauerstoffsensorelements 20 (die obere Seite von 1) offen ist. Das Sauerstoffsensorelement 20 beinhaltet einen Festelektrolyt-Körper 21 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine Außenelektrode 60, die beispielweise durch Beschichtung auf einem Teil einer äußeren Umfangsfläche des Festelektrolyt-Körpers 21 gebildet ist, und eine Innenelektrode 70, die beispielsweise durch Beschichten auf einem Teil einer inneren Umfangsfläche des Festelektrolyt-Körpers 21 gebildet ist. Ein Messabschnitt 22 ist an dem Sauerstoffsensorelement 20 an einer Position in der Nähe zum vorderen Endes 20s bereitgestellt. Weiterhin ist ein Eingriffsflanschbereich 20f an einem Außenumfang des Sauerstoffsensorelements 20 etwa um eine Mittenposition herum in der Richtung der Achse O zum Eingriff mit der Metallhülse 11, wie nachfolgend erläutert, bereitgestellt.
Die Metallhülse 11 ist so in eine zylindrische Gestalt geformt, um einen Teil des Außenumfangs des Sauerstoffsensorelements 20 zu umgeben. Ein Isolator 13 wird in einem Durchgangsloch 58 der Metallhülse mittels einer Metalldichtung (nicht in der Zeichnung gezeigt) gehalten, so dass der Eingriffsflanschbereich 20f in Eingriff mit dem Isolator 13 über die Metalldichtung ist. Talk 14, eine Buchse 13b und eine Metalldichtung 83 sind ebenfalls in dem Durchgangsloch 58 der Metallhülse so an einem hinteren Ende des Isolators angeordnet, um, durch Umbördelung eines hinteren Endes der Metallhülse 11, das Sauerstoffsensorelement 20 in der Metallhülse 11 hermetisch abgedichtet zu halten.
Eine Schutzeinrichtung 15 ist an einem vorderen Endteil der Metallhülse angebracht, um dadurch den Messabschnitt 22 des Sauerstoffsensorelements 20, welches aus dem vorderen offenen Ende der Metallhülse 11 hinausragt, zu umgeben und zu schützen. In dem ersten Ausführungsbeispiel hat die Schutzeinrichtung 15 eine mit einem äußeren Schutzelement 15a und einem inneren Schutzelement 15b ausgebildete Doppelstruktur. Eine Vielzahl von Gasdurchlassöffnungen sind in das innere und äußere Schutzelement 15a und 15b zum Durchlass von Abgas eingebracht. Das Abgas wird somit zur Außenelektrode 60 des Sauerstoffsensorelements 20 durch die Gasdurchlassöffnungen der Schutzeinrichtung 15 geführt.
Die Metallhülse hat, an einer äußeren Umfangsfläche derselben, einen hexagonalen Bereich 11a und einen Gewindebereich 11c, der an einer vorderen Seite des hexagonalen Bereichs 11a angeordnet ist. Die Metallhülse 11 hat ebenfalls einen zylindrischen Bereich 11b, der an einer hinteren Seite des hexagonalen Bereichs 11a angeordnet und mit einem zylindrischen vorderen Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 durch Einfügen des zylindrischen Bereichs 11b der Metallhülse 11 in den vorderen Endbereich 160 des Außenmetallgehäuses 16 und Durchführen von Laserschweißen an diesen Bereichen 16a und 11b von außerhalb des Außenmetallgehäuses 16 verbunden ist. Durch einen solchen Laserschweißprozess wird eine Schweißverbindung 100 zwischen der Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 gebildet. Die detaillierte Gestaltung der Schweißverbindung 100 zwischen der Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 wird später im Detail erläutert. Das Außenmetallgehäuse 16 ist in eine zylindrische Gestalt aus rostfreiem Stahl wie SUS304 gebildet und an einem hinteren Endteil der Metallhülse 11 angebracht, um damit den hinteren Endbereich des Sauerstoffsensorelements 20, welches aus dem hinteren offenen Ende der Metallhülse herausragt, zu umgeben und zu schützen, und damit ebenfalls ein Trennelement 18 zu umgeben. Eine Durchführungsdichtung 17 aus Fluorgummi ist an einer Öffnung eines hinteren Endes des Außenmetallgehäuses 16 durch Umbördeln des hinteren Endes des Außenmetallgehäuses 16 befestigt, um damit die Öffnung des hinteren Endes des Außenmetallgehäuses 16 zu verschließen. Das Trennelement 18 ist aus einem isolierenden Aluminiumoxidkeramikmaterial gebildet und in dem Außenmetallgehäuse 16 an einer vorderen Seite der Durchführungsdichtung 17 angeordnet. Weiterhin sind Sensorausgangsadern 19 und 19b und Heizeradern 12b und 12c durch die Durchführungsdichtung 17 und das Trennelement 18 hindurchgeführt. Ein Durchgangsloch ist in der Mitte der Durchführungsdichtung 17 entlang der Richtung der Achse O ausgebildet; und ein Metallkanal 86 ist in das Durchgangsloch der Durchführungsdichtung 17 eingepasst und mit einem wasserabweisenden, luftdurchlässigen folienartigen Filter 85 bedeckt. In dieser Anordnung wird das Gas außerhalb des Gassensors in das Außenmetallgehäuse 16 durch den Filter 85 eingeleitet und dann in einen Innenraum G des Sauerstoffelements 20 eingeleitet.
Das äußere Anschlussglied 40 aus einer Platte oder Blech aus nicht rostendem Stahl gebildet und mit einem äußeren Passbereich 41, einem Trennelementeinfügebereich 42 und einem Verbinderbereich 43 versehen. Der Trennelementeinfügebereich 42 ist in das Trennelement 18 eingesetzt. Ein Trennelementkontaktabschnitt 42d zweigt ab und ragt aus dem Trennelementeinfügebereich 42 hervor, so dass das äußere Anschlussglied 40 in dem Trennelement 18 durch elastischen Kontakt des Trennelementkontaktabschnitts 42d mit einer inneren Wand des Trennelements 18 gehalten wird.
Der Verbinderbereich 43 ist an einem hinteren Bereich des Trennelementeinfügebereichs 42 angeordnet, um so einen Kerndraht der Sensorausgangsader 19b durch Umbördeln zu halten und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem äußeren Anschlussglied 40 und der Sensorausgangsader 19B herzustellen.
Der äußere Passbereich 41 ist an einer vorderen Seite des Trennelementeinfügebereichs 42 angeordnet, um so einen Außenumfang des hinteren Endbereichs des Sauerstoffelements 20 zu halten und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem äußeren Anschlussglied 40 und der Außenelektrode 60 des Sauerstoffelements 20 herzustellen. Eine an der Außenelektrode 60 erzeugte elektromotorische Kraft wird vom Gassensor 10 nach außen durch das äußere Anschlussglied 40 und die Sensorausgangsader 19b ausgegeben.
Das innere Anschlussglied 30 ist aus einer Platte oder Blech aus nicht rostendem Stahl geformt und mit einem Einfügebereich 33, einem Trennelementeinfügebereich 32 und einem Verbinderbereich 31 versehen. Der Trennelementeinfügebereich 32 ist in das Trennelement 18 eingesetzt. Ein Trennelementkontaktabschnitt 32d zweigt ab und ragt vom Trennelementeinfügebereich 32 hervor, so dass das innere Anschlussglied 30 in dem Trennelement 18 durch elastischen Kontakt des Trennelementkontaktabschnitts 32d mit der inneren Wand des Trennelements 18 gehalten wird.
Der Verbinderbereich 31 ist an einem hinteren Ende des Trennelementeinfügebereichs 32 angeordnet, um so einen Kerndraht der Sensorausgangsader 19 durch Krimpen zu halten und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem inneren Anschlussglied 30 und der Sensorausgangsader 19 herzustellen.
Der Einfügebereich 33 ist an einer vorderen Seite des Trennelementeinfügebereichs 32 angeordnet. Der Einfügebereich 33 ist in das Sauerstoffsensorelement 20 eingesetzt und, durch seine elastische Kraft, am Innenumfang des Sauerstoffsensorelements in Kontakt mit und gegen die Innenelektrode 70 gepresst, um so eine elektrische Leitung zwischen dem inneren Anschlussglied 30 und der Innenelektrode 70 des Sauerstoffelements 20 aufrechtzuerhalten. Eine an der Innelektrode 70 erzeugte elektromotorische Kraft wird vom Gassensor 10 nach außen durch das innere Anschlussglied 30 und die Sensorausgangsader 19 ausgegeben.
Ein Heizerpressabschnitt 36 ist an einem vorderen Ende des Einfügebereichs 33 vorgesehen, um so eine laterale Oberfläche des keramischen Heizers 50 gegen den Innenumfang des Sauerstoffelements 20 zu pressen.
Der keramische Halter ist in dem Innenraum G des Sauerstoffsensorelements 20 angeordnet und durch das innere Anschlussglied 30 gehalten, um so seine Lage beizubehalten. Da Verbindungsanschlüsse des keramischen Heizers 50 mit den Heizeradern 12b und 12c verbunden sind, erzeugt und liefert der keramische Heizer 50 Wärme zur inneren Umfangsfläche des Festelektrolyt-Körpers 21 bei Energielieferung durch die Heizeradern 12b und 12c. Der Gassensor 10 des ersten Ausführungsbeispiels ist wie oben dargelegt strukturiert.
A2. Detaillierte Gestaltung der Schweißverbindung 100
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche die detaillierte Gestaltung der Schweißverbindung 100 zwischen der Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, wobei 2(a) die Gesamtgestaltung der Schweißverbindung 100 zeigt; und 2(b) schematisch eine vordere Schweißzone 110 und eine hintere Schweißzone 120 der Schweißverbindung 100 zeigt. Die Querschnittsdarstellung von 2(a) ist eine vergrößerte Darstellung eines umkreisten Gebiets X von 1. Wie in 2(a) gezeigt, ist die Metallhülse 11 in das Außenmetallgehäuse 16 eingesetzt, um ein Überlappgebiet 80 zu definieren, in dem eine äußere Umfangsfläche 11e des zylindrischen Bereichs 11b der Metallhülse 11 einer inneren Umfangsfläche 16d des vorderen Endbereichs 16a des Außenmetallgehäuses 16 zugewandt ist. Das Überlappgebiet 80 ist durchgehend an seinem gesamten Umfang von außen umgebördelt. Das resultierende ringförmige umgebördelte Gebiet wird nachfolgend als umgebördeltes Gebiet 90 bezeichnet. Dann werden die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 miteinander über die Schweißverbindung 100 durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf den gesamten Umfang des umgebördelten Gebiets 90 in einer Umfangsrichtung des Außenmetallgehäuses 16 laserverschweißt. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Laserschweißvorgang an einer Vielzahl von Positionen (zwei Positionen in dem ersten Ausführungsbeispiel) durchgeführt, welche voneinander in Richtung der Achse O versetzt sind, so dass die Schweißverbindung 100 mit einer vorderen Schweißzone 110 und einer hinteren Schweißzone 120, wie in 2(a) gezeigt, gebildet wird.
Wie in 2(b) gezeigt, hat die vordere Schweißzone 110 eine äußere Schweißzone 111, die in dem vorderen Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 gebildet und angeordnet ist, und eine innere Schweißregion 112, die in dem zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse 11 gebildet und angeordnet ist. In ähnlicher Weise hat die hintere Schweißzone 120 eine äußere Schweißregion 121, die in dem vorderen Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 gebildet und angeordnet ist, und eine innere Schweißregion 122, die in dem zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse 11 gebildet und angeordnet ist. Die Scheißverbindung wird durch wiederholtes Durchführen des Laserschweißvorgangs in solch einer Weise gebildet, dass die inneren Schweißregionen 112 und 122 der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 teilweise einander überlappen, wie in 2(a) gezeigt. Der Laserschweißvorgang kann durch Bestrahlen mit einem beispielsweise bekannten YAG-Laser durchgeführt werden. Die Bestrahlung durch den Laserstrahl verursacht ein Schmelzen eines Teils vom vorderen Endbereich 16a bis zum zylindrischen Bereich 11b und gestattet ein Verbinden des Überlappgebiets 80 (der vordere Endbereich 16a und der zylindrische Bereich 11b) durch die Bildung der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120, die sich auf beiden Seiten einer Grenze zwischen dem vorderen Endbereich 16A und dem zylindrischen Bereich 11B ausdehnt oder über die Grenze erstreckt.
Wenn der vordere Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 auf den zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse umgebördelt wird, kann ein Spalt 300 zwischen einem vorderen Rand 16f des Außenmetallgehäuses 16 und dem zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse 11 verbleiben. Sofern der Gassensor während seiner Verwendung nass wird, dringt Wasser in den Spalt 300 aufgrund seiner Kapillarwirkung ein. Da es unwahrscheinlich ist, dass sich das Wasser aus solch einem geschlossenen Spalt 300 verflüchtigt, könnten die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 für einen langen Zeitraum in Kontakt mit dem Restwasser im Spalt 300 verbleiben. Die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120, welche durch den Laserschweißvorgang aufgeschmolzen wurden, sind relativ anfällig hinsichtlich einer Korrosion durch Wasser. Dadurch schreitet die Korrosion an Grenzflächen zwischen den vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 und Nicht-Schweißzonen während des langanhaltenden Kontakts von Wasser mit diesen Schweißzonen 110 und 120 voran. Dies führt zu einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit zwischen der Metallhülse 110 und dem Außenmetallgehäuse 16. Insbesondere wenn der Gassensor 10 zur Benutzung an einem Fahrzeug befestigt ist, könnte sich Kalziumchlorid (CaCl₂) eines Straßenschneebeseitungsmittels in das Restwasser innerhalb des Spalts 300 einmischen, so dass das resultierende Salzwasser die Korrosion der Schweißzonen verstärkt.
Da die Korrosion am Spalt 300 beginnt und von der unteren Seite zur oberen Seite der Zeichnung entlang der Richtung der Achse O voranschreitet, ist es durch Vergrößern der Schweißweite d möglich zu verhindern, dass sich die Schweißfestigkeit von Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 aufgrund solch einer Korrosion verschlechtert. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff ”Schweißweite d” auf eine Weite der Schweißverbindung in der Richtung der Achse O an der Grenze zwischen dem Außenmetallgehäuse 16 und der Metallhülse 11 (d. h. an der Kontaktfläche zwischen der äußeren Umfangsfläche 11e der Metallhülse 11 und der inneren Umfangsfläche 16d des Außenmetallgehäuses 16). Der Laserschweißvorgang wird zweimal an Positionen durchgeführt, welche voneinander in der Richtung der Achse O versetzt sind, dass heißt in der Richtung des Voranschreitens der Korrosion, um so zwei benachbarte Schweißzonen (vordere und hintere Schweißzonen 110 und 120) in dem ersten Ausführungsbeispiel zu bilden, wodurch die Schweißweite d weiter ausgeführt werden kann als eine durch einen Laserschweißvorgang gebildete.
Wie oben dargelegt, hat die Schweißverbindung 100 vordere und hintere Schweißzonen 110 und 120, die an axial voneinander auf dem Überlappgebiet 80 zwischen dem vorderen Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 und dem zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse 11 versetzten Positionen geformt sind. Es ist daher möglich, die Schweißweite d zu vergrößern, dass heißt die gesamte Weite der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120, und es ist möglich, das Voranschreiten der Korrosion von vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 zu hemmen und damit den Eintritt von Wasser in den Gassensor 10 zu hemmen.
Weiterhin sind die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 in solch einer Weise gebildet, dass die hintere Schweißzone 120 die vordere Schweißzone 110, wie in 2(b) gezeigt, teilweise überdeckt. Dies ist aus der Tatsache ersichtlich, dass: eine Grenze der hinteren Schweißzone visuell erkennbar ist, wie durch eine durchgezogene Linie angedeutet; und eine Grenze der vorderen Schweißzone 110 visuell nicht erkennbar ist, wie durch eine gepunktete Linie in 2(b) angedeutet. Es wird hierbei angemerkt, dass in dem Überlapp zwischen den vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 die Grenze der überdeckten Schweißzone (in dem ersten Ausführungsbeispiel die Grenze der vorderen Schweißzone 110) durch die gepunktete Linie für Illustrationszwecke angedeutet ist.
Wenn die hintere Schweißzone 120 die vordere Schweißzone 110 teilweise überdeckt, wurde der Laserschweißvorgang wiederholt durch Versetzen der Position der Laserbestrahlung von der vorderen Seite zur hinteren Seite des Überlappgebiets 80 durchgeführt. Es ist daher möglich zu verhindern, dass der Spalt 300 zwischen dem Außengehäuse 16 und der Metallhülse 11 während des Laserschweißens vergrößert wird und, als ein Ergebnis, ist es möglich, nicht nur den Eintritt von Wasser in den Gassensor zu vermeiden, sondern auch die gewünschte Form der Schweißzone 110, 120 zu erreichen.
In dem Gassensor des ersten Ausführungsbeispiels überlappen die inneren Schweißregionen 112 und 122 der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 teilweise einander. Es ist möglich, die Schweißfestigkeit von Außenmetallgehäuse 16 und der Metallhülse 11 durch die Bildung eines solchen Überlapps zwischen den inneren Schweißregionen 112 und 122 zu erhöhen.
Darüber hinaus werden die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 durch Anpassen des Laserausgangs während des Laserschweißvorgangs gebildet und dadurch eine Dicke (Schweißtiefe) B1 der vorderen Schweißzonen 110 und eine Dicke (Schweißtiefe) B2 der hinteren Schweißzone 120 in solch einer Weise kontrolliert, dass jede der Dicke B1 und der Dicke B2 zumindest größer als eine Dicke C des Außenmetallgehäuses 16 (zum Beispiel zweimal oder größer als die Dicke des Außenmetallgehäuses 16) ist, und in solch einer Weise, dass sich jede der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 bis zu einem Punkt nicht mehr als etwa die Hälfte einer radialen Dicke A der Metallhülse 11 von der äußeren Umfangsfläche der Metallhülse 11 erstreckt. Es ist möglich, dass Schmelzen und Mischen von Bestandteilen des Außenmetallgehäuses 16 und der Metallhülse 11 sicher zu bewirken und die Schweißfestigkeit von Außenmetallgehäuse 16 und Metallhülse 11 durch Kontrollieren der Dicke von jeder der vorderen und hinteren Schweißzone 110 und 120, wie oben erwähnt, zu erhöhen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Dicke 132 der hinteren Schweißzone 120 ebenfalls größer gesetzt als die Dicke B1 der vorderen Schweißzone 110. Auch wenn die vordere Schweißzone 110 in einem Zustand gebildet wird, in dem die Metallhülse 11 und das Außengehäuse 16 noch nicht miteinander verbunden sind, ist es möglich, die gewünschte Form der vorderen Schweißzone 110 durch Einstellen der Tiefe B1 der vorderen Schweißzone etwas kleiner als die Zieltiefe zu erzielen. Es ist ebenfalls möglich, die gewünschte Form der hinteren Schweißzone 120 durch Einstellen der Tiefe B2 der hinteren Schweißzone 120 größer als die Tiefe B1 der vorderen Schweißzone 110 zu erzielen.
Obwohl der Laserschweißvorgang zweimal in dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, ist die Anzahl der durchgeführten Laserschweißvorgänge nicht auf zwei begrenzt und kann zwei oder mehr sein. Der Laserschweißvorgang kann geeignet mehrere Male abhängig von der Dicke und dem Material von jedem der Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 durchgeführt werden.
A3. Herstellungsverfahren
Ein Gassensorherstellungsverfahren wird nun nachfolgend mit Bezug auf 3 und 4 erläutert. 3 ist ein Flussdiagramm von Prozessschritten zur Herstellung des Gassensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 4 ist eine schematische Ansicht, welche einen Schweißschritt während der Herstellung des Gassensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. Es wird hierbei angemerkt, dass sich die Erklärungen von 3 auf das Verbinden der Metallhülse 11 und des Außenmetallgehäuses 16 des Gassensors 10 konzentrieren; und die ausgelassenen Erklärungen der Prozessschritte der anderen strukturellen Elemente des Gassensors 10 werden weggelassen, da solche Prozessschritte in bekannter Weise ausgeführt werden können.
Die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 werden vorbereitet und mit anderen strukturellen Elementen mittels beliebiger bekannter Prozesse zusammengesetzt. Dieser Zusammensetzungsschritt umfasst das Einbringen des Sauerstoffsensorelements 20 in die Metallhülse 11 und das Einbringen des Trennelements 18 in das Außenmetallgehäuse 16. Zunächst wird die Schutzeinrichtung 15 durch Schweißen mit der Metallhülse 11 verbunden. Das Sauerstoffsensorelement 20 wird in das Durchgangsloch 58 der Metallhülse 11 nach Anordnen des Isolators 13 in der Metallhülse 11 eingesetzt. Nachfolgend werden Talk 14 und die Büchse 13b in das Durchgangsloch 58 der Metallhülse 11 eingesetzt. Die Metallhülse 11 wird umgebördelt, wodurch der Talk 14 in solch einer Weise zusammengepresst wird, dass der Talk 14 einen Zwischenraum zwischen der Metallhülse 11 und dem Sauerstoffsensorelement 20 zum Halten des Sauerstoffsensorelements 20 in der Metallhülse 11 füllt. Die Sensorausgangsadern 19 und 19b werden mit den inneren beziehungsweise äußeren Anschlussgliedern 30 und 40 verbunden und dann durch das Trennelement 18 und die Durchführungsdichtung 17 geführt. Weiterhin werden die Heizeradern 12b und 12c mit dem keramischen Heizer 50 verbunden und durch das Trennelement und die Durchführungsdichtung 17 geführt. Danach werden das Trennelement 18 und die Durchführungsdichtung 17 in das Außenmetallgehäuse 16 eingepasst.
Das Außenmetallgehäuse 16 wird dann in Position an der Metallhülse 11 platziert (Schritt S10) Genauer wird das Außenmetallgehäuse 16 an dem hinteren Endbereich der Metallhülse 11 eingepasst, um so den hinteren Endbereich des Sauerstoffsensorelements 20 in dem Außenmetallgehäuse 16 aufzunehmen und den keramischen Heizer 50 in dem Innenraum G des Sauerstoffsensorelements 20 anzuordnen. Dadurch wird das Außenmetallgehäuse 16 in solch einer Weise angeordnet, dass die innere Umfangsfläche 16d des vorderen Endbereichs 16a des Außenmetallgehäuses 16 der äußeren Umfangsfläche 11e des zylindrischen Abschnitts 11b der Metallhülse 11 zugewandt ist (siehe 2).
Der vordere Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 wird dann durchgehend an seinem Umfang umgebördelt (8-Richtungsrundbördeln) (Schritt S12). In diesem Umbördelungsschritt wird das umgebördelte Gebiet 90 zum zeitweiligen Befestigen von Außenmetallgehäuse 16 und Metallhülse 11 gebildet. Das Trennelement 18 und die Durchführungsdichtung 17 werden weiterhin durch Umbördeln des Außenmetallgehäuses 16 auf das Trennelement 18 und die Durchführungsdichtung 17 fixiert (8-Richtungsrundbördeln).
Die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 werden durch Laserschweißen des gesamten Umfangs des umgebördelten Gebiets 90 in der Umfangrichtung des Außenmetallgehäuses 16, wie mittels eines Pfeils L angedeutet, miteinander verbunden (Schritt S14). In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Laserschweißvorgang zweimal durchgeführt, so dass die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 an Positionen gebildet werden, die voneinander in der Richtung der Achse O versetzt sind.
Der Laserschweißschritt des ersten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die 4 erläutert. 4(a) und 4(b) zeigen die ersten beziehungsweise die zweiten Laserschweißvorgänge. Wie in 4(a) gezeigt, wird der erste Laserschweißvorgang zum Bilden der vorderen Schweißzone 110 in solch einer Weise ausgeführt, dass eine Spitze Q1 der inneren Schweißregion 112 der vorderen Schweißzone 110 horizontal an der gleichen Position wie eine Position P1 der Richtung der Achse O angeordnet ist. Wie in 4(b) gezeigt, wird dann der zweite Laserschweißvorgang durch Verschieben der Position der Laserschweißausrüstung relativ zu dem Gassensor 10 in der Richtung der Achse O ausgeführt, um dadurch die hintere Schweißzone 120 in solch einer Weise zu bilden, dass eine Spitze Q2 der inneren Schweißregion 122 der hinteren Schweißzone 120 horizontal an der gleichen Position wie eine Position P2 der Richtung der Achse O angeordnet ist, welche leicht nach hinten versetzt von der Position P1 in Richtung der Achse O ist. Dabei werden die relative Position der Laserschweißausrüstung und des Gassensorelements 10 in solch einer Weise kontrolliert, dass die durch den ersten Laserschweißvorgang gebildete innere Schweißregion 112 der vorderen Schweißzone 110 und die durch den zweiten Laserschweißvorgang gebildete innere Schweißregion 122 der hinteren Schweißzone 120 teilweise einander überlappen.
Der Laserstrahl wird weiterhin durch die Laserschweißausrüstung aus einer Richtung eingestrahlt, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Achse O ist, so dass das Außenmetallgehäuse 16 und die Metallhülse 11 im Wesentlichen im gleichen Ausmaße aufgeschmolzen werden. In dem obigen Laserschweißschritt werden die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 miteinander durch die Bildung der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 112, welche sich auf beiden Seiten der Grenze zwischen der Metallhülse 11 und des Außenmetallgehäuses 16 erstrecken bzw. über die Grenze ausdehnen, verbunden.
Bei dem Herstellungsverfahren des Gassensors 10 des ersten Ausführungsbeispiels wird der Laserschweißvorgang mehrere Male an Positionen ausgeführt, die voneinander versetzt in der Richtung der Achse O auf dem Überlappgebiet 80 zwischen dem vorderen Endbereich 16a des Außenmetallgehäuses 16 und dem zylindrischen Bereich 11b der Metallhülse 11 versetzt sind, wie oben ausgeführt. Da die so gebildeten vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 eine breitere Schweißweite (siehe 2) sicherstellen können, ist es möglich, das Voranschreiten der Korrosion der Schweißverbindung zu hemmen, und es ist damit möglich, den Eintritt von Wasser in den Gassensor 10 zu hemmen.
Weiterhin wird der Laserschweißvorgang wiederholt in solch einer Weise ausgeführt, dass die inneren Schweißregionen 112 und 122 der vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 teilweise einander überlappen. Es ist möglich, die Schweißfestigkeit von Außenmetallgehäuse 16 und der Metallhülse durch die Bildung von solch einen Überlapp zwischen den inneren Schweißregionen zu erhöhen.
Darüber hinaus wird der Laserschweißvorgang widerholt durch Versetzen der Position des Laserschweißvorgangs von der vorderen Seite zur hinteren Seite des Überlappgebiets 80 in der Richtung der Achse O ausgeführt. Es ist dadurch möglich zu verhindern, das der Spalt 300 zwischen dem Außengehäuse 16 und der Metallhülse 11 während des Schweißschritts vergrößert wird und, als ein Ergebnis, ist es möglich, nicht nur den Eintritt von Wasser in den Gassensor 10 zu vermeiden, sondern auch die gewünschte Form der Schweißzone 110, 120 zu erzielen.
In dem Herstellungsverfahren des Gassensors 10 des ersten Ausführungsbeispiels wird der Laserschweißvorgang bevorzugt in solch einer Weise ausgeführt, dass die Tiefe der durch den zweiten Laserschweißvorgang gebildeten hinteren Schweißzone 120 (zweite Schweißzone) größer als die Tiefe der durch den ersten Laserschweißvorgang gebildeten vorderen Schweißzone 110 (erste Schweißzone) wird. In der so gebildeten Schweißverbindung 100 ist die Dicke B2 der hinteren Schweißzone 120 größer als die Dicke B1 der vorderen Schweißzone 110. Auch wenn die erste Schweißzone 110 in einem Zustand gebildet ist, in welchem die Metallhülse 11 und das Außengehäuse 16 noch nicht miteinander verbunden sind, ist es möglich, die gewünschte Form der vorderen Schweißzone 110 durch Einstellen der Tiefe B1 der vorderen Schweißzone 110 etwas kleiner als die Zieldicke zu erzielen. Es ist ebenfalls möglich, die gewünschte Form der hinteren Schweißzone 120 durch Einstellen der Tiefe B2 der hinteren Schweißzone größer als die Tiefe B1 der vorderen Schweißzone 110 zu erzielen.
Es wird hierbei angemerkt, dass das Sauerstoffsensorelement 20 in dem ersten Ausführungsbeispiel dem beanspruchten Sensorelement entspricht; und das Außenmetallgehäuse 16 dem beanspruchten Außengehäuse entspricht.
B. Modifikationsbeispiele
Obwohl der Laserschweißschritt in solch einer Weise ausgeführt wird, dass die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 in dem ersten Ausführungsbeispiel teilweise einander überlappen, können die vorderen und hinteren Schweißzonen 110 und 120 einander auch nicht überlappen. Es ist alternativ möglich, die hintere Schweißzone 120 durch den ersten Laserschweißvorgang zu bilden und dann die vordere Schweißzone 110 durch den zweiten Laserschweißvorgang zu bilden, obwohl im ersten Ausführungsbeispiel der Laserschweißschritt ausgeführt wird, die vordere Schweißzone 110 durch den ersten Laserschweißvorgang zu bilden und dann die hintere Schweißzone 120 durch den zweiten Laserschweißvorgang zu bilden. Obwohl in dem ersten Ausführungsbeispiel die Dicke B2 der durch den zweiten Laserschweißvorgang gebildeten hinteren Schweißzone 120 größer eingestellt ist als die Dicke B1 der durch den ersten Laserschweißvorgang gebildeten vorderen Schweißzone 110, können die Dicke der vorderen Schweißzone 110 und die Dicke der hinteren Schweißzone 120 im Wesentlichen gleich zueinander gesetzt werden.
Modifikationsbeispiele der vorderen und hinteren Schweißzone 110 und 120 werden nachfolgend mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert. 5 und 6 sind schematische Schnittansichten, welche die detaillierten Gestaltungen von Schweißverbindungen zwischen der Metallhülse 11 und dem Außenmetallgehäuse 16 gemäß Modifikationen des ersten Ausführungsbeispiels zeigen. Wie in dem Fall von 2 ist jede der Querschnittsansichten von 5 und 6 eine vergrößerte Zeichnung der Umgebung der Schweißverbindung. In dem Modifikationsbeispielen von 5 und 6 sind die gleichen Teile und Bereiche mit den gleichen Bezugszeichen wie diese des ersten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet.
Das erste Modifikationsbeispiel von 5 wird nun nachfolgend erläutert. Wie in 5 gezeigt, werden die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 miteinander über eine Schweißverbindung 100a durch Einstrahlen eines Laserstrahl auf den gesamten Umfang des umgebördelten Gebiets 90 in einer Umfangsrichtung des Außenmetallgehäuses 16 laserverschweißt. Dieser Laserschweißvorgang wird zweimal an Positionen ausgeführt, welche voneinander in der Richtung Achse O versetzt sind, wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels, um so die Schweißverbindung 100a mit vorderen und hinteren Schweißzonen 110a und 120a zu bilden. In dem ersten Modifikationsbeispiel wird der Laserschweißvorgang jedoch wiederholt ausgeführt, um die hintere Schweißzone 120a durch den ersten Laserschweißvorgang zu bilden und die vordere Schweißzone 110a durch den zweiten Laserschweißvorgang an einer Position zu bilden, die von der des ersten Laserschweißvorgang leicht versetzt nach vorne in Richtung Achse O ist. Dadurch werden die vorderen und hinteren Schweißzonen 110a und 120a in solch einer Weise gebildet, dass die vordere Schweißzone 110a teilweise die hintere Schweißzone 120a überdeckt. Das ist aus der Tatsache ersichtlich, dass eine Grenze de vorderen Schweißzone 110a visuell erkennbar ist, wie mittels einer durchgezogenen Linie angedeutet; und eine Grenze der hinteren Schweißzone 120a visuell nicht erkennbar ist, wir mittel einer gepunkteten Linie in 5 angedeutet. Die vorderen und hinteren Schweißzonen 110a und 120a haben äußere Schweißzonen 111a und 121a, die in dem vorderen Endbereich des Außenmetallgehäuses 16 gebildet und angeordnet sind, und innere Schweißregionen 112a und 122a, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse 11 angeordnet bzw. gebildet sind. Die inneren Schweißregionen 112a und 122a der vorderen und hinteren Schweißzonen 110a und 120a sind benachbart zueinander angeordnet. Nämlich, eine Grenzfläche 113a zwischen den inneren und äußeren Schweißregionen 112a und 111a der Schweißzone 110a und eine Grenzfläche zwischen den inneren und äußeren Schweißregionen 122a und 121a der Schweißzone 120a grenzen aneinander an.
Weiterhin ist ein Tiefe B1a der durch den zweiten Laserschweißvorgang gebildeten vorderen Schweißzone 110a (zweite Schweißzone) größer ausgeführt als eine Tiefe B2a der durch den ersten Laserschweißvorgang gebildeten hinteren Schweißzone 120a (erste Schweißzone), wie in 5 gezeigt. Auch wenn die hintere Schweißzone 120a in einem Zustand gebildet wird, in dem die Metallhülse 11 und das Außengehäuse 16 noch nicht miteinander verbunden sind, ist es möglich, die gewünschte Form der hinteren Schweißzone 120 durch Einstellen der Tiefe B2a der hinteren Schweißzone 120a etwas kleiner als die Zieltiefe zu erreichen. Es ist ebenfalls möglich, die gewünschte Form der vorderen Schweißzone 110a durch Einstellen der Tiefe B1a der vorderen Schweißzone 110a größer als die Tiefe 132a der hinteren Schweißzone 120a zu erzielen.
Nun wird nachfolgend das zweite Modifikationsbeispiel von 6 erläutert. Wie in 6 gezeigt werden die Metallhülse 11 und das Außenmetallgehäuse 16 miteinander über eine Schweißverbindung 100b durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf den gesamten Umfang des umgebördelten Gebiets 90 in einer Umfangsrichtung des Außenmetallgehäuses 16 laserverschweißt. Dieser Laserschweißvorgang wird zweimal an Positionen durchgeführt, welche voneinander in der Richtung der Achse O versetzt sind, wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels, um so die Schweißverbindung 100b mit vorderen und hinteren Schweißzonen 110b und 120b zu bilden. Jedoch werden in dem zweiten Modifikationsbeispiel, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, eine Dicke B1b der vorderen Schweißzone 110b und eine Dicke B2b der hinteren Schweißzone 120b im Wesentlichen gleich zueinander eingestellt, wie in 6 gezeigt. Die vorderen und hinteren Schweißzonen 110b und 120b haben äußere Schweißregionen 111b und 121b, die in dem vorderen Endbereich des Außenmetallgehäuses 16 gebildet und angeordnet sind, und innere Schweißregionen 112b und 122b, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse gebildet bzw. angeordnet sind. Die inneren Schweißregionen 112b und 122b der vorderen und hinteren Schweißzonen 110b und 120b sind voneinander in Richtung der Achse O versetzt angeordnet. Nämlich, die inneren Schweißregionen 112b und 122b überlappen einander nicht. Andererseits überlappen sich die äußeren Schweißregionen 111b und 121b teilweise in 6, obgleich diese äußeren Schweißregionen 111b und 121b nicht notwendigerweise einander überlappen.
In dem ersten und zweiten Modifikationsbeispiel von 5 und 6 wird das Laserschweißverfahren wie oben erwähnt wiederholt durchgeführt, so dass die Gesamtschweißweite (d. h. die Summe der Schweißweite der vorderen Schweißzone 110a, 110b und die Schweißweite der hinteren Schweißzone 120a, 120b) breiter ausgeführt werden kann als die durch einen Laserschweißvorgang gebildete. Es ist daher in diesen Modifikationsbeispielen möglich, den Eintritt von Wasser in den Gassensor 10 wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels zu hemmen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auf diese spezifischen beispielhaften Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Verschiedene Modifikation und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden ersichtlich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein rechteckiges, plattenförmiges Sensorelement genutzt werden, auch wenn das Sensorelement 20 in dem ersten Ausführungsbeispiel und in den Modifikationsbeispielen in einer zylindrischen Gestalt mit geschlossenem Boden ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung kann auf einen NOx Sensor, einen H₂ Sensor, einen Temperatursensor oder dergleichen angewendet werden, auch wenn sich das erste Ausführungsbeispiel und die Modifikationsbeispiele jeweils auf den Sauerstoffsensor 10 beziehen.
Bezugszeichenliste

10: Gassensor
11: Metallhülse
12b: Heizerader
13: Isolator
13b: Buchse
14: Talk
15: Schutzeinrichtung
15a: äußeres Schutzelement
15b: inneres Schutzelement
16: Außenmetallgehäuse
17: Durchführungsdichtung
18: Trennelement
19, 19b: Sensorausgangsader
20: Sauerstoffsensorelement
30: inneres Anschlussglied
40: äußeres Anschlussglied
50: keramischer Heizer
85: Filter
86: Metallkanal
90: umgebördeltes Gebiet
100, 100a, 100b: Schweißverbindung
110, 110a, 110b: vordere Schweißzone
120, 120a, 120b: hintere Schweißzone
111, 111a, 111b: äußere Schweißzone
112, 112a, 112b: innere Schweißzone
113a, 123a: Grenzfläche
121, 121a, 121b: äußere Schweißregion
122, 122a, 122b: innere Schweißregion
300: Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-239888 [0003]

Claims

Herstellungsverfahren für einen Gassensor, wobei der Gassensor umfasst: ein Gassensorelement, welches sich in einer axialen Richtung des Gassensors erstreckt und an einem vorderen Endbereich desselben einen Messabschnitt hat, um ein Messgas zu erfassen; eine Metallshülse mit einem zylindrischen Bereich, um einen Außenumfang des Sensorelements zu umgeben, wobei der vordere Endbereich und ein hinterer Endbereich des Sensorelements außerhalb der Metallhülse hin freiliegen; und ein an der Metallhülse befestigtes zylindrisches Außengehäuse, um den hinteren Endbereich des Senorelements zu umgeben, wobei das Herstellungsverfahren umfasst: einen Außengehäuseplatzierungsschritt zum Platzieren des Außengehäuses an der Metallhülse in solch einer Weise, dass ein vorderer Endbereich des Außengehäuses den zylindrischen Bereich der Metallhülse umgibt; und einen Schweißschritt zum Durchführen eines Laserschweißvorgangs an dem gesamten Umfang eines Überlappgebiets zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse und dadurch Ausbilden einer Schweißzone, welche sich auf beiden Seiten einer Grenze zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse ausdehnt oder über die Grenze erstreckt, wobei in dem Schweißschritt der Laserschweißvorgang mehrfach an Positionen durchgeführt wird, welche voneinander in axialer Richtung des Gassensors versetzt sind.
Herstellungsverfahren für einen Gassensor gemäß Anspruch 1, wobei der Laserscheißvorgang mehrfach durchgeführt wird, um eine Vielzahl von Schweißzonen in dem Schweißschritt in solch einer Weise zu bilden, dass benachbarte zwei der Schweißzonen innere Schweißregionen haben, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse angeordnet sind und teilweise einander überlappen.
Herstellungsverfahren für einen Gassensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Laserschweißvorgang in dem Schweißschritt mehrfach durch Versetzen der Position des Laserschweißvorgangs von einer vorderen Seite zu einer hinteren Seite des Überlappgebiets durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren für einen Gassensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schweißschritt ausgeführt wird, um eine erste Schweißzone durch einen ersten Laserschweißvorgang zu bilden und um eine zweite Schweißzone durch einen zweiten oder nachfolgenden Laserschweißvorgang in solch einer Weise zu bilden, dass die zweite Schweißzone größer in der Tiefe als die erste Schweißzone ist.
Gassensor, umfassend: ein Sensorelement, das sich in einer axialen Richtung des Gassensors erstreckt und an einem vorderen Endbereich desselben einen Messabschnitt hat, um ein Messgas zu erfassen; eine Metallhülse mit einem zylindrischen Bereich, um einen Außenumfang des Sensorelements zu umgeben, wobei der vordere Endbereich und ein hinterer Endbereich des Sensorelements außerhalb der Metallhülse freiliegen; ein an der Metallhülse befestigtes zylindrisches Außengehäuse, um den hinteren Endbereich des Sensorelements zu umgeben; und eine Vielzahl von Schweißzonen, wobei jede auf beiden Seiten einer oder über eine Grenze zwischen einem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse entlang des gesamten Umfangs eines Überlappgebiets zwischen dem vorderen Endbereich des Außengehäuses und dem zylindrischen Bereich der Metallhülse gebildet und in voneinander in axialer Richtung des Gassensors versetzten in Positionen sind.
Gassensor gemäß Anspruch 5, wobei benachbarte zwei der Schweißzonen teilweise einander in solch einer Weise überlappen, dass, wenn in Querschnitt entlang der Achse gesehen, eine hintere der benachbarten zwei der Schweißzonen teilweise eine vordere der benachbarten zwei der Schweißzonen überdeckt.
Gassensor gemäß Anspruch 6, wobei die hintere der benachbarten zwei der Schweißzonen größer in der Tiefe als die vordere der benachbarten zwei der Schweißzonen ist.
Gassensor gemäß Anspruch 5, wobei benachbarte zwei der Schweißzonen innere Schweißregionen haben, die in dem zylindrischen Bereich der Metallhülse angeordnet sind und teilweise einander überlappen.
Gassensor gemäß Anspruch 5, wobei die Schweißzonen eine erste Schweißzone und eine zweite Schweißzone beinhalten, welche die erste Schweißzone teilweise überdeckt und eine Tiefe größer als eine Weite der ersten Schweißzone hat.
Gassensor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei sich die Schweißzonen bis zu einem Punkt nicht mehr als eine Hälfte einer Dicke des zylindrischen Bereichs der Metallhülse erstrecken.