JP2009287935A - ガスセンサ及びガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主体金具と外筒との溶接部の隙間を解消して耐腐食性を向上させたガスセンサを提供する。
【解決手段】軸方向Ｏに延び、先端に検出部１１を有する検出素子１０と、検出部が突出するよう、検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具５０と、主体金具の後端部５７の外周を囲んで該主体金具に接続され、自身の内側に検出素子の後端側を収容する筒状の外筒６５とを備え、外筒の先端部６５ａのみが外周側から加締められた加締め部６７が形成され、外筒の先端部と主体金具とに跨って全周にわたって液密な溶接部９９が形成されているガスセンサ１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出する検出素子を備えたガスセンサ及びその製造方法に関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯ_ｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いた検出素子を有するものが知られている。
一般に、このようなガスセンサは、長尺の検出素子の中央部付近を保持した主体金具を排気管等に取付け、検出素子先端の検出部が排気管内に露出してガスを検知できるようになっている。又、検出素子の後端側には検出部からの出力信号を取出すためのリードや端子が設けられ、端子はコネクタ等を介して外部回路に接続されている。従って、検出素子の後端側を覆うと共にリードや端子を保持するため、主体金具の後端部に筒状の外筒が接合されている。
そして、通常、主体金具と外筒の接合は、主体金具の後端部外側に外筒を重ね合わせ、適宜加締めた後、重ね合わせ部の全周にわたってレーザ溶接して行われる（特許文献１、２参照）

特開２００４−３５４２７４号公報 特開２００１−１４７２１３号公報

しかしながら、上記した特許文献１、２記載の技術の場合、図５に示すように、外筒６５０の先端６５０ａより後端側を溶接して溶接部９９０を形成するため、外筒６５０の先端６５０ａと主体金具の後端部５７０との間に隙間が生じ、ガスセンサが被水したときに毛管現象によってこの隙間に水が侵入し易いという問題がある。特に、外筒６５０を加締めて加締め部６７０を形成した場合には、先端６５０ａがまくれ上がって隙間が大きくなる傾向にある。そして、溶接部９９０は腐食が生じ易く、又、主体金具や外筒等に用いるステンレスが隙間腐食に弱いこと等も相俟って、溶接部近傍に腐食を生じるおそれがある。
なお、図５において、主体金具５００は六角レンチ等を係合するための鍔部５２０と後端部５７０とを備え、主体金具５００に検出素子１００が挿通されている。又、矢印は検出素子１００の先端側を示す。
従って、本発明は、主体金具と外筒との溶接部の隙間を解消して耐腐食性を向上させたガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、前記主体金具の後端部の外周を囲んで該主体金具に接続され、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒とを備えたガスセンサにおいて、前記外筒の先端部のみが加締められた加締め部が形成され、前記外筒の先端部と前記主体金具とに跨って全周にわたって液密な溶接部が形成されている。
このような構成とすると、外筒の先端部を主体金具に挿入し、外筒の先端部と主体金具とに跨って溶接するため、外筒と主体金具の間に隙間が生じずに液密な溶接部が容易に得られ、溶接部への水等の浸入を防止できる。
又、外筒の先端部を主体金具に挿入した際、外筒の先端を含む外筒の先端部のみが加締められ、主体金具は加締められていない。通常、主体金具は厚肉の金属から構成されて硬いため、外筒の先端部と主体金具と共に加締めると加締め工具が磨耗したり、加締め力が強すぎると主体金具が変形するおそれがあるが、外筒の先端部のみを加締めることで、工具の磨耗や主体金具の変形を防止し、生産性や歩留まりを向上させることができる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、前記主体金具の後端部は、本体部と、前記本体部から後端側へ向かって縮径する縮径部とを有し、前記外筒の先端部は前記縮径部の外周を囲むと共に前記本体部より後端側に位置し、前記溶接部が前記外筒の先端部と前記本体部とに跨って形成されていてもよい。
このような構成とすると、外筒の先端部の内径を本体部の外径より小さくすることで、外筒の先端部を主体金具の縮径部に挿入した際、外筒の先端部が本体部と縮径部の境界で当接し、挿入深さの位置決めを容易に行うことができる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、前記外筒のうち前記加締め部を除く部分の内径は、前記主体金具の後端部のうち前記外筒の先端部で囲まれた部分の外径より大きくてもよい。
このような構成とすると、実生産において外筒や主体金具に寸法誤差が生じても、両者を遊嵌させてから加締ることができるので、寸法誤差の影響を受けずに生産性を向上させることができる。

本発明のガスセンサの製造方法は、軸方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、前記主体金具の後端部の外周を囲んで該主体金具に接続され、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒とを備えたガスセンサの製造方法であって、前記外筒の先端部を、前記主体金具の後端部の外周を囲むように配置する外筒配置工程と、前記外筒の先端部のみを外周側から加締める加締め工程と、前記外筒の先端部と前記主体金具とに跨って全周にわたってレーザ溶接を行って液密な溶接部を形成する溶接工程とを有する。

このような製造方法とすることで、作製されたガスセンサは、外筒と主体金具の間に隙間が生じずに液密な溶接部が容易に得られ、溶接部への水等の浸入を防止できる。又、外筒の先端部のみを加締めることで、工具の磨耗や主体金具の変形を防止し、生産性や歩留まりを向上させることができる

さらに、本発明のガスセンサの製造方法において、前記主体金具の後端部は、本体部と、前記本体部から後端側へ向かって縮径する縮径部とを有し、前記外筒配置工程において、前記外筒の先端部を、前記縮径部の外周を囲むと共に前記本体部より後端側に配置し、前記溶接工程において、前記外筒の先端部と前記本体部とに跨って前記レーザ溶接を行ってもよい。
このような製造方法とすることで、作製されたガスセンサは、外筒の先端部の内径を本体部の外径より小さくすることで、外筒の先端部を主体金具の縮径部に挿入した際、外筒の先端部が本体部と縮径部の境界で当接し、挿入深さの位置決めを容易に行うことができる。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記外筒のうち前記加締め部を除く部分の内径は、前記主体金具の後端部のうち前記外筒の先端で囲まれた部分の外径より大きく、前記外筒配置工程において、前記外筒の先端部を、前記主体金具の後端部に遊嵌した状態で配置してもよい。

この発明によれば、主体金具と外筒との溶接部の隙間を解消してガスセンサの耐腐食性を向上させることができ、さらに生産性や歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１の軸方向Ｏに沿う断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１は自動車の排気管内に挿入されて先端（図１の矢印Ｆ側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する全領域空燃比センサになっている。そして、検出素子１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の検出素子である。
なお、図１の下側（矢印Ｆ側）をガスセンサ１の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１の後端側とする。

ガスセンサ１は、検出素子１０を所定のハウジング内に組み付けたアッセンブリである。そして、ガスセンサ１は、排気管に固定されるための雄ねじ部５１が外表面に形成された筒状の主体金具５０と、主体金具５０の後端に接続される外筒６５と、主体金具５０の先端に接続されるプロテクタ８と、軸方向Ｏに延びる板状形状をなす検出素子１０と、検出素子１０の径方向周囲を取り囲むように主体金具５０内に配置される筒状のフランジ部２４、シール材２６及びセラミックスリーブ２７と、検出素子の後端部を取り囲むセパレータ６０と、セパレータ６０を保持する保持金具７０と、検出素子１０の後端に電気的に接続される接続端子６１と、外筒６５の後端を閉塞するグロメット７５等とを備えている。

検出素子１０は先端に検出部１１（上記した酸素濃淡電池の電極）を有し、又、図示しないヒータを積層してなる。検出素子１０の後端には、検出部１１から出力される検出値を取り出したり、ヒータを動作させるための５つの電極パッド１６（図１では、２個図示）を設けた電極部１２が形成されている。

主体金具５０は略筒状に構成され、先端側から後端側にかけて順に、先端係合部５６、雄ねじ部５１、六角レンチ等を係合するための拡径された鍔部５２、後端部５７、加締め部５３とを備えている。又、鍔部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット５５が嵌挿されている。そして、後端部５７は、本体部５７ａと、本体部から後端側へ向かって縮径する縮径部５７ｂとを有する。
さらに、主体金具５０は、軸方向Ｏに貫通する貫通孔５８を有し、貫通孔５８の径方向内側に棚部５４が突出し、棚部５４は、軸方向Ｏに垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

主体金具５０の貫通孔５８の内部には、検出素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックリング２１、滑石からなるシール材２２、２６、および上述のセラミックスリーブ２７がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。セラミックリング２１及びシール材２２と主体金具５０との間には金属カップ２０が配置され、金属カップ２０は棚部５４に係止している。そして、シール材２２が押し潰されることによりセラミックリング２１、シール材２２及び金属カップ２０が一体のフランジ部２４となって検出素子１０を保持すると共に気密性を維持する。
従って、検出素子１０の先端側が貫通孔５８の先端側から突出し、電極パッド１６が貫通孔５８の後端側から突出した状態で、検出素子１０が主体金具５０に保持される。
なお、セラミックスリーブ２７と主体金具５０の加締め部５３との間には、セラミックスリーブ２７の肩部２８に沿って加締めパッキン２９が配置されており、加締めパッキン２９を介して加締め部５３を下方（先端側）へ加締めることにより、セラミックスリーブ２７が先端側に押し付けられ、シール材２２、２６を押し潰している。

一方、主体金具５０の先端係合部５６の外周には、検出素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部８５、９５を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ８０および内側プロテクタ９０が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具５０の後端部５７の外周を囲んで筒状の外筒６５が固定され、外筒６５は検出素子１０の後端側を収容している。外筒６５の内部には、検出素子１０の電極部１２を取り囲むセパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は軸方向に貫通するコンタクト挿通孔６０ａを有する筒状をなし、コンタクト挿通孔６０ａの内面に設けられた接続端子６１が検出素子１０の各電極パッド１６にそれぞれ電気的に接続するようになっている。そして、接続端子６１に接続された５本のリード線６４（図１では３本のみ）がコンタクト挿通孔６０ａを通って外筒６５の後端側に引き出されている。
なお、セパレータ６０と外筒６５の間に筒状金属製の保持金具７０が配置され、保持金具７０の後端が内側に折り曲げられて支持部７１を形成している。そして、セパレータ６０の後端側に設けた拡径の鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０が保持金具７０に保持される。保持金具７０は、外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の所定位置に固定される。
さらに、外筒６５の後端開口部をグロメット７５が閉塞し、各リード線６４はグロメット７５を軸方向に貫通するリード線挿通孔７６を通って気密に挿通され、外部に引き出される。グロメット７５は外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の後端に固定され、さらにセパレータ６０の後面を先端側へ押圧している。

次に、図１の部分拡大図である図２を参照し、本発明の特徴部分である主体金具と外筒との溶接部について説明する。なお、図２は、図１の円Ａで示す部分の拡大図である。
図２において、溶接前の主体金具の後端部５７は、本体部５７ａと縮径部５７ｂとが段をなして繋がっており（矢印Ｂに示す破線）、又、外筒６５の内径は、縮径部５７ｂの外径より大きく、本体部５７ａの外径より小さい。このため、詳しくは後述するが、外筒の先端部６５ａを縮径部５７ｂに挿入した際、両者間に隙間Ｐが生じると共に、外筒の先端部６５ａは上記段部に当接し、先端部６５ａと本体部５７ａが突き合わせられる。このとき、主体金具（の縮径部５７ｂ）と外筒６５との間に隙間Ｐを介して重ね合わせ部が形成される。
そして、この状態で外筒の先端を含むようにして外筒の先端部６５ａのみが外周側から加締められて縮径部５７ｂの内面に接し、加締め部６７が形成される。さらに、上記段の径方向の厚みは外筒６５の厚みＤとほぼ同一になっているため、加締め後の外筒６５と本体部５７ａの外面同士が略面一になる。

このようにして加締め部６７が形成され、外筒６５と本体部５７ａの繋ぎ目（開先）Ｂを全周にわたって溶接（例えばレーザ溶接）することにより、外筒の先端部６５ａと主体金具の本体部５７ａとに跨って全周にわたって液密な溶接部９９が形成されている。
なお、本発明において「外筒６５の先端部６５ａ」とは、外筒６５の先端を含む軸方向Ｏに所定の広がりを持った領域をいうものとする。又、外筒６５の先端は溶接前には明確に存在するが、溶接によって溶融するため、外筒６５の先端を明確な一点として規定できない。但し、通常、外筒と主体金具との突合せ部の真中付近を狙って溶接が行われるので、軸方向Ｏから見たとき、溶融部の中心（図１のＢ点）を外筒６５の先端の位置とみなす。
本発明においては、外筒６５の先端部６５ａを主体金具５０に挿入し、外筒６５の先端部６５ａを溶接するため、外筒６５と主体金具５０の間に隙間が生じずに液密な溶接部９９が容易に得られ、得られたガスセンサ１の溶接部９９への水等の浸入を防止できる。
又、本発明においては、外筒６５の先端部６５ａを主体金具５０に挿入した際、外筒６５の先端部６５ａのみが加締められ、主体金具５０は加締められていない。通常、主体金具５０は厚肉の金属から構成されて硬いため、外筒６５の先端部６５ａと主体金具５０と共に加締めると加締め工具が磨耗したり、加締め力が強すぎると主体金具５０が変形するおそれがある。そこで、外筒６５の先端部６５ａのみを加締めることで、工具の磨耗や主体金具５０の変形を防止し、生産性や歩留まりを向上させることができる。

ここで、外筒６５の内径を、主体金具５０の後端部（この実施形態では縮径部５７ｂ）の外径とほぼ同一とすれば、両者をきつく嵌合させて仮止めすることができる。しかしながら、実生産においては寸法誤差が生じるため、この方法は好ましくない。従って、外筒６５の内径を主体金具５０の後端部（この実施形態では縮径部５７ａ）の外径より大きく構成すれば、両者を遊嵌させてから加締ることができ、寸法誤差の影響を受けずに生産性を向上させることができる。
又、上記したように、主体金具の後端部５７を、本体部５７ａと縮径部５７ｂとが段をなすよう形成し、外筒６５の内径が縮径部５７ｂの外径より大きく、本体部５７ａの外径より小さくすると、外筒６５を主体金具５０に挿入した際、外筒６５の先端部６５ａが上記段部に当接するので、挿入深さを容易に位置決めすることができ、生産性をさらに向上させることができる。さらに、段部の上下位置で先端部６５ａと本体部５７ａが突き合わせられるので、突合せ部を狙って溶接することにより、液密な溶接部９９が容易に得られる。
そして、上記したように、上記段の径方向の厚みを外筒６５の厚みとほぼ同一にすると、加締め後の外筒６５と本体部５７ａの外面同士が面一になり、材料厚みも等しくなるので、両者の溶融部具合が均等になり、液密な溶接部９９が容易に得られる。

なお、図２において、溶接部９９の溶接深さ（溶け込み深さ）Ｃが外筒６５の厚みＤの２倍以上となるように溶接条件を調節すると、溶接強度が向上するので好ましい。又、軸方向Ｏから見たとき、溶接部９９の先端と主体金具の鍔部５２の後端との間隔Ｅが１ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましい。間隔Ｅが１ｍｍ未満であると、溶接による溶融部９９が鍔部５２に広がり、鍔部５２の強度が低下したり、外観が劣化するおそれがあるからである。

次に、図３、図４を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ１の製造方法について説明する。図３はガスセンサ１の製造工程全体の概略を示し、図４は外筒配置工程及び加締め工程の詳細を示す。
図３において、図１で説明したようにして検出素子１０が主体金具５０で保持され、主体金具５０の先端にプロテクタ８が接合されている。そして、この組み付け体に対し、上から（検出素子１０の後端側１２）から外筒６５が被せられる（各部組立工程）。
そして、外筒６５の先端部６５ａを、主体金具５０の後端部５７（この実施形態では縮径部５７ｂ）の外周を囲むように配置する（外筒配置工程）。ここで、前述したように、主体金具５０の後端部５７は、本体部５７ａと縮径部５７ｂとが段をなすよう形成され、その段の後面５７ｘに外筒６５の先端部６５ａが当接した状態で外筒６５が配置され、外筒６５と縮径部５７ｂの間に境界（加締め後の突合せ部）Ｂが形成される。又、後端部５７（この実施形態では縮径部５７ｂ）と外筒６５とは遊嵌しつつ重ね合わせ部を形成する。

さらに、上記重ね合わせ部に含まれる外筒６５の先端部６５ｂのみを外周側から全周にわたって加締め(符号Ｍ)、加締め部６７を形成する（加締め工程）。これにより、外筒６５が主体金具５０に仮止めされる。
次に、突合せ部Ｂ付近を狙い、外周側から全周にわたって先端部６５ａと主体金具の本体部５７ａを跨ぐレーザ溶接を行い、液密な溶接部９９を形成する（溶接工程）。このとき、レーザを軸方向Ｏと直交する方向から照射することで、外筒６５と主体金具５０の溶融具合がほぼ均等となる。但し、外筒６５と主体金具５０を跨ぐように溶接部９９を形成することができる限り、レーザの照射位置が突合せ部Ｂから軸方向Ｏに偏っていてもよい。

図４に示すように、外筒配置工程において、主体金具の後端部５７を、本体部５７ａと縮径部５７ｂとが段をなすよう形成し、外筒６５の内径が縮径部５７ｂの外径より大きく、本体部５７ａの外径より小さくすると、外筒を主体金具に挿入した際、外筒の先端部６５ａが上記段部の後面５７ｘに当接し、位置決めがされる。
そして、加締め工程において、外筒６５の先端部６５ａと縮径部５７ｂとの重ね合わせ部（縮径部５７ｂの軸方向Ｏの長さに相当する部分）を外周側から加締めることで、加締め部６７が形成される。
溶接工程においては、突合せ部Ｂ付近を狙ってレーザ溶接を行うことで、突合せ部Ｂから先端及び後端へ向かい、かつ軸心方向に向かって溶融部が広がり、溶接部９９が形成される。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

本発明の実施形態に係るガスセンサの軸方向に沿う断面構造図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法を示す工程図である。 図３の詳細図である。 従来のガスセンサの溶接部近傍の部分拡大断面図である。

符号の説明

１ ガスセンサ
１０ 検出素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
５７ 主体金具の後端部
５７ａ 本体部
５７ｂ 縮径部
６５ 外筒
６５ａ 外筒の先端部
６７ 加締め部
９９ 溶接部
Ｏ 軸方向
Ｆ 先端の方向

Claims (6)

1. 軸方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、
   前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、
   前記主体金具の後端部の外周を囲んで該主体金具に接続され、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒とを備えたガスセンサにおいて、
   前記外筒の先端部のみが加締められた加締め部が形成され、前記外筒の先端部と前記主体金具とに跨って全周にわたって液密な溶接部が形成されているガスセンサ。
2. 前記主体金具の後端部は、本体部と、前記本体部から後端側へ向かって縮径する縮径部とを有し、前記外筒の先端部は前記縮径部の外周を囲むと共に前記本体部より後端側に位置し、前記溶接部が前記外筒の先端部と前記本体部とに跨って形成されている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記外筒のうち前記加締め部を除く部分の内径は、前記主体金具の後端部のうち前記外筒の先端部で囲まれた部分の外径より大きい請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 軸方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、
   前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、
   前記主体金具の後端部の外周を囲んで該主体金具に接続され、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒とを備えたガスセンサの製造方法であって、
   前記外筒の先端部を、前記主体金具の後端部の外周を囲むように配置する外筒配置工程と、
   前記外筒の先端部のみを外周側から加締める加締め工程と、
   前記外筒の先端部と前記主体金具とに跨って全周にわたってレーザ溶接を行って液密な溶接部を形成する溶接工程と
   を有するガスセンサの製造方法。
5. 前記主体金具の後端部は、本体部と、前記本体部から後端側へ向かって縮径する縮径部とを有し、
   前記外筒配置工程において、前記外筒の先端部を、前記縮径部の外周を囲むと共に前記本体部より後端側に配置し、
   前記溶接工程において、前記外筒の先端部と前記本体部とに跨って前記レーザ溶接を行う請求項４に記載のガスセンサの製造方法。
6. 前記外筒のうち前記加締め部を除く部分の内径は、前記主体金具の後端部のうち前記外筒の先端で囲まれた部分の外径より大きく、
   前記外筒配置工程において、前記外筒の先端部を、前記主体金具の後端部に遊嵌した状態で配置する請求項４又は５に記載のガスセンサの製造方法。

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