JP4716288B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサに関するものであり、具体的には、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となる雰囲気中の被検出成分を検出するためのガスセンサや測定対象となる雰囲気中の温度を測定する温度センサなどのセンサに関する。

従来より、雰囲気中の被検出成分を検出する検出部が先端に形成されたセンサ素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造を備えたガスセンサが知られている。この金属製のケーシングは、外周面にセンサ取付用のネジ部が形成された主体金具、該主体金具の先端側から突出するセンサ素子の検出部を覆うようにして主体金具に結合されるプロテクタ、前記主体金具の後端側の開口部に連結され、該開口部から後方に延びるセンサ素子を覆う内筒部材、該内筒部材の径方向周囲を覆うとともに、撥水フィルタを介して配置された外筒部材等の複数の筒状体を組合せて構成されている。

このようなガスセンサ（例えば、酸素センサ）は、例えば、自動車エンジンの排気系統の排気管等に装着される。また、最近では、排ガス中の有機物質を分解する触媒装置を排気管に設け、その触媒装置の下流側にガスセンサを装着することで、有機物質が除かれた排ガス中の被検出成分を測定するものが一般的となっている。この場合、ガスセンサは、エンジンから自動車の底部に沿って後方に延びる排気管の下流側に配置されるため、自動車走行時の水ハネ等により、ガスセンサの外表面に水滴等が付着することがある。したがって、水滴等がガスセンサ内に侵入するのを避けるために、複数の筒状体同士の接合を確実に行い、ガスセンサの水密性を確保することが重要であった。

そこで、このような複数の筒状体同士を接合する方法として加締め固定がある。例えば、プロテクタが、主体金具の先端側に加締め固定され、内筒部材の先端部が、主体金具の後端部に加締め固定され、外筒部材の内筒部材と重なる先端側の重なり部分が、内筒部材に対して加締め固定されたガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このガスセンサの場合、例えば、外筒部材の先端側に、径方向内側に縮径する凹状の連結加締め部（加締め固定部）が形成され、該連結加締め部の先端部が、内筒部材の外表面に密着することによって、内筒部材と外筒部材との間が閉じられている。したがって、このような加締め固定が各所定位置で行われることで、水密性の高い一本の筒状体が形成される。

特開平１１−３５２０９５号公報

ところで、外筒部材の先端側における加締め位置は、誤差範囲内での位置ズレを許容するため、外筒部材の先端から後方側にやや離れた位置にされることが多い。しかし、この位置で加締めがなされると、外筒部材に形成された連結加締め部よりも先端側の残余部分が内筒部材の外表面からやや浮き上がるので、外筒部材の先端部と内筒部材の外表面との間に微少な隙間が形成される。すると、この隙間にガスセンサの外表面に付着した水滴が毛細管現象によって引き込まれ、その隙間に引き込まれた水は、水の有する表面張力によって長期間その隙間に保持される。

特にこの隙間に金属塩を含むような水溶液、例えば塩水（塩分を含んだ水）が引き込まれた場合、外筒部材の内表面と内筒部材の外表面との間では化学反応が起こり、内筒部材の外表面及び外筒部材の内表面がともに腐食する恐れがあった。例えば、積雪の多い寒冷地では、塩化カルシウムを主成分とする融雪剤がまかれるのが一般的であるため、融雪して地面に出来た水溜まりは、この塩化カルシウムが溶解して出来た塩水となっていることが多い。よって、この水溜まりの上を自動車が通過することにより、ガスセンサの表面には塩水が付着する。すると、外筒部材の先端と内筒部材の外周面との間に出来た隙間には、その塩水が引き込まれて保持されてしまうので、内筒部材及び外筒部材が腐食する恐れがあった。さらに、内筒部材の腐食が進行するとクラックを生じることもあり、そのクラックから塩水が外筒の内側に侵入してしまい、センサの検出精度が低下する恐れもあった。

また、外筒部材は加締めによって、一枚の金属板が強制的に曲げ加工されるのと同じ効果を受けるので、加締めた直後に圧力が除かれると、加締めがなされた外筒部材が反力によってややはねかえるスプリングバック現象を生じる。そして、外筒部材の先端から後ろ側に離れた位置に連結加締め部が形成されていると、そのスプリングバック現象が増大する。よって、外筒部材を加締めた直後では、連結加締め部の先端が、外筒部材の前記残余部分に引っ張られてしまい、連結加締め部全体が径方向外側にやや反ってしまうことがある。そのため、連結加締め部による内筒部材の外表面に対する面圧が若干低下しているものと推測される。このことは、連結加締め部と内筒部材の外表面との間の密着性の低下につながり、ガスセンサの水密性を低下させる要因になりかねない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、塩水の付着による外筒及び外筒部材の腐食を防止でき、かつ水密性を向上できるセンサ及びガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のセンサは、内燃機関の吸排気管に取り付けられるセンサであって、軸線方向に延びるセンサ素子と、当該センサ素子を保持する主体金具と、当該主体金具の後端側に固定される内筒部材と、当該内筒部材の径方向周囲を覆う外筒部材とを備え、当該外筒部材は、径方向内側に加締めることにより、前記内筒部材の外周面の周方向に直接又は他部材を介して接する加締め固定部を有するセンサにおいて、前記加締め固定部の先端は、前記外筒部材の先端から１．５ｍｍ以内に配置されており、前記加締め固定部は前記外筒部材の先端を含むよう形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のセンサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記センサ素子は、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出し、前記主体金具は、自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記センサ素子の径方向周囲を覆い、前記内筒部材は、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆うことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のセンサは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記外筒部材の厚みは、前記内筒部材の厚みより薄いことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のセンサは、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記外筒部材の厚みは０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のセンサは、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記加締め固定部における前記外筒部材のビッカース硬度は、前記加締め固定部における前記内筒部材のビッカース硬度よりも低いことを特徴とする。

また、請求項６に係る発明のセンサは、請求項１乃至５の何れかに記載の発明の構成に加え、前記外筒部材はオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明のセンサは、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記内筒部材及び前記外筒部材には、大気が前記内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、前記内筒部材及び前記外筒部材の前記大気導入孔に対応する部位にフィルタが配置され、前記加締め固定部は、当該フィルタよりも先端側にて形成されていることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明のセンサは、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記内筒部材には、大気が前記内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、前記内筒部材の前記大気導入孔を覆うようにフィルタが配置され、前記加締め固定部は、当該フィルタを介して形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明のセンサでは、加締め固定部の先端が、外筒部材の先端側から１．５ｍｍ以内に配置されており、加締め固定部は前記外筒部材の先端を含むよう形成されているので、外筒部材において、加締め固定部の先端から外筒部材の先端までの軸線方向の長さを出来る限り短く出来る。よって、外筒部材の先端側と内筒部材の先端側との間に出来る隙間を小さく、又は無くすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。また、外筒部材において、加締め固定部に生じるスプリングバック現象を減少させることが出来る。これにより、加締め固定部に内筒部材に対する面圧が低下するのを防止できるので、加締め固定部の先端と内筒部材の外表面との密着性を向上できる。なお、加締め固定部の先端が外筒部材の先端側から１．５ｍｍを越えると、上記効果を得ることができない。

また、加締め固定部の先端が、外筒部材の先端側から１．３ｍｍ以内に配置することで、センサの検出精度の低下をより防止でき、且つ加締め固定部の先端と内筒部材の外周面との密着性をより向上できる。さらに、加締め固定部の先端が、外筒部材の先端側から１．０ｍｍ以内に配置することで、センサの検出精度の低下をより効果的に防止でき、且つ加締め固定部の先端と内筒部材の外周面との密着性をより効果的に向上できる。

また、請求項２に係る発明のセンサは、請求項１に記載の発明の効果に加え、センサ素子が、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出するガスセンサ素子であっても、上記効果を得ることができる。

また、請求項３に係る発明のセンサは、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、外筒部材の厚みが内筒部材の厚みより薄いので、外筒部材において、加締め固定部に生じるスプリングバック現象がさらに減少させることができる。よって、加締め固定部に内筒部材に対する面圧が低下するのをより防止できるので、加締め固定部の先端と内筒部材の外表面との密着性を向上できる。なお、外筒部材の厚みが内筒部材の厚みより厚いと、上記効果が得ることができないことがある。

また、請求項４に係る発明のセンサは、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発明の効果に加え、外筒部材の厚みは０．３〜０．８ｍｍであれば、加締め固定部に内筒部材に対する面圧が低下するのを効果的に防止できる。なお、０．３ｍｍ未満では、外筒部材自身の強度が低下することがある。また、０．８ｍｍを超えると、上記効果を得ることができないことがある。

また、請求項５に係る発明のセンサは、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発明の効果に加え、加締め固定部における外筒部材のビッカース硬度が、加締め固定部における内筒部材のビッカース硬度よりも低いことで、外筒部材において、加締め固定部に生じるスプリングバック現象がさらに減少させることが出来る。よって、加締め固定部に内筒部材に対する面圧が低下するのをより防止できるので、加締め固定部の先端と内筒部材の外表面との密着性を向上できる。

また、請求項６に係る発明のセンサは、請求項１乃至５の何れか一項に記載の発明の効果に加え、外筒部材はオーステナイト系ステンレス鋼からなることが好ましい。外筒部材にオーステナイト系ステンレス鋼を用いることで、加締め固定部に内筒部材に対する面圧が低下するのを効果的に防止できる。

また、請求項７に係る発明のセンサは、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発明の効果に加え、内筒部材及び外筒部材に、大気が内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、内筒部材及び外筒部材の前記大気導入孔に対応する部位にフィルタが配置され、加締め固定部が、該フィルタよりも先端側にて形成されているガスセンサに本発明を用いることが好ましい。

また、請求項８に係る発明のセンサは、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発明の効果に加え、内筒部材に、大気が内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、内筒部材の大気導入孔を覆うようにフィルタが配置され、加締め固定部が該フィルタを介して形成されているガスセンサに本発明を用いることが好ましい。

また、外筒部材の先端とフィルタの先端との軸線方向の距離を０．３ｍｍ以下とすることで、フィルタの先端から外筒部材の先端までの軸線方向の長さを出来る限り短く出来る。よって、フィルタよりも先端側に形成される外筒部材の先端側と内筒部材の先端側との隙間を小さく、又は無くすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。なお、外筒部材の先端とフィルタの先端との軸線方向の距離を０．３ｍｍをこえると、上記効果を得ることができないことがある。

また、外筒部材の先端よりもフィルタの先端が先端側に位置することで、フィルタよりも先端側に形成される外筒部材の先端側と内筒部材の先端側との隙間を無くすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。

また、内筒部材に径小部と径大部とを連結する拡径部を有する場合、外筒部材の先端と拡径部との軸線方向の距離を０．５ｍｍ以上とするとことで、外筒部材の先端から拡径部までの軸線方向の長さを出来る限り長く出来る。よって、外筒部材の先端と拡径部との間にて、塩水の有する表面張力によって長期間その間に保持されることを防止できる。よって、塩水が溜まって内筒部材及び外筒部材が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。

以下、本発明のセンサ及びガスセンサの一実施の形態であるガスセンサ１について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態であるガスセンサ１の断面図であり、図２は、外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝０ｍｍ）であり、図３は、外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝０．９ｍｍ）であり、図４は、外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝２．２ｍｍ）であり、図５は、外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝３．３ｍｍ）であり、図６は、外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝４．３ｍｍ）であり、図７は、ＦＥＭ解析の結果を示すグラフである。

なお、本実施形態のガスセンサ１は、自動車の排気管に装着されて使用に供されるものであって、排気管内を流通する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。

はじめに、ガスセンサ１について説明する。図１に示すように、ガスセンサ１は、先端部が閉塞された有底筒状をなすセンサ素子２、センサ素子２の有底孔２５に挿入されるセラミックヒータ３、センサ素子２を自身の内側にて保持する主体金具５、該主体金具５の後端部に連結された内筒部材１４、該内筒部材１４と同軸上に設けられ、内筒部材１４の後端側を内挿する外筒部材１６を備える。なお、本実施形態において、図１に示すセンサ素子２の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス（排気ガス）に曝される先端部に向かう側（閉じている側、図中の下側）を「先端側」とし、これと反対方向（図中上側）に向かう側を「後端側」として説明する。

まず、センサ素子２について説明する。このセンサ素子２は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２８と、その固体電解質体２８の有底孔２５の内面に、そのほぼ全面を覆うようにＰｔ又はＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層２７と、固体電解質体２８の外面に、内部電極層２７と同様に多孔質状に形成された外部電極層２６を有している。また、センサ素子２には、外部電極層２６を被覆するアルミナマグネシアスピネル等の耐熱性セラミックよりなる多孔質状の電極保護層９９がさらに設けられている。また、このセンサ素子２の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部９２が設けられている。また、セラミックヒータ３は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部４２を備えている。このセラミックヒータ３は、後述するヒータ用リード線１９，２２を介して通電されることにより発熱部４２が発熱することになり、センサ素子２を活性化させるべく当該センサ素子２を加熱する機能を果たす。

次に、主体金具５について説明する。この主体金具５は、ガスセンサ１を排気管の取り付け部に取り付けるためのネジ部６６と、排気管の取り付け部への取り付け時に取付工具をあてがう六角部９３を有している。

そして、主体金具５の先端側内周には、径方向内側に向かって突出する金具側段部５４が設けられ、該金具側段部５４には、パッキン５５を介してアルミナ製の支持部材５１が係止している。なお、センサ素子２は、係合フランジ部９２が支持部材５１上に支持されることにより、主体金具５に支持される。支持部材５１の後端側における主体金具５の内面とセンサ素子２の外面との間には、滑石粉末からなる充填部材５２が充填され、さらにこの充填部材５２の後端側にアルミナ製のスリーブ５３及び環状リング１５が順次同軸状に内挿された状態で配置される。

また、主体金具５の先端側外周には、センサ素子２の主体金具５の先端から突出する先端部を覆うとともに、複数のガス取入れ孔を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。

次に、内筒部材１４について説明する。この内筒部材１４は、ＳＵＳ３０４Ｌで形成され、自身の先端側が主体金具５の後端側内側に挿入されている。そして、この内筒部材１４は、先端側の拡径した開口端部である先端開口端部５９を環状リング１５に当接させた状態で、主体金具５の金具側後端部６０を内側先端方向に加締めることで、主体金具５に固定されている。なお、ガスセンサ１においては、主体金具５の金具側後端部６０を加締めることを通じて、充填部材５２がスリーブ５３を介して圧縮充填される構造になっている。これにより、センサ素子２が筒状の主体金具５の内側に水密状に保持されている。

さらに、内筒部材１４は、軸線方向における略中間位置に内筒段付き部８３が形成されており、内筒段付き部８３よりも先端側が内筒先端側胴部６１として形成され、内筒段付き部８３よりも後端側が内筒後端側胴部６２として形成される。そして、内筒後端側胴部６２は、内筒先端側胴部６１よりも内径、外径がともに小さく形成され、その内径は後述するセパレータ７のセパレータ本体部８５の外径よりも若干大きく形成されている。また、内筒後端側胴部６２には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔６７が形成されている。

次に、外筒部材１６について説明する。この外筒部材１６は、ＳＵＳ３０４Ｌの板材を深絞り加工することにより筒状に成型され、後端側に外部から内部に通じる開口を含む外筒後端側部６３、先端側に内筒部材１４に対して後端側から同軸状に連結される外筒先端側部６４、外筒後端側部６３と外筒先端側部６４とをつなぐ外筒段部３５が形成される。なお、外筒後端側部６３には、後述する弾性シール部材１１を水密状に固定するための加締め部８８が形成されている。

さらに、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の外側には、大気導入孔６７から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ６８が配置されている。なお、フィルタ６８は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体（商品名:ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株））のように、水を主体とする液体の透過は阻止する一方、空気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成される。

また、外筒部材１６の外筒先端側部６４は、フィルタ６８が配置された内筒部材１４（詳細には内筒後端側胴部６２）を外側から覆う形状に形成されており、外筒先端側部６４のうち、フィルタ６８に対応する位置には周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔８４が形成されている。

次に、内筒部材１４と外筒部材１６との連結構造について説明する。図１に示すように、外筒部材１６と内筒部材１４とは、外筒部材１６の外筒先端側部６４のうちで、大気導入孔８４よりも後端側の少なくとも一部を、フィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した第１加締め部５６と、大気導入孔８４よりも先端側の少なくとも一部を、同じくフィルタ６８を介して径方向内側に加締めることで形成した第２加締め部５７とによって固定されている。このとき、フィルタ６８は、外筒部材１６と内筒部材１４との間で水密状に保持されることになる。また、外筒部材１６の外筒先端側部６４は内筒先端側胴部６１に対し、外側から重なりを生じるように配置されている。さらに、その重なり部の一部分が径方向内側に向けて加締められることで、径方向内側に縮径する連結加締め部７５が形成されている。なお、本実施形態では、この連結加締め部７５の位置が前記重なり部の先端側に位置されるように、外筒先端側部６４の加締め位置が調整されている。そして、この連結加締め部７５の形成位置が本発明の特徴であり、その作用効果については後述する。

このようにして、内筒部材１４に外筒部材１６が加締め固定されることで、弛みなく互いに連結される。そして、基準ガスとしての大気は、大気導入孔８４，フィルタ６８及び大気導入孔６７、内筒部材１４の内部に導入され、センサ素子２の有底孔２５に導入される。一方、水滴はフィルタ６８を通過することが出来ないため、内筒部材１４の内側への侵入が阻止される。

次に、内筒部材１４及び外筒部材１６の内側構造について説明する。図１に示すように、内筒部材１４の内筒後端側胴部６２の内側には、略円筒状のセパレータ７が設けられている。このセパレータ７には、素子用リード線２０、２１と、ヒータ用リード線１９、２２とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔７１が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ７には、先端面に開口する有底状の保持孔９５が軸線方向に形成されている。この保持孔９５内には、セラミックヒータ３の後端部が挿入され、セラミックヒータ３の後端面が保持孔９５の底面に当接することでセパレータ７に対するセラミックヒータ３の軸線方向の位置決めがなされる。

さらに、このセパレータ７は、内筒部材１４の後端内側に挿入されるセパレータ本体部８５を有するとともに、セパレータ本体部８５の後端部から周方向外側に延設されたセパレータフランジ部８６を有している。つまり、セパレータ７は、セパレータ本体部８５が内筒部材１４に挿入されるとともに、セパレータフランジ部８６が内筒部材１４の後端面にフッ素ゴムからなる環状シール部材４０を介して支持される状態で、外筒部材１６の内側に配置される。

一方、セパレータ７の後端側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール部材１１が配置されている。この弾性シール部材１１は、本体部３１、本体部３１の先端側の側周面から径方向外側に向けて延びるシール部材鍔部３２を有している。さらに、この本体部３１を軸線方向に貫くように４つのリード線挿通孔１７が形成されている。そして、このような弾性シール部材１１が、外筒部材１６の後端内側に内挿され、外筒部材１６が加締められて、加締め部８８が形成されることによって、外筒部材１６に固定されている。

また、素子用リード線２０、２１及びヒータ用リード線１９、２２は、セパレータ７のセパレータリード線挿通孔７１、弾性シール部材１１のリード線挿通孔１７を通じて、内筒部材１４及び外筒部材１６の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら４本のリード線１９、２０、２１、２２は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１９、２０、２１、２２とは電気信号の入出力が行なわれることになる。

さらに、各リード線１９、２０、２１、２２は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有し、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線２０の導線の先端側は、センサ素子２の外面に対して外嵌される端子金具４３の後端部と加締められ、素子用リード線２１の導線の先端側は、センサ素子２の内面に対して圧入される端子金具４４の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線２０は、センサ素子２の外部電極層２６と電気的に接続され、素子用リード線２１は、内部電極層２７と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線１９、２２の導線の先端部は、セラミックヒータ３の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。

次に、本発明の特徴である連結加締め部７５の形成位置について説明する。本実施形態のガスセンサ１では、連結加締め部７５の形成位置が、外筒先端側部６４と内筒先端側胴部６１との重なり部分の最先端側になるように調整される。これにより、外筒先端側部６４の先端部である外筒先端部６４ａも、内筒先端側胴部６１の外表面に対して加締められるため、外筒先端部６４ａを内筒先端側胴部６１の外表面に密着させることが出来る。よって、外筒先端部６４ａの内表面と、内筒先端側胴部６１の外表面との間には隙間９０（図３乃至図６参照）が形成されないので、塩水がそこに溜まらない。さらに、塩水が溜まらないので、内筒先端側胴部６１及び外筒先端側部６４が腐食する恐れもない。なお、図１，図２に示す連結加締め部７５が、「加締め固定部」に相当する。

さらに、外筒部材１６の厚みを０．８ｍｍ、内筒部材１４の厚みを１．６ｍｍとしている。このように、ガスセンサ１は、外筒部材１６の厚みが内筒部材１４の厚みより薄いことで、外筒部材１６において、連結加締め部７５に生じるスプリングバック現象をさらに減少させることができ、その結果、連結加締め部７５における外筒部材１６の内筒部材１４の外表面との密着性を向上できる。さらに、外筒部材１６の厚みが０．３〜０．８ｍｍであれば、連結加締め部７５に内筒部材に対する面圧が低下するのを効果的に防止できる。

また、連結加締め部７５における外筒部材１６のビッカース硬度が１４０ＨＶであり、連結加締め部７５における内筒部材１４のビッカース硬度が３７０ＨＶである。このように、ガスセンサ１は、連結加締め部７５における外筒部材１６のビッカース硬度が、連結加締め部７５における内筒部材１４のビッカース硬度よりも低いことで、外筒部材１６において、連結加締め部７５に生じるスプリングバック現象をさらに減少させることができ、連結加締め部７５における外筒部材１６の内筒部材１４の外表面との密着性を向上できる。さらに、外筒部材１６にオーステナイト系ステンレス鋼を用いることで、連結加締め部７５に内筒部材１４に対する面圧が低下するのを効果的に防止できる。

次に、連結加締め部７５の形成位置の違いによる効果を確認するため、以下の２つの評価試験を行った。評価試験１では、連結加締め部７５の形成位置の違いによる外筒先端側部６４の形状の変化を評価し、評価試験２では、連結加締め部７５の形成位置の違いによる連結加締め部７５の内筒先端側胴部６１に対する面圧の変化をＦＥＭ解析によって分析評価した。

まず、評価試験１について説明する。評価試験１では、外筒先端側部６４を加締める前のガスセンサ１をサンプルとして複数用意し、外筒先端側部６４と内側先端側部６１との重なり部分の範囲内で、連結加締め部７５の形成位置がそれぞれ異なるように、各サンプル毎の外筒先端側部６４の加締め作業を行った。そして、それらサンプル毎の重なり部分における外筒先端側部６４の先端側の形状を評価した。なお、以下説明において、連結加締め部７５の先端部の位置を加締め先端位置Ｐとする。そして、この加締め先端位置Ｐと、外筒先端部６４ａとの軸線方向に離間する距離を各々調整することによって、連結加締め部７５の形成位置を調整した。

次に、各サンプル毎の重なり部分における外筒先端側部６４の形状について説明する。例えば、図２に示すように、本実施形態のように、加締め先端位置Ｐと外筒先端部６４ａとの間の離間距離が０ｍｍの場合は、外筒先端側部６４の先端側には後述するスカート部７０（図３参照）は形成されない。一方、図３に示すように、加締め先端位置Ｐと外筒先端部６４ａとの間の離間距離が０．９ｍｍの場合、外筒先端側部６４の先端側には、外筒先端部６４ａが径方向外側にやや膨らんだスカート部７０が形成される。そして、そのスカート部７０の軸線方向の長さは、加締め先端位置Ｐと外筒先端部６４ａとの間の離間距離と同じ長さである０．９ｍｍとなっている。さらに、そのスカート部７０の内側には、断面略リング状の隙間９０が形成される。

さらに、図４，図５に示すように、連結加締め部７５の形成位置を軸線方向後端側に向かって移動させ、加締め先端位置Ｐと外筒先端部６４ａとの間の離間距離が２．２ｍｍ、３．３ｍｍの場合、スカート部７０の軸線方向の長さも、２．２ｍｍ、３．３ｍｍとさらに長くなる。それに伴い、隙間９０の軸線方向の長さも長くなる。そして、図６に示すように、連結加締め部７５の形成位置を、外筒先端側部６４と内側先端側部６１との重なり部分の最後端部近傍にまで移動させ、加締め先端位置Ｐと外筒先端部６４ａとの離間距離が４．３ｍｍの場合、スカート部７０の軸線方向の長さは４．３ｍｍとさらに長くなる。それに伴い、隙間９０の軸線方向の長さも長くなる。

このように、連結加締め部７５の形成位置を軸線方向後端側に移動させるにつれて、外筒先端側部６４の先端側に形成されるスカート部７０の軸線方向の長さが長くなる。さらに、スカート部７０が軸線方向に延びると、隙間９０もそれに伴って軸線方向に延びるので、隙間９０に保持され得る塩水量も多くなる。この場合、内筒先端側胴部６１の外表面と、外筒先端側部６４の先端側の内表面との間で生じる化学反応が起こりやすくなるので、内筒先端側胴部６１及び外筒先端側部６４が腐食する危険性が高くなると推測できる。したがって、本実施形態のように、連結加締め部７５の形成位置を、外筒先端側部６４と内筒先端側部６１との重なり部分の最先端側に調整することで、図２に示すように、外筒先端側部６４の先端側に形成されるスカート部７０を無くす（又は小さくする）とともに、隙間９０を無くす（又は小さくする）ことが出来るので、内筒先端側胴部６１及び外筒先端側部６４の腐食を防止することが出来る。

次に、評価試験２について説明する。評価試験２では、外筒先端側部６４と内側先端側部６１との重なり部分の範囲内で、連結加締め部７５の形成位置をそれぞれ変えた場合において、連結加締め部７５による内筒先端側胴部６１の外表面に対する面圧をＦＥＭ解析を用いて評価した。

ここで、ＦＥＭ解析条件について説明する。まず、内筒部材１４及び外筒部材１６の材質はともにＳＵＳ４３０とした。そして、内筒先端側胴部６１及び外筒先端側部６４の各形状は、加締め前において、内筒先端側胴部６１の外径を１３．８ｍｍ、内径を１２．２ｍｍとし、外筒先端側部６４の外径を１５．１ｍｍ、内径を１４．３ｍｍとした。さらに、加締め後の外筒先端側部６４の外径を１３．６５ｍｍとした。即ち、外筒先端側部６４の外径が１３．６５ｍｍになるまで加締めた場合における連結加締め部７５の内筒先端側胴部６１の外表面に対する面圧を算出した。また、評価サンプル数は、スカート部７０の軸線方向の長さを０ｍｍ〜５．２ｍｍまでそれぞれ変えた計１１サンプルとした。これら解析条件を元にして、各サンプルのスカート部７０の軸線方向の長さと面圧との関係を求めた。

次に、ＦＥＭ解析の結果について説明する。なお、スカート部７０の軸線方向の長さに対する面圧値は、スカート部７０の軸線方向の長さを３．３ｍｍとした場合に算出される面圧値を１とした時の相対比として表した。図７に示すように、例えば、スカート部７０の長さが０ｍｍ（図２参照）の場合は２．５、スカート部７０の長さが０．９ｍｍの場合は２．２（図３参照）、スカート部７０の長さが２．２ｍｍの場合は１．３（図４参照）、スカート部７０の長さが４．３ｍｍの場合は０．９（図６参照）であり、全体的には右肩下がりのＳ字曲線を示した。そして、スカート部７０の軸線方向の長さが１ｍｍを越えると、面圧は急激に低下し、さらに１．３ｍｍ、１．５ｍｍでそれぞれ変曲し、３ｍｍを越えると徐々になだらかな低下傾向を示した。

なお、面圧が低下する理由については、次のことが考えられる。外筒先端側部６４は加締められることによって、一枚の金属板が強制的に曲げ加工されるのと同じ効果を受ける。これにより、外筒先端側部６４では、加締めた直後に圧力が除かれると、連結加締め部７５がスカート部７０に引っ張られて反り返るスプリングバック現象を生じる。よって、連結加締め部７５全体が径方向外側にやや拡がるので、連結加締め部７５による内筒先端側胴部６１の外表面に対する面圧が低下するものと推測される。そして、上記分析結果により、この連結加締め部７５の面圧は、スカート部７０の軸線方向の長さが長いほど低くなるので、スカート部７０の軸線方向の長さを少なくとも１．５ｍｍ以下（好ましくは１．３ｍｍ、更に好ましくは１．０ｍｍ）となるように、連結加締め部７５の形成位置を調整すれば、連結加締め部７５と内筒先端側胴部６１の外表面との密着性を向上できると推測された。

以上説明したように、本実施形態のガスセンサ１では、連結加締め部７５の形成位置が、外筒先端側部６４と内筒先端側胴部６１との重なり部分の最先端側になるように調整されている。具体的に言うと、連結加締め部７５の先端部である加締め先端位置Ｐと、外筒先端部６４ａとが、軸線方向において同位置（離間距離が０ｍｍ）となるように調整される。これにより、外筒先端部６４ａが、内筒先端側胴部６１の外表面に対して加締められるため、外筒先端部６４ａを、内筒先端側胴部６１の外表面に密着させることが出来る。さらに、外筒先端部６４ａの内表面と、内筒先端側胴部６１の外表面との間には隙間が形成されないので、塩水が溜まらず、内筒部材１４及び外筒部材１６が腐食する恐れがない。

また、連結加締め部７５の形成位置を、外筒先端部６４ａから軸線方向後端側に離間させた場合、外筒先端側部６４の先端側にスカート部７０が形成されてしまう。このスカート部７０は、外筒先端側部６４のスプリングバック現象を引き起こす原因となるが、本実施形態のガスセンサ１では、連結加締め部７５を外筒先端側部６４と内筒先端側胴部６１との重なり部分の最先端側に形成することで、スカート部７０を形成させない。これにより、スプリングバック現象を回避することが出来るので、連結加締め部７５と内筒先端側胴部６１の外表面との密着性が低下するのを防止できる。

なお、本発明のセンサ及びガスセンサは、上記実施形態に限らず、各種変更が可能なことは言うまでもない。上記実施形態では、連結加締め部７５を外筒先端側部６４と内筒先端側胴部６１との重なり部分の最先端側に形成することによって、外筒先端側部６４の先端側に出来るスカート部７０を無くしたが、少なくとも外筒先端部６４ａと連結加締め部７５の先端部である加締め先端位置Ｐとの距離が１．５ｍｍ以下であればよい。

また、上記実施形態では、連結加締め部７５の形成位置を、外筒先端側部６４と内筒先端側胴部６１との重なり部分における最先端側にすることで、スカート部７０が形成されないようにしたが、例えば、連結加締め部７５を形成した後で、スカート部７０を切断してもよい。

さらに、上記実施形態では、連結加締め部７５の加締め幅については特に限定しない。

さらに、上記実施形態では、外筒部材１６と内筒部材１４とを加締めのみで連結加締め部７５を形成していたが、これに限らす、連結加締め部７５を形成後、連結加締め部７５の軸線方向略中央部にレーザ溶接をおこなっていても良い。

さらに、上記実施形態では、連結加締め部７５が外筒部材１６と内筒部材１４とが直接当接している部位に設けたが、これに限られず、図８に示されるガスセンサ１００に用いても良い。図８は、別実施形態のガスセンサ１００の断面図であり、図９は、外筒部材１１６の連結加締め部１７５近傍を示す部分拡大図である。

ガスセンサ１００は、軸線方向に延びる板状のセンサ素子１０２と、センサ素子１０２を自身の内側にて保持する主体金具１０５と、主体金具１０５の後端部に連結された内筒部材１１４、内筒部材１１４と同軸上に設けられ、内筒部材１１４の後端側を内挿する外筒部材１１６を備える。

センサ素子１０２は、被測定ガス中の特定ガスを検出する検出素子１２８と、セラミックヒータ１０３とが一体化されており、従来周知の構造を有している。主体金具１０５は、ガスセンサ１００を排気管の取り付け部に取り付けるためのネジ部１６６と、排気管の取り付け部への取り付け時に取付工具をあてがう六角部１９３を有している。そして、主体金具１０５の金具側段部１５４には、アルミナ製の支持部材１５１が係止している。そして、センサ素子１０２が支持部材１５１にガラス質のシール部材１５２で固定されている。

また主体金具１０５の先端側には、センサ素子１０２の主体金具１０５から突出する先端部を覆うとともに、複数のガス取り入れ孔を有する金属製の二重プロテクタ１８１、１８２が固定されている。

次に、内筒部材１１４について説明する。この内筒部材１１４は、自身の先端側が主体金具１０５の後端側に挿入されている。さらに、内筒部材１１４は、軸線方向における略中央位置に内筒段付き部１８３が形成されており、内筒段付き部１８３よりも先端側が内筒先端側胴部１６１として形成され、内筒段付き部１８３よりも後端側が内筒後端側胴部１６２として形成される。また、内筒後端側胴部１６２には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔１６７が形成されている。

さらに、内筒部材１１４の内筒後端側胴部１６２の外側には、大気導入孔１６７から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ１６８が配置されている。さらに、このフィルタ１６８を覆い、且つ内筒部材１１４の内筒後端側胴部１６２の周囲を覆うように外筒部材１１６が設けられている。この外筒部材１１６にも、フィルタ１６８に対応する位置には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔１８４が形成されている。

また、内筒部材１１４の内筒先端側胴部１６１の内側には、略円筒状のセパレータ１０７が設けられている。このセパレータ１０７は、素子用リード線１２０、１２１と、ヒータ用リード線１１９、１２２とに接続する接続端子１４３（図８には２つのみ表示）を内挿している。一方、内筒部材１１４の内筒後端側胴部１６２の内側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール部材１１１が配置されている。この弾性シール部材１１１は、軸線方向に貫くように４つのリード線挿通孔１１７が形成されている。

そして、外筒部材１１６は、内筒部材１１４に対して径方向内側に加締めている。具体的には、図９のようにフィルタ１６８よりも後端側にて外筒部材１１６と内筒部材１１４とを直接加締める第１加締め部１５６と、大気導入孔１８４よりも後端側にてフィルタ１６８を介して加締める第２加締め部１５７と、大気導入孔１８４よりも先端側にてフィルタ１６８を介して加締める連結加締め部１７５とを有している。

そして、この連結加締め部１７５の先端部である加締め先端位置と、外筒部材１１６の先端側との位置が１．５ｍｍ以下となるように形成されている。このように、連結加締め部１７５の形成位置を１．５ｍｍ以下とすることで、連結加締め部１７５と内筒後端側胴部１６２の外表面との間には隙間が形成されないので、塩水が溜まらず、内筒部材１１４及び外筒部材１１６が腐食する恐れがない。さらに、連結加締め部１７５と内筒後端側胴部１６２との密着性が低下するのを防止できる。

さらに、外筒部材１１６の先端とフィルタ１６８の先端との軸線方向の距離ｔ１が０．２ｍｍとなっている。このように、外筒部材１１６の先端とフィルタ１６８の先端との軸線方向の距離ｔ１を０．３ｍｍ以下とすることで、フィルタ１６８の先端から外筒部材１１６の先端までの軸線方向の長さを出来る限り短く出来る。よって、フィルタ１６８よりも先端側に形成される外筒部材１１６の先端側と内筒部材１１４の先端側との隙間を小さくすることが出来るので、塩水が溜まって内筒部材１１４及び外筒部材１１６が腐食するのを防止でき、ガスセンサ１００の検出精度の低下を防止できる。

さらに、内筒段付き部１８３と外筒部材１１６の先端との軸線方向の距離ｔ２が０．６ｍｍとなっている。このように、外筒部材１１６の先端と内筒段付き部１８３との軸線方向の距離ｔ２を０．５ｍｍ以上とするとことで、外筒部材１１６の先端から内筒段付き部１８３までの軸線方向の長さを出来る限り長く出来る。よって、外筒部材１１６の先端と内筒段付き部１８３との間にて、塩水の有する表面張力によって長期間その間に保持されることを防止できる。よって、塩水が溜まって内筒部材１１４及び外筒部材１１６が腐食するのを防止でき、センサの検出精度の低下を防止できる。なお、別実施例における内筒先端側胴部１６１が特許請求の範囲の「径大部」に相当し、内筒後端側胴部１６２が特許請求の範囲の「径小部」に相当し、内筒段付き部１８３が特許請求の範囲の「拡径部」に相当する。

さらに、別実施形態の変形例のセンサ１００を示す。なおこの変形例は、別実施形態のセンサ１００とは、フィルタの位置が異なるものであり、その他の部分は省略する。図１０は、外筒部材１１６の連結加締め部１７５近傍を示す部分拡大図である。

内筒部材１１４の内筒後端側胴部１６２の外側には、大気導入孔１６７から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ１６８が配置されている。さらに、このフィルタ１６８を覆い、且つ内筒部材１１４の内筒後端側胴部１６２の周囲を覆うように外筒部材１１６が設けられている。この外筒部材１１６にも、フィルタ１６８に対応する位置には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔１８４が形成されている。

そして、外筒部材１１６の先端よりもフィルタ１６８の先端が先端側に配置されている。このように、外筒部材１１６の先端よりもフィルタ１６８の先端が先端側に配置されていることで、フィルタ１６８よりも先端側に形成される外筒部材１１６の先端側と内筒部材１１４の先端側との隙間をなくすことが出来るので、塩水が溜まって内筒部材１１４及び外筒部材１１６が腐食するのを防止でき、ガスセンサ１００の検出精度の低下を防止できる。

本発明は、酸素センサ等のガスセンサに限らず、種々のセンサに適用できる。

本実施形態であるガスセンサ１の断面図である。 外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝０ｍｍ）である。 外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝０．９ｍｍ）である。 外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝２．２ｍｍ）であ。 外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝３．３ｍｍ）である。 外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図（加締め位置＝４．３ｍｍ）である。 ＦＥＭ解析の結果を示すグラフである。 別実施形態のガスセンサ１００の断面図である。 別実施形態の外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図である。 別実施形態の変形例の外筒部材１６の連結加締め部７５近傍を示す部分拡大図である。

符号の説明

１、１００ ガスセンサ
２、１０２ センサ素子
５、１０５ 主体金具
７、１０７ セパレータ
１４、１１４ 内筒部材
１６、１１６ 外筒部材
６４ａ 外筒先端部
６８、１６８ フィルタ
７５、１７５ 連結加締め部

Claims (8)

1. 内燃機関の吸排気管に取り付けられるセンサであって、
   軸線方向に延びるセンサ素子と、
   当該センサ素子を保持する主体金具と、
   当該主体金具の後端側に固定される内筒部材と、
   当該内筒部材の径方向周囲を覆う外筒部材と
   を備え、
   当該外筒部材は、径方向内側に加締めることにより、前記内筒部材の外周面の周方向に直接又は他部材を介して接する加締め固定部を有するセンサにおいて、
   前記加締め固定部の先端は、前記外筒部材の先端から軸線方向に１．５ｍｍ以内に配置されており、
   前記加締め固定部は前記外筒部材の先端を含むよう形成されていることを特徴とするセンサ。
2. 前記センサ素子は、自身の先端側に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出し、
   前記主体金具は、自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記センサ素子の径方向周囲を覆い、
   前記内筒部材は、前記センサ素子の後端側の径方向周囲を覆うことを特徴とする請求項１記載のセンサ。
3. 前記外筒部材の厚みは、前記内筒部材の厚みより薄いことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ。
4. 前記外筒部材の厚みは０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のセンサ。
5. 前記加締め固定部における前記外筒部材のビッカース硬度は、前記加締め固定部における前記内筒部材のビッカース硬度よりも低いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサ。
6. 前記外筒部材はオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のセンサ。
7. 前記内筒部材及び前記外筒部材には、大気が前記内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、
   前記内筒部材及び前記外筒部材の前記大気導入孔に対応する部位にフィルタが配置され、
   前記加締め固定部は、当該フィルタよりも先端側にて形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のセンサ。
8. 前記内筒部材には、大気が前記内筒部材内に連通可能な少なくとも１つ以上の大気導入孔が形成されており、
   前記内筒部材の前記大気導入孔を覆うようにフィルタが配置され、
   前記加締め固定部は、当該フィルタを介して形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のセンサ。