JP7044668B2 - ガスセンサ - Google Patents
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一方、主体金具にプロテクタを溶接しないで固定する方法として、内側プロテクタと外側プロテクタを溶接して二重プロテクタとすると共に、内側プロテクタの後端側をフランジ状に拡径し、このフランジを主体金具の内面とセンサ素子の鍔部の外面との間で挟持する技術が知られている(特許文献1)。
又、厚みの薄い内側プロテクタの後端側をフランジ状にして主体金具に固定するため、プロテクタに飛石等の衝撃が加わった場合に、フランジがずれたり曲がってプロテクタが主体金具に対して斜めになったり、主体金具から脱落するおそれがある。
さらに、T2>T1、かつT3>T1の関係を満たしたうえで、プロテクタを中間部材に溶接することで、主体金具とプロテクタに用いる材料のそれぞれの熱膨張率T1,T2が大きく異なっても、プロテクタと中間部材に用いる材料のそれぞれの熱膨張率T2、T3を近づけることで、溶接部が高温に曝された後に室温付近に冷却される熱履歴を受けても、溶接部に応力が生じて溶接部の剥離やクラックが生じることを抑制できる。
又、T3>T1としつつ、中間部材を主体金具の内面に配置することで、高温下で中間部材が主体金具よりも膨張して主体金具の内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材、ひいてはプロテクタを主体金具により強固に固定できる。
以上により、プロテクタが高温に曝されたり、プロテクタに力が掛かっても主体金具に確実に固定することができる。
このガスセンサによれば、中間部材を有底筒状とした場合に比べ、センサ素子を囲むプロテクタの内部空間を大きくすることができ、センサ素子により多くの被測定ガスを接触させて検出精度を向上させることができる。
このガスセンサによれば、プロテクタが高温に曝されて中間部材が熱膨張して膨らんだ際、シール部材を圧縮し、シール性をさらに向上させることができる。
このガスセンサによれば、プロテクタが高温に曝されて中間部材が熱膨張して膨らんだ際、後端側のシール部材を圧縮し、シール性をさらに向上させることができる。
このガスセンサによれば、高温下で中間部材がプロテクタよりも膨張してプロテクタの内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材とプロテクタとをより強固に固定でき、ひいてはプロテクタを主体金具により強固に固定できる。
このガスセンサによれば、高温下でプロテクタが中間部材よりも膨張して中間部材の内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材とプロテクタとをより強固に固定でき、ひいてはプロテクタを主体金具により強固に固定できる。
このガスセンサによれば、プロテクタと中間部材の構成材料の20~850℃における熱膨張率が等しいので、プロテクタが高温に曝されても溶接部に応力が生じることを抑制できる。
このガスセンサによれば、溶接部と反対側の中間部材の内面(又は外面)が滑らかになり、ガスセンサ組付け時に中間部材の内面等に他部材が接触して破損することを抑制すると共に、ガスセンサ使用時に中間部材の内面側のセンサ素子周辺の気流を乱して応答性が低下することも抑制できる。又、th2>th1であるので、溶接部が中間部材を貫通しなくとも、溶け込み深さを大きくできる。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかるガスセンサ1Aの断面図、図2は図1の中間部材100近傍の部分拡大図、図3はガスセンサ1Aの製造方法を示す断面図である。
センサ素子21のうち、検知部22が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ30Aより先端に突出している。このように貫通孔32を通されたセンサ素子21は、セラミックホルダ30Aの後端面側(図示上側)に配置されたシール部材(本例では滑石)41を、絶縁材からなるスリーブ43、リングワッシャ45を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具11の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、センサ素子21の後端29を含む後端寄り部位はスリーブ43及び主体金具11より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極端子24に、シール部材85を通して外部に引き出された各リード線71の先端に設けられた端子金具75が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極端子24を含むセンサ素子21の後端寄り部位は、外筒81でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。
また、本例では、センサ素子21のうち、固体電解質(部材)に積層状に形成されたセラミック材の先端寄り部位内部にヒータ(図示せず)が設けられており、後端寄り部位には、このヒータへの電圧印加用のリード線71接続用の電極端子24が露出形成されている。なお、図示はしないが、これら電極端子24は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子21の後端寄り部位において、帯板の幅広面(両面)に3つ又は2つの電極端子が横に並んでいる。
なお、センサ素子21の検知部22に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層23が被覆されている。
さらに、主体金具11の円環状部18近傍の内周面には、後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部17を有している。
一方、貫通孔32は、セラミックホルダ30Aの中心に設けられると共に、センサ素子21が略隙間なく通るように、センサ素子21の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。
一方、センサ素子21の先端部位は、筒状をなし、被測定ガスを導入又は排出可能なプロテクタ60Aで覆われている。本形態では、プロテクタ60Aは、通気孔56及び排出孔53を有する有底円筒状の内側プロテクタ51と、通気孔67及び排出孔69を有する有底円筒状の外側プロテクタ61とを離間して配置した2重プロテクタからなる。
このうち内側プロテクタ51と外側プロテクタ61の後端60Aeが中間部材100の外面に重なり合った状態で、内側プロテクタ51及び外側プロテクタ61を貫通する溶接部Wが形成されている。より具体的には、内側プロテクタ51の後端が拡径して外側プロテクタ61の後端に接し、両者が重なった後端60Aeが形成されている。そして、内側プロテクタ51の後端と中間部材100の外面とが対向し、外側プロテクタ61から中間部材100に向かって溶接部Wが形成されている。
そして、主体金具11の後端側から中間部材100を挿入すると、段部17にフランジ部100aの先端向き面100fが係止される。さらに中間部材100の後端側に配置されたセラミックホルダ30Aの先端向き面30fを先端に向かって押圧すると、先端向き面30fがフランジ部100aの後端向き面に当接し、先端向き面30fが中間部材100を介して段部17に係止される。
つまり、中間部材100は、主体金具11とセラミックホルダ30Aとの間に挟持されている。
このようにして中間部材100が主体金具11に係合されると共に、主体金具11の先端よりも先方に突出した中間部材100の外面に、上記したようにプロテクタ60Aの後端60Aeが溶接されて溶接部Wが形成されている。
なお、リード線71は外筒81の後端部の内側に配置されたシール部材(例えばゴム)85を通されて外部に引き出されており、この小径筒部83を縮径カシメしてこのシール部材85を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。
まず、溶接部Wに隣接する中間部材100とプロテクタ60A(後端60Ae)との重なり部位において、プロテクタ60Aの厚みth1と、中間部材100の厚みth2とを比較したとき、th1<th2の関係を満たす。換言すると、中間部材100とプロテクタ60A(後端60Ae)との重なり部位のうち、溶接部Wを含まない部位において、プロテクタ60Aの厚みth1と、中間部材100の厚みth2とを比較したとき、th1<th2の関係を満たす。
ここで、本例ではプロテクタ60Aは内側プロテクタ51と外側プロテクタ61の二重プロテクタであるが、溶接部Wに隣接する後端60Aeでは内側プロテクタ51と外側プロテクタ61とが重なっているので、厚みth1は後端60Aeにおける内側プロテクタ51と外側プロテクタ61の合計厚みとする。
又、主体金具11に固定される中間部材100の厚みth2が、プロテクタ60Aの厚みth1より厚いので、プロテクタ60Aに飛石等の衝撃が加わっても中間部材100が変形し難く、プロテクタ60Aを主体金具11に確実に固定することができる。
又、T3>T1としつつ、中間部材100を主体金具11の内面に配置することで、高温下で中間部材100が主体金具11よりも膨張して主体金具11の内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材100、ひいてはプロテクタ60Aを主体金具11により強固に固定できる。
以上により、プロテクタ60Aが高温に曝されたり、プロテクタ60Aに力が掛かっても主体金具11に確実に固定することができる。
又、本実施形態では、溶接部Wは中間部材100を径方向に貫通しない。これにより、溶接部Wと反対側の中間部材100の内面(又は外面)が滑らかになり、ガスセンサ組付け時に中間部材100の内面等に他部材が接触して破損することを抑制すると共に、ガスセンサ使用時に中間部材100の内面側のセンサ素子21周辺の気流を乱して応答性が低下することも抑制できる。又、th2>th1であるので、溶接部Wが中間部材100を貫通しなくとも、溶け込み深さを大きくできる。
同様に、本実施形態では、中間部材100がシール部材41よりも先端側に位置する。これによっても、プロテクタ60Aが高温に曝されて中間部材100が熱膨張して膨らんだ際、後端側のシール部材41を圧縮し、シール性をさらに向上させることができる。
さらに、本実施形態ではT3=T2の関係を満たす。これにより、プロテクタ60Aと中間部材100の構成材料の20~850℃における熱膨張率が等しいので、プロテクタ60Aが高温に曝されても溶接部Wに応力が生じることを抑制できる。
まず、センサ素子21を主体金具11に対して保持させ、さらに中間部材100を主体金具11の内面に係合させた素子アッセンブリAcを準備する。
次に、素子アッセンブリAcの先端側に突出した中間部材100の先端に、プロテクタ60Aの後端60Aeを外嵌し、後端60Aeを全周溶接することで溶接部W(図2参照)を形成し、プロテクタ60Aを中間部材100に固定する。
そして、外筒81の先端部に対して、主体金具11の外周面の全周にわたってレーザ溶接し、外筒81を主体金具11に対して固定する一方、シール部材85を外筒81の後端に組み付けた後にカシメる。
このようにして、本実施形態のガスセンサ1Aを製造することができる。
図4は、本発明の第2の実施形態にかかるガスセンサ1Bの断面図、図5はガスセンサ1Bの製造方法を示す断面図である。
なお、ガスセンサ1Bは、プロテクタ60B、セラミックホルダ30B及び中間部材102が異なること以外は、第1の実施形態にかかるガスセンサ1Aと同一であるので、ガスセンサ1Aと同一構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
このうち内側プロテクタ52と外側プロテクタ62の後端60Beが中間部材102の内面に重なり合った状態で、内側プロテクタ52及び外側プロテクタ62を貫通する溶接部Wが形成されている。より具体的には、外側プロテクタ62の後端が縮径して内側プロテクタ52の後端に接し、両者が重なった後端60Beが形成されている。そして、外側プロテクタ62の後端と中間部材102の内面とが対向し、内側プロテクタ52から中間部材102に向かって溶接部Wが形成されている。
そして、主体金具11の先端側から中間部材102を圧入すると、セラミックホルダ30Bの先端に中間部材102が当接して圧入深さが調整される。又、セラミックホルダ30Bの先端向き面30Bfは、主体金具11の段部17に直接係止されている。
まず、ガスセンサ1Aと同様、センサ素子21を主体金具11に対して保持させた素子アッセンブリAc2を準備する。但し、素子アッセンブリAc2は中間部材102を含まない。
一方、予め、プロテクタ60Bの後端60Beに中間部材102を溶接して溶接部Wを形成しておく。
次に、素子アッセンブリAcの先端側に突出した主体金具11の円環状部18の内側に、プロテクタ60Bを溶接した中間部材102を圧入し、中間部材102、ひいてはプロテクタ60Bを主体金具11に固定する。
そして、ガスセンサ1Aと同様、各種パーツを収容した外筒81を主体金具11の後端側の円筒部15に嵌め込み、適宜カシメを行うと共に、外筒81の先端部の外周面の全周にわたってレーザ溶接し、外筒81を主体金具11に対して固定する。
又、高温下で中間部材102が主体金具11よりも膨張して主体金具11の内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材102、ひいてはプロテクタ60Bを主体金具11により強固に固定できる。
以上により、プロテクタ60Bが高温に曝されたり、プロテクタ60Bに力が掛かっても主体金具11に確実に固定することができる。
図6は、本発明の第3の実施形態にかかるガスセンサ1Cの断面図である。
なお、ガスセンサ1Cは、プロテクタ60C、セラミックホルダ30C及び中間部材104が異なること以外は、第1の実施形態にかかるガスセンサ1Aと同一であるので、ガスセンサ1Aと同一構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
そして、プロテクタ60Cの後端60Ceが中間部材104の外面に重なり合った状態で、プロテクタ60Cを貫通する溶接部Wが形成されている。より具体的には、プロテクタ60Cから中間部材104に向かって溶接部Wが形成されている。
そして、主体金具11の先端側から中間部材104を圧入すると、セラミックホルダ30Cの先端に中間部材104が当接して圧入深さが調整される。又、セラミックホルダ30Cの先端向き面30Cfは、主体金具11の段部17に直接係止されている。
そして、素子アッセンブリの先端側に突出した主体金具11の円環状部18の内側に、プロテクタ60Cを溶接した中間部材104を圧入し、中間部材104、ひいてはプロテクタ60Cを主体金具11に固定する。
そして、各種パーツを収容した外筒81を主体金具11の後端側の円筒部15に嵌め込み、適宜カシメを行うと共に、外筒81の先端部の外周面の全周にわたってレーザ溶接し、外筒81を主体金具11に対して固定する。
又、高温下で中間部材104が主体金具11よりも膨張して主体金具11の内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材104、ひいてはプロテクタ60Cを主体金具11により強固に固定できる。
以上により、プロテクタ60Cが高温に曝されたり、プロテクタ60Cに力が掛かっても主体金具11に確実に固定することができる。
センサ素子は板状に限らず、筒状素子でもよい。
プロテクタの構造や形状も上記実施形態に限定されないし、中間部材を主体金具の先端側の内面に係合する方法も限定されない。
また、プロテクタが中間部材の外面に重なり合った状態で溶接部が形成される場合において、T3>T2としてもよい。この場合、高温下で中間部材がプロテクタよりも膨張してプロテクタの内面に密着する焼嵌め効果が生じ、高温下でも中間部材とプロテクタとをより強固に固定でき、ひいてはプロテクタを主体金具により強固に固定できる。
11 主体金具
21 センサ素子
22 検知部
41 シール部材
60A,60B,60C プロテクタ
100、102、104 中間部材
O 軸線
W 溶接部
Claims (8)
- 軸線方向に延び、先端側に被測定ガス中の特定ガスを検知する検知部が形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子の前記検知部よりも後端側の径方向周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具と、
前記センサ素子の先端側を囲む筒状をなし、前記被測定ガスを導入又は排出可能なプロテクタと、
を備えたガスセンサであって、
さらに、筒状の中間部材を備え、
前記中間部材の外面又は内面に前記プロテクタが重なり合った状態で溶接部が形成され、
前記中間部材が前記主体金具の先端側の内面に圧入又は係合されており、
前記溶接部に隣接する前記中間部材と前記プロテクタとの重なり部位において、前記プロテクタの厚みth1と前記中間部材の厚みth2とを比較したとき、th1<th2の関係を満たし、
前記主体金具の構成材料の20~850℃における熱膨張率をT1、前記プロテクタの構成材料の20~850℃における熱膨張率をT2、前記中間部材の構成材料の20~850℃における熱膨張率をT3とした場合、T2>T1、かつT3>T1の関係を満たすことを特徴とするガスセンサ。 - 前記中間部材は無底筒状をなすことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記センサ素子の外面と前記主体金具の内面との間にシール部材が配置され、
前記軸線方向から見て、前記中間部材と前記シール部材とが少なくとも一部で重なることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 前記センサ素子の外面と前記主体金具の内面との間にシール部材が配置され、
前記中間部材が前記シール部材よりも先端側に位置することを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のガスセンサ。 - 前記プロテクタが前記中間部材の外面に重なり合った状態で前記溶接部が形成され、
T3>T2の関係を満たすことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ。 - 前記プロテクタが前記中間部材の内面に重なり合った状態で前記溶接部が形成され、
T3<T2の関係を満たすことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ。 - T3=T2の関係を満たすことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記溶接部は、前記中間部材を貫通しないことを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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