JP7044668B2

JP7044668B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP7044668B2
Application number: JP2018163425A
Authority: JP
Inventors: 雄次島崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-03-30
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP2020034506A

Description

本発明は、センサ素子の先端側を囲むプロテクタを備えたガスセンサに関する。

従来から、筒状の主体金具にセンサ素子を組み付け、さらにセンサ素子の先端側を覆うようにして主体金具の先端側に金属製筒状のプロテクタを溶接したガスセンサが知られている。しかしながら、主体金具に用いる材料の熱膨張率と、プロテクタに用いる材料の熱膨張率とは一般に大きく異なるため、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ると、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おそれがある。
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）。

特開２０１５－２１０１４７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、比較的厚みの薄い内側プロテクタと外側プロテクタとを溶接しているため、溶け込み深さをあまり大きくすることができず、溶接強度が低下するおそれがある。
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。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、プロテクタが高温に曝されたりプロテクタに外力が加わっても、プロテクタを主体金具に確実に固定することができるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサは、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。

このガスセンサによれば、ｔｈ１＜ｔｈ２の関係を満たすことで、プロテクタに比べて厚い中間部材にプロテクタを溶接するので、溶け込み深さを大きくして溶接強度を向上させることができる。又、主体金具に固定される中間部材がプロテクタより厚いので、プロテクタに飛石等の衝撃が加わっても中間部材が変形し難く、プロテクタを主体金具に確実に固定することができる。
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。

本発明のガスセンサにおいて、前記中間部材は無底筒状をなしてもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、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ってもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、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してもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、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の関係を満たしてもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、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の関係を満たしてもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、Ｔ３＝Ｔ２の関係を満たしてもよい。
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。

本発明のガスセンサにおいて、前記溶接部は、前記中間部材を貫通しなくてよい。
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。

この発明によれば、ガスセンサのプロテクタが高温に曝されたりプロテクタに外力が加わっても、プロテクタを主体金具に確実に固定することができる。

本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。図１の中間部材近傍の部分拡大図である。第１の実施形態にかかるガスセンサの製造方法を示す断面図である。本発明の第２の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。第２の実施形態にかかるガスセンサの製造方法を示す断面図である。本発明の第３の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。

本発明の実施形態について、各図に基づいて詳細に説明する。まず、図１～図３を参照し、本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサ１Ａについて説明する。
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。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１Ａは、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０Ａと、セラミックホルダ３０Ａの径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、プロテクタ６０Ａと、後述する中間部材１００と、を備えている。
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。

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、検知用電極等（図示せず）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。このセンサ素子２１自体は、従来公知のものと同じものであり、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２をなす一対の検知用電極が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用の電極端子２４が露出形成されている。
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。

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述する中間部材１００を自身の内面に係合するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１８を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１Ａの後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１５が連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
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。

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０Ａが配置されている。セラミックホルダ３０Ａは、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ｆを有している。そして、先端向き面３０ｆの外周寄りの部位が中間部材１００を介して段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０Ａが後端側からシール部材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０Ａが位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
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。

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０Ａの貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０Ａ及び主体金具１１の先端よりも先方に突出させている。
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。

中間部材１００は、金属製で無底筒状をなし、後端側に径方向外側に広がるフランジ部１００ａを有している。中間部材１００のフランジ部１００ａを除く外径は、主体金具１１の円環状部１８の内径よりわずかに小さく、円環状部１８の内側に中間部材１００を嵌合可能になっている。
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。

一方、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部にシール部材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１Ａでは、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１５に外嵌して溶接することで、ガスセンサ１Ａの後方が気密状にカバーされている。
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。

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

次に、図２を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
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の構成材料の２０～８５０℃における熱膨張率をＴ１、プロテクタ６０Ａの構成材料の２０～８５０℃における熱膨張率をＴ２、中間部材１００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。なお、本例では、主体金具１１、プロテクタ６０Ａ（内側プロテクタ５１と外側プロテクタ６１）、及び中間部材１００の構成材料はそれぞれＳＵＳ４３０，ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１０Ｓである。

このように、ｔｈ１＜ｔｈ２の関係を満たすことで、プロテクタ６０Ａに比べて厚い中間部材１００にプロテクタ６０Ａを溶接するので、溶け込み深さを大きくして溶接強度を向上させることができる。
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。

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６０Ａを中間部材１００に溶接することで、主体金具１１とプロテクタ６０Ａ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６０Ａと中間部材１００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Ｗ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Ｗ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。

なお、本実施形態では、中間部材１００は無底筒状をなしている。これにより、中間部材１００を有底筒状とした場合に比べ、センサ素子２１を囲むプロテクタ６０Ａの内部空間を大きくすることができ、センサ素子２１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。
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。

又、図２の矢印Ｖに示すように、本実施形態では、軸線Ｏ方向から見て、中間部材１００とシール部材４１とが少なくとも一部で重なる。これにより、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、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。
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。

次に、図３を参照し、ガスセンサ１Ａの製造方法について説明する。
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。

次いで、外筒８１内にグロメット８５、セパレータ９１、各端子金具７５が接続されたリード線７１等のパーツを収容し、外筒８１を主体金具１１の後端側の円筒部１５に嵌め込み、外筒８１と共に保持部材８２をカシメる。これにより、外筒８１に支持されたセパレータ９１を外筒８１の内部に収容すると共に、段部８１ｄと保持部材８２の間でセパレータ９１のフランジ９３を支持させる。
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。

次に、図４～図５を参照し、本発明の第２の実施形態にかかるガスセンサ１Ｂについて説明する。
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。

図４に示すように、プロテクタ６０Ｂは、有底円筒状の内側プロテクタ５２と、有底円筒状の外側プロテクタ６２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。

中間部材１０２は、金属製で一定の径の無底筒状をなしている。中間部材１０２の外径は、主体金具１１の円環状部１８の内径よりわずかに小さく、円環状部１８の内側に中間部材１０２を圧入可能になっている。
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。

ガスセンサ１Ｂは、図５に示すようにして製造することができる。
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。

ガスセンサ１Ｂにおいても、ｔｈ１＜ｔｈ２の関係を満たすことで、溶け込み深さを大きくして中間部材１０２とプロテクタ６０Ｂとの溶接強度を向上させることができる。又、プロテクタ６０Ｂに飛石等の衝撃が掛かった場合に中間部材１０２が変形することを抑制し、プロテクタ６０Ｂを主体金具１１に確実に固定することができる。

さらに、Ｔ１，Ｔ２が大きく異なっても、Ｔ２、Ｔ３を近づけることで、溶接部Ｗ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Ｗ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、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。

なお、本実施形態では、プロテクタ６０Ｂが中間部材１０２の内面に重なり合った状態で溶接部Ｗが形成されると共に、Ｔ３＜Ｔ２の関係を満たす。これにより、高温下でプロテクタ６０Ｂが中間部材１０２よりも膨張して中間部材１０２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とプロテクタ６０Ｂとをより強固に固定でき、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。

次に、図６を参照し、本発明の第３の実施形態にかかるガスセンサ１Ｃについて説明する。
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。

図６に示すように、プロテクタ６０Ｃは、有底円筒状の１重プロテクタからなる。
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。

中間部材１０４は、金属製で一定の径の無底筒状をなしている。中間部材１０４の外径は、主体金具１１の円環状部１８の内径よりわずかに小さく、円環状部１８の内側に中間部材１０４を圧入可能になっている。
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。

このガスセンサ１Ｃも、ガスセンサ１Ｂと同様にして製造することができる。つまり、中間部材１０４を含まない素子アッセンブリを作成しておくと共に、予め、プロテクタ６０Ｃの後端６０Ｃｅに中間部材１０４を溶接して溶接部Ｗを形成しておく。
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。

ガスセンサ１Ｃにおいても、ｔｈ１＜ｔｈ２の関係を満たすことで、溶け込み深さを大きくして中間部材１０４とプロテクタ６０Ｃとの溶接強度を向上させることができる。又、プロテクタ６０Ｃに飛石等の衝撃が掛かった場合に中間部材１０４が変形することを抑制し、プロテクタ６０Ｃを主体金具１１に確実に固定することができる。

さらに、Ｔ１，Ｔ２が大きく異なっても、Ｔ２、Ｔ３を近づけることで、溶接部Ｗ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Ｗ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、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。

又、本実施形態でもガスセンサ１Ａと同様、Ｔ３＝Ｔ２の関係を満たす。これにより、プロテクタ６０Ｃと中間部材１０４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６０Ｃ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。

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
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。

１Ａ，１Ｂ、１Ｃガスセンサ
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

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。