さらに、このガスセンサは、軸線方向に延び、センサ素子の電極端子部が接続される先端側接続部を有する端子金具と、軸線方向に延びる筒状をなし、外筒の内周面から離間する態様で外筒の内部に配置され、端子金具の先端側接続部とセンサ素子のうち電極端子部を有する部位を、内部に収容するセパレータと、端子金具のうち後端側に位置する後端側接続部に接続されて、後端側へ延びるリード線と、軸線方向に延びる筒状をなし、外筒の後端側開口部を閉塞する態様で外筒に固定されたゴムキャップとを備える。なお、セパレータは、絶縁性セラミックからなる2つの絶縁部材を組み合わせてなる筒状のセパレータ本体部と、2つの絶縁部材を組み合わせて筒状のセパレータ本体部にした状態を保持する本体保持部(セパレータ本体の周囲を包囲してセパレータ本体の筒形状を保持する部位)とを備える。このガスセンサでは、端子金具の後端側接続部が、ゴムキャップを軸線方向に貫通する貫通孔内に挿入されると共に、リード線のうち後端側接続部よりも後端側に位置してゴムキャップの貫通孔内に挿入されている部位が、貫通孔に密着して固定されている。
ところで、上述のガスセンサでは、セパレータが、先端側部材である内筒と離間している。なお、先端側部材は、セパレータに対して先端側に位置する部材のうちセパレータの最も近くに位置する部材であって、センサ素子が軸線方向に挿通する部材である。さらには、セパレータは、後端側部材であるゴムキャップとも離間している。なお、後端側部材は、セパレータに対して後端側に位置する部材のうちセパレータの最も近くに位置する部材である。従って、上述のガスセンサでは、外筒の内部においてセパレータが固定されていない。
このため、上述のガスセンサに外部から力が加えられたり、上述のガスセンサに外部から振動が伝わったりした場合に、外筒に対してセパレータが相対的に軸線方向に交差する方向(例えば、外筒の径方向)へ振動することがあった。これにより、セパレータの内部に収容されている端子金具の先端側接続部が、外筒に対して相対的に軸線方向に交差する方向(軸線交差方向とする)へ振動することがあった。一方、外筒に固定されているゴムキャップは外筒に対して相対的に振動しない(または振動し難い)ので、ゴムキャップ内に挿入されている端子金具の後端側接続部も、外筒に対して相対的に振動しない(または振動し難い)。
このため、軸線方向に延びる端子金具において、端子金具の先端側接続部が、後端側接続部に対して相対的に軸線交差方向へ振動し、これによって先端側接続部と後端側接続部との間で応力(例えば、剪断応力)が発生し、先端側接続部と後端側接続部との間で端子金具が折れることがあった。このようなことから、ガスセンサにおいて、外筒に対してセパレータが相対的に軸線交差方向(軸線方向に交差する方向)へ振動することを低減することが求められていた。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、外筒に対してセパレータが相対的に軸線交差方向へ振動し難いガスセンサ、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
軸線方向に延び、後端側に電極端子部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、前記軸線方向に延びる筒状をなし、前記主体金具の後端側の部位に取り付けられた金属製の外筒と、前記軸線方向に延び、前記センサ素子の前記電極端子部が接続される先端側接続部を有する端子金具と、前記軸線方向に延びる筒状をなし、前記外筒の内周面から離間する態様で前記外筒の内部に配置され、前記端子金具の前記先端側接続部と前記センサ素子のうち前記電極端子部を有する部位とを、内部に収容するセパレータと、前記端子金具のうち後端側に位置する後端側接続部に接続されて、後端側へ延びるリード線と、を備えるガスセンサにおいて、前記軸線方向に延びる筒状をなし、前記セパレータの周囲を取り囲む態様で前記外筒の内部に配置されて前記セパレータを保持する保持金具、を備え、前記保持金具は、前記セパレータに接触して前記セパレータを保持する保持部と、前記外筒の前記内周面に接触する外筒接触部と、を有し、前記外筒接触部が前記外筒のみと溶接されて、前記外筒に固定されているガスセンサが好ましい。
上述のガスセンサは、セパレータを保持する保持金具を備える。この保持金具は、軸線方向に延びる筒状をなし、セパレータの周囲(外周)を取り囲む態様で外筒の内部に配置されてセパレータを保持する。この保持金具は、セパレータに接触してセパレータを保持する保持部と、外筒の内周面に接触する外筒接触部とを有する。この保持金具は、外筒接触部が外筒に溶接されることで外筒に固定されている。従って、上述のガスセンサでは、セパレータが、保持金具を介して外筒に固定されている。
従って、上述のガスセンサでは、外部からガスセンサに力が加えられたり、外部からガスセンサに振動が伝わったりした場合に、「外筒に対してセパレータが相対的に軸線方向に交差する方向(例えば、外筒の径方向)へ振動すること」が生じ難くなる。従って、上述のガスセンサは、外筒に対してセパレータが相対的に軸線交差方向へ振動し難いガスセンサである。
ところで、ガスセンサの製造方法として、保持金具の先端部と外筒の先端部とをまとめて主体金具に溶接する、すなわち、保持金具と外筒と主体金具の3部材を溶接することで、保持金具を外筒に溶接することが考えられる。これに対し、上述のガスセンサでは、保持金具の外筒接触部が、外筒のみと溶接されている。すなわち、保持金具(外筒接触部)と外筒の2部材のみが溶接されている。換言すれば、保持金具の外筒接触部と外筒とのみによって形成された溶接部によって、保持金具が外筒に接合(固定)されている。このため、前者のように3部材を溶接する場合に比べて、容易に、保持金具を外筒に溶接することができる。
さらに、上述のガスセンサでは、保持金具と外筒の2つの部材のみによって溶接部が形成されているので、保持金具と外筒と主体金具の3つの部材によって溶接部が形成されている場合に比べて、溶接部を形成する部材間の熱膨張差によって溶接部に亀裂が生じることが低減され得る。溶接部を形成する部材の種類が少ないほど、溶接部を形成する部材間の熱膨張差によって溶接部に亀裂が生じる可能性が低くなるからである。
なお、セパレータとしては、例えば、絶縁性セラミックからなる筒状のセパレータを挙げることができる。また、絶縁性セラミックからなる複数の絶縁部材を組み合わせてなる筒状のセパレータ本体部と、複数の絶縁部材を組み合わせて筒状のセパレータ本体部にした状態を保持する本体保持部(例えば、セパレータ本体部の周囲を包囲してセパレータ本体部の筒形状を保持する本体保持部)と、を備えるセパレータを挙げることもできる。
本発明の一態様は、前記のガスセンサであって、前記保持金具の前記外筒接触部と前記外筒との溶接部は、前記外筒の外周面よりも前記内周面側に形成されているガスセンサである。
上述のガスセンサでは、保持金具の外筒接触部と外筒との溶接部(溶融した後に凝固した部位)は、外筒の外周面よりも内周面側に形成されている。すなわち、保持金具の外筒接触部と外筒との溶接部は、外筒の外周面に露出することなく形成されている。溶接部は、溶接されていない部位(母材のままの部位)に比べて腐食し易いので、溶接部が外筒の外周面に露出している場合は、当該溶接部を含む外筒の耐腐食性が低下する。これに対し、上述のガスセンサでは、保持金具の外筒接触部と外筒との溶接部が外筒の外周面に露出していないので、外筒の耐腐食性の低下を抑制できる。
さらに、前記いずれかのガスセンサであって、前記外筒のうち前記外筒接触部との溶接部を周方向に有する環状部の平均厚みは、0.3mm以上1.0mm以下の範囲内であるガスセンサとすると良い。
上述のガスセンサでは、外筒のうち、保持金具の外筒接触部と溶接された溶接部を周方向に有する環状部の平均厚みが、0.3mm以上1.0mm以下の範囲内の値とされている。このようにすることで、外筒に必要な強度を確保しつつ、外筒が保持金具の外筒接触部に適切に溶接されたガスセンサとなる。
さらに、前記いずれかのガスセンサであって、前記保持金具の前記外筒接触部の平均厚みは、0.2mm以上1.0mm以下の範囲内であるガスセンサとすると良い。
上述のガスセンサでは、保持金具のうち外筒と溶接された外筒接触部の平均厚みが、0.2mm以上1.0mm以下の範囲内の値とされている。このようにすることで、保持金具に必要な強度を確保しつつ、保持金具の外筒接触部が外筒に適切に溶接されたガスセンサとなる。
本発明の他の態様は、前記いずれかのガスセンサの製造方法であって、前記保持金具の前記保持部が前記セパレータに接触すると共に、前記保持金具の前記外筒接触部が前記外筒の前記内周面に接触する態様で、前記保持金具が、前記セパレータの周囲を取り囲みつつ前記外筒の内部に配置された状態にする配置工程と、前記外筒と前記外筒接触部とのみを溶接する溶接工程と、を備えるガスセンサの製造方法である。
上述の製造方法では、配置工程を行った後、溶接工程において、外筒と保持金具の外筒接触部とを溶接する。これにより、セパレータを、保持金具を介して外筒に固定された状態にすることができる。従って、上述の製造方法によれば、セパレータが保持金具を介して外筒に固定されたガスセンサを、適切に製造することができる。
このようにして製造されたガスセンサでは、外部からガスセンサに力が加えられたり、外部からガスセンサに振動が伝わったりした場合に、「外筒に対してセパレータが相対的に軸線方向に交差する方向(例えば、外筒の径方向)へ振動すること」が生じ難くなる。従って、上述の製造方法によれば、外筒に対してセパレータが相対的に軸線交差方向へ振動し難いガスセンサを製造することができる。
しかも、上述の製造方法では、溶接工程において、外筒と保持金具の外筒接触部とのみ(すなわち、2つの部材のみ)を溶接する。このため、前述のように保持金具と外筒と主体金具の3つの部材を溶接する場合に比べて、容易に、保持金具を外筒に溶接することができる。さらには、保持金具と外筒の2つの部材のみによって溶接部が構成されるので、保持金具と外筒と主体金具の3つの部材によって溶接部が構成される場合に比べて、溶接部を構成する部材間の熱膨張差によって溶接部に亀裂が生じることが低減され得る。
さらに、前記のガスセンサの製造方法であって、前記溶接工程は、前記外筒と前記外筒接触部とのみを抵抗溶接する抵抗溶接工程であるガスセンサの製造方法とすると良い。
上述の製造方法では、外筒と保持金具の外筒接触部とを抵抗溶接によって接合するので、保持金具の外筒接触部と外筒との溶接部(溶融した後に凝固した部位)は、外筒の外周面に露出することなく形成される。このように、溶接されていない部位(母材のままの部位)に比べて腐食し易い溶接部を、外筒の外周面に露出させないようにすることで、外筒の耐腐食性の低下を抑制できる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1は、実施形態のガスセンサ1の縦断面図であり、ガスセンサ1の軸線AXを通る位置で軸線方向DXにガスセンサ1を切断した(但し、センサ素子5は切断していない)断面図である。なお、図1において、下側がガスセンサ1の先端側であり、上側がガスセンサ1の後端側である。また、図2は、図1のB部拡大図である。また、図4は、ガスセンサ1の部分拡大縦断面図であり、図1とは異なる位置(ゴムキャップ15の2つの貫通孔15bを通る位置、図1よりも紙面奥側の位置)で軸線方向DXにガスセンサ1を切断した(但し、端子金具41~44、及び、リード線31~34は切断していない)部分拡大断面図である。
ガスセンサ1は、先端側の部位が図示しない自動車等の排気管内に挿入される態様で排気管に取り付けられ、先端側を下方に向けた状態で使用される。具体的には、ガスセンサ1は、排気ガス(測定対象ガス)中の特定ガス成分(例えば、酸素やNOxなど)を検出する。このガスセンサ1は、図1に示すように、センサ素子5と主体金具3とプロテクタ9と外筒11とを備える。
このうち、センサ素子5は、軸線方向DX(ガスセンサ1の軸線AXに沿う方向、図1において上下方向)に延びる棒状をなし、測定対象ガス(排気ガス)に晒される先端側に、保護層(図示省略)に覆われた検出部5bを有する。この検出部5bは、排気ガス(測定対象ガス)中の特定ガス成分(例えば、酸素やNOxなど)を検出する。さらに、センサ素子5は、その後端側に、4つの電極端子部(第1電極端子部5f、第2電極端子部5g、第3電極端子部5j、第4電極端子部5k)を有する(図3参照)。このセンサ素子5は、主体金具3の貫通孔3f内に挿入されている。詳細には、このセンサ素子5は、先端側に位置する検出部5bが、主体金具3の先端面3dから先端側に突出すると共に、後端側に位置する4つの電極端子部(第1電極端子部5f~第4電極端子部5k)が、主体金具3の後端から後端側に突出した状態で、主体金具3の貫通孔3f内に固定されている。
主体金具3は、センサ素子5の周囲を取り囲みつつ、センサ素子5を保持(他部材を介して保持)している。この主体金具3は、軸線方向DXに延びる筒状をなし、先端側から後端側に延びる貫通孔3fを有すると共に、その外表面に自身を排気管に固定するためのネジ部3mを備える(図1参照)。なお、貫通孔3fには、径方向内側に突出する棚部3kが形成されている。さらに、主体金具3は、先端面3dを含む円筒状の先端側壁部3cを有する。この主体金具3は、金属材料(例えば、ステンレスなど)によって形成されている。
主体金具3の貫通孔3fの内部には、絶縁性材料(例えばアルミナなど)からなる環状のホルダ61と、滑石粉末充填層63、65と、絶縁性材料(例えばアルミナなど)からなる環状のスリーブ67とが、センサ素子5の径方向周囲を取り囲む状態で配置されている(図1参照)。スリーブ67と主体金具3の後端部との間には、加締パッキン69が配置されている。また、ホルダ61と主体金具3の棚部3kとの間には、滑石粉末充填層63やホルダ61を保持するための筒状の金属ホルダ71が配置されている。なお、主体金具3の後端部は、加締パッキン69を介してスリーブ67を先端側に押し付けるようにして、加締められている(図1参照)。
また、プロテクタ9は、筒状をなし、主体金具3の先端側の部位に固定されている。具体的には、プロテクタ9は、センサ素子5の先端側の部位(主体金具3の先端面3dから先端側に突出する部位)を包囲する態様で、主体金具3の先端側壁部3cの外周面に溶接等(図示せず)によって固定されている。このプロテクタ9は、耐熱性材料(例えばNCF601など)によって形成されている。プロテクタ9は、センサ素子5の検出部5bが配置される測定室Sを構成する筒状の第1プロテクタ9b(内側プロテクタ)と、第1プロテクタ9bの外周を取り囲む筒状の第2プロテクタ9d(外側プロテクタ)とを備える二重筒構造を有している。第1プロテクタ9bには、測定対象ガスの通過が可能な複数の通気孔9cが形成されている。第2プロテクタ9dには、測定対象ガスの通過が可能な複数の通気孔9fが形成されている(図1参照)。
また、外筒11は、金属製であり、軸線方向DXに延びる円筒状をなしている。この外筒11は、主体金具3の後端側の部位に取り付けられて(溶接されて)、センサ素子5の後端側の部位を包囲している(図1参照)。
さらに、ガスセンサ1は、4つの端子金具(第1端子金具41、第2端子金具42、第3端子金具43、第4端子金具44)と、セパレータ13と、4本のリード線(第1リード線31、第2リード線32、第3リード線33、第4リード線34)と、ゴムキャップ15とを備える(図1及び図2参照)。このうち、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)は、それぞれ、弾性を有する耐熱性金属(例えばステンレス鋼など)からなり、軸線方向DXに延びる形態をなしている。
第1端子金具41は、センサ素子5の第1電極端子部5fが接続される第1先端側接続部41bと、第1リード線31(詳細には、第1リード線31中の金属芯線31b)が接続される第1後端側接続部41cとを有する(図1及び図2参照)。第2端子金具42は、センサ素子5の第2電極端子部5gが接続される第2先端側接続部42bと、第2リード線32(詳細には、第2リード線32中の金属芯線32b)が接続される第2後端側接続部42cとを有する。第3端子金具43は、センサ素子5の第3電極端子部5jが接続される第3先端側接続部43bと、第3リード線33(詳細には、第3リード線33中の金属芯線33b)が接続される第3後端側接続部43cとを有する。第4端子金具44は、センサ素子5の第4電極端子部5kが接続される第4先端側接続部44bと、第4リード線34(詳細には、第4リード線34中の金属芯線34b)が接続される第4後端側接続部44cとを有する(図1及び図2参照)。
セパレータ13は、セラミック(例えば、アルミナ、ステアタイトなど)からなり、軸線方向DXに延びる円筒状をなしている。このセパレータ13は、外筒11の内周面11bから離間する態様(すなわち、外筒11の内周面11bに対して直接に接触しない態様)で、外筒11の内部に配置されている(図1及び図2参照)。なお、本実施形態のガスセンサ1では、後述するように、セパレータ13の外周面13gと外筒11の内周面11bとの間に、保持金具20が介在するが、この保持金具20を介してセパレータ13の外周面13gと外筒11の内周面11bとが接続する態様も、「セパレータ13が外筒11の内周面11bから離間する態様」に含まれる。
さらに、セパレータ13は、自身を軸線方向DXに貫通する貫通孔13cを有する。この貫通孔13cには、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の4つの先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)と、センサ素子5のうち4つの電極端子部(第1電極端子部5f~第4電極端子部5k)を有する後端部5cとが収容されている(図1及び図2参照)。また、このセパレータ13は、その後端側に、径方向外側に突出する形態の環状の鍔部13bを有する。
また、ゴムキャップ15は、耐熱性ゴムからなり、軸線方向DXに延びる筒状(柱状)をなしている。このゴムキャップ15は、外筒11の後端側開口部11cを閉塞する態様で、外筒11に固定されている(図1参照)。具体的には、ゴムキャップ15は、外筒11の後端部を径方向内側に加締めることによって、外筒11に固定されている。ゴムキャップ15は、当該ゴムキャップ15を軸線方向DXに貫通する4つの貫通孔15bを有する(図4参照)。
本実施形態のガスセンサ1では、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の4つの後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)のうち少なくとも後端部(第1後端部41d、第2後端部42d、第3後端部43d、第4後端部44d)が、それぞれ、ゴムキャップ15の貫通孔15b内に挿入されている。なお、本実施形態では、4つの後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)のうち後端部(第1後端部41d、第2後端部42d、第3後端部43d、第4後端部44d)のみが、ゴムキャップ15の貫通孔15b内に挿入されている(図4参照)。
さらに、4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)のうち4つの後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)よりも後端側に位置してゴムキャップ15の貫通孔15b内に挿入されている部位(第1部位31c、第2部位32c、第3部位33c、第4部位34c)が、ゴムキャップ15の貫通孔15b(貫通孔15bを構成する筒状面)に密着して固定されている。4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)は、ゴムキャップ15の貫通孔15bの後端側からゴムキャップ15の外部に延出している(図4参照)。
さらに、本実施形態のガスセンサ1は、セパレータ13を保持する保持金具20を備える(図1及び図2参照)。この保持金具20は、軸線方向DXに延びる円筒状をなし、セパレータ13の周囲(外周)を取り囲む態様で外筒11の内部に配置されてセパレータ13を保持(支持)する。この保持金具20は、セパレータ13に接触してセパレータ13を保持する保持部21と、外筒11の内周面11bに接触する外筒接触部23とを有する。この保持金具20は、外筒接触部23が外筒11に溶接されることで外筒11に固定されている。
詳細には、図5~図7に示すように、保持金具20は、円筒状の本体部25と、本体部25の後端部25bの内側から折り曲げられて先端側へ延びる複数の湾曲矩形板状の保持部21と、本体部25の筒状の側壁部25cよりも径方向外側に位置する複数の湾曲矩形板状の外筒接触部23と、側壁部25cと外筒接触部23とを連結する連結部22とを有する。なお、外筒接触部23と連結部22は、例えば、本体部25の側壁部25cにおいて、その先端から、側壁部25cの周方向に離間して軸線方向DX(図5及び図7において上下方向)に沿って後端側へ延びる2つの切れ目を入れて、切れ目に挟まれた部位(外筒接触部23と連結部22になる部位)を側壁部25cの径方向外側へ変形させることによって形成される。
保持部21は、本体部25の周方向に等間隔で4つ設けられている。各々の保持部21の後端部21bは、鍔部13bの先端側面13h(セパレータ13の外周面13gの一部である)に接触(当接)している(図2参照)。従って、4つの保持部21は、セパレータ13の鍔部13bを先端側(下方)から支持する態様で、セパレータ13を保持している。さらに、各々の保持部21は、板バネとなっており、本体部25の径方向に弾性変形する。4つの保持部21は、セパレータ13の外周面13gの周方向に等間隔で配置されており、径方向外側に弾性変形した状態でセパレータ13の外周面13gに接触している。これにより、セパレータ13の外周面13gは、その周方向に等間隔で配置された4つの保持部21の径方向内側への弾性復元力によって押圧されている。従って、セパレータ13は、その外周面13gの周方向に等間隔で配置された4つの保持部21の径方向内側への弾性復元力によっても保持されている(図2参照)。
そして、この保持金具20は、外筒接触部23が外筒11に溶接されることで、外筒11に固定されている。従って、本実施形態のガスセンサ1では、外筒11に固定された保持金具20によって、セパレータ13が保持されている。換言すれば、セパレータ13が、保持金具20を介して外筒11に固定されている。なお、外筒11は、主体金具3の後端側の部位(外筒固定部3h)に、溶接によって固定されている。また、主体金具3は、ネジ部3mによって図示しない排気管に固定される。従って、外筒11は、主体金具3を通じて排気管に固定される。
このようなガスセンサ1では、外部からガスセンサ1に力が加えられたり、外部からガスセンサ1に振動が伝わったりした場合に、「外筒11に対してセパレータ13が相対的に軸線方向DXに交差する方向(例えば、外筒11の径方向)へ振動すること」が生じ難くなる。従って、本実施形態のガスセンサ1は、外筒11に対してセパレータ13が相対的に軸線交差方向へ振動し難いガスセンサ1であるといえる。
さらには、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)において、セパレータ13の内部に収容されている4つの先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)についても、外筒11に対して相対的に軸線方向DXに交差する方向(軸線交差方向とする)へ振動することが生じ難くなる(図2参照)。なお、ガスセンサ1では、ゴムキャップ15が外筒11に固定されているため、ゴムキャップ15の貫通孔15b内に後端部(第1後端部41d、第2後端部42d、第3後端部43d、第4後端部44d)が挿入されている4つの後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)は、外筒11に対して相対的に軸線交差方向へ振動し難い(図4参照)。
このため、本実施形態のガスセンサ1では、軸線方向DXに延びる4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)において、「先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)が、後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)に対して相対的に軸線交差方向へ振動すること」が生じ難くなるので、端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)に応力(例えば、剪断応力)が生じ難くなり、端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の折損も生じ難くなる。
ところで、ガスセンサとして、保持金具の先端部と外筒の先端部とがまとめて主体金具に溶接された、すなわち、保持金具と外筒と主体金具の3部材が溶接されることで、保持金具が外筒に溶接されたガスセンサが考えられる。これに対し、本実施形態のガスセンサ1では、保持金具20の外筒接触部23が、外筒11のみと溶接されている。すなわち、保持金具20(外筒接触部23)と外筒11の2部材のみが溶接されている。換言すれば、保持金具20の外筒接触部23と外筒11とのみによって形成された溶接部Wによって、保持金具20が外筒11に接合(固定)されている(図8参照)。このため、ガスセンサを製造するにあたり、前者のように3部材を溶接する場合に比べて、本実施形態では、容易に、保持金具20を外筒11に溶接することができる。
さらに、本実施形態のガスセンサ1では、保持金具20と外筒11の2つの部材のみによって溶接部Wが形成されている(図8参照)ので、保持金具と外筒と主体金具の3つの部材によって溶接部が形成されている場合に比べて、溶接部Wを形成する部材間の熱膨張差によって溶接部Wに亀裂が生じることが低減され得る。溶接部Wを形成する部材の種類が少ないほど、溶接部Wを形成する部材間の熱膨張差によって溶接部Wに亀裂が生じる可能性が低くなるからである。
さらに、本実施形態のガスセンサ1では、保持金具20の外筒接触部23と外筒11との溶接部W(溶融した後に凝固した部位)は、外筒11の外周面11gよりも内周面11b側に形成されている(図8参照)。すなわち、保持金具20の外筒接触部23と外筒11との溶接部Wは、外筒11の外周面11gに露出することなく形成されている。溶接部Wは、溶接されていない部位(母材のままの部位)に比べて腐食し易いので、溶接部Wが外筒11の外周面11gに露出している場合は、当該溶接部Wを含む外筒11の耐腐食性が低下する。これに対し、本実施形態のガスセンサ1では、保持金具20の外筒接触部23と外筒11との溶接部Wが外筒11の外周面11gに露出していないので、外筒11の耐腐食性の低下を抑制できる。
なお、本実施形態では、抵抗溶接によって、保持金具20の外筒接触部23と外筒11とを溶接している。このため、保持金具20の外筒接触部23と外筒11との溶接部Wは、外筒11の外周面11gよりも内周面11b側に、且つ、保持金具20の外筒接触部23の内側面23bよりも外側面23c側に形成される(図8参照)。すなわち、溶接部Wは、外筒11の外周面11gに露出することなく、且つ、保持金具20の外筒接触部23の内側面23bにも露出することなく形成される(図8参照)。
さらに、本実施形態のガスセンサ1では、外筒11のうち、保持金具20の外筒接触部23と溶接された溶接部Wを外筒11の周方向に有する円環状の環状部11fの平均厚みが、0.3mm以上1.0mm以下の範囲内の値とされている。このようにすることで、外筒11に必要な強度を確保しつつ、外筒11が保持金具20の外筒接触部23に適切に溶接されたガスセンサ1となる。なお、本実施形態では、環状部11fの平均厚みは、保持金具20の6つの外筒接触部23と接触する6カ所の厚みの平均値としている。
さらに、本実施形態のガスセンサ1では、保持金具20のうち外筒11と溶接された外筒接触部23の平均厚みが、0.2mm以上1.0mm以下の範囲内の値とされている。このようにすることで、保持金具20に必要な強度を確保しつつ、保持金具20の外筒接触部23が外筒11に適切に溶接されたガスセンサ1となる。なお、本実施形態では、外筒接触部23の平均厚みは、保持金具20に設けられている6つの外筒接触部23の厚みの平均値としている。
次に、本実施形態のガスセンサ1の製造方法について説明する。まず、外筒11とセパレータ13と4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)と4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)とゴムキャップ15と保持金具20とによって、後端側組立体1Bを作製する(図9参照)。具体的には、まず、4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)を、その先端側から外筒11に挿通させ、さらに、ゴムキャップ15の4つの貫通孔15bとセパレータ13の貫通孔13cにも挿通させる。その後、4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)を、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)に接続する(図4参照)。
次いで、4つの後端側接続部(第1後端側接続部41c~第4後端側接続部44c)の後端部(第1後端部41d~第4後端部44d)がゴムキャップ15の貫通孔15b内に収容されると共に、4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)が、セパレータ13の貫通孔13c内に収容されるように、4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)の位置を調整する。その後、保持金具20の保持部21をセパレータ13の外周面13gに接触させる態様で、保持金具20をセパレータ13の周囲(外周)に取り付ける。詳細には、保持金具20の保持部21の後端部21bを、セパレータ13の鍔部13bの先端側面13h(セパレータ13の外周面13gの一部である)に接触(当接)させる(図10参照)。
次に、配置工程に進み、保持金具20の保持部21がセパレータ13の外周面13gに接触すると共に、保持金具20の外筒接触部23が外筒11の内周面11bに接触する態様で、保持金具20が、セパレータ13の周囲を取り囲みつつ外筒11の内部に配置された状態にする(図9参照)。具体的には、まず、4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)が挿通されているゴムキャップ15を、外筒11の先端側(図9において下側)から外筒11の内部に挿入し、さらに、セパレータ13の周囲に取り付けた保持金具20を、先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)を収容したセパレータ13と共に外筒11の内部に挿入して、ゴムキャップ15が、外筒11の後端側開口部11cの内側に配置された状態にする。この状態で、外筒11の後端部を径方向内側に加締めて、ゴムキャップ15を外筒11に固定する。これにより、保持金具20の保持部21がセパレータ13の外周面13gに接触すると共に、保持金具20の外筒接触部23が外筒11の内周面11bに接触する態様で、保持金具20が、セパレータ13の周囲を取り囲みつつ外筒11の内部に配置された状態になる(図9参照)。
なお、本実施形態では、後述する抵抗溶接工程において使用する抵抗溶接機90の第2電極92を用いて、上述の配置工程を行う。具体的には、図9に示すように、第2電極92のうち円環状をなす先端部92bを、セパレータ13の先端側(図9において下側)の部位の外周面13gと保持金具20の外筒接触部23の内側面23bとの間に挿入して、第2電極92の先端部92bに、保持金具20をセパレータ13と共に取り付ける。この状態で、第2電極92の先端部92bを外筒11の先端側から外筒11の内部に挿入することで、保持金具20の保持部21がセパレータ13の外周面13gに接触すると共に、保持金具20の外筒接触部23が外筒11の内周面11bに接触する態様で、保持金具20が、セパレータ13の周囲を取り囲みつつ外筒11の内部に配置された状態になる。(図9参照)。
また、保持金具20の連結部22は板バネとなっており、本体部25の径方向に弾性変形する。また、保持金具20の最大外径(径方向に対向する2つの外筒接触部23の外側面23cの位置における保持金具20の外径)は、自然状態(連結部22が弾性変形していない状態)において、外筒11の内径(内周面11bの直径)よりも僅かに大きい。また、外筒接触部23の外側面23cと、外筒11の内周面11bとは、同一の曲率とされている。そして、保持金具20を外筒11の内部に挿入したときに、保持金具20の連結部22が径方向内側に僅かに弾性変形すると共に、保持金具20の外筒接触部23の外側面23cが外筒11の内周面11bに隙間なく接触するように、保持金具20は構成されている。
従って、上述のように、配置工程において、保持金具20を外筒11の内部に挿入して配置すると、保持金具20の外筒接触部23の外側面23cが、外筒11の内周面11bに隙間なく接触(密着)した状態になる(図10参照)。さらには、保持金具20の外筒接触部23の内側面23bが、第2電極92の先端部92bの外周面92cに接触した状態になる。この状態で、抵抗溶接工程を行う。
具体的には、第1電極91と第2電極92を有する抵抗溶接機90を用いて、外筒11と保持金具20の外筒接触部23とを抵抗溶接する(図9参照)。より具体的には、外筒11の外周面11gのうち、径方向内側に保持金具20の外筒接触部23が配置されている部位に、第1電極91を当接させて、第1電極91と第2電極92とによって外筒11と外筒接触部23とを挟む。この状態で、第1電極91と第2電極92との間に電流を流すことによって、外筒11と保持金具20の外筒接触部23とを抵抗溶接する(図9参照)。これにより、保持金具20が外筒11に固定されると共に、外筒11に固定された保持金具20によってセパレータ13が保持された状態になる。これにより、外筒11とセパレータ13と4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)と4本のリード線(第1リード線31~第4リード線34)とゴムキャップ15と保持金具20とからなる後端側組立体1Bが形成される(図9参照)。
また、これとは別に、主体金具3とホルダ61と滑石粉末充填層63,65とスリーブ67とセンサ素子5と加締パッキン69と金属ホルダ71とプロテクタ9とによって、先端側組立体1A(図1参照)を作製する。その後、先端側組立体1Aのセンサ素子5の後端部5cを、後端側組立体1Bのセパレータ13内に挿入して、センサ素子5の4つの電極端子部(第1電極端子部5f~第4電極端子部5k)を、セパレータ13内に収容されている4つの端子金具(第1端子金具41~第4端子金具44)の4つの先端側接続部(第1先端側接続部41b~第4先端側接続部44b)に接触させる。このとき、外筒11の先端部11hが、主体金具3の後端側に位置する外筒固定部3hの外側に配置される(外嵌する)。その後、レーザ溶接により、外筒11の先端部11hを主体金具3の外筒固定部3hに接合する(図1参照)。これにより、本実施形態のガスセンサ1が完成する。
このようにして製造されたガスセンサ1は、セパレータ13が保持金具20を介して外筒11に固定されるので、外部からガスセンサ1に力が加えられたり、外部からガスセンサ1に振動が伝わったりした場合に、「外筒11に対してセパレータ13が相対的に軸線方向DXに交差する方向(例えば、外筒11の径方向)へ振動すること」が生じ難くなる。従って、本実施形態の製造方法によれば、外筒11に対してセパレータ13が相対的に軸線交差方向へ振動し難いガスセンサ1を製造することができるといえる。
しかも、本実施形態の製造方法では、抵抗溶接工程において、外筒11と保持金具20の外筒接触部23とのみ(すなわち、2つの部材のみ)を抵抗溶接する(図10参照)。このため、保持金具と外筒と主体金具の3つの部材を溶接する場合に比べて、容易に、保持金具を外筒に溶接することができる。さらには、図10に示すように、保持金具20と外筒11の2つの部材のみによって溶接部Wが構成されるので、保持金具と外筒と主体金具の3つの部材によって溶接部が構成される場合に比べて、溶接部を構成する部材間の熱膨張差によって溶接部に亀裂が生じることが低減され得る。
さらには、外筒11と保持金具20の外筒接触部23とを抵抗溶接によって接合するので、保持金具20の外筒接触部23と外筒11との溶接部W(溶融した後に凝固した部位)は、外筒11の外周面11gに露出することなく形成される(図10参照)。このように、溶接されていない部位(母材のままの部位)に比べて腐食し易い溶接部Wを、外筒11の外周面11gに露出させないようにすることで、外筒11の耐腐食性の低下を抑制できる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、実施形態では、セパレータとして、絶縁性セラミックからなる筒状のセパレータ13を例示した。しかしながら、セパレータとして、絶縁性セラミックからなる複数の絶縁部材を組み合わせてなる筒状のセパレータ本体部と、複数の絶縁部材を組み合わせて筒状のセパレータ本体部にした状態を保持する本体保持部(例えば、セパレータ本体部の周囲を包囲してセパレータ本体部の筒形状を保持する本体保持部)と、を備えるセパレータを用いるようにしても良い。
また、実施形態では、外筒と保持金具の外筒接触部とを溶接する溶接工程として、外筒と保持金具の外筒接触部とを抵抗溶接する抵抗溶接工程を例示した。しかしながら、外筒と保持金具の外筒接触部との溶接は、抵抗溶接に限らず、レーザ溶接等の他の溶接方法によって行うようにしても良い。