JP7194257B2 - ガスセンサ、及び、ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ、及び、その製造方法に関する。

従来、自動車の排気管等に取り付けられて使用され、測定対象ガス（排気ガス）中の特定ガス成分（例えば、酸素やＮＯｘなど）を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサとして、特許文献１には、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、センサ素子の周囲を取り囲む主体金具と、軸線方向に延びる筒状で、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、を備えるガスセンサが開示されている。

特開２０１９－２９３６号公報

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。

実施形態にかかるガスセンサの縦断面図である。 図１のＢ部拡大図である。 センサ素子の斜視図である。 ガスセンサの部分拡大縦断面図である。 保持金具の平面図（上面図）である。 同保持金具の側面図である。 図５のＤ－Ｄ断面図である。 図２のＣ部拡大図である。 実施形態にかかるガスセンサの製造方法を説明する図である。 図９のＥ部拡大図である。

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。

１ ガスセンサ
３ 主体金具
５ センサ素子
５ｂ 検出部
５ｆ，５ｇ，５ｊ，５ｋ 電極端子部
１１ 外筒
１１ｆ 環状部
１３ セパレータ
１５ ゴムキャップ
２０ 保持金具
２１ 保持部
２３ 外筒接触部
３１，３２，３３，３４ リード線
４１，４２，４３，４４ 端子金具
４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂ 先端側接続部
４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ，４４ｃ 後端側接続部
ＡＸ 軸線
ＤＸ 軸線方向
Ｗ 溶接部

Claims (5)

1. 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おり、
   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。
2. 請求項１に記載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。
3. 請求項１または請求項２に記載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。
4. 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、
   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と、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。
5. 請求項４に記載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。

Images