CN107305192A - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种气体传感器，能够降低在保持气体传感器元件的主体配件上外嵌金属制的筒体时的压入载荷。气体传感器具备：具有检测部(11)的气体传感器元件(10)；保持气体传感器元件的主体配件(50)；以外嵌于主体配件的前端侧或后端侧的状态被焊接的金属制的筒体(110)，其中，筒体与设置在主体配件的外表面且朝向筒体沿径向缩窄的锥形部(59t)进行过盈配合，并且在该锥形部处被焊接。
Description
技术领域
本发明涉及具备对被检测气体的浓度进行检测的气体传感器元件的气体传感器。
背景技术
在柴油发动机或汽油发动机等内燃机的进气系统(例如，进气管或进气歧管等)安装气体传感器，监控特定气体的浓度而对燃烧状态等进行控制。以往，该气体传感器将气体检测元件保持在主体配件的内部，成为比主体配件向前端侧突出的气体检测元件的前端部由金属筒状的保护器覆盖，并且比主体配件向后端侧突出的气体检测元件的后端部由金属的外筒覆盖的构造(专利文献1)。
该外筒例如图7所示与主体配件连接。
首先，将外筒1100的前端侧向主体配件500的后端部压入(图7(a))。此时，外筒1100的内径d0比主体配件500的后端部的外径dx小，因此以规定的压入载荷一边将外筒1100压开至外径dx一边进行压入。并且，将扩径至外径dx的外筒1100进一步缓慢压入(图7(b))。外筒1100在主体配件500的外表面500e上一边滑动一边被压入。
当外筒1100的前端部1100f与主体配件500的突缘部570抵接时，外筒1100在压入深度方向上被定位，因此在此状态下，外筒1100向主体配件500的压入(临时固定)结束。最后，从外筒1100的压入部的外侧通过整周焊接来形成焊接部W，固定完成(图7(c))。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2009-198422号公报(图1、图3)
发明内容
然而，当上述的压入载荷超过外筒1100的弯曲强度时，外筒1100破损，因此在压入载荷升高的情况下，不得不采用对外筒1100预先进行退火而使压入载荷下降或者取代压入而将外筒1100从径向外侧朝向内侧进行敛缝的敛缝固定，存在导致生产性的下降或成本上升的问题。
因此，本发明目的在于提供一种能够降低向保持气体传感器元件的主体配件外嵌金属制的筒体时的压入载荷的气体传感器。
为了解决上述课题，本发明的气体传感器具备：气体传感器元件，沿轴线方向延伸，在自身的前端侧具有用于检测被测定气体中的特定气体成分的检测部；主体配件，包围所述气体传感器元件的径向周围，并保持该气体传感器元件；及金属制的筒体，以外嵌于所述主体配件的前端侧或后端侧的状态被焊接，所述气体传感器的特征在于，所述筒体过盈配合于锥形部，并且在该锥形部处被焊接，所述锥形部设置在所述主体配件的外表面，朝向所述筒体沿径向缩窄。
根据该气体传感器，通过使主体配件的前端侧或后端侧的外表面成为朝向筒体沿径向缩窄的锥形部，在外嵌(压入)筒体时，沿着锥形部的面而筒体逐渐扩径，因此与未设置锥形部而压入筒体的情况相比，筒体与锥形部平滑地相接，能够降低压入载荷。
而且，在未设置锥形部而压入筒体的情况下，由于筒体或主体配件的制造公差，在筒体的内径与主体配件的外径之差大于设计值的状态下筒体外嵌于主体配件，因此压入载荷可能变得过大。因此，设置锥形部来降低压入载荷，由此能够抑制因制造公差引起的压入载荷的增大。
在本发明的气体传感器中，可以是，在从所述锥形部朝向所述筒体的所述轴线方向的相反侧的所述主体配件的外表面上设置有：直径比所述锥形部的最大外径大的扩径部；及形成在所述锥形部与所述扩径部之间且直径比所述锥形部的最大外径小的缩径部，所述筒体的端部与所述扩径部抵接且与所述缩径部不接触。
为了将筒体向主体配件的压入深度进行定位，有时在主体配件的外表面上设置直径比锥形部的最大外径大的扩径部。这种情况下，在金属加工上，在锥形部与扩径部的连接部位形成角焊缝部，压入的筒体在到达扩径部之前与角焊缝部相接，定位变得不稳定。
因此，通过在锥形部与扩径部之间设置缩径部，筒体的端部不与角焊缝部干涉而与主体配件的扩径部可靠地抵接，能够可靠地进行筒体的定位。
在本发明的气体传感器中，可以是，所述锥形部中的比与所述筒体进行过盈配合的部位朝向所述筒体的部位与所述筒体分离。
根据该气体传感器，仅是锥形部的一部分被压入筒体，因此能够进一步降低压入载荷。
根据本发明，能够降低在保持气体传感器元件的主体配件上外嵌金属制的筒体时的压入载荷。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的气体传感器的结构的立体图。
图2是沿着图1的A-A线的剖视图。
图3是表示将气体传感器安装于安装对象体的状态的图。
图4是表示向主体配件连接外筒的各工序的工序图。
图5是表示在主体配件的外表面未设置缩径部时的锥形部与外筒的位置关系的图。
图6是表示曲线锥形的锥形部的剖视图。
图7是表示以往的气体传感器的向主体配件连接外筒的各工序的工序图。
【标号说明】
10 气体传感器元件
11 检测部
50、70 主体配件
57 扩径部
59t、79t 锥形部
50s 缩径部
110 筒体(外筒)
110f 筒体的端部
200 气体传感器
O 轴线
W 焊接部
d2 锥形部的最大外径
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的实施方式的气体传感器200的立体图，图2是沿着图1的A-A线的剖视图，图3是表示将气体传感器200安装于安装对象体300的状态的图。需要说明的是，图1是气体传感器200的从前端侧观察的俯视图。
需要说明的是，图示气体传感器元件10的轴线O方向(单点划线所示)作为上下方向，将气体传感器元件10的后端部12侧作为气体传感器元件10(及气体传感器)的后端侧，将处于其相反侧的气体传感器元件10的检测部11(参照图2)侧作为气体传感器元件10(及气体传感器)的前端侧进行说明。而且，将与轴线O方向垂直的方向适当称为“径向”。
而且，在图2中，为了简便起见，连接端子30、31仅显示3个，连接器端子60仅显示1个，但是实际上，连接端子30、31及连接器端子60设置多个(在本发明的实施方式中，各5个)。
如图1所示，气体传感器200具有：气体传感器元件10(未图示)；将气体传感器元件10的检测部11覆盖的外侧保护器100；保持气体传感器元件10的主体配件50；在主体配件50的后端侧配置的由高分子材料构成的基体部120；将主体配件50与基体部120连接的金属制的外筒110。
外筒110相当于技术方案的“筒体”。
基体部120具有：圆筒状且后端侧闭合的主体部123；从主体部123的一侧面向径向外侧延伸的一个半圆状的凸缘部121；从主体部123的另一侧面向径向外侧延伸的大致矩形形状的连接器部125。凸缘部121与连接器部125在主体部123的周向上相差约90度地配置。并且，上述主体部123、凸缘部121及连接器部125通过成形性良好的绝缘性的高分子材料(树脂)例如PPS(聚苯硫醚)而一体形成。而且，连接器部125是具有朝向径向外侧的开口部125h的阳连接器，在开口部125h能够沿径向插拔外部装置的对方连接器(在该例子中为阴连接器)。
在凸缘部121开设有1个安装孔121h，以与安装孔121h的内表面相接的方式嵌入成形金属圆筒状的轴环80并一体地固定。并且，如图3所示，向轴环80插通螺钉310，将该螺钉310向设于安装对象体300(例如，内燃机的进气系统)的螺纹孔进行螺纹固定，由此能够将气体传感器200安装于安装对象体300。
而且，在主体配件50上沿周向形成有凹槽50b(参照图2)，密封构件(O环)90外嵌于该凹槽50b。因此，在将气体传感器200从前端侧插入而安装于安装对象体300的开口300h时，密封构件90被安装对象体300的开口300h的壁面压扁，从而将安装对象体300与气体传感器200(主体配件50)之间密封。
另一方面，基体部120嵌入成形于外筒110的后端侧而一体化。
此外，在外侧保护器100的侧面设于多个气体导入孔115，在外侧保护器100的前端的中央设置有1个气体排出孔116。
接下来，使用图2，更详细地说明气体传感器200的各构成部分。
气体传感器元件10呈公知那样的沿轴线O方向延伸的大致棱柱状，是进行氧浓度的检测的检测元件与为了使该检测元件提前活性化而进行加热的加热器相互贴合的层叠体。检测元件是以氧化锆为主体的固体电解质体与以铂为主体的一对电极经由在一部分形成有中空的测定室的绝缘层而层叠的结构。更具体而言，该检测元件具有氧泵单元和氧浓度测定单元，该氧泵单元将形成在固体电解质体的两面上的一对电极中的一方曝露于外部并将另一方的电极配置于测定室，该氧浓度测定单元将形成在固体电解质体的两面上的一对电极中的一方配置于测定室，并将另一方的电极配置于基准气体室，该该检测元件以使氧浓度测定单元的输出电压成为规定的值的方式控制流向氧泵单元的一对电极间的电流，由此抽出测定室内的氧或者从外部向测定室内吸入氧。
需要说明的是，氧泵单元中，一对电极、及固体电解质体中的由上述电极夹持的部位成为与氧浓度对应的电流流动的检测部11。另一方面，在气体传感器元件10的后端部12形成有用于取出来自检测元件的输出或用于向加热器供给电力的5个电极焊盘12a(在图2中，其中的2个配置于气体传感器元件10的第二面10b侧，在第一面10a上配置剩余的3个)。这些电极焊盘12a与连接端子30、31分别连接。
并且，由绝缘性陶瓷(例如氧化铝)构成且形成为大致短圆筒状的陶瓷支架21以在自身的内部插通气体传感器元件10且检测部11比自身向前端侧突出的状态配置在比气体传感器元件10的轴向中央稍靠前端侧处。
气体传感器元件10的周围由筒状的主体配件50包围并保持。该主体配件50由SUS430等的不锈钢构成。具体而言，在主体配件50的内周形成有台阶部54，插通有气体传感器元件10的陶瓷支架21的前端侧周缘部卡定于该台阶部54。此外，密封件22以自身插通于气体传感器元件10的状态从陶瓷支架21的后端侧装填于主体配件50的内周。并且，以从后端侧按压密封件22的方式将筒状的套筒23嵌入到主体配件50内。在套筒23的后端侧外周配置有圆环状的敛缝衬垫29。
另一方面，在主体配件50的外周后端侧形成有缩径的后端部59，在比后端部59靠前端处形成有向径向外侧呈台阶状地扩径的扩径部57。在扩径部57沿周向形成有凹槽50b，密封构件(O环)90外嵌于该凹槽50b。此外，在比扩径部57靠前端侧处形成有直径比扩径部57小且与后述的外侧保护器100及内侧保护器102卡合的前端卡合部56。另一方面，在后端部59的后端侧形成有用于将气体传感器元件10敛缝保持在主体配件50内的敛缝部53。
主体配件50的敛缝部53以经由敛缝衬垫29将套筒23朝向前端侧按压的方式进行敛缝。通过敛缝部53的形成，经由套筒23被按压的密封件22在主体配件50内被压扁而遍及细微部分地填充，通过该密封件22，将陶瓷支架21及气体传感器元件10在主体配件50内进行定位，保持为气密。
另一方面，气体传感器元件10的检测部11的外周面由多孔状的保护层15包覆，保护检测部11中的曝露于外部的电极免于遭受进气等引起的中毒或遇水。并且，在主体配件50的前端卡合部56嵌合外侧保护器100及内侧保护器102，通过激光焊接进行固定，对收容于内部的检测部11进行保护。在外侧保护器100形成有气体导入孔115，在内侧保护器102形成有气体导入孔117。而且，在外侧保护器100的前端的中央设置有1个气体排出孔116。
外筒110呈后端侧经由台阶部而扩径的例如不锈钢制的圆筒状，在包含该台阶部的外筒110的后端侧嵌入成形有基体部120，台阶部防止基体部120从外筒110的脱落。
并且，从基体部120露出的外筒110的前端侧外嵌于在主体配件50的后端部59形成的锥形部59t，在该锥形部59t从外筒110的外侧整周通过激光焊接等形成焊接部W。由此，基体部120连接(固定)于主体配件50。关于锥形部59t在后文叙述。
而且，基体部120成为将向主体配件50的后端侧突出的气体传感器元件10的后端部12侧包围的罩。此外，在连接器部125的内部保持有与外部装置电连接的连接器端子60。包含连接器端子60的连接器部125通过嵌入成形而形成。
此外，在主体部123的内部，一体地形成有朝向前端延伸的大致盒状的分隔部127，对各连接端子30、31进行保持。需要说明的是，在连接端子30、31的一端设置弹簧片30f、31f，与对应的连接器端子60的端部60a电连接。这样，将气体传感器200内部的气体传感器元件10与外部装置电连接。
接下来，参照图4，说明向主体配件50连接外筒110的连接方法。需要说明的是，图4是向主体配件50连接外筒110的各工序的从沿着轴线O方向的截面观察的工序图。
首先，如图4(a)所示，在主体配件50的后端部59的外表面形成有朝向后端侧(外筒110侧)而沿径向缩窄的锥形部59t。需要说明的是，在图4的例子中，锥形部59t成为直线锥形。而且，在比锥形部59t的最后端t1靠后端侧处形成有沿着主体配件50的径向进一步缩窄的倒角部50d。而且，在本实施方式中，相对于压入前的外筒110的内径d0，锥形部59t的最后端t1的最小外径d1、最前端t2的最大外径d2设定为d1<d0<d2。
需要说明的是，在从锥形部59t的最前端t2朝向前端侧(外筒110的轴线方向的相反侧)的主体配件50的外表面上形成有：直径比锥形部59t的最大外径d2大的扩径部57；形成在锥形部59t与扩径部57之间且直径比锥形部59t的最大外径d2小的缩径部50s。该缩径部50s成为呈截面半圆状地凹陷的截面形状。
并且，将外筒110从前端侧向主体配件50的锥形部59t压入时，由于d1<d0，因此首先将外筒110非接触地插入于锥形部59t(图4(a))。不久之后，在锥形部59t的外径d3与d0相等的时刻，外筒110与锥形部59t接触，沿着锥形部59t的面，外筒110一边逐渐扩径一边向前端侧压入(图4(b))。
并且，外筒110的前端部110f通过与位于比主体配件50的锥形部59t靠前端侧处的扩径部57抵接而压入深度被定位，在此状态下，外筒110向主体配件50的压入(临时固定)结束(图4(c))。此时，外筒110的内径从比d3大的直径扩径至d2的范围的大小。由此，外筒110的比前端部110f靠后端侧的部位P与主体配件50的锥形部59t中的自身的外径从d3至d2的范围的大小的部位相接。
接下来，在外筒110的压入部的外侧，将比部位P靠后端侧进行整周焊接而形成焊接部W，固定完成(图4(d))。
这样，通过将主体配件50的后端部59的外表面设为锥形部59t，在外嵌(压入)外筒110时，外筒110沿着锥形部59t的面逐渐扩径，因此与未设置锥形部(沿着与轴线O方向平行地延伸的外表面滑动)而压入外筒110的情况相比，外筒110与锥形部59t平滑地相接，能够降低压入载荷。
而且，在未设置锥形部而压入外筒110的情况下，由于外筒110或主体配件50的制造公差，在外筒110的内径与主体配件50的外径之差大于设计值的状态下外筒110外嵌于主体配件50，因此压入载荷可能变得过大。因此，设置锥形部59t来降低压入载荷，由此能够抑制制造公差引起的压入载荷的增大。
在此，焊接部W需要形成在锥形部59t的位置。这是因为，主体配件50的外表面与外筒110的内表面的距离在锥形部59t以外的部位处增大，因此在锥形部59t以外的部位进行焊接时，可能会产生焊接不良。
需要说明的是，若如上所述设定为d1<d0<d2，则首先外筒110非接触地插入于锥形部59t，因此能够进一步降低压入载荷。而且，若设定为d1<d0<d2，则即便因制造公差而d0小于设计值，由于在锥形部59t存在成为d1<d0的部位，因此沿着锥形部59t的面也能够压入外筒110，能够抑制制造公差引起的压入载荷的增大。
但是，d1<d0<d2并非必须，即便是d1>d0，在外筒110与锥形部59t接触之后也能沿着锥形部59t的面使外筒110逐渐扩径，因此在降低压入载荷的点上没有变化。
然而，在本实施方式中，为了将外筒110向主体配件50的压入深度进行定位，而在主体配件50的外表面设置直径比锥形部59t的最大外径d2大的扩径部57。这种情况下，如图5所示，在金属加工上，在锥形部59t与扩径部57的连接部位形成角焊缝部P1，压入的外筒110在到达扩径部57之前与角焊缝部P1相接，定位变得不稳定。
因此，通过在锥形部59t与扩径部57之间设置缩径部50s，外筒110的端部不会与角焊缝部干涉而可靠地与主体配件50的扩径部57抵接，能够可靠地进行外筒110的定位。
而且，如图4(d)所示，在本实施方式中，锥形部59t中的比与外筒110过盈配合的部位朝向外筒110的部位(朝向主体配件59的轴线O方向的相反侧的部位)与外筒110分离。
这样的话，仅锥形部59t的一部分被压入于外筒110，因此能够进一步降低压入载荷。
需要说明的是，锥形部59t称为包含主体配件50(锥形部59t)与外筒110的接点即部位P的直线的点t1、t2之间的线段(图4(a))。
而且，如图6所示，在主体配件70的后端部79形成的锥形部79t为曲线锥形的情况下，包含与外筒110的接点(部位)P的曲线的比部位P靠前端侧(外筒110的轴线方向的相反侧)的拐点设为t3，比部位P靠后端侧(外筒110侧)处与轴线O垂直的水平部79L与曲线的连接点设为t4。并且，点t3、t4之间的曲线设为锥形部79t。
本发明没有限定为上述实施方式，当然也涉及本发明的思想和范围包含的各种变形及等同物。
例如，作为筒体，除了外筒110之外，还可以使用保护器(外侧保护器100及内侧保护器102)。这种情况下，保护器外嵌于主体配件50的前端侧，因此前端卡合部56成为朝向前端沿径向缩窄的锥形部。
另外，在上述方式中，在外筒110的后端侧连接由高分子材料构成的基体部(罩)120，比主体配件50向后端侧突出的气体传感器元件10的部位的一部分由外筒(筒体)110覆盖，但是也可以例如专利文献1的气体传感器那样外筒110自身覆盖气体传感器元件10的后端侧整体。
另外，在上述方式中，传感器元件设为横截面为长方形(矩形)的带板状的结构，但是本发明的气体传感器使用的传感器元件可以是横截面为正方形的结构，也可以是筒状的结构。此外，在上述中，在整个区域空燃比气体传感器中进行了具体化，但是本发明的气体传感器在其他的气体传感器中也能够具体化。
Claims (3)
1.一种气体传感器，具备：
气体传感器元件，沿轴线方向延伸，在自身的前端侧具有用于检测被测定气体中的特定气体成分的检测部；
主体配件，包围所述气体传感器元件的径向周围，并保持该气体传感器元件；及
金属制的筒体，以外嵌于所述主体配件的前端侧或后端侧的状态被焊接，
所述气体传感器的特征在于，
所述筒体过盈配合于锥形部，并且在该锥形部处被焊接，所述锥形部设置在所述主体配件的外表面，朝向所述筒体沿径向缩窄。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，
在从所述锥形部朝向所述筒体的所述轴线方向的相反侧的所述主体配件的外表面上设置有：
直径比所述锥形部的最大外径大的扩径部；及
形成在所述锥形部与所述扩径部之间且直径比所述锥形部的最大外径小的缩径部，
所述筒体的端部与所述扩径部抵接且与所述缩径部不接触。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其中，
所述锥形部中的比与所述筒体进行过盈配合的部位朝向所述筒体的部位与所述筒体分离。
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