JP2010197247A - ガスセンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外筒部材11と主体金具4との重ね合わせ部11bの周方向にレーザ照射して溶接部13を形成し、始点811から重ね合わせ部を一周して全周溶接を行うと共に、レーザ光始点を越えて照射して重複溶接部813を形成する溶接工程と、その監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う溶接不良判定工程と、溶接不良を生じた場合に、重複溶接部813から周方向に所定距離だけずらした位置を始点として再度、溶接部13上を一周した後、始点を越えるように照射して、重複溶接部813と重ならない他の重複溶接部823を形成する再溶接工程と、そのレーザ照射の監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う再溶接不良判定工程とを備える。
【選択図】図4
Description
ところで、このようなレーザ溶接法において、溶接部が適切に形成されているか否か(適切に外筒部材と主体金具とを溶接部がまたがっているか否か)を確認する必要がある。そこで、レーザ溶接時に、レーザ光の反射光の非接触モニタリングを行うことで、溶接不良を判定する方法が知られている(例えば、特許文献1及び2を参照)。また、レーザ溶接時に、溶接部位から発生するプラズマの発光の非接触モニタリングを行うことで、溶接不良を判定する方法が知られている(例えば、特許文献3を参照)。これらの方法は、レーザ光が溶接部に照射された後、反射した光や発光するプラズマ光をカメラ等で撮影し、得られた画像を解析することによって行われる。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、非接触の溶接不良判定方法を用いても、歩留りを下げることなく確実に主体金具と外筒部材との溶接固定ができるガスセンサの製造方法を提供することを目的とする。
1.軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、該センサ素子の周囲を取り囲む筒状の主体金具と、該主体金具の後端側に固定される筒状の外筒部材とを備えるガスセンサの製造方法において、上記外筒部材の先端部と、上記主体金具の後端部と、が重なる重ね合わせ部の周方向に亘ってレーザ光を照射して溶接部を形成する溶接工程であって、レーザ光の始点から該重ね合わせ部を一周して全周溶接を行うと共に、該レーザ光の始点を越えてレーザ光を照射することで重複溶接部を形成する溶接工程と、上記溶接工程における上記レーザ光の照射時に、該レーザ光の反射光及び/又は上記溶接部から発せられるプラズマ光を監視して得られた監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う溶接不良判定工程と、溶接不良を生じた場合に、上記重複溶接部から周方向に所定距離だけずらした位置をレーザ光の始点として再度、上記溶接部上を一周した後該レーザ光の始点を越えるようにレーザ光を照射して、前記重複溶接部と重ならない他の重複溶接部を形成する再溶接工程と、上記再溶接工程における上記レーザ光の照射時に、該レーザ光の反射光及び/又は上記溶接部から発せられるプラズマ光を監視して得られた監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う再溶接不良判定工程と、を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
2.上記再溶接工程及び上記再溶接不良判定工程を複数回繰り返す上記1.記載のガスセンサの製造方法。
3.上記外筒部材の厚みは0.3〜0.8mmである上記2.記載のガスセンサの製造方法。
4.上記再溶接工程における上記外筒部材の軸方向における上記レーザ光を照射する位置は、上記溶接工程と同じ位置である上記1.乃至3.のいずれかに記載のガスセンサの製造方法。
更に、重複溶接部から周方向に所定距離だけずらした位置をレーザ光の新たな始点として再溶接工程を行うことで、溶接工程にて形成された重複溶接部と(図4に例示する始点811と終点812との間の重複溶接部813を参照)、再溶接工程にて形成された他の重複溶接部(図4に例示する始点821と終点822との間の他の重複溶接部823を参照)と、が重なることがない。このため、重複溶接部以外の箇所である非重複溶接部(図4に例示する非重複溶接部802を参照)と、重複溶接部との溶接強度の差が大きくならず、安定した品質のガスセンサを製造することができる。
外筒部材の厚みを規定する場合は、外筒部材の強度を保ち、且つ外筒部材の加工性が向上するため好ましい。尚、上述の外筒厚みであっても、上記溶接工程及び上記再溶接工程によるレーザ溶接を行う回数を任意に設定することで、安定した品質のガスセンサを製造することができる。
再溶接工程で、溶接工程と同じ位置に溶接を行う場合は、溶接工程で正しく溶接されていなくても、再溶接工程で重ねて溶接を行うことによって溶接不良を解消することができ、歩留りを上げることができる。
[1]ガスセンサ
図1及び2は、本実施形態により製造されるガスセンサ100の模式的な正面図(図1)及び断面図(図2)である。このガスセンサ100は、自動車の排気管に装着されて使用に供されるものであって、このガスセンサ100として、例えば、排気管の内部を流通する排気ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素センサ等が挙げられる。また、炭化水素センサ及び酸化窒素センサ等を挙げることができる。以下、この酸素センサについて詳しく説明する。
尚、本実施形態において、図1及び2のガスセンサ100の軸線方向のうち、センサ素子2側(図1及び2の下方側)を「先端側」とし、これと反対方向(図1及び2の上方側)を「後端側」として説明する。
センサ素子2は、先端部が閉塞された有底筒状の固体電解質体21と、この固体電解質体21の内面の略全面に形成されたPt又はPt合金からなる多孔質の内部電極層22と、固体電解質体21の外面に内部電極層22と同様にして形成された多孔質の外部電極層23とを有し、センサ素子2の先端側に検出部21aが形成されている。このうち、固体電解質体21は、イットリア等を安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニア等を主成分とする酸素イオン伝導性を有するセラミックを用いて成形されている。
主体金具4の先端側外周には、ガスセンサ100を排気管の取付部に取り付けるためのネジ部41を有し、その後端側には、排気管の取付部への取付時に取付工具をあてがう六角部42を有する。また、主体金具4の先端側内周には、径方向内側に向かって突出する金具側段差部43が設けられ、金具側段差部43には、パッキン51を介してアルミナ製の支持部材52が係止されている。センサ素子2は、係合用フランジ部24が支持部材52に支持されることにより、主体金具4に支持される。更に、支持部材52の後端側における主体金具4の内面とセンサ素子2の外面との間には、滑石粉末等の無機充填材が充填されて充填材部53が形成され、この充填材部53の後端側には、アルミナ製のスリーブ54及び環状リング55が順次同軸状に内挿されて配設される。そして、主体金具4の後端側に設けられた加締め部44が径方向内側に加締められることによって、環状リング55、スリーブ54がそれぞれ先端側に向かって押圧され、充填材部53が隙間を埋めることで、主体金具4にセンサ素子2が固定される。
主体金具4の先端部には、センサ素子2の検出部21aを周囲から取り囲むように金属製のプロテクタ6がレーザ溶接により固定されている。プロテクタ6は、底部64を備える二重のプロテクタ61、62からなり、それぞれのプロテクタ61、62には、複数のガス取入孔63が形成されている。このガス取入孔63から排気ガスが流入し、センサ素子2に晒されることで排気ガスに含まれる酸素濃度が検出される。
筒状の外筒部材11の材質は特に限定されないが、十分な強度と耐食性とを併せて有することが好ましく、通常、ステンレス鋼が用いられる。このステンレス鋼の種類も特に限定されず、各種のステンレス鋼を用いることができる。例えば、SUS304L等の溶接性等に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができる。外筒部材11は、その先端部11aを主体金具4の後端部4aの内側に挿入して重ね合わせ部11bを形成し、重ね合わせ部11bにレーザ溶接を行うことで、主体金具4に固定されている。
尚、外筒部材11の厚みは任意に選択することができ、例えば0.3〜0.8mmとすることができる。前記範囲の厚みとすることによって、外筒部材11の強度を保ちつつ、且つ外筒部材11の加工性が向上させることができる。更に、0.3mm未満であると、外筒部材の強度が不足することがある。また、0.8mmを超えると、外筒部材の加工性が低下することがある。更に、前記範囲の外筒部材11の厚みであっても、溶接工程及び再溶接工程によるレーザ溶接を行う回数を任意(例えば2回とすることができる。)に設定することで、安定した品質のガスセンサを製造することができる。
上記外筒部材11の内側には、略円筒状のセパレータ72が配設されている。このセパレータ72は、後述する端子金具K1の後端部及び端子金具K2の後端部を覆うセパレータ本体部721を備えると共に、セパレータ本体部721の後端部から径方向外側に延設されたセパレータフランジ部724を有している。このセパレータフランジ部724は、セパレータ72を保持するために、外筒部材11とセパレータ本体部721との隙間に配置された保持部材12により支持されている。更に、このセパレータ本体部721には、後述する素子用リード線25、26と、ヒータ用リード線32、33とを挿通するためのリード線挿通孔722が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ本体部721には、その先端側において開口する保持孔723が軸線方向に形成されている。この保持孔723の内部にはセラミックヒータ3の後端部が挿入され、セラミックヒータ3の後端面が保持孔723の底面に当接することによりセラミックヒータ3の軸線方向における位置決めがなされている。
一方、セパレータ72の後端側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール部材71が配設されている。この弾性シール部材71には、軸線方向に貫通するように4個のリード線挿通孔711が形成されている。また、弾性シール部材71の中央には、酸素センサ100の内部と外部を連通する貫通孔712が設けられており、貫通孔712内には、貫通孔712を閉塞するフィルタ16を保持する金属筒17が配置されている。この弾性シール部材71は、外筒部材11の後端側の内側に内挿され、外筒部材11に加締められることで外筒部材11に固定されている。
更に、素子用リード線25、26及びヒータ用リード線32、33は、弾性シール部材71のリード線挿通孔711に挿通されて、外筒部材11の内部から外部に向かって引き出されている。
尚、これら4本のリード線32、33、25、26は、外部において図示しないコネクタに接続され、このコネクタを介してECU等の外部機器と各々のリード線32、33、25、26との電気信号の入出力がなされることになる。
上記ガスセンサの製造方法を以下に説明する。
本ガスセンサの製造方法は、図1及び2に示す主体金具4と外筒部材11とをレーザ溶接してガスセンサ100を作製する製造方法である。
この製造方法は、少なくとも溶接工程、溶接不良判定工程、再溶接工程、及び再溶接不良判定工程を備える。これらの工程は、通常、この順に備えられるが、後述するように、溶接工程と溶接不良判定工程とは同時に行うことができ、再溶接工程と再溶接不良判定工程とは同時に行うこともできる。
また、これらの工程以外にも、移動工程及び/又は位置調整工程を備えることができる。
移動工程は、作製中のガスセンサをレーザ溶接が可能な位置に移動させる工程である。また、この工程は、通常、溶接工程の前に行われる。この工程において、作製中ガスセンサを移動させる手段は任意に選択することができる。
このような移動工程は、作製中のガスセンサが納められているテーブルから作製中ガスセンサ100’の主体金具4の六角部42をチャック9で掴み(図4を参照)、その後持ち上げることによって作製中ガスセンサ100’を取り出し、次いで、レーザの溶接が可能な場所に移動させることができる(図3のS1を参照)。
位置調整工程は、作製中ガスセンサ100’の軸方向の位置を調整して、繰り返しレーザ溶接を行う場合であっても、ガスセンサの軸方向において同じ位置にレーザ溶接を行うことができるようにする工程である。この工程を備える場合、通常、少なくとも溶接工程の前に行われる。また、上記移動工程と共に備える場合には、移動工程の後に位置調節工程を備えることができる。
このような位置調整工程は、作製中ガスセンサ100’の位置をビデオカメラ等の撮影手段で撮影し、得られた画像を画像解析して六角部の座面等を検出し、これを目印としてチャックを移動させることによって位置決めを行うことができる(図3のS2を参照)。
これにより、一度溶接工程を行った後、後述する再溶接工程でレーザ溶接を行っても、溶接を行う位置を同じとすることができ、溶接工程で溶接不良が生じても再溶接工程のレーザ溶接で溶接をし直すことにより溶接不良を解消することができる。
尚、位置調節の手段は上記撮影手段を用いる方法に限られず、チャック等の位置を位置センサで取得したり、移動量を積算したりすることにより作製中ガスセンサ100’の位置を求めて位置決めを行う等、任意に選択することができる。
溶接工程は、外筒部材11の先端部11aと、主体金具4の後端部4aとの重ね合わせ部11bにレーザ光8を照射して、溶接部13を形成する工程である(図3のS3を参照)。また、この溶接工程時に、溶接不良判定機構により後述する溶接不良判定工程に用いられる溶接不良監視結果が記憶される。
溶接工程で用いるレーザ溶接装置は任意に選択することができる。更に、上記「溶接不良判定機構」は、レーザ溶接時のレーザ光8の反射光及び/又は溶接部位から発せられるプラズマ光を監視して溶接不良監視結果を出力し、記憶するものであればよく、例えば、レーザ光8の反射光の強度を測定しその時間的に変化するパターンと予め設定されたパターンとを比較することによって溶接不良監視結果を出力することができる。また、レーザ光8の反射光によって溶融部及びその周辺を撮像し、この撮像した画像から把握される溶融部の形状的な特徴に基づいて溶接不良監視結果を出力することができる。更に、プラズマ光を撮影し、そのプラズマ光像の強度、傾き角及び/又は面積に基づいて溶接不良監視結果を出力することができる。
溶接不良判定工程は、上記溶接不良判定機構に記憶された溶接不良監視結果を用いて溶接が良好か否かを判断する工程(図3のS4を参照)である。この溶接不良判定工程は、通常、溶接不良判定機構により記憶された溶接不良監視結果に基づいて前記溶接工程の後に行われるが、溶接不良判定機構によって出力された溶接不良監視結果を記憶せずに、溶接工程と同時進行させてリアルタイムに判定を行うこともできる。即ち、溶接工程と溶接不良判定工程とを同時に行うこともできる。
この溶接不良判定工程では、溶接不良判定機構によって出力された溶接不良監視結果が良好(溶接良好)であった場合は、正常に溶接ができたものと判定し、このガスセンサの製造を終了する。また、溶接不良監視結果が不良(溶接不良)であった場合は、正常に溶接ができなかったものと判定し、このガスセンサの製造を継続するため、後述する再溶接工程を行う。
再溶接工程は、溶接不良判定機構によって溶接不良と判断された場合、重複溶接部813から周方向に所定距離だけずらした位置を始点821として再度、溶接部13上を一周し且つ始点821を越えるようにレーザ光8を照射する工程である。この再度の溶接(図3のS7参照)により、溶接工程(図3のS3参照)で既に形成されている溶接部13上の全周にわたって重複した溶接部13を更に形成すると共に、上記重複溶接部813と重ならない他の重複溶接部823を形成する。
溶接不良判定機構によって溶接不良を検出した場合は、チャック9を上記一方向に所定距離だけ回転させる(図3のS5を参照)。尚、所定距離は溶接工程にて形成される重複溶接部813と、後述する再溶接工程にて形成される他の重複溶接部823と、が重ならない距離だけ回転させればよく、本実施例では、溶接工程の始点811と再溶接工程の始点821の距離分だけ回転させている。
その後、上記位置調整工程(S2)と同様に作製中ガスセンサの位置を調整する。(図3のS6を参照)。
その後、再溶接不良判定工程を行い、溶接不良判定機構に記憶された溶接不良監視結果にて溶接が良好か否かを判断する(図3のS8を参照)。
そして、再溶接工程中に溶接不良判定機構によって出力された溶接不良監視結果が良好であった場合は、正常に溶接ができたものとして終了する。溶接不良監視結果が不良であった場合は溶接不良として作製中ガスセンサ100’を廃棄する。
尚、前述の溶接不良判定工程と同様に、再溶接不良判定工程についても、溶接不良判定機構によって出力された溶接不良監視結果を記憶せずに、再溶接工程と同時進行させてリアルタイムに判定を行うこともできる。即ち、再溶接工程と再溶接不良判定工程とを同時に行うこともできる。
以上の工程を備えた製造方法は、再溶接工程が行われなかった場合は、図4の矢印81に示す始点811から終点812までの範囲でレーザ溶接され、始点811及び終点812を境界として一度のみレーザ溶接された非重複溶接部(図4に示す802及び823を含む部位)と、二重にレーザ溶接された重複溶接部813と、が形成される。
また、再溶接工程が行われた場合は、矢印81に示す範囲に加えて、図4の矢印82に示す始点821から終点822までの範囲のレーザ溶接が加わり、始点811、821及び終点812、822を境界として、溶接工程及び再溶接工程のいずれの工程においても一度のみ溶接された(結果として二重に溶接されている)非重複溶接部802と、溶接工程で二重に重複溶接された後、再溶接工程では一度のみ溶接された(結果として三重に溶接されている)た重複溶接部813、及び、溶接工程では一度のみ溶接された後、再溶接工程で二重に重複溶接された(結果として三重に溶接されている)他の重複溶接部823、が形成される。
これに対して、本発明の製造方法は、非重複溶接部と前記重複溶接部、他の重複溶接部との溶接強度の差が大きくならず、安定した品質のガスセンサを製造することができる。
このとき、上記回数が2回であれば、図3に示すフローと実質同じ構成となる。更に、上記回数は3回以上としてもよい。回数が3回以上であっても、溶接工程の溶接の重複部位と、再溶接工程による溶接の各重複部位とが重ならないように所定距離を設定することにより、非重複溶接部と前記各重複部位との溶接強度の差が大きくならず、安定した品質のガスセンサを製造することができるからである。
11;外筒部材、11a;先端部、11b;重なり部(溶接前の重ね合わせ部、溶接後の溶接部)、12;保持部材、13;溶接部、
2;センサ素子、21;固体電解質体、22;内部電極層、23;外部電極層、24;係合用フランジ部、25;素子用リード線、26;素子用リード線、
3;セラミックヒータ、31;発熱部、32、33;ヒータ用リード線、
4;主体金具、41;ネジ部、42;六角部、43;金具側段差部、44;加締め部、
51;パッキン、52;支持部材、53;充填材部、54;スリーブ、55;環状リング、6、61、62;プロテクタ、63;ガス取入孔、64;底部、71;弾性シール部材、711;リード線挿通孔、712;貫通孔、72;セパレータ、721;セパレータ本体部、724;セパレータフランジ部、
8;レーザ光、81、82;矢印、811、821;始点、812、822;終点、802;非重複溶接部、813;重複溶接部、823;他の重複溶接部、
9;チャック、K1、K2;端子金具。
Claims (4)
- 軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、該センサ素子の周囲を取り囲む筒状の主体金具と、該主体金具の後端側に固定される筒状の外筒部材とを備えるガスセンサの製造方法において、
上記外筒部材の先端部と、上記主体金具の後端部と、が重なる重ね合わせ部の周方向に亘ってレーザ光を照射して溶接部を形成する溶接工程であって、レーザ光の始点から該重ね合わせ部を一周して全周溶接を行うと共に、該レーザ光の始点を越えてレーザ光を照射することで重複溶接部を形成する溶接工程と、
上記溶接工程における上記レーザ光の照射時に、該レーザ光の反射光及び/又は上記溶接部から発せられるプラズマ光を監視して得られた監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う溶接不良判定工程と、
溶接不良を生じた場合に、上記重複溶接部から周方向に所定距離だけずらした位置をレーザ光の始点として再度、上記溶接部上を一周した後該レーザ光の始点を越えるようにレーザ光を照射して、前記重複溶接部と重ならない他の重複溶接部を形成する再溶接工程と、
上記再溶接工程における上記レーザ光の照射時に、該レーザ光の反射光及び/又は上記溶接部から発せられるプラズマ光を監視して得られた監視結果に基づいて溶接不良を生じたか否かの判定を行う再溶接不良判定工程と、を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。 - 上記再溶接工程及び上記再溶接不良判定工程を複数回繰り返す請求項1記載のガスセンサの製造方法。
- 上記外筒部材の厚みは0.3〜0.8mmである請求項2記載のガスセンサの製造方法。
- 上記再溶接工程における上記外筒部材の軸方向における上記レーザ光を照射する位置は、上記溶接工程と同じ位置である請求項1乃至3のいずれか1項に記載のガスセンサの製造方法。
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