JP2019158350A

JP2019158350A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2019158350A
Application number: JP2018040447A
Authority: JP
Inventors: 健介水谷; Kensuke Mizutani; 大輔宮田; Daisuke Miyata; 健吾清水; Kengo Shimizu; 尚佑紀杉原; Hisayuki Sugihara; 康寛藤井; Yasuhiro Fujii
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-19
Also published as: US11359995B2; DE102019105809A1; CN110243913A; US20190277727A1

Abstract

【課題】センサ素子と主体金具との間のシール性の低下を抑制することができるガスセンサ及びガスセンサの製造方法を提供する。【解決手段】軸線Ｏ方向に延びるセンサ素子２１と、センサ素子の径方向周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具１１と、センサ素子と主体金具との間に配置されるシール部材４１と、を備えたガスセンサ１であって、主体金具はステンレス鋼からなり、径方向外側に突出する鍔部１４を有すると共に、自身の後端側に加締め部１６を有し、加締め部は、径方向内側に曲げられてシール部材の後端を先端側に向かって直接的または間接的に押圧し、加締め部の軸線方向に沿う断面のマイクロビッカース硬度が１４０〜２１０Ｈｖである。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ素子を保持する主体金具を備えたガスセンサ及びガスセンサの製造方法に関する。

従来から、筒状の主体金具にセンサ素子を組み付けることでガスセンサの製造が行われている（特許文献１）。この組み付けは、センサ素子と主体金具との間に滑石等のシール部材を充填し、さらにシール部材の後端にセラミックスリーブ等を配置し、主体金具の後端を径方向内側に加締めて行っている。
そして、主体金具の加締め部にてセラミックスリーブを先端側に向かって押圧することで、シール部材を圧縮してセンサ素子と主体金具との間を気密に保持する。

特開２００１−２４９１０５号公報

ところで、主体金具は、筒状の素材を鍛造することで、切削加工等に比べて材料を無駄にすることなく形成することができる。
しかしながら、主体金具を鍛造して製造すると残留応力が生じ、特に加締め部に生じた残留応力は、その後にガスセンサが高温に曝された際に解放され、加締めが緩んでセンサ素子と主体金具との間のシール性が低下する可能性がある。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、センサ素子と主体金具との間のシール性の低下を抑制することができるガスセンサ及びガスセンサの製造方法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、前記センサ素子と前記主体金具との間に配置されるシール部材と、を備えたガスセンサであって、前記主体金具はステンレス鋼からなり、径方向外側に突出する鍔部を有すると共に、自身の後端側に加締め部を有し、前記加締め部は、径方向内側に曲げられて前記シール部材の後端を先端側に向かって直接的または間接的に押圧し、前記加締め部の前記軸線方向に沿う断面のマイクロビッカース硬度が１４０〜２１０Ｈｖであることを特徴とする。

主体金具が鍛造で製造された場合、そのままでは加締め部にも残留応力が生じ、その後にガスセンサが高温に曝された際に残留応力が解放されて加締めが緩む。
そこで、鍛造で製造された主体金具に対し、加締める前の加締め部に予め熱処理を施して残留応力を解放した後に、加締めることで、ガスセンサ使用時に高温に曝されても、加締めが緩んでセンサ素子１と主体金具との間のシール部材のシール性が低下することが抑制される。
そして、加締め部の熱処理の程度として、加締め部の断面のマイクロビッカース硬度を１４０〜２１０Ｈｖに規定する。加締め部を熱処理しない場合、加締め部は鍛造後の強度が高い状態であるため、ガスセンサ使用時に高温に曝された際に、加締めが緩んでセンサ素子と主体金具との間のシール性が低下する可能性がある。しかしながら、加締め部を熱処理し過ぎると、軟化し過ぎて硬度が低過ぎることになる。

本発明のガスセンサの製造方法は、軸線方向に延び、先端側に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、前記センサ素子と前記主体金具との間に配置されるシール部材と、を備えたガスセンサの製造方法であって、筒状のステンレス鋼素材を鍛造し、前記主体金具の粗形状を示す鍛造体を製造する鍛造工程と、前記鍛造体を仕上げ加工し、径方向外側に突出する鍔部と、自身の後端側に延びる加締め素形部を有する主体金具素形体を製造する主体金具素形体製造工程と、前記鍛造体又は前記主体金具素形体に対して熱処理を施す熱処理工程と、前記センサ素子と前記熱処理後の前記主体金具素形体との間に前記シール部材を配置するシール部材配置工程と、前記加締め素形部を径方向内側に曲げて前記加締め部を形成し、前記シール部材の後端を先端側に向かって押圧し、前記センサ素子を前記主体金具に組み付ける組付け工程と、を有することを特徴とする。

主体金具が鍛造で製造された場合、そのままでは加締め部にも残留応力が生じ、ガスセンサ使用時に高温に曝された際に残留応力が解放されて加締めが緩む。
そこで、主体金具を鍛造で製造する際、加締める前の加締め部に予め熱処理を施して残留応力を解放した後に、加締めることで、ガスセンサ使用時に高温に曝されても、加締めが緩んでセンサ素子１と主体金具との間のシール部材のシール性が低下することが抑制される。

この発明によれば、ガスセンサのセンサ素子と主体金具との間のシール性の低下を抑制することができる。

本発明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かかるガスセンサの製造工程を示す図である。図２に続く図である。本発明の実施形態にかかるガスセンサの製造工程を示すフロー図である。

本発明の実施形態にかかるガスセンサについて、図１に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図である。

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１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）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１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３０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３０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２９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２９寄り部位に形成された各電極端子２４に、弾性部材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２９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２９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すステンレス鋼からなり、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２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部１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ部１３によってセンサ１をねじ込むための多角形の鍔部１４を備えている。
また、この鍔部１４の後方には、ガスセンサ１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加締め部（折り曲げ部）１６を備えている。なお、この加締め部１６は、図１では、加締め後のために内側に曲げられている。なお、鍔部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。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面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を構成するステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０等が挙げられる。

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３０が配置されている。セラミックホルダ３０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３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１７に係止されつつ、セラミックホルダ３０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３０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３０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。

セラミックホルダ３０の後端側におけるセンサ素子２１の外面と主体金具３０の内面との間に生じる空隙に、シール部材４１が充填されている。さらに、圧縮粉末体３７の後端にスリーブ４３が配置されている。
そして、主体金具３０の加締め部１６が径方向内側に向かって折り曲げるように加締められ、加締め部１６はリングワッシャ４５、スリーブ４３を介してシール部材４１を先端側に押圧している。これにより、シール部材４１はスリーブ４３とセラミックホルダ３０との間で圧縮充填され、センサ素子２１と主体金具３０との間のシール及び固定を行うようになっている。

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０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３０及び主体金具１１の先端１２ａ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、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１で覆われている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。
また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端２９寄り部位に形成された各電極端子２４には、外部に弾性部材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１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内に加締め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１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弾性部材（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を縮径加締めしてこの弾性部材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。

ところで、本発明は主体金具１１が鍛造で製造されることを前提とし、主体金具１１を鍛造せずに切削のみで製造した場合を含まない。主体金具１１を鍛造せずに切削のみで製造した場合も、加締め部１６の断面のマイクロビッカース硬度が１４０〜２１０Ｈｖになることがあるが、この場合は、主体金具１１が鍛造で製造されていないので加締め部１６の残留応力が小さく、ガスセンサが高温に曝されて加締めが緩むという課題を有さないので、本発明の適用外である。
なお、主体金具１１が鍛造で製造されたことは、主体金具１１の内孔１８の中ほどに形成されるツールマークや、主体金具１１の内孔１８の先端近傍に後述する打ち抜き加工痕が形成されているかどうかで判別することができる。

次に、図２〜図４を参照し、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の製造方法について説明する。
図２、図３は本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の製造工程を示す図、図４はガスセンサ１の製造工程を示すフロー図である。
まず、図２に示すように、柱状のステンレス鋼素材１０を用意し（図２（ａ））、ステンレス鋼素材１０を鍛造して鍛造体１１ｘ０を製造する（鍛造工程；図２（ｂ）、図４の工程１０２）。この鍛造体１１ｘ０は、少なくとも鍔部１４の粗形状を示す粗形鍔部１４ｘ０を有し、さらに本例では鍛造体１１ｘ０の先端近傍に円環状部１２の粗形状を示す粗形円環状部１２ｘ０を有する。
鍛造体１１ｘ０の内周面の軸線方向中央付近には、複数回にわたってパンチングを施したことを示すツールマークＴが形成されている。又、鍛造体１１ｘ０の先端側の内面は貫通せずに余肉Ｅが径方向に蓋状に広がって形成されている。

次に、鍛造体１１ｘ０の内面に打ち抜き加工を施して余肉Ｅを打ち抜き、打ち抜き体１１ｘ１を製造する（打ち抜き工程；図２（ｃ）、図４の工程１０３）。なお、粗形円環状部１２ｘ１及び粗形鍔部１４ｘ１は、それぞれ粗形円環状部１２ｘ０及び粗形鍔部１４ｘ０と略同一である。又、粗形円環状部１２ｘ１の内周面には、切断面と破断面とが連なった打ち抜き加工痕Ｐが形成されている。
次に、打ち抜き体１１ｘ１の外面に切削加工Ｍを施し、さらにねじ部１３となる部位に転造加工ＲＬを施して仕上げ加工し、主体金具素形体１１ｘ２を製造する（主体金具素形体製造工程：図２（ｄ）、（ｅ）、図４の工程１０４）。この主体金具素形体１１ｘ２は、少なくとも主体金具１１と同一形状の鍔部１４を有し、さらに本例では主体金具１１と同一形状の環状部１２及びねじ部１３を有するが、加締め素形部１６ｘは加締められずに軸線Ｏ方向に延びた円筒形状となっている点がガスセンサ１に組付け後の主体金具１１の加締め部１６と異なる。

次に、主体金具素形体１１ｘ２に対して熱処理を施す（熱処理工程：図４の工程１０６）。熱処理条件は上述の通りとすることができる。又、熱処理は、鍛造後であればいつの時点で行ってもよく、鍛造体１１ｘ１に熱処理した後に仕上げ加工してもよいが、仕上げ加工時に材料が軟化していると切削や転造がし難い場合があるので、仕上げ加工後の主体金具素形体１１ｘ２に対して熱処理するのが好ましい。

次に、センサ素子２１と熱処理後の主体金具素形体１１ｘ２との間に、セラミックホルダ３０、シール部材４１、スリーブ４３を先端側から配置し、さらにスリーブ４３の後端にリングワッシャ４５を配置する（シール部材配置工程：図３、図４の工程１０８）。
次に、加締め素形部１６ｘを径方向内側に曲げて加締め部１６（図１参照）を形成し、シール部材４１の後端を、スリーブ４３を介して先端側に向かって押圧し、センサ素子２１を主体金具１１に組み付ける（組付け工程；図３、図４の工程１１０）。
組付け工程は具体的には、センサ素子２１と熱処理後の主体金具素形体１１ｘ２との間にシール部材４１を配置し、予めシール部材４１を圧縮しておく。そして、スリーブ４３の後端にリングワッシャ４５を配置し、この状態でセンサ素子２１を保持した主体金具素形体１１ｘ２を、据え付け治具２１０にて位置決め支持させる。そして、この支持の際には、主体金具１１の鍔部１４の下面を据え付け治具２１０の上面の位置決め部２１０ａに当接させる。その後、加締め用金型２１２で、加締め素形部１６ｘを先端側に圧縮して内側に折り曲げる。これにより、シール部材４１がさらに圧縮され、センサ素子２１及びスリーブ４３等を含む部品は主体金具１１の内側に固定される。

最後に、図示はしないが、外筒８１内に弾性部材８５、端子金具７５、リード線７１、セパレータ９１、保持部材８２を収容して保持したアセンブリを、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を加締める。
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、弾性部材８５を外筒８１の後端に組み付けた後に加締める。
このようにして、本実施形態のガスセンサが完成する（図４の工程１１２）。

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。
センサ素子としては、酸素の濃度を測定するものに限定されず、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は炭化水素（ＨＣ）等の濃度を測定するものを用いてもよい。センサ素子は筒型であってもよい。
主体金具素形体製造工程の仕上げ加工は、切削及び転造に限定されず、主体金具の外形に仕上げる加工であればよい。
シール部材は滑石に限定されず、加締め部によって押圧されて変形し、シールするものであればよい。

１ガスセンサ
１１主体金具
１１ｘ０鍛造体
１１ｘ２主体金具素形体
１４鍔部
１４Ｌ鍛流線
１６加締め部
１６ｘ加締め素形部
２１センサ素子
２２検知部
４１シール部材
Ｏ軸線

Claims

軸線方向に延び、先端側に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、
前記センサ素子と前記主体金具との間に配置されるシール部材と、
を備えたガスセンサであって、
前記主体金具はステンレス鋼からなり、径方向外側に突出する鍔部を有すると共に、自身の後端側に加締め部を有し、
前記加締め部は、径方向内側に曲げられて前記シール部材の後端を先端側に向かって直接的または間接的に押圧し、
前記加締め部の前記軸線方向に沿う断面のマイクロビッカース硬度が１４０〜２１０Ｈｖであることを特徴とするガスセンサ。
軸線方向に延び、先端側に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、
前記センサ素子と前記主体金具との間に配置されるシール部材と、
を備えたガスセンサの製造方法であって、
筒状のステンレス鋼素材を鍛造し、前記主体金具の粗形状を示す鍛造体を製造する鍛造工程と、
前記鍛造体を仕上げ加工し、径方向外側に突出する鍔部と、自身の後端側に延びる加締め素形部を有する主体金具素形体を製造する主体金具素形体製造工程と、
前記鍛造体又は前記主体金具素形体に対して熱処理を施す熱処理工程と、
前記センサ素子と前記熱処理後の前記主体金具素形体との間に前記シール部材を配置するシール部材配置工程と、
前記加締め素形部を径方向内側に曲げて前記加締め部を形成し、前記シール部材の後端を先端側に向かって押圧し、前記センサ素子を前記主体金具に組み付ける組付け工程と、
を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。