JP3648381B2 - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯＸセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された棒状ないし筒状の検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。この金属製のケーシングは、外周面にセンサ取付け用のねじ部が形成された主体金具、その主体金具の一端側から突出する検出素子の検出部を覆う形で主体金具に結合されるプロテクタ、そのプロテクタとは反対側から主体金具に結合されるとともに、主体金具の後方に延びる検出素子を覆う内筒部材、さらには、その内筒部材の後端部に結合され、検出素子からのリード線を後方側の開口部から延出させる外筒部材など、複数の筒状体を組み合わせて構成されることが多い。
【０００３】
ここで、これら複数の筒状体同士の接合は種々の手法にて実施されているが、例えば特に気密性が要求される場合等においては、それらの接合側端部同士において一方を他方の内側に隙間嵌めあるいは圧入により挿入して重なり部を形成し、その重なり部に全周溶接部を形成する方法が採用されることも多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の接合方法においては、例えば隙間嵌めを採用する場合は、内側部材と外側部材との隙間が大きすぎると、溶接部を形成しても隙間の存在のために接合不完全となる部分が生じやすくなり、接合の気密性が損なわれやすくなる。他方、圧入を採用する場合は、内側部材の外径が大きすぎると、該内側部材の圧入に伴い外側部材は強く押し広げられるように塑性変形し、その圧入開口側が裾拡がり形態となることがある。この場合、その拡がった外側部材と内側部材との間には同様に大きな隙間が形成され、溶接部の形成が不完全となる場合がある。
【０００５】
従って、隙間嵌めを行うにしろ、圧入を行うにしろ、溶接により接合を行う場合は、内側部材と外側部材との間に過剰な隙間が形成されないよう、これら部材の寸法管理をかなり厳しく行う必要が生ずる。しかしながら、寸法公差を小さくすることは工程管理の手間やコストの増大を招き、センサ単価の高騰につながる問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、溶接接合される２以上の筒状部を含むものとしてケーシングが構成されるガスセンサにおいて、筒状部に対する極度に厳しい寸法管理を行わなくとも溶接不良を生じにくい構造を有するガスセンサと、その製造方法とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のガスセンサは、
先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（以下、被測定ガスという）中の被検出成分を検出する検出素子と、
検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備え、
そのケーシングは、軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成され、それら２つの筒状部は、対応する端部において一方のもの（以下、内側部材という）が他方のもの（以下、外側部材という）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置されており、その重なり部において、外側部材にはその軸線方向中間に外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部が形成されるとともに、その径小部に形成された周方向の溶接部により、それら外側部材と内側部材とが気密状態で接合され、
溶接部は、その帯状の径小部においてこれよりも狭幅の環状形態に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスセンサの製造方法は、先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（被測定ガス）中の被検出成分を検出する検出素子と、検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備えたガスセンサの製造方法であって、
ケーシングは軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成されるものとされ、
それら２つの筒状部を、対応する端部において一方のもの（内側部材）が他方のもの（外側部材）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置するとともに、その重なり部において外側部材の軸線方向中間に該外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部を形成した状態とし、その帯状の径小部にさらに周方向の溶接部をこれよりも狭幅の環状形態に形成して、それら外側部材と内側部材とを該溶接部により気密状態で接合することを特徴とする。
【０００９】
上記ガスセンサの構造及びその製造方法によれば、検出素子を覆うケーシングにおいて、軸線方向に重なり部が生ずる形で配置される２つの筒状部のうち外側部材に周方向の径小部を形成し、さらに、その径小部に周方向の溶接部を形成して内側部材と接合するようにした。このような径小部の形成により、溶接部形成位置における外側部材と内側部材との間の隙間量が減少して密着性が高められ、溶接不良が発生しにくくなる。その結果、筒状部に対する寸法管理、特に外側部材内径と内側部材外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わなくとも良好な溶接接合状態が得られるようになり、ひいてはガスセンサの製造能率及び歩留まり向上が達成される。
【００１０】
上記径小部は外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に形成でき、溶接部は、その帯状の径小部の幅方向中間においてこれよりも狭幅の環状形態に形成することができる。この態様によれば、帯状の径小部領域内、すなわち隙間量が減少して密着性が高められる領域内に幅が収まるように、連続形態の溶接部が形成されるので、溶接不良をさらに生じにくくすることができる。
【００１１】
溶接部は、レーザー溶接によって形成することが、欠陥の少ない溶接部を形成する上で望ましい。他方、レーザー溶接以外では、シーム溶接等の抵抗溶接を採用することも可能である。
【００１２】
また、径小部は、外側部材と内側部材との間に重なり部を生じさせた状態で、該外側部材を内側部材に向けて周方向に加締めることにより形成された加締め部とすることができる。これにより、径小部における外側部材と内側部材との間の密着状態をさらに良好なものとでき、得られる溶接部における欠陥発生を一層効果的に防止することができるようになる。
【００１３】
また、内側部材には、重なり部において外側部材の径小部に対応する位置に周方向の凹部を形成することができる。例えば、外側部材の径小部を加締め部として形成する場合、内側部材の対応位置に上記凹部が形成される程度の加締めを行うことで、外側部材と内側部材との間の密着状態がさらに向上し、溶接部における欠陥発生の確率を低減することができる。
【００１４】
上記ガスセンサにおいては、内側部材は、検出部を一方の端部側から突出させた状態で検出素子を覆う主体金具とすることができ、外側部材は、その主体金具の検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタとすることができる。例えば、酸素センサ等の場合、センサが低温となったときに凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具とプロテクタとを接合する溶接部に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部をぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、該接合部に本発明を適用することで、溶接部への欠陥発生が効果的に防止され、上記のような不具合が発生しにくくなる。
【００１５】
他方、内側部材は、その主体金具に対し検出部の突出側とは反対の開口端部に一端が結合され、当該主体金具から後方に延びる検出素子を覆う内筒部材とすることができ、外側部材は、後方側の開口部において検出素子からのリード線を延出させる形で、内筒部材の後端部外側に結合される外筒部材とすることができる。例えば自動車用の酸素センサの場合、上記外筒部材あるいは内筒部材は外部に露出する形となり、例えば取付け位置が車両の足周り部分等であったりすると、水しぶき等の噴射を受けやすい。この場合、両部材を接合する溶接部に欠陥が生じていると、その欠陥から内筒部材内に水滴等が侵入し、センサを作動不良に至らしめることがある。しかしながら、該接合部に本発明を適用することで、溶接部への欠陥発生が効果的に防止され、上記のような不具合が発生しにくくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示している。該酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検出素子２と、軸状のセラミックヒータである発熱体３とを備えて構成される。酸素検出素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。
【００１７】
この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、並びにタルクから形成されたセラミック粉末８を介して金属製のケーシング１０が設けられ、酸素検出素子２はケーシング１０と電気的に絶縁された状態で貫通している。ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９、その主体金具９の一方の開口部に内側が連通するように結合された内筒部材１４、該内筒部材１４とは反対側から主体金具に取り付けられたプロテクタ１１等を備える。また、図２に示すように、酸素検出素子２の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の電極層２ｂ，２ｃが設けられている。これら電極層２ｂ，２ｃはいずれも、酸素検出素子２を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されている。
【００１８】
なお、以下においては、酸素検出素子２の軸方向においてその閉じた先端部に向かう側を「前方側（あるいは先端側）」、これと反対方向に向かう側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。
【００１９】
まず、主体金具９の後方側の開口部には、前述の内筒部材１４がインシュレータ６との間にリング１５を介して加締められ、この内筒部材１４にさらに外筒部材５４が外側から嵌合・固定されている。この外筒部材５４の図中上端側の開口はゴム等で構成されたグロメット（弾性シール部材）１７で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミックセパレータ１８が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び発熱体３用のリード線（リード線２０，２１の影になって見えない）が配置されている。
【００２０】
酸素検出素子２用の一方のリード線２０は、端子金具２３のコネクタ部２４及びこれに続く引出し線部２５、並びに端子金具２３の内部電極接続部２６を経て、前述の酸素検出素子２の内側の電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、別の端子金具３３のコネクタ部３４及びこれに続く引出し線部３５並びに外部電極接続部３５ｂを経て、酸素検出素子２の図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。
【００２１】
ここで、酸素検出素子２は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体３で強制的に加熱することで活性化される。発熱体３は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒４５の先端部に、例えば蛇行状に形成された抵抗発熱線部（図示せず）を有する発熱部４２が設けられたものである。この抵抗発熱線部は、ヒータ端子部４０から延びるリード線を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を所定の活性化温度以上に加熱する役割を果たす。
【００２２】
また、上述の発熱体３は、端子金具２３により酸素検出素子２の中空部内に保持される。この端子金具２３には、前述の内部電極接続部２６に関して発熱体３の先端側（すなわち発熱部４２に近い側）に発熱体把持部２７が形成されている。発熱体把持部２７は、発熱体３の周囲を包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、発熱体３を未挿入の状態では該発熱体３の外径よりは少し小さい内径を有し、発熱体３の挿入に伴い弾性的に拡径してその摩擦力により該発熱体３を把持する。図１の構成において、この発熱体把持部２７は内部電極接続部２６の片側の１箇所にのみ設けられている。
【００２３】
内部電極接続部２６は、左右両側の縁に鋸刃状の接触部２６ａがそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、発熱体３を包囲する形態で形成されている。そして、その外周面と酸素検出素子２の中空部内壁面２ａとの間の摩擦力によって発熱体３を該中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、上記複数の接触部２６ａの各先端部において内側の電極層２ｃ（図２）と接触・導通するようになっている。
【００２４】
次に、図１に示すように、外筒部材５４は、内筒部材１４（ケーシング１０）に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなす。また、内筒部材１４の後端部には、段付き部５１により、該段付き部５１に関して軸方向前方側を第一部分６１、同じく軸方向後方側を第二部分６２として、該第二部分６２が第一部分６１よりも径小となるように構成され、その第二部分６２には周方向の複数の気体導入孔５２が形成されている。また、第二部分６２の外側には、上記気体導入孔５２を塞ぐ筒状のフィルタ５３が配置され、さらに、そのフィルタ５３の外側が外筒部材５４により覆われている。そして、フィルタ５３に対応する位置において外筒部材５４の壁部には、周方向に所定の間隔で複数の補助気体導入孔５５が形成されるとともに、それら補助気体導入孔５５の列を挟んで両側に、フィルタ５３を自身と内筒部材１４の第二部分６２との間で圧着固定する環状のフィルタ加締め部５６，５７が形成されている。
【００２５】
他方、外筒部材５４は、第一部分６１において内筒部材１４に対し外側からこれに重なりを生じるように配置され、その重なり部には周方向の環状の外筒／内筒連結加締め部７５が形成されている。この外筒／内筒連結加締め部７５により、外筒部材５４が内筒部材１４に対して結合される。
【００２６】
なお、フィルタ５３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも低い加熱温度で１軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。これにより、補助気体導入孔５５からフィルタ５３を経て気体導入孔５２より、基準ガスとしての大気（外気）が内筒部材１４（ケーシング１０）内に導入されるとともに、水滴等の液体状態の水は内筒部材１４内に侵入することが阻止されるようになっている。
【００２７】
次に、主体金具９の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部９ａが形成され、ここに、酸素検出素子２の先端側（検出部）を所定の空間を隔てて覆うようにキャップ状のプロテクタ１１が装着されている。プロテクタ１１には、その外壁部に対し周方向沿って所定の間隔で、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が貫通形態で形成されている。また、該プロテクタ１１の底部にもガス透過口１３が形成されている。これにより排気ガス中の酸素が酸素検出素子２の先端側表面に接触可能となっている。
【００２８】
プロテクタ１１（外側部材）は、その筒状の開口部においてプロテクタ装着部９ａ（内側部材）が軸線方向に挿入されて重なり部が形成されている。そして、その重なり部においてプロテクタ１１には、周方向に沿う環状の加締め部（径小部）８１が帯状に形成され、さらにプロテクタ装着部９ａの対応位置には同様に帯状の凹所８２が形成されている。プロテクタ側１１の加締め部８１の内面と、プロテクタ装着部９ａ側の凹所８２の内面とは互いに密着している。
【００２９】
そして、上記帯状の加締め部８１には、環状の溶接部８３が、例えば該加締め部８１の幅方向中間においてこれよりも狭幅に形成されている。この溶接部８３は、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとにまたがる形で形成され、両者を気密状態で接合する役割を果たしている。以下、加締め部と溶接部との組合せ接合構造のことを加締め溶接構造部といい、加締め部８１と溶接部８３との組を加締め溶接構造部１５０と称する。
【００３０】
なお、図１のプロテクタ１１は一重構造であるが、図３のプロテクタ１００のように、有底の第一筒状部１０１と、その内側に所定の隙間を経て同心的に配置された有底の第二筒状部１０２とを有する二重構造とすることもできる。図示した構成においては、第二筒状部１０２は、その開口端部が第一筒状部１０１の内径にちょうど嵌まる程度に拡径され、その拡径部１０２ａにおいて周方向に形成されたスポット溶接部１０７により第一筒状部１０１と結合されている。なお、第二筒状部１０２は、第一筒状部１０１よりも軸線方向の長さが短く形成されており、その拡径部１０２ａの開口縁が第一筒状部１０１の開口縁よりも所定距離内側に入り込む形で配置されている。これにより、第一筒状部１０１の開口側には、プロテクタ装着部９ａの装着代部１０１ａが所定幅で形成される形となっている。
【００３１】
また、第一筒状部１０１の側壁部には、軸線方向に並ぶ２つの長孔状のガス透過口１０３，１０３の組が周方向に所定の間隔で複数形成されている。第二筒状部１０２の側壁部にも同様のガス透過口１０４，１０４の組が形成されているが、その形成位置は水滴等の侵入防止のために、第一筒状部１０１のガス透過口１０３，１０３に対して周方向の位相をずらせてある。他方、第一筒状部１０１と第二筒状部１０２との各底部は互いに密着した形態とされ、各々その中央にはガス透過口１０５，１０６が互いに連通する形で形成されている。
【００３２】
上記のような加締め溶接構造部１５０は、例えば以下の図４〜図７に示す方法にて形成することができる（なお、これら図では、図３の二重構造型のプロテクタ１００を用いた場合の例を示しているが、図１の一重構造型のプロテクタ１１の場合も方法上の相違はない）。すなわち、図４に示すように、主体金具９のプロテクタ装着部９ａを、プロテクタ１００の装着代部１０１ａに対し、該装着代部１０１ａの開口縁が金具端面に当たる位置まで挿入する。そして、図５に示すように、この状態で装着代部１０１ａの軸方向中間部を、プロテクタ装着部９ａに向けて周方向に加締めることにより、図６に示すように加締め部８１を形成する。このとき、加締め部８１の形成に伴い、図１に示すようにプロテクタ装着部９ａの対応位置には環状の凹所８２が形成され、両者の間には強固な密着状態が形成される。
【００３３】
なお、加締め部８１と凹所８２とは、加締めに伴う装着代部１０１ａとプロテクタ装着部９ａとの塑性変形により形成されるものであるが、例えば装着代部１０１ａのみが塑性変形して加締め部８１が形成される一方、プロテクタ装着部９ａ側では弾性変形のみを実質的に生じさせる形としてもよい。この場合は、加締め部８１に対応する位置において凹所８２は明瞭には形成されないが、装着代部１０１ａとの間には、主にプロテクタ装着部９ａの弾性復帰力により同様に強固な密着状態を形成することができる。
【００３４】
図１１は、加締め装置の一例を示す平面図である。すなわち、該加締め装置１７９は、リング状のパンチホルダ１８６と、そのパンチホルダ１８６の周方向に沿って配置されるとともに、それぞれ該パンチホルダ１８６を半径方向に進退可能に貫通する複数のパンチセグメント１８５とを有するパンチアセンブリ１８９とを備える。また、各パンチセグメント１８５の後端部にはばね支持部１８７が形成され、これとパンチホルダ１８６の外周面との間には、該パンチセグメント１８５を外向きに付勢するばね部材１８８が配置される。一方、図１２（ａ）に示すように、このパンチアセンブリ１８９に対応して、内周面１９１が底面側で縮径するテーパ面とされた受けユニット１９０が設けられ、その底面中央にはワーク挿通孔１９４を有する位置決め突出部１９３が形成されている。
【００３５】
そして、位置決め突出部１９３に対し、プロテクタ１００の先端部をワーク挿通孔１９４に挿入する形でワークＷをセットする。そして、パンチアセンブリ１８９は、受けユニット１９０の内側に同軸的にセットされ、各パンチセグメント１８５が加締めるべきプロテクタ１００の基端部（装着代部１０１ａ）を取り囲んだ状態となる。また、パンチセグメント１８５の外側端面１９２には、受けユニット１９０の内周面１９１に対応するテーパが付与されている。
【００３６】
この状態で、ワークＷを軸方向下向きに押し込みながら、さらにパンチアセンブリ１８９を受けユニット１９０の底面に向けて押し込むと、図１２（ｂ）に示すように、テーパ状に形成された外側端面１９２と内周面１９１との間のカム作用により、各パンチセグメント１８５は対応するばね１８８の圧縮を伴いながら一斉にワークＷに向けて接近する。これにより、各パンチセグメント１８５の先端に形成された加締め作用部１８１により、プロテクタ１００に加締め部８１が形成される。
【００３７】
次いで、図７（ａ）に示すように、この加締め部８１に対し、周方向の溶接部８３を、例えばレーザー溶接により形成すれば、目的とする加締め溶接構造部１５０が得られる。ここで、溶接部８３の幅をｗ1、加締め部８１の幅をｗ2とした場合、接合強度確保の観点からｗ1／ｗ2は０．５以上とするのがよい（図１の例では、ｗ1は約０．７ｍｍ、ｗ2は約１ｍｍ、ｗ1／ｗ2は約０．７である）。また、図７（ｂ）に示すように、加締めによる圧着力をプロテクタ装着部９ａ（内側部材）側に十分生じさせ、良好な圧着状態を確保するために、装着代部１０１ａ（外側部材）の厚さｔ2は１ｍｍ以下に設定するのがよい（図１の例では、ｔ2は約０．４ｍｍである）。さらに、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）側の溶接部８３の侵入深さｄ1は、接合強度確保の観点から０．４ｍｍ以上となっているのがよい。ただし、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）を厚さ方向に貫く形で溶接部８３が形成されると、溶接欠陥等の影響を受けて接合強度が低下する場合があるので、上記侵入深さｄ1はプロテクタ装着部９ａの厚さｔ1よりも小さくなっていることが望ましい。
【００３８】
なお、図８により示すプロテクタ１００の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図３に示すものの具体的な数値例である）。
Ｐ1：９．８〜１２ｍｍ（１０．３５ｍｍ）
Ｐ2：３．９〜４．９ｍｍ（３．９ｍｍ）
Ｐ3：１２．９〜２０．２ｍｍ（２０ｍｍ）
Ｐ4：７．４〜８．１ｍｍ（７．７ｍｍ）
【００３９】
また、図９により示す主体金具９の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図１に示すものの具体的な数値例である）。
Ｋ1：２５〜３０ｍｍ（２９．６ｍｍ）
Ｋ2：１３〜１７ｍｍ（１６．８ｍｍ）
Ｋ3：１２．５〜１３．０ｍｍ（１２．８ｍｍ）
Ｋ4：８．８〜９．２ｍｍ（９ｍｍ）
Ｋ5：３．６〜４ｍｍ（３．８ｍｍ）
Ｋ6：１〜２．５ｍｍ（２ｍｍ）
Ｋ7：０．５〜１．５ｍｍ（１ｍｍ）
Ｋ8：１２〜１４ｍｍ（１３．９ｍｍ）
Ｋ9：７〜１０ｍｍ（９．６ｍｍ）
Ｋ10：７．５〜１０．５ｍｍ（１０ｍｍ）
Ｋ11：２０．６〜２３．６ｍｍ（２３．１ｍｍ）
Ｋ12：６〜７ｍｍ（６．５ｍｍ）
Ｋ13：２１．８〜２２．２ｍｍ（２２ｍｍ）
Ｋ14：例えば、Ｍ１８程度
Ｋ15：９．３〜１１．２ｍｍ（９．５ｍｍ）
Ｋ16：７．３〜７．７ｍｍ（７．５ｍｍ）
Ｋ17：１６．３〜１６．７ｍｍ（１６．５ｍｍ）
Ｋ18：１１．４〜１１．８ｍｍ（１１．６ｍｍ）
Ｋ19：１５．８〜１６．２ｍｍ（１６ｍｍ）
【００４０】
また、図１において、センサ１の全長Ｌ1は約８４ｍｍである。また、主体金具９のガスケットＧの受け面９ｄから、プロテクタ１１の先端面までの長さＬ2は約２９ｍｍである。
【００４１】
以下、酸素センサ１の作動について説明する。
上記酸素センサ１においては、前述の通り外筒部材５４のフィルタ５３を介して基準ガスとしての大気が導入される一方、酸素検出素子２の外面にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、該酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として電極層２ｂ，２ｃからリード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００４２】
ここで、プロテクタ１１と主体金具９のプロテクタ装着部９ａとの間には前述の加締め溶接構造部１５０が形成されている。すなわち、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとの重なり部に加締め部８１を予め形成して、両者の密着を高めた状態で、ここに全周の溶接部８３を形成して接合する構造としているので、溶接部８３における欠陥発生が効果的に防止され、接合の気密性が高められている。例えば、酸素センサ１が低温となったときに、凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具９とプロテクタ１１とを接合する溶接部８３に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部をぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、主体金具９とプロテクタ１１との接合構造が上記加締め溶接構造部１５０となっていることで、そのような水滴や汚れの侵入等の不具合を効果的に防止することができる。
【００４３】
また、従来のように隙間嵌めあるいは圧入によりプロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとを嵌め合わせ、その状態で溶接部を形成する場合には、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとの寸法管理、特にプロテクタ１１の内径とプロテクタ装着部９ａの外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わないと良好な溶接接合状態が得られなかった。しかしながら、上記構成では、嵌め合わせの段階で多少径差がばらついていても、加締め部８１の形成により密着状態を確保できるので、上記のような厳しい寸法管理は不要となる。その結果、センサの製造能率及び歩留まりが向上する。
【００４４】
なお、プロテクタ１１の開口基端部に、予め周方向の縮径部を例えばプレス加工等により帯状に形成しておき、その状態でその縮径部に主体金具９側のプロテクタ装着部９ａを圧入して、その縮径部に溶接部を形成することにより両者を接合してもよい。縮径部にプロテクタ装着部９ａを圧入することにより、プロテクタ１１の開口側が裾拡がり形態になりにくくなるので、同様に溶接部への欠陥発生確率を低減することができる。この場合、プロテクタ装着部９ａ側には明瞭な凹所８２は形成されない形となる。
【００４５】
図１の酸素センサ１においては、外筒／内筒連結加締め部７５にも環状の溶接部９２を施して、加締め溶接構造部１５１を形成することができる。これにより、内筒部材１４と外筒部材５４との間の気密性をさらに高めることが可能となる。なお、外筒／内筒連結加締め部７５に対応して内筒部材１４には、環状の凹所９１が形成されている。
【００４６】
さらに、図１０は、酸素センサの別の実施例を示すものである。このセンサ２００では、外筒部材５４の開口部に嵌め込まれたグロメットが、開口部側に位置する第一グロメット１７ｂ（例えばフッ素ゴムで構成される）と、第二グロメット１７ａ（例えばシリコンゴムで構成される）とによって構成されている。また、基準ガスとしての大気は、リード線２０，２１の芯線２０ｂ，２１ｂと、それらを覆う樹脂性の外被部との間の隙間を通って、内筒部材１４の内側に導入されるようになっており、図１のフィルタ５３に相当するものは設けられていない。また、端子金具２３には内部電極接続部２６の両側に発熱体把持部２７，２８が設けられている。さらに、２５ａ、３５ａは、引出し線部２５、３５を覆う絶縁管である。これ以外の構成については、図１のセンサ１ないし１５０と概略一致するので、対応する部分に同一の符号を付して詳細説明は省略する。ここで、図１０も、図１と同一縮尺によりセンサ２００を表している。そして、Ｌ1は約９２ｍｍであり、Ｌ2は約２９ｍｍである。
【００４７】
ここで、主体金具９の後端側に突出する内筒部材連結部９ｆの外側を覆う位置まで外筒部材５４を延長し、ここに加締め部９３（内筒部材連結部９ｆ側には凹部９４が形成されている）と溶接部９５とからなる加締め溶接構造部１５２を形成することもできる。
【００４８】
なお、以上説明した本発明のセンサの構造は、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯＸセンサなどにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示す縦断面図。
【図２】図１の、発熱部と酸素検出素子との接触部付近を拡大して示す断面図。
【図３】プロテクタの一例を示す平面図及び正面半断面図。
【図４】プロテクタと主体金具とを、加締め溶接構造部の形成により接合する工程を説明する図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】図６に続く工程説明図。
【図８】プロテクタの寸法説明図。
【図９】主体金具の寸法説明図。
【図１０】図１の酸素センサの変形例を示す縦断面図。
【図１１】加締め装置の要部を示す平面模式図。
【図１２】加締め装置の要部を、その作用とともに示す側面断面模式図。
【符号の説明】
１，２００ 酸素センサ（ガスセンサ）
２ 酸素検出素子
９ 主体金具
９ａ プロテクタ装着部（内側部材）
９ｆ 内筒部材連結部（内側部材）
１０ ケーシング
１１，１００ プロテクタ（外側部材）
１４ 内筒部材（内側部材）
５４ 外筒部材（外側部材）
８１，７５，９３ 加締め部（径小部）
８２，９１，９４ 凹所
８３，９２，９５ 溶接部
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯＸセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された棒状ないし筒状の検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。この金属製のケーシングは、外周面にセンサ取付け用のねじ部が形成された主体金具、その主体金具の一端側から突出する検出素子の検出部を覆う形で主体金具に結合されるプロテクタ、そのプロテクタとは反対側から主体金具に結合されるとともに、主体金具の後方に延びる検出素子を覆う内筒部材、さらには、その内筒部材の後端部に結合され、検出素子からのリード線を後方側の開口部から延出させる外筒部材など、複数の筒状体を組み合わせて構成されることが多い。
【０００３】
ここで、これら複数の筒状体同士の接合は種々の手法にて実施されているが、例えば特に気密性が要求される場合等においては、それらの接合側端部同士において一方を他方の内側に隙間嵌めあるいは圧入により挿入して重なり部を形成し、その重なり部に全周溶接部を形成する方法が採用されることも多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の接合方法においては、例えば隙間嵌めを採用する場合は、内側部材と外側部材との隙間が大きすぎると、溶接部を形成しても隙間の存在のために接合不完全となる部分が生じやすくなり、接合の気密性が損なわれやすくなる。他方、圧入を採用する場合は、内側部材の外径が大きすぎると、該内側部材の圧入に伴い外側部材は強く押し広げられるように塑性変形し、その圧入開口側が裾拡がり形態となることがある。この場合、その拡がった外側部材と内側部材との間には同様に大きな隙間が形成され、溶接部の形成が不完全となる場合がある。
【０００５】
従って、隙間嵌めを行うにしろ、圧入を行うにしろ、溶接により接合を行う場合は、内側部材と外側部材との間に過剰な隙間が形成されないよう、これら部材の寸法管理をかなり厳しく行う必要が生ずる。しかしながら、寸法公差を小さくすることは工程管理の手間やコストの増大を招き、センサ単価の高騰につながる問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、溶接接合される２以上の筒状部を含むものとしてケーシングが構成されるガスセンサにおいて、筒状部に対する極度に厳しい寸法管理を行わなくとも溶接不良を生じにくい構造を有するガスセンサと、その製造方法とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のガスセンサは、
先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（以下、被測定ガスという）中の被検出成分を検出する検出素子と、
検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備え、
そのケーシングは、軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成され、それら２つの筒状部は、対応する端部において一方のもの（以下、内側部材という）が他方のもの（以下、外側部材という）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置されており、その重なり部において、外側部材にはその軸線方向中間に外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部が形成されるとともに、その径小部に形成された周方向の溶接部により、それら外側部材と内側部材とが気密状態で接合され、
溶接部は、その帯状の径小部においてこれよりも狭幅の環状形態に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスセンサの製造方法は、先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（被測定ガス）中の被検出成分を検出する検出素子と、検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備えたガスセンサの製造方法であって、
ケーシングは軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成されるものとされ、
それら２つの筒状部を、対応する端部において一方のもの（内側部材）が他方のもの（外側部材）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置するとともに、その重なり部において外側部材の軸線方向中間に該外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部を形成した状態とし、その帯状の径小部にさらに周方向の溶接部をこれよりも狭幅の環状形態に形成して、それら外側部材と内側部材とを該溶接部により気密状態で接合することを特徴とする。
【０００９】
上記ガスセンサの構造及びその製造方法によれば、検出素子を覆うケーシングにおいて、軸線方向に重なり部が生ずる形で配置される２つの筒状部のうち外側部材に周方向の径小部を形成し、さらに、その径小部に周方向の溶接部を形成して内側部材と接合するようにした。このような径小部の形成により、溶接部形成位置における外側部材と内側部材との間の隙間量が減少して密着性が高められ、溶接不良が発生しにくくなる。その結果、筒状部に対する寸法管理、特に外側部材内径と内側部材外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わなくとも良好な溶接接合状態が得られるようになり、ひいてはガスセンサの製造能率及び歩留まり向上が達成される。
【００１０】
上記径小部は外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に形成でき、溶接部は、その帯状の径小部の幅方向中間においてこれよりも狭幅の環状形態に形成することができる。この態様によれば、帯状の径小部領域内、すなわち隙間量が減少して密着性が高められる領域内に幅が収まるように、連続形態の溶接部が形成されるので、溶接不良をさらに生じにくくすることができる。
【００１１】
溶接部は、レーザー溶接によって形成することが、欠陥の少ない溶接部を形成する上で望ましい。他方、レーザー溶接以外では、シーム溶接等の抵抗溶接を採用することも可能である。
【００１２】
また、径小部は、外側部材と内側部材との間に重なり部を生じさせた状態で、該外側部材を内側部材に向けて周方向に加締めることにより形成された加締め部とすることができる。これにより、径小部における外側部材と内側部材との間の密着状態をさらに良好なものとでき、得られる溶接部における欠陥発生を一層効果的に防止することができるようになる。
【００１３】
また、内側部材には、重なり部において外側部材の径小部に対応する位置に周方向の凹部を形成することができる。例えば、外側部材の径小部を加締め部として形成する場合、内側部材の対応位置に上記凹部が形成される程度の加締めを行うことで、外側部材と内側部材との間の密着状態がさらに向上し、溶接部における欠陥発生の確率を低減することができる。
【００１４】
上記ガスセンサにおいては、内側部材は、検出部を一方の端部側から突出させた状態で検出素子を覆う主体金具とすることができ、外側部材は、その主体金具の検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタとすることができる。例えば、酸素センサ等の場合、センサが低温となったときに凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具とプロテクタとを接合する溶接部に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部をぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、該接合部に本発明を適用することで、溶接部への欠陥発生が効果的に防止され、上記のような不具合が発生しにくくなる。
【００１５】
他方、内側部材は、その主体金具に対し検出部の突出側とは反対の開口端部に一端が結合され、当該主体金具から後方に延びる検出素子を覆う内筒部材とすることができ、外側部材は、後方側の開口部において検出素子からのリード線を延出させる形で、内筒部材の後端部外側に結合される外筒部材とすることができる。例えば自動車用の酸素センサの場合、上記外筒部材あるいは内筒部材は外部に露出する形となり、例えば取付け位置が車両の足周り部分等であったりすると、水しぶき等の噴射を受けやすい。この場合、両部材を接合する溶接部に欠陥が生じていると、その欠陥から内筒部材内に水滴等が侵入し、センサを作動不良に至らしめることがある。しかしながら、該接合部に本発明を適用することで、溶接部への欠陥発生が効果的に防止され、上記のような不具合が発生しにくくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示している。該酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検出素子２と、軸状のセラミックヒータである発熱体３とを備えて構成される。酸素検出素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。
【００１７】
この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、並びにタルクから形成されたセラミック粉末８を介して金属製のケーシング１０が設けられ、酸素検出素子２はケーシング１０と電気的に絶縁された状態で貫通している。ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９、その主体金具９の一方の開口部に内側が連通するように結合された内筒部材１４、該内筒部材１４とは反対側から主体金具に取り付けられたプロテクタ１１等を備える。また、図２に示すように、酸素検出素子２の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の電極層２ｂ，２ｃが設けられている。これら電極層２ｂ，２ｃはいずれも、酸素検出素子２を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されている。
【００１８】
なお、以下においては、酸素検出素子２の軸方向においてその閉じた先端部に向かう側を「前方側（あるいは先端側）」、これと反対方向に向かう側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。
【００１９】
まず、主体金具９の後方側の開口部には、前述の内筒部材１４がインシュレータ６との間にリング１５を介して加締められ、この内筒部材１４にさらに外筒部材５４が外側から嵌合・固定されている。この外筒部材５４の図中上端側の開口はゴム等で構成されたグロメット（弾性シール部材）１７で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミックセパレータ１８が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び発熱体３用のリード線（リード線２０，２１の影になって見えない）が配置されている。
【００２０】
酸素検出素子２用の一方のリード線２０は、端子金具２３のコネクタ部２４及びこれに続く引出し線部２５、並びに端子金具２３の内部電極接続部２６を経て、前述の酸素検出素子２の内側の電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、別の端子金具３３のコネクタ部３４及びこれに続く引出し線部３５並びに外部電極接続部３５ｂを経て、酸素検出素子２の図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。
【００２１】
ここで、酸素検出素子２は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体３で強制的に加熱することで活性化される。発熱体３は、通常はセラミックヒータであり、例えばアルミナを主とするセラミック棒４５の先端部に、例えば蛇行状に形成された抵抗発熱線部（図示せず）を有する発熱部４２が設けられたものである。この抵抗発熱線部は、ヒータ端子部４０から延びるリード線を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を所定の活性化温度以上に加熱する役割を果たす。
【００２２】
また、上述の発熱体３は、端子金具２３により酸素検出素子２の中空部内に保持される。この端子金具２３には、前述の内部電極接続部２６に関して発熱体３の先端側（すなわち発熱部４２に近い側）に発熱体把持部２７が形成されている。発熱体把持部２７は、発熱体３の周囲を包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、発熱体３を未挿入の状態では該発熱体３の外径よりは少し小さい内径を有し、発熱体３の挿入に伴い弾性的に拡径してその摩擦力により該発熱体３を把持する。図１の構成において、この発熱体把持部２７は内部電極接続部２６の片側の１箇所にのみ設けられている。
【００２３】
内部電極接続部２６は、左右両側の縁に鋸刃状の接触部２６ａがそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、発熱体３を包囲する形態で形成されている。そして、その外周面と酸素検出素子２の中空部内壁面２ａとの間の摩擦力によって発熱体３を該中空部に対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、上記複数の接触部２６ａの各先端部において内側の電極層２ｃ（図２）と接触・導通するようになっている。
【００２４】
次に、図１に示すように、外筒部材５４は、内筒部材１４（ケーシング１０）に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなす。また、内筒部材１４の後端部には、段付き部５１により、該段付き部５１に関して軸方向前方側を第一部分６１、同じく軸方向後方側を第二部分６２として、該第二部分６２が第一部分６１よりも径小となるように構成され、その第二部分６２には周方向の複数の気体導入孔５２が形成されている。また、第二部分６２の外側には、上記気体導入孔５２を塞ぐ筒状のフィルタ５３が配置され、さらに、そのフィルタ５３の外側が外筒部材５４により覆われている。そして、フィルタ５３に対応する位置において外筒部材５４の壁部には、周方向に所定の間隔で複数の補助気体導入孔５５が形成されるとともに、それら補助気体導入孔５５の列を挟んで両側に、フィルタ５３を自身と内筒部材１４の第二部分６２との間で圧着固定する環状のフィルタ加締め部５６，５７が形成されている。
【００２５】
他方、外筒部材５４は、第一部分６１において内筒部材１４に対し外側からこれに重なりを生じるように配置され、その重なり部には周方向の環状の外筒／内筒連結加締め部７５が形成されている。この外筒／内筒連結加締め部７５により、外筒部材５４が内筒部材１４に対して結合される。
【００２６】
なお、フィルタ５３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）の未焼成成形体を、ＰＴＦＥの融点よりも低い加熱温度で１軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。これにより、補助気体導入孔５５からフィルタ５３を経て気体導入孔５２より、基準ガスとしての大気（外気）が内筒部材１４（ケーシング１０）内に導入されるとともに、水滴等の液体状態の水は内筒部材１４内に侵入することが阻止されるようになっている。
【００２７】
次に、主体金具９の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部９ａが形成され、ここに、酸素検出素子２の先端側（検出部）を所定の空間を隔てて覆うようにキャップ状のプロテクタ１１が装着されている。プロテクタ１１には、その外壁部に対し周方向沿って所定の間隔で、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が貫通形態で形成されている。また、該プロテクタ１１の底部にもガス透過口１３が形成されている。これにより排気ガス中の酸素が酸素検出素子２の先端側表面に接触可能となっている。
【００２８】
プロテクタ１１（外側部材）は、その筒状の開口部においてプロテクタ装着部９ａ（内側部材）が軸線方向に挿入されて重なり部が形成されている。そして、その重なり部においてプロテクタ１１には、周方向に沿う環状の加締め部（径小部）８１が帯状に形成され、さらにプロテクタ装着部９ａの対応位置には同様に帯状の凹所８２が形成されている。プロテクタ側１１の加締め部８１の内面と、プロテクタ装着部９ａ側の凹所８２の内面とは互いに密着している。
【００２９】
そして、上記帯状の加締め部８１には、環状の溶接部８３が、例えば該加締め部８１の幅方向中間においてこれよりも狭幅に形成されている。この溶接部８３は、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとにまたがる形で形成され、両者を気密状態で接合する役割を果たしている。以下、加締め部と溶接部との組合せ接合構造のことを加締め溶接構造部といい、加締め部８１と溶接部８３との組を加締め溶接構造部１５０と称する。
【００３０】
なお、図１のプロテクタ１１は一重構造であるが、図３のプロテクタ１００のように、有底の第一筒状部１０１と、その内側に所定の隙間を経て同心的に配置された有底の第二筒状部１０２とを有する二重構造とすることもできる。図示した構成においては、第二筒状部１０２は、その開口端部が第一筒状部１０１の内径にちょうど嵌まる程度に拡径され、その拡径部１０２ａにおいて周方向に形成されたスポット溶接部１０７により第一筒状部１０１と結合されている。なお、第二筒状部１０２は、第一筒状部１０１よりも軸線方向の長さが短く形成されており、その拡径部１０２ａの開口縁が第一筒状部１０１の開口縁よりも所定距離内側に入り込む形で配置されている。これにより、第一筒状部１０１の開口側には、プロテクタ装着部９ａの装着代部１０１ａが所定幅で形成される形となっている。
【００３１】
また、第一筒状部１０１の側壁部には、軸線方向に並ぶ２つの長孔状のガス透過口１０３，１０３の組が周方向に所定の間隔で複数形成されている。第二筒状部１０２の側壁部にも同様のガス透過口１０４，１０４の組が形成されているが、その形成位置は水滴等の侵入防止のために、第一筒状部１０１のガス透過口１０３，１０３に対して周方向の位相をずらせてある。他方、第一筒状部１０１と第二筒状部１０２との各底部は互いに密着した形態とされ、各々その中央にはガス透過口１０５，１０６が互いに連通する形で形成されている。
【００３２】
上記のような加締め溶接構造部１５０は、例えば以下の図４〜図７に示す方法にて形成することができる（なお、これら図では、図３の二重構造型のプロテクタ１００を用いた場合の例を示しているが、図１の一重構造型のプロテクタ１１の場合も方法上の相違はない）。すなわち、図４に示すように、主体金具９のプロテクタ装着部９ａを、プロテクタ１００の装着代部１０１ａに対し、該装着代部１０１ａの開口縁が金具端面に当たる位置まで挿入する。そして、図５に示すように、この状態で装着代部１０１ａの軸方向中間部を、プロテクタ装着部９ａに向けて周方向に加締めることにより、図６に示すように加締め部８１を形成する。このとき、加締め部８１の形成に伴い、図１に示すようにプロテクタ装着部９ａの対応位置には環状の凹所８２が形成され、両者の間には強固な密着状態が形成される。
【００３３】
なお、加締め部８１と凹所８２とは、加締めに伴う装着代部１０１ａとプロテクタ装着部９ａとの塑性変形により形成されるものであるが、例えば装着代部１０１ａのみが塑性変形して加締め部８１が形成される一方、プロテクタ装着部９ａ側では弾性変形のみを実質的に生じさせる形としてもよい。この場合は、加締め部８１に対応する位置において凹所８２は明瞭には形成されないが、装着代部１０１ａとの間には、主にプロテクタ装着部９ａの弾性復帰力により同様に強固な密着状態を形成することができる。
【００３４】
図１１は、加締め装置の一例を示す平面図である。すなわち、該加締め装置１７９は、リング状のパンチホルダ１８６と、そのパンチホルダ１８６の周方向に沿って配置されるとともに、それぞれ該パンチホルダ１８６を半径方向に進退可能に貫通する複数のパンチセグメント１８５とを有するパンチアセンブリ１８９とを備える。また、各パンチセグメント１８５の後端部にはばね支持部１８７が形成され、これとパンチホルダ１８６の外周面との間には、該パンチセグメント１８５を外向きに付勢するばね部材１８８が配置される。一方、図１２（ａ）に示すように、このパンチアセンブリ１８９に対応して、内周面１９１が底面側で縮径するテーパ面とされた受けユニット１９０が設けられ、その底面中央にはワーク挿通孔１９４を有する位置決め突出部１９３が形成されている。
【００３５】
そして、位置決め突出部１９３に対し、プロテクタ１００の先端部をワーク挿通孔１９４に挿入する形でワークＷをセットする。そして、パンチアセンブリ１８９は、受けユニット１９０の内側に同軸的にセットされ、各パンチセグメント１８５が加締めるべきプロテクタ１００の基端部（装着代部１０１ａ）を取り囲んだ状態となる。また、パンチセグメント１８５の外側端面１９２には、受けユニット１９０の内周面１９１に対応するテーパが付与されている。
【００３６】
この状態で、ワークＷを軸方向下向きに押し込みながら、さらにパンチアセンブリ１８９を受けユニット１９０の底面に向けて押し込むと、図１２（ｂ）に示すように、テーパ状に形成された外側端面１９２と内周面１９１との間のカム作用により、各パンチセグメント１８５は対応するばね１８８の圧縮を伴いながら一斉にワークＷに向けて接近する。これにより、各パンチセグメント１８５の先端に形成された加締め作用部１８１により、プロテクタ１００に加締め部８１が形成される。
【００３７】
次いで、図７（ａ）に示すように、この加締め部８１に対し、周方向の溶接部８３を、例えばレーザー溶接により形成すれば、目的とする加締め溶接構造部１５０が得られる。ここで、溶接部８３の幅をｗ1、加締め部８１の幅をｗ2とした場合、接合強度確保の観点からｗ1／ｗ2は０．５以上とするのがよい（図１の例では、ｗ1は約０．７ｍｍ、ｗ2は約１ｍｍ、ｗ1／ｗ2は約０．７である）。また、図７（ｂ）に示すように、加締めによる圧着力をプロテクタ装着部９ａ（内側部材）側に十分生じさせ、良好な圧着状態を確保するために、装着代部１０１ａ（外側部材）の厚さｔ2は１ｍｍ以下に設定するのがよい（図１の例では、ｔ2は約０．４ｍｍである）。さらに、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）側の溶接部８３の侵入深さｄ1は、接合強度確保の観点から０．４ｍｍ以上となっているのがよい。ただし、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）を厚さ方向に貫く形で溶接部８３が形成されると、溶接欠陥等の影響を受けて接合強度が低下する場合があるので、上記侵入深さｄ1はプロテクタ装着部９ａの厚さｔ1よりも小さくなっていることが望ましい。
【００３８】
なお、図８により示すプロテクタ１００の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図３に示すものの具体的な数値例である）。
Ｐ1：９．８〜１２ｍｍ（１０．３５ｍｍ）
Ｐ2：３．９〜４．９ｍｍ（３．９ｍｍ）
Ｐ3：１２．９〜２０．２ｍｍ（２０ｍｍ）
Ｐ4：７．４〜８．１ｍｍ（７．７ｍｍ）
【００３９】
また、図９により示す主体金具９の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図１に示すものの具体的な数値例である）。
Ｋ1：２５〜３０ｍｍ（２９．６ｍｍ）
Ｋ2：１３〜１７ｍｍ（１６．８ｍｍ）
Ｋ3：１２．５〜１３．０ｍｍ（１２．８ｍｍ）
Ｋ4：８．８〜９．２ｍｍ（９ｍｍ）
Ｋ5：３．６〜４ｍｍ（３．８ｍｍ）
Ｋ6：１〜２．５ｍｍ（２ｍｍ）
Ｋ7：０．５〜１．５ｍｍ（１ｍｍ）
Ｋ8：１２〜１４ｍｍ（１３．９ｍｍ）
Ｋ9：７〜１０ｍｍ（９．６ｍｍ）
Ｋ10：７．５〜１０．５ｍｍ（１０ｍｍ）
Ｋ11：２０．６〜２３．６ｍｍ（２３．１ｍｍ）
Ｋ12：６〜７ｍｍ（６．５ｍｍ）
Ｋ13：２１．８〜２２．２ｍｍ（２２ｍｍ）
Ｋ14：例えば、Ｍ１８程度
Ｋ15：９．３〜１１．２ｍｍ（９．５ｍｍ）
Ｋ16：７．３〜７．７ｍｍ（７．５ｍｍ）
Ｋ17：１６．３〜１６．７ｍｍ（１６．５ｍｍ）
Ｋ18：１１．４〜１１．８ｍｍ（１１．６ｍｍ）
Ｋ19：１５．８〜１６．２ｍｍ（１６ｍｍ）
【００４０】
また、図１において、センサ１の全長Ｌ1は約８４ｍｍである。また、主体金具９のガスケットＧの受け面９ｄから、プロテクタ１１の先端面までの長さＬ2は約２９ｍｍである。
【００４１】
以下、酸素センサ１の作動について説明する。
上記酸素センサ１においては、前述の通り外筒部材５４のフィルタ５３を介して基準ガスとしての大気が導入される一方、酸素検出素子２の外面にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、該酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として電極層２ｂ，２ｃからリード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００４２】
ここで、プロテクタ１１と主体金具９のプロテクタ装着部９ａとの間には前述の加締め溶接構造部１５０が形成されている。すなわち、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとの重なり部に加締め部８１を予め形成して、両者の密着を高めた状態で、ここに全周の溶接部８３を形成して接合する構造としているので、溶接部８３における欠陥発生が効果的に防止され、接合の気密性が高められている。例えば、酸素センサ１が低温となったときに、凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具９とプロテクタ１１とを接合する溶接部８３に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部をぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、主体金具９とプロテクタ１１との接合構造が上記加締め溶接構造部１５０となっていることで、そのような水滴や汚れの侵入等の不具合を効果的に防止することができる。
【００４３】
また、従来のように隙間嵌めあるいは圧入によりプロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとを嵌め合わせ、その状態で溶接部を形成する場合には、プロテクタ１１とプロテクタ装着部９ａとの寸法管理、特にプロテクタ１１の内径とプロテクタ装着部９ａの外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わないと良好な溶接接合状態が得られなかった。しかしながら、上記構成では、嵌め合わせの段階で多少径差がばらついていても、加締め部８１の形成により密着状態を確保できるので、上記のような厳しい寸法管理は不要となる。その結果、センサの製造能率及び歩留まりが向上する。
【００４４】
なお、プロテクタ１１の開口基端部に、予め周方向の縮径部を例えばプレス加工等により帯状に形成しておき、その状態でその縮径部に主体金具９側のプロテクタ装着部９ａを圧入して、その縮径部に溶接部を形成することにより両者を接合してもよい。縮径部にプロテクタ装着部９ａを圧入することにより、プロテクタ１１の開口側が裾拡がり形態になりにくくなるので、同様に溶接部への欠陥発生確率を低減することができる。この場合、プロテクタ装着部９ａ側には明瞭な凹所８２は形成されない形となる。
【００４５】
図１の酸素センサ１においては、外筒／内筒連結加締め部７５にも環状の溶接部９２を施して、加締め溶接構造部１５１を形成することができる。これにより、内筒部材１４と外筒部材５４との間の気密性をさらに高めることが可能となる。なお、外筒／内筒連結加締め部７５に対応して内筒部材１４には、環状の凹所９１が形成されている。
【００４６】
さらに、図１０は、酸素センサの別の実施例を示すものである。このセンサ２００では、外筒部材５４の開口部に嵌め込まれたグロメットが、開口部側に位置する第一グロメット１７ｂ（例えばフッ素ゴムで構成される）と、第二グロメット１７ａ（例えばシリコンゴムで構成される）とによって構成されている。また、基準ガスとしての大気は、リード線２０，２１の芯線２０ｂ，２１ｂと、それらを覆う樹脂性の外被部との間の隙間を通って、内筒部材１４の内側に導入されるようになっており、図１のフィルタ５３に相当するものは設けられていない。また、端子金具２３には内部電極接続部２６の両側に発熱体把持部２７，２８が設けられている。さらに、２５ａ、３５ａは、引出し線部２５、３５を覆う絶縁管である。これ以外の構成については、図１のセンサ１ないし１５０と概略一致するので、対応する部分に同一の符号を付して詳細説明は省略する。ここで、図１０も、図１と同一縮尺によりセンサ２００を表している。そして、Ｌ1は約９２ｍｍであり、Ｌ2は約２９ｍｍである。
【００４７】
ここで、主体金具９の後端側に突出する内筒部材連結部９ｆの外側を覆う位置まで外筒部材５４を延長し、ここに加締め部９３（内筒部材連結部９ｆ側には凹部９４が形成されている）と溶接部９５とからなる加締め溶接構造部１５２を形成することもできる。
【００４８】
なお、以上説明した本発明のセンサの構造は、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯＸセンサなどにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示す縦断面図。
【図２】図１の、発熱部と酸素検出素子との接触部付近を拡大して示す断面図。
【図３】プロテクタの一例を示す平面図及び正面半断面図。
【図４】プロテクタと主体金具とを、加締め溶接構造部の形成により接合する工程を説明する図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】図６に続く工程説明図。
【図８】プロテクタの寸法説明図。
【図９】主体金具の寸法説明図。
【図１０】図１の酸素センサの変形例を示す縦断面図。
【図１１】加締め装置の要部を示す平面模式図。
【図１２】加締め装置の要部を、その作用とともに示す側面断面模式図。
【符号の説明】
１，２００ 酸素センサ（ガスセンサ）
２ 酸素検出素子
９ 主体金具
９ａ プロテクタ装着部（内側部材）
９ｆ 内筒部材連結部（内側部材）
１０ ケーシング
１１，１００ プロテクタ（外側部材）
１４ 内筒部材（内側部材）
５４ 外筒部材（外側部材）
８１，７５，９３ 加締め部（径小部）
８２，９１，９４ 凹所
８３，９２，９５ 溶接部
Claims (9)
- 先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（以下、被測定ガスという）中の被検出成分を検出する検出素子と、
前記検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、前記検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備え、
そのケーシングは、軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成され、それら２つの筒状部は、対応する端部において一方のもの（以下、内側部材という）が他方のもの（以下、外側部材という）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置されており、その重なり部において、前記外側部材にはその軸線方向中間に前記外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部が形成されるとともに、その径小部に形成された周方向の溶接部により、それら外側部材と内側部材とが気密状態で接合され、
前記溶接部は、その帯状の径小部においてこれよりも狭幅の環状形態に形成されていることを特徴とするガスセンサ。 - 前記径小部は前記外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に形成され、前記溶接部は、その帯状の径小部の幅方向中間においてこれよりも狭幅の環状形態に形成されている請求項１記載のガスセンサ。
- 前記溶接部は、レーザー溶接によって形成されたものである請求項１又は２に記載のガスセンサ。
- 前記径小部は、前記外側部材と前記内側部材との間に前記重なり部を生じさせた状態で、該外側部材を該内側部材に向けて周方向に加締めることにより形成された加締め部である請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ。
- 前記内側部材には、前記重なり部において前記外側部材の径小部に対応する位置に周方向の凹部が形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセンサ。
- 前記内側部材は、前記検出部を一方の端部側から突出させた状態で前記検出素子を覆う主体金具であり、
前記外側部材は、その主体金具の前記検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、前記被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタである請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記検出部を一方の端部側から突出させた状態で前記検出素子を覆う主体金具が設けられ、
前記内側部材は、その主体金具に対し前記検出部の突出側とは反対の開口端部に一端が結合され、当該主体金具から後方に延びる前記検出素子を覆う内筒部材であり、
前記外側部材は、後方側の開口部において前記検出素子からのリード線を延出させる形で、前記内筒部材の後端部外側に結合される外筒部材である請求項１ないし６のいずれかに記載のガスセンサ。 - 先端部に検出部が形成された棒状ないし筒状形態をなし、測定対象となるガス（以下、被測定ガスという）中の被検出成分を検出する検出素子と、前記検出部への被測定ガスの流通を許容した状態で、前記検出素子の外側を覆う筒状のケーシングとを備えたガスセンサの製造方法であって、
前記ケーシングは軸線方向に隣接配置される２つの筒状部を少なくとも含んで構成されるものとされ、
それら２つの筒状部を、対応する端部において一方のもの（以下、内側部材という）が他方のもの（以下、外側部材という）の内側に位置する形で重なり部を生ずるように配置するとともに、その重なり部において前記外側部材の軸線方向中間に該外側部材の周方向に沿って所定幅の帯状に径小部を形成した状態とし、その帯状の径小部にさらに周方向の溶接部をこれよりも狭幅の環状形態に形成して、それら外側部材と内側部材とを該溶接部により気密状態で接合することを特徴とするガスセンサの製造方法。 - 前記外側部材と前記内側部材との間に前記重なり部を生じさせた状態で、該外側部材を前記内側部材に向けて周方向に加締めることにより、前記径小部としての加締め部を形成し、その加締め部に対し前記周方向の溶接部を形成する請求項８記載のガスセンサの製造方法。
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