JP6239360B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出する検出素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯ_ｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いた検出素子を有するものが知られている。
一般に、このようなガスセンサは、長尺の検出素子の中央部付近を保持した主体金具を排気管等に取付け、検出素子先端の検出部が排気管内に露出してガスを検知できるようになっている。又、検出素子の後端側には検出部からの出力信号を取出すためのリードや端子が設けられ、端子はコネクタ等を介して外部回路に接続されている。従って、検出素子の後端側を覆うと共にリードや端子を保持するため、主体金具の後端部に筒状の外筒が接合されている。
そして、通常、主体金具と外筒の接合は、主体金具の後端部外側に外筒を遊嵌して重ね合わせ、加締めた後、重ね合わせ部の全周にわたってレーザ溶接して行われる（特許文献１参照）。
一方、検出素子の先端側を覆うため、主体金具の先端部に有底筒状で金属製のプロテクタが接合されている。主体金具とプロテクタの接合は、主体金具の先端部外側にプロテクタを嵌合した後、嵌合部を全周溶接して行われる。

特開２００９−２８７９３５号公報

ところで、特許文献１のように主体金具に外筒を遊嵌する場合、溶接前の仮止め、及び溶接部位の主体金具と外筒との隙間を小さくして溶接を確実に行うために加締めが必要となる。この場合、加締め装置を要すると共に、加締め工程が増えて生産性の低下を招くおそれがある。
一方、主体金具に外筒をきつく嵌合させて仮止めする場合、加締め工程は不要となるが、嵌合時の圧入抵抗が大きくなり、やはり生産性の低下を招く。さらに、プロテクタのように肉厚が薄い部材を主体金具に圧入する場合、プロテクタの変形を防止するため圧入荷重を小さくする必要があり、その結果としてプロテクタの嵌合深さが不足する半圧入となることがある。
従って、本発明は、主体金具への外筒又はプロテクタの取り付けを容易にし、生産性や歩留まりを向上させたガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、前記主体金具の後端部の外周に嵌合されて嵌合部を形成し、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒と、を備えたガスセンサにおいて、前記嵌合部における前記外筒の内面または前記主体金具の外面には、前記軸線方向に延び、前記主体金具に前記外筒を圧入するための凸状部が径方向に部分的に形成され、前記嵌合部のうち前記軸線方向の一部に全周にわたって溶接部が形成されてなり、前記嵌合部のうち、前記溶接部を除き、前記凸状部を含む部分を軸線方向に垂直な面で切断した断面において、前記凸状部を含む前記外筒と前記主体金具との接触長さが、前記主体金具の外周円の長さの５０％以下である。
このガスセンサによれば、主体金具の後端部と外筒との少なくとも一部は凸状部で接するので、両者が全面接触する場合に比べて接触面積が小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなって生産性や歩留まりが向上する。又、上記接触長さを、主体金具の外周円の長さの５０％以下とすることで、主体金具と外筒との接触面積が確実に小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなる。
さらに、前記断面において、前記凸状部を除く前記外筒の厚みをｔ（ｍｍ）とし、前記外筒と前記主体金具との最大間隔をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｇ≦０．４×ｔと規定することにより、外筒の板厚に比べ、外筒と主体金具との間隔が小さくなるので、溶接時に外筒の溶融した材料が主体金具側へ確実に流れ込み、液密な溶接が安定して形成される。

又、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、前記主体金具の先端部の外周に嵌合されて嵌合部を形成し、自身の内側に前記検出素子の先端側を収容する筒状のプロテクタと、を備えたガスセンサにおいて、前記嵌合部における前記プロテクタの内面または前記主体金具の外面には、前記軸線方向に延び、前記主体金具に前記プロテクタを圧入するための凸状部が径方向に部分的に形成され、前記嵌合部のうち前記軸線方向の一部に全周にわたって溶接部が形成されてなり、前記嵌合部のうち、前記溶接部を除き、前記凸状部を含む部分を軸線方向に垂直な面で切断した断面において、前記凸状部を含む前記プロテクタと前記主体金具との接触長さが、前記主体金具の外周円の長さの５０％以下である。
このガスセンサによれば、主体金具の後端部とプロテクタとの少なくとも一部は凸状部で接するので、両者が全面接触する場合に比べて接触面積が小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなって生産性や歩留まりが向上する。又、上記接触長さを、主体金具の外周円の長さの５０％以下とすることで、主体金具とプロテクタとの接触面積が確実に小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなる。
さらに、前記断面において、前記凸状部を除く前記プロテクタの厚みをｔ（ｍｍ）とし、前記プロテクタと前記主体金具との最大間隔をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｇ≦０．４×ｔと規定することにより、プロテクタの板厚に比べ、プロテクタと主体金具との間隔が小さくなるので、溶接時にプロテクタの溶融した材料が主体金具側へ確実に流れ込み、液密な溶接が安定して形成される。

複数の前記凸状部が、前記外筒の内面、又は前記主体金具の外面の周方向に等間隔で複数設けられていてもよく、複数の前記凸状部が、前記プロテクタの内面、又は前記主体金具の外面の周方向に等間隔で複数設けられていてもよい。
このガスセンサによれば、複数の凸状部が対称な位置に配置されるので、外筒又はプロテクタを、主体金具に嵌合するときに偏心しづらく、確実に嵌合することができる。

この発明によれば、ガスセンサの主体金具への外筒又はプロテクタの取り付けを容易にし、生産性や歩留まりを向上させることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの外観斜視図である。 ガスセンサの軸線方向に沿う断面構造図である。 図１の部分拡大図である。 嵌合部の軸線方向に垂直な面で切断した断面構造図である。 図４の変形例を示す断面構造図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１の外観斜視図である。ガスセンサ１は、軸線方向Ｏに沿って先端側から、それぞれ筒状のプロテクタ８、プロテクタ８の後端に接続される主体金具５０、及び主体金具５０の後端に接続される外筒６５を有しており、ガスセンサ１内には図示しない検出素子１０が保持されている。
外筒６５は、主体金具５０の後端部の外周に嵌合されて嵌合部６７を形成し、嵌合部６７のうち軸線Ｏ方向の一部が全周にわたって溶接されて溶接部９９が形成されている。
又、外筒６５の内面には、径方向内側に突出する凸状部６６が径方向に部分的に（本実施形態では４個）形成されている。なお、凸状部６６は外筒６５をプレス加工して形成されているため、外筒６５の外面には凸状部６６と相補的な凹部として見える。
又、本実施形態では、軸線方向Ｏに沿って凸状部６６が嵌合部６７よりも後端側まで延びているが、軸線方向Ｏに凸状部６６が嵌合部６７と面一であってもよい。つまり、凸状部６６が主体金具５０の外周（後述する後端部５７）に接する部分が、嵌合部６７の少なくとも一部を構成していればよい。

図２は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１の軸線方向Ｏに沿う断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１は自動車の排気管内に挿入されて先端（図２の矢印Ｆ側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する全領域空燃比センサになっている。そして、検出素子１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の検出素子である。
なお、図２の下側（矢印Ｆ側）をガスセンサ１の先端側とし、図２の上側をガスセンサ１の後端側とする。

ガスセンサ１は、検出素子１０を所定のハウジング内に組み付けたアッセンブリである。そして、ガスセンサ１は、排気管に固定されるための雄ねじ部５１が外表面に形成された筒状の主体金具５０と、主体金具５０の後端に接続される外筒６５と、主体金具５０の先端に接続されるプロテクタ８と、軸線方向Ｏに延びる板状形状をなす検出素子１０と、検出素子１０の径方向周囲を取り囲むように主体金具５０内に配置される筒状のフランジ部２４、シール材２６及びセラミックスリーブ２７と、検出素子の後端部を取り囲むセパレータ６０と、セパレータ６０を保持する保持金具７０と、検出素子１０の後端に電気的に接続される接続端子６１と、外筒６５の後端を閉塞するグロメット７５等と、を備えている。

検出素子１０は先端に検出部１１（上記した酸素濃淡電池の電極）を有し、又、図示しないヒータを積層してなる。検出素子１０の後端には、検出部１１から出力される検出値を取り出したり、ヒータを動作させるための５つの電極パッド１６（図２では、２個図示）を設けた電極部１２が形成されている。

主体金具５０は略筒状に構成され、先端側から後端側にかけて順に、先端係合部５６、雄ねじ部５１、六角レンチ等を係合するための拡径された鍔部５２、後端部５７、加締め部５３と、を備えている。又、鍔部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット５５が嵌挿されている。
さらに、主体金具５０は、軸線方向Ｏに貫通する貫通孔５８を有し、貫通孔５８の径方向内側に棚部５４が突出し、棚部５４は、軸線方向Ｏに垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

主体金具５０の貫通孔５８の内部には、検出素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックリング２１、滑石からなるシール材２２、２６、および上述のセラミックスリーブ２７がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。セラミックリング２１及びシール材２２と主体金具５０との間には金属カップ２０が配置され、金属カップ２０は棚部５４に係止している。そして、シール材２２が押し潰されることによりセラミックリング２１、シール材２２及び金属カップ２０が一体のフランジ部２４となって検出素子１０を保持すると共に気密性を維持する。
従って、検出素子１０の先端側が貫通孔５８の先端側から突出し、電極パッド１６が貫通孔５８の後端側から突出した状態で、検出素子１０が主体金具５０に保持される。
なお、セラミックスリーブ２７と主体金具５０の加締め部５３との間には、セラミックスリーブ２７の肩部２８に沿って加締めパッキン２９が配置されており、加締めパッキン２９を介して加締め部５３を下方（先端側）へ加締めることにより、セラミックスリーブ２７が先端側に押し付けられ、シール材２２、２６を押し潰している。

一方、主体金具５０の先端係合部５６の外周には、検出素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部８５、９５を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ８０および内側プロテクタ９０が、嵌合されると共に全周溶接によって取り付けられている。

そして、筒状の外筒６５の先端側が主体金具５０の後端部５７の外周を囲んで嵌合され、外筒６５は検出素子１０の後端側を収容している。外筒６５の内部には、検出素子１０の電極部１２を取り囲むセパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔６０ａを有する筒状をなし、コンタクト挿通孔６０ａの内面に設けられた接続端子６１が検出素子１０の各電極パッド１６にそれぞれ電気的に接続するようになっている。そして、接続端子６１に接続された５本のリード線６４（図２では３本のみ）がコンタクト挿通孔６０ａを通って外筒６５の後端側に引き出されている。
なお、セパレータ６０と外筒６５の間に筒状金属製の保持金具７０が配置され、保持金具７０の後端が内側に折り曲げられて支持部７１を形成している。そして、セパレータ６０の後端側に設けた拡径の鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０が保持金具７０に保持される。保持金具７０は、外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の所定位置に固定される。
さらに、外筒６５の後端開口部をグロメット７５が閉塞し、各リード線６４はグロメット７５を軸線方向に貫通するリード線挿通孔７６を通って気密に挿通され、外部に引き出される。グロメット７５は外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の後端に固定され、さらにセパレータ６０の後面を先端側へ押圧している。

次に、図２の部分拡大図である図３を参照し、本発明の特徴部分である主体金具と外筒との嵌合部について説明する。なお、図３は、図２の円Ａで示す部分の拡大図である。
図３において、主体金具の後端部５７に外筒６５の先端部を嵌合すると、外筒の内面６５ａから径方向内側に突出する凸状部６６が後端部５７に接する。このとき、主体金具の後端部５７と外筒６５とは凸状部６６で接するので、両者が全面接触する場合に比べて接触面積が小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなって生産性や歩留まりが向上する。
そして、嵌合部６７のうち軸線Ｏ方向の一部を全周にわたって溶接（例えばレーザ溶接）することにより、外筒６５と主体金具の本体部５７とに跨って全周にわたって液密な溶接部９９が形成される。
なお、溶接位置が軸線Ｏ方向にずれても、嵌合部６７のうち軸線Ｏ方向の一部が全周溶接されていれば足りるので、溶接部９９は嵌合部６７のうち軸線Ｏ方向の一部に溶接されることになる。従って、嵌合部６７には非溶接部も存在している。

次に、図４を参照し、嵌合部６７についてさらに説明する。図４は嵌合部６７のうち、溶接部９９を除き、凸状部６６を含む部分（非溶接部）を軸線Ｏ方向に垂直な面で切断した断面構造図であり、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
図４において、凸状部６６を含む外筒６５と主体金具（の本体部５７）との接触長さが、主体金具（の本体部５７）の外周円５７ｐの長さの５０％以下である。ここで、本実施形態では、凸状部６６は外筒６５の内面の周方向に等間隔で４個設けられており、嵌合部６７において外筒６５と主体金具５０とは、凸状部６６でのみ接している。従って、上記接触長さは、各凸状部６６と主体金具５０との接触長さＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の合計長さである。
上記接触長さを外周円５７ｐの長さの５０％以下とすることで、主体金具５０と外筒６５との接触面積が小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなって生産性や歩留まりが向上する。
上記接触長さが外周円５７ｐの長さの５０％を超えると、嵌合時の圧入抵抗が大きくなって生産性や歩留まりが低下すると共に、加締め（例えば八方丸加締め）によって主体金具５０に外筒６５を固定した場合と区別が付かなくなる。
なお、上記接触長さ、及び外周円５７ｐの長さは、図４の断面において画像解析して求めることができる。

又、図４の断面において、凸状部６６を除く外筒６５の厚みをｔ（ｍｍ）とし、外筒６５と主体金具（の本体部５７）との最大間隔をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｇ≦０．４×ｔである。
上述のように、凸状部６６を設けることで主体金具５０と外筒６５との接触面積が小さくなる。つまり、主体金具５０と外筒６５との間には非接触部も存在し、非接触部では主体金具５０と外筒６５とが離間していることになる。一方、外筒６５と主体金具５０との接合部分からガスセンサ１内部に水が浸入すると検出素子１０が破損するおそれがあることから、溶接部９９を全周溶接して液密とする必要がある。
ここで液密な溶接は、溶接熱によって溶けた外筒６５の材料が主体金具の本体部５７側へ流れて主体金具と一体になることで行われる。従って、外筒６５と主体金具５０との間隔が大き過ぎると、外筒６５の溶融した材料が主体金具の本体部５７側へ流れ込むことができず、溶接部位に隙間が生じて液密な溶接が形成できなくなる。又、外筒６５から溶融する材料の量は、外筒６５の厚みｔが小さいほど少なく、主体金具側へ流れ込む材料の量もより少なくなるから、両者の間隔が小さくても溶接部位に隙間が生じ易くなる。
このようなことから、Ｇ≦０．４×ｔと規定した。Ｇ≦０．４×ｔであれば、外筒６５の溶融した材料が主体金具の本体部５７側へ確実に流れ込み、液密な溶接が安定して形成される。
なお、凸状部６６を除く外筒６５の厚みｔは次のようにして求める。図４のように凸状部６６が複数個設けられている場合は、隣接する凸状部６６の間の外筒６５の周方向の中点の厚みを測定する。図４の場合、凸状部６６は４個あり、中点も４つあるから、４つの中点の厚みｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が得られる。よって、これら４つの中点の平均値を厚みｔとして求める。以下の図５のように、凸状部６６が１個設けられている場合については後述する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、図５に示すように、嵌合部６７において外筒６５と主体金具５０とは、凸状部６６以外の部分でも接していてもよい。図５の例では、凸状部６６が１個設けられており、軸心を介して凸状部６６の反対側では、外筒６５と主体金具５０とが直接接している。つまり、外筒６５は、凸状部６６を介して主体金具（の本体部５７）と接触長さＣ５で接する一方、凸状部６６の反対側では主体金具（の本体部５７）と片当たりしながら接触長さＣ６で接している。
図５の場合においては、外筒６５が主体金具（の本体部５７）に片当たりしながら嵌合しているため、両者の接触面積が小さくなり、嵌合時の圧入抵抗が小さくなっている。
なお、図５の例では凸状部６６が１個しか設けられていないので、凸状部６６を起点として外筒６５の周方向の中点の厚みｔ５を厚みｔとみなす。
又、本発明は、外筒のみならず、プロテクタにも適用可能である。
又、本発明は、主体金具に対して凸状部を設けることでも成立する。

１ ガスセンサ
８ プロテクタ
１０ 検出素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
５７ 主体金具の後端部
５７ｐ 主体金具の外周円
６５ 外筒
６５ａ 外筒の内面
６６ 凸状部
６７ 嵌合部
９９ 溶接部
Ｏ 軸線方向
Ｃ１〜Ｃ６ 接触長さ

Claims (6)

1. 軸線方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、
   前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、
   前記主体金具の後端部の外周に嵌合されて嵌合部を形成し、自身の内側に前記検出素子の後端側を収容する筒状の外筒と、を備えたガスセンサにおいて、
   前記嵌合部における前記外筒の内面または前記主体金具の外面には、前記軸線方向に延び、前記主体金具に前記外筒を圧入するための凸状部が径方向に部分的に形成され、
   前記嵌合部のうち前記軸線方向の一部に全周にわたって溶接部が形成されてなり、
   前記嵌合部のうち、前記溶接部を除き、前記凸状部を含む部分を軸線方向に垂直な面で切断した断面において、前記凸状部を含む前記外筒と前記主体金具との接触長さが、前記主体金具の外周円の長さの５０％以下であるガスセンサ。
2. 前記断面において、前記凸状部を除く前記外筒の厚みをｔ（ｍｍ）とし、前記外筒と前記主体金具との最大間隔をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｇ≦０．４×ｔである請求項１に記載のガスセンサ。
3. 軸線方向に延び、先端側に検出部を有する検出素子と、
   前記検出部が突出するように、前記検出素子を自身の内側に挿通して保持する主体金具と、
   前記主体金具の先端部の外周に嵌合されて嵌合部を形成し、自身の内側に前記検出部を収容する筒状のプロテクタと、を備えたガスセンサにおいて、
   前記嵌合部における前記プロテクタの内面または前記主体金具の外面には、前記軸線方向に延び、前記主体金具に前記プロテクタを圧入するための凸状部が径方向に部分的に形成され、
   前記嵌合部のうち前記軸線方向の一部に全周にわたって溶接部が形成されてなり、
   前記嵌合部のうち、前記溶接部を除き、前記凸状部を含む部分を軸線方向に垂直な面で切断した断面において、前記凸状部を含む前記プロテクタと前記主体金具との接触長さが、前記主体金具の外周円の長さの５０％以下であるガスセンサ。
4. 前記断面において、前記凸状部を除く前記プロテクタの厚みをｔ（ｍｍ）とし、前記プロテクタと前記主体金具との最大間隔をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｇ≦０．４×ｔである請求項３に記載のガスセンサ。
5. 複数の前記凸状部が、前記外筒の内面、又は前記主体金具の外面の周方向に等間隔で複数設けられている請求項１又は２に記載のガスセンサ。
6. 複数の前記凸状部が、前記プロテクタの内面、又は前記主体金具の外面の周方向に等間隔で複数設けられている請求項３又は４に記載のガスセンサ。

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