JP6491061B2 - ガスセンサおよびガスセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子にて被測定ガスを検出するガスセンサに関し、特に、ガスセンサにおいてセンサ素子を保護する外筒の固定に関する。

例えば排ガスなどの被測定ガス中の所定ガス成分を検知してその濃度を求めるガスセンサには、半導体型、接触燃焼型、酸素濃度差検知型、限界電流型、混成電位型など、種々の方式のものがある。そのなかには、ジルコニアなどの固体電解質たるセラミックスを主たる構成材料としたセンサ素子を用いたものがある。

このようなガスセンサにおいては、通常、センサ素子などの内部部品を破損などから保護するなどの理由から、金属製の保護部材が外装される。例えば、センサ素子の被測定ガスを検知する部分の周りには被測定ガスが出入り可能な貫通孔を設けた保護カバーや保護キャップなど（以下、代表して保護カバーと称する）を設け、被測定ガスと接触しない部分の外周には外筒などと称される筒状のカバーを環装する構成が、採用されることがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許第５１２９５９９号公報 特許第５５５３０３０号公報

外筒は通常、センサ素子その他の部材を収容するハウジングに固定されてなる。係る固定は、例えば、ハウジングの一部を外筒に圧入する態様や、係る圧入の後に圧入部位に溶接を施す等の態様などによって、実現される。

ハウジングを外筒に圧入することで両者を固定してなるガスセンサを、エンジンの排気管におけるガス濃度測定に使用する場合において、排ガスの熱に伴う熱膨張や屋外での使用に伴う水分の付着が原因となって、外筒に緩みが生ずることがあった。

本発明の発明者が鋭意検討したところ、係る緩みの発生は、ハウジングが圧入された外筒の先端部分の構成に起因しているものとの知見を得た。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、繰り返しの使用によっても外筒に緩みが生じないガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明は、ガスセンサであって、被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分を検出するためのセンサ素子と、前記センサ素子を収容するハウジングと、前記ハウジングの一部が内面に密接することで前記ハウジングと固定されてなる、前記ガスセンサの少なくとも一部の部位を保護する外筒と、を備え、前記ハウジングの前記外筒と密接する部位に周方向全体にわたって突出部が設けられてなり、前記外筒が、前記突出部に倣って屈曲しつつ前記突出部に密接する屈曲部を有してなり、前記外筒の前記屈曲部に隣り合う先端部と、前記ハウジングの前記先端部と対向する部位との間に、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の隙間が設けられてなる、ことを特徴とする。

第２の発明は、被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分を検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサの製造方法であって、前記ガスセンサの少なくとも一部の部位を保護するための外筒の内面に、前記センサ素子を収容するハウジングの一部を圧入する圧入工程と、前記圧入工程を経ることで拡径された前記外筒の先端部をかしめるかしめ工程と、を備え、前記ハウジングの、前記圧入工程において前記外筒に圧入される部位に周方向全体にわたって突出部が設けられてなり、前記かしめ工程においては、前記外筒に前記突出部に倣って屈曲しつつ前記突出部と密接する屈曲部が形成されるとともに、前記先端部と、前記ハウジングの前記先端部と対向する部位との間に、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の隙間が形成されるように、前記先端部をかしめる、ことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係るガスセンサの製造方法であって、前記先端部を除く前記圧入工程における圧入部位を溶接する溶接工程、をさらに備えることを特徴とする。

第１ないし第３の発明によれば、水分の付着し得る状況のもとで繰り返し使用した場合であっても、外筒とハウジングとの固定部分に緩みが生じ難く、実用上充分な固定力が維持されるガスセンサが、実現される。

ガスセンサ１の主要構成を示す部分断面図である。 外筒４とハウジング３との固定部分を模式的に示す拡大断面図である。 外筒４をハウジング３に固定する様子を順次に示す図である。 外筒４をハウジング３に固定する様子を順次に示す図である。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１の（より厳密にはその本体部の）主要構成を示す部分断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１とは、その内部に備わるセンサ素子１００によって被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。センサ素子１００は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状、薄板状、筒状、もしくは管状の部材である。ガスセンサ１においては、概略、センサ素子１００の適宜の箇所に設けられた、被測定ガスと接する電極と基準ガス（大気）と接触する電極との電位差、もしくは、両電極間を流れる電流の大きさに基づいて、測定対象ガス成分の濃度を求めることができるようになっている。

なお、図１においては、ガスセンサ１の本体部の中心軸（軸線）ＡＸを図面の上下方向と一致させる態様にてガスセンサ１を示しており、特に断らない限り、図面視において下方側や下端側を各部の下方、下端などと称し、図面視において上方側や上端側を各部の上方、上端などと称する。

ガスセンサ１の外側は、主として、保護カバー２ａと、ハウジング３と、外筒４とから構成される。

保護カバー２ａは、センサ素子１００の図１における最下端部である、使用時に被測定ガスに直接に接触する部分である素子先端部１００ａおよびその近傍を保護する、金属製の略円筒状の外装部材である。

保護カバー２ａは、一方側が有底の円筒状をしているとともに、側面部分に気体が通過可能な複数の貫通孔が設けられてなる。なお、図１には、保護カバー２ａが複数の貫通孔Ｈ１を備える態様を示しているが、図１に示した貫通孔Ｈ１の配置態様はあくまで例示であって、貫通孔Ｈ１の配置位置および配置個数は、保護カバー２ａの内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。

保護カバー２ａは、その外面の上端部分がハウジング３にかしめや溶接などの手法によって固定されている。

なお、図１に例示するガスセンサ１においては、保護カバー２ａの内部空間であってセンサ素子１００の素子先端部１００ａ近傍に、内側カバー２ｂがさらに設けられてなる。すなわち、ガスセンサ１が、保護カバー２ａと内側カバー２ｂとの２層構造にて素子先端部１００ａ近傍を保護する態様となっている。なお、図１に示す内側カバー２ｂは、その上端部分がハウジング３の収容部３ｈの下方端部に接続されてなるとともに、下端部分である素子先端部１００ａの近傍にて縮径し、素子先端部１００ａが当該縮径部分に嵌め込まれるように構成されており、さらには最下端部に貫通孔Ｈ２を備えているが、内側カバー２ｂの構成はこれに限られるものではない。素子先端部１００ａの保護と素子先端部１００ａ近傍への被測定ガスの流入とが好適に実現される限りにおいて、他の構成が採用されていてもよい。

ハウジング３は、その内部にセンサ素子１００等を収容する円筒状の収容部３ｈを備えるとともに、ガスセンサ１を測定位置に固定する際に用いられる金属製の部材である。ハウジング３は、その外周部分に、ねじ切りがされたねじ部３ａと、ねじ部３ａを螺合する際に回転される六角部３ｂとを、径方向において突出させる態様にて備えるとともに、六角部３ｂよりも上側の部分が、外筒４に環装されて外筒４と密接固定される環装部３ｃとなっている。ねじ部３ａは、ガスセンサ１の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にねじ部３ａが螺合されることで、ガスセンサ１は、保護カバー２ａの側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。

外筒４は、ハウジング３の環装部３ｃに環装されてなり、ガスセンサ１のうち、被測定ガスと接触しない部位を保護する、金属製の円筒状部材である。ハウジング３に対する外筒４の環装およびその際の外筒４とハウジング３の密接固定は、環装部３ｃを外筒４に対し圧入することにより実現される。外筒４とハウジング３との固定の詳細については後述する。

外筒４の内側空間４ａは、基準ガスたる大気が存在する基準ガス存在空間となっている。内側空間４ａは、ガスセンサ１がハウジング３のねじ部３ａによって例えばエンジンの排気管などの内部に被測定ガスが存在する配管等に取り付けられた状態において、該配管等とは離隔される。ただし、内側空間４ａは密閉されているわけではなく、大気は、外筒４の図示しない上端部分に設けられた開口部において、外筒４の内側空間４ａに出入可能となっている。

外筒４の内部には金属製の円筒状部材である内筒６が備わっている。内筒６は、その一方端部をハウジング３の環装部３ｃの上端部分に溶接固定されてなる。ハウジング３の収容部３ｈと内筒６とは、略同じ内径を有するとともに、同軸に接続されてなる。これにより、ハウジング３の収容部３ｈと内筒６とが、中心軸ＡＸに沿って連続する一の円筒状の収容空間を有する筒状体を構成している。

そして、係る収容空間内においては、長手方向が中心軸ＡＸ上に位置するように、センサ素子１００が配置されてなるとともに、ワッシャー７と、３つのセラミックサポータ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）と、２つの圧粉体９（９ａ、９ｂ）とが、センサ素子１００に対し同軸に環装されてなる。セラミックサポータ８と、圧粉体９とは交互に環装されてなる。換言すれば、ガスセンサ１においては、センサ素子１００を中心軸ＡＸ上に配置した状態で、ワッシャー７と、３つのセラミックサポータ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）と、２つの圧粉体９（９ａ、９ｂ）とが中心軸ＡＸに沿って環装されてなり、さらにその外側にハウジング３の収容部３ｈと内筒６さらには外筒４が環装されているともいえる。

ここで、セラミックサポータ８は、セラミックス製の碍子である。一方、圧粉体９は、タルクなどのセラミックス粉末を成型したものである。なお、以降の説明においては、ワッシャー７、セラミックサポータ８、および、圧粉体９を環装部品と総称することがある。

より詳細には、ハウジング３内部の一方端側にはテーパー部３ｔが設けられてなり、センサ素子１００に環装されたワッシャー７、セラミックサポータ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）、および圧粉体９（９ａ、９ｂ）が係止されてなる。これは、あらかじめセンサ素子１００に対する環装部品の環装がなされた状態で、それら環装部品の外周にハウジング３と内筒６とからなる筒状体を嵌め合わせることによって実現されてなる。また、係る係止がなされうえで、ワッシャー７の上から所定の荷重を加えることによって圧粉体９を圧縮することで、筒状体の内部においては、センサ素子１００の両端部間が封止されてなる。係る封止がなされた状態で、ワッシャー７の直上の位置６ｂが外側からかしめられることによって、環装部品が拘束されセンサ素子１００の両端部間の気密性が確保されてなる。さらに、内筒６の、圧粉体９ａと隣り合う位置６ａが外側からかしめられることによってセンサ素子１００の両端部間の気密性が確保されてなる。

なお、図示は省略するが、ガスセンサ１においては、外筒４の内部であって内筒６より上方の位置において、センサ素子１００と外部との電気的接続を図るためのコネクタが、センサ素子１００に備わる複数の端子電極に接続されてなり、当該コネクタから延在するケーブルが、外筒４の上端部に設けられた大気の出入部でもある開口部から引き出されている。

以上のような構成を有することで、ガスセンサ１では、所定位置に取り付けられた状態において、センサ素子１００の素子先端部１００ａの周りの被測定ガス存在空間と他方端部周りの基準ガス存在空間とが完全に離隔されるようになっている。これにより、被測定ガス中における対象ガス成分の濃度を精度良く測定できるようになっている。

＜外筒とハウジングとの固定＞
次に、外筒４とハウジング３との固定について詳細に説明する。図２は、外筒４とハウジング３との固定部分を模式的に示す拡大断面図である。また、図３および図４は、外筒４をハウジング３に固定する様子を順次に示す図である。

図１、図２、および図３（ａ）に示すように、ハウジング３において外筒４が環装される環装部３ｃは、概略的には円筒状をなしているものの、その外面の途中に突出部３ｄを備える。突出部３ｄは、中心軸ＡＸに垂直な面内において周方向全体にわたって（つまりは環状に）設けられてなる。

一方、外筒４もやはり概略的には円筒状をなしている。図３（ａ）において矢印ＡＲ１にて示すように、外筒４の一方端部に設けられた開口部４ｈ内へ環装部３ｃが圧入されることで、外筒４の内面は環装部３ｃの外面と密接してなる。しかも、外筒４には、環装部３ｃに存在する突出部３ｄに倣う態様にて径方向外側に屈曲しつつ該突出部３ｄに密接してなる屈曲部４ｄが、形成されてなる。以上の構成を有することで、ハウジング３と外筒４とは充分な固定力にて互いに固定されてなる。

ただし、外筒４の先端部４ｅについては、図２に示すようにハウジング３と離隔させられてなる。ここで、先端部４ｅは、外筒４において屈曲部４ｄに隣り合いかつ屈曲部４ｄよりも六角部３ｂに近い部分である。より具体的には、環装部３ｃのうち先端部４ｅと対向する部位を縮径部３ｅとするときに、先端部４ｅは、六角部３ｂおよび縮径部３ｅと離隔させられてなる。

係る隙間ｇを設けることで、ガスセンサ１においては、隙間ｇを設けない場合に比して、使用時にハウジング３が高温のガス雰囲気から受ける熱が外筒４に伝わりにくくなっており、それゆえ、外筒４が熱膨張しにくくなっている。これにより、本実施の形態に係るガスセンサ１は、繰り返し使用されたとしても、熱膨張・熱収縮の繰り返しに伴う変形や溶接部位の剥離などを原因とする外筒４の緩みが、生じにくいものとなっている。すなわち、ハウジング３と外筒４とが、実用上充分な固定力にて固定された状態が維持される。

係る場合における先端部４ｅと縮径部３ｅとの隙間ｇの大きさは、０．５ｍｍ以下であるのが好ましく、０．１ｍｍ以上とするのがより好ましい。

隙間ｇが０．５ｍｍ以下であるのが好ましいのは、隙間ｇが０．５ｍｍよりも大きい場合、ガスセンサ１を屋外で使用するに際して、隙間ｇに水が入り込んで溜まりやすくなってしまうためである。隙間ｇに水が溜まった状態でガスセンサ１が使用されると、隙間ｇに溜まった水が加熱されて水蒸気が発生することで隙間ｇの内部が高圧となり、先端部４ｅに応力が作用することに加えて、ハウジング３とは接触していないため水蒸気発生の間は温度が上がらない先端部４ｅと、ハウジング３と接触しているために温度が上がる屈曲部４ｄとの間で熱応力が作用することにより、外筒４のハウジング３との固定部分が剥離しやすくなるため、好ましくない。

なお、隙間ｇを０．１ｍｍ以上とするのがより好ましいのは、隙間ｇが０．１ｍｍ未満の場合には、たとえ先端部４ｅが縮径部３ｅと離隔していたとしても、ハウジング３が受ける熱が先端部４ｅから外筒４に伝わってしまう場合があるためである。なお、同様の理由から、先端部４ｅと六角部３ｂとについても、０．１ｍｍ以上離隔していればよい。

なお、隙間ｇを設けるには、図３（ａ）に示したようにハウジング３の環装部３ｃを開口部４ｈ内へと圧入した後、突出部３ｄが存在しているために図３（ｂ）に示すように他の部分より口径が大きくなっている（拡径された）先端部４ｅを縮径させるために行うかしめに際して、先端部４ｅに作用させるかしめ力を、好適に調整すればよい。

係る先端部４ｅのかしめは、例えば、図４（ａ）に示すように、かしめ対象部位を挟んで互いに対向して配置されてなる一対の爪形のカシメ治具Ｊによって、矢印ＡＲ２にて示すように先端部４ｅを押圧した状態で、カシメ治具Ｊを周方向に回転させることによって実現される。その際に作用させるかしめ力を、突出部３ｄに倣う屈曲部４ｄが形成される一方で先端部４ｅが縮径部３ｅと接触しない程度に、調整すればよい。

また、より十分な固定力を確保することを目的として、先端部４ｅを除く圧入部位に対し溶接が施される態様であってもよい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサにおける、被測定ガスと接触しない部位を主に保護する外筒と、センサ素子を収容するハウジングとの密接固定が、外筒に対しハウジングを圧入することによってなされる場合において、ハウジングの圧入部位に突出部を設け、外筒に当該突出部に倣って屈曲しつつも当該突出部に密接する屈曲部が形成されるように圧入を行いつつも、外筒の先端部とハウジングと離隔させるようにすることで、ガスセンサを繰り返し使用した場合であっても当該固定部分に緩みが生じ難い、実用上充分な固定力での固定が維持される。

（実施例１）
本実施例では、隙間ｇの寸法を０ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲で違えた全１３通りのガスセンサ１を用意し、それぞれについて、繰り返し使用した後の状態を模擬的に実現するべく加熱振動試験を行い、試験後の外筒４における緩みの有無を判定した。

加熱振動試験は、振動試験機に設置したプロパンバーナーの排気管にガスセンサ１を取り付けた状態で、以下の条件にて行った。

ガス温度：８５０℃；
振動条件：５０Ｈｚ→２５０Ｈｚ→５０Ｈｚを３０分掃引；
加速度 ：５０Ｇ；
試験時間：１５０時間。

表１に、各ガスセンサ１における隙間ｇの寸法（隙間寸法）の値と、外筒４の緩みの有無の判定結果とを示す。外筒４における緩みの有無の判定は、外筒４の周方向に試験者の手で力を加え、外筒４が周方向に回転した場合には緩みがあり、回転しない場合には緩みがないという基準で行った。表１においては、緩みがない場合に○印を付し、緩みがある場合に×印を付している。

表１に示すように、隙間寸法が０．１ｍｍ以上のガスセンサ１については、外筒４に緩みが生じていないと判定され、他のガスセンサ１については緩みが生じていると判定された。係る結果は、外筒４とハウジング３との固定をハウジング３を外筒４に圧入することによって行う場合において、外筒４の先端部４ｅとハウジング３とを離隔させる構成が、固定状態を維持するうえで効果的であることを示している。

（実施例２）
本実施例では、実施例１と同条件で全１３通りのガスセンサ１を用意し、それぞれについて、外筒４に水分が付着する条件下で繰り返し使用した後の状態を模擬的に実現するべく、水没と加熱振動試験とを１００回繰り返し、試験後の外筒４における緩みの有無を判定した。加熱振動試験については、各回の試験時間を２時間としたほかは、実施例１と同様の条件で行った。

表２に、各ガスセンサ１における隙間寸法の値と、外筒４の緩みの有無の判定結果とを示す。外筒４における緩みの有無の判定の仕方、および、表２における判定結果の記載の仕方は、実施例１と同様である。

表２に示すように、隙間寸法が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下のガスセンサ１については、外筒４に緩みが生じていないと判定され、他のガスセンサ１については緩みが生じていると判定された。すなわち、実施例１では緩みがないと判定されたガスセンサ１のうち、隙間寸法が０．５ｍｍよりも大きいガスセンサ１については、緩みがあると判定された。係る結果は、隙間ｇの大きさを０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内とした場合には、外筒４に水分が付着する条件下でガスセンサ１を使用したとしても、ハウジング３と外筒４の固定は、良好に維持されることを示している。

１ ガスセンサ
２ａ 保護カバー
３ ハウジング
３ａ （ハウジングの）ねじ部
３ｂ （ハウジングの）六角部
３ｃ （ハウジングの）環装部
３ｄ （ハウジングの環装部の）突出部
３ｅ （ハウジングの）縮径部
３ｈ （ハウジングの）収容部
４ 外筒
４ａ （外筒の）内側空間
４ｄ （外筒の）屈曲部
４ｅ （外筒の）先端部
４ｈ （外筒の）開口部
６ 内筒
７ ワッシャー
８（８ａ、８ｂ、８ｃ） セラミックサポータ
９（９ａ、９ｂ） 圧粉体
１００ センサ素子
１００ａ 素子先端部
ＡＸ （ガスセンサの）中心軸
Ｈ１、Ｈ２ 貫通孔
Ｊ カシメ治具
ｇ （先端部と縮径部の）隙間

Claims (3)

1. ガスセンサであって、
   被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分を検出するためのセンサ素子と、
   前記センサ素子を収容するハウジングと、
   前記ハウジングの一部が内面に密接することで前記ハウジングと固定されてなる、前記ガスセンサの少なくとも一部の部位を保護する外筒と、
   を備え、
   前記ハウジングの前記外筒と密接する部位に周方向全体にわたって突出部が設けられてなり、
   前記外筒が、前記突出部に倣って屈曲しつつ前記突出部に密接する屈曲部を有してなり、
   前記外筒の前記屈曲部に隣り合う先端部と、前記ハウジングの前記先端部と対向する部位との間に、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の隙間が設けられてなる、
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分を検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサの製造方法であって、
   前記ガスセンサの少なくとも一部の部位を保護するための外筒の内面に、前記センサ素子を収容するハウジングの一部を圧入する圧入工程と、
   前記圧入工程を経ることで拡径された前記外筒の先端部をかしめるかしめ工程と、
   を備え、
   前記ハウジングの、前記圧入工程において前記外筒に圧入される部位に周方向全体にわたって突出部が設けられてなり、
   前記かしめ工程においては、前記外筒に前記突出部に倣って屈曲しつつ前記突出部と密接する屈曲部が形成されるとともに、前記先端部と、前記ハウジングの前記先端部と対向する部位との間に、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の隙間が形成されるように、前記先端部をかしめる、
   ことを特徴とするガスセンサの製造方法。
3. 請求項２に記載のガスセンサの製造方法であって、
   前記先端部を除く前記圧入工程における圧入部位を溶接する溶接工程、
   をさらに備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。

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