JP6542707B2 - 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ガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の吸気系統（例えば、吸気管や吸気マニホールド等）にガスセンサを取り付け、特定ガスの濃度をモニタして燃焼状態等を制御することが行われている。従来、このガスセンサは、ガス検出素子を主体金具の内部に保持し、主体金具よりも先端側に突出したガス検出素子の先端部を金属筒状のプロテクタで覆うと共に、主体金具よりも後端側に突出したガス検出素子の後端部を金属の外筒で覆った構造となっている（特許文献１）。

この外筒は、例えば図７に示すようにして主体金具に接続される。
まず、主体金具５００の後端部に、外筒１１００の先端側を圧入する（図７（ａ））。このとき、外筒１１００の内径ｄ０は、主体金具５００の後端部の外径ｄｘよりも小さいので、所定の圧入荷重で外筒１１００を外径ｄｘまで押し広げながら圧入を行う。そして、外径ｄｘまで拡径した外筒１１００をさらに圧入してゆく（図７（ｂ））。外筒１１００は主体金具５００の外面５００ｅを摺動しながら圧入される。
外筒１１００の先端部１１００ｆが主体金具５００の鍔部５７０に当接すると圧入深さが位置決めされるので、この状態で主体金具５００への外筒１１００の圧入（仮固定）が終了する。最後に、外筒１１００の圧入部の外側から全周溶接により溶接部Ｗを形成し、固定が完了する（図７（ｃ））。

特開２００９−１９８４２２号公報（図１、図３）

ところで、上述の圧入荷重が外筒１１００の座屈強度を超えると外筒１１００が破損してしまうので、圧入荷重が高くなるような場合は、外筒１１００を予め焼きなまして圧入荷重を低下させたり、圧入の代わりに外筒１１００を径方向外側から内側に向かって加締める加締め固定を採用せざるを得ず、生産性の低下やコストアップに繋がるという問題がある。
そこで、本発明は、ガスセンサ素子を保持する主体金具に金属製の筒体を外嵌する際の圧入荷重を低減することができる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、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、前記主体金具の先端側又は後端側に外嵌した状態で溶接される金属製の筒体と、を備えるガスセンサであって、前記筒体は、前記主体金具の外表面に設けられて前記筒体に向かって径方向に窄まるテーパ部に締まり嵌めされていると共に、当該テーパ部で溶接されていることを特徴とする。
このガスセンサによれば、主体金具の先端側又は後端側の外表面を筒体に向かって径方向に窄まるテーパ部とすることで、筒体を外嵌（圧入）する際、テーパ部の面に沿って筒体が徐々に拡径されるので、テーパ部を設けずに筒体を圧入する場合に比べ、筒体がテーパ部と滑らかに接することとなり、圧入荷重を低減することができる。
又、テーパ部を設けずに筒体を圧入する場合、筒体や主体金具の製造公差によっては、筒体の内径と主体金具の外径との差が設計値よりも大きい状態で筒体が主体金具に外嵌されるため、圧入荷重が過大になるおそれがある。そこで、テーパ部を設けて圧入荷重を低減することで、製造公差による圧入荷重の増大を抑制できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記テーパ部から前記筒体とは前記軸線方向の反対側に向かう前記主体金具の外表面には、前記テーパ部の最大外径よりも大径の拡径部と、前記テーパ部と前記拡径部との間に形成され前記テーパ部の最大外径よりも小径の縮径部が設けられ、前記筒体の端部は、前記拡径部に当接すると共に前記縮径部と非接触であってもよい。
主体金具への筒体の圧入深さを位置決めするため、主体金具の外表面にテーパ部の最大外径よりも大径の拡径部を設けることがある。この場合、金属加工上、テーパ部と拡径部との接続部位には隅肉部が形成され、圧入された筒体が拡径部に到達する前に隅肉部に接してしまい、位置決めが不安定になる。
そこで、テーパ部と拡径部との間に縮径部を設けることにより、筒体の端部が隅肉部に干渉することなく主体金具の拡径部に確実に当接し、筒体の位置決めを確実に行うことができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記テーパ部のうち前記筒体と締まり嵌めされている部位よりも前記筒体に向かう部位は、前記筒体と離間していてもよい。
このガスセンサによれば、テーパ部の一部のみが筒体に圧入されるので、圧入荷重をさらに低減することができる。

この発明によれば、ガスセンサ素子を保持する主体金具に金属製の筒体を外嵌する際の圧入荷重を低減することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ガスセンサを取付け対象体に取り付けた状態を示す図である。 主体金具へ外筒を接続する各工程を示す工程図である。 主体金具の外表面に縮径部を設けない場合の、テーパ部と外筒との位置関係を示す図である。 曲線テーパであるテーパ部を示す断面図である。 従来のガスセンサの主体金具へ外筒を接続する各工程を示す工程図である。

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２００の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３はガスセンサ２００を取付け対象体３００に取り付けた状態を示す図である。なお、図１は、ガスセンサ２００の先端側から見た下面図である。
なお、ガスセンサ素子１０の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、ガスセンサ素子１０の後端部１２側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の後端側、その反対側にあるガスセンサ素子１０の検出部１１（図２参照）側をガスセンサ素子１０（及びガスセンサ）の先端側、として説明する。又、軸線Ｏ方向に垂直な方向を適宜「径方向」と称する。
又、図２においては、簡便のため、接続端子３０、３１を３本のみ表示し、コネクタ端子６０を１つのみ表示しているが、実際には、接続端子３０、３１及びコネクタ端子６０は複数本（本発明の実施形態では、各５本づつ）設けられている。

図１に示すように、ガスセンサ２００は、ガスセンサ素子１０（図示せず）と、ガスセンサ素子１０の検出部１１を覆う外側プロテクタ１００と、ガスセンサ素子１０を保持する主体金具５０と、主体金具５０の後端側に配置される高分子材料からなる基体部１２０と、主体金具５０と基体部１２０とを接続する金属製の外筒１１０と、を有する。
外筒１１０が特許請求の範囲の「筒体」に相当する。

基体部１２０は、円筒状で後端側が閉じた本体部１２３と、本体部１２３の一側面から径方向外側に延びる一個の半円状のフランジ部１２１と、本体部１２３の他の側面から径方向外側に延びる略矩形状のコネクタ部１２５とを有している。フランジ部１２１とコネクタ部１２５とは、本体部１２３の周方向に約９０度異なって配置されている。そして、これら本体部１２３、フランジ部１２１及びコネクタ部１２５は成形性のよい絶縁性の高分子材料（樹脂）、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）により一体に形成されている。又、コネクタ部１２５は、径方向外側に向く開口部１２５ｈを有する雄コネクタであって、開口部１２５ｈにて外部装置の相手コネクタ（この例では、雌コネクタ）を径方向に差抜可能になっている。

フランジ部１２１には取付け孔１２１ｈが１つ開口し、取付け孔１２１ｈの内面に接して金属円筒状のカラー８０がインサート成形されて一体に固定されている。そして、図３に示すように、カラー８０にねじ３１０を挿通し、このねじ３１０を取り付け対象体３００（例えば、内燃機関の吸気系統）に設けたねじ孔にねじ止めすることで、ガスセンサ２００を取り付け対象体３００に取り付けることができる。
又、主体金具５０には周方向に沿って凹溝５０ｂ（図２参照）が形成され、この凹溝５０ｂにシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。従って、取付け対象体３００の開口３００ｈにガスセンサ２００を先端側から挿入して取り付けた際、シール部材９０が取付け対象体３００の開口３００ｈの壁面で潰され、取付け対象体３００とガスセンサ２００（主体金具５０）との間をシールするようになっている。

一方、外筒１１０の後端側に基体部１２０がインサート成形されて一体化している。
さらに、外側プロテクタ１００の側面には複数個のガス導入孔１１５が設けられ、外側プロテクタ１００の先端の中央には１個のガス排出孔１１６が設けられている。

次に、図２を用いてガスセンサ２００の各構成部分についてさらに詳細に説明する。
ガスセンサ素子１０は公知であるような軸線Ｏ方向に延びる略角柱状をなし、酸素濃度の検出を行う検出素子と、その検出素子を早期活性化させるために加熱を行うヒータとが互いに貼り合わされた積層体である。検出素子は、ジルコニアを主体とする固体電解質体と、白金を主体とする一対の電極とを、中空の測定室が一部に形成された絶縁層を介して積層した構成をなしている。この検出素子は、より具体的には、固体電解質体の両面に形成された一対の電極の一方を外部に晒すと共に、他方の電極を測定室に配置した酸素ポンプセルと、固体電解質体の両面に形成された一対の電極の一方を測定室に配置すると共に、他方の電極を基準ガス室に配置した酸素濃度測定セルとを有してなり、酸素濃度測定セルの出力電圧が所定の値になるように、酸素ポンプセルの一対の電極間に流す電流を制御することで、測定室内の酸素を汲み出したり、測定室内に外部から酸素を汲み入れたりする構成をなしている。

なお、酸素ポンプセルのうち、一対の電極、及び、固体電解質体のうちでこれら電極に挟まれる部位は、酸素濃度に応じた電流が流れる検出部１１をなす。一方、ガスセンサ素子１０の後端部１２には、検出素子からの出力を取り出すためや、ヒータに電力を供給するための５つの電極パッド１２ａ（図２ではそのうちの２つがガスセンサ素子１０の第２面１０ｂ側に配置され、第１面１０ａに残りの３つが配置される。）が形成されている。これら電極パッド１２ａは、接続端子３０，３１にそれぞれ接続される。

そして、ガスセンサ素子１０の軸方向中央よりやや先端側には、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２１が、自身の内部にガスセンサ素子１０を挿通させ、検出部１１を自身より先端側へ突出させた状態で配置されている。
ガスセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。この主体金具５０はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる。具体的には、主体金具５０の内周には段部５４が形成されており、この段部５４に、ガスセンサ素子１０を挿通したセラミックホルダ２１の先端側周縁部が係止されている。更に、主体金具５０の内周にはシール材２２が、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で、セラミックホルダ２１の後端側から装填されている。そして、シール材２２を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２３が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２３の後端側外周には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。

一方、主体金具５０の外周後端側には、縮径された後端部５９が形成され、後端部５９より先端には径方向外側に段状に拡径する拡径部５７が形成されている。拡径部５７には周方向に沿って凹溝５０ｂが形成され、この凹溝５０ｂにシール部材（Ｏリング）９０が外嵌されている。さらに、拡径部５７よりも先端側には、拡径部５７より小径で、かつ後述する外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が係合される先端係合部５６が形成されている。他方、後端部５９の後端側には、主体金具５０内にガスセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３が形成されている。
主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２３を先端側に向けて押圧するように加締められている。加締め部５３の形成によって、スリーブ２３を介して押圧されたシール材２２は、主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填され、このシール材２２によって、セラミックホルダ２１およびガスセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決めされ、気密に保持される。

一方、ガスセンサ素子１０の検出部１１の外周面は、多孔質状の保護層１５により被覆され、検出部１１のうち外部に晒される電極を吸気等による被毒や被水から保護している。そして、主体金具５０の先端係合部５６には、外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２が嵌められ、レーザ溶接によって固定され、内部に収容された検出部１１を保護している。外側プロテクタ１００にはガス導入孔１１５が形成されており、内側プロテクタ１０２にはガス導入孔１１７が形成されている。又、外側プロテクタ１００の先端の中央には１個のガス排出孔１１６が設けられている。

外筒１１０は、後端側が段部を介して拡径する例えばステンレス製の円筒状をなし、この段部を含む外筒１１０の後端側に基体部１２０がインサート成形され、段部は基体部１２０が外筒１１０から抜けるのを防止する。
そして、基体部１２０から露出する外筒１１０の先端側が、主体金具５０の後端部５９に形成されたテーパ部５９ｔに外嵌され、このテーパ部５９ｔで外筒１１０の外側から全周レーザ溶接等で溶接部Ｗが形成されている。これにより、基体部１２０が主体金具５０に接続（固定）されている。テーパ部５９ｔについては後述する。
又、基体部１２０は、主体金具５０の後端側に突出したガスセンサ素子１０の後端部１２側を囲むカバーとなっている。さらに、コネクタ部１２５の内部には、外部装置と電気的に接続するコネクタ端子６０が保持されている。コネクタ端子６０を含むコネクタ部１２５はインサート成形により形成されている。
さらに、本体部１２３の内部には、先端に向かって延びる略升状のセパレータ部１２７が一体に形成され、各接続端子３０、３１を保持している。なお、接続端子３０、３１の一端にバネ片３０ｆ、３１ｆが設けられ、対応するコネクタ端子６０の端部６０ａと電気的に接続されるようになっている。このようにして、ガスセンサ２００内部のガスセンサ素子１０と外部装置とを電気的に接続する。

次に、図４を参照して、主体金具５０への外筒１１０の接続方法について説明する。なお、図４は、主体金具５０へ外筒１１０を接続する各工程を、軸線Ｏ方向に沿う断面から見た工程図である。
まず、図４（ａ）に示すように、主体金具５０の後端部５９の外表面には、後端側（外筒１１０側）に向かって径方向に窄まるテーパ部５９ｔが形成されている。なお、図４の例ではテーパ部５９ｔは直線テーパとなっている。又、テーパ部５９ｔの最後端ｔ１よりも後端側には、主体金具５０の径方向にさらに窄まる面取り部５０ｄが形成されている。又、本実施形態では、圧入前の外筒１１０の内径ｄ０に対し、テーパ部５９ｔの最後端ｔ１の最小外径ｄ１、最先端ｔ２の最大外径ｄ２が、ｄ１＜ｄ０＜ｄ２に設定されている。
なお、テーパ部５９ｔの最先端ｔ２から先端側（外筒１１０と軸線方向の反対側）に向かう主体金具５０の外表面に、テーパ部５９ｔの最大外径ｄ２よりも大径の拡径部５７と、テーパ部５９ｔと拡径部５７との間に形成されテーパ部５９ｔの最大外径ｄ２よりも小径の縮径部５０ｓが形成されている。この縮径部５０ｓは、断面半円状に窪む断面形状をなしている。

そして、主体金具５０のテーパ部５９ｔに、外筒１１０を先端側から圧入してゆくと、ｄ１＜ｄ０であるために、最初は外筒１１０がテーパ部５９ｔに非接触で挿入される（図４（ａ））。やがて、テーパ部５９ｔの外径ｄ３がｄ０に等しくなった時点で外筒１１０がテーパ部５９ｔに接触し、テーパ部５９ｔの面に沿って外筒１１０が徐々に拡径されながら先端側へ圧入される（図４（ｂ））。
そして、主体金具５０のテーパ部５９ｔよりも先端側に位置する拡径部５７に、外筒１１０の先端部１１０ｆが当接することで圧入深さが位置決めされ、この状態で主体金具５０への外筒１１０の圧入（仮固定）が終了する（図４（ｃ））。このとき、外筒１１０の内径はｄ３よりも大きな径からｄ２までの範囲の大きさに拡径される。これにより、外筒１１０の先端部１１０ｆよりも後端側の部位Ｐが、主体金具５０のテーパ部５９ｔのうち自身の外径がｄ３からｄ２までの範囲の大きさの部位と接している。
次に、外筒１１０の圧入部の外側で、部位Ｐよりも後端側を全周溶接して溶接部Ｗを形成し、固定が完了する（図４（ｄ））。

このように、主体金具５０の後端部５９の外表面をテーパ部５９ｔとすることで、外筒１１０を外嵌（圧入）する際、テーパ部５９ｔの面に沿って外筒１１０が徐々に拡径されるので、テーパ部を設けずに（軸線Ｏ方向に平行に延びる外面に摺動させて）外筒１１０を圧入する場合に比べ、外筒１１０がテーパ部５９ｔと滑らかに接することとなり、圧入荷重を低減することができる。
又、テーパ部を設けずに外筒１１０を圧入する場合、外筒１１０や主体金具５０の製造公差によっては、外筒１１０の内径と主体金５０具の外径との差が設計値よりも大きい状態で外筒１１０が主体金具５０に外嵌されるため、圧入荷重が過大になるおそれがある。そこで、テーパ部５９ｔを設けて圧入荷重を低減することで、製造公差による圧入荷重の増大を抑制できる。
ここで、溶接部Ｗはテーパ部５９ｔの位置に形成されている必要がある。これは、主体金具５０の外表面と外筒１１０の内面との距離がテーパ部５９ｔ以外の部位では大きくなるので、テーパ部５９ｔ以外の部位で溶接すると溶接不良が生じるおそれがあるからである。

なお、上述のようにｄ１＜ｄ０＜ｄ２に設定すれば、最初は外筒１１０がテーパ部５９ｔに非接触で挿入されるので、圧入荷重をより一層低減することができる。又、ｄ１＜ｄ０＜ｄ２に設定すれば、製造公差でｄ０が設計値よりも小さくなっても、テーパ部５９ｔにｄ１＜ｄ０となる部位が存在するので、テーパ部５９ｔの面に沿って外筒１１０を圧入することができ、製造公差による圧入荷重の増大を抑制できる。
但し、ｄ１＜ｄ０＜ｄ２は必須ではなく、ｄ１＞ｄ０であっても、テーパ部５９ｔに外筒１１０が接触した後はテーパ部５９ｔの面に沿って外筒１１０が徐々に拡径されるので、圧入荷重が低減する点では変わらない。

ところで、本実施形態では、主体金具５０への外筒１１０の圧入深さを位置決めするため、主体金具５０の外表面にテーパ部５９ｔの最大外径ｄ２よりも大径の拡径部５７を設けている。この場合、図５に示すように、金属加工上、テーパ部５９ｔと拡径部５７との接続部位には隅肉部Ｐ１が形成され、圧入された外筒１１０が拡径部５７に到達する前に隅肉部Ｐ１に接してしまい、位置決めが不安定になる。
そこで、テーパ部５９ｔと拡径部５７との間に縮径部５０ｓを設けることにより、外筒１１０の端部が隅肉部に干渉することなく主体金具５０の拡径部５７に確実に当接し、外筒１１０の位置決めを確実に行うことができる。

又、図４（ｄ）に示すように本実施形態では、テーパ部５９ｔのうち外筒１１０と締まり嵌めされている部位よりも外筒１１０に向かう部位（主体金具５９と軸線Ｏ方向の反対側に向かう部位）は、外筒１１０と離間している。
このようにすると、テーパ部５９ｔの一部のみが外筒１１０に圧入されるので、圧入荷重をさらに低減することができる。

なお、テーパ部５９ｔとは、主体金具５０（テーパ部５９ｔ）と外筒１１０との接点である部位Ｐを含む直線の点ｔ１、ｔ２の間の線分（図４（ａ））をいう。
又、図６に示すように、主体金具７０の後端部７９に形成されｔがテーパ部７９ｔが曲線テーパである場合、外筒１１０との接点（部位）Ｐを含む曲線の部位Ｐより先端側（外筒１１０と軸線方向の反対側）の変曲点をｔ３とし、部位Ｐより後端側（外筒１１０側）で軸線Ｏに垂直な水平部７９Ｌと曲線との接続点をｔ４とする。そして、点ｔ３、ｔ４の間の曲線をテーパ部７９ｔとする。

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、筒体としては外筒１１０の他、プロテクタ（外側プロテクタ１００及び内側プロテクタ１０２）を用いることができる。この場合、プロテクタは主体金具５０の先端側に外嵌されるので、先端係合部５６を先端に向かって径方向に窄まるテーパ部とする。
また、上記形態では、外筒１１０の後端側に高分子材料からなる基体部（カバー）１２０を接続し、主体金具５０よりも後端側に突出したガスセンサ素子１０の部位の一部を外筒（筒体）１１０で覆ったが、例えば特許文献１のガスセンサのように、外筒１１０自体がガスセンサ素子１０の後端側全体を覆うようにしてもよい。
また、上記形態ではセンサ素子を、横断面が長方形（矩形）の帯板状のものとしたが、本発明のガスセンサに使用されるセンサ素子は、横断面が正方形のものであっても、筒状のものであってもよい。さらに、上記においては全領域空燃比ガスセンサにおいて具体化したが、本発明に係るガスセンサは、その他のガスセンサにおいても具体化できる。

１０ ガスセンサ素子
１１ 検出部
５０、７０ 主体金具
５７ 拡径部
５９ｔ、７９ｔ テーパ部
５０ｓ 縮径部
１１０ 筒体（外筒）
１１０ｆ 筒体の端部
２００ ガスセンサ
Ｏ 軸線
Ｗ 溶接部
ｄ２ テーパ部の最大外径

Claims (3)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有するガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲み、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、
   前記主体金具の先端側又は後端側に外嵌した状態で溶接される金属製の筒体と、
   を備えるガスセンサであって、
   前記筒体は、前記主体金具の外表面に設けられて前記筒体に向かって径方向に窄まるテーパ部に締まり嵌めされていると共に、当該テーパ部で溶接されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記テーパ部から前記筒体とは前記軸線方向の反対側に向かう前記主体金具の外表面には、前記テーパ部の最大外径よりも大径の拡径部と、前記テーパ部と前記拡径部との間に形成され前記テーパ部の最大外径よりも小径の縮径部が設けられ、
   前記筒体の端部は、前記拡径部に当接すると共に前記縮径部と非接触である請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記テーパ部のうち前記筒体と締まり嵌めされている部位よりも前記筒体に向かう部位は、前記筒体と離間している請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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