JP6949764B2 - ガスセンサの製造方法、センサ素子保護カバーの固定方法、および溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの製造方法に関し、特にセンサ素子を保護する保護カバーの取付に関する。

従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定のガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。

係るガスセンサにおいては、通常、セラミックス製の長尺板状のセンサ素子（検出素子）の一方端部側が、被測定ガスに接触可能とされているとともに、センサ素子に対して水分や汚染物質が付着することを防止すべく、センサ素子の一方端部側を囲繞してこれを保護する金属製の保護カバー（プロテクタ）が備わっている（例えば、特許文献１参照）。保護カバー（プロテクタ）は、例えば特許文献１に開示されているように、センサ素子を内部に保持するハウジング（主体金具）に溶接固定される。溶接の手法としては、スポット溶接（抵抗溶接）やレーザ溶接が例示される。

特開２０１０−１６４３５９号公報

例えばＳＵＳステンレスなどからなる保護カバーをスポット溶接にてガスセンサを構成するハウジングに固定する場合、溶接棒（電極棒）が溶かされることによってスパッタ（溶接くず）が発生することがある。係るスパッタがハウジングやセンサ素子や保護カバーなどに付着すると、後工程での組立不良や、作製されたガスセンサの特性異常や、組立・検査等に用いる治工具の偏摩耗などの不具合が発生してしまうことがある。また、スパッタが発生しやすい条件での溶接は、保護カバーの溶接強度の不足や、溶接棒の短寿命化などの要因ともなり得る。それゆえ、ガスセンサの生産性や保護カバーを溶接固定する際のスパッタの抑制が求められている。

その一方で、当然ながら、保護カバーは十分な強度（溶接強度）でもってハウジングに固定される必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶接強度の確保と溶接棒の長寿命化とが実現される、ガスセンサにおけるセンサ素子保護カバーの固定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、ガスセンサの製造方法であって、センサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを嵌合する嵌合工程と、前記ハウジングに嵌合された前記保護カバーのあらかじめ定められた溶接対象領域に対し所定の溶接電流プロファイルに従ってスポット溶接を行うことにより前記保護カバーを前記ハウジングに固定する溶接工程と、を備え、前記溶接工程においては、先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の溶接棒を前記溶接対象領域に当接させることによって、前記溶接対象領域に対しあらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重を印加した状態で、通電開始から前記溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように定められた前記溶接電流プロファイルに従って、前記溶接電流を流すことにより、前記スポット溶接を行う、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサの製造方法であって、前記溶接工程においては、２つの前記溶接棒によって前記保護カバーの互いに対向する２箇所の前記溶接対象領域に同時に前記溶接実行荷重を印加することにより、前記２箇所を同時に溶接する、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様に係るガスセンサの製造方法であって、前記溶接工程においては、前記２つの前記溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、前記荷重が前記溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間に前記溶接電流を通電させる、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサの製造方法であって、前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、ガスセンサにおいてセンサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを固定する、センサ素子保護カバーの固定方法であって、先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の溶接棒を前記保護カバーのあらかじめ定められた溶接対象領域に当接させることによって、前記溶接対象領域に対しあらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重を印加した状態で、通電開始から溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように定められた溶接電流プロファイルに従って、前記溶接電流を流すことにより、前記溶接対象領域において前記保護カバーを前記ハウジングに固定するスポット溶接を行う、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第５の態様に係るセンサ素子保護カバーの固定方法であって、２つの前記溶接棒によって前記保護カバーの互いに対向する２箇所の前記溶接対象領域に同時に前記溶接実行荷重を印加することにより、前記２箇所を同時に溶接する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様に係るセンサ素子保護カバーの固定方法であって、前記２つの前記溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、前記荷重が前記溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間に前記溶接電流を通電させる、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第５ないし第７の態様のいずれかに係るセンサ素子保護カバーの固定方法であって、前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、ガスセンサにおいてセンサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを、スポット溶接によって固定する溶接装置であって、先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の２つの溶接棒と、前記２つの溶接棒を、前記保護カバーにおいてあらかじめ定められた互いに対向する２箇所の溶接対象領域に対しそれぞれ当接させることによって、前記２つの溶接棒のそれぞれから対応する前記溶接対象領域に対して荷重を印加可能な荷重印加手段と、前記２つの溶接棒の間に溶接電流を通電させる通電手段と、を備え、前記通電手段が前記溶接電流を通電させる際の溶接電流プロファイルが、通電開始から前記溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように、定められており、前記荷重印加手段は、前記２つの溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、前記通電手段は、前記荷重があらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間における前記溶接電流プロファイルに従った前記溶接電流の通電を開始させる、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第９の態様に係る溶接装置であって、前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第１０の態様によれば、スパッタを発生させることなく、十分な溶接強度にて保護カバーをハウジングに対し溶接固定することができる。また、溶接棒の長寿命化も実現される。

ハウジング１に対し保護カバー２を溶接固定してガスセンサ１００を得る手順を段階的に示す図である。 溶接装置１０００の構成を概略的に示す図である。 溶接棒１１０１の形状を示す図である。 溶接電流プロファイルＰＦについて概念的に示す図である。 スポット径と溶接強度との関係を示す図である。 総通電時間と溶接電流ピーク値とを違えた種々の溶接電流プロファイルＰＦにて保護カバー２のスポット溶接を行ったときの、溶接電流ピーク値と溶接強度との関係を示す図である。 条件Ａ〜条件Ｃについての溶接電流プロファイルＰＦを例示する図である。 溶接実行荷重を違えて保護カバー２のスポット溶接を行ったときの溶接実行荷重と溶接強度との関係を示す図である。

＜ガスセンサおよび保護カバーの溶接固定の概要＞
図１は、ハウジング１に対し保護カバー２を溶接固定してガスセンサ１００を得る手順を段階的に示す図である。ガスセンサ１００は、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。

センサ素子１０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を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０は、例えば、一方端部１０ａの側にガス導入口や内部空所などを備えるとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する限界電流型のセンサ素子である。係るセンサ素子１０においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。その場合、ガスセンサ１００においては、センサ素子１０内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。ただし、本実施の形態において、センサ素子１０の構成はこれに限られるものではなく、例えば被検ガスの濃度に応じて生じる２つの電極間の電位差に基づいて所定ガス成分の濃度を求める混成電位型のセンサ素子１０が用いられる態様であってもよい。

なお、より詳細には、必ずしもハウジング１に対し保護カバー２を固定することでガスセンサ１００が完成するわけではなく、他の部材の組み付け等が行われる場合もあるが、本実施の形態においては便宜上、ハウジング１に対し保護カバー２が溶接固定されたもの（全ての溶接対象領域において溶接が完了したもの）をガスセンサ１００と称し、一部が溶接されたものを含め、ハウジング１と保護カバー２とが組み付けられてはいるが溶接固定が完了していない状態のものを、未溶接ガスセンサ１００αと称する。

ハウジング１は、ＳＵＳステンレスなどからなる金属製の筒状の部材である。図１（ａ）に示すように、ハウジング１の内部においては、図示しない所定の固定部材によって、センサ素子１０が、その一方端部１０ａを突出させる態様にて固定されている。また、ハウジング１においては、センサ素子１０の一方端部１０ａが突出する側の端部（図１においては下端部）が、円筒状の被嵌合部１ａとなっている。

なお、図１において図示しないハウジング１の他方端部側においては、センサ素子１０をハウジング１の内部に保持固定するための構成や、センサ素子１０と外部との電気的接続を得るための構成が、設けられている。

一方、保護カバー２は、例えばＳＵＳステンレスなどからなる金属製の部材であり、その一方端部（図１においては上端部）２ａが開放されている一方で他方端部（図１においては下端部）側が閉じている有底の円筒状をなしている。保護カバー２の側周面には、複数の貫通孔Ｈが周方向に沿って等間隔に設けられており、該貫通孔Ｈを通じて、保護カバー２内外の雰囲気が流通可能となっている。複数の貫通孔Ｈの形状や配置個数は適宜に定められてよい。また、保護カバー２は２層構造となっていてもよい。その場合、図示しない内部のカバーにも適宜の位置に貫通孔が設けられる。

また、保護カバー２の一方端部２ａは、ハウジング１の被嵌合部１ａに嵌合される嵌合部２ｃとなっており、それゆえ、嵌合部２ｃは、被嵌合部１ａの外径に見合う内径を有している。

ハウジング１に対し保護カバー２を固定するにはまず、図１（ａ）において矢印ＡＲ１にて示すように、保護カバー２の嵌合部２ｃがハウジング１の被嵌合部１ａに嵌合される。図１（ｂ）が係る嵌合によって得られた未溶接ガスセンサ１００αを示している。

未溶接ガスセンサ１００αが得られると、保護カバー２をハウジング１に完全に固定するべく、スポット溶接が行われる。図１（ｂ）に示すように、保護カバー２の嵌合部２ｃの外面には、スポット溶接の対象となる複数の領域（溶接対象領域）ＲＥがあらかじめ定められている。

溶接対象領域ＲＥは、嵌合部２ｃの周方向において等間隔に、かつ、偶数箇所に定められている。例えば、嵌合部２ｃの周方向において９０°ずつ離隔させて４つの溶接対象領域ＲＥが定められるのが好適であるが、さらに多くの溶接対象箇所が設けられる態様であってもよい。すなわち、溶接対象領域ＲＥは、互いに１８０°離れた（センサ素子１０を挟んで対向する）２つの溶接対象領域ＲＥの組が複数できるように、定められる。

それぞれの溶接対象領域ＲＥに対しスポット溶接がなされ、図１（ｃ）に示すように溶接部Ｗが形成されることで、ハウジング１に対し保護カバー２が固定され、ガスセンサ１００が得られる。

＜溶接装置＞
次に、本実施の形態においてハウジング１に対する保護カバー２の溶接固定に用いる溶接装置１０００について説明する。図２は、溶接装置１０００の構成を概略的に示す図である。

溶接装置１０００は、２つの溶接実行部１１００（１１００Ａ、１１００Ｂ）と、溶接電源１２００と、制御部１３００とを有している。

２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂは、実際に溶接が行われる部位であり、それぞれに溶接棒１１０１（１１０１Ａ、１１０１Ｂ）を有する。２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂは、図示しない保持手段によって未溶接ガスセンサ１００αが鉛直方向に長手方向を有するように保持された状態において、互いに対称となるように、配置されている。溶接電源１２００は、溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂの間に電流を流すための電源である。制御部１３００は、溶接装置１０００における溶接処理を実現するための各部の動作制御、例えば、溶接実行部１１００の進退動作の制御や、溶接電源１２００の印加電圧を制御することで溶接時に流れる電流の制御などを担う。

溶接装置１０００においては、概略、制御部１３００による制御のもと、２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂのそれぞれに備わる電極ホルダ１１０２に保持された２つの溶接棒１１０１（１１０１Ａ、１１０１Ｂ）が、保護カバー２の（未溶接ガスセンサ１００αの）互いに対向する２つの溶接対象領域ＲＥに対し所定の荷重を印加しつつ当接させられた状態で、溶接電源１２００による電圧の印加によって電極ホルダ１１０２を通じて２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂの間に所定の大きさの電流（溶接電流）Ｉが流されることで、２つの溶接対象領域ＲＥにおいて同時に溶接部Ｗを形成できるようになっている。未溶接ガスセンサ１００αにおいて４箇所の溶接対象領域ＲＥが定められている場合であれば、２回の溶接処理で、保護カバー２が完全にハウジング１に固定され、ガスセンサ１００が得られることになる。

溶接棒１１０１としては、耐熱性およびスパッタ抑制という観点から、タングステン製のものを用いる。なお、溶接棒１１０１は丸棒状をなしているが、その形状の詳細については後述する。

より詳細には、２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂのそれぞれにおいては、溶接棒１１０１（１１０１Ａ、１１０１Ｂ）が、溶接電源１２００と電気的に接続されている電極ホルダ１１０２によって、水平にかつ両者が一の直線上に位置するように、保持されている。

また、電極ホルダ１１０２は、溶接の実行時に溶接棒１１０１が溶接対象領域ＲＥに印加する荷重（加圧荷重）が一定となるように溶接棒１１０１を付勢する加圧追従器１１０３に付設されている。

そして、加圧追従器１１０３は、可動部１１０４ａが水平方向において伸縮自在なエアーシリンダ１１０４に付設されている。溶接装置１０００においては、制御部１３００による制御のもと、２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂに備わるエアーシリンダ１１０４の可動部１１０４ａが伸縮することにより、加圧追従器１１０３に付設されている電極ホルダ１１０２に保持されている溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂが、水平方向において進退移動可能となっている。

なお、溶接実行部１１００Ａに備わる加圧追従器１１０３にのみ、ロードセル１１０５が付設されている。ロードセル１１０５によって測定される、溶接棒１１０１（１１０１Ａ）が溶接対象領域ＲＥに印加する荷重の大きさ（荷重値）は、制御部１３００に与えられ、制御部１３００によるスポット溶接の制御に用いられる。

より詳細には、２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂに備わるエアーシリンダ１１０４は、溶接処理の際、２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂが相反する方向に同期的に進退移動するように、制御される。例えば、一方が未溶接ガスセンサ１００αのある溶接対象領域ＲＥに当接する際には、他方も該溶接対象領域ＲＥに対向する溶接対象領域ＲＥに当接するように、制御される。

以上のような構成を有する、溶接装置１０００におけるスポット溶接は、２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂを対応する溶接対象領域ＲＥに対し当接させ、さらに所定の荷重を当該溶接対象領域ＲＥに対して印加させた状態で、溶接電源１２００からの通電を開始することによって、実現される。

具体的には、スポット溶接開始指示が制御部１３００に与えられると、制御部１３００による制御のもと、２つの溶接実行部１１００Ａ、１１００Ｂのそれぞれに備わるエアーシリンダ１１０４の可動部１１０４ａの同期的な伸張が開始される。これにより、２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂが同期的に、それぞれに対応する溶接対象領域ＲＥに近接する方向に移動させられる。エアーシリンダ１１０４の可動部１１０４ａの伸張は、２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂが該溶接対象領域ＲＥに当接した後も継続され、これによって、溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂが溶接対象領域ＲＥに印加する荷重が徐々に（連続的に）増大していく。このとき、溶接棒１１０１Ａが保護カバー２に印加する荷重の値（溶接棒１１０１Ｂが保護カバー２に印加する荷重の値も実質的に同じである）は、ロードセル１１０５において測定される。

そして、当該荷重値が、あらかじめ設定された溶接実行荷重に到達した時点で、制御部１３００は、エアーシリンダ１１０４の可動部１１０４ａの伸張による２つの溶接棒１１０１Ａ、１１０１Ｂの移動を停止させるとともに、制御部１３００は溶接電源１２００に対し溶接電流プロファイルに従った通電を行わせる。これにより、溶接実行荷重を保った状態でスポット溶接が実行され、保護カバー２の対向する２つの溶接対象領域ＲＥに溶接部Ｗが形成される。なお、スポット溶接の進行に伴い、先端が摩耗するなどして溶接棒１１０１が短くなることがあるが、溶接装置１０００においては、加圧追従器１１０３によって、溶接実行荷重が一定に保たれるようになっている。上述のように、保護カバー２の嵌合部２ｃの周方向において９０°ずつ離隔させて４つの溶接対象領域ＲＥが定められる場合であれば、最初の２つの溶接対象領域ＲＥに対し溶接部Ｗを形成した後、未溶接ガスセンサ１００αの水平面内における姿勢を９０°回転させたうえで、再び同様の手順にて残り２つの溶接対象領域ＲＥに対し溶接部Ｗを形成する。

溶接実行荷重は、６００Ｎ以上とするのが好ましい。係る場合に、スパッタを生じさせることなく、かつ、十分な溶接強度にてスポット溶接が行える。なお、本実施の形態においては、溶接固定後のガスセンサ１００の保護カバー２に対し周方向にねじりを与えたときに保護カバー２がハウジング１から外れてしまうトルクの大きさ（ねじりトルク）を、溶接強度と規定する。実用性の観点からは、保護カバー２の溶接強度として、２９．４Ｎ・ｍ（およそ３０Ｎ・ｍ）以上の大きさが必要であることが、本発明の発明者によってあらかじめ確認されている。溶接実行荷重を６００Ｎ未満とすると、スパッタが発生しやすくなるため好ましくない。なお、溶接実行荷重は、１０００Ｎ以下であればよい。

１０００Ｎを上回ると、溶接棒１１０１や電極ホルダ１１０２の破損などの不具合が生じる可能性がある。

＜溶接棒の形状＞
次に、溶接棒１１０１の形状について説明する。図３は、溶接棒１１０１の形状を示す図である。図３（ａ）に示すように、溶接棒１１０１は、丸棒状をなしているが、部分Ａについての拡大図である図３（ｂ）からわかるように、その先端部１１０１ａは概略、曲率半径Ｒの曲面となっている。これは、溶接時の電流の流れを一点に集中させないようにすること、および、熱影響や荷重印加を原因とする溶接棒１１０１の潰れ変形および摩耗の発生を抑制することを、意図したものである。実際、本実施の形態において用いる、上述した形状を有するタングステン製の溶接棒１１０１の、溶接回数１０００回あたりの摩耗量は０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍと極めて低く、同一の溶接棒１１０１によって７０００回程度の溶接を行うことができる。これは例えば、ベリリウム銅製の溶接棒の７倍程度の寿命がある。

溶接棒１１０１の先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの大きさは、保護カバー２の溶接強度にも影響を与える。先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値が１．５ｍｍ以上であれば、３０Ｎ・ｍ以上という溶接強度が実現される。

ただし、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値は６．０ｍｍ以下とすれば十分である。これは、Ｒが６．０ｍｍよりも大きくなると、溶接強度が飽和する傾向があるからである。

なお、より詳細には、図３（ｂ）に示すように、溶接棒１１０１の先端部１１０１ａは一様な曲面となっているわけではなく、最先端部は、溶接棒１１０１の長手方向に直交する（曲率半径Ｒよりも小さい）直径ｄの円形の平坦部１１０１ｂとなっている。これは、円柱状をなす保護カバー２の表面の一部であるために溶接棒１１０１に対して凸な形状にて湾曲している溶接対象領域ＲＥに溶接棒１１０１を当接させる際の安定性を考慮したものである。直径ｄは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度であるのが好ましい。直径ｄが０．５ｍｍよりも小さい平坦部１１０１ｂを設けることの効果が好適に得られず、直径ｄが２．０ｍｍよりも大きいと先端部１１０１ａを設けたことの効果が損なわれるため、好ましくない。

＜溶接電流プロファイル＞
次に、スポット溶接の際の電流プロファイル（以下、溶接電流プロファイル）ＰＦと溶接強度およびスパッタの発生との関係について説明する。

図４は、溶接電流プロファイルＰＦについて概念的に示す図である。本実施の形態において、溶接電流プロファイルＰＦとは、通電開始から通電終了までの間の溶接電流の時間変化を意味する。本実施の形態では、図４に示すように、通電開始（ｔ＝０）から溶接電流が所定のピーク値（溶接電流ピーク値）Ｉｐに到達する時刻（ｔ＝ｔｐ）までは一定の時間変化率（電流増大速度）にて溶接電流を０から増大させ、溶接電流が溶接電流ピーク値Ｉｐに到達した後は、一定の時間変化率（電流減少速度）にて溶接電流を０になるまで減少させるという溶接電流プロファイルＰＦを採用するものとする。溶接電流が０となった時点（ｔ＝ｔｅ）で溶接終了となる。ただし、溶接電流を溶接電流ピーク値Ｉｐにおいて一定時間維持する態様であってもよい。係る溶接電流プロファイルＰＦは、制御部１３００が溶接電源１２００の印加電圧を制御することによって実現される。

なお、当該溶接電流プロファイルＰＦにおいて、溶接電流が所定の電流増大速度にて０から溶接電流ピーク値Ｉｐにまで増大させられる間をアップスロープと称し、溶接電流が所定の電流減少速度にて溶接電流ピーク値Ｉｐから０にまで現象させられる間をダウンスロープとも称する。

本実施の形態においては、総通電時間が２００ｍｓｅｃ以上となり、溶接電流ピーク値Ｉｐが１．８ｋＡ以上となるように、溶接電流プロファイルＰＦを設定する。係る場合に、十分な溶接強度にて保護カバー２をハウジング１に対し溶接固定することができる。

ただし、総通電時間が２００ｍｓｅｃを超えると溶接強度が飽和する傾向があるため、総通電時間はせいぜい３００ｍｓｅｃ以下で十分である。また、総通電時間が同じであれば、溶接電流ピーク値Ｉｐが大きいほど溶接強度が大きくなる傾向があるが、溶接電流ピーク値Ｉｐが２．５ｋＡを上回るとスパッタが発生するため、好ましくない。

以上、説明したように、本実施の形態においては、ガスセンサにおいてセンサ素子を保持するハウジングに対し、該ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーをスポット溶接にて固定する場合において、先端が１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径を有する曲面であるタングステン製の溶接棒を用いるようにするとともに、溶接実行荷重を６００Ｎ以上とし、通電時間を２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下とし、溶接電流プロファイルにおける溶接電流のピーク値を１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下とする。これにより、スパッタを発生させることなく、十分な溶接強度にて保護カバーをハウジングに対し溶接固定することができる。また、溶接棒の長寿命化も実現される。

（実施例１）
図５は、溶接固定によって形成された溶接部Ｗの直径であるスポット径と、該溶接部Ｗの強度である溶接強度との関係を示す図である。なお、図５に示す結果を得るにあたっては、溶接棒１１０１として直径６ｍｍのものを用い、溶接電流ピーク値は１．９ｋＡ、溶接棒１１０１からの印加荷重（溶接実行荷重）は６００Ｎ、総通電時間は３００ｍｓｅｃとしている。

図５に示すように、保護カバー２の溶接強度はスポット径によって異なる。図５からは、スポット径が１．５ｍｍ以上であれば、３０Ｎ・ｍ以上の溶接強度が得られることがわかる。

ここで、スポット径は、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒに応じて定まる値である。例えば、スポット径が１．５ｍｍとなるときの先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値は１．５ｍｍであり、スポット径が３．０ｍｍとなるときの先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値は６．０ｍｍであることがあらかじめ確認されている。

よって、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値は１．５ｍｍ以上とすることが好ましいといえる。また、スポット径が３．０ｍｍ以上では溶接強度が飽和する傾向があることから、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒの値は６．０ｍｍ以下とすれば十分である。

（実施例２）
図６は、総通電時間を１００ｍｓｅｃ（条件Ａ）、２００ｍｓｅｃ（条件Ｂ）、３００ｍｓｅｃ（条件Ｃ）の３水準に違えるとともに、溶接電流ピーク値を１．４ｋＡ〜２．５ｋＡの範囲で７水準（１．４ｋＡ、１．６ｋＡ、１．７ｋＡ、１．８ｋＡ、２．０ｋＡ、２．１ｋＡ、２．５ｋＡ）に違えた種々の溶接電流プロファイルＰＦにて保護カバー２のスポット溶接を行ったときの、溶接電流ピーク値と溶接強度との関係を、条件Ａ〜条件Ｃのそれぞれについて示す図である。なお、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒは４ｍｍ、溶接実行荷重は６００Ｎとした。

また、図７は、条件Ａ〜条件Ｃについての溶接電流プロファイルＰＦを例示する図である。具体的には、図７においては、溶接電流ピーク値が２．０ｋＡであるときの条件Ａ〜条件Ｃのそれぞれについての溶接電流プロファイルＰＦと、溶接電流ピーク値が１．４ｋＡであるときの条件Ａについての溶接電流プロファイルＰＦとを例示している。

なお、図７に示すように、全ての溶接電流プロファイルＰＦにおいて、ダウンスロープ時間は３０ｍｓｅｃとしている。それゆえ、条件Ａについては、溶接電流ピーク値の値によらず、通電開始から１００−３０＝７０ｍｓｅｃ経過した時点で溶接電流プロファイルＰＦがアップスロープからダウンスロープに転じ、条件Ｂ、Ｃについてはそれぞれ、通電開始から１７０ｍｓｅｃ、２７０ｍｓｅｃ経過した時点で溶接電流プロファイルＰＦがアップスロープからダウンスロープに転じている。

図６からは、溶接強度が溶接電流と通電時間とによって変化すること、および、溶接時間が同じであれば、溶接電流ピーク値が大きいほど溶接強度が大きくなることが確認される。また、溶接電流ピーク値が同じ値の場合で比較した場合、条件Ａは条件Ｂ、Ｃに比して溶接強度が小さいこと、および、条件Ｂ、Ｃでは溶接電流ピーク値が２．５ｋＡの場合を除いて溶接電流ピーク値が同じであれば溶接強度はほぼ同じであることが、確認される。なお、条件Ａにおいて溶接強度が小さいのは、アップスロープの時間が短いために溶接に際して保護カバー２に十分な予熱が与えられないためであると考えられる。

より詳細には、条件Ａでは溶接電流ピーク値が２．０ｋＡ以上の範囲で溶接強度が３０Ｎ・ｍ以上となり、条件Ｂおよび条件Ｃでは、溶接電流ピーク値が１．８ｋＡ以上の範囲で溶接強度が３０Ｎ・ｍ以上となった。ただし、条件Ａ〜条件Ｃのいずれの場合においても、溶接電流ピーク値が２．５ｋＡを超える溶接電流プロファイルを採用した場合、溶接部Ｗの近傍にスパッタが発生していた。

以上の結果からは、総通電時間は２００ｍｓｅｃ以上とし、溶接電流ピーク値を１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下とすれば、スパットを発生させることなく、十分な溶接強度にて保護カバー２を固定できることがわかる。

（実施例３）
図８は、溶接実行荷重を４３０Ｎ、５７０Ｎ、６８０Ｎ、７１０Ｎの４水準に違えて保護カバー２のスポット溶接を行ったときの溶接実行荷重と溶接強度との関係を示す図である。なお、それぞれの溶接実行荷重について１０回ずつのスポット溶接を行っており、図８においては、各荷重条件での溶接強度の最小値を「−」印で示し、最大値を「●」印または「×」印で示している。なお、溶接電流ピーク値は１．９ｋＡ、総通電時間は３００ｍｓｅｃ、先端部１１０１ａの曲率半径Ｒは４ｍｍとした。

「×」印を用いている、溶接実行荷重が４３０Ｎおよび５７０Ｎの場合においてはそれぞれ、１０回のスポット溶接のうち、７回、２回において、スパッタが発生した。一方、「●」印を用いている、溶接実行荷重が６８０Ｎ、７１０Ｎの場合においては、スパッタは発生しなかった。

係る結果からは、少なくとも、溶接実行荷重を６００Ｎ以上の値とした場合には、スパッタは発生しないことが確認された。

１ ハウジング
１ａ （ハウジングの）被嵌合部
２ 保護カバー
２ｃ （保護カバーの）嵌合部
１０ センサ素子
１０ａ （センサ素子の）一方端部
１００ ガスセンサ
１００α 未溶接ガスセンサ
１１００（１１００Ａ、１１００Ｂ） 溶接実行部
１１０１（１１０１Ａ、１１０１Ｂ） 溶接棒
１１０１ａ （溶接棒の）先端部
１１０１ｂ （溶接棒の）平坦部
１１０２ 電極ホルダ
１１０３ 加圧追従器
１１０４ エアーシリンダ
１１０４ａ （エアーシリンダ）可動部
１１０５ ロードセル
１２００ 溶接電源
１３００ 制御部
Ｈ 貫通孔
ＲＥ 溶接対象領域
Ｗ 溶接部

Claims (10)

1. ガスセンサの製造方法であって、
   センサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを嵌合する嵌合工程と、
   前記ハウジングに嵌合された前記保護カバーのあらかじめ定められた溶接対象領域に対し所定の溶接電流プロファイルに従ってスポット溶接を行うことにより前記保護カバーを前記ハウジングに固定する溶接工程と、
   を備え、
   前記溶接工程においては、
   先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の溶接棒を前記溶接対象領域に当接させることによって、前記溶接対象領域に対しあらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重を印加した状態で、
   通電開始から前記溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように定められた前記溶接電流プロファイルに従って、前記溶接電流を流すことにより、前記スポット溶接を行う、
   ことを特徴とするガスセンサの製造方法。
2. 請求項１に記載のガスセンサの製造方法であって、
   前記溶接工程においては、２つの前記溶接棒によって前記保護カバーの互いに対向する２箇所の前記溶接対象領域に同時に前記溶接実行荷重を印加することにより、前記２箇所を同時に溶接する、
   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、
   前記溶接工程においては、前記２つの前記溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、前記荷重が前記溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間に前記溶接電流を通電させる、
   ことを特徴とするガスセンサの製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサの製造方法であって、
   前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、
   前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、
   ことを特徴とするガスセンサの製造方法。
5. ガスセンサにおいてセンサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを固定する、センサ素子保護カバーの固定方法であって、
   先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の溶接棒を前記保護カバーのあらかじめ定められた溶接対象領域に当接させることによって、前記溶接対象領域に対しあらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重を印加した状態で、
   通電開始から溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように定められた溶接電流プロファイルに従って、前記溶接電流を流すことにより、前記溶接対象領域において前記保護カバーを前記ハウジングに固定するスポット溶接を行う、
   ことを特徴とするセンサ素子保護カバーの固定方法。
6. 請求項５に記載のセンサ素子保護カバーの固定方法であって、
   ２つの前記溶接棒によって前記保護カバーの互いに対向する２箇所の前記溶接対象領域に同時に前記溶接実行荷重を印加することにより、前記２箇所を同時に溶接する、
   ことを特徴とするセンサ素子保護カバーの固定方法。
7. 請求項６に記載のセンサ素子保護カバーの固定方法であって、
   前記２つの前記溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、前記荷重が前記溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間に前記溶接電流を通電させる、
   ことを特徴とするセンサ素子保護カバーの固定方法。
8. 請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のセンサ素子保護カバーの固定方法であって、
   前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、
   前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、
   ことを特徴とするセンサ素子保護カバーの固定方法。
9. ガスセンサにおいてセンサ素子を保持するハウジングに対し、前記ハウジングから突出しているセンサ素子の一方端部を保護する保護カバーを、スポット溶接によって固定する溶接装置であって、
   先端部に１．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の曲率半径の曲面を有するタングステン製の２つの溶接棒と、
   前記２つの溶接棒を、前記保護カバーにおいてあらかじめ定められた互いに対向する２箇所の溶接対象領域に対しそれぞれ当接させることによって、前記２つの溶接棒のそれぞれから対応する前記溶接対象領域に対して荷重を印加可能な荷重印加手段と、
   前記２つの溶接棒の間に溶接電流を通電させる通電手段と、
   を備え、
   前記通電手段が前記溶接電流を通電させる際の溶接電流プロファイルが、通電開始から前記溶接電流がピーク値に到達する時刻までは一定の電流増大速度にて前記溶接電流を０から増大させ、前記溶接電流が前記ピーク値に到達した後は、一定の電流減少速度にて前記溶接電流を０になるまで減少させるように、前記通電開始から通電終了までの通電時間が２００ｍｓｅｃ以上３００ｍｓｅｃ以下となるように、かつ、前記ピーク値が１．８ｋＡ以上２．５ｋＡ以下となるように、定められており、
   前記荷重印加手段は、前記２つの溶接棒が前記２箇所の前記溶接対象領域に対し印加する荷重を同期的にかつ連続的に増加させ、
   前記通電手段は、前記荷重があらかじめ定められた６００Ｎ以上の溶接実行荷重に達した時点で、前記２つの前記溶接棒の間における前記溶接電流プロファイルに従った前記溶接電流の通電を開始させる、
   ことを特徴とする溶接装置。
10. 請求項９に記載の溶接装置であって、
    前記溶接棒が当接される前記溶接対象領域が前記溶接棒に対して凸な形状にて湾曲しており、
    前記溶接棒の前記溶接対象領域に当接される最先端部が、前記溶接棒の長手方向に直交する円形の平坦部となっている、
    ことを特徴とする溶接装置。

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