KR20000005938A - 가스센서및그제조방법 - Google Patents

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KR20000005938A
KR20000005938A KR1019990020713A KR19990020713A KR20000005938A KR 20000005938 A KR20000005938 A KR 20000005938A KR 1019990020713 A KR1019990020713 A KR 1019990020713A KR 19990020713 A KR19990020713 A KR 19990020713A KR 20000005938 A KR20000005938 A KR 20000005938A
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무라세마사사키
미즈쿠사다카시
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오카무라 가네오
니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 용접에 의하여 접합되는 2개 이상의 통형상부를 포함하는 것으로 케이싱이 구성되는 가스센서에 있어서, 통형상부에 대한 매우 엄격한 치수관리를 하지 않고도 용접불량이 쉽게 발생하지 않는 구조를 가지는 가스센서를 제공한다.
(해결수단) 가스센서(1)에 있어서는, 검출소자(2)를 덮는 케이싱(10)에 있어서 축선방향으로 중첩부가 형성되는 형태로 배치되는 2개의 통형상부, 예를 들면 프로텍터(외측부재)(11)와 금속셸(9)의 프로텍터 장착부(내측부재)(9a) 중 상기 외측부재(11)에 둘레방향으로의 소경부(81)를 코킹등에 의하여 형성하고, 또한 상기 소경부(81)에 둘레방향으로의 용접부(83)를 형성하여 내측부재(9a)와 접합되도록 하였다. 이러한 소경부(81)의 형성에 의하여, 용접부의 형성위치에 있어서의 외측부재(11)와 내측부재(9a) 사이의 틈새량이 감소하여 밀착성이 높아지므로 용접불량이 쉽게 발생하기 않게 된다. 또, 외측부재(11)와 내측부재(9a)의 지름(외경 및 내경)에 대한 치수관리를 엄격하게 하지 않고도 양호한 용접접합상태를 얻을 수 있기 때문에 가스센서의 제조능률 및 제조수율에 대한 향상이 달성된다.

Description

가스센서 및 그 제조방법 {Gas Sensor and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 산소센서, HC센서, NOX센서 등, 측정대상이 되는 가스내의 피검출성분을 검출하기 위한 가스센서에 관한 것이다.
종래에는 상기한 바와 같은 가스센서로서, 피검출성분을 검출하는 검출부가 선단에 형성된 봉형상 내지 통형상의 검출소자를 금속제 케이싱의 내측에 배치한 구조의 것이 알려져 있다. 상기 금속제 케이싱은 외주면에 센서부착용 나사부가 형성된 금속셸(metallic shell)과, 이 금속셸의 일단부측에서 돌출되는 검출소자의검출부를 덮는 형태로 금속셸에 결합되는 프로텍터와, 이 프로텍터와는 반대측에서 금속셸에 결합됨과 아울러 금속셸의 후방으로 연장된 검출소자를 덮는 내측통부재와, 이 내측통부재의 후단부에 결합되며 검출소자에서의 리드선이 후방측의 트인구멍부에서 도출되는 외측통부재 등, 복수의 통형상체를 조합하여 구성되는 것이 많다.
여기서, 상기한 복수의 통형상체끼리의 접합은 각종의 수법에 의해서 실시되고 있는데, 예를 들면, 특히 기밀성(氣密性)이 요구되는 경우등에 있어서는 이것들의 접합측 단부끼리에 있어서 일측을 타측의 내측으로 틈새끼움 또는 압입에 의하여 삽입하여 중첩부를 형성하고, 이 중첩부의 둘레 전체에 용접부를 형성하는 방법을 채용하는 경우도 많다.
그러나, 상기한 종래의 접합방법에 있어서는, 예를 들어 틈새끼움을 채용하는 경우는, 내측부재와 외측부재의 틈새가 너무 크면 용접부를 형성하더라도 틈새의 존재로 인하여 접합이 불완전하게 되는 부분이 쉽게 발생하기 때문에 접합의 기밀성이 쉽게 손상되게 된다. 한편, 압입에 의한 삽입을 채용하는 경우는, 내측부재의 외경이 너무 크면 이 내측부재의 압입에 따라서 외측부재가 외측으로 벌어지도록 소성변형됨으로써 그 압입되는 트인구멍측이 나팔형상의 형태로 되는 경우가 있다. 이 경우, 벌어진 외측부재와 내측부재 사이에는 상기한 바와 마찬가지로 큰 틈새가 형성되기 때문에 용접부의 형성이 불완전하게 되는 경우가 있다.
따라서, 틈새끼움이나 압입에 의한 삽입을 한 후에 용접에 의해서 접합하는 경우에는, 내측부재와 외측부재 사이에 과잉(過剩)의 틈새가 형성되지 않도록 이들 부재간의 치수관리를 상당히 엄격하게 할 필요가 있다. 그러나, 치수공차(公差)를 작게 하는 것은 공정관리상의 품과 비용의 증대를 초래하고, 이것은 센서의 단가 상승으로 이어지는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는, 용접에 의하여 접합되는 2개 이상의 통형상부를 포함하는 것으로 케이싱이 구성되는 가스센서에 있어서, 통형상부에 대한 매우 엄격한 치수관리를 하지 않고도 용접불량이 쉽게 발생하지 않는 구조를 가지는 가스센서와 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 관한 가스센서의 일실시예인 산소센서의 내부구조를 나타낸 종단면도
도 2는 도 1에 있어서의 발열부와 산소검출소자의 접촉부 부근을 확대하여 나타낸 단면도
도 3은 프로텍터의 일례를 나타낸 평면도 및 정면 반단면도
도 4는 프로텍터와 금속셸을 코킹·용접 구조부의 형성에 의하여 접합하는 공정을 나타낸 설명도
도 5는 도 4에 계속되는 공정설명도
도 6은 도 5에 계속되는 공정설명도
도 7은 도 6에 계속되는 공정설명도
도 8은 프로텍터의 치수설명도
도 9는 금속셸의 치수설명도
도 10은 도 1의 산소센서에 대한 변형예를 나타낸 종단면도
도 11은 코킹장치의 요부를 나타낸 평면 모식도
도 12는 코킹장치의 요부를 그 작용과 함께 나타낸 측단면 모식도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 200 - 산소센서(가스센서) 2 - 산소검출소자
9 - 금속셸 9a - 프로텍터 장착부(내측부재)
9f - 내측통부재 연결부(내측부재) 10 - 케이싱
11, 100 - 프로텍터(외측부재) 14 - 내측통부재(내측부재)
54 - 외측통부재(외측부재) 81,75,93 - 코킹부(소경부)
82,91,94 - 오목부 83,92,95 - 용접부
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스센서는, 선단부에 검출부가 형성되며 측정대상이 되는 가스(이하 '피측정가스'라 한다)내의 피검출성분을 검출하는 봉형상 또는 통형상의 형태를 이루는 검출소자와, 상기 검출부로의 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출소자의 외측을 덮는 통형상의 케이싱을 구비하고, 상기 케이싱은 축선방향으로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 통형상부를 포함하여 구성되고, 상기 2개의 통형상부는 대응하는 단부에 있어서 일측의 통형상부(이하 '내측부재'라 한다)가 타측의 통형상부(이하 '외측부재'라 한다)의 내측에 위치하는 형태로 중첩부가 형성되도록 배치되어 있으며, 상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재에는 그 축선방향 중간에 둘레방향으로의 소경부(小徑部)가 형성됨과 아울러, 상기 소경부에 형성된 둘레방향으로의 용접부에 의해서 상기 외측부재와 내측부재가 기밀상태로 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 가스센서의 제조방법은, 선단부에 검출부가 형성되며 측정대상이 되는 가스(피측정가스)내의 피검출성분을 검출하는 봉형상 또는 통형상의 형태를 이루는 검출소자와, 상기 검출부로의 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출소자의 외측을 덮는 통형상의 케이싱을 구비한 가스센서의 제조방법으로서, 상기 케이싱은 축선방향으로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 통형상부를 포함하여 구성되는 것으로 이루어지며, 상기 2개의 통형상부를 대응하는 단부에 있어서 일측의 통형상부(내측부재)가 타측의 통형상부(외측부재)의 내측에 위치하는 형태로 중첩부가 형성되도록 배치함과 아울러, 상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재의 축선방향 중간에 둘레방향으로의 소경부를 형성한 상태로 하고, 상기 소경부에 둘레방향으로의 용접부를 더 형성하여 상기 외측부재와 내측부재를 상기 용접부에 의해서 기밀상태로 접합하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스센서의 구조 및 그 제조방법에 의하면, 검출소자를 덮는 케이싱에 있어서, 축선방향으로 중첩부가 형성되는 형태로 배치되는 2개의 통형상부 중 외측부재에 둘레방향으로의 소경부를 형성하고 또 이 소경부에 둘레방향으로의 용접부를 형성하여 내측부재와 접합하도록 하였다. 이러한 소경부의 형성에 의해서 용접부의 형성위치에 있어서의 외측부재와 내측부재 사이의 틈새량이 감소하여 밀착성이 높아지기 때문에 용접불량이 쉽게 발생하지 않게 된다. 이 결과, 통형상부에 대한 치수관리, 특히 외측부재의 내경과 내측부재의 외경의 차이에 대한 치수관리를 매우 엄격하게 하지 않고도 양호한 용접접합상태를 얻을 수 있게 되며, 나아가서는 가스센서에 대한 제조능률 및 제조수율의 향상이 달성된다.
상기 소경부는 상기 외측부재의 둘레방향을 따라서 소정 폭의 띠형상으로 형성할 수 있으며, 상기 용접부는 상기 띠형상 소경부의 폭방향 중간에 있어서 이 소경부보다도 폭이 좁은 환형상 형태로 형성할 수 있다. 이러한 실시태양에 의하면, 상기 띠형상 소경부의 영역내, 즉 틈새량이 감소하여 밀착성이 높아지는 영역내에 수용되도록 연속형태의 용접부가 형성되기 때문에 용접불량이 더욱더 발생하기 않도록 할 수 있다.
용접부는 레이저 용접에 의해서 형성하는 것이 결함이 적은 용접부를 형성하는 것에 있어서 바람직하다. 한편, 레이저 용접 이외에는 심용접(seam welding)등의 저항용접을 채용하는 것도 가능하다.
또, 소경부는 상기 외측부재와 상기 내측부재간에 중첩부를 형성한 상태에서 상기 외측부재를 상기 내측부재를 향하여 둘레방향으로 코킹함에 의해서 형성된 코킹부로 할 수 있다. 이것에 의하여, 소경부에 있어서의 외측부재와 내측부재간의 밀착상태를 더욱더 양호한 것으로 할 수 있으며, 얻어지는 용접부에 있어서의 결함발생을 일층 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또, 내측부재에는 상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재의 소경부에 대응하는 위치에 둘레방향으로의 오목부를 형성할 수 있다. 예를 들면, 외측부재의 소경부를 코킹부로서 형성하는 경우, 내측부재의 대응위치에 상기 오목부가 형성되는 정도의 코킹을 함으로써 외측부재와 내측부재간의 밀착상태가 더욱더 향상되어 용접부에 있어서의 결함발생의 확률을 감소시킬 수 있다.
상기 가스센서에 있어서는, 내측부재는 검출부를 일측의 단부측에서 돌출시킨 상태로 검출소자를 덮는 금속셸로 할 수 있고, 외측부재는 상기 금속셸의 검출부가 돌출되는 측의 트인구멍단부에 결합됨과 아울러, 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출부를 덮는 프로텍터로 할 수 있다. 예를 들면, 산소센서등의 경우, 센서가 저온으로 되었을 때에 응결된 물방울이 프로텍터의 외면에 부착되는 경우가 있다. 이 경우, 금속셸과 프로텍터를 접합하는 용접부에 결함이 있으면, 이 결함부를 통하여 응결된 물방울이 침입하여 검출부를 적시거나 또는 녹등의 오염물을 부착시키는 경우가 있다. 그러나, 상기 접합부에 본 발명을 적용함으로써 용접부에 대한 결함발생이 효과적으로 방지되어 상기한 바와 같은 문제점이 쉽게 발생하지 않게 된다.
한편, 내측부재는 상기 금속셸에 대하여 검출부의 돌출측과는 반대의 트인구멍단부에 일단부가 결합되며 상기 금속셸에서 후방으로 연장되는 검출소자를 덮는 내측통부재로 할 수 있고, 외측부재는 후방측의 트인구멍부에 있어서 상기 검출소자에서의 리드선을 도출시킨 형태로 상기 내측통부재의 후단부 외측에 결합되는 외측통부재로 할 수 있다. 예를 들면, 자동차용 산소센서의 경우는 상기 외측통부재 또는 내측통부재가 외부로 노출되는 형태가 되며, 예를 들어 그 부착위치가 차량의 타이어 주변부분등 이라면 노출된 부위로 물보라등이 튀기 쉽다. 이 경우, 양부재를 접합하는 용접부에 결함이 발생한 경우라면, 이 결함부를 통하여 내측통부재내로 물방울등이 침입하여 센서를 작동불량에 이르게 하는 경우가 있다. 그러나, 상기 접합부에 본 발명을 적용함으로써 용접부에 대한 결함발생이 효과적으로 방지되어 상기한 바와 같은 문제점이 쉽게 발생하지 않게 된다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 나타낸 실시예에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 가스센서의 일실시예인 산소센서의 내부구조를 나타낸다. 상기 산소센서(1)는 선단이 폐쇄된 중공축(中空軸)형상의 고체 전해질부재인 산소검출소자(2)와, 축형상의 세라믹 히터인 발열체(3)를 구비하여 구성된다. 상기 산소검출소자(2)는 산소이온 전도성을 가지는 고체 전해질에 의하여 구성되어 있다. 이러한 고체 전해질로서는 Y2O3내지 CaO을 고용시킨 ZrO2이 대표적인 것이지만, 이것 이외의 알칼리토금속 내지 희토류금속의 산화물과 ZrO2의 고용체(固溶體)를 사용하여도 된다. 또, 베이스가 되는 ZrO2에는 HfO2가 함유되어 있어도 된다.
상기 산소검출소자(2)의 중간부 외측에는 절연성 세라믹으로 형성된 인슐레이터(6,7) 및 탤크(talc)로 형성된 세라믹 분말(8)을 사이에 두고 금속제의 케이싱 (10)이 설치되어 있으며, 따라서 산소검출소자(2)는 케이싱(10)과 전기적으로 절연된 상태로 관통되어 있다. 상기 케이싱(10)은 산소센서(1)를 배기관등의 부착부에 부착하기 위한 나사부(9b)를 가지는 금속셸(9)과, 이 금속셸(9)의 일측 트인구멍부에 내측이 연이어 통하도록 결합된 내측통부재(14)와, 이 내측통부재(14)와는 반대측에서 금속셸(9)에 부착된 프로텍터(11) 등을 구비하고 있다. 또, 도 2에 나타낸 바와 같이 산소검출소자(2)의 내면 및 외면에는 이것의 거의 전체 면을 덮는 1쌍의 전극층(2b,2c)이 형성되어 있다. 이들 전극층(2b,2c)은 모두 산소검출소자(2)를구성하는 고체 전해질로 산소를 주입하기 위한 산소분자의 해리반응 및 이 고체 전해질에서 산소를 방출시키기 위한 산소의 재결합반응에 대한 가역적인 촉매기능(산소해리 촉매기능)을 가지는 다공질 전극, 예를 들면 Pt다공질 전극으로 구성되어 있다.
또한, 이하의 설명에서는 산소검출소자(2)의 축방향에 있어서 폐쇄된 선단부를 향하는 측을 '전방측 또는 선단측'이라 하고, 이것의 반대방향을 향하는 측을 '후방측 또는 후단측'이라 하여 설명한다.
우선, 금속셸(9)의 후방측 트인구멍부에는 상기한 내측통부재(14)가 인슐레이터(6)와의 사이에 링(15)을 개재하고서 코킹되어 있으며, 이 내측통부재(14)에는 외측통부재(54)가 외측에서 끼워맞춤되어 고정되어 있다. 상기 외측통부재(54)의 상단측의 트인구멍은 고무등으로 구성된 그로밋(grommet, 탄성밀봉부재)(17)으로 밀봉되어 있으며, 또 이 그로밋(17)의 내측에 세라믹 세퍼레이터(18)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 세라믹 세퍼레이터(18) 및 그로밋(17)을 관통하도록 산소검출소자(2)용 리드선(20,21) 및 발열체(3)용 리드선{도면에서는 이 리드선이 상기 리드선(20,21)에 가려져서 보이지 않는다}이 배치되어 있다.
상기 산소검출소자(2)용의 일측 리드선(20)은 단자부재(23)의 커넥터부(24), 이것에 연결된 인출선(25) 및 단자부재(23)의 내부전극 접속부(26)를 통하여 상기한 산소검출소자(2)의 내측 전극층(2c)(도 2 참조)과 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 타측 리드선(21)은 별도의 단자부재(33)의 커넥터부(34), 이것에 연결된 인출선(35) 및 외부전극 접속부(35b)를 통하여 산소검출소자(2)의 도시하지 않은 외측 전극층과 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 산소검출소자(2)는 배기가스의 온도가 충분히 고온으로 된 경우에는 이 배기가스에 의하여 가열되어 활성화되지만, 엔진 시동시와 같이 배기가스의 온도가 저온인 경우에는 상기한 발열체(3)로 강제적으로 가열함으로써 활성화된다. 상기 발열체(3)는 통상 세라믹 히터이고, 예를 들면 알루미나를 주체로 하는 세라믹 봉(45)의 선단부에 사행(蛇行)형상으로 형성된 저항발열선부(抵抗發熱線部)(도시생략)를 가지는 발열부(42)가 설치된 것이다. 상기 저항발열선부는 히터 단자부 (40)에서 연장된 리드선을 통하여 통전됨으로써 상기 산소검출소자(2)의 선단부(검출부)를 소정의 활성화 온도 이상으로 가열하는 역할을 한다.
또, 상기 발열체(3)는 단자부재(23)에 의해서 산소검출소자(2)의 중공부내에 지지된다. 상기 단자부재(23)에는 그 내부전극 접속부(26)에 있어서의 발열체(3)의 선단측{즉, 발열부(42)에 가까운 측}에 발열체 파지부(27)가 형성되어 있다. 상기 발열체 파지부(27)는 발열체(3)의 주위를 포위하는 C자형의 횡단면 형상으로 되어 있음과 아울러, 발열체(3)를 삽입하지 않은 상태에서는 상기 발열체(3)의 외경보다도 약간 작은 내경으로 되어 있다. 따라서, 발열체(3)를 삽입함에 따라서 탄성적으로 외측으로 벌어진 후 그 탄성복원력과 마찰력에 의해서 상기 발열체(3)를 파지한다. 도 1의 구성에서는 상기 발열체 파지부(27)가 내부전극 접속부(26)의 편측 1개소에만 형성되어 있다.
상기 내부전극 접속부(26)는 좌우 양측 가장자리에 톱니형상의 접촉부(26a)가 각각 복수개 형성된 판형상부분을 원통형상으로 굽힘가공함으로써 발열체(3)를포위하는 형태로 형성되어 있다. 그리고, 그 외주면과 산소검출소자(2)의 중공부내벽면(2a)간의 마찰력에 의해서 발열체(3)를 상기 중공부에 대하여 축선방향으로 위치결정하는 역할을 함과 아울러, 상기 복수개의 접촉부(26a)의 각 선단부가 내측 전극층(2c)(도 2 참조)과 접촉하여 도통하도록 되어 있다.
상기 외측통부재(54)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 내측통부재(14){케이싱(10)}에 대하여 후방 외측에서 대략 동축적(同軸的)으로 연결되는 통형상 형태를 이루고 있다. 또, 내측통부재(14)의 후단부에는 축방향 전방측의 제 1 부분(61)과 축방향 후방측의 제 2 부분(62)으로 구획되는 단차부(51)가 형성되어 있으며, 상기 제 2 부분(62)이 상기 제 1 부분(61)보다도 지름이 작도록 구성되고, 상기 제 2 부분(62)에는 둘레방향으로 복수개의 기체도입구멍(52)이 형성되어 있다. 또, 제 2 부분(62)의 외측에는 상기 기체도입구멍(52)을 덮는 통형상의 필터(53)가 배치되어 있으며, 이 필터(53)의 외측은 외측통부재(54)에 의해서 덮여져 있다. 그리고, 필터(53)에 대응하는 위치에 있어서의 외측통부재(54)의 벽부에는 그 둘레방향으로 소정 간격으로 복수개의 보조 기체도입구멍(55)이 형성되어 있음과 아울러, 이 일렬의 보조 기체도입구멍(55)을 사이에 두고 그 양측에 상기 필터(53)를 외측통부재(54)와 내측통부재(14)의 제 2 부분(62) 사이에 압착고정시키는 환형상의 필터코킹부(56,57)가 형성되어 있다.
한편, 외측통부재(54)는 상기 내측통부재(14)의 제 1 부분(61)에 대하여 외측에서 겹쳐져서 이것에 중첩부가 형성되도록 배치되며, 이 중첩부에는 그 둘레방향으로 환형상의 외측·내측통부재 연결코킹부(75)가 형성되어 있다. 이 외측·내측통부재 연결코킹부(75)에 의하여 외측통부재(54)가 내측통부재(14)에 대하여 결합된다.
또한, 필터(53)는, 예를 들면 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(이하, 'PTFE'라 한다)의 미소성(未燒成) 성형체를 PTFE의 융점보다도 낮은 가열온도에서 1축(軸) 이상의 방향으로 연신(延伸)함으로써 얻어지는 다공질 섬유구조체{상품명: 고어텍스 (쟈판 고어텍스 주식회사)}에 의하여 물방울등과 같은 물을 주체로 하는 액체의 투과는 저지하고 또한 공기 및/또는 수증기 등의 기체의 투과는 허용하는 발수성(撥水性) 필터로 구성되어 있다. 따라서, 보조 기체도입구멍(55)에서 필터(53)를 통하여 기체도입구멍(52)으로 기준가스인 대기(외기)가 내측통부재(14){케이싱(10)}내로 도입됨과 아울러, 물방울등의 액체상태의 물은 내측통부재(14)내로 침입하는 것이 저지되도록 되어 있다.
상기 금속셸(9)의 전방측 트인구멍부에는 통형상의 프로텍터 장착부(9a)가 형성되어 있으며, 이 프로텍터 장착부(9a)에는 산소검출소자(2)의 선단측(검출부)이 소정의 공간을 두고 덮여지도록 캡형상의 프로텍터(11)가 장착되어 있다. 이 프로텍터(11)의 외벽부에는 배기가스를 투과시키는 복수개의 가스투과구멍(12)이 그 둘레방향을 따라서 소정의 간격으로 관통된 형태로 형성되어 있다. 또, 상기 프로텍터(11)의 바닥부에도 가스투과구멍(13)이 형성되어 있다. 따라서, 배기가스내의 산소가 산소검출소자(2)의 선단측 표면에 접촉할 수 있게 되어 있다.
상기 프로텍터(11)(외측부재)에는 그 통형상의 트인구멍부에 상기 프로텍터 장착부(9a)(내측부재)가 축선방향으로 삽입됨으로써 중첩부가 형성된다. 그리고,이 프로텍터(11)의 중첩부에는 그 둘레방향을 따라서 환형상의 코킹부(소경부)(81)가 띠형상으로 형성되어 있으며, 또한 이 코킹부(81)에 대한 프로텍터 장착부(9a)의 대응위치에는 띠형상의 오목부(82)가 형성되어 있다. 따라서, 프로텍터(11)측의 코킹부(81)의 내면과 프로텍터 장착부(9a)측의 오목부(82)의 내면은 서로 밀착되게 된다.
그리고, 상기 띠형상의 코킹부(81)에는 환형상의 용접부(83)가, 예를 들어 상기 코킹부(81)의 폭방향 중간에 이 코킹부(81)보다도 좁은 폭으로 형성되어 있다. 이 용접부(83)는 프로텍터(11)와 프로텍터 장착부(9a)에 걸쳐지는 형태로 형성되며, 양자를 기밀상태로 접합하는 역할을 한다. 이하, 코킹부와 용접부의 접합된 구조를 '코킹·용접구조부'라 하고, 코킹부(81)와 용접부(83)의 1조(組)를 '코킹·용접구조부(150)'라 칭한다.
또한, 도 1의 프로텍터(11)는 1중(一重) 구조로 되어 있으나, 도 3의 프로텍터(100)와 같이 바닥부를 가지는 제 1 통형상부(101)와 그 내측에 소정의 틈새를 두고서 동심적(同心的)으로 배치된 바닥부를 가지는 제 2 통형상부(102)를 가진 2중 구조로 할 수도 있다. 도 3의 구성에 있어서는, 제 2 통형상부(102)는 그 트인구멍단부가 제 1 통형상부(101)의 내경에 꼭 맞게 끼워질 정도의 넓은 지름으로 된 확경부(擴徑部)(102a)로 되어 있으며, 이 확경부(102a)의 둘레방향을 따라서 형성된 스폿 용접부(107)에 의해서 제 1 통형상부(101)와 결합되어 있다. 또한, 제 2 통형상부(102)는 제 1 통형상부(101)보다도 축선방향으로의 길이가 짧게 형성되어 있어, 상기 확경부(102a)의 트인구멍 가장자리가 제 1 통형상부(101)의 트인구멍가장자리보다도 소정 거리 내측으로 들어간 형태로 배치되어 있다. 따라서, 제 1 통형상부(101)의 트인구멍측에는 프로텍터 장착부(9a)에 장착되는 장착대부(101a)가 소정폭으로 형성된 형태가 된다.
또, 제 1 통형상부(101)의 측벽부에는 축선방향으로 나란히 병렬된 2개의 장공형상의 가스투과구멍(103,103)이 그 둘레방향의 소정 간격으로 복수개 형성되어 있다. 제 2 통형상부(102)의 측벽부에도 상기한 제 1 통형상부(101)와 마찬가지로 가스투과구멍(104,104)이 형성되어 있으나, 그 형성위치는 물방울등의 침입을 방지하기 위해서 제 1 통형상부(101)의 가스투과구멍(103,103)에 대하여 둘레방향으로의 위상을 달리하고 있다. 한편, 제 1 통형상부(101)와 제 2 통형상부(102)의 각 바닥부는 서로 밀착된 형태로 되어 있으며, 그 중앙에는 가스투과구멍(105,106)이 서로 연통하는 형태로 각각 형성되어 있다.
상기한 코킹·용접구조부(150)는, 예를 들면 도 4∼도 7에 나타낸 방법으로 형성할 수 있다{또한, 도 4∼도 7에서는 도 3의 2중 구조형의 프로텍터(100)를 이용한 경우의 예를 나타내었으나, 도 1의 1중 구조형의 프로텍터(11)의 경우도 방법상의 차이는 없다}. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속셸(9)의 프로텍터 장착부 (9a)를 프로텍터(100)의 장착대부(101a)에 대하여, 이 장착대부(101a)의 트인구멍 가장자리가 금속셸(9)의 단면에 맞닿는 위치까지 삽입한다. 그리고, 도 5에 나타낸 상태에서 장착대부(101a)의 축방향 중간부를 프로텍터 장착부(9a)를 향하여 둘레방향으로 코킹함으로써 도 6에 나타낸 바와 같은 코킹부(81)를 형성한다. 이 때, 이 코킹부(81)를 형성함에 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이 프로텍터장착부(9a)의 대응위치에는 환형상의 오목부(82)가 형성되어 양자간에는 강고한 밀착상태가 형성된다.
또한, 코킹부(81)와 오목부(82)는 코킹에 따른 장착대부(101a)와 프로텍터 장착부(9a)의 소성변형에 의해서 형성되는 것이지만, 예를 들어 장착대부(101a)만을 소성변형하여 코킹부(81)를 형성하고, 프로텍터 장착부(9a)측에는 탄성변형만이 실질적으로 일어나는 형태로 하여도 된다. 이 경우에는 코킹부(81)에 대응하는 위치에 오목부(82)가 명료하게 형성되지는 않으나, 장착대부(101a)와의 사이에는 프로텍터 장착부(9a)의 탄성복원력에 의해서 상기한 바와 마찬가지로 강고한 밀착상태를 형성할 수 있다.
도 11은 코킹장치의 일례를 나타낸 평면도이다.
상기 코킹장치(179)는 링형상의 펀치홀더(186)와, 이 펀치홀더(186)의 둘레방향을 따라서 배치됨과 아울러 이 펀치홀더(186)를 반지름방향으로 진퇴가능하게 각각 관통하는 복수개의 펀치세그먼트(185)를 가지는 펀치어셈블리(189)를 구비하고 있다. 또, 각 펀치세그먼트(185)의 후단부에는 스프링지지부(187)가 형성되어 있으며, 이 스프링지지부(187)와 펀치홀더(186)의 외주면 사이에는 상기 펀치세그먼트(185)를 외측으로 탄지하는 스프링부재(188)가 배치되어 있다. 한편, 도 12a에 나타낸 바와 같이, 상기 펀치어셈블리(189)에 대응하여 내주면(191)이 바닥면측으로 갈수록 그 지름이 축소되는 테이퍼면을 이루는 받침유니트(190)가 설치되어 있으며, 그 바닥면 중앙에는 워크삽통구멍(194)을 가지는 위치결정 돌출부(193)가 형성되어 있다.
상기 위치결정 돌출부(193)에 대하여 프로텍터(100)의 선단부를 워크삽통구멍(194)에 삽입하는 형태로 워크(W)를 세트한다. 그리고, 펀치어셈블리(189)는 받침유니트(190)의 내측에 동축적으로 세트되며, 각 펀치세그먼트(185)가 코킹할 프로텍터(100)의 기단부{장착대부(101a)}를 에워싼 상태가 된다. 또, 펀치세그먼트 (185)의 외측단면(192)은 받침유니트(190)의 내주면(191)에 대응하는 테이퍼형상으로 형성되어 있다.
이 상태에서, 워크(W)를 축방향 하측으로 압입하면서 펀치어셈블리(189)를 받침유니트(190)의 바닥면을 향하여 압입하면, 도 12b에 나타낸 바와 같이 테이퍼형상으로 형성된 외측단면(192)과 내주면(191)간의 캠작용에 의해서, 각 펀치세그먼트(185)가 대응하는 스프링(188)을 압축시키면서 일제히 워크(W)를 향하여 접근한다. 따라서, 각 펀치세그먼트(185)의 선단에 형성된 코킹작용부(181)에 의해서 프로텍터(100)에 코킹부(81)가 형성된다.
계속해서, 도 7a에 나타낸 바와 같이 상기 코킹부(81)에 대하여, 예를 들어 레이저 용접에 의하여 그 둘레방향에 용접부(83)를 형성하면, 목적으로 하는 코킹·용접구조부(150)가 얻어진다. 여기서, 용접부(83)의 폭을 W1, 코킹부(81)의 폭을 W2라 한 경우, 접합강도를 확보한다는 관점에서 W1/W2는 0.5 이상으로 하는 것이 좋다(도 1의 실시예에서는, W1은 약 0.7㎜, W2는 약 1㎜, W1/W2는 약 0.7이다). 또, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 코킹에 의한 압착력을 프로텍터 장착부(9a)(내측부재)측에 충분히 가하여 양호한 압착상태를 확보하기 위해서는 장착대부(101a)(외측부재)의 두께(t2)를 1㎜ 이하로 설정하는 것이 좋다(도 1의 실시예에서는, t2는 약0.4㎜이다). 또한, 프로텍터 장착부(9a)(내측부재)내로의 용접부(83)의 침입깊이 (d1)는 접합강도를 확보한다는 관점에서 0.4㎜ 이상으로 되는 것이 좋다. 단, 프로텍터 장착부(9a)(내측부재)를 두께방향으로 관통하는 형태로 용접부(83)가 형성되면 용접결함등에 의하여 접합강도가 저하되는 경우가 있기 때문에, 상기 침입깊이(d1)는 프로텍터 장착부(9a)의 두께(t1)보다도 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 8에 나타낸 프로텍터(100)의 각 부분의 치수는, 예를 들면 다음과 같이 설정할 수 있다{또한, 괄호내는 도 3에 나타낸 프로텍터(100)의 구체적인 수치예이다}.
P1：9.8∼12㎜m(10.35㎜)
P2：3.9∼4.9㎜(3.9㎜)
P3：12.9∼20.2㎜(20㎜)
P4：7.4∼8.1㎜(7.7㎜)
또, 도 9에 나타낸 금속셸(9)의 각 부분의 치수는, 예를 들면 다음과 같이 설정할 수 있다{또한, 괄호내는 도 1에 나타낸 금속셸(9)의 구체적인 수치예이다}.
K1：25∼30㎜(29.6㎜)
K2：13∼17㎜(16.8㎜)
K3：12.5∼13.0㎜(12.8㎜)
K4：8.8∼9.2㎜(9㎜)
K5：3.6∼4㎜(3.8㎜)
K6：1∼2.5㎜(2㎜)
K7：0.5∼1.5㎜(1㎜)
K8：12∼14㎜(13.9㎜)
K9：7∼10㎜(9.6㎜)
K10：7.5∼10.5㎜(10㎜)
K11：20.6∼23.6㎜(23.1㎜)
K12：6∼7㎜(6.5㎜)
K13：21.8∼22.2㎜(22㎜)
K14：예를 들면, M18정도
K15：9.3∼11.2㎜(9.5㎜)
K16：7.3∼7.7㎜(7.5㎜)
K17：16.3∼16.7㎜(16.5㎜)
K18：11.4∼11.8㎜(11.6㎜)
K19：15.8∼16.2㎜(16㎜)
또, 도 1에 있어서, 산소센서(1)의 전체 길이(L1)는 약 84㎜이다. 또, 금속셸(9)에 있어서의 개스킷(G)의 받이면(9d)에서 프로텍터(11)의 선단면까지의 길이(L2)는 약 29㎜이다.
이하, 산소센서(1)의 작동에 대하여 설명한다.
상기 산소센서(1)에 있어서는, 상술한 바와 같이 외측통부재(54)의 필터(53)를 통하여 기준 가스로서의 대기가 도입되는 한편, 산소검출소자(2)의 외면에는 프로텍터(11)의 가스투과구멍(12)을 통하여 도입된 배기가스가 접촉되며, 이 산소검출소자(2)에는 그 내외면의 산소농도차에 따라서 산소농담(濃淡) 전지기전력이 발생한다. 그리고, 이 산소농담 전지기전력을 배기가스내의 산소농도의 검출신호로서 전극층(2b,2c)에서 리드선(21,20)을 통하여 도출함으로써 배기가스내의 산소농도를 검출할 수 있다.
여기서, 프로텍터(11)와 금속셸(9)의 프로텍터 장착부(9a) 사이에는 상기한 코킹·용접구조부(150)가 형성되어 있다. 즉, 프로텍터(11)와 프로텍터 장착부 (9a)의 중첩부에 코킹부(81)를 미리 형성하여 양자의 밀착을 높인 상태에서, 이 코킹부(81)의 전 둘레에 걸쳐서 용접부(83)를 형성하여 접합하는 구조로 하고 있기 때문에, 용접부(83)에 있어서의 결함발생이 효과적으로 방지되고 접합의 기밀성이 높아진다. 예를 들면, 산소센서(1)가 저온으로 되었을 때에 응결된 물방울이 프로텍터의 외면에 부착되는 경우가 있다. 이 경우, 금속셸(9)과 프로텍터(11)를 접합하는 용접부(83)에 결함이 있으면, 이 결함부를 통하여 응결된 물방울이 침입하여 검출부를 적시거나 혹은 녹등의 오염물이 부착되는 경우가 있다. 그러나, 금속셸(9)과 프로텍터(11)의 접합구조가 상기 코킹·용접구조부(150)로 되어 있으므로, 이와 같은 물방울이나 오염물이 침입하는 등의 문제점을 효과적으로 방지할 수 있다.
또, 종래와 같이 틈새끼움 혹은 압입에 의하여 프로텍터(11)와 프로텍터 장착부(9a)를 끼워맞추고, 이 상태에서 용접부를 형성하는 경우에는, 프로텍터(11)와 프로텍터 장착부(9a)와의 치수관리, 특히 프로텍터(11)의 내경과 프로텍터 장착부 (9a)의 외경의 차이에 대한 치수관리를 매우 엄격하게 하지 않으면 양호한 용접접합상태가 얻어지지 않았다. 그러나, 상기한 구성에서는 끼워맞춤의 단계에서 다소 지름의 차이가 생기더라도 코킹부(81)의 형성에 의해서 밀착상태를 확보할 수 있기 때문에, 상기한 바와 같은 엄격한 치수관리가 불필요하게 된다. 이 결과, 센서의 제조능률 및 제조수율이 향상된다.
또한, 프로텍터(11)의 트인구멍 기단부에 미리 둘레방향으로의 축경부(縮徑部)를, 예를 들면 프레스 가공등에 의하여 띠형상으로 형성해 두고, 이 상태에서 상기 축경부에 금속셸(9)측의 프로텍터 장착부(9a)를 압입하고서 상기 축경부에 용접부를 형성함으로써 양자를 접합하여도 된다. 상기 축경부에 프로텍터 장착부 (9a)를 압입함으로써 프로텍터(11)의 트인구멍측이 나팔형상으로 확대되기 어렵게 되기 때문에, 상기한 바와 마찬가지로 용접부에 대한 결함발생률을 감소시킬 수 있다. 이 경우, 프로텍터 장착부(9a)측에는 명료한 오목부(82)가 형성되지 않는 형태가 된다.
도 1의 산소센서(1)에 있어서는 외측·내측통부재 연결코킹부(75)에도 환형상의 용접부(92)를 형성하여 코킹·용접구조부(151)를 형성할 수 있다. 따라서, 내측통부재(14)와 외측통부재(54)간의 기밀성을 더 높이는 것이 가능하게 된다. 또한, 외측·내측통부재 연결코킹부(75)에 대응하여 내측통부재(14)에는 환형상의 오목부(91)가 형성되어 있다.
도 10은 산소센서의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 이 산소센서(200)에서는 외측통부재(54)의 트인구멍부에 끼워넣어진 그로밋은 트인구멍부측에 위치하는 제 1 그로밋(17b)(예를 들면, 불소고무로 구성된다)과 제 2 그로밋(17a)(예를 들면 실리콘고무로 구성된다)으로 구성되어 있다. 또, 기준 가스로서의 대기는 리드선 (20,21)의 심선(芯線)(20b,21b)과 이것을 덮는 수지성의 외피부 사이의 틈새를 통하여 내측통부재(14)의 내측으로 도입되도록 되어 있으며, 도 1의 필터(53)에 상당하는 것은 설치되어 있지 않다. 또, 단자부재(23)에는 내부전극 접속부(26) 양측에 발열체 파지부(27,28)가 형성되어 있다. 또, 도면부호 25a, 35a는 인출선부 (25,35)를 덮는 절연관이다. 이것 이외의 구성에 대해서는 도 1의 산소센서(1) 내지 코킹·용접구조부(150)와 대략 일치하므로, 대응하는 부분에 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 여기서, 도 10은 도 1과 마찬가지로 동일한 축척에 의하여 산소센서(200)을 나타내고 있다. 그리고, L1은 약 92㎜이고 L2는 약 29㎜이다.
여기서, 금속셸(9)의 후단측에서 돌출된 내측통부재 연결부(9f)의 외측을 덮는 위치까지 외측통부재(54)를 연장시키고, 이곳에 코킹부(93){내측통부재 연결부 (9f)측에는 오목부(94)가 형성되어 있다}와 용접부(95)로 이루어지는 코킹·용접구조부(152)를 형성할 수도 있다.
또한, 이상 설명한 본 발명에 관한 센서의 구조는, 산소센서 이외의 가스센서, 예를 들면 HC센서나 NOX센서 등에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 가스센서의 구조 및 그 제조방법에 의하면, 검출소자를 덮는 케이싱에 있어서, 축선방향으로 중첩부가 형성되는 형태로 배치되는 2개의 통형상부 중 외측부재에 둘레방향으로의 소경부를 형성하고 또 이 소경부에 둘레방향으로의 용접부를 형성하여 내측부재와 접합하도록 하였다. 이러한 소경부의 형성에 의해서 용접부의 형성위치에 있어서의 외측부재와 내측부재 사이의 틈새량이 감소하여 밀착성이 높아지기 때문에 용접불량이 쉽게 발생하지 않게 된다. 이 결과, 통형상부에 대한 치수관리, 특히 외측부재의 내경과 내측부재의 외경의 차이에 대한 치수관리를 매우 엄격하게 하지 않고도 양호한 용접접합상태를 얻을 수 있게 되며, 나아가서는 가스센서에 대한 제조능률 및 제조수율의 향상이 달성된다.

Claims (11)

  1. 선단부에 검출부가 형성되며 측정대상이 되는 가스(피측정가스)내의 피검출성분을 검출하는 검출소자와, 상기 검출부로의 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출소자의 외측을 덮는 통형상의 케이싱을 구비하고,
    상기 케이싱은 축선방향으로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 통형상부를 포함하여 구성되고,
    상기 2개의 통형상부는 대응하는 단부에 있어서 일측의 통형상부(내측부재)가 타측의 통형상부(외측부재)의 내측에 위치하는 형태로 중첩부가 형성되도록 배치되어 있으며,
    상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재에는 그 축선방향 중간에 둘레방향으로의 소경부가 형성됨과 아울러, 상기 소경부에 형성된 둘레방향으로의 용접부에 의해서 상기 외측부재와 내측부재가 기밀상태로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 소경부는 상기 외측부재의 둘레방향을 따라서 소정 폭의 띠형상으로 형성되고,
    상기 용접부는 상기 띠형상 소경부의 폭방향 중간에 있어서 이 소경부보다도 폭이 좁은 환형상 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 용접부는 레이저 용접에 의해서 형성된 것임을 특징으로 하는 가스센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 소경부는 상기 외측부재와 상기 내측부재간에 상기 중첩부를 형성한 상태에서 상기 외측부재를 상기 내측부재를 향하여 둘레방향으로 코킹함에 의해서 형성된 코킹부인 것을 특징으로 하는 가스센서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 내측부재에는 상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재의 소경부에 대응하는 위치에 둘레방향으로의 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 내측부재는 상기 검출부를 일측의 단부측에서 돌출시킨 상태로 상기 검출소자를 덮는 금속셸이고,
    상기 외측부재는 상기 금속셸의 상기 검출부가 돌출되는 측의 트인구멍단부에 결합됨과 아울러, 상기 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출부를 덮는 프로텍터인 것을 특징으로 하는 가스센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 검출부를 일측의 단부측에서 돌출시킨 상태로 상기 검출소자를 덮는 금속셸이 설치되며,
    상기 내측부재는 상기 금속셸에 대하여 상기 검출부의 돌출측과는 반대의 트인구멍단부에 일단부가 결합되며, 상기 금속셸에서 후방으로 연장되는 상기 검출소자를 덮는 내측통부재이고,
    상기 외측부재는 후방측의 트인구멍부에 있어서 상기 검출소자에서의 리드선을 도출시킨 형태로 상기 내측통부재의 후단부 외측에 결합되는 외측통부재인 것을 특징으로 하는 가스센서.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 검출소자가 봉형상의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 검출소자가 통형상의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  10. 선단부에 검출부가 형성되며 측정대상이 되는 가스(피측정가스)내의 피검출성분을 검출하는 봉형상 또는 통형상의 형태를 이루는 검출소자와, 상기 검출부로의 피측정가스의 유통을 허용한 상태로 상기 검출소자의 외측을 덮는 통형상의 케이싱을 구비한 가스센서의 제조방법으로서,
    상기 케이싱은 축선방향으로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 통형상부를 포함하여 구성되는 것으로 이루어지며,
    상기 2개의 통형상부를 대응하는 단부에 있어서 일측의 통형상부(내측부재)가 타측의 통형상부(외측부재)의 내측에 위치하는 형태로 중첩부가 형성되도록 배치함과 아울러, 상기 중첩부에 있어서 상기 외측부재의 축선방향 중간에 둘레방향으로의 소경부를 형성한 상태로 하고, 상기 소경부에 둘레방향으로의 용접부를 더 형성하여 상기 외측부재와 내측부재를 상기 용접부에 의해서 기밀상태로 접합하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 외측부재와 상기 내측부재간에 상기 중첩부를 형성한 상태에서 상기 외측부재를 상기 내측부재를 향하여 둘레방향으로 코킹함에 의해서 상기 소경부로서의 코킹부를 형성하고, 상기 코킹부에 대하여 상기 둘레방향으로의 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법.
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