JP4707096B2 - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関の燃焼制御等に用いられるガスセンサに関する。

従来、内燃機関の排気系に設置し、排気ガス中の酸素濃度を検出して内燃機関の燃焼制御に利用されるガスセンサとして、酸素センサが知られている。この酸素センサには、先端側に検出部をもつ検出素子と、少なくとも検出部が先端側に露出するように検出素子を保持する筒状のハウジング本体とを有している。そして、ハウジングの先端部には、排ガス等が被測定ガスに晒される検出素子の検出部を保護するために、筒状の保護カバーが備えられている。

この筒状の保護カバーは、レーザ溶接によりハウジング本体の先端部外周に全周接合することが知られている（特許文献１、２、３参照）。これにより、ハウジング本体から保護カバーが脱落することなく、ハウジング本体に強固に固着することができる。

特開平９−２１０９５２号公報 特開平９−３０４３３２号公報 特開２００４−１３８５９９

ところで、ガスセンサの応答性向上のために、従来よりも保護カバー内の容量を小さくすることが考えられる。これは、保護カバー内の容量が小さくなることで保護カバー内の被測定ガスの置換性を向上させ、これによりガスセンサの応答性の向上を図っている。この保護カバー内の容量を小さくする１つの手段として、保護カバーに段部を設け、その先端側に、段部よりも後端側の径大部よりも径小となる径小部を設けることが挙げられる。これにより、径小部が従来よりも径小となるため、保護カバー内の容量を小さくすることができる。

しかしながら、径小部を有する保護カバーは、径小部がガスセンサから脱落する虞がある。これは、ガスセンサ使用時に、排気ガス等により加熱された保護カバーが悪路等からの振動の影響を受け、最も応力がかかる保護カバーの段部がこの応力に耐えることができなくなり、亀裂が発生するからである。

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みて成されたもので、ガスセンサの応答性を向上させ、且つ保護カバーの段部での亀裂を防止して、保護カバーが脱落することを防止することが可能なガスセンサを提供するものである。

本発明は、軸線方向に延び、先端側に検出部をもつ検出素子と、筒状をなして自身の内側に該検出素子を挿通し、少なくとも該検出部が先端側に露出するように該検出素子を保持するハウジング本体と、該検出部を覆うとともに、該ハウジング本体の先端部外周にレーザ溶接にて全周接合される接合部を有する外部に露出した筒状の外側カバーを有するガスセンサにおいて、
該外側カバーは、該接合部及びハウジング本体の先端よりも先端側に位置する径大部と、径大部よりも外径及び内径が径小となる径小部と、径大部と径小部との間に位置する段部とを含み、軸線を含む断面でみたとき、該外側カバーの段部の外面と軸線方向に垂直な方向とのなす角をθ（単位は°）とし、前記外側カバーの径小部と段部とが接続する円弧の曲率半径をＲ（単位はｍｍ）としたとき、
θ＞−３０Ｒ＋４５
であり、
前記外側カバーと前記検出素子との間に位置し、該検出素子を覆う筒状の内側カバーをさらに有し、前記外側カバーと前記内側カバーとがスポット溶接にて接合されてなることを特徴とする。

このように、外側カバーに、接合部及びハウジング本体の先端よりも先端側に位置する径大部に対して、先端側に向かって先細りとなる段部を設け、さらにその先端側に径大部よりも外径及び内径が径小となる径小部を設けている。これにより、相対的に外側カバー内の容量を小さくすることができ、外側カバー内の被測定ガスの置換性を向上させ、それによりガスセンサの応答性の向上を図ることができる。

そして、軸線を含む断面でみたとき、該外側カバーの段部の外面と軸線方向に垂直な方向とのなす角をθ（単位は°）とし、前記外側カバーの径小部と段部とが接続する円弧の曲率半径をＲ（単位はｍｍ）としたとき、θ＞−３０Ｒ＋４５としている。これを満たすことで、段部での亀裂を防止し、外側カバーの径小部での脱落を防止することができる。具体的には、外側カバーの径小部と段部とが接続する円弧の曲率半径Ｒが小さいと頂点となり、その頂点に最も応力がかかり、その頂点が起点となって亀裂が発生する。それに対し、円弧状とすることで起点が無くなり、円弧での応力を分散することができ、外側カバーの亀裂を防止できる。そして、この円弧は、段部の垂直方向に対する角度が大きくなるにつれて大きくすることで、円弧の応力を有効に分散することができる。なお、θ≦−３０Ｒ＋４５では、上記効果を得ることができず、段部で亀裂が生じることがある。

なお、径大部と径小部とを接続する段部は、先端側に向かって先細りとなるテーパ部であっても良いし、軸線方向に垂直な方向とのなす角θが０°となるように径大部と径小部に対して直角となる直角部であっても良い。
また、「外側カバーの段部の外面と軸線方向に垂直な方向のなす角」は、外側カバーの段部の外面が直線状となる部位を有する場合には、その直線と軸線方向に垂直な直線とのなす角とする。一方、径大部と段部とが円弧状、及び径小部と段部とが円弧状となっている場合は、外側カバーの段部にできる変曲点に対して互いの円弧に接する接線を引き、その接線と軸線方向に垂直な直線とのなす角とする。

さらに、軸線方向にみたときに前記段部は、前記ハウジングの先端と前記検出素子の先端との間に位置することが好ましい。ガスセンサ素子の検出部が配置された位置に対応する位置に段部を形成することで、外側カバー内の容量が小さくすることの効果をさらに得ることができ、有効にガスセンサの応答性が向上する。

ところで、ビッカース硬度２５０ＨＶ以上を有する外側カバーは、外部からの衝撃が外側カバーに加わったとしても、内部で覆われている検出素子がその衝撃の影響を受けずに保護される。ところが、このような外側カバーは、硬度が高いが故に応力を逃がすことが難しくなり、特に応力のかかりやすい段部にて亀裂が起こりやすくなる。そこで、このような硬度を有する外側カバーに本発明の段部の角度及び曲率半径を採用することで、段部での亀裂が防止でき、外側カバーの径小部での脱落を防止できる。なお、製造面から考えると、外側カバーのビッカース硬度は、４００ＨＶ以下が好ましい。

さらに、前記外側カバーと前記検出素子との間に位置し、該検出素子を覆う筒状の内側カバーを有し、前記外側カバーの厚みが前記内側カバーの厚みよりも厚いことが好ましい。素子の被水対策のために外側カバーの内部に検出素子を覆う内側カバーを有するガスセンサが知られている。この時、外側カバーの厚みを相対的に厚くすることで、外部からの衝撃をさらに外側カバーにて吸収することができる。一方、内側カバーは、相対的に薄くして、内側カバーの加工性を向上させている。

以下に、本発明を適用した実施形態であるガスセンサを図面と共に説明する。本実施形態では、自動車の排気管（特に触媒の下流側等）に装着されて排気ガス中の酸素の濃度を検出するガスセンサ（酸素センサ）について説明する。図１は、本実施形態のガスセンサ１の全体構成を示す断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、先端部が閉じた有底筒状をなすセンサ素子２、センサ素子２の有底孔２１に挿入されるセラミックヒータ３と、センサ素子２を自身の内側にて保持する主体金具４を備える。なお、本実施形態において、図１に示すセンサ素子２の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス（排気ガス）に晒される先端部に向かう側（閉じている側、図中の下側）を「先端側」とし、これと反対方向（図中上側）に向かう側を「後端側」として説明する。

このセンサ素子２は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなり、先端部に検出部２２を有している。この検出部２２のうち有底孔２１の内面に、そのほぼ全面を覆うようにＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層２３と、検出部２２の外面に、内部電極層２３と同様に多孔質状に形成された外部電極層２４を有している。また、このセンサ素子２の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部２５が設けられている。なお、本実施形態のセンサ素子２が特許請求の範囲の「検出素子」に相当する。一方、セラミックヒータ３は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部３１を備えている。このセラミックヒータ３は、後述するヒータ用リード線１９、２２を介して通電されることにより発熱部３１が発熱することになり、センサ素子２を活性化させるべく当該センサ素子２を加熱する機能を果たす。

主体金具４は、ガスセンサ１を排気管の取付部に取り付けるためのネジ部４１と、排気管の取付部への取り付け時に取付工具をあてがう工具係合部４２を有している。また、主体金具４は、センサ素子２を先端側から支持するアルミナ製の支持部材５と、支持部材５の後端側に充填される滑石粉末からなる充填部材６と、充填部材６を後端側から先端側に向けて押圧するアルミナ製のスリーブ７とを内部に収納可能に構成されている。なお、本実施形態の主体金具４が特許請求の範囲の「ハウジング本体」に相当する。

主体金具４には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部４３が設けられており、この金具側段部４３にパッキン８を介して支持部材５を係止させている。なお、センサ素子２は、係合フランジ部２５が支持部材５上にパッキン９を介して支持されることにより、主体金具４に支持される。支持部材５の後端側における主体金具４の内面とセンサ素子２の外面との間には、充填部材６が配設され、さらにこの充填部材６の後端側にスリーブ７および環状リング１０が順次同軸状に内挿された状態で配置される。そして、主体金具４の金具側後端部４４を内側先端方向に加締めることで、主体金具５に固定されている。なお、ガスセンサ１においては、主体金具４の金具側後端部４４を加締めることを通じて、充填部材６がスリーブ７を介して圧縮充填される構造になっており、これによりセンサ素子２が筒状の主体金具４の内側に気密状に保持されている。

また、主体金具４の後端側内側にはＳＵＳ３０４Ｌからなる外筒部材１１の先端部が接合されている。外筒部材１１は、軸線方向における略中間位置に外筒段付き部１１１が形成されており、外筒段付き部１１１よりも先端側が外筒先端側胴部１１２として形成され、外筒段付き部１１１よりも後端側が外筒後端側胴部１１３として形成される。このうち、外筒後端側胴部１１３には、後述する保持部材１７を保持するための第１加締め部１１４、及び後述する弾性シール部材１３を気密状に固定するための第２加締め部１１５が形成されている。

また、外筒部材１１の外筒後端側胴部１１３内に保持部材１７を介して配置されるセパレータ１２は、素子用リード線２０、２１と、ヒータ用リード線１９、２２とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔１２１が先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ１２には、先端面に開口する有底状の保持孔１２２が軸線方向に形成されている。この保持孔１２２内には、セラミックヒータ３の後端部が挿入され、セラミックヒータ３の後端面が保持孔１２２の底面に当接することでセパレータ１２に対するセラミックヒータ３の軸線方向の位置決めがなされる。このセパレータ１２は、周方向外側に延設されたセパレータフランジ部１２３を有している。

外筒部材１１の後端内部に配置される弾性シール部材１３は、センサ素子２に電気的に接続される２本の素子用リード線２０、２１と、セラミックヒータ３に電気的に接続される２本のヒータ用リード線１９、２２とを挿通するための４つのリード線挿通孔１３１が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。さらに、弾性シール部材１３の略中央には、先端側から後端側に向かって大気導入孔１３２が形成され、その大気導入孔１３２内部には、フィルタ１３３が配置されている。

また、素子用リード線２０、２１およびヒータ用リード線１９、２２は、セパレータ１２のセパレータリード線挿通孔１２１、弾性シール部材１３のリード線挿通孔１３１を通じて、外筒部材１１の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら４本のリード線１９、２０、２１、２２は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１９、２０、２１、２２とは電気信号の入出力が行われることになる。

また、各リード線１９、２０、２１、２２は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有しており、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線２０の導線の先端側は、センサ素子２の外面に対して外嵌される端子金具１４の後端部と加締められ、素子用リード線２０の導線の先端側は、センサ素子２の内面に対して圧入される端子金具１４の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線２０は、センサ素子２の外部電極層２３と電気的に接続され、素子用リード線２１は、内部電極層２４と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線１９、２２の導線の先端部は、セラミックヒータ３の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。

次に、本発明の主要部である外側カバー１５について詳細に説明する。
図２に示すように、主体金具４の先端部２６に外側カバー１５の接合部１５１が接合されている。この外側カバー１５は、オースナイト系ステンレス鋼からできており、主体金具４から突出するガスセンサ素子２の検出部２２の周囲を覆う有底筒状となっている。そして、外側カバー１５は、接合部１５１から先端側に向かって、径大部１５２、段部１５４、径小部１５３が順に形成されている。このうち径小部１５３には、ガスを外側カバー１５内に導入するためのガス導入孔１５５外側カバー１５の周方向に連設されている。このように、外側カバーに、接合部及びハウジング本体の先端よりも先端側に位置する径大部に対して、先端側に向かって先細りとなる段部を設け、さらにその先端側に径大部よりも外径及び内径が径小となる径小部を設けているので、外側カバー１５内の容量を小さくすることができ、外側カバー１５内の被測定ガスの置換性を向上させ、それによりガスセンサ１の応答性の向上を図ることができる。

そして、外側カバー１５の段部１５４は、外側カバー１５の段部１５４の外面ｆと軸線方向に垂直な方向（図２におけるｔ１）とのなす角θ１が３０°となっている。さらに、外側カバー１５の径小部１５３と段部１５４とが接続する円弧ｐ１の曲率半径Ｒが１ｍｍとなっている。この角度θ１及び曲率半径Ｒは、θ＞−３０Ｒ＋４５を満たしており、段部１５４での亀裂を防止し、外側カバー１５の径小部１５３が主体金具４から脱落を防止することができる。

さらに、外側カバー１５の段部１５４は、主体金具４の先端とセンサ素子２の先端との間に位置している。ガスセンサ素子２の検出部２２が配置された位置に対応する位置に段部１５４を形成することで、外側カバー１５内の容量が小さくすることの効果をさらに得ることができ、有効にガスセンサ１の応答性が向上する。

さらに、外側カバーはビッカース硬度が３５０ＨＶとなっている。外側カバー１５のビッカース硬度が２５０ＨＶ以上であるため、外部の衝撃が外側カバーに加わったとしても、内部で覆われている検出素子がその衝撃の影響を受けずに保護される。なお、このような外側カバーは、硬度が高いが故に応力を逃がすことが難しくなり、特に応力のかかりやすい段部にて亀裂が起こりやすくなるが、本発明の段部の角度（具体的にはθ＝３０°）及び曲率半径（具体的にはＲ＝１ｍｍ）を採用することで、段部での亀裂が防止でき、外側カバーの径小部での脱落を防止できている。

さらに、図１に示すように外側カバー１５の内部には、内側カバー１６が形成されている。この内側カバー１６も外側カバー１５と同様にガスセンサ素子２の検出部２２を覆う有底筒状であり、オースナイト系ステンレス鋼からできている。この内側カバー１６も、後端側から順に径大部１６１、段部１６３、径小部１６２が形成されており、径小部１６２には外側カバー１５と同様に気体導入孔１６４が周方向に連設されている。また、外側カバー１５には内側カバー１６の回り止めを防止する凹部（図示せず）が形成されており、この凹部が内側カバー１６の径大部１６１に当接している。さらに、径大部１６１は、外側カバー１５の径小部１５３に対して周囲４点のスポット溶接がなされることにより外側カバー１５に接合されている。

そして、本実施形態では、外側カバー１５の厚みが内側カバー１６の厚みよりも厚くなっている。具体的には、外側カバー１５の厚みが０．５ｍｍ、内側カバーの厚みが０．３ｍｍである。このように、外側カバーの厚みを相対的に厚くすることで、外部からの衝撃をさらに外側カバーにて吸収することができる。

次に、本実施形態のガスセンサ１の製造方法について詳細に説明する。まず、ジルコニアに、イットリアを５ｍｏｌ％添加して造粒した後、先端部が閉じた有底筒状に成形し、電気炉にて１４００〜１６００℃の温度で焼成し、固体電解質体２２を得た。次いで、この固体電解質体２２の外周面に蒸着や化学メッキ等を用いて、白金よりなる外側電極層２３を設ける。一方、固体電解質体２２の内側面にも同様に、蒸着や化学メッキ等を用いて、内側電極層２３を設け、ガスセンサ素子２を得た。

ついで、主体金具４の先端部２６に内側カバー１６が挿入された外側カバー１５の接合部１５１を外挿し、レーザ溶接にて全周溶接する。そしてこの主体金具４にパッキン８、支持部材５、パッキン９、ガスセンサ素子２、充填部材６、スリーブ７を順に挿入し、主体金具４の金具側後端部４４を加締めセンサ下部中間体を準備する。

一方、端子金具１４、１４にそれぞれ素子用リード線２０、２１を接合し、セラミックヒータ３のヒータ用端子金具にヒータ用リード線１９、２２を接合しておく。そして、端子金具１４の内側にセラミックヒータ３を位置させた状態で、各リード線１９、２０、２１、２２をセパレータ１２の各セパレータリード線挿通孔１２１に挿通する。ついで、各リード線１９、２０、２１、２２を外筒部材１１に挿入された弾性シール部材１３のリード線挿通孔１３１に挿通させた状態で、この弾性シール部材１３１の先端面がセパレータ１２の後端面に当接するまで移動させる。そして、セパレータ１２の先端から保持部材１７を挿入し、保持部材１７を固定するように外筒部材１１を加締め、第１加締め部１１４を形成する。このようにしてセンサ上部中間体を作製する。

そして、センサ上部中間体の外筒部材１１を主体金具４の後端側に挿入し、外筒部材１１と主体金具４との重なり部及び弾性シール部材１３をそれぞれ加締める。なお、弾性シール部材１３は第２加締め部１１５が形成される。なお、加締めは八方丸加締めにて行った。そして、上記重なり部をレーザ溶接することにより固定し、ガスセンサ１が完成する。

本発明の効果を確認するために、以下の各種試験を行った。
なお、試験では、主体金具４外側カバー１５及び内側カバー１６のみを用いて行っている。まず、ＳＵＳ３１０製の主体金具４を所定形状に作製し、ついで、主体金具４の先端部２６に内側カバー１６が挿入された外側カバー１５の接合部１５１を外挿し、レーザ溶接にて全周溶接した。なお、外側カバー１５は、ＳＵＳ３１０製であり、肉厚０．５ｍｍであり、さらに外側カバー１５の先端から主体金具４の先端までの長さが１６ｍｍである。一方、内側カバー１６はＳＵＳ３１０製であり、肉厚０．３ｍｍである。そして、外側カバー１５の段部１５４の角度θ１及び円弧ｐ１の曲率半径Ｒ１を表１に示すような値とした各種サンプルを作製した。

そして、各種サンプルを、例えば図３に示すような加熱衝撃装置２００に取り付けた。具体的に、このセンサ加熱衝撃装置２００は、台座２０１と、台座に取り付けられた振動部２０２、及び振動部２０２に取り付けられた主体金具取付部２０３からなり、台座２０１と振動部２０２とつなぐようにしてばね２０４が取り付けられている。このセンサ加熱衝撃装置２００の動きを簡単に説明すると、ばね２０４の伸縮により振動部２０２が振動（図３における上下方向）する。

次に、外側カバー１５の先端側からバーナー２０５を当てて、外側カバー１５の先端温度が１０００〜１１００℃となるように加熱した。その後、振幅幅５ｍｍ、周波数６．７Ｈｚ（４００ｒｐｍ）となるように振動部２０２を１５分間振動させた。その後、振動部２０２の振動及びバーナー２０５を止めて外側カバーが常温となるまで冷却する。以上の工程を１サイクルとし、これを３サイクル行った後に外側カバーの段部１５４が破壊しているか否かを見た。結果も表１に示す。なお、表１において、段部１５４で破壊したものを×、主体金具４と外側カバー１５との接合部１５１で破壊したもの、及び段部１５４及び接合部１５１での破壊が無かったものを○とする。

表１によると、角度θ１が１５°の場合、Ｒ１が０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍでは×であったが、１．５ｍｍ以上では○となった。また、角度θ１が３０°の場合、Ｒ１が０ｍｍ、０．５ｍｍでは×であったが、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ以上では○となった。角度θ１が４５°の場合、Ｒ１が０ｍｍでは×であったが、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ以上では○となった。また、角度θ１が６０°の場合、Ｒ１が０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ以上のすべてが○となった。つまり、角度θ１及び曲率半径Ｒ１がθ＞−３０Ｒ＋４５となることで、段部１５４での亀裂を防止し、外側カバー１５の径小部１５３が主体金具４から脱落を防止することができる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は実施形態に限定されることはなく、この発明の目的を達成することのできる範囲で、様々に設計変更することができる。
例えば、本実施形態では、有底筒状のガスセンサ素子２を用いたガスセンサ１を例としたが、これに限らず、板状のガスセンサ素子２を用いたガスセンサ１であってもよい。
また、本実施形態では、外側カバー１５及び内側カバー１６を用いた２重のカバーを用いていたが、これに限らず、外側カバー１５のみであっても良いし、内側カバー１６が２重以上（３重以上のカバー）となっていてもよい。

本実施形態のガスセンサ１の断面図である。 本実施形態のガスセンサ１の要部拡大断面図である。 実施例に用いるセンサ加熱衝撃装置２００の説明図である。

符号の説明

１・・・ガスセンサ
２・・・ガスセンサ素子
３・・・ヒータ
４・・・主体金具
１５・・・外側カバー
１６・・・内側カバー
１５１・・・接合部
１５２・・・径大部
１５３・・・径小部
１５４・・・段部
１５５・・・気体導入孔
２００・・・センサ加熱衝撃装置

Claims (4)

1. 軸線方向に延び、先端側に検出部をもつ検出素子と、
   筒状をなして自身の内側に該検出素子を挿通し、少なくとも該検出部が先端側に露出するように該検出素子を保持するハウジング本体と、
   該検出部を覆うとともに、該ハウジング本体の先端部外周にレーザ溶接にて全周接合される接合部を有する外部に露出した筒状の外側カバーを有するガスセンサにおいて、
   該外側カバーは、該接合部及びハウジング本体の先端よりも先端側に位置する径大部と、径大部よりも外径及び内径が径小となる径小部と、径大部と径小部との間に位置する段部とを含み、
   軸線を含む断面でみたとき、該外側カバーの段部の外面と軸線方向に垂直な方向とのなす角をθ（単位は°）とし、前記外側カバーの径小部と段部とが接続する円弧の曲率半径をＲ（単位はｍｍ）としたとき、
   θ＞−３０Ｒ＋４５
   であり、
   前記外側カバーと前記検出素子との間に位置し、該検出素子を覆う筒状の内側カバーをさらに有し、
   前記外側カバーと前記内側カバーとがスポット溶接にて接合されてなることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   軸線方向にみたときに前記段部は前記ハウジングの先端と前記検出素子の先端との間に位置することを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または２に記載のガスセンサにおいて、
   前記外側カバーの段部は、ビッカース硬度２５０ＨＶ以上であることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
   前記外側カバーの厚みが、前記内側カバーの厚みよりも厚いことを特徴とするガスセンサ。