特開 2024-70315 ガスセンサ及びガスセンサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070315

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】ガスセンサ及びガスセンサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/409 20060101AFI20240516BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20240516BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20240516BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20240516BHJP

【ＦＩ】

G01N27/409 100

G01N27/41 325H

G01N27/419 327H

G01N27/416 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022180711

(22)【出願日】2022-11-11

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】牧野 美好

(72)【発明者】

【氏名】田畑 俊輔

(72)【発明者】

【氏名】山口 明彦

【テーマコード（参考）】

2G004

【Ｆターム（参考）】

2G004BB04

2G004BC02

2G004BF19

2G004BF20

2G004BF27

2G004BJ03

2G004BM07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】内筒と筒状部位とを溶接するときに発生する異物が連結箇所に存在すると、外筒とハウジングとの連結を干渉、接触不良、異物に起因するガス発生、振動による損傷が生じる可能性がある。
【解決手段】ガスセンサ１０及び該ガスセンサ１０の製造方法では、ハウジング３６の筒状部位４４の先端に位置する嵌合部位４８が内筒３８の先端部５８に圧入される。ハウジング３６内には、センサ素子１２が収容される。内筒３８と嵌合部位４８とは、外筒４０で覆われる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筒状部位を有するハウジングと、
前記筒状部位の先端に位置する嵌合部位が圧入される先端部を有する内筒と、
前記内筒と前記嵌合部位とを覆う外筒と、
前記ハウジング内に収容されたセンサ素子と、
を備える、ガスセンサ。

【請求項2】

請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とは、レーザ溶接によって接合されている、ガスセンサ。

【請求項3】

請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記先端部に圧入されていない状態における前記嵌合部位の外径をＬ１、前記嵌合部位が圧入されていない状態における前記先端部の内径をＬ２としたとき、０．０５ｍｍ≦（Ｌ１－Ｌ２）≦０．２５ｍｍである、ガスセンサ。

【請求項4】

請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記筒状部位の軸線方向における前記嵌合部位の寸法は、前記軸線方向における前記ハウジングの全長の８．０％～２０．０％である、ガスセンサ。

【請求項5】

ハウジングの筒状部位の先端に位置する嵌合部位を内筒の先端部に圧入する工程と、
前記ハウジング内にセンサ素子を収容する工程と、
前記内筒と前記嵌合部位とを外筒で覆う工程と、
を有する、ガスセンサの製造方法。

【請求項6】

請求項５記載のガスセンサの製造方法において、
前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とをレーザ溶接によって接合する工程をさらに有する、ガスセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサ及びガスセンサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ガスセンサが開示されている。ガスセンサは、ハウジング、内筒、外筒及びセンサ素子を備える。ハウジングは、筒状部位を有する。ハウジングには、センサ素子が収容されている。内筒は、溶接によって、筒状部位に連結される。外筒は、内筒と、内筒及び筒状部位の連結箇所とを覆うように、ハウジングに連結される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－２０９１０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

内筒と筒状部位とを溶接するときに、スパッタ等の異物が発生する可能性がある。このような異物が内筒及び筒状部位の連結箇所に存在すると、外筒とハウジングとの連結を干渉する可能性がある。また、異物が残った状態でガスセンサを製造すると、センサ素子の電極部と、該電極部に接触するコンタクトとの間に異物が付着し、接触不良を起こす可能性がある。さらに、ガスセンサの内部に異物が残った状態でガスセンサが加熱されると、異物に起因するガスがガスセンサの内部に発生する可能性がある。さらにまた、ガスセンサの内部に異物が残った状態でガスセンサに振動が加わると、異物との衝突によって、センサ素子等のガスセンサの構成部品が損傷する可能性がある。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様を以下に例示する。
［項目１］
筒状部位を有するハウジングと、前記筒状部位の先端に位置する嵌合部位が圧入される先端部を有する内筒と、前記内筒と前記嵌合部位とを覆う外筒と、前記ハウジング内に収容されたセンサ素子と、を備える、ガスセンサ。
［項目２］
項目１に記載のガスセンサにおいて、前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とは、レーザ溶接によって接合されている、ガスセンサ。
［項目３］
項目１又は２に記載のガスセンサにおいて、前記先端部に圧入されていない状態における前記嵌合部位の外径をＬ１、前記嵌合部位が圧入されていない状態における前記先端部の内径をＬ２としたとき、０．０５ｍｍ≦（Ｌ１－Ｌ２）≦０．２５ｍｍである、ガスセンサ。
［項目４］
項目１～３のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、前記筒状部位の軸線方向における前記嵌合部位の寸法は、前記軸線方向における前記ハウジングの全長の８．０％～２０．０％である、ガスセンサ。
［項目５］
ハウジングの筒状部位の先端に位置する嵌合部位を内筒の先端部に圧入する工程と、前記ハウジング内にセンサ素子を収容する工程と、前記内筒と前記嵌合部位とを外筒で覆う工程と、を有する、ガスセンサの製造方法。
［項目６］
項目５に記載のガスセンサの製造方法において、前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とをレーザ溶接によって接合する工程をさらに有する、ガスセンサの製造方法。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、圧入によって内筒の先端部とハウジングの筒状部位とを嵌合するので、スパッタ等の異物が発生することを防止することができる。これにより、溶接による接合工数を低減することができると共に、外筒とハウジングとを良好に連結することができる。また、ガスセンサを製造するときに、センサの内部に異物が残ることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、ガスセンサの断面図である。

【図2】図２Ａ及び図２Ｂは、ガスセンサの製造方法を示す断面図である。

【図3】図３Ａ及び図３Ｂは、ガスセンサの製造方法を示す断面図である。

【図4】図４Ａ及び図４Ｂは、ガスセンサの製造方法を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、本実施形態に係るガスセンサ１０の断面図である。ガスセンサ１０は、被測定ガス中の所定のガス成分を測定するためのセンサである。ガスセンサ１０は、例えば、車両の排気管１１等の配管に取り付けられる。車両の動作中、排気管１１には、排気ガスが流れる。ガスセンサ１０は、被測定ガスである排気ガスに含まれるＮＯｘ、Ｏ_２等のガス成分を測定する。ガスセンサ１０は、センサ素子１２と、保護カバー１４と、センサ組立体１６とを備える。

【0010】

センサ素子１２の形状は、長尺な平板状である。以下の説明では、センサ素子１２の長手方向（図１の上下方向）を前後方向とする。また、センサ素子１２の厚み方向（図１の左右方向）を上下方向とする。さらに、センサ素子１２の幅方向（上下方向及び前後方向に垂直な方向）を左右方向とする。また、以下の説明では、センサ素子１２等の前端部を先端部と呼称する場合がある。さらに、センサ素子１２等の後端部を基端部と呼称する場合がある。

【0011】

センサ素子１２は、複数のセラミックス基板（不図示）を積層して形成される。セラミックス基板は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる。

【0012】

センサ素子１２の表面１８には、複数の電極部（不図示）が設けられる。具体的には、センサ素子１２の表面１８のうち、上面２０において、センサ素子１２の基端部２２の箇所には、複数の電極部が形成されている。また、センサ素子１２の表面１８のうち、底面２４において、センサ素子１２の基端部２２の箇所には、複数の電極部が形成されている。

【0013】

保護カバー１４は、第１保護カバー２６と第２保護カバー２８とを有する。第１保護カバー２６及び第２保護カバー２８は、金属製である。第１保護カバー２６及び第２保護カバー２８の材料は、例えば、ステンレス鋼である。

【0014】

第１保護カバー２６は、筒状の部材である。第１保護カバー２６は、センサ素子１２の先端部３０を覆う。第２保護カバー２８は、有底筒状の部材である。第２保護カバー２８は、第１保護カバー２６の外側で、第１保護カバー２６とセンサ素子１２の先端部３０とを覆う。すなわち、第１保護カバー２６は、センサ素子１２の先端部３０に対する内側の保護カバーである。第２保護カバー２８は、センサ素子１２の先端部３０に対する外側の保護カバーである。

【0015】

第１保護カバー２６の先端には、第１保護カバー孔３２が形成されている。第２保護カバー２８の側壁には、複数の第２保護カバー孔３４が形成されている。被測定ガスは、第２保護カバー孔３４と第１保護カバー孔３２とを介して、センサ素子１２の先端部３０が収容される内部空間に流れ込む。センサ素子１２は、内部空間に流れ込んだ被測定ガスに含まれる所定のガス成分を測定する。

【0016】

センサ組立体１６は、ハウジング３６と、内筒３８と、外筒４０と、コネクタ４２とを有する。

【0017】

ハウジング３６は、金属製の筒状部材である。具体的には、ハウジング３６は、前後方向に延びる筒状部位４４を有する。ハウジング３６の基端部４６である筒状部位４４の先端には、段差部としての嵌合部位４８が形成されている。

【0018】

センサ素子１２は、ハウジング３６の内方を挿通している。センサ素子１２の先端部３０は、ハウジング３６の先端部５０から前方に突出している。センサ素子１２の基端部２２は、ハウジング３６の基端部４６（嵌合部位４８）から後方に突出している。

【0019】

第１保護カバー２６は、圧入等によって、ハウジング３６の先端部５０の外側に固定されている。第２保護カバー２８は、溶接によって、第１保護カバー２６を覆うように、ハウジング３６の先端部５０の外側に固定されている。

【0020】

筒状部位４４の外周面には、スクリューナット５２が設けられている。スクリューナット５２の外周面には雄ネジ部が形成されている。排気管１１に形成された孔には、筒状の固定用部材５３が取り付けられている。固定用部材５３の内側には、雌ネジ部が形成されている。スクリューナット５２の雄ネジ部と、固定用部材５３の雌ネジ部とが螺合することにより、ガスセンサ１０を排気管１１に取り付けることができる。

【0021】

内筒３８は、筒状の金属製の部材である。具体的には、内筒３８は、本体部５４と、連結部５６と、先端部５８とを有する。本体部５４は、前後方向に延びる筒状部である。連結部５６は、本体部５４の前端に連結された円環部である。連結部５６は、本体部５４の前端から内筒３８の径方向外側に突出している。先端部５８は、連結部５６の外縁に連結された筒状部である。先端部５８は、連結部５６の外縁から前方に延びている。

【0022】

内筒３８の先端部５８は、ハウジング３６の嵌合部位４８が圧入されることで、ハウジング３６の基端部４６に固定される。これにより、ハウジング３６と内筒３８とは、同軸に連結される。

【0023】

図２Ａに示すように、内筒３８の先端部５８に圧入されていない状態における嵌合部位４８の外径をＬ１とする。また、嵌合部位４８が圧入されていない状態における内筒３８の先端部５８の内径をＬ２とする。この場合、嵌合部位４８の外径Ｌ１は、内筒３８の先端部５８の内径Ｌ２よりも大きい（Ｌ１＞Ｌ２）。詳しくは、０．０５ｍｍ≦（Ｌ１－Ｌ２）≦０．２５ｍｍであることが望ましい。これにより、内筒３８の先端部５８にハウジング３６の嵌合部位４８を良好に圧入することができる（図２Ｂ参照）。この結果、先端部５８と嵌合部位４８とを良好に嵌合させることができる。

【0024】

また、筒状部位４４の軸線方向である前後方向における嵌合部位４８の寸法をＬ３とする。前後方向におけるハウジング３６の全長をＬ４とする。この場合、嵌合部位４８の寸法Ｌ３は、ハウジング３６の全長Ｌ４の８．０％～２０．０％であることが望ましい（０．０８０≦Ｌ３／Ｌ４≦０．２００）。これにより、先端部５８と嵌合部位４８との嵌合状態を良好に維持することができる。

【0025】

図１に示すように、ハウジング３６及び内筒３８の内側には、３つのセラミックスサポータ６０が前後方向に間隔を隔てて配されている。センサ素子１２は、３つのセラミックスサポータ６０及び内筒３８を貫通して、ハウジング３６を挿通している。

【0026】

各セラミックスサポータ６０の間には、タルク等のセラミックス粉体６２が充填されている。内筒３８の基端部の内側には、セラミックスサポータ６０と隣接するように、メタルリンク６４が配されている。セラミックス粉体６２は、メタルリンク６４と、ハウジング３６の内壁と、内筒３８の内壁と、３つのセラミックスサポータ６０とによって、封止されている。

【0027】

外筒４０は、筒状の金属製の部材である。外筒４０の基端部には、開口端６６が形成されている。外筒４０は、コネクタ４２と、センサ素子１２の一部と、内筒３８と、嵌合部位４８と、筒状部位４４の一部とを覆っている。外筒４０は、ハウジング３６及び内筒３８と同軸に配されている。嵌合部位４８と、内筒３８の先端部５８と、外筒４０とは、溶接によって接合されている。詳しくは、嵌合部位４８と、内筒３８の先端部５８と、外筒４０とは、レーザ溶接によって接合されている。従って、外筒４０は、レーザ溶接によって、ハウジング３６の筒状部位４４に固定される。

【0028】

コネクタ４２は、複数のコンタクト６８と、一対のハウジング７０と、クランプ７２とを有する。一対のハウジング７０の各々は、前後方向に延びている。一対のハウジング７０は、センサ素子１２を挟む。ハウジング７０は、アルミナ焼結体等のセラミックス製のハウジングである。複数のコンタクト６８は、前後方向に延びる金属製の部材である。複数のコンタクト６８は、センサ素子１２と一対のハウジング７０との間に配されている。複数のコンタクト６８は、複数の電極部に接触する。クランプ７２は、一対のハウジング７０を挟持する金属製の部材である。

【0029】

複数のコンタクト６８は、複数の電極部に接触することで、複数の電極部と電気的に接続される。複数のコンタクト６８には、複数のリード線７４が接続されている。複数のリード線７４は、複数のコンタクト６８を介して、複数の電極部と導通している。これにより、外部からリード線７４及びコネクタ４２を介してセンサ素子１２に電圧を印加することができる。また、ガス成分の濃度に応じた起電力又は電流をセンサ素子１２が生成したときに、起電力又は電力をコネクタ４２及びリード線７４を介して外部に出力することができる。

【0030】

複数のリード線７４は、外筒４０の開口端６６から外部に引き出されている。外筒４０と複数のリード線７４との隙間は、ゴム栓７６によって封止されている。

【0031】

本実施形態に係るガスセンサ１０は、下記のようにして製造される。

【0032】

先ず、ハウジング３６と内筒３８とを連結する。具体的には、図２Ａに示すように、ハウジング３６の嵌合部位４８と、内筒３８の先端部５８とを向かい合わせる。次に、ハウジング３６の嵌合部位４８を内筒３８の先端部５８に圧入する。上記のように、Ｌ１＞Ｌ２、且つ、０．０５ｍｍ≦（Ｌ１－Ｌ２）≦０．２５ｍｍである。これにより、図２Ｂに示すように、内筒３８の先端部５８にハウジング３６の嵌合部位４８を良好に圧入することができる。この結果、先端部５８と嵌合部位４８とを良好に嵌合させることができる。また、嵌合部位４８の寸法Ｌ３がハウジング３６の全長Ｌ４の８．０％～２０．０％の範囲内であるため、先端部５８と嵌合部位４８との嵌合状態を良好に維持することができる。

【0033】

次に、図３Ａに示すように、ハウジング３６及び内筒３８の内側に、セラミックスサポータ６０及びセラミックス粉体６２を充填する。次に、内筒３８の内側にメタルリンク６４を配することで、セラミックス粉体６２を封止する。

【0034】

次に、センサ素子１２をセラミックスサポータ６０及びセラミックス粉体６２に貫通させることで、ハウジング３６及び内筒３８の内側にセンサ素子１２を収容する。これにより、センサ素子１２の基端部２２が内筒３８の基端部から後方に突出すると共に、センサ素子１２の先端部３０がハウジング３６の先端部５０から前方に突出する。

【0035】

次に、ハウジング３６に第１保護カバー２６（図１参照）を取り付ける。その後、ハウジング３６に第２保護カバー２８を取り付ける。

【0036】

次に、図３Ｂに示すように、筒状部位４４にスクリューナット５２を取り付ける。次に、内筒３８と嵌合部位４８とを外筒４０で覆う。具体的には、内筒３８の基端部と、外筒４０の先端部とを向かい合わせる。次に、図４Ａに示すように、外筒４０をハウジング３６の筒状部位４４に嵌め込む。これにより、センサ素子１２の一部と、内筒３８と、嵌合部位４８と、筒状部位４４の一部とが外筒４０で覆われる。

【0037】

次に、図４Ｂに示すように、ハウジング３６の嵌合部位４８と、内筒３８の先端部５８と、外筒４０とを、レーザ溶接によって接合する。具体的には、レーザ照射部７８から外筒４０の外周面にレーザ光８０を照射する。より詳しくは、外筒４０のうち、嵌合部位４８及び先端部５８と向かい合っている箇所に、レーザ光８０を照射する。これにより、ハウジング３６と内筒３８と外筒４０とが接合され、外筒４０がハウジング３６に固定される。

【0038】

次に、複数のリード線７４（図１参照）をゴム栓７６の貫通孔に通す。次に、コンタクト６８とリード線７４とを電気的に導通させる。

【0039】

次に、２つのハウジング７０の各々に複数のコンタクト６８を配置する。

【0040】

次に、センサ素子１２の基端部２２を２つのハウジング７０で挟み込む。これにより、複数のコンタクト６８が複数の電極部と接触可能になる。

【0041】

次に、クランプ７２によって２つのハウジング７０を挟持する。これにより、センサ素子１２が複数のコンタクト６８を押圧するので、複数のコンタクト６８は、ハウジング７０に押圧される。この結果、センサ素子１２の複数の電極部は、複数のコンタクト６８を介してリード線７４と導通する。

【0042】

次に、ゴム栓７６を開口端６６から外筒４０内に挿入し、外筒４０とゴム栓７６とをカシメ加工によって縮径することで、ゴム栓７６を外筒４０に固定する。

【0043】

以上の工程によって、ガスセンサ１０が製造される。

【0044】

上記の実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。

【0045】

本発明の第１の態様は、筒状部位（４４）を有するハウジング（３６）と、前記筒状部位の先端に位置する嵌合部位（４８）が圧入される先端部（５８）を有する内筒（３８）と、前記内筒と前記嵌合部位とを覆う外筒（４０）と、前記ハウジング内に収容されたセンサ素子（１２）と、を備える、ガスセンサ（１０）である。

【0046】

本発明によれば、圧入によって内筒の先端部とハウジングの筒状部位とを嵌合するので、スパッタ等の異物が発生することを防止することができる。これにより、溶接による接合工数を低減することができると共に、外筒とハウジングとを良好に連結することができる。また、ガスセンサを製造するときに、センサの内部に異物が残ることを抑制することができる。

【0047】

本発明の第１の態様において、前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とは、レーザ溶接によって接合されてもよい。

【0048】

これにより、ハウジングと内筒と外筒とを良好に接合することができる。

【0049】

本発明の第１の態様において、前記先端部に圧入されていない状態における前記嵌合部位の外径をＬ１、前記嵌合部位が圧入されていない状態における前記先端部の内径をＬ２としたとき、０．０５ｍｍ≦（Ｌ１－Ｌ２）≦０．２５ｍｍであればよい。

【0050】

これにより、内筒の先端部にハウジングの嵌合部位を良好に圧入することができる。この結果、先端部と嵌合部位とを良好に嵌合することができる。

【0051】

本発明の第１の態様において、前記筒状部位の軸線方向における前記嵌合部位の寸法（Ｌ３）は、前記軸線方向における前記ハウジングの全長（Ｌ４）の８．０％～２０．０％であればよい。

【0052】

これにより、内筒の先端部とハウジングの嵌合部位との嵌合状態を良好に維持することができる。

【0053】

本発明の第２の態様は、ハウジングの筒状部位の先端に位置する嵌合部位を内筒の先端部に圧入する工程と、前記ハウジング内にセンサ素子を収容する工程と、前記内筒と前記嵌合部位とを外筒で覆う工程と、を有する、ガスセンサの製造方法である。

【0054】

本発明でも、圧入によって内筒の先端部とハウジングの筒状部位とを嵌合するので、スパッタ等の異物が発生することを防止することができる。これにより、溶接による接合工数を低減することができると共に、外筒とハウジングとを良好に連結することができる。また、ガスセンサを製造するときに、センサの内部に異物が残ることを抑制することができる。

【0055】

本発明の第２の態様において、前記ガスセンサの製造方法は、前記嵌合部位と前記先端部と前記外筒とをレーザ溶接によって接合する工程をさらに有してもよい。

【0056】

これにより、ハウジングと内筒と外筒とを良好に接合することができる。

【0057】

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0058】

１０…ガスセンサ
１２…センサ素子
３６…ハウジング
３８…内筒
４０…外筒
４４…筒状部位
４８…嵌合部位
５８…先端部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】