(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通配置したハウジングと、該ハウジングの先端側に固定した素子カバーとを有するガスセンサであって、
上記素子カバーは、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項３において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを１４〜２２原子％添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ａｌを４〜８．５原子％添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記素子カバーは、基端側から先端側に向かって直径が変化する径変部を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項６において、上記径変部は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から４ｍｍ以下の位置に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
請求項７において、上記径変部は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から２ｍｍ以下の位置に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、上記素子カバーとしては、上記センサ素子に近い内側素子カバーと、該内側素子カバーの外側に配された外側素子カバーとがあり、上記内側素子カバー及び上記外側素子カバーには、それぞれ側方に貫通する横孔が設けてあり、少なくとも、上記内側素子カバーと上記外側素子カバーとのうち、上記ハウジングにより近い位置に上記横孔を有する素子カバーは、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】
請求項９において、上記ハウジングに最も近い上記横孔は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から４ｍｍ以下の位置に中心を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１０において、上記ハウジングに最も近い上記横孔は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から２ｍｍ以下の位置に中心を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通配置したハウジングと、該ハウジングの先端側に固定した素子カバーとを有するガスセンサであって、
上記素子カバーの熱膨張係数αと上記ハウジングの熱膨張係数βとは、０＜α−β≦２×１０-6／℃の関係を有し、上記熱膨張係数α及び上記熱膨張係数βは、２０〜８５０℃の温度範囲におけるそれぞれの平均熱膨張係数であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１２において、上記ハウジングは、フェライト系ステンレス鋼からなり、上記素子カバーは、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１３において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１３又は１４において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１６】
請求項１５において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを１４〜２２原子％添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか一項において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ａｌを４〜８．５原子％添加してなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項において、内燃機関の排ガスを浄化するための触媒よりも上流側における排気管内に配設されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項において、上記素子カバーと上記ハウジングとは、レーザー溶接又は抵抗溶接のいずれかにより固定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２０】
請求項１９において、上記素子カバーと上記ハウジングとは、全周にわたって溶接されていることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用エンジン等の内燃機関の燃焼制御等に用いることができるガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車エンジン等の内燃機関の排気系に設置され、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ９が知られている。
該ガスセンサ９は、図１３に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子９１０と、該センサ素子９１０を内側に挿通配置したハウジング９１１と、該ハウジング９１１の先端側に固定されると共に上記センサ素子９１０の先端側を保護する素子カバー９２とを有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
該素子カバー９２は、筒状の外側カバー９２１と筒状の内側カバー９２２とにより構成されており、ハウジング９１１の先端側に内側カバー９２２の基端側を嵌合すると共に、ハウジング９１１の先端側であって内側カバー９２２の更に外側において外側カバー９２１の基端側を嵌合することによりガスセンサ９に配設されている。
【０００４】
また、上記従来の素子カバー９２は、Ｎｉを主成分とし、これにＡｌを添加したＮｉ−Ａｌ合金材料からなり、該合金材料として、例えば、インコネル６０１（インコネル社の登録商標）があり、これは、Ｎｉが５７原子％、Ａｌが３原子％、Ｃｒが２６原子％含有されている。このようにＡｌを添加することにより、Ａｌの酸化被覆が形成され、素子カバー９２の耐熱性及び耐酸化性を向上させることができる。
【０００５】
ところが、ガスセンサ９の使用時には、素子カバー９２は高温雰囲気に曝され、特にその先端部の温度が高くなる。即ち、素子カバー９２は先端部へ行くほど高温となり、例えば、図１４に示すごとく、先端部の温度が９００℃、基端部の温度が６５０℃という温度分布を形成する。
そして、ＮｉとＡｌとは、５００〜８００℃の温度範囲において金属間化合物Ｎｉ3Ａｌを形成する。この金属間化合物Ｎｉ3Ａｌは、材料の硬度を増す作用がある。
また、８００℃を超えると金属間化合物Ｎｉ3Ａｌは分解する。
【０００６】
そのため、上記のような温度分布が素子カバー９２に形成されると、８００℃となる点を境にして、基端側の領域Ｗ、即ち６５０〜８００℃の領域には金属間化合物Ｎｉ3Ａｌが形成され、先端側の領域Ｓ、即ち８００〜９００℃の領域には金属間化合物Ｎｉ3Ａｌが形成されていない状態となる。
これにより、図１４に示すごとく、金属間化合物Ｎｉ3Ａｌが形成され易い領域Ｗと形成され難い領域Ｓとの境界には硬度に著しい差が生じる部位、即ち、硬度の変局部９９が形成される場合がある。
【０００７】
そして、近年、エンジンは、環境保全の観点から低燃費化、高出力化が進められており、排ガス温度は上昇傾向にある。そして、将来、ガスセンサ９が更なる高温雰囲気に曝されることにより、素子カバー９２は、例えば、図１５に示すごとく、その先端側の温度が１０００℃、基端側の温度が７５０℃という温度分布となる。このとき、図１５に示すごとく、領域Ｗと領域Ｓとの境界部、即ち、上記硬度の変局部９９は、従来よりも素子カバー９２のより基端側に移行している。その結果、排ガス圧や内燃機関の振動等の外力が素子カバー９２に作用した場合、上記硬度の変局部９９に大きな応力が集中して作用し、該変局部９９において素子カバー９２が破断してしまうおそれがある。
【０００８】
また、素子カバー９２自体の強度以外に、素子カバー９２とハウジング９１１との固定部（図１３〜図１５における符号９１２参照）における固定強度の確保も重要となってきている。即ち、特に、燃費向上やエミッション低減のためにフューエルカット制御等が行われると、熱容量が比較的小さい素子カバー９２の表面が、常温の空気により高温状態から急激に冷却されることがある。これに対して、熱容量が比較的大きいハウジング９１１は高温状態のままであるため、素子カバー９２との間で温度差が生じる。そして、これにより、上記固定部９１２に過大な熱応力が作用して亀裂が発生し、素子カバー９２が破断してしまうおそれがある。
その結果、素子カバー９２がガスセンサ９から脱落してしまうおそれがある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１８５６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐熱性及び耐酸化性に優れると共に破断が生じ難い素子カバーを有するガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通配置したハウジングと、該ハウジングの先端側に固定した素子カバーとを有するガスセンサであって、
上記素子カバーは、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。
【００１２】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記素子カバーは、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなる。即ち、本発明の上記素子カバーの主成分はＦｅであり、ＦｅとＡｌとの間では金属間化合物が形成されることがない。
【００１３】
そのため、上記素子カバーにおいて、硬度に著しい差が生じる部位、即ち、硬度の変局部が形成されることを防ぐことができる。その結果、上記素子カバーに排ガス圧や内燃機関の振動等の外力が作用した場合でも、特に上記素子カバーの基端側において応力が局所的に集中することを抑制して、上記素子カバーが破断することを防ぐことができる。また、上記素子カバーは、上記のごとく、Ａｌを添加してなるため、耐熱性及び耐酸化性に充分優れた素子カバーを有するガスセンサを作製することができる。
【００１４】
以上のごとく、本発明によれば、耐熱性及び耐酸化性に優れると共に破断が生じ難い素子カバーを有するガスセンサを提供することができる。
【００１５】
第２の発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通配置したハウジングと、該ハウジングの先端側に固定した素子カバーとを有するガスセンサであって、
上記素子カバーの熱膨張係数αと上記ハウジングの熱膨張係数βとは、０＜α−β≦２×１０-6／℃の関係を有し、上記熱膨張係数α及び上記熱膨張係数βは、２０〜８５０℃の温度範囲におけるそれぞれの平均熱膨張係数であることを特徴とするガスセンサにある（請求項１２）。
【００１６】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記素子カバーの熱膨張係数αと上記ハウジングの熱膨張係数βとは、０＜α−β≦２×１０-6／℃の関係を有する。これにより、ガスセンサから脱落し難い素子カバーを得ることができる。
即ち、例えば、フューエルカット制御が行われるときなど、高温状態のガスセンサに低温の空気が接触する場合がある。このとき、低温の空気が当たり易く、また、熱容量が比較的小さい素子カバーは、急激に冷却される。一方、低温の空気が当たり難く、また、熱容量が比較的大きいハウジングは、高温状態を維持する。それ故、このとき、素子カバーは急激に収縮するが、ハウジングは殆ど収縮しないという状態となる。
【００１７】
ところが、本発明においては、０＜α−β、即ち上記素子カバーの熱膨張係数αが上記ハウジングの熱膨張係数βよりも大きいため、高温状態において既に上記素子カバーの方が上記ハウジングよりも膨張した状態にある。それ故、この状態から素子カバーが収縮するため、ハウジングとの間の寸法ズレは小さく、熱応力を緩和することができる。
【００１８】
また、α−β≦２×１０-6／℃であるため、昇温時においても、上記素子カバーが上記ハウジングより膨張し過ぎることを防ぐことができる。それ故、昇温時において上記固定部に過大な熱応力が作用することを防ぐことができる。
以上より、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部に亀裂が発生して素子カバーが破断することを防ぐことができる。それ故、上記素子カバーがガスセンサから脱落することを防ぐことができる。
【００１９】
以上のごとく、本発明によれば、素子カバーが破断することを防ぎ、脱落し難い素子カバーを有するガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
第１の発明（請求項１）及び第２の発明（請求項１２）におけるガスセンサとして、例えば、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、Ａ／Ｆセンサ等がある。
また、本明細書においては、内燃機関の排気管内に設置する側を先端側、その反対側を基端側として説明する。
尚、第１の発明において、上記素子カバーの総重量に対するＦｅの含有量は、例えば、５０重量％以上である。
【００２１】
第１の発明において、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、ＮｉとＡｌとの金属間化合物であるＮｉ3Ａｌが形成されても、素子カバーの著しい硬度上昇を充分に防ぐことができる。そのため、特に上記素子カバーの基端側において、該金属間化合物Ｎｉ3Ａｌに起因する上記硬度の変局部が生じることを充分に抑制することができる。その結果、耐熱性及び耐酸化性に充分優れると共に、破断が生じ難い素子カバーを有するガスセンサを得ることができる。
【００２２】
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に添加してなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、耐熱性、耐酸化性及び加工性に優れた素子カバーを有するガスセンサを得ることができる。即ち、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料にＡｌを多く添加すると、素子カバーの加工性が低下してしまうおそれがあり、上記素子カバーの耐熱性及び耐酸化性を充分に確保し得るに足る量のＡｌを添加することが困難となるおそれがある。そこで、Ｃｒを添加することにより、上記素子カバーの耐熱性及び耐酸化性の向上をも図ることができる。
【００２３】
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを１４〜２２原子％添加してなることが好ましい（請求項４）。
この場合には、耐熱性、耐酸化性及び加工性に充分優れた素子カバーを有するガスセンサを得ることができる。
【００２４】
一方、Ｃｒの添加量が１４原子％未満である場合には、耐熱性及び耐酸化性に優れた素子カバーを有するガスセンサを得ることが困難となるおそれがある。
また、Ｃｒの添加量が２２原子％を超える場合には、素子カバーの加工性向上を図ることが困難となるおそれがある。
【００２５】
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ａｌを４〜８．５原子％添加してなることが好ましい（請求項５）。
この場合には、耐熱性、耐酸化性及び加工性に充分優れた素子カバーを有するガスセンサを得ることができる。
【００２６】
一方、Ａｌの添加量が４原子％未満である場合には、耐熱性及び耐酸化性に優れた素子カバーを得ることが困難となるおそれがある。
また、Ａｌの添加量が８．５原子％を超える場合には、素子カバーの加工性が低下するおそれがある。
【００２７】
また、第１の発明において、上記素子カバーは、基端側から先端側に向かって直径が変化する径変部を有することが好ましい（請求項６）。
この場合には、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。即ち、特に上記素子カバーが上記径変部を有する場合においては、該径変部において外力等に起因する応力が集中し易くなる。そのため、例えば、素子カバーを従来のＮｉ−Ａｌ合金材料により構成したとき、硬度の変局部が径変部と重なると、より一層該径変部において素子カバーが破断し易くなるおそれがある。従って、上記構成を有する素子カバーに本発明を適用すれば、上記径変部に応力が集中することを充分に抑制することができ、その結果、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００２８】
また、上記径変部は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から４ｍｍ以下の位置に形成されていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。基本的に材質や形状等が均一であれば、素子カバーの基端側に近いほど外力等に起因する応力が集中し易い。そして、上記固定部から４ｍｍ以下の部分は特に応力集中し易い部分となる。この部分に、上述のごとく、応力集中し易くなる径変部が配されると、特にこの径変部における応力集中が増すこととなる。それ故、径変部が固定部から４ｍｍ以下の位置に形成される場合においては、特に径変部に外力等に起因する応力が集中し易くなるため、本発明の構成を採用しないと、より一層径変部において素子カバーが破断し易くなるおそれがある。従って、上記構成を有する素子カバーに本発明を適用すれば、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００２９】
また、上記径変部は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から２ｍｍ以下の位置に形成されていることが好ましい（請求項８）。
この場合には、本発明の作用効果をより一層発揮することができる。即ち、径変部が固定部から２ｍｍ以下の位置に形成される場合は、より一層素子カバーの破断の要因となり易くなる。従って、上記構成を有する素子カバーに本発明を適用すれば、本発明の作用効果をより一層発揮することができる。
【００３０】
また、上記素子カバーとしては、上記センサ素子に近い内側素子カバーと、該内側素子カバーの外側に配された外側素子カバーとがあり、上記内側素子カバー及び上記外側素子カバーには、それぞれ側方に貫通する横孔が設けてあり、少なくとも、上記内側素子カバーと上記外側素子カバーとのうち、上記ハウジングにより近い位置に上記横孔を有する素子カバーは、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料からなることが好ましい（請求項９）。
【００３１】
この場合には、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。横孔が形成された部分は、どうしても構造的に強度が低下するが、この強度低下する部分が、素子カバーの固定部となるハウジングにより近い部分、即ち、より応力集中し易い部分に配されることにより、素子カバーの破断の要因となり易くなる。そこで、上記ハウジングにより近い位置に横孔を有する素子カバーを上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料によって構成することにより、素子カバーの破断を充分に防ぐことができる。
【００３２】
また、上記ハウジングに最も近い上記横孔は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から４ｍｍ以下の位置に中心を有することが好ましい（請求項１０）。
この場合には、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。即ち、上記横孔が上記固定部から４ｍｍ以下の位置に中心を有する場合は、上述のごとく、素子カバーの破断の要因となり易くなる。従って、上記構成を有する素子カバーに本発明を適用すれば、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００３３】
また、上記ハウジングに最も近い上記横孔は、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部から２ｍｍ以下の位置に中心を有することが好ましい（請求項１１）。
この場合には、本発明の作用効果をより一層発揮することができる。即ち、上記横孔が固定部から２ｍｍ以下の位置に中心を有する場合は、より一層素子カバーの破断の要因となり易くなる。従って、上記構成を有する素子カバーに本発明を適用すれば、本発明の作用効果をより一層発揮することができる。
【００３４】
第２の発明（請求項１２）において、α−β≦０／℃である場合には、破断が生じ難いと共に、ガスセンサから脱落し難い素子カバーを得ることが困難となるおそれがある。即ち、α−β≦０／℃である場合には、高温状態においてハウジングの方が素子カバーよりも膨張した状態となる。そのため、例えばフューエルカット制御が行われたときなどにおいて高温状態から素子カバーが冷却されて収縮していった場合、素子カバーとハウジングとの寸法ズレが大きくなるおそれがある。その結果、素子カバーとハウジングとの固定部に過大な熱応力が作用するおそれがある。
一方、α−β＞２×１０-6／℃である場合には、昇温時においても素子カバーがハウジングよりも膨張し過ぎることがある。それ故、上記固定部に過大な熱応力が作用するおそれがある。
【００３５】
また、上記ハウジングは、フェライト系ステンレス鋼からなり、上記素子カバーは、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、上記ハウジングを容易に形成することができると共に、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定部に作用する熱応力を充分に低減することができる。また、上記素子カバーはＡｌを添加してなるため、上記第１の発明（請求項１）と同様、上記素子カバーが破断することを防ぐことができると共に、耐熱性及び耐酸化性に充分優れた素子カバーを有するガスセンサを作製することができる。
【００３６】
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下であることが好ましい（請求項１４）。
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に添加してなることが好ましく（請求項１５）、Ｃｒを１４〜２２原子％添加してなることが更に好ましい（請求項１６）。
また、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ａｌを４〜８．５原子％添加してなることが好ましい（請求項１７）。
これらの場合には、更に、上記請求項２〜５と同様の作用効果を発揮することができる。
【００３７】
また、上記ガスセンサは、内燃機関の排ガスを浄化するための触媒よりも上流側における排気管内に配設されていても良い（請求項１８）。
この場合には、本発明の作用効果をより一層発揮することができる。即ち、内燃機関の排気管内において上記触媒の上流側は下流側よりも高温状態となるため、一般には素子カバーの破断や素子カバーのガスセンサからの脱落がより一層発生し易くなる。従って、上記ガスセンサが上記触媒よりも上流側における排気管内に配設されている場合に本発明を適用することにより、本発明の作用効果をより一層効果的に発揮することができる。
【００３８】
また、上記素子カバーと上記ハウジングとは、レーザー溶接又は抵抗溶接のいずれかにより固定されていても良い（請求項１９）。
この場合には、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定強度を充分に確保することができる。そのため、上記素子カバーがガスセンサから脱落することを充分に防ぐことができる。
【００３９】
また、上記素子カバーと上記ハウジングとは、全周にわたって溶接されていることが好ましい（請求項２０）。
この場合には、上記素子カバーと上記ハウジングとの固定強度をより一層確保し、上記素子カバーがガスセンサから脱落することをより一層防ぐことができる。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
本例の実施例にかかるガスセンサにつき、図１〜図３を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子１０と、該センサ素子１０を内側に挿通配置したハウジング１１と、該ハウジング１１の先端側に固定した素子カバー２とを有する。
そして、該素子カバー２は、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなる。
【００４１】
ガスセンサ１は、図３に示すごとく、自動車エンジン３の排気管４内に設置され、排ガス中の酸素濃度等を検出する。また、特に自動車エンジン３の排ガスを浄化するための触媒５よりも上流側における排気管４内にガスセンサ１を設置することにより本発明の作用効果がより顕著に現れるが、触媒５よりも下流側における排気管４内に設置しても良い。
ガスセンサ１としては、例えば、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、Ａ／Ｆセンサ等がある。
本例のセンサ素子１０は、絶縁碍子１２に挿通保持され、該絶縁碍子１２は、ハウジング１１に挿通保持されている。そして、センサ素子１０の先端部１００は、図１、図２に示すごとく、ハウジングの先端面１１１よりも先端側に突出して配置されている。
【００４２】
ここで、上記センサ素子１０は、ジルコニアセラミック板やアルミナセラミック板を積層して構成した板状体の素子である。そして、このセンサ素子１０を排ガス圧等の外力や水分から保護すべく、センサ素子１０の先端側は、図１、図２に示すごとく、素子カバー２により覆われている。
【００４３】
素子カバー２は、図１、図２に示すごとく、センサ素子１０に近い内側素子カバー２２と、該内側素子カバー２２の外側に配された外側素子カバー２１とにより構成されている。そして、内側素子カバー２２と外側素子カバー２１とは共に、ハウジング１１の先端部に、加締め、溶接或いはこれらの複合手段により固定されている。
【００４４】
外側素子カバー２１及び内側素子カバー２２には、それぞれ側方に貫通する横孔２１２、２２２が設けてある。そして、該横孔２１２、２２２より、被測定ガスが素子カバー２の内側に導入され、センサ素子１０によって被測定ガス中の特定ガス濃度が検出される。
ここで、排ガス圧や水分等からセンサ素子１０を効果的に保護しつつ、ガスセンサ１の応答性を確保するため、横孔２１２、２２２は、互いに対向することがないように配置されている。
【００４５】
また、図２に示すごとく、内側カバー２２の横孔２２２は、外側カバー２１の横孔２１２よりもハウジング１１により近い位置に形成されている。
また、横孔２２２は、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に中心を有する。即ち、図２に示す固定部１１０と横孔２２２の中心との距離ｄが４ｍｍ以下である。
【００４６】
また、内側素子カバー２２は、図１、図２に示すごとく、基端側から先端側に向かって直径が変化する径変部２２１を有する。径変部２２１は、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に形成されている。即ち、図２に示す固定部１１０と径変部２２１との距離Ｄが４ｍｍ以下である。
【００４７】
上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、５０原子％以上のＦｅにＡｌを４〜８．５原子％添加し、更にＣｒを１４〜２２原子％添加してなる。
具体的には、上記素子カバー２に含有する金属の組成として、例えば、Ｆｅを主成分として、Ａｌを６原子％、Ｃｒを２０原子％とすることができる。
尚、上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料に不純物としてＮｉが含まれていたとしても、そのＮｉの含有量は６原子％以下である。
【００４８】
次に、本例の作用効果につき説明する。
素子カバー２は、Ｆｅを主成分としＡｌを添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなるため、破断が生じ難い素子カバー２を有するガスセンサ１を得ることができる。即ち、本発明の素子カバー２の主成分はＦｅであり、ＦｅとＡｌとの間では金属間化合物が形成されることがない。
【００４９】
そのため、素子カバー２の基端側において、硬度に著しい差が生じる部位、即ち、硬度の変局部が形成されることを防ぐことができる。その結果、素子カバー２に排ガス圧や内燃機関の振動等の外力が作用した場合でも、特に素子カバー２の基端側において応力が局所的に集中することを抑制して素子カバー２が基端側において破断することを防ぐことができる。また、素子カバー２は、上記のごとく、Ａｌを添加してなるため、耐熱性及び耐酸化性に充分優れた素子カバー２を有するガスセンサ１を作製することができる。
【００５０】
また、Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下である。これにより、ＮｉとＡｌとの金属間化合物であるＮｉ3Ａｌが形成されても、素子カバー２の著しい硬度上昇を充分に防ぐことができる。そのため、特に素子カバー２の基端側において、該金属間化合物Ｎｉ3Ａｌに起因する硬度の変局部が生じることを充分に抑制することができる（実験例１参照）。その結果、耐熱性及び耐酸化性に充分優れると共に、破断が生じ難い素子カバー２を有するガスセンサ１を得ることができる。
【００５１】
また、Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に添加してなる。これにより、耐熱性、耐酸化性及び加工性に優れた素子カバー２を有するガスセンサ１を得ることができる。即ち、Ａｌを多く添加すると、素子カバー２の加工性が低下してしまうおそれがあり、素子カバー２の耐熱性及び耐酸化性を充分に確保し得るに足る量のＡｌを添加することが困難となるおそれがある。そこで、上記のごとく、Ｆｅ−Ａｌ合金材料に更にＣｒを添加することにより、素子カバー２の耐熱性及び耐酸化性の向上をも図ることができる。
【００５２】
また、Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを１４〜２２原子％添加してなると共に、Ａｌを４〜８．５原子％添加してなる。これにより、耐熱性、耐酸化性及び加工性に充分優れた素子カバー２を有するガスセンサ１を得ることができる。
【００５３】
また、内側素子カバー２２の径変部２２１は、図２に示すごとく、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置（符号Ｄ参照）に形成されているため、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。即ち、径変部２２１が固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に形成されているため、径変部２２１において素子カバー２が破断し易くなるおそれがある（実験例２参照）。従って、上記構成を有する素子カバー２に本発明を適用すれば、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００５４】
また、内側素子カバー２２に形成されたハウジング１１に最も近い横孔２２２は、図２に示すごとく、素子カバー２とハウジング１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置（符号ｄ参照）に中心を有するため、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。即ち、横孔２２２は固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に中心を有するため、該中心において素子カバー２が破断し易くなるおそれがある（実験例２参照）。従って、上記構成を有する素子カバー２に本発明を適用すれば、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００５５】
以上のごとく、本例によれば、耐熱性及び耐酸化性に優れると共に破断が生じ難い素子カバーを有するガスセンサを提供することができる。
【００５６】
尚、上記実施例１においては、内側素子カバー２２のみをＦｅ−Ａｌ合金材料を用いて構成し、外側素子カバー２１は他の材料を用いて構成することもできる。
【００５７】
（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、外側素子カバー２１の横孔２１２を、内側素子カバー２２の横孔２２２よりもハウジング１１により近い位置に設けたガスセンサ１の例である。そして、該横孔２１２は、上記固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に中心を有している。また、内側素子カバー２２は、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に径変部２２１を有する。
そして、外側素子カバー２１、内側素子カバー２２は共にＦｅ−Ａｌ合金材料からなる。
その他は、実施例１と同様である。
【００５８】
本例の場合には、外側素子カバー２１が固定部１１０に近い位置に横孔２１２を有し、内側素子カバー２２が、固定部１１０に近い位置に径変部２２１を有するため、外側素子カバー２１及び内側素子カバー２２が共にその基端側において構造的、形状的に破損し易い状態にある。それ故、外側素子カバー２１と内側素子カバー２２との両方をＦｅ−Ａｌ合金材料を用いて構成することにより、素子カバー２の破断を効果的に防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５９】
（実施例３）
本例は、図５に示すごとく、内側素子カバー２２には、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０から４ｍｍ以下の位置において径変部２２１が形成されており、更に該径変部２２１に横孔２２２が形成されているガスセンサ１の例である。そして、上記横孔２２２は、上記固定部１１０から４ｍｍ以下の位置に中心を有している。
【００６０】
尚、本例の内側素子カバー２２には、図５に示すごとく、その先端側にも径変部２２１が形成されているが、該径変部２２１は、上記固定部１１０から４ｍｍを超える位置に形成されている。
一方、外側素子カバー２１には、図５に示すごとく、径変部が形成されておらず、横孔２１２は先端部付近に形成されている。
【００６１】
そして、少なくとも内側素子カバー２２は、Ｆｅ−Ａｌ合金材料よりなる。外側素子カバー２１については、Ｆｅ−Ａｌ合金材料によって構成することが好ましいが、他の材料によって構成しても良い。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。
【００６２】
（実験例１）
本例においては、図６に示すごとく、Ｎｉを主成分としＡｌを添加したＮｉ−Ａｌ合金材料におけるＡｌの添加量と、７００℃に昇温した後常温まで戻した状態の素子カバーの硬度との関係を調べた。
尚、上記硬度とは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）のことをいう。
測定結果を図６に示す。
【００６３】
図６からわかるように、Ａｌの添加量が２原子％以下である場合には、硬度が大きくなることを充分に抑制することができる。これは、Ａｌの添加量が２原子％以下である場合には、金属間化合物Ｎｉ3Ａｌが形成されても、その量が少なく、材料硬度への影響が充分に小さいためであると考えられる。
【００６４】
一方、Ａｌの添加量が２原子％を超えると、硬度が大きくなっていくことがわかる。即ち、この場合には、ＮｉとＡｌとの金属間化合物であるＮｉ3Ａｌが充分に形成されることにより硬度が増大するものと考えられる。
ここで、Ｎｉが金属間化合物Ｎｉ3Ａｌを形成するには、Ａｌの３倍の原子量が必要である。従って、本発明のガスセンサにおけるＦｅ−Ａｌ合金材料よりなる素子カバーにおいては、Ｎｉ添加量を６原子％以下とすることにより、Ａｌ添加量２原子％以下の場合と同程度に素子カバーの硬度上昇を抑制することができると考えられる。
【００６５】
（実験例２）
本例は、図７に示すごとく、ガスセンサの素子カバーの先端側において、ガスセンサの軸方向に直交する方向に１０００Ｇの衝撃を与えたときの各部に作用する応力をＦＥＭ解析した例である。そして、固定部からの距離と、その位置に作用する応力の大きさとの関係を調べた。
その結果を応力比というパラメータを用いて表したものが図７である。
【００６６】
尚、上記応力比とは、固定部からの距離が４ｍｍである位置に作用する応力の大きさに対するそれぞれの距離における応力の大きさの比率を表したものである。
また、尚、本例においては、均質であり、径変部（例えば、図１に示す符号２２１参照）や横孔（例えば、図１に示す符号２２２参照）がない素子カバーについて検討した。
【００６７】
図７より、固定部からの距離が４ｍｍを超える位置における応力比は、上記距離が４ｍｍの位置における応力比と略同等であることがわかる。
一方、上記距離が４ｍｍ以下である場合には、応力比は増加していることがわかる。特に固定部からの距離が２ｍｍ以下である場合には、応力比は２倍以上となり著しく増加していることがわかる。
【００６８】
以上から、上記距離が４ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下である位置においては、著しく大きい応力が作用するため、このような位置に、更に径変部や横孔等の、応力集中や強度低下の要因となる形状や構造等が形成されると素子カバーの破断を招き易い。そこで、かかる位置に径変部や横孔を有する素子カバーに、本発明であるＦｅ−Ａｌ合金材料を用いることで、素子カバーの破断を効果的に防ぐことができる。
【００６９】
（実験例３）
本例は、図８に示すごとく、Ｆｅを主成分としＣｒの添加量が異なる合金材料に更にＡｌの添加量を変化させて形成した素子カバーに対して冷熱耐久試験を実施して、合金材料の耐酸化性の影響を調べた結果である。
即ち、Ｃｒ添加量を１２原子％、Ａｌ添加量を４原子％とした素子カバーを試料Ｅ１、Ｃｒ添加量を１４原子％、Ａｌ添加量を３原子％とした素子カバーを試料Ｅ２、Ｃｒ添加量を１４原子％、Ａｌ添加量を４原子％とした素子カバーを試料Ｅ３、Ｃｒ添加量２０原子％、Ａｌ添加量を４原子％とした素子カバーを試料Ｅ４、Ｃｒ添加量２０原子％、Ａｌ添加量を６原子％とした素子カバーを試料Ｅ５とした。
【００７０】
また、上記冷熱耐久試験は、加熱時間を６分間として最高温度１０００℃となるように加熱し、冷却時間を４分間として最低温度１５０℃となるように冷却することを１サイクルとして、これを１０００サイクル行うことにより実施した。
また、本例では、上記耐酸化性の影響は、酸化により減少した素子カバーの厚みである減少厚さを測定することにより調べた。
測定結果を図８におけるプロットによって表した。
尚、曲線Ｌ１〜曲線Ｌ３は、Ｃｒの添加量が１２原子％、１４原子％、２０原子％の試料についてのデータをそれぞれつなげた曲線である。
【００７１】
図８からわかるように、Ａｌの添加量は４原子％以上、Ｃｒの添加量は１４原子％以上とすることにより、上記のような過酷な環境下においても、耐酸化性を充分に確保することができる。
【００７２】
（実施例４）
本例は、図９、図１０に示すごとく、素子カバー２の熱膨張係数αとハウジング１１の熱膨張係数βとは、０＜α−β≦２×１０-6／℃の関係を有するガスセンサ１の例である。上記熱膨張係数α及び熱膨張係数βは、２０〜８５０℃の温度範囲におけるそれぞれの平均熱膨張係数である。
【００７３】
また、本例のガスセンサ１は、実施例１のガスセンサ１とは素子カバー２とハウジング１１との固定方法が異なる。即ち、素子カバー２の基端部は、ハウジング１１の先端部の外周に配置されている。また、素子カバー２とハウジング１１とが全周にわたってレーザー溶接され固定されている。
【００７４】
ハウジング１１は、フェライト系ステンレス鋼からなる。
また、素子カバー２は、Ｆｅを主成分としＡｌを４〜８．５原子％添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなる。そして、該Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下であり、Ｃｒを更に１４〜２２原子％添加してなる。
尚、本例の構成は、図１０のような形状の素子カバー２を有するガスセンサ１にも適用することができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００７５】
次に、本例の作用効果につき説明する。
素子カバー２の熱膨張係数αとハウジング１１の熱膨張係数βとは、０＜α−β≦２×１０-6／℃の関係を有する。これにより、ガスセンサ１から脱落し難い素子カバー２を得ることができる。
【００７６】
即ち、例えば、フューエルカット制御が行われるときなど、高温状態のガスセンサ１に低温の空気が接触する場合がある。このとき、低温の空気が当たり易く、また、熱容量の比較的小さい素子カバー２は、急激に冷却される。一方、低温の空気が当たり難く、また、熱容量が比較的大きいハウジング１１は、高温状態を維持する。それ故、このとき、素子カバー２は急激に収縮するが、ハウジング１１は殆ど収縮しないという状態となる。
【００７７】
ところが、本例においては、０＜α−β、即ち素子カバー２の熱膨張係数αがハウジング１１の熱膨張係数βよりも大きいため、高温状態において既に素子カバー２の方がハウジング１１よりも膨張した状態にある。それ故、この状態から素子カバー２が収縮するため、ハウジング１１との間の寸法ズレは小さく、熱応力を緩和することができる。
【００７８】
また、α−β≦２×１０-6／℃であるため、昇温時においても、素子カバー２がハウジング１１より膨張し過ぎることを防ぐことができる。それ故、昇温時において固定部１１０に過大な熱応力が作用することを防ぐことができる。
以上より、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０に亀裂が発生して素子カバー２が破断することを防ぐことができる。それ故、素子カバー２がガスセンサ１から脱落することを防ぐことができる。
【００７９】
また、ハウジング１１は、フェライト系ステンレス鋼からなる。そして、素子カバー２は、Ｆｅを主成分としＡｌを４〜８．５原子％添加したＦｅ−Ａｌ合金材料からなり、該Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｎｉの含有量が６原子％以下である。また、Ｆｅ−Ａｌ合金材料は、Ｃｒを更に１４〜２２原子％添加してなる。そのため、ハウジング１１を容易に形成することができると共に、上記固定部１１０に作用する熱応力をより一層低減することができる。また、素子カバー２は上記Ｆｅ−Ａｌ合金材料からなるため、より一層耐熱性、耐酸化性及び加工性に優れた素子カバー２を有するガスセンサ１を得ることができる。
【００８０】
また、素子カバー２とハウジング１１とは、全周にわたってレーザー溶接により固定されているため、上記固定部１１０における両者の固定強度をより一層確保することができる。そのため、素子カバー２がガスセンサ１から脱落することをより一層防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００８１】
（実験例４）
本例は、図１１に示すごとく、素子カバー２とハウジング１１との熱膨張係数差（上記実施例４におけるα−βの値）と、熱応力との関係を調べた例である。
尚、本例において使用する符号は、図９において使用した符号に準ずる。
【００８２】
まず、以下のような手順で熱応力解析を行った。
該熱応力解析を行う試料として、上記熱膨張係数差を１．０×１０-6〜４．３×１０-6／℃の範囲で変化させたガスセンサを作製した。ここで、上記熱膨張係数差は、２０〜８５０℃の温度範囲における素子カバー２の平均熱膨張係数と、２０〜８５０℃の温度範囲におけるハウジング４の平均熱膨張係数（本例においては、１２．５×１０-6／℃）との差である。
また、上記試料における素子カバー２とハウジング１１とは、全周にわたってレーザー溶接して固定した。
【００８３】
次いで、８５０℃における各試料の素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０に作用する熱応力を上記試料ごとに測定した。そして、その結果を基に、素子カバー２とハウジング１１との熱膨張係数差が１．０×１０-6／℃である場合の熱応力を１として、これに対する各試料についての熱応力比を算出した。
尚、上記８５０℃は、ガスセンサの通常の使用環境下を想定して、エンジン始動によりガスセンサが排ガスに曝されて昇温するときの温度に近似するものである。
【００８４】
解析結果を図１１に示す。同図からわかるように、熱膨張係数差が２．０×１０-6／℃以下である場合には、熱応力比が１．１を下回り、上記固定部１１０に作用する熱応力を充分に低減することができる。これに対して、熱膨張係数差が３．０×１０-6／℃以上の場合には、熱応力比が１．２を超えており、上記固定部１１０に作用する熱応力が大きくなっている。
【００８５】
次に、上記冷熱ベンチ試験は以下のような手順で行った。
まず、ＮＣＦ６０１合金（インコネル６０１）からなる素子カバー２を有するガスセンサ、及びＦＣＨ２合金（Ｆｅ−１８Ｃｒ−３Ａｌ、重量％）からなる素子カバー２を有するガスセンサの二種類をサンプルとして作製した。また、該サンプルは、それぞれ５個作製した。
また、ハウジング１１はＳＵＳ４３０により形成した。
【００８６】
次いで、ガスセンサの最高温度が８５０℃となるように６分間加熱した後、最低温度が２００℃となるように６分間冷却することを１サイクルとして、これを１０００サイクル実施した。その後、上記サンプルの素子カバー２とハウジング１１の固定部１１０の断面を観察して、該固定部１１０の亀裂発生の有無を調べた。
尚、ＮＣＦ６０１合金とハウジング１１との熱膨張係数差は４．３×１０-6／℃であり、ＦＣＨ２合金とハウジング１１との熱膨張係数差は１．６×１０-6／℃である。
【００８７】
上記冷熱ベンチ試験の試験結果につき説明する。ＦＣＨ２合金からなる素子カバー２のサンプルについては、上記固定部１１０に亀裂が発生したものはなかった。これに対して、ＮＣＦ６０１合金からなる素子カバー２のサンプルについては、５個すべての固定部１１０において亀裂が発生した。
【００８８】
上記の解析結果及び試験結果から、素子カバー２とハウジング１１との熱膨張係数差が２．０×１０-6／℃以下である場合には、昇温時の上記固定部１１０における熱応力を充分に低減することができることがわかる。
【００８９】
（実験例５）
本例は、図１２に示すごとく、２０〜８５０℃の温度範囲における素子カバー２とハウジング１１との熱膨張係数差（上記実施例４におけるα−βの値）を−２．０×１０-6〜２．０×１０-6／℃の範囲で種々変更させて作製した試料に対して熱応力解析を行った例である。
尚、本例において使用する符号は、図９において使用した符号に準ずる。
【００９０】
そして、上記試料について、例えばフューエルカット制御が行われた状態を想定して、以下のような熱応力解析を行った。即ち、素子カバー２の外側表面を２５０℃、ハウジング１１の内側面を８５０℃とした。この状態において、素子カバー２とハウジング１１との固定部１１０に作用する熱応力を測定した。その結果を基に、素子カバー２とハウジング１１との熱膨張係数差が０である場合の熱応力を１として、これに対する各試料についての熱応力比を算出した。
【００９１】
測定結果を図１２に示す。同図からわかるように、上記熱膨張係数差が０を超える場合、即ち素子カバー２の方がハウジング１１よりも熱膨張係数が大きい場合には、熱応力比が１を下回り、上記固定部１１０に作用する熱応力を低減することができる。これに対して、上記熱膨張係数差が０未満の場合、即ちハウジング１１の方が素子カバー２よりも熱膨張係数が大きい場合には、熱応力比が１を超えて大きくなる。
以上により、フューエルカット制御が行われたなどの特殊な環境下においても、素子カバー２がハウジング１１よりも熱膨張係数が大きい場合には、上記固定部１１０における熱応力を充分に低減することができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】実施例１における、ガスセンサの断面説明図。
【図２】実施例１における、ガスセンサの先端側の断面説明図。
【図３】実施例１における、ガスセンサの配設位置の説明図。
【図４】実施例２における、ガスセンサの先端側の断面説明図。
【図５】実施例３における、ガスセンサの先端側の断面説明図。
【図６】実験例１における、素子カバーの硬度とＡｌの添加量との関係を示すグラフ。
【図７】実験例２における、固定部からの距離と素子カバーに作用する応力との関係を示すグラフ。
【図８】実験例３における、素子カバーの減少厚さとＡｌの添加量とＣｒの添加量との関係を示すグラフ。
【図９】実施例４における、ガスセンサの断面説明図。
【図１０】実施例４における、ガスセンサの先端側の断面説明図。
【図１１】実験例４における、熱応力解析の解析結果。
【図１２】実験例５における、熱応力解析の解析結果。
【図１３】従来例における、ガスセンサの断面説明図。
【図１４】従来例における、素子カバーの温度分布を示す説明図。
【図１５】従来例における、排ガス温度が上昇した場合の素子カバーの温度分布を示す説明図。
【符号の説明】
【００９３】
１  ガスセンサ
１０  センサ素子
１１  ハウジング
２  素子カバー
【図１】
0004654987.tif 000002
【図２】
0004654987.tif 000003
【図３】
0004654987.tif 000004
【図４】
0004654987.tif 000005
【図５】
0004654987.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004654987.tif 000008
【図８】
0004654987.tif 000009
【図９】
0004654987.tif 000010
【図１０】
0004654987.tif 000011
【図１１】
0004654987.tif 000012
【図１２】
0004654987.tif 000013
【図１３】
0004654987.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004654987.tif 000016