(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジング内に対し挿通配置されたセンサ素子の先端部を覆うように上記ハウジングの先端部に固定された筒状の被測定ガス側カバーを有し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間の固定は，かしめ固定とスポット溶接とを併用した状態にあ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，上記スポット溶接は３箇所に設けることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２において，上記スポット溶接は等間隔に設けることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１において，上記スポット溶接は，抵抗溶接またはレーザー溶接としたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
筒状のハウジング内に対し挿通配置されたセンサ素子の先端部を覆うように上記ハウジングの先端部に固定された筒状の被測定ガス側カバーを有し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間は溶接固定し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングとの相互間の熱膨張係数の差は２×１０-6／℃以内であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項５において，上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングとは同一の材料からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項５または６において，上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間の溶接固定は，かしめ固定とスポット溶接とが併用された状態にあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において，上記被測定ガス側カバーは内側カバーと外側カバーとよりなる二重構造であることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，内燃機関の排気系に設置して，排ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関の空燃比フィードバックシステムは，排気系に設置したガスセンサを用いて空燃比を検出することにより燃焼制御を行うが，ここで用いるガスセンサは排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する。
上記ガスセンサは，ジルコニア等を用いたセラミック製のセンサ素子を内蔵し，該センサ素子は強度的に脆いため，センサ素子の先端側を覆うような被測定ガス側カバーをガスセンサに設ける。
【０００３】
このガスセンサの構成について簡単に説明すると，筒状のハウジング内に対し挿通配置したセンサ素子の先端部を覆うように，上記ハウジングの先端部に筒状の内側カバーと該内側カバーの外方に位置する筒状の外側カバーとを固定する。この外側カバーと内側カバーとで被測定ガス側カバーが構成される。
上記内側カバーの基端側をハウジングの先端部の外周に嵌合する。そして，内側カバーの外周にさらに外側カバーの基端側を嵌合する。
その上で，ハウジング，内側カバー，外側カバーの三者を全周にわたってレーザー溶接して一体的に接合する。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，ガスセンサ周囲の雰囲気が常温から高温に至る温度変化の雰囲気に曝された場合，ハウジング，内側及び外側カバーの間との熱膨張差のため，全周溶接を行った部分に繰り返し応力が発生し，この繰り返し応力がはなはだしく大きい場合は，溶接部に亀裂が発生し，さらには破断に至ることもある。
【０００５】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，ハウジングと被測定ガス側カバーとの間の溶接された部分で亀裂や破断が生じ難いガスセンサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
第１の発明は，筒状のハウジング内に対し挿通配置されたセンサ素子の先端部を覆うように上記ハウジングの先端部に固定された筒状の被測定ガス側カバーを有し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間の固定は，かしめ固定とスポット溶接とを併用した状態にあることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。
【０００７】
第１の発明のガスセンサは，ハウジングと被測定ガス側カバーとの間をかしめ固定とスポット溶接とを併用して固定する。
この場合，最初にガスセンサ周囲の雰囲気が常温から高温に至る昇温の温度変化の雰囲気に曝された場合，かしめ固定部のハウジング側には弾性限界を超える応力が発生し，ハウジングが塑性変形する。
次に，ガスセンサ周囲の雰囲気が高温から常温に至る冷却の温度変化の雰囲気に曝された場合，被測定ガス側カバーの熱収縮が大きいため，ハウジングには応力が発生しない。
【０００８】
更に，ガスセンサ周囲の雰囲気が常温から高温に至る昇温の温度変化の雰囲気に再び曝された場合，ハウジングが既に塑性変形した後なので，ハウジングには応力が発生しない。
従って，かしめ固定の行われたかしめ固定部に繰り返し応力は発生しないため，亀裂の発生や破断に至ることはない。
【０００９】
また，スポット溶接をした部分にはガスセンサの周囲の雰囲気が常温から高温，高温から常温に至る温度変化の雰囲気に曝されたとき，繰り返し応力は発生するが，かしめ固定を行った部分での繰り返し応力のエネルギーを吸収するため，亀裂の発生及び破断に対する危険性が減少する。
以上，第１の発明によれば，かしめ固定のみであればハウジングが塑性変形し，かしめ固定部に緩みが生じやすくなるが，スポット溶接を併用することで，緩みの発生を防止すると共に亀裂の発生，破断を防止することができる。
【００１０】
また，第２の発明は，筒状のハウジング内に対し挿通配置されたセンサ素子の先端部を覆うように上記ハウジングの先端部に固定された筒状の被測定ガス側カバーを有し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間は溶接固定し，
上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングとの相互間の熱膨張係数の差は２×１０-6／℃以内であることを特徴とするガスセンサにある（請求項５）。
【００１１】
第２の発明のガスセンサはハウジングと被測定ガス側カバーとの熱膨張係数の差が非常に小さいため，熱応力が殆ど発生しない。
そのため，常温から高温に至る冷熱サイクルにガスセンサが曝された時に応力の蓄積が生じ難い。
【００１２】
以上，第１，第２の発明によれば，ハウジングと被測定ガス側カバーとの間の溶接された部分で亀裂や破断が生じ難いガスセンサを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記第１及び第２の発明（請求項１，請求項５）のガスセンサに用いるセンサ素子は，被測定ガス中の酸素濃度，ＮＯｘ濃度，ＨＣ濃度，ＣＯ濃度，被測定ガスが内燃機関の排ガスである場合は内燃機関の燃焼室の空燃比等を測定するよう構成する。
また，センサ素子は積層型やコップ型等を用いることがある。
【００１４】
また，第２の発明において，上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングとの相互間の熱膨張係数の差が２×１０-6／℃より大である場合は，熱応力により溶接された部分で亀裂が生じたり，破断が発生するおそれがある。
【００１５】
また，ハウジングや被測定ガス側カバーの材料としては，オーステナイト系ステンレス鋼，フェライト系ステンレス鋼，ニッケル基系合金（ニッケル，クロム等を含む鉄合金）を用いることが好ましい。両者の熱膨張係数の差が上述の範囲内に収まるようにこれらの材料から選択する。
これらの材料は，高温での耐酸化性，高温耐蝕性，高温での高い機械的特性を有するため，特に高温の腐食性の雰囲気で用いるガスセンサに適している。
【００１６】
オーステナイト系のステンレス鋼として，例えば，ＳＵＳ  ３１０  Ｓ（１６．９×１０-6／℃），ＳＵＳ  ３０４（１８．４×１０-6／℃），フェライト系のステンレス鋼として，例えば，ＳＵＳ  ４３０（１１．９×１０-6／℃），ニッケル基系合金として，インコネル６００（１５．５×１０-6／℃），インコネル６０１（１６．０×１０-6／℃），インコネル７１８（１４．９×１０-6／℃）を使用することができる。なお，インコネルはINCO社の登録商標である。
また，上述の説明で（）内の数値は０〜６４９℃での線膨張係数である。
【００１７】
また，上記スポット溶接は３箇所に設けることが好ましい（請求項２）。
この場合には，特定の方向に偏ることなく，ハウジングと被測定ガス側カバーとを固定することができる。
２点ではスポット溶接した場所の間隔が少なくとも外周の１／２となってしまうため，安定的にハウジングと被測定ガス側カバーとの間を固定することが難しくなるおそれがある。
【００１８】
また，上記スポット溶接は等間隔に設けることが好ましい（請求項３）。
この場合には，特定の方向に偏ることなく，ハウジングと被測定ガス側カバーとを固定することができる。
また，上記スポット溶接は，抵抗溶接またはレーザー溶接としたことが好ましい（請求項４）。
【００１９】
また，上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングとは同一の材料からなることが好ましい（請求項６）。
これにより，熱膨張係数の差がなくなるため，熱応力によるハウジングと被測定ガス側カバーとの間の溶接された部分で亀裂や破断が生じなくなる。
【００２０】
また，上記被測定ガス側カバーと上記ハウジングの先端部との間の溶接固定は，かしめ固定とスポット溶接とが併用された状態にある（請求項７）。
これにより，被測定ガス側カバーとハウジングとの接合強度をより高くすることができる。
【００２１】
また，上記被測定ガス側カバーは内側カバーと外側カバーとよりなる二重構造であることが好ましい（請求項８）。
これにより，排ガスの流れる経路を迷路構造とすることができるため，素子への排ガスの中の水分等の付着を防ぐことができる。
【００２２】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本発明にかかるガスセンサについて，図１〜図８を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例のガスセンサ１は，筒状のハウジング１０内に対し挿通配置されたセンサ素子１９の先端部１９０を覆うように上記ハウジング１０の先端部１００に固定した筒状の被測定ガス側カバー２を有する。
上記被測定ガス側カバー２と上記ハウジング１０の先端部１００との間の固定は，かしめ固定とスポット溶接とを併用する。
なお，図１〜図３で，図面の下方はガスセンサの先端側，図面上方はガスセンサの基端側である。
【００２３】
以下，詳細に説明する。
本例のガスセンサ１は，自動車エンジンの排気系に設置して酸素濃度を測定し，測定値を燃焼制御に用いるために設けたセンサである。
図１に示すごとく，本例のガスセンサ１は，ステンレス製で円筒状のハウジング１０と，該ハウジング１０に素子側絶縁碍子１１を介して挿通固定するセンサ素子１９と，該センサ素子１９の先端部１９０を覆う被測定ガス側カバー２と，センサ素子１９の基端側を覆う大気側カバー１３１とよりなる。
上記センサ素子１９と素子側絶縁碍子１１との間はシール材１１０で封止固定する。また，上記センサ素子１９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酸素濃度検出用の素子である。
【００２４】
また，大気側カバー１３１の内部で素子側絶縁碍子１１の基端側に大気側絶縁碍子１２を配置する。
大気側絶縁碍子１２の内部で，センサ素子１９の端子（図示略）と取り出しバネ１４１とが電気的に接触する。上記取り出しバネ１４１は，接続端子１４２によってリード線１４３と電気的に導通する。上記リード線１４３はセンサの外部へ引き出される。また，上記リード線１４３はセンサ素子１９の出力を外部へ導出したり，外部電源（図示略）からセンサ素子１９への入力を行ったりする。
【００２５】
また，大気側カバー１３１の外側には撥水フィルタ１３３を介して筒状の外側カバー１３２が固定され，大気側カバー１３１，外側カバー１３２はともに大気側カバー１３１の内部に大気を導入する導入穴１３０を持つ。
【００２６】
上記被測定ガス側カバー２は，外側カバー２１と内側カバー２２とよりなる二重構造で，側面に被測定ガスを導入する導入穴２１０，２２０が，底面２１９，２２９に底穴２１８，２２８がある。内側カバー２２の内部は被測定ガス室２００となる。
【００２７】
ハウジング１０の先端部１００は図３に示すように先端側に開口した環状凹部１０５がある。
上記環状凹部１０５の外周は，かしめの際に径方向内側に曲折され，後述する外側カバー２１，内側カバー２２のフランジ部２１３，２２３をかしめるための突起部１０１がある。
図２に示すごとく，内側カバー２１，外側カバー２２の基端側は径方向外側に向かって周方向全体がひらくように曲折してフランジ部２１３，２２３を構成する。このフランジ部２１３，２２３が二つ重なり上記環状凹部１０２内に嵌合し，フランジ部２１３，２２３の根元に向けて上記突起部１０１を曲折することでかしめが実現できる。
【００２８】
そして，曲折された突起部１０１から，外側カバー２１及び内側カバー２２のフランジ２１３，２１４を経て，ハウジング１０の環状凹部１０５の天井面１０２へスポット溶接を施す。その溶接跡が符号１０６である。
図４に示すごとく，このスポット溶接は周方向に沿って３箇所，等間隔に行う。
【００２９】
上述の構成を有するガスセンサ１を，大気中で，常温から温度８００℃に加熱し，その後常温に冷却するという冷熱サイクルに２０００サイクル曝して耐久試験を行った。
試験後，ハウジング１０と内側カバー２２及び外側カバー２１との接合状態を調べた結果，試験前の状態と殆ど変化がなく，損傷も生じていなかった。
もちろん内側カバー２２と外側カバー２１の脱落等もなかった。
【００３０】
本例の作用効果について説明する。
本例のガスセンサ１は，ハウジング１０の先端部１００に設けた環状凹部１０５に対し外側カバー２１，内側カバー２２のフランジ部２１３，２２３が入り，ここにおいてかしめ固定されると共に，スポット溶接も施される。
この場合，最初にガスセンサ１周囲の雰囲気が常温から高温に至る昇温の温度変化の雰囲気に曝された場合，かしめ固定部のハウジング１０側には弾性限界を超える応力が発生し，ハウジング１０が塑性変形する。
次に，ガスセンサ１周囲の雰囲気が高温から常温に至る冷却の温度変化の雰囲気に曝された場合，内側カバー２２及び外側カバー２１の熱収縮が大きいため，ハウジング１０には応力が発生しない。
【００３１】
更に，ガスセンサ１周囲の雰囲気が常温から高温に至る昇温の温度変化の雰囲気に再び曝された場合，ハウジング１０が既に塑性変形した後なので，ハウジング１０には応力が発生しない。従って，かしめ固定部に繰り返し応力は発生しないため，亀裂の発生や破断に至ることはない。
【００３２】
また，スポット溶接をした部分にはガスセンサ１の周囲の雰囲気が常温から高温，高温から常温に至る温度変化の雰囲気に曝されたとき，繰り返し応力は発生するが，かしめ固定を行った部分での繰り返し応力のエネルギーを吸収するため，亀裂の発生及び破断に対する危険性が減少する。
以上，本例によれば，かしめ固定のみであればハウジング１０が塑性変形し，かしめ固定部に緩みが生じやすくなるが，スポット溶接を併用することで，緩みの発生を防止すると共に亀裂の発生，破断を防止することができる。
【００３３】
以上，本例によれば，ハウジングと被測定ガス側カバーとの間の溶接された部分で亀裂や破断が生じ難いガスセンサを提供することができる。
【００３４】
また，図５〜図９に示すごとく，スポット溶接が１箇所，２箇所，４箇所，６箇所，８箇所であっても，図１〜図４に示した３箇所のスポット溶接を行った場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
（実施例２）
本例のガスセンサの構造は，実施例１と同様である。
その上で，ハウジングをオーステナイト系のＳＵＳ  ３１０  Ｓ，外側カバー及び内側カバーを同じくオーステナイト系のＳＵＳ  ３０４で構成する。この場合，ハウジングと外側カバー及び内側カバーの熱膨張係数差は１．５×１０-6／℃となる。
または，ハウジング，外側カバー及び内側カバーのすべてをフェライト系のＳＵＳ  ４３０で構成する。
【００３６】
または，ハウジングをオーステナイト系のＳＵＳ  ３１０  Ｓ，外側カバー及び内側カバーをＮｉ基系の合金であるインコネル６００で構成する。この場合の両者の熱膨張差は１．４×１０-6／℃となる。
【００３７】
本例のガスセンサは，ハウジングと外側，内側カバーとの熱膨張係数が小さくなるように構成しため，熱応力が殆ど発生しない。
よって，常温から高温に至る冷熱サイクルにガスセンサが曝された時に応力の蓄積が生じない。
【００３８】
以上，本例によれば，ハウジングと被測定ガス側カバーとの間の溶接された部分で亀裂や破断が生じ難いガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，ガスセンサの全体断面説明図。
【図２】実施例１における，ハウジングと外側カバー及び内側カバーの要部説明図。
【図３】実施例１における，ハウジング先端部の要部拡大説明図。
【図４】実施例１における，スポット溶接の説明図。
【図５】実施例１における，１箇所設けたスポット溶接の説明図。
【図６】実施例１における，２箇所設けたスポット溶接の説明図。
【図７】実施例１における，４箇所設けたスポット溶接の説明図。
【図８】実施例１における，６箇所設けたスポット溶接の説明図。
【図９】実施例１における，８箇所設けたスポット溶接の説明図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ，
１０．．．ハウジング，
１００，１９０．．．先端部，
１９．．．ガスセンサ素子，
２．．．被測定ガス側カバー，
２１．．．外側カバー，
２２．．．内側カバー，
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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