(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子と、該検出素子を被測定ガス中に突出させた状態で内側に保持する筒状のケースと、該検出素子の突出部分を保護するためのプロテクタと、を備えたガスセンサであって、
前記プロテクタは、
前記ケースから突出した前記検出素子の突出部分を覆うように該ケースに嵌合され、その嵌合部分の周方向全体に亘って該ケースに溶接されると共に、該突出部分側に外部から被測定ガスを導入する第１通気孔を有する第１部材と、
前記ケースと前記第１部材との溶接部（第１溶接部）を外側から覆い、外部から加わる該溶接部への熱衝撃を緩和する第２部材と、
から構成された事
を特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第２部材は、前記１溶接部の少なくとも一部との間に空間を形成する様に前記第１溶接部を覆っている事
を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記空間が、ガスセンサの軸方向上下どちら側にも開放している事
を特徴とする請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第２部材は前記ケースと前記第１部材との嵌合部近傍で前記ケース及び／又は前記第１部材と溶接されており、
前記第２部材の溶接部（第２溶接部）が、周方向に円環を形成しない事
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記第２溶接部は、周方向に等間隔で形成されている事
を特徴とする請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第２部材は、前記第１部材の全体を覆うよう形成されると共に、該第１部材側に外部から被測定ガスを導入する第２通気孔を備えたこと特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等、測定対象となる被測定ガス中の被検出成分を検出するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば内燃機関等の排気ガスなどを測定対象（被測定ガス）とし、その中の特定成分を検出するガスセンサが知られている。
そして、この種のガスセンサとして、先端側にガス検知用の検出部を有する細長い板状の検出素子と、この検出素子を保持して排気管内（即ち、被測定ガス中）に突出させるための筒状の主体金具（ケース）と、を有するものがある。主体金具は、取付ネジ部により排気管の取付孔に固定可能とされ、この検出素子を主体金具の内側に保持した状態で車両等の排気管に固定し、その検出部を排気ガスに触れさせることにより、被検出成分に応じた起電力を出力するものである。
【０００３】
この様に、検出素子の一部は、主体金具から被測定ガス中に突出した状態となるが、この突出部分には、被測定ガスが直接当たることがないようにする必要がある。即ち、検出素子に被測定ガスが直接当たると、当該ガスに含まれる水分が水滴として検出素子に付着し易くなり、その結果検出素子が急冷されてクラックを生じるなど、ガスセンサの耐久性にも影響が生じる可能性があるからである。特に、被測定ガスが、排気ガスである場合には、燃焼の際に発生した水分がガス中に少なからず含まれていると考えられるので、こうした可能性を無視できない。
【０００４】
そこで、こうした不都合を回避するため、主体金具（具体的には、検出素子を突出させた側の部分）には、突出部分を覆った状態で主体金具の先端に取り付け可能なプロテクタを設けることが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被測定ガスに含まれる凝縮水が排気管の内壁面にも付着することや、外部から水が排気管の内壁面を伝って排気管内部に侵入することも考えられる。その場合には、水が、主体金具とプロテクタとの間の微小な隙間を介してプロテクタの内側に侵入して検出素子に付着し、上述と同様に、検出素子にクラックを発生させる畏れがある。
【０００６】
本発明は、こうした問題を背景として為されたものであり、被測定ガス中の被検出成分を検出する検出素子を備えたガスセンサにおいて、検出素子への水の付着を抑制することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するため、請求項１のガスセンサにおいては、プロテクタを第１部材および第２部材から構成している。第１部材は、ケースから突出した検出素子の突出部分を覆うようにケースに嵌合されている。そして第１部材は、突出部分側（即ち、第１部材の内側）に被測定ガスを導入する第１通気孔を有するものであり、ケースに嵌合した部分（嵌合部分）の周方向全体に亘り、ケースに溶接されている。
【０００８】
このため、このガスセンサにおいては、ケースとプロテクタとの隙間が溶接によって塞がれることから、両者の間から水が侵入することを防止でき、検出素子への水の付着を抑制できることになる。
しかし、この様に第１部材をその嵌合部分の全周に亘ってケースに溶接した場合、熱衝撃により溶接部が破壊され、第１部材がケースから脱落する可能性が高くなる。
【０００９】
即ち、プロテクタを構成する部材（以下、「プロテクタ構成部材」という。）をケースに溶接する場合、嵌合部分の全周に亘って溶接するのではなく、溶接されていない部分（即ち拘束されていない部分）を設け、その部分における収縮や膨張を許しておけば、溶接部に加わる応力を低減できる。ところがプロテクタ構成部材を嵌合部分の全周に亘ってケースに溶接した場合には、その低減効果が期待できなくなり、熱衝撃により溶接部が破壊される可能性が高くなるのである。
【００１０】
そこで、請求項１のガスセンサでは、第２部材により、ケースと第１部材の溶接部（第１溶接部）を外側から覆い、その第１溶接部への熱衝撃を緩和することとしている。これにより、熱衝撃によって発生する応力を低減できるので、上記の様に、第１部材をその嵌合部分の全周に亘ってケースに溶接した場合であっても、第１部材の脱落の可能性、つまりプロテクタがケースから脱落する可能性を低くすることができる。
【００１１】
次に、請求項２のガスセンサにおいては、第２部材と前記第１溶接部の間には空間を形成するようにした。空間を形成することで、第２部材に水等がかかり急激な熱衝撃を加えても下の第１溶接部との間の空間がクッションの役割を果たすので、第1溶接部に与える熱衝撃を緩和することが出来る。
【００１２】
また、請求項３のガスセンサの様に、前記空間は自由に換気できるように、ガスセンサの上下に連続した空間である事が望ましい。空間を自由に換気することで、第２部材と第１溶接部との間の熱伝導は少なくなり、第１溶接部に与える熱衝撃を更に抑えることが出来る。
【００１３】
次に請求項４のガスセンサにおいては、第１部材の溶接部の外側の近傍にて、第２部材をケース及び／又は第１部材と溶接した。このため、第２部材は強固に第１部材の周りに固定され、安定的に第１溶接部を保護することが出来る。この場合、第２部材を全周に亘ってケース及び／又は第１部材に溶接すると、第２部材が熱衝撃で外れる恐れが生じる。また、外部からの熱が第２部材を介して第１部材側に流れ易くなることから、熱衝撃を緩和することが出来ずに、プロテクタの脱落を防止することが出来ない。しかし、請求項４のガスセンサの様に第２部材を周方向に円環を形成しない様に溶接すると、外部の熱が第１部材に伝わり難くプロテクタの脱落を招くことが無い。
【００１４】
そして、請求項５に記載の様に、第１部材と第２部材との溶接部（第２溶接部）を、周方向に等間隔で設けるようにすると、外部から第１部材側への熱流を対称的（詳しくは、ケースの軸線を対称軸とした回転対称）なものとすることができるし、また応力を対称的に分散することができるので、プロテクタの脱落防止に有利に働く。
【００１５】
また、請求項６の様に、第２部材を、第１部材の全体を覆うよう形成すれば、第１部材への熱伝達を効果的に抑制することができるので、熱衝撃も緩和され、プロテクタの脱落の防止に役立つ。この場合、第２部材には、第１部材側に被測定ガスを導入する第２通気孔を設けておけば、検出素子まで被測定ガスを導入することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施例を図面と共に説明する。図１は、一実施例としての酸素センサＳを示す説明図である。
この酸素センサＳは、先端側にガス検知用の検出部Ｄを有する細長い板状の検出素子２と、内側に検出素子２を配置して車両等の排気管に固定するための主体金具（請求項の「ケース」に相当する）４と、検出素子２を保護するために検出部Ｄを二重に覆った状態で主体金具４の先端に取り付けられるプロテクタ（インナプロテクタ２００及びアウタプロテクタ２１０）とを備えている。
【００１７】
検出素子２は、ジルコニア等の酸素イオン電導性固体電解質体からなる板状の電池素子と、電子素子活性化用の板型セラミックヒータと、この電池素子の先端部側両面にそれぞれ絶縁された状態で形成された多孔質電極と、一方の多孔質電極側に積層された素子活性化用の板型セラミックヒータと、スピネル，アルミナ等のセラミックスからなり、他方の多孔質電極の表面を覆う多孔質の電極保護層とから構成されている。
【００１８】
そして、検出素子２は主体金具４の内側に配置された絶縁体６の挿通孔６ａに挿通されると共に、主体金具４の先端から検出部Ｄが突出した状態で絶縁体６内に固定される。絶縁体６には軸断面が挿通孔６ａよりも大径の空隙部６ｂが形成されている。そして、その空隙部６ｂの内面と検出素子２の外面との間は、ガラスからなる封着材層８により封着される。また、絶縁体６と主体金具４とは、タルクリング１０と加締めリング１２とにより互いに固定される。
【００１９】
また、管外側において、主体金具４に嵌合されている外筒１４の末端部には、テフロングロメット１６、及び、シールゴム１８が嵌め込まれ、更に、内側にコネクタ部２０が設けられている。また、リード線２２の後端側はセラミックセパレータ１６を貫通して外部に延びている。一方、リード線２２の先端側は、コネクタ部２０等を介して検出素子２に形成された多孔質電極に電気的に接続されている。
【００２０】
主体金具４の先端に取り付けられるインナプロテクタ２００は、請求項の「第１部材」に相当するものである。このインナプロテクタ２００は、検出素子２の中心軸周りにおいて検出部Ｄ（即ち、検出素子２の「突出部分」）を取り囲む筒状に形成され、その側壁部には周方向に一定間隔で複数の第１ガス入口２０２が形成される一方、先端面に第１ガス出口２０４が形成されている。これら第１ガス入口２０２および第１ガス出口２０４は、請求項の「第１通気孔」に相当するものである。
【００２１】
また、同じく主体金具４の先端に取り付けられるアウタプロテクタ２１０は、請求項の「第２部材」に相当する。このアウタプロテクタ２１０は、インナプロテクタ２００の外側においてインナプロテクタ２００との間に隙間Ｇを形成する形で配置される筒状をなしており、インナプロテクタ２００を全体的に覆っている。
【００２２】
そして、アウタプロテクタ２１０の先端は、インナプロテクタ２００よりも突出して位置すると共に、その側壁部には周方向に所定の間隔で複数の第２ガス入口２１２ａ，２１２ｂが形成され、一方、先端面に、第１ガス出口２０４と同心円となる位置関係となるように第２ガス出口２１４が形成されている。これら第２ガス入口２１２ａ，２１２ｂや第２ガス出口２１４が、請求項の「第２通気孔」に相当する。
【００２３】
そして、酸素センサＳは取付ネジ部４ａにおいて排気管に固定される。その検出部Ｄが管内側の排気ガスに晒されると、電池素子の検出部Ｄが排気ガスと接触し、電池素子には排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力が生じる。そして、この起電力がセンサ出力として、リード線２２を介して取り出される。
【００２４】
さて、本実施例の酸素センサＳにおいて、インナプロテクタ２００は、図２（ａ）に示す様に、主体金具４の先端部に嵌合され、その嵌合部分の全周に亘って主体金具４に溶接されている。即ち、主体金具４とインナプロテクタ２００とを結合する溶接部６０（以下、「第１溶接部」という。）は、周方向に環状に形成されている。この第１溶接部６０は、レーザ溶接を用いると、効率的に形成することができるので好ましい。
【００２５】
また、アウタプロテクタ２１０は、インナプロテクタ２００の主体金具４への嵌合部分の全体を覆うように、更にインナプロテクタ２００に嵌合されており、第１溶接部６０は全体的に、アウタプロテクタ２１０により覆われている。そして、アウタプロテクタ２１０は、第１溶接部６０の外側部分において、インナプロテクタ２００に溶接されている。しかしアウタプロテクタ２１０とインナプロテクタ２００との溶接部６２（以下、「第２溶接部」という。）は、全周に亘るものではなく、周方向に部分的に設けられている。具体的には、第２溶接部６２は、周方向の複数箇所（４箇所）に、等間隔に設けられている。つまり、アウタプロテクタ２１０は、第１溶接部６０の一部との間に空間を形成するように、第１溶接部６０を覆っている。そしてこの空間は、ガスセンサＳの軸方向上下どちら側にも開放されている。なお、この第２溶接部６２の形成には、レーザ溶接を用いても良いし、またスポット溶接を用いてもよい。
【００２６】
発明者らは、以上の様に構成された本実施例の酸素センサＳの熱衝撃に対する耐久性を確かめる実験を行ったので、以下に、その内容を説明する。
まず発明者らは、プロテクタを主体金具４に様々な態様にて溶接した試料を用意した。そして、それらの試料を電気炉にて８５０℃まで急加熱（図２（ｂ）参照）した後、水中に半分浸して急冷（図２（ｃ）参照）するという操作を繰り返す冷熱サイクル試験を行い、どの程度耐えられるかを検証した。これにより、試料には、熱衝撃が繰り返し加えられることとなる。
【００２７】
この実験には、上記実施例と同様の構成にてプロテクタを主体金具に設けたもの（即ち、図２（ａ）に示す構成のもの）の他、第１比較例〜第４比較例からなる計５種類の試料を使用した。
第１比較例は、図３の▲１▼に示す様に、一重のプロテクタＰを主体金具４に嵌合させて当該嵌合部分において部分的に溶接（スポット溶接による）したものである。第２比較例は、図３の▲２▼に示す様に、一重のプロテクタＰを主体金具４に嵌合させて当該嵌合部分全周に亘って溶接（レーザ溶接による）したものである。
【００２８】
また第３比較例は、図３の▲３▼に示す様に、インナプロテクタＰ１およびアウタプロテクタＰ２からなる二重のプロテクタを主体金具４に設けたものである。より詳しくは、アウタプロテクタＰ２を主体金具４に嵌合させて当該嵌合部分において部分的に溶接（スポット溶接による）し、インナプロテクタＰ１とアウタプロテクタＰ２とは、先端部にて部分的に溶接（スポット溶接による）している。
【００２９】
そして第４比較例は、図３の▲４▼に示す様に、インナプロテクタＰ１およびアウタプロテクタＰ２からなる二重のプロテクタを主体金具４に設けたものであるが、溶接の形態が第３比較例とは異なっている。即ち、インナプロテクタＰ１を主体金具４に嵌合させて、当該嵌合部分の外側から更に、アウタプロテクタＰ２を嵌合させる。そして、この嵌合部分、即ち、主体金具４とインナプロテクタ２００とアウタプロテクタ２１０とが重なり合った部分において、周方向全体に亘って溶接（レーザ溶接による）することにより、インナプロテクタ２００とアウタプロテクタ２１０とを同時に主体金具４に固定する。こうして、第４比較例としての試料は構成されている。
【００３０】
こうした第１〜第４比較例の試料、および本実施例と同様の構造を有する試料を用いて、上記の冷熱サイクル試験を行ったところ、表１に示す結果が得られた。
【００３１】
【表１】
0004176942.tif 000002
【００３２】
表１のサイクル数の欄（６０，１２０，１８０，２４０）において、”○”はプロテクタが脱落しなかったこと、”×”はプロテクタが脱落したことを示す。即ち、第１比較例、第３比較例および本実施例の試料は、２４０サイクルの加熱・冷却を行っても、プロテクタが脱落することはなかったが、第２比較例および第４比較例の試料は、１２０サイクルの加熱・冷却を行うとプロテクタが脱落した。
【００３３】
第１比較例および第３比較例の試料において、多数回の冷熱サイクルを加えてもプロテクタが脱落しなかった理由は、プロテクタＰやアウタプロテクタＰ２を主体金具４に溶接するに当たり、溶接しない部分を設け、溶接されていない部分における収縮や膨張を許したことから、熱衝撃が加わっても、溶接部に発生する応力を低減できたと考えられる。しかし、第１比較例および第３比較例の様な構成では、プロテクタと主体金具４との間を完全に塞ぐことができないため、本発明の目的を達成できない。
【００３４】
一方、第２比較例および第４比較例の試料においては、プロテクタＰやインナプロテクタＰ１を嵌合部分の全周に亘って主体金具４に溶接したことから、熱衝撃によって大きな応力が溶接部に加わり、プロテクタが早期に脱落したものと考えられる。第２比較例および第４比較例の試料においては、プロテクタＰやインナプロテクタＰ１と主体金具４との隙間を完全に塞ぐことができるが、プロテクタが脱落してしまうため、本発明の目的を達成できない。
【００３５】
これに対して、本実施例の酸素センサＳは、主体金具４に嵌合したインナプロテクタ２００を、その嵌合部分において全周に亘って主体金具４に溶接している。このため、主体金具４とプロテクタとの隙間が第１溶接部６０によって塞がれることとなり、両者の間から水が侵入することを防止でき、検出素子２への水の付着を抑制できる。しかも、アウタプロテクタ２１０により、主体金具４とインナプロテクタ２００の溶接部を外側から覆い、溶接部への熱衝撃を緩和することとしているので、プロテクタが主体金具４から脱落することを防止できる。
【００３６】
また本実施例の酸素センサＳにおいては、インナプロテクタ２００の溶接部の外側にて、アウタプロテクタ２１０をインナプロテクタ２００に溶接している。このため、第１溶接部６０を、アウタプロテクタ２１０により補強することができ、プロテクタが主体金具４から脱落する可能性を更に低くすることができる。
【００３７】
しかも、アウタプロテクタ２１０を、全周に亘ってインナプロテクタ２００に溶接するのではなく、周方向の一部のみにおいてインナプロテクタ２００に溶接することから、外部の熱がインナプロテクタ２００に伝わり難く、プロテクタの脱落を招くことがない。
【００３８】
また、ガスセンサＳの軸方向上下どちら側にも開放されている空間が、第１溶接部６０の一部とアウタプロテクタ２１０との間に形成されていることから、第１溶接部６０への熱衝撃を効果的に抑制できる。
また第２溶接部６２は、周方向に等間隔で４箇所設けていることから、外部からインナプロテクタ２００側への熱流を対称的にすることができるし、また応力を対称的に分散することができるので、プロテクタの脱落防止をより効果的に防止できる。
【００３９】
また、アウタプロテクタ２１０は、インナプロテクタ２００の全体を覆うよう形成されているので、インナプロテクタ２００への熱伝達を効果的に抑制することができ、熱衝撃も緩和され、プロテクタの脱落の防止に役立つ。
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。
【００４０】
例えば、上記実施例では、ガスセンサの一例として酸素センサＳにつき説明したが、これに限られるものではなく、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等、様々なガスセンサに本発明を適用できる。
また上記実施例では、第１溶接部６０の外側において更に、アウタプロテクタ２１０をインナプロテクタ２００に部分的に溶接するものとして説明した。しかし、第１溶接部６０への熱衝撃を緩和するには、必ずしもアウタプロテクタ２１０を第１溶接部６０の外側にて溶接する必要はない。例えばアウタプロテクタ（即ち、第２部材）を主体金具４に直接的に溶接（部分的に溶接するのが好ましい）して、第１溶接部の外側においては溶接を行わず、これを覆うだけにしても良い。また、第１溶接部の外側部分以外の部位において、アウタプロテクタをインナプロテクタに溶接（部分的に溶接するのが好ましい）して、第１溶接部の外側においては溶接を行わず、これを覆うだけにしても良い（例えば、図４参照）。
【００４１】
図４は、本発明の他の実施例であるガスセンサにおいて、プロテクタ周辺の構成を示す図である。このガスセンサにおいては、インナプロテクタ３００は主体金具４に嵌合されると共に、嵌合部分において全周に亘る第１溶接部３６０により主体金具４に固定されている。しかし、その第１溶接部３６０の外側において、アウタプロテクタ３１０はインナプロテクタ３００に溶接されておらず、第１溶接部３６０との間に空間が形成される様に第１溶接部３６０を覆っている。そして、この空間は、ガスセンサの軸方向上下どちら側にも開放されている。
【００４２】
アウタプロテクタ３１０は、その先端部の内面にて、インナプロテクタ３００の先端部と接しており、その接触部分においてスポット溶接で形成された第２溶接部３６２によりインナプロテクタ３００と結合されている。この様な構成でも、第１溶接部３６０への熱衝撃を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である酸素センサを全体的に示す説明図である。
【図２】  （ａ）は、プロテクタ周辺の構成を示す説明図であり、（ｂ）、（ｃ）は、冷熱サイクル試験の様子を示す説明図である。
【図３】  第１比較例〜第４比較例の試料を示す説明図である。
【図４】  本発明の他の実施例（変形例）を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｓ…酸素センサ  ２…検出素子
４…主体金具  ４ａ…取付ネジ部
６０，３６０…第１溶接部
６２，３６２…第２溶接部
２００，３００…インナプロテクタ
２０２…第１ガス入口  ２０４…第１ガス出口
２１０，３１０…アウタプロテクタ
２１２ａ，２１２ｂ…第２ガス入口
２１４…第２ガス出口
【図１】
0004176942.tif 000003
【図２】
0004176942.tif 000004
【図３】
0004176942.tif 000005
【図４】
0004176942.tif 000006