(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒と、
該外筒とほぼ同軸的に連結される主体金具の内側に配置され、前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、
前記検出素子よりも後方側でかつ前記外筒の内側に配置され、前記検出素子と接続されるリード線を挿通するための第一リード線挿通孔を有するセパレータと、
該セパレータの後方側で前記外筒に嵌入配置され、前記リード線を挿通するための第二リード線挿通孔を有するグロメットとを備え、
前記外筒は、軸線方向において前後に二分割された前方側外筒部材と後方側外筒部材とが、前記前方側外筒部材の後部に対し前記後方側外筒部材の前部を後方外側から重ね合わせることによって、ほぼ同軸的に連結される構成を有するとともに、
前記前方側外筒部材の前端開口部の内周面が、前記主体金具の外周面に対して直接又は他部材を介して間接的に接合する形態で、前記前方側外筒部材と前記主体金具とが連結され、
前記前方側外筒部材の後部には、前記セパレータの本体部後端側外周に外向きに突出する形態で形成されるセパレータ側支持部を前方から支持するとともに、当該前方側外筒部材の前部よりも縮径されてなる外筒側支持部が形成される一方、
前記後方側外筒部材には、後端開口部の内側にて前記グロメットを挿入するためのグロメット挿入部位が形成されており、
さらに、前記セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における前記後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0が形成され、
前記外筒側支持部は、その内周面が前記セパレータの本体部外周面との間に形成される空間部Ｓ3を内包しつつ囲うように設けられ、
前記外筒側支持部の外周面に対し前記後方側外筒部材の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記前方側外筒部材の肉厚ｔ1が、前記後方側外筒部材の肉厚ｔ2に対してｔ1≧ｔ2の関係にある請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記前方側外筒部材の肉厚ｔ1が０．５≦ｔ1≦０．８ｍｍを満足し、かつ前記後方側外筒部材の肉厚ｔ2が０．３≦ｔ2≦０．５ｍｍを満足する請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記前方側外筒部材の前端開口部の内周面と前記主体金具の外周面とを接合する第一全周接合部が、前記主体金具の周方向に沿って形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記前方側外筒部材と前記後方側外筒部材とはほぼ同軸的に重ね合わされて接合する形態で連結されており、その連結部を接合する第二全周接合部が前記連結部の周方向に沿って形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記後方側外筒部材には、前記グロメット挿入部位よりも前方側において、内径が前方に向かうほど連続的に又は段階的に大きくなる形態を有する拡径部が設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記外筒側支持部には、内径が連続的に又は段階的に変化する形態を有する縮径部が軸線方向において一つ以上設けられ、前記外筒側支持部の最小内径が前記セパレータの前記本体部の外径とほぼ同径に形成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記後方側外筒部材の後端開口部の内径が、前記セパレータ側支持部の外径とほぼ同径に形成されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記グロメットは、前記セパレータの後端面に直接又は他部材を介して間接的に接触している請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
外筒と、
該外筒とほぼ同軸的に連結される主体金具の内側に配置され、前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、
前記検出素子よりも後方側でかつ前記外筒の内側に配置され、前記検出素子と接続されるリード線を挿通するための第一リード線挿通孔を有するセパレータと、
該セパレータの後方側で前記外筒に嵌入配置され、前記リード線を挿通するための第二リード線挿通孔を有するグロメットとを備え、
前記外筒は、軸線方向において前後に二分割された前方側外筒部材と後方側外筒部材とが、前記前方側外筒部材の後部に対し前記後方側外筒部材の前部を後方外側から重ね合わせることによって、ほぼ同軸的に連結される構成を有するとともに、
前記前方側外筒部材の前端開口部の内周面が、前記主体金具の外周面に対して直接又は他部材を介して間接的に接合する形態で、前記前方側外筒部材と前記主体金具とが連結され、
前記前方側外筒部材の後部には、前記セパレータの本体部後端側外周に外向きに突出する形態で形成されるセパレータ側支持部を前方から支持するとともに、当該前方側外筒部材の前部よりも縮径されてなる外筒側支持部が形成される一方、
前記後方側外筒部材には、後端開口部の内側にて前記グロメットを挿入するためのグロメット挿入部位が形成されており、
さらに、前記グロメットには、液体の透過は阻止し、かつ気体の透過は許容する通気部が設けられており、
前記セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における前記後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0が形成され、
前記外筒側支持部は、その内周面が前記セパレータの本体部外周面との間に形成される空間部Ｓ3を内包しつつ囲うように設けられ、
前記外筒側支持部の外周面に対し前記後方側外筒部材の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上述のようなガスセンサとして、固体電解質部材の両面に電極層が形成された筒状ないし板状の検出素子を、筒状のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。例えばガスセンサとして代表的な酸素センサの場合、先端部が閉じた中空軸状の固体電解質部材の内外面にそれぞれ電極層が形成された酸素検出素子を、前方側が測定対象となるガスに向けられるような形で筒状の外筒内に配置した構造のものが広く用いられている。そして酸素検出素子の先端外面を自動車等の内燃機関から排出される排ガスと接触させるとともに、その内面に基準ガスとしての大気を導入して、その内外面に生ずる酸素濃淡電池起電力を、ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層からリード線を介して外筒の外側へ取り出している。また、上記のような酸素センサにおいては、複数のリード線をケーシングから取り出すために、酸素検出素子の後端部側に複数のリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータを配置させ、各リード線が対応するリード線挿通孔に個別に挿通されることが多い。このようにセラミックセパレータを使用することにより、リード線同士の短絡の防止を図っている。さらにこのような酸素センサでは、複数のリード線挿通孔を有して上記リード線が個別に挿通されるゴム製グロメットが、外筒の後端開口部に挿入される構造を有することも多い。このような場合にはゴムの弾性力により、リード線と外筒の開口部内壁との間がグロメットで封止されている。なお、外筒の前端部は主体金具に対して加締め構造によって取り付けられるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような酸素センサの自動車における取り付け位置は一般にエキゾーストマニホルドや車両の足回り部分に近い排気管等であり、車両走行時にはかなりの高温になる。また酸素センサ（検出素子）の作動温度が３００℃以上と高いため、車両始動時等のエンジン低温時に酸素センサが所定の機能を発揮するように、ヒータにより検出素子を強制加熱する構造が一般に採用されている。これらの結果、ヒータによる発熱にエンジンからの発熱も重なって酸素センサの外筒の温度が上昇し、外筒が高温下に晒されることになる。そして、外筒からの熱伝導により外筒の後端開口部に配置されたグロメットも高温下に晒されることになる。それより、圧縮状態のグロメットが長時間高温下に晒されると、やがてゴムの弾性が劣化して永久変形歪が生じやすくなり、グロメットによるリード線と外筒の開口部内壁との間のシール性が低下する恐れがある。上記したように酸素センサの取り付け位置は比較的低位置であることが多いので、グロメットによるシール性が低下した状態で雨水やタイヤの跳ね水等を被ったときに酸素センサの内部に水等が浸入しやすくなる。
【０００４】
また、酸素センサの取り付け位置が排気管等の比較的低位置であることは、路面からの跳ね石等が酸素センサとりわけ外筒に当たる確率の増加をもたらす。例えば外筒が跳ね石等の衝撃を受けて変形等したとき、跳ね石等による衝撃力が外筒を介してその内側に配置されるセラミックセパレータに伝わり、セラミックセパレータの破損（割れ・欠け等）に至る恐れがある。セラミックセパレータの破損によってリード線同士が接触して短絡を起こす可能性がある。
【０００５】
上記したように、酸素センサ内部への水等の浸入あるいは、リード線同士の接触・短絡といった事態が発生すると、酸素センサ（検出素子）は作動不良や作動不能の状態に陥る恐れがある。
【０００６】
近年、排気ガスによる大気汚染など環境保護上の問題に対処するために、ガスセンサに対する需要も増え、それに伴って低コスト化やコンパクト化に対する要望も年々高まりつつある。そこで、ガスセンサの小型軽量化や構造の見直し等を図るためにセンサ（外筒）の内部空間が狭小となり、跳ね石等による衝撃力がセパレータに伝わりやすくなる。また、グロメットと排ガスに接触する検出素子との距離が接近することから、外筒からの熱伝導を受けて外筒の後端開口部に配置されるグロメットは高温下に晒されやすくなる。したがって、外筒の耐衝撃性の確保とグロメットによるシール性の維持とは、ガスセンサの信頼性及び製品寿命を向上させるために極めて重要である。
【０００７】
本発明の課題は、長時間高温下に晒されたり、跳ね水や跳ね石等を受けたりしやすい環境で使用される場合であっても、セパレータの破損によるリード線の短絡とグロメットのシール性の低下による水等の浸入とを効果的に防止し、作動不良や作動不能の状態を回避して高い信頼性と製品寿命が実現可能なガスセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、第一番目の発明にかかるガスセンサは、
外筒と、
該外筒とほぼ同軸的に連結される主体金具の内側に配置され、前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、
前記検出素子よりも後方側でかつ前記外筒の内側に配置され、前記検出素子と接続されるリード線を挿通するための第一リード線挿通孔を有するセパレータと、
該セパレータの後方側で前記外筒に嵌入配置され、前記リード線を挿通するための第二リード線挿通孔を有するグロメットとを備え、
前記外筒は、軸線方向において前後に二分割された前方側外筒部材と後方側外筒部材とが、前記前方側外筒部材の後部に対し前記後方側外筒部材の前部を後方外側から重ね合わせることによって、ほぼ同軸的に連結される構成を有するとともに、
前記前方側外筒部材の前端開口部の内周面が、前記主体金具の外周面に対して直接又は他部材を介して間接的に接合する形態で、前記前方側外筒部材と前記主体金具とが連結され、
前記前方側外筒部材の後部には、前記セパレータの本体部後端側外周に外向きに突出する形態で形成されるセパレータ側支持部を前方から支持するとともに、当該前方側外筒部材の前部よりも縮径されてなる外筒側支持部が形成される一方、
前記後方側外筒部材には、後端開口部の内側にて前記グロメットを挿入するためのグロメット挿入部位が形成されており、
さらに、前記セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における前記後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0が形成され、
前記外筒側支持部は、その内周面が前記セパレータの本体部外周面との間に形成される空間部Ｓ3を内包しつつ囲うように設けられ、
前記外筒側支持部の外周面に対し前記後方側外筒部材の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結されていることを特徴とする。
【０００９】
上記第一番目の発明によれば、外筒は軸線方向において前後に二分割された前方側外筒部材と後方側外筒部材とがほぼ同軸的に連結されており、この連結部が熱伝導に対して緩衝作用を有している。すなわち、連結部が熱伝導の妨げとなり、エンジン等の発熱による検出素子側（前方側）での高温状態がグロメット側（後方側）に熱伝達されにくい。したがって、連結部の存在によってグロメットへの熱伝達量が減少し、グロメットによるシール性の低下を防止することができる。さらに、前方側外筒部材の前端開口部の内周面が、主体金具の外周面に対して直接又は他部材を介して間接的に接合する形態で、前方側外筒部材と主体金具とが連結されており、この構成によって従来よりも内部空間を広く形成することができる。つまり、主体金具に対して前方側外筒部材を外側から被せるように連結することによって、従来一般的であった外筒の前端部と主体金具との加締め構造に比べて、外筒を径方向の外側に配置させやすくなる。その結果、従来よりも相対的に広い内部空間を外筒内に容易に確保することができるから、外筒とその内側に配置されるセパレータとの間に形成される隙間も相対的に大きくすることが可能になり、セパレータの破損等を防止することができる。
【００１０】
ここで、前方側外筒部材の肉厚ｔ1を後方側外筒部材の肉厚ｔ2以上にすることは、作動不良や作動不能を発生しないガスセンサを実現するために有効である。すなわち、取り付けの際低位置になることが多く跳ね石の当たる確率の高い前方側外筒部材は、相対的に厚肉となるので耐衝撃性が高くなり、リード線の短絡等を防止できる。一方、グロメットの取り付け位置に近い後方側外筒部材は、相対的に薄肉となるのでグロメット側（後方側）への熱伝達量が減少し、グロメットのシール性の低下は起こりにくい。なお、グロメットへの熱伝達量が低く抑えられると、グロメットの温度は相対的に低く保たれるので耐熱性の低いゴムを使用することができ、センサのコストダウンにも役立つ。また、後方側外筒部材の薄肉化によりセンサの小型軽量化を図ることもできる。
【００１１】
さらに具体的には、前方側外筒部材の肉厚ｔ1が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、また後方側外筒部材の肉厚ｔ2が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが望ましい。一般的に外筒部材の肉厚は、路面からの石跳ね等による衝撃に伴う変形・破損等の観点からは厚くして耐衝撃性を確保する必要があり、他方で熱伝達量や加工性・ガスセンサの小型軽量化等を考慮すると薄い方が望ましいといえる。したがって、前方側外筒部材の肉厚ｔ1が０．５ｍｍを下回ると、低位置になることが多く跳ね石の当たる確率の高い前方側外筒部材にとって耐衝撃性が不十分となる場合がある。一方、肉厚ｔ1が０．８ｍｍを上回ると、グロメット側（後方側）への熱伝達量が大きくなってグロメットにおけるシール性に不利であり、また外筒側支持部等が設けられるときはその加工が困難になったり、ガスセンサの重量が増大したりする場合がある。同様に、後方側外筒部材の肉厚ｔ2が０．３ｍｍ未満になると、強度的に弱くなり僅かの衝撃でも変形・破損の恐れがある。また、肉厚ｔ2が０．５ｍｍを超えると、グロメット側（後方側）への熱伝達量が大きくなり、特に後方側外筒部材の後端開口部の内側に配置されるグロメットが高温下に晒されることになってシール性が著しく低下し水等が浸入する場合がある。
【００１２】
さらに本発明は、前方側外筒部材の前端開口部の内周面と主体金具の外周面とを接合する第一全周接合部を、主体金具の周方向に沿って形成することができる。この場合前方側外筒部材の前端開口部内周面と主体金具の外周面とは、主体金具の周方向に沿って、例えばレーザー溶接、電子ビーム溶接、ろう接等により接合され、第一全周接合部が形成される。これによって、上記した前方側外筒部材と主体金具との連結部における隙間を確実に塞ぎ、この隙間からの水等の浸入を確実に阻止することができる。
【００１３】
それに加えて本発明は、前方側外筒部材と後方側外筒部材とをほぼ同軸的に重ね合わせて接合する形態で連結させ、その連結部を接合する第二全周接合部を連結部の周方向に沿って形成してもよい。このとき前方側外筒部材と後方側外筒部材とは、連結部の周方向に沿って、例えばレーザー溶接、電子ビーム溶接、ろう接等により接合され、第二全周接合部が形成される。これによって、前方側外筒部材と後方側外筒部材との連結部も全周にわたって形成されるので、その連結部における隙間を確実に塞ぎ、この隙間からの水等の浸入を確実に阻止することができる。
【００１４】
なお、外筒が前方側外筒部材及び後方側外筒部材の二部材より構成されるときは、ガスセンサの小型化・軽量化並びにセンサ構造の簡素化・コンパクト化が図れ、コストの低減にも寄与する。
【００１５】
さらに本発明は、セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0を形成することができる。セパレータの本体部外周面から突出し、セパレータのうちで径方向の最も外側に位置するセパレータ側支持部の径方向外周面は、このセパレータ側支持部と向き合うように配置された後方側外筒部材の内周面とは直接接することがなく、両面の間には環状の隙間（対向間隔）Ｓ0が設けられている。したがって、この環状の隙間Ｓ0が形成されている状態では、跳ね石等により外筒にもたらされる衝撃力は外筒から直接セパレータに伝わることがなく、セパレータの破損によるリード線の短絡等を防止できる。なお、環状の隙間Ｓ0は製造上の許容誤差や組立の際の隙間よりは大きい寸法に形成されることが望ましく、Ｓ0≧０．３ｍｍに設定することが好ましい。
【００１６】
さらに本発明の後方側外筒部材には、グロメット挿入部位よりも前方側において、内径が前方に向かうほど連続的に又は段階的に大きくなる形態を有する拡径部を設けることができる。これにより、後方側外筒部材の後端部に形成されるグロメットの配置面（後端開口部内周面）を、セパレータ側支持部が外筒の後端側から前端側へ挿入されるときの案内ガイドとして有効利用できる。したがって外筒は、その前方側外筒部材が主体金具との連結部として、その後方側外筒部材がグロメットの配置部兼セパレータ側支持部の挿入案内ガイドとして、それぞれ機能することになり、センサ構造の簡素化・コンパクト化を図ることができる。また、この拡径部を設けることにより、上記したセパレータ側支持部の外周面の外側に形成される環状の隙間Ｓ0が容易に得られるようになる。
【００１７】
さらに本発明の外筒側支持部には、内径が連続的に又は段階的に変化する形態を有する縮径部が軸線方向において一つ以上設けられ、外筒側支持部の最小内径がセパレータの本体部の外径とほぼ同径に形成されていてもよい。外筒側支持部に縮径部が設けられているので、跳ね石等により外筒にもたらされる衝撃力は縮径部によるバネ効果によって減衰されてセパレータに伝達され、セパレータの破損によるリード線の短絡等が防止できる。一方、外筒側支持部の最小内径がセパレータの本体部の外径とほぼ同径に形成されているので、外筒側支持部の最小内径を形成する内周面等をセパレータの本体部の挿入案内ガイドとして利用することができる。外筒の前方側を固定し外筒の後端開口部よりセパレータを挿入する場合、上記した環状の隙間Ｓ0において、挿入方向前方側に位置するセパレータ前端が径方向の振れ（首振り現象）を生じ、セパレータの本体部前端が外筒側支持部の最小内径を形成する内周面等に挿入困難な事態が発生する恐れがある。しかし、セパレータの本体部が外筒側支持部の最小内径を形成する内周面等に案内されるので、セパレータを後方から押すことによってセパレータ本体部の外筒側支持部への挿入がスムーズに行える。また、外筒側支持部の最小内径とセパレータの本体部の外径とがほぼ同径に形成されているので、自動車等の移動体に搭載して使用する場合でも、振動によるセパレータのがたつきを抑えて検出素子から安定した出力の取り出しができる。なお、挿入案内ガイドを形成する具体的手段としては、セパレータ本体部の外径Ｄ1を外筒側支持部の最小内径ｄ1よりも僅かに小さく形成する方法や、外筒側支持部の最小内径を形成する内周面とセパレータ本体部の外周面のうちの少なくとも一方にテーパ等の傾斜を設けたりする方法等がある。
【００１８】
さらに本発明は、後方側外筒部材の後端開口部の内径が、セパレータ側支持部の外径とほぼ同径に形成されていてもよい。これによって、後方側外筒部材の後端開口部内周面をセパレータ側支持部の挿入案内ガイドとして利用することができる。前方側外筒部材を固定し後方側外筒部材の後端開口部よりセパレータを挿入する場合、セパレータを真っ直ぐに挿入できずセパレータが斜めに傾いたまま挿入されたりする恐れがある。しかし、セパレータ側支持部が後方側外筒部材の後端開口部内周面に案内されるので、セパレータを後方から押すことによってセパレータを真っ直ぐに挿入することができる。なお、挿入案内ガイドを形成する具体的手段としては、セパレータ側支持部の外径Ｄ2を後方側外筒部材の後端開口部の内径ｄ2よりも僅かに小さく形成する方法や、後方側外筒部材の後端開口部内周面とセパレータ側支持部の外周面のうちの少なくとも一方にテーパ等の傾斜を設けたりする方法等がある。
【００１９】
さらに本発明のグロメットは、セパレータの後端面に直接又は他部材を介して間接的に接触させることができる。この構成により、セパレータは後方側外筒部材の後端開口部から挿入された後、既存品であるグロメットにより保持されるので、部品点数の削減を図ることができるとともに、自動車等の移動体に搭載して使用する場合でも、振動によるセパレータのがたつきを抑えて検出素子から安定した出力の取り出しができる。
【００２０】
次に、上記課題を解決するために、第二番目の発明にかかるガスセンサは、
外筒と、
該外筒とほぼ同軸的に連結される主体金具の内側に配置され、前方側が測定対象となるガスに向けられる軸状の検出素子と、
前記検出素子よりも後方側でかつ前記外筒の内側に配置され、前記検出素子と接続されるリード線を挿通するための第一リード線挿通孔を有するセパレータと、
該セパレータの後方側で前記外筒に嵌入配置され、前記リード線を挿通するための第二リード線挿通孔を有するグロメットとを備え、
前記外筒は、軸線方向において前後に二分割された前方側外筒部材と後方側外筒部材とが、前記前方側外筒部材の後部に対し前記後方側外筒部材の前部を後方外側から重ね合わせることによって、ほぼ同軸的に連結される構成を有するとともに、
前記前方側外筒部材の前端開口部の内周面が、前記主体金具の外周面に対して直接又は他部材を介して間接的に接合する形態で、前記前方側外筒部材と前記主体金具とが連結され、
前記前方側外筒部材の後部には、前記セパレータの本体部後端側外周に外向きに突出する形態で形成されるセパレータ側支持部を前方から支持するとともに、当該前方側外筒部材の前部よりも縮径されてなる外筒側支持部が形成される一方、
前記後方側外筒部材には、後端開口部の内側にて前記グロメットを挿入するためのグロメット挿入部位が形成されており、
さらに、前記グロメットには、液体の透過は阻止し、かつ気体の透過は許容する通気部が設けられており、
前記セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における前記後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0が形成され、
前記外筒側支持部は、その内周面が前記セパレータの本体部外周面との間に形成される空間部Ｓ3を内包しつつ囲うように設けられ、
前記外筒側支持部の外周面に対し前記後方側外筒部材の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結されていることを特徴とする。
【００２１】
上記第二番目の発明によれば、隣合う前方側外筒部材と後方側外筒部材とがほぼ同軸的に連結されており、この連結部が熱伝導の妨げとなり、エンジン等の発熱による検出素子側（前方側）での高温状態がグロメット側（後方側）に熱伝達されにくい。したがって、連結部の存在によってグロメットへの熱伝達量が減少し、グロメットによるシール性の低下を防止することができる。また、グロメットは、液体の透過は阻止し、かつ気体の透過は許容する通気部を有することになる。フィルタ等の通気部をグロメットに設けることで、ガスセンサの中で最も高温に晒される部位である検出部から通気部をできるだけ遠ざけることができ、例えばシリコンゴム、フッ素樹脂等のフィルタ構成材に関して耐熱性を確保することができる。また、例えば自動車用の酸素センサの場合、その取り付け場所はエンジンルーム以外にも、車両の足周り部分に近い排気管等に取り付けられることも多い。フィルタ等の通気部をグロメットに設けることで、通気部を相対的に高位置に設けることが容易になり、水滴が侵入しにくく防水性の高い状態での外気導入を可能にする。
【００２２】
ここで本発明は、セパレータ側支持部の径方向外周面と、その径方向外周面に対向する部位における後方側外筒部材の内周面との間に環状の隙間Ｓ0を形成することができる。この環状の隙間Ｓ0が形成されている状態では、跳ね石等により外筒にもたらされる衝撃力は外筒から直接セパレータに伝わることがなく、セパレータの破損によるリード線の短絡等を防止できる。しかも、この環状の隙間Ｓ0は上記したグロメットの通気部と連通することによって通気路を形成して大容量の通気量を確保でき、検出素子から安定した出力の取り出しが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
図１は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示し、図２は要部の拡大図である。酸素センサ１（ガスセンサ）は、先端が閉じた中空軸状の酸素検出素子２（検出素子）と、酸素検出素子２の中空部２ａに挿入された発熱体３とを備える。酸素検出素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により中空軸状に形成されている。なお、このような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。さらには、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。そして、図２及び図３に示すように、酸素検出素子２の中空部２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された内部電極層２ｃが、一方その外面にはその前方部を覆うように、同じく外部電極層２ｂがそれぞれ設けられている。また、この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７及びタルクから形成されたセラミック粉末８を介して筒状の金属製ケーシング１０が設けられている。なお、以下の説明において、酸素検出素子２の軸方向先端部に向かう側（閉じている側）を「前方側」、これと反対方向に向かう側を「後方側」と称する。
【００２４】
ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９と、その主体金具９の前方側開口部を覆うように取り付けられたプロテクタ１１からなる。本実施例の酸素センサ１はねじ部９ｂより前方が排気管等のエンジン内に位置し、それより後方は外部の大気中に位置して使用される。主体金具９（ケーシング１０）は、その前方側開口部から酸素検出素子２の先端側（検出部）を測定対象となる排気ガスに向けられるように突出させた状態で酸素検出素子２を保持するとともに、この開口部に形成される筒状のプロテクタ装着部９ａにキャップ状のプロテクタ１１が装着されて、酸素検出素子２の検出部を所定の空間を隔てて覆っている。プロテクタ１１には、排気ガスを透過させる複数のガス透過口１２が貫通形態で形成されている。
【００２５】
主体金具９の後方部は、絶縁体６との間にリング１５を介して加締められ、この主体金具９に筒状の金属製外筒１６の前端に形成された開口部１６Ｆ（図４参照）が外側から嵌合されている。そして、主体金具９の周方向に沿って形成された全周レーザー溶接部１６Ｅ（第一全周接合部）が、外筒１６の前端開口部１６Ｆ内周面と主体金具９の外周面とを接合・固定している。また、この外筒１６の後端開口部１６Ｒはゴム等で構成されたグロメット１７を嵌入させることにより封止され、さらにこれに続いて前方側にセラミックセパレータ１８（セパレータ）が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び発熱体３用のリード線１９，２２が配置されている（図５、図６参照）。
【００２６】
セラミックセパレータ１８は、ケーシング１０の後方側にケーシング１０とほぼ同軸的に設けられている。外筒１６は、セラミックセパレータ１８を外側から覆う状態で、その前端開口部１６Ｆがケーシング１０に対し後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結される筒状形態をなす。グロメット１７は、セラミックセパレータ１８の後方側に位置して、外筒１６の後端開口部１６Ｒに対しその内側に弾性的に嵌入されている。
【００２７】
次に、酸素検出素子２用の一方のリード線２１は、互いに一体に形成されたコネクタ２３ａ、引出し線部２３ｂ、固定部２３ｃ及び下方押圧部２３ｄとを有する第一端子金具２３を経て前述の酸素検出素子２の内部電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２０は、互いに一体に形成されたコネクタ３３ａ、引出し線部３３ｂ及び金具本体部３３ｃとを有する第二端子金具３３を経て、酸素検出素子２の外部電極層２ｂ（図３）と電気的に接続されている。酸素検出素子２は、その内側に配置された発熱体３で加熱することで活性化される。発熱体３は棒状のセラミックヒータであり、Ａｌ２Ｏ３を主とする芯材に抵抗発熱体（図示せず）を有する発熱部３ａが、＋極側及び−極側の発熱体端子部３ｂ，３ｂに接続されるリード線１９，２２（図６）を経て通電されることにより、酸素検出素子２の先端部（検出部）を加熱する。各リード線１９，２０，２１，２２は、セラミックセパレータ１８の軸線方向に貫通して設けられた４個のリード線挿通孔１８ａ（第一リード線挿通孔）と、グロメット１７の軸線方向に貫通して設けられた４個のリード線挿通孔１７ａ（第二リード線挿通孔）とに、各々挿通されて外部へ引き出されている。
【００２８】
図２及び図３に示すように、第一端子金具２３は、先端側に形成された下方押圧部２３ｄの内面で発熱体３の外面を押圧し、少なくとも発熱体３の先端部を酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触させる。下方押圧部２３ｄに続く固定部２３ｃの外面が酸素検出素子２の内面に嵌入することにより第一端子金具２３を軸方向に位置固定する。また引出し線部２３ｂの一端が固定部２３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ２３ａが一体化されている。そして、固定部２３ｃの上方部（後方部）において、固定部２３ｃに設けられる開口の左右両縁部側近傍には固定部２３ｃの周面の一部にコ字状の切れ目を設け、この切れ目が径方向内側へ折り込まれて左右一対の上方押圧部２３ｅを形成している。なお、２３ｇは固定部２３ｃが発熱体端部収容穴１８ｃに入り込まないようにするための鍔である。
【００２９】
ここで、発熱体３は、下方押圧部２３ｄ及び上方押圧部２３ｅにより、固定部２３ｃの開口側から開口とは反対側の径方向に押圧され、発熱部３ａ近傍において、発熱体３の中心軸線が酸素検出素子２の中空部２ａの中心軸線Ｏに対して片側に寄るように偏心（オフセット）して配置されるとともに、発熱体３はほぼ全長にわたって酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に接触している。
【００３０】
一方、第二端子金具３３は、円筒状の金具本体部３３ｃを有するとともに、引出し線部３３ｂの一端が金具本体部３３ｃの周方向の１ケ所に接続する形で一体化され、さらにその他端にコネクタ３３ａが一体化されている。他方、その中心軸線を挟んで引出し線部３３ｂの接続点と反対側には、軸線方向のスリット３３ｅが形成されている。このような金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部がこれを弾性的に押し広げる形で内側から挿入されている。具体的には、酸素検出素子２の外周面後端部には外部側出力取出部としての導電層２ｆが、周方向に沿って帯状に形成されている。外部電極層２ｂは、例えば無電解メッキ等により、酸素検出素子２の係合フランジ部２ｓよりも前端側の要部全面を覆うものとされている。他方、導電層２ｆは、例えば金属ペーストを用いたパターン形成・焼き付けにより形成されるもので、同様に形成される軸線方向の接続パターン層２ｄを介して外部電極層２ｂと電気的に接続されている。
【００３１】
図４は外筒１６を示す。外筒１６は、軸線方向において前後に二分割され、前方側に位置する前方側外筒部材１６１の後部に形成される外筒側支持部１６Ａに対し、後方側の後方側外筒部材１６２の前部が後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結されている。この重ね合わせ連結部において、第一外筒部材１６１の外筒側支持部１６Ａの外周面と第二外筒部材１６２の前部内周面とを接合する全周レーザー溶接部１６Ｃ（第二全周接合部）が、連結部の周方向に沿って形成されている。なお、外筒１６（具体的には前方側外筒部材１６１）の前端開口部１６Ｆは主体金具９に対して後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて連結され、外筒１６の前端開口部１６Ｆ内周面と主体金具９の外周面とを接合する全周レーザー溶接部１６Ｅが、主体金具９の周方向に沿って形成されている。
【００３２】
外筒１６を前後に二分割し、前方側外筒部材１６１の後部に対し後方側外筒部材１６２の前部を後方外側から重ね合わせて連結することによって、この重ね合わせ連結部が熱伝導に対して緩衝作用（妨げる働き）を有している。すなわち、エンジン等の発熱による検出素子側（前方側）での高温がグロメット側（後方側）に熱伝達されにくい。したがって、グロメット１７への熱伝達量が減少し、グロメット１７のシール性の低下を招きにくくなる。
【００３３】
次に、前方側外筒部材１６１の後部に形成される外筒側支持部１６Ａについて、図４を参照しつつ説明する。外筒側支持部１６Ａは全体として後方側へ向かうほど外径が小となる先細形状を呈しているが、かかる形状は次のような構成によって実現されている。外筒側支持部１６Ａには、外径が後方に向かうほど傾斜状に小さくなる形態を有する縮径部が軸線方向において前後に２個形成されている。２個の縮径部のうち前方側に形成された第一縮径部１６ａ１と後方側に形成された第二縮径部１６ａ２との間に、軸線に対してほぼ平行な形態で前方側筒状部１６ｂ１が形成されている。この第一筒状部１６ｂ１の外周面に対し後方側外筒部材１６２の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結され、上記全周レーザー溶接部１６Ｃが連結部の周方向に沿って形成されている。
【００３４】
また、第二縮径部１６ａ２よりも後方側において、セパレータ１８の本体部１８Ｂ外周面にほぼ沿うような形態で第二筒状部１６ｂ２が形成されている。さらに、第二筒状部１６ｂ２よりも後方側は径方向内側へ折曲げられて折曲部１６ｃが形成され、この折曲部１６ｃ１の後方側支持面１６ｃ１がセパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１に接するような形態を有している。このようにして形成される折曲部１６ｃは、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に配置されたとき、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１の受止具として機能する（図９参照）。なお、折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１は、径方向内側へ折曲げられていて、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に挿入される際の案内ガイドとなっている（図８参照）。
【００３５】
以上の通り、外筒側支持部１６Ａは、第一及び第二縮径部１６ａ１，１６ａ２、第一及び第二筒状部１６ｂ１，１６ｂ２並びに折曲部１６ｃから構成されている。この外筒側支持部１６Ａがセパレータ側支持部１８Ａを下方（すなわち前方）から支持するとき、外筒側支持部１６Ａの内周面はセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面を、両者の間に形成される空間部Ｓ3を内包しつつ囲うようにして設けられている（図２又は図９参照）。よって、跳ね石等により外筒１６にもたらされる衝撃力は、両縮径部１６ａ１，１６ａ２によるバネ効果と空間部Ｓ3による隔離効果とによって減衰されてセパレータ１８に伝達されることになり、セパレータ１８の破損等が防止できる。
【００３６】
一方、後方側外筒部材１６２は、後端開口部１６Ｒの内側にグロメット１７が挿入され、このグロメット１７挿入部位よりも前方側において、内径が前方に向かうほど傾斜状に（連続的に）大きくなる形態を有する拡径部１６Ｂが設けられている。そして後方側外筒部材１６２の後端開口部１６Ｒ内周面をセパレータ側支持部１８Ａの外周面の挿入案内ガイドとして利用している（図８参照）。
【００３７】
外筒１６の肉厚は、跳ね石等に対する耐衝撃性とグロメット側（後方側）への熱伝達量を考慮して、前方側に設けられる前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ1を後方側に設けられる後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ2以上にしている。すなわち、取り付けの際低位置になることが多く跳ね石の当たる確率の高い前方側（検出素子側）の前方側外筒部材１６１は、相対的に厚肉として耐衝撃性を高くしている。一方、グロメット１７の取り付け位置に近い後方側の第二外筒部材１６２は、相対的に薄肉としてグロメット１７側（後方側）への熱伝達量を減少している。具体的には、前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ1が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下（例えば０．６ｍｍ）であり、また後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ2が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下（例えば０．３ｍｍ）であることが望ましい。
【００３８】
図５にセラミックセパレータ１８（セパレータ）を示す。軸直交断面が円形状に形成されるセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂには、各リード線１９，２０，２１，２２（図６）を挿通するための４個の第一リード線挿通孔１８ａ（第一リード線挿通孔）が軸方向に貫通して形成されている。その軸線方向後端側の外周面には、全周にわたり外向きに一体的に突出する形態でフランジ状かつ軸直交断面が円形状のセパレータ側支持部１８Ａが形成されている。セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１は後方側に向かうほど外径が大となる傾斜面に形成されている。セラミックセパレータ１８（セパレータ側支持部１８Ａ）の後端面において、通気溝１８ｂが４個のリード線挿通孔１８ａと干渉しない位置に十字形態で軸線と直交する方向に形成され、後端面の外周に達した各通気溝１８ｂはそこから直角に向きを変え、セパレータ側支持部１８Ａの外周面に沿って軸線方向前方側へ延びている。また、セラミックセパレータ１８（本体部１８Ｂ）の前端面から開口する有底状の発熱体端部収容穴１８ｃが軸線方向に形成されている。なお、この発熱体端部収容穴１８ｃの内径は発熱体３の外径よりも大きく設定されている。また、発熱体端部収容穴１８ｃの底面１８ｄはセラミックセパレータ１８（本体部１８Ｂ）の軸線方向中間部に位置している。発熱体３の後端部は、セラミックセパレータ１８の軸線方向前方側から発熱体端部収容穴１８ｃに挿入され、発熱体３の後端面が収容穴１８ｃの底面１８ｄに当接することで軸線方向の位置決めがなされる。
【００３９】
図５又は図２において、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と後方側外筒部材１６２の内周面との間には、径方向間隔が例えば０．３ｍｍ以上の環状の隙間Ｓ0が設けられている。隙間Ｓ0は、跳ね石等により外筒１６にもたらされる衝撃力が外筒１６から直接セパレータ１８に伝わらないようにするための環状の空間を形成している。一方、外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの縁部とセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面との間には径方向の微小な隙間Ｓ1が形成されている（図１０参照）。隙間Ｓ1は、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂをがたつきなくスムーズに外筒側支持部１６Ａに挿入するために設けられたガイド代である。これらの隙間Ｓ0，Ｓ1は前述の通気溝１８ｂとともに通気路Ｋを構成する。このようにセラミックセパレータ１８の外周面に沿うように通気路Ｋを形成すると、酸素センサ１の内部において基準ガスである大気の循環が促進されて換気性能がよくなる傾向があり、排気ガス等の混入が少ない状態で酸素検出素子２の中空部２ａに大気を導入することができる。特に環状の隙間Ｓ0によって大容量の通気量を確保でき、検出素子２から安定した出力の取り出しが可能になる。なお、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と後方側外筒部材１６２の内周面との間には径方向の隙間Ｓ0が設けられているので、セパレータ側支持部１８Ａの外周面に沿って設けられる通気溝１８ｂは省略することができる。
【００４０】
図６はグロメット１７と通気部５３との組立状態を示す。グロメット１７には、各リード線１９，２０，２１，２２を挿通するための４個のリード線挿通孔１７ａ（第二リード線挿通孔）がその内部に軸線方向に貫通して設けられている。グロメット１７の径方向中央部には中央貫通孔１７ｂが設けられ、この中央貫通孔１７ｂに通気部５３が嵌入されている。グロメット１７のリード線挿通孔１７ａ、中央貫通孔１７ｂ及び外周面１７Ａは、これら通気部５３及びリード線１９，２０，２１，２２の外面と外筒１６の後端開口部１６Ｒ内壁との間をシールする。通気部５３をグロメット１７に設けることで、通気部５３を相対的に高位置に設けることが容易になり、水滴が侵入しにくく防水性が高くなる。
【００４１】
通気部５３は、フィルタ５３Ａとフィルタ支持金具５３Ｂとから構成されている。フィルタ５３Ａは、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ａ１と、周面部５３Ａ１に対して後端部で蓋状に連接され、軸線方向に外気を導く通気端面部５３Ａ２とを有し、全体が軸方向断面にて逆Ｕ字状を呈している。そして、円筒状のフィルタ支持金具５３Ｂは、前端部に鍔部５３Ｂ２を有し、軸線方向に延びる円筒状周面部５３Ｂ１がフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１内部に嵌合して、フィルタ５３Ａを内側から支持し、外筒１６の小径部１６ｃを加締めてグロメット加締部１６Ｂを形成するときにフィルタ５３Ａの円筒状周面部５３Ａ１が破壊しないよう支えている。フィルタ５３Ａ等の通気部５３をグロメット１７に設けることで、酸素センサ１の中で最も高温に晒される部位である酸素検出素子２の検出部から通気部５３をできるだけ遠ざけることができ、フィルタ５３Ａの耐熱性に有利である。
【００４２】
フィルタ５３Ａ又はフィルタ支持金具５３Ｂには各々内外の周面に軸線方向に沿うテーパ等の傾斜を設けて嵌合を強固なものとすることができる。フィルタ５３Ａは、図６の状態から１８０゜回転させて通気端面部５３Ａ２を底部（前端部）に位置させることもできるが、水等の侵入を防止する意味において、グロメット１７の後端面と通気端面部５３Ａ２とがほぼ面一になる図６の状態がより望ましい。また、フィルタ支持金具５３Ｂは、外筒１６の後端部を加締めてグロメット加締部１６Ｄを形成したのちは抜去して、次のグロメット１７の組立用治具として使用することもできる。なお、フィルタ５３Ａは、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質繊維構造体（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））等により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。
【００４３】
上記酸素センサ１において、基準ガスとしての大気はフィルタ５３Ａの通気端面部５３Ａ２（通気部）→セラミックセパレータ１８の通気溝１８ｂ→外筒１６とセラミックセパレータ１８との間の径方向の隙間Ｓ0，Ｓ1（通気路Ｋ）→中空部２ａを経て酸素検出素子２の内面（内部電極層２ｃ）に導入される（図２矢印Ｒ参照）。一方、酸素検出素子２の外面（外部電極層２ｂ）にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内外電極層２ｃ，２ｂ（図２、図３）から第一及び第二端子金具２３，３３並びにリード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。
【００４４】
図７は、酸素センサの組立方法の一例を示す工程説明図である。まず、発熱体３が第一端子金具２３の下方押圧部２３ｄ及び上方押圧部２３ｅとで径方向に保持された状態で、第一端子金具２３に接続されたリード線２１が、セラミックセパレータ１８のリード線挿通孔１８ａとグロメット１７のリード線挿通孔１７ａとに順次挿通されて外部へ引き出される。第一端子金具２３の鍔２３ｇがセラミックセパレータ１８の前端面に当接するように配置され、かつ発熱体３の後端部が、発熱体端部収容穴１８ｃの底面１８ｄで受け止められ、軸線方向の位置決めがなされる。なお、第二端子金具３３に接続されたリード線２０も、リード線挿通孔１８ａ，１７ａに順次挿通して外部へ引き出される。一方、ケーシング１０（主体金具９）に酸素検出素子２を保持して別途組み立て、ケーシング１０（主体金具９）の後端部に対して外筒１６の前端開口部１６Ｆを後方外側から同軸的に重ね合わせて嵌合連結させる。なお、前方側外筒部材１６１の後部に形成される外筒側支持部１６Ａの第一筒状部１６ｂ１に対し、後方側外筒部材１６２の前部が後方外側からほぼ同軸的に重ね合わせて嵌合連結され、この連結部の周方向に沿って形成した全周レーザー溶接部１６Ｃにより外筒１６が一体化されている。
【００４５】
そして、酸素検出素子２及びケーシング１０が組み込まれた外筒１６と、両端子金具２３，３３及び発熱体３が組み込まれたセラミックセパレータ１８とを相対的に接近させると、前方側では酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面をガイドとして発熱体３が徐々に挿入される。そして後方側ではまず、外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１（及び折曲部１６ｃの縁部）を案内ガイドとしてセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂが徐々に挿入され、次いで外筒１６の後端開口部１６Ｒの内周面を案内ガイドとしてセラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａが徐々に挿入される（図７（ａ））。ここで、「相対的に接近」とは、外筒１６とセラミックセパレータ１８との間で、いずれか一方を固定し他方を移動させるか、又は両者を互いに逆方向に移動させることにより、両者を接近させることを表している。
【００４６】
やがて、第二端子金具３３の金具本体部３３ｃの内側に、酸素検出素子２の後端部が金具本体部３３ｃを弾性的に押し広げる形で挿入され、次いで、酸素検出素子２の中空部２ａの後端開口部から第一端子金具２３の固定部２３ｃの外面が中空部２ａ内壁面に嵌入される。セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１が、外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１（又は折曲部１６ｃの縁部）に当接したときに、外筒１６とセラミックセパレータ１８との相対的な接近を停止する。このとき、発熱体３の外面は上方押圧部２３ｅ及び下方押圧部２３ｄにより径方向に押圧され酸素検出素子２の中空部２ａ内壁面に発熱体３のほぼ全長が接触させられている。こののち外筒１６の後端開口部１６Ｒから、後端開口部１６Ｒの内周面をガイドとして、通気部５３が組み込まれたグロメット１７の外周面１７Ａを嵌入する。このとき、フィルタ支持金具５３Ｂの鍔部５３Ｂ２の前端面がセラミックセパレータ１８（セパレータ側支持部１８Ａ）の後端面に当接する。これによってゴム製グロメット１７の弾性力が鍔部５３Ｂ２を介してセラミックセパレータ１８に作用し、セラミックセパレータ１８をがたつきなく安定的に外筒側支持部１６Ａに支持される。
【００４７】
これらの挿入位置を維持しつつ、外筒１６の後端部において、グロメット１７と後方側外筒部材１６２とを加締めてグロメット加締部１６Ｄを形成する。最後に外筒１６の前端部において、主体金具９と外筒１６の前端開口部１６Ｆとの連結部に対して、周方向に沿って全周レーザー溶接部１６Ｅを形成することで外筒１６とケーシング１０とが一体化される（図７（ｂ））。なお、全周レーザー溶接部１６Ｃ（第二全周接合部）及び１６Ｅ（第一全周接合部）は、レーザー光源Ｌから発射されるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザービームＬＢを上記各連結部に向けて略水平方向に全周にわたって照射することで形成される。レーザー溶接は、狭い面積に極めて高密度の光エネルギを集中させ得るので、強固な密着性が得られるとともに、接触面積が少なくてすむ特徴がある。
【００４８】
図８〜図１０は、図７のうち外筒１６とセラミックセパレータ１８との組み付け状態を取り出して示した説明図である。外筒１６に対してセラミックセパレータ１８を相対的に接近させると、まずセラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの前端部が外筒側支持部１６Ａの内側への挿入を開始する。このとき、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外径Ｄ1は、外筒側支持部１６Ａ（折曲部１６ｃ）の最小内径ｄ1よりも僅かに小に形成されているので、本体部１８Ｂの外周面と外筒側支持部１６Ａ（折曲部１６ｃ）の縁部との間に径方向の微小隙間Ｓ1が形成される。よって、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂは外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１（及び折曲部１６ｃの縁部）をガイドとして前端側へ挿入される。
【００４９】
次に、セパレータ側支持部１８Ａの前端部が外筒１６の後端開口部１６Ｒの内周面への挿入を開始する。このとき、セパレータ側支持部１８Ａの外径Ｄ2は、後端開口部１６Ｒの内径ｄ2よりも僅かに小に形成されているので、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と後端開口部１６Ｒの内周面との間に径方向の微小隙間Ｓ2が形成される。よって、セパレータ側支持部１８Ａは後端開口部１６Ｒの内周面をガイドとして前端側へ挿入される。このようにして、前方側では外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１（及び折曲部１６ｃの縁部）をガイドとして、後方側では外筒１６の後端開口部１６Ｒの内周面をガイドとして、セラミックセパレータ１８が徐々に外筒１６内に挿入される（図８参照）。
【００５０】
ここで、セパレータ側支持部１８Ａの（前方側支持面１８Ａ１の）前端からセパレータ１８の前端までの軸線方向距離をＬ3、外筒１６の後端から外筒側支持部１６Ａの（折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１の）後端までの軸線方向距離をＬ4とし、Ｌ3＞Ｌ4に形成している。これによって、外筒１６の後端開口部１６Ｒよりセパレータ１８を挿入するとき、セパレータ１８はまず挿入方向前方側に位置する本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側への挿入を開始する。次いで挿入方向後方側に位置するセパレータ側支持部１８Ａが外筒１６の後端開口部１６Ｒ内周面に挿入される。その後セパレータ１８は、セパレータ側支持部１８Ａが外筒１６の後端開口部１６Ｒ内周面に、本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１（及び折曲部１６ｃの縁部）に、それぞれ別個にかつ同時に案内ガイドされてスムーズに外筒１６に挿入される。
【００５１】
セラミックセパレータ１８の外筒１６への挿入が終了したとき、外筒側支持部１６Ａの折曲部１６ｃの後方側支持面１６ｃ１は、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１を受止支持している。また、外筒側支持部１６Ａの内周面とセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面との間に空間部Ｓ3が形成され、外筒側支持部１６Ａは本体部１８Ｂの外周面を環状に取り巻くように設けられている。さらに、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と、その外周面に対向する後方側外筒部材１６２の内周面との間に、径方向間隔が例えば０．３ｍｍ以上の環状の隙間Ｓ0が形成されている（図９参照）。
【００５２】
図８で、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１は、後方側に向かうほど外径が大となる傾斜面に形成されている。この前方側支持面１８Ａ１の傾斜は、セラミックセパレータ１８のセパレータ側支持部１８Ａが外筒１６の後端開口部１６Ｒ内周面に挿入される際の案内ガイドとなる。前方側支持面１８Ａ１に傾斜を設けることにより、外筒１６に対してセラミックセパレータ１８の挿入がスムーズに行える。図８では前方側支持面１８Ａ１の傾斜は平面状に形成されているが曲面状等であってもよい。
【００５３】
図１０は図９のＣ部の拡大図を示し、外筒側支持部１６Ａの終端に形成される折曲部１６ｃの径方向内側への折曲角αについて例示したものである。本発明では折曲部１６ｃの折曲角αが９０゜より小（図１０（ａ））、折曲角αが９０゜（図１０（ｂ））、折曲角αが９０゜より大（図１０（ｃ））のいずれの場合を選択してもよい。図１０（ｃ）を選択する場合、折曲角αをセパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１の傾斜角βに等しくしてもよい。
【００５４】
以上に述べたように、図１から図１０に示す本発明の実施例には下記のような特徴も有する。
（Ａ）セパレータ側支持部１８Ａの前端からセラミックセパレータ１８の前端までの軸線方向距離をＬ3とし、外筒１６の後端から外筒側支持部１６Ａの後端までの軸線方向距離をＬ4としたとき、Ｌ3＞Ｌ4の関係を満足する。
（Ｂ）外筒側支持部１６Ａには、外径が後方に向かうほど連続的に又は段階的に小さくなる形態を有する縮径部が軸線方向において前後に複数設けられ、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面と、外筒側支持部１６Ａに形成される縮径部１６ａ１，１６ａ２の内面との間に空間部Ｓ3が形成されている。
（Ｃ）外筒側支持部１６Ａにおいて、複数の縮径部１６ａ１，１６ａ２のうち最も前方側に形成された第一縮径部１６ａ１とその第一縮径部１６ａ１よりも後方側に形成された第二縮径部１６ａ２との間に、軸線に対してほぼ平行な形態で第一筒状部１６ｂ１を形成し、この第一筒状部１６ｂ１の外周面に対し後方側外筒部材１６２の前部内周面が後方外側から重ね合わせて連結されている。
（Ｄ）外筒側支持部１６Ａの第二縮径部１６ａ２よりもさらに後方側において、セラミックセパレータ１８の本体部１８ｂ外周面にほぼ沿うような形態で第二筒状部１６ｂ２が形成されている。
（Ｅ）外筒側支持部１６Ａの第二筒状部１６ｂ２よりもさらに後方側が径方向内側へ折曲げられて折曲部１６ｃが形成され、この折曲部１６ｃがセパレータ側支持部１８Ａを受け止め支持している。
【００５５】
（実験例）
本発明の効果を確認するために、酸素センサの熱伝導実験を行い外筒と主体金具の温度測定を実施した。実験には次のような酸素センサを用いた。図１に示す酸素センサ１の前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ1を０．５〜０．８ｍｍの範囲で変化させ、一方後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ2を０．３〜０．５ｍｍの範囲で変化させ、両者の組み合わせで６種の実験用センサを作成した。なお、比較用として外筒１６が分割されずに一枚の部材から継ぎ目無しで成形された酸素センサ（肉厚ｔ＝０．９ｍｍ）も用意した。
【００５６】
酸素センサ１のねじ部９ｂを電気炉のねじ部に締め込み、酸素センサ１のねじ部９ｂよりも前方の部分が電気炉の加熱室内に位置し、それより後方の部分は大気中に位置するように設置する（図示省略）。主体金具９の前端を起点として、酸素センサ１の軸線方向後方に向かって設けられた計４カ所の測温位置ｙに熱電対温度計を埋め込んだ。各測温位置ｙは図１に示すように、主体金具９の前端を起点として、酸素センサ１の軸線方向後方への距離をｙとしたとき、ｙ＝３，２４，４０，４７ｍｍである。ｙ＝３ｍｍでは主体金具９の温度、その他は外筒１６の温度を測定した。まず▲１▼電気炉内の設定温度８６０℃に加熱し、このときの各測温位置ｙにおける温度を測定した。次に▲２▼電気炉内の設定温度を７８０℃に変更し、同様に各測温位置ｙにおける温度を測定した。以上の測定結果を表１に示す。
【００５７】
【表１】
0004359368.tif 000002
【００５８】
次に表１で得られた測定データを、測温位置ｙ＝３ｍｍにおける主体金具温度が▲１▼６３０℃一定及び▲２▼５６０℃一定になるように換算した。この換算データを表２に示す。また表２に基づいて作成した温度測定グラフを図１１に示す。実験結果は表２において、比較例の温度を下回れば○、同等であれば△、上回れば×として判定した。
【００５９】
【表２】
0004359368.tif 000003
【００６０】
図１１及び表２より、前方側外筒部材１６１の肉厚ｔ1が０．５〜０．８ｍｍの範囲にあり、かつ後方側外筒部材１６２の肉厚ｔ2が０．３〜０．５ｍｍの範囲にあるときの実験データと、肉厚ｔ＝０．９ｍｍの継ぎ目無し外筒１６の比較データとを対比すると、次のことがわかる。
（ａ）いずれの実験データも、比較データと同等以下に外筒１６の温度が抑制されている。
（ｂ）前方側外筒部材１６１の肉厚t1又は後方側外筒部材１６２の肉厚t2が薄くなるにつれ外筒１６の温度が低下する傾向が顕著である。
本実験例は、外筒後方側（グロメット側）への熱伝導が抑制されグロメットが高温下に晒されなくなる状況を示唆している。これによって、グロメットのシール性の低下を防止する本発明に基づく効果が確認される。
【００６１】
図１２及び図１３に、図９の変更例を示す。これらはいずれも図９の外筒形状の一部に変更を加えている。なお、図１２及び図１３において図９と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６２】
図１２では、主として次の２点で図９と異ならせてある。
（１）外筒側支持部１６Ａの先端すなわち第二筒状部１６ｂ２よりも後方側は径方向外側へ折曲げられて折返部１６ｃ’を形成し、折返部１６ｃ’の後方側支持面１６ｃ１’はセパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１にほぼ沿うような形態を有している。このようにして形成される折返部１６ｃ’は、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に配置されたとき、セパレータ側支持部１８Ａの前方側支持面１８Ａ１の受止具として機能する。なお、折返部１６ｃ’の後方側支持面１６ｃ１’は、後方側に向かうほど内径が大となる傾斜面に形成され、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に挿入される際の案内ガイドとなっている。
（２）外筒側支持部１６Ａの第二筒状部１６ｂ２は、セパレータ１８の本体部１８Ｂ外周面にほぼ沿うような形態で形成され、第二筒状部１６ｂ２の内周面は、セパレータ１８の本体部１８Ｂが外筒側支持部１６Ａの内側に挿入される際の案内ガイドとなる。このとき、セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外径Ｄ1は、外筒側支持部１６Ａの第二筒状部１６ｂ２の内径ｄ1よりも僅かに小に形成されているので、本体部１８Ｂの外周面と第二筒状部１６ｂ２の内周面との間に径方向の微小隙間Ｓ1が形成される。
【００６４】
図１３では、図１２における（１）（２）に加えて下記の（５）（６）（７）の３点で図９と異ならせてある。
（５）セラミックセパレータ１８の本体部１８Ｂの外周面から突出するフランジ状のセパレータ側支持部１８Ａが、軸線方向中間位置に形成されるタイプで構成されている。このタイプでは、セラミックセパレータ１８の後端部側本体部１８Ｂ外周面と外筒１６（後方側外筒部材１６２）の内周面との間にも空間が形成される特徴がある。
（６）縮径部１６ａ１，１６ａ２は外径が階段状に小さくなる形態を有し、段部を形成している。縮径部１６ａ１，１６ａ２が階段状の形態のものはテーパ状等の形態のものに比して、外筒１６の全長を短縮する上で効果的である。
（７）外筒側支持部１６Ａにおいて、折返部１６ｃよりもさらに後方側において、セパレータ側支持部１８Ａの外周面にほぼ沿うような形態で延長部１６ｄが形成されている。第二外筒部材１６２と延長部１６ｄとで二重にセパレータ側支持部１８Ａを保護して耐衝撃性を高めている。この場合、セパレータ側支持部１８Ａの外周面を外筒側支持部１６Ａの延長部１６ｄが覆っているため、セパレータ側支持部１８Ａの外周面と第二外筒部材１６２の内周面との間に形成される径方向の隙間Ｓ0は、延長部１６ｄの肉厚ｔ1分だけ狭くなり、実際に残存している環状の隙間は、Ｓ0’＝Ｓ0−ｔ1である（拡大図参照）。
【００６６】
以上説明した本発明のセンサの構造は、先端が閉じた中空軸状の酸素検出素子を有する酸素センサ以外に、板状の酸素検出素子を有する酸素センサ（いわゆるλ型センサ）等にも適用できる。また、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯｘセンサなどにも同様に適用することができる。なお、セラミックセパレータ１８は外筒側支持部１６Ａにおいて直接でなく他部材を介して間接的に支持されていてもよい。さらに、第一及び第二全周接合部１６Ｅ、１６Ｃはレーザー溶接の他に電子ビーム溶接、ろう接等の手段を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの縦断面図。
【図２】図１の酸素センサの一部拡大縦断面図。
【図３】セラミックセパレータへの組み付け状態を示す分解斜視図。
【図４】外筒の平面図及び正面半断面図。
【図５】セラミックセパレータの平面図、底面図及び半断面図。
【図６】グロメットと通気部との組み付け状態を示す分解斜視図。
【図７】図１の酸素センサの組立方法の一例を示す工程説明図。
【図８】外筒とセラミックセパレータとの組み付け途中の状態を示す説明図。
【図９】外筒とセラミックセパレータとの組み付け後の状態を示す説明図。
【図１０】図９のＣ部の拡大図。
【図１１】熱伝導実験での温度測定結果を示すグラフ。
【図１２】第一変更例の外筒を組み込んだ状態の図９に相当する説明図。
【図１３】第二変更例の外筒を組み込んだ状態の図９に相当する説明図。
【符号の説明】
１          酸素センサ（ガスセンサ）
２          酸素検出素子（検出素子）
９          主体金具
１６        外筒
１６１      前方側外筒部材
１６２      後方側外筒部材
１６Ａ      外筒側支持部
１６ａ１    第一縮径部
１６ａ２    第二縮径部
１６ｂ１    第一筒状部
１６ｂ２    第二筒状部
１６ｃ      折曲部
１６ｃ１    後方側支持面
１６Ｂ      拡径部
１６Ｃ      全周レーザー溶接部（第二全周接合部）
１６Ｅ      全周レーザー溶接部（第一全周接合部）
１６Ｆ      前端開口部
１６Ｒ      後端開口部
１７        グロメット
１７ａ      リード線挿通孔（第二リード線挿通孔）
１８        セラミックセパレータ（セパレータ）
１８Ａ      セパレータ側支持部
１８Ａ１    前方側支持面
１８Ｂ      本体部
１８ａ      リード線挿通孔（第一リード線挿通孔）
１９，２０，２１，２２    リード線
５３        通気部
Ｓ0         環状の隙間
Ｓ3         空間部
ｔ1         前方側外筒部材の肉厚
ｔ2         後方側外筒部材の肉厚
【図１】
0004359368.tif 000004
【図２】
0004359368.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004359368.tif 000009
【図７】
0004359368.tif 000010
【図８】
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【図９】
0004359368.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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