(57)【要約】【課題】主体金具の後端部の周囲に金属外筒の先端部が全周レーザー溶接による溶接部によって固定されたガスセンサであって、金属外筒と主体金具との溶接部における腐食が抑制され、長期に渡って正確なガス濃度の測定が可能なガスセンサを提供すること。【解決手段】軸方向に延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子１１０と、前記ガス検出素子１１０を自身の先端側から突出するように保持する筒状の主体金具１２０と、前記主体金具１２０の後端部１２０ｋの周囲に自身の先端部２００ｓが全周レーザー溶接によって固定される筒状の金属外筒２００とを備えるガスセンサ１００であって、前記主体金具１２０が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｃｒを１１．５質量％以上１８．０質量％以下、およびＮｂを前記Ｃに対して質量で２倍以上含有するものであるもの。【選択図】図１
2009198422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、
前記ガス検出素子を自身の先端側から突出するように保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の後端部の周囲に自身の先端部が全周レーザー溶接によって固定される筒状の金属外筒とを備えるガスセンサであって、
前記主体金具は、Ｆｅを主成分とし、少なくともＣを０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｃｒを１１．５質量％以上１８．０質量％以下、およびＮｂを前記Ｃに対して質量で２倍以上含有するものであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記主体金具は、さらに、Ｓｉを１．００質量％以下、Ｍｎを１．２５質量％以下、Ｐを０．０６質量％以下、Ｓを０．２０質量％以下含有することを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記主体金具は、Ｃを０．０２質量％以上０．０６質量％以下とし、さらに、Ｓｉを１．００質量％以下、Ｍｎを１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０３質量％以下含有することを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記レーザー溶接によって前記金属外筒と前記主体金具とを繋ぐように溶接部が形成され、前記溶接部のうち前記主体金具の外径表面と同一平面における位置での前記主体金具の軸方向に沿った大きさが０．４ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに係り、特に主体金具と金属外筒とがレーザー溶接されたものにおいて、その溶接部の耐食性に優れたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の空燃比制御を行うにあたって、排気ガス中の特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化するガス検出素子を備えるガスセンサが用いられている。このようなガスセンサとしては、例えば酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等の各種センサが知られている。ガスセンサは、主体金具の内部にガス検出素子が同軸状に挿入された構造を有し、主体金具の先端部から突出するガス検出素子の先端部を排気ガス等の被測定ガスに晒すことで、被測定ガス中の酸素等の特定ガス成分を検出する。
【０００３】
一方、主体金具の後端部から突出するガス検出素子の後端部には、一対のセンサ端子金具を介してセンサ出力リード線が接続され、またガス検出素子の内部に後端側から挿入されるセラミックヒータにも、一対のヒータ端子金具を介してヒータリード線が接続されている。そして、これらを保護するため、主体金具の後端部にはこれらの周囲を囲むように筒状の金属外筒が固定されている。主体金具と金属外筒との固定は、主体金具の後端部の周囲に金属外筒の先端部を嵌め合わせた後、これらを全周レーザー溶接することによって行われている。このようなレーザー溶接により、金属外筒から主体金具へと溶け込むようにして溶接部が形成され、この溶接部により主体金具と金属外筒との間の気密性が保持されている。
【０００４】
このようなガスセンサは、一般に過酷な環境下で使用される。すなわち、ガスセンサは、自動車の排ガス管に取り付けられて使用されることから、排ガス管からの熱によって高温となる。また、ガスセンサは、主体金具の先端側に形成された取付ネジ部において排ガス管に取り付けられているが、それよりも後端側、すなわち工具係合部やその後端部に固定された金属外筒については排ガス管の外部に露出しており、寒冷地等において使用される融雪剤、例えば塩化カルシウム等の腐食性物質が付着しやすい。
【０００５】
このように、ガスセンサについては過酷な環境下で使用されることから、外部に露出する主体金具や金属外筒については耐食性に優れるステンレス鋼から構成されている。例えば、金属外筒については、耐食性に優れるＳＵＳ３０４から構成されており、また主体金具については、冷間鍛造により成形されることから、若干耐食性に劣るものの冷間鍛造性が良好なＳＵＳ４３０から構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２０８１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金属外筒を主体金具にレーザー溶接した場合、金属外筒から主体金具へと溶け込むようにして溶接部が形成されると共に、この溶接部と主体金具との界面近傍にＣｒとＣとが結合することによってクロム炭化物が析出し、反対にその周辺部にＣｒの含有量が少ないＣｒ欠乏層が形成される。Ｃｒは耐食性の向上に有効な元素であることから、このようなＣｒの含有量が少ないＣｒ欠乏層は腐食しやすいものとなっている。
【０００７】
つまり、溶接部と主体金具との界面近傍にＣｒ欠乏層が形成された場合、このＣｒ欠乏層を伝って溶接部と主体金具との界面全体に腐食が進行する。結果として、この腐食部分を通って外部から内部へと水分や腐食性物質が浸入し、この浸入した水分や腐食性物質によって内部に収容されたガス検出素子やセラミックヒータ等が損傷され、正確なガス濃度の測定が困難となる。
【０００８】
特に、金属外筒として耐食性に優れるＳＵＳ３０４に準ずる化学組成を有するものを用い、また主体金具としてそれよりも若干耐食性の劣るＳＵＳ４３０に準ずる化学組成を有するものを用いた場合、このような界面近傍におけるＣｒ欠乏層の形成が顕著となり、またＣｒ欠乏層を伝っての界面全体への腐食の進行も早くなる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、金属外筒と主体金具との溶接部における腐食が抑制され、長期に渡って正確なガス濃度の測定が可能なガスセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスセンサは、軸方向に延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、前記ガス検出素子を自身の先端側から突出するように保持する筒状の主体金具と、前記主体金具の後端部の周囲に自身の先端部が全周レーザー溶接によって固定される筒状の金属外筒とを備えるガスセンサであって、前記主体金具が、Ｆｅを主成分とし、少なくともＣを０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｃｒを１１．５質量％以上１８．０質量％以下、およびＮｂを前記Ｃに対して質量で２倍以上含有するものであることを特徴とする。
【００１１】
本発明に用いられる主体金具は、好ましくは、さらに、Ｓｉを１．００質量％以下、Ｍｎを１．２５質量％以下、Ｐを０．０６質量％以下、Ｓを０．２０質量％以下含有するものである。
【００１２】
また、本発明に用いられる主体金具は、より好ましくは、Ｃを０．０２質量％以上０．０６質量％以下とし、さらに、Ｓｉを１．００質量％以下、Ｍｎを１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０３質量％以下含有するものである。
【００１３】
さらに、本発明のガスセンサにおいては、前記レーザー溶接によって前記金属外筒と前記主体金具とを繋ぐように溶接部が形成され、前記溶接部のうち前記主体金具の外径表面と同一平面における位置での前記主体金具の軸方向に沿った大きさが０．４ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、主体金具の後端部の周囲に金属外筒の先端部が全周レーザー溶接によって固定されたガスセンサにおいて、主体金具として、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｃｒを１１．５質量％以上１８．０質量％以下、およびＮｂをＣに対して質量で２倍以上含有するものを用いることによって、主体金具と金属外筒とのレーザー溶接による溶接部における腐食を抑制し、内部に収容されたガス検出素子やセラミックヒータ等の損傷を有効に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明のガスセンサについて詳細に説明する。
本発明のガスセンサは、軸方向に延び、先端側が被測定ガスに晒されるガス検出素子と、このガス検出素子を自身の先端側から突出するように保持する筒状の主体金具と、この主体金具の後端部の周囲に自身の先端部がレーザー溶接によって固定される筒状の金属外筒とを備えるものであって、主体金具が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｃｒを１１．５質量％以上１８．０質量％以下、およびＮｂをＣに対して質量で２倍以上含有するものであることを特徴としている。
【００１６】
本発明によれば、主体金具として、特にＮｂをＣに対して質量で２倍以上含有するものを用いることによって、主体金具と金属外筒との溶接部における腐食を抑制することができる。
【００１７】
すなわち、本発明では、Ｎｂを含有させることで、主体金具と金属外筒とをレーザー溶接する際、ＣとＣｒとが結合してクロム炭化物となる前にＮｂとＣとを結合させてニオブ炭化物とすることができる。このため、金属外筒から主体金具へと溶け込むようにして形成された溶接部と該主体金具との界面近傍におけるＣｒの局部的な減少を抑制し、クロム欠乏層の形成を抑制することができる。
【００１８】
このように、溶接部と主体金具との界面近傍におけるクロム欠乏層の形成を抑制することで、溶接部と主体金具との界面全体に腐食が進行することを抑制できる。結果として、溶接部と主体金具との界面部分を伝っての水分や腐食性物質の浸入を抑制し、内部に収容されたガス検出素子やセラミックヒータ等の損傷を抑制し、長期に渡って正確なガス濃度の測定が可能なものとすることができる。以下、主体金具における各成分について説明する。
【００１９】
Ｃは、強度の確保に有効な元素であり、主体金具中に０．０２質量％以上０．１５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以上０．０６質量％以下含有される。Ｃの含有量が０．０２質量％未満であると、主体金具の強度を確保することが困難となり、また主体金具を製造するための伸線工程等において結晶粒が異常成長し、その後の冷間加工等が困難となるおそれがある。さらに、工業的にみても、Ｃの含有量が０．０２質量％未満と低いものを生産することは容易でない。一方、Ｃの含有量が０．１５質量％を超えると、主体金具と金属外筒とをレーザー溶接する際、Ｃｒと結合してクロム欠乏層を形成しやすく、また主体金具の靭性も低下するおそれがある。クロム欠乏層の形成や靭性の低下をより一層抑制する観点から、Ｃの含有量は好ましくは０．０６質量％以下である。
【００２０】
Ｃｒは、耐食性の向上に有効な元素であり、主体金具中に１１．５質量％以上１８．０質量％以下含有される。Ｃｒは、表面錆被膜の緻密性を高め、環境遮断性を高めることによって耐食性を向上させる。しかし、Ｃｒの含有量が１１．５質量％未満であると耐食性を十分に確保することが困難となる。一方、Ｃｒの含有量が１８．０質量％を超えると、主体金具を製造する際の加工性が低下する。このため、主体金具の耐食性と製造性とを調和させる観点から、Ｃｒの含有量は１１．５質量％以上１８．０質量％以下とされる。
【００２１】
Ｎｂは、上記したように主体金具と金属外筒とをレーザー溶接する際、溶接部の表面近傍にクロム欠乏層が形成されることを抑制するために加えられる。また、Ｎｂを加えることによりクロム欠乏層の形成を抑制できることから、このようなクロム欠乏層の形成に寄与するＣの含有量を過度に低下させる必要もなくなり、上記したように主体金具中のＣの含有量を０．０２質量％以上とすることができる。
【００２２】
主体金具中のＮｂの含有量は、Ｃの含有量に対して質量で２倍以上である。Ｎｂの含有量がＣの含有量に対して２倍未満であると、クロム欠乏層の形成を抑制することができない。クロム欠乏層の形成をより一層抑制する観点から、Ｎｂの含有量はＣの含有量に対して質量で好ましくは３倍以上である。
【００２３】
Ｎｂの含有量は、Ｃの含有量に対して質量で２倍以上、より好ましくは３倍以上であれば必ずしもその上限は限定されるものではないが、好ましくは６０倍以下である。Ｎｂの含有量がＣの含有量に対して質量で６０倍程度あればクロム欠乏層の生成を十分に抑制することができ、これを超えて含有させてもかえって主体金具の加工性を低下させると共に、製造コストを上昇させるため好ましくない。Ｎｂの含有量は、クロム欠乏層の生成を抑制しつつ、主体金具の加工性の低下や製造コストの上昇を抑制する観点から、より好ましくはＣの含有量に対して質量で３０倍以下である。
【００２４】
本発明に用いる主体金具は、上記したようにＦｅを主成分とし、Ｃ、Ｃｒ、およびＮｂを所定量含有することを特徴とするが、これらに加えてＳｉ、Ｍｎ、ＰおよびＳの中から選択される１種以上を含有していても構わない。
【００２５】
Ｓｉは、脱酸と強度確保のために有効な元素である。しかし、主体金具中のＳｉの含有量が過剰となると、溶接性等が低下するおそれがある。このため、主体金具中のＳｉの含有量は、好ましくは１．００質量％以下である。なお、Ｓｉは、脱酸および強度確保の観点から、主体金具中に０．０１質量％以上含有されていることが好ましい。
【００２６】
Ｍｎも、Ｓｉと同様、脱酸および強度確保のために有効な元素である。しかし、主体金具中のＭｎの含有量が過剰となると、主体金具の靱性が低下するおそれがある。このため、主体金具中のＭｎの含有量は、好ましくは１．２５質量％以下であり、より好ましくは１．００質量％以下である。なお、Ｍｎは、脱酸および強度確保の観点から、主体金具中に０．０１質量％以上含有されていることが好ましい。
【００２７】
Ｐは、主体金具を作製する際に不純物として含有されるが、耐食性に有害であることに加えて、靱性や溶接性を劣化させる元素である。このため、主体金具中のＰの含有量はできる限り低いことがよく、好ましくは０．０６質量％以下であり、より好ましくは０．０４質量％以下である。
【００２８】
Ｓは、切削性の向上に有効であることから、切削性を向上させる観点から含有させることができる。しかし、過度に添加すると冷間加工性が低下するおそれがあることから、含有量は０．２０質量％以下とすることが好ましい。さらに、Ｓも、Ｐと同様、耐食性に有害であるから、主体金具中のＳの含有量はできる限り低いことがよく、好ましくは０．０３質量％以下である。
【００２９】
本発明に用いられる主体金具には、さらにＮｉ、ＣｕおよびＭｏの中から選択される１種以上の元素が含有されていても構わない。
【００３０】
Ｎｉは、耐食性を向上させるために有効な元素である。しかし、主体金具中のＮｉの含有量が過度に多くなると製造時の熱間加工性が低下し、主体金具の製造性が低下する。このことから、主体金具中のＮｉの含有量は、好ましくは０．６０質量％以下である。
【００３１】
Ｃｕも、耐食性を向上させるために有効な元素であり、具体的には表面錆被膜の緻密性を高め、環境遮断性を高めることによって耐食性を向上させる。しかし、主体金具中のＣｕの含有量が過度に多くなると製造時の熱間加工性が低下し、主体金具の製造性が低下する。このことから、主体金具中のＣｕの含有量は、好ましくは０．６０質量％以下である。
【００３２】
Ｍｏも、耐食性を向上させるために有用な元素である。しかし、主体金具中のＭｏの含有量が過度に多くなると熱間加工性が低下し、主体金具の製造性が低下する。このことから、主体金具中のＭｏの含有量は、好ましくは０．６０質量％以下である。
【００３３】
本発明に用いられる主体金具は、上記した化学組成を有することを除き、従来のガスセンサ用の主体金具と同様にして製造することができる。具体的には、例えばＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４３０Ｆの化学組成を基本としつつ、Ｎｂの含有量をＣの含有量に対して２倍以上、好ましくは５倍以上６０倍以下となるように化学組成を調整したステンレス鋼を溶製し、これに圧延、伸線を行った後、さらに冷間鍛造により所定の形状とすることによって製造することができる。
【００３４】
次に、上記主体金具を用いた本発明のガスセンサについて図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明のガスセンサの一例を示した断面図であり、内燃機関の排ガス管に取り付けて、被測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサを示したものである。なお、図１では、ガスセンサの先端側が下方側、後端側が上方側となるように図示している。
【００３５】
ガスセンサ１００は、軸方向に延びるガス検出素子１１０と、このガス検出素子１１０の周囲を取り囲む筒状の主体金具１２０と、ガス検出素子１１０のうちで排気ガスに晒される先端部１１０ｓ覆うプロテクタ１５０と、主体金具１２０の後端側を覆う金属外筒２００とを備えている。
【００３６】
ガス検出素子１１０は、先端部１１０ｓが閉塞した有底筒状をなし、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成されている。このガス検出素子１１０の内周面には、そのほぼ全面を覆うようにＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質状に形成された内部電極層１１１が形成され、外周面にも同様な多孔質状の外部電極層１１２が形成されている。
【００３７】
ガス検出素子１１０の軸方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部１１０ｆが設けられており、この係合フランジ部１１０ｆは自身（ガス検出素子１１０）を主体金具１２０に保持するために利用される。また、このガス検出素子１１０の内側には、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有するセラミックヒータ１１５が挿設されている。
【００３８】
主体金具１２０は、上記したようにＮｂの含有量がＣの含有量に対して質量で２倍以上となる化学組成を有するものである。主体金具１２０は先端側に細径な先端部１２０ｓを有し、この先端部１２０ｓがプロテクタ１５０内に挿入されている。また、主体金具１２０の内周であって、先端部１２０ｓよりも後端側の位置には、ガス検出素子１１０を軸方向に保持するための棚部１２０ｐが形成されている。さらに、主体金具１２０の内周であって、棚部１２０ｐよりも後端側の位置には段付部１２０ｑが形成されている。
【００３９】
一方、主体金具１２０の外周であって、先端部１２０ｓよりも後端側の位置には、ガスセンサ１００を排ガス管に取り付けるための取付ネジ部１２０ｎが形成されている。さらに、この取付ネジ部１２０ｎの後端側には、ガスセンサ１００を排ガス管に取り付ける際に工具係合部として利用される六角フランジ部１２０ｆが形成されている。
【００４０】
この主体金具１２０は、ガス検出素子１１０の先端部１１０ｓが自身の先端面から突出するように該ガス検出素子１１０を同軸状に保持している。具体的には、主体金具１２０の棚部１２０ｐ上に第１板パッキン１３１が配置され、その後端側に内周に段付部１３３ｐを有する筒状の第１固定部材１３３が配置されている。ガス検出素子１１０は、この第１固定部材１３３に挿通されており、係合フランジ部１１０ｆが、第２板パッキン１３５を介して、第１固定部材１３３の段付部１３３ｐに係合している。第１固定部材１３３の後端側には、ガス検出素子１１０の外周面と主体金具１２０の内周面とによって形成される間隙に、滑石が圧縮充填された充填封止層１３７が配置されている。
【００４１】
充填封止層１３７の後端側には、内側をガス検出素子１１０が貫通する筒状の第２固定部材１３９が配置されている。第２固定部材１３９の後端側には加締めリング１４１が配置され、主体金具１２０の加締部１２０ｈが径方向内側に加締められることで、ガス検出素子１１０が主体金具１２０内に気密に保持されている。
【００４２】
プロテクタ１５０は、図２に拡大して示すように、ガス検出素子１１０の先端部１１０ｓを間隙を介して覆う筒状の内側カバー部１５１と、この内側カバー部１５１の外周に配置された筒状の外側カバー部１５３とからなる二重構造を有する。
【００４３】
外側カバー部１５３の側面部には、排気ガスを外部から内部に導入可能な外側ガス流通孔１５３ａが設けられている。外側ガス流通孔１５３ａは、それぞれ長円形状をなし、軸方向に見て中央よりも先端側の位置に、周方向に等間隔で形成されている。また、外側カバー部１５３の先端部には、円形状の外側先端流通孔１５３ｂが設けられている。一方、内側カバー部１５１には、ガス流通孔は設けられていないが、先端部には円形状の内側先端流通孔１５１ｂが設けられている。
【００４４】
プロテクタ１５０は、内側カバー部１５１と外側カバー部１５３との間の空間部分であって、外側ガス流通孔１５３ａよりも後端側において、該空間部分を周方向に間欠的に遮る遮り部１５５を有する。遮り部１５５は、内側カバー部１５１の後端側を径方向外側に折り曲げるようにして形成されている。また、遮り部１５５の径方向外側部分は、それぞれ後端側に折り曲げるようにして脚部１５７とされている。このようなプロテクタ１５０は、その外側カバー部１５３の後端部を主体金具１２０の先端部１２０ｓに圧入固定した状態でレーザー溶接することによって、主体金具１２０に固定されている。
【００４５】
図１に戻り、主体金具１２０の後端部１２０ｋには、その周囲を覆うように筒状の金属外筒２００が配置されている。主体金具１２０と金属外筒２００とは、それらの後端部１２０ｋと先端部２００ｓとにおいて全周レーザー溶接され、金属外筒２００から主体金具１２０へと溶け込むようにして形成された溶接部３００によって固定されている。金属外筒２００は、例えば耐食性に優れるＳＵＳ３０４からなるものとされている。
【００４６】
図３は、このような主体金具１２０と金属外筒２００との溶接部３００を拡大して示したものである。なお、図３に示す溶接部３００は、図１に示されるガスセンサ１００の溶接部３００のうち左側に位置するものを示したものである。
【００４７】
溶接部３００は、上記したように金属外筒２００から主体金具１２０へと溶け込むようにして形成されている。本発明によれば、上記したように溶接部３００と主体金具１２０との界面近傍におけるクロム欠乏層の形成が抑制されることから、このような界面全体への腐食の進行も抑制される。そして、界面全体への腐食の進行が抑制されることから、六角フランジ部１２０ｆの後端面と先端部２００ｓの先端面とのわずかな隙間から水分や腐食性物質が浸入したとしても、これらは主体金具１２０と金属外筒２００との間に形成された溶接部３００によって完全に遮断され、それ以上の浸入は抑制される。結果として、内部に収容されたガス検出素子やセラミックヒータ等の損傷が抑制され、長期に渡って正確なガス濃度の測定が可能となる。
【００４８】
溶接部３００の大きさは必ずしも限られるものではないが、ガスセンサ１００の軸方向（図中、上下方向）の大きさついては、例えば主体金具１２０の外径表面と同一平面における位置での大きさ（図中、Ｗｉ）が０．４ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
本発明は、特に溶接部３００の大きさＷｉが０．７ｍｍ以下である場合に、従来に比べて顕著な効果を発揮する。すなわち、溶接部３００の大きさＷｉが０．７ｍｍ以下といったように短い場合、溶接部３００と主体金具１２０との界面に沿った長さ（以下、界面長さと呼ぶ）も短くなり、界面全体に腐食が進行しやすくなる。しかし、本発明では、クロム欠乏層の形成が抑制されるため、このような界面長さのものについても界面全体への腐食の進行が抑制される。結果として、内部に収容されたガス検出素子やセラミックヒータ等の損傷も抑制され、長期に渡って正確なガス濃度の測定が可能となる。
【００５０】
図１に戻り、金属外筒２００の後端側には、フッ素ゴムにて構成されたグロメット２０１が内挿されている。このグロメット２０１は、金属外筒２００を径方向内側に向かって加締めることにより、金属外筒２００に気密に固定されている。
【００５１】
グロメット２０１の中央部には貫通孔が設けられ、この貫通孔にフィルタ部材２０３が配置されている。フィルタ部材２０３は、金属外筒２００の内側に大気を導入する一方、水分の侵入を防ぐ役割を有するものである。また、グロメット２０１の先端側には、絶縁性のアルミナからなるセパレータ２０５が配置されている。そして、グロメット２０１およびセパレータ２０５を貫通してセンサ出力リード線２１１、２１２およびヒータリード線２１３が配置されている。また、セパレータ２０５内には、第１、第２センサ端子金具２２１、２２２のコネクタ部２２１ｃ、２２２ｃおよびヒータ端子金具２２３互いに絶縁されつつ配置されると共に、セラミックヒータ１１５の後端側が収容されている。
【００５２】
第１センサ端子金具２２１は、コネクタ部２２１ｃにおいてセンサ出力リード線２１１を加締めにより把持してこれに電気的に接続すると共に、挿入部２２１ｉがガス検出素子１１０の有底孔内に挿入され、内部電極層１１１と電気的に接続している。第２センサ端子金具２２２は、コネクタ部２２２ｃにおいてセンサ出力リード線２１２を加締めにより把持してこれに電気的に接続すると共に、把持部２２２ｈにおいてガス検出素子１１０の後端付近の外周を把持して、外部電極層１１２と電気的に接続している。
【００５３】
また、２本のヒータ端子金具２２３は、ヒータリード線２１３（なお、１本のヒータリード線については、図１が断面図であるため省略されている）とそれぞれ電気的に接続すると共に、セラミックヒータ１１５の一対の電極パッド部１１５ｐと接合されることによりそれぞれ電気的に接続している。
【００５４】
なお、セパレータ２０５には、径方向外側に向かって突出する鍔部２０５ｆが形成されており、金属外筒２００には、周方向に沿って等間隔に４個の内側凸部２００ｃが形成されている。そして、この内側凸部２００ｃに鍔部２０５ｆの後端面を当接させた状態で、付勢部材２３１を用いて鍔部２０５ｆを後方側に付勢することにより、セパレータ２０５が金属外筒２００内に保持されている。ここで、付勢部材２３１は、筒状をなすと共に自身の弾性力によりセパレータ２０５に保持され、自身の径方向外側に位置する金属外筒２００が径方向内側に加締められることで変形し、セパレータ２０５の鍔部２０５ｆを後方側に付勢する。
【００５５】
次に、ガスセンサ１００の製造方法について説明する。
まず、所定寸法に予め成形されたＳＵＳ３１０Ｓ製の有底筒状をなす外側カバー部１５３と内側カバー部１５１とを準備し、内側先端流通孔１５１ｂの周辺部と外側先端流通孔１５３ｂの周辺部とにおいて、４ヵ所でスポット溶接を行うことにより、内側カバー部１５１と外側カバー部１５３とを同軸状に固着し、プロテクタ１５０を得る。一方、上記化学組成を有するステンレス鋼材に対して塑性加工および切削加工を施し、筒状の主体金具１２０を成形する。
【００５６】
そして、主体金具１２０の先端部１２０ｓにプロテクタ１５０の外側カバー部１５３を嵌め合わせた後、外側カバー部１５３の外周面からレーザー溶接を行う。これにより、プロテクタ１５０と主体金具１２０とは、圧入固定とレーザー溶接によって強固に固定される。
【００５７】
主体金具１２０の内部には、第１板パッキン１３１、第１固定部材１３３、第２板パッキン１３５、ガス検出素子１１０、充填封止層１３７となる滑石リング、第２固定部材１３９、加締めリング１４１を順に挿入する。そして、主体金具１２０の加締部１２０ｈを径方向内側に加締め、滑石リングを圧縮充填することにより充填封止層１３７を形成すると共に、主体金具１２０内にガス検出素子１１０を保持させ、図４に示す下部組立体４０１を作製する。
【００５８】
一方、第１、第２センサ端子金具２２１、２２２および２本のヒータ端子金具２２３に、それぞれセンサ出力リード線２１１、２１２およびヒータリード線２１３を接続し、セラミックヒータ１１５を第１センサ端子金具２２１内に位置させた状態で、各リード線２１１、２１２、２１３をセパレータ２０５内に挿通する。なお、セパレータ２０５の鍔部２０５ｆよりも先端側周囲には、予め付勢部材２３１を装着させておく。
【００５９】
このようにして内部にリード線２１１、２１２、２１３が挿通されたセパレータ２０５は金属外筒２００内に挿入する。また、グロメット２０１に形成されたリード線挿通孔に各リード線２１１、２１２、２１３を挿通した後、このグロメット２０１を金属外筒２００の後端側開口部に嵌め込む。これにより、図４に示すような上部組立体４０２を作製する。
【００６０】
そして、図４に示すように、下部組立体４０１と上部組立体４０２とを同軸上に配置し、上部組立体４０２を下部組立体４０１に向けて移動させ、主体金具１２０の六角フランジ部１２０ｆの後端側に金属外筒２００の先端部２００ｓを当接させる。この際、ガス検出素子１１０の内部にセラミックヒータ１１５が挿入される。その後、金属外筒２００を先端側に押圧しつつ、その先端部２００ｓを加締め治具によって加締めることで、金属外筒２００の先端部２００ｓを主体金具１２０の後端部１２０ｋに仮固定する。
【００６１】
また、金属外筒２００のうち付勢部材２３１の径方向外側に位置する部位を径方向内側に向かって加締め、付勢部材２３１を変形させることにより、付勢部材２３１と内側凸部２００ｃとの間でセパレータ２０５の鍔部２０５ｆを挟持し、金属外筒２００内にセパレータ２０５を保持させる。さらに、金属外筒２００のうち、グロメット２０１の径方向外側に位置する部位を径方向内側に向かって加締めて、グロメット２０１を金属外筒２００に気密に固定する。
【００６２】
その後、仮接続した金属外筒２００の先端部２００ｓと主体金具１２０の後端部１２０ｋとを全周レーザー溶接することにより、それらを繋ぐように溶接部３００を形成する。このように主体金具１２０の後端部１２０ｋと金属外筒２００の先端部２００ｓとを溶接部３００によって固定することで、ガスセンサ１００が完成される。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明について実施例を参照して具体的に説明する。
まず、Ｃの含有量に対するＮｂの含有量を質量で０〜６０倍の範囲で変化させた化学組成を有する主体金具１２０を用意した。なお、主体金具１２０の化学組成は、Ｃが０．０３質量％、Ｓｉが０．２質量％、Ｍｎが０．３質量％、Ｐが０．０２質量％、Ｓが０．００３質量％、Ｃｒが１６質量％、ＮｂがＣの含有量に対して質量で０〜６０倍、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。
【００６４】
この主体金具１２０にプロテクタ１５０を取り付けると共に、 ガス検出素子１１０等を組み付けて図４に示すような下部組立体４０１を作製した。一方、金属外筒２００としてＳＵＳ３０４からなるものを用意し、これにセパレータ２０５、グロメット２０１等を組み付けて図４に示すような上部組立体４０２を作製した。
【００６５】
そして、図４に示すように、下部組立体４０１に向けて上部組立体４０２を移動させ、主体金具１２０の後端部１２０ｋと金属外筒２００の先端部２００ｓとが重なり合う部分において、金属外筒２００の先端部２００ｓを加締めることによって両者を仮固定した。さらに、この仮固定部分に対して全周レーザー溶接を行うことにより、図１に示されるようなガスセンサ１００（試料Ｎｏ．１〜１１）を完成させた。
【００６６】
なお、試料Ｎｏ．１〜１１のガスセンサ１００のうち、Ｃの含有量に対するＮｂの含有量が質量で２〜６０倍となる試料Ｎｏ．４〜１１のガスセンサ１００が本発明のガスセンサ１００に相当する。また、レーザー溶接による溶接部３００は、図３に示す主体金具１２０の外径表面と同一平面における大きさＷｉが０．５ｍｍとなるようにした。
【００６７】
次に、塩水噴霧試験として、３５±５℃の環境下、各ガスセンサ１００を鉛直線に対して１５〜３０°傾けた状態で保持し、これにＪＩＳＺ２３７１に準拠した塩水を２２５０時間噴霧した。その後、各ガスセンサ１００の溶接部３００における腐食の有無を評価した。評価は、ガスセンサ１００を完全に密封し、ガス検出素子１１０を通気する通気孔を設けたチャンバーにガスセンサ素子１００を取り付ける。そして、チャンバー内に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で１０分間加圧し、主体金具１２０と金属外筒２００との間の空気の漏洩を調べることにより行い、空気の漏洩があったものを腐食の発生があったものと判断した。なお、ここでの腐食の発生とは、溶接部３００と主体金具１２０との界面全体に渡る腐食の発生を意味する。また、評価は、各ガスセンサ１００について１０本ずつ行った。結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
表１から明らかなように、Ｃの含有量に対するＮｂの含有量が質量で１倍以下である主体金具１２０を用いた試料Ｎｏ．１〜３のガスセンサ１００については、１０本中２本以上に腐食の発生が見られ、溶接部３００における耐食性が低いことが認められた。一方、Ｃの含有量に対するＮｂの含有量が質量で２倍以上である主体金具１２０を用いた試料Ｎｏ．４〜１１のガスセンサ１００については、腐食の発生が１０本中１本以下と少なく、特にＣの含有量に対するＮｂの含有量が質量で３倍以上である主体金具１２０を用いた試料Ｎｏ．５〜１１のガスセンサ１００については、腐食の発生が見られず、溶接部３００における耐食性に優れることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明のガスセンサの一例を示す断面図。
【図２】図１に示されるガスセンサのプロテクタを拡大して示す外観図。
【図３】図１に示されるガスセンサの溶接部を拡大して示す模式的断面図。
【図４】図１に示されるガスセンサの製造方法を説明するための説明図。
【符号の説明】
【００７１】
１００…ガスセンサ、１１０…ガス検出素子、１１５…セラミックヒータ、１２０…主体金具、１２０ｋ…後端部、１２０ｓ…先端部、１３１…第１板パッキン、１３３…第１固定部材、１３５…第２板パッキン、１３７…充填封止層、１３９…第２固定部材、１４１…加締めリング、１５０…プロテクタ、２００…金属外筒、２００ｓ…先端部、２０１…グロメット、２０５…フィルタ部材、２０５…セパレータ、２１１、２１２…センサ出力リード線、２１３…ヒータリード線、２２１…第１センサ端子金具、２２２…第２センサ端子金具、２２３…ヒータ端子金具、２３１…付勢部材、３００…溶接部、Ｗｉ…主体金具の外径表面と同一平面における位置での該主体金具の軸方向に沿った溶接部の大きさ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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