JP2012037445A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】シール材による気密性の劣化を抑制したガスセンサを提供する。
【解決手段】筒状のハウジング２０と、ハウジングの内側に配置されたセンサ素子３と、センサ素子とハウジングとの隙間に充填されたシール材６と、シール材の基端側に配されると共に、少なくとも基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆがハウジングの内側面と離間する筒状の絶縁部材１０と、絶縁部材の基端側に配され、外周部３０ａが絶縁部材の基端部より径方向外側に突出する環状の金属リング３０とを有し、シール材と絶縁部材と金属リングとは、ハウジングの基端部を内側に屈曲して形成した加締め部２０ａによって、基端側から先端側へ向かって押圧された状態で加締め固定されており、加締め部は金属リングの外周部の基端向き面全体に密着し、金属リング３０の内周部３０ｂの基端向き面３０ｈは、加締め部の内側端２０ａｐとの対向領域Ｒで加締め部２０ａと離間しているガスセンサ１００である。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

自動車等の排気ガス中の酸素やＮＯ_ｘの濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質を用いたセンサ素子を有するものが知られている。
図１０に示すように、この種のガスセンサは、有底円筒状のセンサ素子（この例では酸素センサ素子）３の中央付近に鍔部３ａを設け、センサ素子３を筒状のハウジング（主体金具）２００の内側に挿通して保持して構成されている（特許文献１）。ハウジング２００の内周面には段部２００ｅが設けられ、段部２００ｅの基端側にパッキン１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、セラミックホルダ５に基端側からパッキン（図示せず）を介してセンサ素子３の鍔部３ａを当てることにより、間接的に段部２００ｅに鍔部３ａが当接している。
さらに、鍔部３ａの基端側におけるセンサ素子３とハウジング２００との径方向の隙間に、筒状のシール材（滑石粉末）６及び絶縁部材（セラミックスリーブ）５０が配置されている。そして、絶縁部材５０の基端側に金属リング（平ワッシャ）６０を配し、ハウジング２００の基端部を内側に屈曲して加締め部２００ａを形成することにより、絶縁部材５０が先端側に押し付けられてシール材６を押し潰し、全体が加締め固定されるとともにシールされている。

さらに、ハウジング２００の基端部には、センサ素子３の基端側に設けられたリード線や端子を保持し、センサ素子３の基端部を覆うため、筒状の外筒４００が接合されている。一方、センサ素子３の先端はプロテクタ７で覆われている。そして、このようにして製造されたガスセンサのハウジング２００の雄ねじ部２００ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、センサ素子３の先端を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。

特開２００７−２８５７６９号公報（図１１）

しかしながら、上記した特許文献１記載の技術の場合、ガスセンサが冷熱サイクルを受けるとセンサ素子３とハウジング２００との間の気密性が低下し、センサ外部の被検出ガスがセンサ内部（外筒４００内部）に流入するという問題がある。これは、ガスセンサが加熱されると、金属製のハウジング２００がセラミック製のシール材６や絶縁部材５０よりも多く膨張してしまい、加締め部２００ａが長手方向（図１０のｅｘ方向）の基端側に延びるため、加締めが緩んでシール材６のシールが不十分になるためと考えられる。
従って、本発明は、シール材による気密性の劣化を抑制したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる筒状のハウジングと、先端側を該ハウジングの先端から突出させると共に、該ハウジングの内側に挿通配置されたセンサ素子と、前記センサ素子と前記ハウジングとの隙間に充填されたシール材と、該シール材の基端側に前記センサ素子を取り囲むように配されると共に、少なくとも基端部の外側面が前記ハウジングの内側面と離間する筒状の絶縁部材と、該絶縁部材の基端側に配されると共に、その外周部が前記絶縁部材の前記基端部より径方向外側に突出する環状の金属リングとを有し、前記シール材と前記絶縁部材と前記金属リングとは、前記ハウジングの基端部を内側に屈曲して形成した加締め部によって、基端側から先端側へ向かって押圧された状態で加締め固定されており、前記加締め部は、前記金属リングの前記外周部の基端向き面全体に密着すると共に、前記金属リングの前記外周部より内側に形成される内周部において、前記加締め部と前記金属リングとが軸線方向に対向する対向領域における前記金属リングの基端向き面の少なくとも径方向内側の端部が前記加締め部と離間している。

このような構成とすると、加締めによって金属リングの外周部を下方（先端）へ押し下げる応力が金属リング全体にかかり、ガスセンサが加熱されて加締め部が延びた際にこの応力と反対方向に金属リングがスプリングバックする。そして、このスプリングバックに伴い、金属リングの先端向き面（先端）側が絶縁部材を先端へ押し下げ、これによって加締めの緩みを防止し、シール材による気密性の劣化を抑制する。
具体的には、金属リングの外周部が絶縁部材の基端部より径方向外側へ突出しているため、金属リングの中央軸が絶縁部材の径方向の中央軸より径方向外側に偏倚する。従って、加締め加重を支える支点より、金属リングの中央軸が径方向外側に位置し、モーメントの関係から金属リングの基端向き面では、金属リングの径方向外側に加締め加重が多くかかる。そのため、上記応力が生じ、スプリング効果が生じる。
さらに、加締め部が金属リングの外周部の基端向き面全体に密着することで、外周部に加締め加重が確実に掛かるため、上記応力がより大きくなる。
その上、金属リングの内周部において、加締め部と金属リングとが軸線方向に対向する対向領域における金属リングの基端向き面の少なくとも径方向内側の端部が加締め部と離間しているため、金属リングの内周部側では加締め加重が殆ど掛からず、加締め加重が金属リングの外周部側に多く掛かり、上記したスプリングバック効果が確実に生じる。
以上のような構成により、加締めの緩みを防止し、シール材による気密性の劣化を抑制することができる。
なお、「金属リングの内周部における加締め部と金属リングとが軸線方向に対向する対向領域における金属リングの基端向き面」とは、例えば、加締め部の内側端が前記金属リングよりも径方向内側に配置される場合には、金属リングの内周部の基端向き面全体を指し、また、例えば、加締め部の内側端が前記金属リングよりも径方向外側に配置される場合には、金属リングの内周部の基端向き面のうち、加締め部の内側端に対向する位置から径方向外側に配置される部位を指す。

又、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びる筒状のハウジングと、先端側を該ハウジングの先端から突出させると共に、該ハウジングの内側に挿通配置されたセンサ素子と、前記センサ素子と前記ハウジングとの隙間に充填されたシール材と、該シール材の基端側に前記センサ素子を取り囲むように配されると共に、少なくとも基端部の外側面が前記ハウジングの内側面と離間する筒状の絶縁部材と、該絶縁部材の基端側に配されると共に、その外周部が前記絶縁部材の前記基端部より径方向外側に突出する環状の金属リングとを有し、前記シール材と前記絶縁部材と前記金属リングとは、前記ハウジングの基端部を内側に屈曲して形成した加締め部によって、基端側から先端側へ向かって押圧された状態で加締め固定されており、前記金属リングの外周部の先端向き面は、前記絶縁部材の前記基端部の基端向き面より先端側に位置している。

このような構成とすると、加締めによって金属リングの外周部を下方（先端）へ押し下げる応力が金属リング全体にかかり、ガスセンサが加熱されて加締め部が延びた際にこの応力と反対方向に金属リングがスプリングバックする。そして、このスプリングバックに伴い、金属リングの先端向き面（先端）側が絶縁部材を先端へ押し下げ、これによって加締めの緩みを防止し、シール材による気密性の劣化を抑制する。
具体的には、金属リングの外周部が絶縁部材の基端部の基端向き面より先端側に位置する程度に、充分に加締め加重を掛けることにより、上記したスプリングバック効果も大きくなり、加締めの緩みを防止し、シール材による気密性の劣化を抑制することができる。
なお、「金属リングの外周部の先端向き面が、絶縁部材の基端部の基端向き面より先端側に位置する」とは、金属リングが絶縁部材とハウジングとの間隙に食い込むことである。

さらに、上述のガスセンサにおいて、前記加締め部は、前記金属リングの前記外周部の基端向き面全体に密着すると共に、前記金属リングの前記外周部より内側に形成される内周部において、前記加締め部と前記金属リングとが軸線方向に対向する前記金属リングの基端向き面の少なくとも径方向内側の端部が前記加締め部と離間していることが好ましい。
このようにすると、加締め部の内周部では加締め加重が殆ど掛からず、加締め荷重が金属リングの外周部側に多く掛かり、上記したスプリングバック効果が確実に生じる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、加締め部の内側端が金属リングの内側面より径方向外側に位置していてもよい。
このようにすると、金属リングに加締め加重を掛ける位置が金属リングの内周側より、さらに外周側に寄る。そのため、金属リングの外周側を下方（先端）へ押し下げる応力が掛かり易くなり、それに応じて上記したスプリングバック効果が容易に生じる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、加締め部と金属リングとの接触部が絶縁部材の外側面より径方向内側に位置していることが好ましい。金属リングの外周側に加締め加重を掛けることが好ましいが、金属リングの外周側に寄り過ぎると金属リングの外周部のみが変形してしまいスプリングバック効果が減少する虞がある。これに対し、加締め部と金属リングとの接触部が絶縁部材の外側面よりも径方向内側に位置すると、金属リングの外周側に加締め加重を掛けつつも、十分なスプリングバック効果を得ることができる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、金属リングの内側面が絶縁部材の内側面より径方向外側に位置していてもよい。
加締めによる加重で金属リングの外周側が押し下げられるにつれて、金属リングの内周側が上方（基端側）へ押し上げられる。このとき、上記の構成とすると、金属リングの内側面がセンサ素子の外面に引っ掛かることが少なくなり、加締めを確実に行うことができる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、金属リングの先端向き面は、絶縁部材に面接触していてもよい。これにより、金属リングの先端向き面が絶縁部材の基端向き面に接する面積が確実なものとなるため、上記したスプリングバックによるバネ力をこれら部材により確実に及ぼすことができる。

なお、金属リングの先端向き面が絶縁部材に面接触する手段の１つとして、軸線方向に沿う面で切断した金属リングの断面が矩形であることが好ましい。
このようにすると、金属リングの先端向き面が平面であるため、絶縁部材の基端部の基端向き面に接する面積が大きくなり、上記したスプリングバックによるバネ力をこれら部材に確実に及ぼすことができる。
さらに、金属リングの基端向き面も平面であるため、加締め部に接する面積も大きくなり、さらに、スプリングバックによるバネ力をこれら部材に確実に及ぼすことができる。

さらに、本発明のガスセンサにおいて、絶縁部材の外側面がストレート形状であってもよい。絶縁部材に鍔部を形成すると、加締め部の荷重により鍔部にてクラックが生じる虞があるが、ストレート形状にすることで、絶縁部材にクラックが生じない。

この発明によれば、シール材による気密性の劣化を抑制したガスセンサが得られる。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサを軸方向に沿う面で切断した断面図である。 図１の部分拡大図である。 金属リングを加締めた際に生じる応力と、そのスプリングバックの作用を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスセンサのうち、金属リング、絶縁部材、及びハウジングの間の位置関係を表す断面図である。 金属リングの内側面が絶縁部材の内側面より径方向外側に位置する場合の作用を示す図である。 金属リングの断面が矩形と異なる例を示す図である。 絶縁部材の基端部分を他の部分より縮径させた例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るガスセンサにおいて、加締め部の内側端を金属リングの内側面よりも径方向内側に配置した場合の断面図である。 金属リングの外周部の外側面と絶縁部材の基端部の外側面との径方向の間隔を変えたときの、シミュレーションによる面圧の大きさを示す図である。 従来のガスセンサの加締め部近傍の構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ１００を軸方向（先端から基端に向かう方向）に沿う面で切断した断面構造を示す。この実施形態において、ガスセンサ１００は自動車の排気管内に挿入されて先端（図１の矢印Ｆ側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサになっている。センサ素子３は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の酸素センサ素子である。
なお、図１の下側（矢印Ｆ側）をガスセンサ１００の先端側とし、図１の上側をガスセンサ１００の基端側とする。

ガスセンサ１００は、センサ素子３をハウジング（主体金具）２０内に組み付けたアッセンブリである。センサ素子３は、先端に向かってテーパ状に縮径する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の内周面と外周面にそれぞれ形成された内側電極及び外側電極（図示せず）とからなる。そして、センサ素子３の内部空間を基準ガス雰囲気とし、センサ素子３の外面に被検出ガスを接触させてガスの検知を行うようになっている。又、センサ素子３の内部空間には、棒状のヒータ１５が内挿されている。
センサ素子３の中央付近には、径方向外側に突出する鍔部３ａが設けられている。一方、ハウジング２０の先端寄りの内周面には内側に縮径する段部２０ｅが設けられ、段部２０ｅの基端側にパッキン１２を介して筒状のセラミックホルダ５が配置されている。そして、センサ素子３をハウジング２０及びセラミックホルダ５の内側に挿通し、セラミックホルダ５に基端側からパッキン（図示せず）を介してセンサ素子３の鍔部３ａを当てることにより、間接的に段部２０ｅに基端側からセンサ素子３の鍔部３ａが当接している。

さらに、鍔部３ａの基端側におけるセンサ素子３とハウジング２０との径方向の隙間に、筒状のシール材（滑石粉末）６が充填され、さらにシール材６の基端側に筒状の絶縁部材（セラミックスリーブ）１０が配置されている。そして、絶縁部材１０の基端側に金属リング（ステンレス製の平ワッシャ）３０を配し、ハウジング２０の基端部を内側に屈曲して加締め部２０ａを形成することにより、絶縁部材１０が先端側に押し付けられてシール材６を押し潰し、絶縁部材１０及びシール材６が加締め固定されるとともに、センサ素子３とハウジング２０の隙間がシールされている。ここで、絶縁部材１０の基端を直接加締めると、割れ等が生じる可能性があるため、金属リング３０を介して加締めがされている。
なお、ハウジング２０の内側面は絶縁部材１０の基端近傍で拡径され、少なくとも絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆがハウジング２０の内側面と離間している。又、金属リング３０の外径は絶縁部材１０の外径より大きく、後述するように金属リング３０の外周部３０ａが絶縁部材１０の外側面１０Ｂｆから径方向外側へはみ出している。金属リング３０の外周部３０ａの規定については後述する。

さらに、ハウジング２０の基端には、センサ素子３の基端側に設けられたリード線４１や端子金具７１、９１を保持すると共にセンサ素子３の基端部を覆うため、筒状の外筒４０が接合されている。詳細には、外筒４０の基端側の内面に絶縁性の筒状のセパレータ１１１が加締め固定され、セパレータ１１１の２個の挿通孔にそれぞれ端子金具７１、９１の基部７４、９４が挿通されて固定されている。各基部７４、９４の基端にはそれぞれ接続端部７５、９５が形成され、接続端部７５、９５にそれぞれリード線４１、４１が加締め接続されている。
セパレータ１１１の基端側の外筒４０内側には筒状のグロメット１３１が加締め固定され、グロメット１３１の４個の挿通孔（図１では２つのみ図示）からそれぞれリード線４１、４１が外部に引き出されている。このようにして外筒４０の先端側に端子金具７１、９１が突出した状態で、ハウジング２０の基端に外筒４０を被せると、筒状の端子金具７１がセンサ素子３の筒に内嵌され、センサ素子３内面の基準電極のリードと電気的に接続される。又、端子金具９１はセンサ素子３の外周面に外嵌めされ、センサ素子３外面の検知電極のリードと電気的に接続される。そして、外筒４０の先端をハウジング２０の基端部２０ｂに外嵌し、両者を溶接して外筒４０がハウジング２０に固定される。
なお、グロメット１３１の中心には貫通孔１３１ａが形成され、センサ素子３の内部空間に連通している。そして、グロメット１３１の中心孔に撥水性の通気フィルタ１４０が介装され、外部の水を通さずにセンサ素子３の内部空間に基準ガス（大気）を導入するようになっている。

一方、ハウジング２０の先端部２０ｆには筒状のプロテクタ７が外嵌され、ハウジング２０から突出するセンサ素子３の先端がプロテクタ７で覆われている。プロテクタ７は、複数の孔部（図示せず）を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ７ｂおよび内側プロテクタ７ａを、溶接等によって取り付けて構成されている。

なお、ハウジング２０の中央付近には、径方向外側に突出し六角レンチ等を係合するための多角形の鍔部２０ｃが設けられ、鍔部２０ｃと先端部２０ｆとの間のハウジング２０外側面には雄ねじ部２０ｄが形成されている。又、鍔部２０ｃの先端面と雄ねじ部２０ｄの基端との間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット１４が嵌挿されている。
そして、ハウジング２０の雄ねじ部２０ｄを排気管等のネジ孔に取付けることで、センサ素子３の先端を排気管内に露出させて被検出ガス（排気ガス）を検知している。

次に、図２を参照し、第１の実施形態に係る金属リング３０、絶縁部材１０、及びハウジング２０の間の位置関係について説明する。
金属リング３０の外径は絶縁部材１０の外径より大きく、金属リング３０の外周部３０ａが絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出している。ここで、金属リング３０の外周部３０ａは、金属リング３０のうち、絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆから軸線方向に延ばした仮想線ＡＸより径方向外側に位置する部分をいう。又、金属リング３０のうち外周部３０ａより径方向内側に位置する部分を「内周部３０ｂ」という。
加締め部２０ａは、金属リング３０の基端向き面３０ｅのうち、外周部３０ａの基端向き面３０ｊ全体に密着している。さらに、加締め部２０ａの内側端２０ａｐは、金属リング３０の基端向き面３０ｅのうち、内周部３０ｂの基端向き面３０ｈと一部（基端向き面３０ｈの径方向内側の端部）離間している。なお、金属リング３０の内周部３０ｂにおいて、加締め部２０ａと金属リング３０とが軸線方向（図２の上下方向）に対向する部位を対向領域Ｒで示す。対向領域Ｒで必ずしも加締め部２０ａと金属リング３０とが軸線方向に接している必要はなく、両者が近接していてもよい。例えば、この実施形態では、加締め部２０ａの内側端２０ａｐが金属リング３０の内側面３０ｉより径方向外側に位置し、かつ軸線方向に内側端２０ａｐが金属リング３０と離間している。又、図８に示すように、加締め部の内側端２０ａｐが金属リングの内側面３０ｉよりも径方向内側に配置される場合には、対向領域Ｒは内周部３０ｂ全体を指すので、少なくとも金属リング３０の内側端で加締め部２０が金属リング３０と非接触である必要がある。
さらに、この実施形態においては、金属リング３０の内側面３０ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉより径方向外側に位置している。但し、内側面３０ｉが内側面１０ｉより径方向外側に位置することは必須ではなく、内側面３０ｉが内側面１０ｉと面一であってもよい。なお、センサ素子３を挿通する関係から、内側面３０ｉが内側面１０ｉより径方向内側になることはない。

このように、金属リング３０の外周部３０ａが絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出することにより、図３（ａ）に示すように、金属リング３０の中央軸３０Ｃｅが絶縁部材１０の径方向の中央軸１０Ｃｅより径方向外側に偏倚する。つまり、金属リング３０の基端向き面３０ｅ（具体的には外周部３０ａの基端向き面３０ｊ）に加締め部２０ａによる加締め加重を掛けたとき、この加重を支える絶縁部材１０の基端部１０Ｂの基端向き面１０Ｂｄの支点（絶縁部材１０の径方向の中央軸１０Ｃｅ）より、中央軸３０Ｃｅが径方向外側に位置する。このため、モーメントの関係から、金属リング３０の基端向き面３０ｅでは、金属リング３０の径方向の中央軸３０Ｃｅより外側に加締め部２０ａの加重Ｐ_１が多くかかる。
一方、これとは逆に、金属リング３０の先端向き面３０ｄでは、中央軸３０Ｃｅより径方向内側部分に絶縁部材１０側からの反発力Ｐ_２が多くかかる。

従って、金属リング３０全体としては、金属リング３０の外周部３０ａを下方（先端）へ押し下げるような応力（曲げモーメント）Ｓ_１が掛かることになる。なお、この応力Ｓ_１は、金属リング３０の外周部３０ａ（外側面３０ｆ）が絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出し、かつ少なくとも金属リング３０の内側面３０ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉと面一であるか、又は内側面３０ｉが内側面１０ｉより外側に位置する限り、上述の絶縁部材１０の支点との位置関係に起因して生じる。但し、後述するよう内側面３０ｉが内側面１０ｉより外側に位置すると、より応力Ｓ_１が大きくなるので好ましい。
さらに、加締め部２０ａが金属リング３０の外周部３０ａの基端向き面３０ｊ全体に密着することで、外周部３０ａに加締め部２０ａの加重Ｐ_１が確実に掛かるため、応力Ｓ_１がより大きくなる。
その上、金属リング３０の内周部３０ｂの基端向き面３０ｈのうち、加締め部２０ａの内側端２０ａｐに対向する位置（対向領域Ｒ）から径方向内側に配置される部位と、加締め部２０ａとの間に隙間Ｇが形成され、内側端２０ａｐと内周部３０ｂの一部とが離間している。このため、加締め部２０ａのうち、金属リング３０の基端向き面３０ｅと接し、金属リング３０に加締め加重を掛ける位置が金属リング３０の外周部３０ａ側になる。そのため、図３で説明した金属リング３０の外周部３０ａ側を下方（先端）へ押し下げる応力Ｓ_１が掛かり易くなり、上記したスプリングバック効果が確実に生じる。

一方、図３（ｂ）に示すように、ガスセンサ１００が加熱されると、金属製の加締め部２０ａがセラミック等の絶縁部材１０より長手方向（図３のｅｘ方向）に延びるが、このとき応力Ｓ_１と反対方向Ｓ_２（つまり、金属リング３０の外周部３０ａが上方（基端）へ戻る方向）に金属リング３０がスプリングバックする。そして、このスプリングバックに伴い、金属リング３０の先端向き面３０ｄが絶縁部材１０を先端へ押し下げ（矢印Ｐｘ）、これにより、加締めの緩みを防止し、シール材６による気密性の劣化を抑制する。
但し、金属リング３０の外周部３０ａ（外側面３０ｆ）が絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより外側に突出し過ぎたり、金属リング３０の厚みが薄過ぎると、加締めの際に金属リング３０が弾性限を超えて塑性変形してしまい、上記したスプリングバックの効果が得られないことがあるので、加締めによって金属リング３０が弾性限を超えないよう、これらの因子を適宜調整するとよい。例えば、金属リング３０としては、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４３０）を用いることができる。

以上のように、加締め部２０ａが熱で長手方向に膨張しても、弾性変形した金属リング３０のバネ力が残留して絶縁部材１０を先端へ押し下げ、シール材（滑石粉末）６を締付ける方向の力が残る。このため、高温における気密性の劣化を抑制すると共に、冷熱サイクル後も気密性が保たれる。

又、図２において、金属リング３０の外周部３０ａの先端向き面３０ｄ２が絶縁部材１０の基端部１０Ｂの基端向き面１０Ｂｄより先端側に位置している。なお、金属リング３０の先端向き面３０ｄ２は、金属リング３０の外周部３０ａ付近における面であって、金属リング３０が絶縁部材１０と接している部分の先端向き面３０ｄより下方（先端側）に突出している。つまり、金属リング３０が絶縁部材１０とハウジング２０との間隙Ａに食い込んでおり、先端向き面３０ｄと先端向き面３０ｄ２とは面一になっていない。従って、両者を区別するため、符号をそれぞれ３０ｄ、３０ｄ２としている。
このように、金属リング３０の先端向き面３０ｄを絶縁部材１０の基端向き面１０Ｂｄから延ばした延長線を表す仮想線Ｌ（この仮想線Ｌは、先端向き面３０ｄを通る）より下方に曲がる程度に、金属リング３０の外側により多くの加締め加重を掛けている。これにより、図３に示したように、金属リング３０の外周部３０ａを下方（先端）へ押し下げる応力Ｓ_１が大きくなる。そして、それに応じて上記したスプリングバック効果も大きくなるので、と同様に加締めの緩みを防止し、シール材６による気密性の劣化を抑制することができる。

さらに、図３（ｂ）に示されるように、加締め部２０ａと金属リング３０との接触部３０ｇが絶縁部材１０の外側面１０Ｂｆより径方向内側（つまり、金属リング３０の内周部３０ｂの基端向き面３０ｈ）に位置しているとよい。これにより、金属リング３０の外周部３０ａ側に加締め加重を掛けつつも、金属リング３０の外周部３０ａのみが変形してしまうことがなく、十分なスプリングバック効果を得ることができる。

又、ガスセンサ１００の軸線方向に沿う面で切断した金属リング３０の断面が矩形であると好ましい。この場合、金属リング３０の先端向き面３０ｄ、基端向き面３０ｅが平面となり、加締め部２０ａ及び絶縁部材１０の基端部１０Ｂの基端向き面１０Ｂｄに接する面積が大きくなるため、上記したスプリングバックによるバネ力をこれら部材に確実に及ぼすことができる。断面が矩形である金属リング３０は、例えば平板を打ち抜いて製造することができる。なお、金属リング２０の先端向き面３０ｄが、絶縁部材１０の基端向き面１０Ｂｄに面接触している形状であれば、少なくとも上記したスプリングバックによるバネ力をこれら部材により確実に及ぼすことができる。

又、加締め部２０ａの内側端２０ａｐが金属リング３０の内側面３０ｉより径方向外側に位置しているとよい。このようにすると、金属リング３０に加締め加重を掛ける位置が金属リング３０の内周側より外周側に寄る。そのため、金属リング３０の外周側を下方（先端）へ押し下げる応力が掛かり易くなり、それに応じて上記したスプリングバック効果が容易に生じる。

次に、図４を参照し、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサについて説明する。但し、第２の実施形態に係るガスセンサは、金属リング３００の形状が異なること以外は、第１の実施形態と同様である。そこで、図２に対応して金属リング３００、絶縁部材１０、及びハウジング２０の間の位置関係を図４に断面図として表し、その他の説明は省略する。

図４では、金属リング３００の先端向き面３００ｄ３が仮想線Ｌと平行であるか、又は仮想線Ｌより上方に位置し、金属リング３００が絶縁部材１０とハウジング２０との間隙に食い込まず、先端向き面３００ｄ、３００ｄ３が面一となっている。

このようなガスセンサにおいても、金属リング３００の外径は絶縁部材１０の外径より大きく、金属リング３００の外周部３００ａが絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出している。また、加締め部２０ａは、金属リング３００の外周部３００ａの基端向き面３００ｊ全体に密着している。さらに、加締め部２０ａの内側端２０ａｐは、金属リング３００の内周部３００ｂの基端向き面３００ｈと一部（基端向き面３００ｈの径方向内側の端部）離間している。
又、この実施形態では、加締め部２０ａの内側端２０ａｐが金属リング３００の内側面３００ｉより径方向外側に位置している。さらに、この実施形態においては、金属リング３００の内側面３００ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉより径方向外側に位置している。但し、内側面３００ｉが内側面１０ｉより径方向外側に位置することは必須ではなく、内側面３００ｉが内側面１０ｉと面一であってもよい。なお、センサ素子３を挿通する関係から、内側面３００ｉが内側面１０ｉより径方向内側になることはない。

このように、金属リング３００の外周部３００ａが絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出することにより、第１実施形態の図３（ａ）と同様に、金属リング３００の中央軸３００Ｃｅが絶縁部材１０の径方向の中央軸１０Ｃｅより径方向外側に偏倚する。つまり、金属リング３００（外周部３００ａ）の基端向き面３００ｅに加締め部２０ａによる加締め加重を掛けたとき、この加重を支える絶縁部材１０の基端部１０Ｂの基端向き面１０Ｂｄの支点（絶縁部材１０の径方向の中央軸１０Ｃｅ）より、中央軸３０Ｃｅが径方向外側に位置する。このため、モーメントの関係から、金属リング３００の基端向き面３００ｅでは、金属リング３００の径方向の中央軸３００Ｃｅより外側に加締め部２０ａの加重Ｐ_１が多くかかる。
一方、これとは逆に、金属リング３００の先端向き面３００ｄでは、中央軸３００Ｃｅより径方向内側部分に絶縁部材１０側からの反発力Ｐ_２が多くかかる。

従って、金属リング３００全体としては、金属リング３００の外周部３００ａを下方（先端）へ押し下げるような応力（曲げモーメント）Ｓ_１が掛かることになる。なお、この応力Ｓ_１は、金属リング３００の外周部３００ａ（外側面３００ｆ）が絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆより径方向外側へ突出し、かつ少なくとも金属リング３００の内側面３００ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉと面一であるか、又は内側面３００ｉが内側面１０ｉより外側に位置する限り、上述の絶縁部材１０の支点との位置関係に起因して生じる。但し、後述するよう内側面３００ｉが内側面１０ｉより外側に位置すると、より応力Ｓ_１が大きくなるので好ましい。
さらに、加締め部２０ａが金属リング３００の外周部３００ａの基端向き面３００ｊ全体に密着することで、外周部３００ａに加締め部２０ａの加重Ｐ_１が確実に掛かるため、応力Ｓ_１がより大きくなる。
その上、金属リング３００の内周部３００ｂの基端向き面３００ｈのうち、加締め部２０ａの内側端２０ａｐに対向する位置から径方向外側に配置される部位と、加締め部２０ａとの間に隙間Ｇが形成され、内側端２０ａｐと内周部３００ｂの一部とが離間している。このため、加締め部２０ａのうち、金属リング３００の基端向き面３００ｅと接し、金属リング３００に加締め加重を掛ける位置が金属リング３００の外周部３００ａ側になる。そのため、図３で説明した金属リング３００の外周部３００ａ側を下方（先端）へ押し下げる応力Ｓ_１が掛かり易くなり、上記したスプリングバック効果が確実に生じる。

一方、第１実施形態の図３（ｂ）と同様に、ガスセンサ１００が加熱されると、金属製の加締め部２０ａがセラミック等の絶縁部材１０より長手方向（図３のｅｘ方向）に延びるが、このとき応力Ｓ_１と反対方向Ｓ_２（つまり、金属リング３００の外周部３００ａが上方（基端）へ戻る方向）に金属リング３００がスプリングバックする。そして、このスプリングバックに伴い、金属リング３００の先端向き面３００ｄが絶縁部材１０を先端へ押し下げ（矢印Ｐｘ）、これにより、加締めの緩みを防止し、シール材６による気密性の劣化を抑制する。

以上のように、加締め部２０ａが熱で長手方向に膨張しても、弾性変形した金属リング３００のバネ力が残留して絶縁部材１０を先端へ押し下げ、シール材（滑石粉末）６を締付ける方向の力が残る。このため、高温における気密性の劣化を抑制すると共に、冷熱サイクル後も気密性が保たれる。

さらに、第２実施形態においても、加締め部２０ａと金属リング３００との接触部が絶縁部材１０の外側面１０Ｂｆより径方向内側（つまり、金属リング３００の内周部３００ｂの基端向き面３００ｈ）に位置しているとよい。これにより、金属リング３００の外周部３００ａ側に加締め加重を掛けつつも、金属リング３００の外周部３００ａのみが変形してしまうことがなく、十分なスプリングバック効果を得ることができる。

なお、第１及び第２の実施形態において、金属リング３０、３００の内側面３０ｉ、３００ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉより径方向外側に位置している。この構成による効果を、図５を参照し、その内側面３１ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉと面一に位置する金属リング３１を例として説明する。
まず、加締め部２０ａで金属リング３１の外周側により多くの加重を掛けつつ加締めると（図５（ａ））、金属リング３１の外周側が押し下げられるにつれて、金属リング３１の内周部側が上方（基端側）へ押し上げられる（図５（ｂ））。このとき、金属リング３１の内側面３１ｉが絶縁部材１０の内側面１０ｉと面一であると、金属リング３１の内周部側が押し上げられた際に内側面３１ｉがセンサ素子３の外面に引っ掛かったりして加締め作業がし難くなる場合がある。
そこで、図２、図４に示すように、金属リング３０の内側面３０ｉを絶縁部材１０の内側面１０ｉより径方向外側に位置させることで、上記した引っ掛かりが少なくなり、加締めを確実に行うことができる。

なお、図６に示すように、ガスセンサ１００の軸線方向に沿う面で切断した金属リング３２の断面が矩形と異なるもの（図６の例では円管形）でもよい。このような金属リング３２としては、円や楕円の管状のメタル中空リングが挙げられる。勿論、中実のリングであってもよい。
なお、金属リング３２の場合も、外周部３２ａの先端向き面３２ｄ２が仮想線Ｌより下方（先端側）に位置するとよい。但し、金属リング３２の場合、その表面が平面状でないため、必ずしも金属リング３２の最外周が先端側に下がっているとは限らず、外周からやや内側の部分が仮想線Ｌより下方に位置する場合がある。従って、金属リング３２のうち、絶縁部材１０の基端部１０Ｂより径方向外側に突出する金属リングの外周部が仮想線Ｌより下方（先端側）に位置していればよい。

又、図７に示すように、絶縁部材１１の基端部１１Ｂの外側面１１Ｂｆを他の部分の外面より縮径させて段部１１ｄを形成してもよい。つまり、少なくとも絶縁部材１１の基端部１１Ｂにおいて金属リング３０の外側面３０ｆが外側に突出していればよく、絶縁部材１１の他の部分では金属リング３０が外側に突出している必要はない。但し、絶縁部材１１の外側面１１Ｂｆがストレート形状となっているほうが、絶縁部材１０にクラックが生じないため好ましい。

さらに、第１及び第２の実施形態において、加締め部２０の内側端２０ａｐは、金属リング３０、３００の内側面３０ｉ、３００ｉよりも径方向外側に位置しているが、これに限らず、図８に示すように、加締め部２００ａの内側端２００ａｐは、金属リング３０の内側面３０ｉよりも径方向内側に位置していても良い。この場合においても、加締め部２００ａが金属リング３０の外周部３０ａの基端向き面３０ｊ全体に密着すると共に、金属リング３０の内周部３０ｂの基端向き面３０ｈのうち、径方向内側の端部３０ｔと、加締め部２００ａとの間に隙間Ｇが形成され、加締め部２００ａと内周部３０ｂの一部とが離間している。このため、加締め部２００ａのうち、金属リング３０の基端向き面３０ｅと接し、金属リング３０に加締め加重を掛ける位置が金属リング３０の外周部３０ａ側になり、上記したスプリングバック効果が確実に生じる。

さらに、第１の実施形態において、内側端２０ａｐと内周部３０ｂの一部とが離間しているが、これに限らず、金属リング３０の外周部３０ａの先端向き面３０ｄ２が絶縁部材１０の基端部１０Ｂの基端向き面１０Ｂｄより先端側に位置している（つまり、金属リング３０が絶縁部材１０とハウジング２０との間隙に食い込んでいる）のであれば、内側端２０ａｐと内周部３０ｂとが密着していても良い。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

シミュレーションにより、金属リング３０の外周部の外側面３０ｆと絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆとの径方向の間隔Ａ（図２参照）を変え、スプリングバック（反発力）の大きさを実験的に検討した。このシミュレーションでは、図２に示すガスセンサの加締め部構造を用い、各構成部品の材質（具体的には熱膨張率、ヤング率等）とその位置を設定した。金属リング３０の厚みＴ＝２．０ｍｍとし、金属リング３０の材質をＳＵＳ４３０に設定した。
そして、常温（２０℃）で、加締め部２０ａを０．４ｍｍ先端側へ押し下げてから除荷したときの各構成部品の位置変化に伴う反発力を、絶縁部材１０の先端向き面（シール材６との界面）にシール材６側から掛かる面圧として解析した。この反発力（面圧）は、各構成部品の位置が変位したときにヤング率に応じて元に戻ろうとする力から計算される。
次に、ガスセンサ１００を４５０℃に加熱したとき、各構成部品の熱膨張に伴う延びによる位置変化を計算した。そして、この位置変化に応じた各構成部品のヤング率から、４５０℃における上記面圧を解析した。
間隔Ａをそれぞれ０ｍｍ、０．３ｍｍに変化させて解析を行った結果を図９に示す。なお、Ａ＝０．３ｍｍの条件では、図２に示すように加締め部２０ａの内側端２０ａｐを金属リング３０から離間させている。

図９から明らかなように、金属リング３０の外周部の外側面３０ｆを絶縁部材１０の基端部１０Ｂの外側面１０Ｂｆから外側に突出させることで、面圧が上昇し、スプリングバックが大きくなることがわかる。

３ センサ素子
６ シール材
１０、１１ 絶縁部材
１０Ｂ、１１Ｂ 絶縁部材の基端部
１０Ｂｄ 絶縁部材の基端部の基端向き面
１０Ｂｆ、１１Ｂｆ 絶縁部材の基端部の外側面
１０ｉ 絶縁部材の内側面
２０、２１ ハウジング
２０ａ、２１ａ ハウジングの加締め部
２０ａｐ、２１ａｐ 加締め部の内側端
３０、３１、３２、３００ 金属リング
３０ａ、３００ａ 金属リングの外周部
３０ｂ、３００ｂ 金属リングの内周部
３０ｄ、３００ｄ 金属リングの先端向き面
３０ｄ２、３００ｄ３、３２ｄ２ 金属リングの外周部の先端向き面
３０ｅ、３００ｅ 金属リングの基端向き面
３０ｆ、３００ｆ 金属リングの外周部の外側面
３０ｇ 加締め部と金属リングとの接触部
３０ｉ、３００ｉ 金属リングの内側面
３０ｈ、３００ｈ 金属リングの外周部の基端向き面
３０ｊ、３００ｊ 金属リングの内周部の基端向き面
１００ ガスセンサ
Ａ 金属リングの外周部の外側面と絶縁部材の基端部の外側面との径方向の間隔
Ｆ 先端の方向
Ｔ 金属リングの厚み
Ｒ 対向領域
Ｌ 金属リングの先端向き面を絶縁部材の基端向き面から延ばした延長線（仮想線）
ＡＸ 絶縁部材の基端部の外側面から軸線方向に延ばした仮想線

Claims (9)

1. 軸線方向に延びる筒状のハウジングと、
   先端側を該ハウジングの先端から突出させると共に、該ハウジングの内側に挿通配置されたセンサ素子と、
   前記センサ素子と前記ハウジングとの隙間に充填されたシール材と、
   該シール材の基端側に前記センサ素子を取り囲むように配されると共に、少なくとも基端部の外側面が前記ハウジングの内側面と離間する筒状の絶縁部材と、
   該絶縁部材の基端側に配されると共に、その外周部が前記絶縁部材の前記基端部より径方向外側に突出する環状の金属リングとを有し、
   前記シール材と前記絶縁部材と前記金属リングとは、前記ハウジングの基端部を内側に屈曲して形成した加締め部によって、基端側から先端側へ向かって押圧された状態で加締め固定されており、
   前記加締め部は、前記金属リングの前記外周部の基端向き面全体に密着すると共に、前記金属リングの前記外周部より内側に形成される内周部において、前記加締め部と前記金属リングとが軸線方向に対向する対向領域における前記金属リングの基端向き面の少なくとも径方向内側の端部が前記加締め部と離間しているガスセンサ。
2. 軸線方向に延びる筒状のハウジングと、
   先端側を該ハウジングの先端から突出させると共に、該ハウジングの内側に挿通配置されたセンサ素子と、
   前記センサ素子と前記ハウジングとの隙間に充填されたシール材と、
   該シール材の基端側に前記センサ素子を取り囲むように配されると共に、少なくとも基端部の外側面が前記ハウジングの内側面と離間する筒状の絶縁部材と、
   該絶縁部材の基端側に配されると共に、その外周部が前記絶縁部材の前記基端部より径方向外側に突出する環状の金属リングとを有し、
   前記シール材と前記絶縁部材と前記金属リングとは、前記ハウジングの基端部を内側に屈曲して形成した加締め部によって、基端側から先端側へ向かって押圧された状態で加締め固定されており、
   前記金属リングの外周部の先端向き面は、前記絶縁部材の前記基端部の基端向き面より先端側に位置しているガスセンサ。
3. 前記加締め部は、前記金属リングの前記外周部の基端向き面全体に密着すると共に、前記金属リングの前記外周部より内側に形成される内周部において、前記加締め部と前記金属リングとが軸線方向に対向する対向領域における前記金属リングの基端向き面の少なくとも径方向内側の端部が前記加締め部と離間している請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記加締め部の内側端が前記金属リングの内側面より径方向外側に位置している請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記加締め部と前記金属リングとの接触部が前記絶縁部材の外側面より径方向内側に位置している請求項１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記金属リングの内側面が前記絶縁部材の内側面より径方向外側に位置している請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 前記金属リングの先端向き面は、前記絶縁部材に面接触している請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサ。
8. 前記軸線方向に沿う面で切断した前記金属リングの断面が矩形である請求項７に記載のガスセンサ。
9. 前記絶縁部材の外側面がストレート形状である請求項１〜８のいずれかに記載のガスセンサ。

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