特許 7379257 ガスセンサの組立方法および筒状体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-06

(45)【発行日】2023-11-14

(54)【発明の名称】ガスセンサの組立方法および筒状体

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/409 20060101AFI20231107BHJP

【ＦＩ】

G01N27/409 100

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020062794

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021162423

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-10-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100134991

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 和樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148507

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 弘行

(72)【発明者】

【氏名】中根 雄隆

(72)【発明者】

【氏名】江川 浩二

(72)【発明者】

【氏名】牧 慎太郎

【審査官】倉持 俊輔

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２４９１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１９０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５８３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１８８００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９，２７／４１，

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６，２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの組立方法であって、
２つのセラミックサポータとセラミックス粒子の成型体とを少なくとも含む複数の環装部品を、前記２つのセラミックサポータが両端に位置するように前記センサ素子に環装し、環装体を得る環装体準備工程と、
最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、を備える筒状体を、前記環装体に対し環装することにより、前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品を収容する収容工程と、
前記２つのセラミックサポータの一方を所定の押圧手段で押圧することにより、前記成型体を圧縮し、前記内空間において前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を前記セラミックス粒子からなる圧粉体にて気密に封止する封止工程と、
前記筒状体の前記延在部を軸中心に向けて屈曲させることによりかしめ部を形成し、前記かしめ部にて前記複数の環装部品を押圧することにより前記複数の環装部品を前記内空間にて固定する屈曲工程と、
を備え、
前記延在部は、
前記主部の内空間を形成している面と前記主部の軸線方向において連続する内面と、
先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす外面と、
前記内面から連続し、前記先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす傾斜面と、
曲率半径が０．２ｍｍ～０．４ｍｍの曲面である最先端部と、
を有することにより、前記先端ほど先細となっているとともに、前記外面と前記傾斜面とがそれぞれ、前記最先端部と接続してなり、
前記屈曲工程においては、前記延在部の前記先端が所定の屈曲手段に備わる曲面状の窪みに当接させられた状態でさらに前記屈曲手段から押圧されることによって、前記窪みをなす曲面に倣って変形されることにより、前記延在部が屈曲させられる、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項2】

請求項１に記載のガスセンサの組立方法であって、
前記傾斜面の開き角が２６°～３８°である、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のガスセンサの組立方法であって、
前記外面の開き角が２°～８°である、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項4】

請求項３に記載のガスセンサの組立方法であって、
前記筒状体の前記一方端部の位置における前記延在部の厚みが０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項5】

請求項４に記載のガスセンサの組立方法であって、
前記封止工程後の前記延在部と前記２つのセラミックサポータの一方との高さの差が、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項6】

請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガスセンサの組立方法であって、
前記屈曲工程においては、前記屈曲手段における前記延在部の被当接部が、前記筒状体の側から前記被当接部に向かう向きに凸の曲面をなしている、
ことを特徴とする、ガスセンサの組立方法。

【請求項7】

セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子に環装された複数の環装部品の固定と前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間の気密封止とに用いられる筒状体であって、
最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、
前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、
を備え、
前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品が収容可能とされており、
前記延在部が、
前記主部の内空間を形成している面と前記主部の軸線方向において連続する内面と、
先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす外面と、
前記内面から連続し、前記先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす傾斜面と、
曲率半径が０．２ｍｍ～０．４ｍｍの曲面である最先端部と、
を有することにより、前記先端ほど先細となっているとともに、前記外面と前記傾斜面とがそれぞれ、前記最先端部と接続している、
ことを特徴とする、筒状体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの組み立てに関し、特に組み立てに用いる筒状体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定のガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。

【0003】

係るガスセンサにおいては、通常、セラミックス製の長尺板状のセンサ素子（検出素子）が、いずれも金属製であり溶接により一体化されてなるハウジングと内筒とからなる筒状体の内部（中空部）において、複数のセラミック製の碍子であるセラミックサポータと、これらセラミックサポータの間にそれぞれ充填されたタルク等のセラミックスの圧粉体とによって固定され、圧粉体によって素子両端部の間を気密封止されてなる構成を有する。このようなガスセンサを好適に組み立てることが出来る方法および装置が既に公知である（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

また、筒状体内に配置され、センサ素子の固定に用いられていたセラミックサポータの一部を省略することにより、特許文献１に開示された（従来の）ガスセンサ（以下、従来品）よりも短尺化が図られたガスセンサ（以下、短尺化品）も、すでに公知である（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１７３３６０号公報

【文献】特許第６３１７１４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来品では、センサ素子を固定する部材として、３つのセラミックサポータと２つの圧粉体とが用いられ、それらが筒状体の内部において交互に配置されていた。また、センサ素子やセラミックサポータ、圧粉体を内部に配置する際に挿入口となる内筒の一方端部側には、内部に配置されたそれらの部材の固定のために、側方からのかしめ（押圧）にて凹部を形成することができる程度の領域が確保されていた。

【0007】

これに対し、特許文献２に開示された短尺品においては、係る従来品からの短尺化を実現するために、２つの圧粉体の間に配置されていたセラミックサポータを１つ省略し、圧粉体が連続する一の範囲に配置されてなる。係る短尺化は、コストダウンや組み立てプロセスの簡略化のほか、セラミックサポータや圧粉体などの環装部品のセンサ素子への環装や、環装部品の外周への筒状体の環装に際し、部品が引っかかってしまうというリスクの低減にも、有効と考えられる。

【0008】

また、側方からかしめを行う態様に代えて、筒状体の上端部に設けた薄肉のかしめ部を屈曲させることで、筒状体内部においてセンサ素子その他を固定する態様も採用されている。係るかしめ部の軸方向の長さは内筒の軸方向の長さよりも短縮されている。

【0009】

しかしながら、係る短尺品を実際に実現するべく、筒状体のかしめ部を内側に屈曲させるには、大きな荷重が必要である。しかも、該かしめ部を均一に折り曲げないと、内部におけるセンサ素子等の固定が不十分となるおそれがある。加えて、均一に荷重を印加しないと、応力集中が生じて、センサ素子の位置ずれなどが生じてしまうという問題もある。

【0010】

特許文献２には、これらの点に具体的に対処する手法につき、何ら具体的な言及はなされていない。

【0011】

また、従来と同様、センサ素子の両端部の間における気密封止も、十分である必要がある。

【0012】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、筒状体内部におけるセンサ素子などの部材の固定および気密封止が好適に実現される、ガスセンサの組立方法を提供することを、目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサの組立方法であって、２つのセラミックサポータとセラミックス粒子の成型体とを少なくとも含む複数の環装部品を、前記２つのセラミックサポータが両端に位置するように前記センサ素子に環装し、環装体を得る環装体準備工程と、最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、を備える筒状体を、前記環装体に対し環装することにより、前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品を収容する収容工程と、前記２つのセラミックサポータの一方を所定の押圧手段で押圧することにより、前記成型体を圧縮し、前記内空間において前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間を前記セラミックス粒子からなる圧粉体にて気密に封止する封止工程と、前記筒状体の前記延在部を軸中心に向けて屈曲させることによりかしめ部を形成し、前記かしめ部にて前記複数の環装部品を押圧することにより前記複数の環装部品を前記内空間にて固定する屈曲工程と、を備え、前記延在部は、前記主部の内空間を形成している面と前記主部の軸線方向において連続する内面と、先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす外面と、前記内面から連続し、前記先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす傾斜面と、曲率半径が０．２ｍｍ～０．４ｍｍの曲面である最先端部と、を有することにより、前記先端ほど先細となっているとともに、前記外面と前記傾斜面とがそれぞれ、前記最先端部と接続してなり、前記屈曲工程においては、前記延在部の前記先端が所定の屈曲手段に備わる曲面状の窪みに当接させられた状態でさらに前記屈曲手段から押圧されることによって、前記窪みをなす曲面に倣って変形されることにより、前記延在部が屈曲させられる、ことを特徴とする。

【0015】

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサの組立方法であって、前記傾斜面の開き角が２６°～３８°である、ことを特徴とする。

【0016】

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサの組立方法であって、前記外面の開き角が２°～８°である、ことを特徴とする。

【0017】

本発明の第４の態様は、第３の態様に係るガスセンサの組立方法であって、前記筒状体の前記一方端部の位置における前記延在部の厚みが０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である、ことを特徴とする。

【0018】

本発明の第５の態様は、第４の態様に係るガスセンサの組立方法であって、前記封止工程後の前記延在部と前記２つのセラミックサポータの一方との高さの差が、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である、ことを特徴とする。

【0019】

本発明の第６の態様は、第１ないし第５の態様のいずれかに係るガスセンサの組立方法であって、前記屈曲工程においては、前記屈曲手段における前記延在部の被当接部が、前記筒状体の側から前記被当接部に向かう向きに凸の曲面をなしている、ことを特徴とする。

【0020】

本発明の第７の態様は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子に環装された複数の環装部品の固定と前記センサ素子の第１の端部側と第２の端部側との間の気密封止とに用いられる筒状体であって、最奥部が縮径された円筒状の内空間を有する主部と、前記主部の一方端部から前記主部の軸線方向に沿って延在する前記主部よりも薄肉の延在部と、を備え、前記センサ素子を前記筒状体の軸中心位置において軸方向に貫通させつつ前記筒状体の内空間に前記複数の環装部品が収容可能とされており、前記延在部が、前記主部の内空間を形成している面と前記主部の軸線方向において連続する内面と、先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす外面と、前記内面から連続し、前記先端に向かうほど前記延在部の厚みが小さくなるようなテーパー状をなす傾斜面と、曲率半径が０．２ｍｍ～０．４ｍｍの曲面である最先端部と、を有することにより、前記先端ほど先細となっているとともに、前記外面と前記傾斜面とがそれぞれ、前記最先端部と接続している、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明の第１ないし第７の態様によれば、筒状体の延在部が確実に屈曲させられることにより、筒状体に収容された環装部品の確実な固定と、センサ素子の両端部の間における気密封止とが、実現される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の形態において組立の対象となるガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。

【図2】素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。

【図3】素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。

【図4】素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。

【図5】かしめ処理の実行前の、筒状体３０の延在部３２Ｚとかしめ治具１０３とのｚ軸方向に沿った詳細断面図である。

【図6】表１に示した各水準の関係を示すグラフである。

【図7】最先端部３２ｃの曲率半径Ｒと気密性試験におけるリーク量との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態において組立の対象となるガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）、長手方向に沿った要部断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１００とは、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。なお、図１においては、鉛直方向をｚ軸方向として示しており、ガスセンサ１００の長手方向はｚ軸方向と一致している（以降の図においても同様）。

【0025】

ガスセンサ１００は、主として、センサ素子１０と、その周囲に環装されてなる環装部品２０と、環装部品２０の周囲にさらに環装され、該環装部品２０を収容してなる筒状体３０とから構成される素子封止体（組立体）１が、保護カバー２と、固定ボルト３と、外筒４とによって被覆された構成を有する。換言すれば、素子封止体１においては、概略、センサ素子１０が筒状体３０の内部の軸中心位置において軸方向に貫通し、環装部品２０が、筒状体３０の内部においてセンサ素子１０に環装された構成を有する。

【0026】

センサ素子１０は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０は、筒状体３０の長手方向に沿った中心軸上に配置されてなる。以降、筒状体３０の長手方向と一致する中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図１および以降の図において、軸線方向はｚ軸方向と一致している。

【0027】

センサ素子１０は、第１先端部１０ａの側にガス導入口や内部空所などを備えるとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する。センサ素子１０においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。ガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。

【0028】

センサ素子１０の表面の、第１先端部１０ａから長手方向における所定の範囲は、保護膜１１で被覆されてなる。保護膜１１は、内部空所や電極等が設けられてなるセンサ素子１０の第１先端部１０ａ近傍を被水などによる熱的な衝撃から保護するために設けられ、耐熱衝撃保護層とも称される。保護膜１１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３などからなる厚みが１０μｍ～２０００μｍ程度の多孔質膜である。保護膜１１は、その目的に照らして、５０Ｎ程度までの力に耐え得るように形成されるのが好ましい。ただし、図１および以降の各図における保護膜１１の形成範囲はあくまで例示であって、実際の形成範囲は、センサ素子１０の具体的構造に応じて適宜に定められる。

【0029】

保護カバー２は、センサ素子１０のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分である第１先端部１０ａを保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー２は、筒状体３０の図面視下側（ｚ軸方向負側）の外周端部（後述する縮径部３１の外周）に、溶接固定されてなる。

【0030】

図１に示す場合においては、保護カバー２は、外側カバー２ａと内側カバー２ｂとの２層構造となっている。外側カバー２ａと内側カバー２ｂは、それぞれ、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈ１およびＨ２と、Ｈ３およびＨ４が設けられてなる。なお、図１に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。

【0031】

固定ボルト３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト３は、ねじ切りがされたボルト部３ａと、ボルト部３ａを螺合する際に保持される保持部３ｂとを備えている。ボルト部３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。

【0032】

外筒４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体３０の図面視上側（ｚ軸方向正側）の外周端部に溶接固定されてなる、円筒状部材である。外筒４の内部にはコネクタ５が配されている。また、外筒４の他方端部（図面視上端部）にはゴム製のグロメット６が環装されてなる。

【0033】

コネクタ５には、センサ素子１０の第２先端部１０ｂに備わる複数の端子電極と接する複数の接点部材５１が備わっている。接点部材５１は、グロメット６に挿通されたリード線７と接続されてなる。リード線７は、ガスセンサ１００外部の図示しないコントローラや各種電源に接続されてなる。

【0034】

なお、図１には、接点部材５１とリード線７とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これは例示である。

【0035】

筒状体３０は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体３０の内部には、センサ素子１０と環装部品２０とが収容されてなる。換言すれば、筒状体３０は、センサ素子１０の周りに環装された環装部品２０の周囲に、さらに環装されてなる。

【0036】

筒状体３０は、軸線方向に平行な円筒状の内面３０ａによって円筒状の内空間（貫通孔）３０ｈ（図２参照）をなしている厚肉の主部３０Ｍと、図面視で軸線方向下端部（ｚ軸方向負側）に備わり、主部３０Ｍよりもさらに厚肉の縮径部３１と、図面視で軸線方向の上端に位置する主部３０Ｍの端面３０ｃからさらに上方に延在しつつ、軸中心へ向かう向きへと屈曲させられてなる薄肉のかしめ部３２と、周方向外側へと突出してなる係止部３３とを主として備える。

【0037】

縮径部３１においては、内面３０ａに対し傾斜してなる断面視テーパー状のテーパー面３０ｂを経て内空間３０ｈが縮径されてなる。

【0038】

かしめ部３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品２０を（直接的には第２セラミックサポータ２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部３２は、後述するように、センサ素子１０および環装部品２０の環装後に屈曲させられてなる。

【0039】

環装部品２０は、第１セラミックサポータ２１と、圧粉体２２と、第２セラミックサポータ２３とからなる。

【0040】

第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３は、セラミックス製の碍子である。より詳細には、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３の軸中心位置には、センサ素子１０の断面形状に応じた矩形状の貫通孔（図示省略）が設けられており、当該貫通孔にセンサ素子１０が挿通されることによって、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３はセンサ素子１０に環装されてなる。なお、第１セラミックサポータ２１は、図面視下方において筒状体３０のテーパー面３０ｂに係止されてなる。

【0041】

一方、圧粉体２２は、タルクなどのセラミックス粉末を成型してなり、かつ、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３と同様、貫通孔にセンサ素子１０が挿通されることによって、センサ素子１０に環装されていた２つの成型体２２ａ、２２ｂ（図２参照）が、センサ素子１０の周囲に環装された状態で筒状体３０の内部に配置された後、さらに圧縮されて一体となったものである。より詳細には、圧粉体２２をなすセラミックス粒子は、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３と筒状体３０とに囲繞され、かつ、センサ素子１０が貫通する空間に、密に充填されてなる。

【0042】

気密性の確保や組立精度などを鑑み、第１セラミックサポータ２１および第２セラミックサポータ２３の貫通孔および成型体２２ａ、２２ｂの貫通孔は、センサ素子１０の設計上の断面サイズとの差が０．２５ｍｍ～０．３５ｍｍであるように、そして、寸法公差が０．１ｍｍであるように構成されるのが好ましい。また、圧粉体２２をなすセラミックス粉末粒子の平均粒径は、１５０μｍ～３００μｍであることが好ましい。

【0043】

なお、２つの成型体２２ａ、２２ｂを用いることは必須ではなく、単一の成型体が用いられる態様であってもよい。あるいは、２つの成型体２２ａ、２２ｂの間に別個のセラミックサポータあるいは成型体が介在する態様であってもよい。

【0044】

素子封止体１においては、概略、第１セラミックサポータ２１のテーパー面３０ｂによる係止と、第２セラミックサポータ２３の図面視上側からのかしめ部３２による押圧とによって、筒状体３０の内部におけるセンサ素子１０と環装部品２０との固定が、実現されてなる。加えて、圧粉体２２の圧縮充填により、センサ素子１０の第１先端部１０ａ側と、第２先端部１０ｂ側との間の気密封止が、実現されてなる。

【0045】

＜素子封止体の組み立て＞
次に、素子封止体１の組み立ての手順について説明する。図２ないし図４は、係る素子封止体１の組立途中の様子を示す、ｚ軸方向に沿った断面図である。なお、図２ないし図４における保護カバー２の図示はあくまで概略的である。

【0046】

まず、あらかじめ、図２（ａ）に示すような、センサ素子１０に第１セラミックサポータ２１と、２つの成型体２２ａ、２２ｂと、第２セラミックサポータ２３が順次に環装された環装体１ａを用意する。換言すれば、環装体１ａにおいては、第１セラミックサポータ２１と第２セラミックサポータ２３とが両端に位置するように、各部品の環装がなされている。

【0047】

より具体的には、環装体１ａにおいては、第１セラミックサポータ２１、成型体２２ａ、２２ｂ、第２セラミックサポータ２３のそれぞれに設けられてなる、矩形状の図示しない貫通孔が、センサ素子１０と嵌め合わされることで、各部品がセンサ素子１０に環装されてなる。係る環装体１ａの形成には、公知の技術が適宜に適用される。好ましくは、第１先端部１０ａ側に設けられた保護膜１１が、環装される各部品の貫通孔と接触しない態様にて、環装がなされる。

【0048】

そして、用意した環装体１ａを、矢印ＡＲ１にて示すように筒状体３０へと挿入することにより、環装体１ａに筒状体３０が環装される。ただし、図２（ａ）に示すように、かしめ部３２はこの時点では屈曲させられてはおらず、端面３０ｃから鉛直上方（ｚ軸正方向）に向けて延在する薄肉円筒状の延在部３２Ｚとなっている。係る場合において、延在部３２Ｚの内面は、筒状体３０において（あるいは主部３０Ｍにおいて）内空間３０ｈを形成している円筒状の内面３０ａと軸線方向において連続している。それゆえ、以降においては、この延在部３２Ｚの内面も含め、内面３０ａと称する。

【0049】

なお、延在部３２Ｚは、図２ないし図４においては詳細な図示を省略するが、その形状に（特に最先端部近傍の形状に）特徴を有している。概略的にいえば、延在部３２Ｚは、かしめ部３２をなすための屈曲が好適に行われることを意図した構成を有する。その詳細については後述する。

【0050】

図２（ａ）においては、所定の筒状体支持手段１０１によって係止部３３が下方支持されることにより、延在部３２Ｚ側が上方となりかつ軸線方向を鉛直方向（ｚ軸方向）一致する態様にて固定されてなる筒状体３０に対し、環装体１ａが第１先端部１０ａを下方とする姿勢にて鉛直上方から挿入される場合を、例示している。係る挿入がなされることにより、図２（ｂ）に示すような、センサ素子１０が筒状体３０の軸中心位置において軸方向に貫通しつつ筒状体３０の内空間３０ｈに環装部品２０が収容された状態が実現される。係る場合においては、環装部品２０は内空間３０ｈの最奥部においてテーパー面３０ｂに係止される一方、センサ素子１０の第１先端部１０ａは縮径部３１を通じて筒状体３０の外部へと貫通している。第２先端部１０ｂはもともと、環装部品２０から突出している。

【0051】

なお、図２（ａ）に示す態様に代わり、環装体１ａと筒状体３０とがともに上下反転された姿勢とされ、環装体１ａに対し鉛直上方から筒状体３０を環装する態様であってもよい。

【0052】

図２（ｂ）に示すように、環装体１ａの挿入がなされた時点では、成型体２２ａ、２２ｂはそれぞれ別体に存在し、また、閉曲線Ｅ１にて示すように、第２セラミックサポータ２３は延在部３２Ｚから突出している。なお、環装体１ａの挿入は、筒状体３０を環装体１ａの外周にさらに環装しているともいえる。

【0053】

筒状体３０に対する環装体１ａの挿入がなされると、次に、図３（ａ）に示すように、所定の押圧手段１０２が、環装体１ａにおいて最上位置にあり延在部３２Ｚから突出している第２セラミックサポータ２３の上端に当接させられ、さらに下降させられる。係る押圧手段１０２の下降により第２セラミックサポータ２３は所定の荷重ｆ１にて鉛直下方（ｚ軸負方向）に押圧される。係る荷重ｆ１による圧縮を仮圧縮（一次圧縮）と称する。

【0054】

仮圧縮の結果、第２セラミックサポータ２３を介してその直下の２つの成型体２２ａ、２２ｂが圧縮され、図３（ｂ）に示すように、一の圧粉体２２となる。さらには、閉曲線Ｅ２にて示すように、第２セラミックサポータ２３は押圧前に比して下降する。また、係る仮圧縮により、センサ素子１０はあらかじめ設定された所定の配置範囲に配置される。

【0055】

なお、荷重ｆ１は、２３５Ｎ～２９５Ｎなる範囲にて印加するのが好適である。

【0056】

以上のような仮圧縮がなされると、図３（ｂ）に示すように、押圧手段１０２は再び第２セラミックサポータ２３の上端に当接させられ、さらに下降させられる。その際に押圧手段１０２が第２セラミックサポータ２３に対し作用させる荷重ｆ２は通常、仮圧縮における荷重ｆ１よりも大きな値とされる。係る荷重ｆ２による圧縮を本圧縮（二次圧縮）と称する。

【0057】

図４（ａ）において閉曲線Ｅ３にて示すように、本圧縮後においては、第２セラミックサポータ２３の上端は筒状体３０の延在部３２Ｚの先端から所定の距離（以下、かしめ高さ）ｈだけ下方にまで下降している。

【0058】

本圧縮により、一の圧粉体２２は第２セラミックサポータ２３を介してさらに圧縮される。これにより、センサ素子１０が完全に固定されるとともに、センサ素子１０の第１先端部１０ａ側と、第２先端部１０ｂ側との間が、気密に封止される。

【0059】

なお、本圧縮によりセンサ素子１０は仮圧縮にて配置された位置から多少ずれ得るが、仮圧縮時のセンサ素子１０の配置位置を、本圧縮時の位置ずれを想定して設定することにより、本圧縮後のセンサ素子１０の固定位置は、あらかじめ設定された公差範囲内となる。

【0060】

なお、荷重ｆ２は、４．９８ｋＮ～５．８２ｋＮなる範囲にて印加するのが好適である。

【0061】

本圧縮がなされると、続いて、筒状体３０の延在部３２Ｚが軸中心方向へと屈曲させられるかしめ処理が行われて、かしめ部３２が形成される。

【0062】

かしめ処理は、概略、延在部３２Ｚの上方に配置した金属製のかしめ治具（屈曲手段）１０３を下降させ、延在部３２Ｚに当接させることによって行われる。かしめ処理の詳細については、延在部３２Ｚの先端部の詳細構成ともども、後で詳述する。

【0063】

かしめ処理が実行されると、図４（ｂ）に示すように、延在部３２Ｚが屈曲させられて、かしめ部３２が形成される。かしめ部３２は、第２セラミックサポータ２３と当接する態様にて設けられる。

【0064】

係るかしめ処理がなされることで、筒状体３０の内部におけるセンサ素子１０と環装部品２０との固定が、実現される。これにより、素子封止体１が得られたことになる。

【0065】

なお、かしめ処理によって延在部３２Ｚが屈曲される際に、延在部３２Ｚが第２セラミックサポータ２３と接触することに起因して、第２セラミックサポータ２３が破損することを防ぐべく、第２セラミックサポータ２３の上に金属製の環状の薄板であるワッシャーが配置されたうえで、かしめ処理が行われる態様であってもよい。

【0066】

＜かしめ処理の詳細＞
次に、かしめ治具１０３によりなされるかしめ処理について、その対象たる筒状体３０の延在部３２Ｚの形状と、かしめ治具１０３の形状とを含め、より具体的に説明する。

【0067】

図５は、上述したかしめ処理の実行前の、筒状体３０の延在部３２Ｚとかしめ治具１０３とのｚ軸方向に沿った詳細断面図である。ただし、第２セラミックサポータ２３その他の環装部品２０については図示を省略している。

【0068】

図２ないし図４においては詳細な図示を省略していたが、かしめ処理により屈曲させられてかしめ部３２となる延在部３２Ｚは、実際には、主部３０Ｍに比して薄肉であることに加えて、先端に向かうほどより厚みが小さくなる形状を有してなる。そして、かしめ治具１０３において延在部３２Ｚに当接する被当接部１０３ａが、係る延在部３２Ｚの形状に応じた形状を有してなる。

【0069】

より詳細には、延在部３２Ｚにおいては、筒状体３０の主部３０Ｍから連続するその内面３０ａこそ軸線方向（筒状体３０が図２ないし図５に示すような姿勢にあるときはｚ軸方向）と平行となっているが、外面３２ａは、一見すると内面３０ａと平行であるようにも見られるものの、実際にはわずかに、延在部３２Ｚの先端に（ｚ軸正方向）に向かうほど薄肉化された断面視テーパー状をなしている。外面３２ａの開き角αは、２°～８°であるのが好適である。

【0070】

また、内面３０ａについても、延在部３２Ｚの先端まで軸線方向と平行となっているのではなく、その先端近傍には、筒状体３０の径方向外側に向けて傾斜した断面視テーパー状の傾斜面３２ｂが接続されている。傾斜面３２ｂの開き角βは、２６°～３８°であるのが好適である。換言すれば、傾斜面３２ｂは、内面３０ａの延在方向からβ／２だけ傾斜している。

【0071】

好ましくは、外面３２ａと傾斜面３２ｂとは最先端部３２ｃにおいてそのまま交わるのではなく、図５に示すように、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃは、軸線方向に沿った断面が所定の曲率半径Ｒを有する曲線である曲面となっており、外面３２ａと傾斜面３２ｂとはそれぞれに、係る最先端部３２ｃと接続されてなる。曲率半径Ｒの値は、０．２ｍｍ～０．４ｍｍであるのが好適であり、０．３ｍｍ～０．３５ｍｍであるのがより好適である。

【0072】

また、延在部３２Ｚの基端（付け根）となっている主部３０Ｍの端面３０ｃの位置における延在部３２Ｚの厚み（以下、かしめ部板厚とも称する）ｔは０．４７ｍｍ～０．６４ｍｍであるのが好適である。なお、厚みｔの値が異なれば外面３２ａの開き角αが異なることになるので、厚みｔの値を当該範囲とすることは、開き角αを上述した２°～８°なる範囲に設定することと、実質的に等価である。

【0073】

なお、図５に示すような形状の延在部３２Ｚを含む筒状体３０は例えば、材料金属からの鍛造によりその概略形状を得た後、切削や研磨などを行うことにより、得ることができる。

【0074】

一方、かしめ治具１０３は、図４（ａ）および図５に示すように、かしめ処理に際し、筒状体３０の上方位置に、その一方端面１０３ｓが筒状体３０と対向する向きにて、該筒状体３０の軸中心ｃと同軸にかつ矢印ＡＲ２にて示すような筒状体３０への接近動作とその反対動作とが可能に、配置される。

【0075】

かしめ治具１０３は、筒状体３０へと接近した際に延在部３２Ｚと直接に当接し延在部３２Ｚを屈曲させる部位である被当接部１０３ａと、係る接近に際してセンサ素子１０の第２先端部１０ｂの退避スペースとなる筒状（例えば円筒状）の孔部１０３ｈとを備える。

【0076】

被当接部１０３ａは、一方端面１０３ｓ側において孔部１０３ｈの周囲に孔部１０３ｈと連続する態様にて設けられた、孔部１０３ｈよりも浅い環状の窪みである。

【0077】

かしめ治具１０３が図４（ａ）および図５に示すように配置された状態においては、孔部１０３ｈが中央部に軸線方向に沿って延在し、その下端部側の周囲に、被当接部１０３ａが位置する。これにより、被当接部１０３ａは、筒状体３０の側から該被当接部１０３ａに向かう向きに凸の曲面となっている。

【0078】

より詳細には、被当接部１０３ａは、その断面をなす曲線において、被当接部１０３ａと孔部１０３ｈとの交線に相当する点１０３ｂよりも一方端面１０３ｓからの（垂直）距離が大きい当該曲線の頂点１０３ｃが存在するように、設けられてなる。加えて、被当接部１０３ａの一方端面１０３ｓにおける開口径（最大開口径）Ｄ１が、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃにおける開口径Ｄ２よりも大きくなるように、設けられてなる。後者は、換言すれば、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃが必ず被当接部１０３ａと当接するように、その形成範囲が設定されてなるということを意味する。

【0079】

延在部３２Ｚおよびかしめ治具１０３が以上のような形態を有することで、かしめ処理は、概略、以下のように進行することになる。

【0080】

まず、かしめ治具１０３が下降して延在部３２Ｚに接近し、やがて、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃが被当接部１０３ａに当接する。

【0081】

かしめ治具１０３は係る当接の後も引き続きが下降させられる。これにより、延在部３２Ｚは被当接部１０３ａのなす窪みに拘束されつつ、上方から押圧されることになる。ただし、被当接部１０３ａの窪みは上に凸の曲面をなしており、最先端部３２ｃの当接位置からみれば図面視で上方かつ軸方向に向かって傾斜しているので、かしめ治具１０３の下降が進むにつれて、被当接部１０３ａから延在部３２Ｚに作用する力の向きは、被当接部１０３ａの奥に向かうほど鉛直方向から軸中心方向へシフトしていく。延在部３２Ｚは先端側ほど先細となっているため、結果として、延在部３２Ｚは、被当接部１０３ａが下降するほど、その曲面形状に倣って（案内されつつ）変形され、徐々に屈曲させられていくことになる。

【0082】

しかも、頂点１０３ｃが設けられてなることで、延在部３２Ｚに作用する力の向きが、該頂点１０３ｃを境にすでに屈曲した部分をさらに内側に曲げるような向きに変わるので、屈曲の度合いがより十分となり、環装部品２０が確実に固定されるようになっている。

【0083】

加えて、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃが曲率半径Ｒの曲面である場合は、該最先端部３２ｃが被当接部１０３ａに最初に当接し、該被当接部１０３ａの曲面形状に沿って案内されることになるため、延在部３２Ｚの変形さらには屈曲が、より滑らかにかつ確実に実現される。これにより、環装部品２０の固定がさらに確実化されるともに、センサ素子１０の両端部の間における気密性がより向上する。

【0084】

最終的には、図１および図４（ｂ）に示したように、第２セラミックサポータ２３に上方から接触して環装部品２０を押圧固定する屈曲部である、かしめ部３２が形成されることになる。

【0085】

係るかしめ部３２による押圧固定が好適になされるには、かしめ部板厚ｔが０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、かしめ処理直前の本圧縮がなされた時点における、かしめ高さｈが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。

【0086】

かしめ部板厚ｔが上記の範囲を上回る場合、延在部３２Ｚが好適に屈曲されないため、好ましくない。また、かしめ高さｈが上記の範囲を上回る場合、屈曲させられた延在部３２Ｚがセンサ素子１０と接触するかあるいはその恐れがあるため、好ましくない。

【0087】

また、かしめ部板厚ｔが上記の範囲を下回る延在部３２Ｚについては、強度を十分に確保出来るように作成することが困難である。また、本圧縮後のかしめ高さｈが上記の範囲を下回る程度である場合、圧粉体２２の圧縮が十分ではなく、センサ素子１０の固定や気密封止が好適に実現されないため、好ましくない。

【0088】

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサの主たる構成要素である素子封止体を組み立てるプロセスの一工程である、センサ素子に環装されてなる環装部品を筒状体の内部に固定する工程として、筒状体の一方端部からの延在部を屈曲させるかしめ処理を採用するに際して、延在部を先細のテーパー状とするとともに、係る延在部に当接させられて該延在部を屈曲させるかしめ治具の被当接部を、筒状体からかしめ治具に向かう向きに凸状の曲面とすることで、延在部が確実に屈曲させられ、これによって、環装部品の確実な固定が実現される。

【0089】

また、延在部がかしめ治具の被当接部に倣って屈曲されるので、かしめ治具の磨耗が低減され、かしめ治具の高寿命化が図られる。

【0090】

特に、延在部の最先端部を、所定の曲率半径を有する曲面とすることで、センサ素子の両端部の間における気密性がより向上する。

【実施例】

【0091】

（実施例１）
筒状体３０として延在部３２Ｚがテーパー状をなしているものを用いた点では共通しつつも、それぞれの筒状体３０におけるかしめ高さｈとかしめ部板厚ｔとの組み合わせを種々に違えた１０通りの素子封止体１（水準１～水準１０）を作成し、その結果を評価した（評価１および評価２）。また、それぞれの素子封止体１について、気密性の評価も行った（評価３）。

【0092】

なお、延在部３２Ｚの傾斜面３２ｂの開き角βは、３２°とし、最先端部３２ｃの曲率半径Ｒは０．２ｍｍとした。それゆえ、かしめ部板厚ｔを違えることは、延在部３２Ｚの開き角αを違えることに相当する。

【0093】

表１に、かしめ処理前の素子封止体１におけるかしめ高さｈとかしめ部板厚ｔとを一覧にして示す。また、図６は、表１に示した各水準の関係を示すグラフである。

【0094】

【表1】

【0095】

かしめ処理の評価は、評価１と評価２の２通りにて行った。評価１としては、かしめ部３２の状態についての評価を行い、評価２としては、かしめ部３２とセンサ素子１０との接触状態についての評価を行った。

【0096】

一方、評価３として行った気密性の評価には、特許文献２に開示されている気密性試験と同一の評価手法を採用した。それゆえ、試験の詳細な説明は省略する。なお、特許文献２に開示されている条件と同一条件のもとで評価が行えるよう、必要な部品の追加組付け等は適宜に行っている。

【0097】

表２に、評価１～評価３のそれぞれにおける評価結果と、それら３つの評価結果を踏まえた総合評価の結果とを一覧にして示す。

【0098】

【表2】

【0099】

なお、評価基準は、以下のようにした。

【0100】

（評価１）
「○」（丸印）：目視にてかしめ部３２と第２セラミックサポータ２３との間に隙間などの不良が確認されないか、隙間はわずかに確認されるが、環装部品２０のがたつきはなし；
「×」（バツ印）：目視にて隙間が確認され、かつ、環装部品２０のがたつきあり。

【0101】

（評価２）
「○」（丸印）：目視にてかしめ部３２とセンサ素子１０との接触は確認されず；
「×」（バツ印）：目視にてかしめ部３２とセンサ素子１０との接触が確認される。

【0102】

（評価３）
「○」（丸印）：リーク量０．１５ｃｃ／ｍｍ以下であり気密性は良好；
「△」（△印）：リーク量０．３０ｃｃ／ｍｍ以下であり気密性は許容範囲；
「×」（バツ印）：リーク量０．３０ｃｃ／ｍｍ超であり気密性は不十分。

【0103】

（総合評価）
「○」（丸印）：評価１～評価３のいずれにも「×」なし；
「×」（バツ印）：評価１～評価３の少なくとも１つに「×」あり。

【0104】

表２によると、評価１の結果からは、少なくともかしめ部板厚ｔを０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とした場合には、テーパー状をなしている延在部３２Ｚをかしめ治具１０３により屈曲させることによる環装部品２０の固定が、好適に行えることがわかる。ただし、評価２の結果を併せ考えると、センサ素子１０とかしめ部３２との接触のおそれを生じさせないという点からは、かしめ高さｈが２ｍｍ以下となるようにすることが、好適であるといえる。

【0105】

一方、評価３からは、いずれの素子封止体１においても、許容範囲内の気密性は確保されることが確認された。

【0106】

結果として、水準１、水準２、水準５、および水準６の素子封止体１においてのみ、評価１～評価３のいずれにおいても良好な結果が得られた。

【0107】

係る結果は、少なくともかしめ部板厚ｔを０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲とすることで、延在部３２Ｚをかしめ治具１０３により屈曲させることによる環装部品２０の固定が、好適に行えること、これに加え、かしめ高さｈが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下となるようにすることで、かしめ部３２とセンサ素子１０との接触もなく、気密性も確保された品質の優れた素子封止体１が得られることを、示している。

【0108】

（実施例２）
筒状体３０として延在部３２Ｚがテーパー状をなしているものを用いた点では共通しつつも、最先端部３２ｃの曲率半径Ｒが異なる５通りの素子封止体１（水準ａ～水準ｅ）を作成し、それぞれの素子封止体１について、実施例１と同様に気密性の評価を行った。なお、最先端部３２ｃの曲率半径Ｒが０である水準ｅの筒状体３０は、最先端部３２ｃを曲面とする加工を省略することにより作製している。

【0109】

表３に、それぞれの筒状体３０における最先端部３２ｃの曲率半径Ｒの値と、気密性試験におけるリーク量と、係るリーク量に基づく気密性の評価の結果とを一覧にして示す。なお、気密性の評価の基準は、実施例１と同様とした。

【0110】

【表3】

【0111】

また、図７は、最先端部３２ｃの曲率半径Ｒと気密性試験におけるリーク量との関係を示すグラフである。

【0112】

表３および図７に示す結果からは、延在部３２Ｚの最先端部３２ｃを、曲率半径Ｒが０．２ｍｍ～０．４ｍｍである曲面とすることで、曲率半径Ｒが０の場合よりもさらに、気密性が向上することがわかる。さらには、曲率半径Ｒを０．３ｍｍ～０．３５ｍｍとするのがより好ましいといえる。

【符号の説明】

【0113】

１ 素子封止体
１ａ 環装体
２ 保護カバー
３ 固定ボルト
４ 外筒
５ コネクタ
６ グロメット
７ リード線
１０ センサ素子
１０ａ （センサ素子の）第１先端部
１０ｂ （センサ素子の）第２先端部
１１ 保護膜
２０ 環装部品
２１ セラミックサポータ
２２ 圧粉体
２２ａ、２２ｂ 成型体
２３ セラミックサポータ
３０ 筒状体
３０Ｍ （筒状体の）主部
３０ａ （筒状体の）内面
３０ｂ （筒状体の）テーパー面
３０ｃ （筒状体の）端面
３０ｈ （筒状体の）内空間
３１ （筒状体の）縮径部
３２ （筒状体の）かしめ部
３２Ｚ （筒状体の）延在部
３２ａ （延在部の）外面
３２ｂ （延在部の）傾斜面
３２ｃ （延在部の）最先端部
３３ （筒状体の）係止部
５１ 接点部材
１００ ガスセンサ
１０１ 筒状体支持手段
１０２ 押圧手段
１０３ かしめ治具
１０３ａ 被当接部
１０３ｃ （被当接部の）頂点
１０３ｓ 一方端面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】