ガスセンサおよびその製造方法
【課題】気密性を高め、熱応力の影響を低減できるガスセンサを提供する。
【解決手段】ホルダ２０内に充填される第２滑石２２と、ホルダ２０の内周面１９との間に第４ガラス層３４が形成され、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間にも第３ガラス層３３が形成される。また、主体金具５０内に充填される第１滑石２６と、主体金具５０の内周面５８との間に第２ガラス層３２が形成され、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間にも第１ガラス層３１が形成される。第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、製造過程において溶融されることがなく、それぞれの接触面に対し固着していない。第２滑石２２，第１滑石２６が押し固められることによって、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、それぞれの接触面に対し接触し、主体金具５０内を介した気密性が確保される。
【解決手段】ホルダ２０内に充填される第２滑石２２と、ホルダ２０の内周面１９との間に第４ガラス層３４が形成され、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間にも第３ガラス層３３が形成される。また、主体金具５０内に充填される第１滑石２６と、主体金具５０の内周面５８との間に第２ガラス層３２が形成され、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間にも第１ガラス層３１が形成される。第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、製造過程において溶融されることがなく、それぞれの接触面に対し固着していない。第２滑石２２，第１滑石２６が押し固められることによって、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、それぞれの接触面に対し接触し、主体金具５０内を介した気密性が確保される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象ガスに含まれる特定ガス成分を検出するためのガスセンサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中の特定ガス（酸素やＮＯｘなど）の濃度に応じて出力が変化する検出素子を備えるガスセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。例えば、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサの検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも１つ以上積層した構造を有する。ＮＯｘセンサでは、排気ガス中に残存するＮＯｘから解離した酸素が酸素イオンとして固体電解質体を流れ、そのときの電流値に基づきＮＯｘ濃度の検出が行われる。このため、ＮＯｘセンサの電流値が非常に小さく、その結果、得られるセンサ出力も非常に小さくなる。よって、センサ内部の湿度が変化した場合に、センサ内部に配置される出力取出部（検出素子と外部回路とを接続している導電路であり、例えば素子表面に設けられる電極パッドや金属端子等）の絶縁性が低下することによるセンサ出力の精度への影響が懸念される。
【０００３】
通常、ＮＯｘセンサは検出素子を挿通した状態に保持する筒状の主体金具が排気管に取り付けられ、検出素子の検出部が配置される先端側を排気管内に挿入した状態で使用される。排気ガス中には燃焼によって生じた水分等が含まれており、上述の問題を考慮し、この水分等が主体金具内を通じてＮＯｘセンサ内の後端側に達することがないように、ＮＯｘセンサは、主体金具内における気密性の確保が求められる。
【０００４】
これに対し、主体金具（中間シェル）内にガラス層とステアタイト層とを交互に配置し、熱処理によってガラス層を溶融させて、シール性を確保したガスセンサが知られている（例えば特許文献２参照）。特許文献２では、主体金具内に配置した筒状のセラミック本体内に挿通される検出素子（感知素子）が、中間部分の周囲をガラス層とステアタイト層とに取り囲まれて担時される。加熱により溶融したガラス層が、ステアタイト層の外側とセラミック本体との間、およびステアタイト層の内側と検出素子との間に流れ、溶融状態のガラスを圧縮してギャップをガラスで埋めることで、シール性が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２３６１５号公報
【特許文献２】特開平８−１１４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、ステアタイト層とセラミック本体および検出素子との間に、加熱によって溶融したガラス層が流されるので、ガラス層はそれぞれに対し、接着剤のように固着することとなる。固着によってガラス層がステアタイト層やセラミック本体、検出素子と密着してしまうと、高温環境下でガスセンサが使用され、それら部品に熱膨張が生じた場合に、ガラス層において熱膨張差を吸収することができない。例えば検出素子に熱膨張による応力が加わると、素子折れ等を生じてしまう虞があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、気密性を高め、熱応力の影響を低減できるガスセンサ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】
【０００８】
本発明の第１態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、を備えるガスセンサが提供される。
【０００９】
第１粉末材と、検出素子の外周面および主体金具の内周面との間に、第１ガラス層および第２ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第１粉末材と検出素子および主体金具との間、すなわち、第１粉末材と検出素子の外周面及び主体金具の内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。なぜなら、第１粉末材だけで間隙を埋めようとすると、検出素子の外周面及び主体金具の内周面と第１粉末材との間にわずかなすき間を生ずる虞があり、そのすき間を埋めるには、第１粉末材の充填する際の圧縮をより強固に行う必要があるが、第１ガラス層および第２ガラス層で第１粉末材と検出素子の外周面および主体金具の内周面との間のすき間を埋めれば、第１粉末材を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第１ガラス層と第２ガラス層とは、検出素子の外周面と主体金具の内周面とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ガスセンサは高温環境下で使用されるが、主体金具や検出素子が熱膨張しても、第１ガラス層および第２ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００１０】
なお、「非固着」とは、例えば、第１粉末材の充填を解放し、第１粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面や主体金具の内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１１】
一方、第１ガラス層や第２ガラス層を設けず、第１粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面や主体金具の内表面に第１粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００１２】
第１態様において、前記主体金具は、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有しており、さらに、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えてもよい。
【００１３】
さらに、第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間にも、第３ガラス層および第４ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間である第２粉末材と検出素子およびホルダとの間を介した主体金具の気密性も、確保することができる。なぜなら、第３ガラス層および第４ガラス層で第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間のすき間を埋めれば、第２粉末材を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着であって、接触のみしており、接着はしていない。よって、ホルダや検出素子の熱膨張差を、第３ガラス層および第４ガラス層で吸収することができ、例えば素子折れ等を防止することができる。
【００１４】
なお、「非固着」とは、例えば、第２粉末材の充填を解放し、第２粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面やホルダの内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１５】
一方、第３ガラス層や第４ガラス層を設けず、第２粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面やホルダの内表面に第２粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００１６】
本発明の第２態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えるガスセンサが提供される。
【００１７】
第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間に、第３ガラス層および第４ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第２粉末材と検出素子およびホルダとの間、すなわち、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。なぜなら、第２粉末材だけで間隙を埋めようとすると、検出素子の外周面およびホルダの内周面と第２粉末材との間にわずかなすき間を生ずる虞があり、そのすき間を埋めるには、第２粉末材の充填する際の圧縮をより強固に行う必要があるが、第３ガラス層および第４ガラス層で第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間のすき間を埋めれば、第２粉末材を充填する際の圧縮が強固でなくとも十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ガスセンサは高温環境下で使用されるが、ホルダや検出素子が熱膨張しても、第３ガラス層および第４ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００１８】
なお、「非固着」とは、例えば、第２粉末材の充填を解放し、第２粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面やホルダの内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１９】
一方、第３ガラス層や第４ガラス層を設けず、第２粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面やホルダの内表面に第２粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００２０】
第１態様および２態様において、前記検出素子は、前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室に連通し、前記第１酸素ポンプセルによって酸素濃度が調整された前記検出対象ガスが前記第１測定室から導入される第２測定室と、第２固体電解質層と一対の第２電極とを備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルと、を前記検出部に備え、前記第２酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検出対象ガス中のＮＯｘの濃度を検出するための素子であってもよい。
【００２１】
第１酸素ポンプセルおよび第２酸素ポンプセルを備えるガスセンサが検出するＮＯｘ濃度の出力は非常に小さく、湿度変化による出力取出部の絶縁性低下の影響を受けやすいため、主体金具内を介した気密性を確実に確保できれば、センサ内部の湿度上昇を抑制し、出力が影響を受けず、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。このように、微弱な電流を扱うガスセンサに対し、第１態様および第２態様に係る発明は、特に有効である。
【００２２】
本発明の第３態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、を備えるガスセンサの製造方法であって、前記第１粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第１形成工程と、前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第１ガラス層および前記第２ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第１付着工程と、前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第１ガラス層および前記第２ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第１乾燥工程と、前記主体金具内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記主体金具と前記検出素子との間に配置する第１配置工程と、前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第１粉末材を前記主体金具内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第１粉末材と前記検出素子とに前記第１ガラス層を接触させるとともに、前記第１粉末材と前記主体金具とに前記第２ガラス層を接触させる第１圧縮工程と、を備えるガスセンサの製造方法が提供される。
【００２３】
ガスセンサに第１ガラス層および第２ガラス層を形成する上で、あらかじめ、第１粉末材をまず圧粉体として成形し、その圧粉体に液状のガラス材を付着させて、さらには付着したガラス材を乾燥させた固形粉末材を用いて、検出素子と主体金具との間に充填、圧縮することで、第１粉末材と、検出素子の外周面および主体金具の内周面との間に、第１ガラス層および第２ガラス層をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、第１粉末材と検出素子の外周面および主体金具の内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて固形粉末材を検出素子と主体金具との間に充填、圧縮することで、第１ガラス層と第２ガラス層とは、検出素子の外周面と主体金具の内周面とにそれぞれ非固着とすることができる。よって、主体金具や検出素子が熱膨張しても、第１ガラス層および第２ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えるガスセンサの製造方法であって、前記第２粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第２形成工程と、前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第３ガラス層および前記第４ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第２付着工程と、前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第３ガラス層および前記第４ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第２乾燥工程と、前記ホルダ内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記ホルダと前記検出素子との間に配置する第２配置工程と、前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第２粉末材を前記ホルダ内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第２粉末材と前記検出素子とに前記第３ガラス層を接触させるとともに、前記第２粉末材と前記ホルダとに前記第４ガラス層を接触させる第２圧縮工程と、前記検出素子を保持する前記ホルダを前記主体金具内に挿入し、前記ホルダを前記段部に係合させて、前記検出素子を前記主体金具内に保持する保持工程と、を備えるガスセンサの製造方法が提供される。
【００２５】
ガスセンサに第３ガラス層および第４ガラス層を形成する上で、あらかじめ、第２粉末材をまず圧粉体として成形し、その圧粉体に液状のガラス材を付着させて、さらには付着したガラス材を乾燥させた固形粉末材を用いて、検出素子とホルダとの間に充填、圧縮することで、第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間に、第３ガラス層および第４ガラス層をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて固形粉末材を検出素子とホルダとの間に充填、圧縮することで、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着とすることができる。よって、ホルダや検出素子が熱膨張しても、第３ガラス層および第４ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００２６】
第３態様または第４態様は、前記第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に、前記検出素子を保持する前記主体金具を、前記ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱する加熱工程をさらに備えてもよい。第１ガラス層および第２ガラス層、または、第３ガラス層および第４ガラス層を、ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱することで、ガラス材を軟化させることができるので、第１〜第４ガラス層と接触する面に、より強固に接触させることができ、主体金具を介した気密性を、より確実に、確保することができる。また、このときの加熱温度をガラス材の流動温度よりも低い温度とすることで、ガラス材が溶融することがない。ガラス材が溶融した場合には、主体金具やホルダの内周面に固着してしまい、熱膨張差による内部応力の上昇を招き、検出素子の折損を招く虞があるが、ガラス材が非固着であれば、こうした熱膨張差を吸収することができ、さらに軟化による接触の維持を確実に行うことができる。なお、「第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に加熱工程を備える」こととは、第１圧縮工程時を含む第１圧縮工程より後の工程において加熱工程が行われること、または、第２圧縮工程時を含む第２圧縮工程より後の工程において加熱工程が行われることをいう。また、加熱工程では、ガラス層を軟化させる必要があるため、ガラス材の軟化温度よりも高い温度で加熱することは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＮＯｘセンサ１の縦断面図である。
【図２】検出素子１０の検出部１７の内部構造を示す断面図である。
【図３】図１の点線Ｒで囲んだ部分を拡大してみた図である。
【図４】ＮＯｘセンサ１の製造過程を示す図である。
【図５】ＮＯｘセンサ１の製造過程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化したガスセンサおよびその製造方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、ガスセンサの一例として、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の検出が可能なＮＯｘセンサ１を例に挙げ、その構成について図１〜図３を参照して説明する。なお、図１ではＮＯｘセンサ１の軸線Ｏ方向（一点鎖線で示す）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の先端部１１側をＮＯｘセンサ１の先端側、後端部１２側をＮＯｘセンサ１の後端側として説明する。
【００２９】
図１に示すＮＯｘセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の先端部１１が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。検出素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなす。なお、図１では、紙面左右方向を検出素子１０の板厚方向とし、紙面表裏方向を板幅方向として示している。
【００３０】
検出素子１０の先端部１１内には、ＮＯｘ濃度を検出するための検出部１７が形成されている。また、検出素子１０の後端部１２には、図１に示すように、検出素子１０と外部回路（図示外）との電気的な接続を行うための６つの電極パッド１６（図１ではそのうちの２つを図示している）が形成されている。
【００３１】
ここで、検出素子１０の検出部１７の構造について、図２を参照して説明する。図２に示すように、検出素子１０は、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス検出体１４と、そのガス検出体１４を早期活性化させるために加熱するヒータ体１５とが互いに積層され、一体化されたものである。なお、図２に示す検出素子１０の先端部１１は、紙面左手側を、検出素子１０の先端側とする。
【００３２】
まず、検出素子１０のガス検出体１４の構成を説明する。ガス検出体１４は、３枚の板状の固体電解質体１１１，１２１，１３１の間に、アルミナ等からなる絶縁体１４１，１４６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成されている。ガス検出体１４は、第１測定室１０１と、第２測定室１０２と、基準酸素室１０５と、第１酸素ポンプセル１１０と、酸素分圧検知セル１２０と、第２酸素ポンプセル１３０とを備える。なお以下では、便宜上、第１酸素ポンプセル１１０、酸素分圧検知セル１２０、第２酸素ポンプセル１３０を、それぞれ、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０とよぶこととする。
【００３３】
第１測定室１０１は、排気管（図示外）内の排気ガスが、ガス検出体１４内に最初に導入される小空間である。第１測定室１０１は、固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間に形成されている。第１測定室１０１の固体電解質体１１１側の面には電極１１３が配置され、固体電解質体１２１側の面には電極１２２が配置されている。
【００３４】
第１測定室１０１のガス検出体１４における先端側には、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第１拡散抵抗部１０３が設けられている。第１拡散抵抗部１０３は、第１測定室１０１内外の仕切りとして機能し、第１測定室１０１内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第１測定室１０１のガス検出体１４における後端側にも、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第２拡散抵抗部１０４が設けられている。第２拡散抵抗部１０４は、第１測定室１０１と第２測定室１０２との仕切りとして機能し、第１測定室１０１から第２測定室１０２内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
【００３５】
第２測定室１０２は、固体電解質体１１１と、第２拡散抵抗部１０４と、絶縁体１４１の開口部１４２と、固体電解質体１２１の開口部１２４と、絶縁体１４６の開口部１４７と、固体電解質体１３１とによって囲まれた小空間である。第２測定室１０２は第２拡散抵抗部１０４を介して第１測定室１０１と連通し、Ｉｐ１セル１１０によって酸素濃度が調整された後の排気ガスが導入される。第２測定室１０２に露出する固体電解質体１３１の表面には電極１３３が配置されている。
【００３６】
基準酸素室１０５は、第２測定室１０２とは独立に絶縁体１４６に設けられた開口と、固体電解質体１２１および固体電解質体１３１とによって囲まれた小空間である。基準酸素室１０５において、固体電解質体１２１の面には電極１２３が配置され、固体電解質体１３１の面には電極１３２が配置されている。基準酸素室１０５内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。
【００３７】
Ｉｐ１セル１１０は、固体電解質体１１１と、多孔質性の一対の電極１１２，１１３とを備える。固体電解質体１１１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。電極１１２，１１３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１１１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１１３は第１測定室１０１内に配置され、電極１１２は、固体電解質体１１１を挟んで電極１１３に対応する位置に配置されている。電極１１２，１１３は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。また、電極１１２，１１３の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１１４，１１５がそれぞれ形成されている。Ｉｐ１セル１１０の電極１１２は、電極パッド１６のうちのＩｐ１＋電極に接続され、電極１１３はＣＯＭ電極（基準電位）に接続される。
【００３８】
Ｖｓセル１２０は、固体電解質体１２１と、多孔質性の一対の電極１２２，１２３とを備える。固体電解質体１２１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１２１は、絶縁体１４１を挟んで固体電解質体１１１と対向するように配置されている。電極１２２，１２３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１２１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１２３は基準酸素室１０５内に配置され、電極１２２は、第１測定室１０１内で、固体電解質体１２１を挟んで電極１２３に対応する位置に配置されている。電極１２２，１２３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｖｓセル１２０の電極１２２は、電極パッド１６のうちのＣＯＭ電極に接続され、電極１２３はＶｓ＋電極に接続される。
【００３９】
Ｉｐ２セル１３０は、固体電解質体１３１と、多孔質性の一対の電極１３２，１３３とを備える。固体電解質体１３１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３１は、絶縁体１４６を挟んで固体電解質体１２１と対向するように配置されている。電極１３２，１３３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１３１の固体電解質体１２１側の面に設けられている。上記したように、電極１３２は第２測定室１０２内に配置され、電極１３３は、固体電解質体１３１を挟んで電極１３２と対になるように、基準酸素室１０５内に配置されている。電極１３２，１３３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｉｐ２セル１３０の電極１３２は、電極パッド１６のうちのＩｐ２＋電極に接続され、電極１３３はＣＯＭ電極に接続される。
【００４０】
次に、ヒータ体１５について説明する。ヒータ体１５は、絶縁層１５２，１５３と、ヒータパターン１５１とを備える。絶縁層１５２，１５３は、アルミナを主成分とするシートからなる。ヒータパターン１５１は、絶縁層１５２，１５３の間に埋設され、ヒータ体１５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン１５１は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成され、自身の温度と抵抗値とに相関関係を有する。ヒータパターン１５１は、一方の端部が、電極パッド１６のうちのＨｔｒ−電極に接続されて接地され、他方の端部はＨｔｒ＋電極に接続される。
【００４１】
このような構造を有する検出素子１０は、図１に示すように、円筒状の主体金具５０に挿通され、筒孔内に充填される第２滑石２２，第１滑石２６によって、主体金具５０に保持されている。なお、主体金具５０内における検出素子１０の保持構造の詳細については後述する。
【００４２】
主体金具５０はＮＯｘセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部５１が設けられている。この取付部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されており、さらにその後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締部５３が形成されている。そして工具係合部５２と取付部５１との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止する環状のガスケット５５が嵌挿されている。
【００４３】
主体金具５０の先端係合部５６は筒状に形成されており、プロテクタ８が嵌められている。このプロテクタ８は、検出素子１０の先端部１１の外周を取り囲んで、検出素子１０を、被水や物理的な衝撃による折損等から保護している。プロテクタ８は、抵抗溶接やレーザ溶接によって先端係合部５６に固定されている。このプロテクタ８は、有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態でその径方向周囲を取り囲む筒状の外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。
【００４４】
内側プロテクタ９０には、周壁９２の後端側に複数の内側導入孔９５と、周壁９２の先端側に複数の水抜き孔９６と、底壁９３に排出口９７とが開口されている。そして開口端側（後端側）の基端部９１が、主体金具５０の先端係合部５６の外周に係合されている。また、外側プロテクタ８０には、周壁８２の先端側に、複数の外側導入孔８５が開口されている。そして、開口端側の基端部８１が内側プロテクタ９０の基端部９１の外周に係合されている。その状態で、基端部８１の外周にレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ９０の基端部９１ごと主体金具５０の先端係合部５６に接合され、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０とが主体金具５０に固定されている。さらに、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０との間の空隙を閉じるように、外側プロテクタ８０の先端部８３が内側プロテクタ９０の周壁９２に向けて、内側に折り曲げられている。
【００４５】
一方、主体金具５０に保持される検出素子１０の後端部１２は、主体金具５０の後端（加締部５３）よりも後方に突出されている。その後端部１２に、絶縁性セラミックス（本実施形態では、アルミナ）からなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、先端側セパレータ６１と後端側セパレータ６６とからなり、先端側セパレータ６１に設けられた径方向外側に突出する鍔部６２に対して、後端側セパレータ６６が係合されている。先端側セパレータ６１は、検出素子１０の後端部１２に形成された６つの電極パッド１６と、電極パッド１６のそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子（金属端子）４４（図１ではそのうちの４つを図示している）との接続部位（接点）を、内部に収容する。換言すると、接続端子４４と電極パッド１６との電気的な接続は、先端側セパレータ６１内で行われる。後端側セパレータ６６は、各接続端子４４とＮＯｘセンサ１の外部に引き出される６本のリード線４１との接続部位を内部に収容する。
【００４６】
そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、金属製で筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０は、先端側の開口端３５が、主体金具５０の後端係合部５７の外周に係合されている。その開口端３５は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されて、後端係合部５７に接合されており、これにより、外筒３０と主体金具５０とが一体となっている。
【００４７】
また、外筒３０と先端側セパレータ６１との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具４２が配設されている。保持金具４２は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部４３を有する。保持金具４２の内部に挿通される先端側セパレータ６１の鍔部６２が支持部４３に係合されて、先端側セパレータ６１が保持金具４２に保持される。この状態で、保持金具４２が配置された部分の外筒３０の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータ６１を支持した保持金具４２が外筒３０に固定されている。
【００４８】
次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット４５が嵌め込まれ、外筒３０内が密閉されている。グロメット４５は６つの挿通孔４６（図１ではそのうちの２つを図示している）を有し、各挿通孔４６に、セパレータ６０から引き出された上記６本のリード線４１が挿通されている。この状態でグロメット４５は、後端側セパレータ６６を先端側セパレータ６１に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。
【００４９】
次に、主体金具５０内における検出素子１０の保持構造の詳細について説明する。上記したように、検出素子１０は、主体金具５０の筒孔内に挿通される。検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側の位置には、有底筒状で底壁に孔２５を有する金属製のホルダ２０が配置されている。検出素子１０は、孔２５を通じてホルダ２０内を挿通されており、先端部１１は孔２５よりも軸線Ｏ方向の先端側に突出されている。ホルダ２０は主体金具５０内で検出素子１０を位置決めしつつ保持するための部材である。ホルダ２０の底壁の縁部分には、底壁から外周壁にかけてテーパ状をなす先端周縁部２３が形成されている。ホルダ２０は、先端周縁部２３は、主体金具５０内で周方向の一周にわたって径方向内向きに突出して設けられた段部５４に係合した状態で、主体金具５０内に配置されている。
【００５０】
ホルダ２０内には、底壁側にアルミナ製のセラミックリング２１が配置され、開口端側に、第２滑石２２の粉末が充填されている。第２滑石２２は圧縮によって固められ、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。また、図３に示すように、第２滑石２２とホルダ２０の内周面１９との間には、ガラスを主成分とする第４ガラス層３４が形成されている。同様に、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間にも、第３ガラス層３３が形成されている。第３ガラス層３３，第４ガラス層３４は水ガラスを乾燥させたものであり、溶融されてはおらず、第２滑石２２と、検出素子１０の外周面１８と、ホルダ２０の内周面１９とに接着していない。言い換えると、第３ガラス層３３，第４ガラス層３４は、第２滑石２２、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９に対し、固着していない。ホルダ２０内で第２滑石２２が押し固められることによって、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは、それぞれ、第２滑石２２および検出素子１０の外周面１８と、第２滑石２２およびホルダ２０の内周面１９とに対し、接触されている。検出素子１０は、ホルダ２０内で、セラミックリング２１によって位置決めされて、第２滑石２２によって保持されている。
【００５１】
なお、第３ガラス層３３、第４ガラス層３４は、本実施の形態では、第２滑石２２が一部含まれるガラス層となっている。この第２滑石が一部含まれるガラス層の場合、ガラス成分が多量に存在する部位と微量にしか存在しない部位とで第３ガラス層３３、第４ガラス層３４と第２滑石２２との境界を分けることができる。また、第３ガラス層３３、第４ガラス層３４のように、第２滑石２２が一部含まれるガラス層とならず、ガラスのみで形成されていてもよい。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは同材料（水ガラス）であったが、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とを別材料で形成してもよい。
【００５３】
ホルダ２０と一体となった検出素子１０は、上記のように、ホルダ２０の先端周縁部２３が主体金具５０の段部５４に係合され、主体金具５０に取り囲まれて保持されている。そして主体金具５０内には、ホルダ２０の後端側から、第１滑石２６の粉末が充填されている。第１滑石２６は、さらに後端側から主体金具５０内に挿入される筒状のスリーブ２７によって圧縮されて固められ、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。そして、第１滑石２６と主体金具５０の内周面５８との間には、上記同様の第２ガラス層３２が形成され、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間にも、第１ガラス層３１が形成されている。第１ガラス層３１，第２ガラス層３２も溶融されておらず、第３ガラス層３３，第４ガラス層３４と同様に、第１滑石２６、検出素子１０の外周面１８、主体金具５０の内周面５８に対し、固着していない。主体金具５０内で第１滑石２６が押し固められることによって、第１ガラス層３１と第２ガラス層３２とは、それぞれ、第１滑石２６および検出素子１０の外周面１８と、第１滑石２６および主体金具５０の内周面５８とに対し、接触されている。
【００５４】
図１に示すように、スリーブ２７は、自身に検出素子１０を挿通させつつ主体金具５０内に挿入されており、第１滑石２６を後端側から押圧する。スリーブ２７は後端側外周に、段状に形成された肩部２８を有し、その肩部２８に、円環状のパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締部５３が内向きに加締められ、加締部５３は、パッキン２９を介し、スリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧する。第１滑石２６は、加締めによってスリーブ２７に押圧され、第２滑石２２も第１滑石２６によってさらに押圧され、主体金具５０内で密に圧縮される。そして、第２滑石２２，第１滑石２６によって、ホルダ２０および検出素子１０が、主体金具５０内で位置決め保持される。
【００５５】
次に、本実施の形態のＮＯｘセンサ１の製造過程について、図４，図５を参照し、素子ユニット２３０を金具組立体２３５に組み付ける過程を中心に説明する。ＮＯｘセンサ１の製造過程において、第２滑石２２，第１滑石２６は、図４に示すように、その取り扱いを容易なものとするため、リング状をなす円筒状に押し固められた固形の滑石リング２２５として供給される。滑石リング２２５は、以下の工程により作製される。
【００５６】
滑石粉末２０５を金型２１０に流して圧縮することにより、検出素子１０が挿通される挿通孔が形成された円筒状の圧粉体２００が成形される（第１形成工程、第２形成工程）。形成された圧粉体２００は、例えばケイ酸ナトリウムを水に溶かして加熱することにより作製される水ガラス水溶液２１５に浸される。円筒状の圧粉体２００の周方向の外周面および内周面を含む外表面に、水ガラスが付着される（第１付着工程、第２付着工程）。水ガラスが付着された圧粉体２００は乾燥炉２２０に投入され、表面に付着した水ガラスが乾燥される（第１乾燥工程、第２乾燥工程）。圧粉体２００は、ガラス材によってコーティングされた状態となる。すなわち、圧粉体２００の外周面に、ＮＯｘセンサ１の組み立て後に第２ガラス層３２，第４ガラス層３４として機能するガラス層が形成され、内周面に、第１ガラス層３１，第３ガラス層３３として機能するガラス層が形成される。ガラス層が形成された圧粉体２００は、滑石リング２２５として、ＮＯｘセンサ１の組み立てラインに供給される。
【００５７】
ＮＯｘセンサ１の検出素子１０は、未焼成のガス検出体１４と未焼成のヒータ体１５とを厚み方向（板厚方向）に積層し、焼成後、図１に示すような細長い板状の検出素子１０として作製される。また、別工程において、ホルダ２０、セラミックリング２１、スリーブ２７、パッキン２９が作製される。主体金具５０およびプロテクタ８も別工程で作製され、ＮＯｘセンサ１の組み立てラインには、主体金具５０の先端係合部５６にプロテクタ８を接合して組み立てた金具組立体２３５（図５参照）として供給される。
【００５８】
次に、図５に示すように、検出素子１０を挿通させたセラミックリング２１および滑石リング２２５が、ホルダ２０内に収容される。ホルダ２０の内周面１９と検出素子１０の外周面１８との間に、滑石リング２２５が配置される（第２配置工程）。
【００５９】
ホルダ２０が固定され、図示しない圧縮治具により、ホルダ２０の開口側から滑石リング２２５が圧縮される（第２圧縮工程）。滑石リング２２５は押し潰され、形状が崩れて粉体の第２滑石２２となり、ホルダ２０内のすき間が埋められる。このとき、滑石リング２２５の外周面に形成されていたガラス層が、第２滑石２２とホルダ２０の内周面１９との間に挟まれ、第４ガラス層３４（図３参照）として、両者に対して接触する。同様に、滑石リング２２５の内周面に形成されていたガラス層が、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間に挟まれ、第３ガラス層３３（図３参照）として、両者に対して接触する。このように、第２滑石２２によってホルダ２０内に検出素子１０を保持して一体となった素子ユニット２３０が形成される。
【００６０】
素子ユニット２３０は、金具組立体２３５の後端側（加締部５３側）から主体金具５０内に挿入される。ホルダ２０の先端周縁部２３が段部５４に係合され、ホルダ２０に保持された検出素子１０が主体金具５０内に保持される（保持工程）。さらに検出素子１０に、その後端部１２側から滑石リング２２５、スリーブ２７およびパッキン２９が挿通され、主体金具５０内に収容される（第１配置工程）。
【００６１】
金具組立体２３５が固定され、図示しない加締治具により、主体金具５０の加締部５３が加締められ、パッキン２９を介し、スリーブ２７が下方（主体金具５０の先端側）へ向けて押圧される。この加締めは、加締部５３を加熱することにより残留応力を除去しつつ行う、熱加締めによって行われる。スリーブ２７は第１滑石２６を下方に押圧し、これにより、主体金具５０内で、滑石リング２２５が圧縮される（第１圧縮工程）。滑石リング２２５は押し潰され、形状が崩れて粉体の第１滑石２６となり、主体金具５０内のすき間が埋められる。このとき、滑石リング２２５の外周面に形成されていたガラス層が、第１滑石２６と主体金具５０の内周面５８との間に挟まれ、第２ガラス層３２（図３参照）として、両者に対して接触する。同様に、滑石リング２２５の内周面に形成されていたガラス層が、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間に挟まれ、第１ガラス層３１（図３参照）として、両者に対して接触する。
【００６２】
また、熱加締めが行われることにより、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４にも熱が伝わり、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４が加熱される（加熱工程）。このときの加熱温度が、ガラス材が軟化する軟化温度よりも高く、流動温度未満の温度となるように、熱加締めにおける加締部５３の加熱温度や加熱時間が調整される。第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を形成するガラス材は軟化するが溶融することはなく、それぞれが接する面に対して強固に接触する。ゆえに、第２滑石２２，第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９および主体金具５０の内周面５８とのすき間が、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４によって完全に封止される。
【００６３】
また、第２滑石２２，第１滑石２６も、圧縮されることによって、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。したがって、主体金具５０内を介した気密性が確実に確保される。このようにして、検出素子１０は主体金具５０内で位置決めされるとともに第２滑石２２，第１滑石２６に保持されて、主体金具５０と一体化される。なお、熱加締めの際に、あらかじめホルダ２０内にて圧縮されている第２滑石２２に対して、さらに、押圧力が加わるので、検出素子１０の胴部１３は第２滑石２２によってさらに強固に保持される。このようにして検出素子１０を保持した主体金具５０に、図１に示した外筒３０、セパレータ６０、グロメット４５等が組み付けられて、ＮＯｘセンサ１が完成する。
【００６４】
以上説明したように、第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間に、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２がそれぞれに接触して配置されるので、第１滑石２６と検出素子１０および主体金具５０との間、すなわち、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間を介した主体金具５０の気密性を、確保することができる。なぜなら、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２で第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間のすき間を埋めれば、第１滑石２６を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第１ガラス層３１と第２ガラス層３２とは、検出素子１０の外周面１８と主体金具５０の内周面５８とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ＮＯｘセンサ１は高温環境下で使用されるが、主体金具５０や検出素子１０が熱膨張しても、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子１０に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００６５】
さらに、第２滑石２２と、検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間にも、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４がそれぞれに接触して配置されるので、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間である第２滑石２２と検出素子１０およびホルダ２０との間を介した主体金具５０の気密性も、確保することができる。なぜなら、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４で第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間のすき間を埋めれば、第２滑石２２を充填する際の圧縮にかける圧力を強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは、検出素子１０の外周面１８とホルダ２０の内周面１９とにそれぞれ非固着であって、接触のみしており、接着はしていない。よって、ホルダ２０や検出素子１０の熱膨張差を、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４で吸収することができ、上記同様、例えば素子折れ等を防止することができる。
【００６６】
また、第１酸素ポンプセル１１０および第２酸素ポンプセル１３０を備えるＮＯｘセンサ１が検出するＮＯｘ濃度の出力は非常に小さく、湿度変化による電極パッド１６や接続端子４４の絶縁性低下の影響を受けやすいため、主体金具５０内を介した気密性を確実に確保できれば、ＮＯｘセンサ１内部の湿度上昇を抑制し、出力が影響を受けず、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。このように、微弱な電流を扱うＮＯｘセンサ１等のガスセンサに対し、本願発明は、特に有効である。
【００６７】
また、ＮＯｘセンサ１に第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を形成する上で、あらかじめ、滑石粉末２０５をまず圧粉体２００として成形し、その圧粉体２００に液状の水ガラス水溶液２１５を付着させる。さらに、付着した水ガラスを乾燥させた滑石リング２２５を用いて、検出素子１０と主体金具５０との間や、検出素子１０とホルダ２０との間に充填、圧縮する。このようにすることで、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間に、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２を、それぞれに接触して配置させることができる。また、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間に、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、主体金具５０の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて滑石リング２２５を検出素子１０と主体金具５０との間や、検出素子１０とホルダ２０との間に充填、圧縮することで、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、検出素子１０の外周面１８、主体金具５０の内周面５８やホルダ２０の内周面１９とにそれぞれ非固着とすることができる。
【００６８】
また、加熱工程においては、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を、ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱することで、ガラス材を軟化させることができる。このため、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４と接触する面、すなわち、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９、主体金具５０の内周面５８に、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を、より強固に接触させることができ、主体金具５０を介した気密性を、より確実に、確保することができる。また、このときの加熱温度をガラス材の流動温度よりも低い温度とすることで、ガラス材が溶融することがない。
【００６９】
なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。滑石リング２２５を形成する際に、圧粉体２００を水ガラス水溶液２１５に浸したが、例えばハケやスプレー等を用いて、圧粉体２００の表面に水ガラスを塗布することで付着させてもよい。また、圧粉体２００への水ガラスの付着は圧粉体２００の外周面全体に対して行わなくともよく、少なくとも、外周面および内周面に付着されていればよい。さらには、圧粉体２００の外周面および内周面のそれぞれに、周方向の一周にわたって水ガラスが付着されれば、外周面および内周面の全体に付着されなくともよい。
【００７０】
また、加熱工程では、加締部５３に対する熱加締めの際の余熱によって第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行ったが、第１滑石２６の圧縮後に、別途、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を加熱する工程を設けてもよい。あるいは、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行わなくともよい。第２滑石２２，第１滑石２６が圧縮されることによって、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、第２滑石２２，第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９および主体金具５０の内周面５８との間に接触する。ゆえに、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行わなくとも、十分に、主体金具５０内を介した気密性を確保することが可能である。
【００７１】
また、本実施の形態では、第２滑石２２によって検出素子１０をホルダ２０に保持させた上で、第１滑石２６によってホルダ２０ごと検出素子１０を主体金具５０内に保持する構成とした。これに限らず、例えば、ホルダ２０および第２滑石２２の構成を省き、主体金具５０内に、直接、第１滑石２６を充填して検出素子１０を保持する構成としてもよい。あるいは、第１滑石２６の構成を省き、主体金具５０内にホルダ２０を保持し、ホルダ２０内に充填する第２滑石２２で検出素子１０を保持する構成としてもよい。この場合、主体金具５０の段部５４にパッキンを介してホルダ２０の先端周縁部２３を係合させ、主体金具５０内とホルダ２０との間の気密性はパッキンによって確保すればよい。
【００７２】
また、本実施の形態では、いわゆるＮＯｘセンサをガスセンサの一例に挙げ、本発明を適用した。これに限らず、酸素濃度を二値的に検出する（理論空燃比等の特定空燃比を境にして出力が急変する）タイプの１セル型の酸素センサや、全領域空燃比センサ、ＨＣセンサ等のセンサ素子を用いた各種のガスセンサに、本発明を適用してもよい。
【００７３】
なお、本発明においては、第１滑石２６が「第１粉末材」、第２滑石２２が「第２粉末材」に相当する。また、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４が、それぞれ、「第１〜第４ガラス層」に相当する。固体電解質体１１１が「第１固体電解質層」に相当し、電極１１２，１１３が、「一対の第１電極」に相当する。固体電解質体１３１が「第２固体電解質層」に相当し、電極１３２，１３３が、「一対の第２電極」に相当する。滑石粉末２０５が「粉体」に相当する。水ガラス水溶液２１５が「液状のガラス材」に相当する。滑石リング２２５が「固体粉末材」に相当する。
【符号の説明】
【００７４】
１ ＮＯｘセンサ
１０ 検出素子
１７ 検出部
１８ 外周面
１９ 内周面
２０ ホルダ
２２ 第２滑石
２６ 第１滑石
２７ スリーブ
３１〜３４ 第１ガラス層〜第４ガラス層
５０ 主体金具
５４ 段部
５８ 内周面
１０１ 第１測定室
１０２ 第２測定室
１１０ 第１酸素ポンプセル
１１１，１３１ 固体電解質体
１１２，１１３，１３２，１３３ 電極
１３０ 第２酸素ポンプセル
２００ 圧粉体
２０５ 滑石粉末
２１５ 水ガラス水溶液
２２５ 滑石リング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象ガスに含まれる特定ガス成分を検出するためのガスセンサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中の特定ガス（酸素やＮＯｘなど）の濃度に応じて出力が変化する検出素子を備えるガスセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。例えば、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサの検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも１つ以上積層した構造を有する。ＮＯｘセンサでは、排気ガス中に残存するＮＯｘから解離した酸素が酸素イオンとして固体電解質体を流れ、そのときの電流値に基づきＮＯｘ濃度の検出が行われる。このため、ＮＯｘセンサの電流値が非常に小さく、その結果、得られるセンサ出力も非常に小さくなる。よって、センサ内部の湿度が変化した場合に、センサ内部に配置される出力取出部（検出素子と外部回路とを接続している導電路であり、例えば素子表面に設けられる電極パッドや金属端子等）の絶縁性が低下することによるセンサ出力の精度への影響が懸念される。
【０００３】
通常、ＮＯｘセンサは検出素子を挿通した状態に保持する筒状の主体金具が排気管に取り付けられ、検出素子の検出部が配置される先端側を排気管内に挿入した状態で使用される。排気ガス中には燃焼によって生じた水分等が含まれており、上述の問題を考慮し、この水分等が主体金具内を通じてＮＯｘセンサ内の後端側に達することがないように、ＮＯｘセンサは、主体金具内における気密性の確保が求められる。
【０００４】
これに対し、主体金具（中間シェル）内にガラス層とステアタイト層とを交互に配置し、熱処理によってガラス層を溶融させて、シール性を確保したガスセンサが知られている（例えば特許文献２参照）。特許文献２では、主体金具内に配置した筒状のセラミック本体内に挿通される検出素子（感知素子）が、中間部分の周囲をガラス層とステアタイト層とに取り囲まれて担時される。加熱により溶融したガラス層が、ステアタイト層の外側とセラミック本体との間、およびステアタイト層の内側と検出素子との間に流れ、溶融状態のガラスを圧縮してギャップをガラスで埋めることで、シール性が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２３６１５号公報
【特許文献２】特開平８−１１４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、ステアタイト層とセラミック本体および検出素子との間に、加熱によって溶融したガラス層が流されるので、ガラス層はそれぞれに対し、接着剤のように固着することとなる。固着によってガラス層がステアタイト層やセラミック本体、検出素子と密着してしまうと、高温環境下でガスセンサが使用され、それら部品に熱膨張が生じた場合に、ガラス層において熱膨張差を吸収することができない。例えば検出素子に熱膨張による応力が加わると、素子折れ等を生じてしまう虞があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、気密性を高め、熱応力の影響を低減できるガスセンサ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】
【０００８】
本発明の第１態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、を備えるガスセンサが提供される。
【０００９】
第１粉末材と、検出素子の外周面および主体金具の内周面との間に、第１ガラス層および第２ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第１粉末材と検出素子および主体金具との間、すなわち、第１粉末材と検出素子の外周面及び主体金具の内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。なぜなら、第１粉末材だけで間隙を埋めようとすると、検出素子の外周面及び主体金具の内周面と第１粉末材との間にわずかなすき間を生ずる虞があり、そのすき間を埋めるには、第１粉末材の充填する際の圧縮をより強固に行う必要があるが、第１ガラス層および第２ガラス層で第１粉末材と検出素子の外周面および主体金具の内周面との間のすき間を埋めれば、第１粉末材を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第１ガラス層と第２ガラス層とは、検出素子の外周面と主体金具の内周面とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ガスセンサは高温環境下で使用されるが、主体金具や検出素子が熱膨張しても、第１ガラス層および第２ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００１０】
なお、「非固着」とは、例えば、第１粉末材の充填を解放し、第１粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面や主体金具の内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１１】
一方、第１ガラス層や第２ガラス層を設けず、第１粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面や主体金具の内表面に第１粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００１２】
第１態様において、前記主体金具は、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有しており、さらに、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えてもよい。
【００１３】
さらに、第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間にも、第３ガラス層および第４ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間である第２粉末材と検出素子およびホルダとの間を介した主体金具の気密性も、確保することができる。なぜなら、第３ガラス層および第４ガラス層で第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間のすき間を埋めれば、第２粉末材を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着であって、接触のみしており、接着はしていない。よって、ホルダや検出素子の熱膨張差を、第３ガラス層および第４ガラス層で吸収することができ、例えば素子折れ等を防止することができる。
【００１４】
なお、「非固着」とは、例えば、第２粉末材の充填を解放し、第２粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面やホルダの内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１５】
一方、第３ガラス層や第４ガラス層を設けず、第２粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面やホルダの内表面に第２粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００１６】
本発明の第２態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えるガスセンサが提供される。
【００１７】
第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間に、第３ガラス層および第４ガラス層がそれぞれに接触して配置されるので、第２粉末材と検出素子およびホルダとの間、すなわち、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。なぜなら、第２粉末材だけで間隙を埋めようとすると、検出素子の外周面およびホルダの内周面と第２粉末材との間にわずかなすき間を生ずる虞があり、そのすき間を埋めるには、第２粉末材の充填する際の圧縮をより強固に行う必要があるが、第３ガラス層および第４ガラス層で第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間のすき間を埋めれば、第２粉末材を充填する際の圧縮が強固でなくとも十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ガスセンサは高温環境下で使用されるが、ホルダや検出素子が熱膨張しても、第３ガラス層および第４ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００１８】
なお、「非固着」とは、例えば、第２粉末材の充填を解放し、第２粉末材を物理的に取り除いた場合の検出素子の外表面やホルダの内表面にガラス材料が存在しないことを指す。
【００１９】
一方、第３ガラス層や第４ガラス層を設けず、第２粉末材中にガラスを混在させた場合は、検出素子の外表面やホルダの内表面に第２粉末材が多量に接触するため、上記効果を十分に得られない。
【００２０】
第１態様および２態様において、前記検出素子は、前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室に連通し、前記第１酸素ポンプセルによって酸素濃度が調整された前記検出対象ガスが前記第１測定室から導入される第２測定室と、第２固体電解質層と一対の第２電極とを備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルと、を前記検出部に備え、前記第２酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検出対象ガス中のＮＯｘの濃度を検出するための素子であってもよい。
【００２１】
第１酸素ポンプセルおよび第２酸素ポンプセルを備えるガスセンサが検出するＮＯｘ濃度の出力は非常に小さく、湿度変化による出力取出部の絶縁性低下の影響を受けやすいため、主体金具内を介した気密性を確実に確保できれば、センサ内部の湿度上昇を抑制し、出力が影響を受けず、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。このように、微弱な電流を扱うガスセンサに対し、第１態様および第２態様に係る発明は、特に有効である。
【００２２】
本発明の第３態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、を備えるガスセンサの製造方法であって、前記第１粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第１形成工程と、前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第１ガラス層および前記第２ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第１付着工程と、前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第１ガラス層および前記第２ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第１乾燥工程と、前記主体金具内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記主体金具と前記検出素子との間に配置する第１配置工程と、前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第１粉末材を前記主体金具内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第１粉末材と前記検出素子とに前記第１ガラス層を接触させるとともに、前記第１粉末材と前記主体金具とに前記第２ガラス層を接触させる第１圧縮工程と、を備えるガスセンサの製造方法が提供される。
【００２３】
ガスセンサに第１ガラス層および第２ガラス層を形成する上で、あらかじめ、第１粉末材をまず圧粉体として成形し、その圧粉体に液状のガラス材を付着させて、さらには付着したガラス材を乾燥させた固形粉末材を用いて、検出素子と主体金具との間に充填、圧縮することで、第１粉末材と、検出素子の外周面および主体金具の内周面との間に、第１ガラス層および第２ガラス層をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、第１粉末材と検出素子の外周面および主体金具の内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて固形粉末材を検出素子と主体金具との間に充填、圧縮することで、第１ガラス層と第２ガラス層とは、検出素子の外周面と主体金具の内周面とにそれぞれ非固着とすることができる。よって、主体金具や検出素子が熱膨張しても、第１ガラス層および第２ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、を備えるガスセンサの製造方法であって、前記第２粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第２形成工程と、前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第３ガラス層および前記第４ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第２付着工程と、前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第３ガラス層および前記第４ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第２乾燥工程と、前記ホルダ内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記ホルダと前記検出素子との間に配置する第２配置工程と、前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第２粉末材を前記ホルダ内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第２粉末材と前記検出素子とに前記第３ガラス層を接触させるとともに、前記第２粉末材と前記ホルダとに前記第４ガラス層を接触させる第２圧縮工程と、前記検出素子を保持する前記ホルダを前記主体金具内に挿入し、前記ホルダを前記段部に係合させて、前記検出素子を前記主体金具内に保持する保持工程と、を備えるガスセンサの製造方法が提供される。
【００２５】
ガスセンサに第３ガラス層および第４ガラス層を形成する上で、あらかじめ、第２粉末材をまず圧粉体として成形し、その圧粉体に液状のガラス材を付着させて、さらには付着したガラス材を乾燥させた固形粉末材を用いて、検出素子とホルダとの間に充填、圧縮することで、第２粉末材と、検出素子の外周面およびホルダの内周面との間に、第３ガラス層および第４ガラス層をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、第２粉末材と検出素子の外周面およびホルダの内周面との間を介した主体金具の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて固形粉末材を検出素子とホルダとの間に充填、圧縮することで、第３ガラス層と第４ガラス層とは、検出素子の外周面とホルダの内周面とにそれぞれ非固着とすることができる。よって、ホルダや検出素子が熱膨張しても、第３ガラス層および第４ガラス層がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００２６】
第３態様または第４態様は、前記第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に、前記検出素子を保持する前記主体金具を、前記ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱する加熱工程をさらに備えてもよい。第１ガラス層および第２ガラス層、または、第３ガラス層および第４ガラス層を、ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱することで、ガラス材を軟化させることができるので、第１〜第４ガラス層と接触する面に、より強固に接触させることができ、主体金具を介した気密性を、より確実に、確保することができる。また、このときの加熱温度をガラス材の流動温度よりも低い温度とすることで、ガラス材が溶融することがない。ガラス材が溶融した場合には、主体金具やホルダの内周面に固着してしまい、熱膨張差による内部応力の上昇を招き、検出素子の折損を招く虞があるが、ガラス材が非固着であれば、こうした熱膨張差を吸収することができ、さらに軟化による接触の維持を確実に行うことができる。なお、「第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に加熱工程を備える」こととは、第１圧縮工程時を含む第１圧縮工程より後の工程において加熱工程が行われること、または、第２圧縮工程時を含む第２圧縮工程より後の工程において加熱工程が行われることをいう。また、加熱工程では、ガラス層を軟化させる必要があるため、ガラス材の軟化温度よりも高い温度で加熱することは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＮＯｘセンサ１の縦断面図である。
【図２】検出素子１０の検出部１７の内部構造を示す断面図である。
【図３】図１の点線Ｒで囲んだ部分を拡大してみた図である。
【図４】ＮＯｘセンサ１の製造過程を示す図である。
【図５】ＮＯｘセンサ１の製造過程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化したガスセンサおよびその製造方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、ガスセンサの一例として、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の検出が可能なＮＯｘセンサ１を例に挙げ、その構成について図１〜図３を参照して説明する。なお、図１ではＮＯｘセンサ１の軸線Ｏ方向（一点鎖線で示す）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の先端部１１側をＮＯｘセンサ１の先端側、後端部１２側をＮＯｘセンサ１の後端側として説明する。
【００２９】
図１に示すＮＯｘセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の先端部１１が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。検出素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなす。なお、図１では、紙面左右方向を検出素子１０の板厚方向とし、紙面表裏方向を板幅方向として示している。
【００３０】
検出素子１０の先端部１１内には、ＮＯｘ濃度を検出するための検出部１７が形成されている。また、検出素子１０の後端部１２には、図１に示すように、検出素子１０と外部回路（図示外）との電気的な接続を行うための６つの電極パッド１６（図１ではそのうちの２つを図示している）が形成されている。
【００３１】
ここで、検出素子１０の検出部１７の構造について、図２を参照して説明する。図２に示すように、検出素子１０は、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス検出体１４と、そのガス検出体１４を早期活性化させるために加熱するヒータ体１５とが互いに積層され、一体化されたものである。なお、図２に示す検出素子１０の先端部１１は、紙面左手側を、検出素子１０の先端側とする。
【００３２】
まず、検出素子１０のガス検出体１４の構成を説明する。ガス検出体１４は、３枚の板状の固体電解質体１１１，１２１，１３１の間に、アルミナ等からなる絶縁体１４１，１４６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成されている。ガス検出体１４は、第１測定室１０１と、第２測定室１０２と、基準酸素室１０５と、第１酸素ポンプセル１１０と、酸素分圧検知セル１２０と、第２酸素ポンプセル１３０とを備える。なお以下では、便宜上、第１酸素ポンプセル１１０、酸素分圧検知セル１２０、第２酸素ポンプセル１３０を、それぞれ、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０とよぶこととする。
【００３３】
第１測定室１０１は、排気管（図示外）内の排気ガスが、ガス検出体１４内に最初に導入される小空間である。第１測定室１０１は、固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間に形成されている。第１測定室１０１の固体電解質体１１１側の面には電極１１３が配置され、固体電解質体１２１側の面には電極１２２が配置されている。
【００３４】
第１測定室１０１のガス検出体１４における先端側には、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第１拡散抵抗部１０３が設けられている。第１拡散抵抗部１０３は、第１測定室１０１内外の仕切りとして機能し、第１測定室１０１内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第１測定室１０１のガス検出体１４における後端側にも、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第２拡散抵抗部１０４が設けられている。第２拡散抵抗部１０４は、第１測定室１０１と第２測定室１０２との仕切りとして機能し、第１測定室１０１から第２測定室１０２内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
【００３５】
第２測定室１０２は、固体電解質体１１１と、第２拡散抵抗部１０４と、絶縁体１４１の開口部１４２と、固体電解質体１２１の開口部１２４と、絶縁体１４６の開口部１４７と、固体電解質体１３１とによって囲まれた小空間である。第２測定室１０２は第２拡散抵抗部１０４を介して第１測定室１０１と連通し、Ｉｐ１セル１１０によって酸素濃度が調整された後の排気ガスが導入される。第２測定室１０２に露出する固体電解質体１３１の表面には電極１３３が配置されている。
【００３６】
基準酸素室１０５は、第２測定室１０２とは独立に絶縁体１４６に設けられた開口と、固体電解質体１２１および固体電解質体１３１とによって囲まれた小空間である。基準酸素室１０５において、固体電解質体１２１の面には電極１２３が配置され、固体電解質体１３１の面には電極１３２が配置されている。基準酸素室１０５内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。
【００３７】
Ｉｐ１セル１１０は、固体電解質体１１１と、多孔質性の一対の電極１１２，１１３とを備える。固体電解質体１１１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。電極１１２，１１３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１１１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１１３は第１測定室１０１内に配置され、電極１１２は、固体電解質体１１１を挟んで電極１１３に対応する位置に配置されている。電極１１２，１１３は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。また、電極１１２，１１３の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１１４，１１５がそれぞれ形成されている。Ｉｐ１セル１１０の電極１１２は、電極パッド１６のうちのＩｐ１＋電極に接続され、電極１１３はＣＯＭ電極（基準電位）に接続される。
【００３８】
Ｖｓセル１２０は、固体電解質体１２１と、多孔質性の一対の電極１２２，１２３とを備える。固体電解質体１２１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１２１は、絶縁体１４１を挟んで固体電解質体１１１と対向するように配置されている。電極１２２，１２３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１２１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１２３は基準酸素室１０５内に配置され、電極１２２は、第１測定室１０１内で、固体電解質体１２１を挟んで電極１２３に対応する位置に配置されている。電極１２２，１２３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｖｓセル１２０の電極１２２は、電極パッド１６のうちのＣＯＭ電極に接続され、電極１２３はＶｓ＋電極に接続される。
【００３９】
Ｉｐ２セル１３０は、固体電解質体１３１と、多孔質性の一対の電極１３２，１３３とを備える。固体電解質体１３１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３１は、絶縁体１４６を挟んで固体電解質体１２１と対向するように配置されている。電極１３２，１３３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１３１の固体電解質体１２１側の面に設けられている。上記したように、電極１３２は第２測定室１０２内に配置され、電極１３３は、固体電解質体１３１を挟んで電極１３２と対になるように、基準酸素室１０５内に配置されている。電極１３２，１３３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｉｐ２セル１３０の電極１３２は、電極パッド１６のうちのＩｐ２＋電極に接続され、電極１３３はＣＯＭ電極に接続される。
【００４０】
次に、ヒータ体１５について説明する。ヒータ体１５は、絶縁層１５２，１５３と、ヒータパターン１５１とを備える。絶縁層１５２，１５３は、アルミナを主成分とするシートからなる。ヒータパターン１５１は、絶縁層１５２，１５３の間に埋設され、ヒータ体１５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン１５１は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成され、自身の温度と抵抗値とに相関関係を有する。ヒータパターン１５１は、一方の端部が、電極パッド１６のうちのＨｔｒ−電極に接続されて接地され、他方の端部はＨｔｒ＋電極に接続される。
【００４１】
このような構造を有する検出素子１０は、図１に示すように、円筒状の主体金具５０に挿通され、筒孔内に充填される第２滑石２２，第１滑石２６によって、主体金具５０に保持されている。なお、主体金具５０内における検出素子１０の保持構造の詳細については後述する。
【００４２】
主体金具５０はＮＯｘセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部５１が設けられている。この取付部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されており、さらにその後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締部５３が形成されている。そして工具係合部５２と取付部５１との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止する環状のガスケット５５が嵌挿されている。
【００４３】
主体金具５０の先端係合部５６は筒状に形成されており、プロテクタ８が嵌められている。このプロテクタ８は、検出素子１０の先端部１１の外周を取り囲んで、検出素子１０を、被水や物理的な衝撃による折損等から保護している。プロテクタ８は、抵抗溶接やレーザ溶接によって先端係合部５６に固定されている。このプロテクタ８は、有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態でその径方向周囲を取り囲む筒状の外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。
【００４４】
内側プロテクタ９０には、周壁９２の後端側に複数の内側導入孔９５と、周壁９２の先端側に複数の水抜き孔９６と、底壁９３に排出口９７とが開口されている。そして開口端側（後端側）の基端部９１が、主体金具５０の先端係合部５６の外周に係合されている。また、外側プロテクタ８０には、周壁８２の先端側に、複数の外側導入孔８５が開口されている。そして、開口端側の基端部８１が内側プロテクタ９０の基端部９１の外周に係合されている。その状態で、基端部８１の外周にレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ９０の基端部９１ごと主体金具５０の先端係合部５６に接合され、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０とが主体金具５０に固定されている。さらに、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０との間の空隙を閉じるように、外側プロテクタ８０の先端部８３が内側プロテクタ９０の周壁９２に向けて、内側に折り曲げられている。
【００４５】
一方、主体金具５０に保持される検出素子１０の後端部１２は、主体金具５０の後端（加締部５３）よりも後方に突出されている。その後端部１２に、絶縁性セラミックス（本実施形態では、アルミナ）からなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、先端側セパレータ６１と後端側セパレータ６６とからなり、先端側セパレータ６１に設けられた径方向外側に突出する鍔部６２に対して、後端側セパレータ６６が係合されている。先端側セパレータ６１は、検出素子１０の後端部１２に形成された６つの電極パッド１６と、電極パッド１６のそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子（金属端子）４４（図１ではそのうちの４つを図示している）との接続部位（接点）を、内部に収容する。換言すると、接続端子４４と電極パッド１６との電気的な接続は、先端側セパレータ６１内で行われる。後端側セパレータ６６は、各接続端子４４とＮＯｘセンサ１の外部に引き出される６本のリード線４１との接続部位を内部に収容する。
【００４６】
そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、金属製で筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０は、先端側の開口端３５が、主体金具５０の後端係合部５７の外周に係合されている。その開口端３５は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されて、後端係合部５７に接合されており、これにより、外筒３０と主体金具５０とが一体となっている。
【００４７】
また、外筒３０と先端側セパレータ６１との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具４２が配設されている。保持金具４２は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部４３を有する。保持金具４２の内部に挿通される先端側セパレータ６１の鍔部６２が支持部４３に係合されて、先端側セパレータ６１が保持金具４２に保持される。この状態で、保持金具４２が配置された部分の外筒３０の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータ６１を支持した保持金具４２が外筒３０に固定されている。
【００４８】
次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット４５が嵌め込まれ、外筒３０内が密閉されている。グロメット４５は６つの挿通孔４６（図１ではそのうちの２つを図示している）を有し、各挿通孔４６に、セパレータ６０から引き出された上記６本のリード線４１が挿通されている。この状態でグロメット４５は、後端側セパレータ６６を先端側セパレータ６１に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。
【００４９】
次に、主体金具５０内における検出素子１０の保持構造の詳細について説明する。上記したように、検出素子１０は、主体金具５０の筒孔内に挿通される。検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側の位置には、有底筒状で底壁に孔２５を有する金属製のホルダ２０が配置されている。検出素子１０は、孔２５を通じてホルダ２０内を挿通されており、先端部１１は孔２５よりも軸線Ｏ方向の先端側に突出されている。ホルダ２０は主体金具５０内で検出素子１０を位置決めしつつ保持するための部材である。ホルダ２０の底壁の縁部分には、底壁から外周壁にかけてテーパ状をなす先端周縁部２３が形成されている。ホルダ２０は、先端周縁部２３は、主体金具５０内で周方向の一周にわたって径方向内向きに突出して設けられた段部５４に係合した状態で、主体金具５０内に配置されている。
【００５０】
ホルダ２０内には、底壁側にアルミナ製のセラミックリング２１が配置され、開口端側に、第２滑石２２の粉末が充填されている。第２滑石２２は圧縮によって固められ、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。また、図３に示すように、第２滑石２２とホルダ２０の内周面１９との間には、ガラスを主成分とする第４ガラス層３４が形成されている。同様に、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間にも、第３ガラス層３３が形成されている。第３ガラス層３３，第４ガラス層３４は水ガラスを乾燥させたものであり、溶融されてはおらず、第２滑石２２と、検出素子１０の外周面１８と、ホルダ２０の内周面１９とに接着していない。言い換えると、第３ガラス層３３，第４ガラス層３４は、第２滑石２２、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９に対し、固着していない。ホルダ２０内で第２滑石２２が押し固められることによって、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは、それぞれ、第２滑石２２および検出素子１０の外周面１８と、第２滑石２２およびホルダ２０の内周面１９とに対し、接触されている。検出素子１０は、ホルダ２０内で、セラミックリング２１によって位置決めされて、第２滑石２２によって保持されている。
【００５１】
なお、第３ガラス層３３、第４ガラス層３４は、本実施の形態では、第２滑石２２が一部含まれるガラス層となっている。この第２滑石が一部含まれるガラス層の場合、ガラス成分が多量に存在する部位と微量にしか存在しない部位とで第３ガラス層３３、第４ガラス層３４と第２滑石２２との境界を分けることができる。また、第３ガラス層３３、第４ガラス層３４のように、第２滑石２２が一部含まれるガラス層とならず、ガラスのみで形成されていてもよい。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは同材料（水ガラス）であったが、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とを別材料で形成してもよい。
【００５３】
ホルダ２０と一体となった検出素子１０は、上記のように、ホルダ２０の先端周縁部２３が主体金具５０の段部５４に係合され、主体金具５０に取り囲まれて保持されている。そして主体金具５０内には、ホルダ２０の後端側から、第１滑石２６の粉末が充填されている。第１滑石２６は、さらに後端側から主体金具５０内に挿入される筒状のスリーブ２７によって圧縮されて固められ、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。そして、第１滑石２６と主体金具５０の内周面５８との間には、上記同様の第２ガラス層３２が形成され、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間にも、第１ガラス層３１が形成されている。第１ガラス層３１，第２ガラス層３２も溶融されておらず、第３ガラス層３３，第４ガラス層３４と同様に、第１滑石２６、検出素子１０の外周面１８、主体金具５０の内周面５８に対し、固着していない。主体金具５０内で第１滑石２６が押し固められることによって、第１ガラス層３１と第２ガラス層３２とは、それぞれ、第１滑石２６および検出素子１０の外周面１８と、第１滑石２６および主体金具５０の内周面５８とに対し、接触されている。
【００５４】
図１に示すように、スリーブ２７は、自身に検出素子１０を挿通させつつ主体金具５０内に挿入されており、第１滑石２６を後端側から押圧する。スリーブ２７は後端側外周に、段状に形成された肩部２８を有し、その肩部２８に、円環状のパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締部５３が内向きに加締められ、加締部５３は、パッキン２９を介し、スリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧する。第１滑石２６は、加締めによってスリーブ２７に押圧され、第２滑石２２も第１滑石２６によってさらに押圧され、主体金具５０内で密に圧縮される。そして、第２滑石２２，第１滑石２６によって、ホルダ２０および検出素子１０が、主体金具５０内で位置決め保持される。
【００５５】
次に、本実施の形態のＮＯｘセンサ１の製造過程について、図４，図５を参照し、素子ユニット２３０を金具組立体２３５に組み付ける過程を中心に説明する。ＮＯｘセンサ１の製造過程において、第２滑石２２，第１滑石２６は、図４に示すように、その取り扱いを容易なものとするため、リング状をなす円筒状に押し固められた固形の滑石リング２２５として供給される。滑石リング２２５は、以下の工程により作製される。
【００５６】
滑石粉末２０５を金型２１０に流して圧縮することにより、検出素子１０が挿通される挿通孔が形成された円筒状の圧粉体２００が成形される（第１形成工程、第２形成工程）。形成された圧粉体２００は、例えばケイ酸ナトリウムを水に溶かして加熱することにより作製される水ガラス水溶液２１５に浸される。円筒状の圧粉体２００の周方向の外周面および内周面を含む外表面に、水ガラスが付着される（第１付着工程、第２付着工程）。水ガラスが付着された圧粉体２００は乾燥炉２２０に投入され、表面に付着した水ガラスが乾燥される（第１乾燥工程、第２乾燥工程）。圧粉体２００は、ガラス材によってコーティングされた状態となる。すなわち、圧粉体２００の外周面に、ＮＯｘセンサ１の組み立て後に第２ガラス層３２，第４ガラス層３４として機能するガラス層が形成され、内周面に、第１ガラス層３１，第３ガラス層３３として機能するガラス層が形成される。ガラス層が形成された圧粉体２００は、滑石リング２２５として、ＮＯｘセンサ１の組み立てラインに供給される。
【００５７】
ＮＯｘセンサ１の検出素子１０は、未焼成のガス検出体１４と未焼成のヒータ体１５とを厚み方向（板厚方向）に積層し、焼成後、図１に示すような細長い板状の検出素子１０として作製される。また、別工程において、ホルダ２０、セラミックリング２１、スリーブ２７、パッキン２９が作製される。主体金具５０およびプロテクタ８も別工程で作製され、ＮＯｘセンサ１の組み立てラインには、主体金具５０の先端係合部５６にプロテクタ８を接合して組み立てた金具組立体２３５（図５参照）として供給される。
【００５８】
次に、図５に示すように、検出素子１０を挿通させたセラミックリング２１および滑石リング２２５が、ホルダ２０内に収容される。ホルダ２０の内周面１９と検出素子１０の外周面１８との間に、滑石リング２２５が配置される（第２配置工程）。
【００５９】
ホルダ２０が固定され、図示しない圧縮治具により、ホルダ２０の開口側から滑石リング２２５が圧縮される（第２圧縮工程）。滑石リング２２５は押し潰され、形状が崩れて粉体の第２滑石２２となり、ホルダ２０内のすき間が埋められる。このとき、滑石リング２２５の外周面に形成されていたガラス層が、第２滑石２２とホルダ２０の内周面１９との間に挟まれ、第４ガラス層３４（図３参照）として、両者に対して接触する。同様に、滑石リング２２５の内周面に形成されていたガラス層が、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８との間に挟まれ、第３ガラス層３３（図３参照）として、両者に対して接触する。このように、第２滑石２２によってホルダ２０内に検出素子１０を保持して一体となった素子ユニット２３０が形成される。
【００６０】
素子ユニット２３０は、金具組立体２３５の後端側（加締部５３側）から主体金具５０内に挿入される。ホルダ２０の先端周縁部２３が段部５４に係合され、ホルダ２０に保持された検出素子１０が主体金具５０内に保持される（保持工程）。さらに検出素子１０に、その後端部１２側から滑石リング２２５、スリーブ２７およびパッキン２９が挿通され、主体金具５０内に収容される（第１配置工程）。
【００６１】
金具組立体２３５が固定され、図示しない加締治具により、主体金具５０の加締部５３が加締められ、パッキン２９を介し、スリーブ２７が下方（主体金具５０の先端側）へ向けて押圧される。この加締めは、加締部５３を加熱することにより残留応力を除去しつつ行う、熱加締めによって行われる。スリーブ２７は第１滑石２６を下方に押圧し、これにより、主体金具５０内で、滑石リング２２５が圧縮される（第１圧縮工程）。滑石リング２２５は押し潰され、形状が崩れて粉体の第１滑石２６となり、主体金具５０内のすき間が埋められる。このとき、滑石リング２２５の外周面に形成されていたガラス層が、第１滑石２６と主体金具５０の内周面５８との間に挟まれ、第２ガラス層３２（図３参照）として、両者に対して接触する。同様に、滑石リング２２５の内周面に形成されていたガラス層が、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８との間に挟まれ、第１ガラス層３１（図３参照）として、両者に対して接触する。
【００６２】
また、熱加締めが行われることにより、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４にも熱が伝わり、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４が加熱される（加熱工程）。このときの加熱温度が、ガラス材が軟化する軟化温度よりも高く、流動温度未満の温度となるように、熱加締めにおける加締部５３の加熱温度や加熱時間が調整される。第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を形成するガラス材は軟化するが溶融することはなく、それぞれが接する面に対して強固に接触する。ゆえに、第２滑石２２，第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９および主体金具５０の内周面５８とのすき間が、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４によって完全に封止される。
【００６３】
また、第２滑石２２，第１滑石２６も、圧縮されることによって、粉体同士のすき隙が密な状態に埋められている。したがって、主体金具５０内を介した気密性が確実に確保される。このようにして、検出素子１０は主体金具５０内で位置決めされるとともに第２滑石２２，第１滑石２６に保持されて、主体金具５０と一体化される。なお、熱加締めの際に、あらかじめホルダ２０内にて圧縮されている第２滑石２２に対して、さらに、押圧力が加わるので、検出素子１０の胴部１３は第２滑石２２によってさらに強固に保持される。このようにして検出素子１０を保持した主体金具５０に、図１に示した外筒３０、セパレータ６０、グロメット４５等が組み付けられて、ＮＯｘセンサ１が完成する。
【００６４】
以上説明したように、第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間に、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２がそれぞれに接触して配置されるので、第１滑石２６と検出素子１０および主体金具５０との間、すなわち、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間を介した主体金具５０の気密性を、確保することができる。なぜなら、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２で第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間のすき間を埋めれば、第１滑石２６を充填する際の圧縮にかける圧力が強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第１ガラス層３１と第２ガラス層３２とは、検出素子１０の外周面１８と主体金具５０の内周面５８とにそれぞれ非固着である。すなわち、接触のみしており、接着はしていない。ＮＯｘセンサ１は高温環境下で使用されるが、主体金具５０や検出素子１０が熱膨張しても、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２がそれらに固着していないので熱膨張差を吸収することができ、例えば熱膨張により検出素子１０に加わる応力を低減し、素子折れ等を防止することができる。
【００６５】
さらに、第２滑石２２と、検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間にも、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４がそれぞれに接触して配置されるので、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間である第２滑石２２と検出素子１０およびホルダ２０との間を介した主体金具５０の気密性も、確保することができる。なぜなら、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４で第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間のすき間を埋めれば、第２滑石２２を充填する際の圧縮にかける圧力を強固でなくとも、十分に気密性を確保できるためである。また、第３ガラス層３３と第４ガラス層３４とは、検出素子１０の外周面１８とホルダ２０の内周面１９とにそれぞれ非固着であって、接触のみしており、接着はしていない。よって、ホルダ２０や検出素子１０の熱膨張差を、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４で吸収することができ、上記同様、例えば素子折れ等を防止することができる。
【００６６】
また、第１酸素ポンプセル１１０および第２酸素ポンプセル１３０を備えるＮＯｘセンサ１が検出するＮＯｘ濃度の出力は非常に小さく、湿度変化による電極パッド１６や接続端子４４の絶縁性低下の影響を受けやすいため、主体金具５０内を介した気密性を確実に確保できれば、ＮＯｘセンサ１内部の湿度上昇を抑制し、出力が影響を受けず、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。このように、微弱な電流を扱うＮＯｘセンサ１等のガスセンサに対し、本願発明は、特に有効である。
【００６７】
また、ＮＯｘセンサ１に第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を形成する上で、あらかじめ、滑石粉末２０５をまず圧粉体２００として成形し、その圧粉体２００に液状の水ガラス水溶液２１５を付着させる。さらに、付着した水ガラスを乾燥させた滑石リング２２５を用いて、検出素子１０と主体金具５０との間や、検出素子１０とホルダ２０との間に充填、圧縮する。このようにすることで、第１滑石２６と検出素子１０の外周面１８および主体金具５０の内周面５８との間に、第１ガラス層３１および第２ガラス層３２を、それぞれに接触して配置させることができる。また、第２滑石２２と検出素子１０の外周面１８およびホルダ２０の内周面１９との間に、第３ガラス層３３および第４ガラス層３４をそれぞれに接触して配置させることができる。よって、主体金具５０の気密性を、確保することができる。その上、上述の方法にて滑石リング２２５を検出素子１０と主体金具５０との間や、検出素子１０とホルダ２０との間に充填、圧縮することで、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、検出素子１０の外周面１８、主体金具５０の内周面５８やホルダ２０の内周面１９とにそれぞれ非固着とすることができる。
【００６８】
また、加熱工程においては、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を、ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱することで、ガラス材を軟化させることができる。このため、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４と接触する面、すなわち、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９、主体金具５０の内周面５８に、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を、より強固に接触させることができ、主体金具５０を介した気密性を、より確実に、確保することができる。また、このときの加熱温度をガラス材の流動温度よりも低い温度とすることで、ガラス材が溶融することがない。
【００６９】
なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。滑石リング２２５を形成する際に、圧粉体２００を水ガラス水溶液２１５に浸したが、例えばハケやスプレー等を用いて、圧粉体２００の表面に水ガラスを塗布することで付着させてもよい。また、圧粉体２００への水ガラスの付着は圧粉体２００の外周面全体に対して行わなくともよく、少なくとも、外周面および内周面に付着されていればよい。さらには、圧粉体２００の外周面および内周面のそれぞれに、周方向の一周にわたって水ガラスが付着されれば、外周面および内周面の全体に付着されなくともよい。
【００７０】
また、加熱工程では、加締部５３に対する熱加締めの際の余熱によって第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行ったが、第１滑石２６の圧縮後に、別途、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４を加熱する工程を設けてもよい。あるいは、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行わなくともよい。第２滑石２２，第１滑石２６が圧縮されることによって、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４は、第２滑石２２，第１滑石２６と、検出素子１０の外周面１８、ホルダ２０の内周面１９および主体金具５０の内周面５８との間に接触する。ゆえに、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４の加熱を行わなくとも、十分に、主体金具５０内を介した気密性を確保することが可能である。
【００７１】
また、本実施の形態では、第２滑石２２によって検出素子１０をホルダ２０に保持させた上で、第１滑石２６によってホルダ２０ごと検出素子１０を主体金具５０内に保持する構成とした。これに限らず、例えば、ホルダ２０および第２滑石２２の構成を省き、主体金具５０内に、直接、第１滑石２６を充填して検出素子１０を保持する構成としてもよい。あるいは、第１滑石２６の構成を省き、主体金具５０内にホルダ２０を保持し、ホルダ２０内に充填する第２滑石２２で検出素子１０を保持する構成としてもよい。この場合、主体金具５０の段部５４にパッキンを介してホルダ２０の先端周縁部２３を係合させ、主体金具５０内とホルダ２０との間の気密性はパッキンによって確保すればよい。
【００７２】
また、本実施の形態では、いわゆるＮＯｘセンサをガスセンサの一例に挙げ、本発明を適用した。これに限らず、酸素濃度を二値的に検出する（理論空燃比等の特定空燃比を境にして出力が急変する）タイプの１セル型の酸素センサや、全領域空燃比センサ、ＨＣセンサ等のセンサ素子を用いた各種のガスセンサに、本発明を適用してもよい。
【００７３】
なお、本発明においては、第１滑石２６が「第１粉末材」、第２滑石２２が「第２粉末材」に相当する。また、第１ガラス層３１〜第４ガラス層３４が、それぞれ、「第１〜第４ガラス層」に相当する。固体電解質体１１１が「第１固体電解質層」に相当し、電極１１２，１１３が、「一対の第１電極」に相当する。固体電解質体１３１が「第２固体電解質層」に相当し、電極１３２，１３３が、「一対の第２電極」に相当する。滑石粉末２０５が「粉体」に相当する。水ガラス水溶液２１５が「液状のガラス材」に相当する。滑石リング２２５が「固体粉末材」に相当する。
【符号の説明】
【００７４】
１ ＮＯｘセンサ
１０ 検出素子
１７ 検出部
１８ 外周面
１９ 内周面
２０ ホルダ
２２ 第２滑石
２６ 第１滑石
２７ スリーブ
３１〜３４ 第１ガラス層〜第４ガラス層
５０ 主体金具
５４ 段部
５８ 内周面
１０１ 第１測定室
１０２ 第２測定室
１１０ 第１酸素ポンプセル
１１１，１３１ 固体電解質体
１１２，１１３，１３２，１３３ 電極
１３０ 第２酸素ポンプセル
２００ 圧粉体
２０５ 滑石粉末
２１５ 水ガラス水溶液
２２５ 滑石リング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、
前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、
前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、
前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、
を備え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、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有しており、
さらに、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、
軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
前記検出素子は、
前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、
第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、
前記第１測定室に連通し、前記第１酸素ポンプセルによって酸素濃度が調整された前記検出対象ガスが前記第１測定室から導入される第２測定室と、
第２固体電解質層と一対の第２電極とを備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルと、
を前記検出部に備え、
前記第２酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検出対象ガス中のＮＯｘの濃度を検出するための素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、
前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、
前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、
前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、
を備えるガスセンサの製造方法であって、
前記第１粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第１形成工程と、
前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第１ガラス層および前記第２ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第１付着工程と、
前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第１ガラス層および前記第２ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第１乾燥工程と、
前記主体金具内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記主体金具と前記検出素子との間に配置する第１配置工程と、
前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第１粉末材を前記主体金具内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第１粉末材と前記検出素子とに前記第１ガラス層を接触させるとともに、前記第１粉末材と前記主体金具とに前記第２ガラス層を接触させる第１圧縮工程と、
を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
【請求項６】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、
軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えるガスセンサの製造方法であって、
前記第２粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第２形成工程と、
前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第３ガラス層および前記第４ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第２付着工程と、
前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第３ガラス層および前記第４ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第２乾燥工程と、
前記ホルダ内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記ホルダと前記検出素子との間に配置する第２配置工程と、
前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第２粉末材を前記ホルダ内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第２粉末材と前記検出素子とに前記第３ガラス層を接触させるとともに、前記第２粉末材と前記ホルダとに前記第４ガラス層を接触させる第２圧縮工程と、
前記検出素子を保持する前記ホルダを前記主体金具内に挿入し、前記ホルダを前記段部に係合させて、前記検出素子を前記主体金具内に保持する保持工程と、
を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
【請求項７】
前記第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に、前記検出素子を保持する前記主体金具を、前記ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱する加熱工程をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、
前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、
前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、
前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、
を備え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、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有しており、
さらに、軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、
軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
前記検出素子は、
前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、
第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、
前記第１測定室に連通し、前記第１酸素ポンプセルによって酸素濃度が調整された前記検出対象ガスが前記第１測定室から導入される第２測定室と、
第２固体電解質層と一対の第２電極とを備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルと、
を前記検出部に備え、
前記第２酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検出対象ガス中のＮＯｘの濃度を検出するための素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状の主体金具と、
前記検出素子の外周面と、前記主体金具の内周面との間に充填される第１粉末材と、
前記第１粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第１ガラス層と、
前記第１粉末材と前記主体金具との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第１粉末材および前記主体金具の内周面にそれぞれ接触すると共に、前記主体金具に非固着な第２ガラス層と、
を備えるガスセンサの製造方法であって、
前記第１粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第１形成工程と、
前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第１ガラス層および前記第２ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第１付着工程と、
前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第１ガラス層および前記第２ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第１乾燥工程と、
前記主体金具内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記主体金具と前記検出素子との間に配置する第１配置工程と、
前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第１粉末材を前記主体金具内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第１粉末材と前記検出素子とに前記第１ガラス層を接触させるとともに、前記第１粉末材と前記主体金具とに前記第２ガラス層を接触させる第１圧縮工程と、
を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
【請求項６】
軸線方向に延び、先端側に検出対象ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通する筒状をなし、周方向の一周にわたって径方向内向きに突出する段部を有する主体金具と、
軸線方向に延びる筒状をなし、前記段部に係合した状態で前記主体金具内に配置されるホルダと、
前記ホルダ内で、前記検出素子の外周面と、前記ホルダの内周面との間に充填される第２粉末材と、
前記第２粉末材と前記検出素子との間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記検出素子の外周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第３ガラス層と、
前記第２粉末材と前記ホルダとの間に配置され、周方向の一周にわたって前記第２粉末材および前記ホルダの内周面にそれぞれ接触すると共に、前記検出素子に非固着な第４ガラス層と、
を備えるガスセンサの製造方法であって、
前記第２粉末材の原材料である粉体を押し固め、前記検出素子が挿通される円筒状の圧粉体を形成する第２形成工程と、
前記圧粉体の外表面のうちの少なくとも周方向における外周面と内周面とに、前記第３ガラス層および前記第４ガラス層の原材料である液状のガラス材を付着させる第２付着工程と、
前記ガラス材を乾燥させ、前記圧粉体に前記第３ガラス層および前記第４ガラス層が形成されてなる固形粉末材を形成する第２乾燥工程と、
前記ホルダ内を挿通した状態に配置した前記検出素子を、前記固形粉末材に挿通させ、前記固形粉末材を、前記ホルダと前記検出素子との間に配置する第２配置工程と、
前記固形粉末材を圧縮し、前記固形粉末材を崩してなる前記第２粉末材を前記ホルダ内に充填させて前記検出素子を保持し、且つ、前記第２粉末材と前記検出素子とに前記第３ガラス層を接触させるとともに、前記第２粉末材と前記ホルダとに前記第４ガラス層を接触させる第２圧縮工程と、
前記検出素子を保持する前記ホルダを前記主体金具内に挿入し、前記ホルダを前記段部に係合させて、前記検出素子を前記主体金具内に保持する保持工程と、
を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
【請求項７】
前記第１圧縮工程以降または第２圧縮工程以降に、前記検出素子を保持する前記主体金具を、前記ガラス材の流動温度よりも低い温度で加熱する加熱工程をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載のガスセンサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４２１１２（Ｐ２０１２−２４２１１２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９４０２（Ｐ２０１１−１０９４０２）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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