JP2005049315A - センサの製造方法およびセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 主体金具への板型検出素子の組付け作業が容易となるセンサの製造方法を提供し、および板型検出素子に鍔部（フランジ部）を形成するにあたり、部品点数の少ないセンサを提供する。
【解決手段】 全領域空燃比センサ２の製造方法では、素子ユニット７の製造工程において、圧力印加により素子挿通孔１１５の断面積が縮小するよう滑石リング１０８を圧縮変形させた後、滑石リング１０８を焼成することで、検出素子４に対して滑石リング１０８を一体に組み付ける作業を行う。これにより、滑石リング１０８のみで形成されたフランジ部により、主体金具１０２における検出素子４の位置決めが可能となることから、絶縁碍子およびガラス封止材を用いてフランジ部を形成する場合に比べて、センサの部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成され、後端側に電極端子部が形成される板型検出素子と、板型検出素子を取り囲む形態で一体に組み付けられるフランジ部と、板型検出素子を挿通するために軸線方向に貫通する貫通孔を有し、貫通孔の内周面にフランジ部に係合する棚部を有する主体金具と、を備えるセンサの製造方法、および板型検出素子と主体金具とを備えるセンサに関する。

従来より、センサの１種として、筒型形状の検出素子（以下、筒型検出素子ともいう）を主体金具の内側に保持させた構造の酸素センサが知られている。このような酸素センサは、筒型形状の検出素子として、軸線方向における略中央に径方向外側に向かって突出して後端側に対向する鍔部が一体成形された筒型検出素子を備える構成のものがある。この筒型検出素子は、主体金具の貫通孔内面から径方向内側に向かって突出する棚部に対して、自身の鍔部を直接または他部材（パッキンなど）を介して係合させることで、主体金具の内部に配置される。

一方、近年、酸素センサとして、筒型形状の検出素子に代わり、板型形状（積層型）の検出素子（以下、板型検出素子ともいう）を用いたものが提案されている。このような板型形状の検出素子は、主体金具の棚部に保持させるための鍔部（フランジ部（係り止め係合部））が一体成形されていないため、主体金具の棚部に係合させるための係合面が形成された筒状の絶縁碍子を用いることで、板型検出素子を主体金具に保持させている。つまり、絶縁碍子と板型検出素子とを一体に固定すると共に、この絶縁碍子の係合面を主体金具の棚部に係合させることで、板型形状の検出素子を主体金具に保持させている（特許文献１参照）。

他方、板型形状の検出素子を用いた酸素センサとして、板型検出素子の径方向周囲に絶縁ホルダ、滑石充填材（粉体リング）、絶縁スリーブが積層される構成のものがある。絶縁ホルダ、滑石充填材、絶縁スリーブは、例えば、中心部分に素子挿通孔を有する環状形状に形成することができる。

このようなセンサの製造方法としては、絶縁ホルダ、滑石充填材、絶縁スリーブを主体金具の内側に配置した後、板型検出素子を、絶縁ホルダ，滑石充填材，絶縁スリーブの素子挿通孔に挿通し、その後、滑石充填材に圧力を加えることで、滑石充填材の圧縮応力によって検出素子を主体金具に保持させる製造方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２００２−１７４６２２号公報（図１、図３） 特開２００２−１６８８２３号公報（図１）

しかし、上記の特許文献２に記載のセンサの製造方法においては、主体金具の貫通孔に絶縁ホルダや粉体リングを配置した後に、粉体リングの素子挿通孔に板型検出素子を挿通して板型検出素子と主体金具とを組み付ける作業（組み付け作業）を行うにあたり、作業が煩雑となる問題が生じる。

つまり、板型検出素子を素子挿通孔に挿通する際には、板型検出素子の回転方向位置（軸線方向を回転軸とする回転方向位置）を、素子挿通孔に挿通可能な所定方向に定める必要がある。とりわけ、貫通孔の深い位置に粉体リング等が配置される構造の主体金具を用いる場合には、粉体リング等の素子挿通孔の方向が判別し難くなるため、板型検出素子と主体金具との組み付け作業が煩雑となる問題が生じてしまう。

また、上記の特許文献１に記載のセンサにおいては、主体金具の棚部に保持させるための鍔部（フランジ部）としての絶縁碍子を板型検出素子に一体に組み付けているが、絶縁碍子を板型検出素子に固定するためのガラス封止材を用いる必要がある。このように、絶縁碍子に加えてガラス封止材を備える必要があると、鍔部を有する板型検出素子を構成する部品点数が多くなり、コストが増大するという問題が生じる。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、主体金具への板型検出素子の組付け作業が容易となるセンサの製造方法を提供すること、および板型検出素子に鍔部（フランジ部）を形成するにあたり、部品点数の少ないセンサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明方法は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成され、後端側に電極端子部が形成される板型検出素子と、板型検出素子を取り囲む形態で一体に組み付けられるフランジ部と、板型検出素子を挿通するために軸線方向に貫通する貫通孔を有し、フランジ部に係合するように貫通孔の内周面から径方向内向きに突出して形成される棚部を有する主体金具と、を備えるセンサの製造方法であって、フランジ部は、粉体物が固められて環状形状をなす粉体リングを備える形態で板型検出素子に一体に組み付けられるものであり、板型検出素子を粉体リングに挿通する前の状態において、軸線方向に垂直な面における板型検出素子の断面形状よりも開口断面積が大きい素子挿通孔を有する当該粉体リングの素子挿通孔に対して、板型検出素子を挿通すると共に、板型検出素子の軸線方向における粉体リングの位置決めを行う第１工程と、粉体リングに対して軸線方向に圧縮する圧縮用圧力を印加し、素子挿通孔の開口断面積が縮小するよう粉体リングを圧縮変形させた後、粉体リングを焼成して、板型検出素子に対して粉体リングを有するフランジ部を一体に組み付ける第２工程と、板型検出素子を主体金具の貫通孔の内部に配置する際に、フランジ部を棚部に係合させて、貫通孔の内部での板型検出素子の軸線方向における位置決めを行う第３工程と、を有することを特徴とするセンサの製造方法である。

このセンサの製造方法では、まず、第１工程にて、粉体リングの素子挿通孔に対して板型検出素子を挿通すると共に、板型検出素子の軸線方向に対し粉末リングの位置決めを行う。

そして、次の第２工程において、圧力印加により素子挿通孔の断面積が縮小するよう粉体リングを圧縮変形させた後、粉体リングを焼成して、板型検出素子に対して粉体リングを有するフランジ部を一体に組み付けている。これにより、粉体リングを有するフランジ部は、板型検出素子から軸線方向に対する垂直方向（径方向外向き）に突出した状態で、検出素子に一体に組み付けられ、主体金具の棚部に係合可能に備えられる。

そして、第３工程において、板型検出素子を主体金具の貫通孔に配置する際に、フランジ部を棚部に係合させて、フランジ部を主体金具の棚部に係合する係り止め係合部として用いることで、主体金具の内部での板型検出素子の軸線方向における位置決めを行う。

このようにして、フランジ部を粉体リングのみで形成して、主体金具における板型検出素子の位置決めが可能となることから、絶縁碍子およびガラス封止材を用いてフランジ部を形成する場合に比べて、センサの部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

また、本発明の製造方法によれば、フランジ部と板型検出素子との組み付け作業を、板型検出素子と主体金具との組み付け作業と同時に行うのではなく、板型検出素子と主体金具との組み付け作業時期よりも早い時期に実行している。

このため、板型検出素子を主体金具に組み付けるにあたり、板型検出素子の回転方向位置を所定方向に定める必要が無くなり、板型検出素子の回転方向位置を所定方向に定める手間を省略できることから、主体金具に対する板型検出素子の組み付け作業の煩雑さを軽減することができる。

さらに、粉体リングを有するフランジ部が一体に組み付けられた板型検出素子は、主体金具に組み付けるにあたり、フランジ部と棚部とを係合させることで、軸線方向における主体金具と板型検出素子との相対位置を一定に定めることができる。このため、板型検出素子におけるフランジ部（粉体リング）の組付け位置を、主体金具における棚部の位置を考慮して予め設定することで、主体金具に対する板型検出素子の相対位置を一定位置に定めることができ、主体金具に対する板型検出素子の位置決め作業（軸線方向における位置決め作業）が容易となる。

よって、本発明方法によれば、主体金具に対する板型検出素子の組み付け作業の煩雑さを軽減でき、主体金具への板型検出素子の組付け作業が容易となるセンサの製造方法を実現することができる。また、板型検出素子にフランジ部を形成するにあたり、従来のようにガラス封止材を用いる必要が無くなり、部品点数を削減できるため、センサの製造コストの低減を図ることができる。

ところで、板型検出素子としては、先端側のうちで少なくとも測定対象物に晒される電極の表面を覆うように保護層を備えるものがある。このように保護層を形成する理由は、例えば、内燃機関で生ずる排ガスを測定対象物として、その酸素濃度の測定等に使用する場合に、排ガス中に電極を被毒する物質が含有されていることがあり、電極をその被毒から防護することが挙げられる。そして、保護層は、例えば、測定対象物に晒される電極を含む検出部の表面全体を覆うように塗布された未焼成保護層を焼成することにより形成でき、このような保護層を備える板型検出素子は、保護層を形成するために未焼成保護層への熱処理を行う必要がある。

そこで、熱処理により焼成される保護層を有する板型検出素子を備えるセンサにおいて、上記のセンサの製造方法を適用する際には、請求項２に記載のように、板型検出素子は、先端側のうち少なくとも測定対象物に晒される電極の表面上に保護層を備えており、第２工程において、粉体リングを圧縮変形させた後、焼成されて保護層となる未焼成保護層を板型検出素子に形成し、粉体リングと共に未焼成保護層を焼成するとよい。

これにより、粉体リングを焼成するための熱処理と、板型検出素子に保護層を形成するための熱処理とを、１つの作業で同時に実施することができ、作業時間の短縮を図ることができる。とりわけ、熱処理は長い時間を要することから、そのような長時間を要する複数の作業を１回の作業で実施することにより、センサの製造効率を向上させることができる。

また、このセンサの製造方法によれば、熱処理作業の実施回数を減らすことにより作業工数を削減できるため、センサの製造作業における作業の煩雑さを軽減できる。
次に、上述のセンサの製造方法においては、請求項３に記載のように、センサは、板型検出素子のうち粉体リングよりも後端側の周囲に、粉状物が固められて環状形状をなす充填部材を備えて構成されており、第３工程において、板型検出素子のうち粉体リングよりも後端部分に充填部材を配置した状態で、板型検出素子を主体金具の貫通孔に配置し、第３工程の実行後、充填部材に対して棚部に向かう圧力を印加して、板型検出素子と主体金具との間に充填部材を加圧充填することにより、板型検出素子と主体金具との間を充填部材により気密封止するとよい。

このセンサの製造方法によれば、粉体リングを板型検出素子に一体に組み付ける第２工程が実施された後の第３工程において、板型検出素子に対して環状形状の充填部材を挿通することから、粉体リングにより充填部材を支持できる。つまり、板型検出素子を先端が下側となる状態にして、板型検出素子の後端から充填部材を挿通すると、充填部材は、粉体リングにより係止される状態で板型検出素子の周囲に配置される。

このように、板型検出素子を主体金具の貫通孔に配置する前段階で、充填部材を板型検出素子の周囲に配置できる場合には、板型検出素子に対する充填部材の配置状態を容易に確認することができ、充填部材の配置状態を適切な状態に設定することができる。

なお、主体金具の貫通孔に板型検出素子が配置された後に、充填部材を貫通孔に挿入配置する場合には、主体金具の貫通孔の内部は視認し難いため配置状態の確認が難しく、また、狭い空間であるため配置状態を変更し難いことから、充填部材が不適切な配置状態（例えば、充填部材が傾いた状態など）になる虞がある。これに対して、本発明のセンサの製造方法によれば、板型検出素子に対する充填部材の配置状態を容易に適切な状態に設定できるため、センサの組み立て作業の煩雑さを軽減することができる。

また、主体金具の貫通孔に板型検出素子が配置された後に、充填部材を貫通孔に挿入配置する場合には、主体金具の構造によっては、充填部材が落下する距離が長くなり、落下の衝撃で充填部材が破損する虞がある。

これに対して、本発明のセンサの製造方法であれば、板型検出素子を主体金具の貫通孔に配置する前に、予め充填部材を板型検出素子の周囲に配置できるため、落下時の衝撃に伴う充填部材の破損を防止することができる。つまり、フランジ部（粉体リング）の上に積層する状態で充填部材を板型検出素子に配置して、板型検出素子の後端部分を把持した状態で、板型検出素子および充填部材を主体金具の貫通孔に配置することにより、落下の衝撃が生じるのを防止でき、充填部材の破損を防止することができる。

さらに、充填部材が板型検出素子と主体金具との間に加圧充填されるため、両者間の気密封止を良好に図ることができる。
次に、上記目的を達成するためになされた請求項４に記載の発明は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成され、後端側に電極端子部が形成される板型検出素子と、板型検出素子を取り囲む形態で一体に組み付けられるフランジ部と、板型検出素子を挿通するために軸線方向に貫通する貫通孔を有し、フランジ部に係合するように貫通孔の内周面から径方向内向きに突出して形成される棚部を有する主体金具と、を備えるセンサであって、フランジ部は、板型検出素子の径方向周囲に粉状物が固められて環状形状をなすと共に焼成された粉体リングを備える形態で、板型検出素子に一体に組み付けられるものであり、板型検出素子のうち粉体リングよりも後端側の径方向周囲に粉状物が固められて環状形状をなす充填部材を配置し、該充填部材により検出素子と主体金具との間を気密封止してなること、を特徴とするセンサである。

つまり、このセンサは、フランジ部を粉体リングのみで形成できることから、絶縁碍子およびガラス封止材を用いてフランジ部を形成する場合に比べて、センサの部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

また、このセンサにおいては、充填部材が、板型検出素子と主体金具との間に加圧充填されるため、両者間の気密性の向上を図ることができる。
よって、本発明によれば、板型検出素子にフランジ部を形成するにあたり、部品点数を削減できるため、センサの製造コストの低減を図ることができ、また、高い気密性が要求される用途に適したセンサを得ることができる。

以下に、本発明を適用した実施例を図面と共に説明する。
なお、本実施例では、ガスセンサの一種であって、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、測定対象となる排ガス中の特定ガスを検出する検出素子（ガスセンサ素子）が組み付けられるとともに、内燃機関の排気管に装着される全領域空燃比センサ２（以下、空燃比センサ２ともいう）について説明する。

図１は、本発明方法を適用した実施例の空燃比センサ２の全体構成を示す断面図である。
空燃比センサ２は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、軸線方向（図中上下方向）に延びる板状形状をなす検出素子４と、検出素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔８４の内壁面が検出素子４の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材８２と、検出素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置される５個のリードフレーム１０と、を備えている。

検出素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に保護層９に覆われた検出部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３１，３２，３４，３６が形成されている。リードフレーム１０は、検出素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置されることで、検出素子４の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３１，３２，３４，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具１０２は、軸線方向に貫通する貫通孔１０９を有し、貫通孔１０９の内周面から径方向内側に突出する棚部１０７を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１０２は、検出部８を貫通孔１０９の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３１，３２，３４，３６を貫通孔１０９の後端側外部に配置する状態で貫通孔１０９に挿通された検出素子４を保持するよう構成されている。さらに、棚部１０７は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面を有する形態で形成されている。

なお、主体金具１０２の貫通孔１０９の内部には、検出素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、粉末充填層１０８（以下、滑石リング１０８ともいう）、第２充填層１１０および上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具１０２の後端部１０４との間には、加締リング１１２が配置されている。なお、主体金具１０２の後端部１０４は、加締リング１１２を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

ここで、検出素子４の概略構造を表す斜視図を、図２に示す。なお、図２では、軸線方向における中間部分を省略して検出素子４を表している。
検出素子４は、軸線方向（図２における左右方向）に延びる板状形状に形成された素子部２０と、同じく軸線方向に延びる板状形状に形成されたヒータ２２とが積層されて、長方形状の軸断面を有する板状形状に形成されている。なお、空燃比センサ２として用いられる検出素子４は従来公知のものであるため、その内部構造等の詳細な説明は省略するが、その概略構成は以下のようである。

まず、素子部２０は、固体電解質基板の両側に多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子と、同じく固体電解質基板の両側に多孔質電極を形成した酸素ポンプ素子と、これらの両素子の間に積層され、中空の測定ガス室を形成するためのスペーサとから構成される。この固体電解質基板は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアから形成され、多孔質電極は、Ｐｔを主体に形成される。また、測定ガス室を形成するスペーサは、アルミナを主体に構成されており、中空の測定ガス室の内側には、酸素濃淡電池素子の一方の多孔質電極と、酸素ポンプ素子の一方の多孔質電極が露出するように配置されている。なお、測定ガス室は、素子部２０の先端側に位置するように形成されており、この測定ガス室が形成される部分が検出部８に相当する。

ついで、ヒータ２２は、アルミナを主体とする絶縁基板の間に、Ｐｔを主体とする発熱抵抗体パターンが挟み込まれて形成されている。
そして、素子部２０とヒータ２２とは、セラミック層（例えば、ジルコニア系セラミックやアルミナ系セラミック）を介して互いに接合される。また、検出素子４のうち少なくとも測定対象物（本実施形態では、排ガス）に晒される電極の表面上には、被毒防止用の多孔質状のセラミック（例えば、アルミナ系セラミックなど）からなる保護層（図示省略）が形成される。なお、本実施形態では、検出素子４のうち排ガスに晒される電極の表面を含む先端側全面を保護層にて覆っている。

このような検出素子４では、図２に示すように、第１板面２１の後端側（図２における右側）に３個の電極端子部３０，３１，３２が形成され、第２板面２３の後端側に２個の電極端子部３４，３６が形成されている。電極端子部３０，３１，３２は、素子部２０に形成されるものであり、１つの電極端子部は、測定ガス室の内側に露出する酸素濃淡電池素子の一方の多孔質電極と酸素ポンプ素子の一方の多孔質電極と共用する形で電気的に接続される。また、電極端子部３０，３１，３２のうち残りの２つの電極端子部は、酸素濃淡電池素子の他方の多孔質電極と酸素ポンプ素子の他方の多孔質電極と各々電気的に接続されている。また、電極端子部３４，３６は、ヒータ２２に形成されるものであり、ヒータの厚さ方向に横切るビア（図示せず）を介して発熱抵抗体パターンの両端に各々接続されている。

このように構成された検出素子４は、図１に示すように、先端側（図１における下方）の検出部８が排気管に固定される主体金具１０２の先端より突出すると共に、後端側の電極端子部３０，３１，３２，３４，３６が主体金具１０２の後端より突出した状態で、主体金具１０２の内部に固定される。

一方、図１に示すように、主体金具１０２の先端側（図１における下方）外周には、検出素子４の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）の二重の外部プロテクタ４２および内部プロテクタ４３が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具１０２の後端側外周には、外筒４４が固定されており、外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、セラミックセパレータ４８とグロメット５０とが配置されている。セラミックセパレータ４８は、５本のリード線４６が挿通されるリード線挿通孔６１が形成されており、５本のリード線４６は、検出素子４の各電極端子部３０，３１，３２，３４，３６とそれぞれ電気的に接続される。グロメット５０についても、５本のリード線４６を挿通するためのリード線挿通孔が形成されている。

また、主体金具１０２の後端部１０４より突出された検出素子４の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材８２が配置される。尚、この絶縁コンタクト部材８２は、検出素子４の後端側の表面に形成される電極端子部３０，３１，３２，３４，３６の周囲に配置されている。

次に、タルク粉末からなる滑石リング１０８およびタルク粉末からなる第２充填層１１０について説明する。図３に、検出素子４に組み付けられる前における滑石リング１０８および第２充填層１１０の斜視図を示す。なお、図３では、図における下側を先端側、図における上側を後端側として、各部材を表している。

滑石リング１０８は、タルク粉末が固められて形成されており、軸線方向に貫通する素子挿通孔１１５を有する環状形状に形成されており、先端テーパ面１１４が主体金具１０２の棚部１０７に対して係合（当接）するテーパ面として形成されている。素子挿通孔１１５の開口断面積は、軸線方向に垂直な面における検出素子４の断面形状よりもわずかに大きく形成されており、滑石リング１０８の素子挿通孔１１５は、検出素子４を挿通可能な大きさに形成されている。

第２充填層１１０は、タルク粉末が固められて形成されており、軸線方向に貫通する第２素子挿通孔１１７を有する環状形状に形成されている。第２素子挿通孔１１７の開口断面積は、軸線方向に垂直な面における検出素子４の断面形状よりもわずかに大きく形成されており、第２充填層１１０の第２素子挿通孔１１７は、検出素子４を挿通可能な大きさに形成されている。

なお、滑石リング１０８および第２充填層１１０の製造に際しては、例えば、水ガラスなどをバインダとして用いることで、タルク粉末を一定形状に固めることができる。
次に、検出素子４に対して、滑石リング１０８を一体に組み付けることで構成される素子ユニット７の製造作業について説明する。

なお、素子ユニット７の製造工程においては、図示しない素子ユニット製造用治具を用いている。
素子ユニット製造用治具は、検出素子４の先端側部分を収容する先端収容部分と滑石リング１０８の型枠部分とを有する基台部材と、型枠部分に配置された滑石リング１０８に圧力を印加する圧力印加部材と、を備えている。

このうち、基台部材に備えられる型枠部分および先端収容部分は、同軸形状に連通した有底孔部として形成されており、先端収容部分が底部側に配置され、型枠部分が開口側に配置される状態で形成されている。

基台部材のうち先端収容部分は、内部断面形状が、検出素子４の断面形状よりも僅かに大きく形成されると共に、深さ寸法が、検出素子４のうち滑石リング１０８の配置位置から先端までの寸法と等しく形成されている。また、基台部材のうち型枠部分は、内部断面形状が滑石リング１０８の断面形状と同様の形状に形成されている。

圧力印加部材は、基台部材の型枠部分に挿入可能な断面形状であると共に、断面の中央部分に検出素子４を収容可能な素子収容空間を備えて構成されている。
このような素子ユニット製造用治具を用いて素子ユニット７を製造するには、まず、基台部材の先端収容部分および型枠部分に対して検出素子４の先端部分を挿通配置した後、型枠部分に粉状物からなる滑石リング１０８を挿入して、検出素子４の外表面と型枠部分の内面との間に滑石リング１０８を配置する。

続いて、圧力印加部材を型枠部分に挿入し、圧力印加部材を用いて滑石リング１０８に対して圧力を印加して、圧力印加により素子挿通孔１１５の断面積が縮小するよう滑石リング１０８を圧縮変形させて固めるという圧縮充填作業を実行する。

このあと、圧力印加部材を型枠部分から取り除き、検出素子４を滑石リング１０８と共に型枠部分から取り出すことで、検出素子４に対して焼成前の滑石リング１０８が一体に組み付けられた素子ユニット７を得ることができる。

次に、焼成前の滑石リング１０８が一体に組み付けられた検出素子４の先端部分を、未焼成保護層となるペーストが収容された容器内に浸漬して、排ガスに晒される先端側全体を覆うように未焼成保護層を検出素子４の表面に付着させるディップ処理を行い、未焼成保護層の乾燥処理を行う。なお、この未焼成保護層となるペーストは、アルミナ粉末を主体とするセラミック粉末の他に、バインダ、有機溶剤、気孔化剤としてのカーボン粉末を含むようにして調整されるものである。

続いて、検出素子４の先端側に付着した未焼成保護層、および検出素子４に組み付けられた滑石リング１０８を同時に焼成するために、素子ユニット７に対して熱処理を実施する。このときの熱処理温度は、約１０００［℃］である。この熱処理により焼成された滑石リング１０８は、強度が高くなると共に、検出素子４に対してより強固に組み付けられる。また、この熱処理により未焼成保護層が焼成されてなる保護層９は、多孔質層として形成される。

このようにして組み立てられた素子ユニット７（滑石リング１０８および検出素子４）の斜視図を図４に示す。なお、図４では、検出素子４の先端側が図中下側となり、検出素子４の後端側が図中上側となる状態で、素子ユニット７を表している。

次に、素子ユニット７（滑石リング１０８および検出素子４）を、主体金具１０２に一体に組み付ける作業について説明する。
まず、素子ユニット７として備えられる検出素子４の後端側に、第２充填層１１０を挿通し、先端側に向けて第２充填層１１０を移動させて、滑石リング１０８の後端側に第２充填層１１０を積層する。そして、素子ユニット７（滑石リング１０８および検出素子４）を、第２充填層１１０と共に、検出素子４の先端側を先頭とする状態で、主体金具１０２の貫通孔１０９に挿入する。

このとき、先端側を下側とする状態で主体金具１０２を配置した後、検出素子４のうち第２充填層１１０よりも後端側となる部分を把持して、素子ユニット７を貫通孔１０９の内部に下降させる。そして、滑石リング１０８の先端テーパ面１１４が主体金具１０２の棚部１０７に当接するまで、素子ユニット７を下降させることで、貫通孔１０９に対する素子ユニット７の挿入作業を行う。

この挿入作業により、滑石リング１０８の先端テーパ面１１４が、主体金具１０２の棚部１０７に係止されることで、素子ユニット７は、主体金具１０２の内部での軸線方向における配置位置が定められる。

次に、主体金具１０２の内部に配置された検出素子４の後端側に、セラミックスリーブ６および加締リング１１２を挿通することにより、滑石リング１０８の後端側に、第２充填層１１０、セラミックスリーブ６および加締リング１１２を積層する。その後、加締リング１１２を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、主体金具１０２の後端部１０４を先端側に向けて加締める加締め変形作業を行う。

この加締め変形作業により、第２充填層１１０の外径寸法を拡大させると共に、第２素子挿通孔１１７の開口断面積を縮小させるように、第２充填層１１０を変形させる。
つまり、この圧力印加により、主体金具１０２の内部と検出素子４との間に、第２充填層１１０を圧縮充填（加圧充填）することで、検出素子４を主体金具１０２に一体に組み付けることができる。

なお、素子ユニット７は、セラミックスリーブ６や主体金具１０２などの他部材が一体に組み付けられることで、中間組立部品１０５を構成する。中間組立部品１０５の斜視図を、図５に示す。なお、図５では、外部プロテクタ４２が組み付けられた状態の中間組立部品１０５を表している。

この中間組立部品１０５に対して、リードフレーム１０、絶縁コンタクト部材８２および外筒４４などの各部材を組み付けることで、図１に示すような空燃比センサ２が完成する。

なお、本実施例においては、検出素子４が特許請求の範囲に記載の板型検出素子に相当し、粉末充填層１０８（滑石リング１０８）がフランジ部（粉体リング）に相当し、第２充填層１１０が充填部材に相当する。

また、素子ユニット７の製造工程において、検出素子４を滑石リング１０８に挿通する工程が、特許請求の範囲に記載の第１工程に相当し、圧力印加部材により滑石リング１０８に圧縮用圧力を印加する工程および未焼成保護層および滑石リング１０８を焼成する熱処理工程が、第２工程に相当する。さらに、素子ユニット７の製造工程の終了後、素子ユニット７を主体金具１０２の貫通孔１０９に配置する工程が、特許請求の範囲に記載の第３工程に相当する。

以上、説明したように、空燃比センサ２の製造方法では、素子ユニット７の製造工程において、圧力印加により素子挿通孔１１５の断面積が縮小するよう滑石リング１０８を圧縮変形させた後、滑石リング１０８を焼成することで、検出素子４に対して滑石リング１０８を一体に組み付ける作業を行う。これにより、滑石リング１０８を、検出素子４の側面から側方に突出する係り止め係合部（フランジ部）として利用することができる。

このようにして、滑石リング１０８のみで形成されたフランジ部により、主体金具１０２における検出素子４の位置決めが可能となることから、絶縁碍子およびガラス封止材を用いてフランジ部を形成する場合に比べて、センサの部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

また、熱処理工程においては、滑石リング１０８の焼成作業と、検出素子４の保護層９の焼成作業とを、１つの熱処理作業で同時に実施することから、センサの製造工程における作業時間の短縮を図ることができる。とりわけ、熱処理は長い時間を要することから、そのような長時間を要する複数の作業を１回の作業で実施することにより、空燃比センサ２の製造効率を向上させることができる。また、本実施例のようなセンサの製造方法によれば、熱処理作業の実施回数を減らすことにより作業工数を削減できるため、センサの製造作業における作業の煩雑さを軽減できる。

また、本実施例の製造方法においては、滑石リング１０８が一体に組み付けられた検出素子４を主体金具１０２の貫通孔１０９に配置するにあたり、検出素子４の回転方向位置（軸線方向を回転軸とする回転方向位置）がいずれの方向であっても主体金具１０２の貫通孔１０９に配置可能となる。このため、検出素子４の回転方向位置を所定方向に定める必要が無くなり、主体金具１０２に対する検出素子４の組み付け作業の煩雑さを軽減することができる。

なお、検出素子４を主体金具１０２に一体に組み付けるにあたり、主体金具１０２の後端部１０４を加締め変形させるための圧力の大きさは、検出素子４に滑石リング１０８などを一体に組み付けるために素子ユニット製造用治具により印加する圧力の大きさに比べて、大きく設定されている。つまり、素子ユニット製造用治具を用いる際には、滑石リング１０８が検出素子４から脱落しないように、滑石リング１０８を圧縮充填できれば良く、例えば、５［ｋＮ］程度の圧力を印加する。これに対して、検出素子４を主体金具１０２に一体に組み付ける際には、検出素子４と主体金具１０２との間に隙間が生じないように、滑石リング１０８，第２充填層１１０を圧縮充填する必要があり、例えば、１０〜１５［ｋＮ］程度の圧力を印加する。

さらに、このセンサの製造方法によれば、滑石リング１０８を検出素子４に一体に組み付けた後の工程において、検出素子４に対して環状形状の第２充填層１１０を挿通することから、滑石リング１０８により第２充填層１１０を支持できる。つまり、検出素子４を先端が下側となる状態にして、検出素子４の後端から第２充填層１１０を挿通すると、第２充填層１１０は、滑石リング１０８により係止される状態で検出素子４の周囲に配置される。

このように、検出素子４を主体金具１０２の貫通孔１０９に配置する前段階で、第２充填層１１０を検出素子４の周囲に配置できる場合には、検出素子４に対する第２充填層１１０の配置状態を容易に確認することができ、第２充填層１１０の配置状態を適切な状態に設定することができる。

なお、主体金具１０２の貫通孔１０９に検出素子４が配置された後に、第２充填層１１０を貫通孔１０９に挿入配置する場合には、貫通孔１０９の内部は視認し難いため、第２充填層１１０の配置状態の確認が難しくなる。また、貫通孔１０９の内部は狭いため、第２充填層１１０の配置状態の変更が難しいことから、第２充填層１１０が不適切な配置状態（例えば、傾いた状態など）になる虞がある。

これに対して、本実施例のセンサの製造方法によれば、検出素子４に対する第２充填層１１０の配置状態を容易に適切な状態に設定できるため、センサの組み立て作業の煩雑さを軽減することができる。

また、主体金具１０２の貫通孔１０９に検出素子４が配置された後に、第２充填層１１０を貫通孔１０９に挿入配置する場合には、主体金具１０２の構造によっては、第２充填層１１０が落下する距離が長くなり、落下の衝撃で第２充填層１１０が破損する虞がある。

これに対して、本実施例のセンサの製造方法であれば、検出素子４を主体金具１０２の貫通孔１０９に配置する前に、予め第２充填層１１０を検出素子４の周囲に配置できるため、落下時の衝撃に伴う第２充填層１１０の破損を防止することができる。

さらに、第２充填層１１０を備えることで、滑石リング１０８に加えて、第２充填層１１０が検出素子４と主体金具１０２との間に加圧充填されるため、全領域空燃比センサ２の気密性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、本発明が適用されるセンサは、全領域空燃比センサに限られず、板型検出素子を有する構成のセンサであれば、λセンサ，酸素センサ，ＮＯｘセンサなどのガスセンサや、温度検出を行う温度センサなどの他の種類のセンサにも適用することができる。

また、滑石リングは、基台部材の型枠部分に配置する前段階から環状形状に形成される物に限られることはなく、粉状物を型枠部分に充填した後、圧縮して環状形状に形成しつつ、検出素子４に一体に組み付けても良い。

さらに、検出素子に未焼成保護層を形成する手法は、ディップ処理に限られることはなく、ハケ塗りや印刷などにより未焼成保護層を形成する手法を用いても良い。
また、粉体リング１０８は、主体金具１０２の棚部１０７に当接する形態で支持されるものに限定されず、粉体リング１０８と主体金具１０２の棚部１０７との間に、板型検出素子をその中心軸を回転中心として回転させることが可能な大きさの中空部を有するパッキンなどを介在させても良い。さらに、粉体リング１０８、第２充填層１１０は、タルク粉末（滑石）によって形成されるものに限定されず、例えば、六方晶系窒化ホウ素粉末などで形成したものであってもよい。

実施例の空燃比センサの全体構成を示す断面図である。 検出素子の概略構造を表す斜視図である。 検出素子に組み付けられる前における、セラミックホルダ、滑石リングおよび第２充填層の斜視図である。 滑石リング、セラミックホルダおよび検出素子からなる素子ユニットの斜視図である。 検出素子に滑石リングや主体金具などの他部材が一体に組み付けられて構成される中間組立部品の斜視図である。

符号の説明

２…全領域空燃比センサ、４…検出素子、８…検出部、３０，３１，３２，３４，３６…電極端子部、１０２…主体金具、１０７…棚部、１０８…粉末充填層（滑石リング）、１０９…貫通孔、１１０…第２充填層、１２５…保護カバー、１２６…底面部、１６０…第２全領域空燃比センサ、１６１…第２保護カバー、１６２…カバー部、１６３…プロテクタ部、１６４…カバー側係合部。

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成され、後端側に電極端子部が形成される板型検出素子と、
   前記板型検出素子を取り囲む形態で一体に組み付けられるフランジ部と、
   前記板型検出素子を挿通するために軸線方向に貫通する貫通孔を有し、前記フランジ部に係合するように前記貫通孔の内周面から径方向内向きに突出して形成される棚部を有する主体金具と、
   を備えるセンサの製造方法であって、
   前記フランジ部は、粉体物が固められて環状形状をなす粉体リングを備える形態で前記板型検出素子に一体に組み付けられるものであり、
   前記板型検出素子を前記粉体リングに挿通する前の状態において、軸線方向に垂直な面における前記板型検出素子の断面形状よりも開口断面積が大きい素子挿通孔を有する当該粉体リングの前記素子挿通孔に対して、前記板型検出素子を挿通すると共に、前記板型検出素子の軸線方向における前記粉体リングの位置決めを行う第１工程と、
   前記粉体リングに対して軸線方向に圧縮する圧縮用圧力を印加し、前記素子挿通孔の開口断面積が縮小するよう前記粉体リングを圧縮変形させた後、前記粉体リングを焼成して、前記板型検出素子に対して前記粉体リングを有する前記フランジ部を一体に組み付ける第２工程と、
   前記板型検出素子を前記主体金具の前記貫通孔の内部に配置する際に、前記フランジ部を前記棚部に係合させて、前記貫通孔の内部での前記板型検出素子の軸線方向における位置決めを行う第３工程と、
   を有することを特徴とするセンサの製造方法。
2. 前記板型検出素子は、先端側のうち少なくとも測定対象物に晒される電極の表面上に保護層を備えており、
   前記第２工程において、前記粉体リングを圧縮変形させた後、焼成されて前記保護層となる未焼成保護層を前記板型検出素子に形成し、前記粉体リングと共に前記未焼成保護層を焼成すること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサの製造方法。
3. 前記センサは、前記板型検出素子のうち前記粉体リングよりも後端側の周囲に、粉状物が固められて環状形状をなす充填部材を備えて構成されており、
   前記第３工程において、前記板型検出素子のうち前記粉体リングよりも後端部分に前記充填部材を配置した状態で、前記板型検出素子を前記主体金具の貫通孔に配置し、
   前記第３工程の実行後、前記充填部材に対して前記棚部に向かう圧力を印加して、前記板型検出素子と前記主体金具との間に前記充填部材を加圧充填することにより、前記板型検出素子と前記主体金具との間を前記充填部材により気密封止すること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサの製造方法。
4. 軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象物に向けられる先端側に検出部が形成され、後端側に電極端子部が形成される板型検出素子と、
   前記板型検出素子を取り囲む形態で一体に組み付けられるフランジ部と、
   前記板型検出素子を挿通するために軸線方向に貫通する貫通孔を有し、前記フランジ部に係合するように前記貫通孔の内周面から径方向内向きに突出して形成される棚部を有する主体金具と、
   を備えるセンサであって、
   前記フランジ部は、前記板型検出素子の径方向周囲に粉状物が固められて環状形状をなすと共に焼成された粉体リングを備える形態で、前記板型検出素子に一体に組み付けられるものであり、
   前記板型検出素子のうち前記粉体リングよりも後端側の径方向周囲に粉状物が固められて環状形状をなす充填部材を配置し、該充填部材により前記検出素子と前記主体金具との間を気密封止してなること、
   を特徴とするセンサ。

Images