JP4068426B2 - センサおよびセンサ製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の物理量（例えば、温度や特定ガスの濃度や濃度変化など）を検出するために、検出素子，主体金具，外筒を備えて構成されるセンサ、およびそのようなセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、測定対象物の物理量を検出するセンサとしては、被測定領域に存在する測定対象物の温度を検出する温度センサや、被測定領域に存在する混合ガス中から特定ガス成分の濃度や濃度変化を検出するガスセンサ（酸素センサやＮＯｘセンサなど）などが知られている。
【０００３】
ガスセンサとしては、例えば、図５に断面図として示される従来型ガスセンサ１０１がある（例えば、特許文献１）。この従来型ガスセンサ１０１は、先端が閉じた中空軸状に形成された固体電解質体からなる検出素子１０６と，検出素子１０６の内部に配置されるセラミックヒータ１０４と，検出素子１０６を保持する主体金具１１０と、主体金具１１０の後端部（図中の上側の端部）に組み付けられて基準ガス空間を形成する外筒１０３と、を備えて構成されている。
【０００４】
このうち、検出素子１０６は、長手方向略中間位置の外周側面から径方向外向きに突出する鍔部１１５を備えており、鍔部１１５が挿通孔１１１の棚部１１３と薄肉部１１７との間に挟持されることで、主体金具１１０に保持される。
すなわち、主体金具１１０の挿通孔１１１には、内面から径方向内向き突出した棚部１１３が設けられており、支持部材１１４がリング１１８を介して棚部１１３に係止されることにより、検出素子１０６が下方から支持されている。そして、支持部材１１４の上側における主体金具１１０の内周面と検出素子１０６の外周面との間に滑石粉末１１６が充填され、さらに、この滑石粉末１１６の上側に略筒状の押圧スリーブ１１２およびリング１１９が順次同軸状に内挿された状態で、主体金具１１０の上端の薄肉部１１７が内方（下方）に加締められることで、滑石粉末１１６が加圧充填され、それにより、検出素子１０６が主体金具１１０に保持固定されている。
【０００５】
このあと、外筒１０３が、検出素子１０６を保持した主体金具１１０の後端側に組み付けられて、外筒１０３と主体金具１１０とがレーザー溶接あるいは加締め加工などにより接合される。また、外筒１０３が主体金具１１０に組み付けられる際には、外部から外筒１０３の内部に挿通されたリード線に電気的に接続された端子部１０７が、セラミックセパレータ１０５に支持されて、検出素子１０６の電極端子に接続される。なお、外筒１０３の後端部には、リード線を挿通するリード線挿通孔を有するシール部材１０８（絶縁部材１０８）が嵌め込まれている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５０９２８号公報（図１、図１０参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来型ガスセンサ１０１においては、検出素子１０６を主体金具１１０に保持するための加締め作業を経て、外筒１０３を主体金具に組みつける作業を実行する必要がある。
【０００８】
具体的には、主体金具１１０に外筒１０３を組み付けた後では、薄肉部１１７が外筒１０３に覆われてしまい、薄肉部１１７の加締め作業ができないため、主体金具１１０に対する外筒１０３の組み付け作業の前に、検出素子１０６を主体金具１１０に固定するための加締め作業を行う必要がある。
【０００９】
そのため、組立作業が煩雑になると共に、全体としての作業時間が長くなるという問題がある。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができるセンサ、およびそのようなセンサの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、挿通孔の内面から径方向内向きに突出する検出素子の鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から検出部の少なくとも一部が突出する状態で検出素子を保持する主体金具と、検出素子を保持した主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、外筒の後端部に内挿され、外部から外筒の内側にリード線を導入し、リード線と電気的に接続された端子部を検出素子に導通させた状態で保持すると共に、端子部と外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、を備えるセンサであって、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうち、鍔部よりも後端側に配置されて、検出素子と主体金具とを接合するロー材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうちロー材の後端側に配置されて、ロー材を挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に配置されて、後端側封止部材を棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材とを備えることを特徴とする。
【００１１】
このセンサは、主体金具に対して検出素子を固定するにあたり、加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造を採用して構成されている。そして、ロー付け接合作業は、ロー材を加熱溶融することで実行される作業であり、ロー材に対して熱を加えることができれば、直接ロー材に接触することなく実行することができる。
【００１２】
つまり、このセンサは、外筒を主体金具に組み付けた状態であっても、例えば、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を実行することができる。このため、このセンサは、検出素子と主体金具との固定作業を経た上で、主体金具と外筒との固定作業を行う必要が無い。
【００１３】
また、このセンサは、主体金具と検出素子との間に配置されるロー材の後端側に位置する後端側封止部材の後端面と、外筒の段差部または内側凸部との間に、後端側封止部材を押圧する押圧部材を備えており、ロー付け接合作業により溶融状態となったロー材に対して、押圧部材の弾性力による圧力が印加される。これにより、溶融状態のロー材が、検出素子の外周表面と主体金具の挿通孔の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、ロー材と検出素子の接合状態、およびロー材と主体金具との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子と主体金具との接合状態が強固になる。
【００１４】
よって、本発明（請求項１）のセンサによれば、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、押圧部材によるロー材への圧力印加により、検出素子と主体金具との接合状態を強固にすることができるため、主体金具に対する検出素子のロー付けによる接合強度が低下するのを防止できる。
【００１５】
押圧部材は、センサの長手方向に伸縮可能に構成されていればよく、環状に形成することもできるし、周方向に部分的に配置可能となるように構成することもできる。押圧部材の具体例としては、線状部材を螺旋状に巻回したバネ部材を挙げることができる。なお、押圧部材は、後端側封止部材を棚部に向けて押圧可能な状態で、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に位置すれば良く、押圧部材が、該段差部または内側凸部、後端側封止部材の後端面に当接している必要はない。例えば、センサがリード線と接続される端子部を保持するセラミックセパレータを備え、そのセラミックセパレータの外周面から径方向外側に向かって突出するフランジ部が外筒の段差部または内側凸部の内面に当接する構造である場合には、押圧部材の後端部をセラミックセパレータのフランジ部の先端面あるいはセラミックセパレータ自身の先端面に当接させた状態として、押圧部材を外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に位置させても良い。
【００１６】
また、本発明では、検出素子における鍔部を主体金具の棚部に当接させた状態で、検出素子を主体金具に支持させてもよいが、センサの気密性をより向上させるために、検出素子における鍔部を先端側封止部材（具体的には、線パッキンまたは板パッキンといったパッキン単体や、該パッキンとセラミック製の支持部材とを組み合わせた部材）を介して、主体金具の棚部に支持させてもよい。さらに、検出素子における鍔部を主体金具の棚部に当接させつつ、ロー材よりも先端側における鍔部の外側面と主体金具の内面との隙間に線パッキンまたは板パッキンを設けてもよい。
【００１７】
センサは、測定対象物の物理量として温度を検出する際には、検出素子として、温度に応じた検出信号を出力する温度検出素子を用いて構成され、測定対象物の物理量として特定ガスの濃度あるいは濃度変化を検出する際には、検出素子として、特定ガスの濃度あるいは濃度変化に応じた検出信号を出力するガス検出素子を用いて構成される。
【００１８】
長尺形状の検出素子としては、有底筒状（カップ形状）に形成されたもの、板型形状に形成されたものなどが挙げられる。また、検出素子は、固体電解質体としてジルコニアを用いて形成されるものに限定されることはなく、ジルコニアとアルミナからなる固体電解質体（例えば、ジルコニアとアルミナの合計量を１００ｗｔ％とした場合に、アルミナを１０〜８０ｗｔ％の範囲内で含有させる固体電解質体）から形成されていてもよい。
【００１９】
さらに、検出素子は、主体となる検出部を有する長尺形状部分と、その長尺形状部分の外周側面から突出する鍔部とが同種の材料で形成されるものに限ることはない。
例えば、請求項２に記載のように、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有し、後端側に測定対象物の物理量に応じた検出信号を出力する電極端子を有する長板形状に形成された板型検出素子と、板型検出素子を挿通可能な中空部を有する筒状に形成され、板型検出素子の径方向周囲を取り囲む状態で板型検出素子と一体に接合される金属ホルダと、を備えて構成される検出素子を用いて、センサを構成しても良い。
【００２０】
なお、この検出素子においては、金属ホルダが鍔部として備えられることになり、また、板型検出素子と金属ホルダとの接合は、ロー付け接合や、ガラス封着による接合などを用いることができる。
次に、上記目的を達成するためになされた請求項３に記載の発明方法は、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、挿通孔の内面から径方向内向きに突出する検出素子の前記鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から検出部の少なくとも一部が突出する状態で検出素子を保持する主体金具と、検出素子を保持した主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、外筒の後端部に内挿され、外部から外筒の内側にリード線を導入し、リード線と電気的に接続された端子部を検出素子に導通させた状態で保持すると共に、端子部と外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうち、鍔部よりも後端側に配置されて、検出素子と主体金具とを接合するロー材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうちロー材の後端側に配置されて、ロー材を挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に配置されて、後端側封止部材を棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材と、を備えるセンサを製造するためのセンサ製造方法であって、鍔部が棚部に支持されるように主体金具の挿通孔に検出素子を挿入し、挿通孔の内面と検出素子の外周面との間に、ロー材、後端側封止部材を配置する第１工程と、検出素子に端子部を接続し、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に押圧部材を配置するように、絶縁部材が内挿された外筒を主体金具の後端側に固定する第２工程と、ロー材を加熱溶融して検出素子と主体金具とをロー付け接合する第３工程と、を有することを特徴とするセンサ製造方法である。
【００２１】
このセンサ製造方法は、主体金具に対する検出素子の固定構造が加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造である。
つまり、このセンサ製造方法では、外筒を主体金具に組みつけた後に、例えば、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を（第３工程）を実行している。このため、検出素子と主体金具との固定作業を経た上で、主体金具と外筒との固定作業を行う必要がない。
【００２２】
また、このセンサ製造方法においては、ロー付け接合作業により溶融状態となったロー材が、押圧部材の弾性力による圧力が後端側封止部材を介して印加されることにより、検出素子の外周表面と主体金具の挿通孔の内面との間に隙間無く隅々まで充填される。このため、ロー材と検出素子の接合状態、およびロー材と主体金具との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子と主体金具との接合状態が強固になる。
【００２３】
よって、本発明（請求項３）のセンサ製造方法によれば、センサの組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、押圧部材によるロー材への圧力印加により、検出素子と主体金具との接合状態を強固にすることができるため、２つの固定作業を同時に行うことに伴い主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
【００２４】
なお、第３工程における検出素子と主体金具とのロー付け接合作業は、上述したように、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで実行できる。また、主体金具と外筒との組みつけ（固定）には、例えば、ロー付け接合、レーザ溶接または加締め加工、圧入などを用いることができる。主体金具と外筒とをロー付け接合する場合には、各部の加熱作業を同時に行うことができ、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業と、主体金具と外筒とのロー付け接合作業とを同時に実行できるため、さらに作業の簡略化を図ることができる。
【００２５】
そして、このセンサ製造方法は、上述の請求項１または請求項２に記載のセンサの製造方法として利用することができる。
次に、上述（請求項３）のセンサ製造方法は、例えば、請求項４に記載のように、第３工程において、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業を行うにあたり、ロー材の近傍部分を加熱し、ロー材以外の部分のうち少なくとも絶縁部材を含む部分を冷却するとよい。
【００２６】
つまり、センサの構成部材の中には、高温になると破損あるいは変形する部材があり、ロー付け作業用の熱量の供給により、そのような高温環境に弱い部材の温度が上昇するのを防止する必要がある。そして、この高温環境に弱い部材として、外筒の後端部に内挿される絶縁部材（通常は、シリコンゴムやフッ素ゴム等から構成される）が挙げられる。そのため、ロー材以外の部分で、かつ高温環境に弱い部材が配置されている部分については、ロー付け作業時には、冷却することにより高温になるのを防止すると良い。
【００２７】
なお、冷却方法としては、例えば、冷却対象部分に冷却風を吹き付けて温度を低下させる空冷方式の冷却方法を用いることができる。
よって、本発明方法（請求項４）によれば、ロー付け作業を行うにあたり、センサを構成する部材が高温により破損するのを防止することができ、センサの品質低下を防ぐことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用したセンサの実施例を図面と共に説明する。
本実施例は、ガスセンサの一種である酸素センサ１であり、図１に酸素センサ１の全体構成を表す断面図を示す。なお、以下の説明においては、酸素センサ１のうち、図１における下端側が上記各請求項でいう「ガスセンサの先端側」に相当し、同様に、酸素センサ１の図１における上端側が「ガスセンサの後端側」に相当する。
【００２９】
図１に示すように、酸素センサ１は、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた有底筒状に形成された検出素子２，検出素子２の有底孔４１に配置された軸状のセラミックヒータ３，酸素センサ１の内部構造物を収容すると共に酸素センサ１を排気管等の取付部に固定するケーシング４などを備えて構成されている。
【００３０】
検出素子２の有底孔４１の内面には、そのほぼ全面を覆うように、ＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された内部電極４８が形成され、外面のうち先端側（図中の下側）に同様な外部電極４６が形成されている。また、検出素子２は、自身の長手方向略中間位置の外周表面から径方向外向きに突出する鍔部２６を有して構成されている。そして、検出素子２は、先端側に配置される外部電極４６、内部電極４８および固体電解質体により構成され、測定対象物（排気ガス）にさらされることになる検出部２５を有している。
【００３１】
ここで、図６に、図１に示す酸素センサ１に備えられる検出素子２の外観を表す斜視図を示す。
検出素子２の外面には、図６に示すように、後端側（図６における上側）に導電層４７が周方向に沿って帯状に形成され、外部電極４６が鍔部２６よりも先端側の全面を覆うように形成されており、さらに、導電層４７と外部電極４６とが直線状の接続パターン層４４を介して電気的に接続されている。ここで、検出素子２の外面のうち鍔部２６よりも後端側においては、後述するように素子側ロー付け面２８が形成されることになるが、本実施例では、接続パターン層４４と後述する充填部材５２（ロー材）とが直接接触することがない（換言すれば、外部電極４６と主体金具５とが充填部材５２を介して短絡することがない）ように、接続パターン層４４のうちで素子側ロー付け面２８に位置する部分には、絶縁性のガラス層４５により被覆されている。
【００３２】
ケーシング４は、検出素子２を保持すると共にその先端側にある検出部２５を排気管等の内部に突出させる主体金具５と、主体金具５の後端部（図１では上側の端部）に組み付けられ、検出素子２との間で基準ガス空間を形成する外筒６とを備えて構成されている。
【００３３】
主体金具５は、検出素子２を挿通するよう先端側から後端側にかけて貫通する挿通孔５０と、検出部２５を有する先端側から挿通孔５０に挿通された検出素子２の鍔部２６を支持する棚部５４とを有する略円筒型形状に形成されている。そして、主体金具５は、検出部２５および後端部が挿通孔５０の外部に露出する状態で検出素子２を保持可能に構成されている。
【００３４】
主体金具５にて検出素子２を保持するにあたり、挿通孔５０の内部には、検出素子２を先端側（図中下側）から支持するセラミックス材料からなる支持部材５１，支持部材５１の後端側（図中上側）に充填される共晶ロー（ＢＡｇ８：Ａｇ−Ｃｕ系ロー材）からなる充填部材５２，および充填部材５２の後端側に配置されるセラミックス材料からなるスリーブ５３が同軸状に配置される。
【００３５】
すなわち、支持部材５１は、略円筒状に形成され、主体金具５の挿通孔５０の内周に形成される棚部５４にリング５５を介して係止されると共に、検出素子２の鍔部２６を先端側（図中下側）から支持する。なお、検出素子２の鍔部２６は、支持部材５１にパッキン５６を介して係止される。そして、充填部材５２は、支持部材５１の後端側における主体金具５の挿通孔５０の内周面と検出素子２の外周面との間に配設され、さらに、スリーブ５３は、略円筒状に形成され、充填部材５２の後端側に配設される。
【００３６】
なお、主体金具５の挿通孔５０の内面のうち充填部材５２に当接する部分に、金具側ロー付け面３２が形成されており、検出素子２の外周面のうち充填部材５２に当接する部分に、素子側ロー付け面２８が形成されている。
スリーブ５３は、後述するコイルバネ９により先端側に付勢されており、充填部材５２に対して圧力を印加している。このため、加熱により溶融状態となった充填部材５２は、スリーブ５３からの加圧により、挿通孔５０の内周面と検出素子２の外周面との間の隅々まで充填される。そして、温度低下により凝固した充填部材５２は、検出素子２および主体金具５（詳細には挿通孔５０の内面）とそれぞれ強固に接合され、ひいては、検出素子２と主体金具５とが強固に接合される。なお、支持部材５１およびスリーブ５３は、溶融状態の充填部材５２が挿通孔５０から外部に漏洩しないように、充填部材５２を挿通孔５０の内部に封止可能な形状に構成されている。また、溶融状態の充填部材５２は、パッキン５６によって検出素子２と支持部材５１との間から漏れるのが確実に抑制される。
【００３７】
なお、充填部材５２を構成するＢＡｇ８は、溶融温度が約８００［℃］であり、ロー付け作業後の耐熱温度が５００〜６００［℃］程度となる特性を示す共晶ロー材である。
また、酸素センサ１は、主体金具５の後端部を覆う略円筒状の外筒６を備えており、外筒６は、主体金具５との間に基準ガス空間（内部空間）を形成している。外筒６は、その軸方向略中央部を境界として後端側部６５の径方向寸法（外径）が先端側部６４よりも縮径して形成されると共に、先端側部６４と後端側部６５とを繋ぐ段差部６１が形成されている。なお、段差部６１は、後述するセパレータ７のフランジ部７１を係止可能に形成されている。外筒６の後端部（図中の上端部）には、後述するシール部材１１の後端縁（上端縁）を覆うように内方に屈曲した肩部６２が設けられ、その端縁により上端開口部６３が形成されている。
【００３８】
外筒６の上端開口部６３には、検出素子２の電極４６，４８に夫々接続されるリード線２１，２２およびセラミックヒータ３に接続される一対のリード線を夫々外部から外筒６（酸素センサ１）の内部に導入すると共に、外筒６の内部への水分や油分の侵入を防止するシールユニット１０が設けられている。
【００３９】
このシールユニット１０は、フッ素ゴムからなる円柱状のシール部材１１と、このシール部材１１の中央を軸方向に貫通する貫通孔１４に嵌挿可能な筒状挿入部材３０と、この筒状挿入部材３０の上端部を覆うと共に、これらシール部材１１の貫通孔１４の内周面と筒状挿入部材３０の外周面との間に挟持されて固定されるシート状の通気フィルタ４０とから構成されている。シールユニット１０は、リード線２１，２２などを挿通した状態で外筒６の先端側の開口部から上端開口部６３の内側に配置された状態のシール部材１１が、外筒６と共に径方向内側に加締められることにより、外筒６に固定される。これにより、外筒６およびシール部材１１が密着し、そのシール性がより確実なものとなる。
【００４０】
また、外筒６の内部に組み付けられたシール部材１１の先端側には、セラミックで筒状に形成された絶縁性のセパレータ７が内挿されている。このセパレータ７は、略円筒形状の本体を有し、その本体先端部の外周面には径方向外側に突出したフランジ部７１が周設され、その先端面には先端方向に突出した環状突部７２が形成されている。フランジ部７１は、その外径が先端側になるほど大きくなるようにテーパ状の当接部７３を有し、この当接部７３が外筒６の段差部６１に係止されている。セパレータ７は、各リード線２１，２２と電気的に接続された端子部８を検出素子２の電極４６，４８に接続させた状態で保持すると共に、セラミックヒータ３と電気的に接続する一対のリード線とそれぞれ接続されるヒータ端子部３６（もう一方は、図示せず）を保持し、端子部８と外筒６とを、また、端子部８とヒータ端子部３６とを電気的に絶縁している。
【００４１】
そして、主体金具５とセパレータ７との間には、コイルバネ９（押圧部材）が介装されており、コイルバネ９は、主体金具５の挿通孔５０に配置されるスリーブ５３を棚部５４に向けて押圧している。コイルバネ９は、一端が、スリーブ５３に直接接触し、他端が、セパレータ７の環状突部７２の内側に位置するセパレータ７の先端面７４（下端面７４）に直接接触している。なお、コイルバネ９は、検出素子２の外面、端子部８、ヒータ端子部３６と接することがないように、寸法が適宜調整されている。
【００４２】
外筒６は、その下端開口端部が径方向内側に加締められ、全周レーザ溶接されることにより、主体金具５に対して装着されている。また、主体金具５の下端側外周には、検出素子２の突出部分（検出部２５）を覆うと共に、測定対象ガスを導入するための複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。
【００４３】
次に、本実施例の酸素センサ１の製造方法について説明する。
酸素センサ１の製造方法は、主体金具５の挿通孔５０に検出素子２を挿入配置するための第１工程と、外筒６を主体金具５の後端側に固定するための第２工程と、検出素子２と主体金具５とをロー付け接合する第３工程と、を有している。
【００４４】
第１工程では、主体金具５の挿通孔５０の内面と検出素子２の外周面との間に、リング５５、支持部材５１、パッキン５６、充填部材５２、スリーブ５３を配置しつつ、鍔部２６がパッキン５６、支持部材５１、リング５５を介して棚部５４に支持されるように、主体金具５の挿通孔５０に検出素子２を配置させる。
【００４５】
次に、第２工程では、まず、検出素子２の電極４６、４８（詳細には、導電層４７および内部電極４８）に端子部８を接続し、外筒６の内側に配置させたセパレータ７の先端面７４とスリーブ５３との間にコイルバネ９を配置するように、セパレータ７およびシールユニット１０が内装された外筒６を、主体金具５の後端側に取り付ける。このとき、セパレータ７の内側に配置されるセラミックヒータ３が、検出素子２の有底孔４１に挿入される。続いて、外筒６と主体金具５とを加締め固定するための先端側加締め作業と、外筒６とシール部材１１とを加締め固定するための後端側加締め作業とを実行する。先端側加締め作業は、外筒６の先端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、外筒６が主体金具５に固定される。また、後端側加締め作業は、外筒６の後端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、シールユニット１０を備えるシール部材１１が外筒６に固定される。
【００４６】
続いて、第３工程では、第１工程および第２工程を経て各部材が組みつけられた後、主体金具５と検出素子２をロー付け接合するためのロー付け作業を行う。ロー付け作業は、主体金具５に対して熱を加えて、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２を８００［℃］程度まで加熱すると共に、外筒６の後端部分に冷却風を当てることで行われる。加熱されて溶融した充填部材５２は、コイルバネ９の弾性力によりスリーブ５３から押圧されるため、金具側ロー付け面３２、素子側ロー付け面２８、支持部材５１およびスリーブ５３に囲まれる領域の隅々まで充填される。他方、外筒６の後端側の内部に配置されるシールユニット１０、シール部材１１などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温による破損から保護される。なお、ロー付け作業時には、検出素子２の内部に配置されたセラミックヒータ３に通電してセラミックヒータ３を発熱させることで、充填部材５２のうち、検出素子２の近傍の温度を主体金具５の近傍部分の温度よりも５［℃］以上高温となるように制御している。
【００４７】
充填部材５２に対する加熱作業が終了した後、所定の冷却期間にわたり冷却された充填部材５２が凝固すると、充填部材５２により検出素子２と主体金具５とがロー付け接合される。
以上に説明したように、本実施例（以下、第１実施例ともいう）の酸素センサ１は、主体金具５に対して検出素子２を固定するにあたり、加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造を採用して構成されている。そして、ロー付け接合作業は、充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで実行される作業であり、ロー材に直接接触することなく実行することができる。
【００４８】
つまり、この酸素センサ１は、外筒６を主体金具５に組み付けた状態であっても、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を実行することができる。このため、酸素センサ１は、検出素子２と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と外筒６との接合作業を行う必要がない。
【００４９】
また、酸素センサ１は、スリーブ５３を棚部５４に向けて押圧するコイルバネ９を備えており、ロー付け接合作業により溶融状態となった充填部材５２に対して、コイルバネ９の弾性力による圧力が印加される。これにより、溶融状態の充填部材５２が、検出素子２の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、充填部材５２と検出素子２の接合状態、および充填部材５２と主体金具５との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子２と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００５０】
よって、本実施例の酸素センサ１によれば、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、コイルバネ９による充填部材５２（ロー材）への圧力印加により、検出素子２と主体金具５との接合状態を強固にすることができるため、主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
【００５１】
また、この酸素センサ１のセンサ製造方法は、主体金具５に対する検出素子２の固定構造が加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造である。
つまり、このセンサ製造方法では、外筒６を主体金具５に組みつけた後に、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を（第３工程）を実行している。このため、検出素子２と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と外筒６との固定作業を行う必要がない。
【００５２】
また、このセンサ製造方法においては、ロー付け接合作業により溶融状態となった充填部材５２（ロー材）が、コイルバネ９の弾性力による圧力がスリーブ５３を介して印加されることにより、検出素子２の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填される。このため、充填部材５２と検出素子２の接合状態、および充填部材５２と主体金具５との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子２と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００５３】
よって、本実施例のセンサ製造方法によれば、センサの組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。
また、本実施例のセンサ製造方法では、第３工程において、検出素子２と主体金具５とのロー付け接合作業を行うにあたり、主体金具５を介して充填部材５２（ロー材）の近傍部分を加熱すると共に、外筒６の後端部分に冷却風を吹き付ける冷却作業を実施している。
【００５４】
なお、上述したように、加熱されて溶融した充填部材５２は、コイルバネ９の弾性力によりスリーブ５３から押圧されるため、挿通孔５０の内周面、検出素子２の外周面、支持部材５１およびスリーブ５３に囲まれる領域の隅々まで充填される。
【００５５】
他方、外筒６の後端側の内部に配置されているシールユニット１０およびセパレータ７などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温になることでの変形や破損から保護される。
よって、本実施例のセンサ製造方法によれば、ロー付け作業を行うにあたり、酸素センサを構成する部材が高温により変形あるいは破損するのを防止することができ、酸素センサの品質低下を防ぐことができる。
【００５６】
なお、第１実施例の酸素センサ１においては、シールユニット１０が、特許請求の範囲に記載の絶縁部材に相当し、充填部材５２がロー材に相当し、スリーブ５３が後端側封止部材に相当し、コイルバネ９が押圧部材に相当する。
次に、第２実施例として、板型検出素子と金属ホルダを備える第２酸素センサ８５について、説明する。
【００５７】
第２酸素センサ８５の全体構成を表す断面図を図２に示す。なお、以下の説明においては、第２酸素センサ８５のうち、図２における下端側が上記各請求項でいう「ガスセンサの先端側」に相当し、同様に、第２酸素センサ８５の図２における上端側が「ガスセンサの後端側」に相当する。
【００５８】
図２に示すように、第２酸素センサ８５は、板型検出素子９６と、金属ホルダ９３と，第２酸素センサ８５の内部構造物とを収容すると共に、第２酸素センサ８５を排気管等の取付部に固定する第２ケーシング８７などを備えて構成されている。
【００５９】
板型検出素子９６は、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）を主成分とする固体電解質体により板型形状に形成されると共に、先端側（図中の下側）に排気ガス（測定対象物）にさらされる検出部９９を有し、後端側（図中の上側）に排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力するための検出部９９を構成する一対の電極部と接続された一対の電極端子９７を有して構成されている。また、板型検出素子９６は、内部にヒータ（図示省略）を備えており、一対のヒータ端子９８を通じて供給される電力よりヒータが発熱することで、固体電解質体を活性化温度に加熱・維持するよう構成されている。
【００６０】
金属ホルダ９３は、図３にも示すように、固定用ロー材１３５を収容可能な有底筒状に形成されると共に底面に板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有するホルダ本体部９５と、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有すると共にホルダ本体部９５の開口面に当接可能なホルダ蓋部９４と、を備えて構成されている。
【００６１】
図３に、板型検出素子９６が挿通された金属ホルダ９３の分解斜視図および断面図を示す。
図３に示すように、金属ホルダ９３は、ホルダ本体部９５の底面の中空部に板型検出素子９６が挿通され、内部に固定用ロー材１３５が配置される状態でホルダ蓋部９４が配置された後、固定用ロー材１３５が加熱溶融されてロー付け作業が行われることで、板型検出素子９６と一体に接合される。つまり、金属ホルダ９３は、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有する略環状に形成され、板型検出素子９６の長手方向略中間位置において径方向周囲を取り囲む状態で板型検出素子９６と一体に接合される。
【００６２】
なお、板型検出素子９６は、外面のうち固定用ロー材１３５との当接部分および充填部材５２との当接部分のそれぞれに、固定用ロー材１３５および充填部材５２と接合するための素子側ロー付け面４３が形成されている。
図２に戻り、第２ケーシング８７は、板型検出素子９６と接合された金属ホルダ９３を保持すると共に、板型検出素子９６の先端側にある検出部９９を排気管等の内部に突出させる主体金具５と、主体金具５の後端部（図２では上側の端部）に組み付けられ、板型検出素子９６との間で基準ガス空間を形成する第２外筒８９とから構成されている。
【００６３】
主体金具５は、第１実施例と同様の構成であり、挿通孔５０と棚部５４とを有する略円筒型形状に形成されており、検出部９９および電極端子９７が挿通孔５０の外部に露出する状態で板型検出素子９６を保持可能に構成されている。
主体金具５にて板型検出素子９６を保持するにあたり、挿通孔５０の内部には、板型検出素子９６と接合された金属ホルダ９３を先端側（図中下側）から支持するセラミックス材料からなる第２支持部材９０，第２支持部材９０の後端側（図中上側）に充填される共晶ロー（ＢＡｇ８：Ａｇ−Ｃｕ系ロー材）からなる充填部材５２，および充填部材５２の後端側に配置されるセラミックス材料からなる第２スリーブ９２が同軸状に配置される。
【００６４】
すなわち、第２支持部材９０は、略円筒状に形成され、主体金具５の挿通孔５０の内周に形成される棚部５４にリング５５を介して係止されると共に、金属ホルダ９３を先端側（図中下側）から支持する。そして、充填部材５２は、第２支持部材９０の後端側における主体金具５の挿通孔５０の内周面と板型検出素子９６の外周面との間に配設され、さらに、第２スリーブ９２は、略円筒状に形成され、充填部材５２の後端側に配設される。
【００６５】
第２スリーブ９２は、後述する第２コイルバネ１３６により先端側に付勢されており、充填部材５２に対して圧力を印加している。このため、加熱により溶融状態となった充填部材５２は、第２スリーブ９２からの加圧により、挿通孔５０の内周面と板型検出素子９６の外周面との間の隅々まで充填される。そして、温度低下により凝固した充填部材５２は、板型検出素子９６および主体金具５（詳細には挿通孔５０の内面）とそれぞれ強固に接合され、ひいては、板型検出素子９６と主体金具５とが強固に接合される。なお、第２支持部材９０および第２スリーブ９２は、溶融状態の充填部材５２が挿通孔５０から外部に漏洩しないように、充填部材５２を挿通孔５０の内部に封止可能な形状に構成されている。
【００６６】
また、第２酸素センサ８５は、主体金具５の後端部を覆う略円筒状の第２外筒８９を備えており、第２外筒８９は、主体金具５との間にコンタクト部材１３０などを収容する内部空間を形成している。第２外筒８９は、その軸方向略中央部を境界として後端側の径方向寸法が先端側よりも縮径して形成されており、この径方向寸法の変更部分の内壁には、先端側に対向する段差部６１が形成されている。なお、段差部６１は、後述する第２コイルバネ１３６の一端を係止可能に形成されている。
【００６７】
第２外筒８９の上端開口部６３には、板型検出素子９６の電極端子９７に接続される一対のリード線２１と、ヒータ端子９８に接続される一対のリード線２２とを夫々外部から第２外筒８９（第２酸素センサ８５）の内部に導入する略円柱状のフッ素ゴムからなるグロメット１２０が備えられている。グロメット１２０は、リード線２１，２２などを挿通した状態で第２外筒８９の先端側の開口部から上端開口部６３の内側に配置されたあと、第２外筒８９と共に径方向内側に加締められることにより、第２外筒８９に固定される。
【００６８】
また、第２外筒８９の内部に組み付けられたグロメット１２０の先端側には、リード線２１，２２と電気的に接続された４本のリードフレーム１３１を、板型検出素子９６の電極端子９７，ヒータ端子９８に接続させるためのコンタクト部材１３０が配置されている。コンタクト部材１３０は、各リードフレーム１３１が電極端子９７ないしヒータ端子９８に接触する状態の板型検出素子９６を、一対の絶縁性ハウジング１３２で挟持するよう構成されている。また、コンタクト部材１３０は、リードフレーム１３１と第２外筒８９とを電気的に絶縁している。
【００６９】
そして、主体金具５と第２外筒８９との間には、先端側（主体金具側）の径寸法が小さく、後端側（第２外筒側）の径寸法が大きくなるようテーパ状に形成された第２コイルバネ１３６（押圧部材）が介装されており、第２コイルバネ１３６は、主体金具５の挿通孔５０に配置される第２スリーブ９２を棚部５４に向けて押圧している。第２コイルバネ１３６は、一端が、第２スリーブ９２に直接接触し、他端が、第２外筒８９の段差部６１に直接接触している。なお、第２コイルバネ１３６は、板型検出素子９６の外面、コンタクト部材１３０と接することがないように、寸法が適宜調整されている。
【００７０】
第２外筒８９は、その下端開口端部が径方向内側に加締められることにより主体金具５に対して装着されている。また、主体金具５の下端側外周には、板型検出素子９６の突出部分（検出部９９）を覆うと共に、測定対象ガスを導入するための複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。
【００７１】
次に、本実施例の第２酸素センサ８５の製造方法について説明する。
第２酸素センサ８５の製造方法は、第１実施例の酸素センサ１と同様に、板型検出素子９６および金属ホルダ９３を挿入配置するための第１工程と、第２外筒８９を主体金具５の後端側に固定するための第２工程と、板型検出素子９６および金属ホルダ９３と主体金具５とをロー付け接合する第３工程と、を有している。
【００７２】
第１工程では、主体金具５の挿通孔５０の内面と、板型検出素子９６およびこの板型検出素子９６とロー付け接合された金属ホルダ９３の外周面との間に、リング５５、第２支持部材９０、充填部材５２、第２スリーブ９２を配置しつつ、金属ホルダ９３が第２支持部材９０、リング５５を介して棚部５４に支持されるように、主体金具５の挿通孔５０に板型検出素子９６を配置させる。
【００７３】
次に、第２工程では、まず、コンタクト部材１３０を用いて板型検出素子９６の電極端子９７、ヒータ端子９８にリードフレーム１３１を接続し、第２外筒８９の段差部６１の内面と第２スリーブ９２との間に第２コイルバネ１３６を配置するように、グロメット１２０およびコンタクト部材１３０が内挿された第２外筒８９を主体金具５の後端側に取り付ける。続いて、第２外筒８９と主体金具５とを加締め固定するための先端側加締め作業と、第２外筒８９とグロメット１２０とを加締め固定するための後端側加締め作業とを実行する。先端側加締め作業は、第２外筒８９の先端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、第２外筒８９が主体金具５に固定される。また、後端側加締め作業は、第２外筒８９の後端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、グロメット１２０が第２外筒８９に固定される。
【００７４】
続いて、第３工程では、第１工程および第２工程を経て各部材が組みつけられた後、主体金具５と板型検出素子９６をロー付け接合するためのロー付け作業を行う。ロー付け作業は、主体金具５に対して熱を加えて、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２を８００［℃］程度まで加熱すると共に、第２外筒８９の後端部分に冷却風を当てることで行われる。加熱されて溶融した充填部材５２は、第２コイルバネ１３６の弾性力により第２スリーブ９２から押圧されるため、金具側ロー付け面３２、素子側ロー付け面４３、第２支持部材９０および第２スリーブ９２に囲まれる領域の隅々まで充填される。他方、第２外筒８９の後端側の内部に配置されるグロメット１２０などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温による破損から保護される。なお、ロー付け作業時には、板型検出素子９６の内部に配置されたヒータ（図示省略）に対してヒータ端子９８を通じて電力供給を行い、そのヒータを発熱させることで、充填部材５２のうち、板型検出素子９６の近傍の温度を主体金具５の近傍部分の温度よりも５［℃］以上高温となるように制御している。
【００７５】
充填部材５２に対する加熱作業が終了した後、所定の冷却期間にわたり冷却された充填部材５２が凝固すると、金属ホルダ９３にロー付け接合された板型検出素子９６と主体金具５とが充填部材５２によりロー付け接合される。
以上に説明したように、第２実施例の第２酸素センサ８５は、第１実施例の酸素センサ１と同様に、主体金具５に対して板型検出素子９６を固定するにあたり、ロー付け接合による固定構造を採用しており、板型検出素子９６と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と第２外筒８９との固定作業を実行する必要がない。
【００７６】
さらに、第２酸素センサ８５は、酸素センサ１と同様に、第２スリーブ９２を棚部５４に向けて押圧する第２コイルバネ１３６を備えており、溶融状態の充填部材５２が板型検出素子９６の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、板型検出素子９６と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００７７】
よって、第２実施例の第２酸素センサ８５によれば、第１実施例の酸素センサ１と同様に、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができると共に、主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
このことから、本発明および本発明方法は、検出素子として、第１実施例に示すような固体電解質体により先端が閉じた中空長軸状に形成されたものに限らず、板型検出素子９６に金属ホルダ９３が取り付けられて形成されたものを採用することができる。
【００７８】
なお、第２実施例の第２酸素センサ８５においては、グロメット１２０が、特許請求の範囲に記載の絶縁部材に相当し、充填部材５２がロー材に相当し、第２スリーブ９２が後端側封止部材に相当し、第２コイルバネ１３６が押圧部材に相当する。
【００７９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、充填部材として用いるロー材は、ＢＡｇ８に限ることはなく、ＢＡｇ９（Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系ロー材）やパラジウム系ロー材（Ｐｄロー）など、ロー付け後の強度が低下し難く、ロー付け後の耐熱温度が５００〜６００［℃］程度となる特性を有する共晶ロー材を用いることができる。
【００８０】
さらに、ロー材（充填部材）に対して圧力を印加するための弾性部材は、コイルバネに限ることはなく、ロー付け作業時に溶融状態となったロー材に対して圧力を印加できる弾性部材であれば、板バネなど他の弾性部材を用いてもよい。
また、外筒と主体金具との接合は、加締めによる接合に限ることはなく、ロー付け接合やレーザー溶接、圧入など他の接合方法を用いてもよい。主体金具と外筒とをロー付け接合する場合には、１回の加熱作業により、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業と、主体金具と外筒とのロー付け接合作業とを同時に実行できるため、さらに作業の簡略化を図ることができる。
【００８１】
さらに、センサは、酸素検出を行う酸素センサに限ることはなく、温度に応じた検出信号を出力する温度検出素子を備えて構成された温度を検出するセンサに対して本発明を適用することも可能である。
また、金属ホルダは、図３に示す金属ホルダ９３のような複数の部材で構成されるものに限ることはなく、図４に斜視図として示す金属ホルダ１３８のような単一の部材で構成されるものでも良い。金属ホルダ１３８は、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有する略環状に形成され、板型検出素子９６の径方向周囲を取り囲む状態で、ロー材１３９を用いたロー付け接合により板型検出素子９６と一体に接合されて、検出素子を構成する。なお、金属ホルダと板型検出素子との接合は、ロー付け接合に限ることはなく、例えば、ガラス封着による接合など、他の接合方法を用いることもできる。
【００８２】
さらに、コイルバネ９、第２コイルバネ１３６は、外筒６の段差部６１とスリーブ５３との間、または第２外筒８９の段差部６１と第２スリーブ９２との間に配置されるものであった。しかし、外筒６または第２外筒８９に段差部６１を設けずに、外筒６または第２外筒８９に自身の内面から径方向内側に突出する内側凸部を形成し、この内側凸部とスリーブ５３（第２スリーブ９２）との間にコイルバネ９（第２コイルバネ１３６）を配置させるようにしてもよい。なお、この内側凸部としては、例えば、外筒６（第２外筒８９）の軸方向中間部分に周方向に均等に複数箇所（例えば、４箇所など）、径方向内側に凸部頂面が四角形状となって内面から突出する凸部として形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 酸素センサの全体構成を表す断面図である。
【図２】 第２酸素センサの全体構成を表す断面図である。
【図３】 第２検出素子の分解斜視図、および板型検出素子が挿通された金属ホルダの断面図である。
【図４】 単一の部材で構成される金属ホルダの斜視図である。
【図５】 従来型ガスセンサの全体構成を表す断面図である。
【図６】 図１に示す酸素センサに備えられる検出素子の外観を表す斜視図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ、２…検出素子、５…主体金具、６…外筒、７…セパレータ、９…コイルバネ、１０…シールユニット、２６…鍔部、５０…挿通孔、５１…支持部材、５２…充填部材、５３…スリーブ、５４…棚部、６１…段差部、８５…第２酸素センサ、８９…第２外筒、９０…第２支持部材、９２…第２スリーブ、９３…金属ホルダ、９６…板型検出素子、１２０…グロメット、１３６…第２コイルバネ、１３８…金属ホルダ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の物理量（例えば、温度や特定ガスの濃度や濃度変化など）を検出するために、検出素子，主体金具，外筒を備えて構成されるセンサ、およびそのようなセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、測定対象物の物理量を検出するセンサとしては、被測定領域に存在する測定対象物の温度を検出する温度センサや、被測定領域に存在する混合ガス中から特定ガス成分の濃度や濃度変化を検出するガスセンサ（酸素センサやＮＯｘセンサなど）などが知られている。
【０００３】
ガスセンサとしては、例えば、図５に断面図として示される従来型ガスセンサ１０１がある（例えば、特許文献１）。この従来型ガスセンサ１０１は、先端が閉じた中空軸状に形成された固体電解質体からなる検出素子１０６と，検出素子１０６の内部に配置されるセラミックヒータ１０４と，検出素子１０６を保持する主体金具１１０と、主体金具１１０の後端部（図中の上側の端部）に組み付けられて基準ガス空間を形成する外筒１０３と、を備えて構成されている。
【０００４】
このうち、検出素子１０６は、長手方向略中間位置の外周側面から径方向外向きに突出する鍔部１１５を備えており、鍔部１１５が挿通孔１１１の棚部１１３と薄肉部１１７との間に挟持されることで、主体金具１１０に保持される。
すなわち、主体金具１１０の挿通孔１１１には、内面から径方向内向き突出した棚部１１３が設けられており、支持部材１１４がリング１１８を介して棚部１１３に係止されることにより、検出素子１０６が下方から支持されている。そして、支持部材１１４の上側における主体金具１１０の内周面と検出素子１０６の外周面との間に滑石粉末１１６が充填され、さらに、この滑石粉末１１６の上側に略筒状の押圧スリーブ１１２およびリング１１９が順次同軸状に内挿された状態で、主体金具１１０の上端の薄肉部１１７が内方（下方）に加締められることで、滑石粉末１１６が加圧充填され、それにより、検出素子１０６が主体金具１１０に保持固定されている。
【０００５】
このあと、外筒１０３が、検出素子１０６を保持した主体金具１１０の後端側に組み付けられて、外筒１０３と主体金具１１０とがレーザー溶接あるいは加締め加工などにより接合される。また、外筒１０３が主体金具１１０に組み付けられる際には、外部から外筒１０３の内部に挿通されたリード線に電気的に接続された端子部１０７が、セラミックセパレータ１０５に支持されて、検出素子１０６の電極端子に接続される。なお、外筒１０３の後端部には、リード線を挿通するリード線挿通孔を有するシール部材１０８（絶縁部材１０８）が嵌め込まれている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５０９２８号公報（図１、図１０参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来型ガスセンサ１０１においては、検出素子１０６を主体金具１１０に保持するための加締め作業を経て、外筒１０３を主体金具に組みつける作業を実行する必要がある。
【０００８】
具体的には、主体金具１１０に外筒１０３を組み付けた後では、薄肉部１１７が外筒１０３に覆われてしまい、薄肉部１１７の加締め作業ができないため、主体金具１１０に対する外筒１０３の組み付け作業の前に、検出素子１０６を主体金具１１０に固定するための加締め作業を行う必要がある。
【０００９】
そのため、組立作業が煩雑になると共に、全体としての作業時間が長くなるという問題がある。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができるセンサ、およびそのようなセンサの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、挿通孔の内面から径方向内向きに突出する検出素子の鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から検出部の少なくとも一部が突出する状態で検出素子を保持する主体金具と、検出素子を保持した主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、外筒の後端部に内挿され、外部から外筒の内側にリード線を導入し、リード線と電気的に接続された端子部を検出素子に導通させた状態で保持すると共に、端子部と外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、を備えるセンサであって、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうち、鍔部よりも後端側に配置されて、検出素子と主体金具とを接合するロー材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうちロー材の後端側に配置されて、ロー材を挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に配置されて、後端側封止部材を棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材とを備えることを特徴とする。
【００１１】
このセンサは、主体金具に対して検出素子を固定するにあたり、加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造を採用して構成されている。そして、ロー付け接合作業は、ロー材を加熱溶融することで実行される作業であり、ロー材に対して熱を加えることができれば、直接ロー材に接触することなく実行することができる。
【００１２】
つまり、このセンサは、外筒を主体金具に組み付けた状態であっても、例えば、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を実行することができる。このため、このセンサは、検出素子と主体金具との固定作業を経た上で、主体金具と外筒との固定作業を行う必要が無い。
【００１３】
また、このセンサは、主体金具と検出素子との間に配置されるロー材の後端側に位置する後端側封止部材の後端面と、外筒の段差部または内側凸部との間に、後端側封止部材を押圧する押圧部材を備えており、ロー付け接合作業により溶融状態となったロー材に対して、押圧部材の弾性力による圧力が印加される。これにより、溶融状態のロー材が、検出素子の外周表面と主体金具の挿通孔の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、ロー材と検出素子の接合状態、およびロー材と主体金具との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子と主体金具との接合状態が強固になる。
【００１４】
よって、本発明（請求項１）のセンサによれば、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、押圧部材によるロー材への圧力印加により、検出素子と主体金具との接合状態を強固にすることができるため、主体金具に対する検出素子のロー付けによる接合強度が低下するのを防止できる。
【００１５】
押圧部材は、センサの長手方向に伸縮可能に構成されていればよく、環状に形成することもできるし、周方向に部分的に配置可能となるように構成することもできる。押圧部材の具体例としては、線状部材を螺旋状に巻回したバネ部材を挙げることができる。なお、押圧部材は、後端側封止部材を棚部に向けて押圧可能な状態で、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に位置すれば良く、押圧部材が、該段差部または内側凸部、後端側封止部材の後端面に当接している必要はない。例えば、センサがリード線と接続される端子部を保持するセラミックセパレータを備え、そのセラミックセパレータの外周面から径方向外側に向かって突出するフランジ部が外筒の段差部または内側凸部の内面に当接する構造である場合には、押圧部材の後端部をセラミックセパレータのフランジ部の先端面あるいはセラミックセパレータ自身の先端面に当接させた状態として、押圧部材を外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に位置させても良い。
【００１６】
また、本発明では、検出素子における鍔部を主体金具の棚部に当接させた状態で、検出素子を主体金具に支持させてもよいが、センサの気密性をより向上させるために、検出素子における鍔部を先端側封止部材（具体的には、線パッキンまたは板パッキンといったパッキン単体や、該パッキンとセラミック製の支持部材とを組み合わせた部材）を介して、主体金具の棚部に支持させてもよい。さらに、検出素子における鍔部を主体金具の棚部に当接させつつ、ロー材よりも先端側における鍔部の外側面と主体金具の内面との隙間に線パッキンまたは板パッキンを設けてもよい。
【００１７】
センサは、測定対象物の物理量として温度を検出する際には、検出素子として、温度に応じた検出信号を出力する温度検出素子を用いて構成され、測定対象物の物理量として特定ガスの濃度あるいは濃度変化を検出する際には、検出素子として、特定ガスの濃度あるいは濃度変化に応じた検出信号を出力するガス検出素子を用いて構成される。
【００１８】
長尺形状の検出素子としては、有底筒状（カップ形状）に形成されたもの、板型形状に形成されたものなどが挙げられる。また、検出素子は、固体電解質体としてジルコニアを用いて形成されるものに限定されることはなく、ジルコニアとアルミナからなる固体電解質体（例えば、ジルコニアとアルミナの合計量を１００ｗｔ％とした場合に、アルミナを１０〜８０ｗｔ％の範囲内で含有させる固体電解質体）から形成されていてもよい。
【００１９】
さらに、検出素子は、主体となる検出部を有する長尺形状部分と、その長尺形状部分の外周側面から突出する鍔部とが同種の材料で形成されるものに限ることはない。
例えば、請求項２に記載のように、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有し、後端側に測定対象物の物理量に応じた検出信号を出力する電極端子を有する長板形状に形成された板型検出素子と、板型検出素子を挿通可能な中空部を有する筒状に形成され、板型検出素子の径方向周囲を取り囲む状態で板型検出素子と一体に接合される金属ホルダと、を備えて構成される検出素子を用いて、センサを構成しても良い。
【００２０】
なお、この検出素子においては、金属ホルダが鍔部として備えられることになり、また、板型検出素子と金属ホルダとの接合は、ロー付け接合や、ガラス封着による接合などを用いることができる。
次に、上記目的を達成するためになされた請求項３に記載の発明方法は、先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、挿通孔の内面から径方向内向きに突出する検出素子の前記鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から検出部の少なくとも一部が突出する状態で検出素子を保持する主体金具と、検出素子を保持した主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、外筒の後端部に内挿され、外部から外筒の内側にリード線を導入し、リード線と電気的に接続された端子部を検出素子に導通させた状態で保持すると共に、端子部と外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうち、鍔部よりも後端側に配置されて、検出素子と主体金具とを接合するロー材と、検出素子の外周表面と挿通孔の内面との間のうちロー材の後端側に配置されて、ロー材を挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に配置されて、後端側封止部材を棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材と、を備えるセンサを製造するためのセンサ製造方法であって、鍔部が棚部に支持されるように主体金具の挿通孔に検出素子を挿入し、挿通孔の内面と検出素子の外周面との間に、ロー材、後端側封止部材を配置する第１工程と、検出素子に端子部を接続し、外筒の段差部または内側凸部と後端側封止部材の後端面との間に押圧部材を配置するように、絶縁部材が内挿された外筒を主体金具の後端側に固定する第２工程と、ロー材を加熱溶融して検出素子と主体金具とをロー付け接合する第３工程と、を有することを特徴とするセンサ製造方法である。
【００２１】
このセンサ製造方法は、主体金具に対する検出素子の固定構造が加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造である。
つまり、このセンサ製造方法では、外筒を主体金具に組みつけた後に、例えば、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を（第３工程）を実行している。このため、検出素子と主体金具との固定作業を経た上で、主体金具と外筒との固定作業を行う必要がない。
【００２２】
また、このセンサ製造方法においては、ロー付け接合作業により溶融状態となったロー材が、押圧部材の弾性力による圧力が後端側封止部材を介して印加されることにより、検出素子の外周表面と主体金具の挿通孔の内面との間に隙間無く隅々まで充填される。このため、ロー材と検出素子の接合状態、およびロー材と主体金具との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子と主体金具との接合状態が強固になる。
【００２３】
よって、本発明（請求項３）のセンサ製造方法によれば、センサの組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、押圧部材によるロー材への圧力印加により、検出素子と主体金具との接合状態を強固にすることができるため、２つの固定作業を同時に行うことに伴い主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
【００２４】
なお、第３工程における検出素子と主体金具とのロー付け接合作業は、上述したように、主体金具を介した熱伝導によりロー材を加熱溶融することで実行できる。また、主体金具と外筒との組みつけ（固定）には、例えば、ロー付け接合、レーザ溶接または加締め加工、圧入などを用いることができる。主体金具と外筒とをロー付け接合する場合には、各部の加熱作業を同時に行うことができ、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業と、主体金具と外筒とのロー付け接合作業とを同時に実行できるため、さらに作業の簡略化を図ることができる。
【００２５】
そして、このセンサ製造方法は、上述の請求項１または請求項２に記載のセンサの製造方法として利用することができる。
次に、上述（請求項３）のセンサ製造方法は、例えば、請求項４に記載のように、第３工程において、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業を行うにあたり、ロー材の近傍部分を加熱し、ロー材以外の部分のうち少なくとも絶縁部材を含む部分を冷却するとよい。
【００２６】
つまり、センサの構成部材の中には、高温になると破損あるいは変形する部材があり、ロー付け作業用の熱量の供給により、そのような高温環境に弱い部材の温度が上昇するのを防止する必要がある。そして、この高温環境に弱い部材として、外筒の後端部に内挿される絶縁部材（通常は、シリコンゴムやフッ素ゴム等から構成される）が挙げられる。そのため、ロー材以外の部分で、かつ高温環境に弱い部材が配置されている部分については、ロー付け作業時には、冷却することにより高温になるのを防止すると良い。
【００２７】
なお、冷却方法としては、例えば、冷却対象部分に冷却風を吹き付けて温度を低下させる空冷方式の冷却方法を用いることができる。
よって、本発明方法（請求項４）によれば、ロー付け作業を行うにあたり、センサを構成する部材が高温により破損するのを防止することができ、センサの品質低下を防ぐことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用したセンサの実施例を図面と共に説明する。
本実施例は、ガスセンサの一種である酸素センサ１であり、図１に酸素センサ１の全体構成を表す断面図を示す。なお、以下の説明においては、酸素センサ１のうち、図１における下端側が上記各請求項でいう「ガスセンサの先端側」に相当し、同様に、酸素センサ１の図１における上端側が「ガスセンサの後端側」に相当する。
【００２９】
図１に示すように、酸素センサ１は、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた有底筒状に形成された検出素子２，検出素子２の有底孔４１に配置された軸状のセラミックヒータ３，酸素センサ１の内部構造物を収容すると共に酸素センサ１を排気管等の取付部に固定するケーシング４などを備えて構成されている。
【００３０】
検出素子２の有底孔４１の内面には、そのほぼ全面を覆うように、ＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された内部電極４８が形成され、外面のうち先端側（図中の下側）に同様な外部電極４６が形成されている。また、検出素子２は、自身の長手方向略中間位置の外周表面から径方向外向きに突出する鍔部２６を有して構成されている。そして、検出素子２は、先端側に配置される外部電極４６、内部電極４８および固体電解質体により構成され、測定対象物（排気ガス）にさらされることになる検出部２５を有している。
【００３１】
ここで、図６に、図１に示す酸素センサ１に備えられる検出素子２の外観を表す斜視図を示す。
検出素子２の外面には、図６に示すように、後端側（図６における上側）に導電層４７が周方向に沿って帯状に形成され、外部電極４６が鍔部２６よりも先端側の全面を覆うように形成されており、さらに、導電層４７と外部電極４６とが直線状の接続パターン層４４を介して電気的に接続されている。ここで、検出素子２の外面のうち鍔部２６よりも後端側においては、後述するように素子側ロー付け面２８が形成されることになるが、本実施例では、接続パターン層４４と後述する充填部材５２（ロー材）とが直接接触することがない（換言すれば、外部電極４６と主体金具５とが充填部材５２を介して短絡することがない）ように、接続パターン層４４のうちで素子側ロー付け面２８に位置する部分には、絶縁性のガラス層４５により被覆されている。
【００３２】
ケーシング４は、検出素子２を保持すると共にその先端側にある検出部２５を排気管等の内部に突出させる主体金具５と、主体金具５の後端部（図１では上側の端部）に組み付けられ、検出素子２との間で基準ガス空間を形成する外筒６とを備えて構成されている。
【００３３】
主体金具５は、検出素子２を挿通するよう先端側から後端側にかけて貫通する挿通孔５０と、検出部２５を有する先端側から挿通孔５０に挿通された検出素子２の鍔部２６を支持する棚部５４とを有する略円筒型形状に形成されている。そして、主体金具５は、検出部２５および後端部が挿通孔５０の外部に露出する状態で検出素子２を保持可能に構成されている。
【００３４】
主体金具５にて検出素子２を保持するにあたり、挿通孔５０の内部には、検出素子２を先端側（図中下側）から支持するセラミックス材料からなる支持部材５１，支持部材５１の後端側（図中上側）に充填される共晶ロー（ＢＡｇ８：Ａｇ−Ｃｕ系ロー材）からなる充填部材５２，および充填部材５２の後端側に配置されるセラミックス材料からなるスリーブ５３が同軸状に配置される。
【００３５】
すなわち、支持部材５１は、略円筒状に形成され、主体金具５の挿通孔５０の内周に形成される棚部５４にリング５５を介して係止されると共に、検出素子２の鍔部２６を先端側（図中下側）から支持する。なお、検出素子２の鍔部２６は、支持部材５１にパッキン５６を介して係止される。そして、充填部材５２は、支持部材５１の後端側における主体金具５の挿通孔５０の内周面と検出素子２の外周面との間に配設され、さらに、スリーブ５３は、略円筒状に形成され、充填部材５２の後端側に配設される。
【００３６】
なお、主体金具５の挿通孔５０の内面のうち充填部材５２に当接する部分に、金具側ロー付け面３２が形成されており、検出素子２の外周面のうち充填部材５２に当接する部分に、素子側ロー付け面２８が形成されている。
スリーブ５３は、後述するコイルバネ９により先端側に付勢されており、充填部材５２に対して圧力を印加している。このため、加熱により溶融状態となった充填部材５２は、スリーブ５３からの加圧により、挿通孔５０の内周面と検出素子２の外周面との間の隅々まで充填される。そして、温度低下により凝固した充填部材５２は、検出素子２および主体金具５（詳細には挿通孔５０の内面）とそれぞれ強固に接合され、ひいては、検出素子２と主体金具５とが強固に接合される。なお、支持部材５１およびスリーブ５３は、溶融状態の充填部材５２が挿通孔５０から外部に漏洩しないように、充填部材５２を挿通孔５０の内部に封止可能な形状に構成されている。また、溶融状態の充填部材５２は、パッキン５６によって検出素子２と支持部材５１との間から漏れるのが確実に抑制される。
【００３７】
なお、充填部材５２を構成するＢＡｇ８は、溶融温度が約８００［℃］であり、ロー付け作業後の耐熱温度が５００〜６００［℃］程度となる特性を示す共晶ロー材である。
また、酸素センサ１は、主体金具５の後端部を覆う略円筒状の外筒６を備えており、外筒６は、主体金具５との間に基準ガス空間（内部空間）を形成している。外筒６は、その軸方向略中央部を境界として後端側部６５の径方向寸法（外径）が先端側部６４よりも縮径して形成されると共に、先端側部６４と後端側部６５とを繋ぐ段差部６１が形成されている。なお、段差部６１は、後述するセパレータ７のフランジ部７１を係止可能に形成されている。外筒６の後端部（図中の上端部）には、後述するシール部材１１の後端縁（上端縁）を覆うように内方に屈曲した肩部６２が設けられ、その端縁により上端開口部６３が形成されている。
【００３８】
外筒６の上端開口部６３には、検出素子２の電極４６，４８に夫々接続されるリード線２１，２２およびセラミックヒータ３に接続される一対のリード線を夫々外部から外筒６（酸素センサ１）の内部に導入すると共に、外筒６の内部への水分や油分の侵入を防止するシールユニット１０が設けられている。
【００３９】
このシールユニット１０は、フッ素ゴムからなる円柱状のシール部材１１と、このシール部材１１の中央を軸方向に貫通する貫通孔１４に嵌挿可能な筒状挿入部材３０と、この筒状挿入部材３０の上端部を覆うと共に、これらシール部材１１の貫通孔１４の内周面と筒状挿入部材３０の外周面との間に挟持されて固定されるシート状の通気フィルタ４０とから構成されている。シールユニット１０は、リード線２１，２２などを挿通した状態で外筒６の先端側の開口部から上端開口部６３の内側に配置された状態のシール部材１１が、外筒６と共に径方向内側に加締められることにより、外筒６に固定される。これにより、外筒６およびシール部材１１が密着し、そのシール性がより確実なものとなる。
【００４０】
また、外筒６の内部に組み付けられたシール部材１１の先端側には、セラミックで筒状に形成された絶縁性のセパレータ７が内挿されている。このセパレータ７は、略円筒形状の本体を有し、その本体先端部の外周面には径方向外側に突出したフランジ部７１が周設され、その先端面には先端方向に突出した環状突部７２が形成されている。フランジ部７１は、その外径が先端側になるほど大きくなるようにテーパ状の当接部７３を有し、この当接部７３が外筒６の段差部６１に係止されている。セパレータ７は、各リード線２１，２２と電気的に接続された端子部８を検出素子２の電極４６，４８に接続させた状態で保持すると共に、セラミックヒータ３と電気的に接続する一対のリード線とそれぞれ接続されるヒータ端子部３６（もう一方は、図示せず）を保持し、端子部８と外筒６とを、また、端子部８とヒータ端子部３６とを電気的に絶縁している。
【００４１】
そして、主体金具５とセパレータ７との間には、コイルバネ９（押圧部材）が介装されており、コイルバネ９は、主体金具５の挿通孔５０に配置されるスリーブ５３を棚部５４に向けて押圧している。コイルバネ９は、一端が、スリーブ５３に直接接触し、他端が、セパレータ７の環状突部７２の内側に位置するセパレータ７の先端面７４（下端面７４）に直接接触している。なお、コイルバネ９は、検出素子２の外面、端子部８、ヒータ端子部３６と接することがないように、寸法が適宜調整されている。
【００４２】
外筒６は、その下端開口端部が径方向内側に加締められ、全周レーザ溶接されることにより、主体金具５に対して装着されている。また、主体金具５の下端側外周には、検出素子２の突出部分（検出部２５）を覆うと共に、測定対象ガスを導入するための複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。
【００４３】
次に、本実施例の酸素センサ１の製造方法について説明する。
酸素センサ１の製造方法は、主体金具５の挿通孔５０に検出素子２を挿入配置するための第１工程と、外筒６を主体金具５の後端側に固定するための第２工程と、検出素子２と主体金具５とをロー付け接合する第３工程と、を有している。
【００４４】
第１工程では、主体金具５の挿通孔５０の内面と検出素子２の外周面との間に、リング５５、支持部材５１、パッキン５６、充填部材５２、スリーブ５３を配置しつつ、鍔部２６がパッキン５６、支持部材５１、リング５５を介して棚部５４に支持されるように、主体金具５の挿通孔５０に検出素子２を配置させる。
【００４５】
次に、第２工程では、まず、検出素子２の電極４６、４８（詳細には、導電層４７および内部電極４８）に端子部８を接続し、外筒６の内側に配置させたセパレータ７の先端面７４とスリーブ５３との間にコイルバネ９を配置するように、セパレータ７およびシールユニット１０が内装された外筒６を、主体金具５の後端側に取り付ける。このとき、セパレータ７の内側に配置されるセラミックヒータ３が、検出素子２の有底孔４１に挿入される。続いて、外筒６と主体金具５とを加締め固定するための先端側加締め作業と、外筒６とシール部材１１とを加締め固定するための後端側加締め作業とを実行する。先端側加締め作業は、外筒６の先端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、外筒６が主体金具５に固定される。また、後端側加締め作業は、外筒６の後端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、シールユニット１０を備えるシール部材１１が外筒６に固定される。
【００４６】
続いて、第３工程では、第１工程および第２工程を経て各部材が組みつけられた後、主体金具５と検出素子２をロー付け接合するためのロー付け作業を行う。ロー付け作業は、主体金具５に対して熱を加えて、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２を８００［℃］程度まで加熱すると共に、外筒６の後端部分に冷却風を当てることで行われる。加熱されて溶融した充填部材５２は、コイルバネ９の弾性力によりスリーブ５３から押圧されるため、金具側ロー付け面３２、素子側ロー付け面２８、支持部材５１およびスリーブ５３に囲まれる領域の隅々まで充填される。他方、外筒６の後端側の内部に配置されるシールユニット１０、シール部材１１などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温による破損から保護される。なお、ロー付け作業時には、検出素子２の内部に配置されたセラミックヒータ３に通電してセラミックヒータ３を発熱させることで、充填部材５２のうち、検出素子２の近傍の温度を主体金具５の近傍部分の温度よりも５［℃］以上高温となるように制御している。
【００４７】
充填部材５２に対する加熱作業が終了した後、所定の冷却期間にわたり冷却された充填部材５２が凝固すると、充填部材５２により検出素子２と主体金具５とがロー付け接合される。
以上に説明したように、本実施例（以下、第１実施例ともいう）の酸素センサ１は、主体金具５に対して検出素子２を固定するにあたり、加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造を採用して構成されている。そして、ロー付け接合作業は、充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで実行される作業であり、ロー材に直接接触することなく実行することができる。
【００４８】
つまり、この酸素センサ１は、外筒６を主体金具５に組み付けた状態であっても、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を実行することができる。このため、酸素センサ１は、検出素子２と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と外筒６との接合作業を行う必要がない。
【００４９】
また、酸素センサ１は、スリーブ５３を棚部５４に向けて押圧するコイルバネ９を備えており、ロー付け接合作業により溶融状態となった充填部材５２に対して、コイルバネ９の弾性力による圧力が印加される。これにより、溶融状態の充填部材５２が、検出素子２の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、充填部材５２と検出素子２の接合状態、および充填部材５２と主体金具５との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子２と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００５０】
よって、本実施例の酸素センサ１によれば、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。また、コイルバネ９による充填部材５２（ロー材）への圧力印加により、検出素子２と主体金具５との接合状態を強固にすることができるため、主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
【００５１】
また、この酸素センサ１のセンサ製造方法は、主体金具５に対する検出素子２の固定構造が加締めによる固定構造ではなく、ロー付け接合による固定構造である。
つまり、このセンサ製造方法では、外筒６を主体金具５に組みつけた後に、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２（ロー材）を加熱溶融することで、ロー付け接合作業を（第３工程）を実行している。このため、検出素子２と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と外筒６との固定作業を行う必要がない。
【００５２】
また、このセンサ製造方法においては、ロー付け接合作業により溶融状態となった充填部材５２（ロー材）が、コイルバネ９の弾性力による圧力がスリーブ５３を介して印加されることにより、検出素子２の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填される。このため、充填部材５２と検出素子２の接合状態、および充填部材５２と主体金具５との接合状態が強固となり、ひいては、検出素子２と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００５３】
よって、本実施例のセンサ製造方法によれば、センサの組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができる。
また、本実施例のセンサ製造方法では、第３工程において、検出素子２と主体金具５とのロー付け接合作業を行うにあたり、主体金具５を介して充填部材５２（ロー材）の近傍部分を加熱すると共に、外筒６の後端部分に冷却風を吹き付ける冷却作業を実施している。
【００５４】
なお、上述したように、加熱されて溶融した充填部材５２は、コイルバネ９の弾性力によりスリーブ５３から押圧されるため、挿通孔５０の内周面、検出素子２の外周面、支持部材５１およびスリーブ５３に囲まれる領域の隅々まで充填される。
【００５５】
他方、外筒６の後端側の内部に配置されているシールユニット１０およびセパレータ７などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温になることでの変形や破損から保護される。
よって、本実施例のセンサ製造方法によれば、ロー付け作業を行うにあたり、酸素センサを構成する部材が高温により変形あるいは破損するのを防止することができ、酸素センサの品質低下を防ぐことができる。
【００５６】
なお、第１実施例の酸素センサ１においては、シールユニット１０が、特許請求の範囲に記載の絶縁部材に相当し、充填部材５２がロー材に相当し、スリーブ５３が後端側封止部材に相当し、コイルバネ９が押圧部材に相当する。
次に、第２実施例として、板型検出素子と金属ホルダを備える第２酸素センサ８５について、説明する。
【００５７】
第２酸素センサ８５の全体構成を表す断面図を図２に示す。なお、以下の説明においては、第２酸素センサ８５のうち、図２における下端側が上記各請求項でいう「ガスセンサの先端側」に相当し、同様に、第２酸素センサ８５の図２における上端側が「ガスセンサの後端側」に相当する。
【００５８】
図２に示すように、第２酸素センサ８５は、板型検出素子９６と、金属ホルダ９３と，第２酸素センサ８５の内部構造物とを収容すると共に、第２酸素センサ８５を排気管等の取付部に固定する第２ケーシング８７などを備えて構成されている。
【００５９】
板型検出素子９６は、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）を主成分とする固体電解質体により板型形状に形成されると共に、先端側（図中の下側）に排気ガス（測定対象物）にさらされる検出部９９を有し、後端側（図中の上側）に排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力するための検出部９９を構成する一対の電極部と接続された一対の電極端子９７を有して構成されている。また、板型検出素子９６は、内部にヒータ（図示省略）を備えており、一対のヒータ端子９８を通じて供給される電力よりヒータが発熱することで、固体電解質体を活性化温度に加熱・維持するよう構成されている。
【００６０】
金属ホルダ９３は、図３にも示すように、固定用ロー材１３５を収容可能な有底筒状に形成されると共に底面に板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有するホルダ本体部９５と、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有すると共にホルダ本体部９５の開口面に当接可能なホルダ蓋部９４と、を備えて構成されている。
【００６１】
図３に、板型検出素子９６が挿通された金属ホルダ９３の分解斜視図および断面図を示す。
図３に示すように、金属ホルダ９３は、ホルダ本体部９５の底面の中空部に板型検出素子９６が挿通され、内部に固定用ロー材１３５が配置される状態でホルダ蓋部９４が配置された後、固定用ロー材１３５が加熱溶融されてロー付け作業が行われることで、板型検出素子９６と一体に接合される。つまり、金属ホルダ９３は、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有する略環状に形成され、板型検出素子９６の長手方向略中間位置において径方向周囲を取り囲む状態で板型検出素子９６と一体に接合される。
【００６２】
なお、板型検出素子９６は、外面のうち固定用ロー材１３５との当接部分および充填部材５２との当接部分のそれぞれに、固定用ロー材１３５および充填部材５２と接合するための素子側ロー付け面４３が形成されている。
図２に戻り、第２ケーシング８７は、板型検出素子９６と接合された金属ホルダ９３を保持すると共に、板型検出素子９６の先端側にある検出部９９を排気管等の内部に突出させる主体金具５と、主体金具５の後端部（図２では上側の端部）に組み付けられ、板型検出素子９６との間で基準ガス空間を形成する第２外筒８９とから構成されている。
【００６３】
主体金具５は、第１実施例と同様の構成であり、挿通孔５０と棚部５４とを有する略円筒型形状に形成されており、検出部９９および電極端子９７が挿通孔５０の外部に露出する状態で板型検出素子９６を保持可能に構成されている。
主体金具５にて板型検出素子９６を保持するにあたり、挿通孔５０の内部には、板型検出素子９６と接合された金属ホルダ９３を先端側（図中下側）から支持するセラミックス材料からなる第２支持部材９０，第２支持部材９０の後端側（図中上側）に充填される共晶ロー（ＢＡｇ８：Ａｇ−Ｃｕ系ロー材）からなる充填部材５２，および充填部材５２の後端側に配置されるセラミックス材料からなる第２スリーブ９２が同軸状に配置される。
【００６４】
すなわち、第２支持部材９０は、略円筒状に形成され、主体金具５の挿通孔５０の内周に形成される棚部５４にリング５５を介して係止されると共に、金属ホルダ９３を先端側（図中下側）から支持する。そして、充填部材５２は、第２支持部材９０の後端側における主体金具５の挿通孔５０の内周面と板型検出素子９６の外周面との間に配設され、さらに、第２スリーブ９２は、略円筒状に形成され、充填部材５２の後端側に配設される。
【００６５】
第２スリーブ９２は、後述する第２コイルバネ１３６により先端側に付勢されており、充填部材５２に対して圧力を印加している。このため、加熱により溶融状態となった充填部材５２は、第２スリーブ９２からの加圧により、挿通孔５０の内周面と板型検出素子９６の外周面との間の隅々まで充填される。そして、温度低下により凝固した充填部材５２は、板型検出素子９６および主体金具５（詳細には挿通孔５０の内面）とそれぞれ強固に接合され、ひいては、板型検出素子９６と主体金具５とが強固に接合される。なお、第２支持部材９０および第２スリーブ９２は、溶融状態の充填部材５２が挿通孔５０から外部に漏洩しないように、充填部材５２を挿通孔５０の内部に封止可能な形状に構成されている。
【００６６】
また、第２酸素センサ８５は、主体金具５の後端部を覆う略円筒状の第２外筒８９を備えており、第２外筒８９は、主体金具５との間にコンタクト部材１３０などを収容する内部空間を形成している。第２外筒８９は、その軸方向略中央部を境界として後端側の径方向寸法が先端側よりも縮径して形成されており、この径方向寸法の変更部分の内壁には、先端側に対向する段差部６１が形成されている。なお、段差部６１は、後述する第２コイルバネ１３６の一端を係止可能に形成されている。
【００６７】
第２外筒８９の上端開口部６３には、板型検出素子９６の電極端子９７に接続される一対のリード線２１と、ヒータ端子９８に接続される一対のリード線２２とを夫々外部から第２外筒８９（第２酸素センサ８５）の内部に導入する略円柱状のフッ素ゴムからなるグロメット１２０が備えられている。グロメット１２０は、リード線２１，２２などを挿通した状態で第２外筒８９の先端側の開口部から上端開口部６３の内側に配置されたあと、第２外筒８９と共に径方向内側に加締められることにより、第２外筒８９に固定される。
【００６８】
また、第２外筒８９の内部に組み付けられたグロメット１２０の先端側には、リード線２１，２２と電気的に接続された４本のリードフレーム１３１を、板型検出素子９６の電極端子９７，ヒータ端子９８に接続させるためのコンタクト部材１３０が配置されている。コンタクト部材１３０は、各リードフレーム１３１が電極端子９７ないしヒータ端子９８に接触する状態の板型検出素子９６を、一対の絶縁性ハウジング１３２で挟持するよう構成されている。また、コンタクト部材１３０は、リードフレーム１３１と第２外筒８９とを電気的に絶縁している。
【００６９】
そして、主体金具５と第２外筒８９との間には、先端側（主体金具側）の径寸法が小さく、後端側（第２外筒側）の径寸法が大きくなるようテーパ状に形成された第２コイルバネ１３６（押圧部材）が介装されており、第２コイルバネ１３６は、主体金具５の挿通孔５０に配置される第２スリーブ９２を棚部５４に向けて押圧している。第２コイルバネ１３６は、一端が、第２スリーブ９２に直接接触し、他端が、第２外筒８９の段差部６１に直接接触している。なお、第２コイルバネ１３６は、板型検出素子９６の外面、コンタクト部材１３０と接することがないように、寸法が適宜調整されている。
【００７０】
第２外筒８９は、その下端開口端部が径方向内側に加締められることにより主体金具５に対して装着されている。また、主体金具５の下端側外周には、板型検出素子９６の突出部分（検出部９９）を覆うと共に、測定対象ガスを導入するための複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ８１，８２が溶接によって取り付けられている。
【００７１】
次に、本実施例の第２酸素センサ８５の製造方法について説明する。
第２酸素センサ８５の製造方法は、第１実施例の酸素センサ１と同様に、板型検出素子９６および金属ホルダ９３を挿入配置するための第１工程と、第２外筒８９を主体金具５の後端側に固定するための第２工程と、板型検出素子９６および金属ホルダ９３と主体金具５とをロー付け接合する第３工程と、を有している。
【００７２】
第１工程では、主体金具５の挿通孔５０の内面と、板型検出素子９６およびこの板型検出素子９６とロー付け接合された金属ホルダ９３の外周面との間に、リング５５、第２支持部材９０、充填部材５２、第２スリーブ９２を配置しつつ、金属ホルダ９３が第２支持部材９０、リング５５を介して棚部５４に支持されるように、主体金具５の挿通孔５０に板型検出素子９６を配置させる。
【００７３】
次に、第２工程では、まず、コンタクト部材１３０を用いて板型検出素子９６の電極端子９７、ヒータ端子９８にリードフレーム１３１を接続し、第２外筒８９の段差部６１の内面と第２スリーブ９２との間に第２コイルバネ１３６を配置するように、グロメット１２０およびコンタクト部材１３０が内挿された第２外筒８９を主体金具５の後端側に取り付ける。続いて、第２外筒８９と主体金具５とを加締め固定するための先端側加締め作業と、第２外筒８９とグロメット１２０とを加締め固定するための後端側加締め作業とを実行する。先端側加締め作業は、第２外筒８９の先端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、第２外筒８９が主体金具５に固定される。また、後端側加締め作業は、第２外筒８９の後端部分を径方向内側に向けて加締めることで行われ、この結果、グロメット１２０が第２外筒８９に固定される。
【００７４】
続いて、第３工程では、第１工程および第２工程を経て各部材が組みつけられた後、主体金具５と板型検出素子９６をロー付け接合するためのロー付け作業を行う。ロー付け作業は、主体金具５に対して熱を加えて、主体金具５を介した熱伝導により充填部材５２を８００［℃］程度まで加熱すると共に、第２外筒８９の後端部分に冷却風を当てることで行われる。加熱されて溶融した充填部材５２は、第２コイルバネ１３６の弾性力により第２スリーブ９２から押圧されるため、金具側ロー付け面３２、素子側ロー付け面４３、第２支持部材９０および第２スリーブ９２に囲まれる領域の隅々まで充填される。他方、第２外筒８９の後端側の内部に配置されるグロメット１２０などは、冷却風により冷却されることから、充填部材５２よりも低い温度に維持されるため、高温による破損から保護される。なお、ロー付け作業時には、板型検出素子９６の内部に配置されたヒータ（図示省略）に対してヒータ端子９８を通じて電力供給を行い、そのヒータを発熱させることで、充填部材５２のうち、板型検出素子９６の近傍の温度を主体金具５の近傍部分の温度よりも５［℃］以上高温となるように制御している。
【００７５】
充填部材５２に対する加熱作業が終了した後、所定の冷却期間にわたり冷却された充填部材５２が凝固すると、金属ホルダ９３にロー付け接合された板型検出素子９６と主体金具５とが充填部材５２によりロー付け接合される。
以上に説明したように、第２実施例の第２酸素センサ８５は、第１実施例の酸素センサ１と同様に、主体金具５に対して板型検出素子９６を固定するにあたり、ロー付け接合による固定構造を採用しており、板型検出素子９６と主体金具５との固定作業を経た上で、主体金具５と第２外筒８９との固定作業を実行する必要がない。
【００７６】
さらに、第２酸素センサ８５は、酸素センサ１と同様に、第２スリーブ９２を棚部５４に向けて押圧する第２コイルバネ１３６を備えており、溶融状態の充填部材５２が板型検出素子９６の外周表面と主体金具５の挿通孔５０の内面との間に隙間無く隅々まで充填されることから、板型検出素子９６と主体金具５との接合状態が強固になる。
【００７７】
よって、第２実施例の第２酸素センサ８５によれば、第１実施例の酸素センサ１と同様に、組立作業の煩雑さを軽減でき、作業時間の短縮を図ることができると共に、主体金具に対する検出素子の固定強度が低下するのを防止できる。
このことから、本発明および本発明方法は、検出素子として、第１実施例に示すような固体電解質体により先端が閉じた中空長軸状に形成されたものに限らず、板型検出素子９６に金属ホルダ９３が取り付けられて形成されたものを採用することができる。
【００７８】
なお、第２実施例の第２酸素センサ８５においては、グロメット１２０が、特許請求の範囲に記載の絶縁部材に相当し、充填部材５２がロー材に相当し、第２スリーブ９２が後端側封止部材に相当し、第２コイルバネ１３６が押圧部材に相当する。
【００７９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、充填部材として用いるロー材は、ＢＡｇ８に限ることはなく、ＢＡｇ９（Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系ロー材）やパラジウム系ロー材（Ｐｄロー）など、ロー付け後の強度が低下し難く、ロー付け後の耐熱温度が５００〜６００［℃］程度となる特性を有する共晶ロー材を用いることができる。
【００８０】
さらに、ロー材（充填部材）に対して圧力を印加するための弾性部材は、コイルバネに限ることはなく、ロー付け作業時に溶融状態となったロー材に対して圧力を印加できる弾性部材であれば、板バネなど他の弾性部材を用いてもよい。
また、外筒と主体金具との接合は、加締めによる接合に限ることはなく、ロー付け接合やレーザー溶接、圧入など他の接合方法を用いてもよい。主体金具と外筒とをロー付け接合する場合には、１回の加熱作業により、検出素子と主体金具とのロー付け接合作業と、主体金具と外筒とのロー付け接合作業とを同時に実行できるため、さらに作業の簡略化を図ることができる。
【００８１】
さらに、センサは、酸素検出を行う酸素センサに限ることはなく、温度に応じた検出信号を出力する温度検出素子を備えて構成された温度を検出するセンサに対して本発明を適用することも可能である。
また、金属ホルダは、図３に示す金属ホルダ９３のような複数の部材で構成されるものに限ることはなく、図４に斜視図として示す金属ホルダ１３８のような単一の部材で構成されるものでも良い。金属ホルダ１３８は、板型検出素子９６を挿通可能な中空部を有する略環状に形成され、板型検出素子９６の径方向周囲を取り囲む状態で、ロー材１３９を用いたロー付け接合により板型検出素子９６と一体に接合されて、検出素子を構成する。なお、金属ホルダと板型検出素子との接合は、ロー付け接合に限ることはなく、例えば、ガラス封着による接合など、他の接合方法を用いることもできる。
【００８２】
さらに、コイルバネ９、第２コイルバネ１３６は、外筒６の段差部６１とスリーブ５３との間、または第２外筒８９の段差部６１と第２スリーブ９２との間に配置されるものであった。しかし、外筒６または第２外筒８９に段差部６１を設けずに、外筒６または第２外筒８９に自身の内面から径方向内側に突出する内側凸部を形成し、この内側凸部とスリーブ５３（第２スリーブ９２）との間にコイルバネ９（第２コイルバネ１３６）を配置させるようにしてもよい。なお、この内側凸部としては、例えば、外筒６（第２外筒８９）の軸方向中間部分に周方向に均等に複数箇所（例えば、４箇所など）、径方向内側に凸部頂面が四角形状となって内面から突出する凸部として形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 酸素センサの全体構成を表す断面図である。
【図２】 第２酸素センサの全体構成を表す断面図である。
【図３】 第２検出素子の分解斜視図、および板型検出素子が挿通された金属ホルダの断面図である。
【図４】 単一の部材で構成される金属ホルダの斜視図である。
【図５】 従来型ガスセンサの全体構成を表す断面図である。
【図６】 図１に示す酸素センサに備えられる検出素子の外観を表す斜視図である。
【符号の説明】
１…酸素センサ、２…検出素子、５…主体金具、６…外筒、７…セパレータ、９…コイルバネ、１０…シールユニット、２６…鍔部、５０…挿通孔、５１…支持部材、５２…充填部材、５３…スリーブ、５４…棚部、６１…段差部、８５…第２酸素センサ、８９…第２外筒、９０…第２支持部材、９２…第２スリーブ、９３…金属ホルダ、９６…板型検出素子、１２０…グロメット、１３６…第２コイルバネ、１３８…金属ホルダ。
Claims (4)
- 先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、前記検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、前記挿通孔の内面から径方向内向きに突出する前記検出素子の前記鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から前記検出部の少なくとも一部が突出する状態で前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子を保持した前記主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、
前記外筒の後端部に内挿され、外部から前記外筒の内側にリード線を導入し、前記リード線と電気的に接続された端子部を前記検出素子に導通させた状態で保持すると共に、前記端子部と前記外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、
を備えるセンサであって、
前記検出素子の外周表面と前記挿通孔の内面との間のうち、前記鍔部よりも後端側に配置されて、前記検出素子と前記主体金具とを接合するロー材と、
前記検出素子の外周表面と前記挿通孔の内面との間のうち前記ロー材の後端側に配置されて、前記ロー材を前記挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、
前記外筒の前記段差部または前記内側凸部と前記後端側封止部材の後端面との間に配置されて、前記後端側封止部材を前記棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材と、
を備えることを特徴とするセンサ。 - 前記検出素子は、
先端側に測定対象物にさらされる検出部を有し、後端側に前記測定対象物の物理量に応じた検出信号を出力する電極端子を有する長板形状に形成された板型検出素子と、
前記板型検出素子を挿通可能な中空部を有する筒状に形成され、前記板型検出素子の径方向周囲を取り囲む状態で前記板型検出素子と一体に接合される金属ホルダと、を備えて構成され、
前記金属ホルダが前記鍔部として備えられること、
を特徴とする請求項１に記載のセンサ。 - 先端側に測定対象物にさらされる検出部を有する長尺形状に形成されると共に、前記検出部よりも後端側に位置する外周側面から径方向外向きに突出する鍔部を有する検出素子と、
前記検出素子を挿通可能な挿通孔を有すると共に、前記挿通孔の内面から径方向内向きに突出する前記検出素子の前記鍔部を支持するための棚部を有する筒型形状に形成され、自身の先端から前記検出部の少なくとも一部が突出する状態で前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子を保持した前記主体金具の後端側に組み付けられると共に、外径が異なる先端側部と後端側部とを繋ぐ段差部または内面から径方向内向きに突出する内側凸部を有する外筒と、
前記外筒の後端部に内挿され、外部から前記外筒の内側にリード線を導入し、前記リード線と電気的に接続された端子部を前記検出素子に導通させた状態で保持すると共に、前記端子部と前記外筒とを電気的に絶縁する絶縁部材と、
前記検出素子の外周表面と前記挿通孔の内面との間のうち、前記鍔部よりも後端側に配置されて、前記検出素子と前記主体金具とを接合するロー材と、
前記検出素子の外周表面と前記挿通孔の内面との間のうち前記ロー材の後端側に配置されて、前記ロー材を前記挿通孔の内部に封止する後端側封止部材と、
前記外筒の前記段差部または前記内側凸部と前記後端側封止部材の後端面との間に配置されて、前記後端側封止部材を前記棚部に向けて押圧する弾性材料からなる押圧部材と、
を備えるセンサを製造するためのセンサ製造方法であって、
前記鍔部が前記棚部に支持されるように前記主体金具の前記挿通孔に前記検出素子を挿入し、前記挿通孔の内面と前記検出素子の外周面との間に、前記ロー材、前記後端側封止部材を配置する第１工程と、
前記検出素子に前記端子部を接続し、前記外筒の前記段差部または前記内側凸部と前記後端側封止部材の後端面との間に前記押圧部材を配置するように、前記絶縁部材が内挿された前記外筒を前記主体金具の後端側に固定する第２工程と、前記ロー材を加熱溶融して前記検出素子と前記主体金具とをロー付け接合する第３工程と、
を有することを特徴とするセンサ製造方法。 - 前記請求項３に記載のセンサ製造方法であって、
前記第３工程において、前記検出素子と前記主体金具とのロー付け接合作業を行うにあたり、前記ロー材の近傍部分を加熱し、前記ロー材以外の部分のうち少なくとも前記絶縁部材を含む部分を冷却すること、
を特徴とするセンサ製造方法。
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