JP5207409B2 - センサの不良検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質層と一対の電極とを有するセンサ素子を備えたセンサの不良検知方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。これらのガスセンサはセンサ素子を有し、このセンサ素子からの出力に基づいて特定ガスの濃度検出を行っている。センサ素子としては、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の表面に一対の電極を形成してなるセルを少なくとも１つ以上備えた板状をなす構成が知られている。

図９は、板状のセンサ素子１００を有するガスセンサ（以下、単に「センサ」ともいう）１０００の構造を示す。センサ１０００は、センサ素子１００を組み付けたアッセンブリであり、センサ素子１００と、センサ１０００を取付対象体（自動車エンジンの排気管等）に装着するための主体金具２００と、を備えている。主体金具２００は内孔２８０が形成された略円筒状をなし、センサ素子１００の先端側（検出部１１０）を突出させた状態で、内孔２８０内にセンサ素子１００を保持している。センサ素子１００を主体金具２００内に保持するにあたっては、センサ素子１００の長手方向における所定位置に当該センサ素子１００に固定される鍔部ユニット４５０を形成し、この鍔部ユニット４５０を主体金具２００の内孔２８０に設けられた棚部９０に係止させる。なお、鍔部ユニット４５０は、棚部９０に当接する当接部２１５が先端側に形成された筒状の金属カップ２０５と、金属カップ２０５内に収容されたセラミックホルダ２１０と、セラミックホルダ２１０に積層され、金属カップ２０５内で圧縮充填され、センサ素子１００の外面と金属カップ２０５の内面とをシールする第１固定部材（具体的には、滑石粉末）２２０と、から構成される。

そして、鍔部ユニット４５０を棚部９０に係止させた状態で、内孔２８０に対し、センサ素子１００を取り囲むように、第２固定部材（具体的には、滑石粉末）２３０、セラミックスリーブ３００を配置し、金属パッキン３１０を介して主体金具２００の後端側を径方向内側に加締めることで、第２固定部材２３０を圧縮充填して、センサ素子１００を主体金具２００内に保持（固定）している。
さらに、ガスセンサ１０００では、主体金具２００の後端側外周に外筒８００が接合され、センサ素子１００の電極に端子電極を介して接続されたリード線６８０は、外筒８００の後端からグロメット７７０を介して外部に引き出されている。一方、主体金具２００の先端側外周には、センサ素子１００の検知部１１０を覆う金属製の外部プロテクタ４００および内部プロテクタ４１０が取り付けられている。

ところが、センサ素子１００を構成する固体電解質層等のセラミック層は脆いため、センサ１０００の組み立て時やセンサ１０００の出荷時等にセンサ素子１００に亀裂や折れが生じ、製品不良となることがある。このようなことから、圧力気体をセンサ１０００に導入して漏れをチェックしてセンサ不良を検知する方法が知られている。又、進展途中のセンサ素子１００の亀裂を検出する方法として、センサ１０００を加圧した際、亀裂が存在するとセンサ１０００の一部が変位することを利用し、センサ１０００の加圧荷重の変化率から亀裂を検出する技術が開示されている（特許文献１）。

特開２００６−３０１４０号公報

しかしながら、センサ素子１００の外面と、筒状金属体（金属カップ２１５及び主体金具２００）の内面との両面を、第１，第２固定部材２２０，２３０によってシールする構成のガスセンサ１０００では、センサ素子１００のうち、第１，第２固定部材２２０，２３０に取り囲まれた部分に折れが生じたとしても、不良検知が難しいという問題がある。

通常、センサ素子１００が折れると、例えば、固体電解質層上に設けられた一対の導体であって、第１，第２固定部材２２０，２３０に取り囲まれた位置を跨ぐようにして延びる導体も断線するので、一対の導体間の断線状態を検知することで、センサ素子１００の折れ等の破損の有無を判定できる。ところが、センサ素子１００のうち、第１，第２固定部材２２０，２３０に取り囲まれている部分では、センサ素子１００に折れが生じても、第１，第２固定部材２２０，２３０がセンサ素子１００の外面に密着する形で当該センサ素子１００を取り囲んでいる。そのため、断線した導体間に折れに起因する隙間が生じず、両者の接触が維持されることがあり、導通不良として検出できない場合がある。そして、センサ１０００の出荷後に排気管等の取付対象体に取付けて使用に供した場合に、振動や部材の熱膨張等によって導体の断線が顕在化し、導通不良が発覚する可能性がある。

そこで、本発明は、センサ素子と筒状金属体との間をシールする固定部材を、センサ素子の周囲を取り囲むように配置（介装）したセンサに対し、センサ素子の折れ等に起因した導体の断線を検知できるセンサの不良検知方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセンサの不良検知方法は、軸線方向に延びる固体電解質層を有するセルを少なくとも１つ以上含むセンサ素子と、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状金属体と、前記筒状金属体の内面と前記センサ素子の外面とのそれぞれに接してそれらをシールする固定部材とを備え、前記セルには、前記固定部材にて取り囲まれる位置を跨ぐように、前記固体電解質層上に一対の導体が形成されてなるセンサの不良検知方法であって、前記筒状金属体を加熱し、前記筒状金属体と前記固定部材との間の熱膨張率差、及び前記筒状金属体と前記センサ素子との間の熱膨張率差に基づく寸法差を生じさせ、それら寸法差を生じさせた状態のもと、前記一対の導体間の断線を検知する方法である。

このようにすると、センサ素子の折れ等により固体電解質層上に形成された導体が断線しているにも関わらず、固定部材がセンサ素子の外面に密着して当該センサ素子を取り囲む固定部材の存在によって断線している導体間の接触を維持させている場合にも、導体の断線の有無を確実に検出することができる。つまり、本発明のセンサの不良検知方法では、主体金具を加熱して上記寸法差を強制的に生じさせることで、固定部材によるセンサ素子の接触性（固定力）を弱くさせ、素子折れ等の破損が生じている場合に、断線した導体間に強制的に隙間ないし位置ズレを生じさせるようにしている。こうすることで導体の断線が生じていた場合に、その断線を顕在化させた状態で断線状態を検知することができ、センサの素子折れ等に起因した不良を確実に検知することができる。

本発明のセンサの不良検知方法では、前記主体金具の加熱を誘導加熱によって行うとよい。
このようにすると、筒状金属体の急速加熱が可能で速やかに上記寸法差を大きく発生させ、導体の断線をさらに顕在化させられる。また、実質的に主体金具のみを選択的に加熱することができるので、比較的熱に弱い主体金具より後端側のセンサ構造を劣化させることが防止される。

さらに、本発明のセンサの不良検知方法では、前記主体金具への前記誘導加熱による加熱を終了してから前記寸法差が生じている期間内に、前記一対の導体間の断線の有無を検知してもよい。
このようにすると、誘導加熱による渦電流が固体電解質層に流れて固体電解質層を劣化させることが防止される。

また、センサ素子が、前記セルに発熱抵抗体を有すると共に、軸線方向に延びるヒータを積層した構成をなす場合には、前記発熱抵抗体を通電して前記固体電解質層を加熱させ、前記固体電解質層を加熱させた状態で一対の導体間の断線の有無を検知するとよい。
このようにすると、ヒータによる加熱を通じて固体電解質層を安定して活性化する（動作温度以上にする）ことができ、固体電解質層の内部抵抗を低下させたもとでの一対の導体間の通電ラインの出力を用いて、一対の導体間の断線の有無
を精度良く検出することができる。

さらに、本発明のセンサの不良検知方法では、前記センサ素子は、前記セルに、軸線方向に延びるヒータを積層した構成をなし、前記ヒータは、前記固定部材にて取り囲まれる位置を跨ぐように延びる発熱抵抗体を有しており、前記寸法差を生じさせた状態で、該発熱抵抗体の断線をも検知するとよい。
このようにすると、固体電解質層（セル）の導体の断線を検知するのに加え、発熱抵抗体の断線を検知することができ、ヒータの不良をも検知できる。なお、固体電解質層の導体の断線の有無と発熱抵抗体の断線の有無を検知するに際しては、発熱抵抗体の断線の有無を先に検知し、その後に固体電解質層の導体の断線の有無を検知することが好ましい。固体電解質層の導体の断線の有無の検知にあたり、発熱抵抗体の断線に起因した発熱不良を考慮して当該検知を行うことが可能となるからである。

なお、本発明において、ガスセンサを構成する固定部材としては、滑石粉末や窒化ホウ素粉末などの無機粉末、ガラス（ケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラス等のケイ酸化合物）を挙げることができる。このとき、筒状金属体の内面とセンサ素子の外面との間に無機粉末を圧縮充填した圧粉体からなる固定部材を備えたセンサに対し、本発明のセンサの不良検知方法を適用すると有益である。
無機粉末を圧縮充填した圧粉体からなる固定部材は、センサ素子の外面を押圧した状態で当該外面に接触（密着）することから、センサ素子のうち、この固定部材に取り囲まれた部位に折れが生じていても、固定部材からの押さえ（固定力）により、導体間あるいは発熱抵抗体間に隙間が生じにくい。そこで、本発明のセンサの不良検知方法を適用すると、このような状態でも、導体間あるいは発熱抵抗体間に隙間ないし位置ズレを強制的に生じさせるため、断線状態を精度良く検出することができる。

なお、本発明は、上記の課題を解決するために、軸線方向に延びる固体電解質層と一対の電極とを有するセルを含むセンサ素子と、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の内面と前記センサ素子の外面との間に介装されて前記センサ素子を前記主体金具に固定する固定部材とを備えたセンサの不良検知方法であって、前記主体金具を加熱し、前記主体金具と前記固定部材との間の熱膨張率差、及び前記主体金具と前記センサ素子との間の熱膨張率差に基づく寸法差を生じさせ、前記一対の電極間の断線を検知する方法を採用することもできる。
このようにすると、主体金具を加熱して上記寸法差を強制的に生じさせ、固定部材を広げてセンサ素子の押さえ（固定力）を弱くさせ、センサ素子の断線を顕在化させて検知することができる。

この発明によれば、固定部材で取り囲まれた部分で生じたセンサ素子の折れ等による固体電解質層上の導体の断線、さらにはヒータを構成する発熱抵抗体の断線を精度良く検知することができる。

本実施形態のセンサ（酸素センサ）１の長手方向に沿う全体断面図である。 センサ素子１０の構成を示す分解斜視図である。 主体金具２を加熱した際、主体金具２と固定部材２２，２３の間に生じる寸法差を示す図（センサ１の要部断面図）である。 図３に続き、センサ素子１０と固定部材２２，２３の間に生じる寸法差を示す図（センサ１の要部断面図）である。 主体金具２を誘導加熱する場合の加熱装置を示す図である。 主体金具２を昇温する加熱パターンを示す模式図である。 一対の導体間の断線及びヒータの断線を検知する検知回路を示す図である。 主体金具２を誘導加熱した後、誘導加熱を停止してヒータ１４でさらに加熱する際の加熱パターンを示す図である。 従来のセンサの長手方向に沿う全体断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のセンサの不良検知方法に好適に用いることができるセンサ（酸素センサ）１の長手方向に沿う断面図を示す。なお、図１の下側を「先端」側と称し、上側を「後端」側と称する。

センサ（酸素センサ）１は、センサ素子１０を主体金具２や外筒８０に組み付けたアッセンブリである。センサ１は、板状のセンサ素子１０と、自動車エンジンの排気管に装着される主体金具２とを備えている。主体金具２は略円筒状をなし、排気管に固定されるためのねじ部２４が外表面に形成される一方、内孔２４を有し、内孔２４の径方向内側に突出する棚部９を先端側に有している。そして、主体金具２は、センサ素子１０を内孔２４の内面２５に収容し、センサ素子１０の先端側（検出部１０ａ）を自身の先端側から突出させた状態で、センサ素子１０を保持している。

センサ素子１０を主体金具２０内に保持するにあたっては、センサ素子１０の長手方向における所定位置に当該センサ素子１０に固定される鍔部ユニット４５を形成し、この鍔部ユニット４５を主体金具２０の内孔２４に設けられた棚部９に係止させる。なお、鍔部ユニット４５は、棚部９に当接する当接部２９が先端側に形成された筒状の金属カップ２０と、金属カップ２０内に収容されたセラミックホルダ２１と、セラミックホルダ２１に積層され、金属カップ２０内に圧縮充填され、センサ素子１０の外面と金属カップ２０と保持する無機粉末をからなる第１固定部材２２とから構成される。そして、鍔部ユニット４５の当接部２９を棚部９に係止させた状態で、内孔２４に対し、センサ素子１０を取り囲むように、無機粉末からなる第２固定部材２３、セラミックスリーブ３０を配置し、金属パッキン３１を介して主体金具２の後端側を径方向内側に加締めることで、第２固定部材２３を圧縮充填して、センサ素子１０を主体金具２内に固定させている。このようにして、第１固定部材２２が、センサ素子１０の外面１２と金属カップ２０の内面のそれぞれに接触（密着）し、両者をシールする。また、第２固定部材２３が、センサ素子１０の外面１２と主体金具２の内面２５のそれぞれに接触（密着）し、両者をシールする。

さらに、主体金具２の後端側外周には外筒８０が接合され、センサ素子１０の電極に端子金具６０を介して接続されたリード線６８が外筒８０の後端からグロメット７７を介して外部に引き出されている。リード線６８の一端には端子金具６０が接続され、ガスセンサ素子１０の後端に設けられた電極端子（図示せず）と電気的に接続されている。また、これら端子金具６０は、外筒８０内に保持される絶縁性のセラミックセパレータ９０内に収容されている。一方、主体金具２の先端側外周には、センサ素子１０の検出部１０ａを覆う金属製のガス導入孔付きの外部プロテクタ４および内部プロテクタ３が取り付けられている。

なお、第１，第２固定部材２２，２３は、本実施の形態では、無機粉末として滑石粉末を用いており、この滑石粉末が圧縮充填された圧粉体からなり、この第１，第２固定部材２２，２３が、特許請求の範囲の「固定部材」に該当する。一方、本実施形態におけるセラミックホルダ２１、セラミックスリーブ３０は「固定部材」に該当しない。これは、セラミックホルダ２１やセラミックスリーブ３０は、その中心孔にセンサ素子１０を挿通して位置合わせのガイドとなるが、センサ素子１０外面１２に押圧力を与え（換言すれば、センサ素子１０の外面１２に密着して）、センサ素子１０を固定する機能を有しないからである。また、第１固定部材２２に接触する金属カップ２０、第２固定部材２３に接触する主体金具２が、それぞれ、特許請求の範囲の「筒状金属体」に該当する。

なお、第１，第２固定部材２２，２３は、滑石粉末から構成されるものに限られず、窒化ホウ素やコージェライト粉末といったセラミック粉末を用いることもでき、それらの混合粉末を用いることもできる。また、固定部材は、これらの粉末を圧縮充填した圧粉体に限られず、ガラス（ケイ酸ガラスまたはケイ酸ガラス等のケイ酸化合物）を溶融・固化させた封止体を適用することができる。

また、ガスセンサ１では、正常品においては、当然にセンサ素子１０に折れは生じていないが、図１のように、例えば、センサ素子１０の長手方向の中央部より後ろ側が折れて断裂部（断線）Ｆが生じることがある。断裂部Ｆは、センサ素子１０のうち、第１固定部材２２に取り囲まれている部分で生じているが、第１固定部材２２がセンサ素子１０を外側から押圧してセンサ素子１０を固定しているため、断裂部Ｆの界面同士がぴったり接して導通が維持されており、実質的な断線として現われないものとなっている。

次に、センサ素子（酸素センサ素子）１０の構成について図２に示す分解斜視図を参照して説明する。センサ素子１０は長尺板状であり、酸素濃度を検知可能なセンサ部１９と、センサ部１９を加熱するヒータ１４とを積層してなり、センサ部１９は、酸素濃淡電池セル１２と酸素ポンプセル１３とを有する。
なお、酸素濃淡電池セル１２と酸素ポンプセル１３による酸素検知の方法（動作）については、公知の酸素センサと同様であるので説明を省略する。

図２において、酸素濃淡電池セル１２は、部分安定化ジルコニア焼結体からなる第１固体電解質層１１１と、それぞれ第１固体電解質層１１１の表面、裏面の先端側に対向して形成された検知電極１３１、基準電極１３２とを有する。検知電極１３１から基端に向かって長手方向に、第１リード部１３３が延びている。又、基準電極１３２から基端に向かって長手方向に、第２リード部１３４が延びている。
酸素濃淡電池セル１２の上面には、アルミナを主体とする絶縁層５３が積層されている。絶縁層５３の先端側には矩形状のガス測定室５３ｃが開口し、ガス測定室５３ｃ内に検知電極１３１が露出するようになっている。又、ガス測定室５３ｃの縁のうち、絶縁層５３の長手方向に沿う両側端は、拡散律速部５３ｇを備え、検出ガスが拡散律速部５３ｇを介してガス測定室５３ｃに導入されるようになっている。
また、第１固体電解質層１１１の基端側には、スルーホールラインＡを貫くスルーホール１１５が穿設されている。同様に、絶縁層５３の基端側には、それぞれスルーホールラインＡ、Ｂを貫くスルーホール５３ｈ１、５３ｈ２が穿設されている。

次に、酸素ポンプセル１３について説明する。
酸素ポンプセル１３は、部分安定化ジルコニア焼結体からなる第２固体電解質層１２１と、それぞれ第２固体電解質層１２１の表面、裏面の先端側に対向して形成された第３電極１４１、第４電極１４２とを有する。第３電極１４１から基端に向かって長手方向に、第３リード部１４３が延びている。又、第４電極１４２から基端に向かって長手方向に、第４リード部１４４が延びている。
そして、酸素ポンプセル１３の下方に積層された絶縁層５３のガス測定室５３ｃ内に、第４電極１４２が露出するようになっている。
酸素ポンプセル１３の上方には、アルミナを主体とする絶縁層５１Ｂが積層され、絶縁層５１Ｂの先端側には矩形状の切抜き部に多孔質保護層１５５Ｂが配置されて第３電極１４１を覆っている。多孔質保護層１５５Ｂは、第３電極１４１の被毒を抑制する。
このようにして、ガス測定室５３ｃ内の酸素を第３電極１４１と第４電極１４２とによってポンピングするようになっている。

一方、第２固体電解質層１２１の基端側には、それぞれスルーホールラインＡ、Ｂを貫くスルーホール１２１ｈ１、１２１ｈ２が穿設されている。
又、絶縁層５１Ｂの基端側には、それぞれスルーホールラインＡ、Ｂ、Ｃを貫くスルーホール５１Ｂｈ１、５１Ｂｈ２、５１Ｂｈ３が穿設されている。

そして、スルーホールラインＡに形成した導電体（図示せず）により、基準電極１３２から、最表層の絶縁層５１Ｂ上に形成された電極端子１２０ｂ２に至る導通が図られている。同様に、スルーホールラインＢに形成した導電体（図示せず）により、検知電極１３１及び第４電極１４２から、最表層の絶縁層５１Ｂ上に形成された電極端子１２０ａ２に至る導通が図られている。さらに、スルーホールラインＣに形成した導電体（図示せず）により、第３電極１４１から、最表層の絶縁層５１Ｂ上に形成された電極端子１２０ｃに至る導通が図られている。

次に、ヒータ１４について説明する。ヒータ１４は、アルミナを主体とする絶縁層２２１及び絶縁層２２３と、これらの間に挟まれる発熱抵抗体２１０と、絶縁層２２３の裏面２２３ｂのうち、基端側に設けられた一対のヒータ用外部接続パッド２６１，２６２とを有する。発熱抵抗体２１０は、先端側から長手方向に順に、蛇行して延びる発熱部２１２と、一対のヒータリード部２１３と、各ヒータリード部２１３の端部に接続された片状の電極端子２１１とを有する。そして、絶縁層２２３の基端のスルーホール２２３ｈ１、２２３ｈ２に形成した導電体（図示せず）を介して、各電極端子２１１と、ヒータ用外部接続パッド２６１，２６２とを電気的に接続している。

ヒータ１４はセンサ素子１０（酸素濃淡電池セル１２、酸素ポンプセル１３）を活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。

そして、この図２においても、図１に示したセンサ素子１０の長手方向の中央より後ろ側に生じた断裂部Ｆを模式的に示す。但し、上述したように、第１固定部材２２がセンサ素子１０を外側から押圧してセンサ素子１０を固定しているため、断裂部Ｆの界面同士がぴったり接している。従って、センサ素子１０のうち、第１固定部材２２にて取り囲まれた位置を跨いで形成された一対の第３，第４リード部１４３，１４４，同じく一対の第１，第２リード部１３３，１３４、発熱抵抗体２１０（ヒータリード部２１３）では、断裂部Ｆを境にしてそれぞれ断裂しているものの、第１固定部材２２による押さえ（固定力）により、それぞれ接触（導通）が維持されており、実質的な断線としては現われていない。

第１固体電解質層１１１、第２固体電解質層１２１は、本実施形態では、部分安定化ジルコニア（ジルコニアに安定化剤としてイットリア又はカルシアを添加したもの）を用いている。絶縁層５１Ｂ、５３、２２１、２２３はアルミナを主体に構成されている。検知電極１３１、基準電極１３２、第３電極１４１、第４電極１４２、ヒータ１４は、例えばＰｔ等を用いることができる。

なお、酸素濃淡電池セル１２に対して、本発明の断線状態の検知を行う場合には、検知電極１３１と第１リード部１３３、基準電極１３２と第２リード部１３４の組み合わせが、特許請求の範囲の「一対の導体」に相当し、第１固体電解質層１１１がこの導体に対する特許請求の範囲の「固体電解質層」に相当し、酸素濃淡電池セル１２が、特許請求の範囲の「セル」に相当する。
また、酸素ポンプセル１３に対して、本発明の断線状態の検知を行う場合には、第３電極１４１と第３リード部１４３、第４電極１４２と第４リード部１４４の組み合わせが、特許請求の範囲の「一対の導体」に相当し、第２固体電解質層１２１がこの導体に対する特許請求の範囲の「固体電解質層」に相当し、酸素ポンプセル１３が、特許請求の範囲の「セル」に相当する。

また、本実施形態では、主体金具２及び金属カップ２０（両者ともに筒状金属体）が金属（例えば、ＳＵＳ４３０）からなるのに対し、第１，第２固定部材２２，２３は滑石粉末からなるため、第１，第２固定部材２２，２３の熱膨張率（熱膨張係数）は、筒状金属体の熱膨張率（熱膨張係数）より小さく、両者の熱膨張率は異なる。また、主体金具２及び金属カップ２０（両者ともに筒状金属体）が金属からなるのに対し、センサ素子１０は、ジルコニアからなる第１，第２固体電解質層１１１，１２１、アルミナを主体とする絶縁層５１Ｂ、５３、２２１，２２３から構成されるため、センサ素子１０（第１，第２固体電解質層１１１，１２２、絶縁層５１Ｂ，５３，２２１，２２３）の熱膨張率は、筒状金属体の熱膨張率より小さく、両者の熱膨張率は異なる。そのため、詳細は後述するが、主体金具２及び金属カップ２０を対象にして加熱（急速加熱）を行った場合、主体金具２及び金属カップ２０が先行して膨張する構成となっている。

次に、上記したセンサ１を一例として、本発明の実施形態に係るセンサの不良検知方法について説明する。
本発明は、センサ１の主体金具２及び金属カップ２０を加熱（急速加熱）することに特徴がある。主体金具２に対して加熱を行うと、主体金具２及びこの主体金具２に接する金属カップ２０が膨張する。そして、図３に示すように、主体金具２及び金属カップ２０の熱膨張率が、第１，第２固定部材２２，２３の熱膨張率，更にはセンサ素子１０の熱膨張係数より大きいため、主体金具２が先行して外側に大きく膨張し（図３の符号ｅｘ）、主体金具２の内面２５と第２固定部材２３の外面との間、並びに、金属カップ２０の内面と第１固定部材２２の外面との間のそれぞれに隙間（特許請求の範囲の「寸法差」）Ｇ１が生じる。

すると、図４に示すように、センサ素子１０の外面１２と、主体金具２の内面２５及び金属カップ２０の内面とに接触する形態で圧縮充填されていた第２，第１固定部材２３，２２の径方向への圧縮力（固定力）が、隙間Ｇ１の発生により開放され（低減し）、第１，第２固定部材２２，２３によるセンサ素子１０への押さえ（固定力）が弱まる。その結果、第１，第２固定部材２２，２３のセンサ素子１０への接触（密着）がなくなり、隙間Ｇ２が生じる。そして、センサ素子１０のうち、第１固定部材２２に取り囲まれる部位に図１に示す断裂部Ｆが生じていた場合には、第１固定部材２２の固定力の低減（換言すれば、隙間Ｇ２の発生）により、断裂部Ｆが開放されて広がったり、あるいは位置ズレを起こし、断裂部Ｆを境にした導体（一対の電極リード部１４３，１４４，同じく一対の電極部１３３，１３４、発熱抵抗体２１０（ヒータリード部２１３））の破断（断線）が顕在化することになる。なお、第１，第２固定部材２２，２３は、隙間Ｇ１が生じたことにより、少なからず滑石粉末が流動することがあるが、隙間Ｇ１，Ｇ２の形成に支障はない。

なお、隙間Ｇ２を生じさせるためには、第１，第２固定部材２２，２３の熱膨張率が主体金具２及び金属カップ２０の熱膨張率より小さいだけでなく、センサ素子１０の熱膨張率が主体金具２の熱膨張率より小さいことが必要となる。これは、センサ素子１０の熱膨張率が主体金具２の熱膨張率以上であると、主体金具２，金属カップ２０の膨張よりも早くセンサ素子１０が膨張してしまい、第１，第２固定部材２２，２３の固定力を弱められず、破断部Ｆの顕在化を生じさせられないからである。
また、各部材は熱膨張によって３次元的に膨張するため、例えばセンサ素子１０と主体金具２の寸法差が生じたか否を目視で判定する場合は、図３、図４の上下方向（センサ素子１０の長手方向）でのセンサ素子１０と主体金具２の寸法変化を観察する方が容易である。

また、本発明において「センサ素子１０の折れ」という場合、センサ素子１０が完全に破断して分離している場合だけでなく、センサ素子１０の一部が欠け、一対の導体のうちの一つ（例えば、一対の第３，第４リード部１４３，１４４，同じく一対の第１，第２リード部１３３，１３４のうち１つ）が断線している場合も含む。

図５は、主体金具２を誘導加熱する加熱装置を模式的に示す。図５において、センサ１の主体金具２の先端側（外部（内部）プロテクタ３，４側）の外側にコイル９０を配置し、コイル９０に交流電流を流すことにより、金属製の主体金具２を加熱する。ここで、主体金具２の加熱時の昇温速度を大きくする（換言すれば、急速昇温させる）ほど、主体金具２の膨張に第１，第２固定部材２２，２３及びセンサ素子１０の膨張が追随できなくなって寸法差Ｇ１が大きくなり、第１，第２固定部材２２，２３によるセンサ素子１０の押さえ（固定力）を効果的に弱めることができる（換言すれば、隙間Ｇ２を効果的に生じさせることができる）。このようなことから、急速加熱が可能な誘導加熱を採用することが好ましい。なお、金属カップ２０も、同じ金属材である主体金具２に接触しているため、主体金具２を誘導加熱することで、主体金具２と略同期して急速加熱されることになる。

また、主体金具２の加熱方法として、誘導加熱の他、例えば火炎中に主体金具２を導入する方法もあるが、センサ１のうち主体金具２より後端側は比較的熱に弱いため、主体金具２以外の部分を加熱するのは好ましくない。一方、誘導加熱を採用すると、実質的に主体金具２のみを選択的に加熱することができるので好ましい。

以上のようにして主体金具２を加熱した後、センサ素子１０における一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の断線の有無を検知する。なお、以下では、酸素ポンプセル１３の一対の導体間の断線の有無の検知を中心に説明するが、同様の手順で酸素濃淡電池セル１２の一対の導体間（検知電極１３１及び第１リード部１３３と、基準電極１３２及び第２リード部１３４との間）の断線の有無についても検知することができる。

ここで、固体電解質層（第２固体電解層１２１）の温度を動作温度（活性化温度）以上とした状態で、一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の出力（電圧又は電流）を測定することが好ましい。固体電解質層１２１の温度を動作温度以上とする方法としては、主体金具２の加熱時の最高到達温度を動作温度以上とする方法の他、主体金具２の加熱終了後にヒータ１４によって動作温度以上に昇温する方法がある。

また、主体金具２の誘導加熱中にヒータ１４によってセンサ素子１０が動作温度以上に加熱され、その状態で、一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の出力（電圧又は電流）を測定すると、活性化した（内部抵抗が低下した）固体電解質層（第２固体電解質層１２１）に誘導加熱による渦電流が流れて、固体電解質層（第２固体電解質層１２１）を劣化させるおそれがある。従って、主体金具２への誘導加熱によって固体電解質層（第２固体電解質層１２１）を動作温度以上に加熱する場合は、主体金具２への誘導加熱を終了させて渦電流が固体電解質層（第２固体電解質層１２１）に流れないようにした状態で、一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の出力を測定し、断線の有無を検知することが好ましい。

なお、図２に示したように、このセンサ素子１０は、発熱抵抗体２１０を有するヒータ１４をさらに積層した構成をなしている。従って、固体電解質層（第２固体電解質層１２１）上に形成された一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の断線の有無を検知するのに加え、発熱抵抗体２１０の断線の有無を検知することにより、ヒータ１４の不良をも検知できる。

また、上記したように、固体電解質層（第２固体電解質層１２１）の温度を動作温度以上とする方法として、主体金具２の加熱温度を動作温度未満とし、加熱終了後にヒータ１４によって動作温度以上に昇温する方法がある。この方法による加熱パターンを図６に示す。

図６において、まず、誘導加熱により主体金具２を加熱し、主体金具２及び金属カップ２０と、第１，第２固定部材２２，２３との間の熱膨張率差、主体金具２及び金属カップ２０と、センサ素子１０との間の熱膨張率差に基づく寸法差を生じさせ（換言すれば、上記の隙間Ｇ１、Ｇ２を生じさせ）、主体金具２の加熱を行っている期間（上記の隙間Ｇ１，Ｇ２が生じさせている期間）内に、発熱抵抗体２１０の断線の有無を検知する。そして、主体金具２への加熱を終了した後、主体金具２に与えられた熱（つまり、残熱）によって上記隙間Ｇ１，Ｇ２が生じている（維持されている）期間内に、ヒータ１４によってセンサ素子１０の固体電解質層（第２固体電解質層１２１）を動作温度以上に加熱し、一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）の断線の有無を検知する。

図６の加熱パターンを採用すると、主体金具２の誘導加熱後に、ヒータ１４を通電してセンサ素子１０（第２固体電解質層１２１）を動作温度以上に加熱するため、主体金具２を誘導加熱した場合であっても、誘導加熱による渦電流が固体電解質層に流れることを確実に防止し、固体電解質層の劣化を防止することができる。なお、固体電解質層の成分によっても変わるが、その動作温度が６５０℃程度の場合、主体金具２を５００℃程度まで加熱すれば、ヒータ１４への加熱が短時間でも固体電解質層を最終的に６５０℃に昇温することができる。従って、主体金具２の加熱による寸法差が緩和される前にヒータで加熱が行われるので、固体電解質層上に形成した一対の導体間の断線の有無を充分に検知できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、センサ１としては酸素センサに限らず、固体電解質層と一対の電極とを有するセルを少なくとも１つ以上含むセンサ素子を主体金具内に配置し、固定部材により主体金具とセンサ素子との間のシールを図ったあらゆるセンサ（ＮＯｘセンサ、アンモニアセンサ等）を用いることができる。

［実施例］
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１、図２に示したセンサ（酸素センサ）１を用意した。このセンサ１の酸素濃淡電池セル（Ｖｓセル）１２と酸素ポンプセル（Ｉｐセル）１３において、図７に示すように、Ｉｐセル１３の第３電極１４１から延びる電極リード部（以下、「Ｉｐ＋ラインという」１４３に検出抵抗９２を接続し、検出抵抗９２の両端の電圧を測定した。なお、第４リード部１４４、第１リード部１３３は図７の「Ｃｏｍライン」に相当し、第２リード部１３４は図７の「Ｖｓ＋ライン」に相当する。
また、一方のヒータリード部２１３に検出回路（検出抵抗及びその両端の電圧計）９４を接続し、ヒータリード部２１３を流れるヒータ電流を測定した。

次に、図５に示すようにして、このセンサ１の主体金具２を誘導加熱した後、誘導加熱を停止してヒータ１４でさらに加熱を行った。
加熱条件を図８に示す。主体金具２への誘導加熱を行っている間にヒータ１４（発熱抵抗体２１０）に０．５Ｖの電圧を印加し、発熱抵抗体２１０（ヒータリード部２１３）を流れるヒータ電流を測定した。なお、誘導加熱を２５秒行った時点で、主体金具２は５００±５０℃になった。次に、主体金具２への誘導加熱を停止し、ヒータ１４を１２Ｖで１０秒間通電し、センサ素子１０を加熱した。このとき、第１固体電解質層１２１の温度は、動作温度（６５０℃）以上となった。

そこで、一対の導体間（第３電極１４１及び第３リード部１４３と、第４電極１４２及び第４リード部１４４との間）に０．２Ｖの電圧を印加した状態下で、Ｉｐ＋ラインの検出抵抗９２における両端電圧を測定した。その結果、検出抵抗９２の両端電圧は略０．２Ｖとなった。これにより、Ｉｐ＋ラインが断線していないことがわかった。
同様に、ヒータリード部２１３の検出回路９４におけるヒータ電流を測定したところ、所定の電流が流れ、ヒータリード部２１３が断線していないことがわかった。

一方、意図的にセンサ素子１０のうち、第１固定部材２２に取り囲まれる位置の部位を折って、Ｉｐ＋ライン（電極リード部１４３）及びヒータリード部２１３を破断（断線）させたセンサ１を用意した。なお、このセンサ１では、電極リード部１４３及びヒータリード部２１３の破断が表れないように、折れた部位をぴったりと接触させた状態で第１固定部材２２にてセンサ素子１０を固定するようにした。そして、上記と同様の手順で主体金具２を誘導加熱した後、ヒータ１４への加熱を行った上で検出抵抗９２の両端電圧を測定したところ０Ｖとなり、Ｉｐ＋ラインが断線していることを電圧から判別することができた。
同様に、検出回路９４におけるヒータ電流を測定したところ、電流が流れず、ヒータリード部２１３が断線していることを電流から判別することができた。

１ センサ（酸素センサ）
２ 主体金具（筒状金属体）
１０ センサ素子
１１１、１２１ 固体電解質層
１２ 酸素濃淡電池セル
１３ 酸素ポンプセル
２０ 金属カップ（筒状金属体）
２２ 第１固定部材
２３ 第２固定部材
１４ ヒータ
２１３ 発熱抵抗体
９０ コイル
Ｆ 断線部位（センサ素子の折れ）

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる固体電解質層を有するセルを少なくとも１つ以上含むセンサ素子と、前記センサ素子の径方向周囲を取り囲む筒状金属体と、前記筒状金属体の内面と前記センサ素子の外面とのそれぞれに接してそれらをシールする固定部材とを備え、前記セルには、前記固定部材にて取り囲まれる位置を跨ぐように、前記固体電解質層上に一対の導体が形成されてなるセンサの不良検知方法であって、
   前記筒状金属体を加熱し、前記筒状金属体と前記固定部材との間の熱膨張率差、及び前記筒状金属体と前記センサ素子との間の熱膨張率差に基づく寸法差を生じさせ、それら寸法差を生じさせた状態のもと、前記一対の導体間の断線を検知するセンサの不良検知方法。
2. 請求項１に記載のセンサの不良検知方法であって、
   前記加熱を誘導加熱によって行う
   センサの不良検知方法。
3. 請求項２に記載のセンサの不良検知方法であって、
   前記誘導加熱による加熱を終了してから前記寸法差を生じさせている期間内に、前記一対の導体間の断線の有無を検知する
   センサの不良検知方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサの不良検知方法であって、
   前記センサ素子は、前記セルに、発熱抵抗体を有すると共に、軸線方向に延びヒータを積層した構成をなし、
   前記発熱抵抗体を通電して前記固体電解質層を加熱させ、前記固体電解質層を加熱させた状態で一対の導体間の断線の有無を検知する
   センサの不良検知方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のセンサの不良検知方法であって、
   前記センサ素子は、前記セルに、軸線方向に延びるヒータを積層した構成をなし、前記ヒータは、前記固定部材にて取り囲まれる位置を跨ぐように延びる発熱抵抗体を有しており、
   前記寸法差を生じさせた状態で、前記発熱抵抗体の断線の有無をも検知する
   センサの不良検知方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサの不良検知方法であって、
   前記固定部材は、前記筒状金属体の内面と前記センサ素子の外面との間に無機粉末を圧縮充填した圧粉体からなる
   センサの不良検知方法。