JP6773590B2 - ガスセンサの製造方法及び油分除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサの製造方法及び油分除去方法に関する。

従来、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサとしては、ガスセンサ素子と、ガスセンサ素子の周囲を取り囲み径方向外側に突出する鍔部を有する筒状の主体金具と、主体金具に固定された筒状のプロテクタとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、このガスセンサを製造する際に、鍔部の後端よりも先端側及びプロテクタの周囲を覆うようにコイルを配置し、コイルに電流を流すことで誘導加熱により主体金具及びプロテクタに付着している油分を除去することが記載されている。

特開２０１６−５３４９８号公報

しかし、特許文献１に記載の方法で誘導加熱を行うと、プロテクタすなわちセンサ素子の保護カバーが黒化してしまう場合があった。保護カバーが黒化すると、輻射熱を吸収しやすくなるため、センサ素子の使用開始時の昇温に要する時間が長くなってセンサ素子の使用開始時の応答性が低下することがあった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、油分を除去しつつ保護カバーの黒化を抑制することを主目的とする。

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のガスセンサの製造方法は、
（ａ）被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口を一端側に有し該導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子が内部を軸方向に貫通している金属製の筒状体と、前記筒状体に取り付けられ前記センサ素子の前記一端側を覆う保護カバーと、を備えた組立体を用意する工程と、
（ｂ）前記組立体のうち前記保護カバーを避けるように前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端と同じ側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置し、該コイルに電流を流すことにより前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を誘導加熱して該部分に付着した油分を除去する工程と、
を含むものである。

この製造方法では、組立体を誘導加熱するにあたり、センサ素子の一端側を覆う保護カバーを避けるように、筒状体のうち保護カバーよりもセンサ素子の他端側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置する。そして、コイルに電流を流すことにより筒状体のうち周囲にコイルが配置された部分を誘導加熱する。そのため、筒状体のうち周囲にコイルが配置された部分の油分を除去しつつ、保護カバーは周囲にコイルがないことで誘導加熱されにくいため保護カバーの黒化を抑制することができる。

ここで、前記センサ素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層した積層体と、前記被測定ガス導入口から導入された前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部と、前記積層体を加熱するヒータと、を備えていてもよい。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記センサ素子は、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを導入する基準ガス導入口を前記他端側に有しており、前記筒状体は、前記センサ素子の前記一端と同じ側に前記保護カバーが取り付けられた主体金具と、該主体金具のうち前記センサ素子の前記他端と同じ側に取り付けられた内筒と、を有しており、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち少なくとも前記内筒を含む部分の周囲に前記コイルを配置してもよい。ここで、ガスセンサにおいて、筒状体のうち主体金具よりもセンサ素子の他端側すなわち基準ガス導入口に近い側にある内筒に油分が付着していると、ガス化した油分が基準ガス導入口に到達することで、特定ガス濃度の検出精度を低下させやすい。この製造方法では、筒状体のうち少なくとも内筒を含む部分の周囲にコイルを配置して誘導加熱を行うため、筒状体のうち少なくとも内筒の油分を除去することができる。したがって、内筒に付着した油分による上記の検出精度の低下を抑制できる。ここで、「前記筒状体のうち少なくとも前記内筒を含む部分の周囲にコイルを配置する」は、上述した効果が得られる範囲で内筒のごく一部の周囲にコイルが配置されていない場合を含む。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端と同じ側の全体の周囲に前記コイルを配置してもよい。こうすれば、保護カバーを避けつつ筒状体のなるべく多くの部分を誘導加熱できるため、筒状体に付着している油分を除去しやすい。ここで、「前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端側全体の周囲に前記コイルを配置する」は、上述した効果が得られる範囲で筒状体のうち保護カバーよりもセンサ素子の他端側のごく一部の周囲にコイルが配置されていない場合を含む。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を４２０℃以上に加熱してもよい。こうすれば、筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分の油分をより確実に除去できる。この場合において、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を６００℃以上に加熱してもよい。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記組立体は、タルクを含み前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置された封止材、を備え、前記工程（ｂ）では、前記封止材が６５０℃を超えないように前記誘導加熱を行ってもよい。こうすれば、封止材にタルクが含まれる場合に、タルクが誘導加熱によって変質してしまうのを抑制できる。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記組立体は、前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置されたセラミックス部材、を備え、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分の温度を４００℃以上に昇温し、且つ該部分が４００℃以上であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにしてもよい。こうすれば、セラミックス部材にクラックが生じるのを抑制できる。

本発明のガスセンサの製造方法において、前記組立体は、前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置されたセラミックス部材、を備え、前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分の温度を６００℃以上に昇温し、且つ該部分が４００℃以上６００℃以下であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにしてもよい。こうすれば、セラミックス部材にクラックが生じるのを抑制できる。

本発明の油分除去方法は、
被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口を一端側に有し該導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子が内部を軸方向に貫通している金属製の筒状体と、前記筒状体に取り付けられ前記センサ素子の前記一端側を覆う保護カバーと、を備えた組立体に付着した油分を除去する油分除去方法であって、
前記組立体のうち前記保護カバーを避けるように前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置し、該コイルに電流を流すことにより前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を誘導加熱して該部分に付着した油分を除去する工程、
を含むものである。

この油分除去方法では、上述したガスセンサの製造方法と同様に、筒状体のうち周囲にコイルが配置された部分の油分を除去しつつ、保護カバーは周囲にコイルがないことで誘導加熱されにくいため保護カバーの黒化を抑制することができる。この油分除去方法において、上述したいずれかのガスセンサの製造方法の種々の態様を採用してもよい。

ガスセンサ１０が配管７０に取り付けられた様子を示す縦断面図。 センサ素子２０の上下左右方向に沿った断面の概略断面図。 組立体１５の製造プロセスを模式的に示す断面図。 誘導加熱装置８０を用いて組立体１５を誘導加熱する様子を示す説明図。 コイル配置領域Ｒｃと組立体１５との位置関係の説明図。 変形例のコイル８１の配置を示す説明図。 実施例１，２の誘導加熱時の温度の時間変化を示すグラフ。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１０が配管７０に取り付けられた様子を示す縦断面図である。図２は、センサ素子２０の上下左右方向に沿った断面の概略断面図である。本実施形態において、図１に示すように、ガスセンサ１０の長手方向を上下方向とし、長手方向に垂直な方向を左右方向とする。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、組立体１５と、ナット４７と、外筒４８と、コネクタ５０と、リード線５５と、ゴム栓５７とを備えている。組立体１５は、センサ素子２０と、保護カバー３０と、素子封止体４０とを備えている。ガスセンサ１０は、例えば車両の排ガス管などの配管７０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等の特定ガスの濃度（特定ガス濃度）を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ１０は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。

センサ素子２０は、図２に示すように、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層を複数（図２では６個）積層した積層体２０ａと、検出部２３と、ヒータ２９と、を有している。積層体２０ａは、長尺な板状体形状（直方体形状）をしており、下端側（図２の左側）の先端面２０ｂと、上端側（図２の右側）の基端面２０ｃとを有している。センサ素子２０の下端側が本発明の「一端側」の一例に相当し、センサ素子２０の上端側が本発明の「他端側」の一例に相当する。センサ素子２０は、積層体２０ａの表面のうち素子室３３内に露出している部分の少なくとも一部を覆う多孔質の保護層を備えていてもよい。

積層体２０ａの内部には、被測定ガスを導入して内部に流通させる被測定ガス流通部２１ａと、特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガス（本実施形態では大気）を導入して内部に流通させる基準ガス導入空間２１ｃと、が形成されている。被測定ガス流通部２１ａは、先端面２０ｂに形成され被測定ガスの入口となる被測定ガス導入口２２ａを有している。被測定ガス流通部２１ａは、被測定ガス導入口２２ａから上方（図２の右方）に向かって形成された空間である。被測定ガス導入口２２ａは、内側保護カバー３１の内側の空間である素子室３３内に位置している（図１参照）。被測定ガス流通部２１ａの途中には被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与するための拡散律速部２１ｂが複数（図２では３個）配設されている。拡散律速部２１ｂは積層体２０ａの一部であり、被測定ガス流通部２１ａ中の被測定ガスの流通面積を絞ることで被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与する。基準ガス導入空間２１ｃは、基端面２０ｃに形成され基準ガスの入口となる基準ガス導入口２２ｂを有している。基準ガス導入口２２ｂは、外筒４８の内側の空間４９内に位置している（図１参照）。積層体２０ａの内部には、一部が基準ガス導入空間２１ｃに露出している多孔質の基準ガス導入層２１ｄが配設されている。基準ガス導入層２１ｄは、基準電極２８を覆っている。

検出部２３は、少なくとも１つの電極を備えており、素子室３３内に位置して素子室３３内の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。本実施形態では、検出部２３は、積層体２０ａの左面（図２の上面）に配設された外側電極２４と、積層体２０ａの内部に配設された内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６，測定電極２７，及び基準電極２８とを備えている。素子室３３内の被測定ガスは、外側電極２４及び被測定ガス導入口２２ａに到達する。被測定ガス導入口２２ａから被測定ガス流通部２１ａに導入された被測定ガスは、内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６，及び測定電極２７にこの順に到達する。空間４９内の基準ガスは、基準ガス導入口２２ｂに到達する。基準ガス導入口２２ｂから基準ガス導入空間２１ｃに導入された基準ガスは、基準ガス導入層２１ｄ内を通過して基準電極２８に到達する。

検出部２３が被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する原理は周知であるため詳細な説明は省略するが、検出部２３は例えば以下のように特定ガス濃度を検出する。検出部２３は、外側電極２４と内側主ポンプ電極２５との間に印加された電圧に基づいて、内側主ポンプ電極２５周辺の被測定ガス中の酸素の外部（素子室３３）への汲み出し又は汲み入れを行う。また、検出部２３は、外側電極２４と内側補助ポンプ電極２６との間に印加された電圧に基づいて、内側補助ポンプ電極２６周辺の被測定ガス中の酸素の外部（素子室３３）への汲み出し又は汲み入れを行う。これらにより、酸素濃度が所定値に調整された後の被測定ガスが、測定電極２７周辺に到達する。測定電極２７は、ＮＯｘ還元触媒として機能し、到達した被測定ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）を還元する。そして、検出部２３は、還元後の酸素濃度に応じて測定電極２７と基準電極２８との間に発生する起電力又はその起電力に基づく電流を、電気信号として発生させる。このように検出部２３が発生させた電気信号は、被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた値（特定ガス濃度を導出可能な値）を示す信号であり、検出部２３が検出した検出値に相当する。また、この電気信号は、センサ素子２０の上端側（図２の右側）の表面に配設された図示しない導通電極を介して外部に出力される。

ヒータ２９は、積層体２０ａ内部に配設された電気抵抗体である。ヒータ２９は、外部から給電されることにより発熱して積層体２０ａを加熱する。ヒータ２９は、積層体２０ａを形成する固体電解質層の加熱及び保温を行って、固体電解質層が活性化する温度（例えば８００℃）に調整することが可能となっている。

保護カバー３０は、図１に示すように、センサ素子２０の一端側（ここでは下端側）を覆う有底筒状の内側保護カバー３１と、この内側保護カバー３１を覆う有底筒状の外側保護カバー３２とを備えている。内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２には、被測定ガスを保護カバー３０内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー３１で囲まれた空間として素子室３３が形成されており、センサ素子２０の先端面２０ｂはこの素子室３３内に配置されている。保護カバー３０は、主体金具４２に溶接されている。保護カバー３０は、少なくともＦｅとＣｒとを含む合金である。保護カバー３０のより具体的な材質としては、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ３０１，ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０など）などのステンレス鋼が挙げられる。

素子封止体４０は、センサ素子２０を封止固定する部材である。素子封止体４０は、主体金具４２及び内筒４３を備えた筒状体４１と、サポーター４４ａ〜４４ｃと、封止材４５ａ，４５ｂと、メタルリング４６と、を備えている。センサ素子２０は素子封止体４０の中心軸上に位置しており、素子封止体４０を上下方向に貫通している。

主体金具４２は、筒状の金属製部材である。主体金具４２は、下側が上側よりも内径の小さい肉厚部４２ａとなっている。また、主体金具４２の外周面にはフランジ部４２ｃが形成されている。主体金具４２のうちセンサ素子２０の一端と同じ側（ここでは下側）には、保護カバー３０が取り付けられている。フランジ部４２ｃの下面は、保護カバー３０の上端（ここでは内側保護カバー３１の上端）と接している。主体金具４２の上端は内筒４３の下端と溶接されている。肉厚部４２ａは主体金具４２の上側よりも内径が小さく、これにより肉厚部４２ａの内周面の一部が段差面である底面４２ｂとなっている。この底面４２ｂはサポーター４４ａが図１の下側に飛び出さないようにこれを押さえている。フランジ部４２ｃの下面は外側保護カバー３２の上端と溶接されている。また、主体金具４２は、外周面のうちフランジ部４２ｃよりも上方に溶接部４２ｄを有し、この溶接部４２ｄで外筒４８と溶接されている。主体金具４２の材質としては、例えばＣｒ−Ｆｅ系合金（例えばＳＵＳ４３０）などのステンレス鋼が挙げられる。

内筒４３は、主体金具４２よりも厚さの薄い筒状の金属製部材であり、下端にフランジ部４３ａを有し、上端には先端にいくほど内径が大きくなる拡管部４３ｂを有している。内筒４３は、主体金具４２のうちセンサ素子２０の他端と同じ側（ここでは上側）に取り付けられている。内筒４３は、フランジ部４３ａの下面が主体金具４２と溶接されている。内筒４３と主体金具４２とは同軸に溶接固定されている。また、内筒４３には、封止材４５ｂを内筒４３の中心軸方向に押圧するための縮径部４３ｃと、メタルリング４６を介してサポーター４４ａ〜４４ｃ，封止材４５ａ，４５ｂを図１の下方向に押圧するための縮径部４３ｄとが形成されている。内筒４３のうちフランジ部４３ａ，拡管部４３ｂ，縮径部４３ｃ，４３ｄ以外の部分の内径は、主体金具４２のうち肉厚部４２ａ以外の内径と略同一である。内筒４３の材質としては、例えばＣｒ−Ｆｅ系合金（例えばＳＵＳ４３０）などのステンレス鋼が挙げられる。

サポーター４４ａ〜４４ｃ及び封止材４５ａ，４５ｂは、筒状体４１の内周面とセンサ素子２０との間に配置されている。サポーター４４ａ〜４４ｃは、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニア、スピネルなどのセラミックスからなる部材である。封止材４５ａ，４５ｂは、例えば粉末を成型した圧粉体である。圧粉体の材質としては、タルクのほか、アルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末が挙げられ、封止材４５ａ，４５ｂはそれぞれこれらの少なくともいずれかを含んでいてもよい。封止材４５ａはサポーター４４ａ，４４ｂ間に充填され、サポーター４４ａ，４４ｂにより両側（上下）から挟まれて押圧されている。封止材４５ｂはサポーター４４ｂ，４４ｃ間に充填され、サポーター４４ｂ，４４ｃにより両側（上下）から挟まれて押圧されている。サポーター４４ａ〜４４ｃ，封止材４５ａ，４５ｂは縮径部４３ｄ及びメタルリング４６と、主体金具４２の肉厚部４２ａの底面４２ｂと、に挟まれて上下から押圧されている。縮径部４３ｃ，４３ｄからの押圧力により、封止材４５ａ，４５ｂが筒状体４１とセンサ素子２０との間で圧縮されることで、封止材４５ａ，４５ｂは保護カバー３０内の素子室３３と外筒４８内の空間４９との間を封止すると共に、センサ素子２０を固定している。

ナット４７は、主体金具４２と同軸に主体金具４２の外側に固定されている。ナット４７の外周面には雄ネジ部が形成されている。この雄ネジ部は、配管７０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材７１内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子２０の下端側や保護カバー３０の部分が配管７０内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管７０に固定できるようになっている。

外筒４８は、筒状の金属製部材であり、内筒４３と、センサ素子２０の上端側と、コネクタ５０とを覆っている。外筒４８の内側には主体金具４２の上部が挿入されている。外筒４８の下端は主体金具４２の溶接部４２ｄと溶接されている。外筒４８の上端からは、コネクタ５０に接続された複数のリード線５５が外部に引き出されている。コネクタ５０は、センサ素子２０の上端側の表面（左右面）に配設された図示しない導通電極に接触して電気的に接続されている。このコネクタ５０を介して、リード線５５はセンサ素子２０の内部の各電極２４〜２８及びヒータ２９と電気的に導通している。外筒４８とリード線５５との隙間はゴム栓５７によって封止されている。外筒４８内の空間４９は基準ガスで満たされている。空間４９にはセンサ素子２０の上端側が配置され、外筒４８はセンサ素子２０の上端側を保護する役目も果たす。

次に、こうして構成されたガスセンサ１０の製造方法の一例を以下に説明する。本実施形態のガスセンサ１０の製造方法は、
（ａ）被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口２２ａを一端側（ここでは下端側）に有し導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子２０と、センサ素子２０が内部を軸方向に貫通している金属製の筒状体４１と、筒状体４１に取り付けられセンサ素子２０の一端側を覆う保護カバー３０と、を備えた組立体１５を用意する工程と、
（ｂ）組立体１５のうち保護カバー３０を避けるように筒状体４１のうち保護カバー３０よりもセンサ素子２０の他端と同じ側（ここでは上側）の少なくとも一部にコイルを配置し、コイルに電流を流すことにより筒状体４１のうち周囲にコイルが配置された部分を誘導加熱してその部分に付着した油分を除去する工程と、
を含む。

まず、工程（ａ）について説明する。工程（ａ）では、予め作製された組立体１５を用意してもよいし、組立体１５を作製することで用意してもよい。以下、組立体１５を作製する場合について説明する。図３は、組立体１５の製造プロセスを模式的に示す断面図である。

工程（ａ）では、まず、主体金具４２及び内筒４３を用意して、これらを溶接して筒状体４１とする（図３（ａ））。主体金具４２及び内筒４３は、例えば鍛造により製造することで用意してもよい。この時点では、内筒４３にはフランジ部４３ａ及び拡管部４３ｂは形成されているが、縮径部４３ｃ，４３ｄは形成されていない。主体金具４２及び内筒４３の溶接は、例えば抵抗溶接により溶接する。具体的には、主体金具４２の上端と内筒４３のフランジ部４３ａとを、図示しない治具を用いて同軸となるように付き合わせて、接触面に電流を流すことにより主体金具４２と内筒４３とを抵抗溶接する。これにより、主体金具４２と内筒４３とが接触面で溶接されて筒状体４１となる。

続いて、センサ素子２０をメタルリング４６，サポーター４４ｃ，封止材４５ｂ，サポーター４４ｂ，封止材４５ａ，サポーター４４ａ内にこの順序で貫通させて、これらを内筒４３の拡管部４３ｂ側から筒状体４１の内部に挿入する（図３（ｂ））。この挿入は治具により筒状体４１の外径を基準として筒状体４１の中心軸とセンサ素子２０の中心軸とが一致するように行う。ここで、センサ素子２０は、周知の方法で作製することができる。例えば、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む未焼成のセラミックスグリーンシートを複数用意し、各々に各電極等の種々のパターンを形成する。そして複数のセラミックグリーンシートを積層・接着した後に切断してセンサ素子２０の大きさの未焼成体を切り出し、未焼成体を焼成することでセンサ素子２０を得る。メタルリング４６，サポーター４４ａ〜４４ｃ，封止材４５ａ，４５ｂには、センサ素子２０を貫通させるために予め中心軸に沿って孔が開けられた形状としておく。

次に、メタルリング４６と主体金具４２とを互いに近づける方向に押圧して封止材４５ａ，４５ｂを圧縮し、これにより筒状体４１の内周面とセンサ素子２０との間を封止する。そして、その状態で内筒４３のうちメタルリング４６よりも拡管部４３ｂ側を加締めて縮径部４３ｄを形成する（図３（ｃ））。これにより、縮径部４３ｄ及びメタルリング４６と主体金具４２の底面４２ｂとの間の押圧力が保たれる。

続いて、内筒４３のうち封止材４５ｂの側面に位置する部分を加締めて縮径部４３ｃを形成して、素子封止体４０を作製する（図３（ｄ））。縮径部４３ｃが形成されることにより、内筒４３内の封止やセンサ素子２０の固定がより確実になる。そして、主体金具４２の下側に保護カバー３０として内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２を溶接することで、組立体１５を得る（図３（ｅ））。保護カバー３０の溶接は、例えばレーザー溶接により行う。

以上のように工程（ａ）を行って組立体１５を用意すると、工程（ｂ）を行って組立体１５のうち筒状体４１の少なくとも一部に付着した油分を除去した後、主体金具４２にナット４７を取り付ける。そして、ゴム栓５７内を通したリード線５５と、これに接続されたコネクタ５０とを用意して、コネクタ５０をセンサ素子２０の他端側（ここでは上端側）に接続する。その後、リード線５５，ゴム栓５７，コネクタ５０及び組立体１５の上側を外筒４８内に挿入し、外筒４８の下端と主体金具４２の溶接部４２ｄとを溶接固定して、図１，２のガスセンサ１０を得る。外筒４８の溶接は、例えばレーザー溶接により行う。

以下、工程（ｂ）について詳細に説明する。工程（ｂ）の誘導加熱は、組立体１５の周囲に配置したコイルに電流を流すことにより行う。本実施形態では、図４に示す誘導加熱装置８０を用いて組立体１５の誘導加熱を行う。図４の左側は組立体１５の周囲にコイル８１を配置する前の状態の説明図であり、図４の右側は組立体１５の周囲にコイル８１を配置して誘導加熱を行っている状態の説明図である。図５は、コイル配置領域Ｒｃと組立体１５との位置関係の説明図である。図４左に示すように、誘導加熱装置８０は、コイル８１と、交流電源でありコイル８１に電流を流す電源装置８２と、コイル８１の下方に配置され組立体１５を支持固定する支持台８３と、支持台８３を昇降させる昇降部８４と、を備えている。工程（ｂ）では、組立体１５を支持台８３に取り付け（図４左）、昇降部８４により所定の高さまで組立体１５を上昇させる（図４右）。これにより、組立体１５のうち筒状体４１の少なくとも一部がコイル８１の内側に挿入される。そして、この状態で電源装置８２がコイル８１に電流を流すことで、組立体１５のうち筒状体４１の少なくとも一部を誘導加熱する。工程（ｂ）において、加熱後の組立体１５の冷却は、例えば自然冷却としてもよいし、エアーなどの冷媒を流すことで冷却してもよい。

誘導加熱時のコイル８１と組立体１５との位置関係について図４，５を用いて説明する。工程（ｂ）では、組立体１５を上昇させて組立体１５の周囲にコイル８１を配置するにあたり、保護カバー３０を避けるようにコイル８１を配置する。すなわち、図４右に示すコイル８１の上端から下端までの領域をコイル配置領域Ｒｃとし、図５に示す保護カバー３０の上端から下端までの領域を保護カバー領域Ｒｐとして、コイル配置領域Ｒｃ（図５にも図示した）が保護カバー領域Ｒｐと重複しないようにコイル８１を配置する。また、筒状体４１のうち保護カバー３０よりもセンサ素子２０の上端と同じ側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置する。すなわち、図５に示す筒状体４１のうち保護カバー３０の上端よりも上側の領域を領域Ｒ１として、コイル配置領域Ｒｃが領域Ｒ１の少なくとも一部と重複するようにコイル８１を配置する。領域Ｒ１は、本実施形態では、フランジ部４２ｃの下面から内筒４３の上端までの領域である。コイル配置領域Ｒｃは、センサ素子２０のうち領域Ｒ１よりもセンサ素子２０の他端側（ここでは上端側）の少なくとも一部を含んでもよく、領域Ｒ１よりもセンサ素子２０の他端側の全てを含んでもよい。

このように、本実施形態の工程（ｂ）では、コイル配置領域Ｒｃが保護カバー領域Ｒｐとは重複せず且つ領域Ｒ１の少なくとも一部と重複するようにコイル８１を配置して誘導加熱を行う。これにより、筒状体４１のうち周囲にコイルが配置された部分（ここでは筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分）が誘導加熱されて、その部分の油分が除去される。筒状体４１に付着している油分とは、例えば潤滑油剤、切削油剤、研削油剤などである。筒状体４１に油分が付着していると、ガスセンサ１０の使用時にその油分がガス化して素子室３３内の被測定ガスに混ざったり空間４９内の基準ガスに混ざったりする場合があり、これによりガスセンサ１０のＮＯｘ濃度の検出精度が低下する場合があった。工程（ｂ）の誘導加熱をオーケーの合うことで筒状体４１に付着した油分の少なくとも一部を除去することで、このようなガスセンサ１０の検出精度の低下を抑制できる。一方、保護カバー３０の周囲にはコイル８１が配置されておらず保護カバー３０は誘導加熱されにくいから、保護カバー３０の黒化を抑制することができる。保護カバー３０が黒化するのは、加熱により保護カバー３０に含まれるＣｒとＦｅとの少なくとも一方の成分が酸化して生成される酸化膜が原因と考えられる。保護カバー３０が黒化すると、輻射熱を吸収しやすくなるため、センサ素子２０の使用開始時にヒータ２９によりセンサ素子２０を昇温するのに要する時間が長くなってセンサ素子２０の使用開始時の応答性が低下することがあった。すなわち、ガスセンサ１０において、使用時のヒータ２９によるセンサ素子２０の昇温開始からＮＯｘ濃度が正しく検出できるようになるまでの時間（ライトオフ（Light off）時間とも言う）が長くなる場合があった。保護カバー３０の黒化を抑制することで、ガスセンサ１０の製造時のライトオフ時間のばらつきを抑制できる。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうち少なくとも内筒４３を含む部分の周囲に前記コイルを配置することが好ましい。すなわち、図５に示す内筒４３の上端から下端までの領域を領域Ｒ２として、コイル配置領域Ｒｃが領域Ｒ２を含むようにコイル８１を配置することが好ましい。ここで、ガスセンサ１０において、筒状体４１のうち主体金具４２よりもセンサ素子２０の他端と同じ側すなわち基準ガス導入口２２ｂに近い側にある内筒４３に油分が付着していると、ガス化した油分が基準ガス導入口２２ｂに到達することで、ＮＯｘ濃度の検出精度を低下させやすい。工程（ｂ）においてコイル配置領域Ｒｃが領域Ｒ２を含むようにコイル８１を配置して誘導加熱を行うことで、筒状体４１のうち少なくとも内筒４３の油分を除去することができる。したがって、内筒４３に付着した油分による上記の検出精度の低下を抑制できる。特に、本実施形態では、図１に示すように筒状体４１のうち空間４９に面しているのは内筒４３のみである。そのため、内筒４３の油分を除去すれば、筒状体４１に付着した油分がガス化して基準ガス導入口２２ｂに到達することはほとんどなくなる。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうち保護カバー３０よりもセンサ素子２０の他端と同じ側（ここでは上側）の全体の周囲にコイル８１を配置してもよい。すなわち、コイル配置領域Ｒｃが領域Ｒ１を含むようにコイル８１を配置してもよい。図５に示すコイル配置領域Ｒｃは、領域Ｒ１を含むようにコイル８１を配置した場合の例を示している。こうすれば、保護カバー３０を避けつつ筒状体４１のなるべく多くの部分を誘導加熱できるため、筒状体４１に付着している油分を除去しやすい。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分を４２０℃以上に加熱することが好ましい。こうすれば、筒状体４１のうち周囲にコイル８１が配置された部分の油分をより確実に除去できる。筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分を６００℃以上に加熱してもよい。筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分の温度が６５０℃を超えないようにしてもよい。

工程（ｂ）では、封止材４５ａ，４５ｂが６５０℃を超えないように誘導加熱を行ってもよい。特に、封止材４５ａ，４５ｂにタルクが含まれる場合には、封止材４５ａ，４５ｂが６５０℃を超えないようにすることでタルクが誘導加熱によって変質してしまうのを抑制できるため、好ましい。例えば封止材４５ａがタルクを含む場合、タルクが６５０℃以上になるとタルクが焼成により収縮してしまい封止材４５ａの内部に隙間が生じて筒状体４１の内周面とセンサ素子２０との間の封止が弱まる場合がある。封止材４５ａ，４５ｂが６５０℃を超えないようにすることでこれを抑制できる。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分の温度を４００℃以上に昇温し、且つその部分が４００℃以上であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにすることが好ましい。こうすれば、急激な昇温によってセラミックス部材であるサポーター４４ａ〜４４ｃにクラックが生じるのを抑制できる。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分の温度を４００℃以上に昇温し、且つその部分が４００℃未満であるときの昇温速度を所定値以下としてもよい。この所定値は、例えば４０℃／秒としてもよいし、３８．５℃／秒としてもよい。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうちコイル配置領域Ｒｃに含まれる部分の温度を６００℃以上に昇温し、且つその部分が４００℃以上６００℃以下であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにすることが好ましい。こうすれば、急激な昇温によってセラミックス部材であるサポーター４４ａ〜４４ｃにクラックが生じるのを抑制できる。

工程（ｂ）では、筒状体４１のうち工程（ｂ）のあとに溶接を行う部分を避けるようにコイル８１を配置してもよい。例えば、筒状体４１のうち溶接部４２ｄがコイル配置領域Ｒｃに含まれないように、溶接部４２ｄよりも上方にコイル８１を配置したり溶接部４２ｄよりも下方にコイル８１を配置したりしてもよい。誘導加熱装置８０が有するコイルを複数として、筒状体４１のうち溶接部４２ｄよりも上方の周囲と溶接部４２ｄよりも下方の周囲とにそれぞれコイルを配置してもよい。筒状体４１のうち工程（ｂ）のあとに溶接を行う部分がコイル配置領域Ｒｃに含まれている場合、誘導加熱によりその部分に酸化膜が生成される場合があり、この酸化膜が工程（ｂ）の後に溶接を行う際の溶接不良を引き起こす場合がある。筒状体４１のうち工程（ｂ）のあとに溶接を行う部分を避けるようにコイル８１を配置することで、溶接不良の発生を抑制できる。

工程（ｂ）では、封止材４５ａ，４５ｂの少なくとも一方について、加熱により水分を除去することが好ましい。封止材４５ａ，４５ｂが水分を含んでいると、水分が蒸発して空間４９内の基準ガスの酸素濃度に影響を与えることでガスセンサ１０のＮＯｘ濃度の検出精度が低下する場合がある。封止材４５ａ，４５ｂの水分を除去することで、このような検出精度の低下を抑制できる。特に、封止材４５ａ，４５ｂのうち空間４９に近い封止材４５ｂについては、工程（ｂ）で水分を除去することが好ましい。

工程（ｂ）では、保護カバー３０の温度が５００℃を超えないように誘導加熱を行うことが好ましい。筒状体４１が誘導加熱されることで、例えば熱伝導により保護カバー３０も加熱される場合があるが、誘導加熱中の保護カバー３０の温度を５００℃未満に保つことで、保護カバー３０の黒化をより確実に抑制できる。誘導加熱中の保護カバー３０の温度の調整は、例えばコイル８１に流す電流の値，電流の周波数，保護カバー３０とコイル８１との上下方向の距離の少なくとも一方を調整することで行ってもよい。あるいは、例えばエアーなどの冷却ガスを流して保護カバー３０を冷却することで保護カバー３０の温度を調整してもよい。また、保護カバー３０は、工程（ａ）で主体金具４２に取り付ける前に洗浄して油分を除去しておくことが好ましい。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１０の製造方法によれば、工程（ｂ）で組立体１５を誘導加熱するにあたり、保護カバー３０を避けるように、筒状体４１のうち保護カバー３０よりも上側の少なくとも一部の周囲にコイル８１を配置する。そして、コイル８１に電流を流すことにより筒状体４１のうち周囲にコイルが配置された部分を誘導加熱する。そのため、筒状体４１のうち誘導加熱される部分の油分を除去しつつ、保護カバー３０の黒化を抑制することができる。

また、工程（ｂ）では、筒状体４１のうち少なくとも内筒４３を含む部分の周囲にコイル８１を配置するため、少なくとも内筒４３の油分を除去することで内筒４３に付着した油分によるガスセンサ１０の検出精度の低下を抑制できる。さらに、工程（ｂ）では、筒状体４１のうち保護カバー３０よりも上側の全体の周囲にコイル８１を配置するため、保護カバー３０を避けつつ筒状体４１のなるべく多くの部分を誘導加熱でき、筒状体４１に付着している油分を除去しやすい。さらに、工程（ｂ）では、筒状体４１のうち周囲にコイル８１が配置された部分を４２０℃以上に加熱するため、その部分の油分をより確実に除去できる。さらにまた、工程（ｂ）では、封止材４５ａ，４５ｂが６５０℃を超えないように誘導加熱を行うため、封止材４５ａ，４５ｂにタルクが含まれる場合に、タルクが誘導加熱によって変質してしまうのを抑制できる。そしてまた、工程（ｂ）では、筒状体４１のうち周囲にコイル８１が配置された部分の温度を４００℃以上に昇温し、且つその部分が４００℃以上であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにする。そのため、セラミックス部材であるサポーター４４ａ〜４４ｃにクラックが生じるのを抑制できる。そしてさらにまた、工程（ｂ）では、筒状体４１のうち周囲にコイル８１が配置された部分の温度を６００℃以上に昇温し、且つその部分が４００℃以上６００℃以下であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにする。そのため、セラミックス部材であるサポーター４４ａ〜４４ｃにクラックが生じるのを抑制できる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

たとえば、上述した実施形態では、素子封止体４０は３個のサポーター４４ａ〜４４ｃと２個の封止材４５ａ，４５ｂを備えていたが、筒状体４１の内側とセンサ素子２０との間を封止し且つセンサ素子２０を固定できればよく、これらの個数は適宜変更してもよい。例えば、素子封止体４０はサポーター４４ｂを備えないものとし、サポーター４４ａとサポーター４４ｃとの間に１つの封止材を備えていてもよい。また、筒状体４１の内側とセンサ素子２０との間を封止し且つセンサ素子２０を固定できれば、セラミックス部材及び圧粉体以外の部材を用いてもよい。また、上述した実施形態では、筒状体４１は主体金具４２と内筒４３とを溶接した部材としたが、これに限らず筒状体４１は主体金具４２及び内筒４３に相当する部材が一体形成された部材であってもよい。

上述した実施形態では、被測定ガス導入口２２ａはセンサ素子２０の先端面２０ｂに配設されていたが、これに限らずセンサ素子２０の一端側（図１の下端側）に配設されていればよい。基準ガス導入口２２ｂについても同様に、基端面２０ｃに限らずセンサ素子２０の他端側（図１の上端側）に配設されていればよい。また、センサ素子２０は、基準ガス導入空間２１ｃを備えない代わりに基準ガス導入層２１ｄが基準電極２８から基端面２０ｃまでに亘って存在していてもよい。この場合、基準ガス導入層２１ｄのうち基端面２０ｃに露出する端部が、基準ガス導入口２２ｂに相当する。

上述した実施形態では、工程（ｂ）において、コイル８１の内側に筒状体４１の少なくとも一部が挿入された状態で誘導加熱を行ったが、これに限らず筒状体４１の少なくとも一部の周囲にコイル８１が配置されていればよい。例えば、図６に示すように、コイル８１の軸方向が組立体１５の軸方向と交差（図６では直交）するようにコイル８１を組立体１５の周囲に配置してもよい。この場合も、コイル８１の上端から下端までの領域をコイル配置領域Ｒｃとして、このコイル配置領域Ｒｃが保護カバー領域Ｒｐとは重複せず且つ領域Ｒ１の少なくとも一部と重複するようにコイル８１を配置して誘導加熱を行えばよい。図６ではコイル８１を１つのみ図示しているが、筒状体４１の周囲にコイル８１を複数配置してもよい。

以下には、組立体１５を作製して工程（ｂ）の誘導加熱を行った例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
まず、工程（ａ）では、図３を用いて説明した手順で組立体１５を作製した。主体金具４２の材質はＳＵＳ４３０とし、内筒４３の材質はＳＵＳ４３０とし、保護カバー３０の材質はＳＵＳ３１０Ｓとした。サポーター４４ａ〜４４ｃはいずれもアルミナからなるセラミックスの焼結体とした。封止材４５ａ，４５ｂはタルク粉末を成形した圧粉体とした。次に、工程（ｂ）では、図４に示した誘導加熱装置８０を用いて組立体１５の誘導加熱を行った。電源装置８２が印加する電圧は１２．６Ｖ，周波数は１７２ｋＨｚとし、コイル８１に流れる電流は７０．２Ａとした。電源装置８２が電流を流す時間は２２秒とし、誘導加熱後は組立体１５周囲にエアーを流して組立体１５を冷却した。コイル８１は、図５に示したようにコイル配置領域Ｒｃが保護カバー領域Ｒｐと重複せず且つ領域Ｒ１を含むように配置した。

［実施例２］
工程（ｂ）においてコイル８１に流れる電流が６６．０Ａとなるように電源装置８２の出力を調整した点以外は実施例１と同様の工程（ａ），（ｂ）を行って実施例２とした。

図７は、実施例１，２の誘導加熱時の温度の時間変化を示すグラフである。図７の横軸はコイル８１に電流を流し始めてからの経過時間であり、図７の縦軸は筒状体４１の温度である。筒状体４１の温度は熱電対により０．１秒毎に測定した。実施例１，２のいずれも、誘導加熱により筒状体４１が６００℃以上６５０℃以下の温度まで加熱された。実施例１では、筒状体４１の温度が４００℃以上になってから最高温度に到達するまでの間の昇温速度の最大値は３１．５℃／秒であった。実施例２では、筒状体４１の温度が４００℃以上になってから最高温度に到達するまでの間の昇温速度の最大値は２７．５℃／秒であった。

実施例１，２のいずれにおいても、保護カバー３０の黒化は見られなかった。また、実施例１における組立体１５の作製及び誘導加熱を１５回行ったところ、そのうちの１１回ではサポーター４４ａ〜４４ｃの少なくともいずれかにクラックが発生していた。一方、実施例２では、１０回のうちいずれにおいてもサポーター４４ａ〜４４ｃにクラックは見られなかった。このことから、筒状体４１のうちコイル８１が配置された部分の温度が４００℃以上であるときの昇温速度が２７．５℃を超えないようにすることで、サポーター４４ａ〜４４ｃのクラックの発生を抑制できたと考えられる。

実施例１，２のいずれにおいても、誘導加熱後に組立体１５を外筒４８に挿入して外筒４８の下端と主体金具４２の溶接部４２ｄとをレーザー溶接したところ、問題なく溶接ができ、溶接不良は見られなかった。実施例１，２の誘導加熱の条件では、溶接部４２ｄには酸化膜が生じなかったか、又は生じても溶接に影響しない程度の厚さであったと考えられる。

本発明は、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサの製造産業に利用可能である。

１０ ガスセンサ、１５ 組立体、２０ センサ素子、２０ａ 積層体、２０ｂ 先端面、２０ｃ 基端面、２１ａ 被測定ガス流通部、２１ｂ 拡散律速部、２１ｃ 基準ガス導入空間、２１ｄ 基準ガス導入層、２２ａ 被測定ガス導入口、２２ｂ 基準ガス導入口、２３ 検出部、２４ 外側電極、２５ 内側主ポンプ電極、２６ 内側補助ポンプ電極、２７ 測定電極、２８ 基準電極、２９ ヒータ、３０ 保護カバー、３１ 内側保護カバー、３２ 外側保護カバー、３３ 素子室、４０ 素子封止体、４１ 筒状体、４２ 主体金具、４２ａ 肉厚部、４２ｂ 底面、４２ｃ フランジ部、４２ｄ 溶接部、４３ 内筒、４３ａ フランジ部、４３ｂ 拡管部、４３ｃ，４３ｄ 縮径部、４４ａ〜４４ｃ サポーター、４５ａ，４５ｂ 封止材、４６ メタルリング、４７ ナット、４８ 外筒、４９ 空間、５０ コネクタ、５５ リード線、５７ ゴム栓、７０ 配管、７１ 固定用部材、８０ 誘導加熱装置、８１ コイル、８２ 電源装置、８３ 支持台、８４ 昇降部、Ｒｃ コイル配置領域、Ｒｐ 保護カバー領域、Ｒ１，Ｒ２ 領域。

Claims (8)

1. （ａ）被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口を一端側に有し該導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子が内部を軸方向に貫通している金属製の筒状体と、前記筒状体に取り付けられ前記センサ素子の前記一端側を覆う保護カバーと、を備えた組立体を用意する工程と、
   （ｂ）前記組立体のうち前記保護カバーを避けるように前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端と同じ側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置し、該コイルに電流を流すことにより前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を誘導加熱して該部分に付着した油分を除去する工程と、
   を含むガスセンサの製造方法。
2. 前記センサ素子は、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを導入する基準ガス導入口を前記他端側に有しており、
   前記筒状体は、前記センサ素子の前記一端と同じ側に前記保護カバーが取り付けられた主体金具と、該主体金具のうち前記センサ素子の前記他端と同じ側に取り付けられた内筒と、を有しており、
   前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち少なくとも前記内筒を含む部分の周囲に前記コイルを配置する、
   請求項１に記載のガスセンサの製造方法。
3. 前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端と同じ側の全体の周囲に前記コイルを配置する、
   請求項１又は２に記載のガスセンサの製造方法。
4. 前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を４２０℃以上に加熱する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサの製造方法。
5. 前記組立体は、タルクを含み前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置された封止材、を備え、
   前記工程（ｂ）では、前記封止材が６５０℃を超えないように前記誘導加熱を行う、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサの製造方法。
6. 前記組立体は、前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置されたセラミックス部材、を備え、
   前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分の温度を４００℃以上に昇温し、且つ該部分が４００℃以上であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにする、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサの製造方法。
7. 前記組立体は、前記筒状体の内周面と前記センサ素子との間に配置されたセラミックス部材、を備え、
   前記工程（ｂ）では、前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分の温度を６００℃以上に昇温し、且つ該部分が４００℃以上６００℃以下であるときの昇温速度が２７．５℃／秒を超えないようにする、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサの製造方法。
8. 被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口を一端側に有し該導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子が内部を軸方向に貫通している金属製の筒状体と、前記筒状体に取り付けられ前記センサ素子の前記一端側を覆う保護カバーと、を備えた組立体に付着した油分を除去する油分除去方法であって、
   前記組立体のうち前記保護カバーを避けるように前記筒状体のうち前記保護カバーよりも前記センサ素子の他端側の少なくとも一部の周囲にコイルを配置し、該コイルに電流を流すことにより前記筒状体のうち周囲に前記コイルが配置された部分を誘導加熱して該部分に付着した油分を除去する工程、
   を含む油分除去方法。