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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-05
(45)【発行日】2024-09-13
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/409 20060101AFI20240906BHJP
【ＦＩ】
G01N27/409 100
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021044215
(22)【出願日】2021-03-18
(65)【公開番号】P2022143607
(43)【公開日】2022-10-03
【審査請求日】2023-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】萩野 翔太
(72)【発明者】
【氏名】中村 聡
(72)【発明者】
【氏名】小澤 直人
(72)【発明者】
【氏名】下川 弘宣
【審査官】小澤 理
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－２０８７２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１７８９８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０７１６２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０２０２３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／００８２３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－１２１５９９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／４０９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記充填材の線膨張係数と前記ハウジングの線膨張係数との差に基づく熱収縮量の差によって、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている状態にあり、
前記残留応力は、前記ハウジング及び前記充填材が、前記充填材が溶融する温度よりも低い８００℃に加熱された状態においても維持される、ガスセンサ（１）。
【請求項2】
前記センサ素子は、貴金属材料を含有する電極（３１１，３１２）が設けられるとともに固体電解質材料からなる固体電解質体（３１）と、導電性材料からなる発熱体（３４）が埋設されるとともに金属酸化物からなる絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）との積層体によって構成されており、
前記センサ素子と前記充填材とにおける、線膨張係数の差は±３０％以下である、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記充填材を構成する前記粒状物結合体は、結晶構造を有する結晶化ガラスによって構成されており、かつ、結晶格子（Ｋ）における前記横方向の格子面間隔（Ｋ２）が結晶格子における前記軸線方向の格子面間隔よりも小さい、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記ハウジングは、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル合金によって構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記ハウジング孔における、前記充填材と接触する孔部位の表面粗さＲａは、６．４μｍ未満である、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項6】
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている、ガスセンサ（１）。
【請求項7】
前記インナーハウジングは、１４質量％以上のＣｒを含有するフェライト系ステンレス鋼によって構成されている、請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項8】
前記インナーハウジングにおける、前記充填材に前記横方向から対向する部位の厚みは、１ｍｍ以上である、請求項６又は７に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
ガスセンサは、内燃機関の排気管に排気される排ガス等を検出対象ガスとし、検出対象ガスにおける酸素の濃度、特定ガスの濃度、空燃比等を検出するために用いられる。ガスセンサは、センサ素子、センサ素子が挿通された挿通孔を有する碍子（補助材）、碍子が配置されたハウジング孔を有するハウジング等を備える。また、板形状の固体電解質体を有する積層タイプのセンサ素子は、ガラス粒子、セラミック粒子等の粒子状材料が結合された充填材によって、碍子を介して又は直接、ハウジングに保持されている。
【0003】
充填材は、ハウジングへのセンサ素子の保持機能を有する他に、センサ素子の検知部に接触する排ガスが、ガスセンサ内へ漏洩することを阻止するための封止機能を有する。充填材に封止機能を持たせるために、種々の工夫がなされている。例えば、特許文献１のガスセンサにおいては、素子体がシール材を介してハウジングに保持されており、シール材は無機粉末及びガラス体によって構成されている。また、ガラス体は、径方向の外側に向かって熱膨張係数が段階的に大きくなる複数のガラス層によって構成されている。この構成により、高温環境下におけるシール材の気密性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－９９１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ガスセンサは、排気管を流れる排ガスによって、最大で８００℃近くの高温に加熱される。このとき、特許文献１のガスセンサにおいては、ハウジングと、ハウジングに隣接するガラス層との間の線膨張係数の差を小さくして、シール材による気密性を確保している。しかし、ガスセンサにおける充填材による気密性を、より適切に確保するためには、更なる改善の余地がある。
【0006】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、ガスセンサの使用時において、充填材によるガスセンサの気密性を、より適切に確保することができるガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記充填材の線膨張係数と前記ハウジングの線膨張係数との差に基づく熱収縮量の差によって、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている状態にあり、
前記残留応力は、前記ハウジング及び前記充填材が、前記充填材が溶融する温度よりも低い８００℃に加熱された状態においても維持される、ガスセンサ（１）にある。
また、本発明の他の態様は、
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている、ガスセンサ（１）にある。
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記充填材の線膨張係数と前記ハウジングの線膨張係数との差に基づく熱収縮量の差によって、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている状態にあり、
前記残留応力は、前記ハウジング及び前記充填材が、前記充填材が溶融する温度よりも低い８００℃に加熱された状態においても維持される、ガスセンサ（１）にある。
また、本発明の他の態様は、
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、
前記センサ素子の先端検知部（２１）を覆う先端側カバー（４５Ａ，４５Ｂ）と、を備え、
前記ハウジングは、前記ハウジング孔が形成されたインナーハウジング（５Ａ）と、前記インナーハウジングの外周側に装着され、前記インナーハウジングとの間に前記先端側カバーを挟み込み、かつ外周に配管取り付けのためのおねじ部（５４１）が形成されたアウターハウジング（５Ｂ）とを有しており、
前記インナーハウジングから前記充填材には、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）が加わっている、ガスセンサ（１）にある。
【0008】
本発明の参考態様は、
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、を備えるガスセンサ（１）の製造方法であって、
前記センサ素子、前記補助材、前記ハウジング及び前記粒子状材料が一体化された中間体（１１）を加熱し、前記中間体における、前記粒子状材料を溶融させて前記粒状物結合体とする加熱工程と、
前記中間体を冷却し、前記ハウジングが加熱された状態から冷却されるときに、前記ハウジングの熱収縮量が前記粒状物結合体の熱収縮量よりも大きいことによって、前記ハウジングから前記粒状物結合体に、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）を生じさせる冷却工程と、を含み、
前記加熱工程においては、前記中間体を、前記粒子状材料が溶融する温度よりも低い所定の温度に加熱する第１段階目の加熱と、前記中間体が配置された環境下の酸素の濃度を低下させるとともに、前記中間体を、前記粒子状材料が溶融する温度以上に加熱する第２段階目の加熱とを行う、ガスセンサの製造方法にある。
少なくとも固体電解質材料を用いて構成されたセンサ素子（２）と、
前記センサ素子が挿通された挿通孔（４２０）を有する、セラミックス材料によって構成された補助材（４２）と、
前記補助材が配置されたハウジング孔（５０）を有する、金属材料によって構成されたハウジング（５Ａ，５Ｂ）と、
前記ハウジング孔の残部に充填され、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料（４１０）が結合された粒状物結合体（４１１）によって構成された充填材（４１）と、を備えるガスセンサ（１）の製造方法であって、
前記センサ素子、前記補助材、前記ハウジング及び前記粒子状材料が一体化された中間体（１１）を加熱し、前記中間体における、前記粒子状材料を溶融させて前記粒状物結合体とする加熱工程と、
前記中間体を冷却し、前記ハウジングが加熱された状態から冷却されるときに、前記ハウジングの熱収縮量が前記粒状物結合体の熱収縮量よりも大きいことによって、前記ハウジングから前記粒状物結合体に、前記センサ素子の軸線方向（Ｌ）に直交する横方向（Ｗ）への残留応力（Ｐ）を生じさせる冷却工程と、を含み、
前記加熱工程においては、前記中間体を、前記粒子状材料が溶融する温度よりも低い所定の温度に加熱する第１段階目の加熱と、前記中間体が配置された環境下の酸素の濃度を低下させるとともに、前記中間体を、前記粒子状材料が溶融する温度以上に加熱する第２段階目の加熱とを行う、ガスセンサの製造方法にある。
【発明の効果】
【0009】
（一態様のガスセンサ）
前記一態様のガスセンサにおいては、充填材及びハウジングの用い方に工夫をしている。具体的には、ハウジングから充填材には、センサ素子の軸線方向に直交する横方向への残留応力が加わっている。換言すれば、充填材を構成する粒状物結合体は、ハウジングから加わる残留応力によって圧縮された状態にある。そして、ガスセンサの使用時において、この残留応力が粒状物結合体に加わる状態が維持されることにより、充填材によるガスセンサの気密性を、より適切に確保することができる。また、ガスセンサの使用時において、センサ素子は、残留応力を受けた充填材を介してハウジングに保持される。
前記一態様のガスセンサにおいては、充填材及びハウジングの用い方に工夫をしている。具体的には、ハウジングから充填材には、センサ素子の軸線方向に直交する横方向への残留応力が加わっている。換言すれば、充填材を構成する粒状物結合体は、ハウジングから加わる残留応力によって圧縮された状態にある。そして、ガスセンサの使用時において、この残留応力が粒状物結合体に加わる状態が維持されることにより、充填材によるガスセンサの気密性を、より適切に確保することができる。また、ガスセンサの使用時において、センサ素子は、残留応力を受けた充填材を介してハウジングに保持される。
【0010】
前記一態様のガスセンサによれば、ガスセンサの使用時において、充填材によるガスセンサの気密性を、より適切に確保することができる。
【0011】
（参考態様のガスセンサの製造方法）
前記ガスセンサの製造方法においては、加熱工程及び冷却工程を行うことによって、ハウジングから粒子状材料に、センサ素子の軸線方向に直交する横方向への残留応力を生じさせる。具体的には、加熱工程においては、中間体におけるハウジングが加熱によって膨張しており、このハウジングのハウジング孔の残部に粒子状材料が配置されることにより、より多くの粒子状材料がハウジング孔の残部に配置される。そして、粒子状材料が加熱されて溶融する。
前記ガスセンサの製造方法においては、加熱工程及び冷却工程を行うことによって、ハウジングから粒子状材料に、センサ素子の軸線方向に直交する横方向への残留応力を生じさせる。具体的には、加熱工程においては、中間体におけるハウジングが加熱によって膨張しており、このハウジングのハウジング孔の残部に粒子状材料が配置されることにより、より多くの粒子状材料がハウジング孔の残部に配置される。そして、粒子状材料が加熱されて溶融する。
【0012】
次いで、冷却工程においては、粒子状材料がハウジング孔の残部に配置された中間体が冷却される。このとき、ハウジングの収縮量が粒子状材料の収縮量よりも大きいことによって、ハウジングから粒子状材料に、センサ素子の軸線方向に直交する横方向への残留応力が生じる。これにより、粒子状材料が粒状物結合体となって、ガスセンサが製造される。その後、ガスセンサの使用時において、残留応力が粒状物結合体に加わる状態が維持されることにより、充填材によるガスセンサの気密性を、より適切に確保することができる。
【0013】
前記参考態様のガスセンサの製造方法によれば、使用時において充填材による気密性を、より適切に確保することができるガスセンサが得られる。
【0014】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
本形態のガスセンサ１は、図１に示すように、センサ素子２、補助材４２、ハウジング５Ａ，５Ｂ及び充填材４１を備える。センサ素子２は、少なくとも固体電解質材料を用いて構成されている。補助材４２は、セラミックス材料によって構成されており、センサ素子２が挿通された挿通孔４２０を有する。ハウジング５Ａ，５Ｂは、金属材料によって構成されており、補助材４２が配置されたハウジング孔５０を有する。充填材４１は、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料４１０が結合された粒状物結合体４１１によって構成されており、ハウジング孔５０の残部に充填されている。図２及び図３に示すように、インナーハウジング５Ａから充填材４１には、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力Ｐが加わっている。
＜実施形態＞
本形態のガスセンサ１は、図１に示すように、センサ素子２、補助材４２、ハウジング５Ａ，５Ｂ及び充填材４１を備える。センサ素子２は、少なくとも固体電解質材料を用いて構成されている。補助材４２は、セラミックス材料によって構成されており、センサ素子２が挿通された挿通孔４２０を有する。ハウジング５Ａ，５Ｂは、金属材料によって構成されており、補助材４２が配置されたハウジング孔５０を有する。充填材４１は、セラミックス、ガラス、結晶化ガラスのうちの少なくとも一種の粒子状材料４１０が結合された粒状物結合体４１１によって構成されており、ハウジング孔５０の残部に充填されている。図２及び図３に示すように、インナーハウジング５Ａから充填材４１には、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力Ｐが加わっている。
【0017】
以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度、特定ガス濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度、特定ガス濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。
【0018】
排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスＧの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。
【0019】
（センサ素子２）
図４～図６に示すように、センサ素子２は、貴金属材料を含有する電極３１１，３１２が設けられるとともに固体電解質材料からなる固体電解質体３１と、導電性材料からなる発熱体３４が埋設されるとともに金属酸化物からなる絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層体によって構成されている。本形態のセンサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２、第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ、ガス室３５、大気ダクト３６及び発熱体３４を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１に、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。
図４～図６に示すように、センサ素子２は、貴金属材料を含有する電極３１１，３１２が設けられるとともに固体電解質材料からなる固体電解質体３１と、導電性材料からなる発熱体３４が埋設されるとともに金属酸化物からなる絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層体によって構成されている。本形態のセンサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２、第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ、ガス室３５、大気ダクト３６及び発熱体３４を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１に、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。
【0020】
本形態において、センサ素子２の軸線方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、センサ素子２の横方向Ｗとは、軸線方向Ｌに直交する方向であって、ハウジング５Ａ，５Ｂの中心軸線を中心として広がる径方向Ｗのことをいう。横方向Ｗにおける、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向を、積層方向Ｄという。また、センサ素子２の軸線方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。ガスセンサ１においても、センサ素子２の軸線方向Ｌと同じ方向のことを軸線方向Ｌという。
【0021】
（固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２）
図４～図６に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の軸線方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる先端検知部２１が形成されている。第１絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層されており、第２絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層されている。
図４～図６に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の軸線方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる先端検知部２１が形成されている。第１絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層されており、第２絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層されている。
【0022】
固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。
【0023】
排気電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。図４に示すように、排気電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３が接続されている。電極リード部３１３は、センサ素子２の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の部位まで引き出されている。電極リード部３１３の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、端子接続部２２が形成されている。
【0024】
（ガス室３５）
図４及び図６に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａの軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。
図４及び図６に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａの軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。
【0025】
（拡散抵抗部３２）
図４に示すように、本形態の拡散抵抗部（ガス導入部）３２は、ガス室３５の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口内に、酸化アルミニウム等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。
図４に示すように、本形態の拡散抵抗部（ガス導入部）３２は、ガス室３５の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口内に、酸化アルミニウム等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。
【0026】
（大気ダクト３６）
図４～図６に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する軸線方向Ｌの部位から、センサ素子２の軸線方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。
図４～図６に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する軸線方向Ｌの部位から、センサ素子２の軸線方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。
【0027】
（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
図４～図６に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
図４～図６に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
【0028】
（発熱体３４）
図４及び図５に示すように、発熱体３４は、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。発熱体リード部３４２の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、端子接続部２２が形成されている。
図４及び図５に示すように、発熱体３４は、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。発熱体リード部３４２の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、端子接続部２２が形成されている。
【0029】
（表面保護層３７）
図１に示すように、センサ素子２の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、先端検知部２１を覆う表面保護層３７が形成されている。表面保護層３７は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。
図１に示すように、センサ素子２の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、先端検知部２１を覆う表面保護層３７が形成されている。表面保護層３７は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。
【0030】
（センサ素子２の他の構成）
図示は省略するが、センサ素子２は、１つの固体電解質体３１を有するものに限られず、２つ以上の固体電解質体３１を有するものとしてもよい。固体電解質体３１に設けられる電極３１１，３１２は、排気電極３１１及び大気電極３１２の一対のものだけに限られず、複数組の電極としてもよい。１つ又は複数の固体電解質体３１に複数組の電極が設けられている場合には、発熱体３４の発熱部３４１は、複数組の電極に積層方向Ｄから対向する位置に設けることができる。
図示は省略するが、センサ素子２は、１つの固体電解質体３１を有するものに限られず、２つ以上の固体電解質体３１を有するものとしてもよい。固体電解質体３１に設けられる電極３１１，３１２は、排気電極３１１及び大気電極３１２の一対のものだけに限られず、複数組の電極としてもよい。１つ又は複数の固体電解質体３１に複数組の電極が設けられている場合には、発熱体３４の発熱部３４１は、複数組の電極に積層方向Ｄから対向する位置に設けることができる。
【0031】
ガスセンサ１は、センサ素子２、補助材４２、ハウジング５Ａ，５Ｂ及び充填材４１の他に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ、接触部材４３２、接点端子４４、ブッシュ４７、リード線４８等を備える。
【0032】
（ハウジング５Ａ，５Ｂ）
図１に示すように、ハウジング５Ａ，５Ｂは、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。本形態のハウジング５Ａ，５Ｂは、ハウジング孔５０が形成されたインナーハウジング５Ａと、インナーハウジング５Ａの外周側に装着されたアウターハウジング５Ｂとの２部品によって構成されている。インナーハウジング５Ａ及びアウターハウジング５Ｂは、いずれも筒形状に形成されており、いずれも金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
図１に示すように、ハウジング５Ａ，５Ｂは、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。本形態のハウジング５Ａ，５Ｂは、ハウジング孔５０が形成されたインナーハウジング５Ａと、インナーハウジング５Ａの外周側に装着されたアウターハウジング５Ｂとの２部品によって構成されている。インナーハウジング５Ａ及びアウターハウジング５Ｂは、いずれも筒形状に形成されており、いずれも金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
【0033】
本形態のインナーハウジング５Ａ及びアウターハウジング５Ｂは、フェライト系ステンレス鋼によって構成されている。この構成により、ハウジング５Ａ，５Ｂの耐久性を確保するとともに、インナーハウジング５Ａから充填材４１への圧縮応力Ｐを適切に作用させることができる。インナーハウジング５Ａ及びアウターハウジング５Ｂは、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル合金によって構成してもよい。ニッケル合金には、ニッケルと他の金属との合金としてのインコネル（登録商標）等がある。
【0034】
本形態のインナーハウジング５Ａは、ＳＵＳ４３０（ＪＩＳ）等として表される、１４質量％以上のＣｒ（クロム）を含有するフェライト系ステンレス鋼によって構成されている。この構成により、インナーハウジング５Ａが塑性変形しにくくなり、かつインナーハウジング５Ａに酸化膜が形成されにくくすることができる。
【0035】
インナーハウジング５Ａを構成するフェライト系ステンレス鋼は、Ｃｒ以外にも、Ｃ（炭素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｉ（ケイ素）等を含有する。インナーハウジング５ＡにおけるＣｒの含有量は２４質量％以下である。Ｃｒの含有量が２４質量％超過の場合には、インナーハウジング５Ａを成形する冷間鍛造等の鍛造性が悪化するおそれがある。また、インナーハウジング５Ａを構成するフェライト系ステンレス鋼は、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎ（窒素）等を含有していてもよい。
【0036】
図７には、フェライト系ステンレス鋼が、Ｃｒを１４質量％含有する場合とＣｒを１９質量％含有する場合とについて、応力［ＭＰａ］と歪［％］との関係を示す。図７の応力－歪曲線においては、歪が小さい範囲に弾性変形領域Ｒ１が生じ、弾性変形領域Ｒ１よりも歪が大きい範囲に塑性変形領域Ｒ２が生じる。Ｃｒを１４質量％含有する場合に比べて、Ｃｒを１９質量％含有する場合には、弾性変形領域Ｒ１が拡大する。弾性変形領域Ｒ１が拡大すると、ガスセンサ１の製造時に、インナーハウジング５Ａから粒子状材料４１０に加わる圧縮応力Ｐを、より適切に作用させることができる。
【0037】
インナーハウジング５Ａ及び粒子状材料４１０が熱収縮するときには、インナーハウジング５Ａから粒子状材料４１０に圧縮応力Ｐが加わるとともに、粒子状材料４１０からインナーハウジング５Ａには引張応力が加わる。そのため、インナーハウジング５Ａの耐力を高めるためには、インナーハウジング５Ａが塑性変形に至るまでの弾性変形量を多く確保することが有効である。そのために、インナーハウジング５ＡにおけるＣｒの含有量を増加させることにより、インナーハウジング５Ａの弾性変形領域Ｒ１を拡大させ、インナーハウジング５Ａが塑性変形しにくくすることができる。
【0038】
図８には、フェライト系ステンレス鋼が、Ｃｒを１０質量％、１４質量％、１９質量％、２０質量％含有する場合について、温度［℃］と耐力［ＭＰａ］との関係を示す。フェライト系ステンレス鋼の全般において、Ｃｒの含有量に拘わらず、温度が高くなるほど耐力が低下する関係がある。また、フェライト系ステンレス鋼の全般において、Ｃｒの含有量が多くなるほど耐力が上昇する関係がある。そのため、特に、インナーハウジング５Ａを構成するフライト系ステンレス鋼のＣｒの含有量を１４質量％以上にすることにより、インナーハウジング５Ａの耐力が上昇し、インナーハウジング５Ａが塑性変形しにくくすることができる。
【0039】
インナーハウジング５Ａから充填材４１（粒状物結合体４１１）に作用する残留応力（圧縮応力）Ｐは、インナーハウジング５Ａ及び粒子状材料４１０を加熱した後に冷却する過程において生じさせる。インナーハウジング５Ａが１０００℃程度に加熱されるときには、インナーハウジング５Ａの表面に酸化膜（酸化スケール）が形成される。酸化膜は、表面に凹凸を生じさせる状態で形成され、インナーハウジング５Ａの表面粗さを粗くする。
【0040】
図９には、インナーハウジング５ＡがＣｒを１２質量％含有する場合について、インナーハウジング５Ａの表面を撮影した写真を示す。図１０には、インナーハウジング５ＡがＣｒを１２質量％含有する場合について、インナーハウジング５Ａが充填材４１と接触する部位の断面を撮影した写真を示す。図９及び図１０において、Ｃｒの含有量が１２質量％である場合には、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の表面に形成された酸化膜Ｍの表面粗さが大きい（粗い）ことが分かる。
【0041】
図１１には、インナーハウジング５ＡがＣｒを１６質量％含有する場合について、インナーハウジング５Ａの表面を撮影した写真を示す。図１２には、インナーハウジング５ＡがＣｒを１６質量％含有する場合について、インナーハウジング５Ａが充填材４１と接触する部位の断面を撮影した写真を示す。図１１及び図１２において、Ｃｒの含有量が１６質量％である場合には、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の表面に形成された酸化膜Ｍの表面粗さが、Ｃｒの含有量が１４質量％の場合に比べて小さい（細かい）ことが分かる。
【0042】
ハウジング孔５０の表面に形成された酸化膜の表面粗さが粗い場合には、酸化膜の形成部位が、充填材４１による排ガスＧの封止効果を低減させるための、排ガスＧのリーク経路を形成する。この場合には、インナーハウジング５Ａから充填材４１に加わる圧縮応力Ｐによる、排ガスＧの封止効果が得られにくくなる。そのため、充填材４１による排ガスＧの封止効果を得るためにも、インナーハウジング５ＡにおけるＣｒの含有量は１４質量％以上であることが好ましい。
【0043】
図１３には、インナーハウジング５ＡのＣｒ含有量［質量％］と、充填材４１におけるガスリーク量［ｃｃ／ｍｉｎ］との関係を示す。ガスリーク量は、９００℃であって０．４ＭＰａの疑似排ガスとしての気体がセンサ素子２に接触する際に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内から基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内へリークする可能性がある排ガスＧの量を測定した結果を示す。充填材４１の温度は約７００℃になることを想定している。
【0044】
図１３において、Ｃｒ含有量が１４質量％未満になると、ガスリーク量が増加することが分かる。Ｃｒ含有量が１４質量％未満である場合には、ハウジング孔５０に形成された酸化膜の表面が粗く、ハウジング孔５０と充填材４１との間にリーク経路が形成されるためであると考える。
【0045】
インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０における、充填材４１と接触する孔部位の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａは、６．４μｍ未満である。この孔部位の表面粗さＲａが６．４μｍ以上に粗いと、充填材４１を構成する粒状物結合体４１１に局所的に大きな残留応力Ｐが作用し、粒状物結合体４１１が損傷するおそれがある。
【0046】
図１４には、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の十点平均粗さＲａ［μｍ］と、充填材４１におけるガスリーク量［ｃｃ／ｍｉｎ］との関係を示す。ガスリーク量は、９００℃であって０．４ＭＰａの疑似排ガスとしての気体がセンサ素子２に接触する際に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内から基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内へリークする可能性がある排ガスＧの量を測定した結果を示す。
【0047】
図１４において、ガスリーク量は、ハウジング孔５０の十点平均粗さが６．４μｍ以上になると、十点平均粗さが大きくなるほどガスリーク量が急激に増加する。ガスリーク量を２．５ｃｃ／ｍｉｎ以下にするためには、十点平均粗さを６．４μｍ未満にすることが有効であることが分かった。
【0048】
図２に示すように、インナーハウジング５Ａは、径方向Ｗの厚みが最も大きいインナー本体部５１と、インナー本体部５１の軸線方向Ｌの先端側Ｌ１において、インナー本体部５１よりも外径が縮径して形成されたインナー先端部５２と、インナー本体部５１の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２において、インナー本体部５１よりも内径が拡径して形成されたインナー基端部５３とを有する。図１に示すように、インナー先端部５２の外周には、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂが装着され、インナー基端部５３の内周側には、端子保持材４３が配置される。インナー先端部５２の径方向Ｗの厚みは、インナーハウジング５Ａにおいて最も小さい。ハウジング孔５０は、インナー本体部５１及びインナー先端部５２の内周側に形成されている。
【0049】
充填材４１は、インナー本体部５１の内周側に配置されている。インナー本体部５１から充填材４１に圧縮応力Ｐを適切に作用させるために、インナーハウジング５Ａにおける、充填材４１に横方向Ｗから対向する部位の厚みは、１ｍｍ以上である。換言すれば、インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みは１ｍｍ以上である。インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みが１ｍｍ未満になると、ガスセンサ１の製造時にインナー本体部５１を十分に熱収縮させることができず、充填材４１に十分な圧縮応力Ｐを作用させることができないおそれがある。
【0050】
本形態のインナー本体部５１の径方向Ｗの厚みは４ｍｍである。インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みは、ガスセンサ１の大型化を避けるために８ｍｍ以下とすればよい。インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みが１ｍｍ未満である場合には、ガスセンサ１の製造時において、インナーハウジング５Ａ及び粒子状材料４１０が冷却されるときに、粒子状材料４１０から加わる応力によってインナーハウジング５Ａが塑性変形するおそれがある。
【0051】
図１５には、インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みと、充填材４１におけるガスリーク量［ｃｃ／ｍｉｎ］との関係を示す。ガスリーク量は、９００℃であって０．４ＭＰａの疑似排ガスとしての気体がセンサ素子２に接触する際に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内から基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内へリークする可能性がある排ガスＧの量を測定した結果を示す。
【0052】
図１５において、インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みが１ｍｍ未満になると、ガスリーク量が増加することが分かる。インナー本体部５１の径方向Ｗの厚みが１ｍｍ未満である場合には、充填材４１から加わる応力によってインナー本体部５１が塑性変形して、ハウジング孔５０と充填材４１との間にリーク経路が形成されるためであると考える。
【0053】
図１に示すように、アウターハウジング５Ｂは、インナーハウジング５Ａとの間に先端側カバー４５Ａ，４５Ｂを挟み込むよう構成されている。アウターハウジング５Ｂは、軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に形成されたアウター先端側部５４と、アウター先端側部５４の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がり、アウター先端側部５４よりも内径及び外径が拡径したアウター基端側部５５と、アウター基端側部５５における軸線方向Ｌの基端から基端側Ｌ２へ突出するアウター突出部５６とを有する。アウター先端側部５４の外周には、ガスセンサ１を配管としての排気管７に取り付けるためのおねじ部５４１が形成されている。アウター基端側部５５には、六角形等の平面形状を有するフランジ部５５１が形成されている。
【0054】
先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、インナー先端部５２の外周とアウター先端側部５４の内周との間に配置される。また、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂの基端部は、インナー本体部５１の軸線方向Ｌの先端面とアウター先端側部５４の軸線方向Ｌの基端面との間に挟み込まれる。インナー本体部５１の外周にアウター基端側部５５の内周が重ねて配置される。基端側カバー４６Ａの軸線方向Ｌの先端部は、アウター突出部５６の外周に装着される。基端側カバー４６Ａ、アウター突出部５６及びインナー基端部５３は、レーザー溶接等によって互いに接合されている。
【0055】
（先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ）
図１に示すように、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ハウジング５Ａ，５Ｂの軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の端面から先端側Ｌ１へ突出する、センサ素子２の先端検知部２１を覆うものである。先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、インナーハウジング５Ａとアウターハウジング５Ｂとの間に挟持されている。本形態の先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、第１先端側カバー４５Ａと、第１先端側カバー４５Ａを覆う第２先端側カバー４５Ｂとの二重構造を有している。第１先端側カバー４５Ａ及び第２先端側カバー４５Ｂには、排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
図１に示すように、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ハウジング５Ａ，５Ｂの軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の端面から先端側Ｌ１へ突出する、センサ素子２の先端検知部２１を覆うものである。先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、インナーハウジング５Ａとアウターハウジング５Ｂとの間に挟持されている。本形態の先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、第１先端側カバー４５Ａと、第１先端側カバー４５Ａを覆う第２先端側カバー４５Ｂとの二重構造を有している。第１先端側カバー４５Ａ及び第２先端側カバー４５Ｂには、排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
【0056】
センサ素子２の先端検知部２１及び先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、内燃機関の排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂのガス流通孔４５１から先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内に流入する。そして、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内の排ガスＧは、センサ素子２の表面保護層３７及び拡散抵抗部３２を通過して排気電極３１１へと導かれる。なお、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂは、ガス流通孔４５１が形成された一重構造のものとしてもよい。
【0057】
（基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ）
図１に示すように、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、ガスセンサ１の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａ中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
図１に示すように、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、ガスセンサ１の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａ中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、金属としてのステンレス鋼によって構成されている。
【0058】
基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、大気Ａ中の水がガスセンサ１内に浸入することを防止する撥水フィルタ４６２を挟持するために、２部品に分かれて形成されている。具体的には、本形態の基端側カバー４６Ａ，４６Ｂは、アウターハウジング５Ｂのアウター突出部５６の外周に装着された第１基端側カバー４６Ａと、第１基端側カバー４６Ａの軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の位置の外周に装着された第２基端側カバー４６Ｂとを有する。第２基端側カバー４６Ｂの軸線方向Ｌの先端側Ｌ１の部分は、第１基端側カバー４６Ａの軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の外周に装着されている。
【0059】
第２基端側カバー４６Ｂの軸線方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持するブッシュ４７が保持されている。撥水フィルタ４６２は、第１基端側カバー４６Ａと第２基端側カバー４６Ｂとの間、及び第２基端側カバー４６Ｂとブッシュ４７との間に挟持されている。
【0060】
第２基端側カバー４６Ｂには、ガスセンサ１の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。撥水フィルタ４６２は、第２基端側カバー４６Ｂの内周側から大気導入孔４６１を覆う状態で配置されている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端位置は、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内の空間に開放されている。第２基端側カバー４６Ｂの大気導入孔４６１の周辺に存在する大気Ａは、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内が減圧状態になったときに、撥水フィルタ４６２を経由して基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内に取り込まれる。そして、撥水フィルタ４６２を通過した大気Ａは、センサ素子２の大気ダクト３６の基端位置から大気ダクト３６内に流れ、大気ダクト３６内の大気電極３１２へと導かれる。
【0061】
（補助材４２）
図１～図３に示すように、補助材４２は、インナーハウジング５Ａの中心部を軸線方向Ｌに貫通するハウジング孔５０内に配置されている。補助材４２は、第１碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。補助材４２は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって構成されている。本形態においては、補助材４２の材質とセンサ素子２の絶縁体の材質とを同じにしている。
図１～図３に示すように、補助材４２は、インナーハウジング５Ａの中心部を軸線方向Ｌに貫通するハウジング孔５０内に配置されている。補助材４２は、第１碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。補助材４２は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって構成されている。本形態においては、補助材４２の材質とセンサ素子２の絶縁体の材質とを同じにしている。
【0062】
補助材４２の中心部には、センサ素子２を挿通させるために、軸線方向Ｌに貫通する挿通孔４２０が形成されている。本形態の補助材４２は、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の内周に配置される円板形状部４２１と、円板形状部４２１から軸線方向Ｌの先端側Ｌ１に突出する先端側突出部４２２とによって形成されている。挿通孔４２０は、円板形状部４２１に形成されている。補助材４２は、ガスセンサ１の製造時において、センサ素子２を軸線方向Ｌに平行な状態でインナーハウジング５Ａの内周側に保持するためのものである。ガスセンサ１の製造時において、センサ素子２は、補助材４２の挿通孔４２０に設けられた、接着剤としてのセラミックス材料を介して補助材４２に保持される。
【0063】
（端子保持材４３）
図１に示すように、端子保持材４３は、補助材４２の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に配置され、接点端子４４を保持するものである。端子保持材４３は、第２碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。補助材４２は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって構成されている。端子保持材４３の中心部には、センサ素子２が挿通される端子保持孔４３０が軸線方向Ｌに貫通して形成されている。端子保持材４３における、端子保持孔４３０に連通する位置には、接点端子４４を配置するための溝部４３１が形成されている。端子保持材４３は、第１基端側カバー４６Ａの径方向Ｗの内周側に配置されている。
図１に示すように、端子保持材４３は、補助材４２の軸線方向Ｌの基端側Ｌ２に配置され、接点端子４４を保持するものである。端子保持材４３は、第２碍子とも呼ばれ、絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。補助材４２は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって構成されている。端子保持材４３の中心部には、センサ素子２が挿通される端子保持孔４３０が軸線方向Ｌに貫通して形成されている。端子保持材４３における、端子保持孔４３０に連通する位置には、接点端子４４を配置するための溝部４３１が形成されている。端子保持材４３は、第１基端側カバー４６Ａの径方向Ｗの内周側に配置されている。
【0064】
（接触部材４３２）
図１及び図２に示すように、端子保持材４３と第１基端側カバー４６Ａとの間には、第１基端側カバー４６Ａによって端子保持材４３をインナーハウジング５Ａに押さえ付けるための接触部材４３２が配置されている。端子保持材４３は、第１基端側カバー４６Ａによって接触部材４３２を介してインナーハウジング５Ａに押圧されている。接触部材４３２は、軸線方向Ｌに弾性変形可能な板バネによって構成されている。板バネは、中心部に穴が形成された中空円板形状に形成されている。接触部材４３２は、第１基端側カバー４６Ａにおける、先端側Ｌ１の部分に対して縮径する基端側Ｌ２の部分による径変化部に係止される。
図１及び図２に示すように、端子保持材４３と第１基端側カバー４６Ａとの間には、第１基端側カバー４６Ａによって端子保持材４３をインナーハウジング５Ａに押さえ付けるための接触部材４３２が配置されている。端子保持材４３は、第１基端側カバー４６Ａによって接触部材４３２を介してインナーハウジング５Ａに押圧されている。接触部材４３２は、軸線方向Ｌに弾性変形可能な板バネによって構成されている。板バネは、中心部に穴が形成された中空円板形状に形成されている。接触部材４３２は、第１基端側カバー４６Ａにおける、先端側Ｌ１の部分に対して縮径する基端側Ｌ２の部分による径変化部に係止される。
【0065】
（接点端子４４）
図１に示すように、接点端子（端子バネ）４４は、センサ素子２における、端子接続部２２としての電極リード部３１３の基端部、及び端子接続部２２としての発熱体リード部３４２の基端部に接触し、電極リード部３１３及び発熱体リード部３４２をリード線４８に電気的に接続するものである。本形態の接点端子４４は、２つの電極リード部３１３の基端部とリード線４８とを接続するものと、２つの発熱体リード部３４２の基端部とリード線４８とを接続するものとの４つがある。
図１に示すように、接点端子（端子バネ）４４は、センサ素子２における、端子接続部２２としての電極リード部３１３の基端部、及び端子接続部２２としての発熱体リード部３４２の基端部に接触し、電極リード部３１３及び発熱体リード部３４２をリード線４８に電気的に接続するものである。本形態の接点端子４４は、２つの電極リード部３１３の基端部とリード線４８とを接続するものと、２つの発熱体リード部３４２の基端部とリード線４８とを接続するものとの４つがある。
【0066】
接点端子４４は、端子保持材４３の溝部４３１に配置されている。接点端子４４は、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されている。接点端子４４は、弾性変形の復元力を作用させて、センサ素子２における、電極リード部３１３の基端部及び発熱体リード部３４２の基端部に接触している。
【0067】
（ブッシュ４７及びリード線４８）
図１に示すように、ブッシュ（封止部材）４７は、第２基端側カバー４６Ｂの内周側に配置されて、複数のリード線４８を、シールを行って保持するものである。ブッシュ４７は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。ブッシュ４７には、リード線４８が挿通された貫通孔が形成されている。ブッシュ４７に第２基端側カバー４６Ｂがかしめられることにより、各リード線４８と各貫通孔４７１との間、及びブッシュ４７と第２基端側カバー４６Ｂとの間の各隙間がシールされる。リード線４８は、各接点端子４４を、ガスセンサ１の外部のセンサ制御装置６に接続するためのものである。リード線４８は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。
図１に示すように、ブッシュ（封止部材）４７は、第２基端側カバー４６Ｂの内周側に配置されて、複数のリード線４８を、シールを行って保持するものである。ブッシュ４７は、シール材としての機能を有するために、弾性変形可能なゴム材料によって構成されている。ブッシュ４７には、リード線４８が挿通された貫通孔が形成されている。ブッシュ４７に第２基端側カバー４６Ｂがかしめられることにより、各リード線４８と各貫通孔４７１との間、及びブッシュ４７と第２基端側カバー４６Ｂとの間の各隙間がシールされる。リード線４８は、各接点端子４４を、ガスセンサ１の外部のセンサ制御装置６に接続するためのものである。リード線４８は、内部の導体が被覆層によって被覆されたものである。
【0068】
（センサ制御装置６）
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、図４に示すように、排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を測定する電流測定回路６１、排気電極３１１と大気電極３１２との間に電圧を印加する電圧印加回路６２、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、図４に示すように、排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を測定する電流測定回路６１、排気電極３１１と大気電極３１２との間に電圧を印加する電圧印加回路６２、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
【0069】
（他のガスセンサ１）
ガスセンサ１は、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。ＮＯｘセンサにおいては、固体電解質体３１における、排気電極３１１に接触する排ガスＧの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極３１２へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極３１２は、ポンプ電極に対して固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置にも形成される。
ガスセンサ１は、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するものとしてもよい。ＮＯｘセンサにおいては、固体電解質体３１における、排気電極３１１に接触する排ガスＧの流れの上流側に、電圧の印加によって大気電極３１２へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極３１２は、ポンプ電極に対して固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置にも形成される。
【0070】
（充填材４１）
図２及び図３に示すように、充填材４１は、センサ素子２を軸線方向Ｌに平行な状態でインナーハウジング５Ａの内周側に保持するためのものである。本形態の充填材４１を構成する粒状物結合体４１１は、結晶構造を有する結晶化ガラスによって構成されている。結晶化ガラスは、ガラス材料が熱処理されることによってガラス材料の内部にほぼ均一に結晶部分が析出したものである。結晶化ガラスにおいては、粒子状のガラス成分と、ガラス成分同士を境界部において結合する結晶成分とが混在する。
図２及び図３に示すように、充填材４１は、センサ素子２を軸線方向Ｌに平行な状態でインナーハウジング５Ａの内周側に保持するためのものである。本形態の充填材４１を構成する粒状物結合体４１１は、結晶構造を有する結晶化ガラスによって構成されている。結晶化ガラスは、ガラス材料が熱処理されることによってガラス材料の内部にほぼ均一に結晶部分が析出したものである。結晶化ガラスにおいては、粒子状のガラス成分と、ガラス成分同士を境界部において結合する結晶成分とが混在する。
【0071】
結晶化ガラスは、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｎ（亜鉛）等を含有するガラス材料によって構成される。充填材４１を構成する粒子状材料４１０の粒状物の粒径は、例えば、１～１０μｍとすればよい。また、粒子状材料４１０の粒状物の平均粒径は、３～７μｍとすればよい。
【0072】
本形態においては、インナーハウジング５Ａによる熱収縮を利用して、インナーハウジング５Ａから充填材４１には、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力Ｐが加わっている。ガスセンサ１における充填材４１を構成する粒状物結合体４１１には、インナーハウジング５Ａが熱収縮した後に作用する圧縮応力Ｐが作用している。粒状物結合体４１１における粒状物の横方向Ｗに作用する圧縮応力Ｐは、粒状物結合体４１１における粒状物の縦方向（軸線方向）Ｌに作用する圧縮応力Ｐに比べて大きい。
【0073】
図１６には、粒状物結合体４１１における各粒状物の断面を模式的に示す。粒状物結合体４１１における各粒状物のことを単に粒状物結合体４１１ということがある。粒状物結合体４１１における各粒状物は、横方向Ｗの幅が縦方向Ｌの幅よりも小さくなるように潰されている。なお、ガスセンサ１における縦方向Ｌは、センサ素子２における軸線方向Ｌと同じである。
【0074】
また、ガスセンサ１において、充填材４１を構成する粒状物結合体４１１の各粒状物の結晶格子（単位格子）Ｋにおける横方向Ｗの格子面間隔Ｋ２は、この結晶格子Ｋにおける縦方向Ｌの格子面間隔Ｋ２よりも小さい。インナーハウジング５Ａから粒状物結合体４１１に横方向Ｗへの圧縮応力Ｐが作用していることにより、結晶格子Ｋにおける縦方向Ｌの格子面間隔Ｋ２が大きくなっている。
【0075】
粒状物結合体４１１における単位格子の状態は、格子定数を用いて表現することができる。格子定数とは、単位格子の大きさ及び形状を示す、単位格子の各稜間の３つの角度、及び３つの軸の長さを表す定数のことをいう。また、格子定数は、単位格子における隣り合う２つの格子面Ｋ１間の中心から中心までの距離として表すこともできる。
【0076】
粒状物結合体４１１の格子面間隔Ｋ２及び格子定数は、Ｘ線回析法（ＸＲＤ）によって測定することができる。Ｘ線回析法は、一定波長のＸ線を分析試料に照射したときに、分析試料から散乱するＸ線の状態を観察するものである。Ｘ線回析法によれば、物質の原子又は分子の配列状態によって、物質特有の回折パターンが取得され、この回析パターンから物質を構成している成分の格子面間隔Ｋ２、格子定数等が求められる。
【0077】
充填材４１（粒状物結合体４１１）に作用する残留応力Ｐは、Ｘ線回析法を利用したＸ線残留応力測定法によって測定することができる。Ｘ線残留応力測定法は、ミクロなひずみゲージを用いて分析試料を構成する結晶における歪量を測定し、歪量と、分析試料の材料に特有の弾性定数とを用いて残留応力Ｐを求めるものである。材料に応力が負荷されると、材料中の結晶の格子面間隔Ｋ２が伸縮する。格子面間隔Ｋ２の変化は、Ｘ線回折ピークの回折角のシフト量から読み取られる。
【0078】
インナーハウジング５Ａから充填材４１に加わる残留応力Ｐは、インナーハウジング５Ａの横方向Ｗの厚み、インナーハウジング５Ａを加熱する温度等を調整することによって調整することができる。インナーハウジング５Ａを構成するステンレス鋼の線膨張係数は、充填材４１を構成する結晶化ガラスの線膨張係数に比べて大きい。そして、インナーハウジング５Ａが加熱された状態から冷却されるときに熱収縮する量は、充填材４１が加熱された状態から冷却されるときに熱収縮する量に比べて大きい。一方、ガスセンサ１の使用時においては、インナーハウジング５Ａが加熱されるときに熱膨張する量は、充填材４１が加熱されるときに熱膨張する量に比べて大きい。
【0079】
本形態のガスセンサ１においては、インナーハウジング５Ａから充填材４１に加わる残留応力Ｐは、インナーハウジング５Ａ及び充填材４１が８００℃に加熱された状態においても維持されるよう構成されている。この構成により、ガスセンサ１の使用時において、充填材４１によるガスセンサ１の気密性を適切に確保することができる。より具体的には、インナーハウジング５Ａが８００℃を超える温度として、例えば９００～１１００℃に加熱された状態において、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の残部に、粒子状材料４１０（粒状物）が溶融状態で配置される。
【0080】
そして、図２及び図３に示すように、インナーハウジング５Ａ及び粒子状材料４１０を含む中間体１１が９００～１１００℃の温度に加熱されて粒子状材料４１０が溶融した後に、この中間体１１が常温（２５℃±５°）まで冷却される。このとき、インナーハウジング５Ａから粒子状材料４１０による充填材４１に圧縮応力Ｐが作用する。これにより、ハウジング孔５０の残部には、９００～１１００℃の温度に加熱されたインナーハウジング５Ａに対して粒子状材料４１０が充填されており、インナーハウジング５Ａ及び充填材４１が８００℃以下に加熱される状態においては、インナーハウジング５Ａから充填材４１に加わる残留応力Ｐが維持される。
【0081】
図１７には、インナーハウジング５Ａ及び充填材４１（粒状物結合体４１１）の温度が１０００℃から２０℃に低下したときの、インナーハウジング５Ａと充填材４１の熱収縮量の差［％］と、充填材４１におけるガスリーク量［ｃｃ／ｍｉｎ］との関係を示す。ガスリーク量は、９００℃であって０．４ＭＰａの疑似排ガスとしての気体がセンサ素子２に接触する際に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内から基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内へリークする可能性がある排ガスＧの量を測定した結果を示す。熱収縮量の差は、プラス側にあるときにインナーハウジング５Ａから充填材４１に圧縮応力Ｐが作用し、マイナス側にあるときにはインナーハウジング５Ａから充填材４１に圧縮応力Ｐが作用しないことを示す。
【0082】
図１７において、ガスリーク量は、熱収縮量の差が０％よりも小さい場合には、熱収縮量の差が小さくなるほどガスリーク量が増加する。ガスリーク量を０ｃｃ／ｍｉｎにするためには、インナーハウジング５Ａと充填材４１の熱収縮量の差を０％超過にすることが有効である。
【0083】
本形態においては、センサ素子２を構成する材料の線膨張係数と、充填材４１を構成する材料の線膨張係数との差は、±３０％以下である。センサ素子２を構成する材料の線膨張係数と、充填材４１を構成する材料の線膨張係数とは、できる限り近い方がよい。本形態においては、センサ素子２を構成するセラミックス材料としての金属酸化物の線膨張係数は、充填材４１を構成する結晶化ガラスの線膨張係数よりも小さい。センサ素子２を構成する酸化アルミニウムの線膨張係数は、８×１０-6／℃である。充填材４１を構成する結晶化ガラスは、ＣaＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢaＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｂ2Ｏ3等の金属酸化物を含有していてもよい。
【0084】
本形態においては、種々の金属酸化物を組み合わせて充填材４１を構成する結晶化ガラスを構成することにより、充填材４１を構成する結晶化ガラスの線膨張係数と酸化アルミニウムの線膨張係数との差が±３０％以下になるようにする。この線膨張係数の差は、センサ素子２の線膨張係数をα１、充填材４１の線膨張係数をα２としたとき、（α１－α２）／α１×１００［％］によって表される。
【0085】
また、センサ素子２と充填材４１とにおける、温度が１０００℃から２０℃に下がるときの熱収縮量の差は、±２０％以下になるようにすることが好ましい。熱収縮量は、物体の厚みと線膨張係数と温度変化量との積に基づいて求められる。温度が１０００℃から２０℃に下がるときのセンサ素子２の熱収縮量Ｘ１は、センサ素子２の元の寸法をＡ１、線膨張係数をα１、温度変化量をΔＴとしたとき、Ｘ１＝Ａ１・α１・ΔＴ／Ａ１×１００［％］として表される。また、温度が１０００℃から２０℃に下がるときの充填材４１の熱収縮量Ｘ２は、充填材４１の元の寸法をＡ２、線膨張係数をα２、温度変化量をΔＴとしたとき、Ｘ２＝Ａ２・α２・ΔＴ／Ａ２×１００［％］として表される。そして、熱収縮量の差は、Ｘ１－Ｘ２によって表される。
【0086】
本形態においては、センサ素子２を構成するセラミックス材料としての金属酸化物の線膨張係数は、充填材４１を構成する結晶化ガラスの線膨張係数よりも小さい。種々の金属酸化物を組み合わせて充填材４１を構成する結晶化ガラスを構成することにより、充填材４１を構成する結晶化ガラスの熱収縮量Ｘ２と、センサ素子２を構成する酸化アルミニウムの熱収縮量Ｘ１との差が±２０％以下になるようにする。
【0087】
図１８には、センサ素子２及び充填材４１（粒状物結合体４１１）の温度が１０００℃から２０℃に低下したときの、センサ素子２と充填材４１の熱収縮量の差［％］と、充填材４１におけるガスリーク量［ｃｃ／ｍｉｎ］との関係を示す。ガスリーク量は、９００℃であって０．４ＭＰａの疑似排ガスとしての気体がセンサ素子２に接触する際に、先端側カバー４５Ａ，４５Ｂ内から基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内へリークする可能性がある排ガスＧの量を測定した結果を示す。
【0088】
図１８において、ガスリーク量は、熱収縮量の差が２０％よりも大きくなると、熱収縮量の差が大きくなるほどガスリーク量が急激に増加する。ガスリーク量を２．５ｃｃ／ｍｉｎ以下にするためには、センサ素子２と充填材４１の熱収縮量の差を２０％以下にすることが有効である。
【0089】
（ガスセンサ１の製造方法）
本形態のガスセンサ１の製造方法においては、第１加熱工程、第２加熱工程及び冷却工程を行ってガスセンサ１を製造する。第１加熱工程の前においては、焼成が行われたセンサ素子２の軸線方向Ｌの先端部に表面保護層３７が設けられる。第１加熱工程においては、図２及び図３に示すように、センサ素子２、補助材４２、粒子状材料４１０及びインナーハウジング５Ａが一体化された中間体１１を形成する。このとき、補助材４２の挿通孔４２０に接着剤を介してセンサ素子２を挿通して配置する。また、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の一部に、センサ素子２が一体化された補助材４２を配置する。さらに、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の残部に粒子状材料４１０を配置する。
本形態のガスセンサ１の製造方法においては、第１加熱工程、第２加熱工程及び冷却工程を行ってガスセンサ１を製造する。第１加熱工程の前においては、焼成が行われたセンサ素子２の軸線方向Ｌの先端部に表面保護層３７が設けられる。第１加熱工程においては、図２及び図３に示すように、センサ素子２、補助材４２、粒子状材料４１０及びインナーハウジング５Ａが一体化された中間体１１を形成する。このとき、補助材４２の挿通孔４２０に接着剤を介してセンサ素子２を挿通して配置する。また、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の一部に、センサ素子２が一体化された補助材４２を配置する。さらに、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０の残部に粒子状材料４１０を配置する。
【0090】
そして、第１加熱工程においては、中間体１１を、粒子状材料４１０が溶融する温度よりも低い所定の温度に加熱する第１段階目の加熱を行う。具体的には、第１段階目の加熱として、中間体１１を６００℃±２０℃に所定の時間加熱し、センサ素子２の表面保護層３７におけるバインダーを揮発させる。このとき、中間体１１が配置された環境下は大気Ａと同様にし、この環境下における酸素の濃度は、２１体積％とする。
【0091】
次いで、中間体１１が配置された環境下の酸素の濃度を低下させるとともに、中間体１１を、粒子状材料４１０が溶融する温度以上に加熱する第２段階目の加熱を行う。具体的には、第２段階目の加熱として、中間体１１を１０００℃±２０℃に所定の時間加熱する。また、中間体１１が配置された環境下における酸素の濃度を低下させ、この環境下における酸素の濃度を１体積％以下にする。本形態においては、中間体１１が配置された環境下における酸素の濃度を０．１体積％以下にする。
【0092】
第２段階目の加熱を行うとき、ハウジング孔５０の残部に配置された粒子状材料４１０が加熱されて溶融する。粒子状材料４１０が溶融するときには、粒状物同士の間の隙間が減少し、粒状物同士が密着する状態が形成される。また、中間体１１が配置された環境下における酸素の濃度を１体積％以下にしたことにより、インナーハウジング５Ａのハウジング孔５０に酸化スケール（酸化膜）が形成されにくくすることができる。
【0093】
その後、冷却工程として、中間体１１の加熱を停止し、自然放熱等によって中間体１１を冷却する。そして、中間体１１における、センサ素子２、補助材４２、インナーハウジング５Ａ及び溶融した粒子状材料４１０が冷却される。このとき、中間体１１を構成する各部材２，４２，５Ａ，４１０には、各部材２，４２，５Ａ，４１０の線膨張係数に応じて各部材２，４２，５Ａ，４１０が熱収縮する。粒子状材料４１０が冷却されて熱収縮するときには、粒状物がガラス転移温度よりも低くなり、粒状物には、ガラス成分と結晶成分とが生じる。そして、粒子状材料４１０は粒状物結合体４１１として一体化される。
【0094】
インナーハウジング５Ａを構成するステンレス鋼の線膨張係数は、粒状物結合体４１１を構成する結晶化ガラスの線膨張係数よりも大きく、インナーハウジング５Ａの熱収縮量は、粒状物結合体４１１の熱収縮量よりも大きくなる。そして、インナーハウジング５Ａが加熱された状態から冷却されるときに、インナーハウジング５Ａの熱収縮量が粒状物結合体４１１の熱収縮量よりも大きいことによって、インナーハウジング５Ａから粒状物結合体４１１に、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力（圧縮応力）Ｐが生じる。こうして、中間体１１がアウターハウジング５Ｂに配置され、種々の構成部品が組み付けられて、センサ素子２とインナーハウジング５Ａとの間が、粒状物結合体４１１による充填材４１によって封止されたガスセンサ１が製造される。
【0095】
（作用効果）
本形態のガスセンサ１においては、充填材４１及びインナーハウジング５Ａの用い方に工夫をしている。具体的には、インナーハウジング５Ａから充填材４１には、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力Ｐが加わっている。換言すれば、充填材４１を構成する粒状物結合体４１１は、インナーハウジング５Ａから加わる残留応力Ｐによって圧縮された状態にある。また、粒状物結合体４１１の結晶格子Ｋにおける横方向Ｗの格子面間隔Ｋ２は、結晶格子Ｋにおける縦方向Ｌの格子面間隔Ｋ２よりも小さい。
本形態のガスセンサ１においては、充填材４１及びインナーハウジング５Ａの用い方に工夫をしている。具体的には、インナーハウジング５Ａから充填材４１には、センサ素子２の軸線方向Ｌに直交する横方向Ｗへの残留応力Ｐが加わっている。換言すれば、充填材４１を構成する粒状物結合体４１１は、インナーハウジング５Ａから加わる残留応力Ｐによって圧縮された状態にある。また、粒状物結合体４１１の結晶格子Ｋにおける横方向Ｗの格子面間隔Ｋ２は、結晶格子Ｋにおける縦方向Ｌの格子面間隔Ｋ２よりも小さい。
【0096】
そして、ガスセンサ１の使用時において、この残留応力Ｐが粒状物結合体４１１に加わる状態が維持されることにより、充填材４１によるガスセンサ１の気密性を、より適切に確保することができる。換言すれば、ガスセンサ１の使用時において、センサ素子２に接触する排ガスＧが、基端側カバー４６Ａ，４６Ｂ内の大気Ａに混入することが防止される。また、ガスセンサ１の使用時において、センサ素子２は、残留応力Ｐを受けた充填材４１を介してインナーハウジング５Ａに保持される。
【0097】
それ故、本形態のガスセンサ１によれば、ガスセンサ１の使用時において、充填材４１によるガスセンサ１の気密性を、より適切に確保することができる。
【0098】
本発明は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【0099】
１ ガスセンサ
１１ 中間体
２ センサ素子
４１ 充填材
４１０ 粒子状材料
４１１ 粒状物結合体
４２ 補助材
５Ａ，５Ｂ ハウジング
１１ 中間体
２ センサ素子
４１ 充填材
４１０ 粒子状材料
４１１ 粒状物結合体
４２ 補助材
５Ａ，５Ｂ ハウジング
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】