(57)【要約】【課題】固体電解質セラミックス製のセンサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑止されている固体電解質センサを提供する。【解決手段】固体電解質センサ１の構成を、円筒状のホルダ５２と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子５１と、ホルダの一端にセンサ素子の円筒部を接続することにより、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材５０とを具備する構成とし、封止部材として、雄ネジ部１１，１２と、雄ネジ部それぞれと螺合するナット部材４１，４２との間で、塑性変形する金属製の環状部材（フロントフェルール２１とバックフェルール３１の対、及び、フロントフェルール２２とバックフェルール３２の対）を備える継手を使用する。【選択図】図１
2018063129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のホルダの一端と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子の円筒部とを、封止部材によって接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが区画されている固体電解質センサを製造する方法であり、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダを挿入した状態で、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、一方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記ホルダとの間を閉塞すると共に、
他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部を挿入した状態で、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、他方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記センサ素子との間を閉塞する
ことを特徴とする固体電解質センサの製造方法。
【請求項２】
円筒状のホルダと、
固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子と、
前記ホルダの一端に前記センサ素子の円筒部を接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材と、を具備し、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記環状部材は、一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダが挿入され、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記ホルダとの間で塑性変形しており、
他方の前記環状部材は、他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部が挿入され、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記センサ素子との間で塑性変形している
ことを特徴とする固体電解質センサ。
【請求項３】
前記ホルダは、セラミックス製である
ことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質センサ。
【請求項４】
前記封止部材は、前記環状部材として、対をなすフロントフェルールとバックフェルールの二対を備えるダブルフェルール型継手である
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の固体電解質センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質セラミックスをセンサ素子としてガス濃度を測定する固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質セラミックス（イオン伝導性セラミックス）をセンサ素子として、気相中または液相中の水素ガス、酸素ガス、炭酸ガス、水蒸気などのガス濃度を測定する固体電解質センサが種々提案されており、本出願人も過去に複数の提案を行っている（例えば、特許文献１，２参照）。固体電解質センサは、同一イオンの濃度差により電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、固体電解質を挟んだ二つの空間で測定対象のガスの濃度が異なる場合に、固体電解質に生じる起電力を測定する。一方の空間のガス濃度が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力とセンサ素子の温度から、他方の空間におけるガス濃度を知ることができる。
【０００３】
従って、固体電解質センサでは、固体電解質によって二つの空間が仕切られている必要がある。従来の固体電解質センサでは、筒状の支持部材（ホルダ）の一端にセンサ素子を固定し、ホルダとセンサ素子との全体を有底筒状とすることにより、二つの空間を仕切っている。
【０００４】
ところが、センサ素子とホルダとの間を完璧に密に封止することは、このとのほか難しく、ごく僅かな空隙が残存し易いのが実情である。センサ素子とホルダとの間にごく僅かでも空隙が存在すると、ガス濃度が既知である空間のガス（基準ガス）と測定環境のガスとが混合してしまい、正確な測定ができない。特に、測定環境における測定対象のガスの濃度が高い場合は、ガスの混合による測定結果への影響が大きい。また、測定対象のガスが水素の場合、分子のサイズが小さいため、空隙のサイズが極めて小さい場合であっても通過し易く、ガスの混合による測定結果への影響が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７４８３２号公報
【特許文献２】特開平８−２２００６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、固体電解質セラミックス製のセンサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑止されている固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサの提供を、課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる固体電解質センサの製造方法（以下、単に「製造方法」と称することがある）は、
「円筒状のホルダの一端と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子の円筒部とを、封止部材によって接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが区画されている固体電解質センサを製造する方法であり、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダを挿入した状態で、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、一方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記ホルダとの間を閉塞すると共に、
他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部を挿入した状態で、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔を螺合させて前記ナット部材を締め込むことにより、他方の前記環状部材を塑性変形させて前記孔部の内周面と前記センサ素子との間を閉塞する」ものである。
【０００８】
本構成の製造方法では、センサ素子でホルダの一端を閉塞することにより、全体としての形状を有底筒状とする。その際、円筒状であるホルダと、有底円筒状であるセンサ素子の円筒部とを、封止部材で接続する。
【０００９】
ここで、封止部材は、孔部が貫通している雄ネジ部、雄ネジ部と螺合する雌ネジ孔を有するナット部材、及び、雄ネジ部とナット部材との間に介在する環状部材、を一つの組として考えたときに、その二組が雄ネジ部の孔部で連通している管継手である。一方の雄ネジ部の孔部にホルダを挿入し、他方の雄ネジ部の孔部にセンサ素子の円筒部を挿入すれば、管継手を介してホルダとセンサ素子とが接続される。そして、それぞれの雄ネジ部に対して、ナット部材の雌ネジ孔を螺合させて締め込むと、両者間に介在している金属製の環状部材がナット部材に押されて雄ネジ部の孔部内に押し込まれ、塑性変形する。
【００１０】
このように雄ネジ部とナット部材との間で金属製の環状部材を塑性変形させる管継手は、「食い込み式」継手と称されており、従前より、ガスや液体の配管用の継手として使用されている。金属製の環状部材が塑性変形して接続対象のパイプに食い込むことにより、継手とパイプとがシールされ、ひいてはパイプ同士が密にシールされた状態で接続される。そのため、このような「食い込み式」継手について、従来、当業者が常識として想定する接続対象のパイプは、金属製の環状部材の「食い込み」が許容される金属製のパイプまたは樹脂製のパイプであった。つまり、環状部材をパイプに「食い込ませるからこそ密閉できる」、というのが当業者の考えであった。
【００１１】
本製造方法は、このような当業者の常識に反し、金属製の環状部材が「食い込むことができない」セラミックス材料であるセンサ素子の接続に、「食い込み式」継手である封止部材を使用するものである。詳細は後述するように、金属製の環状部材は、セラミックス製のセンサ素子の円筒部に食い込むことはないが、センサ素子の円筒部の外周面に押し付けられて塑性変形し、センサ素子の円筒部の外周面に沿って広がり密着する。従って、本製造方法によれば、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されるため、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合を効果的に抑止することができる。
【００１２】
なお、ホルダは、金属製であってもセラミックス製であってもよい。ホルダが金属製であれば、環状部材は塑性変形してホルダに食い込む。一方、ホルダがセラミックス製であれば、センサ素子の円筒部との関係と同様に、環状部材が塑性変形してホルダの外周面に沿って広がり密着する。
【００１３】
次に、本発明にかかる固体電解質センサは、
「円筒状のホルダと、
固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子と、
前記ホルダの一端に前記センサ素子の円筒部を接続することにより、前記ホルダの一端が前記センサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材と、を具備し、
該封止部材は、
相反する方向に突出した雄ネジ部を有し、二つの該雄ネジ部それぞれを軸方向に貫通している孔部が連通している継手本体と、
二つの前記雄ネジ部とそれぞれ螺合する雌ネジ孔を有する二つのナット部材と、
二つの前記雄ネジ部と螺合相手の前記ナット部材との間にそれぞれ介在している二つまたは二対の金属製の環状部材と、を備えるものであり、
一方の前記環状部材は、一方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記ホルダが挿入され、その雄ネジ部と一方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記ホルダとの間で塑性変形しており、
他方の前記環状部材は、他方の前記雄ネジ部の前記孔部に前記センサ素子の円筒部が挿入され、その雄ネジ部と他方の前記雌ネジ孔が螺合している状態で、前記孔部の内周面と前記センサ素子との間で塑性変形している」ものである。
【００１４】
これは、上記の製造方法により製造される固体電解質センサの構成である。二つまたは二対の環状部材のうち、一方の環状部材が雄ネジ部の孔部とホルダの表面との間で塑性変形して両者間の空隙を埋めていると共に、他方の環状部材が雄ネジ部の孔部とセンサ素子の円筒部の表面との間で塑性変形して両者間の空隙を埋めているため、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されており、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が、効果的に抑制されている。
【００１５】
本発明にかかる固体電解質センサは、上記構成において、
「前記ホルダは、セラミックス製である」ものとすることができる。
【００１６】
本構成は、「環状部材が食い込むことができないセラミックス材料」“同士”が、「食い込み式」継手である封止部材で接続されている点で、更に斬新な構成である。
【００１７】
本発明にかかる固体電解質センサは、上記構成において、
「前記封止部材は、前記環状部材として、対をなすフロントフェルールとバックフェルールの二対を備えるダブルフェルール型継手である」ものとすることができる。なお、以下では、フロントフェルール及びバックフェルールを、「フェルール」と総称することがある。
【００１８】
雄ネジ部に対してナット部材の雌ネジ孔を螺進させ締め付ける方向を「前」、螺退させる方向を「後」と称すると、ダブルフェルール型継手では、雄ネジ部の後端側の内周面、フロントフェルールの外周面、フロントフェルールの後端側の内周面、及び、バックフェルールの外周面は、後端ほど拡径したテーパ面となっている。そのため、二つの雄ネジ部の孔部に、接続対象のパイプである円筒状のホルダ及びセンサ素子の円筒部をそれぞれ挿入した後、フロントフェルール及びバックフェルールを介してナット部材を雄ネジ部に対して締め付けると、バックフェルールがナット部材に押され、バックフェルールの前端がフロントフェルールの後端側のテーパ面より内方にもぐり込むように変形しつつ前進する。これにより、フロントフェルールは外方に押し広げられるように変形しつつ前進し、雄ネジ部の後端側のテーパ面より内方にもぐり込むように変形する。
【００１９】
雄ネジ部に対してナット部材が十分に締め付けられると、フロントフェルールの外周面が雄ネジ部の後端側の内周面（テーパ面）に押し付けられて密着すると共に、バックフェルールの外周面がフロントフェルールの内周面（テーパ面）に押し付けられて密着する。また、フロントフェルールの前端及びバックフェルールの前端が、それぞれ縮径するように塑性変形する。センサ素子側で塑性変形したフロントフェルールは、センサ素子の表面に密着し、センサ素子と雄ネジ部の孔部との間の空隙を埋める。ホルダが金属製であれば、ホルダ側で塑性変形したフロントフェルールは楔のようにホルダの表面に食い込み、ホルダがセラミックス製であれば、塑性変形したフロントフェルールはホルダの外周面に沿って広がり密着する。従って、ホルダ及びセンサ素子それぞれが継手本体に対して密に接続され、その結果、ホルダの一端がセンサ素子で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画されて、センサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑制される。
【００２０】
本構成では、環状部材がフロントフェルールとバックフェルールとの対からなり、バックフェルールがフロントフェルールを押し広げるように作用する。そのため、環状部材が一つの部材からなる場合に比べて、フロントフェルールが塑性変形しやすく、空隙を埋めやすい。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明の効果として、固体電解質のセンサ素子を挟んだ二つの空間のガスの混合が抑止されている固体電解質センサの製造方法、及び、該製造方法により製造される固体電解質センサを、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態の固体電解質センサについて、（ａ）縦方向に中央で切断した端面図、及び、（ｂ）要部側面図である。
【図２】図１の固体電解質センサの要部分解図である。
【図３】図１の固体電解質センサの要部について、（ａ）フェルールが変形する前の状態を縦方向に中央で切断した端面図、及び、（ｂ）フェルールが変形した後の状態を縦方向に中央で切断した端面図である。
【図４】（ａ）図１の固体電解質センサを使用し、測定ガスの水素濃度を変化させた場合の起電力の変化を示す図であり、（ｂ）センサ素子を挟んだ二つの空間の区画が不十分な固体電解質センサを使用し、測定ガスの水素濃度を変化させた場合の起電力の変化を例示する図である。
【図５】図１の固体電解質センサの変形例について、縦方向に中央で切断した端面図である。
【図６】本発明の第二実施形態の固体電解質センサの要部分解図である。
【図７】（ａ）本発明の第三実施形態の固体電解質センサの要部分解図であり、（ｂ），（ｃ）第三実施形態の環状部材の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施形態の固体電解質センサ、及び、その製造方法について、図１乃至図７を用いて説明する。ここでは、気相中のガス濃度を測定する固体電解質センサに、本発明を適用した場合を例示する。
【００２４】
まず、第一実施形態である固体電解質センサ１の構成について、図１乃至図３を用いて説明する。固体電解質センサ１は、円筒状のホルダ５２と、固体電解質セラミックス製で有底円筒状のセンサ素子５１と、ホルダ５２の一端にセンサ素子５１の円筒部５１ｂを接続することにより、ホルダ５２の一端がセンサ素子５１で閉塞された有底筒状の内部空間を外部空間と区画している封止部材５０とを具備している。封止部材５０は、金属製のダブルフェルール型継手である。
【００２５】
また、固体電解質センサ１は、図１（ａ）に示すように、有底筒状の外部空間側でセンサ素子５１の表面に設けられている外側電極６１と、有底筒状の内部空間側でセンサ素子５１の表面に設けられている内側電極６２とを具備している。更に、固体電解質センサ１は、円筒状でホルダ５２より大径の保護管６０を更に備えており、ホルダ５２は保護管６０の内部に挿入された状態で、固定材６９によって保護管６０の内周面に固定されている。また、ホルダ５２の内部には、有底筒状の内部空間に基準ガスまたは測定ガスを導入するためのガス導入管７０が挿入されている。
【００２６】
より詳細に説明すると、封止部材５０は、図２に示すように、二つの雄ネジ部１１，１２を有する継手本体１０と、二つの雄ネジ部１１，１２とそれぞれ螺合する雌ネジ孔４１ｎ，４２ｎを有する二つのナット部材４１，４２と、二つの雄ネジ部１１，１２と螺合相手のナット部材４１，４２との間にそれぞれ介在している二対の金属製の環状部材と、を備えるものである。二対の環状部材は、対をなすフロントフェルール２１及びバックフェルール３１と、対をなす他のフロントフェルール２２及びバックフェルール３２とからなる。
【００２７】
具体的には、継手本体１０は、ベース部１０ｒから二つの雄ネジ部１１，１２が相反する方向に突出した形状である。二つの雄ネジ部１１，１２は、それぞれ外周面に雄ネジが形成された円筒状であり、それぞれを軸方向に貫通している孔部１１ｈ、１２ｈは、ベース部１０ｒを貫通している孔部１０ｈで連通している。また、ベース部１０ｒの外形は、レンチ等の工具と噛み合う形状に形成されている。ここでは、ベース部１０ｒの外形が、六角レンチと噛み合う六角柱状である場合を図示している。
【００２８】
二つの雄ネジ部１１，１２のうち、一方の雄ネジ部１１の外径は、他の雄ネジ部１２の外径より小さい。そして、二つのナット部材４１，４２のうち、一方のナット部材４１は、一方の雄ネジ部１１と螺合する内径の雌ネジ孔４１ｎを有する螺合部４１ｒと、雌ネジ孔４１ｎより小径で、且つ雌ネジ孔４１ｎと連通している小径孔４１ｈを有する底壁部４１ｇとを備えている。他方のナット部材４２は、他方の雄ネジ部１２と螺合する内径の雌ネジ孔４２ｎを有する螺合部４２ｒと、雌ネジ孔４２ｎより小径で、且つ雌ネジ孔４２ｎと連通している小径孔４２ｈを有する底壁部４２ｇとを備えている。螺合部４１ｒ、４２ｒそれぞれの外形は、レンチ等の工具と噛み合う形状に形成されている。ここでは、螺合部４１ｒ、４２ｒそれぞれの外形が、六角レンチと噛み合う六角柱状である場合を図示している。
【００２９】
ナット部材４１，４２の雌ネジを、それぞれ雄ネジ部１１，１２に対して螺進させ締め付ける方向を「前」、螺退させる方向を「後」と称すると、雄ネジ部１１，１２それぞれの孔部１１ｈ、１２ｈは、何れも前端側で全長の約半分の長さの部分が単一径であり、後端側は、後端に向かうほど拡径している。つまり、孔部１１ｈ、１２ｈそれぞれの内周面は、後端側でテーパ面１１ｓ，１２ｓとなっている。ナット部材４１の小径孔４１ｈは、雄ネジ部１１の孔部１１ｈにおける単一径の部分と同一径であり、この径はセンサ素子５１の円筒部５１ｂの外径より僅かに大きい。また、ナット部材４２の小径孔４２ｈは、雄ネジ部１２の孔部１２ｈにおける単一径の部分と同一径であり、この径はホルダ５２の外径より僅かに大きい。
【００３０】
そして、ベース部１０ｒの孔部１０ｈは、雄ネジ部１１側で孔部１１ｈより小径であり、雄ネジ部１２側で孔部１２ｈより小径である。これにより、雄ネジ部１１とベース部１０ｒとの境界では、ベース部１０ｒが孔部１１ｈの縁より内部に向かって円環状に張り出しており、雄ネジ部１２とベース部１０ｒとの境界では、ベース部１０ｒが孔部１２ｈの縁より内部に向かって円環状に張り出している。
【００３１】
対をなすフロントフェルール２１及びバックフェルール３１は、共に本発明の環状部材に相当し、雄ネジ部１１とナット部材４１との間に介設される。フロントフェルール２１は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面２１ｔである。フロントフェルール２１の内周面は、後端側で、後端に向かって拡径しているテーパ面２１ｓとなっている。フロントフェルール２１のテーパ面２１ｔの傾斜と、雄ネジ部１１のテーパ面１１ｓの傾斜とを、軸方向（孔部１１ｈ，１０ｈ，１２ｈの中心軸）に対する角度で比較すると、テーパ面１１ｓの方がテーパ面２１ｔより傾斜角度が大きい。
【００３２】
一方、バックフェルール３１は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面３１ｔである。このテーパ面３１ｔの傾斜と、フロントフェルール２１の内周のテーパ面２１ｓの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面２１ｓの方がテーパ面３１ｔより傾斜角度が大きい。バックフェルール３１の後端では、円環状のフランジ部３１ｆが外方に向かって張り出している。
【００３３】
対をなす他のフロントフェルール２２及びバックフェルール３２は、共に本発明の環状部材に相当し、雄ネジ部１２とナット部材４２との間に介設される。フロントフェルール２２及びバックフェルール３２それぞれの構成及び互いの関係、フロントフェルール２２と雄ネジ部１２との関係は、上記のフロントフェルール２１及びバックフェルール３１それぞれの構成及び互いの関係、フロントフェルール２１と雄ネジ部１１との関係と同様である。すなわち、フロントフェルール２２は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面２２ｔである。フロントフェルール２２の内周面は、後端側で、後端に向かって拡径しているテーパ面２２ｓとなっている。フロントフェルール２２のテーパ面２２ｔの傾斜と、雄ネジ部１２のテーパ面１２ｓの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面１２ｓの方がテーパ面２２ｔより傾斜角度が大きい。
【００３４】
一方、バックフェルール３２は、後端の径が前端より大径の円錐形の外形を呈しているため、外周面はテーパ面３２ｔである。このテーパ面３２ｔの傾斜と、フロントフェルール２２の内周のテーパ面２２ｓの傾斜とを、軸方向に対する角度で比較すると、テーパ面２２ｓの方がテーパ面３２ｔより傾斜角度が大きい。バックフェルール３２の後端では、円環状のフランジ部３２ｆが外方に向かって張り出している。
【００３５】
上記構成の固体電解質センサ１を製造するには、封止部材５０の雄ネジ部１１にセンサ素子５１の円筒部５１ｂを接続する一方で、封止部材５０の雄ネジ部１２にホルダ５２を接続する。これにより、ホルダ５２の一端が封止部材５０を介してセンサ素子５１で閉塞され、全体として有底筒状となる。
【００３６】
まず、ホルダ５２と封止部材５０との接続について説明する。ここでは、ダブルフェルール型継手である封止部材５０とセラミックス製のセンサ素子５１との接続を、フェルールが食い込むことができる材料が接続対象である従来の接続と対比するために、ホルダ５２が金属製である場合を例示する。
【００３７】
ホルダ５２の一端側をフロントフェルール２２及びバックフェルール３２に挿通した状態で、ホルダ５２を雄ネジ部１２の孔部１２ｈに挿入する。雄ネジ部１２とベース部１０ｒとの境界では、ベース部１０ｒが孔部１２ｈの縁より内部に向かって円環状に張り出しているため、この張り出した部分にホルダ５２の端部を突き当てるように挿入することができる。更に、螺合部４２ｒを雄ネジ部１２側に向けたナット部材の４２の小径孔４２ｈに、ホルダ５２を挿通する。この状態で、ナット部材４２の雌ネジ孔４２ｎを雄ネジ部１２と螺合させ、ナット部材４２を雄ネジ部１２に対して締め付けると、バックフェルール３２がナット部材４２の底壁部４２ｇに押される。バックフェルール３２は後端にフランジ部３２ｆを有しているため、ナット部材４２からの押圧力がバックフェルール３２に伝わり易い。バックフェルール３２の外周面はテーパ面３２ｔであり、フロントフェルール２２の内周面は後端側でテーパ面２２ｓであるため、バックフェルール３２の前端がフロントフェルール２２のテーパ面２２ｓより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面２２ｓの傾斜角度はテーパ面３２ｔの傾斜角度より大きいため、バックフェルール３２の前端がテーパ面２２ｓより内方にもぐり込むように前進し易い。
【００３８】
これにより、バックフェルール３２に押されたフロントフェルール２２は、外方に押し広げられるように変形しつつ前進する。フロントフェルール２２の外周面はテーパ面２２ｔであり、雄ネジ部１２の内周面は後端側でテーパ面１２ｓであるため、フロントフェルール２２の前端が雄ネジ部１２のテーパ面１２ｓより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面１２ｓの傾斜角度はテーパ面２２ｔの傾斜角度より大きいため、フロントフェルール２２の前端がテーパ面１２ｓより内方にもぐり込むように前進し易い。
【００３９】
雄ネジ部１２に対してナット部材４２を十分に締め付けると、外方に向かって押し広げられたフロントフェルール２２の外周面（テーパ面２２ｔ）が雄ネジ部１２の孔部１２ｈの内周面（テーパ面１２ｓ）に押し付けられて密着する。また、バックフェルール３２の外周面（テーパ面３２ｔ）がフロントフェルール２２の内周面（テーパ面２２ｓ）に押し付けられて密着する。そして、雄ネジ部１２のテーパ面１２ｓより内方にもぐり込んだフロントフェルール２２の前端、及び、フロントフェルール２２のテーパ面２２ｓより内方にもぐり込んだバックフェルール３２の前端は、それぞれ縮径するように塑性変形して、金属製のホルダ５２に楔のように食い込む。これにより、ホルダ５２が継手本体１０に対して密に接続される（図３（ｂ）における上部参照）。なお、継手本体１０のベース部１０ｒ及びナット部材４２の螺合部４２ｒそれぞれの外形は、工具と噛み合う形状であるため、レンチ等の工具を使用することにより、雄ネジ部１２に対してナット部材４２を十分に締め付けることができる。
【００４０】
次に、セラミックス製のセンサ素子５１の円筒部５１ｂと封止部材５０との接続について説明する。ナット部材４１を雄ネジ部１１に対して締め付けることにより、バックフェルール３１がナット部材４１の底壁部４１ｇに押され、フロントフェルール２１がバックフェルール３１に押されて前進しつつ塑性変形する点は、上記と同様である。しかしながら、塑性変形したフロントフェルール２１及びバックフェルール３１が、セラミックス製であるセンサ素子５１の円筒部５１ｂに食い込むことはない点で、接続対象が金属製である上記の場合と相違している。
【００４１】
すなわち、センサ素子５１の円筒部５１ｂの端部をフロントフェルール２１及びバックフェルール３１に挿通した状態で、円筒部５１ｂを雄ネジ部１１の孔部１１ｈに挿入する。雄ネジ部１１とベース部１０ｒとの境界では、ベース部１０ｒが孔部１１ｈの縁より内部に向かって円環状に張り出しているため、この張り出した部分に円筒部５１ｂの端部を突き当てるように挿入することができる。更に、螺合部４１ｒを雄ネジ部１１側に向けたナット部材の４１の小径孔４１ｈに、円筒部５１ｂを挿通する。この状態で、ナット部材４１を雄ネジ部１１に対して締め付けると、バックフェルール３１がナット部材４１の底壁部４１ｇに押される。バックフェルール３１の外周面はテーパ面３１ｔであり、フロントフェルール２１の内周面は後端側でテーパ面２１ｓであるため、バックフェルール３１の前端がフロントフェルール２１のテーパ面２１ｓより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面２１ｓの傾斜角度はテーパ面３１ｔの傾斜角度より大きいため、バックフェルール３１の前端がテーパ面２１ｓより内方にもぐり込むように前進し易い。
【００４２】
これにより、バックフェルール３１に押されたフロントフェルール２１は、外方に押し広げられるように変形しつつ前進する。フロントフェルール２１の外周面はテーパ面２１ｔであり、雄ネジ部１１の内周面は後端側でテーパ面１１ｓであるため、フロントフェルール２１の前端が雄ネジ部１１のテーパ面１１ｓより内方にもぐり込むように前進する。テーパ面１１ｓの傾斜角度はテーパ面２１ｔの傾斜角度より大きいため、フロントフェルール２１の前端がテーパ面１１ｓより内方にもぐり込むように前進し易い。
【００４３】
雄ネジ部１１に対してナット部材４１を十分に締め付けると、外方に向かって押し広げられたフロントフェルール２１の外周面（テーパ面２１ｔ）が雄ネジ部１１の内周面（テーパ面１１ｓ）に押し付けられて密着する。また、バックフェルール３１の外周面（テーパ面３１ｔ）がフロントフェルール２１の内周面（テーパ面２１ｓ）に押し付けられて密着する。
【００４４】
雄ネジ部１１のテーパ面１１ｓより内方にもぐり込んだフロントフェルール２１の前端側は、セラミックス製であるセンサ素子５１の円筒部５１ｂに食い込むことはないため、バックフェルール３１による押圧力によって塑性変形し、円筒部５１ｂの外周面に沿って広がり密着する。フロントフェルール２１のテーパ面２１ｓより内方にもぐり込んだバックフェルール３１の前端側も、センサ素子５１の円筒部５１ｂに食い込むことはないため、ナット部材４１による押圧力によって塑性変形し、円筒部５１ｂの外周面に沿って広がり密着する。これにより、雄ネジ部１１の孔部１１ｈの内周面とセンサ素子５１の円筒部５１ｂとの間の空隙が埋められ、センサ素子５１が継手本体１０に対して密に接続される（図３（ｂ）における下部参照）。
【００４５】
以上のように、本実施形態によれば、円筒状のホルダ５２の一端が継手本体１０に対して密に接続されると共に、センサ素子５１の円筒部５１ｂが継手本体１０に対して密に接続されるため、ホルダ５２の一端がセンサ素子５１で閉塞された有底筒状の内部空間と外部空間とが密に区画される。これにより、センサ素子５１を挟んだ二つの空間のガスの混合を効果的に抑止することができる。
【００４６】
実際に、本実施形態の固体電解質センサ１を使用し、測定ガスの水素濃度を変化させた場合の起電力の変化を測定した。起電力は、センサ素子５１の使用に適した温度６００℃において、ガス導入管７０から基準ガスを導入して内側電極６２と接触させると共に、外側電極６１を測定ガスと接触させた状態で測定した。測定ガスは水素とアルゴンの混合ガスとし、時間の経過に伴い水素濃度を変化させた。
【００４７】
センサ素子を挟んだ二つの空間の区画が不十分な場合は、図４（ｂ）に示すように、水素濃度を変化させると、起電力は迅速に応答して変化するものの、水素濃度は一定であるのに起電力が低下してしまう現象が観察された。これは、ホルダとセンサ素子によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間との間で、基準ガスと測定ガスとが混合しているためと考えられた。
【００４８】
これに対し、本実施形態の固体電解質センサ１では、図４（ａ）に示すように、水素濃度を変化させると起電力は迅速に応答して変化し、水素濃度が一定の間は起電力も一定に保持されていた。このことから、基準ガスと混合ガスの混合はなく、ホルダ５２とセンサ素子５１によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材５０よって気密に区画されていると考えられた。
【００４９】
次に、第二実施形態の固体電解質センサ２について、図６を用いて説明する。固体電解質センサ２が固体電解質センサ１と相違する点は、封止部材５０における環状部材の形態である。具体的には、固体電解質センサ２では、雄ネジ部１１，１２と螺合相手のナット部材４１，４２との間に、それぞれ一つの環状部材３１ｂ，３２ｂが介在している。環状部材３１ｂ，３２ｂは、軸方向の両端が同一径で、軸方向の中間に向かって拡径しつつ外側に湾曲している形状である。
【００５０】
環状部材３１ｂの両端部の径は、雄ネジ部１１の孔部１１ｈの後端の径であるテーパ面１１ｓの最大径ｒと等しく、環状部材３２ｂの両端の径は、雄ネジ部１２の孔部１２ｈの後端の径であるテーパ面１２ｓの最大径Ｒと等しい。そのため、外力が加えられない状態では、環状部材３１ｂ，３２ｂはそれぞれ孔部１１ｈ，１２ｈには挿入できない。従って、ナット部材４１，４２をそれぞれ雄ネジ部１１，１２に対して締め込むことにより、環状部材３１ｂ，３２ｂそれぞれの端部は、塑性変形しつつ孔部１１ｈ，１２ｈに押し込まれる。環状部材３１ｂ，３２ｂの塑性変形により、上記と同様に、それぞれ孔部１１ｈの内周面とセンサ素子５１の円筒部５１ｂとの間の空隙、及び、孔部１２ｈの内周面とホルダ５２との間の空隙が埋められ、ホルダ５２とセンサ素子５１によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材５０よって気密に区画される。
【００５１】
次に、第三実施形態の固体電解質センサ３について、図７を用いて説明する。固体電解質センサ３が固体電解質センサ１，２と相違する点は、封止部材５０における環状部材の形態である。具体的には、固体電解質センサ３では、雄ネジ部１１，１２と螺合相手のナット部材４１，４２との間に介在している環状部材が、それぞれ一つである点では固体電解質センサ２と同様であるが、環状部材３１ｃ，３２ｃの形状が固体電解質センサ２と相違している。固体電解質センサ３の環状部材３１ｃ，３２ｃは、円筒によって形成された円環（中空リング）である。
【００５２】
環状部材３１ｃにおいて円筒の中心を結んで形成される円の径は、雄ネジ部１１の孔部１１ｈの後端の径であるテーパ面１１ｓの最大径ｒと等しく、環状部材３２ｃにおいて円筒の中心を結んで形成される円の径は、雄ネジ部１２の孔部１２ｈの後端の径であるテーパ面１２ｓの最大径Ｒと等しい。そのため、外力が加えられない状態では、環状部材３１ｃ，３２ｃはそれぞれ孔部１１ｈ，１２ｈには挿入できない。従って、ナット部材４１，４２をそれぞれ雄ネジ部１１，１２に対して締め込むことにより、環状部材３１ｃ，３２ｃのそれぞれは、押し潰されるように塑性変形しつつ孔部１１ｈ，１２ｈに押し込まれる。環状部材３１ｃ，３２ｃの塑性変形により、上記と同様に、それぞれ孔部１１ｈの内周面とセンサ素子５１の円筒部５１ｂとの間の空隙、及び、孔部１２ｈの内周面とホルダ５２との間の空隙が埋められ、ホルダ５２とセンサ素子５１によって形成された有底筒状の内部空間と外部空間とが、封止部材５０よって気密に区画される。
【００５３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５４】
例えば、上記の実施形態では、ホルダが金属製である場合を例示したが、アルミナ製などセラミックス製のホルダとすることができる。これにより、従前より「食い込み式」として当業者が扱ってきた管継手である封止部材が、環状部材が食い込むことがないセラミックス製のホルダと、環状部材が食い込むことがないセラミックス製のセンサ素子とを接続している、より斬新な構成となる。
【００５５】
また、上記の実施形態では、継手本体１０の有する二つの雄ネジ部１１，１２のサイズが異なる場合を例示したが、図５に示す固体電解質センサ１ｂのように、二つの雄ネジ部のサイズを同一とすることもできる。この場合、ナット部材４１，４２のサイズも同一となり、雄ネジ部１１，１２とナット部材４１，４２との間にそれぞれ介在する環状部材（図５では、フロントフェルール２１とバックフェルール３１の対、及び、フロントフェルール２２とバックフェルール３２の対）のサイズも同一となる。
【００５６】
このような構成とすることにより、センサ素子５１の円筒部５１ｂの径をホルダ５２の径と同一にすることができるため、ガス導入管７０をセンサ素子の内部まで延ばし、その先端を内側電極６２の近傍に位置させることができる。これにより、基準ガスまたは測定ガスと内側電極６２との接触がより良好となり、ガス濃度をより正確に検出することができる。また、固体電解質センサ１に比べて、センサ素子５１の外径が大きくなるため、センサ素子５１を肉厚にすることが可能となる。これにより、センサ素子５１の機械的強度が増すため、ナット部材４１を雄ネジ部１１に対して締め込む際に、環状部材によって外側から押し付けられる力に対するセラミックス製のセンサ素子５１の耐性を高めることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１，１ｂ，２，３  固体電解質センサ
１０  継手本体
２１，２２  フロントフェルール（環状部材）
３１，３２  バックフェルール（環状部材）
３１ｂ，３２ｂ  環状部材
３１ｃ，３２ｃ  環状部材
４１，４２  ナット部材
５０  封止部材
５１  センサ素子
５１ｂ  円筒部
５２  ホルダ
７０  ガス導入管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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