JP2000180410A

JP2000180410A - 積層型セラミックガスセンサ

Info

Publication number: JP2000180410A
Application number: JP10351477A
Authority: JP
Inventors: Akira Kunimoto; 晃国元; Seiji Hasei; 政治長谷井; Takashi Ono; 敬小野
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP3096281B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックセンサ内の温度の不均
一を解消させかつヒーターの反りや剥離を防止させる。【解決手段】埋め込みヒーター（９，９）を内
部空室（４）の対向面側に配置し、対のヒーター（９，
９）が内部空室（４）を介して対向する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は雰囲気中のガス、特
に車などの燃焼排気ガス中のＮＯx、ＨＣ、ＳＯx等のガ
ス濃度を検出するセラミックガスセンサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車排ガス中に直接挿入して連
続検知が行える全固体型ＮＯxセンサやＨＣセンサが注
目を集め、幾つかの研究結果が報告されている。特開平
４−１４２４５５号公報では、イオン伝導体に検知電極
と参照電極を設置し、被検ガス中で電極間の起電力を測
定する混成電位型ＮＯｘセンサが提案されている。この
センサでは、ＮＯやＮＯ₂に対して感度を示すものの、
ＮＯとＮＯ₂に対する感度極性が相反するために、ＮＯ
とＮＯ₂が共存する被検ガスにおいてはお互いの出力が
キャンセルしあい、ＮＯとＮＯ₂が共存する場合はそれ
らを個々に正確に検出することはできない。また、ＮＯ
感度がＮＯ₂感度に比して小さく、ＮＯ検知時には出力
が小さい欠点がある。このために、このままのセンサ構
成では総ＮＯx検知ができない。

【０００３】この総ＮＯx検知の問題に対しては、その
対策として本発明者らはジルコニア固体電解質間に測定
ガス雰囲気に連通する内部空間を設け、ＮＯx中のＮＯ
あるいはＮＯ₂をどちらか一方に単ガス化して検知する
総ＮＯxセンサを提案した（特願平８−８５４１９号明
細書、特願平８−１６５１０５号明細書）。これはグリ
ーンシートを積層焼結してジルコニア固体電解質内に一
室あるいは二室以上の缶室を形成し、少なくとも一室内
で電気化学的酸素ポンプによりＮＯに還元、あるいはＮ
Ｏ₂に酸化させ、その単ガス化されたＮＯxを検知する方
式の積層型セラミックガスセンサである。さらに、本積
層センサにおいて電気化学的酸素ポンプにＮＯx活性を
付与したＮＯx変換ポンプを提案し（特願平９−３２９
６３７号明細書）、これにより、ＮＯx変換能は大幅に
改善された。

【０００４】一方、これとは別にこのようなグリーシー
トを用いた積層型セラミックセンサに適した、印刷型埋
め込み熱電対を提案してある。例えば、特願平９−２８
６２３４号明細書にて提案されたようにＰｔ−Ｒｈ系印
刷熱電対の負脚をＰｔ電極に直接接合することにより電
極自体の温度を精度よく検出することができる。

【０００５】しかしながら、従来用いていた加熱手段、
すなわちヒーターとそれを埋め込んだヒーター基板は固
体電解質センサの片面にのみ設けられたものでしかなか
った。この片面配置のヒーター基板では、ヒーターから
の熱伝導に大きな勾配をもつことになり、セラミックセ
ンサ内に温度の不均一が生じ易かった。また、積層型セ
ラミックセンサは平板型であり電極が複数対になってい
くと加熱面積が増大し１本のヒーターで加熱エリアを担
うにはヒーター抵抗値の設定や温度制御精度確保が困難
になってしまうという問題点がある。さらに、グリーン
シートを積層してヒーター基板と固体電解質とを一体焼
結する方式で内部空室を形成する構造では、ヒーター基
板と固体電解質とが剥離せずに強固に接合することと内
部空室のガスシール性も同時に確保するためクラック等
の欠陥を完全に排除しなければならない。しかしなが
ら、従来の片面配置のヒーターではその材料的、構造的
な非対称性のため、焼結時に基板間の剥離やクラック、
反り等が生じる問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
積層型セラミックガスセンサではヒーターとそれを埋め
込んだヒーター基板は固体電解質センサの片面にのみ設
けられたものでしかなかったためセラミックセンサ内に
温度の不均一が生じ易かった。また、積層型セラミック
センサでは加熱面積が増大した場合には、１本のヒータ
ーで加熱エリアを担うためヒーター抵抗値の設定や温度
制御精度確保が困難になってしまうという問題点があっ
た。さらに、従来の片面配置のヒーターではその材料
的、構造的な非対称性のため、焼結時に基板間の剥離や
クラック、反り等が生じ易いという問題点があった。

【０００７】本発明は前述のような積層型セラミックガ
スセンサにおける問題点、課題を解決し、温度制御性能
の大幅な改善とセンサ製造プロセスでの歩留まり改善、
センサの高信頼性確保を可能とした新規な積層型セラミ
ックガスセンサを提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上のような課題に鑑み
我々は以下のような手段にて課題を解決した。すなわ
ち、本発明は少なくとも一対の電極がジルコニア固体電
解質板上に設けられ、該電極の少なくとも一方の電極が
前記ジルコニア固体電解質板を含むセラミック体により
形成された被検ガス雰囲気に連通するガス導入口を有す
る内部空間に設置され、該電極間の電位差あるいは該電
極間に流れる電流の大きさにより被検ガス濃度を測定す
るガスセンサにおいて、当該ガスセンサを加熱する埋め
込みヒーターが前記内部空室の両側に連続的に一体形成
されていることを特徴とする積層型セラミックガスセン
サを提供するものである。これによりセンサ平板の両面
（上下面）より同時に加熱されるため、板内の温度勾配
が非常に小さくすることができ、温度制御性が飛躍的に
改善される。勿論、適用されるセンサには特に制限はな
く、混成電位型、濃淡起電力型、限界電流型等のいずれ
の方式であっても甚大な適用効果を有する。

【０００９】その中でも本発明のより効果的なセンサ種
としては、前記の電極のうち一方が酸素および被検ガス
に同時に活性を持つ検知極であり、また該電極の他方の
電極が酸素のみに活性であるか、あるいは大気に通ずる
ダクト中に形成された参照極である構造の起電力検出型
の積層型セラミックガスセンサである。そのなかでも被
検ガスの化学式がＮＯxで示される窒素酸化物である積
層型セラミックガスセンサに適用することがより効果的
である。すなわち、混成電位型センサが本発明に最も効
果的に構成される。その理由は混成電位自体の温度依存
性が大きいため、より正確なセンサ温度の制御が必要で
あるためである。

【００１０】また、本発明のより効果的に適用されるセ
ンサ構造として、少なくとも一対の電極がジルコニア固
体電解質板上に設けられ、該電極の少なくとも一方の電
極が前記ジルコニア固体電解質板を含むセラミック体に
より形成された被検ガス雰囲気に連通するガス導入口を
有する内部空間に設置され、更に同一あるいは別のジル
コニア固体電解質板上に設けられた電気化学的な酸素ポ
ンプ電極が前記内部空室あるいはガス連通口によりつな
がる別の内部空室に設置され、当該酸素ポンプ電極の一
方が大気に連通するダクト内に成形された構造におい
て、当該ガスセンサを加熱する埋め込みヒーターが前記
ダクトを一体形成するようにダクト層を挟んで内部空室
の両側に連続的に一体具備されていることを特徴とする
積層型セラミックガスセンサを提供する。更に、前記の
酸素ポンプ電極の一方が設置されている大気に連通する
ダクト内に、被検ガスであるＮＯxをＮＯ、あるいはＮ
Ｏ₂の単組成ガスに電気化学的に変換するためのＮＯx変
換用酸素ポンプを設けた構造であって、当該ガスセンサ
を加熱する埋め込みヒーターが前記ダクトを一体形成す
るようにダクト層を挟んで内部空室の両側に連続的に一
体具備されていることを特徴とする窒素酸化物ガスセン
サは更に顕著な効果を示す。このセンサ構造において
は、大気中の酸素を当該内部空室に電気化学的に汲み込
むためのダクトが形成されている。また、このダクトに
よる酸素供給は拡散律速させない場合には、その断面積
がかなり大きくなるよう構成される。そのため、センサ
平板の片面からだけのヒーター加熱では一層温度勾配が
大きくなり、温度制御が難しくなる。また、センサ積層
体を作製する上で構造の非対称性が更に大きくなり、焼
成時の剥離、クラック等の欠陥が一層出やすくなる。す
なわち、このセンサ構造において、そのセンサ平板の両
面に対称にヒーター基板を接合させることで、これらの
欠陥発生も抑えることができる。

【００１１】一方、当該ヒーター基板に関しては、以下
のような構成で本発明が提供される。すなわち、前記の
一面にあるヒーター加熱部が他面にあるヒーター加熱部
とが前記記載の内部空室の面を挟んで非対称に配置さ
れ、それぞれ最も近接する電極部をそれぞれ独立に加熱
制御することがより進んだ本発明の積層型セラミックガ
スセンサである。そのヒーター構成としては、前記ヒー
ターがジルコニア基板間に埋め込まれた印刷型ヒーター
であり、当該印刷ヒーターとジルコニア基板間にアルミ
ナ絶縁膜を介して一体焼結接合された構造、更にヒータ
ーがジルコニア基板間に埋め込まれた印刷型ヒーターで
あり、当該印刷ヒーターとジルコニア基板間に多孔質ア
ルミナ絶縁膜と緻密質アルミナ層を順次介して一体焼結
接合された、より更にはヒーターが電気的に高絶縁性の
セラミック基板間に埋め込まれた印刷型ヒーターであ
り、当該高絶縁性基板とセンサ電極部が設置されている
ジルコニア固体電解質板とが一体焼結接合されたヒータ
ーを用いることでヒーターからのリーク電流を防止する
ことによって、本発明の積層型セラミックガスセンサが
効果的に提供される。更には、ヒーター基板の外側面に
リーク電流を吸引するための負電位集電体を設けること
により、顕著に固体電解質へのリーク電流を激減させる
ことができる。また、本発明のより効果的な構成とし
て、少なくも一対以上の印刷型熱電対を前記の電極近傍
に、あるいは該電極自体か該電極近傍の電極リード部と
兼用して形成された電極の温度検出用熱電対を併設し、
当該熱電対起電力を用いて電極部温度を制御すること積
層型セラミックガスセンサも提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の最も基本的な積層型セラ
ミックガスセンサの構造を図１から図３に示す。図１は
固体電解質基板１の片面に取り付けた検知極２と参照極
３との間の電圧を検出し、この電圧の大きさによりガス
濃度を測定する方式のガスセンサである。図１において
少なくとも電極２，３が固定されている基板１は、ジル
コニア等の固体電解質であればよい。また、検知極２は
前記固体電解質基板１を含むセラミック体で囲われた内
部空室４に設置される。内部空室４は測定雰囲気から被
検ガスが拡散流入するためのガス導入口５が設けられて
いる。参照極３は隔壁６により該内部空室と完全に隔離
され、大気中に通ずるダクト７中に配置される大気基準
極である。この内部空室と大気ダクトを挟むようにヒー
ター基板８が直接接合されている。ヒーター基板８には
ヒーター９が埋め込まれており、雰囲気ガスから遮断さ
れた構造である。

【００１３】このセンサ構造を作製するには、通常次の
ような積層プロセスが用いられる。例えば、前述の固体
電解質に酸素イオン伝導体であるジルコニア固体電解質
を用い、また他の基板も同じジルコニア固体電解質を用
いることができる。ジルコニア固体電解質にはイットリ
ア（Ｙ₂Ｏ₃）が通常３〜８モル添加されイオン伝導性を
高めて使用する。内部空室４を有するセンサ構造は、こ
れらジルコニア固体電解質のグリーンシートを用いて積
層圧着後、焼成し一体化される。前述のジルコニアグリ
ーンシートを作製するには、通常イットリアとジルコニ
アを所定量配合し、ＰＶＡなどの有機バインダとその溶
剤をさらに配合し、場合によっては分散剤を少量添加
し、ボールミル等で充分に混練する。このようにしてで
きたジルコニア・スラリーをドクターブレード法により
所定の厚みになるようにシート成形を行う。このシート
を乾燥後、積層するセンサ形状に切断し、電極、リード
導体、必要によりアルミナ等の絶縁層をそれぞれのペー
ストを用いて印刷形成する。電極材料はジルコニアの焼
結温度である約１４００℃にても電極活性を失わず、剥
離等の欠陥を生じない材料を用いる。この電極には、燃
焼ガス中のガス検知で一般的な酸素センサではＰｔ電極
が用いられる。この場合には図１の検知極２と参照極３
とも同じＰｔ電極を用いると、Ｎｅｒｎｓｔの式に従う
濃淡起電力型の酸素センサとなる。

【００１４】一方、ＮＯxを検知するには、検知極２に
ＮＯxと酸素に同時に活性を有するＰｔ−Ｒｈ（３％）
などの材料を用いる。参照極３には最低限酸素にのみ活
性を有していれば良く、通常Ｐｔが用いられる。この検
知方式は混成電位型といわれる方式で電極間の電位差は
Ｎｅｒｎｓｔの式には当てはまらないのが特徴である。

【００１５】また、ヒーター９，９に関しては通常Ｐｔ
ペーストをヒーターパターンの形状にスクリーン印刷に
より形成する。ヒーター基板８，８にジルコニアグリー
ンシートを用いる場合には、別途アルミナ絶縁ペースト
を形成してからヒーターパターンを印刷する。これは、
ジルコニアがヒーター電圧により、電気化学的に還元劣
化を起こすからである。また、ヒーター９，９からの電
流リークが起こりセンサ電極に流れ込むと、センサ出力
が変化してしまうからでもある。勿論、固体電解質のグ
リーンシートとそれ以外のグリーンシートとの焼成接合
時に収縮率が合えば、このヒーター基板材に電気絶縁性
の高い物質を用いることがより好ましい。

【００１６】このようにグリーンシート上に電極等が印
刷形成されたそれぞれのシートを、重ね合わせ加熱圧着
することによりシート中のバンイダ同士が結合しシート
が接着される。これを脱脂し１４００℃以上の高温で焼
成することにより一体焼結がなされる。このときに、図
１にては電極２，３が形成されている固体電解質基板１
側のみヒーター基板８が接合される従来構造では、その
構造が図１の上下側で非対称なため、あるいはＰｔヒー
ター材そのものの影響で、収縮歪みが生じやすいのは明
らかであり、本発明構造がその対称性をも確保してくれ
る。

【００１７】図２の構造は、前記内部空室４の中に検知
極２と参照極３とを同時に配置した構造である。この構
造でガス濃度を測定できるのは、酸素検知以外の混成電
位型の、例えばＮＯxセンサである。この場合でも、参
照極３には酸素以外に不活性である電極、例えばＰｔな
どで形成する必要がある。更に、図３においては外部電
源により電位をかけ、酸素ポンピング電極である内部空
室４のカソード電極１０から酸素イオンのみアノード電
極１１に向かって電気化学的に排出される。このとき、
ガス導入口５を絞ってガスが拡散律速するような拡散抵
抗を備えると限界電流が得られる。この限界電流の大き
さにより測定雰囲気中の酸素濃度を検出することができ
る。

【００１８】図４のセンサ構造は図１の内部空室をさら
に２室４ａ，４ｂに分け、前室に内部空室の酸素濃度調
整用の酸素ポンプ１２，１３を具えたセンサである。前
室と後室との間はガス拡散抵抗を付ける場合には連通口
１４を設ける。前室４ａを形成した場合には、例えば排
気ガス中の干渉ガスを酸化除去することができる。さら
に、雰囲気中に酸素が殆ど無い場合でも大気中から酸素
を供給できるように別途ダクトを形成した構造である。
このような場合にはセンサ基板側からの片面加熱では温
度分布がさらに悪くなることは明らかである。このよう
な場合でも、ヒーター９，９を用いる図４に示す本発明
センサ構造を用いると極めて温度制御性が向上する。

【００１９】同様に図５は、検知極と参照極を同一の内
部空室に配置した混成電位型センサにおいて、内部空室
をさらに２室４ａ，４ｂに分け、酸素ポンプ１２，１３
と新たに大気ダクトを追加した構成である。尚、酸素ポ
ンプおよび検知極の形成してある各室の間は完全に連通
した一室構造であっても構わない。また、同様に図６は
参照極をヒーター基板側に設けた大気ダクト中に設置し
た大気基準型の電位検出型センサの例である。同様に図
７は限界電流式センサの場合のセンサ構造を示す。図８
は図６の構造において、検知極と対向するように第２の
酸素ポンプを追加構成したものである。この第２の酸素
ポンプに特定のガスに対して活性を付与したガス変換ポ
ンプとして機能させることできる。いずれにしても、こ
れらの構造は積層シート数が増し、更に温度分布が悪く
なることは明らかである。本発明構造がこれらに非常に
有効であることは明白である。また、積層シート数が増
すことによりセンサ構造の歪みが大きくなり焼成工程で
の剥離、クラックが発生しやすくなる。ここにおいても
本発明の手段を用いることにより、これらの欠陥を大幅
に抑制することができるのは言うまでもない。

【００２０】図９に示されるセンサ構造は内部空室４
ａ，４ｂに設けられた検知極２と参照極３とからなるガ
ス検出部と、内部空室に大気から酸素を導入または排気
する大気ダクトに固定された酸素ポンプ部１２，１３と
からなるセンサ構造である。しかしながら、従来方法の
片側加熱方式は、例えば検知部と酸素ポンプ部の作動温
度が異なる設定を行う場合にはヒーターパターンの粗密
あるいはヒーター線幅を調節せざるを得なかった。その
ため、微妙な温度調整や温度分布調整が困難であった。
本発明においては、図９に示すようにそれぞれセンサ平
板の両面にヒーター９加熱を具備し、それぞれ最も加熱
する電極に近接させて配置することにより、同じセンサ
内の電極といえども、個別に温度設定が可能となり、よ
り精度の高い温度制御が可能となる。

【００２１】一方、本発明センサはヒーターを少なくと
も二対使用する構造であるため、ヒーターからのリーク
電流の影響に関しては従来より劣る可能性が無いとは言
えない。その対応方策として、図１０に示す二層絶縁層
構造を本発明に追加構成することが望ましい。すなわ
ち、ヒーターに接する第１の絶縁層に多孔質アルミナを
用いることで最も絶縁性の高い物質である空気層の割合
を増した層を形成する。この多孔質層だけでは固体電解
質板との接着性が悪いため、第２の緻密なアルミナ絶縁
層を形成する。いわゆる二層構造のアルミナ絶縁層で構
成すると、ヒーターからのリーク電流をさらに低減する
ことが可能である。

【００２２】更に、ヒーターからのリーク電流をより低
減する必要がある場合には、図１１に示す集電体層１
５，１５をヒーター９，９の外側に設けることで可能で
ある。これはヒーター９，９と逆電位にバイアスされた
集電体１５，１５を外側に設置することで漏れ電流を強
制的にグランドに落とすことができることによる。勿
論、ジルコニア固体電解質１を還元するほどのバイアス
電位は必要ないため、ジルコニア板に直接集電体１５，
１５を形成することができる。以下に実施例を示して、
更に詳細な説明を行うが、本発明の適用範囲は本実施例
のみに拘束されることはないのは言うまでもない。

【００２３】

【実施例】（実施例１）固体電解質にイットリア（Ｙ₂
Ｏ₃）を６モル添加したジルコニア粉を用意した。これ
に有機バインダとしてＰＶＡと有機溶剤を配合し、少量
の分散剤とともにポットに入れ、ボールミルで５０時間
混練した。このようにして作製したジルコニア・スラリ
ーを脱泡機にかけた後、ドクターブレード法により所定
の厚みになるようにシート成形を行った。これを乾燥
後、図８の構造とするようにグリーンシートを切断し
た。内部空室部４ａ，４ｂはシート１に窓開けをおこな
った。切断されたジルコニアセンサ用シートにはリード
導体、電極をまた、ジルコニアヒーター用シート８には
アルミナ絶縁層、Ｐｔヒーターパターンをそれぞれスク
リーン印刷にて塗布した。内部空室を形成するために、
グリーンシート積層時には昇華性物質のシートを窓開け
部に充填した。これらを温水中で等方圧がかかるように
温水中圧着を行った。これを、大気中６００℃で脱脂を
行い、そのまま１４００℃で焼成を行いセンササンプル
Ａを作製した。一方、本発明構造と比較するために、図
８の上面ヒーター基板を形成しないサンプルＢも同時に
作製した。表１に焼成後のサンプル外観歩留まり状況を
比較する。明らかに本発明構造はセンサ作製での歩留ま
り向上、ひいてはセンサの信頼性確保の上で顕著な効果
があることが明白である。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実施例２）実施例１で作製したサンプル
ＡとサンプルＢの正常品を取り出して、そのセンサ温度
制御性能を比較した。サンプルＡとＢをそれぞれ１００
℃の温風が流れている評価炉にセットし、温風温度を１
００℃から３００℃に急激に昇温させた。このときサン
プル温度は自己ヒーターにより６００℃に一定に加熱さ
れるように、電極部に一体形成された印刷熱電対により
フィードバック回路により制御させた。このとき、電極
部温度変動の印刷熱電対出力（温度換算値）をモニタ−
した。結果を図１２に示す。これから明らかなように、
本発明のセンサ構造の方が温度追従性に優れていること
が明白である。

【００２６】（実施例３）実施例１と同様に図８に示す
構造のセンサを作製した。但し、ヒーター基板部に関し
ては、Ｐｔヒーターとジルコニアシート間に図１０に示
す二層構造からなる絶縁層を形成した。多孔質アルミナ
層は純度９９．９９％以上で平均粒径０．５μｍのアル
ミナ粉末と有機バインダおよび有機溶剤を所定量に配合
・混練し印刷ペーストとした。緻密アルミナ層用として
は、純度９９．９９％以上で平均粒径０．１５μｍのア
ルミナ粉末と有機バインダおよび有機溶剤を所定量に配
合・混練し印刷ペーストとした。このサンプルを自己加
熱ヒーターにより６００℃となるようにヒーター電圧を
印加した。このときのヒーター電源のグランドと検知極
との間に流れるヒーターリーク電流を、ヒーター電圧を
変えて測定した。また、このヒーター基板との絶縁性を
比較するために図１０における多孔質アルミナ層を除外
した比較サンプルＣも作製し、同様の条件でヒーターリ
ーク電流を測定した。測定比較結果を図１３に示す。こ
こから明らかに二層絶縁構造を有するヒーター基板の絶
縁性が高いことが判る。

【００２７】（実施例４）実施例３で使用した比較サン
プルＣの絶縁層構成で、ヒーターが埋設されるジルコニ
ア固体電解質基板１の外側面にＰｔ印刷による集電体１
５を形成した。さらに図１１に示すように、この集電体
１５に負電位を与えるため定電圧を印加した。この状態
で測定した集電体電位とヒーターリーク電流との関係を
図１４に示す。尚、ヒーター印加電圧は６．２Ｖ、セン
サ作動温度は６００℃であった。また、集電体電位は０
〜−０．８Ｖで変化させた。図１４から判るように集電
体１５をグランド電位（０Ｖ）にするだけでもリーク電
流はかなり軽減することが可能である。さらに、集電体
電位をヒーター電位と逆電位に設定することによりリー
ク電流を完全にゼロにすることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は積層型セラミックガスセンサの
構造およびその製造プロセスにおいて、以下のような作
用、効果があることが明らかである。すなわち、内部空
室を持つ多層構造体平板の両面に加熱源を有するため、
迅速な熱応答性が得られる。またヒーター（基板）が対
称に構成されるため、グリーンシートを積層焼結する工
程において基板の剥離、クラック等の欠陥を無くすこと
ができ、歩留まりの改善、製品の信頼性を大幅に向上で
きる。これらは、積層数が増えてくると著しい効果を発
揮できる。また、本発明の構成において、新規な二層絶
縁層構造あるいは集電体を併設する、さらには集電体に
ヒーターとの逆電位を印加することによりヒーターから
のリーク電流を大幅に低減しセンサの信頼性を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は濃淡電池型および混成電位型センサでの
本発明構造の一例である。

【図２】図２は混成電位型センサでの本発明構造の一例
である。

【図３】図３は限界電流式センサでの本発明構造の一例
である。

【図４】図４は濃淡電池型および混成電位型センサでの
さらに進んだ本発明構造の一例である。

【図５】図５は混成電位型センサでのさらに進んだ本発
明構造の一例である。

【図６】図６は濃淡電池型および混成電位型センサでの
さらに進んだ本発明構造のもう一つの一例である。

【図７】図７は限界電流式センサのさらに進んだ本発明
構造の一例である。

【図８】図８は混成電位型センサのより進んだ本発明の
一例である。

【図９】図９は本発明のヒーター配置に関する構造の一
例である。

【図１０】図１０は本発明の二層構造を有する絶縁層の
断面模式図である。

【図１１】図１１は本発明の集電体を有するセンサ構造
の一例である。

【図１２】図１２は実施例２における電極温度の熱応答
性を示すデータである。

【図１３】図１３は実施例３におけるヒーターリーク電
流に関するデータおよび比較例である。

【図１４】図１４は実施例４の集電体電位の効果を示す
ヒーターリーク電流のデータである。

【符号の説明】

１固体電解質基板２検知極３参照極４内部空室５ガス導入口６隔壁７大気ダクト８ヒーター基板９ヒーター１０カソード極１１アノード極１２，１３酸素ポンプ電極１４連通口１５集電体１６，１７第２の酸素ポンプ電極（変換ポンプ電極）

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月２２日（１９９９．１１．
２２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の詳細な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【０００６】

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上のような課題に鑑み
我々は以下のような手段にて課題を解決した。すなわ
ち、本発明は、ジルコニア固体電解質基板上に設けられ
た一対の電気化学的な酸素ポンプ電極の一方が、前記ジ
ルコニア固体電解質板を含むセラミック体により形成さ
れかつ被検ガス雰囲気に連通するガス導入口を有する内
部空間に設置され、当該酸素ポンプ電極のもう一方が大
気に連通するダクト内に設置され、一対の窒素酸化物ガ
ス検知電極の一方が酸素ポンプ電極の設置された基板と
同一あるいは別のジルコニア固体電解質基板上に設けら
れ、該電極の少なくとも一方が前記内部空間に設置さ
れ、該窒素酸化物検知電極の電位差あるいは該電極間に
流れる電流の大きさにより窒素酸化物ガス濃度を測定す
るガスセンサにおいて、当該ガスセンサを加熱するヒー
ターがジルコニア基板間に埋め込まれた印刷型ヒーター
であり、当該印刷ヒーターとジルコニア基板間にアルミ
ナ絶縁膜を介して一体焼結接合され、当該埋め込みジル
コニアヒーター基板と前記固体電解質基板が前記ダクト
を構成するようにダクト層を挟んで内部空間の両側に一
体具備されていることを特徴とするジルコニア積層型窒
素酸化物ガスセンサを提供するものである。これにより
センサ平板の両面（上下面）より同時に加熱されるた
め、板内の温度勾配が非常に小さくすることができ、温
度制御性が飛躍的に改善される。勿論、適用されるセン
サには特に制限はなく、混成電位型、濃淡起電力型、限
界電流型等のいずれの方式であっても甚大な適用効果を
有する。

【０００９】さらに、本発明は、少なくも一対の電極が
センサ基板としてのジルコニア固体電解質基板上に設け
られ、該電極の少なくとも一方の電極が前記ジルコニア
固体電解質板を含むセラミック体により形成されかつ被
検ガス雰囲気に連通するガス導入口を有する内部空間に
設置され、該電極間の電位差あるいは該電極間に流れる
電流の大きさにより被検ガス濃度を測定するガスセンサ
において、当該ガスセンサを加熱する埋め込みヒーター
が前記内部空室の両側に連続的に一体形成されており、
前記センサ基板と電気絶縁層を介して前記ヒーターを保
持するヒーター基板とが一体に焼結され、該ヒーターを
埋め込んでいる前記ヒーター基板としてのセラミック基
板の外側面に負電位に設定された金属集電体を固定具備
した構成を特徴とする積層型セラミックガスセンサを提
供する。

【００１０】

【００１１】このセンサ構造を作製するには、通常次の
ような積層プロセスが用いられる。例えば、前述の固体
電解質に酸素イオン伝導体であるジルコニア固体電解質
を用い、また他の基板も同じジルコニア固体電解質を用
いることができる。ジルコニア固体電解質にはイットリ
ア（Ｙ₂Ｏ₃）が通常３〜８モル添加されイオン伝導性を
高めて使用する。内部空室４を有するセンサ構造は、こ
れらジルコニア固体電解質のグリーンシートを用いて積
層圧着後、焼成し一体化される。前述のジルコニアグリ
ーンシートを作製するには、通常イットリアとジルコニ
アを所定量配合し、ＰＶＡなどの有機バインダとその溶
剤をさらに配合し、場合によっては分散剤を少量添加
し、ボールミル等で充分に混練する。このようにしてで
きたジルコニア・スラリーをドクターブレード法により
所定の厚みになるようにシート成形を行う。このシート
を乾燥後、積層するセンサ形状に切断し、電極、リード
導体、必要によりアルミナ等の絶縁層をそれぞれのペー
ストを用いて印刷形成する。電極材料はジルコニアの焼
結温度である約１４００℃にても電極活性を失わず、剥
離等の欠陥を生じない材料を用いる。この電極には、燃
焼ガス中のガス検知で一般的な酸素センサではＰｔ電極
が用いられる。この場合には図１の検知極２と参照極３
とも同じＰｔ電極を用いると、Ｎｅｒｎｓｔの式に従う
濃淡起電力型の酸素センサとなる。

【００１２】一方、ＮＯxを検知するには、検知極２に
ＮＯxと酸素に同時に活性を有するＰｔ−Ｒｈ（３％）
などの材料を用いる。参照極３には最低限酸素にのみ活
性を有していれば良く、通常Ｐｔが用いられる。この検
知方式は混成電位型といわれる方式で電極間の電位差は
Ｎｅｒｎｓｔの式には当てはまらないのが特徴である。

【００１３】また、ヒーター９，９に関しては通常Ｐｔ
ペーストをヒーターパターンの形状にスクリーン印刷に
より形成する。ヒーター基板８，８にジルコニアグリー
ンシートを用いる場合には、別途アルミナ絶縁ペースト
を形成してからヒーターパターンを印刷する。これは、
ジルコニアがヒーター電圧により、電気化学的に還元劣
化を起こすからである。また、ヒーター９，９からの電
流リークが起こりセンサ電極に流れ込むと、センサ出力
が変化してしまうからでもある。勿論、固体電解質のグ
リーンシートとそれ以外のグリーンシートとの焼成接合
時に収縮率が合えば、このヒーター基板材に電気絶縁性
の高い物質を用いることがより好ましい。

【００１４】このようにグリーンシート上に電極等が印
刷形成されたそれぞれのシートを、重ね合わせ加熱圧着
することによりシート中のバンイダ同士が結合しシート
が接着される。これを脱脂し１４００℃以上の高温で焼
成することにより一体焼結がなされる。このときに、図
１にては電極２，３が形成されている固体電解質基板１
側のみヒーター基板８が接合される従来構造では、その
構造が図１の上下側で非対称なため、あるいはＰｔヒー
ター材そのものの影響で、収縮歪みが生じやすいのは明
らかであり、本発明構造がその対称性をも確保してくれ
る。

【００１５】図２の構造は、前記内部空室４の中に検知
極２と参照極３とを同時に配置した構造である。この構
造でガス濃度を測定できるのは、酸素検知以外の混成電
位型の、例えばＮＯxセンサである。この場合でも、参
照極３には酸素以外に不活性である電極、例えばＰｔな
どで形成する必要がある。更に、図３においては外部電
源により電位をかけ、酸素ポンピング電極である内部空
室４のカソード電極１０から酸素イオンのみアノード電
極１１に向かって電気化学的に排出される。このとき、
ガス導入口５を絞ってガスが拡散律速するような拡散抵
抗を備えると限界電流が得られる。この限界電流の大き
さにより測定雰囲気中の酸素濃度を検出することができ
る。

【００１６】図４のセンサ構造は図１の内部空室をさら
に２室４ａ，４ｂに分け、前室に内部空室の酸素濃度調
整用の酸素ポンプ１２，１３を具えたセンサである。前
室と後室との間はガス拡散抵抗を付ける場合には連通口
１４を設ける。前室４ａを形成した場合には、例えば排
気ガス中の干渉ガスを酸化除去することができる。さら
に、雰囲気中に酸素が殆ど無い場合でも大気中から酸素
を供給できるように別途ダクトを形成した構造である。
このような場合にはセンサ基板側からの片面加熱では温
度分布がさらに悪くなることは明らかである。このよう
な場合でも、ヒーター９，９を用いる図４に示す本発明
センサ構造を用いると極めて温度制御性が向上する。

【００１７】同様に図５は、検知極と参照極を同一の内
部空室に配置した混成電位型センサにおいて、内部空室
をさらに２室４ａ，４ｂに分け、酸素ポンプ１２，１３
と新たに大気ダクトを追加した構成である。尚、酸素ポ
ンプおよび検知極の形成してある各室の間は完全に連通
した一室構造であっても構わない。また、同様に図６は
参照極をヒーター基板側に設けた大気ダクト中に設置し
た大気基準型の電位検出型センサの例である。同様に図
７は限界電流式センサの場合のセンサ構造を示す。図８
は図６の構造において、検知極と対向するように第２の
酸素ポンプを追加構成したものである。この第２の酸素
ポンプに特定のガスに対して活性を付与したガス変換ポ
ンプとして機能させることできる。いずれにしても、こ
れらの構造は積層シート数が増し、更に温度分布が悪く
なることは明らかである。本発明構造がこれらに非常に
有効であることは明白である。また、積層シート数が増
すことによりセンサ構造の歪みが大きくなり焼成工程で
の剥離、クラックが発生しやすくなる。ここにおいても
本発明の手段を用いることにより、これらの欠陥を大幅
に抑制することができるのは言うまでもない。

【００１８】図９に示されるセンサ構造は内部空室４
ａ，４ｂに設けられた検知極２と参照極３とからなるガ
ス検出部と、内部空室に大気から酸素を導入または排気
する大気ダクトに固定された酸素ポンプ部１２，１３と
からなるセンサ構造である。しかしながら、従来方法の
片側加熱方式は、例えば検知部と酸素ポンプ部の作動温
度が異なる設定を行う場合にはヒーターパターンの粗密
あるいはヒーター線幅を調節せざるを得なかった。その
ため、微妙な温度調整や温度分布調整が困難であった。
本発明においては、図９に示すようにそれぞれセンサ平
板の両面にヒーター９加熱を具備し、それぞれ最も加熱
する電極に近接させて配置することにより、同じセンサ
内の電極といえども、個別に温度設定が可能となり、よ
り精度の高い温度制御が可能となる。

【００１９】一方、本発明センサはヒーターを少なくと
も二対使用する構造であるため、ヒーターからのリーク
電流の影響に関しては従来より劣る可能性が無いとは言
えない。その対応方策として、図１０に示す二層絶縁層
構造を本発明に追加構成することが望ましい。すなわ
ち、ヒーターに接する第１の絶縁層に多孔質アルミナを
用いることで最も絶縁性の高い物質である空気層の割合
を増した層を形成する。この多孔質層だけでは固体電解
質板との接着性が悪いため、第２の緻密なアルミナ絶縁
層を形成する。いわゆる二層構造のアルミナ絶縁層で構
成すると、ヒーターからのリーク電流をさらに低減する
ことが可能である。

【００２０】更に、ヒーターからのリーク電流をより低
減する必要がある場合には、図１１に示す集電体層１
５，１５をヒーター９，９の外側に設けることで可能で
ある。これはヒーター９，９と逆電位にバイアスされた
集電体１５，１５を外側に設置することで漏れ電流を強
制的にグランドに落とすことができることによる。勿
論、ジルコニア固体電解質１を還元するほどのバイアス
電位は必要ないため、ジルコニア板に直接集電体１５，
１５を形成することができる。以下に実施例を示して、
更に詳細な説明を行うが、本発明の適用範囲は本実施例
のみに拘束されることはないのは言うまでもない。

【００２１】

【００２２】

【表１】

【００２３】（実施例２）実施例１で作製したサンプル
ＡとサンプルＢの正常品を取り出して、そのセンサ温度
制御性能を比較した。サンプルＡとＢをそれぞれ１００
℃の温風が流れている評価炉にセットし、温風温度を１
００℃から３００℃に急激に昇温させた。このときサン
プル温度は自己ヒーターにより６００℃に一定に加熱さ
れるように、電極部に一体形成された印刷熱電対により
フィードバック回路により制御させた。このとき、電極
部温度変動の印刷熱電対出力（温度換算値）をモニタ−
した。結果を図１２に示す。これから明らかなように、
本発明のセンサ構造の方が温度追従性に優れていること
が明白である。

【００２４】（実施例３）実施例１と同様に図８に示す
構造のセンサを作製した。但し、ヒーター基板部に関し
ては、Ｐｔヒーターとジルコニアシート間に図１０に示
す二層構造からなる絶縁層を形成した。多孔質アルミナ
層は純度９９．９９％以上で平均粒径０．５μｍのアル
ミナ粉末と有機バインダおよび有機溶剤を所定量に配合
・混練し印刷ペーストとした。緻密アルミナ層用として
は、純度９９．９９％以上で平均粒径０．１５μｍのア
ルミナ粉末と有機バインダおよび有機溶剤を所定量に配
合・混練し印刷ペーストとした。このサンプルを自己加
熱ヒーターにより６００℃となるようにヒーター電圧を
印加した。このときのヒーター電源のグランドと検知極
との間に流れるヒーターリーク電流を、ヒーター電圧を
変えて測定した。また、このヒーター基板との絶縁性を
比較するために図１０における多孔質アルミナ層を除外
した比較サンプルＣも作製し、同様の条件でヒーターリ
ーク電流を測定した。測定比較結果を図１３に示す。こ
こから明らかに二層絶縁構造を有するヒーター基板の絶
縁性が高いことが判る。

【００２５】（実施例４）実施例３で使用した比較サン
プルＣの絶縁層構成で、ヒーターが埋設されるジルコニ
ア固体電解質基板１の外側面にＰｔ印刷による集電体１
５を形成した。さらに図１１に示すように、この集電体
１５に負電位を与えるため定電圧を印加した。この状態
で測定した集電体電位とヒーターリーク電流との関係を
図１４に示す。尚、ヒーター印加電圧は６．２Ｖ、セン
サ作動温度は６００℃であった。また、集電体電位は０
〜−０．８Ｖで変化させた。図１４から判るように集電
体１５をグランド電位（０Ｖ）にするだけでもリーク電
流はかなり軽減することが可能である。さらに、集電体
電位をヒーター電位と逆電位に設定することによりリー
ク電流を完全にゼロにすることができる。

【００２６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野敬埼玉県熊谷市末広４丁目14番１号株式会社リケン熊谷事業所内Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC03 BD05 BD14 BD15 BE22 BG17 BJ02 BJ05 BL08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の電極がジルコニア固体
電解質板上に設けられ、該電極の少なくとも一方の電極
が前記ジルコニア固体電解質板を含むセラミック体によ
り形成された被検ガス雰囲気に連通するガス導入口を有
する内部空間に設置され、該電極間の電位差あるいは該
電極間に流れる電流の大きさにより被検ガス濃度を測定
するガスセンサにおいて、当該ガスセンサを加熱する埋
め込みヒーターが前記内部空室の両側に連続的に一体形
成されていることを特徴とする積層型セラミックガスセ
ンサ。
【請求項２】前項記載の電極のうち一方が酸素および
被検ガスに同時に活性を持つ検知極であり、また該電極
の他方の電極が酸素のみに活性であるか、あるいは大気
に通ずるダクト中に形成された参照極である構造のガス
センサである請求項１に記載の積層型セラミックガスセ
ンサ。
【請求項３】前項記載の被検ガスが、化学式でＮＯｘ
で示される窒素酸化物である請求項１乃至２に記載の積
層型セラミックガスセンサ。
【請求項４】少なくとも一対の電極がジルコニア固体
電解質板上に設けられ、該電極の少なくとも一方の電極
が前記ジルコニア固体電解質板を含むセラミック体によ
り形成された被検ガス雰囲気に連通するガス導入口を有
する内部空間に設置され、更に同一あるいは別のジルコ
ニア固体電解質板上に設けられた電気化学的な酸素ポン
プ電極が前記内部空室あるいはガス連通口によりつなが
る別の内部空室に設置され、当該酸素ポンプ電極の一方
が大気に連通するダクト内に成形された構造において、
当該ガスセンサを加熱する埋め込みヒーターが前記ダク
トを一体形成するようにダクト層を挟んで内部空室の両
側に連続的に一体具備されていることを特徴とする請求
項３に記載の積層型セラミックガスセンサ。
【請求項５】前項記載の酸素ポンプ電極の一方が設置
されている大気に連通するダクト内に、被検ガスである
ＮＯｘをＮＯ、あるいはＮＯ₂の単組成ガスに電気化学
的に変換するためのＮＯｘ変換用酸素ポンプを設けた構
造であって、当該ガスセンサを加熱する埋め込みヒータ
ーが前記ダクトを一体形成するようにダクト層を挟んで
内部空室の両側に連続的に一体具備されていることを特
徴とする請求項４に記載の窒素酸化物ガスセンサ。
【請求項６】前記記載の一面にあるヒーター加熱部が
他面にあるヒーター加熱部とが前記記載の内部空室の面
を挟んで非対称に配置され、それぞれ最も近接する電極
部をそれぞれ独立に加熱制御することを特徴とする請求
項１乃至５の何れかに記載の積層型セラミックガスセン
サ。
【請求項７】前記記載のヒーターがジルコニア基板間
に埋め込まれた印刷型ヒーターであり、当該印刷ヒータ
ーとジルコニア基板間にアルミナ絶縁膜を介して一体焼
結接合された請求項１乃至６の何れかに記載の積層型セ
ラミックガスセンサ。
【請求項８】前記記載のヒーターがジルコニア基板間
に埋め込まれた印刷型ヒーターであり、当該印刷ヒータ
ーとジルコニア基板間に多孔質アルミナ絶縁膜と緻密質
アルミナ層を順次介して一体焼結接合された請求項７記
載の積層型セラミックガスセンサ。
【請求項９】前記記載のヒーターが電気的に高絶縁性
のセラミック基板間に埋め込まれた印刷型ヒーターであ
り、当該高絶縁性基板とセンサ電極部が設置されている
ジルコニア固体電解質板とが一体焼結接合された請求項
１乃至６の何れかに記載の積層型セラミックガスセン
サ。
【請求項１０】前記記載のセンサ基板とヒーター基板
とが一体に焼結されている積層型セラミックセンサにお
いて、該ヒーターを埋め込んでいるセラミック基板の外
側面に負電位に設定された金属集電体を固定具備した構
成を特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の積層型
セラミックガスセンサ。
【請求項１１】少なくも一対以上の印刷型熱電対を前
記記載の電極近傍に、あるいは該電極自体か該電極近傍
の電極リード部と兼用して形成された電極の温度検出用
熱電対を併設し、当該熱電対起電力を用いて電極部温度
を制御することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか
に記載の積層型セラミックガスセンサ。