JP2009226605A - 積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法、センサ素子の製造方法、センサ素子、およびガスセンサ - Google Patents

積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法、センサ素子の製造方法、センサ素子、およびガスセンサ Download PDF

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Abstract

【課題】割れや欠けの生じにくいセンサ素子、および係るセンサ素子の作製方法を提供する。
【解決手段】積層体を切断して、焼成によりセンサ素子101となる複数の素子体を切り出す際に、切断手段の刃先の両側面に加わる抵抗の差ができるだけ小さい状態での切断から優先的に行うようにする。すなわち、切断手段の刃先の両側面に加わる抵抗が略同じ状態での切断である均等切断を優先的に行い、均等切断が行えないときには、切断手段の刃先の両側面に加わる抵抗が異なる状態での切断である不均等切断を行う。これにより、センサ素子の長手方向に垂直な面を見た場合の外形形状が、4つの角をA、B、C、Dとした場合に、辺ADとBCとが略平行であり、ヒータが備わる側の角Bおよび角Cが鋭角ではなく、他方の側の角Aおよび角Dが鈍角ではない台形であるようにする。
【選択図】図2

Description

本発明は、セラミックスグリーンシートを積層して形成した積層体を切り出すことにより作製されるセンサ素子、およびその製造方法に関する。
従来、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のNOx濃度を測定する装置として、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質上にPt電極およびRh電極を形成したセンサ素子を備えるガスセンサ(NOxセンサ)が公知である(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−271476号公報
特許文献1に記載されているようなガスセンサにおいて、センサ素子は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアをセラミックス成分として含む複数枚のセラミックスグリーンシート(以下、単にグリーンシートとも称する)のそれぞれに該センサ素子複数個(例えば数個〜数十個)分の回路パターン(以下、単にパターンとも称する)を形成し、それらを積み重ねて一体化させることによって積層体を得た上で該積層体を切断して、複数個の切断素片(素子体)を得た後、該素子体を焼成することによって作製される。作製されたセンサ素子は、その後のガスセンサの組み立て工程の中で、セラミックス製のハウジングの中に収容され、センサ素子表面に設けられた外部接続電極との接点を兼ねる板バネで保持される。
係る態様で作製されるガスセンサにおいては、センサ素子の端部がハウジングと接触し、センサ素子の長手方向側端部に割れや欠けが生じてしまうことが度々起こっており、ガスセンサの製造歩留まりを低下させる要因となっていた。特に、センサ素子のヒータが設けられた側でこうした割れや欠けが顕著に生じることが問題となっていた。これは、センサ素子が所定の設計寸法通りの外形寸法を有していないことが原因であることが、本発明の発明者によって確認された。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、割れや欠けの生じにくいセンサ素子、および係るセンサ素子の作製方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、複数枚のセラミックグリーンシートを積層してなる積層体を切断して複数のセンサ素子用の素子体を切り出す方法であって、切断手段の刃先の両側面に加わる抵抗の差ができるだけ小さい状態での切断から優先的に行う、ことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗が略同じ状態での切断である均等切断を優先的に行い、前記均等切断が行えないときには、前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗が異なる状態での切断である不均等切断を行う、ことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、前記均等切断が行えないときには、前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗の差ができるだけ小さい状態での前記不均等切断から優先的に行う、ことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、切断位置の両側方向の積層体の連続部分の厚みに基づいて前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗の大小関係を判断する、ことを特徴とする。
請求項5の発明は、センサ素子の製造方法であって、前記複数枚のセラミックスグリーンシートに所定の回路パターンを形成する回路形成工程と、前記回路パターンが形成された前記複数枚のセラミックスグリーンシートを積層して前記積層体を形成する積層工程と、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のセンサ素子用素子体の切り出し方法で前記積層体から素子体を切り出す切り出し工程と、前記切り出し工程で切り出された素子体を焼成する焼成工程と、を備えることを特徴とする。
請求項6の発明は、センサ素子であって、請求項5に記載の製造方法によって製造されたものである。
請求項7の発明は、酸素イオン導電性固体電解質を主構成材とし、長手方向に垂直な面を見た場合の外形形状が四角形であるセンサ素子であって、前記四角形の4つの角をA、B、C、Dとするときに、四角形ABCDが、辺ADとBCとが略平行であり、角Bおよび角Cが鋭角ではなく、他方の側の角Aおよび角Dが鈍角ではない台形である、ことを特徴とする。
請求項8の発明は、酸素イオン導電性固体電解質を主構成材とし、長手方向に垂直な面を見た場合の外形形状が四角形であるセンサ素子であって、前記四角形の4つの角をA、B、C、Dとし、辺BCの中点をMとし、Mから辺ADに下ろした垂線(片ABの垂直二等分線)と辺ADとの交点をHとするときに、辺ADとBCとが略平行であり、
AH≧BM (式1)
かつ
DH≧CM (式2)
かつ
AD>BC (式3)
であることを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項7または請求項8に記載のセンサ素子であって、前記の4つの角A、B、C、Dの角度をそれぞれP1、P2、P3、P4とするときに、
0°≦P2−90°、P3−90°≦1° (式4)
かつ
0°≦90°−P1、90°−P4≦1° (式5)
であることを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項7ないし請求項9のいずれかに記載のセンサ素子であって、前記センサ素子の内部であって前記辺BCをなす素子表面の近傍に前記センサ素子を加熱するためのヒータが設けられてなる、ことを特徴とする。
請求項11の発明は、ガスセンサであって、請求項6ないし請求項9のいずれかに記載のセンサ素子を備える。
請求項12の発明は、請求項11に記載のガスセンサであって、NOxガスを検知するものであることを特徴とする。
請求項1ないし請求項6の発明によれば、長手方向側端部における割れや欠けの生じにくい、従来よりも強度の向上したセンサ素子を、優れた寸法精度で得ることができる。
請求項2および請求項3の発明によれば、センサ素子の外形形状にばらつきが生じやすくなる不均等切断を行う場合を最小限度に留めることができるので、長手方向側端部における割れや欠けの生じにくいセンサ素子を、より確実に得ることができる。
請求項3の発明によれば、不均等切断を行わざるを得ない場合には、センサ素子の外形形状与える影響ができるだけ少なくなるように行うので、長手方向側端部における割れや欠けの生じやすいセンサ素子が得られることが抑制される。
請求項7ないし請求項12の発明によれば、長手方向側端部における割れや欠けの生じにくいセンサ素子、さらにはこれを備えたガスセンサが実現される。
<ガスセンサ>
図1は、本実施の形態に係るセンサ素子101を備えるガスセンサ100の構成を概略的に示す断面模式図である。ガスセンサ100は、測定対象とするガス(被測定ガス)中の所定のガス成分を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。本実施の形態においては、ガスセンサ100が窒素酸化物(NOx)を検出対象成分とするNOxセンサである場合を例として説明を行う。係るガスセンサ100は、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質からなるセンサ素子101を有する。
具体的には、センサ素子101は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。
センサ素子101の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。ガス導入口10と、緩衝空間12と第1内部空所20と第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画された内部空間である。第1拡散律速部11と第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位を、ガス流通部とも称する。
また、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、基準ガス導入空間43が設けられてなる。基準ガス導入空間43は、上部をスペーサ層5の下面で、下部を第3基板層3の上面で、側部を第1固体電解質層4の側面で区画された内部空間である。基準ガス導入空間43には、基準ガスとして、例えば大気が導入される。
ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれる。
第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
緩衝空間12は、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によって生じる被測定ガスの濃度変動を、打ち消すことを目的として設けられてなる。
第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第2拡散律速部13に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられる。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の内側ポンプ電極22と対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成される電気化学的ポンプセルである。内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、平面視矩形状の多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2のサーメット電極)として形成される。なお、内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNO成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間にセンサ素子101外部に備わる可変電源24により所望のポンプ電圧Vp1を印加して、外側ポンプ電極23と内側ポンプ電極22との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip1を流すことにより第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20内に汲み入れることが可能となっている。
第3拡散律速部30は、第1内部空所20から第2内部空所40に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された該被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられる。
NOx濃度の測定は、測定ポンプセル41が作動することによって可能となる。測定ポンプセル41は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる基準電極42と、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって、第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、第1固体電解質層4とによって構成され電気化学的ポンプセルである。基準電極42と測定電極44は、いずれも平面視ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極である。なお、基準電極42の周囲には、多孔質アルミナからなり、基準ガス導入空間につながる大気導入層48が設けられてなる。測定電極44は、被測定ガス成分たるNOxを還元し得る金属と、ジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成される。これによって、測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。
さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。第4拡散律速部45は、アルミナによって構成される膜であり、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担う。
測定ポンプセル41においては、測定電極44と基準電極42との間に、直流電源46を通じて一定電圧であるポンプ電圧Vp2が印加されることによって、NOxを還元し、これによって発生した第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間43に汲み出せるようになっている。この測定ポンプセル41の動作によって流れるポンプ電流Ip2は、電流計47によって検出されるようになっている。
また、第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素分圧が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに、補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、ガスセンサ100においては、高精度でのNOx濃度測定が実現される。
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全面に設けられた補助ポンプ電極51と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、基準電極42とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
補助ポンプ電極51は、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNO成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と基準電極42との間にセンサ素子101外部に備わる直流電源52を通じて一定電圧Vp3を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間43に汲み出せるようになっている。
また、センサ素子101においては、内側ポンプ電極22と基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって電気化学的センサセルである制御用酸素分圧検出センサセル60が構成されている。
制御用酸素分圧検出センサセル60は、第1内部空所20内の雰囲気と基準ガス導入空間43の基準ガス(大気)との間の酸素濃度差に起因して生じる内側ポンプ電極22と基準電極42との間に発生する起電力V1に基づいて、第1内部空所20内の雰囲気中の酸素分圧を検出できるようになっている。検出された酸素分圧は可変電源24をフィードバック制御するために使用される。具体的には、第1内部空所20の雰囲気の酸素分圧が、第2内部空所40において酸素分圧制御が行え得る程度に十分低い所定の値となるように、主ポンプセル21に印加されるポンプ電圧が制御される。
さらに、センサ素子101においては、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて、ヒータ70が形成されてなる。ヒータ70は、第1基板層1の下面に設けられたヒータ電極71を通して外部から給電されることより発熱する。ヒータ70が発熱することによって、センサ素子101を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。ヒータ70は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101の所定の場所を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。なお、ヒータ70の上下面には、第2基板層2および第3基板層3との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層72が形成されている(以下、ヒータ70、ヒータ電極71、ヒータ絶縁層72をまとめてヒータ部とも称する)。
このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定ポンプセル41に与えられる。従って、NOxの還元によって発生する酸素が汲み出されることによって測定ポンプセル41を流れるポンプ電流は、還元されるNOx濃度に略比例することになる。これに基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。
<センサ素子の外形形状>
次に、上述した構成を有するガスセンサにおける、センサ素子の外形形状(輪郭形状)について説明する。
図2は、センサ素子101が、図1においては図示を省略していたセラミックス製のハウジング80に収容されている状態を模式的に示す図である。ガスセンサ100は、このようにセンサ素子101がハウジング80に組み込まれた状態で使用される。なお、図2においては、図1の図面視右側から左側を向く方向にセンサ素子101を見た場合(すなわち、長手方向に垂直な面を見た場合)を図示している。また、図2においては、センサ素子101の上面側がヒータ電極71が設けられた第1基板層側の面101a(ヒーター面とも称する)であり、下面側が外側ポンプ電極23が設けられた第2固体電解質層側の面101b(ポンプ面とも称する)であるとする。なお、センサ素子101は、上下の面101a、101bがハウジング80に設けられた複数の板バネ81によって付勢された状態でハウジング80内で保持される。好ましくは、板バネ81は、ヒータ電極71などの電極との接点としての役割を兼ね備えるように設けられる。
図2に示すように、センサ素子101を側面視(断面視)した場合の外形形状は、上下辺(面101aと面101bに相当)ADとBCとが略平行である四角形ABCDとなる。以下、本明細書において、センサ素子の外形形状とは、図2に示すような態様でセンサ素子101をみた場合の形状を指し示すものとする。
より詳細にいえば、本実施の形態において、センサ素子101の外形形状は、ヒータ70が備わる側の角Bおよび角Cが鋭角ではなく、他方の側の角Aおよび角Dが鈍角ではない台形である。典型例としては、該外形形状は、角Bおよび角Cが鈍角であり、角Aおよび角Dが鋭角である台形である。
別の表現をすれば、センサ素子101の外形形状は、図2に示すように、辺BCの中点をMとし、Mから辺ADに下ろした垂線(片ABの垂直二等分線)と辺ADとの交点をHとするときに、以下のような関係をみたすものとなっている。
AH≧BM (式1)
かつ
DH≧CM (式2)
かつ
AD>BC (式3)
一方、図3は、図2に対比する目的で示す、内部構造は本実施の形態に係るセンサ素子101と同じであるものの、角Cが鋭角であるセンサ素子がハウジング80に収容される様子を模式的に示す図である。ガスセンサの使用時、角Bおよび角Cの箇所を含んだヒータ70の近傍は該ヒータ70によって高温に加熱されるため、強度が低下し、振動等の影響でハウジング80と接触することによって割れや欠けが生じやすい。これは、これは図3のように角Cが鋭角の場合、あるいは角Bが鋭角の場合に、それぞれの箇所において顕著である。
これに対して、本実施の形態に係るセンサ素子101においては、上述のように、角Bおよび角Cが鋭角になることがないように形成されているので、こうした割れや欠けが生じにくくなっている。すなわち、本実施の形態によれば、上述の式1〜式3の関係をみたす外形形状を有するようにセンサ素子を構成することで、従来よりもセンサ素子の強度が向上したガスセンサが実現されてなる。
好ましくは、該四角形の4つの角A、B、C、Dの角度を図2に示すようにP1、P2、P3、P4とするときに、センサ素子101は、以下のような関係をみたすように形成される。
0°≦P2−90°、P3−90°≦1° (式4)
かつ
0°≦90°−P1、90°−P4≦1° (式5)
式4、式5の左辺と中辺との関係は、角Bおよび角Cが鋭角ではなく、他方の側の角Aおよび角Dが鈍角ではないという上述の条件を示すものであるが、これに加えて、式4、式5では、中辺と右辺との間で、それぞれの角の90°からのズレが1°以下であることを規定している。係る場合、角Aおよび角Dの箇所における割れや欠けも、好適に抑制されることになる。
<センサ素子の製造プロセス>
次に、上述のような外形形状を有するセンサ素子101を製造するプロセスについて説明する。本実施の形態においては、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グリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによってセンサ素子101を作製する。
以下においては、図1に示した6つの層からなるセンサ素子101を作製する場合を例として説明する。係る場合、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6とに対応する6枚のグリーンシートが用意されることになる。
図4は、センサ素子101を作製する際の処理の流れを示す図である。図5は、パターンが形成されていないグリーンシートであるブランクシート200を模式的に示す図である。センサ素子101を作製する場合、まず、ブランクシート200を用意する(ステップS1)。6つの層からなるセンサ素子101を作製する場合であれば、各層に対応させて6枚のブランクシート200が用意される。ブランクシート200は、印刷時や積層時の位置決めに用いる複数のシート穴201が設けられている。係るシート穴は、パターン形成に先立つブランクシート200の段階で、パンチング装置による打ち抜き処理などで、あらかじめ形成されている。なお、対応する層が内部空間を構成するグリーンシートの場合、該内部空間に対応する貫通部も、同様の打ち抜き処理などによってあらかじめ設けられる。また、センサ素子101の各層に対応するそれぞれのブランクシート200の厚みは、全て同じである必要はない。
各層に対応したブランクシート200が用意できると、それぞれのブランクシート200に対してパターン印刷・乾燥処理を行う(ステップS2)。パターンや接着剤の印刷には、公知のスクリーン印刷技術を利用可能である。また、印刷後の乾燥処理についても、公知の乾燥手段を利用可能である。なお、第1基板層1に対しては、後工程において積層体を切断するときに切断位置の基準とされるカットマークも印刷される。パターン印刷が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う(ステップS3)。
続いて、接着剤が塗布されたグリーンシートを所定の順序に積み重ねて、所定の温度・圧力条件を与えることで圧着させ、一の積層体とする圧着処理を行う(ステップS4)。具体的には、図示しない所定の積層治具に積層対象となるグリーンシートをシート穴201により位置決めしつつ積み重ねて保持し、公知の油圧プレス機などの積層機によって積層治具ごと加熱・加圧することによって行う。加熱・加圧を行う圧力・温度・時間については、用いる積層機にも依存するものであるが、良好な積層が実現できるよう、適宜の条件が定められればよい。
上述のようにして積層体が得られると、続いて、係る積層体の複数個所を切断してセンサ素子101個々の単位(素子体と称する)に切り出す(ステップS5)。この積層体の切断の仕方が、上述したセンサ素子の外形形状を実現する上で特徴的なものであることから、これについての詳細は後述する。
切り出された素子体を、所定の条件下で焼成することにより、上述のような外形形状を有するセンサ素子101が生成される(ステップS6)。
このようにして得られたセンサ素子101は、所定のハウジングに収容され、ガスセンサ100の本体(図示せず)に組み込まれる。
<切断装置>
以降においては、積層体を切断する態様について、具体的に説明する。まず、積層体の切断に用いる装置の一例としての切断装置について説明する。図6は、積層体の切断に用いる装置の一例としての切断装置300の構成を概略的に示す模式図である。なお、後述する態様での切断の実行は、原理的には、切断装置300以外においても可能である。
切断装置300は、切断の対象となる積層体Lを載置するためのステージ301と、所定の切断位置での切断を行う部材であるカットナイフ302と、ステージ301に載置された積層体Lを撮像する撮像手段303と、装置各部の動作を制御する制御手段304とを主として備える。
ステージ301には多数の吸引孔301aが設けられてなり、吸引手段305によって該吸引孔301aに対して負圧を与えることができるようになっている。切断装置300により積層体Lの所定位置を切断する際には、カットマークが設けられてなる切断開始面(切断時に最初にカットナイフ302が接触する面)とは反対面である切断終端面に粘着性のシートSを貼り付けたうえで積層体Lをステージ301に載置し、吸引手段305によって吸引を行うことで吸着固定する。なお、図6に示すように、本実施の形態においては、面Laを切断開始面とし、面Lbを切断終端面とする。面Laはヒータ面となる側の面であり、面Lbはポンプ面となる側の面である。
カットナイフ302は、切断対象となる積層体Lの材質・堅さなどによって適宜に選択されてよいが、積層体がセラミックス成分として主にジルコニアを含むグリーンシートを積層してなるものである場合には、超硬段付刃を用いるのが好適な一例である。
また、カットナイフ302は、図示しない保持手段で上部が保持された状態で、ナイフ駆動手段306によって、矢印AR1にて示す鉛直方向および矢印AR2にて示す水平方向に移動自在とされてなる。一方、ステージ301も、ステージ駆動手段307によって、水平面内において並進および回転自在とされてなる。あるいはさらに鉛直方向にも移動自在とされていてもよい。
一方、撮像手段303は、ステージ301に載置された積層体Lの切断開始面(図6の場合は面La)を観察するために設けられてなる。
切断装置300においては、撮像手段303の撮像画像に基づいて、制御手段304が面Laに設けられてなるカットマークを認識し、その位置を特定することで、カットナイフ302による切断位置が決定される。ナイフ駆動手段306とステージ駆動手段307とが、制御手段304の制御信号に応答して該切断位置における切断が行われるようにカットナイフ302およびステージ301の位置を調整する(アライメントする)。引き続き、カットナイフ302が、制御手段304の制御信号に応答して定められた切断位置で鉛直方向に下降することで、該切断位置での切断が実現される。
<カットマーク>
図7は、積層体Lの切断開始面である面Laを模式的に示す図である。なお、積層体Lの図面視横方向のサイズをDとする。また、素子体1個分の幅(図面視横方向のサイズ)をwとする。面Laには、上述の印刷処理の際に長方形状のカットマークCMが複数個形成されてなる。図7においては、1つの積層体Lから図面視横方向に沿って20個の長尺状の素子体が得られるように、カットマークCMが形成されている場合を例示している。ただし、図7においては、図示の簡単のため、カットマークCM以外の印刷パターンは省略している。実際には、接続端子として機能する電極のパターン等も印刷されている。
カットマークCMは、縦切り用カットマークCM1と横切り用カットマークCM2とに大別される。縦切り用カットマークCM1は、図面視上下2個を1対として形成されている。図7に示す面Laの場合は、20個の素子体を得るべく21対計42個の縦切り用カットマークCM1が設けられてなる。
図面視縦方向に平行に切断を行う(これを単に縦切りとも称する)際には、切断を実行しようとする度に、撮像手段303による撮像画像に基づいて対となっている2個の縦切り用カットマークCM1の位置が特定され、その結果に基づいて、ナイフ駆動手段306によるカットナイフ302の位置の微調整あるいはステージ駆動手段307によるステージ301の水平位置および水平面内での姿勢の微調整によるアライメントが適宜に行われたうえで、2個の縦切り用カットマークCM1の間が、カットナイフ302によって切断される。
なお、図7においては、カットラインCLを一点鎖線として示しているが、カットラインCLは説明のために付しているものであって、必ずしも、実際の面Laに係るカットラインCLが実際に形成されるわけではない。
横切り用カットマークCM2は、図面視左右2個を1対として2対計4個形成されてなる。横切り用カットマークCM2は、縦切りが行われた後、各素子体の図面視上下端部を縦切りの際のカットラインCL1と垂直なカットラインCL(CL2)で切断する(これを単に横切りとも称する)際に参照される。なお、横切りを行う際には、ステージ301を縦切りの際の姿勢から水平面内に90°回転させた上で行うようにする。
このように、本実施の形態に係る方法においては、積層体を切断しようとする度に、カットマーク位置を特定して切断位置をアライメントすることで、グリーンシートの収縮による歪みを原因とする水平面内における切断位置のズレが生じることを抑制し、センサ素子の寸法精度が確保されるようにしている。
なお、上述のように全てのカットラインに対応するカットマークCMを設ける態様に代えて、あらかじめ最外側のカットライン位置のみをカットマーク等に基づいて特定し、その内側の領域が素子体の取り個数で等分されるように切断位置を決定する態様も考えられるが、係る場合にはグリーンシートが収縮することに起因して意図した切断位置と実際の切断位置とにずれが生じやすくなるため、寸法精度確保の観点からは好ましくない。
<切断順序>
次に、積層体Lを切断する際の切断順序、特に複数箇所における切断を順次に行う縦切りの際の切断順序について詳述する。本実施の形態においては、この切断順序を工夫することで、センサ素子が式1〜式3さらには式4〜式5の要件をみたすようにされてなる。
まず、図8は、積層体Lをカットナイフ302にて切断する際の、切断位置と、切断面から加わる抗力(切断に対する反発力)との関係を模式的に示す図である。積層体Lをカットナイフ302で切断する際には、カットナイフ302の刃先302eの両側面に対して、積層体Lの切断面から抗力(切断に対する積層体Lからの反発力)が加わる。係る抗力は、積層体Lの弾性に由来し、切断方向(積層体Lの厚み方向)と略垂直な方向(積層体Lの面内方向)における積層体Lの連続部分の厚み、つまりは、切断位置と積層体Lの端部との距離(またはすでに切断された切断面との距離)が大きいほど、大きく作用する力である。すなわち、カットナイフ302の刃先302eの両側面に作用する抗力の大小関係は、切断位置の両側方向の積層体の連続部分の厚みに基づいて判断することができる。
例えば、図8(a)に示すように、切断位置が左右の端部から等距離dの箇所の場合であれば、切断の際にカットナイフ302の両端には略等しい大きさの抗力Fが加わるので、切断の際にカットナイフ302の刃先302eは鉛直下方にまっすぐ下降することになり、結果として切断面は左右対称なものとなる。このような態様での切断を、「均等切断」と称するものとする。
これに対して、図8(b)に示すように、左端部からの距離d1よりも右端部からの距離d2の方が大きい箇所が切断位置となる場合、切断の際には、カットナイフ302の左側面に加わる抗力F1よりも右側面に加わる抗力F2の方が大きくなる。カットナイフ302の刃先302eは、何らかの手段でガイドされるなどして正確に鉛直下方へと降下するようになっているわけではないので、抗力の小さい左側へと逃げるように下降することになる。このような態様での切断を、「不均等切断」と称するものとする。不均等切断の場合、刃先302eの左右に加わる抵抗の程度によって、左右の切断面の形状が異なることになる。なお、図8(b)においては、理解の簡単のため、カットナイフ302の傾斜については誇張して図示を行っている。実際にはせいぜい数°の傾斜が起こり得る程度である。
以上のことから、センサ素子101を作製するにあたって不均等切断が行われる頻度が多いほど、センサ素子101の外形形状にばらつきが生じやすくなることになる。
そこで、本実施の形態においては、複数箇所における切断を行う縦切りに際して、均等切断を優先的に行い、均等切断が行えないときには、不均等切断を行うようにする。そして、不均等切断を行う場合においても、カットナイフ302の刃先302eの両側面に加わる抗力の差が小さい状態での切断を優先的に行うようにする。これはすなわち、カットナイフ302の刃先302eの両側面に生じる抵抗の差が小さい状態での切断を優先的に行うということである。係る態様での切断が好適に行われるように、センサ素子101のサイズ(素子体のサイズ)、グリーンシートのサイズ(分割後に不要となる周辺領域のサイズ)、1つの積層体Lからの素子体の取り個数などが、あらかじめ定められる。また、切断装置300が切断を行う際には、これらの情報が与えられ、制御手段304が、撮像手段303による撮像結果を踏まえて演算を行い上述のように切断順序を定める態様であってもよいし、あらかじめ、上述したように定められた切断順序が情報として与えられ、制御手段304は、それぞれの切断位置をアライメントする処理のみを行うようになっていてもよい。
例えば、図7に示す積層体Lの場合であれば、図7にて丸数字で示した順序で、それぞれのカットラインCL1における切断(縦切り)が行われることになる。以下、丸数字1で示されたカットラインCL1の位置を、「切断位置[1]」などと称する。
まず最初は、面La全体の図面視横方向のサイズであるDを等分する切断位置1での切断が行われる。係る切断は均等切断であるので、切断面の形状は左右対称となる。
そして、次には、この切断位置1における切断により等分された2つの部分(図面視横方向のサイズD/2の部分)をさらに等分する切断位置[2]、[3]での切断を行う。このとき、切断位置[2]、[3]は、面La全体をみれば左右対称な位置ではない。しかしながら、係る切断位置[2]、[3]において切断を行うのは、すでに切断位置[1]にて切断を行った後であるので、例えば切断位置[2]の場合であれば、該切断位置[1]よりも右半分の領域が、カットナイフ302に加わる抗力に影響を与えることはない。また、均等切断となるか不均等切断となるかの判断に際して考慮されるのは、積層体の連続部分の厚みであるので、素子体として用いられるか否かは無関係である。従って、素子体として切り出されることのない周辺部分も、この判断の対象となる。以上を鑑みれば、切断位置[2]、[3]における切断も均等切断であり、切断面の形状は左右対称となる。なお、切断位置[2]、[3]における切断は、順序が入れ替わってもかまわない。
切断位置[3]における切断が終わると、引き続き、切断位置[2]、[3]における切断により等分された計4つの部分(図面視横方向のサイズD/4の部分)をさらに等分する切断位置[4]、[5]、[6]、および[7]での切断を行う。係る4つの切断位置における切断も均等切断であり、切断面の形状は左右対称となる。なお、切断位置[4]、[5]、[6]、および[7]における切断は、順序が入れ替わってもかまわない。
切断位置[7]における切断が終わると、この時点では、均等切断を可能なカットラインCL1は存在しない。そのため、次には不均等切断が行われる。図7に示す場合であれば、切断位置と積層体Lの端部との距離(またはすでに切断された切断面との距離)の差が素子体1個分の幅wとなる位置が、カットナイフ302の刃先302eの両側面に加わる抗力の差が最も小さい状態での不均等切断が可能な位置となる。従って、係る条件を満たすカットラインが、次なる切断の対象とされるが、図7に示す積層体Lの場合、切断位置[8]〜[21]のいずれもが、この条件を満たしていることになる。これは、積層体Lが、この時点までに、素子体3個分に相当する間隔で切断されていることによる。
従って、図7に示すように、切断位置[8]、[9]・・・と順次に切断を行えばよいことになる。なお、切断位置[9]における切断は、素子体3個分を素子体1個分と素子体2個分とに分割するものであるので、次に行われる切断位置[10]における切断は素子体2個分を等分するものとなる。すなわち、切断位置[10]における切断は再び均等切断となる。以降、切断位置[11]〜[21]における切断も同様に、不均等切断と均等切断とが交互に繰り返されることになる。
従って、図7に示す積層体Lの場合、結局のところ、縦切りを行う21箇所の切断位置のうち、切断位置[8]、[9]、[11]、[13]、[15]、[17]、[19]、[21]の8箇所においてのみ不均等切断が行われ、他の13ヶ所においては、均等切断が行われることになる。しかも、不均等切断はいずれも、素子体1個と素子体2個分の領域とを切断するものであるので、その際のカットナイフ302の刃先302eの両側面における抵抗の差は比較的小さいと考えられ、センサ素子の外形寸法に与える影響は比較的小さいものといえる。なお、切断位置[8]〜[21]における切断の順序を入れ換えた場合、不均等切断となる切断位置と均等切断となる切断位置とは適宜に入れ替わるが、両者の数は同じとなる。
仮に、21箇所の切断位置について、左右端いずれかから順次に切断を行うようにした場合には、全ての切断が不均等切断となってしまうことと比べると、本実施の形態に係る切断順序で切断を行う場合の方が、均等切断を行う機会が増えることになる。すなわち、本実施の形態に係る順序で切断を行う方が、寸法精度の優れたセンサ素子をより確実に得ることができる点で好適であるといえる。なお、係る順序にて切断を行って得られた素子体のほとんどの外形形状が、本来は焼成後のセンサ素子についての要件である式1ないし式5を満たす台形形状となり、かつ、焼成後もこの形状が維持されることが、本発明の発明者によって確認されている(実施例参照)。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、長手方向側端部における割れや欠けの生じにくいセンサ素子を、優れた寸法精度で得ることができる。
なお、図7に示したカットマーク配置はあくまで例示であるので、実際には、取り個数や素子サイズあるいは不要部分のサイズなどの関係によっては、切断位置7における切断が終了した後も続けて均等切断が行える場合もあることはいうまでもない。
(実施例)
上述の実施の形態に係るステップS1〜ステップS6にてセンサ素子を作製した。なお、図7に示すようにカットマークCMを形成することで、1つの積層体から20個のセンサ素子が得られるようにした。素子体の切断は、カットナイフ302の刃先302eの両側面に生じる抵抗の差が小さい状態での切断が優先的に行われるように、具体的には、図7に示したような切断順序で、かつ、積層体を切断しようとする度に、カットマーク位置を特定して切断位置をアライメントすることにより行った。
図9は、積層体Lを切断したときの、21対計42個の縦切り用カットマークCM1についての中心位置と、対応する実際のカットラインCL1とカットラインCL2の交点位置とのズレ量(水平方向ズレ量)を求めた結果を示す図である。三角印が図7の図面視上側のカットマークCM1についての結果であり、四角印が図7の図面視下側のカットマークCM1についての結果である。水平方向ズレ量の平均値は0.6μmであり、標準偏差は2.6μmであった。すなわち、切断位置として特定された位置がほぼ正確に切断されていることが確認された。
また、図10は、切断によって得られた20個の素子体について、角度P1〜P4を測定した結果を示す図である。図10においては、各角度の90°からの角度ズレをプロットしている。図10に示す結果からは、ほとんどの素子体について、角度P1、P4が90°から1°以内の範囲で小さい鋭角で、角度P2、P3が90°1°以内の範囲で大きい鈍角であることがわかる。すなわち、素子体の外形形状が式1〜式3を満たす台形形状であることが確認された。
また、図11は、これら20個の素子体を焼成することにより得られたセンサ素子について、角度P1〜P4を測定した結果を示す図である。さらに、図12は、これら20個のセンサ素子について、ヒータ面側とポンプ面側の素子幅を測定した結果を示す図である。これらの結果より、得られたセンサ素子のほとんどは、角度P1、P4が90°から1°以内の範囲で小さい鋭角で、角度P2、P3が90°1°以内の範囲で大きい鈍角であることがわかる。すなわち、素子体の形状が焼成によってもほぼ維持されており、センサ素子の外形形状が式1〜式3を満たす台形形状であることが確認された。
(比較例)
ステップS5における素子体の切断の態様以外は実施例と同様に行って、センサ素子を作製した。
素子体の切断は、あらかじめ最外側のカットライン位置のみをカットマーク等に基づいて特定し、その内側の領域が素子体の取り個数で等分されるように切断位置を決定し、その後、右端の切断位置から順次に行うようにした。
図13は、実施例と同様に、比較例に係る素子体について、縦切り用カットマークCM1についての中心位置と、対応する実際のカットラインCL1とカットラインCL2の交点位置との水平方向ズレ量を求めた結果を示す図である。水平方向ズレ量の平均値は36.9μmであり、標準偏差は15.0μmであった。
図14は、実施例と同様に、切断によって得られた比較例に係る素子体について、角度P2およびP3を測定した結果を示す図である。四角印が角度P2についての結果であり、三角が角度P3についての結果である。図14においては、素子No.20の側から順に切断を行った場合を示している。図14からは、初めの方に切断を行った素子体ほど角度差が大きく、後の方に切断を行った素子体ほど角度差が小さくなっている。これは、不均等切断に際してカットナイフの左右に係る抗力の差が、初めの切断ほど大きかったことを示す結果であると考えられる。
(実施例と比較例の対比)
図9と図13に示す結果を対比すると、実施例のように各カットラインでの切断を行う際にカットマークを特定してアライメントすることで、切断位置精度が向上することが確認された。
また、図10と図14に示す結果を対比すると、均等切断を優先的に行う、実施例の場合の方が、外形形状の寸法精度(再現性)が優れていることが確認された。このことは、すなわち、実施例の方が、割れや欠けに強い外形形状のセンサ素子が確実に得られることを意味している。
センサ素子101を備えるガスセンサ100の構成を概略的に示す断面模式図である。 センサ素子101が、ハウジング80に収容されている状態を模式的に示す図である。 内部構造は本実施の形態に係るセンサ素子101と同じであるものの、角Cが鋭角であるセンサ素子がハウジング80に収容される様子を模式的に示す図である。 センサ素子101を作製する際の処理の流れを示す図である。 パターンが形成されていないグリーンシートであるブランクシート200を模式的に示す図である。 積層体の切断に用いる装置の一例としての切断装置300の構成を概略的に示す模式図である。 積層体Lの切断開始面である面Laを模式的に示す図である。 積層体Lをカットナイフ302にて切断する際の、切断位置と、切断面から加わる抗力との関係を模式的に示す図である。 積層体Lを切断したときの、縦切り用カットマークCM1についての中心位置と、対応する実際のカットラインCL1とカットラインCL2の交点位置とのズレ量を求めた結果を示す図である。 切断によって得られた20個の素子体について、角度P1〜P4を測定した結果を示す図である。 20個の素子体を焼成することによって得られた20個のセンサ素子について、角度P1〜P4を測定した結果を示す図である。 20個のセンサ素子について、ヒータ面側とポンプ面側の素子幅を測定した結果を示す図である。 比較例に係る素子体について、縦切り用カットマークCM1についての中心位置と、対応する実際のカットラインCL1とカットラインCL2の交点位置との水平方向ズレ量を求めた結果を示す図である。 切断によって得られた比較例に係る素子体について、角度P2およびP3を測定した結果を示す図である。
符号の説明
1 第1基板層
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
70 ヒータ
71 ヒータ電極
72 ヒータ絶縁層
80 ハウジング
81 板バネ
100 ガスセンサ
101 センサ素子
200 ブランクシート
201 シート穴
300 切断装置
301 ステージ
301a 吸引孔
302 カットナイフ
303 撮像手段
304 制御手段
305 吸引手段
306 ナイフ駆動手段
307 ステージ駆動手段

Claims (12)

  1. 複数枚のセラミックグリーンシートを積層してなる積層体を切断して複数のセンサ素子用の素子体を切り出す方法であって、
    切断手段の刃先の両側面に加わる抵抗の差ができるだけ小さい状態での切断から優先的に行う、
    ことを特徴とする積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法。
  2. 請求項1に記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、
    前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗が略同じ状態での切断である均等切断を優先的に行い、
    前記均等切断が行えないときには、前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗が異なる状態での切断である不均等切断を行う、
    ことを特徴とする積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法。
  3. 請求項2に記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、
    前記均等切断が行えないときには、前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗の差ができるだけ小さい状態での前記不均等切断から優先的に行う、
    ことを特徴とする積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法であって、
    切断位置の両側方向の積層体の連続部分の厚みに基づいて前記切断手段の前記刃先の前記両側面に加わる抵抗の大小関係を判断する、
    ことを特徴とする積層体からのセンサ素子用素子体の切り出し方法。
  5. センサ素子の製造方法であって、
    前記複数枚のセラミックスグリーンシートに所定の回路パターンを形成する回路形成工程と、
    前記回路パターンが形成された前記複数枚のセラミックスグリーンシートを積層して前記積層体を形成する積層工程と、
    請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のセンサ素子用素子体の切り出し方法で前記積層体から素子体を切り出す切り出し工程と、
    前記切り出し工程で切り出された素子体を焼成する焼成工程と、
    を備えることを特徴とするセンサ素子の製造方法。
  6. 請求項5に記載の製造方法によって製造されたセンサ素子。
  7. 酸素イオン導電性固体電解質を主構成材とし、長手方向に垂直な面を見た場合の外形形状が四角形であるセンサ素子であって、
    前記四角形の4つの角をA、B、C、Dとするときに、
    四角形ABCDが、辺ADとBCとが略平行であり、角Bおよび角Cが鋭角ではなく、他方の側の角Aおよび角Dが鈍角ではない台形である、
    ことを特徴とするセンサ素子。
  8. 酸素イオン導電性固体電解質を主構成材とし、長手方向に垂直な面を見た場合の外形形状が四角形であるセンサ素子であって、
    前記四角形の4つの角をA、B、C、Dとし、辺BCの中点をMとし、Mから辺ADに下ろした垂線(片ABの垂直二等分線)と辺ADとの交点をHとするときに、
    辺ADとBCとが略平行であり、
    AH≧BM (式1)
    かつ
    DH≧CM (式2)
    かつ
    AD>BC (式3)
    であることを特徴とするセンサ素子。
  9. 請求項7または請求項8に記載のセンサ素子であって、
    前記の4つの角A、B、C、Dの角度をそれぞれP1、P2、P3、P4とするときに、
    0°≦P2−90°、P3−90°≦1° (式4)
    かつ
    0°≦90°−P1、90°−P4≦1° (式5)
    であることを特徴とするセンサ素子。
  10. 請求項7ないし請求項9のいずれかに記載のセンサ素子であって、
    前記センサ素子の内部であって前記辺BCをなす素子表面の近傍に前記センサ素子を加熱するためのヒータが設けられてなる、
    ことを特徴とするセンサ素子。
  11. 請求項6ないし請求項9のいずれかに記載のセンサ素子を備えるガスセンサ。
  12. 請求項11に記載のガスセンサであって、
    NOxガスを検知するものであることを特徴とするガスセンサ。
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