JP2009236708A - センサ素子およびガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ製造時の組み立てや測定精度に影響を及ぼすことが無く、かつ、大きな強度をもつセンサ素子、および、このようなセンサ素子を用いて製造するガスセンサを提供する。
【解決手段】長尺の板状体形状のセンサ素子１０１において、センサ素子１０１の長手方向について、一端部からセンサ素子の長さの２７分の８の位置から、他端部に至る区間である第1区間Ｉｎ１において、厚さ方向における曲がりの程度を表すパラメータである曲がり量が、センサ素子１０１の長手方向の長さに対して１３６０分の１以上６７０分の１以下であるようにする。上記の曲がり量は、センサ素子１０１の長手方向の位置をＸ、表面の厚み方向の変位をＹとして、ＸとＹとの関係を測定し、これらＸおよびＹを２変数としたＸ−Ｙ平面上での散布図から、最小二乗法により算出した回帰直線の上側および下側の領域における回帰直線から最大の距離となる点の距離の和で規定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＮＯｘセンサや酸素センサのようなガスセンサにおいて、被測定ガス中の所定ガス成分の検出に用いるセンサ素子、および、このようなセンサ素子を用いて製造するガスセンサに関する。

従来、被測定ガス中の所望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を有する固体電解質の層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成したセンサが公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開平８−２７１４７６号公報 特開２００４−３７４７３号公報

特許文献１および特許文献２に開示されているようなガスセンサにおいて、被測定ガス中の所定ガス成分の検出に用いられるセンサ素子は、例えば、酸素イオン伝導性を有する固体電解質であるジルコニアをセラミックス成分とした複数のセラミックスグリーンシートのそれぞれに、所定の回路パターンをスクリーン印刷等により形成し、それらを積み重ねて一体化させることで積層体を形成し、さらに、該積層体を素子単位にカットした後に焼成を行うことによって製造される。

このように、センサ素子は、セラミックスグリーンシートに対して多数の処理が施され製造されており、製造されたセンサ素子の中には製造工程での処理に起因した曲がりやねじれといった変形が生じてしまうものがある。

特に、積層体を素子単位にカットしたもの（焼成前のセンサ素子）は、焼成によって収縮（焼成収縮）することになるが、この焼成収縮は、他の工程（例えば、セラミックスグリーンシートへの回路パターンの印刷を行う工程や、該印刷後の乾燥を行う工程など）で生じる収縮と比較して大きなものとなっている。このため、センサ素子の製造工程において、焼成工程では、他の工程と比較して曲がりやねじれといった変形がセンサ素子に生じやすくなっている。

焼成工程での収縮等によって、製造されたセンサ素子に大きな変形が生じた場合、センサ素子を用いて製造するガスセンサの組み立てが精度よく行えないおそれや、センサの測定精度に影響が出るおそれがある。センサ素子およびガスセンサを製造するうえで、焼成収縮等によって生じるセンサ素子の変形は歩留まり低下の原因の１つとなっている。

一方で、センサ素子を用いて製造したガスセンサを自動車エンジン等の内燃機関の排気系に取り付けて、実際にガスセンサとして使用する際に、ガスセンサは様々な要因によって衝撃を受けることとなる。このような衝撃によって破損しないように、ガスセンサには衝撃に対する一定以上の強度（以下、単に強度とも称する）も必要となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサ製造時の組み立てや測定精度に影響を及ぼすことが無く、かつ、大きな強度をもつセンサ素子、および、このようなセンサ素子を用いて製造するガスセンサ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、被測定ガス中の所定ガス成分を検出する長尺の板状体形状のセンサ素子であって、前記センサ素子外部の空間から前記センサ素子内に被測定ガスを取り込むためのガス導入口が前記センサ素子の長手方向の一端部に設けられてなり、前記センサ素子の厚さ方向における曲がりの程度を表すパラメータである曲がり量を、以下の定義（ａ）によって規定したとき、前記センサ素子の長手方向について、前記一端部から前記センサ素子の長さの２７分の８の位置から、センサ素子他端部に至る区間を第1区間として、前記第1区間の曲がり量が、センサ素子の長手方向の長さに対して１３６０分の１以上６７０分の１以下であることを特徴とする。定義（ａ）：対象区間における前記センサ素子の長手方向の位置をＸ、前記センサ素子表面の前記厚さ方向の変位をＹとしてＸとＹとの関係を測定し、これらＸおよびＹを２変数としたＸ−Ｙ平面上に前記測定したデータ点をプロットした散布図から最小二乗法により回帰直線を算出し、前記Ｘ−Ｙ平面上での前記回帰直線の上側および下側のそれぞれの領域において、前記対象区間で前記回帰直線からの距離が最大となるデータ点を上側最大変位点および下側最大変位点としたとき、前記回帰直線から前記上側最大変位点および前記下側最大変位点までのそれぞれの距離の和の値。

請求項２の発明は、請求項１に記載のセンサ素子において、前記第1区間の曲がり量が前記センサ素子の厚さに対して７２分の５以上１４６分の５以下であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のセンサ素子において、前記センサ素子の長手方向について、前記一端部から前記センサ素子の長さの２７分の８の位置に至る区間を第２区間とし、前記センサ素子の長手方向について、前記他端部から前記センサ素子一端部の向きに前記センサ素子の長さの２７分の４の位置に至る区間を第３の区間としたときに、前記第２区間を対象区間としたセンサ素子の曲がりの程度を表すパラメータである第２区間の曲がり量が、定義（ａ）に従って規定したときに、センサ素子の長手方向の長さに対して１３４０分の２１以下であり、前記第３区間を対象区間としたセンサ素子の曲がり量程度を表すパラメータである第３区間の曲がり量が、定義（ａ）に従って規定したときに、センサ素子の長手方向の長さに対して１６７５分の６以下であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載のセンサ素子において、前記第１区間の曲がり量は、前記センサ素子の製造に際してなされる焼成が該焼成前のセンサ素子の表面を加圧した状態で行われることにより、制御されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３に記載のセンサ素子において、前記第２区間の曲がり量および第３区間の曲がり量は、前記センサ素子の製造に際してなされる焼成が該焼成前のセンサ素子の表面を加圧した状態で行われることにより、制御されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載のセンサ素子において、前記押圧力は、前記焼成前のセンサ素子の表面上に所定の質量の部材を載置することにより付与されることを特徴とする。

請求項７の発明は、前記所定ガス成分が窒素酸化物ガスであり、ジルコニアを主成分として構成される請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のセンサ素子、を用いて製造されるガスセンサである。

請求項１ないし請求項７の発明によれば、センサ素子の第１区間の曲がり量をセンサ素子の長手方向の長さに基づいて好適な範囲のものとすることで、センサ素子の厚さ方向の曲がりを抑えつつ、かつ、大きな強度を持つセンサ素子を得ることができる。

請求項２の発明によれば、センサ素子の曲がり量を、センサ素子の厚さおよび長手方向の長さに基づいて好適な範囲のものとすることで、センサ素子の厚さ方向の曲がりを抑えつつ、かつ、大きな強度を持つセンサ素子を得ることができる。

請求項３の発明によれば、センサ素子の第２区間の曲がり量および第３区間の曲がり量を、センサ素子の厚さおよび長手方向の長さに基づいて好適な範囲のものとすることで、センサ素子の強度を大きなものとしつつ、かつ、センサ素子の各区間および全区間における曲がり量を、センサ素子を用いて製造するガスセンサの組み立てに好適なものとすることができる。

請求項４ないし請求項６の発明によれば、センサ素子を製造する際に行われる焼成が該焼成前のセンサ素子の表面を押圧しつつ行われることにより、センサ素子の曲がり量が制御されるので、センサ素子の曲がり量を好適なものとすることができる。

＜ガスセンサの構成概要＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ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が、本発明は、ＮＯｘ以外のガス成分を測定対象とするガスセンサにおいても適用可能である。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。

図１に例示するセンサ素子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、細長な長尺の板状体形状の素子である。係るセンサ素子１０１は、例えば、上述したように、各層に対応するセラミックグリーンシートに所定の加工およびパターン印刷などを行った後に、それらを積層し焼成することによって製造される。

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（また、ガス導入口１０、緩衝空間１２、第１内部空所２０および第２内部空所４０の空間を含む領域をキャビティ部とも称する）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ＮＯｘ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、測定用ポンプセル４１が作動することによって可能となる。

測定用ポンプセル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た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４３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、アルミナを主成分とする多孔質体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。

測定用ポンプセル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。この測定用ポンプセル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ＮＯｘ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は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４とを備えている。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面において、基準ガス導入空間４３側の素子端部付近に形成されてなる電極である。ヒータ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２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形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、固体電解質層を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ７２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全体を上記固体電解質が活性化する温度に加熱して保温できるようになっている。

ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２および第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性、つまり、センサ素子１０１の各電極とヒータ７２との電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

また、センサ素子１０１においては、コネクタ電極８０が、第２固体電解質層６の上面において、基準ガス導入空間４３側の素子端部付近に形成されている。

コネクタ電極８０は、上述のセンサ素子１０１の各電極（内側ポンプ電極２２、外側ポンプ電極２３、基準電極４２、測定電極４４および補助ポンプ電極５１）と接続されており（接続については図示省略）、これらの各電極間に印加する電圧や各電極を流れる電流の検出は、コネクタ電極８０を通じてセンサ素子１０１外部より制御される。

すなわち、ガスセンサ１００を使用するにあたって、ポンプ電圧Ｖｐ１、Ｖｐ２およびＶｐ３やポンプ電流Ｉｐ１の制御、また、起電力Ｖ１の検出やポンプ電流Ｉｐ２の検出の制御は、コネクタ電極８０を通じてセンサ素子１０１外部より行われることとなる。

また、センサ素子１０１を用いてガスセンサ１００を製造するにあたっては、コネクタ電極８０（あるいは、コネクタ電極８０およびヒータ電極７１）には、センサ素子１０１の外部とコネクタ電極８０（あるいは、コネクタ電極８０およびヒータ電極７１）とを接続するためのコネクタ部品が接触する態様にて接続されることとなる。

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用ポンプセル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用ポンプセル４１を流れるポンプ電流Ｉｐ２は、還元されるＮＯｘ濃度に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。

＜センサ素子の寸法＞
次に、センサ素子１０１の主要な部分の寸法について、図２および図３を参照しつつ説明する。図２は、図１と同方向から見たセンサ素子１０１の側面（素子面１０１Ａ）図である。

図２において、長さＬ１は、センサ素子１０１の長手方向の長さである。係るセンサ素子１０１において長さＬ１は６７．０±５．０ｍｍである。

また、長さＬ２は、センサ素子１０１の厚さである。センサ素子１０１の厚さは、図１における第１基板層１の下面から第２固体電解質層６の上面に至る距離を表す。係るセンサ素子１０１において長さＬ２は１．４±１．０ｍｍである。

また、係る実施の形態においては、センサ素子１０１の曲がりの程度を評価する際に（詳細は後述する）、センサ素子１０１の構造、および、センサ素子１０１を用いてガスセンサ１００を製造するときに用いる部品とセンサ素子１０１との接触箇所を考慮して、センサ素子１０１を長手方向（長さＬ１）に、第１区間Ｉｎ１と、第２区間Ｉｎ２と、第３区間Ｉｎ３との３つの区間に分けて考えている。

第１区間Ｉｎ１は、センサ素子１０１を用いてガスセンサ１００を製造する際に用いられる、センサ素子１０１をガスセンサ１００の所定の位置に固定するための部品（封止固定するためのガス封止材）、あるいは、センサ素子１０１を外部と電気的に接続するための部品（コネクタ電極８０やヒータ電極７１とセンサ素子１０１外部とを接続するコネクタ部品）が、センサ素子１０１表面において接触する箇所を含む区間である。係るセンサ素子１０１において第１区間Ｉｎ１は、センサ素子１０１のガス導入口１０側の端部からコネクタ電極８０側の端部へ長手方向に２０ｍｍの位置から、センサ素子１０１のコネクタ電極８０側の端部までの長手方向の区間である。

第２区間Ｉｎ２は、上述したガス流通部（ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位）を含む区間であって、また、ガスセンサ１００を製造するうえで他の部品との接触のない区間である。係るセンサ素子１０１において第２区間Ｉｎ２は、センサ素子１０１のガス導入口１０側の端部からコネクタ電極８０側の端部へ長手方向に２０ｍｍの区間である。

第３区間Ｉｎ３は、第１区間Ｉｎ１において、特に、コネクタ部品との接触がある区間である。すなわち、第３区間Ｉｎ３は、コネクタ電極８０（および、ヒータ電極７１）を含む区間でもある。係るセンサ素子１０１において第３区間Ｉｎ３は、センサ素子１０１のコネクタ電極８０側の端部からガス導入口１０側の端部へ長手方向に１０ｍｍの区間である。

図３は、図２を第２固体電解質層６側から見た平面（素子面１０１Ｂ）図である。なお、上述した長さＬ１、Ｌ２および第１区間Ｉｎ１、第２区間Ｉｎ２、第３区間Ｉｎ３は、図２と図３とにおいて同様のものを示す。

長さＬ３は、図３に示すように、センサ素子１０１の幅である。幅は、センサ素子１０１を第１基板層１上方からみたときの短手方向の長さを表す。係るセンサ素子１０１において長さＬ３は４．２±０．５ｍｍである。

また、図３において、領域Ａはガス流通部を含む領域であり、ガス流通部のおおよその位置を示す。なお、図３においてはコネクタ電極８０を図示しており、また、第１基板層１の下面においてコネクタ電極８０と対応する位置にはヒータ電極７１が形成されている。

＜変位測定装置＞
次に、センサ素子１０１の素子面１０１Ｂ表面の変位を測定する変位測定装置２００について説明する。なお、ここでは、変位測定装置２００がレーザ式の変位計である場合を例として説明する。

図４は、変位測定装置２００の構成を概略的に示す図である。変位測定装置２００は、素子面１０１Ｂとヘッド部２１０との距離を測定するものであり、主として、ヘッド部２１０と、測定用光源２２０と、水平駆動機構（図示省略）とを備えている。

ヘッド部２１０は、測定用光源２２０より発せられた変位測定用の光を投光、および、受光可能に構成されている。

変位測定にあたっては、ヘッド部２１０は、測定用光源２２０より与えられる測定用の光を素子面１０１Ｂに照射するとともに、その測定用の光の素子面１０１Ｂからの反射光を受光する。ヘッド部２１０が受光した反射光に基づいて、ヘッド部２１０からの素子面１０１Ｂ表面への距離が導出される。

なお、図４には、素子面１０１Ｂへ照射された光をＩＬとして示し、反射されヘッド部２１０に受光される光をＲＬとして示している。

また、測定用光源２２０とヘッド部２１０とは一体的に構成され、図示しない水平駆動機構に接続されている。この水平駆動機構は、センサ素子１０１の長手方向に平行な方向である図中の方向Ｄ１に、ヘッド部２１０（および測定用光源２２０）を水平移動させることができる。

以上のような構成の変位測定装置２００を用いて、ヘッド部２１０から素子面１０１Ｂへの距離をセンサ素子１０１の長手方向に沿って測定することができる。得られた測定結果、すなわち、ヘッド部２１０と素子面１０１Ｂ表面との距離の素子長手方向の変化から、素子面１０１Ｂ表面の変位がわかることとなる。

図５は、ヘッド部２１０と素子面１０１Ｂとの距離を変位測定装置２００で測定した結果の一例を示す図である。図５においては、変位測定装置２００によって、ヘッド部２１０と素子面１０１Ｂとの距離をセンサ素子１０１の長手方向に２０μｍ間隔で測定し、その結果をプロットしてある。縦軸はヘッド部２１０から素子面１０１Ｂへの距離を示し、横軸はセンサ素子１０１の長手方向に沿った位置を示す。横軸の０ｍｍはガス導入口１０側の素子端部を示し、横軸の値が大きいほど基準ガス導入空間４３側の素子端部に近い位置を示す（図１参照）。

図５において、センサ素子１０１の厚み方向に変位が見られるが、このような変位は、センサ素子１０１を構成する固体電解質とその他の部位との焼成時の収縮差により生じたものである。

＜曲がり量の算出方法＞
次に、センサ素子１０１の厚さ方向の曲がりの程度を表す量（以下、単に曲がり量とも称する）を算出する方法について説明する。

まず、「曲がり量」の定義は、以下の通りである。

定義（ａ）： 「曲がり量」とは、
1) 対象区間における前記センサ素子の長手方向の位置をＸ、センサ素子表面の厚さ方向の変位をＹとしてＸとＹとの関係を測定し、
2) これらＸおよびＹを２変数としたＸ−Ｙ平面上に前記測定したデータ点をプロットした散布図から最小二乗法により回帰直線を算出し、
3) 前記Ｘ−Ｙ平面上での前記回帰直線の上側および下側のそれぞれの領域において、前記対象区間で前記回帰直線からの距離が最大となるデータ点を上側最大変位点および下側最大変位点としたとき、
4) 前記回帰直線から前記上側最大変位点および前記下側最大変位点までのそれぞれの距離の和の値を、「曲がり量」とする。

本実施の形態において、曲がり量は、第１区間Ｉｎ１、第２区間Ｉｎ２および第３区間Ｉｎ３の各区間においてそれぞれ算出される。

第１区間Ｉｎ１は、センサ素子１０１をガスセンサ１００の所定の位置に固定するための部品（ガス封止材）、あるいは、センサ素子１０１を外部と電気的に接続するための部品（コネクタ部品）が、センサ素子１０１表面において接触する箇所が含まれる区間であるため、この区間の曲がり量が所定以上であると、ガスセンサ１００を組み立てる際に部品と素子との接触による曲げ応力などを生じるおそれがある。

また、第２区間Ｉｎ２は、ガス流通部（ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位）を含む区間であるため、このような空間構造に依存した曲がりが生じるおそれがある。

第３区間Ｉｎ３は、第１区間Ｉｎ１において、特に、コネクタ部品との接触がある区間であるため、所定以上の曲がり量であると、応力が発生し折損するなどの不具合を生じるおそれがある。

従って、第１区間Ｉｎ１、第２区間Ｉｎ２および第３区間Ｉｎ３のそれぞれにおいて曲がり量を算出し、ガスセンサ１００を組み立てる上で、算出された曲がり量を適切な範囲のものとする必要がある。

図６は、第１区間Ｉｎ１、第２区間Ｉｎ２および第３区間Ｉｎ３のそれぞれの曲がり量の算出方法を説明するための図である。図６においてプロットしてあるデータ点は図５のものと同様のものである。

以下、それぞれの区間における曲がり量の算出方法について説明する。第１区間Ｉｎ１においては、まず、該区間におけるデータ点に対して最小二乗法を用いて回帰直線ＬＳ１を算出する。続いて、該回帰直線ＬＳ１によって分割される２つの領域のうち、図面視で回帰直線ＬＳ１の上側の領域において、回帰直線ＬＳ１からの距離が最大となるデータ点（上側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ１との距離をＭ１とし、下側の領域において、回帰直線ＬＳ１からの距離が最大となるデータ点（下側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ１との距離を距離ｍ１とする。これらの距離Ｍ１およびｍ１の和を用いて、第１区間Ｉｎ１における曲がり量（第１区間の曲がり量）Ｂ１を、
Ｂ１＝Ｍ１＋ｍ１
として算出する。

第２区間Ｉｎ２においても、第１区間Ｉｎ１での曲がり量Ｂ１の算出と同様に、まず、第２区間Ｉｎ２におけるデータ点に対して最小二乗法を用いて回帰直線ＬＳ２を算出する。続いて、該回帰直線ＬＳ２によって分割される２つの領域のうち、図面視で回帰直線ＬＳ２の上側の領域において、回帰直線ＬＳ２からの距離が最大となるデータ点（上側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ２との距離をＭ２とし、下側の領域において、回帰直線ＬＳ２からの距離が最大となるデータ点（下側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ２との距離を距離ｍ２とする。これらの距離Ｍ２およびｍ２の和を用いて、第２区間Ｉｎ２における曲がり量（第２区間の曲がり量）Ｂ２を、
Ｂ２＝Ｍ２＋ｍ２
として算出する。

第３区間Ｉｎ３においても、第１区間Ｉｎ１および第２区間Ｉｎ２での曲がり量の算出と同様に、まず、第３区間Ｉｎ３におけるデータ点に対して最小二乗法を用いて回帰直線ＬＳ３を算出する。続いて、該回帰直線ＬＳ３によって分割される２つの領域のうち、図面視で回帰直線ＬＳ３の上側の領域において、回帰直線ＬＳ３からの距離が最大となるデータ点（上側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ３との距離をＭ３とし、下側の領域において、回帰直線ＬＳ３からの距離が最大となるデータ点（下側最大変位点）と該回帰直線ＬＳ３との距離を距離ｍ３とする。これらの距離Ｍ３およびｍ３の和を用いて、第３区間Ｉｎ３における曲がり量（第３区間の曲がり量）Ｂ３を、
Ｂ３＝Ｍ３＋ｍ３
として算出する。

第１区間の曲がり量Ｂ１、第２区間の曲がり量Ｂ２および第３区間の曲がり量Ｂ３はそれぞれ、ガスセンサ１００を製造する際に、それらの区間において必要な部品との接触や接続が良好になされるように、また、他の部品との干渉が生じないように、（すなわち、組み立て精度が落ちないように）好適な範囲とする必要がある。係るガスセンサ１００においてこのような範囲は、第１区間の曲がり量Ｂ１は０．６ｍｍ以下、第２区間の曲がり量Ｂ２は１．０５ｍｍ以下、第３区間の曲がり量Ｂ３は０．２４ｍｍ以下である。

＜曲がり量と落下強度との関係＞
次に、センサ素子１０１の第１区間の曲がり量と強度との関係について説明する。係る実施の形態においては、センサ素子１０１の第１区間の曲がり量と落下強度との関係を、以下に説明する試験で評価する。

まず、センサ素子１０１において、上述した方法で、第１区間の曲がり量を算出する。続いて、曲がり量Ｂ１を算出したセンサ素子１０１を用いて、ガスセンサ１００を製造する。ガスセンサ１００は、センサ素子１０１に対して、ガスセンサ１００におけるセンサ素子１０１のガス封止材による固定や、コネクタ電極８０（およびヒータ電極７１）とコネクタ部品との接続、さらにケーシングなどが行われることにより、製造される。

次に、曲がり量Ｂ１が既知であるこのガスセンサ１００を所定の高さより落下させ、ガスセンサ１００（およびセンサ素子１０１）に衝撃を与える。

続いて、落下させた後のガスセンサ１００において、センサ素子１０１の状態を評価する。具体的には、センサ素子１０１が折損していたり、センサとしての測定精度が著しく低下するような亀裂や破損が生じているかどうかの判定を行う。

このような判定を、種々の曲がり量Ｂ１をもつセンサ素子１０１を有するガスセンサ１００に対し、種々の高さから落下させて行う。センサ素子１０１が折損したり、亀裂や破損が生じたときの落下高さが高いものほど、落下強度が大きいセンサ素子１０１であるといえる。

図７は、上述の試験によって得られた結果を示しており、センサ素子１０１の第１区間の曲がり量Ｂ１と落下強度との関係である曲線Ｃ１を示す図である。図７において、横軸はセンサ素子１０１の曲がり量Ｂ１を示す。

また、図７において横軸に示す、正方向曲がり量と負方向曲がり量とは、第１区間の曲がり量Ｂ１の値は同じであっても、実際のセンサ素子１０１においては、曲がり方に向きがあるのでそれを区別するためのものである。この区別は、厚さ方向の曲がりの向き（電極のある側の曲がりか、あるいは電極の内側の曲がりかの違い）によるものである。なお、曲線Ｃ１は、縦軸に対しておよそ左右対称になることが発明者によって確認されている。

また、図７において、縦軸は、センサ素子１０１が折損していたり、センサとしての測定精度が著しく低下するような亀裂や破損が生じたときの、ガスセンサ１００を落下させた高さ（複数のガスセンサ１００についての高さの平均値）を示す。ガスセンサ１００に亀裂や破損が生じたときに落下させた位置の高さが高いほど、センサ素子１０１の落下強度は強いといえ、縦軸のより上方がより落下強度が大きいことを示す。

図７の曲線Ｃ１は、第１区間の曲がり量Ｂ１が小さくなるほどセンサ素子の強度は大きくなる傾向がことを示す。これは、曲がり量Ｂ１が大きくなるほど、落下等によりガスセンサ１００（およびセンサ素子１０１）に衝撃が加わる際に、該衝撃がセンサ素子１０１の一点に集中しやすくなるためであると思われる。

また、一方で、曲線Ｃ１は、第１区間の曲がり量Ｂ１の値が１００μｍ〜５０μｍのときに落下強度が極大となった後、５０μｍ〜０μｍの範囲付近においては曲がり量Ｂ１が小さくなると落下強度が小さくなる傾向を示す。

このことは、センサ素子が真っ直ぐであると組み立て部品とセンサ素子１０１とがほぼ垂直に衝突し、少しの曲がり量であれば角度がついて衝撃が分散されるためであると推測される。従って、極大値付近の５０μｍ〜１００μｍ程度の第１区間の曲がり量Ｂ１を有するセンサ素子１０１が、第１区間の曲がり量Ｂ１が０μｍに近いセンサ素子１０１より大きな強度を有するものと思われる。

従って、高い強度を得るためには、センサ素子１０１の長手方向の長さ（６７．０±５．０ｍｍ）に対して好適な第１区間の曲がり量Ｂ１の比率は、１３６０分の１以上６７０分の１以下である。さらに、センサ素子１０１の厚さ（１．４±１．０ｍｍ）に対して好適な第１区間の曲がり量Ｂ１の比率は７２分の５以上１４６分の５以下である。

以上から、係るガスセンサ１００においては、上述したように、第１区間曲がり量Ｂ１は０．６０ｍｍ以下（センサ素子１０１の長手方向の長さに対して３３５分の３以下）、第２区間曲がり量Ｂ２は１．０５ｍｍ以下（センサ素子１０１の長手方向の長さに対して１３４０分の２１以下）、第３区間曲がり量Ｂ３は０．２４ｍｍ以下（センサ素子１０１の長手方向の長さに対して１６７５分の６以下）の範囲とし、さらに、第１区間の曲がり量Ｂ１を５０μ〜１００μｍの範囲とすることで、ガスセンサ１００の組み立てを精度よく行うことができ、かつ、衝撃に強いガスセンサ１００を製造することができる。

＜曲がり量の制御＞
次に、上述したような好適な範囲の曲がり量を実現するために、焼成収縮の際に生じるセンサ素子１０１の変形を制御する方法について説明する。

一つには、センサ素子１０１を構成する部材（例えば、基準電極４２や測定電極４４等の電極や、固体電解質の各層１〜６）の寸法や材質を考慮して、センサ素子１０１各部の焼成収縮の調整することによって、焼成収縮によってセンサ素子１０１に生じる曲がりやねじれを制御し低減することができる。

また、さらに、焼成前のセンサ素子１０１の表面を押圧しつつ焼成することによって、焼成収縮によるセンサ素子１０１の変形を低減することが可能である。本実施の形態においては、焼成前のセンサ素子１０１が平面上に載置された状態で、そのセンサ素子１０１の表面（焼成時に上面とする面の表面）上の複数の位置にそれぞれ、所定の質量を持つ長尺棒材Ｗ（以下、荷重棒Ｗと称する）を載置して焼成することで、センサ素子１０１の変形を制御し抑制するようにしている。なお、押圧を行う方法は、荷重棒Ｗの載置に限られるものではなく、既述したような好適な数値範囲の曲がり量が得られるように、焼成前のセンサ素子１０１を押圧する位置と、その押圧力の大きさとを実験的に特定することができる。

図８は、焼成前のセンサ素子１０１への荷重棒Ｗの載置方法を例示する図である。図８においては、複数の焼成前のセンサ素子１０１の素子面１０１Ｂ上の所定の位置に、荷重棒Ｗの長手方向とセンサ素子１０１の長手方向が垂直となるように、所定の間隔をおいて複数の荷重棒Ｗが載置される様子を例示するものである。なお、図８は荷重棒Ｗの載置方法の一例を示すものであって、載置方法はこれに限られるものではない。焼成前のセンサ素子１０１の所望の位置に所望の力を作用させることができるように、荷重棒Ｗの載置位置および載置方向は適宜に調整されてよい。

荷重棒Ｗを載置する位置は、特に、第１内部空所２０や第２内部空所４０を含む第２空間Ｉｎ２、スルーホール７３やコネクタ電極８０を含む第３区間Ｉｎ３、各電極が形成されている部分に、所定の力を作用させられるように載置されるのが好適である。すなわち、センサ素子１０１において固体電解質ではない部分は、固体電解質との収縮の差が起きやすい部分、つまり、素子の変形が大きくなりやすい部分であるので、この部分に荷重棒Ｗを載置することが好ましい。

また、上述したように、センサ素子１０１を用いてガスセンサ１００を製造する際に用いられる、センサ素子１０１をガスセンサ１００の所定の位置に固定するための部品（ガス封止材）、あるいは、センサ素子１０１を外部と電気的に接続するための部品（コネクタ部品）が、センサ素子１０１表面において接触する箇所がある。センサ素子１０１において、上記のような封止材やコネクタ部品との接触箇所の変形が大きいと、ガスセンサ１００を組み立てる際に、接触箇所で部品とセンサ素子１０１との間に隙間が生じたり、接触箇所のある点に力が集中してかかってしまうといったおそれがある。したがって、このような接触箇所に荷重棒Ｗを載置することで、焼成収縮によるセンサ素子１０１の変形を抑制することができ、ひいてはガスセンサ１００の組み立て精度を向上させることとなる。

＜変形例＞
荷重棒Ｗの載置方法としては、上述した態様以外に、例えば、焼成前のセンサ素子１０１の全面に均一な力が作用するように、センサ素子１０１全面を覆うように各素子の上に荷重棒Ｗを載置してもよい。このような載置方法を用いて焼成前のセンサ素子１０１の焼成を行った場合、焼成前のセンサ素子１０１全体に力を作用させることが可能であるので、素子全体の変形を抑制することができる。

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の主要な部分の寸法を示すためのセンサ素子１０１の側面図である。 センサ素子１０１の主要な部分の寸法を示すためのセンサ素子１０１の平面図である。 変位測定装置２００の構成を概略的に示す模式図である。 素子面１０１Ｂとヘッド部２１０との距離を変位測定装置２００で測定した結果の例を示す図である。 第１、第２および第３区間の曲がり量の算出方法を説明するための図である。 第１区間の曲がり量と落下強度との関係を示す図である。 荷重棒Ｗの載置方法の一例を示す模式図である。

符号の説明

１２ 緩衝空間
２０ 第１内部空所
４０ 第２内部空所
７１ ヒータ電極
７３ スルーホール
８０ コネクタ電極
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０１Ｂ 素子面
２００ 変位測定装置
Ｉｎ１ 第１区間
Ｉｎ２ 第２区間
Ｉｎ３ 第３区間
Ｌ１ センサ素子１０１の長手方向の長さ
Ｌ２ センサ素子１０１の厚さ
Ｌ３ センサ素子１０１の幅
Ｗ 荷重棒

Claims (7)

1. 被測定ガス中の所定ガス成分を検出する長尺の板状体形状のセンサ素子であって、
   前記センサ素子外部の空間から前記センサ素子内に被測定ガスを取り込むためのガス導入口が前記センサ素子の長手方向の一端部に設けられてなり、
   前記センサ素子の厚さ方向における曲がりの程度を表すパラメータである曲がり量を、以下の定義（ａ）によって規定したとき、
   前記センサ素子の長手方向について、前記一端部から前記センサ素子の長さの２７分の８の位置から、センサ素子他端部に至る区間を第1区間として、前記第1区間の曲がり量が、センサ素子の長手方向の長さに対して１３６０分の１以上６７０分の１以下であることを特徴とするセンサ素子。
   定義（ａ）： 対象区間における前記センサ素子の長手方向の位置をＸ、前記センサ素子表面の前記厚さ方向の変位をＹとしてＸとＹとの関係を測定し、これらＸおよびＹを２変数としたＸ−Ｙ平面上に前記測定したデータ点をプロットした散布図から最小二乗法により回帰直線を算出し、前記Ｘ−Ｙ平面上での前記回帰直線の上側および下側のそれぞれの領域において、前記対象区間で前記回帰直線からの距離が最大となるデータ点を上側最大変位点および下側最大変位点としたとき、前記回帰直線から前記上側最大変位点および前記下側最大変位点までのそれぞれの距離の和の値。
2. 請求項１に記載のセンサ素子において、
   前記第1区間の曲がり量が前記センサ素子の厚さに対して７２分の５以上１４６分の５以下であることを特徴とするセンサ素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサ素子において、
   前記センサ素子の長手方向について、前記一端部から前記センサ素子の長さの２７分の８の位置に至る区間を第２区間とし、
   前記センサ素子の長手方向について、前記他端部から前記センサ素子一端部の向きに前記センサ素子の長さの２７分の４の位置に至る区間を第３区間としたときに、
   前記第２区間を対象区間としたセンサ素子の曲がりの程度を表すパラメータである第２区間の曲がり量が、定義（ａ）に従って規定したときに、センサ素子の長手方向の長さに対して１３４０分の２１以下であり、
   前記第３区間を対象区間としたセンサ素子の曲がり量程度を表すパラメータである第３区間の曲がり量が、定義（ａ）に従って規定したときに、センサ素子の長手方向の長さに対して１６７５分の６以下であることを特徴とするセンサ素子。
4. 請求項１または請求項２に記載のセンサ素子において、
   前記第１区間の曲がり量は、前記センサ素子の製造に際してなされる焼成が該焼成前のセンサ素子の表面を加圧した状態で行われることにより、制御されることを特徴とするセンサ素子。
5. 請求項３に記載のセンサ素子において、
   前記第２区間の曲がり量および第３区間の曲がり量は、前記センサ素子の製造に際してなされる焼成が該焼成前のセンサ素子の表面を加圧した状態で行われることにより、制御されることを特徴とするセンサ素子。
6. 請求項４または請求項５に記載のセンサ素子において、
   前記押圧力は、前記焼成前のセンサ素子の表面上に所定の質量の部材を載置することにより付与されることを特徴とするセンサ素子。
7. 前記所定ガス成分が窒素酸化物ガスであり、ジルコニアを主成分として構成される請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のセンサ素子、を用いて製造されるガスセンサ。

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