JP2016153777A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】対向板に割れが生じにくくすることができるとともに、被測定ガス室における温度分布（温度差）を小さくすることができるガスセンサ素子を提供すること。【解決手段】ガスセンサ素子１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板２、固体電解質基板２の第１表面２０１に対向して配置されたセラミックス製の対向板３、対向板３と固体電解質基板２との間に挟持されたセラミックス製の第１スペーサ５１、固体電解質基板２の第２表面２０２に対向して配置されたセラミックス製のヒータ基板４、及びヒータ基板４と固体電解質基板２との間に挟持されたセラミックス製の第２スペーサ５２を備えている。対向板３における、被測定ガス室１０１と接する内側部分３１の焼結密度は、対向板３における、第１スペーサ５１と接する外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い。【選択図】図２
Description
本発明は、固体電解質基板に対向板及びヒータ基板を積層して形成されたガスセンサに関する。
例えば、ＮＯｘ等の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサは、表面に電極が設けられた固体電解質基板と、被測定ガス室を形成する対向板及び第１スペーサと、基準ガス室を形成する第２スペーサと、固体電解質基板を加熱するヒータ基板とを積層して形成されている。被測定ガス室は、固体電解質基板と対向板との間において、第１スペーサによって囲まれて形成され、基準ガス室は、固体電解質基板とヒータ基板との間において、第２スペーサによって囲まれて形成される。
また、ヒータ基板によって固体電解質基板を加熱するときには、被測定ガス室の温度は、ヒータ基板に近い部分ほど高い温度になる。この被測定ガス室における温度分布は、特定ガス成分の濃度の検出精度に影響を与える。そこで、この温度分布による影響を緩和するための工夫がなされている。
また、ヒータ基板によって固体電解質基板を加熱するときには、被測定ガス室の温度は、ヒータ基板に近い部分ほど高い温度になる。この被測定ガス室における温度分布は、特定ガス成分の濃度の検出精度に影響を与える。そこで、この温度分布による影響を緩和するための工夫がなされている。
例えば、特許文献１においては、測定電極及び基準電極が設けられた固体電解質層の積層体に、ヒータを積層して形成されたガスセンサについて記載されている。また、測定電極よりもヒータの近くに位置する基準電極を、多孔体である基準ガス導入層によって覆っている。これにより、ヒータからの熱が基準電極に伝わりにくくし、基準電極と測定電極との温度差を小さくして、基準電極と測定電極との間に生じる起電力のばらつきを小さくしている。
ところで、ガスセンサの使用時において、ヒータ基板による熱は、熱伝導によって第２スペーサ、固体電解質基板及び第１スペーサに伝わる。そして、対向板においては、被測定ガス室と接する部分に比べて、第１スペーサと重なる部分が加熱されやすい。また、対向板における被測定ガス室と接する部分は、外部への放熱によって冷やされやすい。そのため、対向板における、被測定ガス室と接する部分が、対向板における、第１スペーサと重なる部分によって引っ張られ、被測定ガス室と接する部分に引張応力が作用する。そして、場合によっては、両者の境界位置に割れが生じるおそれがある。特許文献１によっても、この割れの問題を解決することができない。
なお、対向板に割れが生じることを防ぐために、対向板の厚みを大きくすることが考えられる。しかし、この場合には、ヒータによる熱が対向板に奪われ、ガスセンサの活性時間が長くなる別の問題が生じる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、対向板に割れが生じにくくすることができるとともに、被測定ガス室における温度分布（温度差）を小さくすることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板（２）と、
該固体電解質基板の第１表面（２０１）に対向して配置されたセラミックス製の対向板（３）と、
該対向板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該対向板と該固体電解質基板との間に、被測定ガス（Ｇ）を流入させるための被測定ガス室（１０１）を形成するセラミックス製の第１スペーサ（５１）と、
通電によって発熱する発熱層（４１）が内部に設けられ、上記固体電解質基板の第２表面（２０２）に対向して配置されたセラミックス製のヒータ基板（４）と、
該ヒータ基板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該ヒータ基板と該固体電解質基板との間に、基準ガス（Ａ）を流入させるための基準ガス室（１０２）を形成するセラミックス製の第２スペーサ（５２）と、を備え、
上記対向板における、上記被測定ガス室と接する領域を含む内側部分（３１）の焼結密度は、上記第１スペーサと接する領域を含む外側部分（３２）の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い、ガスセンサ（１）にある。
該固体電解質基板の第１表面（２０１）に対向して配置されたセラミックス製の対向板（３）と、
該対向板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該対向板と該固体電解質基板との間に、被測定ガス（Ｇ）を流入させるための被測定ガス室（１０１）を形成するセラミックス製の第１スペーサ（５１）と、
通電によって発熱する発熱層（４１）が内部に設けられ、上記固体電解質基板の第２表面（２０２）に対向して配置されたセラミックス製のヒータ基板（４）と、
該ヒータ基板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該ヒータ基板と該固体電解質基板との間に、基準ガス（Ａ）を流入させるための基準ガス室（１０２）を形成するセラミックス製の第２スペーサ（５２）と、を備え、
上記対向板における、上記被測定ガス室と接する領域を含む内側部分（３１）の焼結密度は、上記第１スペーサと接する領域を含む外側部分（３２）の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い、ガスセンサ（１）にある。
上記ガスセンサは、対向板の焼結密度（焼成密度）を部分的に変更することによって、対向板に意図的に圧縮応力を発生させるようにしたものである。
具体的には、対向板に内側部分と外側部分とを設け、内側部分の焼結密度を、外側部分の焼結密度よりも０．８〜５．０％低くしている。ここで、内側部分は、対向板における、被測定ガス室と接する領域（部分）の全体とすることができ、対向板における、被測定ガス室と接する領域の一部とすることもできる。また、内側部分は、対向板における、被測定ガス室と接する領域の全体、及び対向板における、第１スペーサと接する領域（第１スペーサと重なる部分）の一部とすることもできる。
具体的には、対向板に内側部分と外側部分とを設け、内側部分の焼結密度を、外側部分の焼結密度よりも０．８〜５．０％低くしている。ここで、内側部分は、対向板における、被測定ガス室と接する領域（部分）の全体とすることができ、対向板における、被測定ガス室と接する領域の一部とすることもできる。また、内側部分は、対向板における、被測定ガス室と接する領域の全体、及び対向板における、第１スペーサと接する領域（第１スペーサと重なる部分）の一部とすることもできる。
セラミックス製の対向板は、セラミックス粒子、溶媒及びバインダーを有する材料を、所定の温度で焼結（焼成）して得られた焼結体である。焼結体においては、溶媒及びバインダーが除去され、体積が収縮してセラミックス粒子同士が結合している。
焼結時においては、内側部分に加える圧力を外側部分に加える圧力よりも小さくすることによって、セラミックス粒子同士が密接する度合いを緩めて、内側部分の焼結密度を外側部分の焼結密度よりも低くすることができる。
焼結時においては、内側部分に加える圧力を外側部分に加える圧力よりも小さくすることによって、セラミックス粒子同士が密接する度合いを緩めて、内側部分の焼結密度を外側部分の焼結密度よりも低くすることができる。
そして、内側部分の焼結密度が外側部分の焼結密度よりも低いことにより、外側部分から内側部分に圧縮応力が加わる状態でガスセンサを作製することができる。これにより、ガスセンサに熱ストレスが発生した場合においても、対向板に圧縮応力が発生する状態を維持することができる。そして、セラミックス材料の圧縮応力に対する強度は、その引張応力に対する強度よりも際立って高いため、対向板に割れが生じにくくすることができる。
また、内側部分の焼結密度が低くなることにより、内側部分による保温性が向上する。これにより、被測定ガス室における温度分布が小さくなり、ガスセンサによる特定ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
また、内側部分の焼結密度が低くなることにより、内側部分による保温性が向上する。これにより、被測定ガス室における温度分布が小さくなり、ガスセンサによる特定ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、対向板に割れが生じにくくすることができるとともに、被測定ガス室における温度分布（温度差）を小さくすることができる。
上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１は、図１〜図３に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板２、セラミックス製の対向板３、セラミックス製の第１スペーサ５１、セラミックス製のヒータ基板４及びセラミックス製の第２スペーサ５２を備えている。
対向板３は、固体電解質基板２の第１表面２０１に対向して配置されている。第１スペーサ５１は、対向板３と固体電解質基板２との間に挟持されており、対向板３と固体電解質基板２との間に、被測定ガスＧを流入させるための被測定ガス室１０１を形成するものである。ヒータ基板４は、通電によって発熱する発熱層４１を内部に有しており、固体電解質基板２の第２表面２０２に対向して配置されている。第２スペーサ５２は、ヒータ基板４と固体電解質基板２との間に挟持されており、ヒータ基板４と固体電解質基板２との間に、基準ガスＡを流入させるための基準ガス室１０２を形成するものである。図１、図２、図４に示すように、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域（被測定ガス室１０１に隣接する部分）に位置する内側部分３１の焼結密度は、第１スペーサ５１と接する領域（第１スペーサ５１と重なる部分）に位置する外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い。
本形態のガスセンサ１は、図１〜図３に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板２、セラミックス製の対向板３、セラミックス製の第１スペーサ５１、セラミックス製のヒータ基板４及びセラミックス製の第２スペーサ５２を備えている。
対向板３は、固体電解質基板２の第１表面２０１に対向して配置されている。第１スペーサ５１は、対向板３と固体電解質基板２との間に挟持されており、対向板３と固体電解質基板２との間に、被測定ガスＧを流入させるための被測定ガス室１０１を形成するものである。ヒータ基板４は、通電によって発熱する発熱層４１を内部に有しており、固体電解質基板２の第２表面２０２に対向して配置されている。第２スペーサ５２は、ヒータ基板４と固体電解質基板２との間に挟持されており、ヒータ基板４と固体電解質基板２との間に、基準ガスＡを流入させるための基準ガス室１０２を形成するものである。図１、図２、図４に示すように、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域（被測定ガス室１０１に隣接する部分）に位置する内側部分３１の焼結密度は、第１スペーサ５１と接する領域（第１スペーサ５１と重なる部分）に位置する外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い。
以下に、本形態のガスセンサ１について、図１〜図８を参照して詳説する。
固体電解質基板２、対向板３、第１スペーサ５１、ヒータ基板４及び第２スペーサ５２は、ガスセンサ１のセンサ素子１０を構成する。
センサ素子１０は、碍子を介してハウジングに保持され、ハウジングには、センサ素子１０を覆うカバーが取り付けられている。そして、センサ素子１０、碍子、ハウジング及びカバーを用いて構成されるガスセンサ１は、内燃機関の排気管に配置される。ガスセンサ１は、排気管を通過する排ガスを被測定ガスＧとして、排ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
固体電解質基板２、対向板３、第１スペーサ５１、ヒータ基板４及び第２スペーサ５２は、ガスセンサ１のセンサ素子１０を構成する。
センサ素子１０は、碍子を介してハウジングに保持され、ハウジングには、センサ素子１０を覆うカバーが取り付けられている。そして、センサ素子１０、碍子、ハウジング及びカバーを用いて構成されるガスセンサ１は、内燃機関の排気管に配置される。ガスセンサ１は、排気管を通過する排ガスを被測定ガスＧとして、排ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
図１〜図３に示すように、固体電解質基板２の第１表面２０１には、被測定ガスＧ中の酸素濃度を調整するために用いられるポンプ電極２１と、ポンプ電極２１において酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中の残存酸素濃度を測定するために用いられるモニタ電極２２と、ポンプ電極２１において酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度を検出するために用いられるセンサ電極２３とが設けられている。固体電解質基板２の第２表面２０２には、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が設けられた位置の反対側の位置に、大気である基準ガスＡに晒される基準電極２４が設けられている。基準電極２４は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が設けられた位置の反対側に個別に設けることもできる。
ポンプ電極２１及びモニタ電極２２は、酸素に対する活性を示す材料から構成され、センサ電極２３は酸素及びＮＯｘに対する活性を示す材料から構成されている。
ポンプ電極２１及びモニタ電極２２は、酸素に対する活性を示す材料から構成され、センサ電極２３は酸素及びＮＯｘに対する活性を示す材料から構成されている。
図１、図２に示すように、ポンプ電極２１と基準電極２４との間には、電圧印加手段６１によって固体電解質基板２を介して、被測定ガスＧ中の酸素濃度を一定にするための可変電圧が印加される。モニタ電極２２と基準電極２４との間、センサ電極２３と基準電極２４との間には、固体電解質基板２を介して、限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。
ポンプ電極２１と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってポンプセルが形成されている。また、モニタ電極２２と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってモニタセルが形成されている。また、センサ電極２３と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってセンサセルが形成されている。
ポンプ電極２１と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってポンプセルが形成されている。また、モニタ電極２２と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってモニタセルが形成されている。また、センサ電極２３と基準電極２４と、これらの間に挟まれた固体電解質基板２とによってセンサセルが形成されている。
モニタセルにおいては、電流検出手段６２によって、固体電解質基板２を介してモニタ電極２２と基準電極２４との間に流れる酸素イオン電流を測定することにより、被測定ガスＧ中の残存酸素濃度が求められる。センサセルにおいては、電流検出手段６３によって、固体電解質基板２を介してセンサ電極２３と基準電極２４との間に流れる酸素イオン電流を測定することにより、被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度及び残存酸素濃度の和が求められる。そして、センサセルの酸素イオン電流からモニタセルの酸素イオン電流を差し引くことにより、被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度が求められる。
図１、図３に示すように、センサ素子１０における先端部には、被測定ガス室１０１内に被測定ガスＧを導入するためのガス導入口５１１が設けられている。ガス導入口５１１は、第１スペーサ５１における先端部に設けられており、ガス導入口５１１には、被測定ガス室１０１に被測定ガスＧを導入する際の拡散抵抗体としての多孔質体５１２が配置されている。
被測定ガスＧは、被測定ガス室１０１内において、ガス導入口５１１が設けられた先端側から基端側へと流れる。ポンプ電極２１は、ガス導入口５１１に近い位置に配置されており、モニタ電極２２及びセンサ電極２３は、ポンプ電極２１よりも、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れの下流側に、横方向Ｂに並んで配置されている。
被測定ガスＧは、被測定ガス室１０１内において、ガス導入口５１１が設けられた先端側から基端側へと流れる。ポンプ電極２１は、ガス導入口５１１に近い位置に配置されており、モニタ電極２２及びセンサ電極２３は、ポンプ電極２１よりも、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れの下流側に、横方向Ｂに並んで配置されている。
基準ガスＡは、第２スペーサ５２における基端側から基準ガス室１０２内に導入される。ヒータ基板４は、通電によってジュール熱を発生させる発熱層４１を全方位的に包み込んでいる。
固体電解質基板２は、イットリア安定化ジルコニアによって構成されており、対向板３、第１スペーサ５１、第２スペーサ５２及びヒータ基板４は、絶縁性を示すアルミナ（酸化アルミニウム）によって構成されている。対向板３等を構成する絶縁性の材料は、アルミナの他に、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、コージェライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等とすることもできる。
固体電解質基板２は、イットリア安定化ジルコニアによって構成されており、対向板３、第１スペーサ５１、第２スペーサ５２及びヒータ基板４は、絶縁性を示すアルミナ（酸化アルミニウム）によって構成されている。対向板３等を構成する絶縁性の材料は、アルミナの他に、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、コージェライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等とすることもできる。
対向板３、ヒータ基板４、第１スペーサ５１及び第２スペーサ５２は、セラミックス粒子、溶媒及びバインダーを有する材料を、所定の温度で焼結（焼成）して得られた焼結体である。焼結体においては、溶媒及びバインダーが除去され、体積が収縮してセラミックス粒子同士が結合している。対向板３における外側部分３２、ヒータ基板４、第１スペーサ５１及び第２スペーサ５２の各焼結密度は、９５〜１００％の範囲内にある。これにより、外側部分３２、ヒータ基板４、第１スペーサ５１及び第２スペーサ５２の強度を適切に保つことができる。
ここで、焼結密度が１００％である場合とは、溶媒及びバインダーの全量が除去されて、互いに結合するセラミックス粒子のみが残され、このセラミックス粒子の全体が完全に収縮した状態をいう。また、例えば、焼結密度が９５％である場合とは、焼結密度が１００％である場合のかさ密度（ｋｇ／ｍ3）に比べてかさ密度が５％小さい場合をいう。
センサ素子１０を製造する際には、図５に示すように、固体電解質基板２を構成する固体電解質のシート、対向板３、ヒータ基板４、第１スペーサ５１、第２スペーサ５２をそれぞれ構成するセラミックスシートを積層して積層体１０を形成する。また、積層体１０に圧力を加えるための第１の型７１及び第２の型７２を用いる。第１の型７１における、対向板３の内側部分３１に対向する部位には、圧力を低減するための凹部７１１を形成しておく。
そして、第１の型７１と第２の型７２との間に積層体１０を挟み込み、積層体１０に圧力を加え、この圧力を加えた状態で積層体１０を加熱し、積層体１０を焼結する。このとき、第１の型７１の凹部７１１に対向する、対向板３の内側部分３１に作用する圧力は、対向板３の外側部分３２に作用する圧力よりも小さくなる。これにより、外側部分３２を構成するセラミックス粒子の粒子間距離に比べて、内側部分３１を構成するセラミックス粒子の粒子間距離が大きくなる。
なお、被測定ガス室１０１を形成する空間と、基準ガス室１０２を形成する空間とには、積層体１０の焼結時に蒸発して完全除去されるシート７３を配置しておく。
なお、被測定ガス室１０１を形成する空間と、基準ガス室１０２を形成する空間とには、積層体１０の焼結時に蒸発して完全除去されるシート７３を配置しておく。
次いで、積層体１０が加熱されて溶媒及びバインダーが蒸発するときには、外側部分３２を構成するセラミックス粒子の粒子間距離に比べて、内側部分３１を構成するセラミックス粒子の粒子間距離が大きい状態が維持される。これにより、積層体１０が焼結されたときには、対向板３における内側部分３１の焼結密度が、対向板３における外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い状態が形成される。こうして、内側部分３１は、外側部分３２に比べて焼結時の収縮率が小さいことにより、焼結密度が粗い部分を形成する。
図４に示すように、本形態の対向板３における内側部分３１は、被測定ガス室１０１と接する部分である。また、対向板３における内側部分３１は、対向板３における被測定ガス室１０１を形成する部分の全体であり、言い換えれば、第１スペーサ５１と重ならない部分の全体である。一方、本形態の対向板３における外側部分３２は、第１スペーサ５１と接する部分である。また、対向板３における外側部分３２は、対向板３における第１スペーサ５１と重なる部分の全体であり、言い換えれば、被測定ガス室１０１を形成しない部分の全体である。外側部分３２は、内側部分３１の全周を囲む状態で形成されている。
本形態の対向板３においては、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅と、内側部分３１の横方向Ｂの幅とは同じである。
ここで、センサ素子１０においては、先端側及び基端側が位置する方向を長手方向Ｌとし、固体電解質基板２、対向板３、第１スペーサ５１、ヒータ基板４、第２スペーサ５２が重なる方向を積層方向Ｔとし、横方向Ｂは、長手方向Ｌ及び積層方向Ｔに直交する方向とする。
本形態の対向板３においては、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅と、内側部分３１の横方向Ｂの幅とは同じである。
ここで、センサ素子１０においては、先端側及び基端側が位置する方向を長手方向Ｌとし、固体電解質基板２、対向板３、第１スペーサ５１、ヒータ基板４、第２スペーサ５２が重なる方向を積層方向Ｔとし、横方向Ｂは、長手方向Ｌ及び積層方向Ｔに直交する方向とする。
対向板３における内側部分３１は、次の構成とすることもできる。
図６に示すように、内側部分３１は、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の一部とし、外側部分３２は、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の残部と、対向板３における第１スペーサ５１と接する領域とすることができる。この場合、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅をＷとしたとき、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１は、０．８Ｗ以上１．０Ｗ未満の範囲内にある。
また、図７に示すように、内側部分３１は、被測定ガス室１０１と接する領域の全体、及び対向板３における、第１スペーサ５１と接する領域の一部とし、外側部分３２は、対向板３における、第１スペーサ５１と接する領域の残部とすることができる。この場合、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅をＷとしたとき、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１は、１．０Ｗ超過１．５Ｗ以下の範囲内にある。
図６に示すように、内側部分３１は、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の一部とし、外側部分３２は、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の残部と、対向板３における第１スペーサ５１と接する領域とすることができる。この場合、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅をＷとしたとき、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１は、０．８Ｗ以上１．０Ｗ未満の範囲内にある。
また、図７に示すように、内側部分３１は、被測定ガス室１０１と接する領域の全体、及び対向板３における、第１スペーサ５１と接する領域の一部とし、外側部分３２は、対向板３における、第１スペーサ５１と接する領域の残部とすることができる。この場合、被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅をＷとしたとき、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１は、１．０Ｗ超過１．５Ｗ以下の範囲内にある。
図７の場合においては、図８に示すように、対向板３は、内側に位置する内側部分３１Ａと、内側部分３１Ａの外側に位置して、内側部分３１Ａよりも厚みが縮小した外側部分３２Ａとによって形成することができる。外側部分３２Ａは、第１スペーサ５１と対向する面が対向板３の外側面３０１に近づくように厚みが縮小している。また、内側部分３１Ａにおける、第１スペーサ５１と対向する側の角部を、テーパ面３１１に形成するとともに、第１スペーサ５１における、内側部分３１Ａと対向する側の角部を、テーパ面３１１と対向するテーパ面５１３とすることができる。この場合には、対向板３と第１スペーサ５１との界面を広くして、焼結密度が粗い内側部分３１Ａの割合を多くすることができる。
本形態のガスセンサ１は、対向板３の焼結密度を部分的に変更することによって、対向板３に意図的に応力を発生させるようにしたものである。
具体的には、対向板３に内側部分３１と外側部分３２とを設け、内側部分３１の焼結密度を、外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低くしている。内側部分３１の焼結密度が外側部分３２の焼結密度よりも低いことにより、外側部分３２から内側部分３１に圧縮応力が加わる状態でセンサ素子１０を作製することができる。
これにより、センサ素子１０の焼結を行う際に熱ストレスが発生した場合においても、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域の端部（内側部分３１と外側部分３２との境界位置）に、圧縮応力が発生する状態を常に維持することができる。そして、セラミックス材料の圧縮応力に対する強度は、その引張応力に対する強度よりも際立って高い。そのため、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域の端部に、割れが生じにくくすることができる。
具体的には、対向板３に内側部分３１と外側部分３２とを設け、内側部分３１の焼結密度を、外側部分３２の焼結密度よりも０．８〜５．０％低くしている。内側部分３１の焼結密度が外側部分３２の焼結密度よりも低いことにより、外側部分３２から内側部分３１に圧縮応力が加わる状態でセンサ素子１０を作製することができる。
これにより、センサ素子１０の焼結を行う際に熱ストレスが発生した場合においても、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域の端部（内側部分３１と外側部分３２との境界位置）に、圧縮応力が発生する状態を常に維持することができる。そして、セラミックス材料の圧縮応力に対する強度は、その引張応力に対する強度よりも際立って高い。そのため、対向板３における、被測定ガス室１０１と接する領域の端部に、割れが生じにくくすることができる。
また、内側部分３１の焼結密度が低くなることにより、内側部分３１による保温性が向上する。これにより、ヒータ基板４の発熱層４１によって加熱される被測定ガスＧの熱が、内側部分３１からセンサ素子１０の外部への放熱されにくくなる。そして、測定ガス室における温度分布が小さくなり、ガスセンサ１によるガス濃度の検出精度を向上させることができる。
それ故、本形態のガスセンサ１によれば、対向板３に割れが生じにくくすることができるとともに、被測定ガス室１０１における温度分布（温度差）を小さくすることができる。
（確認試験）
本確認試験においては、対向板３における内側部分３１の焼結密度と、対向板３における外側部分３２の焼結密度との差（焼結密度差という。）（％）、及び被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅Ｗに対する内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１を変化させたときの、対向板３の強度及びガスセンサ１のＮＯｘ感度について確認する試験を行った。
本確認試験においては、焼結密度差が０．８％〜５．０％の範囲内にあって内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ〜１．５Ｗの範囲内にある試験品１〜９について試験を行った。また、比較のために、焼結密度差又は内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が上記各範囲を外れた比較品１〜５についても試験を行った。
本確認試験においては、対向板３における内側部分３１の焼結密度と、対向板３における外側部分３２の焼結密度との差（焼結密度差という。）（％）、及び被測定ガス室１０１の横方向Ｂの幅Ｗに対する内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１を変化させたときの、対向板３の強度及びガスセンサ１のＮＯｘ感度について確認する試験を行った。
本確認試験においては、焼結密度差が０．８％〜５．０％の範囲内にあって内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ〜１．５Ｗの範囲内にある試験品１〜９について試験を行った。また、比較のために、焼結密度差又は内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が上記各範囲を外れた比較品１〜５についても試験を行った。
強度は、熱衝撃による破壊試験（割れ発生確認試験）を行い、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の端部に割れが発生したか否かによって確認した。この破壊試験は、シャルピー衝撃試験に基づいて行い、センサ素子１０の被測定ガス室１０１と接する領域の端部が破壊されたときの所要エネルギーであるシャルピー衝撃値を求めた。そして、このシャルピー衝撃値を指標として、センサ素子１０の強度の評価を行った。強度の評価においては、破壊試験において割れが発生せず、過負荷の状態にして、割れを意図的に発生させたときのシャルピー衝撃値が大きかったものを「優」とし、破壊試験において割れが発生せず、過負荷の状態にして、割れを意図的に発生させたときのシャルピー衝撃値が小さかったものを「良」とし、破壊試験において割れが発生したものを「不可」とした。
ＮＯｘ感度は、ガスセンサ１を用いてＮＯｘ濃度を測定したときに、被測定ガス室１０１内に生じる温度分布によって、ＮＯｘ濃度の測定精度の低下があったか否かによって確認した。ＮＯｘ感度の評価においては、試験においてＮＯｘ感度の低下がなく、過負荷の状態にして、ＮＯｘ感度の低下を意図的に発生させたときの所要エネルギーが大きかったものを「優」とし、試験においてＮＯｘ感度の低下がなく、過負荷の状態にして、ＮＯｘ感度の低下を意図的に発生させたときの所要エネルギーが小さかったものを「良」とし、試験においてＮＯｘ感度が低下したものを「不可」とした。
試験品１〜９及び比較品１〜５の焼結密度差及び内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１と、本確認試験を行った結果とを表１に示す。
焼結密度差が１．０％又は３．０％であり、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗである試験品２，３については、強度及びＮＯｘ感度ともに「優」となった。この結果より、焼結密度差は、１．０〜３．０％の範囲内にすることが、強度及びＮＯｘ感度の観点から最も好ましいことがわかった。
また、結晶密度差が０．８％、４．０％又は５．０％であり、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ、１．０Ｗ、１．４Ｗ、１．５Ｗである試験品１，４〜９については、強度が「良」となり、ＮＯｘ感度が「優」となった。この結果より、焼結密度差が、０．８％〜５．０％の範囲内にあり、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ〜１．５Ｗの範囲内にあることにより、強度及びＮＯｘ感度がともに優れることがわかった。
また、結晶密度差が０．８％、４．０％又は５．０％であり、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ、１．０Ｗ、１．４Ｗ、１．５Ｗである試験品１，４〜９については、強度が「良」となり、ＮＯｘ感度が「優」となった。この結果より、焼結密度差が、０．８％〜５．０％の範囲内にあり、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８Ｗ〜１．５Ｗの範囲内にあることにより、強度及びＮＯｘ感度がともに優れることがわかった。
一方、焼結密度差がない場合（０％の場合）であって、内側部分３１がない（内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０である）比較品１、焼結密度差が０．８％未満もしくは５．０％超過であるか、又は内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８％未満もしくは１．５％超過である比較品２〜５については、強度及びＮＯｘ感度の少なくとも一方が「不可」となった。この結果より、焼結密度差が０．８％未満もしくは５．０％超過であるか、内側部分３１の横方向Ｂの幅Ｗ１が０．８％未満もしくは１．５％超過である場合には、対向板３における被測定ガス室１０１と接する領域の端部に割れが発生するおそれがあるか、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下するおそれがあることがわかった。
１ ガスセンサ
１０ センサ素子
１０１ 被測定ガス室
１０２ 基準ガス室
２ 固体電解質基板
２０１ 第１表面
２０２ 第２表面
３ 対向板
３１ 内側部分
３２ 外側部分
４ ヒータ基板
４１ 発熱層
５１ 第１スペーサ
５２ 第２スペーサ
Ｇ 被測定ガス
Ａ 基準ガス
１０ センサ素子
１０１ 被測定ガス室
１０２ 基準ガス室
２ 固体電解質基板
２０１ 第１表面
２０２ 第２表面
３ 対向板
３１ 内側部分
３２ 外側部分
４ ヒータ基板
４１ 発熱層
５１ 第１スペーサ
５２ 第２スペーサ
Ｇ 被測定ガス
Ａ 基準ガス
Claims (3)
- 酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板（２）と、
該固体電解質基板の第１表面（２０１）に対向して配置されたセラミックス製の対向板（３）と、
該対向板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該対向板と該固体電解質基板との間に、被測定ガス（Ｇ）を流入させるための被測定ガス室（１０１）を形成するセラミックス製の第１スペーサ（５１）と、
通電によって発熱する発熱層（４１）が内部に設けられ、上記固体電解質基板の第２表面（２０２）に対向して配置されたセラミックス製のヒータ基板（４）と、
該ヒータ基板と上記固体電解質基板との間に挟持され、該ヒータ基板と該固体電解質基板との間に、基準ガス（Ａ）を流入させるための基準ガス室（１０２）を形成するセラミックス製の第２スペーサ（５２）と、を備え、
上記対向板における、上記被測定ガス室と接する領域を含む内側部分（３１）の焼結密度は、上記第１スペーサと接する領域を含む外側部分（３２）の焼結密度よりも０．８〜５．０％低い、ガスセンサ（１）。 - 上記外側部分の焼結密度は、９５〜１００％である、請求項１に記載のガスセンサ。
- 上記被測定ガス室の幅をＷとしたとき、上記内側部分の幅（Ｗ１）は、０．８〜１．５Ｗの範囲内にある、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
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