JP5027942B2

JP5027942B2 - ガスセンサの製造方法

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Publication number: JP5027942B2
Application number: JP2011208700A
Authority: JP
Inventors: 能大鈴木; 浩司田川; 邦彦中垣
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2011257433A

Description

本発明は、セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子を有するガスセンサの製造方法に関する。

従来から、ガスセンサの１つである酸素濃度検出器として、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検知し、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適にコントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の節減等を行なう酸素センサが知られている。

この酸素センサの１つは、酸素イオン伝導性の固体電解質、例えば酸化カルシウムや酸化イットリウムをドープした酸化ジルコニウム等を隔壁とし、その隔壁の両面に各々所定の電極を設けたものをセンサ素子とし、それら電極の一方を基準雰囲気、また他方の電極を排気ガス等の被測定ガスに晒し、酸素濃淡電池の原理によって生ずる起電力を検出信号としている。

そして、このような酸素検知素子として、近年、製造の容易性やコンパクト化の容易性等の観点から、有底円筒形状のものに代わって、かかる検知素子を長手の板状体に構成し、その一方の端部に排気ガス等の被測定ガスに晒される酸素検知部を設けたものが注目を浴びている。例えば特許文献１や特許文献２等には、そのような板状形状の酸素検知素子の一例が示されている。

また、他の１つのタイプの酸素センサとして、長手の板状体基板上に酸素濃度により電気抵抗値の変化する酸化物、例えば酸化チタンを設けたものをセンサ素子として用い、これを排気ガス等の被測定ガスに晒し、酸素分圧による素子の電気抵抗変化を検出するようにしたものも知られている。

ところで、このような酸素センサにおいては、その酸素センサ素子の酸素検知部が高温の排気ガス等の被測定ガスに晒され、また、酸素センサ素子の酸素検知部に充分な酸素検知機能を発揮させるために、該酸素検知部が酸素センサ素子に内蔵されたヒータにより高温に保持される場合もあるため、酸素センサ素子は熱応力を受けることになる。この酸素センサ素子は板状形状のものであるため、その稜部において応力集中が発生し、そのために酸素センサ素子にクラックが発生し、酸素濃度検出の機能が失われてしまうという問題があった。

そこで、従来では、例えば特許文献３に示すように、酸素センサ素子の板状体基板の先端部における稜部を面取り加工することで応力集中を緩和させ、耐熱衝撃性を向上させた例が開示されている。

特開昭５８−１５３１５５号公報特開昭６１−９７５６２号公報特許第２７８６５０７号公報

本発明は、特許文献３のような耐熱衝撃性に優れた高性能なガスセンサを簡単に製造することができ、しかも、面取り加工の調整も簡単に行うことができるガスセンサの製造方法を提供することを目的とする。

第１の本発明に係るガスセンサの製造方法は、セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、前記固体電解質体の１つの稜部が挿通される貫通孔が形成されたガイド板の一主面と、前記固体電解質体の１つの面を対向させる第１ステップと、前記固体電解質体を一方向に傾斜させると共に、その状態で前記ガイド板の他主面に向けて移動して、前記固体電解質体の１つの稜部を前記ガイド板の貫通孔から突出させる第２ステップと、前記ガイド板の他主面に沿ってカッタを摺動させることによって、前記１つの稜部を面取りする第３ステップとを有することを特徴とする。

これにより、特許文献３のような高性能なガスセンサを簡単に製造することができ、しかも、面取り加工の調整も簡単に行うことができる。この場合、固体電解質体を一方向に傾斜させる際に、その傾斜角を変えて、稜部におけるガイド板の貫通孔からの突出量を変えることで、面取り部の幅を任意に変更することができる。

そして、第１の本発明において、さらに、前記固体電解質体を逆方向に傾斜させると共に、その状態で前記ガイド板の他主面に向けて移動して、前記固体電解質体の他の１つの稜部を前記ガイド板の貫通孔から突出させる第４ステップと、前記ガイド板の他主面に沿ってカッタを摺動させることによって、前記他の１つの稜部を面取りする第５ステップとを有するようにしてもよい。

また、第１の本発明において、さらに、前記ガイド板の一主面と、前記固体電解質体の前記１つの面と反対の面を対向させた後、前記第２ステップ〜第５ステップを繰り返して、前記固体電解質体の４つの稜部を面取り加工するようにしてもよい。

次に、第２の本発明に係るガスセンサの製造方法は、セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、第１板と、端面が前記第１板の端面に近接して設置され、且つ、前記第１板に対して非平行に設置された第２板と、前記第１板と前記第２板との間に存在する隙間とを有する位置決め治具を使用するものであって、前記位置決め治具の前記第１板に前記固体電解質体の１つの主面を接触させると共に、前記第２板に前記固体電解質体の前記１つの側面を接触させて、前記隙間から前記１つの主面と前記１つの側面との間に存在する１つの稜部を突出させる第１ステップと、前記隙間から突出する前記１つの稜部の長手方向にカッタを摺動させることによって、前記１つの稜部を面取りする第２ステップとを有することを特徴とする。

これにより、特許文献３のような高性能なガスセンサを簡単に製造することができ、しかも、面取り加工の調整も簡単に行うことができる。この場合、第１板と第２板間の距離を変えて、隙間の幅を変えることで、面取り部の幅を任意に変更することができる。

そして、第２の本発明において、前記位置決め治具は、前記第１板の端面と前記隙間と前記第２板の端面とで１つの面が構成され、前記第２ステップにおいて、前記カッタを、前記１つの面に沿って摺動させることで前記１つの稜部を面取りするようにしてもよい。この場合、第１板と第２板との隙間から突出する部分をカッタにてスムーズに面取り加工することができる。

また、第２の本発明において、前記固体電解質体の４つの稜部について前記第１ステップ及び前記第２ステップを繰り返すことで、前記固体電解質体の前記４つの稜部を面取り加工するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明に係るガスセンサの製造方法によれば、特許文献３のような高性能なガスセンサを簡単に製造することができ、しかも、面取り加工の調整も簡単に行うことができる。

本実施の形態に係るガスセンサの製造方法にて製造されるガスセンサを一部破断して示す側面図である。ガスセンサの内部構成を示す断面図である。ガスセンサのセンサ素子における固体電解質体の形状を示す斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂは面取り部の幅を説明するための図である。図５Ａは第１隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｂは第２隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｃは第３隙間面積を説明するための断面図であり、図５Ｄは第４隙間面積を説明するための断面図である。第１製造方法で使用される装置を示す構成図である。第１製造方法で使用される装置、特に、固体電解質体が載置された上板と、ガイド板と、カッタとを示すを示す斜視図である。図８Ａは上板に固体電解質体を載置、固定した状態を示す工程図であり、図８Ｂは固体電解質体の第１稜部をガイド板の貫通孔から突出させた状態を示す工程図であり、図８Ｃは第１稜部を面取りした状態を示す工程図である。図９Ａは固体電解質体の第２稜部をガイド板の貫通孔から突出させた状態を示す工程図であり、図９Ｂは第２稜部を面取りした状態を示す工程図であり、図９Ｃは固体電解質体を上板に載置、固定し直した状態を示す工程図である。図１０Ａは固体電解質体の第３稜部をガイド板の貫通孔から突出させた状態を示す工程図であり、図１０Ｂは第３稜部を面取りした状態を示す工程図であり、図１０Ｃは固体電解質体の第４稜部をガイド板の貫通孔から突出させた状態を示す工程図であり、図１０Ｄは第４稜部を面取りした状態を示す工程図である。第２製造方法で使用される装置を示す構成図である。第２製造方法で使用される装置、特に、固体電解質体が押し付けられた第１板及び第２板と、カッタとを示すを示す斜視図である。図１３Ａは第１板と第２板間の隙間の間隔を調整した状態を示す工程図であり、図１３Ｂは第１板に固体電解質体を載置した状態を示す工程図であり、図１３Ｃは固体電解質体の第１稜部を隙間から突出させた状態を示す工程図であり、図１３Ｄは第１稜部を面取りした状態を示す工程図である。図１４Ａは第１板に固体電解質体を載置し直した状態を示す工程図であり、図１４Ｂは固体電解質体の第２稜部を隙間から突出させた状態を示す工程図であり、図１４Ｃは第２稜部を面取りした状態を示す工程図である。図１５Ａは第１板に固体電解質体を載置し直した状態を示す工程図であり、図１５Ｂは固体電解質体の第３稜部を隙間から突出させた状態を示す工程図であり、図１５Ｃは第３稜部を面取りした状態を示す工程図である。図１６Ａは第１板に固体電解質体を載置し直した状態を示す工程図であり、図１６Ｂは固体電解質体の第４稜部を隙間から突出させた状態を示す工程図であり、図１６Ｃは第４稜部を面取りした状態を示す工程図である。

以下、本発明に係るガスセンサの製造方法の実施の形態例を図１〜図１６Ｃを参照しながら説明する。

先ず、本実施の形態に係る製造方法にて製造されるガスセンサ１０について図１〜図５Ｄを参照しながら説明する。

このガスセンサ１０は、図１に示すように、例えばジルコニア磁器（ＺｒＯ_２）等による酸素イオン伝導性の固体電解質体１１によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子１２と、内部にセンサ素子１２を支持する円筒状の金属製の筐体１３とを有する。

センサ素子１２は、緻密な気密の複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層（例えば第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆ）が積層された一体構造の板状体とされている。なお、第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆは、いずれも、ジルコニア磁器（ＺｒＯ_２）等の公知の酸素イオン伝導性の固体電解質材料を用いて形成されている。一体構造のセンサ素子１２は、従来と同様にして、未焼成の固体電解質層の積層構造物を焼成して一体化することにより、容易に得ることができる。

センサ素子１２内には、少なくとも４つの内部空所（第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０、第４内部空所２２）が形成されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、図２において最上部に位置する第１固体電解質層１４ａと、上から３番目に位置する第３固体電解質層１４ｃとが、スペーサ層となる第２固体電解質層１４ｂを介して、積層、一体化されることによって、これら第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間に形成されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、第２固体電解質層１４ｂの厚さに対応する高さを有し、第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間において第２固体電解質層１４ｂの存在しない空間として、センサ素子１２の長手方向に延びるように形成されている。

すなわち、第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０は、それぞれ矩形形状の平面形態を呈し、且つ、それぞれ別個に仕切られた形態において、センサ素子１２の長手方向に所定幅で延びるようにして、順次、配設されている。

第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０のうち、後述するガス導入口２６に最も近接している第１内部空所１６は、外部空間における排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化を緩衝する緩衝空間として機能し、第２内部空所１８は、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための調整室として機能し、第３内部空所２０は、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、さらに被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための測定室として機能する。

第４内部空所２２は、第１内部空所１６、第２内部空所１８、第３内部空所２０とは独立した形態において、第２固体電解質層１４ｂ及び第４固体電解質層１４ｄ間において、第３固体電解質層１４ｃの存在しない空所として、センサ素子１２の長手方向に延びるように設けられている。この第４内部空所２２は、基準ガスをセンサ素子１２内に導入するための基準ガス導入通路として機能し、この基準ガス導入通路は、従来と同様に、センサ素子１２の基部側の端部において開口し、大気に連通するようになっている。

従って、以下の説明では、第１内部空所１６を緩衝空間１６、第２内部空所１８を調整室１８、第３内部空所２０を測定室２０、第４内部空所２２を基準ガス導入通路２２として記載する。

そして、緩衝空間１６の外側、すなわち、センサ素子１２の先端側には、外方に開口する目詰まり防止空所２４が第１固体電解質層１４ａ及び第３固体電解質層１４ｃ間に形成されており、この目詰まり防止空所２４の開口部が、外部空間における被測定ガスをセンサ素子１２内に取り入れるためのガス導入口２６とされている。

目詰まり防止空所２４と緩衝空間１６とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第１隔壁２８によって区画され、緩衝空間１６と調整室１８とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第２隔壁３０によって区画され、調整室１８と測定室２０とは、第２固体電解質層１４ｂにて構成される第３隔壁３２によって区画されている。

第１隔壁２８は、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第１スリット３４が形成されている。第１スリット３４は、被測定ガスの第１拡散律速手段として機能し、ガス導入口２６から目詰まり防止空所２４を通って導かれた外部空間の被測定ガスが、第１スリット３４によって所定の拡散抵抗の下に、緩衝空間１６内に導入されるようになっている。

緩衝空間１６と調整室１８とを区画する第２隔壁３０においても、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第２スリット３６が形成されている。第２スリット３６は、被測定ガスの第２拡散律速手段として機能し、緩衝空間１６に導かれた被測定ガスが、第２スリット３６によって所定の拡散抵抗の下に、調整室１８内に導入されるようになっている。

調整室１８と測定室２０とを区画する第３隔壁３２においても、上部（第１固体電解質層１４ａとの間）と下部（第３固体電解質層１４ｃとの間）にそれぞれ第３スリット３８が形成されている。第３スリット３８は、被測定ガスの第３拡散律速手段として機能し、調整室１８に導かれて酸素濃度（分圧）が調整された被測定ガスが、第３スリット３８によって所定の拡散抵抗の下に、測定室２０内に導入されるようになっている。

また、本実施の形態に係るガスセンサ１０は、調整室１８の内壁面に多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極４０が形成され、第１固体電解質層１４ａの上面のうち、内側ポンプ電極４０に対応する部分に外側ポンプ電極４２が形成されており、これら内側ポンプ電極４０、外側ポンプ電極４２及び第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃにて電気化学的なポンプセル、すなわち、主ポンプセル４４が構成されている。

そして、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と外側ポンプ電極４２間に、外部の第１可変電源４６を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間に、正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、調整室１８内における雰囲気中の酸素が外部空間に汲み出され、あるいは外部空間の酸素を調整室１８内に汲み入れられることで、調整室１８内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）が、所定の濃度に制御されるようになっている。

上述した緩衝空間１６、第１隔壁２８、第２隔壁３０、第１スリット３４及び第２スリット３６を設けることによって、次のような効果を奏することが可能となる。

すなわち、通常、外部空間における排気圧の脈動によって、ガス導入口２６を通じて、酸素がセンサ素子１２の内部空所に急激に入り込むこととなるが、この外部空間からの酸素は、直接内部空所（処理空間）に入り込まずに、第１スリット３４を介して緩衝空間１６に入り込み、さらに、第２スリット３６を通じて調整室１８内に導き入れられる。従って、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間１６や、第１スリット３４及び第２スリット３６によって打ち消され、調整室１８に対する排気圧の脈動の影響は、ほとんど無視することができる程度となる。その結果、調整室１８における主ポンプセル４４での酸素ポンピング量と、被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定精度の向上が図られ得ることになると共に、調整室１８を、例えば、空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることも可能となる。なお、このような効果を有利に発揮させるために、第１隔壁２８及び第２隔壁３０にそれぞれ設けられる第１スリット３４及び第２スリット３６は、それぞれ、１０μｍ以下の間隙を有するスリット形状であることが望ましい。

また、センサ素子１２の先端において外方に開口する目詰まり防止空所２４は、ガス導入口２６を通じて導入される外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が、緩衝空間１６の入口付近において詰まるということを回避するために設けられる。従って、より高精度にＮＯｘ成分を測定することが可能となる。

ところで、調整室１８に配設される主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０及び外側ポンプ電極４２は、一般に、多孔質サーメット電極とされ、例えばＰｔ等の金属とＺｒＯ_２等のセラミックス材料とから構成されることになるが、被測定ガスに接触する調整室１８内に配置される内側ポンプ電極４０は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対して変化を惹起させない材料、すなわち、ＮＯやＮＯ_２のようなＮＯｘ成分に対する還元能力又は分解能力を弱めた、あるいはそのような還元／分解能力のない材料を用いる必要があり、例えば、Ｌａ_３ＣｕＯ_４等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックス材料とのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックス材料とのサーメットで構成されることとなる。なお、ここでは、外側ポンプ電極４２を覆うようにアルミナ等からなる多孔質保護層４８を設けることにより、外部空間の被測定ガスに含まれるオイル成分等が、外側ポンプ電極４２に付着しないようにして、外側ポンプ電極４２を保護している。

一方、測定室２０の内壁面に多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極５０が形成されており、該補助ポンプ電極５０と、センサ素子１２の外側の適当な電極、例えば外側ポンプ電極４２と、第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃにて補助的な電気化学的ポンプセル、すなわち、補助ポンプセル５２が構成され、測定室２０内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を所定濃度に制御し得るようになっている。

補助ポンプ電極５０は、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元／分解能力を弱めた、あるいは還元／分解能力のない材料を用いて形成されており、例えば、Ａｕ（金）１％を含むＰｔ（白金）とＺｒＯ_２との多孔質サーメット電極にて形成されている。

さらに、本実施の形態では、測定室２０内に検出電極５４が形成され、該検出電極５４の周りの雰囲気中における窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量を検出すべく、前記検出電極５４と、外側ポンプ電極４２と、第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃとから、電気化学的なポンプセル、すなわち、測定用ポンプセル５６が構成されている。

この測定室２０内に配置される検出電極５４には、同じく測定室２０内に配設された補助ポンプ電極５０から揮散する金属のような不活性成分等が付着することを防ぎ、検出電極５４の触媒活性（ＮＯｘ分解／還元能）を有効に保持し得るように、図２に示すように、検出電極５４を覆うようにしてアルミナを含む多孔質セラミックス層からなる電極保護層５８が形成されている。

また、このセンサ素子１２においては、第３固体電解質層１４ｃの測定室２０とは反対側において、基準ガス導入通路２２内の基準ガスに接触する形態において基準電極６０が設けられている。

基準電極６０は、シール層としての第４固体電解質層１４ｄ上に設けられ、さらに、それを覆うように、空気導入用の多孔質アルミナ層６２が設けられており、基準ガス導入通路２２内の基準ガスが、多孔質アルミナ層６２を通じて、基準電極６０に接触するようになっている。

この基準電極６０を用いて調整室１８や測定室２０内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を測定することが可能となっている。

すなわち、本実施の形態では、調整室１８内の酸素濃度（分圧）を検出するために、主ポンプセル４４の内側ポンプ電極４０と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとから、主ポンプセル４４を制御するための第１酸素分圧検出セル６４が構成されている。

また、測定室２０内の酸素分圧を検出するために、補助ポンプセル５２の補助ポンプ電極５０と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとから、補助ポンプセル５２を制御するための第２酸素分圧検出セル６６が構成されている。この第２酸素分圧検出セル６６によって電圧制御される第２可変電源６８により、補助ポンプセル５２がポンプ作動させられるようになっていると共に、そのポンプ電流値Ｉｐ１が、第１酸素分圧検出セル６４における起電力Ｖ０の制御に用いられるようになっている。

さらに、検出電極５４の周りの雰囲気中の酸素分圧を検知するための第３酸素分圧検出セル７０が、検出電極５４、基準電極６０、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄによって構成されている。

そして、この第３酸素分圧検出セル７０にて検出された起電力Ｖ２に基づいて制御される第３可変電源７２によって、測定用ポンプセル５６がポンプ作動させられて、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に対応したポンプ電流値Ｉｐ２が得られるようになっている。

なお、外側ポンプ電極４２と、基準電極６０と、第１固体電解質層１４ａ〜第４固体電解質層１４ｄとによって、電気化学的なセンサセル７４が構成されており、このセンサセル７４によって得られる起電力Ｖｒｅｆによって、センサ外部の被測定ガス中の酸素分圧（濃度）が検出できるようになっている。

さらに、このセンサ素子１２においては、図２に示すように、第３固体電解質層１４ｃの上述した内部空所（１６、１８、２０）の配設側とは反対側に複数のセラミックス層、すなわち、第４固体電解質層１４ｄ〜第６固体電解質層１４ｆが積層一体化され、そして、隣り合う第４固体電解質層１４ｄ及び第５固体電解質層１４ｅにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ層７６が設けられている。

このヒータ層７６は、センサ素子１２を構成する第１固体電解質層１４ａ〜第６固体電解質層１４ｆにおける酸素イオンの導電性を高めるために、それらを所定の温度に加熱すべく設けられたものであって、ヒータエレメント７８を、第４固体電解質層１４ｄ及び第５固体電解質層１４ｅとの電気的絶縁を得るためのアルミナ等の電気絶縁層にて、上下から挟んだ形態において配設され、さらに、ヒータ層７６は、該センサ素子１２の基部側において、第４固体電解質層１４ｄを貫通する圧力放散孔８０によって、基準ガス導入通路２２に連通されて、ヒータ層７６内の内圧上昇が緩和されるようになっている。また、ヒータ層７６のヒータエレメント７８は、第５固体電解質層１４ｅ及び第６固体電解質層１４ｆを貫通して設けられ、且つ、周囲が絶縁されたスルーホール８２を通じて、素子表面に取り出され、さらに、第６固体電解質層１４ｆとは絶縁して形成されたコネクタパッド８４のうち、対応するコネクタパッドに導通されるようになっている。そして、ヒータ層７６のヒータエレメント７８は、少なくとも調整室１８及び測定室２０を区画する第１固体電解質層１４ａ〜第３固体電解質層１４ｃを所定の温度に加熱するように構成されている。

本実施の形態に係るガスセンサ１０を用いて、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するに際しては、先ず、外部の被測定ガスが、センサ素子１２の先端の目詰まり防止空所２４から、第１隔壁２８の上下に設けた第１スリット３４を通じて、緩衝空間１６内に導入された後、さらに、第２隔壁３０の上下に設けた第２スリット３６を通じて、調整室１８内に導き入れられ、そこで、第１酸素分圧検出セル６４における起電力Ｖ０が一定となるように、第１可変電源４６の電圧が制御されて、主ポンプセル４４におけるポンプ電流Ｉｐ０が制御される。なお、ここで、調整室１８内の雰囲気中の酸素分圧は、所定の値、例えば１０^−７ａｔｍ程度となるように制御される。

また、第３隔壁３２の上下の第３スリット３８を通じて、調整室１８から測定室２０内に導かれた被測定ガスは、第２酸素分圧検出セル６６にて検知される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される第２可変電源６８からの給電によって、補助ポンプセル５２が酸素のポンピング作動を行い、測定室２０内の雰囲気中の酸素分圧を、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御するようになっている。また、この補助ポンプセル５２のポンピング電流Ｉｐ１は、制御信号として、第１酸素分圧検出セル６４に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３スリット３８から補助ポンプ電極５０に至る測定室２０内の雰囲気中の酸素分圧の勾配が、常に一定となるように制御されている。

さらに、測定室２０内において、酸素分圧が制御された雰囲気は、電極保護層５８を通じて、所定の拡散抵抗の下に、検出電極５４に到達するようになるが、その導かれた雰囲気中のＮＯｘは、検出電極５４の周りにおいて、還元又は分解されて、酸素を発生する。

そして、この発生した酸素が、測定用ポンプセル５６によって、ポンピングされることとなるが、その際、第３酸素分圧検出セル７０における起電力Ｖ２が一定となるように第３可変電源７２の電圧が制御される。ここで、このように検出電極５４の周りにおいて発生する酸素の量は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に比例するものであるところから、測定用ポンプセル５６におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて、目的とする被測定ガス中のＮＯｘの濃度が、算出されることとなる。

上述した各種電極やヒータからのリード線は外部に導出されて、図３に示すように、固体電解質体１１の後部に形成されたコネクタパッド８４のうち、それぞれ対応するコネクタパッドに電気的に接続されている。

一方、図１に示す筐体１３は、その内部に、センサ素子１２の長手方向ほぼ中央部分を支持するセラミック製の３つの支持部材（第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃ）と、センサ素子１２の後部を支持すると共に、固体電解質体１１の外部に導出されたコネクタパッド８４と電気的に接続するためのコネクタ８８とを有する。筐体１３の先端には保護カバー９０が取り付けられている。保護カバー９０には、被測定ガスを筐体１３内に導入するための挿入孔９２が形成されている。

また、第１支持部材８６ａと第２支持部材８６ｂ間には第１タルク９４ａが充填され、第２支持部材８６ｂと第３支持部材８６ｃ間には第２タルク９４ｂが充填され、筐体１３の先端寄りに取り付けられた実装用のボルト部９６と筐体１３との間に気密リング９８がはめ込まれ、筐体１３の後部にゴム栓１００がかしめ固定されている。これらの構成によって、センサ素子１２は、筐体１３内に固定、気密封止されるようになっている。なお、ゴム栓１００には、外部の電気回路系につながるリード線１０２が挿入され、筐体１３の内部においてコネクタ８８に電気的に接続されている。第１タルク９４ａ及び第２タルク９４ｂによるセンサ素子１２の固定は、タルク粉末を第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃを介して加圧圧縮することにより行われる。

そして、このガスセンサ１０は、図３に示すように、センサ素子１２の固体電解質体１１の４つの稜部が、固体電解質体１１の全長にわたって、面取り加工されている。すなわち、４つの稜部に対応して４つの面取り部（第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄ）が形成されている。これにより、センサ素子１２が高温の排気ガス等の被測定ガスに晒され、また、センサ素子１２に内蔵された例えばヒータにより高温に保持されたとしても、センサ素子１２の固体電解質体１１への熱応力による応力集中を緩和させることができ、耐熱衝撃性を向上させることができる。

第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの各幅Ｗは、３０μｍ以上、２４０μｍ以下とされている。第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの幅Ｗとは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、面取り加工によって、仮想線（二点鎖線）で示す稜部１０６の角を落としてＣ面（平坦面１０８）とした際に、平坦面１０８の法線１１０（図４Ｂ参照）に対して直交する方向の長さを指す。

また、このガスセンサ１０では、図５Ａに示すように、固体電解質体１１のうち、第１支持部材８６ａに対応した部分と、第１支持部材８６ａとの間に形成される隙間の面積（第１隙間面積）をＡａ、図５Ｂに示すように、固体電解質体１１のうち、第２支持部材８６ｂに対応した部分と、第２支持部材８６ｂとの間に形成される隙間の面積（第２隙間面積）をＡｂ、図５Ｃに示すように、固体電解質体１１のうち、第３支持部材８６ｃに対応した部分と、第３支持部材８６ｃとの間に形成される隙間の面積（第３隙間面積）をＡｃとしたとき、第１隙間面積Ａａ、第２隙間面積Ａｂ及び第３隙間面積Ａｃを、それぞれ１．５ｍｍ^２以上、３．０ｍｍ^２以下としている。

さらに、本実施の形態では、図５Ｄに示すように、固体電解質体１１のうち、コネクタ８８に対応した部分と、コネクタ８８との間に形成される隙間の面積（第４隙間面積Ａｄ）を、１．５ｍｍ^２以上、３．０ｍｍ^２以下にしている。

固体電解質体１１に形成した第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄとして上述の寸法関係を有するようにしたので、センサ素子１２の内燃機関等への実装において、センサ素子１２を支持する筐体１３との接触、例えば第１支持部材８６ａ〜第３支持部材８６ｃとセンサ素子１２の固体電解質体１１との接触や、コネクタ８８とセンサ素子１２の固体電解質体１１との接触による破損の問題を解消することができ、ガスセンサ１０の高信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、固体電解質体１１の４つの稜部の角を、固体電解質体１１の全長にわたって落とすだけでよいため、加工が簡単であり、製造工程も簡略化することができる。これは、製造コストの低廉化につながる。

次に、本実施の形態に係る２つの製造方法（第１製造方法及び第２製造方法）について図６〜図１６Ｃを参照しながら説明する。

先ず、第１製造方法は、図６及び図７に示すように、固体電解質体１１の１つの稜部１０６が挿通される貫通孔１１２が形成されたガイド板１１４と、ガイド板１１４の一主面１１４ａに対向して設けられ、且つ、上面にセンサ素子１２の固体電解質体１１が載置、固定される押さえ治具１１６と、ガイド板１１４の他主面１１４ｂに沿って摺動するカッタ１１８とを用いて行われる。押さえ治具１１６は、固体電解質体１１が載置、固定される上板１２０と、該上板１２０を移動駆動する移動機構１２２とを有する。

上板１２０は、移動機構１２２の駆動によって、ガイド板１１４の一主面１１４ａに対して接近する方向と離間する方向に移動可能とされ、また、その中心線１２４（上板１２０の長手方向に沿って延長する中心線）を中心に回転するようになっている。

そして、第１製造方法は、図８Ａに示すように、押さえ治具１１６の上板１２０に固体電解質体１１を載置、固定する。このとき、固体電解質体１１の例えば一主面（例えば上面）がガイド板１１４の一主面１１４ａ、この場合、貫通孔１１２に対向するように載置、固定される。

その後、図８Ｂに示すように、移動機構１２２によって上板１２０を回転させて、固体電解質体１１を一方向に傾斜させると共に、その状態でガイド板１１４の他主面１１４ｂに向けて移動して、固体電解質体１１の１つ目の稜部（第１稜部１０６ａ）をガイド板１１４の貫通孔１１２から突出させる。

その後、図８Ｃに示すように、ガイド板１１４の他主面１１４ｂに沿ってカッタ１１８（図７参照）を摺動させることによって、第１稜部１０６ａを面取りして第１面取り部１０４ａとする。

上述の図８Ｂで示すステップにおいては、その後の図８Ｃで示すステップにて形成される第１面取り部１０４ａの幅が、好ましくは３０μｍ以上、２４０μｍ以下となるように、上板１２０の回転角（固体電解質体１１の傾斜角）や上板１２０のガイド板１１４に対する移動量が調整、制御される。

その後、図９Ａに示すように、移動機構１２２によって上板１２０を逆方向に回転させて、固体電解質体１１を逆方向に傾斜させると共に、その状態でガイド板１１４の他主面１１４ｂに向けて移動して、固体電解質体１１の２つ目の稜部（第２稜部１０６ｂ）をガイド板１１４の貫通孔１１２から突出させる。

その後、図９Ｂに示すように、ガイド板１１４の他主面１１４ｂに沿ってカッタ１１８を摺動させることによって、第２稜部１０６ｂを面取りして第２面取り部１０４ｂとする。

この場合も、上述の図９Ａに示すステップにおいては、その後の図９Ｂに示すステップにて形成される第２面取り部１０４ｂの幅が、好ましくは３０μｍ以上、２４０μｍ以下となるように、上板１２０の回転角（固体電解質体１１の傾斜角）や上板１２０のガイド板１１４に対する移動量が調整、制御される。

その後、図９Ｃに示すように、固体電解質体１１の他主面（例えば下面）がガイド板１１４の一主面と対向するように、固体電解質体１１を上板１２０上に載置、固定する。

その後、図１０Ａに示すように、移動機構１２２によって上板１２０を回転させて、固体電解質体１１を一方向に傾斜させると共に、その状態でガイド板１１４の他主面１１４ｂに向けて移動して、固体電解質体１１の３つ目の稜部（第３稜部１０６ｃ）をガイド板１１４の貫通孔１１２から突出させる。

その後、図１０Ｂに示すように、ガイド板１１４の他主面１１４ｂに沿ってカッタ１１８を摺動させることによって、第３稜部１０６ｃを面取りして第３面取り部１０４ｃとする。

その後、図１０Ｃに示すように、移動機構１２２によって上板１２０を逆方向に回転させて、固体電解質体１１を逆方向に傾斜させると共に、その状態でガイド板１１４の他主面１１４ｂに向けて移動して、固体電解質体１１の４つ目の稜部（第４稜部１０６ｄ）をガイド板１１４の貫通孔１１２から突出させる。

その後、図１０Ｄに示すように、ガイド板１１４の他主面１１４ｂに沿ってカッタ１１８を摺動させることによって、第４稜部１０６ｄを面取りして第４面取り部１０４ｄとする。

上述した図９Ａに示すステップ及び図１０Ｃに示すステップにおいても、第３面取り部１０４ｃ及び第４面取り部１０４ｄの幅Ｗが、好ましくは３０μｍ以上、２４０μｍ以下となるように、上板１２０の回転角（固体電解質体１１の傾斜角）や上板１２０のガイド板１１４に対する移動量が調整、制御される。

また、カッタ１１８で面取り加工する場合においては、カッタ１１８と固体電解質体１１にそれぞれ熱をかけ、固体電解質体１１の温度をＴｇ（ガラス転移点）以上に上げて行うことが好ましい。これにより、固体電解質体１１がやわらかくなり、面取り加工面にささくれ等の不具合は生じなくなる。

次に、第２製造方法について図１１〜図１６Ｃを参照しながら説明する。

この第２製造方法は、図１１に示すように、位置決め治具１２６と、カッタ１２８（図１２参照）と、第１押さえ治具１３０及び第２押さえ治具１３２とを使用して行われる。位置決め治具１２６は、第１板１３４と、端面１３６ａが第１板１３４の端面１３４ａに近接して設置され、且つ、第１板１３４に対して非平行に設置された第２板１３６と、第１板１３４と第２板１３６との間に存在する隙間１３８（図１３Ａ参照）とを有する。第１板１３４の端面１３４ａと隙間１３８と第２板１３６の端面１３６ａとで１つの面１４０（一点鎖線で示す）が構成されるようになっており、カッタ１２８（図１２参照）は、この１つの面１４０に沿って長手方向に摺動するようになっている。第１押さえ治具１３０は、第１板１３４に載置された固体電解質体１１を第１板１３４に向けて押圧するように構成され、第２押さえ治具１３２は、第１板１３４に載置された固体電解質体１１を第２板１３６に向けて押圧するように構成されている。

また、この位置決め治具１２６は、隙間１３８の間隔Ｄａを調整する調整機構１４２を有する。この調整機構１４２は、第１板１３４を水平方向に移動させる第１移動機構１４４と、第２板１３６を垂直方向に移動させる第２移動機構１４６とを有する。調整機構１４２は、第１板１３４と第２板１３６を移動させると共に、第１板１３４の端面１３４ａと隙間１３８と第２板１３６の端面１３６ａとで１つの面１４０が構成されるように調整する。

そして、第２製造方法は、図１３Ａに示すように、第１板１３４と第２板１３６間の隙間１３８の間隔Ｄａが調整される。

その後、図１３Ｂに示すように、第１板１３４上に固体電解質体１１を載置する。このとき、固体電解質体１１の例えば一主面（例えば上面１１ａ）が第１板１３４に対向するように載置される。

その後、図１３Ｃに示すように、第１押さえ治具１３０によって固体電解質体１１を第１板１３４に向けて押圧すると共に、第２押さえ治具１３２によって固体電解質体１１を第２板１３６に向けて押圧して固体電解質体１１の第１側面１１ｃを第２板１３６に接触させる。これによって、隙間１３８から固体電解質体１１の第１稜部１０６ａが突出することとなる。

その後、図１３Ｄに示すように、隙間１３８から突出する第１稜部１０６ａの長手方向にカッタ１２８を摺動させることによって、第１稜部１０６ａを面取りして第１面取り部１０４ａとする。

その後、図１４Ａに示すように、例えば固体電解質体１１の上面１１ａが第１板１３４に対向し、且つ、固体電解質体１１の第２側面１１ｄ（第１側面１１ｃと対向する側面）が第２板１３６と対向するように固体電解質体１１を載置し直す。

その後、図１４Ｂに示すように、第１押さえ治具１３０によって固体電解質体１１を第１板１３４に向けて押圧すると共に、第２押さえ治具１３２によって固体電解質体１１を第２板１３６に向けて押圧して固体電解質体１１の第２側面１１ｄを第２板１３６に接触させる。これによって、隙間１３８から固体電解質体１１の第２稜部１０６ｂが突出することとなる。

その後、図１４Ｃに示すように、隙間１３８から突出する第２稜部１０６ｂの長手方向にカッタ１２８を摺動させることによって、第２稜部１０６ｂを面取りして第２面取り部１０４ｂとする。

その後、図１５Ａに示すように、今度は固体電解質体１１の下面１１ｂが第１板１３４に対向し、且つ、例えば固体電解質体１１の第１側面１１ｃが第２板１３６と対向するように固体電解質体１１を載置し直す。

その後、図１５Ｂに示すように、第１押さえ治具１３０によって固体電解質体１１を第１板１３４に向けて押圧すると共に、第２押さえ治具１３２によって固体電解質体１１を第２板１３６に向けて押圧して固体電解質体１１の第１側面１１ｃを第２板１３６に接触させる。これによって、隙間１３８から固体電解質体１１の第３稜部１０６ｃが突出することとなる。

その後、図１５Ｃに示すように、隙間１３８から突出する第３稜部１０６ｃの長手方向にカッタ１２８を摺動させることによって、第３稜部１０６ｃを面取りして第３面取り部１０４ｃとする。

その後、図１６Ａに示すように、固体電解質体１１の下面１１ｂが第１板１３４に対向し、且つ、固体電解質体１１の第２側面１１ｄが第２板１３６と対向するように固体電解質体１１を載置し直す。

その後、図１６Ｂに示すように、第１押さえ治具１３０によって固体電解質体１１を第１板１３４に向けて押圧すると共に、第２押さえ治具１３２によって固体電解質体１１を第２板１３６に向けて押圧して固体電解質体１１の第２側面１１ｄを第２板１３６に接触させる。これによって、隙間１３８から固体電解質体１１の第４稜部１０６ｄが突出することとなる。

その後、図１６Ｃに示すように、隙間１３８から突出する第４稜部１０６ｄの長手方向にカッタ１２８を摺動させることによって、第４稜部１０６ｄを面取りして第４面取り部１０４ｄとする。

上述の図１３Ａに示すステップにおいては、その後の図１３Ｄ、図１４Ｃ、図１５Ｃ及び図１６Ｃに示す各ステップにて形成される第１面取り部１０４ａ〜第４面取り部１０４ｄの各幅Ｗが、好ましくは３０μｍ以上、２４０μｍ以下となるように、調整機構１４２によって、第１板１３４と第２板１３６間の隙間１３８の間隔Ｄａが調整、制御される。

また、この第２製造方法においても、カッタ１２８で面取り加工する場合、カッタ１２８と固体電解質体１１にそれぞれ熱をかけ、固体電解質体１１の温度をＴｇ（ガラス転移点）以上に上げて行うことが好ましい。これにより、固体電解質体１１がやわらかくなり、面取り加工面にささくれ等の不具合は生じなくなる。

上述した第１製造方法及び第２製造方法においては、特許文献３に示す耐熱衝撃性の向上を図ったガスセンサを改良して、耐熱衝撃性の向上と筐体１３の支持部材等への接触に伴う破損を回避することができ、高信頼性をさらに向上させることができるガスセンサ１０を容易に製造することができる。

なお、本発明に係るガスセンサの製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…ガスセンサ１２…センサ素子
１０４ａ〜１０４ｄ…第１面取り部〜第４面取り部
１０６ａ〜１０６ｄ…第１稜部〜第４稜部１１２…貫通孔
１１４…ガイド板１１６…押さえ治具
１１８…カッタ１２０…上板
１２６…位置決め治具１２８…カッタ
１３０…第１押さえ治具１３２…第２押さえ治具
１３４…第１板１３４ａ、１３６ａ…端面
１３６…第２板１３８…隙間
１４０…面１４２…調整機構
１４４…第１移動機構１４６…第２移動機構

Claims

セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、
第１板と、端面が前記第１板の端面に近接して設置され、且つ、前記第１板に対して非平行に設置された第２板と、前記第１板と前記第２板との間に存在する隙間とを有する位置決め治具を使用するものであって、
前記位置決め治具の前記第１板を水平方向に移動させると共に、前記第２板を垂直方向に移動させて、前記隙間の間隔を調整する第１ステップと、
前記第１板に前記固体電解質体の１つの主面を接触させると共に、前記第２板に前記固体電解質体の１つの側面を接触させて、前記隙間から前記１つの主面と前記１つの側面との間に存在する１つの稜部を突出させる第２ステップと、
前記隙間から突出する前記１つの稜部の長手方向にカッタを摺動させることによって、前記１つの稜部を面取りする第３ステップとを有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
請求項１記載のガスセンサの製造方法において、
前記位置決め治具は、
前記第１板の端面と前記隙間と前記第２板の端面とで１つの面が構成され、
前記第３ステップにおいて、前記カッタを、前記１つの面に沿って摺動させることで前記１つの稜部を面取りすることを特徴とするガスセンサの製造方法。
請求項１又は２記載のガスセンサの製造方法において、
前記固体電解質体の４つの稜部について前記第１ステップないし前記第３ステップを繰り返すことで、前記固体電解質体の前記４つの稜部を面取り加工することを特徴とするガスセンサの製造方法。
セラミック材料による固体電解質体によって直方体状に形成され、被測定ガスのうち、特定のガス成分の濃度を検出するセンサ素子を有するガスセンサの製造方法において、
第１板と、端面が前記第１板の端面に近接して設置され、且つ、前記第１板に対して非平行に設置された第２板と、前記第１板と前記第２板との間に存在する隙間とを有する位置決め治具を使用するものであって、
前記位置決め治具の前記第１板に、前記固体電解質体の１つの主面を接触させると共に、前記第２板に前記固体電解質体の前記１つの側面を接触させて、前記隙間から前記１つの主面と１つの側面との間に存在する１つの稜部を突出させる第１ステップと、
前記隙間から突出する前記１つの稜部の長手方向にカッタを摺動させることによって、前記１つの稜部を面取りする第２ステップとを有し、
前記第２ステップは、前記カッタ及び前記固体電解質体をそれぞれ加熱して、前記固体電解質体の温度をガラス転移点以上に上げて行うことを特徴とするガスセンサの製造方法。
請求項４記載のガスセンサの製造方法において、
前記位置決め治具は、
前記第１板の端面と前記隙間と前記第２板の端面とで１つの面が構成され、
前記第２ステップにおいて、前記カッタを、前記１つの面に沿って摺動させることで前記１つの稜部を面取りすることを特徴とするガスセンサの製造方法。
請求項４又は５に記載のガスセンサの製造方法において、
前記固体電解質体の４つの稜部について前記第１ステップ及び前記第２ステップを繰り返すことで、前記固体電解質体の前記４つの稜部を面取り加工することを特徴とするガスセンサの製造方法。