(57)【要約】  本発明は、ガス流中の総ＮＯｘ濃度を測定する混合電位ＮＯｘセンサー装置に関する。ＮＯｘセンサー装置（１０）は、多層セラミック構造（層（３０）、（４０）、（５０）、（６０）、（７０）及び（８０））から成り、酸素およびＮＯｘの濃度測定のための電極（３４）及び（８４）を有し、最良の性能を達成するのに適する温度を付与するためのセラミックセンサー部材（３２）及び（８２）を加熱する機能を有するスクリーン印刷された金属パターンを有する。上記の様な構成は、センサー部材の小型化の点から好適であり、起動時間の短縮（速い起動）をもたらし、望ましくない排気ガス発生を低減する効果がある。セラミックセンサー構造中に加熱源（５２）及び（５４）を入れることにより、作動温度に達するまでの時間を短縮でき、熱勾配や熱応力を最小とすることが出来、センサー性能、信頼性、寿命の向上をもたらす。
2009501906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中のガス成分の濃度を検知するガスセンサー部材であって、当該ガスセンサー部材は、第１のガス成分濃度を測定するための電圧信号を発生できる第１センサー電極を有するセンサー体と、セラミック筐体に取付けられた第１ヒーター部材と、セラミック筐体に取付けられた第２ヒーター部材とから成り、第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが第１の温度領域と第２の温度領域とをそれぞれ形成できるように配置されていることを特徴とするガスセンサー部材。
【請求項２】
第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが共通の電源電位を使用し且つ別々の電気回を有する請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項３】
第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが独立して電気回路制御できる請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項４】
第１の温度領域が約５００〜９００℃である請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項５】
第１の温度領域が約６５０〜７５０℃である請求項４に記載のガスセンサー部材。
【請求項６】
第１の温度領域が約７００℃である請求項５に記載のガスセンサー部材。
【請求項７】
第２の温度領域が約４００〜６００℃である請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項８】
第２の温度領域が約４５０〜５５０℃である請求項７に記載のガスセンサー部材。
【請求項９】
第２の温度領域が約５００℃である請求項８に記載のガスセンサー部材。
【請求項１０】
第１のセンサー電極が筐体表面の外側に設置される請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１１】
約２０．９％の酸素を含有する空気雰囲気に露出される金属製の空気標準電極を有する請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１２】
空気標準電極を構成する金属が、白金、銀、金、ロジウム又はそれらの組合せから成る群より選択される請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１３】
更に、封入型金属／金属酸化物標準電極を有する請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１４】
封入型金属／金属酸化物標準電極Ｎｉ／ＮｉО電極である請求項１３に記載のガスセンサー部材。
【請求項１５】
第１のセンサー電極が、ＮОｘセンサー電極、酸素センサー電極、炭化水素センサー電極、ＳО２センサー電極、ＣОセンサー電極から成る群より選択される請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１６】
セラミック筐体が平面状である請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１７】
セラミック筐体がチューブ状である請求項１に記載のガスセンサー部材。
【請求項１８】
多層セラミック筐体と、金属製の空気標準電極と、多層セラミック筐体中に取付けられている第１ヒーター部材と、多層セラミック筐体中に取付けられている第２ヒーター部材とから成る排気ガス中の２種以上のガス成分の濃度を検知するガスセンサー部材であって、多層セラミック筐体は筐体外表面に第１のセンサー電極と第２のセンサー電極とが設置され、第１のセンサー電極は第１のガス成分濃度を測定するための電圧信号を発生することが出来、第２のセンサー電極は第２のガス成分濃度を測定するための電圧信号を発生することが出来、第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが第１の温度領域と第２の温度領域とをそれぞれ形成できるように配置されていることを特徴とするガスセンサー部材。
【請求項１９】
第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが共通の電源電位を使用し且つ別々の電気回を有する請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２０】
第１ヒーター部材と第２ヒーター部材とが独立して電気回路制御できる請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２１】
第１の温度領域が約５００〜９００℃又は約６５０〜７５０℃である請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２２】
第１の温度領域が約７００℃である請求項２１に記載のガスセンサー部材。
【請求項２３】
第２の温度領域が約４００〜６００℃又は約４５０〜５５０℃である請求項８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２４】
第２の温度領域が約５００℃である請求項２３に記載のガスセンサー部材。
【請求項２５】
金属製の空気標準電極が約２０．９％の酸素を含有する空気雰囲気に露出される請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２６】
空気標準電極を構成する金属が、白金、銀、金、ロジウム又はそれらの組合せから成る群より選択される請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２７】
空気標準電極が封入型電極であり、更に、Ｎｉ／ＮｉО等の金属／金属酸化物標準電極により酸素ガス分圧を測定する請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２８】
第１のセンサー電極が、ＮОｘセンサー電極、酸素センサー電極、炭化水素センサー電極、ＳО２センサー電極、ＣОセンサー電極から成る群より選択される請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項２９】
第２のセンサー電極が、排気ガス中に存在する酸素ガスの濃度の対数に比例して電圧信号を発生することが出来る酸素ガスセンサー電極である請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項３０】
多層セラミック筐体が平面状である請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【請求項３１】
多層セラミック筐体がチューブ状である請求項１８に記載のガスセンサー部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素の燃焼によって生じる排気ガス流中のＮОｘガスの測定に関する。詳しくは、本発明は、ガソリン及び／又はディーゼル燃料の燃焼によって生じる排気ガス流中のＮОｘガスの測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料の燃焼によって生じる排気ガス流の組成は、ＮОｘ、ＳОｘ、ＣО２、ＣО、Ｈ２О等の酸化物ガス、未燃焼炭化水素ガス及び酸素の混合物から成る。排気ガス中のこれらの各成分濃度のリアルタイムな測定することにより、燃焼効率の向上や、汚染ガス発生の低減を達成することが出来る。例えば、ある１種のガスの濃度が、他の第２のガスの濃度に影響を与えたり制御したりする場合がある。このような状況では、第２、第３・・・のガスの濃度を正確に測定するために、第１のガスの濃度を知る必要がある。排気ガス流の２種以上のガス濃度を測定できる排気ガスセンサーとして作動する種々の装置が提案されている。
【０００３】
従来公知のＮОｘセンサーの１つとして、２以上の室を有する平板状多層セラミック製パッケージが挙げられる。第１室は酸素イオン導電性電解質膜に接続された電極を有し、センサーに流入するガス流から酸素を除去するための酸素ポンプを形成する。第１室は、更に、ＮО２をＮОと１／２О２に分解する触媒作用を有する。そして、第１室の酸素ポンプは、更に、上記分解により発生した酸素を除去する。したがって、理論的には、次の第２室に流入する酸素含有ガスはＮОのみとなる。第２室は、第２酸素ポンプを使用してＮОから酸素を除去するＮО分解部材を有する。第２室中のＮОの分解から生じる酸素の移送によって生じる電流がＮОの濃度と比例関係を有する。
【０００４】
しかしながら、この従来公知のＮОｘセンサーを応用した市販品には、多くの関係要因が影響を及ぼす。例えば、検出されるＮОｘ濃度が低い場合は、残存酸素の影響が大きくなる。加えて、センサーによる信号電流が小さい場合、自動車から発生する電気的ノイズからの影響を受けやすい。更に、このようなセンサーによってモニタリングされる排気ガス流は、通常、エンジンのシリンダー燃焼サイクルによって、排ガス流量が少なくとも部分的にパルス的となる。これにより、酸素ガス全てを効果的に除去する酸素ポンプの能力を損ない、測定誤差を招く。この種の装置は、更に、測定室内に流入するガスの流路を制限する小さな拡散すき間を有する。このような構成は、使用中に閉塞が生じやすい。
【０００５】
他の公知のＮОｘセンサーとしては、同様な平板状多層セラミックパッケージが知られている。この種のセンサーの作動原理の大きな違いは、電流の強さによるものではなくむしろ混合電位型によるものであり、第１室はＮОからＮО２又はその逆に変換する。混合電位ＮОｘ型センサーにおいて、ＮО及びＮО２ガス種から発生する電圧信号は逆の信号であることが明らかである。そのため、ＮО及びＮО２ガスが両方存在する場合、互いに相殺してしまい、目的とする電位信号を識別することが困難になる。
【０００６】
センサー中に別々の２室を有する平板状多層パッケージを使用した場合の上記の問題点に対応したセンサーの設計が試みられている。例えば、第１室に酸素ガスを吸引して全てのガスをＮО２に変換する電気化学的酸素ポンプを使用した、全てのＮО２ガス種を単一ガス種に変換する方法も提案されている。また、室内の酸素を除去し、全てのＮО２をＮОへ還元する逆の方法についても検討されている。このようにして形成された変換ガスは第２室に送られ、混合電位型センサーにより発生した電圧信号によってＮОｘの濃度が測定される。
【０００７】
この種の構成においては、商業化を妨げる沢山の制約がある。その大きな問題の１つは、種々のガス濃度条件において、全てのＮОｘガスを完全に単一ガス種に変換する変換システムの再現性の問題である。更に、酸素ポンプ変換セルは作動時間による劣化の傾向があり、それが再現性に寄与する。このような影響は、特に低濃度領域の測定において増幅されるため、ＮО２ガスの低濃度における検出に適さない原因となる。
【０００８】
上記のセンサーのメカニズムにおいて更なる欠点としては、平板状セラミック多層システムの形状に由来する。また、最初にガスが拡散ポートを介して第１室内に流入し、処理後に第２室内に拡散するという複雑な構成を有するために、応答時間が遅くなる傾向がある。そして、このような複雑な構成では、エンジン排気の動的環境を維持することができる迅速なガス交換を達成することは困難である。また、ガス自身の腐食環境および微粒子の発生により、拡散制御ポートの閉塞が起こったり、少なくともガス流量の経時変化が起る。そして、シリンダー内の燃焼によるガス流量のパルス化や自動車の電気ノイズにより、これらの装置に付随する低電圧および電流回路の制御およびモニタリングが困難となる。
【０００９】
本発明は米国特許出願第１１／１３７６９３号（２００５年５月２５日出願＝米国特許出願公開第２００６／００２７４６５号明細書）に記載されたＮОｘのセンサーシステムのＮОｘのセンサー部材の形成方法および構成に関し、上記出願内容を本発明に参照により引用する。
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００２７４６５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、ＮОｘのセンサーシステムに使用される改良されたＮОｘのセンサー部材およびそのような装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は米国特許出願第１１／１３７６９３号（２００５年５月２５日出願）に記載されたＮОｘのセンサーシステムのＮОｘのセンサー部材の形成方法および構成に関し、上記出願内容を本発明に参照により引用する。ＮОｘのセンサー部材は、酸素およびＮＯｘガスの両方の濃度を測定するための電極を有する多層セラミック構造から成り、スクリーン印刷されたメタル化パターンを有し、セラミックセンサー部材を加熱して最適な性能を達成する様な最適な温度に調節する。
【発明の効果】
【００１３】
上記の様な構成は、センサー部材の小型化の点から好適であり、起動時間の短縮（速い起動）をもたらし、望ましくない排気ガス発生を低減する効果がある。セラミックセンサー構造中に加熱源を入れることにより、作動温度に達するまでの時間を短縮でき、熱勾配や熱応力を最小とすることが出来、センサー性能、信頼性、寿命の向上をもたらす。
【００１４】
本発明の他の効果や要旨については、以下の図面の記載や発明の詳細な説明に記載された内容を読めば明らかになる。本発明のこれら及び他の要旨や効果は、以下の図面、記載、特許請求の範囲により十分に明らかになり、さらに以下に記載の本発明を実施することによっても知ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記の本発明の要旨、他の要旨、効果などの理解を助けるために、上述の本発明を以下に更に詳しく記載し、以下に示す図面を使用して具体的な実施態様を例示するが、これらの図面は本発明の好ましい実施態様を示すものであり、これらの図面に記載の実施態様は本発明の代表例であり、本発明はこれらの図面に記載の実施態様に限定されるものではなく、これらの図面を介して更に種々の具体的実施態様が記載され、説明されると考えるべきである。
【００１６】
本発明の好ましい実施態様は、一貫した各部の符号により示される図面を参照することにより、よい容易に理解できる。一般的に記載されたり又は図示されている本発明の各構成要素は種々の異なる構成に変更可能である。したがって、以下の図１〜９に記載される本発明の多層セラミックＮＯｘガスセンサー装置の実施態様の具体的記載に本発明の要旨は限定されるものではなく、これらは単なる例示であると考えるべきである。
【００１７】
本発明の１実施態様としては、ＮОｘのセンサー部材として使用される多層セラミック構造の形成方法が挙げられる。ＮОｘのセンサー装置の全形は、米国特許出願第１１／１３７６９３号（２００５年５月２５日出願）に記載されており、上記出願全内容を本発明に参照により引用する。上記米国特許出願に開示された装置はセンサー部材を含む。ＮОｘのセンサー装置の１つの要旨として、２つの距離を置いた温度領域を形成する能力を有することである。一方の温度領域は、ガス調製触媒および酸素センサーに関連する温度であり、他方の温度領域は、ＮОｘのセンサー部材の混合電位に関連する。本発明においては、このようなセンサー装置における新規のセンサー部材を提供するものである。
【００１８】
本発明のセンサー部材は、セラミックセンサー部材の小型化およびセラミック部材の小型化の範囲における複数の要旨により装置全体の性能が向上する。本発明のセラミックセンサー部材は、ＮＯｘガスセンサー等の単一のセンサー用電気化学的セルを有していてもよく、また、酸素センサー及びＮＯｘガスセンサー等の２種以上のセンサー用電気化学的セルを有していてもよい。本発明のセンサー部材は、更に、ヒーター部材としての機能を有する少なくとも１つ、通常２つのメタル化パターンを有し、メタル化パターンの接点に電圧および電流を印加した際にセラミック構造体の全体を加熱できる。
【００１９】
センサー部材のセラミック構造体中にこれらのヒーター部材を入れることにより、センサー電極の熱伝導速度が増加する。そして、センサー部材のセンサー構成要素の軌道時間を極めて短く（起動を速くする）することが出来る。更に、ヒーターのパターン形状および多層セラミックパッケージの構成を最適とすることにより、温度の急変による熱応力を最小とすることが出来る。これらの要旨は、センサー装置の寿命および信頼性を向上させる。
【００２０】
以下に、本発明の具体的な実施態様の構成、使用および試験について幾つかの諸例を挙げ説明するが、これらの実施態様は本質的に本発明の例示であって、本発明の要旨はこれらの諸例に限定されない。
【実施例】
【００２１】
実施例１：
図１．ａに、多層ガスセンサー部材１０の基本構成を示す。具体的には、ガスセンサー部材１０は、概略図に示すように、センサー部材１０と重複するセンサー筐体１２を形成する層３０、層４０、層５０、層６０、層７０および層８０の各層から成る。この概略図は、センサー部材１０の構成要素間の関係を示すものである。
【００２２】
センサー部材１０において、酸素センサー３２は、ヒーター部材５２の近くで且つセンサー部材１０の外表面の特別な位置に配置される。標準電極３４は酸素センサー層３０の内側表面上の実質的に酸素センサー３２と同一位置に配置される。その結果、図１．ａを見ると、酸素センサー３２と標準電極３４は重なって見える。同様に、ＮＯｘセンサー８２は、ヒーター部材５４の近くで且つセンサー部材１０の外表面の特別な位置に配置される。標準電極８４はＮＯｘセンサー層８０の内側表面上の実質的にＮＯｘセンサー８２と同一位置に配置される。その結果、図１．ａを見ると、ＮＯｘセンサー８２と標準電極８４は重なって見える。本発明のセンサー部材のある実施態様において、酸素に対して鈍感に作用するＮＯｘセンサー等のガスセンサーを使用する。そのような場合、酸素センサーは省略することが出来る。炭化水素センサー及び／又はＣＯセンサー等の他のセンサーは、ここに記載されるセンサーの代りに交換してもよい。
【００２３】
ヒーター部材５２は酸素センサー３２を約５００〜約９００℃、好ましくは約６５０〜約７５０℃に加熱して第１の温度領域５１を形成するように構成されている。ある特殊なケースにおいて、ヒーター部材５２は、酸素センサー３２を加熱して、約７００℃の第１の温度領域５１を形成するように構成されている。ヒーター部材５４はＮＯｘセンサー８２を約４００〜約６００℃、好ましくは約４５０〜約５５０℃に加熱して第２の温度領域５３を形成するように構成されている。ある特殊なケースにおいて、ヒーター部材５２は、ＮＯｘセンサー８２を加熱して、約５００℃の第１の温度領域５３を形成するように構成されている。なお、米国特許出願第１１／１３７６９３号に記載されているようなセンサー装置に装填する場合、ヒーター部材５２及び５４は、更に触媒を加熱し、装置全体の機能を向上させる。
【００２４】
図１．ｂは、センサー部材１０の各層３０、４０、５０、６０、７０及び８０の上面図を示す。各層３０、４０、５０、６０、７０及び８０は、最初に、ジルコニウム粉末にバインダー、溶媒および可塑剤を混合したテープ作成に好適なスラリーを使用して作成されるグリーンセラミックテープから製造される。種々のイオン導電セラミック材料が知られており、本発明のセンサー部材１０のセンサー筐体１２の導電部分を形成するのに適することは当業者に理解されるであろう。ある実施態様において、装置中に非導電または絶縁領域を加えることが好ましい場合がある。種々の絶縁性セラミック材料が知られており、センサー部材１０のセンサー筐体１２を構成するために使用できることは当業者に理解されるであろう。ジルコニウムスラリーを作成した後、スラリーをテープ状に成形し、最終センサー部材を製造するための更なる製造工程の前に乾燥が施される。乾燥テープの各セグメントは、従来公知の方法で近似形に切断される。
【００２５】
図１．ｂに示すように、酸素センサー層３０は、酸素センサー電極（図示せず）及び標準電極３４を有する。酸素センサー電極３２は、通常、白金から成り、図１．ａに示す多層センサー１０が組み立てられ、焼結（以下に詳述する）するまで酸素センサー層３０上に印刷されない。ある実施態様において、焼結前に酸素センサー３２が酸素センサー層３０上に印刷されていてもよい場合もあるが、酸素センサー３２の焼結は多孔性を減少させるため、感度および効率が悪くなることがある。
【００２６】
次に設けられる第１通路層４０を図１．ｂに示す。この通路層４０は、空気などの標準（基準）ガスを流入させるためのセンサー部材１０にまで達する通路４２の切抜き部を有する。通路４２の長さ及び幾何学形状は、本発明の要旨の範囲内において種々の態様を取り得る。第２通路層７０も図１．ｂに示されており、センサー部材１０にまで達する通路７２の切抜き部を有する。通路４２及び７２は、センサー部材１０内に空気を流通させ、酸素センサー層３０及びＮＯｘセンサー層８０の内側表面に設けられた標準電極３４及び８４に空気を到達させることが出来る。第１通路層４０に設けられた通路４２及び第２通路層７０に設けられた通路７２は本発明の要旨の範囲内において種々の大きさ及び幾何学形状を取り得る。
【００２７】
図１．ｂは、更に、第１及び第２の温度領域を形成するためのヒーター部材５２及び５４を有するヒーター層５０を示す。これらのヒーター５２及び５４は異なる電源によって個別に制御されてもよく、又、同一電源で第１及び第２の温度領域を形成できるようなヒーター５２及び５４の抵抗値を変化させるように構成されていてもよい。ヒーターの抵抗は、例えばヒーター５２及び５４の長さを増加させる等の当業者には自明の種々の方法が採用できる。ヒーター５２及び５４は、酸素センサー３２及びＮＯｘセンサー８２の近くで、センサー部材１０を組立てる際のセンサー筐体１の反対側に配置される。ヒーター５２及び５４のために設けられる電極は、スクリーン印刷され、センサー部材１０の組立てに先立って８０℃で２時間ほど乾燥する。スクリーン印刷（層３０、５０および８０に対する）を容易にするために、図２に示すように各層３０、４０、５０、６０、７０、及び８０を重ねて印刷し、これにより、層４０及び７０の通路４２及び７２の切り込みも容易にする。
【００２８】
電極のスクリーン印刷を行った後、グリーンセラミック層３０、４０、５０、６０、７０及び８０は、溶媒接着、加熱積層または他の公知の方法により積層される。加熱積層法を採用する場合、個々の層は積層プレス機などでプレスされる。層３０、４０、５０、６０、７０及び８０の積層を行った後、センサー部材１０は公知の方法で最終形状に切り抜かれ、焼結処理される。図３には、２つの積層され切り抜かれて焼結処理される多層セラミックセンサーパッケージが示される。
【００２９】
グリーン積層セラミックテープセンサーパッケージ１０は、１４７５℃で２時間ほど焼結させ、図４．ａ及び図４．ｂに示すようなセンサー部材を製造する。焼結処理に引続き、セラミックセンサー部材１０は、図１．ａ及び図１．ｂに概略を示したような酸素センサー層３０の対応する場所に酸素センサーのための白金電極を塗工して形成する。セラミックセンサー部材１０の反対側のＮＯｘセンサー層８０に対応する場所に、ＮＯｘセンサー８２を形成するために、ＷＯ３／ＺｒＯ２電極を塗工して形成する。ＮＯｘセンサー電極８２は、好ましくは高温によるグリーンテープ内でのジルコニウムの化学反応を避けるために、焼結工程後にセンサー部材１０上に配置される。電極の配置形成が完了したら、センサー部材１０は、約８００〜約１０００℃、好ましくは約８５０〜約９５０℃に焼結し、酸素センサー３２及びＮＯｘセンサー８２をセンサー筐体１２の外側に強固に接着させることを促進させる。
【００３０】
本発明のセンサー部材１０の他の実施態様において、センサー３２及び８２が半導体酸化物から成る混合電位であってもよい。ある実施態様において、半導体酸化物は、ＷＯ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４等の少なくとも１種から成る。また、ある実施態様において、複合酸化物を使用してもよい。複合酸化物としては、ＮｉＣｒ２Ｏ４、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＣｒＭｎ２Ｏ４、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｒＯ３、ＬａＳｒＦｅＯ３等の少なくとも１種から成る。
【００３１】
ガスセンサー部材１０を構成する層３０、４０、５０、６０、７０及び８０の数や構成は本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能であることは当業者に理解されるであろう。特に、センサー３２及び８２又はヒーター５２及び５４は種々の配置が考えられ、例えばセンサー筐体１２を構成する層数を減らすために、１つの層の表裏に配置することも考えられる。更に、通路４２及び７２は、貫通するような切れ込みの代りに、エンボス加工（浮き出し加工）されていたり部分的に層がエッチングされているようなものであってもよい。また、電極の材料、形状、配置なども、当業者は本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である．
【００３２】
実施例２：
実施例１に示す平板状多層センサー部材１０は種々の効果を奏するが、図５に示すようなチューブ状センサー筐体１１２の形成における多層センサー部材１１０の製造方法も有利な効果を奏する。図５は、多層チューブ状センサー部材１１０の概念図を示し、図１〜図４に示すセンサー部材１０に、更に、酸素センサー電極１３２とＮＯｘセンサー電極１８２の両方と共に２つの異なる温度領域１５１及び１５３を加えたものである。センサー１３２及び１８２は、共通の空気標準電極１３４を共有する。図５に示す第１の温度領域１５１と第２の温度領域１５３とは、実際上分離した領域ではなく、その境界は連続的な中間温度を有し、明確な境界を持たない温度領域であると考えるべきである。
【００３３】
図５に示すチューブ状センサー１１０の作成方法は、先ず、電極１３２及び１８２に関連する２つの異なる温度領域１５１及び１５３を形成するための２つの別々のヒーター１５２及び１５４を含むセラミックチューブ状多層構造を形成する。このようなセラミック構造を作成するために、ジルコニウム粉末にバインダー、溶媒および可塑剤を混合したテープ成形に好適なスラリーを作成する。得られたスラリーをテープ状に成形し、乾燥させ、厚さ約０．０１５インチのグリーンセラミックテープ１１４を作成する。図６は、所望の長さに切断し、白金インクでスクリーン印刷してヒーター電極１５２及び１５４を形成するグリーンセラミックテープ１１４を示す。これらのヒーター部材１５２及び１５４は、異なるパターン１５６Ａ及び１５６Ｂを有し、２つの異なる温度領域を形成する。なお、図６に示したパターン１５６Ａ及び１５６Ｂは単なる例示であって、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。特に、ヒーター部材１５２及び１５４の大きさ及び長さは異なる温度領域を形成するために種々の変更が可能である。１例として、酸素センサー１３２のための温度領域１５１を形成するためのヒーター部材１５２は、加熱をより多く行うために長さを長くし、より曲がりくねった構造にする。
【００３４】
上述の様に、図６は、ヒーター１５２及び１５４を作成するための白金インクをスクリーン印刷したグリーンジルコニウムテープ１１４の概略図を示す。白金インクが適切に乾燥した後、グリーンテープ１１４をチューブの心棒に巻き付け、テルピネオールを用いてセンサー筐体１１２の巻き付けた層を一緒に接着する。グリーンテープ１１４を心棒に完全に巻き付け、乾燥した後に、１４７５℃で２時間ほど焼結処理する。図７は、焼結後のジルコニウムチューブ状センサー筐体１１２の形成におけるセンサー部材１１０の概略図で、センサー筐体１１２の内側表面に白金電極パターンを有する。焼結セラミックセンサー部材１１０のヒーター部材１５２及び１５４の性能をテストした。
【００３５】
センサー部材１１０のヒーター部材１５２及び１５４の性能テストでは、先ずヒーター１５２及び１５４の接点にリード線を取付け、ヒーター部材１５２及び１５４にＤＣ電源を接続した。ヒーター部材１５２及び１５４は、それぞれ目的とする５００℃及び７００℃の温度領域を形成した。ヒーター部材１５２及び１５４のテストは５００時間行った。図８は、ヒーター部材１５２及び１５４による加熱速度と温度プロフィールのテストの概略図を示す。ヒーター部材１５２及び１５４は、ヒーターパターン１５６Ａ及び１５６Ｂをそれぞれ使用しており、センサー部材１１０における触媒／酸素センサー１３２に必要な温度領域１５１と、ＮＯｘセンサー１８２に必要な温度領域１５３のそれぞれ異なる２つの温度領域を形成することに成功している。
【００３６】
図９に本発明の多層センサーの他の実施態様の概略図を示す。図９は、多層平板状センサーアセンブリ２１０の他の実施態様である、図１．ｂに示される様に配列された個々の層を示す。この実施態様において、図１〜図４を基に上記詳述した実施態様と同様の組立てが行われる。センサー２１０は、任意層の第１層２３０を有する。層２３０は、ヒーター層２４０のヒーター２５２及び２５４に通じる孔２３２を有する。ヒーター層２４０は、中間層２５０によって通路層２６０から離れて位置する。通路層２６０は、図９のＥに記載したセンサー層２７０の内側表面２７４上に位置する空気標準電極２７２に空気を流通できるような通路２６２を有する。酸素センサー電極２７４及びＮＯｘセンサー電極２７６は、それぞれ、図９のＥ’として示されるセンサー層２７０の外表面上に、上記の図１〜図４に示す実施態様と同様に配置される。
【００３７】
以上、本発明の実施態様を図示し、記載したが、本発明の要旨を逸脱することなく、上記の実施態様について種々の変更が可能であることは明らかであり、本発明は、特許請求の範囲のみにおいて限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１．ａ】本発明の平板状多層セラミックセンサーの組立図における１実施態様の概略図
【図１．ｂ】本発明の平板状多層セラミックセンサーの組立部品における各層の上面図、Ａ層：最外層、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及びＦ層：内層（Ｆ層が最も低次の内層）
【図２】本発明の平板センサー組立図の層を形成するためのグリーンセラミックテープの各構成要素の概略図
【図３】図２に示す各層を積層して組立てられた本発明の多層ＮＯｘセンサーの１対であり、焼結処理のために最終形状に切取られる段階の概略図
【図４．ａ】焼結処理した本発明の多層ＮＯｘセンサーの上面図
【図４．ｂ】焼結処理した本発明の多層ＮＯｘセンサーの底面図
【図５】チューブ状で、共通の空気標準電極に沿って配置される２つのヒーターと酸素センサーとＮＯｘセンサーとを有する本発明の多層ＮＯｘセンサーの他の実施態様を示す平面図
【図６】チューブ型センサー筐体に使用する未焼結ジルコニアテープ上のスクリーン印刷ヒーターのパターン図
【図７】図６に示すテープから構成される焼結ジルコニアチューブ型ＮＯｘセンサーの斜視図
【図８】図７に示すチューブ型ＮＯｘセンサーのヒーター性能を測定する概略図
【図９】任意第１層Ａ、内層Ｂ、内層Ｃ、内層Ｄ及び外層Ｅ（Ｅ層は内層Ｅと外層Ｅ’に２つ存在する）から成る本発明の多層平面センサー組立部品の別の実施態様における各層の概略図
【符号の説明】
【００３９】
１０：多層ガスセンサー部材
１２：センサー筐体
３０：酸素センサー層
３２：酸素センサー
３４：標準電極
４０：第１通路層
４２：通路
５０：ヒーター層
５１：第１の温度領域
５２：ヒーター部材
５３：第２の温度領域
５４：ヒーター部材
６０：層
７０：第２通路層
７２：通路
８０：ＮＯｘセンサー層
８２：ＮＯｘセンサー
８４：標準電極
１１０：多層センサー部材
１１２：チューブ状センサー筐体
１１４：グリーンセラミックテープ
１３２：酸素センサー電極
１３４：空気標準電極
１４２：標準空気通路
１５１：第１の温度領域
１５２：ヒーター電極
１５３：第２の温度領域
１５４：ヒーター電極
１５６Ａ：パターン
１５６Ｂ：パターン
１８２：ＮＯｘセンサー電極
２１０：多層平板状センサーアセンブリ
２３０：第１層
２３２：孔
２４０：ヒーター層
２５０：中間層
２５２：ヒーター
２５４：ヒーター
２６０：通路層
２６２：通路
２７０：センサー層
２７２：空気標準電極
２７４：酸素センサー電極
２７６：ＮＯｘセンサー電極
【図１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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