(57)【要約】【課題】小型化でき導電部断線を容易に確認できる限界電流方式ガスセンサーを提供する。【解決手段】本発明の限界電流方式ガスセンサーは、一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成した固体電解質基板、一方の面が固体電解質基板の一方の面と対向し、他方の面にアノード電極用端子及びカソード電極用端子を形成したセラミックス基板、固体電解質基板及びセラミックス基板の間に形成された接合材、固体電解質基板、セラミックス基板、及び接合材によって形成された拡散室、拡散室と外部とを連通する拡散律速孔としての管、セラミックス基板の１の端部に形成され、切りかき面がセラミックス基板のアノード電極用端子及び固体電解質基板のアノード電極に接続された導電部で覆われた切りかき部、及びセラミックス基板の他の端部に形成され、セラミックス基板のカソード電極用端子及び固体電解質基板のカソード電極に接続された導電部を有する。【選択図】図５
2006337187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成した固体電解質基板、
一方の面が前記固体電解質基板の一方の面と対向し、他方の面にアノード電極用端子及びカソード電極用端子を形成したセラミックス基板、
前記固体電解質基板及び前記セラミックス基板の間に形成された接合材、
前記固体電解質基板、前記セラミックス基板、及び前記接合材によって形成された少なくとも１つの拡散室、
前記拡散室と外部とを連通する拡散律速孔としての少なくとも１本の管、
前記セラミックス基板の１の端部に形成され、切りかき面の一部又は全部が前記セラミックス基板の前記アノード電極用端子及び前記固体電解質基板のアノード電極に電気的に接続された導電部で覆われた切りかき部、及び
前記セラミックス基板の他の端部に形成され、前記セラミックス基板の前記カソード電極用端子及び前記固体電解質基板のカソード電極に電気的に接続された導電部、
を有することを特徴とする限界電流方式ガスセンサー。
【請求項２】
前記セラミックス基板は、他方の面に、ヒータ、及び前記ヒータに接続したヒータ用電極端子をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項３】
前記セラミックス基板は、一方の面に前記管を嵌込するための溝を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項４】
前記管は、前記接合材を貫通することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項５】
前記固体電解質基板は、組成比がＢａＺｒｘＣｅ１−ｘ−ｙＩｎｙＯ３−α（ただし、αは酸素の欠損を示し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、α＝（１／２）ｙの各式が成立する）である固体電解質で構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項６】
前記管は、ＳＵＳ材、ニッケル材、鉄材、銅材、及び貴金属類材の中から選ばれた１種以上の金属材料を用いて形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項７】
前記管は、内周面及び外周面のいずれか一方又は両方にＡｕメッキ加工を行ったことを特徴とする請求項６に記載の限界電流方式ガスセンサー。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサーを備えたガス漏れ検知器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサーを備えたガス濃度測定器。
【請求項１０】
一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成した固体電解質基板、
一方の面が前記固体電解質基板の一方の面と対向し、他方の面にアノード電極用端子及びカソード電極用端子を形成したセラミックス基板、
前記固体電解質基板及び前記セラミックス基板の間に形成された接合材、
前記固体電解質基板、前記セラミックス基板、及び前記接合材によって形成された少なくとも１つの拡散室、
前記拡散室と外部とを連通する拡散律速孔としての少なくとも１本の管、
前記セラミックス基板の１の端部に形成され、切りかき面の一部又は全部が前記セラミックス基板の前記アノード電極用端子及び前記固体電解質基板のアノード電極に電気的に接続された導電部で覆われた切りかき部、及び
前記セラミックス基板の他の端部に形成され、前記セラミックス基板の前記カソード電極用端子及び前記固体電解質基板のカソード電極に電気的に接続された導電部、
を有する限界電流方式ガスセンサーを製造するための方法であって、
前記管が酸化しやすい材料で構成されている場合に、還元雰囲気で焼成する焼成ステップ
を有することを特徴とする限界電流方式ガスセンサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いた、小型化が可能な限界電流方式ガスセンサー、その製造方法、ガス漏れ検知器、及びガス濃度測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の省エネルギー化の動向に伴い、自動車や一般家庭用の発電機等に、水素ガスを燃料としたエネルギー密度の高い燃料電池を用いるための開発が進んでいる。水素ガスは、豊富なエネルギー源として期待される一方、爆発の危険性があるので、これらの水素ガスを燃料とする燃料電池を用いた各種装置には、安全面上、水素ガスセンサーを併載することが不可欠である。今後、水素ガスセンサーに代表されるガスセンサーの需要は、更に高まると予想される。
【０００３】
一般的なガスセンサーである固体電解質を使用したガスセンサー、特に被検出ガスの拡散による限界電流を測定する限界電流方式のガスセンサーにおいて、固体電解質基板面に形成されたアノード電極膜及びカソード電極膜を、固体電解質基板に接合された絶縁基板に電気的に導出するための構造が知られている。従来例のガスセンサーは、絶縁基板に円形状のスルーホールを形成し、そのスルーホールを介して、固体電解質基板のアノード電極及びカソード電極から絶縁基板上の電極に電気的に導出していた。
【０００４】
図９を参照して、従来例のガスセンサーについて説明する。図９は、従来例のガスセンサーの構造を示す図である。図９において、絶縁基板１００、両面に電極膜を形成した固体電解質基板１０１、絶縁基板１００と固体電解質基板１０１との間に形成された電極膜１０２、電極端子（パッド）１０３及び１０７、円形状のスルーホール１０４及び１０８、固体電解質基板１０１の上面（絶縁基板１００とは反対側の面）の電極膜に接続した電極１０５、電極１０５と電極端子１０７とを電気的に接続するためのリード線１０６が図示されている。電極端子１０３は、電極膜１０２に接続されている。
【０００５】
上記の構成を有する従来例のガスセンサーにおいて、電極端子１０３及び１０７は、固体電解質基板１０１の両面に形成された電極膜にそれぞれ電気的に接続されている。また、電極端子１０３及び１０７は、その裏面で、絶縁基板１００に形成されたホール状のスルーホール１０４及び１０８と接続している。したがって、固体電解質基板１０１の両面に形成された電極膜は、スルーホール１０４及び１０８を介して、絶縁基板１００の裏面に形成された別の電極端子（図示しない）に電気的に接続される。
【０００６】
従来例のガスセンサーは、上記のように、絶縁基板にスルーホールを設けることによって、固体電解質基板のアノード電極及びカソード電極から絶縁基板上の電極に電気的に導出する構成を実現するものであった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−００５８７４号公報（第１図、第２図、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の従来例のガスセンサーでは、絶縁基板上でスルーホールが大きな面積を領有するので、絶縁基板の小型化、ひいてはセンサー本体の小型化が困難である、という問題があった。あえて小型化しようとすれば、絶縁基板に対して固体電解質基板のサイズを小さくする必要が生じ、その結果、固体電解質からの出力電流が小さくなってしまう。
【０００９】
また、上記の従来例のガスセンサーでは、スルーホールの導電部が絶縁基板の内部で断線した場合に、目視ではその確認が困難である、という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、小型化に適し、導電部の断線を容易に確認できる限界電流方式ガスセンサー、その製造方法、ガス漏れ検知器、及びガス濃度測定器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
請求項１に記載の限界電流方式ガスセンサーは、一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成した固体電解質基板、一方の面が前記固体電解質基板の一方の面と対向し、他方の面にアノード電極用端子及びカソード電極用端子を形成したセラミックス基板、前記固体電解質基板及び前記セラミックス基板の間に形成された接合材、前記固体電解質基板、前記セラミックス基板、及び前記接合材によって形成された少なくとも１つの拡散室、前記拡散室と外部とを連通する拡散律速孔としての少なくとも１本の管、前記セラミックス基板の１の端部に形成され、切りかき面の一部又は全部が前記セラミックス基板の前記アノード電極用端子及び前記固体電解質基板のアノード電極に電気的に接続された導電部で覆われた切りかき部、及び前記セラミックス基板の他の端部に形成され、前記セラミックス基板の前記カソード電極用端子及び前記固体電解質基板のカソード電極に電気的に接続された導電部、を有する。
【００１２】
この発明によれば、固体電解質基板のアノード電極及びカソード電極からセラミックス基板上の電極に電気的に導出するためにスルーホールを設ける必要が無く、小型化に適している。従来と同じ大きさの限界電流方式ガスセンサーであれば、固体電解質基板を大きくできるため、出力電流を大きくすることができる。また、固体電解質基板のアノード電極及びカソード電極と、セラミックス基板のアノード電極用端子及びカソード電極用端子とをそれぞれ接続するための導電部が外部から目視できる構造であるので、導電部の断線等を容易に確認することができる。
【００１３】
請求項８に記載のガス漏れ検知器は、請求項１乃至請求項７のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサーを備える。また、請求項９に記載のガス濃度測定器は、請求項１乃至請求項７のいずれかの請求項に記載の限界電流方式ガスセンサーを備える。これらの発明によれば、上記した限界電流方式ガスセンサーと同等の効果を奏するガス漏れ検知器及びガス濃度測定器を実現できる。  
【００１４】
請求項１０に記載の限界電流方式ガスセンサーの製造方法は、請求項１に記載の限界電流方式ガスセンサーを製造するための方法であって、上記の管が酸化しやすい材料で構成されている場合に、還元雰囲気で焼成する焼成ステップを有する。これらの発明によれば、酸化しやすい材料であっても、上記の管を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の限界電流方式ガスセンサーによれば、小型化に適し、導電部の断線を容易に確認できる限界電流方式ガスセンサー、その製造方法、ガス漏れ検知器、及びガス濃度測定器を実現することができる、という有利な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施例について、図面とともに記載する。
【実施例１】
【００１７】
図１〜図８、図１０を参照して、本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーを用いた水素ガス漏れ検知器について説明する。本実施例において、限界電流方式ガスセンサーは、水素ガスを検出するための水素ガスセンサーである。まず、本実施例における水素ガスセンサーの構造及び製造方法について説明する。
【００１８】
図１（ａ）は、本実施例における水素ガスセンサーの固体電解質基板１の断面図である。図１（ａ）は、後述する図１（ｂ）及び（ｃ）におけるＡ−Ａ線での断面図である。固体電解質基板１の材料としては、ＢａＺｒｘＣｅ１−ｘ−ｙＩｎｙＯ３−αの組成比を持つ、高出力かつ酸化性又は還元性の両雰囲気で使用できる、ペロフスカイト構造のバリウム−セリウム−ジルコニウム−インジウム系酸化物等が好ましい。ここで、αは酸素の欠損を示す。また、ｘ、ｙ及びαに関して、以下の式（１）〜（３）が成り立つ。
０≦ｘ＜１    ・・・（１）
０≦ｙ＜１    ・・・（２）
α＝（１／２）ｙ  ・・・（３）
【００１９】
図１（ａ）に示すように、固体電解質基板１の一方の表面にはアノード電極２、他方の表面にはカソード電極３がそれぞれ形成されている。アノード電極２及びカソード電極３は、白金系の電極膜である。この電極膜は、白金粉末、結合剤及びビークルを混合したペースト（以下、「白金ペースト」と記す）をスクリーン印刷等で固体電解質基板１上に印刷することによって形成する。印刷後、例えば、１００〜３００℃で乾燥させ、更に７００〜１２００℃で焼成して固定する。
【００２０】
一例として、図１（ｂ）に、略円形状の固体電解質基板１をアノード電極２側の面から見た斜視図、図１（ｃ）に、カソード電極３側の面から見た斜視図を示す。アノード電極２は、固体電解質基板１の一方の側の縁にまで延在し、他方の側の縁とは所定距離分離れている。カソード電極３は、固体電解質基板１の他方の側の縁にまで延在し、一方の側の縁とは所定距離分離れている。
【００２１】
固体電解質基板１の形状、及び固体電解質基板１の両面に形成されるアノード電極２及びカソード電極３の形状は、図示した略円形状の他、楕円形状、矩形状、多角形状、その他の形状、あるいは、それらを組み合わせた複合形状等、如何なる形状でも何等問題なく本発明の構造を適用し得る。
【００２２】
図２（ａ）は、固体電解質基板１と接合されるセラミックス基板４を、固体電解質基板１との接合面側から見た図、図２（ｂ）は、上記のセラミックス基板４を開放面側から見た図である。セラミックス基板４としては、固体電解質基板１の熱膨張係数とほぼ等しい材質のものが好ましく、例えば、フォルステライト材料等が良好な結果が得られた。セラミックス基板４の形状は、図示した略正方形状の他、他の矩形状、円形状、楕円形状、多角形状、その他の形状、あるいはそれらを組み合わせた形状等、如何なる複合形状でも何等問題なく本発明の構造を適用し得る。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、セラミックス基板４の固体電解質基板１との接合側の面にはガラス膜５が形成されている。ガラス膜５は、ガラス粉末及びビークルを混合したペースト（以下、「ガラスペースト」と記す）をセラミックス基板４の固体電解質基板１側の面上に厚膜印刷して形成する。ガラス膜５には細管用溝６が形成されている。
【００２４】
細管用溝６には、金属系材料あるいはセラミックス系材料よりなる微小な管である細管７を嵌込し、拡散律速孔とする。細管７の管口の断面の形状は、略円形状、略多角形状、矩形状、楕円状等種々のものを何等の制限なく適用し得る。本実施例における水素ガスセンサーにおいて、細管７のサイズは、水素ガスの原子径を考慮すると、φ１０〜３０μｍ、長さ２〜５ｍｍ程度であることが好ましい。このような直径及び長さにすることによって、形成される拡散律速孔により、水素ガスの律速を行い、限界電流が定められる。
【００２５】
例えば、細管７の材料として金属系材料を用いる場合、カーボンファイバーにＡｕメッキをし、さらにその上からＮｉメッキをした後、焼成によってカーボンファイバーを炭化消滅させることによって細管７を作製することができる。細管７に金属系材料を用いる場合は、ＳＵＳ系材料、ニッケル系材料、銅系材料、及び貴金属系材料から選ばれる一種以上の金属材料で形成された細管が最適であるが、耐熱性を有し、拡散律速孔に適した細孔を有する管が形成できる金属系材料であれば、如何なる材料でも何等問題なく用いることができる。
【００２６】
細管７の内周面及び外周面のいずれか一方又は両方に、Ａｕメッキを施しても良く、これにより、酸化性や腐食性ガスを検出するための限界電流方式ガスセンサーの拡散律速部を形成することができる。
【００２７】
細管７の材料としてセラミックス系材料を用いる場合、現在の技術では、上記のサイズの細管７を高精度に作製することは困難であるが、原子径又は分子サイズの大きいガス（例えば、酸素ガス、炭化水素ガス等）を検知するためのガスセンサー（例えば酸素センサー、炭化水素センサー等）であれば、上記のサイズより大きい細管であっても十分使用可能である。セラミックス系材料としては、例えば、フォルステライト、ステアタイト、アルミナ、マグネシア、結晶化ガラス等が好ましいが、耐熱性、耐酸化性、耐蝕性について良好である材料で細管が形成できるもので有れば、如何なる材料でも適用できる。図２（ａ）において、細管７は１本であるが、複数本設けても良い。
【００２８】
ガラス膜５の上面には、セラミックス基板４を固体電解質基板１と貼り合せるための貼り合せ用ペースト（接合材）８が形成されている。張り合せ用ペースト５は、ガラスペーストである。貼り合せ用ペースト８は、固体電解質基板１及びセラミックス基板４の熱膨張係数に近いペーストを用いることが好ましい。ガラス膜５及び貼り合せ用ペースト８としては、絶縁体、耐熱性、耐酸化性、耐蝕性について良好である材料が好適である。
【００２９】
ガラス膜５の上面に貼り合せ用ペースト８を形成する工程より前の工程において、貼り合せ用ペースト８の形成位置に、図示しないギャップ制御材１６を載置する。ギャップ制御材１６は、固体電解質基板１とセラミックス基板４との間の間隔を制御し、固体電解質基板１とセラミックス基板４と貼り合せ用ペースト８とによって形成される拡散室を、所定の容積以上確保するために用いられる。細管７は、この拡散室と外部とを連通し、水素ガスを拡散室内部に流入させる。ギャップ制御材１６としては、比較的硬質で、絶縁体、耐熱性について良好である材料が好ましい。
【００３０】
図２（ａ）において、一例として、貼り合せ用ペースト８がリング状に形成されているが、この形状に限らず、固体電解質基板１とセラミックス基板４とを接合可能で、かつ拡散室を形成可能な形状であれば、如何なる形状に形成されても良い。ギャップ制御材１６の載置位置は、必ずしも貼り合せ用ペースト８の形成位置でなくとも良い。ギャップ制御材１６の形状は、少なくとも３点において固体電解質基板１を安定に支持できれば、如何なる形状であっても良い。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板４の開放面側（図２（ｂ）の上側の面）には、アノード電極用端子９、カソード電極用端子１０、ヒータパターン（ヒータ）１１、及びヒータパターン用電極端子（ヒータ用電極端子）１２が作製されている。アノード電極用端子９、カソード電極用端子１０、ヒータパターン１１及びヒータパターン用電極端子１２は、既述した白金ペースト等を用いてセラミックス基板４の開放面上に厚膜印刷し、焼成することによって形成されている。ヒータパターン用電極端子１２は、ヒータパターン１１に接続されている。ヒータパターン１１を通して所定の値の電流をヒータパターン用電極１２に流すことにより、水素分子の解離反応を促進するため、固体電解質基板１が所定の動作温度にまで加熱される。ヒータパターン１１の形状は実施例の円形のもの以外にも任意の形が用いうる。
【００３２】
セラミックス基板４には、グラインダー、レーザー、ドリル等を用いて、切りかき部１３が形成されている。切りかき部１３の形状は、図２（ｂ）において、一例として略半円状のものが示されているが、この形状に限らず、一部を切り取った略円形状、楔状、略多角形状又はその他の複合形状等、如何なる形状であっても良い。他の例として、図１０に、切りかき部１３が取りうる複数の形状を示した。この時、貼り合せ用ペースト８は切りかき部１３によって切断されない。
【００３３】
図３は、細管７の形状の他の例を示す図である。図３に示すように、細管７は、リング状の貼り合せ用ペースト８に沿って直線状と円弧状とを組み合わせた形状であっても良く、拡散室となる部分と外部とを連通可能な形状であれば、直線状、曲線状、屈曲状、それらの組み合わせ形状等、如何なる形状であっても良い。
【００３４】
図４は、固体電解質基板１とセラミックス基板４の貼り合せパターンを示す図である。図４を参照して、以下に、貼り合せ工程について、詳細を説明する。
【００３５】
まず、ガラス膜５が形成され細管７が細管用溝６に嵌込した状態のセラミックス基板４の、固体電解質基板１との接合面上に図示しないギャップ制御材１６を載置する。ギャップ制御材１６の上、細管用溝６の一部の上、及び細管７の一部の上に、貼り合せ用ペースト８をスクリーン印刷等で厚膜印刷する。その後、固体電解質基板１のアノード電極２及びカソード電極３の焼成温度より低い温度（例えば、５００〜８００℃）でセラミックス基板４を仮焼する。この際、細管７の材質に依っては、炉内を還元雰囲気にする等の必要がある。例えば、細管７に酸化しやすいニッケル管を用いる場合は、仮焼によって起こるニッケルの酸化を防ぐために、炉内を還元雰囲気にする。
【００３６】
次に、固体電解質基板１のカソード電極２側の面と、セラミックス基板４の貼り合せ用ペースト８を形成した側の面とを接触させ、接触させた固体電解質基板１及びセラミックス基板４に荷重をかけながら、固体電解質基板１のセラミックス基板４を貼り合せ用ペースト８の推奨焼成温度で焼成して圧着する。この時、固体電解質基板１のアノード電極２（図４において、固体電解質基板１の裏面）が固体電解質基板１の端部にまで延在している部分と切りかき部１３とが重なるように位置させる。焼成は、例えば、６００〜９００℃で３０分間、焼結炉で焼結させる。仮焼の場合と同様に、細管７にニッケル管を用いる場合は、焼結によって起こるニッケルの酸化を防ぐために、炉内を還元雰囲気にする。
【００３７】
図２〜図４において、セラミックス基板４にギャップ制御材１６を載置し、貼り合せ用ペースト５を形成したが、これに代えて、固体電解質基板１、あるいは、固体電解質基板１及びセラミックス基板４の両方にギャップ制御材を載置し、貼り合せ用ペースト５を形成しても良い。
【００３８】
図５（ａ）は、貼り合せ後の固体電解質基板１及びセラミックス基板４を、セラミックス基板４の開放面側から見た図、図５（ｂ）は、固体電解質基板１の開放面側から見た図である。
【００３９】
次に、図５（ａ）に示すように、セラミックス基板４の切りかき部１３の切りかき面に、導電膜１４を形成する。導電膜１４は、セラミックス基板４のアノード電極用端子９と、固体電解質基板１のアノード電極２（アノード電極２が固体電解質基板１の端部にまで延在している部分）とに接続している。
【００４０】
また、セラミックス基板４の切りかき部１３とは反対側の端部に、導電膜１５を形成する。導電膜１５は、セラミックス基板４のカソード電極用端子１０と、接合している固体電解質基板１のカソード電極３とに接続する。図５（ｂ）に示すように、導電膜１５は、固体電解質基板１のカソード電極３が固体電解質基板１の端部にまで延在している部分に接続している。導電膜１４及び１５としては、例えば、Ｐｔペースト又はＡｕペースト等を用いることができる。
【００４１】
図６は、図５（ａ）におけるｂＢ−Ｂｂ面での断面図である、
上記のように構成された、水素ガスセンサーにおいて、図６に示すように、固体電解質基板１とセラミックス基板４と貼り合せ用ペースト８との間には、拡散室１７が形成されている。貼り合せ用ペースト８は切りかき部１３によって切断されないので、拡散室１７は、細管７によってのみ外部と連通される。
【００４２】
固体電解質基板１のアノード電極２は、導電膜１４を介して、セラミックス基板４のアノード電極用端子９に接続している。固体電解質基板１のカソード電極３は、導電膜１５を介して、セラミックス基板４のカソード電極用電極１０（図６）に接続している。
【００４３】
上記した水素ガスセンサーを他の外部回路と接続するために、さらに、セラミックス基板４のアノード電極用端子９をアノード電極用リード線（図示しない）、カソード電極用端子１０にカソード電極用リード線（図示しない）、ヒータパターン電極用端子１１にはヒータ用リード線（図示しない）を接合しても良い。
【００４４】
以下、図８を参照して、上記の構成を有する水素ガスセンサーを用いたガス漏れ検知器について説明する。本実施例のガス漏れ検知器は、水素ガスを燃料とする燃料電池のガス漏れを検知する。図８は、本実施例におけるガス漏れ検知器の構成を示す図である。
【００４５】
図８において、ガス漏れ検知器は、水素ガスセンサー３０と、センサー出力装置３１を有する。センサー出力装置３１は、接続部３２、電源供給部３３、制御部３４、入力電流処理部３５、出力部３６を有する。
【００４６】
接続部３２は、水素ガスセンサー３０の２つのヒータパターン用電極１２にそれぞれ接続する第１及び第２の接続ラインＬ１及びＬ２と、水素ガスセンサー３０のアノード電極用端子９及びカソード電極用端子１０にそれぞれ接続する第３及び第４の接続ラインＬ３及びＬ４を介して、水素ガスセンサー３０とセンサー出力装置３１とを接続する。電源供給部３３は、接続部３２、制御部３４、出力部３６に、それぞれ所定の電源を供給する。
【００４７】
入力電流処理部３５は、接続部３２の第３及び第４の接続ラインＬ３及びＬ４を介して、水素ガスセンサーのアノード電極用端子９及びカソード電極用端子１０間に流れる、水素分子の解離反応によるイオン電流を検出する。入力電流処理部３５は、検出したイオン電流に対して、対応する水素ガス濃度に変換する演算処理を行い、演算結果を電圧信号Ｖｄに変換した上で制御部３４に出力する。
【００４８】
制御部３４は、接続部３２の第１及び第２の接続ラインＬ１及びＬ２を介して、水素ガスセンサー３０のヒータパターン用電極１２に電流を流す。これにより、水素ガスセンサー３０のヒータパターン１１を加熱し、水素ガスセンサー３０の固体電解質基板１が所定の動作温度になるよう温度制御する。所定の動作温度とは、水素分子の解離反応を促進するための最適な温度を含む所定の温度範囲を言う。
【００４９】
また、制御部３４は、入力電流処理部３５から入力される電圧信号Ｖｄを、電源供給部３３から入力される基準値Ｖｒｅｆと比較し、電圧信号Ｖｄが基準値Ｖｒｅｆよりも大きい場合に（あるいは、電圧信号Ｖｄが基準値Ｖｒｅｆを超えた期間が一定期間以上継続した場合に）、出力部３６に出力指示を出力する。基準値Ｖｒｅｆとしては、例えば、水素濃度が０．１％の時の電圧信号と同等の値、爆発限界である４％の時の電圧信号と同等の値等を使用環境に応じて選択すれば良く、予め実験等によって基準となる値を測定し、記憶部に記憶していても良い。制御部３４内に電源供給部３３から入力される電圧を所定の基準値に降圧あるいは昇圧するための手段を設けても良い。
【００５０】
出力部３６は、制御部３４から出力指示が入力された場合に、ＬＥＤを発光する。出力部３６は、ＬＥＤの発光に代えて、アラーム音の出力、音声ガイドの出力、モニタ等への警告画面表示であって良い。
【００５１】
以下、本実施例のガス漏れ検知器における、水素ガスのガス漏れを検知する場合の動作について説明する。
【００５２】
水素ガスセンサー３０の周辺に水素ガスが存在する場合、水素分子が細管７を通って外部から拡散室１７内へと流入する。拡散室１７内に流入した水素分子は、加熱された拡散室内において、拡散室１７を形成する固体電解質基板１のアノード電極２（白金ペーストで形成されている）を触媒として解離反応を起こし、水素陽イオンを放出する。この放出された水素陽イオンの量に応じて、固体電解質基板１のアノード電極２及びカソード電極３間を流れるイオン電流値が変化する。このイオン電流値の変化は、入力電流処理部３５によって検出される。入力電流処理部３５は、検出したイオン電流に対して演算を行い、電圧信号Ｖｄに変換して制御部３４に出力する。制御部３４は、入力電流処理部３５から入力された電圧信号Ｖｄを基準値Ｖｒｅｆと比較し、電圧信号Ｖｄが基準値Ｖｒｅｆよりも大きい場合、出力部３６のＬＥＤを発光させる。
【００５３】
以上のように、本実施例における水素ガスセンサーは、セラミックス基板に切りかき部を設けることによって、固体電解質基板の面積の増大の要因となる導出用のスルーホールを設ける必要がなく、小型化に適している。従来と同じ大きさのガスセンサーであれば、固体電解質基板の電極面積を大きく取ることが可能となり、出力電流の大きなガスセンサーを実現できる。
【００５４】
さらに、固体電解質基板のアノード電極及びカソード電極と、セラミックス基板のアノード電極用端子及びカソード電極用端子とをそれぞれ接続するための導電膜が外部から目視できる構造なので、導電部の断線を容易に確認することができる。
【００５５】
本発明のこの構成によれば、小型化に適し、導電部の断線を容易に確認できる限界電流方式ガスセンサーを実現することができる。また、同等の効果を奏するガス漏れ検知器及びガス濃度測定器を実現することができる。
【００５６】
本実施例において、限界電流方式ガスセンサーの使用例の一例として、水素ガスを燃料とする燃料電池のガス漏れを検知するためのガス漏れ検知器であった。しかし、本発明はこれに限定するものではなく、水素ガスステーション等の水素ガスを扱う他の装置や施設においても適用できる。
【００５７】
前記ガス漏れ検知器及びガス濃度測定器は、水素ガスに限らず、その他種々のガスにも適用できる。その場合、例えば、水素ガスセンサー３０を、被検出ガスの原子径又は分子サイズに適した拡散律速孔径である細管７を有する限界電流方式ガスセンサーと交換し、かつ、センサー出力装置３１の制御部３４が被検出ガスに適した温度制御を行うよう制御プログラムを変更する等によって対応可能である。
【実施例２】
【００５８】
図７を参照して、本発明の実施例２における限界電流方式ガスセンサーについて説明する。本実施例における限界電流方式ガスセンサーは、水素ガスを検知するための水素ガスセンサーである。
【００５９】
本実施例において、セラミックス基板４上の細管用溝６を除いた点、及び、細管７が細管用溝６に嵌込することに代えて貼り合せ用ペースト８の内部を貫通している点において、図１〜６を参照して詳細に説明した実施例１における水素ガスセンサーとは異なる。それ以外の点においては、実施例１における水素ガスセンサーと同様である、図１〜図６と同一符号を付した要素についての詳細な説明は省略する。
【００６０】
固体電解質基板１、固体電解質基板１上のアノード電極２及びカソード電極３は実施例１と同様に形成される。
【００６１】
図７は、固体電解質基板１と接合されるセラミックス基板４を、固体電解質基板１との接合面側から見た図である。
図７に示すように、セラミックス基板４の固体電解質基板１との接合側の面には、ガラス膜５が形成されている。ガラス膜５は、ガラスペーストをセラミックス基板４の固体電解質基板１側の全面に渡って厚膜印刷して形成する。
【００６２】
ガラス膜５の上側には、セラミックス基板４を固体電解質基板１と貼り合せるための貼り合せ用ペースト（接合材）８が形成されている。貼り合せ用ペースト８は、ガラスペーストである。貼り合せ用ペースト８は、固体電解質基板１及びセラミックス基板４の熱膨張係数に近いペーストを用いることが好ましい。ガラス膜５及び貼り合せ用ペースト８としては、絶縁性、耐熱性、耐酸化性、耐蝕性について良好である材料が好適である。
細管７、貼り合せ用ペースト８、切りかき部１３は、実施例１と同様に形成される。
【００６３】
固体電解質基板１とセラミックス基板４の貼り合せ工程において、まず、ガラス膜５が形成されたセラミックス基板４の固体電解質基板１との接合側の面にギャップ制御材１６を載置する。この時、ギャップ制御材１６は、細管７を配設する位置を回避して載置される。次に、細管７を所定の位置に配設する。細管７は、拡散室となる部分と外部とを連通できる位置でれば、どこに配設しても良い。
【００６４】
この状態で、ギャップ制御材１６の上及び細管７の一部の上に、貼り合せ用ペースト８をスクリーン印刷等で厚膜印刷する。その後、実施例１と同様に仮焼、焼成を行い、固体電解質基板１とセラミックス基板４を貼り合せる。
【００６５】
以上のように、本実施例における限界電流方式ガスセンサーは、細管用溝６を設けなくとも製造可能である。細管用溝６を設けるかどうかは、設計条件等に応じていずれかを選択すれば良い。
【００６６】
実施例１及び２において、限界電流方式ガスセンサーは水素ガスセンサーであった。しかし、これに限らず、固体電解質基板を用いた限界電流方式ガスセンサーであれば、水素ガス以外の種々のガスを検出するためのガスセンサーであって良い。その場合、被検出ガスの原子径及び分子サイズに適した拡散律速孔径となるよう細管７の口径を調節しさえすれば、何等問題なく本発明の構成及び構造を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る、限界電流方式ガスセンサーは、例えば水素ガスを燃料とする燃料電池を用いた燃料電池自動車のガス漏れ検知手段として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーの固体電解質基板の断面図  （ｂ）本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーの固体電解質基板をアノード電極側から見た図  （ｃ）本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーの固体電解質基板をカソード電極側から見た図
【図２】（ａ）本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーのセラミックス基板を固体電解質基板との接合側の面から見た図  （ｂ）本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーのセラミックス基板を開放面側から見た図
【図３】本発明の実施例１における細管の形状の他の例を示す図
【図４】本発明の実施例１における貼り合せ後の固体電解質基板とセラミックス基板を示す図
【図５】（ａ）本発明の実施例１における作製後の限界電流方式ガスセンサーを上側から見た図  （ｂ）本発明の実施例１における作製後の限界電流方式ガスセンサーを下側から見た図
【図６】図５に示した限界電流方式ガスセンサーの断面を示す図
【図７】本発明の実施例２における限界電流方式ガスセンサーのセラミックス基板を固体電解質基板との接合側の面から見た図
【図８】本発明の実施例１におけるガス漏れ検知器の構成を示す図
【図９】従来例のガスセンサーの構成を示す図
【図１０】本発明の実施例１における限界電流方式ガスセンサーの切りかき部の形状の例を示す図
【符号の説明】
【００６９】
１  固体電解質基板
２  アノード電極
３  カソード電極
４  セラミックス基板
５  ガラス膜
６  細管用溝
７  細管
８  貼り合せ用ペースト（接合材）
９  アノード電極用電極
１０  カソード電極用電極
１１  ヒータパターン（ヒータ）
１２  ヒータパターン用電極（ヒータ用電極）
１３  切りかき部
１４、１５  導電膜（導電部）
１６  ギャップ制御材
１７  拡散室
３０  水素ガスセンサー
３１  センサー出力装置
３２  接続部
３３  電源供給部
３４  制御部
３５  入力電流処理部
３６  出力部
【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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【図１０】
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