(57)【要約】【課題】本発明は、高精度な断面積を有する拡散律速路を接合体部分又はその近傍に形成し、小型で汎用性の高いガスセンサーを提供することを目的としている。【解決手段】本発明のガスセンサーは、固体電解質基板におけるセラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、セラミックス基板における固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体において、固体電解質基板とセラミックス基板と接合体とにより囲まれて形成された拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、第２の接合材に形成された溝により構築されている。【選択図】図１
2005140698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記第２の接合材に形成された溝により構築されたガスセンサー。
【請求項２】
両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記セラミックス基板に形成された溝により構築されたガスセンサー。
【請求項３】
両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記第２の接合材に形成された溝と前記セラミックス基板に形成された溝とにより構築されたガスセンサー。
【請求項４】
両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体、及び
前記接合体を貫通して配置され、貫通孔を有して耐熱性材料で形成された少なくとも１つのパイプ状体、を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されたガスセンサー。
【請求項５】
両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置され、前記固体電解質基板に対向する面に溝が形成されたセラミッス基板、
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体、及び
前記セラミックス基板の溝内に配置され、貫通孔を有して耐熱性材料で形成された少なくとも１つのパイプ状体、を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されたガスセンサー。
【請求項６】
拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が実質的に四角形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項７】
拡散律速路の断面形状の１辺が５〜１００μｍ、他辺が５〜１００μｍ、拡散律速路の全長が０．３〜１．５ｍｍの範囲内に形成された請求項６に記載のガスセンサー。
【請求項８】
拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が実質的に円形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項９】
拡散律速路の断面形状の直径が５〜１００μｍφ、拡散律速路の全長が０.３〜１.５ｍｍの範囲内に形成された請求項８に記載のガスセンサー。
【請求項１０】
拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が多角形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項１１】
セラミックス基板における第２の接合材が形成されていない面にヒータパターンが形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項１２】
拡散律速路が複数形成された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項１３】
固体電解質基板を用いた限界電流方式である請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項１４】
接合体の内部に、前記接合体の軟化点より高温の軟化点或いは融点より高温の融点を有する間隔制御材を含有している請求項１乃至５に記載のガスセンサー。
【請求項１５】
固体電解質基板の一方の面に形成されたアノード電極に接続されたアノード電極用リード線と、
前記固体電解質基板の他方の面に形成されたカソード電極に接続されたカソード電極用リード線と、
セラミックス基板における接合体が形成されていない面に形成されたヒータに接続されたヒータ電極用リード線と、をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサー。
【請求項１６】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を形成する工程、
前記第２の接合材に対して、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を切削する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、
を少なくとも有するガスセンサーの製造方法。
【請求項１７】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を形成する工程、
前記セラミックス基板と前記第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を切削する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、
を少なくとも有するガスセンサーの製造方法。
【請求項１８】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記セラミックス基板上の仮焼成された前記第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を少なくとも１個所切削して形成する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材を重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、
を少なくとも有するガスセンサーの製造方法。
【請求項１９】
セラミックス基板上の仮焼成された第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を少なくとも１個所切削して形成する工程において、前記第２の接合材とともに前記セラミックス基板に対して溝加工を行う請求項１８に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２０】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板における前記固体電解質基板との対向面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板の一方の面に第２の接合材を形成する工程、
前記第２の接合材に外部縁から内部縁まで横断する溝を切削により形成する工程、
前記第２の接合材に形成された溝内に、貫通孔を有して耐熱性材料で形成されたパイプ状体を配置する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、を少なくとも有し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されたガスセンサーの製造方法。
【請求項２１】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板に対向する面に溝を切削により形成する工程、
前記セラミックス基板に形成された溝内に、貫通孔を有して耐熱性材料で形成されたパイプ状体を配置する工程、
前記セラミックス基板における前記溝が形成された面に第２の接合材を形成する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、を少なくとも有し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されたガスセンサーの製造方法。
【請求項２２】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を印刷する工程、
前記第２の接合材の湿潤な状態において、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体を前記第２の接合材に貫通して所定位置に配置し乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、及び
接合された前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを高温酸化性雰囲気中で燃焼し、前記繊維状体を昇華させる工程、を少なくとも有し、
前記繊維状体の昇華により、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路を形成するガスセンサーの製造方法。
【請求項２３】
固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に溝を切削により形成する工程、
前記セラミックス基板に形成された溝内に、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体を配置する工程、
前記セラミックス基板の前記溝が形成された面に第２の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、及び
接合された前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを高温酸化性雰囲気中で燃焼し、前記繊維状体を昇華させる工程、を少なくとも有し、
前記繊維状体の昇華により、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路を形成するガスセンサーの製造方法。
【請求項２４】
繊維状体が炭素繊維で形成されている請求項２２又は２３に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２５】
セラミックス基板における第２の接合材が形成されていない面にヒータパターンが形成された請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２６】
拡散律速路が複数形成された請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２７】
固体電解質基板を用いた限界電流方式である請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２８】
接合体の内部に、前記接合体の軟化点より高温の軟化点或いは融点より高温の融点を有する間隔制御材を含有している請求項１６乃至２３に記載のガスセンサーの製造方法。
【請求項２９】
固体電解質基板の一方の面にアノード電極に接続されたアノード電極用リード線を形成する工程と、
前記固体電解質基板の他方の面にカソード電極に接続されたカソード電極用リード線を形成する工程と、
セラミックス基板における接合体が形成されていない面にヒータに接続されたヒータ電極用リード線を形成する工程と、をさらに有する請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載の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、固体電解質基板を用いたガスセンサー及びその製造方法に関し、特に、限界電流方式のガスセンサーにおけるガスの供給を制限するための拡散律速路の構成及びその拡散律速路の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特定の環境雰囲気中のガス成分を検出するガスセンサーとしては、半導体ガスセンサーと固体電解質ガスセンサーの二つの方式が知られている。
半導体ガスセンサーは、センサー素子表面に測定すべきガスが選択的に吸着するよう構成されており、測定すべきガスがセンサー素子表面に吸着したとき電気抵抗が変化する現象を測定原理とするものである。
固体電解質ガスセンサーは、イオン伝導性を有する固体電解質を用いたガスセンサーであり、起電力方式と限界電流方式の二つの方式がある。
【０００３】
前者の起電力方式のガスセンサーとしては、例えば炭化水素ガスセンサーがあり、この炭化水素ガスセンサーはプロトン伝導性を有する固体電解質基板の両面に一対の電極が形成されている。固体電解質ガスセンサーは、一方の電極を基準電極として外部環境雰囲気に接触させ、他方の電極を被測定環境雰囲気に接触させて、測定すべきガスである被検出ガスを反応物質とする固体電池が構成されている。この固体電池の起電力を測定することにより、固体電解質ガスセンサーは被検出ガスの有無を検知するものである。さらに、固体電解質ガスセンサーにおいては、一対の電極における炭化水素ガスの分圧に対応した電位差が検出されるため被検ガスのガス濃度を測定することも可能である。
【０００４】
後者の限界電流方式のガスセンサーとしては、例えば特許文献１に開示されている炭化水素ガスセンサーがある。
図１４は、特許文献１に開示された従来の炭化水素ガスセンサーの構成を示す断面図である。図１４において、プロトン伝導性を有する固体電解質基板１５１の上下両面には電極がそれぞれ形成されており、一方がカソード電極１５２（図１４における固体電解質基板１５１の上面側）であり、他方がアノード電極１５３である。アノード電極１５３は、固体電解質基板１５１と無機系接着剤１５４とセラミックス基板１５５とで形成された拡散室１５９内に配設されている。この拡散室１５９を形成する無機系接着剤１５４の一部には外部環境雰囲気と連通する拡散律速路１５７が形成されている。
【０００５】
セラミックス基板１５５の下面には固体電解質基板１５１を加熱するためのヒータ１５６が設けられている。また、ヒータ１５６が設けられたセラミックス基板１５５の下面には無機系接着剤１５４によりセラミックス材よりなる補助基板１５８が接合されている。この補助基板１５８はセラミックス基板１５５と略同じ熱膨張係数を有している。このように構成することにより、ヒータ発熱時において、セラミックス基板１５５の一方の面が局所的に急激に昇温することを防止し、セラミックス基板１５５の破損を防止している。
【０００６】
また、従来の限界電流方式のガスセンサーとしては、図１５に示した酸素ガスセンサーがある（特許文献２参照。）。図１５の酸素ガスセンサーは、酸素イオン透過体である固体電解質基板１７１の上面にカソード電極１７３が形成されており、その固体電解質基板１７１の下面にアノード電極１７２が形成されている。カソード電極１７３は酸素Ｏ２を酸素Ｏ２−イオンに還元し、アノード電極１７２は固体電解質基板１７１を通過した酸素Ｏ２−イオンを酸化して酸素ガスにするものである。固体電解質基板１７１の上面（カソード電極側面）は断面逆Ｕ字状のセラミックス材で形成された蓋体１７４により覆われている。蓋体１７４の上部には酸素ガス拡散用の拡散律速路１７６が形成されている。
【特許文献１】特開２０００−１９３６３７号公報（第２−６頁、図１、図４）
【特許文献２】特開昭５２−７２２８６号公報（第２―４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の炭化水素ガスセンサーのような構成において、無機系接着剤１５４としてガラスペーストを用い、このガラスペーストを固体電解質基板１５１とセラミックス基板１５５の両方に印刷して焼成した後、両者を重ね合わせて再焼成することにより、固体電解質基板１５１とセラミックス基板１５５とを接合していた。したがって、特許文献１における拡散律速路は、ガラスペーストのパターン印刷のみにより形成されていた。このように拡散律速路がパターン印刷により形成されているため、拡散律速路の断面積、形状及び長さを所望の値に高精度に形成することは困難であった。
【０００８】
特許文献２に記載の酸素ガスセンサーのような構成において、セラミックス材で形成された蓋体１７４に形成される拡散律速路１７６は、一般的にレーザ光により形成されている。このため、蓋体１７４に形成された拡散律速路１７６は先窄まりの孔形状となり易く、正確な円筒形状に形成することは困難であった。したがって、特許文献２に記載の酸素ガスセンサーのような構成においては、拡散律速路の断面積、形状及び長さを所望の値に高精度に形成することが困難であった。
【０００９】
ガスセンサーにおける拡散律速路は、その断面積、形状及び長さにより、各種ガスにおいて検知すべきガスを優先して選択的に拡散させることが可能となる。ガスセンサーでは、分子サイズの異なる混合ガス中において、分子サイズの小さいガスを選択的に検知するためには、分子サイズの大きいガスの拡散律速路における通過速度を遅くし、拡散が困難となる孔径とする必要がある。それを実現するためには、拡散律速路の孔径を数十μｍ程度まで小さくする必要があった。しかしながら、特許文献１に記載の炭化水素ガスセンサーにおける拡散律速路は、無機系接着剤のパターン印刷により形成する構成であるため、所望の断面積に形成することが困難であった。
【００１０】
そのため現実的には拡散律速路の断面積を変えずに長さを長くして、拡散の容易性に差を生じさせて、混合ガス中における分子サイズの大きいガスより分子サイズの小さいガスの方をより拡散しやすくさせることにより、ガスセンサーの選択性を実現していた。しかし、このような拡散律速路を長く形成したガスセンサーにおいては、拡散律速路に対する固体電解質基板の反応全面積を広くする必要があり、小型のガスセンサーを構築することが困難であった。また、従来のガスセンサーにおいて、固体電解質基板が大型化すると、固体電解質基板を加熱するためのヒータの消費電力が大きくなると共に、温度制御時の制御精度が悪くなり、さらに固体電解質基板内での温度分布が一様で無くなる等の解決すべき課題が多く生じていた。
【００１１】
本発明は、従来のガスセンサーにおける拡散律速路に関する課題を解決するものであり、高精度な断面積を有する拡散律速路を接合体部分及びその近傍に確実に形成して、小型で汎用性の高いガスセンサーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載のガスセンサーは、両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記第２の接合材に形成された溝により構築されている。このように構成された本発明のガスセンサーにおいては、第２の接合材に形成された溝が第１の接合材と接合されることにより高精度に形成された微細な孔を拡散律速路として用いる構成であるため、拡散律速路を形成するために特別の部材が不要であり、且つセンサー素子の側面に形成した孔を拡散律速路としているため、センサー素子の電極膜や、ヒータパターン或いはヒータ電極等を配設する場合に、その位置を制限する必要がなく、小型化を図ったガスセンサーの実現が容易となる。また、本発明においては、第２の接合材に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう構成されており、その孔が拡散律速路として用いられる構成であるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００１３】
本発明に係る請求項２に記載のガスセンサーは、両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記セラミックス基板に形成された溝により構築されている。このように構成された本発明のガスセンサーにおいて、拡散律速路はセラミックス基板の側面内に形成する構造であるため、拡散律速路の位置がヒータパターン或いはヒータ電極に影響を与えることがなく、且つ大きなサイズの拡散律速路を形成する必要がある場合でも、セラミックス基板の側面の長さ（厚み）が接合体の厚みに比べて大幅に大きいため、無理なく大きな開口サイズ（断面積）を有する拡散律速路を形成可能である。また、本発明においては、セラミックス基板に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう構成されており、その孔が拡散律速路として用いられる構成であるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００１４】
本発明に係る請求項３に記載のガスセンサーは、両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、及び
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する少なくとも１つの拡散律速路が、前記第２の接合材に形成された溝と前記セラミックス基板に形成された溝とにより構築されている。このように構成された本発明のガスセンサーにおいて、拡散律速路は接合体とセラミックス基板の側面内に形成する構造であるため、拡散律速路の位置がヒータパターン或いはヒータ電極に影響を与えることがなく、且つ大きなサイズの拡散律速路を形成することが可能である。また、本発明においては、第２の接合材に形成された溝及びセラミックス基板に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう構成されており、その孔が拡散律速路として用いられる構成であるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００１５】
本発明に係る請求項４に記載のガスセンサーは、両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置されたセラミックス基板、
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体、及び
前記接合体を貫通して配置され、貫通孔を有して耐熱性材料で形成された少なくとも１つのパイプ状体、を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されている。このように構成された本発明のガスセンサーにおいては、既存技術で形成された微細な孔を有するパイプ状体を接合体に埋設して、拡散律速路を形成しているため、本発明によれば拡散律速路の正確なサイズを組立以前に把握することができ、バラツキの少ない拡散律速路を有する高精度のガスセンサーを提供することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る請求項５に記載のガスセンサーは、両面に電極が形成された固体電解質基板、
前記固体電解質基板の一方の面に対向して所定空間を有して配置され、前記固体電解質基板に対向する面に溝が形成されたセラミッス基板、
前記固体電解質基板における前記セラミックス基板との対向面に形成された第１の接合材と、前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に形成された第２の接合材とを接合して形成された接合体、及び
前記セラミックス基板の溝内に配置され、貫通孔を有して耐熱性材料で形成された少なくとも１つのパイプ状体、を少なくとも具備し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されている。このように構成された本発明のガスセンサーにおいては、既存技術で形成された微細な孔を有するパイプ状体を接合体に埋設して、拡散律速路を形成しているため、拡散律速路の正確なサイズを組立以前に把握することができるとともに、大きな開口サイズを有する拡散律速路を形成することが可能である。
【００１７】
本発明に係る請求項６に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が実質的に四角形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る請求項７に記載のガスセンサーは、請求項６に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路の断面形状の１辺が５〜１００μｍ、他辺が５〜１００μｍ、拡散律速路の全長が０．３〜１．５ｍｍの範囲内に形成することが好ましい。このように構成された本発明のガスセンサーにおいては、最も分子サイズの小さい水素ガスから分子サイズの大きいプロパンガス或いはそれ以上の分子サイズのガスにほぼ問題なく適用することが可能である。
【００１９】
本発明に係る請求項８に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が実質的に円形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る請求項９に記載のガスセンサーは、請求項８に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路の断面形状の直径が５〜１００μｍφ、拡散律速路の全長が０.３〜１.５ｍｍの範囲内に形成することが好ましい。
【００２１】
本発明に係る請求項１０に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路の延設方向に直交する断面形状が多角形であり、当該拡散律速路の断面形状が始端から末端まで実質的に等しい断面積を有して形成することが好ましい。
【００２２】
本発明に係る請求項１１に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、セラミックス基板における第２の接合材が形成されていない面にヒータパターンを形成することが可能である。
【００２３】
本発明に係る請求項１２に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、拡散律速路を複数形成することが可能である。
【００２４】
本発明に係る請求項１３に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、固体電解質基板を用いた限界電流方式であってもよい。
【００２５】
本発明に係る請求項１４に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、接合体の内部に、前記接合体の軟化点より高温の軟化点或いは融点より高温の融点を有する間隔制御材を含有するよう構成してもよい。このように構成された本発明のガスセンサーにおいては、接合体中に間隔制御材が含有されているため、固体電解質基板とセラミックス基板との間隔を数μｍ〜数百μｍまで任意な距離に設定することができ、拡散律速路のサイズに応じた固体電解質基板とセラミックス基板との間隔で決まる拡散室の空間容積を容易に制御可能である。
【００２６】
本発明に係る請求項１５に記載のガスセンサーは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載された構成のガスセンサーにおいて、固体電解質基板の一方の面に形成されたアノード電極に接続されたアノード電極用リード線と、
前記固体電解質基板の他方の面に形成されたカソード電極に接続されたカソード電極用リード線と、
セラミックス基板における接合体が形成されていない面に形成されたヒータに接続されたヒータ電極用リード線と、をさらに具備する。
【００２７】
本発明に係る請求項１６に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を形成する工程、
前記第２の接合材に対して、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を切削する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、を少なくとも有する。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、第２の接合材に形成された溝が第１の接合材と接合されることにより高精度に形成された微細な孔を拡散律速路として用いる構成であるため、拡散律速路を形成するために特別の部材が不要であり、且つセンサー素子の側面に形成した孔を拡散律速路としているため、センサー素子の電極膜や、ヒータパターン或いはヒータ電極等を配設する場合に、それらに対応して位置制限を加える必要がなく、容易に小型化を図ることが可能となる。また、本発明においては、第２の接合材に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう形成されており、その孔が拡散律速路として用いられるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００２８】
本発明に係る請求項１７に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を形成する工程、
前記セラミックス基板と前記第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を切削する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、
を少なくとも有する。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、拡散律速路がセラミックス基板の側面内に形成する構造であるため、拡散律速路の位置がヒータパターン或いはヒータ電極に影響を与えることがなく、且つ大きなサイズの拡散律速路を形成する必要がある場合でも、セラミックス基板の側面の長さ（厚み）が接合体の厚みに比べて大幅に大きいため、無理なく大きな開口サイズ（断面積）を有する拡散律速路を形成可能である。また、本発明においては、セラミックス基板と第２の接合材に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう形成されており、その孔が拡散律速路として用いられるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００２９】
本発明に係る請求項１８に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記セラミックス基板上の仮焼成された前記第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を少なくとも１個所切削して形成する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材を重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、を少なくとも有する。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、第２の接合材に形成された溝が第１の接合材と接合されることにより、高精度に形成された微細な孔を拡散律速路として用いる構成であるため、拡散律速路を形成するために特別の部材が不要であり、且つセンサー素子の側面に形成した孔を拡散律速路としているため、センサー素子の電極膜や、ヒータパターン或いはヒータ電極等を配設する場合に、それらに対して位置制限を加える必要がなく、容易に小型化を図ることが可能となる。
【００３０】
本発明に係る請求項１９に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１８に記載された構成のガスセンサーの製造方法において、セラミックス基板上の仮焼成された第２の接合材に対して拡散室と外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路となる溝を少なくとも１個所切削して形成する工程において、前記第２の接合材とともに前記セラミックス基板に対して溝加工を行っている。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、大きなサイズの拡散律速路を形成する必要がある場合でも、セラミックス基板の側面の長さ（厚み）が接合体の厚みに比べて大幅に大きいため、無理なく大きな開口サイズを有する拡散律速路を形成可能である。また、本発明においては、第２の接合材とセラミックス基板に形成された溝が接合後において、拡散室と外部環境雰囲気とを連通する孔として残るよう形成されており、その孔が拡散律速路として用いられるため、溝の幅や深さを設定することにより拡散律速路のサイズを任意に選択でき、且つ均一な断面を有する拡散律速路を容易に形成可能となる。
【００３１】
本発明に係る請求項２０に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板における前記固体電解質基板との対向面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板の一方の面に第２の接合材を形成する工程、
前記第２の接合材に外部縁から内部縁まで横断する溝を切削により形成する工程、
前記第２の接合材に形成された溝内に、貫通孔を有して耐熱性材料で形成されたパイプ状体を配置する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、を少なくとも有し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されている。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、既存技術で形成された微細な孔を有するパイプ状体を接合体に埋設して、拡散律速路を形成しているため、拡散律速路の正確なサイズを組立以前に把握することができ、バラツキの少ない拡散律速路を有する高精度のガスセンサーを提供することが可能となる。
【００３２】
本発明に係る請求項２１に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を形成する工程、
セラミックス基板における前記固体電解質基板に対向する面に溝を切削により形成する工程、
前記セラミックス基板に形成された溝内に、貫通孔を有して耐熱性材料で形成されたパイプ状体を配置する工程、
前記セラミックス基板における前記溝が形成された面に第２の接合材を形成する工程、及び
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着結合する接合体を形成する工程、を少なくとも有し、
前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が、前記パイプ状体の貫通孔により構築されている。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法により製造されたガスセンサーは、既存技術で形成された微細な孔を有するパイプ状体を接合体に埋設して、拡散律速路を形成しているため、拡散律速路の正確なサイズを組立以前に把握することができるとともに、大きな開口サイズを有する拡散律速路を形成することが可能である。
【００３３】
本発明に係る請求項２２に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に第２の接合材を印刷する工程、
前記第２の接合材の湿潤な状態において、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体を前記第２の接合材に貫通して所定位置に配置し乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、及び
接合された前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを高温酸化性雰囲気中で燃焼し、前記繊維状体を昇華させる工程、を少なくとも有し、
前記繊維状体の昇華により、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が形成されている。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法によれば、拡散律速路として均一な微細な孔を容易に形成することが可能となる。また、本発明によれば、接合体内に燃焼、昇華する材料である繊維状体を埋設し、その材料を焼き切って形成された空洞を拡散律速路とする製造方法であるため、埋設する材料を選定することにより各種サイズの拡散律速路を容易に形成することができる。即ち、本発明によれば、拡散律速路として数μｍφの微細な孔から数百μｍφのような大きいサイズの孔まで容易に形成ができる。
【００３４】
本発明に係る請求項２３に記載のガスセンサーの製造方法は、固体電解質基板の両面に電極を形成する工程、
前記固体電解質基板の一方の面に第１の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記セラミックス基板における前記固体電解質基板との対向面に溝を切削により形成する工程、
前記セラミックス基板に形成された溝内に、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体を配置する工程、
前記セラミックス基板の前記溝が形成された面に第２の接合材を印刷後乾燥する工程、
前記固体電解質基板の第１の接合材とセラミックス基板の第２の接合材を仮焼成する工程、
前記第１の接合材と前記第２の接合材とを重ね合わせて押圧荷重状態で焼成し、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを密着接合する接合体を形成する工程、及び
接合された前記固体電解質基板と前記セラミックス基板とを高温酸化性雰囲気中で燃焼し、前記繊維状体を昇華させる工程、を少なくとも有し、
前記繊維状体の昇華により、前記固体電解質基板と前記セラミックス基板と前記接合体とにより囲まれて形成された拡散室と、外部環境雰囲気とを連通する拡散律速路が形成すされている。このような工程を有する本発明のガスセンサーの製造方法によれば、拡散律速路として均一な微細な孔を容易に形成することが可能となるとともに、大きな開口サイズを有する均一な拡散律速路を容易に形成することが可能となる。また、本発明によれば、セラミックス基板に形成された溝内で燃焼、昇華する材料である繊維状体を接合体に埋設し、その材料を焼き切って形成された空洞を拡散律速路とする製造方法であるため、埋設する材料を選定することにより各種サイズの拡散律速路を容易に形成することができる。即ち、本発明によれば、拡散律速路として数μｍφの微細な孔から数百μｍφのような大きいサイズの孔まで容易に形成ができる。
【００３５】
本発明に係る請求項２４に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項２２又は２３に記載されたガスセンサーの製造方法において、繊維状体が炭素繊維で形成してもよい。このように、本発明のガスセンサーの製造方法において、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体の材料として炭素繊維を用いた場合、炭素繊維はＰＡＮ系或いはピッチ系等各種材料より出発したものがあるが、出発原料に関係なく本発明に適用でき、それらの炭素繊維は数μｍφの微細なものから生産されており、その断面積も均一であり、ほぼ円形を有しているため、その炭素繊維が燃焼して生じた空洞は略円形であり均一な断面を有している。これにより、本発明のガスセンサーの製造方法によれば、精度の高い微細な拡散律速孔を容易に形成可能である。
【００３６】
本発明に係る請求項２５に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載されたガスセンサーの製造方法において、セラミックス基板における第２の接合材が形成されていない面にヒータパターンを形成することが可能である。
【００３７】
本発明に係る請求項２６に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載されたガスセンサーの製造方法において、拡散律速路を複数形成することが可能である。
【００３８】
本発明に係る請求項２７に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載されたガスセンサーの製造方法において、固体電解質基板を用いた限界電流方式であってもよい。
【００３９】
本発明に係る請求項２８に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載されたガスセンサーの製造方法において、接合体の内部に、前記接合体の軟化点より高温の軟化点或いは融点より高温の融点を有する間隔制御材を含有するよう構成してもよい。このように構成された本発明のガスセンサーの製造方法においては、接合体中に間隔制御材が含有されているため、固体電解質基板とセラミックス基板との間隔を数μｍ〜数百μｍまで任意な距離に設定することができ、拡散律速路のサイズに応じた固体電解質基板とセラミックス基板との間隔で決まる拡散室の空間容積を容易に制御可能である。
【００４０】
本発明に係る請求項２９に記載のガスセンサーの製造方法は、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載されたガスセンサーの製造方法において、固体電解質基板の一方の面にアノード電極に接続されたアノード電極用リード線を形成する工程と、
前記固体電解質基板の他方の面にカソード電極に接続されたカソード電極用リード線を形成する工程と、
セラミックス基板における接合体が形成されていない面にヒータに接続されたヒータ電極用リード線を形成する工程と、をさらに有する。このような工程を有するガスセンサーの製造方法により、小型で汎用性の高いガスセンサーを製造することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係るガスセンサー及びその製造方法によれば、高精度な断面積を有する拡散律速路を接合体部分及びその近傍に確実に形成することが可能となり、小型で汎用性の高いガスセンサーを提供することができる。
【００４２】
本発明によれば、固体電解質基板とセラミックス基板の接合体若しくは接合体に隣接するセラミックス基板の側面に微小な拡散律速路を形成した構成であるため、従来に比べて小型のガスセンサーを提供することができる。
【００４３】
本発明に係るガスセンサーは、微小な断面積の拡散律速路を確実に形成することが可能であるため、分子サイズの異なる混合ガス中より最小サイズのガス、或いは選択した拡散律速孔の断面積、拡散律速路の長さに適したガスが選択的に拡散するので、目的成分ガスを選択的に検知することできる。
【００４４】
また、本発明によれば、拡散律速路の断面積は微小であり、そして拡散律速路の延設方向の長さを短く構成することが可能であるため、従来のものよりさらに小さい反応面積を有するセンサー素子を作製することが可能となる。
【００４５】
また、本発明によれば、センサー素子を小型に作成できるため、固体電解質基板を加熱するヒータの消費電力を小さくすることが可能となる。
【００４６】
また、本発明によれば、固体電解質基板の体積が小さくても、高い性能を発揮できるため、固体電解質基板の小型化が可能となり、固体電解質基板の温度制御が容易となり、測定値の精度、測定値の安定性が大幅に向上する。
【００４７】
また、本発明のガスセンサーにおいては、非常に微細な断面積の拡散律速路をセラミックス基板内に形成しているため、拡散律速路に対して接合材の厚みや幅による制限が無くなると共に、セラミックス基板単体の状態で拡散律速路を形成できるという効果を有する。したがって、このような構成されたガスセンサーによれば、セラミックス基板単体の状態で拡散律速路を正確に形成して、センサー素子を組立可能であるため、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する工程で形成するより生産時の歩留まりが飛躍的に向上する。
【００４８】
また、本発明に係るガスセンサーは、拡散律速路として必要な断面積を有する耐熱性のパイプ状体を用いてセンサー素子が構成されているため、被検出ガスの選択性の大きいガスセンサーを実現することができるとともに、製造ロット間において限界電流値のバラツキの少ないガスセンサーを製造することができる。したがって、本発明によれば、混合ガスにおける特定の被検出ガスのガス成分を分析する場合、複数のガスセンサー間で選択係数の変動の少ない、精度の高いガスセンサーを確実に製造することができる。
【００４９】
また、本発明に係るガスセンサーの製造方法によれば、切削加工する刃の幅及び切削すべき深さ、或いは切削加工するレーザースポット径等を正確に制御することにより、接合後において優れた再現性を示す均一な断面積の拡散律速路が接合材中或いはセラミックス基板中に形成することができる。
【００５０】
また、本発明に係るガスセンサーの製造方法においては、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する微細な繊維状体を用いて拡散律速路を形成しているため、繊維状体の線径を選択することにより、希望する断面積の拡散律速路を容易に且つ確実に形成することができる。
【００５１】
さらに、本発明によれば、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する接合体に拡散律速路を形成する構成であるため、拡散律速路を形成するための特別な場所を必要とする構成ではなく、ガスセンサーの小型化に何等影響を与えることなく所望の拡散律速路を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明に係るガスセンサー及びその製造方法を実施するための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。以下の説明において、同一機能、構成を有する部材には同一の符号を付して説明する。
【００５３】
《実施の形態１》
本発明に係る実施の形態１の限界電流方式のガスセンサーを図１から図３を用いて説明する。特に、実施の形態１のガスセンサーにおける拡散律速路の形状、形成場所及び形成方法について詳細に説明する。なお、実施の形態１のガスセンサーにおいては、被検出ガスを水素ガスとしたガスセンサーについて説明するが、本発明は水素ガスセンサーに限定されるものではなく、いかなる被検出ガスに対するガスセンサーにおいても対応することが可能である。
図１は実施の形態１の限界電流方式のガスセンサーにおける主要部分であるセンサー素子としてのセンサー部の構成を示す分解斜視図である。図２は図１に示したセンサー部の一部を接合した状態を示す斜視図である。図３は図２に示したセンサー部のIII−III線を含む垂直面による断面図である。実施の形態１において、限界電流方式のガスセンサーにおけるセンサー部について説明するが、センサー部以外の構成は一般的に用いられている限界電流方式のガスセンサーの構成が適用される。
【００５４】
図１及び図２の斜視図に示すように、略正方形の固体電解質基板２１の表裏両面には電極膜２３，２４が形成されており、各電極膜２３，２４は固体電解質基板２１の表裏両面に密着して接合されている。図２においては固体電解質基板２１の裏面に形成した電極膜２４は省略されている。また、固体電解質基板２１の表裏両面に形成された電極膜２３，２４は、リード線に接続するための電極端子部を有し、その電極端子部が固体電解質基板２１の側面側に導出されているが、図においては省略している。
固体電解質基板２１の裏面に第１の接合材２６と第２の接合材２５により接着されるセラミックス基板２２は、固体電解質基板２１と熱膨張係数が近似している材料で形成されている。第１の接合材２６と第２の接合材２５は固体電解質基板２１とセラミックス基板２２とを気密性高く接着するための無機系の接着剤である。拡散室２７は固体電解質基板２１とセラミックス基板２２と第１の接合材２６と第２の接合材２５とにより囲まれた空間により形成されており、外部の環境雰囲気に対して、後述する第２の接合材２５に形成された拡散律速路以外の部分においては気密性が保たれている。
【００５５】
図１及び図２に示すように、矩形の枠体状に形成された第２の接合材２５は、その一辺の中央部分に外部環境雰囲気と拡散室２７とを連通する直線上の溝である拡散律速路２８が形成されている。この拡散律速路２８は、略正方形の枠体状の第２の接合材２５の一辺に他の平行な二辺と略平行に延設されている。
図３は、図２に示したセンサー部を接合した状態でIII−III線を含む垂直面により切断した断面図である。図３に示すように、実施の形態１のガスセンサーにおけるセンサー部は、上から一方の電極膜２３、固体電解質基板２１、他方の電極膜２４（図３においては省略）、第１の接合材２６、第２の接合材２５、セラミックス基板２２、及びヒータ２９が積層され接合されて構成されている。固体電解質基板２１、第１の接合材２６、第２の接合材２５、及びセラミックス基板２２の外形寸法は、実質的に同じの正方形状の寸法を有している。また、枠体状の第１の接合材２６及び第２の接合材２５の内側開口寸法は、略正方形の電極膜２４の外形寸法と実質的に同じ寸法を有している。拡散律速路２８は、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２とを第１の接合材２６及び第２の接合材２５により接着することにより形成されている。
【００５６】
図３において、第１の接合材２６と第２の接合材２５とを接合した後の接合体中において、符号４２で示す物質は第１の接合材２６と第２の接合材２５の内部にそれぞれ存在する間隔制御材であり、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２が微小な間隔を有して配置され、拡散室２７が形成されるよう配設されている。間隔制御材４２は、接合体の軟化点より高温の軟化点或いは融点より高温の融点を有する。このように接合体中に間隔制御材４２が含有されているため、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２との間隔を数μｍ〜数百μｍまで任意な距離に設定することができる。この結果、拡散律速路２８のサイズに応じて設定され、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２との間隔で決まる拡散室２７の空間容積を容易に制御可能である。
【００５７】
次に、実施の形態１のガスセンサーにおけるセンサー部の製造方法について説明する。
実施の形態１のガスセンサーにおいては、固体電解質基板２１が、例えばイットリウムで安定化した酸化ジルコニウム、又はペロブスカイト構造のバリウム−ジルコニウム−セリウム−インジウム系酸化物などで形成されている。固体電解質基板２１の両面に設けられた電極膜２３，２４は、カソード電極又はアノード電極となる白金系の電極膜により形成されている。電極膜２３，２４の形成方法は、白金微粉末に固体電解質基板２１との結合材及びビヒクルよりなるペーストを混合して、スクリーン印刷法で印刷し、乾燥後焼成して形成したものである。なお、電極膜２３，２４の形成方法としては、スクリーン印刷法以外に真空蒸着法、スパッター法或いは溶射法等の各種製膜法が適用できる。
【００５８】
セラミックス基板２２の裏面（図３における下面）には固体電解質基板２１を加熱するためのヒータ２９、例えば厚膜用白金ペーストをスクリーン印刷法でジグザグ状に印刷し、乾燥後焼成したものが形成されている。なお、ヒータとして鉄−クロム系金属箔をジグザグ状に形成したものを使用することも可能である。ヒータ２９により直接加熱されるセラミックス基板２２は、固体電解質２１と高気密で接合されているため、加熱により歪みが生じないよう両者の熱膨張係数は近似するものが用いられており、例えばセラミックス基板２２としてはフォルステライト材料等が有効である。
【００５９】
第１の接合材２６及び第２の接合材２５は、セラミックス基板２２と固体電解質基板２１におけるそれぞれの対向面の外周部分に形成されており、セラミックス基板２２と固体電解質基板２１とを気密性高く接着する接着剤である。第１の接合材２６及び第２の接合材２５は、例えば厚膜印刷用ガラスペーストであり、セラミックス基板２２及び固体電解質基板２１と熱膨張係数が近似したガラス微粉末と、間隔制御用材料と、ビヒクルとにより構成されている。この厚膜印刷用ガラスペーストをセラミックス基板２２と固体電解質基板２１におけるそれぞれの所望の位置に印刷後乾燥し、その後推奨されている焼成温度より低い温度（例えば１００〜２００℃）で仮焼成している。第１の接合材２６及び第２の接合材２５の各基板への印刷方法は、実施の形態１においてはスクリーン印刷法を用いたが、このスクリーン印刷法以外にも転写法や描画法等の他の方法も問題無く適用できる。
【００６０】
仮焼成した第１の接合材２６及び第２の接合材２５の中央部分にはセンサー部の拡散室２７となる空間が形成されている。セラミックス基板２２に印刷され仮焼成して形成された第２の接合材２５には、第２の接合材２５の一辺を横切るように微小な間隔を有する溝が形成されている。この溝がセンサー部における拡散律路２８を構成する。
第２の接合材２５に形成される溝の形成方法は、例えばシリコンウエハー上のＩＣチップを切断するダイシングソーやカッティングソーで切断して形成することができる。このような切断機としては、細かいダイヤモンドを埋め込んだ薄い外周刃（ダイヤモンドディスク）を有するダイサー式切断機がある。また、第２の接合材２５の溝の形成方法としては、微細なスポット径を有するレーザー光線で素材を焼き切り形成する方法もある。
【００６１】
以上のように作製されたセラミックス基板２２の第２の接合材２５と固体電解質基板２１の第１の接合材２６との接合面を重ね合わせて、荷重を加えた押圧状態で本焼成を行い、両基板を接合する。本焼成は、例えば、８５０℃で３０分行う。このとき、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２は、第１の接合材２６及び第２の接合材２５におけるガラスペースト中の間隔制御材４２の大きさにその間隔が制御され接合されている。間隔制御材４２は液晶パネルのガラス板を貼り合わせる時に使用されるギャップ制御材（微小で粒径が制御されたガラスビーズ等）が最適である。
【００６２】
実施の形態１のガスセンサーの製造方法においては、上記のように形成された固体電解質基板２１の一方の面にアノード電極に接続されるアノード電極用リード線が接続され、固体電解質基板２１の他方の面にカソード電極に接続されるカソード電極用リード線が接続される。また、セラミックス基板２２における第１の接合材２６と第２の接合材２５による接合体が形成されていない面に、ヒータ２９に接続されるヒータ電極用リード線が接続され、ガスセンサーが製造される。
【００６３】
上記のように製造された実施の形態１のガスセンサーにおいては、固体電解質基板２１とセラミックス基板２２の両基板の接合前に、第２の接合材２５に形成した溝が接合後にも確実に形成されており、この溝が限界電流式のガスセンサーの拡散律速路２８として機能する。したがって、上記の実施の形態１のガスセンサーの製造方法によれば、拡散律速路２８を簡単にかつ、確実に精度高く形成することが可能となる。特に、実施の形態１のガスセンサーの製造方法においては、ダイヤモンドを埋め込んだ薄い外周刃を有するダイサー式切断機や微細スポット径のレーザー光線等で精度高く溝を形成することができるため、断面が均一な拡散律速路２８を簡単に形成することができる。拡散律速路２８における断面積（拡散律速路２８の延設方向に直交する方向で切断した断面の面積）は、ダイサー式切断機における刃の厚み及び切り込み深さやレーザー光線のスポット径を制御することにより自由に選択可能である。
【００６４】
実施の形態１のガスセンサーにおいては、拡散律速路２８が第２の接合材２５を横切るように微小な幅で形成されているため、拡散律速路２８の延設方向の全長は０.３〜１.５ｍｍ程度と短く作製することができる。さらに実施の形態１のガスセンサーにおいては、第２の接合材２５の層中に作製するよう構成されているため、拡散律速路を形成のための特別の場所を設ける必要がなくガスセンサーの小型化に何等影響与える構成ではない。
なお、実施の形態１の構成において、拡散律速路の長さ（延設方向の長さ）を変更する場合には、第２の接合材２５のパターン幅或いは第２の接合材２５に対する延設方向の角度等を変更することにより対応することが可能である。
拡散律速路２８における開口サイズ（縦×横）としては、５×５μｍから１００×１００μｍの間が好ましく、より好適には１０×１０μｍから６０×６０μｍの間が最適である。拡散律速路の開口サイズ及び延設の長さは検出する対象ガスの分子サイズにより決定するものであるが、本発明に係る上記の実施の形態１のガスセンサーによれば、好適な開口サイズ及び長さを有する拡散律速路を容易に形成することが可能となる。
【００６５】
本発明に係る実施の形態１のガスセンサーにおいて、発明者らの実験によれば、拡散律速路の断面形状の１辺が５〜１００μｍ、他辺が５〜１００μｍ、拡散律速路の全長が０.３〜１.５ｍｍの範囲内に形成することが好ましい。このように形成された実施の形態１のガスセンサーにおいては、最も分子サイズの小さい水素ガスから分子サイズの大きいプロパンガス或いはそれ以上の分子サイズのガスにほぼ問題なく適用することが可能である。
【００６６】
なお、実施の形態１においては、拡散律速路をセラミックス基板２２に形成された第２の接合材２５に形成した例で説明したが、拡散律速路を固体電解質基板２１に形成された第１の接合材２６に形成することも可能である。ただし、この場合には固体電解質基板２１に形成された電極膜の位置と拡散律速路の位置とを考慮する必要がある。
【００６７】
《実施の形態２》
以下、本発明に係る実施の形態２の限界電流方式のガスセンサーについて説明する。実施の形態２の限界電流方式のガスセンサーにおいて、前述の実施の形態１と異なるところは拡散律速路の形状、形成位置及び形成方法であり、その他の構成は前述の実施の形態１の構成と同じであるため、同様の機能、構成を有する部品に同じ符号を付しその説明は省略する。したがって、以下の実施の形態２においては、拡散律速路の形状、形成位置及び形成方法について詳細に説明する。
【００６８】
図４は本発明に係る実施の形態２の限界電流方式のガスセンサーにおけるセンサー素子であるセンサー部を示す分解斜視図であり、センサー部の組立途中の状態を示している。図５は図４のＶ−Ｖ線を含む垂直面による断面図である。
実施の形態２のガスセンサーにおけるセンサー部は、前述の実施の形態１と同様に、固体電解質基板２１の上下両面には電極膜が形成されており、図４においては固体電解質基板２１の上面の電極膜２３を表示し、下面の電極膜は省略している。
【００６９】
図４に示す状態において、固体電解質基板２１の下面には第１の接合材２６の材料が印刷され、仮焼成されている。第１の接合材２６は固体電解質基板２１における電極膜（図示無し）の周りに形成されており、固体電解質基板２１の外形と略同じ四角い枠体状に形成されている。第１の接合材２６の材料は、前述の実施の形態１と同様に、無機系ガラスペーストに後述する間隔制御材４２を混合して形成されている。実施の形態２において、第１の接合材２６の仮焼成としては、１５０℃で３０分乾燥後、７００℃で３０分焼成した。
【００７０】
図４において下側に配置されているセラミックス基板５１の上面（固体電解質基板２１と対向する面）には、接合材５２の材料が印刷され、仮焼成されている。第２の接合材５２の材料は、前述の第１の接合材２６と同じ材料であり、ガラス微粉末と、間隔制御材４２と、ビヒクルとを混合して形成された厚膜印刷用ガラスペーストである。実施の形態２においては、第２の接合材５２の仮焼成としては、１５０℃で３０分乾燥後、７００℃で３０分焼成した。第２の接合材５２は第１の接合材２６と対向するよう形成されており、セラミックス基板５１の外形と略同じ四角い枠体状に形成されている。セラミックス基板５１の下面にはヒータ２９（図１参照）が配設されている。
【００７１】
図４に示すように、セラミックス基板５１における第２の接合材５２が形成されている面には、直線上に延びる切り溝５１ａが形成されている。この切り溝５１ａはセラミックス基板５１の一辺の中央部分に対して直交するよう形成されている。さらに、セラミックス基板５１の上面にある第２の接合材５２には、切り溝５１ａと対応する部分が切り欠け５２ａとなっている。
セラミックス基板５１の切り溝５１ａと第２の接合材５２の切り欠け５２ａは、セラミックス基板５１の上面に接合材５２が仮焼成されて形成されている状態において、溝加工が施される。すなわち、この溝加工において、仮焼成の第２の接合材５２を横切るよう切り欠け５２ａを形成すると同時に、下地のセラミックス基板５１の上面にも食い込んで溝加工される。セラミックス基板５１の上面に形成される切り溝５１ａは第２の接合材５２の幅よりさらに奥（中心部分近傍位置）まで切削加工される。このように形成されたセラミックス基板５１の切り溝５１ａが、固体電解質基板２１とセラミックス基板５１とを本焼成して接合した後のセンサー部における拡散律速路５４となる。また、接合材２６と接合材５２とを荷重して本焼成した後において、固体電解質基板２１とセラミックス基板５１との間には拡散室５３が形成される。図４においてはヒータ２９が省略されている。
【００７２】
図４に示した固体電解質基板２１上の第１の接合材２６とセラミックス基板５１上の第２の接合材５２とを合わせるように重ねて、上下から押圧荷重状態で本焼成し、接合体を形成した。実施の形態２において、接合体（２６、５２）を形成する本焼成としては、８５０℃で３０分行った。このように本焼成して接合した後の状態を図５に示す。図５は図４のＶ−Ｖ線を含む垂直面による断面図である。
図５に示すように、固体電解質基板２１とセラミックス基板５１との間にある焼成された接合体（２６、５２）の内部には拡散室５３を形成するための間隔制御材４２が存在している。実質的に球体状の間隔制御材４２の直径は、拡散室５３の高さが所望の値となるよう設定されている。実施の形態２における間隔制御材４２は、前述の実施の形態１と同じ材料のものが用いられた。
【００７３】
図５に示すように、実施の形態２ガスセンサーにおいて、センサー部の拡散律速路５４はセラミックス基板５１に形成されており、第２の接合材５２に形成した切り欠け５２ａは本焼成で略消滅している。しかし、拡散律速路５４はセラミックス基板５１にのみ形成する必要はなく、拡散律速路５４の位置はセラミックス基板５１と接合材の層体部分の両方にかかる状態でも何等問題はない。
発明者らが実験を行って確認したところ、拡散律速路が前述の図３に示した実施の形態１のように接合体の層体部分にある場合と、図５に示した実施の形態２のようにセラミックス基板にある場合との性能面等で比較したところ、どちらも同様の性能等を示し、その差は無かった。拡散律速路において、その延設方向に直交する断面積が大きいものが必要なときは、セラミックス基板の側面を有効に使うため、セラミックス基板の方を主とした拡散律速路を形成すればよい。特に、接合体の層体部分の厚みより拡散律速路の開口サイズの方が大きい場合には有効である。
【００７４】
実施の形態２における拡散律速路５４における開口サイズ（縦×横）としては、５×５μｍから１００×１００μｍの間が好ましく、より好適には１０×１０μｍから６０×６０μｍの間が最適である。拡散律速路５４の開口サイズ（断面積）及び延設方向の長さは検出する対象ガスの分子サイズにより決定するものであるが、本発明に係る上記の実施の形態２のガスセンサーによれば、好適な開口サイズ（断面積）及び長さの拡散律速路を容易に、且つ高精度に形成することが可能となる。
【００７５】
なお、実施の形態１及び実施の形態２において、拡散律速路を形成する方法は、両接合材を重ね合わせた状態で荷重を加えて焼成する方法で示したが、本発明はこの形成方法に限定されるものではない。例えば、溝加工後においてその溝中に無機材料を含んでない合成樹脂を埋め込み、その後、両接合材の接合面を重ね合わた荷重状態で不活性雰囲気中で焼成して接合し、そして、酸化性雰囲気中で溝中に埋め込んだ合成樹脂を燃焼、昇華させて拡散律速路を形成する方法もある。このような拡散律速路の形成方法も本発明に係るガスセンサーに適用することができ、このような拡散律速路の形成方法により正確な断面積を有する拡散律速路の実現が可能となる。
【００７６】
《実施の形態３》
以下、本発明に係る実施の形態３の限界電流方式のガスセンサーについて説明する。実施の形態３の限界電流方式のガスセンサーにおいて、前述の実施の形態１と異なるところは拡散律速路の形成方法であり、その形成方法以外の構成は実施の形態１と同じであるため、同様の機能、構成を有する部品に同じ符号を付しその説明は省略する。したがって、以下の実施の形態３においては、拡散律速路の形成方法について詳細に説明する。
【００７７】
図６は本発明に係る実施の形態３のガスセンサーにおけるセンサー素子であるセンサー部を示す分解斜視図であり、センサー部の組立途中の状態を示している。図７は図６のVII−VII線を含む垂直面による断面図である。
実施の形態３のガスセンサーにおけるセンサー部は、前述の実施の形態１と同様に、固体電解質基板２１の上下両面には電極膜が形成されており、図６においては固体電解質基板２１の上面の電極膜２３を表示し、下面の電極膜は省略している。また、図６に示す状態において、固体電解質基板２１の下面には第１の接合材２６の材料が四角い枠体状に印刷され、仮焼成されている。
【００７８】
図６において、固体電解質基板２１側と対向して配置されているセラミックス基板６１の上面には、第２の接合材６２の材料が印刷され、仮焼成されている。第２の接合材６２の材料は、前述の実施の形態１における第１の接合材２６と同じ材料であり、ガラス微粉末と、間隔制御材４２と、ビヒクルとを混合して形成された厚膜印刷用ガラスペーストである。実施の形態３において、第２の接合材６２の仮焼成としては、１５０℃で３０分乾燥後、７００℃で３０分焼成した。第２の接合材６２は、固体電解質基板２１の下面に形成された第１の接合材２６と対向するよう形成されており、セラミックス基板６１の外形と略同じ四角い枠体状に形成されている。セラミックス基板６１の下面にはヒータ２９（図１参照）が配設されている。図６においてはヒータ２９が省略されている。なお、図６における符号６４は、第１の接合材２６と第２の接合材６２とを荷重押圧状体で本焼成した後において、固体電解質基板２１とセラミックス基板６１との間に形成される空間である拡散室を示している。
【００７９】
実施の形態３のガスセンサーにおけるセンサー部において、セラミックス基板６１の一方の面に仮焼成状態で形成された第２の接合材６２には、この第２の接合材６２を横切るように拡散律速路となる細路を有する耐熱性のパイプ状体６３が配設されている。パイプ状体６３は、第２の接合材６２を仮焼成した後、溝加工して、この溝中にパイプ状体６３を挿入したものである。実施の形態３において、パイプ状体６３の材料としてフォルステライトを用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく耐熱性を有し、接合材と同等の膨張係数を有している材料であればよい。
【００８０】
図６に示した固体電解質基板２１上の第１の接合材２６とセラミックス基板６１上の第２の接合材６２とを合わせるように重ねて、上下から押圧荷重状態で本焼成し、接合体を形成した。実施の形態３において、接合体（２６、６２）を形成する本焼成としては、８５０℃で３０分行った。このように本焼成して接合した後の状態を図７に示す。図７は図６のVII−VII線を含む垂直面による断面図である。
図７に示すように、固体電解質基板２１とセラミックス基板６１との間にある焼成された接合体（２６、６２）の内部には拡散室６４の高さを確保するための間隔制御材４２が存在している。また、接合体（２６、６２）の内部には微小孔を有するパイプ状体６３が接合体（２６、６２）と密着して埋設されており、パイプ状体６３の微小孔が接合体（２６、６２）に形成した微小な拡散律速路６５となる。
【００８１】
本発明に係る実施の形態３のガスセンサーにおいては、接合体（２６、６２）の内部に微小孔を有するパイプ状体６３を埋設して、拡散律速路６５を形成するものである。したがって、実施の形態３のガスセンサーの製造方法においては、予め正確に形成された微小な開口径を有する耐熱性のパイプ状体６３を埋め込んで拡散律速路６５を形成するため、ガスセンサー組立前に拡散律速路６５のサイズ（断面積及び延設方向の長さ）を正確に把握することができ、高精度のガスセンサーを構築することができる。また、実施の形態３のガスセンサーによれば、拡散律速路６５のサイズのバラツキによるトラブルが極端に少なくなるため、信頼性の高いガスセンサーを提供することが可能となる。さらに、実施の形態３のガスセンサーにおいては、パイプ状体６３の長さを自由に選択できるため、パイプ状体６３の全長を調節することによりガス拡散速度を調整することが可能となる。
【００８２】
なお、実施の形態３においては、パイプ状体６３をセラミックス基板６１に形成された第２の接合材６２に埋設した例で説明したが、パイプ状体６３を固体電解質基板２１に形成された第１の接合材２６に埋設して、拡散律速路６５を形成することも可能である。ただし、この場合には固体電解質基板２１に形成された電極膜の位置と拡散律速路の位置とを考慮する必要がある。
また、実施の形態３の構成において、第１の接合材２６と第２の接合材６２との接合面近傍若しくは接合面上に拡散律速路６５を形成することが可能である。この場合には、セラミックス基板６１に印刷された湿潤な状態の第２の接合材６２に対してパイプ状体６３を所望の位置に配置し、このセラミックス基板６１上の第２の接合材６２を固体電解質基板２１に印刷された湿潤な第１の接合材２６に荷重押圧状態で本焼成することにより、接合体における所望の位置に拡散律速路６５を形成することができる。
【００８３】
《実施の形態４》
以下、本発明に係る実施の形態４の限界電流方式のガスセンサーについて説明する。実施の形態４の限界電流方式のガスセンサーは、図４に示した実施の形態２の構成に図６に示した実施の形態３において示したパイプ状体６３を用いて拡散律速路を形成したものである。したがって、前述の実施の形態２と異なるところは拡散律速路の形成方法であり、その形成方法以外の構成は実施の形態２と実質的に同じであるため、同様の機能、構成を有する部品に同じ符号を付しその説明は省略する。したがって、以下の実施の形態４においては、拡散律速路の形成方法について詳細に説明する。
【００８４】
図８は本発明に係る実施の形態４のガスセンサーにおけるセンサー素子であるセンサー部を示す分解斜視図であり、センサー部の組立途中の状態を示している。図９は図８のIX−IX線を含む垂直面による断面図である。
実施の形態４のガスセンサーにおけるセンサー部は、前述の実施の形態１から実施の形態３と同様に、固体電解質基板２１の上下両面には電極膜が形成されており、図８においては固体電解質基板２１の上面の電極膜２３を表示し、下面の電極膜は省略している。また、図８に示す状態において、固体電解質基板２１の下面には第１の接合材２６の材料が四角い枠体状に印刷され、仮焼成されている。
【００８５】
図８に示すように、セラミックス基板８１における固体電解質基板２１と対向する面には、直線上に延びる切り溝８１ａが形成されている。この切り溝８１ａはセラミックス基板８１の一辺に直交するよう、その中央部分に形成されている。セラミックス基板８１の切り溝８１ａは、例えばダイサー式切断機等による溝加工により形成される。セラミックス基板８１の上面に形成される切り溝８１ａは中心部分近傍位置まで切削加工されている。このように形成されたセラミックス基板８１の切り溝８１ａには、前述の実施の形態３において用いた微小孔を有するパイプ状体６３が配設される。このパイプ状体６３の微小孔がセンサー部の拡散律速路６５となる。
【００８６】
上記のように、パイプ状体６３が配設された切り溝８１ａを有するセラミックス基板８１の上面には、第２の接合材８２の材料が印刷され、仮焼成される。第２の接合材８２の材料は、前述の実施の形態１における接合材２６と同じ材料であり、ガラス微粉末と、間隔制御材４２と、ビヒクルとを混合して形成された厚膜印刷用ガラスペーストである。実施の形態４において、第２の接合材８２の仮焼成としては、１５０℃で３０分乾燥後、７００℃で３０分焼成した。第２の接合材８２は、固体電解質基板２１の下面に形成された第１の接合材２６と対向するよう形成されており、セラミックス基板８１の外形と略同じ四角い枠体状に形成されている。セラミックス基板８１の下面にはヒータ２９（図１参照）が配設されている。なお、図８においてはヒータ２９が省略されている。図８における符号８３は、第１の接合材２６と第２の接合材８２とを荷重押圧状体で本焼成した後において、固体電解質基板２１とセラミックス基板８１との間に形成される空間である拡散室を示している。
【００８７】
図８に示した固体電解質基板２１上の第１の接合材２６とセラミックス基板８１上の第２の接合材８２とを合わせるように重ねて、上下から押圧荷重状態で本焼成し、接合体を形成した。実施の形態４において、接合体（２６、８２）を形成するための本焼成としては、８５０℃で３０分行った。このように本焼成して接合した後の状態を図９に示す。図９は図８のIX−IX線を含む垂直面による断面図である。
【００８８】
図９に示すように、セラミックス基板８１に形成された切り溝８１ａ内に耐熱性のパイプ状体６３が配設され、微小孔である拡散律速路６５が形成されている。パイプ状体６３は切り溝８１ａ内の接合体（２６、８２）の層体内部に埋設されており、前記セラミックス基板８１とパイプ状体６３との間は接合体（２６、８２）により気密性が保たれている。図９に示すように、固体電解質基板２１とセラミックス基板８１との間にある焼成された接合体（２６、８２）の内部には拡散室８３の高さを確保するための間隔制御材４２が存在している。
【００８９】
なお、実施の形態４においては、セラミックス基板８１に対して溝加工を行い、その溝にパイプ状体６３を配設した後に第２の接合材８２を印刷して仮焼成し、その後に本焼成して拡散律速路６５を形成する方法で説明したが、セラミックス基板８１に第２の接合材８２を印刷して仮焼成し、その後にセラミックス基板８１と第２の接合材８２とを同時にダイサー式切断機等により所望の溝を切削加工して、その溝にパイプ状体６３を配設して本焼成を行う形成方法でも同様な拡散律速路６５を形成することが可能である。
【００９０】
本発明に係る実施の形態４のガスセンサーにおいては、セラミックス基板８１に形成された切り溝８１ａ内にパイプ状体６３を埋設して拡散律速路６５を形成するものである。したがって、実施の形態４のガスセンサーにおいては、パイプ状体６３の直径が大きくなっても、固体電解質基板２１とセラミックス基板８１との間隔には影響を与えることがないため、所望のサイズの拡散律速路６５を他の構成部分に影響を与えることなく設定することが可能となり、小型のガスセンサーを容易に構成することが可能となる。
【００９１】
実施の形態４のガスセンサーの製造方法においては、前述の実施の形態３の製造方法と同様に、予め正確に形成された微小な開口径を有する耐熱性のパイプ状体６３を埋め込んで拡散律速路６５を形成するため、ガスセンサー組立前に拡散律速路６５のサイズ（断面積及び延設方向の長さ）を正確に把握することができ、高精度のガスセンサーを構築することができる。また、実施の形態４のガスセンサーによれば、拡散律速路６５のサイズのバラツキによるトラブルが極端に少なくなるため、信頼性の高いガスセンサーを提供することが可能となる。さらに、実施の形態４のガスセンサーにおいては、パイプ状体６３の長さを自由に選択できるため、パイプ状体６３の全長を調節することによりガス拡散速度を調整することができる。
【００９２】
《実施の形態５》
以下、本発明に係る実施の形態５の限界電流方式のガスセンサーについて説明する。実施の形態５の限界電流方式のガスセンサーにおいて、前述の実施の形態１と異なるところは拡散律速路の形成方法であり、その形成方法以外の構成は実施の形態１と同じであるため、同様の機能、構成を有する部品に同じ符号を付しその説明は省略する。したがって、以下の実施の形態５においては、拡散律速路の形成方法について詳細に説明する。
【００９３】
図１０は本発明に係る実施の形態５のガスセンサーにおけるセンサー素子であるセンサー部を示す分解斜視図であり、センサー部の組立途中の状態を示している。図１１は図１０のXI−XI線を含む垂直面による断面図である。
実施の形態５のガスセンサーにおけるセンサー部は、前述の実施の形態１と同様に、固体電解質基板２１の上下両面には電極膜が形成されており、図１０においては固体電解質基板２１の上面の電極膜２３を表示し、下面の電極膜は省略している。また、図１０に示す状態において、固体電解質基板２１の下面には第１の接合材２６の材料が四角い枠体状に印刷され、仮焼成されている。
【００９４】
図１０に示すように、セラミックス基板１０１における固体電解質基板２１と対向する面に枠体状に第２の接合材１０２の材料が印刷されており、その接合材１０２の一辺の中間部分を貫通して横切るように、直線上の微小な直径を有する繊維状体１０４が配設されている。セラミックス基板１０１は固体電解質基板２１と熱膨張係数が近似している材料で形成されている。第１の接合材２６及び第２の接合材１０２は固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１とを気密性高く接合する接着剤である。
【００９５】
繊維状体１０４としては、具体的には高温不活性ガス中では分解せず高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状材料が用いられる。例えば、炭素繊維が好適である。炭素繊維は直径５〜１０μｍから各種の直径のものが量産されており、その直径は均一である。炭素繊維は不活性ガス中では１５００℃に加熱しても分解せず、空気中では７００〜８００℃でも１００％燃焼、昇華する。また、炭素繊維を作るための原料であるアクリル樹脂で作られたアクリル繊維など無機系材料を含まない合成樹脂よりなる繊維状のものも使用することが可能である。
また、繊維状体としては、前記の炭素繊維と略均等な断面形状及び断面積を有し、無機系材料を含まない合成樹脂であれば、その材質を選ぶものではない。特に、衣料品等に使われている各種の合成樹脂材料よりなる合成繊維が有効である。このような材料をそのままの状態で使用してもよいが、当該材料を一度不活性ガス中で炭素化して、使用する方が好ましい。
第２の接合材１０２としては、厚膜印刷用ガラスペーストであり、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１に熱膨張係数が近似したガラス微粉末と、間隔制御材４２と、ビヒクルとを混合して構成されており、ビヒクルは不活性ガス焼成用の材料で作製されている。
セラミックス基板１０１の下面にはヒータ２９（図１参照）が配設されている。なお、図１０においてはヒータ２９が省略されている。図１０における符号１０３は、第１の接合材２６と第２の接合材１０２とを荷重押圧状態で本焼成した後において、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１との間に形成される空間である拡散室を示している。
【００９６】
図１０に示すセンサー部におけるセラミックス基板１０１側の層体部分の仮焼成の状態は次のようにして形成される。
厚膜印刷用のガラスペーストをセラミックス基板１０１に印刷し、湿潤な状態のガラスペーストに繊維状体１０４を挿入して層中に埋め込み後乾燥する。その後、ガラスペーストにおいて推奨されている焼成温度より低い温度で、且つ不活性雰囲気中で仮焼成する。
【００９７】
以上のように仮焼成された固体電解質基板２１側の層体とセラミックス基板１０１側の層体部分とを、それぞれの接合材２６、１０２の接合面を重ね合わせて、荷重を加えた押圧状態で本焼成を行う。最初の本焼成は不活性雰囲気で行う。この本焼成において固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１が接合された後、約８００℃の酸化性雰囲気（空気中）中で再焼成し、埋め込んだ繊維状体１０４、例えば炭素繊維を燃焼、昇華させ拡散律速路１０５を形成する。このとき、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１との間隔は、ガラスペースト中の間隔制御材４２の大きさに制御されて接合される。
本焼成して接合した後の状態を図１１に示す。図１１は図１０のXI−XI線を含む垂直面による断面図である。図１１に示すように、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１との間にある焼成された接合体（２６、１０２）の内部には拡散室１０３の高さを確保するための間隔制御材４２が存在している。接合体（２６、１０２）の内部に形成された微小な直径を有する開口１０５は、埋設されていた繊維状体１０４が本焼成において燃焼、昇華して形成されたものであり、拡散律速路１０５となる。
【００９８】
本発明に係る実施の形態５のガスセンサーの製造方法においては、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１とを接着する接合材中にこの接合材を横切るよう繊維状体１０４、例えば炭素繊維を埋設して、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１との接合後に酸化性雰囲気中で炭素繊維を燃焼、昇華させることにより、簡単に、且つ正確に拡散律速路１０５が形成できる。例えば炭素繊維の細いものは５μφ前後から種々の線径のものが量産されており、このような炭素繊維は均一性のある線径を有しているため、所望のサイズを有する均一な拡散律速路１０５を簡単な構成で容易に形成することが可能である。
【００９９】
実施の形態５のガスセンサーの製造方法によれば、微細な直径を有する拡散律速路を接合体内に均一に形成することが可能となる。従来においては接合体の部分に形成できず、セラミックス基板に特殊な技術により形成していた微細な直径を有する拡散律速路を、実施の形態５のガスセンサーの製造方法によれば、更に小さい直径を有する超微細な開口サイズ（断面積）を有する拡散律速路１０５を形成することが可能となる。実施の形態５の製造方法において適用できる炭素繊維の線径は、５μφから可能であるので、拡散律速路１０５としては直径５μｍ〜１００μｍまで適用できる。なお、繊維状体１０４として炭素繊維を用いた場合には１００μｍより太いものがあれば更に大きい直径の拡散律速路を形成することが可能である。
【０１００】
なお、実施の形態５においては、繊維状体１０４をセラミックス基板１０１に形成された第２の接合材１０２に埋設した例で説明したが、繊維状体１０４を固体電解質基板２１に形成された第１の接合材２６に埋設して、固体電解質基板２１とセラミックス基板１０１との接合後に酸化性雰囲気中で繊維状体１０４を燃焼、昇華させるよう構成して拡散律速路を形成することも可能である。ただし、この場合には固体電解質基板２１に形成された電極膜の位置と拡散律速路の位置とを考慮する必要がある。
また、実施の形態５の構成において、第１の接合材２６と第２の接合材１０２との接合面近傍若しくは接合面上に拡散律速路１０５を形成することが可能である。この場合には、セラミックス基板１０１に印刷された湿潤な状態の第２の接合材１０２に対して繊維状体１０４を所望の位置に配置し、このセラミックス基板１０１上の第２の接合材１０２を固体電解質基板２１に印刷された湿潤な第１の接合材２６に荷重押圧状態で本焼成することにより、接合体における所望の位置に拡散律速路１０５を形成することができる。
【０１０１】
《実施の形態６》
以下、本発明に係る実施の形態６の限界電流方式のガスセンサーについて説明する。実施の形態６の限界電流方式のガスセンサーにおいて、前述の実施の形態５と異なるところは拡散律速路をセラミックス基板に形成した切り溝内に繊維状体を用いて形成したことであり、実施の形態５とは形成位置及び形成方法が異なっている。実施の形態６のガスセンサーにおいて、その他の構成は実施の形態５と同じであるため、同様の機能、構成を有する部品に同じ符号を付しその説明は省略する。したがって、以下の実施の形態６においては、拡散律速路の形成位置及び形成方法について詳細に説明する。
【０１０２】
図１２は本発明に係る実施の形態６のガスセンサーにおけるセンサー素子であるセンサー部を示す分解斜視図であり、センサー部の組立途中の状態を示している。図１３は図１１のXIII−XIII線を含む垂直面による断面図である。
実施の形態６のガスセンサーにおけるセンサー部は、前述の実施の形態１から実施の形態５と同様に、固体電解質基板２１の上下両面には電極膜が形成されている。また、図１２に示す状態において、固体電解質基板２１の下面には第１の接合材２６の材料が四角い枠体状に印刷され、仮焼成されている。
【０１０３】
図１２に示すように、セラミックス基板１２１における固体電解質基板２１と対向する面には、直線上に延びる切り溝１２１ａが形成されている。この切り溝１２１ａはセラミックス基板１２１の一辺に直交するよう、その中央部分に形成されている。セラミックス基板１２１の切り溝１２１ａは、ダイサー式切断機やスポット径を調整したレーザー光線等による溝加工により形成される。セラミックス基板１２１の上面に形成される切り溝１２１ａは中心部分近傍まで形成されている。このように形成されたセラミックス基板１２１の切り溝１２１ａには、前述の実施の形態５において用いた繊維状体１２５が配設される。この繊維状体１２５によりセンサー部の拡散律速路１２７が形成される。
【０１０４】
上記のように、繊維状体１２５が配設された切り溝１２１ａを有するセラミックス基板１２１の上面には、第２の接合材１２２の材料が印刷され、仮焼成される。第２の接合材１２２の材料は、前述の実施の形態１における第１の接合材２６と同じ材料であり、ガラス微粉末と、間隔制御材４２と、ビヒクルとを混合して形成された厚膜印刷用ガラスペーストである。実施の形態６において、第２の接合材１２２の仮焼成としては、１５０℃で３０分乾燥後、７００℃で３０分焼成した。第２の接合材１２２は、固体電解質基板２１の下面に形成された第１の接合材２６と対向するよう形成されており、セラミックス基板１２１の外形と略同じ四角い枠体状に形成されている。セラミックス基板１２１の下面にはヒータ２９（図１参照）が配設されている。なお、図１２においてはヒータ２９が省略されている。図１２における符号１２４は、第１の接合材２６と第２の接合材１２２とを押圧荷重して本焼成した後において、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１との間に形成される空間である拡散室を示している。
【０１０５】
図１２に示した、仮焼成した固体電解質基板２１上の第１の接合材２６とセラミックス基板１２１上の第２の接合材１２２とを合わせるように重ねて、上下から押圧荷重状態で本焼成し、接合体を形成した。実施の形態６において、接合体（２６、１２２）の本焼成としては、８５０℃で３０分行った。このように本焼成して接合した後の状態を図１３に示す。図１３は図１２のXIII−XIII線を含む垂直面による断面図である。
図１３に示すように、セラミックス基板１２１に形成された切り溝１２１ａ内に埋設された繊維状体１２５は、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１が接合された後、約８００℃の酸化性雰囲気（空気中）中において再焼成され、燃焼、昇華して、拡散律速路１２７を形成する。また、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１との間にある焼成された接合体（２６、１２２）の内部には拡散室１２４の高さを確保するための間隔制御材４２が存在している。
【０１０６】
なお、実施の形態６においては、セラミックス基板１２１に対して溝加工を行い、その溝に繊維状体１２５を配設した後に第２の接合材１２２を印刷して仮焼成し、その後に本焼成して拡散律速路１２７を形成する方法で説明したが、セラミックス基板１２１に対する溝加工の後、第２の接合材１２２を印刷して繊維状体１２５を溝内の第２の接合材１２２に挿入埋設して仮焼成し、その後に本焼成して拡散律速路１２７を形成することも可能である。
さらに、拡散律速路１２７を有するガスセンサーの製造方法としては、次のような方法がある。セラミックス基板１２１にダイサー式切断機等により所望の位置に予め溝加工を行い、第２の接合材１２２を印刷した後に繊維状体１２５を溝内に挿入して乾燥させ、不活性ガス中で焼成させ、そして酸化性雰囲気で焼成させて繊維状体１２５を燃焼、昇華させて拡散律速路１２７を形成したセラミックス基板を作成する。このように形成された拡散律速路１２７を有するセラミックス基板に対してさらに接合材を印刷し、乾燥後仮焼成する。そして、このように仮焼成されたセラミックス基板と仮焼成された接合材を有する固体電解質基板とを重ね合わせて、押圧荷重状態で本焼成して接合し、ガスセンサーを製造する。
【０１０７】
本発明に係る実施の形態６のガスセンサーにおいては、セラミックス基板１２１に形成された切り溝１２１ａ内に繊維状体１２５を埋設して、燃焼、昇華させることにより拡散律速路１２７を形成するものである。したがって、実施の形態６のガスセンサーにおいては、拡散律速路１２７の開口サイズが大きくなっても、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１との間隔には影響を与えることがないため、所望の開口サイズを有する拡散律速路を他の構成部分に影響を与えることなく設定することが可能となり、小型のガスセンサーを容易に製造することができる。
【０１０８】
以上のように、実施の形態６のガスセンサーは、セラミックス基板１２１に拡散律速路１２７を形成する構成であり、拡散律速路１２７の開口サイズ（断面積）が大きい場合であっても、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１との間隔を大きくする必要がなく、固体電解質基板２１とセラミックス基板１２１との間の接合体の層体部分に拡散律速路を形成した場合に比べて優位性を有している。固体電解質基板とセラミックス基板との間隔が大きくなると、拡散室が広くなり、応答速度に微妙に悪影響を与えることが広く知られている。
【０１０９】
上記のように、実施の形態６のガスセンサーの製造方法において、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体の材料として炭素繊維を用いた場合、炭素繊維はＰＡＮ系或いはピッチ系等各種材料より出発したものがあるが、出発原料に関係なく適用できる。これらの炭素繊維は数μｍφの微細なものから生産されており、その断面積も均一であり、ほぼ円形を有しているため、その炭素繊維が燃焼して生じた空洞は略円形であり均一な断面を有している。したがって、本発明に係る実施の形態６のガスセンサーの製造方法によれば、精度の高い微細な拡散律速孔を容易に形成可能である。
【０１１０】
本発明に係るガスセンサーを実施の形態１から実施の形態６で説明したが、本発明は各実施の形態の構成だけに制限されるものではなく、ガスセンサーが有する各種構成が含まれる。例えば、実施の形態１から実施の形態６の説明においては、拡散律速路が全て１個所に形成した構成を説明したが、本発明は１個所に限定するものではなく、複数の個所に拡散律速路を形成しても何等問題はない。
また、各実施の形態の説明においては、センサー部の形状が四角形のセンサー構造について説明したが、円形或いは円形と四角形の組み合わせた多角形状等種々の形状のセンサー構造が問題なく本発明に適用できる。
【０１１１】
本発明に係るガスセンサーは、固体電解質材料又はガス拡散律速路のサイズを調整することにより、固体電解質で検知できるガス、例えば水素ガス、酸素ガス、炭化水素ガス、又は湿度等の検知センサーとして適用可能である。また、本発明に係るガスセンサーは、固体電解質材料を用いて限界電流方式でガス濃度を測定するガス濃度測定装置として使用できる。
【０１１２】
また、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合するための接合材のパターンに関しては、各実施の形態において固体電解質基板の外周縁の全周に沿って形成した構成で説明したが、接合材の形成位置は外周縁に限定するものではなく、電極膜の配設位置を考慮して、固体電解質基板の外周縁から内側に入った位置或いは接合材の一部が内側に入った位置に形成しても何等問題はない。
【０１１３】
本発明に係るガスセンサーにおける拡散律速路は、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する接合体の層体内を横切って形成されており、拡散律速路がセンサー素子であるセンサー部の側面に配置されている。従来のガスセンサーにおいて、例えばセラミックス基板の下面（ヒータが配設された面）側に拡散律速路を形成した構成の場合には、セラミックス基板を加熱するヒータのパターン形状及び配置に大きな影響を与えるという問題がある。しかし、本発明に係るガスセンサーの構成ではガスセンサーを構成する要素のいずれに対しても影響を与えることがなく、精度の高いセンサー素子であるセンサー部の小型化を容易に実現できる。
【０１１４】
本発明に係る限界電流方式のガスセンサーにおいては、拡散律速路は固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する接合材の層体内に形成する構成である。従来のガスセンサーにおいて、拡散律速路を接合材のパターン印刷のみにより形成する場合、拡散律速路の幅はパターン形状により決定され、その高さは固体電解質基板とセラミックス基板と間の距離により決定される。したがって、このような構成の従来のガスセンサーにおいては、拡散律速路の開口サイズはパターン印刷の精度に大きく影響を受け、通常のパターン間隔は１００μｍ位が限度であるため、拡散律速路の開口サイズの断面積は大きくならざるをえない構成であった。それを補うため、従来の構成においては、拡散律速路の全長を長く形成して対応させており、センサー素子の全面積に占める拡散律速路の占める割合が大きくなっていた。本発明に係るガスセンサーの構成においては、所望の直径を有する拡散律速路を形成することが可能であるため、センサー素子に対して拡散律速路が占有する面積を実質的に零にすることができ、センサー素子の小型化を容易に達成することができる。これにより、ガスセンサーそのものも小型化することができるため、固体電解質基板を加熱するヒータの消費電力も小さいもので良く、且つガスセンサー全体の温度分布も容易に均一となるよう構成することが可能となる。その結果、本発明によれば、検知精度が高く、温度制御の精度が向上したガスセンサーを提供することができる。
【０１１５】
本発明に係るガスセンサーにおいて、拡散律速路の形成方法では、接合体の層体を横切って切削して形成した溝或いはセラミックス基板の一部を切削して形成した溝を拡散律速路としており、拡散律速路の幅と深さ、及び拡散律速路の開口サイズを任意に、且つ容易に構成することができる。したがって、本発明によれば、延設方向の長さの短い拡散律速路により、所望の性能を有するガスセンサーを構築することができる。また、拡散律速路の延設方向の全長は、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する接合材の幅の大きさで容易に調整することが可能である。
また、本発明においては、前述の図６や図８に示したように、パイプ状体を接合材に埋設して拡散律速路を形成するガスセンサーの製造方法を確立したので、パイプ状体における孔の直径（断面積）と長さを予め設定しておくことにより、特殊な技術を要することなく微細な拡散律速路を容易に形成することが可能となる。
【０１１６】
さらに、本発明に係るガスセンサーの製造方法は、接合材を横切ってその層体中に或いはセラミックス基板に形成した切り溝内に、高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する繊維状体を埋設し、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合した後、酸化性雰囲気中で繊維状体を燃焼、昇華させて、その繊維状体の消失後の孔を拡散律速路とする製造方法である。したがって、本発明のガスセンサーの製造方法によれば、繊維状体の線径を選択するだけで、任意の開口サイズ（断面積）を有する拡散律速路を高度な技法を用いることなく容易に形成することができる。また、本発明に係るガスセンサーの製造方法においては、超微細な直径を有する拡散律速路を繊維状体を用いて接合材の層中に形成することが可能であるため、センサー素子に対して拡散律速路が占有する面積を実質的に零にすることができ、ガスセンサーの小型化を容易に実現できる。さらに、本発明によれば、接合材に埋設する繊維状体の本数を増やすだけで複数個所に拡散律速路を容易に作製することが可能である。
【０１１７】
本発明に係るガスセンサーは、前述の実施の形態２において説明したように、固体電解質基板とセラミックス基板との間を微小な間隔を有して無機系接合材により接合して気密性の高い拡散室を形成し、微小な厚みの無機系接合材中に、この接合材を横切るように微小な断面積の拡散律速路を形成したものである。この拡散律速路の断面形状は四角形或いは円形或いは多角形等であり、その断面積は２０μm２以上と非常に微小な下限値を有する断面積のものが形成されている。その結果、分子サイズの異なる混合ガス中より最小サイズのガスを選択的に検出することができることを、発明者らは実験により確認している。また、本発明によれば、拡散律速路の断面積は微小であり、そして拡散律速路の延設方向の長さは０．３ｍｍ以上と、下限値が非常に短くてよいため、従来のものよりさらに小さい反応面積を有するセンサー素子を作製することが可能となる。さらに、本発明によれば、センサー素子を小型に作成できるため、固体電解質基板を加熱するヒータの消費電力を小さくすることが可能となる。さらに加えて、本発明によれば、固体電解質基板の体積が小さくても、高い性能を発揮できるため、固体電解質基板の小型化が可能となり、固体電解質基板の温度制御が容易となり、測定値の精度、測定値の安定性が大幅に向上する。発明者は、例えば、拡散律速路の直径が１０μｍ（７８μｍ２）、拡散律速路の長さが１.０ｍｍのもので、プロトン伝導性の固体電解質基板を用いて、メタンやプロパンガス等の混合ガス中における水素ガス濃度を測定したところ、メタンやプロパンガス等の水素ガスより分子サイズの大きいガスの影響を受けることなく正確に水素ガス濃度を検知することができた。本発明に係るガスセンサーには、前述の各実施の形態で説明したように所望の形状を有する拡散律速路が形成されているため、水素ガス、酸素ガス或いは各種炭化水素ガス等の信頼性の高いガスセンサーを容易に構成することが可能となる。
【０１１８】
また、本発明に係るガスセンサーは、前述の実施の形態２において説明したように、固体電解質基板と所定距離を有して対向して配設され、接合材により接合されたセラミックス基板において、接合材を横切るようにセラミックス基板に微小な断面積の拡散律速路が形成されている。このように構成されたガスセンサーにおいて、拡散律速路の断面積は２５μｍ２以上と非常に微小な下限値を持ち、かつ拡散律速路の長さが０.３ｍｍ以上と短小な下限値を持っている。このように、本発明のガスセンサーにおいては、非常に微細値から大きい値の断面積の拡散律速路をセラミックス基板内に形成することが可能であるため、拡散律速路に対して接合体の厚みや幅による制限がなくなると共に、セラミックス基板単体の状態で拡散律速路を形成できるという効果を有する。したがって、このような構成されたガスセンサーによれば、セラミックス基板単体の状態で拡散律速路を正確に形成して、センサー素子を組立可能であるため、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する工程で形成するより生産時の歩留まりが飛躍的に向上する。
【０１１９】
また、本発明に係るガスセンサーは、前述の実施の形態３及び実施の形態４において説明したように、拡散律速路として必要な断面積を有する耐熱性のパイプ状体を、接合材或いはセラミックス基板の溝の内部に埋設してセンサー素子が作製されている。このように構成されたガスセンサーにおいて、埋設されるパイプ状体の孔径及び長さを正確に管理すれば、被検出ガスの選択性の大きいガスセンサーを実現することができるとともに、製造ロット間において限界電流値のバラツキの少ないガスセンサーを製造することができる。したがって、本発明によれば、混合ガスにおける特定の被検出ガスのガス成分を分析する場合、複数のガスセンサー間で選択係数の変動の少ない、精度の高いガスセンサーを確実に製造することができる。
【０１２０】
また、本発明に係るガスセンサーの製造方法においては、前述の実施の形態１及び実施の形態２において説明したように、予め仮焼成されている接合材を横切る状態で微小な幅の溝を形成し、その後固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する製造方法である。したがって、本発明に係るガスセンサーの製造方法によれば、切削加工する刃の幅及び切削すべき深さを正確に制御することにより、接合後において優れた再現性を示す均一な断面積の拡散律速路が接合材中或いはセラミックス基板中に形成することができる。
【０１２１】
また、本発明に係るガスセンサーの製造方法においては、前述の実施の形態５及び実施の形態６において説明したように、接合材中に接合材層を横切るように高温酸化性雰囲気中で燃焼、昇華する微細な繊維状体、例えば炭素繊維を挿入し、その後固体電解質基板とセラミックス基板を不活性ガス雰囲気中で接合材を溶融して接合し、その後酸化雰囲気中で繊維状体を燃焼、昇華させて、接合材中に接合材を横切る拡散律速路を形成している。したがって、本発明に係るガスセンサーの製造方法によれば、挿入すべき繊維状体、例えば炭素繊維の線径を選択することにより、希望する断面積の拡散律速路を容易に且つ確実に形成することができ、且つ例えば繊維状体として用いる炭素繊維は均質な線径を有する材料であるため、均一な断面積を有する拡散律速路を確実に形成することができる。
【０１２２】
本発明によれば、固体電解質基板とセラミックス基板とを接合する接合体に拡散律速路を形成する構成であるため、拡散律速路を形成するための特別な場所を必要とする構成ではなく、ガスセンサーの小型化に何等影響せずに拡散律速路を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明によれば、微小で高精度な開口サイズを有する拡散律速路を有する小型のガスセンサーを簡単な構成で容易に製造することができるため、固体電解質基板を用いた限界電流方式のガスセンサーとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に係る実施の形態１のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したセンサー部の一部を接合した状態を示す斜視図である。
【図３】図２に示したセンサー部のIII−III線を含む垂直面による断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態２のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】図４に示したセンサー部のＶ−Ｖ線を含む垂直面による断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態３のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図７】図６に示したセンサー部のVII−VII線を含む垂直面による断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態４のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図９】図８に示したセンサー部のIX−IX線を含む垂直面による断面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態５のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図１１】図１０に示したセンサー部のXI−XI線を含む垂直面による断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態６のガスセンサーにおけるセンサー部の構成を示す分解斜視図である。
【図１３】図１２に示したセンサー部のXIII−XIII線を含む垂直面による断面図である。
【図１４】従来の炭化水素センサーの構成を示す断面図である。
【図１５】従来の限界電流方式のガスセンサーを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２５】
２１  固体電解質基板
２２、５１、６１、８１、１０１、１２１  セラミックス基板
２３、２４  電極膜
２５、５２、６２、８２、１０２、１２２  第２の接合材
２６  第１の接合材、
２７、５３、６４、８３、１０３、１２４  拡散室
２８、５４、６５、１０５、１２７  拡散律速路
２９  ヒータ
４２  間隔制御材
５１ａ、８１ａ  切り溝
６３  パイプ状体
１０４、１２５  繊維状体
【図１】
2005140698.tif 000003
【図２】
2005140698.tif 000004
【図３】
2005140698.tif 000005
【図４】
2005140698.tif 000006
【図５】
2005140698.tif 000007
【図６】
2005140698.tif 000008
【図７】
2005140698.tif 000009
【図８】
2005140698.tif 000010
【図９】
2005140698.tif 000011
【図１０】
2005140698.tif 000012
【図１１】
2005140698.tif 000013
【図１２】
2005140698.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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