(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする炭酸ガスセンサ。
【請求項２】
発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＮａイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする炭酸ガスセンサ。
【請求項３】
発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層、検知電極及び金属炭酸塩層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする炭酸ガスセンサ。
【請求項４】
発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層、検知電極及び金属炭酸塩層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＮａイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする炭酸ガスセンサ。
【請求項５】
前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隔が０．０５〜１．０ｍｍである前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項６】
前記非晶質ガラスがＣａＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ2系ガラスである前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項７】
前記結晶化ガラスがＳｉＯ2−ＢａＯ−Ａｌ2Ｏ3系結晶化ガラスである前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項８】
前記シール材が前記固体電解質と同材質からなる粒子を８０体積％以下含有してなる前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項９】
前記シール材に含まれるアルカリ金属成分が酸化物換算で５重量％以下である前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１０】
前記非晶質ガラスの軟化点が、前記結晶化ガラスの軟化点より高い前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１１】
前記固体電解質がＬｉＳｍＳｉＯ4を主結晶相とする前記請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１２】
前記固体電解質が主結晶相のＬｉＳｍＳｉＯ4の他にＡｌ2Ｏ3を含有する前記請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１３】
前記固体電解質が主結晶相のＬｉＳｍＳｉＯ4の他にＺｒＯ2を含有する前記請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１４】
前記金属炭酸塩層が炭酸リチウムまたは炭酸リチウムとアルカリ土類金属炭酸塩とを主成分とする前記請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１５】
前記基準電極のうち少なくとも前記イオン伝導体層と接する部分がＡｕからなる前記請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１６】
前記固体電解質がＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ1+XＺｒ2ＳｉXＰ3ーXＯ12、０＜Ｘ＜３）を主結晶相とする前記請求項２または請求項４に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１７】
前記固体電解質が主結晶相のＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ1+XＺｒ2ＳｉXＰ3ーXＯ12、０＜Ｘ＜３）の他にＺｒＯ2を含有する前記請求項２または請求項４に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１８】
前記金属炭酸塩層が炭酸リチウムまたは炭酸リチウムとアルカリ土類金属炭酸塩とを主成分とする前記請求項２または請求項４に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項１９】
前記基準電極のうち少なくとも前記イオン伝導体層と接する部分がＰｔからなる前記請求項２または請求項４に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２０】
前記検知電極がＡｕからなる前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２１】
前記イオン伝導体層の検知電極側の面が基体の前記一主表面と同一面上にあることを特徴とする前記請求項１または請求項２に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２２】
基体の前記一主表面に対して垂直な方向から見た場合、前記発熱体の有効発熱部の占有面積を１としたときの前記イオン伝導体層の面積が０．０５〜１．３０である前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２３】
発熱体、基準電極及び検知電極から基体の表面または側面に導出される各配線端部と導電性の接続部材を介して間接的に台座に取り付けられる前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２４】
基体の前記一主表面に対して垂直な方向から見た場合、前記発熱体の有効発熱部の占有面積を１としたときの前記基体の面積が１．１〜３である前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項、または請求項２３に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２５】
前記固体電解質の開気孔率が１５％以下で前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【請求項２６】
前記金属炭酸塩層内に金属網状体が設けられている前記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相中の炭酸ガス（ＣＯ2ガス）の濃度を測定するための、固体電解質を用いた炭酸ガスセンサ、特に濃淡電池型の炭酸ガスセンサに関する。本発明の炭酸ガスセンサは、環境制御、医療技術、施設園芸、醗酵工業等の広い技術分野において、炭酸ガス濃度の測定及びその測定結果に基づく濃度制御などに使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質素子を用いた濃淡電池型炭酸ガスセンサが知られている。その基本的構成は、イオン伝導体である固体電解質素子の両側に基準電極と検知電極とが設けられ、検知電極に炭酸ナトリウム等が被覆されている。この従来の濃淡電池型炭酸ガスセンサを用いて炭酸ガス濃度の測定をする際には、ヒータにより一定温度に加熱され、検知電極と基準電極との間に生じる起電力を測定する。
【０００３】
この濃淡電池型炭酸ガスセンサでは、測定精度や安定性等を維持するために基準電極側を外気もしくは被測定ガスと接触しないように遮断する構造とする必要がある。このように遮断構造を有するものとして、例えば、特開昭６０−２５６０４３号公報には、金属電極が形成された固体電解質の表面の一部に金属塩層を焼付け形成し、その表面の残余の部分を耐熱性無機被覆剤で密閉被覆した構造のものが開示されている。また、特開平５−８００２１号公報には、両面に基準電極と検知電極とが形成されたナトリウムイオン伝導体が、裏面にヒータを設けたセラミック基板上に配され、その側面をガラス等からなるカバーで覆うことによって封止された構造のものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような遮断構造では、被覆剤やカバー等の遮断部材が固体電解質素子に外付けされた構造であるため、遮断部材自体が外気と接触する面積が大きく、遮断部材にクラックが入ったり、加熱下での長期間の使用により固体電解質との界面に剥離が生じたりするおそれがある。また、外気に接する面積が大きいことにより保温性に乏しく、固体電解質の温度安定性が得られない。その結果、出力の不安定化あるいは変動をきたす等の問題がある。
【０００５】
また、検知電極上に設けられる金属炭酸塩は一般的に非等方的な熱膨張係数を有しており、焼結性も高くない。そのため、昇温と降温とを何度も繰り返すと粒子間の結合が弱くなるとともに微小な亀裂等が発生し、見掛け上は金属炭酸塩が膨張してしまう。その結果、検知電極と金属炭酸塩との接触状態が変化し、センサの特性が不安定となり、長期間にわたって使用した場合に金属炭酸塩が検知電極から剥離してしまいセンサとしての機能を失うという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、固体電解質からなるイオン伝導体の基準電極側を外気もしくは被検ガスより効果的に遮断するとともに保温性を高め、出力のバラツキを低減させ、また加熱のための消費電力を低減させてなる濃淡電池型の炭酸ガスセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
請求項１の炭酸ガスセンサに係る発明は、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする。
請求項２の炭酸ガスセンサに係る発明は、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＮａイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の炭酸ガスセンサに係る発明は、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層、検知電極及び金属炭酸塩層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする。
請求項４の炭酸ガスセンサに係る発明は、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層、検知電極及び金属炭酸塩層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであり、前記固体電解質がＮａイオン伝導性固体電解質であることを特徴とする。

【０００９】
請求項５の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隔が０．０５〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、前記シール材の非晶質ガラスがＣａＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ2系ガラスであることを特徴とする。また、結晶化ガラスがＳｉＯ2−ＢａＯ−Ａｌ2Ｏ3系結晶化ガラスであることが好ましい（請求項７）。また、前記シール材が前記固体電解質と同材質からなる粒子を８０体積％以下含有してなることが好ましい（請求項８）。また、前記シール材に含まれるアルカリ金属成分が酸化物換算で５重量％以下であることが好ましい（請求項９）。
【００１１】
また、前記非晶質ガラスの軟化点が、前記結晶化ガラスの軟化点より高いことが好ましい（請求項１０）。
【００１２】
請求項１１の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサであって、固体電解質が、ＬｉＳｍＳｉＯ4を主結晶相とするものである。このとき、前記固体電解質が主結晶相である前記ＬｉＳｍＳｉＯ4の他にＡｌ2Ｏ3を含有するもの（請求項１２）、または、主結晶相である前記ＬｉＳｍＳｉＯ4の他にＺｒＯ2を含有するもの（請求項１３）が好ましい。
【００１３】
また、前記固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質である場合には、前記金属炭酸塩層が炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）または炭酸リチウムとアルカリ土類金属炭酸塩（例えば、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3等）とを主成分とすることが好ましい（請求項１４）。さらに、このときの前記基準電極について、少なくとも前記イオン伝導体層と接する部分がＡｕからなることが好ましい（請求項１５）。
【００１４】
請求項１６の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１または請求項３に記載の炭酸ガスセンサであって、前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ1+XＺｒ2ＳｉXＰ3ーXＯ12、０＜Ｘ＜３）を主結晶相とするものである。このとき、前記固体電解質が主結晶相である前記ＮＡＳＩＣＯＮの他にＺｒＯ2を含有するものが好ましい（請求項１７）。

【００１５】
また、前記固体電解質がＮａイオン伝導性固体電解質である場合には、前記金属炭酸塩層が炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）または炭酸リチウムとアルカリ土類金属炭酸塩（例えば、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3等）とを主成分とすることが好ましい（請求項１８）。さらに、このときの前記基準電極について、少なくとも前記イオン伝導体層と接する部分がＰｔからなることが好ましい（請求項１９）。
【００１６】
請求項２０の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、前記検知電極がＡｕからなることを特徴とする。また、請求項２１の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１または請求項２に記載の炭酸ガスセンサであって、前記イオン伝導体層の検知電極側の面が前記基体の一主表面と同一面上にあることを特徴とする。
【００１７】
請求項２２の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、基体の前記一主表面に対して垂直な方向から見た場合、前記発熱体の有効発熱部の占有面積を１としたときの前記イオン伝導体層の面積が０．０５〜１．３０であることを特徴とする。
【００１８】
請求項２３の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、発熱体、基準電極及び検知電極から基体の表面または側面に導出される各配線端部と導電性の接続部材を介して間接的に台座に取り付けられることを特徴とする。このとき、基体の前記一主表面に対して垂直な方向から見た場合、前記発熱体の有効発熱部の占有面積を１としたときの前記基体の面積が１．１〜３であることが好ましい（請求項２４）。
【００１９】
請求項２５の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、固体電解質の開気孔率が体積基準で１５％以下であることを特徴とする。また、請求項２６の炭酸ガスセンサに係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炭酸ガスセンサであって、前記金属炭酸塩層内に金属網状体が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
上述のとおり。本発明のガスセンサ（以下。単に「センサ」ともいう）は、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体電解質からなるイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭酸塩層とがこの順に形成されてなり、前記イオン伝導体層、またはこれに加えて前記検知電極及び前記金属炭酸塩層が前記基体の一主表面に設けられた窪み部に配置されており、前記イオン伝導体層と前記窪み部の周壁との間隙にシール材が充填されており、且つ前記シール材が、基準電極側が非晶質ガラス、検知電極側が結晶化ガラスであることを基本的な構成とする。
【００２１】
このセンサを測定ガス雰囲気中に置き、発熱体に通電すると、基準電極及び検知電極において次の反応が起こる。
検知電極側：Ｍ2ＣＯ3 ←→ ２Ｍ+ ＋ (1/2)Ｏ2 ＋ ２ｅ- ＋ Ｏ2
基準電極側：２Ｍ+ ＋ (1/2)Ｏ2 ＋ ２ｅ- ←→ Ｍ2Ｏ
なお、上記式中のＭはアルカリ金属である。その結果、検知電極と基準電極との間には、測定雰囲気中の炭酸ガス分圧の対数値に応じて直線的に変化する起電力が発生するため、この起電力を計測することにより雰囲気中の炭酸ガス濃度を測定することができる。
【００２２】
上記の「基体」は、センサの外形を構成する支持体となるものであって、全体の機械的強度を支えるものであるとともに、電気的絶縁性、耐熱性にも優れるものであることが望ましく、例えば比較的剛性が高く絶縁性にも優れたアルミナ等のセラミックスからなるものが好適である。また基体は、平板状、棒状、円柱状、円筒状など各種の形状とすることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２３】
さらに本発明においては、炭酸ガスの検知部位となる基体の一主表面に窪み部が設けられている。この窪み部は固体電解質からなるイオン伝導体層を一定の間隔を有しながら収容し得る形状と大きさを有し、特にその深さはイオン伝導体層の厚さとほぼ同じとなるように形成されている。この窪み部の中に基準電極及びイオン伝導体層を収容しシール材でシールすることによって、基準電極とイオン伝導体層とが基体に埋設された形となり、外気（被検ガス）との遮断性が確保されるとともに、保温性にも優れることとなる。また、このように窪み部を設けた構造とすることにより、充填されるシール材の量を低減することができるとともにその露出面積も小さくできるため、シール部の割れ不良や劣化を抑える効果がある。また、充填すべき部分が窪み部であるため、充填時に流動性の高いシール材を用いることも可能となる。
【００２４】
上記の「発熱体」としては、イオン伝導体層を構成する固体電解質全体を２００〜８００℃程度の範囲の温度に加熱し均一に保持することができる面状ヒータ等を好ましく使用することができる。例えば、アルミナなどのセラミックからなる基板の一表面もしくはその内部であって、前記窪み部の形成位置に相当する部分に白金などからなる発熱体素子を配設したものを用いることができる。また、この発熱体としては、絶縁材料からなるシートの片面に、白金、ロジウム、白金−ロジウム合金、ニッケル−クロム合金、タングステン、モリブデンなどを、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法、ペースト焼き付け法などによって長尺の帯状に形成し、その上から絶縁材料を積層したものを使用することもできる。
【００２５】
上記の「基準電極」は、固体電解質からなるイオン伝導体層の片面に導体ペースト、例えば市販の金ペーストを印刷し、９００℃前後の温度で１０分間焼成する等の方法により形成できる。また、この基準電極は白金を用いて形成されていてもよく、印刷法の他に蒸着法、スパッタ法などにより形成してもよく、塗布焼き付け法により厚膜に形成してもよい。
【００２６】
上記の「イオン伝導体層」は、固体電解質から構成される。この固体電解質は、アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンのいずれかを伝導種とするものであれば好ましいが、より好ましいのはリチウムイオン又はナトリウムイオンを伝導種とするものである。リチウムイオンを伝導種とする固体電解質としては、例えば、ＬＩＳＩＣＯＮ（Lithium  Super  Ionic  Conductor）、ＬｉＡｌＳｉＯ4、ＬｉＬｎＳｉＯ4 （Ｌｎ；ランタニド元素、例えばＳｍ、Ｌａ、Ｎｄなど）、Ｌｉ3.6Ｓｉ0.6Ｐ0.4Ｏ4及びＬｉＴｉ2（ＰＯ4）3などを用いることができる。この中で特に好ましいのは、ＬｉＬｎＳｉＯ4 であってランタニド元素としてＳｍを選択した場合の、すなわち、ＬｉＳｍＳｉＯ4を主結晶相とするものである。なお、前記のリチウムイオン伝導性の固体電解質においては、主結晶相の他にＡｌ2Ｏ3またはＺｒＯ2を含有していてもよい。これらを含有することにより、固体電解質自体の機械的強度が向上するとともに、センサの特性として湿度の影響の少ないものが得られるからである。
【００２７】
一方、ナトリウムイオンを伝導種とする固体電解質としては、例えば、ＮＡＳＩＣＯＮとも称されるＮａ1+XＺｒ2ＳｉXＰ3ーXＯ12（０≦Ｘ≦３）、ベータ・アルミナ（Ｎａ2Ｏ・ｎＡｌ2Ｏ3、５≦ｎ≦１１）等が用いられるが、ＮａＡｌＳｉ3Ｏ10、ＮａＡｌＳｉ4Ｏ10等も使用することもできる。この中で特に好ましいのはＮＡＳＩＣＯＮ（特に前記一般式においてＸ＝２のもの）を主結晶相とするものである。なお、前記のナトリウムイオン伝導性の固体電解質においては、主結晶相の他にＺｒＯ2を含有していてもよい。これらを含有することにより、湿度によるセンサ出力の変化、すなわち湿度依存性を低減することができるからである。
【００２８】
また、湿度依存性は、これらの固体電解質からなるイオン伝導体層の開気孔の量によっても変化し、開気孔の量を少なくするほど湿度依存性を低減することができる。具体的には、開気孔率が体積基準で１５％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは１０％以下、特に好ましくは２％以下である。さらに、開気孔の全細孔体積が０．０５ｃｃ／ｇ以下、特に０．０３ｃｃ／ｇ以下であることが好ましい。これらの気孔特性は、例えば水銀圧入式の気孔分布測定装置（ポロシメーター）を用いて測定することができる。
【００２９】
上記の「検知電極」は、上記固体電解質の表面に導体ペーストを印刷したり、あるいは導体材料をスパッタリング若しくは蒸着等の方法により形成されるが、開孔部を有するメッシュ状（網状）の膜として形成されたものが好ましい。このようにすれば検知電極の各開孔部において、金属炭酸塩層とイオン伝導体層とが密着し得るため、金属炭酸塩層がイオン伝導体層である固体電解質と確実に且つ強固に接合されたセンサを作製することができる。
【００３０】
上記の「金属炭酸塩層」は、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩を用いて形成することができる。具体的には、必要であればこれら炭酸塩を水、アルコール等の溶媒及び有機結合剤等と適宜混合してペースト状若しくは溶液とし、その後、イオン伝導体層の検知電極が形成もしくは配置された面に塗布し、乾燥した後、所要温度にて焼成することにより形成することができる。
【００３１】
長期間の加熱冷却繰り返し使用による金属炭酸塩層の剥離を防止するためには、金属網状体を検知電極上に配して固定し、この金属網状体を埋入するように金属炭酸塩層を形成することが好ましい。この金属網状体の材質としては、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属からなるものが好ましい。金属網状体は必ずしも検知電極と接触している必要はないが、固体電解質素子または基体の一部に固着されていることが望ましい。また、金属網状体の開口幅や線径等の形状については特に限定されず、市販のものを適宜用いることができる。
【００３２】
上記の「シール材」としては非晶質ガラスまたは結晶化ガラスを好ましく用いることができる。また、非晶質ガラスとしては特にＣａＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ2系ガラスを、結晶化ガラスとしては特にＳｉＯ2−ＢａＯ−Ａｌ2Ｏ3系結晶化ガラスを好ましく用いることができる。これらは上記の各酸化物成分を必須の構成成分とするものであるが、軟化点や熱膨張特性等に大きな影響を与えない範囲内でその他の成分を含んでいてもよい。このとき、上記各ガラスが前記固体電解質と同材質からなる粒子を８０体積％以下（特に、固体電解質がＬｉイオン伝導性固体電解質である場合にあっては１０〜８０体積％）含有していることはさらに好ましい。前記範囲で含有していることにより、シール材と固体電解質との熱膨張差が緩和されてシール部に割れや剥離等が発生するのを防止する効果があるからである。また、上記各ガラス中に含まれるアルカリ金属成分（例えば、ＮａやＫ）の含有量が酸化物換算で５重量％以下であることが特に好ましい。５重量％を越えて含有する場合には、ガラス中のアルカリ金属成分が固体電解質もしくは金属炭酸塩と反応し、センサの耐久性に影響を与えるからである。
【００３３】
シール材として上記のガラスを使用する場合において、非晶質ガラスと結晶化ガラスとの両者を組み合わせて使用することもできる。この場合、イオン伝導体層と窪み部の周壁との間隙のうち、窪み部の深さ方向に見て基準電極形成側の部分を非晶質ガラスでシールし、検知電極形成側の部分を結晶化ガラスでシールすることが好ましいが、前記間隙のうち、少なくとも後述する検知電極から導出される検知電極用配線が形成される部分については、結晶化ガラスでシールされることが好ましい。検出電極及び検出電極用配線の形成の際の熱処理によってシール材の軟化・流動による配線の断線等を防ぐためである。また、その両ガラスの体積割合は、その合計を１００体積％としたとき、非晶質ガラスが５０〜９８体積％、結晶化ガラスが５０〜２体積％の範囲内で好ましく用いることができる。非晶質ガラスが上記範囲より少ない場合には、基準電極を外気もしくは被検ガスから遮断するための気密性が不十分となりやすく、一方、上記範囲より多い場合には、検知電極を形成する際の熱処理によってシール材が流動しやすくなるために検知電極の電気的導通不良の原因となるからである。
【００３４】
さらに、上記の場合においては、前記非晶質ガラス及び結晶化ガラスの軟化点がセンサ使用時に発熱体により加熱される温度（３５０〜５００℃）よりも高いこと、及び、非晶質ガラスの軟化点が結晶化ガラスの軟化点よりも高いことが好ましい。それは、センサ使用中におけるシール材の流動及び結晶化ガラスの焼成処理中における非晶質ガラスの流動を防ぎ、十分な気密性と電極の電気的導通を確保するためである。
【００３５】
本発明の炭酸ガスセンサでは、前記イオン伝導体層の検知電極側の面が、窪み部が設けられた基体の一主表面と同一面上にあることが好ましく、さらにはイオン伝導体層の周囲に充填されたシール材の上面も上記と同一面上にあることが好ましい。このようにすることによって、検知電極の形成と検知電極用配線の形成とを厚膜法で同時に行なえるため、生産性に優れ、製作が容易になるという利点もある。
【００３６】
本発明の炭酸ガスセンサは、通常、リード線との接続部において台座に固定されると共にさらに通気孔を有する保護キャップがかぶせられた形で測定に用いられる。測定時には一定の温度域に保持する必要があるが、基体と台座とが直接的に固定されていると基体から台座及び保護キャップへと熱が伝わることによる損失がある分、消費電力の面で不利である。また、基体自体の体積が大きくなると同様に熱損失が大きくなるという傾向がある。
【００３７】
そこで、本発明では、前述の基本的な構成をなす炭酸ガスセンサのうち、検知部位以外の部分の基体寸法をできるだけ小さくするとともに、発熱体、基準電極及び検知電極から基体の表面または側面に導出される各配線端部と台座とを導電性の接続部材を介して間接的に取り付けるようにすることが好ましい。このようにすれば、センサは台座及び保護キャップからは接続部材で宙づりに保持された形となり、センサから台座等への熱の逃げはそのほとんどが熱輻射によるものとなるため、熱損失が少なくなり消費電力の低減に効果が大きい。このとき、前記接続部材のうち少なくとも基体の前記各配線端部との接続部が直径０．０５〜１．０ｍｍもしくはこれに相当する断面積を有する形状の金属線、例えば、白金線やステンレス線等が好ましく挙げられる。また、基体の前記一主表面に対して垂直な方向から見た場合、前記発熱体の有効発熱部の占有面積を１としたときの前記基体の面積が１．１〜３であることが好ましい。１．１未満では発熱体が露出してしまうおそれがあり、３を超えると熱損失の低減の効果が大きく得られないからである。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。なお、本発明の炭酸ガスセンサは、必ずしもここに記載の構造及び製造方法により得られるものに限定されるものではない。
【００３９】
−実施例１−
図１は実施例１の炭酸ガスセンサの正面図であり、図２は図１のＡＡ’線における断面を模式的に示した断面図である。また、図３は図１のＢＢ’線における断面を模式的に示した断面図であるが、端子ピン側は省略してある。本実施例の炭酸ガスセンサ１は、内部に発熱体２０が内蔵されるとともに、一主表面１５に窪み部１４が設けられたアルミナ基板からなる基体１０、前記窪み部１４の底面に形成された基準電極３０、その上に載置された固体電解質素子４０、その表面に形成された格子状の検知電極５０、検知電極５０を覆うようにして設けられた金属炭酸塩層６０を基本的な構成とする。更に、基準電極３０と被検ガスとの接触を防止するため、固体電解質素子４０の周囲に充填されたシール材７０、それぞれ基準電極３０及び検知電極５０に接続され出力電圧を取り出すための出力用端子ピン８１，８２及び前記発熱体２０に通電するための発熱体用端子ピン８３，８４をそれぞれ備える。
【００４０】
上記の炭酸ガスセンサを以下のようにして作製した。まず始めに、グリーンシート積層法によって内部に発熱体を内蔵したアルミナセラミックよりなる基体１０を作製する。図１に示すように、基体１０は三層構造をなし、第一層１１と第二層１２との間にＰｔよりなる発熱体２０が形成されている。さらに第三層１３はその一部が打ち抜き等により除去されており、第二層の上に積層されることによって第三層の厚さ分の深さ（本実施例では、０.２５ｍｍ）を有する窪み部１４が形成されている。また、第二層と第三層との間には、基準電極３０と出力用端子ピン８１とを電気的につなぐＰｔよりなる基準電極用配線３１が形成されている。
【００４１】
次に、固体電解質素子４０として、９００℃で合成したＬｉＳｍＳｉＯ4粉末にＡｌ2Ｏ3粉末を５０重量％となるように添加し、混合、成形した後、１１５０℃で焼成してなる、２.５×２.５×厚さ０.２５ｍｍの平板状の焼結体を用意した。そして、平板状の固体電解質素子４０の一方の面に基準電極となるＡｕペーストを塗布し、窪み部１４に導出されている基準電極用配線３１の端部と前記Ａｕペーストの塗布部とが重なるように合わせて載せた状態でこれを１０３０℃で熱処理し、基準電極３０を介して固体電解質素子４０と基体１０とを接着した。
【００４２】
次に、固体電解質素子４０と窪み部１４の周壁との間に生ずる間隙に、シール材７０として、ＣａＯ：１４重量％、ＢａＯ：２５重量％、ＳｉＯ2：４５重量％、Ｂ2Ｏ3：７重量％、Ａｌ2Ｏ3：６重量％、ＺｎＯ：２重量％を有する非晶質ガラス（熱膨張係数：６６×１０-7／℃）の粉末にＬｉＳｍＳｉＯ4粉末を５０体積％加えた混合体を窪み部の深さの８０％まで充填し、１０００℃で熱処理してガラスを融着させた。さらにその上にＳｉＯ2：４２重量％、ＢａＯ：１６重量％、Ａｌ2Ｏ3：１５重量％、ＺｎＯ：１０重量％、ＣａＯ：９重量％、ＭｇＯ：３重量％、ＺｒＯ2：３重量％、Ｎａ2Ｏ：２重量％を有する結晶化ガラス用粉末を充填し９３０℃で熱処理し結晶化させた。なお、この時の結晶化ガラスの充填は、熱処理後においてその露出上面が基体１０の一主表面と同一面となるかあるいはやや凸状になるようにその量を加減した。このシール工程により、基準電極３０を外部から遮断するとともに固体電解質素子４０を基体１０に強固に固定した。
【００４３】
次に、固体電解質素子４０の上に検知電極形成用のＡｕペーストを塗布し厚膜法で検知電極５０を形成する。この検知電極は、適度な開孔パターンを用いてスクリーン印刷法で行なうことによりメッシュ状とした。固体電解質の検知電極側の面が基体の一主表面またはシール材の露出表面と同一面上にある場合にはそのまま行なえばよいが、シール材の部分に段差あるいは凹凸が生じている場合には研削等を行なって平滑化した後に前記Ａｕペーストを塗布してもよい。このとき同ペーストを用いて検知電極用配線５１も印刷した後、所定の温度で焼き付けした。そして、検知電極用配線５１は、基体の第三層に設けられ、内部に導体が充填されたビア５２（直径０.６２５ｍｍ）を介して第二層上の配線（図示せず）に導かれ、出力用端子ピン８２と接続される。
【００４４】
次に、炭酸リチウム粉末をペースト状とし、前記固体電解質素子４０及び検知電極５０を覆うように厚さ約０.３ｍｍに塗布し、５５０℃で熱処理することにより金属炭酸塩層６０を形成し、炭酸ガスセンサの素子とした。最後に、図４に示すように、得られたセンサ素子を台座９０に固着し、出力用端子ピン８１，８２及び発熱体用端子ピン８３，８４にそれぞれリード線９１，９２，９３，９４を取付け、さらに通気孔９５を有する保護キャップ９６を被せて固定するとともに、各端子ピン及びリード線との接続部を無機系接着剤９７でシールした。
【００４５】
−実施例２−
図５は実施例２の炭酸ガスセンサの構造を模式的に示した断面図（端子ピン側は省略してある）である。本実施例の炭酸ガスセンサ２は、実施例１の炭酸ガスセンサにおいて、基体１０を四層構造とするとともに第三層と第四層とで窪み部１４が形成されており、この窪み部１４において固体電解質素子４０及び金属炭酸塩層６０の両者を包囲するようにしたものである。なお、本実施例では、検知電極５０と検知電極用配線５１とは、Ａｕワイヤー５４により接続されている。その他の点においては実施例１と同様にして炭酸ガスセンサ２を得た。
【００４６】
−起電力値の評価−
上記のようにして得られた実施例１及び実施例２の炭酸ガスセンサをそれぞれ４本用意し、所定の炭酸ガス濃度に調整された雰囲気のチャンバー中に設置し、各リード線を電圧計及び加熱用電源に接続した。そして発熱体に通電して基体の表面温度を４５０℃とし、各種炭酸ガス濃度における炭酸ガスセンサの起電力の変化を測定した。それぞれの炭酸ガス濃度における起電力値を、炭酸ガス濃度の対数に対してプロットした結果を図７及び図８に示す。
【００４７】
また、従来タイプに相当する比較例として、窪み部のない平面型の基体１０を用い、検知電極５０と検知電極用配線（図示省略）とをＡｕワイヤー５４で接続するとともに固体電解質素子４０及び金属炭酸塩層６０の周囲を無機系接着剤７５でシールした以外は前記実施例１と同様にして炭酸ガスセンサ３を作製し、上記各実施例と同様にして起電力の変化を測定した。この比較例の炭酸ガスセンサの断面図を図６（端子ピン側は省略してある）に、炭酸ガス濃度に対する起電力の変化を図９にそれぞれ示す。
【００４８】
図７〜図９によれば、炭酸ガス濃度が５０〜５０００ｐｐｍの範囲においては、いずれの炭酸ガスセンサも、起電力と炭酸ガス濃度との間にはネルンストの式に従った良好な直線関係があることが確認された。しかし、実施例１（図７）及び実施例２（図８）の炭酸ガスセンサにおいては、各センサ間の起電力のバラツキが比較例（図９）に比べて大きく低減されており、基体に窪み部を設けてその内部にイオン伝導体層を形成することで出力のバラツキが少なくなることが確認された。
【００４９】
−実施例３−
実施例１の構造を有する炭酸ガスセンサにおいて、基体の窪み部１４の大きさを変えることにより、固体電解質素子４０との間隙を０.０１〜２.０ｍｍの間で変化させたセンサを作製し、シール部の不良の発生率を調査した。また、シール部に不良の認められなかったセンサの出力特性を測定し、炭酸ガス濃度に対する起電力変化の直線勾配（いわゆる感度に相当）を調べた。これらの結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
0004014250.tif 000002
【００５１】
表１の結果より、固体電解質素子と窪み部の周壁との間隙が小さいと、充填が不十分となるためにシール材不足による割れが発生するようになり、一方、間隙が大きくなると、直線勾配が減少することが確かめられた。これは、間隙が大きいとシール材も多量に必要になり、固体電解質素子の温度が安定に保持されないためであると考えられる。
【００５２】
−実施例４−
実施例１の構造を有する炭酸ガスセンサにおいて、シール材７０として用いたＣａＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ2系非晶質ガラス粉末に混合するＬｉＳｍＳｉＯ4粉末の添加量を０〜１００体積％の範囲内で変えた場合のシール部の不良の発生率を調査した。その結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0004014250.tif 000003
【００５４】
表２の結果より、ＬｉＳｍＳｉＯ4粉末の添加量が１０〜８０体積％の範囲内である場合には、不良の発生率が低く、３０〜７０体積％、さらには４０〜５０体積％であると特に良好であることがわかった。
【００５５】
−実施例５−
実施例１の構造を有する炭酸ガスセンサにおいて、シール材７０として用いた結晶化ガラスと非晶質ガラスとの体積比を変えた場合の、検知電極５０と検知電極用配線に接続された端子ピン８２との間の導通不良の発生率、及びシール部の不良の発生率について調査した。その結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
0004014250.tif 000004
【００５７】
表３の結果より、結晶化ガラスが２体積％より少ない場合にはシール部の流動によるものと思われる電極の導電不良の発生率が高くなり、一方、５０体積％より多くなるとシール部に割れが多く発生することが確かめられた。
【００５８】
−実施例６−
実施例１の構造を有する炭酸ガスセンサにおいて、発熱体の面積と固体電解質素子の面積との比を変えて、発熱体に通電を開始してから測定が可能となるまでの時間を調査した。基体１０に内蔵される発熱体２０の形成パターンを変えることにより、窪み部が設けられている基体の一主表面に対して垂直な方向から見た場合の、発熱体パターンの有効発熱部の占有面積を１としたときの固体電解質素子４０の面積（以下、素子面積比という）を０.０５〜２００の範囲で変化させた。その結果を表４に示す。
【００５９】
【表４】
0004014250.tif 000005
【００６０】
表４の結果より、素子面積比が１３０より大きくなると、測定できるようになるまでの時間がかかりすぎることがわかった。素子面積比は小さいほど立ち上げ時間が短くできるので好ましいが、固体電解質素子の面積比があまり小さくなりすぎると発熱体からの熱の逃げが大きくなり、発熱体の消費電力が大きくなってしまうので、素子面積比は３０〜８０程度が好ましい。
【００６１】
−実施例７−
実施例７は、実施例１の炭酸ガスセンサの変形例である。実施例７の炭酸ガスセンサは、基体１０、基準電極３０、固体電解質素子４０、検知電極５０、金属炭酸塩層６０及びシール材７０等からなる基本的な構成は実施例１と同じであるが、基体の全長並びに出力用端子ピン及び発熱体用端子ピンの形態が実施例１と異なり、台座９０への取り付け法が異なるものである。実施例７の炭酸ガスセンサが台座９０に付けられた状態の正面図を図１０に示す。炭酸ガスセンサの基体１０は長さ５ｍｍ×幅４ｍｍであり、実施例１の炭酸ガスセンサの検知部位の大きさは変えずに各端子ピン側の中間部分を約１０ｍｍ短くした形状のもので構成されている。また、台座９０には断面が０．５ｍｍ×０．２ｍｍの角棒状のステンレス（ＳＵＳ３０４）製の出力用ピン８５，８６（長さ１５ｍｍ）とヒータ用ピン８７，８８（長さ２２ｍｍ）が上下に平行に貫通して設けられており、その一端は実施例１の炭酸ガスセンサの出力用端子ピン及び発熱体用端子ピンと同様に突出し、そこでリード線９１，９２，９３，９４に接続される。
【００６２】
前記ヒータ用ピン８７，８８の先端部８７ａ，８８ａには直径０．１ｍｍ、長さ３ｍｍのＰｔ線８９ａ，８９ｂの一端が抵抗溶接により接合され、各Ｐｔ線の他端側に炭酸ガスセンサの基体の一側面がＡｕペーストの焼き付けにより接合されている。また、ヒータ用ピン８７，８８の所定の場所８７ｂ，８８ｂにも同様のＰｔ線８９ｃ，８９ｄが抵抗溶接により接合されており、そのＰｔ線の他端側は、基体内部から基体側面に導出された発熱体用配線の端部とＡｕペーストの焼き付けにより接合されている。さらに、出力用ピン８５，８６の端部８５ａ，８６ａにも直径０．１ｍｍ、長さ３ｍｍのＰｔ線８９ｅ，８９ｆの一端が抵抗溶接により接合されており、その他端側が検知電極用配線及び基準電極用配線の各端部とＡｕペーストの焼き付けにより接合されている。なお、基準電極用配線は基体の側面より表面側に導出され、検知電極用配線の端部と同一面上に配置されている。以上のようにして本実施例の炭酸ガスセンサは計６本のＰｔ線のみを介して空中に浮いた形で台座に保持されている。
【００６３】
上記のようにして台座に取り付けた炭酸ガスセンサにさらに実施例１と同様の保護キャップをかぶせて固定し、発熱体への通電による加熱試験を行なった。検知部位の設定温度を４５０℃とした場合の消費電力を前述の実施例１のものと比較したところ、実施例１の炭酸ガスセンサが２．３〜２．４Ｗであったのに対し、本実施例では１．３〜１．４Ｗと大幅に低減させることができた。
【００６４】
−実施例８−
発熱体を実施例１と同じ大きさ・形状にしたまま基体の長さのみを変えることによって、基体の一主表面に対して垂直な方向から見た場合の発熱体の有効発熱部の占有面積に対する基体の面積の比率を変えた以外は実施例７と同様にして炭酸ガスセンサを作製した。これらのセンサを一定温度に加熱した場合の消費電力について調べた結果を図１１に示す。なお、同図では、実施例１の炭酸ガスセンサの基体の長さを１００とした場合の各センサの基体の長さを横軸にとってそのときの消費電力をプロットしてある。この結果から明らかなように、基体の長さが短くなると、すなわち、発熱体の有効発熱部の占有面積に対する基体の面積が小さい程、消費電力が少なくなることがわかる。
【００６５】
−実施例９−
実施例１における固体電解質素子４０として、アルミナるつぼ中で９００℃で熱処理して得たＬｉＳｍＳｉＯ4合成物をアルミナ質ボールミル及びアルミナ質球石を用いて粉砕し、この粉砕物を金型プレス成形した後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、１０５０〜１２００℃の範囲の４種類の温度で焼成して平板状の焼結体を用意した。なお、前記粉砕物を蛍光Ｘ線分析により組成分析したところ２０重量％のＡｌ2Ｏ3が含まれていることが確認された。これらの焼結体を固体電解質素子４０として用いた以外は実施例１と同様にして炭酸ガスセンサを作製した。
【００６６】
−実施例１０−
実施例１における固体電解質素子４０として、アルミナるつぼ中で９００℃で熱処理して得たＬｉＳｍＳｉＯ4合成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕物に対して、８モル％のＹ2Ｏ3を含むＺｒＯ2粉末を焼結体全体における割合が２０重量％となるように添加し混合した。これを金型プレス成形した後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、１０００℃及び１１００℃の２種類の温度で焼成して平板状の焼結体を用意した。これらの焼結体を固体電解質素子４０として用いた以外は実施例１と同様にして炭酸ガスセンサを作製した。
【００６７】
−実施例１１−
実施例１における固体電解質素子４０として、アルミナるつぼ中で１２００℃で熱処理して得たＮａ3Ｚｒ2Ｓｉ2ＰＯ12合成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕物を金型プレス成形した後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、１２２０℃及び１２７０℃の２種類の温度で焼成して平板状の焼結体を用意した。また、シール材７０となる非晶質ガラスの粉末にはＮａ3Ｚｒ2Ｓｉ2ＰＯ12粉末を添加し、金属炭酸塩層６０を炭酸リチウム粉末と炭酸カルシウム粉末との混合物（重量比で５：９）を用い４８０℃で熱処理して形成した。これらの点以外は実施例１と同様にして炭酸ガスセンサを作製した。
【００６８】
以上の実施例９〜１１において作製した各炭酸ガスセンサに用いた固体電解質素子４０の開気孔率、全細孔体積及びかさ比重を水銀圧入式ポロシメーターを用いて測定した。これらの結果を表５に示す。また、各炭酸ガスセンサを長期間連続使用した場合の出力（起電力）に対する湿度の影響についても調査した。各炭酸ガスセンサを大気雰囲気中に設置するとともに各リード線を電圧計及び加熱用電源に接続し、発熱体に通電して基体の表面温度を４５０℃とした状態で連続稼働させた。そして、２４日経過後に一定の二酸化炭素濃度（５００ｐｐｍ）のもとで相対湿度を０％及び９０％とした場合における炭酸ガスセンサの起電力をそれぞれ測定した。その結果を連続稼働前の初期に調べた結果とともに表６にまとめて示す。
【００６９】
【表５】
0004014250.tif 000006
【００７０】
【表６】
0004014250.tif 000007
【００７１】
表５及び表６の結果より、固体電解質素子の開気孔率が小さいと湿度の影響を受けにくくなり起電力値の変動も小さくなることがわかる。特に、開気孔率が体積基準で１５％以下である場合には、相対湿度０％と９０％との起電力値の差が初期において６ｍＶ以下、２４日経過後においても７ｍＶ以下と小さく安定した出力を示しており、長期間にわたって湿度の影響の少ない炭酸ガス濃度測定が可能であることがわかった。なお、このときの固体電解質素子の全細孔体積は０．０５ｃｃ／ｇ以下であった。また、以上のような傾向は固体電解質素子の材質がＬｉＳｍＳｉＯ4系の場合もＮａ3Ｚｒ2Ｓｉ2ＰＯ12系の場合も同様であった。
【００７２】
−実施例１２−
本発明の他の実施例に係る炭酸ガスセンサの断面を模式的に表わした断面図を図１２に示す。前述の図３に示した実施例１の炭酸ガスセンサと異なる点は、基準電極３０、固体電解質素子４０、検知電極５０及び金属炭酸塩層６０が窪み部１４の内部に収まるようにこの順に設けられ、金属炭酸塩層６０の上面が基体１０の一主表面１５とほぼ同一面となるように構成されている点である。さらに、この実施例の炭酸ガスセンサでは、金属炭酸塩層６０の内部に金属網状体６５が埋入されている点においても実施例１のセンサと異なる。その他の点においては実施例１の炭酸ガスセンサとほぼ同一であるため、同一の構成部分についての説明は省略する。
【００７３】
この実施例の炭酸ガスセンサの基体１０は四層構造をなし、一部が打ち抜き等により除去された第三層と第四層が第二層の上に積層されることによって二層分の厚さに相当する深さを有する窪み部１４が形成されている。また、固体電解質素子４０は次のようにして用意した。出発原料の混合物をアルミナるつぼ中で９００℃で熱処理することにより合成したＬｉＳｍＳｉＯ4粉末をアルミナ質のボールミル及び球石にて粉砕し、得られた粉末に成形助剤を添加して金型プレス成形し、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）した後、大気中で１１５０℃で３時間焼成して平板状の焼結体を得た。なお、この焼結体の化学組成を蛍光Ｘ線分析で調べたところ、２０重量％のＡｌ2Ｏ3が含まれていた。このＡｌ2Ｏ3成分は、粉砕時の磨耗により混入したものであると推測される。
【００７４】
前記の基体１０及び焼結体を用いて実施例１と同様の手順により炭酸ガスセンサを作製した。ただし、検知電極形成用のＡｕペーストを塗布した後にその上に金属網状体６５となる５５メッシュのＡｕ網（ワイヤ径：０．１２ｍｍ）を置き、検知電極の固体電解質素子への焼き付けと同時にＡｕ網の固定も行なった。さらに、炭酸リチウムのペーストをＡｕ網の上から塗布して５５０℃で熱処理し、Ａｕ網が炭酸リチウムからなる金属炭酸塩層中に埋入された構造とした。
【００７５】
−実施例１３−
実施例１２と同様にして金属炭酸塩層６０中に金属網状体６５を配した点以外は前記実施例１と同様の構造で炭酸ガスセンサを作製した。
【００７６】
実施例１２及び実施例１３にて得られた炭酸ガスセンサに対して発熱体のｏｎ／ｏｆｆサイクル試験（以下、単に「ｏｎ／ｏｆｆ試験」ともいう。）を行ない、金属炭酸塩層の剥離の有無及びセンサ出力特性の変動について調べた。ｏｎ／ｏｆｆ試験は、発熱体への通電を５５分間行なった後、５分間通電を停止することを１サイクルとし、これを繰り返し連続して行ない、所定のサイクル数ごとに目視による外観検査をして金属炭酸塩層の剥離の有無を調べるとともに、センサの感度及び起電力についても測定した。なお、センサの感度は、被検ガス中の炭酸ガス濃度が１０倍変化した時の起電力変化の直線勾配（ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ）により表わした。また、起電力の変動は、二酸化炭素ガス濃度が１０００ｐｐｍのときの起電力について測定した。センサの感度の変動を図１３に、起電力の変動を図１４に示す。
【００７７】
外観検査においては、実施例１２、実施例１３ともに１５０サイクル経過時までは金属炭酸塩層の剥離は認められなかった。しかし、実施例１３では２００サイクル経過の時点で金属炭酸塩層に剥離が観察されたのに対して、実施例１２では５００サイクル後においても金属炭酸塩層の剥離は認められなかった。このことから、金属炭酸塩層を基体の窪み部内に収めた構造とすることにより、金属炭酸塩層の剥離を防止する効果が確認された。また、センサの感度及び起電力についても、実施例１２は実施例１３に比べてサイクル数に対する安定性が高いことが認められた。
【００７８】
【発明の効果】
本発明の炭酸ガスセンサは、基体の一主表面においてイオン伝導体層を搭載すべき部分に窪み部が設けられており、その中に固体電解質からなるイオン伝導体層またはイオン伝導体層から金属炭酸塩層までの積層部分がはめ込まれる形で搭載される。さらに、イオン伝導体層と窪み部との間隙には非晶質ガラス又は結晶化ガラスからなる所定のシール材が充填されている。従って、固体電解質からなるイオン伝導体層の基準電極側は完全に封止されて外気又は被検ガスから遮断される。また、イオン伝導体層と窪み部とのわずかな間隙のところで外気等と遮断するため、シール材が露出する面積が極めて少なく、また、シール材の使用量も少なくて済む。
【００７９】
また、本発明の炭酸ガスセンサでは、イオン伝導体層の検知電極側の面が基体の一主表面と同一面上とすることにより、検知電極を厚膜法で形成することが容易となり、製作が簡便となる。また、イオン伝導体層の検知電極側と窪み部の周壁との間隔を０．０５〜１．０ｍｍの範囲内とすることにより、発熱体からの熱の損失を低く抑えることができ、センサの出力特性、すなわち炭酸ガス濃度に対する出力電圧勾配（ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ）を高く維持することができる。前記間隔が０．０５ｍｍ未満であるとシール材が充填しきれない場合が生じ、基準電極と外気との遮断を確保できない。また、前記間隔が１．０ｍｍよりも大きい場合には出力電圧勾配が激しく減少する。なお、発熱体の加熱温度を上昇させることにより出力電圧勾配を高めることも考えられるがこの方法では効率がよくない。
【００８０】
また、本発明ではシール材として非晶質ガラスを用いる。所定の組成のガラス粉末をスラリーまたはペーストとし、これをイオン伝導体層の周囲の間隙に注入し乾燥後、ガラスの軟化点まで加熱してガラスを溶融させ、間隙の全体にわたって溶融ガラスを流れ込ませることにより封止が完全に行なわれる。非晶質ガラスの一部を結晶化ガラスに代えて用いることもできる。結晶化ガラスは溶融後の所定の熱処理下で結晶相を析出するため、その後の検知電極の焼付け時に軟化することがなく、配線の導通不良の発生を防ぐ効果がある。
【００８１】
また、センサを細いＰｔ線等を用いて台座に宙づり式に固定することにより、発熱体の消費電力を低減することができ、省エネ型の炭酸ガスセンサとすることができる。このとき、センサの基体全体に占める発熱体の有効発熱部の占有面積の比率を大きくすることによりその効果は一層大きなものとなる。また、上記の宙づり式とした場合には、激しい外力や振動等に対しても強度的に耐え得るセンサとすることができる。さらに、金属炭酸塩層の部分に金属網状体を配することにより、加熱冷却の繰り返しに対しても検知電極からの剥離を生ずることがなくなり、耐久性を向上することができる。
【００８２】
以上のような炭酸ガスセンサは、例えば、自動換気装置などの空調設備やハウス栽培における作物の成長促進、作物輸送貯蔵時の鮮度管理などに用いられるセンサとして特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の炭酸ガスセンサの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図４】実施例１の炭酸ガスセンサに台座及び保護キャップを付けた状態を示す一部断面図である。
【図５】実施例２の炭酸ガスセンサの断面図である。
【図６】比較例の炭酸ガスセンサの断面図である。
【図７】実施例１における炭酸ガス濃度と起電力との関係を示すグラフである。
【図８】実施例２における炭酸ガス濃度と起電力との関係を示すグラフである。
【図９】比較例における炭酸ガス濃度と起電力との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例７の炭酸ガスセンサの正面図である。
【図１１】基体の長さを変えた場合の消費電力の変化を示すグラフである。
【図１２】実施例１２の炭酸ガスセンサの断面図である。
【図１３】ｏｎ／ｏｆｆ試験による炭酸ガスセンサの感度変化を示すグラフである。
【図１４】ｏｎ／ｏｆｆ試験による炭酸ガスセンサの起電力変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０；基体
１４；窪み部
２０；発熱体
３０；基準電極
３１；基準電極用配線
４０；固体電解質素子
５０；検知電極
５１；検知電極用配線
６０；金属炭酸塩層
６５；金属網状体
７０；シール材
８１，８２；出力用端子ピン
８３，８４；発熱体用端子ピン
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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