本申請基于2015年2月12日提出的日本專利申請第2015-25776號及2015年10月5日提出的日本專利申請第2015-197908號，在此引用其記載內容。

本發(fā)明涉及通過在固體電解質基板上層疊對置板及加熱基板而形成的氣體傳感器。

背景技術：

例如，檢測nox等特定氣體成分的濃度的氣體傳感器通過層疊表面設有電極的固體電解質基板、形成被測定氣體室的對置板及第1隔板、形成基準氣體室的第2隔板、對固體電解質基板進行加熱的加熱基板而形成。被測定氣體室在固體電解質基板與對置板之間通過被第1隔板圍住而形成，基準氣體室在固體電解質基板與加熱基板之間通過被第2隔板圍住而形成。

此外，在通過加熱基板對固體電解質基板進行加熱時，被測定氣體室的溫度越是接近加熱基板的部分越成為高的溫度。該被測定氣體室中的溫度分布影響到特定氣體成分的濃度的檢測精度。因而，一直在想辦法緩和該溫度分布造成的影響。

例如，專利文獻1中，記載了關于在設有測定電極及基準電極的固體電解質層的層疊體上層疊加熱器而形成的氣體傳感器。此外，通過多孔質體即基準氣體導入層來被覆與測定電極相比更靠近加熱器的基準電極。由此，來自加熱器的熱難以傳遞給基準電極，從而減小基準電極與測定電極的溫度差，減小基準電極與測定電極之間產(chǎn)生的電動勢的偏差。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2012-211863號公報

技術實現(xiàn)要素：

可是，在氣體傳感器的使用中，加熱基板的熱通過導熱而傳遞到第2隔板、固體電解質基板及第1隔板。而且，在對置板中，與和被測定氣體室接觸的部分相比，與第1隔板重合的部分更容易被加熱。此外，對置板中的與被測定氣體室接觸的部分容易因向外部的散熱而被冷卻。因此，對置板中的與被測定氣體室接觸的部分被對置板中的與第1隔板重合的部分拉伸，對與被測定氣體室接觸的部分作用拉伸應力。而且，根據(jù)情況，有在兩者的邊界位置產(chǎn)生裂紋的顧慮。即使通過專利文獻1，也不能解決該裂紋問題。

再者，為了防止在對置板上產(chǎn)生裂紋，可考慮加大對置板的厚度?？墒?，在此種情況下，出現(xiàn)加熱器的熱被對置板奪走，氣體傳感器的活性時間變長的其它問題。

本發(fā)明是鑒于這樣的背景而完成的，其目的是提供能夠在對置板上難以產(chǎn)生裂紋，而且能夠減小被測定氣體室中的溫度分布(溫度差)的氣體傳感器。

本發(fā)明的一個方案涉及一種氣體傳感器，其具備：具有氧離子傳導性的固體電解質基板；與該固體電解質基板的第1表面相對地配置的陶瓷制的對置板；夾在該對置板與所述固體電解質基板之間、且在該對置板與該固體電解質基板之間形成用于使被測定氣體流入的被測定氣體室的陶瓷制的第1隔板；內部設有通過通電而發(fā)熱的發(fā)熱層、且與所述固體電解質基板的第2表面相對地配置的陶瓷制的加熱基板；夾在該加熱基板與所述固體電解質基板之間、且在該加熱基板與該固體電解質基板之間形成用于使基準氣體流入的基準氣體室的陶瓷制的第2隔板，所述對置板中的包含與所述被測定氣體室接觸的區(qū)域的內側部分的燒結密度比包含與所述第1隔板接觸的區(qū)域的外側部分的燒結密度低0.8～5.0％。

內側部分可以是對置板中的與被測定氣體室接觸的區(qū)域(部分)的全體，也可以是對置板中的與被測定氣體室接觸的區(qū)域的一部分。此外，內側部分也可以是對置板中的與被測定氣體室接觸的區(qū)域的全體及對置板中的與第1隔板接觸的區(qū)域(與第1隔板重合的部分)的一部分。

附圖說明

圖1是表示實施方式涉及的傳感器元件的剖面說明圖。

圖2是表示實施方式涉及的傳感器元件的圖，是圖1的ii-ii線的剖面說明圖。

圖3是表示實施方式涉及的傳感器元件的圖，是圖1的iii-iii線的剖面說明圖。

圖4是表示實施方式涉及的從圖1的箭頭x的方向看的傳感器元件的說明圖。

圖5是表示在第1模具與第2模具之間夾入實施方式涉及的傳感器元件的層疊體進行燒結的狀態(tài)的剖面說明圖。

圖6是表示實施方式涉及的其它傳感器元件的圖，是相當于圖1的ii-ii線剖面的說明圖。

圖7是表示實施方式涉及的其它傳感器元件的圖，是相當于圖1的ii-ii線剖面的說明圖。

圖8是表示實施方式涉及的其它傳感器元件的圖示，是相當于圖1的ii-ii線剖面的說明圖。

具體實施方式

參照附圖對上述的氣體傳感器中的優(yōu)選的實施方式進行說明。

本方式的氣體傳感器1如圖1～圖3所示的那樣，具備具有氧離子傳導性的固體電解質基板2、陶瓷制的對置板3、陶瓷制的第1隔板51、陶瓷制的加熱基板4及陶瓷制的第2隔板52。

對置板3與固體電解質基板2的第1表面201相對地配置。第1隔板51夾在對置板3與固體電解質基板2之間，且在對置板3與固體電解質基板2之間形成用于使被測定氣體g流入的被測定氣體室101。加熱基板4在內部具有通過通電而發(fā)熱的發(fā)熱層41，且與固體電解質基板2的第2表面202相對地配置。第2隔板52夾在加熱基板4與固體電解質基板2之間，且在加熱基板4與固體電解質基板2之間形成用于使基準氣體a流入的基準氣體室102。如圖1、圖2、圖4所示的那樣，對置板3中的位于與被測定氣體室101接觸的區(qū)域(即，與被測定氣體室101鄰接的部分)的內側部分31的燒結密度比位于與第1隔板51接觸的區(qū)域(即，與第1隔板51重合的部分)的外側部分32的燒結密度低0.8～5.0％。再者，本發(fā)明中，“數(shù)值～數(shù)值”的表現(xiàn)包含邊界的數(shù)值。

以下，參照圖1～圖8對本方式的氣體傳感器1進行詳細說明。

由固體電解質基板2、對置板3、第1隔板51、加熱基板4及第2隔板52構成氣體傳感器1的傳感器元件10。

傳感器元件10經(jīng)由絕緣子保持在殼中，殼上安裝有覆蓋傳感器元件10的蓋。另外，將用傳感器元件10、絕緣子、殼及蓋構成的氣體傳感器1配置在內燃機的排氣管中。氣體傳感器1被用于以通過排氣管的排氣作為被測定氣體g，檢測排氣中的作為特定氣體成分的nox(即氮氧化物)的濃度。

如圖1～圖3所示的那樣，在固體電解質基板2的第1表面201上，設有用于調整被測定氣體g中的氧濃度的泵電極21、用于檢測在泵電極21中調整了氧濃度后的被測定氣體g中的殘存氧濃度的監(jiān)測電極22、用于檢測在泵電極21中調整了氧濃度后的被測定氣體g中的nox濃度的傳感電極23。在固體電解質基板2的第2表面202上，在設置有泵電極21、監(jiān)測電極22及傳感電極23的位置的相反側的位置上，設有暴露于大氣即基準氣體a下的基準電極24。基準電極24也能分別設在設置有泵電極21、監(jiān)測電極22及傳感電極23的位置的相反側。

泵電極21及監(jiān)測電極22由對氧顯示出活性的材料構成，傳感電極23由對氧及nox顯示出活性的材料構成。

如圖1、圖2所示的那樣，在泵電極21與基準電極24之間，通過電壓外加裝置61經(jīng)由固體電解質基板2外加用于使被測定氣體g中的氧濃度成為恒定的可變電壓。在監(jiān)測電極22與基準電極24之間、及傳感電極23與基準電極24之間，經(jīng)由固體電解質基板2外加用于顯示極限電流特性的規(guī)定的電壓。

通過泵電極21、基準電極24和夾在它們之間的固體電解質基板2形成泵單元。此外，通過監(jiān)測電極22、基準電極24和夾在它們之間的固體電解質基板2形成監(jiān)測單元。此外，通過傳感電極23、基準電極24和夾在它們之間的固體電解質基板2形成傳感器單元。

在監(jiān)測單元中，通過電流檢測裝置62，測定經(jīng)由固體電解質基板2在監(jiān)測電極22與基準電極24之間流動的氧離子電流，由此可求出被測定氣體g中的殘存氧濃度。在傳感器單元中，通過電流檢測裝置63，測定經(jīng)由固體電解質基板2在傳感電極23與基準電極24之間流動的氧離子電流，由此可求出被測定氣體g中的nox濃度及殘存氧濃度的和。然后，通過從傳感器單元的氧離子電流中減去監(jiān)測單元的氧離子電流，可求出被測定氣體g中的nox濃度。

如圖1、圖3所示的那樣，在傳感器元件10中的頂端部，設有用于將被測定氣體g導入被測定氣體室101內的氣體導入口511。氣體導入口511設在第1隔板51的頂端部，在氣體導入口511上配置有作為將被測定氣體g導入給被測定氣體室101時的擴散阻抗體的多孔質體512。

在被測定氣體室101內，被測定氣體g從設有氣體導入口511的頂端側向底端側流動。泵電極21配置在靠近氣體導入口511的位置，監(jiān)測電極22及傳感電極23與泵電極21相比，在橫向b上并列地配置在被測定氣體室101中的被測定氣體g的流動的下游側。

基準氣體a從第2隔板52中的底端側被導入基準氣體室102內。加熱基板4全方位地包圍住通過通電而發(fā)生焦耳熱的發(fā)熱層41。

固體電解質基板2由氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯構成，對置板3、第1隔板51、第2隔板52及加熱基板4由具有絕緣性的礬土(即氧化鋁)構成。構成對置板3等的絕緣性的材料，除礬土以外，也可規(guī)定為氮化鋁、氮化硅、堇青石、莫來石、塊滑石、鎂橄欖石等。

對置板3、加熱基板4、第1隔板51及第2隔板52是通過在規(guī)定的溫度下將含有陶瓷粒子、溶劑及粘合劑的材料燒結(燒成)而得到的燒結體。燒結體中，通過除去溶劑及粘合劑使體積收縮而使陶瓷粒子彼此結合。對置板3中的外側部分32、加熱基板4、第1隔板51及第2隔板52的各燒結密度在95～100％的范圍內。由此，能夠適當?shù)乇３滞鈧炔糠?2、加熱基板4、第1隔板51及第2隔板52的強度。

這里，所謂燒結密度為100％的情況，指的是除去全部的溶劑及粘合劑，只殘留彼此結合的陶瓷粒子，且該陶瓷粒子的全體完全收縮了的狀態(tài)。此外，例如，所謂燒結密度為95％的情況，指的是與燒結密度為100％時的松密度(kg/m³)相比，松密度低5％的情況。

在制造傳感器元件10時，如圖5所示的那樣，通過層疊構成固體電解質基板2的固體電解質的薄板、分別構成對置板3、加熱基板4、第1隔板51及第2隔板52的陶瓷薄板而形成層疊體(即傳感器元件10)。此外，使用用于對層疊體施加壓力的第1模具71及第2模具72。在第1模具71中的與對置板3的內側部分31相對的部位上，形成有用于減低壓力的凹部711。

然后，將層疊體夾在第1模具71與第2模具72之間，對層疊體施加壓力，以施加該壓力的狀態(tài)對層疊體進行加熱，使層疊體燒結。此時，作用于與第1模具71的凹部711相對的、對置板3的內側部分31的壓力小于作用于對置板3的外側部分32的壓力。由此，與構成外側部分32的陶瓷粒子的粒子間距離相比，構成內側部分31的陶瓷粒子的粒子間距離增大。也就是說，燒結時，通過使施加給內側部分的壓力小于施加給外側部分的壓力，可緩和陶瓷粒子彼此緊密接觸的程度，能夠使內側部分的燒結密度低于外側部分的燒結密度。

再者，在形成被測定氣體室101的空間和形成基準氣體室102的空間內，配置有在層疊體的燒結時通過蒸發(fā)被完全除去的薄板73。

接著，在通過對層疊體進行加熱使溶劑及粘合劑蒸發(fā)時，維持構成內側部分31的陶瓷粒子的粒子間距離大于構成外側部分32的陶瓷粒子的粒子間距離的狀態(tài)。由此，在燒結層疊體時，形成對置板3中的內側部分31的燒結密度比對置板3中的外側部分32的燒結密度低0.8～5.0％的狀態(tài)。如此，內側部分31因與外側部分32相比燒結時的收縮率低而形成燒結密度粗的部分。

如圖4所示的那樣，本方式的對置板3中的內側部分31為與被測定氣體室101接觸的部分。此外，對置板3中的內側部分31為對置板3中的形成被測定氣體室101的部分的全體，換句話講，為不與第1隔板51重合的部分的全體。另一方面，本方式的對置板3中的外側部分32為與第1隔板51接觸的部分。此外，對置板3中的外側部分32為對置板3中的與第1隔板51重合的部分的全體，換句話講，為沒有形成被測定氣體室101的部分的全體。外側部分32以圍住內側部分31的全周的狀態(tài)形成。

在本方式的對置板3中，被測定氣體室101的橫向b的寬度與內側部分31的橫向b的寬度相同。

這里，傳感器元件10中，將頂端側及底端側所處的方向規(guī)定為長度方向l，將固體電解質基板2、對置板3、第1隔板51、加熱基板4及第2隔板52重合的方向規(guī)定為層疊方向t，將橫向b規(guī)定為與長度方向l及層疊方向t正交的方向。

對置板3中的內側部分31還可設定為以下構成。

如圖6所示的那樣，內側部分31可設定為對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的一部分，外側部分32可設定為對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的剩余部分和對置板3中的與第1隔板51接觸的區(qū)域。此時，在將被測定氣體室101的橫向b的寬度設定為w時，內側部分31的橫向b的寬度w1在0.8w以上且低于1.0w的范圍內。

此外，如圖7所示的那樣，內側部分31可設定為與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的全體及對置板3中的與第1隔板51接觸的區(qū)域的一部分，外側部分32可設定為對置板3中的與第1隔板51接觸的區(qū)域的剩余部分。此時，在將被測定氣體室101的橫向b的寬度設定為w時，內側部分31的橫向b的寬度w1在超過1.0w且1.5w以下的范圍內。

在圖7的情況時，如圖8所示的那樣，對置板3可由位于內側的內側部分31a和位于內側部分31a的外側且與內側部分31a相比厚度減薄了的外側部分32a而形成。外側部分32a的與第1隔板51相對的面以靠近對置板3的外側面301的方式減小厚度。此外，能夠將內側部分31a中的與第1隔板51相對的一側的角部形成為錐面311，同時將第1隔板51中的與內側部分31a相對的一側的角部設定為與錐面311相對的錐面513。在此種情況下，通過擴大對置板3與第1隔板51之間的界面，能夠增加燒結密度粗的內側部分31a的比例。

本方式的氣體傳感器1通過部分地變更對置板3的燒結密度(燒成密度)，從而有意圖地對對置板3產(chǎn)生應力。

具體地講，在對置板3上設置內側部分31和外側部分32，使內側部分31的燒結密度比外側部分32的燒結密度低0.8～5.0％。通過使內側部分31的燒結密度比外側部分32的燒結密度低，而能夠以從外側部分32對內側部分31施加壓縮應力的狀態(tài)來制作傳感器元件10。

由此，即使在進行傳感器元件10的燒結時發(fā)生熱應力的情況下，也能夠一直維持在對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的端部(即內側部分31與外側部分32的邊界位置)中發(fā)生壓縮應力的狀態(tài)。而且，陶瓷材料的相對于壓縮應力的強度顯著地高于其相對于拉伸應力的強度。因此，在對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的端部難以產(chǎn)生裂紋。

此外，通過降低內側部分31的燒結密度，從而使內側部分31的保溫性提高。由此，被加熱基板4的發(fā)熱層41加熱的被測定氣體g的熱難以從內側部分31向傳感器元件10的外部散熱。于是，測定氣體室中的溫度分布減小，從而能夠提高氣體傳感器1的氣體濃度的檢測精度。

因此，根據(jù)本方式的氣體傳感器1，能夠在對置板3中難以發(fā)生裂紋，而且能夠減小被測定氣體室101中的溫度分布(即溫度差)。

(確認試驗)

在本確認試驗中，對置板3中的內側部分31的燒結密度與對置板3中的外側部分32的燒結密度的差(稱為燒結密度差)(％)、及在使內側部分31的橫向b的寬度w1相對于被測定氣體室101的橫向b的寬度w變化時的對置板3的強度及氣體傳感器1的nox靈敏度進行了確認試驗。

本確認試驗中，對燒結密度差在0.8％～5.0％的范圍內、且內側部分31的橫向b的寬度w1在0.8w～1.5w的范圍內的試驗品1～9進行了試驗。此外，為了進行比較，對燒結密度差或內側部分31的橫向b的寬度w1不符合上述各范圍的比較品1～5也進行了試驗。

關于強度，通過進行熱沖擊的破壞試驗(即確認裂紋發(fā)生的試驗)，根據(jù)是否在對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的端部發(fā)生裂紋進行了確認。該破壞試驗基于夏比沖擊試驗來進行，求出傳感器元件10的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的端部發(fā)生斷裂時所需的能量即夏比沖擊值。然后，以該夏比沖擊值作為指標，評價傳感器元件10的強度。在強度的評價中，將破壞試驗中未發(fā)生裂紋、形成過負荷的狀態(tài)而有意圖地發(fā)生裂紋時的夏比沖擊值大的樣品規(guī)定為“優(yōu)”，將破壞試驗中未發(fā)生裂紋、形成過負荷的狀態(tài)而有意圖地發(fā)生裂紋時的夏比沖擊值小的樣品規(guī)定為“良”，將破壞試驗中發(fā)生裂紋的樣品規(guī)定為“不可”。

關于nox靈敏度，在使用氣體傳感器1測定nox濃度時，對nox濃度的測定精度是否通過被測定氣體室101內產(chǎn)生的溫度分布而下降了進行了確認。在nox靈敏度的評價中，將試驗中nox靈敏度沒有下降、形成過負荷的狀態(tài)而有意圖地發(fā)生nox靈敏度下降時所需的能量大的樣品規(guī)定為“優(yōu)”，將試驗中nox靈敏度沒有下降、形成過負荷的狀態(tài)而有意圖地發(fā)生nox靈敏度下降時所需的能量小的樣品規(guī)定為“良”，將試驗中nox靈敏度下降了的樣品規(guī)定為“不可”。

表1中示出試驗品1～9及比較品1～5的燒結密度差及內側部分31的橫向b的寬度w1、及本確認試驗的結果。

表1

關于燒結密度差為1.0％或3.0％、內側部分31的橫向b的寬度w1為0.8w的試驗品2、3，強度及nox靈敏度都為“優(yōu)”。由該結果得知：從強度及nox靈敏度的觀點出發(fā)，最優(yōu)選燒結密度差在1.0～3.0％的范圍內。

此外，關于燒結密度差為0.8％、4.0％或5.0％、內側部分31的橫向b的寬度w1為0.8w、1.0w、1.4w、1.5w的試驗品1、4～9，強度為“良”，nox靈敏度為“優(yōu)”。由該結果得知：通過使燒結密度差在0.8％～5.0％的范圍內，使內側部分31的橫向b的寬度w1在0.8w～1.5w的范圍內，從而使強度及nox靈敏度都優(yōu)異。

另一方面，關于在燒結密度沒有差別時(即0％時)、且沒有內側部分31(內側部分31的橫向b的寬度w1為0)的比較品1、燒結密度差低于0.8％或超過5.0％、或內側部分31的橫向b的寬度w1低于0.8％或超過1.5％的比較品2～5，強度及nox靈敏度中的至少一方為“不可”。由該結果得知：在燒結密度差低于0.8％或超過5.0％、或內側部分31的橫向b的寬度w1低于0.8％或超過1.5％時，有在對置板3中的與被測定氣體室101接觸的區(qū)域的端部發(fā)生裂紋的顧慮，或有nox濃度的檢測精度下降的顧慮。

符號說明

1－氣體傳感器，10－傳感器元件，101－被測定氣體室，102－基準氣體室，2－固體電解質基板，201－第1表面，202－第2表面，3－對置板，31－內側部分，32－外側部分，4－加熱基板，41－發(fā)熱層，51－第1隔板，52－第2隔板，g－被測定氣體，a－基準氣體。