板状センサ素子
【課題】ハウジング等に固定して使用する際に、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能であり、更に、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能な板状センサ素子を提供する。
【解決手段】板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体３と、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部４とを備え、センサ素子本体３が、封止部４が配設された位置から一方の端部６までの間にセンサ部５を有し、封止部４の材質がセラミックであり、センサ素子本体３と封止部４とが一体的に形成された板状センサ素子１。
【解決手段】板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体３と、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部４とを備え、センサ素子本体３が、封止部４が配設された位置から一方の端部６までの間にセンサ部５を有し、封止部４の材質がセラミックであり、センサ素子本体３と封止部４とが一体的に形成された板状センサ素子１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状センサ素子に関し、更に詳しくは、ハウジング等に固定して使用する際に、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能であり、更に、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能な板状センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排ガスや廃棄物の焼却時に発生する焼却排ガス等に含有される、塵やその他の粒子状物質を検出するため、上記排ガス中のＮＯＸ、ＣＯ及びＨＣ等を検出するため、更には、その他種々のガス中のＯ２等の物質を検出するため、各種センサが用いられている。
【０００３】
これらのセンサは、通常、センサ素子をケーシング、ハウジング等に装着し、上記ケーシング等を用いて配管等に取り付ける構造を有するものである（例えば、特許文献１，２参照）。また、センサ素子としては、板状のセラミック基材内にセンサ用の電極等が埋設された簡単な構造のセンサ素子が開示されている（例えば、特許文献３参照）。このような板状のセンサ素子は、センサ素子自体が機械的強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等に優れるものである。
【０００４】
上記板状のセンサ素子は、ハウジング等に直接差し込んで、所定の位置まで挿入した状態で固定して使用されるが、位置決めの際、正確な位置に固定するため治具等を用いる必要があり、煩雑な操作を要するという問題があった。更に、板状のセンサ素子を固定する際には、被測定ガス雰囲気と大気とを隔絶するため、板状のセンサ素子をハウジング等に固定する部分（固定部分）をガラス、タルク等の充填材を用いて封止する必要があり、煩雑な操作を要するという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−１２１５９９号公報
【特許文献２】特開２０００−３１４７１５号公報
【特許文献３】特開昭５７−２２５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガラスを充填材として用いた場合は、板状のセンサ素子（板状センサ素子）、ガラス、及びその他固定に用いる部材の熱膨張率が大きく異なる場合、割れ等の問題が生じることがあった。また、タルクを充填材として用いた場合は、タルクのコスト高、及び、タルク仮焼、組立て等の工数増という問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ハウジング等に固定して使用する際に、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能であり、更に、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能な板状センサ素子を提供することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明によって以下の板状センサ素子が提供される。
【０００８】
［１］ 板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体と、前記センサ素子本体の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部とを備え、前記センサ素子本体が、前記封止部が配設された位置から一方の端部までの間にセンサ部を有し、前記封止部の材質がセラミックであり、前記センサ素子本体と前記封止部とが一体的に形成された板状センサ素子。
【０００９】
［２］ 前記セラミック基材の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であり、前記封止部の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種である［１］に記載の板状センサ素子。
【００１０】
［３］ 複数のテープ状のセラミックグリーンシートを有するグリーンシート積層体が焼成されて形成された［１］又は［２］に記載の板状センサ素子。
【００１１】
［４］ 前記封止部が、前記センサ部側を向くと共にセンサ素子本体の外周面に接する封止面を有し、前記封止面と、前記封止面に接する前記センサ素子本体の外周面との間の角度が９０〜１３５°である［１］〜［３］のいずれかに記載の板状センサ素子。
【００１２】
［５］ 前記封止面の幅が、全周に亘って１〜１０ｍｍである［４］に記載の板状センサ素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の板状センサ素子によれば、封止部の材質がセラミックであり、機械的強度等に優れた材質である。これにより、板状センサ素子をハウジング等に固定する際に、封止部をハウジング等に封止リング等を介して強く押し付けても、封止部は破損しないため、センサ素子本体には余計な圧力を加えずに、封止部のみを強く押圧することによりガスが流通する隙間を無くすことができ、充填材を使用せずに固定部分を容易に封止することができる。更に、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成されているため、封止部を強く押圧して固定すればセンサ素子本体も固定され、封止部とセンサ素子本体とが、ずれたり、外れたりすることがない。また、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成されているため、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１５】
（１）板状センサ素子：
図１は、本発明の板状センサ素子の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の板状センサ素子１は、板状のセラミック基材２を有する板状のセンサ素子本体３と、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部４とを備え、センサ素子本体３が、封止部４が配設された位置から一方の端部６までの間にセンサ部５を有し、封止部４の材質がセラミックであり、センサ素子本体３と封止部４とが一体的に形成されたものである。センサ素子本体３の中の上記封止部４が配設された位置から一方の端部６までのセンサ部５を有する部分が、ハウジング等に挿入される部分である。
【００１６】
本実施形態の板状センサ素子１を構成するセンサ素子本体３は、板状のセラミック基材２を有し、封止部４から一方の端部６までの間にセンサ部５を有するものである。板状のセラミック基材２は、材質がセラミックであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、電気絶縁性、機械的強度等に優れたコージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であることが好ましく、これらの中でも、機械的強度及び電気絶縁性に優れる点で、コージェライトであることが更に好ましい。セラミック基材２が、このような材質であることより、板状センサ素子のセンサ部を有する部分をハウジング等に挿入して板状センサ素子をハウジング等に固定し、板状センサ素子を固定したハウジング等を、排ガスの配管等に形成されたハウジング等を挿入するための孔に挿入して、板状センサ素子を使用する際に、板状センサ素子を直接高温の排ガスと接触させても、破損したり腐食したりすることを防止することができる。
【００１７】
センサ素子本体３の大きさは、特に限定されないが、５０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ〜１００ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ（長さ×幅×厚さ）程度の大きさが好ましい。また、封止部４から一方の端部６までの長さＬは、２０〜４０ｍｍ程度が好ましい。
【００１８】
センサ素子本体３に形成されるセンサ部５は、対象物質を検知する部分であり、例えば、排ガス中の粒子状物質、Ｏ２、ＮＯＸ等を検知する部分である。センサ部５の構成としては、特に限定されず、目的とする物質を検出可能な公知の構成を採用することができる。例えば、粒子状物質を検出する場合、センサ部５に空洞が形成され、空洞内及びセラミック基材２の内部に電極が配設され、電極に粒子状物質を付着させてその流量を算出するもの等が挙げられる。電極には、適宜、外部の装置と接続するための、センサ素子本体内を通る電気配線が接続されることが好ましい。
【００１９】
本実施形態の板状センサ素子１を構成する封止部４は、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設された、リング状に形成された部分である。「センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設する」とは、図１に示すように、一の端面（一方の端部６の端面）７ａと、一の端面に対して反対側に位置する端面７ｂとを除いた４つの外周面に沿って、４つの外周面が繋がる方向に一周する帯状の部分（外周面の一部）に、リング状に配設することであり、センサ素子本体３に鍔状に封止部４を形成することである。上記一方の端部６と、一方の端部６に対して反対側に位置する端部（他方の端部８）とを結ぶ方向が、センサ素子本体３の長手方向であることが好ましい。そして、封止部４は、センサ素子本体３と一体的に形成されている。そのため、封止部４をセンサ素子本体３の所望の位置に形成し、封止部３が配設された位置から一方の端部６までの長さＬを所望の長さとすることにより、板状センサ素子を、ハウジング等に固定して使用する際に、センサ素子本体３の位置決め（挿入深さの決定）を封止部３により容易に行うことができ、所望の長さだけセンサ素子本体３をハウジング等から突き出すことが可能となる。
【００２０】
図１に示すように、封止部４は、センサ部５側を向くと共にセンサ素子本体３の外周面に接する封止面４ａを有することが好ましい。「封止面がセンサ部側を向く」というときは、センサ素子本体を封止部の部分を境界にして二つに分けたときに、二つに分けたセンサ素子本体の一方が封止面が向く側となり、他方が封止面が向かない側（封止部の、封止面に対して反対側の面が向く側）となり、これらの中で、センサ素子本体の封止面が向く側にセンサ部があることを意味する。封止部４において、封止面４ａは、板状センサ素子１をハウジング等に固定する際に、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面（封止部当接面１６（図５参照））に、封止リング１１（図５参照）を介して当接し、板状センサ素子１と配管等との間を封止する部分である。図１に示す、封止面４ａと、封止面４ａに接するセンサ素子本体３の外周面との間の角度θは、９０〜１３５°であることが好ましく、９０〜１２０°であることが更に好ましく、９０°であることが特に好ましい。角度θをこのような範囲とすることより、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧することができ、より効果的に板状センサ素子とハウジング等との間を封止することが可能である。角度θを９０°未満又は１３５°超にすると、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧できないことがある。また、封止面４ａは、その幅（封止面の幅）Ｗが、全周に亘って３〜１０ｍｍであることが好ましく、４〜７ｍｍであることが更に好ましい。ここで、「全周に亘って」とは、「リング状の封止部４のリング形状に沿った全周におけるいずれの部分においても」という意味である。そして、封止面の幅Ｗは、センサ素子本体の各外周面（４つの外周面）から、対応する（各外周面と接する）封止面の外周部分までの距離（封止面の外周部分から、当該封止面が接するセンサ素子本体の外周面に垂線を下ろしたときの、当該垂線の長さ）である。封止面の幅Ｗが、このような範囲であることより、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、より強く、効果的に押圧することができ、より効果的に板状センサ素子とハウジング等との間を封止することが可能である。封止面の幅Ｗが、３ｍｍより小さいと、封止面が小さくなるため、封止部４を、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、強く、効果的に押圧することができないことがある。また、封止面の幅Ｗが、１０ｍｍより大きいと、封止面が不必要に大きくなり、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面や、その周辺の構造等を不必要に大きくしなければならないことがある。
【００２１】
封止部４は、封止面４ａに対して反対側に、封止部背面４ｂを有することが好ましい。封止部背面４ｂと、封止部背面４ｂに接するセンサ素子本体３の外周面との間の角度は、９０〜１３５°であることが好ましく、９０〜１２０°であることが更に好ましく、９０°であることが特に好ましい。角度θをこのような範囲とすることより、板状センサ素子を、ハウジング等に固定するときに、封止面４ａと封止部背面４ｂとに所定の部材を押し当てて、封止部４を、当該部材により挟むようにして押圧することにより効果的に固定することができ、より効果的に板状センサ素子と配管等との間を封止することが可能である。ここで、上記「所定の部材」とは、例えば、図５に示す、封止リング１１、固定部材１４等である。角度θを９０°未満又は１３５°超にすると、封止部４を配管等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧できないことがある。また、封止部背面４ｂは、その幅（封止部背面の幅）が、全周に亘って３〜１０ｍｍであることが好ましく、４〜７ｍｍであることが更に好ましい。封止部背面の幅が、３ｍｍより小さいと、封止部背面側からの押圧力を大きくし難くなるため、封止部４を、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、強く、効果的に押圧することができないことがある。また、封止部背面の幅が、１０ｍｍより大きいと、封止部が不必要に大きくなり、ハウジング等に形成された、封止部４を固定するための構造等を不必要に大きくしなければならないことがある。
【００２２】
封止部４の、「センサ素子本体３の一方の端部６と、一方の端部６に対して反対側の端部（他方の端部）８とを結ぶ方向」に垂直な断面の外周形状は、特に限定されないが、図１に示すように長方形であることが好ましく、また、図２に示すように円形であることも好ましい。更に、三角形、五角形等の多角形、楕円形等の形状であってもよい。図２は、本発明の板状センサ素子の他の実施形態を示す斜視図である。図２においては、板状センサ素子１０１が、センサ素子本体１０３に封止部１０４が配設されて形成されている。また、封止部は、図３に示す板状センサ素子２０１のように、センサ素子本体２０３の一方の端部２０６に対して反対側の端部からセンサ素子本体２０３の所定の位置までを取り囲むように封止部２０４が配設されていてもよい。図３は、本発明の板状センサ素子の更に他の実施形態を示す斜視図である。
【００２３】
また、封止部４の、「センサ素子本体３の一方の端部６と他方の端部８とを結ぶ方向」における長さは、特に限定されないが、５０〜１００ｍｍが好ましく、６０〜８０ｍｍが更に好ましく、６０〜７０ｍｍが特に好ましい。５０ｍｍより短いと（薄いと）、強度が低くなることがあり、１００ｍｍより長いと（厚いと）、封止部４からセンサ部５までの距離を十分にとれなくなり、板状センサ素子を配管等に固定した際に、センサ部５を配管等内の最適な位置に配置し難いことがある。
【００２４】
封止部４の材質は、セラミックであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、機械的強度等に優れたコージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種であることが好ましく、これらの中でも、耐熱衝撃性及び電気絶縁性に優れる点で、コージェライトであることが更に好ましい。また、封止部４とセンサ素子本体３とは、類似する材質であることが好ましく、封止部４とセンサ素子本体３とが同じ材質であることが更に好ましい。ここで、「材質が類似する」とは、一方の熱膨張係数が他方の熱膨張係数に対して、０〜５％の範囲であることをいう。封止部４の材質とセンサ素子本体３の材質とが同じであることより、封止部４とセンサ素子本体３の熱膨張係数が同じになり、熱衝撃による破損を防止することができる。
【００２５】
本実施形態の板状センサ素子は、図４に示すような複数のテープ状のセラミックグリーンシート２２を有するグリーンシート積層体２１が、焼成されて形成されたものであることが好ましい。図４は、本実施形態の板状センサ素子の製造過程で形成されるグリーンシート積層体を示す斜視図である。グリーンシート積層体２１においては、セラミックグリーンシート２２に粒子状物質等検知用の電極や配線が印刷されていることが好ましい。
【００２６】
（２）板状センサ素子の製造方法：
次に、本発明の板状センサ素子の製造方法について説明する。
【００２７】
本発明の板状センサ素子の一実施形態の製造方法は、複数のセラミックグリーンシートを作製し、所定のセラミックグリーンシートの所定の位置に粒子状物質等検知用の電極や配線を配設し、電極や配線が配設されたセラミックグリーンシートを含む上記複数のセラミックグリーンシートを積層して図４に示すようなグリーンシート積層体２１を作製し、得られたグリーンシート積層体を焼成して板状センサ素子とする方法が好ましい。この製造方法によれば、テープ状のセラミックグリーンシートを積層し、封止部とセンサ素子本体とを一体焼成して板状センサ素子を作製するため、簡易な方法で効率的に簡易な構造の、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成された板状センサ素子を製造することができる。
【００２８】
テープ状のセラミックグリーンシートは、セラミック原料とバインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等とを混合し、スラリー状の成形原料とし、これをドクターブレード法等によりテープ状のグリーンシートに成形したものである。セラミック原料としては、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及び各種フェライト等を挙げることができる。また、セラミックグリーンシートの中で、封止部に相当する部分を構成するものの原料としては、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ、ムライト等を挙げることができる。また、テープ状のグリーンシートの厚さは、１０〜５００μｍであることが好ましく、６０〜３００μｍであることが更に好ましい。テープ状のグリーンシートの厚さを、このような範囲とすることにより、ハンドリング性向上という利点がある。
【００２９】
バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、（メタ）アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。
【００３０】
バインダーの添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であることが好ましく、６〜１７質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。
【００３１】
可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。
【００３２】
可塑剤の添加量は、バインダー添加量１００質量部に対して、３０〜７０質量部であることが好ましく、４５〜５５質量部であることが更に好ましい。７０質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、３０質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。
【００３３】
分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等を使用することが出来、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。
【００３４】
分散剤は、セラミック原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であることが好ましく、１〜２質量部であることが更に好ましい。０．５質量部より少ないと、セラミック原料の分散性が低下することがあり、グリーンシートにクラック等が生じることがある。３質量部より多いと、セラミック原料の分散性は変わらずに焼成時の不純物を増やすことになる。
【００３５】
分散媒としては、水、有機溶剤等を用いることができる。分散媒は、セラミック原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であることが好ましく、７５〜１５０質量部であることが更に好ましい。
【００３６】
スラリー状の成形原料は、成形の前に、減圧下で撹拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調製することが好ましい。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであることが好ましく、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであることが更に好ましく、３．５〜４．５Ｐａ・ｓであることが特に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状（テープ状）に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。尚、スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値である。
【００３７】
スラリー状の成形原料を成形して得られたテープ状のセラミックグリーンシートの形状は、図４に示すように、センサ素子本体に相当する部分２３及び封止部に相当する部分２４を形成するように形成されることが好ましい。その大きさは特に限定されず、所望の板状センサ素子を製造するのに適した大きさとすることができる。
【００３８】
所定の位置に粒子状物質等検知用の電極や配線を配設したセラミックグリーンシートは、上記方法により、例えば、平面形状が長方形のテープ状のセラミックグリーンシートを形成した後に、電極や配線を印刷することにより作製することが好ましい。例えば、電極としては、Ｐｔジルコニア（印刷用に白金とジルコニアとを混合させたもの）を用いることが好ましい。また、配線としてはタングステンもしくはタングステンとセラミック材料の混合体を用いることが好ましい。
【００３９】
上記テープ状のセラミックグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を形成するときには、テープ状のセラミックグリーンシートを重ね合わせて加圧により接着したりすることが好ましい。加圧には一軸加圧、静水圧加圧等が利用できる。加圧中にテープ状のセラミックグリーンシートを加熱することにより、熱圧着することも好ましい。シート間に接着層を形成し加圧接着することは更に好ましい。
【００４０】
上記方法により得られたグリーンシート積層体を一体焼成するときには、１０００〜１８００℃で１〜１００時間加熱することが好ましい。これにより、本発明の板状センサ素子を得ることができる。焼成装置としては、燃焼炉、電気炉等を使用することが好ましい。
【００４１】
（３）板状センサ素子の固定方法：
次に、本実施形態の板状センサ素子をハウジング等に固定し、板状センサ素子を固定したハウジングを配管等に固定する方法について説明する。
【００４２】
図５は、本実施形態の板状センサ素子１をハウジング２０に挿入して固定し、板状センサ素子１が固定されたハウジング２０を、配管１３の孔１３ａに挿入しながら配管１３に固定した状態を示す、板状センサ素子１の中心軸と流体の流通方向ｆとを含む平面で切断した断面図である。流通方向ｆは、配管１３の内部を流れる流体の流通方向を示す。ハウジング２０は、貫通孔１７が形成された筒状のハウジング本体２０ａと、ハウジング本体２０ａの筒の内側に配置された封止リング１１，１２及び固定部材１４とを有するものである。ハウジング本体２０ａは、中心軸方向の一方の端部側を配管等の孔に挿入するように形成されている。本実施形態においては、図５に示すように、ハウジング本体２０ａは、配管等に挿入する部分にネジが切られ、ネジ部２０ｂを有することが好ましく、更に、配管等から外側に出る部分は、ハウジング２０を工具等により回転させてネジ部２０ｂにより配管等に固定するために、中心軸方向に直交する断面が六角形の六角部２０ｃを有することが好ましい。六角部２０ｃを有することにより、スパナ、モンキー等の工具等を六角部に嵌合させ、ハウジング２０を回転させることができる。六角部に相当する部分の形状は、六角形には限定されず、工具等をその部分に嵌合させ、又は工具等によりその部分を把持等してハウジング２０を回転させることができればよい。また、ハウジング２０の配管への固定方法は、ネジ部を利用する方法に限定されず、フランジ式、バネ式等のいずれの方法でもよい。
【００４３】
ハウジング本体２０ａの貫通孔１７の内壁には、板状センサ素子１の封止部の封止面と、封止リング１１を介して当接する封止部当接面１６が形成されることが好ましい。封止部当接面１６は、図５に示すように、ハウジング本体２０ａのネジ部２０ｂが形成されている側の端部付近に形成された、ハウジング本体２０ａの中心軸に直交する平面であることが好ましい。ここで、「端部付近」とは、ハウジング本体２０ａの端部から３〜１０ｍｍの範囲である。ハウジング本体２０ａのネジ部２０ｂが形成されている側の端面における貫通孔１７の開口部の大きさは、センサ素子本体の幅の１３０〜１５０％に相当する大きさであることが好ましい。ハウジング本体２０ａの六角部２０ｃが形成されている側の端部には、板状センサ素子の封止部をかしめて固定するための「かしめ用爪部１５」が形成されることが好ましい。そして、かしめ用爪部１５を内側に倒し込むことにより、板状センサ素子１の封止部を、ハウジング２０の貫通孔１７内部で押圧することにより、板状センサ素子１とハウジング２０との隙間を封止することが好ましい。これにより、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能である。
【００４４】
板状センサ素子１をハウジング２０内に固定するときには、図５に示すように、ハウジング本体２０ａの封止部当接面１６上に封止リング１１を配置し、封止リング１１の上に、封止面４ａが封止リング１１に当接するように板状センサ素子１を配置し、板状センサ素子１の上から封止部４に被せるように固定部材１４を配置し、更に、固定部材１４の上から封止リング１２を配置することが好ましい。そして、かしめ用爪部１５を、封止リング１２の上から押圧するように倒し込むことにより、固定部分を封止し、板状センサ素子１をハウジング２０内に固定することが好ましい。板状センサ素子１をハウジング２０内に配置するときは、センサ部が形成される側の端部をハウジング２０の貫通孔に挿入するようにして、板状センサ素子１をハウジング２０内に配置することが好ましい。板状センサ素子を安定的に固定するため、固定部材を用いることが好ましいが、固定部材を用いずに、かしめ用爪部等により封止部を押圧して板状センサ素子を固定してもよい。尚、図５は、かしめ用爪部１５により、かしめる前の状態を示している。ここで、固定部分とは、ハウジング等に形成された貫通孔に、板状センサ素子を挿入して固定したときの、貫通孔、板状センサ素子及びそのた固定に用いられる部材を含む部分のことをいい、固定部分を封止するとは、ハウジング等に形成された貫通孔と板状センサ素子との隙間を埋めて貫通孔を通じてガスが流通しないようにすることである。また、センサ素子本体３の所定の位置に封止部４が一体的に配設されているため、板状センサ素子の位置決めを容易に行うことができる。
【００４５】
板状センサ素子１を固定したハウジング２０を、配管に固定するときには、図５に示すように、配管１３に、外壁面１９側から内壁面１８側まで貫通する孔（配管の孔）１３ａを形成し、配管の孔１３ａの内壁面にハウジング２０のネジ部２０ｂに対応するネジ部を形成し、配管の孔１３ａに形成されたネジ部に、ハウジング２０のネジ部２０ｂをねじ込むことにより固定することが好ましい。ハウジング２０を配管１３等に、ネジにより固定することにより、ハウジング２０と配管１３等との間を、隙間なく封止することができる。
【００４６】
封止リング１１，１２の材質は、特に限定されないが、ニッケル等を用いることができる。固定部材１４の材質は、特に限定されないが、ステンレス等を用いることができる。封止リング１１の形状は特に限定されないが、封止部当接面１６上に配置でき、板状センサ素子１の封止面４ａとの間を良好に封止できる形状であることが好ましい。固定部材１４の形状は、特に限定されないが、封止部４の封止面４ａに対して反対側の面上に載るリング状であることが好ましい。また、固定部材１４の外周形状は、封止部４の封止面４ａに対して反対側の面の外周形状と同様であることが好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
（成形原料の調製）
ジルコニアをセラミック原料として使用し、バインダーとしてポリビニールブチラール、可塑剤としてジブチルフタレート、分散剤としてポリノを使用し、分散媒としての有機溶剤と共にアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ１００質量部に対して、バインダー７．６質量部、可塑剤４質量部、分散剤０．７５質量部、分散媒７２質量部とした。
【００４９】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度４Ｐａ・ｓとなるように調製した。スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００５０】
（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工し、複数のセラミックグリーンシートを得た。このとき、図４に示すような形状のグリーンシート積層体が得られるような複数のセラミックグリーンシートを形成した。セラミックグリーンシートの厚さは、２５０μｍとした。
【００５１】
得られたセラミックグリーンシートの表面に、ＮＯＸセンサを形成するための、各電極及び配線を形成した。配設する各電極及び配線を形成する導体ペーストを、セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷を用いて印刷して、所定の形状の電極及び配線を形成した。
【００５２】
次に、セラミックグリーンシートを加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層し、セラミックグリーンシートが積層された図４に示すグリーンシート積層体を得た。
【００５３】
（焼成）
得られた、グリーンシート積層体を１２０℃で乾燥し、１５００℃で焼成して板状センサ素子を作製した。得られた板状センサ素子は、センサ素子本体が、６．８ｃｍ×０．４５ｃｍ×０．１５ｃｍの直方体であり、封止部が配設されている位置から一方の端部までの長さＬ（図１参照）が、１．５ｃｍであり、封止面の幅Ｗ（図１参照）が０．２ｃｍであり、封止部の長さＸ（図１参照）が０．４ｃｍであった。封止面の幅Ｗは、図１に示すように、全周に亘って同じ値であった。また、封止面と、封止面に接するセンサ素子本体の外周面との間の角度θ（図１参照）が、９０°であり、封止部背面と、封止部背面に接するセンサ素子本体の外周面との間の角度が、９０°であった。また、封止部の断面の外周形状は長方形であった。
【００５４】
（封止状態評価）
板状センサ素子を、３〜５Ｎｍのトルクにて図５に示すようなハウジング２０に取り付ける。そして、ハウジング２０を、貫通孔が形成されたステンレス製の板にネジ込み、板状センサ素子のセンサ部（ガス検知部）側に０．４ＭＰａのエアーを吹き付けて、ハウジング２０のセンサ部が突き出している側を加圧し、リード側（板状センサ素子のセンサ部が形成されていない端部が突き出している側）へのエアーリーク量を測定する。リーク量の確認は、ガラス管等の内側へ石鹸膜を作り、リークしたエアーをガラス管内へ導き、エアーにより石鹸膜が移動した距離を測定することにより行う。あらかじめ、石鹸膜の移動距離に対する、リークしたエアーの量（体積）を求めておく。リーク量が、０．１ｃｍ３／分以下の場合を合格とした。
【００５５】
実施例１の板状センサ素子について、上記封止状態の評価をした結果、０．０８ｃｍ３／分であり、良好に封止されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の板状センサ素子は、自動車の排ガスや廃棄物の焼却時に発生する焼却排ガス等に含有される、塵やその他の粒子状物質を検出するため、上記排ガス中のＮＯＸ、ＣＯ及びＨＣ等を検出するため、更には、その他種々のガス中のＯ２等の物質を検出するために利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の板状センサ素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の板状センサ素子の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の板状センサ素子の更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の板状センサ素子の製造過程で形成されるグリーンシート積層体を示す斜視図である。
【図５】本実施形態の板状センサ素子をハウジングに挿入して固定し、板状センサ素子が固定されたハウジングを、配管の孔に挿入しながら配管に固定した状態を示す、板状センサ素子の中心軸と流体の流通方向とを含む平面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１０１，２０１：板状センサ素子、２：セラミック基材、３，１０３，２０３：センサ素子本体、４，１０４，２０４：封止部、４ａ：封止面、４ｂ：封止部背面、５：センサ部、６，２０６：一方の端部、７ａ：一の端面、７ｂ：反対側に位置する端面、８：他方の端部、１１：封止リング、１２：封止リング、１３：配管、１３ａ：配管の孔、１４：固定部材、１５：かしめ用爪部、１６：封止部当接面、１７：貫通孔、１８：内壁面、２０：ハウジング、２０ａ：ハウジング本体、２０ｂ：ネジ部、２０ｃ：六角部、１９：外壁面、２１：グリーンシート積層体、２２：セラミックグリーンシート、２３：センサ素子本体に相当する部分、２４：封止部に相当する部分、Ｗ：封止面の幅、Ｘ：長さ、Ｌ：封止部から一方の端部までの長さ、ｆ：流体の流通方向、θ：角度。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状センサ素子に関し、更に詳しくは、ハウジング等に固定して使用する際に、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能であり、更に、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能な板状センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排ガスや廃棄物の焼却時に発生する焼却排ガス等に含有される、塵やその他の粒子状物質を検出するため、上記排ガス中のＮＯＸ、ＣＯ及びＨＣ等を検出するため、更には、その他種々のガス中のＯ２等の物質を検出するため、各種センサが用いられている。
【０００３】
これらのセンサは、通常、センサ素子をケーシング、ハウジング等に装着し、上記ケーシング等を用いて配管等に取り付ける構造を有するものである（例えば、特許文献１，２参照）。また、センサ素子としては、板状のセラミック基材内にセンサ用の電極等が埋設された簡単な構造のセンサ素子が開示されている（例えば、特許文献３参照）。このような板状のセンサ素子は、センサ素子自体が機械的強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等に優れるものである。
【０００４】
上記板状のセンサ素子は、ハウジング等に直接差し込んで、所定の位置まで挿入した状態で固定して使用されるが、位置決めの際、正確な位置に固定するため治具等を用いる必要があり、煩雑な操作を要するという問題があった。更に、板状のセンサ素子を固定する際には、被測定ガス雰囲気と大気とを隔絶するため、板状のセンサ素子をハウジング等に固定する部分（固定部分）をガラス、タルク等の充填材を用いて封止する必要があり、煩雑な操作を要するという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−１２１５９９号公報
【特許文献２】特開２０００−３１４７１５号公報
【特許文献３】特開昭５７−２２５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガラスを充填材として用いた場合は、板状のセンサ素子（板状センサ素子）、ガラス、及びその他固定に用いる部材の熱膨張率が大きく異なる場合、割れ等の問題が生じることがあった。また、タルクを充填材として用いた場合は、タルクのコスト高、及び、タルク仮焼、組立て等の工数増という問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ハウジング等に固定して使用する際に、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能であり、更に、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能な板状センサ素子を提供することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明によって以下の板状センサ素子が提供される。
【０００８】
［１］ 板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体と、前記センサ素子本体の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部とを備え、前記センサ素子本体が、前記封止部が配設された位置から一方の端部までの間にセンサ部を有し、前記封止部の材質がセラミックであり、前記センサ素子本体と前記封止部とが一体的に形成された板状センサ素子。
【０００９】
［２］ 前記セラミック基材の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であり、前記封止部の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種である［１］に記載の板状センサ素子。
【００１０】
［３］ 複数のテープ状のセラミックグリーンシートを有するグリーンシート積層体が焼成されて形成された［１］又は［２］に記載の板状センサ素子。
【００１１】
［４］ 前記封止部が、前記センサ部側を向くと共にセンサ素子本体の外周面に接する封止面を有し、前記封止面と、前記封止面に接する前記センサ素子本体の外周面との間の角度が９０〜１３５°である［１］〜［３］のいずれかに記載の板状センサ素子。
【００１２】
［５］ 前記封止面の幅が、全周に亘って１〜１０ｍｍである［４］に記載の板状センサ素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の板状センサ素子によれば、封止部の材質がセラミックであり、機械的強度等に優れた材質である。これにより、板状センサ素子をハウジング等に固定する際に、封止部をハウジング等に封止リング等を介して強く押し付けても、封止部は破損しないため、センサ素子本体には余計な圧力を加えずに、封止部のみを強く押圧することによりガスが流通する隙間を無くすことができ、充填材を使用せずに固定部分を容易に封止することができる。更に、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成されているため、封止部を強く押圧して固定すればセンサ素子本体も固定され、封止部とセンサ素子本体とが、ずれたり、外れたりすることがない。また、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成されているため、ハウジング等に固定する際の位置決めを容易に行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１５】
（１）板状センサ素子：
図１は、本発明の板状センサ素子の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の板状センサ素子１は、板状のセラミック基材２を有する板状のセンサ素子本体３と、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部４とを備え、センサ素子本体３が、封止部４が配設された位置から一方の端部６までの間にセンサ部５を有し、封止部４の材質がセラミックであり、センサ素子本体３と封止部４とが一体的に形成されたものである。センサ素子本体３の中の上記封止部４が配設された位置から一方の端部６までのセンサ部５を有する部分が、ハウジング等に挿入される部分である。
【００１６】
本実施形態の板状センサ素子１を構成するセンサ素子本体３は、板状のセラミック基材２を有し、封止部４から一方の端部６までの間にセンサ部５を有するものである。板状のセラミック基材２は、材質がセラミックであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、電気絶縁性、機械的強度等に優れたコージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であることが好ましく、これらの中でも、機械的強度及び電気絶縁性に優れる点で、コージェライトであることが更に好ましい。セラミック基材２が、このような材質であることより、板状センサ素子のセンサ部を有する部分をハウジング等に挿入して板状センサ素子をハウジング等に固定し、板状センサ素子を固定したハウジング等を、排ガスの配管等に形成されたハウジング等を挿入するための孔に挿入して、板状センサ素子を使用する際に、板状センサ素子を直接高温の排ガスと接触させても、破損したり腐食したりすることを防止することができる。
【００１７】
センサ素子本体３の大きさは、特に限定されないが、５０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ〜１００ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ（長さ×幅×厚さ）程度の大きさが好ましい。また、封止部４から一方の端部６までの長さＬは、２０〜４０ｍｍ程度が好ましい。
【００１８】
センサ素子本体３に形成されるセンサ部５は、対象物質を検知する部分であり、例えば、排ガス中の粒子状物質、Ｏ２、ＮＯＸ等を検知する部分である。センサ部５の構成としては、特に限定されず、目的とする物質を検出可能な公知の構成を採用することができる。例えば、粒子状物質を検出する場合、センサ部５に空洞が形成され、空洞内及びセラミック基材２の内部に電極が配設され、電極に粒子状物質を付着させてその流量を算出するもの等が挙げられる。電極には、適宜、外部の装置と接続するための、センサ素子本体内を通る電気配線が接続されることが好ましい。
【００１９】
本実施形態の板状センサ素子１を構成する封止部４は、センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設された、リング状に形成された部分である。「センサ素子本体３の一部を取り囲むように配設する」とは、図１に示すように、一の端面（一方の端部６の端面）７ａと、一の端面に対して反対側に位置する端面７ｂとを除いた４つの外周面に沿って、４つの外周面が繋がる方向に一周する帯状の部分（外周面の一部）に、リング状に配設することであり、センサ素子本体３に鍔状に封止部４を形成することである。上記一方の端部６と、一方の端部６に対して反対側に位置する端部（他方の端部８）とを結ぶ方向が、センサ素子本体３の長手方向であることが好ましい。そして、封止部４は、センサ素子本体３と一体的に形成されている。そのため、封止部４をセンサ素子本体３の所望の位置に形成し、封止部３が配設された位置から一方の端部６までの長さＬを所望の長さとすることにより、板状センサ素子を、ハウジング等に固定して使用する際に、センサ素子本体３の位置決め（挿入深さの決定）を封止部３により容易に行うことができ、所望の長さだけセンサ素子本体３をハウジング等から突き出すことが可能となる。
【００２０】
図１に示すように、封止部４は、センサ部５側を向くと共にセンサ素子本体３の外周面に接する封止面４ａを有することが好ましい。「封止面がセンサ部側を向く」というときは、センサ素子本体を封止部の部分を境界にして二つに分けたときに、二つに分けたセンサ素子本体の一方が封止面が向く側となり、他方が封止面が向かない側（封止部の、封止面に対して反対側の面が向く側）となり、これらの中で、センサ素子本体の封止面が向く側にセンサ部があることを意味する。封止部４において、封止面４ａは、板状センサ素子１をハウジング等に固定する際に、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面（封止部当接面１６（図５参照））に、封止リング１１（図５参照）を介して当接し、板状センサ素子１と配管等との間を封止する部分である。図１に示す、封止面４ａと、封止面４ａに接するセンサ素子本体３の外周面との間の角度θは、９０〜１３５°であることが好ましく、９０〜１２０°であることが更に好ましく、９０°であることが特に好ましい。角度θをこのような範囲とすることより、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧することができ、より効果的に板状センサ素子とハウジング等との間を封止することが可能である。角度θを９０°未満又は１３５°超にすると、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧できないことがある。また、封止面４ａは、その幅（封止面の幅）Ｗが、全周に亘って３〜１０ｍｍであることが好ましく、４〜７ｍｍであることが更に好ましい。ここで、「全周に亘って」とは、「リング状の封止部４のリング形状に沿った全周におけるいずれの部分においても」という意味である。そして、封止面の幅Ｗは、センサ素子本体の各外周面（４つの外周面）から、対応する（各外周面と接する）封止面の外周部分までの距離（封止面の外周部分から、当該封止面が接するセンサ素子本体の外周面に垂線を下ろしたときの、当該垂線の長さ）である。封止面の幅Ｗが、このような範囲であることより、封止部４をハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、より強く、効果的に押圧することができ、より効果的に板状センサ素子とハウジング等との間を封止することが可能である。封止面の幅Ｗが、３ｍｍより小さいと、封止面が小さくなるため、封止部４を、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、強く、効果的に押圧することができないことがある。また、封止面の幅Ｗが、１０ｍｍより大きいと、封止面が不必要に大きくなり、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面や、その周辺の構造等を不必要に大きくしなければならないことがある。
【００２１】
封止部４は、封止面４ａに対して反対側に、封止部背面４ｂを有することが好ましい。封止部背面４ｂと、封止部背面４ｂに接するセンサ素子本体３の外周面との間の角度は、９０〜１３５°であることが好ましく、９０〜１２０°であることが更に好ましく、９０°であることが特に好ましい。角度θをこのような範囲とすることより、板状センサ素子を、ハウジング等に固定するときに、封止面４ａと封止部背面４ｂとに所定の部材を押し当てて、封止部４を、当該部材により挟むようにして押圧することにより効果的に固定することができ、より効果的に板状センサ素子と配管等との間を封止することが可能である。ここで、上記「所定の部材」とは、例えば、図５に示す、封止リング１１、固定部材１４等である。角度θを９０°未満又は１３５°超にすると、封止部４を配管等に形成された封止部４を当接させる面により強く、効果的に押圧できないことがある。また、封止部背面４ｂは、その幅（封止部背面の幅）が、全周に亘って３〜１０ｍｍであることが好ましく、４〜７ｍｍであることが更に好ましい。封止部背面の幅が、３ｍｍより小さいと、封止部背面側からの押圧力を大きくし難くなるため、封止部４を、ハウジング等に形成された封止部４を当接させる面に、強く、効果的に押圧することができないことがある。また、封止部背面の幅が、１０ｍｍより大きいと、封止部が不必要に大きくなり、ハウジング等に形成された、封止部４を固定するための構造等を不必要に大きくしなければならないことがある。
【００２２】
封止部４の、「センサ素子本体３の一方の端部６と、一方の端部６に対して反対側の端部（他方の端部）８とを結ぶ方向」に垂直な断面の外周形状は、特に限定されないが、図１に示すように長方形であることが好ましく、また、図２に示すように円形であることも好ましい。更に、三角形、五角形等の多角形、楕円形等の形状であってもよい。図２は、本発明の板状センサ素子の他の実施形態を示す斜視図である。図２においては、板状センサ素子１０１が、センサ素子本体１０３に封止部１０４が配設されて形成されている。また、封止部は、図３に示す板状センサ素子２０１のように、センサ素子本体２０３の一方の端部２０６に対して反対側の端部からセンサ素子本体２０３の所定の位置までを取り囲むように封止部２０４が配設されていてもよい。図３は、本発明の板状センサ素子の更に他の実施形態を示す斜視図である。
【００２３】
また、封止部４の、「センサ素子本体３の一方の端部６と他方の端部８とを結ぶ方向」における長さは、特に限定されないが、５０〜１００ｍｍが好ましく、６０〜８０ｍｍが更に好ましく、６０〜７０ｍｍが特に好ましい。５０ｍｍより短いと（薄いと）、強度が低くなることがあり、１００ｍｍより長いと（厚いと）、封止部４からセンサ部５までの距離を十分にとれなくなり、板状センサ素子を配管等に固定した際に、センサ部５を配管等内の最適な位置に配置し難いことがある。
【００２４】
封止部４の材質は、セラミックであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、機械的強度等に優れたコージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種であることが好ましく、これらの中でも、耐熱衝撃性及び電気絶縁性に優れる点で、コージェライトであることが更に好ましい。また、封止部４とセンサ素子本体３とは、類似する材質であることが好ましく、封止部４とセンサ素子本体３とが同じ材質であることが更に好ましい。ここで、「材質が類似する」とは、一方の熱膨張係数が他方の熱膨張係数に対して、０〜５％の範囲であることをいう。封止部４の材質とセンサ素子本体３の材質とが同じであることより、封止部４とセンサ素子本体３の熱膨張係数が同じになり、熱衝撃による破損を防止することができる。
【００２５】
本実施形態の板状センサ素子は、図４に示すような複数のテープ状のセラミックグリーンシート２２を有するグリーンシート積層体２１が、焼成されて形成されたものであることが好ましい。図４は、本実施形態の板状センサ素子の製造過程で形成されるグリーンシート積層体を示す斜視図である。グリーンシート積層体２１においては、セラミックグリーンシート２２に粒子状物質等検知用の電極や配線が印刷されていることが好ましい。
【００２６】
（２）板状センサ素子の製造方法：
次に、本発明の板状センサ素子の製造方法について説明する。
【００２７】
本発明の板状センサ素子の一実施形態の製造方法は、複数のセラミックグリーンシートを作製し、所定のセラミックグリーンシートの所定の位置に粒子状物質等検知用の電極や配線を配設し、電極や配線が配設されたセラミックグリーンシートを含む上記複数のセラミックグリーンシートを積層して図４に示すようなグリーンシート積層体２１を作製し、得られたグリーンシート積層体を焼成して板状センサ素子とする方法が好ましい。この製造方法によれば、テープ状のセラミックグリーンシートを積層し、封止部とセンサ素子本体とを一体焼成して板状センサ素子を作製するため、簡易な方法で効率的に簡易な構造の、センサ素子本体と封止部とが一体的に形成された板状センサ素子を製造することができる。
【００２８】
テープ状のセラミックグリーンシートは、セラミック原料とバインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等とを混合し、スラリー状の成形原料とし、これをドクターブレード法等によりテープ状のグリーンシートに成形したものである。セラミック原料としては、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及び各種フェライト等を挙げることができる。また、セラミックグリーンシートの中で、封止部に相当する部分を構成するものの原料としては、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ、ムライト等を挙げることができる。また、テープ状のグリーンシートの厚さは、１０〜５００μｍであることが好ましく、６０〜３００μｍであることが更に好ましい。テープ状のグリーンシートの厚さを、このような範囲とすることにより、ハンドリング性向上という利点がある。
【００２９】
バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、（メタ）アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。
【００３０】
バインダーの添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、３〜２０質量部であることが好ましく、６〜１７質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。
【００３１】
可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。
【００３２】
可塑剤の添加量は、バインダー添加量１００質量部に対して、３０〜７０質量部であることが好ましく、４５〜５５質量部であることが更に好ましい。７０質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、３０質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。
【００３３】
分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ワックスエマルジョン、ピリジン等を使用することが出来、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。
【００３４】
分散剤は、セラミック原料１００質量部に対して、０．５〜３質量部であることが好ましく、１〜２質量部であることが更に好ましい。０．５質量部より少ないと、セラミック原料の分散性が低下することがあり、グリーンシートにクラック等が生じることがある。３質量部より多いと、セラミック原料の分散性は変わらずに焼成時の不純物を増やすことになる。
【００３５】
分散媒としては、水、有機溶剤等を用いることができる。分散媒は、セラミック原料１００質量部に対して、５０〜２００質量部であることが好ましく、７５〜１５０質量部であることが更に好ましい。
【００３６】
スラリー状の成形原料は、成形の前に、減圧下で撹拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調製することが好ましい。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、２．０〜６．０Ｐａ・ｓであることが好ましく、３．０〜５．０Ｐａ・ｓであることが更に好ましく、３．５〜４．５Ｐａ・ｓであることが特に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状（テープ状）に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。尚、スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した値である。
【００３７】
スラリー状の成形原料を成形して得られたテープ状のセラミックグリーンシートの形状は、図４に示すように、センサ素子本体に相当する部分２３及び封止部に相当する部分２４を形成するように形成されることが好ましい。その大きさは特に限定されず、所望の板状センサ素子を製造するのに適した大きさとすることができる。
【００３８】
所定の位置に粒子状物質等検知用の電極や配線を配設したセラミックグリーンシートは、上記方法により、例えば、平面形状が長方形のテープ状のセラミックグリーンシートを形成した後に、電極や配線を印刷することにより作製することが好ましい。例えば、電極としては、Ｐｔジルコニア（印刷用に白金とジルコニアとを混合させたもの）を用いることが好ましい。また、配線としてはタングステンもしくはタングステンとセラミック材料の混合体を用いることが好ましい。
【００３９】
上記テープ状のセラミックグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を形成するときには、テープ状のセラミックグリーンシートを重ね合わせて加圧により接着したりすることが好ましい。加圧には一軸加圧、静水圧加圧等が利用できる。加圧中にテープ状のセラミックグリーンシートを加熱することにより、熱圧着することも好ましい。シート間に接着層を形成し加圧接着することは更に好ましい。
【００４０】
上記方法により得られたグリーンシート積層体を一体焼成するときには、１０００〜１８００℃で１〜１００時間加熱することが好ましい。これにより、本発明の板状センサ素子を得ることができる。焼成装置としては、燃焼炉、電気炉等を使用することが好ましい。
【００４１】
（３）板状センサ素子の固定方法：
次に、本実施形態の板状センサ素子をハウジング等に固定し、板状センサ素子を固定したハウジングを配管等に固定する方法について説明する。
【００４２】
図５は、本実施形態の板状センサ素子１をハウジング２０に挿入して固定し、板状センサ素子１が固定されたハウジング２０を、配管１３の孔１３ａに挿入しながら配管１３に固定した状態を示す、板状センサ素子１の中心軸と流体の流通方向ｆとを含む平面で切断した断面図である。流通方向ｆは、配管１３の内部を流れる流体の流通方向を示す。ハウジング２０は、貫通孔１７が形成された筒状のハウジング本体２０ａと、ハウジング本体２０ａの筒の内側に配置された封止リング１１，１２及び固定部材１４とを有するものである。ハウジング本体２０ａは、中心軸方向の一方の端部側を配管等の孔に挿入するように形成されている。本実施形態においては、図５に示すように、ハウジング本体２０ａは、配管等に挿入する部分にネジが切られ、ネジ部２０ｂを有することが好ましく、更に、配管等から外側に出る部分は、ハウジング２０を工具等により回転させてネジ部２０ｂにより配管等に固定するために、中心軸方向に直交する断面が六角形の六角部２０ｃを有することが好ましい。六角部２０ｃを有することにより、スパナ、モンキー等の工具等を六角部に嵌合させ、ハウジング２０を回転させることができる。六角部に相当する部分の形状は、六角形には限定されず、工具等をその部分に嵌合させ、又は工具等によりその部分を把持等してハウジング２０を回転させることができればよい。また、ハウジング２０の配管への固定方法は、ネジ部を利用する方法に限定されず、フランジ式、バネ式等のいずれの方法でもよい。
【００４３】
ハウジング本体２０ａの貫通孔１７の内壁には、板状センサ素子１の封止部の封止面と、封止リング１１を介して当接する封止部当接面１６が形成されることが好ましい。封止部当接面１６は、図５に示すように、ハウジング本体２０ａのネジ部２０ｂが形成されている側の端部付近に形成された、ハウジング本体２０ａの中心軸に直交する平面であることが好ましい。ここで、「端部付近」とは、ハウジング本体２０ａの端部から３〜１０ｍｍの範囲である。ハウジング本体２０ａのネジ部２０ｂが形成されている側の端面における貫通孔１７の開口部の大きさは、センサ素子本体の幅の１３０〜１５０％に相当する大きさであることが好ましい。ハウジング本体２０ａの六角部２０ｃが形成されている側の端部には、板状センサ素子の封止部をかしめて固定するための「かしめ用爪部１５」が形成されることが好ましい。そして、かしめ用爪部１５を内側に倒し込むことにより、板状センサ素子１の封止部を、ハウジング２０の貫通孔１７内部で押圧することにより、板状センサ素子１とハウジング２０との隙間を封止することが好ましい。これにより、充填材を使用しなくても、容易に固定部分を封止することが可能である。
【００４４】
板状センサ素子１をハウジング２０内に固定するときには、図５に示すように、ハウジング本体２０ａの封止部当接面１６上に封止リング１１を配置し、封止リング１１の上に、封止面４ａが封止リング１１に当接するように板状センサ素子１を配置し、板状センサ素子１の上から封止部４に被せるように固定部材１４を配置し、更に、固定部材１４の上から封止リング１２を配置することが好ましい。そして、かしめ用爪部１５を、封止リング１２の上から押圧するように倒し込むことにより、固定部分を封止し、板状センサ素子１をハウジング２０内に固定することが好ましい。板状センサ素子１をハウジング２０内に配置するときは、センサ部が形成される側の端部をハウジング２０の貫通孔に挿入するようにして、板状センサ素子１をハウジング２０内に配置することが好ましい。板状センサ素子を安定的に固定するため、固定部材を用いることが好ましいが、固定部材を用いずに、かしめ用爪部等により封止部を押圧して板状センサ素子を固定してもよい。尚、図５は、かしめ用爪部１５により、かしめる前の状態を示している。ここで、固定部分とは、ハウジング等に形成された貫通孔に、板状センサ素子を挿入して固定したときの、貫通孔、板状センサ素子及びそのた固定に用いられる部材を含む部分のことをいい、固定部分を封止するとは、ハウジング等に形成された貫通孔と板状センサ素子との隙間を埋めて貫通孔を通じてガスが流通しないようにすることである。また、センサ素子本体３の所定の位置に封止部４が一体的に配設されているため、板状センサ素子の位置決めを容易に行うことができる。
【００４５】
板状センサ素子１を固定したハウジング２０を、配管に固定するときには、図５に示すように、配管１３に、外壁面１９側から内壁面１８側まで貫通する孔（配管の孔）１３ａを形成し、配管の孔１３ａの内壁面にハウジング２０のネジ部２０ｂに対応するネジ部を形成し、配管の孔１３ａに形成されたネジ部に、ハウジング２０のネジ部２０ｂをねじ込むことにより固定することが好ましい。ハウジング２０を配管１３等に、ネジにより固定することにより、ハウジング２０と配管１３等との間を、隙間なく封止することができる。
【００４６】
封止リング１１，１２の材質は、特に限定されないが、ニッケル等を用いることができる。固定部材１４の材質は、特に限定されないが、ステンレス等を用いることができる。封止リング１１の形状は特に限定されないが、封止部当接面１６上に配置でき、板状センサ素子１の封止面４ａとの間を良好に封止できる形状であることが好ましい。固定部材１４の形状は、特に限定されないが、封止部４の封止面４ａに対して反対側の面上に載るリング状であることが好ましい。また、固定部材１４の外周形状は、封止部４の封止面４ａに対して反対側の面の外周形状と同様であることが好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
（成形原料の調製）
ジルコニアをセラミック原料として使用し、バインダーとしてポリビニールブチラール、可塑剤としてジブチルフタレート、分散剤としてポリノを使用し、分散媒としての有機溶剤と共にアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ１００質量部に対して、バインダー７．６質量部、可塑剤４質量部、分散剤０．７５質量部、分散媒７２質量部とした。
【００４９】
次に、得られたグリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度４Ｐａ・ｓとなるように調製した。スラリーの粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００５０】
（成形加工）
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工し、複数のセラミックグリーンシートを得た。このとき、図４に示すような形状のグリーンシート積層体が得られるような複数のセラミックグリーンシートを形成した。セラミックグリーンシートの厚さは、２５０μｍとした。
【００５１】
得られたセラミックグリーンシートの表面に、ＮＯＸセンサを形成するための、各電極及び配線を形成した。配設する各電極及び配線を形成する導体ペーストを、セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷を用いて印刷して、所定の形状の電極及び配線を形成した。
【００５２】
次に、セラミックグリーンシートを加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層し、セラミックグリーンシートが積層された図４に示すグリーンシート積層体を得た。
【００５３】
（焼成）
得られた、グリーンシート積層体を１２０℃で乾燥し、１５００℃で焼成して板状センサ素子を作製した。得られた板状センサ素子は、センサ素子本体が、６．８ｃｍ×０．４５ｃｍ×０．１５ｃｍの直方体であり、封止部が配設されている位置から一方の端部までの長さＬ（図１参照）が、１．５ｃｍであり、封止面の幅Ｗ（図１参照）が０．２ｃｍであり、封止部の長さＸ（図１参照）が０．４ｃｍであった。封止面の幅Ｗは、図１に示すように、全周に亘って同じ値であった。また、封止面と、封止面に接するセンサ素子本体の外周面との間の角度θ（図１参照）が、９０°であり、封止部背面と、封止部背面に接するセンサ素子本体の外周面との間の角度が、９０°であった。また、封止部の断面の外周形状は長方形であった。
【００５４】
（封止状態評価）
板状センサ素子を、３〜５Ｎｍのトルクにて図５に示すようなハウジング２０に取り付ける。そして、ハウジング２０を、貫通孔が形成されたステンレス製の板にネジ込み、板状センサ素子のセンサ部（ガス検知部）側に０．４ＭＰａのエアーを吹き付けて、ハウジング２０のセンサ部が突き出している側を加圧し、リード側（板状センサ素子のセンサ部が形成されていない端部が突き出している側）へのエアーリーク量を測定する。リーク量の確認は、ガラス管等の内側へ石鹸膜を作り、リークしたエアーをガラス管内へ導き、エアーにより石鹸膜が移動した距離を測定することにより行う。あらかじめ、石鹸膜の移動距離に対する、リークしたエアーの量（体積）を求めておく。リーク量が、０．１ｃｍ３／分以下の場合を合格とした。
【００５５】
実施例１の板状センサ素子について、上記封止状態の評価をした結果、０．０８ｃｍ３／分であり、良好に封止されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の板状センサ素子は、自動車の排ガスや廃棄物の焼却時に発生する焼却排ガス等に含有される、塵やその他の粒子状物質を検出するため、上記排ガス中のＮＯＸ、ＣＯ及びＨＣ等を検出するため、更には、その他種々のガス中のＯ２等の物質を検出するために利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の板状センサ素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の板状センサ素子の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の板状センサ素子の更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の板状センサ素子の製造過程で形成されるグリーンシート積層体を示す斜視図である。
【図５】本実施形態の板状センサ素子をハウジングに挿入して固定し、板状センサ素子が固定されたハウジングを、配管の孔に挿入しながら配管に固定した状態を示す、板状センサ素子の中心軸と流体の流通方向とを含む平面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１０１，２０１：板状センサ素子、２：セラミック基材、３，１０３，２０３：センサ素子本体、４，１０４，２０４：封止部、４ａ：封止面、４ｂ：封止部背面、５：センサ部、６，２０６：一方の端部、７ａ：一の端面、７ｂ：反対側に位置する端面、８：他方の端部、１１：封止リング、１２：封止リング、１３：配管、１３ａ：配管の孔、１４：固定部材、１５：かしめ用爪部、１６：封止部当接面、１７：貫通孔、１８：内壁面、２０：ハウジング、２０ａ：ハウジング本体、２０ｂ：ネジ部、２０ｃ：六角部、１９：外壁面、２１：グリーンシート積層体、２２：セラミックグリーンシート、２３：センサ素子本体に相当する部分、２４：封止部に相当する部分、Ｗ：封止面の幅、Ｘ：長さ、Ｌ：封止部から一方の端部までの長さ、ｆ：流体の流通方向、θ：角度。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体と、
前記センサ素子本体の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部とを備え、
前記センサ素子本体が、前記封止部が配設された位置から一方の端部までの間にセンサ部を有し、
前記封止部の材質がセラミックであり、前記センサ素子本体と前記封止部とが一体的に形成された板状センサ素子。
【請求項２】
前記セラミック基材の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であり、
前記封止部の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種である請求項１に記載の板状センサ素子。
【請求項３】
複数のテープ状のセラミックグリーンシートを有するグリーンシート積層体が焼成されて形成された請求項１又は２に記載の板状センサ素子。
【請求項４】
前記封止部が、前記センサ部側を向くと共にセンサ素子本体の外周面に接する封止面を有し、
前記封止面と、前記封止面に接する前記センサ素子本体の外周面との間の角度が９０〜１３５°である請求項１〜３のいずれかに記載の板状センサ素子。
【請求項５】
前記封止面の幅が、全周に亘って１〜１０ｍｍである請求項４に記載の板状センサ素子。
【請求項１】
板状のセラミック基材を有する板状のセンサ素子本体と、
前記センサ素子本体の一部を取り囲むように配設されたリング状の封止部とを備え、
前記センサ素子本体が、前記封止部が配設された位置から一方の端部までの間にセンサ部を有し、
前記封止部の材質がセラミックであり、前記センサ素子本体と前記封止部とが一体的に形成された板状センサ素子。
【請求項２】
前記セラミック基材の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素及びフェライトから選択される少なくとも一種であり、
前記封止部の材質が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、スピネル、シリカ及び、ムライトから選択される少なくとも一種である請求項１に記載の板状センサ素子。
【請求項３】
複数のテープ状のセラミックグリーンシートを有するグリーンシート積層体が焼成されて形成された請求項１又は２に記載の板状センサ素子。
【請求項４】
前記封止部が、前記センサ部側を向くと共にセンサ素子本体の外周面に接する封止面を有し、
前記封止面と、前記封止面に接する前記センサ素子本体の外周面との間の角度が９０〜１３５°である請求項１〜３のいずれかに記載の板状センサ素子。
【請求項５】
前記封止面の幅が、全周に亘って１〜１０ｍｍである請求項４に記載の板状センサ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１８０６３４（Ｐ２００９−１８０６３４Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５０２（Ｐ２００８−２０５０２）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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