JP2001281210A - 積層型ガス検出素子およびガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型ガス検出素子において、水滴の付着に
より生じる素子自体の損傷を防ぎ、長寿命の積層型ガス
検出素子を提供する。 【解決手段】 内燃機関の排気管に設置される実施例の
積層型酸素検出素子１は、排気ガス中の酸素濃度に応じ
た起電力を検出信号として出力するセラミックス基板積
層体３１の表面に、多孔質保護層１１，１３，１５，１
７，１９を積層して構成されている。このため、積層型
酸素検出素子１に付着した水滴は、多孔質保護層を分散
しながら緩慢に浸透するため、セラミックス基板積層体
３１に到達する時には水滴部分の面積が大きくなり、あ
るいは水滴の温度が上昇するか蒸発するため、セラミッ
クス基板上の温度勾配が小さくなって熱衝撃を良好に抑
えることができ、基板の損傷を防止できる。また、多孔
質保護層が水滴の付着による破損が発生し難いため、耐
被水性に優れた長寿命の積層型酸素検出素子となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のセラミック
ス基板を積層して構成され、高温環境下に設置されて、
複数種類のガスからなる測定対象気体中における特定ガ
スを検出する積層型ガス検出素子、およびガス検出素子
を備えたガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、複数種類のガスからなる測定
対象気体中における特定ガスを検出するガスセンサとし
て、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサが知られて
いる。そして、この種のガスセンサには、例えば、酸素
イオン伝導型固体電解質体（ジルコニアなど）等からな
る板状のセラミックス基板（以下、単に「基板」ともい
う）を複数積層して構成された積層型ガス検出素子が組
み付けられたものが知られている。この積層型ガス検出
素子として代表的な積層型酸素検出素子においては、最
上部に配置された酸素イオン伝導型固体電解質体からな
る基板の表面のうち、外気に晒される面に外面電極が、
他の基板に対向する面に内面電極が、それぞれ設けられ
ている。そして、基板が活性化されて酸素イオンが基板
内部を移動可能となると、基板を挟む状態で設けられた
電極間（外面電極と内面電極の間）に、外面の排気ガス
中の酸素と内面の基準酸素との酸素分圧に応じた起電力
が発生して、排気ガス中の酸素を検出するよう構成され
ている。

【０００３】ここで、酸素イオン伝導型固体電解質体
は、高温（例えば３５０℃以上）環境下で活性化状態と
なり酸素濃淡電池として動作するため、酸素検出素子に
は、基板のうち外面電極および内面電極に挟まれた部分
（酸素検出部）を、早期に昇温させるとともに確実に活
性化温度に維持するためのヒータが設けられたものがあ
る。そして、積層型酸素検出素子では、基板と基板との
間に発熱抵抗体が挟持されたヒータを一体に備えること
が多い。このような積層型酸素検出素子では、ヒータを
別体に備える場合に比べて、ヒータの発する熱を確実に
固定電解質体に供給できるため熱伝導における損失が少
なくなり、固体電解質体の酸素検出部を効率良く加熱す
ることができ、少ない電力消費で活性化温度を維持する
ことができる。

【０００４】一方、内燃機関の排気管を通過する排気ガ
ス中には、水滴や油滴などが含まれており、これら水滴
等の衝突等により積層型酸素検出素子が破損する虞があ
る。この問題に対しては、積層型ガス検出素子を排気管
に設置する際に、例えば、積層型酸素検出素子の周囲に
通気穴を複数有するプロテクタを設けて積層型酸素検出
素子を保護するなどの対策を行うことで、水滴や油滴な
どによって積層型酸素検出素子が損傷することを防いで
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プロテ
クタでは水滴等の侵入を完全に遮断することはできず、
積層型酸素検出素子に水滴等が付着する虞がある。その
ために、排ガス等に曝され、且つヒータやエンジンから
の発熱が重なり、かなりの高温にある積層型酸素検出素
子では、水滴が付着した部分とその周囲との間に大きな
温度差が生じ、その温度差により発生する熱衝撃によっ
て素子自体に、とりわけセラミックス基板同士の接合界
面が露出している部分から亀裂が生じ、積層型酸素検出
素子の寿命が短くなるという問題がある。

【０００６】なお、ガス検出素子の一形態として有底筒
状に形成されるものも知られているが、この形状の素子
は、セラミックス基板同士の接合界面が露出する構造で
はないことから、ある程度の耐熱衝撃性が得られてお
り、その点から水滴等の付着による亀裂の発生は積層型
ガス検出素子の特有の問題といえる。

【０００７】そこで、積層型酸素検出素子への水滴等の
付着を減少させるべく、例えば、プロテクタの通気穴を
小径に構成することが考えられるが、プロテクタの通気
穴（通気孔）を小径にすると、積層型酸素検出素子に対
する排気ガスの通過量が低下してしまうため、素子の応
答性能を低下させてしまう事になる。当然のことなが
ら、積層型酸素検出素子は、酸素を検出することを目的
として設置されることから、プロテクタは素子の応答性
能を優先して設計されるため、水滴等を完全に遮断する
ことは困難である。このため、プロテクタによる積層型
酸素検出素子の保護には限界がある。

【０００８】また、積層型酸素検出素子の取り付け位置
によっては、プロテクタの壁部表面や内部空間で凝縮し
た凝縮水が、内燃機関の始動直後に積層型酸素検出素子
に付着して、素子自体に亀裂が生じてしまうという問題
がある。本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので
あり、複数のセラミックス基板を積層してなる積層型ガ
ス検出素子において、水滴の付着による熱衝撃により生
じる素子自体の損傷を防ぎ、長寿命の積層型ガス検出素
子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１記載の発明は、測定対象気体中の
特定ガスを検出するための検出部を備えた第１セラミッ
クス基板と、発熱抵抗体を挟持する１対のセラミックス
基板と、を少なくとも含む複数のセラミックス基板を積
層して構成された積層型ガス検出素子であって、複数の
セラミックス基板の接合界面が露出している面の少なく
とも１面のうち、測定対象気体に曝されることになる当
該接合界面を少なくとも覆うように多孔質保護層が設け
られていること、を特徴とする。

【００１０】つまり、積層型ガス検出素子に多孔質保護
層（以下、単に「保護層」ともいう）を設けることで、
セラミックス基板に直接水滴や油滴、さらには凝縮水が
付着することを防ぐのである。これにより、保護層の内
側に位置するセラミックス基板においては、直接水滴が
付着しないため、水滴の付着によりセラミックス基板に
おいて発生する温度差（温度勾配）は小さくなり、水滴
の付着によってセラミックス基板に直接熱衝撃が発生す
るのを抑えることができる。

【００１１】また、積層型ガス検出素子の表面のうち、
複数のセラミックス基板の接合界面が露出している面
は、水滴の直接的な付着による温度差により、当該接合
界面を起点として亀裂が生じ易いが、この面のうち少な
くとも測定対象気体に曝されることになる露出した接合
界面を覆うように保護層を設けることで、亀裂の発生を
抑えることができる。

【００１２】そして、多孔質保護層に付着した水滴は、
多孔質保護層の多数の細孔（気孔）を分散しながら緩慢
に浸透していくため、内側のセラミックス基板表面に到
達するときには水滴部分の面積は分散されて大きくな
り、セラミックス基板上に生じる温度勾配を小さくして
熱衝撃を抑えることができる。また、高温下に曝される
積層型ガス検出素子においては、水滴が多孔質保護層を
緩慢に浸透する際に、セラミックス基板に到達する前の
多孔質保護層内において、この水滴を蒸発させることが
でき、セラミックス基板に大きな熱衝撃を発生させるこ
とが無くなる。さらに、熱膨張により生じる応力が細孔
によって緩和されるため、水滴が直接付着した場合でも
多孔質保護層自体に生じる熱衝撃が小さく、その多孔質
保護層がセラミックス基板からも剥離しにくい。

【００１３】したがって、本発明（請求項１）の積層型
ガス検出素子によれば、特に亀裂の生じ易い少なくとも
複数のセラミックス基板同士の露出している接合界面で
あって、測定対象気体に曝されることになる接合界面に
保護層を設けて水滴が直接付着するのを防ぐことで、セ
ラミックス基板に大きな熱衝撃が生じるのを抑えること
ができ、セラミックス基板、ひいては素子自体の損傷を
防いで、積層型ガス検出素子の寿命を延ばすことが可能
となる。

【００１４】ところで、積層型ガス検出素子の表面に
は、検出部が配置される部位のように排気管内に位置し
て測定対象気体に触れる面と、検出信号を外部に出力す
る電極が配置される部位のように排気管外に位置して測
定対象気体に触れない面とが存在する。また、測定対象
気体に触れる面においても、測定対象気体（排気ガス）
の流れる方向や積層型ガス検出素子の設置方向によっ
て、測定対象気体に触れ易い面と、触れ難い面とが存在
する。このため、測定対象気体に晒される面のうち、測
定対象気体に触れ易い面には、水滴等が付着する可能性
が高くなる。

【００１５】そのため、亀裂の発生を有効に抑えるため
には、測定対象気体に晒される面のうち、特に測定対象
気体が触れ易い面に保護層を設け、水滴がセラミックス
基板に直接付着する確率を低くすると良い。ここで、上
記積層型ガス検出素子としては、請求項２に記載のよう
に、多孔質保護層を構成する主成分が、複数のセラミッ
クス基板の主成分と同種であるとよい。

【００１６】つまり、多孔質保護層とセラミックス基板
とが同種の材料を主成分として形成されている場合、そ
れぞれの線膨張係数の差が小さくなり、水滴の付着によ
りセラミックス基板と多孔質保護層との間に生じる熱衝
撃を抑えることができる。また、セラミックス基板と多
孔質保護層とが、異質の材料で形成される場合には、そ
れぞれの焼成温度が異なることになる。しかし、本発明
（請求項２）の積層型ガス検出素子は、セラミックス基
板の焼成温度と多孔質保護層の焼成温度とがほぼ等しく
なることから、積層型ガス検出素子の製造工程におい
て、セラミックス基板と多孔質保護層とを同時に焼成に
より得るすることが可能となり、また同時焼成されるこ
とから両者の密着強度が向上する。

【００１７】したがって、請求項２に記載の積層型ガス
検出素子によれば、水滴の付着により生じるセラミック
ス基板と多孔質保護層との間の熱衝撃を小さく抑えるこ
とができ、多孔質保護層の素子からの剥離を有効に抑え
ることができる。また、積層型ガス検出素子の製造工程
において、セラミックス基板と多孔質保護層とを同時に
焼成により得ることができ、製造工程を簡略化すること
ができる。なお、本明細書における「主成分」とは、最
も割合の大きい成分のことであり、必ずしも５０％以上
を占める成分を意味するものではない。

【００１８】次に、上述の積層型ガス検出素子は、請求
項３に記載のように、多孔質保護層の気孔率が１５％〜
６５％の範囲内であるとよい。つまり、気孔率が１５％
よりも低い場合、多孔質保護層により水滴を分散させな
がら緩慢に浸透させていく機能が低下してしまう可能性
がある。また、気孔率が６５％よりも高い場合、付着し
た水滴のうち、多孔質保護層を通過してセラミックス基
板に到達する量が多くなり、セラミックス基板を十分に
保護することができない可能性があり、また、多孔質保
護層自体の強度の低下を招くことがある。

【００１９】よって、請求項３に記載の積層型ガス検出
素子によれば、ガス検出素子の応答性を低下させること
なく、また、ガス検出素子を水滴の付着による熱衝撃か
ら保護することが可能となる。なお、多孔質保護層の厚
さは厚いほど好ましいが、要求される耐被水性および製
造効率を考慮しつつ、気孔率に応じて設定すると良い。

【００２０】そして、請求項４に記載の発明は、測定対
象気体中の特定ガスを検出するためのガス検出素子と、
このガス検出素子を支持すると共に、ガス検出素子を測
定位置に配置するためのセンサケースと、を備えたガス
センサであって、ガス検出素子が、請求項１から請求項
３のいずれかに記載の積層型ガス検出素子であること、
を特徴とする。

【００２１】つまり、上述したように、請求項１から請
求項３のいずれかに記載の積層型ガス検出素子は、水滴
の付着によるセラミックス基板での熱衝撃の発生を良好
に抑えることができ、また、多孔質保護層自体が水滴の
付着による破損が発生し難いため、耐被水性に優れてい
る。そして、このような耐被水性に優れた積層型ガス検
出素子を備えるガスセンサは、水滴が付着しやすい環境
下でもガス検出素子が破損することなく良好にガスの検
出を行うことができ、また、寿命が長いガスセンサとな
る。

【００２２】したがって、請求項４に記載のガスセンサ
によれば、水滴の付着しやすい環境下においても破損が
起こり難く、また、長期間の使用が可能なガスセンサを
実現することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明が適用された積層型酸素検出素子１
であり、積層型酸素検出素子１の表面に設けられた多孔
質保護層１１，１３，１５，１７，１９を、それぞれセ
ラミックス基板積層体３１から分離した状態の模式的な
分解斜視図として表している。

【００２４】なお、本実施例の積層型酸素検出素子１
は、例えば、自動車に搭載された内燃機関の空燃比制御
を行うために排気管に設置されて、排気ガス（測定対象
気体）中の酸素濃度を検出する酸素センサに備えられて
使用されるものである。図１に示すように、積層型酸素
検出素子１は、略四方形の断面形状が長手方向に延長さ
れて形成される直方体形状であり、長方形形状である４
つの表面の全ての面と、略四方形形状である２つの表面
のうちの１面の計５面に、多孔質保護層１１，１３，１
５，１７，１９がそれぞれ形成されている。なお、以下
の説明では、積層型酸素検出素子１の長手方向端部のう
ち、多孔質保護層１９が形成されている側の端部を先端
部、反対側の端部を後端部と呼ぶこととする。

【００２５】また、図１に示すセラミックス基板積層体
３１において上面となる長方形形状の表面には、長手方
向後端部に外部装置に対して検出信号を出力するための
２つの出力電極３３と、長手方向先端部寄りの位置に酸
素濃度に応じた起電力（電位差）を発生する１対の電極
の一方である外面電極３５が備えられている。さらに、
図１におけるセラミックス基板積層体３１の底面（すな
わち、外面電極３５が備えられている面とは反対側の
面）には、長手方向後端部に後述するヒータ電極４１
（図１では図示省略）が備えられている。

【００２６】ここで、多孔質保護層１１，１３，１５，
１７，１９は、出力電極３３と外面電極３５とが備えら
れた表面、ヒータ電極４１が備えられた表面、長方形形
状の表面のうち残る２面（両側面）、先端部側の略四方
形形状の表面のうちで、図５にて示す後述の緩衝層１４
２の略中間部よりも前方側に位置することになる各部分
（各表面）に、それぞれ形成されている。

【００２７】なお、多孔質保護層１１，１３，１５，１
７，１９は、ジルコニア−アルミナ混合物に、昇温過程
において液相を経ずに昇華または気化する気孔化剤（テ
オブロミン，カフェイン、炭素粉末等）などを混合した
ものを焼成して形成されている。

【００２８】そして、積層型酸素検出素子１は、長手方
向における先端部側の略半分が排気ガスに晒される排気
管内に位置するように、後端部側の略半分が排気ガスに
接しないように設置され、また、出力電極３３が外部装
置につながる配線に接続され、ヒータ電極４１が外部電
源につながる配線に接続される。

【００２９】次に、セラミックス基板積層体３１につい
て、図２に示す分解斜視図を用いて説明する。図２に示
すように、セラミックス基板積層体３１は、板状の酸素
イオン伝導型固体電解質体（ジルコニアなど）からなる
４枚のセラミックス基板３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１
ｄをこの順に積層して構成されている。

【００３０】そして、第１セラミックス基板３１ａにお
いては、セラミックス基板積層体３１を形成するときに
第２セラミックス基板３１ｂと対向する面のうち、長手
方向先端部寄りの位置に内面電極３７が備えられてい
る。また、内面電極３７が備えられている面の反対側の
面のうち、第１セラミックス基板を介して内面電極３７
と対称となる位置に、前述の図１にも示した外面電極３
５が備えられている。そして、外面電極３５および内面
電極３７には、それぞれの後端部側の端部から、第１セ
ラミックス基板３１ａの長手方向後端部に向かう配線部
３５ａ、３７ａが延設されている。

【００３１】さらに、第１セラミックス基板３１ａの後
端部には、外面電極３５が設けられた面から内面電極３
７が設けられた面に通じるスルーホール４３が設けられ
ており、配線部３７ａと１つの出力電極３３とがスルー
ホール４３を介して接続されている。また、他方の出力
電極３３については、外面電極３５から延設された配線
部３５ａの端部が出力電極３３として備えられる。

【００３２】そして、第４セラミックス基板３１ｄにお
いては、セラミックス基板積層体３１を形成するときに
第３セラミックス基板３１ｃと対向する面の反対側の面
における長手方向後端部に、２つのヒータ電極４１が備
えられている。また、第４セラミックス基板３１ｄの後
端部には、第３セラミックス基板３１ｃと対向する面か
らヒータ電極４１が設けられた面に通じる２つのスルー
ホール４７が設けられている。

【００３３】さらに、セラミックス基板積層体３１を形
成する際に、第３セラミックス基板３１ｃと第４セラミ
ックス基板３１ｄとの間には、絶縁層５１、ヒータ３
９、絶縁層５３がこの順に積層されて挟持される。そし
て、絶縁層５１および絶縁層５３は共にアルミナを主成
分として形成されており、絶縁層５１が第３セラミック
ス基板３１ｃに接し、絶縁層５３が第４セラミックス基
板３１ｄに接している。さらに、絶縁層５３は、長手方
向後端部に、ヒータ３９に対向する面から第４セラミッ
クス基板３１ｄと対向する面に通じる２つのスルーホー
ル５３ａが設けられている。

【００３４】また、ヒータ３９は、セラミックス基板積
層体３１を形成するときに、第３セラミックス基板３１
ｃおよび絶縁層５１を介して内面電極３７と対称となる
位置（長手方向先端部寄りの位置）に備えられている。
そして、このヒータ３９の後端部側の端部からは、セラ
ミックス基板積層体３１の長手方向後端部に向かう２本
の配線部３９ａが延設されている。そして、２つの配線
部３９ａの端部３９ｂは、それぞれスルーホールを介し
て、２つのヒータ電極４１の一方に接続されている。

【００３５】ここで、積層型酸素検出素子１の製造方法
について説明する。まず、イットリアにより安定化され
たジルコニア粉末を、バインダおよび溶剤と共に混練し
た生素地を用いてドクターブレード法によりシート化す
ることで未焼成のセラミックス基板を４枚作製し、この
うちの１つのセラミックス基板（第１セラミックス基板
３１ａ）に、所定の位置にスルーホール４３を形成した
後、白金からなる導体ペーストを所定の配線パターンに
スクリーン印刷して乾燥させて、検知電極である外面電
極３５、基準電極である内面電極３７、出力電極３３を
形成する。

【００３６】一方、第１セラミックス基板３１ａとは異
なる１つのセラミックス基板（第４セラミックス基板３
１ｄ）においては、まず、所定の位置にスルーホール４
７を形成する。その後、セラミックス基板の片方の表面
に、アルミナペーストを塗布して乾燥させて絶縁層５３
を形成し、絶縁層５３の上に白金を主体とする導体ペー
ストを印刷して乾燥させてヒータ３９を形成し、さら
に、その上にアルミナペーストを塗布して乾燥させて絶
縁層５１を形成する。また、他方の表面には、白金を主
体とする導体ペーストを塗布し乾燥させて、ヒータ電極
４１を形成する。

【００３７】そして、電極が印刷された第１セラミック
ス基板３１ａと、残る２枚のセラミックス基板（第２セ
ラミックス基板３１ｂおよび第３セラミックス基板３１
ｃ）と、ヒータおよび絶縁層が積層された第４セラミッ
クス基板３１ｄとを積層するために、第３セラミックス
基板３１ｃの両面と第２セラミックス基板３１ｂの上面
に図示しない接着ペースト（例えば、ヒマシ油とブタノ
ールから形成されたもの）を塗布した上で積層した後、
減圧圧着することで、焼成前のセラミックス基板積層体
に相当するものを作製する。なお、このときの積層体
は、５個分の積層型酸素検出素子を整列した大きさに相
当する大きさを有しているので、この積層体を切断機に
て切断することにより、焼成前の５個のセラミックス基
板積層体が作製される。

【００３８】そして、この未焼成の各セラミックス基板
積層体の表面のうち、多孔質保護層１１，１３，１５，
１７，１９を設ける部分に、ジルコニアを主体とするペ
ーストを塗布して乾燥させる。このぺーストは、ジルコ
ニア粉末（３８重量％、純度９９．９％以上、平均粒径
０．４［μｍ］）、アルミナ粉末（１７重量％、純度９
９．９％以上、平均粒径０．５［μｍ］）、溶剤として
ブチルカルビドール（２５重量％）、バインダとしてポ
リビニルブチラール（８重量％）、気孔化剤としてテオ
ブロミン粉末（１２重量％、平均粒径６．０［μｍ］）
からなるものである。

【００３９】次に、表面に上記ペーストが施された各セ
ラミックス基板積層体を、大気圧雰囲気で毎時２０℃で
昇温し、最高温度４５０℃で１時間キープすることで、
表面のペースト内のバインダを含む未焼成のセラミック
ス基板積層体に含まれる全てのバインダを取り除く処理
（脱バインダ処理）を行う。このとき、ペースト内に含
まれる気孔化剤が液相を経ずに昇華して除去される。詳
細には脱バインダ処理の昇温過程において、セラミック
ス粉末の粒子間に存在する気孔化剤が直接気相となって
空気（気孔）に置換される。焼成後においてはこのペー
ストは多数の細孔を有する多孔質としての層を形成す
る。なお、気孔化剤としては、バインダがある程度液化
し終わった後から気化するまでの間もしくは完全に液化
し終わった後から気化するまでの間に除去される気孔化
剤を用いることが望ましい。

【００４０】さらに、この積層体を、１５００℃の環境
下に１時間配置して焼成することで、セラミックス基板
積層体および保護層が同時に焼成され、表面に多孔質保
護層１１，１３，１５，１７，１９が設けられた積層型
酸素検出素子１が完成する。つまり、本積層型酸素検出
素子１は、セラミックス基板積層体３１と多孔質保護層
１１，１３，１５，１７，１９とが同時に焼成されて製
造される。このように同時焼成が可能となるのは、セラ
ミックス基板積層体３１を形成する４枚のセラミックス
基板３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、多孔質保護層
１１，１３，１５，１７，１９の元であるペーストと
が、共にジルコニアを主体としており焼成温度がほぼ等
しいためである。

【００４１】なお、セラミックス基板積層体３１を先に
焼成した後に、ペーストを塗布して再度焼成することで
各保護層を形成するようにしても良い。なお、本実施例
の積層型酸素検出素子１においては、第１セラミックス
基板３１ａが特許請求の範囲における第１セラミックス
基板に相当し、ヒータ３９が発熱抵抗体に相当する。

【００４２】このように構成された積層型酸素検出素子
１は、多孔質保護層が設けられているため、積層型酸素
検出素子１の表面に水滴が付着した場合でも、セラミッ
クス基板積層体３１に直接水滴が付着するのを防ぐこと
ができる。したがって、本実施例の積層型酸素検出素子
１によれば、水滴が付着することにより生じる熱衝撃を
抑えることができ、セラミックス基板積層体３１に亀裂
が生じるのを防ぐことが出来る。

【００４３】そして、多孔質保護層１１，１３，１５，
１７，１９は、多数の細孔を有することから、付着した
水滴は分散しながら緩慢に浸透していくため、内側のセ
ラミックス基板積層体３１に到達するときには水滴部分
の面積が分散されて大きくなり、セラミックス基板上に
生じる温度勾配を小さくして熱衝撃を抑えることができ
る。

【００４４】次に、上述した実施例の積層型酸素検出素
子を備えた酸素センサの一実施例について説明する。図
５は、本発明の上記実施例の積層型酸素検出素子が組み
込まれた酸素センサ３の断面図であり、内燃機関の排気
管に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度の測定に使用
されるラムダ型酸素センサと通称される酸素センサ３の
一例である。

【００４５】この酸素センサ３に組み込まれる積層型酸
素検出素子１は、その先端部側が主体金具１０３の先端
より突出するように、主体金具１０３に形成された挿通
孔１３２に挿通される。このとき、挿通孔１３２の内面
と積層型酸素検出素子１の外面との間が、ガラス（例え
ば、結晶化亜鉛シリカほう酸系ガラス）を主体に構成さ
れる封着材層１４１により封着されている。なお、積層
型酸素検出素子１においては、長手方向端部のうち、検
出部Ｘ（保護層の内部に外面電極３５が設けられている
部分）の側を先端部という。

【００４６】そして、主体金具１０３の先端部外周に
は、積層型酸素検出素子１の突出部分を覆う金属製の二
重のプロテクタ１６１，１６２がレーザー溶接などによ
って固着されている。このプロテクタ１６１，１６２
は、キャップ状（有底円筒状）を呈するもので、その先
端や周囲に、排気管内を流れる排ガスをプロテクタ１６
１，１６２内に導く通気孔１６１ａ，１６２ａが形成さ
れている。一方、主体金具１０３の後端部は、外筒１０
７の先端部内側に挿入され、その重なり部分において
は、周方向にレーザー溶接等の接合が施されている。な
お、主体金具１０３の外周部には、酸素センサ３（主体
金具１０３）を排気管にねじ込んで取り付けるための取
付ねじ部１３１が螺設されている。

【００４７】また、積層型酸素検出素子１については、
第１コネクタ１５１，長手状金属薄板１５２，さらに第
２コネクタ部１５３（これらを総称して「外部端子」と
いう）と、リード線１０９とを介して、図示しない外部
回路と電気的に接続されている。また、外部端子を介し
て、２つの出力電極３３および２つのヒータ電極４１に
それぞれ電気的に接続された４本のリード線１０９は、
外筒１０７の後端側に位置するグロメット１０８を貫通
して延びている。

【００４８】なお、積層型酸素検出素子１の長手方向
（軸線方向）における封着材層１４１の少なくとも一方
の側に隣接する形で（本実施例では、封着材層１４１の
検出部Ｘに近い端面側に隣接して）、多孔質無機物質
（例えば、タルク滑石の無機物質粉末の圧粉成形体ある
いは多孔質仮焼体）で構成された緩衝層１４２が形成さ
れている。この緩衝層１４２は、封着材層１４１から軸
方向に突出する積層型酸素検出素子１を外側から包むよ
うに支持し、過度の曲げ応力や熱応力が積層型酸素検出
素子１に加わるのを抑制する役割を果たす。

【００４９】そして、上述したように、本酸素センサ３
に備えられた積層型酸素検出素子１は、水滴の付着によ
る熱衝撃を多孔質保護層１１，１３，１５，１７，１９
により小さく抑えることができ、また、多孔質保護層自
体が水滴の付着による破損が発生し難いため、耐被水性
に優れている。このため、このような耐被水性に優れた
積層型酸素検出素子１を備える酸素センサ３は、水滴が
付着しやすい環境下でも破損することなく良好にガスの
検出を行うことができ、また、寿命が長い酸素センサと
なる。

【００５０】なお、本実施例の酸素センサ３において
は、主体金具１０３および外筒１０７がセンサケースに
相当する。次に、２つの同じ寸法の図１に示すような積
層型酸素検出素子１を準備し、一方は多孔質保護層を全
く形成しない素子として、他方は複数のセラミックス基
板の接合界面が露出している面にのみ多孔質保護層にて
覆った形態の素子として、水滴の滴下による亀裂（クラ
ック）の発生の有無を調べるために実施した実験につい
て説明する。

【００５１】なお、この実験は、水滴が滴下されること
になる面（試験部）の発熱温度を、ヒータの加熱により
変化させて、各発熱温度毎に積層型酸素検出素子１の複
数のセラミックス基板の接合界面が露出している面の位
置に水滴が滴下するように、それぞれ水量が異なる水滴
を滴下して、亀裂の発生の有無を確認することで行っ
た。また、水滴の滴下位置は多孔質保護層が形成されて
いるか否かに拘わらず、複数のセラミックス基板の接合
界面が露出している面のうち、１以上の接合界面に対し
て水滴がまたがるように滴下を行うようにした。ここで
本実施例の多孔質保護層の厚みは１７０［μｍ］（平均
層厚）、気孔率は４７［％］である。

【００５２】そして、多孔質保護層が形成されていない
積層型酸素検出素子の実験結果を図３に、一方、多孔質
保護層が形成された積層型酸素検出素子１の実験結果を
図４にそれぞれ示す。ここで、図３および図４において
は、横軸を試験部発熱温度［℃］、縦軸を滴下水量［μ
Ｌ］とする座標表面上に、亀裂が発生していない場合に
は「○」を、亀裂が発生した場合には［×］を記すこと
で、実験結果を示している。

【００５３】なお、亀裂の有無の確認方法は、水滴の滴
下が終了した積層型酸素検出素子をインク液に浸し、そ
の後インク液から抜き出して表面のインクを拭き取り、
インクが染み込んでいる部分（亀裂）の有無を目視にて
確認することで行った。なお、多孔質保護層が形成され
る場合には、水滴の滴下が終了した後、多孔質保護層を
サンドプラスト等により除去した上でインク液に浸し、
亀裂の有無を確認した。

【００５４】図３および図４に示す実験結果から、多孔
質保護層を形成した積層型酸素検出素子１については、
全ての温度において亀裂が発生する滴下水量が、１．６
［μＬ］以上であるのに対して、多孔質保護層が形成さ
れていない積層型酸素検出素子については、温度によっ
ては滴下水量が１．０［μＬ］以下であっても亀裂が発
生していることが判る。特に、多孔質保護層が形成され
ていない積層型酸素検出素子における亀裂の発生箇所に
おいては、複数のセラミックス基板の接合界面を基点と
しているものがほとんどであった。

【００５５】ここで、排気管を流れる排気ガス中に含ま
れる通常の水滴量は、０．２〜０．５［μＬ］程度であ
ることから、排気ガスに曝されることになる複数のセラ
ミックス基板の接合界面の露出している面における当該
接合界面を少なくとも覆うように多孔質保護層を設け
て、積層型酸素検出素子を構成することにより、水滴の
付着による亀裂の発生を抑制することができ、積層型酸
素検出素子の寿命を延ばすことができることが判る。

【００５６】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、
種々の態様を採ることができる。例えば、保護層を積層
型ガス検出素子の部位毎に異なる厚さにして形成しても
良い。つまり、積層型ガス検出素子の表面のうち水滴の
付着によって亀裂が発生しやすい部位については、他の
部位よりも保護層を厚く形成する事により、水滴の付着
による破損を発生し難くすることができ、耐被水性を向
上させることができる。

【００５７】また、積層型ガス検出素子の部位毎に気孔
率の異なる多孔質物質からなる保護層を形成しても良
い。そして、検出部は、固体電解質体を用いたものに限
ることはなく、例えば、チタニアなどの特定ガスの濃度
変化を検出するものでもよく、また酸素以外のガスを検
出するための積層型ガス検出素子でもよい。さらに、積
層型ガス検出素子を形成するセラミックス基板は４枚に
限ることはなく、その用途に応じて必要な数のセラミッ
クス基板を用いて積層型ガス検出素子を構成すればよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の積層型酸素検出素子の分解斜視図で
ある。

【図２】 セラミックス基板積層体の分解斜視図であ
る。

【図３】 接合界面が露出している面に多孔質保護層が
設けられていない積層型酸素検出素子に水滴を滴下させ
たときの実験結果を示すグラフである。

【図４】 接合界面が露出している面に多孔質保護層が
設けられた積層型酸素検出素子に水滴を滴下させたとき
の実験結果を示すグラフである。

【図５】 本発明の積層型酸素検出素子が組み込まれた
酸素センサの断面図である。

【符号の説明】

１…積層型酸素検出素子、３…酸素センサ、１１，１
３，１５，１７，１９…多孔質保護層、３１ａ，３１
ｂ，３１ｃ，３１ｄ…セラミックス基板、３３…出力電
極、３５…外面電極、３７…内面電極、３９…ヒータ、
４１…ヒータ電極、６１…ポーラス部、６３…ヒータ
部、６５…先端部、６７…側面部、６９…エッジ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 良平 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大川 哲平 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC02 BD04 BE04 BF05 BF09 BF18 BH09 BJ02 2G042 AA01 BB09 CA01 CB01 FB06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象気体中の特定ガスを検出するた
   めの検出部を備えた第１セラミックス基板と、発熱抵抗
   体を挟持する１対のセラミックス基板と、を少なくとも
   含む複数のセラミックス基板を積層して構成された積層
   型ガス検出素子であって、 前記複数のセラミックス基板の接合界面が露出している
   面の少なくとも１面のうち、測定対象気体に曝されるこ
   とになる当該接合界面を少なくとも覆うように多孔質保
   護層が設けられていること、を特徴とする積層型ガス検
   出素子。
2. 【請求項２】 前記多孔質保護層を構成する主成分が、
   前記複数のセラミックス基板の主成分と同種であるこ
   と、を特徴とする請求項１に記載の積層型ガス検出素
   子。
3. 【請求項３】 前記多孔質保護層の気孔率が１５％〜６
   ５％の範囲内であること、を特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の積層型ガス検出素子。
4. 【請求項４】 測定対象気体中の特定ガスを検出するた
   めのガス検出素子と、 該ガス検出素子を支持すると共に、該ガス検出素子を測
   定位置に配置するためのセンサケースと、を備えたガス
   センサであって、 前記ガス検出素子が、請求項１から請求項３のいずれか
   に記載の積層型ガス検出素子であること、を特徴とする
   ガスセンサ。