JP2002277431A - ガスセンサ素子及びその製造方法、並びにガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造時に切断工程を経ることで素子の切断面
に凹凸が生ずる場合にも、得られる素子の機械的強度を
有効に向上させ、かつセラミックヒータの通電時におけ
る熱衝撃に対してもクラックが生じ難いガスセンサ素子
を提供する。 【解決手段】 固体電解質からなる素子本体層に、検知
電極及び基準電極を形成した長尺状の酸素濃淡電池素子
と、発熱抵抗体を、第一ヒータ本体層及び第二ヒータ本
体層にて挟む形で形成した長尺状のセラミックヒータと
を少なくとも積層した構造のガスセンサ素子における露
出面のうちで、少なくとも素子の長手方向における積層
界面が露出した両側面（即ち、切断面にあたる側面）に
対して、絶縁皮膜を形成する。そして、その絶縁皮膜の
表面粗度を４０μｍＲｍａｘ以下とすることで、この積
層タイプのガスセンサ素子は、セラミックヒータの通電
磁における熱衝撃に対してクラックが生じ難くなり、機
械的強度にも優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関から排出される排ガスといった測定対象気体中から、
特定ガスを検出するための積層タイプのガスセンサ素子
及びその製造方法、並びにガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、測定対象気体中の特定ガスを
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。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）等からなる長尺状のセラミック層を複数積層し
てなる積層タイプのガスセンサ素子（以下、単に「素
子」ともいう）が知られている。そして、このガスセン
サ素子としてより具体的な構造として、固体電解質で形
成された素子本体層の一方の表面に検知電極を、他方の
表面に基準電極を形成した長尺状の酸素濃淡電池素子
と、発熱抵抗体を、セラミックから構成される第一ヒー
タ本体層及び第二ヒータ本体層にて挟む形で形成したセ
ラミックヒータとを積層した構造のものが今日多用され
ている。

【０００３】ここで、このような積層タイプの素子につ
いては、一般的に下記に示す手順により製造されるもの
である。 （１）複数の素子本体層を形成可能な大きさを有する未
焼成固体電解質シートに、検知電極及び基準電極となる
べき未焼成電極パターンを該素子本体層の数に対応して
各々形成し、複数の酸素濃淡電池素子が得られる未焼成
体を作製する。 （２）複数の第１ヒータ本体層及び第二ヒータ本体層を
それぞれ形成可能な大きさを有する未焼成固体電解質シ
ートの間に、発熱抵抗体となるべき未焼成発熱抵抗体パ
ターンを挟み込む形で形成して、複数のセラミックヒー
タが得られる未焼成体を作製する。 （３）それら酸素濃淡電池素子の未焼成体とセラミック
ヒータの未焼成体を積層して未焼成積層体となし、次い
で該未焼成積層体を長手方向に沿って切断、分割して素
子成形体を作製し、その素子成形体を一体に焼成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な積層タイプの素子では、複数のセラミック層を積層し
て構成される関係上、素子の厚み方向（即ち、積層方
向）に対する耐久性には十分な考慮が必要となる。とり
わけ問題となるのは、上述した製造時の切断工程を経る
ことで素子の露出面に生じる切断面の表面状態であり、
より具体的には素子の長手方向における積層界面の露出
した両側面の表面状態にある。例えば、上述した製造時
の切断工程にて未焼成積層体を切断した際に、その切断
面に切断刃の影響等により傷（凹凸）が生じていたりす
ると、その凹凸が焼成後の素子にも残留し、これが破壊
の起点となって素子の強度を低下させてしまうのであ
る。なお、素子の切断面に凹凸が生ずると、素子自体の
厚み方向に対する機械的強度につきこの凹凸が破壊の起
点となり、素子の機械的強度を低下させてしまう他に、
セラミックヒータへの通電時における熱衝撃に起因し
て、この凹凸が破壊の起点となり素子にクラックを発生
させてしまう問題がある。

【０００５】本発明は、こうした問題点を解決するもの
であり、積層タイプの素子の製造時に切断工程を経るこ
とで素子の切断面に凹凸が生ずる場合にも、得られる素
子自体の機械的強度を有効に向上させることができ、か
つセラミックヒータの通電時における熱衝撃に対しても
クラックが生じにくいガスセンサ素子、及びそのように
優れたガスセンサ素子を製造することができるガスセン
サ素子の製造方法、Ｈ並びにそれを用いたガスセンサと
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段、及び発明の効果】その解
決手段は、固体電解質で構成された素子本体層に、検知
電極及び基準電極を形成した長尺状の酸素濃淡電池素子
と、発熱抵抗体を、第一ヒータ本体層及び第二ヒータ本
体層にて挟む形で形成した長尺状のセラミックヒータ
と、を少なくとも積層してなるガスセンサ素子であっ
て、当該ガスセンサ素子のうち、少なくとも長手方向に
おける積層界面が露出した両側面に絶縁皮膜が形成され
るとともに、前記絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａ
ｘ以下とされているガスセンサ素子である。

【０００７】また、他の解決手段は、固体電解質で構成
された素子本体層に、検知電極及び基準電極を形成した
長尺状の酸素濃淡電池素子と、発熱抵抗体を、第一ヒー
タ本体層及び第二ヒータ本体層にて挟む形で形成した長
尺状のセラミックヒータと、を少なくとも積層してなる
ガスセンサ素子であって、当該ガスセンサ素子における
露出面のうち、切断面にあたる側面に絶縁皮膜が形成さ
れるとともに、前記絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍ
ａｘ以下とされているガスセンサ素子である。

【０００８】本発明者らは、検知電極及び基準電極を形
成した長尺状の酸素濃淡電池素子と、発熱抵抗体を有す
る長尺状のセラミックヒータとを少なくとも積層してな
るガスセンサ素子において、素子自体の厚み方向に対す
る機械的強度、さらにはセラミックヒータの通電時にお
ける熱衝撃に対する素子の耐久性を高める上で、素子に
おける切断面、具体的には素子の長手方向における積層
界面が露出した側面に絶縁皮膜を形成して、切断面に生
じた凹凸をならすことが有効であることを見い出し、そ
れにより耐久性に優れたガスセンサ素子を実現したので
ある。なお、ここでいう「表面粗度」は、日本工業規格
（ＪＩＳ）Ｂ−０６０１により測定された表面粗度の最
大高さＲｍａｘを意味する。

【０００９】ここで、本発明では、素子における切断
面、具体的には素子の長手方向における積層界面が露出
した側面に絶縁皮膜を形成するにあたって、側面（切断
面）に形成する絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａｘ
以下とされていることは主要な点である。凹凸が生じた
側面に絶縁皮膜を形成したとしても、側面上での凹凸の
影響で絶縁皮膜上に凹凸が生じてしまっていては、つま
り絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａｘを超える場合
には、側面上での凹凸をならした効果は小さく、素子自
体の厚み方向に対する機械的強度、セラミックヒータの
通電時における熱衝撃に対する素子の耐久性を高める効
果が期待できないからである。なお、上記絶縁皮膜の表
面粗度は、より望ましくは３０μｍＲｍａｘ以下とする
のがよい。なお、素子の側面（切断面）における凹凸の
程度により絶縁皮膜上の凹凸も影響を受けることになる
ため、絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以下とな
るように膜厚は、製造工程を考慮して適宜調整すればよ
い。

【００１０】また、本発明においては、素子の側面（切
断面）が絶縁皮膜にて被覆されることから、この素子を
ガスセンサに組み付けて実使用環境下において使用に供
されるうちに、素子の側面に導電性のカーボンが付着さ
れることがあったとしても、このカーボンは絶縁皮膜の
表面に付着されることになる。その結果、固体電解質か
らなるセラミック層にカーボンが直接付着することを抑
制する効果も得られ、ヒータの漏れ電流がリークしてブ
ラックニングを誘発するといった問題も低減させること
が可能である。なお、このカーボンの付着に対する絶縁
性の効果をより向上させる必要がある場合には、素子の
長手方向における積層界面が露出する両側面に加えて、
測定対象気体に晒される側の積層界面が露出する一端面
にも絶縁皮膜を形成すればよい。

【００１１】上記「絶縁皮膜」について、組成は特に限
定されるものではなく、アルミナ、ムライト、マグネシ
ア・アルミナスピネル等絶縁性に優れた材料を主体とす
る組成により構成することができるが、アルミナを主体
に構成することが好ましい。アルミナは絶縁性が非常に
高く、ジルコニア等に比べて熱伝導性に優れるので素子
への熱衝撃を緩和させる観点からも優れる材料であるか
らである。なお、本明細書における「主体」とは、最も
重量含有率の高い成分を意味するものであって、必ずし
も５０重量％以上を占める成分のことを意味するもので
はない。

【００１２】ついで、上述した本発明の優れたガスセン
サ素子を製造するための方法としては、複数の素子本体
層を形成可能な大きさを有する未焼成固体電解質シート
に、検知電極及び基準電極となるべき未焼成電極パター
ンを該素子本体層の数に対応して各々形成し、複数の酸
素濃淡電池素子が得られる未焼成体を作り、複数の第１
ヒータ本体層及び第二ヒータ本体層をそれぞれ形成可能
な大きさを有する未焼成固体電解質シートの間に、発熱
抵抗体となるべき未焼成発熱抵抗体パターンを挟み込む
形で形成して、複数のセラミックヒータが得られる未焼
成体を作り、それら酸素濃淡電池素子の未焼成体とセラ
ミックヒータの未焼成体を積層して未焼成積層体とな
し、次いで該未焼成積層体を切断により分割して素子成
形体を作り、その素子成形体の前記切断によって形成さ
れた積層界面が露出する側面に絶縁皮膜となるべき絶縁
ペーストを塗布し、次いでこの素子成形体を一体に焼成
することで、前記切断によって形成された前記側面に対
して表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以下の絶縁皮膜が形成
されるガスセンサ素子の製造方法である。

【００１３】積層タイプのガスセンサ素子を得るにあた
っては、複数の素子が一度に得られる大きさの未焼成積
層体を上述のように形成した上で、未焼成積層体から個
々の素子成形体に分割することが一般的である。そし
て、複数のガスセンサ素子が得られる大きさを有する未
焼成積層体から個々の素子成形体を得るには、切断刃を
使用したり、打ち抜きといった切断工程が必要であるが
故に、切断工程を経て得られる素子成形体の積層界面が
露出する側面（すなわち切断面）、とりわけ素子の長手
方向における積層界面が露出する両側面にて凹凸が生じ
ることがある。そこで、本発明では、切断によって得ら
れる個々の素子成形体において、この切断によって形成
された側面に絶縁皮膜となるべき絶縁ペーストを塗布
し、その上で焼成を行っている。なお、素子成形体の切
断によって形成された側面に対し、焼成後の絶縁皮膜の
表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以下となるように絶縁ペー
ストを適宜調整して塗布し、焼成することにより、焼成
後には焼成前に調整した絶縁ペーストの状態を反映し、
表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以下となる絶縁皮膜が良好
にかつ安定して形成されることになる。

【００１４】ここで、上述のような構成のガスセンサ素
子において、素子の側面（切断面）に対して表面粗度が
４０μｍＲｍａｘ以下の絶縁皮膜を形成するには、未焼
成成形体の焼成後の側面に絶縁ペーストを塗布し、再焼
成することも可能であるが、焼成前、すなわち未焼成積
層体の切断、分割後の段階で各素子成形体の切断によっ
て形成された側面に絶縁ペーストを塗布し、その状態で
素子成形体を一体に焼成するほうが経済的には有効であ
る。なお、絶縁性ペーストの塗布にあたっては、スクリ
ーン印刷等により行うことができる。

【００１５】さらに、本発明のガスセンサでは、ガスセ
ンサ素子を支持するとともに、ガスセンサ素子を測定位
置に配置するためのセンサハウジングを備えるガスセン
サに対して、本発明の上述のような構成のガスセンサ素
子を使用することを特徴とする。これにより、ガスセン
サ素子においては、素子自体の厚み方向（積層方向）に
対する機械的強度、セラミックヒータの通電時における
熱衝撃に対する素子の耐久性が高められていることか
ら、良好に特定ガスの検出を行うことができ、かつ長寿
命のガスセンサを提供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の積層タイプのガス
センサ素子及びそれを組み込んだガスセンサを実施例に
より詳しく説明する。 １．ガスセンサの構造 図１は、本発明のガスセンサ素子が組み込まれたガスセ
ンサであり、内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス
中の酸素濃度の測定に使用されるλ型酸素センサと通称
される酸素センサ２００の一例を示した断面図である。

【００１７】この酸素センサＢに組み込まれる積層型酸
素センサ素子Ａ（以下、単に「素子Ａ」ともいう）は、
その前方側が主体金具３の先端より突出するように当該
主体金具３に形成された挿通孔３２に挿通されると共
に、挿通孔３２の内周面と素子Ａの外周面との間が、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４１により封着されている。主体
金具３の先端部外周には、素子Ａの突出部分を覆う金属
製の二重のプロテクタ６１、６２がレーザー溶接等によ
って固着されている。このプロテクタ６１、６２は、キ
ャップ状を呈するもので、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６１、６２内に導くガス導
入孔６１ａ、６２ａが形成されている。一方、主体金具
３の後端部は外筒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３の外周部には、酸素セン
サＢ（主体金具３）を排気管にねじ込んで取り付けるた
めの取り付けねじ部３１が螺設されている。

【００１８】そして、素子Ａは、第１コネクタ５１、長
手状金属薄板５２、第二コネクタ部５３及び絶縁板（図
示せず）（なお、これらを総称して「外部端子」とい
う）と、リード線９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、都合４本のリード線９
は、外筒７の後端側に位置するグロメット８を貫通して
延びている。

【００１９】また、素子Ａの長手方向（軸線方向）にお
いて、封着材層４１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４１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４２が形成されている。この緩衝層４２
は、封着材層４１から軸方向に突出する素子Ａ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素子Ａ
に加わるのを抑制する役割を果たす。

【００２０】２．積層型酸素センサ素子の構造 次に、本発明の主要部である積層型酸素センサ素子につ
いて、図２を用いて説明する。なお、図２は図１に示し
た酸素センサＢに備えられている積層型酸素センサ素子
Ａの分解斜視図を示すものであり、この素子Ａは酸素濃
淡電池素子１及びセラミックヒータ２を積層した構造を
有するものである。

【００２１】このうち酸素濃淡電池素子１は、酸素イオ
ン伝導性を有するジルコニアを主体に構成された酸素濃
淡電池用固体電解質層１１を備え、酸素濃淡電池用固体
電解質層１１の一端側（図１における主体金具３の先端
より突出する側）の表裏面に検知電極１３ａ及び基準電
極１３ｂが直に形成され、検知電極１３ａの電極部１３
１ａと基準電極１３ｂの電極部１３１ｂにて酸素濃淡電
池用固体電解質層１１を介して対向させることで図１に
おける検知部Ｘを構成している。この電極部１３１ａ及
び電極部１３１ｂには、酸素濃淡電池用固体電解質層１
１の長手方向に延設する導体リード部１３２ａ及び１３
２ｂがそれぞれ接続されている。但し、これらの各導体
リード部１３２ａ及び１３２ｂは、酸素濃淡電池用固体
電解質層１１の表裏面に酸素濃淡電池用第１絶縁層１２
ａ及び酸素濃淡電池用第２絶縁層１２ｂを介して形成さ
れている。なお、酸素濃淡電池用第１絶縁層１２ａ並び
に酸素濃淡電池用第２絶縁層１２ｂは、いずれも絶縁性
に優れるアルミナを主体に構成されている。

【００２２】導体リード部１３２ａの末端は、外部回路
接続用の外部端子（図示せず）と接続されると共に、電
極部１３１ａと電気的に接続される信号取出し用端子１
３３ａを構成するものである。また、導体リード部１３
２ｂの末端は酸素濃淡電池用固体電解質層１１、酸素濃
淡電池用第１絶縁層１２ａ及び酸素濃淡電池用第２絶縁
層１２ｂを貫通するスルーホール１５を介して、外部端
子と接続されるための信号取出し用端子１４と接続され
る。

【００２３】一方、セラミックヒータ２は、白金や白金
合金等から構成される発熱抵抗体２１を備え、この発熱
抵抗体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成さ
れるヒータ用第１絶縁層２２ａ及びヒータ用第２絶縁層
２２ｂに挟持されている。更に、上記絶縁層に挟持され
た発熱抵抗体２１は、ジルコニアを主体に構成される第
１ヒータ本体層２３ａ及び第２ヒータ本体層２３ｂに挟
持された上で、アルミナを主体とするセラミックから構
成されるヒータ用第３絶縁層２４ａ及びヒータ用第４絶
縁層２４ｂとにより挟持される多層構造を呈する。

【００２４】この発熱抵抗体２１は、ヒータ用第４絶縁
層２４ｂ、ヒータ用第２本体層２３ｂ及びヒータ用第３
絶縁層２２ｂを貫通するスルーホール２６ａ及び２６ｂ
を介して、外部回路用の外部端子と接続されるヒータ通
電端子２５ａ及び２５ｂと電気的に接続されるものであ
る。

【００２５】なお、図２の分解斜視図においては示して
いないが、図３に模式的に示すように、酸素濃淡電池素
子１とセラミックヒータ２との積層体（即ち、素子Ａの
こと）の両側面及び被測定ガスに曝される側の一端面に
は絶縁皮膜２９がそれぞれ形成されている。なお、この
絶縁皮膜２９は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成
されている。また、絶縁皮膜２９の表面粗度は４０μｍ
Ｒｍａｘ以下となっている（具体的には、絶縁皮膜２９
の表面粗度２７．９μｍＲｍａｘ）。このように４０μ
ｍＲｍａｘ以下の表面粗度にある絶縁皮膜２９が、素子
Ａの少なくとも長手方向（図中上下方向）における積層
界面が露出した両側面（換言すれば後述する切断面）に
形成されることによって、素子自体の厚み方向（積層方
向）に対する機械的強度、セラミックヒータの通電時に
おける熱衝撃に対する素子の耐久性を有効に高めること
ができる。この絶縁皮膜２９の形成方法については後述
する。

【００２６】３．積層型ガスセンサ素子の製造 酸素濃淡電池素子となる第１未焼成体の作製 イットリアあるいはカルシア等の安定化剤を固溶させた
ジルコニア粉末を、有機バインダ（ＰＶＢ系バインダ）
と共に混練した生素地を用いて、酸素濃淡電池用固体電
解質層１１となりうる、複数（５個）の素子を切り出す
ことができる大きさを有する未焼成固体電解質シートを
形成した。そして、このシートの検知電極１３ａの電極
部１３１ａ及び基準電極１３ｂの電極部１３１ｂが形成
される部位を除く表裏面に、アルミナを主体とし、ブチ
ルカルビドール等の有機溶剤を含む絶縁用ペーストを用
いて、素子５個分の酸素濃淡電池用絶縁層１２ａ及び１
２ｂとなる塗膜を印刷して、乾燥させた。その後、これ
ら塗膜が形成された未焼成固体電解質シートの所定位置
に対して素子５個分のスルーホール１５となる貫通孔を
穿ち、そのスルーホール１５の内壁面及び開口端縁まで
を被覆するように絶縁用ペーストを印刷して、乾燥させ
た。

【００２７】更に、酸素濃淡電池用絶縁層１２ａ及び１
２ｂとなる塗膜（スルーホール１５となる貫通孔上の絶
縁用ペーストによる塗膜含む）上の所要領域に、白金を
主成分とし、金あるいはロジウム等が添加された導電ペ
ーストを所定のパターンに印刷し、ついで乾燥させて、
電極部１３１ａ、電極部１３１ｂ、リード部１３２ａ、
１３２ｂ、信号取出し用端子１３３ａ、１４となる導体
パターン（塗膜）をそれぞれ素子５個分にわたって形成
した。これにより、酸素濃淡電池素子１となる第１未焼
成体を得た。

【００２８】セラミックヒータとなる第２未焼成体の
作製 次いで、第２ヒータ本体層２３ｂとなる、上述のと同
様の未焼成固体電解質シート（と同様に複数（５個）
の素子を切り出すことができる大きさを有する未焼成固
体電解質シートである）を形成し、その表裏面に上述の
と同様の絶縁用ペーストを印刷し、乾燥させて、ヒー
タ用第３絶縁層２２ｂ及びヒータ用第４絶縁層２４ｂと
なる塗膜を素子５個分にわたって形成した。その後、こ
れら塗膜が形成された未焼成固体電解質シートの所定位
置に、素子５個分のスルーホール２６ａ及び２６ｂとな
る貫通孔を穿ち、そのスルーホール２６ａ及び２６ｂの
内壁面及び開口端縁までを被覆するように上記絶縁用ペ
ーストを印刷して、乾燥させた。

【００２９】更に、ヒータ用第３絶縁層２２ｂ及びヒー
タ用第４絶縁層２４ｂとなる塗膜（スルーホール２６ａ
及び２６ｂとなる貫通孔上の絶縁用ペーストによる塗膜
含む）上の所要領域に、上述のと同様の導電ペースト
を所定のパターン（例えば蛇行状）に印刷し、乾燥させ
て、発熱抵抗体２１、一対のヒータ通電端子２５ａ及び
２５ｂとなる導体パターン（塗膜）をそれぞれ素子５個
分にわたって形成した。そして、ヒータ用第１絶縁層２
２ａとなる層を、発熱抵抗体２１となる導体パターン上
に印刷し、更に第１ヒータ本体層２３ａとなる上述の
と同様の未焼成固体電解質を積層・減圧圧着した。これ
により、セラミックヒータ２となる第２未焼成体を得
た。

【００３０】組立・脱脂、及び焼成 第２未焼成体を構成する第１ヒータ本体層２３ａの表面
に、ヒータ用第３絶縁層２４ａとなる層を素子５個分に
対応するように印刷し、第１未焼成体を積層・減圧圧着
して未焼成積層体を得た。そして、この未焼成積層体か
ら個々の素子Ａを形成すべく、切断刃を使用して５個の
素子成形体を切断、分割した（図５参照）。このとき、
切断刃による切断については、未焼成積層体の長手方向
に対し、即ち得られる素子成形体の長手方向における積
層界面が露出した面が切断面となるように行われた。つ
いで、各々の素子成形体の長手方向における積層界面が
露出した両側面（切断面）及び測定対象気体に晒される
ことになる積層界面が露出した一端面に対して、上述の
と同様のアルミナを主体とする絶縁用ペーストを適宜
調整しつつスクリーン印刷して乾燥させ、この状態の素
子成形体を大気雰囲気下、４５０℃で１時間保持しつつ
脱脂した後に、１５００℃で１時間焼成して、積層型酸
素センサ素子Ａを得た。

【００３１】得られた積層型酸素センサ素子の寸法 図４は、〜で得られた素子Ａの検知部Ｘ（図１参
照）における長手方向と直交する向きの断面図である。
素子幅Ｗ：３．１ｍｍ、酸素濃淡電池用固体電解質層１
１の厚さＤ４：０．５ｍｍ、酸素濃淡電池部第１絶縁層
１２ｂ及びヒータ部第３絶縁層２４ａの合計厚さＤ５：
０．０４ｍｍ、ヒータ部第１本体層の厚さＤ６：０．５
ｍｍ、ヒータ部第１絶縁層２２ａ及びヒータ部第２絶縁
層２２ｂの合計厚さＤ７：０．０７ｍｍ、ヒータ部第２
本体層２３ｂの厚さＤ８：０．５ｍｍ、ヒータ部第４絶
縁層２４ｂの厚さＤ９：０．０３ｍｍ、酸素濃淡電池部
第２絶縁層１２ｂの厚さＤ１０：０．０２ｍｍ、絶縁皮
膜２９の表面粗度２７．９μｍＲｍａｘ、素子前端から
スルーホールへの長手方向の距離：３５．７ｍｍであ
る。

【００３２】４．素子の評価 ３．で説明した手法により、素子の長手方向における積
層界面が露出した両側面に形成される絶縁皮膜の表面粗
度を表１に示すように適宜調整した素子を４種類２つず
つ作製した。また、上記側面に絶縁皮膜を形成しない素
子についても２つ作製した。そして、まず計５種類の素
子をについて、抗折強度試験を行った。抗折強度試験に
ついては、素子を２個の支えの上に載せ、その中央に荷
重を加えて素子を破断し、その耐えた最大荷重を測定し
た。なお、本試験については、素子の絶縁皮膜が形成さ
れる長手方向における積層界面が露出する両側面のうち
の一方が引張り面となるように、荷重を加える形態で行
った。各素子における最大荷重の数値については表１に
併記した。

【００３３】ついで、上述の計５種類の素子について過
電圧負荷試験を実施した。この過電圧試験は、５種類の
素子の発熱抵抗体に１８Ｖの電圧を１分間印加した後、
３分間通電を停止するサイクルを１サイクルとして、こ
れを１０サイクル繰り返し行い、この１０サイクル経た
素子のクラックの有無を目視により観察し、クラックが
認められるまで電圧を１Ｖずつ大きくしながら、各電圧
において上記と同様に１０サイクルを繰り返し行った。
この試験により、各素子にクラックの発生がみられた電
圧を表１に併記した。なお、本試験に用いた素子はいず
れも発熱抵抗体の抵抗値が８Ω（常温）である。

【００３４】

【表１】

【００３５】この抗折強度試験、及び過電圧負荷試験の
結果より、素子の長手方向における積層界面が露出する
両側面に表面粗度４０μｍＲｍａｘ以下の絶縁皮膜が形
成された実験例１〜３の素子については、比較例１及び
２と比較して抗折強度が顕著に向上し、さらには過電圧
に対する特性（即ち、セラミックヒータへの通電時にお
ける熱衝撃に対する素子自体の耐久性）が向上している
ことが分かる。とりわけ、絶縁皮膜の表面粗度が３０μ
ｍＲｍａｘ以下の実験例１及び２については、抗折強度
試験最大荷重として９００ｋｇｆ以上の値が得られ、良
好な機械的強度を有する素子が得られることが分かる。

【００３６】以上において、本発明を実施例に即して説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用で
きる。例えば、絶縁皮膜については、表面粗度４０μｍ
Ｒｍａｘ以下を満たす形で、素子における積層界面が露
出する全ての面に対して形成されていてもよい。さら
に、上記実施例において、酸素濃淡電池用固体電解質層
１１上に形成された測定対象気体と接触する検知電極１
３ａの電極部１３１ａを少なくとも覆う形で、被毒防止
用の多孔質層（気孔率としては２５〜６５％）を形成し
てもよいことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型酸素センサ素子が組み込まれた
酸素センサの断面を示す模式図である。

【図２】本発明の積層型酸素センサ素子を分解して示す
斜視図である。

【図３】本発明の積層型酸素センサ素子を模式的に示す
一部切欠斜視図である。

【図４】本発明の積層型酸素センサ素子の検知部におけ
る長手方向と直交する向きにおける断面図である。

【図５】本発明の積層型酸素センサ素子となる未焼成積
層体を、切断刃によって切断する切断方向を模式的に示
す斜視図である。

【符号の説明】

Ａ；積層型酸素センサ素子（ガスセンサ素子）、１；酸
素濃淡電池素子、１１；酸素濃淡電池用固体電解質層、
１２ａ；酸素濃淡電池用第１絶縁層、１２ｂ；酸素濃淡
電池用第２絶縁層、１３ａ；検知電極、１３ｂ；基準電
極、２；セラミックヒータ、２１；発熱抵抗体、２２
ａ；ヒータ用第１絶縁層、２２ｂ；ヒータ用第２絶縁
層、２３ａ；第１ヒータ本体層、２３ｂ；第２ヒータ本
体層、２４ａ；ヒータ用第３絶縁層、２４ｂ；ヒータ用
第４絶縁層、１３３ａ、１４；信号取出し用端子、２
９；絶縁皮膜、Ｂ；酸素センサ（ガスセンサ）、Ｘ；検
知部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大川 哲平 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 BE13 BE22 BE23 BF18 BF27 BG05 BH09 BJ03 BJ05 BL08 BM04 BM07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質で構成された素子本体層に、
   検知電極及び基準電極を形成した長尺状の酸素濃淡電池
   素子と、発熱抵抗体を、第一ヒータ本体層及び第二ヒー
   タ本体層にて挟む形で形成した長尺状のセラミックヒー
   タと、を少なくとも積層してなるガスセンサ素子であっ
   て、 当該ガスセンサ素子のうち、少なくとも長手方向におけ
   る積層界面が露出した両側面に絶縁皮膜が形成されると
   ともに、前記絶縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以
   下とされていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 【請求項２】 前記絶縁皮膜は、アルミナを主体に構成
   されている請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 【請求項３】 前記酸素濃淡電池素子と前記セラミック
   ヒータは、一体に焼成されている請求項１又は２に記載
   のガスセンサ素子。
4. 【請求項４】 前記セラミックヒータは、絶縁層中に前
   記発熱抵抗体を埋設しており、該絶縁層を固体電解質で
   構成された前記第一ヒータ本体層及び前記第二ヒータ本
   体層にて挟む形で形成されている請求項１乃至３のいず
   れかに記載のガスセンサ素子。
5. 【請求項５】 固体電解質で構成された素子本体層に、
   検知電極及び基準電極を形成した長尺状の酸素濃淡電池
   素子と、発熱抵抗体を、第一ヒータ本体層及び第二ヒー
   タ本体層にて挟む形で形成した長尺状のセラミックヒー
   タと、を少なくとも積層してなるガスセンサ素子であっ
   て、当該ガスセンサ素子における露出面のうち、切断面
   にあたる側面に絶縁皮膜が形成されるとともに、前記絶
   縁皮膜の表面粗度が４０μｍＲｍａｘ以下とされている
   ことを特徴とするガスセンサ素子。
6. 【請求項６】 複数の素子本体層を形成可能な大きさを
   有する未焼成固体電解質シートに、検知電極及び基準電
   極となるべき未焼成電極パターンを該素子本体層の数に
   対応して各々形成し、複数の酸素濃淡電池素子が得られ
   る未焼成体を作り、 複数の第１ヒータ本体層及び第二ヒータ本体層をそれぞ
   れ形成可能な大きさを有する未焼成固体電解質シートの
   間に、発熱抵抗体となるべき未焼成発熱抵抗体パターン
   を挟み込む形で形成して、複数のセラミックヒータが得
   られる未焼成体を作り、 それら酸素濃淡電池素子の未焼成体とセラミックヒータ
   の未焼成体を積層して未焼成積層体となし、次いで該未
   焼成積層体を切断により分割して素子成形体を作り、 その素子成形体の前記切断によって形成された積層界面
   が露出する側面に絶縁皮膜となるべき絶縁ペーストを塗
   布し、次いでこの素子成形体を一体に焼成することで、
   前記切断によって形成された前記側面に対して表面粗度
   が４０μｍＲｍａｘ以下の絶縁皮膜が形成されることを
   特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
7. 【請求項７】 測定対象気体中の特定ガスを検出するた
   めのガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を支持すると
   ともに、該ガスセンサ素子を測定対象位置に配置するた
   めのセンサハウジングとを備えたガスセンサであって、
   前記ガスセンサ素子が、請求項１乃至５のいずれかに記
   載のガスセンサ素子であることを特徴とするガスセン
   サ。