JP2007198970A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子における多孔質状電極部の触媒作用および耐酸化性を確保しつつ、従来よりも安価なガスセンサを提供する。
【解決手段】酸素センサ２に備えられるセンサ素子４は、第１センサリード部５２３が卑金属部５６７を備えて形成されており、貴金属で形成されるセンサ素子に比べて、当該部分の材料費を抑えることができ、製造コストが安価になる。センサ素子４は、先端側緻密部５６６および検知側ビア導体５６３を備えることで、卑金属部５６７にガス（酸素など）が到達するのを阻止できる。これにより、第１センサリード部５２３が卑金属部５６７を備えて形成された場合でも、卑金属部５６７の酸を防止できる。酸素センサ２は、第１センサリード部５２３が安価に形成できると共に卑金属部５６７が酸化しがたいセンサ素子４を備えることから、コスト低減を図ることができると共に耐酸化性に優れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、板状のセンサ素子を備えるガスセンサに関する。

従来より、多孔質状をなす電極部（検知側電極部および基準側電極部）と、センサ電極取出部（検知側取出部および基準側取出部）と、これらを電気的に結ぶセンサリード部（検知側リード部および基準側リード部）と、を有するセンサ素子を備えるガスセンサが知られている。

例えば、特許文献１に、このようなガスセンサの一例が開示されている。このような公知のガスセンサでは、多孔質状電極部及びこれに接続するセンサリード部がＰｔ（白金）に代表される貴金属により形成されている。なお、多孔質状電極部及びこれに接続するセンサリード部を形成する材料として貴金属を利用する理由は、以下の通りである。

すなわち、多孔質状電極部は、触媒作用が要求されると共に、実使用においてガスに接触しても酸化し難い耐酸化性が要求されるものであり、貴金属はこれらの要求を満たすものだからである。また、電極部が多孔質状であるが故にガスが電極内部に汲み込まれて、そのガスがセンサリード部に接触する。このため、センサリード部は、実使用においてガスに接触しても酸化し難い耐酸化性が要求されるものであり、この要求を満たす材料として貴金属が利用される。
特公平７−８１９８２号公報

しかしながら、Ｐｔ（白金）やＲｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）といった貴金属は非常に高価であるため、センサ素子、ひいてはガスセンサの高コスト化を招いている。そのため、多孔質状電極部やセンサリード部を安価な材料（例えば、卑金属）に代替することで、高コスト化を抑制することが考えられる。

しかしながら、卑金属には触媒作用がなく、また、実使用においてガスに晒されると酸化されやすいため、ガスが接触する多孔質状電極部を卑金属を主体に形成することはできない。また、上記のように、ガスは多孔質状電極部を通じてセンサリード部にも接触するため、センサリード部を単純に卑金属を主体に形成することもできない。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであって、ガスセンサ素子における多孔質状電極部の触媒作用および耐酸化性を確保しつつ、従来よりも安価なガスセンサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するための板状のセンサ素子を備えるガスセンサであって、センサ素子は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、耐酸化性を有し多孔質状をなすと共に、固体電解質体を介して対向する検知側電極部および基準側電極部と、耐酸化性を有し、少なくとも一部がセンサ素子の外部に露出する検知側取出部および基準側取出部と、一端が検知側電極部に電気的に接続されると共に、他端が検知側取出部に電気的に接続される検知側リード部と、 耐酸化性を有し、一端が基準側電極部に電気的に接続されると共に、他端が基準側取出部に電気的に接続される基準側リード部と、を有しており、基準側電極部は、センサ素子の内部に閉塞されて、固体電解質体を介して酸素が組み込まれることで内部酸素基準部として機能するものであり、検知側リード部は、卑金属を主体に形成されると共に測定対象ガスに接触しない気密状態でセンサ素子の内部に埋設された卑金属部と、耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、卑金属部よりも検知側電極部に近い側に形成される先端側緻密部と、耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、卑金属部よりも検知側取出部に近い側に形成される後端側緻密部と、を備えること、を特徴とするガスセンサである。

このガスセンサに備えられるセンサ素子は、検知側リード部が卑金属部を備えて形成されており、検知側リード部の全てが貴金属で形成されるセンサ素子に比べて、検知側リード部の材料費を抑えることができ、製造コストが安価になる。

また、このセンサ素子は、先端側緻密部を備えることで検知側電極部を介して検知側リード部の卑金属部にガス（例えば、酸素など）が到達するのを阻止でき、また、後端側緻密部を備えることで検知側取出部を介して検知側リード部の卑金属部にガスが到達するのを阻止できる。これにより、検知側リード部が卑金属部を備えて形成された場合であっても、検知側リード部の卑金属部が酸化するのを防止できる。

よって、本発明によれば、検知側リード部が安価に形成できると共に検知側リード部の卑金属部が酸化しがたいセンサ素子を備えることから、コスト低減を図ることができると共に耐酸化性に優れるガスセンサを実現できる。したがって、このガスセンサは、ガスセンサ素子における多孔質状電極部の触媒作用および耐酸化性を確保しつつ、従来よりも安価なガスセンサとなる。

なお、本発明において「耐酸化性を有する」とは、その導体を大気中に４００［℃］で１００時間晒したときに、導体抵抗値が初期値に対して１５０％を超えて上昇しないことを言う。

「検知側電極部および基準側電極部」は、耐酸化性を有し多孔質状をなすものであればよく、その形状や材質は特に限定されないが、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）等の貴金属を少なくとも１種包含しているものが好ましい。このうち、Ｐｔは、耐酸化性に優れ、触媒作用も良好であり、さらに融点が高いことから、検知側電極部および基準側電極部として最適である。

「検知側取出部および基準側取出部」は、少なくとも一部がセンサ素子の外部に露出して、外部との電気的接続が可能に形成されていればよく、その形態や材質は特に限定されない。

「検知側リード部および基準側リード部」は、その形態は特に限定されず、例えば、センサリード部全体が同一平面上に配設される形態でもよく、あるいは、センサ素子の内部において三次元的に配設される形態でもよい。また、「検知側リード部および基準側リード部」は、それぞれ１本ずつに限られることはなく、複数備える形態であってもよい。複数備える場合、それらの全てに本発明を適用してもよく、あるいは、一部に本発明を適用してもよい。

「卑金属部」は、卑金属を主体とし、気密状態でセンサ素子の内部に埋設されていればよく、その形状や材質は特に限定されない。なお、本発明において「卑金属を主体とする」とは、卑金属を５０ｗｔ％以上包含することを意味する。

「先端側緻密部および後端側緻密部」は、耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体であればよく、その形状や材質は特に限定されない。例えば、貴金属を主体とする緻密体で「先端側緻密部および後端側緻密部」を構成することや、貴金属−卑金属の合金からなる緻密体で「先端側緻密部および後端側緻密部」を構成することもできる。なお、本発明において「貴金属を主体とする」とは、貴金属を５０ｗｔ％以上含有することを意味している。

そして、上述のガスセンサにおいては、センサ素子は、卑金属部を覆う絶縁性材料からなる検知側絶縁層を備えており、検知側取出部は、検知側絶縁層のうち卑金属部に対向する面の反対側の面に形成されており、検知側絶縁層は、卑金属部に対向する面から検知側取出部が形成される面にかけて貫通するビアホールを備えており、後端側緻密部は、ビアホールの内部に形成されるように、構成しても良い。

このセンサ素子は、卑金属部を覆う検知側絶縁層を備えており、卑金属部は、検知側絶縁層と固体電解質体との間で気密状態で備えられる。また、検知側絶縁層はビアホールを備えており、後端側緻密部がビアホールの内部に形成されている。そして、卑金属部は、ビアホール内の後端側緻密部を介して検知側取出部と電気的に接続されている。

つまり、このセンサ素子は、卑金属部を覆う検知側絶縁層にビアホールが形成されているものの、ビアホールに後端側緻密部が形成されており、ビアホールを介して卑金属部にガスが到達するのを後端側緻密部によって防止できる。

よって、本発明によれば、検知側絶縁層を備えるセンサ素子においても、検知側リード部が安価な材料で形成されると共に検知側リード部の卑金属部が酸化しがたい構成を実現できる。

次に、上述のガスセンサにおいては、基準側リード部は、ガス不透過性を有する緻密体として形成される基準側緻密部を備えており、センサ素子は、ガス透過性を有し、一端が基準側リード部のうち基準側緻密部よりも基準側電極部に近い部分に接続され、他端が当該センサ素子の後端部から外部に露出して形成されるガス放出路を備えるように、構成しても良い。

このように、基準側リード部が基準側緻密部を備える場合には、基準側緻密部がガスの移動を制限できるため、基準側取出部から基準側リード部を介して基準側電極部にガスが到達するのを抑制できる。これにより、不必要なガスが基準側取出部を通じて基準側電極部に到達するのを防止できる。

また、ガス放出路を備えるセンサ素子は、基準側電極部に組み込まれた酸素の一部をガス放出路を通じて外部に放出できることから、基準側電極部に対して酸素が過剰に組み込まれた場合においても、過剰分の酸素をガス放出路を通じて放出できる。これにより、このセンサ素子は、基準側電極部における酸素圧力が過度に上昇するのを抑制でき、酸素圧力の上昇に伴うセンサ素子の破損を防止できる。

なお、このセンサ素子においては、基準側緻密部の形成位置を基準側リード部のうち基準側取出部との接続部に近づけることが望ましい。これにより、ガス放出路の長さを短縮でき、ガス放出路の形成工程における作業負担を軽減できる。

次に、上述のガスセンサにおいては、検知側取出部は、外表面にガス不透過性を有する検知側メッキ部を備えて構成しても良い。
このように、ガス不透過性を有する検知側メッキ部を備えることで、外部ガスが検知側取出部を介して検知側リード部に到達するのを防止できる。つまり、検知側取出部を介してガスが卑金属部に到達するのを、後端側緻密部に加えて検知側メッキ部によっても抑制できることから、卑金属部にガスが到達するのをより確実に防止できる。

よって、本発明によれば、検知側リード部が酸化しがたいセンサ素子を実現でき、耐酸化性に優れたガスセンサを実現できる。なお、検知側メッキ部は、例えば、貴金属で形成することができる。

そして、上述のガスセンサにおいては、先端側緻密部および後端側緻密部は、卑金属および貴金属の合金で形成されるようにしても良い。
このように、先端側緻密部および後端側緻密部を、卑金属および貴金属の合金で形成することで、貴金属の使用量を抑制しつつ、代わりに安価な卑金属を使用することができる。

これにより、センサ素子のコスト低減を図ることができるとともに、ガスセンサとしてのコスト低減を図ることができる。
次に、上述のガスセンサにおいては、センサ素子は、通電により発熱する発熱部と、耐酸化性を有し、少なくとも一部がセンサ素子の外部に露出する一対のヒータ取出部と、一端が発熱部に電気的に接続されると共に、他端がヒータ取出部に電気的に接続される一対のヒータリード部と、を備えており、一対のヒータリード部は、卑金属を主体に形成されると共に測定対象ガスに接触しない気密状態でセンサ素子の内部に埋設された一対のヒータ用卑金属部と、耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、ヒータ用卑金属部よりもヒータ取出部に近い側に形成される一対のヒータ用緻密部と、を備えるように、構成しても良い。

このセンサ素子は、発熱部を備えることから固体電解質体を加熱することができ、外部からの熱供給のみで加熱する場合に比べて、短時間でセンサ素子を活性化温度まで加熱できる。

また、このセンサ素子は、ヒータリード部がヒータ用卑金属部を備えて形成されており、ヒータリード部の全てが貴金属で形成されるセンサ素子に比べて、ヒータリード部の材料費を抑えることができ、製造コストが安価になる。

さらに、このセンサ素子は、ヒータ用緻密部を備えることでヒータ取出部を介してヒータ用卑金属部にガスが到達するのを阻止できる。これにより、ヒータリード部がヒータ用卑金属部を備えて形成された場合であっても、ヒータリード部のヒータ用卑金属部が酸化するのを防止できる。

よって、本発明によれば、ヒータリード部が安価に形成できると共にヒータリード部のヒータ用卑金属部が酸化しがたいセンサ素子を備えることから、コスト低減を図ることができると共に耐酸化性に優れるガスセンサを実現できる。

なお、「発熱部」は、通電により発熱するものであればよく、その形状や個数などは特に限定されない。なお、発熱部は、例えば、タングステンなどを用いて構成できる。
また、「ヒータリード部」は、その形態は特に限定されず、例えば、ヒータリード部全体が同一平面上に配設される形態でもよく、あるいは、センサ素子の内部において三次元的に配設される形態でもよい。また、「ヒータリード部」の個数は、一対に限られることはなく、二対以上を備える形態であってもよい。二対以上のヒータリード部を備える場合、それらの全てに本発明を適用してもよく、あるいは、一部に本発明を適用してもよい。

次に、上述の発熱部を備えるガスセンサにおいては、センサ素子は、発熱部および一対のヒータ用卑金属部を覆う絶縁性材料からなるヒータ被覆絶縁層を備えており、一対のヒータ取出部は、ヒータ被覆絶縁層のうち一対のヒータ用卑金属部に対向する面の反対側の面に形成されており、ヒータ被覆絶縁層は、一対のヒータ用卑金属部に対向する面から一対のヒータ取出部が形成される面にかけて貫通するヒータ用ビアホールを備えており、一対のヒータ用緻密部は、ヒータ用ビアホールの内部に形成されるように、構成して良い。

このセンサ素子は、ヒータ用卑金属部を覆うヒータ被覆絶縁層を備えており、ヒータ用卑金属部は、ヒータ被覆絶縁層により気密状態で備えられる。また、ヒータ被覆絶縁層はヒータ用ビアホールを備えており、ヒータ用緻密部がヒータ用ビアホールの内部に形成されている。そして、ヒータ用卑金属部は、ヒータ用ビアホール内のヒータ用緻密部を介してヒータ取出部と電気的に接続されている。

つまり、このセンサ素子は、ヒータ用卑金属部を覆うヒータ被覆絶縁層にヒータ用ビアホールが形成されているものの、ヒータ用ビアホールにヒータ用緻密部が形成されており、ヒータ用ビアホールを介してヒータ用卑金属部にガスが到達するのをヒータ用緻密部によって防止できる。

よって、本発明によれば、ヒータ被覆絶縁層を備えるセンサ素子においても、ヒータリード部が安価な材料で形成されると共にヒータリード部のヒータ用卑金属部が酸化しがたい構成を実現できる。

次に、上述の発熱部を備えるガスセンサにおいては、ヒータ取出部は、外表面にガス不透過性を有するヒータ用メッキ部を備えるように、構成しても良い。
このように、ガス不透過性を有するヒータ用メッキ部を備えることで、外部ガスがヒータ取出部を介してヒータリード部に到達するのを防止できる。つまり、ヒータ取出部を介してガスがヒータ用卑金属部に到達するのを、ヒータ用緻密部に加えてヒータ用メッキ部によっても抑制できることから、ヒータ用卑金属部にガスが到達するのをより確実に防止できる。

よって、本発明によれば、ヒータリード部が酸化しがたいセンサ素子を実現でき、耐酸化性に優れたガスセンサを実現できる。なお、ヒータ用メッキ部は、例えば、貴金属で形成することができる。

以下に、本発明を適用した実施形態を図面と共に説明する。
なお、本実施形態では、ガスセンサの一種であって、自動車や各種内燃機関における各種制御（例えば、空燃比フィードバック制御など）に使用するために、測定対象ガス（排ガス）中の特定ガス（酸素）を検出する検出素子（センサ素子）が組み付けられるとともに、内燃機関の排気管に装着される酸素センサ２について説明する。

図１は、本発明を適用した実施形態の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。
酸素センサ２は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、軸線方向（図中上下方向）に延びる板状形状をなすセンサ素子４と、センサ素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔８４の内壁面がセンサ素子４の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材８２と、センサ素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置される４個のリードフレーム１０と、を備えている。

センサ素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に多孔質保護層２５に覆われた検出部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３２，３４，３６が形成されている。

なお、電極端子部３０は検知側センサ電極パッド３０として備えられ、電極端子部３２は基準側センサ電極パッド３２として備えられ、電極端子部３４，３６はヒータ電極パッド３４，３６として備えられている。

リードフレーム１０は、センサ素子４と絶縁コンタクト部材８２との間に配置されることで、センサ素子４の電極端子部３０，３２，３４，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３２，３４，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具１０２は、軸線方向に貫通すると共に、この軸線方向に垂直な断面における内周が円形の貫通孔１０９を有し、貫通孔１０９の径方向内側に突出する棚部１０７を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１０２は、検出部８を貫通孔１０９の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３２，３４，３６を貫通孔１０９の後端側外部に配置する状態で貫通孔１０９に挿通されたセンサ素子４を、他部材（粉末充填層１０８など）を介して保持するよう構成されている。さらに、棚部１０７は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する後端側向き拡径状のテーパ面を有している。

なお、主体金具１０２の貫通孔１０９の内部には、センサ素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ１０６、粉末充填層１０８（以下、滑石リング１０８ともいう）、第２充填層１１０および上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具１０２の後端部１０４との間には、加締リング１１２が配置されており、主体金具１０２の後端部１０４は、加締リング１１２を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。

さらに、セラミックホルダ１０６および粉末充填層１０８の周囲のうち、主体金具１０２との間には、保護カバー１２５が配置されている。なお、保護カバー１２５は、セラミックホルダ１０６および滑石リング１０８の側面を覆うと共に、セラミックホルダ１０６の先端側を覆う筒状形状に形成されている。

一方、主体金具１０２の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子４の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）の二重の外部プロテクタ４２および内部プロテクタ４３が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具１０２の後端側外周には、外筒４４が固定されている。また、外筒４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子４の各電極端子部３０，３２，３４，３６とそれぞれ電気的に接続される４本のリード線４６が挿通されるリード線挿通孔が形成されたセラミックセパレータ４８とグロメット５０とが配置されている。

ここで、センサ素子４の概略構造を表す分解斜視図を、図２に示す。
センサ素子４は、多孔質保護層２５と、第１アルミナ層５１３と、固体電解質層５１５と、第２アルミナ層５１７と、第３アルミナ層５１９とを備えて構成される。なお、多孔質保護層２５、第１アルミナ層５１３、固体電解質層５１５、第２アルミナ層５１７、第３アルミナ層５１９は、この順序で積層されている。

また、センサ素子４は、センサ素子４の内部に閉塞されて、固体電解質層５１５を介して酸素が組み込まれることで内部酸素基準部として機能する基準電極部５２５を備えており、酸素検知の基準となる酸素濃度を自己の内部で生成する基準酸素自己生成方式の構成を有している。

固体電解質層５１５は、アルミナ２０ｗｔ％とジルコニア８０ｗｔ％とからなる酸素イオン導電性を有する固体電解質体で形成されており、その外形は、長さ約４０ｍｍ、幅約４．５ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍの矩形板状をなす。この固体電解質層５１５の後端側（図２における右側）の所定位置には、ビアホール５１６（直径約０．２５ｍｍ）が形成されている。

固体電解質層５１５の表面（図２における上側面）側には、先端側に位置する検知電極部５２１、及び、これに電気的に接続されて後端側（図２における右側）へ延びる第１センサリード部５２３が形成されている。

検知電極部５２１は、Ｐｔ（白金）からなる多孔質状の電極であり、固体電解質層５１５に当接して形成される。この検知電極部５２１は、Ｐｔ（白金）からなるため、耐酸化性を有し、実使用において多孔質保護層２５および後述する第１アルミナ層５１３の検知用開口部５１４を通じて内部に取り込まれたガスが接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。

第１センサリード部５２３は、検知電極部５２１に一体に形成される先端部５６５と、この先端部５６５に接続する先端側緻密部５６６と、この先端側緻密部５６６に接続する卑金属部５６７と、を備えて構成されている。

先端部５６５は、検知電極部５２１と同様にＰｔ（白金）からなる多孔質状に形成されていることから、耐酸化性を有し、実使用において検知電極部５２１を通じて取り込まれたガスが接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。なお、先端部５６５は、長さ約５．４ｍｍ、幅約０．３３ｍｍである。

先端側緻密部５６６は、貴金属−卑金属合金からなり、耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体である。なお、先端側緻密部５６６は、長さ約４．０ｍｍ、幅約０．６ｍｍである。本実施形態では、貴金属−卑金属合金としてＰｔ−１８．４ｗｔ％のタングステン合金（Ｐｔ−１８．４ｗｔ％Ｗ合金）を利用している。この先端側緻密部５６６は、耐酸化性を有することから、実使用において検知電極部５２１および第１センサリード部５２３の先端部５６５を通じて取り込まれたガスが接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。また、先端側緻密部５６６は、ガス不透過性を有することから、先端部５６５を通じて取り込まれたガスが卑金属部５６７に到達するのを防止できる。

卑金属部５６７は、Ｗ（タングステン）を主体に構成されており、貴金属を主体に構成する場合に比べて安価に構成できる。なお、卑金属部５６７は、先端側緻密部５６６との接続端部とは反対側の端部において、後述する検知側ビア導体５６３を介して検知側センサ電極パッド３０に電気的に接続されている。

一方、固体電解質層５１５の裏面（図２における下側面）には、検知電極部５２１に対向する位置に基準電極部５２５が形成されており、また、基準電極部５２５に電気的に接続され後端側（図２における右側）へ延びる第２センサリード部５２７が形成されている。

基準電極部５２５は、Ｐｔ（白金）からなる多孔質状の電極であり、Ｐｔからなるため、耐酸化性を有し、実使用において多孔質保護層２５、後述する第１アルミナ層５１３の検知用開口部５１４、検知電極部５２１を通じて、さらに固体電解質層５１５を介して汲み込まれた酸素が接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。

第２センサリード部５２７は、基準電極部５２５に一体に形成されており、基準電極部５２５と同様にＰｔからなることから、耐酸化性を有し、実使用において基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。また、第２センサリード部５２７は、多孔質状に形成されていることから、基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が内部を移動可能となるガス透過性を有している。

なお、第２センサリード部５２７は、基準電極部５２５との接続端部とは反対側の端部において、基準側内部ビア導体５５９に接続されており、さらには、基準側内部ビア導体５５９は、後述する基準側ビア導体５６４を介して基準側センサ電極パッド３２に電気的に接続されている。

基準側内部ビア導体５５９は、基準電極部５２５、第２センサリード部５２７と同様にＰｔからなることから、耐酸化性を有しており、実使用において、基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が第２センサリード部５２７を介して移動して接触しても、酸化が防止され、導電性が維持できる。また、基準側内部ビア導体５５９は、多孔質状に形成されていることから、第２センサリード部５２７に存在する酸素が内部を移動可能となるガス透過性を有している。

第１アルミナ層５１３は、絶縁性材料のアルミナからなるセラミック層であり、その外形は、長さ約４０ｍｍ、幅約４．５ｍｍ、厚さ約０．４ｍｍの矩形板状をなす。
第１アルミナ層５１３の先端側（図２における左側）の所定位置には、測定対象ガスを検知電極部５２１へ通過させるための検知用開口部５１４（直径約２．５ｍｍ）が形成されている。

また、第１アルミナ層５１３の後端側の所定位置には、この層を厚さ方向に貫通する２つのビアホール５１２（直径約０．３ｍｍ）が幅方向に並んで形成されている。この２つのビアホール５１２は、検知側ビアホール５６１および基準側ビアホール５６２であり、それぞれの内部には、検知側ビア導体５６３および基準側ビア導体５６４が充填形成されている。

検知側ビア導体５６３は、本実施形態では、貴金属−卑金属合金としてＰｔ−１８．４ｗｔ％のタングステン合金（Ｐｔ−１８．４ｗｔ％Ｗ合金）を利用している。この検知側ビア導体５６３は、耐酸化性を有することから、仮に、検知側センサ電極パッド３０がガスを取り込み可能に構成されている場合であっても、実使用において、検知側センサ電極パッド３０を通じて取り込まれたガスが接触することによる酸化が防止でき、導電性を維持できる。また、検知側ビア導体５６３は、ガス不透過性を有することから、検知側センサ電極パッド３０を通じて取り込まれたガスが卑金属部５６７に到達するのを防止できる。

基準側ビア導体５６４は、基準電極部５２５、第２センサリード部５２７、基準側内部ビア導体５５９と同様にＰｔからなることから、耐酸化性を有しており、実使用において、基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が第２センサリード部５２７、基準側内部ビア導体５５９を介して移動して接触しても、酸化が防止され、導電性が維持できる。また、基準側ビア導体５６４は、多孔質状に形成されていることから、基準側内部ビア導体５５９に存在する酸素が内部を移動可能となるガス透過性を有している。

更に、第１アルミナ層５１３の表面（図２における上側面）には、検知側ビア導体５６３および基準側ビア導体５６４の各々の端面を覆うように検知側センサ電極パッド３０および基準側センサ電極パッド３２が形成されている。

検知側センサ電極パッド３０は、検知側ビア導体５６３の端面を直接覆う厚さ約１５μｍのタングステン層５５６と、このタングステン層５５６を覆うメッキ層５５８と、を備えている。なお、メッキ層５５８は、厚さ約２μｍのＮｉからなるメッキ層と、このＮｉメッキ層を覆う厚さ約３μｍのＰｔ或いはＡｕからなるメッキ層と、を備えて構成されている。

一方、基準側センサ電極パッド３２は、基準側ビア導体５６４の端面を直接覆う厚さ約２０μｍのＰｔ層である。
このように、センサ素子４は、基準電極部５２５に汲み込まれた酸素の一部を、第２センサリード部５２７、基準側内部ビア導体５５９、基準側ビア導体５６４、基準側センサ電極パッド３２を通じて外部に放出することが可能となる。このことから、何らかの要因により基準電極部５２５に対して酸素が過剰に組み込まれた場合には、過剰分の酸素を外部に放出できる。よって、センサ素子４は、基準電極部５２５における酸素圧力が過度に上昇するのを抑制でき、酸素圧力の上昇に伴うセンサ素子の破損が生じがたくなる。

よって、センサ素子４を備える酸素センサは、基準電極部５２５への酸素供給量が過剰となる虞がある用途においても、酸素圧力の過剰な上昇を防止することができ、センサ素子の破損を防止しつつ酸素検知が可能な構成となる。

第２アルミナ層５１７は、第１アルミナ層５１３と同様、絶縁性材料のアルミナからなるセラミック層であり、その外形は、長さ約４０ｍｍ、幅約４．５ｍｍ、厚さ約０．３５ｍｍの矩形板状をなす。

第２アルミナ層５１７の裏面（図２における下側面）には、先端側に位置する発熱部５３５と、発熱部５３５の両端にそれぞれ電気的に接続されて後端側に延びる一対のヒータリード部５３７と、が形成されている。

発熱部５３５は、Ｗ（タングステン）を主体に構成される発熱抵抗体であり、電流が通電されることで発熱する。本実施形態の発熱部５３５は、線幅が約０．２７ｍｍで蛇行状に形成されている。ヒータリード部５３７は、Ｗ（タングステン）を主体に形成されており、線幅は約０．８５ｍｍで形成されている。

発熱部５３５およびヒータリード部５３７は、酸化が生じやすい材料であるＷ（タングステン）を主体に構成されているため、実使用において高温下でガスに触れると酸化するおそれがある。しかし、発熱部５３５およびヒータリード部５３７は、第２アルミナ層５１７と第３アルミナ層５１９との間に気密に埋設されており、測定対象ガスに直接接触しない態様で形成されている。

第３アルミナ層５１９は、第１アルミナ層５１３および第２アルミナ層５１７と同様に、絶縁性材料のアルミナからなるセラミック層であり、その外形は、長さ約４０ｍｍ、幅約４．５ｍｍ、厚さ約０．４ｍｍの矩形板状をなす。

この第３アルミナ層５１９の後端側（図２における右側）の所定位置には、２つのヒータ用ビアホール５２０（直径約０．３ｍｍ）が幅方向に並んで形成されている。これらのヒータ用ビアホール５２０には、Ｐｔ−１８．４ｗｔ％のタングステン合金（Ｐｔ−１８．４ｗｔ％Ｗ合金）からなり、耐酸化性およびガス不透過性を有するヒータ用ビア導体５５５が充填形成されている。

更に、第３アルミナ層５１９の裏面（図２における下側面）には、各々のヒータ用ビア導体５５５の端面を覆うように厚さ約１５μｍの２つのヒータ電極パッド３４，３６が形成されている。ヒータ電極パッド３４，３６は、ヒータ用ビア導体５５５の端面を直接覆う厚さ約１５μｍのタングステン層５６８と、タングステン層５６８を覆うメッキ層５６９と、を備えている。また、メッキ層５６９は、タングステン層５６８を覆う厚さ約２μｍのＮｉメッキ層と、Ｎｉメッキ層を覆う厚さ約３μｍのＰｔ或いはＡｕメッキ層と、を備えて形成されている。

ヒータ用ビア導体５５５は、耐酸化性を有することから、仮に、２つのヒータ電極パッド３４，３６がガスを取り込み可能に構成されている場合であっても、実使用においてヒータ電極パッド３４，３６を通じて取り込まれたガスが接触することによる酸化が防止でき、導電性を維持できる。また、ヒータ用ビア導体５５５は、ガス不透過性を有することから、ヒータ電極パッド３４，３６を通じて取り込まれたガスが発熱部５３５およびヒータリード部５３７に到達するのを防止できる。

なお、ヒータ電極パッド３４，３６がガスを取り込み可能に構成されている場合としては、例えば、メッキ層を備えることなくタングステン層のみで形成された構成を挙げることができる。

次に、センサ素子４の製造方法について説明する。
まず、焼成後に第１〜第３アルミナ層５１３，５１７，５１９となる第１〜第３未焼成アルミナシートを作製する。具体的には、アルミナ粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．３μｍ）９７ｗｔ％と、イットリア５．４ｍｏｌ％共沈型ジルコニア（純度９９％以上、平均粒径０．３ｍｍ）３ｗｔ％のセラミック粉末１００質量部に対して、ブチラール樹脂１４質量部と、ジブチルフタレート７質量部とをさらに加えて配合し、更にトルエン及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒を混合して、スラリーとする。そして、これをドクターブレード法によりシート状とし、トルエン及びメチルエチルケトンを揮発させて、第１〜第３未焼成アルミナシートを作製する。更に、第１未焼成アルミナシートにはビアホール５１２および検知用開口部５１４をそれぞれ穿孔し、第３未焼成アルミナシートにはヒータ用ビアホール５２０を穿孔する。

一方で、焼成後に固体電解質層５１５となる未焼成固体電解質シートを作製する。具体的には、アルミナ粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．３μｍ）２０ｗｔ％と、ジルコニア８０ｗｔ％とのセラミック粉末１００質量部に対して、ブチラール樹脂１２質量部と、ジブチルフタレート６質量部とをさらに加えて配合し、更にトルエン及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒を混合して、スラリーとする。そして、これをドクターブレード法によりシート状とし、トルエン及びメチルエチルケトンを揮発させて、未焼成固体電解質シートを作製する。

他方で、焼成後に多孔質保護層２５となる未焼成保護シートを作製する。具体的には、アルミナ粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．３μｍ）１００質量部と、カーボン粉末（真球状粒子、平均粒径５μｍ）２２質量部と、ジブチルフタレート７質量部とを配合し、更にトルエン及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒を混合して、スラリーとする。そして、これをドクターブレード法によりシート状とし、トルエン及びメチルエチルケトンを揮発させて、未焼成保護シートを作製する。

次に、焼成後に検知電極部５２１および第１センサリード部５２３となる第１センサパターンと、焼成後に基準電極部５２５および第２センサリード部５２７となる第２センサパターンと、焼成後に基準側内部ビア導体５５９となる未焼成ビア導体と、を形成する。

具体的には、Ｐｔ（平均粒径５μｍ〜８μｍ）１００質量部と、ジルコニア粉末（平均粒径０．３μｍ）２０質量部と、エトセルバインダ７質量部と、を配合し、更にブチルカルビトールを溶媒として混合して、第１導電性ペーストとする。そして、この第１導電性ペーストを用いて、未焼成固体電解質シートの一方の面（表面となる面）に、第１センサパターンのうち、焼成後に検知電極部５２１となるバターン、及び、焼成後に第１センサリード部５２３の先端部５６５となるパターンを、２０±１０μｍの厚さで印刷し、乾燥させる。

また、Ｐｔ８１．６ｗｔ％、Ｗ１８．４ｗｔ％からなる金属粉末１００質量部に、アルミナ１０質量部と、エトセルバインダー２．５質量部と、ブチルカルビトールを溶媒として混合して、高密度で高粘度の第２導電性ペーストを得る。そして、この第２導電性ペーストを用いて、未焼成固体電解質シートの一方の面（表面となる面）に、第１センサパターンのうち、焼成後に第１センサリード部５２３の先端側緻密部５６６となるパターンを、２０±１０μｍの厚さで印刷し、乾燥させる。

また更に、タングステン粉末１００質量部と、アルミナ粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．３μｍ）１２質量部と、エトセルバインダ８質量部とを配合し、更にブチルカルビトールを溶媒として混合して、第３導電性ペーストとする。そして、この第３導電性ペーストを用いて、未焼成固体電解質シートの一方の面（表面となる面）に、第１センサパターンのうち、焼成後に第１センサリード部５２３の卑金属部５６７となるパターンを、２０±１０μｍの厚さで印刷し、乾燥させる。かくして、第１センサパターンが形成される。

次に、上記の第１導電性ペーストを利用して、未焼成固体電解質シートの他方の面（裏面となる面）に、第２センサパターンとして、焼成後に基準電極部５２５となるパターン、及び、焼成後に第２センサリード部５２７となるパターンを、２０±１０μｍの厚さで印刷し、乾燥させる。

さらに、Ｐｔ（平均粒径５μｍ〜８μｍ）１００質量部と、ジルコニア粉末（平均粒径０．３μｍ）２０質量部と、エトセルバインダ２質量部とを配合し、更にブチルカルビトールを溶媒として混合して、高密度で高粘度の第４導電性ペーストとする。そして、この第４導電性ペーストを、未焼成固体電解質シートに形成したビアホール５１６に充填印刷し、焼成後に基準側内部ビア導体５５９となる未焼成ビア導体を形成する。

次に、焼成後にビア導体５５１（検知側ビア導体５６３、基準側ビア導体５６４）となる未焼成ビア導体を形成する。
具体的には、上記の第２導電性ペーストを、第１未焼成アルミナシートの後端側に形成した２つのビアホール５１２のうち検知側ビアホール５６１に充填印刷し、未焼成ビア導体を形成する。

また、上記の第４導電性ペーストを、第１未焼成アルミナシートの後端側に形成した２つのビアホール５１２のうち基準側ビアホール５６２に充填印刷し、未焼成ビア導体を形成する。

次に、焼成後に検知側センサ電極パッド３０のタングステン層５５６となる電極パッドパターン、および基準側センサ電極パッド３２となる電極パッドパターンを形成する。
具体的には、タングステン粉末１００質量部と、アルミナ粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．３μｍ）６質量部と、エトセルバインダー６質量部と、を配合し、更にブチルカルビトールを溶媒として混合して、第５導電性ペーストとする。そして、第５導電性ペーストを、第１未焼成アルミナシートの一方の面（表面となる面）に、検知側ビア導体５６３となる未焼成ビア導体を覆うように所定形状に印刷し、乾燥させて、電極パッドパターンを形成する。

また、上記の第１導電性ペーストを、第１未焼成アルミナシートの一方の面（表面となる面）に、基準側ビア導体５６４となる未焼成ビア導体を覆うように所定形状に印刷し、乾燥させて、電極パッドパターンを形成する。

次に、焼成後に発熱部５３５となる発熱パターンと、焼成後にヒータリード部５３７となるヒータリードパターンを形成する。
具体的には、上記の第３導電性ペーストを、第３未焼成アルミナシートの一方の面（表面となる面）に印刷し、乾燥させて、発熱パターンを形成する。また、第３導電性ペーストを、第３未焼成アルミナシートの一方の面（表面となる面）に印刷し、乾燥させて、ヒータリードパターンを形成する。

次に、焼成後にヒータ用ビア導体５５５となる未焼成ビア導体を形成する。具体的には、上記の第２導電性ペーストを、第３未焼成アルミナシートの後端付近に形成した２つのヒータ用ビアホール５２０に充填印刷し、未焼成ビア導体を形成する。

次に、焼成後にヒータ電極パッド３４，３６のタングステン層５６８となるヒータ電極パッドパターンを形戒する。
具体的には、上記の第５導電性ペーストを、第３未焼成アルミナシートの一方の面（裏面となる面）に、焼成後にヒータ用ビア導体５５５となる未焼成ビア導体を覆うように所定形状に印刷し、乾燥させて、ヒータ電極パッドパターンを形成する。

次に、焼成後にセンサ素子４となる積層体を作製する。具体的には、第１未焼成アルミナシートの一方の面（裏面となる面）、及び、第２未焼成アルミナシートの両面に、アルミナ層用未焼成シートをブチルカルビトールにて希釈した貼り合わせペーストを、２０μｍの厚みでそれぞれ印刷する。その後、未焼成保護シート、第１未焼成アルミナシート、未焼成固体電解質シート、第２未焼成アルミナシート及び第３未焼成アルミナシートを貼り合わせ、５０℃、６０秒間、７±０．０５ｋｇ／ｃｍ² で真空圧着して一体化し、積層体を作製する。

次に、この積層体を焼成する。具体的には、積層体を、大気雰囲気下、６０℃で６時間加熱し、脱脂する。その後、これを、水素ウェッター注入雰囲気下、１５２０℃で２時間焼成する。

その後、タングステン層５５６およびタングステン層５６８の上に、それぞれＮｉメッキ処理、Ｐｔ或いはＡｕメッキ処理を施し、タングステン層５５６を覆うメッキ層５５８、タングステン層５６８を覆うメッキ層５６９を形成する。

このようにして、センサ素子４が製造される。
そして、センサ素子４は、図１に示すように、先端側（図１における下方）の検出部８が排気管に固定される主体金具１０２の先端より突出すると共に、後端側の電極端子部３０，３２，３４，３６が主体金具１０２の後端より突出した状態で、主体金具１０２の内部に固定される。

また、主体金具１０２の後端部１０４より突出されたセンサ素子４の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材８２が配置される。尚、この絶縁コンタクト部材８２は、センサ素子４の後端側の表面に形成される電極端子部３０，３２，３４，３６の周囲に配置されている。

このように、酸素センサ２は、センサ素子４の電極端子部３０，３２，３４，３６がリードフレーム１０およびリード線４６を介して外部機器に電気的に接続されることで、測定対象ガスにおける酸素検知結果に応じた電気信号を外部機器に対して出力可能に構成されている。

なお、酸素センサ２においては、センサ素子４が特許請求の範囲に記載のセンサ素子に相当しており、固体電解質層５１５が固体電解質体に相当しており、検知電極部５２１が検知側電極部に相当し、基準電極部５２５が基準側電極部に相当し、検知側センサ電極パッド３０が検知側取出部に相当し、基準側センサ電極パッド３２が基準側取出部に相当している。

また、第１センサリード部５２３および検知側ビア導体５６３が検知側リード部に相当し、第２センサリード部５２７、基準側内部ビア導体５５９および基準側ビア導体５６４が基準側リード部に相当し、卑金属部５６７が卑金属部に相当し、先端側緻密部５６６が先端側緻密部に相当し、検知側ビア導体５６３が後端側緻密部に相当する。

さらに、第１アルミナ層５１３が検知側絶縁層に相当し、検知側ビアホール５６１がビアホールに相当し、検知側センサ電極パッド３０のメッキ層５５８が検知側メッキ部に相当している。

また、ヒータ電極パッド３４，３６が一対のヒータ取出部に相当し、２つのヒータリード部５３７および２つのヒータ用ビア導体５５５が一対のヒータリード部に相当している。

さらに、２つのヒータリード部５３７が一対のヒータ用卑金属部に相当し、２つのヒータ用ビア導体５５５が一対のヒータ用緻密部に相当する。
また、第３アルミナ層５１９がヒータ被覆絶縁層に相当し、２つのヒータ用ビアホール５２０がヒータ用ビアホールに相当し、ヒータ電極パッド３４，３６のメッキ層５６９がヒータ用メッキ部に相当する。

以上説明したように、酸素センサ２に備えられるセンサ素子４は、第１センサリード部５２３が卑金属部５６７を備えて形成されており、第１センサリード部５２３および検知側ビア導体５６３の全てが貴金属で形成されるセンサ素子に比べて、当該部分の材料費を抑えることができ、製造コストが安価になる。

また、センサ素子４は、先端側緻密部５６６を備えることで検知電極部５２１を介して卑金属部５６７にガス（酸素など）が到達するのを阻止でき、また、検知側ビア導体５６３を備えることで検知側センサ電極パッド３０を介して卑金属部５６７にガス（酸素など）が到達するのを阻止できる。これにより、第１センサリード部５２３が卑金属部５６７を備えて形成された場合でも、卑金属部５６７が酸化するのを防止できる。

よって、本実施形態の酸素センサ２は、第１センサリード部５２３が安価に形成できると共に第１センサリード部５２３の卑金属部５６７が酸化しがたいセンサ素子４を備えることから、コスト低減を図ることができると共に耐酸化性に優れるものとなる。

また、センサ素子４は、卑金属部５６７を覆う第１アルミナ層５１３を備えており、卑金属部５６７は、第１アルミナ層５１３と固体電解質層５１５との間で気密状態で備えられる。そして、第１アルミナ層５１３はビアホール５１２を備えており、後端側緻密部としての検知側ビア導体５６３がビアホール５１２の内部に形成されている。

つまり、センサ素子４は、卑金属部５６７を覆う第１アルミナ層５１３にビアホール５１２が形成されているが、ビアホール５１２に後端側緻密部としての検知側ビア導体５６３が形成されており、ビアホール５１２を介して卑金属部５６７にガスが到達するのを検知側ビア導体５６３によって防止できる。

また、本実施形態のセンサ素子４は、検知側センサ電極パッド３０がガス不透過性を有するメッキ層５５８を備えて構成されている。
このようにメッキ層５５８を備えることで、外部ガスが検知側センサ電極パッド３０を介して検知側ビア導体５６３および第１センサリード部５２３に到達するのを防止できる。つまり、検知側センサ電極パッド３０を介してガスが卑金属部５６７に到達するのを、検知側ビア導体５６３に加えてメッキ層５５８によっても抑制できることから、卑金属部５６７にガスが到達するのをより確実に防止できる。

また、先端側緻密部５６６および検知側ビア導体５６３は、貴金属−卑金属合金からなることから、貴金属のみで形成する場合に比べて、貴金属の使用量を抑制しつつ、代わりに安価な卑金属を使用することで、コスト低減を図ることができる。

さらに、センサ素子４は、発熱部５３５を備えることから固体電解質層５１５を加熱することができ、外部からの熱供給のみで加熱する場合に比べて、短時間で自身を活性化温度まで加熱できる。

また、センサ素子４は、ヒータリード部５３７が卑金属のＷ（タングステン）を主体に形成されており、貴金属のみで形成されたヒータリード部を備える構成ではない。つまり、センサ素子４は、ヒータリード部の全てが貴金属で形成されるセンサ素子に比べて、ヒータリード部の材料費を抑えることができ、製造コストが安価になる。

さらに、センサ素子４は、ヒータ用緻密部としてのヒータ用ビア導体５５５を備えており、ヒータ用ビア導体５５５を備えることでヒータ電極パッド３４，３６を介してヒータリード部５３７にガスが到達するのを阻止できる。これにより、ヒータリード部５３７が卑金属を主体に構成される場合であっても、ヒータリード部５３７が酸化するのを防止できる。

よって、本実施形態の酸素センサ２は、ヒータリード部５３７が安価に形成できると共にヒータリード部５３７が酸化しがたいセンサ素子４を備えることから、コスト低減を図ることができると共に耐酸化性に優れるものとなる。

なお、センサ素子４は、卑金属を主体とするヒータリード部５３７を覆う第３アルミナ層５１９を備えており、ヒータリード部５３７は、第２アルミナ層５１７と第３アルミナ層５１９との間で気密状態で備えられる。また、第３アルミナ層５１９は、ヒータ用ビアホール５２０を備えており、ヒータ用緻密部としてのヒータ用ビア導体５５５がヒータ用ビアホール５２０の内部に形成されている。

つまり、センサ素子４は、ヒータリード部５３７を覆う第３アルミナ層５１９にヒータ用ビアホール５２０が形成されているものの、ヒータ用ビアホール５２０にヒータ用緻密部（ヒータ用ビア導体５５５）が形成されており、ヒータ用ビアホール５２０を介してヒータリード部５３７にガスが到達するのをヒータ用緻密部（ヒータ用ビア導体５５５）によって防止できる。

よって、本実施形態によれば、ヒータ被覆絶縁層（第３アルミナ層５１９）を備える構成においても、ヒータリード部５３７が安価な材料で形成されると共にヒータリード部５３７が酸化しがたい構成のセンサ素子４を実現できる。

また、センサ素子４は、ヒータ電極パッド３４，３６がガス不透過性を有するメッキ層５６９を備えて構成されている。
このように、メッキ層５６９を備えることで、外部ガスがヒータ電極パッド３４，３６を介してヒータリード部５３７に到達するのを、ヒータ用ビア導体５５５に加えてメッキ層５６９によっても抑制できることから、卑金属を主体とするヒータリード部５３７にガスが到達するのをより確実に防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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、センサ素子は、上記実施形態（以下、第１実施形態とも言う）のセンサ素子４に限られることはなく、基準側電極部と基準側緻密部との間の電流経路（基準側リード部）に接続されるガス放出路を備える構成のセンサ素子を用いても良い。

そこで、第１実施形態のセンサ素子４に対して、第２センサリード部５２７に接続されたガス放出路５７１を付加した構成の第２センサ素子５について説明する。
第２センサ素子５の概略構造を表す分解斜視図を、図３に示す。なお、第１実施形態のセンサ素子４と同様の構成要素については、同一符号を付している。

第２センサ素子５は、一端が第２センサリード部５２７の後端部に接続され、他端が第２センサ素子５の後端面で外部に露出する状態で配置された多孔質状のガス放出路５７１を備えている。

ガス放出路５７１は、固体電解質層５１５と第２アルミナ層５１７との間に配置されており、第２センサリード部５２７と同様に多孔質状に形成されていることから、内部をガスが移動可能となるガス透過性を有している。また、ガス放出路５７１は、第２センサリード部５２７と同様に、Ｐｔ（白金）からなることから、耐酸化性を有し、実使用において基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。

つまり、ガス放出路５７１を備える第２センサ素子５は、基準電極部５２５に組み込まれた酸素の一部を、第２センサリード部５２７およびガス放出路５７１を通じて外部に放出することが可能となる。このことから、何らかの要因により基準電極部５２５に対して酸素が過剰に組み込まれた場合には、過剰分の酸素を第２センサリード部５２７およびガス放出路５７１を通じて外部に放出できる。

このように、第２センサ素子５は、基準電極部５２５における酸素圧力が過度に上昇するのを抑制でき、酸素圧力の上昇に伴うセンサ素子の破損を防止できる。
よって、第２センサ素子５を備える酸素センサは、基準電極部５２５への酸素供給量が過剰となる虞がある用途においても、酸素圧力の過剰な上昇を防止することができ、センサ素子の破損を防止しつつ酸素検知が可能な構成となる。

また、第２センサ素子５は、ガス不透過性を有する基準側内部ビア導体５７３および基準側ビア導体５７５を備えている。なお、基準側内部ビア導体５７３および基準側ビア導体５７５は、Ｐｔ−１８．４ｗｔ％のタングステン合金（Ｐｔ−１８．４ｗｔ％Ｗ合金）で形成されている。

基準側内部ビア導体５７３および基準側ビア導体５７５は、基準側センサ電極パッド３２から第２センサリード部５２７を介して基準電極部５２５にガスが到達するのを抑制している。

これにより、第２センサ素子５は、不必要なガスが基準側センサ電極パッド３２から第２センサリード部５２７を介して基準電極部５２５に到達するのを防止でき、不要なガスの影響によって基準電極部５２５の酸素濃度が変動することを防止できる。

なお、第２センサ素子５においては、第２センサリード部５２７、基準側内部ビア導体５７３および基準側ビア導体５７５が基準側リード部に相当し、基準側内部ビア導体５７３および基準側ビア導体５７５が基準側緻密部に相当し、ガス放出路５７１がガス放出路に相当する。

ところで、第２センサ素子５の製造方法は、第１実施形態のセンサ素子４の製造方法に対して、ガス放出路５７１となる放出路パターンを形成するためのガス放出路形成工程を追加することで実現できる。具体的には、基準電極部５２５および第２センサリード部５２７となる第２センサパターンを形成する工程の後に、ガス放出路形成工程を追加することで、第２センサ素子５を製造することができる。

ガス放出路形成工程では、アルミナ粉末６０ｗｔ％とカーボン粉末４０ｗｔ％とからなる粉末を１００質量部として、この粉末１００質量部とエトセルバインダ１２質量部とを配合し、更にブチルカルビトールを溶媒として混合して得られる導電性ペーストを用いて、ガス放出路５７１となる放出路パターンを形成する。つまり、ガス放出路形成工程では、上記の導電性ペーストを利用して、未焼成固体電解質シートのうち裏面となる面に、放出路パターンとして、焼成後にガス放出路５７１となるパターンを、２０±１０μｍの厚さで印刷し、乾燥させる処理を実行する。

なお、上述した第２センサ素子５は、ガス放出路５７１を第２センサリード部５２７とは別の構成要素として備える構成であるが、ガス放出路を備えるセンサ素子は、第２センサ素子５と同様の構成に限られることはなく、ガス放出路を第２センサリード部５２７と一体に備える構成であってもよい。

そこで、ガス放出路としてのガス放出部５７２を第２センサリード部５２７と一体に備える構成の第３センサ素子７の概略構成を表す分解斜視図を、図４に示す。
図４に示すように、第３センサ素子７は、第１実施形態のセンサ素子４に比べて、第２センサリード部５２７に対してガス放出部５７２が付加されて形成されている。つまり、第２センサリード部５２７は、ガス放出部５７２と一体に構成されており、ガス放出部５７２の後端部は、第３センサ素子７の後端面で外部に露出する状態で形成されている。

そして、第２センサリード部５２７およびガス放出部５７２は、Ｐｔからなることから、耐酸化性を有し、実使用において基準電極部５２５に汲み込まれた酸素が接触しても酸化が防止でき、導電性を維持できる。また、第２センサリード部５２７およびガス放出部５７２は、多孔質状に形成されていることから、内部をガスが移動可能となるガス透過性を有している。

このため、第３センサ素子７は、基準電極部５２５に組み込まれた酸素の一部を、第２センサリード部５２７およびガス放出部５７２を通じて外部に放出することが可能となる。このことから、第３センサ素子７は、何らかの要因により基準電極部５２５に対して酸素が過剰に組み込まれた場合には、過剰分の酸素を第２センサリード部５２７およびガス放出部５７２を通じて外部に放出できる。

よって、第３センサ素子７は、第２センサ素子５と同様に、基準電極部５２５における酸素圧力が過度に上昇するのを抑制でき、酸素圧力の上昇に伴うセンサ素子の破損を防止できる。

また、第３センサ素子７は、ガス放出部５７２が付加されているものの、ガス放出部５７２が第２センサリード部５２７と一体に形成されることから、第１実施形態のセンサ素子４と略同様の製造方法で製造可能であり、第２センサ素子５の製造方法に比べて、ガス放出路形成工程に相当する作業工数を軽減できる。つまり、第３センサ素子７は、第２センサ素子に比べて、製造工程における作業負担の軽減を図ることができる。

なお、第１実施形態のセンサ素子４は、ガス放出路を備えない構成であるが、基準電極部５２５への酸素供給量を適切に制御することで、酸素圧力の上昇に起因する素子の破損を防止しつつ、酸素検知することが可能となる。

次に、上記の各実施形態では、Ｗ（タングステン）を主体として構成された卑金属部５６７を備えるセンサ素子４について説明したが、卑金属部はＷを主体に構成されるものに限られることはなく、他の卑金属（例えば、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ）を主体に構成されるものであっても良い。さらに、卑金属部に含まれる卑金属材料は１種類に限られることはなく、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒの少なくともいずれか一つを含んで形成される卑金属部を有するセンサ素子を用いても良い。

本発明を適用した実施形態の酸素センサ２の全体構成を示す断面図である。 センサ素子４の概略構造を表す分解斜視図である。 第２センサ素子５の概略構造を表す分解斜視図である。 第３センサ素子７の概略構成を表す分解斜視図である。

符号の説明

２…酸素センサ、４…センサ素子、５…第２センサ素子、６…セラミックスリーブ、７…第３センサ素子、８…検出部、１０…リードフレーム、２５…多孔質保護層、３０…検知側センサ電極パッド（電極端子部）、３２…基準側センサ電極パッド（電極端子部）、３４，３６…ヒータ電極パッド（電極端子部）、５１２…ビアホール、５１３…第１アルミナ層、５１４…検知用開口部、５１５…固体電解質層、５１６…ビアホール、５１７…第２アルミナ層、５１９…第３アルミナ層、５２０…ヒータ用ビアホール、５２１…検知電極部、５２３…第１センサリード部、５２５…基準電極部、５２７…第２センサリード部、５３５…発熱部、５３７…ヒータリード部、５５１…ビア導体、５５５…ヒータ用ビア導体、５５６…タングステン層、５５８…メッキ層、５５９…基準側内部ビア導体、５６１…検知側ビアホール、５６２…基準側ビアホール、５６３…検知側ビア導体、５６４…基準側ビア導体、５６５…先端部、５６６…先端側緻密部、５６７…卑金属部、５６８…タングステン層、５６９…メッキ層、５７１…ガス放出路、５７２…ガス放出部。

Claims (8)

1. 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するための板状のセンサ素子を備えるガスセンサであって、
   前記センサ素子は、
   酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、
   耐酸化性を有し多孔質状をなすと共に、前記固体電解質体を介して対向する検知側電極部および基準側電極部と、
   耐酸化性を有し、少なくとも一部が前記センサ素子の外部に露出する検知側取出部および基準側取出部と、
   一端が前記検知側電極部に電気的に接続されると共に、他端が前記検知側取出部に電気的に接続される検知側リード部と、
   耐酸化性を有し、一端が前記基準側電極部に電気的に接続されると共に、他端が前記基準側取出部に電気的に接続される基準側リード部と、
   を有しており、
   前記基準側電極部は、前記センサ素子の内部に閉塞されて、前記固体電解質体を介して酸素が組み込まれることで内部酸素基準部として機能するものであり、
   前記検知側リード部は、
   卑金属を主体に形成されると共に前記測定対象ガスに接触しない気密状態で前記センサ素子の内部に埋設された卑金属部と、
   耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、前記卑金属部よりも前記検知側電極部に近い側に形成される先端側緻密部と、
   耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、前記卑金属部よりも前記検知側取出部に近い側に形成される後端側緻密部と、を備えること、
   を特徴とするガスセンサ。
2. 前記センサ素子は、
   前記卑金属部を覆う絶縁性材料からなる検知側絶縁層を備えており、
   前記検知側取出部は、前記検知側絶縁層のうち前記卑金属部に対向する面の反対側の面に形成されており、
   前記検知側絶縁層は、前記卑金属部に対向する面から前記検知側取出部が形成される面にかけて貫通するビアホールを備えており、
   前記後端側緻密部は、前記ビアホールの内部に形成されること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記基準側リード部は、ガス不透過性を有する緻密体として形成される基準側緻密部を備えており、
   前記センサ素子は、
   ガス透過性を有し、一端が前記基準側リード部のうち前記基準側緻密部よりも前記基準側電極部に近い部分に接続され、他端が当該センサ素子の後端部から外部に露出して形成されるガス放出路を備えること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 前記検知側取出部は、外表面にガス不透過性を有する検知側メッキ部を備えること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記先端側緻密部および前記後端側緻密部は、卑金属および貴金属の合金で形成されること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記センサ素子は、
   通電により発熱する発熱部と、
   耐酸化性を有し、少なくとも一部が前記センサ素子の外部に露出する一対のヒータ取出部と、
   一端が前記発熱部に電気的に接続されると共に、他端が前記ヒータ取出部に電気的に接続される一対のヒータリード部と、
   を備えており、
   前記一対のヒータリード部は、
   卑金属を主体に形成されると共に前記測定対象ガスに接触しない気密状態で前記センサ素子の内部に埋設された一対のヒータ用卑金属部と、
   耐酸化性およびガス不透過性を有する緻密体からなり、前記ヒータ用卑金属部よりも前記ヒータ取出部に近い側に形成される一対のヒータ用緻密部と、を備えること、
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 前記センサ素子は、
   前記発熱部および前記一対のヒータ用卑金属部を覆う絶縁性材料からなるヒータ被覆絶縁層を備えており、
   前記一対のヒータ取出部は、前記ヒータ被覆絶縁層のうち前記一対のヒータ用卑金属部に対向する面の反対側の面に形成されており、
   前記ヒータ被覆絶縁層は、前記一対のヒータ用卑金属部に対向する面から前記一対のヒータ取出部が形成される面にかけて貫通するヒータ用ビアホールを備えており、
   前記一対のヒータ用緻密部は、前記ヒータ用ビアホールの内部に形成されること、
   を特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記ヒータ取出部は、外表面にガス不透過性を有するヒータ用メッキ部を備えること、
   を特徴とする請求項６または請求項７に記載のガスセンサ。