JP2008020331A - ガスセンサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】早期活性を図ることができるガスセンサ素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質体２と、該固体電解質体２の一方の面に設けた被測定ガス側電極２１と、固体電解質体２の他方の面に形成した基準ガス側電極２２と、固体電解質体２を加熱するための発熱部３０を有するヒータ３とを有する積層型のガスセンサ素子１。該ガスセンサ素子１の積層方向の一対の主面１０のうち固体電解質体２に対して上記ヒータ３が配設されている側の表面であるヒータ側表面１００と固体電解質体２との間の距離をＤ、発熱部２０のうち固体電解質体２に最も近い発熱部３０と固体電解質体２との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の内燃機関の燃焼制御等に利用されるガスセンサ素子及びその製造方法に関する。

従来より、自動車エンジンの排気管内等に配設されて排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサがある。かかるガスセンサに内蔵されるガスセンサ素子９は、例えば、図１０に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体９２と、該固体電解質体９２の一方の面に設けた被測定ガス側電極９２１と、固体電解質体９２の他方の面に形成した基準ガス側電極９２２と、固体電解質体９２を加熱するための発熱部９３０を有するヒータ９３とを有する（特許文献１参照）。

近年、上記ガスセンサ素子９は、自動車エンジンの始動時からより一層速やかに空燃比等を検知して燃焼制御機構を働かせることができるよう、より早い時間で活性温度に到達（早期活性）することが求められるようになってきている。ところが、上記従来のガスセンサ素子９は、図１０に示すごとく、ヒータ９３が、固体電解質体９２と離隔して配置されている。即ち、基準ガスを導入するための基準ガス空間９４０を形成する基準ガス空間形成層９４を固体電解質体９２とヒータ９３との間に介在させている。そのため、発熱部９３０と固体電解質体９２との間の距離が大きくなり、発熱部９３０の熱を固体電解質体９２に効率的に伝達することが困難となり、固体電解質体２を早期に昇温することが困難となるおそれがある。
その結果、ガスセンサ素子９の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。

また、早期活性を図るために発熱部を基準ガス空間形成層に埋め込み、固体電解質体に近付けることも考えられるが、固体電解質体と基準ガス空間形成層との界面に発熱部を近付け過ぎると以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、固体電解質体とヒータとの接合部は異種材料の接合部となるため、この接合部付近が発熱部によって急速加熱されると、それぞれの材料における膨張量の差により、上記接合部でクラックが発生するおそれがある。

特開２００４−３０９４５７号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータとを有する積層型のガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設されている側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤ、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記距離Ｄと上記距離ｄ１との間において、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つ。これにより、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。
即ち、ｄ１／Ｄ≦０．７０であるため、上記固体電解質体に最も近い発熱部を上記固体電解質体に充分に近付けることとなる。そのため、上記発熱部の熱を上記固体電解質体に効率的に伝達することができ、上記固体電解質体を早期に活性温度に到達させることができる。

また、ｄ１／Ｄ≧０．０４であるため、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。即ち、上記固体電解質体と上記ヒータとの接合部は、異種材料の接合部となる。そのため、該接合部に発熱部を近付け過ぎると接合部が急速加熱され、それぞれの材料における膨張量の差により、上記接合部でクラックが発生するおそれがある。ここで、上記のようにｄ１／Ｄ≧０．０４とすることにより、上記接合部付近が上記発熱部によって急速加熱されることを防ぐことができる程度に上記発熱部と上記接合部とを離隔配置することができる。それ故、上記接合部でのクラックの発生を防ぐことができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。

第２の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータと、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層とを有する積層型のガスセンサ素子の製造方法であって、
上記基準ガス空間形成層を形成するに当たっては、セラミックスラリーをフィルム上に塗布した後乾燥することによりセラミックシートを複数成形するシート成形工程と、
上記複数のセラミックシートのうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シートの表面に上記発熱部を形成するための発熱部形成用ペーストを塗布する塗布工程と、
上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記基準ガス空間形成層の溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程と、
上記未焼積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法にある（請求項４）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子の製造方法は、上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程を有する。そのため、上記製造方法によれば、早期活性を図ることができるガスセンサ素子を得ることができる。
即ち、上記積層工程を経ることにより、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の上記発熱部を、上記固体電解質体に充分に近付けることができる。その結果、上記第１の発明（請求項１）と同様、ガスセンサ素子の早期活性を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、早期活性を図ることができるガスセンサ素子の製造方法を提供することができる。

上記第１の発明（請求項１）及び上記第２の発明（請求項４）において、ガスセンサ素子として、例えば、Ａ／Ｆセンサ素子、Ｏ₂センサ素子、ＮＯｘセンサ素子がある。

上記第１の発明において、ｄ１／Ｄ＜０．０４である場合には、以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、固体電解質体とヒータとの接合部は、異種材料の接合部となるため、この接合部付近が発熱部によって急速加熱されると、それぞれの材料における膨張量の差により、上記異種材料同士の接合部でクラックが発生するおそれがある。
また、ｄ１／Ｄ＞０．７０である場合には、上記発熱部が上記固体電解質体から離れ過ぎ、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。

また、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つことが好ましい（請求項２）。
この場合には、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、ｄ２／Ｄ＞０．８２である場合には、ガスセンサ素子のヒータ側表面に発熱部が近付き過ぎ、発熱部の急速加熱による熱応力に起因して、ガスセンサ素子のヒータ側表面側の角部にクラックが生じるおそれがある。その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。

また、上記ガスセンサ素子は、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層を有し、上記発熱部の少なくとも一つは、上記基準ガス空間形成層の内部であって上記溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に埋設されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記発熱部を、上記固体電解質体に近付けることが容易となるため、上記ガスセンサ素子の早期活性を容易に図ることができる。
尚、上述した位置に、発熱部が少なくとも一つ配設されていれば、上記作用効果を充分に発揮することができる。

また、上記第２の発明（請求項４）において、上記積層工程においては、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤ、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することが好ましい（請求項５）。
この場合には、第１の発明（請求項１）と同様、上記ガスセンサ素子の早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。

一方、ｄ１／Ｄ＜０．０４となる位置に、上記固体電解質体に最も近い発熱部形成用ペーストが配されるようセラミックシートが積層される場合には、以下のような問題が生じるおそれがある。即ち、上記第１の発明で検討したように、固体電解質体とヒータとにおける膨張量の差により、固体電解質体とヒータとの接合部でクラックが発生するおそれがある。

また、ｄ１／Ｄ＞０．７０となる位置に上記固体電解質体に最も近い発熱部形成用ペーストが配されるようセラミックシートが積層される場合には、上記第１の発明で検討したように、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。

また、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することが好ましい（請求項６）。
この場合には、請求項２と同様に、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分優れたガスセンサ素子を得ることができる。
一方、ｄ２／Ｄ＞０．８２となる位置に上記固体電解質体から最も遠い発熱部が配されるようセラミックシートが積層される場合には、上記請求項２で検討したように、耐久性に優れるガスセンサ素子を得ることが困難となるおそれがある。

また、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤとしたとき、上記セラミックシートの一枚の厚みは、０．０２Ｄ〜０．８２Ｄであることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記セラミックシートの成形を容易に行うことができる。
尚、本明細書において、上記セラミックシート一枚の厚みは、焼成後の厚みをいうものとする。

一方、上記セラミックシートの一枚の厚みが０．０２Ｄ未満である場合には、上記セラミックシートの成形が困難となると共に、その生産効率が低下するおそれがある。
また、上記セラミックシートの一枚の厚みが０．８２Ｄを超える場合には、最終的に得られるガスセンサ素子において発熱部を固体電解質体に充分に近付けることが困難となる。その結果、ガスセンサ素子の早期活性を図ることが困難となるおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる積層型のガスセンサ素子及びその製造方法につき、図１〜図３を用いて説明する。
本発明の積層型のガスセンサ素子１は、図１、図２に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体２と、該固体電解質体２の一方の面に設けた被測定ガス側電極２１と、固体電解質体２の他方の面に形成した基準ガス側電極２２と、固体電解質体２を加熱するための発熱部３０を有するヒータ３とを有する。

ここで、図１に示すごとく、ガスセンサ素子１の積層方向の一対の主面１０のうち固体電解質体２に対してヒータ３が配設されている側の表面であるヒータ側表面１００と固体電解質体２との間の距離をＤとする。また、発熱部３０のうち固体電解質体２に最も近い発熱部３０（以下、発熱部３０ａという）と固体電解質体３との間の距離をｄ１としたとき、上記距離Ｄと上記距離ｄ１とは、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係を有する。

また、発熱部３０のうち固体電解質体２から最も遠い発熱部３０（以下、発熱部３０ｂという）と固体電解質体２との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成立する。
尚、以下で単に発熱部３０という場合には、上記発熱部３０ａ及び上記発熱部３０ｂの両者を示すものとする。
また、図１における発熱部３０は、説明の便宜上、若干大きく表現してある。

本例のガスセンサ素子１につき詳細に説明する。
ガスセンサ素子１としては、例えば、Ａ／Ｆセンサ素子、Ｏ₂センサ素子、ＮＯｘセンサ素子がある。

本例において、固体電解質体２の一方の面には、図１、図２に示すごとく、基準ガス空間形成層４が積層されている。また、固体電解質体２の他方の面には、保護層５が積層されている。
また、固体電解質体２の保護層５側の面には、被測定ガス側電極２１が配設されている。また、固体電解質体２の基準ガス空間形成層４側の面には、基準ガス側電極２２が配設されている。

また、ガスセンサ素子１は、基準ガス側電極２２に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間４０を形成するための溝部４００を有する基準ガス空間形成層４を有する。そして、該基準ガス空間４０を挟み込むように配された二対の発熱部３０は共に、基準ガス空間形成層４の内部であって溝部４００の底面４０１よりも固体電解質体２に近い位置に埋設されている。

次に、本例のガスセンサ素子１の製造方法につき説明する。
基準ガス空間形成層４を形成するに当たっては、少なくとも以下のシート成形工程と塗布工程と積層工程と焼成工程とを行う。
シート成形工程においては、図３に示すドクターブレード法によりセラミックシート８を成形する。即ち、同図に示すごとく、セラミックスラリー６０をフィルム６６０上に塗布した後乾燥する。これにより、基準ガス空間形成層４を形成するためのセラミックシート８を複数成形する。

該セラミックシート８の一枚の厚みは、０．０２Ｄ〜０．８２Ｄである。ここで、Ｄは、上述したごとく、ヒータ側表面１００と固体電解質体２との間の距離である。具体的には、上記セラミックシート一枚の厚みは、例えば、２５〜１２５０μｍとすることができる。以下では、セラミックシート８を、適宜、ガスセンサ素子１の軸方向に沿ってスリット部８４０を有するスペーサシート８４１と、平板状に成形される平板シート８４２との二種類に分けて説明する。

塗布工程においては、上記複数のセラミックシート８のうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シート８４３の表面に発熱部３０を形成するための発熱部用ペースト８３を塗布する。本例においては、ヒータ３の一部を構成するための上記ヒータ用シート８４３は、スペーサシート８４１でもある。

積層工程においては、発熱部用ペースト８３が基準ガス空間形成層４の溝部４００の底面４０１よりも固体電解質体２に近い位置に配されるようにヒータ用シート８４３等を積層して未焼積層体８１を得る。
焼成工程においては、未焼積層体８１を焼成する。

以下に、シート成形工程におけるスペーサシート８４１の作製方法（ドクターブレード法）につき説明する。
スペーサシート８４１を成形するに当たっては、例えば、平均粒径０．３μｍのα−アルミナ９８重量部と、６モル％のイットリアを含有する部分安定化ジルコニア３重量部と、ポリビニルブチラール１０重量部と、ジブチルフタレート１０重量部と、エタノール３０重量部と、トルエン３０重量部とからなるセラミック混合物を調整する。

次に、上記混合物を、図３に示すごとく、媒体攪拌ミル６１中で混合して真空脱泡してセラミックスラリー６０とする。そして、該セラミックスラリー６０を圧送してフィルタ６３を介して貯留槽６４へと送る。
ここで、液面センサ６２１は、貯留槽６４から溢れ出たセラミックスラリー６０の高さを測定する。そして、その測定結果を基にセラミックスラリー６０の量を調節するためにバルブ６２２の開閉が制御されている。

そして、図３に示すごとく、セラミックスラリー６０を貯留槽６４から溢れ出させた後、ローラー６６によって送られてきた、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなるフィルム６６０にセラミックスラリー６０を塗布していく。そして、ブレード６５の下を通過させることにより、セラミックスラリー６０の厚みを調節する。
その後、乾燥室６７を通過させて上記セラミックスラリー６０を乾燥させ、乾燥生シートを得る。本例では、該乾燥生シートの厚みを２００μｍとした。

更に、上記乾燥生シートを、幅が５ｍｍ、長さが７０ｍｍのサイズに切断する。そして、上記乾燥生シートに、例えば、幅が２ｍｍ、長さが６７ｍｍの長方形の切欠部を設けることにより、溝部４００を構成することとなるスリット部８４０を有する本例のスペーサシート８４１を得る。尚、上記切断作業は、積層後に行っても良い。
また、上記切断作業と同時に、三枚のスペーサシート８４１のうちの二枚、即ちヒータ用シート８４３に、後述するヒータリード部３０１とヒータ端子３０２とを電気的に導通させるためのヒータ用スルーホール３０３をその端部に穿設する。

また、本例では、平板シート８４２も上記スペーサシート８４１と同じ材料、同じ方法で成形する。そして、平板シート８４２の大きさは、幅が５ｍｍ、長さが７０ｍｍ、乾燥厚みが２００μｍである。

固体電解質体２及び保護層５を作製するに当たっても、例えば、それぞれについての所定の材料を混合してセラミックスラリー６０を作製する。そして、上記と同様に、ドクターブレード法によって所望の厚みを有する固体電解質体用シート８２及び保護層用シート８５を成形することができる。

次に、塗布工程においては、上記二枚のヒータ用シート８４３に上記発熱部用ペースト８３を塗布してスクリーン印刷を行った。具体的には、図２に示すごとく、ヒータ用シート８４３に白金の発熱部用ペースト８３を用いて、発熱部３０と、外部と電気的に接続するためのヒータ端子３０２と、発熱部３０とヒータ端子３０２とをつなぐヒータリード部３０１とをスクリーン印刷する。そして、上記ヒータ用シート８４３を焼成したものがヒータ３となる。

次いで、積層工程においては、図２に示すごとく、発熱部用ペースト８３が基準ガス空間形成層４の溝部４００の底面４０１よりも固体電解質体２に近い位置に配されるようにヒータ用シート８４３を積層する。具体的には、図１に示すごとく、発熱部３０のうち固体電解質体２に最も近い発熱部３０と固体電解質体２との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つようヒータ用シート８４３を積層する。

更に、図１に示すごとく、発熱部３０のうち固体電解質体３から最も遠い発熱部３０と固体電解質体２との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つようヒータ用シート８４３を積層する。
また、これに平板シート８４２、固体電解質体用シート８２及び保護層用シート８５も積層して未焼積層体８１を得る。その後、該未焼積層体８１を圧着する。

次いで、焼成工程において、上記圧着後の未焼積層体８１を１５０℃／時間の昇温速度にて、１３００〜１６００℃の環境下で２時間焼成する。その後、それを１５０℃／時間の冷却速度にて室温まで冷却する。これにより、本例のガスセンサ素子１が得られる。尚、スペーサシート８４１と平板シート８４２とを焼成することにより、両者が一体化して基準ガス空間形成層４が形成される。

次に、本例の作用効果につき説明する。
距離Ｄと距離ｄ１とは、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係を有する。これにより、ガスセンサ素子１の早期活性を図ることができる。
即ち、ｄ１／Ｄ≦０．７０であるため、図１、図２に示すごとく、発熱部３０ａを固体電解質体２に充分に近付けることとなる。そのため、発熱部３０ａの熱を固体電解質体２に効率的に伝達することができ、固体電解質体２を早期に活性温度に到達させることができる。

また、ｄ１／Ｄ≧０．０４であるため、耐久性に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。即ち、固体電解質体２とヒータ３との接合部（図１における符号７参照）は、異種材料の接合部７となる。そのため、該接合部７に発熱部３０ａを近付け過ぎると接合部７が急速加熱され、それぞれの材料における膨張量の差により、接合部７でクラックが発生するおそれがある。ここで、上記のようにｄ１／Ｄ≧０．０４とすることにより、上記接合部７付近が発熱部３０ａによって急速加熱されることを防ぐことができる程度に発熱部３０ａと接合部７とを離隔配置することができる。それ故、上記接合部７でのクラックの発生を防ぐことができる。
その結果、耐久性に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。

また、発熱部３０のうち固体電解質体２から最も遠い発熱部３０ｂと固体電解質体２との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成立する。これにより、早期活性を充分に図ることができると共に、耐久性に充分に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。

また、発熱部３０は、図１、図２に示すごとく、基準ガス空間形成層４の内部であって溝部４００の底面４０１よりも固体電解質体２に近い位置に埋設されている。これにより、発熱部３０を、固体電解質体２に近付けることが容易となるため、ガスセンサ素子１の早期活性を容易に図ることができる。
また、セラミックシート８の一枚の厚みは、０．０２Ｄ〜０．８２Ｄである。これにより、セラミックシート８の成形を容易に行うことができる。

以上のごとく、本例によれば、早期活性を図ることができると共に、耐久性に優れたガスセンサ素子及びその製造方法を提供することができる。

尚、本発明は、上記実施例１の構成に限られるものではない。即ち、例えば、上記実施例１においては、スペーサシートに発熱部用ペーストを塗布してヒータ用シートとしたが、ヒータ用シートを、スペーサシートと別材料にて別個に成形することもできる。また、平板シートを用いてヒータ用シートを形成することもできる。
また、平板シートを、スペーサシートと別材料にて成形することもできる。

（実施例２）
本例は、図４〜図６に示すごとく、上記実施例１のガスセンサ素子１の変形例である。
図４に示すガスセンサ素子１においては、積層方向における二対の発熱部３０のうち固体電解質体２に近い方の二本の発熱部３０ａが基準ガス空間形成層４の内部であって溝部４００の底面４０１と固体電解質体２との間において基準ガス空間４０を挟み込むように配設されている。そして、固体電解質体２から遠い方の二本の発熱部３０ｂは、基準ガス空間形成層４の内部であってヒータ側表面１００と上記底面４０１との間におけるヒータ側表面１００に近い位置に配設されている。

図５に示すガスセンサ素子１においては、積層方向における二対の発熱部３０のうち固体電解質体２に近い方の二本の発熱部３０ａが基準ガス空間形成層４の内部であって溝部４００の底面４０１と固体電解質体２との間において基準ガス空間４０を挟み込むように配設されている。そして、固体電解質体２から遠い方の二本の発熱部３０ｂは、基準ガス空間形成層４の内部であってヒータ側表面１００と上記底面４０１との間における該底面４０１に近い位置に配設されている。

図６に示すガスセンサ素子１においては、二本の発熱部３０が基準ガス空間形成層４の溝部４０の底面４０１と固体電解質体２との間において基準ガス空間４０を挟み込むように配設されている。そして、ヒータ側表面１００と上記底面４０１との間における基準ガス空間形成層４には発熱部３０が配設されていない。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実験例１）
本例は、図７に示すごとく、上記実施例１におけるｄ１／Ｄの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
尚、上記ｄ１／Ｄは、ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面１０のうち固体電解質体２に対してヒータ３が配設されている側の表面であるヒータ側表面１００と固体電解質体２との間の距離Ｄに対する、固体電解質体２に最も近い発熱部３０ａと固体電解質体２との間の距離ｄ１の比を示すものである。
また、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

本例では、試料として、上記ｄ１／Ｄの値を０．０２〜０．１２の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ１０個作製した。
そして、各試料について、ヒータ３に通電してから通電を停止するまでを一回として、これを複数回繰り返す耐久試験を行った。そして、ガスセンサ素子にクラックが発生したときの耐久試験の回数（以下、耐久回数という）を測定した。
尚、上記耐久試験は、ヒータ３への通電電圧が１６Ｖ、通電時間が１０秒、通電間隔が１８０秒の試験条件で行った。

測定結果を図７に示す。同図からわかるように、ｄ１／Ｄ≧０．０４の場合には、耐久回数が５０００回を超えなければ、ガスセンサ素子にクラックが発生することがない。これに対して、ｄ１／Ｄ＜０．０４の場合には、耐久回数が５０００回以下であってもガスセンサ素子にクラックが発生している。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、ｄ１／Ｄ≧０．０４の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。

（実験例２）
本例は、図８に示すごとく、上記実施例１におけるｄ１／Ｄの値と、ヒータ３に通電してからガスセンサ素子が活性温度に達するまでの時間（以下、活性時間という）との関係を調べた例である。
本例では、試料として、上記ｄ１／Ｄの値を０．６〜０．８の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ３個作製した。
尚、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

測定結果を図８に示す。同図からわかるように、ｄ１／Ｄ≦０．７の場合には、活性時間が２０秒を充分に下回り、ガスセンサ素子の早期活性を充分に図ることができる。これに対して、ｄ１／Ｄ＞０．７の場合には、活性時間が２０秒を上回り大きくなっている。
以上により、ガスセンサ素子の早期活性の観点から、ｄ１／Ｄ≦０．７の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。

（実験例３）
本例は、図９に示すごとく、上記実施例１におけるｄ２／Ｄの値と、ガスセンサ素子におけるクラックの発生との関係を調べた例である。
上記ｄ２／Ｄは、上記実施例１におけるＤに対する、固体電解質体２から最も遠い発熱部３０ｂと固体電解質体２との間の距離ｄ２の比を示すものである。
尚、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

本例では、試料として、上記ｄ２／Ｄの値を０．７８〜０．８８の範囲で種々変更させたガスセンサ素子を作製した。また、上記試料は、それぞれ１０個作製した。
そして、各試料について、上記実験例１と同様の方法で、耐久回数を測定した。

測定結果を図９に示す。同図からわかるように、ｄ２／Ｄ≦０．８２の場合には、耐久回数が５０００回を超えなければ、ガスセンサ素子にクラックが発生することがない。これに対して、ｄ２／Ｄ＞０．８２の場合には、耐久回数が５０００回以下であってもガスセンサ素子にクラックが発生している。
以上により、ガスセンサ素子の耐久性の観点から、上記ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つことが好ましいことがわかる。

実施例１における、ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の断面説明図。 実施例１における、ガスセンサ素子の斜視展開図。 実施例１における、ガスセンサ素子の製造方法の説明図。 実施例２における、ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の断面説明図。 実施例２における、ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の断面説明図。 実施例２における、ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の断面説明図。 実験例１における、ｄ１／Ｄの値と耐久回数との関係を示す測定結果。 実験例２における、ｄ１／Ｄの値と活性時間との関係を示す測定結果。 実験例３における、ｄ２／Ｄの値と耐久回数との関係を示す測定結果。 従来例における、ガスセンサ素子の軸方向に直交する方向の断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ素子
１０ 主面
１００ ヒータ側表面
２０ 固体電解質体
２１ 被測定ガス側電極
２２ 基準ガス側電極
３ ヒータ
３０ 発熱部

Claims (7)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータとを有する積層型のガスセンサ素子であって、
   該ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設されている側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤ、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ素子。
2. 請求項１において、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つことを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２において、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層を有し、上記発熱部の少なくとも一つは、上記基準ガス空間形成層の内部であって上記溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に埋設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
4. 酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成した基準ガス側電極と、上記固体電解質体を加熱するための発熱部を有するヒータと、上記基準ガス側電極に面し外部から基準ガスを導入する基準ガス空間を形成するための溝部を有する基準ガス空間形成層とを有する積層型のガスセンサ素子の製造方法であって、
   上記基準ガス空間形成層を形成するに当たっては、セラミックスラリーをフィルム上に塗布した後乾燥することによりセラミックシートを複数成形するシート成形工程と、
   上記複数のセラミックシートのうちの一部のセラミックシートであるヒータ用シートの表面に上記発熱部を形成するための発熱部形成用ペーストを塗布する塗布工程と、
   上記発熱部形成用ペーストの少なくとも一部が上記基準ガス空間形成層の溝部の底面よりも上記固体電解質体に近い位置に配されるように上記複数のセラミックシートを積層して未焼積層体を得る積層工程と、
   上記未焼積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
5. 請求項４において、上記積層工程においては、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤ、上記発熱部のうち上記固体電解質体に最も近い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ１としたとき、０．０４≦ｄ１／Ｄ≦０．７０の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
6. 請求項５において、上記発熱部のうち上記固体電解質体から最も遠い発熱部と上記固体電解質体との間の距離をｄ２としたとき、ｄ２／Ｄ≦０．８２の関係が成り立つよう上記セラミックシートを積層す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４〜６のいずれか一項において、最終的に得られる上記ガスセンサ素子の積層方向の一対の主面のうち上記固体電解質体に対して上記ヒータが配設される側の表面であるヒータ側表面と上記固体電解質体との間の距離をＤとしたとき、上記セラミックシートの一枚の厚みは、０．０２Ｄ〜０．８２Ｄであることを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。

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