JP2012177638A - センサ素子、及び、センサ素子を備えるガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子において、電極部よりも緻密なリード部を形成しつつ、センサ素子にクラックが生じる可能性を低減する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】センサ素子は、長手方向に延びる板状の固体電解質層と、長手方向先端側の固体電解質層上に設けられた電極部と、電極部に電気的に接続され長手方向後端側に延びるリード部と、固体電解質層上に設けられた絶縁層と、を有する。リード部は、絶縁層を挟んで固体電解質層上に設けられ、かつ、電極部よりも緻密な層である。また、電極部の後端側には、絶縁層上に設けられ、かつ、リード部に重ね合わされた接続部を有する。また、長手方向について、リード部の先端は絶縁層の先端と同じ位置、又は、絶縁層の先端よりも後端側の位置に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、センサ素子、及び、センサ素子を備えるガスセンサに関する。

従来、内燃機関の燃焼制御を行うためにガスセンサが用いられている。ガスセンサは、内燃機関から排出される排気ガス中の特定成分の濃度を検出信号として出力するセンサ素子を備える（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示のセンサ素子は、例えばジルコニアを主体とする板状の固体電解質層と、固体電解質層上に形成された一対の電極部と、一対の電極部に接続された一対のリード部と、を有する。このガスセンサは、排気ガスと基準ガス（大気）とによりセンサ素子の一対の電極部間に発生する電位差に基づき、電極部で発生する信号を、リード部を介して外部回路に出力することで、特定成分の濃度を検出する。

特開２０１０−３８９０４号公報

ところで、従来のセンサ素子は、電極部とリード部との電気的信頼性を向上させるために、リード部の先端部が電極部の後端部の一部（以下、「接続部」ともいう。）に重なるように配置されている。つまり、リード部の先端部は直接、もしくは電極部を介して固体電解質層上に形成されている。このため、リード部を介して電極部に電流を流す場合、一対のリード部の先端部間においても電流が流れる。固体電解質層の部分のうち、リード部と直接に導通する部分にも電流が流れる。よって、電極部の接続部とリード部の先端部とが重なる位置に設けられた固体電解質層の一部分（以下、「重ね合わせ部」ともいう。）においても、特定成分イオン（例えば、酸素イオン）の移動が行われようとする。

ここで、リード部は電極部とは異なり、電極部と外部制御機器との信号を伝達するためのみに利用されるため、電気抵抗を小さくすることが好ましい。よって、自身の内部に排気ガスを取り込むために多孔質とする必要がある電極部に比べ、リード部は緻密にして電気抵抗を小さくすることが好ましい。

しかしながら、電極部に比べリード部が緻密となる場合には、一対のリード部の先端部間に電流が流れるものの、固体電解質層の重ね合わせ部では、特定成分イオンの移動が十分に行われない場合がある。詳細には、緻密なリード部の先端部を覆うように電極部の接続部が配置されると、電極部の接続部に排気ガスが取り込まれるものの、電極部の接続部と固体電解質層とが離間することになるため、固体電解質層の重ね合わせ部での特定成分イオンの移動が十分に行われなくなる。また、電極部の接続部を覆うように緻密なリード部の先端部が配置されると、電極部の接続部に排気ガスが取り込まれなくなり、固体電解質層の重ね合わせ部での特定成分イオンの移動が十分に行われなくなる。これにより、センサ素子（特に、固体電解質層）が脆くなり、センサ素子にクラック（亀裂）が生じる場合があった。そして、センサ素子にクラックが生じるとガスセンサの検出精度が低下する場合がある。なお、このような問題は、排ガス中の酸素濃度を検出するために利用されるセンサ素子に限らず、電極部の接続部とリード部の先端部とが固体電解質層上にて重ね合わされたセンサ素子に共通する問題であった。

従って本発明は、センサ素子において、電極部よりも緻密なリード部を形成しつつ、センサ素子にクラックが生じる可能性を低減する技術を提供することを目的とする。

［適用例１］長手方向に延びる板状の固体電解質層と、前記長手方向先端側の前記固体電解質層上に設けられた電極部と、前記電極部に電気的に接続され前記長手方向後端側に延びるリード部と、前記固体電解質層上に設けられた絶縁層と、を有する積層型のセンサ素子であって、
前記リード部は、前記絶縁層を挟んで前記固体電解質層上に設けられ、かつ、前記電極部よりも緻密な層であり、
前記電極部の後端側には、前記絶縁層上に設けられ、かつ、前記リード部に重ね合わされた接続部を有しており、
前記長手方向について、前記リード部の先端は前記絶縁層の先端と同じ位置、又は、前記絶縁層の先端よりも後端側の位置に配置されている、ことを特徴とするセンサ素子。

適用例１に記載のセンサ素子によれば、電極部の接続部を、絶縁層上まで延ばしてリード部と重ね合わせると共に、長手方向についてリード部の先端を絶縁層の先端と同じ位置、又は、絶縁層の先端よりも後端側の位置に配置させている。つまり、リード部は絶縁層上にのみ配置されることになる。これにより、一対のリード部間全体において、固体電解質層を介して電流が流れることを防止できる。よって、固体電解質層の重ね合わせ部において、イオンの移動が行われることを抑制できるため、センサ素子にクラックが生じる可能性を低減できる。また、適用例１に記載のセンサ素子は、リード部を電極部よりも緻密にできることから、リード部の電気抵抗をより小さくできる。よって、電極部と外部制御機器との信号の伝達がリード部を介して良好に行われる。

［適用例２］適用例１に記載のセンサ素子であって、
前記電極部の前記接続部は、前記リード部上に設けられている、ことを特徴とするセンサ素子。
一般に、固体電解質層上に各構成部材の一部分同士を重ねて形成する場合、厚さの大きい構成部材を厚さの小さい構成部材の上に形成する方が、一方の構成部材を跨いで形成された他方の構成部材に亀裂が生じる可能性を低減できる。適用例２に記載のセンサ素子によれば、電極部の接続部がリード部よりも上方に位置するように電極部を形成している。これにより、リード部を電極部よりも薄くした場合でも、固体電解質層上の電極部とリード部（特に電極部）に亀裂が生じる可能性を低減できる。また、長手方向に延びるリード部の厚さを電極部の厚さよりも小さくすることで、リード部の材料（特に導電性材料）の使用量を低減でき、センサ素子の製造コストを低減できる。

［適用例３］被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するためのセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを有するガスセンサであって、前記センサ素子は、適用例１又は適用例２に記載のセンサ素子であるガスセンサ。
適用例３に記載のガスセンサによれば、クラックが生じる可能性を低減したセンサ素子を用いることができることから、ガスセンサの検出精度の低下を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、センサ素子、センサ素子の製造方法、センサ素子を備えるガスセンサ、センサ素子を備えるガスセンサの製造方法及びガスセンサを被測定ガスが流れる通路に装着した車両等の態様で実現することができる。

本発明の第１実施例のガスセンサ１の断面図である。 ガスセンサ１に用いられるセンサ素子１０の分解斜視図である。 固体電解質層２０１上に積層される各層の積層態様について説明するための図である。 センサ素子１０の製造方法を示すフローである。 第２実施例のセンサ素子１０ａの積層態様を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．ガスセンサの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例のガスセンサ１の断面図である。ガスセンサ１は、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、それらの排気管に装着される全領域空燃比センサである。なお、図１に示すガスセンサ１において、下側を先端側、上側を後端側とする。

ガスセンサ１は、軸線方向に延びる板状のセンサ素子１０と、センサ素子１０を内部に保持する筒状の主体金具（「ハウジング」ともいう。）１１とを備える。センサ素子１０は、測定対象気体となる排ガス中の特定ガス（例えば、酸素）の濃度を検出するための信号を外部に出力する。センサ素子１０は、主体金具１１の両側（先端側と後端側）から突出するように保持されている。センサ素子１０の部分のうち、主体金具１１の先端側から突出する実質的な検出部分となる先端部には多孔質の保護層１９が形成されている。

主体金具１１の径方向外側には、排気管にガスセンサ１を固定するためのネジ部１１ａが設けられている。また、主体金具１１の径方向内側には、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有するテーパ面を形成する棚部１１ｂが設けられている。

主体金具１１の内部には、センサ素子１０の外周を取り囲むように環状のセラミックホルダ１２と、粉末充填層１３，１４（以下、滑石リング１３，１４ともいう。）と、セラミックスリーブ１５とが、この順に先端側から後端側にかけて配置されている。セラミックホルダ１２や滑石リング１３の外周には金属ホルダ１６が配置されている。セラミックホルダ１２によって主体金具１１の先端側の気密性が維持される。また、セラミックスリーブ１５の後端側には加締パッキン１７が配置されている。主体金具１１の後端は、加締パッキン１７を介してセラミックスリーブ１５を先端側に押し付けるようにして加締められている。

主体金具１１の先端側には、センサ素子１０の先端側を囲むように、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレス等）のプロテクタ２０が溶接等によって取り付けられている。プロテクタ２０は、外側に位置する筒状の外部プロテクタ２１と、内側に位置する筒状の内部プロテクタ２２とを備える。ガスセンサ１のうち、プロテクタ２０を含む先端側が排ガス中に晒される。排ガスはプロテクタ２０の孔部を通過してプロテクタ２０内部に導入される。内部に導入された排ガスを利用して、センサ素子１０が特定ガスの濃度を検出するための信号を外部制御機器に出力する。

主体金具１１の後端側には、センサ素子１０を囲むようにして外筒２６が固定されている。外筒２６の後端側の開口には、該開口を塞ぐグロメット２９が配置されている。グロメット２９には、５個の貫通孔２９ａ（図１では１個図示）が形成されている。ここで、ガスセンサ１は、５本のリード線２８（図１では３本図示）によって外部制御機器と電気的に接続される。リード線２８の一部は貫通孔２９ａを通ってガスセンサ１の内部に配置されている。また、リード線２８の先端側はガスセンサ１の内部に配置された接続端子２７と電気的に接続され、後端側は外部制御機器と電気的に接続されている。

外筒２６の内部には、センサ素子１０の電極端子部４１およびヒータ端子部４２と接続端子２７とを電気的に接続させつつ、センサ素子１０の後端側を取り囲む絶縁コンタクト部材３１が配置されている。絶縁コンタクト部材３１は軸線方向に貫通する挿通孔３１ａを有する筒状である。また、絶縁コンタクト部材３１の内部には、センサ素子１０と接続端子２７とが挿入されている。センサ素子１０の電極端子部４１およびヒータ端子部４２に接続端子２７が押圧されて、各構成部材４１，４２，２７が電気的に接続されている。以上のように、センサ素子１０の電極端子部４１およびヒータ端子部４２と外部制御機器との間に電流経路が形成されている。

絶縁コンタクト部材３１の径方向外側には鍔部３１ｂが形成されており、この鍔部３１ｂが外筒２６内に設けられた保持部材３２に支持されることで、絶縁コンタクト部材３１が外筒２６の内部に保持されている。

Ａ−２．センサ素子の構成：
図２は、ガスセンサ１に用いられるセンサ素子１０の分解斜視図である。なお、図２では説明の便宜上、保護層１９の図示は省略している。また、図２の左側がガスセンサ１の先端側になり、右側が後端側になる。

センサ素子１０は、軸線方向（長手方向、図２中では左右方向）に延びる板状の素子本体１００と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ１６０と、が積層されることにより一体化されている。素子本体１００は、表面保護層１４０と、酸素濃度検出セル１１０と、酸素ポンプセル１３０と、層間調整層１２０と、を備える。

酸素濃度検出セル１１０は、長手方向（軸線方向）に延びる板状の第１の固体電解質層１１５と、第１の固体電解質層１１５を挟む一対の第１と第２の電極部１１２，１１８と、第１と第２の電極部１１２，１１８にそれぞれ接続される第１と第２のセンサリード部１１３，１１９と、第１と第２のセンサリード部１１３，１１９と第１の固体電解質層１１５の間にそれぞれ配置された第１と第２の絶縁層１１４，１１６とを備える。酸素濃度検出セル１１０は、第１と第２の電極部１１２，１１８との間に定電流が供給されることにより、第１の電極部１１２を酸素基準電極として機能させる。

第１の電極部１１２は、例えば略四角形状とされ、第１の固体電解質層１１５の一方の主面（図中、下側の主面）上に形成されている。第１の電極部１１２は、組み込まれる酸素が充填できる程度の空隙（気孔）を有する。

第１のセンサリード部１１３の先端側（一端側）は、第１の電極部１１２の後端側（他端側）に接続されている。第１のセンサリード部１１３は、第１の固体電解質層１１５の長手方向（ガスセンサ１の軸線方向）に沿って延びている。また、第１のセンサリード部１１３は、第１の電極部１１２よりも緻密である。言い換えれば、第１のセンサリード部１１３は、第１の電極部１１２よりも気孔率が小さい。さらに言い換えれば、第１のセンサリード部１１３は、第１の電極部１１２よりも単位体積当たりの気体透過量が小さい。一般に、同じ材料で形成された導電性部材は、緻密な層ほど電気抵抗は低くなる。よって、第１のセンサリード部１１３を第１の電極部１１２よりも緻密な層にすることで、緻密の程度が第１の電極部１１２と同じ場合よりも、第１のセンサリード部１１３を介した信号の伝達を良好に行うことができる。

第１の絶縁層１１４は、第１の固体電解質層１１５上に直接に形成され、第１の固体電解質層１１５の長手方向に沿って延びる。また、第１の絶縁層１１４は、第１の固体電解質層１１５と第１のセンサリード部１１３との間に位置することで両者１１５，１１３を互いに絶縁させる。すなわち、第１のセンサリード部１１３は、第１の絶縁層１１４を挟んで第１の固体電解質層１１５上に形成されている。

第１のセンサリード部１１３の後端側（他端側）は、第１の絶縁層１１４に設けられる第１のスルーホール１１４ａ、第１の固体電解質層１１５に設けられる第２のスルーホール１１５ａ、層間調整層１２０に設けられる第３のスルーホール１２０ａ、第２の固体電解質層１３５に設けられる第６のスルーホール１３５ａ及び表面保護層１４０に設けられる第８スルーホール１４０ａを介して電極端子部４１に電気的に接続されている。

第２の電極部１１８は、例えば略四角形状とされ、第１の固体電解質層１１５の他方の主面（図中、上側の主面）上に形成されている。第２の電極部１１８は、外部からの排ガスを拡散（通過）できる程度に空隙（気孔）を有する。

第２のセンサリード部１１９の先端側（一端側）は、第２の電極部１１８の後端側（他端側）に接続されている。第２のセンサリード部１１９は、第１の固体電解質層１１５の長手方向（ガスセンサ１の軸線方向）に沿って延びている。また、第２のセンサリード部１１９は、第１のセンサリード部１１３と同様に、第２の電極部１１８よりも緻密である。言い換えれば、第２のセンサリード部１１９は、第２の電極部１１８よりも気孔率が小さい。さらに言い換えれば、第２のセンサリード部１１９は、第２の電極部１１８よりも単位体積当たりの気体透過量が小さい。一般に、同じ組成で形成された導電性部材は、緻密な層ほど電気抵抗は低くなる。よって、第２のセンサリード部１１９は、第２の電極部１１８よりも緻密な層にすることで、緻密の程度が第２の電極部１１８と同じ場合よりも、第２のセンサリード部１１９を介した信号の伝達を良好に行うことができる。

第２の絶縁層１１６は、第１の固体電解質層１１５上に直接に形成され、第１の固体電解質層１１５の長手方向に沿って延びる。また、第２の絶縁層１１６は、第１の固体電解質層１１５と第２のセンサリード部１１９との間に位置することで両者１１６，１１９を互いに絶縁させる。すなわち、第２のセンサリード部１１９は、第２の絶縁層１１６を挟んで第１の固体電解質層１１５上に形成されている。

第２のセンサリード部１１９の後端側（他端側）は、層間調整層１２０に設けられる第４のスルーホール１２０ｂ、第３の絶縁層１３４に設けられる第５のスルーホール１３４ａ、第２の固体電解質層１３５に設けられる第７のスルーホール１３５ｂ及び表面保護層１４０に設けられる第９のスルーホール１４０ｂを介して電極端子部４１に電気的に接続される。

酸素ポンプセル１３０は、長手方向（軸線方向）に延びる板状の第２の固体電解質層１３５と、第２の固体電解質層１３５を挟む一対の第３と第４の電極部１３２，１３８と、第３と第４の電極部１３２，１３８にそれぞれ接続される第３と第４のセンサリード部１３３，１３９と、第３と第４のセンサリード部１３３，１３９と第２の固体電解質層１３５の間にそれぞれ配置された第３と第４の絶縁層１３４，１３６とを備える。酸素ポンプセル１３０は、第３と第４の電極部１３２，１３８間に流れる電流を制御することで、後述する検出室１２０ｃ内に酸素を汲み入れたり、検出室１２０ｃから外部へと酸素分子を汲み出したりする。

第３の電極部１３２は、例えば略四角形状とされ、第２の固体電解質層１３５の一方の主面（図中、下側の主面）上に形成されている。第３の電極部１３２は、外部からの排ガスが拡散（通過）できる程度の空隙（気孔）を有する。

第３のセンサリード部１３３の先端側（一端側）は、第３の電極部１３２の後端側（他端側）に接続されている。第３のセンサリード部１３３は、第２の固体電解質層１３５の長手方向（ガスセンサ１の軸線方向）に沿って延びている。また、第３のセンサリード部１３３は、第３の電極部１３２よりも緻密である。言い換えれば、第３のセンサリード部１３３は、第３の電極部１３２よりも気孔率が小さい。さら言い換えれば、第３のセンサリード部１３３は、第３の電極部１３２よりも単位体積当たりの気体透過量が小さい。よって、緻密の程度が同じ場合に比べ、第３の電極部１３２と外部制御機器との信号の伝達を第３のセンサリード部１３３を介して良好に行うことができる。

第３の絶縁層１３４は、第２の固体電解質層１３５上に直接に形成され、第２の固体電解質層１３５の長手方向に沿って延びる。また、第３の絶縁層１３４は、第２の固体電解質層１３５と第３のセンサリード部１３３との間に位置することで両者１３３，１３５を互いに絶縁する。すなわち、第３のセンサリード部１３３は、第３の絶縁層１３４を挟んで第２の固体電解質層１３５上に形成されている。

第３のセンサリード部１３３の後端側（他端側）は、第３の絶縁層１３４に設けられる第５のスルーホール１３４ａ、第２の固体電解質層１３５に設けられる第７のスルーホール１３５ｂ及び表面保護層１４０に設けられる第９のスルーホール１４０ｂを介して電極端子部４１と電気的に接続されている。なお、第２のセンサリード部１１９と第３のセンサリード部１３３とは第４のスルーホール１２０ｂを介して同電位となっている。

第４の電極部１３８は、例えば略四角形状とされ、第２の固体電解質層１３５の他方の主面（図中、上側の主面）上に形成されている。第４の電極部１３８は、第３の電極部１３２と同様、外部からの排ガスが拡散（通過）できる程度の空隙（気孔）を有する。

第４のセンサリード部１３９の先端側（一端側）は、第４の電極部１３８の後端側（他端側）に接続されている。第４のセンサリード部１３９は、第２の固体電解質層１３５の長手方向（ガスセンサ１の軸線方向）に沿って延びる。また、第４のセンサリード部１３９は、第３のセンサリード部１３３と同様に、第４の電極部１３８よりも緻密である。言い換えれば、第４のセンサリード部１３９は、第４の電極部１３８よりも気孔率が小さい。さらに言い換えれば、第４のセンサリード部１３９は、第４の電極部１３８よりも単位体積当たりの気体透過量が小さい。よって、緻密の程度が第４の電極部１３８と同じ第４のセンサリード部よりも、第４の電極部１３８と外部制御機器との信号の伝達を第４のセンサリード部１３９を介して良好に行うことができる。なお、第１〜第４の電極部１１２，１１８，１３２，１３８の緻密の程度は同程度であり、第１〜第４のセンサリード部１１３，１１９，１３３，１３９の緻密の程度は同程度である。

第４の絶縁層１３６は、第２の固体電解質層１３５上に直接に形成され、第２の固体電解質層１３５の長手方向に沿って延びる。また、第４の絶縁層１３６は、第２の固体電解質層１３５と第４のセンサリード部１３９の間に位置することで両者１３５，１３９を互いに絶縁する。すなわち、第４のセンサリード部１３９は、第４の絶縁層１３６を挟んで第２の固体電解質層１３５上に形成されている。

第４のセンサリード部１３９の後端側（他端側）は、表面保護層１４０に設けられている第１０のスルーホール１４０ｃを介して電極端子部４１と電気的に接続されている。

酸素濃度検出セル１１０と酸素ポンプセル１３０との間に配置される層間調整層１２０には、第２の電極部１１８と第３の電極部１３２とによって挟まれる部分に検出室１２０ｃとなる空間部が設けられている。そして、検出室１２０ｃの幅方向の両側に、測定ガスをその素子外部における流速に関係なく一定の速度に律速させて導入する拡散律速部１２１が配置されている。拡散律速部１２１は、測定ガスを導入できる程度に多孔質なものとされている。

また、第２の固体電解質層１３５の表面には、第４の電極部１３８と第４のセンサリード部１３９とを挟み込むようにして、表面保護層１４０が積層されている。表面保護層１４０のうち第４の電極部１３８に重なる部分には貫通孔１４０ｄが設けられており、この貫通孔１４０ｄに電極保護部１４１が嵌め込まれるようにして設けられている。

一方、ヒータ１６０は、アルミナを主体とする第１の基層１６１および第２の基層１６７と、これらに挟まれる発熱抵抗体１６５とを有する。発熱抵抗体１６５は、白金を主体とする発熱部１６３と、この発熱部１６３から第１の基層１６１等の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１６４とを有している。また、ヒータリード部１６４の端末は、第１の基層１６１に形成されたスルーホール１６９ａ，ｂを介してヒータ端子部４２に接続されている。

以上のように構成されたガスセンサ１の通常利用時（被測定ガス中の特定成分検出時）の動作を参考までに説明する。ガスセンサ１の通常利用時には、外部制御機器のヒータ制御回路によって素子本体１００が活性化する温度（例えば、６００℃以上）までヒータ１６０を加熱する。更に、電極端子部４１を通じて酸素濃度検出セル１１０に微少電流（例えば１５μＡ）を流して、第１の電極部１１２を酸素基準電極（「酸素準備室」とも呼ぶ。）として機能させる。この状態において、検出室１２０ｃ内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、酸素濃度がほぼ一定に保たれている酸素準備室と第２の電極部１１８との間には、約４５０ｍＶの電圧が発生する。そこで、公知の構成である所定の電気回路を用いて、酸素濃度検出セル１１０の電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように酸素ポンプセル１３０に流す電流Ｉｐを適時調整して、検出室１２０ｃ内の雰囲気を理論空燃比に保つ制御を行う。このように、ガスセンサ１を動作させれば、検出室１２０ｃ内を理論空燃比に保つための電流Ｉｐの値に基づいて、被測定ガス中の酸素の濃度を測定することが可能になる。また、上記のような制御を行う際には、外部の酸素（酸素分子）が各電極部１１２，１１８，１３２，１３８でイオン状態となり各固体電解質層１１５，１３５を移動する。すなわち、第１の固体電解質層１１５を挟む１対の電極部１１２，１１８、第２の固体電解質層１３５を挟む一対の電極部１３２，１３８によって、外部から酸素を各固体電解質層１１５，１３５内に取り込み、厚さ方向に酸素イオンの移動を行わせる。

なお、以下では、第１の固体電解質層１１５および第２の固体電解質層１３５を総称して固体電解質層２０１とも呼ぶ。また、第１の絶縁層１１４、第２の絶縁層１１６、第３の絶縁層１３４、および第４の絶縁層１３６を総称して絶縁層２０２とも呼ぶ。また、第１の電極部１１２、第２の電極部１１８、第３の電極部１３２、および第４の電極部１３８を総称して電極部２０４と呼ぶ。また、第１のセンサリード部１１３、第２のセンサリード部１１９、第３のセンサリード部１３３、および第４のセンサリード部１３９を総称してリード部２０５とも呼ぶ。

図３は、固体電解質層２０１上に積層される各層の積層態様について説明するための図である。図３（Ａ）は、固体電解質層２０１の主面を各層の積層方向から見た図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここでは、代表して第１の固体電解質層１１５上に積層される第２の電極部１１８，第２の絶縁層１１６，第２のセンサリード部１１９を図示している。なお、他の電極部や絶縁層やセンサリード部についても同様の積層態様である。

図３（Ａ）に示すように、固体電解質層２０１上には電極部２０４、リード部２０５、絶縁層２０２が積層されている。

図３（Ｂ）に示すように、絶縁層２０２は、固体電解質層２０１上に直接に形成されている。リード部２０５は、絶縁層２０２上に直接に形成されており、固体電解質層２０１上には直接に形成されていない。すなわち、リード部２０５は絶縁層２０２を挟んで固体電解質層２０１上に形成されている。また、長手方向（図３（Ｂ）では左右方向）について、リード部２０５の先端２０５Ｙは絶縁層２０２の先端２０２Ｙよりも後端側に配置されている。電極部２０４は、先端側に位置する先端部２０４Ｙが固体電解質層２０１上に直接に形成され、後端側に位置する後端部２０４Ｗ（「特許請求の範囲の「接続部」に相当する）がリード部２０５上に直接に重ね合わされている。すなわち、後端部２０４Ｗは、絶縁層２０２とリード部２０５を挟んで固体電解質層２０１上に形成されている。さらに言い換えれば、先端部２０４Ｙが固体電解質層２０１の表面に接して配置され、後端部２０４Ｗがリード部２０５上の表面に接して配置され、先端部２０４Ｙと後端部２０４Ｗを繋ぐ中間部２０４Ｐが固体電解質層２０１から絶縁層２０２に乗り上げるように配置されている。また、リード部２０５の厚さは、電極部２０４の厚さよりも小さい。ここで、上記の厚さの大小関係は各層の部分のうち、最も薄い部分同士を比較した場合の関係である。また、上述のごとく、リード部２０５は電極部２０４よりも緻密な層である。なお、図３では図示を省略しているが、長手方向について、リード部２０５の後端は絶縁層２０２の後端よりも先端側に配置されている。

Ａ−３．センサ素子の製造方法：
図４は、センサ素子１０の製造方法を示すフローである。まず、部材ごとに焼成前部材を準備する（ステップＳ１０）。次に、準備した焼成前部材を図２及び図３に示す順になるように積層し（ステップＳ２０）、所定圧で加圧して圧着し（ステップＳ３０）、焼成前のセンサ素子１０を得る。そして、焼成前のセンサ素子１０に対し、樹脂抜きと焼成を施すことでセンサ素子１０は作製される（ステップＳ４０）。以下では、焼成後の部材とこれに対応する焼成前の部材とは、便宜上、同一符号を用いて説明する。

焼成前の第１と第２の基層１６１，１６７（図２）は、例えば以下の手順により作製する（ステップＳ１０）。まず、アルミナ粉末９７質量％及びシリカ３質量％からなる粉末と、バインダ及び可塑剤とを湿式混合により分散したスラリーを準備する。そして、ドクターブレード装置を使用したシート成形法により、このスラリーをシート状（板状）部材に成形する。そして、シート状部材を所定の大きさに切断することで、焼成前の第１と第２の基層１６１，１６７が作製できる。焼成前の第１の基層１６１にはスルーホール１６９ａ，１６９ｂを形成する。

また焼成前の発熱抵抗体１６５（図２）は、例えば白金を主成分とするペーストを準備し（ステップＳ１０）、スクリーン印刷により未焼前の第１の基層１６１上に作製する（ステップＳ２０）。

また焼成前の層間調整層１２０（図２）は、例えば以下の手順により作製する（ステップＳ１０）。まず、上記第１と第２の基層１６１，１６７の作製時に成形したシート状部材を所定の大きさに切断する。そして、切断したシート状部材の所定位置に検出室１２０ｃとスルーホール１２０ａ，ｂを形成する。また、アルミナ粉末とカーボン粉末とバインダと可塑剤とを湿式混合により分散させたスラリーを準備する。そして、準備したスラリーを用いて、焼成前の拡散律速部１２１を形成する。

また焼成前の表面保護層１４０（図２）は、例えば以下の手順により作製する（ステップＳ１０）。まず、上記第１と第２の基層の作製時に成形したシート状部材を所定の大きさに切断する。そして、切断したシート状部材の所定位置に貫通孔１４０ｄとスルーホール１４０ａ，ｂ，ｃを形成する。また、アルミナ粉末６３質量％、シリカ３質量％、カーボン粉末３４質量％からなる原料粉末と、バインダと可塑剤とを湿式混合により分散させたスラリーを準備する。そして、準備したスラリーを用いて焼成前の電極保護部１４１を形成する。

また焼成前の固体電解質層２０１（図２）は、例えば以下の手順により作製する（ステップＳ１０）。まず、ジルコニア粉末９７質量％とシリカ３質量％とからなる原料粉末と、バインダと、可塑剤とを湿式混合に分散させたスラリーを準備する。そして、このスラリーをシート状（板状）部材に成形し、所定の大きさに切断することで、焼成前の固体電解質層２０１が作製できる。また、焼成前の固体電解質層２０１には必要に応じてスルーホール１３５ａ，ｂを形成する。

また焼成前の絶縁層２０２（図２）は、例えば以下の手順により作製する（ステップＳ１０）。まず、シリカ粉末とアルミナ粉末との合計を１００質量％とした場合にシリカが３質量％であり、アルミナ粉末が９７質量％となるように配合したスラリーを作製する。また、バインダ、可塑剤及びアセトンを混合したバインダ溶液と有機溶剤とを準備する。そして、バインダ溶液と有機溶剤を作製したスラリーに加え、混練しながらアセトンを蒸発させて絶縁層用ペーストを調製する。得られた絶縁層用ペーストを積層体（例えば、第２の絶縁層１１６を作製する場合は、第１の固体電解質層１１５上に板状にスクリーン印刷する。これにより焼成前の絶縁層２０２が作製できる。

また焼成前のリード部２０５（図２）は、例えば以下の手順により作製できる（ステップＳ１０）。ます導電性材料（例えば、白金や金等の貴金属）と、ジルコニア粉末やアルミナ粉末を配合したスラリーを作製する。本実施例では、導電性材料として白金粒子を用いている。また、バインダ、可塑剤及びアセトンを混合したバインダ溶液と有機溶剤とを準備する。そして、バインダ溶液と有機溶剤を作製したスラリーに加え、混練しながらアセトンを蒸発させてリード部用ペーストを調製する。得られたリード部用ペーストを絶縁層２０２上にスクリーン印刷する。これにより焼成前のリード部２０５が作製できる。

また焼成前の電極部２０４（図２）は、例えば以下の手順により作製できる（ステップＳ１０）。まず電極材料（例えば、白金や金等の貴金属）と、ジルコニア粉末とを混合したスラリーを作製する。本実施例では、電極材料としては白金粒子を用いている。また、バインダ、可塑剤及びアセトンを混合したバインダ溶液と有機溶剤とを準備する。そして、バインダ溶液と有機溶剤を作製したスラリーに加え、混練しながらアセトンを蒸発させて電極用ペーストを調整する。得られた電極用ペーストを固体電解質層２０１上からリード部２０５上に亘ってスクリーン印刷する。具体的には、固体電解質層２０１の部分のうち、絶縁層２０２やリード部２０５が積層されていない先端側部分からリード部２０５の先端側が積層されている部分までスクリーン印刷する。これにより、焼成前の電極部２０４が作製できる。また、これにより電極部２０４とリード部２０５とが接続される。

ここで、焼成前及び焼成後のリード部２０５の厚さが、焼成前及び焼成後の電極部２０４の厚さよりも小さくなるように各ペーストはスクリーン印刷される。

また、焼成後のリード部２０５が焼成後の電極部２０４よりも緻密になるように、焼成前のリード部２０５と焼成前の電極部２０４は作製される。このような緻密の程度が異なる電極部２０４とリード部２０５は、例えば、ペースト中のバインダの割合をペースト毎に代えることで作製できる。具体的には、リード部用ペースト中のバインダの割合を、電極部用ペースト中のバインダの割合よりも低くする。こうすることで、焼成時等にバインダを焼失するため（脱バインダ）、電極部２０４よりもリード部２０５が緻密になる。また、例えば、電極部２０４で用いられる電極材料に比べ融点の低い導電性材料を用いてリード部用ペーストを作製する。例えば、電極材料に白金粉末を用いる場合は、導電性材料に銅粉末を用いる。こうすることで、焼成時に銅電性材料を溶解させることで、電極部２０４よりもリード部２０５が緻密になる。さらに、例えば、電極部２０４で用いられる電極材料に比べ粒径が小さい導電性材料や、粒子の形状がより真円形状である導電性材料を用いてリード部用ペーストを作製する。こうすることで、電極部２０４よりもリード部２０５が緻密になる。

なお、電極部２０４やリード部２０５の緻密度合いは、例えば、Ｈｅリークディテクター(Vacuum Instrument Corporation製 ＭＳ−５０)等を用いたリーク試験によって測定できる。

焼成前の電極端子部４１及びヒータ端子部４２（図２）は、例えばジルコニア粉末と白金粉末とを配合したペーストを準備し（ステップＳ１０）、所定のスルーホール内に流入するようにスクリーン印刷し、乾燥させることで作製する（ステップＳ２０）。

積層した焼成前部材は、加圧圧着され（ステップＳ３０）、樹脂抜きと焼成が施されセンサ素子１０が作製される（ステップＳ４０）。

上記のように、第１実施例のガスセンサ１は、電極部２０４の後端部２０４Ｗを絶縁層２０２上まで延ばしてリード部２０５と重ね合わせると共に、リード部２０５の先端２０５Ｙを絶縁層２０２の先端２０２Ｙよりも後端側に配置している（図３（Ｂ））。つまり、ガスセンサ１は、リード部２０５が固体電解質層２０１に直接に接しておらず、絶縁層２０２上のみに配置されたセンサ素子１０を備える（図３）。すなわち、リード部２０５は、リード部２０５が積層された絶縁層２０２によって固体電解質層２００と絶縁されている。これにより、リード部２０５を介して電極部２０４に電流を流した場合に、酸素イオンの移動は一対の電極部２０４のみ（電極部２０４のうち、絶縁層２０２上に配置された部分を除く）に対応する固体電解質層２０１の部分において行われる。すなわち、電極部２０４よりも緻密な層である一対のリード部２０５と、固体電解質層２０１の部分のうち一対のリード部２０５間全体において固体電解質層２０１を介して電流が流れることを防止できる。よって、リード部２０５に対応する固体電解質層２０１において、酸素イオンの移動が行われることがないため、固体電解質層２０１のブラックニング（黒化現象）の発生を抑制でき、固体電解質層２０１が脆くなる可能性を低減できる。以上より、センサ素子１０にクラックが生じる可能性を低減でき、ガスセンサ１の検出精度の低下を抑制できる。また、リード部２０５を電極部２０４よりも緻密にでき、これにより、リード部２０５の電気抵抗をより小さくでき、電極部２０４と外部制御機器との信号の伝達を良好に行うことができる。

また一般に、スクリーン印刷等により、ある層上に他の層の一部分を重ねて形成する場合、厚さの小さい層上に厚さの大きい層を配置する方が、ある層を跨いで形成された他の層に亀裂が生じる可能性を低減できる。ここで本実施例では、リード部２０５と電極部２０４との接続（導通）は、リード部２０５上にリード部２０５よりも厚さの大きい電極部２０４の後端部２０４Ｗが覆うようにして行われている（図３（Ｂ））。すなわち、電極部２０４の後端部２０４Ｗが、絶縁層２０２とリード部２０５を挟んで固体電解質層２０１上に形成されることで、リード部２０５と電極部２０４とが接触する重なり部３００が形成されている。よって、電極部２０４上にリード部２０５が覆うようにして両者２０４，２０５の接続を図るよりも、電極部２０４とリード部２０５に亀裂が生じる可能性を低減できる。これにより、電極部２０４とリード部２０５との電気的接続を安定に維持できる。また、電極部２０４よりもリード部２０５が薄いことから、長手方向に延びるリード部２０５の材料（特に、導電性材料）の使用量を低減でき、センサ素子１０の製造コストを低減できる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例のセンサ素子１０ａの積層態様を示す図である。第１実施例のセンサ素子１０と異なる点は、電極部２０４ａとリード部２０５ａの積層の順番と、電極部２０４ａとリード部２０５ａの厚さの関係である。電極部２０４ａとリード部２０５ａは同じ厚さである。その他のセンサ素子１０ａの構成（例えば、表面保護層１４０やヒータ１６０）については、第１実施例のセンサ素子１０の構成と同様であるため、図示及び説明を省略する。また、第２実施例のセンサ素子１０ａは、第１実施例と同様にガスセンサ１の構成部材として装備される。

センサ素子１０ａは、第１実施例と同様に、リード部２０５ａが絶縁層２０２ａを挟んで固体電解質層２０１ａ上に形成されており、リード部２０５ａの先端２０５Ｙａが絶縁層２０２ａの先端２０２Ｙａよりも後端側に配置されている。さらに、第１実施例と同様に、リード部２０５ａの後端は絶縁層２０２ａの後端よりも先端側に配置されている。このように、第１実施例と同様に固体電解質層２０１ａとリード部２０５ａとの間には必ず絶縁層２０２ａが位置している。

ここで、電極部２０４ａの後端部２０４Ｗａは絶縁層２０２ａ上に直接に形成されている。また、リード部２０５ａの先端部２０５Ｙａは他端部２０４Ｗａ上に形成されている。これにより、リード部２０５ａと電極部２０４ａとが接触する重なり部３００ａが形成されている。このような積層態様のセンサ素子１０ａは、例えば以下のようにして作製できる。まず、焼成前の固体電解質層２０１ａ上に絶縁層用ペーストをスクリーン印刷することで、焼成前の絶縁層２０２ａを形成する。そして、電極用ペーストを焼成前の固体電解質層２０１ａから焼成前の絶縁層２０２ａに亘ってスクリーン印刷することで、焼成前の電極部２０４ａを形成する。そして、リード部用ペーストを焼成前の絶縁層２０２ａから焼成前の電極部２０４ａの他端部２０４Ｗａに亘ってスクリーン印刷することで焼成前のリード部２０５ａを形成する。また、第１実施例と同様に、他の構成部材（例えば、表面保護層１４０等）を積層し、焼成前のセンサ素子１０ａを得る。そして、焼成前のセンサ素子１０ａを所定圧で加圧して圧着した後に、樹脂抜きと焼成を施すことでセンサ素子１０ａは作製できる。

第２実施例のセンサ素子１０ａは、リード部２０５ａが固体電解質層２０１ａに直接に接しておらず、絶縁層２０２ａ上のみに形成されている。よって、第１実施例と同様に、一対のリード部２０５ａ間全体において固体電解質層２０１ａを介して電流が流れることを防止できる。よって、リード部２０５ａに対応する固体電解質層２０１ａにおいて、酸素イオンの移動が行われることがないため、固体電解質層２０１ａが脆くなる可能性を低減できる。よって、第１実施例と同様に、センサ素子１０ａにクラックが生じる可能性を低減でき、ガスセンサの検出精度の低下を抑制できる。

Ｃ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ−１．第１変形例：
上記第１実施例のセンサ素子１０は、リード部２０５の厚さが電極部２０４の厚さよりも小さい関係を有していたが（図３（Ｂ））、これに限定されるものではない。また、第２実施例のセンサ素子１０ａは、リード部２０５ａと電極部２０４ａの厚さが同じであったが（図４）、これに限定されるものではない。すなわち、センサ素子１０，１０ａは、リード部２０５，２０５ａが絶縁層２０２，２０２ａを挟んで固体電解質層２０１，２０１ａ上に形成されていれば、電極部２０４，２０４ａとの厚さの関係は任意で良い。このようにしても、上記実施例と同様に、リード部対応部分において電流が流れて固体電解質層２０１が脆くなる可能性を低減でき、センサ素子１０，１０ａにクックが生じる可能性を低減できる。

Ｃ−２．第２変形例：
上記第１実施例のセンサ素子１０、及び第２実施例のセンサ素子１０ａは、リード部２０５、２０５ａの先端２０５Ｙ，２０５Ｙａが絶縁層２０２、２０２ａの先端２０２Ｙ，２０２Ｙａよりも後端側に位置していたが、これに限定されるものではない。すなわち、固体電解質層２０１，２０１ａの長手方向について、リード部２０５、２０５ａの先端２０５Ｙ，２０５Ｙａと絶縁層２０２、２０２ａの先端２０２Ｙ，２０２Ｙａとが同位置でもよい。このようにしても、上記実施例と同様に、固体電解質層２０１，２０１ａが脆くなる可能性を低減でき、センサ素子１０，１０ａにクラックが生じる可能性を低減できる。

Ｃ−３．第３変形例：
上記第１実施例のセンサ素子１０、及び第２実施例のセンサ素子１０ａは、電極部２０４の後端部２０４Ｗ、２０４Ｗａがリード部２０５，２０５ａの先端２０５Ｙ，２０５Ｙａよりも幅が狭くなるように形成されていたが、これに限定されるものではない。すなわち、電極部２０４の後端部２０４Ｗ、２０４Ｗａとリード部２０５，２０５ａの先端２０５Ｙ，２０５Ｙａとが同じ幅、もしくは幅が広く、更には、電極部２０４の先端部２０４Ｙ，２０４Ｙａと同じ幅となるように形成されていてもよい。

Ｃ−４．第４変形例：
上記実施例では、電極部２０４，２０４ａの形状は略四角形状であったが、これに限定されるものではない。例えば、電極部２０４，２０４ａの形状は、多角形状や円形状でも良い。

Ｃ−５．第５変形例：
上記実施例では、センサ素子１０，１０ａは、排気管中を流れる排ガス中の酸素濃度の検出をするためのガスセンサ１に用いられていたが、これに限定されるものではなく、測定対象気体となるガス中の特定成分を検出や、特定成分の濃度検出を行う各種ガスセンサ適用できる。例えば、センサ素子１０，１０ａは、ガス中のＮＯｘの検出や、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサに用いても良い。

１…ガスセンサ
１０，１０ａ…センサ素子
１１…主体金具
１９…保護層
２０…プロテクタ
４１…電極端子部
４２…ヒータ端子部
１００…素子本体
１１０…酸素濃度検出セル
１１２…第１の電極部
１１３…第１のセンサリード部
１１４…第１の絶縁層
１１５…第１の固体電解質層
１１６…第２の絶縁層
１１８…第２の電極部
１１８Ｐ…中間部分
１１９…第２のセンサリード部
１２０…層間調整層
１２０ｃ…検出室
１２１…拡散律速部
１３０…酸素ポンプセル
１３２…第３の電極部
１３３…第３のセンサリード部
１３４…第３の絶縁層
１３５…第２の固体電解質層
１３６…第４の絶縁層
１３８…第４の電極部
１３９…第４のセンサリード部
１４０…表面保護層
１４１…電極保護部
１６０…ヒータ
１６１…第１の基層
１６３…発熱部
１６４…ヒータリード部
１６５…発熱抵抗体
１６７…第２の基層
２０１，２０１ａ…固体電解質層
２０２，２０２ａ…絶縁層
２０２Ｙ，２０２Ｙａ…先端
２０４…電極部
２０４Ｗ…後端部
２０４Ｙ…先端部
２０４ａ…電極部
２０４Ｗａ…後端部
２０５，２０５ａ…リード部
２０５Ｙ，２０５Ｙａ…先端
３００，３００ａ…重なり部

Claims (3)

1. 長手方向に延びる板状の固体電解質層と、前記長手方向先端側の前記固体電解質層上に設けられた電極部と、前記電極部に電気的に接続され前記長手方向後端側に延びるリード部と、前記固体電解質層上に設けられた絶縁層と、を有する積層型のセンサ素子であって、
   前記リード部は、前記絶縁層を挟んで前記固体電解質層上に設けられ、かつ、前記電極部よりも緻密な層であり、
   前記電極部の後端側には、前記絶縁層上に設けられ、かつ、前記リード部に重ね合わされた接続部を有しており、
   前記長手方向について、前記リード部の先端は前記絶縁層の先端と同じ位置、又は、前記絶縁層の先端よりも後端側の位置に配置されている、ことを特徴とするセンサ素子。
2. 請求項１に記載のセンサ素子であって、
   前記電極部の前記接続部は、前記リード部上に設けられている、ことを特徴とするセンサ素子。
3. 被測定ガス中の特定成分の濃度を検出するためのセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを有するガスセンサであって、
   前記センサ素子は、請求項１又は請求項２に記載のセンサ素子であるガスセンサ。

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