JP2015017824A - ガスセンサ素子およびヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子のヒータにおける電極パッドの削れ量を低減する。
【解決手段】ガスセンサ素子のヒータは、基体と、電熱体と、導体部と、電極パッドとを備える。電極パッドは、基体の表面に形成され、導体部に隣接する第１の電極層と；第１の電極層の上に形成された第２の電極層とを含む。セラミック成分の含有量は、第１の電極層よりも第２の電極層の方が多く、導電性成分の含有量は、第２の電極層より記第１の電極層の方が多い。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスセンサ素子およびヒータに関する。

ガスセンサに用いられるガスセンサ素子として、ヒータを備えるガスセンサ素子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このようなガスセンサ素子のヒータは、セラミックから成る基体と、基体の内部に埋設された電熱体と、電熱体に電力を供給する電極パッドとを備える。ヒータの電極パッドは、基体の表面に設けられた導体であり、ガスセンサに設けられた接触端子と接触によって電気的に接続され、接触端子から電力の供給を受ける。

特許文献１，２には、基体の表面に形成された第１の電極層と、第１の電極層の上に形成された第２の電極層とを備える電極パッドが記載されている。特許文献１，２の電極パッドでは、セラミック成分の含有量は、第１の電極層よりも第２の電極層の方が少なく、導電性成分の含有量は、第２の電極層よりも第１の電極層の方が少ない。特許文献１の技術は、導電性成分に白金とパラジウムとを含有する場合において白金の使用量を低減することを目的とし、特許文献２の技術は、電極パッドの表面における導電性成分によって平滑性を向上させることを目的とする。

特開２０１０−６６１９２号公報 特開２００９−１９２５２３号公報

特許文献１，２の電極パッドを適用したヒータであっても、ヒータを接触端子に組み付ける際に、接触端子との接触によって電極パッドが削れるという課題があった。電極パッドの削れは、電極パッドの抵抗値の増加や耐久性の低下を引き起こす。また、ヒータの組み付け時における電極パッドの削れ量を見込んで電極パッドを厚くする対応では、例えば貴金属などの高価な材料を電極パッドに用いる場合、電極パッドを厚くした分だけコストが増大するという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ヒータが提供される。このヒータは、セラミックから成る基体と；前記基体の内部に埋設され、電力に基づいて発熱する電熱体と；前記基体の内部において前記電熱体と電気的に接続され、前記基体の内部から前記基体の表面に至る導体部と；前記基体の前記表面において前記導体部と電気的に接続され、前記電熱体に電力を供給する電極パッドであって、前記基体を構成する主成分に共通するセラミック成分と、導電性を有する導電性成分と、から主に成る電極パッドとを備える。前記電極パッドは、前記基体の前記表面に形成され、前記導体部に隣接する第１の電極層と；前記第１の電極層の上に形成された第２の電極層とを含み、前記セラミック成分の含有量は、前記第１の電極層よりも前記第２の電極層の方が多く、前記導電性成分の含有量は、前記第２の電極層よりも前記第１の電極層の方が多い。この形態によれば、導電性成分を比較的に多く含有する第１の電極層によって、電極パッド全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、導電性成分よりも硬度が高いセラミック成分を比較的に多く含有する第２の電極層によって、ヒータの組み付け時における電極パッドの削れ量を低減できる。その結果、電極パッドの削れ量を見込んで電極パッドを厚くする場合のコストを抑制できる。

（２）上述のヒータにおいて、前記第１の電極層における前記セラミック成分の含有量は、１６．１体積パーセント以上であってもよい。この形態によれば、第１の電極層と基体との密着力によって、基体に対する電極パッドの密着性を向上させることができる。

（３）上述のヒータにおいて、前記第２の電極層が前記基体の前記表面に接触する面積は、前記第１の電極層が前記基体の前記表面に接触する面積よりも大きくてもよい。この形態によれば、基体の主成分に共通するセラミック成分を比較的に多く含有する第２の電極層と基体との密着力によって、基体に対する電極パッドの密着性を向上させることができる。

（４）上述のヒータにおいて、前記第１の電極層は、複数の経路を構成する形状を成してもよい。この形態によれば、導電性成分の使用量を抑制しつつ、電極パッド全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層の一部が断線した場合に、電極パッド全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層における経路同士の間において第２の電極層が基体に密着することによって、基体に対する電極パッドの密着性を向上させることができる。

（５）本発明の一形態によれば、ガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子は、固体電解質層を間に挟む一対の電極を用いて、被測定ガスに含まれる特定のガス成分を検知するセンサセルと；前記センサセルを加熱する上述のヒータとを備える。この形態によれば、組み付け時における電極パッドの削れ量を低減できるため、ガスセンサ素子の耐久性を向上させることができる。

本発明は、ヒータおよびガスセンサ素子以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述のガスセンサ素子を備えるガスセンサ、および、上述のガスセンサ素子を製造する製造方法などの形態で実現することができる。

ガスセンサの断面を示す説明図である。 ガスセンサ素子の外観斜視図である。 ガスセンサ素子の分解斜視図である。 電極パッドの詳細構成を示す説明図である。 基体に対する電極層の密着性を評価した評価試験の結果を示す表である。 電極層の削れ量を評価した評価試験の結果を示す表である。 第２実施形態における電極パッドの詳細構成を示す説明図である。 第３実施形態における電極パッドの詳細構成を示す説明図である。 第４実施形態における電極パッドの詳細構成を示す説明図である。 第５実施形態における電極パッドの詳細構成を示す説明図である。 第６実施形態における電極パッドの詳細構成を示す説明図である。

Ａ．実施形態
Ａ−１．ガスセンサの構成
図１は、ガスセンサ１０の断面を示す説明図である。図１の断面は、ガスセンサ１０の軸心である軸線ＡＸを通る平面でガスセンサ１０を切断した断面である。本実施形態の説明では、ガスセンサ１０において、図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

ガスセンサ１０は、内燃機関の排気系統に装着され、排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）を検知する酸素センサである。ガスセンサ１０は、ガスセンサ素子１００と、プロテクタ３００と、主体金具４００と、素子保持部５００と、外筒６００と、絶縁体７００と、ケーブル８００とを備える。

ガスセンサ１０のガスセンサ素子１００は、複数のセラミック層が積層された板状を成す積層セラミックデバイスである。ガスセンサ素子１００は、酸素分圧に応じた起電力をセンサ出力として出力する酸素濃淡電池を構成する。ガスセンサ素子１００の詳細については後述する。

ガスセンサ素子１００は、ガスセンサ素子１００からのセンサ出力を処理する処理回路（図示しない）と、ケーブル８００を通じて電気的に接続される。本実施形態では、ケーブル８００は、４本のリード線８１０ａ，８１０ｂ，８１０ｃ，８１０ｄを備え、各リード線には、ガスセンサ素子１００と接触によって電気的に接続する接触端子８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄがカシメによって固定されている。本実施形態では、接触端子８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄは、ガスセンサ素子１００の電極パッド（後述する）に対して押しつける形で機械的および電気的に接続する。本実施形態では、ガスセンサ１０を製造する際、ガスセンサ素子１００は、接触端子８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄに接触して摺りながら軸線ＡＸに沿って移動する摺動接触を経て、接触端子８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄに取り付けられる。

ガスセンサ１０のプロテクタ３００は、有底円筒状を成す金属製の部材である。プロテクタ３００は、主体金具４００の先端側に溶接によって固定され、主体金具４００の先端側から突出したガスセンサ素子１００を覆う。これによって、プロテクタ３００は、ガスセンサ素子１００の先端側を保護する。プロテクタ３００には、ガスセンサ素子１００へと被測定ガス（本実施形態では排気ガス）を導入可能にする貫通孔が形成されている。

ガスセンサ１０の主体金具４００は、円筒状を成す金属製の部材である。主体金具４００の内側には、素子保持部５００を介してガスセンサ素子１００が固定される。

ガスセンサ１０の素子保持部５００は、主体金具４００の内側にガスセンサ素子１００を保持する部位であり、素子保持部５００の中央をガスセンサ素子１００が貫通する。本実施形態では、素子保持部５００は、先端側から順に、セラミックホルダ５１０と、滑石リング５２０と、滑石リング５３０と、セラミックスリーブ５４０とを備える。

素子保持部５００のセラミックホルダ５１０は、筒状を成すセラミック製の部材であり、主体金具４００の内側に挿入され、ガスセンサ素子１００を主体金具４００の内側に位置決めする。素子保持部５００の滑石リング５２０および滑石リング５３０は、予め滑石粉末を圧縮して固めたものである。滑石リング５２０および滑石リング５３０は、セラミックホルダ５１０とセラミックスリーブ５４０との間に、セラミックスリーブ５４０によって先端側に押圧された状態で充填される。素子保持部５００のセラミックスリーブ５４０は、筒状を成すセラミック製の部材である。セラミックスリーブ５４０は、先端側に向けて押圧された状態で主体金具４００の後端側にカシメによって固定され、ガスセンサ素子１００を主体金具４００の内側に位置決めする。

ガスセンサ１０の外筒６００は、円筒状を成す金属製の部材である。外筒６００は、主体金具４００の後端側に溶接によって固定され、主体金具４００の後端側から突出したガスセンサ素子１００を覆う。これによって、外筒６００は、ガスセンサ素子１００の後端側を保護する。外筒６００の後端側には、ケーブル８００が保持される。

ガスセンサ１０の絶縁体７００は、電気絶縁性セラミックから成る筒状の部材である。絶縁体７００は、外筒６００の内側に固定され、接触端子８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄを保持する。

Ａ−２．ガスセンサ素子の構成
図２は、ガスセンサ素子１００の外観斜視図である。図３は、ガスセンサ素子１００の分解斜視図である。図２には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図２のＸＹＺ軸は、他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。

図２のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、ガスセンサ素子１００の長手方向に沿った軸である。ガスセンサ素子１００がガスセンサ１０に組み込まれた状態において、ガスセンサ素子１００のＸ軸は、軸線ＡＸに沿った軸となる。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、軸線ＡＸにおける先端側から後端側に向かう方向に対応し、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向に対する逆方向である。

図２のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、ガスセンサ素子１００の幅方向に沿った軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、図２の紙面手前から紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向に対する逆方向である。

図２のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、ガスセンサ素子１００の厚み方向に沿った軸である。Ｚ軸方向に沿ったＺ軸方向のうち、図２の紙面下側から紙面上側に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向に対する逆方向である。

ガスセンサ素子１００は、複数のセラミック層が積層された板状の積層構造１９０を備える。積層構造１９０は、外表面１９１，１９２，１９３，１９４，１９５，１９６を有する直方体である。

積層構造１９０の外表面１９１は、＋Ｚ軸方向を向いた表面であり、積層構造１９０の外表面１９２は、−Ｚ軸方向を向いた表面である。積層構造１９０の外表面１９３は、−Ｙ軸方向を向いた表面であり、積層構造１９０の外表面１９４は、＋Ｙ軸方向を向いた表面である。積層構造１９０の外表面１９５は、＋Ｘ軸方向を向いた表面であり、積層構造１９０の外表面１９６は、−Ｘ軸方向を向いた表面である。

ガスセンサ素子１００は、センサ部１０２と、ヒータ部１０４とを備える。ガスセンサ素子１００のセンサ部１０２は、被測定ガスに含まれる特定のガス成分（本実施形態では酸素）を検知するセンサセルである。ガスセンサ素子１００のヒータ部１０４は、センサ部１０２を加熱するヒータである。本実施形態では、ヒータ部１０４は、センサ部１０２と一体的に積層構造１９０の一部として構成されている。他の実施形態では、ヒータ部１０４は、センサ部１０２とは別体に構成されてもよい。

ガスセンサ素子１００は、センサ部１０２として、固体電解質セラミック層１１０と、セラミック層１２０と、セラミック層１３０と、多孔質部１４０と、導体層２１０と、導体層２２０と、電極パッド２９０ａと、電極パッド２９０ｂとを備える。

固体電解質セラミック層１１０とセラミック層１２０との間には、積層構造１９０の長手方向（Ｘ軸方向）に広がる空隙１８０が形成されている。本実施形態では、空隙１８０の＋Ｘ軸方向側は、外表面１９５において外側に開放され、空隙１８０の−Ｘ軸方向側は、外表面１９４の手前で閉塞されている。本実施形態では、空隙１８０は、電極を構成する導体層２１０に、基準ガスとして大気を導入する大気導入孔である。

ガスセンサ素子１００の固体電解質セラミック層１１０は、長方形板状のセラミック層である。本実施形態では、固体電解質セラミック層１１０の材質は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂））に酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を添加したイットリア部分安定化ジルコニアである。他の実施形態では、固体電解質セラミック層１１０の材質は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化スカンジウム（Ｓｃ₂Ｏ₃）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化ネオジム（Ｎｄ₂Ｏ₃）、酸化テルビウム（Ｔｂ₂Ｏ₃）の少なくとも１つの酸化物を添加した部分安定化ジルコニアであってもよい。

固体電解質セラミック層１１０の−Ｚ軸方向側の表面には、導体層２１０が形成されている。固体電解質セラミック層１１０の＋Ｚ軸方向側の表面には、導体層２２０が形成されている。固体電解質セラミック層１１０には、導体層２１０と電極パッド２９０ａとの間を電気的に接続する導体であるスルーホール２８１ａが形成されている。本実施形態では、スルーホール２８１ａには導体が充填されており、その材質は、白金（Ｐｔ）である。

固体電解質セラミック層１１０の−Ｚ軸方向側には、＋Ｚ軸方向側に凸状を成す表面１１８が形成されている。表面１１８は、空隙１８０の＋Ｚ軸方向側を画定する。

ガスセンサ素子１００のセラミック層１２０は、固体電解質セラミック層１１０と同じ大きさの長方形板状を成し、固体電解質セラミック層１１０の−Ｚ軸方向側に積層されている。セラミック層１２０は、電気絶縁性を有する絶縁性セラミックから成る。本実施形態では、セラミック層１２０の材質は、アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃））である。

セラミック層１２０の＋Ｚ軸方向側には、−Ｚ軸方向側に凸状を成す表面１２８が形成されている。表面１２８は、空隙１８０の−Ｚ軸方向側を画定する。

ガスセンサ素子１００のセラミック層１３０は、固体電解質セラミック層１１０と同じ大きさの長方形板状を成し、固体電解質セラミック層１１０の＋Ｚ軸方向側に積層されている。セラミック層１３０は、電気絶縁性を有する絶縁性セラミックから成る。本実施形態では、セラミック層１２０の材質は、アルミナである。

セラミック層１３０の＋Ｚ軸方向側の表面には、電極パッド２９０ａと電極パッド２９０ｂとが形成されている。セラミック層１３０には、スルーホール２８２ａとスルーホール２８２ｂとが形成されている。スルーホール２８２ａは、導体層２１０と電極パッド２９０ａとの間を電気的に接続する導体であり、スルーホール２８２ｂは、導体層２２０と電極パッド２９０ｂとの間を電気的に接続する導体である。本実施形態では、スルーホール２８２ａおよびスルーホール２８２ｂには導体が充填されており、その材質は、白金（Ｐｔ）である。

ガスセンサ素子１００の多孔質部１４０は、被測定ガスを拡散可能な連続気孔を形成する多孔体であり、セラミック層１３０における−Ｘ軸方向寄りの一部に、セラミック層１３０の＋Ｚ軸方向側から−Ｚ軸方向側にわたって形成されている。多孔質部１４０は、電気絶縁性を有する絶縁性セラミックから成る。本実施形態では、多孔質部１４０の材質は、アルミナである。

ガスセンサ素子１００の導体層２１０は、固体電解質セラミック層１１０の−Ｚ軸方向側に形成された導体パターンである。本実施形態では、導体層２１０の材質は、白金（Ｐｔ）である。導体層２１０は、電極部２１２と、リード部２１４と、接続部２１６とを備える。

導体層２１０の電極部２１２は、固体電解質セラミック層１１０の表面１１８のうち＋Ｚ軸方向側に多孔質部１４０が存在する部位に広がる矩形状の電極であり、空隙１８０の内側に露出する。本実施形態では、電極部２１２の−Ｚ軸方向側の表面は、固体電解質セラミック層１１０の表面１１８と滑らかに繋がる。他の実施形態では、電極部２１２は、表面１１８の全域を覆ってもよいし、表面１１８から−Ｚ軸方向側に突出してもよい。

導体層２１０のリード部２１４は、電極部２１２と接続部２１６との間を接続する線状を成す。導体層２１０の接続部２１６は、リード部２１４よりも広い幅を有し、固体電解質セラミック層１１０のスルーホール２８１ａに隣接する。

ガスセンサ素子１００の導体層２２０は、固体電解質セラミック層１１０の＋Ｚ軸方向側に形成された導体パターンである。本実施形態では、導体層２１０の材質は、白金（Ｐｔ）である。導体層２２０は、電極部２２２と、リード部２２４と、接続部２２６とを備える。

導体層２２０の電極部２２２は、固体電解質セラミック層１１０における＋Ｚ軸方向側の界面のうち＋Ｚ軸方向側に多孔質部１４０が存在する部位に広がる矩形状の電極であり、多孔質部１４０に隣接する。導体層２２０のリード部２２４は、電極部２２２とリード部２２４との間を接続する線状を成す。導体層２２０の接続部２２６は、リード部２２４よりも広い幅を有し、セラミック層１３０のスルーホール２８２ｂに隣接する。

ガスセンサ素子１００の電極パッド２９０ａは、セラミック層１３０の＋Ｚ軸方向側の表面に形成され、スルーホール２８２ａに隣接する導体パターンである。本実施形態では、電極パッド２９０ａの材質は、白金（Ｐｔ）である。ガスセンサ素子１００がガスセンサ１０に組み込まれた状態で、電極パッド２９０ａは、接触端子８２０ａと機械的および電気的に接続される。

ガスセンサ素子１００の電極パッド２９０ｂは、セラミック層１３０の＋Ｚ軸方向側の表面に形成され、スルーホール２８２ｂに隣接する導体パターンである。本実施形態では、電極パッド２９０ｂの材質は、白金（Ｐｔ）である。ガスセンサ素子１００がガスセンサ１０に組み込まれた状態で、電極パッド２９０ｂは、接触端子８２０ｂと機械的および電気的に接続される。

本実施形態では、基準ガスとして大気が空隙１８０を通じて導体層２１０の電極部２１２に供給され、被測定ガスとして排気ガスが多孔質部１４０を通じて導体層２２０の電極部２２２に供給される。固体電解質セラミック層１１０、電極部２１２および電極部２２２は、酸素濃淡電池を構成し、電極部２１２と電極部２２２との間には、大気と排気ガスとの間の酸素分圧の差に応じた起電力が発生する。電極部２１２と電極部２２２との間に発生する起電力は、排気ガスに含まれる酸素の検知結果として、電極パッド２９０ａおよび電極パッド２９０ｂを通じて外部に出力される。

ガスセンサ素子１００は、ヒータ部１０４として、セラミック層１６０と、セラミック層１７０と、導体層２６０と、電極パッド２９０ｃと、電極パッド２９０ｄとを備える。

ガスセンサ素子１００のセラミック層１６０は、固体電解質セラミック層１１０と同じ大きさの長方形板状を成す基体であり、セラミック層１７０の−Ｚ軸方向側に積層されている。セラミック層１６０は、電気絶縁性を有する絶縁性セラミックから成る。本実施形態では、セラミック層１６０の材質は、アルミナである。

セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側の表面には、導体層２６０が形成されている。セラミック層１６０の−Ｚ軸方向側の表面には、電極パッド２９０ｃと電極パッド２９０ｄとが形成されている。セラミック層１６０には、スルーホール２８６ｃとスルーホール２８６ｄとが形成されている。

ガスセンサ素子１００のセラミック層１７０は、固体電解質セラミック層１１０と同じ大きさの長方形板状を成す基体であり、セラミック層１２０の−Ｚ軸方向側に積層されている。セラミック層１７０は、電気絶縁性を有する絶縁性セラミックから成る。本実施形態では、セラミック層１７０の材質は、アルミナである。

ガスセンサ素子１００の導体層２６０は、セラミック層１６０とセラミック層１７０との間に埋設された導体パターンである。本実施形態では、導体層２６０の材質は、白金（Ｐｔ）である。導体層２６０は、発熱部２６２と、リード部２６４と、リード部２６５と、接続部２６６と、接続部２６７とを備える。

導体層２６０の発熱部２６２は、ジュール熱を発生させる発熱体であり、セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側の表面のうち、＋Ｚ軸方向側に電極部２１２および電極部２２２が存在する部位に形成されている。導体層２６０のリード部２６４は、発熱部２６２と接続部２６６との間を接続する線状を成す。導体層２６０のリード部２６５は、発熱部２６２と接続部２６７との間を接続する線状を成す。導体層２６０の接続部２６６は、リード部２６４よりも広い幅を有し、セラミック層１６０のスルーホール２８６ｄに隣接する。導体層２６０の接続部２６７は、リード部２６５よりも広い幅を有し、セラミック層１６０のスルーホール２８６ｃに隣接する。

スルーホール２８６ｃは、セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側において導体層２６０と電気的に接続され、セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側から−Ｚ軸方向側に至る導体部である。スルーホール２８６ｃは、導体層２６０と電極パッド２９０ｃとの間を電気的に接続する。本実施形態では、スルーホール２８６ｃには導体が充填されており、その材質は、白金（Ｐｔ）である。

スルーホール２８６ｄは、セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側において導体層２６０と電気的に接続され、セラミック層１６０の＋Ｚ軸方向側から−Ｚ軸方向側に至る導体部である。スルーホール２８６ｄは、導体層２６０と電極パッド２９０ｄとの間を電気的に接続する。本実施形態では、スルーホール２８６ｄには導体が充填されており、その材質は、白金（Ｐｔ）である。

ガスセンサ素子１００の電極パッド２９０ｃは、セラミック層１６０の−Ｚ軸方向側の外表面１９２においてスルーホール２８６ｃと電気的に接続され、発熱部２６２に電力を供給する導体パターンである。ガスセンサ素子１００がガスセンサ１０に組み込まれた状態で、電極パッド２９０ｃは、接触端子８２０ｃに対して接触によって電気的に接続される。

ガスセンサ素子１００の電極パッド２９０ｄは、セラミック層１６０の−Ｚ軸方向側の外表面１９２においてスルーホール２８６ｄと電気的に接続され、発熱部２６２に電力を供給する導体パターンである。ガスセンサ素子１００がガスセンサ１０に組み込まれた状態で、電極パッド２９０ｄは、接触端子８２０ｄに対して接触によって電気的に接続される。

図４は、電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。図４の上段には、Ｘ軸に沿って切断した電極パッド２９０ｄの断面図が図示され、図４の下段には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ａと、第２の電極層２９２Ａとを備える。

電極パッド２９０ｄにおける第１の電極層２９１Ａは、セラミック層１６０の外表面１９２に形成された導体層であり、スルーホール２８６ｄに隣接する。本実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ａは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状の部位と、その円形状の部位に繋がる矩形状の部位とを備える。本実施形態では、第１の電極層２９１Ａの厚みＴ１は、外表面１９２から１０μｍである。

電極パッド２９０ｄにおける第２の電極層２９２Ａは、第１の電極層２９１Ａの上に形成された導体層である。本実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ａは、第１の電極層２９１Ａにおける矩形状の部位を覆い隠す矩形状を成す。他の実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ａは、第１の電極層２９１Ａにおける矩形状の部位と同じ大きさの矩形状であってもよい。本実施形態では、第２の電極層２９２Ａの厚みＴ２は、外表面１９２から２０μｍである。

電極パッド２９０ｄは、セラミック層１６０を構成する主成分に共通するセラミック成分と、導電性を有する導電性成分と、から主に成る。本実施形態では、セラミック成分は、アルミナであり、導電性成分は、白金（Ｐｔ）である。

電極パッド２９０ｄにおけるセラミック成分の含有量は、第１の電極層２９１Ａよりも第２の電極層２９２Ａの方が多く、電極パッド２９０ｄにおける導電性成分の含有量は、第２の電極層２９２Ａよりも第１の電極層２９１Ａの方が多い。外表面１９２に対する電極パッド２９０ｄの密着力を確保する観点から、第１の電極層２９１Ａにおけるセラミック成分の含有量は、１６．１体積％以上であることが好ましい。本実施形態では、第１の電極層２９１Ａは、１６．１体積％のアルミナと８３．９体積％の白金とから主に成り、第２の電極層２９２Ａは、３４．９体積％のアルミナと６５．１体積％の白金とから主に成る。

Ａ−３．評価試験
図５は、基体に対する電極層の密着性を評価した評価試験の結果を示す表である。図５の評価試験では、アルミナの含有量とアルミナの平均粒径が異なる複数の電極層を、アルミナから成る基体の表面に、試料として作製し、これらの試料について基体との密着強度を測定した。

図５の評価試験の電極層におけるアルミナの含有量は、１６．１〜５１．７体積％であり、電極層におけるアルミナ以外の成分は、主に白金であった。電極層に用いたアルミナの平均粒径は、０．４〜１．５μｍ（レーザ回折法による値）であった。１６．１体積％の割合で平均粒径０．４μｍのアルミナを用いて作製した試料の密着強度を基準とし、この基準よりも密着強度が強い試料を「○」と評価し、この基準よりも密着強度が弱い試料を「×」と評価した。図５の表には、評価を行っていない項目には「−」を記載した。

図５の評価試験の結果によれば、電極層の密着性は、アルミナの平均粒径が大きくなるに連れて低下し、アルミナの含有量が増えるに連れて向上する傾向にあることが分かる。また、基体に対する密着力を確保する観点から、基体の表面に形成される電極層におけるアルミナの含有量は、１６．１体積％以上であることが好ましい。

図６は、電極層の削れ量を評価した評価試験の結果を示す表である。図６の評価試験では、アルミナの含有量が異なる複数の電極層を、アルミナから成る基体の表面に、試料として作製し、これらの試料を接触端子に組み付ける際に接触端子との接触による試料の削れ量を測定した。

図６の評価試験の電極層におけるアルミナの含有量は、１６．１〜５１．７体積％であり、電極層におけるアルミナ以外の成分は、主に白金であった。電極層に用いたアルミナの平均粒径は、０．４μｍ（レーザ回折法による値）であった。接触端子との組み付け後に電極層の厚みが残った試料、つまり、残り厚みが０μｍ超過の試料を「○」と評価し、接触端子との組み付け後に電極層が基体に残らない試料を「×」と評価した。

図６の評価試験の結果によれば、電極層の削れ量は、アルミナの含有量が増えるに連れて低減する傾向にあることが分かる。また、電極層の削れ量を低減する観点から、接触端子に接触する電極層におけるアルミナの含有量は、１７．６体積％以上であることが好ましく、２４．９体積％以上であることがいっそう好ましい。

Ａ−４．効果
以上説明した第１実施形態によれば、導電性成分を比較的に多く含有する第１の電極層２９１Ａによって、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、導電性成分よりも硬度が高いセラミック成分を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ａによって、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｄの削れ量を低減できる。電極パッド２９０ｃについても同様である。その結果、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を見込んで電極パッド２９０ｃ，２９０ｄを厚くする場合よりもコストを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態
図７は、第２実施形態における電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。図７には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。第２実施形態のガスセンサ素子１００は、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの詳細構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。

第２実施形態の電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ｂと、第２の電極層２９２Ｂとを備える。第２実施形態における第１の電極層２９１Ｂは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第１の電極層２９１Ａと同様である。図７では、第１の電極層２９１Ｂにハッチングが施されている。第２実施形態における第２の電極層２９２Ｂは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第２の電極層２９２Ａと同様である。

第２実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ｂは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状の部位と、その円形状の部位から延びて枝状に分岐した部位とを備え、複数の経路を構成する形状を成す。これによって、導電性成分（白金）の使用量を抑制しつつ、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｂの一部が断線した場合に、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｂにおける経路同士の間において第２の電極層２９２Ｂがセラミック層１６０に密着することによって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

第２実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ｂは、第１の電極層２９１Ｂにおける枝状に分岐した部位を覆い隠す矩形状を成す。第２実施形態では、第２の電極層２９２Ｂが外表面１９２に接触する面積は、第１の電極層２９１Ｂが外表面１９２に接触する面積よりも大きい。これによって、セラミック層１６０の主成分に共通するセラミック成分（アルミナ）を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ｂとセラミック層１６０との密着力によって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を低減できる。また、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの密着性を向上させることができる。

Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態における電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。図８には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。第３実施形態のガスセンサ素子１００は、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの詳細構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。

第３実施形態の電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ｃと、第２の電極層２９２Ｃとを備える。第３実施形態における第１の電極層２９１Ｃは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第１の電極層２９１Ａと同様である。図８では、第１の電極層２９１Ｃにハッチングが施されている。第３実施形態における第２の電極層２９２Ｃは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第２の電極層２９２Ａと同様である。

第３実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ｃは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状の部位と、その円形状の部位から延びて蜘蛛の巣状に分岐した部位とを備え、複数の経路を構成する形状を成す。これによって、導電性成分（白金）の使用量を抑制しつつ、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｃの一部が断線した場合に、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｃにおける経路同士の間において第２の電極層２９２Ｃがセラミック層１６０に密着することによって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

第３実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ｃは、第１の電極層２９１Ｃにおける蜘蛛の巣状に分岐した部位を覆い隠す矩形状を成す。第３実施形態では、第２の電極層２９２Ｃが外表面１９２に接触する面積は、第１の電極層２９１Ｃが外表面１９２に接触する面積よりも大きい。これによって、セラミック層１６０の主成分に共通するセラミック成分（アルミナ）を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ｃとセラミック層１６０との密着力によって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を低減できる。また、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの密着性を向上させることができる。

Ｄ．第４実施形態
図９は、第４実施形態における電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。図９には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。第４実施形態のガスセンサ素子１００は、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの詳細構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。

第４実施形態の電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ｄと、第２の電極層２９２Ｄとを備える。第４実施形態における第１の電極層２９１Ｄは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第１の電極層２９１Ａと同様である。図９では、第１の電極層２９１Ｄにハッチングが施されている。第４実施形態における第２の電極層２９２Ｄは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第２の電極層２９２Ａと同様である。

第４実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ｄは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状の部位と、その円形状の部位から延びて枡目状に分岐した部位とを備え、複数の経路を構成する形状を成す。これによって、導電性成分（白金）の使用量を抑制しつつ、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｄの一部が断線した場合に、電極パッド２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制できる。また、第１の電極層２９１Ｄにおける経路同士の間において第２の電極層２９２Ｄがセラミック層１６０に密着することによって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

第４実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ｄは、第１の電極層２９１Ｄにおける枡目状に分岐した部位を覆い隠す矩形状を成す。第４実施形態では、第２の電極層２９２Ｄが外表面１９２に接触する面積は、第１の電極層２９１Ｄが外表面１９２に接触する面積よりも大きい。これによって、セラミック層１６０の主成分に共通するセラミック成分（アルミナ）を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ｄとセラミック層１６０との密着力によって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

以上説明した第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を低減できる。また、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの密着性を向上させることができる。

Ｅ．第５実施形態
図１０は、第５実施形態における電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。図１０には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。第５実施形態のガスセンサ素子１００は、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの詳細構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。

第５実施形態の電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ｅと、第２の電極層２９２Ｅとを備える。第５実施形態における第１の電極層２９１Ｅは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第１の電極層２９１Ａと同様である。図１０では、第１の電極層２９１Ｅにハッチングが施されている。第５実施形態における第２の電極層２９２Ｅは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第２の電極層２９２Ａと同様である。

第５実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ｅは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状の部位と、その円形状の部位から線状に延びた部位とを備える。第５実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ｅは、第１の電極層２９１Ｅにおける線状に延びた部位を覆い隠す矩形状を成す。第５実施形態では、第２の電極層２９２Ｅが外表面１９２に接触する面積は、第１の電極層２９１Ｅが外表面１９２に接触する面積よりも大きい。これによって、セラミック層１６０の主成分に共通するセラミック成分（アルミナ）を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ｅとセラミック層１６０との密着力によって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

以上説明した第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を低減できる。また、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの密着性を向上させることができる。

Ｆ．第６実施形態
図１１は、第６実施形態における電極パッド２９０ｄの詳細構成を示す説明図である。図１１には、−Ｚ軸方向から見た電極パッド２９０ｄが図示されている。電極パッド２９０ｃの詳細構成は、電極パッド２９０ｄと同様である。第６実施形態のガスセンサ素子１００は、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの詳細構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。

第６実施形態の電極パッド２９０ｄは、第１の電極層２９１Ｆと、第２の電極層２９２Ｆとを備える。第６実施形態における第１の電極層２９１Ｆは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第１の電極層２９１Ａと同様である。図１１では、第１の電極層２９１Ｆにハッチングが施されている。第６実施形態における第２の電極層２９２Ｆは、−Ｚ軸方向から見た形状が異なる点を除き、第１実施形態における第２の電極層２９２Ａと同様である。

第６実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第１の電極層２９１Ｆは、スルーホール２８６ｄを覆い隠す円形状を成す。第６実施形態では、−Ｚ軸方向から見た第２の電極層２９２Ｆは、第１の電極層２９１Ｆを覆い隠す矩形状を成す。第６実施形態では、第２の電極層２９２Ｆが外表面１９２に接触する面積は、第１の電極層２９１Ｆが外表面１９２に接触する面積よりも大きい。これによって、セラミック層１６０の主成分に共通するセラミック成分（アルミナ）を比較的に多く含有する第２の電極層２９２Ｆとセラミック層１６０との密着力によって、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｄの密着性を向上させることができる。

以上説明した第６実施形態によれば、第１実施形態と同様に、電極パッド２９０ｃ，２９０ｄ全体の電気抵抗率の増加を抑制しつつ、ヒータ部１０４の組み付け時における電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの削れ量を低減できる。また、セラミック層１６０に対する電極パッド２９０ｃ，２９０ｄの密着性を向上させることができる。

Ｇ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上述の実施形態における空隙１８０の構成は、酸素センサに限らず、窒素酸化物（ＮＯｘ）を検知するＮＯｘセンサに適用することができ、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）などの他のガス成分を検知するガスセンサに適用することもできる。

セラミック層１２０，１３０，１６０，１７０の少なくとも１つは、上述したアルミナを主成分とするセラミック層に限られず、例えばジルコニアを主成分とするセラミック層であっても、所期の効果を発揮できる。

１０…ガスセンサ
１００…ガスセンサ素子
１０２…センサ部
１０４…ヒータ部
１１０…固体電解質セラミック層
１１８，１２８…表面
１２０，１３０，１６０，１７０…セラミック層
１４０…多孔質部
１８０…空隙
１９０…積層構造
１９１，１９２，１９３，１９４，１９５，１９６…外表面
２１０，２２０，２６０…導体層
２１２，２２２…電極部
２１４，２２４，２６４，２６５…リード部
２１６，２２６，２６６，２６７…接続部
２６２…発熱部
２８１ａ，２８２ａ，２８２ｂ，２８６ｃ，２８６ｄ…スルーホール
２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄ…電極パッド
２９１Ａ，２９１Ｂ，２９１Ｃ，２９１Ｄ，２９１Ｅ，２９１Ｆ…第１の電極層
２９２Ａ，２９２Ｂ，２９２Ｃ，２９２Ｄ，２９２Ｅ，２９２Ｆ…第２の電極層
３００…プロテクタ
４００…主体金具
５００…素子保持部
５１０…セラミックホルダ
５２０，５３０…滑石リング
５４０…セラミックスリーブ
６００…外筒
７００…絶縁体
８００…ケーブル
８１０ａ…リード線
８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄ…接触端子
ＡＸ…軸線

Claims (6)

1. セラミックから成る基体と、
   前記基体の内部に埋設され、電力に基づいて発熱する電熱体と、
   前記基体の内部において前記電熱体と電気的に接続され、前記基体の内部から前記基体の表面に至る導体部と、
   前記基体の前記表面において前記導体部と電気的に接続され、前記電熱体に電力を供給する電極パッドであって、前記基体を構成する主成分に共通するセラミック成分と、導電性を有する導電性成分と、から主に成る電極パッドと
   を備えるヒータであって、
   前記電極パッドは、
   前記基体の前記表面に形成され、前記導体部に隣接する第１の電極層と、
   前記第１の電極層の上に形成された第２の電極層と
   を含み、
   前記セラミック成分の含有量は、前記第１の電極層よりも前記第２の電極層の方が多く、
   前記導電性成分の含有量は、前記第２の電極層よりも前記第１の電極層の方が多いことを特徴とするヒータ。
2. 前記第１の電極層における前記セラミック成分の含有量は、１６．１体積パーセント以上である、請求項１に記載のヒータ。
3. 前記第２の電極層が前記基体の前記表面に接触する面積は、前記第１の電極層が前記基体の前記表面に接触する面積よりも大きい、請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記第１の電極層は、複数の経路を構成する形状を成す、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のヒータ。
5. 前記セラミック成分はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）であり、前記導電性成分は白金（Ｐｔ）である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のヒータ。
6. 固体電解質層を間に挟む一対の電極を用いて、被測定ガスに含まれる特定のガス成分を検知するセンサセルと、
   前記センサセルを加熱する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のヒータと
   を備えるガスセンサ素子。

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