JP2015034782A - センサ素子およびセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対する大気供給量の不足を抑制できるセンサ素子、およびそのようなセンサ素子を有するセンサを提供する。
【解決手段】空燃比センサ１におけるガスセンサ素子７は、大気導入部３０７ｂを備えている。大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．０８００以下であり、かつ、導入部断面形状の断面積が０．１４７［ｍｍ^２］以下であることで、ガスセンサ素子７を加熱するためのヒータ消費電力を低減できる。大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．００８２以上であり、かつ、導入部断面形状の断面積が０．０１５［ｍｍ^２］以上であることで、第１電極部３０８ａに対する大気の供給量が不足することを抑制できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子、およびそのようなセンサ素子を備えるセンサに関する。

測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子を備えるセンサの一例としては、内燃機関の排気系に設置されて、排気ガス中の酸素濃度を検出して内燃機関の燃焼制御に利用される酸素センサが知られている。この酸素センサは、例えば、筒状の主体金具と、その主体金具に保持された板形状のセンサ素子を有している。

センサ素子としては、長手方向の先端側に設けられる検知部と、大気を導入する大気導入部と、を備えるものが知られている（特許文献１）。
検知部は、測定対象ガスに晒される測定電極と、大気導入部に配置される基準電極と、測定電極および基準電極のそれぞれに接触する板状の固体電解質体と、を備える。

センサ素子は、測定電極に接する測定対象ガスにおける特定ガス（酸素）の濃度と、基準電極に接する大気における特定ガス（酸素）の濃度との濃度割合に応じて、固体電解質体を介して測定電極と基準電極との間に起電力を発生する。この起電力は、特定ガスを検知するためのガス検知信号として利用できる。

なお、センサ素子は、ヒータなどにより固体電解質体が活性化温度まで加熱されることで、特定ガスを検出可能な活性化状態となる。
そして、特許文献１では、ガス応答性に優れて、ヒータによる急速昇温が可能で、急速昇温の繰り返しに対して強度が高いセンサ素子が提案されている。

特開２００５−０４９１１５号公報

しかし、上記従来のセンサ素子は、ヒータによる急速昇温などが可能であるが、センサ素子を加熱するための消費電力（ヒータによる消費電力）が大きくなる、という問題がある。

つまり、センサ素子において大気導入部が大きく形成されている場合、センサ素子全体の熱容量が大きくなり、熱伝導効率が低下するため、急速昇温を実現するためにはヒータの消費電力が大きくなる。

なお、このような問題を解消する方法としては、大気導入部を小さくする手法が考えられるが、大気導入部を小さくしすぎると、検知部の基準電極に対する大気の供給量が不足する虞がある。

そこで、本発明は、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対する大気供給量の不足を抑制できるセンサ素子、およびそのようなセンサ素子を有するセンサを提供することを目的とする。

本発明は、長手方向に延びる板形状に形成されて、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子であって、当該センサ素子における長手方向の先端側に設けられる検知部と、開口部を有し、開口部から検知部の形成位置まで繋がる長手方向に延びる長孔として形成され、開口部から大気を導入する大気導入部と、を備えており、検知部は、測定対象ガスに晒される測定電極と、大気導入部に配置される基準電極と、測定電極および基準電極のそれぞれに接触する板状の固体電解質体と、を備えるセンサ素子である。

また、センサ素子の長手方向に垂直な断面でみたときの基準電極の配置位置における大気導入部の導入部断面形状において、導入部断面形状のアスペクト比は０．００８２〜０．０８００の範囲内であり、導入部断面形状の断面積は０．０１５〜０．１４７［ｍｍ^２］の範囲内であること、を特徴とする。

後述する表１の測定結果のうち、実施例３と比較例３との比較から判るように、大気導入部における導入部断面形状の断面積が０．１４７［ｍｍ^２］以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。さらに、実施例９と比較例１との比較から判るように、導入部断面形状のアスペクト比が０．０８００以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。

また、後述する表１の測定結果のうち、実施例７と比較例４との比較から判るように、大気導入部における導入部断面形状の断面積が０．０１５［ｍｍ^２］以上であることで、大気を十分に導入でき、基準電極に対する大気の供給量が不足することを抑制できる。さらに、実施例１と比較例２との比較から判るように、導入部断面形状のアスペクト比が０．００８２以上であることで、大気を十分に導入でき、基準電極に対する大気の供給量が不足することを抑制できる。

導入部断面形状における断面積、アスペクト比が上記のように規定されたセンサ素子であれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減すること、および、基準電極に対する大気の供給量が不足するのを抑制すること、を両立できる。

よって、本発明のセンサ素子によれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対して大気を十分に供給できる。
次に、上述のセンサ素子においては、導入部断面形状のうち固体電解質体の板面に垂直な高さ寸法は０．０１５〜０．０８０［ｍｍ］の範囲内である、という構成を採ることができる。

後述する表１の測定結果のうち、実施例３，６，９と比較例１との比較から判るように、大気導入部における導入部断面形状の高さ寸法が０．０８０［ｍｍ］以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。

また、実施例１，４，７から判るように、大気導入部における導入部断面形状の高さが０．０１５［ｍｍ］以上であることで、大気を十分に導入でき、基準電極に対する大気の供給量が不足することを抑制できる。

導入部断面形状における高さが上記のように規定されたセンサ素子であれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減すること、および、基準電極に対する大気の供給量が不足するのを抑制すること、を両立できる。

よって、本発明のセンサ素子によれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対して大気を十分に供給できる。
次に、上述のセンサ素子においては、センサ素子における長手方向に垂直な断面でみたときの、検知部の形成位置におけるセンサ素子の素子断面形状において、素子断面形状のアスペクト比は０．１１１〜０．４００の範囲内であり、素子断面形状の断面積は０．８０〜４．３２［ｍｍ^２］の範囲内である、という構成を採ることができる。

後述する表２の測定結果のうち、実施例１１と比較例１１との比較から判るように、センサ素子における素子断面形状の断面積が４．３２［ｍｍ^２］以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。さらに、実施例１７，２０と比較例１４との比較から判るように、素子断面形状のアスペクト比が０．４００以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。

また、後述する表２の測定結果のうち、実施例２１と比較例１５との比較から判るように、センサ素子における素子断面形状の断面積が０．８０［ｍｍ^２］以上であることで、センサ素子の強度を確保でき、センサ素子の破損を抑制できる。さらに、実施例１３と比較例１３との比較から判るように、素子断面形状のアスペクト比が０．１１１以上であることで、センサ素子の強度を確保でき、センサ素子の破損を抑制できる。

素子断面形状における断面積、アスペクト比が上記のように規定されたセンサ素子であれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減することができ、また、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制することができる。

よって、本発明のセンサ素子によれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制できる。
次に、上述のセンサ素子においては、素子断面形状のうち当該センサ素子の板面に平行な幅寸法は２．０〜３．６［ｍｍ］の範囲内である、という構成を採ることができる。

後述する表２の測定結果のうち、実施例１１，１２，１３と比較例１１，１２との比較から判るように、センサ素子における素子断面形状の幅寸法が３．６［ｍｍ］以下であることで、センサ素子全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、センサ素子を加熱するための消費電力を低減できる。

また、実施例２０，２１から判るように、センサ素子における素子断面形状の幅寸法が２．０［ｍｍ］以上であることで、センサ素子の強度を確保でき、センサ素子の破損を抑制できる。

素子断面形状における幅寸法が上記のように規定されたセンサ素子であれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減することができ、また、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制することができる。

よって、本発明のセンサ素子によれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制できる。
また、上述のセンサ素子においては、基準電極のうち固体電解質体の板面に垂直な高さ寸法は、０．００２［ｍｍ］以上であり、かつ、導入部断面形状の高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下である、という構成を採ることができる。

つまり、基準電極は、その高さ寸法が、導入部断面形状の高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下であれば、大気導入部の内面のうち基準電極の形成面に対向する対向面との隙間を確保できる。このように、基準電極と対向面との間に隙間を確保することで、基準電極のうち大気に接触する面積を大きく確保でき、大気中の特定ガス濃度を基準とする基準電極を確実に形成できる。

また、基準電極は、その高さ寸法が０．００２［ｍｍ］以上であれば、特定ガスとの反応に必要な体積を確保でき、測定電極との間で起電力を発生する電極としての機能を発揮できる。

よって、本発明のセンサ素子によれば、基準電極のうち大気に接触する面積を大きく確保できるとともに、測定電極と基準電極との間に特定ガスに応じた起電力を発生できる。
また、本発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子と、長手方向に延びる板形状に形成され、少なくとも検知部を加熱するヒータと、センサ素子を保持する筒状の主体金具と、を備えるセンサであって、センサ素子は上述のいずれかのセンサ素子であることを特徴とする。

このように、上述のいずれかのセンサ素子を備えるセンサは、素子断面形状における断面積、アスペクト比が少なくとも上記のように規定されたセンサ素子を備えるため、上述のセンサ素子と同様に、センサ素子を加熱するための消費電力を低減すること、および、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制すること、を両立できる。

さらに、素子断面形状における高さ寸法が上記のように規定されたセンサ素子を備えることで、本発明のセンサは、そのセンサ素子と同様に、センサ素子を加熱するための消費電力を低減すること、および、センサ素子の強度を確保してセンサ素子の破損を抑制すること、を両立できる。

よって、本発明のセンサによれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対して大気を十分に供給できる。

本発明のセンサ素子またはセンサによれば、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部の基準電極に対して大気を十分に供給できる。

空燃比センサの内部構成を表す断面図である。 ガスセンサ素子の外観を表す斜視図である。 ガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。 ガスセンサ素子の図２におけるＢ−Ｂ視端面を表す端面図である。 ガスセンサ素子の母材の製造方法に関する説明図である。 ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種である酸素センサのうち空燃比センサを例に挙げる。具体的には、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、測定対象となる排気ガス中の特定ガス（酸素）を検出するガスセンサ素子（検出素子）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空燃比センサを例に挙げて説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
本実施形態のガスセンサ素子が使用される空燃比センサの全体の構成について、図１に基づいて説明する。図１は、空燃比センサの内部構成を表す断面図である。

図１に示す様に、本実施形態における空燃比センサ１は、排気管に固定するためのネジ部３が外表面に形成された筒状の主体金具５と、軸線方向（空燃比センサ１の長手方向：図１の上下方向）に延びる板状形状のガスセンサ素子７と、ガスセンサ素子７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９と、軸線方向に貫通する挿通孔１１の内壁面がガスセンサ素子７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１３（セパレータ１３）と、ガスセンサ素子７とセパレータ１３との間に配置される複数（図１には２個のみ図示）の接続端子１５と、を備えている。

ガスセンサ素子７は、後に詳述する様に、長手方向に伸びる板状の素子部７１（以下、酸素ポンプセル７１ともいう）と、同じく長手方向に延びる板状のヒータ７３と、素子部７１およびヒータ７３の先端側（後述する図２における左側）を覆う保護層１７と、を備える。素子部７１およびヒータ７３の先端側は、測定対象となるガスに向けられる検知部７０である。また、ガスセンサ素子７は、後端側（図１の上方：長手方向後端部）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１主面２１および第２主面２３に、電極パッド２５，２７，３１，３３（詳細は、後述する図２，図３参照）が形成されている。

接続端子１５は、ガスセンサ素子７の電極パッド２５，２７，３１，３３にそれぞれ電気的に接続されるとともに、外部からセンサの内部に配設されるリード線３５にも電気的に接続されており、リード線３５が接続される外部機器と電極パッド２５，２７，３１，３３との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具５は、軸線方向に貫通する貫通孔３７を有し、貫通孔３７の径方向内側に突出する棚部３９を有する略筒状形状に構成されている。この主体金具５は、ガス導入部３２２を貫通孔３７の先端よりも先端側に配置し、電極パッド２５，２７，３１，３３を貫通孔３７の後端よりも後端側に配置する状態で、貫通孔３７に挿通されたガスセンサ素子７を保持するよう構成されている。

また、主体金具５の貫通孔３７の内部には、ガスセンサ素子７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４１、滑石リング４３、滑石リング４５、及び上述のセラミックスリーブ９が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

このセラミックスリーブ９と主体金具５の後端部４７との間には、加締パッキン４９が配置され、一方、セラミックホルダ４１と主体金具５の棚部３９との間には、滑石リング４３やセラミックホルダ４１を保持するための金属ホルダ５１が配置されている。なお、主体金具５の後端部４７は、加締パッキン４９を介してセラミックスリーブ９を先端側に押し付けるように、加締められている。

更に、主体金具５の先端部５３の外周には、ガスセンサ素子７の突出部分を覆う金属製（例えば、ステンレスなど）の二重構造とされたプロテクタ５５が溶接等によって取り付けられている。

一方、主体金具５の後端側外周には、外筒５７が固定されている。また、外筒５７の後端側の開口部には、各電極パッド２５，２７，３１，３３とそれぞれ電気的に接続される５本のリード線３５（図１では３本が図示）が挿通されるリード線挿通孔５９が形成されたグロメット６１が配置されている。

なお、セパレータ１３の外周には、突出部６３が形成されており、突出部６３は、保持部材６５を介して外筒５７に固定されている。
［１−２．ガスセンサ素子の構成］
次に、ガスセンサ素子７の構成について、図２〜図４に基づいて詳細に説明する。

図２は、ガスセンサ素子７の外観を表す斜視図である。なお、図２では、保護層１７の内部構成を点線で表している。
図３は、ガスセンサ素子７を分解して示す斜視図である。なお、下記説明の関係上、図３では、保護層１７の図示を省略している。

図４は、ガスセンサ素子７の図２におけるＢ−Ｂ視端面を表す端面図である。
ガスセンサ素子７は、図２に示すように、軸線方向（図２の左右方向）に延びる板状形状の素子部７１（酸素ポンプセル７１）と、同じく軸線方向に延びる板状形状のヒータ７３と、素子部７１およびヒータ７３の先端側（図２の左方：長手方向先端部）を覆う保護層１７と、を備えている。素子部７１およびヒータ７３の先端側は、測定対象となるガスに向けられる検知部７０である。

検知部７０は、排ガス（測定対象ガス）を導入するためのガス導入部３２２（図４参照）を備える。検知部７０は、その内部に、ガス導入部３２２を介して排ガスが導入されるガス測定室３１６（図４参照）を備えている。

ガスセンサ素子７は、図３に示すように、遮蔽層３１２，拡散律速部３１５，素子部７１，絶縁層３０７，ヒータ７３が積層されて構成されている。
ヒータ７３は、アルミナを主体とする第１基体３０１および第２基体３０３と、第１基体３０１と第２基体３０３とに挟まれた白金を主体とする発熱体３０２と、を有している。発熱体３０２は、先端側に位置する発熱部３０２ａと、発熱部３０２ａから第１基体３０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部３０２ｂと、を有している。そして、ヒータリード部３０２ｂの端末は、第１基体３０１に設けられるヒータ側スルーホール３０１ａを介して電極パッド３１，３３と電気的に接続している。

素子部７１は、第１固体電解質体３０９と、その第１固体電解質体３０９の両面に形成された第１電極３０８，第２電極３１０と、を備えて形成されている。第１電極３０８は、第１電極部３０８ａと、この第１電極部３０８ａから第１固体電解質体３０９の長手方向に沿って延びる第１リード部３０８ｂと、を備えて形成されている。第２電極３１０は、第２電極部３１０ａと、この第２電極部３１０ａから第１固体電解質体３０９の長手方向に沿って延びる第２リード部３１０ｂと、を備えて形成されている。そして、第１リード部３０８ｂの端末は、第１固体電解質体３０９に設けられる第１スルーホール３０９ａを介して電極パッド２５と電気的に接続する。第２リード部３１０ｂの後端部は、電極パッド２７として備えられる。

第１固体電解質体３０９は、ジルコニア（ＺｒＯ_２ ）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。

発熱体３０２、第１電極３０８、第２電極３１０、電極パッド２５，２７および電極パッド３１，３３は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

そして、ヒータ７３と素子部７１との間に、絶縁層３０７が形成されている。絶縁層３０７は、絶縁部３０７ａと大気導入部３０７ｂとを備える。絶縁層３０７は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されることはなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。

大気導入部３０７ｂは、絶縁層３０７の後端側に開口部３０７ｃを有しており、開口部３０７ｃから検知部７０（詳細には、第１電極部３０８ａ）の形成位置まで繋がる長手方向に延びる長孔として形成されている。大気導入部３０７ｂは、開口部３０７ｃで外部と連通しており、開口部３０７ｃから大気を導入する。また、大気導入部３０７ｂのうちガスセンサ素子７の長手方向に垂直な断面形状であって、第１電極部３０８ａの配置位置における導入部断面形状は、図４に示すように、四角形である。なお、大気導入部３０７ｂの導入部断面形状は、第２基体３０３，絶縁部３０７ａ，第１固体電解質体３０９で囲まれる領域であり、第１電極部３０８ａを含んだ断面形状である。

また、第１固体電解質体３０９の表面には、第２電極３１０の第２電極部３１０ａを覆うようにしてガス測定室３１６（図４参照）が設けてあり、ガス測定室３１６は、拡散律速部３１５により覆われている。さらに、拡散律速部３１５の表面のうち第１固体電解質体３０９とは反対側の面には遮蔽層３１２が積層されている。

拡散律速部３１５は、アルミナからなる多孔質体であり、遮蔽層３１２および第１固体電解質体３０９には接しない４つの側面が後述する空間部３２３に対して露出している。拡散律速部３１５におけるこの露出部分が、ガスセンサ素子７の検知部７０のうち排ガス（測定対象ガス）を導入するためのガス導入部３２２となる。

つまり、ガスセンサ素子７の検知部７０におけるガス導入部３２２は、異なる４方向に向けて形成されている。
検知部７０のうち遮蔽層３１２やガス導入部３２２（拡散律速部３１５）の外側には、多孔質状のアルミナで形成された保護層１７が設けられている。

保護層１７は、拡散律速部３１５から離間した状態でガス導入部３２２を覆うように形成されている。具体的には、保護層１７は、検知部７０に対向する内面のうちガス導入部３２２に対向する部分に、空間部３２３を備えている。これにより、保護層１７と拡散律速部３１５との間に空間部３２３が存在することになり、保護層１７と拡散律速部３１５とは互いに離間した状態となる。

つまり、ガスセンサ素子７は、排ガス（測定対象ガス）が保護層１７および空間部３２３を介してガス導入部３２２に到達した後、その排ガスが拡散律速部３１５を介してガス測定室３１６に導入されるよう構成されている。

また、ガスセンサ素子７は、保護層１７と拡散律速部３１５との間に空間部３２３が存在しており、保護層１７と拡散律速部３１５とが互いに離間した状態で構成されるため、保護層１７に水が付着した場合に、いわゆる毛細管現象によって保護層１７から拡散律速部３１５に対して水が浸透することを抑制できる。

なお、保護層１７は、拡散律速部３１５よりも拡散抵抗が小さい多孔質材料で構成されている。
［１−３．ガスセンサの製造方法］
本実施形態の空燃比センサ１の製造方法について説明する。

ガスセンサ素子７を製造する場合、まず、ガスセンサ素子７の材料となる各種積層材料、即ち、素子部７１の第１固体電解質体３０９となる未焼成固体電解質シートや、絶縁層３０７の絶縁部３０７ａ，ヒータ７３の第１基体３０１および第２基体３０３となる未焼成絶縁シートなどを積層状態とし、未圧着積層体を得る。なお、この未圧着積層体には、電極パッド２５，２７，３１，３３となる未焼成電極パッドなどが形成されている。

これらのうち、例えば、未焼成固体電解質シートを形成する場合、まず、ジルコニアを主体とするセラミック粉末に対して、アルミナ粉末やブチラール樹脂などを加えて、さらに混合溶媒（トルエン及びメチルエチルケトン）を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成固体電解質シートが作製される。

また、未焼成絶縁シートを形成する場合、まず、アルミナを主体とするセラミック粉末に対して、ブチラール樹脂とジブチルフタレートとを加えて、更に混合溶媒（トルエン及びメチルエチルケトン）を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成絶縁シートが作製される。

なお、例えば、絶縁層３０７の絶縁部３０７ａについて、その高さ寸法（厚さ寸法）をより小さく形成する場合には、ドクターブレード法による未焼成絶縁シートを用いた製造方法に限られることはなく、スクリーン印刷を用いた製造方法を採用してもよい。つまり、上記のスラリーをスクリーン印刷によって印刷することで、ドクターブレード法によるシートに比べて厚さ寸法の小さいシートとして積層することが可能となる。

なお、大気導入部３０７ｂのように焼成後に空洞となる領域には、焼成により昇華または燃焼消失する介挿体（例えば、カーボンを主体とするペーストなど）を配置する。
さらに、未焼成の拡散律速部を形成する場合、まず、アルミナ粉末１００質量％及び可塑剤を湿式混合により分散したスラリーを生成する。可塑剤はブチラール樹脂及びＤＢＰからなる。このスラリーを用い、焼成後に拡散律速部３１５となる部位に、未焼成の拡散律速部を形成する。

そして、この未圧着積層体を１ＭＰａで加圧することにより、図５に示す様な圧着された成形体１４１を得る。
図５は、ガスセンサ素子の母材の製造方法に関する説明図であり、ガスセンサ素子の母材のうち素子部側ではなくヒータ側から見たときの外観を表している。

そして、加圧により得られた成形体１４１を、所定の大きさで切断することにより、ガスセンサ素子７の素子部７１およびヒータ７３と大きさが略一致する複数（例えば１０個）の未焼成積層体を得る。

その後、この未焼成積層体を樹脂抜きし、さらに焼成温度１５００℃にて、１時間で本焼成して、図６に示す様な焼成積層体１４３を得る。この焼成積層体１４３が、ガスセンサ素子７の素子部７１およびヒータ７３である。図６は、ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。

このようにして焼成積層体１４３を得た後、拡散律速部３１５の拡散抵抗（拡散律速特性）を所定の目標値となるように調整するためのトリミング作業を行う。トリミング作業としては、具体的には、多孔質部へのトリミング液の塗布作業や多孔質部の削り取り作業などを行う。

このようにして焼成積層体１４３を得た後、この焼成積層体１４３の先端側の周囲に、焼成後に空間部３２３を有する保護層１７（図４参照）となる未焼成保護層を形成する。
具体的には、まず、拡散律速部３１５が露出するガス導入部３２２を覆うように、カーボンを主体とするペーストを印刷する。つまり、焼成後に空間部３２３となる部位に対して、カーボンを主体とするペーストを印刷する。

そのあと、スピネル粉末とチタニアと残部がアルミナゾルで作成されたスラリーを作製し、そのスラリーを用いて、未焼成保護層を焼成積層体１４３の先端側に全周に渡って形成する。このときの形成手段としては、スプレーや塗布等を用いる。

その後、この未焼成保護層が形成された焼成積層体１４３を、焼成温度１０００℃、焼成時間３時間で熱処理を行い、カーボンが揮発することで、空間部３２３を有する保護層１７が形成されたガスセンサ素子７を得る。

このようにしてガスセンサ素子７を得た後、ガスセンサ素子７を主体金具５に組み付ける組付工程を行う。
即ち、この工程では、上記製造方法で作製されたガスセンサ素子７を金属ホルダ５１に挿入し、さらにガスセンサ素子７をセラミックホルダ４１、滑石リング４３で固定し、組み立て体を作製する。その後、この組み立て体を主体金具５に固定し、ガスセンサ素子７の軸線方向後端部側を滑石リング４５、セラミックスリーブ９に挿通させつつ、これらを主体金具５に挿入する。

そして、主体金具５の後端部４７にてセラミックスリーブ９を加締め、下部組立体を作製する。なお、下部組立体には、あらかじめプロテクタ５５が取付けられている。
一方、外筒５７、セパレータ１３、グロメット６１などを組みつけ、上部組立体を作製する。そして、下部組立体と上部組立体と接合し、空燃比センサ１を得る。

［１−４．測定］
次に、ガスセンサ素子７における大気導入部３０７ｂの導入部断面形状をいくつかのパターンに変更した場合において、ヒータ消費電力、通気量を測定した第１測定の測定結果について説明する。

なお、大気導入部３０７ｂの導入部断面形状とは、大気導入部３０７ｂのうちガスセンサ素子７の長手方向に垂直な断面形状であって、第１電極部３０８ａの配置位置における断面形状のことである。

本測定では、本発明の実施例として９種類のガスセンサ素子を用いており、比較例として４種類のガスセンサ素子を用いた。
各ガスセンサ素子における大気導入部３０７ｂのうち第１電極部３０８ａの配置位置（形成領域）における導入部断面形状の厚さ寸法（高さ寸法），幅寸法，アスペクト比，断面積を、それぞれ［表１］に示すと共に、９種類の実施例および４種類の比較例についての測定結果を示す。

なお、大気導入部３０７ｂの導入部断面形状における厚さ寸法（高さ寸法）は、図４における導入部厚さ寸法Ｈ１に相当し、大気導入部３０７ｂの導入部断面形状における幅寸法は、図４における導入部幅寸法Ｗ１に相当する。大気導入部３０７ｂの導入部断面形状における厚さ寸法（高さ寸法），幅寸法，アスペクト比，断面積については、上述の製造方法のうち、未焼成絶縁シートの寸法、スクリーン印刷の印刷寸法、介挿体シートの寸法などを調整することで、任意の数値に設定することが可能である。

また、各実施例のガスセンサ素子は、第１電極部３０８ａの配置位置（形成領域）における素子断面形状の厚さ寸法（高さ寸法）が１．２［ｍｍ］，幅寸法が３．６［ｍｍ］，アスペクト比が０．３３３，断面積が４．３２［ｍｍ^２］である。第１電極部３０８ａの高さ寸法（厚さ寸法）は、０．００２［ｍｍ］である。

なお、ここでのガスセンサ素子の素子断面形状とは、保護層１７を除いた素子部７１（遮蔽層３１２，拡散律速部３１５，第１固体電解質体３０９，絶縁部３０７ａ）およびヒータ７３（第２基体３０３，第１基体３０１）に相当する部分の断面形状である。また、ガスセンサ素子の素子断面形状における厚さ寸法（高さ寸法）は、図４における素子厚さ寸法Ｈ２に相当し、ガスセンサ素子の素子断面形状における幅寸法は、図４における素子幅寸法Ｗ２に相当する。ガスセンサ素子の素子断面形状は、図４に示すように、四角形である。

まず、ヒータ消費電力の測定については、センサ通常制御時（例えば、素子目標温度８００［℃］）におけるガスセンサ素子のヒータ消費電力に関して、比較例１のヒータ消費電力を基準としてヒータ消費電力が２０％以上低減したか否かを測定した。

そして、［表１］では、ヒータ消費電力が２０％以上低減した場合に○を示し、ヒータ消費電力が２０％未満しか低減しない場合に×を示すことで、測定結果を表す。
測定結果によれば、実施例については、実施例１〜９の全ての測定結果が○であり、ヒータ消費電力が２０％以上低減したことが判る。比較例については、比較例２，４は、測定結果が○でありヒータ消費電力が２０％以上低減したが、比較例３は、測定結果が×でありヒータ消費電力の低減量が２０％未満であることが判る。

この測定結果によれば、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の断面積が０．１４７［ｍｍ^２］以下のガスセンサ素子であれば、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の断面積が０．１６０［ｍｍ^２］である比較例３に比べて、ヒータ消費電力が２０％以上低減できることが判る。

また、この測定結果によれば、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．０８００以下のガスセンサ素子であれば、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．１０００である比較例１に比べて、ヒータ消費電力が２０％以上低減できることが判る。

さらに、大気導入部３０７ｂの高さ寸法が０．０８０［ｍｍ］以下のガスセンサ素子であれば、大気導入部３０７ｂの高さ寸法が０．１００［ｍｍ］である比較例１に比べて、ヒータ消費電力が２０％以上低減できることが判る。

また、通気量の測定については、大気導入部３０７ｂに導入可能な大気の量（通気量）がガス検出に必要な適正量以上であるか否かを測定した。具体的には、大気導入部３０７ｂに対して、ＪＩＳ Ｌ１０９６に準ずる定常流差圧測定方式で測定を実施した。

そして、［表１］では、通気量が適正量以上である場合に○を示し、通気量が適正量未満である場合に×を示すことで、測定結果を表す。
測定結果によれば、実施例１〜９の全ての測定結果が○であり、比較例１，２，３の測定結果が○であり、比較例４の測定結果が×である。

この測定結果によれば、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の断面積が０．０１５［ｍｍ^２］の実施例７では、通気量が適正量以上であり、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の断面積が０．００５［ｍｍ^２］の比較例４では、通気量が適正量未満であることが判る。

よって、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の断面積が０．０１５［ｍｍ^２］以上としたガスセンサ素子は、大気導入部３０７ｂに導入可能な大気の量（通気量）がガス検出に必要な適正量以上となっており、適切なガス検出が可能となる。

なお、比較例２は、導入部断面形状の断面積が０．０４５［ｍｍ^２］と、０．０１５［ｍｍ^２］以上となっているものの、導入部断面形状のアスペクト比が０．００５０と、０．００８２以下であるため、大気導入部３０７ｂの入口において大気が律速して導入されづらく、その結果、通気量が適正量未満となる。

なお、測定結果によれば、大気導入部３０７ｂのアスペクト比は、０．００８２〜０．０８００の範囲内であるとよい。また、大気導入部３０７ｂの断面積は、０．０１５〜０．１４７［ｍｍ^２］の範囲内であるとよい。さらに、大気導入部３０７ｂの厚さ寸法（高さ寸法）は、０．０１５〜０．０８０［ｍｍ］の範囲内であるとよい。

次に、ガスセンサ素子７の素子断面形状をいくつかのパターンに変更した場合において、ヒータ消費電力および素子強度を測定した第２測定の測定結果について説明する。
なお、ガスセンサ素子の素子断面形状とは、第１測定と同様に、保護層１７を除いた素子部７１およびヒータ７３に相当する部分の断面形状である。また、ガスセンサ素子の素子断面形状における厚さ寸法（高さ寸法）は、図４における素子厚さ寸法Ｈ２に相当し、ガスセンサ素子の素子断面形状における幅寸法は、図４における素子幅寸法Ｗ２に相当する。

なお、第２測定では、本発明の実施例として１１種類のガスセンサ素子を用いており、比較例として５種類のガスセンサ素子を用いた。
各ガスセンサ素子のうち第１電極部３０８ａの配置位置（形成領域）における素子断面形状の厚さ寸法（高さ寸法），幅寸法，アスペクト比，断面積を、［表２］に示すと共に、１１種類の実施例および５種類の比較例についての測定結果を示す。

なお、ガスセンサ素子の断面形状における厚さ寸法（高さ寸法），幅寸法，アスペクト比，断面積については、上述の製造方法のうち、未焼成固体電解質シート、未焼成絶縁シートの寸法、スクリーン印刷の印刷寸法、介挿体シートの寸法などを調整することで、任意の数値に設定することが可能である。

また、各実施例のガスセンサ素子における大気導入部３０７ｂのうち第１電極部３０８ａの配置位置（形成領域）における導入部断面形状の厚さ寸法（高さ寸法），幅寸法，アスペクト比，断面積は、第１測定における実施例３と同一の構成である。

まず、ヒータ消費電力の測定については、センサ通常制御時（例えば、素子目標温度８００［℃］）におけるガスセンサ素子のヒータ消費電力に関して、比較例１１のヒータ消費電力を基準としてヒータ消費電力が２０％以上低減したか否かを測定した。

そして、［表２］では、ヒータ消費電力が２０％以上低減した場合に○を示し、ヒータ消費電力の低減量が２０％未満である場合に×を示すことで、測定結果を表す。
測定結果によれば、実施例については、実施例１１〜２１の全ての測定結果が○であり、ヒータ消費電力が２０％以上低減したことが判る。また、比較例については、比較例１３，１５は、測定結果が○でありヒータ消費電力が２０％以上低減しており、比較例１２，１４は、測定結果が×でありヒータ消費電力の低減量が２０％未満であることが判る。

この測定結果によれば、ガスセンサ素子における素子断面形状のアスペクト比が０．４００以下であり、かつ、素子断面形状の断面積が４．３２［ｍｍ^２］以下であることで、比較例１に比べて、ヒータ消費電力が２０％以上低減できることが判る。さらにガスセンサ素子における素子断面形状の幅寸法が３．６［ｍｍ］以下であることで、比較例１に比べて、ヒータ消費電力が２０％以上低減できることが判る。

また、素子強度の測定については、ガスセンサ素子に対して外力を加えた場合に素子が破損するか否かを測定した。
測定方法は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じ、具体的には、４０［Ｎ／ｍｍ^２］の外力を１０［ｓｅｃ］にわたりガスセンサ素子に加えて、素子表面にクラックなどの破損が生じるか否かを測定した。

そして、［表２］では、破損が生じていない場合に○を示し、破損が生じた場合に×を示すことで、測定結果を表す。
測定結果によれば、実施例１１〜２１の全ての測定結果が○であり、比較例１１、１２，１４の測定結果が○であり、比較例１３．１５の測定結果が×である。

この測定結果によれば、ガスセンサ素子における素子断面形状のアスペクト比が０．１１１以上であり、かつ、素子断面形状の断面積が０．８０［ｍｍ^２］以上であることで、ガスセンサ素子の強度を確保でき、ガスセンサ素子の破損を抑制できることが判る。また、この測定結果によれば、さらにガスセンサ素子における素子断面形状の幅寸法が２．０［ｍｍ］以上であることで、ガスセンサ素子の強度を確保でき、ガスセンサ素子の破損を抑制できることが判る。

なお、測定結果によれば、ガスセンサ素子の素子断面形状のアスペクト比は、０．１１１〜０．４００の範囲内であるとよい。また、ガスセンサ素子の素子断面形状の断面積は、０．８０〜４．３２［ｍｍ^２］の範囲内であるとよい。さらに、ガスセンサ素子における素子断面形状の幅は、２．０〜３．６［ｍｍ］の範囲内であるとよい。

［１−５．効果］
以上説明したように、本実施形態の空燃比センサ１におけるガスセンサ素子７は、絶縁層３０７の後端側に開口部３０７ｃを有しており、開口部３０７ｃで外部と連通している大気導入部３０７ｂを備えている。

大気導入部３０７ｂのうちガスセンサ素子７の長手方向に垂直な断面でみたときの第１電極部３０８ａの配置位置における導入部断面形状は略四角形である。
上述の表１の測定結果に示すように、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．０８００以下であり、かつ、導入部断面形状の断面積が０．１４７［ｍｍ^２］以下であることで、ガスセンサ素子７の全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上する。これにより、ガスセンサ素子７を加熱するためのヒータ消費電力を低減できる。

また、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状のアスペクト比が０．００８２以上であり、かつ、導入部断面形状の断面積が０．０１５［ｍｍ^２］以上であることで、大気を十分に導入でき、第１電極部３０８ａに対する大気の供給量が不足することを抑制できる。

導入部断面形状における高さ寸法、断面積、アスペクト比が上記のように規定されたガスセンサ素子７であれば、ガスセンサ素子７を加熱するためのヒータ消費電力を低減できるとともに、第１電極部３０８ａに対する大気の供給量が不足するのを抑制できる。

よって、本実施形態のガスセンサ素子７によれば、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部７０の第１電極部３０８ａに対して大気を十分に供給できる。また、このガスセンサ素子７を備える空燃比センサ１についても、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部７０の第１電極部３０８ａに対して大気を十分に供給できる。

また、ガスセンサ素子７においては、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の高さ寸法が０．０８０［ｍｍ］以下であることで、ガスセンサ素子７の全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減できる。

ガスセンサ素子７においては、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の高さが０．０１５［ｍｍ］以上であることで、大気を十分に導入でき、第１電極部３０８ａ（基準電極）に対する大気の供給量が不足することを抑制できる。

このことからも、ガスセンサ素子７によれば、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減しつつ、検知部７０の第１電極部３０８ａ（基準電極）に対して大気を十分に供給できる。

次に、ガスセンサ素子７における長手方向に垂直な断面形状のうち、検知部７０の形成位置における素子断面形状は略四角形である。
上述の表２の測定結果に示すように、ガスセンサ素子７における素子断面形状のアスペクト比が０．４００以下であり、かつ、素子断面形状の断面積が４．３２［ｍｍ^２］以下であることで、ガスセンサ素子７の全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、ガスセンサ素子７を加熱するためのヒータ消費電力を低減できる。

また、ガスセンサ素子７における素子断面形状のアスペクト比が０．１１１以上であり、かつ、素子断面形状の断面積が０．８０［ｍｍ^２］以上であることで、ガスセンサ素子７の強度を確保でき、ガスセンサ素子７の破損を抑制できる。

素子断面形状における高さ寸法、断面積、アスペクト比が上記のように規定されたガスセンサ素子７であれば、ガスセンサ素子７を加熱するためのヒータ消費電力を低減することができ、また、ガスセンサ素子７の強度を確保してガスセンサ素子７の破損を抑制することができる。

よって、本実施形態のガスセンサ素子７によれば、ガスセンサ素子を加熱するためのヒータ消費電力を低減しつつ、ガスセンサ素子の強度を確保してガスセンサ素子の破損を抑制できる。

また、ガスセンサ素子７においては、素子断面形状の幅寸法が３．６［ｍｍ］以下であることで、ガスセンサ素子７の全体としての熱容量の増大を抑制でき、熱伝導効率が向上するため、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減できる。

ガスセンサ素子７における素子断面形状の幅寸法が２．０［ｍｍ］以上であることで、ガスセンサ素子７の強度を確保でき、ガスセンサ素子７の破損を抑制できる。
このことからも、ガスセンサ素子７によれば、ガスセンサ素子７を加熱するための消費電力を低減しつつ、ガスセンサ素子７の強度を確保してガスセンサ素子７の破損を抑制できる。

また、表１に示す実施例１〜９のいずれのガスセンサ素子においても、第１電極部３０８ａの高さ寸法（厚さ寸法）は、大気導入部３０７ｂにおける導入部断面形状の高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下である。

このように、第１電極部３０８ａは、その高さ寸法が、導入部断面形状の高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下であれば、大気導入部３０７ｂの内面のうち第１電極部３０８ａの形成面に対向する対向面（第２基体３０３）との隙間を確保できる。このように、第１電極部３０８ａと対向面（第２基体３０３）との間に隙間を確保することで、第１電極部３０８ａのうち大気に接触する面積を大きく確保でき、大気中の特定ガス濃度（酸素）を基準とする基準電極を確実に形成できる。

さらに、本実施形態においては、第１電極部３０８ａの高さ寸法（厚さ寸法）は、０．００２［ｍｍ］である。
第１電極部３０８ａは、その高さ寸法が０．００２［ｍｍ］以上であれば、特定ガス（酸素）との反応に必要な体積を確保でき、第２電極部３１０ａとの間で起電力を発生する電極としての機能を発揮できる。

よって、本実施形態のガスセンサ素子によれば、第１電極部３０８ａのうち大気に接触する面積を大きく確保できるとともに、第２電極部３１０ａと第１電極部３０８ａとの間に特定ガス（酸素）に応じた起電力を発生できる。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
ガスセンサ素子７がセンサ素子の一例に相当し、空燃比センサ１がセンサの一例に相当し、第２電極部３１０ａが測定電極の一例に相当し、第１電極部３０８ａが基準電極の一例に相当し、第１固体電解質体３０９が固体電解質体の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
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、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、第１電極部３０８ａ（基準電極）の高さ寸法は、０．００２［ｍｍ］に限られることはなく、０．００２［ｍｍ］以上、かつ、大気導入部における導入部断面形状の高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下の範囲内で、任意の値を採ることができる。

また、大気導入部は、完全な空洞の構成に限られることはなく、大気を導入可能な多孔質体が充填された構成であってもよい。この場合、大気導入部に充填される多孔質体は、基準電極に対して確実に大気を供給するために、気孔率が少なくとも１０％以上であればよい。また、大気導入部への大気の導入量を多く確保するためには、大気導入部に充填される多孔質体の気孔率は、３０％以上であればよい。さらに、基準電極に対して多量の大気を供給する必要のある用途においては、大気導入部に充填される多孔質体の気孔率は、５０％以上であればよい。

このように大気導入部に多孔質体が充填される構成のセンサ素子においては、導入部断面形状は、多孔質体および基準電極の配置領域に相当する。
また、測定対象ガスは、内燃機関の排気ガスに限られることはなく、他の任意のガスであってもよく、さらに、特定ガスは、酸素に限られることはなく、任意のガスであっても良い。

また、本実施形態ではいわゆる１セルタイプのセンサ素子を用いて説明したが、これに限られず、複数のセルで構成されたセンサ素子においても本発明は適用可能である。

１…空燃比センサ、５…主体金具、７…ガスセンサ素子、１７…保護層、７０…検知部、７１…素子部（酸素ポンプセル）、７３…ヒータ、３０１…第１基体、３０２…発熱体、３０３…第２基体、３０７…絶縁層、３０７ａ…絶縁部、３０７ｂ…大気導入部、３０７ｃ…開口部、３０８…第１電極、３０８ａ…第１電極部、３０８ｂ…第１リード部、３０９…第１固体電解質体、３１０…第２電極、３１０ａ…第２電極部、３１０ｂ…第２リード部、３１５…拡散律速部、３１６…ガス測定室、３２２…ガス導入部、３２３…空間部。

Claims (6)

1. 長手方向に延びる板形状に形成されて、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子であって、
   当該センサ素子における前記長手方向の先端側に設けられる検知部と、
   開口部を有し、当該開口部から前記検知部の形成位置まで繋がる長手方向に延びる長孔として形成され、当該開口部から大気を導入する大気導入部と、
   を備えており、
   前記検知部は、前記測定対象ガスに晒される測定電極と、前記大気導入部に配置される基準電極と、前記測定電極および前記基準電極のそれぞれに接触する板状の固体電解質体と、を備えており、
   当該センサ素子の前記長手方向に垂直な断面でみたときの前記基準電極の配置位置における前記大気導入部の導入部断面形状において、
   前記導入部断面形状のアスペクト比は０．００８２〜０．０８００の範囲内であり、
   前記導入部断面形状の断面積は０．０１５〜０．１４７［ｍｍ^２］の範囲内であること、
   を特徴とするセンサ素子。
2. 前記導入部断面形状のうち前記固体電解質体の板面に垂直な高さ寸法は０．０１５〜０．０８０［ｍｍ］の範囲内であること、を特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
3. 当該センサ素子における前記長手方向に垂直な断面でみたときの、前記検知部の形成位置における前記センサ素子の素子断面形状において、
   前記素子断面形状のアスペクト比は０．１１１〜０．４００の範囲内であり、
   前記素子断面形状の断面積は０．８０〜４．３２［ｍｍ^２］の範囲内であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ素子。
4. 前記素子断面形状のうち前記センサ素子の板面に平行な幅寸法は２．０〜３．６［ｍｍ］の範囲内であること、を特徴とする請求項３に記載のセンサ素子。
5. 前記基準電極のうち前記固体電解質体の板面に垂直な高さ寸法は、０．００２［ｍｍ］以上であり、かつ、前記導入部断面形状の前記高さ寸法から０．００５［ｍｍ］を差し引いた差分値以下であること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のセンサ素子。
6. 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子と、
   長手方向に延びる板形状に形成され、少なくとも前記検知部を加熱するヒータと、
   前記センサ素子を保持する筒状の主体金具と、
   を備えるセンサであって、
   前記センサ素子は、請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のセンサ素子であること、
   を特徴とするセンサ。