JP2016130689A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層の開口を跨ぐ電極部の断線や電気抵抗の上昇を防止したガスセンサ素子及びガスセンサを提供する。【解決手段】固体電解質体１３１上に配置されて開口１３８ｂを有する絶縁層１３８と、開口を通して固体電解質体上に接して設けられると共に、開口を跨ぐように絶縁層上に延びる電極部１３３と、電極部に接続されるリード部１３５とを有するガスセンサ素子１０であって、電極部は、絶縁層上に配置された外周電極部１３３ａと、外周電極部の内側に形成されて開口の周縁１３８ｂｅの少なくとも一部を跨ぐ隆起１３３ｂと、隆起部の内側に形成されて開口を通して固体電解質体上に接して配置された主電極部１３３ｃとを一体に有し、電極部の積層方向に沿う断面を見たとき、隆起部は、外周電極部からさらに立ち上がるように形成されており、隆起部の最大厚みｔ１は外周電極部の厚みｔ２よりも厚く、リード部は隆起部に電気的に接続する。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来、自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス（測定対象ガス）中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知するガスセンサが知られている（特許文献１）。このガスセンサを構成するガスセンサ素子として、板状の固体電解質体が複数積層されてなるガスセンサ素子が用いられている。図９に示すように、このガスセンサ素子１０００は、固体電解質体１３１０の表面に設けられた一対の電極１３２０、１３３０と、各電極１３２０、１３３０にそれぞれ接続されたリード部１３４０，１３５０とを備えている。ここで、上記電極１３２０、１３３０のうち、固体電解質体１３１０と直接接する部位がガス濃度を検知する感応部として機能する。従って、固体電解質体１３１０と直接接する電極１３２０、１３３０の面積を一定とし、ガスセンサ素子１０００の特性を一定に保ってガス濃度を精度良く検知する必要がある。
このため、固体電解質体１３１０と各電極１３２０、１３３０との間に一定の大きさの開口１３８０ａ、１３８０ｂを有する絶縁層１３８０を介装し、各開口１３８０ａ、１３８０ｂを通して固体電解質体１３１０上に各電極１３２０、１３３０が直接接するように構成されている。そして、絶縁層１３８０上に、開口１３８０ａ、１３８０ｂの周縁を跨ぐように電極材料をペースト印刷し、絶縁層１３８０上にはみ出した電極１３２０、１３３０の外周部にリード部１３４０，１３５０の先端を電気的に接続している。

特開２０１４−１４９２８７号公報

ところが、絶縁層１３８０の開口１３８０ｂの周縁は角部となっていてペーストが付き回り難いため、図１０に示すように、開口１３８０ｂの周縁上の部位Ｔｈで電極１３３０の厚みが薄くなって電気抵抗が高くなったり、この部位で電極１３３０が形成されずに断線するおそれがある。

そこで、本発明は、絶縁層の開口を跨ぐように固体電解質体上に電極部を設ける際に、電極部の断線や電気抵抗の上昇を防止し、さらに電極部とリード部との間の断線や電気抵抗の上昇を防止したガスセンサ素子及びガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子は、固体電解質体と、該固体電解質体上に配置されると共に、開口を有する絶縁層と、前記開口を通して前記固体電解質体上に接して設けられると共に、前記開口を跨ぐように前記絶縁層上に延びる電極部と、前記電極部に接続されると共に、前記絶縁層の表面に延びるリード部とを有するガスセンサ素子であって、前記電極部は、前記絶縁層上に配置された外周電極部と、該外周電極部の内側に形成されて前記開口の周縁の少なくとも一部を跨ぐ隆起部と、該隆起部の内側に形成されて前記開口を通して前記固体電解質体上に接して配置された主電極部とを一体に有し、前記電極部の積層方向に沿う断面を見たとき、前記隆起部は、前記外周電極部からさらに立ち上がるように形成されており、前記隆起部の最大厚みは前記外周電極部の厚みよりも厚く、前記リード部は前記隆起部に電気的に接続する。
このガスセンサ素子によれば、ペーストが付き回り難い角部となる絶縁層の開口の周縁に電極部のペーストの印刷等の際に厚みが薄い部位が生じても、電極部のペーストの２回塗りに起因する隆起部がこの周縁を跨いで薄い部位を覆って厚みを補うので、最終的に得られる電極部の厚みが薄くなって電気抵抗が高くなったり、断線するのを防止することができる。
ここで、隆起部を設けた部分の電極部厚みが厚くなると、隆起部を設けなかった部分との厚みに差ができる。このように厚みに差がある場合、焼成時の熱収縮の差に起因する断線が隆起部の境界に発生する可能性があるが、このガスセンサ素子のように、リード部が隆起部との境界を越え、隆起部で電気的に接続する為、電極部とリード部の導通を確保する事ができる。ここで、リード部としては、緻密の方が多孔質のものよりも導通性が高いので、好ましい

本発明のガスセンサ素子において、前記主電極部の最小厚みが前記絶縁層の厚みよりも薄くてもよい。
このガスセンサ素子では、電極部自体が薄いので、絶縁層の開口の周縁で電極部の厚みが薄い部位がより生じ易くなるので、本発明がさらに有効となる。

本発明のガスセンサ素子において、前記リード部の幅は、前記隆起部上で前記絶縁層上よりも狭くなっていてもよい。
このガスセンサ素子によれば、リード部の先端側の狭幅の部位をより確実に隆起部上に配置し易くなるので、電極部とリード部がより一層断線し難い。

本発明のガスセンサは、前記ガスセンサ素子を有する。

この発明によれば、ガスセンサ素子の絶縁層の開口を跨ぐように固体電解質体上に電極部を設ける際に、電極部の断線や電気抵抗の上昇を防止し、さらに電極部とリード部との間の断線や電気抵抗の上昇を防止することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）の軸線方向に沿う断面図である。 ガスセンサ素子の軸線方向に沿う断面図である。 ガスセンサ素子のＩｐ２−電極近傍の分解斜視図である。 Ｉｐ２−電極及びＩｐ２−リードの上面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図６の変形例を示す断面図である。 Ｉｐ２−電極の製造方法を示す工程図である。 従来のガスセンサ素子の電極近傍の分解斜視図である。 図９のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）１の縦断面図（軸線ＡＸに沿って切断した断面図）、図２は、ガスセンサ素子１０の軸線ＡＸに沿う断面図、図３はガスセンサ素子のＩｐ２−電極１３３近傍の分解斜視図である。

ガスセンサ１は、測定対象ガスである排ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を検出可能なガスセンサ素子１０を備え、内燃機関の排気管（図示なし）に装着されて使用されるＮＯｘセンサである。このガスセンサ１は、排気管に固定するためのネジ部２１が外表面の所定位置に形成された筒状の主体金具２０を備える。ガスセンサ素子１０は、軸線ＡＸ方向に延びる細長板状をなし、主体金具２０の内側に保持されている。
さらに詳しくは、ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋ（図１において上端の部位）が挿入される挿入孔６２を有する保持部材６０と、この保持部材６０の内側に保持された６個の端子部材とを備える。なお、図１では、６個の端子部材のうち２個の端子部材（具体的には、端子部材７５，７６）のみを図示している。

ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋには、平面視矩形状の電極端子部１３〜１８（図１では、電極端子部１４、１７のみ図示）が合計６個形成されている。電極端子部１３〜１８には、それぞれ、前述の端子部材が弾性的に当接して電気的に接続している。例えば、電極端子部１４には、端子部材７５の素子当接部７５ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。また、電極端子部１７には、端子部材７６の素子当接部７６ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。
さらに、６個の端子部材（端子部材７５，７６など）には、それぞれ、異なるリード線７１が電気的に接続されている。例えば、図１に示すように、端子部材７５のリード線把持部７７によって、リード線７１の芯線が加締められて把持される。また、端子部材７６のリード線把持部７８によって、他のリード線７１の芯線が加締められて把持される。

主体金具２０は、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔２３を有する筒状部材である。この主体金具２０は、径方向内側に突出する形態で貫通孔２３の一部を構成する棚部２５を有している。主体金具２０は、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを自身の先端側外部（図１において下方）に突出させると共に、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを自身の後端側外部（図１において上方）に突出させた状態で、ガスセンサ素子１０を貫通孔２３内に保持している。
また、主体金具２０の貫通孔２３の内部には、環状のセラミックホルダ４２、滑石粉末を環状に充填してなる２つの滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が配置されている。詳細には、ガスセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ４２、滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が、この順に、主体金具２０の軸線方向先端側（図１において下端側）から軸線方向後端側（図１において上端側）にわたって重ねて配置されている。

また、セラミックホルダ４２と主体金具２０の棚部２５との間には、金属カップ４１が配置されている。また、セラミックスリーブ４５と主体金具２０のカシメ部２２との間には、加締リング４６が配置されている。なお、主体金具２０のカシメ部２２が、加締リング４６を介してセラミックスリーブ４５を先端側に押し付けるように、加締められている。
主体金具２０の先端部２０ｂには、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを覆うように、複数の孔を有する金属製（具体的にはステンレス）の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具２０の後端部には、外筒５１が溶接によって取り付けられている。外筒５１は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなし、ガスセンサ素子１０を包囲している。

保持部材６０は、絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、軸線ＡＸ方向に貫通する挿入孔６２を有する筒状部材である。挿入孔６２内には、前述した６個の端子部材（端子部材７５，７６など）が配置されている（図１参照）。保持部材６０の後端部には、径方向外側に突出する鍔部６５が形成されている。保持部材６０は、鍔部６５が内部支持部材５３に当接する態様で、内部支持部材５３に保持されている。なお、内部支持部材５３は、外筒５１のうち径方向内側に向けて加締められた加締部５１ｇにより、外筒５１に保持されている。
保持部材６０の後端面６１上には、絶縁部材９０が配置されている。絶縁部材９０は、電気絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、円筒状をなす。この絶縁部材９０には、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔９１が合計６個形成されている。この貫通孔９１には、前述した端子部材のリード線把持部（リード線把持部７７，７８など）が配置されている。

また、外筒５１のうち軸線方向後端部（図１において上端部）に位置する後端開口部５１ｃの径方向内側には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材７３が配置されている。この弾性シール部材７３には、軸線ＡＸ方向に延びる円筒状の挿通孔７３ｃが、合計６個形成されている。各々の挿通孔７３ｃは、弾性シール部材７３の挿通孔面７３ｂ（円筒状の内壁面）によって構成されている。各々の挿通孔７３ｃには、リード線７１が１本ずつ挿通されている。各々のリード線７１は、弾性シール部材７３の挿通孔７３ｃを通じて、ガスセンサ１の外部に延出している。弾性シール部材７３は、外筒５１の後端開口部５１ｃを径方向内側に加締めることで径方向に弾性圧縮変形し、これにより、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとを密着させて、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとの間を水密に封止している。

一方、図２に示すように、ガスセンサ素子１０は、板状の固体電解質体１１１、１２１、１３１と、これらの間に配置された絶縁体１４０、１４５とを備え、これらが積層方向に積層された構造を有する。さらに、ガスセンサ素子１０には、固体電解質体１３１の裏面側に、ヒータ１６１が積層されている。このヒータ１６１は、アルミナを主体とする板状の絶縁体１６２、１６３と、その間に埋設されたヒータパターン１６４（Ｐｔを主体としている）とを備えている。

固体電解質体１１１、１２１、１３１は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１１１の表面側には、多孔質のＩｐ１＋電極１１２が設けられている。また、固体電解質体１１１の裏面側には、多孔質のＩｐ１−電極１１３が設けられている。Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１−電極１１３は、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されており、ガス透過性及び透水性を有している。
又、Ｉｐ１＋電極１１２にはＩｐ１＋リードが接続されている（図示せず）。又、Ｉｐ１−電極１１３にはＩｐ１−リード（図示せず）が接続されている。Ｉｐ１＋リード及びＩｐ１−リードは、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されているが、Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１−電極１１３と異なり、緻密に形成されている。このため、Ｉｐ１＋リード及びＩｐ１−リードは、非透水性を有している。
また、Ｉｐ１＋電極１１２（とＩｐ１＋リード）の表面側（図２において上面側）の一部には、Ｉｐ１＋電極１１２を覆うようにしてアルミナ等からなるガス非透過性の保護層１１５が積層されている。なお、本実施形態では、Ｉｐ１＋電極１１２の側面からポンピングした酸素を出し入れするが、例えばＩｐ１＋電極１１２上の保護層１１５をくり貫いてガス透過性の多孔質層を配置し、Ｉｐ１＋電極１１２の上面からポンピングした酸素を出し入れしてもよい。

固体電解質体１１１及び電極１１２、１１３は、Ｉｐ１セル１１０（第１ポンプセル）を構成する。このＩｐ１セル１１０は、電極１１２、１１３間に流すポンプ電流Ｉｐ１に応じて、電極１１２の接する雰囲気（ガスセンサ素子１０の外部の雰囲気）と電極１１３の接する雰囲気（後述する第１測定室１５０内の雰囲気）との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

固体電解質体１２１は、絶縁体１４０を挟んで、固体電解質体１１１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１２１の表面側（図２において上面側）には、多孔質のＶｓ−電極１２２が設けられている。また、固体電解質体１２１の裏面側（図２において下面側）には、多孔質のＶｓ＋電極１２３が設けられている。Ｖｓ−電極１２２及びＶｓ＋電極１２３は、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されており、ガス透過性及び透水性を有している。
又、Ｖｓ−電極１２２にはＶｓ−リード（図示せず）が接続され、Ｖｓ＋電極１２３にはＶｓ＋リード（図示せず）が接続されている。Ｖｓ−リード及びＶｓ＋リードは、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されているが、Ｖｓ−リードはＶｓ−電極１２２及びＶｓ＋電極１２３と異なり、緻密に形成されている。このため、Ｖｓ−リードは、非透水性を有している。一方Ｖｓ＋リードはＶｓ＋電極１２３及びＶｓ−電極１２２と同時に形成されるため、多孔質に形成されている。

固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間には、ガスセンサ素子の内部空間としての第１測定室１５０が形成されている。この第１測定室１５０は、排気通路内を流通する排ガスが、ガスセンサ素子１０内に最初に導入される内部空間であり、ガス透過性及び透水性を有する第１多孔質体（図示なし）を通じてガスセンサ素子１０の外部と連通している。第１多孔質体１５１は、ガスセンサ素子１０の外部との仕切りとして、第１測定室１５０の側方に設けられており、第１測定室１５０内への排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
第１測定室１５０の後端側（図２において右側）には、第１測定室１５０と後述する第２測定室１６０との間の仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第２多孔質体１５２が設けられている。

固体電解質体１２１及び電極１２２、１２３は、Ｖｓセル１２０を構成する。このＶｓセル１２０は、主として、固体電解質体１２１により隔てられた雰囲気（電極１２２の接する第１測定室１５０内の雰囲気と、電極１２３の接する基準酸素室１７０内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。

固体電解質体１３１は、絶縁体１４５を挟んで、固体電解質体１２１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１３１の表面側（図２において上面側）には、多孔質のＩｐ２＋電極１３２と多孔質のＩｐ２−電極１３３が設けられている。Ｉｐ２＋電極１３２及びＩｐ２−電極１３３は、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されており、ガス透過性及び透水性を有している。
又、Ｉｐ２＋電極１３２にはＩｐ２＋リード１３４（図３参照）が接続され、Ｉｐ２−電極１３３にはＩｐ２−リード１３５（図３参照）が接続されている。Ｉｐ２＋リード１３４及びＩｐ２−リード１３５は、Ｐｔ粉末とセラミック粉末とを含むサーメットにより形成されている。Ｉｐ２＋リード１３４はＩｐ２＋電極１３２及びＩｐ２−電極１３３と同時に形成されるため、多孔質に形成されている。このため、Ｉｐ２＋リード１３４は、ガス透過性及び透水性を有している。。一方Ｉｐ２−リード１３５はＩｐ２＋電極１３２及びＩｐ２−電極１３３と異なり、緻密に形成されている。このため、Ｉｐ２−リードは、非透水性を有している。

Ｉｐ２＋電極１３２とＶｓ＋電極１２３との間には、孤立した小空間としての基準酸素室１７０が形成されている。この基準酸素室１７０は、絶縁体１４５に形成されている開口部１４５ｂにより構成されている。なお、基準酸素室１７０内のうちＩｐ２＋電極１３２側には、セラミックス製の多孔質体が配置されている。
また、Ｉｐ２−電極１３３と積層方向に対向する位置には、ガスセンサ素子の内部空間としての第２測定室１６０が形成されている。この第２測定室１６０は、絶縁体１４５を積層方向に貫通する開口部１４５ｃと、固体電解質体１２１を積層方向に貫通する開口部１２５と、絶縁体１４０を積層方向に貫通する開口部１４１とにより構成されている。
第１測定室１５０と第２測定室１６０とは、ガス透過性及び透水性を有する第２多孔質体１５２を通じて連通している。従って、第２測定室１６０は、第１多孔質体１５１、第１測定室１５０、及び第２多孔質体１５２を通じて、ガスセンサ素子１０の外部と連通している。

固体電解質体１３１及び電極１３２、１３３は、ＮＯｘ濃度を検知するためのＩｐ２セル１３０（第２ポンプセル）を構成する。このＩｐ２セル１３０は、第２測定室１６０内で分解されたＮＯｘ由来の酸素（酸素イオン）を、固体電解質体１３１を通じて、基準酸素室１７０に移動させる。このとき、電極１３２及び電極１３３の間には、第２測定室１６０内に導入された排ガス（測定対象ガス）に含まれるＮＯｘの濃度に応じた電流が流れる。

なお、本実施形態では、次のようにして、各電極１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３を形成している。具体的には、まず、１００重量部のＰｔ粉末と１４重量部のセラミック粉末と１０重量部の有機バインダー（例えば、エチルセルロース）を混合し、この混合物に対し所定量の溶媒を加えて、電極用ペーストを作製する。次いで、この電極用ペーストを対応する固体電解質体の表面側及び裏面側に塗工する。その後、加熱により有機バインダを消失させて、多孔質の各電極１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３が形成される。

又、本実施形態では、次のようにして、各電極１１２、１１３、１２２、１３３に接続される上記した各リードを形成している。具体的には、まず、１００重量部のＰｔ粉末と１８重量部のセラミック粉末と５重量部の有機バインダー（例えば、エチルセルロース）を混合し、この混合物に対し所定量の溶媒を加えて、リード用ペーストを作製する。次いで、このリード用ペーストを対応する固体電解質体の表面側及び裏面側に塗工する。その後、加熱により有機バインダを消失させて、各リードが形成される。
ところで、各電極１１２、１１３、１２２、１３３に接続されるリード用ペーストは、前述の電極用ペーストに比べて、有機バインダーの添加量を少量（約半分の量）にしている。このように、加熱により消失して内部空孔を形成する有機バインダの添加量を少量とすることで、内部空孔の少ない緻密なリードが形成される。一方、各電極１２３、１３２に接続されるリード用ペーストは電極用ペーストと同じものを用いて、電極用ペーストと同時に形成される。

又、本実施形態では、固体電解質体１１１の表面上のＩｐ１＋電極１１２を除く部位に、アルミナ絶縁層１１８が形成され、Ｉｐ１＋電極１１２はアルミナ絶縁層１１８を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１１１と接触する。
さらに、固体電解質体１１１の裏面上のＩｐ１−電極１１３を除く部位には、アルミナ絶縁層１１９が形成され、Ｉｐ１−電極１１３はアルミナ絶縁層１１９を積層方向に貫通する貫貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１１１と接触する。

さらに、本実施形態では、固体電解質体１２１の表面上のＶｓ−電極１２２を除く部位に、アルミナ絶縁層１２８が形成され、Ｖｓ−電極１２２はアルミナ絶縁層１２８を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１２１と接触する。
さらに、固体電解質体１２１の裏面上のＶｓ＋電極１２３を除く部位に、アルミナ絶縁層１２９が形成され、Ｖｓ＋電極１２３はアルミナ絶縁層１２９を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１２１と接触する。

さらに、本実施形態では、固体電解質体１３１の表面上のＩｐ２＋電極１３２を除く部位に、アルミナ絶縁層１３８が形成され、Ｉｐ２＋電極１３２はアルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔１３８ａ（図３参照）を通じて、固体電解質体１３１と接触する。さらに、固体電解質体１３１の表面上のＩｐ２−電極１３３を除く部位にも、アルミナ絶縁層１３８が形成され、電極１３３はアルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔１３８ｂ（図３参照）を通じて、固体電解質体１３１と接触する。
なお、Ｉｐ２−電極１３３は、電極本体部１３３ｙと、電極本体部１３３ｙのＩｐ２−リード１３５側の部位に重ねられる補強部１３３ｘとからなるが、電極本体部１３３ｙと補強部１３３ｘは電極の焼成後は一体となってＩｐ２−電極１３３を構成する。

以上のように、電極１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３のうち、各アルミナ絶縁層の貫通孔を通して対応する固体電解質体に接触させることで、実際に感応部として機能させる電極の面積を一定とすることができ、測定対象であるガス濃度を精度良く検知することが可能となる。なお、各リードは、対応する電極１１２、１１３、１２２、１３３とは電気特性が異なるため、リードやこれと接続した接続部の一部が固体電解質と接触する構成とした場合は、接触させない本実施形態と比べて、ガス濃度の検知精度が劣ることになる。

ここで、本実施形態のガスセンサ１によるＮＯｘ濃度検知について、簡単に説明する。
ガスセンサ素子１０の固体電解質体１１１、１２１、１３１は、ヒータパターン１６４の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、及びＩｐ２セル１３０が動作するようになる。
排気通路（図示なし）内を流通する排ガス（測定対象ガス）は、第１多孔質体（図示なし）による流通量の制限を受けつつ第１測定室１５０内に導入される。このとき、Ｖｓセル１２０には、電極１２３側から電極１２２側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第１測定室１５０内の電極１２２から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体１２１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、電極１２２、１２３間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１測定室１５０内の酸素が基準酸素室１７０内に送り込まれる。

第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、ガスセンサ素子１０の外部から第１測定室１５０内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、第１測定室１５０内からガスセンサ素子１０外部へ酸素の汲み出しを行う。
このように、第１測定室１５０において酸素濃度が調整された排ガスは、第２多孔質体１５２を通じて、第２測定室１６０内に導入される。第２測定室１６０内で電極１３３と接触した排ガス中のＮＯｘは、電極１３２、１３３間に電圧Ｖｐ２を印加されることで、電極１３３上で窒素と酸素に分解（還元）され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体１３１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。このとき、第１測定室１５０で汲み残された残留酸素も同様に、Ｉｐ２セル１３０によって基準酸素室１７０内に移動する。これにより、Ｉｐ２セル１３０には、ＮＯｘ由来の電流及び残留酸素由来の電流が流れる。
なお、基準酸素室１７０内に移動した酸素イオンは、基準室内に接するＶｓ＋電極１２３とＶｓ＋リード、及びＩｐ２＋電極１３２とＩｐ２＋リードを介して外部（大気）に放出される。このため、Ｖｓ＋リード及びＩｐ２＋リードは多孔質となっている。

ここで、第１測定室１５０で汲み残された残留酸素の濃度は、上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、ＮＯｘ由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流は、ＮＯｘ濃度に比例することとなる。従って、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値に基づいて、排ガス中のＮＯｘ濃度を検知することができる。

本実施形態では、固体電解質体１３１、アルミナ絶縁層１３８、Ｉｐ２−電極１３３、Ｉｐ２−リードが、特許請求の範囲に記載の「固体電解質体」、「絶縁層」、「電極部」、「リード部」にそれぞれ相当する。
そこで、図４〜図８を参照し、Ｉｐ２−電極１３３及びＩｐ２−リードの詳細な構成及び作用について説明する。図４はＩｐ２−電極１３３及びＩｐ２−リード１３５の上面図、図５は図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、図６は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図７は図６の変形例を示す断面図、図８は、Ｉｐ２−電極１３３の製造方法を示す工程図である。
なお、図４は保護層１１５を取り去った状態での上面図を示す。又、図５〜図８は、高さ方向の変位を誇張して表示している。

図４に示すように、Ｉｐ２−電極１３３は、ガスセンサ素子１０の幅方向に長い略矩形状の電極本体部１３３ｙと、電極本体部１３３ｙのＩｐ２−リード１３５側の部位に重ねられる補強部１３３ｘとを一体に有している。なお、電極の焼成後は電極本体部１３３ｙと補強部１３３ｘとは区別できなくなり、後述する外周電極部１３３ａ、隆起部１３３ｂ及び主電極部１３３ｃを構成するが、説明の便宜上、電極本体部１３３ｙと補強部１３３ｘとの境界を破線で表す。また、補強部１３３ｘの一部は、後述する隆起部を構成し、電極本体部１３３ｙの厚みが薄くなって電気抵抗が高くなったり、断線するのを防止する機能を有する。
電極本体部１３３ｙ（Ｉｐ２−電極１３３）の左後端側の角部は後端側に向かって延出して接続部１３３ｄを形成し、Ｉｐ２−リード１３５はアルミナ絶縁層１３８上及び接続部１３３ｄ上に配置されている。そして、補強部１３３ｘは、接続部１３３ｄを含む電極本体部１３３ｙの左側の短辺の内側の部位に積層されている。
さらに、Ｉｐ２−リード１３５は先端側に狭幅の先端部１３５ｓを有し、先端部１３５ｓが補強部１３３ｘ上に配置されている。なお、本実施形態では、先端部１３５ｓの幅Ｗ１は、アルミナ絶縁層１３８上のＩｐ２−リード１３５の幅Ｗ２よりも狭くなっている。

図４、図５に示すように、Ｉｐ２−電極１３３は、アルミナ絶縁層１３８上に配置された外周電極部１３３ａと、外周電極部１３３ａの内側に形成されてアルミナ絶縁層１３８の開口１３８ｂの周縁１３８ｂｅの少なくとも一部を跨ぐ隆起部１３３ｂと、隆起部１３３ｂの内側に形成されて開口１３８ｂを通して固体電解質体１３１上に接して配置された主電極部１３３ｃとを一体に有している。
そして、図５に示すように、Ｉｐ２−電極１３３の積層方向に沿う断面を見たとき、隆起部１３３ｂと外周電極部１３３ａとは下に向かって凸となる変曲点Ｐにて接続されている。上述のように、電極の焼成後は電極本体部１３３ｙと補強部１３３ｘとは区別できないため、電極本体部１３３ｙを補強部１３３ｘが覆っているかを判別できない。そこで、変曲点Ｐの有無によって、補強部１３３ｘの有無を判別することができる。
つまり、電極本体部１３３ｙや補強部１３３ｘをペーストの印刷（塗布）等によって形成する場合、ペーストの表面張力と重力との関係で、電極本体部１３３ｙや補強部１３３ｘの端部はなだらかに垂れ下がり、図５の積層方向に沿う断面形状は上に向かって凸となる変曲点を有する。一方、電極本体部１３３ｙ上に補強部１３３ｘをペースト印刷等した場合、２回塗りとなるので、断面が上に向かって凸となる電極本体部１３３ｙ上に、同様に断面が上に向かって凸となる補強部１３３ｘが重ねられ、両者の境界部分が下に向かって凸となる変曲点Ｐとして現れる。
なお、実際のＩｐ２−電極１３３の厚みは薄いため、その積層方向に沿う断面を見たときに変曲点Ｐが判別し難いことがある。この場合には、断面像を拡大したり、Ｉｐ２−電極１３３の表面形状を３次元粗さ計や走査プローブ顕微鏡で測定し、その測定データを高さ方向に拡大する等して高さ方向の変位を誇張することで、変曲点Ｐを判別できる。

そして、変曲点Ｐとして表される補強部１３３ｘを設けることにより、ペーストが付き回り難い角部となるアルミナ絶縁層１３８の開口１３８ｂの周縁１３８ｂｅに電極本体部１３３ｙの厚みが薄い部位Ｔｈが生じても、ペーストの２回塗りに起因する補強部１３３ｘによる隆起部１３３ｂが周縁１３８ｂｅを跨いで部位Ｔｈを覆って厚みを補うので、最終的に得られるＩｐ２−電極１３３の厚みが薄くなって電気抵抗が高くなったり、断線するのを防止することができる。
なお、Ｉｐ２−電極１３３の焼成後の隆起部１３３ｂは、周縁１３８ｂｅを跨ぐ補強部１３３ｘとその下層の電極本体部１３３ｙによって形成されるものである。また、外周電極部１３３ａは、補強部１３３ｘで覆われなかった電極本体部１３３ｙである。主電極部１３３ｃは、電極本体部１３３ｙ単体、又は補強部１３３ｘと電極本体部１３３ｙとの積層部分によって形成されるものである。
このように、電極本体部１３３ｙを補強部１３３ｘが覆うことで隆起部１３３ｂが形成される一方で、変曲点Ｐにおける外周電極部１３３ａは補強部１３３ｘで覆われなかった電極本体部１３３ｙの厚みを表す。従って、隆起部１３３ｂの最大厚みｔ１は、変曲点Ｐにおける外周電極部１３３ａの厚みｔ２よりも厚くなる。ここで、厚みｔ１、ｔ２は、アルミナ絶縁層１３８の上面からの厚みである。又、「最大厚みｔ１」とは、隆起部１３３ｂのうち最も高い部分（ピーク）の厚みである。

なお、図５の右側の変曲点Ｐのように、隆起部１３３ｂ上及び外周電極部１３３ａ上にＩｐ２−リード１３５が配置されている部位では、Ｉｐ２−リード１３５の表面の断面形状から変曲点Ｐを特定すればよい。これは、Ｉｐ２−リード１３５の厚みが比較的薄いため、Ｉｐ２−リード１３５を積層する前の隆起部１３３ｂと外周電極部１３３ａの表面の断面形状と、Ｉｐ２−リード１３５の表面の断面形状とはほぼ同一とみなせるからである。
一方、外周電極部１３３ａ上にＩｐ２−リード１３５が配置されている部位では、外周電極部１３３ａの外縁Ｑは、アルミナ絶縁層１３８上のＩｐ２−リード１３５の厚みが外周電極部１３３ａ側に向かって厚くなった位置とする。

又、本発明においては、Ｉｐ２−電極１３３のうち厚みが厚い隆起部１３３ｂが電極本体部１３３ｙの厚みが薄い部位Ｔｈを覆う為、電極本体部１３３ｙの厚みが薄くなって電気抵抗が高くなったり、断線するのを防止する。
さらに、Ｉｐ２−リード１３５が隆起部１３３ｂに電気的に接続するので、Ｉｐ２−電極１３３のうち厚みが厚い隆起部１３３ｂと外周電極部１３３ａとの焼成時に両者の収縮率が異なっていても、Ｉｐ２−電極１３３とＩｐ２−リード１３５が断線し難い。これは、Ｉｐ２−電極１３３の厚みが異なる部位の間で焼成時に収縮率の差が生じ、隆起部１３３ｂの境界で断線が生じ易くなるが、この部分（隆起部１３３ｂ近傍）を導電性の良いＩｐ２−リード１３５で覆うことで、Ｉｐ２−電極１３３とＩｐ２−リード１３５が断線し難くなるからである。特に、Ｉｐ２−電極１３３がガス透過性の良好な多孔質であって、Ｉｐ２−リード１３５を導電性の良い緻密な組成とした場合など、断線防止の効果が大きい。
なお、隆起部１３３ｂ上にＩｐ２−リード１３５（好ましくはＩｐ２−リード１３５の先端部１３５ｓ）が配置されていることは、両者の気孔率の差を例えばＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察する事で判別できる。

又、図６に示すように、主電極部１３３ｃの最小厚みｔ３がアルミナ絶縁層１３８の厚みｔ４よりも薄いと、電極本体部１３３ｙの厚みが薄い部位Ｔｈが生じ易くなるので、本発明がさらに有効となる。つまり、図６に示す断面図は、電極本体部１３３ｙ上に補強部１３３ｘで覆われない部分を有しており、この部分の主電極部１３３ｃの厚みｔ３は電極本体部１３３ｙ自身の厚みを表すため、ｔ３＜ｔ４であると厚みが薄い部位Ｔｈがより生じ易くなるからである。なお、「最小」厚みｔ３と規定した理由は、電極本体部１３３ｙ上に補強部１３３ｘで覆われた部分(図５)では、主電極部１３３ｃの厚みがｔ３よりも厚いからである。
又、上述のように、先端部１３５ｓの幅Ｗ１が、アルミナ絶縁層１３８上のＩｐ２−リード１３５の幅Ｗ２よりも狭くなっていると、先端部１３５ｓをより確実に隆起部１３３ｂ上に配置し易くなるので、Ｉｐ２−電極１３３とＩｐ２−リード１３５がより一層断線し難い。
なお、図６の断面図は、部位Ｔｈを含んでいないが、図７に示すように部位Ｔｈを含む断面図では、隆起部１３３ｂの形状が図６の場合と異なってくる。但し、図７の例でも、変曲点Ｐが明確に現れるので、電極本体部１３３ｙを補強部１３３ｘが覆っていることを判別できる。
又、図６、図７で隆起部１３３ｂの形状が異なることに起因して、隆起部１３３ｂのうち最も高い部分（ピーク）Ｍの位置も異なってもよい。

Ｉｐ２−電極１３３及びＩｐ２−リード１３５は、例えば図８のようにして製造することができる。
まず、アルミナ絶縁層１３８の開口１３８ｂ上、及び開口１３８ｂの周縁１３８ｂｅを跨ぐようにして電極本体部１３３ｙをペースト印刷する（図８（ａ））。次に、電極本体部１３３ｙ上の所定部位であって、周縁１３８ｂｅを跨ぐようにして補強部１３３ｘをペースト印刷する（図８（ｂ））。次に、補強部１３３ｘ上に重なると共にアルミナ絶縁層１３８の表面に延びるようにしてＩｐ２−リード１３５をペースト印刷する（図８（ｃ））。
そして、電極本体部１３３ｙ、補強部１３３ｘ及びＩｐ２−リード１３５を同時に焼成し、電極本体部１３３ｙ及び補強部１３３ｘが一体化したＩｐ２−電極１３３を形成する（図８（ｄ））。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態ではＩｐ２−電極１３３について本発明を適用したが、他の電極に本発明を適用してもよい。例えば、上記実施形態では、Ｉｐ２＋リードとＶｓ＋リードを両方多孔質としたが、片方を緻密として本発明を適用しても良い。
絶縁層の開口、電極部、リード部の形状も上記実施形態に限定されない。
又、Ｉｐ２−リード１３５が電極部よりも下層側（つまり、図５で電極本体部１３３ｙとアルミナ絶縁層１３８の間）に位置してもよく、Ｉｐ２−リード１３５が電極部の内部（つまり、図５で電極本体部１３３ｙと補強部１３３ｘの間）に位置してもよい。

又、本発明は、絶縁層の開口を跨ぐように固体電解質体上に設ける電極部を備えたセンサ素子を有するあらゆるガスセンサに適用可能であり、本実施の形態のＮＯｘセンサ素子（ＮＯｘセンサ）に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素センサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。

１ ガスセンサ
１０ ガスセンサ素子
１３１ 固体電解質体
１３３ Ｉｐ２−電極（電極部）
１３３ａ 外周電極部
１３３ｂ 隆起部
１３３ｃ 主電極部
１３５ Ｉｐ２−リード（リード部）
１３８ アルミナ絶縁層（絶縁層）
１３８ｂ 開口
１３８ｂｅ 開口の周縁
Ｐ 変曲点
ｔ１ 隆起部の最大厚み
ｔ２ 外側電極部の厚み
ｔ３ 主電極部の最小厚み
ｔ４ 絶縁層の厚み
ＡＸ 軸線

Claims (4)

1. 固体電解質体と、
   該固体電解質体上に配置されると共に、開口を有する絶縁層と、
   前記開口を通して前記固体電解質体上に接して設けられると共に、前記開口を跨ぐように前記絶縁層上に延びる電極部と、
   前記電極部に接続されると共に、前記絶縁層の表面に延びるリード部とを有するガスセンサ素子であって、
   前記電極部は、前記絶縁層上に配置された外周電極部と、該外周電極部の内側に形成されて前記開口の周縁の少なくとも一部を跨ぐ隆起部と、該隆起部の内側に形成されて前記開口を通して前記固体電解質体上に接して配置された主電極部とを一体に有し、
   前記電極部の積層方向に沿う断面を見たとき、前記隆起部は、前記外周電極部からさらに立ち上がるように形成されており、前記隆起部の最大厚みは前記外周電極部の厚みよりも厚く、
   前記リード部は前記隆起部に電気的に接続するガスセンサ素子。
2. 前記主電極部の最小厚みが前記絶縁層の厚みよりも薄い請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 前記リード部の幅は、前記隆起部上で前記絶縁層上よりも狭くなっている請求項１又は２記載のガスセンサ素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子を有するガスセンサ。

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