JP2018021821A - ガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子の特性の安定性を向上させる【解決手段】ガスセンサ素子は、ガス測定室と酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとリード部７９ａ，７９ｂとを備える。リード部７９ａは、絶縁部材７６の下面において、スルーホール１７６の内周壁を、絶縁部材７６の下面から上面に巻き込むように形成される。リード部７９ｂは、スルーホール１７６の内周壁に沿ってリード部７９ａを覆うとともに、絶縁部材７６の上面から下面に巻き込むように形成される。リード部７９ａは、絶縁部材７６の下面側において空間２３０に対して露出している部分が存在し、リード部７９ｂは、空間２３０を挟んで絶縁部材７６と対向するように配置された絶縁基板１０１と離間し、リード部７９ａとガスセンサ素子７の外部は空間２３０を介して連通している。【選択図】図３

Description

本開示は、被測定ガスに含まれる特定成分の濃度を検出するガスセンサ素子とその製造方法に関する。

特許文献１のように、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、固体電解質体を挟むように形成された一対の検知電極および基準電極を有し、検知電極と基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルを備えたガスセンサ素子が知られている。

特開２０１５−５９７５８号公報

基準電極に貯められた酸素を、基準電極に接続される基準電極リードを介して排出する場合において、基準電極リードに接続されるスルーホールの付近で酸素の流通経路が遮断されると、スルーホールから排出される酸素量が減少してしまう。これにより、基準電極における酸素濃度を一定に保持することが困難になり、ガスセンサ素子の特性が不安定になるおそれがあった。

本開示は、ガスセンサ素子の特性の安定性を向上させることを目的とする。

本開示の一態様は、測定室と、ポンピングセルと、酸素濃度検出セルと、第１リード部と、第２リード部とを備えたガスセンサ素子である。
測定室には、被測定ガスが導入される。ポンピングセルは、酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、第１固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、測定室に導入された被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。

酸素濃度検出セルは、酸素イオン伝導性の第２固体電解質体を少なくとも含んで板状に形成された板状セル部材と、検知電極と、酸素透過性の基準電極とを有し、検知電極が測定室に面して配置され、検知電極と基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる。検知電極は、第２固体電解質体の上面に形成される。基準電極は、第２固体電解質体の下面に形成される。

酸素透過性の第１リード部は、板状セル部材の下面において、基準電極と、板状セル部材に形成されたスルーホールとの間で延びて、スルーホールの内周壁を、板状セル部材の下面から上面に巻き込むように形成される。

第２リード部は、スルーホールの内周壁に沿って第１リード部を覆うとともに、板状セル部材の上面から下面に巻き込むように形成される。
そして、本開示のガスセンサ素子は、板状セル部材の下面においてスルーホールとスルーホールの周辺とを覆う空間が形成されて、板状セル部材の下面側で板状セル部材と対向するように配置された絶縁層を備える。さらに、本開示のガスセンサ素子では、第１リード部は、板状セル部材の下面側において空間に対して露出している部分が存在し、第２リード部は、空間を挟んで絶縁層と離間し、第１リード部とガスセンサ素子の外部は空間を介して連通している。

このように構成された本開示のガスセンサ素子では、空間に対して露出している部分が第１リード部において存在するため、基準電極に貯められた酸素を、基準電極に接続される第１リード部を介してこの空間へ放出することができる。また、本開示のガスセンサ素子では、第２リード部が絶縁層と離間しているため、第１リード部から空間へ放出された酸素を更にスルーホールまで流通させることができ、このスルーホールの内部を通して酸素をガスセンサ素子の外部へ排出することができる。

これにより、本開示のガスセンサ素子は、スルーホールから排出される酸素量が減少するのを抑制することができる。このため、本開示のガスセンサ素子は、基準電極における酸素濃度が変動するのを抑制し、ガスセンサ素子の特性の安定性を向上させることができる。

また、本開示の別の態様は、測定室と、ポンピングセルと、酸素濃度検出セルとを備えるガスセンサ素子の製造方法である。
本開示のガスセンサ素子の製造方法では、気体が板状セル部材の下面側から、板状セル部材に形成されたスルーホールを通って板状セル部材の上面側へ抜けるように真空引きを行いながら、板状セル部材の下面において基準電極とスルーホールとの間で延びる酸素透過性の第１リード部の配線パターンを印刷する。

また、本開示のガスセンサ素子の製造方法では、気体が板状セル部材の上面側からスルーホールを通って板状セル部材の下面側へ抜けるように真空引きを行いながら、板状セル部材の上面側からスルーホールを覆う第２リード部の配線パターンを印刷する。

また、本開示のガスセンサ素子の製造方法では、板状セル部材の下面側で板状セル部材と対向するように配置される下側絶縁層の上面において、スルーホールと対向するスルーホール対向領域とスルーホール対向領域の周辺の領域とに加熱分解性ペーストを印刷する。

また、本開示のガスセンサ素子の製造方法では、下側絶縁層の上面において加熱分解性ペーストが配置されている領域を除外して、アルミナペーストを印刷する。
そして、本開示のガスセンサ素子の製造方法では、下側絶縁層の上面に板状セル部材を積層する。

このように構成された本開示のガスセンサ素子の製造方法は、本開示の一態様のガスセンサ素子を製造する方法であり、当該方法を実行することで、本開示の一態様のガスセンサ素子と同様の効果を得ることができる。

ガスセンサ１の断面図である。 ガスセンサ素子７の分解斜視図である。 ガスセンサ素子７の製造工程の一部を示す断面図である。 酸素の流通を示すスルーホール１７６の周辺の断面図である。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のガスセンサ１は、内燃機関の排気管に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサである。

ガスセンサ１は、図１に示すように、主として、主体金具３と、プロテクタ５と、ガスセンサ素子７と、保持部９と、外筒１１と、セパレータ１３と、ゴムキャップ１５を備えている。

主体金具３は、例えばステンレス等の耐熱金属からなる筒状の部材であり、その外周側には、ガスセンサ１を排気管に取り付けるための雄ねじ部１７と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部１９とを有している。また、主体金具３には、径方向内側に向かって突出する金具側段部２１が設けられている。

保持部９は、主体金具３の内部に配置されてガスセンサ素子７を保持する。保持部９は、先端側から、金具側段部２１に支持されてガスセンサ素子７を保持する金属ホルダ２３と、金属ホルダ２３の内側に配置されてガスセンサ素子７を所定位置に配置するセラミックホルダ２５と、滑石２７と、滑石２７上に載置されたセラミックスリーブ２９とを備えている。

なお、滑石２７は、第１滑石２７ａと第２滑石２７ｂとを含む。第１滑石２７ａは、金属ホルダ２３の内側で圧縮充填されて、金属ホルダ２３の内面とガスセンサ素子７の外面との間の気密性を確保している。第２滑石２７ｂは、第１滑石２７ａ上で圧縮充填されて、主体金具３の内面とガスセンサ素子７の外面との間の気密性を確保している。

主体金具３の後端側は、加締め部３１が内側に折り曲げられおり、ステンレス製のリング部材３３を介して、セラミックスリーブ２９が主体金具３の先端側に押圧されている。
そして、セラミックスリーブ２９とセラミックホルダ２５には、軸線Ｏに沿うように軸孔３５が設けられ、それらの内部（すなわち、保持部９の内部）にガスセンサ素子７が挿入されている。

ガスセンサ素子７は、図１の上下方向に延びる長尺の板状（すなわち、主面側と側面側が長方形）の部材である。このガスセンサ素子７は、その先端側が主体金具３の先端側より突出するとともに、その後端側が主体金具３の後端側より突出するように、保持部９によって、主体金具３の軸中心に沿って保持されている。

また、ガスセンサ素子７の先端部３７を覆うように、多孔質保護層であるコート層３９が形成されている。
プロテクタ５は、主体金具３の先端から突出するガスセンサ素子７の先端部３７を覆うとともに、複数のガス取入孔４０が設けられた金属製の筒状の部材であり、主体金具３の先端側外周に溶接により接合されている。

プロテクタ５は、二重構造をなしており、外側には、有底円筒状の外側プロテクタ５ａが配置され、内側には、有底円筒状の内側プロテクタ５ｂが配置されて、この内側プロテクタ５ｂの先端部が外側プロテクタ５ａの先端から突出している。

外筒１１は、その先端側の開口部内に主体金具３の後端側をはめ込んだ状態でレーザ溶接によって接合された金属製の部材であり、外筒１１の後端側内部には、セパレータ１３が配置されている。

セパレータ１３は、電気絶縁性を有するセラミック製の筒状の部材であり、自身と外筒１１の隙間に配置された弾性体からなる保持部材４１によって保持されている。
このセパレータ１３には、ガスセンサ素子７に電気的に接続される複数のリード線４３を挿入するための貫通孔４５が形成されている。また、貫通孔４５内には、各リード線４３とガスセンサ素子７とを電気的に接続する複数の接続端子５１が収容されている。

ゴムキャップ１５は、外筒１１の後端側の開口部５３を閉塞するための略円柱状の部材である。このゴムキャップ１５にも、リード線４３が挿入される複数の貫通孔５５が形成されている。

図２に示すように、ガスセンサ素子７は、長尺の直方体の板状部材であり、板状の検知素子７１と、板状のヒータ素子７３とが積層された積層体である。
検知素子７１は、酸素濃度検出セル８１と、酸素ポンプセル８９と、絶縁スペーサ９３と、絶縁基板９７とを備える。

酸素濃度検出セル８１は、絶縁部材７６と、固体電解質体７５と、多孔質電極７７と、リード部７７ａと、多孔質電極７９と、リード部７９ａとを備える。
絶縁部材７６は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔７６ａを備える。固体電解質体７５は、絶縁部材７６の貫通孔７６ａ内に配置される。一対の多孔質電極７７，７９は、固体電解質体７５を挟み込むように、固体電解質体７５の上面および下面に配置される。

リード部７７ａは、一端が多孔質電極７７に接続されるとともに、ガスセンサ素子７の長手方向（すなわち、図２における左右方向）に延びるように配置される。リード部７９ａは、一端が多孔質電極７９に接続されるとともに、ガスセンサ素子７の長手方向に延びるように配置される。

酸素ポンプセル８９は、絶縁部材８４と、固体電解質体８３と、多孔質電極８５と、リード部８５ａと、多孔質電極８７と、リード部８７ａとを備える。
絶縁部材８４は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔８４ａを備える。固体電解質体８３は、絶縁部材８４の貫通孔８４ａ内に配置される。一対の多孔質電極８５，８７は、固体電解質体８３を挟み込むように、固体電解質体８３の上面および下面に配置される。

リード部８５ａは、一端が多孔質電極８５に接続されるとともに、ガスセンサ素子７の長手方向に延びるように配置される。リード部８７ａは、一端が多孔質電極８７に接続されるとともに、ガスセンサ素子７の長手方向に延びるように配置される。

固体電解質体７５，８３は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアで形成されている。なお、固体電解質体７５は、積層方向に垂直な平面における断面積が、固体電解質体８３よりも大きい。

多孔質電極７７，７９，８５，８７およびリード部７７ａ，７９ａ，８５ａ，８７ａは、Ｐｔを主体に形成されている。
絶縁スペーサ９３は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、中空のガス測定室９１を備える。絶縁スペーサ９３は、酸素濃度検出セル８１と酸素ポンプセル８９との間に積層される。酸素濃度検出セル８１の多孔質電極７７と、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８７とは、ガス測定室９１内で露出するように配置されている。

絶縁スペーサ９３の側面には、排気ガスの取り込み口となる２つのガス導入部９４が形成されており、ガス導入部９４は、ガス測定室９１に繋がっている。２つのガス導入部９４からガス測定室９１までの各経路には、拡散律速部９５が形成されている。拡散律速部９５は、例えば、アルミナ等からなる多孔質体で構成されており、排気ガスがガス測定室９１へ流入する際の律速を行う。拡散律速部９５は、その一部がガス導入部９４から露出する状態で配置されている。

絶縁基板９７は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する空間部９７ａを備える。この絶縁基板９７の空間部９７ａには、拡散律速部９５と同様の多孔質体で構成された通気部９９が埋設されている。この通気部９９は、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５を排気ガスに晒している。なお、ガス測定室９１は、ガスセンサ素子７の先端側（すなわち、図２における左側）に位置するように形成されている。

ヒータ素子７３は、アルミナを主体とする絶縁基板１０１，１０３の間に、Ｐｔを主体とする発熱抵抗体パターン１０５が挟み込まれて形成されている。
ガスセンサ素子７の第１主面６１の後端側（すなわち、図２における右側）に３個の電極パッド１１１，１１３，１１５が形成され、第２主面６３の後端側に２個の電極パッド１１７，１１９が形成されている。

電極パッド１１５は、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６１と、絶縁部材８４に設けられるスルーホール１６５と、絶縁スペーサ９３に設けられるスルーホール１７１と、リード部７７ａとを介して、酸素濃度検出セル８１の多孔質電極７７に電気的に接続される。また電極パッド１１５は、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６１と、絶縁部材８４に設けられるスルーホール１６５と、リード部８７ａとを介して、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８７にも電気的に接続される。よって、多孔質電極７７と多孔質電極８７とは、同電位で電気的に接続される。なお、各スルーホール（すなわち、スルーホール１６１，１６５等）においては、内部に導体が配置されている。

電極パッド１１３は、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６２と、絶縁部材８４に設けられるスルーホール１６６と、絶縁スペーサ９３に設けられるスルーホール１７２と、絶縁部材７６に設けられるスルーホール１７６と、リード部７９ａとを介して、酸素濃度検出セル８１の多孔質電極７９と電気的に接続される。さらに電極パッド１１１は、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６３と、リード部８５ａとを介して、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５と電気的に接続されている。

また、電極パッド１１７，１１９はそれぞれ、絶縁基板１０３に設けられたスルーホール１８１，１８２を介して、発熱抵抗体パターン１０５の両端に電気的に接続されている。

次に、ガスセンサ１を用いて酸素濃度を測定する方法を説明する。
ガスセンサ１に接続されたセンサ制御装置は、まず、発熱抵抗体パターン１０５の両端に電圧を供給することによりヒータ素子７３を発熱させ、酸素濃度検出セル８１と酸素ポンプセル８９を加熱する。

そしてセンサ制御装置は、酸素濃度検出セル８１の多孔質電極７９から多孔質電極７７へ微小電流Ｉｃｐを流し、多孔質電極７９側に酸素イオンを移動させて、ガス検出の基準となる酸素濃度雰囲気を多孔質電極７９に生成する。これにより、多孔質電極７９は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。

そしてセンサ制御装置は、酸素濃度検出セル８１の多孔質電極７７と多孔質電極７９との間に生ずる起電力Ｖｓを検出し、予め定められた基準電圧Ｖａと、検出した起電力Ｖｓとの比較を行う。さらにセンサ制御装置は、この比較結果に基づき、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５と多孔質電極８７との間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさと向きを制御する。これにより、酸素ポンプセル８９によるガス測定室９１内への酸素の汲み入れ、又はガス測定室９１からの酸素の汲み出しが行われる。

そしてセンサ制御装置は、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５と多孔質電極８７との間に流すポンプ電流Ｉｐを検出する。
なお、酸素濃度を検出する際に起電力Ｖｓと比較される基準電圧Ｖａは予め定められている。つまり、酸素濃度を検出する場合には、起電力Ｖｓが基準電圧Ｖａに近づくように、酸素ポンプセル８９の動作が制御される。これにより、センサ制御装置は、ポンプ電流Ｉｐに基づいて、排ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、基準電圧Ｖａは、ガス測定室９１の内部に導入された排気ガス中の水分が実質的に解離しないような電圧値（例えば４５０ｍＶ）に設定される。

次に、ガスセンサ素子７の製造方法を説明する。
まず、検知素子７１の絶縁部材７６，８４および絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートと、検知素子７１の固体電解質体７５，８３となる未焼成固体電解質シートと、ヒータ素子７３の絶縁基板１０１，１０３となる未焼成絶縁シートを作製する。

これらのうち、固体電解質体７５，８３となる未焼成固体電解質シートを形成する場合には、まず、ジルコニアを主体とするセラミック粉末に対して、アルミナ粉末およびブチラール樹脂などを加えて、さらに混合溶媒を混合して、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を作製する。そして、この未焼成固体電解質シートを、固体電解質体７５，８３に対応した矩形状に切断する。

そして、絶縁部材７６，８４となる各未焼成絶縁シートにはそれぞれ、固体電解質体７５，８３の未焼成固体電解質シートの平面形状に対応した矩形状の貫通孔を形成する。また、絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートにも、通気部９９に対応した矩形状の貫通孔を形成する。

未焼成絶縁シートを形成する場合には、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を作製する。

また、焼成後に絶縁スペーサ９３となる材料として、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、更に混合溶媒を混合して、アルミナスラリーを作製する。

また、焼成後に拡散律速部９５および通気部９９となる未焼成の多孔質を形成するために、アルミナ粉末１００質量％、加熱焼失材（例えば、カーボンなど）および可塑剤を湿式混合により分散した多孔質用スラリーを作製する。可塑剤はブチラール樹脂およびＤＢＰを有する。

次に、絶縁基板１０３となる未焼成絶縁シートの上面に、発熱抵抗体パターン１０５を形成する。発熱抵抗体パターン１０５の材料として、例えば白金を主成分としセラミック（例えば、アルミナ）が含まれる白金ペーストを作製し、この白金ペーストを印刷してヒータパターンを形成する。

また、絶縁基板１０３となる未焼成絶縁シートの下面には、例えば白金等のメタライズインクを用いて、電極パッド１１７，１１９のパターンを印刷する。
また、絶縁基板１０３となる未焼成絶縁シートには、スルーホール１８１，１８２となる孔を形成し、この孔の内周面にはメタライズインクを塗布する。

なお、他のスルーホール１６１〜１７２の形成方法とメタライズインクの塗布方法も同様であるので、以下では、他のスルーホール１６１〜１７２に関する同様の説明は省略する。

次に、絶縁基板１０３となる未焼成絶縁シートの上面に、発熱抵抗体パターン１０５を覆うように、絶縁基板１０１となる未焼成絶縁シートを積層する。
次に、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートにおける貫通孔７６ａに、固体電解質体７５となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。さらに、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートの上面に、白金のメタライズインクを用いたスクリーン印刷によって、多孔質電極７７となる電極パターンを形成する。また、白金にアルミナを加えたペーストを用いたスクリーン印刷によって、リード部７７ａとなるリードパターンを形成する。一方、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートの下面には、上面の多孔質電極７７とリード部７７ａと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極７９となる電極パターンと、リード部７９ａとなるリードパターンを形成する。

そして、絶縁基板１０１となる未焼成絶縁シートの上面に、加熱分解性ペーストとしてカーボンペースト２１０を印刷する。なお、カーボンペースト２１０は、図２には示されておらず、図３に示されている。カーボンペースト２１０は、スルーホール１７６となる部分とその周辺に配置される。なお、本実施形態では加熱分解性ペーストとしてカーボンペーストを用いたが、その他、例えばテオブロミンのように加熱により分解するものであれば良い。

さらに、絶縁基板１０１となる未焼成絶縁シートの上面においてカーボンペースト２１０が配置されていない領域に、アルミナスラリーを用いて、絶縁層２２０となる層を印刷する。なお、絶縁層２２０は、図２には示されておらず、図３に示されている。

次に、この絶縁層２２０となる層の上面に、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートを積層する。
さらに、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートの上面に、アルミナスラリーを用いて、絶縁スペーサ９３となる層を印刷する。この層には、拡散律速部９５を形成する位置に第１の開口を設けるとともに、第１測定室１２１となる位置にも第２の開口を設けておく。そして、第１の開口には、拡散抵抗体１２２となる多孔質スラリーを印刷する。また、ガス測定室９１となる第２の開口には、カーボンペーストを印刷する。なお、第１の開口と第２の開口とは、ガスが流通可能となるように繋がっている。

次に、絶縁部材８４となる未焼成絶縁シートにおける貫通孔８４ａに、固体電解質体８３となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。
そして、絶縁部材８４となる未焼成絶縁シートの上面に、上記の多孔質電極７７，７９およびリード部７７ａ，７９ａと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極８５となる電極パターンと、リード部８５ａとなるリードパターンを形成する。一方、絶縁部材８４となる未焼成絶縁シートの下面には、上記の多孔質電極７７，７９およびリード部７７ａ，７９ａと同様のスクリーン印刷によって、多孔質電極８７となる電極パターンと、リード部８７ａとなるリードパターンを形成する。

次に、絶縁スペーサ９３となる層の上面に、絶縁部材８４となる未焼成絶縁シートを積層する。さらに、絶縁部材８４となる未焼成絶縁シートの上面に、絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートを積層する。なお、絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートにおいて空間部９７ａに対応した貫通孔には、予め多孔質スラリーを印刷しておく。また、絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートの上面には、メタライズインクを用いて、電極パッド１１１，１１３，１１５のパターンを印刷しておく。

このようにして、各層を積層することにより、未焼成積層体が形成される。そして、この未焼成積層体を１ＭＰａで加圧することにより、圧着された成形体を得る。その後、加圧により得られた成形体を、所定の大きさで切断することにより、ガスセンサ素子７と大きさが同等の複数（例えば１０個）の未焼成積層体を得る。そして、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、ガスセンサ素子７を得る。

次に、リード部７９ａとなるリードパターンを形成する工程と、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートを積層する工程を詳細に説明する。
図３に示すように、まず、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートにおいてリード部７９ａとなるリードパターンを形成する面７６ｂを上側に向けて、未焼成絶縁シートの上側から気体がスルーホール１７６を通って下側へ抜けるように真空引きを行う。なお、図３における矢印Ｖｃ１は、この真空引きによってスルーホール１７６内を流れる気体の向きを示す。

この真空引きが行われている状態で、リード部７９ａとなるリードパターンを面７６ｂ上に印刷する。これにより、リード部７９ａとなるリードパターンのうち、スルーホール１７６における面７６ｂ側の開口部に印刷された部分は、面７６ｂ側からスルーホール１７６の内周壁に沿って、面７６ｂとは反対側の面７６ｃ側に至るように形成される。こうして、リード部７９ａとなるリードパターンは、面７６ｃ側においてスルーホール１７６の開口部の周辺にも形成される。なお、リード部７９ａとなるリードパターンは、焼成により多孔質となる。これにより、多孔質電極７９に貯められた酸素をリード部７９ａを介して排出する能力が確保される。

次に、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートの面７６ｃを上側に向けて、未焼成絶縁シートの上側から気体がスルーホール１７６を通って下側へ抜けるように真空引きを行う。なお、図３における矢印Ｖｃ２は、この真空引きによってスルーホール１７６内を流れる気体の向きを示す。

この真空引きが行われている状態で、出力取り出し用リード部７９ｂとなるリードパターンを面７６ｃ上に印刷する。これにより、出力取り出し用リード部７９ｂとなるリードパターンのうち、スルーホール１７６における面７６ｃ側の開口部に印刷された部分は、面７６ｃ側からスルーホール１７６の内周壁に沿って、面７６ｂ側に至るように形成される。こうして、出力取り出し用リード部７９ｂとなるリードパターンは、面７６ｂ側においてスルーホール１７６の開口部の周辺にも形成される。

出力取り出し用リード部７９ｂは、リード部７９ａと、スルーホール１７６内に形成されたスルーホール導体との導通を確保するために設けられ、スルーホール１７６の周辺においてリード部７９ａを覆うように形成される。リード部７９ａは、多孔質であるために、スルーホール１７６における面７６ｃ側の開口部付近の角部１７６ａで断線し易い。このため、出力取り出し用リード部７９ｂは、角部１７６ａで断線しない程度の緻密さが要求される。したがって、出力取り出し用リード部７９ｂとなるリードパターンは、焼成によりリード部７９ａよりも緻密になるペーストを用いたスクリーン印刷によって形成される。

次に、絶縁基板１０１となる未焼成絶縁シートにおいて絶縁部材７６が積層される面１０１ａにカーボンペースト２１０を印刷する。このカーボンペースト２１０は、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートが積層される場合に、スルーホール１７６と対向する領域とその周辺の領域に配置される。さらに、絶縁基板１０１となる未焼成絶縁シートの面１０１ａにおいてカーボンペースト２１０が配置されている領域以外に、絶縁層２２０となるアルミナペーストを印刷する。

次に、絶縁層２２０となる層の上面に、絶縁部材７６となる未焼成絶縁シートを積層する。
そして、上記の未焼成積層体を得た後に焼成することにより、カーボンペースト２１０が昇華し、カーボンペースト２１０が配置されていた領域に、空間２３０が形成される。これにより、矢印Ｒ１，Ｒ２で示すように、出力取り出し用リード部７９ｂと絶縁基板１０１とが離間した状態となる。また、矢印Ｒ３，Ｒ４で示すように、リード部７９ａにおいて、空間２３０に対して露出している部分が存在するようになる。

このように構成されたガスセンサ素子７は、ガス測定室９１と、酸素ポンプセル８９と、酸素濃度検出セル８１と、リード部７９ａと、出力取り出し用リード部７９ｂとを備える。

ガス測定室９１には、排気ガスが導入される。酸素ポンプセル８９は、酸素イオン伝導性の固体電解質体８３と、固体電解質体８３の上面と下面に形成された一対の多孔質電極８５，８７とを有し、一対の多孔質電極８５，８７の間でポンプ電流Ｉｐを流すことにより、ガス測定室９１に導入された排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。

酸素濃度検出セル８１は、酸素イオン伝導性の固体電解質体７５と、多孔質電極７７と、酸素透過性の多孔質電極７９とを有し、多孔質電極７７がガス測定室９１に面して配置され、多孔質電極７７と多孔質電極７９との間の酸素濃度の差に応じた起電力Ｖｓを発生させる。固体電解質体７５は、絶縁部材７６に形成された貫通孔７６ａの内部に配置される。多孔質電極７７は、固体電解質体７５の上面に形成される。多孔質電極７９は、固体電解質体７５の下面に形成される。

酸素透過性のリード部７９ａは、絶縁部材７６の下面において、多孔質電極７９と、絶縁部材７６に形成されたスルーホール１７６との間で延びて、スルーホール１７６の内周壁を、絶縁部材７６の下面から上面に巻き込むように形成される。

出力取り出し用リード部７９ｂは、スルーホール１７６の内周壁に沿ってリード部７９ａを覆うとともに、絶縁部材７６の上面から下面に巻き込むように形成される。
そしてガスセンサ素子７は、絶縁部材７６の下面においてスルーホール１７６とスルーホール１７６の周辺とを覆う空間２３０が形成されて、絶縁部材７６の下面側で絶縁部材７６と対向するように配置された絶縁基板１０１および絶縁層２２０を備える。さらに、ガスセンサ素子７では、リード部７９ａは、絶縁部材７６の下面側において空間２３０に対して露出している部分が存在し、出力取り出し用リード部７９ｂは、空間２３０を挟んで絶縁基板１０１と離間し、リード部７９ａとガスセンサ素子７の外部は空間２３０を介して連通している。

このようにガスセンサ素子７では、空間２３０に対して露出している部分がリード部７９ａにおいて存在するため、多孔質電極７９に貯められた酸素を、図４の矢印Ｃ１で示すように、多孔質電極７９に接続されるリード部７９ａを介してこの空間２３０へ放出することができる。またガスセンサ素子７では、出力取り出し用リード部７９ｂが絶縁基板１０１と離間しているため、図４の矢印Ｃ２で示すように、リード部７９ａから空間２３０へ放出された酸素を更にスルーホール１７６まで流通させることができ、このスルーホール１７６の内部を通して酸素をガスセンサ素子７の外部へ排出することができる。

これにより、ガスセンサ素子７は、スルーホール１７６から排出される酸素量が減少するのを抑制することができる。このため、ガスセンサ素子７は、多孔質電極７９における酸素濃度が変動するのを抑制し、ガスセンサ素子７の特性の安定性を向上させることができる。

なお、排気ガスは被測定ガスに相当し、ガス測定室９１は測定室に相当し、固体電解質体８３は第１固体電解質体に相当し、多孔質電極８５，８７は一対のポンピング電極に相当し、酸素ポンプセル８９はポンピングセルに相当する。

また、絶縁部材７６および固体電解質体７５は板状セル部材に相当し、固体電解質体７５は第２固体電解質体に相当し、多孔質電極７７は検知電極に相当し、多孔質電極７９は基準電極に相当し、酸素濃度検出セル８１および絶縁部材７６は酸素濃度検出セルに相当する。

また、スルーホール１７６はスルーホールに相当し、リード部７９ａは第１リード部に相当し、出力取り出し用リード部７９ｂは第２リード部に相当する。
また、空間２３０は空間に相当し、絶縁基板１０１および絶縁層２２０は絶縁層に相当し、絶縁基板１０１は下側絶縁層に相当する。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば上記実施形態では、ガス測定室９１と酸素ポンプセル８９と酸素濃度検出セル８１とを備える酸素センサを示したが、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとを備えて窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサにおいて本開示を適用してもよい。

また上記実施形態では、板状セル部材が、絶縁部材７６と、貫通孔７６ａ内に配置された固体電解質体７５とから構成されるものを示したが、固体電解質体７５のみで形成しても良い。

上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

７…ガスセンサ素子、７５，８３…固体電解質体、７６…絶縁部材、７７，７９，８５，８７…多孔質電極、７９ａ…リード部、７９ｂ…出力取り出し用リード部、８１…酸素濃度検出セル、８９…酸素ポンプセル、９１…ガス測定室、１０１…絶縁基板、１７６…スルーホール、２１０…カーボンペースト、２２０…絶縁層、２３０…空間

Claims (2)

1. 被測定ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
   酸素イオン伝導性の第２固体電解質体を少なくとも含んで板状に形成された板状セル部材と、前記第２固体電解質体の上面に形成された検知電極と、前記第２固体電解質体の下面に形成された酸素透過性の基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルと、
   前記板状セル部材の下面において、前記基準電極と、前記板状セル部材に形成されたスルーホールとの間で延びて、前記スルーホールの内周壁を、前記板状セル部材の下面から上面に巻き込むように形成された酸素透過性の第１リード部と、
   前記スルーホールの内周壁に沿って前記第１リード部を覆うとともに、前記板状セル部材の上面から下面に巻き込むように形成された第２リード部と
   を備えたガスセンサ素子であって、
   前記板状セル部材の下面において前記スルーホールと前記スルーホールの周辺とを覆う空間が形成されて、前記板状セル部材の下面側で前記板状セル部材と対向するように配置された絶縁層を備え、
   前記第１リード部は、前記板状セル部材の下面側において前記空間に対して露出している部分が存在し、
   前記第２リード部は、前記空間を挟んで前記絶縁層と離間し、
   前記第１リード部と前記ガスセンサ素子の外部は前記空間を介して連通しているガスセンサ素子。
2. 被測定ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
   酸素イオン伝導性の第２固体電解質体を少なくとも含んで板状に形成された板状セル部材と、前記第２固体電解質体の上面に形成された検知電極と、前記第２固体電解質体の下面に形成された酸素透過性の基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルとを備えるガスセンサ素子の製造方法であって、
   気体が前記板状セル部材の下面側から、前記板状セル部材に形成されたスルーホールを通って前記板状セル部材の上面側へ抜けるように真空引きを行いながら、前記板状セル部材の下面において前記基準電極と前記スルーホールとの間で延びる酸素透過性の第１リード部の配線パターンを印刷する工程と、
   気体が前記板状セル部材の上面側から前記スルーホールを通って前記板状セル部材の下面側へ抜けるように真空引きを行いながら、前記板状セル部材の上面側から前記スルーホールを覆う第２リード部の配線パターンを印刷する工程と、
   前記板状セル部材の下面側で前記板状セル部材と対向するように配置される下側絶縁層の上面において、前記スルーホールと対向するスルーホール対向領域と前記スルーホール対向領域の周辺の領域とに加熱分解性ペーストを印刷する工程と、
   前記下側絶縁層の上面において前記加熱分解性ペーストが配置されている領域を除外して、アルミナペーストを印刷する工程と、
   前記下側絶縁層の上面に前記板状セル部材を積層する工程と
   を備えるガスセンサ素子の製造方法。