JP4014513B2 - セラミックヒータ、積層型ガスセンサ素子及びその製造方法、並びに積層型ガスセンサ素子を備えるガスセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータに関する。また、測定対象気体中の特定ガスを検出するための積層型ガスセンサ素子及びその製造方法、並びにその積層型ガスセンサ素子を備えるガスセンサに関する。なお、本発明の積層型ガスセンサ素子は、エンジンの排ガスセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ等）及び他の各種センサ等に広く利用される。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関等において排ガス中の特定ガス成分を検出したり、その濃度の測定を行ったりする各種のセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ等）として積層型ガスセンサ素子（以下、単に「素子」ともいう）を用いるものが知られている。そして、この種の素子としては、酸素イオン伝導型固体電解質体（ジルコニア等）からなり、その両面に電極が設けられた板状の検出層を用いて構成されるものが従来より提案されている。
【０００３】
このような素子の固体電解質体からなる検出層は、一般に３００℃以上の高温で活性状態となり、酸素濃淡電池として動作するものである。そこで、検出層を加熱して当該検出層の早期活性化を図るべく、抵抗発熱体（発熱抵抗体）を内部に埋設した板状のセラミック製の基体を備えるセラミックヒータを、検出層に近接して配置させることが提案されている。また、近年では、抵抗発熱体を内部に埋設した基体上に、上記検出層を積層した板状の素子本体を備える積層型ガスセンサ素子が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−０１３９６１号公報（第３図参照）
【特許文献２】
特開平７−１２０４２９号公報（第１図参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の排気管を通過する排気ガス中には、水滴や油滴などが含まれており、この水滴等がガスセンサの使用時にセラミックヒータや素子に付着することがあると、それらにクラックが発生することがある。詳細には、上記セラミックヒータ及び抵抗発熱体を備える基体上に検出層が形成された積層型ガスセンサ素子は、ガスセンサの使用時において、排ガス（測定対象気体）に晒されると共に、抵抗発熱体によって発熱されているために、水滴等が接触すると、その水滴が付着した部分とその周囲との間に大きな温度差を生じ、これに起因する熱衝撃にてクラックが発生することがある。
【０００６】
なお、この問題に対しては、この素子を排気管に設置する際に、例えば素子の周囲に通気穴を複数有するプロテクタを設けて素子を保護するなどの対策を行うことで、水滴や油滴などが素子に接触するのを抑制することが可能である。しかし、プロテクタ形状だけではセラミックヒータや素子への水滴等の付着を完全に遮断することができず、上記クラックの発生を保護するには十分とは言い難い。また、セラミックヒータや素子の取付け位置によっては、プロテクタの壁面等に凝縮した凝縮水が、エンジン始動後、セラミックヒータや素子に直接かかり、上記クラックを誘発する場合がある。
【０００７】
本発明者らが、水滴の接触（付着）による上記クラックの発生について鋭意検討してみたところ、上記セラミックヒータを構成する基体や素子を構成する素子本体は、断面略四角形状を有する板型形状をなすことから、上記基体ないし上記素子本体に角部が形成されることになるが、この角部に水滴等が付着するとクラックの発生につながり易いことが分かった。また、本発明者らの検討によると、セラミックヒータでは、基体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その基体の表裏面と側面とで構成された長手方向に延びる角部に対し水滴が付着すると、その角部に熱応力が集中し易く、クラックが生じ易いことが分かった。さらに、抵抗発熱体を有する素子では、素子本体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部に対し水滴が付着すると、その角部に熱応力が集中し易く、クラックが生じ易いことが分かった。
【０００８】
なお、上述した従来公知の特許文献では、抵抗発熱体を有する積層型ガスセンサ素子の外表面を多孔質の保護層で被覆した構造が開示されている。しかしながら、これら特許文献に開示された保護層は、素子本体の角部への水滴の付着によるクラック発生を防止するためのものではなく、排気ガスの凝縮成分よりガス透過層の目詰まりを防止するために形成されたものに過ぎない。そのために、素子本体の角部に多孔質の保護層を単に形成した従来の素子であっても、角部への水滴の付着によるクラック発生を防止するには十分ではなく、この角部を覆う保護層自体の改良が必要であった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、水滴等の接触によっても、抵抗発熱体を有する板状の基体にクラックが生じることを防止することができるセラミックヒータを提供することを目的とする。また、水滴等の接触によっても、抵抗発熱体を有する基体上に検出層を積層してなる板状の素子本体にクラックが生じることを防止することができる積層型ガスセンサ素子及びその製造方法、並びにその積層型ガスセンサ素子を備えるガスセンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
その解決手段として、本発明のセラミックヒータは、通電により発熱する抵抗発熱体と、上記抵抗発熱体を内部に埋設してなる板状のセラミック製の基体とからなり、測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータであって、該基体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成されると共に当該基体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のセラミックヒータでは、基体のうちで、少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、水滴等の接触（被水）によってクラックの発生を招き易い基体の長手方向に延びる各角部の１以上に、２０μｍ以上の多孔質保護層を形成している点が注目すべき点である。このように２０μｍ以上の多孔質保護層を形成することにより、この多孔質保護層に付着した水滴は、多数の細孔（気孔）を分散しながら緩慢に浸透していく。従って、多孔質保護層の内側に位置する素子本体の角部に到達する前に水滴を分散でき、素子本体に生ずる温度勾配を小さくし、熱衝撃を有効に抑制することができる。その結果、被水による基体へのクラック発生を防止したセラミックヒータを得ることができる。なお、セラミックヒータは、使用時において、高温の排ガス（測定対象気体）に晒されたり、抵抗発熱体自身による発熱により高温状態となるので、多孔質保護層を浸透する水滴については、その周囲の熱により適宜蒸発される。
【００１２】
本発明の多孔質保護層は、上記のように基体の長手方向に延びる角部にのみ形成されていても良いし、この角部及び角部以外の表面（例えば、測定対象気体に晒される先端側の表面全周）を覆うように形成されていても良い。更に、基体の略全面に多孔質保護層が形成されていても良い。また、板状の基体は、厚さ方向の断面をとったときに断面略四角形状であり、角部は４つ存在することになるが、この４つの角部のうち、上記多孔質保護層は１以上の角部を被覆するように形成されていれば良い。つまり、セラミックヒータのガスセンサ内での取付け位置を考慮し、凝縮水が付着し易い基体の角部を１以上選択して多孔質保護層を形成することで、被水による基体のクラック防止の効果が得られることになるからである。
【００１３】
この多孔質保護層の材質は特に限定されないが、スピネル、アルミナ、ムライト等を主体とするセラミックから形成されることが好ましく、特にスピネル、アルミナが好ましい。なお、本明細書において「主体」とは、７０質量％以上の質量含有率を占めることを指す。
【００１４】
また、多孔質保護層の厚みは、被水による基体のクラック発生をより有効に防止するために３０μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。この多孔質保護層の厚みの上限値は特に限定されないが、製造コストや基体の角部からの剥離等を考慮して５００μｍ以下（好ましくは３００μｍ以下）とすることが好ましい。なお、本明細書において「多孔質保護層の厚さが基体の角部から２０μｍ以上とする」とは、基体の厚さ方向の断面をとったときに、基体の角部と保護層の表面との間に直径２０μｍの仮想円が形成（内包）されることを意味するものである。
【００１５】
そして、上述したセラミックヒータにおいて、上記多孔質保護層は、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあると良い。また、上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されていると良い。
【００１６】
さらに、上述したセラミックヒータにおいて、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成される多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなると良い。また、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きいと良い。
【００１７】
さらに、上述したセラミックヒータにおいて、上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されていると良い。
【００１８】
ついで、他の解決手段として、本発明の積層型ガスセンサ素子は、内部に抵抗発熱体を有する基体に一対の電極を具備する検出層を積層した板状の素子本体を有し、測定対象気体中の特定ガスを検出するための積層型ガスセンサ素子において、該素子本体の少なくとも上記測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち該抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、上記多孔質保護層は、上記素子本体に接する最下層として形成されると共に当該素子本体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とする。
【００１９】
本発明の積層型ガスセンサ素子（以下、単に「素子」ともいう）では、素子本体のうちで、少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、抵抗発熱体の配置位置に近い側の長手方向に延びる各角部の１以上に、２０μｍ以上の多孔質保護層を形成している点が注目すべき点である。このように２０μｍ以上の多孔質保護層を形成することによる作用、効果については上述と同様である。このような構成を特定することにより、被水による素子本体へのクラック発生を防止した素子を得ることができる。なお、素子は、使用時において、高温の排ガス（測定対象気体）に晒されたり、抵抗発熱体自身の発熱によって高温状態となるので、多孔質保護層を浸透する水滴については、その周囲の熱により適宜蒸発される。
【００２０】
この多孔質保護層の材質は特に限定されないが、スピネル、アルミナ、ムライト等を主体とするセラミックから形成されることが好ましく、特にスピネル、アルミナが好ましい。
また、多孔質保護層の厚みは、被水による基体のクラック発生をより有効に防止するために３０μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。この多孔質保護層の厚みの上限値は特に限定されないが、製造コストや基体の角部からの剥離等を考慮して５００μｍ以下（好ましくは３００μｍ以下）とすることが好ましい。なお、本明細書において「多孔質保護層の厚さが素子本体の角部から２０μｍ以上とする」とは、素子本体の厚さ方向の断面をとったときに、素子本体の角部と保護層の表面との間に直径２０μｍの仮想円が形成（内包）されることを意味するものである。
【００２１】
そして、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記検出層は、酸素の濃度に対応して特性が変化する固体電解質体から形成されると良い。また、上記一対の電極は、検出層のうちで基体と面する側に形成される基準電極と、該基体と面する側とは反対側に形成される検知電極とからなり、上記素子本体は、上記検知電極上に電極保護層を積層する形態で形成されていると良い。
【００２２】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記多孔質保護層は、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあると良い。上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されていると良い。
【００２３】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成される多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなると良い。また、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きいと良い。
【００２４】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されていると良い。
【００２９】
他の解決手段として、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法は、基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作り、ついで、該未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質接着層であって第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、該未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して外表面が粗面化された第１多孔質保護層が形成された素子本体を作製し、焼成後の該第１多孔質保護層上に多孔質表面層であって第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成した上で熱処理を行って当該第２多孔質保護層を形成し、該第１多孔質保護層と該第２多孔質保護層との合計の厚みが２０μｍ以上であり、該第１多孔質保護層の空孔率が、該第２多孔質保護層の空孔率よりも大きい積層型ガスセンサ素子を得ることを特徴とする。
【００３０】
ところで、未焼成積層体と未焼成被覆層を同時焼成することにより、角部に多孔質保護層が強固に固着した素子本体を得ることができる。しかし、同時焼成のみで多孔質保護層を形成する場合、未焼成積層体と未焼成被覆層との焼成収縮率の違い等により焼成条件を厳しく管理する必要があり、比較的厚みのある多孔質保護層を形成するには限界がある。一方、上述したように、未焼成積層体を焼成して素子本体を作った後に、その素子本体の角部に未焼成被覆層を形成して熱処理することで、角部に多孔質保護層を有する素子本体を得ることもできる。この手法によれば、上記同時焼成時のような焼成収縮率の問題を解消することができ、比較的厚みのある多孔質保護層を形成可能となる。しかし、この手法では、素子本体の角部と多孔質保護層との互いの結合力（固着強度）が弱くなりがちで、多孔質保護層が素子本体から剥離する可能性がある。
【００３１】
これに対し、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法では、まず未焼成基体上に、未焼成電極パターンと検出層用シート又は検出層用ペーストを積層してなる未焼成積層体の角部に、第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、これを同時焼成する。そして、得られた素子本体の角部を覆う第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成して熱処理を行い、第２多孔質保護層を形成し、両多孔質保護層による合計の厚みを２０μｍ以上とするようにしている。
【００３２】
この製造方法によれば、多孔質保護層の最下部に位置することになる第１多孔質保護層を、素子本体の角部との同時焼成により強固に固着させることができる。そして、第１多孔質保護層の表面（外表面）は、空孔によって粗面化されているため、この表面を利用して第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成して熱処理する。その結果、第１多孔質保護層のアンカー効果により第２多孔質保護層の固着強度を得つつ、比較的厚みのある第２多孔質保護層を形成することができる。
【００３３】
したがって、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法によれば、被水による素子本体へのクラック発生を防止することができ、素子本体の角部に対する多孔質保護層（第１多孔質保護層と第２多孔質保護層を合わせた層）の耐剥離性が向上した素子を得ることができる。また、この製造方法によれば、５０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層を有する素子本体を、多孔質保護層の耐剥離性を確保した状態で容易にかつ確実に得ることができる。なお、上記熱処理後に得られた第２多孔質保護層の表面についても、空孔によって粗面化されているので、この第２多孔質保護層上にさらに未焼成第３保護層を形成し熱処理を行って、第１〜第３多孔質保護層が積層された素子本体を形成しても良いことは言うまでもない。
【００３４】
また、上述した積層型ガスセンサ素子の製造方法においては、上記未焼成積層体を作製するにあたり、上記未焼成電極パターンのうちで基準電極となる基準電極パターンを上記未焼成基体と面する側に形成する一方、検知電極となる検知電極パターンを上記検出層用未焼成シート又は上記検出層用ペーストを介して該基準電極パターンと反対側に形成し、上記検知電極パターン上に電極保護層となるべき未焼成電極保護層を積層して該未焼成積層体を作製すると良い。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセラミックヒータは、ガスセンサ素子に近接して当該ガスセンサ素子を加熱するためのものであって、抵抗発熱体を埋設した板状の基体のうち長手方向に延びる各角部の１以上を２０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層により被覆したものである。また、本発明の積層型ガスセンサ素子は、抵抗発熱体を埋設した基体上に一対の電極を具備する検出層を積層した板状の素子本体のうち、抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を２０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層により被覆したものである。
【００３６】
上記「基体」は、セラミック焼結体であれば特に限定されず、このセラミックとしては、例えば、アルミナ、スピネル、ムライト、ジルコニア等を使用することができる。これらのうちの１種のみを用いることもでき、また２種以上を併用することもできる。この基体の具体的な構成としては、抵抗発熱体をセラミック（絶縁性セラミック）からなる第１基層と第２基層とで挟み込んだものが挙げられる。
【００３７】
この基体は、電気絶縁性及び熱伝導性、機械的強度等を考慮して、アルミナを主体に構成することが好ましい（なお、本明細書において「主体」とは、上述したように７０質量％以上の質量含有率を占めることを指す）。この基体におけるアルミナの質量含有率は、９０質量％〜１００質量％とすることが好ましく、９５質量％〜１００質量％とすることがより好ましい。一方、アルミナの質量含有率を７０質量％以上１００質量％未満として基体を形成する場合には、残部の成分として、焼成時のアルミナの粒成長を抑制することができる成分（例えば、ジルコニア）、又はこの基体と同時焼成に供されることになる他のセラミック層の主体をなす成分（例えば、固体電解質体からなる検出層の主体の成分）を含有させると良い。これにより、アルミナ結晶粒の粒成長を抑制できると共に、同時焼成時において基体と他のセラミック層との熱膨張差を緩和することができる。
【００３８】
また、抵抗発熱体を埋設する上記基体は、アルカリ金属成分（特にＬｉ成分、Ｎａ成分及びＫ成分）及びアルカリ土類金属成分（特にＭｇ成分、Ｃａ成分及びＢａ成分）をできるだけ含有しないことが好ましい。これらを過度に多く含有すると、後述する抵抗発熱体の作動時にイオン化したアルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンがマイグレーションを起こし、抵抗発熱体を細線化させたり又は断線させたりすることがあるため好ましくない。この基体に含有されるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分は、後述のマイグレーション防止電極を抵抗発熱体と併設して設けない場合には、基体全体を１００質量％とした場合に、各元素の酸化物換算合計量で１質量％以下（好ましくは０．１質量％以下）にすることが好ましい。
【００３９】
「抵抗発熱体」は、貴金属、タングステン、モリブデン等を使用することができる。貴金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等が挙げられ、これらのうちの１種のみを使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。なお、抵抗発熱体は、耐熱性、耐酸化性等を考慮して貴金属を主体に構成することが好ましく、Ｐｔを主体に構成することがより好ましい。また、この抵抗体発熱体には、主体となる貴金属にセラミック成分を含有させると良い。このセラミック成分は、抵抗発熱体が埋設されることになるセラミック製の基体の主体となる成分と同成分を含有することが、固着強度の観点から好ましい。この抵抗発熱体は、基体の内部に埋設されて外部から供給される直流電圧により発熱するものであり、通常、抵抗発熱体は、基体の表面に形成された直流電圧を受電するための通電用端子電極とスルーホールを介して電気的に接続される。
【００４０】
また、抵抗発熱体は、通常、通電により発熱する発熱部と、外部から供給される直流電圧この発熱部まで通電し自身はほとんど発熱しないリード部とを有する。これら発熱部及びリード部の形状は各々特に限定されないが、例えば、発熱部をリード部より幅細とし、リード部より密なパターンとなるように蛇行させた形状を採用することができる。
【００４１】
さらに、基体には、抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位にマイグレーション防止電極（イオン化抑留導体）を設けることができる。基体内に通常含有される（不可避的に含有されるものも含む）アルカリ金属成分又はアルカリ土類金属成分は、直流電圧の印加によりイオン化し、通電時の抵抗発熱体の負極に集まることにより、抵抗発熱体の細線化や断線といった劣化を生ずるおそれがある。
【００４２】
そこで、基体内にマイグレーション防止電極を設けた場合には、イオンはそのマイグレーション防止電極に引き寄せられ、抵抗発熱体（抵抗発熱体の負極）にはほとんど引き寄せられないものとすることができる。これにより、抵抗発熱体のマイグレーションに伴う細線化や断線といった劣化を防止することができると共に、抵抗発熱体の使用時での抵抗変化（増加）を防止することができる。その結果、セラミックヒータないし積層型ガスセンサ素子の信頼性を長期にわたって維持することができる。
【００４３】
マイグレーション防止電極は、抵抗発熱体とは電気的に接続せずに単独で形成しても良く、抵抗発熱体の一部から分岐させて形成しても良い。単独に備える場合には、例えば、導体を接地（例えば、１Ｖ以下になるように）して、導通させないことでマイグレーション防止電極とすることができる。また、抵抗発熱体の一部から分岐させる場合には、例えば、抵抗発熱体の低電位側の端部から分岐させた導体を形成する一方、抵抗発熱体の高電位側とは導通させないことによりマイグレーション防止電極とすることができる。
【００４４】
マイグレーション防止電極の形状は特に限定されず、例えば、直線的に延びる一本のパターンから形成されていても、蛇行形状に形成されていても良い。また、抵抗発熱体と同様の形状に形成されていても良い（この場合、一端側は抵抗発熱体と電気的に接続させない）。また、マイグレーション防止電極を構成する材料は特に限定されず、例えば、抵抗発熱体を構成する材料をそのまま適用することができる。
【００４５】
ついで、本発明の主要要件である「多孔質保護層」は、細孔の気孔を複数有するものであって、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあることが好ましい。空孔率が１５％未満の場合、多孔質保護層により水滴を分散させながら緩慢に浸透させていく機能を十分に発揮することができないことがある。また、空孔率が６５％を超えると、多孔質保護層における水滴等の浸透度合いが高くなり、水滴等が基体ないし素子本体の角部に接触し易くなり、被水によるクラックの発生を防止する効果を十分に期待することができないおそれがある。
【００４６】
上記空孔率は３０％〜６０％の範囲内にすることが好ましい。この範囲内にすることで、水滴等の分散効果が十分に得られると共に、多孔質保護層内での温度が均一化され、基体ないし素子本体に及ぶ熱衝撃の緩和能力を高めることができる。なお、空孔率は４０％〜５５％の範囲にすることがより好ましい。本明細書において、上記空孔率は、多孔質保護層の断面をＳＥＭにて分析し、その分析によって得られた拡大写真より、単位面積当たりに占める空孔の面積の比率（％）として求めることができる。
【００４７】
この多孔質保護層は、上述したように、基体または素子本体の長手方向に延びる角部を覆うように形成される。ここで、本明細書でいう「長手方向に延びる角部」とは、板状の基体ないし素子本体の該表面のうちで、長手方向に延びる表裏面のいずれか一面と両側面とのいずれか一面とを連結する部分（箇所）を指すものである。なお、上記の表裏面のいずれか一面と両側面のいずれか一面とを連結する角部については、２つの面が交わる線上部（即ち、稜）のみに限られず、２つの面を例えばＲ形状で連結する曲面状の部分をも含むものとする。
【００４８】
また、多孔質保護層は、基体または素子本体の長手方向に直交する向きに断面（横断面）をとったときに、外表面における曲率半径が１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上となっていると良い。このように多孔質保護層の外表面における曲率半径が１０μｍ以上となることで、機械的外力による多孔質保護層自体のチッピングを防止することができる。また、基体ないし素子本体の角部に相当する部位に被水が生じた場合にも、多孔質保護層の全体に水滴が分散し易くなり、耐被水機能をより有効に発揮することが可能となる。
【００４９】
さらに、多孔質保護層は、２層の多孔質層が積層された複数層から構成されている。
多孔質保護層を２層で形成する場合には、基体ないし素子本体上に接する最下層として設けられる多孔質接着層（以下、単に接着層という）と、この接着層上に設けられる多孔質表面層（以下、単に表面層という）とからなるものとすることができる。
【００５０】
ところで、基体ないし素子本体の角部を含む表面上に厚み２０μｍ以上の多孔質保護層を確実に形成する場合、多孔質保護層全体の素子本体に対する固着強度を得ることが耐剥離性の観点から重要となる。そこで、上記のように多孔質保護層を接着層と表面層との複数層にて形成することで多孔質保護層全体の素子本体に対する密着性の向上を図ることができる。詳細に説明すると、接着層は多孔質状であることから表面（外表面）は、空孔によって粗面化されているので、この表面のアンカー効果を利用し、表面層の接着層に対する接着強度（固着強度）を高めることができる。
【００５１】
より具体的には、接着層を基体ないし素子本体と同時焼成により形成して接着層の素子本体に対する固着強度を確保し、ついで接着層表面のアンカー効果を利用して該接着層上に表面層を形成し、表面層の基体ないし素子本体に対する固着強度を、接着層を介して確保するのである。このように、多孔質保護層を接着層と表面層にて形成することで、多孔質保護層全体の厚みを確実に２０μｍ以上とすることができると共に、多孔質保護層の耐剥離性を確保することができる。なお、接着層と表面層との空孔率は、略同等に調整してもよいが、表面層の接着層に対する固着強度を高めるには、接着層の空孔率を表面層の空孔率よりも大きくすると良い。接着層によるアンカー効果を高めることができるからである。
【００５２】
ついで、積層型ガスセンサ素子の素子本体を構成する上記「検出層」は、上記基体に直接又は他部材（例えば、セラミック製の中間層）を介して積層され、一対の電極を具備するものである。この検出層は、板状（通常、厚さ５０μｍ以上のものをいう）であっても、薄膜状（通常、厚さ５０μｍ未満のものをいう）であってもよい。
【００５３】
上記検出層は、固体電解質体により構成することができ、この検出層（換言すれば、固体電解質層）は、酸素イオン伝導性を有すればその材質は特に限定されない。例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）あるいはカルシア（ＣａＯ）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）系焼結体やＬａＧａＯ３系焼結体、更にはこれらの焼結体にハフニウム（Ｈｆ）を含有したものを使用することができる。また、検出層と基体とを構成する質量含有率が最も高いセラミック成分が異なる場合、この検出層に対して基体に含有される質量含有率の最も高いセラミック成分を、検出層を１００質量％とした場合に１０質量％〜７０質量％の範囲内で含有させることが好ましい。これにより、検出層と基体との間に働く両者の熱膨張差に起因する熱応力を有効に緩和することができると共に、検出層と基体とを同時焼成によって得る場合に、反りの発生を抑制した形で素子本体を得ることができる。
【００５４】
検出層の表面に形成される「電極」は、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＰｔ等の貴金属を少なくとも１種含有しているものが好ましい。これらのうちＰｔは、酸化し難く、検出層に拡散することもなく、融点も高いため、電極材料として最適である。また、このＰｔからなる電極には、その物性に大きな影響を与えない範囲内で、ジルコニア等の酸化物が含まれていても良い。
【００５５】
この一対の電極は、検出層のうちで基体と面する側に形成される基準電極と、基体と面する側とは反対側に形成される検知電極として設けることができる。ここで、このような形態で一対の電極を検出層に設ける場合、検知電極は、素子本体の外側に配置されることになるため、この検知電極上に電極保護層を形成すると良い。この電極保護層を設けることで、測定対象気体中に電極を被毒する物質が含有される場合にも、電極をその被毒から防護することができる。なお、検知電極上に電極保護層を形成する場合には、この電極保護層を含めて本発明では、素子本体と考えるものとする。
【００５６】
積層型ガスセンサ素子は、以下に示す３つの異なる製造方法によって得ることができ、本発明の積層型ガスセンサ素子は、以下に示す（ｃ）の製造方法によって得ることができる。
【００５７】
（ａ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作る。ついで、この未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。そして、この未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して、厚み２０μｍ以上の多孔質層保護層が形成された素子本体を作製する（以下、「第１参考方法」という）。
【００５８】
（ｂ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層することで板状の未焼成積層体を作る。ついで、この未焼成積層体を焼成することにより素子本体を作製する。そして、素子本体の長手方向に延びる各角部のうち抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成して熱処理を行い、厚み２０μｍ以上の多孔質保護層が形成された素子本体を作製する（以下、「第２参考方法」という）。
【００５９】
（ｃ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作る。ついで、該未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質接着層であって第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。その後、未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して第１多孔質保護層が形成された素子本体を作製する。そして、焼成後の素子本体に形成された第１多孔質保護層上に、多孔質表面層であって第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行って第２多孔質保護層を形成し、第１多孔質保護層と第２多孔質保護層との合計の厚みを２０μｍ以上とする（以下、「本発明方法」という）。
【００６１】
上記第１参考方法は、多孔質保護層となる未焼成被覆層を、素子本体となる未焼成積層体の所定の角部に形成し、これを同時焼成する方法である。この未焼成被覆層を、未焼成積層体に形成する方法としては、印刷、浸漬（ディップ）、刷毛塗り、転写、グリーンシートの貼付等により形成することができる。印刷、浸漬等により未焼成被覆層を未焼成積層体に形成した後の同時焼成における焼成条件は特に限定されないが、１３５０℃〜１６００℃で１時間〜４時間の範囲内で行うことが好ましい。
【００６２】
なお、印刷又は浸漬で未焼成被覆層を形成する場合、セラミック原料粉末（例えば、アルミナ粉末）と、アセトン、トルエン等の溶剤と、ポリビニルブチラール、ＣＭＣ等のバインダとを混合したペーストを使用することが好ましい。また、溶剤及びバインダは１種のみでも良いし２種以上を併用しても良い。そして、焼成後の多孔質保護層の空孔率を向上させて多孔質状になるように、テオブロミン粉末、カーボン粉末等の気孔化剤を添加したペーストを用いることが好ましい。この気孔化剤は平均粒径が２μｍ〜５０μｍ、好ましくは５μｍ〜３０μｍのものを使用することが好ましい。
【００６３】
また、上記第１参考方法において、「基体用未焼成シート」は、セラミック原料粉末を、ポリビニルブチラール等のバインダと共に混練した生素地を用いてセラミック未焼成シートを形成することによって得ることができる。なお、内部に抵抗発熱体を埋設する基体を形成する場合、例えば、アルミナを主体に構成される未焼成シートを２枚用意して、一方の未焼成シート表面に未焼成抵抗発熱体パターンを形成（印刷）して、このパターンが内側となるように２枚の未焼成シートを積層することで製造することができる。
【００６４】
また、上記第１参考方法において、上記「検出層用未焼成シート又は検出層用ペースト」は、焼成されて検出層をなすものであり、イットリアあるいはカルシア等の安定化剤を固溶させたジルコニア粉末を、ポリビニルブチラール等のバインダと共に混練した生素地を用いて、作製することができる。さらに、電極をなす「未焼成電極パターン」は、貴金属を主体とする導電ペーストにより形成することができる。一対の未焼成電極パターンは、例えば、上記基体用未焼成シートの所定領域に一方の電極パターン（基準電極となる基準電極パターン）を印刷し乾燥させ、ついでこの基準電極パターン上に検出層用未焼成シートを積層し、この検出層用未焼成シートの基準電極と面する側とは反対側の面に他方の電極パターン（検知電極となる検知電極パターン）を印刷し乾燥させることで、形成することができる。なお、このようにして検知電極パターンを形成する場合には、検知電極パターン上に焼成されて電極保護層となるシート状又はペースト状の「未焼成電極保護層」を積層して、未焼成積層体を作製するようにしても良い。
【００６５】
ついで、上記第２参考方法は、素子本体となる未焼成積層体を先行して焼成し、焼成後の素子本体における所定の角部に多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、熱処理を行う方法である。この第２参考方法において、基体となる「基体用未焼成シート」、検出層となる「検出層用未焼成シート又は検出層用未焼成ペースト」、「未焼成電極パターン」については、上述にて説明した通りである。
【００６６】
上記第２参考方法では、未焼成積層体を焼成して得られた素子本体の所定の角部に、多孔質保護層となる未焼成被覆層を印刷、浸漬（ディップ）等により形成し、その後熱処理を行うことで形成する。印刷又は浸漬によって形成可能な「未焼成被覆層」の構成（性状）については、上述にて説明した通りである。また、未焼成被覆層が形成された素子本体を熱処理する条件としては、７００℃〜１３００℃で１時間〜４時間の範囲内で行うことが好ましい。なお、この第２発明方法においても、未焼成積層体を形成する段階で、一対の未焼成電極パターンを検出層用シート又は検出層用ペーストの表裏面に形成し、未焼成基体と面する側とは反対側に形成された一方の未焼成電極パターン（検知電極パターン）上に、焼成されて電極保護層となるペースト状又はシート状の未焼成電極保護層を積層させておくこともできる。
【００６７】
さらに、上記発明方法は、まず第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を、素子本体となる未焼成積層体の所定の角部に形成した上で、これらを同時焼成する。そして、同時焼成により得られた素子本体の所定の角部を覆う第１多孔質保護層上に、第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行う方法である。この発明方法において、基体となる「基体用未焼成シート」、検出層となる「検出層用未焼成シート又は検出層用未焼成ペースト」、「未焼成電極パターン」については、上述にて説明した通りである。
【００６８】
また、この発明方法において、素子本体と同時焼成に供される「未焼成被覆層」は、上述した第１参考方法の「未焼成被覆層」と同様の形態で構成し、形成すればよい。さらに、同時焼成により得られた素子本体の第１多孔質保護層上に形成する「未焼成第２被覆層」は、印刷や浸漬等により形成すれば良く、印刷又は浸漬によって形成する場合、上述した第１参考方法の「未焼成被覆層」と同様に構成にすれば良い。また、熱処理条件については、上述した第２参考方法と同様にすれば良い。つまり、この本発明方法では、先行して焼成により得られた第１多孔質保護層の表面が空孔によって粗面化されていることを利用し、第１多孔質保護層上に第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理をする工程が重要となる。これにより、素子本体に対する多孔質保護層の固着強度を確保しつつ、２０μｍ以上（特に５０μｍ以上）の厚みを有する多孔質保護層を確実に形成することができる。なお、この方法では、第１多孔質保護層が多孔質接着層に相当し、第２多孔質保護層が多孔質表面層に相当する。
【００６９】
本発明方法の具体例を挙げると、基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の未焼成電極パターンの一方を構成する基準電極パターンを形成し、ついで検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層する。そして、その検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストの未焼成基体と面する側とは反対側に検知電極となる検知電極パターンを形成し、さらにその検知電極パターン上に電極保護層となるペースト状又はシート状の未焼成電極保護層を積層することで、板状の未焼成積層体を作る。
【００７０】
ついで、未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンに近い側の角部を少なくとも覆うように第１多孔質保護層となる未焼成被覆層（カーボン粉末等の気孔化剤を添加すると共に、セラミック原料粉末（例えばアルミナ粉末）とバインダを混合したペースト）を印刷し、乾燥する。その後、その状態の未焼成積層体を１３５０℃〜１６００℃で１時間〜４時間の範囲内で焼成し、第１多孔質保護層が形成された素子本体を得る。ついで、この素子本体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側を、セラミック粉末（スピネル粉末）と水とカーボン粉末等の気孔化剤を混合してなるスラリーに浸漬させて、素子本体の角部に形成された第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成する。その後、７００℃〜１３００℃、１時間〜４時間の範囲内で熱処理し、第１多孔質保護層（接着層）と第２多孔質保護層（表面層）との合計の厚みが２０μｍ以上を満たす多孔質保護層を形成するのである。
【００７１】
また、セラミックヒータは、以下に示す３つの異なる製造方法によって得ることができ、本発明のセラミックヒータは、以下に示す（ｆ）の製造方法によって得ることができる。
【００７２】
（ｄ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。そして、この未焼成被覆層が形成された未焼成基体を焼成して、厚み２０μｍ以上の多孔質層保護層が形成された基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「第３参考方法」という）。
【００７３】
（ｅ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し熱処理を行い、厚み２０μｍ以上の多孔質保護層が形成された基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「第４参考方法」という）。
【００７４】
（ｆ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。その後、未焼成被覆層が形成された未焼成基体を焼成して第１多孔質保護層が形成された基体を作製する。そして、焼成後の基体に形成された第１多孔質保護層上に、第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行って第２多孔質保護層を形成し、第１多孔質保護層と第２多孔質保護層との合計の厚みを２０μｍ以上とする基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「本第２発明方法」という）。
【００７６】
【実施例】
（１．積層型ガスセンサ素子の構造）
＜第１参考実施例＞
第１参考実施例としての積層型ガスセンサ素子１００を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００の長手方向に直交する向きの横断面（後述する検知電極１３１を含む横断面）を示すもので、その断面形状は、約９０度をなす角部３（図１の長手方向に延びる角部３）を４個有する矩形状である。図２は、図１の積層型ガスセンサ素子１００において、多孔質保護層４を除いた素子本体Ａの構造を示す分解斜視図を示すものであり、この素子本体Ａは酸素濃淡電池素子１と、基体２とから構成され、基体２の内部には抵抗発熱体２１が埋設されている。
【００７７】
このうち酸素濃淡電池素子１は、イットリアを安定化剤として添加したジルコニア５０質量％と後述する基体２を構成するアルミナ５０質量％とから構成された酸素濃淡電池用固体電解質層（検出層）１１を備え、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の基体２と面する側に基準電極１３２が直に形成されると共に、固体電解質層１１自身を介して基準電極１３２と反対側に位置する面に検知電極１３１が直に形成されている。この検知電極１３１及び基準電極１３２には、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の長手方向に沿って導体リード部１３３及び１３４がそれぞれ延設されている。
【００７８】
導体リード部１３３の末端は、外部回路接続用の外部端子（図示せず）と接続される。また、導体リード部１３４の末端は、酸素濃淡電池用固体電解質層１１を貫通するスルーホール１５を介して、外部端子と接続されるための信号取出し用端子１４と接続される。
【００７９】
また、検知電極１３１の表面上には、検知電極１３１自身を被毒から防護するための多孔質状の電極保護層５が形成され、導体リード部１３３の表面上には、その外部端子と接続される部分を除いて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１を保護するための強化保護層５２が形成されている。
【００８０】
一方、基体２は、貴金属であるＰｔを主体に構成される抵抗発熱体２１を備え、この抵抗発熱体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層２２及び第２基層２３に挟持されている。
この抵抗発熱体２１は、蛇行状に形成される発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、このヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の端部２１１は、第２基層２３を貫通する２つのスルーホール２３１を介して、外部回路接続用の外部端子と接続される一対のヒータ通電端子２３２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００８１】
そして、このように基体２、基準電極１３２、酸素濃淡電池用固体電解質層１１、検知電極１３１、電極保護層５、強化保護層５２を積層して構成される素子本体Ａの長手方向に延びる角部３のうち、基体２の外側に位置する２つの角部及び電極保護層５の外側に位置する２つの角部に、図１に示すように、単層からなる多孔質保護層４が形成されている。この角部３での厚さ（即ち、最低厚さ）は２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第１参考実施例では、厚さ５０μｍの多孔質保護層４が形成）。この多孔質保護層４の空孔率は、１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。
【００８２】
なお、積層型ガスセンサ素子１００の多孔質保護層４を含む全体の大きさは、長手方向の寸法３０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅寸法２．５ｍｍ〜６ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、本実施例では、長手方向の寸法約４０ｍｍ。幅寸法３ｍｍ、厚み約２ｍｍに形成されている。
【００８３】
＜第２実施例＞
本発明の第２実施例としての積層型ガスセンサ素子２００を図６に示す。この積層型ガスセンサ素子２００は、第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００に対し、その横断面（検知電極１３１を含む横断面）にて、素子本体Ａを覆う多孔質保護層４０の領域が異なると共に、多孔質保護層４０が単層ではなく接着層４１と表面層４２の複数層から構成される点が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８４】
本第２実施例において、素子本体Ａの長手方向に延びる４つの角部３に対し、図６に示すように、接着層４１と表面層４２からなる多孔質保護層４０が形成されている。この多孔質保護層４０の角部３での厚さ（即ち、最低厚さ）は、両層４１、４２の合計で２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第２実施例では、厚さ１５μｍの接着層４１と厚さ８５μｍの表面層４２、合計厚さ１００μｍの多孔質保護層４０が形成）。また、この多孔質保護層４０の空孔率は、両層４１、４２とも１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。なお、接着層４１に対する表面層４２の固着強度を向上させるために、本第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００では、上記空孔率の範囲内を満たすようにして、接着層４１の空孔率を表面層４２のそれよりも大きく調整している。
【００８５】
また、多孔質保護層４０は、電極保護層５の角部３のみを覆うのではなく、電極保護層５を含めた素子本体Ａのうちで測定対象ガスに晒される先端側の周囲全面を覆うように形成されている。
【００８６】
＜第３実施例＞
本発明の第３実施例としての積層型ガスセンサ素子３００を図５に示す。この積層型ガスセンサ素子３００は、第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００に対し、その横断面（検知電極１３１を含む横断面）にて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の幅寸法が基体２のそれよりも狭く形成される点で異なると共に、多孔質保護層４０の形成部位が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８７】
図５に示すように、この第３実施例の積層型ガスセンサ素子３００では、接着層４１と表面層４２から構成される多孔質保護層４０が、抵抗発熱体２１を埋設した基体２の４つの角部３のみを覆うように形成されている（本第３実施例では、厚さ１５μｍの接着層４１と厚さ８５μｍの表面層４２、合計厚さ１００μｍの多孔質保護層４０が形成）。このように、本第３実施例において、基体２の角部３のみに多孔質保護層４０を形成している理由は、基体２の４つの角部３が、電極保護層５の外側に位置する角部よりも抵抗発熱体２１の配置位置に近い側に位置する角部に位置しているからである。つまり、この抵抗発熱体２１の配置位置に近い側の角部３は、水滴等が付着すると熱衝撃によるクラック発生を特に招き易いことから、本第３実施例では、この基体２の角部３に多孔質保護層４０を形成し、被水対策を講じているのである。
【００８８】
＜第４実施例＞
本発明の第４実施例としての積層型ガスセンサ素子４００を図８及び図９に示す。なお、図８は、本第４実施例の積層型ガスセンサ素子４００の長手方向に直交する向きの横断面（検知電極１３１を含む横断面）を示すものであり、図９は、図８の積層型ガスセンサ素子４００において、多孔質保護層４０を除いた素子本体Ａの構造を示す分解斜視図を示すものである。そして、この積層型ガスセンサ素子４００は、第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００に対し、基体２０の構成が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８９】
図９の分解斜視図に示すように、素子本体Ａを構成する基体２０の内部には、抵抗発熱体２１とイオンマイグレーション防止電極２４がそれぞれ異なる部位に埋設されている。具体的には、抵抗発熱体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層２２と第２基層２３との間に挟まれ、イオンマイグレーション防止電極２４は、上記第２基層２３と絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第３基層２５との間に挟まれている。なお、イオンマイグレーション防止電極２４とは、抵抗発熱体２１が金属イオンのマイグレーションによって劣化することを防止するための導体である。
【００９０】
本第４実施例において、抵抗発熱体２１は、蛇行状に形成される発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、このヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の両端部２１１は、第２基層２３及び第３基層２５を同軸状の貫通する２つのスルーホール２３１、２３３、及び中間通電端子２３６を介して、外部回路接続用の外部端子と接続されるヒータ通電端子２３２と電気的に接続されている。また、イオンマイグレーション防止電極２４は、抵抗発熱体２１と同材料にて構成され、抵抗発熱体２１のパターン形状と略同等のパターン形状を有している。なお、イオンマイグレーション防止電極２４の一端部２３４は、スルーホール２３１、２３３の一方を介してヒータ通電端子２３２（好ましくは負極側となる通電端子）及び抵抗発熱体２１と電気的に接続している。他方、他端部２３５については、他方のスルーホール２３１、２３３と接続しない（換言すれば、ヒータ通電端子２３２及び抵抗発熱体２１と電気的に接続しない）位置に配置されるように形成されている。
【００９１】
そして、このような構造の基体２０を有する素子本体Ａのうちで、測定対象気体に晒される先端側の周囲全面を覆うようにして、接着層４１と表面層４２とから構成される多孔質保護層４０が形成されている（本第４実施例では、厚さ４０μｍの接着層４１と厚さ１１０μｍの表面層４２、合計厚さ１５０μｍの多孔質保護層４０が形成）。
【００９２】
（２．セラミックヒータの構造）
＜第５実施例＞
本発明の第５実施例としてのセラミックヒータ５００を、図３及び図４を用いて説明する。このセラミックヒータ５００は、測定対象気体から特定ガス成分を検出するためのガスセンサ素子（図示せず）に近接して設けられ、ガスセンサ素子を加熱するために用いられるものである。図３は、本第５実施例のセラミックヒータ５００の長手方向に直交する向きの横断面（後述する発熱部３３５を含む横断面）を示すもので、その断面形状は、約９０度をなす角部３０（図３の長手方向に延びる角部３０）を４個有する矩形状である。図４は、図３のセラミックヒータ５００において、多孔質保護層５４を除いた基体Ｂの構造を示す分解斜視図を示すものであり、この基体Ｂの内部には、抵抗発熱体３３２とイオンマイグレーション防止電極３２２がそれぞれ異なる部位に埋設されている。
【００９３】
貴金属であるＰｔを主体に構成される抵抗発熱体３３２は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第２基層３２及び第３基層３３に挟持されている。また、抵抗発熱体３３２と同種材料で構成されるイオンマイグレーション防止電極３２２は、上記第２基層３２及び絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層３１に挟持されている。このイオンマイグレーション防止電極３２２は、抵抗発熱体３３２が金属イオンのマイグレーションによって劣化することを防止するための導体である。
【００９４】
抵抗発熱体３３２は、蛇行状に形成される発熱部３３５と、この発熱部３３５の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部３３６とを有している。また、このヒータリード部３３６の発熱部３３５と接続される側とは反対側の両端部３３３は、第３基層３３を貫通する２つのスルーホール３３１を介して、外部回路接続用の外部端子と接続される一対のヒータ通電端子３３４とそれぞれ電気的に接続されている。また、イオンマイグレーション防止電極３２２は、抵抗発熱体３３２のパターン形状と略同等に形成している。但し、イオンマイグレーション防止電極３２２の一端部３２３は、１つのスルーホール３２１を介してマイグレーション防止電極通電端子３２５に電気的に接続され、このマイグレーション防止電極通電端子３２５は、ヒータ通電端子３３４（好ましくは負極側となる通電端子）及び抵抗発熱体３３２と電気的に接続している。他方、他端部３２４については、スルーホール３２１と接続しない（換言すれば、ヒータ通電端子３３４及び抵抗発熱体３３２と電気的に接続しない）位置に配置されるように形成している。
【００９５】
そして、このような基体Ｂの長手方向に延びる４つの角部３０に対し、図３に示すように、接着層５５と表面層５６からなる多孔質保護層５４が形成されている。この多孔質保護層５４の角部３０での厚さ（即ち、最低厚さ）は、両層５５、５６の合計で２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第５実施例では、厚さ１０μｍの接着層５５と厚さ４０μｍの表面層５６、合計厚さ５０μｍの多孔質保護層５４を形成）。また、この多孔質保護層５４の空孔率は、両層５５、５６とも１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。なお、接着層５５に対する表面層５６の固着強度を向上させるために、本第５実施例のセラミックヒータ５００では、上記空孔率の範囲内を満たすようにして、接着層５５の空孔率を表面層５６のそれよりも大きく調整している。
【００９６】
また、セラミックヒータ５００の多孔質保護層５４を含む全体の大きさは、長手方向の寸法３０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅寸法２．５ｍｍ〜６ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、本実施例では、長手方向の寸法約４５ｍｍ。幅寸法４ｍｍ、厚み約２ｍｍに形成されている。
【００９７】
（３．ガスセンサの構造）
図７は、上述した積層型ガスセンサ素子（第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００）が組み込まれたガスセンサであり、具体的には内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサ６００の一例を示した全体断面図である。
【００９８】
この酸素センサ６００に組み込まれる積層型ガスセンサ素子１００は、その先端側がセンサハウジング６の先端から突出するように当該センサハウジング６に形成された挿通孔６１に挿通されると共に、挿通孔６１の内周面と積層型ガスセンサ素子１００との間が、ガラスを主体に構成される封着材層７により気密状態に封着されている。センサハウジング６の先端部外周には、積層型ガスセンサ素子１００の突出部分（先端側）を覆う金属製の二重のプロテクタ８、８がレーザー溶接等により固着されている。このプロテクタ８、８には、自身の先端や周囲に排気管内を流れる排ガスを導く通気孔８１、８１が形成されている。
【００９９】
一方、センサハウジング６の後端部は、外筒１０の先端部内側に挿入され、その重なり部分にて周方向にレーザー溶接等の接合が施されている。また、センサハウジング６の外周部には、酸素センサ６００を排気管にねじ込んで取り付けるためのネジ部６２が螺設されている。なお、積層型ガスセンサ素子１００のうちで、センサハウジング６の先端から突出する先端側が、測定対象気体に晒されることになる部分に相当する。それより、積層型ガスセンサ素子１００の先端側に晒される部分に、少なくとも多孔質保護層４が形成されている。
【０１００】
積層型ガスセンサ素子１００については、第１コネクタ９１、長手状金属薄板９２、さらには第２コネクタ９３及び絶縁板（図示せず）（なお、これらを総称して「外部端子９」という）とリード線９０とを介して、図示しない外部回路と電気的に接続されている。また、都合４本のリード線９０は、外筒１０の後端側に位置するグロメット２０を貫通して延びている。また、積層型ガスセンサ素子１００の長手方向において、封着材層７の少なくとも一方の側に隣接する形で、多孔質無機物質（例えば、タルク滑石の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体）で構成された緩衝層７１が形成されている。なお、この酸素センサ６００は、上述した第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００を用いて形成したが、上述した第２〜第４実施例の積層型ガスセンサ素子２００、３００、４００を用いて形成しても良いことは言うまでもない。
【０１０１】
【実験例】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
まず、以下に説明する方法により、第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００と第５実施例のセラミックヒータ５００を製造した。
【０１０２】
（第１実施例の積層型ガスセンサ素子１００の作製）
▲１▼酸素濃淡電池素子用未焼成シートの作製
イットリアの安定化剤を固溶させたジルコニア粉末１００ｇとアルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）２６ｇと共に混練した生素地を用いて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１となるものであって、５個の素子を切り出すことができる大きさの未焼成固体電解質シートを形成した。その後、未焼成固体電解質シートの所定位置に素子５個分のスルーホール１５となる貫通孔を形成した。
【０１０３】
ついで、未焼成固体電解質シート（スルーホール１５となる貫通孔を含む）上の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターンに印刷し、乾燥させて、検知電極１３１、基準電極１３２、導体リード部１３３、１３４、信号取出し用端子１４となる導体パターンを形成すると共に、スルーホール１５となる貫通孔の内壁面に対して導電ペーストを施した。これにより、酸素濃淡電池素子用未焼成シートを得た。
【０１０４】
▲２▼基体用未焼成シートの作製
ついで、アルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇと共に混練した生素地を用いて、第２基層２３となる未焼成アルミナシートを形成し、素子５個分のスルーホール２３１となる貫通孔を形成した。
その後、第２基層２３となる未焼成アルミナシート（スルーホール２３１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、上述の▲１▼と同様の導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、抵抗発熱体２１、一対のヒータ通電端子２３２となる導電パターンを形成すると共に、スルーホール２３１となる貫通孔の内壁面に対して導体ペーストを施した。そして、第１基層２２となる未焼成アルミナシートを上記第２基層２３と同様な方法で作製し、この第１基層２２となる未焼成アルミナシートを第２基層２３となる未焼成アルミナシートの抵抗発熱体２１となる導体パターンが形成された面に積層・減圧圧着した。これにより、基体２となる基体用未焼成シートを得た。
【０１０５】
▲３▼組立・脱脂、及び焼成並びに多孔質保護層の形成
酸素濃淡電池素子用未焼成シートと基体用未焼成シートとを積層し、さらに所定のアルミナ粉末と気孔化剤としてのカーボン粉末、ブチラール樹脂及びジブチルフタレートからなるバインダ、分散剤を混合したスラリーを用いてシート化した電極保護層５となる電極保護層用未焼成シートを、酸素濃淡電池素子用未焼成シートの外部に露出した検知電極１３１となる導体パターン上に積層し、減圧圧着して組立体を得た。そして、この組立体を、素子本体Ａを形成すべく公知の手法により切断し、５個の未焼成積層体を切り出した。
【０１０６】
その後、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）２５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径５μｍ）３０ｇを含むペーストを、焼成後の多孔質保護層４の角部３からの厚さが２０μｍ、５０μｍ、１００μｍになるように未焼成積層体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面に印刷して乾燥させた。また、上記ペーストを、焼成後の多孔質保護層４の角部３からの厚さが２００μｍになるように未焼成積層体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、長手方向に延びる４つの角部３上にのみ印刷して乾燥させた。ついで、この状態の未焼成積層体を大気雰囲気下にて毎時２０℃で昇温していき、最高温度４５０℃で１時間保持しつつ脱脂（脱バインダ処理）した後、１５００℃で１時間焼成して、単層からなる多孔質保護層４が形成された素子本体Ａを有する積層型ガスセンサ素子１００（図１参照）を得た。
【０１０７】
また、比較例となる積層型ガスセンサ素子として、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に、多孔質保護層４を形成せずに、上記脱バインダ処理、焼成を行った素子を別途に形成した。
【０１０８】
（第５実施例のセラミックヒータ５００の作製）
▲１▼基体用未焼成シートの作製
アルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇと共に混練した生素地を用いて、厚み０．７ｍｍの第２基層３２、厚さ１．１ｍｍ第３基層３３となる未焼成アルミナシートをそれぞれ形成し、各未焼成アルミナシートにセラミックヒータ５個分のスルーホール３２１、３３１となる貫通孔を形成した。
【０１０９】
その後、第２基層３２となる未焼成アルミナシート（スルーホール３２１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、イオンマイグレーション防止電極３２２、マイグレーション防止電極通電端子３２５となる導電パターン（尚、ビア印刷、ペースト圧入等により予めスルーホール３２１部での導通を確保しておく方法もよい）を形成した。さらに、第３基層３３となる未焼成アルミナシート（スルーホール３３１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、抵抗発熱体３３２となる導体パターン（未焼成抵抗発熱体パターン）、ヒータ通電端子３３４となる導電パターンを形成した。そして、厚み０．３ｍｍの第１基層３１となる未焼成アルミナシートを、上記第２基層３２、上記第３基層３３と同様な材料を用いて作製した。
【０１１０】
ついで、この第１基層３１となる未焼成アルミナシートを第２基層３２となる未焼成アルミナシートのイオンマイグレーション防止電極３２２となる導体パターンが形成された主面に積層すると共に、第２基層３２となる未焼成アルミナシートの主面と反対側の裏面に、未焼成抵抗発熱体パターンが形成された主面が面するように第３基層３３となる未焼成アルミナシートを積層した上で、減圧圧着した。これにより、基体Ｂとなる基体用未焼成シートを得た。
【０１１１】
▲２▼脱脂、焼成並びに多孔質保護層の形成
そして、この基体用未焼成シートを、基体Ｂを形成すべく公知の手法により切断し、５個の未焼成基体を切り出した。
その後、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）１５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径２０μｍ）４５ｇを含むペーストを、焼成後の第１多孔質保護層（接着層）５５の角部３０からの厚さが１０μｍになるように未焼成基体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面に印刷し、乾燥させる。ついで、この状態の未焼成基体を大気雰囲気下にて毎時２０℃で昇温していき、最高温度４５０℃で１時間保持しつつ脱脂（脱バインダ処理）した後、１５００℃で１時間焼成して、第１多孔質保護層５５が形成された基体Ｂを得た。
【０１１２】
そして、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）２５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径５μｍ）３０ｇを含むペーストを、焼成後の多孔質保護層５４の角部３０からの厚み（第１多孔質保護層５５との合計の厚み）が２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとなるように、基体Ｂの第１多孔質保護層５５上に印刷し、乾燥させる。ついで、この状態の基体Ｂを、大気雰囲気下にて毎時１００℃で昇温していき、最高温度９００℃で１時間熱処理して、第１多孔質保護層（接着層）５５と第２多孔質保護層（表面層）５６とからなるセラミックヒータ５００を得た。
【０１１３】
また、比較例となるセラミックヒータとして、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に、多孔質保護層を形成せずに、上記脱バインダ処理、焼成を行ったセラミックヒータを別途に形成した。
【０１１４】
さらに、第５実施例と異なる参考例のセラミックヒータとして、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に対し、先行して上記脱バインダ処理、焼成を行った基体Ｂを作成し、角部３０からの厚さが２０μｍとなるように基体Ｂのうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面にスピネル溶射を行い、多孔質保護層を有するセラミックヒータを得た。
【０１１５】
上記のようにして得た積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータに対し、以下の試験（性能評価）を行った。
【０１１６】
（予備試験）
▲１▼２０００ｃｃのエンジンの床下に形成された排気管に、排気管の軸芯と垂直な方向となるように、且つセンサが下方を向く方向に取付けが可能になるようにＭ１２のセンサ取付用ネジを設けた。▲２▼角部３からの厚さ２０μｍの積層型ガスセンサ素子１００表面全体にカーボンを塗布してセンサ試験片を作製し、水滴痕が確認し易いようにして直径２ｍｍの通気孔を周方向にわたって６箇所有する一重のプロテクタを設けた試験片を用意し、この取付用ネジにセンサ試験片を取り付けた。▲３▼エンジンを始動させ、１０００ｒｐｍにて１０分間保持した。▲４▼エンジンを停止させ、センサ試験片を取付用ネジから外し、センサ試験片に付着した水滴痕の概略径を求めた。なお、センサ試験片２０本について、同様な手法により水滴痕の概略径を求めた。▲５▼ディスペンサにて水を２０本のセンサ試験片に滴下して、上記▲４▼の水滴痕と同等の水滴量を求めた。その結果、０．３μｌ（マイクロリットル）相当以下の量の水滴付着であることが判明した。このため、後述する滴下試験では、０．３μｌと過酷量１μｌの水を、積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータに滴下することにした。
【０１１７】
また、滴下する時の積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータの温度を３２０℃と決定した。それは、以下の理由による。
（１）排気ガス温度が水として存在し易い程度にできる限り低温であること。
（２）積層型ガスセンサ素子、セラミックヒータが被水して、熱衝撃によってクラックが発生する温度以上であること。
【０１１８】
（滴下試験）
▲１▼上述した製造方法によって得た積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータの表面のうちで、抵抗発熱体の配置位置に近い側の面に対して、直径０．１ｍｍの熱電対をセメントにて付着させた。▲２▼抵抗発熱体が発熱するようにヒータ通電端子から直流電圧を印加し、熱電対が３２０℃に成るように通電制御を行った。▲３▼積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータのうちで、熱電対を付着させた近傍に位置する素子本体の角部、基体の角部に相当する箇所に、ディスペンサにて採取した０．３μｌの水を滴下した。▲４▼抵抗発熱体への通電を停止し、色見液（水性赤インク液）にて滴下部での積層型ガスセンサ素子の素子本体及びセラミックヒータの基体にクラックが発生しているか否かを目視にて観察した。クラックが発生するまでこの▲２▼〜▲４▼の行為を繰り返した。但し、▲２▼〜▲４▼の行為を１０回繰り返してもクラックが発生しなかったものは、１０回目で▲２▼〜▲４▼の行為を終了した。ついで、▲５▼滴下量１μｌとして、同様に試験を実施した。
【０１１９】
なお、これらの試験は、素子本体Ａの角部３からの多孔質保護層４の厚みが、２０μｍ（試料番号２）、５０μｍ（試料番号３）、１００μｍ（試料番号４）、２００μｍ（試料番号５）である積層型ガスセンサ素子１００と、比較例として素子本体Ａに多孔質保護層４を形成していない積層型ガスセンサ素子（試料番号１）について、それぞれ１０本ずつ実施した。また、０．３μｌ及び１μｌの水の滴下試験については、各試料（試験片）について素子本体Ａの角部３に相当する部位のみならず、素子本体Ａの裏面（熱電対が付着された面と反対側の面）にも同様の形態で行い、クラックの発生の有無を確認するようにした。その結果を表１に示す。
【０１２０】
さらに、上記試験は、基体Ｂの角部３０からの多孔質保護層５４の厚みが、２０μｍ（試料番号７）、３０μｍ（試料番号８）、５０μｍ（試料番号９）、１００μｍ（試料番号１０）、２００μｍ（試料番号１１）であるセラミックヒータ５００と、スピネル溶射によって形成された基体Ｂからの多孔質保護層の厚みが２０μｍのセラミックヒータ（試料番号１２）と、比較例として基体Ｂに多孔質保護層５４を形成していないセラミックヒータ（試料番号６）について、それぞれ１０本ずつ実施した。また、０．３μｌ及び１μｌの水の滴下試験については、各試料（試験片）について基体Ｂの角部３０に相当する部位のみならず、基体Ｂの裏面（熱電対が付着された面と反対側の面）にも同様の形態で行い、クラックの発生の有無を確認するようにした。その結果を表２に示す。
【０１２１】
なお、表１、表２において、「クラック発生数」とは、試験を行った各１０本の試料のうちクラックが確認された試料の数であり、「クラック発生回数」とは、そのクラックの入った試料において、何回目の滴下試験における上記▲４▼の観察でクラックが確認されたかを示している。
【０１２２】
【表１】
【０１２３】
【表２】
【０１２４】
表１の結果によれば、素子本体Ａの裏面に滴下試験を行った場合、滴下量１μｌで試験を行った試料番号５の１０個中１個の試料を除いて、クラックの発生はみられなかった。しかし、多孔質保護層４が素子本体Ａの角部３に形成されていない試料（試料番号１）において、角部３に相当する部位に滴下試験を行った場合、滴下量０．３μｌの場合に１０個中３個の素子本体Ａにクラックが発生しており、さらに滴下量１μｌの場合に１０個中６個の素子本体Ａにクラックが発生した。これにより、多孔質保護層４が形成されていない場合に、素子本体Ａの角部３に被水すると、クラックがより発生し易いことが判る。
【０１２５】
これに対し、少なくとも角度３に２０μｍ以上の多孔質保護層４を形成した素子本体Ａ（試料番号２〜５）において、角部３に相当する部位に０．３μｌの水を滴下した場合、いずれの試料についてもクラックが発生せず、良好な結果となった。これにより、角部３に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層４を形成することによって、素子本体Ａの角部３への被水によるクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１２６】
また、滴下量が１μｌの場合、角部３における多孔質保護層４の厚さが２０μｍ（試料番号２）のときに、クラックの発生が１０個中１個確認されたの対し、角部３における多孔質保護層４の厚さが５０μｍ以上（試料番号３〜５）のとき、クラックの発生はいずれも確認されなかった。これにより、素子本体Ａの角部３に５０μｍ以上の多孔質保護層４を設けることによって、素子本体Ａの角部３への被水によるクラックの発生をより有効に防止することができるのが判る。
【０１２７】
さらに、角部３のみに多孔質保護層４を形成した場合（表１において２００μｍの多孔質保護層４を形成した試料番号５に相当）であっても、過酷試験において裏面に１個の素子本体Ａだけクラックの発生が確認されただけである。これにより、少なくとも素子本体Ａの長手方向に延びる角部３に多孔質保護層４を形成した場合であっても、被水に対してのクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１２８】
ついで、表２の結果によれば、基体Ｂの裏面に滴下試験を行った場合、滴下量１μｌで試験を行った試料番号６の１０個中１個の試料を除いて、クラックの発生はみられなかった。しかし、多孔質保護層５４が基体Ｂの角部３０に形成されていない試料（試料番号６）において、角部３０に相当する部位に滴下試験を行った場合、滴下量０．３μｌの場合に１０個中３個の基体Ｂにクラックが発生しており、さらに滴下量１μｌの場合に１０個中６個の基体Ｂにクラックが発生している。これにより、多孔質保護層５４が形成されていない場合、基体Ｂの角部３０に被水したときに、クラックがより発生し易いことが判る。
【０１２９】
これに対し、少なくとも角度３０に２０μｍ以上の多孔質保護層５４を形成した基体Ｂ（試料番号７〜１１）において、角部３０に相当する部位に０．３μｌの水を滴下した場合、いずれの試料についてもクラックが発生せず、良好な結果となった。これにより、角部３０に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層５４を形成することによって、基体Ｂの角部３０への被水によるクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１３０】
また、滴下量が１μｌの場合、角部３０における多孔質保護層５４の厚さが２０μｍ（試料番号７）のときに、クラックの発生が１０個中１個確認されたの対し、角部３０における多孔質保護層５４の厚さが５０μｍ以上（試料番号８〜１１）のとき、クラックの発生はいずれも確認されなかった。これにより、基体Ｂの角部３０に５０μｍ以上の多孔質保護層５４を設けることによって、基体Ｂの角部３０への被水によるクラックの発生をより有効に防止することができるのが判る。
【０１３１】
但し、２０μｍの厚さを有する多孔質保護層をスピネル溶射により設けた基体Ｂ（試料番号１２）においては、２０μｍの厚さを有するにも関わらず、滴下量０．３μｌのときに１０個中１個にクラックの発生が確認され、滴加量１μｍのときに１０個中３個にクラックの発生が確認された。このため、溶射によって基体Ｂの角部３０に多孔質保護層を形成した場合には、多孔質保護層を設けないものに比べて被水によるクラックの発生を防止する効果を発揮するものの、多孔質保護層５４を基体との同時焼成によって形成した試料番号７に比べて上記効果が少ないことが判った。
【０１３２】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサ、ＣＯセンサ、ＮＯｘセンサに使用する積層型ガスセンサ素子に対し、少なくとも測定対象気体に晒される先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち少なくとも抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層を形成して、被水による素子本体へのクラックの発生を防止するように対策を講じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図２】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子を構成する素子本体の分解斜視図である。
【図３】 本第５実施例のセラミックヒータの長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図４】 本第５実施例のセラミックヒータを構成する基体の分解斜視図である。
【図５】 本第３実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図６】 本第２実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図７】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子が組み込まれたガスセンサ（酸素センサ）の断面を示す模式図である。
【図８】 本第４実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図９】 本第４実施例の積層型ガスセンサ素子を構成する素子本体の分解斜視図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００：積層型ガスセンサ素子、５００；セラミックヒータ、６００；ガスセンサ（酸素センサ）、Ａ；素子本体、Ｂ、２、２０；基体、１；酸素濃淡電池素子、１１；酸素濃淡電池用固体電解質層、１３１；検知電極、１３２；基準電極、１３３、１３４；導体リード部、１４；信号取出し用端子、２１、３３２；抵抗発熱体、２２、３１；第１基層、２３、３２；第２基層、２５、３３；第３基層、２４、３２２；イオンマイグレーション防止電極、２３２、３３４；ヒータ通電用端子、３、３０；角部、４、４０、５４；多孔質保護層、４１、５５；多孔質接着層（第１多孔質保護層）、４２、５６；多孔質表面層（第２多孔質保護層）、５；電極保護層、５２；強化保護層、６；センサハウジング
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータに関する。また、測定対象気体中の特定ガスを検出するための積層型ガスセンサ素子及びその製造方法、並びにその積層型ガスセンサ素子を備えるガスセンサに関する。なお、本発明の積層型ガスセンサ素子は、エンジンの排ガスセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ等）及び他の各種センサ等に広く利用される。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関等において排ガス中の特定ガス成分を検出したり、その濃度の測定を行ったりする各種のセンサ（酸素センサ、炭化水素センサ、ＮＯｘセンサ等）として積層型ガスセンサ素子（以下、単に「素子」ともいう）を用いるものが知られている。そして、この種の素子としては、酸素イオン伝導型固体電解質体（ジルコニア等）からなり、その両面に電極が設けられた板状の検出層を用いて構成されるものが従来より提案されている。
【０００３】
このような素子の固体電解質体からなる検出層は、一般に３００℃以上の高温で活性状態となり、酸素濃淡電池として動作するものである。そこで、検出層を加熱して当該検出層の早期活性化を図るべく、抵抗発熱体（発熱抵抗体）を内部に埋設した板状のセラミック製の基体を備えるセラミックヒータを、検出層に近接して配置させることが提案されている。また、近年では、抵抗発熱体を内部に埋設した基体上に、上記検出層を積層した板状の素子本体を備える積層型ガスセンサ素子が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−０１３９６１号公報（第３図参照）
【特許文献２】
特開平７−１２０４２９号公報（第１図参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の排気管を通過する排気ガス中には、水滴や油滴などが含まれており、この水滴等がガスセンサの使用時にセラミックヒータや素子に付着することがあると、それらにクラックが発生することがある。詳細には、上記セラミックヒータ及び抵抗発熱体を備える基体上に検出層が形成された積層型ガスセンサ素子は、ガスセンサの使用時において、排ガス（測定対象気体）に晒されると共に、抵抗発熱体によって発熱されているために、水滴等が接触すると、その水滴が付着した部分とその周囲との間に大きな温度差を生じ、これに起因する熱衝撃にてクラックが発生することがある。
【０００６】
なお、この問題に対しては、この素子を排気管に設置する際に、例えば素子の周囲に通気穴を複数有するプロテクタを設けて素子を保護するなどの対策を行うことで、水滴や油滴などが素子に接触するのを抑制することが可能である。しかし、プロテクタ形状だけではセラミックヒータや素子への水滴等の付着を完全に遮断することができず、上記クラックの発生を保護するには十分とは言い難い。また、セラミックヒータや素子の取付け位置によっては、プロテクタの壁面等に凝縮した凝縮水が、エンジン始動後、セラミックヒータや素子に直接かかり、上記クラックを誘発する場合がある。
【０００７】
本発明者らが、水滴の接触（付着）による上記クラックの発生について鋭意検討してみたところ、上記セラミックヒータを構成する基体や素子を構成する素子本体は、断面略四角形状を有する板型形状をなすことから、上記基体ないし上記素子本体に角部が形成されることになるが、この角部に水滴等が付着するとクラックの発生につながり易いことが分かった。また、本発明者らの検討によると、セラミックヒータでは、基体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その基体の表裏面と側面とで構成された長手方向に延びる角部に対し水滴が付着すると、その角部に熱応力が集中し易く、クラックが生じ易いことが分かった。さらに、抵抗発熱体を有する素子では、素子本体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部に対し水滴が付着すると、その角部に熱応力が集中し易く、クラックが生じ易いことが分かった。
【０００８】
なお、上述した従来公知の特許文献では、抵抗発熱体を有する積層型ガスセンサ素子の外表面を多孔質の保護層で被覆した構造が開示されている。しかしながら、これら特許文献に開示された保護層は、素子本体の角部への水滴の付着によるクラック発生を防止するためのものではなく、排気ガスの凝縮成分よりガス透過層の目詰まりを防止するために形成されたものに過ぎない。そのために、素子本体の角部に多孔質の保護層を単に形成した従来の素子であっても、角部への水滴の付着によるクラック発生を防止するには十分ではなく、この角部を覆う保護層自体の改良が必要であった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、水滴等の接触によっても、抵抗発熱体を有する板状の基体にクラックが生じることを防止することができるセラミックヒータを提供することを目的とする。また、水滴等の接触によっても、抵抗発熱体を有する基体上に検出層を積層してなる板状の素子本体にクラックが生じることを防止することができる積層型ガスセンサ素子及びその製造方法、並びにその積層型ガスセンサ素子を備えるガスセンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
その解決手段として、本発明のセラミックヒータは、通電により発熱する抵抗発熱体と、上記抵抗発熱体を内部に埋設してなる板状のセラミック製の基体とからなり、測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータであって、該基体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成されると共に当該基体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のセラミックヒータでは、基体のうちで、少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、水滴等の接触（被水）によってクラックの発生を招き易い基体の長手方向に延びる各角部の１以上に、２０μｍ以上の多孔質保護層を形成している点が注目すべき点である。このように２０μｍ以上の多孔質保護層を形成することにより、この多孔質保護層に付着した水滴は、多数の細孔（気孔）を分散しながら緩慢に浸透していく。従って、多孔質保護層の内側に位置する素子本体の角部に到達する前に水滴を分散でき、素子本体に生ずる温度勾配を小さくし、熱衝撃を有効に抑制することができる。その結果、被水による基体へのクラック発生を防止したセラミックヒータを得ることができる。なお、セラミックヒータは、使用時において、高温の排ガス（測定対象気体）に晒されたり、抵抗発熱体自身による発熱により高温状態となるので、多孔質保護層を浸透する水滴については、その周囲の熱により適宜蒸発される。
【００１２】
本発明の多孔質保護層は、上記のように基体の長手方向に延びる角部にのみ形成されていても良いし、この角部及び角部以外の表面（例えば、測定対象気体に晒される先端側の表面全周）を覆うように形成されていても良い。更に、基体の略全面に多孔質保護層が形成されていても良い。また、板状の基体は、厚さ方向の断面をとったときに断面略四角形状であり、角部は４つ存在することになるが、この４つの角部のうち、上記多孔質保護層は１以上の角部を被覆するように形成されていれば良い。つまり、セラミックヒータのガスセンサ内での取付け位置を考慮し、凝縮水が付着し易い基体の角部を１以上選択して多孔質保護層を形成することで、被水による基体のクラック防止の効果が得られることになるからである。
【００１３】
この多孔質保護層の材質は特に限定されないが、スピネル、アルミナ、ムライト等を主体とするセラミックから形成されることが好ましく、特にスピネル、アルミナが好ましい。なお、本明細書において「主体」とは、７０質量％以上の質量含有率を占めることを指す。
【００１４】
また、多孔質保護層の厚みは、被水による基体のクラック発生をより有効に防止するために３０μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。この多孔質保護層の厚みの上限値は特に限定されないが、製造コストや基体の角部からの剥離等を考慮して５００μｍ以下（好ましくは３００μｍ以下）とすることが好ましい。なお、本明細書において「多孔質保護層の厚さが基体の角部から２０μｍ以上とする」とは、基体の厚さ方向の断面をとったときに、基体の角部と保護層の表面との間に直径２０μｍの仮想円が形成（内包）されることを意味するものである。
【００１５】
そして、上述したセラミックヒータにおいて、上記多孔質保護層は、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあると良い。また、上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されていると良い。
【００１６】
さらに、上述したセラミックヒータにおいて、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成される多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなると良い。また、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きいと良い。
【００１７】
さらに、上述したセラミックヒータにおいて、上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されていると良い。
【００１８】
ついで、他の解決手段として、本発明の積層型ガスセンサ素子は、内部に抵抗発熱体を有する基体に一対の電極を具備する検出層を積層した板状の素子本体を有し、測定対象気体中の特定ガスを検出するための積層型ガスセンサ素子において、該素子本体の少なくとも上記測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち該抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、上記多孔質保護層は、上記素子本体に接する最下層として形成されると共に当該素子本体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とする。
【００１９】
本発明の積層型ガスセンサ素子（以下、単に「素子」ともいう）では、素子本体のうちで、少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、抵抗発熱体の配置位置に近い側の長手方向に延びる各角部の１以上に、２０μｍ以上の多孔質保護層を形成している点が注目すべき点である。このように２０μｍ以上の多孔質保護層を形成することによる作用、効果については上述と同様である。このような構成を特定することにより、被水による素子本体へのクラック発生を防止した素子を得ることができる。なお、素子は、使用時において、高温の排ガス（測定対象気体）に晒されたり、抵抗発熱体自身の発熱によって高温状態となるので、多孔質保護層を浸透する水滴については、その周囲の熱により適宜蒸発される。
【００２０】
この多孔質保護層の材質は特に限定されないが、スピネル、アルミナ、ムライト等を主体とするセラミックから形成されることが好ましく、特にスピネル、アルミナが好ましい。
また、多孔質保護層の厚みは、被水による基体のクラック発生をより有効に防止するために３０μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。この多孔質保護層の厚みの上限値は特に限定されないが、製造コストや基体の角部からの剥離等を考慮して５００μｍ以下（好ましくは３００μｍ以下）とすることが好ましい。なお、本明細書において「多孔質保護層の厚さが素子本体の角部から２０μｍ以上とする」とは、素子本体の厚さ方向の断面をとったときに、素子本体の角部と保護層の表面との間に直径２０μｍの仮想円が形成（内包）されることを意味するものである。
【００２１】
そして、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記検出層は、酸素の濃度に対応して特性が変化する固体電解質体から形成されると良い。また、上記一対の電極は、検出層のうちで基体と面する側に形成される基準電極と、該基体と面する側とは反対側に形成される検知電極とからなり、上記素子本体は、上記検知電極上に電極保護層を積層する形態で形成されていると良い。
【００２２】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記多孔質保護層は、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあると良い。上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されていると良い。
【００２３】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成される多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなると良い。また、上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きいと良い。
【００２４】
さらに、上述した積層型ガスセンサ素子において、上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されていると良い。
【００２９】
他の解決手段として、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法は、基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作り、ついで、該未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質接着層であって第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、該未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して外表面が粗面化された第１多孔質保護層が形成された素子本体を作製し、焼成後の該第１多孔質保護層上に多孔質表面層であって第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成した上で熱処理を行って当該第２多孔質保護層を形成し、該第１多孔質保護層と該第２多孔質保護層との合計の厚みが２０μｍ以上であり、該第１多孔質保護層の空孔率が、該第２多孔質保護層の空孔率よりも大きい積層型ガスセンサ素子を得ることを特徴とする。
【００３０】
ところで、未焼成積層体と未焼成被覆層を同時焼成することにより、角部に多孔質保護層が強固に固着した素子本体を得ることができる。しかし、同時焼成のみで多孔質保護層を形成する場合、未焼成積層体と未焼成被覆層との焼成収縮率の違い等により焼成条件を厳しく管理する必要があり、比較的厚みのある多孔質保護層を形成するには限界がある。一方、上述したように、未焼成積層体を焼成して素子本体を作った後に、その素子本体の角部に未焼成被覆層を形成して熱処理することで、角部に多孔質保護層を有する素子本体を得ることもできる。この手法によれば、上記同時焼成時のような焼成収縮率の問題を解消することができ、比較的厚みのある多孔質保護層を形成可能となる。しかし、この手法では、素子本体の角部と多孔質保護層との互いの結合力（固着強度）が弱くなりがちで、多孔質保護層が素子本体から剥離する可能性がある。
【００３１】
これに対し、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法では、まず未焼成基体上に、未焼成電極パターンと検出層用シート又は検出層用ペーストを積層してなる未焼成積層体の角部に、第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、これを同時焼成する。そして、得られた素子本体の角部を覆う第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成して熱処理を行い、第２多孔質保護層を形成し、両多孔質保護層による合計の厚みを２０μｍ以上とするようにしている。
【００３２】
この製造方法によれば、多孔質保護層の最下部に位置することになる第１多孔質保護層を、素子本体の角部との同時焼成により強固に固着させることができる。そして、第１多孔質保護層の表面（外表面）は、空孔によって粗面化されているため、この表面を利用して第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成して熱処理する。その結果、第１多孔質保護層のアンカー効果により第２多孔質保護層の固着強度を得つつ、比較的厚みのある第２多孔質保護層を形成することができる。
【００３３】
したがって、本発明の積層型ガスセンサ素子の製造方法によれば、被水による素子本体へのクラック発生を防止することができ、素子本体の角部に対する多孔質保護層（第１多孔質保護層と第２多孔質保護層を合わせた層）の耐剥離性が向上した素子を得ることができる。また、この製造方法によれば、５０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層を有する素子本体を、多孔質保護層の耐剥離性を確保した状態で容易にかつ確実に得ることができる。なお、上記熱処理後に得られた第２多孔質保護層の表面についても、空孔によって粗面化されているので、この第２多孔質保護層上にさらに未焼成第３保護層を形成し熱処理を行って、第１〜第３多孔質保護層が積層された素子本体を形成しても良いことは言うまでもない。
【００３４】
また、上述した積層型ガスセンサ素子の製造方法においては、上記未焼成積層体を作製するにあたり、上記未焼成電極パターンのうちで基準電極となる基準電極パターンを上記未焼成基体と面する側に形成する一方、検知電極となる検知電極パターンを上記検出層用未焼成シート又は上記検出層用ペーストを介して該基準電極パターンと反対側に形成し、上記検知電極パターン上に電極保護層となるべき未焼成電極保護層を積層して該未焼成積層体を作製すると良い。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセラミックヒータは、ガスセンサ素子に近接して当該ガスセンサ素子を加熱するためのものであって、抵抗発熱体を埋設した板状の基体のうち長手方向に延びる各角部の１以上を２０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層により被覆したものである。また、本発明の積層型ガスセンサ素子は、抵抗発熱体を埋設した基体上に一対の電極を具備する検出層を積層した板状の素子本体のうち、抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を２０μｍ以上の厚みを有する多孔質保護層により被覆したものである。
【００３６】
上記「基体」は、セラミック焼結体であれば特に限定されず、このセラミックとしては、例えば、アルミナ、スピネル、ムライト、ジルコニア等を使用することができる。これらのうちの１種のみを用いることもでき、また２種以上を併用することもできる。この基体の具体的な構成としては、抵抗発熱体をセラミック（絶縁性セラミック）からなる第１基層と第２基層とで挟み込んだものが挙げられる。
【００３７】
この基体は、電気絶縁性及び熱伝導性、機械的強度等を考慮して、アルミナを主体に構成することが好ましい（なお、本明細書において「主体」とは、上述したように７０質量％以上の質量含有率を占めることを指す）。この基体におけるアルミナの質量含有率は、９０質量％〜１００質量％とすることが好ましく、９５質量％〜１００質量％とすることがより好ましい。一方、アルミナの質量含有率を７０質量％以上１００質量％未満として基体を形成する場合には、残部の成分として、焼成時のアルミナの粒成長を抑制することができる成分（例えば、ジルコニア）、又はこの基体と同時焼成に供されることになる他のセラミック層の主体をなす成分（例えば、固体電解質体からなる検出層の主体の成分）を含有させると良い。これにより、アルミナ結晶粒の粒成長を抑制できると共に、同時焼成時において基体と他のセラミック層との熱膨張差を緩和することができる。
【００３８】
また、抵抗発熱体を埋設する上記基体は、アルカリ金属成分（特にＬｉ成分、Ｎａ成分及びＫ成分）及びアルカリ土類金属成分（特にＭｇ成分、Ｃａ成分及びＢａ成分）をできるだけ含有しないことが好ましい。これらを過度に多く含有すると、後述する抵抗発熱体の作動時にイオン化したアルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンがマイグレーションを起こし、抵抗発熱体を細線化させたり又は断線させたりすることがあるため好ましくない。この基体に含有されるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分は、後述のマイグレーション防止電極を抵抗発熱体と併設して設けない場合には、基体全体を１００質量％とした場合に、各元素の酸化物換算合計量で１質量％以下（好ましくは０．１質量％以下）にすることが好ましい。
【００３９】
「抵抗発熱体」は、貴金属、タングステン、モリブデン等を使用することができる。貴金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等が挙げられ、これらのうちの１種のみを使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。なお、抵抗発熱体は、耐熱性、耐酸化性等を考慮して貴金属を主体に構成することが好ましく、Ｐｔを主体に構成することがより好ましい。また、この抵抗体発熱体には、主体となる貴金属にセラミック成分を含有させると良い。このセラミック成分は、抵抗発熱体が埋設されることになるセラミック製の基体の主体となる成分と同成分を含有することが、固着強度の観点から好ましい。この抵抗発熱体は、基体の内部に埋設されて外部から供給される直流電圧により発熱するものであり、通常、抵抗発熱体は、基体の表面に形成された直流電圧を受電するための通電用端子電極とスルーホールを介して電気的に接続される。
【００４０】
また、抵抗発熱体は、通常、通電により発熱する発熱部と、外部から供給される直流電圧この発熱部まで通電し自身はほとんど発熱しないリード部とを有する。これら発熱部及びリード部の形状は各々特に限定されないが、例えば、発熱部をリード部より幅細とし、リード部より密なパターンとなるように蛇行させた形状を採用することができる。
【００４１】
さらに、基体には、抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位にマイグレーション防止電極（イオン化抑留導体）を設けることができる。基体内に通常含有される（不可避的に含有されるものも含む）アルカリ金属成分又はアルカリ土類金属成分は、直流電圧の印加によりイオン化し、通電時の抵抗発熱体の負極に集まることにより、抵抗発熱体の細線化や断線といった劣化を生ずるおそれがある。
【００４２】
そこで、基体内にマイグレーション防止電極を設けた場合には、イオンはそのマイグレーション防止電極に引き寄せられ、抵抗発熱体（抵抗発熱体の負極）にはほとんど引き寄せられないものとすることができる。これにより、抵抗発熱体のマイグレーションに伴う細線化や断線といった劣化を防止することができると共に、抵抗発熱体の使用時での抵抗変化（増加）を防止することができる。その結果、セラミックヒータないし積層型ガスセンサ素子の信頼性を長期にわたって維持することができる。
【００４３】
マイグレーション防止電極は、抵抗発熱体とは電気的に接続せずに単独で形成しても良く、抵抗発熱体の一部から分岐させて形成しても良い。単独に備える場合には、例えば、導体を接地（例えば、１Ｖ以下になるように）して、導通させないことでマイグレーション防止電極とすることができる。また、抵抗発熱体の一部から分岐させる場合には、例えば、抵抗発熱体の低電位側の端部から分岐させた導体を形成する一方、抵抗発熱体の高電位側とは導通させないことによりマイグレーション防止電極とすることができる。
【００４４】
マイグレーション防止電極の形状は特に限定されず、例えば、直線的に延びる一本のパターンから形成されていても、蛇行形状に形成されていても良い。また、抵抗発熱体と同様の形状に形成されていても良い（この場合、一端側は抵抗発熱体と電気的に接続させない）。また、マイグレーション防止電極を構成する材料は特に限定されず、例えば、抵抗発熱体を構成する材料をそのまま適用することができる。
【００４５】
ついで、本発明の主要要件である「多孔質保護層」は、細孔の気孔を複数有するものであって、空孔率が１５％〜６５％の範囲内にあることが好ましい。空孔率が１５％未満の場合、多孔質保護層により水滴を分散させながら緩慢に浸透させていく機能を十分に発揮することができないことがある。また、空孔率が６５％を超えると、多孔質保護層における水滴等の浸透度合いが高くなり、水滴等が基体ないし素子本体の角部に接触し易くなり、被水によるクラックの発生を防止する効果を十分に期待することができないおそれがある。
【００４６】
上記空孔率は３０％〜６０％の範囲内にすることが好ましい。この範囲内にすることで、水滴等の分散効果が十分に得られると共に、多孔質保護層内での温度が均一化され、基体ないし素子本体に及ぶ熱衝撃の緩和能力を高めることができる。なお、空孔率は４０％〜５５％の範囲にすることがより好ましい。本明細書において、上記空孔率は、多孔質保護層の断面をＳＥＭにて分析し、その分析によって得られた拡大写真より、単位面積当たりに占める空孔の面積の比率（％）として求めることができる。
【００４７】
この多孔質保護層は、上述したように、基体または素子本体の長手方向に延びる角部を覆うように形成される。ここで、本明細書でいう「長手方向に延びる角部」とは、板状の基体ないし素子本体の該表面のうちで、長手方向に延びる表裏面のいずれか一面と両側面とのいずれか一面とを連結する部分（箇所）を指すものである。なお、上記の表裏面のいずれか一面と両側面のいずれか一面とを連結する角部については、２つの面が交わる線上部（即ち、稜）のみに限られず、２つの面を例えばＲ形状で連結する曲面状の部分をも含むものとする。
【００４８】
また、多孔質保護層は、基体または素子本体の長手方向に直交する向きに断面（横断面）をとったときに、外表面における曲率半径が１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上となっていると良い。このように多孔質保護層の外表面における曲率半径が１０μｍ以上となることで、機械的外力による多孔質保護層自体のチッピングを防止することができる。また、基体ないし素子本体の角部に相当する部位に被水が生じた場合にも、多孔質保護層の全体に水滴が分散し易くなり、耐被水機能をより有効に発揮することが可能となる。
【００４９】
さらに、多孔質保護層は、２層の多孔質層が積層された複数層から構成されている。
多孔質保護層を２層で形成する場合には、基体ないし素子本体上に接する最下層として設けられる多孔質接着層（以下、単に接着層という）と、この接着層上に設けられる多孔質表面層（以下、単に表面層という）とからなるものとすることができる。
【００５０】
ところで、基体ないし素子本体の角部を含む表面上に厚み２０μｍ以上の多孔質保護層を確実に形成する場合、多孔質保護層全体の素子本体に対する固着強度を得ることが耐剥離性の観点から重要となる。そこで、上記のように多孔質保護層を接着層と表面層との複数層にて形成することで多孔質保護層全体の素子本体に対する密着性の向上を図ることができる。詳細に説明すると、接着層は多孔質状であることから表面（外表面）は、空孔によって粗面化されているので、この表面のアンカー効果を利用し、表面層の接着層に対する接着強度（固着強度）を高めることができる。
【００５１】
より具体的には、接着層を基体ないし素子本体と同時焼成により形成して接着層の素子本体に対する固着強度を確保し、ついで接着層表面のアンカー効果を利用して該接着層上に表面層を形成し、表面層の基体ないし素子本体に対する固着強度を、接着層を介して確保するのである。このように、多孔質保護層を接着層と表面層にて形成することで、多孔質保護層全体の厚みを確実に２０μｍ以上とすることができると共に、多孔質保護層の耐剥離性を確保することができる。なお、接着層と表面層との空孔率は、略同等に調整してもよいが、表面層の接着層に対する固着強度を高めるには、接着層の空孔率を表面層の空孔率よりも大きくすると良い。接着層によるアンカー効果を高めることができるからである。
【００５２】
ついで、積層型ガスセンサ素子の素子本体を構成する上記「検出層」は、上記基体に直接又は他部材（例えば、セラミック製の中間層）を介して積層され、一対の電極を具備するものである。この検出層は、板状（通常、厚さ５０μｍ以上のものをいう）であっても、薄膜状（通常、厚さ５０μｍ未満のものをいう）であってもよい。
【００５３】
上記検出層は、固体電解質体により構成することができ、この検出層（換言すれば、固体電解質層）は、酸素イオン伝導性を有すればその材質は特に限定されない。例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）あるいはカルシア（ＣａＯ）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）系焼結体やＬａＧａＯ３系焼結体、更にはこれらの焼結体にハフニウム（Ｈｆ）を含有したものを使用することができる。また、検出層と基体とを構成する質量含有率が最も高いセラミック成分が異なる場合、この検出層に対して基体に含有される質量含有率の最も高いセラミック成分を、検出層を１００質量％とした場合に１０質量％〜７０質量％の範囲内で含有させることが好ましい。これにより、検出層と基体との間に働く両者の熱膨張差に起因する熱応力を有効に緩和することができると共に、検出層と基体とを同時焼成によって得る場合に、反りの発生を抑制した形で素子本体を得ることができる。
【００５４】
検出層の表面に形成される「電極」は、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＰｔ等の貴金属を少なくとも１種含有しているものが好ましい。これらのうちＰｔは、酸化し難く、検出層に拡散することもなく、融点も高いため、電極材料として最適である。また、このＰｔからなる電極には、その物性に大きな影響を与えない範囲内で、ジルコニア等の酸化物が含まれていても良い。
【００５５】
この一対の電極は、検出層のうちで基体と面する側に形成される基準電極と、基体と面する側とは反対側に形成される検知電極として設けることができる。ここで、このような形態で一対の電極を検出層に設ける場合、検知電極は、素子本体の外側に配置されることになるため、この検知電極上に電極保護層を形成すると良い。この電極保護層を設けることで、測定対象気体中に電極を被毒する物質が含有される場合にも、電極をその被毒から防護することができる。なお、検知電極上に電極保護層を形成する場合には、この電極保護層を含めて本発明では、素子本体と考えるものとする。
【００５６】
積層型ガスセンサ素子は、以下に示す３つの異なる製造方法によって得ることができ、本発明の積層型ガスセンサ素子は、以下に示す（ｃ）の製造方法によって得ることができる。
【００５７】
（ａ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作る。ついで、この未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。そして、この未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して、厚み２０μｍ以上の多孔質層保護層が形成された素子本体を作製する（以下、「第１参考方法」という）。
【００５８】
（ｂ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層することで板状の未焼成積層体を作る。ついで、この未焼成積層体を焼成することにより素子本体を作製する。そして、素子本体の長手方向に延びる各角部のうち抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成して熱処理を行い、厚み２０μｍ以上の多孔質保護層が形成された素子本体を作製する（以下、「第２参考方法」という）。
【００５９】
（ｃ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作る。ついで、該未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、多孔質接着層であって第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。その後、未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して第１多孔質保護層が形成された素子本体を作製する。そして、焼成後の素子本体に形成された第１多孔質保護層上に、多孔質表面層であって第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行って第２多孔質保護層を形成し、第１多孔質保護層と第２多孔質保護層との合計の厚みを２０μｍ以上とする（以下、「本発明方法」という）。
【００６１】
上記第１参考方法は、多孔質保護層となる未焼成被覆層を、素子本体となる未焼成積層体の所定の角部に形成し、これを同時焼成する方法である。この未焼成被覆層を、未焼成積層体に形成する方法としては、印刷、浸漬（ディップ）、刷毛塗り、転写、グリーンシートの貼付等により形成することができる。印刷、浸漬等により未焼成被覆層を未焼成積層体に形成した後の同時焼成における焼成条件は特に限定されないが、１３５０℃〜１６００℃で１時間〜４時間の範囲内で行うことが好ましい。
【００６２】
なお、印刷又は浸漬で未焼成被覆層を形成する場合、セラミック原料粉末（例えば、アルミナ粉末）と、アセトン、トルエン等の溶剤と、ポリビニルブチラール、ＣＭＣ等のバインダとを混合したペーストを使用することが好ましい。また、溶剤及びバインダは１種のみでも良いし２種以上を併用しても良い。そして、焼成後の多孔質保護層の空孔率を向上させて多孔質状になるように、テオブロミン粉末、カーボン粉末等の気孔化剤を添加したペーストを用いることが好ましい。この気孔化剤は平均粒径が２μｍ〜５０μｍ、好ましくは５μｍ〜３０μｍのものを使用することが好ましい。
【００６３】
また、上記第１参考方法において、「基体用未焼成シート」は、セラミック原料粉末を、ポリビニルブチラール等のバインダと共に混練した生素地を用いてセラミック未焼成シートを形成することによって得ることができる。なお、内部に抵抗発熱体を埋設する基体を形成する場合、例えば、アルミナを主体に構成される未焼成シートを２枚用意して、一方の未焼成シート表面に未焼成抵抗発熱体パターンを形成（印刷）して、このパターンが内側となるように２枚の未焼成シートを積層することで製造することができる。
【００６４】
また、上記第１参考方法において、上記「検出層用未焼成シート又は検出層用ペースト」は、焼成されて検出層をなすものであり、イットリアあるいはカルシア等の安定化剤を固溶させたジルコニア粉末を、ポリビニルブチラール等のバインダと共に混練した生素地を用いて、作製することができる。さらに、電極をなす「未焼成電極パターン」は、貴金属を主体とする導電ペーストにより形成することができる。一対の未焼成電極パターンは、例えば、上記基体用未焼成シートの所定領域に一方の電極パターン（基準電極となる基準電極パターン）を印刷し乾燥させ、ついでこの基準電極パターン上に検出層用未焼成シートを積層し、この検出層用未焼成シートの基準電極と面する側とは反対側の面に他方の電極パターン（検知電極となる検知電極パターン）を印刷し乾燥させることで、形成することができる。なお、このようにして検知電極パターンを形成する場合には、検知電極パターン上に焼成されて電極保護層となるシート状又はペースト状の「未焼成電極保護層」を積層して、未焼成積層体を作製するようにしても良い。
【００６５】
ついで、上記第２参考方法は、素子本体となる未焼成積層体を先行して焼成し、焼成後の素子本体における所定の角部に多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し、熱処理を行う方法である。この第２参考方法において、基体となる「基体用未焼成シート」、検出層となる「検出層用未焼成シート又は検出層用未焼成ペースト」、「未焼成電極パターン」については、上述にて説明した通りである。
【００６６】
上記第２参考方法では、未焼成積層体を焼成して得られた素子本体の所定の角部に、多孔質保護層となる未焼成被覆層を印刷、浸漬（ディップ）等により形成し、その後熱処理を行うことで形成する。印刷又は浸漬によって形成可能な「未焼成被覆層」の構成（性状）については、上述にて説明した通りである。また、未焼成被覆層が形成された素子本体を熱処理する条件としては、７００℃〜１３００℃で１時間〜４時間の範囲内で行うことが好ましい。なお、この第２発明方法においても、未焼成積層体を形成する段階で、一対の未焼成電極パターンを検出層用シート又は検出層用ペーストの表裏面に形成し、未焼成基体と面する側とは反対側に形成された一方の未焼成電極パターン（検知電極パターン）上に、焼成されて電極保護層となるペースト状又はシート状の未焼成電極保護層を積層させておくこともできる。
【００６７】
さらに、上記発明方法は、まず第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を、素子本体となる未焼成積層体の所定の角部に形成した上で、これらを同時焼成する。そして、同時焼成により得られた素子本体の所定の角部を覆う第１多孔質保護層上に、第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行う方法である。この発明方法において、基体となる「基体用未焼成シート」、検出層となる「検出層用未焼成シート又は検出層用未焼成ペースト」、「未焼成電極パターン」については、上述にて説明した通りである。
【００６８】
また、この発明方法において、素子本体と同時焼成に供される「未焼成被覆層」は、上述した第１参考方法の「未焼成被覆層」と同様の形態で構成し、形成すればよい。さらに、同時焼成により得られた素子本体の第１多孔質保護層上に形成する「未焼成第２被覆層」は、印刷や浸漬等により形成すれば良く、印刷又は浸漬によって形成する場合、上述した第１参考方法の「未焼成被覆層」と同様に構成にすれば良い。また、熱処理条件については、上述した第２参考方法と同様にすれば良い。つまり、この本発明方法では、先行して焼成により得られた第１多孔質保護層の表面が空孔によって粗面化されていることを利用し、第１多孔質保護層上に第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理をする工程が重要となる。これにより、素子本体に対する多孔質保護層の固着強度を確保しつつ、２０μｍ以上（特に５０μｍ以上）の厚みを有する多孔質保護層を確実に形成することができる。なお、この方法では、第１多孔質保護層が多孔質接着層に相当し、第２多孔質保護層が多孔質表面層に相当する。
【００６９】
本発明方法の具体例を挙げると、基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の未焼成電極パターンの一方を構成する基準電極パターンを形成し、ついで検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層する。そして、その検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストの未焼成基体と面する側とは反対側に検知電極となる検知電極パターンを形成し、さらにその検知電極パターン上に電極保護層となるペースト状又はシート状の未焼成電極保護層を積層することで、板状の未焼成積層体を作る。
【００７０】
ついで、未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンに近い側の角部を少なくとも覆うように第１多孔質保護層となる未焼成被覆層（カーボン粉末等の気孔化剤を添加すると共に、セラミック原料粉末（例えばアルミナ粉末）とバインダを混合したペースト）を印刷し、乾燥する。その後、その状態の未焼成積層体を１３５０℃〜１６００℃で１時間〜４時間の範囲内で焼成し、第１多孔質保護層が形成された素子本体を得る。ついで、この素子本体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側を、セラミック粉末（スピネル粉末）と水とカーボン粉末等の気孔化剤を混合してなるスラリーに浸漬させて、素子本体の角部に形成された第１多孔質保護層上に未焼成第２被覆層を形成する。その後、７００℃〜１３００℃、１時間〜４時間の範囲内で熱処理し、第１多孔質保護層（接着層）と第２多孔質保護層（表面層）との合計の厚みが２０μｍ以上を満たす多孔質保護層を形成するのである。
【００７１】
また、セラミックヒータは、以下に示す３つの異なる製造方法によって得ることができ、本発明のセラミックヒータは、以下に示す（ｆ）の製造方法によって得ることができる。
【００７２】
（ｄ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。そして、この未焼成被覆層が形成された未焼成基体を焼成して、厚み２０μｍ以上の多孔質層保護層が形成された基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「第３参考方法」という）。
【００７３】
（ｅ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成し熱処理を行い、厚み２０μｍ以上の多孔質保護層が形成された基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「第４参考方法」という）。
【００７４】
（ｆ）基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体を作る。ついで、この未焼成基体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、その未焼成基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように、第１多孔質保護層となる未焼成被覆層を形成する。その後、未焼成被覆層が形成された未焼成基体を焼成して第１多孔質保護層が形成された基体を作製する。そして、焼成後の基体に形成された第１多孔質保護層上に、第２多孔質保護層となる未焼成第２被覆層を形成し、熱処理を行って第２多孔質保護層を形成し、第１多孔質保護層と第２多孔質保護層との合計の厚みを２０μｍ以上とする基体を作製することで、セラミックヒータを得る（以下、「本第２発明方法」という）。
【００７６】
【実施例】
（１．積層型ガスセンサ素子の構造）
＜第１参考実施例＞
第１参考実施例としての積層型ガスセンサ素子１００を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００の長手方向に直交する向きの横断面（後述する検知電極１３１を含む横断面）を示すもので、その断面形状は、約９０度をなす角部３（図１の長手方向に延びる角部３）を４個有する矩形状である。図２は、図１の積層型ガスセンサ素子１００において、多孔質保護層４を除いた素子本体Ａの構造を示す分解斜視図を示すものであり、この素子本体Ａは酸素濃淡電池素子１と、基体２とから構成され、基体２の内部には抵抗発熱体２１が埋設されている。
【００７７】
このうち酸素濃淡電池素子１は、イットリアを安定化剤として添加したジルコニア５０質量％と後述する基体２を構成するアルミナ５０質量％とから構成された酸素濃淡電池用固体電解質層（検出層）１１を備え、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の基体２と面する側に基準電極１３２が直に形成されると共に、固体電解質層１１自身を介して基準電極１３２と反対側に位置する面に検知電極１３１が直に形成されている。この検知電極１３１及び基準電極１３２には、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の長手方向に沿って導体リード部１３３及び１３４がそれぞれ延設されている。
【００７８】
導体リード部１３３の末端は、外部回路接続用の外部端子（図示せず）と接続される。また、導体リード部１３４の末端は、酸素濃淡電池用固体電解質層１１を貫通するスルーホール１５を介して、外部端子と接続されるための信号取出し用端子１４と接続される。
【００７９】
また、検知電極１３１の表面上には、検知電極１３１自身を被毒から防護するための多孔質状の電極保護層５が形成され、導体リード部１３３の表面上には、その外部端子と接続される部分を除いて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１を保護するための強化保護層５２が形成されている。
【００８０】
一方、基体２は、貴金属であるＰｔを主体に構成される抵抗発熱体２１を備え、この抵抗発熱体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層２２及び第２基層２３に挟持されている。
この抵抗発熱体２１は、蛇行状に形成される発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、このヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の端部２１１は、第２基層２３を貫通する２つのスルーホール２３１を介して、外部回路接続用の外部端子と接続される一対のヒータ通電端子２３２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００８１】
そして、このように基体２、基準電極１３２、酸素濃淡電池用固体電解質層１１、検知電極１３１、電極保護層５、強化保護層５２を積層して構成される素子本体Ａの長手方向に延びる角部３のうち、基体２の外側に位置する２つの角部及び電極保護層５の外側に位置する２つの角部に、図１に示すように、単層からなる多孔質保護層４が形成されている。この角部３での厚さ（即ち、最低厚さ）は２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第１参考実施例では、厚さ５０μｍの多孔質保護層４が形成）。この多孔質保護層４の空孔率は、１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。
【００８２】
なお、積層型ガスセンサ素子１００の多孔質保護層４を含む全体の大きさは、長手方向の寸法３０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅寸法２．５ｍｍ〜６ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、本実施例では、長手方向の寸法約４０ｍｍ。幅寸法３ｍｍ、厚み約２ｍｍに形成されている。
【００８３】
＜第２実施例＞
本発明の第２実施例としての積層型ガスセンサ素子２００を図６に示す。この積層型ガスセンサ素子２００は、第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００に対し、その横断面（検知電極１３１を含む横断面）にて、素子本体Ａを覆う多孔質保護層４０の領域が異なると共に、多孔質保護層４０が単層ではなく接着層４１と表面層４２の複数層から構成される点が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８４】
本第２実施例において、素子本体Ａの長手方向に延びる４つの角部３に対し、図６に示すように、接着層４１と表面層４２からなる多孔質保護層４０が形成されている。この多孔質保護層４０の角部３での厚さ（即ち、最低厚さ）は、両層４１、４２の合計で２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第２実施例では、厚さ１５μｍの接着層４１と厚さ８５μｍの表面層４２、合計厚さ１００μｍの多孔質保護層４０が形成）。また、この多孔質保護層４０の空孔率は、両層４１、４２とも１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。なお、接着層４１に対する表面層４２の固着強度を向上させるために、本第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００では、上記空孔率の範囲内を満たすようにして、接着層４１の空孔率を表面層４２のそれよりも大きく調整している。
【００８５】
また、多孔質保護層４０は、電極保護層５の角部３のみを覆うのではなく、電極保護層５を含めた素子本体Ａのうちで測定対象ガスに晒される先端側の周囲全面を覆うように形成されている。
【００８６】
＜第３実施例＞
本発明の第３実施例としての積層型ガスセンサ素子３００を図５に示す。この積層型ガスセンサ素子３００は、第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００に対し、その横断面（検知電極１３１を含む横断面）にて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１の幅寸法が基体２のそれよりも狭く形成される点で異なると共に、多孔質保護層４０の形成部位が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８７】
図５に示すように、この第３実施例の積層型ガスセンサ素子３００では、接着層４１と表面層４２から構成される多孔質保護層４０が、抵抗発熱体２１を埋設した基体２の４つの角部３のみを覆うように形成されている（本第３実施例では、厚さ１５μｍの接着層４１と厚さ８５μｍの表面層４２、合計厚さ１００μｍの多孔質保護層４０が形成）。このように、本第３実施例において、基体２の角部３のみに多孔質保護層４０を形成している理由は、基体２の４つの角部３が、電極保護層５の外側に位置する角部よりも抵抗発熱体２１の配置位置に近い側に位置する角部に位置しているからである。つまり、この抵抗発熱体２１の配置位置に近い側の角部３は、水滴等が付着すると熱衝撃によるクラック発生を特に招き易いことから、本第３実施例では、この基体２の角部３に多孔質保護層４０を形成し、被水対策を講じているのである。
【００８８】
＜第４実施例＞
本発明の第４実施例としての積層型ガスセンサ素子４００を図８及び図９に示す。なお、図８は、本第４実施例の積層型ガスセンサ素子４００の長手方向に直交する向きの横断面（検知電極１３１を含む横断面）を示すものであり、図９は、図８の積層型ガスセンサ素子４００において、多孔質保護層４０を除いた素子本体Ａの構造を示す分解斜視図を示すものである。そして、この積層型ガスセンサ素子４００は、第２実施例の積層型ガスセンサ素子２００に対し、基体２０の構成が異なる。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については同じ記号や番号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
【００８９】
図９の分解斜視図に示すように、素子本体Ａを構成する基体２０の内部には、抵抗発熱体２１とイオンマイグレーション防止電極２４がそれぞれ異なる部位に埋設されている。具体的には、抵抗発熱体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層２２と第２基層２３との間に挟まれ、イオンマイグレーション防止電極２４は、上記第２基層２３と絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第３基層２５との間に挟まれている。なお、イオンマイグレーション防止電極２４とは、抵抗発熱体２１が金属イオンのマイグレーションによって劣化することを防止するための導体である。
【００９０】
本第４実施例において、抵抗発熱体２１は、蛇行状に形成される発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、このヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の両端部２１１は、第２基層２３及び第３基層２５を同軸状の貫通する２つのスルーホール２３１、２３３、及び中間通電端子２３６を介して、外部回路接続用の外部端子と接続されるヒータ通電端子２３２と電気的に接続されている。また、イオンマイグレーション防止電極２４は、抵抗発熱体２１と同材料にて構成され、抵抗発熱体２１のパターン形状と略同等のパターン形状を有している。なお、イオンマイグレーション防止電極２４の一端部２３４は、スルーホール２３１、２３３の一方を介してヒータ通電端子２３２（好ましくは負極側となる通電端子）及び抵抗発熱体２１と電気的に接続している。他方、他端部２３５については、他方のスルーホール２３１、２３３と接続しない（換言すれば、ヒータ通電端子２３２及び抵抗発熱体２１と電気的に接続しない）位置に配置されるように形成されている。
【００９１】
そして、このような構造の基体２０を有する素子本体Ａのうちで、測定対象気体に晒される先端側の周囲全面を覆うようにして、接着層４１と表面層４２とから構成される多孔質保護層４０が形成されている（本第４実施例では、厚さ４０μｍの接着層４１と厚さ１１０μｍの表面層４２、合計厚さ１５０μｍの多孔質保護層４０が形成）。
【００９２】
（２．セラミックヒータの構造）
＜第５実施例＞
本発明の第５実施例としてのセラミックヒータ５００を、図３及び図４を用いて説明する。このセラミックヒータ５００は、測定対象気体から特定ガス成分を検出するためのガスセンサ素子（図示せず）に近接して設けられ、ガスセンサ素子を加熱するために用いられるものである。図３は、本第５実施例のセラミックヒータ５００の長手方向に直交する向きの横断面（後述する発熱部３３５を含む横断面）を示すもので、その断面形状は、約９０度をなす角部３０（図３の長手方向に延びる角部３０）を４個有する矩形状である。図４は、図３のセラミックヒータ５００において、多孔質保護層５４を除いた基体Ｂの構造を示す分解斜視図を示すものであり、この基体Ｂの内部には、抵抗発熱体３３２とイオンマイグレーション防止電極３２２がそれぞれ異なる部位に埋設されている。
【００９３】
貴金属であるＰｔを主体に構成される抵抗発熱体３３２は、絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第２基層３２及び第３基層３３に挟持されている。また、抵抗発熱体３３２と同種材料で構成されるイオンマイグレーション防止電極３２２は、上記第２基層３２及び絶縁性に優れるアルミナを主体に構成される第１基層３１に挟持されている。このイオンマイグレーション防止電極３２２は、抵抗発熱体３３２が金属イオンのマイグレーションによって劣化することを防止するための導体である。
【００９４】
抵抗発熱体３３２は、蛇行状に形成される発熱部３３５と、この発熱部３３５の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部３３６とを有している。また、このヒータリード部３３６の発熱部３３５と接続される側とは反対側の両端部３３３は、第３基層３３を貫通する２つのスルーホール３３１を介して、外部回路接続用の外部端子と接続される一対のヒータ通電端子３３４とそれぞれ電気的に接続されている。また、イオンマイグレーション防止電極３２２は、抵抗発熱体３３２のパターン形状と略同等に形成している。但し、イオンマイグレーション防止電極３２２の一端部３２３は、１つのスルーホール３２１を介してマイグレーション防止電極通電端子３２５に電気的に接続され、このマイグレーション防止電極通電端子３２５は、ヒータ通電端子３３４（好ましくは負極側となる通電端子）及び抵抗発熱体３３２と電気的に接続している。他方、他端部３２４については、スルーホール３２１と接続しない（換言すれば、ヒータ通電端子３３４及び抵抗発熱体３３２と電気的に接続しない）位置に配置されるように形成している。
【００９５】
そして、このような基体Ｂの長手方向に延びる４つの角部３０に対し、図３に示すように、接着層５５と表面層５６からなる多孔質保護層５４が形成されている。この多孔質保護層５４の角部３０での厚さ（即ち、最低厚さ）は、両層５５、５６の合計で２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上必要であり、最大厚さは５００μｍまでが好ましい（本第５実施例では、厚さ１０μｍの接着層５５と厚さ４０μｍの表面層５６、合計厚さ５０μｍの多孔質保護層５４を形成）。また、この多孔質保護層５４の空孔率は、両層５５、５６とも１５％〜６５％の範囲内にしておくことが耐被水抑制効果に有効となり、３０％〜６０％の範囲内とすることがより好ましい。なお、接着層５５に対する表面層５６の固着強度を向上させるために、本第５実施例のセラミックヒータ５００では、上記空孔率の範囲内を満たすようにして、接着層５５の空孔率を表面層５６のそれよりも大きく調整している。
【００９６】
また、セラミックヒータ５００の多孔質保護層５４を含む全体の大きさは、長手方向の寸法３０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅寸法２．５ｍｍ〜６ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、本実施例では、長手方向の寸法約４５ｍｍ。幅寸法４ｍｍ、厚み約２ｍｍに形成されている。
【００９７】
（３．ガスセンサの構造）
図７は、上述した積層型ガスセンサ素子（第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００）が組み込まれたガスセンサであり、具体的には内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサ６００の一例を示した全体断面図である。
【００９８】
この酸素センサ６００に組み込まれる積層型ガスセンサ素子１００は、その先端側がセンサハウジング６の先端から突出するように当該センサハウジング６に形成された挿通孔６１に挿通されると共に、挿通孔６１の内周面と積層型ガスセンサ素子１００との間が、ガラスを主体に構成される封着材層７により気密状態に封着されている。センサハウジング６の先端部外周には、積層型ガスセンサ素子１００の突出部分（先端側）を覆う金属製の二重のプロテクタ８、８がレーザー溶接等により固着されている。このプロテクタ８、８には、自身の先端や周囲に排気管内を流れる排ガスを導く通気孔８１、８１が形成されている。
【００９９】
一方、センサハウジング６の後端部は、外筒１０の先端部内側に挿入され、その重なり部分にて周方向にレーザー溶接等の接合が施されている。また、センサハウジング６の外周部には、酸素センサ６００を排気管にねじ込んで取り付けるためのネジ部６２が螺設されている。なお、積層型ガスセンサ素子１００のうちで、センサハウジング６の先端から突出する先端側が、測定対象気体に晒されることになる部分に相当する。それより、積層型ガスセンサ素子１００の先端側に晒される部分に、少なくとも多孔質保護層４が形成されている。
【０１００】
積層型ガスセンサ素子１００については、第１コネクタ９１、長手状金属薄板９２、さらには第２コネクタ９３及び絶縁板（図示せず）（なお、これらを総称して「外部端子９」という）とリード線９０とを介して、図示しない外部回路と電気的に接続されている。また、都合４本のリード線９０は、外筒１０の後端側に位置するグロメット２０を貫通して延びている。また、積層型ガスセンサ素子１００の長手方向において、封着材層７の少なくとも一方の側に隣接する形で、多孔質無機物質（例えば、タルク滑石の無機物質粉末の圧粉成形体あるいは多孔質仮焼体）で構成された緩衝層７１が形成されている。なお、この酸素センサ６００は、上述した第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００を用いて形成したが、上述した第２〜第４実施例の積層型ガスセンサ素子２００、３００、４００を用いて形成しても良いことは言うまでもない。
【０１０１】
【実験例】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
まず、以下に説明する方法により、第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子１００と第５実施例のセラミックヒータ５００を製造した。
【０１０２】
（第１実施例の積層型ガスセンサ素子１００の作製）
▲１▼酸素濃淡電池素子用未焼成シートの作製
イットリアの安定化剤を固溶させたジルコニア粉末１００ｇとアルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）２６ｇと共に混練した生素地を用いて、酸素濃淡電池用固体電解質層１１となるものであって、５個の素子を切り出すことができる大きさの未焼成固体電解質シートを形成した。その後、未焼成固体電解質シートの所定位置に素子５個分のスルーホール１５となる貫通孔を形成した。
【０１０３】
ついで、未焼成固体電解質シート（スルーホール１５となる貫通孔を含む）上の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターンに印刷し、乾燥させて、検知電極１３１、基準電極１３２、導体リード部１３３、１３４、信号取出し用端子１４となる導体パターンを形成すると共に、スルーホール１５となる貫通孔の内壁面に対して導電ペーストを施した。これにより、酸素濃淡電池素子用未焼成シートを得た。
【０１０４】
▲２▼基体用未焼成シートの作製
ついで、アルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇと共に混練した生素地を用いて、第２基層２３となる未焼成アルミナシートを形成し、素子５個分のスルーホール２３１となる貫通孔を形成した。
その後、第２基層２３となる未焼成アルミナシート（スルーホール２３１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、上述の▲１▼と同様の導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、抵抗発熱体２１、一対のヒータ通電端子２３２となる導電パターンを形成すると共に、スルーホール２３１となる貫通孔の内壁面に対して導体ペーストを施した。そして、第１基層２２となる未焼成アルミナシートを上記第２基層２３と同様な方法で作製し、この第１基層２２となる未焼成アルミナシートを第２基層２３となる未焼成アルミナシートの抵抗発熱体２１となる導体パターンが形成された面に積層・減圧圧着した。これにより、基体２となる基体用未焼成シートを得た。
【０１０５】
▲３▼組立・脱脂、及び焼成並びに多孔質保護層の形成
酸素濃淡電池素子用未焼成シートと基体用未焼成シートとを積層し、さらに所定のアルミナ粉末と気孔化剤としてのカーボン粉末、ブチラール樹脂及びジブチルフタレートからなるバインダ、分散剤を混合したスラリーを用いてシート化した電極保護層５となる電極保護層用未焼成シートを、酸素濃淡電池素子用未焼成シートの外部に露出した検知電極１３１となる導体パターン上に積層し、減圧圧着して組立体を得た。そして、この組立体を、素子本体Ａを形成すべく公知の手法により切断し、５個の未焼成積層体を切り出した。
【０１０６】
その後、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）２５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径５μｍ）３０ｇを含むペーストを、焼成後の多孔質保護層４の角部３からの厚さが２０μｍ、５０μｍ、１００μｍになるように未焼成積層体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面に印刷して乾燥させた。また、上記ペーストを、焼成後の多孔質保護層４の角部３からの厚さが２００μｍになるように未焼成積層体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側であって、長手方向に延びる４つの角部３上にのみ印刷して乾燥させた。ついで、この状態の未焼成積層体を大気雰囲気下にて毎時２０℃で昇温していき、最高温度４５０℃で１時間保持しつつ脱脂（脱バインダ処理）した後、１５００℃で１時間焼成して、単層からなる多孔質保護層４が形成された素子本体Ａを有する積層型ガスセンサ素子１００（図１参照）を得た。
【０１０７】
また、比較例となる積層型ガスセンサ素子として、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に、多孔質保護層４を形成せずに、上記脱バインダ処理、焼成を行った素子を別途に形成した。
【０１０８】
（第５実施例のセラミックヒータ５００の作製）
▲１▼基体用未焼成シートの作製
アルミナ粉末１００ｇを、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇと共に混練した生素地を用いて、厚み０．７ｍｍの第２基層３２、厚さ１．１ｍｍ第３基層３３となる未焼成アルミナシートをそれぞれ形成し、各未焼成アルミナシートにセラミックヒータ５個分のスルーホール３２１、３３１となる貫通孔を形成した。
【０１０９】
その後、第２基層３２となる未焼成アルミナシート（スルーホール３２１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、イオンマイグレーション防止電極３２２、マイグレーション防止電極通電端子３２５となる導電パターン（尚、ビア印刷、ペースト圧入等により予めスルーホール３２１部での導通を確保しておく方法もよい）を形成した。さらに、第３基層３３となる未焼成アルミナシート（スルーホール３３１となる貫通孔を含む）の表裏面の所定領域に、白金を主体とする導電ペーストを所定のパターン形状に印刷・乾燥し、抵抗発熱体３３２となる導体パターン（未焼成抵抗発熱体パターン）、ヒータ通電端子３３４となる導電パターンを形成した。そして、厚み０．３ｍｍの第１基層３１となる未焼成アルミナシートを、上記第２基層３２、上記第３基層３３と同様な材料を用いて作製した。
【０１１０】
ついで、この第１基層３１となる未焼成アルミナシートを第２基層３２となる未焼成アルミナシートのイオンマイグレーション防止電極３２２となる導体パターンが形成された主面に積層すると共に、第２基層３２となる未焼成アルミナシートの主面と反対側の裏面に、未焼成抵抗発熱体パターンが形成された主面が面するように第３基層３３となる未焼成アルミナシートを積層した上で、減圧圧着した。これにより、基体Ｂとなる基体用未焼成シートを得た。
【０１１１】
▲２▼脱脂、焼成並びに多孔質保護層の形成
そして、この基体用未焼成シートを、基体Ｂを形成すべく公知の手法により切断し、５個の未焼成基体を切り出した。
その後、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）１５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径２０μｍ）４５ｇを含むペーストを、焼成後の第１多孔質保護層（接着層）５５の角部３０からの厚さが１０μｍになるように未焼成基体のうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面に印刷し、乾燥させる。ついで、この状態の未焼成基体を大気雰囲気下にて毎時２０℃で昇温していき、最高温度４５０℃で１時間保持しつつ脱脂（脱バインダ処理）した後、１５００℃で１時間焼成して、第１多孔質保護層５５が形成された基体Ｂを得た。
【０１１２】
そして、アルミナ粉末７０ｇ、バインダ（ポリビニルブチラール）１２ｇ、有機溶剤（ブチルカルビトール）２５ｇ、気孔化剤としてのカーボン粉末（平均粒径５μｍ）３０ｇを含むペーストを、焼成後の多孔質保護層５４の角部３０からの厚み（第１多孔質保護層５５との合計の厚み）が２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとなるように、基体Ｂの第１多孔質保護層５５上に印刷し、乾燥させる。ついで、この状態の基体Ｂを、大気雰囲気下にて毎時１００℃で昇温していき、最高温度９００℃で１時間熱処理して、第１多孔質保護層（接着層）５５と第２多孔質保護層（表面層）５６とからなるセラミックヒータ５００を得た。
【０１１３】
また、比較例となるセラミックヒータとして、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に、多孔質保護層を形成せずに、上記脱バインダ処理、焼成を行ったセラミックヒータを別途に形成した。
【０１１４】
さらに、第５実施例と異なる参考例のセラミックヒータとして、上記のようにして切り出した上記未焼成積層体に対し、先行して上記脱バインダ処理、焼成を行った基体Ｂを作成し、角部３０からの厚さが２０μｍとなるように基体Ｂのうちで、測定対象気体に晒されることが予定される先端側の周囲全面にスピネル溶射を行い、多孔質保護層を有するセラミックヒータを得た。
【０１１５】
上記のようにして得た積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータに対し、以下の試験（性能評価）を行った。
【０１１６】
（予備試験）
▲１▼２０００ｃｃのエンジンの床下に形成された排気管に、排気管の軸芯と垂直な方向となるように、且つセンサが下方を向く方向に取付けが可能になるようにＭ１２のセンサ取付用ネジを設けた。▲２▼角部３からの厚さ２０μｍの積層型ガスセンサ素子１００表面全体にカーボンを塗布してセンサ試験片を作製し、水滴痕が確認し易いようにして直径２ｍｍの通気孔を周方向にわたって６箇所有する一重のプロテクタを設けた試験片を用意し、この取付用ネジにセンサ試験片を取り付けた。▲３▼エンジンを始動させ、１０００ｒｐｍにて１０分間保持した。▲４▼エンジンを停止させ、センサ試験片を取付用ネジから外し、センサ試験片に付着した水滴痕の概略径を求めた。なお、センサ試験片２０本について、同様な手法により水滴痕の概略径を求めた。▲５▼ディスペンサにて水を２０本のセンサ試験片に滴下して、上記▲４▼の水滴痕と同等の水滴量を求めた。その結果、０．３μｌ（マイクロリットル）相当以下の量の水滴付着であることが判明した。このため、後述する滴下試験では、０．３μｌと過酷量１μｌの水を、積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータに滴下することにした。
【０１１７】
また、滴下する時の積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータの温度を３２０℃と決定した。それは、以下の理由による。
（１）排気ガス温度が水として存在し易い程度にできる限り低温であること。
（２）積層型ガスセンサ素子、セラミックヒータが被水して、熱衝撃によってクラックが発生する温度以上であること。
【０１１８】
（滴下試験）
▲１▼上述した製造方法によって得た積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータの表面のうちで、抵抗発熱体の配置位置に近い側の面に対して、直径０．１ｍｍの熱電対をセメントにて付着させた。▲２▼抵抗発熱体が発熱するようにヒータ通電端子から直流電圧を印加し、熱電対が３２０℃に成るように通電制御を行った。▲３▼積層型ガスセンサ素子及びセラミックヒータのうちで、熱電対を付着させた近傍に位置する素子本体の角部、基体の角部に相当する箇所に、ディスペンサにて採取した０．３μｌの水を滴下した。▲４▼抵抗発熱体への通電を停止し、色見液（水性赤インク液）にて滴下部での積層型ガスセンサ素子の素子本体及びセラミックヒータの基体にクラックが発生しているか否かを目視にて観察した。クラックが発生するまでこの▲２▼〜▲４▼の行為を繰り返した。但し、▲２▼〜▲４▼の行為を１０回繰り返してもクラックが発生しなかったものは、１０回目で▲２▼〜▲４▼の行為を終了した。ついで、▲５▼滴下量１μｌとして、同様に試験を実施した。
【０１１９】
なお、これらの試験は、素子本体Ａの角部３からの多孔質保護層４の厚みが、２０μｍ（試料番号２）、５０μｍ（試料番号３）、１００μｍ（試料番号４）、２００μｍ（試料番号５）である積層型ガスセンサ素子１００と、比較例として素子本体Ａに多孔質保護層４を形成していない積層型ガスセンサ素子（試料番号１）について、それぞれ１０本ずつ実施した。また、０．３μｌ及び１μｌの水の滴下試験については、各試料（試験片）について素子本体Ａの角部３に相当する部位のみならず、素子本体Ａの裏面（熱電対が付着された面と反対側の面）にも同様の形態で行い、クラックの発生の有無を確認するようにした。その結果を表１に示す。
【０１２０】
さらに、上記試験は、基体Ｂの角部３０からの多孔質保護層５４の厚みが、２０μｍ（試料番号７）、３０μｍ（試料番号８）、５０μｍ（試料番号９）、１００μｍ（試料番号１０）、２００μｍ（試料番号１１）であるセラミックヒータ５００と、スピネル溶射によって形成された基体Ｂからの多孔質保護層の厚みが２０μｍのセラミックヒータ（試料番号１２）と、比較例として基体Ｂに多孔質保護層５４を形成していないセラミックヒータ（試料番号６）について、それぞれ１０本ずつ実施した。また、０．３μｌ及び１μｌの水の滴下試験については、各試料（試験片）について基体Ｂの角部３０に相当する部位のみならず、基体Ｂの裏面（熱電対が付着された面と反対側の面）にも同様の形態で行い、クラックの発生の有無を確認するようにした。その結果を表２に示す。
【０１２１】
なお、表１、表２において、「クラック発生数」とは、試験を行った各１０本の試料のうちクラックが確認された試料の数であり、「クラック発生回数」とは、そのクラックの入った試料において、何回目の滴下試験における上記▲４▼の観察でクラックが確認されたかを示している。
【０１２２】
【表１】
【表２】
表１の結果によれば、素子本体Ａの裏面に滴下試験を行った場合、滴下量１μｌで試験を行った試料番号５の１０個中１個の試料を除いて、クラックの発生はみられなかった。しかし、多孔質保護層４が素子本体Ａの角部３に形成されていない試料（試料番号１）において、角部３に相当する部位に滴下試験を行った場合、滴下量０．３μｌの場合に１０個中３個の素子本体Ａにクラックが発生しており、さらに滴下量１μｌの場合に１０個中６個の素子本体Ａにクラックが発生した。これにより、多孔質保護層４が形成されていない場合に、素子本体Ａの角部３に被水すると、クラックがより発生し易いことが判る。
【０１２５】
これに対し、少なくとも角度３に２０μｍ以上の多孔質保護層４を形成した素子本体Ａ（試料番号２〜５）において、角部３に相当する部位に０．３μｌの水を滴下した場合、いずれの試料についてもクラックが発生せず、良好な結果となった。これにより、角部３に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層４を形成することによって、素子本体Ａの角部３への被水によるクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１２６】
また、滴下量が１μｌの場合、角部３における多孔質保護層４の厚さが２０μｍ（試料番号２）のときに、クラックの発生が１０個中１個確認されたの対し、角部３における多孔質保護層４の厚さが５０μｍ以上（試料番号３〜５）のとき、クラックの発生はいずれも確認されなかった。これにより、素子本体Ａの角部３に５０μｍ以上の多孔質保護層４を設けることによって、素子本体Ａの角部３への被水によるクラックの発生をより有効に防止することができるのが判る。
【０１２７】
さらに、角部３のみに多孔質保護層４を形成した場合（表１において２００μｍの多孔質保護層４を形成した試料番号５に相当）であっても、過酷試験において裏面に１個の素子本体Ａだけクラックの発生が確認されただけである。これにより、少なくとも素子本体Ａの長手方向に延びる角部３に多孔質保護層４を形成した場合であっても、被水に対してのクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１２８】
ついで、表２の結果によれば、基体Ｂの裏面に滴下試験を行った場合、滴下量１μｌで試験を行った試料番号６の１０個中１個の試料を除いて、クラックの発生はみられなかった。しかし、多孔質保護層５４が基体Ｂの角部３０に形成されていない試料（試料番号６）において、角部３０に相当する部位に滴下試験を行った場合、滴下量０．３μｌの場合に１０個中３個の基体Ｂにクラックが発生しており、さらに滴下量１μｌの場合に１０個中６個の基体Ｂにクラックが発生している。これにより、多孔質保護層５４が形成されていない場合、基体Ｂの角部３０に被水したときに、クラックがより発生し易いことが判る。
【０１２９】
これに対し、少なくとも角度３０に２０μｍ以上の多孔質保護層５４を形成した基体Ｂ（試料番号７〜１１）において、角部３０に相当する部位に０．３μｌの水を滴下した場合、いずれの試料についてもクラックが発生せず、良好な結果となった。これにより、角部３０に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層５４を形成することによって、基体Ｂの角部３０への被水によるクラックの発生を防止することができるのが判る。
【０１３０】
また、滴下量が１μｌの場合、角部３０における多孔質保護層５４の厚さが２０μｍ（試料番号７）のときに、クラックの発生が１０個中１個確認されたの対し、角部３０における多孔質保護層５４の厚さが５０μｍ以上（試料番号８〜１１）のとき、クラックの発生はいずれも確認されなかった。これにより、基体Ｂの角部３０に５０μｍ以上の多孔質保護層５４を設けることによって、基体Ｂの角部３０への被水によるクラックの発生をより有効に防止することができるのが判る。
【０１３１】
但し、２０μｍの厚さを有する多孔質保護層をスピネル溶射により設けた基体Ｂ（試料番号１２）においては、２０μｍの厚さを有するにも関わらず、滴下量０．３μｌのときに１０個中１個にクラックの発生が確認され、滴加量１μｍのときに１０個中３個にクラックの発生が確認された。このため、溶射によって基体Ｂの角部３０に多孔質保護層を形成した場合には、多孔質保護層を設けないものに比べて被水によるクラックの発生を防止する効果を発揮するものの、多孔質保護層５４を基体との同時焼成によって形成した試料番号７に比べて上記効果が少ないことが判った。
【０１３２】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサ、ＣＯセンサ、ＮＯｘセンサに使用する積層型ガスセンサ素子に対し、少なくとも測定対象気体に晒される先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち少なくとも抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部に厚さ２０μｍ以上の多孔質保護層を形成して、被水による素子本体へのクラックの発生を防止するように対策を講じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図２】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子を構成する素子本体の分解斜視図である。
【図３】 本第５実施例のセラミックヒータの長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図４】 本第５実施例のセラミックヒータを構成する基体の分解斜視図である。
【図５】 本第３実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図６】 本第２実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図７】 本第１参考実施例の積層型ガスセンサ素子が組み込まれたガスセンサ（酸素センサ）の断面を示す模式図である。
【図８】 本第４実施例の積層型ガスセンサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す模式図である。
【図９】 本第４実施例の積層型ガスセンサ素子を構成する素子本体の分解斜視図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００：積層型ガスセンサ素子、５００；セラミックヒータ、６００；ガスセンサ（酸素センサ）、Ａ；素子本体、Ｂ、２、２０；基体、１；酸素濃淡電池素子、１１；酸素濃淡電池用固体電解質層、１３１；検知電極、１３２；基準電極、１３３、１３４；導体リード部、１４；信号取出し用端子、２１、３３２；抵抗発熱体、２２、３１；第１基層、２３、３２；第２基層、２５、３３；第３基層、２４、３２２；イオンマイグレーション防止電極、２３２、３３４；ヒータ通電用端子、３、３０；角部、４、４０、５４；多孔質保護層、４１、５５；多孔質接着層（第１多孔質保護層）、４２、５６；多孔質表面層（第２多孔質保護層）、５；電極保護層、５２；強化保護層、６；センサハウジング
Claims (13)
- 通電により発熱する抵抗発熱体と、上記抵抗発熱体を内部に埋設してなる板状のセラミック製の基体とからなり、測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータであって、
該基体の少なくとも測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その基体の長手方向に延びる各角部の１以上を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、
上記多孔質保護層は、上記基体に接する最下層として形成されると共に当該基体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、
上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とするセラミックヒータ。 - 上記多孔質保護層は、上記多孔質接着層及び上記多孔質表面層の空孔率が１５％〜６５％の範囲内にある請求項１に記載のセラミックヒータ。
- 上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されている請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
- 上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
- 内部に抵抗発熱体を有する基体に一対の電極を具備する検出層を積層した板状の素子本体を有し、測定対象気体中の特定ガスを検出するための積層型ガスセンサ素子において、
該素子本体の少なくとも上記測定対象気体に晒されることになる先端側であって、その素子本体の長手方向に延びる各角部のうち該抵抗発熱体の配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように２層の多孔質層が積層された多孔質保護層が形成され、該多孔質保護層の厚さは該角部から２０μｍ以上であり、
上記多孔質保護層は、上記素子本体に接する最下層として形成されると共に当該素子本体に同時焼成された多孔質接着層と、該多孔質接着層上に形成されると共に、上記測定対象気体に晒される多孔質表面層とからなり、
上記多孔質接着層の空孔率が、上記多孔質表面層の空孔率よりも大きく、且つ上記多孔質接着層の外表面が粗面化されてなることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。 - 上記検出層は、酸素の濃度に対応して特性が変化する固体電解質体からなる請求項５に記載の積層型ガスセンサ素子。
- 上記一対の電極は、上記検出層のうちで上記基体と面する側に形成される基準電極と、該基体と面する側とは反対側に形成される検知電極とからなり、上記素子本体は、上記検知電極上に電極保護層を積層する形態で形成されている請求項５または６に記載の積層型ガスセンサ素子。
- 上記多孔質保護層は、上記多孔質接着層及び上記多孔質表面層の空孔率が１５％〜６５％の範囲内にある請求項５乃至７のいずれか１項に記載の積層型ガスセンサ素子。
- 上記基体は、アルミナを主体に構成され、上記抵抗発熱体は貴金属を主体に構成されている請求項５乃至８のいずれか１項に記載の積層型ガスセンサ素子。
- 上記基体のうちで上記抵抗発熱体が埋設される部位とは異なる部位に、該抵抗発熱体の劣化を防止するためのマイグレーション防止電極が形成されている請求項５乃至９のいずれか１項に記載の積層型ガスセンサ素子。
- 基体用未焼成シートの間に未焼成抵抗発熱体パターンを挟み込む形で形成した基体となるべき未焼成基体上に、一対の電極となる未焼成電極パターンと検出層となる検出層用未焼成シート又は検出層用ペーストを積層して板状の未焼成積層体を作り、
ついで、該未焼成積層体の少なくとも測定対象気体に晒されることが予定される先端側 であって、その未焼成積層体の長手方向に延びる各角部のうち未焼成抵抗発熱体パターンの配置位置に近い側の角部を少なくとも覆うように、第１多孔質保護層であって多孔質接着層となる未焼成被覆層を形成し、
該未焼成被覆層が形成された未焼成積層体を焼成して、外表面が粗面化された第１多孔質保護層が形成された素子本体を作製し、
焼成後の該多孔質接着層上に第２多孔質保護層であって多孔質表面層となる未焼成第２被覆層を形成した上で熱処理を行って当該第２多孔質保護層を形成し、該第１多孔質保護層と該第２多孔質保護層との合計の厚みが２０μｍ以上であり、該第１多孔質保護層の空孔率が、該第２多孔質保護層の空孔率よりも大きい積層型ガスセンサ素子を得ることを特徴とする積層型ガスセンサ素子の製造方法。 - 上記未焼成積層体を作製するにあたり、上記未焼成電極パターンのうちで基準電極となる基準電極パターンを上記未焼成基体と面する側に形成する一方、検知電極となる検知電極パターンを上記検出層用未焼成シート又は上記検出層用ペーストを介して該基準電極パターンと反対側に形成し、上記検知電極パターン上に電極保護層となるべき未焼成電極保護層を積層して該未焼成積層体を作製する請求項１１に記載の積層型ガスセンサ素子の製造方法。
- 測定対象気体中の特定ガスを検出するためのガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を支持すると共に、該ガスセンサ素子を測定位置に配置するためのセンサハウジングとを備えたガスセンサであって、
上記ガスセンサ素子が、請求項５乃至１０のいずれかの１項に記載の積層型ガスセンサ素子であることを特徴とするガスセンサ。
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