JP5981622B2 - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ素子、及び、これを備えた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１，２参照）。特許文献１，２には、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記載されている。このガスセンサ素子は、固体電解質体の表面側または裏面側に設けられた電極と、固体電解質体の表面側または裏面側に設けられ、上記電極に接続されたリードとを備えている。

特許文献１，２では、酸素ポンプ性能を確保するために、電極を多孔質に形成しており、その結果、電極は、ガス透過性及び透水性を有することとなる。一方、電気導通性を向上させるためには、単位面積当たりの充填度合を高くすることが好ましく、そのために、リードを緻密に形成している。その結果、リードは、非ガス透過性及び非透水性を有することとなる。

特許第４１６５６５２号公報 特開２０１０−１２２１８７号公報

ところで、特許文献１の図３，４には、電極として、ガスセンサ素子の外部と連通する内部空間に露出する空間露出部、を有する第１電極が記載されている。さらに、リードとして、上記第１電極と接続する第１リードが記載されている。この第１リードは、内部空間内にて第１電極に重なりあうようにして接続している。ところが、第１電極及び第１リードが、上述したような、透水性の電極と非透水性のリードとの組み合わせの場合には、次のような不具合が発生する虞があった。つまり、第１電極のうち、第１リード部に重なる部位（以下、第１接続部）において、酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する虞がある。

一方、上述の問題を考慮し、電極の一部を内部空間に露出しない位置まで延ばすことで、第１接続部を、内部空間に露出しない位置に配置することが考えられる。これにより、「第１接続部が内部空間に配置されることで酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する」ことを抑制できる。

ところが、第１接続部を上記内部空間に露出しない位置に配置したとしても、次のような不具合が発生する虞がある。例えば、冬季には、ガスセンサ素子の表面が結露することがある。この結露により生じた水（結露水）が、ガスセンサ素子の内部空間内に浸入し、さらに、空間露出部を通じて透水性の第１電極内に浸入することがある。第１電極内に浸入した水は、第１リードと接続する第１接続部に達するが、第１リードは非透水性であるため、第１リード内に浸入することができず、その結果、第１接続部に留まることがある。第１接続部に結露水が留まった状態で、この結露水が凍結することで体積膨張すると、第１接続部を挟む層間を引き離す方向に応力が発生し、これにより、第１接続部を挟む層間にクラックが発生する虞があった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、透水性の電極及びこれに接続された非透水性のリードとを備えるガスセンサ素子において、電極の酸素ポンプ性能を低下させることなく、透水性の電極内に水が浸入しこれが凍結するような場合でも、自身にクラックが発生するのを防止できるガスセンサ素子、及びこれを備えたガスセンサを提供することを目的とする。

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であって、上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられた電極と、上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられ、上記電極に接続されたリードと、を備え、上記電極は、上記ガスセンサ素子の外部と連通する上記ガスセンサ素子の内部空間に露出する空間露出部を有する、透水性の第１電極、を含み、上記リードは、上記第１電極と接続する非透水性の第１リードを含み、上記第１電極は、上記内部空間に露出しない位置に配置され且つ上記第１リードと接続する第１接続部であって、当該第１電極の中で上記内部空間から最も離れた位置に配置された部位を有する第１接続部を含み、上記第１接続部全体が、上記内部空間からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に位置してなるガスセンサ素子が好ましい。

上述のガスセンサ素子は、ガスセンサ素子の外部と連通するガスセンサ素子の内部空間に露出する空間露出部を有する透水性の第１電極を有すると共に、第１電極と接続する非透水性の第１リードを有している。このうち、第１電極は、上記内部空間に露出しない位置に配置され且つ上記第１リードと接続する第１接続部を含む（従って、第１電極は、内部空間に露出する空間露出部と内部空間に露出しない第１接続部とを有する）。この第１接続部は、第１リードと内部空間の外側で接続するために、第１電極が延ばされて形成されるため、第１電極のうちで、上記内部空間から最も離れた位置に配置された部位を有する。

このような構成のガスセンサ素子では、従来、第１接続部内に水が浸入し、これが凍結するような場合に、ガスセンサ素子にクラックが発生する虞があった。具体的には、例えば、ガスセンサ素子の表面に生じた結露水が、ガスセンサ素子の内部空間内に浸入し、さらに、空間露出部を通じて第１電極内に浸入することがある。第１電極内に浸入した水は、第１リードと接続する第１接続部に達するが、第１リードは非透水性であるため、第１接続部に留まることがある。そして、第１接続部内に結露水が留まった状態で、この結露水が凍結することで体積膨張すると、第１接続部を挟む層間を引き離す方向に応力が発生し、これにより、ガスセンサ素子の層間（第１接続部を挟む層間）にクラックが発生する虞があった。

これに対し、上述のガスセンサ素子では、第１接続部全体を、上記内部空間からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置している。これにより、第１接続部内に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。その理由は、次のように考えている。

第１接続部内に水が留まった状態で、この水が凍結し始めると、第１接続部内の微細空孔が次第に小さくなってゆく（氷によって塞がれてゆく）ので、第１接続部内に留まっている水は、第１リードとは反対側（すなわち、水が浸入できるスペースのある内部空間側）に移動してゆく。このとき、第１接続部全体を、上記内部空間からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置しておく（すなわち、第１接続部のうち内部空間から最も離れている箇所から内部空間までの距離を１．０ｍｍ以内と短くしておく）ことにより、第１接続部内に留まっていた水の多くを、第１接続部内で凍結する前に、内部空間にまで移動させる（逃がす）ことができる。その後、内部空間内において多くの水が凍結して膨張しても、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力が発生することはない。その結果、ガスセンサ
素子にクラックが発生するのを防止することができる。

なお、「ガスセンサ素子の外部と連通するガスセンサ素子の内部空間」には、ガスセンサの外部と直接（介在物がない状態で）連通する内部空間や、多孔質体を通じて外部と連通する（ガス透過可能及び透水可能に連通する）内部空間も含まれる。このうち、多孔質体を通じて外部と連通する内部空間には、１つの多孔質体を通じて外部と連通する内部空間に限らず、複数の多孔質体を通じて外部と連通する（ガス透過可能及び透水可能に連通する）内部空間も含まれる。

その上、上述のガスセンサ素子では、第１電極が、上記内部空間に露出しない位置にて、第１リードと接続している。このため、前述の特許文献１（特許第４１６５６５２号公報）と異なり、「第１接続部が内部空間に配置されることで、酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する」ことを抑制できる。

さらに、上記のガスセンサ素子であって、前記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第１絶縁層を有し、前記第１電極の一部と前記第１リードは、上記第１絶縁層上に形成されてなり、上記第１電極の前記空間露出部は、上記第１絶縁層を上記固体電解質体の積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部を有し、上記第１電極の前記第１接続部は、上記第１絶縁層上において、上記第１リードと接続してなるガスセンサ素子とすると良い。

上述のガスセンサ素子では、第１電極の空間露出部（ガスセンサ素子の内部空間に露出する部位）は、第１絶縁層の貫通孔を通じて、固体電解質体と接触する電解質体接触部を有している。一方、第１リードは、第１絶縁層上に形成している（これにより、固体電解質体と接触させないようにしている）。また、第１電極の第１接続部は、第１絶縁層上において、第１リードと接続している。従って、上述のガスセンサ素子では、第１電極の第１接続部を、内部空間に露出しない位置に配置すると共に、固体電解質体と接触させないようにしている。

これにより、上述のガスセンサでは、第１電極の電解質体接触部のみを、実際に感応部として機能させることができ、検知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、リードは、第１電極とは電気特性が異なるため、リードやこれと接続した第１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、ガス濃度を精度良く検知することができないことがある。

さらに、上記いずれかのガスセンサ素子であって、前記電極は、ガス透過性及び透水性を有し、上記ガスセンサ素子の外部に露出する多孔質体、と接触する多孔質体接触部を有する透水性の第２電極を含み、前記リードは、上記第２電極と接続する非透水性の第２リードを含み、上記第２電極は、前記固体電解質体の積層方向に直交する平面方向について上記多孔質体から離れた位置で、上記第２リードと接続する第２接続部であって、当該第２電極の中で上記多孔質体から最も離れた位置に配置された部位を有する第２接続部を含み、上記第２接続部全体が、上記多孔質体からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に位置してなるガスセンサ素子とすると良い。

上述のガスセンサ素子は、ガス透過性及び透水性を有し、ガスセンサ素子の外部に露出する多孔質体を有している。さらに、この多孔質体と接触する多孔質体接触部を有する透水性の第２電極を有すると共に、第２電極と接続する非透水性の第２リードを有している。このうち、第２電極は、多孔質体から平面方向に離れた位置で、第２リードと接続す
る第２接続部を有している（従って、第２電極は、多孔質体と接触する多孔質体接触部
と、多孔質体と接触しない第２接続部とを有している）。この第２接続部は、第２リードと多孔質体から離れた位置で接続するために、第２電極が延ばされて形成されるため、第２電極のうちで、上記多孔質体から最も離れた位置に配置された部位を有する。

このような構成を有するガスセンサ素子でも、従来、第２接続部内に水が浸入し、これが凍結するような場合に、ガスセンサ素子にクラックが発生する虞があった。具体的には、例えば、ガスセンサ素子の表面に生じた結露水が、多孔質体を通じて、これに接触する第２電極内に浸入することがある。第２電極内に浸入した水は、第２リードと接続する第２接続部に達するが、第２リードは非透水性であるため、第２接続部に留まることがある。そして、第２接続部内に結露水が留まった状態で、この結露水が凍結することで体積膨張すると、第２接続部を挟む層間を引き離す方向に応力が発生し、これにより、ガスセンサ素子の層間（第２接続部を挟む層間）にクラックが発生する虞があった。

これに対し、上述のガスセンサ素子では、第２接続部全体を、多孔質体からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置している。これにより、第２接続部内に浸入した水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。その理由は、次のように考えている。

第２接続部内に水が留まった状態で、この水が凍結し始めると、第２接続部内の微細空孔が次第に小さくなってゆく（氷によって塞がれてゆく）ので、第２接続部内に留まっている水は、第２リードとは反対側（すなわち、水が浸入できるスペースのある多孔質体側）に移動してゆく。このとき、第２接続部全体を、上記多孔質体からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置しておく（すなわち、第２接続部のうち多孔質体から最も離れている箇所から多孔質体までの距離を１．０ｍｍ以内と短くしておく）ことにより、第２接続部内に留まっていた水の多くを、第２接続部内で凍結する前に、多孔質体にまで移動させる（逃がす）ことができる。その後、多孔質体内において多くの水が凍結して膨張しても、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力が発生することはない。多孔質体は外部に露出しているので、仮に、多孔質体内が水で満たされていたとしても、凍結の際、その水を外部に逃がすことができるので、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力が発生することはない。従って、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。

その上、第２電極は、多孔質体から平面方向に離れた位置で、第２リードと接続している。このため、「第２接続部が多孔質体と重なる位置に配置されることで、酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する」ことを抑制できる。

さらに、上記のガスセンサ素子であって、前記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第２絶縁層を有し、前記第２電極の一部と前記第２リードは、上記第２絶縁層上に形成されてなり、上記第２電極の前記多孔質体接触部は、上記第２絶縁層を前記積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部を有し、上記第２電極の前記第２接続部は、上記第２絶縁層上において、上記第２リードと接続してなるガスセンサ素子とすると良い。

上述のガスセンサ素子では、第２電極の多孔質体接触部（多孔質体と接触する部位）は、第２絶縁層の貫通孔を通じて、固体電解質体と接触する電解質体接触部を有している。一方、第２リードは、第２絶縁層上に形成している（これにより、固体電解質体と接触させないようにしている）。また、第２電極の第２接続部は、第２絶縁層上において、第２リードと接続している。従って、上述のガスセンサ素子では、第２電極の第２接続部を、多孔質体から平面方向に離れた位置に配置しつつ、固体電解質体と接触させないようにしている。

これにより、上述のガスセンサでは、第２電極の電解質体接触部のみを、実際に感応部として機能させることができ、検知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、リードは、第２電極とは電気特性が異なるため、リードやこれと接続した第２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、ガス濃度を精度良く検知することができないことがある。

本発明の一態様は、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であって、上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられた電極と、上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられ、上記電極に接続されたリードと、を備え、上記電極は、上記ガスセンサ素子の外部と連通する上記ガスセンサ素子の内部空間内に配置された透水性の第３電極を含み、上記リードは、上記第３電極と接続する非透水性の第３リードを含み、上記ガスセンサ素子は、上記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第３絶縁層を有し、上記第３電極の一部と上記第３リードは、上記第３絶縁層上に形成されてなり、上記第３電極は、上記第３絶縁層を上記固体電解質体の積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部と、上記内部空間内で且つ上記第３絶縁層上において、上記第３リードと接続する第３接続部と、を有するガスセンサ素子である。

上述のガスセンサ素子では、ガスセンサ素子の外部と連通するガスセンサ素子の内部空間内に配置された透水性の第３電極を有している。すなわち、第３電極は、その全体が上記内部空間内に配置されている（第３電極の表面または裏面の全体が内部空間に露出している）。また、上記内部空間内で第３電極の第３接続部と接続する非透水性の第３リードを有している。

このような構成とすることで、第３電極内に浸入した水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。第３接続部を含む第３電極の全体が内部空間内に配置されているため、第３接続部を含む第３電極内に留まった水を内部空間内において凍結（膨張）させることができ、その結果、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力の発生を抑制することができるからである。

その上、第３電極の第３接続部は、第３絶縁層上において、第３リードと接続している（これにより、固体電解質体と接触させないようにしている）。従って、第３接続部が内部空間に配置されていても、第３接続部が第３電極の酸素ポンプ性能に影響を及ぼすことがない（第３電極の酸素ポンプ性能を低下させることがない）。このため、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下することを抑制できる。

さらに、上記のガスセンサ素子であって、前記電極は、ガス透過性及び透水性を有し、上記ガスセンサ素子の外部に露出する多孔質体、と接触する透水性の第４電極であって、その全体が、前記固体電解質体の積層方向について上記多孔質体に対向する位置に配置された第４電極を含み、前記リードは、上記第４電極と接続する非透水性の第４リードを含み、上記ガスセンサ素子は、上記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第４絶縁層を有し、上記第４電極の一部と上記第４リードは、上記第４絶縁層上に形成されてなり、上記第４電極は、上記第４絶縁層を上記積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部と、上記積層方向について上記多孔質体と対向する位置で、且つ、上記第４絶縁層上において、上記第４リードと接続する第４接続部と、を有するガスセンサ素子とすると良い。

上述のガスセンサ素子は、ガス透過性及び透水性を有し、ガスセンサ素子の外部に露出する多孔質体を有している。さらに、多孔質体と接触する透水性の第４電極であって、その全体が、固体電解質体の積層方向（厚み方向）について多孔質体に対向する位置に配置された第４電極を有している。ここで、「第４電極の全体が多孔質体に対向する」とは、多孔質体の全体が多孔質体に接触しつつ対向する場合の他、第４電極の一部がリードを挟んで多孔質体に対向すると共に、その他の部位が多孔質体に接触する形態で、透水性電極の全体が多孔質体に対向する場合も含む。また、上述のガスセンサ素子では、上記積層方向について上記多孔質体と対向する位置で、第４電極の第４接続部と接続する第４リードを有する。

このような構成とすることで、第４電極内に浸入した水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。第４接続部を含む第４電極の全体が多孔質体に対向して配置され、第４電極の全体またはリードと接触した部位のみを除いた第４電極の大部分が多孔質体に接触しているため、第４電極内に留まった水の多くを多孔質体の空孔内において凍結（膨張）させることができ、その結果、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力の発生を抑制することができるからである。

その上、第４電極の第４接続部は、第４絶縁層上において、第４リードと接続している（これにより、固体電解質体と接触させないようにしている）。従って、第４接続部が多孔質体と重なる位置（積層方向に対向する位置）に配置されていても、第４接続部が第４電極の酸素ポンプ性能に影響を及ぼすことがない（第４電極の酸素ポンプ性能を低下させることがない）。このため、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下することを抑制できる。

さらに、上記いずれかのガスセンサ素子であって、前記ガスセンサ素子は、測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するガスセンサ素子であり、前記第１リードまたは前記第３リードとして、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるリードを備えるガスセンサ素子とすると良い。

測定対象ガス（例えば、内燃機関の排ガス）に含まれるＮＯｘの濃度を精度良く検知するためには、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるリードを緻密に形成する必要がある。緻密に形成したリードは、非透水性になる。このため、従来、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるリードと電極と接続した場合、前述のように、電極内に水が浸入し、この水が凍結するような場合には、ガスセンサ素子にクラックが発生する虞があった。

しかしながら、上述のガスセンサ素子では、第１リードまたは第３リードとして、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるリードを備えている。前述のように、第１リードと接続する第１電極の第１接続部全体を、内部空間からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置している。第３リードと接続する第３電極の第３接続部については、内部空間内に配置している。これにより、第１（第３）電極内に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサである。
このガスセンサは、前述のいずれかのガスセンサ素子を有している。このため、このガスセンサでは、電極の酸素ポンプ性能を低下させることなく、透水性の電極内に水が浸入しこれが凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができ、測定対象ガスを適切に検知することができる。

参考形態及び実施形態にかかるガスセンサの断面図である。 参考形態及び実施形態にかかるガスセンサ素子の斜視図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 ガスセンサ素子を構成する各層を示す斜視図である。 図４のＥ部の拡大図である。 図４のＦ部の拡大図である。 Ｉｐ２−電極の接続部の位置を示す図であり、図３のＣ矢視図である。 Ｉｐ１＋電極の接続部の位置を示す図であり、図３のＧ矢視図である。 距離Ｄ１，Ｄ２とクラック発生率との相関図である。 実施形態にかかるガスセンサ素子について、Ｉｐ２−電極の接続部の位置 を示す図である。 実施形態にかかるガスセンサ素子について、Ｉｐ１＋電極の接続部の位置 を示す図である。

（参考形態）
まず、参考形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、参考形態にかかるガスセンサ１の縦断面図（軸線ＡＸに沿って切断した断面図）である。図２は、参考形態にかかるガスセンサ素子１０の斜視図である。図３は、図２のＢ−Ｂ断面図であり、ガスセンサ素子１０の内部構造を示している。図４は、ガスセンサ素子１０を構成する各層を示す斜視図であり、積層方向（図４において上下方向）について積層順に並べて示している。図５は、図４のＥ部の拡大図であり、図６は、図４のＦ部の拡大図である。

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（図１参照）。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（図１、図２参照）。

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（図２において右端部）には、平面視矩形状の電極端子部が合計６個形成されている。詳細には、ガスセンサ素子１０の第１面１０ａに、電極端子部１３，１４，１５が形成され、第２面１０ｂに、電極端子部１６，１７，１８が形成されている。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（図１参照）。具体的には、各々の端子部材の先端側に位置する素子当接部が、電極端子部１３〜１８のいずれかに弾性的に当接する。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（図１参照）。

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。具体的には、端子部材の後端部に位置するリード線把持部によって、リード線７１の芯線が把持されることで、端子部材にリード線７１が電気的に接続される。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の芯線が把持されることで、端子部材７５にリード線７１が電気的に接続される。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
が把持されることで、端子部材７６に他のリード線７１が電気的に接続される。

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（図１参照）。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、ガスセンサ素子１０は、図３に示すように、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（図３において上下方向）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１３１ｃ側（図３において下面側）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（図３，６参照）。ヒータパターン１６４は、曲線状の発熱部１６４ｄと、発熱部１６４ｄの両端にそれぞれ接続される直線状の第１リード部１６４ｂ及び第２リード部１６４ｃとを備える。第１リード部１６４ｂは電極端子部１６に電気的に接続され、第２リード部１６４ｃは電極端子部１８に電気的に接続されている（図６参照）。

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１１１ｂ側（図３において上面側）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１１１ｃ側（図３において下面側）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。

なお、本参考形態では、次のようにして、Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１−電極１１３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固体電解質体１１１の表面１１１ｂ側及び裏面１１１ｃ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、多孔質の電極１１２、１１３が形成される。

図５に示すように、Ｉｐ１＋電極１１２の接続部１１２ｄには、Ｉｐ１＋リード１１６が接続されている。このＩｐ１＋リード１１６は、電極端子部１３に電気的に接続されている。また、Ｉｐ１−電極１１３の接続部１１３ｄには、Ｉｐ１−リード１１７が接続されている。このＩｐ１−リード１１７は、電極端子部１５に電気的に接続されている。Ｉｐ１＋リード１１６及びＩｐ１−リード１１７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１１６及びＩｐ１−リード１１７は、非透水性を有している。

なお、本参考形態では、次のようにして、Ｉｐ１＋リード１１６及びＩｐ１−リード１１７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固体電解質体１１１の表面１１１ｂ側及び裏面１１１ｃ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、リード１１６、１１７が形成される。
ところで、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１１６、１１７が形成される。

また、Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１＋リード１１６の表面側（図３〜図５において上面側）には、アルミナ等からなる保護層１１５が積層されている。この保護層１１５のうちＩｐ１＋電極１１２と積層方向に対向する位置には、ガスセンサ素子１０の外部に露出する第１多孔質体１１４（多孔質体に相当する）が設けられている。この第１多孔質体１１４は、ガス透過性及び透水性を有し、Ｉｐ１＋電極１１２の一部と接触している。Ｉｐ１＋電極１１２のうち第１多孔質体１１４と接触する部位を、多孔質体接触部１１２ｂとする。

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（図３参照）。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１２１ｂ側（図３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１２１ｃ側（図３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。

図５に示すように、Ｖｓ−電極１２２の接続部１２２ｄには、Ｖｓ−リード１２６が接続されている。このＶｓ−リード１２６は、電極端子部１５に電気的に接続されている。このＶｓ−リード１２６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−電極１２２と異なり、緻密に形成されている。このため、Ｖｓ−リード１２６は、非透水性を有している。一方、図５，６に示すように、Ｖｓ＋電極１２３の接続部１２３ｄには、Ｖｓ＋リード１２７が接続されている。このＶｓ＋リード１２７は、電極端子部１４に電気的に接続されている。このＶｓ＋リード１２７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＋電極１２３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、Ｖｓ＋リード１２７は、ガス透過性及び透水性を有している。

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（図３参照）。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２多孔質体１５１を通じてガスセンサ素子１０の外部と連通している。第２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（図２、図５参照）。

第１測定室１５０の後端側（図３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３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（図３参照）。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１３１ｂ側（図３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。

図６に示すように、Ｉｐ２＋電極１３２には、Ｉｐ２＋リード１３６が接続されている。このＩｐ２＋リード１３６は、電極端子部１７に電気的に接続されている。このＩｐ２＋リード１３６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、Ｉｐ２＋電極１３２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１３６は、ガス透過性及び透水性を有している。一方、Ｉｐ２−電極１３３の接続部１３３ｄには、Ｉｐ２−リード１３７が接続されている。このＩｐ２−リード１３７は、電極端子部１５に電気的に接続されている。このＩｐ２−リード１３７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、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１３７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（図３参照）。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３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２多孔質体１５１、第１測定室１５０、及び第３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。
なお、本参考形態では、第１測定室１５０と第２測定室１６０とが、「ガスセンサ素子の外部と連通するガスセンサ素子の内部空間」に相当する。

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に接続されたリード１３６及び電極１３３に接続されたリード１３７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、本参考形態では、固体電解質体１１１の表面１１１ｂ上に、アルミナ絶縁層１１８が形成されている。さらに、Ｉｐ１＋電極１１２の一部及びＩｐ１＋リード１１６は、アルミナ絶縁層１１８上に形成されている。さらに、Ｉｐ１＋電極１１２の多孔質体接触部１１２ｂは、アルミナ絶縁層１１８を積層方向に貫通する貫通孔１１８ｂを通じて、固体電解質体１１１と接触する電解質体接触部１１２ｃを有する。

さらに、固体電解質体１１１の裏面１１１ｃ上には、アルミナ絶縁層１１９が形成されている。さらに、Ｉｐ１−電極１１３の一部及びＩｐ１−リード１１７は、アルミナ絶縁層１１９上に形成されている。さらに、Ｉｐ１−電極１１３のうち第１測定室１５０（内部空間）に露出する空間露出部１１３ｂは、アルミナ絶縁層１１９を積層方向に貫通する貫通孔１１９ｂを通じて、固体電解質体１１１と接触する電解質体接触部１１３ｃを有する。

さらに、本参考形態では、固体電解質体１２１の表面１２１ｂ上に、アルミナ絶縁層１２８が形成されている。さらに、Ｖｓ−電極１２２の一部及びＶｓ−リード１２６は、アルミナ絶縁層１２８上に形成されている。さらに、Ｖｓ−電極１２２のうち第１測定室１５０（内部空間）に露出する空間露出部１２２ｂは、アルミナ絶縁層１２８を積層方向に貫通する貫通孔１２８ｂを通じて、固体電解質体１２１と接触する電解質体接触部１２２ｃを有する。

さらに、固体電解質体１２１の裏面１２１ｃ上には、アルミナ絶縁層１２９が形成されている。さらに、Ｖｓ＋電極１２３の一部及びＶｓ＋リード１２７は、アルミナ絶縁層１２９上に形成されている。さらに、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１２９ｂを通じて、固体電解質体１２１と接触する電解質体接触部１２３ｃを有する。

さらに、本参考形態では、固体電解質体１３１の表面１３１ｂ上に、アルミナ絶縁層１３８が形成されている。さらに、Ｉｐ２＋電極１３２の一部及びＩｐ２＋リード１３６は、アルミナ絶縁層１３８上に形成されている。さらに、Ｉｐ２−電極１３３の一部及びＩｐ２−リード１３７も、アルミナ絶縁層１３８上に形成されている。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１３８ｂを通じて、固体電解質体１３１と接触する電解質体接触部１３２ｃを有する。また、電極１３３のうち第２測定室１６０（内部空間）に露出する空間露出部１３３ｂは、アルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔１３８ｃを通じて、固体電解質体１３１と接触する電解質体接触部１３３ｃを有する。

このような構成とすることで、電極１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３のうち電解質体接触部１１２ｃ、１１３ｃ、１２２ｃ、１２３ｃ、１３２ｃ、１３３ｃのみを、実際に感応部として機能させることができ、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、リード１１６、１１７、１２６、１３７は、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、接触させない本参考形態と比べて、ガス濃度の検知精度が劣ることになる。

なお、本参考形態では、Ｉｐ１−電極１１３、Ｖｓ−電極１２２、及び、Ｉｐ２−電極１３３が、「第１電極」に相当する。さらに、Ｉｐ１−リード１１７、Ｖｓ−リード１２６、及び、Ｉｐ２−リード１３７が、「第１リード」に相当する。また、Ｉｐ１＋電極１１２が、「第２電極」に相当する。さらに、Ｉｐ１＋リード１１６が、「第２リード」に相当する。

また、Ｉｐ１＋電極１１２（第２電極）の接続部１１２ｄは、積層方向に直交する平面方向（図３、図５において左右方向）について第１多孔質体１１４から離れた位置に配置されており、Ｉｐ１＋リード１１６（第２リード）と接続している。しかも、この接続部１１２ｄは、Ｉｐ１＋電極１１２のうちで第１多孔質体１１４から最も離れた位置に配置された部位を有する。

さらに、Ｉｐ１−電極１１３（第１電極）の接続部１１３ｄは、第１測定室１５０（内部空間）に露出しない位置に配置され、第１測定室１５０の外側でＩｐ１−リード１１７と接続している。しかも、この接続部１１３ｄは、Ｉｐ１−電極１１３のうちで第１測定室１５０から最も離れた位置に配置された部位を有する。同様に、Ｖｓ−電極１２２の接続部１２２ｄも、第１測定室１５０（内部空間）に露出しない位置に配置され、第１測定室１５０の外側でＶｓ−リード１２６と接続している。しかも、この接続部１２２ｄは、Ｖｓ−電極１２２のうちで第１測定室１５０から最も離れた位置に配置された部位を有する。

また、Ｉｐ２−電極１３３の接続部１３３ｄは、第２測定室１６０（内部空間）に露出しない位置に配置され、第２測定室１６０の外側でＩｐ２−リード１３７と接続している。しかも、この接続部１３３ｄは、Ｉｐ２−電極１３３のうちで第２測定室１６０から最も離れた位置に配置された部位を有する。

なお、本参考形態では、Ｉｐ１＋電極１１２の接続部１１２ｄが、「第２接続部」に相当する。また、Ｉｐ１−電極１１３の接続部１１３ｄ、Ｖｓ−電極１２２の接続部１２２ｄ、及び、Ｉｐ２−電極１３３の接続部１３３ｄが、「第１接続部」に相当する。

上述のように、本参考形態では、接続部１１３ｄ、１２２ｄ、１３３ｄ（第１接続部）が、第１測定室１５０、第２測定室１６０（内部空間）に露出しない位置で、Ｉｐ１−リード１１７、Ｖｓ−リード１２６、Ｉｐ２−リード１３７（第１リード）と接続している。これにより、前述の特許文献１（特許第４１６５６５２号公報）と異なり、「第１接続部が内部空間に配置されることで、酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する」ことを抑制できる。
さらに、接続部１１２ｄ（第２接続部）が、第１多孔質体１１４から平面方向（図３、図５において左右方向）に離れた位置で、Ｉｐ１＋リード１１６（第２リード）と接続している。これにより、「第２接続部が多孔質体と重なる位置に配置されることで、酸素ポンプ性能が低下し、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下する」ことを抑制できる。

ここで、本参考形態のガスセンサ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２多孔質体１５１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３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。

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。

ところで、従来のガスセンサ素子では、第１電極（例えば、Ｉｐ１−電極１１３）内に水が浸入し、これが凍結するような場合に、ガスセンサ素子にクラックが発生する虞があった。具体的には、例えば、ガスセンサ素子の表面に生じた結露水が、第２多孔質体１５１を通じてガスセンサ素子の内部空間内に浸入し、さらに、第１電極内に浸入することがある。第１電極内に浸入した水は、第１リード（例えば、Ｉｐ１−リード１１７）と接続する第１接続部（例えば、接続部１１３ｄ）に達するが、第１リードは非透水性であるため、第１接続部に留まることがある。第１接続部内に結露水が留まった状態で、この結露水が凍結することで体積膨張すると、第１接続部を挟む層間を引き離す方向に応力が発生し、これにより、ガスセンサ素子の層間（第１接続部を挟む層間）にクラックが発生する虞があった。

これに対し、本参考形態のガスセンサ素子１０では、第１接続部（具体的には、接続部１１３ｄ、１２２ｄ、１３３ｄ）の全体を、内部空間（第１測定室１５０または第２測定室１６０）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置している。例えば、図７に示すように、接続部１３３ｄ（第１接続部）の全体を、第２測定室１６０（内部空間）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域Ａ１（図７において二点鎖線Ｋ１で囲まれた領域）の内側に配置している。これと同様に、接続部１１３ｄ、１２２ｄについても、その全体を、第１測定室１５０（内部空間）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域の内側に配置している。

これにより、Ｉｐ２−電極１３３（第１電極）内に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子１０にクラックが発生するのを防止することができる。Ｉｐ１−電極１１３、Ｖｓ−電極１２２内に水が浸入した場合も、同様である。これらのことは、後述する凍結試験の結果より明らかである。なお、クラック発生を防止できる理由は、次のように考えている。

例えば、Ｉｐ２−電極１３３の接続部１３３ｄ内に水が留まった状態で、この水が凍結し始めると、接続部１３３ｄ内の微細空孔が次第に小さくなってゆく（氷によって塞がれてゆく）ので、接続部１３３ｄ内に留まっている水は、Ｉｐ２−リード１３７（第１リード）とは反対側（すなわち、水が浸入できるスペースのある第２測定室１６０側、図７において左側）に移動してゆく。このとき、接続部１３３ｄ全体を、第２測定室１６０からの距離が１．０ｍｍ以内の領域Ａ１内に配置しておく（すなわち、接続部１３３ｄのうち第２測定室１６０から最も離れた箇所から第２測定室１６０までの距離Ｄ１を１．０ｍｍ以内と短くしておく）ことにより、接続部１３３ｄ内に留まっていた水の多くを、接続部１３３ｄ内で凍結する前に、第２測定室１６０にまで移動させる（逃がす）ことができる。その後、第２測定室１６０内において多くの水が凍結して膨張しても、ガスセンサ素子１０の層間を引き離す応力が発生することはない。その結果、ガスセンサ素子１０にクラックが発生するのを防止することができる。Ｉｐ１−電極１１３の接続部１１３ｄ及びＶｓ−電極１２２の接続部１２２ｄ内に溜まった水が凍結する場合も、同様であると考えている。

また、従来のガスセンサ素子では、第２電極（Ｉｐ１＋電極１１２）内に水が浸入し、これが凍結するような場合にも、ガスセンサ素子にクラックが発生する虞があった。具体的には、例えば、ガスセンサ素子の表面に生じた結露水が、第１多孔質体１１４を通じて、これに接触する第２電極内に浸入することがある。第２電極内に浸入した水は、第２リード（Ｉｐ１＋リード１１６）と接続する第２接続部（接続部１１２ｄ）に達するが、第２リードは非透水性であるため、第２接続部に留まることがある。第２接続部内に結露水が留まった状態で、この結露水が凍結することで体積膨張すると、第２接続部を挟む層間を引き離す方向に応力が発生し、これにより、ガスセンサ素子の層間（第２接続部を挟む層間）にクラックが発生する虞があった。

これに対し、本参考形態のガスセンサ素子１０では、図８に示すように、接続部１１２ｄ（第２接続部）の全体を、第１多孔質体１１４からの距離が１．０ｍｍ以内の領域Ａ２（図８において二点鎖線Ｋ２で囲まれた領域）内に配置している。換言すれば、接続部１１２ｄ（第２接続部）のうち第１多孔質体１１４から最も離れている箇所から第１多孔質体１１４までの距離Ｄ２を、１．０ｍｍ以内としている。これにより、Ｉｐ１＋電極１１２（第２電極）内に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子１０にクラックが発生するのを防止することができる。このことは、後述する凍結試験の結果より明らかである。従って、このようなガスセンサ素子１０を備えるガスセンサ１では、透水性の電極内に水が浸入しこれが凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができ、測定対象ガスを適切に検知することができる。

（凍結試験）
次に、ガスセンサ素子に対し行った凍結試験について説明する。
具体的には、第１接続部（接続部１１３ｄ、１２２ｄ、または、接続部１３３ｄ）のうち内部空間（第１測定室１５０または第２測定室１６０）から最も離れている箇所から内部空間までの距離Ｄ１、及び、第２接続部（接続部１１２ｄ）のうち第２多孔質体から最も離れている箇所から第２多孔質体までの距離Ｄ２を異ならせたガスセンサ素子（以下、試験素子ともいう）を、２０個作製した。距離Ｄ１，Ｄ２は、それぞれの接続部について、０〜２．０ｍｍの範囲で、０．２ｍｍ間隔で異ならせている。

次いで、作製した試験素子を用いて凍結試験を行った。具体的には、まず、試験素子の先端部（第２多孔質体１５１及び第１多孔質体１１４を含む端部）を水没させ、この状態で２４時間放置する。これにより、第２多孔質体１５１及び第１多孔質体１１４を通じて、試験素子内（電極１１２，１１３，１２２，１３３内）に水を浸入させる。次いで、試験素子を水中から取り出し、試験素子の表面に付着している水を拭き取る。次に、試験素子を、−２０℃に槽内温度を設定した恒温槽内に配置し、２分間放置する。これにより、試験素子内に浸入した水を凍結させる。その後、試験素子を恒温槽内から取り出し、室温で１分間放置する。この恒温槽内放置と室温放置とを１０回繰り返し行った後、試験素子の表面にレッド液を塗布する。塗布後、一定時間経過した後、試験素子の表面を拭き取る。拭き取った後の試験素子表面の外観チェックにより、クラック発生の有無を確認した。

具体的には、クラックが発生している箇所では、レッド液がその内部に浸透するため、試験素子の表面を拭き取った後も、レッド液が残存することになる。従って、第１接続部（接続部１１３ｄ、１２２ｄ、または、接続部１３３ｄ）及び第２接続部（接続部１１２ｄ）を挟んだ層間にクラックが発生している場合は、当該層間にレッド液が残存することになる。このような考えに基づいて、クラック発生の有無を判断した。その結果を図９に示す。

図９に示すように、距離Ｄ１を１．０ｍｍ以下とした場合は、ガスセンサ素子にクラックは発生しなかった。同様に、距離Ｄ２を１．０ｍｍ以下とした場合も、ガスセンサ素子にクラックは発生しなかった。

一方、距離Ｄ１を１．０ｍｍより大きくした場合は、ガスセンサ素子にクラックが発生した。具体的には、距離Ｄ１を１．２ｍｍとした場合は、クラックの発生率が１５％となった。すなわち、２０個の試験素子のうち３個の試験素子において、クラックが発生した。また、距離Ｄ１を１．４ｍｍとした場合は、クラックの発生率が２５％となった。すなわち、２０個の試験素子のうち５個の試験素子において、クラックが発生した。また、距離Ｄ１を１．６ｍｍとした場合は、クラックの発生率が５０％となった。すなわち、２０個の試験素子のうち１０個の試験素子において、クラックが発生した。また、距離Ｄ１を１．８ｍｍとした場合は、クラックの発生率が８５％となった。すなわち、２０個の試験素子のうち１７個の試験素子において、クラックが発生した。また、距離Ｄ１を２．０ｍｍとした場合は、クラックの発生率が１００％となった。すなわち、２０個の試験素子の全てにおいて、クラックが発生した。

また、距離Ｄ２を１．０ｍｍより大きくした場合も、ガスセンサ素子にクラックが発生した。クラックの発生率は、距離Ｄ１に対する発生率と同等であった（図９参照）。

以上の結果より、接続部１１３ｄ、１２２ｄ（第１接続部）の全体を、第１測定室１５０（内部空間）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置することで、電極１１３，１２２の内部に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、接続部１１３ｄ、１２２ｄを挟む層間においてクラックが発生することを防止できるといえる。さらに、接続部１３３ｄ（第１接続部）の全体を、第２測定室１６０（内部空間）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置することで、電極１３３の内部に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、接続部１３３ｄを挟む層間においてクラックが発生することを防止できるといえる。さらに、接続部１１２ｄ（第２接続部）の全体を、第１多孔質体１１４からの距離が１．０ｍｍ以内の領域内に配置することで、電極１１２の内部に水が浸入し、この水が凍結するような場合でも、接続部１１２ｄを挟む層間においてクラックが発生することを防止できるといえる。

（実施形態）
次に、本発明の実施形態について説明する。実施形態のガスセンサ２０１は、参考形態のガスセンサ１と比較してガスセンサ素子のみが異なり、その他の部位については同様である（図１参照）。従って、ここでは、参考形態と異なる点について説明し、同様な点については説明を省略または簡略化する。
参考形態のガスセンサ素子１０では、図７に示すように、Ｉｐ２−電極１３３の接続部１３３ｄ（第１接続部）の全体を、第２測定室１６０（内部空間）からの距離が１．０ｍｍ以内の領域Ａ１（図７において二点鎖線Ｋ１で囲まれた領域）の内側に配置した。

これに対し、本実施形態のガスセンサ素子２１０では、図１０に示すように、Ｉｐ２−電極２３３を、第２測定室２６０（内部空間）内に配置している。すなわち、接続部２３３ｄを含めてＩｐ２−電極２３３の全体を、第２測定室２６０（内部空間）内に配置している。これにより、接続部２３３ｄを含めたＩｐ２−電極２３３の全体を、第２測定室２６０（内部空間）内に露出させている。また、Ｉｐ２−リード２３７は、第２測定室２６０（内部空間）内で、Ｉｐ２−電極２３３の接続部２３３ｄと接続している。

このような構成とすることで、Ｉｐ２−電極２３３内に浸入した水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。接続部２３３ｄを含むＩｐ２−電極２３３（第３電極）の全体が第２測定室２６０（内部空間）内に配置されているため、接続部２３３ｄ（第３接続部）を含むＩｐ２−電極２３３内に留まった水を第２測定室２６０内において凍結（膨張）させることができ、その結果、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力の発生を抑制することができるからである。

また、Ｉｐ２−電極２３３は、アルミナ絶縁層２３８の貫通孔２３８ｃを通じて、アルミナ絶縁層２３８が形成されている固体電解質体１３１と接触する電解質体接触部２３３ｃを有している（図１０参照）。一方、Ｉｐ２−リード２３７は、アルミナ絶縁層２３８上に形成している（これにより、固体電解質体１３１と接触させないようにしている）。また、Ｉｐ２−電極２３３の接続部２３３ｄは、アルミナ絶縁層２３８上において、Ｉｐ２−リード２３７と接続している（これにより、固体電解質体１３１と接触させないようにしている）。これにより、接続部２３３ｄが第２測定室２６０（内部空間）内に配置されていても、接続部２３３ｄがＩｐ２−電極２３３の酸素ポンプ性能に影響を及ぼすことがない（Ｉｐ２−電極２３３の酸素ポンプ性能を低下させることがない）。このため、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下することを抑制できる。しかも、Ｉｐ２−電極２３３の電解質体接触部２３３ｃのみを、実際に感応部として機能させることができ、検知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、本実施形態では、Ｉｐ２−電極２３３が、特許請求の範囲に記載の「第３電極」に相当する。また、接続部２３３ｄが、特許請求の範囲に記載の「第３接続部」に相当する。また、Ｉｐ２−リード２３７が、特許請求の範囲に記載の「第３リード」に相当する。また、アルミナ絶縁層２３８が、特許請求の範囲に記載の「第３絶縁層」に相当する。また、電解質体接触部２３３ｃが、特許請求の範囲に記載の「第３電解質体接触部」に相当する。

また、Ｉｐ１−電極及びＶｓ−電極についても、Ｉｐ２−電極２３３と同様に、リードとの接続部を含めた全体を、第１測定室（内部空間）内に配置することで、クラックの発生を抑制することができる。

また、参考形態のガスセンサ素子１０では、図８に示すように、Ｉｐ１＋電極１１２の接続部１１２ｄ（第２接続部）の全体を、第１多孔質体１１４からの距離が１．０ｍｍ以内の領域Ａ２（図８において二点鎖線Ｋ２で囲まれた領域）内に配置した。

これに対し、本実施形態のガスセンサ素子２１０では、図１１に示すように、Ｉｐ１＋電極２１２を、第１多孔質体２１４と接触させて、その全体を、固体電解質体の積層方向（厚み方向、図１１において紙面に直交する方向）について第１多孔質体２１４に対向する位置に配置している。詳細には、Ｉｐ１＋電極２１２の一部がＩｐ１＋リード２１６を挟んで第１多孔質体２１４に対向すると共に、その他の部位（リード２１６が積層方向に存在していない部位）が第１多孔質体２１４に接触する形態で、Ｉｐ１＋電極２１２の全体が第１多孔質体２１４に対向している。なお、Ｉｐ１＋リード２１６は、上記積層方向について第１多孔質体２１４と対向する位置で、Ｉｐ１＋電極２１２の接続部２１２ｄと接続している。

このような構成とすることで、Ｉｐ１＋電極２１２内に浸入した水が凍結するような場合でも、ガスセンサ素子にクラックが発生するのを防止することができる。接続部２１２ｄを含むＩｐ１＋電極２１２の全体が第１多孔質体２１４に対向して配置され、Ｉｐ１＋電極２１２のうちＩｐ１＋リード２１６と接触した部位のみを除いた電極２１２の大部分が第１多孔質体２１４に接触しているため、Ｉｐ１＋電極２１２内に留まった水の多くを第１多孔質体２１４の空孔内において凍結（膨張）させることができ、その結果、ガスセンサ素子の層間を引き離す応力の発生を抑制することができるからである。

また、Ｉｐ１＋電極２１２は、アルミナ絶縁層２１８の貫通孔２１８ｂを通じて、アルミナ絶縁層２１８が形成されている固体電解質体１１１と接触する電解質体接触部２１２ｃを有している（図１１参照）。一方、Ｉｐ１＋リード２１６は、アルミナ絶縁層２１８上に形成している（これにより、固体電解質体１１１と接触させないようにしている）。また、Ｉｐ１＋電極２１２の接続部２１２ｄは、アルミナ絶縁層２１８上において、Ｉｐ１＋リード２１６と接続している（これにより、固体電解質体１１１と接触させないようにしている）。このようにすることで、接続部２１２ｄ（第４接続部）が第１多孔質体２１４と重なる位置（積層方向に対向する位置）に配置されていても、接続部２１２ｄがＩｐ１＋電極２１２（第４電極）の酸素ポンプ性能に影響を及ぼすことがない（Ｉｐ１＋電極２１２の酸素ポンプ性能を低下させることがない）。このため、測定対象ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検知する検知精度が低下することを抑制できる。しかも、Ｉｐ１＋電極２１２の電解質体接触部２１２ｃのみを、実際に感応部として機能させることができ、検知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、本実施形態では、Ｉｐ１＋電極２１２が、特許請求の範囲に記載の「第４電極」に相当する。また、接続部２１２ｄが、特許請求の範囲に記載の「第４接続部」に相当する。また、Ｉｐ１＋リード２１６が、特許請求の範囲に記載の「第４リード」に相当する。また、アルミナ絶縁層２１８が、特許請求の範囲に記載の「第４絶縁層」に相当する。また、電解質体接触部２１２ｃが、特許請求の範囲に記載の「第４電解質体接触部」に相当する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態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いうまでもない。
例えば、実施形態では、ガスセンサ素子として、ＮＯｘ濃度を検知することが可能なガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）を例示した。しかしながら、本発明は、ＮＯｘセンサ素子に限らず、ＮＯｘ以外のガスを検知することが可能なガスセンサ素子（例えば、酸素を検知する酸素センサ素子など）にも適用することができる。

また、実施形態では、Ｉｐ１＋電極２１２の一部がＩｐ１＋リード２１６を挟んで第１多孔質体２１４に対向すると共に、その他の部位（リード２１６が積層方向に存在していない部位）が第１多孔質体２１４に接触する形態で、Ｉｐ１＋電極２１２の全体が第１多孔質体２１４に対向するようにした。しかしながら、Ｉｐ１＋電極２１２とＩｐ１＋リード２１６との積層方向位置を反対（上下反対）にして、Ｉｐ１＋電極２１２の全体が第１多孔質体２１４に接触するようにしても良い。

１，２０１ ガスセンサ
１０，２１０ ガスセンサ素子
１１１，１２１，１３１ 固体電解質体
１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ 固体電解質体の表面
１１１ｃ，１２１ｃ，１３１ｃ 固体電解質体の裏面
１１２ Ｉｐ１＋電極（第２電極）
１１２ｂ 多孔質体接触部
１１２ｃ 電解質体接触部
１１２ｄ 接続部（第２接続部）
１１３ Ｉｐ１−電極（第１電極）
１１３ｂ，１２２ｂ，１３３ｂ 空間露出部
１１３ｃ，１２２ｃ，１３３ｃ 電解質体接触部
１１３ｄ，１２２ｄ，１３３ｄ 接続部（第１接続部）
１１４ 第１多孔質体
１１６ Ｉｐ１＋リード（第２リード）
１１７ Ｉｐ１−リード（第１リード）
１１８ アルミナ絶縁層（第２絶縁層）
１１８ｂ，１１９ｂ，１２８ｂ，１３８ｃ 貫通孔
１１９，１２８，１３８ アルミナ絶縁層（第１絶縁層）
１２２ Ｖｓ−電極（第１電極）
１２３ Ｖｓ＋電極
１２６ Ｖｓ−リード（第１リード）
１２７ Ｖｓ＋リード
１３２ Ｉｐ２＋電極
１３３ Ｉｐ２−電極（第１電極）
１３６ Ｉｐ２＋リード
１３７ Ｉｐ２−リード（第１リード）
１５０ 第１測定室（内部空間）
１５１ 第２多孔質体
１６０ 第２測定室（内部空間）
２１２ Ｉｐ１＋電極（第４電極）
２１２ｃ 電解質体接触部（第４電解質体接触部）
２１２ｄ 接続部（第４接続部）
２１６ Ｉｐ１＋リード（第４リード）
２１８ アルミナ絶縁層（第４絶縁層）
２３３ Ｉｐ２−電極（第３電極）
２３３ｃ 電解質体接触部（第３電解質体接触部）
２３３ｄ 接続部（第３接続部）
２３７ Ｉｐ２−リード（第３リード）
２３８ アルミナ絶縁層（第３絶縁層）

Claims (4)

1. 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であって、
   上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられた電極と、
   上記固体電解質体の表面側または裏面側に設けられ、上記電極に接続されたリードと、
   を備え、
   上記電極は、
   上記ガスセンサ素子の外部と連通する上記ガスセンサ素子の内部空間内に配置された透水性の第３電極を含み、
   上記リードは、上記第３電極と接続する非透水性の第３リードを含み、
   上記ガスセンサ素子は、上記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第３絶縁層を有し、
   上記第３電極の一部と上記第３リードは、上記第３絶縁層上に形成されてなり、
   上記第３電極は、
   上記第３絶縁層を上記固体電解質体の積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部と、
   上記内部空間内で且つ上記第３絶縁層上において、上記第３リードと接続する第３接続部と、を有する
   ガスセンサ素子。
2. 請求項１に記載のガスセンサ素子であって、
   前記電極は、
   ガス透過性及び透水性を有し、上記ガスセンサ素子の外部に露出する多孔質体、と接触する透水性の第４電極であって、その全体が、前記固体電解質体の積層方向について上記多孔質体に対向する位置に配置された第４電極を含み、
   前記リードは、上記第４電極と接続する非透水性の第４リードを含み、
   上記ガスセンサ素子は、上記固体電解質体の表面上または裏面上に形成された第４絶縁層を有し、
   上記第４電極の一部と上記第４リードは、上記第４絶縁層上に形成されてなり、
   上記第４電極は、
   上記第４絶縁層を上記積層方向に貫通する貫通孔を通じて、上記固体電解質体と接触する電解質体接触部と、
   上記積層方向について上記多孔質体と対向する位置で、且つ、上記第４絶縁層上において、上記第４リードと接続する第４接続部と、を有する
   ガスセンサ素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサ素子であって、
   前記ガスセンサ素子は、測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するガスセンサ素子であり、
   前記第３リードとして、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるリードを備える
   ガスセンサ素子。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子、を備える
   ガスセンサ。
   

Images