JP6154306B2 - ガスセンサ素子およびガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガス中に含まれる特定ガスを検出するためのガスセンサ素子およびガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

従来、測定対象ガス中（例えば排気ガス等）に含まれる特定ガス（例えば酸素等）を検出するためのガスセンサ素子、およびそのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサが知られている。このようなガスセンサ素子は、長手方向に沿って延びると共に、先端側が測定対象ガス中に晒されることで、特定ガスの検出を可能としている。

ガスセンサ素子としては、板型の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成される一対の電極部と、電極部に接続されると共に長手方向に沿って延びる一対のリード部と、を有するセルを備えている。

さらに、ガスセンサ素子には、セルとして、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された板型形状の絶縁性材料からなる絶縁部材を備え、この絶縁部材の貫通孔内に固体電解質体を配置するもの（以下、埋設型セルともいう）が知られている（特許文献１）。この埋設型セルにおいても、少なくとも自身の一部が固体電解質体を覆う電極部と、長手方向に延びて電極部に接続するリード部と、を備えている。

このような埋設型セルを有するガスセンサ素子では、固体電解質体と絶縁部材との境界領域の段差によって、リード部が断線することを考慮し、固体電解質体と絶縁部材との境界領域における段差寸法よりもリード部の厚さ寸法を大きくすることが提案されている。

特開２００７−２７８９４１号公報

しかし、固体電解質体と絶縁部材との境界領域における段差がより大きくなると、これに併せてリード部の厚さ寸法もより大きくする必要がある。
このため、リード部の材料使用量を低減する際の低減量に限界があるという問題がある。

また、ガスセンサ素子には、セルを複数備えるものがあり、そのような構成においては各セルにおいてリード部を備える必要があるため、セルが複数になることに伴いリード部の材料使用量が増加する。特に、セルを複数備えるものにおいて、それぞれの基準側の電極を同電位にするガスセンサ素子も知られているが、このようなガスセンサ素子においても、それぞれリード部を形成しており、リード部の材料使用量が増加する。

そこで、本発明は、複数のセルを備えるとともに、固体電解質体が絶縁部材の貫通孔に備えられるセルを少なくとも１個備えるガスセンサ素子において、リード部の材料使用量を低減しつつ、固体電解質体と絶縁部材との境界領域におけるリード部の断線を抑制することを目的とする。

本発明の第１の局面におけるガスセンサ素子は、長手方向に延びると共に、先端側が測定対象ガス中に晒されるガスセンサ素子であって、ガスセンサ素子は、板型の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成される一対の電極部と、電極部に接続されると共に長手方向に沿って延びる一対のリード部と、を有するセルを複数備えている。

また、複数のセルのうち少なくとも２個のセルは、板型形状の中間層を介して積層されており、中間層を介して積層される２個のセルのうち少なくとも１個のセルは、板型形状の絶縁部材に設けた積層方向に貫通する貫通孔内に固体電解質体が埋設されてなる第１第１埋設型セルである。

また、第１埋設型セルの一対のリード部のうち、少なくとも中間層側に配置された第１リード部は、固体電解質体と絶縁部材との境界領域まで延びると共に、境界領域にて第１リード部に接続されるリード接続部を介して、２個のセルのうち第１埋設型セルとは別のセルが備える第２リード部に電気的に接続されて、第２リード部と同電位とされる。そして、第１リード部および第２リード部のうちいずれか一方のみが、リード接続部よりも長手方向の後端側に向かって延びる延出リード部に接続される。

このような構成のガスセンサ素子では、セルを複数備えるにあたり、第１リード部および第２リード部をリード接続部にて接続すると共に、第１リード部および第２リード部のうちいずれか一方のみが、リード接続部よりも長手方向の後端側に向かって延びる延出リード部に接続されている。このため、第１リード部および第２リード部を同電位にしつつ、且つ両リード部に延出リード部を介して電気導通させることが可能となる。よって、第１リード部および第２リード部の両方に延出リード部を設ける必要がない。これにより、リード部としての材料使用量を低減できる。

その上、このような構成のガスセンサ素子では、第１埋設型セルのうち中間層側に配置された第１リード部は、リード接続部との接続部位が、固体電解質体と絶縁部材との境界領域に形成される。これにより、この境界領域において固体電解質体と絶縁部材との段差が大きくなった場合でも、境界領域に形成されたリード接続部により第１リード部が断線すること無く、第１リード部とリード接続部とを電気的に繋がった状態とすることができる。このため、このガスセンサ素子では、固体電解質体と絶縁部材との境界領域でリード部（第１リード部）が断線することを抑制できる。

また、リード接続部を、第１リード部および第２リード部に接続することで、リード部（第１リード部あるいは第２リード部）と延出リード部との断線を抑制することができる。

よって、このガスセンサ素子によれば、リード部の材料使用量を低減できるととともに、埋設型セルにおける固体電解質体と絶縁部材との境界領域におけるリード部の断線を抑制できる。

本発明の他の局面のガスセンサ素子においては、別のセルは、板型形状の絶縁部材に設けた積層方向に貫通する貫通孔内に固体電解質体が埋設されてなる第２埋設型セルであり、第２埋設型セルの第２リード部は、固体電解質体の形成領域においてリード接続部に接続されている。そして、第１埋設型セルの第１リード部は、延出リード部に接続されている。

このガスセンサ素子においては、別のセルが第２埋設型セルとなっており、且つ第２埋設型セルは、第２リード部が、絶縁部材の形成領域や固体電解質体と絶縁部材との境界領域ではなく、固体電解質体の形成領域においてリード接続部と接続される。これにより、第２埋設型セルでは、この第２リード部が固体電解質体と絶縁部材との境界領域まで延びるような構成とならないため、境界領域の段差に起因してリード部が断線することはない。

そのうえ、境界領域にてリード接続部と接続する第１リード部が延出リード部に接続されているため、第２リード部と延出リード部が接続される場合に生じる、境界領域における固体電解質体と絶縁部材との段差による断線が抑制でき、第１リード部および第２リード部と延出リード部とが電気的に繋がった状態となる。

よって、このガスセンサ素子によれば、２個の埋設型セルのそれぞれにおいて、固体電解質体と絶縁部材との境界領域におけるリード部の断線を抑制できる。
本発明のさらに別の局面のガスセンサ素子においては、リード接続部の幅寸法は、第１リード部の幅寸法よりも大きく形成されている。

このようにリード接続部の幅寸法が第１リード部の幅寸法よりも大きく形成されることで、埋込型セルの固体電解質体と絶縁部材との境界領域において、リード接続部と第１リード部とが重なり合う面積を大きく確保できる。

これにより、個体差による寸法誤差が生じた場合であっても、リード接続部と第１リード部とが接続できる可能性を高めることができ、リード接続部と第１リード部との断線を抑制できる。

よって、このガスセンサ素子によれば、リード接続部と第１リード部との間で断線が生じることを抑制できる。
本発明のさらに別の局面のガスセンサ素子においては、ガスセンサ素子は、自身の長手方向の後端側の外表面に設けられると共に、延出リード部に電気的に接続される電極パッドをさらに備え、２個のセルのうち延出リード部に接続するリード部を有するセルが、積層方向において電極パッドに近い側に配置される。

このガスセンサ素子であれば、電極パッドと延出リード部とを接続する電気経路の経路長を相対的に短くすることができ、この経路を形成する材料の使用量を低減できる。
本発明のさらに別の局面のガスセンサは、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を保持する主体金具と、を備えるガスセンサであって、ガスセンサ素子として、上述のいずれかのガスセンサ素子を備える。

このように、上述のいずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサは、リード部の材料使用量を低減できるととともに、埋設型セルにおける固体電解質体と絶縁部材との境界領域におけるリード部の断線を抑制できる。

本発明では、複数のセルを備えるとともに、固体電解質体が絶縁部材の貫通孔に備えられるセルを少なくとも１個備えるガスセンサ素子において、リード部の材料使用量を低減しつつ、固体電解質体と絶縁部材との境界領域におけるリード部の断線を抑制することができる。

実施形態の空燃比センサを軸方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 ガスセンサ素子を示す斜視図である。 ガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。 ガスセンサ素子の先端側における内部構造を表す断面図である。 ガスセンサ素子のうちリード接続部の配置領域における内部構造を表した拡大断面図である。 ガスセンサ素子の成形体の製造方法に関する説明図である。 ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。 第２ガスセンサ素子の先端側における内部構造を表す断面図である。 第３ガスセンサ素子の先端側における内部構造を表す断面図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種である酸素センサのうち全領域空燃比センサ（以下単に、空燃比センサともいう）を例に挙げる。具体的には、自動車や各種内燃機関における空燃比フィードバック制御に使用するために、測定対象となる排ガス中の特定ガス（酸素）を検出するガスセンサ素子（検出素子）が組み付けられるとともに、内燃機関の排気管に装着される空燃比センサを例に挙げて説明する。

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

図１に示す様に、本実施形態における空燃比センサ１は、排気管に固定するためのネジ部３が外表面に形成された筒状の主体金具５と、軸線Ｏ方向（空燃比センサ１の長手方向：図１の上下方向）に延びる板状形状のガスセンサ素子７と、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ９と、軸線Ｏ方向に貫通する挿通孔１１の内壁面がガスセンサ素子７の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１３（セパレータ１３）と、ガスセンサ素子７とセパレータ１３との間に配置される５個（図１には２個のみ図示）の接続端子１５と、を備えている。

ガスセンサ素子７は、後に詳述する様に、長手方向に伸びる直方体形状の素子本体部７０と、素子本体部７０の先端側を覆う多孔質の保護層１７と、を備える。素子本体部７０は、その先端側に、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出する検知部９０を備える。また、ガスセンサ素子７は、後端側（図１の上方：長手方向後端部）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１主面２１および第２主面２３に、電極パッド２５，２７，２９，３１，３３（詳細は、図２，図３参照）が形成されている。

接続端子１５は、ガスセンサ素子７の電極パッド２５，２７，２９，３１，３３にそれぞれ電気的に接続されるとともに、外部からセンサの内部に配設されるリード線３５にも電気的に接続されており、リード線３５が接続される外部機器と電極パッド２５，２７，２９，３１，３３との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具５は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔３７を有し、貫通孔３７の径方向内側に突出する棚部３９を有する略筒状形状に構成されている。この主体金具５は、検知部９０を貫通孔３７の先端よりも先端側に配置し、電極パッド２５，２７，２９，３１，３３を貫通孔３７の後端よりも後端側に配置する状態で、貫通孔３７に挿通されたガスセンサ素子７を保持するよう構成されている。

また、主体金具５の貫通孔３７の内部には、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ４１、滑石リング４３、滑石リング４５、及び上述のセラミックスリーブ９が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

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

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

一方、主体金具５の後端側外周には、外筒５７が固定されている。また、外筒５７の後端側の開口部には、各電極パッド２５，２７，２９，３１，３３とそれぞれ電気的に接続される５本のリード線３５（図１では３本が図示）が挿通されるリード線挿通孔５９が形成されたグロメット６１が配置されている。

なお、セパレータ１３の外周には、鍔部６３が形成されており、鍔部６３は、保持部材６５を介して外筒５７に固定されている。
［１−２．ガスセンサ素子の構成］
次に、本実施形態の要部であるガスセンサ素子７の構成について、図２〜図５に基づいて詳細に説明する。

図２は、ガスセンサ素子７の外観を表す斜視図である。
図２に示す様に、ガスセンサ素子７は、長手方向（Ｙ軸方向）に延びる長尺の板材である。なお、図２において、長手方向がガスセンサの軸線Ｏ方向に沿う形態となる。また図２のＺ軸方向は、長手方向に垂直な積層方向であり、Ｘ軸方向は、長手方向及び積層方向に垂直な幅方向である。

ガスセンサ素子７は、長手方向に伸びる直方体形状の素子本体部７０と、素子本体部７０の先端側（図２における下側）を覆う多孔質の保護層１７と、を備える。素子本体部７０は、長手方向に伸びる板状の素子部７１と、同じく長手方向に延びる板状のヒータ７３と、が積層されて構成されている。素子本体部７０は、その先端側に、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出する検知部９０を備える。保護層１７は、多孔質状のアルミナで構成されており、少なくとも検知部９０を覆うように、素子本体部７０の先端面１２７及び側面（第１主面２１，第２主面２３，第１側面１１１、第２側面１１３）上に設けられる。

図３に、ガスセンサ素子７を分解した斜視図を示す。なお、図３では、保護層１７、および後述する第１長辺面取り部１２１，第２長辺面取り部１２２，第３長辺面取り部１２３，第４長辺面取り部の図示を省略している。

ガスセンサ素子７の素子本体部７０は、図３に分解して示す様に、積層方向の一方の側（図３の上側）に配置されて、長手方向に伸びる板状の素子部７１と、素子部７１の反対側（裏側）に配置されて、同じく長手方向に延びる板状のヒータ７３と、を備える。

このうち、素子部７１は、酸素濃淡電池セル８１と、酸素ポンプセル８９と、絶縁スペーサ９３と、絶縁基板９７と、を備えて構成される。
酸素濃淡電池セル８１は、絶縁部材７６と、固体電解質体７５と、多孔質電極７７と、リード部７７ａと、多孔質電極７９と、リード部７９ａと、を備える。

絶縁部材７６は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔７６ａを備える。固体電解質体７５は、絶縁部材７６の貫通孔７６ａに配置される。一対の多孔質電極７７、７９は、固体電解質体７５を挟み込むように、固体電解質体７５の表面および裏面に配置される。

リード部７７ａは、一端が多孔質電極７７に接続されると共に、ガスセンサ素子７（素子本体部７０）の長手方向（図３では、左右方向）に延びるように配置される。リード部７９ａは、一端が多孔質電極７９に接続されると共に、ガスセンサ素子７（素子本体部７０）の長手方向（図３では、左右方向）に延びるように配置される。

酸素ポンプセル８９は、絶縁部材８４と、固体電解質体８３と、多孔質電極８５と、リード部８５ａと、多孔質電極８７と、リード部８７ａと、延出リード部８７ｂと、を備える。

絶縁部材８４は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する貫通孔８４ａを備える。固体電解質体８３は、絶縁部材８４の貫通孔８４ａに配置される。一対の多孔質電極８５、８７は、固体電解質体８３を挟み込むように、固体電解質体８３の表面および裏面に配置される。

リード部８５ａは、一端が多孔質電極８５に接続されると共に、ガスセンサ素子７（素子本体部７０）の長手方向（図３では、左右方向）に延びるように配置される。リード部８７ａは、一端が多孔質電極８７に接続されると共に、ガスセンサ素子７（素子本体部７０）の長手方向（図３では、左右方向）に延びるように配置される。延出リード部８７ｂは、一端がリード部８７ａに接続されると共に、ガスセンサ素子７（素子本体部７０）の長手方向（図３では、左右方向）に延びるように配置される。

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

多孔質電極７７，７９，８５，８７およびリード部７７ａ，７９ａ，８５ａ，８７ａおよび延出リード部８７ｂは、Ｐｔを主体に形成されている。
絶縁スペーサ９３は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、中空のガス測定室９１を備える。絶縁スペーサ９３は、酸素濃淡電池セル８１と酸素ポンプセル８９との間に積層される。ガス測定室９１の内側には、酸素濃淡電池セル８１の一方の多孔質電極７７と、酸素ポンプセル８９の一方の多孔質電極８７と、が露出するように配置されている。

素子部７１の側面（絶縁スペーサ９３の側面）には、排ガス（測定対象ガス）の取り込み口となる２つのガス導入部９４が形成されており、ガス導入部９４は、ガス測定室９１に連通している。２つのガス導入部９４からガス測定室９１までの各経路には、拡散律速部９５が形成されている。拡散律速部９５は、例えば、アルミナ等からなる多孔質体で構成されており、測定対象ガスがガス測定室９１へ流入する際の律速を行う。拡散律速部９５は、その一部がガス導入部９４から露出する状態で備えられている。

つまり、このガスセンサ素子７においては、ガス導入部９４は、素子本体部７０の最外面において異なる２方向に向けて形成されており、拡散律速部９５は、異なる２方向に向けて露出している。

絶縁基板９７は、アルミナを主体とした板型形状の部材であり、厚さ方向に貫通する空間部９７ａを備える。この絶縁基板９７の空間部９７ａには、拡散律速部９５と同様の多孔質体で構成された通気部９９が埋設されている。この通気部９９は、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５を測定対象ガスに晒している。

なお、ガス測定室９１は、素子本体部７０（詳細には、素子部７１）のうち先端側（図３における左側）に位置するように形成されている。素子部７１の長手方向のうち、ガス測定室９１の形成領域およびガス測定室９１よりも先端側となる領域は、酸素を検知するための検知部９０として備えられる。

一方、ヒータ７３は、アルミナを主体とする絶縁基板１０１、１０３の間に、Ｐｔを主体とする発熱抵抗体パターン１０５が挟み込まれて形成されている。
このようなガスセンサ素子７では、第１主面２１の後端側（図３における右側）に３個の電極パッド２５，２７，２９が形成され、第２主面２３の後端側に２個の電極パッド３１、３３が形成されている。

このうち、第１主面２１の１つの電極パッド２９（図２の右側電極パッド）は、図３に示すように、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６１、固体電解質体８３に設けられるスルーホール１６５、延出リード部８７ｂ、リード部８７ａ、リード接続部８２、リード部７７ａを介して、酸素濃淡電池セル８１の多孔質電極７７に電気的に接続される。また、この電極パッド２９は、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６１、固体電解質体８３に設けられるスルーホール１６５、延出リード部８７ｂ、リード部８７ａを介して、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８７にも電気的に接続される。よって、多孔質電極７７と多孔質電極８７とは、同電位で電気的に接続される。

リード接続部８２は、白金を主体として構成されており、絶縁スペーサ９３のスルーホール８６に埋設される。このリード接続部８２は、多孔質電極７７のリード部７７ａと多孔質電極８７のリード部８７ａとを電気的に接続している。なお、図３においては、スルーホール８６に設けられたリード接続部８２のみ図示しているが、その他のスルーホール（例えば、スルーホール１６１，１６５等）についても、スルーホール８６と同様に内壁面に導体が形成されている。

リード接続部８２によるリード部７７ａとリード部８７ａとの接続構造の詳細については、後述する。
また、他の電極パッド２７（図２の中央電極パッド）は、図３に示すように、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６２、固体電解質体８３に設けられるスルーホール１６６、絶縁スペーサ９３に設けられるスルーホール１７２、固体電解質体７５に設けられるスルーホール１７６、リード部７９ａを介して、酸素濃淡電池セル８１の多孔質電極７９と電気的に接続される。更に他の電極パッド２５（図２の左側電極パッド）は、図３に示すように、絶縁基板９７に設けられるスルーホール１６３、リード部８５ａを介して、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５と電気的に接続されている。

また、電極パッド３１、３３は、図３に示すように、絶縁基板１０３に設けられたスルーホール１８１，１８２を介して、発熱抵抗体パターン１０５の両端に、各々電気的に接続されている。

図２に戻り、上述した構成のガスセンサ素子７は、長尺の略直方体形状の板材であるので、その径方向の外周側の角部には、その長手方向（図２のＹ方向）に沿って伸びる４つの辺（長手稜線）Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４を備えている。

詳しくは、ガスセンサ素子７は、ガスセンサ素子７の長手方向に沿って延びる４つの外周壁として、第１主面２１および第２主面２３と、第１主面２１および第２主面２３に連接された第１側面１１１および第２側面１１３と、を備えている。また、第１主面２１と第１側面１１１との間の稜線である第１辺Ｈ１と、第１主面２１と第２側面１１３との間の稜線である第２辺Ｈ２と、第２主面２３と第２側面１１３との間の稜線である第３辺Ｈ３と、第２主面２３と第１側面１１１との間の稜線である第４辺Ｈ４とを備えている。

第１辺Ｈ１，第２辺Ｈ２，第３辺Ｈ３，第４辺Ｈ４には、それぞれＣ面取り量０．２ｍｍのＣ面取りが施されて形成された第１長辺面取り部１２１，第２長辺面取り部１２２，第３長辺面取り部１２３，第４長辺面取り部が設けられている。なお、図２では、第４長辺面取り部が現れないため、第４長辺面取り部についての符号による図示は省略している。

ガスセンサ素子７の後端側（図２の上方）は、その中央に（長手方向と垂直な）後端面１２９を残す様にして、後端面１２９の周囲の四方の稜線に対してＣ面取りを施すことで、後端側Ｃ面取り部１３１が形成されている。

［１−３．ガスセンサ素子の先端側における内部構造］
次に、ガスセンサ素子７の先端側における内部構造について説明する。
図４に、ガスセンサ素子７の先端側における内部構造の断面図を示す。なお、図４では、保護層１７の図示を省略している。

図４に示すように、ガスセンサ素子７は、２つのセル（酸素濃淡電池セル８１、酸素ポンプセル８９）を備えており、これら２つのセルが、絶縁スペーサ９３を介して積層される構成である。

酸素濃淡電池セル８１は、貫通孔７６ａを有する絶縁部材７６を備えており、貫通孔７６ａに固体電解質体７５が埋設される埋設型セルである。酸素濃淡電池セル８１では、一対の多孔質電極７７および多孔質電極７９が固体電解質体７５の表面および裏面にそれぞれ形成されている。

酸素ポンプセル８９は、貫通孔８４ａを有する絶縁部材８４を備えており、貫通孔８４ａに固体電解質体８３が埋設される埋設型セルである。酸素ポンプセル８９では、一対の多孔質電極８５および多孔質電極８７が固体電解質体８３の表面および裏面にそれぞれ形成されている。

酸素ポンプセル８９のうち絶縁スペーサ９３側に配置されたリード部８７ａは、固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０において、絶縁スペーサ９３を貫通するリード接続部８２に接続される。なお、リード接続部８２は、絶縁スペーサ９３を貫通するよう形成されるスルーホール８６に配置されている。

さらに、リード接続部８２は、酸素濃淡電池セル８１のうち、絶縁スペーサ９３側に配置されたリード部７７ａに接続される。
つまり、ガスセンサ素子７は、リード接続部８２を介して互いに接続される２つのリード部７７ａ，リード部８７ａが同電位となる構成である。

ここで、図５に、ガスセンサ素子７のうちリード接続部８２の配置領域における内部構造を表した拡大断面図を示す。なお、図５では、絶縁基板９７、通気部９９、多孔質電極８５、リード部８５ａ、固体電解質体７５、絶縁部材７６、多孔質電極７９、リード部７９ａ、絶縁基板１０１，１０３などの図示を省略している。

図５に示すように、酸素ポンプセル８９のうち固体電解質体８３と絶縁部材８４とは互いの厚さ寸法が異なるため、これらの境界領域８０において段差が生じている。酸素ポンプセル８９のリード部８７ａは、ガスセンサ素子７の長手方向に延びるように配置されており、境界領域８０まで延びるように配置されている。

また、ガスセンサ素子７では、酸素ポンプセル８９のうち絶縁スペーサ９３側に配置されたリード部８７ａは、リード接続部８２との接続部位が、固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０に形成される。さらに、リード接続部８２は、酸素濃淡電池セル８１のリード部７７ａと接続している。そして、リード部８７ａのみが延出リード部８７ｂに接続している。

これにより、リード部８７ａおよびリード部７７ａを同電位にしつつ、且つ両リード部８７ａ，７７ａに延出リード部８７ｂを介して電気導通させることが可能である。よって、リード部８７ａおよびリード部７７ａの両方に延出リード部を設ける必要がない。これにより、リード部としての材料使用量を低減できる。

その上、境界領域８０において固体電解質体８３と絶縁部材８４との段差が大きくなった場合でも、境界領域８０に形成されたリード接続部８２によりリード部８７ａが断線することなく、リード部８７ａとリード接続部８２とを電気的に繋がった状態とすることができる。このため、境界領域８０でリード部８７ａが断線することを抑制できる。

また、リード接続部８２を、リード部８７ａおよびリード部７７ａに接続することで、リード部８７ａと延出リード部８７ｂとの断線、あるいはリード部７７ａと延出リード部８７ｂとの断線を抑制することができる。

さらに、ガスセンサ素子７においては、絶縁スペーサ９３を介して積層される２個のセル（酸素濃淡電池セル８１、酸素ポンプセル８９）がいずれも埋設型セルである。
その上、酸素濃淡電池セル８１では、絶縁スペーサ９３側に配置されるリード部７７ａが、固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域ではなく、固体電解質体７５の形成領域においてリード接続部８２と接続される。これにより、酸素濃淡電池セル８１では、このリード部７７ａが固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域まで延びるような構成とならないため、境界領域の段差に起因してリード部７７ａが断線することはない。

また、リード部８７ａが延出リード部８７ｂと接続しているため、リード部７７ａと延出リードとを接続する場合に生じる、固体電解質体７５と絶縁部材７６との段差による断線を抑制でき、リード部８７ａとリード部７７ａと延出リード部８７ｂとが電気的に繋がった状態となる。

さらに、ガスセンサ素子７は、絶縁スペーサ９３を介して積層される２個のセル（酸素濃淡電池セル８１、酸素ポンプセル８９）において、延出リード部８７ｂに接続するリード部８７ａを有する酸素ポンプセル８９が、積層方向において電極パッド２９に近い側に配置される。これにより、電極パッド２９と延出リード部８７ｂとを接続する電気経路（スルーホール１６１，１６５）の経路長を相対的に短くすることができ、この経路を形成する材料の使用量を低減できる。

また、リード接続部８２の幅寸法は、０．９［μｍ］であり、リード部８７ａの幅寸法は、０．８［μｍ］である。なお、ここでの幅寸法とは、積層方向に垂直な平面のうちリード部８７ａの延設方向に垂直な方向（図２でのＸ軸方向）の最大寸法を意味している。これにより、個体差による寸法誤差が生じた場合であっても、リード接続部８２とリード部８７ａとが接続できる可能性を高めることができ、リード接続部８２とリード部８７ａとの断線を抑制できる。

［１−４．ガスセンサの製造方法］
本実施形態の空燃比センサ１の製造方法について、図６〜図７に基づいて説明する。
図６は、ガスセンサ素子の成形体１４１の製造方法に関する説明図であり、図７は、ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。

ガスセンサ素子７を製造する場合、まず、公知のガスセンサ素子７の材料となる各種積層材料、即ち、素子部７１の固体電解質体７５、８３となる未焼成固体電解質シートや、素子部７１の絶縁部材７６や絶縁部材８４や絶縁基板９７となる未焼成絶縁シートや、ヒータ７３の絶縁基板１０１、１０３となる未焼成絶縁シートなどを積層状態とし、未圧着積層体を得る。なお、この未圧着積層体には、電極パッド２５，２７，２９，３１，３３となる未焼成電極パッドなどが形成されている。

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

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

さらに、未焼成の拡散律速部を形成する場合、まず、アルミナ粉末１００質量％、加熱焼失材（例えば、カーボンなど）及び可塑剤を湿式混合により分散したスラリーを生成する。可塑剤はブチラール樹脂及びＤＢＰを有する。このスラリーを用い、焼成後に拡散律速部９５や通気部９９となる部位に、未焼成の拡散律速部を形成する。

そして、この未圧着積層体を１ＭＰａで加圧することにより、図６に示す様な圧着された成形体１４１を得る。なお、加圧前の未圧着積層体を得るまでの製造方法については、公知のガスセンサ素子の製造方法と同様であるため詳細な説明は省略する。

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

その後、この未焼成積層体を樹脂抜きし、さらに焼成温度１５００℃にて、１時間で本焼成して、図７に示す様な焼成積層体１４３を得る。
次に、この焼成積層体１４３の長手方向に伸びる４辺（第１辺Ｈ１，第２辺Ｈ２，第３辺Ｈ３，第４辺Ｈ４）に対して面取りを行い、第１長辺面取り部１２１，第２長辺面取り部１２２，第３長辺面取り部１２３，第４長辺面取り部を形成する（図２参照）。具体的には、焼成積層体１４３の長手方向に伸びる４辺（第１辺Ｈ１，第２辺Ｈ２，第３辺Ｈ３，第４辺Ｈ４）を回転砥石に当接して、周知のＣ面取りを行う。これにより、素子本体部７０を得る。

このようにして素子本体部７０を得た後、この素子本体部７０の先端側の周囲に、焼成後に保護層１７（図２参照）となる未焼成保護層を形成する。
その後、未焼成保護層の熱処理を行う。具体的には、未焼成保護層が形成された素子本体部７０を、熱処理温度１０００℃、熱処理時間３時間で熱処理を行い、保護層１７が形成されたガスセンサ素子７を得る。

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

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

［１−５．効果］
以上説明したように、本実施形態の空燃比センサ１におけるガスセンサ素子７は、酸素ポンプセル８９のリード部８７ａが境界領域８０においてリード接続部８２に接続される。さらに、リード接続部８２は、酸素濃淡電池セル８１のリード部７７ａと接続している。そして、リード部８７ａのみが延出リード部８７ｂに接続している。

これにより、リード部８７ａおよびリード部７７ａを同電位にしつつ、且つ両リード部８７ａ，７７ａに延出リード部８７ｂを介して電気導通させることが可能である。よって、リード部８７ａおよびリード部７７ａの両方に延出リード部を設ける必要がない。これにより、リード部としての材料使用量を低減できる。

その上、境界領域８０において固体電解質体８３と絶縁部材８４との段差が大きくなった場合でも、境界領域８０に形成されたリード接続部８２によってリード部８７ａが断線することなく、リード部８７ａとリード接続部８２とを繋がった状態とすることができる。このため、境界領域８０でリード部８７ａが断線することを抑制できる。

また、リード接続部８２を、リード部８７ａおよびリード部７７ａに接続することで、リード部８７ａと延出リード部８７ｂとの断線、あるいはリード部７７ａと延出リード部８７ｂとの断線を抑制することができる。

よって、ガスセンサ素子７によれば、リード部７７ａの材料使用量を低減できるととともに、酸素ポンプセル８９における固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０におけるリード部８７ａの断線を抑制できる。

また、酸素濃淡電池セル８１では、絶縁スペーサ９３側に配置されるリード部７７ａが、固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域ではなく、固体電解質体７５の形成領域においてリード接続部８２と接続される。これにより、酸素濃淡電池セル８１では、このリード部７７ａが固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域まで延びるような構成とならないため、境界領域の段差に起因してリード部７７ａが断線することはない。

また、リード部８７ａが延出リード部８７ｂと接続しているため、リード部７７ａと延出リード部８７ｂとを接続する場合に生じる、固体電解質体７５と絶縁部材７６との段差による断線を抑制でき、リード部８７ａとリード部７７ａと延出リード部８７ｂとが電気的に繋がった状態となる。

よって、ガスセンサ素子７によれば、２個のセル（酸素濃淡電池セル８１、酸素ポンプセル８９）のそれぞれにおいて、固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域におけるリード部７７ａの断線、および固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０におけるリード部８７ａの断線をそれぞれ抑制できる。

次に、ガスセンサ素子７においては、リード接続部８２の幅寸法は、リード部８７ａの幅寸法よりも大きく形成されている。
このようにリード接続部８２の幅寸法がリード部８７ａの幅寸法よりも大きく形成されることで、酸素ポンプセル８９の固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０において、リード接続部８２とリード部８７ａとが重なり合う面積を大きく確保できる。

これにより、個体差による寸法誤差が生じた場合であっても、リード接続部８２とリード部８７ａとが接続できる可能性を高めることができ、リード接続部８２とリード部８７ａとの断線を抑制できる。

よって、ガスセンサ素子７によれば、リード接続部８２とリード部８７ａとの間で断線が生じることを抑制できる。
次に、ガスセンサ素子７は、絶縁スペーサ９３を介して積層される２個のセル（酸素濃淡電池セル８１、酸素ポンプセル８９）において、延出リード部８７ｂに接続するリード部８７ａを有する酸素ポンプセル８９が、積層方向において電極パッド２９に近い側に配置される。

これにより、電極パッド２９と延出リード部８７ｂとを接続する電気経路（スルーホール１６１，１６５）の経路長を相対的に短くすることができ、この経路を形成する材料の使用量を低減できる。

次に、ガスセンサ素子７では、リード接続部８２がガス測定室９１から離れたスルーホール８６に配置されている。これにより、リード接続部８２が、ガス測定室９１に存在するガスと反応することがなくなり、ガス検出精度に影響が及ぶことを抑制できる。

また、このようなガスセンサ素子７を備える空燃比センサ１は、リード部７７ａの材料使用量を低減できるとともに、酸素濃淡電池セル８１における固体電解質体７５と絶縁部材７６との境界領域におけるリード部７７ａの断線や、酸素ポンプセル８９における固体電解質体８３と絶縁部材８４との境界領域８０におけるリード部８７ａの断線を抑制できる。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
空燃比センサ１がガスセンサの一例に相当し、酸素濃淡電池セル８１および酸素ポンプセル８９が２個のセルの一例に相当すると共に、それぞれ埋設型セルの一例に相当し、酸素ポンプセル８９が第１埋設型セルの一例に相当し、酸素濃淡電池セル８１が第２埋設型セルの一例に相当し、絶縁スペーサ９３が中間層の一例に相当する。

多孔質電極７７および多孔質電極７９が一対の電極部の一例に相当し、リード部７７ａおよびリード部７９ａ一対のリード部の一例に相当し、多孔質電極８５および多孔質電極８７が一対の電極部の一例に相当し、リード部８５ａおよびリード部８７ａが一対のリード部の一例に相当する。また、リード部７７ａが第２リード部の一例に相当し、リード部８７ａが第１リード部の一例に相当し、延出リード部８７ｂが延出リード部に相当する。さらに、絶縁部材７６および絶縁部材８４がそれぞれ絶縁部材の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、酸素濃淡電池セル８１および酸素ポンプセル８９が共に埋設型セル（固体電解質体が絶縁部材の貫通孔に配置される構成のセル）として形成されているが、ガスセンサ素子に備えられる全てのセルが埋設型セルに限られることはない。

具体的には、図８に示す第２ガスセンサ素子２０７のように、第２酸素濃淡電池セル２８１の第２固体電解質体２７５が絶縁スペーサ９３と同等の大きさの板型部材として備えられる構成を採ることができる。なお、第２ガスセンサ素子２０７のうち、第１実施形態のガスセンサ素子７と同一の構成については、同一符号を付して表している。

この第２ガスセンサ素子２０７においては、２つのセル（第２酸素濃淡電池セル２８１および酸素ポンプセル８９）のうち第２酸素濃淡電池セル２８１は、埋設型セルではないため、埋設型セルのような段差が生じる虞がない。

そして、第２酸素濃淡電池セル２８１であっても、絶縁スペーサ９３側に配置されたリード部７７ａが、第２固体電解質体２７５と絶縁部材との境界領域ではなく、第２固体電解質体２７５の形成領域においてリード接続部８２と接続される。これにより、第２酸素濃淡電池セル２８１では、このリード部７７ａが第２固体電解質体２７５と絶縁部材との境界領域まで延びるような構成とならないため、境界領域の段差に起因してリード部７７ａが断線することはない。

また、第２ガスセンサ素子２０７においては、２つのセル（第２酸素濃淡電池セル２８１および酸素ポンプセル８９）のうち酸素ポンプセル８９が埋設型セルであるが、第１実施形態と同様に、酸素ポンプセル８９のリード部８７ａが境界領域８０においてリード接続部８２に接続される。このため、境界領域８０において固体電解質体８３と絶縁部材８４との段差が生じた場合でも、リード接続部８２によって固体電解質体８３上のリード部８７ａと絶縁部材８４上のリード部８７ａとが繋がるため、境界領域８０でリード部８７ａが断線することを抑制できる。

なお、第２ガスセンサ素子２０７は、長手方向に伸びる直方体形状の第２素子本体部２７０と、第２素子本体部２７０の先端側を覆う多孔質の保護層と、を備えるが、図８では、保護層の図示は省略している。また、第２素子本体部２７０は、長手方向に伸びる板状の第２素子部２７１と、同じく長手方向に延びる板状のヒータ７３と、が積層されて構成されている。さらに、第２ガスセンサ素子２０７においては、第２酸素濃淡電池セル２８１および酸素ポンプセル８９が２個のセルの一例に相当する。

次に、上記の第１実施形態では、酸素濃淡電池セル８１の固体電解質体７５は、積層方向に垂直な平面における断面積が、酸素ポンプセル８９の固体電解質体８３よりも大きい構成であるが、本発明はこのような構成に限られることはない。

例えば、図９に示す第３ガスセンサ素子３０７のように、第３酸素濃淡電池セル３８１の貫通孔３７６ａに埋設される第３固体電解質体３７５が、酸素ポンプセル８９の固体電解質体８３と比べて、積層方向に垂直な平面における断面積が同等の大きさに形成される構成としても良い。

この第３ガスセンサ素子３０７では、第３酸素濃淡電池セル３８１のうち絶縁スペーサ９３側に配置されるリード部７７ａは、第３固体電解質体３７５と第３絶縁部材３７６との境界領域３８０において、リード接続部８２に接続される。これにより、境界領域３８０において第３固体電解質体３７５と第３絶縁部材３７６との段差が生じた場合でも、リード部７７ａとリード接続部８２との接続を維持できる。

また、リード接続部８２は、第３酸素濃淡電池セル３８１の境界領域３８０でリード部７７ａに接続されるとともに、酸素ポンプセル８９の境界領域８０でリード部８７ａに接続される。

これにより、境界領域８０において固体電解質体８３と絶縁部材８４との段差が生じた場合、あるいは境界領域３８０において第３固体電解質体３７５と第３絶縁部材３７６との段差が生じた場合でも、第３酸素濃淡電池セル３８１のリード部７７ａと酸素ポンプセル８９のリード部８７ａとがリード接続部８２を介して電気的接続を維持できる。

よって、第３ガスセンサ素子３０７では、第３酸素濃淡電池セル３８１の境界領域３８０におけるリード部７７ａの断線を抑制できると共に、酸素ポンプセル８９の境界領域８０におけるリード部８７ａの断線を抑制できる。

なお、第３ガスセンサ素子３０７は、長手方向に伸びる直方体形状の第３素子本体部３７０と、第３素子本体部３７０の先端側を覆う多孔質の保護層と、を備えるが、図９では、保護層の図示は省略している。また、第３素子本体部３７０は、長手方向に伸びる板状の第３素子部３７１と、同じく長手方向に延びる板状のヒータ７３と、が積層されて構成されている。また、第３ガスセンサ素子３０７においては、第３酸素濃淡電池セル３８１および酸素ポンプセル８９が２個のセルの一例に相当する。

なお、第３ガスセンサ素子３０７の変形例としては、第３酸素濃淡電池セル３８１のリード部７７ａから境界領域３８０よりも後端に向けて延設された延出リード部を配置するとともに、延出リード部８７ｂが配置されない構成を挙げることができる。

次に、上記の第１実施形態では、ガス測定室９１を備える絶縁スペーサ９３は、アルミナを主体とした板型形状の部材であったが、本発明はこのような構成に限られることはない。例えば、酸素濃淡電池セルと酸素ポンプセルとの間に積層されるスペーサが、貫通孔を有する絶縁スペーサに導電性スペーサが埋設される構成であり、導電性スペーサによって酸素濃淡電池セルと酸素ポンプセルとを導通する構成としても良い。

１…空燃比センサ、７…ガスセンサ素子、１７…保護層、２５，２７，２９，３１，３３…電極パッド、７５…固体電解質体、７６…絶縁部材、７６ａ…貫通孔、７７…多孔質電極、７７ａ…リード部、７９…多孔質電極、７９ａ…リード部、８０…境界領域、８１…酸素濃淡電池セル、８２…リード接続部、８３…固体電解質体、８４…絶縁部材、８４ａ…貫通孔、８５…多孔質電極、８５ａ…リード部、８７…多孔質電極、８７ａ…リード部、８７ｂ…延出リード部、８９…酸素ポンプセル、９３…絶縁スペーサ、２０７…第２ガスセンサ素子、２７５…第２固体電解質体、２８１…第２酸素濃淡電池セル、３０７…第３ガスセンサ素子、３７５…第３固体電解質体、３７６…第３絶縁部材、３７６ａ…貫通孔、３８０…境界領域、３８１…第３酸素濃淡電池セル。

Claims (5)

1. 長手方向に延びると共に、先端側が測定対象ガス中に晒されるガスセンサ素子であって、
   前記ガスセンサ素子は、板型の固体電解質体と、前記固体電解質体の外面に形成される一対の電極部と、前記電極部に接続されると共に前記長手方向に沿って延びる一対のリード部と、を有するセルを複数備えており、
   複数の前記セルのうち少なくとも２個のセルは、板型形状の中間層を介して積層されており、
   前記中間層を介して積層される前記２個のセルのうち１個のセルは、板型形状の絶縁部材に設けた積層方向に貫通する貫通孔内に前記固体電解質体が埋設されてなる第１埋設型セルであり、
   前記第１埋設型セルの前記一対のリード部のうち、少なくとも前記中間層側に配置された第１リード部は、前記固体電解質体と前記絶縁部材との境界領域まで延びると共に、前記境界領域にて前記第１リード部に接続されるリード接続部を介して、前記２個のセルのうち前記第１埋設型セルとは別のセルが備える第２リード部に電気的に接続されて、前記第２リード部と同電位とされ、
   前記第１リード部および前記第２リード部のうちいずれか一方のみが、前記リード接続部よりも前記長手方向の後端側に向かって延びる延出リード部に接続されること、
   を特徴とするガスセンサ素子。
2. 前記別のセルは、板型形状の絶縁部材に設けた積層方向に貫通する貫通孔内に前記固体電解質体が埋設されてなる第２埋設型セルであり、
   前記第２埋設型セルの前記第２リード部は、前記固体電解質体の形成領域において前記リード接続部に接続されており、
   前記第１埋設型セルの前記第１リード部は、前記延出リード部に接続されること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子。
3. 前記リード接続部の幅寸法は、前記第１リード部の幅寸法よりも大きいこと、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ素子。
4. 前記ガスセンサ素子は、自身の前記長手方向の後端側の外表面に設けられると共に、前記延出リード部に電気的に接続される電極パッドをさらに備え、
   前記２個のセルのうち、前記延出リード部に接続する前記リード部を有する前記セルが、積層方向において前記電極パッドに近い側に配置されること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
5. 測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子を保持する主体金具と、を備えるガスセンサであって、
   前記ガスセンサ素子として、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のガスセンサ素子を備えること、
   を特徴とするガスセンサ。

Images