JP6320363B2

JP6320363B2 - ガスセンサ素子、ガスセンサ、および、ガスセンサ素子の製造方法

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Publication number: JP6320363B2
Application number: JP2015224340A
Authority: JP
Inventors: 愛五十嵐; 聡史岡崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: JP2016130723A

Description

本発明は、ガスセンサ素子、ガスセンサ、および、ガスセンサ素子の製造方法に関する。

内燃機関の燃焼制御を行うためにガスセンサが用いられている。ガスセンサは、内燃機関から排出される排気ガス中の特定成分（例えば、酸素）の濃度を検出信号として出力するガスセンサ素子を備える。例えば、特許文献１に記載されたガスセンサ素子は、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されたアルミナシートを備えており、その貫通孔内に酸素イオン導電性を有するジルコニア充填部が埋め込まれている。そして、ジルコニア充填部の両面には、一対の電極が設けられている。この特許文献１には、貫通孔の深さ（つまり、アルミナシートの厚み）よりもジルコニア充填部の厚みを大きくして貫通孔からジルコニア充填部を突出させるとともに、突出した部分のジルコニア充填部の大きさを、貫通孔の開口面積よりも大きくする構造が示されている。

特開２０１０−１４５２１４号公報

通常、アルミナシート上には、ジルコニア充填部に配置された電極から電気信号を外部に出力するための配線（導体層）が設けられる。しかし、特許文献１には、このような配線を設けることについて、なんら開示されていない。そのため、ジルコニア充填部上の電極からアルミナシートの端部まで配線を設けようとすると、特許文献１に示されたジルコニア充填部の構造では、貫通孔からはみ出したジルコニア充填部の角部によって、配線に亀裂あるいは断線が生じるおそれがある。そのため、貫通孔を有する絶縁部の厚みと、その貫通孔に埋め込まれる電解質部の厚みとが異なるガスセンサ素子において、電極と配線とを含む導体層に亀裂あるいは断線が生じることを抑制可能な技術が求められている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子は、絶縁性セラミックを含み、厚み方向に貫通する貫通孔が形成された板状の絶縁部、及び、固体電解質セラミックを含み、前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された電解質部、を有する複合セラミック層と；前記絶縁部の一方の面である第１絶縁面と、前記電解質部の前記一方側の面である第１電解質面とに跨がって形成された第１導体層と；を備える。そして、前記電解質部の厚みは、前記絶縁部の厚みよりも厚く、前記電解質部は、前記第１電解質面側に、前記第１絶縁面に重なって、前記貫通孔の外側に向けて広がる延出部を有し、前記延出部の厚みは前記延出部の外周に向かうほど薄く、前記延出部の外周は前記第１絶縁面と連続的に接続し、前記延出部の前記一方側の面である第１延出面は、前記第１絶縁面と前記第１電解質面とを連続的に接続することを特徴とする。このような形態のガスセンサ素子であれば、絶縁部の貫通孔内に配置された電解質部に、絶縁部の一方の面である第１絶縁面に重なって貫通孔の外側に向けて広がる延出部が備えられており、この延出部の外周が第１絶縁面と連続的に接続され、更に、延出部の一方側の面である第１延出面が、第１絶縁面と第１電解質面とを連続的に接続するため、第１絶縁面と第１電解質面とに跨がって形成された第１導体層に亀裂や断線が生じることを抑制することができる。

（２）上記形態のガスセンサ素子において、前記絶縁部に形成された前記貫通孔の前記第１絶縁面側における側端部は前記絶縁部の厚み方向内側から外側に向かって凸となる円弧状であってもよい。このような形態のガスセンサ素子であれば、絶縁部の第１絶縁面側において電解質部と絶縁部とが重なる部分に角張った角部が形成されないため、第１絶縁面側における電解質部と絶縁部との境界部に応力が集中することを緩和することができる。そのため、電解質部と絶縁部との境界のいずれかの部分を起点として延出部に亀裂が生じることを抑制することができ、ガスセンサ１０の耐久性を高めることができる。

本発明は、ガスセンサ素子としての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、ガスセンサ素子を備えるガスセンサや、ガスセンサ素子あるいはガスセンサの製造方法等の形態で実現することができる。

ガスセンサを軸線に沿って切断した縦断面図である。第１実施形態におけるガスセンサ素子の分解斜視図である。第１実施形態におけるガスセンサ素子の各部材の積層状態を模式的に示す断面図である。図３に示した断面部分ＡＲ１付近を拡大して示す図である。ガスセンサ素子の製造方法を示す工程図である。複合セラミック層の作製方法を示す工程図である。未焼成絶縁部用シートに貫通孔を形成する方法を示す説明図である。貫通孔に未焼成電解質部を挿入する方法を示す説明図である。検出用絶縁部と検出用電解質部とを圧縮する方法を示す説明図である。第２実施形態におけるガスセンサ素子の分解斜視図である。第２実施形態におけるガスセンサ素子の各部材の積層状態を模式的に示す断面図である。図１１に示した断面部分ＡＲ２付近を拡大して示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態におけるガスセンサ１を軸線ＡＸに沿って切断した縦断面図である。ガスセンサ１は、例えば、内燃機関の排気管に装着され、酸素センサとして使用される。以下では、図１に示すガスセンサ１の下側を先端側ＤＬ１、上側を後端側ＤＬ２として説明する。

ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０と主体金具２０とを主に備える。ガスセンサ素子１０は、長手方向ＤＬに延びる板状の素子であり、被測定ガスである排ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されている。ガスセンサ素子１０は、自身の長手方向ＤＬに沿った中心線が軸線ＡＸに一致する形態でガスセンサ１内に配置されている。

主体金具２０は、ガスセンサ素子１０を内部に保持する筒状の金具である。主体金具２０は、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを自身よりも先端側に突出させると共に、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを自身よりも後端側に突出させた状態で、ガスセンサ素子１０を保持している。主体金具２０の先端側には、金属製の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が配置され、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを覆っている。外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２は複数のガス導入孔３１ｈ、３２ｈを有している。このガス導入孔３１ｈ、３２ｈを通じて、外部プロテクタ３１の外部の被測定ガスが、内部プロテクタ３２の内側に配置されたガスセンサ素子１０の先端部１０ｓの周囲に導入される。

主体金具２０の内部には、センサ素子１０の外周を取り囲むように環状のセラミックホルダ２１と、粉末充填層２２，２３（以下、滑石リング２２，２３ともいう。）と、セラミックスリーブ２４とが、この順に先端側ＤＬ１から後端側ＤＬ２にかけて配置されている。セラミックホルダ２１や滑石リング２２の外周には金属ホルダ２５が配置されている。また、セラミックスリーブ２４の後端側には加締パッキン２６が配置されている。主体金具２０の後端部２７は、加締パッキン２６を介してセラミックスリーブ２４を先端側に押し付けるようにして加締められている。

主体金具２０の後端側には、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを取り囲むように筒状の外筒５１が配置されている。さらに、外筒５１の内側には、セパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋの周囲を取り囲むと共に、５本のリード線７８，７９（図１では２本のみ図示）の先端に取り付けられた５つの端子部材７５，７６（図１では２つのみ図示）を互いに離間して保持する。セパレータ６０は、軸線ＡＸ方向に貫通する挿入孔６２を有している。この挿入孔６２には、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋが挿入される。また、挿入孔６２内には、５個の端子部材７５，７６が互いに離間して配置されており、それぞれガスセンサ素子１０の後述するパッド部１４〜１８に弾性的に当接し電気的に接続している。外筒５１の後端側には、外筒５１の後端開口部を閉塞するグロメット７３がはめ込まれている。５本のリード線７８，７９は、このグロメット７３を貫通している。

図２は、ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。また、図３は、ガスセンサ素子１０の各部材の積層状態を模式的に示す断面図である。図２および図３では、左側がガスセンサ１の先端側ＤＬ１となり、右側が後端側ＤＬ２になる。

ガスセンサ素子１０は、厚み方向ＤＴに積層された複数のセラミック層及び導体層からなる。具体的には、被測定ガス中の酸素濃度の検出に用いる検出用複合セラミック層１１１と、これよりも厚み方向一方側ＤＴ１に位置し、測定室ＳＰ（図３参照）における被測定ガス中の酸素濃度の調整に用いるポンプ用複合セラミック層２１１と、を有している。また、これら検出用複合セラミック層１１１及びポンプ用複合セラミック層２１１の間には、絶縁層１７０が配置されている。検出用複合セラミック層１１１の厚み方向他方側ＤＴ２には第１導体層１５０が、検出用複合セラミック層１１１の一方側ＤＴ１には第２導体層１５５がそれぞれ形成されている。また、ポンプ用複合セラミック層２１１の一方側ＤＴ１には第１導体層２５０が、ポンプ用複合セラミック層２１１の他方側ＤＴ２には第２導体層２５５がそれぞれ形成されている。さらに、検出用複合セラミック層１１１及び第１導体層１５０の他方側ＤＴ２にはヒータ層１８０が積層され、ポンプ用複合セラミック層２１１及び第１導体層２５０の一方側ＤＴ１には保護層１６０が積層されている。

検出用複合セラミック層１１１は、絶縁性セラミック（アルミナ）からなる矩形板状で、自身を厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔１１２ｈを有する検出用絶縁部１１２と、固体電解質（ジルコニア）セラミックからなる板状で、検出用絶縁部１１２の貫通孔１１２ｈ内に配置された検出用電解質部１３１とを備える。検出用絶縁部１１２は、他方側ＤＴ２を向く第１絶縁面１１３、及び、一方側ＤＴ１を向く第２絶縁面１１４を有している。また、検出用電解質部１３１は、他方側ＤＴ２を向く第１電解質面１３３、及び、一方側ＤＴ１を向く第２電解質面１３４を有している。

第１導体層１５０は、検出用電解質部１３１の第１電解質面１３３上に、貫通孔１１２ｈの開口面積よりも小さく形成された矩形状の第１電極層１５１と、この第１電極層１５１から長手方向後端側ＤＬ２に延びる帯状の第１リード層１５２とからなる。第１リード層１５２は、第１電解質面１３３と第１絶縁面１１３とに跨がって、第１電解質面１３３上から第１絶縁面１１３上まで延びている。また、第２導体層１５５は、第１導体層１５０と同様、検出用電解質部１３１の第２電解質面１３４上に、貫通孔１１２ｈの開口面積よりも小さく形成された矩形状の第２電極層１５６と、この第２電極層１５６から後端側ＤＬ２に延びる帯状の第２リード層１５７とからなる。第２リード層１５７は、第２電解質面１３４と第２絶縁面１１４とに跨がって、第２電解質面１３４上から第２絶縁面１１４上まで延びている。

ポンプ用複合セラミック層２１１は、絶縁性セラミック（アルミナ）からなる矩形板状で、自身を厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔２１２ｈを有するポンプ用絶縁部２１２と、固体電解質（ジルコニア）セラミックからなる板状で、ポンプ用絶縁部２１２の貫通孔２１２ｈ内に配置されたポンプ用電解質部２３１とを備える。ポンプ用絶縁部２１２は、厚み方向一方側ＤＴ１を向く第１絶縁面２１３、及び、厚み方向他方側ＤＴ２を向く第２絶縁面２１４を有している。また、ポンプ用電解質部２３１は、一方側ＤＴ１を向く第１電解質面２３３、及び、他方側ＤＴ２を向く第２電解質面２３４を有している。

第１導体層２５０は、ポンプ用電解質部２３１の第１電解質面２３３上に、貫通孔２１２ｈの開口面積よりも小さく形成された矩形状の第１電極層２５１と、この第１電極層２５１から後端側ＤＬ２に延びる帯状の第１リード層２５２とからなる。第１リード層２５２は、第１電解質面２３３と第１絶縁面２１３とに跨がって、第１電解質面２３３上から第１絶縁面２１３上まで延びている。第２導体層２５５は、第１導体層２５０と同様、ポンプ用電解質部２３１の第２電解質面２３４上に、貫通孔２１２ｈの開口面積よりも小さく形成された矩形状の第２電極層２５６と、この第２電極層２５６から後端側ＤＬ２に延びる帯状の第２リード層２５７とからなる。第２リード層２５７は、第２電解質面２３４と第２絶縁面２１４とに跨がって、第２電解質面２３４上から第２絶縁面２１４上まで延びている。

絶縁層１７０は、貫通孔１１２ｈ，２１２ｈと重なるように、自身を貫通する矩形状の貫通孔１７０ｈを有している。この貫通孔１７０ｈは、絶縁層１７０のほか、検出用複合セラミック層１１１（検出用電解質部１３１）及びポンプ用複合セラミック層２１１（ポンプ用電解質部２３１）に囲まれて、中空の測定室ＳＰを構成する。この絶縁層１７０は、緻密なアルミナからなる本体部１７１と、２つの多孔質部１７２とからなる。２つの多孔質部１７２は、多孔質セラミックからなり、貫通孔１７０ｈのうち長手方向ＤＬに沿って延びる２辺の一部をそれぞれ構成し、側方（長手方向ＤＬ及び厚み方向ＤＴに直交する方向）に露出する。多孔質部１７２は、ガスセンサ素子１０の外部から測定室ＳＰ内に、被測定ガスを所定の律速条件で導入する拡散律速層である。

ポンプ用複合セラミック層２１１の厚み方向一方側ＤＴ１には、第１導体層２５０を覆って、保護層１６０が積層されている。この保護層１６０は、第１電極層２５１及びポンプ用電解質部２３１を覆う多孔質部１６２と、保護部１６１とからなる。保護部１６１は、多孔質部１６２を囲んで収容する貫通孔１６１ｈが穿孔され、ポンプ用絶縁部２１２に重なってこれを保護する緻密質セラミックである。

保護部１６１上には、３つの端子部材７５（図１参照）が接触する３つのセンサパッド部１６，１７，１８が形成されている。センサパッド部１６は、スルーホール１６１ｍ，２１２ｍ，１７１ｍ，１１２ｍを通じて、第１導体層１５０（第１リード層１５２）の後端側ＤＬ２の端部１５２ｅに導通している。センサパッド部１７は、スルーホール１６１ｎを通じて、第１導体層２５０（第１リード層２５２）の後端側ＤＬ２の端部２５２ｅに導通している。さらに、センサパッド部１８は、スルーホール１６１ｐ，２１２ｐ，１７１ｐを通じて、第２導体層１５５（第２リード層１５７）の端部１５７ｅと、第２導体層２５５（第２リード層２５７）の端部２５７ｅとに導通している。

ヒータ層１８０は、アルミナからなる２枚の板状の絶縁層１８２，１８３と、これらの間に埋設された、ヒータパターン１８１とを備える。ヒータパターン１８１は、蛇行状の発熱部１８１ｄ、及び、この発熱部１８１ｄの両端にそれぞれ接続され、直線状に延びる第１リード部１８１ｂ及び第２リード部１８１ｃからなる。絶縁層１８３の他方側ＤＴ２には、２つの端子部材７６（図１参照）が接触する２つのヒータパッド１４，１５が形成されている。ヒータパッド部１４は、第１リード部１８１ｂの後端側ＤＬ２の端部１８１ｅに、スルーホール１８３ｍを通じて電気的に導通している。また、ヒータパッド部１５は、第２リード部１８１ｃの後端側ＤＬ２の端部１８１ｆに、スルーホール１８３ｎを通じて電気的に導通している。

本実施形態に係るガスセンサ素子１０では、多孔質の第１電極層１５１内に予め酸素を供給して基準ガスを形成しておく。その上で、検出用電解質部１３１を挟む第１電極層１５１と第２電極層１５６との間に生じる電位差が所定の値（測定室ＳＰ内の酸素濃度が一定）となるように、ポンプ用電解質部２３１で測定室ＳＰから多孔質部１６２に酸素を汲み出しあるいは逆に汲み入れるべく、ポンプ用電解質部２３１を挟む第１電極層２５１と第２電極層２５６との間に流れる電流の方向及び大きさをセンサパッド部１６〜１８に導通した３本のリード線７８を用いて調整する。第１電極層２５１と第２電極層２５６との間に流れる電流の大きさは、多孔質部１７２を通じて測定室ＳＰ内に流入する被測定ガス中の酸素濃度に応じた値となるため、この電流の大きさから被測定ガス中の酸素濃度を検知することができる。なお、酸素濃度測定時には、ヒータパッド部１４，１５に導通する２本のリード線７９を通じてヒータパターン１８１に電流を供給し発熱させることで、検出用電解質部１３１およびポンプ用電解質部２３１を加熱し活性化させる。

図４は、図３に示した断面部分ＡＲ１付近を拡大して示す図である。図４には、本実施形態に係るガスセンサ素子１０の検出用複合セラミック層１１１のうち、検出用電解質部１３１と検出用絶縁部１１２との境界付近の構造が示されている。図４に示されているように、本実施形態では、検出用電解質部１３１の厚みＴ１は、検出用絶縁部１１２の厚みＴ２よりも厚い。そして、電解質部１３１は、第１電解質面１３３側に突き出している。また、検出用電解質部１３１は、第１電解質面１３３側に、第１絶縁面１１３に重なって、貫通孔１１２ｈの外側に向けて広がる延出部１３５を有している。延出部１３５の厚みは、延出部１３５の外周に向かうほど薄い。また、延出部１３５の外周は第１絶縁面１１３と連続的に接続している。更に、延出部１３５の他方側ＤＴ２の面である第１延出面１３６は、第１絶縁面１１３と第１電解質面１３３とを連続的に接続している。そのため、第１絶縁面１１３と第１延出面１３６と第１電解質面１３３とは、段差なく一つの面を構成するように接続されている。また、検出用絶縁部１１２に形成された貫通孔１１２ｈの第１絶縁面１１３側における側端部１３７は、検出用絶縁部１１２の厚み方向内側から外側に向かって凸となる円弧状である。つまり、貫通孔１１２ｈの第１絶縁面１１３側の開口面積は、厚み方向内側から外側に向かうほど大きくなっている。図４に示した構造は、検出用電解質部１３１の外周全体にわたって同様である。なお、検出用電解質部１３１の厚みＴ１とは、検出用電解質部１３１の最大の厚みである。また、検出用絶縁部１１２の厚みＴ２とは、検出用絶縁部１１２の最大の厚みである。

図５は、ガスセンサ素子１０の製造方法を示す工程図である。以下では、焼成後の部材とこれに対応する焼成前の部材とは、便宜上、同一符号を用いて説明する。本実施形態における製造方法では、まず、ガスセンサ素子１０を構成する部材ごとに未焼成部材を準備する（ステップＳ１０）。具体的には、未焼成保護層１６０、未焼成ポンプ用複合セラミック層２１１、未焼成絶縁層１７０、未焼成検出用複合セラミック層１１１、未焼成絶縁層１８２，１８３を準備する。ポンプ用複合セラミック層２１１および検出用複合セラミック層１１１の作製方法については後述する。

未焼成部材を準備すると、続いて、準備した各未焼成部材を、図２に示した順序で積層して未焼成ガスセンサ素子１０を作製する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０に先立ち、未焼成絶縁層１８３の一方側ＤＴ１、または、未焼成絶縁層１８２の他方側ＤＴ２には、スクリーン印刷によって未焼成ヒータパターン１８１が形成される。

上記ステップＳ２０において、未焼成ガスセンサ素子１０が作製された後、公知の手法により、未焼成ガスセンサ素子１０が焼成される（ステップＳ３０）。以上の工程により、ガスセンサ素子１０が完成する。

図６は、図５のステップＳ１０において準備される未焼成検出用複合セラミック層１１１およびポンプ用複合セラミック層２１１の作製方法を示す工程図である。ポンプ用複合セラミック層２１１および未焼成検出用複合セラミック層１１１の作製方法は同一であるため、以下では、未焼成検出用複合セラミック層１１１の作製方法について説明し、未焼成ポンプ用複合セラミック層２１１の作製方法については省略する。

まず、ドクタブレード法で形成した厚さ１５５±２０μｍの未焼成絶縁部用シート（絶縁グリーンシート）１１２ｓと、これよりも厚い、厚さ２００±２０μｍの未焼成電解質部用シート（電解質グリーンシート）１３１ｓとを予め用意する。そして、未焼成絶縁部用シート１１３ｓに対して貫通孔１１２ｈを形成する（ステップＳ１００）。なお、未焼成絶縁部用シート１１２ｓの厚みを１５５±２０μｍとし、未焼成電解質部用シート１３１ｓの厚みを２００±２０μｍとすれば、未焼成電解質部用シート１３１ｓの厚みを、未焼成絶縁部用シート１１２ｓの厚みよりも、少なくとも５μｍ、厚くすることができる。

図７は、未焼成絶縁部用シート１１２ｓに貫通孔１１２ｈを形成する方法を示す説明図である。図７〜９では、図面の下側が鉛直方向下向きであるものとする。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、まず、貫通孔１１２ｈに応じた形状およびサイズの孔部が設けられた下型３０１と上型３０３とを用意し、下型３０１と上型３０３との間に未焼成絶縁部用シート１１２ｓを挟む。そして、図７（ｂ）に示すように、パンチ３０５を、下型３０１と上型３０３に形成された孔部に挿通させて、未焼成絶縁部用シート１１２ｓに対して貫通孔１１２ｈを形成する。こうすることによって、未焼成絶縁部１１２が形成される。

続いて、未焼成絶縁部１１２に形成された貫通孔１１２ｈに対して、未焼成電解質部１３１を挿入する（図６のステップＳ１１０）。

図８は、貫通孔１１２ｈに未焼成電解質部１３１を挿入する方法を示す説明図である。本実施形態では、図８（ａ）に示すように、まず、下型３０１と上型３０３との間に、貫通孔１１２ｈが形成された未焼成絶縁部１１２と、未焼成電解質部用シート１３１ｓとを重ね合わせて挟む。このとき、パンチ３０５に近い側に未焼成電解質部用シート１３１ｓを配置する。そして、図８（ｂ）に示すように、パンチ３０５を用いて、未焼成電解質部用シート１３１ｓから未焼成電解質部１３１を打ち抜くと共に、この未焼成電解質部１３１を未焼成絶縁部１１２の貫通孔１１２ｈ内に挿入する。このとき、検出用電解質部１３１の下面が、検出用絶縁部１１２の上面と下面との間に位置するように、未焼成電解質部１３１を未焼成絶縁部１１２の貫通孔１１２ｈ内に挿入する。こうすることにより、検出用電解質部１３１の一部が、検出用絶縁部１１２の貫通孔１１２ｈから突き出すことになる。

続いて、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１とを厚み方向に同時に圧縮する（図６のステップＳ１２０）。このステップＳ１２０では、未焼成電解質部１３１の第１未焼成電解質面１３３側に、第１未焼成絶縁面１１３に重なって貫通孔１１２ｈの外側に向けて広がる未焼成延出部１３５を、未焼成延出部１３５の厚みが未焼成延出部１３５の外周に向かうほど薄く形成すると共に、未焼成延出部１３５の外周と第１未焼成絶縁面１１３とを連続的に接続し、未焼成延出部１３５の一方側の面である第１未焼成延出面１３６を、第１未焼成絶縁面１１３と第１未焼成電解質面１３３とを連続的に接続するように圧縮を行う。

図９は、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１とを同時に圧縮する方法を示す説明図である。本実施形態では、図９（ａ）に示すように、まず、未焼成電解質部１３１が挿入された未焼成絶縁部１１２を、未焼成電解質部１３１が突き出した方向を鉛直上側として下側鉄板３１２上に配置する。そして、下側鉄板よりも薄い上側鉄板３１３を、鉛直上側より、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１とに同時に押し当て、圧力（例えば、４０ｋｇ／ｃｍ^２）を均一に上側鉄板３１３上に加える。すると、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１との厚みの違いによって薄い上側鉄板３１３は湾曲するものの、上側鉄板３１３が、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１とを同時に圧縮することで、未焼成電解質部１３１の上側の面（第１電解質面１３３）と未焼成絶縁部１１２の上側の面（第１絶縁面１１３）が、連続的に接続されるとともに、未焼成電解質部１３１と未焼成絶縁部１１２との境界部分には、図４に示したような延出部１３５が形成され、貫通孔１１２ｈの上側の角部が円弧状になる。以上で示した工程によって、未焼成電解質部１３１と未焼成絶縁部１１２とを備える未焼成検出用複合セラミック層１１１は完成する。なお、図９に示した方法で圧縮された後の未焼成検出用複合セラミック層１１１は、上下方向が逆にされた上で、図４に示した順で積層される。

上述した図６のステップＳ１２０における圧縮工程は、６０℃以上、好ましくは、８０℃以上１００℃以下の温度環境下において行うことが好ましい。このような温度環境において圧縮を行えば、未焼成絶縁部１１２と未焼成電解質部１３１とがそれぞれ軟化するため、未焼成電解質部１３１の上側の面と未焼成絶縁部１１２の上側の面とが滑らかに接続され、また、延出部１３５を容易に形成することが可能になる。

圧縮行程が終了すると、続いて、導体層の形成が行われる（図６のステップＳ１３０）。具体的には、スクリーン印刷法により、未焼成電解質部１３１の第１電解質面１３３（図４参照）、及び、未焼成絶縁部１１２の第１絶縁面１１３に跨がるように、未焼成第１導体層１５０（未焼成第１電極部１５１及び未焼成第１リード部１５２）を形成する。そして、更に、スクリーン印刷法により、未焼成絶縁部１１２の第２絶縁面１１４、及び、未焼成電解質部１３１の第２電解質面１３４に跨がるように、未焼成第２導体層１５５（未焼成第２電極部１５６及び未焼成第２リード部１５７）を形成する。以上で説明した工程によって、未焼成検出用複合セラミック層１１１は完成する。また、未焼成ポンプ用複合セラミック層２１１についても、同様の工程によって完成する。

以上で説明した本実施形態のガスセンサ素子１０には、図４に示したように、検出用絶縁部１１２の貫通孔１１２ｈ内に配置された検出用電解質部１３１に、検出用絶縁部１１２の一方の面である第１絶縁面１１３に重なって貫通孔１１２ｈの外側に向けて広がる延出部１３５が設けられている。そして、この延出部１３５の外周が第１絶縁面１１３と連続的に接続され、更に、延出部１３５の一方側の面である第１延出面１３６が、第１絶縁面１１３と第１電解質面１３３とを連続的に接続している。そのため、第１絶縁面１１３と第１電解質面１３３とに跨がって形成された第１導体層１５０に亀裂や断線が生じることを抑制することができる。また、一般的に、検出用絶縁部１１２よりも検出用電解質部１３１の方が、焼成前後の硬化収縮率が大きいため、検出用電解質部１３１の厚みを大きくしておくことにより、第１導体層１５０と検出用電解質部１３１と検出用絶縁部１１２との間に隙間が発生することをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、延出部１３５が形成されることにより、貫通孔１１２ｈの第１絶縁面１１３側の開口面積が、厚み方向内側から外側に向かうほど大きくなっているので、貫通孔１１２ｈ内に配置された検出用電解質部１３１が、ガスセンサ素子１０の製造時において貫通孔１１２ｈから容易に脱落することを抑制することができる。

また、本実施形態では、検出用絶縁部１１２に形成された貫通孔１１２ｈの第１絶縁面１１３側における側端部１３７（図４参照）が、検出用絶縁部１１２の厚み方向内側から外側に向かって凸となる円弧状であるので、第１絶縁面１１３側において検出用電解質部１３１と検出用絶縁部１１２とが重なる部分に角張った角部が形成されない。そのため、第１絶縁面１１３側における検出用電解質部１３１と検出用絶縁部１１２との境界部に応力が集中することを緩和することができる。そのため、検出用電解質部１３１と検出用絶縁部１１２との境界のいずれかの部分を起点として延出部１３５に亀裂が生じることを抑制することができるので、ガスセンサ素子１０の耐久性を高めることができる。

また、本実施形態では、検出用絶縁部１１２と検出用電解質部１３１とを連続的に接続する際に、検出用電解質部１３１の周囲に延出部１３５が形成されるものの、検出用絶縁部１１２に形成される貫通孔１１２ｈについては、その有効面積はほとんど変動しない。そのため、ガスセンサ素子１０のガス検知性能が、製造環境等によって変動してしまうことを抑制することができる。

なお、本実施形態では、ポンプ用複合セラミック層２１１を検出用複合セラミック層１１１と同じ作製方法によって作成するため、図４に示した構造は、ポンプ用複合セラミック層２１１の一方側ＤＴ１の面についても同様の構造となる。そのため、ポンプ用複合セラミック層２１１の第１絶縁面２１３と第１電解質面２３３とが連続的に接続されるので、ポンプ用複合セラミック層２１１の一方側ＤＴ１に配置される第１導体層２５０に亀裂や断線が生じることを抑制することができる。なお、図４に示した構造は、検出用複合セラミック層１１１とポンプ用複合セラミック層２１１とのいずれか一方のみに適用してもよい。つまり、検出用複合セラミック層１１１とポンプ用複合セラミック層２１１とのいずれか一方は、電解質部と絶縁部との厚みが同じであり、延出部が形成されない構造であってもよい。

また、本実施形態では、検出用複合セラミック層１１１の他方側ＤＴ２の面に延出部１３５が形成されているが、一方側ＤＴ１の面に延出部４３５が形成されていても良い。また、検出用複合セラミック層１１１の一方側ＤＴ１と他方側ＤＴ２の両方の面に延出部１３５が形成されても良い。

Ｂ．第２実施形態：
上述した第１実施形態では、２つの複合セラミック層（検出用複合セラミック層１１１およびポンプ用複合セラミック層２１１）を有するいわゆる２セルタイプのガスセンサ素子１０について説明した。しかし、図４に示したガスセンサ素子１０の構造は、複合セラミック層を１つ備えるいわゆる１セルタイプのガスセンサ素子に対しても同様に適用可能である。

図１０は、１セルタイプのガスセンサ素子４１０の分解斜視図である。また、図１１は、ガスセンサ素子４１０の各部材の積層状態を模式的に示す断面図である。以下では、ガスセンサ素子４１０の構造について、第１実施形態のガスセンサ素子１０と異なる点を中心に説明する。なお、図１０および図１１において、第１実施形態のガスセンサ素子１０と同じ部材および部位には、第１実施形態と同じ符号を付している。

ガスセンサ素子４１０は、複合セラミック層４１１を有している。この複合セラミック層４１１の厚み方向一方側ＤＴ１には、第２導体層４５５、保護層４６０が、この順に積層されている。また、複合セラミック層４１１の厚み方向他方側ＤＴ２には、第１導体層４５０、導入路形成層４７０、ヒータ層１８０が、この順に積層されている。

複合セラミック層４１１は、貫通孔４１２ｈを有する絶縁部４１２と、電解質部４３１とを備える。電解質部４３１は、貫通孔４１２ｈ内に埋め込まれている。絶縁部４１２は、厚み方向他方側ＤＴ２を向く第１絶縁面４１３、及び、これとは逆に厚み方向一方側ＤＴ１を向く第２絶縁面４１４を有している。電解質部４３１は、厚み方向他方側ＤＴ２を向く第１電解質面４３３、及び、これとは逆に厚み方向一方側ＤＴ１を向く第２電解質面４３４を有している。

第１導体層４５０は、電解質部４３１の第１電解質面４３３上に、貫通孔４１２ｈの開口面積よりも小さく形成された矩形状の第１電極部４５１と、この第１電極部４５１から長手方向後端側ＤＬ２に延びる帯状の第１リード部４５２とからなる。第１導体層４５０は、第１電解質面４３３と第１絶縁面４１３とに跨がって形成されている。

第２導体層４５５は、電解質部４３１の第２電解質面４３４上に、貫通孔４１２ｈの開口面積よりも小さく形成された略矩形状の第２電極部４５６と、この第２電極部４５６から長手方向後端側ＤＬ２に延びる帯状の第２リード部４５７とからなる。第２導体層４５５は、第２電解質面４３４と第２絶縁面４１４とに跨がって形成されている。

複合セラミック層４１１の厚み方向一方側ＤＴ１には、第２導体層４５５を覆って、保護層４６０が積層されている。この保護層４６０は、多孔質部４６２と保護部４６１とを備える。多孔質部４６２は、第２電極部４５６及び複合セラミック層４１１の電解質部４３１上に配置された多孔質セラミックからなる。保護部４６１は、多孔質部４６２を囲んで収容する貫通孔４６１ｈが穿孔され、複合セラミック層４１１の絶縁部４１２に重なってこれを保護する緻密質セラミックからなる。貫通孔４６１ｈは、第２電極部４５６に外部の被測定ガスを導くガス導入路ＧＤとなっている。

保護部４６１上には、センサパッド部４１６，４１７が設けられている。センサパッド部４１６は、スルーホール４６１ｍ，４１２ｍを通じて、第１導体層４５０の後端側ＤＬ２の端部４５２ｅに電気的に導通している。センサパッド部４１７は、スルーホール４６１ｎを通じて、第２導体層４５５の後端側ＤＬ２の端部４５７ｅに電気的に導通している。

導入路形成層４７０は、緻密質のセラミックからなり、この導入路形成層４７０をその厚さ方向ＤＴに貫通する導入溝４７５が形成されている。導入溝４７５は、導入路形成層４７０のほか、複合セラミック層４１１及びヒータ層１８０（絶縁層１８２）に囲まれて、第１電極部４５１に大気を導入する大気導入路ＡＤを構成する。さらに詳細には、導入溝４７５は、平面視矩形状の基準室溝４７６と、この基準室溝４７６よりも幅細で基準室溝４７６から後端側ＤＬ２に延び、導入路形成層４７０の後端（図１０において右端）に開口する通気溝４７７とからなる。このうち、基準室溝４７６は、導入路形成層４７０のほか、複合セラミック層４１１の電解質部４３１及びヒータ層１８０に囲まれて、基準室ＫＳを構成する。また、通気溝４７７は、導入路形成層４７０のほか、複合セラミック層４１１の絶縁部４１２及びヒータ層１８０に囲まれて、通気路ＴＲを構成する。なお、基準室ＫＳには、電解質部４３１上に形成された第１電極部４５１が露出している。

本実施形態のガスセンサ素子４１０は、第１実施形態のガスセンサ素子１０と同様に、図１に示したガスセンサ１内に配置される。ただし、第２実施形態では、ガスセンサ１の後端部に設けられたグロメット７３に、大気に連通するフィルタが備えられる。導入路形成層４７０の通気溝４７７には、このフィルタを通じて大気が導入される。また、本実施形態では、ヒータパッド部１４，１５の数は第１実施形態と同じであるものの、センサパッド部４１６，４１７は、第１実施形態よりも１つ少ない２つであるため、図１に示した端子部材７５，７６は、第１実施形態よりも１つ少ない４つとなり、また、リード線７８，７９も第１実施形態よりも１本少ない４本となる。

本実施形態におけるガスセンサ素子４１０では、ガスセンサ素子４１０の後端部の周囲の大気が、前述した大気導入路ＡＤを通じて、第１電極部４５１に到達する。一方、ガスセンサ素子４１０の先端部の周囲の被測定ガスは、保護層４６０の貫通孔４６１ｈに配置された多孔質部４６２を通じて、第２電極部４５６に到達する。第１電極部４５１と第２電極部４５６との間には、電解質部４３１が配置されているので、第１電極部４５１に接触する大気の酸素濃度に対し、第２電極部４５６に接触する被測定ガスの酸素濃度が異なる場合、第１電極部４５１と電解質部４３１と第２電極部４５６とで酸素濃淡電池が構成され、第１電極部４５１と第２電極部４５６との間に電位差が生じる。そのため、この電位差を表す信号を、センサパッド部４１６，４１７に導通する２本のリード線７８を通じて取得することにより、被測定ガス中の酸素濃度を検知することができる。なお、酸素濃度測定時には、ヒータパッド部１４，１５に導通する２本のリード線７９を通じてヒータパターン１８１に電流を供給し発熱させることで、電解質部４３１を加熱し活性化させる。

図１２は、図１１に示した断面部分ＡＲ２付近を拡大して示す図である。図１２に示すように、複合セラミック層４１１の電解質部４３１と絶縁部４１２の境界付近の構造は、図４に示した第１実施形態と同様の構造である。つまり、電解質部４３１の厚みＴ１は、絶縁部４１２の厚みＴ２よりも厚い。そして、電解質部４３１は、第１電解質面４３３側に突き出している。また、電解質部４３１は、第１電解質面４３３側に、第１絶縁面４１３に重なって、貫通孔４１２ｈの外側に向けて広がる延出部４３５を有している。延出部４３５の厚みは、延出部４３５の外周に向かうほど薄い。また、延出部４３５の外周は第１絶縁面４１３と連続的に接続している。更に、延出部４３５の他方側ＤＴ２の面である第１延出面４３６は、第１絶縁面４１３と第１電解質面４３３とを連続的に接続している。そのため、第１絶縁面４１３と第１延出面４３６と第１電解質面４３３とは、段差なく一つの面を構成するように接続されている。また、絶縁部４１２に形成された貫通孔４１２ｈの第１絶縁面４１３側における側端部４３７は、絶縁部４１２の厚み方向内側から外側に向かって凸となる円弧状である。つまり、貫通孔４１２ｈの第１絶縁面４１３側の開口面積は、厚み方向内側から外側に向かうほど大きくなっている。図１２に示した構造は、電解質部４３１の外周全体にわたって同様である。なお、本実施形態においても、電解質部４３１の厚みＴ１とは、電解質部４３１の最大の厚みである。また、絶縁部４１２の厚みＴ２とは、絶縁部４１２の最大の厚みである。

以上で説明した第２実施形態においても、第１絶縁面４１３と第１電解質面４３３とに跨がって形成された第１導体層４５０に亀裂や断線が生じることを抑制することができる。また、その他にも、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、第２実施形態では、複合セラミック層４１１の他方側ＤＴ２の面に延出部４３５が形成されているが、一方側ＤＴ１側の面に延出部４３５が形成されていても良い。また、複合セラミック層４１１の一方側ＤＴ１と他方側ＤＴ２の両方の面に延出部４３５が形成されても良い。

Ｃ．変形例：
＜変形例１＞
上述した実施形態では、複合セラミック層の電解質部の全周にわたって延出部が形成されている。これに対して、延出部は、電解質部の外周のうち、導体層が接触する部分だけに形成されていてもよい。このような構成であっても、導体層に亀裂や切断が生じることを抑制することができる。

＜変形例２＞
ガスセンサ素子は、上述した実施形態に記載された製造方法に限らず、種々の方法で製造可能である。例えば、上記実施形態では、薄い鉄板を未焼成絶縁部と未焼成電解質部とに同時に押し当てることで、絶縁部と電解質部とを連続的に接続している。これに対して、例えば、絶縁部よりも厚い電解質部を、絶縁部の貫通孔に挿入した後に、電解質部と同じ材料を、電解質部と絶縁部とが連続的に接続されるように塗布してもよい。こうすることによっても、電解質部と絶縁部とを連続的に接続することができるので、導体層に亀裂や切断が生じることを抑制することができる。

＜変形例３＞
上述した実施形態では、絶縁部に形成された貫通孔の第１絶縁面側における側端部が円弧状であるものとしたが、傾斜状であってもよく、また、直角に形成されていても良い。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…ガスセンサ
１０，４１０…ガスセンサ素子
１０ｓ…先端部
１０ｋ…後端部
１４〜１８…パッド部
２０…主体金具
２１…セラミックホルダ
２２，２３…粉末充填層
２４…セラミックスリーブ
２５…金属ホルダ
２６…加締パッキン
２７…後端部
３１…外部プロテクタ
３２…内部プロテクタ
３１ｈ，３２ｈ…ガス導入孔
５１…外筒
６０…セパレータ
６２…挿入孔
７３…グロメット
７５，７６…端子部材
７８，７９…リード線
１１１…検出用複合セラミック層
１１２…検出用絶縁部
１１２ｈ…貫通孔
１１２ｍ…スルーホール
１１２ｓ…未焼成絶縁部用シート
１１３…第１絶縁面
１１４…第２絶縁面
１３１…検出用電解質部
１３１ｓ…未焼成電解質部用シート
１３３…第１電解質面
１３４…第２電解質面
１３５…延出部
１３６…第１延出面
１３７…側端部
１５０…第１導体層
１５１…第１電極層
１５２…第１リード層
１５２ｅ…端部
１５５…第２導体層
１５６…第２電極層
１５７…第２リード層
１５７ｅ…端部
１６０…保護層
１６１…保護部
１６１ｈ…貫通孔
１６１ｍ，１６１ｎ，１６１ｐ…スルーホール
１６２…多孔質部
１７０…絶縁層
１７０ｈ…貫通孔
１７１…本体部
１７１ｍ，１７１ｐ…スルーホール
１７２…多孔質部
１８０…ヒータ層
１８１…ヒータパターン
１８１ｂ…第１リード部
１８１ｃ…第２リード部
１８１ｄ…発熱部
１８１ｅ…端部
１８１ｆ…端部
１８２，１８３…絶縁層
１８３ｍ，１８３ｎ…スルーホール
２１１…ポンプ用複合セラミック層
２１２…ポンプ用絶縁部
２１２ｈ…貫通孔
２１２ｍ，２１２ｐ…スルーホール
２１３…第１絶縁面
２１４…第２絶縁面
２３１…ポンプ用電解質部
２３３…第１電解質面
２３４…第２電解質面
２５０…第１導体層
２５１…第１電極層
２５２…第１リード層
２５２ｅ…端部
２５５…第２導体層
２５６…第２電極層
２５７…第２リード層
２５７ｅ…端部
３０１…下型
３０３…上型
３０５…パンチ
３１２…下側鉄板
３１３…上側鉄板
４１１…複合セラミック層
４１２…絶縁部
４１２ｈ…貫通孔
４１２ｍ，４６１ｍ，４６１ｎ…スルーホール
４１３…第１絶縁面
４１４…第２絶縁面
４１６，４１７…センサパッド部
４３１…電解質部
４３３…第１電解質面
４３４…第２電解質面
４３５…延出部
４３６…第１延出面
４３７…側端部
４５０…第１導体層
４５１…第１電極部
４５２…第１リード部
４５２ｅ…端部
４５５…第２導体層
４５６…第２電極部
４５７…第２リード部
４５７ｅ…端部
４６０…保護層
４６１…保護部
４６１ｈ…貫通孔
４６２…多孔質部
４７０…導入路形成層
４７５…導入溝
４７６…基準室溝
４７７…通気溝
ＡＸ…軸線
ＡＲ１，ＡＲ２…断面部分
ＧＤ…ガス導入路
ＡＤ…大気導入路
ＳＰ…測定室
ＴＲ…通気路
ＫＳ…基準室
ＤＬ…長手方向
ＤＬ１…長手方向先端側
ＤＬ２…長手方向後端側
ＤＴ…厚み方向
ＤＴ１…厚み方向一方側
ＤＴ２…厚み方向他方側

Claims

絶縁性セラミックを含み、厚み方向に貫通する貫通孔が形成された板状の絶縁部、及び、固体電解質セラミックを含み、前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された電解質部、を有する複合セラミック層と、
前記絶縁部の一方の面である第１絶縁面と、前記電解質部の前記一方側の面である第１電解質面とに跨がって形成された第１導体層と、
を備えるガスセンサ素子であって、
前記電解質部の厚みは、前記絶縁部の厚みよりも厚く、
前記電解質部は、前記第１電解質面側に、前記第１絶縁面に重なって、前記貫通孔の外側に向けて広がる延出部を有し、
前記延出部の厚みは前記延出部の外周に向かうほど薄く、前記延出部の外周は前記第１絶縁面と連続的に接続し、
前記延出部の前記一方側の面である第１延出面は、前記第１絶縁面と前記第１電解質面とを連続的に接続する
ことを特徴とするガスセンサ素子。
請求項１に記載のガスセンサ素子であって、
前記絶縁部に形成された前記貫通孔の前記第１絶縁面側における側端部は前記絶縁部の厚み方向内側から外側に向かって凸となる円弧状であることを特徴とするガスセンサ素子。
請求項１または請求項２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。
絶縁性セラミックを含み、厚み方向に貫通する貫通孔が形成された板状の絶縁部、及び、固体電解質セラミックを含み、前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された電解質部、を有する複合セラミック層と、
前記絶縁部の一方の面である第１絶縁面と、前記電解質部の前記一方側の面である第１電解質面とに跨がって形成された第１導体層と、
を備え、
前記電解質部の厚みは、前記絶縁部の厚みよりも厚く、
前記電解質部は、前記第１電解質面側に、前記第１絶縁面に重なって、前記貫通孔の外側に向けて広がる延出部を有し、
前記延出部の厚みは前記延出部の外周に向かうほど薄く、前記延出部の外周は前記第１絶縁面と連続的に接続し、
前記延出部の前記一方側の面である第１延出面は、前記第１絶縁面と前記第１電解質面とを連続的に接続する
ガスセンサ素子の製造方法であって、
（Ａ）前記絶縁性セラミックを含み、厚み方向に貫通する貫通孔が形成された板状の未焼成絶縁部の前記貫通孔内に、前記固体電解質セラミックを含み、前記未焼成絶縁部よりも厚い未焼成電解質部を挿入する工程と、
（Ｂ）前記未焼成絶縁部と前記未焼成電解質部とを前記厚み方向に同時に圧縮する工程と、
（Ｃ）前記未焼成絶縁部の一方の面である第１未焼成絶縁面と、前記未焼成電解質部の前記一方側の面である第１未焼成電解質面とを跨ぐ未焼成第１導体層を形成する工程と、
（Ｄ）前記未焼成絶縁部、前記未焼成電解質部、及び、前記未焼成第１導体層を焼成して、前記絶縁部及び前記電解質部を有する前記複合セラミック層及び前記第１導体層を形成する工程と、を備え、
前記工程（Ｂ）では、前記第１未焼成電解質部の前記第１未焼成電解質面側に、前記第１未焼成絶縁面に重なって前記貫通孔の外側に向けて広がる未焼成延出部を、前記未焼成延出部の厚みが前記未焼成延出部の外周に向かうほど薄く形成すると共に、前記未焼成延出部の外周と第１未焼成絶縁面とを連続的に接続し、前記未焼成延出部の前記一方側の面である第１未焼成延出面を、前記第１未焼成絶縁面と前記第１未焼成電解質面とを連続的に接続するように圧縮を行う、
ことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。