JP6408960B2 - ガスセンサ素子、ガスセンサ及びガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガスを検出するガスセンサ素子、このようなガスセンサ素子を備えるガスセンサ、及び、ガスセンサ素子の製造方法に関する。
ガスセンサ素子に関して、例えば、特許文献１には、絶縁部材（後述する周囲部）の貫通孔内に固体電解質体（後述する電解質部）を配置した層（後述する複合セラミック層）を有するガスセンサ素子が開示されている。
しかしながら、上述の特許文献１のガスセンサ素子では、固体電解質体（電解質部）の外周面（後述する電解質外周面）は、絶縁部材（周囲部）の表面に対し、ほぼ垂直な貫通孔の内周面（後述する貫通孔内周面）に接している。このため、電解質部の電解質外周面と周囲部の貫通孔内周面との厚さ方向に接触する長さが短く、製造時に、電解質部の電解質外周面と周囲部の貫通孔内周面との間での、厚み方向の密着長さが十分確保できず、これらの間に生じた隙間によって、電解質部の両主面の間が隙間で連通されたガスセンサ素子となってしまう場合がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、電解質部と周囲部との間の隙間による不具合を抑制した信頼性の高いガスセンサ素子、及び、このようなガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供する。また、このようなガスセンサ素子の製造方法を提供する。
本発明の一態様は、固体電解質セラミックからなる板状で、電解質外周面を含む電解質部と、絶縁性セラミックからなるまたは絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する貫通孔をなす貫通孔内周面を含む周囲部と、を有し、上記電解質部は上記貫通孔内に配置され、上記電解質部の上記電解質外周面は、上記周囲部の上記貫通孔内周面に当接してなる複合セラミック層を備えるガスセンサ素子であって、上記電解質部の上記電解質外周面及び上記周囲部の上記貫通孔内周面のうち、互いに対向する対向面は、それぞれ上記厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなるガスセンサ素子である。
上述のガスセンサ素子では、電解質体の電解質外周面の対向面と周囲部の貫通孔内周面の対向面は、それぞれ厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなす形態を有するので、電解質部の対向面と周囲部の対向面とが厚み方向に接触する長さをより長くすることができる。しかも、貫通孔内周面及び電解質外周面の対向面同士は、全周かつ全面にわたり密着している。このため、電解質部と周囲部との間に、電解質部の両主面の間で連通する隙間が生じるのを抑制することができ、このような隙間を通じたガスの流通による精度低下を防いだガスセンサ素子とすることができる。かくして、信頼性の高いガスセンサ素子とすることができる。
なお、複合セラミック層には、電解質体の電解質外周面全体、及び周囲部の貫通孔内周面全体がそれぞれ対向面となる場合が含まれる。このほか、電解質体と周囲部との、厚みの相違あるいは相互の配置の食い違いにより、電解質体の電解質外周面及び周囲部の貫通孔内周面のうち、それぞれの対向面よりも厚み方向の一方側及び他方側の、両方あるいはいずれか一方に、対向しない部位を含む形態も含まれる。
また、「斜面」に関し、電解質部の厚み方向に沿う縦断面において、電解質部の一方側の主面と電解質外周面の対向面（斜面）とのなす角度θ（鋭角（０°〜９０°の範囲）となる側の角度を指す）を、４５°≦θ≦８０°とするのが好ましい。さらには、５５°≦θ≦７５°とするのがより好ましい。電解質部の一方側の主面と電解質外周面の対向面(斜面)とがなす角度θが、８０°を越えると、対向面は斜面ではあるが垂直に近く、その密着長さを十分確保できない。一方、電解質部の一方側の主面と電解質外周面の対向面(斜面)とがなす角度θが、４５°未満になると、電解質部の他方側の主面の面積確保が難しくなり、この他方側の主面上に設けられる電極が小さくなるため、センサ出力が小さくなる。
また、複合セラミック層をなす周囲部の材質としては、絶縁セラミック（例えばアルミナ）からなるほか、絶縁セラミック及び固体電解質セラミック（例えば、アルミナとジルコニアの混合セラミック）からなるものを用いることもできる。
さらに、上述のガスセンサ素子であって、前記電解質部は、シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、前記固体電解質セラミックとなる電解質シート体を焼成してなり、前記周囲部は、上記電解質シート体の上記シート体外周面に接した、前記絶縁性セラミックまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックとなるセラミックペーストの層を焼成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、電解質部は電解質シート体を、周囲部は絶縁ペーストの層をそれぞれ焼成してなる。しかも、焼成前、絶縁ペーストの層は、電解質シート体のシート体外周面に接している。このため、シート体外周面の斜面の形が維持された状態で焼成されるので、電解質部の電解質外周面の対向面を確実に前述の斜面をなす形にできる。その上、電解質外周面となるシート体外周面に絶縁ペーストの層が密着して形成される。従って、電解質外周面及び周囲部の貫通孔内周面の対向面同士を、全周かつ全面にわたって確実に密着させたガスセンサ素子とすることができる。
また、セラミックペーストの材質としては、絶縁セラミック（例えばアルミナ）からなるほか、絶縁セラミックと固体電解質セラミックを含むセラミック（例えばアルミナとジルコニア）からなるものも用いることができる。
上述のガスセンサ素子であって、前記複合セラミック層の前記厚み方向の前記一方側に、前記電解質部を加熱するヒータを備えるガスセンサ素子とすると良い。
このガスセンサ素子では、厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する対向面(斜面)を有する電解質部の一方側に、ヒータが配置されている。即ち、一方側ほど断面積が大きくなっている電解質部を、その一方側からヒータで加熱できるので、電解質部を加熱しやすく、より早く昇温及び活性化させることができる。
さらに、上述のガスセンサ素子であって、前記複合セラミック層と前記ヒータとの間に配置された第２複合セラミック層を備え、上記第２複合セラミック層は、前記固体電解質セラミックからなる板状で、第２電解質外周面を含む第２電解質部と、前記絶縁性セラミックからなるまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する第２貫通孔をなす第２貫通孔内周面を含み、上記第２電解質部よりも熱伝導率の高い第２周囲部と、を有し、上記第２電解質部は上記第２貫通孔内に配置され、上記第２電解質部の上記第２電解質外周面は、上記第２周囲部の上記第２貫通孔内周面に当接し、上記第２電解質部が上記複合セラミック層の前記電解質部と離間して、これとの間に被測定ガスが導入される測定室を構成してなり、上記第２電解質部の上記第２電解質外周面及び上記第２周囲部の上記第２貫通孔内周面のうち、互いに対向する第２対向面は、それぞれ前記厚み方向の一方側に進むほど内側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなるガスセンサ素子とすると良い。
このガスセンサ素子では、前述した複合セラミック層に加えて、この複合セラミック層とヒータとの間に配置された第２複合セラミック層を備えており、第２複合セラミック層はその第２電解質部と複合セラミック層の電解質部との間に、測定室を構成している。また、第２周囲部は、第２電解質部よりも熱伝導率が高く、しかも、複合セラミック層の対向面とは逆に、第２複合セラミック層の第２対向面は、一方側に進むほど内側に位置する斜面をなしている。つまり、第２複合セラミック層のうち、相対的に熱伝導率の高い第２周囲部では、一方側（即ちヒータ側）の面積が大きくなっている。
このガスセンサ素子では、複合セラミック層とヒータとの間に第２複合セラミック層が介在し、しかも、測定室も存在しているため、第２複合セラミック層の第２電解質部に比して、複合セラミック層の電解質部には、ヒータの熱が届きにくく、温度上昇しにくい。しかし、このガスセンサ素子では、ヒータから発した熱を、熱伝導率の高い第２周囲部のうち比較的大きな面積の一方側の面から、より多くこの第２周囲部に取り入れて、効率よく複合セラミック層側に移行させることができる。このため、第２対向面を厚み方向に平行あるいは、一方側に進むほど外側に位置する斜面とした場合に比して、複合セラミック層の電解質部をより適切に加熱し昇温させることができる。
このガスセンサ素子では、複合セラミック層とヒータとの間に第２複合セラミック層が介在し、しかも、測定室も存在しているため、第２複合セラミック層の第２電解質部に比して、複合セラミック層の電解質部には、ヒータの熱が届きにくく、温度上昇しにくい。しかし、このガスセンサ素子では、ヒータから発した熱を、熱伝導率の高い第２周囲部のうち比較的大きな面積の一方側の面から、より多くこの第２周囲部に取り入れて、効率よく複合セラミック層側に移行させることができる。このため、第２対向面を厚み方向に平行あるいは、一方側に進むほど外側に位置する斜面とした場合に比して、複合セラミック層の電解質部をより適切に加熱し昇温させることができる。
さらに、本発明の他の一態様は、前述のいずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサである。
上述のガスセンサは、前述したガスセンサ素子を備えるため、電解質部と周囲部との間に隙間が生じるのを抑制した信頼性の高いガスセンサとすることができる。
さらに、本発明の他の一態様は、固体電解質セラミックからなる板状で、電解質外周面を含む電解質部と、絶縁性セラミックからなるまたは絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する貫通孔をなす貫通孔内周面を含む周囲部と、を有し、上記電解質部は上記貫通孔内に配置され、上記電解質部の上記電解質外周面は、上記周囲部の上記貫通孔内周面に当接してなる複合セラミック層を備えるガスセンサ素子の製造方法であって、上記電解質部の上記電解質外周面及び上記周囲部の上記貫通孔内周面のうち、互いに対向する対向面は、それぞれ上記厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなり、上記固体電解質セラミックとなるグリーンシートから形成されてなり、シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなす形態とした電解質シート体の周囲に、上記シート体外周面に接するように、上記絶縁性セラミックまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックとなるセラミックペーストの層を配置し乾燥させて、未焼成複合セラミック層を形成する複合層形成工程と、上記未焼成複合セラミック層を焼成して、上記電解質部と上記周囲部とを有する上記複合セラミック層を形成する焼成工程と、を備えるガスセンサ素子の製造方法である。
上述のガスセンサ素子の製造方法では、複合層形成工程で、上述した斜面をなすシート体外周面に接するよう、絶縁ペーストの層を電解質シート体の周囲に配置する。これにより、シート体外周面に絶縁ペーストの層を確実に、かつ、大きな接触面積で密着させることができる。このため、焼成後の電解質外周面及び周囲部の貫通孔内周面の対向面同士の間に隙間が生じるのを防いで、信頼性の高いガスセンサ素子を製造できる。
なお、電解質シート体としては、例えば、パンチ型を用いて、電解質シートを打ち抜いたもの、レーザビーム等のエネルギービームや切断刃を用いて、電解質シートから切り出したものが挙げられる。
また、「シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面」に関し、電解質シート体のシート厚み方向に沿う縦断面において、電解質シート体の主面と、シート体外周面（斜面）とのなす角度θｓが、４５°≦θｓ≦８０°とするのが好ましい。さらには、５５°≦θｓ≦７５°とするのがより好ましい。電解質シート体の主面とシート体外周面の斜面とがなす角度θｓが、８０°を越えると、斜面はほぼ垂直に近くなり、周囲のセラミックペーストの層との密着長さを十分確保できない。一方、電解質シートの主面とシート外周面の斜面とがなす角度θｓが、４５°未満になると、焼成後の電解質部の他方側の主面の面積確保が難しくなり、この他方側の主面上に設けられる電極が小さくなるため、センサ出力が小さくなる。
また、「シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面」に関し、電解質シート体のシート厚み方向に沿う縦断面において、電解質シート体の主面と、シート体外周面（斜面）とのなす角度θｓが、４５°≦θｓ≦８０°とするのが好ましい。さらには、５５°≦θｓ≦７５°とするのがより好ましい。電解質シート体の主面とシート体外周面の斜面とがなす角度θｓが、８０°を越えると、斜面はほぼ垂直に近くなり、周囲のセラミックペーストの層との密着長さを十分確保できない。一方、電解質シートの主面とシート外周面の斜面とがなす角度θｓが、４５°未満になると、焼成後の電解質部の他方側の主面の面積確保が難しくなり、この他方側の主面上に設けられる電極が小さくなるため、センサ出力が小さくなる。
さらに、上述のガスセンサ素子の製造方法であって、前記複合層形成工程に先立って、ＣＷレーザの円錐状に収束するレーザビームを前記グリーンシートに当てつつ、上記グリーンシートの拡がり方向に移動させて、前記電解質シート体を切り出す切り出し工程を備えるガスセンサ素子の製造方法とすると良い。
上述のガスセンサ素子の製造方法は、上述の切り出し工程を備えるため、切断面（シート体外周面）が斜面となった電解質シート体を確実に形成することができる。従って、シート体外周面が前述の斜面となった電解質シート体を確実に用いてガスセンサ素子を製造できる。
（実施形態）
まず、本実施形態にかかるガスセンサ素子１０を備えるガスセンサ１について説明する。図１は、実施形態にかかるガスセンサ１を軸線ＡＸに沿って切断した縦断面図である。図２は、実施形態にかかるガスセンサ素子１０の平面図である。図３は、ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。図４は、図２のＢ−Ｂ矢視断面に対応する縦断面説明図であり、ガスセンサ素子１０の内部構造を示している。
ガスセンサ１は、内燃機関の排気管（図示しない）に装着されて使用される酸素センサである（図１参照）。このガスセンサ１は、被測定ガスである排ガス中の酸素濃度を検出可能な矩形板状のガスセンサ素子１０のほか、このガスセンサ素子１０を自身の内部に保持する筒状の主体金具２０を備える。また、この主体金具２０の、軸線ＡＸに沿う軸線方向ＤＡの先端側（図１中、下方）には、外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が、軸線方向ＤＡの後端側（図１中、上方）には、筒状の外筒５１がそれぞれ配置されている。さらに、外筒５１の内側に配置されてガスセンサ素子１０を保持するセパレータ６０と、このセパレータ６０及びガスセンサ素子１０の間に配置される５個の端子部材７５，７５，７６，７６，７６とを備える（図１参照）。これら５個の端子部材７５，７５，７６，７６，７６は、それぞれガスセンサ素子１０の後述するパッド部１４，１５，１６，１７，１８のいずれかに弾性的に当接し、電気的に接続している。
まず、本実施形態にかかるガスセンサ素子１０を備えるガスセンサ１について説明する。図１は、実施形態にかかるガスセンサ１を軸線ＡＸに沿って切断した縦断面図である。図２は、実施形態にかかるガスセンサ素子１０の平面図である。図３は、ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。図４は、図２のＢ−Ｂ矢視断面に対応する縦断面説明図であり、ガスセンサ素子１０の内部構造を示している。
ガスセンサ１は、内燃機関の排気管（図示しない）に装着されて使用される酸素センサである（図１参照）。このガスセンサ１は、被測定ガスである排ガス中の酸素濃度を検出可能な矩形板状のガスセンサ素子１０のほか、このガスセンサ素子１０を自身の内部に保持する筒状の主体金具２０を備える。また、この主体金具２０の、軸線ＡＸに沿う軸線方向ＤＡの先端側（図１中、下方）には、外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が、軸線方向ＤＡの後端側（図１中、上方）には、筒状の外筒５１がそれぞれ配置されている。さらに、外筒５１の内側に配置されてガスセンサ素子１０を保持するセパレータ６０と、このセパレータ６０及びガスセンサ素子１０の間に配置される５個の端子部材７５，７５，７６，７６，７６とを備える（図１参照）。これら５個の端子部材７５，７５，７６，７６，７６は、それぞれガスセンサ素子１０の後述するパッド部１４，１５，１６，１７，１８のいずれかに弾性的に当接し、電気的に接続している。
このうち主体金具２０は、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを自身よりも先端側（図１中、下方）に突出させると共に、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを自身よりも軸線方向ＤＡの後端側（図１中、上方）に突出させた状態で、ガスセンサ素子１０を保持している。また、金属製の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２は、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は複数の孔３１ｈ、３２ｈを有しており、この孔３１ｈ、３２ｈを通じて、外部プロテクタ３１の外部の被測定ガスを、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の周囲に導入することができる。
一方、主体金具２０の軸線方向ＤＡの後端側には、外筒５１が被せられている。この外筒５１内には、絶縁セラミックからなり、５本のリード線７４の先端にそれぞれ設けられた５個の端子部材７５，７６を互いに離間して保持するセパレータ６０が保持具７９によって保持されている。セパレータ６０は、軸線ＡＸ方向に貫通し、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを挿入する挿入孔６２を有している（図１参照）。
また、外筒５１の後端側（図１中、上方）の後端開口部５１ｃは、５本のリード線７４を挿通したグロメット７３で閉塞されている。
また、外筒５１の後端側（図１中、上方）の後端開口部５１ｃは、５本のリード線７４を挿通したグロメット７３で閉塞されている。
ガスセンサ素子１０は、矩形板状で、自身の中心が軸線ＡＸに一致する形態でガスセンサ１内に配置されている（図１参照）。なお、このガスセンサ素子１０の長手方向ＤＬが軸線ＡＸに沿う軸線方向ＤＡに平行であり、長手方向ＤＬの先端側ＤＬ１が、前述した軸線方向ＤＡの先端側、長手方向ＤＬの後端側ＤＬ２が前述した軸線方向ＤＡの後端側に、それぞれ対応する。
ガスセンサ素子１０は、厚み方向ＤＴの他方側ＤＴ２（図３，４中、上方）を向く第１素子主面１０ａ上で、かつ、後端部１０ｋ内に、３つのセンサパッド部１６，１７，１８を有している。また、厚み方向一方側ＤＴ１（図３，４中、下方）を向く第２素子主面１０ｂ上で、かつ、後端部１０ｋ内に、２つのヒータパッド部１４，１５を有している。 ヒータパッド部１４，１５は、素子１０内で後述するヒータ１８１に導通、接続している。また、センサパッド部１６は後述する第４導体層１９５に、センサパッド部１７は後述する第１導体層１５０に、センサパッド部１８は後述する第２導体層１５５及び第３導体層１９０に、素子１０内でそれぞれ導通、接続している。
ガスセンサ素子１０は、厚み方向ＤＴの他方側ＤＴ２（図３，４中、上方）を向く第１素子主面１０ａ上で、かつ、後端部１０ｋ内に、３つのセンサパッド部１６，１７，１８を有している。また、厚み方向一方側ＤＴ１（図３，４中、下方）を向く第２素子主面１０ｂ上で、かつ、後端部１０ｋ内に、２つのヒータパッド部１４，１５を有している。 ヒータパッド部１４，１５は、素子１０内で後述するヒータ１８１に導通、接続している。また、センサパッド部１６は後述する第４導体層１９５に、センサパッド部１７は後述する第１導体層１５０に、センサパッド部１８は後述する第２導体層１５５及び第３導体層１９０に、素子１０内でそれぞれ導通、接続している。
このガスセンサ素子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、図３，４に示すように、厚み方向一方側ＤＴ１から、ヒータ層１８０、第４導体層１９５、第２複合層１３１、第３導体層１９０、絶縁層１７０、第２導体層１５５、第１複合層１１１、第１導体層１５０及び保護層１６０をこの順に積層してなる。
これらのうち、第２複合層１３１は、絶縁性セラミック（アルミナセラミック）からなる板状で、その厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔１３２ｈを有する第２周囲部１３２と、ジルコニアセラミックからなる板状で、第２周囲部１３２の貫通孔１３２ｈ内に配置された第２電解質部１４１とを備える（図３参照）。この第２電解質部１４１は、厚み方向他方側ＤＴ２を向く電解質主面１４３、厚み方向一方側ＤＴ１を向く電解質主面１４４を有している（図４参照）。また、第２複合層１３１の厚み方向他方側ＤＴ２（図４中、上方）に配置された第３導体層１９０は、第２電解質部１４１の電解質主面１４３上に配置され、しかも貫通孔１３２ｈよりも内側に引き下がった矩形状の第３電極層１９１と、この第３電極層１９１から長手方向後端側ＤＬ２（図３，４において右方）に延びる帯状の第３延出層１９２とからなる。第２複合層１３１の厚み方向一方側ＤＴ１（図４中、下方）に配置された第４導体層１９５は、第２電解質部１４１の電解質主面１４４上に配置され、しかも貫通孔１３２ｈよりも内側に引き下がった矩形状の第４電極層１９６と、この第４電極層１９６から長手方向後端側ＤＬ２に延びる帯状の第４延出層１９７とからなる。第４電極層１９６は、使用時には後述する測定室ＳＰ中の酸素が汲み入れられて基準酸素室としても機能する。
一方、第１複合層１１１は、絶縁性セラミック（アルミナセラミック）からなる板状で、その厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔１１２ｈを有する第１周囲部１１２と、ジルコニアセラミックからなる板状で、第１周囲部１１２の貫通孔１１２ｈ内に配置され、これを気密に塞ぐ第１電解質部１２１とを備える（図３参照）。このうち第１周囲部１１２は、貫通孔１１２ｈをなす貫通孔内周面１１５を有している（図４参照）。
また、第１電解質部１２１は、厚み方向他方側ＤＴ２を向く電解質主面１２３、厚み方向一方側ＤＴ１を向く電解質主面１２４、及び、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５に当接する電解質外周面１２５を有している（図４参照）。
第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５のうちの対向面１１５ｋと、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５のうちの対向面１２５ｋとは、互いに対向して、しかも、全周かつ全面にわたり密着している。
また、第１電解質部１２１は、厚み方向他方側ＤＴ２を向く電解質主面１２３、厚み方向一方側ＤＴ１を向く電解質主面１２４、及び、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５に当接する電解質外周面１２５を有している（図４参照）。
第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５のうちの対向面１１５ｋと、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５のうちの対向面１２５ｋとは、互いに対向して、しかも、全周かつ全面にわたり密着している。
また、第１複合層１１１の厚み方向他方側ＤＴ２に配置された第１導体層１５０は、第１電解質部１２１の電解質主面１２３上に配置され、しかも第１周囲部１１２の貫通孔１１２ｈよりも内側に引き下がった矩形状の第１電極層１５１と、この第１電極層１５１から長手方向後端側ＤＬ２（図３，４において右方）に延びる帯状の第１延出層１５２とからなる。
第１複合層１１１の厚み方向一方側ＤＴ１に配置された第２導体層１５５は、第１電解質部１２１の電解質主面１２４上に配置され、しかも貫通孔１１２ｈよりも内側に引き下がった矩形状の第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延出層１５７とからなる。
第１複合層１１１の厚み方向一方側ＤＴ１に配置された第２導体層１５５は、第１電解質部１２１の電解質主面１２４上に配置され、しかも貫通孔１１２ｈよりも内側に引き下がった矩形状の第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延出層１５７とからなる。
絶縁層１７０は、前述した第１複合層１１１の貫通孔１１２ｈ及び第２複合層１３１の貫通孔１３２ｈ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、第１複合層１１１（第１電解質部１２１）、及び第２複合層１３１（第２電解質部１４１）に囲まれて、中空の測定室ＳＰを構成する（図４参照）。この絶縁層１７０は、緻密なアルミナからなる本体部１７１と、多孔質セラミックからなり、貫通孔１７０ｈのうち長手方向ＤＬに沿って延びる辺にそれぞれ形成され、素子１０の外側に露出する２つの多孔質部１７２，１７２とからなる（図３参照）。この多孔質部１７２は、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。
また、第１複合層１１１の他方側ＤＴ２には、第１導体層１５０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１５１及び第１電解質部１２１を覆う多孔質部１６２と、この多孔質部１６２を囲み、第１周囲部１１２に重なってこれを保護する保護部１６１とからなる（図３参照）。
保護部１６１は、図３に示すように、他方側ＤＴ２に向く第１主面１６０ａ（前述した第１素子主面１０ａ）上、かつ長手方向後端側ＤＬ２には、前述した３つのセンサパッド部１６，１７，１８が配置されている。センサパッド部１６は、保護層１６０、第１複合層１１１、絶縁層１７０及び第２複合層１３１を貫通する貫通孔１６１ｍ，１１２ｍ，１７１ｍ，１３２ｍ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第４延出層１９７の後端側ＤＬ２の後端部１９７ｅに導通している。センサパッド部１７は、保護層１６０を貫通する貫通孔１６１ｎ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第１延出層１５２の後端側ＤＬ２の後端部１５２ｅに導通している（図３参照）。さらに、センサパッド部１８は、保護層１６０、第１複合層１１１及び絶縁層１７０を貫通する貫通孔１６１ｐ，１１２ｐ，１７１ｐ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第２延出層１５７の後端部１５７ｅと、第３延出層１９２の後端部１９２ｅとに導通している（図３参照）。
保護部１６１は、図３に示すように、他方側ＤＴ２に向く第１主面１６０ａ（前述した第１素子主面１０ａ）上、かつ長手方向後端側ＤＬ２には、前述した３つのセンサパッド部１６，１７，１８が配置されている。センサパッド部１６は、保護層１６０、第１複合層１１１、絶縁層１７０及び第２複合層１３１を貫通する貫通孔１６１ｍ，１１２ｍ，１７１ｍ，１３２ｍ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第４延出層１９７の後端側ＤＬ２の後端部１９７ｅに導通している。センサパッド部１７は、保護層１６０を貫通する貫通孔１６１ｎ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第１延出層１５２の後端側ＤＬ２の後端部１５２ｅに導通している（図３参照）。さらに、センサパッド部１８は、保護層１６０、第１複合層１１１及び絶縁層１７０を貫通する貫通孔１６１ｐ，１１２ｐ，１７１ｐ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じて、第２延出層１５７の後端部１５７ｅと、第３延出層１９２の後端部１９２ｅとに導通している（図３参照）。
ヒータ層１８０は、第１複合層１１１よりも一方側ＤＴ１に位置し、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、主としてＰｔからなるヒータ１８１とを備える（図３，４参照）。ヒータ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。第１リード部１８１ｂの後端部１８１ｅは、絶縁層１８３を貫通する貫通孔１８３ｍ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じてヒータパッド部１４に、第２リード部１８１ｃの後端部１８１ｆは、貫通孔１８３ｎ内に形成されたスルーホール導体ＢＣを通じてヒータパッド部１５にそれぞれ導通している（図３参照）。このヒータ１８１に通電することにより、第１複合層１１１の第１電解質部１２１及び第２複合層１３１の第２電解質部１４１を加熱し活性化させて、ガスセンサ素子１０として機能させる。
なお、本実施形態に係るガスセンサ素子１０では、第４電極層１９６に予め酸素を供給して基準酸素室を形成しておく。その上で、第２電解質部１４１を挟む第３電極層１９１と第４電極層１９６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、第１電解質部１２１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、第１電解質部１２１を挟む第１電極層１５１と第２電極層１５６との間に流れる電流の方向及び大きさを調整する。なお、第１電極層１５１と第２電極層１５６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比例するため、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。
ところで、本実施形態のガスセンサ素子１０では、第１複合層１１１について、次の特徴を有する。即ち、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５及び第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５のうち、互いに対向する対向面１１５ｋ，１２５ｋは、厚み方向一方側ＤＴ１（図４中、下方）に進むほど第１電解質部１２１の外側に位置する斜面をなしている（図４参照）。また、この図４に示すように、本実施形態の第１電解質部１２１では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に位置する電解質主面１２４と電解質外周面１２５の対向面（斜面）１２５ｋとがなす角度θは、７０°である。
しかも前述したように、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の対向面１１５ｋと、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５の対向面１２５ｋとは、互いに対向し、しかも、全周かつ全面にわたり隙間無く密着している（図３参照）。
しかも前述したように、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の対向面１１５ｋと、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５の対向面１２５ｋとは、互いに対向し、しかも、全周かつ全面にわたり隙間無く密着している（図３参照）。
この第１電解質部１２１は、上述した電解質外周面１２５と同様の斜面をなすシート体外周面２２５（後述）を有する電解質シート体２２１（後述）を焼成したものである。一方、第１周囲部１１２は、電解質シート体２２１のシート体外周面２２５に濡れて接した状態の絶縁ペースト層２１２（後述）を焼成したものである。
以上のように、本実施形態に係るガスセンサ素子１０は、電解質外周面１２５及び貫通孔内周面１１５の対向面１２５ｋ，１１５ｋが、厚み方向一方側ＤＴ１に進むほど第１電解質部１２１の外側に位置する斜面をなす形態を有する。このため、第１電解質部１２１の対向面１２５ｋと第１周囲部１１２の対向面１１５ｋとが厚み方向ＤＴに接触する長さをより長くすることができる。しかも、貫通孔内周面１１５及び電解質外周面１２５の対向面１１５ｋ，１２５ｋ同士は、全周かつ全周にわたり密着している。このため、第１電解質部１２１と第１周囲部１１２との間に、第１電解質部１２１の両主面１２３，１２４の間で連通する隙間が生じるのを抑制することができ、このような隙間を通じたガスの流通による精度低下を防いだガスセンサ素子１０とすることができる。かくして、信頼性の高いガスセンサ素子１０とすることができる。
また、第１電解質部１２１は電解質シート体２２１を、第１周囲部１１２は絶縁ペースト層２１２をそれぞれ焼成してなる。しかも、焼成前、絶縁ペースト層２１２は、電解質シート体２２１のシート体外周面２２５に接している。このため、シート体外周面２２５の斜面の形が維持された状態で焼成されるので、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５の対向面１２５ｋを確実に前述の斜面をなす形にできる。その上、電解質外周面１２５となるシート体外周面２２５に絶縁ペースト層２１２が密着して形成される。従って、電解質外周面１２５及び第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の対向面１２５ｋ，１１５ｋを、全周かつ全面にわたって確実に密着させたガスセンサ素子１０とすることができる。
また、本実施形態に係るガスセンサ１は、上述のガスセンサ素子１０を備えるため、第１電解質部１２１と第１周囲部１１２との間に隙間が生じるのを抑制した信頼性の高いガスセンサ１とすることができる。
しかも、このガスセンサ素子１０では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど外側に位置する対向面１２５ｋ(斜面)を有する第１電解質部１２１の一方側ＤＴ１（図３において下方）に、ヒータ１８１が配置されている。即ち、一方側ＤＴ１ほど断面積が大きくなっている第１電解質部１２１を、その一方側ＤＴ１からヒータ１８１で加熱できる。このため、第１電解質部１２１を加熱しやすく、対向面の傾きが逆である場合に比して、より早く昇温及び活性化させることができる。
次に、本実施形態に係るガスセンサ１のうち、ガスセンサ素子１０の製造方法について、図５〜８を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、次述する電解質シート体２２１等の厚み方向を示すのに、シート厚み方向ＤＺを用いる。
まず、固体電解質セラミックからなる電解質シート(グリーンシート)２２１Ｂから、前述した電解質外周面１２５と同様の形態の斜面をなすシート体外周面２２５を有する電解質シート体２２１を切り出す切り出し工程を行う。
この切り出し工程では、ＣＷレーザ（具体的には、ＹＡＧレーザ）のレーザビームＬＢを用いて、電解質シート２２１Ｂから電解質シート体２２１を切り出す。具体的には、上記レーザビームＬＢを、主面２２１Ｘに垂直に照射する。そして、このレーザビームＬＢを電解質シート２２１Ｂの拡がり方向（例えば、図５（ａ）中の第１方向ＤＸ及び第２方向ＤＹ）に平行に移動させながら、連続的に照射を行う。
本実施形態では、レーザビームＬＢを円錐状に収束する形としているので、図５（ｂ）に示すように、切り出された電解質シート体２２１の切断面（シート体外周面２２５）は、角度θｓ＝７０°の斜面となる。なお、この電解質シート体２２１を用いて、未焼成第１複合層２１１を形成する際、電解質シート体２２１を図５（ｂ）とは反転させて（上下逆にして）用いる。図５（ｂ）において、この電解質シート体２２１のうち、他方側（上方）を向く主面を電解質シート主面２２３とし、一方側（下方）を向く、電解質シート主面２２３よりも広い面積の主面を電解質シート主面２２４とする。
まず、固体電解質セラミックからなる電解質シート(グリーンシート)２２１Ｂから、前述した電解質外周面１２５と同様の形態の斜面をなすシート体外周面２２５を有する電解質シート体２２１を切り出す切り出し工程を行う。
この切り出し工程では、ＣＷレーザ（具体的には、ＹＡＧレーザ）のレーザビームＬＢを用いて、電解質シート２２１Ｂから電解質シート体２２１を切り出す。具体的には、上記レーザビームＬＢを、主面２２１Ｘに垂直に照射する。そして、このレーザビームＬＢを電解質シート２２１Ｂの拡がり方向（例えば、図５（ａ）中の第１方向ＤＸ及び第２方向ＤＹ）に平行に移動させながら、連続的に照射を行う。
本実施形態では、レーザビームＬＢを円錐状に収束する形としているので、図５（ｂ）に示すように、切り出された電解質シート体２２１の切断面（シート体外周面２２５）は、角度θｓ＝７０°の斜面となる。なお、この電解質シート体２２１を用いて、未焼成第１複合層２１１を形成する際、電解質シート体２２１を図５（ｂ）とは反転させて（上下逆にして）用いる。図５（ｂ）において、この電解質シート体２２１のうち、他方側（上方）を向く主面を電解質シート主面２２３とし、一方側（下方）を向く、電解質シート主面２２３よりも広い面積の主面を電解質シート主面２２４とする。
次に、未焼成保護層２６０を用意する。この未焼成保護層２６０は、焼成後、多孔質部１６２となる未焼成多孔質部２６２と、これを囲み、焼成後、保護部１６１となる未焼成保護部２６１とを備える。また、未焼成保護部２６１の後端側ＤＬ２（図６において右方）には、前述した貫通孔１６１ｍ，１６１ｎ，１６１ｐが設けてある。
この未焼成保護層２６０の一方の主面上に、未焼成第１導体層２５０を形成した（図６参照）。具体的には、未焼成第１電極層２５１が、未焼成多孔質部２６２上に位置するよう、既知のスクリーン印刷法で未焼成第１導体層２５０を形成した（図６参照）。続いて、固体電解質セラミックを含む電解質ペースト層ＣＰを、未焼成第１導体層２５０の未焼成第１電極層２５１、及び、未焼成保護層２６０の未焼成多孔質部２６２を覆うように塗布した上で、さらに、電解質シート体２２１を重ねた。なお、電解質ペースト層ＣＰは、電解質シート体２２１と同じ固体電解質セラミックを含み、未焼成第１電極層２５１及び未焼成多孔質部２６２と、電解質シート体２２１とを接着させるためのものである。電解質シート体２２１を未焼成多孔質部２６２等に重ねるにあたり、電解質シート体２２１の電解質シート主面２２３を電解質ペースト層ＣＰに向けて（下方に向けて）配置した（図６参照）。
この未焼成保護層２６０の一方の主面上に、未焼成第１導体層２５０を形成した（図６参照）。具体的には、未焼成第１電極層２５１が、未焼成多孔質部２６２上に位置するよう、既知のスクリーン印刷法で未焼成第１導体層２５０を形成した（図６参照）。続いて、固体電解質セラミックを含む電解質ペースト層ＣＰを、未焼成第１導体層２５０の未焼成第１電極層２５１、及び、未焼成保護層２６０の未焼成多孔質部２６２を覆うように塗布した上で、さらに、電解質シート体２２１を重ねた。なお、電解質ペースト層ＣＰは、電解質シート体２２１と同じ固体電解質セラミックを含み、未焼成第１電極層２５１及び未焼成多孔質部２６２と、電解質シート体２２１とを接着させるためのものである。電解質シート体２２１を未焼成多孔質部２６２等に重ねるにあたり、電解質シート体２２１の電解質シート主面２２３を電解質ペースト層ＣＰに向けて（下方に向けて）配置した（図６参照）。
続いて、図７に示すように、電解質シート体２２１の周囲に絶縁ペースト層２１２を配置して、未焼成第１複合層２１１を形成する複合層形成工程を行う。
具体的には、絶縁性セラミックを含む絶縁ペーストを、未焼成保護層２６０及び未焼成第１導体層２５０を覆うと共に、電解質シート体２２１のシート体外周面２２５に濡れて接するように塗布し乾燥して、絶縁ペースト層２１２を形成する（図７参照）。なお、塗布の際、流動性を有する絶縁ペーストが、前述した斜面をなすシート体外周面２２５に濡れて接するため、乾燥後においても、シート体外周面２２５に絶縁ペースト層２１２を確実に、かつ、大きな接触面積で密着させることができる。
かくして、未焼成保護層２６０上に、電解質シート体２２１と絶縁ペースト層２１２とからなる未焼成第１複合層２１１を形成した（図７参照）。
具体的には、絶縁性セラミックを含む絶縁ペーストを、未焼成保護層２６０及び未焼成第１導体層２５０を覆うと共に、電解質シート体２２１のシート体外周面２２５に濡れて接するように塗布し乾燥して、絶縁ペースト層２１２を形成する（図７参照）。なお、塗布の際、流動性を有する絶縁ペーストが、前述した斜面をなすシート体外周面２２５に濡れて接するため、乾燥後においても、シート体外周面２２５に絶縁ペースト層２１２を確実に、かつ、大きな接触面積で密着させることができる。
かくして、未焼成保護層２６０上に、電解質シート体２２１と絶縁ペースト層２１２とからなる未焼成第１複合層２１１を形成した（図７参照）。
さらに、未焼成保護層２６０上に形成した未焼成第１複合層２１１上に、未焼成第２導体層２５５を形成した。具体的には、未焼成第２電極層２５６が、電解質シート体２２１の電解質シート主面２２４上に位置し、未焼成第２延出層２５７が絶縁ペースト層２１２上に位置するように、スクリーン印刷法で未焼成第２導体層２５５を形成した（図８参照）。但し、図８では、未焼成保護層２６０、未焼成第１複合層２１１、未焼成第２導体層２５５等を、図７とは反転（上下逆に）した状態で示している。また、図８では、図８中、上下方向をシート厚み方向ＤＺとし、図中、下方から上方に向かう方向をシート厚み方向ＤＺの他方側ＤＺ２、逆に図中、上方から下方に向かう方向をシート厚み方向ＤＺの一方側ＤＺ１とする。なお、これとは逆に、図６，７においては、下方から上方に向かう方向をシート厚み方向ＤＺの他方側ＤＺ２、逆に図中、上方から下方に向かう方向をシート厚み方向ＤＺの一方側ＤＺ１としている。すると、図６〜８において、未焼成第１複合層２１１は、シート厚み方向ＤＺの一方側ＤＺ１に進むほど電解質シート体２２１の外側に位置する斜面をなすシート体外周面２２５を有するものとなっている。
次に、公知の手法により、絶縁性グリーンシート（図示しない）からなる未焼成周囲部２３２のシート貫通孔２３２ｈ内に、前述した電解質シート２２１Ｂからなる矩形板状の未焼成電解質部２４１を配置した未焼成第２複合層２３１を形成した。なお、未焼成周囲部２３２は、焼成後、第２周囲部１３２に、未焼成電解質部２４１は、焼成後、第２電解質部１４１になる。
その後、未焼成周囲部２３２に貫通孔１３２ｍを形成した上で、未焼成第２複合層２３１の両主面上に未焼成第３導体層２９０及び未焼成第４導体層２９５を、スクリーン印刷法を用いて形成した（図８参照）。具体的には、未焼成第３導体層２９０の未焼成第３電極層２９１が、上述した未焼成第２複合層２３１の未焼成電解質部２４１の他方側ＤＺ２を向く電解質主面２４３上に位置し、未焼成第３延出層２９２が未焼成周囲部２３２上に位置するように、未焼成第２複合層２３１の他方側ＤＺ２を向く第１主面２３１ａ上に形成した。また、未焼成第４導体層２９５の未焼成第４電極層２９６が、未焼成電解質部２４１の一方側ＤＺ１を向く電解質主面２４４上に位置し、未焼成第４延出層２９７が未焼成周囲部２３２上に位置するように、未焼成第２複合層２３１の一方側ＤＺ１を向く第２主面２３１ｂ上に形成した。
その後、未焼成周囲部２３２に貫通孔１３２ｍを形成した上で、未焼成第２複合層２３１の両主面上に未焼成第３導体層２９０及び未焼成第４導体層２９５を、スクリーン印刷法を用いて形成した（図８参照）。具体的には、未焼成第３導体層２９０の未焼成第３電極層２９１が、上述した未焼成第２複合層２３１の未焼成電解質部２４１の他方側ＤＺ２を向く電解質主面２４３上に位置し、未焼成第３延出層２９２が未焼成周囲部２３２上に位置するように、未焼成第２複合層２３１の他方側ＤＺ２を向く第１主面２３１ａ上に形成した。また、未焼成第４導体層２９５の未焼成第４電極層２９６が、未焼成電解質部２４１の一方側ＤＺ１を向く電解質主面２４４上に位置し、未焼成第４延出層２９７が未焼成周囲部２３２上に位置するように、未焼成第２複合層２３１の一方側ＤＺ１を向く第２主面２３１ｂ上に形成した。
そのほか、未焼成絶縁層２８３には、貫通孔１８３ｍ，１８３ｎを、未焼成絶縁層２７０の未焼成本体部２７１には、貫通孔１７１ｍ，１７１ｎを、それぞれ形成しておく。また、焼成により緻密な本体部１７１となる未焼成本体部２７１のほか、焼成により多孔質の多孔質部１７２となる未焼成多孔質部２７２とからなり、矩形状の貫通孔２７０ｈを有する未焼成絶縁層２７０を形成しておく。このうち未焼成多孔質部２７２は、貫通孔２７０ｈのうち長手方向ＤＬに延びる２辺の一部を構成し、側方（長手方向ＤＬ及びシート厚み方向ＤＺに直交する方向）に露出している。なお、この未焼成絶縁層２７０（未焼成本体部２７１，未焼成多孔質部２７２）を、スクリーン印刷法により、未焼成第１複合層２１１上、あるいは、未焼成第２複合層２３１上に形成しておくこともできる。
次いで、図８に示すように、未焼成絶縁層２８３、未焼成ヒータ２８１、未焼成絶縁層２８２、未焼成第２複合層２３１、未焼成絶縁層２７０、及び、未焼成保護層２６０を積層した未焼成第１複合層２１１を、この順に積層して、未焼成素子２１０を形成する。
その後、この未焼成素子２１０の各貫通孔内に未焼成スルーホール導体（図示しない）を配置し、さらに、未焼成素子２１０の外側から各貫通孔を閉塞するよう、スクリーン印刷法を用いて、未焼成パッド部（図示しない）を未焼成素子２１０上に形成した。
その後、この未焼成素子２１０の各貫通孔内に未焼成スルーホール導体（図示しない）を配置し、さらに、未焼成素子２１０の外側から各貫通孔を閉塞するよう、スクリーン印刷法を用いて、未焼成パッド部（図示しない）を未焼成素子２１０上に形成した。
次に、未焼成第１複合層２１１（電解質シート体２２１，絶縁ペースト層２１２）を含む未焼成素子２１０を焼成する焼成工程を行った。
電解質シート体２２１はシート体外周面２２５の斜面の形が維持された状態で焼成される。かくして、斜面（電解質外周面１２５の対向面１２５ｋ及びこれに対向する貫通孔内周面１１５の対向面１１５ｋ）を含む第１電解質部１２１と第１周囲部１１２とを有する第１複合層１１１を備えるガスセンサ素子１０を作製した（図２，３参照）。
電解質シート体２２１はシート体外周面２２５の斜面の形が維持された状態で焼成される。かくして、斜面（電解質外周面１２５の対向面１２５ｋ及びこれに対向する貫通孔内周面１１５の対向面１１５ｋ）を含む第１電解質部１２１と第１周囲部１１２とを有する第１複合層１１１を備えるガスセンサ素子１０を作製した（図２，３参照）。
本実施形態に係るガスセンサ素子１０の製造方法では、複合層形成工程で、前述した斜面、即ち、電解質シート２２１Ｂのシート厚み方向一方側ＤＺ１（図６，７中、上方、図８中、下方）に進むほど電解質シート体２２１の外側に位置する斜面をなすシート体外周面２２５に接するよう、絶縁ペースト層２１２を電解質シート体２２１の周囲に配置する。これにより、シート体外周面２２５に絶縁ペースト層２１２を確実に、かつ、大きな接触面積で密着させることができる。このため、焼成後の電解質外周面１２５及び第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の対向面１２５ｋ，１１５ｋ同士の間に隙間が生じるのを防いで、信頼性の高いガスセンサ素子１０を製造できる。
また、複合層形成工程に先立つ切り出し工程で、切断面（シート体外周面２２５）が上述の斜面となった電解質シート体２２１を確実に形成できる。従って、シート体外周面２２５が上述の斜面となった電解質シート体２２１を確実に用いてガスセンサ素子１０を製造できる。
（変形形態）
上述の実施形態のガスセンサ１においては、図４に示すように、ガスセンサ素子１０の２つの複合層１１１，１３１のうち、第１複合層１１１における第１電解質部１２１と第１周囲部１１２との間の対向面１１５ｋ，１２５ｋのみを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、外側に位置する斜面とした。即ち、第２複合層１３１の第２電解質部１４１と第２周囲部１３２との間の第２対向面１３５ｋ，１４５ｋは、厚み方向ＤＴに平行な面とした。
上述の実施形態のガスセンサ１においては、図４に示すように、ガスセンサ素子１０の２つの複合層１１１，１３１のうち、第１複合層１１１における第１電解質部１２１と第１周囲部１１２との間の対向面１１５ｋ，１２５ｋのみを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、外側に位置する斜面とした。即ち、第２複合層１３１の第２電解質部１４１と第２周囲部１３２との間の第２対向面１３５ｋ，１４５ｋは、厚み方向ＤＴに平行な面とした。
これに対し、本変形形態のガスセンサ３０１のガスセンサ素子３１０では、図９に示すように、第１複合層１１１のみならず、第２複合層３３１の第２電解質部３４１と第２周囲部３３２との間の第２対向面３３５ｋ，３４５ｋを斜面としている。しかも、第１複合層１１１とは逆に、第２対向面３３５ｋ，３４５ｋを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど内側に位置する斜面としている点で異なる。そこで、本変形形態を、実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、同じ符号を使用し、説明を省略あるいは簡略化する。
上述したように、本変形形態のガスセンサ３０１のガスセンサ素子３１０は、厚み方向一方側ＤＴ１から、ヒータ層１８０、第４導体層１９５、第２複合層３３１、第３導体層１９０、絶縁層１７０、第２導体層１５５、第１複合層１１１、第１導体層１５０及び保護層１６０をこの順に積層してなる。これらのうち、第２複合層３３１を除く各層は、実施形態のガスセンサ素子１０と同様の構成を有している。
一方、第２複合層３３１は、実施形態の第２複合層１３１と同じく、絶縁性セラミック（アルミナセラミック）からなる板状で、その厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔３３２ｈを有する第２周囲部３３２と、ジルコニアセラミックからなる板状で、第２周囲部３３２の貫通孔３３２ｈ内に配置された第２電解質部３４１とを備える（図３参照）。第２電解質部３４１は第２周囲部３３２の貫通孔３３２ｈ内に配置され、第２電解質部３４１の第２電解質外周面３４５は、第２周囲部３３２の第２貫通孔内周面３３５に当接してなる。この第２複合層３３１は、図３，９から容易に理解できるように、第１複合層１１１とヒータ１８１との間に配置されている。第１複合層１１１と第２複合層３３１とは、絶縁層１７０を介して離間している。このため、第２複合層１３１の第２電解質部３４１は、第１複合層１１１の第１電解質部１２１と離間して、これとの間に被測定ガスが導入される測定室ＳＰを構成している。
一方、第２複合層３３１は、実施形態の第２複合層１３１と同じく、絶縁性セラミック（アルミナセラミック）からなる板状で、その厚み方向ＤＴに貫通する平面視矩形状の貫通孔３３２ｈを有する第２周囲部３３２と、ジルコニアセラミックからなる板状で、第２周囲部３３２の貫通孔３３２ｈ内に配置された第２電解質部３４１とを備える（図３参照）。第２電解質部３４１は第２周囲部３３２の貫通孔３３２ｈ内に配置され、第２電解質部３４１の第２電解質外周面３４５は、第２周囲部３３２の第２貫通孔内周面３３５に当接してなる。この第２複合層３３１は、図３，９から容易に理解できるように、第１複合層１１１とヒータ１８１との間に配置されている。第１複合層１１１と第２複合層３３１とは、絶縁層１７０を介して離間している。このため、第２複合層１３１の第２電解質部３４１は、第１複合層１１１の第１電解質部１２１と離間して、これとの間に被測定ガスが導入される測定室ＳＰを構成している。
このガスセンサ素子１０のうち、第１複合層１１１における第１電解質部１２１の電解質外周面１２５と第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５のうち、互いに対向する対向面１１５ｋ，１２５ｋは、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「外側」に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなる。
これに加えて、第２複合層３３１における第２電解質部３４１の電解質外周面３４５と第２周囲部３３２の貫通孔内周面３３５のうち、互いに対向する第２対向面３３５ｋ，３４５ｋは、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「内側」に位置する斜面をなしている。つまり、第２複合層３３１のうち、相対的に熱伝導率の高い第２周囲部３３２では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１（即ちヒータ１８１側）の面積が大きくなっている。
なお、図９に示すように、本変形形態の第２電解質部３４１では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に位置する電解質主面３４４と電解質外周面３４５の第２対向面（斜面）３４５ｋとがなす角度θ２（鋭角側の角度）は、７０°である。
これに加えて、第２複合層３３１における第２電解質部３４１の電解質外周面３４５と第２周囲部３３２の貫通孔内周面３３５のうち、互いに対向する第２対向面３３５ｋ，３４５ｋは、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「内側」に位置する斜面をなしている。つまり、第２複合層３３１のうち、相対的に熱伝導率の高い第２周囲部３３２では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１（即ちヒータ１８１側）の面積が大きくなっている。
なお、図９に示すように、本変形形態の第２電解質部３４１では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に位置する電解質主面３４４と電解質外周面３４５の第２対向面（斜面）３４５ｋとがなす角度θ２（鋭角側の角度）は、７０°である。
なお、第１周囲部１１２，第２周囲部３３２をなすアルミナセラミック（熱伝導率σｐ＝２０〜３０(Ｗ／ｍＫ)）は、第１電解質部１２１，第２電解質部３４１をなすジルコニアセラミック（熱伝導率σｓ＝３(Ｗ／ｍＫ))よりも、熱伝導率が高い。つまり、第２複合層３３１においては、そのうち、相対的に熱伝導率の高い第２周囲部３３２では、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１（即ちヒータ１８１側）の面積が大きくなっている。
前述の実施形態及び本変形形態のガスセンサ素子１０，３１０（図４，９参照）では、第１複合層１１１とヒータ１８１との間には、第２複合層１３１，３３１が介在し、しかも、空隙である測定室ＳＰも介在している。このため、第２複合層１３１，３３１の第２電解質部１４１，３４１に比して、第１複合層１１１の第１電解質部１２１には、ヒータ１８１からの熱が届きにくく、温度上昇しにくい。
そこで、実施形態及び本変形形態のガスセンサ素子１０，３１０では、前述したように、対向面１１５ｋ，１２５ｋを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「外側」に位置する斜面として、第１電解質部１２１により多くの熱が伝わるようにした。
そこで、実施形態及び本変形形態のガスセンサ素子１０，３１０では、前述したように、対向面１１５ｋ，１２５ｋを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「外側」に位置する斜面として、第１電解質部１２１により多くの熱が伝わるようにした。
これに加え、本変形形態のガスセンサ素子３１０では、第２複合層３３１において、第２対向面３３５ｋ，３４５ｋを、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１に進むほど、「内側」に位置する斜面としている。このようにすると、第２周囲部３３２のうち、厚み方向ＤＴの他方側ＤＴ２を向く他方面３３２ｒに比して比較的大きな面積である、厚み方向ＤＴの一方側ＤＴ１を向く一方面３３２ｓから、ヒータ１８１から発した熱を、より多くこの第２周囲部３３２に取り入れ、他方面３３２ｒから絶縁層１７０を通じて、効率よく第１複合層１１１側に移行させることができる。このため、前述した実施形態のように、第２対向面１３５ｋ，１４５ｋを厚み方向ＤＴに平行とした場合、あるいは、一方側ＤＴ１に進むほど「外側」に位置する斜面とした場合に比して、第１複合層１１１の第１電解質部１２１をより適切に加熱し昇温させることができる。
なお、第２電解質部３４１は、ヒータ１８１に近接しているので、容易に加熱し昇温させることができる。
なお、第２電解質部３４１は、ヒータ１８１に近接しているので、容易に加熱し昇温させることができる。
また、第２周囲部３３２の第２貫通孔内周面３３５の第２対向面３３５ｋと、第２電解質部３４１の第２電解質外周面３４５の第２対向面３４５ｋとは、互いに対向して斜面をなし、しかも、全周かつ全面にわたり隙間無く密着している（図３参照）。このため、第２電解質部３４１と第２周囲部３３２との間に隙間が生じるのを抑制した信頼性の高いガスセンサ３０１とすることができる。
なお、第２複合層３３１は、実施形態における第１複合層１１１と同様に形成すれば良いので、簡単に説明する。まず、固体電解質セラミックからなる電解質シート(グリーンシート)に円錐状に収束したレーザビームＬＢを照射して、切り出された切断面が角度θｓ＝７０°の斜面となった第２電解質シート体を切り出す。その後、第２電解質シート体の周囲に、絶縁性セラミックを含む絶縁ペーストを、第２電解質シート体の外周面に濡れて接するように塗布し乾燥して、絶縁ペースト層を形成する（図７参照）。このようにすると、塗布の際、流動性を有する絶縁ペーストが、前述した斜面をなすシート体外周面２２５に濡れて接するため、乾燥後においても、電解質シート体のシート体外周面に絶縁ペースト層が、確実にかつ大きな接触面積で密着させることができる。
以上において、本発明を実施形態及び変形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。
本実施形態では、２つの複合セラミック層（第１複合層１１１，第２複合層１３１）を備えるガスセンサ素子１０のうち、第１複合層１１１について、電解質外周面１２５の対向面１２５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「外側」に位置する斜面とした形態を例示した。また変形形態では、２つの複合セラミック層（第１複合層１１１，第２複合層３３１）を備えるガスセンサ素子３１０のうち、第１複合層１１１について、電解質外周面１２５の対向面１２５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「外側」に位置する斜面とし、第２複合層３３１について、第２電解質外周面３４５の第２対向面３４５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「内側」に位置する斜面とした形態を例示した。
しかし、第１複合層、第２複合層について、電解質外周面、第２電解質外周面を、それぞれ一方側に進むほど「外側」に位置する斜面や、一方側に進むほど「内側」に位置する斜面とした素子としても良い。この素子であれば、電解質部（第１電解質部、第２電解質部）の対向面と周囲部（第１周囲部、第２周囲部）の対向面とが厚み方向に接触する長さをより長くすることができる。しかも、貫通孔内周面及び電解質外周面の対向面同士は、全周かつ全面に亘り密着しているため、電解質部と周囲部との間に電解質部の両主面の間を連通する隙間が生じるのを抑制することができる。
また、２つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子に本発明を適用した例を示したが、１つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子や、３つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子に適用しても良い。なお、３つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子については、少なくとも１つの複合セラミック層の電解質部における電解質外周面を前述の斜面の形態とすれば良い。
本実施形態では、２つの複合セラミック層（第１複合層１１１，第２複合層１３１）を備えるガスセンサ素子１０のうち、第１複合層１１１について、電解質外周面１２５の対向面１２５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「外側」に位置する斜面とした形態を例示した。また変形形態では、２つの複合セラミック層（第１複合層１１１，第２複合層３３１）を備えるガスセンサ素子３１０のうち、第１複合層１１１について、電解質外周面１２５の対向面１２５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「外側」に位置する斜面とし、第２複合層３３１について、第２電解質外周面３４５の第２対向面３４５ｋを、一方側ＤＴ１に進むほど「内側」に位置する斜面とした形態を例示した。
しかし、第１複合層、第２複合層について、電解質外周面、第２電解質外周面を、それぞれ一方側に進むほど「外側」に位置する斜面や、一方側に進むほど「内側」に位置する斜面とした素子としても良い。この素子であれば、電解質部（第１電解質部、第２電解質部）の対向面と周囲部（第１周囲部、第２周囲部）の対向面とが厚み方向に接触する長さをより長くすることができる。しかも、貫通孔内周面及び電解質外周面の対向面同士は、全周かつ全面に亘り密着しているため、電解質部と周囲部との間に電解質部の両主面の間を連通する隙間が生じるのを抑制することができる。
また、２つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子に本発明を適用した例を示したが、１つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子や、３つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子に適用しても良い。なお、３つの複合セラミック層を備えるガスセンサ素子については、少なくとも１つの複合セラミック層の電解質部における電解質外周面を前述の斜面の形態とすれば良い。
さらに、第１，第２複合層の第１，第２周囲部の材質として、絶縁セラミック（アルミナセラミック）を用いたが、アルミナとジルコニアの混合セラミックを用いることもできる。
また、本実施形態では、第１複合層（複合セラミック層）１１１をなす第１電解質部（電解質部）１２１及び第１周囲部（周囲部）１１２が同じ厚みを有しており、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５の全体が対向面１２５ｋをなし、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の全体が対向面１１５ｋをなしている例を示した。しかし、電解質部と周囲部の厚みが異なるために、あるいは、電解質部と周囲部の厚み方向の位置が食い違っているために、電解質外周面の一部が対向面になったり、貫通孔内周面の一部が対向面になる形態も存在しうる。
また、本実施形態では、第１複合層（複合セラミック層）１１１をなす第１電解質部（電解質部）１２１及び第１周囲部（周囲部）１１２が同じ厚みを有しており、第１電解質部１２１の電解質外周面１２５の全体が対向面１２５ｋをなし、第１周囲部１１２の貫通孔内周面１１５の全体が対向面１１５ｋをなしている例を示した。しかし、電解質部と周囲部の厚みが異なるために、あるいは、電解質部と周囲部の厚み方向の位置が食い違っているために、電解質外周面の一部が対向面になったり、貫通孔内周面の一部が対向面になる形態も存在しうる。
１，３０１ ガスセンサ
１０，３１０ ガスセンサ素子
１１１ 第１複合層（複合セラミック層）
１１２ 第１周囲部（周囲部）
１１２ｈ 貫通孔
１１５ 貫通孔内周面
１１５ｋ （貫通孔内周面の）対向面
１２１ 第１電解質部（電解質部）
１２５ 電解質外周面
１２５ｋ （電解質外周面の）対向面
１３１，３３１ 第２複合層（第２複合セラミック層）
１３２，３３２ 第２周囲部
１３２ｈ，３３２ｈ 貫通孔
３３２ｓ （第２周囲部の）一方面（第２周囲部の厚み方向一方側の面）
３３２ｒ （第２周囲部の）他方面
１３５，３３５ 第２貫通孔内周面
１３５ｋ，３３５ｋ （第２貫通孔内周面の）第２対向面（対向面）
１４１，３４１ 第２電解質部
１４５，３４５ 第２電解質外周面
１４５ｋ，３４５ｋ （第２電解質外周面の）第２対向面（対向面）
１８１ ヒータ
ＳＰ 測定室
２１１ 未焼成第１複合層（未焼成複合セラミック層）
２１２ 絶縁ペースト層（絶縁ペーストの層）
２２１ 電解質シート体
２２１Ｂ 電解質シート(グリーンシート)
２２５ シート体外周面
ＤＴ 厚み方向
ＤＴ１ （厚み方向の）一方側
ＤＸ 第１方向（電解質シートの拡がり方向）
ＤＹ 第２方向（電解質シートの拡がり方向）
ＤＺ シート厚み方向
ＤＺ１ （シート厚み方向の）一方側
ＬＢ レーザビーム
１０，３１０ ガスセンサ素子
１１１ 第１複合層（複合セラミック層）
１１２ 第１周囲部（周囲部）
１１２ｈ 貫通孔
１１５ 貫通孔内周面
１１５ｋ （貫通孔内周面の）対向面
１２１ 第１電解質部（電解質部）
１２５ 電解質外周面
１２５ｋ （電解質外周面の）対向面
１３１，３３１ 第２複合層（第２複合セラミック層）
１３２，３３２ 第２周囲部
１３２ｈ，３３２ｈ 貫通孔
３３２ｓ （第２周囲部の）一方面（第２周囲部の厚み方向一方側の面）
３３２ｒ （第２周囲部の）他方面
１３５，３３５ 第２貫通孔内周面
１３５ｋ，３３５ｋ （第２貫通孔内周面の）第２対向面（対向面）
１４１，３４１ 第２電解質部
１４５，３４５ 第２電解質外周面
１４５ｋ，３４５ｋ （第２電解質外周面の）第２対向面（対向面）
１８１ ヒータ
ＳＰ 測定室
２１１ 未焼成第１複合層（未焼成複合セラミック層）
２１２ 絶縁ペースト層（絶縁ペーストの層）
２２１ 電解質シート体
２２１Ｂ 電解質シート(グリーンシート)
２２５ シート体外周面
ＤＴ 厚み方向
ＤＴ１ （厚み方向の）一方側
ＤＸ 第１方向（電解質シートの拡がり方向）
ＤＹ 第２方向（電解質シートの拡がり方向）
ＤＺ シート厚み方向
ＤＺ１ （シート厚み方向の）一方側
ＬＢ レーザビーム
Claims (7)
- 固体電解質セラミックからなる板状で、電解質外周面を含む電解質部と、
絶縁性セラミックからなるまたは絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する貫通孔をなす貫通孔内周面を含む周囲部と、を有し、
上記電解質部は上記貫通孔内に配置され、
上記電解質部の上記電解質外周面は、上記周囲部の上記貫通孔内周面に当接してなる
複合セラミック層を備える
ガスセンサ素子であって、
上記電解質部の上記電解質外周面及び上記周囲部の上記貫通孔内周面のうち、互いに対向する対向面は、それぞれ上記厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなる
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、
前記電解質部は、
シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、前記固体電解質セラミックとなる電解質シート体を焼成してなり、
前記周囲部は、
上記電解質シート体の上記シート体外周面に接した、前記絶縁性セラミックまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックとなるセラミックペーストの層を焼成してなる
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であって、
前記複合セラミック層の前記厚み方向の前記一方側に、前記電解質部を加熱するヒータを備える
ガスセンサ素子。 - 請求項３に記載のガスセンサ素子であって、
前記複合セラミック層と前記ヒータとの間に配置された第２複合セラミック層を備え、
上記第２複合セラミック層は、
前記固体電解質セラミックからなる板状で、第２電解質外周面を含む第２電解質部と、
前記絶縁性セラミックからなるまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する第２貫通孔をなす第２貫通孔内周面を含み、上記第２電解質部よりも熱伝導率の高い第２周囲部と、を有し、
上記第２電解質部は上記第２貫通孔内に配置され、
上記第２電解質部の上記第２電解質外周面は、上記第２周囲部の上記第２貫通孔内周面に当接し、
上記第２電解質部が上記複合セラミック層の前記電解質部と離間して、これとの間に被測定ガスが導入される測定室を構成してなり、
上記第２電解質部の上記第２電解質外周面及び上記第２周囲部の上記第２貫通孔内周面のうち、互いに対向する第２対向面は、それぞれ前記厚み方向の一方側に進むほど内側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなる
ガスセンサ素子。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。
- 固体電解質セラミックからなる板状で、電解質外周面を含む電解質部と、
絶縁性セラミックからなるまたは絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックからなる板状で、厚み方向に貫通する貫通孔をなす貫通孔内周面を含む周囲部と、を有し、
上記電解質部は上記貫通孔内に配置され、
上記電解質部の上記電解質外周面は、上記周囲部の上記貫通孔内周面に当接してなる 複合セラミック層を備える
ガスセンサ素子の製造方法であって、
上記電解質部の上記電解質外周面及び上記周囲部の上記貫通孔内周面のうち、互いに対向する対向面は、それぞれ上記厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなし、全周かつ全面にわたり互いに密着してなり、
上記固体電解質セラミックとなるグリーンシートから形成されてなり、シート体外周面がシート厚み方向の一方側に進むほど外側に位置する斜面をなす形態とした電解質シート体の周囲に、上記シート体外周面に接するように、上記絶縁性セラミックまたは上記絶縁性セラミック及び上記固体電解質セラミックとなるセラミックペーストの層を配置し乾燥させて、未焼成複合セラミック層を形成する複合層形成工程と、
上記未焼成複合セラミック層を焼成して、上記電解質部と上記周囲部とを有する上記複合セラミック層を形成する焼成工程と、を備える
ガスセンサ素子の製造方法。 - 請求項６に記載のガスセンサ素子の製造方法であって、
前記複合層形成工程に先立って、
ＣＷレーザの円錐状に収束するレーザビームを前記グリーンシートに当てつつ、上記グリーンシートの拡がり方向に移動させて、前記電解質シート体を切り出す切り出し工程を備える
ガスセンサ素子の製造方法。
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