(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、
前記第１測定室において酸素の汲み出し又は汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、
前記第１測定室及び前記第２測定室とは別に設けられて、所定の酸素濃度に維持される基準酸素室と、
第１固体電解質体及び該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、該一対の第１電極のうち、一方の電極である第１内側電極が前記第１測定室に配置されると共に、他方の電極である第１外側電極が第１測定室、第２測定室及び基準酸素室の外部に配置されて、該第１測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンプセルと、
第２固体電解質体及び該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、該一対の第２電極のうち、一方の電極である第２内側電極が前記第２測定室に配置されると共に、他方の電極である第２外側電極が前記基準酸素室に配置されて、前記第２内側電極と前記第２外側電極との間に、前記第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２ポンプセルと、
第３固体電解質体及び該第３固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、該一対の第３電極のうち、一方の電極である検知電極が前記第１測定室に配置されると共に、他方の電極である基準電極が前記基準酸素室に配置された酸素濃度検知セルと、を有し、
前記第２固体電解質体と前記第３固体電解質体との間に、前記基準酸素室が形成され、
前記第１固体電解質体と前記第３固体電解質体との間に、前記第１測定室が形成されたガスセンサ素子を備えたガスセンサであって、
前記基準酸素室内の前記両電極の少なくとも一方の電極の表面に、通気性を有する多孔質の絶縁保護層が形成されるとともに、該絶縁保護層は、自身が形成された前記一方の電極と向き合う他方の電極又は該他方の電極の表面に設けられる他の絶縁保護層に対して空隙を介して配置されてなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ガスセンサ素子は、ヒータが積層されてなるとともに、
前記基準酸素室内の両電極のうち、前記ヒータが積層された側の電極の表面に、前記絶縁保護層を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ヒータは、前記第２ポンプセルの前記基準酸素室とは反対側に直接に積層されてなることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記絶縁保護層は、純度が９９．９％以上のアルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記基準酸素室内の両電極は、前記ガスセンサ素子の作動時には、電位差を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記基準酸素室内の両電極の対向方向における前記空隙の寸法は、前記基準酸素室内に配置される前記絶縁保護層全体の厚みよりも大であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の内燃機関の排気ガスにおける特定のガス成分などを測定するガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、窒素酸化物（ＮＯｘ）や酸素といった特定のガス成分の検出や、特定のガス成分の濃度の測定を行うために、ガスセンサが利用されている。
このようなガスセンサとしては、複数のセラミック層（例えば固体電解質体やアルミナ基板）を積層して得られる長板状のガスセンサ素子を用いたものが知られている。
【０００３】
また、このガスセンサ素子の内部導体（例えば発熱抵抗体や電極）と、ガスセンサ素子の表面に設けられた電極パッドとを電気的に接続する技術として、積層されたセラミック層を貫通するスルーホールを利用した技術も知られている。
【０００４】
例えば、下記引用文献１には、複数の固体電解質基板などを積層した板状のガスセンサ素子を備えたガスセンサが開示されている。
具体的には、上述したガスセンサ素子を備えたガスセンサは、自動車等の内燃機関の排気管等に取り付けられるものであり、図９に示す様に、ガスセンサ素子Ｐ１は、第１固体電解質体Ｐ２上に一対の第１電極Ｐ３、Ｐ４を備えた第１ポンプセルＰ５、第２固体電解質体Ｐ６上に一対の第２電極Ｐ７、Ｐ８を備えた第２ポンプセルＰ９、第３固体電解質Ｐ１０上に一対の第３電極Ｐ１１、Ｐ１２を備えた酸素濃度検知セルＰ１３などが積層された板状の素子である。
【０００５】
更に、このガスセンサ素子Ｐ１には、第２固体電解質体Ｐ６と第３固体電解質体Ｐ１０との間に基準酸素室Ｐ１４が設けられている。そして、この基準酸素室Ｐ１４には、第２電極の一方の電極（第２外側電極）Ｐ８と第３電極の一方の電極（基準電極）Ｐ１２とが対向して配置されている。さらに、基準酸素室Ｐ１４には、ガスセンサの製造時に基準酸素室が変形することによって、両電極Ｐ８、Ｐ１２が接触しないように、両電極Ｐ８、Ｐ１２間に電気絶縁性の多孔質材料からなる絶縁保護層Ｐ１５が形成されていた。
【０００６】
さらに、前記各電極Ｐ３、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ８、Ｐ１１、Ｐ１２は、ガスセンサ素子Ｐ１の後端側の外表面に設けられた電極パッドＰ２２（図１０参照）に、リード部やスルーホールを介して、電気的に接続されていた。
【０００７】
また、図１０に示す様に、ガスセンサ素子Ｐ１は、ガスセンサＰ１６において、主体金具Ｐ１７の貫通孔Ｐ１８内に配置された、セラミックホルダＰ１９や滑石Ｐ２０やセラミックスリーブＰ２１を貫くように配置されるとともに、主体金具Ｐ１７の後端部を加締めることにより、各部材と一体に固定されていた。
【０００８】
さらに、ガスセンサ素子Ｐ１の後端側の外表面に設けられた電極パッドＰ２２は、外部回路（図示せず）から接続されたリード線Ｐ２３に接続される金属端子Ｐ２４と当接し、ガスセンサ素子Ｐ１の信号を外部回路へ出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】２０１０−２６６４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、エンジンからの排気ガス中に含まれた水蒸気や、排気管の内面に付着した凝縮水等の水分が、自動車等の内燃機関の運転の際に、排気ガスによってガスセンサＰ１６に付着し、下記に示すように、ガスセンサＰ１６に不具合が発生することがあった。
【００１１】
ガスセンサＰ１６は、排気ガスに晒されるガスセンサ素子Ｐ１の先端側と、電極パッドＰ２２等が露出する後端側とは、上述した滑石Ｐ２０などによって分離されているが、水分がガスセンサ素子Ｐ１の表面に沿って、（図１０の矢印に沿って）先端側から後端側に染み込んでしまうことがある。
【００１２】
さらに、この水分が、後端側に露出する電極パッドＰ２２に接続したスルーホール、さらにはセラミック層間に配置されたリード部を通して、ガスセンサ素子Ｐ１の先端側内部に配置された電極まで至ることがある。
【００１３】
このとき、水分が第２外側電極Ｐ８や基準電極Ｐ１２を介して基準酸素室Ｐ１４に至った場合には、多孔質の絶縁保護層Ｐ１５に水分がしみ込んで、対向する電極Ｐ８、Ｐ１２間の絶縁が損なわれる（即ちショートする）ことがあり、その場合には、ガスセンサＰ１６のガス測定に支障が生ずる恐れがあった。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスセンサ素子の基準酸素室に配置された電極間の絶縁性を確保できるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（１）本発明は、第１態様として、第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室において酸素の汲み出し又は汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、前記第１測定室及び前記第２測定室とは別に設けられて、所定の酸素濃度に維持される基準酸素室と、第１固体電解質体及び該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、該一対の第１電極のうち、一方の電極である第１内側電極が前記第１測定室に配置されると共に、他方の電極である第１外側電極が第１測定室、第２測定室及び基準酸素室の外部に配置されて、該第１測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンプセルと、第２固体電解質体及び該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、該一対の第２電極のうち、一方の電極である第２内側電極が前記第２測定室に配置されると共に、他方の電極である第２外側電極が前記基準酸素室に配置されて、前記第２内側電極と前記第２外側電極との間に、前記第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２ポンプセルと、第３固体電解質体及び該第３固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、該一対の第３電極のうち、一方の電極である検知電極が前記第１測定室に配置されると共に、他方の電極である基準電極が前記基準酸素室に配置された酸素濃度検知セルと、を有し、前記第２固体電解質体と前記第３固体電解質体との間に、前記基準酸素室が形成され、前記第１固体電解質体と前記第３固体電解質体との間に、前記第１測定室が形成されたガスセンサ素子を備えたガスセンサであって、前記基準酸素室内の前記両電極の少なくとも一方の電極の表面に、通気性を有する多孔質の絶縁保護層が形成されるとともに、該絶縁保護層は、自身が形成された前記一方の電極と向き合う他方の電極又は該他方の電極の表面に設けられる他の絶縁保護層に対して空隙を介して配置されてなることを特徴とする。
【００１６】
本発明では、ガスセンサ素子の基準酸素室の両側（即ち対向する第２ポンプセル側と酸素濃度検知セル側）に配置された、第２外側電極と基準電極との少なくとも一方の電極の
表面に、通気性を有する多孔質の絶縁保護層を備えている。そして、この絶縁保護層は、絶縁保護層が設けられた一方の電極に向き合う他方の電極又は他方の電極の表面に設けられる他の絶縁保護層に対して空隙を介して配置されている。
【００１７】
これによって、上述の様に、測定対象ガスに水分が含まれており、その水分がスルーホールやリード部などを介して、基準酸素室内の第２外側電極や基準電極に至った場合でも、その水分は電極内や絶縁保護層内にとどまるだけであり、前記空隙に漏出し難くなっている。
【００１８】
よって、両電極間が水分によってショートすることが防止されるので、特定ガスの測定を好適に行うことができるという顕著な効果を奏する。
なお、第２外側電極及び基準電極のうち、一方の電極（例えば、第２外側電極）の表面のみに絶縁保護層が形成されている場合には、一方の電極に対向する他方の電極（例えば、基準電極）と絶縁保護層との間に空隙が設けられる。また、両方の電極の表面に絶縁保護層が形成されている場合には、両電極の表面に形成された両絶縁保護層の間に空隙が設けられている。
【００１９】
また、「一方の電極に向き合う他方の電極」とは、一方の電極と他方の電極が全体、又は一部が対向しているもの、または一方の電極と他方の電極がガスセンサ素子の長手方向にずれて配置しているものを言う。
【００２０】
さらに、基準酸素室に、絶縁保護層を配置しているので、ガスセンサの製造時に基準酸素室が変形したとしても、両電極が接触を防止できる。そのうえ、この絶縁保護層は、電極に含まれる導電物質（例えば白金）の昇華による飛散を抑制することができる。これにより、両電極間の絶縁性が低下することを防止できる。
【００２１】
また、第１ポンプセルを構成する第１固体電解質体と酸素濃度検知セルを構成する第３固体電解質体との間に第１測定室が形成されると共に、第２ポンプセルを構成する第２固体電解質体と第３固体電解質体との間に基準酸素室が形成される構成のガスセンサ素子に本発明を適用することができる。言い換えると、第１固体電解質体、第１測定室、第３固体電解質体、基準酸素室、第２固体電解質体が順に積層された構成のガスセンサ素子に適用することができる。
【００２２】
（２）本発明は、第２態様として、前記ガスセンサ素子は、ヒータが積層されてなるとともに、前記基準酸素室内の両電極のうち、前記ヒータが積層された側の電極の表面に、前記絶縁保護層を備えたことを特徴とする。
【００２３】
ヒータが配置された側の電極は、この電極に対向する電極に比べて、ヒータにより一層高温に熱せられ、その電極内部から導電物質が昇華して周囲に飛散し、電気絶縁性が低下する可能性が高い。よって、ヒータが配置された側の電極に絶縁保護層を形成することにより、導電物質の昇華による飛散を効果的に抑制することができる。
【００２４】
なお、「ヒータが配置された側の電極」とは、ヒータの積層方向（つまりはガスセンサ素子の積層方向）において、基準酸素室内に配置される両電極のうち、ヒータとの距離が短い電極のことを指す。例えば、第１固体電解質体、第１測定室、第３固体電解質体、基準酸素室、第２固体電解質体が順に積層されたガスセンサ素子において、第２固体電解質体側にヒータを積層した場合には、第２外側電極が、ヒータが配置された側の電極となり、第１固体電解質体側にヒータを積層した場合には、基準電極が、ヒータが配置された側の電極となる。
【００２５】
（３）本発明は、第３態様として、前記ヒータは、前記第２ポンプセルの前記基準酸素室とは反対側に直接に積層されてなることを特徴とする。
このように、第２ポンプセルの酸素基準室とは反対側に、ヒータを直接積層することで、ガスセンサ素子の早期の活性化を達成することができる。その上、ヒータにより一層高温に熱せられ、電極から導電物質が昇華し易いが、絶縁保護層により導電物質の飛散を防止できる。
【００２６】
（４）本発明は、第４態様として、前記絶縁保護層は、純度が９９．９％以上のアルミナを主成分とすることを特徴とする。
アルミナの純度が高い場合には、通常、アルミナに含まれる導電性の不純物（例えばＮａ、Ｃａ、Ｍｇ）が少ない。よって、絶縁保護層の材料に高純度のアルミナを用いることにより、仮に、絶縁保護層が水に浸された場合、更には、空隙が水に浸された場合でも、その水に溶出する導電性の不純物の量が少ないので、電気絶縁性が低下することを抑制できる。
【００２７】
なお、「アルミナを主成分とする」とは絶縁保護層中にアルミナが５０％以上含まれるものを指す。その他、ジルコニア、スピネルやチタニアが含まれていても良い。
（５）本発明は、第５態様として、前記基準酸素室内の両電極は、前記ガスセンサ素子の作動時には、電位差を有することを特徴とする。
【００２８】
ここでは、両電極の電位差が異なることを示している。つまり、このように電位差のある電極間を有しているガスセンサ素子では、両電極がショートすると、互いの電位を保持できないので、互いの電極間がリークし、特定ガス濃度が精度良く測定できない虞があるが、本発明のように、絶縁保護層を設けることで、両電極が電位差を有するガスセンサであっても、特定ガス濃度を精度良く測定することができる。
【００２９】
（６）本発明は、第６態様として、前記基準酸素室内の両電極の対向方向における前記空隙の寸法は、前記基準酸素室に配置される前記絶縁保護層全体の厚みよりも大であることを特徴とする。
【００３０】
空隙の寸法をこのように設定することにより、水分によるショートをより確実に防止できる。なお、「絶縁保護層全体の厚み」とは、第２外側電極及び基準電極のうち、一方の電極（例えば、第２外側電極）の表面のみに絶縁保護層が形成されている場合には、一方の電極の厚みであり、両方の電極の表面に絶縁保護層が形成されている場合には、両電極の表面に形成された両絶縁保護層の厚みである。
【００３１】
さらに、前記電極に積層される絶縁保護層の厚みは、電極の１／２以上であると、導電物質の昇華による飛散を抑制できるので好適であるが、電極と絶縁保護層との合計の厚みが１００μｍを超えると、焼成時に電極や絶縁保護層が変形し易く層状になり難いので、１００μｍ以下が好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１におけるＮＯｘセンサを軸線方向に沿って破断した断面図である。
【図２】ガスセンサ素子を軸方向の一部を省略して示す斜視図である。
【図３】ガスセンサ素子の先端側を厚み方向に破断しその内部構造を拡大して示す説明図である。
【図４】ガスセンサ素子の一部を分解して示す分解斜視図である。
【図５】基準酸素室を厚み方向に破断し拡大して示す説明図である。
【図６】ガスセンサ素子に接続される電気的構成を示す説明図である。
【図７】（ａ）はガスセンサ素子の後端側を水に漬ける実験方法を示す説明図、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。
【図８】（ａ）は実施例２のガスセンサ素子の基準酸素室を厚み方向に破断し拡大して示す説明図、（ｂ）は実施例３のガスセンサ素子の基準酸素室を厚み方向に破断し拡大して示す説明図である。
【図９】従来技術のガスセンサ素子の内部構造の説明図である。
【図１０】従来技術のＮＯｘセンサの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
ここでは、本発明のガスセンサ素子を備えたガスセンサとして、内燃機関（エンジン）の排気管に固定されて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するＮＯｘセンサを例に挙げて説明する。
【実施例１】
【００３４】
ａ）まず、本実施例におけるガスセンサ（以下ＮＯｘセンサと称する）の構成を、図１に基づいて説明する。
なお、以下では、図１における下方向（下側）をＮＯｘセンサの先端側と呼び、図１における上方向（上側）をＮＯｘセンサの後端側と呼ぶ。
【００３５】
図１に示す様に、本実施例におけるＮＯｘセンサ１は、主として、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、主体金具５に貫挿される検出素子（以下ガスセンサ素子と称する）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、軸線方向（図中上下方向）に貫通する素子挿通孔１１を有する絶縁セパレータ１３と、ガスセンサ素子７に接続される６個のリードフレーム１５（図１では、一部のみを図示）と、を備えている。
【００３６】
以下、各構成について説明する。
ガスセンサ素子７は、軸線方向に延びる板状形状の積層部材であり、測定対象となる排気ガスに向けられる先端側（図中下方）に、保護層（図示省略）に覆われた検出部１７が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面１９及び第２板面２１に、電極パッド２３、２５、２７、２９、３１、３３（図２参照）が形成されている。
【００３７】
絶縁セパレータ１３は、例えばアルミナからなる絶縁性材料で形成されており、ガスセンサ素子７及びリードフレーム１５の少なくとも一部を取り囲む素子配置部として、素子挿通孔１１を備えている。
【００３８】
この絶縁セパレータ１３が、素子挿通孔１１の内部でリードフレーム１５及びガスセンサ素子７を保持することで、リードフレーム１５は、ガスセンサ素子７の電極パッド２３〜３３に、それぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム１５は、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２３〜３３との間に流れる電流の電流経路を形成する。
【００３９】
主体金具７は、例えばステンレス鋼からなる略筒状形状の金属部材であり、軸線方向に貫通する貫通孔３７を有するとともに、貫通孔３７の内部において径方向内側に突出する棚部３９を有する。
【００４０】
この主体金具７は、検出部１７を貫通孔３７の先端側外部に配置し、電極パッド２３〜３３を貫通孔３７の後端側外部に配置する状態で、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。
【００４１】
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、粉末充填層（滑石リング）４３、４５、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。
【００４２】
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、加締リング４９が配置されており、セラミックホルダ４１と主体金具５の棚部３９との間には、金属カップ５１が配置されている。なお、主体金具５の後端部４７は、加締リング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。
【００４３】
主体金具７の先端側には、ガスセンサ素子７の先端側を覆うように、例えばステンレス鋼からなる筒状のプロテクタ５１が配置されている。このプロテクタ５１は、排気ガスの通過が可能な通気孔５３を有しており、内側プロテクタ、外側プロテクタの二重プロテクタの構造とされている。
【００４４】
一方、主体金具７の後端側には、例えばステンレス鋼からなる外筒５５が固定されており、この外筒５５の後端側の開口部５７は、例えばフッ素ゴムからなるグロメット５９によって閉塞されている。
【００４５】
なお、絶縁セパレータ１３は、外筒５５の内側に（加締めによって）固定された保持部材６１によって、後端側がグロメット５９に当接した状態で、外筒５５内に保持されている。
【００４６】
ｂ）次に、本実施例のガスセンサ素子７について説明する。
図２に示す様に、ガスセンサ素子７は、軸線方向（図２における左右方向）に延びる板状に形成された素子部６３と、同じく軸線方向に延びる板状に形成されたヒータ６５とを備えており、素子部６３及びヒータ６５が積層されて、長方形状の軸断面を有する板状に形成されている。
【００４７】
・まず、ガスセンサ素子７の先端側の構成について説明する。
ガスセンサ素子７は、図３にその先端側を破断し拡大して示す様に、同図上方より、絶縁層６７、第１固体電解質体６９、絶縁層７１、第３固体電解質体７３、絶縁層７５、第２固体電解質体７７、及び絶縁層７９、８１が積層された構造を有しており、特に、後述する様に、第１〜第３固体電解質体６９、７７、７３をそれぞれ主要部として、第１ポンプセル８３、酸素濃度検出セル８５、第２ポンプセル８７が構成されている。
【００４８】
以下、各構成について説明する。
第１固体電解質体６９と第３固体電解質体７３との間には、第１測定室８９が形成されている。第１測定室８９の左端（入口）には、第１拡散抵抗部９１が配置され、この第１拡散抵抗部９１を介して外部から被測定ガス（ＧＭ）である排気ガスが導入される。一方、第１測定室８９の入口と反対側の端には、第２拡散抵抗部９３が配置されている。
【００４９】
また、第１測定室８９の右側（即ち第２拡散抵抗部９３の右側）には、第２拡散抵抗部９３を介して第１測定室８９と連通する第２測定室９５が形成されている。なお、第２測定室９５は、第３固体電解質体７３を貫通して第１固体電解質体６９と第２固体電解質体７７との間に形成されている。
【００５０】
ここで、第１〜第３固体電解質体６９、７７、７３は、それぞれ、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分に用いて形成されている。一方、各絶縁層６７、７１、７５、７９、８１は、アルミナを主成分に用いて形成されており、第１、第２拡散抵抗部９１、
９５は、アルミナ等の多孔質物質を用いて形成されている。なお、主成分とは「セラミック層中の主材料の含有量が５０ｗｔ％以上」であることを指す。
【００５１】
また、絶縁層７９、８１の間には、長手方向（同図左右）に沿って延びる例えば白金からなる抵抗発熱体９７が埋設されており、この絶縁層７９、８１に挟まれた抵抗発熱体９７によって、ヒータ６５が構成されている。このヒータ６５は、ガスセンサ素子７を所定の活性温度に昇温し、各固体電解質体６９、７７、７３の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
【００５２】
そして、第１ポンプセル８３は、第１固体電解質体６９と、これを挟んで配置された一対の第１電極９９、１０１、即ち、第１外側電極９９と（その対極である）第１内側電極１０１とを備えている。なお、第１外側電極９９及び第１内側電極１０１は、いずれも白金を主体として形成されている。
【００５３】
このうち、第１外側電極９９は、絶縁層６７の開口部１０３に埋め込まれた、ガス（例えば酸素）が通過可能な（例えばアルミナからなる）多孔質層１０５により覆われている。一方、第１内側電極１０１は、第１測定室８９に面しており、この第１内側電極１０１の表面は、ガスの通過が可能な多孔質層１０７で覆われている。
【００５４】
酸素濃度検出セル８５は、第３固体電解質体７３と、これを挟んで配置された一対の第３電極１０９、１１１、即ち、検知電極１０９及び基準電極１１１を備えている。この検知電極１０９は、第１内側電極１０１より下流側（同図右側）で第１測定室８９に面しており、基準電極１１１は、後述する基準酸素室１１３に配置されている。なお、検知電極１０９及び基準電極１１１は、いずれも白金を主体として形成されている。
【００５５】
また、絶縁層７５は、第３固体電解質体７３に接する基準電極１１１が内部に配置されるように切り抜かれている。つまり、その切り抜き部によって、後に詳述するように、第３固体電解質体７３と第２固体電解質体７７とに挟まれた基準酸素室１１３が形成されている。
【００５６】
第２ポンプセル８７は、第２固体電解質体７７と、第２固体電解質体７７の一方の表面に形成された一対の第２電極１１５、１１７とを備えている。このうち、一方の第２電極１１５は、第２測定室９５に面した表面に配置された第２内側電極１１５であり、他方の第２電極１１７は、基準酸素室１１３に面した表面に配置された（対極である）第２外側電極１１７である。なお、第２内側電極１１５及び第２外側電極１１７は、いずれも白金を主体として形成されている。
【００５７】
・次に、ガスセンサ素子７の後端側の構成について説明する。
図４に分解して示す様に、ガスセンサ素子７の後端側（図４右方）における素子部６３側の表面（図４上方）には、上述した様に、電極パッド２３、２５、２７が形成されている。
【００５８】
このうち、電極パッド２３は、絶縁層６７に設けられたスルーホール１１９中の導体と、第１固体電解質体６９上のリード部１２１とを介して、第１外側電極９９に接続されている。
【００５９】
電極パッド２７は、絶縁層６７に設けられたスルーホール１２３中の導体と、第１固体電解質体６９上のリード部１２５と、第１固体電解質体６９に設けられたスルーホール１２７中の導体と、第１固体電解質体６９上（裏側）のリード部１２９とを介して、第１内側ポンプ電極１０１に接続されている。
【００６０】
また、電極パッド２７は、絶縁層６７に設けられたスルーホール１２３中の導体と、第１固体電解質体６９上のリード部１２５と、第１固体電解質体６９に設けられたスルーホール１２７中の導体と、絶縁層７１に設けられたスルーホール１３１中の導体と、第３固体電解質体７３上のリード部１３３とを介して、検知電極１０９に接続されている。
【００６１】
更に、電極パッド２７は、絶縁層６７に設けられたスルーホール１２３中の導体と、第１固体電解質体６９上のリード部１２５と、第１固体電解質体６９に設けられたスルーホール１２７中の導体と、絶縁層７１に設けられたスルーホール１３１中の導体と、第３固体電解質体７３上のリード部１３４と、第３固体電解質体７３に設けられたスルーホール１３５中の導体と、絶縁層７５に設けられたスルーホール１３７中の導体と、第２固体電解質体７７上のリード部１３９とを介して、第２内側電極１１５に接続されている。
【００６２】
つまり、第１内側電極１０１と、検知電極１０９と、第２内側電極１１５は同電位となっている。
電極パッド２５は、絶縁層６７に設けられたスルーホール１４１中の導体と、第１固体電解質体６９上のリード部１４３と、第１固体電解質体６９に設けられたスルーホール１４５中の導体と、絶縁層７１に設けられたスルーホール１４７中の導体と、第３固体電解質体７３上のリード部１４９と、第３固体電解質体７３に設けられたスルーホール１５１中の導体と、第３固体電解質体７３上（裏側）のリード部１５３とを介して、基準電極１１１に接続されている。
【００６３】
一方、ガスセンサ素子７の後端側におけるヒータ６５側の表面（図４下方）には、上述した様に、電極パッド２９、３１、３３が形成されている。
このうち、電極パッド３１は、絶縁層８１に設けられたスルーホール１５５中の導体と、絶縁層７９に設けられたスルーホール１５７中の導体と、絶縁層７９上のリード部１５９と、第２固体電解質体７７に設けられたスルーホール１６１中の導体と、第２固体電解質体７７上のリード部１６３とを介して、第２外側電極１１７に接続されている。
【００６４】
また、電極パッド２９、３３は、抵抗発熱体９７の両端にそれぞれ接続されている。
・次に、本実施例の要部である基準酸素室１１３の構成について説明する。
図５に基準酸素室１１３の板厚方向の断面を拡大して示す様に、基準酸素室１１３は、直方体形状の空間であり、この基準酸素室１１３の第３固体電解質体７３側の表面（図５の上面）には、基準電極１１１が配置され、この基準電極１１１に対向して、基準酸素室１１３の第２固体電解質体７７側の表面（図５の下面）には、第２外側電極１１７が配置されている。
【００６５】
特に、本実施例では、（ヒータ６５側である）第２外側電極１１７の全表面を覆う様に、電気的絶縁性を有する例えば純度９９．９％以上のアルミナからなる多孔質の絶縁保護層１６５が形成されるとともに、基準電極１１１と絶縁保護層１６５との間には、何も充填されていない空間である空隙１６７が形成されている。
【００６６】
基準電極１１１及び第２外側電極１１７の（図５の上下方向の）厚みは、例えば５〜１５μｍ（例えば１０μｍ）、絶縁保護層１６５の厚みは、例えば５〜４０μｍ、空隙１６７の厚みは、例えば２０〜５０μｍである。なお、空隙１６７の厚みは、絶縁保護層１６５の厚みよりも大きく設定されている。
【００６７】
ｃ）次に、本実施例のガスセンサ素子７の製造方法について、簡単に説明する。
図示しないが、本実施例のガスセンサ素子７を製造する場合には、周知の様に、上述した８つの層のうちの６つの層６７、６９、７３、７７、７９、８１を形成するために、そ
れぞれ、原材料のセラミックシートを用いる（例えば、ジルコニアやアルミナ等のセラミックのシート）。また、２つの絶縁層７１、７５を形成するために、セラミックシート上へのスクリーン印刷によって形成する。なお、各層６７、６９、７３、７７、７９、８１となるシート等には、必要な箇所にスルーホールを形成しておく。
【００６８】
更に、各電極９９、１０１、１０９、１１１、１１７、１１５やリード部１２１、１２５、１４３、１２９、１３３、１４９、１６３、１３９、１５９を形成するために、対応する層の表面に（例えば白金ペーストからなる）電極パターンやリードパターンが形成され、電極パッド２３〜３３を形成するために、対応する層の表面に電極パッドパターンが形成される。
【００６９】
特に本実施例では、第２固体電解質体７７となるセラミックシートの表面のうち、基準酸素室１１３に対応する位置に、第２外側電極１１７となる電極パターンを形成する。その後、その電極パターンの上に、絶縁保護層１６５となる（焼成後に多孔質となる多孔質材料を含む）多孔質ペーストをスクリーン印刷して多孔質形成層を形成し、更に、多孔質層の表面に、焼成によって消失する消失材料を含む消失ペーストをスクリーン印刷して空隙形成層を形成する。なお、多孔質材料としては、例えばアルミナを用いることができ、消失材料としては、例えば炭素粉末を用いることができる。
【００７０】
そして、上述した（スクリーン印刷によって形成された各層を有する）各セラミックシートを積層して積層体を作製し、この積層体を焼成することによって、ガスセンサ素子７が形成される。なお、この焼成の際に、多孔質形成層が絶縁保護層１６５となり、空隙形成層が燃焼して消失して空隙１６７が形成される。
【００７１】
ｄ）次に、ガスセンサ素子７の動作を制御するセンサ制御装置の構成について説明する。
図６に示す様に、ガスセンサ素子７の動作を制御するセンサ制御装置１６９は、マイクロコンピュータ１７１、電気回路部１７３等を有している。
【００７２】
マイクロコンピュータ１７１は、各種演算を実行するＣＰＵ１７５と、演算結果等が記憶されるＲＡＭ１７７と、ＣＰＵ１７５が実行するプログラム等を記憶するＲＯＭ１７９とを備えている。また、Ａ／Ｄコンバータ１８１と、そのＡ／Ｄコンバータ１８１を介して電気回路部１７３と接続されると共に、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記載する）１８３と通信するための信号入出力部１８５と、図示しないタイマクロック等を備えている。
【００７３】
電気回路部１７３は、基準電圧比較回路１８７、Ｉｐ１ドライブ回路１８９、Ｖｓ検出回路１９１、Ｉｃｐ供給回路１９３、抵抗検出回路１９４、Ｉｐ２検出回路１９５、Ｖｐ２印加回路１９７、ヒータ駆動回路１９９から構成され、マイクロコンピュータ１７１による制御を受けて、ガスセンサ素子７を用いて排ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行う。
【００７４】
尚、第１ポンプセル８３の第１測定室８９側の第１内側電極１０１、酸素濃度検知セル８５の第１測定室８９側の検知電極１０９、第２ポンプセル８７の第２測定室９５側の第２内側電極１１５は、基準電位に接続されている。また、抵抗発熱体９７の一方の電極は接地されている。
【００７５】
ｅ）次に、このような構成のセンサ制御装置１６９によって行われる、排ガス中のＮＯｘ濃度の検出の動作について説明する。
図６に示す様に、ガスセンサ素子７を構成する第１〜第３固体電解質体６９、７７、７３、は、ヒータ駆動回路１９９から駆動電流が流された抵抗発熱体９７の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、第１ポンプセル８３、酸素濃度検知セル８５、第２ポン
プセル８７が動作するようになる。
【００７６】
そして、排気ガスは、第１拡散抵抗部９１による流通量の制限を受けつつ第１測定室８９内に導入される。ここで、Ｉｃｐ供給回路１９３により、酸素濃度検知セル８５には基準電力１１１側から検知電極１０９側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため、排気ガス中の酸素は、負極側となる第１測定室８９内の検知電極１０９から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって第３固体電解質体７３内を流れ、基準酸素室１１３内に移動する。つまり、検知電極１０９と基準電極１１１との間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１測定室８９内の酸素が基準酸素室１１３内に送り込まれている。
【００７７】
Ｖｓ検出回路１９１では、検知電極１０９と基準電極１１１との間の電圧が検出されており、基準電圧比較回路１８７により基準電圧（４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路１８９に対し出力されている。ここで、検知電極１０９と基準電極１１１との間の電位差が４２５ｍＶ付近で一定となるように、第１測定室８９内の酸素濃度を調整すれば、第１測定室８９内の排ガス中の酸素濃度は所定値（例えば１０-8〜１０-9ａｔｍ）に近づくこととなる。
【００７８】
そこで、Ｉｐ１ドライブ回路１８９では、第１測定室８９内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、第１外側電極９９側が負極となるように第１ポンプセル８３に電流Ｉｐ１を流し、ガスセンサ素子７外部から第１測定室８９内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１測定室８９内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路１８９は、第１内側電極１０１側が負極となるように第１ポンプセル８３に電流Ｉｐ１を流し、第１測定室８９内からガスセンサ素子７外部へ酸素の汲み出しを行う。
【００７９】
このように、第１測定室８９において酸素濃度が調整された排気ガスは、第２拡散抵抗部９３を介し、第２測定室９５内に導入される。第２測定室９５内で第２内側電極１１５と接触した排気ガス中のＮＯｘは、Ｖｐ２印加回路１９７により第２外側電極１１７と第２内側電極１１５との間へ電圧Ｖｐ２を印加されることで、第２内側電極１１５上でＮ2とＯ2とに分解（還元）され、分解された酸素は、酸素イオンとなって第２固体電解質体
７７内を流れ、基準酸素室１１３内に移動する。このため、第２ポンプセル８７を流れる電流は、ＮＯｘ濃度に応じた値を示す。
【００８０】
従って、センサ制御装置１６９では、Ｉｐ２検出回路１９５により第２ポンプセル８７を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値から、排ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行う。
詳しくは、ＮＯｘ濃度と電流Ｉｐ２との関係を予め求めて、予めマップ等を作製しておき、測定された電流Ｉｐ２をこのマップに参照して、ＮＯｘ濃度を求める。
【００８１】
ｆ）このように、本実施例では、ガスセンサ素子７の基準酸素室１１３の両側に、酸素濃度検知セル８５の基準電極１１１と第２ポンプセル８７の第２外側電極１１７とが、対向して配置されている。しかも、この第２外側電極１１７の表面には、通気性を有する多孔質の絶縁保護層１６５を備えるとともに、絶縁保護層１６５は、対向する基準電極１１１に対して空隙１６７を介して配置されている。
【００８２】
これによって、排気ガスに含まれた水分がスルーホール１４１、１４５、１５１、１６１、１５７、１５５やリード部１４６、１４９、１５３、１６３、１５９を介して、基準酸素室１１３内の基準電極１１１や第２外側電極１１７に至った場合でも、その水分は両電極１１１、１１７内や絶縁保護層１６５内にとどまるだけであり、基準電極１１１と絶縁保護層１６５との間の空隙１６７に漏出し難くなっている。
【００８３】
よって、両電極１１１、１１７間が水分によってショートすることが防止されるので、両電極１１１、１１７は、それぞれ所定の電位を保持することができ、よって、ＮＯｘの濃度の測定に支障が生ずることを防ぐことができる。
【００８４】
特に、本実施例では、上述の様に、ＮＯｘの測定の際には、基準酸素室１１３内の両電極１１１、１１７には、所定の電位差（Ｖｓ−Ｖｐ２）があるので、水分によるショートを防止することは重要である。なお、両電極１１１、１１７がショートした場合には、両電極１１１、１１７間に電流が流れ、その結果、電流Ｉｐ２の出力値が増加し、精度良く測定対象ガスのガス濃度を測定できないという不具合が発生する。
【００８５】
また、本実施例では、基準酸素室１１３内の両電極１１１、１１７のうち、ヒータ６５が積層された側の第２外側電極１１７の表面に、絶縁保護層１６５が形成されている。そのため、ヒータ６５によって加熱された場合に、第２外側電極１１７内の導電物質であるＰｔが昇華したときでも、そのＰｔは絶縁保護層１６５によって十分に捕集されるので、Ｐｔが空隙１６７に飛散することを効果的に抑制できる。
【００８６】
更に、本実施例では、絶縁保護層１６５は、純度が９９．９％以上のアルミナからなるので、絶縁保護層１６５が水に浸された場合、更には、空隙１６７が水に浸された場合でも、絶縁保護層１６５から水に溶出する導電性の不純物の量が少ない。よって、この点からも、電気絶縁性が低下することを抑制できる。
【００８７】
なお、本実施例では、アルミナからなる絶縁保護層１６５を用いたが、アルミナを主成分とすると共に、スピネル、チタニア、ジルコニア等のセラミック材料が含まれていても良い。
【００８８】
その上に、本実施例では、基準酸素室１１３内の空隙１６７の厚みは、絶縁保護層１６５の厚みよりも大であるので、水分によるショートをより確実に防止することができる。
ｇ）次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、本発明品として、実施例１と同様なガスセンサ素子を６個（試料Ｎｏ．１〜６）作製し、図７に示すように、その後端側の全ての電極パッドを、所定時間（例えば３６時間）にわたり水中に浸漬させた（水没させた）。
【００８９】
その後、このガスセンサ素子を用いて、室温（２５℃）にて大気中でガスセンサ素子を作動させて、電流Ｉｐ２を測定した。その結果を、下記表１及び図７（ｂ）に示す。
一方、本発明の範囲外の比較例品として、試料Ｎｏ．７〜１０の試料を作製し、ガスセンサ素子の後端側の全ての電極パッドを、所定時間水没させた。その後、このガスセンサ素子を用いて、室温（２５℃）にて大気中でガスセンサ素子を作動させて、電流Ｉｐ２を測定した。その結果を、同じく下記表１及び図７（ｂ）に示す。
【００９０】
なお、試料Ｎｏ．７〜１０は、基準酸素室内の空隙を絶縁保護層で満たし、空隙が存在しないガスセンサ素子としたものである。
【００９１】
【表１】
0005647188.tif 000002
この表１及び図７（ｂ）から明らかな様に、本発明の試料Ｎｏ．１〜６は、３６時間水没した後に、いずれも０．００５６μＡ以下であり、耐久性（電気絶縁性）に優れていることが分かる。
【００９２】
これに対して、比較例の試料Ｎｏ．７〜１０は、３６時間水没した後には、０．０５４μＡ以上となっており、耐久性が低く、好ましくない。
【実施例２】
【００９３】
次に、実施例２について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
実施例２のガスセンサ素子は、実施例１とは、基準酸素室の構成のみが異なるので、基準酸素室の構成について説明する。
【００９４】
図８（ａ）に示す様に、本実施例のガスセンサ素子２０１の基準酸素室２０３には、実施例１と同様に、（同図上方の）第３固体電解質体２０５の表面に基準電極２０７が形成されるとともに、（同図下方の）第２固体電解質体２０９の表面に第２外側電極２１１が形成されている。
【００９５】
特に、本実施例では、基準電極２０７の表面を覆うように、多孔質の第１絶縁保護層２１３が形成されているとともに、第２外側電極２１１の表面を覆うように、同様な多孔質の第２絶縁保護層２１５が形成されている。
【００９６】
更に、第１絶縁保護層２１３と第２絶縁保護層２１５との間には、何も充填されていない空隙２１７が形成されている。
実施例２においても、実施例１と同様な効果を奏する。
【実施例３】
【００９７】
次に、実施例３について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
実施例３のガスセンサ素子は、実施例１とは、基準酸素室の構成のみが異なるので、基準酸素室の構成について説明する。
【００９８】
図８（ｂ）に示す様に、本実施例のガスセンサ素子３０１の基準酸素室３０３には、実施例１と同様に、（同図上方の）第３固体電解質体３０５の表面に基準電極３０７が形成されるとともに、（同図下方の）第２固体電解質体３０９の表面に第２外側電極３１１が形成されている。
【００９９】
特に、本実施例では、基準電極３０７の表面を覆うように、多孔質の絶縁保護層３１３が形成されているとともに、この絶縁保護層３１３と第２外側電極３１１との間には、何も充填されていない空隙３１５が形成されている。
【０１００】
実施例３においても、実施例１と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例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。
【符号の説明】
【０１０１】
７、２０１、３０１…ガスセンサ素子
６５…ヒータ
６９…第１固体電解質体
７３、２０５、３０５…第３固体電解質体
７７、２０９、３０９…第２固体電解質体
８３…第１ポンプセル
８５…酸素濃度検知セル
８７…第２ポンプセル
８９…第１測定室
９１…第１拡散抵抗部
９３…第２拡散抵抗部
９５…第２測定室
９９…第１外側電極
１０１…第１内側電極
１０９…検知電極
１１１、２０７、３０７…基準電極
１１３、２０３、３０３…基準酸素室
１１５…第２内側電極
１１７、２１１、３１１…第２外側電極
１６５、２１３、２１５、３１３…絶縁保護層
１６７、２１７、３１５…空隙
【図１】
0005647188.tif 000003
【図３】
0005647188.tif 000004
【図５】
0005647188.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図２】
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【図４】
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