(57)【要約】【課題】電気的接続性及び酸素透過性の両立が要求される基準リードを設計容易にすることが可能なガスセンサを提供する。【解決手段】酸素センサのセンサ素子１０は、固体電解質体１４０を挟んで積層された一対の電極として、被測定ガスに晒される電極部１９１と、酸素基準部として機能する電極部２０１とを有する。電極部２０１には、リード部２０３及び多孔質部２１２が接続されている。電極部２０１は、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有する。リード部２０３は、貴金属を主成分とするとともに、電極部２０１よりもセラミックの含有量が少ない。多孔質部２１２は、リード部２０３よりもガス透過性が高く、セラミックを主成分とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガスを検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサであって、
前記センサ素子は、板状の固体電解質体と、該固体電解質体を挟んで当該固体電解質上に積層された一対の電極と、を有し、
前記一対の電極は、前記被測定ガスに晒される測定電極部と、前記センサ素子の内部に配置されて、前記固体電解質体を介して酸素が組み込まれることで酸素基準部として機能する基準電極部と、からなり、
前記基準電極部には、前記固体電解質体の表面に沿って前記センサ素子の内部に延設されるリード部が接続されており、
前記基準電極部は、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有し、
前記リード部は、貴金属を主成分とするとともに、前記基準電極部よりも前記セラミックの含有量が少なく、
前記基準電極部には、前記固体電解質体の表面に沿って前記センサ素子の内部に延設され、前記リード部よりもガス透過性が高い、セラミックを主成分とする多孔質部が接続されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記多孔質部は、前記基準電極部よりもガス透過性が高い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】
前記多孔質部は、前記一対の電極の積層方向に沿って、前記リード部上に積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記リード部は、前記センサ素子の表面に設けられた電極パッドとスルーホール導体を介して電気的に接続されており、
前記多孔質部の一部は、前記スルーホール導体内に設けられるスルーホールを介して前記センサ素子の外部と連通することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記貴金属は、プラチナ単体、又は、プラチナにロジウム、パラジウム、ルテニウム及び金の少なくとも一つを合わせた合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか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、測定対象ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ素子を備えるガスセンサに関し、より詳細には、基準電極部が、酸素が汲み込まれることで酸素基準部として機能する自己生成型のガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの排気ガス中の特定ガス、例えばＮＯｘや酸素などの濃度に応じ、大きさの異なる起電力が生じたりするガスセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。一例としてジルコニアを用いた酸素センサは、ジルコニアからなる固体電解質体を挟む一対の電極からなる酸素ポンプセル及び酸素濃度検出セルを備えている。このうち、酸素ポンプセルでは、酸素濃度検出セルに発生する起電力が基準電圧となるように、一対の電極間に流す電流の大きさや向きが制御され、これにより、ガス検出室に対して酸素の汲み出し、汲み入れが行われる。そして、酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて、排気ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定できる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７―３３１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の自己生成型のガスセンサでは、酸素濃度検出セルに微小電流を流すことによって、検出電極部から基準電極部に酸素イオンを移動させて、基準電極部に酸素を溜め込ませる。そして、基準電極部に溜め込まれた酸素によって、酸素センサ内に所定レベルの基準酸素を生成する。このため、基準電極部は、電極として機能するための導電性と、酸素を蓄積可能な多孔質性との両方を備えるように、プラチナとジルコニアとを混ぜたペーストを焼成した多孔質金属で構成されていた。また、このようなガスセンサには、基準電極と外部とを電気的に接続するとともに、基準電極部にて所定レベル以上に溜め込まれた酸素が外部に導出されるための基準リードを備えている。つまり、基準リードにも電気的接続性及び酸素透過性の両立が要求されるため、従来では基準電極部と同様に多孔質金属で一体に構成されていた。
【０００５】
しかしながら、基準リードは、電気的接続性を向上させるために貴金属の含有量を増やして気孔率を小さくするほど酸素透過性が低下する一方、酸素透過性を向上させるために貴金属の含有量を減らして気孔率を大きくするほど電気的接続性が低下する。そのため、従来のガスセンサは、基準リードにおける電気的接続性及び酸素透過性のバランスを高精度で調整される必要があり、基準リードの設計を困難にしていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電気的接続性及び酸素透過性の両立が要求される基準リードを設計容易にすることが可能な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】
【０００７】
本発明の一態様に係るガスセンサは、被測定ガス中の特定ガスを検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサであって、前記センサ素子は、板状の固体電解質体と、該固体電解質体を挟んで当該固体電解質上に積層された一対の電極と、を有し、前記一対の電極は、前記被測定ガスに晒される測定電極部と、前記センサ素子の内部に配置されて、前記固体電解質体を介して酸素が組み込まれることで酸素基準部として機能する基準電極部と、からなり、前記基準電極部には、前記固体電解質体の表面に沿って前記センサ素子の内部に延設されるリード部が接続されており、前記基準電極部は、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有し、前記リード部は、貴金属を主成分とするとともに、前記基準電極部よりも前記セラミックの含有量が少なく、前記基準電極部には、前記固体電解質体の表面に沿って前記センサ素子の内部に延設され、前記リード部よりもガス透過性が高い、セラミックを主成分とする多孔質部が接続されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係るガスセンサによれば、従来のような電気的接続性及び酸素透過性の両立が要求される基準リードを、電気的接続のみを確保するためのリード部と、酸素透過性を確保するための多孔質部とに分割した。このように、機能別に構成されたリード部及び多孔質部で形成することによって、ガスセンサ素子の設計が容易となる。
【０００９】
また、電気的接続を確保するリード部は、貴金属を主成分とするとともに、基準電極部よりもセラミックの含有量が少なくしている。これにより、リード部を緻密にすることができ、電気的接続性が向上する。
【００１０】
なお、リード部に含有されるセラミックは、少なければ少ないほど上記効果を得やすくなるが、固体電解質体とリード部との密着性を考慮すると、リード部に１質量％以上のセラミックが含有されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明において、「主成分」とは、その成分が５０質量％以上含有することをさす。つまり、「リード部が貴金属を主成分とする」とは、リード部の成分の５０質量％以上が貴金属であることをさす。
【００１２】
これに対し、酸素透過性を確保する多孔質部は、リード部よりもガス透過性が高く、セラミックを主成分としている。これにより、多孔質部は、気孔率を容易に調整することができる。このため、多孔質部は、流路断面積、流路長及び気孔率を調整することによって、酸素の内圧を容易に調整することができる。従って、多孔質部では、酸素分圧に基づく酸素流量の出力調整が容易となり、酸素流量を安定化させることが可能となる。
【００１３】
なお、多孔質部は、セラミックを主成分とすると共に、貴金属が含有されていてもよいが、より好ましくはセラミックからなることが好ましい。
【００１４】
また、「リード部よりもガス透過性が高い」とは、同じ長さ、同断面積の基準リードと多孔質部とに同じ条件でそれぞれ被測定ガスを流し込んだ時に、流し込んだ時に、多孔質部のほうが、流出ガス圧力が高くなる、または流出ガス速度が速くなることをさす。
【００１５】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記多孔質部は、前記基準電極部よりもガス透過性が高くてもよい。これにより、多孔質部は、基準電極部に溜め込まれる酸素が所定レベル以上に成った際に、容易に多孔質部を介して外部に導出することができる。
【００１６】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記多孔質部は、前記一対の電極の積層方向に沿って、前記リード部上に積層されてもよい。リード部と多孔質部は、固体電解質体上に並んで（積層方向に垂直な方向に並んで）配置されていてもよいが、リード部上に多孔質部が積層されることにより、容易に且つ精確に機能別に構成されたリード部及び多孔質部を形成することができる。
【００１７】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、前記リード部は、前記センサ素子の表面に設けられた電極パッドとスルーホール導体を介して電気的に接続されており、前記多孔質部の一部は、前記スルーホール導体内に設けられるスルーホールを介して前記センサ素子の外部と連通していてもよい。通常、センサ内部に設けられた基準リードは、センサ素子の外部に設けられる電極パッドに対して、固体電解質体等に設けられたスルーホールの周囲に形成されるスルーホール導体を介して電気的に接続される。本発明では、このスルーホール導体を用いた電気的接続を利用して、多孔質部とセンサ素子の外部とをスルーホールを介して連通することで、基準電極部から溢れた酸素を容易に外部に逃がすことができる。
【００１８】
なお、多孔質部と外部とは連通していればよいが、多孔質部がスルーホールに露出し、外部から多孔質部が視認できるようにすれば、確実に上記効果を得ることができるため、より好ましい。
【００１９】
また、本発明の一態様に係るガスセンサにおいて、貴金属は、プラチナ単体、又は、プラチナにとロジウム、パラジウム、ルテニウム及び金の少なくとも一つを合わせた合金としてもよい。このような材料を用いることで、リード部の電気的接続性がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】酸素センサ１の縦断面図である。
【図２】センサ素子１０の外観を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態における、センサ素子１０の分解斜視図である。
【図４】通電パターン２００を裏面側からみた平面図である。
【図５】図４に示す通電パターン２００の縦断面図である。
【図６】第２の実施形態における、センサ素子１０の分解斜視図である。
【図７】通電パターン３００を裏面側からみた平面図である。
【図８】図７に示す通電パターン３００の縦断面図である。
【図９】変形例における、センサ素子１０の分解斜視図である。
【図１０】変形例における、通電パターン３００を裏面側からみた平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化したガスセンサの第１の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、ガスセンサの一例として酸素センサ１を挙げ、その機械的な構造について、図１を参照して説明する。なお、図１では上下方向をそれぞれ酸素センサ１の軸線Ｏ方向とする。そして、図１では下側を酸素センサ１の先端側とし、また、上側を酸素センサ１の後端側として説明するものとする。
【００２２】
図１に示す酸素センサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、排気管内を流通する排気ガス（測定対象ガス）中の酸素（特定ガス）の濃度、ひいては排気ガスの空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサを一例とする。
【００２３】
酸素センサ１のセンサ素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅で板状の素子で、後述する検出素子２とヒータ３とからなる（図１では、紙面左右方向を板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として示している。）。なお、本発明における「ガスセンサ素子」は、厳密には検出素子２を言うが、本実施形態では、便宜上、検出素子２とヒータ３とが一体となったセンサ素子１０を、本発明の「ガスセンサ素子」として、以下の説明を行うものとする。酸素センサ１は、センサ素子１０をカップ４０内に配置し、さらに、主体金具５０内にてカップ４０を支持することで、センサ素子１０を主体金具５０内に保持した構造を有する。なお、センサ素子１０の詳細な構造については後述する。
【００２４】
センサ素子１０の先端部１１には、酸素濃度の検出を担う検出部１４が設けられており、カップ４０の先端側の開口２５から（つまり主体金具５０の先端から）、検出部１４が突出している。カップ４０の開口２５の開口端を含む先端周縁部２３は、外周面にかけてテーパ状に形成されている。カップ４０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、それぞれ、自身の穴内にセンサ素子１０を挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２はカップ４０内で押し潰されることで、センサ素子１０がカップ４０内で位置決めされて保持されている。
【００２５】
主体金具５０はＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなり、主体金具５０の外周先端側には、排気管への取り付け用のねじ山が形成された取付部５１が設けられている。取付部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。主体金具５０の外周中央には、排気管への取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。工具係合部５２の先端面と取付部５１の後端との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット５５が嵌挿されている。工具係合部５２の後端側には、後述する外筒６５が係合される後端係合部５７と、その後端側に、主体金具５０内にセンサ素子１０を加締め保持するための加締部５３とが形成されている。
【００２６】
主体金具５０の内周で取付部５１付近には、段部５４が形成されている。段部５４には、センサ素子１０を保持するカップ４０の先端周縁部２３が係止されている。主体金具５０の内周には、滑石リング２６が自身にセンサ素子１０を挿通させた状態で、カップ４０の後端側から装填されている。滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には、段状をなす肩部２８が形成されている。肩部２８には、円環状の加締パッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締部５３が、加締パッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。スリーブ２７に押圧された滑石リング２６は、主体金具５０内で押し潰されて、主体金具５０内に充填されている。
【００２７】
主体金具５０の先端係合部５６は、筒状に形成されており、先端係合部５６にはプロテクタ８が嵌められ、スポット溶接やレーザ溶接によって固定されている。このプロテクタ８は、主体金具５０の先端から突出されたセンサ素子１０の先端部１１の外周を取り囲んで、センサ素子１０を被水や物理的な衝撃による折損等から保護している。プロテクタ８は、有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態でその径方向周囲を取り囲む筒状の外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。
【００２８】
内側プロテクタ９０には、周壁９２の後端側に複数の内側導入孔９５と、周壁９２の先端側に複数の水抜き孔９６と、底壁９３に排出口９７とが開口されている。さらに、開口端側（後端側）の基端部９１が、先端係合部５６の外周に係合されている。外側プロテクタ８０には、周壁８２の先端側に複数の外側導入孔８５が開口されている。開口端側の基端部８１が、内側プロテクタ９０の基端部９１の外周に係合されている。さらに、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０との間の空隙を閉じるように、外側プロテクタ８０の先端部８３が内側プロテクタ９０の周壁９２に向けて、内側に折り曲げられている。
【００２９】
センサ素子１０の後端部１２は、主体金具５０後端（加締部５３）から突出されており、後端部１２の表面には、検出素子２やヒータ３と接続端子６１との電気的な接続を担う電極パッド２３１〜２３５（図２，図３参照）が形成されている（図１ではそのうちの電極パッド２３３，２３５を図示している。）。さらに、後端部１２には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、内部に、電極パッド２３１〜２３５のそれぞれに接触（電気的に接続）させる５つの接続端子６１（図１ではそのうちの３つを図示している。）を保持している。セパレータ６０は、先端側セパレータ６３と後端側セパレータ６４とからなり、先端側セパレータ６３の後端に設けられた鍔部６２に後端側セパレータ６４の先端が係合している。先端側セパレータ６３は、５つの接続端子６１が、互いに電気的に接触することがないように配置された状態で収容されている。後端側セパレータ６４には、酸素センサ１の外部に引き出される５本のリード線（図示外）が、接触することがないように配置された状態で収容されている。
【００３０】
外筒６５は、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製で筒状をなす部材であり、センサ素子１０の後端部１２やセパレータ６０の周囲を覆って保護している。外筒６５は、自身の先端側の開口端６６が主体金具５０の後端係合部５７の外周に係合され、外周側から加締められると共に、後端係合部５７に全周レーザ溶接されている。
【００３１】
外筒６５と先端側セパレータ６３との間の間隙には、保持金具７０が配設されている。保持金具７０は金属製で筒状をなしており、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部７１を有する。保持金具７０は、自身の内部に挿通される先端側セパレータ６３の鍔部６２を支持部７１に係止させて、先端側セパレータ６３を支持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒６５の外周面が加締められ、先端側セパレータ６３を支持した保持金具７０が、外筒６５に固定されている。
【００３２】
外筒６５の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット７５が嵌合されている。グロメット７５は５つの挿通孔７６（図１ではそのうちの３つを図示している。）を有し、各挿通孔７６に、後端側セパレータ６４から引き出された５本のリード線（図示外）が、気密に挿通されている。
【００３３】
次に、センサ素子１０の構成について、図２を参照して説明する。なお、図２では上下方向をそれぞれセンサ素子１０の軸線Ｏ方向とする。そして、図２では下側をセンサ素子１０の先端側とし、また、上側をセンサ素子１０の後端側として説明するものとする。図２に示すセンサ素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅で板状に形成された検出素子２とヒータ３とを、厚み方向に積層して一体化したものである。センサ素子１０の先端側に設けられた検出部１４には、排気ガスを取り込んで排気ガス中の酸素濃度の検出を行うためのガス検出室１３２（図３参照）が設けられている。また、検出部１４を排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分等被毒性の付着物質）等による被毒から保護するため、多孔質の保護層９が覆われている。
【００３４】
センサ素子１０の後端部１２において、自身の厚み方向と直交する外表面のうち、検出素子２側の外表面（以下、「主面」という。）１６には、セパレータ６０の５つの接続端子６１（図１参照）のうちの３つとそれぞれ対となって接触し、電気的に接続される電極パッド２３１，２３２，２３３が形成されている。同様に、主面１６とは厚み方向において反対側となるヒータ３側の外表面（以下、「裏面」という。）１７にも、接続端子６１の残る２つとそれぞれ対になって接触して電気的に接続される電極パッド２３４，２３５が形成されている。
【００３５】
次に、センサ素子１０の内部構造の詳細について、図３を参照して説明する。なお、図３では左右方向をそれぞれセンサ素子１０の軸線Ｏ方向とする。そして、図３では左側をセンサ素子１０の先端側とし、また、右側をセンサ素子１０の後端側として説明するものとする。また、センサ素子１０の主面１６側（図３の紙面上側）に配置される上記各部材の外表面を、センサ素子１０に倣い「主面」と呼び、裏面１７側（図３の紙面下側）に配置される各部材の外表面を同様に「裏面」と呼ぶものとする。
【００３６】
センサ素子１０は、検出素子２とヒータ３とが積層されている。このうち、検出素子２は、絶縁性を有するアルミナを主体とする絶縁基体１１０，１３０と、ジルコニアを主体とする固体電解質体１２０，１４０とが、主面１６側から裏面１７側に向けて、絶縁基体１１０，固体電解質体１２０，絶縁基体１３０，固体電解質体１４０の順に積層された構造を有する。固体電解質体１２０及び固体電解質体１４０の各両面には、それぞれ、一対の通電パターン１７０，１８０及び一対の通電パターン１９０，２００が形成されている。各絶縁基体１１０，１３０と各固体電解質体１２０，１４０は、いずれも大きさがほぼ等しい細幅の板体として形成されている。
【００３７】
固体電解質体１２０，１４０は、ジルコニアに安定化剤としてイットリア又はカルシアを添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。ここでは、固体電解質体１２０，１４０は、イットリアを安定化剤として添加したジルコニアにアルミナが１０〜８０質量％含有されてなるものとする。
【００３８】
絶縁基体１１０，１３０及び後述の絶縁基体１５０，１６０は、セラミック焼結体であれば特に限定されず、セラミックとして、例えば、アルミナ、スピネル、ムライト、ジルコニア等を使用することができる。これらのうちの１種のみを用いることもでき、また２種以上を併用することもできる。ここでは、絶縁基体１１０，１３０，１５０，１６０は、アルミナを主体としたセラミック焼結体であるものとする。
【００３９】
通電パターン１７０，１８０，１９０及び後述の発熱抵抗体２２０としては、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、プラチナ、ロジウム、パラジウム等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。ここでは、通電パターン１７０，１８０，１９０及び発熱抵抗体２２０は、耐熱性、耐酸化性等に優れるプラチナを主体として構成されているものとする。
【００４０】
通電パターン２００は、電極部２０１が後述の酸素基準部として機能するため、電極として機能するための導電性（電気的接続性）と、酸素を蓄積可能な多孔質性（酸素透過性）との両方を備えるように、少なくとも電極部２０１は貴金属を含有する多孔質金属で構成される。貴金属としては、いずもプラチナ単体、あるいはプラチナに、ロジウム、パラジウム、ルテニウム及び金の群から選ばれる１種を合わせた合金が用いられる。より好適には、貴金属としては、耐熱性、耐酸化性等に優れるプラチナが望ましい。ただし、本実施形態の通電パターン２００では、後述のリード部２０３に多孔質部２１２が積層された構成を有するが、詳細は後述する。
【００４１】
なお、通電パターン１７０，１８０，１９０，２００及び発熱抵抗体２２０は、主成分となる貴金属にセラミック成分を含有させるとよい。セラミック成分は、各通電パターン１７０，１８０，１９０，２００及び発熱抵抗体２２０と、これらが埋設される絶縁基体１１０，１３０，１５０，１６０との固着強度を確保するための含有成分である。セラミック成分は、各通電パターン１７０，１８０，１９０，２００及び発熱抵抗体２２０がそれぞれ埋設される絶縁基体１１０，１３０，１５０，１６０の主体となる成分と同成分であることが、固着強度の観点から好ましい。
【００４２】
固体電解質体１２０の主面上に形成される通電パターン１７０は、固体電解質体１２０の先端側（図中左手側）から後端側（図中右手側）に延びるリード部１７３を有する。リード部１７３の先端側には幅広の電極部１７１が形成されている。固体電解質体１２０の主面側には絶縁基体１１０が積層され、通電パターン１７０は両者間に挟まれている。絶縁基体１１０の後端側で、通電パターン１７０の後端部１７２の位置に対応する位置には、スルーホール１１３が形成されている。センサ素子１０の主面１６となる絶縁基体１１０の主面上で、スルーホール１１３に対応する後端側の位置には、電極パッド２３１が形成されている。電極パッド２３１は、スルーホール１１３内に形成されるスルーホール導体を介して、通電パターン１７０の後端部１７２と電気的に接続されている。
【００４３】
絶縁基体１１０の先端側で、電極部１７１が配置される位置には、自身の厚み方向に貫通する開口部１１１が設けられている。開口部１１１内には、絶縁基体１１０と同様に、アルミナを主体とし多孔質となるように形成されたポーラス層１１２が設けられている。通電パターン１７０の電極部１７１は、ポーラス層１１２を介し、外気と連通されるように構成されている。
【００４４】
固体電解質体１２０の裏面上には、通電パターン１７０と対となる通電パターン１８０が形成されている。通電パターン１８０は、通電パターン１７０と同様に、固体電解質体１２０の先端側から後端側に延びるリード部１８３と、リード部１８３の先端側にて幅広に形成された電極部１８１とを有する。電極部１８１は、固体電解質体１２０を挟んで通電パターン１７０の電極部１７１と対向する位置に配置されている。固体電解質体１２０を挟む一対の電極部１７１，１８１と、固体電解質体１２０とが、酸素の汲み入れ、汲み出しを行う酸素ポンプセル（以下、「ＩＰセル」という。）２４０として機能する。固体電解質体１２０及び絶縁基体１１０の後端側で、通電パターン１８０の後端部１８２に対応する位置には、それぞれスルーホール１２４及びスルーホール１１４が形成されている。絶縁基体１１０の後端側の主面上で、スルーホール１１４に対応する位置には、電極パッド２３２が形成されている。電極パッド２３２は、絶縁基体１１０の後端側の主面上にて幅方向に電極パッド２３１と並ぶ位置に配置されている。電極パッド２３２は、スルーホール１１４内に形成されるスルーホール導体、及びスルーホール１２４内に形成されるスルーホール導体を介して、通電パターン１８０の後端部１８２と電気的に接続されている。
【００４５】
固体電解質体１２０の裏面側には、通電パターン１８０を固体電解質体１２０との間に挟み込んだ状態で、絶縁基体１３０が積層される。絶縁基体１３０の先端側で、通電パターン１８０の電極部１８１が配置される位置にも、自身の厚み方向に貫通する開口部１３１が設けられている。開口部１３１は、絶縁基体１３０の厚み方向両側に積層配置される固体電解質体１２０と固体電解質体１４０とによって閉じられ、内部がガス検出室１３２として構成される。通電パターン１８０の電極部１８１は、ガス検出室１３２内に配置されている。
【００４６】
開口部１３１の側壁のうち、絶縁基体１３０の幅方向両側の側壁には、拡散律速部１３３が設けられている。拡散律速部１３３は、アルミナからなる多孔質体として形成されている。センサ素子１０の周囲の排気ガスが、拡散律速部１３３を介してガス検出室１３２内に導入されるように構成されている。拡散律速部１３３は、排気ガス導入の際に、ガス検出室１３２内への排気ガスの流入量を制限するために設けられている。
【００４７】
固体電解質体１４０は、絶縁基体１３０の裏面側に積層される。固体電解質体１４０の主面上には、通電パターン１７０，１８０と同様に、固体電解質体１４０の先端側から後端側に延びるリード部１９３と、リード部１９３の先端側にて幅広に形成された電極部１９１とを有する通電パターン１９０が形成されている。通電パターン１９０の電極部１９１も、ガス検出室１３２内に露出されている。絶縁基体１３０の後端側で、通電パターン１９０の後端部１９２に対応する位置にも、スルーホール１３４が形成されている。スルーホール１３４の形成位置は、絶縁基体１３０の主面側の通電パターン１８０の後端部１８２の形成位置にも対応している。スルーホール１３４内に形成されるスルーホール導体を介して、通電パターン１８０の後端部１８２と、通電パターン１９０の後端部１９２とが電気的に接続されている。つまり、通電パターン１８０と、通電パターン１９０と、電極パッド２３２とは、互いに電気的に接続されている。
【００４８】
固体電解質体１４０の裏面上にも、通電パターン１９０と対となる通電パターン２００が形成されている。通電パターン２００は、通電パターン１９０と同様に、固体電解質体１４０の先端側から後端側に延びるリード部２０３と、リード部２０３の先端部分にて幅広に形成された電極部２０１とを有する。電極部２０１は、固体電解質体１４０を挟んで通電パターン１９０の電極部１９１と対向する位置に配置されている。固体電解質体１４０を挟む一対の通電パターン１９０，２００（詳細には、一対の電極部１９１，２０１）と、固体電解質体１４０とが、酸素濃度検知セル（以下、「ＶＳセル」という。）２４５として機能する。
【００４９】
ところで、絶縁基体１１０の後端側の主面上には、電極パッド２３１及び電極パッド２３２に並んで、電極パッド２３３が形成されている。通電パターン２００の後端部２０２の配置位置は、厚み方向において、電極パッド２３３の形成位置に対応している。通電パターン２００の後端部２０２と電極パッド２３３との間に介在する、絶縁基体１１０，固体電解質体１２０，絶縁基体１３０及び固体電解質体１４０には、厚み方向に貫通して連続するスルーホール１１５，１２５，１３５，１４５がそれぞれ形成されている。そして、通電パターン２００の後端部２０２と、電極パッド２３３とは、これらスルーホール１１５，１２５，１３５，１４５内に形成されるスルーホール導体を介して、互いに電気的に接続される構成となっている。
【００５０】
ヒータ３の構成について説明する。ヒータ３は、絶縁性を有するアルミナを主体とする絶縁基体１５０の裏面と絶縁基体１６０の主面との間に、発熱抵抗体２２０を挟んだ構造となっている。発熱抵抗体２２０は、ヒータ３内でつながった１本の導電パターンからなり、主に発熱がなされるように断面積が小さく形成されたパターンからなる発熱部２２１を有している。発熱部２２１は、センサ素子１０の先端部１１（図２参照、図３における左手側）に配設されている。発熱部２２１の両端にそれぞれ接続される２本のリード部２２３は、発熱部２２１より大きな断面積を有し、幅方向に並列した状態で、軸線Ｏ方向に沿って絶縁基体１５０，１６０の後端側（図３における右手側）まで延設されている。
【００５１】
絶縁基体１６０の裏面上には、後端側に、絶縁基体１６０の幅方向に並ぶ２つの電極パッド２３４，２３５が設けられている。電極パッド２３４，２３５は、絶縁基体１６０の後端側に形成された２つのスルーホール１６４，１６５内にそれぞれ形成されるスルーホール導体を介し、発熱抵抗体２２０の２本のリード部２２３の後端部２２２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００５２】
ここで、酸素センサ１を用いて被検出ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）を検出する動作について簡単に説明する。まずＶＳセル２４５の電極部２０１から電極部１９１に向けて微小電流を通電する。この通電より、電極部１９１側から電極部２０１側に固体電解質体１４０を介して被検出ガス中の酸素が汲み込まれ、電極部２０１が酸素基準部として機能する。次に、両電極部１９１，２０１間に発生する起電力Ｖｓを検出し、この起電力Ｖｓが基準電圧となるようにＩＰセル２４０の電極部１７１，１８１間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。そして、酸素センサ１から出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさと向きに基づいて被検出ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定できる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る通電パターン２００の詳細構造について、図４及び図５を参照して説明する。なお、図４及び図５に示す通電パターン２００は、図３に示すセンサ素子１０の通電パターン２００を、説明の便宜のために表裏を逆にして示している。
【００５４】
図４及び図５に示すように、本実施形態の通電パターン２００は、電極部２０１が、電気的接続性及び酸素透過性の両方を兼ね備える一層構造を有する。一方、リード部２０３は、電気的接続を確保するためのみに形成されており、さらに、リード部２０３には、酸素透過性を確保するための多孔質部２１２が積層されている。電極部２０１の後端側は、リード部２０３と多孔質部２１２との先端側に挟まれて接続されている。本実施形態では、電極部２０１の厚みは３０μｍであるのに対し、リード部２０３の厚みが１０μｍ、多孔質部２１２の厚みが５０μｍであるものとする。
【００５５】
電極部２０１は、貴金属にセラミック成分を混ぜたペーストを焼成した多孔質金属として構成される。ここでは、電極部２０１は、プラチナにアルミナを１４質量％が混ざった焼結体であるものとする。ペーストの焼成時におけるプラチナ同士の焼結がアルミナによって阻害されて気孔率が高まり、その焼結体が導電性及び多孔質性の両方を適度に備える。これにより、電極部２０１は、電極として機能するのみならず、固体電解質体１４０を介して汲み込まれる被検出ガス中の酸素が溜め込まれて、酸素基準部として機能する。
【００５６】
リード部２０３は、電極部２０１と比較して電気抵抗が小さく、例えば、電極部２０１の同体積に対して電気抵抗が１／５以下である。言い換えると、リード部２０３は、貴金属を主成分とし、セラミック成分をほとんど含有しない（あるいは、全く含有しない）。なお、セラミック成分の含有量は、電極部２０１の１／３以下としている。ここでは、リード部２０３は、プラチナにアルミナを３．５質量％混ぜたペーストの焼結体であるものとする。セラミック成分の含有量が少ないことによって、ペーストの焼成時にプラチナ同士の焼結が十分に進行して気孔率が小さくなる。その結果、リード部２０３は、電極部２０１よりも導電性（つまり、電気的接続性）に優れて、電極部２０１と後端部２０２とを電気的に接続する。
【００５７】
多孔質部２１２は、電極部２０１と比較して気孔率が大きく、セラミックに造孔材を混ぜたペーストを焼成したセラミック焼結体である。本実施形態の多孔質部２１２は、アルミナ又はジルコニアにカーボンを混ぜたペーストの焼結体であって、その気孔率は３０〜５０体積％である。これにより、多孔質部２１２は、リード部２０３よりも多孔質性（つまり、酸素透過性）に優れて、酸素飽和状態にある電極部２０１から溢れた酸素を後端部２０２へ逃がす一方、その絶縁性によって電気的な接続を妨げる。
【００５８】
なお、電極部２０１の後端側は、リード部２０３の先端側を覆いつつ、且つ多孔質部２１２の先端側に覆われている。これは、リード部２０３が最も気孔率が小さく、電極部２０１、多孔質部２１２の順に気孔率が高くなるためである。例えば、多孔質部２１２上にリード部２０３を形成する場合、多孔質部２１２にリード部２０３が浸透し、多孔質部２１２の気孔率が低下し、酸素透過性が低下する虞がある。これに対し、リード部２０３、電極部２０１、多孔質部２１２の順に形成することで、電極部２０１や多孔質部２１２の酸素透過性の低下を防止することができる。
【００５９】
なお、通電パターン２００の後端部２０２は、それぞれリード部２０３及び多孔質部２１２が延びてきており、リード部２０３は、後端部２０２の主面側に位置するスルーホール接続部２０４でスルーホール１４５に設けられたスルーホール導体と接続されている。これにより、スルーホール１４５を介して電極部２０１と電極パッド２３３とを電気的に接続させる。また、多孔質部２１２とスルーホール１４５が連通しており、これにより、電極部２０１から溢れた酸素をスルーホール１４５を介してセンサ素子１０の外部に逃がすことができる。
【００６０】
上記の通電パターン２００は、公知のガスセンサ素子の製造工程（例えば、特開２００８−１４７６４等参照）と同様にして、センサ素子１０に配設されればよい。例えば、電極形成工程において、公知のスクリーン印刷によって、焼成後に固体電解質体１４０となる未焼成固体電解質体（図示外）の裏面側に、まず焼成後にリード部２０３となる未焼成リード部（図示外）が形成される。次に、焼成後にリード部２０３となる未焼成リード部の先端側に一部が重なるように、焼成後に電極部２０１となる未焼成電極（図示外）がそれぞれ形成される。さらに、焼成後にリード部２０３となる未焼成リード部（図示外）を被覆するように、焼成後に多孔質部２１２となる未焼成多孔質部（図示外）が形成される。
【００６１】
以上説明したように、第１の実施形態の酸素センサ１では、電気的接続のみを確保するリード部２０３と、酸素透過性を確保するための多孔質部２１２とが積層された二層構造とした。このように、機能別に分割されたリード部２０３及び多孔質部２１２の積層構造とすることで、センサ素子１０の設計及び形成が容易となる。
【００６２】
また、電気的接続のみを確保するリード部２０３は、プラチナを主体とするとともに、電極部２０１よりもアルミナの含有量を少なくしている。これにより、リード部２０３を緻密にすることができ、電気的接続性が向上する。
【００６３】
これに対し、酸素透過性を確保する多孔質部２１２は、アルミナからなり、リード部２０３よりもガス透過性が高くしている。これにより、多孔質部２１２は、その流路断面積及び気孔率を調整することによって、多孔質部２１２における酸素の内圧を容易に調整することができる。つまり、酸素分圧に基づく酸素流量の出力調整が容易となり、酸素流量を安定化させることが可能となる。
【００６４】
また、第１の実施形態の酸素センサ１において、多孔質部２１２は、電極部２０１よりもガス透過性が高くしている。これにより、多孔質部２１２は、電極部２０１に溜め込まれる酸素が所定レベル以上に成った際に、容易に多孔質部２１２を介して外部に導出することができる。
【００６５】
また、第１の実施形態の酸素センサ１において、多孔質部２１２は、リード部２０３上に積層されている。これにより、リード部２０３上に多孔質部２１２が積層されることにより、容易に且つ精確に機能別に構成されたリード部２０３及び多孔質部２１２を形成することができる。
【００６６】
また、第１の実施形態の酸素センサ１において、リード部２０３は、電極パッド２３３とスルーホール導体を介して電気的に接続されており、多孔質部２１２の一部は、スルーホール導体内に設けられるスルーホール１１５、１２５、１３５、１４５を介してセンサ素子１０の外部と連通している。これにより、電極部２０１から溢れた酸素を容易に外部に逃がすことができる。
【００６７】
次に、本発明を具体化したガスセンサ素子の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、ガスセンサ素子の一例として酸素センサ１のセンサ素子１０を挙げるが、その機械的な構造は第１の実施形態に例示したものと基本的に同様である。以下では、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、第１の実施形態と異なる点のみを説明する。
【００６８】
図６に示すように、第２の実施形態に係る酸素センサ１のセンサ素子１０では、固体電解質体１４０を挟んで一対の通電パターン１９０，３００が形成されている。本実施形態の通電パターン３００は、第１の実施形態に係る通電パターン２００と基本的に同様であるが、リード部３０３と多孔質部３１２とが並列配置された構成を有する点、及び後端部３０２を設けた点で異なり、詳細は後述する。
【００６９】
通電パターン３００は、固体電解質体１４０の先端側から後端側に延びるリード部３０３と、リード部３０３の先端部分にて幅広に形成された電極部３０１と、リード部３０３の後端側にて電極部３０１とほぼ同幅に形成された後端部３０２とを有する。電極部３０１は、固体電解質体１４０を挟んで通電パターン１９０の電極部１９１と対向する位置に配置されている。固体電解質体１４０を挟む一対の通電パターン１９０，３００（詳細は、一対の電極部１９１，３０１）と、固体電解質体１４０とが、ＶＳセル２４５として機能する。なお、通電パターン３００の後端部３０２と、電極パッド２３３とは、スルーホール１１５，１２５，１３５，１４５内に形成されるスルーホール導体を介して、互いに電気的に接続される構成となっている。
【００７０】
次に、本実施形態に係る通電パターン３００の詳細構造について、図７及び図８を参照して説明する。なお、図７及び図８に示す通電パターン３００は、図６に示すセンサ素子１０の通電パターン３００を、説明の便宜のために表裏を逆にして示している。
【００７１】
図７及び図８に示すように、本実施形態に係る通電パターン３００は、電極部３０１及び後端部３０２が、電気的接続性及び酸素透過性の両方を兼ね備える一層構造を有する。一方、電気的接続のみを確保するためのリード部３０３と、酸素透過性を確保するための多孔質部３１２が、左右方向（図７では上下方向）に並んで延びる二列構造を有する。つまり、多孔質部３１２は、リード部３０３と離れて、電極部３０１の後端側及び後端部３０２の先端側に接続されている。なお、本実施形態では、電極部３０１、後端部３０２、リード部３０３及び多孔質部３１２の厚みは、全てほぼ３０μｍで等しいものとする。
【００７２】
なお、図７に示すように、リード部３０３の先端側及び後端側は、電極部３０１の後端側、及び後端部３０２に覆われている。これは、リード部３０３が電極部３０１や後端部３０２よりも気孔率が小さいからである。例えば、電極部３０１や後端部３０２上にリード部３０３を形成する場合、電極部３０１や後端部３０２にリード部３０３が浸透し、電極部３０１や後端部３０２の気孔率が低下し、酸素透過性が低下する虞がある。これに対し、リード部３０３上に、電極部３０１及び後端部３０２が形成することで、電極部３０１や後端部３０２の酸素透過性の低下を防止することができる。
【００７３】
また、図７に示すように、多孔質部３１２の先端側及び後端側は、電極部３０１の後端側、及び後端部３０２を覆っている。これは、多孔質部３１２が電極部３０１や後端部３０２よりも気孔率が大きいからである。例えば、多孔質部３１２上に電極部３０１や後端部３０２を形成する場合、多孔質部３１２に電極部３０１や後端部３０２が浸透し、多孔質部３１２の気孔率が低下し、酸素透過性が低下する虞がある。これに対し、電極部３０１及び後端部３０２上に多孔質部３１２を形成することで、多孔質部３１２の酸素透過性の低下を防止することができる。
【００７４】
ところで、上記実施形態の酸素センサ１のセンサ素子１０において、固体電解質体１４０が本発明の「固体電解質体」に相当する。電極部１９１、２０１及び電極部１９１、３０１が、本発明の「一対の電極」にそれぞれ相当する。電極部１９１が本発明の「測定電極部」に相当し、電極部２０１，３０１が、本発明の「基準電極部」にそれぞれ相当する。リード部２０３，３０３が、本発明の「リード部」にそれぞれ相当する。多孔質部２１２，３１２が、本発明の「多孔質部」にそれぞれ相当する。スルーホール１１５、１２５、１３５、１４５が本発明の「スルーホール」に相当する。
【００７５】
尚、本発明は、以上詳述した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内において種々変更を加えてもよい。上記第２の実施形態では、多孔質部３１２は、通電パターン３００の後端部３０２と電気的に接続するスルーホール導体が形成されたスルーホール１１５、１２５、１３５、１４５と連通しているが、これに限定されない。以下、図９及び図１０を参照して、第２の実施形態に係る酸素センサ１のセンサ素子１０の変形例について説明する。
【００７６】
図９及び図１０に示すように、変形例に係る酸素センサ１のセンサ素子１０では、絶縁基体１１０，固体電解質体１２０，絶縁基体１３０及び固体電解質体１４０の後端部において、厚み方向に貫通して連続するスルーホール１１６，１２６，１３６，１４６がそれぞれ形成されている。なお、スルーホール１１６，１２６，１３６，１４６は、電極パッド２３１，２３２，２３３と重複しない位置に設けられ、その内部にスルーホール導体が形成されていなくてもよい。
【００７７】
そして、通電パターン３００の後端部３２１は、スルーホール接続部３０５でスルーホール１４５と接続されている。つまり、通電パターン３００は、スルーホール１１５，１２５，１３５，１４５内に形成されるスルーホール導体を介して電極パッド２３３に接続される。一方、多孔質部３１２の後端部３２２は、後端部３２２の主面側に位置するスルーホール接続部３０６でスルーホール１４６と接続されている。つまり、多孔質部３１２は、スルーホール１１６，１２６，１３６，１４６を介してセンサ素子１０の外部に連通している。
【００７８】
また、上記実施形態では、被測定ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとして、被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を用いた場合を例示したが、これに限定されない。本発明は、基準酸素部を自己生成するガスセンサであれば適用でき、例えば被検出ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサにおいて、酸素基準部として機能する電極部を有する通電パターンのリード部を、上記実施形態あるいは変形例に例示した構成とすることができる。
【００７９】
また、第１の実施形態では、リード部２０３及び多孔質部２１２が直接スルーホール１４５まで接続していたが、これに限らず第２の実施形態のように後端部２０３に電極部２０１と同じ材料を用いた部位を設けてもよい。
【００８０】
また、第１、第２の実施形態では、ガス検出室１３２を備えると共に、ガス検出室１３２に晒される電極部１９１とその対となる電極部２０１とにて構成されるＶＳセル２４５を備える酸素センサ１０に、リード部２０３、３０３及び多孔質部２１２、３１２を用いたが、これに限らず、ガス検出室を有さず、一方の電極部が被測定ガスに晒されると共に、他方の電極部にて酸素基準部を形成するガスセンサ（例えば、λセンサ）であっても、リード部及び多孔質部を備える本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１    酸素センサ
１０    センサ素子
１３２    ガス検出室
１４０    固体電解質体
１４５    スルーホール
１４６    スルーホール
１９０    通電パターン
１９１    電極部
２００    通電パターン
２０１    電極部
２０３    リード部
２１２    多孔質部
２４５    ＶＳセル
３００    通電パターン
３０１    電極部
３０３    リード部
３１２    多孔質部
【図１】
2011117937.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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