(57)【要約】      （修正有）【課題】多孔質部を有する絶縁保護層を備えるガスセンサ素子において、低温環境下で使用する場合でも破損が生じがたいガスセンサ素子およびガスセンサを提供する。【解決手段】セルは、固体電解質層と第１電極と第２電極とを備え、絶縁保護層は、多孔質部９９と緻密部とを備える。このガスセンサ素子は、多孔質部の断面積が第１電極８５の断面積よりも小さい構成を採ることで、絶縁保護層の外面に露出する多孔質部の面積を小さくでき、熱衝撃による応力が小さくなることで破損を抑制できるとともに、多孔質部に含まれる水分の体積変化に起因する絶縁保護層の破損を抑制できる。電極当接部９２が第１電極の全体を覆うとともに第１電極に当接する構成を採ることで、第１電極は、固体電解質層との当接面以外の領域で電極当接部との間でガスの受け渡しが可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の固体電解質層と、前記固体電解質層の第１面に配置された第１電極と、前記固体電解質層の第２面に配置された第２電極と、を有するセルと、
前記セルのうち前記固体電解質層の前記第１面に積層される板状の絶縁体で形成された絶縁保護層であって、前記第１電極の形成位置に設けられる多孔質部と、前記多孔質部よりも気孔率が低く、前記多孔質部の周囲を取り囲む緻密部と、を備える絶縁保護層と、
を備えるセンサ素子であって、
前記セルのうち少なくとも前記第１電極の全体を覆うとともに前記第１電極に当接する多孔質体で形成された電極当接部を備えており、
前記多孔質部は、前記電極当接部と当接し、前記絶縁保護層のうち前記セルとの当接面とは反対側の外面に露出しており、
前記多孔質部のうち前記外面に露出する部分を積層方向から見た断面積は前記積層方向に透視したときの前記第１電極の断面積よりも小さい、
ガスセンサ素子。
【請求項２】
前記電極当接部の気孔率は、前記多孔質部の気孔率よりも大きい、
請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記積層方向における前記電極当接部の厚さ寸法は、前記多孔質部の厚さ寸法よりも小さい、
請求項１または請求項２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
前記多孔質部は、複数備えられ、複数の前記多孔質部の前記断面積の合計面積は、前記第１電極の前記断面積よりも小さい、
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。
【請求項５】
当該ガスセンサ素子は、さらに、前記絶縁保護層のうち少なくとも前記多孔質部の露出部分を覆う多孔質状の保護カバー層を備え、
前記固体電解質層は、長手方向に延びる長尺形状であり、前記固体電解質層の前記長手方向における２つの端部のうち、前記第１電極に近い端部を先端とし、他方の端部を後端とした場合に、
前記多孔質部は、前記電極当接部のうち前記長手方向における先端領域に当接するように配置されている、
請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
【請求項６】
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５のうちいずれか１項に記載のガスセンサ素子を備える、
ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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を備えるガスセンサが知られている。
ガスセンサは、例えば、自動車などの内燃機関の排気管に備えられて、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素、ＮＯｘ等）の濃度を検出する用途に用いられる。ガスセンサ素子としては、固体電解質体および電極を有するセルと、セルに対して積層される絶縁保護層と、を備えるものがある。絶縁保護層は、電極の形成位置に設けられる多孔質部と、多孔質部の周囲を取り囲む緻密部と、を備える構成のものがある。
【０００３】
このようなガスセンサ素子は、多孔質部がセルの電極を覆うように構成されている。多孔質部は、ガスセンサ素子の外部と電極との間におけるガスの通過を許容しつつ、ススなどの異物が電極に直接接触することを抑制することで、電極を保護する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０８０６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述のガスセンサ素子は、水分が多孔質部に含まれた状態で氷点下まで温度が低下すると、水分の体積変化により生じる応力によってガスセンサ素子（特に絶縁保護層の緻密部）が破損（クラック発生など）する場合がある。
【０００６】
つまり、ガスセンサの設置場所が水分の多い環境である場合には、多孔質部に水分が含まれて、温度低下により水分の体積変化が生じてガスセンサ素子が破損する場合がある。例えば、内燃機関の排気管は、冬季のような低温環境下では内燃機関の停止期間中に凝縮水が発生しやすく、内燃機関の始動時に排気ガスとともに凝縮水がガスセンサに到達して、多孔質部に水分が含まれる場合がある。
【０００７】
これに対して、多孔質部を小さく形成し応力を小さくする方法が考えられるが、小さく形成された多孔質部では単位時間あたりに通過可能なガス量が小さくなるため、セル（詳細には、電極）と多孔質物との間で受け渡し可能なガス量が低下して、ガス検出精度が低下する可能性がある。
【０００８】
この場合、ガスのポンピングのためにセル（詳細には、電極）への印加電圧を大きくすることで、受け渡し可能なガス量の低下を抑制できる可能性があるが、印加電圧の増大に伴い目的とするガスのみならず目的外のガスが解離して、ガス検出精度が低下する虞がある。
【０００９】
そこで、本開示は、多孔質部を有する絶縁保護層を備えるガスセンサ素子において、低温環境下で使用する場合でも破損が生じがたいガスセンサ素子を提供すること、および、そのようなガスセンサ素子を備え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】
【００１０】
本開示の一態様は、セルと、絶縁保護層と、電極当接部と、を備えるセンサ素子であり、セルは、固体電解質層と第１電極と第２電極とを備え、絶縁保護層は、多孔質部と緻密部とを備えており、多孔質部は、電極当接部と当接し、絶縁保護層のうちセルとの当接面とは反対側の外面に露出しており、多孔質部のうち外面に露出する部分を積層方向から見た断面積は積層方向に透視したときの第１電極の断面積よりも小さい。
【００１１】
固体電解質層は板状であり、第１電極は、固体電解質層の第１面に配置されており、第２電極は、固体電解質層の第２面に配置されている。絶縁保護層は、セルのうち固体電解質層の第１面に積層される板状の絶縁体で形成されている。多孔質部は、第１電極の形成位置に設けられ、緻密部は、多孔質部よりも気孔率が低く、多孔質部の周囲を取り囲むように形成されている。電極当接部は、セルのうち少なくとも第１電極の全体を覆うとともに第１電極に当接する多孔質体で形成されている。なお、「第１電極の形成位置」とは、素子を積層方向から透視したときに第１電極が形成される位置を意味している。
【００１２】
このガスセンサ素子は、多孔質部の断面積が第１電極の断面積よりも小さい構成を採ることで、絶縁保護層の外面に露出する多孔質部の面積を小さくでき、熱衝撃による応力が小さくなることで破損を抑制できるとともに、多孔質部に含まれる水分の体積変化に起因する絶縁保護層の破損を抑制できる。
【００１３】
電極当接部が第１電極の全体を覆うとともに第１電極に当接する構成を採ることで、第１電極は、固体電解質層との当接面以外の領域で電極当接部との間でガスの受け渡しが可能となる。つまり、第１電極が電極当接部を介して多孔質部との間でガスの受け渡しを行う構成を採ることで、多孔質部の露出面積が第１電極の断面積よりも小さい構成であっても、多孔質部と第１電極との間で受け渡し可能なガス量が低減するのを抑制できる。これにより、このガスセンサ素子は、多孔質部と第１電極との間でのガスの受け渡し状態が良好となり、印加電圧を増大する必要が無いため、セルにおけるガス検知機能への悪影響を低減できる。
【００１４】
よって、このガスセンサ素子によれば、低温環境下での破損が生じがたくなるとともに、ガス検知機能への悪影響を低減できる。
なお、多孔質部は、多孔質構造であるため、ガスが透過可能に構成されている。
【００１５】
次に、上述のガスセンサ素子においては、電極当接部の気孔率は、多孔質部の気孔率よりも大きくてもよい。
これにより、電極当接部と第１電極との間で受け渡し可能なガスの量が低減することを一層抑制できる。これにより、電極当接部を介した多孔質部と第１電極との間でのガスの受け渡し状態が一層良好となる。
【００１６】
次に、上述のガスセンサ素子においては、積層方向における電極当接部の厚さ寸法は、多孔質部の厚さ寸法よりも小さくてもよい。
断面積が大きい電極当接部が、断面積が小さい多孔質部よりも厚さ寸法が小さいことで、絶縁保護層における電極当接部および多孔質部の占有体積を小さくすることができる。これにより、低温環境下における電極当接部および多孔質部の体積変化量を低減できるため、絶縁保護層の破損を抑制できる。
【００１７】
次に、上述のガスセンサ素子においては、多孔質部は、複数備えられ、複数の多孔質部の断面積の合計面積は、第１電極の断面積よりも小さくてもよい。
このガスセンサ素子は、単一の多孔質部を備える構造ではなく、複数の多孔質部を備える構造を採ることで、多孔質部に含まれる水分の体積変化に伴い生じる応力を分散させることができ、絶縁保護層の破損を一層抑制できる。
【００１８】
次に、上述のガスセンサ素子においては、さらに、絶縁保護層のうち少なくとも多孔質部の露出部分を覆う多孔質状の保護カバー層を備え、固体電解質層は、長手方向に延びる長尺形状であり、固体電解質層の長手方向における２つの端部のうち、第１電極に近い端部を先端とし、他方の端部を後端とした場合に、多孔質部は、電極当接部のうち長手方向における先端領域に当接するように配置されてもよい。
【００１９】
このように配置される多孔質部を備えることで、ガスセンサ素子の先端を覆う保護カバー層の塗布領域を小さくでき、保護カバー層の材料費を低減できる。なお、電極当接部の先端領域とは、電極当接部を先端側の領域と後端側の領域とに二等分した場合において、先端側の領域を意味している。
【００２０】
本開示の他の一態様は、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うちいずれかのガスセンサ素子を備える。
【００２１】
このガスセンサは、上述のガスセンサ素子を備えることで、低温環境下での破損が生じがたくなるとともに、ガス検知機能への悪影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】ガスセンサ素子を示す斜視図である。
【図３】ガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。
【図４】図２のガスセンサ素子におけるＡ−Ａ視端面を表す端面図である。
【図５】図４のガスセンサ素子をＢ−Ｂ矢視方向（積層方向）に透視したときの多孔質電極，電極当接部，多孔質部のそれぞれの断面積および位置関係を説明するための第１の説明図である。
【図６】図４のガスセンサ素子をＢ−Ｂ矢視方向（積層方向）に透視したときの多孔質電極，電極当接部，多孔質部のそれぞれの断面積および位置関係を説明するための第２の説明図である。
【図７】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。
【図８】ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。
【図９】多孔質部の断面積と酸素ポンプセルへの印加電圧との相関関係を測定した測定結果である。
【図１０】第２ガスセンサ素子を示す斜視図である。
【図１１】第２ガスセンサ素子における多孔質電極，電極当接部，複数の多孔質部のそれぞれの断面積および位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
［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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
主体金具５は、軸線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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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６に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
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、長手方向に垂直な厚さ方向であり、Ｘ軸方向は、長手方向及び厚さ方向に垂直な幅方向である。
【００３５】
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（図３参照）。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の全体及び側面（第１主面２１，第２主面２３，第１側面１１１、第２側面１１３）の一部に設けられる。
【００３６】
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。
【００３７】
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、電極当接部９２と、絶縁保護層９６と、を備えて構成される。
酸素濃淡電池セル８１は、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。
【００３８】
固体電解質体７５は、ジルコニアを主体とした板型形状の部材である。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。
【００３９】
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。
【００４０】
酸素ポンプセル８９は、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、を備える。
固体電解質体８３は、ジルコニアを主体とした板型形状の部材であり、表面８３ａおよび裏面８３ｂを備える。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８３ａおよび裏面８３ｂにそれぞれ配置される。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
多孔質電極７７，７９，８５，８７およびリード部７７ａ，７９ａ，８５ａ，８７ａは、Ｐｔを主体に形成されている。
【００４３】
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。これにより、絶縁スペーサ９３は、ガス測定室９１の壁面の少なくとも一部を形成している。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。
【００４４】
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から外部に露出する状態で備えられている。
【００４５】
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。
【００４６】
絶縁保護層９６は、絶縁基板９７、多孔質部９９を備える。絶縁保護層９６は、酸素ポンプセル８９のうち多孔質電極８５が形成される面（詳細には、固体電解質体８３の表面８３ａ）に積層される。
【００４７】
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。空間部９７ａは、絶縁基板９７のうち多孔質電極８５に対応する位置に形成されている。空間部９７ａは、第１空間部９７ａ１と、第２空間部９７ａ２と、を備える。第１空間部９７ａ１は、厚さ方向に見たときの断面積が多孔質電極８５の断面積よりも小さく、かつ、絶縁基板９７のうち第１主面２１にて開口するように形成されている。第２空間部９７ａ２は、厚さ方向に見たときの断面積が多孔質電極８５の断面積よりも大きく、かつ、絶縁基板９７のうち酸素ポンプセル８９に対向する面にて開口するように形成されている。
【００４８】
多孔質部９９は、アルミナを主体とした多孔質体で構成されている。多孔質部９９は、多孔質構造であるため、ガスが透過可能に構成されている。多孔質部９９は、第１空間部９７ａ１に配置されている。多孔質部９９は、絶縁保護層９６のうち酸素ポンプセル８９との当接面とは反対側の外面（絶縁基板９７の第１主面２１）に露出している。
【００４９】
絶縁基板９７は、多孔質部９９よりも気孔率が低く、多孔質部９９の周囲を取り囲む形状である。なお、本実施形態では、絶縁基板９７は、無孔状態で形成されている。絶縁基板９７の気孔率は０［ｖｏｌ％］であり、多孔質部９９の気孔率は３６［ｖｏｌ％］である。気孔率の算出方法は、材料としての気孔化剤（カーボン）およびセラミック体において、「気孔率［ｖｏｌ％］＝（カーボン体積）／（カーボン体積＋セラミック体積）」で算出される。電極当接部９２は、酸素ポンプセル８９と絶縁保護層９６との間に配置されている。詳細には、電極当接部９２は、第２空間部９７ａ２に配置されている。
【００５０】
電極当接部９２は、アルミナを主体とした多孔質体で構成されている。電極当接部９２の気孔率は、多孔質部９９の気孔率よりも大きい。電極当接部９２の気孔率は５８［ｖｏｌ％］である。電極当接部９２および多孔質部９９は、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８５とガスセンサ素子７の外部とを繋ぐガス移動経路に設けられている。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、絶縁スペーサ９３に設けられるスルーホール１７１、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、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
ガスセンサ素子７の後端側（図２の上方）には、長手方向に垂直な後端面１２９が形成されている。
保護層１７は、多孔質状のアルミナで構成されており、素子本体部７０のうち少なくとも検知部９０を覆うように形成されている。詳細には、保護層１７は、絶縁保護層９６のうち少なくとも多孔質部９９の露出部分を覆うように形成されている。また、保護層１７は、素子部７１の側面（絶縁スペーサ９３の側面）のうち少なくとも拡散律速部９５の露出部分を覆うように形成されている。
【００５９】
［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、図２のガスセンサ素子７におけるＡ−Ａ視端面を表す端面図であって、ガスセンサ素子７の先端側における内部構造を示す端面図を示す。なお、図４では、保護層１７の図示を省略している。
【００６０】
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。
【００６１】
酸素濃淡電池セル８１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配置されて構成されている。酸素ポンプセル８９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配置されて構成されている。
【００６２】
ガス測定室９１は、上面が酸素濃淡電池セル８１で形成され、下面が酸素ポンプセル８９で形成され、側壁が絶縁スペーサ９３で形成された空間である。
ガス測定室９１の内側には、酸素濃淡電池セル８１の多孔質電極７７と、酸素ポンプセル８９の多孔質電極８７と、が露出するように配置されている。
【００６３】
ここで、図５および図６に、図４のガスセンサ素子７をＢ−Ｂ矢視方向（積層方向）に透視したときの多孔質電極８５，電極当接部９２，多孔質部９９のそれぞれの断面積および位置関係を説明するための説明図を示す。なお、図４，５，６は、いずれも、図の左右方向がガスセンサ素子７の長手方向であり、図の左側が先端側であり、図の右側が後端側である。
【００６４】
図４、図５、図６に示すように、電極当接部９２は、酸素ポンプセル８９のうち少なくとも多孔質電極８５の全体を覆うとともに、多孔質電極８５に当接するように形成されている。
【００６５】
多孔質部９９は、電極当接部９２と当接している。詳細には、多孔質部９９は、電極当接部９２のうち先端領域と当接している。なお、電極当接部９２の先端領域とは、固体電解質体８３の長手方向において電極当接部９２を二等分したときに先端側となる領域である。
【００６６】
多孔質部９９のうち第１主面２１に露出する面積（換言すれば、多孔質部９９を積層方向から見たときの断面積）は、積層方向に透視したときの多孔質電極８５の断面積よりも小さい。
【００６７】
積層方向における電極当接部９２の厚さ寸法Ｄ１は、多孔質部９９の厚さ寸法Ｄ２よりも小さい。なお、本実施形態では、電極当接部９２の厚さ寸法Ｄ１は４００μｍであり、多孔質部９９の厚さ寸法Ｄ２は１５μｍである。
【００６８】
［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７〜図８に基づいて説明する。
図７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８は、ガスセンサ素子の製造途中段階を示す説明図である。
【００６９】
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の絶縁保護層９６となる未焼成絶縁シートや、多孔質部９９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。
【００７０】
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。
【００７１】
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（以下、ＤＢＰとも記載）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。
【００７２】
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，気孔化剤（カーボン粉末など），バインダを湿式混合により分散したペーストを生成する。バインダはブチラール樹脂を有する。このペーストを用い、焼成後に拡散律速部９５となる部位に、未焼成の拡散律速部を形成する。
【００７３】
また、未焼成の電極当接部を形成する場合、まず、アルミナ粉末，気孔化剤（カーボン粉末など），バインダを湿式混合により分散したペーストを生成する。バインダはブチラール樹脂を用いる。このペーストを用い、焼成後に電極当接部９２となる部位に、未焼成の多孔質体を形成する。
【００７４】
また、未焼成の多孔質部を形成する場合、まず、アルミナ粉末，気孔化剤（カーボン粉末など），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多孔質部用シートが作製される。この未焼成多孔質部用シートを、未焼成絶縁シートの、焼成後に多孔質部９９となる部位に埋め込み、未焼成の多孔質部を形成する。
【００７５】
このとき、ペーストにおけるバインダ量や固形分の組成比、気孔化剤の添加量などを調整することで、焼成後の拡散律速部９５，多孔質部９９，電極当接部９２におけるそれぞれの拡散抵抗や気孔率を任意に調整することが可能となる。
【００７６】
また、未焼成の多孔質電極およびリード部を形成する場合、白金と部分安定化ジルコニア、バインダを湿式混合により分散したペーストを生成する。このペーストを用いて、焼成後に多孔質電極およびリード部となる部位に、未焼成の多孔質電極およびリード部を形成する。このとき、バインダ量や固形分の組成比、気孔化剤の添加量などを調整することで、焼成後の多孔質電極およびリード部におけるそれぞれの拡散抵抗を任意に調整することが可能となる。
【００７７】
そして、この未圧着積層体を１ＭＰａで加圧することにより、図７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。
【００７８】
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。
【００７９】
その後、この未焼成積層体を樹脂抜きし（脱脂工程）、さらに焼成温度１５００℃にて、１時間で本焼成して（焼成工程）、図８に示す様な焼成積層体１４３を得る。この焼成積層体１４３は、素子本体部７０に相当する。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
［１−５．測定結果］
ここで、ガスセンサ素子７において酸素をポンピングするための酸素ポンプセル８９への印加電圧Ｖ１に関して、多孔質部９９の断面積Ｓ１と印加電圧Ｖ１との相関関係を測定した測定結果について説明する。
【００８４】
測定は、電極当接部９２の断面積と同じ大きさを１００％とした場合において、断面積Ｓ１を５段階（図９参照）に変化させたときのそれぞれについて、酸素のポンピングに必要な印加電圧Ｖ１の増加率を測定した。具体的には、多孔質部９９の断面積Ｓ１が１００％の場合の印加電圧Ｖ１を１００％（基準）として、印加電圧Ｖ１の増加率（電圧増加率ΔＶ１［％］）を測定した。
【００８５】
図９に示すように、断面積Ｓ１が３．３％の場合には、電圧増加率ΔＶ１は７８．６％であり、酸素ポンプセル８９への印加電圧Ｖ１が大幅に増加するのに対して、断面積Ｓ１が４．２％以上であれば電圧増加率ΔＶ１は５．２％以下であり、印加電圧Ｖ１が大幅に増加するのを抑制できることが分かる。
【００８６】
よって、多孔質部９９は、電極当接部９２の断面積を基準（１００％）とした場合において、４．２％以上の断面積を確保するように形成することで、酸素ポンプセル８９への印加電圧Ｖ１が大幅に増加することを抑制できる。
【００８７】
［１−６．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、多孔質部９９の断面積が多孔質電極８５の断面積よりも小さい構成である。
【００８８】
このため、ガスセンサ素子７は、絶縁保護層９６の外面に露出する多孔質部９９の面積を小さくでき、熱衝撃による応力が小さくなることで絶縁保護層９６の破損を抑制できるとともに、多孔質部９９に含まれる水分の体積変化に起因する絶縁保護層９６の破損を抑制できる。
【００８９】
また、ガスセンサ素子７は、電極当接部９２が多孔質電極８５の全体を覆うとともに多孔質電極８５に当接する構成である。
このため、多孔質電極８５は、固体電解質体８３との当接面以外の領域で電極当接部９２との間でガスの受け渡しが可能となる。つまり、多孔質電極８５が電極当接部９２を介して多孔質部９９との間でガスの受け渡しを行う構成を採ることで、多孔質部９９の露出面積が多孔質電極８５の断面積よりも小さい構成であっても、多孔質部９９と多孔質電極８５との間で受け渡し可能なガス量が低減するのを抑制できる。
【００９０】
これにより、ガスセンサ素子７は、多孔質部９９と多孔質電極８５との間でのガスの受け渡し状態が良好となり、酸素ポンプセル８９への印加電圧を増大する必要が無いため、酸素ポンプセル８９におけるガス検知機能への悪影響を低減できる。
【００９１】
よって、ガスセンサ素子７によれば、低温環境下での破損が生じがたくなるとともに、ガス検知機能への悪影響を低減できる。
次に、ガスセンサ素子７においては、電極当接部９２の気孔率は、多孔質部９９の気孔率よりも大きい。
【００９２】
これにより、電極当接部９２と多孔質電極８５との間で受け渡し可能なガスの量が低減することを一層抑制できる。これにより、電極当接部９２を介した多孔質部９９と多孔質電極８５との間でのガスの受け渡し状態が一層良好となる。
【００９３】
次に、ガスセンサ素子７においては、積層方向における電極当接部９２の厚さ寸法Ｄ１は、多孔質部９９の厚さ寸法Ｄ２よりも小さい。
断面積が大きい電極当接部９２が、断面積が小さい多孔質部９９よりも厚さ寸法が小さいことで（Ｄ１＜Ｄ２）、絶縁保護層９６における電極当接部９２および多孔質部９９の占有体積を小さくすることができる。これにより、低温環境下における電極当接部９２および多孔質部９９の体積変化量を低減できるため、絶縁保護層９６の破損を抑制できる。
【００９４】
次に、ガスセンサ素子７においては、多孔質部９９は、電極当接部９２のうち長手方向における先端領域に当接するように配置されている。
このように配置される多孔質部９９を備えることで、ガスセンサ素子７の先端を覆う保護層１７の塗布領域を小さくでき、保護層１７の材料費を低減できる。なお、電極当接部９２の先端領域とは、電極当接部を先端側の領域と後端側の領域とに二等分した場合において、先端側の領域を意味している。
【００９５】
［１−７．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、ガスセンサ素子７がセンサ素子の一例に相当する。
【００９６】
酸素ポンプセル８９がセルの一例に相当し、固体電解質体８３が固体電解質層の一例に相当し、表面８３ａが第１面の一例に相当し、裏面８３ｂが第２面の一例に相当し、多孔質電極８５が第１電極の一例に相当し、多孔質電極８７が第２電極の一例に相当する。
【００９７】
絶縁保護層９６が絶縁保護層の一例に相当し、多孔質部９９が多孔質部の一例に相当し、絶縁基板９７が緻密部の一例に相当する。電極当接部９２が電極当接部の一例に相当し、保護層１７が保護カバー層の一例に相当する。
【００９８】
［２．第２実施形態］
第２実施形態として、複数の多孔質部を備える構成の第２ガスセンサ素子１０７について説明する。
【００９９】
第２ガスセンサ素子１０７は、第１実施形態のガスセンサ素子７のうち、多孔質部９９を複数の多孔質部１９９に置き換えて構成されたセンサ素子である。
なお、第２ガスセンサ素子１０７は、外形寸法がガスセンサ素子７と同様であり、第１実施形態の空燃比センサ１におけるガスセンサ素子７の代わりとして備えられることで、空燃比センサにおけるセンサ素子として使用できる。
【０１００】
図１０および図１１に示すように、第２ガスセンサ素子１０７は、複数の多孔質部１９９を備えている。
複数の多孔質部１９９は、それぞれ断面形状が円形である。複数の多孔質部１９９における断面積の合計値は、多孔質電極８５の断面積よりも小さい。１つの多孔質部１９９は、全体が電極当接部９２に重なる配置状態ではなく、一部の領域が電極当接部９２に重なり、その他の領域は電極当接部９２には重ならないように配置されている。
【０１０１】
このように、第２ガスセンサ素子１０７においては、多孔質部１９９は複数備えられ、複数の多孔質部１９９の断面積の合計面積は、多孔質電極８５の断面積よりも小さい。
つまり、第２ガスセンサ素子１０７は、単一の多孔質部を備える構造ではなく、複数の多孔質部１９９を備える構造である。第２ガスセンサ素子１０７は、このような構造を採ることで、多孔質部１９９に含まれる水分の体積変化に伴い生じる応力を分散させることができ、絶縁保護層９６の破損を一層抑制できる。
【０１０２】
また、第２ガスセンサ素子１０７は、１つの多孔質部１９９のうち一部の領域が電極当接部９２に重なるように配置されている。このような第２ガスセンサ素子１０７は、１つの多孔質部１９９の全体が電極当接部９２に重なる構成に比べて、複数の多孔質部１９９どうしの距離を大きく確保しつつ、複数の多孔質部１９９を配置できる。これにより、複数の多孔質部１９９どうしの距離が近いことに起因して、絶縁基板９７が破損するのを抑制できる。この場合の、絶縁基板９７の破損としては、例えば、絶縁基板９７のうち複数の多孔質部１９９どうしを繋ぐように亀裂が生じることなどが挙げられる。
【０１０３】
ここで、特許請求の範囲と本第２実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。第２実施形態においては、第２ガスセンサ素子１０７がセンサ素子の一例に相当し、複数の多孔質部１９９が複数の多孔質部の一例に相当している。
【０１０４】
［３．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。
【０１０５】
例えば、多孔質部は、断面形状が四角形または円形に限られることはなく、多角形（五角形、六角形など）、楕円形であってもよい。
次に、電極当接部の厚さ寸法は、多孔質部の厚さ寸法よりも小さく、かつ、少なくとも１５［μｍ］以上であっても良い。このように電極当接部の厚さ寸法を規定し、電極当接部の体積を所定値以上確保することで、単位時間あたりに電極当接部が多孔質電極との間で受け渡し可能なガスの量が制限されるのを抑制できる。これにより、酸素ポンプセルへの印加電圧を大幅に増大させることなく、酸素のポンピングが可能となる。
【０１０６】
次に、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【０１０７】
１…空燃比センサ、７…ガスセンサ素子、１７…保護層、７０…素子本体部、７１…素子部、７３…ヒータ、７５…固体電解質体、７７…多孔質電極、７９…多孔質電極、８１…酸素濃淡電池セル、８３…固体電解質体、８３ａ…表面、８３ｂ…裏面、８５…多孔質電極、８７…多孔質電極、８９…酸素ポンプセル、９２…電極当接部、９６…絶縁保護層、９７…絶縁基板、９７ａ…空間部、９７ａ１…第１空間部、９７ａ２…第２空間部、９８…酸素ポンプセル、９９…多孔質部、１０７…第２ガスセンサ素子、１９９…多孔質部。
【図１】
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【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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【図１１】
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