(57)【要約】【課題】基準電極に対して充分量の基準ガスを滞りなく流通させる。【解決手段】ガスセンサ素子（４，１０４，２０４）は、固体電解質層（４３０）と、固体電解質層の一方の面に設けられる検知電極（４４１）と、固体電解質層の他方の面に設けられる基準電極（４４２）と、固体電解質層の他方の面側に配置されて基準ガス流路（ＣＰ）が形成された第１の層（４２２）と、第１の層を基準として固体電解質層が配置される側とは反対側に配置されるヒータ層（４５０）と、を含む複数の層が積層されている。ガスセンサ素子には、ガスセンサ素子の外表面から基準ガス流路へと基準ガスを導くための流路として、ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面であって、第１の層を基準としてヒータ層が設けられる側とは反対側の外表面に開口部を有し、該開口部から基準ガス流路へと積層方向に延びる導入流路（ＩＰ）が形成されている。【選択図】図４
2017201305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に設けられて被測定ガスに晒される検知電極と、前記固体電解質層の他方の面に設けられて基準ガスに晒される基準電極と、前記固体電解質層の前記他方の面側に配置されて前記基準電極に前記基準ガスを導入するための基準ガス流路が形成された第１の層と、前記第１の層を基準として前記固体電解質層が配置される側とは反対側に配置されて、前記固体電解質層を加熱するための加熱部を備えたヒータ層と、を含む複数の層が積層されているガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子には、前記ガスセンサ素子の外表面から前記基準ガス流路へと前記基準ガスを導くための流路として、前記外表面のうち、前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面であって、前記第１の層を基準として前記ヒータ層が設けられる側とは反対側の外表面に開口部を有し、該開口部から前記基準ガス流路へと前記積層方向に延びる導入流路が形成されていることを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサ素子であって、
前記開口部は複数設けられており、前記導入流路は、各々の前記開口部から前記基準ガス流路へと前記積層方向に延びる複数の分割流路によって構成されていることを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項３】
請求項２に記載のガスセンサ素子であって、
複数の前記開口部は、前記ガスセンサ素子の長手方向に対して、異なる位置に設けられていることを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面のうち、前記開口部が設けられた一方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＡ、他方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＢとすると、ＤＡ＜ＤＢが成立することを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面のうち、前記開口部が設けられた一方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＡ、前記ガスセンサ素子の長手方向の端部のうち、前記導入流路に近い側の端部から、前記基準ガス流路までの距離をＤＣとすると、ＤＡ＜ＤＣが成立することを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記固体電解質層は、絶縁性セラミックによって形成される絶縁基板と、固体電解質によって形成され、前記検知電極および前記基準電極と前記積層方向に重なる領域において、前記絶縁基板に貫通して配置された固体電解質部と、を備えることを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の内燃機関等から排出される排気ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサが知られている。ガスセンサに用いるガスセンサ素子は、一般に、固体電解質層と、固体電解質層の各々の面に配置された基準電極および検知電極と、を備えている。そして、基準電極には基準ガス（例えば大気）が供給され、検知電極には被測定ガスが供給される。このようなガスセンサ素子としては、例えば、上記した一対の電極を備える固体電解質層と共に、さらに、絶縁層やヒータ等を積層した積層体から成り、全体として板状の外形を有する積層型ガスセンサ素子が知られている。積層型ガスセンサ素子において基準電極に基準ガスを供給する構成としては、基準電極に隣接する層において、基準電極に基準ガスを供給する基準ガス室を形成するための貫通孔を設けると共に、積層型ガスセンサ素子の側面から基準ガス室へと基準ガスを導くための連通路を形成するための貫通孔を設ける構成が提案されている（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】特許第４８１３７２９号
【特許文献２】特開２０１５−１９４４７４号公報
【特許文献３】特表２００７−５１２５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなガスセンサにおいては、基準電極に対して充分量の基準ガスを滞りなく流通させることが望まれる。このように基準電極に対する基準ガスの流れを良好に確保する方策としては、例えば、ガスセンサ素子の外表面における基準ガスの取り込み口から基準ガス室への経路をより短くする（連通路の全長をより短くする）方策や、連通路の流路断面積をより大きくする方策が考えられる。しかしながら、上記のように基準電極に隣接する層において同一面内で基準ガス室および連通路を設けるガスセンサ素子では、ガスセンサ素子の全体構成に起因する制約（例えば、ガスセンサ素子内に設けたスルーホールを迂回すべきという制約）により、連通路をより短くしようとしても、通常は連通路を屈曲させる必要が生じ、流路断面積を大きく確保することが困難になる。また、ガスセンサ内において、ガスセンサ素子は種々の方向から押圧力を受ける可能性があるが、特に面積が大きい積層面に向かう力、すなわち、積層方向の押圧力により大きな影響を受ける。ガスセンサ素子において、連通路の流路断面が大きい箇所では、ガスセンサ素子の積層方向に押圧力が加わったときに、連通路が潰れ易くなるという問題が生じる。連通路が潰れると、基準ガス室への基準ガスの安定的な導入が妨げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に設けられて被測定ガスに晒される検知電極と、前記固体電解質層の他方の面に設けられて基準ガスに晒される基準電極と、前記固体電解質層の前記他方の面側に配置されて前記基準電極に前記基準ガスを導入するための基準ガス流路が形成された第１の層と、前記第１の層を基準として前記固体電解質層が配置される側とは反対側に配置されて、前記固体電解質層を加熱するための加熱部を備えたヒータ層と、を含む複数の層が積層されているガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子には、前記ガスセンサ素子の外表面から前記基準ガス流路へと前記基準ガスを導くための流路として、前記外表面のうち、前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面であって、前記第１の層を基準として前記ヒータ層が設けられる側とは反対側の外表面に開口部を有し、該開口部から前記基準ガス流路へと前記積層方向に延びる導入流路が形成されている。
この形態のガスセンサ素子によれば、ガスセンサ素子内部において、ガスセンサ素子の外表面から基準電極に基準ガスを導入するための導入流路が屈曲することを抑制できる。そのため、導入流路の流路断面積を確保することが容易になると共に、導入流路の流路長を短くすることが容易になる。さらに、ガスセンサ素子の積層方向に押圧力が加わる場合であっても、導入流路の変形を抑えることができる。そのため、基準電極に対して基準ガスを安定的に導入することができる。
【０００７】
（２）上記形態のガスセンサ素子において、前記開口部は複数設けられており、前記導入流路は、各々の前記開口部から前記基準ガス流路へと前記積層方向に延びる複数の分割流路によって構成されていることとしてもよい。この形態のガスセンサ素子によれば、積層方向に延びる導入流路を複数設けているため、基準電極に供給する基準ガスの量を確保する際に、個々の導入流路の流路断面の大きさをより小さくすることができると共に、導入流路の配置の自由度が増す。そのため、ガスセンサ素子において、積層方向の押圧力に対する強度をより確保し易くなる。
【０００８】
（３）上記形態のガスセンサ素子において、複数の前記開口部は、前記ガスセンサ素子の長手方向に対して、異なる位置に設けられていることとしてもよい。この形態のガスセンサ素子によれば、前記積層方向の端部に配置される前記層において個々の開口部間の距離をより長く確保することが可能になると共に、個々の導入流路間の距離をより長く確保することが可能になる。そのため、導入流路を設けることに起因するガスセンサ素子の強度低下を抑えることができる。
【０００９】
（４）上記形態のガスセンサ素子において、前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面のうち、前記開口部が設けられた一方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＡ、他方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＢとすると、ＤＡ＜ＤＢが成立することとしてもよい。この形態のガスセンサ素子によれば、ガスセンサ素子の外表面から基準ガス流路までの距離を短くすることができるため、基準電極への基準ガスの安定的な供給がより容易になる。その結果、ガス検出精度を向上させることができる。
【００１０】
（５）上記形態のガスセンサ素子において、前記ガスセンサ素子の積層方向に直交する外表面のうち、前記開口部が設けられた一方の外表面から前記基準ガス流路までの距離をＤＡ、前記ガスセンサ素子の長手方向の端部のうち、前記導入流路に近い側の端部から、前記基準ガス流路までの距離をＤＣとすると、ＤＡ＜ＤＣが成立することとしてもよい。この形態のガスセンサ素子によれば、ガスセンサ素子の外表面から基準ガス流路までの距離を短くすることができるため、基準電極への基準ガスの安定的な供給がより容易になる。その結果、ガス検出精度を向上させることができる。
【００１１】
（６）上記形態のガスセンサ素子において、前記固体電解質層は、絶縁性セラミックによって形成される絶縁基板と、固体電解質によって形成され、前記検知電極および前記基準電極と前記積層方向に重なる領域において、前記絶縁基板に貫通して配置された固体電解質部と、を備えることとしてもよい。この形態のガスセンサ素子によれば、センサ素子全体の強度を高め、その結果、ガスセンサ全体の強度を高めることができる。また、ガスセンサの使用時に、より早く固体電解質部を所定の活性温度に昇温させることができる。
【００１２】
本発明は、上記以外の種々の態様で実現できる。例えば、ガスセンサ素子を備えるガスセンサ、ガスセンサ素子の製造方法、ガスセンサの製造方法、基準電極に対する基準ガスの供給方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスセンサの全体構成を示す断面図である。
【図２】センサ素子の分解斜視図である。
【図３】センサ素子の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面におけるセンサ素子の断面図である。
【図５】センサ素子の平面図である。
【図６】センサ素子の断面図である。
【図７】センサ素子の分解斜視図である。
【図８】センサ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．ガスセンサの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としてのガスセンサ２の全体構成を示す断面図である。このガスセンサ２は、図示しない内燃機関（エンジン）の排気管に固定されて、被測定ガスである排気ガス中に含まれる特定ガスの濃度を測定する。本実施形態のガスセンサ２は酸素ガス濃度を測定するセンサである。図１は、ガスセンサ２の軸線ＣＬを含み、軸線ＣＬに平行な方向である軸線方向ＣＤと平行な断面を示している。軸線ＣＬは、ガスセンサ２の中心において、ガスセンサ２の長手方向に延びる。以下の説明では、図１の紙面に対して下側を「先端側ＡＳ」と呼び、上側を「後端側ＢＳ」と呼び、軸線ＣＬを通過して軸線ＣＬに垂直な方向を「径方向」と呼ぶ。
【００１５】
ガスセンサ２は、軸線方向ＣＤに延びる板状のセンサ素子４と、センサ素子４の後端側ＢＳを挿通する先端側セパレータ６６と、先端側セパレータ６６の後端側ＢＳに配置された後端側セパレータ６３と、センサ素子４の後端側ＢＳに形成された電極端子部３０と接触する金属端子部材１０と、先端側セパレータ６６よりも先端側ＡＳの位置でセンサ素子４の周囲を取り囲む主体金具３８と、を備える。電極端子部３０と金属端子部材１０とはそれぞれ４つずつ設けられている。図１では、電極端子部３０と金属端子部材１０とは２つのみ図示されている。
【００１６】
センサ素子４は、測定対象ガスである排気ガス中の酸素濃度を検出するための信号を出力する。板状のセンサ素子４では、第１板面２１と、第１板面２１の裏面である第２板面２３とが、最も大きな面である主面を構成する。センサ素子４は、後述するように、複数のシート状部材を積層することにより構成されている。図１では、軸線方向ＣＤと直交する方向であって、上記したシート状部材の積層方向を、積層方向ＬＤとして示している。第１板面２１および第２板面２３は、センサ素子４の外表面のうち、積層方向ＬＤに直交する外表面である。
【００１７】
センサ素子４は、先端側ＡＳに位置し、被測定ガスに晒される検出部８と、後端側ＢＳに位置し、対応する金属端子部材１０が接触する４つの電極端子部３０と、を有する。４つの電極端子部３０のうち２つは第１板面２１に形成され、残りの２つは第２板面２３に形成されている。センサ素子４は、検出部８が主体金具３８の先端より突出すると共に、電極端子部３０が主体金具３８の後端より突出した状態で、主体金具３８の内部に固定される。センサ素子４の詳細は後述する。また、本実施形態では、センサ素子４の先端側ＡＳの検出部８は、多孔質に形成された保護層で覆われており、被測定ガス中に含まれる不純物（例えば、水）が検出部８に付着することが抑制されている。本実施形態における「センサ素子４」は、「ガスセンサ素子」として機能する。
【００１８】
先端側セパレータ６６および後端側セパレータ６３は、アルミナ等の絶縁部材によって形成されている。先端側セパレータ６６は略筒状である。先端側セパレータ６６は、センサ素子４のうち電極端子部３０が位置する後端側部分の周囲を取り囲むように配置されている。先端側セパレータ６６は、センサ素子４の後端側部分を挿通するための挿通部６５ａと、挿通部６５ａの内壁面に形成された４つの溝部６５ｂ（図１では２つのみ図示）と、を有する。４つの溝部６５ｂは、軸線方向ＣＤに延びて、先端側セパレータ６６の先端側端面６８から後端側端面６２まで貫通する。４つの溝部６５ｂには、対応する金属端子部材１０が挿通される。また、先端側セパレータ６６は、後端側ＢＳに径方向外向きに突出する鍔部６７を有する。後端側セパレータ６３は、内部を軸線方向ＣＤに沿って貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内に、上記した金属端子部材１０の後端部が挿入されている。
【００１９】
金属端子部材１０は、対応する溝部６５ｂに挿通された状態で、積層方向ＬＤにおいて、センサ素子４と先端側セパレータ６６との間に位置する。金属端子部材１０は、センサ素子４と先端側セパレータ６６とによって挟持される。金属端子部材１０は、センサ素子４と酸素濃度を算出するための外部機器との間の電流経路を形成する。金属端子部材１０の後端部は、後端側セパレータ６３内において、ガスセンサ２の外部から内部に配設されるリード線４６に電気的に接続されると共に、先端側セパレータ６６内において、センサ素子４の電極端子部３０に電気的に接続される。リード線４６は、電極端子部３０の個数に対応して４つ設けられ、外部機器に電気的に接続されている（図１では２つのみ図示）。
【００２０】
主体金具３８は、略筒状の金属製の部材である。主体金具３８は、軸線方向ＣＤに貫通する貫通孔５４と、貫通孔５４の径方向内側に突出する棚部５２と、を有する。主体金具３８は、検出部８が貫通孔５４の先端側ＡＳの開口よりも先端側ＡＳに位置し、電極端子部３０が貫通孔５４の後端側ＢＳの開口よりも後端側ＢＳに位置するように、センサ素子４を貫通孔５４内で保持する。棚部５２は、軸線方向ＣＤに垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。主体金具３８の外表面には、排気管にガスセンサ２を固定するためのネジ部３９が形成されている。
【００２１】
貫通孔５４の内部には、センサ素子４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５３と、粉末充填層（滑石リング）５６と、セラミックスリーブ６とが、先端側ＡＳから後端側ＢＳにかけて、この順に積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具３８の後端部４０との間には、加締パッキン５７が配置されている。主体金具３８の後端部４０は、加締パッキン５７を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。
【００２２】
ガスセンサ２は、さらに、主体金具３８の後端側ＢＳにおいて主体金具３８の外周に固定された外筒４４と、先端側セパレータ６６を保持するための保持部材６９と、外筒４４の後端部に配置されたグロメット５０と、主体金具３８の先端側ＡＳの外周に固定された外部プロテクタ４５及び内部プロテクタ４３と、を有する。
【００２３】
外筒４４は、略筒状の金属製の部材である。外筒４４の先端側ＡＳの外周は、レーザ溶接等によって主体金具３８に取り付けられている。外筒４４は、後端側ＢＳにおいて外径が縮径しており、縮径された開口内にはグロメット５０が嵌め込まれている。グロメット５０には、リード線４６を挿通させるための４つのリード線挿通孔６１（図１では２つのみ図示）が形成されている。
【００２４】
グロメット５０には、さらに、その中央部を軸線ＣＬに沿って貫通する貫通孔５８が形成されている。この貫通孔５８には、フィルタおよびフィルタ固定用の金属製筒状部材から構成されたフィルタユニット５９が装填されており、このフィルタユニット５９を通じて、大気が外筒４４内に導入される。これにより、外筒４４内の空間が大気で満たされる。
【００２５】
保持部材６９は金属製の筒状の部材である。保持部材６９は、外筒４４に固定され外筒４４内に位置決めされている。保持部材６９は、その後端側ＢＳにおいて先端側セパレータ６６の鍔部６７に当接することで、先端側セパレータ６６を保持する。
【００２６】
外部プロテクタ４５および内部プロテクタ４３は、有底筒状であり、複数の孔部を有する金属製の部材である。外部プロテクタ４５および内部プロテクタ４３は、主体金具３８の先端側ＡＳ外周に、レーザ溶接等によって取り付けられている。外部プロテクタ４５および内部プロテクタ４３は、検出部８を覆うことでセンサ素子４を保護する。被測定ガスは、外部プロテクタ４５および内部プロテクタ４３に設けられた複数の孔部を通過することによって、内部プロテクタ４３内に流入する。
【００２７】
Ａ−２．センサ素子の構成：
図２は、センサ素子４の分解斜視図である。図２に示した軸線方向ＣＤ、先端側ＡＳ、後端側ＢＳ、および積層方向ＬＤは、それぞれ図１に示した方向と対応している。センサ素子４は、絶縁層４２１と、検知電極４４１と、固体電解質層４３０と、基準電極４４２と、ガス流路形成層４２２と、絶縁層４２３と、ヒータ４５０と、絶縁層４２４と、を備え、これらの構成部材は積層方向ＬＤに沿って、この順で積層されている。絶縁層４２１、固体電解質層４３０、ガス流路形成層４２２、および絶縁層４２３，４２４は、矩形のシート状部材であり、略同一の外形形状を有している。
【００２８】
また、図２では、４つの電極端子部３０（具体的には、電極端子部３１〜３４）についても図示している。各電極端子部３０は、センサ素子４の電気的接続のために使用される。各電極端子部３０は、例えば、白金、ロジウムなどを用いて形成されており、略矩形形状である。電極端子部３０は、例えば、白金等を主成分とするペーストを、絶縁層４２１あるいは絶縁層４２４上にスクリーン印刷することにより形成することができる。電極端子部３１，３２は、センサ素子４の後端側ＢＳにおいて、絶縁層４２１の第１板面２１において、軸線方向ＣＤに垂直な方向に並んで形成されている。電極端子部３３，３４は、センサ素子４の後端側ＢＳにおいて、絶縁層４２４の第２板面２３において、軸線方向ＣＤに垂直な方向に並んで形成されている。図２では、第１板面２１および第２板面２３に平行であって、軸線方向ＣＤに垂直な方向を、幅方向ＷＤとして示している。
【００２９】
固体電解質層４３０は、検知電極４４１と、基準電極４４２と共に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃淡電池として機能する。固体電解質層４３０は、酸化物イオン伝導性（酸素イオン伝導性）を有する固体電解質によって構成される。本実施形態では、固体電解質層４３０は、安定化剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を添加した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、すなわちイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）によって構成している。あるいは、他種の固体電解質によって、固体電解質層４３０を構成してもよい。具体的には、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）等から選択される酸化物を添加した安定化ジルコニア等の、他のジルコニア系の固体電解質によって、固体電解質層４３０を構成してもよい。固体電解質層４３０には、固体電解質層４３０を、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）に貫通するスルーホール３０ａ，３０ｃが形成されている。スルーホール３０ａは、固体電解質層４３０の後端側ＢＳの端部に設けられており、スルーホール３０ｃは、スルーホール３０ａよりも先端側ＡＳに設けられている。
【００３０】
絶縁層４２１，４２３，４２４は、隣接する層の間を電気的に絶縁する緻密層である。絶縁層４２１，４２３，４２４は、絶縁性セラミック、例えば、アルミナを主成分とする絶縁性セラミックによって形成されている。絶縁層４２１の先端側ＡＳには、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）に絶縁層４２１を貫通する矩形形状の孔が設けられ、この孔に多孔質保護層４６０が形成されている。多孔質保護層４６０は、アルミナ等によって形成される多孔質層であり、検知電極４４１へと流れる被測定ガスを拡散するために設けられている。なお、センサ素子４において、先端側ＡＳの多孔質保護層４６０を含む部位は、既述した検出部８に含まれる。また、絶縁層４２１の後端側ＢＳには、積層方向ＬＤに絶縁層４２１を貫通する３つのスルーホール２１ａ，２１ｂ，２１ｃが形成されている。同様に、絶縁層４２４の後端側ＢＳには、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）に絶縁層４２４を貫通する２つのスルーホール２３ｄ，２３ｅが形成されている。
【００３１】
検知電極４４１は、例えば、白金、ロジウムなどを用いて形成されている。検知電極４４１は、固体電解質層４３０のうち、積層方向ＬＤの一方の面（絶縁層４２１が配置される側の面）に配置されている。検知電極４４１は、先端側ＡＳの端部に設けられた第１電極部４１ａと、第１電極部４１ａから後端側ＢＳに向かって延びる第１リード部４１ｂと、を備えている。検知電極４４１は、第１リード部４１ｂの後端側ＢＳの端部から、絶縁層４２１のスルーホール２１ｂを介して、電極端子部３２に電気的に接続されている。
【００３２】
基準電極４４２は、例えば、白金、ロジウムなどを用いて形成されている。基準電極４４２は、固体電解質層４３０のうち、積層方向ＬＤの他方の面（ガス流路形成層４２２が配置される側の面）に配置されている。基準電極４４２は、先端側ＡＳの端部に設けられた第２電極部４２ａと、第２電極部４２ａから後端側ＢＳに向かって延びる第２リード部４２ｂと、を備えている。基準電極４４２は、第２リード部４２ｂから、固体電解質層４３０のスルーホール３０ａと、絶縁層４２１のスルーホール２１ａとを介して、電極端子部３１に電気的に接続されている。
【００３３】
ガス流路形成層４２２は、緻密質のセラミックによって形成されている。ガス流路形成層４２２には、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）にガス流路形成層４２２を貫通する貫通孔であって、基準電極４４２に基準ガスを導入するための基準ガス流路ＣＰを形成するための導入孔７０が設けられている。本実施形態では、基準ガスとして大気を用いている。導入孔７０は、先端側ＡＳの端部において平面視矩形形状に形成された基準室孔７０ａと、この基準室孔７０ａよりも幅細で基準室孔７０ａから後端側ＢＳに延びる通気孔７０ｂと、を有している。そして、導入孔７０は、ガス流路形成層４２２のほか、表面に基準電極４４２を形成した固体電解質層４３０と、絶縁層４２３と、に囲まれて、基準電極４４２に基準ガスを導入する基準ガス流路ＣＰを構成する。すなわち、ガス流路形成層４２２は、基準電極４４２に基準ガスを導入するための基準ガス流路が形成された「第１の層」として機能する。基準ガス流路ＣＰについては、後にさらに詳しく説明する。
【００３４】
絶縁層４２３と絶縁層４２４の間には、軸線方向ＣＤに沿って延びるヒータ４５０が埋設されている。ヒータ４５０は、センサ素子４を所定の活性温度に昇温し、固体電解質層４３０における酸素イオンの伝導性を高め、ガスセンサ２の動作を安定させるために用いられる。ヒータ４５０は、白金などの導電体によって形成された発熱抵抗体であり、供給された電力によって熱を生じる。
【００３５】
ヒータ４５０は、先端側ＡＳにおいて蛇行状に形成された加熱部４５０ａと、この加熱部４５０ａの両端にそれぞれ接続されて後端側ＢＳに向かって直線状に延びるヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃと、を備える。ヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃの後端側ＢＳの端部は、それぞれ、絶縁層４２４に形成されたスルーホール２３ｄ，２３ｅを介して、電極端子部３３，３４に電気的に接続されている。本実施形態では、ヒータ４５０が、固体電解質層４３０を加熱するための加熱部４５０ａを備えた「ヒータ層」として機能する。
【００３６】
Ａ−３．基準ガス流路の構成：
図３は、センサ素子４を第１板面２１側から見た平面図である。また、図４は、図３に示すＡ−Ａ断面におけるセンサ素子４の断面図である。図３では、絶縁層４２１の第１板面２１上に表われている構造は実線で表わしており、センサ素子４の内部構造は破線で表わしている。なお、図３では積層方向ＬＤを図示していないが、図３においては、積層方向ＬＤは紙面に垂直な方向となる。また、図４では幅方向ＷＤを図示していないが、図４においては、幅方向ＷＤは紙面に垂直な方向となる。
【００３７】
既述したように、ガス流路形成層４２２に形成されて基準ガス流路ＣＰを形成する導入孔７０は、基準室孔７０ａと、通気孔７０ｂと、を備える。図３に示すように、基準室孔７０ａは、積層方向ＬＤに投影したときに、検知電極４４１の第１電極部４１ａの全体、および、基準電極４４２の第２電極部４２ａの全体と、重なる位置に設けられている。すなわち、基準ガス流路ＣＰの一部であって、基準室孔７０ａが形成する空間には、基準電極４４２の第２電極部４２ａが露出している。
【００３８】
また、図３に示すように、通気孔７０ｂの後端側ＢＳの端部は、積層方向ＬＤに投影したときに、絶縁層４２１に設けたスルーホール２１ｃ全体、および、固体電解質層４３０に設けたスルーホール３０ｃ全体と重なる。図４に示すように、絶縁層４２１のスルーホール２１ｃと、固体電解質層４３０のスルーホール３０ｃとは、センサ素子４の外表面（第１板面２１）から基準ガス流路ＣＰへと積層方向ＬＤに延びて基準ガスを導くための流路である、導入流路ＩＰを形成する。したがって、センサ素子４においては、絶縁層４２１の第１板面２１に開口部を有する導入流路ＩＰを経由して、基準ガス流路ＣＰへと基準ガスが取り込まれ、基準電極４４２の第２電極部４２ａが基準ガスに晒される（図２参照）。図１に示すように、第１板面２１における導入流路ＩＰの開口部（絶縁層４２１のスルーホール２１ｃの開口部）は、ガスセンサ２の内部において、センサ素子４が主体金具３８に囲まれる領域と、センサ素子４が先端側セパレータ６６に囲まれる領域と、の間に配置される。これにより、上記開口部が大気に晒されて、導入流路ＩＰ内に基準ガスである大気が導入可能になる。
【００３９】
以上のように構成された本実施形態のガスセンサ２によれば、基準ガス流路ＣＰに対して基準ガスを導くための導入流路ＩＰは、センサ素子４の表面である第１板面２１に設けられた開口部から基準ガス流路ＣＰへと、積層方向に延びる。そのため、センサ素子４の外表面から基準電極４４２に基準ガスを導入するための流路が、センサ素子４における他の構造を迂回する必要性等のために屈曲することを抑えることができる。このように、上記流路を積層方向に平行に設けて屈曲を抑えることにより、上記流路の流路断面積を確保することが容易になると共に、上記流路の流路長を短くすることが容易になる。さらに、積層方向ＬＤに平行な導入流路ＩＰは、センサ素子４が積層方向ＬＤの押圧力を受けることがあっても、導入流路ＩＰが潰れることに起因してガスの流通が妨げられる問題が生じ難い。これらにより、基準電極４４２への基準ガスの流れを安定化することができる。そして、基準電極４４２への基準ガスの流れを安定化することにより、ガスセンサ２の性能を安定化することができる。
【００４０】
さらに、本実施形態のセンサ素子４では、ガス流路形成層４２２を基準として固体電解質層４３０が配置される側とは反対側に、ヒータ４５０が配置されている。そして、基準ガス流路ＣＰに対して基準ガスを導くための導入流路ＩＰは、センサ素子４の外表面のうち、第１板面２１（固体電解質層４３０を基準としてヒータ４５０が設けられる側とは反対側の外表面）に開口部を有し、該開口部から基準ガス流路ＣＰへと積層方向ＬＤに延びる。このように、導入流路ＩＰはヒータ４５０が形成する層を通過することがないため、ヒータ４５０の引き回し状態によって、導入流路ＩＰおよびその開口部の配置が制限されることが無い。
【００４１】
ここで、本実施形態では、ヒータ４５０のヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃの幅Ｗhl（図２では、ヒータリード部４５０ｂの幅Ｗhlを示す）は、検知電極４４１の第１リード部４１ｂの幅Ｗl1および基準電極４４２の第２リード部４２ｂの幅Ｗl2（図３参照）よりも太く形成されている。すなわち、導入流路ＩＰは、幅がより狭い第１リード部４１ｂおよび第２リード部４２ｂを避けて設ければよく、幅がより広いヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃの位置の影響を受けない。したがって、固体電解質層４３０を基準としてヒータ４５０が設けられる側とは反対側に導入流路ＩＰを設けることにより、導入流路ＩＰ（の開口部）の配置に関する設計の自由度を高めることができる。なお、ヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃの幅Ｗhl、第１リード部４１ｂの幅、および第２リード部４２ｂの幅Ｗl2とは、ヒータリード部４５０ｂ，４５０ｃ、第１リード部４１ｂ、および第２リード部４２ｂにおける幅方向ＷＤの長さを指す。
【００４２】
また、本実施形態では、導入流路ＩＰを積層方向ＬＤに平行に投影すると、導入流路ＩＰ全体が、通気孔７０ｂと重なるように設けられている。これにより、導入流路ＩＰと基準ガス流路ＣＰとの接続部において、基準ガスの流れが妨げられることを抑えることができる。ただし、導入流路ＩＰを積層方向ＬＤに投影したときに、導入流路ＩＰの一部が、通気孔７０ｂと重ならずにはみ出すように設けることも可能である。
【００４３】
さらに、本実施形態では、導入流路ＩＰの流路断面積を、通気孔７０ｂが形成する基準ガス流路ＣＰの流路断面積よりも小さくしている。このように、導入流路ＩＰによって基準ガス流路ＣＰの上流側で基準ガスの流れを絞る場合には、導入流路ＩＰの断面積によって、基準ガス流路ＣＰへの基準ガスの導入量を精度良く調節することが可能になる。あるいは、導入流路ＩＰの流路断面積を、通気孔７０ｂにおける基準ガス流路ＣＰの流路断面積よりも大きくすることも可能である。このような構成とすれば、基準ガス流路ＣＰの上流側で基準ガスの流れを絞らないことにより、基準電極４４２への基準ガスの導入量の確保がより容易になる。
【００４４】
Ｂ．第２実施形態：
図５は、本発明の第２の実施形態のセンサ素子１０４を、第１板面２１側から見た平面図である。図５では、図３と同様に、絶縁層４２１の第１板面２１上に表われている構造は実線で表わしており、センサ素子１０４の内部構造は破線で表わしている。なお、図５では積層方向ＬＤを図示していないが、図５においては、積層方向ＬＤは紙面に垂直な方向となる。第２実施形態のセンサ素子１０４は、第１実施形態のセンサ素子４と同様にガスセンサ２に用いられ、導入流路ＩＰに係る構成以外はセンサ素子４と同様の構成を有している。以下では、センサ素子４と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【００４５】
センサ素子１０４では、センサ素子１０４の外表面から基準ガス流路ＣＰへと積層方向ＬＤに延びて基準ガスを導入するための導入流路ＩＰが、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２によって構成されている。各々の分割流路ＩＰ１，ＩＰ２は、第１実施形態と同様に、第１板面２１に開口部を有する。このように、第２実施形態では、積層方向ＬＤに延びる導入流路ＩＰを、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２によって構成しているため、基準ガス流路ＣＰに導入する基準ガスの量を確保する際に、導入流路ＩＰを単一の流路で構成する場合に比べて、個々の流路の断面積をより小さくすることができる。そのため、センサ素子１０４において、積層方向ＬＤの押圧力に対する強度を、より高めることができる。さらに、導入流路ＩＰにおいて、個々の流路の断面積を小さくできることにより、積層面に対する個々の流路の配置（個々の流路を第１板面２１に対して積層方向ＬＤに平行に投影したときの配置）の自由度を増すことができる。
【００４６】
ここで、第２の実施形態では、導入流路ＩＰを構成する各々の分割流路ＩＰ１，ＩＰ２を積層方向ＬＤに平行に投影すると、各々の流路全体が、第１実施形態と同様に通気孔７０ｂと重なるように設けられている。このような場合には、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２の流路断面積の合計によって、基準ガス流路ＣＰへの基準ガスの導入量を調節することができる。
【００４７】
さらに、第２実施形態では、積層方向ＬＤに延びる２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２は、図５に示すように、積層方向ＬＤに投影したときに軸線方向ＣＤに対して異なる位置に設けられている。すなわち、第１板面２１において、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２の各々の開口部は、センサ素子１０４の長手方向に対して異なる位置に設けられている（軸線方向ＣＤにずれている）。２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２を軸線方向ＣＤに対して同じ位置に設けることとしてもよいが、図５に示す構成とすることで、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２間の距離を確保することが、より容易になる。そのため、導入流路ＩＰを設けることに起因するセンサ素子１０４の強度低下を抑える効果を高めることができる。さらに、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２を設ける場合には、図５のように積層方向ＬＤに投影したときの配置が、幅方向ＷＤに対して異なる位置である（幅方向ＷＤにずれている）ことが望ましい。これにより、２つの分割流路ＩＰ１，ＩＰ２間の距離の確保が、より容易になる。なお、各々の分割流路が軸線方向ＣＤあるいは幅方向ＷＤにずれるとは、各々の分割流路を積層方向ＬＤに投影したときの流路断面の外形の重心の位置が、上記した方向にずれていることを指す。
【００４８】
第２実施形態では、導入流路ＩＰを構成する分割流路の数を２としたが、２を超える複数としてもよい。このような場合にも、複数の分割流路を積層方向ＬＤに投影したときの配置を、軸線方向ＣＤにずらすことにより、あるいは、幅方向ＷＤにずらすことにより、導入流路ＩＰを設けることに起因するセンサ素子の強度低下を抑えることができる。
【００４９】
Ｃ．変形例：
・変形例１：
上記各実施形態では、センサ素子を、図２に示す複数のシート状部材により構成しているが、異なる構成としてもよく、例えば、さらに他のシート状部材を加えた積層体としてもよい。このように、センサ素子を形成する積層体の構成を変更する場合であっても、導入流路ＩＰの長さを、より短くすることが望ましい。具体的には、センサ素子における積層方向ＬＤに直交する外表面（第１板面２１および第２板面２３）のうちの一方であって、導入流路ＩＰの開口部が設けられる側の外表面（各実施形態では第１板面２１）から基準ガス流路ＣＰまでの距離を距離ＤＡ、他方の外表面（各実施形態では第２板面２３）から基準ガス流路ＣＰまでの距離を距離ＤＢとすると、ＤＡ＜ＤＢが成立することが望ましい（図４参照）。このように、導入流路ＩＰを、より短くすることで、基準電極４４２への基準ガスの流れを安定化させてガスセンサの性能を安定化する効果を高めることができる。
【００５０】
なお、センサ素子の積層方向ＬＤに直交する外表面のうちの導入流路ＩＰの開口部が設けられた一方の外表面から、基準ガス流路ＣＰまでの距離ＤＡとは、以下を指す。すなわち、上記一方の外表面から、積層方向ＬＤに直交する基準ガス流路ＣＰの内壁面のうちの、上記一方の外表面側の内壁面（各実施形態では、固体電解質層４３０における基準電極４４２を形成した側の表面）までの距離をいう。また、センサ素子の積層方向ＬＤに直交する外表面のうちの他方の外表面から、基準ガス流路ＣＰまでの距離ＤＢとは、以下を指す。すなわち、上記他方の外表面から、積層方向ＬＤに直交する基準ガス流路ＣＰの内壁面のうちの、上記他方の外表面側の内壁面（各実施形態では、絶縁層４２３におけるガス流路形成層４２２と接する側の表面）までの距離をいう。
【００５１】
また、基準ガス流路ＣＰに基準ガスを導入する導入流路の長さを、より短くするという観点から、センサ素子においては、ＤＡ＜ＤＣが成立することが望ましい。ここで、距離ＤＡは、上記したように、センサ素子の積層方向ＬＤに直交する外表面のうちの導入流路ＩＰの開口部が設けられた一方の外表面から、基準ガス流路ＣＰまでの距離である。また、距離ＤＣは、センサ素子の長手方向の端部のうち、導入流路ＩＰに近い側の端部から、基準ガス流路ＣＰまでの距離である（図４参照）。
【００５２】
ただし、ＤＡ＜ＤＢが成立すること、および、ＤＡ＜ＤＣが成立することは必須では無い。これらの関係を満たさない場合であっても、基準ガス流路ＣＰに対して基準ガスを導くための流路として、センサ素子４の表面である第１板面２１に設けられた開口部から基準ガス流路ＣＰへと、積層方向に延びる導入流路ＩＰを設けることによる既述した効果を得ることができる。
【００５３】
・変形例２：
上記各実施形態では、基準ガス流路ＣＰは、ガス流路形成層４２２に設けた貫通孔である導入孔７０によって形成しているが、異なる構成としてもよい。例えば、ガス流路形成層４２２に設ける導入孔７０を、貫通孔ではなく、絶縁層４２３側に貫通しない凹部としてもよい。
【００５４】
図６は、導入孔７０に凹部形状を適用する変形例の一例としてのセンサ素子２０４の構成を、図４と同様にして示す断面図である。センサ素子２０４は、第１実施形態のセンサ素子４と同様にガスセンサ２に用いられ、ガス流路形成層４２２の構成以外はセンサ素子４と同様の構成を有している。以下では、センサ素子４と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【００５５】
センサ素子２０４は、ガス流路形成層４２２において、貫通孔である導入孔７０に代えて、凹部２７０が設けられている。凹部２７０は、第１板面２１側から見たときの形状が導入孔７０と同じであって、平面視矩形状に形成された基準室凹部２７０ａと、この基準室凹部２７０ａから後端側ＢＳに延びる通気溝２７０ｂと、を備えている。このような凹部２７０は、センサ素子２０４内で基準ガス流路ＣＰを形成し、スルーホール２１ｃ、３０ｃが形成する導入流路ＩＰを介して基準ガスが導入される。このような構成としても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、ガス流路形成層４２２に設けた凹部によって基準ガス流路ＣＰを形成する場合には、絶縁層４２３を省略することも可能である。
【００５６】
・変形例３：
上記各実施形態では、固体電解質層４３０全体を固体電解質によって形成しているが、異なる構成としてもよい。固体電解質層は、固体電解質によって形成され、検知電極４４１（第１電極部４１ａ）および基準電極４４２（第２電極部４２ａ）によって挟持される固体電解質部を、少なくとも一部に有していればよい。
【００５７】
図７は、本発明の変形例のセンサ素子３０４を、図２と同様にして示す分解斜視図である。また、図８は、変形例のセンサ素子３０４の構成を、図４と同様にして示す断面図である。本変形例のセンサ素子３０４は、第１実施形態のセンサ素子４と同様にガスセンサ２に用いられ、固体電解質層４３０に代えて固体電解質層４３７を備える点以外は、センサ素子４と同様の構成を有している。以下では、センサ素子４と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【００５８】
センサ素子３０４では、固体電解質層４３７は、固体電解質部４３５および絶縁基板４３６を備える。固体電解質部４３５は、第１実施形態の固体電解質層４３０を構成する固体電解質と同様の固体電解質によって構成される。絶縁基板４３６は、隣接する層の間を電気的に絶縁する緻密層であり、絶縁層４２１，４２３，４２４と同様に、絶縁性セラミック、例えば、アルミナを主成分とする絶縁性セラミックによって形成されている。
【００５９】
絶縁基板４３６の先端側ＡＳには、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）に絶縁基板４３６を貫通する矩形形状の孔が設けられ、この孔に、固体電解質部４３５が形成されている。図８に示すように、固体電解質部４３５は、積層方向ＬＤに投影したときに、検知電極４４１の第１電極部４１ａ、基準電極４４２の第２電極部４２ａ、基準室孔７０ａ、および多孔質保護層４６０と重なる領域において、絶縁基板４３６に貫通して配置されている。また、絶縁基板４３６には、固体電解質層４３０と同様に、絶縁基板４３６を、その厚さ方向（積層方向ＬＤ）に貫通するスルーホール３０ａ，３０ｃが形成されている。
【００６０】
このような構成としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第１実施形態のように固体電解質層４３０全体を固体電解質によって構成する場合に比べて、センサ素子３０４全体の強度を高め、その結果、ガスセンサ全体の強度を高めることができる。固体電解質部４３５を構成する固体電解質よりも、絶縁基板４３６を構成する絶縁性セラミックの方が、一般に強度が高いためである。また、第１実施形態のように固体電解質層４３０全体を固体電解質によって構成する場合に比べて、ガスセンサの使用時に、より早く固体電解質部を所定の活性温度に昇温させることができる。固体電解質部４３５を構成する固体電解質よりも、絶縁基板４３６を構成する絶縁性セラミックの方が、一般に熱伝導率が高いためである。
【００６１】
・変形例４：
上記実施形態では、導入流路ＩＰにおける積層方向ＬＤに直交する断面形状を円形としたが、異なる構成としてもよい。ただし、センサ素子を構成するシート状部材において、導入流路ＩＰを形成するための貫通孔（スルーホール２１ｃ、３０ｃ等）を設けることによって、シート状部材において応力集中が生じ、その結果としてセンサ素子の抗折強度が低下することを抑える観点からは、断面形状は楕円形または円形であることが望ましい。そして、円形がより望ましい。
【００６２】
・変形例５：
上記各実施形態では、ガスセンサは酸素濃度センサとしたが、異なる構成としても良い。排気ガス中のＮＯｘ等、異なる種類のガスを検出するセンサとしてもよい。イオン伝導性を有する固体電解質の両面に積層された一対の電極を有し、各電極上の特定ガス成分の濃度差（分圧差）により起電力を生じる濃淡電池を備えるセンサであれば、本願発明を適用することにより、同様の効果が得られる。
【００６３】
本発明は、上述の実施形態や実施例、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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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。
【符号の説明】
【００６４】
２…ガスセンサ
４，１０４，２０４，３０４…センサ素子
６…セラミックスリーブ
８…検出部
１０…金属端子部材
２１…第１板面
２１ａ〜２１ｃ…スルーホール
２３…第２板面
２３ｄ，２３ｅ…スルーホール
３０…電極端子部
３０ａ，３０ｃ…スルーホール
３１〜３４…電極端子部
３８…主体金具
３９…ネジ部
４０…後端部
４１ａ…第１電極部
４１ｂ…第１リード部
４２ａ…第２電極部
４２ｂ…第２リード部
４３…内部プロテクタ
４４…外筒
４５…外部プロテクタ
４６…リード線
５０…グロメット
５２…棚部
５３…セラミックホルダ
５４…貫通孔
５６…粉末充填層
５７…加締パッキン
５８…貫通孔
５９…フィルタユニット
６１…リード線挿通孔
６２…後端側端面
６３…後端側セパレータ
６５ａ…挿通部
６５ｂ…溝部
６６…先端側セパレータ
６７…鍔部
６８…先端側端面
６９…保持部材
７０…導入孔
７０ａ…基準室孔
７０ｂ…通気孔
２７０…凹部
２７０ａ…基準室凹部
２７０ｂ…通気溝
４２１，４２３，４２４…絶縁層
４２２…ガス流路形成層
４３０，４３７…固体電解質層
４３５…固体電解質部
４３６…絶縁基板
４４１…検知電極
４４２…基準電極
４５０…ヒータ
４５０ａ…加熱部
４５０ｂ，４５０ｃ…ヒータリード部
４６０…多孔質保護層
【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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