JP2017190986A

JP2017190986A - ガスセンサ素子及びガスセンサ

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Publication number: JP2017190986A
Application number: JP2016079800A
Authority: JP
Inventors: 愛五十嵐; Ai Igarashi; 哲哉伊藤; Tetsuya Ito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: JP6622643B2

Abstract

【課題】被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下することを抑制すると共に、固体電解質体の特性劣化を抑制し、さらにポンピング性能の低下を抑制したガスセンサ素子及びガスセンサを提供する。【解決手段】絶縁層１２９の貫通孔に固体電解質体１２９ｓを充填してなる複合層と、固体電解質体の表面に形成され固体電解質体よりも内側に配置された一対の電極１１０ａと、一対の電極に接続される一対のリード部１１０ｂとを有する酸素ポンプセルと、測定室と、ヒータと、を有し、酸素ポンプセルが被測定ガス中の酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うガスセンサ素子であって、リード部は、電極より幅狭であり、少なくとも一方のリード部のうち、ヒータの加熱により電極が達する最高温度よりも１０％以上低温となるリード部の部位Ｒは、絶縁層に接している。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素、ＮＯ_ｘ等）の濃度を検出するガスセンサが用いられている（特許文献１、２）。特許文献１、２記載のガスセンサは自身の内部にガスセンサ素子を有し、ガスセンサ素子は、固体電解質層の両面に一対の電極を形成してなるセルを有している。例えば特許文献２記載のガスセンサの場合、図１２に示すようにガスセンサ素子１０００は２つのセル１３００、１４００を有している。
このうち、セル１４００は固体電解質層１０９０の両面に形成された電極１０８０、１１００を有し、電極１１００は多孔質層１１３０を介して外部との間で排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルとなっている。一方、セル１３００は、測定室１０７０に面して測定室１０７０内の排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧（起電力）を出力する酸素濃度検出セルとなっている。そして、この出力電圧が一定となるように酸素ポンプセル１４００に電圧（Ｖｐ電圧）を印加してポンプ電流Ｉｐを流し、該ポンプ電流Ｉｐに応じた排気ガス中の酸素濃度を検出するようになっている。

さらに、各電極は、電極部と、電極部に電気的に接続されて軸線方向（図１２の紙面方向）に延びる電極リード部とを備えている。そして、特許文献１、２記載のガスセンサは、電極リード部と固体電解質層との間に絶縁層を配置することで、ブラックニングと称される固体電解質層の特性劣化や、固体電解質層のクラック発生を防止している。ブラックニングは、固体電解質層を介して電極反応が生じている状態で、固体電解質層に酸素不足が生じて固体電解質層中の金属酸化物が還元される現象である。ブラックニングが生じると、固体電解質層の特性（イオン伝導性）が劣化し、セルの酸素ポンピング性能が低下する。又、固体電解質層に酸素不足が生じることで固体電解質層が脆くなり、クラック（亀裂）が生じる場合がある。

特許第４１６６４０３号公報特許第５３７４５２９号公報

ところで、固体電解質層のブラックニングやクラックを防止する観点からは、電極リード部の全てを固体電解質層から絶縁することが好ましい。しかしながら、一般に電極部と電極リード部とは、電極材料のペーストを固体電解質層や絶縁層の表面に印刷し焼成して形成される。このため、電極部との境界まで電極リード部を絶縁しようとすると、印刷ズレによって電極部の一部が絶縁層表面に重なって形成されてしまい、電極部の有効面積が減少してセルの性能（酸素のポンピング性能）を損なうおそれがある。
このため、電極部と絶縁層との間には印刷ズレを考慮した間隔が必要となるが、この間隔が大き過ぎると、電極リード部の絶縁が不十分となって上述のブラックニングやクラックが発生してしまう。

一方、図１３に示すように、酸素ポンプセルにおいて、測定室１０７０内の排気ガス中の空燃比（Ａ/Ｆ）がリッチからリーンに変化した場合、λセンサである酸素濃度検出セル１３００の出力電圧は急激に変化し、それに応じて酸素ポンプセル１４００に印加されるＶｐ電圧も急激に変化する。すると、酸素ポンプセル１４００から出力されるポンプ電流Ｉｐにオーバーシュート現象（リップル(Ｒｉｐｐｌｅ)現象）と称される余分な脈動電流Ｒｉが重畳され、酸素濃度の検出値が不正確になるという問題がある。
この原因は、図１４に示すように、酸素ポンプセル１４００の固体電解質層１０９０と電極１１００との間にコンデンサ回路が形成され、コンデンサの電極間の電圧（Ｖｐ電圧）が時間的に変化すると、それに比例してコンデンサの電極間の電荷が時間的に変化して電流が流れ出すためと考えられる。つまり、このコンデンサ回路におけるコンデンサの容量Ｃと、コンデンサの電荷の変化ΔＱと、コンデンサの電極間のＶｐ電圧の変化ΔＶｐとは、次式（１）の関係にある。
ΔＱ＝Ｃ×ΔＶｐ（１）
ΔＱ＝Ｒｉであるから、
Ｒｉ＝Ｃ×ΔＶｐ（２）
となる。式（２）より、Ｖｐ電圧の時間変化であるΔＶｐを小さくするほど、脈動電流（オーバーシュート電流）Ｒｉを低減することになる。
一方、図１５に示すように、排気ガス中の空燃比（Ａ/Ｆ）がストイキ点を跨がないときには、酸素濃度検出セル１３００の出力電圧、ひいてはＶｐ電圧は急激に変化しないので、ポンプ電流Ｉｐに脈動電流Ｒｉは重畳されない。

そして、固体電解質層１０９０と電極（電極リード部を含む）１１００との間のコンデンサ回路の容量は温度が低くなるほど大きく、そこに溜まる電荷の量も大きくなる。このため、ΔＶｐが掛かり続ける時間が長くなり、ひいてはＲｉも大きくなる。

そこで、本発明は、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下することを抑制すると共に、固体電解質体の特性劣化を抑制し、さらにポンピング性能の低下を抑制したガスセンサ素子及びガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子は、絶縁層に設けられた貫通孔に固体電解質体を充填してなる複合層と、前記固体電解質体の表面に形成され前記固体電解質体の積層方向の境界よりも内側に配置された一対の電極と、前記一対の電極に電気的に接続されて軸線方向に延びる一対のリード部とを有する酸素ポンプセルと、前記複合層と間隔を開けて積層される他部材との間に区画され外部から被測定ガスを導入する測定室と、前記複合層の積層方向に配置され前記酸素ポンプセルを加熱するヒータと、を有し、前記軸線方向に延びると共に、前記酸素ポンプセルが前記測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うガスセンサ素子であって、前記リード部は、前記電極より幅狭であり、少なくとも一方の前記リード部のうち、前記ヒータの加熱により前記電極部が達する最高温度よりも１０％以上低温となる前記リード部の部位は、前記絶縁層に接していることを特徴とする。

酸素ポンプセルにおいて、測定室内の排気ガス中の空燃比（Ａ/Ｆ）がストイキ点を跨いでリッチからリーンに変化した場合、酸素ポンプセルの固体電解質体とリード部を含む電極との間にコンデンサ回路が形成され、ポンプ電流にオーバーシュート現象（リップル(Ｒｉｐｐｌｅ)現象）と称される余分な脈動電流が重畳され、ガスの検出精度が低下する。従って、脈動電流を抑制する観点からは、リード部の全てを固体電解質体から絶縁することが好ましいが、一般に電極及びリード部は印刷で形成されるため、印刷ズレによって電極及びリード部の一部が絶縁層表面に重なり、電極及びリード部の有効面積が減少してセルの性能（酸素のポンピング性能）を損なうおそれがある。
そこで、リード部のうち、電極が達する最高温度よりも１０％以上低温となる部位を少なくとも絶縁するようにすれば、印刷ズレを考慮して電極と絶縁層との間隔を適度に保ちつつ、オーバーシュート現象が生じるレベルとなるリード部の低温部を確実に絶縁することができる。
これにより、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下するオーバーシュート現象を抑制できると共に、固体電解質体の特性劣化を抑制し、さらに電極の有効面積が減少してポンピング性能が低下することも抑制できる。

又、本発明のガスセンサ素子は、板状の固体電解質体と前記固体電解質体の表面に配置された一対の電極と前記一対の電極に電気的に接続されて軸線方向に延びる一対のリード部とを有する酸素ポンプセルと、前記固体電解質体と、該固体電解質体と間隔を開けて積層される他部材との間に区画され外部から被測定ガスを導入する測定室と、前記固体電解質体の積層方向に配置され前記酸素ポンプセルを加熱するヒータと、を有し、軸線方向に延びると共に、前記酸素ポンプセルが前記測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うガスセンサ素子であって、前記リード部は、前記電極より幅狭であり、少なくとも一方の前記リード部のうち、前記ヒータの加熱により前記電極部が達する最高温度よりも１０％以上低温となる前記リード部の部位と、前記固体電解質体との間に少なくとも絶縁層が配置され、かつ前記リード部の前記軸線方向先端部は、前記絶縁層よりも先端に位置することを特徴とする。

このガスセンサ素子によれば、リード部のうち、電極が達する最高温度よりも１０％以上低温となる部位を少なくとも絶縁するようにすれば、印刷ズレを考慮して電極と絶縁層との間隔を適度に保ちつつ、オーバーシュート現象が生じるレベルとなるリード部の低温部を確実に絶縁することができる。
またこのガスセンサ素子によれば固体電解質体を充填する絶縁層を利用してリード部の絶縁を図る事ができる。
これにより、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下するオーバーシュート現象を抑制できると共に、固体電解質体の特性劣化を抑制し、さらに電極の有効面積が減少してポンピング性能が低下することも抑制できる。

本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガスを検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、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又は２に記載のガスセンサ素子を備える。

この発明によれば、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってガスセンサのセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下することを抑制すると共に、固体電解質体の特性劣化を抑制し、さらにポンピング性能の低下を抑制することができる。

本発明の第１の態様の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）の長手方向に沿う断面図である。ガスセンサ素子の模式分解斜視図である。酸素ポンプセルの電極と複合層との位置関係を示す積層方向から見た平面図である。図３のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。本発明の第２の態様の実施形態に係るガスセンサにおけるガスセンサ素子の模式分解斜視図である。酸素ポンプセルの電極と絶縁層との位置関係を示す積層方向から見た平面図である。図６のＢ−Ｂ線に沿う部分断面図である。排気ガスのλ（空燃比）をストイキ点を跨いで所定の周波数で切り替えたとき、センサ出力と、ガスの雰囲気λとの比（応答強度）を示す図である。排気ガスのλ（空燃比）をストイキ点を跨がずに所定の周波数で切り替えたとき、センサ出力と、ガスの雰囲気λとの比（応答強度）を示す図である。図８の応答強度を図９の応答強度で除したオーバーシュート割合と、周波数との関係を示す図である。最高温度に対する温度差（％）と、オーバーシュート割合との関係を示す図である。従来のガスセンサにおけるセンサ素子の軸線方向に直交する断面図である。ガス中の空燃比（Ａ/Ｆ）をリッチからリーンに変化させたときの、酸素酸素ポンプセルのポンプ電流Ｉｐの時間変化を示す図である。酸素酸素ポンプセルの等価回路を示す図である。排気ガス中の空燃比（Ａ/Ｆ）ががストイキ点を跨がないときの、酸素酸素ポンプセルのポンプ電流Ｉｐの時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の態様の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１の長手方向（軸線Ｌ方向）に沿う断面図、図２はガスセンサ素子１００の模式分解斜視図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１００、ガスセンサ素子１００等を内部に保持する主体金具（ハウジング）３０、主体金具３０の先端部に装着されるプロテクタ２４等を有している。ガスセンサ素子１００は軸線Ｌ方向に延びるように配置されている。

ガスセンサ素子１００は、ヒータ２００と検出素子部３００とを備える。
ヒータ２００は、図２に示すように、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２を有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａに形成された導体を介してヒータ側パッド１２０と電気的に接続している。第１基体１０１及び第２基体１０３を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。

検出素子部３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０との２つのセルを備える。酸素濃度検出セル１３０は、絶縁層１２５及び第１固体電解質層１２５ｓと、その第１固体電解質層１２５ｓの両面に形成された第１電極１０４ａ及び第２電極１０６ａとを有する。
このように、本実施形態では、絶縁層１２５のうち、第１電極１０４ａ、第２電極１０６ａに対向する位置がくり抜かれて第１固体電解質層１２５ｓが埋め込まれていると共に、後端側にスルーホール１２５ａが設けられている。

第１電極１０４ａには、絶縁層１２５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂが電気的に接続されている。第２電極１０６ａには、絶縁層１２５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂが電気的に接続されている。
第１電極１０４ａ及び第１リード部１０４ｂを合わせて第１電極部１０４とし、第２電極１０６ａ及び第２リード部１０６ｂを合わせて第２電極部１０６とする。

そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１固体電解質層１２５ｓに設けられる第１スルーホール１２５ａ、後述する測定室絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、絶縁層１２９に設けられる第４スルーホール１２９ａ及び絶縁保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する測定室絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、絶縁層１２９に設けられる第５スルーホール１２９ｂ及び絶縁保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。

一方、酸素ポンプセル１４０は、絶縁層１２９及び第２固体電解質層１２９ｓと、その第２固体電解質層１２９ｓの両面に形成された第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａとを有する。
このように、本実施形態では、絶縁層１２９のうち、第３電極部１０８ａ、第４電極部１１０ａに対向する位置がくり抜かれて第２固体電解質層１２９ｓが埋め込まれていると共に、後端側にスルーホール１２９ａ、１２９ｂが設けられている。

第３電極１０８ａには、絶縁層１２９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂが電気的に接続されている。第４電極１１０ａには、絶縁層１２９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂが電気的に接続されている。
第３電極１０８ａ及び第３リード部１０８ｂを合わせて第３電極部１０８とし、第４電極１１０ａ及び第４リード部１１０ｂを合わせて第４電極部１１０とする。

そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２固体電解質層１２９ｓに設けられる第５スルーホール１２９ｂ及び絶縁保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、後述する絶縁保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。なお、第２リード部１０６ｂと第３リード部１０８ｂは同電位となっている。

このように、第２固体電解質層１２９ｓ、第１固体電解質層１２５ｓはそれぞれ四辺を有する絶縁層１２９，１２５の貫通孔に埋め込まれており、ガスセンサ素子１００は、固体電解質層を複合層として絶縁層内に埋め込んだ構成になっている。
ている。又、第２固体電解質層１２９ｓは、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａの積層方向の重なり部分よりも外側にはみ出すような寸法とされている。同様に、第１固体電解質層１２５ｓは、第１電極１０４ａ、第２電極１０６ａの積層方向の重なり部分よりも外側にはみ出すような寸法とされている。

第２固体電解質層１２９ｓが特許請求の範囲の「固体電解質体」に相当し、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａが特許請求の範囲の「電極」に相当する。
第３リード部１０８ｂ、第４リード部１１０ｂが特許請求の範囲の「リード部」に相当する。
又、絶縁層１２９及び第２固体電解質層１２９ｓが特許請求の範囲の「複合層」に相当する。絶縁層１２５及び第１固体電解質層１２５ｓが特許請求の範囲の「他部材」に相当する。

これら第１固体電解質層１２５ｓ、第２固体電解質層１２９ｓ、及び後述する固体電解質層１０５，１０９は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はカルシア（ＣａＯ）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。

発熱体１０２、第１電極１０４ａ、第２電極１０６ａ、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａ、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１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、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ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。

もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４ａ、第２電極１０６ａ、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａ、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４ａ、第２電極１０６ａ、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａ、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料（例えば、第１固体電解質層１２５ｓ、第２固体電解質層１２９ｓ、及び後述する固体電解質層１０５，１０９の主体となる成分）と同様の成分であることが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に、測定室絶縁層１０７が形成されている。測定室絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この測定室絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極１０６ａ及び第３電極１０８ａに対応する位置に中空の測定室１０７ｃが形成されている。この測定室１０７ｃは、測定室絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部と測定室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。

絶縁部１１４、絶縁層１１７ａ〜１１７ｄ、及び絶縁層１２５、１２９は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。

拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって検出ガスが測定室（ガス検出室）１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質層１２９ｓの表面には、第４電極部１１０を挟み込むようにして、絶縁保護層１１１が積層されている。この絶縁保護層１１１の先端側には、第４電極１１０ａを取り囲むように略矩形の貫通孔１１２ａが設けられ、貫通孔１１２ａには多孔質層１１３ａが埋設されている。多孔質層１１３ａは第４電極１１０ａを覆い、第４電極１１０ａを被毒から防御すると共に、外部に露出して第４電極１１０ａと外部との間で多孔質層１１３ａを介してガスが出入可能になっている。
なお、本実施の形態のガスセンサ素子１００は、酸素濃度検出セル１３０の電極間に生じるＶｓ電圧（起電力）が所定の値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、酸素ポンプセル１４０の電極間に流れる電流（Ｉｐ電流）の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル１４０に流れるＩｐ電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子に相当する。
又、図１に示すように、ガスセンサ素子１００の先端側の全周を覆う多孔質保護層２０が設けられている。

絶縁保護層１１１は、例えば絶縁性を有するセラミック焼結体を用いることができ、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを例示することができる。
多孔質層１１３ａとしては、アルミナ等やムライト等のセラミックからなる多孔質体を例示することができる。多孔質層１１３ａは、例えば上記セラミックとカーボン粒子の混合ペーストを焼成する際に、カーボンを焼失させて製造することができる。

図１に戻り、主体金具３０は、ＳＵＳ４３０製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２とを有している。また、主体金具３０には、径方向内側に向かって突出する金具側段部３３が設けられており、この金具側段部３３はガスセンサ素子１００を保持するための金属ホルダ３４を支持している。そしてこの金属ホルダ３４の内側にはセラミックホルダ３５、滑石３６が先端側から順に配置されている。この滑石３６は金属ホルダ３４内に配置される第１滑石３７と金属ホルダ３４の後端に渡って配置される第２滑石３８とからなる。金属ホルダ３４内で第１滑石３７が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子１００は金属ホルダ３４に対して固定される。また、主体金具３０内で第２滑石３８が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子１００の外面と主体金具３０の内面との間のシール性が確保される。そして第２滑石３８の後端側には、アルミナ製のスリーブ３９が配置されている。このスリーブ３９は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔３９ａが設けられ、内部にガスセンサ素子１００を挿通している。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０ａが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材４０を介してスリーブ３９が主体金具３０の先端側に押圧されている。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するガスセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４ａを有する金属製のプロテクタ２４が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２ａの外径が先端部４２ｂの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、ＳＵＳ４３０製の外筒２５の先端側が挿入されている。この外筒２５は先端側の拡径した先端部２５ａを主体金具３０にレーザ溶接等により固定している。外筒２５の後端側内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、後述するセパレータ５０の突出部５０ａに係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、検出素子部３００やヒータ２００用のリード線１１〜１５を挿入するための通孔５０ｂが先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１４、１５については図示せず）。通孔５０ｂ内には、リード線１１〜１５と、検出素子部１００の検出素子側パッド１２１及びヒータ２００のヒータ側パッド１２０とを接続する接続端子１６が収容されている。各リード線１１〜１５は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１１〜１５とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線１１〜１５は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。

さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５ｂを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１〜１５をそれぞれ挿入するための通孔５２ａが先端側から後端側にかけて貫設されている。

次に、図３、図４を参照し、第４電極１１０ａ及び第４リード部１１０ｂと、絶縁層１２９及び第２固体電解質層１２９ｓからなる複合層との位置関係について説明する。
図３は、第４電極１１０ａと複合層との位置関係を示す積層方向から見た平面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。
第４電極１１０ａは、ヒータ２００の発熱部１０２ａと積層方向に重なる位置にあり（図２参照）、ヒータ２００の加熱により第４電極１１０ａのほぼ中心が最高温度に達する。一方、第４リード部１１０ｂは、第４電極１１０ａに一体に接続されて長手方向に延びるため、第４電極１１０ａから遠ざかるにつれ、その温度が上記最高温度から低下する。
そこで、上記最高温度よりも１０％以上低温となる第４リード部１１０ｂの部位を符号Ｒで示すと、部位Ｒは、絶縁層１２９に接している一方で、長手方向に第２固体電解質層１２９ｓと離間している。さらに、本実施形態では、部位Ｒを超えて第４電極１１０ａ側にも絶縁部材１２９が延びている。

このように、第４電極１１０ａが達する最高温度よりも１０％以上低温となる部位Ｒを少なくとも絶縁するようにすれば、印刷ズレを考慮して第４電極１１０ａと絶縁層１２９との間隔を適度に保ちつつ、オーバーシュート現象が生じるレベルの第４リード部１１０ｂの低温部を確実に絶縁することができる。
これにより、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下するオーバーシュート現象を抑制できると共に、固体電解質層の特性劣化を抑制し、さらに第４電極１１０ａの有効面積が減少してポンピング性能が低下することも抑制できる。

なお、実際には、上記印刷ズレのため部位Ｒを丁度絶縁することは困難であるから、長手方向に部位Ｒと印刷ズレを考慮した間隔Ｓを開けて第４電極１１０ａの後端が位置するよう、第４電極１１０ａの印刷位置を設定する。これにより、印刷ズレが生じても間隔Ｓ内のいずれかの位置に第４電極１１０ａの後端が配置され、第４電極１１０ａが最高温度よりも１０％以上低温となる部位Ｒから離れ過ぎず適度な間隔を保ち、この部位Ｒに確実に絶縁層１２９が介在するようになる。
一方、第４リード部１１０ｂについては、印刷ズレが生じても第４電極１１０ａと確実に重なるよう、第４電極１１０ａとの長手方向の重なり部分を多めに設定すればよい。本実施例では、第４リード部１１０ｂの先端部が絶縁層１２９の先端よりも先端に位置（図中の上方が軸線方向先端側）し、第４電極１１０ａ上まで延びている事で、第４電極１１０ａと第４リード部１１０ｂとを確実に接続できる。
ここで、従来のガスセンサにおいても、印刷ズレによって偶然に最高温度よりも１０％以上低温となる部位Ｒに絶縁層が介在することはあるかも知れないが、大量生産するガスセンサのうちの一部に過ぎず、それ以外のガスセンサを廃棄することになるから、現実的な工業生産はできない。

又、酸素ポンプセル１４０を構成する第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａのうち、少なくとも一方の電極について、部位Ｒに絶縁層１２９が配置されていればよいが、本実施形態では、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａの両電極について部位Ｒに絶縁層１２９が配置されている。つまり、第３電極１０８ａにおいて、絶縁層１２９は、第３電極１０８ａの最高温度よりも１０％以上低温となる第３リード部１０８ｂの部位Ｒと、第２固体電解質層１２９との間に少なくとも配置されている。さらに、部位Ｒを超えて第３電極１０８ａ側に向かって絶縁層１２９が延びている。
さらに、本実施形態では、酸素濃度検出セル１３０を構成する第２電極１０６ａ、第１電極１０４ａについても、各リード部の部位Ｒと、第１固体電解質層１２５ｓとの間に少なくとも絶縁層１２５が配置されている。

なお、図３、図４では、理解を助けるために第４電極１１０ａと第４リード部１１０ｂとを区別して表示したが、実際には第４電極１１０ａと第４リード部１１０ｂとは一体になって第４電極部１１０を構成しているので、長手方向に垂直な方向の幅を見たとき、第４電極１１０ａの最大幅の１／２以下の幅を、自身の最大幅とする幅狭の部分を第４リード部１１０ｂとする。他のリード部も同様である。

次に、図５〜図７を参照し、本発明の第２の態様の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）について説明する。なお、本発明の第２の態様の実施形態に係るガスセンサは、ガスセンサ素子以外の構成は第１の態様の実施形態に係るガスセンサ１と同様であるので、ガスセンサ全体の構成についての説明を省略する。
図５は本発明の第２の態様の実施形態に係るガスセンサが有するガスセンサ素子１００Ｂの模式分解斜視図、図６は酸素ポンプセル１００Ｂの第４電極１１０と絶縁層１１７ａとの位置関係を示す積層方向から見た平面図、図７は図６のＢ−Ｂ線に沿う部分断面図である。

図５において、ガスセンサ素子１００Ｂは、第１の態様の実施形態に係るガスセンサ素子１００の複合層（第１固体電解質層１２５ｓ及び絶縁層１２５）を第１固体電解質層１０５に変更し、複合層（第２固体電解質層１２９ｓ及び絶縁層１２９）を第２固体電解質層１０９に変更したこと、並びに絶縁層１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄを有すること以外の構成はガスセンサ素子１００と同様であるので、ガスセンサ素子１００と同一構成部分に同一符号を付して説明を省略する。
図５に示すように、第２固体電解質層１０９の後端側にスルーホール１０９ａ、１０９ｂが設けられている。同様に、第１固体電解質層１０５の後端側にスルーホール１０５ａが設けられている。
つまり、ガスセンサ素子１００Ｂは、固体電解質層が素子と略同寸法の層になっている。
第２固体電解質層１０９、第１固体電解質層１０５が、それぞれ特許請求の範囲の「固体電解質体」、「他部材」に相当する。
なお、スルーホール１０９ａ、１０９ｂは、それぞれガスセンサ素子１００の第４スルーホール１２９ａ、第５スルーホール１２９ｂに対応した位置に設けられ、スルーホール１０５ａは、ガスセンサ素子１００の第１スルーホール１２５ａに対応した位置に設けられている。

さらに、第２固体電解質層１０９と第４電極部１１０との間、及び第２固体電解質層１０９と第３電極部１０８との間には、それぞれ絶縁層１１７ａ、１１７ｂが介装されている。絶縁層１１７ａ、１１７ｂは、第２固体電解質層１０９と略同寸法であり、先端側にそれぞれ第４電極１１０ａ、第３電極１０８ａが露出する開口１１７ｈ１、１１７ｈ２が形成されている。
同様に、第１固体電解質層１０５と第２電極部１０６との間、及び第１固体電解質層１０５と第１電極部１０４との間には、それぞれ絶縁層１１７ｃ、１１７ｄが介装されている。絶縁層１１７ｃ、１１７ｄは、第１固体電解質層１０５と略同寸法であり、先端側にそれぞれ第２電極部１０６ａ、第１電極部１０４ａが露出する開口１１７ｈ３、１１７ｈ４が形成されている。
なお、絶縁層１１７ａの後端側には、第４スルーホール１２９ａ、第５スルーホール１２９ｂに重なる位置にそれぞれスルーホール１１７ａ１、１１７ａ２が設けられている。同様に、絶縁層１１７ｂの後端側には、第４スルーホール１２９ａ、第５スルーホール１２９ｂに重なる位置にそれぞれスルーホール１１７ｂ１、１１７ｂ２が設けられている。さらに、絶縁層１１７ｃの後端側には、第１スルーホール１２５ａに重なる位置にスルーホール１１７ｃ１が設けられている。

ここで、図６に示すように、ヒータ２００の加熱による第４電極部１１０ａの最高温度よりも１０％以上低温となる第４リード部１１０ｂの部位Ｒに対し、絶縁層１１７ａは、部位Ｒと第２固体電解質層１０９との間に少なくとも配置されている。さらに、本実施形態では、部位Ｒを超えて長手方向に第４電極部１１０ａとの間まで絶縁層１１７ａが延びている。
このように、第４電極１１０ａが達する最高温度よりも１０％以上低温となる部位Ｒを少なくとも絶縁するようにすれば、印刷ズレを考慮して第４電極１１０ａと絶縁層１１７ａとの間隔を適度に保ちつつ、オーバーシュート現象が生じるレベルの第４リード部１１０ｂの低温部を確実に絶縁することができる。

なお、ガスセンサ素子１００の場合と同様、実際には、長手方向に部位Ｒと印刷ズレを考慮した間隔Ｓを開けて第４電極１１０ａの後端が位置するよう、第４電極１１０ａの印刷位置を設定する。これにより、印刷ズレが生じても間隔Ｓ内のいずれかの位置に第４電極１１０ａの後端が配置され、第４電極１１０ａが最高温度よりも１０％以上低温となる部位Ｒから離れ過ぎず適度な間隔を保ち、この部位Ｒに確実に絶縁層１１７ａが介在することになる。本実施例では、第４リード部１１０ｂの先端部が絶縁層１１７ａの先端よりも先端に位置（図中の上方が軸線方向先端側）し、第４電極１１０ａ上まで延びている事で、第４電極１１０ａと第４リード部１１０ｂとを確実に接続できる。
又、酸素ポンプセル１４０Ｂを構成する第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａのうち、少なくとも一方の電極について、部位Ｒに絶縁層が配置されていればよいが、本実施形態では、第３電極１０８ａ、第４電極１１０ａの両電極について部位Ｒに絶縁層１１７ａ、１１７ｂが接している。さらに、部位Ｒを超えて第３電極１０８ａ側にも絶縁層１１７ｂが延びている。
さらに、本実施形態では、酸素濃度検出セル１３０Ｂを構成する第２電極１０６、第１電極１０４についても、各リード部の部位Ｒに、絶縁層１１７ｃ、１１７ｄが配置されている。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では絶縁層１１７ａを第２固体電解質層１０９と略同寸法としたが、絶縁層１１７ａは部位Ｒと第２固体電解質層１０９との間に配置されていればよく、幅方向に第４リード部１１０ｂよりもやや広く第２固体電解質層１０９よりも狭幅の短冊状としてもよい。

又、本発明は、測定室と、ヒータと、固体電解質層の表面に配置された電極を有する酸素ポンプセルとを備えたセンサ素子を有するあらゆるガスセンサに適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ（酸素センサ素子）に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。

図１〜図４に示すガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００を有するガスセンサ１を製造した。第４電極１１０ａと絶縁層１２９との長手方向の間隔Ｓ（図３、図４参照）を種々に変え、第４リード部１１０ｂのうち絶縁層１２９が配置された部分の温度と、第４電極１１０ａの最高温度との温度差がそれぞれ異なるガスセンサを複数製造した。なお、ヒータ２００の加熱による第４電極１１０ａの中央部の温度を最高温度とし、第４リード部１１０ｂのうち絶縁層１２９で絶縁された最先端（第４電極１１０ａ側）の温度を測定し、両者の温度差（％）を算出した。温度差（％）は、（最高温度−最先端の温度）／最高温度、で表される。
なお、温度の測定は、センサ制御時のヒータ電圧を印加してサーモトレーサーにて温度をモニタする事で行ったが、例えば、熱電対を素子基板に付けて、センサ制御時のヒータ電圧を印加した際の温度を測定しても良い。

以上のようにして得られたガスセンサを用い、脈動電流（オーバーシュート電流）Ｒｉの抑制効果を測定した。
脈動電流（オーバーシュート電流）Ｒｉの抑制効果は、各ガスセンサを排気量２０００ｃｃの並列４気筒エンジンに繋がれた排気管に取り付け、センサ制御を行った後、所定のエンジン回転数（周波数）で排気ガスのλ（空燃比）をストイキ点を跨いで０．９５から１．０５に切り替えたとき、酸素ポンプセル１４０のポンプ電流Ｉｐに、脈動電流Ｒｉが発生したか否かを評価した。具体的には、図８に示すように、各周波数でセンサ出力と、ガスの雰囲気λとの比を応答強度として算出した。このとき、センサ出力が０．９５から１．０５で変化すれば、上記応答強度は１となる。
一方、図９に示すように、ブランクとして、排気ガスのλ（空燃比）をストイキ点を跨がずに０．９５（リッチ）近傍で切替え、同様に各周波数での応答強度を求めた（図９）。

次に、図８の応答強度を図９の応答強度で除し、図１０に示すオーバーシュート割合を求め、その最大値（ピーク）をオーバーシュート割合の値として採用した。オーバーシュート割合が１であればオーバーシュートが無いことを示し、オーバーシュート割合が高いほどオーバーシュート電流Ｒｉが高いことを示す。
そして、上記した最高温度との温度差（％）と、オーバーシュート割合との関係を図１１にプロットした。

図１１から明らかなように、第４リード部１１０ｂのうち絶縁層１２９で絶縁された部分が最高温度よりも１０％を超えて低温となると、オーバーシュート割合が１．２以上となり、オーバーシュート電流Ｒｉの抑制が不十分となることがわかる。
従って、これより、最高温度よりも１０％以上低温となる第４リード部１１０ｂの部位と、第２固体電解質層１０９との間に絶縁層１２９が配置されていることが必要であるとみなした。

１ガスセンサ
３０主体金具（ハウジング）
１００、１００Ｂガスセンサ素子
１０５，１２５，１２５ｓ他部材
１０７ｃ測定室
１０９、１２９ｓ固体電解質体
１０８ａ、１１０ａ電極
１０８ｂ、１１０ｂリード部
１１７ａ、１１７ｂ、１２９絶縁層
１４０、１４０Ｂ酸素ポンプセル
２００ヒータ
Ｌ軸線
Ｒ最高温度よりも１０％以上低温となるリード部の部位

Claims

絶縁層に設けられた貫通孔に固体電解質体を充填してなる複合層と、前記固体電解質体の表面に形成され前記固体電解質体の積層方向の境界よりも内側に配置された一対の電極と、前記一対の電極に電気的に接続されて軸線方向に延びる一対のリード部とを有する酸素ポンプセルと、
前記複合層と間隔を開けて積層される他部材との間に区画され外部から被測定ガスを導入する測定室と、
前記複合層の積層方向に配置され前記酸素ポンプセルを加熱するヒータと、
を有し、前記軸線方向に延びると共に、前記酸素ポンプセルが前記測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うガスセンサ素子であって、
前記リード部は、前記電極より幅狭であり、
少なくとも一方の前記リード部のうち、前記ヒータの加熱により前記電極が達する最高温度よりも１０％以上低温となる前記リード部の部位は、前記絶縁層に接していることを特徴とするガスセンサ素子。
板状の固体電解質体と前記固体電解質体の表面に配置された一対の電極と前記一対の電極に電気的に接続されて軸線方向に延びる一対のリード部とを有する酸素ポンプセルと、
前記固体電解質体と、該固体電解質体と間隔を開けて積層される他部材との間に区画され外部から被測定ガスを導入する測定室と、
前記固体電解質体の積層方向に配置され前記酸素ポンプセルを加熱するヒータと、
を有し、軸線方向に延びると共に、前記酸素ポンプセルが前記測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うガスセンサ素子であって、
前記リード部は、前記電極より幅狭であり、
少なくとも一方の前記リード部のうち、前記ヒータの加熱により前記電極が達する最高温度よりも１０％以上低温となる前記リード部の部位と、前記固体電解質体との間に少なくとも絶縁層が配置され、かつ前記リード部の前記軸線方向先端部は、前記絶縁層よりも先端に位置することを特徴とするガスセンサ素子。
被測定ガス中の特定ガスを検出するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を保持する主体金具と、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又は２に記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。