JP7600914B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

ガスセンサは、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれる酸素、特定ガス等の濃度を求めるよう構成される。また、ガスセンサは、排ガスに基づく内燃機関の空燃比を求めるよう構成される。ガスセンサには、電極導体が設けられた板形状の固体電解質体と、ヒータ導体が設けられた絶縁体とが積層された積層タイプのセンサ素子が用いられることがある。

積層タイプのセンサ素子においては、センサ素子の外部への電極導体及びヒータ導体の配線を行うために、センサ素子の長手方向の基端部の両面に端子導体部が設けられる。また、固体電解質体における、電極導体に対向する位置、及び絶縁体における、ヒータ導体に対向する位置には、導電材料が配置される貫通穴が形成されている。そして、電極導体と端子導体部、及びヒータ導体と端子導体部とは、貫通穴（スルーホール）に配置された導電材料によって導通されている。

例えば、特許文献１のセンサ素子の製造方法、センサ素子及びガスセンサにおいては、スルーホールの内周面に絶縁性ペーストによって被覆し、絶縁性ペーストの内側に導電性ペーストを充填することが記載されている。そして、絶縁ペーストによる絶縁層によって、導電性ペーストによる導電体の絶縁が部分的に不十分になることを抑制している。

特開２０１６－１３６１４４号公報

センサ素子の製造時においては、センサ素子の中間体における、絶縁体を貫通する貫通穴に、溶媒を含有することによって所定の粘度を有する導電性ペーストを流し込む。そして、センサ素子の中間体を焼成するとき等には、導電性ペーストの乾燥・収縮、絶縁性ペーストと固体電解質体、絶縁体等との収縮量の差などによって、ヒータ導体における、貫通穴に対向する部位の、貫通穴の反対側に位置する表面と、絶縁体の表面との間の境界に空洞が生じることがある。

この空洞の周辺には応力が集中しやすく、応力の集中によって、絶縁体に亀裂が生じるおそれがある。そのため、絶縁体における、貫通穴に対向する部位に亀裂が生じることを防止するためには、更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、絶縁体における、貫通穴に対向する部位に亀裂が生じにくくすることができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
固体電解質材料による固体電解質体（３１）と、
前記固体電解質体に設けられた、導電材料による電極導体（３１０）と、
前記固体電解質体の第１表面（３０１）及び第２表面（３０２）のうちの少なくとも一方に積層された、絶縁材料による絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
前記絶縁体に埋設された、導電材料によるヒータ導体（３４）と、を備え、
前記絶縁体における、前記電極導体又は前記ヒータ導体に対向する位置に形成された貫通穴（３３１Ａ，３３１Ｂ）には、前記電極導体又は前記ヒータ導体の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料（３８）が配置されており、
前記電極導体又は前記ヒータ導体における、前記貫通穴に対向する部位には、前記貫通穴の反対側に位置する表面から凹む凹部（３４３）が形成されており、
前記凹部には、前記絶縁体を構成する基材（３３２，３３３）同士の間に挟まれた、前記絶縁材料による絶縁層（３３４）の一部が、凸部（３３５）として膨らむ状態で充填配置されており、前記絶縁層となる前記絶縁材料の厚みは、９μｍ以上３０μｍ以下である、ガスセンサ（１）にある。
本発明の他の態様は、
固体電解質材料による固体電解質体（３１）と、
前記固体電解質体に設けられた、導電材料による電極導体（３１０）と、
前記固体電解質体の第１表面（３０１）及び第２表面（３０２）のうちの少なくとも一方に積層された、絶縁材料による絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
前記絶縁体に埋設された、導電材料によるヒータ導体（３４）と、を備え、
前記絶縁体における、前記電極導体又は前記ヒータ導体に対向する位置に形成された貫通穴（３３１Ａ，３３１Ｂ）には、前記電極導体又は前記ヒータ導体の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料（３８）が配置されており、
前記電極導体又は前記ヒータ導体における、前記貫通穴に対向する部位には、前記電極導体もしくは前記ヒータ導体を貫通する貫通凹部（３４４）が形成されており、
前記貫通凹部には、前記絶縁体を構成する基材（３３２，３３３）同士の間に挟まれた、前記絶縁材料による絶縁層（３３４）の一部が、凸部（３３６）として膨らむ状態で配置されている、ガスセンサ（１）にある。

前記一態様のガスセンサにおいては、電極導体又はヒータ導体における、絶縁体の貫通穴に対向する位置の形状に工夫をしている。具体的には、電極導体又はヒータ導体における、絶縁体の貫通穴に対向する部位には、貫通穴の反対側に位置する表面から凹む凹部、又は電極導体もしくはヒータ導体を貫通する貫通凹部が形成されている。この凹部又は貫通凹部は、絶縁体にヒータ導体を設けるときに形成する。

そして、凹部又は貫通凹部には、絶縁体の一部である絶縁材料が配置されている。この構成により、ガスセンサの製造時又は使用時において、センサ素子が加熱されるときに、ヒータ導体における、貫通穴に対向する部位であって貫通穴の反対側に位置する表面と、絶縁体との間の界面において応力集中が生じにくくすることができる。

それ故、前記一態様のガスセンサによれば、絶縁体における、貫通穴に対向する部位に亀裂が生じにくくすることができる。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

図１は、実施形態１にかかる、ガスセンサを示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す断面図である。 図３は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図２のIII－III断面図である。 図４は、実施形態１にかかる、センサ素子を、各構成要素に分解した状態で示す斜視図である。 図５は、実施形態１にかかる、ヒータ用貫通穴の周辺を示す断面図である。 図６は、実施形態２にかかる、ヒータ用貫通穴の周辺を示す断面図である。

前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガスセンサ１は、図１～図３に示すように、固体電解質体３１、電極導体３１０、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及びヒータ導体３４を備える。固体電解質体３１は、固体電解質材料によって構成されている。電極導体３１０は、導体材料によって構成され、固体電解質体３１に設けられている。絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、絶縁材料によって構成され、固体電解質体３１の第１表面３０１及び第２表面３０２に積層されている。ヒータ導体３４は、導電材料によって構成され、絶縁体３３Ｂに埋設されている。

絶縁体３３Ａにおける、電極導体３１０に対向する位置に形成された電極用貫通穴３３１Ａには、電極導体３１０の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料３８が配置されている。また、絶縁体３３Ｂにおける、ヒータ導体３４に対向する位置に形成されたヒータ用貫通穴３３１Ｂには、ヒータ導体３４の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料３８が配置されている。ヒータ導体３４における、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位には、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの反対側に位置する表面から凹む凹部３４３が形成されている。凹部３４３には、絶縁体３３Ｂの一部である絶縁材料が配置されている。

以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度、特定ガス濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いることができる。空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。

排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスＧの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。

（センサ素子２）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１、電極導体３１０、第２絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及びヒータ導体３４は、互いに積層されて、積層タイプのセンサ素子２を形成している。センサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材４２によって保持された状態でハウジング４１に保持される。

本形態の電極導体３１０は、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられた排気電極３１１、固体電解質体３１の第２表面３０２に設けられた大気電極３１２、並びに排気電極３１１及び大気電極３１２のそれぞれに接続された電極リード部３１３によって構成されている。第２絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層された第１絶縁体３３Ａ及び固体電解質体３１の第２表面３０２に積層された第２絶縁体３３Ｂによって構成されている。ヒータ導体３４は、第２絶縁体３３Ｂに埋設されている。なお、ヒータ導体３４は、第１絶縁体３３Ａに埋設されていてもよい。

（長手方向Ｌ，積層方向Ｄ，幅方向Ｗ）
本形態において、ガスセンサ１及びセンサ素子２の長手方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長手方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長手方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。

（固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ^2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。

センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによるセンサセル２１が形成されている。本形態のセンサセル２１は、空燃比センサを構成するために、センサ素子２において１つ形成されている。これ以外にも、センサセル２１は、例えば、ＮＯｘ（窒素酸化物）センサを構成するために、センサ素子２において複数形成されていてもよい。この場合には、複数の電極の組が使用される。

固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。

排気電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。図１及び図２に示すように、排気電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３が接続されている。電極リード部３１３は、センサ素子２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部位まで引き出されている。電極リード部３１３の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の端部であって、第１絶縁体３３Ａの表面には、電極リード部３１３に接続された端子接続部２２が形成されている。

（ガス室３５）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａの長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。

（拡散抵抗部３２）
図２及び図３に示すように、本形態の拡散抵抗部（ガス導入部）３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａに形成された導入口内に、酸化アルミニウム等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部３２は、ガス室３５の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けてもよい。

（大気ダクト３６）
図２～図４に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する長手方向Ｌの部位から、センサ素子２の長手方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。

（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
図２～図４に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともにヒータ導体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。

（ヒータ導体３４）
図３及び図４に示すように、ヒータ導体３４は、発熱体として構成されており、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。ヒータ導体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長手方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がるヒータリード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。ヒータ導体３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。ヒータリード部３４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の端部であって、ヒータリード部３４２に接続された端子接続部２２が形成されている。

（表面保護層３７）
図１に示すように、センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、センサセル２１を覆う表面保護層３７が形成されている。表面保護層３７は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。

（他のセンサ素子２の構成）
図示は省略するが、センサ素子２は、１つの固体電解質体３１を有するものに限られず、複数の固体電解質体３１を有するものとしてもよい。電極導体３１０は、複数の固体電解質体３１のそれぞれに設けられる。

（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２を排気管７に配置するとともにセンサ制御装置５に電気配線するために、ハウジング４１、素子保持材４２、端子保持材４３、接触部材４３１、接点端子４４、先端側カバー４５、基端側カバー４６、ブッシュ４７、リード線４８等を有する。

ハウジング４１は、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。ハウジング４１は、素子保持材４２等を介してセンサ素子２を保持する。センサ素子２は、ガラス４２１を介して素子保持材４２に保持され、素子保持材４２は、かしめ用材料４２２，４２３，４２４を介してハウジング４１に保持されている。素子保持材４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２には、接点端子４４を保持する端子保持材４３が連結されている。端子保持材４３は、接触部材４３１によって基端側カバー４６に支持されている。

接点端子４４は、センサ素子２における、電極リード部３１３の基端部に繋がる端子接続部２２、及びヒータリード部３４２の基端部に繋がる端子接続部２２に接触して、電極リード部３１３及びヒータリード部３４２をリード線４８に電気的に接続するものである。接点端子４４は、端子保持材４３内に配置された状態で、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されている。

図１に示すように、先端側カバー４５は、ハウジング４１の長手方向Ｌの先端側Ｌ１に設けられており、センサ素子２のセンサセル２１を覆う。先端側カバー４５には、センサ素子２に接触する排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。センサ素子２のセンサセル２１及び先端側カバー４５は、内燃機関の排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５のガス流通孔４５１から先端側カバー４５内に流入する。そして、先端側カバー４５内の排ガスＧは、センサ素子２の表面保護層３７及び拡散抵抗部３２を通過して排気電極３１１へと導かれる。

基端側カバー４６は、ハウジング４１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に設けられており、ガスセンサ１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａ中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。

基端側カバー４６の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持するブッシュ４７が保持されている。基端側カバー４６には、ガスセンサ１の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１は、撥水フィルタ４６２によって覆われている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端位置は、基端側カバー４６内の空間に開放されており、大気Ａは、大気ダクト３６内の大気電極３１２へ導かれる。

（センサ制御装置５）
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置５に電気接続されている。センサ制御装置５は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置６と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置５は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置５は、エンジン制御装置６内に構築してもよい。センサ制御装置５は、排気電極３１１と大気電極３１２との間に直流電圧を印加する回路５１１、及び排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を検出する回路５１２等を用いて構成されている。

（第１絶縁体３３Ａの電極用貫通穴３３１Ａ）
図５に示すように、第１絶縁体３３Ａにおける、電極導体３１０の電極リード部３１３に対向する位置に形成された電極用貫通穴３３１Ａには、導電材料３８が配置されている。第１絶縁体３３Ａの外側表面における、電極用貫通穴３３１Ａに対向する部位には、導電材料による端子接続部２２が設けられている。そして、電極用貫通穴３３１Ａに配置された導電材料３８によって、電極導体３１０の電極リード部３１３と端子接続部２２とが電気接続されている。

排気電極３１１の電極リード部３１３に対向する電極用貫通穴３３１Ａは、第１絶縁体３３Ａを積層方向Ｄに貫通する状態で形成されている。大気電極３１２の電極リード部３１３に対向する電極用貫通穴３３１Ａは、第１絶縁体３３Ａ及び固体電解質体３１を積層方向Ｄに貫通する状態で形成されている。各電極用貫通穴３３１Ａにおける導電材料３８は、各電極用貫通穴３３１Ａを充填する状態に配置されている。

（第２絶縁体３３Ｂのヒータ用貫通穴３３１Ｂ）
図５に示すように、第２絶縁体３３Ｂにおける、ヒータ導体３４の一対のヒータリード部３４２に対向する位置に形成された各ヒータ用貫通穴３３１Ｂには、導電材料３８が配置されている。第２絶縁体３３Ｂの外側表面における、各ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位には、導電材料による端子接続部２２がそれぞれ設けられている。そして、各ヒータ用貫通穴３３１Ｂに配置された導電材料３８によって、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２と端子接続部２２とが電気接続されている。

ヒータリード部３４２に対向するヒータ用貫通穴３３１Ｂは、第２絶縁体３３Ｂを積層方向Ｄに貫通する状態で形成されている。ヒータ用貫通穴３３１Ｂにおける導電材料３８は、ヒータ用貫通穴３３１Ｂを充填する状態に配置されている。

（凹部３４３）
図５に示すように、ヒータ導体３４の凹部３４３は、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２における、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位に形成されている。本形態の凹部３４３は、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の一部が他の部分に比べて薄くなる状態で形成されている。また、凹部３４３は、曲面状に凹む状態で形成されている。

（ヒータ用貫通穴３３１Ｂの周辺の構造）
図４及び図５に示すように、第２絶縁体３３Ｂは、ヒータ導体３４を間に挟み込むよう、複数枚の基材３３２，３３３が接合されることによって形成されている。本形態のヒータ導体３４は、大気ダクト３６を形成する内側基材３３２と、内側基材３３２の積層方向Ｄの外側に積層された外側基材３３３との間に埋設されている。ヒータ導体３４は、第２絶縁体３３Ｂを構成する外側基材３３３の表面に設けられている。ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の凹部３４３には、内側基材３３２と外側基材３３３との間に挟まれた、絶縁材料による絶縁層３３４の一部が、凸部３３５として膨らむ状態で配置されている。

また、本形態のヒータ導体３４は、外側基材３３３にパターン印刷によって設けられ、内側基材３３２の表面に設けられた、絶縁材料としての絶縁ペーストによる絶縁層３３４と、外側基材３３３との間に挟まれている。換言すれば、絶縁層３３４は、内側基材３３２の表面と、外側基材３３３の表面、及び外側基材３３３におけるヒータ導体３４の表面との間に設けられている。

ヒータリード部３４２の凹部３４３に絶縁層３３４による凸部３３５が配置されていることにより、センサ素子２の加熱時に、第２絶縁体３３Ｂとヒータリード部３４２との間の境界に空洞が生じないようにすることができる。センサ素子２の加熱時には、センサ素子２を製造する際における、センサ素子２の焼成時、ヒータ導体３４等への通電時等、又はガスセンサ１の使用時としてのセンサ素子２の使用時等がある。また、絶縁ペーストによる絶縁層３３４を用いることにより、ヒータリード部３４２の凹部３４３に絶縁材料の一部が容易に充填されるようにすることができる。

絶縁ペーストは、第２絶縁体３３Ｂと同様の酸化アルミニウム等の絶縁材料によって構成されている。絶縁ペーストは、センサ素子２が焼成された後に絶縁体３３Ｂを構成する。第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ、固体電解質体３１等が積層されたセンサ素子２の中間体において、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の凹部３４３には、絶縁ペーストの一部が配置される。そして、焼成後のセンサ素子２においては、絶縁ペーストが内側基材３３２及び外側基材３３３と一体化し、第２絶縁体３３Ｂの一部がヒータリード部３４２の凹部３４３に配置された状態が形成される。

また、センサ素子２において、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２と導電材料３８とは一体化されている。そのため、凹部３４３は、ヒータリード部３４２及び導電材料３８において陥没する状態に形成されていてもよい。また、外側基材３３３は、２枚積層されており、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに充填された導電材料３８の一部３８１は、外側基材３３３同士の間の隙間、及び外側基材３３３の外側表面に浸透している。

絶縁層３３４の絶縁ペーストの厚みは、例えば、９μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定すればよい。この構成により、絶縁ペーストがヒータ導体３４のヒータリード部３４２の凹部３４３に適切に充填される。また、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の厚みは、例えば、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定すればよい。この構成により、ヒータリード部３４２の導通性を確保するとともに凹部３４３の形成を容易にすることができる。また、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの大きさ（直径）は、φ２００μｍ以上φ３００μ以下とすればよい。

ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の凹部３４３は、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する中心側部位において、５μｍ以上の深さであって、１００μｍ以上３００μｍ以下の最大径に形成されている。最大径とは、最も直径が大きくなる部位の長さのことをいう。換言すれば、凹部３４３の最も深い部位の深さは５μｍ以上であり、凹部３４３の最大径は１００μｍ以上３００μｍ以下である。凹部３４３の平面形状は、必ずしも円形状である必要はない。

凹部３４３の最も深い部位の深さが５μｍ未満である場合には、センサ素子２の加熱時に、凹部３４３がさらに深くなるように空洞が大きくなり、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２と絶縁層３３４との間の界面に応力集中が生じにくくする効果が得られないおそれがある。凹部３４３の最も深い部位の深さは、ヒータリード部３４２の厚みに関わらず、５μｍ以上４５０μｍ以下の範囲内とする。凹部３４３には、グリーンシートの積層体に圧力を加えて、グリーンシート同士を圧着させることによって絶縁層３３４を構成する絶縁ペーストを充填させる。

凹部３４３の最大径が１００μｍ以上３００μｍ以下であることにより、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの大きさとの関係において、凹部３４３を形成することが容易である。

（センサ素子２の製造方法）
以下に、センサ素子２の製造方法について説明する。
センサ素子２を製造するに当たっては、固体電解質体３１のグリーンシート、第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体（基材）３３Ｂのグリーンシートを、押出成形法、ドクターブレード成形法等によって成形する。次いで、第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂのグリーンシートに、パンチング装置等によってヒータ用貫通穴３３１Ｂを形成する。次いで、固体電解質体３１のグリーンシートに、パターン印刷によって電極導体３１０を形成する。また、第１絶縁体３３Ａのグリーンシートの電極用貫通穴３３１Ａ及び第２絶縁体３３Ｂのグリーンシートのヒータ用貫通穴３３１Ｂに導電材料３８を充填するとともに、第２絶縁体３３Ｂのグリーンシートに、パターン印刷によってヒータ導体３４を形成する。

また、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２における、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部分の表面を押圧し、ヒータリード部３４２の表面に凹部３４３を形成する。次いで、固体電解質体３１のグリーンシート、第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂのグリーンシートを互いに積層する。このとき、第２絶縁体３３Ｂの内側基材３３２を構成するグリーンシートには絶縁ペーストを設け、内側基材３３２と、第２絶縁体３３Ｂの外側基材３３３との間に絶縁ペーストが挟まれるようにする。そして、複数のグリーンシート同士が密着するように、グリーンシートの積層体に圧力を加えて、グリーンシート同士を圧着させる。このとき、第２絶縁体３３Ｂの内側基材３３２における絶縁ペーストが、絶縁層３３４となってヒータリード部３４２の凹部３４３に充填される。

その後、グリーンシートの積層体の焼成が行われ、センサ素子２が製造される。グリーンシートの積層体が焼成されたときには、内側基材３３２、外側基材３３３及び絶縁層３３４が接合されて第２絶縁体３３Ｂとなる。

なお、ヒータリード部３４２の表面における凹部３４３は、外圧を加えるのではなく、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに充填された導電材料３８が熱収縮する際に、ヒータリード部３４２の一部がヒータ用貫通穴３３１Ｂに引き寄せられることによって形成されてもよい。導電材料３８には溶剤が含まれている。グリーンシートの積層体が乾燥又は焼成されるときには、導電材料３８における溶剤が揮発することによって凹部３４３が形成されてもよい。

（作用効果）
本形態のガスセンサ１においては、ヒータ導体３４における、第２絶縁体３３Ｂのヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する位置の形状に工夫をしている。具体的には、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２における、第２絶縁体３３Ｂのヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位には、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの反対側に位置する表面から凹む凹部３４３が形成されている。この凹部３４３は、第２絶縁体３３Ｂのグリーンシートにヒータ導体３４を設けるときに形成する。

そして、凹部３４３には、第２絶縁体３３Ｂの一部である絶縁材料が配置されている。この構成により、ガスセンサ１の製造時又は使用時において、センサ素子２が加熱されるときに、ヒータ導体３４における、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位であってヒータ用貫通穴３３１Ｂの反対側に位置する表面と、第２絶縁体３３Ｂとの間の界面において応力集中が生じにくくすることができる。

それ故、本形態のガスセンサ１によれば、第２絶縁体３３Ｂにおける、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位に亀裂が生じにくくすることができる。

また、図５の二点鎖線で示すように、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２における凹部３４３を形成する部位は、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに充填された導電材料３８の内側端面に形成された窪み３８３に沿って、ヒータ用貫通穴３３１Ｂ内に突出していてもよい。この場合には、凹部３４３は、ヒータリード部３４２の一部がヒータ用貫通穴３３１Ｂに向けて屈曲することによって形成されている。

この場合の凹部３４３は、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに充填された導電材料３８が熱収縮する際に、ヒータリード部３４２の一部がヒータ用貫通穴３３１Ｂに引き寄せられること、及び導電材料３８における溶剤が揮発して導電材料３８が乾燥収縮することの少なくともいずれかによって形成される。なお、センサ素子２において、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２と導電材料３８とは一体化されている。そのため、センサ素子２において、ヒータリード部３４２と導電材料３８とを明確に区別する必要はない。

＜実施形態２＞
本形態は、図６に示すように、ヒータ導体３４のヒータリード部３４２に貫通凹部３４４が形成され、導電材料３８がヒータ用貫通穴３３１Ｂの内周面に形成された場合を示す。ヒータ導体３４のヒータリード部３４２の貫通凹部３４４には、内側基材３３２と外側基材３３３との間に挟まれた、絶縁材料による絶縁層３３４の一部が、凸部３３６として膨らむ状態で配置されている。

貫通凹部３４４は、ヒータリード部３４２を積層方向Ｄに貫通する穴によって形成されており、貫通凹部３４４における、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの反対側に位置する表面の縁部には、テーパ状の開口部３４５が形成されている。導電材料３８が、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの内周面に配置されていることによって、ヒータ用貫通穴３３１Ｂの中心部に、導電材料３８を貫通する貫通中心部３８２が形成されている。第２絶縁体３３Ｂの絶縁層３３４の一部は、ヒータリード部３４２の貫通凹部３４４及びヒータ用貫通穴３３１Ｂの貫通中心部３８２に凸部３３６として配置されている。

本形態においては、ヒータリード部３４２に貫通凹部３４４が形成されていることにより、導電材料３８がヒータリード部３４２を貫通してヒータ用貫通穴３３１Ｂに配置されるようにする。これにより、第２絶縁体３３Ｂにおける、ヒータ用貫通穴３３１Ｂに対向する部位に亀裂が生じにくくすることができる。

本形態のガスセンサ１においても、第２絶縁体３３Ｂの内側基材３３２、外側基材３３３、絶縁層３３４等の構成は、実施形態１の場合と同様である。本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜その他の実施形態＞
詳細は省略するが、電極導体３１０としての排気電極３１１の電極リード部３１３における、電極用貫通穴３３１Ａに対向する部位に、電極用貫通穴３３１Ａの反対側に位置する表面から凹む凹部、又は電極リード部３１３を貫通する貫通凹部が形成されていてもよい。この場合には、凹部又は貫通凹部には、第１絶縁体３３Ａの一部である絶縁材料が配置される。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３１ 固体電解質体
３１０ 電極導体
３３Ａ，３３Ｂ 絶縁体
３３１Ａ，３３１Ｂ 貫通穴
３４ ヒータ導体
３４３ 凹部
３４４ 貫通凹部

Claims (6)

1. 固体電解質材料による固体電解質体（３１）と、
   前記固体電解質体に設けられた、導電材料による電極導体（３１０）と、
   前記固体電解質体の第１表面（３０１）及び第２表面（３０２）のうちの少なくとも一方に積層された、絶縁材料による絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
   前記絶縁体に埋設された、導電材料によるヒータ導体（３４）と、を備え、
   前記絶縁体における、前記電極導体又は前記ヒータ導体に対向する位置に形成された貫通穴（３３１Ａ，３３１Ｂ）には、前記電極導体又は前記ヒータ導体の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料（３８）が配置されており、
   前記電極導体又は前記ヒータ導体における、前記貫通穴に対向する部位には、前記貫通穴の反対側に位置する表面から凹む凹部（３４３）が形成されており、
   前記凹部には、前記絶縁体を構成する基材（３３２，３３３）同士の間に挟まれた、前記絶縁材料による絶縁層（３３４）の一部が、凸部（３３５）として膨らむ状態で充填配置されており、前記絶縁層となる前記絶縁材料の厚みは、９μｍ以上３０μｍ以下である、ガスセンサ（１）。
2. 前記凹部は、前記貫通穴に対向する部位の中心側部位において、５μｍ以上の深さであって１００μｍ以上３００μｍ以下の最大径に形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記ヒータ導体は、通電によって発熱する発熱部（３４１）と、前記発熱部に繋がるヒータリード部（３４２）とによって構成されており、
   前記凹部は、前記ヒータリード部における、前記貫通穴に対向する部位に形成されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記ヒータ導体における前記凹部を形成する部位は、前記貫通穴に充填された前記導電材料の内側端面に形成された窪み（３８３）に沿って、前記貫通穴内に突出している、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 固体電解質材料による固体電解質体（３１）と、
   前記固体電解質体に設けられた、導電材料による電極導体（３１０）と、
   前記固体電解質体の第１表面（３０１）及び第２表面（３０２）のうちの少なくとも一方に積層された、絶縁材料による絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
   前記絶縁体に埋設された、導電材料によるヒータ導体（３４）と、を備え、
   前記絶縁体における、前記電極導体又は前記ヒータ導体に対向する位置に形成された貫通穴（３３１Ａ，３３１Ｂ）には、前記電極導体又は前記ヒータ導体の導電材料と同一又は異なる組成の導電材料（３８）が配置されており、
   前記電極導体又は前記ヒータ導体における、前記貫通穴に対向する部位には、前記電極導体もしくは前記ヒータ導体を貫通する貫通凹部（３４４）が形成されており、
   前記貫通凹部には、前記絶縁体を構成する基材（３３２，３３３）同士の間に挟まれた、前記絶縁材料による絶縁層（３３４）の一部が、凸部（３３６）として膨らむ状態で配置されている、ガスセンサ（１）。
6. 前記ヒータ導体は、通電によって発熱する発熱部（３４１）と、前記発熱部に繋がるヒータリード部（３４２）とによって構成されており、
   前記貫通凹部は、前記ヒータリード部における、前記貫通穴に対向する部位に形成されている、請求項５に記載のガスセンサ。

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