特許 6979387 センサ素子及びガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6979387

(24)【登録日】2021年11月17日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】センサ素子及びガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/419 20060101AFI20211202BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20211202BHJP

   G01N 27/409 20060101ALI20211202BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/419 327H

   G01N27/41 325H

   G01N27/41 325D

   G01N27/409 100

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-86207(P2018-86207)

(22)【出願日】2018年4月27日

(65)【公開番号】特開2019-191071(P2019-191071A)

(43)【公開日】2019年10月31日

【審査請求日】2020年11月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100110249

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【識別番号】100116090

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】小島 広大

(72)【発明者】

【氏名】大石 雄太

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−０２１８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２８６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２２３４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０７５６９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁層に設けられた貫通孔に固体電解質体が配置された複合層と、前記固体電解質体の表面に形成された一対の電極と、を有する１つ以上のセルと、
前記複合層の積層方向に配置されるヒータ基板、及び前記ヒータ基板に設けられて少なくとも１つの前記セルを加熱する発熱部を備えたヒータと、
を有し、軸線方向に延びるセンサ素子であって、
前記発熱部は、前記軸線方向にそれぞれ延びる一対の外側直線状部と、前記外側直線状部間に配置された前記軸線方向に延びる一対の内側直線状部と、隣接する前記外側直線状部の先端と前記内側直線状部の先端とを接続する第１接続部と、一対の前記内側直線状部の後端を接続する第２接続部と、からなる発熱体と、一対の前記外側直線状部の後端に接続される一対のリード部と、を含んで構成され、
前記ヒータ基板の側端部と前記外側直線状部の側端部との最小距離Ａが、０．１５ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍであり、
前記ヒータ基板の先端部と前記第１接続部の先端部との最小距離Ｂが、０．２５ｍｍ≦Ｂ≦０．８５ｍｍであり、
前記複合層における前記絶縁層の側端部と前記固体電解質体の側端部との最小距離Ｇ２と、前記最小距離Ａとの合計長さが０．３ｍｍ以上、
前記内側直線状部は、前記一対の電極と前記固体電解質体との重なり領域と前記積層方向に重なると共に、該重なり領域の先端又は後端に跨って形成されていることを特徴とするセンサ素子。

【請求項2】

前記外側直線状部は、前記固体電解質体の側端側に該固体電解質体と間隔を開けて配置されている請求項１に記載のセンサ素子。

【請求項3】

前記内側直線状部は、前記一対の電極の重なり領域の先端及び後端に跨って形成されている請求項１または２に記載のセンサ素子。

【請求項4】

被測定ガス中の特定ガスを検出するセンサ素子と、該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、
前記センサ素子として、請求項１から３のいずれか１項に記載の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】

本発明は、被検出ガスの濃度を検出するセンサ素子及びガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、燃焼器や内燃機関等の排気ガス中の特定成分（酸素等）の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセルを備えたセンサ素子を有している。このセルは、排気ガス中の特定成分の濃度を検出したり、素子の内部空間（測定室等）から酸素を汲み入れ又は汲み出す酸素ポンプを行う機能を有している。又、セルの固体電解質体を活性化温度に加熱するため、センサ素子には通電により発熱するヒータが積層されている。
ところで、近年、ガスセンサの活性時間を短縮する早期活性が要求されているが、ヒータの昇温速度を高めるとヒータ近傍の熱応力が大きくなり、素子が割れるおそれがある。そこで、ヒータの発熱体を素子（ヒータ基板）の端部（側端及び先端）になるべく近い位置まで形成し、発熱体が埋設されていないヒータ基板の端部と、発熱体の埋設されている部分との温度差（熱応力）を低減する技術が開発されている（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２００２−２２８６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１記載のガスセンサの場合、図９に示すように、排気ガス中の導電成分（カーボンの煤）や水１２００がセンサ素子１０００の端面（図９では側端面）に付着すると、ヒータの発熱体１１５０からのリーク電流が各電極１１１０、１１２０や固体電解質層１１００へ流れ、検出精度や酸素ポンプ能が低下するという問題がある。
これは、固体電解質層１１００の端面が露出しているため、固体電解質層１１００の端面に付着した水１２００と固体電解質層１１００との間に電流経路ＣＰが形成され、ヒータの発熱体１１５０と電流経路ＣＰとの間の絶縁は、ヒータ基板１１６０と発熱体１１５０の側端との間のわずかな隙間Ｇのみで維持されるが、発熱体１１５０が通電すると隙間Ｇが容易に絶縁破壊されるためと考えられる。

【0005】

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、早期活性を実現すると共に、ヒータと固体電解質体との間の絶縁を安定して確保し、検出精度等の低下を抑制したセンサ素子及び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】

【0006】

本発明のセンサ素子は、絶縁層に設けられた貫通孔に固体電解質体が配置された複合層と、前記固体電解質体の表面に形成された一対の電極と、を有する１つ以上のセルと、前記複合層の積層方向に配置されるヒータ基板、及び前記ヒータ基板に設けられて少なくとも１つの前記セルを加熱する発熱部を備えたヒータと、を有し、軸線方向に延びるセンサ素子であって、前記発熱部は、前記軸線方向にそれぞれ延びる一対の外側直線状部と、前記外側直線状部間に配置された前記軸線方向に延びる一対の内側直線状部と、隣接する前記外側直線状部の先端と前記内側直線状部の先端とを接続する第１接続部と、一対の前記内側直線状部の後端を接続する第２接続部と、からなる発熱体と、一対の前記外側直線状部の後端に接続される一対のリード部と、を含んで構成され、前記ヒータ基板の側端部と前記外側直線状部の側端部との最小距離Ａが、０．１５ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍであり、前記ヒータ基板の先端部と前記第１接続部の先端部との最小距離Ｂが、０．２５ｍｍ≦Ｂ≦０．８５ｍｍであり、前記複合層における前記絶縁層の側端部と前記固体電解質体の側端部との最小距離Ｇ２と、前記最小距離Ａとの合計長さが０．３ｍｍ以上、前記内側直線状部は、前記一対の電極と前記固体電解質体との重なり領域と前記積層方向に重なると共に、該重なり領域の先端又は後端に跨って形成されていることを特徴とする。

【0007】

このセンサ素子によれば、ヒータ基板の側端部及び先端部と発熱部との最小距離Ａ，Ｂを適切な範囲とすることで、ヒータ基板（ひいてはセンサ素子）の側端部及び先端部に発熱部を近付けることができ、ヒータの昇温速度を高めてもヒータ近傍の熱応力の増大を抑制し、素子割れを抑制して早期活性を実現できる。又、発熱部を上記側端部及び先端部に近付け過ぎないので、ヒータと固体電解質体との間の絶縁を確保できる。
又、固体電解質体が絶縁層に埋め込まれる形態であるので、絶縁層の端部に排気ガス中の導電成分（カーボンの煤）や水が付着した場合に、これら導電成分又は水と、固体電解質体との間を絶縁層が絶縁するので、ヒータ基板と発熱部との上述の隙間Ａ，Ｂと相俟って、ヒータと固体電解質体との間の絶縁を安定して確保できる。
さらに、一対の内側直線状部が、セルの重なり領域と積層方向に重なると共に、重なり領域の先端又は後端に跨って形成されているので、セルの有効部分である重なり領域に内側直線状部の熱を確実に伝えることができ、早期活性をより確実に実現できる共に、ヒータ基板の端部との温度差（熱応力）をさらに低減できる。

【0008】

本発明のセンサ素子において、前記外側直線状部は、前記固体電解質体の側端側に該固体電解質体と間隔を開けて配置されていてもよい。
このセンサ素子によれば、早期活性をより確実に実現できる共に、ヒータ基板の端部との温度差（熱応力）をさらに低減できる。

【0009】

本発明のセンサ素子において、前記内側直線状部は、前記一対の電極の重なり領域の先端及び後端に跨って形成されていてもよい。
このセンサ素子によれば、内側直線状部が、セルの重なり領域の先後まで重なるので、重なり領域に内側直線状部の熱をさらに確実に伝えることができる。

【0010】

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センサ素子と、該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、前記センサ素子として、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ素子を備える。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、ガスセンサの早期活性を実現すると共に、ヒータと固体電解質体との間の絶縁を安定して確保し、検出精度等の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。

【図2】センサ素子の模式分解斜視図である。

【図3】発熱部を示す平面図である。

【図4】発熱部と、ポンプセル及びヒータ基板との位置関係を示す平面図である。

【図5】発熱部と、検知セル及びヒータ基板との位置関係を示す平面図である。

【図6】水がセンサ素子の側端面に付着したときの、固体電解質体と発熱体との間の絶縁状態を示す幅方向断面図である。

【図7】クラックによる故障率０．１％のときの発熱体の電圧と最小距離Ａとの関係を示す図である。

【図8】クラックによる故障率０．１％のときの発熱体の電圧と最小距離Ｂとの関係を示す図である。

【図9】従来のセンサ素子において、水がセンサ素子の側端面に付着したときの、固体電解質体と発熱体との間の絶縁状態を示す幅方向断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の軸線Ｏ方向に沿う断面図、図２はセンサ素子１９の模式分解斜視図、図３は発熱部１４６を示す平面図である。

【0014】

図１において、ガスセンサ（全領域空燃比ガスセンサ）１は、センサ素子１９と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子１９を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
センサ素子１９のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０より先端に突出している。このように貫通孔３２を通されたセンサ素子１９は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。
なお、センサ素子１９の後端１９ｅを含む後端寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各センサパッド部１３〜１５及びヒータパッド部１６，１７に、シール材８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、このセンサパッド部１３〜１５及びヒータパッド部１６，１７を含むセンサ素子１９の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

【0015】

センサ素子１９は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、被測定ガス側電極１５５等（図２参照）からなり被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子１９の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。
このセンサ素子１９は、先端寄り部位に検知部２２をなす検知セル層１５１及び一対の電極１５３、１５５（図２参照）が配置され、これに連なり後端寄り部位には、検知用出力取り出し用のリード線７１接続用のセンサパッド部１４，１５（図２参照）が露出形成されている。

【0016】

本例では、センサ素子１９の先端寄り部位内部に、酸素をポンピングするポンプセル層１６１（図２参照）が設けられており、後端寄り部位には、ポンプセル制御用のリード線７１接続用のセンサパッド部１３、１５（図２参照）が露出形成されている。
すなわち、本例では、センサ素子１９は検知セル１５０及びポンプセル１６０の２セルを備えている。

【0017】

また、本例では、センサ素子１９の先端寄り部位の下側に、発熱部１４６を含むヒータ１４５（図２参照）が設けられており、後端寄り部位には、ヒータ電圧印加用のリード線７１接続用のヒータパッド部１６，１７（図２参照）が露出形成されている。

【0018】

なお、これらセンサパッド部１３〜１５、ヒータパッド部１６，１７は縦長矩形に形成され、例えばセンサ素子１９の後端寄り部位において、図２に示すように帯板の幅広面にセンサパッド部１３〜１５が３つ横に並び、反対面にヒータパッド部１６，１７が２つ横に並んでいる。
さらに、センサ素子１９の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

【0019】

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述するプロテクタ５１、６１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ１３が設けられている。そして、その後方には、このネジ１３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。
また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１１ｅが連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部１６を備えている。なお、このカシメ用円筒部１６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット２１が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１１ｄを有している。

【0020】

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１１ｄに係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子１９が略隙間なく通るように、センサ素子１９の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。

【0021】

センサ素子１９は、セラミックホルダ３０の貫通孔３２に通され、センサ素子１９の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、センサ素子１９の先端部位は、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５１，６１で覆われている。このうち内側のプロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。
また、外側のプロテクタ６１は、内側のプロテクタ５１に外嵌して、同時に円筒部１２に溶接されている。外側のプロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

【0022】

又、図１に示すように、センサ素子１９の後端寄り部位に形成された各センサパッド部１３〜１５及びヒータパッド部１６，１７には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１１ｅに外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線７１は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、外筒８１の小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

【0023】

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

【0024】

次に、図２を参照し、センサ素子１９の構成について説明する。
センサ素子１９は厚さ方向（積層方向）に、図２の上方から順に、外側セラミック層１８３、ポンプセル１６０、中間セラミック層１７０、検知セル１５０及びヒータ１４５を積層してなる。各層１４５、１５０〜１８３は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなり、外形寸法（少なくとも幅及び長さ）の等しい矩形板状をなしている。

【0025】

外側セラミック層１８３はセンサ素子１９の外表面（図２の上面）を構成すると共に、その後端部にセンサパッド部１３〜１５が配置される。又、外側セラミック層１８３の先端側（図２の左側）には略矩形状に開口する貫通部１８３ｈが設けられ、貫通部１８３ｈに埋め込まれるように略矩形状の多孔質層１８２が充填されている。外側セラミック層１８３は以下のポンプセル層１６１を保護して覆い、多孔質層１８２はポンプセル１６０におけるポンプ電極１６３を覆っている。
多孔質層１８２はセンサ素子１９の上面に露出し、多孔質層１８２の上面を介してポンプ電極１６３と外部との間で酸素の汲み出し及び汲み入れが可能となっている。

【0026】

ポンプセル１６０は、第１絶縁層１６１ａ及び略矩形板状の固体電解質体１６２を備えたポンプセル層１６１と、固体電解質体１６２の表裏面にそれぞれ設けられた上述のポンプ電極１６３及び対向電極１６５とを備えている。第１絶縁層１６１ａの先端側（図２の左側）には略矩形状に開口する貫通部１６１ｈが設けられ、貫通部１６１ｈに埋め込まれるように固体電解質体１６２が配置されている。なお、ポンプ電極１６３はポンプ電極部１６３Ｅ、及び、当該ポンプ電極部１６３Ｅから後端側へ向かって延びるリード部１６３Ｌからなり、対向電極１６５は対向電極部１６５Ｅ、及び、当該対向電極部１６５Ｅから後端側へ向かって延びるリード部１６５Ｌからなる。
固体電解質体１６２，ポンプ電極１６３及び対向電極１６５は、後述する測定室１７１内の被測定ガス中の酸素の汲み出し及び汲み入れを行う酸素ポンプセルを構成し、対向電極１６５は測定室１７１に臨み、ポンプ電極１６３は多孔質層１８２を介して外部に連通している。

【0027】

リード部１６３Ｌは、外側セラミック層１８３に設けられたスルーホールを介してセンサパッド部１３と電気的に接続されている。又、リード部１６５Ｌは、ポンプセル層１６１、外側セラミック層１８３に設けられたスルーホールを介してセンサパッド部１５と電気的に接続されている。
そして、測定室１７１内の酸素濃度に応じ、ポンプ電極１６３及び対向電極１６５の間に流れる電流の方向及び大きさがセンサパッド部１３、１５を介して２本のリード線７１から外部装置によって制御され、酸素がポンピングされる。

【0028】

中間セラミック層１７０の先端側（図２の左側）には測定室１７１が矩形状に開口している。又、中間セラミック層１７０の長辺側の両側面には、測定室１７１を外部と区画する拡散多孔質層１７３が配置されている。一方、測定室１７１の先端側と後端側には、測定室１７１の側壁をなすセラミック絶縁層１７５が配置されている。
測定室１７１は拡散多孔質層１７３を介して外部と連通しており、拡散多孔質層１７３は外部と測定室１７１との間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する。

【0029】

検知セル１５０は、第２絶縁層１５１ａ及び略矩形板状の固体電解質体１５２を備えた検知セル層１５１と、固体電解質体１５２の表裏面にそれぞれ設けられた基準ガス側電極１５３及び被測定ガス側電極１５５とを備えている。第２絶縁層１５１ａの先端側（図２の左側）には略矩形状に開口する貫通部１５１ｈが設けられ、貫通部１５１ｈに埋め込まれるように固体電解質体１５２が配置されている。なお、基準ガス側電極１５３は基準ガス側電極部１５３Ｅ、及び、当該基準ガス側電極部１５３Ｅから後端側へ向かって延びるリード部１５３Ｌからなり、被測定ガス側電極１５５は被測定ガス側電極部１５５Ｅ、及び、当該被測定ガス側電極部１５５Ｅから後端側へ向かって延びるリード部１５５Ｌからなる。
固体電解質体１５２，基準ガス側電極１５３及び被測定ガス側電極１５５は、被測定ガス中の酸素濃度の検知セルを構成し、被測定ガス側電極部１５５Ｅは測定室１７１に臨んでいる。一方、基準ガス側電極部１５３Ｅは、リード部１５３Ｌ、スルーホールを介して外部に通気する。

【0030】

リード部１５３Ｌは、検知セル層１５１、中間セラミック層１７０、ポンプセル層１６１、外側セラミック層１８３に設けられたスルーホールを介してセンサパッド部１４と電気的に接続されている。又、リード部１５５Ｌは、中間セラミック層１７０、ポンプセル層１６１、外側セラミック層１８３に設けられたスルーホールを介してセンサパッド部１５と電気的に接続されている。
そして、基準ガス側電極１５３及び被測定ガス側電極１５５の検出信号が、センサパッド部１４，１５から２本のリード線７１を介して外部に出力され、酸素濃度が検出される。

【0031】

検知セル１５０、ポンプセル１６０がそれぞれ特許請求の範囲の「セル」に相当する。基準ガス側電極１５３及び被測定ガス側電極１５５、並びにポンプ電極１６３及び対向電極１６５がそれぞれ特許請求の範囲の「一対の電極」に相当する。
又、第１絶縁層１６１ａ及び第２絶縁層１５１ａが特許請求の範囲の「絶縁層」に相当する。検知セル層１５１、ポンプセル層１６１が特許請求の範囲の「複合層」に相当する。

【0032】

なお、センサ素子１９においては、検知セル１５０の電極間に生じる電圧（起電力）が所定の値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、ポンプセル１６０の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、ポンプセル１６０に流れる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を構成する。

【0033】

ヒータ１４５は、セラミック製の第１ヒータ基板１４５ａ、セラミック製の第２ヒータ基板１４５ｂ、及び第１ヒータ基板１４５ａと第２ヒータ基板１４５ｂの間に配置される発熱部１４６を備えている。第１ヒータ基板１４５ａは検知セル層１５１と対向している。発熱部１４６は、蛇行状のパターンを有する発熱体１４６ｍ（図３参照）、及び発熱体１４６ｍから後端側に延びる一対のリード部１４６Ｌを備えている。
リード部１４６Ｌは、第２ヒータ基板１４５ｂに設けられたスルーホールを介してヒータパッド部１６，１７と電気的に接続されている。そして、２本のリード線７１を介してヒータパッド部１６，１７から発熱部１４６に通電することで、発熱部１４６が発熱し、固体電解質体１５２，１６２を活性化する。
この発熱部１４６（ヒータ１４５）は、検知セル１５０及びポンプセル１６０よりも積層方向の片側（図２の下側）に配置されている。
なお、第１ヒータ基板１４５ａと第２ヒータ基板１４５ｂとが特許請求の範囲の「ヒータ基板」に相当する。

【0034】

次に、図３を参照し、発熱部１４６について説明する。
図３に示すように、発熱部１４６は、発熱体１４６ｍ、及び発熱体１４６から後端側に延びる一対のリード部１４６Ｌを備えている。
発熱体１４６ｍは、軸線Ｏ方向にそれぞれ延びる一対の外側直線状部１４６ｍ１と、外側直線状部１４６ｍ１間に配置され軸線Ｏ方向に延びる一対の内側直線状部１４６ｍ２と、隣接する外側直線状部１４６ｍ１の先端と内側直線状部１４６ｍ２の先端とを接続する２つのＵ字状の第１接続部１４６ｊ１と、一対の内側直線状部１４６ｍ２の後端を接続する１つのＵ字状の第２接続部１４６ｊ２と、からなる。
又、一対のリード部１４６Ｌは、それぞれ外側直線状部１４６ｍ１の後端１４６ｅに接続されている。
本実施形態では、発熱部１４６の発熱体１４６ｍは、検知セル１５０及びポンプセル１６０と積層方向に重なっており（図４、図５参照）、両セル１５０，１６０を加熱する。
なお、外側直線状部１４６ｍ１の後端１４６ｅは、外側直線状部１４６ｍ１の幅Ｄ１が一定の部分の最後端部であり、幅Ｄ１より広幅の幅Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）のリード部１４６Ｌに繋がる境界部分である。

【0035】

次に、図４〜図６を参照し、発熱部１４６（ヒータ１４５）と、各セル１５０、１６０及びヒータ基板１４５ａ、１４５ｂとの位置関係について説明する。なお、図４は、発熱部１４６と、ポンプセル１６０及びヒータ基板１４５ａ、１４５ｂとの位置関係を示す平面図、図５は、発熱部１４６と、検知セル１５０及びヒータ基板１４５ａ、１４５ｂとの位置関係を示す平面図である。

【0036】

まず、図４、図５に示すように、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの側端部と外側直線状部１４６ｍ１の側端部との最小距離をＡとすると、０．１５ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍである。又、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの先端部と第１接続部１４６ｊ１の先端部との最小距離をＢとすると、０．２５ｍｍ≦Ｂ≦０．８５ｍｍである。

【0037】

次に、図４に示すように、ポンプセル１６０におけるポンプ電極部１６３Ｅ、対向電極部１６５Ｅ及び固体電解質体１６２の重なり領域をＳ１とする。ここで、重なり領域Ｓ１を求める際には、ポンプセル１６０の一対の電極１６３、１６５のうち、セルとして電極反応に有効に寄与するポンプ電極部１６３Ｅ及び対向電極部１６５Ｅを対象とし、リード部１６３Ｌ、１６５Ｌを除外する。又、ポンプ電極部１６３Ｅとリード部１６３Ｌとの境界１６３Ｂは、固体電解質体１６２の外側のリード部１６３Ｌの幅Ｄ３が一定の部分の最先端部とする。対向電極部１６５Ｅとリード部１６５Ｌとの境界１６５Ｂも同様である。
このとき、一対の内側直線状部１４６ｍ２は、それぞれ重なり領域Ｓ１と積層方向に重なると共に、重なり領域Ｓ１の後端に跨って形成されている。

【0038】

図５の検知セル１５０についても同様に、検知セル１５０の基準ガス側電極部１５３Ｅ、被測定ガス側電極部１５５Ｅ及び固体電解質体１５２の重なり領域をＳ２とする。重なり領域Ｓ２を求める際に基準ガス側電極部１５３Ｅ、被測定ガス側電極部１５５Ｅと、各リード部１５３Ｌ，１５５Ｌとの境界１５３Ｂ、１５５Ｂを求める方法も上述の通りである。
このとき、一対の内側直線状部１４６ｍ２は、それぞれ重なり領域Ｓ２と積層方向に重なると共に、重なり領域Ｓ２の後端に跨って形成されている。
なお、ポンプセル１６０においては、ポンプ電極部１６３Ｅ及び対向電極部１６５Ｅは、固体電解質体１６２の内側に位置するので、重なり領域Ｓ１はポンプ電極部１６３Ｅ及び対向電極部１６５Ｅの重なり部分となる。一方、検知セル１５０においては、基準ガス側電極部１５３Ｅ及び被測定ガス側電極部１５５Ｅは、幅方向に固体電解質体１５２の外側に位置するので、重なり領域Ｓ２は幅方向に基準ガス側電極部１５３Ｅ及び被測定ガス側電極部１５５Ｅよりも内側となる。

【0039】

以上のように、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの側端部及び先端部と発熱部１４６との最小距離Ａ，Ｂを適切な範囲とすることで、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂ（ひいてはセンサ素子１９）の側端部及び先端部に発熱部１４６を近付けることができ、ヒータ１４５の昇温速度を高めてもヒータ１４５近傍の熱応力の増大を抑制し、素子割れを抑制して早期活性を実現できる。又、発熱部１４６を上記側端部及び先端部に近付け過ぎないので、ヒータ１４５と固体電解質体１６２，１５２との間の絶縁を確保できる。

【0040】

０．１５ｍｍ＞Ａ、又は０．２５ｍｍ＞Ｂであると、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの側端部又は先端部に排気ガス中の導電成分（カーボンの煤）や水が付着した場合に、これら導電成分又は水と発熱部１４６との隙間である絶縁距離が短くなり、発熱部１４６が通電すると隙間が容易に絶縁破壊される。その結果、発熱部１４６からのリーク電流が各セル１５０、１６０の電極や固体電解質体へ流れ、検出精度や酸素ポンプ能が低下する。又、素子端部付近の温度が高くなり、材料強度が低下するため小さな応力でも素子にクラックが発生する。さらに、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂで発熱部１４６を十分に埋設できずに発熱部１４６が端面に露出する可能性がある。
０．３５ｍｍ＜Ａ、又は０．８５ｍｍ＜Ｂであると、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの側端部又は先端部から発熱部１４６が遠ざかり、ヒータ１４５の昇温速度を高めるとヒータ１４５近傍の熱応力が増大し、素子割れを生じる場合がある。

【0041】

又、本実施形態では、固体電解質体１６２、１５２がそれぞれ第１絶縁層１６１ａ、第２絶縁層１５１ａに埋め込まれている。このため、第１絶縁層１６１ａ、第２絶縁層１５１ａの側端部又は先端部に排気ガス中の導電成分（カーボンの煤）や水が付着した場合に、これら導電成分又は水と、固体電解質体１６２、１５２との間を第１絶縁層１６１ａ、第２絶縁層１５１ａが絶縁するので、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂと発熱部１４６との上述の隙間Ａ，Ｂと相俟って、ヒータ１４５と固体電解質体１６２，１５２との間の絶縁を安定して確保できる。
つまり、図６に示すように、水２００がセンサ素子１９の端面（側端面）に付着しても、水２００と固体電解質体１５２との間を隙間Ｇ２を介して第２絶縁層１５１ａが絶縁すると共に、水２００と発熱部１４６との間を隙間Ａにより絶縁する。これにより、固体電解質体１５２と発熱部１４６との間に電流経路が形成されないので、隙間Ａ、Ｇ２が絶縁破壊されることが抑制され、絶縁を安定して確保できるのである。なお、図６では固体電解質体１５２について図示したが、固体電解質体１６２についても同様である。

【0042】

さらに、一対の内側直線状部１４６ｍ２が、それぞれ重なり領域Ｓ１、Ｓ２と積層方向に重なると共に、重なり領域Ｓ１、Ｓ２の先端又は後端（図４、図５の例では後端）に跨って形成されている。
これにより、各セル１６０、１５０の有効部分である重なり領域Ｓ１、Ｓ２に内側直線状部１４６ｍ２の熱を確実に伝えることができ、早期活性をより確実に実現できる共に、ヒータ基板１４５ａ、１４５ｂの端部との温度差（熱応力）をさらに低減できる。

【0043】

なお、図４、図５に示すように、本実施形態では、外側直線状部１４６ｍ１は、固体電解質体１６２，１５２の側端側に固体電解質体１６２，１５２と間隔を開けて配置されている。
このようにすると、早期活性をより確実に実現できる共に、ヒータ基板の端部との温度差（熱応力）をさらに低減できる。

【0044】

又、図３に示す発熱体１４６ｍの軸線Ｏ方向の長さ（第１接続部１４６ｊ１の先端から、外側直線状部１４６ｍ１の後端１４６ｅまでの長さ）が４〜１０ｍｍであると、発熱範囲が集中することにより熱応力が増大しすぎず、また、素子の昇温速度の低下や消費電力が増大することを抑制することができる。
上記長さが４ｍｍ未満であると発熱範囲が集中することにより熱応力が増大する場合がある。上記長さが１０ｍｍを超えると素子の昇温速度の低下や消費電力が増大する場合がある。
又、図６に示す隙間Ａと隙間（最小隙間）Ｇ２の合計長さが０．３ｍｍ以上であると、ヒータ１４５と固体電解質体１６２，１５２との間の絶縁をさらに安定して確保できる。

【0045】

本発明のセンサ素子及びガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
例えば上記実施形態では、絶縁層に設けられた貫通孔に固体電解質体のペーストを充填して埋め込んだが、絶縁層の貫通孔にシート状の固体電解質体を挿入して配置する態様であってもよい。
又、各セルにおいて、一対の電極は固体電解質体よりも外側にはみ出てもよい。
また、センサ素子としては、１つ以上のセルを有していれば、酸素の濃度を測定するものに限定されず、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は炭化水素（ＨＣ）等の濃度を測定するものを用いてもよい。
又、図４、図５に示すように、上記実施形態ではセンサ素子が有するすべてのセルにつき、内側直線状部が重なり領域と積層方向に重なると共に、重なり領域の先端又は後端に跨って形成されているが、少なくとも１つのセルの重なり領域と積層方向に重なると共に、重なり領域の先端又は後端に跨って形成されていればよい。

【実施例1】

【0046】

＜実施例１＞
図２〜図５に示すセンサ素子１９として、発熱体１４６ｍの抵抗が１．７５±０．０５Ωで、Ａの値を種々変更したものをそれぞれ製造した。Ｂの値を１ｍｍで一定とした。各センサ素子１９の発熱体１４６ｍに初期電圧１０Ｖを印加して、素子温度を９００℃まで昇温した後、室温まで急冷するサイクルを１００サイクル繰り返した後、染色試験にて、センサ素子１９のクラックの有無を目視判定した。
クラックが無い場合、電圧を０．５Ｖ高くして同様にサイクル試験を行った後のクラックの有無を判定し、これをクラックが生じるまで繰り返し、クラックが生じたときの電圧を求めた。
なお、Ａ，Ｂを所定の値としたセンサ素子１９をそれぞれ１０個製造し、上記サイクル試験を１０個のセンサ素子１９について行い、この１０個のデータにつきワイブル解析により故障率０．１％のときの発熱体１４６ｍの電圧を求めた。この電圧が高いほど、センサ素子１９のクラックを生じずに（熱応力を大きくせずに）ヒータの昇温速度を高めることができる。上記電圧が１２Ｖ以上であれば、ヒータの昇温速度を高くして早期活性を実現できるものとみなすことができる。

【0047】

＜実施例２＞
実施例１と同様にして、Ｂの値を種々変更し、Ａの値を０．２ｍｍで一定としたセンサ素子１９をそれぞれ製造し、同様にサイクル試験を行って故障率０．１％のときの発熱体１４６ｍの電圧を求めた。

【0048】

得られた結果を図７、図８にそれぞれ示す。
図７、図８から明らかなように、０．１５ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍ、０．２５ｍｍ≦Ｂ≦０．８５ｍｍであれば、故障率０．１％のときの発熱体１４６ｍの電圧を１２Ｖ以上とすることができ、センサ素子１９のクラックを生じずに早期活性を実現できることがわかる。
なお、０．１５ｍｍ＞Ａ、又は０．２５ｍｍ＞Ｂの場合は、熱応力は低下するものの、上述の理由で材料強度も同時に低下し、小さな応力でもクラックが生じたと考えられる。従って、本実験でクラックが生じたときの電圧で判定を行う方法は、Ａ、Ｂの下限を見極めるにも適している。

【符号の説明】

【0049】

１ ガスセンサ
１１ 主体金具
１９ センサ素子
１４５ ヒータ
１４５ａ、１４５ｂ ヒータ基板（第１ヒータ基板、第２ヒータ基板）
１４６ 発熱部
１４６ｍ 発熱体
１４６ｍ１ 外側直線状部
１４６ｍ２ 内側直線状部
１４６ｊ１ 第１接続部
１４６ｊ２ 第２接続部
１４６ｅ 外側直線状部の後端
１４６Ｌ リード部
１６０，１５０ セル（ポンプセル、検知セル）
１６１、１５１ 複合層（ポンプセル層、検知セル層）
１６１ａ、１５１ａ 絶縁層（第１絶縁層、第２絶縁層）
１６１ｈ、１５１ｈ 貫通孔
１６２，１５２ 固体電解質体
１５３及び１５５、１６３及び１６５ 一対の電極
Ｏ 軸線
Ｓ１，Ｓ２ 重なり領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】