JP6425960B2 - 積層型のガスセンサ素子、ガスセンサ、及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、積層型のガスセンサ素子、ガスセンサ、及びその製造方法に関する。

特定のガスを検出するガスセンサとしては、固体電解質体の外表面に一対の電極を配置したセルを備えた酸素センサが知られている。また、ガスセンサに用いられるセンサ素子としては、複数の板状部材を積層した積層型のガスセンサ素子が知られている（下記特許文献１，２）。従来の積層型ガスセンサ素子では、固体電解質体は、平板状の絶縁部材に形成された貫通孔に埋め込まれており、その輪郭形状は四角形である。

特許第４０５０５４２号公報 特許第４６６９４２９号公報

しかしながら、輪郭形状が四角形である固体電解質体は緻密であるため、熱応力などの応力や外力が固体電解質体に掛かった場合に、その四隅において応力集中を起こし易く、破損し易いという課題があった。また、固体電解質体を絶縁部材の貫通孔に埋め込む場合に、固体電解質と絶縁部材との間に隙間ができてしまい、ガスのバイパス路となってセンサ性能を劣化させる可能性があるという課題があった。

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。

（１）本発明の一形態によれば、固体電解質体が埋め込まれた四辺を有する板状の絶縁部材を含む複数の板状部材が積層された積層型のガスセンサ素子が提供される。このガスセンサ素子は、前記固体電解質体を含む前記絶縁部材の厚さ方向に垂直な面でみたときに、前記固体電解質体のうち、前記四辺のうち少なくとも一辺に対向する位置の輪郭形状が、当該一辺に向かって突出する円弧形状をなすことを特徴とする。
この形態によれば、固体電解質体の輪郭形状が、絶縁部材の四辺のうちの少なくとも一辺に向かって突出する円弧形状をなす輪郭形状を有するので、従来のような四角形状に比べて、熱応力などの応力や外力が固体電解質体に掛かった場合に応力集中を起こし難く、破損し難いものとすることができる。

（２）上記ガスセンサ素子において、前記固体電解質体の輪郭形状は、円、楕円、又は長円である、としてもよい。
この形態によれば、応力集中を更に緩和することができる。

（３）上記ガスセンサ素子において、前記四辺のうちの長手方向に延びる辺に対向する位置における前記固体電解質体の輪郭形状が、長手方向に延びる直線状をなすようにしてもよい。
この形態によれば、固体電解質体の面積を十分に大きく確保することが可能である。

（４）本発明の他の形態によれば上記ガスセンサ素子を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）支持シート上に、未焼成固体電解質材料からなる未焼成固体電解質層を形成する工程と、（ｂ）前記支持シート上の前記未焼成固体電解質層から、前記ガスセンサ素子の前記固体電解質体となる未焼成固体電解質体以外の未焼成固体電解質材料を除去する工程と、（ｃ）前記未焼成固体電解質体を未焼成絶縁材料からなる未焼成絶縁層上に転写する工程と、（ｄ）転写された前記未焼成固体電解質体の周囲の前記未焼成絶縁層上に、前記未焼成絶縁材料を印刷することによって、前記未焼成固体電解質体が前記未焼成絶縁材料に囲まれた未焼成板状体を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
この製造方法によれば、支持シート上に形成された未焼成固体電解質体の周囲に未焼成絶縁層をスクリーン印刷するので、未焼成絶縁層に未焼成固体電解質体が隙間なく囲まれた未焼成板状体を形成することが可能であり、固体電解質体と絶縁層との間に隙間が存在することに起因するセンサ性能の低下を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサ素子や、ガスセンサ、そのガスセンサを備えるガス検出装置、そのガス検出装置を搭載する車両、及び、それらの製造方法等の形態で実現することができる。

ガスセンサの内部構造を示す概略断面図。 ガスセンサ素子の構成を示す概略斜視図。 ガスセンサ素子を分解して示す概略斜視図。 固体電解質体の各種の形状を示す平面図。 固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第１の製造方法を示す説明図。 固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第２の製造方法を示す説明図。 固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第３の製造方法を示す説明図。

Ａ．ガスセンサの全体構成：
図１は本発明の一実施形態としてのガスセンサ１００の内部構造を示す概略図である。図１には、ガスセンサ１００の仮想中心軸ＡＸ（以下、単に「軸線ＡＸ」とも呼ぶ）を一点鎖線で図示してある。このガスセンサ１００は、内燃機関の排気管などに装着され、測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を、リッチ領域からリーン領域に渡ってリニアに検知する、いわゆる全領域空燃比センサである。

ガスセンサ１００は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸された形状を有している。ガスセンサ１００は、その先端側（紙面下側）が排気管の内部に挿入され、後端側（紙面上側）が排気管の外部に突出するように排気管の外表面に固定的に取り付けられる。なお、図１には、ガスセンサ１００が取り付けられたときの排気管の外表面の位置が二点鎖線ＰＳで図示してある。

ガスセンサ１００は、自身を排気管に対して固定的に取り付けるための主体金具１１０を備える。主体金具１１０は、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１１０ｃを有する筒状の金属部材である。主体金具１１０の外側には、排気管に設けられたガスセンサ１００の取り付けのためのネジ溝に螺合するねじ部１１０ａや、ガスセンサ１００の取り付けの際にスパナやレンチなどの工具を係合させるための工具係合部１１０ｂが形成されている。

主体金具１１０の先端側には、二重の有底筒状のプロテクタ１０１が、レーザ溶接により固設されている。二重のプロテクタ１０１には、ガスセンサ１００を排気管に取り付けたときに、排ガスを内部に導入できるように、内側および外側の壁部のそれぞれに、複数の導入孔１０１ｃが形成されている。

主体金具１１０の後端側には、筒状の金属製の外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。ガスセンサ１００の内部には、外筒１０３の後端側端部から、ガスセンサ１００と外部の制御回路２００（図５参照）とを電気的に接続するための３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と、２本のヒータ用リード線１９６，１９７とが挿通されている。なお、外筒１０３の後端側端部には、外筒１０３の内部を封止するためのフッ素ゴム製のグロメット１９１が取り付けられており、５種類のリード線１９３〜１９７は、グロメット１９１を貫通して、外筒１０３の内部に挿入されている。

ガスセンサ１００は、酸素濃度に応じた信号を出力するガスセンサ素子１２０を備える。ガスセンサ素子１２０は、細長形状の板部材を積層した積層構造を有しており、仮想中心軸ＡＸに垂直な断面が略矩形形状となる四角柱形状を有している（詳細は後述）。ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に固定的に保持されており、ガスセンサ１００の内部において、軸線ＡＸ方向に沿って収容される。なお、図１では、ガスセンサ素子１２０の積層方向に沿って互いに対向し合う第１と第２の面１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ紙面左側および紙面右側に向いている。

ガスセンサ素子１２０の先端側（紙面下側）の端部には、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１が設けられている。ガス検出部１２１は、プロテクタ１０１の内部に収容・配置されている。これによって、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときに、ガス検出部１２１は、導入孔１０１ｃから導入された排ガスに曝される。

ここで、主体金具１１０の後端側（紙面上側）の外筒１０３内には、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１８１ｃを有する筒状の絶縁部材であるセパレータ１８１が固定的に保持されている。具体的には、セパレータ１８１は、外周に配置された略筒状の付勢金具１９０によって、グロメット１９１に向かって付勢された状態で、外筒１０３内に保持されている。ガスセンサ素子１２０の後端側の端部は、そのセパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内に収容されている。

ガスセンサ素子１２０の後端部には、第１の面１２０ａ側に、３つのセンサ用の電極パッド１２５、１２６、１２７が紙面奥行き方向に並列に配列され、第２の面１２０ｂ側に、２つのヒータ用の電極パッド１２８，１２９が紙面奥行き方向に並列に配列されている。さらに、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内には、３つのセンサ用の接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用の接続端子１８５，１８６とが、ガスセンサ素子１２０の対応する各電極パッド１２５〜１２９と接触するように設けられている。なお、各センサ用接続端子１８２〜１８６は、グロメット１９１を介してガスセンサ１００内に挿通された５本のリード線１９３〜１９７に電気的に接続されている。

ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の筒内における以下のような構成により、主体金具１１０に固定的に保持されている。主体金具１１０の貫通孔１１０ｃの先端側には、径方向内側に突出する段部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、底面に貫通孔１１６ｃを有する金属カップ１１６が、その底面の外周端部が段部１１１と係合した状態で配置される。

金属カップ１１６の底面側の内部空間には、セラミックホルダ１１３が配置される。セラミックホルダ１１３は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）によって構成され、中央に、ガスセンサ素子１２０を挿通するための矩形状の貫通孔１１３ｃが形成されている。

金属カップ１１６の内部には、金属カップ１１６の貫通孔１１６ｃと、セラミックホルダ１１３の貫通孔１１３ｃとに挿通されたガスセンサ素子１２０を気密に保持するための第１粉末充填層１１４（タルク）が形成されている。第１粉末充填層１１４は、セラミックホルダ１１３の上に滑石粉末を充填することにより形成される。このように、ガスセンサ素子１２０は、金属カップ１１６と、セラミックホルダ１１３と、第１粉末充填層１１４と、一体化された状態で、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に保持される。

主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、第１粉末充填層１１４の上に、さらに、主体金具１１０の後端側とガスセンサ素子１２０のガス検出部１２１との間の気密性を確保するための第２粉末充填層１１５（タルク）が、滑石粉末を充填することにより形成されている。そして、第２粉末充填層１１５の上にはセラミックスリーブ１７０が配置されている。

セラミックスリーブ１７０は、ガスセンサ素子１２０を挿通するための、軸線ＡＸ方向に沿った矩形状の軸孔１７０ｃを有する筒状体である。セラミックスリーブ１７０は、アルミナによって構成することができる。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて加締めることにより、第２粉末充填層１１５側に押圧された状態で、主体金具１１０に固定される。なお、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋとセラミックスリーブ１７０との間には、加締リング１１７が配置される。

図２は、ガスセンサ素子１２０の構成を示す概略斜視図である。図２には、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を紙面上側とし、第２の面１２０ｂ側を紙面下側として図示してある。また、軸線ＡＸ方向（図１）を紙面左右方向とし、先端側を紙面左側とし、後端側を紙面右側として図示してある。ガスセンサ素子１２０は、板状の検出素子１３０（紙面上側）と、板状のヒータ素子１６０（紙面下側）とが積層されて焼成一体化されることによって構成されている。

なお、図１においても説明したように、ガスセンサ素子１２０の先端側には、ガス検出部１２１が形成されている。そして、後端側の第１の面１２０ａ側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が配列されている。なお、図示はされていないが、後端側の第２の面１２０ｂ側には、２つの電極パッド１２８，１２９が配列されている。

図３は、ガスセンサ素子１２０を分解して示す概略斜視図である。図３には、積層方向（紙面上下方向）に分解されたガスセンサ素子１２０の各構成部が、紙面左側を先端側とし、紙面右側を後端側として図示してある。なお、図中の二点鎖線は、二点鎖線で結ばれた各構成部が電気的に導通していることを示している。ガスセンサ１００の検出素子１３０は、保護層１３１と、酸素ポンプセル１３５と、スペーサ１４５と、酸素濃度検知セル１５０とが、第１の面１２０ａ側から、この順序で積層されている。

保護層１３１は、アルミナを主成分として形成された板状部材であり、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を保護する。保護層１３１の先端側には、保護層１３１の積層方向（紙面上下方向）に通気性を有する多孔質部１３２が形成されている。多孔質部１３２は、ガスセンサ素子１２０を、その積層方向に沿って見たときに、後述する電極部１３７Ｍと重なる領域に形成されている。多孔質部１３２は、ガス検出部１２１の排ガスの汲み入れ／汲み出しのためのガス流路部として機能する。

保護層１３１の外側の面１３１ａの後端側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が、ガスセンサ素子１２０の幅方向（紙面奥行き方向）に並列に配列される。そして、保護層１３１には、第１〜第３のスルーホール導体１１〜１３が、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７に対応させて、貫通形成されている。

酸素ポンプセル１３５は、固体電解質体１３６と、固体電解質体１３６を内部に配置する絶縁部材１３９と、一対の電極１３７，１３８とを備える板状部材である。固体電解質体１３６は、例えば安定化ジルコニア焼結体又は部分安定化ジルコニア焼結体で形成されており、一対の電極部１３７Ｍ，１３８Ｍよりも若干大きい面積を有するように形成された板状部材である。本実施形態において、固体電解質体１３６の輪郭形状は、その少なくとも一辺又は全体が円弧形状を有している。この点についてはさらに後述する。絶縁部材１３９は、固体電解質体１３６の外周を囲み、その周囲を覆うように設けられており、保護層１３１と略同様なサイズを有する板状部材である。絶縁部材１３９の後端側には、保護層１３１に形成された第２と第３のスルーホール導体１２，１３と電気的に導通する第４と第５のスルーホール導体１４，１５が貫通形成されている。絶縁部材１３９は、例えばアルミナで形成されている。

２つの電極１３７，１３８はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成されており、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍと、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌとを有している。電極部１３７Ｍ，１３８Ｍはそれぞれ、固体電解質体１３６の第１の面１３６ａ（紙面上側の面）と、第２の面１３６ｂ（紙面下側の面）にそれぞれ配置されている。このうち、第２の面１３６ｂ側に配置された電極部１３８Ｍは、後述するガス検出室１４５ｃに露出する。一方、第１の面１３６ａ側に配置された電極部１３８Ｍは、ガスセンサ１００が排気管に装着されたときに、保護層１３１に設けられた多孔質部１３２を介して排気ガスに晒される。

また、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌはそれぞれ、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍから後端側へと延伸している部位である。このうち、第１の面１３６ａ側に配置された電極１３７のリード部１３７Ｌは、保護層１３１の第１のスルーホール導体１１を介して、第１の電極パッド１２５と電気的に導通する。一方、第２の面１３６ｂ側に配置された電極１３８のリード部１３８Ｌは、固体電解質体１３６に設けられた第４のスルーホール導体１４および保護層１３１に設けられた第２のスルーホール導体１２を介して、第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。

スペーサ１４５は、酸素ポンプセル１３５の絶縁部材１３９と略同様なサイズを有する板状の絶縁部材である。スペーサ１４５は、例えばアルミナで形成されている。スペーサ１４５の先端側には、貫通孔が形成されている。この貫通孔は、スペーサ１４５が、酸素ポンプセル１３５と、酸素濃度検知セル１５０とに狭持されたときに、測定ガスである排ガスが導入されるガス検出室１４５ｃを構成する。

スペーサ１４５において、貫通孔を挟んで、スペーサ１４５の幅方向に互いに対向し合う２つの側壁部には、拡散律速部１４６が形成されている。拡散律速部１４６は、通気性を有する多孔質のアルミナによって構成されている。ガスセンサ素子１２０では、拡散律速部１４６の通気度に応じた量の排ガスが、ガス検出室１４５ｃに導入される。即ち、拡散律速部１４６は、ガス検出部１２１のガス導入部として機能する。

スペーサ１４５の後端側には、酸素ポンプセル１３５の電極１３８のリード部１３８Ｌと電気的に導通する第６のスルーホール導体１６が貫通形成されている。また、第６のスルーホール導体１６と隣り合う位置には、酸素ポンプセル１３５の絶縁部材１３９に設けられた第５のスルーホール導体１５と電気的に導通する第７のスルーホール導体１７が貫通形成されている。

スペーサ１４５は、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを絶縁する絶縁層として機能する。

酸素濃度検知セル１５０は、固体電解質体１５１と、固体電解質体１５１を内部に配置する絶縁部材１５４と、一対の電極１５２，１５３とを備える板状部材である。固体電解質体１５１は、例えば安定化ジルコニア焼結体又は部分安定化ジルコニア焼結体で形成されており、一対の電極部１５２Ｍ，１５３Ｍよりも若干大きな面積を有するように形成された板状部材である。この固体電解質体１５１も、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６と同様に、その輪郭形状の一辺又は全体が円弧形状を有している。絶縁部材１５４は、固体電解質体１５１の外周を囲み、その周囲を覆うように形成され、スペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材である。絶縁部材１５４の後端側には、第８のスルーホール導体１８が貫通形成されている。第８のスルーホール導体１８は、スペーサ１４５に形成された第７のスルーホール導体１７と電気的に導通する。

２つの電極１５２，１５３はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成されており、電極部１５２Ｍ，１５３Ｍと、リード部１５２Ｌ，１５３Ｌとを有する。電極部１５２Ｍ，１５３Ｍは、固体電解質体１５１の第１の面１５１ａ（紙面上側の面）と第２の面１５１ｂ（紙面下側の面）とにそれぞれ配置されている。このうち、第１の面１５１ａ側に配置された電極部１５２Ｍは、ガス検出室１４５ｃに露出する。

なお、第１の面１５１ａ側に配置された電極１５２のリード部１５２Ｌは、スペーサ１４５に設けられた第６のスルーホール導体１６を介して、酸素ポンプセル１３５の電極１３８および第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。一方、第２の面１５０ｂ側に配置された電極１５３のリード部１５３Ｌは、固体電解質体１５１に設けられた第８のスルーホール導体１８を介して、第３の電極パッド１２７と電気的に導通する。

ヒータ素子１６０は、第１と第２の絶縁体１６１，１６２と、発熱抵抗体１６３と、第１と第２のヒータリード部１６４，１６５と、を備える。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、アルミナによって構成された、検出素子１３０と同様なサイズを有する板状部材である。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、発熱抵抗体１６３及びヒータリード部１６４，１６５を狭持する。

発熱抵抗体１６３は、白金を主成分とする発熱線によって構成され、蛇行形状を有する発熱体である。２つのヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、発熱抵抗体１６３の両端に接続されており、発熱抵抗体１６３から後端側に向かって延伸している。

ここで、第２の絶縁体１６２の外側の面１６２ｂの後端側には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９が、ヒータ素子１６０の幅方向に、並列に配列されている。そして、第２の絶縁体１６２には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９に対応する第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２が貫通形成されている。発熱抵抗体１６３に接続された第１と第２のヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２を介して、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９と電気的に導通する。

ヒータ素子１６０は、ガスセンサ１００の駆動の際には、外部のヒータ制御回路（図示せず）によって、発熱温度が制御される。そして、検出素子１３０を、数百℃（例えば、７００〜８００℃）に加熱して酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを活性化させる。

Ｂ．固体電解質体の形状及び製造方法：
図４（Ａ）〜（Ｅ）は、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６が採用し得る各種の輪郭形状（平面形状）を示す平面図である。なお、酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１も、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６と同じ形状とすることが好ましい。以下では、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６を代表例として説明する。

図４（Ａ）の固体電解質体１３６は、板状の形状を有しており、その輪郭形状が、ガスセンサ１００の軸線ＡＸ方向に長い長円である。図４（Ｂ）の固体電解質体１３６は、その輪郭形状が円形である。ここでいう円形とは、真円を意味する。また、なお、固体電解質体１３６の輪郭形状を楕円形にしてもよい。図４（Ｃ）の固体電解質体１３６は、その輪郭形状が軸線ＡＸ方向に長く全体に丸みを帯びた略楔形形状を有している。但し、この略楔形形状の軸線ＡＸ方向の両端部は、それぞれ略円弧状の形状となっている。また、略楔形形状は、先端側（図中左側）の幅が大きく、後端側（図中右側）の幅が細い。このような形状は、絶縁部材１３９をスクリーン印刷（後述）する際に、固体電解質体１３６と絶縁部材１３９との間に隙間が生じ難い点で好ましい。図４（Ｄ）の固体電解質体１３６は、その輪郭形状における軸線方向ＡＸ方向の両端の形状のうち、その後端側（図中右側）の一辺における形状が円弧状（好ましくは半円状）であり、先端側（図中左側）の辺の形状が直線状である。但し、先端側の２つの隅ではＲ面取りがなされている。図４（Ｅ）の固体電解質１３６は、比較例であり、その輪郭形状が略四角形を有しており、４つの辺のすべてが直線状である。

図４（Ａ）〜（Ｄ）に示した固体電解質体１３６は、その輪郭形状の少なくとも一辺又は全体が円弧形状を有する点で好ましい。換言すれば、固体電解質体１３６を含む絶縁部材１３９の厚さ方向に垂直な面でみたときに、固体電解質体１３６のうち、絶縁部材１３９の四辺のうちの少なくとも一辺に対向する位置の輪郭形状が、当該一辺に向かって突出する円弧形状をなす点で好ましい。すなわち、図４（Ａ）〜（Ｄ）の固体電解質体１３６は、絶縁部材１３９の少なくとも一辺に対向する位置にある固体電解質体１３６の輪郭形状が、当該一辺に向かって突出する円弧形状をなすので、熱応力などの応力や外力が固体電解質体１３６に掛かった場合に、過度の応力集中が生じ難く、図４（Ｅ）に示した比較例に比べて応力集中による破損の可能性が低いという利点がある。また、応力集中を緩和するという観点からは、固体電解質体１３６の輪郭形状が、２辺の交差部（代表的には多角形の頂点に相当する部分）として、９０度以下の内角を有する交差部を全く含まないことが好ましい。特に、図４（Ａ），（Ｂ）で説明した長円形、円形、及び楕円形は、その輪郭形状の全体に直角以下の角度を有する交差部が無く、変化が滑らかなので、応力集中の緩和効果が顕著である。また、ガスセンサ１００の小型化という観点からは、絶縁部材１３９の四辺のうちの長手方向に延びる辺に対向する位置における固体電解質体１３６の輪郭形状が、長手方向に延びる直線状をなすことが好ましい。詳述すると、ガスセンサ１００の小型化に伴い、固体電解質体１３６も小型化を迫られるが、電極を配置する関係上、固体電解質体１３６は所定の面積を有する必要がある。例えば、図４（Ｂ）に示した円形は、固体電解質体１３６の面積を十分に大きくするという観点で不利であるのに対し、図４（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示した長円形や楔形形状は、この観点で有利であるため好ましい。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第１の製造方法を示す説明図である。以下の製造方法の説明においても、図４と同様に、酸素ポンプセル１３５を代表例として説明する。

図５（Ａ）では、穴や貫通孔の無い未焼成の絶縁部材シート１３９ｓを準備する。図５（Ｂ）では、未焼成の絶縁部材シート１３９ｓの一部を打ち抜くことによって、固体電解質体１３６のための貫通孔１３６ｈと、スルーホール導体１４，１５用の貫通孔１４ｈ，１５ｈを形成する。図５（Ｃ）では、貫通孔１３６ｈ内に、未焼成の固体電解質体１３６ｐを埋め込むことによって、未焼成の固体電解質体１３６ｐが埋め込まれた未焼成の絶縁部材シート１３９ｓを形成する。なお、この埋め込み工程は、未焼成の固体電解質シートを貫通孔１３６ｈを有する絶縁部材シート１３９ｓ（図５（Ｂ））上に載置き、この固体電解質シートを貫通孔１３６ｈの形に合わせて上から打ち抜くことによって実行することができる。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した工程の後は、未焼成電極パターンを塗工する工程と、他の未焼成板状部材と重ねることによって未焼成の積層体を形成する工程と、この積層体を焼成する工程と、を含む複数の工程を経てガスセンサ素子１２０が完成する。なお、このような製造方法としては、例えば、上記特許文献２（特許第４６６９４２９号公報）の図３〜図９で説明されている製造方法を採用可能である。

図６（Ａ）〜（Ｅ）は、固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第２の製造方法を示す説明図である。図６（Ａ）では、支持シート３００上に未焼成の固体電解質材料からなる未焼成固体電解質層１３６ｓを形成する。これは、スクリーン印刷などの任意の方法によって実現可能である。図６（Ｂ）では、未焼成固体電解質層１３６ｓのうち、焼成後に固体電解質体１３６となる部分である未焼成固体電解質体１３６ｐの形状に沿って切れ目ＨＣＬ（ハーフカットライン）を入れる。このハーフカットラインＨＣＬは、未焼成固体電解質層１３６ｓを貫通するが、支持シート３００は貫通しないカットラインである。図６（Ｃ）では、未焼成固体電解質層１３６ｓの中から、未焼成固体電解質体１３６ｐ以外の未焼成固体電解質材料を除去する。図６（Ｄ）では、未焼成固体電解質体１３６ｐが載置されている支持シート３００上に未焼成絶縁材料を印刷（例えばスクリーン印刷）することによって、未焼成絶縁層１３９ｐを形成する。スクリーン印刷を行う場合に、スクリーン印刷用のスキージ３１０は、支持シート３００上をガスセンサ１００の軸線ＡＸ方向に相当する方向（図中の右から左に向かう方向）に沿って進行する。図４（Ａ）〜（Ｄ）に示した輪郭形状を有する固体電解質体１３６を採用した場合には、この図６（Ｄ）の工程においてスキージ３１０が最初に未焼成固体電解質体１３６ｐの位置に到達する部分は、未焼成固体電解質体１３６ｐの後端側（図中の右端側）であり、これらの部分はすべて円弧状の形状を有している。従って、スクリーン印刷時において、未焼成固体電解質体１３６ｐと未焼成絶縁層１３９ｐとの間に空気が溜りにくく、両者の間に無用な隙間ができにくい。未焼成固体電解質体１３６ｐと未焼成絶縁層１３９ｐとの間に空気が溜りにくくするという観点からは、未焼成固体電解質体１３６ｐの先端側（図中の左端側）も円弧形状になっているもの（例えば図４（Ａ）〜（Ｃ）の形状）が好ましい。また、製造のし易さを考慮すれば、固体電解質体１３６の形状を、円、長円、又は、楕円とすることがさらに好ましい。

図６（Ｅ）は、支持シート３００上に、未焼成固体電解質体１３６ｐと未焼成絶縁層１３９ｐとで構成された未焼成板状体が形成された様子を示している。この後は、未焼成電極パターンを塗工する工程と、他の未焼成板状部材と重ねることによって未焼成の積層体を形成する工程と、この積層体を焼成する工程と、を含む複数の工程を経てガスセンサ素子１２０が完成する。

図７（Ａ）〜（Ｆ）は、固体電解質体と絶縁部材とを含む板状部材の第３の製造方法を示す説明図である。この第３の製造方法は、酸素濃度検知セル１５０（図３）の固体電解質体１５１を含む板状部材を製造する方法として利用可能である。図７（Ａ）〜（Ｃ）の工程は、図６（Ａ）〜（Ｃ）と同様であり、未焼成固体電解質層１５１ｓを支持シート３００上に形成し、未焼成固体電解質体１５１ｐの周囲にハーフカットラインＨＣＬを形成し、未焼成固体電解質体１５１ｐ以外の未焼成固体電解質材料を除去する。図７（Ｄ）では、別個に用意された未焼成絶縁材料からなる未焼成絶縁層１６１ｐの上に、未焼成固体電解質体１５１ｐを転写して、支持シート３００を剥がす転写工程が実行される。なお、未焼成絶縁層１６１ｐの表面には、焼成後に電極１５３（図３）となる未焼成電極パターン１５３ｐが形成されていることが好ましい。図７（Ｅ），（Ｆ）の工程は、図６（Ｄ），（Ｅ）と同様であり、未焼成絶縁層１６１ｐの上に未焼成絶縁材料を印刷（例えばスクリーン印刷）することによって、未焼成絶縁層１５４ｐを形成する。この後は、他の未焼成電極パターンを塗工する工程と、他の未焼成板状部材と重ねることによって未焼成の積層体を形成する工程と、この積層体を焼成する工程と、を含む複数の工程を経てガスセンサ素子１２０が完成する。

以上のように、本実施形態では、絶縁部材１３９の貫通孔に埋め込まれた固体電解質体１３６の輪郭形状が四角形ではなく、絶縁部材１３９の四辺のうちの少なくとも一辺に向かって突出する円弧形状をなす輪郭形状を有するので、熱応力などの応力や外力が固体電解質体１３６に掛かった場合にも、応力集中が生じにくいという利点がある。また、未焼成固体電解質体１３６ｐの周囲に印刷によって未焼成絶縁層１３９ｐを形成する場合に、未焼成固体電解質体１３６ｐと未焼成絶縁層１３９ｐとの間に空気が溜りにくいので、両者の間に無用な隙間が生じる可能性を低減できる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
上述したガスセンサ１００の全体構造は単なる一例であり、これ以外の各種の構成を採用することが可能である。また、上記実施形態では、ガスセンサ１００は、酸素イオンを伝導可能な固体電解質体１３６，１５１を用いることにより、測定対象ガス中の酸素ガスの濃度を検出していたが、本発明は、酸素以外のガスの濃度を検出するガスセンサにも適用可能である。

１１〜１８，２１…スルーホール導体
１００…ガスセンサ
１０１…プロテクタ
１０１ｃ…導入孔
１０３…外筒
１１０…主体金具
１１０ａ…ねじ部
１１０ｂ…工具係合部
１１０ｃ…貫通孔
１１０ｋ…端部
１１１…段部
１１３…セラミックホルダ
１１３ｃ…貫通孔
１１４…第１粉末充填層
１１５…第２粉末充填層
１１６…金属カップ
１１６ｃ…貫通孔
１１７…加締リング
１２０…ガスセンサ素子
１２１…ガス検出部
１２５〜１２８…電極パッド
１３０…検出素子
１３１…保護層
１３２…多孔質部
１３５…酸素ポンプセル
１３６…固体電解質体
１３６ｈ…貫通孔
１３６ｐ…未焼成固体電解質体
１３６ｓ…未焼成固体電解質層
１３７…電極
１３７Ｌ…リード部
１３７Ｍ…電極部
１３８…電極
１３８Ｌ…リード部
１３８Ｍ…電極部
１３９…絶縁部材
１３９ｐ…未焼成絶縁層
１３９ｓ…絶縁部材シート
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１４６…拡散律速部
１５０…酸素濃度検知セル
１５１…固体電解質体
１５１ｐ…未焼成固体電解質体
１５１ｓ…未焼成固体電解質層
１５２…電極
１５２Ｌ…リード部
１５２Ｍ…電極部
１５３…電極
１５３ｐ…未焼成電極パターン
１５３Ｌ…リード部
１５４…絶縁部材
１６０…ヒータ素子
１６１，１６２…第２の絶縁体
１６１ｐ…未焼成絶縁層
１６３…発熱抵抗体
１６４…ヒータリード部
１７０…セラミックスリーブ
１７０ｃ…軸孔
１８１…セパレータ
１８１ｃ…貫通孔
１８２…接続端子
１８５…接続端子
１９０…付勢金具
１９１…グロメット
１９３…センサ用リード線
１９６…ヒータ用リード線
２００…制御回路
３００…支持シート
３１０…スキージ

Claims (2)

1. 固体電解質体が埋め込まれた四辺を有する板状の絶縁部材を含む複数の板状部材が積層された積層型のガスセンサ素子であって、
   前記固体電解質体を含む前記絶縁部材の厚さ方向に垂直な面でみたときに、前記固体電解質体のうち、前記四辺のうち少なくとも一辺に対向する位置の輪郭形状が、当該一辺に向かって突出する円弧形状をなし、前記四辺のうち少なくとも２辺に対向する位置の輪郭形状が直線であるガスセンサ素子の製造方法であって、
   （ａ）支持シート上に、未焼成固体電解質材料からなる未焼成固体電解質層を形成する工程と、
   （ｂ）前記支持シート上の前記未焼成固体電解質層から、前記ガスセンサ素子の前記固体電解質体となる未焼成固体電解質体以外の未焼成固体電解質材料を除去する工程と、
   （ｃ）前記未焼成固体電解質体を未焼成絶縁材料からなる未焼成絶縁層上に転写する工程と、
   （ｄ）転写された前記未焼成固体電解質体の周囲の前記未焼成絶縁層上に、前記未焼成絶縁材料を印刷することによって、前記未焼成固体電解質体が前記未焼成絶縁材料に囲まれた未焼成板状体を形成する工程と、
   （ｅ）前記未焼成板状体を他の未焼成板状部材と重ねることによって未焼成の積層体を形成する工程と、
   （ｆ）前記積層体を焼成する工程と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
2. 請求項１記載のガスセンサ素子の製造方法であって、
   前記四辺のうちの長手方向に延びる辺に対向する位置における前記固体電解質体の輪郭形状が、長手方向に延びる直線状をなすことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
   

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