JP5198832B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子を備えるガスセンサに関し、特に、互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成してなる積層型の検出素子を備えるガスセンサに関する。

従来より、自動車の排気管等に取り付けられて使用され、排気ガス中の特定ガス（例えば窒素酸化物や酸素など）の濃度に応じて、大きさの異なる起電力が生じたり、抵抗値が変化する検出素子を備えるガスセンサが知られている。また、検出素子としては、互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成してなる積層型のものが知られている。検出素子を同時焼成により形成すれば、焼成が一度で済み、層同士の貼合わせ工程も不要となるので、大幅な工数削減が可能となる。例えば、特許文献１，２に、このような検出素子を有するガスセンサが開示されている。

特許文献１に係るガスセンサのガスセンサ素子（検出素子）は、特定ガス成分の検出に機能する固体電解質層（センサ機能部）を備える。この固体電解質体の一方の面には、固体電解質層とは主成分が異なる保護層（第１部）が積層されている。また、固体電解質体の他方の面には、固体電解質層とは主成分が異なり、また、保護層とは合計厚みの異なる２つの絶縁層（第２部）が積層されている（特許文献１の図２及びその説明箇所等を参照）。

このガスセンサ素子は、次のように製造する。即ち、焼成後に固体電解質層となるジルコニアを主成分とする未焼成固体電解層を形成する。また、焼成後に絶縁層となるアルミナを主成分とする２つの未焼成絶縁層をそれぞれ形成して、これらを積層する。また一方で、焼成後に保護層となるアルミナを主成分とする未焼成保護層を形成しておく。そして、未焼成固体電解層と、２つの未焼成絶縁層と、未焼成保護層とを積層して、未焼成積層体を形成する。その後、この未焼成積層体を一体焼成（同時焼成）して、上記のガスセンサ素子を得る。

また、特許文献２に係るガスセンサのガスセンサ素子（検出素子）は、特定ガス成分の検出に機能する第１固体電解質層及び第２固体電解質層と、これらの間に積層された絶縁層とを有するセンサ機能部を備える。第２固体電解質層上には、第１，第２固体電解質層とは主成分が異なる保護層（第１部）が積層されている。一方、第１固体電解質上には、第１，第２固体電解質層とは主成分が異なり、また、保護層とは合計厚みの異なる２つの絶縁層（第２部）が積層されている（特許文献２の図２及びその説明箇所等を参照）。

このガスセンサ素子は、次のように製造する。即ち、焼成後に第１固体電解質層となるジルコニアを主成分とする未焼成第１固体電解質層と、焼成後に第２固体電解質層となるジルコニアを主成分とする未焼成第２固体電解質層を形成する。また、焼成後に第１固体電解質層と第２固体電解質層との間の絶縁層となるアルミナを主成分とする未焼成絶縁層を形成する。また、焼成後に保護層となるアルミナを主成分とする未焼成保護層を形成する。更に、焼成後に絶縁層となるアルミナを主成分とする２つの未焼成絶縁層をそれぞれ形成する。そして、２つの未焼成絶縁層、未焼成第１固体電解質層、未焼成絶縁層、未焼成第２固体電解層、及び、未焼成保護層をこの順に積層して、未焼成積層体を形成する。その後、この未焼成積層体を一体焼成（同時焼成）して、上記のガスセンサ素子を得る。

特開２００７−３３３７４号公報 特開２００７−１３９７４９号公報

しかしながら、特許文献１に係るガスセンサ素子も、特許文献２に係るガスセンサ素子も、焼成すると、ガスセンサ素子に反りが発生することがある。理由としては、ジルコニアを主成分とする固体電解質層とアルミナを主成分とする他の層とで、焼成時の収縮率（以下、焼成収縮率とも言う。）が大きく異なるためである。しかるに、ガスセンサ素子に反りがあると、ガスセンサ素子に他の部材を組み付けてガスセンサを製造する際、他の部材にガスセンサ素子が接触して、ガスセンサ素子に亀裂や折損が生じるおそれがある。

そこで、焼成後のガスセンサ素子に反りが生じるのを抑制すべく、ガスセンサ素子を構成する各層の材質を変更し、固体電解質層と他の層との焼成収縮率の差を小さくすることが考えられる。しかし、ガスセンサ素子の性能や強度、耐久性等を考慮すると、材質の変更には限度があり、上記の焼成収縮率の差を十分に小さくすることが難しい。このため、反りを十分に抑制することが困難であった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、検出素子の反りが小さく、信頼性の高いガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成してなる積層型で、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子、を備えるガスセンサであって、前記検出素子は、前記特定ガス成分の検出に機能する一又は複数の固体電解質層を有し、第１面及びこの裏面をなす第２面を有する板状のセンサ機能部と、前記センサ機能部の前記第１面上に積層されてなり、前記固体電解質層とは主成分の異なる緻密な材質からなる一又は複数の板状の第１基層から構成される板状の第１部と、前記センサ機能部の前記第２面上に積層されてなり、前記第１基層と主成分が同じである緻密な材質からなる一又は複数の板状の第２基層から構成される板状の第２部と、を備え、積層方向に見て、前記第２基層の合計厚みを、前記第１基層の合計厚みの８０％以上１２０％以下とし、センサ機能部のうちの前記固体電解質層を間に挟んで、前記第１部のうちの前記第１基層と前記第２部のうちの前記第２基層とが重なって対称構造をなす対称構造部を、前記検出素子の少なくとも一部に設けてなるガスセンサである。

本発明のガスセンサでは、その検出素子において、第１基層と第２基層の主成分を同じにすると共に、第２基層の合計厚みを第１基層の合計厚みの８０％以上１２０％以下としている。そして、センサ機能部の固体電解質層を間に挟んで第１基層と第２基層が対称に配置されている対称構造部を少なくとも一部に設けている。
第１基層及び第２基層は、固体電解質層とは主成分が異なる材質からなるので、固体電解質層とは焼成収縮率が異なる。このため、これらの積層体を同時焼成して冷却する際に、固体電解質層と第１基層及び第２基層との間には、焼成収縮率の違いに起因する応力が生じる。

しかし、本発明では、第１基層と第２基層を同じ主成分で形成し、かつ、第１基層と第２基層を同程度の厚み（第２基層の合計厚みが第１基層の合計厚みの８０％以上１２０％以下）とし、検出素子の少なくとも一部に、センサ機能部の固体電解質層を中心に第１基層と第２基層を重ねた積層方向に対称的な構造をなす対称構造部を設けている。この対称構造部では、焼成収縮率の違いに起因する応力は、固体電解質層を中心として積層方向にほぼ均等に（対称的に）生じるので、この対称構造部では反りが生じにくく、その分、素子全体の反りも抑制できる。従って、検出素子に他の部材を組み付ける際に検出素子に亀裂や折損が生じにくく、ガスセンサを製造する際の組み付け性が良好となり、信頼性の高いガスセンサとすることができる。

なお、「センサ機能部」は、検出素子のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置してもよいし、一部分にのみ配置してもよい。また、「第１部」及び「第２部」についても、上記の対称構造部を設け得る限りにおいて、検出素子のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置してもよいし、一部分にのみ配置してもよい。

更に、上記のガスセンサであって、前記センサ機能部、前記第１部及び前記第２部を、それぞれ、前記検出素子のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置してなるガスセンサとすると良い。

本発明では、センサ機能部、第１部及び第２部を、それぞれ、検出素子のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置している。即ち、センサ機能部、第１部及び第２部が、検出素子のいずれの部位でも重なっている。このようにすることで、センサ機能部を構成する固体電解質層と、第１部を構成する第１基層と、第２部を構成する第２基層との三者が重なる対称構造部を、広い範囲に亘って形成し得る。このため、検出素子に焼成時の反りをより一層生じにくくできる。従って、更に信頼性の高いガスセンサとすることができる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記第２部の内部に、通電により発熱する発熱抵抗体を埋設してなるガスセンサとすると良い。

本発明では、第２部の内部に、通電により発熱する発熱抵抗体を埋設して、第２部を、センサ機能部を加熱するヒータ部としている。このため、センサ機能部（固体電解質層）を効率よく加熱できる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記センサ機能部は、前記固体電解質層として、前記第１面を有する第１固体電解質層と、前記第２面を有する第２固体電解質層とを有し、前記第２固体電解質層の厚みを、前記第１固体電解質層の厚みの８０％以上１２０％以下としてなるガスセンサとすると良い。

本発明では、センサ機能部は、固体電解質層として、第１面を有する第１固体電解質層と第２面を有する第２固体電解質層とを有し、この第１固体電解質層と第２固体電解質層を同程度の厚み（第２固体電解質層の厚みが第１固体電解質層の厚みに対して８０％以上１２０％以下）としている。このため、焼成時に、第１固体電解質層と第１部の第１基層との間に生じる応力と、第２固体電解質層と第２部の第２基層との間に生じる応力とを、同程度の大きさにすることができる。従って、検出素子に反りが生じにくい。よって、検出素子に他の部材を組み付ける際に検出素子に亀裂や折損が生じにくく、ガスセンサを製造する際の組み付け性が良好となり、信頼性の高いガスセンサとすることができる。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記固体電解質層は、ジルコニアを主成分としてなり、前記第１基層及び第２基層は、アルミナを主成分としてなるガスセンサとすると良い。

本発明では、固体電解質層はジルコニアを主成分としているので、特定ガス成分の検出性能を良好にすることができる。一方、第１基層及び第２基層はアルミナを主成分としているので、検出素子の高温耐久性を向上させることができる。
さらに、上述のいずれかに記載のガスセンサであって、前記第１部の前記第１基層の層数と前記第２部の前記第２基層の層数とが、互いに異なるガスセンサとすると良い。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態１に係るガスセンサ１００を示す。また、図２に、このガスセンサ１００を構成する検出素子２００の分解斜視図を示す。更に、図３及び図４に、検出素子２００の先端側部分及び基端側部分の各横断面図を示す。なお、図１においては、図中、下側が軸線ＡＸ方向先端側（以下、単に先端側とも言う。）であり、図中、上側が軸線ＡＸ方向基端側（以下、単に基端側とも言う。）である。また、図２においては、図中、左側が先端側であり、図中、右側が基端側である。

このガスセンサ１００は、図示しない自動車の排気管に取り付けられ、内部に保持する検出素子２００の検出部２０１が排気管内を流通する排気ガス（被検出ガス）中に晒されて、その排気ガス中の酸素（特定ガス成分）の濃度から排気ガスの空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。このガスセンサ１００は、図１に示すように、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の主体金具１１０、この主体金具１１０の内側に保持された板状の検出素子２００、主体金具１１０の基端側に固設された外筒１５１、主体金具１１０の先端側に固設されたプロテクタ１６０等から構成されている。

このうち、検出素子２００は、軸線ＡＸ方向に延びる板状（短冊状）をなす（図１〜図４参照）。この検出素子２００の先端部は、排気ガス中の酸素ガス成分を検出する検出部２０１とされている（図１参照）。この検出部２０１には、排気ガスによる被毒から保護するため、その外表面を覆うようにして検出部保護層２０５が被覆されている（図１参照。図２〜図４では省略してある。）。

一方、この検出素子２００の基端部２０９には、その表裏面に、５つの電極パッド２３５，２３５，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）が設けられている。これらの電極パッド２３５，２３５，…には、検出素子２００と後述するセパレータ１４５との間に配置された５つの接続端子１４７，１４７，…がそれぞれ弾性的に当接して電気的に接続している。

この検出素子２００は、図２〜図４に示すように、互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成して形成したものであり、特定ガス成分を検出する機能を果たす板状のセンサ機能部２５０と、このセンサ機能部２５０を保護する板状の保護部２６０と、センサ機能部２５０を活性化させるために加熱する板状のヒータ部２７０とを有する。保護部２６０は、センサ機能部２５０の一方の主面（第１面２５０ａ）上に積層され、ヒータ部２７０は、センサ機能部２５０の他方の主面（第２面２５０ｂ）上に積層されている。なお、本実施形態１では、このセンサ機能部２５０が本発明のセンサ機能部に相当し、保護部２６０が本発明の第１部に相当し、ヒータ部２７０が本発明の第２部に相当する。また、本実施形態１において、層を構成する「主成分」とは、層内に５０ｗｔ％以上含有される成分を指す。

まず、センサ機能部２５０について説明する。このセンサ機能部２５０は、第１面２５０ａを形成する酸素ポンプセル２５１と、第２面２５０ｂを形成する酸素濃度検出セル２５３と、これらの間に積層された緻密な絶縁層２１９とから構成されている。
酸素ポンプセル２５１は、第１面２５０ａを有する緻密な第１固体電解質層２１５と、この第１固体電解質体２１５の両面に形成された第１電極２１３及び第２電極２１７とから構成されている。第１固体電解質層２１５は、ジルコニアを主成分として、安定化剤にイットリア又はカルシア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。この第１固体電解質体２１５の厚みｔ０１（図３参照）は、０．２ｍｍである。この第１固体電解質層２１５の基端側の所定位置には、第１スルーホール導体２１５ａ及び第２スルーホール導体２１５ｂが貫通形成されている。

第１電極２１３は、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第１電極部２１３ａと、この第１電極部２１３ａから基端側に延びる第１リード部２１３ｂとから構成されている。この第１リード部２１３ｂは、その基端において、後述する保護本体層２１１に設けられた第８スルーホール導体２１１ｃに電気的に接続している。
第２電極２１７も、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第２電極部２１７ａと、この第２電極部２１７ａから基端側に延びる第２リード部２１７ｂとから構成されている。この第２リード部２１７ｂは、その基端において、第１固体電解質層２１５に設けられた第２スルーホール導体２１５ｂに電気的に接続すると共に、後述する絶縁層２１９に設けられた第５スルーホール導体２１９ｂに電気的に接続している。

酸素濃度検出セル２５３は、第２面２５０ｂを有する緻密な第２固体電解質層２２３と、この第２固体電解質層２２３の両面に形成された第３電極２２１及び第４電極２２５とから構成されている。第２固体電解質層２２３は、第１固体電解質層２１５と同様に、ジルコニアを主成分として、安定化剤にイットリア又はカルシア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。この第２固体電解質体２２３の厚みｔ０２（図３参照）は、０．２ｍｍである。従って、この第２固体電解質体２２３の厚みｔ０２は、第１固体電解質層２１５の厚みｔ０１の８０％以上１２０％以下である。具体的には、第２固体電解質体２２３の厚みｔ０２は、第１固体電解質層２１５の厚みｔ０１と同じである（ｔ０１＝ｔ０２）。また、この第２固体電解質層２２３の基端側の所定位置には、第３スルーホール導体２２３ａが貫通形成されている。

第３電極２２１は、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第３電極部２２１ａと、この第３電極部２２１ａから基端側に延びる第３リード部２２１ｂとから構成されている。この第３リード部２２１ｂは、その基端において、後述する絶縁層２１９に設けられた第５スルーホール導体２１９ｂに電気的に接続している。
第４電極２２５も、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第４電極部２２５ａと、この第４電極部２２５ａから基端側に延びる第４リード部２２５ｂとから構成されている。この第４リード部２２５ｂは、その基端において、第２固体電解質層２２３に設けられた第２スルーホール導体２２３ａに電気的に接続している。

絶縁層２１９は、アルミナを主成分として形成されている。この絶縁層２１９の厚みは、０．１ｍｍである。従って、センサ機能部２５０全体の厚みｔ０（図３参照）は、０．５ｍｍである。
この絶縁層２１９には、前述の第２電極部２１７ａ及び第３電極部２２１ａに対応する位置に、この絶縁層２１９を貫通する平面視矩形状のガス検出室２１９ｄが設けられている。また、このガス検出室２１９ｄの幅方向の両側には、素子外部とガス検出室２１９ｄ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２２０，２２０がそれぞれ設けられている。この拡散律速部２２０，２２０は、アルミナの多孔質体からなる。

また、絶縁層２１９の基端側の所定位置には、第４スルーホール導体２１９ａ及び第５スルーホール導体２１９ｂが貫通形成されている。この第４スルーホール導体２１９ａは、第１固体電解質層２１５に設けられた第１スルーホール導体２１５ａに電気的に接続すると共に、第２固体電解質層２２３に設けられた第３スルーホール導体２２３ａに電気的に接続している。また、第５スルーホール導体２１９ｂは、第２電極２１７の第２リード部２１７ｂに電気的に接続すると共に、第３電極２２１の第３リード部２２１ｂに電気的に接続している。

次に、保護部２６０について説明する。この保護部２６０は、一枚の緻密な保護本体層（第１基層）２１１を有する。この保護本体層２１１は、アルミナを主成分とする材質からなる。この保護本体層２１１の厚みｔ１（図３参照）、即ち、保護部２６０の厚みｔ１は、０．４ｍｍである。
この保護本体層２１１には、前述の第１電極部２１３ａに対応する位置に、この保護本体層２１１を貫通する平面視矩形状の開口２１１ｄが設けられている。そして、この開口２１１ｄ内には、これを閉塞するようにして、アルミナを主成分とする多孔質のガス導入部２１２が設けられている。

また、保護本体層２１１の表面のうち、基端側の所定位置には、３つの電極パッド２３５，２３５，２３５が幅方向に並んで配置されている。また、この保護本体層２１１の基端側の所定位置には、第６スルーホール導体２１１ａ、第７スルーホール導体２１１ｂ及び第８スルーホール導体２１１ｃが貫通形成されている。第６スルーホール導体２１１ａは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１固体電解質層２１５に設けられた第１スルーホール導体２１５ａに電気的に接続している。また、第７スルーホール導体２１１ｂは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１固体電解質層２１５に設けられた第２スルーホール導体２１５ｂに電気的に接続している。また、第８スルーホール導体２１１ｃは、電極パッド２３５の１つに電気的に接続すると共に、第１電極２１３の第１リード部２１３ｂに電気的に接続している。

次に、ヒータ部２７０について説明する。このヒータ部２７０は、電気絶縁性の緻密な第１ヒータ絶縁層（第２基層）２２７と、電気絶縁性の緻密な第２ヒータ絶縁層（第２基層）２３１と、これらの間に挟まれ、通電により発熱する発熱抵抗体２２９とを有する。第１ヒータ絶縁層２２７は、アルミナを主成分とした材質から形成され、センサ機能部２５０の第２面２５０ｂ上に積層されている。また、第２ヒータ絶縁層２３１も、アルミナを主成分とした材質から形成されている。第１ヒータ絶縁層２２７及び第２ヒータ絶縁層２３１の厚みは、共に０．２ｍｍであるので、これらを合わせた厚みｔ２（図３参照）、即ち、ヒータ部２７０の厚みｔ２は、０．４ｍｍである。従って、第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１の合計厚みｔ２は、保護本体層２１１の厚みｔ１の８０％以上１２０％以下である。具体的には、第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１の合計厚みｔ２は、保護本体層２１１の厚みｔ１と同じである（ｔ１＝ｔ２）。

また、この第２ヒータ絶縁層２３１の基端側の所定位置には、第９スルーホール導体２３１ａと第１０スルーホール導体２３１ｂが貫通形成されている。また、この第２ヒータ絶縁層２３１の表面のうち、基端側の所定位置には、２つの電極パッド２３５，２３５が幅方向に並んで配置されている。一方の電極パッド２３５は、第９スルーホール導体２３１ａに電気的に接続している。他方の電極パッド２３５は、第１０スルーホール導体２３１ｂに電気的に接続している。

発熱抵抗体２２９は、先端側の所定位置に配置され、ジグザグ状（蛇行状）をなす発熱部２２９ａと、この発熱部２２９ａの一端から基端側に延びる第１ヒータリード部２２９ｂと、発熱部２２９ａの他端から基端側に延びる第２ヒータリード部２２９ｃとからなる。第１ヒータリード部２２９ｂは、その基端において、第２ヒータ絶縁層２３１に設けられた第９スルーホール導体２３１ａに電気的に接続している。また、第２ヒータリード部２２９ｃは、その基端において、第２ヒータ絶縁層２３１に設けられた第１０スルーホール導体２３１ｂに電気的に接続している。

このように、本実施形態１に係る検出素子２００は、ジルコニアを主成分とし、特定ガス成分の検出に機能する第１，第２固体電解質層２１５，２２３を有するセンサ機能部２５０を備える。また、センサ機能部２５０の第１面２５０ａ上には、第１，第２固体電解質層２１５，２２３とは主成分の異なる（具体的にはアルミナを主成分とする）緻密な保護本体層２１１を有する保護部２６０が積層されている。また、センサ機能部２５０の第２面２５０ｂ上には、保護本体層２１１と主成分が同じで（具体的にはアルミナを主成分とする）緻密な第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１を有するヒータ部２７０が積層されている。

そして、第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１の合計厚みｔ２は、保護本体層２１１の厚みｔ１の８０％以上１２０％以下である。具体的には、第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１の合計厚みｔ２と保護本体層２１１の厚みｔ１が等しい（ｔ１＝ｔ２）。
更に、センサ機能部２５０を構成する第２固体電解質体２２３の厚みｔ０２は、第１固体電解質層２１５の厚みｔ０１の８０％以上１２０％以下である。具体的には、第２固体電解質体２２３の厚みｔ０２と第１固体電解質層２１５の厚みｔ０１が等しい（ｔ０１＝ｔ０２）。
従って、この検出素子２００のうち、ガス導入部２１２が設けられた部分と第１〜第１０スルーホール導体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ等が設けられた部分を除いたすべての部分は、センサ機能部２５０のうちの第１，第２固体電解質層２１５，２２３を間に挟んで、保護部２６０のうちの保護本体層２１１と、ヒータ部２７０のうちの第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１とが重なって対称構造をなす対称構造部２１０とされている。

次いで、この検出素子２００の製造方法について説明する。なお、焼成後の部材とこれに対応する焼成前の部材とは、便宜上、同一の符号を用いて説明する（図２参照）。
まず、アルミナ粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％からなる第１原料粉末と、ブチラール樹脂及びジブチルフタレート（ＤＢＰ）からなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、ドクターブレード装置を使用したシート成形法により、このスラリをシート状物に成形した後、所定の大きさに切断して、絶縁層２１９に対応する未焼成絶縁層２１９、保護本体層２１１に対応する未焼成保護本体層２１１、第１ヒータ絶縁層２２７に対応する未焼成第１ヒータ絶縁層２２７、及び、第２ヒータ絶縁層２３１に対応する未焼成第２ヒータ絶縁層２３１をそれぞれ形成した。更に、未焼成絶縁層２１９にガス検出室２１９ｄを形成した。また、未焼成保護本体層２１１に開口２１１ｄを形成した。

また一方で、アルミナ粉末６３ｗｔ％、焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％及びカーボン粉末３４ｗｔ％からなる第２原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、ガス導入部２１２に対応する未焼成ガス導入部２１２を得た。
また、アルミナ粉末１００ｗｔ％と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤を湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、拡散律速部２２０，２２０に対応した未焼成拡散律速部２２０，２２０を得た。

また、ジルコニア粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ（ＳｉＯ₂ 粉末及びアルミナ粉末合計３ｗｔ％）とからなる第３原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、第１固体電解質体２１５に対応する未焼成第１固体電解質体２１５と、第２固体電解質体２２３に対応する未焼成第２固体電解質体２２３を形成した。

そして、図２中に示した下方のものから順に、未焼成第２ヒータ絶縁層２３１、発熱抵抗体２２９に対応する未焼成発熱抵抗体２２９、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７、第４電極２２５に対応した未焼成第４電極２２５、未焼成第２固体電解質層２２３、第３電極２２１に対応した未焼成第３電極２２１、未焼成絶縁層２１９、第２電極２１７に対応した未焼成第２電極２１７、未焼成第１固体電解質層２１５、第１電極２１３に対応した未焼成第１電極２１３、及び、未焼成保護本体層２１１等を積層して、未焼成積層体を形成した。

具体的には、未焼成第２ヒータ絶縁層２３１上に、白金を主成分とするペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成発熱抵抗体２２９を形成した。そして、これら未焼成第２ヒータ絶縁層２３１及び未焼成発熱抵抗体２２９上に、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７を積層した。
また、未焼成第２固体電解質層２２３の一方の面に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第４電極２２５を形成した。そして、これらを、未焼成第４電極２２５を挟み込むようにして、未焼成第１ヒータ絶縁層２２７上に積層した。その後、未焼成第２固体電解質層２２３上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第３電極２２１を形成した。

次に、未焼成第２固体電解質層２２３及び未焼成第３電極２２１上に、未焼成絶縁層２１９及び未焼成拡散律速部２２０，２２０を積層した。なお、焼成後、ガス検出室１０７ｃとなる部分には、カーボンを主成分とするペーストを印刷しておく。
また、未焼成第１固体電解質層２１５の一方の面に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第２電極２１７を形成した。そして、これらを、未焼成第２電極２１７を挟み込むようにして、未焼成絶縁層２１９上に積層した。その後、未焼成第１固体電解質層２１５上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第１電極２１３を形成した。
次に、未焼成第１固体電解質層２１５及び未焼成第１電極２１３上に、未焼成保護本体層２１１を積層した。未焼成保護本体層２１１には、予め、ガス導入部２１２に対応する未焼成ガス導入部２１２を形成しておく。かくして、未焼成積層体が形成される。

次に、この未焼成積層体を１ＭＰａで加圧して圧着した後、所定の大きさで切断した。その後、この未焼成積層体を、樹脂抜きし、更に焼成温度１５００℃で１時間保持する本焼成を行って、検出素子２００を得た。
その後、この検出素子２００の先端部２０１の周囲に、スピネル粉末とチタニアとアルミナゾルのスラリを用いて、検出部保護層２０５に対応する未焼成検出部保護層２０５を形成した。その後、この検出素子２００を、焼成温度１０００℃、焼成時間３時間で熱処理を行い、検出部保護層２０５を有する検出素子２００を得た。

次いで、ガスセンサ１００のその他の部分を説明する。検出素子２００の胴部２０７の中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ１３１が、自身の内側に検出素子２００を挿通し、その検出部２０１を筒底の開口１３１ｃから突出させた状態で配置されている。この金属カップ１３１は、主体金具１１０内に検出素子２００を保持するための部材であり、その先端周縁部１３２は、先端側に向かうにつれて径が小さくなるテーパ状に形成されている。この金属カップ１３１内には、アルミナ製のセラミックリング１３３と、滑石粉末を圧縮した第１滑石リング１３５とが、検出素子２００を挿通した状態で収容されている。第１滑石リング１３５は、金属カップ１３１内で押し潰されて細部にまで充填されており、これにより、検出素子２００が、金属カップ１３１内で位置決めされて保持されている。

金属カップ１３１と一体となった検出素子２００は、その径方向周囲を筒状の主体金具１１０に取り囲まれて保持されている。この主体金具１１０は、ガスセンサ１００を自動車の排気管に取り付け固定するためのものであり、ＳＵＳ４３０の低炭素鋼からなる。この主体金具１１０の外周先端側には、排気管への取り付け用の雄ねじ部１１１が形成されている。また、この雄ねじ部１１１よりも先端側には、後述するプロテクタ１６０が固定される円環状の先端固定部１１３が突出形成されている。

また、主体金具１１０の外周中央には、取り付け用の工具が係合する工具係合部１１７が形成されている。また、主体金具１１０には、この工具係合部１１７と雄ねじ部１１１との間に、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット１１９が嵌挿されている。更に、工具係合部１１７の基端側には、後述する外筒１５１が固定される基端固定部１１６が形成されている。また、更にその基端側には、主体金具１１０内に検出素子２００を加締め保持するための加締め部１１８が形成されている。

また、主体金具１１０の内周先端側には、先端側ほど縮径するテーパ状をなす段部１１５が形成されている。この段部１１５には、検出素子２００を保持する金属カップ１３１のテーパ状をなす先端周縁部１３２が係止されている。更に、主体金具１１０の内側のうち、金属カップ１３１の基端側には、第２滑石リング１３７が、検出素子２００を挿通した状態で配置されている。そして、この第２滑石リング１３７を基端側から押さえるようにして、筒状のスリーブ１４１が主体金具１１０内に嵌め込まれている。このスリーブ１４１には、段状をなす肩部１４２が形成されている。この肩部１４２には、円環状の加締めパッキン１４３が配置されている。そして、主体金具１１０の加締め部１１８が、この加締めパッキン１４３を介してスリーブ１４１の肩部１４２を先端側に押圧するようにして、加締められている。

スリーブ１４１に押圧された第２滑石リング１３７は、主体金具１１０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この第２滑石リング１３７と、金属カップ１３１内に予め装填された第１滑石リング１３５とによって、金属カップ１３１及び検出素子２００が、主体金具１１０内で位置決めされて保持されている。主体金具１１０内の気密は、加締め部１１８とスリーブ１４１の肩部１４２との間に介在される加締めパッキン１４３によって維持され、燃焼ガスの流出が防止される。

検出素子２００は、その基端部２０９が主体金具１１０の基端部である加締め部１１８よりも基端側に突出しており、その基端部２０９には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ１４５が被せられている。セパレータ１４５は、検出素子２００の基端部２０９に形成された５個の電極パッド２３５，２３５，…とそれぞれ電気的に接続する５個の接続端子１４７，１４７，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持している。これらの接続端子１４７，１４７，…は、ガスセンサ１００の外部に引き出される５本のリード線１４９，１４９，…（図１ではそのうちの３本を図示している。）にも電気的に接続している。そして、セパレータ１４５は、接続端子１４７，１４７，…とリード線１４９，１４９，…との各接続部分を互いに絶縁しつつ収容している。

そして、セパレータ１４５の周囲を囲うようにして、筒状の外筒１５１が配設されている。この外筒１５１は、ステンレス（本実施形態ではＳＵＳ３０４）製であり、その先端開口部１５２が、主体金具１１０の基端固定部１１６の径方向外側に配置されている。この先端開口部１５２は、外側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて、基端固定部１１６に接合されている。

また、外筒１５１とセパレータ１４５との間隙には、金属製で筒状をなす保持金具１５３が配設されている。この保持金具１５３は、自身の基端を内側に折り曲げて構成した支持部１５４を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ１４５の基端側外周に鍔状に設けられた鍔部１４６をこの支持部１５４に係止させて、セパレータ１４５を支持している。この状態で、保持金具１５３が配置された部分の外筒１５１が外側から加締められ、セパレータ１４５を支持した保持金具１５３が外筒１５１に固定されている。

また、外筒１５１の基端側開口には、フッ素系ゴム製のグロメット１５５が嵌合されている。このグロメット１５５は、５つの挿通孔１５６，１５６，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔１５６，１５６，…に、セパレータ１４５から延出した５本のリード線１４９，１４９，…が気密に挿通されている。この状態でグロメット１５５は、セパレータ１４５を先端側に押圧しつつ、外筒１５１の外側から加締められて、外筒１５１に固定されている。

主体金具１１０に保持された検出素子２００は、その検出部２０１が、主体金具１１０の先端部である先端固定部１１３よりも先端側に突出している。そして、この先端固定部１１３には、検出素子１１０の検出部２０１を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ１６０が嵌められ、レーザ溶接によって固定されている。このプロテクタ１６０は、有底筒状の内側プロテクタ１６１と、この内側プロテクタ１６１の径方向周囲を、空隙を介して取り囲む筒状をなす外側プロテクタ１７１とから構成される二重構造を有する。

内側プロテクタ１６１は、有底の筒状をなし、自身の内部に検出素子２００の検出部２０１を配置した状態で、主体金具１１０に固定されている。この内側プロテクタ１６１には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する内側導入孔１６７，１６７，…が、検出素子２００の先端２００ｓよりも基端側に複数設けられている。これらの内側導入孔１６７，１６７，…は、軸線ＡＸ方向に２段に分けて配置されると共に、それぞれ周方向に並んて配置されている。また、この内側プロテクタ１６１の先端側には、内部に向けて切り込み状に開口された水抜き孔１６６，１６６，１６６が、周方向に並んで複数（３個）設けられている。これらの水抜き孔１６６，１６６，１６６は、検出素子２００の先端２００ｓよりも先端側に形成されている。また、この内側プロテクタ１６１の底壁中央には、排気ガス及び水を外部に排出する排出孔１６４が形成されている。

一方、外側プロテクタ１７１は、内側プロテクタ１６１の径方向周囲を空隙を介して取り囲んだ状態で、主体金具１１０に固定されている。この外側プロテクタ１７１の先端部１７２は、内側プロテクタ１６１に向けて内側に折り曲げられている。これにより、内側プロテクタ１６１と外側プロテクタ１７１との空隙が先端側で閉塞されている。また、外側プロテクタ１７１のうち、検出素子２００の先端２００ｓよりも先端側の所定位置には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する複数（８個）の外側導入孔１７７，１７７，…が、周方向に並んで形成されている。これらの外側導入孔１７７，１７７，…の各々には、内側に向けて延出する板状のガイド体１７８，１７８，…が設けられている。これにより、外部から外側導入孔１７７，１７７，…を介して内部に導入された排気ガスは、内側プロテクタ１６１との空隙において、軸線ＡＸの周方向に旋回する旋回流を生じる。

このガスセンサ１００は、次のようにして製造する。即ち、前述した方法で製造した検出素子２００を金属カップ１３１に挿入し、更にセラミックリング１３３と第１滑石リング１３５で固定して、組み立て体を形成する。その後、この組み立て体を、プロテクタ１６０を接合した主体金具１１０に挿入し、更に第２滑石リング１３７とスリーブ１４１、加締めパッキン１４３を挿入して、主体金具１１０の加締め部１１８にて加締め、下部組立体を形成する。一方、外筒１５１、セパレータ１４１、グロメット１５５等を組み付け、上部組立体を形成する。そして、下部組立体と上部組立体とを接合して、ガスセンサ１００を完成させる。

以上で説明したように、本実施形態１では、検出素子２００における保護本体層２１１及び第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１（主成分がアルミナ）は、第１，第２固体電解質層２１５，２２３（主成分がジルコニア）とは主成分の異なる材質からなるので、焼成収縮率が大きく異なる。このため、これらの積層体を同時焼成して冷却する際に、第１，第２固体電解質層２１５，２２３と保護本体層２１１及び第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１との間には、焼成収縮率の違いに起因する応力が生じる。

しかしながら、本実施形態１では、保護本体層２１１と第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１とを、同じ主成分（具体的にはアルミナ）で形成し、かつ、同程度の厚み（具体的には同じ厚み、ｔ１＝ｔ２）とし、第１，第２固体電解質層２１５，２２３を中心に保護本体層２１１と第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１とを重ねた厚み方向に対称的な構造をなす対称構造部２１０を一部に設けている。このため、焼成収縮率の違いに起因する応力は、第１，第２固体電解質層２１５，２２３を中心として厚み方向にほぼ均等に（対称的に）生じるので、検出素子２００のうちの対称構造部２１０では反りが生じにくくなり、素子全体の反りも抑制できる。従って、検出素子２００に他の部材を組み付ける際に、検出素子２００に亀裂や破損が生じにくく、ガスセンサ１００を製造する際の組み付け性が良好となり、信頼性の高いガスセンサ１００とすることができる。

また、本実施形態１では、センサ機能部２５０、保護部２６０及びヒータ部２７０を、それぞれ、検出素子２００のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置している。即ち、センサ機能部２５０、保護部２６０及びヒータ部２７０が、検出素子２００のいずれの部位でも重なっている。このようにすることで、センサ機能部２５０のうちの第１，第２固体電解質層２１５，２２３と、保護部２６０のうちの保護本体層２１１と、ヒータ部２７０のうちの第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１との三者が重なる対称構造部２１０を、広い範囲に亘って形成し得る。具体的には、本実施形態１では、検出素子２００のうち、ガス導入部２１２が設けられた部分と第１〜第１０スルーホール導体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ等が設けられた部分を除いたすべての部分が、対称構造部２１０とされている。このため、検出素子２００に焼成時の反りがより一層生じにくく、更に信頼性の高いガスセンサ１００となっている。

また、本実施形態１では、センサ機能部２５０を構成する第１固体電解質層２１５と第２固体電解質層２２５とを、同程度の厚み（具体的には同じ厚み、ｔ０１＝ｔ０２）としている。このため、焼成時に、第１固体電解質層２１５と保護部２６０の保護本体層２１１との間に生じる応力と、第２固体電解質層２２３とヒータ部１７０の第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１との間に生じる応力とを、同程度にすることができる。従って、この点からも、焼成時に検出素子２００に反りが生じにくく、検出素子２００に他の部材を組み付ける際に、検出素子２００に亀裂や破損が生じにくく、ガスセンサ１００を製造する際の組み付け性が良好となり、信頼性の高いガスセンサ１００とすることができる。

また、第１，第２固体電解質層２１５，２２３はジルコニアを主成分としているので、特定ガス成分の検出性能を良好にすることができる。一方、保護本体層２１１及び第１，第２ヒータ絶縁層２２７，２３１はアルミナを主成分としているので、検出素子２００の高温耐久性を向上させることができる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。図５に、本実施形態２のガスセンサ３００を構成する検出素子４００の分解斜視図を示す。更に、図６及び図７に、検出素子４００の先端側部分と基端側部分の各横断面図を示す。本実施形態２のガスセンサ３００は、検出素子４００の形態が上記実施形態１のガスセンサ１００の検出素子２００の形態と異なる。それ以外は、基本的に、上記実施形態１と同様であるので、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。

本実施形態２に係る検出素子４００は、互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成して形成したものであり、軸線ＡＸ方向に延びる板状（短冊状）をなす。検出素子４００は、センサ機能部４５０と保護部４６０とヒータ部４７０とを有する。保護部４６０は、センサ機能部４５０の一方の主面（第１面４５０ａ）上に積層され、ヒータ部４７０は、センサ機能部４５０の他方の主面（第２面４６０ａ）上に積層されている。なお、このセンサ機能部４５０が本発明のセンサ機能部に相当し、保護部４６０が本発明の第１部に相当し、ヒータ部４７０が本発明の第２部に相当する。

まず、センサ機能部４５０について説明する。このセンサ機能部４５０は、酸素濃淡電池用の緻密な固体電解質層４１５と、この固体電解質体４１５の両面に形成された第１電極４１３及び第２電極４１７とから構成されている。固体電解質層４１５は、ジルコニアを主成分として、安定化剤にイットリア又はカルシア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。この固体電解質層４１５の厚みｔ３（図６参照）は、０．５ｍｍである。また、この固体電解質層４１５の基端側の所定位置には、第１スルーホール導体４１５ａが貫通形成されている。

第１電極４１３は、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第１電極部４１３ａと、この第１電極部４１３ａから基端側に延びる第１リード部４１３ｂとから構成されている。この第１リード部４１３ｂは、その基端において、後述する保護本体層４１１に設けられた第３スルーホール導体４１１ｂに電気的に接続している。
第２電極４１７も、白金を主成分としており、先端側の所定位置に形成された平面視矩形状の第２電極部４１７ａと、この第２電極部４１７ａから基端側に延びる第２リード部４１７ｂとから構成されている。この第２リード部４１７ｂは、その基端において、固体電解質層４１５に設けられた第１スルーホール導体４１５ａに電気的に接続している。

次に、保護部４６０について説明する。この保護部４６０は、一枚の緻密な保護本体層（第１基層）４１１を有する。この保護本体層４１１は、アルミナを主成分とする材質からなる。この保護本体層４１１の厚みｔ４（図６参照）、即ち、保護部４６０の厚みｔ４は、０．５ｍｍである。また、この保護本体層４１１には、前述の第１電極部４１３ａに対応する位置に、この保護本体層４１１を貫通する平面視矩形状の開口４１１ｄが設けられている。そして、この開口４１１ｄ内には、これを閉塞するようにして、アルミナを主成分とする多孔質のガス導入部４１２が設けられている。

また、保護本体層４１１の表面のうち、基端側の所定位置には、２つの電極パッド４３５，４３５が幅方向に並んで配置されている。また、この保護本体層２１１の基端側の所定位置には、第２スルーホール導体４１１ａ及び第３スルーホール導体４１１ｂが貫通形成されている。第２スルーホール導体４１１ａは、一方の電極パッド４３５に電気的に接続すると共に、固体電解質層４１５に設けられた第１スルーホール導体４１５ａに電気的に接続している。また、第３スルーホール導体４１１ｂは、他方の電極パッド４３５に電気的に接続すると共に、第１電極４１３の第１リード部４１３ｂに電気的に接続している。

次に、ヒータ部４７０について説明する。このヒータ部４７０は、電気絶縁性の緻密な第１ヒータ絶縁層（第２基層）４２７と、電気絶縁性の緻密な第２ヒータ絶縁層（第２基層）４３１と、これらの間に挟まれ、通電により発熱する発熱抵抗体４２９とを有する。第１ヒータ絶縁層４２７は、アルミナを主成分とした材質から形成され、センサ機能部４５０の第２面４５０ｂ上に積層されている。また、第２ヒータ絶縁層４３１も、アルミナを主成分とした材質から形成されている。第１ヒータ絶縁層４２７及び第２ヒータ絶縁層４３１の厚みは、共に０．２５ｍｍであるので、これらを合わせた厚みｔ５（図６参照）、即ち、ヒータ部４７０の厚みｔ５は、０．５ｍｍである。従って、第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１の合計厚みｔ５（ヒータ部４７０の厚みｔ５）は、保護本体層４１１の厚みｔ４（保護部４６０の厚みｔ４）と等しい（ｔ４＝ｔ５）。

また、この第２ヒータ絶縁層４３１の基端側の所定位置には、第４スルーホール導体４３１ａと第５スルーホール導体４３１ｂが貫通形成されている。また、この第２ヒータ絶縁層４３１の基端側の所定位置には、２つの電極パッド４３５，４３５が幅方向に並んで配置されている。一方の電極パッド４３５は、第４スルーホール導体４３１ａに電気的に接続している。他方の電極パッド４３５は、第５スルーホール導体４３１ｂに電気的に接続している。

発熱抵抗体４２９は、先端側の所定位置に配置され、ジグザク状（蛇行状）をなす発熱部４２９ａと、この発熱部４２９ａの一端から基端側に延びる第１ヒータリード部４２９ｂと、発熱部４２９ａの他端から基端側に延びる第２ヒータリード部４２９ｃとからなる。第１ヒータリード部４２９ｂは、その基端において、第２ヒータ絶縁層４３１に設けられた第４スルーホール導体４３１ａに電気的に接続している。また、第２ヒータリード部４２９ｃは、その基端において、第２ヒータ絶縁層４３１に設けられた第５スルーホール導体４３１ｂに電気的に接続している。

このように、本実施形態２に係る検出素子４００は、ジルコニアを主成分とし、特定ガス成分の検出に機能する固体電解質層４１５を有するセンサ機能部４５０を備える。また、センサ機能部４５０の第１面４５０ａ上には、固体電解質層４１５とは主成分の異なる（具体的にはアルミナを主成分とする）緻密な保護本体層４１１を有する保護部４６０が積層されている。また、センサ機能部４５０の第２面４５０ｂ上には、保護本体層４１１と主成分が同じで（具体的にはアルミナを主成分とする）緻密な第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１を有するヒータ部４７０が積層されている。

また、第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１の合計厚みｔ５は、保護本体層４１１の厚みｔ４の８０％以上１２０％以下である。具体的には、第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１の合計厚みｔ５と保護本体層４１１の厚みｔ４が等しい（ｔ４＝ｔ５）。
従って、この検出素子４００のうち、ガス導入部４１２が設けられた部分と第１〜第５スルーホール導体４１１ａ，４１１ｂ等が設けられた部分を除いたすべての部分は、対称構造部４１０とされている。即ち、センサ機能部４５０のうちの固体電解質層４１５と、保護部４６０のうちの保護本体層４１１と、ヒータ部４７０のうちの第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１との三者が、厚み方向に対称的に重なる対称構造部４１０とされている。

次いで、この検出素子４００の製造方法について説明する。なお、焼成後の部材とこれに対応する焼成前の部材とは、便宜上、同一の符号を用いて説明する（図５参照）。
まず、アルミナ粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％からなる第１原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、保護本体層４１１に対応する未焼成保護本体層４１１、第１ヒータ絶縁層４２７に対応する未焼成第１ヒータ絶縁層４２７、及び、第２ヒータ絶縁層４３１に対応する未焼成第２ヒータ絶縁層４３１をそれぞれ形成した。更に、未焼成保護本体層４１１に開口４１１ｄを形成した。

また一方で、アルミナ粉末６３ｗｔ％、焼結調整剤としてのシリカ３ｗｔ％及びカーボン粉末３４ｗｔ％からなる第２原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、ガス導入部４１２に対応する未焼成ガス導入部４１２を得た。
また、ジルコニア粉末９７ｗｔ％及び焼結調整剤としてのシリカ（ＳｉＯ₂ 粉末及びアルミナ粉末合計３ｗｔ％）とからなる第３原料粉末と、ブチラール樹脂及びＤＢＰからなる可塑剤とを湿式混合により分散したスラリを用意した。そして、このスラリを用いて、固体電解質体４１５に対応する未焼成固体電解質体４１５を形成した。

そして、図５中に示した下方のものから順に、未焼成第２ヒータ絶縁層４３１、発熱抵抗体４２９に対応する未焼成発熱抵抗体４２９、未焼成第１ヒータ絶縁層４２７、第２電極４１７に対応した未焼成第２電極４１７、未焼成固体電解質層４１５、第１電極４１３に対応した未焼成第１電極４１３、及び、未焼成保護本体層４１１等を積層して、未焼成積層体を形成した。

具体的には、未焼成第２ヒータ絶縁層４３１上に、白金を主成分とするペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成発熱抵抗体４２９を形成した。そして、未焼成第２ヒータ絶縁層４３１及び未焼成発熱抵抗体４２９の上に、未焼成第１ヒータ絶縁層４２７を積層した。
また、未焼成固体電解質層４１５上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第２電極４１７を形成した。そして、これらを、未焼成第２電極４１７を挟み込むようにして、未焼成第１ヒータ絶縁層４２７上に積層した。その後、未焼成固体電解質層４１５上に、白金９０ｗｔ％及びジルコニア粉末１０ｗｔ％の白金ペーストを用いて、スクリーン印刷により、未焼成第１電極４１３を形成した。
次に、未焼成固体電解質層４１５及び未焼成第１電極４１３上に、未焼成保護本体層４１１を積層した。未焼成保護本体層４１１には、予め、ガス導入部２１２に対応する未焼成ガス導入部４１２を形成しておく。かくして、未焼成積層体が形成される。

次に、この未焼成積層体を１ＭＰａで加圧して圧着した後、所定の大きさで切断した。その後、この未焼成積層体を、樹脂抜きし、更に焼成温度１５００℃で１時間保持する本焼成を行って、検出素子４００を得た。
その後、この検出素子４００の先端側の周囲に、スピネル粉末とチタニアとアルミナゾルのスラリを用いて、検出部保護層（不図示）に対応する未焼成検出部保護層を形成した。その後、この検出素子４００を、焼成温度１０００℃、焼成時間３時間で熱処理を行い、検出部保護層を有する検出素子４００を得た。

なお、本実施形態２に係る検出素子４００では、電極パッド４３５，４３５，…の個数（４つ）が、上記実施形態１に係る検出素子２００の電極パッド２３５，２３５，…の個数（５つ）と異なる。このため、ガスセンサ３００を構成する各部材のうち、電極パッド４３５，４３５，…に関わる部材、例えば、接続端子１４７やリード線１４９、セパレータ１４５など（図１参照）は、電極パッド４３５，４３５，…の個数に合わせて、その個数や形態が異なる。

以上で説明したように、本実施形態２では、検出素子４００において、保護本体層４１１及び第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１（主成分がアルミナ）は、固体電解質層４１５（主成分がジルコニア）とは主成分が異なる材質からなるので、焼成収縮率が大きく異なる。このため、これらの積層体を同時焼成して冷却する際に、固体電解質層４１５と保護本体層４１１及び第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１との間には、焼成収縮率の違いに起因する応力が生じる。

しかしながら、本実施形態２では、保護本体層４１１と第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１とを、同じ主成分（具体的にはアルミナ）で形成し、かつ、同程度の厚み（具体的には同じ厚み、ｔ４＝ｔ５）とし、固体電解質層４１５を中心に保護本体層４１１と第１，第２ヒータ絶縁層４２７，４３１とを重ねた厚み方向に対称的な構造をなす対称構造部４１０を構成している。このため、焼成収縮率の違いに起因する応力は、固体電解質層４１５を中心として厚み方向にほぼ均等に（対称的に）生じるので、検出素子４００のうちの対称構造部４１０には反りが生じにくく、素子全体の反りも抑制できる。従って、検出素子４００に他の部材を組み付ける際に、検出素子４００に亀裂や破損が生じにくく、ガスセンサ３００を製造する際の組み付け性が良好となり、信頼性の高いガスセンサ３００とすることができる。
その他、上記実施形態１と同様な部分は、上記実施形態１と同様な作用効果を奏する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１，２に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態１，２では、センサ機能部２５０，４５０、保護部２６０，４６０及びヒータ部２７０，４７０を、それぞれ、検出素子２００，４００のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置したが、これらを検出素子２００，４００のうち、各層の積層方向に直交する方向の一部のみに配置する形態とすることもできる。例えば、センサ機能部２５０，４５０及びヒータ部２７０，４７０を検出素子２００，４００のうち、積層方向に直交する方向の全体に配置しつつ、保護部２６０，４６０については、積層方向に直交する方向の先端側部分にのみ配置する形態とすることもできる。このようにしても、一部に対称構造部を設けることで、少なくともその部分について焼成時に検出素子に反りが生じるのを抑制できる。
また、上記実施形態１，２では、ガスセンサ１００，３００として全領域空燃比センサを例示したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等について、本発明を適用することもできる。

実施形態１に係るガスセンサの部分断面図である。 実施形態１に係るガスセンサのうち、検出素子の分解斜視図である。 実施形態１に係るガスセンサのうち、検出素子の先端側部分の横断面図である。 実施形態１に係るガスセンサのうち、検出素子の基端側部分の横断面図である。 実施形態２に係るガスセンサのうち、検出素子の分解斜視図である。 実施形態２に係るガスセンサのうち、検出素子の先端側部分の横断面図である。 実施形態２に係るガスセンサのうち、検出素子の基端側部分の横断面図である。

符号の説明

１００，３００ ガスセンサ
２００，４００ 検出素子
２１０，４１０ 対称構造部
２１１，４１１ 保護本体層（第１基層）
２１２，４１２ ガス導入部
２１３，４１３ 第１電極
２１５ 第１固体電解質層
２１７，４１７ 第２電極
２１９ 絶縁層
２１９ｄ ガス検出室
２２０ 拡散律速部
２２１ 第３電極
２２３ 第２固体電解質層
２２５ 第４電極
２２７，４２７ 第１ヒータ絶縁層（第２基層）
２２９，４２９ 発熱抵抗体
２３１，４３１ 第２ヒータ絶縁層（第２基層）
２５０，４５０ センサ機能部
２５０ａ，４５０ａ 第１面
２５０ｂ，４５０ｂ 第２面
２５１ 酸素ポンプセル
２５３ 酸素濃度検出セル
２６０，４６０ 保護部（第１部）
２７０，４７０ ヒータ部（第２部）
４１５ 固体電解質
ｔ０ （センサ機能部全体の）厚み
ｔ０１ （第１固体電解質層の）厚み
ｔ０２ （第２固体電解質層の）厚み
ｔ１，ｔ４ （保護本体層の）厚み
ｔ２，ｔ５ （第１，第２ヒータ絶縁層を合わせた）厚み
ｔ３（固体電解質層の）厚み
ＡＸ 軸線

Claims (6)

1. 互いに積層され主成分が異なる複数層を同時焼成してなる積層型で、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出素子、を備えるガスセンサであって、
   前記検出素子は、
   前記特定ガス成分の検出に機能する一又は複数の固体電解質層を有し、第１面及びこの裏面をなす第２面を有する板状のセンサ機能部と、
   前記センサ機能部の前記第１面上に積層されてなり、前記固体電解質層とは主成分の異なる緻密な材質からなる一又は複数の板状の第１基層から構成される板状の第１部と、
   前記センサ機能部の前記第２面上に積層されてなり、前記第１基層と主成分が同じである緻密な材質からなる一又は複数の板状の第２基層から構成される板状の第２部と、を備え、
   積層方向に見て、前記第２基層の合計厚みを、前記第１基層の合計厚みの８０％以上１２０％以下とし、
   センサ機能部のうちの前記固体電解質層を間に挟んで、前記第１部のうちの前記第１基層と前記第２部のうちの前記第２基層とが重なって対称構造をなす対称構造部を、前記検出素子の少なくとも一部に設けてなる
   ガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記センサ機能部、前記第１部及び前記第２部を、それぞれ、前記検出素子のうち、各層の積層方向に直交する方向の全体に配置してなる
   ガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記第２部の内部に、通電により発熱する発熱抵抗体を埋設してなる
   ガスセンサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記センサ機能部は、
   前記固体電解質層として、前記第１面を有する第１固体電解質層と、前記第２面を有する第２固体電解質層とを有し、
   前記第２固体電解質層の厚みを、前記第１固体電解質層の厚みの８０％以上１２０％以下としてなる
   ガスセンサ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記固体電解質層は、ジルコニアを主成分としてなり、
   前記第１基層及び第２基層は、アルミナを主成分としてなる
   ガスセンサ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
   前記第１部の前記第１基層の層数と前記第２部の前記第２基層の層数とが、互いに異なる
   ガスセンサ。

Images