(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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１つ以上設けた検出素子部、及び、絶縁体に通電により発熱するヒータを設けてなるヒータ部を積層してなると共に、長手方向に延びる積層体と、前記積層体のうち測定対象ガスに晒される先端部を被覆してなる多孔質保護層と、を備えるガスセンサ素子であって、
積層方向に平行な前記固体電解質体の端面のすべてが緻密絶縁部材で覆われており、
前記セルのうち、前記ヒータによる温度制御の対象となり、かつ前記ガスセンサ素子の最高温度を示す制御対象セルの目標制御温度が６００〜８３０℃のうちの１点の温度であり、
前記多孔質保護層は、前記ガスセンサ素子の先端部から前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が５００℃以上の温度状態となる領域に形成されると共に、３００℃以下の温度状態となる領域には非形成であるガスセンサ素子。
【請求項２】
前記多孔質保護層は、前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が５００℃未満の温度状態となる領域には非形成である請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記多孔質保護層は、前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が３００℃を超え５００℃未満の温度状態となる領域に形成される請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子を用いるガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関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、図６に示すように自身の内部にガスセンサ素子１０００を有し、ガスセンサ素子１０００は、固体電解質体１３００ｃと該固体電解質体に配置された一対の電極１３００ａ、１３００ｂとからなるセルを有する検出素子部１３００、及び絶縁体に通電により発熱するヒータ１２００ｈを設けてなるヒータ部１２００を積層した積層体から構成されている。そして、ヒータ１２００ｈの発熱により固体電解質体１３００ｃが活性状態とされ、ガスセンサ素子１０００による検出が可能になっている。
ここで、ガスセンサ素子１０００は排気ガス中に含まれるシリコンやリンなどの被毒物質に晒されたり、排気ガス中の水滴が付着することがあるため、ガスセンサ素子１０００の外表面には、被毒物質を捕捉したり、水滴がガスセンサ素子に直接接触しないよう多孔質保護層１４００が被覆されている。つまり、上記の積層体のうち測定対象ガス（排気ガス）に晒される先端部の全周を、多孔質保護層１４００にて被覆している（特許文献１参照）。そして、従来、多孔質保護層１４００は、ガスセンサ素子の先端部のうち、使用時に少なくとも２００℃以上の温度状態となる全ての領域に形成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７３１４６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、ガスセンサ素子１０００の先端側に多孔質保護層１４００を設けると、多孔質保護層１４００ひいてはガスセンサ素子１０００全体の熱容量が増大し、ヒータ１２００ｈでガスセンサ素子１０００を加熱する際の消費電力や検出までの待機時間が増えるという問題がある。
一方、ガスセンサ素子１０００のさらに先端側の２００℃を超える高温の部位にのみ多孔質保護層１４００を形成することで、多孔質保護層１４００の形成面積を低減し、上記熱容量を低減することができる。
ところが、一般的なガスセンサ素子１０００においては、上述のように板状の固体電解質体１３００ｃをアルミナ等の各種絶縁層１２００ａ等と積層しており、固体電解質体１３００ｃや絶縁層１２００ａの端面（図６の面Ｅ）がガスセンサ素子１０００の外側に露出している。そして、固体電解質体１３００ｃは絶縁層１２００ａよりも熱膨張率が高いため、ガスセンサ素子１０００の端面のうち高温の部位に水滴が接触（被水）すると、固体電解質体１３００ｃに熱応力が加わってクラックが生じるおそれがある。
従って、固体電解質体１３００ｃが直接被水しても熱応力が過大とならないレベル、つまり使用時に２００℃未満の部位には多孔質保護層１４００を覆わなくてもよいが、使用時に２００℃以上の領域には多孔質保護層１４００を形成せざるを得ず、熱容量を低減するには至っていない。
【０００５】
そこで、本発明は、多孔質保護層を備えたガスセンサ素子をヒータで加熱する際の消費電力や検出までの待機時間を低減させると共に、固体電解質体への被水によるクラックの発生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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子は、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１つ以上設けた検出素子部、及び、絶縁体に通電により発熱するヒータを設けてなるヒータ部を積層してなると共に、長手方向に延びる積層体と、前記積層体のうち測定対象ガスに晒される先端部を被覆してなる多孔質保護層と、を備えるガスセンサ素子であって、積層方向に平行な前記固体電解質体の端面のすべてが緻密絶縁部材で覆われており、前記セルのうち、前記ヒータによる温度制御の対象となり、かつ前記ガスセンサ素子の最高温度を示す制御対象セルの目標制御温度が６００〜８３０℃のうちの１点の温度であり、前記多孔質保護層は、前記ガスセンサ素子の先端部から前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が５００℃以上の温度状態となる領域に形成されると共に、３００℃以下の温度状態となる領域には非形成である。
このガスセンサ素子によれば、固体電解質体の端面のすべてが、緻密絶縁部材で覆われている。このため、この端面がガスセンサ素子の外側に露出することが無く、ガスセンサ素子のうち２００℃を超え３００℃以下の温度状態となる部位に水滴が直接接触（被水）しても固体電解質体に過大な熱応力は加わらず、クラックの発生が抑制される。
従って、５００℃以上の温度状態となる、より高温の領域には少なくとも多孔質保護層を形成し、３００℃以下の温度状態となる領域には多孔質保護層を形成しない態様とすることで、２００℃以上の温度状態となる領域に多孔質保護層が形成されていた従来のガスセンサ素子に比べ、多孔質保護層の形成面積を低減することができ、多孔質保護層ひいてはガスセンサ素子の熱容量を低減することができる。その結果、ヒータでガスセンサ素子を加熱する際の消費電力や検出までの待機時間を低減させることができる。
【０００７】
本発明のガスセンサ素子において、前記多孔質保護層は、前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が５００℃未満の温度状態となる領域には非形成であってもよい。
このガスセンサ素子によれば、クラックを生じさせない範囲で、多孔質保護層の形成面積をより一層低減できるため、多孔質保護層ひいてはガスセンサ素子の熱容量を低減させ、消費電力や検出までの待機時間をさらに低減させることができる。
【０００８】
本発明のガスセンサ素子において、前記多孔質保護層は、前記ヒータによる前記温度制御時に前記積層体が３００℃を超え５００℃未満の温度状態となる領域に形成されてもよい。
このガスセンサ素子によれば、多孔質保護層が３００℃以下の温度状態となる領域には非形成であるため、２００℃以上の温度状態となる領域に多孔質保護層が形成されていた従来のガスセンサ素子に比べ、多孔質保護層の形成面積を低減することができ、消費電力や検出までの待機時間を低減させることができると共に、多孔質保護層が３００℃を超え５００℃未満の温度状態となる領域に形成されているため、耐被水性が向上し、被水量が従来よりも大幅に増加する環境で使用したとしてもクラックが生じることを抑制できる。
【０００９】
本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子は、前記ガスセンサ素子を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、多孔質保護層を備えたガスセンサ素子をヒータで加熱する際の消費電力や検出までの待機時間を低減させることができると共に、固体電解質体への被水によるクラックの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明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。
【図２】検出素子及びヒータの模式分解斜視図である。
【図３】図１の検出素子の先端側の部分拡大断面図である。
【図４】ガスセンサ素子の軸線方向に直交する模式断面図である。
【図５】ガスセンサ素子の多孔質保護層の長さと、ヒータの消費電力との関係を示す図である。
【図６】従来のガスセンサ素子の軸線方向に直交する模式断面図である。粉末）の累積粒度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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は検出素子３００及びヒータ２００の模式分解斜視図、図３は検出素子３００の軸線Ｌ方向に直交する断面図である。
【００１３】
図１に示すように、ガスセンサ１は、検出素子部３００及び検出素子部３００に積層されるヒータ部２００から構成されるガスセンサ素子１００、ガスセンサ素子１００等を内部に保持する主体金具（特許請求の範囲の「ハウジング」に相当）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（長手方向）に延びるように配置されている。
【００１４】
ヒータ部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１０２を積層したものが、特許請求の範囲の「絶縁体」に相当する。又、発熱部１０２ａが特許請求の範囲の「ヒータ」に相当する。
【００１５】
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とを備える。酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５ｃと、その第１固体電解質体１０５ｃの両面に形成された基準電極１０４及び検知電極１０６とから形成されている。
ここで、第１固体電解質体１０５ｃは略矩形板状をなし、第１固体電解質体１０５ｃのうち、積層方向に平行な４つの端面１０５ｅを第１支持部１０５ｒが囲んでいる。第１支持部１０５ｒは自身の先端側に第１固体電解質体１０５ｃを内包している。そして、第１支持部１０５ｒと第１固体電解質体１０５ｃとが第１層１０５を構成し、第１層１０５は長手方向に延びて後述する保護層１１１等と同一寸法になっている。
基準電極１０４は、基準電極部１０４ａと、基準電極部１０４ａから第１層１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。検知電極１０６は、検知電極部１０６ａと、検知電極部１０６ａから第１層１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。
【００１６】
そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１層１０５（第１支持部１０５ｒ）に設けられる第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２層１０９（第２支持部１０９ｒ）に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層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、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、第２支持部１０９ｒに設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層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。
【００１７】
一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９ｃと、その第２固体電解質体１０９ｃの両面に形成された内側第１ポンプ電極１０８、外側第１ポンプ電極１１０とから形成されている。
ここで、第２固体電解質体１０９ｃは略矩形板状をなし、第２固体電解質体１０９ｃのうち、積層方向に平行な４つの端面１０９ｅを第２支持部１０９ｒが囲んでいる。第２支持部１０９ｒは自身の先端側に第２固体電解質体１０９ｃを内包している。そして、第２支持部１０９ｒと第２固体電解質体１０９ｃとが第２層１０９を構成し、第２層１０９は長手方向に延びて後述する保護層１１１等と同一寸法になっている。なお、本実施形態では、第２固体電解質体１０９ｃの平面寸法が第１固体電解質体１０５ｃよりも小さくなっている。
内側第１ポンプ電極１０８は、内側第１ポンプ電極部１０８ａと、この内側第１ポンプ電極部１０８ａから第２層１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。外側第１ポンプ電極１１０は、外側第１ポンプ電極部１１０ａと、この外側第１ポンプ電極部１１０ａから第２層１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。
【００１８】
なお、第１支持部１０５ｒ及び第２支持部１０９ｒが特許請求の範囲の「緻密絶縁部材」に相当する。又、「緻密」とは、例えば水や空気が通過しない程度の密度であることをいう。
【００１９】
そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２層１０９（第２支持部１０９ｒ）に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層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。
【００２０】
これら第１固体電解質体１０５ｃ、第２固体電解質体１０９ｃは、ジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）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。
【００２１】
発熱体１０２、基準電極１０４、検知電極１０６、内側第１ポンプ電極１０８、外側第１ポンプ電極１１０、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、二種以上を併用することもできる。
【００２２】
もっとも、発熱体１０２、基準電極１０４、検知電極１０６、内側第１ポンプ電極１０８、外側第１ポンプ電極１１０、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、基準電極１０４、検知電極１０６、内側第１ポンプ電極１０８、外側第１ポンプ電極１１０、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固体電解質体１０５ｃ、第２固体電解質体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。
【００２３】
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、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、検知電極部１０６ａ及び内側第１ポンプ電極部１０８ａに対応する位置に中空のガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、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、外部とガス検出室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。
ガス検出室１０７ｃが特許請求の範囲の「間隙」に相当する。
【００２４】
第１支持部１０５ｒ、第２支持部１０９ｒ、絶縁部１１４、及び後述する補強部１１２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。
【００２５】
拡散律速部１１５、及び後述する電極保護部１１３ａは、アルミナ等のセラミック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ガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。
【００２６】
また、第２固体電解質体１０９の表面には、外側第１ポンプ電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、外側第１ポンプ電極部１１０ａを挟み込むようにして、外側第１ポンプ電極部１１０ａを被毒から防御するための多孔質の電極保護部１１３ａと、第４リード部１１０ｂを挟み込むようにして電極保護部１１３ａを支持する補強部１１２とからなる。ここで、電極保護部１１３ａは略矩形板状をなし、電極保護部１１３ａの積層方向に平行な４つの端面を補強部１１２が囲んでいる。補強部１１２は自身の先端側に電極保護部１１３ａを内包している。そして、補強部１１２は長手方向に延びて後述する保護層１１１等と同一寸法になっている。
なお、本実施形態では、電極保護部１１３ａの平面寸法は第２固体電解質体１０９ｃの平面寸法より小さく、幅方向及び長手方向において、第２固体電解質体１０９ｃの内側に電極保護部１１３ａが配置されている。
【００２７】
本実施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、本実施形態のガスセンサ素子１００は、酸素濃度検出セル１３０の第１固体電解質体１０５ｃのインピーダンス（抵抗値）Ｒｐｖｓを間欠的に測定し、このインピーダンスに基づいてヒータ（発熱部）１０２ａによるガスセンサ素子１００の加熱状態をフィードバックしている。
従って、ヒータ１０２ａによる温度制御の対象となる酸素濃度検出セル１３０が、特許請求の範囲の「制御対象セル」に相当する。又、ヒータ１０２ａによる酸素濃度検出セル１３０の目標制御温度は、第１固体電解質体１０５ｃのインピーダンスから換算される温度に相当し、この目標制御温度は６００〜８３０℃に設定されている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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に加締め後、レーザ溶接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と共に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。
【００３１】
また、セパレータ５０には、検出素子部３００やヒータ部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３００の検出素子側パッド１２１及びヒータ部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。
【００３２】
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。
【００３３】
次に、本発明の特徴部分である多孔質保護層２０について説明する。図１に示すように、多孔質保護層２０は、ガスセンサ素子１００の先端側の全周（表裏面及び両側面の４面）を完全に囲んで形成されている。
図３は、図１のガスセンサ素子１００の先端側の部分拡大断面図である。多孔質保護層２０は、検出素子部３００とヒータ部２００との積層体の表面直上であって、ガスセンサ素子１００の先端面から軸線Ｌ方向に沿って後端側に向かい、ガスセンサ素子の使用時に５００℃以上の温度状態となる領域Ｒに形成されると共に、３００℃以下の温度状態となる領域には形成されていない。
【００３４】
ここで、第１固体電解質体１０５ｃ及び第２固体電解質体１０９ｃの各端面１０５ｅ、１０９ｅ（図１参照）のすべてが、緻密絶縁部材である第１支持部１０５ｒ及び第２支持部１０９ｒでそれぞれ覆われている。このため、各端面１０５ｅ、１０９ｅがガスセンサ素子１００の外側に露出することが無く、ガスセンサ素子１００のうち２００℃を超え３００℃以下の高温の部位に水滴が直接接触（被水）しても第１固体電解質体１０５ｃ及び第２固体電解質体１０９ｃに過大な熱応力は加わらず、クラックの発生が抑制される。
従って、ガスセンサ素子１００の先端部から５００℃以上の温度状態となる、より高温の領域Ｒに多孔質保護層２０を形成することで、各固体電解質体１０５ｃ、１０９ｃにクラックを生じさせずに多孔質保護層２０の形成面積を低減し、多孔質保護層２０ひいてはガスセンサ素子１００の熱容量を低減することができる。その結果、ヒータ１０２ａでガスセンサ素子１００を加熱する際の消費電力や検出までの待機時間を低減させることができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、領域Ｒは、軸線Ｌ方向に沿って基準電極部１０４ａ、検知電極部１０６ａ、内側第１ポンプ電極部１０８ａ及び外側第１ポンプ電極部１１０ａと重なる領域より後端に至っている。
【００３６】
多孔質保護層２０は、例えばアルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト、ジルコン及びコージェライトの群から選ばれる１種以上のセラミック粒子を焼成等により結合して形成することができる。これらの粒子を含むスラリーを焼結することで皮膜の骨格中に気孔を形成することができるが、上記粒子を含むスラリーに焼失性の造孔材を添加したものを焼結すると、造孔材が焼失した部分が気孔となる。造孔材としては、例えばカーボン、樹脂製ビーズ、有機又は無機バインダの粒子を用いることができる。
又、多孔質保護層２０の厚みは、５０〜８００μｍとすると好ましく、５５０〜６５０μｍとするとより好ましい。
【００３７】
図４は、多孔質保護層２０を含むガスセンサ素子１００の軸線Ｌ方向に直交する方向（幅方向）に沿う模式断面図である。
本実施形態においては、内側第１ポンプ電極部１０８ａの幅方向の寸法１０８ｗは、電極保護部１１３ａの幅方向の寸法１１３ｗより小さい。又、外側第１ポンプ電極部１１０ａの幅方向の寸法１１０ｗは、内側第１ポンプ電極部１０８ａの幅方向の寸法１０８ｗと等しくなっている。
さらに、外側第１ポンプ電極部１１０ａの表面は、電極保護部１１３ａで直接覆われている。
以上のように、寸法１１０ｗ≦寸法１１３ｗとすることで、寸法１１０ｗを寸法１１３ｗより確実に小さくすることができる。
その結果、外側第１ポンプ電極部１１０ａを電極保護部１１３ａより幅方向の内側に確実に配置することができ、外側第１ポンプ電極部１１０ａと電極保護部１１３ａとが直接接した場合であっても、電極保護部１１３ａと補強部１１２の境界１１２ａ（図２）の段差部分に外側第１ポンプ電極部１１０ａが介在して同電極が断線する等の不具合を解消することができる。また、この段差を解消するために外側第１ポンプ電極部１１０ａと電極保護部１１３ａとの間に緩衝層を設ける必要がなく、緩衝層を設けた場合に比べて電極保護部１１３ａを介した外部とのガスの透過率を向上させることができる。
【００３８】
なお、図３に示すように、軸線Ｌ方向においても、内側第１ポンプ電極部１０８ａの寸法は、電極保護部１１３ａの寸法より小さい。又、外側第１ポンプ電極部１１０ａの寸法は、内側第１ポンプ電極部１０８ａの寸法と等しい。これにより、外側第１ポンプ電極部１１０ａと電極保護部１１３ａとが直接接した場合であっても、電極保護部１１３ａと補強部１１２の境界１１２ａ（図２）の段差部分に外側第１ポンプ電極部１１０ａが介在して同電極が断線する等の不具合をより確実に解消することができる。
【００３９】
又、本実施形態においては、ガス検出室１０７ｃがガスセンサ素子１００の幅方向で、拡散律速部１１５を介して外部と連通している。これにより、ガス検出室１０７ｃが、例えば積層方向で各層を貫通した貫通孔から外部と連通する場合に比べ、外部とのガスの透過率を向上させることができる。
【００４０】
本発明の実施形態に係るガスセンサ素子１００は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、未焼成のヒータ部２００としては、未焼成の第１基体１０１及び第２基体１０２を、アルミナ等の原料粉末、バインダ及び可塑剤等から調合されたペーストをドクターブレード法等により、シート状に成形した後乾燥させたグリーンシートを所定の大きさに切り出して形成する。そして、第１基体１０１上にＰｔ等の原料粉末、バインダ及び可塑剤等から調合されたペーストをスクリーン印刷法等により塗布後、乾燥させて未焼成の発熱体１０２を形成する。そして、発熱体１０２を挟むようにして未焼成の第１基体１０１と第２基体１０２を積層する。
【００４１】
同様に、アルミナのグリーンシートからなる未焼成の第１支持部１０５ｒの先端側を矩形状にくり抜き、くり抜き部分に部分安定化ジルコニアのグリーンシートからなる未焼成の第１固体電解質体１０５ｃを埋め込む。そして、未焼成の第１固体電解質体１０５ｃの表裏にそれぞれ未焼成の基準電極１０４及び検知電極１０６をペースト印刷し、未焼成の酸素濃度検出セル１３０を得る。さらに検知電極１０６側の第１固体電解質体１０５の表面に、未焼成の絶縁部１１４と拡散律速部１１５とをペースト印刷する。
同様に、アルミナのグリーンシートからなる未焼成の第２支持部１０９ｒの先端側を矩形状にくり抜き、くり抜き部分に部分安定化ジルコニアのグリーンシートからなる未焼成の第２固体電解質体１０９ｃを埋め込む。そして、未焼成の第２固体電解質体１０９ｃの表裏にそれぞれ未焼成の内側第１ポンプ電極１０８及び外側第１ポンプ電極１１０をペースト印刷し、未焼成の酸素ポンプセル１４０を得る。
そして、未焼成のヒータ部２００、酸素濃度検出セル１３０及び酸素ポンプセル１４０を積層し、全体を焼成してガスセンサ素子１００を製造する。
【００４２】
本発明は上記実施形態に限定されず、１以上のセルからなる検出素子部、及びヒータ部を有するあらゆるガスセンサ（ガスセンサ素子）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。
また、上記実施形態では、多孔質保護層２０をセラミック粒子にて形成したが、セラミック粒子にセラミックファイバーを含有させて多孔質保護層２０を形成するようにしてもよい。
又、上記実施形態では、未焼成のシート状の第１支持部１０５ｒのくり抜き部分にシート状の未焼成の第１固体電解質体１０５ｃを埋め込んだ後、焼成して第１固体電解質体１０５ｃの端面を第１支持部１０５ｒで覆ったが（第２固体電解質体１０９ｃも同様）、未焼成の第１固体電解質体１０５ｃ、１０９ｃの端面に緻密絶縁部材となるペーストを塗布して焼成してもよい。
【００４３】
＜滴下実験＞
図１〜図４に示す板状のガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００を、多孔質保護層２０を設けた態様で準備し、これを「実施例」とした。また、図１〜図４に示す板状のガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００を、多孔質保護層１４００を設けない態様で準備し、これを「参考例」とした。さらに図６に示す断面構造を有するガスセンサ素子（酸素センサ素子）１０００を、多孔質保護層１４００を設けない態様で準備し、これを「比較例」とした。比較例のガスセンサ素子１０００は、各固体電解質体１０５ｃ、１０９ｃが第１支持部１０５ｒ及び第２支持部１０９ｒでそれぞれ覆われず、他の層１０７、１１１と同一寸法として積層され、各固体電解質体１０５ｃ、１０９ｃの端面がガスセンサ素子１０００の外側に露出していること以外は、ガスセンサ素子１００と同一の構造を有する。
そして、各ガスセンサ素子１００、１０００の積層方向に平行な側面を上面にして各ガスセンサ素子を水平に保持し、この側面の軸線方向に沿った各位置の直上に水滴を滴下するマイクロシリンジを配置した。次に、酸素濃度検出セル１３０の目標制御温度が８３０℃となるようにヒータ１０２ａに通電して各ガスセンサ素子を加熱し、加熱されている上記側面の各位置に水滴を滴下してクラック発生の有無を観察した。
なお、加熱されている上記側面の各位置の温度をサーモグラフィで測定し、１００℃〜７２０℃までは表１に示す８つの温度となる位置と、さらに最高温度（８３０℃）となる位置で、かつ上記側面の厚み方向の中心を滴下点とし、１００℃側の位置（後端側）から順に滴下した。滴下する水滴量を２．０μｌまたは３．０μｌとし、表１に示すように各水準で滴下を２０回繰り返し、３個の各ガスセンサ素子について滴下を実施した。
最高温度（８３０℃）となる位置までの各温度で、側面の各滴下点を染色浸透法（レッドチェック）にてクラック発生の有無とクラックの進行状態とを、滴下終了後に観察して確認した。
【００４４】
得られた結果を表１に示す。
表１の○はガスセンサ素子にクラックが発生せず、×はガスセンサ素子にクラックが発生したことを示す。
【００４５】
【表１】
0006533426.tif 000002
【００４６】
表１から明らかなように、滴下量２．０μＬにて参考例と比較例とを比較すると、固体電解質体の端面がガスセンサ素子の側面に露出した比較例においては、ガスセンサ素子の先端部から３００℃以上の温度状態となる領域においてガスセンサ素子にクラックが発生した。
一方、固体電解質体の端面のすべてを緻密絶縁部材で覆った参考例においては、ガスセンサ素子の先端部から５００℃以上の温度状態となる領域までは、ガスセンサ素子にクラックが発生しなかった。
また、参考例について滴下量を従来の滴下試験よりも厳しい条件である３．０μＬにて滴下試験を行った所、ガスセンサ素子の先端部から４００℃の温度領域ではガスセンサ素子にクラックが発生しなかったものの、５００℃の温度領域ではガスセンサ素子にクラックが発生した。
なお、実施例について滴下量３．０μＬにて滴下試験を行った所、全ての温度領域でガスセンサ素子にクラックが発生しなかった。
【００４７】
＜消費電力評価実験＞
多孔質保護層２０の軸線方向の長さを種々に変えて、図１〜図４に示す板状のガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００を準備した。具体的には、酸素濃度検出セル１３０の目標制御温度が８３０℃となるようにヒータ１０２ａに通電してガスセンサ素子１００を加熱したとき、ガスセンサ素子１００の側面における多孔質保護層２０の後端縁の位置の温度をサーモグラフィで測定し、その温度を、多孔質保護層２０の軸線方向の長さの指標とした。
例えば、図５において「２００℃」とは、ガスセンサ素子１００の先端から、ガスセンサ素子１００を加熱したときに２００℃となる位置まで多孔質保護層２０を形成したことを示す。従って、図５においては、温度が高いほど多孔質保護層２０の長さが短いことを示す。又、多孔質保護層２０を形成しなかった場合を、ガスセンサ素子１００の最高到達温度である８３０℃で表した。
そして、多孔質保護層２０の長さを変えた各ガスセンサ素子１００につき、ヒータ１０２ａに通電し、上記インピーダンス（抵抗値）Ｒｐｖｓが安定してから３分経過後、ヒータ１０２ａへの通電電圧及び電流から、ヒータの消費電力（Ｗ）を求めた。多孔質保護層２０を形成しなかった場合（８３０℃）のヒータの消費電力を「１」とし、各条件でのヒータの消費電力を８３０℃での値との相対値として表示した。
【００４８】
得られた結果を図５に示す。図５から明らかなように、多孔質保護層の後端縁の位置の温度が高くなる程、ヒータの消費電力が低減することが分かる。換言すると、多孔質保護層の長さが短くなる程、ヒータの消費電力が低減すると言える。但し、ガスセンサ素子の先端部から４００℃と５００℃の間でヒータの消費電力が最初に大きく低減しているので、ガスセンサ素子の先端部から５００℃以上の領域であれば、ヒータの消費電力は十分低減したものとみなした。
以上の実験結果から、実施例のガスセンサ素子は、固体電解質体の端面のすべてが、緻密絶縁部材で覆われているため、この端面がガスセンサ素子の外側に露出することが無く、ガスセンサ素子のうち２００℃を超え３００℃以下の温度状態となる部位に水滴が直接接触（被水）しても固体電解質体に過大な熱応力は加わらず、クラックの発生が抑制されることが分かる。
そして、ガスセンサ素子の先端部から５００℃以上の温度状態となる、より高温の領域には少なくとも多孔質保護層を形成し、３００℃以下の温度状態となる領域には多孔質保護層を形成しない態様であるため、２００℃以上の温度状態となる領域全てに多孔質保護層が形成されていた従来のガスセンサ素子に比べ、ヒータでガスセンサ素子を加熱する際の消費電力や検出までの待機時間を低減させることができることが分かる。
また、多孔質保護層は、ヒータによる温度制御時に積層体が５００℃未満の温度状態となる領域には形成しない態様とすることで、クラックの発生を抑制しつつ、消費電力や検出までの待機時間をさらに低減させることができる。
また、多孔質保護層は、ヒータによる前記温度制御時に積層体が３００℃を超え５００℃未満の温度状態となる領域に形成され、多孔質保護層が３００℃以下の温度状態となる領域には形成しない態様とすることで、２００℃以上の温度状態となる領域全てに多孔質保護層が形成されていた従来のガスセンサ素子に比べ、多孔質保護層の形成面積を低減することができ、消費電力や検出までの待機時間を低減させることができる。さらに、多孔質保護層が３００℃を超え５００℃未満の温度状態となる領域に形成されているため、耐被水性が向上し、被水量が従来よりも大幅に増加する環境で使用したとしてもクラックが生じることを抑制できる。
【符号の説明】
【００４９】
１    ガスセンサ
２０    多孔質保護層
３０    ハウジング
１０４、１０５、１０８、１１０    一対の電極
１０５ｃ    第１固体電解質体
１０７ｃ    間隙
１０９ｃ    第２固体電解質体
１０５ｅ、１０９ｅ    固体電解質体の端面
１０５ｒ、１０９ｒ    緻密絶縁部材
１００    ガスセンサ素子
１０２ａ    ヒータ
１１３ａ    電極保護部
１３０，１４０    セル
１３０    制御対象セル
２００    ヒータ部
３００    検出素子部
Ｌ    軸線
【図１】
0006533426.tif 000003
【図２】
0006533426.tif 000004
【図３】
0006533426.tif 000005
【図４】
0006533426.tif 000006
【図５】
0006533426.tif 000007
【図６】
0006533426.tif 000008