CN110573870B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

气体传感器具备传感器元件(2)，传感器元件(2)具有：有底筒状的固体电解质体(3)；设置于固体电解质体(3)的外侧面的检测电极(4A)；以及设置于固体电解质体(3)的内侧面的基准电极。传感器元件(2)的检测电极(4A)具有：在轴向(L)的前端侧(L1)的位置设置的检测电极部(41)；在轴向(L)的基端侧(L2)的位置设置的装设电极部(43)；以及在将检测电极部(41)和装设电极部(43)相连的位置设置的导体电极部(42)。在固体电解质体(3)的筒部(31)与装设电极部(43)及导体电极部(42)之间设有绝缘层(22)。

Description

气体传感器
关联申请的相互参照
本申请基于2017年4月21日提出的日本专利申请第2017-084568及2018年2月5日提出的日本专利申请第2018-018540号并引用其记载内容。
技术领域
本发明涉及具有传感器元件的气体传感器，该传感器元件的固体电解质体设有电极。
背景技术
在内燃机的排气管中配置的气体传感器，以在排气管内流动的排放气体为检测气体(测定气体)，利用该检测气体与大气等基准气体的氧浓度差等来进行气体检测。气体传感器具有以下用途等：检测从排放气体的组成求出的内燃机的空燃比相对于理论空燃比而言处于富燃料侧还是贫燃料侧的作为氧传感器的用途，定量地检测从排放气体求出的内燃机的空燃比的作为空燃比传感器的用途。
气体传感器中，采用在有底筒状的固体电解质体的内侧面及外侧面配置了电极的有底筒状的传感器元件、或者在板状的固体电解质体的两面配置了电极的板状的传感器元件。并且，在将气体传感器用作氧传感器的情况下，根据检测气体与基准气体的氧浓度之差，检测在隔着固体电解质体的一对电极之间产生的电动势。另外，在将气体传感器用作空燃比传感器的情况下，在一对电极之间施加电压，根据检测气体的氧浓度，检测在隔着固体电解质体的一对电极之间流过的电流。
有底筒状的传感器元件中的暴露于检测气体的检测电极大多形成为具有检测部和导体部的形状，所述检测部形成于固体电解质体的前端侧部分的整周，被加热器的发热部加热到作为目标的温度，所述导体部被从检测部向基端侧引出。另外，已知在导体部和固体电解质体之间设置绝缘层的情况，以使得仅在检测部产生经由固体电解质体的氧的移动。
作为这样的传感器元件，例如有专利文献1记载的氧传感器。该氧传感器中，在固体电解质体与检测电极的导体部之间，设有由绝缘体形成的绝缘层，规定了在进行气体检测时发挥功能的检测电极的面积。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-201641号公报
此外，本案发明人经过深入研究发现：在传感器元件的基端侧部分为400℃以上高温的环境下，即使在气体传感器的传感器输出本来会成为理论空燃比的输出的检测气体的组成的状态下，也有在该传感器输出中产生偏差、该传感器输出不成为与理论空燃比相当的输出的情况。已知其原因在于：由于传感器元件的基端侧部分成为高温，从而传感器元件的基端侧部分的固体电解质体、检测电极的导体部以及基准电极活性化，在传感器元件的基端侧部分存在的大气等基准气体中的氧在固体电解质体中移动，在检测电极的导体部与基准电极之间产生了漏电流。特别是，已知在检测电极的导体部的装设有端子件的部分产生漏电流。
在专利文献1等中，对于暴露于检测气体的检测电极的部分或导体部，设置了绝缘层。但是，传感器元件的前端侧部分暴露于检测气体，而传感器元件的基端侧部分由于被固定于壳体所以不暴露于检测气体。专利文献1的绝缘层是为了规定在进行气体检测时发挥功能的检测电极的面积而设置的。因此，绝缘层没有考虑设置到不暴露于检测气体的、装设端子件的导体部的基端侧部分。
发明内容
本发明在于提供气体传感器，其能够防止在检测电极的装设电极部与基准电极之间产生漏电流，提高气体检测的精度。
本发明的一实施方式是气体传感器，具备传感器元件，该传感器元件具有：有底筒状的固体电解质体，筒状的筒部的前端部被曲面状的底部封闭；检测电极，至少设置于所述筒部的外侧面，暴露于被向所述固体电解质体的外侧引导的检测气体；以及基准电极，至少设置于所述筒部的内侧面，暴露于被向所述固体电解质体的内侧引导的基准气体；所述检测电极，具有：检测电极部，在沿着所述筒部的中心轴线的轴向的前端侧的位置上被设置于以所述中心轴线为中心的周向的整周或一部分；装设电极部，在所述轴向的基端侧的位置上被设置于所述周向的整周或一部分，并与在所述筒部的外周装设的端子件接触；以及导体电极部，在将所述检测电极部和所述装设电极部相连的位置上被设置于所述周向的一部分，与所述装设电极部相比，所述周向上的形成范围较窄；在所述固体电解质体的所述筒部与所述装设电极部及所述导体电极部之间设有绝缘层，该绝缘层将所述固体电解质体与所述装设电极部及所述导体电极部之间绝缘。
发明效果
上述气体传感器中，不仅在检测电极的导体电极部与固体电解质体之间设置绝缘层，而且将绝缘层设置到检测电极中的装设端子件的部位即装设电极部与固体电解质体之间。由此，能够防止如下情况，即：在传感器元件的基端侧部分被加热到400℃以上的高温那样的情况下，固体电解质体活性化，由于与传感器元件的基端侧部分接触的基准气体中的氧的移动，从而在检测电极的装设电极部与基准电极之间产生漏电流。
因此，在将气体传感器用作空燃比传感器的情况下，当传感器元件的基端侧部分暴露在400℃以上的高温环境下时，也能够使得在理论空燃比的附近、作为传感器输出的输出电流中不含补偿电流。另外，在将气体传感器用作氧传感器的情况下，当传感器元件的基端侧部分暴露在400℃以上的高温环境下时，也能够使得作为传感器输出的输出电压中不含误差电压。
因此，根据上述的气体传感器，能够防止在检测电极的装设电极部和基准电极之间产生漏电流，提高气体检测的精度。
此外，本发明的一个实施方式中示出的各构成要素的带括号的标记表示与实施方式的图中的标记的对应关系，但是并不将各构成要素仅限于实施方式的内容。
附图说明
本发明的目的、特征、优点等通过参照附图的以下详细说明而更加明确。本发明的附图表示如下。
图1是表示实施方式1的气体传感器的截面的说明图。
图2是表示实施方式1的传感器元件的检测电极的形成状态的说明图。
图3是表示实施方式1的传感器元件的前端部的截面的说明图。
图4是表示实施方式1的在内燃机的排气管中配置有气体传感器的状态的说明图。
图5是表示实施方式1的用于其它检测方式的传感器元件的前端部的截面的说明图。
图6是表示实施方式1的其他传感器元件的检测电极的形成状态的说明图。
图7是表示实施方式1的其他传感器元件的前端部的截面的说明图。
图8是表示实施方式2的向传感器元件装设端子件的状态的立体图。
图9是实施方式2的将向传感器元件装设端子件的状态的截面的一部分放大表示的说明图。
图10是实施方式3的将向传感器元件装设端子件的状态的截面的一部分放大表示的说明图。
图11是表示确认试验1的传感器元件的温度与空燃比的输出偏移量的关系的图表。
图12是表示确认试验2的绝缘层的厚度与空燃比的输出偏移量的关系的图表。
图13是表示确认试验3的传感器元件的温度与输出电压的偏移量的关系的图表。
图14是表示确认试验4的绝缘层的厚度与输出电压的偏移量的关系的图表。
图15是表示确认试验5的锥状表面的倾斜角度与绝缘层中的缺陷发生数量的关系的图表。
具体实施方式
参照附图对前述气体传感器的优选实施方式进行说明。
<实施方式1>
如图1～图3所示，本实施方式的气体传感器1具备传感器元件2，传感器元件2具备有底筒状的固体电解质体3、检测电极4A及基准电极4B。固体电解质体3在活化温度下具有离子传导性，且具有筒状的筒部31和将筒部31的前端部封闭的曲面状的底部32。检测电极4A设置于筒部31的外侧面301，是暴露于被向固体电解质体3的外侧引导的检测气体G的电极。基准电极4B设置于筒部31及底部32的内侧面302，是暴露于被向固体电解质体3的内侧引导的基准气体A的电极。
检测电极4A具有检测电极部41、装设电极部43和导体电极部42。如图2所示，检测电极部41在沿着筒部31的中心轴线O的轴向L的前端侧L的位置上被设置于以中心轴线O为中心的周向C的整周。如图1和图2所示，装设电极部43在轴向L的基端侧L2的位置上被设置于周向C的一部分，与在筒部31的外周装设的端子件71接触。如图2所示，导体电极部42在将检测电极部41与装设电极部43相连的位置上被设置于周向C的一部分，与装设电极部43相比，周向C上的形成范围变窄。
如图2和图3所示，在固体电解质体3的筒部31与装设电极部43及导体电极部42之间设有绝缘层22，该绝缘层22将固体电解质体3与装设电极部43及导体电极部42之间绝缘。此外，在图2、图5、图6、图8中，为了容易理解而对检测电极4A施加斜线影线进行表示，并对绝缘层22在表面露出的部分施加格子影线进行表示。
如图8所示，在实施方式1、2的传感器元件2和气体传感器1中，将沿着传感器元件2的中心轴线O的方向称为轴向L，将围绕传感器元件2的中心轴线O的方向称为周向C，将从传感器元件2的中心轴线O呈放射状扩展的方向称为径向R。另外，在传感器元件2和气体传感器1中，将设置有传感器元件2的底部32的一侧称为前端侧L1，将与前端侧L1相反的一侧称为基端侧L2。
以下对本实施方式的气体传感器1进行详细说明。
(内燃机8)
如图4所示，气体传感器1配置在从车辆的内燃机(发动机)8排放的排放气体所流动的排气管81内。气体传感器1将在排气管81内流动的排放气体作为检测气体G，并且将大气作为基准气体A，来进行气体检测。本实施方式的气体传感器1被用作求取从排放气体的组成求出的内燃机8的空燃比的空燃比传感器。空燃比传感器能够从与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例较大的富燃料的状态、到与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例较小的贫燃料的状态，定量且连续地检测空燃比。
如图3所示，在空燃比传感器中，利用电压施加电路11，在检测电极4A与基准电极4B之间施加用于表示临界电流特性的规定的电压，所述检测电极4A设置于固体电解质体3的一个表面且暴露于检测气体G，所述基准电极4B设置于固体电解质体3的另一表面且暴露于基准气体A。另外，在该施加有电压的状态下，经由固体电解质体3而在检测电极4A和基准电极4B之间产生的临界电流被电流检测电路12检测。换言之，当作为检测气体G的排放气体的氧浓度发生了变化时，检测电极4A和基准电极4B之间的氧离子(O2-)的移动量和移动方向发生变化，在规定的检测范围内定量地检测出富燃料侧和贫燃料侧的空燃比。另外，如图1所示，在传感器控制组件等控制装置10内构建了电压施加电路11和电流检测电路12。
在空燃比传感器中，通过向检测电极4A和基准电极4B之间施加电压，当空燃比处于贫燃料侧时，经由固体电解质体3，氧离子(O2-)从检测电极4A向基准电极4B移动。另一方面，当空燃比处于富燃料侧时，在检测电极4A处未燃烧气体发生化学反应，随之，经由固体电解质体3，氧离子(O2-)从基准电极4B向检测电极4A移动。
另外，如图5所示，气体传感器1还能够用作通过开关(ON-OFF)来判定从排放气体的组成求出的内燃机8的空燃比是处于富燃料侧还是处于贫燃料侧的氧传感器。氧传感器利用电动势检测电路13，检测根据与基准电极4B接触的作为基准气体A的大气、和与检测电极4A接触的作为检测气体G的排放气体的氧浓度之差而经由固体电解质体3在检测电极4A和基准电极4B之间产生的电动势。此外，电动势检测电路13形成于传感器控制组件。另外，氧传感器还能够根据在检测电极4A和基准电极4B之间产生的电动势来定量地检测排放气体的氧浓度。
气体传感器1用于使内燃机8的空燃比维持在可有效地发挥排气管81内配置的三效催化剂的催化剂活性的理论空燃比附近。气体传感器1相对于排气管81中的三效催化剂的配置位置而言，配置在排放气体的流动的上游侧的位置还是下游侧的位置都可以。特别是，本实施方式的气体传感器1在排气管81内能够配置于排放气体的温度更低的下游侧位置来使用。
如图4所示，在本实施方式的排气管81内，配置有在排放气体的流动方向上排列的两个催化剂82A、82B。两个催化剂82A、82B包括位于上游侧的上游侧催化剂82A(也称为S/C(Start Converter)催化剂)、以及位于上游侧催化剂82A的下游侧的下游侧催化剂82B(也称为U/F(Under Floor)催化剂)。本实施方式的气体传感器1相对于排气管81内的上游侧催化剂82A而言，配置在排放气体的流动的下游侧的位置，并且相对于排气管81内的下游侧催化剂82B而言，配置在排放气体的流动的上游侧的位置。换言之，本实施方式的气体传感器1配置在排气管81内的排放气体的流动的方向上的上游侧催化剂82A与下游侧催化剂82B之间的位置。
另外，在排气管81内的比上游侧催化剂82A靠上游侧的位置配置有其他的气体传感器1A。该其他的气体传感器作为空燃比传感器发挥功能。并且，使用两个气体传感器1、1A检测排放气体的空燃比，ECU(发动机控制组件)利用从两个气体传感器1、1A接收的空燃比，来调整吸气管中的燃料喷射阀的开度，进行内燃机8的空燃比控制。
另外，本实施方式的气体传感器1也可以配置在排气管81内的比上游侧催化剂82A靠上游侧的位置。另外，通常，在排气管81内的比上游侧催化剂82A靠上游侧的位置配置空燃比传感器，在比上游侧催化剂82A靠下游侧的位置配置氧传感器。
特别是，如果在排气管81内的更下游侧的位置配置气体传感器1，则与气体传感器1接触的排放气体的温度更低，冷凝水容易与气体传感器1碰撞。本实施方式的传感器元件2采用了有底筒状(杯状)的固体电解质体3，有效地防止了存在于排气管81内的冷凝水所引起的沾水破裂。
(传感器元件2)
如图2和图3所示，传感器元件2的固体电解质体3以氧化锆为主成分，由以稀土类金属元素或者碱土类金属元素置换了氧化锆的一部分而得的稳定氧化锆或者部分稳定氧化锆构成。固体电解质体3能够由氧化钇稳定氧化锆或氧化钇部分稳定氧化锆构成。固体电解质体3在规定的活化温度下具有使氧离子(O2-)传导的离子传导性。检测电极4A和基准电极4B含有表现出对氧的催化剂活性的作为贵金属的铂。
固体电解质体3的底部32形成为半球面状，固体电解质体3的筒部31形成为圆筒状。在固体电解质体3的轴向L上的与底部32为相反侧的位置，形成有能够使基准气体A向固体电解质体3的内侧流入的开口部33。筒部31的轴向L上的各部的外径考虑到向壳体61的安装而适当变化。
在传感器元件2的前端部，以至少将检测电极4A的检测电极部41的整体覆盖的方式，设有由陶瓷的多孔质体构成的保护层21。本实施方式的空燃比传感器中的保护层21具有作为扩散阻挡层的功能，限制作为检测气体G的排放气体的扩散。并且，当在检测电极4A与基准电极4B之间施加了规定的电压时，穿过保护层21的检测气体G的流量被限制，得到与检测气体G中的氧浓度对应的传感器输出。并且，保护层21还兼具防止检测电极4A的中毒及沾水的功能。另外，也可以在作为扩散阻挡层的保护层21的外侧，设置用于防止检测电极4A的中毒及沾水的多孔质层。
另外，在将气体传感器1用作氧传感器的情况下，保护层21主要具有防止检测电极4A的中毒及沾水的功能。该情况下，保护层21也可以由多孔质体的气孔率、组成等不同的多个层形成。
如图1和图3所示，基准电极4B设置于固体电解质体3的内侧面302的整体。在固体电解质体3的内侧面302的基端侧L2的部分，以与基准电极4B的基端侧L2的部分接触的状态，装设有内测端子件72。本实施方式的气体传感器1由于用作空燃比传感器，所以根据施加于基准电极4B与检测电极4A之间的电压，基准电极4B和内侧端子件72成为正侧，检测电极4A和端子件71成为负侧。
另外，基准电极4B也能够与检测电极4A同样地实现局部电极化，并包括位于最前端侧L1的检测电极部、位于最基端侧L2的装设电极部、以及将检测电极部和装设电极部相连的导体电极部。
检测电极4A的检测电极部41在检测电极4A中是实质上进行空燃比的检测等气体检测的部位。换言之，检测电极4A中仅检测电极部41不隔着绝缘层22而被直接设置于固体电解质体3的外侧面301。并且，在传感器元件2中，为了使进行气体检测的精度稳定化，换言之为了降低气体传感器1的输出的偏差，规定了检测电极部41的面积。检测电极部41被加热器5加热至作为目标的温度，该加热器5配置在传感器元件2的固体电解质体3的内侧。
检测电极4A的导体电极部42形成于固体电解质体3的周向C的一处。导体电极部42形成为，与固体电解质体3的筒部31的中心轴线O和轴向L平行。换言之，导体电极部42的周向C的两侧端相对于轴向L平行。
检测电极4A的装设电极部43在固体电解质体3的外侧面301的基端侧L2的位置上朝向周向C形成。本实施方式的装设电极部43仅形成于固体电解质体3的外侧面301的周向C的一部分。
如图3所示，在传感器元件2的外侧面301设置的绝缘层22不设置在筒部31与检测电极部41之间。绝缘层22设置于底部32的整体、筒部31与导体电极部42之间的整体、以及筒部31与装设电极部43之间的整体。本实施方式的装设电极部43没有被设置至传感器元件2的外侧面301的基端位置。装设电极部43也可以设置至传感器元件2的外侧面301的基端位置。
在本实施方式中，在检测电极部41的形成位置不设置绝缘层22，并且在底部32以及比检测电极部41靠基端侧的位置设置绝缘层22。并且，从检测电极部41到在底部32设置的绝缘层22的外侧面，连续地设置检测电极4A。由此，能够容易地形成电极4A。在底部32的绝缘层22的外侧面设置的底部电极部411由于绝缘层22的存在而不作为使氧离子(O2-)传导的电极发挥功能。
另外，如图6所示，检测电极4A的装设电极部43也可以形成于周向C的整周。另外，检测电极4A的检测电极部41也可以不是必须形成于周向C的整周。另外，如图6和图7所示，绝缘层22能够仅设置于比检测电极部41靠基端侧的位置，而不设置于底部32的外侧面301。
如图3所示，检测电极4A是对固体电解质体3的外侧面301进行电极材料的镀敷处理而形成的，基准电极4B是对固体电解质体3的内侧面302进行电极材料的镀敷处理而形成的。绝缘层22是对固体电解质体3的外侧面301涂布绝缘材料的膏体、并使该膏体与固体电解质体3一起烧结而形成的。在形成绝缘层22时，利用带部件等将固体电解质体3的外侧面301上的检测电极部41的形成部位遮盖。并且，在该状态下涂布膏体并将带部件等剥离，从而能够避免在被遮盖的部位形成绝缘层22。绝缘层22由含有氧化铝(Al2O3)、尖晶石(MgAl2O4)以及绝缘性玻璃中的至少一种以上的绝缘材料形成。该绝缘材料通常用于气体传感器1，具有较高的比电阻，从而可得到充分的绝缘效果。
本实施方式的绝缘层22在固体电解质体3的外侧面301以整体成为尽可能均匀的厚度的方式形成。绝缘层22中的位于筒部31与导体电极部42之间、以及筒部31与装设电极部43之间的部位的最小厚度为4μm以上。所谓最小厚度，是指厚度最小的部位的厚度。如果该绝缘层22的最小厚度小于4μm，则有可能得不到充分的绝缘效果。从制造上的观点出发，绝缘层22的厚度例如能够设为10μm以下。
(加热器5)
如图3所示，在传感器元件2的固体电解质体3的内侧，配置有用于加热固体电解质体3的加热器5。加热器5具有陶瓷的基材51A、51B和设置于基材51B的包含导体的发热体52。在发热体52的前端部，形成有截面积最小、当对发热体5通电时由于焦耳热而发热的发热部521。
发热部521在发热体52的前端部形成为在轴向L上蜿蜒蛇形的形状。发热部521配置在与检测电极4A的检测电极部41的内周侧对置的位置，对固体电解质体3、基准电极4B和检测电极4A进行加热，以使检测电极部41达到作为目标的温度。加热器5在作为芯棒的基材51A的周围卷绕设有发热体52的片状的基材51B而形成。
(气体传感器1的其它结构)
如图1所示，气体传感器1除了传感器元件2和加热器5之外，还具备：保持传感器元件2的壳体61、在壳体61的前端侧L1的部分装设的前端侧罩62、在壳体61的基端侧L2的部分装设的基端侧罩63、在传感器元件2的基端侧L2的部分的外侧面301装设的端子件71、在传感器元件2的基端侧L2的部分的内侧面302装设的内侧端子件72等。
(壳体61)
如图1所示，为了保持传感器元件2，在壳体61形成有朝向轴向L贯通的插通孔611。插通孔611具有位于轴向L的前端侧L1的小径孔部612、和位于轴向L的基端侧L2且比小径孔部612扩径了的大径孔部613。传感器元件2插通在插通孔611的小径孔部612内和大径孔部613内，经由在传感器元件2与大径孔部613的间隙内配置的滑石粉、套筒等密封件64而被保持。
此外，传感器元件2的外径最大的部分即凸缘部34卡止于小径孔部612的端部，从而防止传感器元件2从插通孔611向前端侧L1脱出。在壳体61的轴向L的基端侧L2的部分，形成有向内周侧弯曲的铆接部615。并且，在铆接部615与凸缘部34之间密封件64在轴向L上被压缩，传感器元件2被保持于壳体61。传感器元件2的前端侧L1的部分的、特别是形成了内侧检测部41和导体电极部42的部位从壳体61向轴向L的前端侧L1突出而配置。
(前端侧罩62和基端侧罩63)
如图1所示，在壳体61的轴向L的前端侧L1的部分，将从壳体61向前端测L1突出的传感器元件2的部分覆盖而装设有用于保护传感器元件2的前端侧罩62。前端侧罩62配置在排气管81内。在前端侧罩62，形成有用于使检测气体G通过的气体通过孔621。前端侧罩62能够采用双重结构，也能够采用一重结构。从前端侧罩62的气体通过孔621向前端侧罩62内流入的作为检测气体G的排放气体穿过传感器元件2的保护层21而被向检测电极4A引导。
在壳体61的轴向L的基端侧L2的部分，安装有基端侧罩63。基端侧罩63配置在排气管81的外部。在基端侧罩63的一部分，形成有导入孔631，该导入孔631用于将作为基准气体A的大气向基端侧罩63内导入。在导入孔631，配置有不使液体通过而使气体通过的过滤器632。从导入孔631向基端侧罩63内导入的基准气体A穿过基端侧罩63内的间隙，被向传感器元件2的内侧面302处的基准电极4B引导。
如图1所示，在传感器元件2的基端侧L2的部分的外侧面301，装设有与检测电极4A的装设电极部43接触的端子件71。并且，在传感器元件2的基端侧L2的部分的内侧面302，装设有与基准电极4B的基端侧L2的部分接触的内侧端子件72。在端子件71和内侧端子件72，安装有导线65，该导线65用于将传感器元件2的检测电极4A及基准电极4B与外部的控制装置10电连接。导线65通过配置在基端侧罩63内的衬套66而被保持。
(作用效果)
在本实施方式的气体传感器1中，不仅在检测电极4A中的导体电极部42与固体电解质体3的筒部31之间设置绝缘层22，而且还将绝缘层22设置到检测电极4A中的端子件71所装设的部位即装设电极部43与固体电解质体3的筒部31之间。由此，在传感器元件2的基端侧L2的部分被加热至400℃以上的高温那样的情况下，能够防止在检测电极4A的装设电极部43与基准电极4B之间产生漏电流。
因此，在将气体传感器1用作空燃比传感器的情况下，当传感器元件2的基端侧L2的部分暴露于400℃以上的高温环境下时，也能够使得：在理论空燃比的附近，作为传感器输出的输出电流中不含补偿电流。另外，在将气体传感器1用作氧传感器的情况下，当传感器元件2的基端侧L2的部分暴露于400℃以上的高温环境下时，也能够使得作为传感器输出的输出电压中不含误差电压。
在具备有底筒状的固体电解质体3的传感器元件2中，当排放气体的温度成为高温时，传感器元件2的整体容易成为高温。可知此时在基准电极4B与检测电极4A之间流过微小的漏电流。在现有的气体传感器1中，微小的漏电流对气体传感器1的检测精度的影响不怎么成为问题。但是，从近年来的进一步促进减排和低燃料消耗的观点出发，微小的漏电流对气体传感器1的检测精度的影响、特别是理想点(检测到排放气体的空燃比为理论空燃比的点)由于微小的漏电流而偏移的情况成为问题。本实施方式的气体传感器1旨在解决这样的近年来新产生的课题。
本实施方式的绝缘层22规定检测电极部41的形成面积，不仅抑制气体传感器1的传感器输出的偏差，而且用于消除由于大气等基准气体A中的氧在固体电解质体3中移动而引起的漏电流。
在气体传感器1中，包括检测电极4A的检测电极部41的、传感器元件2的前端侧L1的部分中的固体电解质体3被加热到使氧的离子传导活化的温度。并且，传感器元件2的基端侧L2的部分通常不被加热到固体电解质体3活化的温度。
但是，根据内燃机8的燃烧方式，还会发生如下情况：排放气体的温度成为高温，传感器元件2的基端侧L2的部分中的固体电解质体3被加热到活化的温度。该情况下，由于在检测电极4A和基准电极4B的周边存在基准气体A中的氧，从而可能引起该氧发生离子化并在固体电解质体3中从检测电极4A向基准电极4B通过。即，在作为检测气体G的排放气体不到达的固体电解质体3的基端侧L2的部分，由于氧离子的传导而产生电流。该电流不是基于检测气体G的组成变化而流动的，成为使空燃比等的检测产生误差的漏电流。
在将气体传感器1用作空燃比传感器的情况下，通过以使基准电极4B为正侧的方式在检测电极4A和基准电极4B之间施加电压，有可能使离子化了的氧在固体电解质体3中从检测电极4A向基准电极4B通过而产生漏电流。另外，在将气体传感器1用作氧传感器的情况下，由于与检测电极4A及端子件71接触的基准气体A的氧浓度、和与基准电极4B及内侧端子件72接触的基准气体A的氧浓度有些许不同，因此有可能使离子化的氧在固体电解质体3中通过而产生漏电流。
在本实施方式的气体传感器1中，能够通过绝缘层22的配置来防止这样的漏电流的产生。因此，根据本实施方式的气体传感器1，能够防止在检测电极4A的装设电极部43和基准电极4B之间产生漏电流，提高气体检测的精度。
<实施方式2>
在本实施方式的传感器元件2中，对在检测电极4A的导体电极部42及装设电极部43与固体电解质体3的筒部31之间设置的绝缘层22的形成方式进行了研究。
如图8和图9所示，绝缘层22的轴向L的基端侧L2的端部，与装设电极部43的轴向L的基端侧L2的端部相比，设置到更靠基端侧L2。绝缘层22的基端侧L2的端部构成了筒部31的外侧面301的最外壳部，且在筒部31的外侧面301露出。另外，绝缘层22的基端侧L2的端部具有锥状表面221，越是朝向筒部31的基端侧L2，该锥状表面221的以中心轴线O为中心的径向R的厚度越是缩小。锥状表面221是从筒部31的基端侧L2朝向前端侧L1对向筒部31的外周装设的端子件71的装设进行引导的表面。绝缘层22中的除了基端侧L2的端部之外的通常部分以厚度均匀的方式设置于固体电解质体3的外侧面301。
在本实施方式中，在将端子件71向固体电解质体3进行装设时，能够使端子件71与绝缘层22的基端侧L2的端部的锥状表面221接触。并且，能够使端子件71在锥状表面221上滑动。由此，即使端子件71与绝缘层22的基端侧L2的端部接触，也能够使得不易在该基端侧L2的端部发生剥离、缺损等。
在本实施方式中，绝缘层22的基端侧L2的端部的锥状表面221的整体露出。除此以外，在锥状表面221的前端侧L1的位置的表面，也可以设有装设电极部43。该情况下，仅锥状表面221的基端侧L2的位置的表面露出。锥状表面221构成筒部31的外侧面301的最外壳部，从而在将端子件71向固体电解质体3进行装设时，成为与端子件71接触的表面。
如图9所示，锥状表面221相对于与中心轴线O平行的轴向L的倾斜角度θ为60°以下。如果该锥状表面221的倾斜角度θ超过60°，则有可能在绝缘层22的基端侧L2的端部发生剥离、缺损等。如果锥状表面221的倾斜角度θ变小，则绝缘层22的基端侧L2的端部的轴向L的长度变大。因此，从制造上的观点出发，锥状表面221的倾斜角度θ例如能够设为15°以上。
此外，还能够取代在绝缘层22的基端侧L2的端部形成锥状表面221，而在绝缘层22的基端侧L2的角部形成曲面。该情况下也能够使得不易发生绝缘层22的剥离、缺损等。
关于本实施方式的气体传感器1的其它结构、作用效果等，与实施方式1的情况是同样的。另外，在本实施方式中，与实施方式1所示的符号相同的符号所表示的构成要素也与实施方式1的情况是同样的。
<实施方式3>
在本实施方式的传感器元件2中，也对在检测电极4A的导体电极部42及装设电极部43与固体电解质体3的筒部31之间设置的绝缘层22的形成方式进行了研究。
如图10所示，本实施方式的绝缘层22的轴向L的基端侧L2的端部222从筒部31的外侧面301到筒部31的基端侧L2的端面311连续设置。筒部31的基端侧L2的角部位置上的绝缘层22的角部223优选形成为曲面状等。绝缘层22的端部222不需要设置于筒部31的基端侧L2的端面311整体。绝缘层22的端部222设置于筒部31的基端侧L2的端面311的外周侧位置，并且未设置于筒部31的基端侧L2的端面311的中心侧位置。
当通过辊转印法向固体电解质体3的筒部31的外侧面301涂布用于形成绝缘层22的绝缘材料的膏体时，能够将该膏体涂布至筒部31的基端侧L2的端面311。此后，能够将该膏体与固体电解质体3一起烧结，从膏体形成绝缘层22。
在本实施方式中，也与实施方式2的情况同样地，即使端子件71与绝缘层22的基端侧L2的角部223接触，也能够使得不易在该基端侧L2的角部223发生剥离、缺损等。关于本实施方式的气体传感器1的其它结构、作用效果等，与实施方式1的情况是同样的。另外，在本实施方式中，与实施方式1所示的符号相同的符号所表示的构成要素也与实施方式1的情况是同样的。
本发明并不仅由各实施方式限定，能够在不脱离其主旨的范围内进一步构成不同的实施方式。
<确认试验1>
在本试验中，对于在传感器元件2中设置有绝缘层22的实施方式1的气体传感器1(试验品)、和在传感器元件2中未设置绝缘层22的气体传感器(比较品)，确认了传感器元件2的温度与在用作空燃比传感器的气体传感器1的传感器输出中产生的误差之间的关系。图11示出了在使传感器元件2的温度[℃]适当变化时在气体传感器1的传感器输出中产生了何等程度的误差。
实施方式1的气体传感器1用作空燃比传感器，因此在传感器输出中产生的误差设为表示空燃比从检测值的偏移量的输出偏移量[A/F](空燃比的变化量)。该输出偏移量例如是指：空燃比的检测值应当呈现表示理论空燃比的14.7但表示为比14.7稍大的值的情况下的误差量。传感器元件2的温度设为从传感器元件2的轴向L的前端侧L1的部分到基端侧L2的部分的温度的平均值。另外，绝缘层22的通常部分的膜厚设为10μm。
如该图所示可知，在试验品的气体传感器1中，在传感器元件2的温度为大约280℃以上且大约540℃以下的高温范围中，传感器输出的输出偏移量大致为0(零)。另一方面，在比较品的气体传感器中，当传感器元件2的温度约为420℃以上时产生输出偏移量，传感器元件2的温度越高，输出偏移量越增加。由该结果可知，根据实施方式1的检测空燃比的气体传感器1，能够抑制在传感器元件2的基准电极4B和检测电极4A之间产生的漏电流，使得在传感器输出中几乎不产生由漏电流引起的偏移误差。
<确认试验2>
在本试验中，确认了在固体电解质体3的筒部31的外侧面301设置的绝缘层22的厚度、与在气体传感器1的传感器输出中产生的误差之间的关系。图12示出了在使绝缘层22的厚度[μm]适当变化时在实施方式1的气体传感器1的传感器输出中产生了何等程度的误差。实施方式1的气体传感器1用作空燃比传感器，因此在传感器输出中产生的误差设为表示空燃比从检测值的偏移量的输出偏移量[A/F](空燃比的变化量)。
绝缘层22的厚度设为将形成有锥状表面221的绝缘层22的基端侧L2的端部除外的、绝缘层22的通常部分的厚度的平均值。该绝缘层22的厚度表示绝缘层22中的、位于筒部31与导体电极部42之间、以及位于筒部31与装设电极部43之间的部位的最小厚度。传感器元件2的轴向L的前端侧L1的部分到基端侧L2的部分的温度的平均值即传感器元件2的温度设为550℃。
如该图所示可知，绝缘层22的厚度越薄，传感器输出的输出偏移量越大。并且可知，当绝缘层22的厚度比4μm薄时，输出偏移量急剧增加。认为这是因为：当绝缘层22的厚度比4μm薄时，在固体电解质体3的表面形成的凹凸的凸部出现在绝缘层22的表面，通过绝缘层22，不再能充分进行固体电解质体3与检测电极4A的装设电极部43的绝缘。因此，可以说，为了充分得到绝缘层22的绝缘效果，绝缘层22的最小厚度优选为4μm以上。
<确认试验3>
在本试验中，对于在传感器元件2中设置有绝缘层22的实施方式1的气体传感器1(试验品)和在传感器元件2中未设置绝缘层22的气体传感器(比较品)，确认了传感器元件2的温度与在用作氧传感器的气体传感器1的传感器输出中产生的误差之间的关系。图13示出了在使传感器2的温度适当变化时在气体传感器1的传感器输出中产生了何等程度的误差。
关于在传感器输出中产生的误差，通过输出电压的偏移量[V]来表示当传感器元件2的温度发生了变化时、检测气体G为理论空燃比的情况下的气体传感器1的输出电压(电动势)以何种程度发生了变化。传感器元件2的温度设为从传感器元件2的轴向L的前端侧L1的部分到基端侧L2的部分的温度的平均值。另外，绝缘层22的通常部分的膜厚设为10μm。
如该图所示可知，关于试验品的气体传感器1，在传感器元件2的温度为大约270℃以上且大约600℃以下的高温范围内，输出电压的偏移量大致接近0(零)。另一方面可知，关于比较品的气体传感器，当传感器元件2的温度约为380℃以上时产生输出电压的偏移量，传感器元件2的温度越高，输出电压的偏移量越增加。由该结果可知，根据实施方式1的检测氧浓度的气体传感器1，抑制了在传感器元件2的基准电极4B和检测电极4A之间产生的漏电流，能够使得在传感器输出中几乎不产生由漏电流引起的偏移误差。
<确认试验4>
在本试验中，确认了在固体电解质体3的筒部31的外侧面301设置的绝缘层22的厚度、与在用作氧传感器的气体传感器1的传感器输出中产生的误差之间的关系。图14示出了在使绝缘层22的厚度[μm]适当变化时在实施方式1的气体传感器1的传感器输出中产生了何等程度的误差。关于在传感器输出中产生的误差，通过输出电压的偏移量[V]，来表示当绝缘层22的厚度发生了变化时、检测气体G为理论空燃比的情况下的气体传感器1的输出电压(电动势)以何种程度发生了变化。关于绝缘层22的厚度和传感器元件2的温度，与确认试验2是同样的。
如该图所示可知，绝缘层22的厚度越薄，输出电压的偏移量越大。并且可知，当绝缘层22的厚度比4μm薄时，偏移量急剧增加。认为这是因为：当绝缘层22的厚度比4μm薄时，在固体电解质体3的表面形成的凹凸的凸部反映于绝缘层22的表面，通过绝缘层22，不再能充分进行固体电解质体3和检测电极4A的装设电极部43的绝缘。因此，可以说，为了充分得到绝缘层22的绝缘效果，绝缘层22的最小厚度优选为4μm以上。
<确认试验5>
在本试验中，对于实施方式2所示的气体传感器1，确认了绝缘层22的基端侧L2的端部的锥状表面221的倾斜角度θ与绝缘层22的剥离、缺损等缺陷的发生数量之间的关系。关于该缺陷的发生数量，在向固体电解质体3的外侧面301装设端子件71时，当在绝缘层22发生了剥离或缺损时进行了计数。剥离或缺损的发生的有无的确认对于各倾斜角度θ的情况各进行了20次。
如图15所示可知，在锥状表面221的倾斜角度θ为60°以下的情况下，在绝缘层22中不发生剥离或缺损。另一方面可知，在锥状表面221的倾斜角度θ超过60°的情况下，多次发生了剥离或缺损。根据该结果，可以说，通过使锥状表面221的倾斜角度θ为60°以下，在将端子件71向传感器元件2进行组装时能够对绝缘层22进行保护。

Claims (9)

1.一种气体传感器，具备传感器元件，该传感器元件具有：
有底筒状的固体电解质体，筒状的筒部的前端部被曲面状的底部封闭；
检测电极，至少设置于所述筒部的外侧面，暴露于被向所述固体电解质体的外侧引导的检测气体；以及
基准电极，至少设置于所述筒部的内侧面，暴露于被向所述固体电解质体的内侧引导的基准气体；
该气体传感器的特征在于，
所述检测电极，具有：
检测电极部，在沿着所述筒部的中心轴线的轴向的前端侧的位置上被设置于以所述中心轴线为中心的周向的整周或一部分；
装设电极部，在所述轴向的基端侧的位置上被设置于所述周向的整周或一部分，并与在所述筒部的外周装设的端子件接触；以及
导体电极部，在将所述检测电极部和所述装设电极部相连的位置上被设置于所述周向的一部分，与所述装设电极部相比，所述周向上的形成范围较窄；
在所述固体电解质体的所述筒部与所述装设电极部及所述导体电极部之间设有绝缘层，该绝缘层将所述固体电解质体与所述装设电极部及所述导体电极部之间绝缘；
在所述筒部的所述轴向的基端侧的端部，形成了没有设置所述绝缘层而所述筒部的所述外侧面露出的部分。
2.一种气体传感器，具备传感器元件，该传感器元件具有：
有底筒状的固体电解质体，筒状的筒部的前端部被曲面状的底部封闭；
检测电极，至少设置于所述筒部的外侧面，暴露于被向所述固体电解质体的外侧引导的检测气体；以及
基准电极，至少设置于所述筒部的内侧面，暴露于被向所述固体电解质体的内侧引导的基准气体；
该气体传感器的特征在于，
所述检测电极，具有：
检测电极部，在沿着所述筒部的中心轴线的轴向的前端侧的位置上被设置于以所述中心轴线为中心的周向的整周或一部分；
装设电极部，在所述轴向的基端侧的位置上被设置于所述周向的整周或一部分，并与在所述筒部的外周装设的端子件接触；以及
导体电极部，在将所述检测电极部和所述装设电极部相连的位置上被设置于所述周向的一部分，与所述装设电极部相比，所述周向上的形成范围较窄；
在所述固体电解质体的所述筒部与所述装设电极部及所述导体电极部之间设有绝缘层，该绝缘层将所述固体电解质体与所述装设电极部及所述导体电极部之间绝缘；
所述绝缘层中的所述轴向的基端侧的端部，相对于所述装设电极部中的所述轴向的基端侧的端部而言被设置到更靠基端侧，并在所述筒部的外侧面露出，并且具有锥状表面，该锥状表面的以所述中心轴线为中心的径向的厚度随着朝向所述筒部的所述轴向的基端侧而缩小，以便从所述筒部的所述轴向的基端侧朝向前端侧而对在所述筒部的外周装设的所述端子件进行引导。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述锥状表面相对于所述中心轴线的倾斜角度为60℃以下。
4.一种气体传感器，具备传感器元件，该传感器元件具有：
有底筒状的固体电解质体，筒状的筒部的前端部被曲面状的底部封闭；
检测电极，至少设置于所述筒部的外侧面，暴露于被向所述固体电解质体的外侧引导的检测气体；以及
基准电极，至少设置于所述筒部的内侧面，暴露于被向所述固体电解质体的内侧引导的基准气体；
该气体传感器的特征在于，
所述检测电极，具有：
检测电极部，在沿着所述筒部的中心轴线的轴向的前端侧的位置上被设置于以所述中心轴线为中心的周向的整周或一部分；
装设电极部，在所述轴向的基端侧的位置上被设置于所述周向的整周或一部分，并与在所述筒部的外周装设的端子件接触；以及
导体电极部，在将所述检测电极部和所述装设电极部相连的位置上被设置于所述周向的一部分，与所述装设电极部相比，所述周向上的形成范围较窄；
在所述固体电解质体的所述筒部与所述装设电极部及所述导体电极部之间设有绝缘层，该绝缘层将所述固体电解质体与所述装设电极部及所述导体电极部之间绝缘；
所述绝缘层的所述轴向的基端侧的端部从所述筒部的外侧面到所述筒部的基端侧的端面连续设置；
所述筒部的基端侧的角部位置上的所述绝缘层的角部形成为曲面状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
该气体传感器构成为，对电动势进行检测，该电动势根据与所述基准电极接触的所述基准气体和与所述检测电极接触的所述检测气体的氧浓度之差而隔着所述固体电解质体在所述检测电极与所述基准电极之间产生。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
在所述固体电解质体的所述筒部的外侧面设有扩散阻挡层，该扩散阻挡层至少将所述检测电极的所述检测电极部的整体覆盖，限制所述检测气体的扩散，
该气体传感器构成为，在所述检测电极与所述基准电极之间施加有电压的状态下，检测经由所述固体电解质体而在所述检测电极与所述基准电极之间产生的临界电流。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述绝缘层中的、位于所述筒部与所述装设电极部及所述导体电极部之间的部位的最小厚度为4μm以上。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述固体电解质体含有氧化锆，
所述基准电极和所述检测电极含有贵金属，
所述绝缘层含有氧化铝、尖晶石和绝缘性玻璃中的至少一种以上。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体传感器被配置在作为所述检测气体的排放气体所流动的内燃机的排气管内，
在所述排气管内，配置有一个催化剂、或者在所述排放气体的流动的方向上排列的多个催化剂，
所述气体传感器，与至少一个所述催化剂相比，配置在所述排气管内的所述排放气体的流动的下游侧。
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