JP2009080100A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐被水性能を確保した上で、ガスセンサ素子の活性時間を短縮することができるガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサは、ガスセンサ素子２のセンシング部２１を、素子カバー１２によって覆って形成されている。ガスセンサ素子２におけるセンシング部２１の横断面の全周は、セラミックス粒子によって多数の気孔を形成してなる多孔質保護層５によって被覆してある。多孔質保護層５の厚みは、センシング部２１の横断面において、１０μｍ以上になっている。横断面において、素子カバー１２の全周にわたる多孔質保護層５と素子カバー１２との間の隙間は、０．２〜６ｍｍの範囲内になっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体を用いてガス濃度を検出するためのガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

例えば、大気等の基準ガスと排ガス等の被測定ガスとの酸素濃度の差より、エンジンの空燃比等を検出するガスセンサ素子においては、被測定ガスを導入する拡散抵抗層の表面等に、被測定ガス中の被毒物をトラップするためのトラップ層を形成している。
また、例えば、特許文献１の積層型ガスセンサ素子においては、素子本体の角部を多孔質保護層によって覆い、この多孔質保護層の厚みを角部から２０μｍ以上とすることが開示されている。また、例えば、特許文献２のガスセンサ素子及びその製造方法においては、セラミックス粉末からなるスラリー中にガスセンサ素子を浸漬し、乾燥、焼付けを行って、ガスセンサ素子の表面に被毒防止層を形成している。また、ガスセンサ素子の横断面において、楕円状に被毒防止層を形成することが開示されている。

また、特許文献３のガスセンサにおいては、検出素子を２重のプロテクタによって保護し、ガス検出面を構成する電極を保護層で覆って、比較的簡単な手法により凝縮水等から素子を保護することが開示されている。
また、ガスセンサ素子は、このガスセンサ素子を早期に活性温度にするためのヒータを備えている。

特開２００６−１７１０１３号公報 特開２００６−２５０５３７号公報 特開２００３−１９４７６７号公報

しかしながら、近年の排ガス浄化規制の強化に伴い、より活性時間の短いガスセンサ素子が要求されている。そこで、発明者は、ガスセンサ素子の活性時間に影響を与えうる要因として、検出素子（ガスセンサ素子）とプロテクタ（素子カバー）との位置関係があることを見出した。すなわち、両者の間の間隔が大きすぎても小さすぎても、ガスセンサ素子の活性時間が長くなってしまうことが分かった。
これに対し、従来のガスセンサにおいては、検出素子とプロテクタとの位置関係については、特別な工夫を行っていない。そのため、ガスセンサ素子の活性時間（活性温度にするまでにかかる時間）を更に短縮する余地が充分にある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐被水性能を確保した上で、ガスセンサ素子の活性時間を短縮することができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体を有するセンサ基板と、電気絶縁性を有するセラミックス体に通電により発熱する発熱体を設けてなるヒータ基板とを積層してなるガスセンサ素子と、
該ガスセンサ素子の後端部分を内側に挿通して保持するハウジングと、
該ハウジングに固定され、上記ガスセンサ素子の先端部分におけるセンシング部を覆う素子カバーとを有するガスセンサにおいて、
上記ハウジングに対して上記ガスセンサ素子を保持させた方向である長手方向に直交する横断面において、上記ガスセンサ素子における上記センシング部の全周は、セラミックス粒子によって多数の気孔を形成してなる多孔質保護層によって被覆してあり、
該多孔質保護層の厚みは、上記センシング部の上記横断面において１０μｍ以上であり、
上記横断面において、上記素子カバーの全周にわたる上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間は、０．２〜６ｍｍであることを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

本発明のガスセンサにおいては、上記横断面において、ガスセンサ素子におけるセンシング部の全周を上記多孔質保護層によって被覆している。この多孔質保護層により、被測定ガス中の被毒物のトラップを行って、被測定ガスを固体電解質体における一方の電極へ導くことができると共に、加熱されたガスセンサ素子が、被水によって割れてしまうことを防止することができる。
また、本発明のガスセンサにおいては、センシング部の横断面における多孔質保護層の厚みは、１０μｍ以上である。これにより、被毒物のトラップ効果と耐被水性能とを適切に確保することができる。

ところで、多孔質保護層と素子カバーとの間の隙間を小さくし過ぎると、ヒータ基板における発熱体を発熱させたときに、素子カバーによって熱が吸収されてしまう。一方、多孔質保護層と素子カバーとの間の隙間を大きくし過ぎると、ヒータ基板における発熱体を発熱させたときに、素子カバーからの輻射熱によってガスセンサ素子を保温する効果が得られなくなる。
そこで、本発明のガスセンサにおいては、上記横断面において、上記素子カバーの全周にわたる上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間を、０．２〜６ｍｍとしている。これにより、素子カバーによる熱引きの抑制と、素子カバーからの輻射熱による保温効果の維持とを両立させることができる。そのため、ガスセンサ素子を活性温度（酸素濃度を検出可能な温度）にするためにかかる時間（活性時間）を短縮させることができる。

それ故、本発明のガスセンサによれば、耐被水性能を確保した上で、ガスセンサ素子の活性時間を短縮することができる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記センシング部の横断面における多孔質保護層の厚みが、１０μｍ未満である場合には、被毒物のトラップ効果、及び被水による割れ防止効果を十分に得られないおそれがある。なお、センシング部の横断面における多孔質保護層の厚みは、２０００μｍ以下とすることができる。
また、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が０．２ｍｍ未満となる部分がある場合には、ヒータ基板における発熱体を発熱させたときに、素子カバーによる熱引きの度合いが増大してしまうおそれがある。一方、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が６ｍｍを超える部分がある場合には、ヒータ基板における発熱体を発熱させたときに、素子カバーからの輻射熱によってガスセンサ素子を保温する効果が得られなくなるおそれがある。

また、上記隙間は、０．５〜５ｍｍとすることが好ましい（請求項２）。
この場合には、素子カバーによる熱引きの抑制と、素子カバーからの輻射熱による保温効果の維持とをより効果的に両立させることができる。

また、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲は、上記素子カバーの全周に対して３５％以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、多孔質保護層と素子カバーとの間の隙間を適切に確保することができ、素子カバーによる熱引きの抑制と、素子カバーからの輻射熱による保温効果の維持とをより効果的に両立させることができる。
なお、上記隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲が３５％未満となると、素子カバーによる熱引きの抑制と、素子カバーからの輻射熱による保温効果の維持とを両立させることが困難になる。

また、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲は、上記素子カバーの全周に対して７０％以上であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、多孔質保護層と素子カバーとの間の隙間をより適切に確保することができ、素子カバーによる熱引きの抑制と、素子カバーからの輻射熱による保温効果の維持とをより効果的に両立させることができる。

また、上記ヒータ基板の上記発熱体を蛇行させてなる発熱部と上記センサ基板とが対向する加熱領域と、上記蛇行する発熱体の両端から引き出した発熱体によるリード部と上記センサ基板とが対向する通電領域とが形成されており、
上記素子カバーには、該素子カバー内へ上記被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口が形成してあり、
該被測定ガス導入口は、上記ガスセンサ素子における上記加熱領域に上記被測定ガスの流れが衝突しない状態で形成してあることが好ましい（請求項５）。

この場合には、被測定ガス導入口から素子カバー内に導入される被測定ガスの流れは、ガスセンサ素子における加熱領域には直接衝突しない。
そのため、被測定ガスの流れが衝突することによって、ガスセンサ素子における加熱領域が冷却されてしまうことを抑制することができ、ガスセンサ素子を活性温度（酸素濃度を検出可能な温度）にするためにかかる時間（活性時間）を短縮させることができる。

なお、ガスセンサ素子における加熱領域に被測定ガスの流れが衝突しない状態は、例えば、ガスセンサ素子における上記通電領域に被測定ガスの流れが衝突する状態、ガスセンサ素子における加熱領域よりも先端側の部分に被測定ガスの流れが衝突する状態、又はガスセンサ素子における加熱領域よりも先端側の素子カバー内の空間に被測定ガスが流入する状態として形成することができる。

また、上記多孔質保護層の厚みは、上記横断面において、上記センサ基板と上記ヒータ基板との積層方向の両表面における最大厚みが、１００μｍ以上であって、全周のうちで最も厚くなっており、すべての角部における厚みが、１０μｍ以上であって、全周のうちで最も薄くなっていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、被水によるガスセンサ素子の割れを生じ難くすることができる。

また、上記横断面において、上記ガスセンサ素子における上記センシング部の断面積は、上記多孔質保護層の断面積よりも大きいことが好ましい（請求項７）。
ところで、上記横断面におけるセンシング部の断面積の割合を小さくし過ぎると、多孔質保護層の体積が大きくなって、多孔質保護層を含めたガスセンサ素子全体を活性温度にする時間が長くなってしまうと共に、多孔質保護層に亀裂等が生じ易くなってしまう。
そこで、上記センシング部の断面積を上記多孔質保護層の断面積よりも大きくすることにより、ガスセンサ素子の活性時間の短縮と、多孔質保護層の耐久性とを両立させることができる。

また、上記多孔質保護層は、アルミナ、スピネル、チタニア、ジルコニア、ムライトのうちの１種又は２種以上からなることが好ましい（請求項８）。
この場合には、電気絶縁性及び耐被水性を備え、被毒物のトラップを良好に行うことができる多孔質保護層を容易に形成することができる。

また、上記多孔質保護層の単位体積当たりの気孔率は、２０％以上とすることが好ましい（請求項９）。
この場合には、多孔質保護層による耐被水性を確保して、被測定ガスを固体電解質体における一方の電極へ良好に導くことができる。
なお、気孔率とは、多孔質保護層の全体の体積において、多数のセラミックス粒子同士の間に形成された多数の気孔の体積として表すことができる。

また、上記多孔質保護層は、平均粒径の異なる２種類以上のセラミックス粒子から構成することが好ましい（請求項１０）。
この場合には、多孔質保護層による複数種類の被毒物のトラップ性能を向上させることができる。

また、上記ガスセンサ素子は、上記センサ基板と上記ヒータ基板とを積層した状態で同時に焼成して形成してあり、上記多孔質保護層は、上記焼成を行ったガスセンサ素子の表面に別途熱処理を行って形成することが好ましい（請求項１１）。
この場合には、センサ基板とヒータ基板とを個別に焼成した後にこれらを接合する場合と比べて、ガスセンサ素子の活性時間を短縮することができる。また、この場合には、多孔質保護層を容易に形成することができる。

また、上記ガスセンサ素子の表面には、セラミックス粒子を当該ガスセンサ素子と同時に焼成を行って形成してなる下地層を設け、該下地層は、１μｍ以上の表面粗さ（十点平均粗さ）にし、上記多孔質保護層は、上記下地層の表面に別途熱処理を行って形成することもできる（請求項１２）。
この場合には、下地層を設けることによって、多孔質保護層をより安定して形成することができる。
なお、下地層の表面粗さ（十点平均粗さ）は、１００μｍ以下にすることができる。

また、上記ガスセンサ素子は、限界電流式のガスセンサ素子とすることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、限界電流式のガスセンサ素子の活性時間を短縮することができる。

また、上記センサ基板は、上記固体電解質体の両表面に設けた一対の電極によって、上記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンピングセルの機能と、上記被測定ガス中の酸素濃度を測定するセンシングセルの機能とを併有させた１セル構造を有していることが好ましい（請求項１４）。
この場合には、センサ基板の構造が簡単であり、ガスセンサ素子の活性時間をより効果的に短縮することができる。

以下に、本発明のガスセンサにかかる実施例につき、図面と共に説明する。
本例のガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、ガスセンサ素子２と、ハウジング１１と、素子カバー１２とを有している。ガスセンサ素子２は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体３１の両表面に一対の電極３２Ａ、Ｂを設けてなるセンサ基板３と、電気絶縁性を有するセラミックス体４１に通電により発熱する発熱体４２を設けてなるヒータ基板４とを積層してなる。ハウジング１１は、ガスセンサ素子２の後端部分２０２を内側に挿通して保持するよう構成されている。素子カバー１２は、ハウジング１１に固定されており、ガスセンサ素子２の先端部分２０１におけるセンシング部２１を覆うよう構成されている。

図２に示すごとく、ハウジング１１に対してガスセンサ素子２を保持させた方向である長手方向Ｌ（図２参照）に直交する横断面において、ガスセンサ素子２におけるセンシング部２１の全周は、多孔質保護層５によって被覆してある。多孔質保護層５は、電気絶縁性を有する多数のセラミックス粒子によって多数の気孔を形成してなる。
多孔質保護層５の厚みは、横断面において、センサ基板３とヒータ基板４との積層方向Ｄの両表面における最大厚みＴ１が、１００〜２０００μｍの範囲内であって、全周のうちで最も厚くなっており、すべての角部（本例では４つの角部）における厚みＴ２が、１０〜５００μｍの範囲内であって、全周のうちで最も薄くなっている。なお、好ましくは、上記最大厚みＴ１を、１００〜７００μｍの範囲内とし、上記すべての角部における厚みＴ２を、１０〜３００μｍの範囲内とするとよい。なお、多孔質保護層５の角部における厚みとは、ガスセンサ素子２の角部から多孔質保護層５の表面までの最短距離で示す厚みのことをいう。

また、図３に示すごとく、上記横断面において、素子カバー１２の全周にわたる多孔質保護層５と素子カバー１２との間の隙間は、０．２〜６ｍｍである。すなわち、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最小隙間（最も近接した部分の隙間）Ｘは、０．２以上であり、最大隙間（最も離れた部分の隙間）Ｙは、６ｍｍ以下となっている。
なお、図２、図３は、ガスセンサ素子２におけるセンシング部２１の横断面を示す図である。

以下に、本例のガスセンサ１につき、図１〜図１３と共に詳説する。
図２に示すごとく、本例のガスセンサ１は、車載用の限界電流式のガスセンサ１であり、被測定ガスとしての排ガス中の酸素濃度を測定するものである。また、本例のガスセンサ１は、固体電解質体３１の両表面に設けた一対の電極３２Ａ、Ｂ間に、限界電流特性を生じる電圧を印加し、一方の電極である被測定ガス側電極３２Ａに接触する被測定ガスと、他方の電極である基準ガス側電極３２Ｂに接触する基準ガス（大気等）との酸素濃度の差に応じて、一対の電極３２Ａ、Ｂ間に生じる電流を検出して、エンジンにおける空燃比を求めることができるものである。
また、本例のガスセンサ素子２のセンサ基板３は、固体電解質体３１の両表面に設けた一対の電極３２Ａ、Ｂによって、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンピングセルの機能と、被測定ガス中の酸素濃度を測定するセンシングセルの機能とを併有させた１セル構造を有している。

同図に示すごとく、被測定ガス側電極３２Ａを設けた固体電解質体３１の表面には、被測定ガスを拡散してその流れを律速させるための拡散抵抗層３３が積層してある。また、拡散抵抗層３３の表面には、遮蔽層３４が積層してある。拡散抵抗層３３、遮蔽層３４は、アルミナ等より形成することができる。また、一対の電極３２Ａ、Ｂは、白金等より形成することができる。

図２に示すごとく、基準ガス側電極３２Ｂを設けた固体電解質体３１の表面には、ヒータ基板４が積層してある。ヒータ基板４は、基準ガス側電極３２Ｂの周囲に基準ガス室４５を形成するための一方のセラミックス体４１Ａと、他方のセラミックス体４１Ｂとの間に、白金等をいずれかのセラミックス体４１にパターン印刷してなる発熱体４２を挟み込んで形成されている。
また、ガスセンサ素子２において固体電解質体３１に一対の電極３２Ａ、Ｂを互いに対向して設けた部分は、ガスセンサ素子２の先端部分２０１におけるセンシング部２１を構成している。

図４に示すごとく、ヒータ基板４における一対のセラミックス体４１Ａ、Ｂ同士の間においては、発熱体４２を蛇行させて形成した発熱部４０１と、蛇行する発熱体４２の両端から引き出した発熱体４２によるリード部４０２とが形成されている。発熱部４０１は、同図に示すごとく、ガスセンサ素子２の長手方向Ｌに蛇行して形成することができ、図５に示すごとく、ガスセンサ素子２の横方向Ｗ（長手方向Ｌに直交する方向）に蛇行して形成することもできる。
また、ガスセンサ素子２においては、ヒータ基板４における発熱部４０１とセンサ基板３とが対向する加熱領域と、ヒータ基板４におけるリード部４０２とセンサ基板３とが対向する通電領域とが形成されている。

図１に示すごとく、ガスセンサ素子２の後端部分２０２は、電気絶縁性を有する碍子部１４を介して金属製のハウジング１１に固定されており、ガスセンサ素子２の先端部分２０１は、ハウジング１１の先端部に固定した素子カバー１２によって覆われている。素子カバー１２は、ガスセンサ素子２のセンシング部２１を覆うインナーカバー１２Ａと、インナーカバー１２Ａを覆うアウターカバー１２Ｂとによって構成されている。
ガスセンサ素子２の後端部分２０２には、一対の電極３２Ａ、Ｂをガスセンサ１の外部と電気接続するための導通金具１５及びリード線１６が接続されている。

同図に示すごとく、インナーカバー１２Ａ及びアウターカバー１２Ｂには、被測定ガス導入口１３Ａ、Ｂが、長手方向Ｌの互いに異なる位置に形成してある。図４、図５に示すごとく、インナーカバー１２Ａにおける被測定ガス導入口１３Ａは、ガスセンサ素子２における通電領域に、被測定ガスの流れＧが衝突する状態で形成してある。
図４、図５に示すごとく、インナーカバー１２Ａにおける被測定ガス導入口１３Ａは、ガスセンサ素子２における通電領域に対向して形成する（通電領域の横方向Ｗに対向する位置に形成する）と共に板面に垂直に形成した垂直孔とすることができる。
また、図６に示すごとく、インナーカバー１２Ａにおける被測定ガス導入口１３Ａは、ガスセンサ素子２よりも先端側の空間に向けて形成すると共に板面に垂直に形成した垂直孔とすることができる。

また、図７に示すごとく、インナーカバー１２Ａにおける被測定ガス導入口１３Ａは、ガスセンサ素子２における加熱領域に対向して形成する（加熱領域の横方向Ｗに対向する位置に形成する）と共に、通電領域に被測定ガスの流れＧが衝突するよう（加熱領域に被測定ガスの流れＧが衝突しないよう）板面に平行に形成した平行孔とすることもできる。この平行孔は、インナーカバー１２Ａに径方向外方へ突出する突起部１３１を形成し、この突起部１３１における長手方向Ｌに向けて形成することができる。

ここで、被測定ガスの流れＧの方向は、実際にはある程度の広がりを持っているが、少なくとも以下に定義する流れＧの方向に加熱領域が存在しないようにする。すなわち、その流れＧの方向は、図７に示すごとく、被測定ガス導入口１３Ａの開口部に直交する直線Ｊと、インナーカバー１２Ａの突起部１３１に設けたテーパ面１３２に直交する直線Ｋとのなす角度２α°を二等分する直線の方向とする。

図２に示すごとく、本例のガスセンサ素子２は、その横断面において、四角形状の４つの角部にＣ面を形成した形状を有しており、遮蔽層３４及び拡散抵抗層３３における両側部には、被測定ガスを拡散抵抗層３３へ導くための切欠面（Ｃ面）３６が形成されている。
ガスセンサ素子２の横断面形状は、センサ基板３及びヒータ基板４の積層方向Ｄに薄い略長方形状を有している。

多孔質保護層５は、同図に示すごとく、積層方向Ｄに短径部を配置した略楕円形状に形成することができ、また、ガスセンサ素子２のセンシング部２１における横断面形状にほぼ沿って形成することもできる。また、多孔質保護層５は、図３に示すごとく、楕円形状を変形した形状に形成することもできる。
本例の多孔質保護層５は、多数のセラミックス粒子としての多数のアルミナ粒子によって多数の気孔を形成してなる。そして、多孔質保護層５の単位体積当たりの気孔率は、２０％以上になっている。

また、図１３に示すごとく、本例のガスセンサ素子２の表面（センサ基板３、ヒータ基板４、遮蔽層３４等の各表面）には、表面粗さ（十点平均粗さ）が１μｍ以上である下地層６を形成することができる。この下地層６は、ガスセンサ素子２と同時に焼成を行って形成することができる。
本例の多孔質保護層５は、複数種類の被毒物のトラップ性能を向上させるために、複数層（本例では２層）に電気絶縁性を有するセラミックス粒子を積層してなる。上層のセラミックス粒子の平均粒径は、下層のセラミックス粒子の平均粒径よりも大きくなっている。

図２に示すごとく、本例のガスセンサ素子２は、センサ基板３、ヒータ基板４、拡散抵抗層３３、遮蔽層３４を積層した状態で、焼成を行って形成してある。そして、多孔質保護層５は、ガスセンサ素子２を、多数のセラミックス粒子を溶媒としての水に含有させてなるスラリー中に浸漬し、ガスセンサ素子２の下地層６の表面に多数のセラミックス粒子を担持させ、乾燥させた後、熱処理を行って形成してある。

図９、図１０は、表１に示す９種類のガスセンサ素子（試料１〜９）を作製し、その活性時間を測定した結果を表すものである。すなわち、上記試料１〜９は、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最小隙間（最も近接した部分の隙間）Ｘ（図３参照）を０．２〜１ｍｍの間で種々変化させると共に、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最大隙間（最も離れた部分の隙間）Ｙ（図３参照）を３〜７ｍｍの間で種々変化させたものである。
そして、これらの試料を用いて、活性時間の測定を行った。具体的には、活性時間は、発熱体４２に通電したとき、ガスセンサ素子２の表面が室温から７００℃まで上昇するのにかかる時間を測定することにより求めた。

図９は、横軸に、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最小隙間Ｘをとり、縦軸に、ガスセンサ素子２が活性温度に到達するまでに要する時間の比（ガスセンサ素子２の活性時間比）をとって、両者の関係を示したグラフである。
図１０は、横軸に、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最大隙間Ｙをとり、縦軸に、ガスセンサ素子２の活性時間比をとって、両者の関係を示したグラフである。
図９、図１０においては、実験結果とシミュレーション結果とを示す。同図における黒丸が実験値であり、曲線がシミュレーションである。活性時間比は、最も活性時間が短い試料１を基準として、この基準に対する比によって表す。

また、図９に示すシミュレーションの曲線は、最大隙間Ｙをそれぞれ各曲線に付した数値の長さ（単位：ｍｍ）で一定とした場合の、最小隙間Ｘと活性時間比との関係を示すものである。
一方、図９に示すシミュレーションの曲線は、最小隙間Ｘをそれぞれ各曲線に付した数値の長さ（単位：ｍｍ）で一定とした場合の、最大隙間Ｙと活性時間比との関係を示すものである。

図９、図１０より、上記最小隙間Ｘが小さくなっても、上記最大隙間Ｙが大きくなっても、活性時間が長くなることがわかる。
そして、この活性時間を短く抑える（活性時間比を１．２以下とする）ためには、上記隙間（Ｘ〜Ｙ）を０．２〜６ｍｍとすることが好ましいことが分かる（表１の判定◎、○、△参照）。より好ましくは、隙間（Ｘ〜Ｙ）を０．５〜５ｍｍとすることにより、活性時間比を１．１以下とすることができ（同判定◎、○参照）、さらに好ましくは、隙間（Ｘ〜Ｙ）を１〜４ｍｍとすることにより、活性時間比を１．０５以下とすることができることがわかる（同判定◎参照）。

図３に示すごとく、本例のガスセンサ素子２のセンシング部２１の横断面において、素子カバー１２の全周に対して多孔質保護層５と素子カバー１２との間の隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲Ｒは、３５％以上になっている。

図１１は、横軸に、周方向範囲Ｒをとり、縦軸に、ガスセンサ素子２が活性温度に到達するまでに要する時間の比（ガスセンサ素子２の活性時間比）をとって、両者の関係を示すグラフである。同図においては、実験結果とシミュレーション結果とを示す。同図における黒丸が実験値であり、曲線がシミュレーションである。活性時間比は、周方向範囲Ｒが１００％のときを基準として、この基準に対する比によって表す。なお、活性時間の測定方法は、上述のとおりである。

実験値は、下記の表２に示す、上記周方向範囲Ｒの異なる８種類のガスセンサ１（試料１１〜１６）を準備し、これらの活性時間を測定したものである。
また、これらの試料１１〜１６において、上記最小隙間Ｘ及び上記最大隙間Ｙは、０．２ｍｍ≦Ｘ、Ｙ≦０．６ｍｍを満たしている。

図１１において、周方向範囲Ｒを３５％以上にすることにより、ガスセンサ素子２の活性時間の遅延を１０％程度に抑えることができることがわかる（表２の判定◎、○参照）。また、周方向範囲Ｒは、７０％以上にすることがさらに好ましく、この場合には、ガスセンサ素子２の活性時間の遅延を４〜５％程度に抑えることができることがわかる（同判定◎参照）。

図１２に示すごとく、本例のガスセンサ素子２は、その横断面において、ガスセンサ素子２におけるセンシング部２１の断面積（図１３の場合には、下地層６を含めた断面積）をＳ１、多孔質保護層５の断面積をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２の関係を有している。
ところで、横断面におけるセンシング部２１の断面積Ｓ１の割合を小さくし過ぎると、多孔質保護層５の体積が大きくなって、多孔質保護層５を含めたガスセンサ素子２の全体を活性温度にする時間が長くなってしまうと共に、多孔質保護層５に亀裂等が生じ易くなってしまう。そこで、Ｓ１＞Ｓ２とすることにより、ガスセンサ素子２の活性時間の短縮と、多孔質保護層５の耐久性とを両立させることができる。

本例のガスセンサ１においては、その横断面において、ガスセンサ素子２におけるセンシング部２１の全周を多孔質保護層５によって被覆している。この多孔質保護層５により、被測定ガス中の被毒物のトラップを行って、被測定ガスを固体電解質体３１における被測定ガス側電極３２Ａへ導くことができると共に、加熱されたガスセンサ素子２が、被水によって割れてしまうことを防止することができる。
また、本例のガスセンサ１においては、横断面における多孔質保護層５の厚みは、積層方向Ｄの両表面における最大厚みＴ１を１００μｍ以上にして、全周のうちで最も厚くし、４つの角部における厚みＴ２を１０μｍ以上にして、全周のうちで最も薄くしている。これにより、多孔質保護層５の各部の厚みが適切であり、被水によって多孔質保護層５に亀裂等が入り難くすることができる。

ところで、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の隙間を小さくし過ぎると、ヒータ基板４における発熱体４２を発熱させたときに、素子カバー１２によって熱が吸収されてしまう。一方、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の隙間を大きくし過ぎると、ヒータ基板４における発熱体４２を発熱させたときに、素子カバー１２からの輻射熱によってガスセンサ素子２を保温する効果が得られなくなる。
そこで、本例のガスセンサ１においては、その横断面において、多孔質保護層５と素子カバー１２との間の最小隙間Ｘを、０．５〜５ｍｍの範囲内としている。これにより、素子カバー１２による熱引きの抑制と、素子カバー１２からの輻射熱による保温効果の維持とを両立させることができる。そのため、ガスセンサ素子２を活性温度（酸素濃度を検出可能な温度）にするためにかかる時間（活性時間）を短縮させることができる。

また、本例のガスセンサ１においては、その横断面において、インナーカバー１２Ａにおける被測定ガス導入口１３Ａは、ガスセンサ素子２における通電領域に、被測定ガスの流れが衝突する状態で形成してある。これにより、被測定ガス導入口１３Ａから素子カバー１２内に導入される被測定ガスの流れは、ガスセンサ素子２における加熱領域には直接衝突しない。
そのため、被測定ガスの流れが衝突することによって、ガスセンサ素子２における加熱領域が冷却されてしまうことを抑制することができ、ガスセンサ素子２を活性温度にするためにかかる時間（活性時間）をより短縮させることができる。

それ故、本例のガスセンサ１によれば、耐被水性能を確保した上で、ガスセンサ素子２の活性時間を効果的に短縮することができる。

実施例における、ガスセンサを示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子のセンシング部の横断面を模式的に示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子のセンシング部と素子カバーとの横断面における配置関係を模式的に示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子と被測定ガス導入口との位置関係を模式的に示す断面説明図。 実施例における、他のガスセンサ素子と被測定ガス導入口との位置関係を模式的に示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子と他の被測定ガス導入口との位置関係を模式的に示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子と他の被測定ガス導入口との位置関係を模式的に示す断面説明図。 実施例における、被測定ガス導入口の周辺部分の拡大断面説明図。 実施例における、横軸に最小隙間をとり、縦軸に活性時間比をとって、両者の関係を示すグラフ。 実施例における、横軸に最大隙間をとり、縦軸に活性時間比をとって、両者の関係を示すグラフ。 実施例における、横軸に周方向範囲をとり、縦軸に活性時間比をとって、両者の関係を示すグラフ。 実施例における、ガスセンサ素子におけるセンシング部の断面積と、多孔質保護層の断面積とを示す断面説明図。 実施例における、下地層を形成したガスセンサ素子のセンシング部の横断面を模式的に示す断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ
１１ ハウジング
１２ 素子カバー
１２Ａ インナーカバー
１２Ｂ アウターカバー
１３Ａ、Ｂ 被測定ガス導入口
２ ガスセンサ素子
２０１ 先端部分
２０２ 後端部分
２１ センシング部
３ センサ基板
３１ 固体電解質体
３２Ａ、Ｂ 電極
３３ 拡散抵抗層
３４ 遮蔽層
４ ヒータ基板
４０１ 発熱部
４０２ リード部
４１ セラミックス体
４２ 発熱体
５ 多孔質保護層
６ 下地層
Ｄ 積層方向
Ｌ 長手方向

Claims (14)

1. 酸素イオン導電性を有する固体電解質体を有するセンサ基板と、電気絶縁性を有するセラミックス体に通電により発熱する発熱体を設けてなるヒータ基板とを積層してなるガスセンサ素子と、
   該ガスセンサ素子の後端部分を内側に挿通して保持するハウジングと、
   該ハウジングに固定され、上記ガスセンサ素子の先端部分におけるセンシング部を覆う素子カバーとを有するガスセンサにおいて、
   上記ハウジングに対して上記ガスセンサ素子を保持させた方向である長手方向に直交する横断面において、上記ガスセンサ素子における上記センシング部の全周は、セラミックス粒子によって多数の気孔を形成してなる多孔質保護層によって被覆してあり、
   該多孔質保護層の厚みは、上記センシング部の上記横断面において１０μｍ以上であり、
   上記横断面において、上記素子カバーの全周にわたる上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間は、０．２〜６ｍｍであることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１において、上記隙間は、０．５〜５ｍｍであることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２において、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲は、上記素子カバーの全周に対して３５％以上であることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項３において、上記多孔質保護層と上記素子カバーとの間の隙間が１〜４ｍｍである周方向範囲は、上記素子カバーの全周に対して７０％以上であることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記ヒータ基板の上記発熱体を蛇行させてなる発熱部と上記センサ基板とが対向する加熱領域と、上記蛇行する発熱体の両端から引き出した発熱体によるリード部と上記センサ基板とが対向する通電領域とが形成されており、
   上記素子カバーには、該素子カバー内へ上記被測定ガスを導入するための被測定ガス導入口が形成してあり、
   該被測定ガス導入口は、上記ガスセンサ素子における上記加熱領域に上記被測定ガスの流れが衝突しない状態で形成してあることを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記多孔質保護層の厚みは、上記横断面において、上記センサ基板と上記ヒータ基板との積層方向の両表面における最大厚みが、１００μｍ以上であって、全周のうちで最も厚くなっており、すべての角部における厚みが、１０μｍ以上であって、全周のうちで最も薄くなっていることを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項６において、上記横断面において、上記ガスセンサ素子における上記センシング部の断面積は、上記多孔質保護層の断面積よりも大きいことを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記多孔質保護層は、アルミナ、スピネル、チタニア、ジルコニア、ムライトのうちの１種又は２種以上からなることを特徴とするガスセンサ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、上記多孔質保護層の単位体積当たりの気孔率は、２０％以上であることを特徴とするガスセンサ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項において、上記多孔質保護層は、平均粒径の異なる２種類以上のセラミックス粒子から構成してあることを特徴とするガスセンサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項において、上記ガスセンサ素子は、上記センサ基板と上記ヒータ基板とを積層した状態で同時に焼成して形成してあり、
    上記多孔質保護層は、上記焼成を行ったガスセンサ素子の表面に別途熱処理を行って形成してあることを特徴とするガスセンサ。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項において、上記ガスセンサ素子の表面には、セラミックス粒子を当該ガスセンサ素子と同時に焼成を行って形成してなる下地層が設けてあり、該下地層は、１μｍ以上の表面粗さ（十点平均粗さ）を有しており、
    上記多孔質保護層は、上記下地層の表面に別途熱処理を行って形成してあることを特徴とするガスセンサ。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項において、上記ガスセンサ素子は、限界電流式のガスセンサ素子であることを特徴とするガスセンサ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記センサ基板は、上記固体電解質体の両表面に設けた一対の電極によって、上記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンピングセルの機能と、上記被測定ガス中の酸素濃度を測定するセンシングセルの機能とを併有させた１セル構造を有していることを特徴とするガスセンサ。

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