JP2018040715A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が複雑になることが防止されるとともに信頼性が維持され、ガス濃度の検出精度が向上するガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサのセンサ素子１は、ジルコニア材料からなる１つの固体電解質層２と、固体電解質層２の両表面に設けられた一対の電極３１，３２と、固体電解質層２に積層された、純度が９８％以上のアルミナ材料からなる絶縁層４１，４２，４３，４４と、絶縁層４３，４４に埋設された発熱体６とを備える。絶縁層４２，４３における、固体電解質層２と発熱体６との間に位置する部分には、ノイズ吸収層７が配置されている。ノイズ吸収層７は、絶縁層４２，４３を構成するアルミナ材料の電気伝導率よりも電気伝導率が高いジルコニア材料からなり、その電位が独立している。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電極が設けられた固体電解質層と発熱体とを有するセンサ素子を備えるガスセンサに関する。

酸素濃度、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度、内燃機関の空燃比等を測定するガスセンサは、複数の電極が設けられた固体電解質層と、固体電解質層を加熱するための発熱体とを備える。固体電解質層及び複数の電極は、通電によって発熱する発熱体からの熱伝達により加熱され、発熱体の加熱を受けて、目標とする活性化温度になるように制御される。発熱体は、アルミナ等の絶縁物からなる絶縁層に埋設されており、発熱体による熱は、絶縁層を介して固体電解質層及び複数の電極に伝達される。

また、例えば、特許文献１のガスセンサにおいては、センサ素子と加熱用ヒータとの間に設けられた導電性のシールドによって、加熱用ヒータからのリーク電流がセンサ素子に流れることを遮蔽することが開示されている。この導電性のシールドは、金属板又は導電性皮膜によって形成されており、アルミナ等の絶縁層に積層して設けられている。また、導電性のシールドは、グラウンド電位等のリーク電流を打ち消すような電位に接続されている。

特開２０００−１８０４０９号公報

ガスセンサにおいては、一対の電極と一対の電極に挟まれた固体電解質層の一部とによるセルの温度が目標温度になるように制御され、発熱体への通電状態が、例えばオン・オフの状態として変化する。そして、発熱体への通電状態が変化するごとに、発熱体から誘導ノイズが発生し、この誘導ノイズが、セルによってガス濃度を検出する際のセンサ出力に影響を及ぼす。

特許文献１の導電性のシールドは、加熱用ヒータからのリーク電流を、導電性のシールドを介してグラウンド電位等に流すために用いられる。そのため、この導電性のシールドは、発熱体の通電状態が変化する際に生じる誘導ノイズがセンサ出力に与える影響を緩和するものではない。また、特許文献１においては、導電性のシールドをグラウンド電位等に接続するための構造が必要になり、ガスセンサの構造が複雑になる。

特に、近年のガスセンサのセンサ素子においては、素子を活性させるための時間の短縮、消費電力を低減させるための熱マスの低減等が要求され、より小型化される傾向にある。そのため、センサ素子において、導電性のシールドをグラウンド電位等に接続するための配線構造、端子等を追加するためのスペースを確保することは困難である。

さらに、特許文献１においては、導電性のシールドは、金属板、又は金、白金等の導電性皮膜によって構成される。そのため、金属板又は導電性皮膜の線膨張係数と絶縁層の線膨張係数との差が大きいことにより、両者の界面応力が大きくなる。そのため、金属板又は導電性皮膜と絶縁層との間に剥がれ等の懸念が生じ、ガスセンサの信頼性を悪化させるおそれがある。

特許文献１の出願時においては、異種材料の接合技術のレベルが低かった。そして、センサ素子におけるセンサ部の基体とヒータの基体とを、例えば高温絶縁性の低いジルコニア等によって形成することが行われていた。また、センサ部の基体をジルコニアによって形成するとともに、ヒータの基体を、センサ部の基体との熱膨張の差を小さくするために、アルミナにジルコニアを含有させて形成することが行われていた。そのために、高温環境下での各基体の絶縁抵抗が低く、ヒータからのリーク電流がノイズとしてガス濃度の検出に作用することが問題となっていた。

近年においては、異種材料の接合技術のレベルが向上し、ヒータの基体に純度の高いアルミナ材料を用いることによって、高温環境下においても、ヒータからのリーク電流によるセンサ検出誤差が無視できる程度の絶縁性を確保できるようになった。これにより、特許文献１の出願時における課題であるヒータからのリーク電流は、アルミナ材料の改良によって解決されている。

また、近年、排ガス規制強化等によって、これまで以上に精密に、排ガス等における特定ガス成分のガス濃度を検出するニーズが高まっている。本願発明者は、このニーズに対応するガスセンサの開発を進めた結果、従来は問題とされていなかった、ヒータからのリーク電流に比べて遥かに小さな、ヒータからの誘導電流が、誘導ノイズとしてガス濃度の検出に影響を与えることを見出した。この誘導ノイズがガス濃度の検出に影響を与えるといった課題は、従来のガスセンサにおいては全くなかったものであり、本願発明者の鋭意研究の結果、見出されたものである。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、構造が複雑になることが防止されるとともに信頼性が維持され、ガス濃度の検出精度が向上するガスセンサを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、ガス濃度を検出するためのセンサ素子（１）を備えるガスセンサ（１００）であって、
上記センサ素子は、ジルコニア材料からなる１つ又は複数の固体電解質層（２，２Ａ，２Ｂ）と、該固体電解質層の両表面に設けられた複数の電極（３１，３２，３３，３４）と、上記固体電解質層に積層された、純度が９８％以上のアルミナ材料からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ）と、該絶縁層に埋設された発熱体（６）とを備え、
上記絶縁層における、上記固体電解質層と上記発熱体との間に位置する部分には、上記絶縁層を構成するアルミナ材料の電気伝導率よりも電気伝導率が高いジルコニア材料からなるノイズ吸収層（７）が配置されており、
該ノイズ吸収層は、上記絶縁層に積層されるとともに、その電位が独立している、ガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、絶縁層における、固体電解質層と発熱体との間に位置する部分には、発熱体から生じる誘導ノイズを吸収することが可能なノイズ吸収層が配置されている。このノイズ吸収層を構成する金属酸化物としてのジルコニア材料の電気伝導率（導電率ともいう。）は、絶縁層を構成する金属酸化物としてのアルミナ材料の電気伝導率よりも高い。このノイズ吸収層により、次の効果が得られる。

発熱体への通電状態が変化するときには、発熱体の周囲に生じる磁界が変化し、誘導ノイズを生じさせる。このとき、発熱体と固体電解質層との間に配置されたノイズ吸収層によって磁界が遮られ、ノイズ吸収層によって磁束が吸収される。これにより、発熱体から生じる誘導ノイズがノイズ吸収層によって吸収され、誘導ノイズが、固体電解質層及び複数の電極によってガス濃度を検出する際のセンサ出力に影響を及ぼすことが抑制される。この結果、ガスセンサによるガス濃度の検出精度が向上する。

ノイズ吸収層は、発熱体から生じる誘導ノイズを吸収するためのものであり、発熱体の周囲に生じる磁束がノイズ吸収層に衝突する際に、この磁束を渦電流によって消滅させるものである。渦電流は、電流が流れやすいほど発生しやすく、ノイズ吸収層の電気伝導率が絶縁層の電気伝導率よりも高いことによって、ノイズ吸収層に渦電流を効果的に発生させることができる。

また、ノイズ吸収層は、絶縁層に積層されるとともに、その電位が独立しており、グラウンド電位等のガスセンサの周辺の電位には接続されていない。そのため、ノイズ吸収層をガスセンサの外部におけるグラウンド電位等に接続するための配線の必要がなく、ガスセンサの構造が複雑になることが防止される。ノイズ吸収層の電位が独立する状態とは、ノイズ吸収層に導体等の導電性の物質が接触せず、ノイズ吸収層とその外部との間に電流が流れないことを意味する。

また、ノイズ吸収層は、ジルコニア材料から構成されており、絶縁層を構成するアルミナ材料と同様に、金属酸化物から構成されている。これにより、ノイズ吸収層の線膨張係数と絶縁層の線膨張係数とが近く、ノイズ吸収層と絶縁層との接合の密着度を高く維持することができる。センサ素子にノイズ吸収層が設けられていても、ノイズ吸収層と絶縁層と間に界面応力が作用することが抑制される。その結果、ノイズ吸収層と絶縁層との間に剥がれ等の懸念がなくなり、ガスセンサの信頼性の低下が抑制される。

また、ノイズ吸収層をジルコニア材料から構成することにより、ノイズ吸収層と、絶縁層を構成するアルミナ材料との接合の密着度をより高めることができる。ノイズ吸収層をジルコニア材料から構成することにより、センサ素子の焼結時及び使用時における耐酸化性を良好に維持することができる。ノイズ吸収層をジルコニア材料以外の材料によって構成する場合には、耐酸化性を考慮した貴金属等を使用する必要が生じ、製造管理及び製造コストの点において不利になる。

さらに、絶縁層は、純度が９８％以上のアルミナ材料から構成されている。このような高純度のアルミナ材料を使用できることにより、発熱体からのリーク電流を考慮する必要性を低減することができる。そして、発熱体からの誘導ノイズを吸収するためのノイズ吸収層をセンサ素子に設けるといった、全く新しい構成を見出すことができた。なお、絶縁層の純度が９８％未満である場合には、発熱体からのリーク電流を考慮する必要が生じ、本センサ素子の構造を採用する必要性が薄れる。

それ故、上記ガスセンサによれば、構造が複雑になることが防止されるとともに信頼性が維持され、ガス濃度の検出精度が向上する。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

実施形態１にかかる、センサ素子における、複数の電極の形成部位の断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、センサ素子の各構成要素を、センサ素子を分解した状態で示す斜視図。 実施形態１にかかる、センサ素子を備えるガスセンサの断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、他のセンサ素子における、複数の電極の形成部位の断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、他のセンサ素子における、複数の電極の形成部位の断面を示す説明図。 実施形態２にかかる、センサ素子における、複数の電極の形成部位の断面を示す説明図。 実施形態２にかかる、センサ素子を備えるガスセンサの断面を示す説明図。 確認試験にかかる、比較品について、発熱体への印加電圧及びセンサ出力電流の変化を示すグラフ。 確認試験にかかる、試験品について、発熱体への印加電圧及びセンサ出力電流の変化を示すグラフ。

上述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
本形態のガスセンサ１００は、ガス濃度を検出するためのセンサ素子１を備える。センサ素子１は、図１に示すように、ジルコニア材料からなる１つの固体電解質層２と、固体電解質層２の両主面２０１，２０２に設けられた一対の電極３１，３２と、固体電解質層２に積層された、純度が９８％以上のアルミナ材料からなる絶縁層４１，４２，４３，４４と、絶縁層４３，４４に埋設された発熱体６とを備える。絶縁層４２，４３における、固体電解質層２と発熱体６との間に位置する部分には、発熱体６から生じる誘導ノイズを吸収するためのノイズ吸収層７が配置されている。ノイズ吸収層７は、絶縁層４２，４３を構成するアルミナ材料の電気伝導率よりも電気伝導率が高いジルコニア材料からなる。ノイズ吸収層７は、絶縁層４２，４３に積層されるとともに、その電位が独立している。

以下、本形態のガスセンサ１００について詳説する。
ガスセンサ１００は、車両の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを測定ガスＧとするとともに大気を基準ガスＡとし、測定ガスＧ中の酸素、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の濃度、内燃機関の空燃比（Ａ／Ｆ）等を検出するために用いられる。本形態のガスセンサ１００は、固体電解質層２を構成する金属酸化物のシートと、絶縁層４１，４２，４３，４４を構成する金属酸化物のシートとを積層し、焼結して形成されたものである。

図３に示すように、ガスセンサ１００は、センサ素子１、ハウジング７０、絶縁碍子７１，７２、接点端子７３、リード線７４、カバー７５、ブッシュ７６、二重のカバー７７Ａ，７７Ｂ等を備える。
センサ素子１は絶縁碍子７１に保持されており、絶縁碍子７１はハウジング７０に保持されている。ガスセンサ１００は、ハウジング７０によって排気管に取り付けられ、センサ素子１は、排気管内に配置される。また、ハウジング７０には、センサ素子１の先端部を覆う二重のカバー７７Ａ，７７Ｂが取り付けられている。カバー７７Ａ，７７Ｂには、センサ素子１のガス検知部１０へ測定ガスＧを流入させるための貫通穴７７１が形成されている。センサ素子１は、長尺形状に形成されており、被検出ガスＧを検出するためのガス検知部１０は、センサ素子１における長尺方向Ｌの先端側の端部に設けられている。

一対の電極３１，３２は固体電解質層２の先端部に設けられており、ガス検知部１０は、センサ素子１における、一対の電極３１，３２が位置する先端部に形成されている。また、ガス検知部１０は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の多孔質の保護層１２によって覆われている。

絶縁碍子７１の基端側には、接点端子７３を保持する別の絶縁碍子７２が配置されている。後述する、各電極３１，３２のリード部３１１，３２１及び発熱層６のリード部６２は、センサ素子１の基端部に引き出され、接点端子７３に接続されている。接点端子７３に接続されたリード線７４は、ハウジング７０の基端側に取り付けられたカバー７５内において、ブッシュ７６によって保持されている。カバー７５には、ガスセンサ１内へ基準ガスＡを流入させるための貫通穴７５１が形成されている。

固体電解質層２は、金属酸化物としてのジルコニア材料の焼結体として板状に形成されている。固体電解質層２を構成するジルコニア材料は、イットリア部分安定化ジルコニア等のジルコニア（酸化ジルコニウム）の材料からなる。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
なお、固体電解質層２は、その活性化温度において、酸化物イオン（酸素イオン）の伝導性を有するものである。

図１に示すように、一対の電極３１，３２は、固体電解質層２の第１主面２０１に設けられて測定ガスＧに晒される測定電極３１と、固体電解質層２の第２主面２０２に設けられて基準ガスＡに晒される基準電極３２とからなる。測定電極３１と基準電極３２とは固体電解質層２を介して互いに対向する位置に設けられている。測定電極３１及び基準電極３２と、これらの間に配置された固体電解質層２の一部とによって、ガス濃度を検出するための検出セル１１が形成されている。

本形態のガスセンサ１００は、酸素センサ又はＡ／Ｆセンサとして用いられる。そして、ガスセンサ１００においては、測定電極３１に接触する測定ガスＧの酸素濃度と基準電極３２に接触する基準ガスＡの酸素濃度との差によって、測定電極３１と基準電極３２との間に流れる電流が測定され、測定ガスＧの酸素濃度が求められる。

また、ガスセンサ１００をＮＯｘセンサとして用いる場合には、固体電解質層２の第１主面２０１には、酸素濃度を所定の濃度以下に調整するためのポンプ電極と、ＮＯｘ濃度を測定するための測定電極とが設けられる。この場合、ガスセンサ１００においては、測定ガスＧのＮＯｘ濃度によって、測定電極と基準電極との間に流れる電流が測定され、測定ガスＧのＮＯｘ濃度が求められる。

図２に示すように、測定電極３１及び基準電極３２は、白金と、固体電解質層２と同種の金属酸化物からなる固体電解質とを含有している。測定電極３１及び基準電極３２には、測定電極３１及び基準電極３２をガスセンサ１００の外部の制御装置に接続するためのリード部３１１，３２１がそれぞれ繋がっている。各リード部３１１，３２１は、各電極３１，３２からセンサ素子１の基端部まで引き出されている。

図１、図２に示すように、固体電解質層２の第１主面２０１には、第１絶縁層４１及び多孔質の拡散抵抗層４０が順次積層されている。固体電解質層２の第１主面２０１には、第１絶縁層４１及び拡散抵抗層４０によって囲まれ、測定ガスＧが導入される測定ガス室５１が隣接して形成されている。拡散抵抗層４０は、測定ガスＧを所定の拡散速度で測定ガス室５１に導入するためのものである。

固体電解質層２の第２主面２０２には、第２絶縁層４２が積層されている。固体電解質層２の第２主面２０２には、第２絶縁層４２によって囲まれ、基準ガスＡが導入される基準ガスダクト５２が隣接して形成されている。基準ガスダクト５２には、センサ素子１の基端部から大気が導入される。

発熱体６は、第２絶縁層４２に積層された第３絶縁層４３と、第３絶縁層４３に積層された第４絶縁層４４との間に埋設されている。発熱体６は、通電によって発熱する発熱部６１と、発熱部６１の両端に繋がり、ガスセンサ１００の外部の制御装置によって発熱部６１に通電するための一対のリード部６２とを有している。発熱部６１は、固体電解質層２に各電極３１，３２が配置された部位を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて絶縁層４２，４３へ投影した部位に配置されている。

発熱部１６は、リード部６２に比べて比抵抗が大きくなるよう形成されている。例えば、発熱部１６の断面積をリード部６２の断面積よりも小さくすることにより、発熱部１６の比抵抗をリード部６２の比抵抗よりも大きくすることができる。

ここで、センサ素子１の積層方向Ｄとは、固体電解質層２と複数の絶縁層４１，４２，４３，４４とが積層された方向のことをいう。また、発熱部６１の単位長さ当たりの電気抵抗値は、リード部６２の単位長さ当たりの電気抵抗値よりも大きい。そして、一対のリード部６２に通電を行うときには、発熱部６１が発熱し、検出セル１１を加熱することができる。

なお、第２絶縁層４２と第３絶縁層４３と第４絶縁層４４とは、センサ素子１を焼結する際に一体化される。そして、発熱体６及びノイズ吸収層７は、一体化された絶縁層４２，４３，４４の内部に埋設される。

ノイズ吸収層７は、金属酸化物としてのジルコニア材料の焼結体として板状に形成されている。ノイズ吸収層７を構成するジルコニア材料は、固体電解質層２を構成するジルコニア材料と同種のジルコニア材料であるイットリア部分安定化ジルコニア等のジルコニアの材料からなる。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニアもしくは部分安定化ジルコニアを用いることができる。

また、複数の絶縁層４１，４２，４３，４４は、純度が９８％以上であるアルミナによって構成されている。複数の絶縁層４１，４２，４３，４４は、アルミナを主成分とする種々の材料によって構成することができる。
本形態の絶縁層４１，４２，４３，４４によれば、固体電解質層２と発熱体６との間の絶縁抵抗値が、９００℃において２０ＭΩ以上に保たれる。固体電解質層２と発熱体６との間の絶縁抵抗値は、具体的には、絶縁層４２，４３自体の抵抗値と、絶縁層４２と固体電解質層２との境界の抵抗値と、絶縁層４３と発熱体６との境界の抵抗値とを合わせた値となる。

ジルコニアの電気伝導率は、３００℃で約１×１０^-4［Ω^-1・ｍ^-1］、７００℃で約５［Ω^-1・ｍ^-1］であり、アルミナの電気伝導率は、３００℃で約１×１０^-12［Ω^-1・ｍ^-1］、７００℃で約１×１０^-6［Ω^-1・ｍ^-1］である。電気伝導率（導電率）は、電気伝導のしやすさを 示す物性値であり、電気抵抗率の逆数として表される。ジルコニアの電気伝導率は、アルミナの電気伝導率よりも高い。
また、ジルコニアの線膨張係数（線膨張率）は、９〜１１×１０^-6［Ｋ^-1］であり、アルミナの線膨張係数（線膨張率）は、７〜９×１０^-6［Ｋ^-1］である。

図２に示すように、ノイズ吸収層７は、発熱体６における発熱部６１の外形を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けてノイズ吸収層７に投影したときに、発熱部６１の外形の全体を覆う位置及び大きさに形成されている。ノイズ吸収層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１は、発熱部６１の幅方向Ｗの寸法Ｗ２よりも大きく、ノイズ吸収層７の長手方向Ｌの寸法Ｌ１は、発熱部６１の長手方向Ｌの寸法Ｌ２よりも大きい。また、ノイズ吸収層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１は、一対の電極３１，３２の幅方向Ｗの寸法よりも大きく、ノイズ吸収層７の長手方向Ｌの寸法Ｌ１は、一対の電極３１，３２の長手方向Ｌの寸法よりも大きい。
この構成により、発熱体６から生じる誘導ノイズがノイズ吸収層７を回り込んで一対の電極３１，３２に到達しにくくすることができ、ノイズ吸収層７による誘導ノイズの吸収効果を高めることができる。

なお、ノイズ吸収層７は、図４に示すように、発熱体６における発熱部６１の外形を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けてノイズ吸収層７に投影したときに、発熱部６１の外形の全体よりも小さく形成されていてもよい。この構成は、発熱体６から生じる誘導ノイズが一対の電極３１，３２によるガス濃度の検出に及ぼす影響が許容できる場合に採用することができる。また、この場合においては、ノイズ吸収層７の外形は、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて投影したときに、一対の電極３１，３２の外形よりも大きい。

ノイズ吸収層７の厚みｔは、導電性の確保と製造上の制約との兼ね合いより、５〜２５μｍとすることができる。ジルコニアの粒子の直径は１μｍ程度であり、ノイズ吸収層７の厚みｔが５μｍ未満である場合には、ノイズ吸収層７の全体に亘って導電性を確保することが難しくなるおそれがある。また、ノイズ吸収層７を印刷（ペーストの塗布）によって形成する場合、ノイズ吸収層７を５μｍ未満の厚みｔに形成することは困難と考えられる。一方、ノイズ吸収層７の厚みｔが２５μｍ超過まで厚くなると、センサ素子１の焼結時に、ノイズ吸収層７の周辺に割れ等が生じることが懸念される。

図１に示すように、ノイズ吸収層７は、絶縁層４２，４３の内部として、基準ガスダクト５２が形成された第２絶縁層４２と、第３絶縁層４３との間に埋設されている。ノイズ吸収層７の全体が絶縁層４２，４３の内部に埋設されていることにより、センサ素子１が被水する場合における耐熱衝撃性を高く維持することができる。ノイズ吸収層７の一部が絶縁層４２，４３の表面に露出する場合において、ノイズ吸収層７と絶縁層４２，４３の界面が被水したとき、この界面には、ノイズ吸収層７と絶縁層４２，４３との線膨張係数の差により、熱応力が作用するおそれがある。そのため、ノイズ吸収層７の全体が絶縁層４２，４３の内部に埋設されていることにより、耐熱衝撃性を高めることができる。

なお、本形態の固体電解質層２の一部はセンサ素子１の表面に露出している。ノイズ吸収層７は、固体電解質層２と発熱体６と間に配置されており、発熱体６により近く、より高温に加熱されることになる。従って、より高温になるノイズ吸収層７は耐熱衝撃性のために絶縁層４２，４３の内部に埋設する。一方、ノイズ吸収層７よりは高温になりにくい固体電解質層２については、その一部がセンサ素子１の表面に露出していても、熱衝撃がそれほど大きくはならない。

ノイズ吸収層７の一部（端面）は、図５に示すように、絶縁層４２，４３の外部であってセンサ素子１の表面に露出していてもよい。この場合、ノイズ吸収層７は、センサ素子１の幅方向Ｗの全体に設けられる。この場合には、ガスセンサ１００において、センサ素子１が被水しにくい構造を採用することにより、ノイズ吸収層７の一部と絶縁層４２，４３との間の熱衝撃を、許容できるようにすることができる。また、この場合には、ノイズ吸収層７の両主面７０１が絶縁層４２，４３にのみ接触し、ノイズ吸収層７の端面７０２は、多孔質の保護層１２に接触することになる。

また、絶縁層４１，４２，４３，４４がアルミナ材料によって構成されていることにより、センサ素子１における絶縁性を確保するとともに、ノイズ吸収層７との接合密着力を維持することができる。

図１に示すように、ノイズ吸収層７の両主面７０１及び全ての端面７０２は、絶縁層４２，４３にのみ接触している。ノイズ吸収層７には、グラウンド電位等に接続される導体等の導電性の物質が設けられておらず、センサ素子１における周囲の部分から電位が独立している。このノイズ吸収層７の状態は、ノイズ吸収層７に接触する固体の物質は絶縁層４２，４３のみであり、ノイズ吸収層７に導体等の導電性の物質が接触していないことを意味する。また、このノイズ吸収層７の状態は、ノイズ吸収層７とその外部との間に電流が流れないことを意味する。ノイズ吸収層７の全体が絶縁層４２，４３の内部に埋設されることにより、ノイズ吸収層７をグラウンド電位等に接地しない状態の形成が容易になる。

第２絶縁層４２と第３絶縁層４３とに挟まれたノイズ吸収層７は、センサ素子１の積層方向Ｄにおいて発熱体６の近くに位置している。具体的には、発熱体６とノイズ吸収層７との間隔Ｄ２は、複数の電極のうちのノイズ吸収層７に最も近い電極である基準電極３２とノイズ吸収層７との間隔Ｄ１よりも狭い。発熱体６とノイズ吸収層７との間隔Ｄ２は、発熱体６の表面とノイズ吸収層７の表面との間の最小間隔として表され、基準電極３２とノイズ吸収層７との間隔Ｄ１は、基準電極３２の表面とノイズ吸収層７の表面との間の最小間隔として表される。
この構成により、ノイズ吸収層７が発熱体６によって加熱されやすくなり、ノイズ吸収層７の温度の上昇によってその抵抗値が低下し、ノイズ吸収層７による誘導ノイズの吸収効果を高めることができる。

ガスセンサ１００の温度制御は、検出セル１１の温度と、検出セル１１のインピーダンスとの関係を用いて行われる。検出セル１１の温度と、検出セル１１のインピーダンスとの関係は、関係マップとして制御装置に記憶されている。制御装置には、検出セル１１のインピーダンスを測定する回路が形成されている。発熱体６への印加電力は、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）等を利用したＰＩＤ制御等によって、検出セル１１のインピーダンスが目標とする値になるよう調整される。ＰＷＭ制御を行う際には、発熱体６への通電のオン・オフが繰り返し行われる。そして、この発熱体６への通電のオン・オフに伴って、発熱体６から誘導ノイズが生じる。

本形態のガスセンサ１００においては、第２絶縁層４２と第３絶縁層４３との間に、発熱体６から生じる誘導ノイズを吸収するためのノイズ吸収層７が埋設されていることにより、次の効果が得られる。
発熱体６への通電のオン・オフの切替によって発熱体６の通電状態が変化するときには、発熱体６の周囲に生じる磁界が変化し、誘導ノイズを生じさせる。このとき、発熱体６と固体電解質層２との間に配置されたノイズ吸収層７は電磁シールド層として機能し、ノイズ吸収層７によって磁界が遮られる。そして、ノイズ吸収層７における、磁束が衝突する部分には渦電流が発生し、この渦電流の発生によって磁束が吸収される。これにより、発熱体６から生じる誘導ノイズがノイズ吸収層７によって吸収され、誘導ノイズが、固体電解質層２及び一対の電極３１，３２によってガス濃度を検出する際のセンサ出力に影響を及ぼすことが抑制される。この結果、ガスセンサ１００によるガス濃度の検出精度が向上する。

渦電流は、電流が流れやすいほど発生しやすい。ノイズ吸収層７の電気伝導率が絶縁層４１，４２，４３，４４の電気伝導率よりも高いことによって、ノイズ吸収層７に渦電流を効果的に発生させることができる。絶縁層４２，４３の間にノイズ吸収層７が配置されていない場合には、渦電流を発生させることができず、誘導ノイズを吸収することができない。

また、ノイズ吸収層７は、第２絶縁層４２及び第３絶縁層４３にのみ接触し、ノイズ吸収層７の外部と電位が独立しており、ノイズ吸収層７の外部との間で電流が流れない状態にある。言い換えれば、ノイズ吸収層７は、グラウンド電位等のガスセンサ１００の周辺の電位には接続されておらず、グラウンド電位等から切り離されている。ノイズ吸収層７は、発熱体６から生じる誘導ノイズを吸収するためのものであり、発熱体６から生じるリーク電流を処理する場合等とは異なり、グラウンド電位等に接続する必要がない。そのため、ノイズ吸収層７をガスセンサ１００の外部におけるグラウンド電位等に接続するための配線の必要がなく、ガスセンサ１００の構造が複雑になることが防止される。

また、ノイズ吸収層７は、複数の絶縁層４２，４３，４４と同様に、金属酸化物の焼結体によって構成されている。これにより、ノイズ吸収層７の線膨張係数とノイズ吸収層７に隣接する第２、第３絶縁層４２，４３の線膨張係数とが近く、ノイズ吸収層７と第２、第３絶縁層４２，４３との接合の密着度を高く維持することができる。センサ素子１にノイズ吸収層７が設けられていても、ノイズ吸収層７と絶縁層４２，４３と間に界面応力が作用することが抑制される。その結果、ノイズ吸収層７と絶縁層４２，４３との間に剥がれ等の懸念がなくなり、センサ素子１の信頼性の低下が抑制される。

仮に、ノイズ吸収層７が金属板等から構成される場合には、金属板の線膨張係数と金属酸化物の線膨張係数との差が大きくなる。この場合には、ガスセンサ１００の使用時にガスセンサ１００が加熱・冷却される際に、ノイズ吸収層７の周辺に割れ等が生じるおそれがある。

また、ノイズ吸収層７をジルコニア材料から構成することにより、ノイズ吸収層７と、絶縁層４２，４３を構成するアルミナ材料との接合密着力を高めることができる。ノイズ吸収層７をジルコニア材料から構成することにより、センサ素子１の焼結時及び使用時における耐酸化性を良好に維持することができる。ノイズ吸収層７をジルコニア材料以外の材料によって構成する場合には、耐酸化性を考慮した貴金属等を使用する必要が生じ、製造管理及び製造コストの点において不利になる。

さらに、絶縁層４１，４２，４３，４４は、純度が９８％以上のアルミナ材料から構成されており、この絶縁層４１，４２，４３，４４により、固体電解質層２と発熱体６との間の絶縁抵抗値が、９００℃において２０ＭΩ以上に保たれる。このような高純度のアルミナ材料を使用することにより、発熱体６からのリーク電流を考慮する必要性を低減することができる。そして、発熱体６からの誘導ノイズを吸収するためのノイズ吸収層７をセンサ素子１に設けるといった、全く新しい構成を見出すことができた。また、高純度のアルミナ材料を使用することにより、固体電解質層２と発熱体６との間の絶縁抵抗値を、９００℃において２０ＭΩ以上に保つことができる。

それ故、本形態のガスセンサ１００によれば、構造が複雑になることが防止されるとともに耐熱性が維持され、ガス濃度の検出精度が向上する。

（実施形態２）
本形態においては、図６に示すように、電極３３，３４が設けられた２枚の固体電解質層２Ａ，２Ｂを用いたセンサ素子１を備えるガスセンサ１００について示す。
本形態のセンサ素子１においては、２枚の固体電解質層２Ａ，２Ｂの間に、測定ガスＧが導入される測定ガス室５１が形成されている。第１固体電解質層２Ａの主面には、測定ガス室５１内の測定ガスＧの酸素濃度を調整するための一対のポンプ電極３３が、第１固体電解質層２Ａを介して互いに対向する位置に設けられている。一方のポンプ電極３３は、測定ガス室５１内に配置されており、他方のポンプ電極３３は、測定ガスＧが透過可能な多孔質体からなるガス導入層４０Ａ内に埋設されている。

第２固体電解質層２Ｂの主面には、測定ガス室５１内の測定ガスＧの酸素濃度を検出するための一対の検出電極３４が、第２固体電解質層２Ｂを介して互いに対向する位置に設けられている。一方の検出電極３４は、測定ガス室５１内に配置されており、他方の検出電極３４は、絶縁層４３Ａ内に埋設されている。一対の検出電極３４と、これらの間に配置された第２固体電解質層２Ｂの一部とによって、ガス濃度を検出するための検出セル１１が形成されている。

同図に示すように、本形態の絶縁層は、第１固体電解質層２Ａに積層された第１絶縁層４１Ａ、第１固体電解質層２Ａと第２固体電解質層２Ｂとの間に挟まれた第２絶縁層４２Ａ、第２固体電解質層２Ｂに積層された第３絶縁層４３Ａ、第３絶縁層４３に順次積層された第４絶縁層４４Ａ及び第５絶縁層４５Ａからなる。第２絶縁層４２Ａの一部には、測定ガスＧを所定の拡散速度で測定ガス室５１に導入するための拡散抵抗層４０Ｂが形成されている。ノイズ吸収層７は、第３絶縁層４３Ａと第４絶縁層４４Ａとの間に埋設されている。発熱体６は、第４絶縁層４４Ａと第５絶縁層４５Ａとの間に埋設されている。

ノイズ吸収層７は、発熱体６の発熱部６１の外形を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けてノイズ吸収層７に投影したときに、発熱部６１の外形の全体を覆う位置及び大きさに形成されている。より具体的には、ノイズ吸収層７の幅方向Ｗの寸法及び長手方向の寸法は、発熱部６１の幅方向Ｗの寸法及び長手方向の寸法よりも大きい。また、ノイズ吸収層７の幅方向Ｗの寸法及び長手方向Ｌの寸法は、一対のポンプ電極３３及び一対の検出電極３４の幅方向Ｗの寸法及び長手方向Ｌの寸法よりも大きい。

第３絶縁層４３Ａと第４絶縁層４４Ａとに挟まれたノイズ吸収層７は、発熱体６の近くに位置している。具体的には、発熱体６とノイズ吸収層７との間隔Ｄ２は、ノイズ吸収層７に最も近い電極である検出電極３４とノイズ吸収層７との間隔Ｄ１よりも狭い。

図７に示すように、本形態のガスセンサ１００は、実施形態１のガスセンサ１００と同様に、センサ素子１、ハウジング７０、絶縁碍子７１，７２、接点端子７３、リード線７４、カバー７５、ブッシュ７６、二重のカバー７７Ａ，７７Ｂ等を備える。本形態のガスセンサ１００においては、接点端子７３を保持する絶縁碍子７２は、センサ素子１を保持する絶縁碍子７１から離れた位置に配置されている。また、センサ素子１に基準ガスダクト５２が形成されないため、カバー７５には貫通孔７５１が形成されていない。

本形態のガスセンサ１００においても、ノイズ吸収層７の他の構成は、上記実施形態１の場合と同様である。また、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素等は、実施形態１の場合と同様である。本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（確認試験）
本確認試験においては、ノイズ吸収層７が設けられたセンサ素子１を備えるガスセンサ１００（試験品）が、発熱体６から生じる誘導ノイズを吸収する効果を有するかを確認した。また、比較のために、ノイズ吸収層７が設けられていないセンサ素子を備えるガスセンサ（比較品）についても同様に確認した。本確認試験においては、試験品及び比較品のガスセンサを大気雰囲気中に配置し、発熱体に通電を行ってセンサ素子を活性温度である７５０℃に加熱・保持した後、発熱体への通電を停止し、この通電停止時のセンサ出力電流を検出した。

図８は、比較品について、発熱体への印加電圧Ｖの変化を上段に示し、センサ出力電流Ｉの変化を下段に示す。同図に示すように、発熱体への印加電圧ＶがＯＮ状態（通電状態）からＯＦＦ状態（通電停止状態）に変化するときには、センサ出力電流Ｉに、１μＡ程度の電流変化の山が生じた。この電流変化の山は、発熱体から生じる誘導ノイズが、センサ出力電流Ｉに重畳していることを示している。

図９は、試験品について、発熱体６への印加電圧Ｖの変化を上段に示し、センサ出力電流Ｉの変化を下段に示す。同図に示すように、発熱体６への印加電圧ＶがＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化するときであっても、センサ出力電流Ｉに大きな変化は見られなかった。この結果より、センサ素子１にノイズ吸収層７が設けられた試験品のガスセンサ１００によれば、誘導ノイズがセンサ出力電流Ｉに与える影響を抑制できることが分かった。
本確認試験により、センサ素子１に設けられたノイズ吸収層７が、発熱体６から生じる誘導ノイズを吸収する効果を有することが確認でき、試験品のガスセンサ１００によれば、ガス濃度の検出精度が向上することが確認できた。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。

１ ガスセンサ
２，２Ａ，２Ｂ 固体電解質層
３１，３２，３３，３４ 電極
４１，４２，４３，４４，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ 絶縁層
６ 発熱体
７ ノイズ吸収層

Claims (5)

1. ガス濃度を検出するためのセンサ素子（１）を備えるガスセンサ（１００）であって、
   上記センサ素子は、ジルコニア材料からなる１つ又は複数の固体電解質層（２，２Ａ，２Ｂ）と、該固体電解質層の両表面に設けられた複数の電極（３１，３２，３３，３４）と、上記固体電解質層に積層された、純度が９８％以上のアルミナ材料からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ）と、該絶縁層に埋設された発熱体（６）とを備え、
   上記絶縁層における、上記固体電解質層と上記発熱体との間に位置する部分には、上記絶縁層を構成するアルミナ材料の電気伝導率よりも電気伝導率が高いジルコニア材料からなるノイズ吸収層（７）が配置されており、
   該ノイズ吸収層は、上記絶縁層に積層されるとともに、その電位が独立している、ガスセンサ。
2. 前記固体電解質層と前記発熱体との間の絶縁抵抗値は、９００℃において２０ＭΩ以上である、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 上記ノイズ吸収層は、上記発熱体における発熱部の外形を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）に向けて上記ノイズ吸収層に投影したときに、上記外形の全体を覆う位置及び大きさに形成されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 上記ノイズ吸収層の全体が上記絶縁層の内部に埋設されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 上記発熱体と上記ノイズ吸収層との間隔（Ｄ２）は、上記複数の電極のうちの上記ノイズ吸収層に最も近い電極と上記ノイズ吸収層との間隔（Ｄ１）よりも狭い、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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