JP2023122871A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子における固体電解質体に変形が生じにくくすることができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ１のセンサ素子２は、固体電解質体３１と、固体電解質体３１の表面に設けられた排気電極３１１及び大気電極３１２と、大気電極３１２の表面に設けられた多孔質の大気側保護層３１３と、固体電解質体３１の両表面に積層された絶縁性の第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ及び第２緩衝層３３２と、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂに積層された絶縁性の第１絶縁体３３Ａと、第２緩衝層３３２に接着層３３５を介して積層された絶縁性の第２絶縁体３３Ｂとを有する。第２緩衝層３３２は、大気電極３１２及び大気側保護層３１３を側方から囲む形状を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

ガスセンサは、例えば、自動車の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれる種々のガスを検出するために用いられる。ガスセンサは、ガスを検出するためのセンサ素子の他に、センサ素子を排気管等に取り付けるハウジング等を備える。

センサ素子は、検出対象ガスに晒される電極が設けられた固体電解質体、固体電解質体に積層された絶縁体、絶縁体に埋設されたヒータ等を有する。電極の表面には、電極を検出対象ガス又は大気に含まれる被毒物質から保護するための多孔質の保護層が設けられることがある。例えば、特許文献１のガスセンサは、大気が導入される大気導入経路を有するセンサ素子を備えており、大気導入経路には、センサ素子の被毒物質を捕獲するためのトラップ層が設けられている。

特開２０２０－１６５６６３号公報

発明者らのガスセンサの研究開発において、固体電解質体における電極の表面に多孔質の保護層が設けられる場合には、センサ素子の製造時に、固体電解質体に変形が生じることがあることが判明した。具体的には、センサ素子の製造時には、固体電解質体と一部の絶縁体とが積層された中間体の状態において、中間体に圧力を加えて中間体を圧着し、中間体の積層状態が崩れないようにしている。このとき、センサ素子の積層方向の断面において、固体電解質体における、電極及び多孔質層が設けられた部位が圧縮されるように変形することが判明した。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、センサ素子における固体電解質体に変形が生じにくく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。

本発明の一態様は、
センサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、
前記センサ素子は、
イオン伝導性を有する固体電解質体（３１，３１Ａ，３１Ｂ）と、
前記固体電解質体の表面に設けられた電極（３１１，３１２，３１１Ａ，３１２Ａ，３１１Ｂ，３１２Ｂ）と、
前記電極の表面に設けられた、多孔質の保護層（３１３）と、
前記電極及び前記保護層を側方から囲む形状を有し、前記固体電解質体に積層された、絶縁性の緩衝層（３３２，３３３）と、
前記緩衝層に接着層（３３５）を介して積層され、前記固体電解質体との間に気体を導入する気体導入路を形成する、絶縁性の絶縁体（３３Ｂ）と、を有する、ガスセンサにある。

前記一態様のガスセンサのセンサ素子においては、電極及び保護層を側方から囲む形状を有する緩衝層が、固体電解質体に積層されており、固体電解質体との間に気体を導入する気体導入路を形成する絶縁体が、接着層を介して緩衝層に積層されている。この構成により、センサ素子の製造時に、電極及び保護層が設けられた固体電解質体と緩衝層とが積層された中間体に圧力を加えて中間体を圧着したときには、緩衝層があることにより、固体電解質体における、電極及び保護層が設けられた部位の変形を抑制することができる。

前記一態様のガスセンサによれば、センサ素子における固体電解質体に変形が生じにくくすることができる。

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。

図１は、実施形態１にかかる、ガスセンサを示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、ガスセンサのセンサ素子の断面を示す説明図である。 図３は、実施形態１にかかる、図２のIII－III断面を示す説明図である。 図４は、実施形態１にかかる、センサ素子の中間体を圧着する状態を、図２のIII－III断面について示す説明図である。 図５は、実施形態２にかかる、図２のIII－III断面に相当する断面を示す説明図である。 図６は、実施形態２にかかる、センサ素子の中間体を圧着する状態を、図２のIII－III断面に相当する断面について示す説明図である。 図７は、実施形態３にかかる、図２のIII－III断面に相当する断面を示す説明図である。 図８は、実施形態３にかかる、センサ素子の中間体を形成する過程を、図２のIII－III断面に相当する断面について示す説明図である。 図９は、実施形態３にかかる、センサ素子の中間体を圧着する状態を、図２のIII－III断面に相当する断面について示す説明図である。

前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１は、センサ素子２を備える。図２及び図３に示すように、センサ素子２は、イオン伝導性を有する固体電解質体３１と、固体電解質体３１の表面３０１，３０２に設けられた排気電極３１１及び大気電極３１２と、大気電極３１２の表面に設けられた多孔質の大気側保護層３１３と、固体電解質体３１の両表面３０１，３０２に積層された絶縁性の第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ及び第２緩衝層３３２と、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂに積層された絶縁性の第１絶縁体３３Ａと、第２緩衝層３３２に接着層３３５を介して積層された絶縁性の第２絶縁体３３Ｂとを有する。第２緩衝層３３２は、大気電極３１２及び大気側保護層３１３を側方から囲む形状を有する。第２絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１との間に気体としての大気Ａが流入する気体導入路としての大気ダクト３６を形成している。

以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれるガスとしての酸素、特定ガス等の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素、未燃ガス等の濃度に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いてもよい。

排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスＧの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。

（センサ素子２）
図２及び図３に示すように、本形態のセンサ素子２は、固体電解質体３１と、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層された絶縁性の第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂと、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂに積層された絶縁性の第１絶縁体３３Ａと、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層された絶縁性の第２緩衝層３３２と、第２緩衝層３３２に接着層３３５を介して積層された絶縁性の第２絶縁体３３Ｂとを有する。第１絶縁体３３Ａ及び第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂは、気体としての排ガスＧが導入される気体導入路としてのガス室３５を形成している。第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂには、固体電解質体３１に積層される内側緩衝層３３１Ａと、内側緩衝層３３１Ａよりも厚く、ガス室３５を形成するための外側緩衝層３３１Ｂとがある。第２絶縁体３３Ｂ及び第２緩衝層３３２は、気体としての大気Ａが導入される気体導入路としての大気ダクト３６を形成している。

固定電解質体の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられている。固定電解質体の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられており、大気電極３１２の表面には、大気Ａに含まれる被毒物質から大気電極３１２を保護するための多孔質の大気側保護層３１３が設けられている。

センサ素子２は、固体電解質体３１、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ、緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ，３３２、接着層３３５等が積層された積層タイプのものである。センサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材４２によって保持された状態でハウジング４１に保持されている。

（長手方向Ｌ，積層方向Ｄ，幅方向Ｗ）
本形態において、ガスセンサ１及びセンサ素子２の長手方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長手方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長手方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。

（固体電解質体３１、各電極３１１，電極３１２及び大気側保護層３１３）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ^2-）の伝導性を有するものである。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによるセンサセルが形成されている。

固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニア（酸化ジルコニウム）を主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又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からなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。

排気電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。排気電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部が接続されている。

大気側保護層３１３は、大気電極３１２の表面を覆うように設けられている。大気側保護層３１３は、アルミナ等の多孔質のセラミックス材料によって構成されており、大気Ａに含まれる被毒物質を捕獲して、被毒物質が大気電極３１２に到達しないようにする。

なお、排気電極３１１の表面には、排ガスＧに含まれる被毒物質から排気電極３１１を保護するための多孔質の排気側保護層が設けられていてもよい。この場合には、排気側保護層は、アルミナ等の多孔質のセラミックス材料によって構成し、排ガスＧに含まれる被毒物質を捕獲して、被毒物質が排気電極３１１に到達しないようにする。

（ガス室３５）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ及び固体電解質体３１によって囲まれ、排ガスＧが導入されるガス室３５が形成されている。ガス室３５は、センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ、拡散抵抗部３２及び固体電解質体３１によって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。

（拡散抵抗部３２）
図２及び図３に示すように、本形態の拡散抵抗部（ガス導入部）３２は、ガス室３５へ排ガスＧを導入するために、ガス室３５の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けられている。拡散抵抗部３２は、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂに形成された導入口内に、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に設けられていてもよい。

（大気ダクト３６）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂ、第２緩衝層３３２及び固体電解質体３１によって囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が形成されている。大気ダクト３６は、センサ素子２における、大気電極３１２を収容する長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位から、センサ素子２の長手方向Ｌの基端位置まで形成されている。

（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ、各緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ，３３２及び接着層３３５）
図２及び図３に示すように、第１絶縁体３３Ａ及び第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂ及び第２緩衝層３３２は、大気ダクト３６を形成するとともにヒータ３４を埋設するものである。第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂは、固体電解質体３１と第１絶縁体３３Ａとの間に挟まれており、ガス室３５の積層方向Ｄに直交する平面の形状に沿った切欠きを有する。第２緩衝層３３２は、固体電解質体３１と第２絶縁体３３Ｂとの間に挟まれており、大気ダクト３６の積層方向Ｄに直交する平面の形状に沿った切欠きを有する。第２緩衝層３３２は、大気電極３１２及び大気側保護層３１３を、長手方向Ｌの先端側Ｌ１及び幅方向Ｗの両側の三方から囲む形状を有する。

各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び各緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ，３３２は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び各緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ，３３２は、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。

第２緩衝層３３２の積層方向Ｄの厚みは、固体電解質体３１の積層方向Ｄの厚みよりも薄く、かつ大気電極３１２及び大気側保護層３１３の積層方向Ｄの合計厚みに対して±２５％の範囲内にある。以下、厚みとは積層方向Ｄの厚みのことをいう。この構成により、センサ素子２の製造過程において、センサ素子２の中間体２０に積層方向Ｄに圧力を加えて中間体２０を圧着したときに、固体電解質体３１が変形しにくくすることができる。

第２緩衝層３３２の厚みが大気電極３１２及び大気側保護層３１３の合計厚みに対して－２５％よりも小さい場合には、第２緩衝層３３２による固体電解質体３１の潰れによる変形を抑制する効果が得られないおそれがある。一方、第２緩衝層３３２の厚みが大気電極３１２及び大気側保護層３１３の合計厚みに対して＋２５％を超えて大きい場合には、中間体２０の圧着時に固体電解質体３１に加わる圧力が不均一になって、固体電解質体３１の変形を抑制する効果が得られないおそれがある。

第２緩衝層３３２の厚みをｔ１、大気電極３１２及び大気側保護層３１３の合計厚みをｔ２としたとき、厚みの比率ｔ１／ｔ２×１００［％］と固体電解質体３１に生じる潰れ量との関係は、厚みの比率ｔ１／ｔ２が１００［％］から増加する側又は減少する側に外れるほど、指数関数的に潰れ量が大きくなる関係にある。そして、固体電解質体３１に生じる厚みのばらつきとして許容できる範囲が、厚みの比率ｔ１／ｔ２が７５［％］～１２５［％］の範囲内であることが分かった。

第２緩衝層３３２の厚みと、大気電極３１２及び大気側保護層３１３の合計厚みとは、できるだけ近いことが好ましい。第２緩衝層３３２の厚みは、大気電極３１２及び大気側保護層３１３の合計厚みに対して±５％の範囲内にあることがより好ましい。

第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂと第１絶縁体３３Ａとは、同一のセラミックス材料としてのアルミナによって構成されている。この構成により、センサ素子２の中間体２０を焼成してセンサ素子２を製造するときに、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂと第１絶縁体３３Ａとが強固に密着される。また、第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとは、同一のセラミックス材料としてのアルミナによって構成されている。この構成により、センサ素子２の中間体２０を焼成してセンサ素子２を製造するときに、第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとが強固に密着される。

接着層３３５は、第２緩衝層３３２及び第２絶縁体３３Ｂと同種のセラミックス材料によって構成されている。接着層３３５は、センサ素子２の中間体２０の第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとを接着するときには、溶媒を含有している。そして、第１絶縁体３３Ａ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ、固体電解質体３１、第２緩衝層３３２、接着層３３５及び第２絶縁体３３Ｂが積層されたセンサ素子２の積層体を焼成するときに、接着層３３５における溶媒が揮発して、センサ素子２の中間体２０と第２絶縁体３３Ｂとが接着層３３５によって強固に接着される。

大気電極３１２に設けられた大気側保護層３１３の表面と第２絶縁体３３Ｂとの間には、大気ダクト３６に流入した大気Ａに晒される隙間Ｓが形成されている。この構成により、大気Ａが、隙間Ｓから大気側保護層３１３の表面に到達しやすく、大気側保護層３１３を経由して大気電極３１２へ到達しやすくすることができる。これにより、ガスセンサ１による空燃比、特定ガス等の検出精度が良好になる。

（ヒータ３４）
図２及び図３に示すように、ヒータ３４は、固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２を加熱するための発熱体として構成されており、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。ヒータ３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長手方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がるヒータリード部とを有する。発熱部３４１の少なくとも一部は、排気電極３１１及び大気電極３１２に対して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。ヒータ３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。なお、ヒータ３４は、第１絶縁体３３Ａに埋設されていてもよい。

（外周保護層３７）
図２及び図３に示すように、センサ素子２の長手方向Ｌにおける先端側Ｌ１の部位の外周には、センサ素子２を被水による割れ等から保護するための外周保護層３７が設けられている。外周保護層３７は、排ガスＧが通過可能な気孔を有する、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミックス材料によって構成されている。

（センサ素子２の製造方法）
図４に示すように、本形態のセンサ素子２は、排気電極３１１、大気電極３１２及び大気側保護層３１３が設けられた固体電解質体３１と、第１絶縁体３３Ａと、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂと、第２緩衝層３３２とが積層された中間体２０を形成した後、中間体２０における第２緩衝層３３２に接着層３３５を介して第２絶縁体３３Ｂを積層することによって形成される。中間体２０は、その構成要素の積層状態を適切に保つために、圧着部材８等によって積層方向Ｄに圧力が加えられて、圧着される。このとき、中間体２０における固体電解質体３１、第１絶縁体３３Ａ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ、第２緩衝層３３２等は、積層方向Ｄに圧縮されて互いに密着する。

この中間体２０を圧着するときに、第２緩衝層３３２を適切な厚みで形成した工夫により、固体電解質体３１に変形が生じにくくする。また、圧着後の中間体２０における第２緩衝層３３２の積層方向Ｄの表面、及び第２絶縁体３３Ｂの積層方向Ｄの表面の少なくとも一方に接着層３３５を構成する接着剤を塗布し、接着剤によって中間体２０と第２絶縁体３３Ｂとを接着して、センサ素子２の積層体を形成する。このとき、中間体２０の第２緩衝層３３２の積層方向Ｄの表面が平坦状になっていることにより、中間体２０と第２絶縁体３３Ｂとの接着を強固に行うことができる。その後、センサ素子２の積層体を焼成するときには、接着剤が接着層３３５となってセンサ素子２が製造される。

（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２を排気管７に配置するとともにセンサ制御装置５に電気配線するために、ハウジング４１、素子保持材４２、端子保持材４３、接触部材４３１、接点端子４４、先端側カバー４５、基端側カバー４６、ブッシュ４７、リード線４８等を有する。

ハウジング４１は、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。ハウジング４１は、素子保持材４２等を介してセンサ素子２を保持する。センサ素子２は、ガラス４２１を介して素子保持材４２に保持され、素子保持材４２は、かしめ用材料４２２，４２３，４２４を介してハウジング４１に保持されている。素子保持材４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２には、接点端子４４を保持する端子保持材４３が連結されている。端子保持材４３は、接触部材４３１によって基端側カバー４６に支持されている。

接点端子４４は、センサ素子２における、各電極３１１，３１２及びヒータ３４をリード線４８に電気的に接続するものである。接点端子４４は、端子保持材４３内に配置された状態で、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されている。

図１に示すように、先端側カバー４５は、ハウジング４１の長手方向Ｌの先端側Ｌ１に設けられており、センサ素子２の検出先端部２１を覆う。先端側カバー４５には、センサ素子２に接触する排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。センサ素子２の検出先端部２１及び先端側カバー４５は、内燃機関の排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５のガス流通孔４５１から先端側カバー４５内に流入する。そして、先端側カバー４５内の排ガスＧは、センサ素子２の外周保護層３７及び拡散抵抗部３２を通過して排気電極３１１へと導かれる。

基端側カバー４６は、ハウジング４１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に設けられており、ガスセンサ１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａに含まれる水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。

基端側カバー４６の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持するブッシュ４７が保持されている。基端側カバー４６には、ガスセンサ１の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１は、撥水フィルタ４６２によって覆われている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端位置は、基端側カバー４６内の空間に開放されており、大気Ａは、大気ダクト３６内の大気電極３１２へ導かれる。

（センサ制御装置５）
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置５に電気接続されている。センサ制御装置５は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置６と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置５は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置５は、エンジン制御装置６内に構築してもよい。センサ制御装置５は、排気電極３１１と大気電極３１２との間に直流電圧を印加する回路５１１、及び排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を検出する回路５１２等を用いて構成されている。

（作用効果）
本形態のガスセンサ１のセンサ素子２においては、大気電極３１２及び大気側保護層３１３を側方から囲む形状を有する第２緩衝層３３２が、固体電解質体３１に積層されており、固体電解質体３１との間に大気Ａを導入する大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂが、接着層３３５を介して第２緩衝層３３２に積層されている。この構成により、センサ素子２の製造時に、第１絶縁体３３Ａ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ、固体電解質体３１及び第２緩衝層３３２が積層された中間体２０に圧力を加えて中間体２０を圧着したときには、第２緩衝層３３２があることにより、固体電解質体３１における、大気電極３１２及び大気側保護層３１３が設けられた部位の変形を抑制することができる。

また、中間体２０の第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとは接着層３３５によって強固に接着される。この構成により、大気電極３１２に大気側保護層３１３が設けられた固体電解質体３１の変形が抑制された状態のセンサ素子２が形成される。また、大気側保護層３１３の変形も抑制され、センサ素子２内に残留応力が生じにくくすることができる。

本形態のガスセンサ１によれば、センサ素子２における固体電解質体３１に変形が生じにくくすることができる。

また、固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２によるセンサセルは、センサセルのインピーダンス値とセンサセルの温度との関係を利用して、ヒータ３４によるセンサ素子２の温度制御を行うときの温度検出部として用いてもよい。この場合、固体電解質体３１がほとんど変形していないことにより、温度の検出性及び制御性を良好に維持することができる。

＜実施形態２＞
本形態は、図５に示すように、積層方向Ｄに２枚の固体電解質体３１Ａ，３１Ｂが積層されたセンサ素子２について示す。本形態においては、第１固体電解質体３１Ａの内側面と第２固体電解質体３１Ｂの内側面との間にガス室３５が形成され、第１固体電解質体３１Ａの外側面に第１大気ダクト３６Ａが形成され、第２固体電解質体３１Ｂの外側面に第２大気ダクト３６Ｂが形成されている。また、第１固体電解質体３１Ａには、ガス室３５内に収容された第１排気電極３１１Ａと、第１大気ダクト３６Ａに収容された第１大気電極３１２Ａとが設けられ、第２固体電解質体３１Ｂには、ガス室３５内に収容された第２排気電極３１１Ｂと、第２大気ダクト３６Ｂに収容された第２大気電極３１２Ｂとが設けられている。

第１固体電解質体３１Ａの一方側の表面には、第１大気ダクト３６Ａを形成する第１絶縁体３３Ａ及び第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂが配置され、第１固体電解質体３１Ａと第２固体電解質体３１Ｂとの間には、ガス室３５を形成する第２緩衝層３３２が配置され、第２固体電解質体３１Ｂの他方側の表面には、第２大気ダクト３６Ｂを形成する、第３緩衝層３３３及び第２絶縁体３３Ｂが接着層３３５を介して配置されている。

第１大気電極３１２Ａの表面及び第２大気電極３１２Ｂの表面には、大気側保護層３１３が設けられている。本形態においては、図６に示すように、第１固体電解質体３１Ａ、第２固体電解質体３１Ｂ、第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ、第１緩衝層３３１Ａ，３３１Ｂ、第２緩衝層３３２及び第３緩衝層３３３が積層された中間体２０を圧着部材８等によって圧着する。その後、中間体２０の第３緩衝層３３３と第２絶縁体３３Ｂとが接着層３３５を構成する接着剤によって接着される。そして、このセンサ素子２の積層体が焼成される。

図５に示すように、第３緩衝層３３３の厚みは、第１固体電解質体３１Ａ及び第２固体電解質体３１Ｂのそれぞれの厚みよりも薄く、かつ第２大気電極３１２Ｂ、及び第２大気電極３１２Ｂに設けられた大気側保護層３１３の合計厚みに対して±２５％の範囲内にある。この構成により、センサ素子２の製造過程において、センサ素子２の中間体２０に積層方向Ｄに圧力を加えて中間体２０を圧着したときに、第２固体電解質体３１Ｂが変形しにくくすることができる。

第１大気電極３１２Ａに設けられた大気側保護層３１３の表面と第１絶縁体３３Ａとの間、及び第２大気電極３１２Ｂに設けられた大気側保護層３１３の表面と第２絶縁体３３Ｂとの間には、大気ダクト３６に流入した大気Ａに晒される隙間Ｓが形成されている。この構成により、大気Ａが、隙間Ｓから大気側保護層３１３の表面に到達しやすく、大気側保護層３１３を経由して各大気電極３１２Ａ，３１２Ｂへ到達しやすくすることができる。これにより、ガスセンサ１による空燃比、特定ガス等の検出精度が良好になる。

本形態のセンサ素子２における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜実施形態３＞
本形態は、第２緩衝層３３２と保護層との関係に更なる工夫をしたセンサ素子２について示す。本形態のセンサ素子２においては、図７に示すように、長手方向Ｌに直交する断面において、第２緩衝層３３２の、大気ダクト３６の一部を形成する一対の内壁面３３２Ｘは、大気側保護層３１３の一対の側面３１３Ｘに重なっている。換言すれば、第２緩衝層３３２における、大気ダクト３６の一部を形成する幅方向Ｗの一対の内壁面３３２Ｘに、大気側保護層３１３が接触する状態が形成されている。この構成により、図８に示すように、センサ素子２の中間体２０を積層方向Ｄに圧着するときに、大気側保護層３１３が第２緩衝層３３２の一対の内壁面３３２Ｘに支持され、センサ素子２の中間体２０に、圧着による圧力をより均一に作用させることができる。

また、本形態の第２緩衝層３３２の一対の内壁面３３２Ｘは、長手方向Ｌに直交する断面の積層方向Ｄにおいて、大気電極３１２から離れるに従って、換言すれば第２絶縁体３３Ｂに近づくに従って、幅方向Ｗの間隔が狭くなるテーパ状に形成されている。そして、大気側保護層３１３は、第２緩衝層３３２の、幅方向Ｗにおけるテーパ状の一対の内壁面３３２Ｘに密着している。

図８においては、第２緩衝層３３２の切欠き内に、大気側保護層３１３を構成するペースト材料が配置された状態を示す。この状態において、ペースト材料は、テーパ状の一対の内壁面３３２Ｘによって受け止められることにより、重力による下方への垂れ下がりが防止される。

そして、図９に示すように、センサ素子２の中間体２０を圧着部材８等によって積層方向Ｄに圧着するときには、大気側保護層３１３を構成するペースト材料が、テーパ状の一対の内壁面３３２Ｘによって受け止められていることによって、圧着部材８等と接触しにくくなる。そのため、第２緩衝層３３２における、積層方向Ｄの第２絶縁体３３Ｂに重なる側の表面が、圧着部材８等に適切に接触し、平坦状に形成される。これにより、センサ素子２の中間体２０の第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとを接着層３３５を介して接着するときには、第２緩衝層３３２と第２絶縁体３３Ｂとが適切に密着し、これらを強固に接着することができる。

本形態においては、図７に示すように、大気側保護層３１３は、固体電解質体３１の第２表面３０２と第２緩衝層３３２の一対の内壁面３３２Ｘとに接触している。また、センサ素子２の積層方向Ｄにおいて、大気側保護層３１３の表面の位置は、第２緩衝層３３２の表面の位置とほぼ同じ位置にある。また、大気側保護層３１３の積層方向Ｄの厚みをｔ３、第２緩衝層３３２の積層方向Ｄの厚みをｔ４としたとき、厚みの比率ｔ３／ｔ４×１００［％］は、７５［％］～１００［％］の範囲内となるようにしてもよい。この場合には、センサ素子２の中間体２０を圧着部材８等によって積層方向Ｄに圧着する際に、固体電解質体３１に変形が生じにくくすることができる。

なお、この厚みの比率ｔ３／ｔ４×１００［％］が７５［％］～１００［％］の範囲内にある構成は、実施形態１における、大気側保護層３１３と第２緩衝層３３２との関係、又は実施形態２における、大気側保護層３１３と第３緩衝層３３３との関係に適用してもよい。

本形態の第２緩衝層３３２及び大気側保護層３１３の構成は、実施形態２に示す、第３緩衝層３３３、及び第３緩衝層３３３に設けられた大気側保護層３１３に適用してもよい。

本形態のセンサ素子２における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

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。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３１ 固体電解質体
３１１ 排気電極
３１２ 大気電極
３１３ 大気側保護層
３３Ａ，３３Ｂ 絶縁体
３３１Ａ，３３１Ｂ，３３２，３３３ 緩衝層
３３５ 接着層
３６ 大気ダクト

Claims (7)

1. センサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、
   前記センサ素子は、
   イオン伝導性を有する固体電解質体（３１，３１Ａ，３１Ｂ）と、
   前記固体電解質体の表面に設けられた電極（３１１，３１２，３１１Ａ，３１２Ａ，３１１Ｂ，３１２Ｂ）と、
   前記電極の表面に設けられた、多孔質の保護層（３１３）と、
   前記電極及び前記保護層を側方から囲む形状を有し、前記固体電解質体に積層された、絶縁性の緩衝層（３３２，３３３）と、
   前記緩衝層に接着層（３３５）を介して積層され、前記固体電解質体との間に気体を導入する気体導入路を形成する、絶縁性の絶縁体（３３Ｂ）と、を有する、ガスセンサ。
2. 前記電極には、前記固体電解質体の第１表面（３０１）に設けられ、排ガス（Ｇ）に晒される排気電極（３１１，３１１Ａ，３１１Ｂ）と、前記固体電解質体の第２表面（３０２）に設けられ、前記気体としての大気（Ａ）に晒される大気電極（３１２，３１２Ａ，３１２Ｂ）と、があり、
   前記保護層は、前記大気電極の表面に設けられており、
   前記緩衝層は、前記固体電解質体の前記第２表面に積層されており、
   前記絶縁体及び前記緩衝層は、前記固体電解質体の前記第２表面との間に、前記大気を導入する、前記気体導入路としての大気ダクト（３６，３６Ａ，３６Ｂ）を形成している、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記緩衝層の厚みは、前記固体電解質体の厚みよりも薄く、かつ前記電極及び前記保護層の合計厚みに対して±２５％の範囲内にある、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、前記緩衝層の、前記気体導入路の一部を形成する一対の内壁面（３３２Ｘ）は、前記保護層の一対の側面（３１３Ｘ）に重なっている、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記センサ素子の前記長手方向に直交する断面において、前記緩衝層の一対の前記内壁面は、前記電極から離れるに従って間隔が狭くなるテーパ状に形成されている、請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記保護層の表面と前記絶縁体との間には、前記気体導入路に導入された前記気体に晒される隙間が形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記緩衝層と前記絶縁体とは、同一のセラミックス材料によって構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
   

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