JP6443415B2 - ガスセンサ - Google Patents

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のセンサ素子は、複数の電極が設けられた、ジルコニア等からなる固体電解質層と、固体電解質層に積層された、アルミナ等からなる絶縁層と、絶縁層に埋設された、通電によって発熱する発熱体とを備える。固体電解質層及び複数の電極は、発熱体から絶縁層を介した熱伝導により加熱され、目標とする活性化温度になるように温度が制御される。

また、センサ素子における、固体電解質層に設けられた電極へ検出ガスとしての排ガス等を導入する部分には、検出ガスを所定の拡散速度で電極へ導入するための多孔質のアルミナ等による多孔質層が設けられている。固体電解質層、絶縁層及び多孔質層はいずれも金属酸化物から構成される。このようなセンサ素子を有するガスセンサとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

また、例えば、特許文献２においては、ジルコニア固体電解質基体の内部に、発熱体が埋設されたセラミック絶縁層が設けられた構造を有する酸素センサ素子について開示されている。この酸素センサ素子においては、ジルコニア固体電解質基体とセラミック絶縁層との間に、気孔率が３〜２０％である多孔質ジルコニア固体電解質層を配置し、ジルコニア固体電解質基体とセラミック絶縁層との接合力を高める工夫をして、酸素センサ素子にクラックが生じることを防止している。

特開２００９−１１５６１８号公報 特開２００４−８５４９１号公報

特許文献２の酸素センサ素子は、セラミック絶縁層がジルコニア固体電解質基体の内部に設けられたものであり、固体電解質層と絶縁層とが積層されたものではない。この酸素センサ素子においては、固体電解質層に絶縁層が積層されたものに比べて、発熱体から固体電解質基体への伝熱は抑制されると考えられる。しかし、固体電解質基体による絶縁性能は低く、発熱体に通電を行う際に発熱体から生じるリーク電流が、固体電解質基体における電極によるガス検出精度に与える影響を考慮すると、特許文献２の酸素センサ素子は絶縁性に劣るといえる。

特許文献１等に示される、固体電解質層と絶縁層とが積層されたセンサ素子によれば、センサ素子において絶縁層が占める割合が、特許文献２の酸素センサ素子に比べて高い。そのため、固体電解質層と絶縁層とが積層されたセンサ素子によれば、その絶縁性を高めることができ、発熱体からリーク電流が生じにくくすることができる。

特許文献１等のセンサ素子においては、固体電解質層及び複数の電極を迅速に加熱するために、固体電解質層及び絶縁層にヒータを積層している。しかし、固体電解質層及び絶縁層にヒータを積層する場合には、センサ素子の各部がより高温に加熱されやすく、センサ素子の各部を構成する金属酸化物の材質の違いが無視できなくなる場合がある。特に、センサ素子がヒータによって急激に加熱されるときには、センサ素子の各部を構成する金属酸化物の材質の違いにより、各部の金属酸化物の熱膨張量の差が一時的に増大し、金属酸化物同士の界面又は界面の周辺にクラックが生じることが懸念される。

本願発明者らは、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、金属酸化物からなる伝熱抑制層を配置するといった工夫によって、発熱体から絶縁層を介した固体電解質層への熱伝導を適切に抑制し、金属酸化物同士の界面又は界面の周辺にクラックが生じにくくできることを見出した。特許文献２においては、ジルコニア固体電解質基体とセラミック絶縁層との接合力を高めて酸素センサ素子にクラックが生じることを防止することしか記載されていない。本願発明者らは、ヒータから固体電解質への熱伝導を適切に抑制するといった全く新しい着眼によって、クラックの発生を抑制することを見出した。

引用文献２においては、ジルコニア固体電解質基体とセラミック絶縁層との間に、ジルコニア固体電解質基体よりもヤング率が低い多孔質ジルコニア固体電解質層を配置して、これらの界面に作用する、熱膨張差に起因する熱応力を緩和している。
ここで、熱伝導率は、熱伝導率＝熱拡散率×比熱×密度の式で表される。気孔率が３〜２０％である多孔質ジルコニア固体電解質層の密度は、ジルコニア固体電解質基体の８０〜９７％となる。また、気孔を有しないジルコニア固体電解質基体と、多孔質ジルコニア固体電解質層との熱拡散率及び比熱にはほとんど差がない。そのため、多孔質ジルコニア固体電解質層の熱伝導率は、ジルコニア固体電解質基体の熱伝導率に比べて８０％程度低くなる。

本願発明者らは、固体電解質層と絶縁層とが積層されたタイプのセンサ素子において、クラックの発生を効果的に抑制するためには、絶縁層内に配置する伝熱抑制層の熱伝導率を、絶縁層の熱伝導率よりもどれだけ低くすればよいかを見出した。そして、この伝熱抑制層の熱伝導率を低くする割合によって、センサ素子におけるクラックの発生を効果的に抑制できることが分かった。

また、特許文献２の酸素センサ素子は、発熱体から固体電解質基体への伝熱を抑制する一定の効果はあると考えられるものの、絶縁性に劣る。そのため、絶縁性の確保と、クラックの発生の抑制とを両立させるためには、更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、絶縁性を確保するとともに、金属酸化物同士の界面又は界面の周辺にクラック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、
金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されている、ガスセンサにある。
本発明の他の態様は、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、
金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）と、
該絶縁層に埋設された発熱体（６）と、を備え、
上記検出ガス室は、上記固体電解質層の第１主面（２０１）に隣接して、上記拡散抵抗層と上記絶縁層とによって囲まれて形成されており、
上記固体電解質層の第２主面（２０２）には、上記絶縁層によって囲まれた、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おり、
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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されており、
上記検出ガス室の外形を上記伝熱抑制層に、上記積層方向に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記検出ガス室の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の態様は、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、
金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）と、
該絶縁層に埋設された発熱体（６）と、を備え、
上記センサ素子は、上記固体電解質層を複数備え、上記検出ガス室は、上記固体電解質層同士の間に形成されており、
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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されており、
複数の上記固体電解質層のうちの上記伝熱抑制層に最も近い特定固体電解質層の側面は、上記絶縁層内に埋設されており、
上記特定固体電解質層の外形を上記伝熱抑制層に、上記積層方向（Ｄ）に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記特定固体電解質層の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、ガスセンサにある。

上記ガスセンサのセンサ素子においては、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、発熱体から固体電解質層等への伝熱を抑制するための伝熱抑制層が配置されている。この伝熱抑制層を構成する金属酸化物の熱伝導率は、絶縁層を構成する金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の大きさである。この伝熱抑制層により、次の効果が得られる。

発熱体の発熱により、発熱体から絶縁層を介して固体電解質層へ、固体電解質層と絶縁層との積層方向に向けて伝達される熱は、絶縁層を伝わりやすい一方、伝熱抑制層を伝わりにくい。そして、特に、センサ素子が発熱体によって急激に加熱されるときにおいても、発熱体から生じる熱が、固体電解質層と絶縁層との積層方向に対して直交する方向に隣接する、金属酸化物同士の界面の周辺又は金属酸化物と検出ガス室との界面の周辺を急激に加熱することが抑制される。これにより、上記直交する方向において、センサ素子を構成する各部の金属酸化物の熱膨張量の差が緩やかに生じ、金属酸化物同士の界面の周辺、又は金属酸化物と検出ガス室との界面の周辺にクラックが生じにくくすることができる。

なお、上記直交する方向に隣接する金属酸化物同士の界面には、固体電解質層と絶縁層との界面、拡散抵抗層と絶縁層との界面等がある。また、上記直交する方向に隣接する金属酸化物と検出ガス室との界面には、拡散抵抗層と検出ガス室との界面、絶縁層と検出ガス室との界面等がある。

また、上記センサ素子は、固体電解質層と絶縁層とが積層された構造を有するものである。そのため、センサ素子において絶縁層が占める割合が高く、発熱体からリーク電流が生じにくくすることができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、絶縁性を確保するとともに、センサ素子における金属酸化物同士の界面の周辺又は金属酸化物と検出ガス室との界面の周辺にクラックが生じにくくすることができる。

伝熱抑制層を構成する金属酸化物の熱伝導率が、絶縁層を構成する金属酸化物の熱伝導率よりも低くても、伝熱抑制層を構成する金属酸化物の熱伝導率が、絶縁層を構成する金属酸化物の熱伝導率に比べて５９％よりも大きい場合には、クラックが生じにくくする効果が十分に得られない。

なお、本発明の各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の比較品１にかかる、センサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１の比較品１にかかる、図４の一部を拡大して示す説明図。 実施形態２にかかる、センサ素子の断面を示す説明図。 実施形態２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２の比較品２にかかる、センサ素子の断面を示す説明図。 実施形態２の比較品２にかかる、図８の一部を拡大して示す説明図。 実施形態２にかかる、他のセンサ素子の断面を示す説明図。

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、酸素、ＮＯｘ等のガス濃度を検出するセンサ素子１を備える。センサ素子１は、図１に示すように、金属酸化物からなる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に積層された金属酸化物からなる絶縁層４１，４２，４３，４４，４５と、絶縁層４４，４５に埋設された発熱体６とを備える。絶縁層４３，４４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、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成する金属酸化物の熱伝導率よりも熱伝導率が低い金属酸化物からなる伝熱抑制層７が配置されている。伝熱抑制層７を構成する金属酸化物の熱伝導率は、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成する金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下である。

本形態のガスセンサ１００は、車両の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出ガスＧとするとともに大気を基準ガスＡとし、検出ガス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。ガスセンサ１００のセンサ素子１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４１，４２，４３，４４，４５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。センサ素子１は、長尺形状に形成されており、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及び発熱体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。

固体電解質層２は、金属酸化物の焼結体として板状に形成されている。固体電解質層２を構成する金属酸化物は、イットリア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。この金属酸化物は、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。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に設けられて検出ガス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。
なお、第１主面２０１、第２主面２０２とは、固体電解質層２における表面のうち最も面積が大きな一対の表面のことをいう。

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のセンサ素子１においては、測定電極３１に接触する検出ガス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、検出ガス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のセンサ素子１においては、検出ガス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、検出ガス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、検出ガス室５１を形成するための切欠き穴が設けられた第２絶縁層４２と、第１絶縁層４１とが順次積層されている。第２絶縁層４２には、検出ガス室５１へ検出ガスＧを所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層４０が配置されている。拡散抵抗層４０は、多孔質のアルミナの材料によって構成されている。拡散抵抗層４０は、検出ガス室５１の両側に配置されている。検出ガス室５１は、固体電解質層２の第１主面２０１に接する位置において、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び拡散抵抗層４０によって囲まれて形成されている。

固体電解質層２の第２主面２０２には、第３絶縁層４３が積層されている。固体電解質層２の第２主面２０２に接する位置には、第３絶縁層４３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３絶縁層４３に積層された第４絶縁層４４と、第４絶縁層４４に積層された第５絶縁層４５との間に埋設されている。発熱体６は、蛇行する導体によって形成されて通電によって発熱する発熱部６１と、発熱部６１を構成する導体の両端に繋がる導体であって、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。各リード部６２の電気抵抗率、言い換えれば単位長さ当たりの電気抵抗値は、発熱部６１の電気抵抗率よりも低い。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。

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４４，４５へ投影した部位に配置されている。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４１，４２，４３，４４，４５とが積層された方向のことをいう。

なお、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２、第３絶縁層４３、第４絶縁層４４及び第５絶縁層４５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及び伝熱抑制層７は、一体化された絶縁層４３，４４，４５の内部に埋設される。

伝熱抑制層７は、金属酸化物の焼結体として板状に形成されている。伝熱抑制層７を構成する金属酸化物は、固体電解質層２を構成する金属酸化物と同種の金属酸化物であるイットリア安定化ジルコニア等のジルコニアの材料からなる。この金属酸化物は、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。複数の絶縁層４１，４２，４３，４４，４５は、アルミナの材料によって構成されている。複数の絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成するアルミナの材料の密度は、拡散抵抗層４０を構成するアルミナの材料の密度に比べて高い。

ジルコニアの熱伝導率は、室温〜１０００℃において、２〜１０［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］であり、アルミナの熱伝導率は、室温〜１０００℃において、７〜３６［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］である。ただし、ジルコニア又はアルミナに他成分が含有される場合には、その含有量によっては、この数値に当てはまらない場合もある。熱伝導率は、熱伝導のしやすさを示す物性値であり、熱抵抗率の逆数として表される。

伝熱抑制層７を構成するジルコニアの材料の熱伝導率は、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成するアルミナの材料の熱伝導率を１００％とした場合に、１０〜５９％の大きさとすることができる。伝熱抑制層７の熱伝導率が、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５の熱伝導率の５９％よりも大きい場合には、後述する拡散抵抗層４０の部分にクラックＫが生じにくくする効果が十分に得られない。

また、ジルコニアの線膨張係数（線膨張率）は、室温〜１０００℃において、７×１０^-6〜２×１０^-5［Ｋ^-1］であり、アルミナの線膨張係数（線膨張率）は、室温〜１０００℃において、６×１０^-6〜１．５×１０^-5［Ｋ^-1］である。ただし、ジルコニア又はアルミナに他成分が含有される場合には、その含有量によっては、この数値に当てはまらない場合もある。

固体電解質層２及び伝熱抑制層７は、ジルコニア材料以外の金属酸化物の焼結体によって構成することも可能である。固体電解質層２には、強度及び耐熱の観点から、ジルコニア材料を用いることが最適である。また、伝熱抑制層７は、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成するアルミナ材料よりも熱伝導率の低い金属酸化物として、ムライト(３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂)、フォルステライト(２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂)、コージェライト(２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）、ステアタイト(ＭｇＯ・ＳｉＯ₂)等とすることも可能である。ただし、伝熱抑制層７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から構成することにより、センサ素子１の製造を簡単にし、センサ素子１内の熱膨張のムラを少なくし、また、センサ素子１の強度の信頼性を向上させることができる。

図４に示すように、固体電解質体２と発熱部６１との間に伝熱抑制層７が設けられていない場合には、発熱部６１によって生じる熱は、絶縁層９４を最短距離で伝わろうとする。そのため、図５に示すように、発熱部６１に近い、拡散抵抗層４０と検出ガス室５１と固体電解質層２との第１境界部分Ａ１は、発熱部６１から遠い、拡散抵抗層４０と検出ガス室５１と絶縁層９４１との第２境界部分Ａ２よりも強く加熱される。この場合には、検出ガス室５１と接する拡散抵抗層４０の部分には、発熱部６１に近い位置ほど温度が高くなる、積層方向Ｄの温度勾配が生じる。

伝熱抑制層７は、この温度勾配が生じることを緩和するものである。すなわち、固体電解質体２と発熱体６との間に伝熱抑制層７が設けられていることにより、発熱部６１から固体電解質層２へ向けた熱は、伝熱抑制層７を幅方向Ｗへ回り込んで伝わろうとする。この熱が伝熱抑制層７を幅方向Ｗに回り込む作用は、伝熱抑制層７の幅方向Ｗの両側面が第３絶縁層４３又は第４絶縁層４４の内部に埋設されていることにより、より顕著になる。

そして、伝熱抑制層７を幅方向Ｗへ回り込む熱は、第１境界部分Ａ１に伝わった後に第２境界部分Ａ２へ伝わるといった発熱部６１からの最短距離による伝熱ではなく、第１境界部分Ａ１及び第２境界部分Ａ２へ幅方向Ｗの外側からほぼ同時に伝わろうとする伝熱となる。これにより、第１境界部分Ａ１と第２境界部分Ａ２との加熱状態ができるだけ等しくなり、検出ガス室５１と接する拡散抵抗層４０の部分に、積層方向Ｄの温度勾配が生じにくくすることができる。

本形態の伝熱抑制層７の全ての表面、すなわち両主面及び全側面（４つの側面）は、第３絶縁層４３又は第４絶縁層４４の内部に配置されている。これ以外にも、例えば、伝熱抑制層７の４つの側面のうちのいずれか１つ又は互いに対向する２つは、第３絶縁層４３又は第４絶縁層４４の外部に露出していてもよい。

図２に示すように、伝熱抑制層７は、発熱部６１の外形（平面形状）を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて伝熱抑制層７に投影したときに、発熱部６１の外形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、伝熱抑制層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、伝熱抑制層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。なお、幅方向Ｗは、センサ素子１の長手方向Ｌ及び積層方向Ｄに直交する方向である。
この構成により、発熱部６１において生じる熱が、拡散抵抗層４０と検出ガス室５１と固体電解質層２との第１境界部分Ａ１へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。

なお、伝熱抑制層７の厚み等が大きい場合には、伝熱抑制層７は、発熱部６１の外形（平面形状）を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて伝熱抑制層７に投影したときに、必ずしも発熱部６１の外形を覆う位置及び大きさに形成されていなくてもよい。この場合においても、発熱部６１と伝熱抑制層７との大きさの関係は、伝熱抑制層７に、検出ガス室５１の外形（平面形状）をセンサ素子１の積層方向Ｄに向けて投影したときに、伝熱抑制層７が検出ガス室５１の外形の全体を覆う位置及び大きさに形成されていることが好ましい。より具体的には、伝熱抑制層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１は、検出ガス室５１の幅方向Ｗの寸法Ｗ３よりも大きく、伝熱抑制層７の長手方向Ｌの寸法Ｌ１は、検出ガス室５１の長手方向Ｌの寸法Ｌ３よりも大きいことが好ましい。
この構成によっても、発熱部６１において生じる熱が、拡散抵抗層４０と検出ガス室５１と固体電解質層２との第１境界部分Ａ１へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。

伝熱抑制層７の厚みｔは、５〜７２μｍ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、伝熱抑制層７の厚みｔが５μｍ未満である場合には、伝熱抑制層７による十分な伝熱抑制効果が得られないおそれがある。また、伝熱抑制層７を印刷（ペーストの塗布）によって形成する場合、伝熱抑制層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、伝熱抑制層７の厚みｔが７２μｍ超過まで厚くなると、センサ素子１の使用時に、伝熱抑制層７の周辺にクラック等が生じることが懸念される。

図１に示すように、第３絶縁層４３と第４絶縁層４４とに挟まれた伝熱抑制層７は、発熱体６の発熱部６１から積層方向Ｄにできるだけ離れた位置に配置されている。具体的には、伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１は、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２よりも狭い。伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１は、伝熱抑制層７の主面と固体電解質層２の第２主面２０２との間の最小間隔として表される。また、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２は、伝熱抑制層７の主面と発熱部６１の表面との間の最小間隔として表される。
この構成によっても、発熱部６１において生じる熱が、拡散抵抗層４０と検出ガス室５１と固体電解質層２との第１境界部分Ａ１へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。

センサ素子１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。

本形態のセンサ素子１においては、第３絶縁層４３と第４絶縁層４４との間に、発熱体６から固体電解質層２等への伝熱を抑制するための伝熱抑制層７が埋設されていることにより、センサ素子１を構成する金属酸化物同士の界面又は界面の周辺にクラックが生じにくくする効果が得られる。
以下に、伝熱抑制層７が配置された本形態のセンサ素子１と、本形態のセンサ素子１から伝熱抑制層７が除かれた従来のセンサ素子９（図４参照）とを比較して、各センサ素子１，９におけるクラック（割れ）の生じやすさについて考察する。

図４に示すように、従来のセンサ素子９においては、発熱部６１から生じた熱は、センサ素子９の積層方向Ｄに向けて、絶縁層９４、固体電解質層２及び拡散抵抗層４０へと伝達される。そして、特に、発熱部６１の発熱によってセンサ素子９を急激に昇温するときには、センサ素子９においては、発熱部６１に近い部分ほど高温になり、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配が生じる。このとき、検出ガス室５１と接する拡散抵抗層４０の部分においても、発熱部６１に近い部分ほど高温になり、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配が生じる。

そして、図５に示すように、拡散抵抗層４０における、発熱部６１に近い部分は、検出ガス室５１の側へ多く膨張し、拡散抵抗層４０における、発熱部６１から遠い部分は、検出ガス室５１の側へほとんど膨張しない状態が形成される。ここで、同図は、図４における二点鎖線Ｘ１で囲む部分を拡大して示す。

この構成により、積層方向Ｄに対して直交する方向に拡散抵抗層４０と検出ガス室５１とが隣接する界面Ｍ１においては、大きな熱応力が作用することになる。そして、界面Ｍ１に作用する熱応力が許容値を超えるときには、特に、界面Ｍ１における、拡散抵抗層４０の絶縁層９４１側の位置にクラックＫが生じるおそれがある。

一方、図１に示すように、本形態のセンサ素子１においては、発熱体６の発熱部６１の発熱により、発熱部６１から絶縁層４３，４４を介して固体電解質層２へ、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて伝達される熱は、絶縁層４３，４４を伝わりやすい一方、伝熱抑制層７を伝わりにくい。これにより、発熱部６１から固体電解質層２及び拡散抵抗層４０へは、伝熱抑制層７を介して緩やかに熱が伝わるとともに、伝熱抑制層７を回り込んで熱が伝わる。そのため、検出ガス室５１と接する拡散抵抗層４０の部分において生じる温度勾配が緩やかになり、発熱部６１から生じる熱が固体電解質層２の周辺を急激に加熱することが抑制される。

こうして、拡散抵抗層４０における、発熱部６１に近い部分と発熱部６１から遠い部分とに生じる熱膨張量の差が小さくなる。これにより、積層方向Ｄに対して直交する方向において拡散抵抗層４０と検出ガス室５１とが隣接する界面Ｍ１に作用する熱応力も小さくなる。そのため、この熱応力が許容値を超えにくくなり、界面Ｍ１における、拡散抵抗層４０の絶縁層４１側の位置にクラックＫが生じにくくなる。

また、センサ素子１は、固体電解質層２と絶縁層４１，４２，４３，４４，４５とが積層された構造を有するものである。そのため、センサ素子１において絶縁層４１，４２，４３，４４，４５が占める割合が高く、絶縁層４４，４５内に埋設された発熱体６の発熱部６１から、絶縁層４４，４５へリーク電流が生じにくくすることができる。
それ故、本形態のセンサ素子１によれば、絶縁性を確保するとともに、金属酸化物からなる拡散抵抗層４０と検出ガス室５１との界面Ｍ１に位置する、拡散抵抗層４０にクラックＫが生じにくくすることができる。

なお、図４に示す従来のセンサ素子９においては、絶縁層９４と基準ガス室５２との間の、積層方向Ｄに直交する方向に隣接する界面に位置する絶縁層９４においても、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配により、クラックＫが生じるおそれがある。図１に示す本形態のセンサ素子１によれば、伝熱抑制層７の配置により、絶縁層４３と基準ガス室５２との間の、積層方向Ｄに直交する方向に隣接する界面に位置する絶縁層４３においても、クラックＫが生じにくくすることができる。

（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、検出ガスＧが導入される検出ガス室５１が形成されている。第１固体電解質層２Ａの両主面２０３，２０４には、検出ガス室５１内の検出ガス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、検出ガス室５１内に配置されており、他方のポンプ電極３３は、検出ガス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の両主面２０５，２０６には、検出ガス室５１内の検出ガス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、検出ガス室５１内に配置されており、他方の検出電極３４は、絶縁層４４Ａ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。

図６、図７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の全側面を囲む第３絶縁層４３Ａ、第２固体電解質層２Ｂ及び第３絶縁層４３Ａに積層された第４絶縁層４４Ａ、第４絶縁層４４Ａに順次積層された第５絶縁層４５Ａ及び第６絶縁層４６Ａからなる。

ガス導入層４０Ａは、第１絶縁層４１Ａに囲まれた状態で第１固体電解質層２Ａに積層されている。第２絶縁層４２Ａの一部には、検出ガスＧを所定の拡散速度で検出ガス室５１に導入するための拡散抵抗層４０Ｂが形成されている。

第１固体電解質層２Ａの全側面は、第１絶縁層４１Ａ内に埋設されており、第２固体電解質層２Ｂの全側面は、第３絶縁層４３Ａ内に埋設されている。第２固体電解質層２Ｂは、伝熱抑制層７に最も近い特定固体電解質層である。
伝熱抑制層７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。発熱体６は、第５絶縁層４５Ａと第６絶縁層４６Ａとの間に埋設されている。また、伝熱抑制層７を構成する金属酸化物の熱伝導率は、絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａを構成する金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下である。

図８に示すように、固体電解質体２Ｂと発熱部６１との間に伝熱抑制層７が設けられていない場合には、発熱部６１によって生じる熱は、絶縁層９４を最短距離で伝わろうとする。そのため、図９に示すように、第２固体電解質層２Ｂと絶縁層９４３との界面Ｍ２においては、発熱部６１に最も近い、第２固体電解質層２Ｂと絶縁層９４と絶縁層９４３との境界部分Ａ３が強く加熱される。この場合には、界面Ｍ２には、発熱部６１に近い位置ほど温度が高くなる、積層方向Ｄの温度勾配が生じる。

伝熱抑制層７は、この温度勾配が生じることを緩和するものである。すなわち、第２固体電解質体２Ｂと発熱部６１との間に伝熱抑制層７が設けられていることにより、発熱部６１から第２固体電解質層２Ｂへ向けた熱は、伝熱抑制層７を幅方向Ｗへ回り込んで伝わろうとする。そのため、伝熱抑制層７を幅方向Ｗへ回り込む熱は、界面Ｍ２における、発熱部６１に近い位置から遠い位置に向けて順次伝わるといった、発熱部６１からの最短距離による伝熱ではなく、界面Ｍ２の全体へ幅方向Ｗの外側からほぼ同時に伝わろうとする。これにより、界面Ｍ２の積層方向Ｄの各部の加熱状態ができるだけ等しくなり、界面Ｍ２に、積層方向Ｄの温度勾配が生じにくくすることができる。

図７に示すように、伝熱抑制層７は、特定固体電解質層としての第２固体電解質層２Ｂの外形（表面形状）を、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて伝熱抑制層７に投影したときに、第２固体電解質層２Ｂの外形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、伝熱抑制層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１は、第２固体電解質層２Ｂの幅方向Ｗの寸法Ｗ４よりも大きく、伝熱抑制層７の長手方向Ｌの寸法Ｌ１は、第２固体電解質層２Ｂの長手方向Ｌの寸法Ｌ４よりも大きい。
この構成により、発熱部６１において生じる熱が、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａと第４絶縁層４４Ａとの境界部分へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。

図６には、伝熱抑制層７の外形（寸法Ｗ１，Ｌ１）が、第２固体電解質層２Ｂの外形（寸法Ｗ４，Ｌ４）よりも大きく、さらに発熱体６の発熱部６１の外形（寸法Ｗ２，Ｌ２）よりも大きい場合について示す。これ以外にも、伝熱抑制層７の厚み等が大きい場合には、図１０に示すように、伝熱抑制層７の外形（寸法Ｗ１，Ｌ１）は、第２固体電解質層２Ｂの外形（寸法Ｗ４，Ｌ４）よりも大きい一方、発熱部６１の外形（寸法Ｗ２，Ｌ２）よりも小さくてもよい。

第４絶縁層４４Ａと第５絶縁層４５Ａとに挟まれた伝熱抑制層７は、発熱体６の発熱部６１から積層方向Ｄにできるだけ離れた位置に配置されている。具体的には、伝熱抑制層７と第２固体電解質層２Ｂとの間隔Ｄ３は、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ４よりも狭い。伝熱抑制層７と第２固体電解質層２Ｂとの間隔Ｄ３は、伝熱抑制層７の主面と第２固体電解質層２Ｂの主面２０６との間の最小間隔として表される。また、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ４は、伝熱抑制層７の主面と発熱部６１の表面との間の最小間隔として表される。
この構成によっても、発熱部６１において生じる熱が、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａと第４絶縁層４４Ａとの境界部分へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。

以下に、伝熱抑制層７が配置された本形態のセンサ素子１と、本形態のセンサ素子１から伝熱抑制層７が除かれた従来のセンサ素子９（図８参照）とを比較して、各センサ素子１，９におけるクラック（割れ）の生じやすさについて考察する。

図８に示すように、従来のセンサ素子９においては、発熱部６１から生じた熱は、センサ素子９の積層方向Ｄに向けて、絶縁層９４及び第２固体電解質層２Ｂへと伝達される。そして、特に、発熱部６１の発熱によってセンサ素子９を急激に昇温するときには、センサ素子９においては、発熱部６１に近い部分ほど高温になり、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配が生じる。このとき、第２固体電解質層２Ｂと、第２固体電解質層２Ｂの側面に隣接する絶縁層９４３との界面Ｍ２においても、発熱部６１に近い部分ほど高温になり、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配が生じる。

そして、図９に示すように、第２固体電解質層２Ｂの線膨張率が絶縁層９４３の線膨張率よりも大きいことにより、第２固体電解質層２Ｂにおける、発熱部６１に近い部分は、絶縁層９４３の側へ多く膨張し、第２固体電解質層２Ｂにおける、発熱部６１から遠い部分は、絶縁層９４３の側へほとんど膨張しない状態が形成される。ここで、同図は、図８における二点鎖線Ｘ２で囲む部分を拡大して示す。

この構成により、積層方向Ｄに対して直交する方向に第２固体電解質層２Ｂと絶縁層９４３とが隣接する界面Ｍ２における、発熱体６に近い側の端部においては、大きな熱応力が作用することになる。そして、界面Ｍ１に作用する熱応力が許容値を超えるときには、特に、第２固体電解質層２ＢにクラックＫが生じるおそれがある。

一方、図６に示すように、本形態のセンサ素子１においては、発熱体６の発熱部６１の発熱により、発熱部６１から各絶縁層４４Ａ，４５Ａを介して第２固体電解質層２Ｂへ、センサ素子１の積層方向Ｄに向けて伝達される熱は、絶縁層４４Ａ，４５Ａを伝わりやすい一方、伝熱抑制層７を伝わりにくい。これにより、発熱部６１から第２固体電解質層２Ｂへは、伝熱抑制層７を介して緩やかに熱が伝わるとともに、伝熱抑制層７を回り込んで熱が伝わる。そのため、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａとの界面Ｍ２において生じる温度勾配が緩やかになり、発熱部６１から生じる熱が第２固体電解質層２Ｂの周辺を急激に加熱することが抑制される。

こうして、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａとの界面Ｍ２における、発熱部６１に近い部分と発熱部６１から遠い部分とに生じる熱膨張量の差が小さくなる。これにより、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａとの界面Ｍ２に作用する熱応力が小さくなる。そのため、この熱応力が許容値を超えにくくなり、第２固体電解質層２ＢにクラックＫが生じにくくなる。

また、センサ素子１は、各固体電解質層２Ａ，２Ｂと絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａとが積層された構造を有するものである。そのため、センサ素子１において絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａが占める割合が高く、絶縁層４５Ａ，４６Ａ内に埋設された発熱体６の発熱部６１から、絶縁層４５Ａ，４６Ａへリーク電流が生じにくくすることができる。
それ故、本形態のセンサ素子１によっても、絶縁性を確保するとともに、金属酸化物同士の界面としての、第２固体電解質層２Ｂと第３絶縁層４３Ａとの界面Ｍ２において、特に第２固体電解質層２ＢにクラックＫが生じにくくすることができる。

なお、図８に示す従来のセンサ素子９においては、拡散抵抗層４０Ｂと検出ガス室５１との間の、積層方向Ｄに直交する方向に隣接する界面に位置する拡散抵抗層４０Ｂにおいても、発熱部６１から遠い部分ほど低温になるといった温度勾配により、クラックＫが生じるおそれがある。図６に示す本形態のセンサ素子１によれば、伝熱抑制層７の配置により、拡散抵抗層４０Ｂと検出ガス室５１との間の、積層方向Ｄに直交する方向に隣接する界面に位置する拡散抵抗層４０Ｂにおいても、クラックＫが生じにくくすることができる。

本形態のセンサ素子１においても、伝熱抑制層７の厚みｔ、寸法Ｗ１，Ｗ２，Ｌ１，Ｌ２によって表される発熱体６の発熱部６１と伝熱抑制層７との大きさの関係等のその他の構成は、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１）
本確認試験においては、伝熱抑制層７を構成する金属酸化物の熱伝導率Ｅ１が、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成する金属酸化物の熱伝導率Ｅ２よりもどれだけ低い場合に、センサ素子の早期活性時においてセンサ素子にクラックが生じにくくなるかの確認を行った。
本確認試験においては、実施形態１に示したセンサ素子１が伝熱抑制層７を有しない場合（図４のセンサ素子９）である比較品１、及び実施形態１に示したセンサ素子１であって、伝熱抑制層７の熱伝導率Ｅ１が異なる複数種類のセンサ素子１である試験品１〜４を準備した。また、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５には、熱伝導率Ｅ２が３２［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］であるアルミナを用い、伝熱抑制層７には、熱伝導率Ｅ１が８［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］であるジルコニア、又はジルコニアとアルミナの混合物を用いた。

試験品１〜４においては、伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２よりも狭くし（Ｄ１＜Ｄ２）、伝熱抑制層７は、検出ガス室５１の外形の全体を覆う位置及び大きさに形成した。
そして、本確認試験においては、発熱体６に印加する電圧を１０〜２７Ｖの範囲で変更したときに、比較品１のセンサ素子９及び試験品１〜４のセンサ素子１の各拡散抵抗層４０にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体６の発熱部６１の抵抗値は２．０Ωとし、伝熱抑制層７の厚みは１０μｍとし、発熱体６に印加する電圧の時間は５秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。

表１に、確認を行った結果を示す。同表においては、クラックが生じなかった場合を○で示し、クラックが生じた場合を×で示す。また、伝熱抑制層７の熱伝導率Ｅ１を絶縁層４１，４２，４３，４４，４５の熱伝導率Ｅ２で除した値を熱伝導率比Ｅ１／Ｅ２とし、試験品１〜４の熱伝導率比Ｅ１／Ｅ２を示す。

比較品１のセンサ素子９においては、発熱体６への印加電圧を２１Ｖ以上に大きくしたときに拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。また、試験品１のセンサ素子１において、熱伝導率比Ｅ１／Ｅ２が８１％である場合には、比較品１と同様に、発熱体６への印加電圧を２１Ｖ以上に大きくしたときに拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。この場合には、伝熱抑制層７が設けられていても、この伝熱抑制層７の熱伝導率Ｅ１が絶縁層４１，４２，４３，４４，４５の熱伝導率Ｅ２に近いために、伝熱抑制層７によって伝熱を抑制する効果が得られなかったことに起因する。

一方、試験品２，３のセンサ素子１において、熱伝導率比Ｅ１／Ｅ２が５９％及び３８％である場合には、発熱体６への印加電圧を２５Ｖまで大きくしても拡散抵抗層４０にクラックは生じなかった。さらに、試験品４のセンサ素子１において、熱伝導率比Ｅ１／Ｅ２が２５％である場合には、発熱体６への印加電圧を２７Ｖまで大きくしても拡散抵抗層４０にクラックは生じなかった。

以上の結果より、試験品２〜４のセンサ素子１として、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成する金属酸化物の熱伝導率Ｅ２に比べて、伝熱抑制層７を構成する金属酸化物の熱伝導率Ｅ１が５９％以下である場合には、センサ素子１の早期活性時に、拡散抵抗層４０にクラックが生じにくくなることが分かった。

（確認試験２）
本確認試験においては、実施形態１に示したセンサ素子１（試験品５〜７）と、実施形態１に示した従来のセンサ素子９（比較品２）とについて、各センサ素子１，９の早期活性時におけるクラック耐性を確認した。具体的には、発熱体６に印加する電圧を１０〜２７Ｖの範囲で変更したときに、各センサ素子１，９の拡散抵抗層４０にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体６の発熱部６１の抵抗値は２．０Ωとし、伝熱抑制層７の厚みは１０μｍとし、発熱体６に印加する電圧の時間は５秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。なお、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５にはアルミナを用い、伝熱抑制層７にはジルコニアを用いた。

また、試験品５〜７のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７を発熱部６１から遠い位置に配置した場合、すなわち伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２よりも狭くした場合（Ｄ１＜Ｄ２）と、発熱部６１に近い位置に配置した場合、すなわち伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２よりも広くした場合（Ｄ１＞Ｄ２）とについて、クラックの有無を確認した。また、試験品５〜７のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７の外形を検出ガス室５１の外形よりも大きくした場合（Ｗ１＞Ｗ３及びＬ１＞Ｌ３の場合）と、伝熱抑制層７の外形を検出ガス室５１の外形よりも小さくした場合（Ｗ１＜Ｗ３及びＬ１＜Ｌ３の場合）とについて、クラックの有無を確認した。

表２に、確認を行った結果を示す。同表においては、クラックが生じなかった場合を○で示し、クラックが生じた場合を×で示す。

比較品２のセンサ素子９においては、発熱体６への印加電圧を２２Ｖ以上に大きくしたときに拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。一方、間隔の関係がＤ１＜Ｄ２の場合であって、外形の関係がＷ１＞Ｗ３及びＬ１＞Ｌ３の場合である、試験品５のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２７Ｖまで大きくしても拡散抵抗層４０にクラックは生じなかった。また、間隔の関係がＤ１＜Ｄ２の場合であって、外形の関係がＷ１＜Ｗ３及びＬ１＜Ｌ３の場合である、試験品６のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２３Ｖ以上に大きくしたときに拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。また、間隔の関係がＤ１＞Ｄ２の場合であって、外形の関係がＷ１＞Ｗ３及びＬ１＞Ｌ３の場合である、試験品７のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２４Ｖ以上に大きくしたときに拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。

以上の結果より、試験品５〜７のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７を有することによって、伝熱抑制層７を有しない比較品２のセンサ素子９に比べて、センサ素子１の早期活性時に、拡散抵抗層４０にクラックが生じにくくなることが分かった。この理由は、伝熱抑制層７によって、発熱体６の発熱部６１からの拡散抵抗層４０への伝熱を緩やかにすることができたためであると考える。

また、間隔の関係がＤ１＜Ｄ２を満たし、かつ外形の関係がＷ１＞Ｗ３及びＬ１＞Ｌ３を満たす試験品５の場合に、拡散抵抗層４０にクラックが最も生じにくくなることが分かった。この理由は、上記条件を満たす場合に、拡散抵抗層４０の積層方向Ｄに生じる温度勾配を最も緩やかにすることができたためであると考える。

（確認試験３）
本確認試験においては、実施形態１に示したセンサ素子１について、伝熱抑制層７の適切な厚みｔを確認した。具体的には、伝熱抑制層７の厚みｔを２〜１０９μｍの範囲で変更させたときに、拡散抵抗層４０又は伝熱抑制層７にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体６の発熱部６１の抵抗値は２．０Ωとし、発熱体６に印加する電圧は２７Ｖとし、電圧を印加する時間は５秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。

また、伝熱抑制層７と固体電解質層２との間隔Ｄ１を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ２よりも狭くし（Ｄ１＜Ｄ２）、伝熱抑制層７は、検出ガス室５１の外形の全体を覆う位置及び大きさに形成した。また、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５にはアルミナを用い、伝熱抑制層７にはジルコニアを用いた。

表３に、確認を行った結果を示す。同表においては、クラックが生じなかった場合を○で示し、クラックが生じた場合を×で示す。

伝熱抑制層７の厚みが２μｍである場合には、拡散抵抗層４０にクラックが生じることが確認された。この理由は、伝熱抑制層７の厚みｔが小さくなり過ぎ、発熱体６の発熱部６１から拡散抵抗層４０への伝熱を、伝熱抑制層７によって十分に抑制できなかったためであると考える。

一方、伝熱抑制層７の厚みが８１μｍ以上になる場合には、伝熱抑制層７にクラックが生じることが確認された。この理由は、伝熱抑制層７の厚みｔが大きくなり過ぎ、伝熱抑制層７に、積層方向Ｄに向けた温度勾配が生じて、伝熱抑制層７に加わる熱応力が増大したためであると考える。
そして、伝熱抑制層７の厚みは、４〜７５μｍとすることにより、センサ素子１にクラックが生じにくくできることが確認された。

（確認試験４）
本確認試験においては、実施形態２に示したセンサ素子１（試験品８〜１０）と、実施形態２に示した従来のセンサ素子９（比較品３）とについて、各センサ素子１，９の早期活性時におけるクラック耐性を確認した。具体的には、発熱体６に印加する電圧を１０〜２７Ｖの範囲で変更したときに、各センサ素子１，９の第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じたか否かを確認した。発熱体６の発熱部６１の抵抗値は２．０Ωとし、伝熱抑制層７の厚みは１０μｍとし、発熱体６に印加する電圧の時間は５秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。なお、絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａにはアルミナを用い、伝熱抑制層７にはジルコニアを用いた。

また、試験品８〜１０のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７を発熱部６１から遠い位置に配置した場合、すなわち伝熱抑制層７と第２固体電解質層２Ｂとの間隔Ｄ３を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ４よりも狭くした場合（Ｄ３＜Ｄ４）と、発熱部６１に近い位置に配置した場合、すなわち伝熱抑制層７と第２固体電解質層２Ｂとの間隔Ｄ３を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ４よりも広くした場合（Ｄ３＞Ｄ４）とについて、クラックの有無を確認した。また、試験品８〜１０のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７の外形を第２固体電解質層２Ｂの外形よりも大きくした場合（Ｗ１＞Ｗ４及びＬ１＞Ｌ４の場合）と、伝熱抑制層７の外形を第２固体電解質層２Ｂの外形よりも小さくした場合（Ｗ１＜Ｗ４及びＬ１＜Ｌ４の場合）とについて、クラックの有無を確認した。

表４に、確認を行った結果を示す。同表においては、クラックが生じなかった場合を○で示し、クラックが生じた場合を×で示す。

比較品３のセンサ素子９においては、発熱体６への印加電圧を２１Ｖ以上に大きくしたときに第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じることが確認された。一方、間隔の関係がＤ３＜Ｄ４の場合であって、外形の関係がＷ１＞Ｗ４及びＬ１＞Ｌ４の場合である、試験品８のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２７Ｖまで大きくしても第２固体電解質層２Ｂにクラックは生じなかった。また、間隔の関係がＤ３＜Ｄ４の場合であって、外形の関係がＷ１＜Ｗ４及びＬ１＜Ｌ４の場合である、試験品９のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２４Ｖ以上に大きくしたときに第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じることが確認された。また、間隔の関係がＤ３＞Ｄ４の場合であって、外形の関係がＷ１＞Ｗ４及びＬ１＞Ｌ４の場合である、試験品１０のセンサ素子１においては、発熱体６への印加電圧を２５Ｖ以上に大きくしたときに第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じることが確認された。

以上の結果より、試験品８〜１０のセンサ素子１においては、伝熱抑制層７を有することによって、伝熱抑制層７を有しない比較品３のセンサ素子９に比べて、センサ素子１の早期活性時に、第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じにくくなることが分かった。この理由は、発熱体６の発熱部６１からの第２固体電解質層２Ｂへの伝熱を、伝熱抑制層７によって緩やかにすることができたためであると考える。

また、間隔の関係がＤ３＜Ｄ４を満たし、かつ外形の関係がＷ１＞Ｗ４及びＬ１＞Ｌ４を満たす試験品８の場合に、第２固体電解質層２Ｂにクラックが最も生じにくくなることが分かった。この理由は、上記条件を満たす場合に、第２固体電解質層２Ｂの積層方向Ｄに生じる温度勾配を最も緩やかにすることができたためであると考える。

（確認試験５）
本確認試験においては、実施形態２に示したセンサ素子１について、伝熱抑制層７の適切な厚みｔを確認した。具体的には、伝熱抑制層７の厚みｔを３〜１０１μｍの範囲で変更させたときに、第２固体電解質層２Ｂ又は伝熱抑制層７にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体６の発熱部６１の抵抗値は２．０Ωとし、発熱体６に印加する電圧は２７Ｖとし、電圧を印加する時間は５秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。

また、伝熱抑制層７と第２固体電解質層２Ｂとの間隔Ｄ３を、伝熱抑制層７と発熱部６１との間隔Ｄ４よりも狭くし（Ｄ３＜Ｄ４）、伝熱抑制層７は、第２固体電解質層２Ｂの外形の全体を覆う位置及び大きさに形成した。また、絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａにはアルミナを用い、伝熱抑制層７にはジルコニアを用いた。

表５に、確認を行った結果を示す。同表においては、クラックが生じなかった場合を○で示し、クラックが生じた場合を×で示す。

伝熱抑制層７の厚みｔが３μｍである場合には、第２固体電解質層２Ｂにクラックが生じることが確認された。この場合には、伝熱抑制層７の厚みｔが小さくなり過ぎ、発熱体６の発熱部６１から第２固体電解質層２Ｂへの伝熱を、伝熱抑制層７によって十分に抑制できなかったためであると考える。

一方、伝熱抑制層７の厚みｔが８１μｍ以上になる場合には、伝熱抑制層７にクラックが生じることが確認された。この場合には、伝熱抑制層７の厚みｔが大きくなり過ぎ、伝熱抑制層７に、積層方向Ｄに向けた温度勾配が生じて、伝熱抑制層７に加わる熱応力が増大したためであると考える。
そして、伝熱抑制層７の厚みは、５〜７２μｍとすることにより、センサ素子１にクラックが生じにくくできることが確認された。

なお、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。

１００ ガスセンサ
１ センサ素子
２，２Ａ，２Ｂ 固体電解質層
３１，３２，３３，３４ 電極
４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ 絶縁層
６ 発熱体
７ 伝熱抑制層

Claims (7)

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、
   金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
   上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
   上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
   上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されている、ガスセンサ。
2. 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、
   金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
   上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
   上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）と、
   該絶縁層に埋設された発熱体（６）と、を備え、
   上記検出ガス室は、上記固体電解質層の第１主面（２０１）に隣接して、上記拡散抵抗層と上記絶縁層とによって囲まれて形成されており、
   上記固体電解質層の第２主面（２０２）には、上記絶縁層によって囲まれた、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おり、
   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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
   上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されており、
   上記検出ガス室の外形を上記伝熱抑制層に、上記積層方向に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記検出ガス室の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、ガスセンサ。
3. 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、
   金属酸化物からなる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主面（２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６）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おける上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス（Ｇ）を接触させるための検出ガス室（５１）と、
   上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス（Ｇ）を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層（４０）と、
   上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層（４１，４２，４３，４４，４５，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａ）と、
   該絶縁層に埋設された発熱体（６）と、を備え、
   上記センサ素子は、上記固体電解質層を複数備え、上記検出ガス室は、上記固体電解質層同士の間に形成されており、
   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金属酸化物の熱伝導率を１００％とした場合に、５９％以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなるとともに、厚み（ｔ）が５〜７２μｍである伝熱抑制層（７）が配置されており、
   上記センサ素子の長手方向（Ｌ）と、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）とに直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側面が上記絶縁層の内部に埋設されていることにより、上記伝熱抑制層の上記幅方向の両側には、上記絶縁層が配置されており、
   複数の上記固体電解質層のうちの上記伝熱抑制層に最も近い特定固体電解質層の側面は、上記絶縁層内に埋設されており、
   上記特定固体電解質層の外形を上記伝熱抑制層に、上記積層方向（Ｄ）に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記特定固体電解質層の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、ガスセンサ。
4. 上記固体電解質層及び上記伝熱抑制層は、ジルコニア材料によって構成されており、
   上記絶縁層は、アルミナ材料によって構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 上記発熱体は、蛇行する導体によって形成されて通電によって発熱する発熱部（６１）と、該発熱部を構成する導体の両端に繋がる導体であって、上記発熱部の電気抵抗率よりも電気抵抗率が低く、上記発熱部に通電するための一対のリード部（６２）とを有し、
   上記発熱部の外形を上記伝熱抑制層に、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記発熱部の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、請求項１又は４に記載のガスセンサ。
6. 上記伝熱抑制層は、上記絶縁層の内部に埋設されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 上記伝熱抑制層と該伝熱抑制層に最も近い上記固体電解質層との間隔（Ｄ１，Ｄ３）は、上記伝熱抑制層と上記発熱体との間隔（Ｄ２，Ｄ４）よりも狭い、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。

Images