JP6540640B2 - Gas sensor - Google Patents

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本発明は、複数の電極が設けられた固体電解質層を有するセンサ素子を備えるガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor provided with a sensor element having a solid electrolyte layer provided with a plurality of electrodes.

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、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、目標とする活性化温度になるように制御される。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。   A sensor element of a gas sensor for measuring oxygen concentration, NOx (nitrogen oxide) concentration, air-fuel ratio of an internal combustion engine, etc. is made of alumina or the like laminated on a solid electrolyte layer provided with a plurality of electrodes and a solid electrolyte layer. An insulating layer, and a heating element embedded in the insulating layer and generating heat by energization are provided. The solid electrolyte layer and the plurality of electrodes are heated by heat transfer from a heat generating element that generates heat when energized, and are controlled to reach a target activation temperature. As a gas sensor which has such a sensor element, there is a thing described in patent documents 1, for example.

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に一対の電極対が設けられたセンサ部と、セラミック絶縁層内に発熱体が埋設されたヒータ部と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、ヒータ部におけるセラミック絶縁層と、ジルコニア固体電解質基体の一部であるジルコニア固体電解質層との間には、気孔率が３〜２０％の多孔質ジルコニア固体電解質層が形成されている。また、多孔質ジルコニア固体電解質層は、セラミック絶縁層とジルコニア固体電解質層との接合力を高めるために設けられている。   For example, Patent Document 2 discloses an oxygen sensor element having a sensor portion in which a pair of electrode pairs is provided on a zirconia solid electrolyte substrate, and a heater portion in which a heating element is embedded in a ceramic insulating layer. There is. In this oxygen sensor element, a porous zirconia solid electrolyte layer having a porosity of 3 to 20% is formed between the ceramic insulating layer in the heater portion and the zirconia solid electrolyte layer which is a part of the zirconia solid electrolyte substrate. ing. In addition, the porous zirconia solid electrolyte layer is provided to increase the bonding strength between the ceramic insulating layer and the zirconia solid electrolyte layer.

特開２００９−１１５６１８号公報JP, 2009-115618, A 特開２００４−８５４９１号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-85491

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。   In the oxygen sensor element of Patent Document 2, the ceramic insulating layer is provided in the inside of the zirconia solid electrolyte base, and the solid electrolyte layer and the insulating layer are not stacked. In this oxygen sensor element, the insulation performance by the solid electrolyte base is low, and the leak current generated from the heating element when the heating element is energized takes into consideration the influence of the electrodes in the solid electrolyte base on the gas detection accuracy. It can be said that the oxygen sensor element 2 is inferior in insulation.

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。   According to the sensor element in which the solid electrolyte layer and the insulating layer are stacked as shown in Patent Document 1 etc., the proportion of the insulating layer in the sensor element is higher than that of the oxygen sensor element of Patent Document 2. Therefore, according to the sensor element in which the solid electrolyte layer and the insulating layer are stacked, the insulation property can be enhanced, and a leak current can be less likely to be generated from the heating element.

また、ジルコニア等から構成される固体電解質層の線膨張率と、アルミナ等から構成される絶縁層の線膨張率とは当然に異なる。また、センサ素子においては、固体電解質層と絶縁層との積層方向の全長の中心を通ってセンサ素子を積層方向に分ける仮想中心線を仮定したときに、仮想中心線を境界とする２つの半領域において、固体電解質層と絶縁層とが対称の位置に配置されることはない。そのため、固体電解質層と絶縁層との線膨張率の違い、及び固体電解質層と絶縁層とが配置される位置の非対称性により、センサ素子が高温に加熱されるときには、センサ素子には形状の反りが生じる。そして、センサ素子に形状の反りが生じると、センサ素子が被水する場合に、センサ素子にクラック（割れ）が生じるおそれがある。   Also, the linear expansion coefficient of the solid electrolyte layer composed of zirconia or the like is naturally different from the linear expansion coefficient of the insulating layer composed of alumina or the like. Further, in the sensor element, assuming a virtual center line dividing the sensor element in the stacking direction through the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction, two half lines bordering the virtual center line In the region, the solid electrolyte layer and the insulating layer are not arranged at symmetrical positions. Therefore, when the sensor element is heated to a high temperature due to the difference in linear expansion coefficient between the solid electrolyte layer and the insulating layer and the asymmetry of the position where the solid electrolyte layer and the insulating layer are disposed, the sensor element has a shape Warpage occurs. When the sensor element is warped in shape, a crack may occur in the sensor element when the sensor element is exposed to water.

特許文献１のセンサ素子においては、一方の第１半領域にのみ、絶縁層に比べて線膨張率が高い固体電解質層が配置されており、第１半領域が、他方の第２半領域に比べて膨張しやすくなる。そして、第１半領域側の外面が凸状になるように、第１半領域に反りが生じることが想定される。特許文献２の酸素センサ素子においては、一方の第１半領域に比べて他方の第２半領域に、ジルコニア固体電解質層よりも線膨張率が低いセラミック絶縁層がより多く配置されており、第１半領域が、第２半領域に比べて膨張しやすくなる。そして、第１半領域側の外面が凸状になるように、センサ素子に反りが生じることが想定される。   In the sensor element of Patent Document 1, the solid electrolyte layer having a linear expansion coefficient higher than that of the insulating layer is disposed only in one first half region, and the first half region is disposed in the other second half region. It will expand more easily. Then, it is assumed that warpage occurs in the first half area so that the outer surface on the first half area side is convex. In the oxygen sensor element of Patent Document 2, more ceramic insulating layers having a linear expansion coefficient lower than that of the zirconia solid electrolyte layer are disposed in the other second half region compared to the first one half region, The one-half area is more likely to expand than the second half area. Then, it is assumed that the sensor element is warped such that the outer surface on the first half region side is convex.

また、特許文献２の酸素センサ素子においては、ジルコニア固体電解質層とセラミック絶縁層との間に配置された多孔質ジルコニア固体電解質層は、セラミック絶縁層と同様にジルコニア固体電解質層よりも線膨張率が低い。そのため、多孔質ジルコニア固体電解質層の配置によって、第１半領域側の外面がさらに凸状になるように、酸素センサ素子にさらに反りが生じやすくなることが想定される。   Further, in the oxygen sensor element of Patent Document 2, the porous zirconia solid electrolyte layer disposed between the zirconia solid electrolyte layer and the ceramic insulating layer has a linear expansion coefficient higher than that of the zirconia solid electrolyte layer, like the ceramic insulating layer. Is low. Therefore, it is assumed that warpage of the oxygen sensor element is more likely to occur such that the outer surface on the first half region side is further convex due to the arrangement of the porous zirconia solid electrolyte layer.

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、センサ素子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。   The present invention has been made in view of such problems, and has been obtained as an attempt to provide a gas sensor that can ensure that the sensor element does not easily crack while securing insulation.

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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものである、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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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）に隣接して形成されており、かつ、上記検出ガス室へ上記検出ガス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ダクト（５２）が隣接して形成されており、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものである、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上記固体電解質層同士の間に形成され、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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものであり、
複数の上記固体電解質層のうちの上記反り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反り抑制層に、上記特定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、上記反り抑制層は、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。 One aspect of the present invention is a gas sensor (100) including a sensor element (1) for detecting a gas concentration,
The sensor element is
One or more solid electrolyte layers (2, 2A, 2B) made of metal oxides;
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer is a gas sensor that suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element.
Another aspect of the present invention is a gas sensor (100) comprising a sensor element (1) for detecting a gas concentration,
The sensor element is
One or more solid electrolyte layers (2, 2A, 2B) made of metal oxides;
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
The detection gas chamber is formed adjacent to the first main surface (201) of the solid electrolyte layer, and is porous for introducing the detection gas into the detection gas chamber at a predetermined diffusion rate. Formed by being surrounded by a diffusion resistance layer (40) made of a metal oxide and the above insulating layer,
A reference gas duct (52) surrounded by the insulating layer is formed adjacent to the second main surface (202) of the solid electrolyte layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer is a gas sensor that suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element.
Yet another aspect of the present invention is a gas sensor (100) comprising a sensor element (1) for detecting a gas concentration,
The sensor element is
Multiple solid electrolyte layer ing a metal oxide and (2,2A, 2B),
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed between the solid electrolyte layers adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element.
The side surface of the specific solid electrolyte layer closest to the warpage suppressing layer among the plurality of solid electrolyte layers is embedded in the insulating layer,
When the external shape of the specific solid electrolyte layer is projected onto the warpage suppressing layer in the stacking direction (D) of the specific solid electrolyte layer and the insulating layer, the warpage suppressing layer is the same as that of the specific solid electrolyte layer. It is in the gas sensor which is formed in the position and the size which cover the outline.

上記ガスセンサのセンサ素子においては、センサ素子に反りが生じることを抑制するための反り抑制層が配置されている。この反り抑制層を構成する金属酸化物の線膨張率は、絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも高い。この反り抑制層により、次の効果が得られる。   In the sensor element of the gas sensor, a warpage suppressing layer is disposed to suppress the occurrence of warpage in the sensor element. The linear expansion coefficient of the metal oxide which comprises this curvature suppression layer is higher than the linear expansion coefficient of the metal oxide which comprises an insulating layer. The following effects can be obtained by this warpage suppressing layer.

具体的には、センサ素子を、固体電解質層と絶縁層との積層方向の全長の中心を通る仮想中心線によって２つの半領域に区画する場合に、固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域とするとともに、発熱体が含まれる反対側の半領域を第２半領域とする。
第１半領域においては、第２半領域に比べて固体電解質層がより多く配置され、第２半領域においては、第１半領域に比べて絶縁層がより多く配置される。 Specifically, when the sensor element is divided into two half regions by a virtual center line passing through the center of the entire length in the stacking direction of the solid electrolyte layer and the insulating layer, the half on the side containing more solid electrolyte layer The area is a first half area, and the other half area including the heating element is a second half area.
In the first half area, more solid electrolyte layers are arranged as compared to the second half area, and in the second half area, more insulating layers are arranged as compared to the first half area.

ここで、固体電解質層は、第１半領域と第２半領域との両方に配置される場合がある。この場合、固体電解質層は、第１半領域と第２半領域との両方に、均等には配置されないこととする。そして、「第１半領域においては、第２半領域に比べて固体電解質層がより多く含まれる」とは、第１半領域内に配置される固体電解質層の体積が、第２半領域内に配置される固体電解質層の体積よりも多いことを示す。
なお、固体電解質層は、第１半領域にのみ配置される場合もある。 Here, the solid electrolyte layer may be disposed in both the first half region and the second half region. In this case, the solid electrolyte layer is not equally disposed in both the first half region and the second half region. The phrase "in the first half region, the solid electrolyte layer is contained more than in the second half region" means that the volume of the solid electrolyte layer disposed in the first half region is in the second half region. The volume of the solid electrolyte layer placed in the
The solid electrolyte layer may be disposed only in the first half region.

センサ素子においては、固体電解質層の線膨張率が絶縁層の線膨張率よりも高いことにより、固体電解質層がより多く配置される第１半領域の積層方向の外面が凸状に、絶縁層がより多く配置される第２半領域の積層方向の外面が凹状に変形するよう、形状の反りが生じやすい状態にある。   In the sensor element, since the linear expansion coefficient of the solid electrolyte layer is higher than the linear expansion coefficient of the insulating layer, the outer surface in the stacking direction of the first half region where more solid electrolyte layers are disposed is convex. It is in the state which curvature of a shape tends to produce so that the external surface of the lamination direction of the 2nd half field where more is arranged more is deformed in concave.

そこで、センサ素子においては、第２半領域に、絶縁層の線膨張率に比べて線膨張率が高い反り抑制層が配置されている。これにより、第１半領域に配置された材料全体による熱膨張量と、第２半領域に配置された材料全体による熱膨張量とを近くすることができる。そのため、センサ素子が高温に加熱される場合においても、センサ素子の形状に反りが生じにくくすることができる。その結果、センサ素子が被水する場合であっても、センサ素子にクラック（割れ）が生じにくくすることができる。   Therefore, in the sensor element, a warpage suppressing layer having a linear expansion coefficient higher than that of the insulating layer is disposed in the second half region. Thus, the amount of thermal expansion by the entire material disposed in the first half region and the amount of thermal expansion by the entire material disposed in the second half region can be made close to each other. Therefore, even when the sensor element is heated to a high temperature, the shape of the sensor element can be hardly warped. As a result, even when the sensor element gets wet, it is possible to make it difficult for the sensor element to be cracked.

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、センサ素子にクラックが生じにくくすることができる。 The sensor element has a structure in which a solid electrolyte layer and an insulating layer are stacked. Therefore, the proportion of the insulating layer in the sensor element is high, and it is possible to make the leakage current less likely to occur from the heating element.
So, according to the said gas sensor, while ensuring insulation, it can be made hard to produce a crack in a sensor element.

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。 In addition, although the code in parentheses of each component shown in each aspect of the present invention indicates the correspondence with the reference symbol in the drawings in the embodiment, each component is not limited to only the contents of the embodiment.

実施形態１にかかる、センサ素子の断面を示す説明図。Explanatory drawing which shows the cross section of a sensor element concerning Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 2 is a perspective view showing each component of the sensor element according to Embodiment 1 in an exploded state of the sensor element. 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。Explanatory drawing which shows the cross section of a gas sensor provided with a sensor element concerning Embodiment 1. FIG. 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。Explanatory drawing which shows the cross section of the sensor element concerning the comparative product 1 of Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 5 is an enlarged view of a part of FIG. 4 according to a comparative product 1 of the first embodiment. 実施形態２にかかる、センサ素子の断面を示す説明図。Explanatory drawing which shows the cross section of a sensor element concerning Embodiment 2. FIG. 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。The perspective view which shows each component of a sensor element concerning Embodiment 2 in the state which decomposed | disassembled the sensor element. 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。Explanatory drawing which shows the cross section of the sensor element concerning the comparative product 2 of Embodiment 2. FIG. 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。FIG. 9 is an enlarged view of a part of FIG. 8 according to a comparative product 2 of the second embodiment. 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。Explanatory drawing which shows the cross section of the other sensor element concerning Embodiment 2. FIG.

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における第１主面２０１に隣接して形成され、電極３１に検出ガスＧを接触させるための検出ガス室５１と、固体電解質層２に積層され、固体電解質層２を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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。 Preferred embodiments of the above-described gas sensor will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
The gas sensor 100 of the present embodiment includes a sensor element 1 that detects the concentration of gas such as oxygen and NOx. As shown in FIG. 1, the sensor element 1 includes one solid electrolyte layer 2 made of metal oxide, a pair of electrodes 31 and 32 provided on both main surfaces 201 and 202 of the solid electrolyte layer 2, and a solid electrolyte The metal oxide that is formed adjacent to the first major surface 201 in the layer 2 and is stacked on the solid electrolyte layer 2 and the detection gas chamber 51 for contacting the detection gas G to the electrode 31 and that constitutes the solid electrolyte layer 2 Insulating layers 41, 42, 43, 44, and 45 made of metal oxides having a linear expansion coefficient lower than the linear expansion coefficient, and the heating element 6 embedded in the insulating layers 44 and 45.

ガスセンサ１００においては、センサ素子１を、固体電解質層２と絶縁層４１，４２，４３，４４，４５との積層方向Ｄの全長の中心を通る仮想中心線Ｏによって２つの半領域に区画する場合に、固体電解質層２がより多く含まれる（配置される）側の半領域を第１半領域Ｒ１とするとともに、第１半領域Ｒ１とは反対側の半領域であって発熱体６が含まれる（配置される）半領域を第２半領域Ｒ２とする。この場合、第２半領域Ｒ２には、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる反り抑制層７が配置されている。   In the gas sensor 100, the sensor element 1 is divided into two half regions by the virtual center line O passing through the center of the entire length of the solid electrolyte layer 2 and the insulating layers 41, 42, 43, 44 and 45 in the stacking direction D. The half region on the side containing (disposed) more solid electrolyte layer 2 is referred to as a first half region R1 and the heating region 6 is a half region on the opposite side to the first half region R1. The half area to be placed (arranged) is referred to as a second half area R2. In this case, the warpage suppressing layer 7 made of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layers 41, 42, 43, 44 and 45 is disposed in the second half region R2. It is done.

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。   The gas sensor 100 of this embodiment is disposed in an exhaust pipe of a vehicle, and uses exhaust gas flowing through the exhaust pipe as a detection gas G and the atmosphere as a reference gas A. Concentrations of oxygen and NOx (nitrogen oxide) in the detection gas G Used to detect the air-fuel ratio (A / F) of the internal combustion engine and the like. The sensor element 1 of the gas sensor 100 laminates and sinters a sheet of metal oxide constituting the solid electrolyte layer 2 and a sheet of metal oxide constituting the insulating layers 41, 42, 43, 44, 45. It is formed.

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Ｌ１の端部に設けられている。 As shown in FIG. 3, the gas sensor 100 includes a sensor element 1, a housing 70, insulators 71 and 72, contact terminals 73, lead wires 74, a cover 75, a bush 76, double covers 77 A and 77 B, and the like.
The sensor element 1 is held by an insulator 71, and the insulator 71 is held by a housing 70. The gas sensor 100 is attached to the exhaust pipe by a housing 70, and the sensor element 1 is disposed in the exhaust pipe. In addition, double covers 77A and 77B are attached to the housing 70 so as to cover the tip of the sensor element 1. The sensor element 1 is formed in an elongated shape, and the gas detection unit 10 for detecting the detection gas G is provided at an end of the tip side L1 in the longitudinal direction L of the sensor element 1.

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。   The pair of electrodes 31 and 32 are provided at the tip of the solid electrolyte layer 2, and the gas detection unit 10 is formed at the tip of the sensor element 1 where the pair of electrodes 31 and 32 are located. The gas detection unit 10 is covered with a porous protective layer 12 such as alumina (aluminum oxide).

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。   At the base end side of the insulator 71, another insulator 72 for holding the contact terminal 73 is disposed. The lead portions 311 and 321 of the electrodes 31 and 32 and the lead portions 62 of the heating element 6, which will be described later, are drawn out to the proximal end of the sensor element 1 and connected to the contact terminals 73. The lead wire 74 connected to the contact terminal 73 is held by the bush 76 in the cover 75 attached to the proximal end side of the housing 70.

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。   The solid electrolyte layer 2 is formed in a plate shape as a sintered body of a metal oxide. The metal oxide constituting the solid electrolyte layer 2 is made of a material of zirconia (zirconium oxide) such as yttria-stabilized zirconia. This metal oxide can be composed of various materials based on zirconia. The solid electrolyte layer 2 has conductivity of oxide ions (oxygen ions) at its activation temperature.

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。 As shown in FIG. 1, the pair of electrodes 31 and 32 are provided on the first major surface 201 of the solid electrolyte layer 2 and exposed to the detection gas G, and the second major surface 202 of the solid electrolyte layer 2 And a reference electrode 32 exposed to the reference gas A. The measurement electrode 31 and the reference electrode 32 are provided at positions facing each other via the solid electrolyte layer 2. A detection cell 11 for detecting a gas concentration is formed by the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 and a part of the solid electrolyte layer 2 disposed therebetween.
The first major surface 201 and the second major surface 202 refer to the pair of surfaces having the largest area among the surfaces of the solid electrolyte layer 2.

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。 The gas sensor 100 of this embodiment is used as an oxygen sensor or an A / F sensor. Then, in the sensor element 1 of the gas sensor 100, the difference between the oxygen concentration of the detection gas G in contact with the measurement electrode 31 and the oxygen concentration of the reference gas A in contact with the reference electrode 32 makes the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 different. The current flowing therebetween is measured to determine the oxygen concentration of the detection gas G.
When the gas sensor 100 is used as a NOx sensor, the pump electrode for adjusting the oxygen concentration to a predetermined concentration or less and the measurement for measuring the NOx concentration are provided on the first major surface 201 of the solid electrolyte layer 2 An electrode is provided. In this case, in the sensor element 1 of the gas sensor 100, the current flowing between the measurement electrode and the reference electrode is measured by the NOx concentration of the detection gas G, and the NOx concentration of the detection gas G is determined.

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。   As shown in FIG. 2, the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 contain platinum and a solid electrolyte made of the same kind of metal oxide as the solid electrolyte layer 2. Lead portions 311 and 321 for connecting the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 to a control device outside the gas sensor 100 are connected to the measurement electrode 31 and the reference electrode 32, respectively. The lead portions 311 and 321 are drawn from the electrodes 31 and 32 to the proximal end of the sensor element 1.

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。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the first main surface 201 of the solid electrolyte layer 2 is provided with a second insulating layer 42 provided with a notch hole for forming the detection gas chamber 51, and a first insulating layer And 41 are sequentially stacked. In the second insulating layer 42, a diffusion resistance layer 40 made of a porous metal oxide for introducing the detection gas G into the detection gas chamber 51 at a predetermined diffusion rate is disposed. The diffusion resistance layer 40 is made of a porous alumina material. The diffusion resistance layer 40 is disposed on both sides of the detection gas chamber 51. The detection gas chamber 51 is formed so as to be surrounded by the first insulating layer 41, the second insulating layer 42, and the diffusion resistance layer 40 at a position in contact with the first major surface 201 of the solid electrolyte layer 2.

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。   A third insulating layer 43 is stacked on the second major surface 202 of the solid electrolyte layer 2. At a position in contact with the second main surface 202 of the solid electrolyte layer 2, a reference gas duct 52 surrounded by the third insulating layer 43 and into which the reference gas A is introduced is formed. The air is introduced into the reference gas duct 52 from the proximal end of the sensor element 1.

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、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４４，４５へ投影した部位に配置されている。   The heat generating body 6 is embedded between the fourth insulating layer 44 stacked on the third insulating layer 43 and the fifth insulating layer 45 stacked on the fourth insulating layer 44. The heat generating body 6 has a heat generating portion 61 generating heat by energization, and a pair of lead portions 62 connected to both ends of the heat generating portion 61 and for energizing the heat generating portion 61 by a control device outside the gas sensor 100. The heat generating portion 61 is disposed at a portion where the portions where the electrodes 31 and 32 are disposed in the solid electrolyte layer 2 are projected onto the insulating layers 44 and 45 in the stacking direction D of the sensor element 1.

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。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。   Here, the stacking direction D of the sensor element 1 refers to the direction in which the solid electrolyte layer 2 and the plurality of insulating layers 41, 42, 43, 44, 45 are stacked. Further, the electrical resistance value per unit length of the heat generating portion 61 is larger than the electrical resistance value per unit length of the lead portion 62. Then, when the pair of lead portions 62 is energized, the heating portion 61 generates heat, and the detection cell 11 can be heated.

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及び反り抑制層７は、一体化された絶縁層４３，４４の内部に埋設される。
また、固体電解質層２及び反り抑制層７は、センサ素子１の長手方向Ｌの全長に亘って配置されている。また、反り抑制層７の長手方向Ｌにおける両端部は、絶縁層４３，４４の内部に埋設されていてもよい。この場合も、反り抑制層７が、センサ素子１の長手方向Ｌの全長に亘って配置されている構成に含まれることとする。なお、長手方向Ｌとは、積層方向Ｄに直交する方向であって、ガスセンサ１００の中心軸線に沿って配置される方向のことをいう。 The first insulating layer 41, the second insulating layer 42, the third insulating layer 43, the fourth insulating layer 44, and the fifth insulating layer 45 are integrated when the sensor element 1 is sintered. The heating element 6 and the warpage suppressing layer 7 are embedded in the integrated insulating layers 43 and 44.
Further, the solid electrolyte layer 2 and the warpage suppressing layer 7 are disposed along the entire length of the sensor element 1 in the longitudinal direction L. Further, both end portions in the longitudinal direction L of the warpage suppressing layer 7 may be embedded in the insulating layers 43 and 44. Also in this case, the warpage suppressing layer 7 is included in the configuration disposed over the entire length of the sensor element 1 in the longitudinal direction L. The longitudinal direction L is a direction perpendicular to the stacking direction D and is a direction along the central axis of the gas sensor 100.

また、反り抑制層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、絶縁層４３，４４の外部に露出していてもよい。
また、本形態の反り抑制層７の幅方向Ｗの幅は、発熱体６の発熱部６１の幅方向Ｗの幅よりも大きくした。これ以外にも、反り抑制層７の厚み等が大きい場合には、反り抑制層７の幅方向Ｗの幅は、発熱体６の発熱部６１の幅方向Ｗの幅よりも小さくすることもできる。なお、幅方向Ｗとは、長手方向Ｌ及び積層方向Ｄに直交する方向のことをいう。 Further, any one of the four side surfaces of the warpage suppressing layer 7 or two facing each other may be exposed to the outside of the insulating layers 43 and 44.
Further, the width in the width direction W of the warpage suppressing layer 7 in the present embodiment is larger than the width in the width direction W of the heat generating portion 61 of the heat generating body 6. In addition to this, when the thickness or the like of the warpage suppression layer 7 is large, the width in the width direction W of the warpage suppression layer 7 can be smaller than the width in the width direction W of the heat generating portion 61 of the heat generating body 6 . The width direction W means a direction orthogonal to the longitudinal direction L and the stacking direction D.

反り抑制層７は、金属酸化物の焼結体として板状に形成されている。反り抑制層７は、固体電解質層２と発熱体６との間の位置において、絶縁層４３，４４によって両側から挟まれている。反り抑制層７は、金属酸化物の焼結体として板状に形成されている。反り抑制層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。   The warpage suppressing layer 7 is formed in a plate shape as a sintered body of a metal oxide. The warpage suppressing layer 7 is sandwiched from the both sides by the insulating layers 43 and 44 at a position between the solid electrolyte layer 2 and the heating element 6. The warpage suppressing layer 7 is formed in a plate shape as a sintered body of a metal oxide. The metal oxide constituting the warpage suppressing layer 7 is made of a material of zirconia such as yttria stabilized zirconia which is the same kind of metal oxide as the metal oxide constituting the solid electrolyte layer 2. This metal oxide can be composed of various materials based on zirconia. The plurality of insulating layers 41, 42, 43, 44, and 45 are made of a material of alumina. The density of the material of alumina constituting the plurality of insulating layers 41, 42, 43, 44, 45 is higher than the density of the material of alumina constituting the diffusion resistance layer 40.

ジルコニアの線膨張率（線膨張係数）は、室温〜１０００℃において、７×１０-6〜２×１０-5［Ｋ-1］であり、アルミナの線膨張率（線膨張係数）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。
反り抑制層７を構成する金属酸化物の線膨張率は、ジルコニアの線膨張率以上であることが好ましい。 The linear expansion coefficient (linear expansion coefficient) of zirconia is 7 × 10 −6 to 2 × 10 −5 [K −1 ] at room temperature to 1000 ° C., and the linear expansion coefficient (linear expansion coefficient) of alumina is the room temperature It is 6 * 10 < -6 > -1.5 * 10 < -5 > [K < -1 >] in 1000 degreeC. However, when other components are contained in zirconia or alumina, this value may not be applied depending on the content.
It is preferable that the linear expansion coefficient of the metal oxide which comprises the curvature suppression layer 7 is more than the linear expansion coefficient of a zirconia.

固体電解質層２及び反り抑制層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、反り抑制層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、反り抑制層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。 The solid electrolyte layer 2 and the warpage suppressing layer 7 can also be made of a sintered body of a metal oxide other than the zirconia material. From the viewpoint of strength and heat resistance, it is optimal to use a zirconia material for the solid electrolyte layer 2. The warpage suppressing layer 7 is mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), forsterite (a metal oxide having a thermal conductivity lower than that of the alumina material constituting the insulating layers 41, 42, 43, 44, 45). It is also possible to use 2MgO · SiO 2 ), cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 ), steatite (MgO · SiO 2 ) or the like. However, the warpage suppressing layer 7 is made of the same kind of zirconia material as the zirconia material constituting the solid electrolyte layer 2 to simplify the manufacture of the sensor element 1 and reduce the unevenness of the thermal expansion in the sensor element 1. In addition, the reliability of the strength of the sensor element 1 can be improved.

反り抑制層７の厚みｔは、固体電解質層２の厚みよりも小さい。反り抑制層７の厚みｔは、７〜９７μｍ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、反り抑制層７の厚みｔが７μｍ未満である場合には、反り抑制層７による十分な反り抑制効果が得られないおそれがある。また、反り抑制層７を印刷（ペーストの塗布）によって形成する場合、反り抑制層７を７μｍ未満の厚みｔに形成することは困難と考えられる。一方、反り抑制層７の厚みｔの上限は、固体電解質層２の厚みよりも小さい範囲で適宜決定することができる。ただし、反り抑制層７の厚みｔが９７μｍを超えると、センサ素子１の使用時に、反り抑制層７の周辺にクラック等が生じることが懸念される。   The thickness t of the warpage suppressing layer 7 is smaller than the thickness of the solid electrolyte layer 2. The thickness t of the warpage suppressing layer 7 can be 7 to 97 μm. The diameter of the zirconia particles is about 1 μm, and when the thickness t of the warpage suppressing layer 7 is less than 7 μm, there is a possibility that a sufficient warpage suppressing effect by the warpage suppressing layer 7 can not be obtained. Moreover, when forming the curvature suppression layer 7 by printing (application | coating of a paste), it is thought that it is difficult to form the curvature suppression layer 7 in thickness t less than 7 micrometers. On the other hand, the upper limit of the thickness t of the warpage suppressing layer 7 can be appropriately determined in a range smaller than the thickness of the solid electrolyte layer 2. However, if the thickness t of the warpage suppressing layer 7 exceeds 97 μm, there is a concern that a crack or the like may occur around the warpage suppressing layer 7 when the sensor element 1 is used.

図１に示すように、本形態のセンサ素子１においては、固体電解質層２は、センサ素子１の積層方向Ｄの全長の中心を通る仮想中心線Ｏによって区画される第１半領域Ｒ１に配置されている。反り抑制層７を配置する第２半領域Ｒ２内の位置は、センサ素子１に現れる形状の反りを抑制するための種々の位置とすることができる。反り抑制層７は、仮想中心線Ｏから見て、発熱体６が配置された位置よりもさらに遠い位置に配置することもできる。言い換えれば、仮想中心線Ｏから反り抑制層７の中心までの間隔は、仮想中心線Ｏから発熱体６の中心までの間隔よりも大きくすることができる。また、第２半領域Ｒ２には、積層方向Ｄに適宜間隔を空けて２枚の反り抑制層７を配置することも可能である。   As shown in FIG. 1, in the sensor element 1 of the present embodiment, the solid electrolyte layer 2 is disposed in a first half area R1 partitioned by an imaginary center line O passing through the center of the entire length of the sensor element 1 in the stacking direction D. It is done. The position in the second half region R2 in which the warpage suppressing layer 7 is disposed can be various positions for suppressing the warpage of the shape appearing in the sensor element 1. The warpage suppressing layer 7 can also be disposed at a position farther from the position where the heating element 6 is disposed as viewed from the virtual center line O. In other words, the distance from the virtual center line O to the center of the warpage suppressing layer 7 can be larger than the distance from the virtual center line O to the center of the heating element 6. In the second half region R2, it is also possible to dispose two warpage suppressing layers 7 at appropriate intervals in the stacking direction D.

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。   The temperature control of the sensor element 1 is performed using the relationship between the temperature of the detection cell 11 and the impedance of the detection cell 11. The relationship between the temperature of the detection cell 11 and the impedance of the detection cell 11 is stored in the control device as a relationship map. The control device is formed with a circuit that measures the impedance of the detection cell 11. The power applied to the heating element 6 is adjusted such that the impedance of the detection cell 11 becomes a target value by PID control or the like using PWM control (pulse width modulation control) or the like.

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、センサ素子１の反りを抑制するための反り抑制層７が埋設されていることにより、センサ素子１にクラックが生じにくくする効果が得られる。
以下に、反り抑制層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から反り抑制層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。 In the sensor element 1 of the present embodiment, the warpage suppressing layer 7 for suppressing the warpage of the sensor element 1 is embedded between the third insulating layer 43 and the fourth insulating layer 44, whereby the sensor element 1 is formed. The effect of making it difficult for the crack to occur is obtained.
Hereinafter, the sensor element 1 of the present embodiment in which the warpage suppression layer 7 is disposed is compared with the conventional sensor element 9 (see FIG. 4) in which the warpage suppression layer 7 is removed from the sensor element 1 of the present embodiment. The likelihood of occurrence of a crack in each sensor element 1 and 9 will be considered.

図４に示すように、従来のセンサ素子９においては、排ガスとしての検出ガスＧ又は発熱体６の発熱部６１の発熱によって高温に加熱された高温安定時には、センサ素子９の各部が熱膨張する。このとき、センサ素子９の各部における熱膨張は、固体電解質層２、拡散抵抗層４０、絶縁層９４、発熱体６のそれぞれを構成する材料の線膨張率が大きい部分ほど大きくなる。   As shown in FIG. 4, in the conventional sensor element 9, each part of the sensor element 9 thermally expands during high temperature stabilization heated by high temperature by the heat generation of the detection gas G as exhaust gas or the heat generating part 61 of the heating element 6. . At this time, the thermal expansion in each part of the sensor element 9 becomes larger as the linear expansion coefficient of the material constituting each of the solid electrolyte layer 2, the diffusion resistance layer 40, the insulating layer 94 and the heating element 6 is larger.

拡散抵抗層４０及び絶縁層９４と絶縁層９４との間に挟まれる固体電解質層２の線膨張率が、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４の線膨張率よりも大きいことにより、固体電解質層２は、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４に比べて大きく熱膨張しようとする。このとき、固体電解質層２は、積層方向Ｄに直交する平面方向により多く熱膨張しようとする。しかし、固体電解質層２は、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４と焼結されて、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４に固定されていることにより、積層方向Ｄに直交する平面方向に熱膨張することが阻止される。   Since the linear expansion coefficient of the solid electrolyte layer 2 sandwiched between the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94 and the insulating layer 94 is larger than the linear expansion coefficient of the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94, the solid electrolyte layer 2 is The thermal expansion tends to be larger than the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94. At this time, the solid electrolyte layer 2 tends to thermally expand more in the planar direction orthogonal to the stacking direction D. However, the solid electrolyte layer 2 is sintered with the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94 and fixed to the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94 so that the solid electrolyte layer 2 thermally expands in the plane direction orthogonal to the stacking direction D. Is blocked.

そのため、固体電解質層２における、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４との界面の近傍において、固体電解質層２には、積層方向Ｄに直交する平面方向の中心側に向けた応力Ｎが作用する。そして、固体電解質層２の中心部付近が、積層方向Ｄの第１半領域Ｒ１側の外面９４２に向けて変形しようとする。また、拡散抵抗層４０及び絶縁層９４の間に固体電解質層２が配置された第１半領域Ｒ１における熱膨張量が、固体電解質層２が配置されず、絶縁層９４と発熱体６とからなる第２半領域Ｒ２における熱膨張量よりも大きくなる。   Therefore, in the vicinity of the interface between the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94 in the solid electrolyte layer 2, stress N directed to the center side in the plane direction orthogonal to the stacking direction D acts on the solid electrolyte layer 2. Then, the vicinity of the central portion of the solid electrolyte layer 2 tends to be deformed toward the outer surface 942 on the first half region R1 side in the stacking direction D. Further, the amount of thermal expansion in the first half region R1 in which the solid electrolyte layer 2 is disposed between the diffusion resistance layer 40 and the insulating layer 94 is the same as that of the insulating layer 94 and the heating element 6 because the solid electrolyte layer 2 is not disposed. The thermal expansion amount in the second half region R2 becomes larger.

その結果、固体電解質層２が配置された第１半領域Ｒ１の外面９４２が凸状に、固体電解質層２が配置されていない第２半領域Ｒ２の外面９４３が凹状に変形するよう、センサ素子９の形状に反りが生じる。同図においては、この反りを二点鎖線Ｓによって示す。そして、センサ素子９に生じた反りにより、センサ素子９の各部には、応力が作用する。   As a result, the sensor element is formed such that the outer surface 942 of the first half region R1 in which the solid electrolyte layer 2 is disposed is convexly deformed and the outer surface 943 of the second half region R2 in which the solid electrolyte layer 2 is not disposed is concavely deformed. Warpage occurs in the shape of 9. This warp is indicated by a two-dot chain line S in FIG. Then, due to the warpage generated in the sensor element 9, stress acts on each part of the sensor element 9.

図５は、図４における二点鎖線Ｘ１で囲む部分を拡大して示す。図５に示すように、絶縁層９４１が凸状に反ることにより、絶縁層９４１と拡散抵抗層４０と検出ガス室５１との境界部Ｍ１付近には、応力が作用する。また、この境界部Ｍ１には、拡散抵抗層４０が検出ガス室５１へ膨張しようとする熱応力も作用する。   FIG. 5 is an enlarged view of a portion surrounded by a two-dot chain line X1 in FIG. As shown in FIG. 5, when the insulating layer 941 warps in a convex shape, stress acts on the vicinity of the boundary M 1 between the insulating layer 941, the diffusion resistance layer 40, and the detection gas chamber 51. Further, a thermal stress that causes the diffusion resistance layer 40 to expand to the detection gas chamber 51 also acts on the boundary portion M1.

このような応力が作用する状態において、センサ素子９の絶縁層９４１の表面（外面９４２）が被水する場合には、絶縁層９４１及び拡散抵抗層４０が急冷されて、境界部Ｍ１には、絶縁層９４１及び拡散抵抗層４０が収縮しようとする熱応力が作用する。そして、境界部Ｍ１においては、反りによる応力及び膨張による熱応力が生じている状態に、さらに収縮による熱応力も作用することになる。そのため、境界部Ｍ１に作用する応力が許容値を超えるときには、境界部Ｍ１の近傍に位置する拡散抵抗層４０にクラックＫが生じるおそれがある。   When the surface (the outer surface 942) of the insulating layer 941 of the sensor element 9 is covered with water in such a state where stress is applied, the insulating layer 941 and the diffusion resistance layer 40 are quenched and the boundary portion M1 is Thermal stress acts to shrink the insulating layer 941 and the diffusion resistance layer 40. And in the boundary part M1, the thermal stress by shrinkage | contraction will act further in the state which the thermal stress by the stress by curvature and expansion has produced. Therefore, when the stress acting on the boundary portion M1 exceeds the allowable value, the crack K may occur in the diffusion resistance layer 40 located in the vicinity of the boundary portion M1.

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、第２半領域Ｒ２に反り抑制層７が配置されたことにより、固体電解質層２が配置された第１半領域Ｒ１における熱膨張量と、反り抑制層７が配置された第２半領域Ｒ２における熱膨張量とが近くなる。また、第２半領域Ｒ２に配置された反り抑制層７は、第１半領域Ｒ１側の外面４１１に凸状に変形しようとする固体電解質層２とは反対に、第２半領域Ｒ２側の外面４５１に凸状に変形しようとする。その結果、センサ素子１の形状に生じる反りの量が減少し、反りに伴ってセンサ素子１の各部に作用する応力も減少する。   On the other hand, as shown in FIG. 1, in the sensor element 1 of the present embodiment, the heat suppression in the first half region R1 in which the solid electrolyte layer 2 is arranged is achieved by arranging the warpage suppression layer 7 in the second half region R2. The amount of expansion and the amount of thermal expansion in the second half region R2 in which the warpage suppressing layer 7 is disposed become close. In addition, the warpage suppressing layer 7 disposed in the second half region R2 is opposite to the solid electrolyte layer 2 which is going to be deformed in a convex shape on the outer surface 411 on the first half region R1 side. It tries to deform convexly on the outer surface 451. As a result, the amount of warpage generated in the shape of the sensor element 1 decreases, and the stress acting on each part of the sensor element 1 along with the warpage also decreases.

こうして、第１絶縁層４１と拡散抵抗層４０と検出ガス室５１との境界部Ｍ１に作用する応力が減少する。そして、センサ素子１の第１絶縁層４１の外面４１１が被水したとしても、境界部Ｍ１に作用する応力が減少していることにより、境界部Ｍ１に作用する応力が許容値を超えにくくなる。そのため、境界部Ｍ１の近傍に位置する拡散抵抗層４０にクラックＫが生じにくくなる。   Thus, the stress acting on the boundary portion M1 between the first insulating layer 41, the diffusion resistance layer 40, and the detection gas chamber 51 is reduced. Then, even if the outer surface 411 of the first insulating layer 41 of the sensor element 1 is covered with water, the stress acting on the boundary portion M1 is reduced, so that the stress acting on the boundary portion M1 is unlikely to exceed the allowable value. . Therefore, the crack K is less likely to occur in the diffusion resistance layer 40 located in the vicinity of the boundary portion M1.

反り抑制層７は、第１半領域Ｒ１側の外面４１１が凸状に変形するセンサ素子１の反りを解消するために配置する。第２半領域Ｒ２に配置する反り抑制層７の位置、大きさ、厚み等は、第１半領域Ｒ１に配置される固体電解質層２及び検出ガス室５１の位置、大きさ、厚み等に応じて、適宜設定することができる。   The warpage suppressing layer 7 is disposed in order to eliminate the warpage of the sensor element 1 in which the outer surface 411 on the first half region R1 side is deformed in a convex shape. The position, size, thickness and the like of the warpage suppressing layer 7 disposed in the second half region R2 depend on the position, size, thickness and the like of the solid electrolyte layer 2 and the detection gas chamber 51 disposed in the first half region R1. Can be set appropriately.

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、第１絶縁層４１と拡散抵抗層４０と検出ガス室５１との境界部Ｍ１の近傍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。 Further, the sensor element 1 has a structure in which the solid electrolyte layer 2 and the insulating layers 41, 42, 43, 44, and 45 are stacked. Therefore, in the sensor element 1, the ratio occupied by the insulating layers 41, 42, 43, 44 and 45 is high, and the leakage current from the heat generating portion 61 of the heat generating body 6 embedded in the insulating layers 44 and 45 to the insulating layers 44 and 45 Can be less likely to occur.
Therefore, according to the sensor element 1 of the present embodiment, the insulating property is ensured, and the diffusion resistance layer 40 located in the vicinity of the boundary portion M1 between the first insulating layer 41, the diffusion resistance layer 40, and the detection gas chamber 51 is used. Crack K can be made hard to occur.

（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。 Second Embodiment
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a sensor element 1 using two solid electrolyte layers 2A and 2B provided with electrodes 33 and 34 is shown.
In the sensor element 1 of the present embodiment, a detection gas chamber 51 into which the detection gas G is introduced is formed between the two solid electrolyte layers 2A and 2B. On both main surfaces 203 and 204 of the first solid electrolyte layer 2A, a pair of pump electrodes 33 for adjusting the oxygen concentration of the detection gas G in the detection gas chamber 51 are mutually connected via the first solid electrolyte layer 2A. It is provided in the opposite position. One pump electrode 33 is disposed in the detection gas chamber 51, and the other pump electrode 33 is embedded in a gas introduction layer 40A made of a porous body through which the detection gas G can pass.

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。   A pair of detection electrodes 34 for detecting the oxygen concentration of the detection gas G in the detection gas chamber 51 are provided on both main surfaces 205 and 206 of the second solid electrolyte layer 2B via the second solid electrolyte layer 2B. It is provided in the opposite position. One detection electrode 34 is disposed in the detection gas chamber 51, and the other detection electrode 34 is embedded in the insulating layer 44A. A detection cell 11 for detecting a gas concentration is formed by the pair of detection electrodes 34 and a part of the second solid electrolyte layer 2B disposed therebetween.

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。   As shown in FIGS. 6 and 7, the insulating layer of this embodiment is formed between the first insulating layer 41A stacked on the first solid electrolyte layer 2A, the first solid electrolyte layer 2A, and the second solid electrolyte layer 2B. Fourth insulating layer 44A stacked on the third insulating layer 43A, the second solid electrolyte layer 2B, and the third insulating layer 43A surrounding the entire side surface of the second insulating layer 42A sandwiched and the second solid electrolyte layer 2B The fifth insulating layer 45A and the sixth insulating layer 46A are sequentially stacked on the insulating layer 44A.

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及び第２固体電解質層２Ｂは、絶縁層４１Ａ，４３Ａ内に全側面が埋設された特定固体電解質層として形成されている。具体的には、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、発熱体６に最も近い固体電解質層である。
反り抑制層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。 The gas introduction layer 40A is stacked on the first solid electrolyte layer 2A in a state of being surrounded by the first insulating layer 41A. A diffusion resistance layer 40B for introducing the detection gas G into the detection gas chamber 51 at a predetermined diffusion rate is formed on part of the second insulating layer 42A.
The first solid electrolyte layer 2A and the second solid electrolyte layer 2B are formed as specific solid electrolyte layers in which all side surfaces are embedded in the insulating layers 41A and 43A. Specifically, all the side surfaces of the first solid electrolyte layer 2A are embedded in the first insulating layer 41A, and all the side surfaces of the second solid electrolyte layer 2B are embedded in the third insulating layer 43A. . The second solid electrolyte layer 2B is the solid electrolyte layer closest to the heating element 6.
The warpage suppressing layer 7 is embedded between the fourth insulating layer 44A and the fifth insulating layer 45A. The heating element 6 is embedded between the fifth insulating layer 45A and the sixth insulating layer 46A.

図７に示すように、反り抑制層７は、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に向けて反り抑制層７に投影したときに、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されている。より具体的には、反り抑制層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Ｗ２よりも大きく、反り抑制層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。
この反り抑制層７の構成により、センサ素子１の形状に生じる反りを効果的に減少させることができる。 As shown in FIG. 7, when the warpage suppression layer 7 projects the outer shape (surface shape) of the second solid electrolyte layer 2B onto the warpage suppression layer 7 in the stacking direction D of the sensor element 1, the second solid It is formed in the position and magnitude | size which covers the whole outline of the electrolyte layer 2B. More specifically, the dimension W1 in the width direction W of the warpage suppression layer 7 is larger than the dimension W2 in the width direction W of the second solid electrolyte layer 2B, and the dimension L1 in the longitudinal direction L of the warpage suppression layer 7 is It is larger than the dimension L2 of the longitudinal direction L of the two solid electrolyte layers 2B. The width direction W is a direction orthogonal to the longitudinal direction L and the stacking direction D of the sensor element 1.
The configuration of the warpage suppressing layer 7 can effectively reduce the warpage occurring in the shape of the sensor element 1.

図１に示すように、本形態のセンサ素子１においては、第１固体電解質層２は、センサ素子の積層方向Ｄの全長の中心を通る仮想中心線Ｏによって区画される第１半領域Ｒ１に配置されている。第２固体電解質層２は、仮想中心線Ｏ上において、第１半領域Ｒ１と、仮想中心線Ｏを介して第１半領域Ｒ１の反対側に位置する第２半領域Ｒ２とに跨って配置されている。反り抑制層７は、第２半領域Ｒ２に配置されている。   As shown in FIG. 1, in the sensor element 1 of the present embodiment, the first solid electrolyte layer 2 is in a first half area R1 defined by a virtual center line O passing through the center of the entire length in the stacking direction D of the sensor element. It is arranged. The second solid electrolyte layer 2 is disposed on the virtual center line O, across the first half region R1 and the second half region R2 located on the opposite side of the first half region R1 via the virtual center line O. It is done. The warpage suppressing layer 7 is disposed in the second half region R2.

また、図６には、反り抑制層７の外形（寸法Ｗ１，Ｌ１）が、第２固体電解質層２Ｂの外形（寸法Ｗ２，Ｌ２）よりも大きく、さらに発熱体６の発熱部６１の外形よりも大きい場合について示す。これ以外にも、反り抑制層７の厚み等が大きい場合には、図１０に示すように、反り抑制層７の外形（寸法Ｗ１，Ｌ１）は、第２固体電解質層２Ｂの外形（寸法Ｗ２，Ｌ２）よりも大きい一方、反り抑制層７の幅方向Ｗの幅は、発熱部６１の幅方向Ｗの幅よりも小さくすることもできる。   Further, in FIG. 6, the outer shape (dimensions W1 and L1) of the warpage suppressing layer 7 is larger than the outer shape (dimensions W2 and L2) of the second solid electrolyte layer 2B, and further, the outer shape of the heat generating portion 61 of the heat generating body 6 Also shows the case of In addition to this, when the thickness or the like of the warpage suppressing layer 7 is large, as shown in FIG. 10, the outer shape (dimensions W1, L1) of the warpage suppressing layer 7 is the outer shape (dimension W2) of the second solid electrolyte layer 2B. , L2), the width in the width direction W of the warpage suppressing layer 7 may be smaller than the width in the width direction W of the heat generating portion 61.

以下に、反り抑制層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から反り抑制層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。   Hereinafter, the sensor element 1 of the present embodiment in which the warpage suppression layer 7 is disposed is compared with the conventional sensor element 9 (see FIG. 8) in which the warpage suppression layer 7 is removed from the sensor element 1 of the present embodiment. The likelihood of occurrence of a crack in each sensor element 1 and 9 will be considered.

図８に示すように、従来のセンサ素子９においては、排ガスとしての検出ガスＧ又は発熱体６の発熱部６１の発熱によって高温に加熱された高温安定時には、センサ素子９の各部が熱膨張する。このとき、センサ素子９の各部における熱膨張は、各固体電解質層２Ａ，２Ｂ、絶縁層９４、発熱体６のそれぞれを構成する材料の線膨張率が大きい部分ほど大きくなる。   As shown in FIG. 8, in the conventional sensor element 9, each part of the sensor element 9 thermally expands during high temperature stabilization heated by high temperature by the heat generation of the detection gas G as exhaust gas or the heat generating part 61 of the heating element 6. . At this time, the thermal expansion in each part of the sensor element 9 is larger as the linear expansion coefficient of the material constituting each of the solid electrolyte layers 2A and 2B, the insulating layer 94 and the heating element 6 is larger.

拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ、絶縁層９４，９４１の間に位置する固体電解質層２の線膨張率が、拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ及び絶縁層９４，９４１の線膨張率よりも大きいことにより、固体電解質層２Ａ，２Ｂは、拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ及び絶縁層９４，９４１に比べて大きく熱膨張しようとする。このとき、固体電解質層２Ａ，２Ｂは、積層方向Ｄに直交する平面方向により多く熱膨張しようとする。しかし、固体電解質層２Ａ，２Ｂは、拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ及び絶縁層９４，９４１と焼結されて、拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ及び絶縁層９４，９４１に固定されていることにより、積層方向Ｄに直交する平面方向に熱膨張することが阻止される。   The linear expansion coefficient of the solid electrolyte layer 2 located between the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941 is larger than the linear expansion coefficient of the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941. The electrolyte layers 2A and 2B tend to thermally expand more than the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941. At this time, the solid electrolyte layers 2A and 2B tend to thermally expand more in the planar direction orthogonal to the stacking direction D. However, the solid electrolyte layers 2A and 2B are sintered with the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941 and fixed to the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941. Thermal expansion in the plane direction orthogonal to D is prevented.

そのため、固体電解質層２Ａ，２Ｂにおける、拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂ及び絶縁層９４，９４１との界面の近傍において、固体電解質層２Ａ，２Ｂには、積層方向Ｄに直交する平面方向の中心側に向けた応力Ｎが作用する。そして、固体電解質層２Ａ，２Ｂの中心部付近が、積層方向Ｄの第１半領域Ｒ１側の外面９４２に向けて変形しようとする。また、第１固体電解質層２Ａ及び第２固体電解質層２Ｂの一部が配置された第１半領域Ｒ１における熱膨張量が、第２固体電解質層２Ｂの残部、絶縁層９４及び発熱体６が配置された第２半領域Ｒ２における熱膨張量よりも大きくなる。   Therefore, in the solid electrolyte layers 2A and 2B in the vicinity of the interface with the diffusion resistance layers 40A and 40B and the insulating layers 94 and 941, the solid electrolyte layers 2A and 2B are on the center side in the plane direction orthogonal to the stacking direction D. The directed stress N acts. Then, the central portions of the solid electrolyte layers 2A and 2B are deformed toward the outer surface 942 on the first half region R1 side in the stacking direction D. Further, the thermal expansion amount in the first half region R1 in which the first solid electrolyte layer 2A and the second solid electrolyte layer 2B are arranged is the remainder of the second solid electrolyte layer 2B, the insulating layer 94, and the heating element 6 It becomes larger than the thermal expansion amount in 2nd half area | region R2 arrange | positioned.

その結果、固体電解質層２Ａ，２Ｂがより多く分布する第１半領域Ｒ１側の外面９４２が凸状に、固体電解質層２Ａ，２Ｂの分布が少ない第２半領域Ｒ２側の外面９４３が凹状に変形するよう、センサ素子９の形状に反りが生じる。同図においては、この反りを二点鎖線Ｓによって示す。そして、センサ素子９に生じた反りにより、センサ素子９の各部には、応力が作用する。   As a result, the outer surface 942 on the first half region R1 side where the solid electrolyte layers 2A and 2B are more distributed is convex, and the outer surface 943 on the second half region R2 side where the solid electrolyte layers 2A and 2B are less distributed is concaved. Warping occurs in the shape of the sensor element 9 so as to deform. This warp is indicated by a two-dot chain line S in FIG. Then, due to the warpage generated in the sensor element 9, stress acts on each part of the sensor element 9.

図９は、図８における二点鎖線Ｘ２で囲む部分を拡大して示す。図９に示すように、絶縁層９４１及びガス導入層４０Ａの外面９４２が凸状に反ることにより、絶縁層９４１とガス導入層４０Ａとの境界部Ｍ２には、応力が作用する。また、この境界部Ｍ２には、絶縁層９４１がガス導入層４０Ａへ膨張しようとする熱応力も作用する。   FIG. 9 is an enlarged view of a part surrounded by a two-dot chain line X2 in FIG. As shown in FIG. 9, the convex portion of the outer surface 942 of the insulating layer 941 and the gas introduction layer 40A causes a stress to act on the boundary M2 between the insulating layer 941 and the gas introduction layer 40A. Further, a thermal stress that causes the insulating layer 941 to expand to the gas introduction layer 40A also acts on this boundary portion M2.

このような応力が作用する状態において、センサ素子９の絶縁層９４１及びガス導入層４０Ａの外面９４２が被水する場合には、絶縁層９４１及びガス導入層４０Ａが急冷されて、境界部Ｍ２には、絶縁層９４１及びガス導入層４０Ａが収縮しようとする熱応力が作用する。そして、境界部Ｍ２においては、反りによる応力及び膨張による熱応力が生じている状態に、さらに収縮による熱応力も作用することになる。そのため、境界部Ｍ２に作用する応力が許容値を超えるときには、境界部Ｍ２の近傍に位置する拡散抵抗層４０ＡにクラックＫが生じるおそれがある。   When the insulating layer 941 of the sensor element 9 and the outer surface 942 of the gas introducing layer 40A are covered with water under such a state of stress, the insulating layer 941 and the gas introducing layer 40A are rapidly cooled to the boundary M2. The thermal stress acts to shrink the insulating layer 941 and the gas introduction layer 40A. And in the boundary part M2, the thermal stress by shrinkage | contraction will act further in the state which the thermal stress by the stress by curvature and expansion has produced. Therefore, when the stress acting on the boundary portion M2 exceeds the allowable value, the crack K may be generated in the diffusion resistance layer 40A located in the vicinity of the boundary portion M2.

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、第２半領域Ｒ２に反り抑制層７が配置されたことにより、第１固体電解質層２Ａ、第２固体電解質層２Ｂの一部及び拡散抵抗層４０Ａ，４０Ｂが配置された第１半領域Ｒ１における熱膨張量と、第２固体電解質層２Ｂの残部、発熱体６及び反り抑制層７が配置された第２半領域Ｒ２における熱膨張量とが近くなる。その結果、センサ素子１の形状に生じる反りの量が減少し、反りに伴ってセンサ素子１の各部に作用する応力も減少する。   On the other hand, as shown in FIG. 1, in the sensor element 1 of the present embodiment, the warpage suppressing layer 7 is disposed in the second half region R2 so that one of the first solid electrolyte layer 2A and the second solid electrolyte layer 2B is Amount and thermal expansion amount in the first half region R1 in which the diffusion resistance layers 40A and 40B are disposed, and in the second half region R2 in which the remaining portion of the second solid electrolyte layer 2B, the heating element 6 and the warpage suppressing layer 7 are disposed. The amount of thermal expansion becomes close. As a result, the amount of warpage generated in the shape of the sensor element 1 decreases, and the stress acting on each part of the sensor element 1 along with the warpage also decreases.

こうして、第１絶縁層４１とガス導入層４０Ａとの境界部Ｍ２に作用する応力が減少する。そして、センサ素子１の第１絶縁層４１及び拡散抵抗層４０Ａの外面４１１Ａが被水したとしても、境界部Ｍ２に作用する応力が減少していることにより、境界部Ｍ２に作用する応力が許容値を超えにくくなる。そのため、境界部Ｍ２の近傍に位置する拡散抵抗層４０ＡにクラックＫが生じにくくなる。   Thus, the stress acting on the boundary portion M2 between the first insulating layer 41 and the gas introduction layer 40A is reduced. Then, even if the first insulating layer 41 of the sensor element 1 and the outer surface 411A of the diffusion resistance layer 40A get wet, the stress acting on the boundary portion M2 is reduced, so the stress acting on the boundary portion M2 is allowed It becomes difficult to exceed the value. Therefore, the crack K is less likely to occur in the diffusion resistance layer 40A located in the vicinity of the boundary portion M2.

反り抑制層７は、第１半領域Ｒ１側の外面４１１Ａが凸状に変形するセンサ素子１の反りを解消するために配置する。第２半領域Ｒ２に配置する反り抑制層７の位置、大きさ、厚み等は、各固体電解質層２Ａ，２Ｂ及び検出ガス室５１の位置、大きさ、厚み等に応じて、適宜設定することができる。   The warpage suppressing layer 7 is disposed in order to eliminate the warpage of the sensor element 1 in which the outer surface 411A on the first half region R1 side is deformed in a convex shape. The position, size, thickness and the like of the warpage suppressing layer 7 disposed in the second half region R2 should be appropriately set in accordance with the position, size, thickness and the like of the solid electrolyte layers 2A and 2B and the detection gas chamber 51. Can.

また、センサ素子１は、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によれば、絶縁性を確保するとともに、第１絶縁層４１Ａと拡散抵抗層４０Ａとの境界部Ｍ２の近傍に位置する拡散抵抗層４０ＡにクラックＫが生じにくくすることができる。 Further, the sensor element 1 has a structure in which solid electrolyte layers 2A and 2B and insulating layers 41A, 42A, 43A, 44A, 45A and 46A are stacked. Therefore, the ratio occupied by the insulating layers 41A, 42A, 43A, 44A, 45A, 46A in the sensor element 1 is high, and from the heat generating portion 61 of the heat generating member 6 embedded in the insulating layers 45A, 46A to the insulating layers 45A, 46A Leakage current can be less likely to occur.
Therefore, according to the sensor element 1 of the present embodiment, the insulation property is secured, and the crack K is less likely to be generated in the diffusion resistance layer 40A located in the vicinity of the boundary M2 between the first insulating layer 41A and the diffusion resistance layer 40A. can do.

本形態のセンサ素子１においても、反り抑制層７の厚みｔ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。   Also in the sensor element 1 of the present embodiment, other configurations such as the thickness t of the warpage suppressing layer 7 are the same as those in the first embodiment. The constituent elements and the like indicated by the same reference numerals as the reference numerals in the first embodiment are the same as those in the first embodiment. Also in this embodiment, the same function and effect as those of Embodiment 1 can be obtained.

（確認試験１）
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（実施品１）と、実施形態１に示した従来のセンサ素子９（比較品１）とについて、各センサ素子１，９の高温安定時における、被水に対するクラック耐性を確認した。
具体的には、７５０℃に加熱された各センサ素子１，９を被水させ、各センサ素子１，９を被水させる水滴の大きさ（体積）を０．１〜３０．０μＬの範囲で変更させたときに、各センサ素子１，９にクラックが生じたか否かを確認した。クラックが生じたか否かの確認は、ガスセンサの使用時に一対の電極３１，３２，３３間に流れる電流値の変化を監視して行った。この監視においては、各センサ素子１，９にクラックが生じると、各センサ素子１，９の内部への酸素導入量が増加する性質を利用し、初期電流値に対して電流値が１０％変動したときに、クラックが生じたと判断した。 (Confirmation test 1)
In the present confirmation test, with respect to the sensor element 1 (implementation product 1) shown in Embodiment 1 and the conventional sensor element 9 (comparative product 1) shown in Embodiment 1, the high temperature stability of each sensor element 1, 9 At the same time, the crack resistance to water was confirmed.
Specifically, each sensor element 1 and 9 heated to 750 ° C. is covered with water, and the size (volume) of the water droplet to be covered with each sensor element 1 and 9 is in the range of 0.1 to 30.0 μL. When changed, it was confirmed whether or not a crack was generated in each sensor element 1 and 9. The confirmation of whether or not the crack occurred was performed by monitoring the change in the current value flowing between the pair of electrodes 31, 32 and 33 when the gas sensor was used. In this monitoring, the occurrence of a crack in each sensor element 1, 9 makes use of the property that the amount of oxygen introduced into each sensor element 1, 9 increases, and the current value fluctuates by 10% with respect to the initial current value. When it was judged that a crack had occurred.

なお、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５にはアルミナを用い、反り抑制層７にはジルコニアを用いた。また、反り抑制層７の厚みは１０μｍとした。
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。

Figure 0006540640
Note that alumina was used for the insulating layers 41, 42, 43, 44 and 45, and zirconia was used for the warpage suppressing layer 7. Moreover, the thickness of the curvature suppression layer 7 was 10 micrometers.
Table 1 shows the results of the confirmation. In the same table, the case where no crack is generated is indicated by 、, and the case where a crack is generated is indicated by x.
Figure 0006540640

比較品１としてのセンサ素子９においては、水滴の大きさが１０．０μＬ以上に大きくなる場合に、クラックが生じることが確認された。一方、実施品１としてのセンサ素子１においては、水滴の大きさが２０．０μＬ以上に大きくなる場合に、クラックが生じることが確認された。   In the sensor element 9 as the comparative product 1, it was confirmed that a crack was generated when the size of the water droplet was increased to 10.0 μL or more. On the other hand, in the sensor element 1 as the product 1, it was confirmed that a crack was generated when the size of the water droplet was increased to 20.0 μL or more.

以上の結果より、実施品１としてのセンサ素子１においては、反り抑制層７を有することによって、センサ素子１の高温安定時に、センサ素子１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、反り抑制層７によって、センサ素子１の形状に生じる反りを抑制できたためであると考える。   From the above results, it has been found that the sensor element 1 as the embodiment 1 has the warpage suppressing layer 7 so that the sensor element 1 is less likely to be cracked when the sensor element 1 is stabilized at high temperature. It is considered that the reason for this is that the warpage suppressing layer 7 can suppress the warpage occurring in the shape of the sensor element 1.

（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について、反り抑制層７の適切な厚みｔを確認した。具体的には、反り抑制層７の厚みｔを３〜９７μｍの範囲で変更させたときに、センサ素子１に１０μＬの水滴を滴下し、センサ素子１にクラックが生じたか否かを確認した。クラックが生じたか否かの判断は、確認試験１の場合と同様にして行った。 (Confirmation test 2)
In the present confirmation test, with respect to the sensor element 1 shown in the first embodiment, the appropriate thickness t of the warpage suppressing layer 7 was confirmed. Specifically, when the thickness t of the warpage suppressing layer 7 was changed in the range of 3 to 97 μm, water droplets of 10 μL were dropped on the sensor element 1 and it was confirmed whether or not a crack occurred in the sensor element 1. It was judged in the same manner as in the case of confirmation test 1 whether or not a crack had occurred.

なお、絶縁層４１，４２，４３，４４，４５にはアルミナを用い、反り抑制層７にはジルコニアを用いた。
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。

Figure 0006540640
Note that alumina was used for the insulating layers 41, 42, 43, 44 and 45, and zirconia was used for the warpage suppressing layer 7.
Table 2 shows the results of the confirmation. In the same table, the case where no crack is generated is indicated by 、, and the case where a crack is generated is indicated by x.
Figure 0006540640

反り抑制層７の厚みｔが５μｍ以下である場合には、センサ素子１にクラックが生じることが確認された。この理由は、反り抑制層７の厚みｔが小さくなり過ぎ、センサ素子１の形状に生じる反りを十分に抑制できなかったためであると考える。
一方、反り抑制層７の厚みｔの上限には、特別な限界はない。ただし、反り抑制層７の厚みｔが９７μｍを超えると、センサ素子１の使用時に、反り抑制層７の周辺にクラック等が生じることが懸念される。また、反り抑制層７の厚みｔが固体電解質層２の厚みよりも大きくなると、センサ素子１に逆方向の反り、すなわち第２半領域Ｒ２の積層方向Ｄの表面が凸状になる反りが生じる可能性が高くなる。
そして、反り抑制層７の厚みは、７μｍ以上とすることにより、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。 When the thickness t of the warpage suppressing layer 7 was 5 μm or less, it was confirmed that the sensor element 1 was cracked. The reason is considered that the thickness t of the warpage suppressing layer 7 is too small, and the warpage generated in the shape of the sensor element 1 can not be sufficiently suppressed.
On the other hand, the upper limit of the thickness t of the warpage suppressing layer 7 has no special limit. However, if the thickness t of the warpage suppressing layer 7 exceeds 97 μm, there is a concern that a crack or the like may occur around the warpage suppressing layer 7 when the sensor element 1 is used. In addition, when the thickness t of the warpage suppressing layer 7 is larger than the thickness of the solid electrolyte layer 2, warpage in the reverse direction is generated in the sensor element 1, that is, warpage in which the surface of the second half region R2 in the stacking direction D is convex The possibility is high.
And when thickness of warpage control layer 7 is 7 micrometers or more, it was checked that a crack can be made hard to produce in sensor element 1.

（確認試験３）
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（実施品２）と、実施形態２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の高温安定時におけるクラック耐性を確認した。各センサ素子１，９の設定条件、及びクラックが生じたか否かの判断は、確認試験１の場合と同様にして行った。 (Confirmation test 3)
In the present confirmation test, with respect to the sensor element 1 (implementation product 2) shown in Embodiment 2 and the conventional sensor element 9 (comparative product 2) shown in Embodiment 2, the high temperature stability of each sensor element 1, 9 The crack resistance at the time was confirmed. The setting conditions of each sensor element 1 and 9 and the judgment as to whether or not a crack was generated were performed in the same manner as in the case of the confirmation test 1.

また、実施品２としてのセンサ素子１においては、反り抑制層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１が、第２固体電解質層２Ｂの幅方向Ｗの寸法Ｗ２よりも大きい場合（Ｗ１＞Ｗ２）と、反り抑制層７の幅方向Ｗの寸法Ｗ１が、第２固体電解質層２Ｂの幅方向Ｗの寸法Ｗ２よりも小さい場合（Ｗ１＜Ｗ２）とについて、クラックの有無を確認した。なお、反り抑制層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Ｌ２よりも大きくした。   In the sensor element 1 as the product 2, the dimension W1 in the width direction W of the warpage suppressing layer 7 is larger than the dimension W2 in the width direction W of the second solid electrolyte layer 2B (W1> W2), In the case where the dimension W1 in the width direction W of the warpage suppressing layer 7 is smaller than the dimension W2 in the width direction W of the second solid electrolyte layer 2B (W1 <W2), the presence or absence of the crack was confirmed. The dimension L1 in the longitudinal direction L of the warpage suppressing layer 7 was larger than the dimension L2 in the longitudinal direction L of the second solid electrolyte layer 2B.

なお、絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａにはアルミナを用い、反り抑制層７にはジルコニアを用いた。また、反り抑制層７の厚みは１０μｍとした。
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。

Figure 0006540640
Alumina was used for the insulating layers 41A, 42A, 43A, 44A, 45A, 46A, and zirconia was used for the warpage suppressing layer 7. Moreover, the thickness of the curvature suppression layer 7 was 10 micrometers.
Table 3 shows the results of the confirmation. In the same table, the case where no crack is generated is indicated by 、, and the case where a crack is generated is indicated by x.
Figure 0006540640

比較品２としてのセンサ素子９においては、水滴の大きさが５．０μＬ以上に大きくなる場合に、クラックが生じることが確認された。一方、実施品２としてのセンサ素子１においては、幅の関係がＷ１＞Ｗ２の場合には、水滴の大きさを３０．０μＬまで大きくしてもセンサ素子１にクラックは生じないことが確認された。また、実施品２としてのセンサ素子１においては、幅の関係がＷ１＜Ｗ２の場合には、水滴の大きさが２５．０μＬ以上に大きくなる場合に、クラックが生じることが確認された。   In the sensor element 9 as the comparative product 2, it was confirmed that a crack was generated when the size of the water droplet was increased to 5.0 μL or more. On the other hand, in the sensor element 1 as the product 2, it is confirmed that no crack occurs in the sensor element 1 even if the size of the water droplet is increased to 30.0 μL when the width relation is W1> W2. The In addition, in the sensor element 1 as the product 2, it was confirmed that the crack was generated when the size of the water droplet was increased to 25.0 μL or more when the relationship of the width was W1 <W2.

以上の結果より、実施品２としてのセンサ素子１においては、反り抑制層７を有することによって、センサ素子１の高温安定時に、センサ素子１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、反り抑制層７によって、センサ素子１の形状に生じる反りを抑制できたためであると考える。
また、幅の関係がＷ１＞Ｗ２を満たす場合に、センサ素子１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、センサ素子１の形状に生じる反りを効果的に抑制できたためであると考える。 From the above results, it was found that the sensor element 1 as the product 2 has the warpage suppressing layer 7 and therefore, the sensor element 1 is less likely to be cracked when the temperature of the sensor element 1 is stabilized at high temperature. It is considered that the reason for this is that the warpage suppressing layer 7 can suppress the warpage occurring in the shape of the sensor element 1.
In addition, it was found that when the width relationship satisfies W1> W2, the crack hardly occurs in the sensor element 1. It is considered that the reason for this is that the warpage occurring in the shape of the sensor element 1 can be effectively suppressed when the above condition is satisfied.

なお、本確認試験において、７５０℃に加熱されたセンサ素子１の反り量は、次のようになった。反り量は、センサ素子１の積層方向Ｄにおける最大厚みと最小厚みとの差として示す。
比較品２としてのセンサ素子９の反り量は、１２１μｍとなった。また、実施品２としてのセンサ素子１であって幅の関係がＷ１＜Ｗ２の場合の反り量は、７７μｍとなり、実施品２としてのセンサ素子１であって幅の関係がＷ１＞Ｗ２の場合の反り量は、５０μｍ以下として、正確に測定ができなかった。このことから、センサ素子１の反り量と、センサ素子１におけるクラックの生じやすさとの間には相関関係があることが分かった。 The amount of warpage of the sensor element 1 heated to 750 ° C. in the present confirmation test was as follows. The amount of warpage is indicated as the difference between the maximum thickness and the minimum thickness in the stacking direction D of the sensor element 1.
The amount of warpage of the sensor element 9 as the comparative product 2 was 121 μm. The amount of warpage is 77 μm when the width of the sensor element 1 as the product 2 is W1 <W2, and when the width of the product is W1> W2. The amount of warpage of 50 μm or less could not be measured accurately. From this, it was found that there is a correlation between the amount of warpage of the sensor element 1 and the susceptibility of the sensor element 1 to cracking.

（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について、反り抑制層７の適切な厚みｔを確認した。具体的には、反り抑制層７の厚みｔを２〜９９μｍの範囲で変更させたときに、センサ素子１に１０μＬの水滴を滴下し、センサ素子１にクラックが生じたか否かを確認した。クラックが生じたか否かの判断は、確認試験１の場合と同様にして行った。 (Confirmation test 4)
In the present confirmation test, with respect to the sensor element 1 shown in the second embodiment, an appropriate thickness t of the warpage suppressing layer 7 was confirmed. Specifically, when the thickness t of the warpage suppressing layer 7 was changed in the range of 2 to 99 μm, water droplets of 10 μL were dropped on the sensor element 1 and it was confirmed whether or not a crack was generated in the sensor element 1. It was judged in the same manner as in the case of confirmation test 1 whether or not a crack had occurred.

なお、絶縁層４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ，４５Ａ，４６Ａにはアルミナを用い、反り抑制層７にはジルコニアを用いた。
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。

Figure 0006540640
Alumina was used for the insulating layers 41A, 42A, 43A, 44A, 45A, 46A, and zirconia was used for the warpage suppressing layer 7.
Table 4 shows the results of the confirmation. In the same table, the case where no crack is generated is indicated by 、, and the case where a crack is generated is indicated by x.
Figure 0006540640

反り抑制層７の厚みｔが２μｍ以下である場合には、センサ素子１にクラックが生じることが確認された。この理由は、反り抑制層７の厚みｔが小さくなり過ぎ、センサ素子１の形状に生じる反りを十分に抑制できなかったためであると考える。
一方、反り抑制層７の厚みｔの上限には、特別な限界はない。ただし、反り抑制層７の厚みｔが９９μｍを超えると、センサ素子１の使用時に、反り抑制層７の周辺にクラック等が生じることが懸念される。また、反り抑制層７の厚みｔがいずれかの固体電解質層２Ａ，２Ｂの厚みよりも大きくなると、センサ素子１に逆方向の反り、すなわち第２半領域Ｒ２の積層方向Ｄの表面が凸状になる反りが生じる可能性が高くなる。
そして、反り抑制層７の厚みは、４μｍ以上とすることにより、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。 When the thickness t of the warpage suppressing layer 7 was 2 μm or less, it was confirmed that the sensor element 1 was cracked. The reason is considered that the thickness t of the warpage suppressing layer 7 is too small, and the warpage generated in the shape of the sensor element 1 can not be sufficiently suppressed.
On the other hand, the upper limit of the thickness t of the warpage suppressing layer 7 has no special limit. However, if the thickness t of the warpage suppressing layer 7 exceeds 99 μm, there is a concern that a crack or the like may occur around the warpage suppressing layer 7 when the sensor element 1 is used. In addition, when the thickness t of the warpage suppressing layer 7 becomes larger than the thickness of any of the solid electrolyte layers 2A and 2B, the sensor element 1 warps in the reverse direction, that is, the surface of the second half region R2 in the stacking direction D is convex Warpage is likely to occur.
Then, it was confirmed that when the thickness of the warpage suppressing layer 7 is 4 μm or more, the sensor element 1 can be less likely to be cracked.

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。   The present invention is not limited to only the embodiments, and different embodiments can be configured without departing from the scope of the invention.

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
７ 反り抑制層 100 gas sensor 1 sensor element 2, 2A, 2B solid electrolyte layer 31, 32, 33, 34 electrode 41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A, 43A, 44A, 45A, 46A insulating layer 7 warpage suppressing layer

Claims (7)

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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものである、ガスセンサ。 A gas sensor (100) comprising a sensor element (1) for detecting a gas concentration, comprising
The sensor element is
One or more solid electrolyte layers (2, 2A, 2B) made of metal oxides;
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element. 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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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）に隣接して形成されており、かつ、上記検出ガス室へ上記検出ガス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ダクト（５２）が隣接して形成されており、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものである、ガスセンサ。 A gas sensor (100) comprising a sensor element (1) for detecting a gas concentration, comprising
The sensor element is
One or more solid electrolyte layers (2, 2A, 2B) made of metal oxides;
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
The detection gas chamber is formed adjacent to the first main surface (201) of the solid electrolyte layer, and is porous for introducing the detection gas into the detection gas chamber at a predetermined diffusion rate. Formed by being surrounded by a diffusion resistance layer (40) made of a metal oxide and the above insulating layer,
A reference gas duct (52) surrounded by the insulating layer is formed adjacent to the second main surface (202) of the solid electrolyte layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element. 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上記固体電解質層同士の間に形成され、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、該固体電解質層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が低い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、
上記センサ素子を、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向（Ｄ）の全長の中心を通る仮想中心線（Ｏ）によって２つの半領域に区画する場合に、上記固体電解質層がより多く含まれる側の半領域を第１半領域（Ｒ１）とするとともに、上記発熱体が含まれる半領域を第２半領域（Ｒ２）としたとき、
該第２半領域には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の線膨張率よりも線膨張率が高い金属酸化物からなる、厚み（ｔ）が７〜９７μｍの反り抑制層（７）が配置されており、
該反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）に直交する断面において、上記第１半領域の外面（４１１）が凸状に変形する反りを抑制するものであり、
複数の上記固体電解質層のうちの上記反り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反り抑制層に、上記特定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、上記反り抑制層は、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。 A gas sensor (100) comprising a sensor element (1) for detecting a gas concentration, comprising
The sensor element is
Multiple solid electrolyte layer ing a metal oxide and (2,2A, 2B),
A plurality of electrodes (31, 32, 33, 34) provided on both main surfaces (201, 202, 203, 204, 205, 206) of the solid electrolyte layer;
A detection gas chamber (51) formed between the solid electrolyte layers adjacent to any one of the main surfaces in the solid electrolyte layer, for bringing a detection gas (G) into contact with any of the electrodes;
An insulating layer (41, 42, 43, 44, 45, 41A, 42A) laminated on the solid electrolyte layer and made of a metal oxide having a linear expansion coefficient lower than that of the metal oxide constituting the solid electrolyte layer , 43A, 44A, 45A, 46A),
And a heating element (6) embedded in the insulating layer,
When the sensor element is divided into two half regions by an imaginary center line (O) passing the center of the entire length of the solid electrolyte layer and the insulating layer in the stacking direction (D), the solid electrolyte layer is more When the half area on the side included is the first half area (R1), and the half area including the heating element is the second half area (R2),
In the second half region, a warpage suppressing layer (7) having a thickness (t) of 7 to 97 μm is formed of a metal oxide having a linear expansion coefficient higher than that of the metal oxide constituting the insulating layer. Are arranged,
The warpage suppressing layer suppresses warpage in which the outer surface (411) of the first half area is deformed in a convex shape in a cross section orthogonal to the longitudinal direction (L) of the sensor element.
The side surface of the specific solid electrolyte layer closest to the warpage suppressing layer among the plurality of solid electrolyte layers is embedded in the insulating layer,
When the external shape of the specific solid electrolyte layer is projected onto the warpage suppressing layer in the stacking direction (D) of the specific solid electrolyte layer and the insulating layer, the warpage suppressing layer is the same as that of the specific solid electrolyte layer. It is formed at a position and size to cover the outer shape, the gas sensor. 上記固体電解質層及び上記反り抑制層は、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。 The solid electrolyte layer and the warpage suppressing layer are made of a zirconia material,
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer is made of an alumina material. 上記反り抑制層は、上記固体電解質層と上記発熱体との間の位置において、上記絶縁層によって両側から挟まれている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the warpage suppressing layer is sandwiched from the both sides by the insulating layer at a position between the solid electrolyte layer and the heating element. 上記固体電解質層及び上記反り抑制層は、上記センサ素子の長手方向（Ｌ）の全長に亘って配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid electrolyte layer and the warpage suppressing layer are disposed over the entire length of the sensor element in the longitudinal direction (L). 上記反り抑制層は、上記絶縁層の内部に埋設されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the warpage suppressing layer is embedded in the inside of the insulating layer.
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