JP7068132B2 - Gas sensor - Google Patents

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本発明は、センサ素子を有するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor having a sensor element.

ガスセンサは、例えば、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける空燃比、又は酸素、ＮＯｘ、アンモニア等の特定ガス成分の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサのセンサ素子は、酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体と、固体電解質体の両表面における互いに重なる位置に設けられた一対の電極とを有する。また、固体電解質体に積層された絶縁体には、通電によって発熱する発熱体が埋設されている。また、発熱体における発熱部は、固体電解質体と絶縁体との積層方向において、一対の電極に重なる位置に配置されている。そして、発熱部から発生する熱によって、一対の電極及び一対の電極間に挟まれた固体電解質体の部分を活性温度に加熱している。 The gas sensor is arranged, for example, in the exhaust pipe of an internal combustion engine, and uses the exhaust gas flowing through the exhaust pipe as the detection target gas to detect the air-fuel ratio in the detection target gas or the concentration of a specific gas component such as oxygen, NOx, or ammonia. Used. The sensor element of the gas sensor has a solid electrolyte body having conductivity of oxygen ions and a pair of electrodes provided at overlapping positions on both surfaces of the solid electrolyte body. Further, a heating element that generates heat by energization is embedded in the insulator laminated on the solid electrolyte body. Further, the heat generating portion of the heating element is arranged at a position overlapping the pair of electrodes in the stacking direction of the solid electrolyte body and the insulator. Then, the portion of the solid electrolyte sandwiched between the pair of electrodes and the pair of electrodes is heated to the active temperature by the heat generated from the heat generating portion.

また、ガスセンサにおいては、ヒータの無駄な放熱を抑制して、消費電力を低減する工夫がなされている。例えば、特許文献１の酸素センサにおいては、センサ素子に積層されてセンサ素子を加熱するヒータの表面を、多孔質体によって覆うことが記載されている。そして、多孔質体を断熱材として作用させることにより、ヒータから発生する熱が酸素センサの外部へ逃げにくくしている。 Further, in the gas sensor, a device is devised to suppress unnecessary heat dissipation of the heater and reduce power consumption. For example, in the oxygen sensor of Patent Document 1, it is described that the surface of a heater laminated on the sensor element and heating the sensor element is covered with a porous body. Then, by acting the porous body as a heat insulating material, it is difficult for the heat generated from the heater to escape to the outside of the oxygen sensor.

特開平１０－２６０１５４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-260154

特許文献１の酸素センサにおいては、多孔質体がセンサ素子及びヒータのほぼ全長に亘って設けられている。そのため、ヒータから発生する熱が酸素センサの外部へ逃げにくいものの、酸素センサ（センサ素子）の強度が低下するといった課題が生じる。そのため、センサ素子の強度を維持した状態で、発熱体からセンサ素子の外部への放熱を抑制するためには更なる工夫が必要とされる。 In the oxygen sensor of Patent Document 1, a porous body is provided over almost the entire length of the sensor element and the heater. Therefore, although the heat generated from the heater is difficult to escape to the outside of the oxygen sensor, there arises a problem that the strength of the oxygen sensor (sensor element) is lowered. Therefore, further measures are required to suppress heat dissipation from the heating element to the outside of the sensor element while maintaining the strength of the sensor element.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、センサ素子の強度を維持した状態で、発熱体からセンサ素子の外部への放熱を抑制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 the above problems, and has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of suppressing heat dissipation from a heating element to the outside of a sensor element while maintaining the strength of the sensor element. be.

本発明の一態様は、長尺形状のセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）において、
前記センサ素子は、
板状の固体電解質体（３１）と、
前記固体電解質体における、両表面（３０１，３０２）の互いに重なる位置に設けられた一対の電極（３１１，３１２）と、
前記固体電解質体の積層方向（Ｄ）に積層された絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
前記絶縁体における、一対の前記電極に重なる位置に埋設された発熱部（３４１）及び前記発熱部に繋がる一対のリード部（３４２）を有する発熱体（３４）と、を備え、
前記絶縁体は、
前記固体電解質体に隣接して積層されて、気体を通過させない緻密セラミック材料からなる第１絶縁部（３３１）と、
前記第１絶縁部の前記積層方向の外側に積層されて、前記第１絶縁部よりも気孔率が高い多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部（３３２）と、を有し、
前記第１絶縁部の、前記センサ素子の長尺方向（Ｌ）の先端側（Ｌ１）に位置する表面部位であって、前記積層方向から見て前記発熱部に重なる部位には、前記第１絶縁部の表面から凹んだ凹部（３３３）が形成されており、
前記第２絶縁部は、前記凹部に配置されている、ガスセンサにある。 One aspect of the present invention is in a gas sensor (1) having a long sensor element (2).
The sensor element is
A plate-shaped solid electrolyte (31) and
A pair of electrodes (311 and 312) provided at positions of both surfaces (301 and 302) overlapping each other in the solid electrolyte body.
Insulators (33A, 33B) laminated in the stacking direction (D) of the solid electrolyte body and
The insulator includes a heating element (341) embedded at a position overlapping the pair of electrodes and a heating element (34) having a pair of lead portions (342) connected to the heat generating portion.
The insulator is
A first insulating portion (331) made of a dense ceramic material that is laminated adjacent to the solid electrolyte and does not allow gas to pass through.
It has a second insulating portion (332) laminated on the outer side of the first insulating portion in the stacking direction and made of a porous ceramic material having a higher porosity than the first insulating portion.
The first insulating portion is a surface portion of the first insulating portion located on the tip end side (L1) of the sensor element in the long direction (L) and overlaps with the heat generating portion when viewed from the stacking direction. A recess (333) recessed from the surface of the insulating portion is formed.
The second insulating portion is in the gas sensor arranged in the recess.

前記一態様のガスセンサのセンサ素子においては、緻密セラミック材料からなる第１絶縁部と、多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部との配置の仕方に工夫をしている。具体的には、第１絶縁部の長尺方向の先端側に位置する表面部位であって、積層方向から見て発熱部に重なる部位には、第１絶縁部の表面から凹んだ凹部が形成されている。そして、第２絶縁部は、凹部内に配置されている。 In the sensor element of the gas sensor of the above aspect, the method of arranging the first insulating portion made of a dense ceramic material and the second insulating portion made of a porous ceramic material is devised. Specifically, a concave portion recessed from the surface of the first insulating portion is formed in the surface portion located on the tip side in the long direction of the first insulating portion and overlapping the heat generating portion when viewed from the stacking direction. Has been done. The second insulating portion is arranged in the recess.

つまり、前記一態様のガスセンサのセンサ素子の絶縁体の外側表面においては、長尺方向の先端側に位置する、発熱部の積層方向に重なる表面部位に、多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部が配置されている。また、絶縁体の外側表面における残りの表面部位には、緻密セラミック材料からなる第１絶縁部が配置されている。発熱体において、実際に発熱する部位は発熱部であり、発熱部によって、一対の電極及び一対の電極間に挟まれた固体電解質体の部分が加熱される。そして、センサ素子においては、発熱部の積層方向に重なる表面部位に第２絶縁部が配置されていることにより、発熱部の周辺において、発熱部からセンサ素子の外部への放熱を抑制することができる。 That is, on the outer surface of the insulator of the sensor element of the gas sensor of the above aspect, the second insulating portion made of a porous ceramic material is located on the surface portion overlapping in the stacking direction of the heat generating portion, which is located on the tip side in the long direction. Is placed. Further, a first insulating portion made of a dense ceramic material is arranged on the remaining surface portion on the outer surface of the insulator. In the heating element, the portion that actually generates heat is the heating portion, and the heating portion heats the portion of the solid electrolyte body sandwiched between the pair of electrodes and the pair of electrodes. Further, in the sensor element, since the second insulating portion is arranged on the surface portion overlapping in the stacking direction of the heat generating portion, it is possible to suppress heat dissipation from the heat generating portion to the outside of the sensor element around the heat generating portion. can.

また、センサ素子において、発熱部に繋がる一対のリード部の一部等の積層方向に重なる表面部位には、第１絶縁部が配置されていることにより、センサ素子の強度の低下を抑制することができる。 Further, in the sensor element, the first insulating portion is arranged on the surface portion of the sensor element that overlaps in the stacking direction, such as a part of the pair of lead portions connected to the heat generating portion, thereby suppressing the decrease in the strength of the sensor element. Can be done.

それ故、前記一態様のガスセンサによれば、センサ素子の強度を維持した状態で、発熱体からセンサ素子の外部への放熱を抑制することができる。 Therefore, according to the gas sensor of the above aspect, it is possible to suppress heat dissipation from the heating element to the outside of the sensor element while maintaining the strength of the sensor element.

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 The reference numerals in parentheses of each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the reference numerals in the figure in the embodiment, but each component is not limited to the content of the embodiment.

実施形態１にかかる、ガスセンサを示す断面図。The cross-sectional view which shows the gas sensor which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態１にかかる、積層前のセンサ素子を示す斜視図。The perspective view which shows the sensor element before stacking which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態１にかかる、センサ素子を示す断面図。The cross-sectional view which shows the sensor element which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図３のIV－IV断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3, showing a sensor element according to the first embodiment. 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図３のV－V断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along line VV of FIG. 3 showing a sensor element according to the first embodiment. 実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing another sensor element according to the first embodiment. 実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す、図６のVII－VII断面図。FIG. 6 is a sectional view taken along line VII-VII of FIG. 6, showing another sensor element according to the first embodiment. 実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing a sensor element according to the second embodiment. 実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図８のIX－IX断面図。FIG. 8 is a sectional view taken along line IX-IX of FIG. 8 showing a sensor element according to the second embodiment. 実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing a sensor element according to the third embodiment. 実施形態３にかかる、他のセンサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing another sensor element according to the third embodiment. 実施形態３にかかる、他のセンサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing another sensor element according to the third embodiment. 実施形態４にかかる、センサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing a sensor element according to the fourth embodiment. 実施形態４にかかる、センサ素子を示す、図１３のXIV－XIV断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIV-XIV of FIG. 13, showing the sensor element according to the fourth embodiment. 実施形態４にかかる、他のセンサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing another sensor element according to the fourth embodiment. 実施形態４にかかる、他のセンサ素子を示す、図３のIV－IV断面相当図。FIG. 3 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 3, showing another sensor element according to the fourth embodiment.

前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガスセンサ１は、図１～図５に示すように、長尺形状のセンサ素子２を有する。センサ素子２は、板状の固体電解質体３１、一対の電極３１１，３１２、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４を備える。一対の電極３１１，３１２は、固体電解質体３１における、両表面の互いに重なる位置に設けられている。絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質体３１の積層方向Ｄに積層されている。発熱体３４は、絶縁体３３Ａにおける、一対の電極３１１，３１２に重なる位置に埋設された発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる一対の発熱体リード部（リード部）３４２とを有する。 A preferred embodiment of the gas sensor described above will be described with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
As shown in FIGS. 1 to 5, the gas sensor 1 of this embodiment has a long sensor element 2. The sensor element 2 includes a plate-shaped solid electrolyte body 31, a pair of electrodes 311, 312, insulators 33A and 33B, and a heating element 34. The pair of electrodes 311, 312 are provided at positions on both surfaces of the solid electrolyte 31 that overlap each other. The insulators 33A and 33B are laminated in the stacking direction D of the solid electrolyte body 31. The heating element 34 has a heating element 341 embedded at a position overlapping the pair of electrodes 311, 312 in the insulator 33A, and a pair of heating element lead portions (lead portions) 342 connected to the heating element 341.

図２及び図３に示すように、絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質体３１に隣接して積層されて、気体を通過させない性質を有する緻密セラミック材料からなる第１絶縁部３３１と、第１絶縁部３３１の積層方向Ｄの外側に積層されて、第１絶縁部３３１よりも気孔率が高い多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部３３２とを有する。ガス室側絶縁体３３Ａの、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する表面部位であって、積層方向Ｄから見て発熱部３４１に重なる部位には、ガス室側絶縁体３３Ａの表面から凹んだ凹部３３３が形成されている。第２絶縁部３３２は、凹部３３３に配置されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the insulators 33A and 33B are laminated adjacent to the solid electrolyte 31 and are made of a dense ceramic material having a property of not allowing gas to pass through, and a first insulating portion 331. It has a second insulating portion 332 made of a porous ceramic material having a porosity higher than that of the first insulating portion 331, which is laminated on the outer side of the insulating portion 331 in the stacking direction D. The gas chamber side insulator 33A is located on the surface portion of the gas chamber side insulator 33A located on the tip side L1 of the sensor element 2 in the long direction L and overlaps with the heat generating portion 341 when viewed from the stacking direction D. A recess 333 recessed from the surface of the surface is formed. The second insulating portion 332 is arranged in the recess 333.

以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスを検出対象ガスＧとして、検出対象ガスＧにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いることができる。また、ガスセンサ１は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。 The gas sensor 1 of this embodiment will be described in detail below.
(Gas sensor 1)
As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 is arranged at the attachment port 71 of the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine (engine) of the vehicle, and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 7 is set as the detection target gas G, and the oxygen concentration in the detection target gas G. Etc. are used to detect. The gas sensor 1 can be used as an air-fuel ratio sensor (A / F sensor) for obtaining an air-fuel ratio in an internal combustion engine based on an oxygen concentration in an exhaust gas, an unburned gas concentration, and the like. In addition to the air-fuel ratio sensor, the gas sensor 1 can be used for various purposes for determining the oxygen concentration.

排気管７には、排ガス中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置することもできる。また、ガスセンサ１は、排ガスを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置することもできる。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管とすることもできる。 A catalyst for purifying harmful substances in the exhaust gas is arranged in the exhaust pipe 7, and the gas sensor 1 is arranged on either the upstream side or the downstream side of the catalyst in the flow direction of the exhaust gas in the exhaust pipe 7. You can also. Further, the gas sensor 1 can also be arranged in a pipe on the suction side of a supercharger that uses exhaust gas to increase the density of air sucked by the internal combustion engine. Further, the pipe in which the gas sensor 1 is arranged may be a pipe in an exhaust gas recirculation mechanism that recirculates a part of the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine to the exhaust pipe 7 to the intake pipe of the internal combustion engine.

空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。空燃比センサにおいては、拡散抵抗部（拡散律速部）３２によって、ガス室３５へ導かれる検出対象ガスＧの拡散速度が絞られる際に、一対の電極としての検出電極３１１と大気電極３１２との間に、酸素イオン（Ｏ2-）の移動量に応じた電流が出力される限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。 The air-fuel ratio sensor quantitatively and continuously ranges from a fuel-rich state in which the ratio of fuel to air is higher than the theoretical air-fuel ratio to a fuel lean state in which the ratio of fuel to air is lower than the theoretical air-fuel ratio. Can be detected. In the air-fuel ratio sensor, when the diffusion rate of the detection target gas G guided to the gas chamber 35 is reduced by the diffusion resistance unit (diffusion rate controlling unit) 32, the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 as a pair of electrodes In the meantime, a predetermined voltage is applied to show the limit current characteristic in which a current corresponding to the amount of movement of the oxygen ion (O 2- ) is output.

空燃比センサにおいて、燃料リーン側の空燃比を検出する際には、検出対象ガスＧに含まれる酸素が、イオンとなって検出電極３１１から固体電解質体３１を介して大気電極３１２へ移動する際に生じる電流を検出する。また、空燃比センサにおいて、燃料リッチ側の空燃比を検出する際には、検出対象ガスＧに含まれる未燃ガス（炭化水素、一酸化炭素、水素等）を反応させるために、大気電極３１２から固体電解質体３１を介して検出電極３１１へイオンとなった酸素が移動し、未燃ガスと酸素とが反応する際に生じる電流を検出する。 When the air-fuel ratio sensor detects the air-fuel ratio on the fuel lean side, oxygen contained in the detection target gas G becomes ions and moves from the detection electrode 311 to the atmospheric electrode 312 via the solid electrolyte 31. Detects the current generated in. Further, when the air-fuel ratio sensor detects the air-fuel ratio on the fuel-rich side, the atmospheric electrode 312 is used to react the unburned gas (hydrocarbon, carbon monoxide, hydrogen, etc.) contained in the detection target gas G. The oxygen that has become ions moves from the solid electrolyte 31 to the detection electrode 311 via the solid electrolyte 31, and the current generated when the unburned gas and the oxygen react with each other is detected.

（他のガスセンサ１）
ガスセンサ１は、空燃比センサとする以外にも、検出対象ガスＧの組成から求められるエンジンの空燃比が、理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるのか燃料リーン側にあるのかをＯＮ－ＯＦＦで判別する酸素センサとしてもよい。酸素センサにおいては、大気Ａと検出対象ガスＧとの酸素濃度の差によって、大気電極３１２と検出電極３１１との間に生じる起電力が検出され、この起電力が所定の閾値を超えているか否かのセンサ出力が出力される。 (Other gas sensor 1)
In addition to being an air-fuel ratio sensor, the gas sensor 1 turns on and off whether the air-fuel ratio of the engine obtained from the composition of the gas G to be detected is on the fuel-rich side or the fuel lean side with respect to the theoretical air-fuel ratio. It may be used as an oxygen sensor for discrimination by. In the oxygen sensor, the electromotive force generated between the atmospheric electrode 312 and the detection electrode 311 is detected by the difference in oxygen concentration between the atmosphere A and the detection target gas G, and whether or not this electromotive force exceeds a predetermined threshold value. The sensor output is output.

また、ガスセンサ１は、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するセンサとしてもよい。ＮＯｘセンサにおいては、検出電極３１１に接触する検出対象ガスＧの流れの上流側に、電圧の印加によって検出電極３１１から大気電極３１２へ酸素をポンピングするポンプ電極が配置される。大気電極３１２はポンプ電極に対して固体電解質体３１を介して対向する位置にも形成される。 Further, the gas sensor 1 may be a sensor that detects the concentration of a specific gas component such as NOx (nitrogen oxide). In the NOx sensor, a pump electrode for pumping oxygen from the detection electrode 311 to the atmospheric electrode 312 by applying a voltage is arranged on the upstream side of the flow of the detection target gas G in contact with the detection electrode 311. The atmospheric electrode 312 is also formed at a position facing the pump electrode via the solid electrolyte 31.

（センサ素子２）
図２～図４に示すように、本形態のセンサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、固体電解質体３１、一対の電極としての検出電極３１１及び大気電極３１２、ガス室側絶縁体３３Ａ、ダクト側絶縁体３３Ｂ、ガス室３５、大気ダクト３６及び発熱体３４を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１に、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。 (Sensor element 2)
As shown in FIGS. 2 to 4, the sensor element 2 of this embodiment is formed in a long rectangular shape, and includes a solid insulator 31, a detection electrode 311 as a pair of electrodes, an atmospheric electrode 312, and a gas chamber side. It includes an insulator 33A, a duct-side insulator 33B, a gas chamber 35, an atmospheric duct 36, and a heating element 34. The sensor element 2 is a laminated type in which insulators 33A and 33B and a heating element 34 are laminated on a solid electrolyte body 31.

本形態において、センサ素子２の長尺方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長尺方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向、換言すれば、固体電解質体３１、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長尺方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長尺方向Ｌにおいて、検知部２１が形成された側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を後端側Ｌ２という。 In the present embodiment, the long direction L of the sensor element 2 means the direction in which the sensor element 2 extends in a long shape. Further, a direction orthogonal to the long direction L, in which the solid electrolyte 31 and the insulators 33A, 33B are laminated, in other words, a direction in which the solid electrolyte 31, the insulators 33A, 33B, and the heating element 34 are laminated. Is referred to as stacking direction D. Further, the direction orthogonal to the long direction L and the stacking direction D is called the width direction W. Further, in the long direction L of the sensor element 2, the side on which the detection unit 21 is formed is referred to as the front end side L1, and the opposite side of the front end side L1 is referred to as the rear end side L2.

（固体電解質体３１、検出電極３１１及び大気電極３１２）
図３及び図４に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。検出電極３１１は、固体電解質体３１における、検出対象ガスＧが接触する第１表面３０１に設けられており、大気電極３１２は、固体電解質体３１における、大気Ａが接触する第２表面３０２に設けられている。検出電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して互いに対向している。センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、検出電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる検知部２１が形成されている。ガス室側絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層されており、ダクト側絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層されている。 (Solid electrolyte 31, detection electrode 311 and atmospheric electrode 312)
As shown in FIGS. 3 and 4, the solid electrolyte 31 has the conductivity of oxygen ions ( O2- ) at a predetermined active temperature. The detection electrode 311 is provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 with which the detection target gas G is in contact, and the atmospheric electrode 312 is provided on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 with which the atmosphere A is in contact. Has been done. The detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 face each other via the solid electrolyte 31 at the portion of the sensor element 2 on the distal end side L1 in the long direction L. At the portion of the sensor element 2 on the distal end side L1 in the long direction L, a detection unit 21 consisting of a detection electrode 311 and an atmospheric electrode 312 and a portion of a solid electrolyte body 31 sandwiched between these electrodes 311, 312 is provided. It is formed. The gas chamber side insulator 33A is laminated on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31, and the duct side insulator 33B is laminated on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.

固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。 The solid electrolyte 31 is composed of a zirconia-based oxide, contains zirconia as a main component (containing 50% by mass or more), and is a stabilized zirconia or a portion obtained by substituting a part of zirconia with a rare earth metal element or an alkaline earth metal element. Consists of stabilized zirconia. A portion of the zirconia constituting the solid electrolyte 31 can be replaced with ittoria, scandia or calcia.

検出電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。共材は、固体電解質体３１にペースト状の電極材料を印刷（塗布）して両者を焼成する際に、電極材料によって形成される検出電極３１１及び大気電極３１２と固体電解質体３１との結合強度を維持するためのものである。 The detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 contain platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen, and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte 31. The co-material is the bond strength between the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 formed by the electrode material and the solid electrolyte 31 when the paste-like electrode material is printed (coated) on the solid electrolyte 31 and both are fired. It is for maintaining.

図３に示すように、検出電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３が接続されており、この電極リード部３１３は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の部位まで引き出されている。 As shown in FIG. 3, an electrode lead portion 313 for electrically connecting these electrodes 311, 312 to the outside of the gas sensor 1 is connected to the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the electrode lead portion 313 is connected to the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312. , It is pulled out to the portion of the rear end side L2 in the long direction L.

（ガス室３５）
図３及び図４に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、ガス室側絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、ガス室側絶縁体３３Ａにおける、検出電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、ガス室側絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスである検出対象ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。 (Gas chamber 35)
As shown in FIGS. 3 and 4, a gas chamber 35 surrounded by the gas chamber side insulator 33A and the solid electrolyte 31 is formed adjacent to the first surface 301 of the solid electrolyte 31. The gas chamber 35 is formed at a position in the gas chamber side insulator 33A to accommodate the detection electrode 311. The gas chamber 35 is formed as a space portion closed by the gas chamber side insulator 33A, the diffusion resistance portion 32, and the solid electrolyte body 31. The detection target gas G, which is an exhaust gas flowing in the exhaust pipe 7, passes through the diffusion resistance portion 32 and is introduced into the gas chamber 35.

（拡散抵抗部３２）
本形態の拡散抵抗部３２は、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して形成されている。拡散抵抗部３２は、ガス室側絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗部３２は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室３５に導入される検出対象ガスＧの拡散速度（流量）は、検出対象ガスＧが拡散抵抗部３２における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。 (Diffusion resistance unit 32)
The diffusion resistance portion 32 of this embodiment is formed adjacent to the tip end side L1 of the gas chamber 35 in the long direction L. The diffusion resistance portion 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to the tip side L1 in the long direction L of the gas chamber 35 in the gas chamber side insulator 33A. The diffusion resistance portion 32 is formed of a porous metal oxide such as alumina. The diffusion rate (flow rate) of the detection target gas G introduced into the gas chamber 35 is determined by limiting the rate at which the detection target gas G permeates the pores in the diffusion resistance portion 32.

拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して形成してもよい。この場合には、拡散抵抗部３２は、ガス室側絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して開口された導入口内に配置される。なお、拡散抵抗部３２は、多孔質体を用いて形成する以外にも、ガス室３５に連通された小さな貫通穴であるピンホールを用いて形成することもできる。 The diffusion resistance portion 32 may be formed adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W. In this case, the diffusion resistance portion 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W in the gas chamber side insulator 33A. The diffusion resistance portion 32 can be formed not only by using a porous body but also by using a pinhole which is a small through hole communicated with the gas chamber 35.

（大気ダクト３６）
図３及び図４に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、ダクト側絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれた大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、ダクト側絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する位置からセンサ素子２の後端位置まで形成されている。センサ素子２の長尺方向Ｌの後端位置には、大気ダクト３６の後端開口部３６１が形成されている。大気ダクト３６は、後端開口部３６１から固体電解質体３１を介してガス室３５と対向する位置まで形成されている。大気ダクト３６には、後端開口部３６１から大気Ａが導入される。 (Atmospheric duct 36)
As shown in FIGS. 3 and 4, an atmospheric duct 36 surrounded by the duct-side insulator 33B and the solid electrolyte 31 is formed adjacent to the second surface 302 of the solid electrolyte 31. The atmospheric duct 36 is formed from the position of accommodating the atmospheric electrode 312 to the rear end position of the sensor element 2 in the duct-side insulator 33B. A rear end opening 361 of the atmospheric duct 36 is formed at the rear end position of the sensor element 2 in the long direction L. The atmospheric duct 36 is formed from the rear end opening 361 to a position facing the gas chamber 35 via the solid electrolyte body 31. Atmosphere A is introduced into the atmosphere duct 36 from the rear end opening 361.

大気ダクト３６における、長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、ガス室３５における、長尺方向Ｌに直交する断面の断面積よりも大きい。また、大気ダクト３６の積層方向Ｄの厚み（幅）は、ガス室３５の積層方向Ｄの厚み（幅）よりも大きい。大気ダクト３６の断面積、厚み、体積等が、ガス室３５の断面積、厚み、体積等よりも大きいことにより、検出電極３１１における未燃ガスを反応させるための、大気Ａ中の酸素を、大気ダクト３６から検出電極３１１へ十分に供給することができる。 The cross-sectional area of the cross section orthogonal to the long direction L in the atmospheric duct 36 is larger than the cross-sectional area of the cross section orthogonal to the long direction L in the gas chamber 35. Further, the thickness (width) of the atmospheric duct 36 in the stacking direction D is larger than the thickness (width) of the gas chamber 35 in the stacking direction D. Since the cross-sectional area, thickness, volume, etc. of the atmospheric duct 36 is larger than the cross-sectional area, thickness, volume, etc. of the gas chamber 35, oxygen in the atmosphere A for reacting the unburned gas in the detection electrode 311 is generated. It can be sufficiently supplied from the atmospheric duct 36 to the detection electrode 311.

（発熱体３４）
図３～図５に示すように、発熱体３４は、ガス室３５を形成するガス室側絶縁体３３Ａ内に埋設されており、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部が検出電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。 (Heating element 34)
As shown in FIGS. 3 to 5, the heating element 34 is embedded in the gas chamber side insulator 33A forming the gas chamber 35, and the heating element 341 that generates heat by energization and the heating element connected to the heating unit 341. It has a lead portion 342 and a lead portion 342. The heat generating portion 341 is arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the stacking direction D of the solid electrolyte 31 and the insulators 33A and 33B.

また、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長尺方向Ｌの後端側Ｌ１に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態の発熱部３４１の直線部分は、長尺方向Ｌに平行に形成されている。発熱体リード部３４２は、直線状の導体部によって形成されている。発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部３４２は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。 Further, the heating element 34 has a heating element 341 that generates heat by energization, and a pair of heating element lead portions 342 connected to the rear end side L1 of the heating element 341 in the long direction L. The heat generating portion 341 is formed by a linear conductor portion meandering by a straight portion and a curved portion. The straight portion of the heat generating portion 341 of the present embodiment is formed parallel to the elongated direction L. The heating element lead portion 342 is formed by a linear conductor portion. The resistance value per unit length of the heating element 341 is larger than the resistance value per unit length of the heating element lead unit 342. The heating element lead portion 342 is pulled out to the portion of the rear end side L2 in the long direction L. The heating element 34 contains a conductive metal material.

本形態の発熱部３４１は、発熱体３４における長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の位置において、長尺方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部３４１は、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、検出電極３１１及び大気電極３１２に対向する位置に配置されている。発熱体リード部３４２からの通電によって発熱部３４１が発熱することにより、検出電極３１１、大気電極３１２、及び固体電解質体３１における、各電極３１１，３１２の間に挟まれた部分が目標とする温度に加熱される。 The heat generating portion 341 of the present embodiment is formed in a shape meandering in the elongated direction L at the position of the tip side L1 in the elongated direction L in the heating element 34. The heat generating portion 341 may be formed so as to meander in the width direction W. The heat generating portion 341 is arranged at a position facing the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the stacking direction D orthogonal to the long direction L. When the heating unit 341 generates heat due to the energization from the heating element lead portion 342, the target temperature of the portion sandwiched between the electrodes 311, 312 in the detection electrode 311, the atmospheric electrode 312, and the solid electrolyte body 31 is achieved. Is heated to.

発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が加熱される。 The cross-sectional area of the heating element 341 is smaller than the cross-sectional area of the heating element lead portion 342, and the resistance value per unit length of the heating element 341 is higher than the resistance value per unit length of the heating element lead portion 342. This cross-sectional area means the cross-sectional area of the surfaces orthogonal to the extending direction of the heating element 341 and the heating element lead portion 342. When a voltage is applied to the pair of heating element lead portions 342, the heating portion 341 generates heat due to Joule heat, and the heat generation heats the periphery of the detection unit 21.

（絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
図３及び図４に示すように、絶縁体３３Ａ，３３Ｂには、ガス室側絶縁体３３Ａとダクト側絶縁体３３Ｂとがある。ガス室側絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の積層方向Ｄの第１表面３０１に積層されており、かつガス室３５を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。ダクト側絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の積層方向Ｄの第２表面３０２に積層されており、かつ大気ダクト３６を形成するものである。ガス室３５は、ガス室側絶縁体３３Ａの、固体電解質体３１の第１表面３０１に隣接する部位に形成されており、大気ダクト３６は、ダクト側絶縁体３３Ｂの、固体電解質体３１の第２表面３０２に隣接する部位に形成されている。 (Insulators 33A, 33B)
As shown in FIGS. 3 and 4, the insulators 33A and 33B include a gas chamber side insulator 33A and a duct side insulator 33B. The gas chamber side insulator 33A is laminated on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 in the stacking direction D, forms the gas chamber 35, and embeds the heating element 34. The duct-side insulator 33B is laminated on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 in the stacking direction D, and forms the atmospheric duct 36. The gas chamber 35 is formed in a portion of the gas chamber side insulator 33A adjacent to the first surface 301 of the solid electrolyte body 31, and the atmospheric duct 36 is the first of the solid electrolyte body 31 of the duct side insulator 33B. 2 It is formed in a portion adjacent to the surface 302.

本形態の第２絶縁部３３２は、ガス室側絶縁体３３Ａの第１絶縁部３３１の、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する部位に形成された凹部３３３に配置されている。凹部３３３は、第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌの先端から発熱部３４１の長尺方向Ｌの基端よりも基端側Ｌ２まで、第１絶縁部３３１の幅方向Ｗの全体において形成されている。そして、第２絶縁部３３２は、第１絶縁部３３１の幅方向Ｗの全体において形成されている。なお、図示は省略するが、凹部３３３及び第２絶縁部３３２は、第１絶縁部３３１の、幅方向Ｗの両端部付近を除く中央部付近にのみ形成されていてもよい。 The second insulating portion 332 of the present embodiment is arranged in a recess 333 formed in a portion of the first insulating portion 331 of the gas chamber side insulator 33A, which is located on the tip side L1 in the long direction L. The recess 333 is formed in the entire width direction W of the first insulating portion 331 from the tip of the first insulating portion 331 in the elongated direction L to the proximal end side L2 of the heat generating portion 341 from the proximal end in the elongated direction L. ing. The second insulating portion 332 is formed in the entire width direction W of the first insulating portion 331. Although not shown, the recess 333 and the second insulating portion 332 may be formed only in the vicinity of the central portion of the first insulating portion 331 except for the vicinity of both ends in the width direction W.

図３に示すように、第１絶縁部３３１における、凹部３３３が形成された先端側Ｌ１の部位の、固体電解質体３１の第１表面３０１から第１絶縁部３３１の外側表面までの厚みは、第１絶縁部３３１における、凹部３３３が形成されていない基端側Ｌ２の部位の、固体電解質体３１の第１表面３０１から第１絶縁部３３１の外側表面までの厚みに比べて薄い。第１絶縁部３３１の外側表面における、第１絶縁部３３１の先端側Ｌ１の部位と第１絶縁部３３１の基端側Ｌ２の部位との間には、段差面３３０が形成されている。段差面３３０は、発熱部３４１の基端よりも基端側Ｌ２に位置して形成されている。第１絶縁部３３１の凹部３３３は、発熱体３４を埋設する第１絶縁部３３１の絶縁プレートの積層方向Ｄの外側における、長尺方向Ｌの基端側Ｌ２の部位に対して、別の絶縁プレートを積層することによって形成されている。 As shown in FIG. 3, the thickness of the portion of the first insulating portion 331 on the distal end side L1 where the recess 333 is formed from the first surface 301 of the solid electrolyte 31 to the outer surface of the first insulating portion 331 is determined. The thickness of the portion of the first insulating portion 331 on the base end side L2 where the recess 333 is not formed is thinner than the thickness from the first surface 301 of the solid electrolyte 31 to the outer surface of the first insulating portion 331. On the outer surface of the first insulating portion 331, a stepped surface 330 is formed between the portion of the tip end side L1 of the first insulating portion 331 and the portion of the base end side L2 of the first insulating portion 331. The step surface 330 is formed so as to be located on the base end side L2 of the base end of the heat generating portion 341. The recess 333 of the first insulating portion 331 is another insulation with respect to the portion of the base end side L2 in the long direction L outside the stacking direction D of the insulating plate of the first insulating portion 331 in which the heating element 34 is embedded. It is formed by stacking plates.

第２絶縁部３３２は、凹部３３３の全体に配置されており、第２絶縁部３３２の外側表面は、第１絶縁部３３１の外側表面と同一面を形成している。センサ素子２の積層方向Ｄの外側表面（最も外側の表面）における第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２との間には、段差はほとんど形成されていない。また、凹部３３３に配置された第２絶縁部３３２は、ガス室側絶縁体３３Ａの第１絶縁部３３１に埋設された発熱部３４１の全体を積層方向Ｄから覆っている。 The second insulating portion 332 is arranged in the entire recessed portion 333, and the outer surface of the second insulating portion 332 forms the same surface as the outer surface of the first insulating portion 331. Almost no step is formed between the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332 on the outer surface (outermost surface) of the sensor element 2 in the stacking direction D. Further, the second insulating portion 332 arranged in the recess 333 covers the entire heat generating portion 341 embedded in the first insulating portion 331 of the gas chamber side insulator 33A from the stacking direction D.

ガス室側絶縁体３３Ａ及びダクト側絶縁体３３Ｂにおける第１絶縁部３３１は、検出対象ガスＧ、大気Ａ等の気体が透過することができない緻密体として形成されている。第１絶縁部３３１には、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。第１絶縁部３３１は、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミック粒子が焼成されたことによって、セラミック粒子間に隙間がほとんど形成されていない状態にある。緻密セラミック材料は、セラミック粒子間に隙間がほとんど形成されていないセラミック材料とすることができる。 The first insulating portion 331 in the gas chamber side insulator 33A and the duct side insulator 33B is formed as a dense body through which gases such as the detection target gas G and the atmosphere A cannot permeate. Almost no pores through which gas can pass are formed in the first insulating portion 331. The first insulating portion 331 is in a state in which almost no gap is formed between the ceramic particles due to the firing of the ceramic particles such as alumina (aluminum oxide). The dense ceramic material can be a ceramic material in which almost no gaps are formed between the ceramic particles.

ガス室側絶縁体３３Ａにおける第２絶縁部３３２は、検出対象ガスＧ、大気Ａ等の気体が透過することができる多孔質体として形成されている。第２絶縁部３３２には、気体が透過することができる多数の気孔が形成されている。第２絶縁部３３２における気孔は、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミック粒子が焼成されたときに、セラミック粒子間に形成された隙間によって構成されている。多孔質セラミック材料は、セラミック粒子間に隙間が形成されたセラミック材料とすることができる。 The second insulating portion 332 of the gas chamber side insulator 33A is formed as a porous body through which a gas such as a detection target gas G or an atmosphere A can permeate. The second insulating portion 332 is formed with a large number of pores through which gas can pass. The pores in the second insulating portion 332 are formed by gaps formed between the ceramic particles when the ceramic particles such as alumina (aluminum oxide) are fired. The porous ceramic material can be a ceramic material in which gaps are formed between the ceramic particles.

各絶縁体３３Ａ，３３Ｂにおける各絶縁部３３１，３３２は、アルミナ以外にも、固体電解質体３１との接合強度が保たれる種々の金属酸化物によって形成することができる。各絶縁部３３１，３３２は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）等を含有する絶縁性のセラミック材料によって構成することもできる。 In addition to alumina, the insulating portions 331 and 332 of the insulators 33A and 33B can be formed of various metal oxides that maintain the bonding strength with the solid electrolyte 31. Each insulating portion 331, 332 can also be made of an insulating ceramic material containing zirconia (zirconium dioxide) or the like.

第２絶縁部３３２を構成する多孔質セラミック材料の気孔率は、第１絶縁部３３１を構成する緻密セラミック材料の気孔率よりも高い。気孔率とは、各絶縁部３３１，３３２の単位体積当たりに占める気孔の割合のことをいう。気孔率は、各絶縁部３３１，３３２の断面の単位面積当たりに占める気孔の割合に基づいて求めることができる。気孔率は、例えば、各絶縁部３３１，３３２を切断した断面を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって観察することによって求めることができる。例えば、各絶縁部３３１，３３２を所定の間隔で切断した１０～１００箇所の切断面についての単位面積当たりの断面気孔率を測定し、全体の気孔率は、複数の断面気孔率の平均に基づいて求めることができる。また、気孔率は、各絶縁部３３１，３３２における気体の透過量に基づいて求めることもできる。 The porosity of the porous ceramic material constituting the second insulating portion 332 is higher than the porosity of the dense ceramic material constituting the first insulating portion 331. The porosity refers to the ratio of pores to the unit volume of each insulating portion 331,332. The porosity can be determined based on the ratio of pores to the unit area of the cross section of each insulating portion 331,332. The porosity can be determined, for example, by observing a cross section of each insulating portion 331, 332 cut with an SEM (scanning electron microscope). For example, the cross-sectional porosity per unit area of 10 to 100 cut surfaces obtained by cutting each insulating portion 331, 332 at predetermined intervals is measured, and the total porosity is based on the average of a plurality of cross-sectional porosities. Can be asked. The porosity can also be determined based on the amount of gas permeated in each of the insulating portions 331 and 332.

例えば、第１絶縁部３３１の気孔率は、０～１体積％未満とすることができ、第２絶縁部３３２の気孔率は、１～２０体積％とすることができる。気孔率が１体積％未満であることにより、第１絶縁体３３１を気体が透過することができなくなる。また、気孔率が２０体積％超過になると、第２絶縁部３３２の強度が低下するおそれがある。 For example, the porosity of the first insulating portion 331 can be 0 to less than 1% by volume, and the porosity of the second insulating portion 332 can be 1 to 20% by volume. If the porosity is less than 1% by volume, the gas cannot pass through the first insulator 331. Further, if the porosity exceeds 20% by volume, the strength of the second insulating portion 332 may decrease.

また、例えば、第２絶縁部３３２を構成する多孔質セラミック材料に形成された気孔（空隙）は、１～１０μｍの大きさの範囲内に形成することができる。気孔の大きさは、気孔の長さを種々の方向から観察した場合に、最大となる長さのこととする。気孔の大きさが１μｍ未満になると、センサ素子２の製造コストが増大するおそれがある。気孔の大きさが１０μｍ超過になると、第２絶縁部３３２の強度が低下するおそれがある。 Further, for example, the pores (voids) formed in the porous ceramic material constituting the second insulating portion 332 can be formed within the range of the size of 1 to 10 μm. The size of the pores is the maximum length when the length of the pores is observed from various directions. If the size of the pores is less than 1 μm, the manufacturing cost of the sensor element 2 may increase. If the size of the pores exceeds 10 μm, the strength of the second insulating portion 332 may decrease.

また、第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２とは、同質のセラミック材料によって構成することができ、異なるセラミック材料によって構成することもできる。第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２とを同質のセラミック材料によって構成する場合には、第２絶縁部３３２の密度は、第１絶縁部３３１の密度よりも低くなる。 Further, the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332 can be made of the same quality ceramic material, or can be made of different ceramic materials. When the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332 are made of the same quality ceramic material, the density of the second insulating portion 332 is lower than the density of the first insulating portion 331.

（多孔質層３７）
図１に示すように、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位の全周には、検出電極３１１に対する被毒物質、排気管７内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層３７が設けられている。多孔質層３７は、アルミナ等の多孔質のセラミック（金属酸化物）によって形成されている。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗部３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる検出対象ガスＧの流量は、拡散抵抗部３２を透過することができる検出対象ガスＧの流量よりも多い。 (Porous layer 37)
As shown in FIG. 1, the entire circumference of the portion of the sensor element 2 on the distal end side L1 in the long direction L is perforated to capture the toxic substance to the detection electrode 311 and the condensed water generated in the exhaust pipe 7. A layer 37 is provided. The porous layer 37 is formed of a porous ceramic (metal oxide) such as alumina. The porosity of the porous layer 37 is larger than the porosity of the diffusion resistance portion 32, and the flow rate of the detection target gas G that can permeate the porous layer 37 is the detection target that can permeate the diffusion resistance portion 32. It is higher than the flow rate of gas G.

（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２の他に、センサ素子２を保持する第１インシュレータ４２、第１インシュレータ４２を保持するハウジング４１、第１インシュレータ４２に連結された第２インシュレータ４３、第２インシュレータ４３に保持されてセンサ素子２に接触する接点端子４４を備える。また、ガスセンサ１は、ハウジング４１の先端側Ｌ１の部分に装着されてセンサ素子２の先端側Ｌ１の部分を覆うガス側カバー４５、ハウジング４１の後端側Ｌ２の部分に装着されて第２インシュレータ４３、接点端子４４等を覆う大気側カバー４６、接点端子４４に繋がるリード線４８を大気側カバー４６に保持するためのブッシュ４７等を備える。 (Other configurations of gas sensor 1)
As shown in FIG. 1, in addition to the sensor element 2, the gas sensor 1 is connected to a first insulator 42 that holds the sensor element 2, a housing 41 that holds the first insulator 42, and a second insulator 42. 43, a contact terminal 44 held by the second insulator 43 and in contact with the sensor element 2 is provided. Further, the gas sensor 1 is mounted on the gas side cover 45 which is mounted on the tip side L1 portion of the housing 41 and covers the tip side L1 portion of the sensor element 2, and is mounted on the rear end side L2 portion of the housing 41 and is mounted on the second insulator. 43, an atmospheric side cover 46 for covering the contact terminal 44 and the like, a bush 47 for holding the lead wire 48 connected to the contact terminal 44 on the atmospheric side cover 46, and the like are provided.

センサ素子２の先端側Ｌ１の部分及びガス側カバー４５は、内燃機関の排気管７内に配置される。ガス側カバー４５には、検出対象ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔４５１が形成されている。ガス側カバー４５は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。ガス側カバー４５のガス通過孔４５１からガス側カバー４５内に流入する検出対象ガスＧとしての排ガスは、センサ素子２の多孔質層３７及び拡散抵抗部３２を通過して検出電極３１１へと導かれる。 The portion of the sensor element 2 on the tip side L1 and the gas side cover 45 are arranged in the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine. The gas side cover 45 is formed with a gas passage hole 451 for passing the exhaust gas as the detection target gas G. The gas side cover 45 may have a double structure or a single structure. The exhaust gas as the detection target gas G flowing into the gas side cover 45 from the gas passage hole 451 of the gas side cover 45 passes through the porous layer 37 of the sensor element 2 and the diffusion resistance portion 32 and is guided to the detection electrode 311. Be taken.

大気側カバー４６は、内燃機関の排気管７の外部に配置される。大気側カバー４６には、大気側カバー４６内へ大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ４６２が配置されている。大気導入孔４６１から大気側カバー４６内に導入される大気Ａは、大気側カバー４６内の隙間及び大気ダクト３６を通過して大気電極３１２へと導かれる。 The atmospheric side cover 46 is arranged outside the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine. The atmosphere side cover 46 is formed with an atmosphere introduction hole 461 for introducing the atmosphere A into the atmosphere side cover 46. In the atmosphere introduction hole 461, a filter 462 that does not allow liquid to pass through but allows gas to pass through is arranged. The atmosphere A introduced into the atmosphere side cover 46 from the atmosphere introduction hole 461 passes through the gap in the atmosphere side cover 46 and the atmosphere duct 36 and is guided to the atmosphere electrode 312.

接点端子４４は、検出電極３１１及び大気電極３１２の各電極リード部３１３、発熱体３４の発熱体リード部３４２のそれぞれに接続されるよう、第２インシュレータ４３に複数配置されている。また、リード線４８は、接点端子４４のそれぞれに接続されている。 A plurality of contact terminals 44 are arranged in the second insulator 43 so as to be connected to each of the electrode lead portion 313 of the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the heating element lead portion 342 of the heating element 34. Further, the lead wire 48 is connected to each of the contact terminals 44.

図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、検出電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を測定する測定回路６１、検出電極３１１と大気電極３１２との間に電圧を印加する印加回路６２等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。 As shown in FIG. 1, the lead wire 48 in the gas sensor 1 is electrically connected to a sensor control device 6 that controls gas detection in the gas sensor 1. The sensor control device 6 performs electrical control on the gas sensor 1 in cooperation with an engine control device that controls combustion operation in the engine. The sensor control device 6 is formed with a measurement circuit 61 for measuring the current flowing between the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, an application circuit 62 for applying a voltage between the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the like. There is. The sensor control device 6 may be built in the engine control device.

センサ制御装置６には、発熱体３４に通電を行うための通電回路も形成されている。センサ素子２における、検出電極３１１、大気電極３１２、及び検出電極３１１と大気電極３１２との間に挟まれた固体電解質体３１の部分の温度は、発熱体３４への通電量によって所定の活性温度になるよう制御される。 The sensor control device 6 is also formed with an energization circuit for energizing the heating element 34. The temperature of the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the portion of the solid electrolyte 31 sandwiched between the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 in the sensor element 2 is a predetermined active temperature depending on the amount of electricity supplied to the heating element 34. Is controlled to be.

（センサ素子２の製造方法）
センサ素子２を製造する際には、固体電解質体３１を構成するシート、各第１絶縁部３３１を構成するシート等を、積層するとともに接着層を介して接着する。また、固体電解質体３１を構成するシートには、一対の電極３１１，３１２を構成するペースト材料を印刷（塗布）し、ガス室側絶縁体３３Ａの第１絶縁部３３１を構成するシートには、発熱体３４を構成するペースト材料を印刷（塗布）する。また、第１絶縁部３３１を構成するシートには、第２絶縁部３３２を構成するシートを積層する。そして、各シート、各ペースト材料によって形成されたセンサ素子２の中間体を、所定の焼成温度において焼成して、センサ素子２を形成する。 (Manufacturing method of sensor element 2)
When manufacturing the sensor element 2, the sheet constituting the solid electrolyte body 31, the sheet constituting each first insulating portion 331, and the like are laminated and bonded via an adhesive layer. Further, the paste material constituting the pair of electrodes 311, 312 is printed (coated) on the sheet constituting the solid electrolyte body 31, and the sheet constituting the first insulating portion 331 of the gas chamber side insulator 33A is printed (coated). The paste material constituting the heating element 34 is printed (coated). Further, a sheet constituting the second insulating portion 332 is laminated on the sheet constituting the first insulating portion 331. Then, the intermediate of the sensor element 2 formed of each sheet and each paste material is fired at a predetermined firing temperature to form the sensor element 2.

（作用効果）
本形態のガスセンサ１のセンサ素子２においては、緻密セラミック材料からなる第１絶縁部３３１と、多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部３３２との配置の仕方に工夫をしている。具体的には、第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する積層方向Ｄの表面部位であって、積層方向Ｄから見て発熱部３４１に重なる部位には、第１絶縁部３３１の表面から凹んだ凹部３３３が形成されている。そして、第２絶縁部３３２は、凹部３３３内に配置されており、発熱部３４１の全体を積層方向Ｄから覆っている。 (Action effect)
In the sensor element 2 of the gas sensor 1 of the present embodiment, the method of arranging the first insulating portion 331 made of a dense ceramic material and the second insulating portion 332 made of a porous ceramic material is devised. Specifically, the first insulation is formed on the surface portion of the first insulating portion 331 located on the tip end side L1 of the long direction L and overlapping with the heat generating portion 341 when viewed from the stacking direction D. A recess 333 recessed from the surface of the portion 331 is formed. The second insulating portion 332 is arranged in the recess 333 and covers the entire heat generating portion 341 from the stacking direction D.

つまり、本形態のセンサ素子２のガス室側絶縁体３３Ａの外側表面においては、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する、発熱部３４１の積層方向Ｄに重なる表面部位に、多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部３３２が配置されている。また、ガス室側絶縁体３３Ａの外側表面における残りの表面部位には、緻密セラミック材料からなる第１絶縁部３３１が配置されている。 That is, on the outer surface of the gas chamber side insulator 33A of the sensor element 2 of the present embodiment, the porous ceramic material is located on the surface portion of the heat generating portion 341 located on the tip side L1 in the long direction L and overlapping with the stacking direction D. A second insulating portion 332 made of the above is arranged. Further, a first insulating portion 331 made of a dense ceramic material is arranged on the remaining surface portion on the outer surface of the gas chamber side insulator 33A.

発熱体３４において、実際に発熱する部位は発熱部３４１であり、発熱部３４１によって、検出電極３１１及び大気電極３１２、並びに検出電極３１１と大気電極３１２との間に挟まれた固体電解質体３１の部分が加熱される。そして、センサ素子２においては、発熱部３４１の周辺の温度が最も高くなり、発熱部３４１の周辺が、温度を維持したい部位となる。 In the heat generating body 34, the portion that actually generates heat is the heat generating portion 341, and the solid electrolyte body 31 sandwiched between the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312, and the detection electrode 311 and the atmospheric electrode 312 by the heat generating portion 341. The part is heated. Then, in the sensor element 2, the temperature around the heat generating portion 341 becomes the highest, and the periphery of the heat generating portion 341 becomes a portion where the temperature is desired to be maintained.

本形態のセンサ素子２においては、発熱部３４１の積層方向Ｄに重なる表面部位に第２絶縁部３３２が配置されていることにより、第２絶縁部３３２の多孔質セラミック材料に含まれる気孔によって、第２絶縁部３３２における伝熱性が低下する。これにより、発熱部３４１の周辺において、発熱部３４１からセンサ素子２の外部への放熱を抑制することができる。 In the sensor element 2 of the present embodiment, the second insulating portion 332 is arranged on the surface portion overlapping the stacking direction D of the heat generating portion 341, so that the pores contained in the porous ceramic material of the second insulating portion 332 cause the sensor element 2. The heat transfer property in the second insulating portion 332 is reduced. As a result, it is possible to suppress heat dissipation from the heat generating portion 341 to the outside of the sensor element 2 in the vicinity of the heat generating portion 341.

また、第２絶縁部３３２は、第１絶縁部３３１の全長には設けられておらず、第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部分を置き換える状態で設けられている。そして、第２絶縁部３３２の長尺方向Ｌの基端側Ｌ２には、第１絶縁部３３１が隣接して設けられている。換言すれば、センサ素子２のガス室側絶縁体３３Ａの基端側Ｌ２の部位の表面には第１絶縁部３３１が配置されていることにより、センサ素子２の強度の低下を抑制することができる。 Further, the second insulating portion 332 is not provided on the entire length of the first insulating portion 331, but is provided in a state of replacing the portion of the first insulating portion 331 on the tip side L1 in the long direction L. A first insulating portion 331 is provided adjacent to the base end side L2 of the second insulating portion 332 in the long direction L. In other words, by arranging the first insulating portion 331 on the surface of the portion of the base end side L2 of the gas chamber side insulator 33A of the sensor element 2, it is possible to suppress a decrease in the strength of the sensor element 2. can.

また、本形態の第２絶縁部３３２は、発熱体３４が埋設されたガス室側絶縁体３３Ａに設けられている。センサ素子２の積層方向Ｄにおける一対の外側表面においては、発熱体３４の発熱部３４１が配置された側の外側表面の温度が、反対側の外側表面の温度よりも高くなる。そのため、センサ素子２の積層方向Ｄにおける、より高温に加熱される側の外側表面に第２絶縁部３３２を設けることにより、センサ素子２から外部への放熱がより効果的に抑制される。 Further, the second insulating portion 332 of the present embodiment is provided in the gas chamber side insulator 33A in which the heating element 34 is embedded. In the pair of outer surfaces of the sensor element 2 in the stacking direction D, the temperature of the outer surface on the side where the heating element 341 of the heating element 34 is arranged is higher than the temperature of the outer surface on the opposite side. Therefore, by providing the second insulating portion 332 on the outer surface on the side heated to a higher temperature in the stacking direction D of the sensor element 2, heat dissipation from the sensor element 2 to the outside is more effectively suppressed.

それ故、本形態のガスセンサ１によれば、センサ素子２の強度を維持した状態で、発熱体３４からセンサ素子２の外部への放熱を抑制することができる。 Therefore, according to the gas sensor 1 of the present embodiment, it is possible to suppress heat dissipation from the heating element 34 to the outside of the sensor element 2 while maintaining the strength of the sensor element 2.

また、第２絶縁部３３２は、多孔質セラミック材料によって構成されていることにより、第１絶縁部３３１に比べて熱容量が小さい。そのため、センサ素子２の絶縁体３３Ａ，３３Ｂにおける第２絶縁部３３２の割合が多くなるほど、発熱体３４に通電を行うために要する消費電力が低減され、センサ素子２を活性化させるための時間、換言すれば、一対の電極３１１，３１２及び一対の電極３１１，３１２間に挟まれた固体電解質体３１の部分を活性化させるための時間が短縮される。 Further, since the second insulating portion 332 is made of a porous ceramic material, the heat capacity of the second insulating portion 332 is smaller than that of the first insulating portion 331. Therefore, as the proportion of the second insulating portion 332 in the insulators 33A and 33B of the sensor element 2 increases, the power consumption required to energize the heating element 34 is reduced, and the time required to activate the sensor element 2 is increased. In other words, the time for activating the portion of the solid electrolyte 31 sandwiched between the pair of electrodes 311, 312 and the pair of electrodes 311, 312 is shortened.

なお、図６及び図７に示すように、発熱体３４は、ダクト側絶縁体３３Ｂに埋設することもできる。この場合には、第２絶縁部３３２は、発熱体３４が埋設されたダクト側絶縁体３３Ｂを構成する第１絶縁部３３１の表面に配置することができる。この場合にも、発熱体３４がガス室側絶縁体３３Ａに埋設された場合と同様の作用効果を奏することができる。また、図６に示すように、第２絶縁部３３２は、ダクト側絶縁体３３Ｂを構成する第１絶縁部３３１の表面だけでなく、ガス室側絶縁体３３Ａを構成する第１絶縁部３３１の表面に配置することもできる。 As shown in FIGS. 6 and 7, the heating element 34 can also be embedded in the duct-side insulator 33B. In this case, the second insulating portion 332 can be arranged on the surface of the first insulating portion 331 constituting the duct-side insulating body 33B in which the heating element 34 is embedded. Also in this case, the same effect as when the heating element 34 is embedded in the gas chamber side insulator 33A can be obtained. Further, as shown in FIG. 6, the second insulating portion 332 is not only the surface of the first insulating portion 331 constituting the duct side insulator 33B, but also the first insulating portion 331 constituting the gas chamber side insulator 33A. It can also be placed on the surface.

一方、比較品としてのガスセンサにおいて、センサ素子２における全長に亘って第２絶縁部３３２が設けられている場合には、発熱部３４１が設けられた長尺方向Ｌの部位の周辺だけでなく、発熱部３４１が設けられていない長尺方向Ｌの部位の周辺においても、センサ素子２の外部への放熱が抑制される。しかし、センサ素子２の一対の発熱体リード部３４２が設けられた基端側Ｌ２の部位においては、先端側Ｌ１の部位に必要とされる活性温度までは加熱される必要がなく、センサ素子２の外部への放熱を抑制するメリットがほとんどない。そのため、第２絶縁部３３２は、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けることで十分であり、センサ素子２の長尺方向Ｌの基端側Ｌ２の部位にまで設ける場合には、センサ素子２の強度が低下する要因となる。 On the other hand, in the gas sensor as a comparative product, when the second insulating portion 332 is provided over the entire length of the sensor element 2, not only the periphery of the portion in the long direction L where the heat generating portion 341 is provided but also the periphery thereof. Even in the vicinity of the portion in the long direction L where the heat generating portion 341 is not provided, heat dissipation to the outside of the sensor element 2 is suppressed. However, in the portion of the proximal end side L2 where the pair of heating element lead portions 342 of the sensor element 2 are provided, it is not necessary to heat up to the active temperature required for the portion of the distal end side L1, and the sensor element 2 does not need to be heated. There is almost no merit of suppressing heat dissipation to the outside. Therefore, it is sufficient to provide the second insulating portion 332 at the portion of the sensor element 2 on the tip end side L1 in the long direction L, and when the second insulating portion 332 is provided up to the portion of the sensor element 2 on the proximal end side L2 in the long direction L. This causes a decrease in the strength of the sensor element 2.

本形態のセンサ素子２においては、ガス室側絶縁体３３Ａの一部が第２絶縁部３３２によって形成されていることにより、発熱体３４の発熱部３４１の発熱によって、検知部２１を構成する各電極３１１，３１２等の温度を所定の作動温度（活性温度）にするために要する、発熱体３４への通電のための電力を低減させることができる。具体的には、各電極３１１，３１２等の温度を７５０℃に維持する際に、発熱部３４１の発熱に要する電力は、第２絶縁部３３２が第１絶縁部３３１に置き換えられた場合に比べて、約１５％低減されることが分かった。 In the sensor element 2 of the present embodiment, since a part of the gas chamber side insulator 33A is formed by the second insulating portion 332, the heat generated by the heat generating portion 341 of the heating element 34 constitutes the detection unit 21. It is possible to reduce the power for energizing the heating element 34, which is required to bring the temperatures of the electrodes 311, 312 and the like to a predetermined operating temperature (active temperature). Specifically, when maintaining the temperature of each electrode 311, 312 or the like at 750 ° C., the electric power required for heat generation of the heat generating portion 341 is higher than that in the case where the second insulating portion 332 is replaced with the first insulating portion 331. It was found that the reduction was about 15%.

＜実施形態２＞
本形態は、図８及び図９に示すように、ガス室側絶縁体３３Ａだけでなく、ダクト側絶縁体３３Ｂにも第２絶縁部３３２を配置した場合について示す。第１絶縁部３３１は、固体電解質体３１の積層方向Ｄの両表面３０１，３０２に積層されており、凹部３３３は、両表面３０１，３０２に積層された第１絶縁部３３１のそれぞれに形成されており、第２絶縁部３３２は、凹部３３３のそれぞれに配置されている、 <Embodiment 2>
This embodiment shows a case where the second insulating portion 332 is arranged not only on the gas chamber side insulator 33A but also on the duct side insulator 33B as shown in FIGS. 8 and 9. The first insulating portion 331 is laminated on both surfaces 301 and 302 in the stacking direction D of the solid electrolyte body 31, and the recess 333 is formed on each of the first insulating portions 331 laminated on both surfaces 301 and 302. The second insulating portion 332 is arranged in each of the recesses 333.

本形態の第２絶縁部３３２は、ガス室側絶縁体３３Ａの第１絶縁部３３１の、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する部位に形成された凹部３３３と、ダクト側絶縁体３３Ｂの第１絶縁部３３１の、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する部位に形成された凹部３３３とに配置されている。換言すれば、第２絶縁部３３２は、センサ素子２の積層方向Ｄの両側の外側表面における先端側Ｌ１の部位に配置されている。ガス室側絶縁体３３Ａにおける第２絶縁部３３２とダクト側絶縁体３３Ｂにおける第２絶縁部３３２とは、発熱部３４１の全体を積層方向Ｄから覆っている。 The second insulating portion 332 of the present embodiment is a recess 333 formed in a portion of the first insulating portion 331 of the gas chamber side insulator 33A located at the tip side L1 in the long direction L, and the duct side insulator 33B. It is arranged in the recess 333 formed in the portion of the first insulating portion 331 located on the tip end side L1 in the long direction L. In other words, the second insulating portion 332 is arranged at the portion of the tip end side L1 on the outer surfaces on both sides of the stacking direction D of the sensor element 2. The second insulating portion 332 in the gas chamber side insulator 33A and the second insulating portion 332 in the duct side insulator 33B cover the entire heat generating portion 341 from the stacking direction D.

本形態においては、第２絶縁部３３２がセンサ素子２の積層方向Ｄの両側の最表面に配置されていることにより、センサ素子２の中間体を焼成してセンサ素子２を製造する際の、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂにおける収縮率ができるだけ等しくなるようにすることができる。これにより、製造後のセンサ素子２が積層方向Ｄに反る等の変形の発生を抑制することができる。 In this embodiment, since the second insulating portion 332 is arranged on the outermost surfaces on both sides of the stacking direction D of the sensor element 2, the intermediate body of the sensor element 2 is fired to manufacture the sensor element 2. The shrinkage ratios of the insulators 33A and 33B can be made as equal as possible. As a result, it is possible to suppress the occurrence of deformation such as the sensor element 2 after manufacturing being warped in the stacking direction D.

また、本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。 Further, the other configurations, actions and effects, etc. of the gas sensor 1 of the present embodiment are the same as those of the first embodiment. Further, also in this embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

＜実施形態３＞
本形態は、図１０に示すように、第１絶縁部３３１に、気孔率が互いに異なる複数層の第２絶縁部３３２が積層された場合について示す。本形態の第２絶縁部３３２は、センサ素子２の積層方向Ｄにおいて第１絶縁部３３１に隣接して積層された内側絶縁部３３４と、内側絶縁部３３４の積層方向Ｄの外側に隣接して積層されて、内側絶縁部３３４よりも気孔率が高い外側絶縁部３３５とによって構成されている。本形態の内側絶縁部３３４及び外側絶縁部３３５は、発熱体３４が埋設されたガス室側絶縁体３３Ａの表面に配置されている。 <Embodiment 3>
As shown in FIG. 10, this embodiment shows a case where a plurality of layers of second insulating portions 332 having different porosities are laminated on the first insulating portion 331. The second insulating portion 332 of the present embodiment is adjacent to the inner insulating portion 334 laminated adjacent to the first insulating portion 331 in the stacking direction D of the sensor element 2 and adjacent to the outside of the inner insulating portion 334 in the stacking direction D. It is laminated and is composed of an outer insulating portion 335 having a porosity higher than that of the inner insulating portion 334. The inner insulating portion 334 and the outer insulating portion 335 of the present embodiment are arranged on the surface of the gas chamber side insulator 33A in which the heating element 34 is embedded.

内側絶縁部３３４の気孔率は、第１絶縁部３３１の気孔率よりも高い。内側絶縁部３３４の気孔率は、１～１５体積％とすることができ、より好ましくは、３～１２体積％とすることができる。外側絶縁部３３５の気孔率は、内側絶縁部３３４の気孔率よりも高いことを前提として、５～２０体積％とすることができ、より好ましくは、８～１５体積％とすることができる。第１絶縁部３３１の気孔率は、実施形態１の場合と同様である。 The porosity of the inner insulating portion 334 is higher than the porosity of the first insulating portion 331. The porosity of the inner insulating portion 334 can be 1 to 15% by volume, more preferably 3 to 12% by volume. The porosity of the outer insulating portion 335 can be 5 to 20% by volume, more preferably 8 to 15% by volume, on the premise that it is higher than the porosity of the inner insulating portion 334. The porosity of the first insulating portion 331 is the same as in the case of the first embodiment.

セラミック材料における、熱による、体積の膨張又は長さの伸びの割合を示す熱膨張係数は、物体の気孔率が増加するほど小さくなる傾向にある。そのため、複数の物体間の気孔率を近づけることにより、物体間の熱膨張係数を近づけることができる。また、物体間の熱膨張係数の差が大きいほど、物体間の界面においては、大きな応力が生じ、界面の剥離が生じやすくなる。 In a ceramic material, the coefficient of thermal expansion, which indicates the rate of expansion of volume or expansion of length due to heat, tends to decrease as the pore ratio of an object increases. Therefore, by bringing the porosity between a plurality of objects closer, the coefficient of thermal expansion between the objects can be brought closer. Further, the larger the difference in the coefficient of thermal expansion between the objects, the larger the stress is generated at the interface between the objects, and the peeling of the interface is likely to occur.

本形態においては、第１絶縁部３３１に隣接して積層された内側絶縁部３３４の気孔率を、第１絶縁部３３１の気孔率に近くし、内側絶縁部３３４に隣接して積層された外側絶縁部３３５の気孔率を、内側絶縁部３３４の気孔率に近くすることができる。つまり、第２絶縁部３３２の気孔率が、第１絶縁部３３１から離れるに従って段階的に高くなるようにすることができる。これにより、第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２との界面に生じる熱膨張係数の差をできるだけ小さくすることができる。そのため、第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２との間に熱応力が生じにくくすることができ、第１絶縁部３３１と第２絶縁部３３２との界面に剥離が生じにくくすることができる。 In this embodiment, the porosity of the inner insulating portion 334 laminated adjacent to the first insulating portion 331 is close to the porosity of the first insulating portion 331, and the outer laminated portion adjacent to the inner insulating portion 334. The porosity of the insulating portion 335 can be made close to the porosity of the inner insulating portion 334. That is, the porosity of the second insulating portion 332 can be gradually increased as the distance from the first insulating portion 331 increases. As a result, the difference in the coefficient of thermal expansion generated at the interface between the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332 can be made as small as possible. Therefore, it is possible to prevent thermal stress from occurring between the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332, and it is possible to prevent peeling from occurring at the interface between the first insulating portion 331 and the second insulating portion 332. ..

また、外側絶縁部３３５は、内側絶縁部３３４に比べて熱膨張係数が小さいため、センサ素子２が加熱された際に、外側絶縁部３３５の長尺方向Ｌへの伸び量は、内側絶縁部３３４の長尺方向Ｌへの伸び量よりも小さくなる。センサ素子２が加熱された際に、外側絶縁部３３５が形成された積層方向Ｄの部位の、長尺方向Ｌの全長における伸び量と、内側絶縁部３３４が形成された積層方向Ｄの部位の、長尺方向Ｌの全長における伸び量とを揃えるために、以下の構成にすることができる。 Further, since the outer insulating portion 335 has a smaller coefficient of thermal expansion than the inner insulating portion 334, when the sensor element 2 is heated, the amount of extension of the outer insulating portion 335 in the long direction L is the inner insulating portion. It is smaller than the amount of extension of 334 in the long direction L. When the sensor element 2 is heated, the amount of elongation of the portion in the stacking direction D in which the outer insulating portion 335 is formed in the overall length in the long direction L and the portion in the stacking direction D in which the inner insulating portion 334 is formed are formed. , In order to make the amount of elongation in the total length in the long direction L uniform, the following configuration can be made.

すなわち、センサ素子２においては、外側絶縁部３３５の長尺方向Ｌの長さを、内側絶縁部３３４の長尺方向Ｌの長さよりも短くするとともに、外側絶縁部３３５の長尺方向Ｌの基端側Ｌ２に隣接する第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌの長さを、内側絶縁部３３４の長尺方向Ｌの基端側Ｌ２に隣接する第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌの長さを長くすることができる。 That is, in the sensor element 2, the length of the outer insulating portion 335 in the long direction L is shorter than the length of the inner insulating portion 334 in the long direction L, and the base of the outer insulating portion 335 in the long direction L. The length of the first insulating portion 331 adjacent to the end side L2 in the long direction L is the length of the inner insulating portion 334 in the long direction L of the first insulating portion 331 adjacent to the base end side L2 of the long direction L. Can be lengthened.

換言すれば、外側絶縁部３３５の長尺方向Ｌへの伸び量が少ない分、外側絶縁部３３５の積層方向Ｄの形成部位においては、センサ素子２の全長に占める、第１絶縁部３３１の割合を多くして、外側絶縁部３３５の基端側Ｌ２に隣接する第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌへの伸び量を多くする。また、内側絶縁部３３４の長尺方向Ｌへの伸び量が多い分、内側絶縁部３３４の積層方向Ｄの形成部位においては、センサ素子２の全長に占める、第１絶縁部３３１の割合を少なくして、内側絶縁部３３４の基端側Ｌ２に隣接する第１絶縁部３３１の長尺方向Ｌへの伸び量を少なくする。 In other words, the ratio of the first insulating portion 331 to the total length of the sensor element 2 at the site where the outer insulating portion 335 is formed in the stacking direction D because the amount of extension of the outer insulating portion 335 in the long direction L is small. To increase the amount of extension of the first insulating portion 331 adjacent to the base end side L2 of the outer insulating portion 335 in the long direction L. Further, since the amount of extension of the inner insulating portion 334 in the long direction L is large, the ratio of the first insulating portion 331 to the total length of the sensor element 2 is reduced in the forming portion of the inner insulating portion 334 in the stacking direction D. Therefore, the amount of extension of the first insulating portion 331 adjacent to the base end side L2 of the inner insulating portion 334 in the long direction L is reduced.

これにより、外側絶縁部３３５と内側絶縁部３３４との界面に熱膨張係数の差による熱応力が作用しにくくして、外側絶縁部３３５と内側絶縁部３３４との界面に剥離が生じにくくすることができる。なお、外側絶縁部３３５及び内側絶縁部３３４は、長尺方向Ｌの先端から基端側Ｌ２に向けて形成されている。 As a result, thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion is less likely to act on the interface between the outer insulating portion 335 and the inner insulating portion 334, and peeling is less likely to occur at the interface between the outer insulating portion 335 and the inner insulating portion 334. Can be done. The outer insulating portion 335 and the inner insulating portion 334 are formed from the tip end in the long direction L toward the proximal end side L2.

また、図１１に示すように、内側絶縁部３３４及び外側絶縁部３３５は、ガス室側絶縁体３３Ａの表面だけでなく、ダクト側絶縁体３３Ｂの表面に配置することもできる。 Further, as shown in FIG. 11, the inner insulating portion 334 and the outer insulating portion 335 can be arranged not only on the surface of the gas chamber side insulator 33A but also on the surface of the duct side insulator 33B.

また、図１２に示すように、第２絶縁部３３２は、気孔率が互いに異なる３層以上に形成し、積層方向Ｄの外側に位置するものほど気孔率が高くなるようにすることができる。例えば、内側絶縁部３３４と外側絶縁部３３５との間には、内側絶縁部３３４よりも気孔率が高いとともに外側絶縁部３３５よりも気孔率が低い中間絶縁部３３６を形成することができる。中間絶縁部３３６は、内側絶縁部３３４と外側絶縁部３３５との気孔率の差を緩和するものであり、中間絶縁部３３６があることによって、絶縁部３３４，３３５，３３６間の界面に作用する熱応力を緩和することができる。また、中間絶縁部３３６は、さらに気孔率が互いに異なる複数の絶縁部の層として形成されていてもよい。絶縁部３３４，３３５，３３６は、ガス室側絶縁体３３Ａに形成するだけでなく、ダクト側絶縁体３３Ｂに形成してもよい。 Further, as shown in FIG. 12, the second insulating portion 332 can be formed into three or more layers having different porosities from each other, and the porosity can be increased as the porosity is located outside the stacking direction D. For example, an intermediate insulating portion 336 having a higher porosity than the inner insulating portion 334 and a lower porosity than the outer insulating portion 335 can be formed between the inner insulating portion 334 and the outer insulating portion 335. The intermediate insulating portion 336 reduces the difference in porosity between the inner insulating portion 334 and the outer insulating portion 335, and the presence of the intermediate insulating portion 336 acts on the interface between the insulating portions 334, 335 and 336. Thermal stress can be relieved. Further, the intermediate insulating portion 336 may be further formed as a layer of a plurality of insulating portions having different porosities. The insulating portions 334, 335 and 336 may be formed not only on the gas chamber side insulator 33A but also on the duct side insulator 33B.

また、本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。 Further, the other configurations, actions and effects, etc. of the gas sensor 1 of the present embodiment are the same as those of the first embodiment. Further, also in this embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

＜実施形態４＞
本形態は、図１３及び図１４に示すように、第２絶縁部３３２に、多数の気孔を形成する以外に、セラミック材料の固体部分が除かれた空洞３３７が形成された場合について示す。空洞３３７は、第２絶縁部３３２における、第１絶縁部３３１と対面する表面から第２絶縁部３３２内に凹む状態で形成されている。空洞３３７は、第１絶縁部３３１を構成する緻密セラミック材料と、第２絶縁部３３２を構成する多孔質セラミック材料とによって囲まれている。本形態の空洞３３７が形成された第２絶縁部３３２は、発熱体３４が埋設されたガス室側絶縁体３３Ａの表面に配置されている。 <Embodiment 4>
This embodiment shows a case where, as shown in FIGS. 13 and 14, a cavity 337 from which the solid portion of the ceramic material is removed is formed in the second insulating portion 332 in addition to forming a large number of pores. The cavity 337 is formed in a state of being recessed in the second insulating portion 332 from the surface of the second insulating portion 332 facing the first insulating portion 331. The cavity 337 is surrounded by a dense ceramic material constituting the first insulating portion 331 and a porous ceramic material constituting the second insulating portion 332. The second insulating portion 332 in which the cavity 337 of the present embodiment is formed is arranged on the surface of the gas chamber side insulator 33A in which the heating element 34 is embedded.

空洞３３７の長尺方向Ｌの長さは、発熱部３４１の長尺方向Ｌの長さよりも大きく、空洞３３７の幅方向Ｗの幅は、発熱部３４１の幅方向Ｗの幅よりも大きい。そして、センサ素子２を積層方向Ｄから見た場合に、空洞３３７は、発熱部３４１の全体に対して重なる位置に形成されている。 The length of the cavity 337 in the long direction L is larger than the length of the heat generating portion 341 in the long direction L, and the width of the cavity 337 in the width direction W is larger than the width of the heat generating portion 341 in the width direction W. When the sensor element 2 is viewed from the stacking direction D, the cavity 337 is formed at a position overlapping the entire heat generating portion 341.

空洞３３７の積層方向Ｄの厚みは、０．０１～０．１ｍｍの範囲内にある。空洞３３７を０．０１ｍｍ未満の厚みに形成することは難しく、空洞３３７を０．０１ｍｍ未満の厚み形成しようとすると、空洞３３７が閉塞されるおそれがある。一方、空洞３３７の厚みを０．１ｍｍ超過にすると、第２絶縁部３３２の強度が低下するおそれがある。 The thickness of the cavity 337 in the stacking direction D is in the range of 0.01 to 0.1 mm. It is difficult to form the cavity 337 to a thickness of less than 0.01 mm, and if an attempt is made to form the cavity 337 to a thickness of less than 0.01 mm, the cavity 337 may be blocked. On the other hand, if the thickness of the cavity 337 exceeds 0.1 mm, the strength of the second insulating portion 332 may decrease.

空洞３３７が形成されていることにより、第２絶縁部３３２における伝熱性をより低下させることができる。そして、発熱部３４１からセンサ素子２の外部への放熱をより効果的に抑制することができる。 Since the cavity 337 is formed, the heat transfer property in the second insulating portion 332 can be further lowered. Then, heat dissipation from the heat generating portion 341 to the outside of the sensor element 2 can be suppressed more effectively.

また、図１５に示すように、空洞３３７が形成された第２絶縁部３３２は、ガス室側絶縁体３３Ａの表面だけでなく、ダクト側絶縁体３３Ｂの表面に配置することもできる。 Further, as shown in FIG. 15, the second insulating portion 332 in which the cavity 337 is formed can be arranged not only on the surface of the gas chamber side insulator 33A but also on the surface of the duct side insulator 33B.

また、図１６に示すように、空洞３３７は、第２絶縁部３３２の内部において、第２絶縁部３３２を構成する多孔質セラミック材料によって囲まれた状態で形成することもできる。この場合には、空洞３３７によって、中空形状の第２絶縁部３３２が形成される。 Further, as shown in FIG. 16, the cavity 337 can be formed inside the second insulating portion 332 in a state of being surrounded by the porous ceramic material constituting the second insulating portion 332. In this case, the hollow 337 forms a hollow second insulating portion 332.

また、本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。 Further, the other configurations, actions and effects, etc. of the gas sensor 1 of the present embodiment are the same as those of the first embodiment. Further, also in this embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。 The present invention is not limited to each embodiment, and further different embodiments can be configured without departing from the gist thereof. In addition, the present invention includes various modifications, modifications within a uniform range, and the like. Further, the technical idea of the present invention also includes combinations, forms, etc. of various components assumed from the present invention.

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３１ 固体電解質体
３１１，３１２ 電極
３３Ａ，３３Ｂ 絶縁体
３３１ 第１絶縁部
３３２ 第２絶縁部
３３３ 凹部
３４ 発熱体
３４１ 発熱部 1 Gas sensor 2 Sensor element 31 Solid electrolyte 311, 312 Electrodes 33A, 33B Insulator 331 1st insulation 332 2nd insulation 333 Recess 34 Heat generator 341 Heat generation part

Claims (5)

長尺形状のセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）において、
前記センサ素子は、
板状の固体電解質体（３１）と、
前記固体電解質体における、両表面（３０１，３０２）の互いに重なる位置に設けられた一対の電極（３１１，３１２）と、
前記固体電解質体の積層方向（Ｄ）に積層された絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
前記絶縁体における、一対の前記電極に重なる位置に埋設された発熱部（３４１）及び前記発熱部に繋がる一対のリード部（３４２）を有する発熱体（３４）と、を備え、
前記絶縁体は、
前記固体電解質体に隣接して積層されて、気体を通過させない緻密セラミック材料からなる第１絶縁部（３３１）と、
前記第１絶縁部の前記積層方向の外側に積層されて、前記第１絶縁部よりも気孔率が高い多孔質セラミック材料からなる第２絶縁部（３３２）と、を有し、
前記第１絶縁部の、前記センサ素子の長尺方向（Ｌ）の先端側（Ｌ１）に位置する表面部位であって、前記積層方向から見て前記発熱部に重なる部位には、前記第１絶縁部の表面から凹んだ凹部（３３３）が形成されており、
前記第２絶縁部は、前記凹部に配置されている、ガスセンサ。 In the gas sensor (1) having the long sensor element (2),
The sensor element is
A plate-shaped solid electrolyte (31) and
A pair of electrodes (311 and 312) provided at positions of both surfaces (301 and 302) overlapping each other in the solid electrolyte body.
Insulators (33A, 33B) laminated in the stacking direction (D) of the solid electrolyte body and
The insulator includes a heating element (341) embedded at a position overlapping the pair of electrodes and a heating element (34) having a pair of lead portions (342) connected to the heat generating portion.
The insulator is
A first insulating portion (331) made of a dense ceramic material that is laminated adjacent to the solid electrolyte and does not allow gas to pass through.
It has a second insulating portion (332) laminated on the outer side of the first insulating portion in the stacking direction and made of a porous ceramic material having a higher porosity than the first insulating portion.
The first insulating portion is a surface portion of the first insulating portion located on the tip end side (L1) of the sensor element in the long direction (L) and overlaps with the heat generating portion when viewed from the stacking direction. A recess (333) recessed from the surface of the insulating portion is formed.
The second insulating portion is a gas sensor arranged in the recess. 前記絶縁体の前記第１絶縁部は、前記固体電解質体の前記積層方向の両表面に積層されており、
前記凹部は、前記両表面に積層された前記第１絶縁部のそれぞれに形成されており、
前記第２絶縁部は、前記凹部のそれぞれに配置されている、請求項１に記載のガスセンサ。 The first insulating portion of the insulator is laminated on both surfaces of the solid electrolyte in the stacking direction.
The recess is formed in each of the first insulating portions laminated on both surfaces.
The gas sensor according to claim 1, wherein the second insulating portion is arranged in each of the recesses. 前記絶縁体には、
前記固体電解質体の前記積層方向の第１表面（３０１）に積層され、拡散抵抗部（３２）を介して検出対象ガス（Ｇ）が導入されるとともに前記一対の電極のうちの検出電極（３１１）を収容するガス室（３５）が前記第１表面に隣接して形成されたガス室側絶縁体（３３Ａ）と、
前記固体電解質体の前記積層方向の第２表面（３０２）に積層され、大気（Ａ）が導入されるとともに前記一対の電極のうちの大気電極（３１２）を収容する大気ダクト（３６）が前記第２表面に隣接して形成されたダクト側絶縁体（３３Ｂ）とがあり、
前記第２絶縁部には、
前記ガス室側絶縁体の前記第１絶縁部の、前記長尺方向の先端側に位置する部位に形成された前記凹部に配置されて、前記発熱部を前記積層方向から覆うものと、
前記ダクト側絶縁体の前記第１絶縁部の、前記長尺方向の先端側に位置する部位に形成された前記凹部に配置されて、前記発熱部を前記積層方向から覆うものとがある、請求項１に記載のガスセンサ。 The insulator has
The solid electrolyte is laminated on the first surface (301) in the stacking direction, the detection target gas (G) is introduced via the diffusion resistance portion (32), and the detection electrode (311) of the pair of electrodes is introduced. ) Is formed adjacent to the first surface of the gas chamber (35), and the gas chamber side insulator (33A).
The atmospheric duct (36) laminated on the second surface (302) of the solid electrolyte in the stacking direction, introduces the atmosphere (A), and accommodates the atmospheric electrode (312) of the pair of electrodes. There is a duct side insulator (33B) formed adjacent to the second surface, and there is
In the second insulating part,
The first insulating portion of the gas chamber side insulator is arranged in the recess formed in the portion located on the tip side in the long direction to cover the heat generating portion from the stacking direction.
Claimed that the first insulating portion of the duct-side insulator is arranged in the recess formed in the portion located on the tip end side in the long direction to cover the heat generating portion from the stacking direction. Item 1. The gas sensor according to Item 1. 前記第２絶縁部は、
前記積層方向において前記第１絶縁部に隣接して積層された内側絶縁部（３３４）と、
前記内側絶縁部の前記積層方向の外側に隣接して積層され、前記内側絶縁部よりも気孔率が高い外側絶縁部（３３５）と、を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。 The second insulating part is
With the inner insulating portion (334) laminated adjacent to the first insulating portion in the stacking direction,
The invention according to any one of claims 1 to 3, further comprising an outer insulating portion (335) laminated adjacent to the outer side of the inner insulating portion in the stacking direction and having a higher porosity than the inner insulating portion. Gas sensor. 前記第２絶縁部内には、空洞（３３７）が形成されている、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 a cavity (337) is formed in the second insulating portion.
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