JP7089988B2

JP7089988B2 - ガスセンサ素子

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Publication number: JP7089988B2
Application number: JP2018156178A
Authority: JP
Inventors: 正俊池田; 翔太萩野; 誠伊藤; 大介河合
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: US20200064303A1; JP2020030122A

Description

本発明は、ガスセンサ素子に関する。

特許文献１に開示されているように、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の酸素濃度等の特定ガス成分の濃度を検出するために用いられる。特許文献１に記載のガスセンサは、板状の固体電解質体と、該固体電解質体の両面に設けられた測定電極及び基準電極とを備えたガスセンサ素子を有する。測定電極は、被測定ガスである排ガスが導入される測定ガス室に配され、基準電極は、大気が導入される大気導入部に配されている。測定ガス室は、固体電解質体と、固体電解質体の一方面に積層された第一絶縁体とによって囲まれた空間である。基準電極は、固体電解質体と、固体電解質体の他方面に積層された第二絶縁体とによって囲まれた空間である。

また、特許文献１に記載のガスセンサ素子は、固体電解質体を活性温度に加熱するためのヒータを備える。特許文献１において、ヒータは、固体電解質体の大気導入部側に積層された第二絶縁体に埋設されている。

特開２０１５－３４７８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサ素子においては、前述のごとく、固体電解質体の大気導入部側に積層された第二絶縁体に、ヒータが埋設されている。それゆえ、ヒータの熱は、固体電解質体側に向かう途中に大気導入部から比較的低温の大気へ放熱されやすく、ヒータから固体電解質体への伝熱効率の向上が図りにくい。それゆえ、固体電解質体の早期活性化を図るためには工夫が必要となる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、固体電解質体の早期活性化を図りやすいガスセンサ素子を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を備えた電解質層（２）と、
前記電解質層の一方面に積層された第一絶縁体（３）と、
前記電解質層の他方面に積層された第二絶縁体（４）と、
前記電解質層と前記第一絶縁体とに囲まれるとともに被測定ガス（Ｇ）が導入される測定ガス室（５）と、
前記電解質層と前記第二絶縁体とに囲まれるとともに基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（６）と、
前記第一絶縁体に埋設されたヒータ（７）と、を有し、
前記第二絶縁体は、前記固体電解質体と前記第一絶縁体との積層方向（Ｚ）に直交する方向から前記基準ガス室を形成するダクト形成部（４２）と、前記ダクト形成部に積層されて、前記基準ガス室を前記積層方向から形成する支持部（４３）とを備え、
前記ダクト形成部の全体又は前記ダクト形成部における前記電解質層に隣接する部位は、前記第一絶縁体における前記ヒータを埋設するヒータ埋設部（３１）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低伝熱部（４１）によって構成されている、ガスセンサ素子（１）にある。
本発明の他の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を備えた電解質層（２）と、
前記電解質層の一方面に積層された第一絶縁体（３）と、
前記電解質層の他方面に積層された第二絶縁体（４）と、
前記電解質層と前記第一絶縁体とに囲まれるとともに被測定ガス（Ｇ）が導入される測定ガス室（５）と、
前記電解質層と前記第二絶縁体とに囲まれるとともに基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（６）と、
前記第一絶縁体に埋設されたヒータ（７）と、を有し、
前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体における前記ヒータを埋設するヒータ埋設部（３１）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低伝熱部（４１）を備え、
前記電解質層は、前記固体電解質体と前記第一絶縁体との積層方向（Ｚ）に貫通形成された配置穴（２２０）を備えた保持板（２２）と、前記固体電解質体とを備え、前記固体電解質体は、前記配置穴に配されており、前記保持板は、前記固体電解質体よりも熱伝導率が高く、
前記配置穴と前記固体電解質体との境界部（２３）の少なくとも一部は、前記第一絶縁体の第一挟持部（３３）と、前記第二絶縁体の第二挟持部（４５）とによって挟持されており、前記第一挟持部は、前記積層方向において前記境界部と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、前記積層方向における前記測定ガス室が配された全領域に形成されており、前記第二挟持部は、前記積層方向において前記境界部と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、前記積層方向における前記基準ガス室が配された全領域に形成されている、ガスセンサ素子（１）にある。

前記態様のガスセンサ素子において、ヒータは、第一絶縁体に埋設されている。それゆえ、ヒータから電解質層までの間に、基準ガスが導入される基準ガス室が配されない。それゆえ、ヒータから電解質層までの熱伝導性を向上させやすく、固体電解質体を早期に活性化させることができる。

また、電解質層の基準ガス室側に積層された第二絶縁体は、前記低伝熱部を有する。それゆえ、ヒータから第二絶縁体側に逃げる熱を、低伝熱部によって減らすことができる。これにより、一層固体電解質体を早期に加熱しやすく、固体電解質体の早期活性化を図りやすい。

以上のごとく、前記態様によれば、固体電解質体の早期活性化を図りやすいガスセンサ素子を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ガスセンサ素子の長手方向に直交する断面図。実施形態１における、ガスセンサ素子の長手方向に平行な断面図。実施形態１における、ガスセンサ素子の各層を分解した分解斜視図。実施形態１における、ガスセンサの軸方向に平行な一部断面図。実施形態２における、ガスセンサ素子の長手方向に直交する断面図。実施形態２における、ガスセンサ素子の長手方向に平行な断面図。実施形態２における、ガスセンサ素子の各層を分解した分解斜視図。実施形態３における、ガスセンサ素子の長手方向に直交する断面図。実施形態３における、ガスセンサ素子の各層を分解した分解斜視図。

（実施形態１）
ガスセンサ素子の実施形態につき、図１～図４を用いて説明する。
本実施形態のガスセンサ素子１は、図１、図２に示すごとく、電解質層２と第一絶縁体３と第二絶縁体４と測定ガス室５と基準ガス室６とヒータ７とを有する。電解質層２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１を備える。図１～図３に示すごとく、第一絶縁体３は、電解質層２の一方面に積層されている。第二絶縁体４は、電解質層２の他方面に積層されている。図１、図２に示すごとく、測定ガス室５は、電解質層２と第一絶縁体３とに囲まれている。図２に示すごとく、測定ガス室５は、被測定ガスＧが導入される。図１、図２に示すごとく、基準ガス室６は、電解質層２と第二絶縁体４とに囲まれている。図２に示すごとく、基準ガス室６は、基準ガスＡが導入される。

図１、図２に示すごとく、ヒータ７は、第一絶縁体３に埋設されている。第二絶縁体４は、第一絶縁体３におけるヒータ７を埋設するヒータ埋設部３１の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低伝熱部４１を備える。
以後、本実施形態につき、詳説する。

図４に示すごとく、ガスセンサ素子１を備えたガスセンサ１０は、内燃機関としてのエンジンの図示しない排気管に配置される。ガスセンサ１０は、排気管を通過する排ガスを被測定ガスＧとするとともに、大気を基準ガスＡとして、被測定ガスＧの酸素濃度を求め、この酸素濃度に基づいてエンジンにおけるＡ／Ｆ（空燃比）を求めるＡ／Ｆセンサである。ガスセンサ１０は、より具体的には、被測定ガスＧの拡散律速に基づく限界電流特性を利用して、エンジンの空燃比を定量的に求めるＡ／Ｆセンサとすることができる。

図１～図３に示すごとく、ガスセンサ素子１は、第一絶縁体３、電解質層２、第二絶縁体４を、互いに厚み方向に積層し、焼結して形成されている。以後、第一絶縁体３、電解質層２、第二絶縁体４の積層方向をＺ方向という。また、Ｚ方向における、電解質層２に対する第一絶縁体３側をＺ１側といい、その反対側、すなわち電解質層２に対する第二絶縁体４側をＺ２側という。また、ガスセンサ素子１の長手方向をＸ方向という。また、Ｘ方向における、ガスセンサ素子に被測定ガスが導入される側をＸ１側とし、基準ガスが導入される側をＸ２側とする。Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向をＹ方向という。Ｘ方向とＹ方向とＺ方向とは、互いに直交している。

本実施形態において、電解質層２は、固体電解質体２１のみによって構成されている。固体電解質体２１は、Ｘ方向に長尺でＺ方向に厚みを有する板状を呈している。なお、図２、図３においては、便宜上、ガスセンサ素子１のＸ方向の長さを、実際の長さよりも短く表している。

固体電解質体２１は、ジルコニア系酸化物からなる。固体電解質体２１は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）を主成分とし（すなわち、ジルコニアを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、部分安定化ジルコニア等の固体電解質からなる。固体電解質体２１を構成するジルコニアの一部は、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、スカンジア（Ｓｃ₂Ｏ₃）又はカルシア（ＣａＯ）によって置換することができる。

図２に示すごとく、固体電解質体２１のＺ１側の面におけるＸ１側の領域には、測定ガス室５に導入される被測定ガスＧに曝される測定電極１１が配されている。また、固体電解質体２１のＺ２側の面におけるＸ１側の領域には、基準ガス室６に導入される基準ガスＡに曝される基準電極１２が配されている。測定電極１１と基準電極１２とは、固体電解質体２１を介してＺ方向に対向する対向領域１３を有する。

図３に示すごとく、測定電極１１及び基準電極１２のそれぞれは、対向領域１３からＸ２側に電極リード部１４が延設されている。一対の電極リード部１４は、ガスセンサ素子１のＸ２側の端部付近まで延設されている。一対の電極リード部１４は、第二絶縁体４に形成されたスルーホールを通って、第一絶縁体３のＺ２側の面に形成された一対のセンサ端子１５に接続されている。測定電極１１及び基準電極１２は、一対のセンサ端子１５から、ガスセンサ素子１外部に電気接続される。

測定電極１１及び基準電極１２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２１と同じ材料、すなわちジルコニア系酸化物を含有している。測定電極１１及び基準電極１２が固体電解質体２１と同じ材料を含有することにより、固体電解質体２１に測定電極１１及び基準電極１２を構成するペースト状の電極材料を印刷（塗布）して焼結する際に、測定電極１１及び基準電極１２と固体電解質体２１との結合強度を確保しやすい。

図１～図３に示すごとく、電解質層２のＺ１側の面に積層された第一絶縁体３は、チャンバ形成部３２と前述のヒータ埋設部３１とをＺ方向に積層してなる。図１、図２に示すごとく、チャンバ形成部３２は、電解質層２のＺ１側の面に配されている。チャンバ形成部３２は、Ｚ方向における測定ガス室５が形成された領域に配されており、測定ガス室５を区画している。図３に示すごとく、チャンバ形成部３２は、Ｘ１側の端縁がＸ２側に凹んだ凹部３２０を備えた絶縁スペーサ３２１と、凹部３２０におけるＸ１側の開口端を閉塞するよう配された拡散抵抗部３２２とを有する。

絶縁スペーサ３２１は、被測定ガスＧの透過性を有さないアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる。拡散抵抗部３２２は、多孔質のアルミナ等の金属酸化物によって形成されている。

拡散抵抗部３２２は、被測定ガスＧを所定の拡散速度で通過させるよう構成されている。被測定ガスＧとしての排ガスは、拡散抵抗部３２２を通過して測定ガス室５に導入される。なお、拡散抵抗部３２２は、例えば測定ガス室５とガスセンサ素子１の外部空間とに連通する小さな貫通孔であるピンホールであってもよい。また、拡散抵抗部３２２の位置は、これに限られず、例えば測定ガス室５におけるＹ方向の一方側等、他の位置に形成することもできる。

図２に示すごとく、凹部３２０における絶縁スペーサ３２１と拡散抵抗部３２２とに囲まれた空間領域が、Ｚ方向の両側から電解質層２とヒータ埋設部３１とによって閉塞されて測定ガス室５を構成している。図１、図２に示すごとく、本実施形態において、測定ガス室５のＺ方向の長さは、電解質層２のＺ方向の厚みよりも小さい。測定ガス室５は、測定電極１１の対向領域１３を少なくとも収容するよう形成されている。本実施形態において、Ｚ方向から見たとき、測定ガス室５は、測定電極１１の対向領域１３よりも一回り大きく形成されている。

図１～図３に示すごとく、チャンバ形成部３２のＺ１側に、ヒータ埋設部３１が積層されている。ヒータ埋設部３１は、ガスセンサ素子１における最もＺ１側の部位に形成されている。ヒータ埋設部３１は、Ｚ方向に積層された一対の埋設プレート３１１と、一対の埋設プレート３１１の間に埋設された前述のヒータ７とを有する。

埋設プレート３１１は、絶縁スペーサ３２１と同じ材料、すなわち被測定ガスＧの透過性を有さないアルミナからなる。図３に示すごとく、ヒータ７は、通電により発熱する発熱部７１と、発熱部７１に接続された一対のリード部７２とを有する。

図１、図２に示すごとく、発熱部７１の少なくとも一部は、測定ガス室５とＺ方向に重なる領域に配されている。発熱部７１の少なくとも一部は、測定電極１１の対向領域１３及び基準電極１２の対向領域１３に対して、Ｚ方向に重なるよう配されている。発熱部７１は、一部が測定ガス室５とＺ方向に重なる位置に配されており、他の一部がチャンバ形成部３２の埋設プレート３１１とＺ方向に重なる位置に配されている。図２に示すごとく、発熱部７１の一部は、測定ガス室５よりもＸ２側に形成されている。すなわち、発熱部７１の一部は、埋設プレート３１１における測定ガス室５のＸ２側に隣接する部位に、Ｚ方向に重なっている。

図３に示すごとく、発熱部７１は、Ｙ方向の一方に向かうにつれて、Ｘ方向の両側に行ったり来たりする蛇行形状を有する。なお、発熱部７１の形状はこれに限られず、例えばＸ方向の一方に向かうにつれて、Ｙ方向の両側に行ったり来たりする蛇行形状とすることもできるし、その他の形状にすることも可能である。

図３に示すごとく、発熱部７１の両端から、一対のリード部７２が形成されている。リード部７２は、ガスセンサ素子１のＸ２側の端部手前まで形成されている。一対のリード部７２は、Ｘ１側の埋設プレート３１１のスルーホールを通って、埋設プレート３１１のＸ１側の面に形成された一対のヒータ端子１６に接続されている。ヒータ７は、ヒータ端子１６から、ガスセンサ素子１外部に電気接続される。

図３に示すごとく、発熱部７１は、その形成方向に直交する断面の面積が、リード部７２の形成方向に直交する断面の面積よりも小さい。そして、発熱部７１は、単位長さ当たりの抵抗値が、リード部７２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。一対のリード部７２に電圧が印加されると、発熱部７１がジュール熱によって発熱する。これによって生じた熱により、固体電解質体２１が加熱され、活性化される。

図１～図３に示すごとく、電解質層２のＺ２側の面に積層された第二絶縁体４は、ダクト形成部４２と支持部４３とを有する。ダクト形成部４２は、電解質層２のＺ２側の面に配されている。ダクト形成部４２は、Ｚ方向における基準ガス室６が形成された領域に配されて基準ガス室６を区画している。Ｚ方向において、ダクト形成部４２は、測定ガス室５の長さよりも長い。ダクト形成部４２は、略同形の三つの層をＺ方向に積層した後に焼結してなるが、これに限られず、一つの層によって構成すること等も可能である。ダクト形成部４２の全体は、前述の低伝熱部４１により構成されている。低伝熱部４１は、電解質層２に隣接している。また、低伝熱部４１は、基準ガス室６に隣接している。なお、図１～図３においては、低伝熱部４１に同じハッチングを施している。

本実施形態において、低伝熱部４１の主成分は、ジルコニアである。すなわち、低伝熱部４１は、ジルコニアを５０質量％以上含有している。ジルコニアの熱伝導率は、３Ｗ／ｍ・Ｋであり、アルミナの熱伝導率である２４Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い。本実施形態において、低伝熱部４１は、ジルコニアの他に、イットリア、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ₂）等を含有する。また、低伝熱部４１を、気孔率１～２０％のポーラス材によって構成してもよい。

図３に示すごとく、ダクト形成部４２は、Ｘ２側に開口するＵ字状に形成されている。すなわち、ダクト形成部４２は、Ｘ方向に延在するとともにＹ方向に互いに対向する一対の長辺部４２１と、一対の長辺部４２１のＸ１側端部をＹ方向に連結する短辺部４２２とを有する。図２に示すごとく、短辺部４２２のＸ２側の面は、Ｚ２側に向かうほどＸ２側に向かう曲面状を呈している。図１、図２に示すごとく、Ｚ方向において、ダクト形成部４２は、測定ガス室５の長さよりも長い。

図１、図２に示すごとく、電解質層２とダクト形成部４２と支持部４３とに囲まれてできるダクト形成部４２の内側の空間領域が、基準ガス室６である。本実施形態の低伝熱部４１（すなわちダクト形成部４２）は、基準ガス室６に面しているとともに、ガスセンサ素子１外部にも面している。基準ガス室６は、ガスセンサ素子１のＸ２側端部まで形成されているとともにＸ２側に開放されている。図２に示すごとく、基準ガス室６には、ダクト形成部４２のＸ２側の開放部から、基準ガスＡとしての大気が導入される。

図１、図２に示すごとく、基準ガス室６のＺ方向の長さは、測定ガス室５のＺ方向の長さよりも大きい。本実施形態において、基準ガス室６のＺ方向の長さは、測定ガス室５のＺ方向の長さの３倍以上の長さを有するが、これに限られない。図１に示すごとく、基準ガス室６のＹ方向の長さは、基準電極１２のＹ方向の長さより若干長い。基準電極１２は、Ｙ方向における基準ガス室６の中央に位置している。

図２に示すごとく、基準ガス室６における短辺部４２２よりもＸ２側の領域の、Ｘ方向に直交する断面の面積は、測定ガス室５におけるＸ方向に直交する断面の面積よりも大きい。また、基準ガス室６全体は、測定ガス室５全体よりも体積が大きい。基準ガス室６の前述の断面積、Ｚ方向の長さ、体積等が、測定ガス室５よりも大きいことにより、測定電極１１における未燃ガスを反応させるための、基準ガスＡ中の酸素を、基準電極１２に導入しやすい。基準ガス室６は、基準ガスＡ中の酸素を基準電極１２に導入しやすくすべく、前述の断面積、Ｚ方向の長さ、体積を大きくすることが好ましい。

図１～図３に示すごとく、ダクト形成部４２のＺ２側の面に、支持部４３が積層されている。支持部４３は、ガスセンサ素子１における最もＺ２側の部位に形成されている。図１、図２に示すごとく、支持部４３は、ダクト形成部４２の内側空間、すなわち基準ガス室６をＺ２側から閉塞している。支持部４３は、絶縁スペーサ３２１や埋設プレート３１１と同じ材料、すなわち被測定ガスＧの透過性を有さないアルミナからなる。

なお、図４に示すごとく、ガスセンサ素子１のＸ１側の部位は、測定電極（図１～図３の符号１１参照）に対する被毒物質、排気管内に生じる凝縮水等がガスセンサ素子１内部に進入しないようにするための保護層１０１が設けられている。保護層１０１は、アルミナなどの多孔質のセラミックス（金属酸化物）によって形成されている。保護層１０１の気孔率は、拡散抵抗部３２２の気孔率よりも大きく、保護層１０１を通過することができる被測定ガスＧの流量は、拡散抵抗部３２２を通過することができる被測定ガスＧの流量よりも多い。

次に、図４を用いて、本実施形態のガスセンサ素子１を有するガスセンサ１０につき説明する。
ガスセンサ１０の軸方向は、Ｘ方向となるよう形成されている。換言すると、ガスセンサ素子１の長手方向は、ガスセンサ１０の軸方向と平行である。ガスセンサ１０は、ガスセンサ素子１、第一インシュレータ１０２、ハウジング１０３、第二インシュレータ１０４、複数の接点端子１０５を備える。第一インシュレータ１０２は、ガスセンサ素子１を保持する。ハウジング１０３は、第一インシュレータ１０２を保持する。第二インシュレータ１０４は、第一インシュレータ１０２に連結されている。複数の接点端子１０５は、第二インシュレータ１０４に保持されてガスセンサ素子１のセンサ端子１５とヒータ端子１６とに接触している。

ガスセンサ１０は、ハウジング１０３のＸ１の部分に装着された先端側カバー１０６、ハウジング１０３のＸ２側の部分に装着されて第二インシュレータ１０４、接点端子１０５等を覆う後端側カバー１０７、接点端子１０５に繋がるリード線１００を後端側カバー１０７に保持するためのブッシュ１０８等を備える。

先端側カバー１０６は、内燃機関の排気管内に露出するよう配される。先端側カバー１０６の内側に、ガスセンサ素子１のＸ１側の部位が突出している。先端側カバー１０６には、被測定ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔１０６ａが形成されている。先端側カバー１０６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。先端側カバー１０６のガス通過孔１０６ａから先端側カバー１０６内に流入する被測定ガスＧとしての排ガスは、ガスセンサ素子１の保護層１０１及び拡散抵抗部３２２を通過して測定電極１１へと導かれる。

後端側カバー１０７は、内燃機関の排気管の外部に配置される。後端側カバー１０７には、後端側カバー１０７内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための大気導入孔１０９が形成されている。大気導入孔１０９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１０９ａが配置されている。大気導入孔１０９から後端側カバー１０７内に導入される基準ガスＡは、後端側カバー１０７内の隙間及び基準ガス室６を通って基準電極１２へと導かれる。

接点端子１０５は、ヒータ端子１６、センサ端子１５のそれぞれに接続されるよう、第二インシュレータ１０４に複数配置されている。また、リード線１００は、接点端子１０５に接続されている。

リード線１００は、ガスセンサ１０におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置に電気接続される。センサ制御装置は、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１０における電気制御を行うものである。センサ制御装置には、測定電極１１と基準電極１２との間に流れる電流を測定する測定回路、測定電極１１と基準電極１２との間に電圧を印加する印加回路、ヒータ７に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置は、エンジン制御装置内に構築してもよい。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本実施形態のガスセンサ素子１において、ヒータ７は、第一絶縁体３に埋設されている。それゆえ、ヒータ７から電解質層２までの間に、基準ガスＡが導入される基準ガス室６が配されない。それゆえ、ヒータ７から電解質層２までの熱伝導性を向上させやすく、固体電解質体２１を早期に活性化させることができる。

また、電解質層２の基準ガス室６側に積層された第二絶縁体４は、低伝熱部４１を有する。それゆえ、ヒータ７から第二絶縁体４側に逃げる熱を、低伝熱部４１によって減らすことができる。これにより、一層固体電解質体２１を早期に加熱しやすく、固体電解質体２１の早期活性化を図りやすい。さらに、早期に固体電解質体２１の活性化を図ることができることに伴い、固体電解質体２１を活性温度に到達させるためのヒータ７の消費電力も減少する。

また、低伝熱部４１の主成分は、ジルコニアである。それゆえ、低伝熱部４１の熱伝導率をより低くしやすく、ヒータ７から第二絶縁体４を介して基準ガス室６の基準ガスＡに放熱される熱を、一層低減しやすい。

また、低伝熱部４１は、電解質層２に隣接している。それゆえ、ヒータ７から電解質層２に到達した熱が、第二絶縁体４を通って基準ガス室６の基準ガスＡに放熱されることを一層抑制しやすい。

また、低伝熱部４１は、基準ガス室６に隣接している。それゆえ、ヒータ７から第二絶縁体４を介して基準ガス室６の基準ガスＡに放熱される熱を、低伝熱部４１によって減らすことができる。これにより、一層固体電解質体２１を早期に加熱しやすく、固体電解質体２１の早期活性化を図りやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、固体電解質体の早期活性化を図りやすいガスセンサ素子を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図５～図７に示すごとく、実施形態１に対して、電解質層２の構成を変更した実施形態である。

電解質層２は、保持板２２と固体電解質体２１とを有する。保持板２２は、その厚み方向であるＺ方向に貫通形成された配置穴２２０を備える。固体電解質体２１は、配置穴２２０に配されている。保持板２２は、固体電解質体２１よりも熱伝導率が高い。保持板２２は、絶縁スペーサ３２１等と同様、被測定ガスＧの透過性を有さないアルミナからなる

図６、図７に示すごとく、配置穴２２０は、保持板２２におけるＸ１側の領域に形成されている。図７に示すごとく、配置穴２２０は、Ｘ方向に長尺な長方形状を呈している。図５に示すごとく、Ｙ方向において、保持板２２の配置穴２２０は、測定ガス室５及び基準ガス室６のいずれよりも大きい。Ｙ方向において、配置穴２２０の両端部は、測定ガス室５及び基準ガス室６のいずれよりも外側に位置している。

図６に示すごとく、Ｘ方向において、配置穴２２０のＸ１側端部は、測定ガス室５及び基準ガス室６のいずれよりもＸ１側に形成されている。Ｘ方向において、配置穴２２０のＸ２側端部は、測定ガス室５よりもＸ２側に形成されている。

図５～図７に示すごとく、配置穴２２０に、固体電解質体２１が充填されている。Ｚ方向から見たとき、測定ガス室５は、境界部２３の内側に収まるよう形成されている。これに伴い、チャンバ形成部３２は、境界部２３の全体をＺ１側から塞ぐよう形成されている。これにより、電解質層２における境界部２３の気密性が低下することに起因して、境界部２３を介して測定ガス室５と基準ガス室６とが連通することを防ぎやすい。

図５に示すごとく、Ｙ方向において、基準ガス室６の両端は、境界部２３におけるＹ方向に互いに対向する一対の第一境界部２３１の内側に位置している。そして、ダクト形成部４２は、一対の第一境界部２３１の全体をＺ２側から覆うように形成されている。また、図６に示すごとく、Ｘ方向において、基準ガス室６のＸ１側端縁は、境界部２３の内側に位置している。そして、ダクト形成部４２は、境界部２３におけるＸ方向に対向する一対の第二境界部２３２のうち、Ｘ１側の第二境界部２３２の全体をＺ２側から覆うように形成されている。また、ダクト形成部４２は、境界部２３における一対の第二境界部２３２のうち、Ｘ２側の第二境界部２３２の両端部をＺ２側から覆うよう形成されている。Ｚ方向から見たとき、第一境界部２３１の長さは、第二境界部２３２の長さよりも長い。

図５、図６に示すごとく、配置穴２２０と固体電解質体２１との境界部２３の少なくとも一部は、第一絶縁体３の第一挟持部３３と第二絶縁体４の第二挟持部４５とによって挟持されている。第一挟持部３３は、Ｚ方向において境界部２３と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、Ｚ方向における測定ガス室５が配された全領域に形成されている。第二挟持部４５は、Ｚ方向において境界部２３と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、Ｚ方向における基準ガス室６が配された全領域に形成されている。つまり、境界部２３の少なくとも一部は、ある程度の厚み（例えば測定ガス室５のＺ方向の長さ以上）を有する第一挟持部３３及び第二挟持部４５に挟持されている。第一絶縁体３及び第二絶縁体４のそれぞれは、境界部２３を跨ぐように配されており、境界部２３を挟持している。

境界部２３における、少なくとも一対の第一境界部２３１の全体は、第一絶縁体３と第二絶縁体４とによってＺ方向の両側から挟持されている。また、境界部２３における、少なくとも一対の第二境界部２３２のうちのＸ１側の第二境界部２３２は、第一絶縁体３と第二絶縁体４とによって挟持されている。また、Ｘ２側の第二境界部２３２の両端部は、第一絶縁体３と第二絶縁体４とによって挟持されている。すなわち、一対の第一境界部２３１の全体と、Ｘ１側の第二境界部２３２の全体と、Ｘ２側の第二境界部２３２の両端部とが、Ｚ方向の両側から第一絶縁体３と第二絶縁体４とによって挟持されている。そして、第一絶縁体３のチャンバ形成部３２及びヒータ埋設部３１における境界部２３とＺ方向に重なる部位が第一挟持部３３であり、第二絶縁体４のダクト形成部４２及び支持部４３における境界部２３とＺ方向に重なる部位が第二挟持部４５である。Ｘ１側の第二境界部２３２のＺ１側に位置する第一挟持部３３の一部は、拡散抵抗部３２２によって構成されている。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態において、電解質層２は、Ｚ方向に貫通形成された配置穴２２０を備えた保持板２２と、固体電解質体２１とを備え、固体電解質体２１は、配置穴２２０に配されている。そして、保持板２２は、固体電解質体２１よりも熱伝導率が高い。それゆえ、電解質層２全体として、熱伝導性を向上させやすい。それゆえ、ヒータ７によって効率的に固体電解質体２１を加熱しやすく、固体電解質体２１の早期活性化を図りやすい。

また、配置穴２２０と固体電解質体２１との境界部２３の少なくとも一部は、第一挟持部３３と第二挟持部４５とによって挟持されている。そして、第一挟持部３３は、Ｚ方向において、少なくとも測定ガス室５が配された全領域に形成されている。また、第二挟持部４５は、少なくとも基準ガス室６が配された全領域に形成されている。すなわち、境界部２３の少なくとも一部は、比較的剛性の高い構造体で構成される第一挟持部３３及び第二挟持部４５により挟持されている。それゆえ、固体電解質体２１が、配置穴２２０から抜け落ちることを防止することができる。また、第一挟持部３３と第二挟持部４５とによって境界部２３を挟むことに伴い、固体電解質体２１は、第一絶縁体３の第一挟持部３３に接触する。これにより、ヒータ７の熱は、第一挟持部３３を介して固体電解質体２１に効率的に伝熱される。

また、境界部２３における少なくとも一対の第一境界部２３１の全体は、第一挟持部３３と第二挟持部４５とによって挟持されている。さらに、境界部２３における一対の第一境界部２３１におけるＸ１側の第二境界部２３２の全体は、第一挟持部３３と第二挟持部４５とによって挟持されている。それゆえ、第一挟持部３３と第二挟持部４５とによって、境界部２３を安定して挟持することができ、配置穴２２０から固体電解質体２１が抜け落ちることを一層防止しやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態は、図８、図９に示すごとく、実施形態２に対して、低伝熱部４１の形成範囲を変形した実施形態である。

便宜上、ダクト形成部４２を構成するＺ方向に積層された３つの層を、Ｘ１側から順に、第一層４２ａ、第二層４２ｂ、第三層４２ｃという。本実施形態において、低伝熱部４１は、第一層４２ａと第二層４２ｂとに形成されている。第一層４２ａ及び第二層４２ｂは、外周に形成されたＵ字状の外周部４４と、基部の内側面に沿うよう形成されたＵ字状の低伝熱部４１とを有する。外周部４４及び第三層４２ｃは、支持部４３や保持板２２等と同じ材料、すなわち被測定ガスの透過性を有さないアルミナからなる。低伝熱部４１は、基準ガス室６に面するよう配されている。第三層４２ｃは、外周部４４等と同様、被測定ガスの透過性を有さないアルミナからなる。
その他は、実施形態２と同様である。

本実施形態において、ダクト形成部４２は、第一層４２ａと第二層４２ｂとが、外周部４４と低伝熱部４１とを有する。外周部４４は、そのＸ方向の両側の部位と同じ材料からなる。それゆえ、低伝熱部４１によりヒータ７の熱が基準ガス室６側へ向かうことを抑制しつつ、外周部４４とそのＸ方向の両側の部位との結合性を確保しやすく、ダクト形成部４２の剛性を確保しやすい。
その他、実施形態２と同様の作用効果を有する。

本発明は、前記各実施形態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種々の実施形態に適用することが可能である。

例えば、前記各実施形態において、ガスセンサは、エンジンにおける燃料と空気との混合比である空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態にあるか空気過剰なリーン状態にあるかを検出する濃淡電池式のものとすることもできる。また、ガスセンサは、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等、Ａ／Ｆセンサ以外のガスセンサとして構成することもできる。ガスセンサをＮＯｘセンサとして用いる場合は、固体電解質体のＸ１側の測定ガス室側の面には、測定ガス室内の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、ガスセンサ素子においては、測定電極と基準電極との間に流れる被測定ガスのＮＯｘ濃度に応じた電流値に基づいて、被測定ガスのＮＯｘ濃度が求められる。

また、前記各実施形態において、低伝熱部の主成分がジルコニアである実施形態を示したが、これに限られない。例えば、低伝熱部を、ポーラスなアルミナで構成する等も可能である。

１ガスセンサ素子
２電解質層
２１固体電解質体
３第一絶縁体
３１ヒータ埋設部
４第二絶縁体
４１低伝熱部
５測定ガス室
６基準ガス室
７ヒータ

Claims

酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を備えた電解質層（２）と、
前記電解質層の一方面に積層された第一絶縁体（３）と、
前記電解質層の他方面に積層された第二絶縁体（４）と、
前記電解質層と前記第一絶縁体とに囲まれるとともに被測定ガス（Ｇ）が導入される測定ガス室（５）と、
前記電解質層と前記第二絶縁体とに囲まれるとともに基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（６）と、
前記第一絶縁体に埋設されたヒータ（７）と、を有し、
前記第二絶縁体は、前記固体電解質体と前記第一絶縁体との積層方向（Ｚ）に直交する方向から前記基準ガス室を形成するダクト形成部（４２）と、前記ダクト形成部に積層されて、前記基準ガス室を前記積層方向から形成する支持部（４３）とを備え、
前記ダクト形成部の全体又は前記ダクト形成部における前記電解質層に隣接する部位は、前記第一絶縁体における前記ヒータを埋設するヒータ埋設部（３１）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低伝熱部（４１）によって構成されている、ガスセンサ素子（１）。
前記固体電解質体及び前記低伝熱部の主成分は、ジルコニアである、請求項１に記載のガスセンサ素子。
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）を備えた電解質層（２）と、
前記電解質層の一方面に積層された第一絶縁体（３）と、
前記電解質層の他方面に積層された第二絶縁体（４）と、
前記電解質層と前記第一絶縁体とに囲まれるとともに被測定ガス（Ｇ）が導入される測定ガス室（５）と、
前記電解質層と前記第二絶縁体とに囲まれるとともに基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（６）と、
前記第一絶縁体に埋設されたヒータ（７）と、を有し、
前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体における前記ヒータを埋設するヒータ埋設部（３１）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低伝熱部（４１）を備え、
前記電解質層は、前記固体電解質体と前記第一絶縁体との積層方向（Ｚ）に貫通形成された配置穴（２２０）を備えた保持板（２２）と、前記固体電解質体とを備え、前記固体電解質体は、前記配置穴に配されており、前記保持板は、前記固体電解質体よりも熱伝導率が高く、
前記配置穴と前記固体電解質体との境界部（２３）の少なくとも一部は、前記第一絶縁体の第一挟持部（３３）と、前記第二絶縁体の第二挟持部（４５）とによって挟持されており、前記第一挟持部は、前記積層方向において前記境界部と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、前記積層方向における前記測定ガス室が配された全領域に形成されており、前記第二挟持部は、前記積層方向において前記境界部と重なる位置に形成されているとともに、少なくとも、前記積層方向における前記基準ガス室が配された全領域に形成されている、ガスセンサ素子（１）。