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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-02
(45)【発行日】2024-12-10
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/409 20060101AFI20241203BHJP
G01N 27/41 20060101ALI20241203BHJP
G01N 27/419 20060101ALI20241203BHJP
【ＦＩ】
G01N27/409 100
G01N27/41 325H
G01N27/419 327H
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2022029257
(22)【出願日】2022-02-28
(65)【公開番号】P2023125262
(43)【公開日】2023-09-07
【審査請求日】2024-01-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】今田 将太
(72)【発明者】
【氏名】牛窪 匠
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０６７５３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１１７３８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１７３３９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１７８１７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２５７８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／２６２１０６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／４０９
Ｇ０１Ｎ ２７／４１
Ｇ０１Ｎ ２７／４１９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
検出対象ガスとしての排ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向（Ｌ）の検出先端部（２５）において、前記検出対象ガスに晒される排気電極（３１１）及び、大気に晒される大気電極（３１２）、が設けられた固体電解質体（３１）と、
前記大気電極に対向する位置に発熱部（３４１）を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ（３４）と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が２５％以上である保護層（２０）と、
前記大気電極が配された空間であって、前記センサ素子の基端側に開口した空間である大気ダクト（３６）と、を有し、
前記排気電極と前記発熱部との間には、前記大気ダクトが介在しており、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向（Ｄ）の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分（２２）の厚み（ｔ２）は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分（２１）の厚み（ｔ１）よりも大きい、ガスセンサ。
【請求項2】
前記発熱部の前記長手方向の発熱中心位置（Ｈ）についての、前記センサ素子の前記長手方向に直交する断面において、前記保護層の前記遮蔽側部分の全体の厚みは、前記保護層の前記ヒータ側部分の全体の厚みの１．３倍以上である、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記保護層の前記遮蔽側部分の厚みは、４９８μｍ以上である、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記保護層における、前記長手方向及び前記対向方向の双方に直交する幅方向（Ｗ）の両側に位置する側方部分（２３）の厚みは、前記保護層の前記ヒータ側部分の厚みよりも大きい、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記保護層を除く前記センサ素子は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項6】
前記保護層の前記遮蔽側部分は、内側層（２２１）と、前記内側層の外側に積層され、前記内側層に比べて気孔率が小さい外側層（２２２）とによって構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
ガスセンサは、例えば、自動車の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれる種々のガスを検出するために用いられる。ガスセンサは、ガスを検出するためのセンサ素子の他に、センサ素子を排気管等に取り付けるハウジング等を備える。
【0003】
センサ素子は、検出対象ガスに晒される電極が設けられた固体電解質体、固体電解質体に積層された絶縁体、絶縁体に埋設されたヒータ等を有する。センサ素子の長手方向の検出先端部には、電極と、ヒータの発熱部とが対向して配置されている。検出先端部の表面には、センサ素子を被水による割れ等から保護するための多孔質の保護層が設けられている。
【0004】
センサ素子においては、割れ（クラック）の発生を防止する目的等に応じて、保護層の厚みを、センサ素子の長手方向の中心軸線の周りの各部位において適宜異ならせることが行われている。例えば、特許文献１の積層型ガスセンサ素子及びガスセンサにおいては、抵抗発熱体を内部に有するヒータ層と、ヒータ層に積層された一対の電極を有する検出層との境界部等に割れが生じにくくするために、積層方向に直交する側面に形成された保護層の厚みを、積層方向の両側の表面に形成された保護層の厚みよりも厚くすることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００９－２５７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
発明者らの研究開発により、センサ素子において割れが生じるメカニズムには種々の形態があることが分かった。センサ素子の長手方向に直交する断面においては、ヒータが配置された側の温度が相対的に高温になり、ヒータが配置されていない側の温度が相対的に低温になる。この現象を考慮すると、センサ素子の長手方向に直交する断面において、保護層を設ける厚みには、特許文献１を含む従来のガスセンサのセンサ素子とは異なる工夫が必要である。特に、近年、センサ素子の更なる早期活性化が求められる場合には、センサ素子の昇温速度が更に速くなり、熱衝撃によってセンサ素子に割れが生じる可能性が高まる。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、センサ素子の先端検出部に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができるガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、
検出対象ガスとしての排ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、
前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向（Ｌ）の検出先端部（２５）において、前記検出対象ガスに晒される排気電極（３１１）及び、大気に晒される大気電極（３１２）、が設けられた固体電解質体（３１）と、
前記大気電極に対向する位置に発熱部（３４１）を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ（３４）と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が２５％以上である保護層（２０）と、
前記大気電極が配された空間であって、前記センサ素子の基端側に開口した空間である大気ダクト（３６）と、を有し、
前記排気電極と前記発熱部との間には、前記大気ダクトが介在しており、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向（Ｄ）の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分（２２）の厚み（ｔ２）は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分（２１）の厚み（ｔ１）よりも大きい、ガスセンサにある。
検出対象ガスとしての排ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、
前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向（Ｌ）の検出先端部（２５）において、前記検出対象ガスに晒される排気電極（３１１）及び、大気に晒される大気電極（３１２）、が設けられた固体電解質体（３１）と、
前記大気電極に対向する位置に発熱部（３４１）を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ（３４）と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が２５％以上である保護層（２０）と、
前記大気電極が配された空間であって、前記センサ素子の基端側に開口した空間である大気ダクト（３６）と、を有し、
前記排気電極と前記発熱部との間には、前記大気ダクトが介在しており、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向（Ｄ）の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分（２２）の厚み（ｔ２）は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分（２１）の厚み（ｔ１）よりも大きい、ガスセンサにある。
【発明の効果】
【0009】
前記一態様のガスセンサのセンサ素子においては、センサ素子の検出先端部を覆う保護層の気孔率を２５％以上にしている。この構成により、保護層の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体及びヒータを含む素子体から保護層への熱引けが生じにくくなる。また、保護層の遮蔽側部分の厚みは、保護層のヒータ側部分の厚みよりも大きい。この構成により、保護層のヒータ側部分の保温効果に比べて、保護層の遮蔽側部分の保温効果が高くなり、ヒータによる検出先端部の昇温過程において、検出先端部における対向方向の温度分布が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子の検出先端部に熱応力が生じにくくすることができる。
【0010】
前記一態様のガスセンサによれば、センサ素子の先端検出部に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができる。
【0011】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
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３に示すように、検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子２を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１、ヒータ３４及び保護層２０を有する。固体電解質体３１には、センサ素子２の長手方向Ｌの検出先端部２５において、検出対象ガスに晒される電極３１１，３１２が設けられている。ヒータ３４は、固体電解質体３１に対向して配置されており、電極３１１，３１２に対向する位置に発熱部３４１を有する。保護層２０は、センサ素子２の検出先端部２５を覆っており、気孔率が２５％以上である。保護層２０における、固体電解質体３１とヒータ３４との対向方向Ｄの固体電解質体３１が位置する側の平面部分である遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、保護層２０における、対向方向Ｄのヒータ３４が位置する側の平面部分であるヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。
＜実施形態１＞
本形態のガスセンサ１は、図１～図３に示すように、検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子２を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１、ヒータ３４及び保護層２０を有する。固体電解質体３１には、センサ素子２の長手方向Ｌの検出先端部２５において、検出対象ガスに晒される電極３１１，３１２が設けられている。ヒータ３４は、固体電解質体３１に対向して配置されており、電極３１１，３１２に対向する位置に発熱部３４１を有する。保護層２０は、センサ素子２の検出先端部２５を覆っており、気孔率が２５％以上である。保護層２０における、固体電解質体３１とヒータ３４との対向方向Ｄの固体電解質体３１が位置する側の平面部分である遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、保護層２０における、対向方向Ｄのヒータ３４が位置する側の平面部分であるヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。
【0014】
以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれるガスとしての酸素、特定ガス等の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素、未燃ガス等の濃度に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いてもよい。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれるガスとしての酸素、特定ガス等の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスＧにおける酸素、未燃ガス等の濃度に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）として用いてもよい。
【0015】
排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ１は、排ガスＧを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管７に排気される排ガスＧの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。
【0016】
（センサ素子２）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１には、絶縁体３３Ａ，３３Ｂが積層されており、ヒータ３４は、絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。固体電解質体３１及び絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、積層タイプのセンサ素子２を形成している。センサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材４２によって保持された状態でハウジング４１に保持されている。絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層された第１絶縁体３３Ａ及び固体電解質体３１の第２表面３０２に積層された第２絶縁体３３Ｂによって構成されている。ヒータ３４は、第２絶縁体３３Ｂに埋設されている。
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１には、絶縁体３３Ａ，３３Ｂが積層されており、ヒータ３４は、絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。固体電解質体３１及び絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、積層タイプのセンサ素子２を形成している。センサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材４２によって保持された状態でハウジング４１に保持されている。絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層された第１絶縁体３３Ａ及び固体電解質体３１の第２表面３０２に積層された第２絶縁体３３Ｂによって構成されている。ヒータ３４は、第２絶縁体３３Ｂに埋設されている。
【0017】
なお、ヒータ３４は、第１絶縁体３３Ａに埋設されていてもよい。この場合には、ヒータ側は、第１絶縁体３３Ａが配置された側となり、遮蔽側は、第２絶縁体３３Ｂが配置された側となる。
【0018】
（長手方向Ｌ，対向方向Ｄ，幅方向Ｗ）
本形態において、ガスセンサ１及びセンサ素子２の長手方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが対向する方向（積層された方向）を、対向方向（積層方向）Ｄという。また、長手方向Ｌと対向方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長手方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。
本形態において、ガスセンサ１及びセンサ素子２の長手方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが対向する方向（積層された方向）を、対向方向（積層方向）Ｄという。また、長手方向Ｌと対向方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長手方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。
【0019】
（固体電解質体３１、排気電極３１１及び大気電極３１２）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して対向方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによるセンサセルが形成されている。
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１の第１表面３０１には、排ガスＧに晒される排気電極３１１が設けられており、固体電解質体３１の第２表面３０２には、大気Ａに晒される大気電極３１２が設けられている。排気電極３１１と大気電極３１２とは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、固体電解質体３１を介して対向方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、排気電極３１１及び大気電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによるセンサセルが形成されている。
【0020】
固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニア（酸化ジルコニウム）を主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。
【0021】
排気電極３１１及び大気電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。図１及び図２に示すように、排気電極３１１及び大気電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部が接続されている。
【0022】
（ガス室３５）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａ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、第１絶縁体３３Ａの長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａ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Ｇは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａ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、第１絶縁体３３Ａの長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、排気電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａ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Ｇは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。
【0023】
（拡散抵抗部３２）
図２及び図３に示すように、本形態の拡散抵抗部３２（ガス導入部）３２は、ガス室３５の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａに形成された導入口内に、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に設けられていてもよい。
図２及び図３に示すように、本形態の拡散抵抗部３２（ガス導入部）３２は、ガス室３５の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けられている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａに形成された導入口内に、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に設けられていてもよい。
【0024】
（大気ダクト３６）
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する長手方向Ｌの部位から、センサ素子２の長手方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。
図２及び図３に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、大気電極３１２を収容する長手方向Ｌの部位から、センサ素子２の長手方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。
【0025】
（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
図２及び図３に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともにヒータ３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
図２及び図３に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともにヒータ３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
【0026】
（ヒータ３４）
図２及び図３に示すように、ヒータ３４は、発熱体として構成されており、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。ヒータ３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長手方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がるヒータリード部とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの対向方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。ヒータ３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。
図２及び図３に示すように、ヒータ３４は、発熱体として構成されており、大気ダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。ヒータ３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長手方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がるヒータリード部とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの対向方向Ｄにおいて、少なくとも一部が排気電極３１１及び大気電極３１２に重なる位置に配置されている。ヒータ３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。
【0027】
センサ素子２の検出先端部２５は、センサ素子２において、排気電極３１１、大気電極３１２及び発熱部３４１が配置された、長手方向Ｌの先端側の部位として形成されている。
【0028】
（保護層２０）
図２及び図３に示すように、保護層２０は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。保護層２０には、アルミナ（酸化アルミニウム）、スピネル（尖晶石）等の粒子が用いられる。検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における各部位の保護層２０の厚みｔ１，ｔ２は、この断面内の温度分布が生じにくくするために、適宜異なっている。
図２及び図３に示すように、保護層２０は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。保護層２０には、アルミナ（酸化アルミニウム）、スピネル（尖晶石）等の粒子が用いられる。検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における各部位の保護層２０の厚みｔ１，ｔ２は、この断面内の温度分布が生じにくくするために、適宜異なっている。
【0029】
固体電解質体３１及び絶縁体３３Ａ，３３Ｂによる素子体の長手方向Ｌに直交する断面は、Ｃ面（テーパ面）又はＲ面（曲面）による４つの角部が形成された四角形状を有する。素子体とは、保護層２０を除くセンサ素子２のことをいう。固体電解質体３１とヒータ３４との対向方向Ｄの固体電解質体３１が位置する側の平面部分は、第１絶縁体３３Ａの表面として形成されている。固体電解質体３１とヒータ３４との対向方向Ｄのヒータ３４が位置する側の平面部分は、第２絶縁体３３Ｂの表面として形成されている。各平面部分とは、Ｃ面又はＲ面を除く、幅方向Ｗに平行な表面のことをいう。
【0030】
保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２とは、遮蔽側の平面部分、換言すれば第１絶縁体３３Ａの対向方向Ｄの表面の全体に設けられた保護層２０の部分の厚みｔ２のことを示す。保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１とは、ヒータ側の平面部分、換言すれば第２絶縁体３３Ｂの対向方向Ｄの表面の全体に設けられた保護層２０の部分の厚みｔ１のことを示す。
【0031】
保護層２０の遮蔽側部分２２の全体の厚みｔ２は、保護層２０のヒータ側部分２１の全体の厚みｔ１よりも大きい。保護層２０の遮蔽側部分２２及びヒータ側部分２１は、平坦状になるように形成されている。そして、保護層２０の遮蔽側部分２２の幅方向Ｗのどこの位置の厚みｔ２も、保護層２０のヒータ側部分２１の幅方向Ｗのどこの位置の厚みｔ１よりも大きい。
【0032】
発熱部３４１の長手方向Ｌの発熱中心位置Ｈについての、センサ素子２の長手方向Ｌに直交する断面において、保護層２０の遮蔽側部分２２の全体の厚みｔ２は、保護層２０のヒータ側部分２１の全体の厚みｔ１の１．３倍以上である。本形態においては、センサ素子２の長手方向Ｌにおける、発熱部３４１が配置された位置の全体についての長手方向Ｌに直交する断面において、保護層２０の遮蔽側部分２２の幅方向Ｗのどこの位置の厚みｔ２も、保護層２０のヒータ側部分２１の幅方向Ｗのどこの位置の厚みｔ１の１．３倍以上である。この構成により、ヒータ３４素子の検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における温度分布がより生じにくくすることができる。
【0033】
また、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、４９８μｍ以上である。より具体的には、保護層２０の遮蔽側部分２２の幅方向Ｗのどこの位置の厚みｔ２も、４９８μｍ以上である。この構成により、保護層２０の遮蔽側部分２２の保温効果（断熱効果）を適切に発揮することができる。保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、例えば、１０００μｍ以下とすればよい。
【0034】
保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１は、被水によるセンサ素子２の素子体の割れを防止できる範囲内で、極力薄くしてもよい。保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１は、例えば、１００μｍ以上であって４９８μｍ未満とすればよい。
【0035】
また、保護層２０における、長手方向Ｌ及び対向方向Ｄの双方に直交する幅方向Ｗの両側に位置する側方部分２３の厚みｔ３は、保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。この構成により、保護層２０の側方部分２３における保温効果を向上させることができ、センサ素子２の検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における温度分布がより生じにくくすることができる。
【0036】
保護層２０の側方部分２３の厚みｔ３は、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２よりも小さくてもよく、大きくてもよい。また、センサ素子２の長手方向Ｌの先端面にも保護層２０は形成されている。
【0037】
（保護層２０の気孔率の測定方法）
保護層２０の気孔率は、種々の方法によって測定することができる。例えば、保護層２０の一部の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって観察し、断面内における気孔の割合を二値化等によって算出して、これを気孔率としてもよい。ＳＥＭの倍率は、保護層２０における粒子のサイズや気孔のサイズに応じて変えてもよい。例えば、保護層２０を構成する主材の粒径と気孔のサイズが数マイクロから数十マイクロオーダーで有れば、５００～２０００倍程度で観察することがある。また、保護層２０における複数の断面を観察し、複数の断面における気孔の割合の平均値を気孔率としてもよい。気孔率の単位は、体積％となるが、実質的には、断面における割合として、面積％として捉えてもよい。
保護層２０の気孔率は、種々の方法によって測定することができる。例えば、保護層２０の一部の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって観察し、断面内における気孔の割合を二値化等によって算出して、これを気孔率としてもよい。ＳＥＭの倍率は、保護層２０における粒子のサイズや気孔のサイズに応じて変えてもよい。例えば、保護層２０を構成する主材の粒径と気孔のサイズが数マイクロから数十マイクロオーダーで有れば、５００～２０００倍程度で観察することがある。また、保護層２０における複数の断面を観察し、複数の断面における気孔の割合の平均値を気孔率としてもよい。気孔率の単位は、体積％となるが、実質的には、断面における割合として、面積％として捉えてもよい。
【0038】
（保護層２０の形成方法）
保護層２０は、保護層２０を形成するためのセラミックス材料のスラリーを、センサ素子２の素子体の検出先端部２５に噴射し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層２０の遮蔽側部分２２がヒータ側部分２１に比べて厚くなるようにスラリーを噴射する。
保護層２０は、保護層２０を形成するためのセラミックス材料のスラリーを、センサ素子２の素子体の検出先端部２５に噴射し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層２０の遮蔽側部分２２がヒータ側部分２１に比べて厚くなるようにスラリーを噴射する。
【0039】
また、保護層２０は、センサ素子２の素子体の検出先端部２５を成形型内に配置し、成形型内に保護層２０を形成するためのセラミックス材料のスラリーを注入して、型成形によって形成してもよい。この場合には、保護層２０の遮蔽側部分２２がヒータ側部分２１に比べて厚くなるように、成形型のキャビティを形成する。
【0040】
また、保護層２０は、保護層２０を形成するためのセラミックス材料のスラリーの中に、センサ素子２の素子体の検出先端部２５を浸漬した後に取り出し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層２０の遮蔽側部分２２がヒータ側部分２１に比べて厚くなるように、スラリーからセンサ素子２の素子体の検出先端部２５を取り出した後の状態を管理する。
【0041】
なお、素子体の検出先端部２５に保護層２０が形成された後には、保護層２０を含むセンサ素子２の全体が焼成される。
【0042】
（他のセンサ素子２の構成）
図４に示すように、保護層２０を除くセンサ素子２は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有していてもよい。具体的には、センサ素子２における絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、アルミナ材料とする以外にも、ジルコニア材料によって構成してもよい。ジルコニア材料は、固体電解質体３１を構成するジルコニア材料と同種の材料とすればよい。固体電解質体３１及び絶縁体３３Ａ，３３Ｂによる素子体の多く又はほとんどがジルコニア材料によって構成されている場合には、絶縁体３３Ａ，３３Ｂにアルミナ材料が使用されている場合に比べて、割れが生じやすい状態にある。そのため、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有するセンサ素子２の場合には、検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における温度分布が生じにくくなる効果がより顕著に得られる。
図４に示すように、保護層２０を除くセンサ素子２は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有していてもよい。具体的には、センサ素子２における絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、アルミナ材料とする以外にも、ジルコニア材料によって構成してもよい。ジルコニア材料は、固体電解質体３１を構成するジルコニア材料と同種の材料とすればよい。固体電解質体３１及び絶縁体３３Ａ，３３Ｂによる素子体の多く又はほとんどがジルコニア材料によって構成されている場合には、絶縁体３３Ａ，３３Ｂにアルミナ材料が使用されている場合に比べて、割れが生じやすい状態にある。そのため、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有するセンサ素子２の場合には、検出先端部２５の長手方向Ｌに直交する断面における温度分布が生じにくくなる効果がより顕著に得られる。
【0043】
また、図示は省略するが、センサ素子２は、１つの固体電解質体３１を有するものに限られず、複数の固体電解質体３１を有するものとしてもよい。この場合にも、ヒータ３４は、対向方向Ｄの片寄った位置に配置され、対向方向Ｄにおいて、ヒータ３４に近い側がヒータ側となり、その反対側が遮蔽側となる。
【0044】
（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２を排気管７に配置するとともにセンサ制御装置５に電気配線するために、ハウジング４１、素子保持材４２、端子保持材４３、接触部材４３１、接点端子４４、先端側カバー４５、基端側カバー４６、ブッシュ４７、リード線４８等を有する。
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２を排気管７に配置するとともにセンサ制御装置５に電気配線するために、ハウジング４１、素子保持材４２、端子保持材４３、接触部材４３１、接点端子４４、先端側カバー４５、基端側カバー４６、ブッシュ４７、リード線４８等を有する。
【0045】
ハウジング４１は、ガスセンサ１を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。ハウジング４１は、素子保持材４２等を介してセンサ素子２を保持する。センサ素子２は、ガラス４２１を介して素子保持材４２に保持され、素子保持材４２は、かしめ用材料４２２，４２３，４２４を介してハウジング４１に保持されている。素子保持材４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２には、接点端子４４を保持する端子保持材４３が連結されている。端子保持材４３は、接触部材４３１によって基端側カバー４６に支持されている。
【0046】
接点端子４４は、センサ素子２における、各電極３１１，３１２及びヒータ３４をリード線４８に電気的に接続するものである。接点端子４４は、端子保持材４３内に配置された状態で、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されている。
【0047】
図１に示すように、先端側カバー４５は、ハウジング４１の長手方向Ｌの先端側Ｌ１に設けられており、センサ素子２の検出先端部２５を覆う。先端側カバー４５には、センサ素子２に接触する排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。センサ素子２の検出先端部２５及び先端側カバー４５は、内燃機関の排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５のガス流通孔４５１から先端側カバー４５内に流入する。そして、先端側カバー４５内の排ガスＧは、センサ素子２の保護層２０及び拡散抵抗部３２を通過して排気電極３１１へと導かれる。
【0048】
基端側カバー４６は、ハウジング４１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に設けられており、ガスセンサ１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａに含まれる水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。
【0049】
基端側カバー４６の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持するブッシュ４７が保持されている。基端側カバー４６には、ガスセンサ１の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１は、撥水フィルタ４６２によって覆われている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端位置は、基端側カバー４６内の空間に開放されており、大気Ａは、大気ダクト３６内の大気電極３１２へ導かれる。
【0050】
（センサ制御装置５）
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置５に電気接続されている。センサ制御装置５は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置６と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置５は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置５は、エンジン制御装置６内に構築してもよい。センサ制御装置５は、排気電極３１１と大気電極３１２との間に直流電圧を印加する回路５１１、及び排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を検出する回路５１２等を用いて構成されている。
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置５に電気接続されている。センサ制御装置５は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置６と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置５は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置５は、エンジン制御装置６内に構築してもよい。センサ制御装置５は、排気電極３１１と大気電極３１２との間に直流電圧を印加する回路５１１、及び排気電極３１１と大気電極３１２との間に流れる電流を検出する回路５１２等を用いて構成されている。
【0051】
（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、センサ素子２の検出先端部２５を覆う保護層２０の気孔率を２５％以上にしている。この構成により、保護層２０の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体３１及びヒータ３４を含む素子体から保護層２０への熱引けが生じにくくなる。また、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。この構成により、保護層２０のヒータ側部分２１の保温効果（断熱効果）に比べて、保護層２０の遮蔽側部分２２の保温効果が高くなり、ヒータ３４によるセンサ素子２の昇温過程において、センサ素子２の検出先端部２５における対向方向Ｄの温度分布（温度差）が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子２の検出先端部２５に熱応力が生じにくくすることができる。
本形態のガスセンサ１のセンサ素子２においては、センサ素子２の検出先端部２５を覆う保護層２０の気孔率を２５％以上にしている。この構成により、保護層２０の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体３１及びヒータ３４を含む素子体から保護層２０への熱引けが生じにくくなる。また、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。この構成により、保護層２０のヒータ側部分２１の保温効果（断熱効果）に比べて、保護層２０の遮蔽側部分２２の保温効果が高くなり、ヒータ３４によるセンサ素子２の昇温過程において、センサ素子２の検出先端部２５における対向方向Ｄの温度分布（温度差）が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子２の検出先端部２５に熱応力が生じにくくすることができる。
【0052】
ヒータ３４によってセンサ素子２の検出先端部２５を昇温する過程においては、検出先端部２５のヒータ側の温度が、検出先端部２５の遮蔽側の温度よりも高くなり、検出先端部２５の対向方向Ｄに温度分布が生じる。このとき、発明者らの研究開発から得られた知見により、検出先端部２５のヒータ側の部分には幅方向Ｗの外側への引張応力が生じ、検出先端部２５の遮蔽側の部分には幅方向Ｗの内側への圧縮応力が生じることが分かった。この引張応力及び圧縮応力の発生により、検出先端部２５に割れが生じやすい状態が形成される。
【0053】
本形態のガスセンサ１のセンサ素子２においては、この温度分布に応じた引張応力及び圧縮応力の発生を緩和するために、保護層２０の気孔率を２５％以上とし、検出先端部２５に設ける保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２を、保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きくする。すなわち、保護層２０のヒータ側部分２１の厚みｔ１が相対的に小さいことにより、ヒータ側部分２１の保温効果が低くなる。一方、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２が相対的に大きいことにより、遮蔽側部分２２の保温効果が高くなる。この構成により、センサ素子２の検出先端部２５の対向方向Ｄに生じる温度分布が緩和される。そのため、検出先端部２５に熱応力が生じにくくなり、検出先端部２５に割れが生じにくくすることができる。
【0054】
センサ素子２に生じる昇温ストレスが最も高くなるタイミングが、エンジン始動後のセンサ始動時である。センサ始動時には、ヒータ３４への本通電を行って、センサ素子２を早期に活性化させる。また、ヒータ３４への本通電前に微通電することによって、センサ素子２に生じる昇温ストレスを緩和するような制御をする場合もある。ただし、本通電においていかに早くセンサ素子２を昇温するかが早期活性のポイントとなる。
【0055】
本形態のガスセンサ１のセンサ素子２においては、センサ素子２の検出先端部２５を覆う保護層２０に工夫をすることにより、センサ素子２の昇温速度を２０℃／ｓ以上にして、センサ素子２を早期に活性化させる場合にも、検出先端部２５に割れが生じにくくすることができる。
【0056】
このように、本形態のガスセンサ１によれば、センサ素子２の検出先端部２５に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができる。
【0057】
＜実施形態２＞
本形態は、保護層２０の一部を２層構造にしたセンサ素子２について示す。図５に示すように、本形態の保護層２０の遮蔽側部分２２は、気孔率が相対的に大きい内側層２２１と、内側層２２１の外側に積層され、内側層２２１に比べて気孔率が相対的に小さい外側層２２２とによって構成されている。内側層２２１は、センサ素子２の対向方向Ｄにおける遮蔽側の部分の保温効果を高めるために、保護層２０のヒータ側部分２１及び外側層２２２に比べて気孔率を高くしたものである。
本形態は、保護層２０の一部を２層構造にしたセンサ素子２について示す。図５に示すように、本形態の保護層２０の遮蔽側部分２２は、気孔率が相対的に大きい内側層２２１と、内側層２２１の外側に積層され、内側層２２１に比べて気孔率が相対的に小さい外側層２２２とによって構成されている。内側層２２１は、センサ素子２の対向方向Ｄにおける遮蔽側の部分の保温効果を高めるために、保護層２０のヒータ側部分２１及び外側層２２２に比べて気孔率を高くしたものである。
【0058】
内側層２２１を除く保護層２０の全体は、同種のセラミックス材料によって構成されており、内側層２２１は、他の部分と気孔率が異なるセラミックス材料によって構成されている。より具体的には、本形態の保護層２０のヒータ側部分２１、側方部分２３、外側層２２２は、気孔率が２５％以上である同種の第１セラミックス材料によって構成されており、内側層２２１は、第１セラミックス材料に比べて気孔率が高い第２セラミックス材料によって構成されている。
【0059】
保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２とは、内側層２２１と外側層２２２とを合わせた厚みｔ２のことをいう。そして、内側層２２１と外側層２２２とを合わせた遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、ヒータ側部分２１の厚みｔ１よりも大きい。
【0060】
内側層２２１は、例えば、５μｍ以上の厚みで形成されていればよい。内側層２２１を除く保護層２０の残りの部分は、センサ素子２の素子体を被水による割れから保護できる範囲で決定すればよい。保護層２０の遮蔽側部分２２が内側層２２１及び外側層２２２によって構成されていることにより、遮蔽側部分２２による保温効果をより高めることができ、センサ素子２の検出先端部２５における対向方向Ｄの温度分布がより生じにくくすることができる。
【0061】
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の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。
【0062】
（確認試験１）
本確認試験においては、保護層２０の気孔率の大きさが、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層２０の気孔率が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、センサ素子２を加熱するためにヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層２０の気孔率は、８～５５％の範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０において、ヒータ側部分２１の厚みｔ１と遮蔽側部分２２の厚みｔ２とは、約５００μｍとして同じにした。
本確認試験においては、保護層２０の気孔率の大きさが、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層２０の気孔率が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、センサ素子２を加熱するためにヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層２０の気孔率は、８～５５％の範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０において、ヒータ側部分２１の厚みｔ１と遮蔽側部分２２の厚みｔ２とは、約５００μｍとして同じにした。
【0063】
表１には、確認試験１による結果を示す。表１においては、センサ素子２のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子２のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
【表1】
【0064】
保護層２０の気孔率が２０％以下である場合には、印加電圧が１０Ｖのときでもセンサ素子２のサンプルに割れが生じた。一方、保護層２０の気孔率が２５％である場合には、印加電圧が１２Ｖまでは割れが生じず、気孔率が２５％から高くなるに連れて印加電圧をより高くしても割れが生じない結果が得られた。特に、保護層２０の気孔率が２５％以上であることにより、センサ素子２の検出先端部２５の保温効果が高まり、センサ素子２の耐久性が向上することが分かった。また、保護層２０の気孔率は、保護層２０の被水に対する性能、強度等を考慮して、例えば、５５％以下とすればよい。
【0065】
（確認試験２）
本確認試験においては、保護層２０の、ヒータ側部分２１の厚みｔ１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率が、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、当該厚みの比率が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、ヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの当該厚みの比率は、０．８５～３．０倍の範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０の気孔率は２５％とした。
本確認試験においては、保護層２０の、ヒータ側部分２１の厚みｔ１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率が、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、当該厚みの比率が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、ヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの当該厚みの比率は、０．８５～３．０倍の範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０の気孔率は２５％とした。
【0066】
表２には、確認試験２による結果を示す。表２においては、センサ素子２のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子２のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
【表2】
【0067】
ヒータ側部分２１の厚みｔ１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率が大きくなるほど、印加電圧を高くしてもセンサ素子２のサンプルに割れが生じにくくなることが分かった。そして、この割れは、保護層２０の比率が１．３倍未満になると、低い印加電圧であっても生じやすくなることが分かった。そのため、ヒータ側部分２１の厚みｔ１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率が１．３倍以上であることにより、センサ素子２の検出先端部２５における対向方向Ｄの温度分布が生じにくくなり、センサ素子２の耐久性が向上することが分かった。また、ヒータ側部分２１の厚みｔ１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率は、保護層２０の被水に対する性能等を考慮して、例えば、３．０倍以下とすればよい。
【0068】
（確認試験３）
本確認試験においては、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２が、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、ヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、１１２～７３０μｍの範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０において、気孔率は２５％とし、ヒータ側部分２１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率は１．３倍となるようにした。
本確認試験においては、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２が、センサ素子２の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２が異なる複数のセンサ素子２のサンプルについて、ヒータ３４に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層２０の遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、１１２～７３０μｍの範囲内で変化させ、印加電圧は、１０～２０Ｖの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層２０において、気孔率は２５％とし、ヒータ側部分２１に対する遮蔽側部分２２の厚みｔ２の比率は１．３倍となるようにした。
【0069】
表３には、確認試験３による結果を示す。表３においては、センサ素子２のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子２のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
【表3】
【0070】
遮蔽側部分２２の厚みｔ２が大きくなるほど、印加電圧を高くしてもセンサ素子２のサンプルに割れが生じにくくなることが分かった。そして、この割れは、遮蔽側部分２２の厚みｔ２が４９８μｍ未満になると、低い印加電圧であっても生じやすくなることが分かった。そのため、遮蔽側部分２２の厚みｔ２が４９８μｍ以上であることにより、センサ素子２の耐久性が向上することが分かった。また、遮蔽側部分２２の厚みｔ２は、温度分布がどれだけ生じにくくなるかを考慮して、例えば、７３０μｍ以下とすればよい。
【0071】
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。
【符号の説明】
【0072】
１ ガスセンサ
２ センサ素子
２０ 保護層
２１ ヒータ側部分
２２ 遮蔽側部分
２５ 検出先端部
３１ 固体電解質体
３４ ヒータ
２ センサ素子
２０ 保護層
２１ ヒータ側部分
２２ 遮蔽側部分
２５ 検出先端部
３１ 固体電解質体
３４ ヒータ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】