JP7017425B2 - ガスセンサ素子、ガスセンサ及びガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、板状の固体電解質体と固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有する１つ以上のセルと、発熱部を有する板状のヒータと、が積層された積層体を備えるガスセンサ素子、ガスセンサ素子を備えるガスセンサ、及びガス検出装置に関する。

ガスセンサ素子の一例として、特許文献１に記載のガスセンサ素子が知られている。特許文献１に記載のガスセンサ素子は、板状の固体電解質体と固体電解質体の両面に設けられた一対の電極とを有するセルと、発熱部を有する板状のヒータとの積層体を備える。そして、特許文献１に記載のガスセンサ素子は、発熱部の熱で一対の電極及び固体電解質体を昇温して、これらを活性化させている。

特開２０１３－２３４８９６号公報

特許文献１に記載のガスセンサ素子では、一対の電極のそれぞれからヒータの発熱部までの距離が異なり、発熱部に近い側の電極に伝わる熱量と、発熱部に遠い側の電極に伝わる熱量とには大きな差が生じる。そのため、発熱部に近い側の電極は、発熱部に遠い側の電極よりも温度が高くなり、一対の電極間に温度差が生じる。その結果、温度差に起因して一対の電極間に熱起電力が生じ、生じた熱起電力がセンサ出力に対してノイズ成分となる。このように、センサ出力に対して一対の電極間の温度差に起因したノイズ成分が加わることにより、ガスセンサの検出精度が低下するという問題がある。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、一対の電極間における温度差を抑制可能なセンサ素子、センサ素子を備えるガスセンサ、及びガス検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一つ局面におけるガスセンサ素子は、一つ以上のセルと板状のヒータとが積層された積層体を備える。一つ以上のセルは、板状の固体電解質体と固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有する。板状のヒータは、通電により発熱する発熱部を有する。

一つ以上のセルのうち積層方向においてヒータに最も近いセルにおいては、一対の電極は、発熱部に重なる様に固体電解質体の両面に設けられ、発熱部に近い側の第１電極と発熱部に遠い側の第２電極とを備える。積層体は、第１電極と発熱部との間に設けられた断熱部と、積層方向から見たときに断熱部の周囲に連続して形成され、断熱部よりも熱伝導率が高い熱伝導部と、を備える。

このガスセンサ素子において、積層体が、ヒータの発熱部に近い側の第１電極と発熱部との間に断熱部を備えることにより、発熱部から一対の電極への熱の伝導経路が、直線的な経路ではなく、断熱部を迂回して回り込むような経路となる。これにより、発熱部から第１電極へ伝わる熱量と第２電極へ伝わる熱量との差が抑制されるため、一対の電極間の温度差を抑制することができる。

また、積層体は、積層方向から見たときに断熱部の周囲に連続して形成される熱伝導部を備える。すなわち、断熱部は、積層方向から見たときに熱伝導部で囲われ、積層体の外部に露出していない。よって、断熱部の一部が外部に露出している場合と比べて、熱の伝導経路が多く形成されるため、発熱部から一対の電極及び固体電解質体へ効率的に熱を伝えることができる。ひいては、発熱部から第１電極へ伝わる熱量と第２電極へ伝わる熱量の差を抑制しつつ、一対の電極及び固体電解質体の活性化の低下を抑制することができる。

次に、上述のセンサ素子においては、積層体は、断熱部よりも熱伝導率が高く、第１電極と断熱部とに挟まれたセラミック層を備えてもよい。
第１電極と断熱部との間に断熱部よりも熱伝導率が高いセラミック層が挟まれていることにより、第１電極と断熱部が接している場合よりも、発熱部から一対の電極及び固体電解質体へより効率的に熱を伝えることができる。

次に、上述のセンサ素子においては、断熱部は、その積層方向に垂直な面の面積が、第１電極の発熱部に向く面の面積以上となるように構成されていてもよい。
実験により、断熱部の積層方向に垂直な面の面積（以下、断熱部断面積）が、第１電極の発熱部に向く面積（以下、第１電極面積）未満の場合は、断熱部断面積を大きくするほど一対の電極間の温度差が小さくなり、断熱部断面積が第１電極面積以上になると、一対の電極間の温度差はほぼ変わらなくなることがわかった。したがって、断熱部断面積を第１電極面積以上とすることで、一対の電極間の温度差を好適に抑制することができる。

次に、上述のセンサ素子においては、断熱部は、空間であってもよい。
積層体が、発熱部と第１電極との間に空間を備えることにより、発熱部から第１電極への直線的な熱の伝導を抑制して、一対の電極間の温度差を抑制することができる。

次に、上述のセンサ素子においては、断熱部は、熱伝導部よりも気孔率の高い多孔質部材によって形成されていてもよい。
このような場合でも、断熱部が空間である場合と同様に、一対の電極間の温度差を抑制することができる。

次に、上述のセンサ素子においては、断熱部は、熱伝導部よりも熱伝導率が低い緻密部材によって形成されていてもよい。
このような場合でも、断熱部が空間である場合と同様に、一対の電極間の温度差を抑制することができる。

本発明の他の一つの局面におけるガスセンサは、上述のガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を保持するハウジングと、を備える。
このようなガスセンサは、上述のガスセンサ素子を備えることにより、検出精度を向上させることができる。

本発明の他の一つの局面におけるガス検出装置は、上述のガスセンサと、発熱部の通電をＰＷＭ制御するセンサ制御部と、を備える。ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略である。
ガスセンサ素子の温度が一定になるように発熱部をＰＷＭ制御する場合、発熱部をＰＷＭ制御しない場合と比べて、センサ出力に対して変動するノイズが加わるため、検出精度が低下しやすい。ガス検出装置は、上述のガスセンサを備えることにより、発熱部をＰＷＭ制御する場合でも、センサ出力に対して加わるノイズを抑制して、検出精度を向上させることができる。

なお、ここでの「垂直」とは、厳密な意味での垂直に限るものではなく、目的とする効果を奏するのであれば厳密に垂直でなくてもよい。

ガスセンサとセンサコントロールユニットとを備えたガス検出装置の構成を示す図である。 第１実施形態のガスセンサ素子を示す斜視図である。 第１実施形態のガスセンサ素子を図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。 第１実施形態のガスセンサ素子を図２におけるＩＶ－ＩＶ線に沿って切断した断面図である。 ヒータの発熱抵抗体パターンを示す図である。 従来のガスセンサ素子を積層方向及び軸線方向に垂直な面で切断した断面を示す図である。 従来のガスセンサ素子のヒータをＰＷＭ制御した場合に発生する出力の変動量を示す図である。 断熱部の幅を第１電極の幅よりも小さくした場合における、第１セルと断熱部とを示す模式図である。 断熱部の幅を第１電極の幅と等しくした場合における、第１セルと断熱部とを示す模式図である。 断熱部の幅を第１電極の幅よりも大きくした場合における、第１セルと断熱部とを示す模式図である。 断熱部の断面積を第１電極の電極面積よりも小さくした場合における、発熱部と断熱部と第１電極とを示す模式図である。 断熱部の断面積を第１電極の電極面積と等しくした場合における、発熱部と断熱部と第１電極とを示す模式図である。 断熱部の断面積を第１電極の電極面積よりも大きくした場合における、発熱部と断熱部と第１電極とを示す模式図である。 断熱部を空間又は多孔質部材とした場合における、第１電極の大きさと断熱部の大きさとノイズ低減率との関係を説明する図である。 第１実施形態の他の例のガスセンサ素子の図３に対応する断面図である。 第２実施形態のガスセンサ素子の外観を示す斜視図である。 第２実施形態のガスセンサ素子を図１５におけるＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線に沿って切断した断面図である。 第２実施形態のガスセンサ素子を図１５におけるＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
（第１実施形態）
＜１．ガス検出装置＞
まず、第１実施形態のガス検出装置９００の構成について、図１を参照して説明する。ガス検出装置９００は、ガスセンサ１とセンサコントロールユニット８００（以下、ＳＣＵ８００）とを備える。ガスセンサ１は、車両に搭載されて用いられるガスセンサを想定しており、例えば、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサである。図１では、ガスセンサ１を軸線方向に沿って切断した断面図によってガスセンサ１を示している。

ガスセンサ１は、主体金具５と、セラミックスリーブ９と、絶縁コンタクト部材１３と、５個（図１には２個のみ図示）の接続端子１５と、外筒５７と、グロメット６１と、プロテクタ５５と、ガスセンサ素子７と、を備えている。

主体金具５は、ガスセンサ１をエンジンの排気管に固定するためのネジ部３を外表面に有する。また、主体金具５は、軸線方向に貫通する貫通孔３７を有するとともに、貫通孔３７の径方向内側に突出する棚部３９を有する筒状に構成されている。この主体金具５は、後述するガスセンサ素子７のガス導入部９４を貫通孔３７の先端よりも先端側に配置し、ガスセンサ素子７の電極パッド２５，２７，２９，３１，３３を貫通孔３７の後端よりも後端側に配置する状態で、貫通孔３７に挿通されたガスセンサ素子７を保持するよう構成されている。なお、軸線方向は、ガスセンサ１の長手方向であり、図１の上下方向である。また、先端側は図１における下側であり、後端側は図１における上側である。

また、主体金具５の貫通孔３７の内部には、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ４１、滑石リング４３、滑石リング４５、及びセラミックスリーブ９が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

セラミックスリーブ９は、筒状に形成されており、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲むように配置される。このセラミックスリーブ９と主体金具５の後端部４７との間には、加締パッキン４９が配置される。一方、セラミックホルダ４１と主体金具５の棚部３９との間には、滑石リング４３やセラミックホルダ４１を保持するための金属ホルダ５１が配置されている。主体金具５の後端部４７は、加締パッキン４９を介してセラミックスリーブ９を先端側に押し付けるように、加締められている。

プロテクタ５５は、円筒状の部材の二重構造となっている。各円筒状の部材は、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレス）の部材である。プロテクタ５５は、ガスセンサ素子７の主体金具５からの突出部分を覆うように、主体金具５の先端部５３の外周に溶接等によって固定されている。

外筒５７は、円筒状に形成されており、主体金具５の後端側の外周に固定されている。絶縁コンタクト部材１３は、筒状に形成されており、内部に軸線方向に貫通する挿通孔１１を備える。絶縁コンタクト部材１３は、挿通孔１１の内壁面がガスセンサ素子７の後端部の周囲を取り囲むように、外筒５７の内部に配置される。絶縁コンタクト部材１３の外周には、突出部６３が形成されており、突出部６３は、保持部材６５を介して外筒５７に固定されている。

５個の接続端子１５は、それぞれ、ガスセンサ素子７と絶縁コンタクト部材１３との間に配置される。５個の接続端子１５は、ガスセンサ素子７の電極パッド２５，２７，２９，３１，３３にそれぞれ電気的に接続されるとともに、ＳＣＵ８００からガスセンサ１の内部に配設されるリード線３５にも電気的に接続されている。

グロメット６１は、外筒５７の後端側の開口部に配置されている。グロメット６１は、５本のリード線３５が挿通される挿通孔５９を備える。５本のリード線３５は、第１端が接続端子１５を介して電極パッド２５，２７，２９，３１，３３とそれぞれ電気的に接続されるとともに、第２端がＳＣＵ８００に接続される。図１では、５本のリード線３５のうちの３本を示している。

ガスセンサ素子７は、軸線方向に延びる板状の素子である。図２に示すように、ガスセンサ素子７は、軸線方向に延びる板状の素子部７１と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ７３と、素子部７１及びヒータ７３の先端側を覆う保護層１７と、を備える。素子部７１およびヒータ７３の先端側は、測定対象となるガスに向けられる素子本体部７０である。また、ガスセンサ素子７は、後端側の外表面のうち表裏の位置関係となる第１主面２１および第２主面２３に、電極パッド２５，２７，２９，３１，３３が形成されている。ガスセンサ素子７の構成の詳細は後述する。

センサコントロールユニット８００（以下、ＳＣＵ８００）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータを主体として構成された制御装置である。ＳＣＵ８００は、ガスセンサ１の濃度検出処理やヒータ７３の通電制御を含む各種処理を実行する。

＜２．ガスセンサ素子＞
次に、ガスセンサ素子７の構成について、図２～図５を参照して説明する。ガスセンサ素子７は、板状の素子部７１と板状のヒータ７３とが積層された積層体７２と、保護層１７と、を備える、長尺の略直方体形状の板材である。ガスセンサ素子７の後端側（図２の上方）には、Ｃ面取り部１３１が形成されている。Ｃ面取り部１３１は、ガスセンサ素子７の後端面の周囲四方の稜線に対して、Ｃ面取りを施すことによって形成されている。ガスセンサ素子の後端面は、ガスセンサ素子の長手方向と垂直な面である。

ここで、各図において、ガスセンサ素子７の長手方向をＹ軸方向、長手方向に垂直な積層方向をＺ軸方向、長手方向及び積層方向に垂直な幅方向をＸ軸方向とする。ガスセンサ素子７において、素子部７１は、積層方向の一方の側に配置されており、ヒータ７３は、素子部７１の反対側に配置されている。

素子部７１は、酸素濃度検出セル８１及び酸素ポンプセル８９の二つのセルと、これら二つのセルの間に積層され、中空のガス測定室を形成するための絶縁スペーサ９３と、を備えている。

酸素濃度検出セル８１は、酸素ポンプセル８９よりもヒータ７３に近い側に形成されており、第１固体電解質体７５と、一対の電極である第１電極７９及び第２電極７７と、を備える。酸素ポンプセル８９は、第２固体電解質体８３と、一対の電極である第３電極８７及び第４電極８５と、を備える。第１及び第２固体電解質体７５，８３は、イットリアを安定化剤として固溶させたジルコニアから、長手方向に延びる板形状に形成されている。

第１電極７９、第２電極７７、第３電極８７、及び第４電極８５は、Ｐｔを主体として形成された多孔質電極である。第１電極７９及び第２電極７７は、第１固体電解質体７５の先端部分の両面に設けられており、第１電極７９はヒータ７３に近い側の面に設けられており、第２電極７７はヒータ７３に遠い側の面に設けられている。また、第３電極８７と第４電極８５は、第２固体電解質体８３の両面に設けられており、第３電極８７はヒータ７３に近い側の面に設けられており、第４電極８５はヒータ７３に遠い側の面に設けられている。

また、ガス測定室９１を形成する絶縁スペーサ９３は、アルミナを主体に形成されており、中空のガス測定室９１の内側には、酸素濃度検出セル８１の第２電極７７と、酸素ポンプセル８９の第３電極８７が露出するように配置されている。

絶縁スペーサ９３の側面、つまり素子部７１の側面には、排ガスの取り込み口となる２つのガス導入部９４が形成されている。ガス導入部９４は、ガス測定室９１に連通している。２つのガス導入部９４からガス測定室９１までの各経路には、拡散律速部９５が形成されている。拡散律速部９５は、例えば、アルミナ等からなる多孔質体で構成されており、測定対象ガスがガス測定室９１へ流入する際の律速を行う。拡散律速部９５は、その一部がガス導入部９４から露出する状態で備えられている。つまり、このガスセンサ素子７においては、ガス導入部９４は、素子本体部７０の最外面において異なる２方向に向けて形成されており、拡散律速部９５は、異なる２方向に向けて露出している。

素子部７１の第１主面２１側にはアルミナを主体とする絶縁基板９７が積層されており、この絶縁基板９７には、拡散律速部９５と同様に、多孔質体で構成された通気部９９が形成されている。この通気部９９は、酸素ポンプセル８９の駆動により移動する酸素を通過させるために使用される。

ガス測定室９１は、素子部７１のうち先端側の素子本体部７０に位置するように形成されており、酸素濃度検出セル８１及び酸素ポンプセル８９は、ガス測定室９１に面しており、酸素を検出するためのガス検出部として備えられる。

保護層１７は、多孔質状のアルミナで構成されており、素子本体部７０の最外面を覆うように形成されている。具体的には、保護層１７は、拡散律速部９５よりも拡散抵抗が小さい多孔質材料で構成されている。このような構成のガスセンサ素子７においては、排ガスは、保護層１７を介してガス導入部９４に到達し、ガス導入部９４から拡散律速部９５を介してガス測定室９１に導入される。

ヒータ７３は、アルミナを主体とする緻密層である絶縁基板１０１、１０３の間に、Ｐｔを主体とする発熱抵抗体パターン１０５が挟み込まれて形成されており、酸素濃度検出セル８１及び酸素ポンプセル８９を活性化温度まで加熱する。絶縁基板１０１，１０３が、発熱抵抗体パターン１０５の上下を挟むように発熱抵抗体パターン１０５を包みこんでいるため、発熱抵抗体パターン１０５からの熱が速やかに酸素濃度検出セル８１及び酸素ポンプセル８９へ伝わる。

また、ヒータ７３は、ＳＣＵ８００によって通電制御が行われる。本実施形態では、ヒータ７３は、素子部７１の温度が一定となるように、ＰＷＭ制御される。すなわち、ＳＣＵ８０は、所定の周期におけるオン期間とオフ期間の割合が所定のデューティ比となるように、ヒータ７３の通電を制御する。

発熱抵抗体パターン１０５は、図５に示すように、先端側に設けられた複数の直線部１０５ａと、複数の直線部１０５ａの後端から後端側へ延びたヒータリード部と、を備える。本実施形態では、発熱抵抗体パターン１０５は、４本の直線部１０５ａを備える。発熱抵抗体パターン１０５のうち、発熱するのは複数の直線部１０５ａである。複数の直線部１０５ａは、積層方向において、複数の直線部１０５ａ、酸素濃度検出セル８１、ガス測定室９１、及び酸素ポンプセル８９がこの順番で重なるように、素子本体部７０に設けられている。

また、積層体７２は、発熱抵抗体パターン１０５の複数の直線部１０５ａと酸素濃度検出セル８１の第１電極７９との間に設けられた断熱部１８を備える。断熱部１８は、ヒータ７３の素子部７１側の絶縁基板１０１において、第１電極７９と重なる部分に設けられた凹部に形成されている。つまり、断熱部１８は複数の直線部１０５ａに直に接してはおらず、断熱部１８と複数の直線部１０５ａとの間に絶縁基板１０１が挟まれている。また、断熱部１８は、ガスセンサ素子７の幅方向において、複数の直線部１０５ａのうちの少なくとも２本を跨ぐように設けられている。

断熱部１８は、凹部に形成される空間でもよいし、凹部に埋め込まれた多孔質部材でもよいし、凹部に埋め込まれた緻密部材でもよい。断熱部１８を多孔質部材とした場合、多孔質部材としては、断熱部１８の周囲の絶縁基板１０３よりも気孔率の高い多孔質部材、例えば、気孔径０．７μｍ、気孔率約４５％の多孔質部材を採用できる。また、断熱部１８を緻密部材とした場合、緻密部材としては、断熱部１８の周囲の絶縁基板１０１よりも熱伝導率が低い緻密部材を採用できる。

断熱部１８は、積層体７２の内部に埋め込まれており、積層体７２から露出していない。すなわち、積層方向から見たときに、絶縁基板１０１は、断熱部１８の周囲に連続して形成されている。絶縁基板１０１は、断熱部１８よりも熱伝導率が高い部材である。具体的には、絶縁基板１０１は、断熱部１８である空間又は多孔質部材又は緻密部材を形成する物質よりも熱伝導率が高い物質で形成された部材でもよいし、断熱部１８である多孔質部材又は緻密部材と気孔率及び／又は気孔径が異なることによって、断熱部１８よりも熱伝導率が高い部材でもよい。

よって、直線部１０５ａから酸素濃度検出セル８１への熱の伝導経路が、直線部１０５ａから酸素濃度検出セル８１へ向かう直線的な経路ではなく、断熱部１８を迂回して回り込むような経路となる。そのため、直線部１０５ａから第１電極７９へ伝わる熱量と第２電極７７へ伝わる熱量と差が抑制される。さらに、断熱部１８が積層体７２の外部に露出していないため、断熱部１８の一部が外部に露出している場合と比べて、熱の伝導経路が多く形成される。また、断熱部１８が複数の直線部１０５ａのうちの少なくとも２本を跨ぐように設けられていることにより、複数の熱源から酸素濃度検出セル８１へ熱が伝わるため、直線部１０５ａから第１電極７９へ伝わる熱量と第２電極７７へ伝わる熱量との差を抑制し、熱起電力の発生を抑制しつつ、より効果的に酸素濃度検出セル８１を加熱することができる。

また、積層体７２は、断熱部１８と第１電極７９とに挟まれたセラミック製の絶縁基板１０２を備える。詳しくは、絶縁基板１０２は、絶縁基板１０１と第１固体電解質体７５との間に設けられており、第１電極７９は絶縁基板１０２に埋め込まれている。よって、第１電極７９は断熱部１８に直に接してはおらず、第１電極７９と断熱部１８との間に絶縁基板１０２が挟まれている。絶縁基板１０２は、断熱部１８よりも熱伝導率が高い部材である。このように、第１電極７９と断熱部１８との間に、断熱部１８よりも熱伝導率が高い絶縁基板１０２が挟まれていることにより、直線部１０５ａから断熱部１８を迂回して伝達された熱は、絶縁基板１０２の部分で軸線方向へ広がり、酸素濃度検出セル８１へ効率的に伝えられる。

ここで、図６に示す従来のガスセンサ素子は、ヒータＨ１１と第１セルＣ１１と第２セルＣ１２とを備え、断熱部を備えていない。第１セルＣ１１は、ヒータＨ１１に近い側の電極Ｖｓ＋とヒータＨ１１に遠い側の電極Ｖｓ－とを備える。従来のガスセンサ素子は、断熱部を備えていないため、断熱部を備えている場合と比べて、電極Ｖｓ＋と電極Ｖｓ－とに伝わる熱量の差が大きくなり、電極Ｖｓ＋と電極Ｖｓ－の温度差が大きくなる。その結果、電極Ｖｓ＋と電極Ｖｓ－との間に、ゼーベック効果によって熱起電力が生じる。

図７に示すように、電極Ｖｓ＋と電極Ｖｓ－との温度差によって生じる熱起電力は、起電力Ｖｓの変動量ΔＶｓに寄与するノイズ成分となる。起電力Ｖｓに対する他のノイズ成分は、ヒータ７３の通電のオンオフの切り替えに伴う電磁誘導とホワイトノイズがある。これらのノイズ成分の中でも、熱起電力に伴う出力変動は大きく常時発生するため、電極Ｖｓ＋と電極Ｖｓ－との温度差が大きいと、ガスセンサのセンサ出力が不安定になる可能性がある。これに対して、本実施形態のガスセンサ素子７は断熱部１８を備えているため、熱起電力による出力変動が抑制され、ガスセンサ１のセンサ出力は安定しやすい。

＜３．断熱部の大きさ＞
次に、断熱部１８の大きさとノイズの低減効果について説明する。ここでは、断熱部１８の積層方向の厚みと軸線方向の長さ、すなわち、断熱部１８のｚ方向の厚みとｙ方向の長さを一定にし、断熱部１８の幅すなわちｘ方向の長さを３通りに変化させて、ノイズの低減効果を比較した。

具体的には、（ｉ）図８及び図１１に示すように、断熱部１８の幅を第１電極７９の幅よりも小さくする。（ｉｉ）図９及び図１２に示すように、断熱部１８の幅を第１電極７９の幅と等しくする。（ｉｉｉ）図１０及び図１３に示すように、断熱部１８の幅を第１電極７９の幅よりも大きくする。（ｉ）の場合は、断熱部１８の積層方向に垂直な面の面積（以下、断熱部断面積）が、第１電極７９の発熱抵抗体パターン１０５の直線部１０５ａに向く面の面積（以下、第１電極面積）、つまり、断熱部１８に対向する面の面積よりも小さくなる。（ｉｉ）の場合、断熱部断面積と第１電極面積は等しくなる。（ｉｉｉ）の場合、断熱部断面積は第１電極面積よりも大きくなる。

図１４に、断熱部１８なし、断熱部１８を空間とした（ｉ）～（ｉｉｉ）の場合、断熱部１８を多孔質材とした（ｉ）～（ｉｉｉ）の場合における、ノイズの有無、ノイズの低減率を示す。ノイズの有無は、×、△、○、◎の順で後になるほどノイズが少ないことを示す。ノイズの低減率は、断熱部１８なしとした場合と比較して、どの程度ノイズが低減したかを示す数値である。

図１４に示すように、断熱部１８がない場合と比べて、断熱部１８を空間及び多孔質材のどちらにした場合も、ノイズ低減効果が得られているが、断熱部１８を空間にした場合に、特にノイズ低減効果が高いことがわかる。断熱部１８を多孔質材とする場合は、気孔径を大きくする及び／又は気孔率を大きくすることで、ノイズ低減効果を、断熱部１８を空間とした場合のノイズ低減効果に近づけることができる。

また、断熱部１８がない場合と比べて、断熱部１８の大きさを（ｉ）～（ｉｉｉ）のどれにした場合でも、ノイズ低減効果が得られることがわかる。そして、断熱部１８の大きさを（ｉ）とした場合と比べて、（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）とした場合の方が、ノイズ低減効果が高くなっていることがわかる。よって、ノイズ低減効果を向上させるためには、断熱部断面積を第１電極面積以上とすることが望ましい。

ただし、断熱部１８の大きさを（ｉｉ）とした場合と（ｉｉｉ）とした場合とでは、ノイズ低減効果は略等しく、有意な差は見られない。また、断熱部１８を空間又は多孔質材とする場合、断熱部１８を大きくするほど、ガスセンサ素子７の強度が低下する。したがって、ノイズ低減効果及びガスセンサ素子７の強度の観点から、断熱部断面積は第１電極面積と等しくすることが最も望ましい。

＜４．効果＞
以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）断熱部１８を備えることにより、直線部１０５ａから酸素濃度検出セル８１への熱の伝導経路が、直線的な経路ではなく、断熱部１８を迂回して回り込むような経路となる。これにより、直線部１０５ａから第１電極７９へ伝わる熱量と第２電極７７へ伝わる熱量との差が抑制され、第１電極７９と第２電極７７の電極間の温度差を抑制することができる。さらに、断熱部１８は、積層体７２の外部に露出していないため、断熱部１８の一部が外部に露出している場合と比べて、熱の伝導経路が多く形成される。よって、直線部１０５ａから酸素濃度検出セル８１へ効率的に熱を伝えることができる。ひいては、直線部１０５ａから第１電極７９へ伝わる熱量と第２電極７７へ伝わる熱量の差を抑制しつつ、酸素濃度検出セル８１の活性化の低下を抑制することができる。

（２）第１電極７９と断熱部１８との間に断熱部１８よりも熱伝導率が高い絶縁基板１０２が挟まれていることにより、第１電極７９と断熱部１８が接している場合よりも、直線部１０５ａから酸素濃度検出セル８１へより効率的に熱を伝えることができる。

（３）断熱部１８の断熱断面積を第１電極７９の第１電極面積以上とすることで、第１電極７９と第２電極７７との電極間の温度差を好適に抑制することができる。
（４）ガスセンサ１は、ガスセンサ素子７を備えることにより、検出精度を向上させることができる。

（５）ガス検出装置９００は、ガスセンサ素子７を備えることにより、ヒータ７３の通電をＰＷＭ制御する場合でも、センサ出力に対して加わるノイズを抑制して、検出精度を向上させることができる。

＜５．第１実施形態の変形例＞
上述した第１実施形態では、積層体７２は、断熱部１８と第１電極７９とに挟まれた絶縁基板１０２を備えていた。酸素濃度検出セル８１への熱伝導の効率の観点からすると、積層体７２は、絶縁基板１０２を備えている方が望ましいが、図１５に示すように、絶縁基板１０２を備えていなくてもよい。すなわち、第１電極７９が断熱部１８に直に接していてもよい。第１電極７９が断熱部１８に直に接していても、断熱部１８を設けたことにより熱起電力を抑制して、出力変動を抑制することができる。

＜６．文言の対応関係＞
ここで、文言の対応関係について説明する。
第１及び第２固体電解質体７５，８３が板状の固体電解質体に相当し、第１及び第２電極７９，７７と第３及び第４電極８７，８５が一対の電極に相当する。また、ヒータ７３、複数の直線部１０５ａ、積層体７２が、それぞれ板状のヒータ、発熱部、積層体に相当する。また、酸素濃度検出セル８１及び酸素ポンプセル８９が一つ以上のセルに相当し、酸素濃度検出セル８１がヒータに最も近いセルに相当する。また、第１電極７９、第２電極７７、断熱部１８、絶縁基板１０１、絶縁基板１０２が、それぞれ第１電極、第２電極、断熱部、熱伝導部、セラミック層に相当する。また、ガスセンサ素子７、ガスセンサ１、ＳＣＵ８００、ガス検出装置９００が、それぞれガスセンサ素子、ガスセンサ、制御部、ガス検出装置に相当する。また、主体金具５と外筒５７とプロテクタ５５がハウジングに相当する。

（第２実施形態）
＜１．第１実施形態との相違点＞
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、ガスセンサ素子７は２つのセルを備えていた。これに対し、第２実施形態では、ガスセンサ素子２０４が１つのセルしか備えていない点で、第１実施形態と相違する。

ガスセンサ素子２０４は、図１６～図１８に示すように、遮蔽層３１２、拡散律速部３１５、酸素ポンプセル５００、絶縁基板３０７、ヒータ４００が積層された積層体３５０と、積層体３５０の先端側を覆う保護層３３０と、を備えている。積層体３５０の先端側は、測定対象となるガスに向けられる素子本体部５０１である。

ヒータ４００は、ヒータ７３と同様に、軸線方向に延びる板状に形成されており、絶縁基板３０１と絶縁基板３０３で発熱抵抗体パターン１０５を挟んで構成されている。
酸素ポンプセル５００は、酸素ポンプセル８９と同様に、軸線方向に延びる板状に形成されており、固体電解質体３０９と、固体電解質体３０９の両面に形成された第５電極３０８と第６電極３１０と、を備える。第５電極３０８及び第６電極３１０は、ヒータ４００の直線部１０５ａに重なる様に、固体電解質体３０９の両面に設けられている。第５電極３０８は、固体電解質体３０９の長手方向に沿って延びる不図示のリード部を備えており、このリード部は、電極端子部３２１と電気的に接続されている。ガスセンサ素子２０４では、第５電極３０８と第６電極３１０との間に微小電流を流して、第５電極３０８を基準濃度に応じた基準電位にして用いる。

また、素子本体部５０１は、排ガスを導入するためのガス導入部３２２を備える。素子本体部５０１は、その内部に、ガス導入部３２２を介して排ガスが導入されるガス測定室３１６を備えている。ガス測定室３１６は、第６電極３１０を覆うように、固体電解質体３０９の表面に設けられている。

拡散律速部３１５は、アルミナから構成された多孔質材であり、ガス測定室３１６を覆うように、固体電解質体３０９の表面に設けられている。さらに、拡散律速部３１５の表面のうち固体電解質体３０９とは反対側の面には遮蔽層３１２が積層されている。また、拡散律速部３１５は、遮蔽層３１２及び固体電解質体３０９には接しない４つの側面が外部に露出している。拡散律速部３１５におけるこの露出部分が、ガスセンサ素子２０４の素子本体部５０１のうち排ガスを導入するためのガス導入部３２２となる。

絶縁基板３０７は、ヒータ４００と酸素ポンプセル５００との間に設けられている。絶縁基板３０７は、絶縁性を有するセラミック焼結体であればとくに限定されるものではなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを採用することができる。

また、絶縁基板３０７は、ヒータ４００に近い側の第５電極３０８と対向する部分がくり抜かれており、くり抜かれた部分に断熱部３２５が形成されている。つまり、断熱部３２５は、発熱抵抗体パターン１０５の直線部１０５ａと第５電極３０８との間に設けられており、直に第５電極３０８と接している。

絶縁基板３０７は、断熱部３２５よりも熱伝導率が高い部材であり、積層方向から見たときに、断熱部３２５の周囲に連続して形成されている。すなわち、断熱部３２５は、積層体３５０に埋め込まれており、積層体３５０から露出していない。

また、断熱部３２５は、断熱部１８と同様に、空間でもよいし、周囲の絶縁基板３０７よりも気孔率の高い多孔質部材でもよいし、絶縁基板３０７よりも熱伝導率の低い緻密部材でもよい。また、断熱部３２５は、断熱部１８と同様に、ガスセンサ素子２０４の幅方向において、複数の直線部１０５ａのうちの少なくとも２本を跨ぐように設けられている。

また、断熱部３２５の大きさは、断熱部１８と同様に、断熱部断面積を、第５電極３０８の直線部１０５ａに向く面積（以下、第５電極面積）以上にすることが望ましい。特に、断熱部１８の断熱部段絵面積と第５電極面積を等しくすることが最も望ましい。

また、断熱部３２５は、第５電極３０８に直に接しているが、断熱部１８と第１電極７９との間に絶縁基板１０２が設けられていたように、熱の伝導効率を上げるために、断熱部３２５と第５電極３０８との間に、断熱部３２５よりも熱伝導率が高く、絶縁基板３０７の熱伝導率以上の熱伝導率の絶縁基板が設けられていてもよい。

保護層３３０は、多孔質材のアルミナで、素子本体部５０１の最外面を覆うように形成されている。具体的には、保護層３３０は、拡散律速部３１５よりも拡散抵抗が小さい多孔質材料で構成されている。このような構成のガスセンサ素子２０４においては、排ガスは、保護層３３０を介してガス導入部３２２に到達し、ガス導入部３２２から拡散律速部３１５を介してガス測定室３１６に導入される。

以上説明した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１）～（５）と同様の効果を奏する。ただし、第１実施形態の酸素濃度検出セル８１は、第２実施形態の酸素ポンプセル５００に対応する。

＜２．文言の対応関係＞
ここで、文言の対応関係について説明する。
固体電解質体３０９が板状の固体電解質体に相当し、第５及び第６電極３０８，３１０が一対の電極に相当する。また、ヒータ４００、積層体３５０が、それぞれ板状のヒータ、積層体に相当する。また、酸素ポンプセル５００が一つ以上のセル及びヒータに最も近いセルに相当する。また、ガスセンサ素子２０４がガスセンサ素子に相当する。また、第５電極３０８、第６電極３１０、断熱部３２５、絶縁基板３０７が、それぞれ第１電極、第２電極、断熱部、熱伝導部に相当する。

（他の実施形態）
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（ａ）上記実施形態では、ＳＣＵ８００は、ヒータ７３，４００の通電をＰＷＭ制御していたが、ＰＷＭ制御に限定されるものではなく、例えば、オンし続けてもよい。ＳＣＵ８００がヒータ７３，４００をＰＷＭ制御しない場合、熱起電力が発生すると、センサ出力はオフセットされる。

（ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…ガスセンサ、５…主体金具、７，２０４…ガスセンサ素子、１７，３３０…保護層、１８，３２５…断熱部、５５…プロテクタ、５７…外筒、７０，５０１…素子本体部、７１…素子部、７２，３５０…積層体、７３，４００…ヒータ、７５…第１固体電解質体、７７…第２電極、７９…第１電極、８１…酸素濃度検出セル、８３…第２固体電解質体、８５…第４電極、８７…第３電極、８９，５００…酸素ポンプセル、９１，３１６…ガス測定室、９４，３２２…ガス導入部、９５，３１５…拡散律速部、９７，１０１，１０２，１０３，３０１，３０３，３０７…絶縁基板、１０５…発熱抵抗体パターン、１０５ａ…直線部、３０８…第５電極、３０９…固体電解質体、３１０…第６電極、８００…センサコントロールユニット、９００…ガス検出装置。

Claims (5)

1. 板状の固体電解質体と前記固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有する一つ以上のセルと、通電により発熱する発熱部を有する板状のヒータと、が積層された積層体を備えるガスセンサ素子であって、
   前記一つ以上のセルのうち積層方向において前記ヒータに最も近いセルにおいては、前記一対の電極は、前記発熱部に重なる様に前記固体電解質体の両面に設けられ、前記発熱部に近い側の第１電極と前記発熱部に遠い側の第２電極とを備え、
   前記積層体は、
   前記第１電極と前記発熱部との間に設けられた断熱部と、
   前記断熱部の全周囲を囲む絶縁基板と、を備え、
   前記絶縁基板は、
   積層方向から見たときに前記断熱部の周囲に連続して形成され、該断熱部よりも熱伝導率が高い熱伝導部と、
   前記断熱部よりも熱伝導率が高く、前記第１電極と前記断熱部とに挟まれたセラミック層と、を備え、
   前記断熱部は、空間である、
   ガスセンサ素子。
2. 板状の固体電解質体と前記固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有する一つ以上のセルと、通電により発熱する発熱部を有する板状のヒータと、が積層された積層体を備えるガスセンサ素子であって、
   前記一つ以上のセルのうち積層方向において前記ヒータに最も近いセルにおいては、前記一対の電極は、前記発熱部に重なる様に前記固体電解質体の両面に設けられ、前記発熱部に近い側の第１電極と前記発熱部に遠い側の第２電極とを備え、
   前記積層体は、
   前記第１電極と前記発熱部との間に設けられた断熱部と、積層方向から見たときに前記断熱部の周囲に連続して形成され、該断熱部よりも熱伝導率が高い熱伝導部と、
   前記断熱部よりも熱伝導率が高く、前記第１電極と前記断熱部とに挟まれたセラミック層と、を備え、
   前記断熱部は、前記熱伝導部よりも気孔率の高い多孔質部材によって形成されている、
   ガスセンサ素子。
3. 前記断熱部は、その前記積層方向に垂直な面の面積が、前記第１電極の前記発熱部に向く面の面積以上となるように構成されている、
   請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子を保持するハウジングと、を備える、
   ガスセンサ。
5. 請求項４に記載のガスセンサと、前記発熱部の通電をＰＷＭ制御するセンサ制御部と、を備える、
   ガス検出装置。

Images