气体传感器的制作方法

1.本发明涉及气体传感器，特别涉及针对向传感器元件所具备的加热器输入的功率的抑制。


背景技术：

2.以往，作为用于获知来自内燃机的废气等被测定气体中含有的期望气体成分的浓度的气体传感器，众所周知如下气体传感器，该传感器具有由氧化锆(zro2)等具有氧离子传导性的固体电解质构成、且在表面、内部具备若干电极的传感器元件。作为这种传感器元件，众所周知：具有长条板状的元件形状，并且在具备将被测定气体导入的部分的那侧的端部设置有由多孔质体形成的保护层(多孔质保护层)(例如参见专利文献1)。
3.关于专利文献1所公开的传感器元件，基于利用电化学泵单元对从气体导入口导入至内部空腔的被测定气体进行泵送时在固体电解质中流通的电流，确定期望气体成分的浓度。
4.在上述传感器元件的表面设置保护层的目的在于确保使用气体传感器时的传感器元件的耐浸水性。具体而言，其目的在于防止浸水开裂，该浸水开裂是指：在由内部所具备的加热器加热的状态下的传感器元件的表面附着有水滴的情况下，因来自水滴的热(冷源热)引起的热冲击作用于传感器元件而导致传感器元件开裂。
5.另外，关于这样的气体传感器，传感器元件配置于筒状外壳的内部、且利用陶瓷零部件、陶瓷粉末(压粉体)等进行固定。此外，在为了测定汽车的废气中含有的期望气体成分而安装于汽车的排气管等情况下，以防止发动机启动时产生的水附着于传感器元件、防止水侵入传感器元件内为主要目的，在气体传感器设置对传感器元件的具备气体导入口的那侧的端部附近予以保护的保护罩(例如参见专利文献2)。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2016－65852号公报
9.专利文献2：日本特开2019－168327号公报


技术实现要素：

10.在组装气体传感器时，通常考虑到组装精度而在外壳与传感器元件之间确保规定的间隙。
11.另一方面，在使用气体传感器时，传感器元件由内部所具备的加热器加热到规定的温度以使固体电解质活化。此时，虽然能期待通过来自作为金属零部件的外壳、保护罩等的辐射而实现的保温效果，但却存在如下问题，即，如果过度确保组装时的间隙，则为了充分获得该保温效果而导致加热器所需的功率增大，因此，其结果，加热器的负荷增大，加热器寿命降低。
12.另外，体现出该保温效果的程度还取决于末端保护层的性状(例如厚度、气孔率
等)。
13.本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，实现使用时能抑制针对加热器的输入功率的气体传感器。
14.为了解决上述课题，本发明的第一方案是对被测定气体中含有的监测对象气体成分进行监测并确定该监测对象气体成分的浓度的气体传感器，其特征在于，具备传感器元件以及金属部件，所述传感器元件固定地配置于该金属部件的内部，在所述传感器元件的一个端部侧具备所述被测定气体的导入口，且所述传感器元件具备：元件基体，该元件基体含有氧离子传导性的固体电解质；加热器，该加热器埋设于所述元件基体的内部；以及多孔质的末端保护层，该末端保护层将所述元件基体的所述一个端部侧的规定范围覆盖，所述传感器元件与所述金属部件的内表面之间的最短距离为0.20mm以上0.95mm以下，所述金属部件的所述内表面中的与所述传感器元件之间形成所述最短距离的部分的算术平均粗糙度为5μm以下。
15.本发明的第二方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述金属部件包括：金属制的外壳，所述传感器元件固定于该外壳的内部；以及金属制的保护罩，该保护罩附设于所述外壳，围绕所述传感器元件的所述一个端部侧，并且，被测定气体能够向该保护罩的内部流入，所述最短距离为所述外壳的内表面与所述传感器元件之间的距离。
16.本发明的第三方案是对被测定气体中含有的监测对象气体成分进行监测且确定该监测对象气体成分的浓度的气体传感器，其特征在于，具备：传感器元件、金属制的外壳以及金属制的保护罩，在所述传感器元件的一个端部侧具备所述被测定气体的导入口，并且所述传感器元件具备：元件基体，该元件基体含有氧离子传导性的固体电解质；加热器，该加热器埋设于所述元件基体的内部；以及多孔质的末端保护层，该末端保护层将所述元件基体的所述一个端部侧的规定范围覆盖，所述传感器元件固定于所述外壳的内部，所述保护罩附设于所述外壳，围绕所述传感器元件的所述一个端部侧，并且，被测定气体能够向该保护罩的内部流入，所述外壳的内表面和所述保护罩的内表面中的接近所述传感器元件的一方的内表面、与所述传感器元件之间的最短距离为0.20mm以上0.95mm以下，接近所述传感器元件的一方的内表面的算术平均粗糙度为5μm以下。
17.本发明的第四方案在第三方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述外壳的内表面比所述保护罩的内表面更接近所述传感器元件。
18.本发明的第五方案在第一方案至第四方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述末端保护层具备：内侧末端保护层，该内侧末端保护层设置成将所述一个端部以及相对于所述一个端部连续的所述元件基体的4个侧面覆盖；以及外侧末端保护层，该外侧末端保护层设置成将所述内侧末端保护层覆盖，且气孔率小于所述内侧末端保护层的气孔率，所述内侧末端保护层的厚度为450μm以上650μm以下，气孔率为45％～60％。
19.本发明的第六方案在第五方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述外侧末端保护层的算术平均粗糙度为50μm以下。
20.发明效果
21.根据本发明的第一方案至第六方案，在使用气体传感器时利用加热器而将传感器
元件加热到规定的驱动温度时，能够适当地获得基于来自金属部件的辐射的对传感器元件的保温效果，因此，加热时所需的加热器的功率得以抑制，能够实现加热器甚至气体传感器的长寿命化。
附图说明
22.图1是气体传感器100的结构的概要图。
23.图2是表示气体传感器100的传感器元件10的周围(特别是一个端部e1的周围)的详细结构的图。
24.图3是表示距离d及外壳302的内表面粗糙度ra与加热器功率之间的关系的分布图。
25.附图标记说明
[0026]1…
元件基体、2
…
末端保护层、3
…
基底层、10
…
传感器元件、22
…
内侧末端保护层、23
…
外侧末端保护层、100
…
气体传感器、150
…
加热器、151
…
绝缘层、160
…
电极端子、170
…
主面保护层、302
…
外壳、303
…
陶瓷保持件、304
…
压粉体、305
…
保护罩、305a
…
外侧保护罩、305b
…
内侧保护罩、306
…
大径部、307
…
小径部、308
…
台阶部、309
…
底部、311
…
流路、312
…
锥状部、320
…
丝杠螺母、e1
…
一个端部、e2
…
另一个端部、g
…
间隙、p1
…
主泵单元、p2
…
辅助泵单元、p3
…
测定用泵单元、d
…
距离。
具体实施方式
[0027]
＜传感器元件及气体传感器的概况＞
[0028]
图1是本实施方式所涉及的气体传感器100的结构的概要图。图1包括传感器元件(气体传感器元件)10的沿着长度方向的截面图。传感器元件10是对被测定气体中的规定气体成分进行监测且测定其浓度的气体传感器100的、作为主要结构要素的陶瓷结构体。传感器元件10是所谓的极限电流型的气体传感器元件。图1中，标注了以传感器元件10的长度方向为x轴、以宽度方向为y方向且以厚度方向为z轴的、右手系的xyz坐标(图2中也一样。)。
[0029]
除了传感器元件10以外，气体传感器100主要具备泵单元电源30、加热器电源40以及控制器50。
[0030]
应予说明，虽然图1中省略了图示，不过，关于实际的气体传感器100，传感器元件10收纳于称为外壳的壳体内，另外，其一个端部e1侧被保护罩覆盖(参见图2)。下文中，对其详细情况进行说明。
[0031]
如图1所示，概要而言，传感器元件10具有长条板状的元件基体1的一个端部e1侧由多孔质的末端保护层2覆盖的结构。
[0032]
元件基体1以长条板状的陶瓷体101为主要结构体、且在该陶瓷体101的2个主面上具备主面保护层170，此外，在传感器元件10、且在一个末端部侧的端面(陶瓷体101的末端面101e)及4个侧面的外侧设置有末端保护层2。应予说明，下文中，将传感器元件10(或元件基体1、陶瓷体101)的长度方向上的除了两个端面以外的4个侧面简称为传感器元件10(或元件基体1、陶瓷体101)的侧面。
[0033]
陶瓷体101由以作为氧离子传导性固体电解质的氧化锆(钇稳定氧化锆)为主成分的陶瓷构成。另外，在上述陶瓷体101的外部及内部设置有传感器元件10的各种结构要素。
具有上述结构的陶瓷体101是致密且气密的陶瓷体。应予说明，图1所示的传感器元件10的结构毕竟是示例，传感器元件10的具体结构并不局限于此。
[0034]
图1所示的传感器元件10是在陶瓷体101的内部具有第一内部空腔102、第二内部空腔103以及第三内部空腔104的、所谓的串联三腔结构型的气体传感器元件。即，概要而言，在传感器元件10中，第一内部空腔102通过第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120而与在陶瓷体101的一个端部e1侧相对于外部开口的(严格而言，借助末端保护层2而与外部连通的)气体导入口105连通，第二内部空腔103通过第三扩散速度控制部130而与第一内部空腔102连通，第三内部空腔104通过第四扩散速度控制部140而与第二内部空腔103连通。应予说明，还将从气体导入口105至第三内部空腔104的路径称为气体流通部。关于本实施方式所涉及的传感器元件10，上述流通部沿着陶瓷体101的长度方向而设置成一条直线状。
[0035]
第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130以及第四扩散速度控制部140均在附图中设置成上下2个狭缝。第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130以及第四扩散速度控制部140对通过的被测定气体施加规定的扩散阻力。应予说明，在第一扩散速度控制部110与第二扩散速度控制部120之间设置有具有使得被测定气体的脉动缓和的效果的缓冲空间115。
[0036]
另外，在陶瓷体101的外表面具备外部泵电极141，在第一内部空腔102具备内部泵电极142。此外，在第二内部空腔103具备辅助泵电极143，在第三内部空腔104具备作为测定对象气体成分的直接监测部的测定电极145。此外，在陶瓷体101的另一个端部e2侧具备与外部连通、且将基准气体导入的基准气体导入口106，在该基准气体导入口106内设置有基准电极147。
[0037]
例如，在上述传感器元件10的测定对象为被测定气体中的nox的情况下，通过如下过程对被测定气体中的nox气体浓度进行计算。
[0038]
首先，对于导入至第一内部空腔102的被测定气体，通过主泵单元p1的泵送作用(氧的吸入或吸出)而将氧浓度调整为大致恒定，然后，将该被测定气体向第二内部空腔103导入。主泵单元p1是构成为包括外部泵电极141、内部泵电极142、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101a的电化学泵单元。在第二内部空腔103，通过同为电化学泵单元的辅助泵单元p2的泵送作用而将被测定气体中的氧向元件外部吸出，由此使得被测定气体形成为足够低的氧分压状态。辅助泵单元p2构成为包括外部泵电极141、辅助泵电极143、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101b。
[0039]
外部泵电极141、内部泵电极142以及辅助泵电极143形成为多孔质金属陶瓷电极(例如，含有1％的au的pt与zro2的金属陶瓷电极)。应予说明，与被测定气体接触的内部泵电极142及辅助泵电极143利用能减弱针对被测定气体中的nox成分的还原能力、或者不具有还原能力的材料而形成。
[0040]
利用辅助泵单元p2而形成为低氧分压状态的被测定气体中的nox向第三内部空腔104导入，并在设置于第三内部空腔104的测定电极145被还原或分解。测定电极145是还作为对第三内部空腔104内的气氛中存在的nox进行还原的nox还原催化剂而发挥作用的多孔质金属陶瓷电极。在上述还原或分解时，测定电极145与基准电极147之间的电位差保持恒定。然后，利用测定用泵单元p3将通过上述还原或分解而产生的氧离子向元件外部吸出。测
定用泵单元p3构成为包括外部泵电极141、测定电极145、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101c。测定用泵单元p3是将测定电极145周围的气氛中的nox分解而产生的氧吸出的电化学泵单元。
[0041]
主泵单元p1、辅助泵单元p2以及测定用泵单元p3的泵送(氧的吸入或吸出)通过如下方式而实现：在控制器50的控制下，利用泵单元电源(可变电源)30对各泵单元所具备的电极之间施加泵送所需的电压。在测定用泵单元p3的情况下，以使得测定电极145与基准电极147之间的电位差保持为规定值的方式对外部泵电极141与测定电极145之间施加电压。泵单元电源30通常针对各泵单元而设置。
[0042]
控制器50根据由测定用泵单元p3吸出的氧的量而对测定电极145与外部泵电极141之间流通的泵电流ip2进行检测，并基于该泵电流ip2的电流值(nox信号)与分解的nox的浓度之间所具有的线性关系而对被测定气体中的nox浓度进行计算。
[0043]
应予说明，优选地，气体传感器100具备对各泵电极与基准电极147之间的电位差进行监测的、未图示的多个电化学传感器单元，基于这些传感器单元的检测信号而利用控制器50对各泵单元进行控制。
[0044]
另外，在传感器元件10、且在陶瓷体101的内部埋设有加热器150。加热器150在气体流通部的图1中的附图下方设置于从一个端部e1附近至少到达测定电极145及基准电极147的形成位置的整个范围。设置加热器150的主要目的在于，使用传感器元件10时对传感器元件10进行加热，以便提高构成陶瓷体101的固体电解质的氧离子传导性。更详细而言，加热器150以其周围由绝缘层151围绕的方式而设置。
[0045]
加热器150例如是由铂等构成的电阻发热体。在控制器50的控制下，从加热器电源40供电而使得加热器150发热。
[0046]
在使用本实施方式所涉及的传感器元件10时，利用加热器150至少将第一内部空腔102至第二内部空腔103的范围加热至500℃以上的温度。此外，还有时将气体导入口105至第三内部空腔104的整个气体流通部加热至500℃以上。这是为了提高构成各泵单元的固体电解质的氧离子传导性而适当地发挥各泵单元的能力。在这种情况下，温度最高的第一内部空腔102附近的温度达到700℃～800℃左右。
[0047]
下文中，在陶瓷体101的2个主面中，有时将图1中位于附图上方的、主要具备主泵单元p1、辅助泵单元p2以及测定用泵单元p3的那侧的主面(或者具备该主面的传感器元件10的外表面)称为泵面，并将图1中位于附图下方的、具备加热器150的那侧的主面(或者具备该主面的传感器元件10的外表面)称为加热器面。换言之，泵面是比加热器150更接近气体导入口105、3个内部空腔以及各泵单元的那侧的主面，加热器面是比气体导入口105、3个内部空腔以及各泵单元更接近加热器150的那侧的主面。
[0048]
在陶瓷体101的各主面上的另一个端部e2侧形成有用于实现传感器元件10与外部之间的电连接的多个电极端子160。这些电极端子160通过陶瓷体101的内部所具备的未图示的导线并按照规定的对应关系而将上述的5个电极、加热器150的两端、以及未图示的加热器电阻检测用的导线电连接。因而，通过电极端子160而实现了从泵单元电源30对传感器元件10的各泵单元的电压的施加、从加热器电源40供电而对加热器150的加热。
[0049]
此外，在传感器元件10、且在陶瓷体101的泵面及加热器面具备上述主面保护层170(170a、170b)。主面保护层170是由氧化铝形成的、厚度为5μm～30μm左右且气孔以20％
～40％左右的气孔率而存在的层，设置该主面保护层170的目的在于，防止异物、中毒物质附着于陶瓷体101的主面(泵面及加热器面)、泵面侧所具备的外部泵电极141。因此，泵面侧的主面保护层170a还作为对外部泵电极141予以保护的泵电极保护层而发挥作用。
[0050]
应予说明，本实施方式中，通过对评价对象物的sem(扫描电子显微镜)图像应用公知的图像处理方法(二值化处理等)而求解气孔率。
[0051]
图1中，除了使电极端子160的一部分露出以外，在泵面及加热器面的大致整面设置主面保护层170，不过，这毕竟是示例，与图1所示的情况相比，主面保护层170可以设置成偏向一个端部e1侧的外部泵电极141附近。
[0052]
＜末端保护层的详细情况＞
[0053]
在传感器元件10、且在起始自具有如上所述结构的元件基体1的一个端部e1的规定范围的最外周部设置有末端保护层2。
[0054]
设置末端保护层2的目的在于，通过围绕元件基体1中的使用气体传感器100时达到高温(最高为700℃～800℃左右)的部分而确保该部分的耐浸水性，并抑制因该部分直接浸水导致的局部温度降低引起热冲击而在元件基体1产生裂纹(浸水开裂)。
[0055]
此外，设置末端保护层2的目的还在于，防止mg等中毒物质进入传感器元件10的内部、即确保耐中毒性。
[0056]
如图1所示，关于本实施方式所涉及的传感器元件10，末端保护层2构成为包括内侧末端保护层22和外侧末端保护层23这2层。另外，在末端保护层2(内侧末端保护层22)与元件基体1之间设置有基底层3。
[0057]
基底层3是为了确保与形成于该基底层3上的内侧末端保护层22(以及外侧末端保护层23)之间的粘接性(密接性)而设置的层。基底层3至少设置于元件基体1的泵面侧及加热器面侧的2个主面上。即，基底层3具备泵面侧的基底层3a以及加热器面侧的基底层3b。不过，基底层3并未设置于陶瓷体101的(元件基体1的)末端面101e侧。
[0058]
基底层3由氧化铝形成为具有30％～60％的气孔率、且厚度为15μm～50μm。应予说明，如后所述，基底层3与内侧末端保护层22及外侧末端保护层23不同，在元件基体1的制作过程中，与元件基体1同时形成。
[0059]
内侧末端保护层22和外侧末端保护层23以将元件基体1的一个端部e1侧的末端面101e和4个侧面覆盖的方式从内侧按顺序依次设置(从内侧按顺序依次设置于元件基体1的一个端部e1侧的外周)。
[0060]
内侧末端保护层22由氧化铝设置成具有45％～60％的气孔率、且具有450μm～650μm的厚度。另外，外侧末端保护层23由氧化铝设置成具有小于内侧末端保护层22的气孔率的10％～40％的气孔率、且具有50μm～300μm的厚度。由此，末端保护层2构成为：导热率小于外侧末端保护层23的导热率的内侧末端保护层22由气孔率小于该内侧末端保护层22的气孔率的外侧末端保护层23覆盖。内侧末端保护层22设置成低导热率的层，从而具有抑制从外部向元件基体1的热传导的功能。
[0061]
优选地，外侧末端保护层23的表面粗糙度(算术平均粗糙度)ra为50μm以下。这种情况下，接近金属部件的部分的表面粗糙度减小，因此，能够期待基于来自传感器元件10的辐射的导热得以抑制的效果。
[0062]
内侧末端保护层22和外侧末端保护层23通过针对在表面形成有基底层3的元件基
体1按顺序依次喷镀(等离子体喷镀)各自的构成材料而形成。其目的在于，使在制作元件基体1的同时预先形成的基底层3与内侧末端保护层22之间表现出锚固效果，从而确保内侧末端保护层22(还包括形成于外侧的外侧末端保护层23)相对于基底层3的粘接性(密接性)。这意味着：基底层3具有确保与内侧末端保护层22之间的粘接性(密接性)的功能。
[0063]
应予说明，内侧末端保护层22和外侧末端保护层23以使基底层3中的、传感器元件10的长度方向上的一个端部e1侧的相反侧的端部露出的方式而形成，并未设置成将基底层3(3a、3b)的整体覆盖。其目的在于，更可靠地确保内侧末端保护层22(还包括形成于外侧的外侧末端保护层23)相对于基底层3的粘接性(密接性)。
[0064]
除此以外，关于图1所示的传感器元件10，外侧末端保护层23以使内侧末端保护层22的一个端部e1侧的相反侧的端部露出的方式而形成，不过，这不是必须方案，外侧末端保护层23也可以形成为将内侧末端保护层22的该端部覆盖。
[0065]
＜传感器元件的密封和保护罩＞
[0066]
图2是表示气体传感器100的传感器元件10的周围(特别是一个端部e1的周围)的详细结构的图。关于图2所示的气体传感器100，传感器元件10的泵面侧朝向附图近前侧。
[0067]
图1中虽然省略了图示，不过，关于气体传感器100的传感器元件10，除了其一个端部e1的附近以外，均收纳于金属制(例如sus制)的中空圆筒状的部件即外壳302内。更具体而言，在该收纳之前，将陶瓷保持件(supporter)303、压粉体304之类的套设零部件套设于传感器元件10的外周，进而，将外壳302套设于该套设零部件的外周，然后，通过施加外力而对压粉体304进行压缩，由此使得传感器元件10固定于外壳302内，并且，实现一个端部e1与另一个端部e2之间气密地密封的状态。以使传感器元件10的中心轴与呈圆筒状的外壳302的内部空间的中心轴c一致的方式而实现该固定。此时，传感器元件10以末端保护层2的形成范围的大部分从外壳302的一个末端部(图2中为x轴方向下端部)向附图下方(x轴负方向)突出的方式而固定。
[0068]
应予说明，图2中，为了简化图示，对于陶瓷保持件303和压粉体304分别仅示出一个，不过，实际上它们交替地层叠有多个。另外，图2中，还对末端保护层2的图示进行了简化。
[0069]
另外，图1中概要地示出的在另一个端部e2具备的多个电极端子160与外部的泵单元电源30、加热器电源40、控制器50等的电连接以如下方式而实现，即，传感器元件10的另一个端部e2侧插入于设置成比图2中的图示范围靠上方、且在与上述加热器电源40等电连接的未图示的接触部件的具备接点部件的插入口。
[0070]
在外壳302的外周套设有丝杠螺母320，利用丝杠螺母320的外周的外螺纹部而将气体传感器100固定于测定位置。
[0071]
此外，气体传感器100具备金属制(例如sus制)的保护罩305。保护罩305以围绕传感器元件10的从外壳302突出的部分的方式附设于外壳302的一个末端部。保护罩305具有外侧保护罩305a和内侧保护罩305b这2层构造。
[0072]
外侧保护罩305a是在使用气体传感器100时与被测定气体直接接触的部位。外侧保护罩305a具有台阶形状的截面，且构成为包括：圆筒状的大径部306，其包含相对于外壳302的附图外周下端部的固定部分；有底圆筒状的小径部307，其内径小于上述大径部306的内径；以及台阶部308，其将上述大径部306和小径部307连接。在大径部306及台阶部308分
别具备：设置成使得被测定气体能够向外侧保护罩305a的内侧流入的贯通孔306h、308h。贯通孔306h、308h分别在周向上以适当的间隔设置有多个。另一方面，在小径部307及其底部309具备：设置成使得被测定气体能够从外侧保护罩305a的内侧流出的贯通孔307h、309h。贯通孔307h也在周向上以适当的间隔设置有多个。
[0073]
另一方面，内侧保护罩305b包括：圆筒状的第一部分305b1，其从相对于外壳302的附图下端部的固定部分开始延伸；以及第二部分305b2，其附设于第一部分305b1的外侧。第二部分305b2构成为：从外侧设置压紧部310，由此以在与第一部分305b1之间形成流路311的方式固定于第一部分305b1，并且，卡止于在外侧保护罩305a由小径部307和台阶部308形成的角部。
[0074]
另外，第一部分305b1的附图下端部敞开，与此相对，第二部分305b2的附图下端部形成为锥状部312，在其末端部(下端部)具备贯通孔312h。传感器元件10的一个端部e1从第一部分305b1的附图下端部稍微突出。应予说明，从一个端部e1至外侧保护罩305a的底部309的距离约为10mm。
[0075]
在使用具备如上结构的保护罩305的气体传感器100时，如箭头ar1及ar2所示，被测定气体通过贯通孔306h、308h而向外侧保护罩305a与内侧保护罩305b之间的空间流入。进而，如箭头ar3及ar4所示，通过内侧保护罩305b的第一部分305b1与第二部分305b2之间的流路311而向传感器元件10的一个端部e1的附近部分所存在的内侧保护罩305b内的空间流入。
[0076]
即，保护罩305是：构成为使得被测定气体从位于内部的传感器元件10的一个端部e1侧流入的、“末端流入”型保护罩。
[0077]
应予说明，内侧保护罩305b内的被测定气体适当地通过贯通孔312h及贯通孔307h、309h而向外部排出。
[0078]
＜加热器功率的抑制＞
[0079]
如上所述，在使用传感器元件10时，出于提高构成各泵单元的固体电解质的氧离子传导性而适当地发挥各泵单元的能力的目的，利用加热器150进行加热而至少使得第一内部空腔102至第二内部空腔103的范围的温度达到500℃以上。此时，温度最高的第一内部空腔102附近的温度为700℃～800℃左右。
[0080]
从加热器150的长寿命化的观点考虑，优选以尽量小的加热器功率(针对加热器150的输入功率)而实现上述传感器元件10的各部分的加热。因此，要求使加热器150产生的热尽量不会逸散至传感器元件10的外部及气体传感器100的外部。
[0081]
关于这一点，在传感器元件10中，特别是在使用时被加热器150加热至高温的部分如图2所示那样被外壳302、保护罩305等金属部件(金属零部件)围绕。当利用加热器150加热时，来自这些金属部件的辐射具有保温效果。从抑制加热器功率的观点考虑，优选更适当地获得由该辐射实现的保温效果。
[0082]
以此为基础，关于本实施方式所涉及的气体传感器100，将传感器元件10与最接近该传感器元件10的金属部件之间的距离(最短距离)设为0.95mm以下。在图2所示的情况下，与传感器元件10最接近的金属部件为外壳302，二者在末端保护层2中的将传感器元件10的侧面(与zx平面平行的面)覆盖的部分与外壳302的内表面302a所形成的间隙g处最接近，因此，该间隙g处的二者的距离d为0.95mm以下。不过，也可以是保护罩305比外壳302更接近传
感器元件10的方式，此时，传感器元件10与保护罩305之间的距离为0.95mm以下。
[0083]
应予说明，通过减小金属部件的内径、或增大末端保护层2的厚度，能够实现传感器元件10与金属部件之间的0.95mm以下的距离。
[0084]
此外，金属部件中的至少最接近传感器元件10的部分(图2所示的情况下为外壳302)的内表面(朝向传感器元件10的面)的算术平均粗糙度ra为5μm以下。以下，也将该算术平均粗糙度简称为内表面粗糙度。
[0085]
由于至少同时满足上述条件，从而气体传感器100能够适当地抑制使用时的加热器功率。
[0086]
不过，从组装时的间隙的观点考虑，传感器元件10与金属部件之间的距离优选为0.20mm以上。
[0087]
应予说明，如上所述，传感器元件10的一个端部e1侧被2层结构的末端保护层2覆盖。其中，主要发挥隔热作用的内侧末端保护层22设置成：具有45％～60％的气孔率且具有450μm～650μm的厚度。其主要目的在于，确保耐浸水性及耐热冲击性，不过，对于加热器功率的抑制也发挥出一定的效果。
[0088]
如以上说明，根据本实施方式，气体传感器构成为：传感器元件与最接近该传感器元件的金属部件所形成的间隙处的二者的距离为0.95mm以下，并且该金属部件的内表面粗糙度ra为5μm以下。由此，在使用气体传感器时，利用内部具备的加热器而将传感器元件加热至规定的驱动温度，此时，能够适当地获得基于来自金属部件的辐射的传感器元件的保温效果，因此，加热时所需的加热器功率得以抑制，能够实现加热器及气体传感器的长寿命化。
[0089]
＜变形例＞
[0090]
在上述实施方式中，以具备3个内部空腔的传感器元件为对象，不过，传感器元件并非必须设为三腔结构。即，传感器元件也可以是具备2个或者1个内部空腔的方式。
[0091]
另外，在上述实施方式中，利用氧化铝而设置内侧末端保护层22及外侧末端保护层23，作为形成这两层时的喷镀材料而使用氧化铝粉末，不过，这并非必须方案。也可以是使用氧化锆(zro2)、尖晶石(mgal2o4)、多铝红柱石(al6o13si2)等金属氧化物代替氧化铝而设置内侧末端保护层22及外侧末端保护层23的方案。在这种情况下，只要采用这些金属氧化物的粉末作为喷镀材料即可。
[0092]
实施例
[0093]
制作了具有图2所示的结构、且传感器元件10与外壳302之间的距离d以及外壳302的内表面粗糙度ra的组合互不相同的多种气体传感器100，并确认了各参数值对加热器功率造成的影响。
[0094]
具体而言，将外壳302的内表面粗糙度ra设为约5μm，并使得外壳302的内径和末端保护层2的厚度的组合互不相同，由此获得距离d的值不同且为0.78mm、0.92mm、0.95mm、1.02mm、1.05mm这5个等级，针对各等级，按顺序依次制作13个、16个、5个、12个、13个气体传感器。此外，将距离d的值设为0.95mm，且将外壳302的内表面粗糙度ra的值设为约0.1μm、0.5μm、1.0μm、7.5μm、10μm，针对这样的气体传感器也分别制作1个。
[0095]
然后，针对全部气体传感器100，将元件的温度(达到的最高温度)设定为850℃，利用加热器150对传感器元件10进行加热并测定此时的加热器功率。
[0096]
图3是以传感器元件10与外壳302之间的距离d为横轴、且以加热器功率(heater power)为纵轴而表示距离d及外壳302的内表面粗糙度ra与加热器功率之间的关系的分布图。
[0097]
根据图3可知：距离d处于0.95mm以下的范围且内表面粗糙度ra约为5μm以下的情况下，加热器功率大致为6w～7w，与此相对，在任一个条件未满足的情况下，加热器功率最小也达到7w左右。
[0098]
上述结果表明：通过以距离d为0.95mm以下且内表面粗糙度ra为5μm以下的方式构成气体传感器，能够使得加热器功率降低。