(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定ガス室の強度を高めつつ、ガス流れを良好にして、応答性と検出精度を向上させたガスセンサ素子を提供する。【解決手段】ガスセンサ素子１は、被測定ガスが導入される被測定ガス室２へのガス導入口に配置される多孔質の拡散抵抗層２１と、被測定ガス室２の底壁２aとなる固体電解質層１１と、側壁２ｂ及び頂壁２ｃとなる絶縁体層１２と、底壁に配置される酸素検出電極３１を有する酸素検出セル３と、ヒータとを有する。被測定ガス室２は、底壁２ａと平行な面内において、ガス流れ方向Ｘと直交する方向を幅方向Ｙとし、被測定ガス室２の幅Ｗ１と、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２とが、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが導入される被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室へのガス導入口に配置される多孔質の拡散抵抗層（２１）と、
上記被測定ガス室の底壁（２ａ）を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質層（１１）と、
上記被測定ガス室の側壁（２ｂ）及び頂壁（２ｃ）を構成する絶縁体層（１２）と、
上記底壁の表面に配置される酸素検出電極（３１）を有する酸素検出セル（３）と、
発熱体（４１）を備えるヒータ（４）と、を有しており、
上記被測定ガス室は、上記底壁と平行な面内において、上記被測定ガス室内におけるガス流れ方向Ｘと直交する方向を幅方向Ｙとし、上記底壁の幅で表される上記被測定ガス室の幅Ｗ１と、上記拡散抵抗層の幅Ｗ２とが、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある、ガスセンサ素子（１）。
【請求項２】
上記被測定ガス室は、上記固体電解質層に、上記側壁及び上記頂壁となる凹部が形成された上記絶縁体層が積層されて構成されており、
上記拡散抵抗層は、上記ガス流れ方向の上流側端部において、上記絶縁体層と上記底壁との間に配置されて、上記底壁から立ち上がる上記側壁の一部を構成する、請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
上記ガス流れ方向の上流側端部における上記被測定ガス室の高さｈ１と、上記拡散抵抗層の高さｈ２とは、ｈ１＞ｈ２の関係にある、請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
上記酸素検出セルは、上記固体電解質層の表面に、上記酸素検出電極となる酸素ポンプ電極と基準電極（７１）とを有し、両電極間に電圧が印加されて酸素をポンピングする酸素ポンプセルとして構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
【請求項５】
上記被測定ガス室内に、上記ガス流れ方向において、上記酸素検出電極よりも下流側の上記底壁の表面に配置されるセンサ電極（４１）を有して、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル（４）を、さらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
【請求項６】
上記底壁と平行な面内において、上記拡散抵抗層のガス導入側端面（２１ａ）における上記幅方向の両角部（２１１、２１２）と、上記被測定ガス室のガス導入側の開口における上記幅方向の両角部（１１１、１１２）とを、それぞれ結んだ線分の延長線（Ｌ１、Ｌ２）の交点（Ｐ）が、上記酸素検出電極の上記幅方向の中央位置を通る線分（Ｌ３）上に位置する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
【請求項７】
上記交点（Ｐ）が、上記酸素検出電極の上記ガス流れ方向における中央位置（Ｃ）よりも上流側に位置する、請求項６に記載のガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気系に設置されるガスセンサを用いて、内燃機関の燃焼制御や排ガス浄化装置等の制御が行われている。かかるガスセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質層を有するガスセンサ素子を備え、固体電解質層の表面に形成した電極を介して酸素イオンが移動することを利用して、排ガス中の特定ガス（例えば、酸素、ＮＯｘ等）の濃度を検出するように構成されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、それぞれ固体電解質層の表面に設けられた一対の電極からなり、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルと、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するセンサセルと、を備えるガスセンサ素子が開示されている。ガスセンサ素子の内部には、被測定ガスが取り込まれる被測定ガス室が設けられ、ポンプセル及びセンサセルの一対の電極は、それぞれ一方が被測定ガス室に面するように配置される。
【０００４】
上記構成のガスセンサ素子において、被測定ガス室へのガス導入口には、拡散抵抗層が設けられており、被測定ガスは所定の拡散抵抗を有して、被測定ガス室へ導入される。このとき、応答性を向上させるために拡散抵抗を小さくすると、一方で、ガスセンサ素子の検出精度が低下しやすくなる。そのため、特許文献１では、応答性と検出精度とを両立させるために、拡散抵抗層における拡散長さと断面積の比と、被測定ガス室における拡散長さと断面積の比との積が、所定範囲となるように、ガスセンサ素子の寸法を規定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０２８２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記構成のガスセンサ素子は、通常、ヒータを内蔵しており、各セルが活性化温度以上となるように通電が制御されている。ところが、ヒータ通電時に、例えば、固体電解質層との間に被測定ガス室が設けられる絶縁体層において、温度が不均一となりやすく、熱応力による素子割れが生じやすくなることが判明した。これに対して、例えば、被測定ガス室の幅を縮小することで、温度分布を小さくすることが検討されているが、小型化により被測定ガス室へのガス導入口も小さくなるために、拡散抵抗層からのガス取り込み量が減少して、検出精度が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、熱応力による素子割れを抑制すると共に、ガス取り込み量の低下を抑制して、良好な検出性能を維持可能なガスセンサ素子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、
被測定ガスが導入される被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室へのガス導入口に配置される多孔質の拡散抵抗層（２１）と、
上記被測定ガス室の底壁（２ａ）を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質層（１１）と、
上記被測定ガス室の側壁（２ｂ）及び頂壁（２ｃ）を構成する絶縁体層（１２）と、
上記底壁の表面に配置される酸素検出電極（３１）を有する酸素検出セル（３）と、
発熱体（４１）を備えるヒータ（４）と、を有しており、
上記被測定ガス室は、上記底壁と平行な面内において、上記被測定ガス室内におけるガス流れ方向Ｘと直交する方向を幅方向Ｙとし、上記底壁の幅で表される上記被測定ガス室の幅Ｗ１と、上記拡散抵抗層の幅Ｗ２とが、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある、ガスセンサ素子（１）にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記ガスセンサ素子は、被測定ガス室へのガス導入口となる拡散抵抗層の幅Ｗ２が、被測定ガス室の底壁の幅Ｗ１よりも大きいので、例えば、被測定ガス室の幅を縮小した場合においても、被測定ガス室へ取り込まれる被測定ガスの量を確保して、酸素検出セルの検出精度の低下を抑制することができる。また、幅方向に大きくすることで、被測定ガスが酸素検出電極の全体へ良好に導入されやすくなり、高さ方向に大きくする場合よりも製造工程における潰れ等のおそれが小さい。
【００１０】
したがって、上記態様によれば、熱応力による素子割れを抑制すると共に、ガス取り込み量の低下を抑制して、良好な検出性能を維持可能な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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１における、ガスセンサ素子の基本構造と被測定ガス室に導入されるガス流れを模式的に示す先端部の長手方向断面図とそのＡ−Ａ線断面図。
【図２】実施形態１における、ガスセンサ素子の基本構造を示す先端部の短手方向断面図。
【図３】実施形態１における、ガスセンサ素子を内蔵するガスセンサの全体断面図。
【図４】実施形態１における、ガスセンサ素子の詳細構造を示す先端部の長手方向断面図。
【図５】実施形態１における、ガスセンサ素子の詳細構造を示す先端部の長手方向断面図で、図４のＢ−Ｂ線断面図。
【図６】実施形態１における、ガスセンサ素子のリード部配置例を示す固体電解質層の被測定ガス室側の表面及び基準ガス室側の表面の模式図。
【図７】実施形態２における、ガスセンサ素子の基本構造を示す先端部の長手方向断面図。
【図８】試験例１における、ガスセンサ素子の拡散抵抗層の幅と被測定ガス室の幅との差（Ｗ２−Ｗ１）とＡ／Ｆ検出精度の関係を示す図。
【図９】試験例１における、拡散抵抗層の幅Ｗ２とＡ／Ｆ検出精度の関係を示す図。
【図１０】試験例１における、拡散抵抗層の高さｈ２とＡ／Ｆ検出精度の関係を示す図。
【図１１】試験例１における、拡散抵抗層の高さｈ２とＡ／Ｆ検出精度及びＡ／Ｆ応答性の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
以下に、ガスセンサ素子の実施形態１について、図１〜図６を参照しながら説明する。
図１、図２に基本構造を示す本形態のガスセンサ素子１は、積層型のセンサ素子であり、図３に示すガスセンサＳに内蔵されて、被測定ガスに含まれる特定ガス濃度を検出する。被測定ガスは、例えば、内燃機関から排出される排ガスであり、ガスセンサＳは、内燃機関の排ガス通路に設置されて、ガスセンサ素子１により、排ガスに含まれる特定ガス濃度、例えば、酸素濃度、空燃比、ＮＯｘ濃度等を検出する。
【００１３】
図１、図２において、ガスセンサ素子１は、
被測定ガスが導入される被測定ガス室２と、
被測定ガス室２へのガス導入口に配置される多孔質の拡散抵抗層２１と、
被測定ガス室２の底壁２ａを構成する酸素イオン伝導性の固体電解質層１１と、
被測定ガス室２の側壁２ｂ及び頂壁２ｃを構成する絶縁体層１２と、
底壁１１ａの表面に配置される酸素検出電極（例えば、酸素ポンプ電極３１）を有する酸素検出セル（例えば、酸素ポンプセル３）と、
発熱体４１を備えるヒータ４と、を有している。
【００１４】
ここで、被測定ガス室２は、上記底壁と平行な面内において、被測定ガス室２内におけるガス流れ方向Ｘと直交する方向を幅方向Ｙとしており、底壁２ａの幅で表される被測定ガス室２の幅Ｗ１と、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２とは、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある（例えば、図１上図参照）。拡散抵抗層２１のガス導入側の端面２１ａは、ガスセンサ素子１の外表面に位置して排ガスに晒され、ガス導出側の端面２１ｂは、被測定ガス室２に面して位置する。
【００１５】
このとき、ガスセンサ素子１は、排ガスの取り込み口となる拡散抵抗層２１の幅Ｗ２が、ガス流れ方向Ｘの下流側に位置する被測定ガス室２の幅Ｗ１より大きいので、拡散抵抗層２１からの排ガスの取り込み量を容易に確保できる。そして、底壁２ａに形成される酸素ポンプセル３の酸素ポンプ電極３１の表面に、幅方向Ｙの全体から排ガスが導入されるので、ポンピング作用が促進されて、検出精度を高めることが可能になる。
【００１６】
このようなガスセンサ素子１は、固体電解質層１１を挟んで絶縁体層１２とヒータ４とが積層配置された積層型素子として構成することができる（例えば、図２参照）。
被測定ガス室２は、固体電解質層１１に、側壁２ｂ及び頂壁２ｃとなる凹部が形成された絶縁体層１２が積層されて構成されている。積層方向Ｚ（例えば、図１下図における上下方向）において、拡散抵抗層２１は、絶縁体層１２と底壁２ａとの間に配置されて、底壁２ａから立ち上がる側壁２ｂの一部を構成している。
好ましくは、ガス流れ方向Ｘの上流側端部における被測定ガス室の高さｈ１と、拡散抵抗層２１の高さｈ２とは、ｈ１＞ｈ２の関係にあるとよい。
【００１７】
酸素検出セルは、例えば、酸素のポンピング作用を有する酸素ポンプセル３として構成することができる。酸素ポンプセル３は、固体電解質層１１の表面に、酸素検出電極としての酸素ポンプ電極３１と図示しない基準電極とを有し、両電極間に電圧が印加されて、被測定ガス室２から酸素を排出し又は被測定ガス室２に酸素を導入するように、酸素をポンピングする。その際に流れるポンプ電流は、被測定ガス室２内の酸素濃度に応じた限界電流特性を示し、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と相関を有することから、この関係を利用して排ガス中の空燃比を検出することが可能となる。
【００１８】
また、被測定ガス室２内に、酸素ポンプセル３を含む複数のセルを配置したガスセンサ素子１とすることもできる。
例えば、後述するように、ＮＯｘセンサ等にガスセンサＳを適用する場合には、酸素ポンプセル３に加えて、ＮＯｘ等の特定ガスを検出するためのセンサセル５が設けられる（例えば、図４参照）。センサセル５は、底壁１１ａの表面に配置されるセンサ電極５１を有し、センサ電極５１は、ガス流れ方向Ｘにおいて、酸素ポンプ電極３１の下流側に配置される。このとき、酸素ポンプセル３は、被測定ガス室２に導入される排ガス中の酸素をポンピングして、下流側のセンサセル５に導入される排ガス中の酸素濃度を調整する。
【００１９】
次に、ガスセンサ素子１及びガスセンサＳの詳細構成について説明する。
図３において、ガスセンサＳは、ガスセンサ素子１が保持される筒状のハウジング１０１と、ハウジング１０１に固定される素子カバー１０２及び大気側カバー１０３と、ガスセンサ素子１に接続される制御回路部１０４とを有する。ガスセンサ素子１は、ハウジング１０１の内側に収容される筒状のインシュレータ１０５に挿通保持され、ハウジング１０１から突出する先端側（例えば、図３の下端側）は、ハウジング１０１の先端側に固定される素子カバー１０２内に収容される。また、ハウジング１０１から突出する基端側（例えば、図３の上端側）は、ハウジング１０１の基端側に固定される大気側カバー１０３内に収容される。
【００２０】
ガスセンサ素子１は、ガスセンサＳの軸方向を長手方向（例えば、図３の上下方向）とする細長い板状体であり、先端側の端部内に、被測定ガス室２となる空間部（図略）が形成される。ガスセンサＳは、素子カバー１０２で覆われたガスセンサ素子１の先端側が、排ガスに晒されるように、図示しない排ガス通路壁に挿通固定される。素子カバー１０２は、例えば、容器状の内側カバー１０２ａと外側カバー１０２ｂからなる二重カバー構造で、それぞれの側壁に形成される通気孔１０２ｃを通過して、排ガスが内部に導入され、ガスセンサ素子１に到達する。
【００２１】
ガスセンサ素子１の基端側には、リード部１０６の一端側が接続されており、リード部１０６の他端側は、制御回路部１０４に接続されている。制御回路部１０４は、ガスセンサ素子１の酸素ポンプセル３等への通電を制御すると共に、ガスセンサ素子１からの出力に基づいて、酸素濃度等の特定ガス濃度を算出するための検出制御回路と、ヒータ４への通電を制御して、ガスセンサ素子１を所定温度に制御するためのヒータ制御回路等を備えている。
【００２２】
制御回路部１０４は、ガスセンサＳからの検出結果に基づいて、内燃機関の制御を行う図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）と一体に設けられていてもよいし、別体に設けられて、ＥＣＵからの制御信号に基づいてガスセンサ素子１の各部への通電を行い、又は特定ガス濃度を算出してＥＣＵへ出力する構成としてもよい。
【００２３】
図４、図５は、ガスセンサ素子１の詳細構成例であり、ここでは、排ガス中のＮＯｘ濃度を検討するための、ＮＯｘセンサ素子として構成されている。ＮＯｘセンサ素子は、ガスセンサ素子１の内部に、酸素ポンプセル３に加えて、センサセルとしてのＮＯｘセンサセル５及びモニタセル６を備える３セル構造となっている。被測定ガス室２の底壁２ａとなる固体電解質層１１の表面には、酸素ポンプセル３の酸素ポンプ電極３１と、ＮＯｘセンサセル５のセンサ電極５１及びモニタセル６のモニタ電極６１が配置される。
【００２４】
ガスセンサ素子１は、複数の平板状のセラミックス層を積層した直方体形状のセラミックス積層体からなる。複数のセラミックス層は、固体電解質層１１と、その一方の表面に積層される絶縁体層１２、及び、他方の表面に積層されるヒータ側絶縁体層１３であり、これらセラミックス層を概略同等の外形形状に成形し、積層して焼成することにより、一体化されたセラミックス積層体が得られる。
固体電解質層１１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、例えば、イットリア等の安定化剤を固溶させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニア等のジルコニア系固体電解質にて構成することができる。
絶縁体層１２、ヒータ側絶縁体層１３は、被測定ガスの透過性を有しない絶縁材料からなり、例えば、アルミナ等にて構成することができる。
【００２５】
ガスセンサ素子１の内部には、固体電解質層１１の一方の表面側に、被測定ガス室２が配置され、多孔質の拡散抵抗層２１を介して排ガスが導入される。被測定ガス室２は、固体電解質層１１と絶縁体層１２との間に設けられる扁平な直方体形状のチャンバ状空間部であり、被測定ガス室２の長手方向及び短手方向は、ガスセンサ素子１の長手方向及び短手方向と一致する。
【００２６】
固体電解質層１１の他方の表面側には、基準ガス室７とヒータ４が、この順に積層配置される。基準ガス室７は、固体電解質層１１とヒータ側絶縁体層１３との間に設けられるダクト状空間部であり、積層方向Ｚにおいて、被測定ガス室２と対向する位置から、基端側へ向けて、長手方向に延びている。基準ガス室５には、図示しない基端側の開口部から、基準ガスとなる大気が導入される。
【００２７】
ヒータ４は、ヒータ側絶縁体層１３の一部をなすヒータ基体層４２と、ヒータ基体層４２内に埋設される発熱体４１を有する。発熱体４１は、被測定ガス室２の形成位置に対応して設けられ、発熱体４１の基端側にヒータリード４３が接続される。ヒータ４は、ヒータリード４３を介して発熱体４１に通電することにより、固体電解質層１１の表面に電極が配置される酸素ポンプセル３等を加熱可能となっている。
【００２８】
拡散抵抗層２１は、ガスセンサ素子１の先端部に埋設され、ガス導入側の端面である先端側端面２１ａが、ガスセンサ素子１の先端面と面一に位置すると共に、ガス導出側の端面である基端側端面２１ｂが、被測定ガス室２に面するように位置して、被測定ガス室２へのガス導入口を構成する。
このとき、被測定ガス室２の内部におけるガス流れ方向Ｘは、被測定ガス室２及びガスセンサ素子１の長手方向となり、ガス流れ方向Ｘと直交する方向が、被測定ガス室２の幅方向（すなわち、短手方向）Ｙとなる。排ガスは、被測定ガス室２の先端側の拡散抵抗層２１を通過して、そのまま長手方向（例えば、図４、図５の左右方向）に、ガス流れ方向Ｘの上流側から下流側へ向けて流れる。
【００２９】
固体電解質層１１は、被測定ガス室２の底壁２ａを構成し、絶縁体層１２は、被測定ガス室２の側壁２ｂ及び頂壁２ｃを構成する。絶縁体層１２は二層構造で、積層方向Ｚにおいて、ガスセンサ素子１の最外層となる第１絶縁体層１２ａは、被測定ガス室２に面する表面が、被測定ガス室２の頂壁２ｃとなる。第１絶縁体層１２ａと固体電解質層１１との間に配置される第２絶縁体層１２ｂは、被測定ガス室２に対応する位置に矩形の打ち抜き孔を有し、打ち抜き孔の内壁が被測定ガス室２の側壁２ｂとなっている。
【００３０】
また、固体電解質層１１は、基準ガス室７の頂壁７ｃを構成し、ヒータ側絶縁体層１３は、基準ガス室７の底壁７ａ及び側壁７ｂを構成する。ヒータ側絶縁体層１３は二層構造で、ヒータ４を構成するヒータ基体層４２と、固体電解質層１１とヒータ基体層４２との間に配置される第３絶縁体層１３ａを有する。第３絶縁体層１３ａには、基準ガス室７に対応する位置に、基端側に開口する打ち抜き溝が形成され、打ち抜き溝の内壁が、基準ガス室７の側壁７ｂとなる。ヒータ基体層４２は、基準ガス室７に面する表面が、基準ガス室７の底壁７ａとなっている。
【００３１】
被測定ガス室２の底壁２ａとなる固体電解質層１１の表面には、ガス流れ方向Ｘの上流側に、酸素ポンプセル３の酸素ポンプ電極３１が配置され、その下流側に、ＮＯｘセンサセル５のセンサ電極５１とモニタセル６のモニタ電極６１とが、幅方向Ｙに並設されている。酸素ポンプ電極３１と、センサ電極５１及びモニタ電極６１は、いずれも、ガス流れ方向Ｘを長手方向、幅方向Ｙを短手方向とする長方形状で、センサ電極５１及びモニタ電極６１は、概略同一形状となっている。
なお、酸素ポンプ電極３１の電極面積は、センサ電極５１及びモニタ電極６１に対して十分大きく、酸素ポンプ電極３１の長手方向長Ｌ１１は、センサ電極５１及びモニタ電極６１の長手方向長Ｌ２１よりも長い。短手方向長も同様である。これにより、同一の被測定ガス室２の上下流に、酸素ポンプ電極とセンサ電極５１及びモニタ電極６１とが配置される１チャンバ構造において、酸素ポンプセル３による酸素濃度の調整が良好になされる。
【００３２】
一方、基準ガス室７の頂壁７ｃとなる固体電解質層１１の表面には、これら酸素ポンプ電極３１、センサ電極５１及びモニタ電極６１に対向する位置に、共通の基準電極７１が配置される。これにより、固体電解質層１１を挟んで対向する、一対の酸素ポンプ電極３１及び基準電極７１からなる酸素ポンプセル３が形成される。同様に、固体電解質層１１と一対のセンサ電極５１及び基準電極７１からなるＮＯｘセンサセル５、及び、固体電解質層１１と一対のモニタ電極６１及び基準電極７１からなるモニタセル６が形成される。
【００３３】
固体電解質層１１の表面には、酸素ポンプ電極３１の基端側に接続されるポンプ電極リード３２が形成され、固体電解質層１１の基端側へ延びている。同様に、センサ電極５１及びモニタ電極６１の基端側に、センサ電極リード５２及びモニタ電極リード６２が接続されて、固体電解質層１１の基端側へ延びている。図示しない基準電極７１も同様である。
【００３４】
酸素ポンプ電極３１及び基準電極７１は、貴金属を主成分とする電極材からなる。好適には、酸素ポンプ電極３１を、ＮＯｘの分解活性の低い電極、例えば、ＰｔとＡｕを含有する多孔質サーメット電極として、排ガス中のＮＯｘの分解を抑制するとよい。このとき、酸素ポンプセル３の一対の電極間に所定の電圧を印加することにより、酸素ポンプ電極３１に達した排ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、固体電解質層１１を透過して、基準電極７１側へ排出される。このポンピング作用により、被測定ガス室２に面する酸素ポンプ電極３１側から、基準ガス室７に面する基準電極７１側へ酸素を排出して、酸素ポンプセル３を通過する排ガス中の酸素濃度を、ＮＯｘセンサセル５におけるＮＯｘ検出に適した濃度に調整する。
【００３５】
センサ電極５１及びモニタ電極６１は、貴金属を主成分とする電極材からなる。好適には、センサ電極５１を、排ガス中のＮＯｘに対する分解活性が高い電極、例えば、ＰｔとＲｈを含有する多孔質サーメット電極とし、モニタ電極６１を、ＮＯｘの分解活性の低い電極、例えば、ＰｔとＡｕを含有する多孔質サーメット電極とするとよい。酸素ポンプセル３、ＮＯｘセンサセル５、モニタセル６の共通電極となる基準電極７１は、例えば、Ｐｔを主成分とする多孔質サーメット電極からなる。
【００３６】
このとき、ＮＯｘセンサセル５の一対の電極間に所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘセンサセル５に達した排ガス中の酸素及びＮＯｘが、センサ電極５１上で分解され、ポンピング作用により酸素イオンが固体電解質層１１を透過して、基準電極７１側へ排出される。その際に流れる電流は、排ガス中に含まれる酸素及びＮＯｘ濃度に基づくものとなる。
一方、モニタセル６では、モニタ電極６１上に達した酸素が分解されて基準電極７１側へ排出され、その際に流れる電流は排ガス中に残留する酸素に基づくものとなる。
モニタセル６は、被測定ガス室２内において、ＮＯｘセンサセル５とガス流れ方向Ｘの同等位置にあるので、ＮＯｘセンサセル５とモニタセル６における出力の差分から、ＮＯｘ濃度を精度よく算出することができる。また、モニタセル６の出力に基づいて、酸素ポンプセル３を通過後の残留酸素濃度が所望の値となるように、酸素ポンプセル３の印加電圧を制御するようにしてもよい。
【００３７】
ＮＯｘセンサセル５及びモニタセル６は、ここでは、電圧を印加した時に一対の電極間を流れるポンプ電流を検出するようにしたが、一対の電極間に発生する起電力を検出するようにしてもよい。
【００３８】
ここで、拡散抵抗層２１は、被測定ガス室２の幅方向Ｙに細長い直方体形状であり、ガス流れ方向Ｘの長さに対して、積層方向Ｚにおける長さが短い扁平な断面形状を有している。拡散抵抗層２１は、ガスセンサ素子１の先端部において、固体電解質層１１と絶縁体層１２の第２絶縁体層１２ｂとの間に埋設されており、被測定ガス室２の多孔質の側壁２ｂとなって、被測定ガス室２へのガス導入口を構成する。
【００３９】
拡散抵抗層２１の幅Ｗ２は、幅方向Ｙにおける拡散抵抗層２１の長さであり、上記図１に示したように、被測定ガス室２の幅Ｗ１に対して、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある。なお、被測定ガス室２の幅Ｗ１は、幅方向Ｙにおける底壁２ａの長さ、すなわち、幅方向Ｙにおける側壁２ｂ間の距離で表される。本形態において、被測定ガス室２は直方体形状であるので、積層方向Ｚにおける断面形状は一定（すなわち、底壁２ａと同一形状の長方形状）であり、被測定ガス室２の幅Ｗ１は、積層方向Ｚ又はガス流れ方向Ｘの位置によらず、概略一定となっている。
拡散抵抗層２１の幅Ｗ２は、ガスセンサ素子１の幅Ｗ３以下の範囲で、適宜設定される。ガスセンサ素子１の幅Ｗ３は、底壁２ａと平行な面内における、ガスセンサ素子１の幅方向Ｙの長さである。
【００４０】
また、拡散抵抗層２１は、ガス流れ方向Ｘの上流側の端部において底壁２ａに接して位置し、底壁２ａから立ち上がる側壁２ｂの一部を構成する。このとき、上記図１に示したように、拡散抵抗層２１の高さｈ２は、ガス流れ方向Ｘの上流側の端部における被測定ガス室２の高さｈ１に対して、ｈ１＞ｈ２の関係にある。なお、被測定ガス室２の高さｈ１は、底壁２ａと頂壁２ｃとの間の距離であり、本形態では、被測定ガス室２において、幅方向Ｙ又はガス流れ方向Ｘの位置によらず、概略一定となっている。
【００４１】
拡散抵抗層２１は、絶縁体層１２と同様の絶縁材料にて構成することができ、所定の拡散抵抗となるように気孔率が調整される。このとき、幅方向Ｙにおいて、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を、被測定ガス室２の幅Ｗ１よりも大きくすることで、拡散抵抗層２１を通過した排ガスを、被測定ガス室２の先端側から幅方向Ｙの全体に、十分な量で取り込むことができる。また、積層方向Ｚにおいて、拡散抵抗層２１の高さｈ２を、被測定ガス室２の高さｈ１よりも低くすることで、拡散抵抗層２１が、被測定ガス室２の底壁２ａに近接して位置し、底壁２ａの表面に配置される酸素ポンプ電極３１の近傍を、排ガスが通過しやすくなる。
【００４２】
したがって、被測定ガス室２へのガス取り込み量を確保すると共に、酸素ポンプセル３の全体を効率よく利用して、所望の酸素濃度に調整することができ、下流側に位置するＮＯｘセンサセル５によるＮＯｘ検出精度を向上させることができる。また、排ガスの拡散距離が短くなるのでＮＯｘ応答性が向上する。
これにより、ヒータ４による加熱時の熱応力を緩和するために、例えば、被測定ガス室２の幅Ｗ１を小さくした場合においても、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を大きくすることで、ガス取り込み量を維持し、素子割れを抑制しながら、良好な検出性能を実現可能となる。
【００４３】
なお、被測定ガス室２の幅Ｗ１が従来よりも小さくなることにより、酸素ポンプセル３の酸素ポンプ電極３１や、ＮＯｘセンサセル５のセンサ電極５１及びモニタセル６のモニタ電極６１の幅も小さくなる場合には、リード部を含む電極部のインピーダンスが大きく変化しないようにすることが望ましい。例えば、各電極の幅が小さくなることで、電極面積が小さくなる場合には、各電極に接続される電極リードの幅が相対的に大きくなるように設定して、所定の電極インピーダンスに調整することが可能である。
【００４４】
具体的には、図６に示すように、被測定ガス室２の底部２ａとなる固体電解質層１１の表面には、先端側に酸素ポンプ電極３１が配置され、その基端側に、酸素ポンプ電極３１よりも電極面積の小さいセンサ電極５１及びモニタ電極６１が配置される。また、酸素ポンプ電極３１の基端側の側縁部に接続されるポンプ電極リード３２は、センサ電極５１及びモニタ電極６１の側方を基端側へ延び、センサ電極５１に接続されるセンサ電極リード５２及びモニタ電極６１に接続されるモニタ電極リード６２と、所定の絶縁距離を有して、平行に配置される。
このとき、センサ電極リード５２及びモニタ電極リード６２は、概略同等の幅を有し、ポンプ電極リード３２の幅Ｗ４と、センサ電極リード５２及びモニタ電極６１の幅Ｗ５とは、Ｗ４＞Ｗ５の関係にある。
【００４５】
同様に、基準ガス室７の頂部７ｃとなる固体電解質層１１の表面には、先端側に基準電極７１が配置され、その基端側に基準電極リード７２が配置される。この場合も、基準電極７１の幅が小さくなるのに対して、相対的に基準電極リード７２の幅が大きくなるように設定され、ここでは、基準電極７１と基準電極リード７２の幅Ｗ６が、概略同等となっている。
基準電極リード７２の幅Ｗ６と、ポンプ電極リード３２の幅Ｗ４と、センサ電極リード５２及びモニタ電極６１の幅Ｗ５とは、Ｗ６＞Ｗ４＞Ｗ５の関係にある。
【００４６】
（実施形態２）
ガスセンサ素子に係る実施形態２について、図７を参照して説明する。
上記実施形態１では、ガスセンサ素子１を、３セル構造のＮＯｘセンサ素子として構成したが、本形態では、１セル構造の空燃比センサ素子として構成している。ガスセンサ素子１及びガスセンサ素子１を用いたガスセンサＳの基本構成は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
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。
【００４７】
図７に示すように、本形態において、ガスセンサ素子１は、酸素ポンプセル３を備える１セル構造となっており、被測定ガス室２の底壁２ａとなる固体電解質層１１の一方の表面には、先端側に酸素ポンプセル３の酸素ポンプ電極３１が配置される。上記実施形態１と同様に、固体電解質層１１の他方の表面は、図示しない基準ガス室７の頂壁７ｃを構成し、酸素ポンプ電極３１の対向位置に基準電極７１が配置される。
【００４８】
この構成において、酸素ポンプセル３の一対の電極間に電圧が印加されることにより、拡散抵抗層２１を介して被測定ガス室２に取り込まれる排ガス中の酸素が、酸素ポンプ電極３１側から基準電極７１側へポンピングされ、又は、基準電極７１側から酸素ポンプ電極３１側へ酸素がポンピングされる。このときに流れるポンプ電流は、排ガスの空燃比に応じて変化するので、これを酸素ポンプセル３の出力として検出することで、空燃比を検出することができる。
【００４９】
本形態においても、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２は、被測定ガス室２の幅Ｗ１よりも大きく、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある。また、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２は、ガスセンサ素子１の幅Ｗ３よりも小さく、Ｗ２＜Ｗ３の関係にある。
また、拡散抵抗層２１は、固体電解質層１１の底壁２ａに接して配置され、上述したように、拡散抵抗層２１の高さｈ２は、被測定ガス室２の高さｈ１に対して、ｈ１＞ｈ２の関係にある（例えば、図１参照）。
【００５０】
具体的には、後述する試験例１に示すように、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２と被測定ガス室２の幅Ｗ１との差Ｗ２−Ｗ１は、０．５ｍｍより大きく（すなわち、Ｗ２−Ｗ１＞０．５ｍｍ）、好適には、０．６ｍｍ以上であるとよい（すなわち、Ｗ２−Ｗ１≧０．６ｍｍ）。このように、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２が被測定ガス室２の幅Ｗ１よりも大きいとき、拡散抵抗層２１への様々な角度からのガス流れに対して、拡散抵抗層２１の両端側から被測定ガス室２の内部への流れが形成されることで、十分なガス取り込み量を確保できる。
【００５１】
好適には、底壁２ａの表面と平行な断面を示す図７中に、仮想線を用いて示すように、拡散抵抗層２１の大きさや配置は、被測定ガス室２の酸素ポンプ電極３１と所定の関係となるように設定されるのがよい。具体的には、拡散抵抗層２１のガス導入側の端面２１ａにおける幅方向Ｙの両角部２１１、２１２と、被測定ガス室２のガス導入側の開口における幅方向Ｙの両角部１１１、１１２とを、それぞれ結んだとき、それら線分の延長線Ｌ１、Ｌ２の交点Ｐが、酸素ポンプ電極３１の幅方向Ｙの中央位置を通る線分Ｌ３上に位置する。
すなわち、延長線Ｌ１は、幅方向Ｙの一方の側において、拡散抵抗層２１のガス導入側の角部２１１と、被測定ガス室２の開口端となる角部１１１を通る線分であり、延長線Ｌ２は、幅方向Ｙの他方の側において、拡散抵抗層２１のガス導入側の角部２１２と、被測定ガス室２の開口端となる角部１１２を通る線分である。
【００５２】
より好適には、交点Ｐが、酸素ポンプ電極３１のガス流れ方向Ｘにおける中央位置Ｃよりも上流側に位置するのがよい。
このように、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を、被測定ガス室２の幅Ｗ１よりも大きくすることで、例えば、延長線Ｌ１、Ｌ２の方向からも排ガスが導入されることになり、ガス取り込み量の増加に寄与する。また、その際に、交点Ｐが線分Ｌ３上に位置することで、酸素ポンプ電極３１の中で、最も酸素排出能力の高い（すなわち、温度が高い）場所に、導入される排ガスが集まる構成となる。さらに、交点Ｐが中央位置Ｃよりも上流側で交わるようにすることで、酸素排出に用いられる電極面積を大きくして、酸素ポンプセル３を有効に機能させることができるので、空燃比検出特性を安定化させることができる。
【００５３】
（試験例１）
上記実施形態２の構成のガスセンサ素子１について、被測定ガス室２の幅Ｗ１又は拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を変更した複数の試験用素子を作製して、素子割れや検出特性との関係を調べた。
まず、被測定ガス室２の幅Ｗ１と拡散抵抗層２１の幅Ｗ２との差を変更したものを複数用意し、それぞれについて、試験用のモデルガスを用いて空燃比の検出試験を行った。被測定ガス室２の幅Ｗ１は一定とし（Ｗ１≦２．５ｍｍ）、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を、これらの差Ｗ２−Ｗ１が０ｍｍ〜０．７４ｍｍの範囲となるように変更したときの試験結果を、図８に比較して示した。空燃比の検出試験は、各試験用素子について、それぞれ所定回数行い、モデルガスの空燃比に対する検出ばらつきの割合を算出して、その平均値をＡ／Ｆ検出精度（単位：％）とした。
【００５４】
図８に明らかなように、Ｗ２−Ｗ１が０ｍｍから０．２ｍｍとなることで、Ａ／Ｆ検出精度が向上している。Ｗ２−Ｗ１がより大きくなるほど、Ａ／Ｆ検出精度が向上し、特に、Ｗ２−Ｗ１が０．５ｍｍより大きい範囲で（例えば、０．５２ｍｍ、０．７４ｍｍ）、Ａ／Ｆ検出精度がより向上している。したがって、好適には、Ｗ２−Ｗ１は０．５ｍｍより大きくなるように、より好ましくは、０．６ｍｍ以上となるようにするとよい。
【００５５】
また、表１に示すように、被測定ガス室２の幅Ｗ１を０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲で変更したものを用意し（すなわち、試験用素子１〜９）、それぞれについて、ヒータ４を用いた加熱試験を行って、素子割れの有無を調べた。ガスセンサ素子１の幅Ｗ３は一定（例えば、４．２ｍｍ）とした。
加熱試験は、静止大気中で、試験用素子１〜９のヒータ４に電圧を印加して（例えば、１４Ｖ、５秒間）、試験用素子を昇温させることにより行った。加熱試験終了後に、各試験用素子を染色液に浸漬させる染色試験を行い、素子割れの有無を目視により判断した結果を、表１に併記した。
【００５６】
【表１】
2020071128.tif 000003
【００５７】
表１に明らかなように、被測定ガス室２の幅Ｗ１が２．５ｍｍ以下の試験用素子１〜７には、素子割れが発生しなかった。これに対して、被測定ガス室２の幅Ｗ１が２．５ｍｍより大きい試験用素子８〜９には、素子割れが見られた。これは、ガスセンサ素子１をヒータ４により加熱する際に、被測定ガス室２の室壁を構成する絶縁体層１２への熱伝達に差が生じるためであり、被測定ガス室２の幅Ｗ１が大きくなると、熱応力によって素子割れが生じやすくなるものと推測される。
したがって、好適には、被測定ガス室２の幅Ｗ１を０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲に設定することで、熱伝達の差による熱応力を緩和して、素子割れを抑制する効果が得られる。
【００５８】
図９は、表１のように、被測定ガス室２の幅Ｗ１が小さくなるのに伴い、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２を小さくしたときの、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２と、Ａ／Ｆ検出精度の関係を示したものである。図示されるように、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２が１．５ｍｍ以上の範囲においては、被測定ガス室２の幅Ｗ１によらず、良好なＡ／Ｆ検出精度が得られている。
したがって、拡散抵抗層２１の幅Ｗ２は、好適には、１．５ｍｍを下限とし、ガスセンサ素子１の幅Ｗ３を上限（例えば、４．２ｍｍ）とする範囲において、被測定ガス室２の幅Ｗ１よりも大きくなるように設定されるのがよい。
【００５９】
図１０は、拡散抵抗層２１の高さｈ２と、Ａ／Ｆ検出精度との関係を示したものである。図示されるように、拡散抵抗層２１の高さｈ２が０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲において、良好なＡ／Ｆ検出精度が得られている。これは、拡散抵抗層２１の高さｈ２が０．００５ｍｍより低い範囲では、拡散抵抗層２１から被測定ガス室２へのガス取り込み量が不十分となるためと推測される。また、０．０５ｍｍより高い範囲においても、ガスセンサ素子１を製造する際の積層工程において、多孔質の拡散抵抗層２１が潰れやすくなるためと推測され、被測定ガス室２へのガス取り込み量が不十分となると、Ａ／Ｆ検出精度が得られないおそれがある。
【００６０】
図１１は、拡散抵抗層２１の高さｈ２と、Ａ／Ｆ検出精度及びＡ／Ｆ応答性との関係を、それぞれ示したものである。Ａ／Ｆ応答性は、試験用のモデルガスを用いて空燃比の検出試験を行い、基準ガスから所定の空燃比のモデルガスに切り替えたときに、試験用素子において所定の空燃比が検出されるまでの応答時間で評価した。
図示されるように、拡散抵抗層２１の高さｈ２が０．０４ｍｍ以下の範囲において、良好なＡ／Ｆ応答性が得られており、拡散抵抗層２１の高さｈ２が低くなるにつれて、Ａ／Ｆ応答性が向上する傾向が見られる。これは、拡散抵抗層２１の高さｈ２が高くなると、被測定ガス室２に導入される排ガスが、底壁２ａに配置される酸素ポンプ電極３１の表面と接触しにくくなるためと推測され、０．０４ｍｍより高くなると、Ａ／Ｆ応答性が急減している。
【００６１】
したがって、好適には、拡散抵抗層２１の高さｈ２が０．０５ｍｍ以下となる範囲、より好適には、０．０４ｍｍ以下となる範囲で、被測定ガス室２へのガス取り込み量が確保できるように、拡散抵抗層２１の幅Ｗ１等を、適宜設定することが望ましい。
【００６２】
なお、ガスセンサ素子１を、上記実施形態１に示したＮＯｘセンサ素子として構成した場合においても、ＮＯｘ検出特性について、同様の傾向が見られる。すなわち、拡散抵抗層２１の高さｈ２がある高さより低くなると、ガス取り込み量が不十分となってＮＯｘ検出精度が低下し、ある高さより高くなると、ＮＯｘセンサセルまでのガス拡散距離が長くなり、ＮＯｘ応答性が低下しやすくなる。
特に、ＮＯｘセンサ素子の場合には、空燃比センサ素子よりも高い検出精度（例えば、ｐｐｍオーダー）が要求されることから、拡散抵抗層２１の高さｈ２の好適な範囲をより狭くし、例えば、０．０１０ｍｍ〜０．０３ｍｍの範囲とするのがよい。これにより、ＮＯｘ検出精度とＮＯｘ応答性を両立させて、良好な検出性能が得られる。
【００６３】
本発明は上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、上記実施形態では、ガスセンサ素子１を内燃機関の排気系に設置されるガスセンサＳへの適用例としたが、被測定ガスは、内燃機関の排ガスに限らず、種々のガス中の特定ガス成分の検出に使用することができる。また、上記実施形態では、３セル構造のガスセンサ素子１を、排ガスに含まれるＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ素子として説明したが、特定ガス成分はＮＯｘに限らず、ＳＯｘその他であってもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１  ガスセンサ素子
１１  固体電解質層
１２  絶縁体層
２  被測定ガス室
２１  拡散抵抗層
３  酸素ポンプセル
３１  酸素ポンプ電極（酸素検出電極）
４  ヒータ
５  センサセル
５１  センサ電極
【図１】
2020071128.tif 000004
【図２】
2020071128.tif 000005
【図３】
2020071128.tif 000006
【図４】
2020071128.tif 000007
【図５】
2020071128.tif 000008
【図６】
2020071128.tif 000009
【図７】
2020071128.tif 000010
【図８】
2020071128.tif 000011
【図９】
2020071128.tif 000012
【図１０】
2020071128.tif 000013
【図１１】
2020071128.tif 000014