(57)【要約】【課題】ガスセンサの小型化と検出精度とを両立することができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】検知電極を第１内部電極よりも、第1検出室における被検出ガスのガス流の下流方向に配置し、第１検出室における被検出ガスが流れる空間部分の断面積であって、第１内部電極に面する空間部分の断面積は、０．０３ｍｍ２以上０．２２ｍｍ２以下であり、検知電極の中心を、第１内部電極の下流側の端よりも、固体電解質体と第１内部電極との積層方向に沿った空間部分の高さの１０倍の距離以上ガス流の下流側に離れた位置に配置する。【選択図】図７
2010249801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１拡散抵抗部を介して被検出ガスが導入される第１検出室と、
固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極である第１内部電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素ポンプセルと、
前記第１検出室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記被検出ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２検出室と、
固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極である内側第２ポンプ電極が前記第２検出室内に配置され、前記第２検出室における特定ガス成分の濃度に応じて電流が流れる第２酸素ポンプセルと、
固体電解質体および該固体電解質体上に配置された一対の第３電極を有し、前記一対の第３電極のうちの一方の電極である検知電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室内の酸素濃度に応じて前記第３電極間に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
を有するガスセンサ素子を備えたガスセンサにおいて、
前記検知電極は、前記第１内部電極よりも、前記第１検出室における前記被検出ガスのガス流の下流側に配置されており、
前記第１検出室における前記被検出ガスが流れる空間部分の断面積であって、前記第１内部電極に面する空間部分の断面積は、０．０３ｍｍ2以上０．２２ｍｍ2以下の範囲内に設定され、
前記検知電極の中心は、前記第１内部電極の下流側の端よりも、前記第１固体電解質体と前記第１内部電極との積層方向に沿った前記空間部分の高さの１０倍の距離以上離れた下流に配置されていることを特徴とする、
ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記高さは、０．０３ｍｍ以上０．１１ｍｍ以下の範囲に設定されている、
ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記空間部分の、前記高さと前記ガス流の方向との両方と垂直な方向の幅は、０．９８ｍｍ以上２．０３ｍｍ以下の範囲に設定されている、
ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極は多孔質体であり、
前記ガス流の方向に沿って前記検知電極が存在する位置における前記第１検出室の第２断面を見た時に、該第２断面の総面積に対する前記検知電極の占める割合が半分以上である箇所を有する、
ガスセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極の前記ガス流の方向の長さｄＬを、前記第１内部電極の前記ガス流の方向の長さをｄＳとすると、０．０５≦ｄＬ／ｄＳ≦１．２０の関係を満たす、
ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極の前記ガス流の方向における下流側の端は、前記第２拡散抵抗部よりも上流側に位置する、
ガスセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記発熱部は、前記ガス流の方向における、前記第１内部電極の上流側の端と前記内側第２ポンプ電極の下流側の端とに届くように存在する、
ガスセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記発熱部の発熱中心は、前記ガス流の方向において前記第１内部電極と重なる、
ガスセンサ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記ガスセンサは、前記ガスセンサ素子を径方向から取り囲んで保持する保持部を有し、当該保持部の軸線方向先端よりも先端側に、前記発熱部が位置している、
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、窒素酸化物（ＮＯｘ）や酸素といった特定のガス成分の検出や、特定のガス成分の濃度の測定を行うガスセンサが利用されている。このようなガスセンサとしては、ガス室（検出室）内の酸素濃度を検出するセル（酸素濃度検知セル）からの信号に基づいて、その検出室内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルをフィードバック制御するものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２８８０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、検出室の小型化には、種々の利点がある。例えば、酸素ポンプセルによる酸素のポンピング効率が向上され得る。これにより、ポンピングに用いられる消費電力が低減され得る。また、ガスセンサ素子の小型化が可能である。これにより、ガスセンサ素子における異なる位置の間の温度差を小さくすることができる。ところが、検出室の小型化によって、検出室に入り込むガス量（単位時間当たりの量）が低減する。すると、ガス量の低減によって、ガスセンサが検出すべき特定のガス成分の量も低減するので、特定ガス成分の検出精度も低下し得る。これに対し、特定ガス成分の検出精度を高めるためには、その検出精度に影響を与える種々の誤差を小さくすることが好ましい。特に、検出室を小型化する場合には、酸素濃度検知セルによる検出の誤差を少なくするとよいことが、発明者らによって見出された。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ガスセンサの小型化と検出精度とを両立することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］第１拡散抵抗部を介して被検出ガスが導入される第１検出室と、固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極である第１内部電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素ポンプセルと、前記第１検出室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記被検出ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２検出室と、固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極である内側第２ポンプ電極が前記第２検出室内に配置され、前記第２検出室における特定ガス成分の濃度に応じて電流が流れる第２酸素ポンプセルと、固体電解質体および該固体電解質体上に配置された一対の第３電極を有し、前記一対の第３電極のうちの一方の電極である検知電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室内の酸素濃度に応じて前記第３電極間に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、を有するガスセンサ素子を備えたガスセンサにおいて、前記検知電極は、前記第１内部電極よりも、前記第１検出室における前記被検出ガスのガス流の下流側に配置されており、前記第１検出室における前記被検出ガスが流れる空間部分の断面積であって、前記第１内部電極に面する空間部分の断面積は、０．０３ｍｍ2以上０．２２ｍｍ2以下の範囲内に設定され、前記検知電極の中心は、前記第１内部電極の下流側の端よりも、前記第１固体電解質体と前記第１内部電極との積層方向に沿った前記空間部分の高さの１０倍の距離以上離れた下流に配置されていることを特徴とする、ガスセンサ。
【０００８】
第１検出室における前記被検出ガスが流れる空間部分の断面積をであって、前記第１内部電極に面する空間部分の断面積を、０．０３ｍｍ2以上０．２２ｍｍ2以下の範囲内に設
定している。これにより、酸素ポンプセルによる酸素のポンピング効率が向上できる。よって、ポンピングに用いられる消費電力が低減され得る。また、ガスセンサ素子における異なる位置の間の温度差を小さくすることができる。なお、０．０３ｍｍ2未満であれば、検出室の形成が困難となり、ガスセンサの機能を果たさないことがある。他方、０．２２ｍｍ2を超えると、検出室の小型化が図られず、上記効果を得ることができない。
【０００９】
さらに、前記検知電極の中心を、前記第１内部電極の下流側の端よりも、前記第１固体電解質体と前記第１内部電極との積層方向に沿った前記空間部分の高さの１０倍の距離以上離れた下流に配置している。検知電極による検出の誤差としては、例えば、検出室内において、酸素ポンプセルの電極に近い位置を流れるガスと、その電極から遠い位置を流れるガスとの間で、酸素濃度が異なることが挙げられる。なぜなら、第１内部電極に面する空間部分では、第１内部電極に近い位置を流れる被検出ガスが、第１内部電極から遠い位置を流れる被検出ガスと比べて、酸素濃度が調整され易いからである。他方、第１内部電極の下流側の端よりも下流側では、酸素濃度差が生じた被検出ガスが拡散・混合されことで、酸素濃度差が低減され得る。よって、この構成とすることで、被検出ガスが検知電極へ到達する前に被検出ガスにおける酸素濃度差が十分緩和されるので、酸素濃度検知セルによる検出の誤差を小さくすることができる。その結果、ガスセンサの検出精度を維持することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載のガスセンサであって、前記高さは、０．０３ｍｍ以上０．１１ｍｍ以下の範囲に設定されている、ガスセンサ。
【００１１】
この構成によれば、ガスセンサの検出精度を維持しつつ、適切に、検出室の小型化を図ることができる。なお、０．０３ｍｍ未満であれば、検出室の形成が困難になることがある。他方、０．１１ｍｍを越えると、ガスセンサ素子の強度が低下することがある。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載のガスセンサであって、前記空間部分の、前記高さと前記ガス流の方向との両方と垂直な方向の幅は、０．９８ｍｍ以上２．０３ｍｍ以下の範囲に設定されている、ガスセンサ。
【００１３】
この構成によれば、ガスセンサの検出精度を維持しつつ、適切に、検出室の小型化を図ることができる。なお、０．９８ｍｍ未満であれば、検出室の形成が困難になることがある。他方、０．１１ｍｍを越えると、電極面積を大きくする必要があり、消費電力が増大することがある。
【００１４】
[適用例４]適用例１〜３の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記検知電極は多孔質体であり、前記ガス流の方向に沿って前記検知電極が存在する位置における前記第１検出室の第２断面を見た時に、該第２断面の総面積に対する前記検知電極の占める割合が半分以上である箇所を有する、ガスセンサ。
【００１５】
このように構成されたガスセンサでは、第１検出室に導入された被検出ガスは、第２検出室内に配置された内側第２ポンプ電極に至るまでに第２断面を通過する。このとき、第２断面の総面積に対する前記検知電極が占める割合が半分以上である箇所を有している。すなわち、被検出ガスのうち半分以上が、多孔室体である検知電極の内部を通過する。このため、第２断面における広い範囲に亘って、被検出ガス中の酸素を検知することが出来る。よって、適用例４のガスセンサによれば、検知電極から近い領域と検知電極から離れた領域とで、被検出ガス中の酸素濃度に差が若干存在する場合であっても、被検出ガス中の酸素濃度の検出精度を更に向上させることができる。
【００１６】
[適用例５]適用例１〜４の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記検知電極の前記ガス流方向の長さをｄＬ、前記第１内部電極の前記ガス流の方向の長さをｄＳとした時に、０．０５≦ｄＬ／ｄＳ≦１．２０の関係を満たす、ガスセンサ
【００１７】
この構成によれば、応答性の低下を避けつつ、検知精度の低下も避けることが出来る。
なお、ｄＬ／ｄＳ＜０．０５となるとき、検知電極のガス流方向の長さが極端に短くなり、検知電極と被検出ガスとの接触面積が減少することとなる。その為、被検出ガス濃度を確実に測定することが困難となることがある。つまり、被検出ガスの検知精度が低下することがある。
また、１．２０＜ｄＬ／ｄＳとなるとき、検知電極のガス流方向の長さが極端に長くなり、検知電極のガス流方向先端から後端まで被検出ガスが移動するまでの時間が長くなる。その為、検知電極のガス流方向先端と検知電極のガス流方向後端とで測定する濃度が等しくなるまでの時間、換言すれば被検出ガスの濃度が測定できるまでの時間が長くなることがある。つまり、応答性が低下することがある。
【００１８】
[適用例６]適用例１〜５の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記検知電極のガス流の方向における下流側の端は、前記第２拡散抵抗部よりも上流側に位置する、ガスセンサ。
【００１９】
この構成によれば、前記検知電極は第２検出室の被検出ガス濃度を受けずに被検出ガス濃度を検知することが出来る為、検知精度が向上する。
【００２０】
[適用例７]適用例１〜６の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、前記発熱部は、前記ガス流の方向における、前記第１内部電極の上流側の端と前記内側第２ポンプ電極の下流側の端とに届くように存在する、ガスセンサ。
【００２１】
この構成によれば、第１内部電極の先端から第2ポンプ電極の後端までの間に位置する第１酸素ポンプセルの全体を、確実に温めることができる。従って、第１酸素ポンプセル全体を活性化温度に維持することが、容易となる。
【００２２】
[適用例８]適用例１〜７の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、前記発熱部の発熱中心は、前記ガス流の方向において前記第１内部電極と重なる、ガスセンサ。
【００２３】
被検出ガス測定時のガスセンサ素子の温度は、高温であるほうが、第１内部電極における酸素のポンプ能力向上という点では良い。しかしながら、ある規定の温度以上となると、内側第２ポンプ電極上で被検出ガス中のＨ２Ｏが解離しNOｘの測定精度に影響を及ぼすので、内側第２ポンプ電極の温度は規定の温度以下とするのが良い。
【００２４】
適用例８の構成によれば、内側第２ポンプ電極の温度をＨ２Ｏの解離が起きない温度域に保ちつつ、第１内部電極の温度を高温にすることが可能となるので、上記のように酸素のポンプ能力を向上させつつ被検出ガスの測定精度の低下を避けることができ、好ましい。
【００２５】
[適用例９]適用例１〜８の何れか１つに記載のガスセンサであって、前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、当該ガスセンサは、前記ガスセンサ素子を径方向から取り囲んで保持する保持部を有し、当該保持部の軸線方向先端よりも先端側に、前記発熱部が位置している、ガスセンサ。
【００２６】
この構成によれば、ガスセンサ素子の発熱部は保持部よりも先端側に位置するため、ガスセンサ素子の温度は保持部の温度の影響を受けにくくなり、より安定したガスセンサの制御が可能となる。
【００２７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサ、そのガスセンサとガスセンサの制御装置とを含むガスセンサシステム、等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ガスセンサ２００を示す断面図である。
【図２】ＮＯｘセンサ素子１０の断面図である。
【図３】ガスセンサ素子１０の制御を示す説明図である。
【図４】第１検出室１６の斜視図である。
【図５】図２と同様の断面図である。
【図６】第１検出室１６の断面図である。
【図７】距離ｄとオフセットＯＩの変動割合との関係を示すグラフである。
【図８】断面寸法を示す説明図である。
【図９】評価システムＥＳの説明図である。
【図１０】変形例３においての、図３のＡ−Ａ断面の１例である。
【図１１】変形例３においての、図３のＡ−Ａ断面の１例である。
【図１２】変形例３においての、図３のＡ−Ａ断面の１例である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：
【００３０】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としてのガスセンサ２００を示す断面図である。このガスセンサ２００は、図示しない内燃機関（エンジン）の排気管に固定されて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定する（以下、ガスセンサ２００のことを「ＮＯｘセンサ２００」とも呼ぶ）。図１は、ＮＯｘセンサ２００の長手方向Ｄ１と平行な断面を示している。以下、図１における下方向（下側）をＮＯｘセンサ２００の先端側ＦＷＤと呼び、図１における上方向（上側）をＮＯｘセンサ２００の後端側ＢＷＤと呼ぶ。
【００３１】
ＮＯｘセンサ２００は、筒状の主体金具１３８と、長手方向Ｄ１に延びる板状形状をなすＮＯｘセンサ素子１０（ガスセンサ素子１０）と、ＮＯｘセンサ素子１０を囲む筒状のセラミックスリーブ１０６と、絶縁コンタクト部材１６６と、６個の接続端子１１０（図１では、４個図示されている）と、を備えている。主体金具１３８の外表面には、排気管に固定されるためのねじ部１３９が形成されている。セラミックスリーブ１０６は、ＮＯｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲むように配置されている。絶縁コンタクト部材１６６には、長手方向Ｄ１に貫通するコンタクト挿通孔１６８が形成されている。絶縁コンタクト部材１６６は、コンタクト挿通孔１６８の内壁面がＮＯｘセンサ素子１０の後端部の周囲を取り囲むように、配置されている。各接続端子１１０は、ＮＯｘセンサ素子１０と絶縁コンタクト部材１６６との間に配置されている。
【００３２】
主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。主体金具１３８は、ＮＯｘセンサ素子１０の先端が貫通孔１５４の先端側（ＦＷＤ側）の外部に配置され、ＮＯｘセンサ素子１０の後端側が貫通孔１５４の後端側（ＢＷＤ側）の外部に配置されるように、ＮＯｘセンサ素子１０を貫通孔１５４内に保持している。棚部１５２は、長手方向Ｄ１に垂直な平面に対して傾斜したテーパ面である。このテーパ面は、先端側（ＦＷＤ側）の直径が、後端側（ＢＷＤ側）の直径と比べて小さくなるように、形成されている。
【００３３】
主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、セラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、セラミックスリーブ１０６が、この順に先端側から後端側に向かって積層されている。以下、セラミックホルダ１５１、滑石リング１５３、１５６、セラミックスリーブ１０６の全体は、ＮＯｘセンサ素子１０を保持する保持部に相当し、以下「保持部１６０」とも呼ぶ。これらの保持部１６０の形状は、ぞれぞれ、ＮＯｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲む環状形状である。なお、ＮＯｘセンサ素子１０は、保持部１６０によって保持されている。
【００３４】
セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されている。セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３とセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
【００３５】
また、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）の外周には、外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。この二重のプロテクタ１４２、１４３は、複数の孔を有する金属（例えば、ステンレスなど）によって形成されており、ＮＯｘセンサ素子１０の突出部分を覆っている。
【００３６】
主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。外筒１４４の後端側
（図１における上方）の開口部には、グロメット１５０が配置されている。グロメット１５０には、リード線挿通孔１６１が形成されている。リード線挿通孔１６１には、６本のリード線１４６が挿通される（図１では５本のリード線１４６のみが示されている）。これらのリード線１４６は、ＮＯｘセンサ素子１０の後端側の外表面に設けられた電極パッド（図示せず）にそれぞれ電気的に接続される。
【００３７】
また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたＮＯｘセンサ素子１０の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、ＮＯｘセンサ素子１０の後端側の表面に形成される電極バッド（図示せず）の周囲に配置される。絶縁コンタクト部材１６６は、長手方向Ｄ１に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成され、そして、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７を備えている。絶縁コンタクト部材１６６と外筒１４４との間には、保持部材１６９が挿入されている。保持部材１６９は、外筒１４４と鍔部１６７とに接触することによって、絶縁コンタクト部材１６６を外筒１４４の内部に配置する。
【００３８】
図２は、ＮＯｘセンサ素子１０の断面図である。この断面図は、長手方向Ｄ１と平行な断面を示している。図２において、左方向は先端側ＦＷＤを示し、右方向は後端側ＢＷＤを示している。ＮＯｘセンサ素子１０は、絶縁層１４ｅ、第１固体電解質層１１ａ、絶縁層１４ａ、第３固体電解質層１２ａ、絶縁層１４ｂ、第２固体電解質層１３ａ、及び絶縁層１４ｃ、１４ｄをこの順に積層した構造を有する。これらの層は、長手方向Ｄ１とは垂直な積層方向Ｄ２に沿って積層されている。
【００３９】
第１固体電解質層１１ａと第３固体電解質層１２ａとの間には、第１検出室１６が形成されている。第１検出室１６の左端（入口）に配置された第１拡散抵抗体１５ａを介して外部から被検出ガスＧＭが導入される。第１検出室１６の入口とは反対側の端には第２拡散抵抗体１５ｂが配置されている。
【００４０】
第１検出室１６の後端方向ＢＷＤには、第２拡散抵抗体１５ｂを介して第１検出室１６と連通する第２検出室１８が形成されている。第２検出室１８は、第３固体電解質層１２ａを貫通して第１固体電解質層１１ａと第２固体電解質層１３ａとの間に形成されている。
【００４１】
絶縁層１４ｃ、１４ｄの間には、長手方向Ｄ１に沿って延びる発熱抵抗体５０が埋設されている。発熱抵抗体５０は、ガスセンサ素子１０を所定の活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。発熱抵抗体５０は、タングステン等の導体によって形成されており、電力を供給されることで熱を生じる発熱部５１と、後述するリード線１４６から供給された電力を発熱部５１に伝達する発熱リード部５２と、からなる。尚、発熱抵抗体５０は、２つの絶縁層１４ｃ、１４ｄによって支持されている。そして、発熱抵抗体５０及び絶縁層１４ｃ、１４ｄにより、ヒータ６０が構成されている。
【００４２】
ガスセンサ素子１０は、第１酸素ポンプセル１１と、酸素濃度検知セル１２と、第２酸素ポンプセル１３とを有している。
【００４３】
第１酸素ポンプセル１１は、第１固体電解質層１１ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンプ電極１１ｃ（以下、「第１内部電極１１ｃ」とも呼ぶ）、及び、対極である第１対極電極１１ｂ（外側第１ポンプ電極１１ｂとも呼ぶ）とを備えている。第１内部電極１１ｃは第１検出室１６に面している。第１内部電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂはいずれも白金を主体として形成されている。第１内部電極１１ｃの表面は多孔質体からなる保護層１１ｅで覆われている。また、絶縁層１４ｅのうちの外側第１ポンプ電極１１ｂと対向する部分１１ｄは、ガス（例えば、酸素）が通過可能な多孔質（例えば、アルミナ）で形成されている。
【００４４】
酸素濃度検知セル１２は、第３固体電解質層１２ａと、これを挟持するように配置された検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃとを備えている。検知電極１２ｂは第１内部電極１１ｃより下流側で第１検出室１６に面している。検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃはいずれも白金を主体として形成されている。
【００４５】
絶縁層１４ｂは、第３固体電解質層１２ａに接する基準電極１２ｃが内部に配置されるように切り抜かれている。その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７を形成している。酸素濃度検知セル１２に予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素が第１検出室１６から基準酸素室１７内に送り込まれる。そして、基準酸素室１７内の酸素濃度は、所定の濃度に維持される。これにより、基準酸素室１７は、酸素濃度の基準として利用される。
【００４６】
第２酸素ポンプセル１３は、第２固体電解質層１３ａと、第２固体電解質層１３ａのうち第２検出室１８に面した表面に配置された内側第２ポンプ電極１３ｂ、及び、対極である第２対極電極（対極第２ポンプ電極１３ｃ）とを備えている。内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極第２ポンプ電極１３ｃはいずれも白金を主体として形成されている。なお、対極第２ポンプ電極１３ｃは、基準酸素室１７に面して、第２固体電解質層１３ａ上に配置されている。内側第２ポンプ電極１３ｂは、第２検出室１８に面している。
【００４７】
なお、本実施例では、固体電解質層１１ａ、１２ａ、１３ａは、それぞれ、酸素イオン伝導性を有するジルコニア（本実施例では、部分安定化ジルコニア）を主成分として用いて形成されている。絶縁層１４ａ〜１４ｅはアルミナを主成分に用いて形成されており、第１拡散抵抗体１５ａ及び第２拡散抵抗体１５ｂは、アルミナ等を主成分とした多孔質物質を用いて形成されている。なお、主成分とは「層中の主材料の含有量が５０ｗｔ％以上であることを指し、例えば、固体電解質層は、ジルコニアが５０ｗｔ％以上含有すること」を指す。固体電解質層と絶縁層との８つの層のうちの６つの層１４ｅ、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ｃ、１４ｄは、それぞれ、原材料のシートを用いて形成されている（例えば、ジルコニアやアルミナ等のセラミックのシート）。各電極と、２つの絶縁層１４ａ、１４ｂとは、セラミックシート上へのスクリーン印刷によって形成されている。そして、焼成前の各層を積層して得られる積層体を焼成することによって、ＮＯｘセンサ素子１０が形成される。
【００４８】
図３は、ガスセンサ素子１０の制御を示す説明図である。図中には、図２と同じガスセンサ素子１０が示されている。ここで、説明をわかりやすくするために、符号とハッチングとの一部が省略されている。図３には、ＮＯｘセンサ２００（ＮＯｘセンサ素子１０）の制御部ＣＵも示されている。制御部ＣＵには、図１に示す接続端子１１０とリード線１４６とを介して、発熱抵抗体５０と、各電極１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃが接続されている（本実施例では、一部の複数の電極は、共通のリード線１４６に接続されている）。後述するように、制御部ＣＵは、発熱抵抗体５０に電力を供給する。また、制御部ＣＵは、各電極１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃに対して信号を送受信することによって、ＮＯｘセンサ２００（ＮＯｘセンサ素子１０）を制御する。なお、本実施例では、制御部ＣＵは、オペアンプ等を用いて形成された電子回路である。この代わりに、制御部ＣＵを、ＣＰＵとメモリとを有するコンピュータを用いて形成してもよい。
【００４９】
次に、ＮＯｘセンサ素子１０の動作の一例について説明する。まず、エンジンの始動によって制御部ＣＵが起動する。制御部ＣＵは、発熱抵抗体５０に電力を供給する。発熱抵抗体５０は、第１酸素ポンプセル１１、酸素濃度検知セル１２、第２酸素ポンプセル１３を活性化温度まで加熱する。そして、各セル１１〜１３が活性化温度まで加熱されたことに応じて、制御部ＣＵは、第１酸素ポンプセル１１に電流Ｉｐ１を流す。これにより、第１酸素ポンプセル１１は、第１検出室１６に流入した被検出ガス（排ガス）ＧＭ中の過剰な酸素を第１内部電極１１ｃから第１対極電極１１ｂへ向かって汲み出す。
【００５０】
制御部ＣＵは、酸素濃度検知セル１２の電極間電圧Ｖｓ（端子間電圧）が一定電圧（例えば４２５ｍＶ）になるように、第１酸素ポンプセル１１の電極間電圧Ｖｐ１（端子間電圧）を制御する。酸素濃度検知セル１２の電圧Ｖｓは、検知電極１２ｂにおける酸素濃度を表している。この制御によって、第１検出室１６内の酸素濃度は、ＮＯｘを少しだけ分解させる程度に調整される。第１検出室１６内の酸素が不足する場合には、外側第１ポンプ電極１１ｂから第１内部電極１１ｃへ酸素が供給される。第１酸素ポンプセル１１の電極間電圧Ｖｐ１の極性を切り換えることによって、第１検出室１６に対する酸素の汲み出しと汲み入れとを切り換えることができる。
【００５１】
酸素濃度が調整された被検出ガスＧＮは、第２拡散抵抗体１５ｂを介して、第２検出室１８に導入される。制御部ＣＵは、第２酸素ポンプセル１３に電極間電圧Ｖｐ２（端子間電圧）を印加する。この電圧は、被検出ガスＧＮ中のＮＯｘガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の一定電圧に設定されている（酸素濃度検知セル１２の制御電圧Ｖｓの値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）。これにより、被検出ガスＧＮ中のＮＯｘが、窒素と酸素に分解される。
【００５２】
制御部ＣＵは、ＮＯｘの分解により生じた酸素を第２検出室１８から汲み出すように、第２酸素ポンプセル１３に第２ポンプ電流Ｉｐ２を流す。第２ポンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘの分解により生じた酸素の量（濃度）にほぼ比例して増大する。従って、第２ポンプ電流Ｉｐ２を検出することによって被検出ガスＧＮ中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００５３】
具体的には、本実施例では、上述したように、第１検出室１６内の酸素濃度は、ＮＯｘを少し分解させる程度に調整される。すなわち、第１検出室１６から排出される被検出ガスＧＮの中に微量（一定濃度）の酸素が含まれるように、第１酸素ポンプセル１１の電極間電圧Ｖｐ１が制御される。このように、被検出ガスＧＮの中のＮＯｘの有無に係わらずに、被検出ガスＧＮには一定濃度の酸素が含まれる。従って、第２酸素ポンプセル１３を流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２は、この酸素濃度に相当するオフセット（一定値）と、被検出ガスＧＮ中のＮＯｘの濃度に相当するゲイン（可変値）との合計値を示す。
【００５４】
図３の下部のグラフは、第２ポンプ電流Ｉｐ２と、被検出ガスＧＭ中のＮＯｘの濃度との関係を示している。図示するように、オフセットＯＩは、ＮＯｘの濃度によらずに、ほぼ一定値である。また、ゲインＧＩは、ＮＯｘの濃度にほぼ比例する。
【００５５】
なお、被検出ガスＧＮの酸素濃度が小さいことが好ましい。特に、オフセットＯＩの変動幅が、ゲインＧＩの変動幅の０．１％未満となるように、酸素濃度が設定されることが好ましい。ここで、ガスセンサ素子１０（特に、第１検出室１６）を小さくすることによって、種々の利点を得ることができる。例えば、第１酸素ポンプセル１１によるポンピングの効率が向上され得る。これにより消費電力が低減され得る。また、ガスセンサ素子１０の小型化が可能になる。これにより、ガスセンサ素子１０における温度のバラツキを小さくすることができる。ところが、第１検出室１６の小型化によって、ガスセンサ素子１０（第１検出室１６）に流入するガス量（単位時間当たりの量）が低減する。すなわち、ガスセンサ素子１０が利用可能なガス量（特にＮＯｘの量）も低減する。その結果、ＮＯｘの濃度の変化に対するゲインＧＩの変化が小さくなる。従って、第２ポンプ電流Ｉｐ２からのＮＯｘの濃度推定の精度を高めるためには、オフセットＯＩの変動を小さくすることが好ましい。
【００５６】
オフセットＯＩの変動の要因としては、種々の要因があり得る。ここで、発明者らは、第１内部電極１１ｃと検知電極１２ｂとの間の距離を長くすることによって、オフセットＯＩの変動を抑えることができるという新たな知見を見出した。この知見は、ガスセンサ素子１０（特に、第１検出室１６）の小型化によって、見出された。以下、この知見について説明する。
【００５７】
図４は、第１検出室１６の斜視図であり、図５、図６は、第１検出室１６の断面図である。図４には、ガスセンサ素子１０の第１検出室１６を含む一部分の外形と、その内部に配置された第１検出室１６、第１内部電極１１ｃ、検知電極１２ｂ、第１拡散抵抗体１５ａ、第２拡散抵抗体１５ｂが示されている（他の要素の図示は省略されている）。図４では、第１検出室１６と、第１内部電極１１ｃと検知電極１２ｂとが、太線で示されている。図５は、図２と同様の断面図である。図５には、第１検出室１６を含む一部分のみが示されている。図６は、長手方向Ｄ１と垂直な断面図である。この断面は、第１内部電極１１ｃを横切る断面である。
【００５８】
図示するように、本実施例では、第１検出室１６は、長手方向Ｄ１に沿って延びる空間であり、その形状は、略直方体である。そして、先端側ＦＷＤから後端側ＢＷＤに向かって、長手方向Ｄ１に沿って、第１検出室１６の内を被検出ガスが流れる。図４、図５中の矢印ＧＦＤは、ガスの流れの方向を示している（この方向ＧＦＤと長手方向Ｄ１とは平行である）。このように、第１検出室１６は、長手方向Ｄ１に延びるガス流路でもある。そして、その断面（長手方向Ｄ１と垂直な断面）は、矩形である。
【００５９】
図４、図５に示すように、第１検出室１６の上面（第１固体電解質層１１ａの表面）には、第１内部電極１１ｃが積層されている。第１検出室１６の下面（第３固体電解質層１２ａの表面）には、検知電極１２ｂが積層されている。この検知電極１２ｂは、第１内部電極１１ｃよりも下流側に配置されている。
【００６０】
図４〜図６には、幅Ｗと高さｔとが示されている。幅Ｗは、第１検出室１６の幅である。この幅Ｗは、短手方向Ｄ３の幅である。短手方向Ｄ３は、第１検出室１６におけるガス流の方向ＧＦＤ（長手方向Ｄ１と同じ）と、第１固体電解質層１１ａと第１内部電極１１ｃとの積層方向Ｄ２と、の両方と垂直な方向である。本実施例では、積層方向Ｄ２に沿って見たときに、第１内部電極１１ｃの形状は、第１検出室１６（長手方向Ｄ１）に沿って延びる矩形状である。そして、第１内部電極１１ｃの幅は、第１検出室１６の幅Ｗと、同じである。同様に、積層方向Ｄ２に沿って見たときに、検知電極１２ｂの形状は、第１検出室１６（長手方向Ｄ１）に沿って延びる矩形状である。そして、検知電極１２ｂの幅は、第１検出室１６の幅Ｗと同じである。
【００６１】
高さｔは、第１検出室１６におけるガスが流れる空間部分のうちの、第１内部電極１１ｃに面する空間部分１６ｓの高さを示している。この空間部分１６ｓは、以下に説明するガス流の方向ＧＦＤの位置範囲内の空間部分を示している。その位置範囲は、ガスが第１内部電極１１ｃと接触し得る位置範囲である（図５）。この空間部分１６ｓの高さｔは、空間部分１６ｓ内における、第１内部電極１１ｃからの最遠の距離を示している。また、高さｔは、第１検出室１６の高さＨから、第１内部電極１１ｃの厚さ１１ｃｔを引いた高さである。なお、高さＨ、ｔ、１１ｃｔは、第１固体電解質層１１ａと第１内部電極１１ｃとの積層方向Ｄ２に沿った高さを示している。
【００６２】
図５には、酸素濃度差ｄＣと距離ＤＤとの関係を示すグラフＧ１が示されている。酸素濃度差ｄＣは、第１内部電極１１ｃが積層された面（すなわち、第１固体電解質層１１ａの表面）に近い部分を流れるガスＧｓｎと、その面から遠い部分を流れるガスＧｓｆとの間の酸素濃度の差を示している。距離ＤＤは、第１内部電極１１ｃの下流端１１ｃｄからの距離を示している。この距離ＤＤは、ガス流の方向ＧＦＤ（長手方向Ｄ１）の距離を示している。
【００６３】
空間部分１６ｓでは、第１内部電極１１ｃを介する酸素のポンピング（汲み出し、または、汲み入れ）によって、ガス中の酸素濃度が調整される。ここで、第１内部電極１１ｃに近い部分では、遠い部分と比べて、酸素濃度が調整され易い。これにより、第１内部電極１１ｃが形成された面（第１固体電解質層１１ａの表面）に近い部分と、その面から遠い部分との間で、酸素濃度に差が生じ得る（酸素濃度差ｄＣ）。
【００６４】
第１内部電極１１ｃの下流端１１ｃｄよりも下流では、酸素のポンピングは行われない。そして、ガスが第１検出室１６内を流れることによって、異なる位置を流れるガスＧｓｎ、Ｇｓｆが、拡散・混合される。その結果、酸素濃度差ｄＣが低減する。そして、距離ＤＤが遠いほど、酸素濃度差ｄＣは小さくなる。
【００６５】
異なる位置を流れるガスＧｓｎ、Ｇｓｆの流れ（そして、それらの混合）は、種々の要因の影響を受ける。例えば、排気管を流れる排ガスの流速や温度の変化によって、ガスセンサ２００の温度が変化し得る。このような温度変化によって、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆ間に温度差が生じ得る（あるいは、温度差が変化し得る）。このような温度差（温度差の変化）によって、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆの流れが変化し得る。また、本実施例では、図２、図３に示すように、第１固体電解質層１１ａ（ガスＧｓｎ）は発熱抵抗体５０から遠く、第３固体電解質層１２ａ（ガスＧｓｆ）は発熱抵抗体５０に近い。従って、ガスセンサ２００の温度変化に起因して、電解質層１１ａ、１２ａ間、すなわち、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆ間に温度差が生じ得る（あるいは、温度差が変化し得る）。また、このようなガスセンサ２００の温度変化に限らず、種々の要因（外乱）によって、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆの流れは変化し得る。
【００６６】
尚、発熱抵抗体５０に電力を供給した際に発熱部５１自身が最も高温になる位置、つまり発熱中心は、ガス流の方向において第１内部電極１１ｃと重なるように、発熱部５１のヒータパターンが形成されている。
【００６７】
従って、本実施例では、第１内部電極１１ｃよりも内側第２ポンプ電極１３ｂのほうが発熱部５１からの距離は近いが、発熱中心からは第１内部電極１１ｃのほうが内側第２ポンプ電極１３ｂよりも近い。その為、発熱部５１へ電力が供給されている間は第１内部電極１１ｃの近傍の温度は内側第２ポンプ電極１３ｂの近傍の温度よりも高くなり、内側第２ポンプ電極の温度をＨ２Ｏの解離が起きない温度域に保ちつつ、第１内部電極の温度を高温にすることが可能となる。よって、本実施例では酸素のポンプ能力を向上させつつ被検出ガスの測定精度の低下を避けることができる。
【００６８】
ここで、酸素濃度差ｄＣの大きな位置（すなわち、第１内部電極１１ｃに近い位置）に、検知電極１２ｂを配置したと仮定する。この場合、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆの流れの変化によって、検知電極１２ｂに接触するガスの酸素濃度も変化する。この酸素濃度の変化に応じて電極間電圧Ｖｓ（図３）が変化するので、第１内部電極１１ｃを通じたポンピングのフィードバック制御が、修正される。その結果、第１検出室１６から排出される被検出ガスＧＮの酸素濃度が変化する。このような被検出ガスＧＮの酸素濃度の変化は、第１検出室１６に流入する被検出ガスＧＭの組成に変化が無い場合であっても、起こり得る。この場合、被検出ガスＧＮの酸素濃度の変化によって、オフセットＯＩ（図３）が変化する。このオフセットＯＩの変化は、ＮＯｘ濃度の測定誤差となって現れる。このように、電極間電圧Ｖｓの変化（誤差）によって、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下し得る。
【００６９】
そこで、本実施例では、酸素濃度差ｄＣの小さな位置（すなわち、第１内部電極１１ｃから遠い位置）に、検知電極１２ｂを配置する。図７は、距離ｄと、オフセットＯＩの変動割合との関係を示すグラフである。図７のグラフには、４種類の測定結果ＣＡ〜ＣＤが示されている。これらの測定結果ＣＡ〜ＣＤの間では、第１検出室１６の断面寸法が異なっている。図８は、これらの測定結果ＣＡ〜ＣＤのそれぞれの断面寸法を示す説明図である。横軸は、幅Ｗを示し、縦軸は高さｔを示している（図６）。測定結果と寸法との関係は、以下の通りである。
第１結果ＣＡ：幅Ｗが０．９８ｍｍ、高さｔが０．０３ｍｍ、面積が０．０３ｍｍ2。
第２結果ＣＢ：幅Ｗが２．０３ｍｍ、高さｔが０．０３ｍｍ、面積が０．０６ｍｍ2。
第３結果ＣＣ：幅Ｗが０．９８ｍｍ、高さｔが０．１１ｍｍ、面積が０．１１ｍｍ2。
第４結果ＣＤ：幅Ｗが２．０３ｍｍ、高さｔが０．１１ｍｍ、面積が０．２２ｍｍ2。
面積は、小数第３位で四捨五入して得られる値である。ここで、第１内部電極１１ｃの厚さ１１ｃｔ（図６）は、各測定結果ＣＡ〜ＣＤに共通である（本実施例では、０．０１ｍｍ）。なお、検知電極１２ｂ（図５）の厚さも、第１内部電極１１ｃの厚さと同じである。
【００７０】
なお、図８に示す４つの断面寸法は、発明者らによって採用された、小型化された第１検出室１６の断面寸法の目安である。第１検出室１６の断面積が小さいほど、第１酸素ポンプセル１１による酸素のポンピング（汲み出しと汲み入れ）が容易であり、そして、ガスセンサ素子１０の要素間の温度差が抑制される。ただし、第１検出室１６の断面積が過剰に小さい場合には、第１検出室１６の形成が困難になる。従って、空間部分１６ｓ（図４、図５）の断面積は、図８に示す構成の断面積の範囲内（０．０３ｍｍ2〜０．２２ｍｍ2）であることが好ましい。なお、断面積を計算によって得る場合には、小数第３位で四捨五入して得られる値が、上述の範囲内にあることが好ましい。
【００７１】
また、空間部分１６ｓ（図４，図５）の高さｔ（図６）が小さいと、ガスセンサ素子１０の強度を高めることができる。ただし、高さｔが過剰に小さい場合には、第１検出室１６の形成が困難になる。従って、高さｔは、図８に示す構成の高さｔの範囲内（０．０３ｍｍ〜０．１１ｍｍ）であることが好ましい。
【００７２】
また、空間部分１６ｓ（図４、図５）の幅Ｗ（図６）が小さいと、電極１１ｃ、１２ｂも小さくなるので、消費電力を低減できる。ただし、幅Ｗが過剰に小さい場合には、断面積を維持するために高さｔが過剰に大きくなるので、電解質層１１ａ、１２ａ間、すなわち、ガスＧｓｎ、Ｇｓｆ間に温度差が生じ易い（あるいは、温度差が変化し易い）。従って、幅Ｗは、図８に示す構成の幅Ｗの範囲内（０．９８ｍｍ〜２．０３ｍｍ）であることが好ましい。
【００７３】
いずれの場合も、検知電極１２ｂの幅が広いことが好ましく、検知電極１２ｂの幅が第１検出室１６の幅Ｗと同じであることが特に好ましい。検知電極１２ｂの幅を広くすることによって、ガス中の幅方向の酸素濃度差の電極間電圧Ｖｓに対する影響を小さくすることができる。このように、望ましい精度を得るための距離ｄに対する幅Ｗの影響を、高さｔの影響と比べて、小さくすることができる。
【００７４】
次に、図７のグラフについて説明する。距離ｄ（横軸）は、図５に示すように、第１内部電極１１ｃの下流端１１ｃｄから、検知電極１２ｂの中心１２ｂｃまでの、ガスの流れに沿った距離を示している。本実施例では、距離ｄは、ガス流の方向ＧＦＤ（長手方向Ｄ１）の距離を示している。すなわち、第１固体電解質層１１ａと第１内部電極１１ｃとの積層方向Ｄ２に沿って見たときの、下流端１１ｃｄから検知電極１２ｂの中心１２ｂｃまでの、ガス流の方向ＧＦＤに沿った距離を、距離ｄは示している。ここで、中心１２ｂｃは、検知電極１２ｂの上流端１２ｂｕと下流端１２ｂｄとの間の中点の位置を示している（すなわち、両端１２ｂｕ、１２ｂｄから同じ距離（ｄＬ／２）の位置）。なお、本実施例では、上流端１２ｂｕと下流端１２ｂｄとの間の距離ｄＬは、１．２ｍｍである。
【００７５】
本実施例では、第１内部電極１１ｃのガス流の方向ＧＦＤの長さ、つまり１６ｓの距離ｄＳは、４．４ｍｍである。従って、０．０５≦ｄＬ／ｄＳ≦１．２０の値を満たしているので、応答性の低下を避けつつ、検知精度の低下も避けることが出来る。
【００７６】
又、図５から明らかなように、検知電極１２ｂの下流端１２ｂｕは、第２拡散抵抗体１５ｂよりも先端側に位置している。この構成をとる本実施例では、検知電極１２ｂは第２検出室１８の被検出ガス濃度を受けにくくなる為、検知精度は向上する。
【００７７】
図７では、第１検出室１６の高さｔ（図６）を単位として、距離ｄが示されている。例えば、第１結果ＣＡ（高さｔが０．０３ｍｍ）に関しては、横軸の値が１０であることは、距離ｄが、０．０３＊１０＝０．３ｍｍであることを示している。第３結果ＣＣ（高さｔが０．１１ｍｍ）に関しては、横軸の値が１０であることは、距離ｄが、０．１１＊１０＝１．１ｍｍであることを示している。
【００７８】
次に、オフセットＯＩの変動割合（縦軸）について説明する。図９は、図７の測定結果を得るために利用した評価システムＥＳを示している。この評価システムＥＳは、空気ブロワＢＬと、空気ブロワＢＬに接続されたガス流路ＦＰと、ガス流路ＦＰに固定されたガスセンサ２００と、を含んでいる。空気ブロワＢＬとしては、最大３ｍ3／分の能力のブロワが採用されている。
【００７９】
オフセットＯＩの変動割合の算出方法は、以下の通りである。室温（摂氏２０度〜３０度程度）の大気雰囲気下に評価システムＥＳを配置する。ＮＯｘセンサ素子の制御温度は摂氏７００度程度である。ガスセンサ２００は、図３で説明したように、通常制御される。この条件下で、空気ブロワＢＬによるガス流（空気流）の流速を０ｍ／秒に設定する（流速は、ガス流路ＦＰ内における流速を表している）。この状態でのオフセットを測定する（第１オフセットと呼ぶ）。次に、ガス流の流速を３０ｍ／秒に設定する。この状態でのオフセットを測定する（第２オフセットと呼ぶ）。これらの第１と第２のオフセットの差を、ゲインの変動幅で割ることによって、オフセットＯＩの変動割合を算出する（単位は％）。ここでは、ゲインの変動幅としては、ＮＯｘの実用上の最大濃度（おおよそ１０００ｐｐｍ）に対応するゲインＧＩの値が採用されている。なお、大気雰囲気下では、空気ブロワＢＬから供給されるガス（空気）中のＮＯｘ濃度はほぼゼロであるので、測定された第２ポンプ電流Ｉｐ２が、オフセットＯＩ（図３）に相当する。また、オフセットＯＩとゲインＧＩとのそれぞれは、第１検出室１６の断面積に応じて変わり得る。
【００８０】
図７に示すように、オフセットＯＩの変動率は、距離ｄが大きいほど、小さくなる。この傾向は、図５のグラフＧ１の傾向と同じである。そして、４種類の測定結果ＣＡ〜ＣＤのいずれに関しても、距離ｄが、高さｔの１０倍の距離以上である場合には、オフセットＯＩの変動率が０．１％未満である。従って、距離ｄを、高さｔの１０倍以上に設定することによって、オフセットＯＩの変動率、ひいては、ＮＯｘ検出の誤差を低減することができる。なお、高さｔが小さい場合には、酸素濃度差ｄＣ（図５）も小さい、と推定される。このことが、高さｔが小さい場合には、小さい距離ｄ（高さｔの１０倍の距離）で、オフセットＯＩの変動率が小さくなる理由である、と推定される。そして、高さｔを基準距離ｄを調整することによって、良い精度を得ることができる（図７）。また、ガスセンサ素子１０の長手方向Ｄ１のサイズが過剰に大きくなることを防止するためには、距離ｄは、高さｔの２０倍以下であることが好ましい（図７のグラフでは、距離ｄが、高さｔの２０倍の距離に設定された場合にも、オフセットＯＩの変動率が０．１％よりも小さい）。
【００８１】
尚、発熱部５１と第１内部電極１１ｃと内側第２ポンプ電極１３ｂとのガス流の方向における位置関係は、第１内部電極１１ｃの上流側の端と内側第２ポンプ電極１３ｂの下流側の端とに届くように、発熱部５１は形成されている。言い換えれば、ガス流の方向において、第１内部電極１１ｃの上流側の端と内側第２ポンプ電極１３ｂの下流側の端との間に発熱部５１が存在していない部位は、存在しない。この構成をとる本実施例では、第１内部電極１１ｃの上流側の端から内側第２ポンプ電極１３ｂの下流側の端までの間に存在する第１酸素ポンプセル１１の、上流側の端から下流側の端までの全体が、発熱部５１により確実に温められる為、第１酸素ポンプセル１１の活性状態を確実に維持される。
【００８２】
又、発熱部５１のガス流の方向における後端は、ガスセンサ素子１０を保持する保持部１６０の軸線方向先端よりも、先端側に位置する。この構成をとる本実施例では、第１酸素ポンプセル１１、第２酸素ポンプセル１３、酸素濃度検知セル１２は保持部１６０から熱を奪われることがなくなる。その為、ガスセンサ素子１０は保持部１６０の熱の影響を受けにくくなるので、安定したガスセンサの制御が可能となっている。
【００８３】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８４】
変形例１：
上述の各実施例において、ガスセンサ２００とＮＯｘセンサ素子１０とのそれぞれの構成としては、図１〜図６に示す構成に限らず、他の種々の構成を採用可能である。例えば、第１拡散抵抗体１５ａが、第１内部電極１１ｃの短手方向Ｄ３に配置されていてもよい。また、上述のガスセンサ２００（ガスセンサ素子１０）は、ＮＯｘに限らず、種々の酸化物の存在や濃度の検出に利用可能である。このような酸化物としては、例えば、ＣＯ2や、ＳＯ2や、Ｈ2Ｏ等を採用可能である。また、複数のセルが共通の電解質層（電解質体）を用いて形成されていてもよい。例えば、第２酸素ポンプセル１３の電極１３ｂ、１３ｃが、酸素濃度検知セル１２と共通の第３固体電解質層１２ａ上に形成されてもよい。一般には、ガスセンサは、第１酸素ポンプセルの電極が形成（接合）された第１電解質部分と、第２酸素ポンプセルの電極が形成（接合）された第２電解質部分と、酸素濃度検知セルの電極が形成（接合）された第３電解質部分とを有してよい。そして、これら３つの電解質部分が、それぞれ別体の電解質体で形成されていてもよい。また、任意の２つの電解質部分が、１つの電解質体で一体に形成されていてもよい。また、３つの電解質部分が、１つの電解質体で一体に形成されていてもよい。
【００８５】
変形例２：
上述の各実施例において、ガスセンサ２００の各部材の寸法としては、上述の寸法に限らず、他の寸法を採用してもよい。例えば、第１内部電極１１ｃの厚さ１１ｃｔ（図６）は、０．０１ｍｍと比べて、厚くてもよく薄くてもよい。検知電極１２ｂの厚さについても、同様である。また、検知電極１２ｂの幅が第１検出室１６の幅Ｗよりも狭くてもよい。第１内部電極１１ｃの幅についても、同様である。また、検知電極１２ｂの長さｄＬ（図５）は、０．０５≦ｄＬ／ｄＳ≦１．２０を満たしていれば、１．２ｍｍと比べて、長くてもよく短くてもよい。また、第１内部電極１１ｃの長さ（上流端１１ｃｕから下流端１１ｃｄまでの長さ）は、第１検出室１６内の酸素濃度を制御するのに十分な長さに設定すればよい。
【００８６】
変形例：３
変形例２において、検知電極１２ｂの厚み及び幅Ｗは、他の寸法を採用しても良いと述べたが、より好ましくは、検知電極を多孔質体により形成し、さらにガス流の方向ＧＦＤに沿って検知電極１２ｂが存在する位置における第１検出室の第２断面を見た時に、第２断面の総面積に対する検知電極の占める割合が、半分以上である箇所を有するように形成することが、より好ましい。つまり、検知電極の厚みをｈとすると、図１０のように検知電極を形成する際には、Ｗ×Ｈ≦２×Ｗ×ｈを満たすような厚みｈ、つまりＨ≦２ｈとすると良い。なお、図１０は、図３のＡ−Ａ断面における検知電極の断面図の一例である。
【００８７】
また、検知電極を多孔質体により形成し、ガス流の方向ＧＦＤに沿って検知電極１２ｂが存在する位置における第１検出室の第２断面を見た時に、第２断面の総面積に対する検知電極の占める割合が半分以上であれば、図１１のように第２断面の周辺領域の全てを覆うように検知電極が形成されていてもよい。なお、図１１は、図３のＡ−Ａ断面における検知電極の断面図の一例である。
【００８８】
さらに好ましくは、検知電極を多孔質体により形成した上で、図１２のように第２断面の全体を占めるように検知電極を形成すると良い。なお、図１２は、図３のＡ−Ａ断面における検知電極の断面図の一例である。
【００８９】
変形例４：
上述の各実施例において、電極の導電材料としては、白金に限らず、他の種々の導電材料を採用可能である。例えば、金や銀を採用してもよい。また、他の部材の材料としても、種々の材料を採用可能である。
【００９０】
変形例５：
上述の各実施例において、ガスセンサ（ガスセンサ素子）としては、図２に示すＮＯｘセンサに限らず、他の種々のセンサ（素子）を採用可能である。例えば、第１酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとを備える空燃比センサ（酸素センサ）を採用してもよい。このような空燃比センサの構成としては、図２に示すガスセンサ素子１０から、第２検出室１８と第２酸素ポンプセル１３とを省略した構成を採用可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１０…ガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）
１１…第１酸素ポンプセル
１１ａ…第１固体電解質層
１１ｂ…外側第１ポンプ電極（第１対極電極）
１１ｃ…内側第１ポンプ電極（第１内部電極）
１１ｅ…保護層
１１ｃｄ…下流端
１１ｃｔ…厚さ
１１ｃｕ…上流端
１２…酸素濃度検知セル
１２ａ…第３固体電解質層
１２ｂ…検知電極
１２ｃ…基準電極
１２ｂｃ…中心
１２ｂｄ…下流端
１２ｂｕ…上流端
１３…第２酸素ポンプセル
１３ａ…第２固体電解質層
１３ｂ…内側第２ポンプ電極
１３ｃ…対極第２ポンプ電極
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ…絶縁層
１５ａ…第１拡散抵抗体
１５ｂ…第２拡散抵抗体
１６…第１検出室
１６ｓ…空間部分
１７…基準酸素室
１８…第２検出室
５０…発熱抵抗体
５１…発熱体
５２…発熱リード部
６０…ヒータ
１０６…セラミックスリーブ
１１０…接続端子
１３８…主体金具
１３９…ねじ部
１４０…後端部
１４２…外部プロテクタ
１４３…内部プロテクタ
１４４…外筒
１４６…リード線
１５０…グロメット
１５１…セラミックホルダ
１５２…棚部
１５３、１５６…滑石リング（粉末充填層）
１５４…貫通孔
１５７…パッキン
１５８…金属ホルダ
１６０…保持部
１６１…リード線挿通孔
１６６…絶縁コンタクト部材
１６７…鍔部
１６８…コンタクト挿通孔
１６９…保持部材
２００…ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）
ＢＬ…空気ブロワ
ＦＰ…ガス流路
ＥＳ…評価システム
ＣＵ…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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