(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方が閉塞され、内部に基準ガス室が設けられた固体電解質体と、上記基準ガス室と対面する上記固体電解質体の内側面に設けられた基準電極と、上記固体電解質体の外側面に設けられた測定電極とを有するガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子は、その先端部に発熱部を有するヒータの側部先端側が上記基準電極を有する上記固体電解質体の内側面に当接した状態で上記ヒータが上記基準ガス室に配置されて使用されるものであるとともに、当該ガスセンサ素子を有するガスセンサが備える上記ガスセンサ素子の出力を取り出すためのリード線に上記測定電極が電気的に接続されて使用されるものであり、
上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部側に配置された第１電極と、該第１電極よりも上記固体電解質体の基端部側に配置された第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間を接続する抵抗体とを有することを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサ素子において、上記抵抗体は、上記第１電極と上記第２電極との間における上記固体電解質体の外側面の一部に形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスセンサ素子において、上記第１電極、上記第２電極および上記抵抗体は、同一材料から形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ素子において、上記抵抗体は線状であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子において、該ガスセンサ素子の被測定ガスにさらされる部分の長手方向の長さをＬとしたとき、
上記第１電極は、上記固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内の少なくとも一部に形成されており、
上記第２電極は、０．２８Ｌ〜０．６Ｌの領域内の少なくとも一部に形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ素子において、該ガスセンサ素子の被測定ガスにさらされる部分の長手方向の長さをＬとしたとき、
上記第１電極は、上記固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内の少なくとも一部かつ全周にわたって形成されており、
上記第２電極は、０．３２Ｌ〜０．４８Ｌの領域内の少なくとも一部かつ全周にわたって形成されており、
上記基準電極は、少なくとも０．４８Ｌ以下の領域内の全面にわたって形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ素子を有することを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、内燃機関からの排気ガス中に含まれる酸素ガスの濃度を検出し、内燃機関の空燃比を制御するため、ガスセンサ素子およびガスセンサが利用されている。
【０００３】
ガスセンサ素子の構造としては、筒状体の一方が閉塞されたコップ型の固体電解質体の外側面、内側面のほぼ全面に測定電極、基準電極をそれぞれ形成した構造が知られている。また、上記コップ型の固体電解質体の外側面、内側面の先端部だけに測定電極、基準電極をそれぞれ形成した構造も知られている（特許文献１参照）。上記ガスセンサ素子、これを備えたガスセンサは、固体電解質体内に設けられた基準ガス室にヒータが挿入配置され、このヒータの発熱により活性化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−８１４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のガスセンサ技術は、以下の問題がある。すわなち、近年、エミッション制御の自由度を向上させるため、制御電圧範囲を広げることが求められている。そのための方法としては、リッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧を向上させる方法が考えられる。センサ出力電圧は、センサ温度とガス種によって決定されるものである。ガス種の変更は通常困難であるため、センサ出力電圧の向上は、センサ温度を下げることにより達成するほかない。しかし、センサ温度を下げると、センサの早期活性化を図ることが困難になるという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の向上とを両立させることが可能なガスセンサ技術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】
【０００７】
本発明は、一方が閉塞され、内部に基準ガス室が設けられた固体電解質体と、上記基準ガス室と対面する上記固体電解質体の内側面に設けられた基準電極と、上記固体電解質体の外側面に設けられた測定電極とを有するガスセンサ素子であって、
該ガスセンサ素子は、その先端部に発熱部を有するヒータの側部先端側が上記基準電極を有する上記固体電解質体の内側面に当接した状態で上記ヒータが上記基準ガス室に配置されて使用されるものであるとともに、当該ガスセンサ素子を有するガスセンサが備える上記ガスセンサ素子の出力を取り出すためのリード線に上記測定電極が電気的に接続されて使用されるものであり、
上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部側に配置された第１電極と、該第１電極よりも上記固体電解質体の基端部側に配置された第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間を接続する抵抗体とを有することを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００８】
上記ガスセンサ素子は、測定電極が、固体電解質体の先端部側に配置された第１電極と、第１電極よりも固体電解質体の基端部側に配置された第２電極と、第１電極と第２電極との間を接続する抵抗体とを有する。
そのため、内燃機関の始動時等、測定初期における相対的に素子温度が低い場合であっても、温度が上昇しやすい固体電解質体の先端部側に配置された第１電極によって早期活性化が図られる。また、内燃機関の運転時等、固体電解質体の先端部側で素子温度が高く、固体電解質体の基端部側になるほど素子温度が低くなるといった素子温度分布が生じている場合であっても、固体電解質体の先端部側よりも相対的に素子温度の低い固体電解質体の基端部側に配置された第２電極によって、固体電解質体の先端部だけに測定電極を配置した場合よりも高いセンサ出力電圧が得られる。
【０００９】
つまり、本発明では、比較的早期に素子温度が高くなる固体電解質体の先端部側に設けた第１電極により、早期活性の低下が抑制される。また、本発明では、（１）素子温度が低いほどリッチ雰囲気においてセンサ出力電圧を上昇させることができる点、（２）固体電解質体の先端部側で素子温度が高くなり、固体電解質体の基端部側になるほど素子温度が低くなるといった素子温度分布が生じる点を考慮している。そして、固体電解質体の先端部側よりも相対的に素子温度が低くなる固体電解質体の基端部側に設けた第２電極により、リッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の温度依存性が緩和され、センサ出力電圧の低下が抑制される。
以上のように、本発明によれば、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の向上とを両立させることが可能なガスセンサ素子、ガスセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における、ガスセンサ素子を示す側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】実施例１における、ガスセンサ素子の固体電解質体とヒータとの位置関係を示す説明図である。
【図５】実施例１における、ガスセンサ素子の電気回路図である。
【図６】固体電解質体の最先端からの距離と素子温度との関係を示す説明図である。
【図７】固体電解質体の最先端からの距離とセンサ出力電圧との関係を示す説明図である。
【図８】実施例１のガスセンサ素子を備えたガスセンサを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上記ガスセンサ素子は、筒状体の一方が閉塞され、内部に基準ガス室が設けられた固体電解質体を有している。固体電解質体は、例えば、有底略筒状のコップ型に形成することができ、その内部空間を大気が導入される基準ガス室として構成することができる。固体電解質体の材質としては、例えば、ＺｒＯ２系セラミックス等の酸素イオン導電性を有する各種の固体電解質を適用することができる。固体電解質体の厚みは、例えば、０．３〜１ｍｍとすることができる。
【００１２】
上記ガスセンサ素子は、基準ガス室と対面する固体電解質体の内側面に基準電極が設けられており、一方、固体電解質体の外側面に測定電極が設けられている。基準電極と測定電極とは、固体電解質体を挟んで互いに対向するように配置される。上記ガスセンサ素子では、例えば、基準電極を、測定電極の第１電極および第２電極の共通電極として構成することにより、第１電極および第２電極と基準電極とを固体電解質体を挟んで互いに対向するように配置することができる。この場合には、基準電極を簡略化することができるため、製造性に優れたガスセンサ素子となる。また、他にも例えば、基準電極を、測定電極の第１電極と対向する第１基準電極と、測定電極の第２電極と対向する第２基準電極と、第１基準電極と第２基準電極とを電気的に接続する接続部とから構成することも可能である。基準電極および測定電極は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｈなどの貴金属を含む電極材料から形成することができる。上記貴金属は、電極材料中に１種または２種以上含まれていてもよい。基準電極および測定電極は、例えば、化学めっき、ペースト印刷等により形成することができる。
【００１３】
ここで、上記ガスセンサ素子において、測定電極は、上述したように固体電解質体の先端部側に配置された第１電極と、第１電極よりも固体電解質体の基端部側に配置された第２電極とを有している。第１電極は、固体電解質体の先端部側において、固体電解質体の最先端を含んで外側面の全周にわたって形成されていてもよいし、固体電解質体の最先端を除いた外側面の全周にわたって環状等に形成されていてもよい。また、固体電解質体の先端部側において、固体電解質体の外側面の全周ではなく、外側面の周方向の一部に形成されていてもよい。第１電極の形成領域に固体電解質体の最先端が含まれている場合、該最先端はヒータ加熱により加熱されやすいため、早期活性化を図るうえで有利である。第２電極は、固体電解質体の基端部側において、固体電解質体の外側面の全周にわたって環状等に形成されていてもよいし、固体電解質体の外側面の周方向の一部に形成されていてもよい。
【００１４】
好ましくは、被測定ガスとの接触性が高まるなどの観点から、第１電極は、固体電解質体の先端部側において、固体電解質体の外側面の全周にわたって形成されているとよい。また、第２電極は、固体電解質体の基端部側において、固体電解質体の外側面の全周にわたって形成されているとよい。
【００１５】
第１電極と第２電極とは、ほぼ同一面積とされていてもよいし、異なる面積とされていてもよい。第１電極と第２電極とがほぼ同一面積とされている場合には、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の向上とを両立させやすくなる。また、第１電極と第２電極は、同一材料から形成されていてもよいし、異なる材料から形成されていてもよい。また、第１電極と第２電極の厚みは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００１６】
また、上記ガスセンサ素子において、上記測定電極は、第１電極と第２電極との間を接続する抵抗体を有している。この抵抗体は、単位長さあたりの抵抗値が第１電極、第２電極より大きい。この抵抗体の介在により、第１電極と第２電極とが電気的に並列接続となる。抵抗体の抵抗調整は、種々の方法により行うことができる。例えば、抵抗体の材料を第１電極、第２電極と異なる材料としたり、電流の流れる方向と直交する方向の抵抗体の幅を可変させたり、抵抗体の厚みを可変させたりする方法などを例示することができる。これら方法は、１または２以上組み合わせることができる。
【００１７】
上記抵抗体は、電気抵抗として機能を発揮できれば、第１電極と第２電極との間における固体電解質体の外側面に部分的に形成されていてもよいし、固体電解質体の外側面の全周にわたって環状等に形成されていてもよい。
【００１８】
上記抵抗体は、第１電極と第２電極との間における固体電解質体の外側面の一部に形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、抵抗体としての機能を発揮しやすくなるので、第１電極と第２電極との電気的な接続を並列接続にしやすくなる。そのため、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧向上との両立を図りやすくなる。
【００１９】
また、上記ガスセンサ素子において、第１電極、第２電極および抵抗体は、同一材料から形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、製造時に材料変更を行う必要がなく、第１電極、第２電極および抵抗体を少ない製造プロセスで形成することができる。そのため、製造性に優れたガスセンサ素子が得られる。より好ましくは、第１電極、第２電極および抵抗体は、同じ厚みに形成されているとよい。上記効果が大きくなるからである。
【００２０】
また、上記ガスセンサ素子において、上記抵抗体は線状であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、線幅を調節することにより抵抗体の電気抵抗を容易に調節することができる。そのため、第１電極と第２電極との電気的接続を並列接続にしやすくなる。そのため、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧向上との両立を図りやすくなる。上記線幅は、好ましくは、１〜５ｍｍ、より好ましくは、１．５〜３ｍｍの範囲内に設定することができる。
【００２１】
また、上記ガスセンサ素子において、該ガスセンサ素子の被測定ガスにさらされる部分の長手方向の長さをＬとしたとき、第１電極は、固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内の少なくとも一部に形成されており、第２電極は、０．２８Ｌ〜０．６Ｌの領域内の少なくとも一部に形成されていることが好ましい（請求項５）。
【００２２】
上記ガスセンサ素子の使用時には、固体電解質体の内部に設けられた基準ガス室に通電により発熱して固体電解質体を加熱するヒータが配置される。固体電解質体の先端部側に測定電極を有するガスセンサ素子の場合、ヒータの先端部を十分に発熱させるのが通常である。固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内は、ヒータ加熱による温度がほぼ一定になりやすい領域である。そのため、この領域内の少なくとも一部に第１電極があれば、測定初期における相対的に素子温度が低い場合であっても、より安定して早期活性化を図ることができるので有利である。なお、上記第１電極は、上記領域内の少なくとも一部、あるいは、上記領域内の全てに形成することもできる。また、ヒータの側部先端側は、固体電解質体の内側面に当接した状態で配置される。上記ヒータの側部先端側は、好ましくは、製造時におけるヒータ挿入のし易さ、ヒータの加熱効率などの観点から、０．０６Ｌ〜０．１２Ｌの範囲内のいずれかに配置されているとよい。
【００２３】
また、０．２８Ｌ以上の範囲に第２電極がある場合には、第１電極と第２電極との間を０．０８Ｌ以上確保することができる。そのため、抵抗体の形成性が良好であり、抵抗体の形成難易度が過度に高くなることがない。また、０．６Ｌ以下の範囲に第２電極がある場合には、ヒータによる加熱時に固体電解質体を活性な状態に保ちやすく、センサ出力を確保しやすい。なお、上記第２電極は、上記領域内の少なくとも一部、あるいは、上記領域内の全てに形成することができる。また、上記Ｌは、例えば、１０〜３０ｍｍ程度に設定することができる。
【００２４】
以上のように、固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内の少なくとも一部に第１電極が形成されており、固体電解質体の０．２８Ｌ〜０．６Ｌの領域内の少なくとも一部に第２電極が形成されている場合には、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の向上とのバランスに優れる。第１電極は、好ましくは、０．０４Ｌ〜０．１５Ｌの領域内の少なくとも一部、また、第２電極は、好ましくは、０．３２Ｌ〜０．４８Ｌの領域内の少なくとも一部に形成されているとよい。
【００２５】
また、上記ガスセンサ素子において、第１電極は、固体電解質体の最先端〜０．２Ｌの領域内の少なくとも一部かつ全周にわたって形成されており、第２電極は、０．３２Ｌ〜０．４８Ｌの領域内の少なくとも一部かつ全周にわたって形成されており、基準電極は、少なくとも０．４８Ｌ以下の領域内の全面にわたって形成されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧向上とのバランスに優れる。
【００２６】
本発明のガスセンサは、上述したガスセンサ素子を有している（請求項７）。
そのため、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧向上とを両立することができる。したがって、上記ガスセンサによれば、リッチ雰囲気における制御電圧の使用領域が拡大し、制御自由度を向上させることができる。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
本発明の実施例に係るガスセンサ素子、ガスセンサについて図１〜図８を用いて説明する。
本例のガスセンサ素子１は、図１〜図３に示すように、固体電解質体１０と、基準電極１１と、測定電極１２とを有している。固体電解質体１０は、一方が閉塞されており、内部に基準ガス室１０１が設けられている。基準電極１１は、基準ガス室１０１と対面する固体電解質体１０の内側面に設けられている。測定電極１２は、固体電解質体１０の外側面に設けられている。
【００２８】
測定電極１２は、第１電極１２１と、第２電極１２２と、抵抗体１２３とを有している。第１電極１２１は、固体電解質体１０の先端部側に配置されている。第２電極１２２は、第１電極１２１よりも固体電解質体１０の基端部側に配置されている。抵抗体１２３は、第１電極１２１と第２電極１２２との間を接続する。
【００２９】
以下、詳細に説明する。本例のガスセンサ素子１は、酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子である。固体電解質体１０は、図１〜図３に示すように、有底略筒状のコップ型に形成されており、その内部空間が大気を導入するための基準ガス室１０１とされている。固体電解質体１０の外側面のうち、固体電解質体１０の最先端から基端部側に向かって長さＬの範囲（固体電解質体１０の外側面の最先端を原点とする）が、被測定ガスの接触面とされる。本例において、固体電解質体１０は、部分安定化ジルコニアよりなり、先端部の厚みは約０．６ｍｍ、長さＬは２５ｍｍである。
【００３０】
固体電解質体１０は、図４に示すように、ガスセンサ素子１の使用時に基準ガス室１０１内にヒータ２１が挿入配置される。ヒータ２１は、その先端部に発熱部を有している。ヒータ２１の内部には通電により発熱する発熱体とこの発熱体に電力を供給する通電線とが設けられている。ヒータ２１の側部先端側は、図中Ｃの位置において、固体電解質体１０の内側面に当接するように配置される。なお、本例において、当接位置Ｃは、固体電解質体１０の最先端から２ｍｍの位置とされる。ヒータ２１は、発熱部を中心に発熱し、固体電解質体１０を活性化させる。また、図４において、固体電解質体１０の外側面の設けた測定電極１２、内側面に設けられた基準電極等は省略してある。
【００３１】
測定電極１２の一部を構成する第１電極１２１は、図１に示すように、固体電解質体１０の最先端を含み、この最先端〜０．２Ｌ（具体的には、最先端から５ｍｍ）の領域内の全部かつ全周にわたって固体電解質体１０の外側面を覆うように形成されている。一方、測定電極１２の一部を構成する第２電極１２２は、固体電解質体１０の０．３６Ｌ〜０．４４Ｌ（具体的には、９ｍｍ〜１１ｍｍ）の領域内の全部かつ全周にわたって固体電解質体１０の外側面を環状に覆うように形成されている。なお、第１電極１２１および第２電極１２２の形成面積は、同一とされている。また、固体電解質体１０の基端部側を上方向、先端部側を下方向としたとき、抵抗体１２３は、第１電極１２１の上端と第２電極１２２の下端との間における固体電解質体の表面に、第１電極１２１、第２電極１２２よりも周方向の幅が細い線状（具体的には、線幅２ｍｍ）に形成されている。なお、第１電極１２１、第２電極１２２、および抵抗体１２３は、めっき法を用いて、同一材料であるＰｔから形成されている。
【００３２】
抵抗体１２３は、第１電極１２１と第２電極１２２とを電気的に並列接続するものである。本例のガスセンサ素子１は、抵抗体１２３の存在により、図５に示すような並列回路を構成する。なお、Ｖ１、Ｒ１は、第１電極１２１と第１電極１２１と対向する基準電極１１とから構成される第１セルのセル電圧、内部抵抗であり、Ｖ２、Ｒ２は、第２電極１２２と第２電極１２２と対向する基準電極１１とから構成される第２セルのセル電圧、内部抵抗である。ｒは、抵抗体１２３の電気抵抗である。Ｖは、ガスセンサ素子１全体のセンサ出力電圧である。本例のガスセンサ素子１では、抵抗体１２３の存在により、内燃機関の始動時等、測定初期における相対的に素子温度が低いときは、Ｖ＝Ｖ１としてセンサ出力電圧が検出され、内燃機関の運転時等、固体電解質体１０の先端部側で素子温度が高く固体電解質体１０の基端部側になるほど素子温度が低くなるといった素子温度分布が生じている場合には、Ｖ＝Ｖ２としてセンサ出力電圧が検出される。
【００３３】
基準電極１１は、図２、図３に示すように、固体電解質体１０の内側面の全面にわたって形成されている。つまり、本例では、第２電極１２２の上端に対応する位置である固体電解質体１０の０．４４Ｌの位置以下（具体的には、１１ｍｍ以下）の領域内の全面にわたって固体電解質体１０の内側面を覆うように基準電極１１が形成されているといえる。したがって、測定電極１２の第１電極１２１と基準電極１１とは、固体電解質体１０を挟んで対向して配置されている。また、測定電極１２の第２電極１２２と基準電極１１とは、固体電解質体１０を挟んで対向して配置されている。すなわち、本例では、基準電極１１を、測定電極１２の第１電極１２１と第２電極１２２とに共通する共通電極として構成した。なお、基準電極１１は、めっき法を用いて、Ｐｔから形成されている。
【００３４】
ガスセンサ素子１は、上記構成以外にも次の構成も有する。すなわち、固体電解質体１０の外側面には、測定電極１２とともにリード部１２４とターミナル部１２５とが設けられている。リード部１２４は、測定電極１２で得られたセンサ出力を取り出して、ターミナル部１２５に伝達する部分である。リード部１２４の周方向の幅は１．５ｍｍであり、第２電極１２２の上端とターミナル部１２５の下端とを接続するように形成されている。ターミナル部１２５は、センサ出力をガスセンサ素子１の外部へ取り出すためのもので、後述するガスセンサ２に設けた金属端子２７１と接続する部分である。本例のターミナル部１２５は、固体電解質体１０の基端部において全周にわたって環状に形成されている。
【００３５】
また、固体電解質体１０の内側面には、上述したように基準電極１１が固体電解質体１０の内側面の全面にわたって形成されており、この基準電極１１の基端部側の一部がターミナル部１１２として利用される。このターミナル部１１２は、後述するガスセンサ２に設けた金属端子２７３と接続する部分である。これによりターミナル部１１２を介してセンサ出力を取り出すことができる。なお、リード部１２４、ターミナル部１２５は、めっき法を用いて、Ｐｔから形成されている。リード部１２４およびターミナル部１２５の厚みは、いずれも約０．７〜２μｍである。
【００３６】
次に、上記ガスセンサ素子１において、上記の位置に第１電極１２１、第２電極１２２を形成したのは、以下の基礎試験データによるものである。
【００３７】
図６に、固体電解質体１０の最先端からの距離と素子温度との関係を示す。図６は、本例のガスセンサ素子１と同じ形状の固体電解質体１０の内部にヒータ２１を配置し、このヒータ２１を発熱させ、固体電解質体１０の最先端の温度を６００℃、７００℃、８００℃としたときにおける、各素子温度分布を測定したものである。なお、ヒータ２１の側部先端側は、固体電解質体１０の最先端から２ｍｍ（＝０．０８Ｌ）の位置にて、固体電解質体１０の内側面に当接している。
【００３８】
図６に示されるように、素子温度は、固体電解質体１０の最先端から５ｍｍ（＝０．２Ｌ）までの間において最も高く、かつ、ほぼ一定になっており、固体電解質体１０の最先端からの距離が５ｍｍ（＝０．２Ｌ）以上になると、固体電解質体１０の基端部側に近づくにつれて素子温度が低くなるという素子温度分布が生じていることがわかる。また、ヒータ２１の先端に発熱部があるので、この発熱部に近い固体電解質体１０の先端部側がより早く高温に加熱されるといえる。また、本例では、固体電解質体１０の最先端から２ｍｍ（＝０．０８Ｌ）の位置にて、ヒータ２１の側部先端側が固体電解質体１０の内側面に当接している。そのため、このことも相まって、固体電解質体１０の最先端から５ｍｍ（＝０．２Ｌ）までの間において素子温度がほぼ一定になっている。これらの結果から、本例では、早期活性化を図るのに有利な固体電解質体の最先端〜５ｍｍ（＝０．２Ｌ）の領域内の全部かつ全周にわたって第１電極１２１を形成した。なお、固体電解質体１０の全周にわたって第１電極１２１を形成したのは、被測定ガスとの接触性を高めるためである。
【００３９】
また、図７に、固体電解質体１０の最先端からの距離とセンサ出力電圧との関係を示す。図７は、本例のガスセンサ素子１と同じ形状の固体電解質体１０を用い、固体電解質体１０の最先端から基端部側に向かって、固体電解質体１０の外側面の各所定位置に試験電極を形成した各試料を作製し、各試料から上記関係を測定したものである。上記所定位置は、図７に示すように、固体電解質体の最先端、最先端から５ｍｍの位置、最先端から７．５ｍｍの位置、最先端から１０ｍｍの位置、最先端から１２．５ｍｍの位置、最先端から１５ｍｍの位置である。また、試験電極は、固体電解質体１０の内側面に形成した試験用基準電極と、この試験用基準電極と固体電解質体１０を挟んで対向するように固体電解質体１０の外側面に形成した試験用測定電極とから構成した。試験用基準電極は、固体電解質体１０の内側面の全面にわたって形成した。また、試験用測定電極は、固体電解質体１０の長手方向の長さが２ｍｍ、かつ、固体電解質体１０の外側面の全周にわたって環状に形成した。なお、試験用測定電極における固体電解質体１０の長手方向の長さの中点と上記各所定位置とを一致させて配置した。
【００４０】
そして上記測定は、固体電解質体１０の最先端の温度を６００℃、７００℃、８００℃とした３通りについて行った。なお、ヒータ２１の側部先端側は、固体電解質体１０の最先端から２ｍｍ（＝０．０８Ｌ）の位置にて、固体電解質体１０の内側面に当接している。また、モデルガスには、Ｎ２ベースのＣ３Ｈ８／Ｏ２を用い、λ＝０．９５から１．０５までスイープしながらセンサ出力電圧をモニターした。ガス温度は３５０℃であり、素子温度は、ヒータ電力を調整することにより調節した。また、図７は、λ＝０．９７（リッチ雰囲気）におけるセンサ出力電圧をプロットしたものである。
【００４１】
図７に示されるように、リッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧は、固体電解質体１０の最先端から離れるにつれて大きくなっていることがわかる。また、素子温度が低いほど、センサ出力電圧が上昇することがわかる。この図７の結果と上述の図６の結果とを合わせると、固体電解質体１０の先端部側で素子温度が高く、固体電解質体１０の基端部側になるほど素子温度が低くなるといった素子温度分布が生じている場合、固体電解質体１０の先端部側よりも相対的に素子温度の低い固体電解質体１０の基端部側に第２電極１２２を配置するとよいことがわかる。つまり、第２電極１２２を上記のように配置すると、リッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の温度依存性が緩和され、センサ出力電圧の低下が抑制されるといえる。そして、第２電極１２２の具体的な配置位置は、抵抗体１２３の形成容易性、固体電解質体１０の活性を考慮すると、好ましくは７ｍｍ〜１５ｍｍ（＝０．２８Ｌ〜０．６Ｌ）の領域内の少なくとも一部、より好ましくは８ｍｍ〜１２ｍｍ（＝０．３２Ｌ〜０．４８Ｌ）の領域内の少なくとも一部が好適であることがわかる。なお、固体電解質体１０の全周にわたって第２電極１２２を形成したのは、被測定ガスとの接触性を高めるためである。
【００４２】
次に、ガスセンサ素子１を用いた本例のガスセンサ２について説明する。図８に示すように、ガスセンサ２はハウジング２０とハウジング２０にシール固定されたガスセンサ素子１とを有している。また、ガスセンサ素子１の基準ガス室１０１にはヒータ２１が挿入配置されている。なお、ガスセンサ素子１の詳細な図示は省略されている。
【００４３】
ハウジング２０の下方には、被測定ガス室２２を形成し、ガスセンサ素子１を保護するための二重の被測定ガス側カバー２２１、２２２が設けられている。ハウジング２０の上方には、三段の大気側カバー２３１、２３２、２３３が設けられている。被測定ガス室２２の内部は被測定ガスが流通し、大気側カバー２３１、２３２、２３３の内部は大気が流通した状態にある。ガスセンサ２は、ハウジング２０にシール固定されたガスセンサ素子１を境にして、被測定ガスと大気とが混じらないように構成されている。
【００４４】
大気側カバー２３２、２３３の上端には、リード線２４１、２４２、２４３が挿入された弾性絶縁部材２５が設けられている。リード線２４１、２４３は、ガスセンサ素子１からの出力を取り出してガスセンサ２の外部に送るためのものである。また、リード線２４２は、図示しないもう一本のリード線とともにヒータ２１に通電するためのものである。
【００４５】
リード線２４１、２４３の下端には接続端子２６１、２６３が設けられており、接続端子２６１、２６３により、ガスセンサ素子１に固定した金属端子２７１、２７３と導通されている。なお、金属端子２７１、２７３は、ガスセンサ素子１におけるターミナル部１２５、１１２に対し接触固定されている。
【００４６】
本例のガスセンサ素子１、ガスセンサ２の作用効果について説明する。本例のガスセンサ素子１、ガスセンサ２は、測定電極１２が、固体電解質体１０の先端部側に配置された第１電極１２１と、第１電極１２１よりも固体電解質体１０の基端部側に配置された第２電極１２２と、第１電極１２１と第２電極１２２との間を接続する抵抗体１２３とを有している。
【００４７】
そのため、内燃機関の始動時等、測定初期における相対的に素子温度が低い場合であっても、温度が上昇しやすい固体電解質体１０の先端部側に配置された第１電極１２１によって早期活性化が図られる。また、内燃機関の運転時等、固体電解質体１０の先端部側で素子温度が高く、固体電解質体１０の基端部側になるほど素子温度が低くなるといった素子温度分布が生じている場合であっても、固体電解質体１０の先端部側よりも相対的に素子温度の低い固体電解質体１０の基端部側に配置された第２電極１２２によって、高いセンサ出力電圧が得られる。
【００４８】
したがって、本例によれば、早期活性化とリッチ雰囲気におけるセンサ出力電圧の向上とを両立させることが可能なガスセンサ素子１、ガスセンサ２を提供することができる。
【００４９】
以上、実施例について説明したが、本発明は、上記実施例により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ガスセンサ素子
１０  固体電解質体
１０１  基準ガス室
１１  基準電極
１１２  ターミナル部
１２  測定電極
１２１  第１電極
１２２  第２電極
１２３  抵抗体
１２４  リード部
１２５  ターミナル部
２  ガスセンサ
２０  ハウジング
２１  ヒータ
２２  被測定ガス室
２２１、２２２  被測定ガス側カバー
２３１、２３２、２３３  大気側カバー
２４１、２４２、２４３  リード線
２５  弾性絶縁部材
２６１、２６３  接続端子
２７１、２７３  金属端子
【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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