(57)【要約】【課題】ＮＯｘ濃度の測定精度を向上させるガスセンサ素子の提供。【解決手段】ガスセンサ素子１００は、固体電解質体７０の主面７１に面して形成されており、測定ガス室１０に導入される被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部５０と、金を含んで主面７１に形成されているポンプ電極４１を、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側にて有し、ポンプ電極４１への電圧印加状態下にて被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル４０と、主面７１に形成されているセンサ電極２１を、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側にて有し、センサ電極２１への電圧印加状態下にて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定するセンサセル２０とを、備える。ポンプ電極４１は、ガス流れ方向Ｆのセンサ電極２１よりも上流側にて拡散律速部５０から下流側へ０.２ｍｍ以上を空けた特定箇所Ｓｐに、配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体（７０）のうち主面（７１）により区画されている測定ガス室（１０）にて被測定ガスをガス流れ方向（Ｆ）へ流通させるガスセンサ素子（１００，２００，３００）であって、
前記主面に面して形成されており、前記測定ガス室に導入される前記被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部（５０，１０ｂ）と、
金を含んで前記主面に形成されているポンプ電極（４１）を、前記ガス流れ方向の前記拡散律速部よりも下流側にて有し、前記ポンプ電極への電圧印加状態下にて前記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（４０）と、
前記主面に形成されているセンサ電極（２１）を、前記ガス流れ方向の前記拡散律速部よりも下流側にて有し、前記センサ電極への電圧印加状態下にて前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定するセンサセル（２０）とを、備え、
前記ポンプ電極は、前記ガス流れ方向の前記センサ電極よりも上流側にて前記拡散律速部から下流側へ０.２ｍｍ以上を空けた特定箇所（Ｓｐ）に、配置されているガスセンサ素子。
【請求項２】
前記測定ガス室には、内燃機関の排気通路（２）から前記被測定ガスとしての排ガスが導入される請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記ポンプ電極が前記センサ電極よりも高温となるように、前記ポンプセル及び前記センサセルを加熱するヒータ（６２）を、さらに備える請求項２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
前記ポンプ電極は、前記センサ電極から前記ガス流れ方向の上流側へ０．３ｍｍ〜０．７ｍｍを空けた前記特定箇所に、配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
【請求項５】
前記主面とは対向して前記測定ガス室を区画している対向面（９３）と、
前記ガス流れ方向の前記ポンプ電極及び前記センサ電極間にて前記主面から突出しており、前記被測定ガスの拡散を律速する隙間部（２１０ｂ）を、前記対向面との間に空けている突出壁（２９７）とを、さらに備える請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
【請求項６】
前記主面に形成されているモニタ電極（３３１）を、前記センサ電極とは前記ガス流れ方向に対する直交方向（Ｐ）に並んで有し、前記センサセルにより測定される前記窒素酸化物濃度を補正するために、前記モニタ電極への電圧印加状態下にて前記被測定ガス中の酸素濃度を測定するモニタセル（３３０）とを、さらに備え、
前記ポンプ電極は、前記ガス流れ方向の前記モニタ電極よりも上流側の前記特定箇所に、配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスセンサ素子（１００，２００，３００）と、
前記ガスセンサ素子を内部に保持しているセンサハウジング（１０１）と、
前記センサハウジングに固定されて前記ガスセンサ素子のうち前記ガス流れ方向の上流側素子端部（１００ａ）を覆っており、前記被測定ガスを当該上流側素子端部へ導入する素子カバー（１０３）と、
前記ポンプ電極及び前記センサ電極への印加電圧を制御するセンサ制御回路（１０６）とを、含んで構成されるガスセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子及びそれを含んで構成されるガスセンサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、印加電圧制御用の制御回路等と共にガスセンサユニットを構成するガスセンサ素子として、固体電解質体により区画される測定ガス室にて被測定ガスをガス流れ方向へ流通させるガスセンサ素子は、広く知られている。
【０００３】
例えば特許文献１に開示されるガスセンサ素子は、ポンプセルとセンサセルと拡散律速部とを備えている。この特許文献１に開示のセンサ素子によると、ポンプセルではポンプ電極への電圧印加状態下にて被測定ガス中の酸素濃度が調整される中、センサセルではセンサ電極への電圧印加状態下にて被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が測定される。ここで、ポンプ電極及びセンサ電極部の間にて拡散律速部は、互いに対向して測定ガス室を区画する二面のうち、センサ電極を形成する面とは反対側の面に面して形成されていることで、被測定ガスの拡散を律速する。これにより、センサ電極のうちガス流れ方向の上流側部分が局所的に劣化して感度低下を招くのを、抑制することが可能となっている。
【０００４】
さて、特許文献１に開示のガスセンサ素子では、ガス流れ方向のポンプ電極よりも上流側にも、別の拡散律速部が形成されている。この別の拡散律速部は、互いに対向して測定ガス室を区画する二面のうち、センサ電極及びポンプ電極を形成する面に面して形成されている。これによれば、センサセルへの到達前に拡散律速された被測定ガスに対して所期の酸素濃度調整をポンプセルにより確実に実現して、当該センサセルでのＮＯｘ濃度の測定精度を向上させることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２００６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示のガスセンサ素子では、ポンプ電極が金（Ａｕ）を含んで形成されていることに起因して、ＮＯｘ濃度の測定精度を低下させるおそれのあることを、本発明者らは鋭意研究の結果として知見した。その知見とは、ポンプ電極の形成面に面した上記別の拡散律速部を通過した被測定ガスが、ポンプ電極のうちガス流れ方向の上流側部分へと局所的に当たることで、Ａｕの蒸散を招いてしまうというものである。こうして蒸散したＡｕは、センサ電極に到達して付着すると、センサ電極によるＮＯｘの分解活性能力を低下させることで、センサセルでのＮＯｘ濃度の測定精度を悪化させてしまうので、対策が必要である。
【０００７】
本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯｘ濃度の測定精度を向上させるガスセンサ素子及びガスセンサユニットを、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、課題を達成するための発明の技術的手段について、説明する。尚、発明の技術的手段を開示する特許請求の範囲及び本欄に記載された括弧内の符号は、後に詳述する実施形態に記載された具体的手段との対応関係を示すものであり、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００９】
上述の課題を解決するために開示された第１発明のガスセンサ素子は、
固体電解質体（７０）のうち主面（７１）により区画されている測定ガス室（１０）にて被測定ガスをガス流れ方向（Ｆ）へ流通させるガスセンサ素子（１００，２００，３００）であって、
主面に面して形成されており、測定ガス室に導入される被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部（５０，１０ｂ）と、
金を含んで主面に形成されているポンプ電極（４１）を、ガス流れ方向の拡散律速部よりも下流側にて有し、ポンプ電極への電圧印加状態下にて被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（４０）と、
主面に形成されているセンサ電極（２１）を、ガス流れ方向の拡散律速部よりも下流側にて有し、センサ電極への電圧印加状態下にて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定するセンサセル（２０）とを、備え、
ポンプ電極は、ガス流れ方向のセンサ電極よりも上流側にて拡散律速部から下流側へ０.２ｍｍ以上を空けた特定箇所（Ｓｐ）に、配置されている。
【００１０】
また、上述の課題を解決するために開示された第２発明のガスセンサユニットは、
第１発明のガスセンサ素子（１００，２００，３００）と、
ガスセンサ素子を内部に保持しているセンサハウジング（１０１）と、
センサハウジングに固定されてガスセンサ素子のうちガス流れ方向の上流側素子端部（１００ａ）を覆っており、被測定ガスを当該上流側素子端部へ導入する素子カバー（１０３）と、
ポンプ電極及びセンサ電極への印加電圧を制御するセンサ制御回路（１０６）とを、含んで構成される。
【００１１】
これら第１及び第２発明によると、ポンプ電極形成面としての固体電解質体主面に面した拡散律速部を通過の被測定ガスは、ガス流れ方向の拡散律速部から下流側に０.２ｍｍ以上を空ける特定箇所へと到達する前に、測定ガス室にて拡散する。これにより特定箇所のポンプ電極では、拡散律速部を通過の被測定ガスが上流側部分に局所的には当たり難くなるので、ガス流れ方向のセンサ電極よりも上流側にてＡｕの蒸散が抑制され得る。故に、ポンプ電極と同じ固体電解質体主面に形成のセンサ電極では、蒸散したＡｕが到達して付着することでＮＯｘの分解活性能力が低下するのを抑止できる。故に、センサセルでのＮＯｘ濃度の測定精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態のガスセンサユニットを示す断面図である。
【図２】第１実施形態のガスセンサ素子のうち図１のII部を示す断面図である。
【図３】第１実施形態のガスセンサ素子における構成要素の位置関係を示す模式図である。
【図４】第１実施形態のガスセンサ素子における設定距離と、センサ電極の表面組成比及びセンサ電極からの出力誤差との相関を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に対する比較例のガス流れを示す模式図である。
【図６】第１実施形態のガス流れを示す模式図である。
【図７】第２実施形態のガスセンサ素子を示す断面図であって、図２に対応する断面図である。
【図８】第３実施形態のガスセンサ素子を示す断面図であって、図２に対応する断面図である。
【図９】第３実施形態のガスセンサ素子における構成要素の位置関係を示す模式図である。
【図１０】図２の変形例を示す断面図である。
【図１１】図７の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。
【００１４】
（第１実施形態）
図１に示すように本発明の第１実施形態によるガスセンサユニット１は、車両において内燃機関の排気通路２に設置される。ガスセンサユニット１には、排気通路２を流通する排ガスが被測定ガスとして導入される。これによりガスセンサユニット１は、自身に内蔵したガスセンサ素子１００により、被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定する。ガスセンサユニット１は具体的には、ガスセンサ素子１００に加え、センサハウジング１０１、絶縁碍子１０２、カバー１０３，１０４、センサハーネス１０５及びセンサ制御回路１０６を含んで構成されている。尚、図１におけるＦは、ガスセンサ素子１００の内部にて被測定ガスの流通するガス流れ方向を、示している。
【００１５】
センサハウジング１０１は、絶縁碍子１０２を介してガスセンサ素子１００を内部に保持している。カバー１０３，１０４は、センサハウジング１０１に固定されている。素子カバー１０３は、ガスセンサ素子１００のうちガス流れ方向Ｆの上流側素子端部１００ａの外周側を、覆っている。素子カバー１０３は、内部に収容した上流側素子端部１００ａへ排気通路２からの排ガスを被測定ガスとして導入するために、ガス導入孔１０３ａを有している。カバー１０４は、ガスセンサ素子１００のうちガス流れ方向Ｆの下流側素子端部１００ｂの外周側を、覆っている。カバー１０４は、内部に収容した下流側素子端部１００ｂへ大気を導入するために、大気導入孔１０４ａを有している。センサハーネス１０５は、カバー１０４の内外に跨って複数設けられている。センサ制御回路１０６は、センサハウジング１０１及びカバー１０３，１０４の外部にて、複数のセンサハーネス１０５を介してガスセンサ素子１００と接続されている。
【００１６】
（ガスセンサ素子）
次に、ガスセンサ素子１００の詳細構成を説明する。
【００１７】
図２に示すようにガスセンサ素子１００は、固体電解質体７０の片側に第１スペーサ９１を介して絶縁層９０を積層し且つ固体電解質体７０の反対側に第２スペーサ９２を介して加熱構造体６０を積層することで、製造される。
【００１８】
固体電解質体７０は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体電解質材料から、矩形板状に形成されている。これにより固体電解質体７０は、高温下（ＹＳＺの場合は略６００℃以上の温度下）におくことで、酸素イオン伝導性を発現する。さらに固体電解質体７０は、後述のヒータ６２により加熱されることで、酸素イオン伝導性を維持する。固体電解質体７０は、片側の一面を第１主面７１として、また反対側の一面を第２主面７２として、それぞれ平坦面状に形成している。
【００１９】
絶縁層９０及び第１スペーサ９１は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の電気絶縁材料から形成されている。矩形板状の絶縁層９０は、固体電解質体７０のうち第１主面７１に対して、第１スペーサ９１を挟んで対向する対向面９３を有している。ここで第１スペーサ９１は、平面視にて一部が開口したＣ字形の板状を呈している。これにより、固体電解質体７０の第１主面７１と絶縁層９０の対向面９３との間には、第１スペーサ９１の内周面９４によっては囲まれない部分の開口した箱形空間状に、測定ガス室１０が形成されている。即ち測定ガス室１０は、第１主面７１と対向面９３と内周面９４とにより区画されていると共に、一部を導入口１０ａとして開口させている。
【００２０】
測定ガス室１０の導入口１０ａには、先述した素子カバー１０３のガス導入孔１０３ａを通して、被測定ガスたる排ガスが導入される。即ち、ガスセンサ素子１００のうち導入口１０ａの開口した端部が、上流側素子端部１００ａとなる。導入口１０ａへ導入された被測定ガスは、第１主面７１に沿って導入口１０ａから離間するガス流れ方向Ｆへ向かって、流通する。
【００２１】
加熱構造体６０は、加熱基板６１と絶縁基板６３との間にヒータ６２を挟んで構成されている。各基板６１，６３は、例えばＡｌ２Ｏ３等の電気絶縁材料から、矩形板状に形成されている。ヒータ６２は、例えば白金（Ｐｔ）等の導電材料から、矩形薄膜状に形成されている。ヒータ６２は、センサハーネス１０５等を介してセンサ制御回路１０６に接続されている。ヒータ６２は、センサ制御回路１０６からの通電により発熱する。
【００２２】
第２スペーサ９２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の電気絶縁材料から形成されている。加熱基板６１は、固体電解質体７０のうち第２主面７２に対して、第２スペーサ９２を挟んで対向する放熱面６４を有している。ここで第２スペーサ９２は、平面視にて一部が開口したＣ字形の板状を呈している。これにより、固体電解質体７０の第２主面７２と加熱基板６１の放熱面６４との間には、第２スペーサ９２の内周面９５によっては囲まれない部分の開口した箱形空間状に、基準ガス室１１が形成されている。即ち基準ガス室１１は、第２主面７２と放熱面６４と内周面９５とにより区画されていると共に、一部を基準口（図示しない）として開口させている。
【００２３】
基準ガス室１１の基準口には、先述したカバー１０４の大気導入孔１０４ａを通して、基準ガスとしての大気が導入される。即ち、ガスセンサ素子１００のうち導入口１０ａとは反対側にて基準口の開口した端部が、下流側素子端部１００ｂとなる。
【００２４】
以上の如き積層構造によりガスセンサ素子１００は、拡散律速部５０とセンサセル２０とポンプセル４０とをそれぞれ構築して、ヒータ６２と共に備えている。
【００２５】
拡散律速部５０は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の多孔質材料から、例えば１５μｍ程度の矩形薄膜状に形成されている。拡散律速部５０は、固体電解質体７０において測定ガス室１０に矩形に露出した第１主面７１のうち、導入口１０ａを囲むガス流れ方向Ｆの最上流部分７１ａに面して（特に第１実施形態では接触して）、設けられている。これらの構成により拡散律速部５０は、ＮＯｘ及び酸素を含んで導入口１０ａに導入される被測定ガスの内部通過を許容すると共に、被測定ガスに流動抵抗を与えて当該ガスの測定ガス室１０への拡散を律速する。尚、導入口１０ａのうち拡散律速部５０が設けられていない部分は、絶縁層９０の一部として対向面９３から突出した矩形立て板状の閉塞壁９６により閉塞されて、被測定ガスの通過を規制している。これにより拡散律速部５０は、閉塞壁９６と第１主面７１との間の拡散律速層として、拡散律速機能を確実に発揮可能となっている。
【００２６】
各セル２０，４０は、固体電解質体７０及び基準電極８０を互いに共有している。ここで基準電極８０は、Ｐｔを含んだ導電材料から、例えば１０μｍ程度の矩形薄膜状に形成されている。基準電極８０は、固体電解質体７０において基準ガス室１１に矩形に露出した第２主面７２のうち、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側の部分に、各セル２０，４０に跨って設けられている。基準電極８０は、センサハーネス１０５等を介してセンサ制御回路１０６に接続されている。これにより基準電極８０は、基準ガス室１１へ導入の大気に曝された状態下、ＮＯｘ濃度測定時の基準電位を生成する。
【００２７】
センサセル２０は、ポンプセル４０との共有要素７０，８０に加えて、センサ電極２１を有している。センサ電極２１は、Ｐｔとロジウム（Ｒｈ）とを含むことでＮＯｘ分子に対する分解活性能力の高められた導電材料から、例えば１０μｍ程度の矩形薄膜状に形成されている。これによりセンサ電極２１は、ＮＯｘ分子に対して触媒作用を発現する。センサ電極２１は、固体電解質体７０の第１主面７１のうち、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側の部分に、設けられている。これによりセンサ電極２１は、基準電極８０の一部との間に固体電解質体７０を部分的に挟んで配置されている。このような配置形態下にてセンサ電極２１は、ガス流れ方向Ｆの下流側へ向かってリード部２２を延伸させている。リード部２２は、センサハーネス１０５等を介してセンサ制御回路１０６に接続されている。
【００２８】
こうした構成によりセンサセル２０は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度測定機能を果たす。具体的に、センサセル２０において電極２１，８０の間には、センサ制御回路１０６により制御された所定の電圧が、印加される。この電圧印加状態下、測定ガス室１０に導入された被測定ガス中のＮＯｘ分子は、センサ電極２１において露出した貴金属表面に吸着されて触媒作用を受けることで、窒素イオンと酸素イオンとに分解される。このうち酸素イオンは、センサ電極２１内から固体電解質体７０内に伝導して基準電極８０側へと移動することで、これがセンサ電流として検出される。以上により、検出されたセンサ電流の大きさに基づくことで、被測定ガス中のＮＯｘ濃度測定が可能となっている。
【００２９】
ポンプセル４０は、センサセル２０との共有要素７０，８０に加えて、ポンプ電極４１を有している。ポンプ電極４１は、ＡｕとＰｔとを含むことでＮＯｘ分子に対する分解活性能力の下げられた導電材料から、例えば１０μｍ程度の矩形薄膜状に形成されている。これによりポンプ電極４１は、酸素分子に対して還元作用を発現する。ポンプ電極４１は、固体電解質体７０におけるセンサ電極２１と同じ第１主面７１のうち、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側且つセンサ電極２１よりも上流側の部分に、設けられている。これによりポンプ電極４１は、基準電極８０の一部との間に固体電解質体７０を部分的に挟んで配置されている。このような配置形態下にてポンプ電極４１は、ガス流れ方向Ｆに対して直交する直交方向Ｐへリード部４２を延伸させている。リード部４２は、センサハーネス１０５等を介してセンサ制御回路１０６に接続されている。
【００３０】
こうした構成によりポンプセル４０は、被測定ガス中の酸素濃度調整機能を果たす。具体的に、ポンプセル４０において電極４１，８０の間には、センサ制御回路１０６により制御された所定の電圧が、印加される。この電圧印加状態下、測定ガス室１０に導入された被測定ガス中の酸素分子は、ポンプ電極４１において露出した貴金属表面に吸着されて還元作用を受けることで、酸素イオンに分解される。この酸素イオンは、ポンプ電極４１内から固体電解質体７０内に伝導して基準電極８０側へと移動することで、基準ガス室１１に排出される。以上の如きポンピング作用により、被測定ガスから酸素分子が低減又は除去されることで、被測定ガス中の酸素濃度調整が可能となっている。
【００３１】
そこでセンサセル２０では、このようなポンプセル４０での酸素濃度調整後における被測定ガス中のＮＯｘ濃度と対応した大きさにて、センサ電流がセンサ制御回路１０６へと出力される。この出力を受けてセンサ制御回路１０６では、センサ電流に対応したＮＯｘ濃度がその測定結果として算出される。
【００３２】
ヒータ６２は、平面視（図示しない）では各セル２０，４０とオーバーラップするように、設けられている。これにより、ヒータ６２から発せられた熱は、加熱基板６１へと伝導して放熱面６４から放射される。この放熱面６４からの放射熱は、基準ガス室１１を介して各セル２０，４０の構成要素８０，７０，２１，４１に伝導されることで、それら各セル２０，４０を加熱する。ここで第１実施形態では、ガス流れ方向Ｆにおいてヒータ６２の温度が最高となる発熱中心が、ポンプ電極４１側に偏って設定されている。これによりポンプ電極４１は、センサ電極２１の温度（例えば６００℃程度）よりも高い温度（例えば８００℃程度）に維持されるように、ヒータ６２によって加熱されるのである。
【００３３】
（構成要素の位置関係）
次に、ガスセンサ素子１００における構成要素の位置関係として、各セル２０，４０の電極２１，４１と拡散律速部５０との位置関係を詳細に説明する。
【００３４】
図２に示すようにポンプ電極４１は、測定ガス室１０のうち、ガス流れ方向Ｆのセンサ電極２１よりも上流側にて拡散律速部５０から下流側へ離間した特定箇所Ｓｐに、配置されている。具体的に特定箇所Ｓｐは、図３に示すように、拡散律速部５０からガス流れ方向Ｆの下流側へ設定距離Ｄｐｕを空けたポンプ電極４１の形成箇所となる。設定距離Ｄｐｕは、ガス流れ方向Ｆに沿う距離として、拡散律速部５０の下流側端面５０ａからポンプ電極４１の上流側端面４１ａまでの最短距離に、定義される。この定義の下、特定箇所Ｓｐにおけるポンプ電極４１の上流側端面４１ａは、拡散律速部５０の下流側端面５０ａから設定距離Ｄｐｕとしての０．２ｍｍ以上を空けている。そこで、このように距離Ｄｐｕを０．２ｍｍ以上に設定する理由を、以下に説明する。
【００３５】
本発明者らは、ポンプ電極４１からのＡｕ蒸散及びセンサ電極２１へのＡｕ付着に関して設定距離Ｄｐｕによる影響を明らかにするため、図４に示すように設定距離Ｄｐｕを変化させて、センサ電極２１の表面組成比及びセンサ電極２１からの出力誤差を調べた。具体的に図４は、８００℃の大気に各電極４１，２１を２００時間暴露した後の表面組成比、及び当該大気暴露後にて８００℃且つＮＯｘ濃度１００ｐｐｍの試験ガスに各電極４１，２１を暴露したときの出力誤差を、示している。ここで図４の表面組成比は、センサ電極２１の表面上に直径０．４ｍｍ円内の分析範囲を複数設定して、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）により当該分析範囲でのＡｕ組成比（即ち、Ａｕの重量割合：ｗｔ％）の平均値を、示している。また図４の出力誤差は、センサ電極２１から出力されるセンサ電流に対応したＮＯｘ濃度と、試験ガス中のＮＯｘ濃度（１００ｐｐｍ）との差を、その許容範囲δＣと共に示している。
【００３６】
図４の結果から、設定距離Ｄｐｕが０．２ｍｍ未満になると、センサ電極２１のＡｕ組成比が上昇する、即ちセンサ電極２１へのＡｕ付着量が増加する。それに伴ってセンサ電極２１からの出力誤差も、増加（図４では、試験ガス中のＮＯｘ濃度よりも小さなマイナス側へ増加）する。これは比較例としてのガス流れを図５に矢印で示すように、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０から下流側へ０.２ｍｍ未満のポンプ電極４１のうち上流側部分４１ｂに対して、拡散律速部５０を通過した試験ガスが局所的に当たり易くなるためと考えられる。ここで、試験ガスの当たり易くなる上流側部分４１ｂではＡｕが蒸散し易くなるため、その蒸散したＡｕがセンサ電極２１に到達して付着（被毒）することで、出力誤差が増加してしまうのである。
【００３７】
一方で図４の結果から、設定距離Ｄｐｕが０．２ｍｍ以上になると、センサ電極２１のＡｕ組成比が大きく低下する、即ちセンサ電極２１へのＡｕ付着量が著しく減少する。それに伴ってセンサ電極２１からの出力誤差も、誤差許容範囲δＣ内まで十分に減少する。これは第１実施形態のガス流れを図６に矢印で示すように、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０から下流側へ０.２ｍｍ以上のポンプ電極４１のうち上流側部分４１ｂに対しては、拡散律速部５０を通過した試験ガスが到達前の拡散により局所的には当たり難くなるためと考えられる。ここで、試験ガスの当たり難くなる上流側部分４１ｂではＡｕが蒸散し難くなるため、蒸散したＡｕがセンサ電極２１に到達して付着することも、さらにその結果として出力誤差が増加することも、抑制されるのである。
【００３８】
このように設定距離Ｄｐｕによって特定される特定箇所Ｓｐは、さらに第１実施形態では、ポンプ電極４１がセンサ電極２１からガス流れ方向Ｆの上流側へ空けている設定距離Ｄｐｄによっても、図３の如く特定される。設定距離Ｄｐｄは、ガス流れ方向Ｆに沿う距離として、センサ電極２１の上流側端面２１ａからポンプ電極４１の下流側端面４１ｃまでの最短距離に、定義される。この定義の下、特定箇所Ｓｐにおけるポンプ電極４１の下流側端面４１ｃは、センサ電極２１の上流側端面２１ａから設定距離Ｄｐｄとしての０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ（即ち、０．３ｍｍ以上且つ０．７ｍｍ以下の範囲内の距離）を空けている。ここで、設定距離Ｄｐｄを０．３ｍｍ未満とすると、センサ電極２１とポンプ電極４１との間にリーク電流が発生して検出精度が悪化するおそれがあるため、設定距離Ｄｐｄは０．３ｍｍ以上に設定される。また、設定距離Ｄｐｄを０．７ｍｍ超過とすると、ガスセンサ素子１００の体格、ひいてはガスセンサユニット１の体格が大きくなってコストに影響するおそれがあるため、設定距離Ｄｐｄは０．７ｍｍ以下に設定される。
【００３９】
（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を、以下に説明する。
【００４０】
第１実施形態によると、ポンプ電極４１を形成する面としての固体電解質体７０の第１主面７１に面した拡散律速部５０を通過の被測定ガスは、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０から下流側に０.２ｍｍ以上を空ける特定箇所Ｓｐへと到達する前に、測定ガス室１０にて拡散する。これにより特定箇所Ｓｐのポンプ電極４１では、拡散律速部５０を通過の被測定ガスが上流側部分４１ｂに局所的には当たり難くなるので、ガス流れ方向Ｆのセンサ電極２１よりも上流側にてＡｕの蒸散が抑制され得る。故に、ポンプ電極４１と同じ第１主面７１に形成のセンサ電極２１では、蒸散したＡｕが到達して付着することでＮＯｘの分解活性能力が低下するのを抑止できる。故に、センサセル２０でのＮＯｘ濃度の測定精度を向上させることが可能となる。
【００４１】
また第１実施形態によると、内燃機関の排ガスを被測定ガスとする場合、ＮＯｘ濃度の測定精度を向上させる上で、排ガスの生成される気筒に近い排気通路２からのガス導入が望ましい。そのため、排気通路２から測定ガス室１０へと導入される高温の被測定ガスは、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側にてポンプ電極４１に当たることで、Ａｕを蒸散させ易くなるおそれがある。しかし、高温の被測定ガスは、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０から下流側に０.２ｍｍ以上を空けるポンプ電極４１への到達前に拡散するので、Ａｕの蒸散が確実に抑制され得る。故に、測定精度の向上効果を高めることが可能である。
【００４２】
さらに第１実施形態によると、ヒータ６２がポンプセル４０及びセンサセル２０を加熱することで、ポンプ電極４１がセンサ電極２１よりも高温となる。そのため、被測定ガスとして測定ガス室１０へと導入される排ガスの温度が外乱により過度に上昇すると、当該被測定ガスに曝されることでヒータ６２による加熱分よりも高温となるポンプ電極４１では、Ａｕの蒸散確率が高まり易くなる。しかし、そうした加熱分よりも高温のポンプ電極４１であっても、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０から下流側に０.２ｍｍ以上を空けることで、被測定ガスが到達前に拡散するので、Ａｕの蒸散が確実に抑制され得る。故に、測定精度の向上効果を高めることに大きく貢献可能となる。
【００４３】
またさらに第１実施形態によると、センサ電極２１からガス流れ方向Ｆの上流側へ０．３〜０．７ｍｍを空けた特定箇所のポンプ電極４１では、センサ電極２１とポンプ電極４１との間にリーク電流が発生し難く、且つガスセンサ素子１００及びガスセンサユニット１の体格が抑えられるためコストが増加し難くなる。
【００４４】
（第２実施形態）
図７に示すように本発明の第２実施形態は、第１実施形態の変形例である。
【００４５】
第２実施形態によるガスセンサ素子２００は、突出壁２９７をさらに備えている。具体的に突出壁２９７は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の電気絶縁材料から、矩形の立て板状に形成されている。突出壁２９７は、固体電解質体７０における各電極２１，４１と同じ第１主面７１のうち、ガス流れ方向Ｆのポンプ電極４１よりも下流側且つセンサ電極２１よりも上流側の部分に、設けられている。即ち突出壁２９７は、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０よりも下流側にて特定箇所Ｓｐのポンプ電極４１とセンサ電極２１との間に、設けられている。突出壁２９７は、固体電解質体７０の第１主面７１から、絶縁層９０の対向面９３には至らない位置まで突出することで、対向面９３との間に例えば１５μｍ間隔程度の隙間部２１０ｂを空けている。これにより突出壁２９７は、測定ガス室１０の一部として対向面９３に面した隙間部２１０ｂ以外では被測定ガスの通過を規制すると共に、隙間部２１０ｂでは被測定ガスに流動抵抗を与えて当該ガスの測定ガス室１０での拡散を律速する。
【００４６】
このような第２実施形態によると、ガス流れ方向Ｆのポンプ電極４１及びセンサ電極２１間にて固体電解質体７０の第１主面７１から突出の突出壁２９７は、第１主面７１とは対向して測定ガス室１０を区画の対向面９３との間に、隙間部２１０ｂを空けている。ここで、被測定ガスの拡散を律速する隙間部２１０ｂによれば、ポンプ電極４１から仮にＡｕが蒸散したとしても、その蒸散したＡｕが突出壁２９７の表面や対向面９３に付着し易くなる。故に、ガス流れ方向Ｆの隙間部２１０ｂよりも下流側となるセンサ電極２１では、蒸散したＡｕが付着してＮＯｘの分解活性能力が低下するのを、確実に抑止できる。故に、測定精度の向上効果を高めることが可能である。
【００４７】
（第３実施形態）
図８に示すように本発明の第３実施形態は、第１実施形態の変形例である。
【００４８】
第３実施形態によるガスセンサ素子３００は、平面視（図示しない）ではヒータ６２とオーバーラップするように設けられたモニタセル３３０を、さらに備えている。具体的にモニタセル３３０は、他のセル２０，４０との共有要素７０，８０に加えて、モニタ電極３３１を有している。モニタ電極３３１は、ＡｕとＰｔとを含むことでＮＯｘ分子に対する分解活性能力の下げられた導電材料から、例えば１０μｍ程度の矩形薄膜状に形成されている。これによりモニタ電極３３１は、酸素分子に対して還元作用を発現する。
【００４９】
モニタ電極３３１は、固体電解質体７０における各電極２１，４１と同じ第１主面７１のうち、ガス流れ方向Ｆの拡散律速部５０及びポンプ電極４１よりも下流側の部分に、センサ電極２１から直交方向Ｐへと離間して設けられている。これによりモニタ電極３３１は、基準電極８０の一部との間に固体電解質体７０を部分的に挟んで配置されていると共に、直交方向Ｐに並ぶセンサ電極２１とは被測定ガスに対する暴露条件を実質等しくされている。
【００５０】
ここで図９に示すように、ポンプ電極４１の下流側端面４１ｃがモニタ電極３３１の上流側端面３３１ａからガス流れ方向Ｆの上流側へと空けている距離は、センサ電極２１の場合と実質同じ設定距離Ｄｐｄとなっている。即ちポンプ電極４１は、ガス流れ方向Ｆのモニタ電極３３１及びセンサ電極２１よりも上流側にて、それら電極３３１，２１から離間して設定距離Ｄｐｄを空けた特定箇所Ｓｐに、配置されている。これにより、モニタ電極３３１の上流側端面３３１ａ及びセンサ電極２１の上流側端面２１ａは、ポンプ電極４１の下流側端面４１ｃに対してだけでなく、拡散律速部５０の下流側端面５０ａに対しても、互いに実質同距離だけ離間して配置されている。
【００５１】
このような配置形態下にてモニタ電極３３１は、図８の如くガス流れ方向Ｆの下流側へ向かってリード部３３２を延伸させている。リード部３３２は、センサハーネス１０５等を介してセンサ制御回路１０６に接続されている。
【００５２】
こうした構成によりモニタセル３３０は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度補正用の酸素濃度測定機能を果たす。具体的に、モニタセル３３０において電極３３１，８０の間には、センサ制御回路１０６により制御された所定の電圧が、印加される。この電圧印加状態下、測定ガス室１０に導入された被測定ガス中の酸素分子は、モニタ電極３３１において露出した貴金属表面に吸着されて還元作用を受けることで、酸素イオンに分解される。この酸素イオンは、モニタ電極３３１内から固体電解質体７０内に伝導して基準電極８０側へと移動することで、これがモニタ電流として検出される。以上により、検出されたモニタ電流の大きさに基づくことで、被測定ガス中の酸素濃度測定が可能となっている。
【００５３】
そこでモニタセル３３０では、ポンプセル４０での酸素濃度調整後における被測定ガス中の残留酸素濃度と対応した大きさにて、モニタ電流がセンサ制御回路１０６へと出力される。それと共にセンサセル２０では、ポンプセル４０での酸素濃度調整後における被測定ガス中のＮＯｘ濃度として、残留酸素濃度が零値以上の場合にはこれを含む可能性のある補正前Ｎｏｘ濃度と対応した大きさにて、センサ電流がセンサ制御回路１０６へと出力される。これらの出力を受けてセンサ制御回路１０６では、モニタ電流に対応した残留酸素濃度と、センサ電流に対応した補正前ＮＯｘ濃度とが、それぞれの測定結果として算出される。さらにセンサ制御回路１０６では、補正前ＮＯｘ濃度から残留酸素濃度を差し引く補正により、残留酸素濃度による誤差までを抑えたＮＯｘ濃度がその測定結果として算出される。
【００５４】
このような第３実施形態によると、センサ電極２１とはガス流れ方向Ｆに対する直交方向Ｐに並んで固体電解質体７０の第１主面７１に形成のモニタ電極３３１は、ガス流れ方向Ｆにて上流側のポンプ電極４１から蒸散したＡｕの到達及び付着を、センサ電極２１と同様の原理で抑止され得る。これによりモニタセル３３０では、モニタ電極３３１への電圧印加状態下にてポンプセル４０での調整後に残った被測定ガス中の残留酸素濃度を測定できるので、センサセル２０により測定されるＮＯｘ濃度の補正精度を向上することが可能となる。しかも、仮にポンプ電極４１からＡｕが蒸散することでポンプセル４０での酸素濃度能力が変動したとしても、モニタセル３３０では被測定ガス中の残留酸素濃度を測定できるので、補正精度の向上効果が特に有効となる。
【００５５】
（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
【００５６】
第１〜第３実施形態に関する変形例１としては図１０（同図は第１実施形態の変形例１）に示すように、第２実施形態の隙間部２１０ｂに準じて閉塞壁９６が第１主面７１との間に空ける隙間部、即ち第１主面７１に面した隙間部により、拡散律速部１０ｂを形成してもよい。第２実施形態に関する変形例２としては図１１に示すように、拡散律速部５０に準じた多孔質材料から形成されて突出壁２９７と対向面９３との間で拡散律速機能を発揮する拡散律速層を、隙間部２１０ｂに代わる別の拡散律速部２５０として設けてもよい。
【００５７】
第１〜第３実施形態に関する変形例３としては、内燃機関の排気通路２から分岐するＥＧＲ通路、又は内燃機関の吸気通路のうち当該ＥＧＲ通路の合流箇所よりも下流側部分から、排ガスを測定ガス室１０へと導入してもよい。第１〜第３実施形態に関する変形例４としては、センサ電極２１に対してポンプ電極４１が低温又は実質等しい温度となるように、ポンプセル４０及びセンサセル２０をヒータ６２で加熱してもよい。
【００５８】
第１〜第３実施形態に関する変形例５としては、ポンプ電極４１とセンサ電極２１との間の設定距離Ｄｐｄを、０．３ｍｍ未満又は０．７ｍｍ超過の値に設定してもよい。変形例６としては、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせてもよい。
【００５９】
第１〜第３実施形態に関する変形例７としては、ガスセンサ素子１００，２００，３００に専用のセンサ制御回路１０６を設けないで、例えば内燃機関等のＥＣＵにより２１，４１，３３１への印加電圧を制御してもよい。この変形例７では、ガスセンサ素子１００，２００，３００に対して可及的に近い位置のＥＣＵにより、印加電圧制御を行うことが望ましい。
【００６０】
第１〜３実施形態に関する変形例８としては、各セル２０，４０，３３０毎に個別に基準電極８０を設けてもよい。第１〜３実施形態に関する変形例９としては、例えば第１主面７１又は対向面９３等に、Ａｕを吸着する吸着層を設けてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１  ガスセンサユニット、１０  測定ガス室、１０ｂ，５０，２５０  拡散律速部、２０  センサセル、２１  センサ電極、４０  ポンプセル、４１  ポンプ電極、６２  ヒータ、７０  固体電解質体、７１  第１主面、１００，２００，３００  ガスセンサ素子、１００ａ  上流側素子端部、１０１  センサハウジング、１０３  素子カバー、１０３ａ  ガス導入孔、１０６  センサ制御回路、２１０ｂ  隙間部、２９７  突出壁、３３０  モニタセル、３３１  モニタ電極、Ｆ  ガス流れ方向、Ｄｐｄ，Ｄｐｕ  設定距離、Ｐ  直交方向、Ｓｐ  特定箇所
【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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