(57)【要約】【課題】検出精度を高く維持して、投入電力密度との関係において、多孔質層の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、多孔質層が外面に設けられたセンサ素子体と、センサ素子体における発熱体に電力を投入する電力供給装置とを備える。ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において電力供給装置によって発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積をＶ［ｍｍ3］とする。そして、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値とする。このとき、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］とは、Ｙ≧５０９．３２−２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2の第１関係式Ｒ１を満たす。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層（３１，３１Ａ，３１Ｂ）、前記固体電解質層の第１主面（３０１）に設けられた検出電極（３１１）、前記固体電解質層の第２主面（３０２）に設けられた基準電極（３１２）、前記固体電解質層の前記第１主面に隣接して前記検出電極を内部に配置するように形成された検出ガス室（３５）、前記固体電解質層に積層され、前記検出ガス室へ検出ガス（Ｇ）を導入するための拡散抵抗層（３２）、前記固体電解質層に積層された絶縁層（３３Ａ，３３Ｂ）、前記絶縁層内に埋設され、通電によって発熱する発熱体（３４）及び、少なくとも前記拡散抵抗層の露出表面（３２１）を覆う多孔質層（３７）を有するセンサ素子体（２）と、
前記発熱体に通電を行う電力供給装置（５）と、を備えるガスセンサ（１）において、
前記ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において前記電力供給装置によって前記発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び前記センサ素子体における、前記発熱体の発熱領域（３４０）が設けられた長さ範囲（Ｌａ）の体積をＶ［ｍｍ3］とし、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値としたとき、
前記投入電力密度Ｘと前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］とは、
Ｙ≧５０９．３２−２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2
の関係式（Ｒ１）を満たす、ガスセンサ。
【請求項２】
前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］は、Ｙ≦８００の関係式（Ｒ２）をさらに満たし、
前記投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］は、０．１７≦Ｘ≦０．４３の関係式（Ｒ３，Ｒ４）を満たす、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記固体電解質層の前記第２主面には、前記絶縁層に囲まれた、大気が導入される大気ダクト（３６）が隣接して形成されており、
前記基準電極は、前記大気ダクト内に配置されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子体は、長尺形状に形成されるとともに、長尺方向（Ｌ）の先端側部位に、前記検出電極、前記基準電極及び前記発熱領域を有し、かつ、前記長尺方向に沿った４つの表面であって、前記第１主面及び前記第２主面に平行な一対の第１平坦面（２０１）と、前記第１主面及び前記第２主面に垂直な一対の第２平坦面（２０２）とを有し、
前記多孔質層は、一対の前記第１平坦面及び一対の前記第２平坦面に連続して形成されており、
前記多孔質層の平均厚みＹは、一対の前記第１平坦面及び一対の前記第２平坦面に形成された前記多孔質層の平均厚みＹとして求められる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記多孔質層は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スピネル、酸化亜鉛のうちの少なくとも１種を含むセラミックスに、気孔が形成されたものからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子体を覆う多孔質層の平均厚みと、センサ素子体における発熱体へ供給する電力との関係が規定されたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、例えば、内燃機関から排気される排ガスにおける酸素濃度又は特定ガス成分濃度を検出するために用いられる。ガスセンサには、検出電極及び基準電極が設けられた固体電解質層と、通電によって発熱する発熱体とが一体化された積層型のセンサ素子体が多く用いられる。また、センサ素子体における固体電解質層の一方の主面には、検出電極を内部に配置する検出ガス室と、検出ガス室へ検出ガスを導入するための拡散抵抗層とが隣接して形成されている。
【０００３】
また、センサ素子体には、少なくとも拡散抵抗層の露出表面を覆う、又は拡散抵抗層の露出表面を含む全周囲を覆う多孔質層が設けられている。多孔質層は、電極を、被毒物質、水等から保護する目的、あるいはセンサ素子体を飛散する水から保護する目的で使用される。このような積層型のセンサ素子体に相当するガスセンサ素子としては、例えば、特許文献１，２に記載されたものがある。
【０００４】
特許文献１のガスセンサ素子においては、表面保護層（多孔質層）が、固体電解質層が活性となる高温時において撥水性を有することにより、表面保護層の厚みを２０〜１５０μｍの範囲内にすることが記載されている。また、特許文献２のガスセンサ素子においては、多孔質保護層（多孔質層）を、ヒータによる温度制御時に５００℃以上の温度状態となる積層体の領域に形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１７９３５号公報
【特許文献２】特開２０１６−４８２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２等に記載された従来のガスセンサ又はガスセンサ素子においては、ガスセンサ素子の早期活性化、被水によるクラックの発生の抑制等を考慮して、多孔質層の厚みが決定される。ところが、ガスセンサに要求される本質的な性能には、センサ出力特性としての検出精度及び応答性がある。この検出精度は、センサ素子体における、各電極及び各電極に挟まれた固体電解質層の部分を含む検知部の温度による影響を受ける。そして、一般的には、検知部の温度が高くなるほど、検知部における酸素等の分解反応が促進され、検出精度及び応答性が高くなる傾向にある。
【０００７】
検知部の温度は、検知部への受熱量と検知部からの放熱量との熱収支に応じて変化する。検知部への受熱量は、特に、発熱体の発熱部から検知部に加えられる投入電力密度による影響を受ける。投入電力密度は、発熱体への投入電力量を、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積によって割った値として示される。一方、検知部からの放熱量は、特に、検知部を覆う多孔質層が被水したときに、多孔質層の表面に付着する水が蒸発する際の蒸発熱（気化熱）による影響を受ける。
【０００８】
多孔質層の厚みが小さくなるほど、その熱容量が小さくなるため、検知部の温度を目標温度にするための発熱体への投入電力量を小さくできると考えられる。その一方、多孔質層の厚みが小さくなるほど、検知部が蒸発熱による影響を受けやすくなって、検知部からの放熱量が大きくなると考えられる。そのため、多孔質層の厚みが小さくなるほど、検知部の温度を目標温度に維持するための発熱体への投入電力量は大きくする必要が生じるとも考えられる。
【０００９】
また、多孔質層の厚みが大きくなるほど、検出ガスが検知部に到達しにくくなるといった理由により、ガスセンサの応答性は悪化すると考えられる。そこで、ガスセンサの応答性を高く維持するためには、多孔質層の厚みをできるだけ小さくしたいという要望もある。しかし、発明者らの研究の結果、多孔質層の厚みを小さくし過ぎると、検知部の温度を目標温度にすることが困難になり、ガスセンサの検出精度が悪化することが分かった。
【００１０】
投入電力量の大きさを決定するためには、前述した熱容量と蒸発熱との相反する要因を考慮する必要がある。そして、発明者らの研究の結果、投入電力量と多孔質層の厚みとの間には、当業者が予測できる範囲を超えた複雑な関係があることが見出された。
【００１１】
従来のガスセンサ又はガスセンサ素子においては、投入電力量との関係において、多孔質層の厚みをどれだけ小さくすることができるかについての知見はない。従って、検知部の温度を適切に維持して、ガスセンサの検出精度を高く維持するためには、投入電力量と多孔質層の厚みとを適切に決定することができる指標が必要であることが分かった。
【００１２】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、検出精度を高く維持して、投入電力密度との関係において、多孔質層の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、固体電解質層（３１，３１Ａ，３１Ｂ）、前記固体電解質層の第１主面（３０１）に設けられた検出電極（３１１）、前記固体電解質層の第２主面（３０２）に設けられた基準電極（３１２）、前記固体電解質層の前記第１主面に隣接して前記検出電極を内部に配置するように形成された検出ガス室（３５）、前記固体電解質層に積層され、前記検出ガス室へ検出ガス（Ｇ）を導入するための拡散抵抗層（３２）、前記固体電解質層に積層された絶縁層（３３Ａ，３３Ｂ）、前記絶縁層内に埋設され、通電によって発熱する発熱体（３４）及び、少なくとも前記拡散抵抗層の露出表面（３２１）を覆う多孔質層（３７）を有するセンサ素子体（２）と、
前記発熱体に通電を行う電力供給装置（５）と、を備えるガスセンサ（１）において、
前記ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において前記電力供給装置によって前記発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び前記センサ素子体における、前記発熱体の発熱領域（３４０）が設けられた長さ範囲（Ｌａ）の体積をＶ［ｍｍ3］とし、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値としたとき、
前記投入電力密度Ｘと前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］とは、
Ｙ≧５０９．３２−２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2
の関係式（Ｒ１）を満たす、ガスセンサにある。
【発明の効果】
【００１４】
前記一態様のガスセンサにおいては、電力供給装置によって発熱体に投入される投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層の平均厚みＹはどれだけ以上にすればよいかの指標を提供する。この指標は、投入電力密度Ｘと多孔質層の平均厚みＹとの関係式によって示される。この関係式は、多孔質層が被水することも考慮したものであり、実験又はシミュレーションを行うことによって得られるものである。
【００１５】
また、この関係式は、ガスセンサにおける検出精度を維持するために、投入電力密度Ｘとの関係において多孔質層の平均厚みＹを小さくすることができる限界値を規定する。投入電力密度Ｘと多孔質層の平均厚みＹとが前記関係式を満たすことにより、センサ素子体における、各電極及び各電極に挟まれた固体電解質層の部分を含む検知部の温度を適切に維持することができ、ガスセンサの検出精度を高く維持することができる。
【００１６】
詳細は、後述する実施形態において示されるが、前記関係式は単純ではない。この関係式においては、投入電力密度Ｘが小さくなるほど必要とする多孔質層の平均厚みＹが大きくなる関係と、投入電力密度Ｘが大きくなるほど必要とする多孔質層の平均厚みＹが大きくなる関係とが混在する。検知部の温度を適切に維持して、多孔質層の平均厚みＹをより小さくするためには、投入電力密度Ｘには適切な値があることも確認された。
【００１７】
前記一態様のガスセンサによれば、ガスセンサの検出精度を高く維持して、投入電力密度との関係において、多孔質層の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができる。
【００１８】
ガスセンサによるガス検出には、検出電極と基準電極とにおける酸素濃度又は特定ガス成分濃度の差を利用する種々の用途がある。ガス検出の用途の例としては、例えば、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを検出する用途、排ガスから求められる内燃機関の空燃比を定量的に検出する用途、排ガスにおけるＮＯｘ成分濃度を求める用途等がある
【００１９】
また、ガス検出を行う定常状態は、ガスセンサの始動時に、センサ素子体における検知部の温度が、常温から活性温度になるまでの過渡状態とは異なり、検知部の温度を目標温度としての活性温度に維持する状態のことをいう。言い換えれば、定常状態は、検知部の温度が目標温度に平衡するときの状態ということもできる。検知部の目標温度は、６００〜８００℃とすることができる。
【００２０】
電力供給装置による投入電力量は、投入電力密度とすることによって、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積を考慮した値とすることができる。投入電力密度を維持するためには、センサ素子体における、発熱領域が設けられた長さ範囲の体積が大きいほど、投入電力量も大きくする必要がある。
【００２１】
「発熱体の発熱領域」とは、発熱体におけるリード部を除き、発熱体における発熱部が蛇行して設けられた領域のことをいう。「センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲」とは、センサ素子体における複数の辺のうちの最も長い辺に沿った長さ方向において、発熱領域が設けられた長さの範囲のことをいう。また、この長さ範囲の体積は、センサ素子体の長さ方向における発熱領域が設けられた範囲の両端を、長さ方向に直交して切断したときに取り出される、発熱体を含むセンサ素子体の一部のブロックの体積とすることができる。また、この長さ範囲の体積には、長さ範囲における多孔質層の体積も含まれることとする。
【００２２】
多孔質層の厚みは、センサ素子体において多孔質層が設けられる部位によって異なることがある。前記関係式における多孔質層の平均厚みは、多孔質層の全体の厚みの平均値とする。この平均厚みは、理想的には、センサ素子体の各部位に設けられた厚みが異なる多孔質層の部分を、この多孔質層の全体の体積と同一体積を有する厚みが一定の多孔質層に置き換えた場合の厚みと捉えることができる。実質的には、平均厚みは、多孔質層における、厚みが異なる複数部位の厚みを測定し、この複数部位の厚みの平均値とすることができる。厚みを測定する部位は、例えば、センサ素子体における厚みが異なる１０〜１００箇所とすることができる。
【００２３】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態にかかる、ガスセンサを示す断面説明図。
【図２】実施形態にかかる、センサ素子体を分解した状態で示す斜視図。
【図３】実施形態にかかる、センサ素子体を示す断面図。
【図４】実施形態にかかる、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲を示す説明図。
【図５】実施形態にかかる、発熱体の発熱領域を示す斜視図。
【図６】実施形態にかかる、他の発熱体の発熱領域を示す斜視図。
【図７】実施形態にかかる、他のセンサ素子体を示す断面図。
【図８】実施形態にかかる、投入電力密度と多孔質層の平均厚みとの第１関係式を示すグラフ。
【図９】実施形態にかかる、投入電力密度と多孔質層の平均厚みとの第１〜第４関係式を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
本形態のガスセンサ１は、図１〜図３に示すように、センサ素子体２と、センサ素子体２における発熱体３４に電力を投入する電力供給装置５とを備える。センサ素子体２は、固体電解質層３１、検出電極３１１、基準電極３１２、検出ガス室３５、拡散抵抗層３２、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ、発熱体３４及び多孔質層３７を有する。
【００２６】
固体電解質層３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（酸化物イオン）の伝導性を有するものである。検出電極３１１は、検出ガスＧに晒される電極として、固体電解質層３１の第１主面３０１に設けられている。基準電極３１２は、固体電解質層３１の第２主面３０２に設けられている。第１主面３０１及び第２主面３０２とは、平板状の固体電解質層３１における最も大きな表面積を有する表面（板面）のことをいう。
【００２７】
図２及び図３に示すように、検出ガス室３５は、固体電解質層３１の第１主面３０１に隣接して、検出電極３１１を内部に配置するように絶縁層３３Ａに囲まれて形成されている。拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１に積層されており、所定の拡散速度で検出ガス室３５へ検出ガスＧを導入するための層である。絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、絶縁性を有する層であり、固体電解質層３１の第１主面３０１及び第２主面３０２に積層されている。発熱体３４は、絶縁層３３Ｂ内に埋設されており、通電によって発熱するものである。多孔質層３７は、センサ素子体２の外面において、少なくとも拡散抵抗層３２の露出表面３２１を覆う位置に設けられている。電力供給装置５は、発熱体３４に通電を行う（電力を供給する）ものである。
【００２８】
ガスセンサ１においては、ガスセンサ１によるガス検出を行う定常状態において電力供給装置５によって発熱体３４に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び、図４に示すように、センサ素子体２における、発熱体３４の発熱領域３４０が設けられた長さ範囲（Ｌａ）の体積をＶ［ｍｍ3］とする。そして、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値とする。このとき、図８に示すように、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］とは、Ｙ≧５０９．３２−２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2の第１関係式Ｒ１を満たす。
【００２９】
以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（内燃機関）
図１に示すように、本形態のガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）から排気される排ガスが流れる排気管に取り付けられる。ガスセンサ１は、排気管内を流れる排ガスを検出ガスＧとするとともに、大気を基準ガスＡとして、ガス検出を行うものである。本形態のガスセンサ１は、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比を求める空燃比センサとして用いられる。以下に、ガスセンサ１によって求める内燃機関の空燃比のことを、排ガスの空燃比ということがある。
【００３０】
空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。空燃比センサにおいては、拡散抵抗層３２によって検出ガス室３５へ導かれる検出ガスＧの流速が絞られる際に、検出電極３１１と基準電極３１２との間に、酸素イオンの移動量に応じた電流が出力される限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。
【００３１】
また、ガスセンサ１によって空燃比を検出する内燃機関は、４気筒、６気筒、８気筒等の多気筒のレシプロエンジンである。このレシプロエンジンの制御装置においては、ガスセンサ１によって検出された空燃比のフィードバックを受けて、各気筒における空燃比を目標とする空燃比に制御することが行われる。各気筒における吸気、圧縮、燃焼、排気の４つの行程が行われるタイミングは適宜異なっており、各気筒から排気管へは異なるタイミングで排ガスが排気される。
【００３２】
ガスセンサ１は、各気筒から排気管へ所定の順序で排気される排ガスを検出ガスＧとする。そして、エンジン制御装置においては、各気筒における空燃比を求めるためには、ガスセンサ１において求める空燃比が、いずれの気筒から排気された排ガスについての空燃比であるかを検知する必要がある。一般的に、内燃機関においては、気筒間における空燃比のばらつきのことを気筒間インバランスということが多い。
【００３３】
一方、ガスセンサ１においては、各気筒から排気される排ガスの空燃比を、他の気筒から排気される排ガスの空燃比と区別して検出できる性能のことを、気筒間インバランスの検出精度という。本形態のガスセンサ１の検出精度とは、気筒間インバランスの検出精度のことをいう。本形態の投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第１関係式Ｒ１は、気筒間インバランスの検出精度を所定の精度に維持するための多孔質層３７の平均厚みＹの許容最小値を知るための指標となる。
【００３４】
排気管内には、排ガスにおけるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための三元触媒が配置されている。エンジン制御装置は、ガスセンサ１による空燃比を用いて、内燃機関の各気筒における空燃比が、三元触媒の触媒活性が効果的に発揮される理論空燃比の近傍に維持されるよう制御する。本形態のガスセンサ１は、排気管における三元触媒の配置位置よりも、排ガスの流れの上流側の位置に配置される。
【００３５】
なお、ガスセンサ１は、検出電極３１１に接触する検出ガスＧと基準電極３１２に接触する基準ガスＡとの酸素濃度の差により、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかをオン・オフ的に判定する酸素センサとして用いることもできる。また、この場合には、ガスセンサ１は、排気管における三元触媒の配置位置よりも、排ガスの流れの下流側の位置に配置することができる。
また、ガスセンサ１は、排ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘを検出するＮＯｘセンサとして用いることもできる。
【００３６】
ガスセンサ１を酸素センサとする場合にも、各気筒における酸素濃度を区別して検出するために、気筒間インバランスの検出精度を良くすることは有効である。また、ガスセンサ１をＮＯｘセンサとする場合にも、各気筒におけるＮＯｘ濃度を区別して検出するために、気筒間インバランスの検出精度を良くすることは有効である。
【００３７】
（センサ素子体２）
図２及び図３に示すように、センサ素子体２は、固体電解質層３１に、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された状態で焼結された積層タイプのものである。固体電解質層３１は、ジルコニアを主成分とするものであり、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質層３１は、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアから構成することができる。また、検出電極３１１及び基準電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質層３１との共材としての固体電解質を含有している。
【００３８】
センサ素子体２は、長尺形状に形成されており、検出電極３１１、基準電極３１２、検出ガス室３５、拡散抵抗層３２及び発熱体３４の発熱領域３４０は、長尺方向Ｌの先端側部位に配置されている。センサ素子体２の長尺方向Ｌの先端側部位には、検出電極３１１及び基準電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質層３１の部分とによる検知部２１が形成されている。
【００３９】
センサ素子体２の長尺方向Ｌとは、センサ素子体２が長尺形状に形成された方向のことをいう。また、長尺方向Ｌに直交し、固体電解質層３１、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長尺方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、図１〜図４においては、長尺方向Ｌの先端側をＬ１によって示し、長尺方向Ｌの基端側をＬ２によって示す。
【００４０】
図２に示すように、検出電極３１１及び基準電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３，３１４が接続されており、この電極リード部３１３，３１４は、長尺方向Ｌの基端側部位まで引き出されている。
【００４１】
また、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱体リード部３４２は、長尺方向Ｌの基端側部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。
【００４２】
図２に示すように、発熱部３４１は、発熱体３４における先端部において長尺方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、検出電極３１１に対向する位置に配置されており、検出電極３１１が目標とする温度になるよう、固体電解質層３１、検出電極３１１、基準電極３１２、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ等を加熱する。
【００４３】
発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に、電力供給装置５によって電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が加熱される。
【００４４】
「発熱体３４の発熱領域３４０」とは、発熱部３４１が蛇行して設けられた領域、言い換えれば、発熱部３４１が長尺方向Ｌ又は幅方向Ｗに３本以上隣り合って配置された領域のことをいう。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに蛇行して形成される以外にも、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱領域３４０は、発熱体３４への通電によって高温になる領域を示す。
【００４５】
発熱部３４１が蛇行して設けられた領域は、図５に示すように、発熱部３４１の長尺方向Ｌの長さよりも短いことがある。また、発熱部３４１が蛇行して設けられた領域は、図６に示すように、発熱部３４１の長尺方向Ｌの長さとほぼ同じこともある。
【００４６】
図４に示すように、発熱体３４の発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａは、センサ素子体２における長尺方向Ｌの一部となる。センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの体積Ｖは、センサ素子体２の長さ方向としての長尺方向Ｌにおける発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの両端を、長尺方向Ｌに直交する切断面Ｓにおいて切断したときに取り出される、発熱体３４を含むセンサ素子体２の一部のブロックの体積とする。長さ範囲Ｌａの体積Ｖには、長さ範囲Ｌａにおける多孔質層３７の体積も含まれることとする。
【００４７】
電力供給装置５による投入電力密度Ｘは、発熱体３４への投入電力量Ｐ、言い換えれば発熱体３４の発熱領域３４０による熱が、センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの部分を加熱するために使用されるとして定めたものである。
【００４８】
図４に示すように、体積Ｖは、センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長尺方向Ｌの長さをＬａ［ｍｍ］、センサ素子体２の幅方向Ｗの幅（長さ）をＷａ［ｍｍ］、センサ素子体２の積層方向Ｄの厚み（長さ）をＤａ［ｍｍ］としたとき、Ｌａ×Ｗａ×Ｄａに基づいて定められる。センサ素子体２の長尺方向Ｌに直交する断面における角部２２が、切欠部として切り欠かれている場合には、体積Ｖは、Ｌａ×Ｗａ×Ｄａから、長さＬａの範囲内の切欠部の体積を差し引いた値とすることができる。
【００４９】
絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質層３１の第１主面３０１及び第２主面３０２のいずれにも積層されている。固体電解質層３１の第１主面３０１に積層された第１絶縁層３３Ａは、検出ガス室３５を形成するために積層されており、固体電解質層３１の第２主面３０２に積層された第２絶縁層３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに、発熱体３４を埋設するために積層されている。第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、アルミナ等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、気孔を有していない緻密な層として形成されており、検出ガスＧ、基準ガスＡ等のガスを透過させないものである。
【００５０】
図２及び図３に示すように、検出ガス室３５は、固体電解質層３１の第１主面３０１と第１絶縁層３３Ａと拡散抵抗層３２とによって囲まれて形成されている。本形態の拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１の第１主面３０１に対面する位置であって、検出ガス室３５に対して長尺方向Ｌに直交する幅方向Ｗの両側に対向する位置に配置されている。拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１の第１主面３０１に対面する位置であって、検出ガス室３５に対して長尺方向Ｌの先端側から対向する位置に配置してもよい。また、拡散抵抗層３２は、第１絶縁層３３Ａを介して固体電解質層３１の第１主面３０１に積層し、固体電解質層３１の第１主面３０１に検出ガス室３５を介して対向する位置に配置してもよい。
【００５１】
拡散抵抗層３２は、第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂと同様に、アルミナ等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。拡散抵抗層３２は、所定の拡散速度で検出ガスＧを検出ガス室３５へ導くための複数の気孔を有する多孔質の層として形成されている。拡散抵抗層３２の密度は、第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂの密度よりも小さい。
【００５２】
図２及び図３に示すように、固体電解質層３１の第２主面３０２には、第２絶縁層３３Ｂに囲まれた、基準ガスＡとしての大気が導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、センサ素子体２の長尺方向Ｌの基端位置から、固体電解質層３１を介して検出ガス室３５と対向する位置まで形成されている。基準電極３１２は、大気ダクト３６内における先端側部位に配置されている。
【００５３】
多孔質層３７は、金属酸化物としてのアルミナによって構成されている。多孔質層３７は、検出電極３１１への被毒物質、及び排気管内に生じる凝縮水等を捕獲するための複数の気孔を有する。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗層３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる検出ガスＧの流量は、拡散抵抗層３２を透過することができる検出ガスＧの流量よりも多い。なお、気孔率とは、単位体積当たりに気孔（空隙）が占める体積割合のことをいう。
【００５４】
多孔質層３７は、複数の粒子状の金属酸化物が集まって形成されたものであり、複数の粒子状の金属酸化物同士の間に形成された複数の気孔が、水が通過することを妨げる迷路構造を形成する。多孔質層３７は、アルミナから構成する以外にも、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スピネル、酸化亜鉛のうちの少なくとも１種を含むセラミックス（金属酸化物）によって構成することができる。
【００５５】
本形態に示すセンサ素子体２は、１枚の固体電解質層３１及び大気ダクト３６を有するものである。これ以外にも、センサ素子体２は、例えば、図７に示すように、２枚の固体電解質層３１Ａ，３１Ｂを有するとともに大気ダクト３６を有しないものとしてもよい。この場合には、第１固体電解質層３１Ａに設けられた一対の電極３１３を、検出ガス室３５内の検出ガスＧの酸素濃度を調整するために用い、第２固体電解質層３１Ｂに設けられた一対の電極３１４を、検出ガス室３５内の検出ガスＧの酸素濃度を検出するために用いることができる。この場合においても、図３の場合と同様に、発熱体３４、多孔質層３７等を設けることができる。
【００５６】
図３及び図４に示すように、本形態のセンサ素子体２は、長尺方向Ｌに直交する断面形状が略四角形状を有する形状に形成されている。センサ素子体２は、長尺方向Ｌに沿った４つの表面であって、第１主面３０１及び第２主面３０２に平行な一対の第１平坦面２０１と、第１主面３０１及び第２主面３０２に垂直な一対の第２平坦面２０２とを有する。また、第１平坦面２０１と第２平坦面２０２との間の４つの角部２２には、面取りによるテーパ面２０３が形成されている。また、テーパ面２０３の代わりに、曲面状の角部２２が形成されていてもよい。
【００５７】
多孔質層３７は、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３に連続して形成されている。多孔質層３７は、多孔質層３７を形成するための金属酸化物及び溶媒が含まれるペースト材料にセンサ素子体２を浸漬させた後、このセンサ素子体２を取り出し、センサ素子体２に付着したペースト材料を乾燥させることによって形成することができる。また、多孔質層３７は、ペースト材料をセンサ素子体２に噴射し、この噴射されたペースト材料を乾燥させることによって形成することもできる。
【００５８】
多孔質層３７は、製造方法の関係上、全体が均一になるように形成することは難しい。そのため、多孔質層３７の厚みは、平均厚みＹによって表す。多孔質層３７の平均厚みＹは、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３に形成された多孔質層３７における平均厚みＹとすることができる。この平均厚みＹは、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３の各部位の複数箇所において測定した厚みの平均値とすることができる。また、各面２０１，２０２，２０３においては、例えば、１０箇所ずつ多孔質層３７の厚みを測定し、多孔質層３７の平均厚みＹは、各面２０１，２０２，２０３における多孔質層３７の厚みの測定値の平均値とすることができる。
【００５９】
本形態の多孔質層３７は、センサ素子体２の先端側部位の全周囲に設けられている。これ以外にも、多孔質層３７は、拡散抵抗層３２の露出表面３２１を覆うよう、露出表面３２１の周囲にのみ設けられていてもよい。この場合には、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなることが想定される。
【００６０】
（ガスセンサ１の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子体２等の他に、センサ素子体２を保持する第１インシュレータ４２、第１インシュレータ４２を保持するハウジング４１、第１インシュレータ４２に連結された第２インシュレータ４３、第２インシュレータ４３に保持されてセンサ素子体２に接触する接点端子４４を備える。また、ガスセンサ１は、ハウジング４１の先端側の部分に装着された先端側カバー４５、ハウジング４１の基端側の部分に装着されて第２インシュレータ４３、接点端子４４等を覆う基端側カバー４６、接点端子４４に繋がるリード線４８を基端側カバー４６に保持するためのブッシュ４７等を備える。
【００６１】
先端側カバー４５は、内燃機関の排気管内に配置される。先端側カバー４５には、検出ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔４５１が形成されている。先端側カバー４５は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。先端側カバー４５のガス通過孔４５１から先端側カバー４５内に流入する検出ガスＧとしての排ガスは、センサ素子体２の多孔質層３７及び拡散抵抗層３２を通過して検出電極３１１へと導かれる。
【００６２】
図１に示すように、基端側カバー４６は、内燃機関の排気管の外部に配置される。基端側カバー４６には、基端側カバー４６内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ４６２が配置されている。大気導入孔４６１から基端側カバー４６内に導入される基準ガスＡは、基端側カバー４６内の隙間及び大気ダクト３６を通過して基準電極３１２へと導かれる。
【００６３】
接点端子４４は、検出電極３１１の電極リード部３１３、基準電極３１２の電極リード部３１４、発熱体３４の発熱体リード部３４２のそれぞれに接続されるよう、第２インシュレータ４３に複数配置されている。また、リード線４８は、接点端子４４のそれぞれに接続されている。
【００６４】
図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、センサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、検出電極３１１と基準電極３１２との間に流れる電流を測定する測定回路、検出電極３１１と基準電極３１２との間に電圧を印加する印加回路、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
【００６５】
本形態の電力供給装置５は、センサ制御装置６に形成された通電回路によって構成されている。通電回路は、発熱体３４へ供給する投入電力量Ｐを調整するよう構成されている。投入電力量Ｐは、通電回路によって、ガスセンサ１の検知部２１を加熱する目標温度及び多孔質層３７の平均厚みＹに応じて適宜変更される。投入電力量Ｐ［Ｗ］は、発熱体３４に印加する電圧［Ｖ］と、発熱体３４に流れる電流［Ａ］との積によって表される。
【００６６】
電力供給装置５は、発熱体３４の一対の発熱体リード部３４２に印加する電圧を変更することによって、発熱体３４への投入電力量Ｐを調整することができる。電力供給装置５による発熱体３４への投入電力は、ＰＷＭ（パルス幅変調）等を行ったものとすることができる。
【００６７】
（投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第１関係式Ｒ１）
本形態の第１関係式Ｒ１は、気筒間インバランスの検出精度を所定の精度に維持するための多孔質層３７の平均厚みＹの許容最小値を示し、多孔質層３７が被水することも考慮して、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させたときのガスセンサ１の出力変動を測定する実験を行って得られたものである。
【００６８】
ガスセンサ１の出力変動は、センサ素子体２の多孔質層３７が被水することによって生じる検知部２１の温度低下に応じて生じる。本形態のガスセンサ１の出力変動は、検知部２１の温度低下に比例して変動率が大きくなるとする。また、ガスセンサ１の出力変動は、気筒間インバランスの検出精度によって示される。気筒間インバランスの検出精度とは、各気筒から排気される排ガスの空燃比を、他の気筒から排気される排ガスの空燃比と区別して検出できる性能のことを示す。内燃機関の複数の気筒においては、吸気、圧縮、燃焼、排気の４つの行程が、それぞれ異なるタイミングで行われる。そして、内燃機関の排気管へは、各気筒から排気される排ガスが順次流れる。
【００６９】
本形態においては、気筒間インバランスの検出精度を検出するために、いずれかの気筒における空燃比を残りの気筒における空燃比と異ならせた。そして、全ての気筒について４つの行程が行われる１燃焼サイクルにおけるガスセンサ１の出力値の波形の振幅（最大値と最小値との差）をインバランス応答値として求めた。ガスセンサ１の出力値の波形は、内燃機関の１燃焼サイクルを１周期として変動する。
【００７０】
インバランス応答値は、ガスセンサ１の検知部２１の温度が上昇する変化に応じて、値が良く（大きく）なるように変化する。また、本形態においては、検知部２１の温度が上昇するほど、検知部２１の温度に比例してインバランス応答値が良くなるものとする。また、検知部２１の温度低下の度合いは、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなるほど大きくなる。
【００７１】
本形態のガスセンサ１においては、検知部２１の温度が目標温度として７００℃になるように、電力供給装置５による発熱体３４への投入電力量Ｐが決定される。検知部２１の温度が７００℃であるときのインバランス応答値を１００％とし、検知部２１の温度が７００℃よりも低くなる場合にはインバランス応答値が１００％未満となってインバランス応答値が悪化する。一方、検知部２１の温度が７００℃よりも高くなる場合にはインバランス応答値が１００％超過となって、インバランス応答値が向上する。
【００７２】
また、気筒間インバランスの検出精度の良し悪しを評価するときのインバランス応答値の評価基準値は、インバランス応答値が５〜１０％の範囲内で悪化する場合に、±０．５％の誤差範囲を加味して、４．５〜１０．５％の範囲内で悪化する場合とした。この評価基準値は、言い換えればインバランス応答値が８９．５〜９５．５％の範囲内となる場合とした。そして、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させたときに、インバランス応答値が８９．５〜９５．５％の範囲内となった場合のデータについて回帰分析を行って、第１関係式Ｒ１を求めた。
【００７３】
図８には、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について示す。第１関係式Ｒ１に投入電力密度Ｘを代入したときの多孔質層３７の平均厚みＹを、平均厚みＹの基準値とする。そして、気筒間インバランスの検出精度の評価においては、投入電力密度Ｘが特定される際に、多孔質層３７の平均厚みＹが、平均厚みＹの基準値以上になる場合を、気筒間インバランスの検出精度が必要とされる検出精度を満たすこととする。第１関係式Ｒ１は、投入電力密度Ｘが変化したときの多孔質層３７の平均厚みＹの基準値を示す関係式である。
【００７４】
検知部２１の温度とインバランス応答値との関係においては、検知部２１の温度が１０℃低下したときには、インバランス応答値が約６％低下し、検知部２１の温度が３０℃低下したときには、インバランス応答値が約１８％低下した。そして、インバランス応答値が８９．５〜９５．５％の範囲内となる場合には、検知部２１の温度が７．５〜１７．５℃程度低下することになる。
【００７５】
また、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させてインバランス応答値を求める際には、内燃機関の回転速度を１６００ｒｐｍ（２６．７ｒｐｓ）に設定し、排気管内の単位断面積当たりのガス流量が２０ｇ／ｓとなるように調整した。そして、内燃機関の複数（本形態では４つ）の気筒のうち、いずれか１つの気筒における燃料噴射量を残りの気筒における燃料噴射量に比べて過剰に増加させた。本形態においては、いずれか１つの気筒の燃料噴射量を４０％増加させて、いずれか１つの気筒の空燃比を理論空燃比に対して燃料リッチ側にシフトさせ、残りの気筒の空燃比を理論空燃比とした。
【００７６】
図８の第１関係式Ｒ１においては、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］になるときに、多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が、約９２．４［μｍ］と最も小さくなる。そして、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも小さい場合には、投入電力密度Ｘが小さくなるに従って多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が大きくなる。また、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも大きい場合には、投入電力密度Ｘが大きくなるに従って多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が大きくなる。
【００７７】
インバランス応答値の良し悪しを決定する検知部２１の温度は、検知部２１の受熱量と検知部２１の放熱量との熱収支に応じて変化する。検知部２１の受熱量は、特に、発熱体３４の発熱部３４１からセンサ素子体２の検知部２１への投入電力密度Ｘによる影響を受ける。投入電力密度Ｘが大きくなるほど、検知部２１の受熱量が大きくなる。また、検知部２１の受熱量は、センサ素子体２における各部の厚み、各部の熱伝導率等による影響も受ける。センサ素子体２における各部の厚みが大きくなるほど、各部の熱容量が増えて、検知部２１の受熱量が小さくなる。また、センサ素子体２における各部の熱伝導率が大きくなるほど、各部における熱伝導が向上して、検知部２１の受熱量が大きくなる。
【００７８】
一方、検知部２１の放熱量は、特に、検知部２１を覆う多孔質層３７が被水したときに、多孔質層３７の表面に付着する水が蒸発する際の蒸発熱（気化熱）による影響を受ける。蒸発熱が大きくなるほど、検知部２１の放熱量が大きくなる。また、検知部２１の放熱量は、多孔質層３７の平均厚みＹによる影響を受ける。多孔質層３７の平均厚みＹが大きくなるほど、多孔質層３７の熱容量が増えて、多孔質層３７による保温効果が作用しやすくなり、検知部２１の放熱量が小さくなると考えられる。
【００７９】
また、検知部２１の放熱量は、センサ素子体２における各部の厚み、各部の熱伝導率等による影響も受ける。センサ素子体２における各部の厚みが大きくなるほど、各部の熱容量が増えて、検知部２１の放熱量が小さくなると考えられる。また、センサ素子体２における各部の熱伝導率が大きくなるほど、各部における熱伝導が向上して、検知部２１の放熱量が大きくなると考えられる。
【００８０】
第１関係式Ｒ１の、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係は、実測に基づいて求められたものであり、第１関係式Ｒ１が得られる理由は必ずしも明確にはなっていない。
投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも小さい場合における第１関係式Ｒ１の関係においては、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなるほど検知部２１の温度が被水による影響を受けて、検知部２１の放熱量が大きくなる。そして、この場合の関係は、投入電力密度Ｘが小さくなるほど多孔質層３７の平均厚みＹを大きくせざるを得なくなる関係にあると考えられる。
【００８１】
一方、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも大きい場合における第１関係式Ｒ１の関係が得られる理由については明確ではない。この理由としては、例えば、投入電力密度Ｘが大きくなり過ぎる場合には、多孔質層３７における蒸発熱も大きくなり、投入電力密度Ｘが大きくなるほど多孔質層３７の平均厚みＹを大きくせざるを得なくなる関係が形成されると考えられる。
【００８２】
また、多孔質層３７の平均厚みＹを小さくするために最適な、センサ素子体２の発熱体３４に供給する投入電力密度Ｘは、０．２９［Ｗ／ｍｍ3］付近にあると考えられる。
【００８３】
（投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第２〜第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）
投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係は、次の第２〜第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も満たすことが好ましい。
【００８４】
多孔質層３７の平均厚みＹを大きくし過ぎると、多孔質層３７の熱容量が増え、ガスセンサ１の応答性が低下する。ガスセンサ１の応答性は、排ガスの空燃比が変化したときに、この空燃比の変化をガスセンサ１が検出することができる応答時間によって表される。
【００８５】
ガスセンサ１の応答時間は、排ガスの空燃比が変化した時点から、ガスセンサ１によって空燃比の変化の６３％の変化が検出される時点までの６３％応答時間とした。ガスセンサ１の６３％応答時間は、既存のガスセンサ１における応答時間である６００ｍｓを基準時間とし、この基準時間以下である場合を、応答性が確保できる場合とした。そして、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］が、Ｙ≦８００の第２関係式Ｒ２を満たす場合に、ガスセンサ１の応答時間が基準時間以下となり、ガスセンサ１の応答性（応答時間）が確保される。
【００８６】
投入電力密度Ｘを小さくし過ぎると、センサ素子体２における検知部２１が発熱体３４の発熱部３４１によって加熱される際に、センサ特性を示す活性温度になるまでの時間が長くなり、ガスセンサ１の早期活性が困難になる。ガスセンサ１の早期活性は、ガスセンサ１の活性時間によって表される。
【００８７】
ガスセンサ１の活性時間は、発熱体３４への電力の供給を開始した時点から、検知部２１の温度が所定の活性温度としての６００℃になる時点までの時間とした。ガスセンサ１の活性時間は、既存のガスセンサ１における活性時間である５ｓを基準時間とし、この基準時間以下である場合を、活性時間が確保できる場合とした。そして、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］が、０．１７≦Ｘの第３関係式Ｒ３を満たす場合に、ガスセンサ１の活性時間が基準時間以下となり、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）が確保される。
【００８８】
投入電力密度Ｘを大きくし過ぎると、センサ素子体２における検知部２１が発熱体３４の発熱部３４１によって加熱される際に、発熱部３４１が発熱量によって断線する可能性が高まる。発熱部３４１の断線は、投入電力密度Ｘが所定の大きさを超えた場合に確認された。具体的には、投入電力密度Ｘが、０．４５［Ｗ／ｍｍ3］を超えた場合に、発熱部３４１に断線が確認された。従って、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］が、Ｘ≦０．４３の第４関係式Ｒ４を満たす場合に、発熱部３４１に断線が確認されず、発熱部３４１の耐久性が確保される。
【００８９】
（作用効果）
本形態のガスセンサ１においては、電力供給装置５によって発熱体３４に投入される投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層３７の平均厚みＹが、どのような範囲内にあればよいかの指標を提供する。また、本形態のガスセンサ１においては、投入電力密度Ｘが、どのような範囲内にあればよいかの指標も提供する。
【００９０】
この指標は、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとが定められる第１〜第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によって示される。本形態の第１〜第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、多孔質層３７が被水することも考慮したものであり、実験を行って得られたものである。
【００９１】
また、第１関係式Ｒ１は、ガスセンサ１における検出精度としての気筒間インバランスの検出精度を維持するために、投入電力密度Ｘとの関係において多孔質層３７の平均厚みＹを小さくすることができる限界値を規定する。投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとが第１関係式Ｒ１を満たすことにより、センサ素子体２における検知部２１の温度を適切に維持することができ、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができる。
【００９２】
それ故、本形態のガスセンサ１によれば、気筒間インバランスの検出精度を高く維持して、投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層３７の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができる。
【００９３】
また、本形態のガスセンサ１においては、第１関係式Ｒ１を満たすだけでなく、第２〜第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も満たすように投入電力密度Ｘ及び多孔質層３７の平均厚みＹを定める。これにより、ガスセンサ１の応答性（応答時間）、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）及び発熱体３４の耐久性を確保することができる。それ故、第１〜第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされることにより、諸特性に優れたガスセンサ１を形成することができる。また、ガスセンサ１の発熱体３４へ投入される投入電力密度Ｘが決定されるときには、多孔質層３７の平均厚みＹを適切にするために、この平均厚みＹをどれだけの範囲内で設定すればよいかを知ることができる。
【００９４】
また、第１〜第４関係式Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、発熱体３４への投入電力密度Ｘが定められた場合には、多孔質層３７の平均厚みＹを決定するためのガスセンサ１の製造方法として捉えることもできる。また、第１〜第４関係式Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、多孔質層３７の平均厚みＹが定められた場合には、発熱体３４への投入電力密度Ｘを決定するためのガスセンサ１の使用方法として捉えることもできる。
【００９５】
本形態における多孔質層３７の全体は、同質のセラミックス（金属酸化物）によって、同等の気孔率を有する状態に形成されている。これ以外にも、多孔質層３７の一部は、他の部分と異なるセラミックスによって形成してもよい。また、多孔質層３７の一部の気孔率を、他の部分の気孔率と異ならせることもできる。例えば、拡散抵抗層３２の露出表面３２１に配置される多孔質層３７の部分は、他の部分に配置される多孔質層３７の部分に比べて、材質、気孔率等が異なっていてもよい。拡散抵抗層３２の露出表面３２１には、気孔率が互いに異なる２層の多孔質層３７を配置することもできる。
【００９６】
＜確認試験１＞
確認試験１においては、第１関係式Ｒ１を求めるために、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを適宜変化させて、気筒間インバランスの検出精度を示すインバランス応答値の低下量を測定した。投入電力密度Ｘは０．１〜０．４５［Ｗ／ｍｍ3］の範囲内で変化させ、多孔質層３７の平均厚みＹは５０〜８００［μｍ］の範囲内で変化させた。
【００９７】
表１には、インバランス応答値の低下量を測定した結果を示す。同表には、投入電力密度Ｘ又は多孔質層３７の平均厚みＹが適宜変化するガスセンサ１のサンプルを「１−１」〜「１−１２」として示す。
【表１】
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【００９８】
インバランス応答値の低下量は、インバランス応答値が５〜１０％の範囲内で低下する場合に±０．５％の誤差範囲を加味して、４．５〜１０．５％の範囲内となった場合を、第１関係式Ｒ１を求める際のデータとした。この場合は、気筒間インバランスの検出精度の良し悪しを分別するときのインバランス応答値の評価基準値として、表１の判定において△で示す。
【００９９】
図８には、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係において、インバランス応答値の低下量が４．５〜１０．５％の範囲内で低下した場合を△の印で示す。そして、△の印で示される４点について回帰分析を行った結果、第１関係式Ｒ１が得られた。
【０１００】
また、表１においては、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させる際にインバランス応答値の低下量が４．５％未満となった場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好である場合として○の印で示す。また、インバランス応答値の低下量が１０．５％超過となった場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好でない場合として×の印で示す。また、図８においても同様に、これらの場合を○の印及び×の印で示す。同図においては、第１関係式Ｒ１が満たされる範囲を、斜線のハッチングを行って示す。
【０１０１】
確認試験１の結果に示されるように、ガスセンサ１における投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について、回帰分析を行って求められた第１関係式Ｒ１が満たされる場合には、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができる。
【０１０２】
＜確認試験２＞
確認試験２においては、第２〜第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を求めるために、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを適宜変化させて、インバランス応答値の低下量、ガスセンサ１の応答性（６３％応答時間）、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）及び発熱体３４の耐久性（発熱部３４１の断線の有無）を測定した。投入電力密度Ｘは０．１５〜０．４５［Ｗ／ｍｍ3］の範囲内で変化させ、多孔質層３７の平均厚みＹは１００〜８５０［μｍ］の範囲内で変化させた。
【０１０３】
表２には、インバランス応答値の低下量、６３％応答時間、活性時間及び断線の有無を測定した結果を示す。同表には、投入電力密度Ｘ又は多孔質層３７の平均厚みＹが適宜変化するガスセンサ１のサンプルを「２−１」〜「２−１２」として示す。
【表２】
2019082418.tif 000004
【０１０４】
（インバランス応答値の低下量）
表２の判定において、インバランス応答値の低下量が１０．５％以下である場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好である場合として○の印で示す。一方、インバランス応答値の低下量が１０．５％超過である場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好でない場合として×の印で示す。また、インバランス応答値の低下量が測定不能であった場合も示す。
【０１０５】
インバランス応答値の低下量の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．２Ｗ／ｍｍ3であって多孔質層３７の平均厚みＹが１００μｍである場合、及び投入電力密度Ｘが０．４Ｗ／ｍｍ3であって多孔質層３７の平均厚みＹが１００μｍである場合に判定結果が×となった。それ以外の測定結果は、確認試験１の場合と同様である。そして、センサ素子体２に多孔質層３７を設ける際の、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］の許容最小値は、第１関係式Ｒ１に基づいて決定できることが確認された。
【０１０６】
（６３％応答時間）
表２の判定において、６３％応答時間が既存のガスセンサ１の値である６００ｍｓ以下である場合を、応答性が良好である場合として○の印で示す。一方、６３％応答時間が既存のガスセンサ１の値である６００ｍｓ超過である場合を、応答性が良好でない場合として×の印で示す。また、６３％応答時間が測定不能であった場合も示す。
【０１０７】
６３％応答時間の測定結果においては、多孔質層３７の平均厚みＹが８５０μｍである場合に判定結果が×となり、多孔質層３７の平均厚みＹが７５０μｍである場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、多孔質層３７の平均厚みＹが、７５０μｍと８５０μｍとの間の８００μｍである場合に、６３％応答時間の良し悪しを判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、センサ素子体２に多孔質層３７を設ける際の、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］の許容最大値として、Ｙ≦８００の第２関係式Ｒ２が得られた。
【０１０８】
（活性時間）
また、表２の判定において、活性時間が既存のガスセンサ１の値である５ｓ以下である場合を、早期活性が良好である場合として○の印で示す。一方、活性時間が既存のガスセンサ１の値である５ｓ超過である場合を、早期活性が良好でない場合として×の印で示す。また、活性時間が測定不能であった場合も示す。
【０１０９】
活性時間の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．１５Ｗ／ｍｍ3である場合に判定結果が×となり、投入電力密度Ｘが０．２Ｗ／ｍｍ3以上である場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、投入電力密度Ｘが、０．１５Ｗ／ｍｍ3と０．２Ｗ／ｍｍ3との間の０．１７Ｗ／ｍｍ3である場合に、活性時間の良し悪しを判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、発熱体３４への投入電力密度Ｘの許容最小値として、０．１７≦Ｘの第３関係式Ｒ３が得られた。
【０１１０】
（断線の有無）
また、表２の判定において、発熱部３４１に断線が生じなかった場合を、発熱体３４の耐久性が良好である場合として○の印で示す。一方、発熱部３４１に断線が生じた場合を、発熱体３４の耐久性が良好でない場合として×の印で示す。
【０１１１】
断線の有無の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．４５Ｗ／ｍｍ3である場合に判定結果が×となり、投入電力密度Ｘが０．４Ｗ／ｍｍ3以下である場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、投入電力密度Ｘが、０．４Ｗ／ｍｍ3と０．４５Ｗ／ｍｍ3との間の０．４３Ｗ／ｍｍ3である場合に、断線の有無を判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、発熱体３４への投入電力密度Ｘの許容最大値として、Ｘ≦０．４３の第４関係式Ｒ４が得られた。
【０１１２】
（総合判定）
そして、表２においては、総合判定として、インバランス応答値の低下量、６３％応答時間、活性時間及び断線の有無の全ての判定結果が良好である場合を○の印で示し、いずれかの判定結果が良好でない場合を×の印で示す。また、図９の投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係を示すグラフにおいても同様に、総合判定の結果として○の印と×の印で示す。同図においては、第１〜第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされる範囲を、斜線のハッチングを行って示す。
【０１１３】
確認試験２の結果に示されるように、ガスセンサ１における投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について、第１〜第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされる場合には、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができるだけでなく、ガスセンサ１の応答性、ガスセンサ１の早期活性及び発熱体３４の耐久性も高く維持することができる。
【０１１４】
＜他の実施形態＞
本発明は、実施形態のみ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さらに異なる実施形態を構成することが可能である。本発明は、特に、積層タイプのセンサ素子体２について、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係に着目するものであり、ガスセンサ１、センサ素子体２等における個々の構成は適宜変更することができる。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。
【符号の説明】
【０１１５】
１  ガスセンサ
２  センサ素子体
３１，３１Ａ，３１Ｂ  固体電解質層
３２  拡散抵抗層
３３Ａ，３３Ｂ  絶縁層
３４  発熱体
３４０  発熱領域
３７  多孔質層
５  電力供給装置
【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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