(57)【要約】【課題】センサ素子内の空間を調整することにより、センサ素子に発生する応力を緩和し、クラック等の発生を抑制して、信頼性の向上を図る。【解決手段】ガス導入孔２８から第１拡散律速部３０を介して被測定ガスが導入される第１空間２０と、該第１空間２０に導入された被測定ガス中の酸素分圧を所定の値に制御する主ポンプ手段４４と、第１空間２０から第２拡散律速部３２を介して被測定ガスが導入される第２空間２２と、該第２空間２２から第３拡散律速部７２を介して導入された被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、その際に発生する酸素を汲み出し、該酸素の汲み出しによる電流を検出する測定用ポンプ手段７４とを有するガスセンサ１０Ａにおいて、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅと、ガス導入孔２８の横幅Ｗｃとの比（Ｗｃ／Ｗｅ）を、３０％以上、７０％未満とする。【選択図】図１
2004317496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端近傍部にガス導入孔を有するセンサ素子を具備し、
前記センサ素子は、前記ガス導入孔から第１拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第１空間と、前記第１空間に導入された前記被測定ガス中の酸素分圧を略一定に制御する主ポンプ手段と、前記第１空間から第２拡散律速部を介して前記被測定ガスが導入される第２空間と、前記第２空間から第３拡散律速部を介して導入された前記被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、その際に発生する酸素を汲み出し、該酸素の汲み出しによる電流を検出する測定用ポンプ手段とを有し、前記検出された電流の値から前記被測定ガス中に存在するＮＯｘ濃度を求めるようにしたガスセンサにおいて、
前記センサ素子の先端近傍部の横幅をＷｅとし、前記ガス導入孔の横幅をＷｃとしたとき、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
先端近傍部にガス導入孔を有するセンサ素子を具備し、
前記センサ素子は、前記ガス導入孔から第１拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第１空間と、前記第１空間に導入された前記被測定ガス中の酸素分圧を略一定に制御する主ポンプ手段と、前記第１空間から第２拡散律速部を介して前記被測定ガスが導入される第２空間と、前記第２空間から第３拡散律速部を介して導入された前記被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、前記還元又は分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出する検出手段とを有し、前記検出された起電力に基づいて、前記被測定ガス中に存在するＮＯｘ濃度を求めるようにしたガスセンサにおいて、
前記センサ素子の先端近傍部の横幅をＷｅとし、前記ガス導入孔の横幅をＷｃとしたとき、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、少なくとも前記第１空間及び前記第２空間を所定の温度に維持するヒータを有し、
前記ヒータの先端における前記センサ素子の上面への投影位置から前記センサ素子の先端までの距離をＬａとしたとき、
２０％＜（Ｌａ／Ｗｅ）＜５０％
を満足することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記ヒータの先端における前記センサ素子の上面への投影位置と、前記第１空間の始端における前記センサ素子の上面への投影位置とがほぼ一致していることを特徴とするガスセンサ。
【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において、
前記第１拡散律速部と前記第２拡散律速部は、それぞれ前記センサ素子に設けられたスリットにて構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、前記ガス導入孔から前記第１拡散律速部の間に第４拡散律速部を有し、
前記ガス導入孔から前記第４拡散律速部までの空間が目詰まり防止用空間として機能し、
前記第４拡散律速部と前記第１拡散律速部との間の空間が緩衝空間として機能することを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項６記載のガスセンサにおいて、
前記第４拡散律速部は、前記センサ素子に設けられたスリットにて構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のガスセンサにおいて、
前記目詰まり防止用空間の横幅と、前記緩衝空間の横幅と、前記第１拡散律速部を構成するスリットの横幅と、前記第４拡散律速部を構成するスリットの横幅とがほぼ同じであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】
請求項８記載のガスセンサにおいて、
前記ガス導入孔の横幅と前記目詰まり防止用空間の横幅とがほぼ同じであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記第２空間に導入された前記被測定ガス中の酸素分圧を制御する補助ポンプ手段が設けられてい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、ガスセンサに関し、例えば車両の排出ガスや大気中に含まれるＮＯｘを測定するのに好適なガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘを測定する方法として、例えば特許文献１に示すように、外部空間に連通した第１空間と、該第１空間に連通した第２空間とを有し、該第１空間に設けられたポンプセルで酸素濃度を調整し、該第２空間でＮＯｘを還元又は分解し、該第２空間に設けられた測定ポンプセルに流れるポンプ電流からＮＯｘ濃度を測定する方法がある。
【０００３】
また、特許文献２には、酸素濃度が急変した場合でも第２空間内の酸素濃度が一定に制御されるように、第２空間に補助ポンプセルを設けたガスセンサが開示されている。
【０００４】
さらに、従来では、例えば特許文献３に示すように、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避して、検出電極での測定精度を向上させたガスセンサも開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２７１４７６号公報（図２）
【特許文献２】特開平９−１１３４８４号公報（図１）
【特許文献３】特開平１１−２３７３６２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述したガスセンサにおいて、センサ素子内の空間を調整することにより、センサ素子に発生する応力を緩和し、クラック等の発生を抑制して、信頼性の向上を図ることができるガスセンサ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】
【０００７】
本発明に係るガスセンサは、先端近傍部にガス導入孔を有するセンサ素子を具備し、前記センサ素子は、前記ガス導入孔から第１拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第１空間と、前記第１空間に導入された前記被測定ガス中の酸素分圧を略一定に制御する主ポンプ手段と、前記第１空間から第２拡散律速部を介して前記被測定ガスが導入される第２空間と、前記第２空間から第３拡散律速部を介して導入された前記被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、その際に発生する酸素を汲み出し、該酸素の汲み出しによる電流を検出する測定用ポンプ手段とを有し、前記検出された電流の値から前記被測定ガス中に存在するＮＯｘ濃度を求めるようにしたガスセンサにおいて、前記センサ素子の先端近傍部の横幅をＷｅとし、前記ガス導入孔の横幅をＷｃとしたとき、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足することを特徴とする。
【０００８】
次に、本発明に係るガスセンサは、先端近傍部にガス導入孔を有するセンサ素子を具備し、前記センサ素子は、前記ガス導入孔から第１拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第１空間と、前記第１空間に導入された前記被測定ガス中の酸素分圧を略一定に制御する主ポンプ手段と、前記第１空間から第２拡散律速部を介して前記被測定ガスが導入される第２空間と、前記第２空間から第３拡散律速部を介して導入された前記被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、前記還元又は分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出する検出手段とを有し、前記検出された起電力に基づいて、前記被測定ガス中に存在するＮＯｘ濃度を求めるようにしたガスセンサにおいて、前記センサ素子の先端近傍部の横幅をＷｅとし、前記ガス導入孔の横幅をＷｃとしたとき、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足することを特徴とする。
【０００９】
一般に、ガスセンサは、検出精度を向上させるために、例えばヒータにてセンサ素子を所定の温度に維持するようにしている。この状態で、任意の温度の被測定ガスが導入されると、その温度変化による熱応力がセンサ素子自体に生じることになる。特に、ガス導入孔付近においては、空間が形成されていることから、機械的強度が低く、しかも、応力が集中しやすい構造となっている。
【００１０】
従って、急激な温度変化等が発生すると、応力が集中している部分を基点としてクラックが入るおそれがある。
【００１１】
しかし、本発明においては、前記センサ素子の先端部の横幅Ｗｅと、前記ガス導入孔の横幅Ｗｃとの比（Ｗｃ／Ｗｅ）を３０％以上、７０％未満としたため、ガス導入孔付近での機械的強度が高くなり、発生する熱応力も低減することとなる。
【００１２】
その結果、センサ素子に発生する応力を緩和することができ、センサ素子へのクラック等の発生を抑制することができる。これは、ガスセンサの信頼性の向上につながる。
【００１３】
なお、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）が小さすぎると、ガス導入孔付近の機械的強度が低下し、クラックが入りやすくなるという不都合があり、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）が大きすぎると、ガスセンサとしての機能を果たさないという不都合がある。
【００１４】
そして、前記構成において、前記センサ素子が、少なくとも前記第１空間及び前記第２空間を所定の温度に維持するヒータを有する場合に、前記ヒータの先端における前記センサ素子の上面への投影位置から前記センサ素子の先端までの距離をＬａとしたとき、
２０％＜（Ｌａ／Ｗｅ）＜５０％
を満足することが好ましい。
【００１５】
これにより、ヒータによる熱がガス導入孔付近まで伝わりにくくなり、被測定ガスの導入に伴う急激な温度変化はほとんど発生しなくなる。その結果、センサ素子に発生する応力をさらに緩和することができ、ガスセンサの信頼性をより向上させることができる。
【００１６】
ところで、第１空間に導入された被測定ガスの酸素分圧を略一定に制御する場合、第１空間の容積が大きければそれだけ効率よく、しかも、大容量の被測定ガスの酸素分圧を略一定に制御することが可能となる。
【００１７】
そこで、第１空間の容積を大きくするために、まず、第１空間の幅を大きくすることが考えられるが、この場合、ガスセンサの小型化のためにセンサ素子の横幅が規制されていれば、第１空間を区画する側壁の機械的強度が低くなり、該側壁にてクラックが発生するという懸念がある。
【００１８】
また、第１空間の長さを大きくする手法も考えられるが、第１空間の始端をガス導入孔に近づけると、ガス導入孔付近の機械的強度が低くなり、ガス導入孔付近での応力の低減が期待できない。
【００１９】
従って、前記ヒータの先端における前記センサ素子の上面への投影位置と、前記第１空間の始端における前記センサ素子の上面への投影位置とがほぼ一致していることが好ましい。
【００２０】
これにより、ガス導入孔付近の応力低減を実現できると共に、第１空間の容積の拡大も実現させることができる。
【００２１】
そして、前記構成において、前記第１拡散律速部と前記第２拡散律速部は、それぞれ前記センサ素子に設けられたスリットにて構成するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記センサ素子は、前記ガス導入孔から前記第１拡散律速部の間に第４拡散律速部を有し、前記ガス導入孔から前記第４拡散律速部までの空間を目詰まり防止用空間として機能させ、前記第４拡散律速部と前記第１拡散律速部との間の空間を緩衝空間として機能させるようにしてもよい。
【００２３】
これにより、例えば排気圧の脈動によってガス導入孔を通じて酸素がセンサ素子内に急激に入り込むことになるが、この急激に導入された酸素は、直接第１空間には入り込まずに、その前段の緩衝空間に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間によって打ち消され、第１空間に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。
【００２４】
しかも、目詰まり防止用空間の存在により、被測定ガス中に混在する粒子物（スート、オイル燃焼物等）によって緩衝空間の入り口付近にて目詰まりを起こすということが回避される。
【００２５】
なお、前記第４拡散律速部は、前記センサ素子に設けられたスリットにて構成することができる。
【００２６】
また、前記目詰まり防止用空間の横幅と、前記緩衝空間の横幅と、前記第１拡散律速部を構成するスリットの横幅と、前記第４拡散律速部を構成するスリットの横幅とがほぼ同じであることが好ましい。もちろん、前記ガス導入孔の横幅と前記目詰まり防止用空間の横幅とをほぼ同じにしてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、センサ素子内の空間を調整することにより、センサ素子に発生する応力を緩和し、クラック等の発生を抑制して、信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係るガスセンサの実施の形態例を図１〜図１７を参照しながら説明する。
【００２９】
第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、図１に示すように、ＺｒＯ2等の酸素イオン導伝性の固体電解質を用いたセラミックスによりなる例えば６枚の固体電解質層が積層されて構成されたセンサ素子１２を有する。
【００３０】
センサ素子１２は、その先端部に、例えば横長で、かつ、所定の開口面積を有するスリット形状のガス導入孔２８を有する。
【００３１】
また、このセンサ素子１２は、ガス導入孔２８から第１拡散律速部３０を介して被測定ガスが導入される第１空間２０と、該第１空間２０から第２拡散律速部３２を介して前記被測定ガスが導入される第２空間２２と、ＮＯｘ測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間１８）とを有する。
【００３２】
また、センサ素子１２は、第１空間２０に導入された被測定ガス中の酸素分圧を略一定に制御する主ポンプ手段４４と、第１空間２０内の酸素分圧を検出する第１検出手段５０と、第２空間２２に導入された被測定ガス中の酸素分圧を所定の値に制御する補助ポンプ手段６２と、第２空間２２内の酸素分圧を検出する第２検出手段６６と、第２空間２２から第３拡散律速部７２を介して導入された被測定ガス中のＮＯｘ成分を還元又は分解し、その際に発生する酸素を汲み出し、該酸素の汲み出しによる電流を検出する測定用ポンプ手段７４とを有する。ここで、ＮＯｘ成分の還元又は分解とは、例えば検出電極７０にＮＯｘ還元触媒電極を用い、その触媒作用を利用した還元でもよく、また、測定用ポンプ手段７４に印加された電圧による分解であってもよい。
【００３３】
このガスセンサ１０Ａは、測定用ポンプ手段７４にて検出された電流の値から前記被測定ガス中に存在するＮＯｘ濃度を求めるようにしている。
【００３４】
また、このセンサ素子１２は、ガス導入孔２８から第１拡散律速部３０の間に第４拡散律速部３４を有し、ガス導入孔２８から第４拡散律速部３４までの空間が目詰まり防止用空間２６として機能し、第４拡散律速部３４と第１拡散律速部３０との間の空間が緩衝空間２４として機能するようになっている。
【００３５】
ここで、第１拡散律速部３０、第２拡散律速部３２及び第４の拡散律速部３４は、緩衝空間２４、第１空間２０及び第２空間２２にそれぞれ導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものである。これら第１拡散律速部３０、第２拡散律速部３２及び第４拡散律速部３４は、それぞれ横長で、かつ、ガス導入孔２８の開口面積よりも狭い開口面積を有するスリット形状とされている。
【００３６】
第２空間２２内に設けられた第３拡散律速部７２は、測定用ポンプ手段７４の後述する検出電極７０を被覆するように形成された例えば多孔質のアルミナ膜にて構成されている。
【００３７】
なお、第２拡散律速部３２のスリット内に、ＺｒＯ2等からなる多孔質体を充填、配置して、第２拡散律速部３２の拡散抵抗が第１拡散律速部３０の拡散抵抗よりも大きくなるようにしてもよい。第２拡散律速部３２の拡散抵抗は第１拡散律速部３０の拡散抵抗よりも大きい方が好ましいが、小さくても問題はない。
【００３８】
主ポンプ手段４４は、第１空間２０内に形成された例えば多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極４０と、第１空間２０の外側に形成された例えば多孔質サーメット電極からなる外側ポンプ電極４２と、これら両電極４０及び４２間に挟まれた固体電解質層とを有する。
【００３９】
この主ポンプ手段４４の内側ポンプ電極４０と外側ポンプ電極４２間に、外部の可変電源４６を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ０を印加して、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１空間２０内の酸素を外部に汲み出し、あるいは外部の酸素を第１空間２０内に汲み入れることができる。
【００４０】
第１検出手段５０は、基準ガス導入空間１８内に形成された基準電極４８と、第１空間２０内に形成された内側ポンプ電極４０と、これら両電極４８及び４０間に挟まれた固体電解質層とを有する。
【００４１】
この第１検出手段５０は、第１空間２０と基準ガス導入空間１８の基準ガス（大気）の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電極４０と基準電極４８との間に発生する起電力を通じて、第１空間２０内の酸素分圧を検出できるようになっている。
【００４２】
検出された酸素分圧値は可変電源４６をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第１空間２０内の酸素分圧が、次の第２空間２２において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、主ポンプ用のフィードバック制御系５２を通じて主ポンプ手段４４のポンプ動作が制御される。
【００４３】
このフィードバック制御系５２は、内側ポンプ電極４０の電位と基準電極４８の電位の差（検出電圧Ｖ０）が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。
【００４４】
従って、主ポンプ手段４４は、第１空間２０に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧Ｖｐ０のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、上述した一連の動作が繰り返されることによって、第１空間２０における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００４５】
補助ポンプ手段６２は、第２空間２２内に形成された例えば多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極６０と、第１空間２０の外側に形成された前記外側ポンプ電極４２と、これら両電極６０及び４２間に挟まれた固体電解質層とを有する。
【００４６】
補助ポンプ手段６２の外側ポンプ電極４２と補助ポンプ電極６０間に、外部の補助可変電源６４を通じて所望の補助制御電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２空間２２内の酸素を外部に汲み出す、あるいは外部の酸素を第２空間２２内に汲み入れるようになっている。
【００４７】
第２検出手段６６は、基準ガス導入空間１８内に形成された前記基準電極４８と、第２空間２２内に形成された補助ポンプ電極６０と、これら両電極４８及び６０間に挟まれた固体電解質層とを有する。
【００４８】
この第２検出手段６６は、第２空間２２内の雰囲気と基準ガス導入空間１８内の基準ガス（大気）との酸素濃度差に基づいて補助ポンプ電極６０と基準電極４８との間に発生する起電力を通じて、前記第２空間２２内の酸素分圧を検出できるようになっている。
【００４９】
検出された酸素分圧値は補助可変電源６４をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第２空間２２内の酸素分圧が、被測定ガス成分（ＮＯｘ）が酸素による影響を排除した状況下で、かつ目的成分量の測定に影響がない酸素分圧値となるように補助フィードバック制御系６８を通じて補助ポンプ手段６２のポンプ動作が制御される。
【００５０】
この補助フィードバック制御系６８は、補助ポンプ電極６０の電位と基準電極４８の電位の差（補助検出電圧Ｖ１）が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極４２と補助ポンプ電極６０間の電圧（補助制御電圧）Ｖｐ１をフィードバック制御する。
【００５１】
従って、補助ポンプ手段６２は、第２空間２２に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記補助制御電圧Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第２空間２２における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００５２】
この場合、第１空間２０における主ポンプ手段４４の働きにより、この第２空間２２内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２空間２２における酸素分圧は精度よく一定に制御される。
【００５３】
測定用ポンプ手段７４は、第３拡散律速部７２にて覆われた例えば多孔質サーメット電極からなる検出電極７０と、基準ガス導入空間１８内に形成された前記基準電極４８と、これら両電極７０及び４８間に挟まれた固体電解質層とを有する。
【００５４】
検出電極７０は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属であるＲｈとＰｔの合金とセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第２空間２２内に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するほか、基準電極４８との間に、直流電源（定電圧電源）７６を通じて一定電圧Ｖｐ２が印加されることによって、第２空間２２内の酸素を基準ガス導入空間１８に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプ手段７４のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計によって検出されるようになっている。
【００５５】
定電圧電源７６は、第３拡散律速部７２により制限されたＮＯｘの流入下において、測定用ポンプ手段７４で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。
【００５６】
さらに、このセンサ素子１２においては、その下部に、外部からの給電によって発熱するヒータ８０が埋設されている。このヒータ８０は、酸素イオンの伝導性を高めるために設けられるもので、該ヒータ８０の上下面には、センサ素子１２との電気的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミック層８２が形成されている。
【００５７】
ヒータ８０は、図１に示すように、第１空間２０から第２空間２２の全体にわたって配設され、さらにヒータ８０に接続されたヒータ出力コントローラ８４による制御によって、少なくとも第１空間２０及び第２空間２２がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプ手段４４、第１検出手段５０、補助ポンプ手段６２、第２検出手段６６及び測定用ポンプ手段７４も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。この場合、ヒータ８０の正側リード線はヒータ出力コントローラ８４を通じてヒータ電源８６に接続され、ヒータ８０の負側リード線は接地（ＧＮＤ）とされている。
【００５８】
そして、このセンサ素子１２においては、主ポンプ手段４４の外側ポンプ電極４２がヒータ８０の正側リード線に接続されて構成される。
【００５９】
次に、このガスセンサ１０Ａの動作について説明する。まず、センサ素子１２の先端部側が外部空間（排気管内など）に配置され、これによって、排気管等を流通する被測定ガスは、ガス導入孔２８、目詰まり防止用空間２６、第４拡散律速部３４、緩衝空間２４及び第１拡散律速部３０を通じて第１空間２０に導入される。
【００６０】
この第１空間２０に導入された被測定ガスは、主ポンプ手段４４の外側ポンプ電極４２及び内側ポンプ電極４０間に所定のポンプ電圧Ｖｐ０が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用により、その酸素分圧が所定の値、例えば１０-7ａｔｍとなるように制御される。この制御は、フィードバック制御系５２を通じて行われる。
【００６１】
なお、第１拡散律速部３０は、主ポンプ手段４４にポンプ電圧Ｖｐ０を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１空間２０）に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプ手段４４に流れる電流を抑制する働きをしている。
【００６２】
また、第１空間２０内は、外部の被測定ガスによる加熱、さらにはヒータ８０による加熱環境下においても、内側ポンプ電極４０にて雰囲気中のＮＯが還元されない酸素分圧の状態、例えばＮＯ→１／２Ｎ2＋１／２Ｏ2の反応が起こらない酸素分圧の状態となっている。これは、第１空間２０内において、被測定ガス中のＮＯが還元されると、後段の第２空間２２内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第１空間２０内において、ＮＯの還元に関与する成分（ここでは、内側ポンプ電極４０の金属成分）にてＮＯが還元され得ない状況を形成することが好ましい。これには、内側ポンプ電極４０にＮＯ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【００６３】
そして、第１空間２０内の被測定ガスは、第２拡散律速部３２を通じて第２空間２２に導入される。この第２空間２２に導入された被測定ガスは、補助ポンプ手段６２の外側ポンプ電極４２と補助ポンプ電極６０との間に補助制御電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用により、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整される。
【００６４】
第２拡散律速部３２は、第１拡散律速部３０と同様に、補助ポンプ手段６２に補助制御電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２空間２２）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプ手段６２に流れるポンプ電流Ｉｐ１を抑制する働きをしている。
【００６５】
また、第２空間２２内においても、第１空間２０内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ８０による加熱環境下において、補助ポンプ電極６０によって、雰囲気中のＮＯが還元されない酸素分圧の状態となっている。このため、補助ポンプ電極６０においても、内側ポンプ電極４０と同様に、測定ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いることが好ましい。
【００６６】
そして、上述のようにして第２空間２２内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第３拡散律速部７２を通じて検出電極７０に導かれることになる。
【００６７】
なお、このセンサ素子１２においては、第２空間２２に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い酸素分圧値となるように、補助ポンプ手段６２を設けるようにしているため、第１空間２０から第２空間２２に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、補助ポンプ手段６２のポンプ動作によって、第２空間２２内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。
【００６８】
検出電極７０に導入された被測定ガスのＮＯｘは、該検出電極７０の周りにおいて還元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ2＋１／２Ｏ2の反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプ手段７４の検出電極７０と基準電極４８との間には、酸素が第２空間２２から基準ガス導入空間１８側に汲み出されるように、所定の電圧Ｖｐ２、例えば４００ｍＶが印加される。
【００６９】
従って、測定用ポンプ手段７４に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、第２空間２２内の酸素濃度、すなわち、第２空間２２内の酸素濃度と検出電極７０にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。
【００７０】
この場合、第２空間２２内の酸素濃度は、補助ポンプ手段６２にて一定に制御されていることから、測定用ポンプ手段７４に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘの濃度に比例することになる。また、このＮＯｘの濃度は、第３拡散律速部７２に制限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポンプ手段７４から電流計を通じて正確にＮＯｘの濃度を測定することが可能となる。
【００７１】
このことから、測定用ポンプ手段７４におけるポンプ電流値Ｉｐ２は、ほとんどがＮＯｘが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
【００７２】
ところで、このセンサ素子１２においては、排気管等の排気圧の脈動によって、ガス導入孔２８を通じて酸素がセンサ素子１２内に急激に入り込むことになるが、この排気管等からの酸素は、直接第１空間２０に入り込まずに、その前段の緩衝空間２４に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間２４によって打ち消され、第１空間２０に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。
【００７３】
その結果、第１空間２０における主ポンプ手段４４による酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用ポンプ手段７４での測定精度の向上が図られることになると同時に、第１検出手段５０を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可能となる。
【００７４】
この場合、主ポンプ手段４４のポンプ電流Ｉｐ０を通じて空燃比のリーンとリッチを検出することができ、外側ポンプ電極４２と基準電極４８間の電圧Ｖ３を通じて空燃比のストイキを検出することができる。
【００７５】
また、ガス導入孔２８と第４拡散律速部３４との間に目詰まり防止用空間２６を設けるようにしたので、排気管等の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が緩衝空間２４の入口付近にて詰まるということを回避することができ、測定用ポンプ手段７４での高精度なＮＯｘ成分の測定を実現させることができる。
【００７６】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、図２に示すように、センサ素子１２の先端部の横幅をＷｅとし、ガス導入孔２８の横幅をＷｃとしたとき、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足し、かつ、第１空間２０の幅をＷ１、第２の空間２２の幅をＷ２としたとき、
Ｗ２＜Ｗｃ＜Ｗ１
を満足するように設定する。
【００７７】
一般に、ガスセンサは、検出精度を向上させるために、例えばヒータ８０にてセンサ素子１２を所定の温度に維持するようにしている。この状態で、任意の温度の被測定ガスが導入されると、その温度変化による熱応力がセンサ素子１２自体に生じることになる。特に、ガス導入孔２８付近においては、空間が形成されていることから、機械的強度が低く、しかも、応力が集中しやすい構造となっている。
【００７８】
従って、急激な温度変化等が発生すると、応力が集中している部分を基点としてクラックが入るおそれがある。
【００７９】
しかし、このガスセンサ１０Ａにおいては、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅと、ガス導入孔２８の横幅Ｗｃとの比（Ｗｃ／Ｗｅ）を３０％以上、７０％未満としたため、ガス導入孔２８付近での機械的強度が高くなり、発生する熱応力も低減することとなる。
【００８０】
その結果、センサ素子１２に発生する応力を緩和することができ、センサ素子１２へのクラック等の発生を抑制することができる。これは、ガスセンサ１０Ａの信頼性の向上につながる。
【００８１】
なお、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）が小さすぎると、ガス導入孔２８付近の機械的強度が低下し、クラックが入りやすくなるという不都合があり、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）が大きすぎると、ガスセンサ１０Ａとしての機能を果たさないという不都合がある。
【００８２】
ここで、第１の実験例を示す。この第１の実験例は、比較例１、実施例１及び実施例２について、それぞれ３つのポイントＰ１、Ｐ２及びＰ３での時間経過に対する熱ストレスを測定したものである。この実験例は、流速のない無風下において測定を行った。
【００８３】
３つのポイントＰ１、Ｐ２及びＰ３の具体的な場所を図３に模式的に示す。ポイントＰ１は、センサ素子１２の下部における側端部のうち、第１空間２０に対応した位置であり、ポイントＰ２は、センサ素子１２の上部のうち、第１空間２０に対応した部分の中央部であり、ポイントＰ３は、ガス導入孔２８の側壁部分である。
【００８４】
比較例１は、図４に示すように、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅとガス導入孔２８の横幅Ｗｃとの比（Ｗｃ／Ｗｅ）を７０％とした場合を示す。実施例１は、図５に示すように、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）を６０％とした場合を示し、実施例２は、図６に示すように、前記比（Ｗｃ／Ｗｅ）を５０％とした場合を示す。
【００８５】
測定結果を図７〜図９に示す。図７、図８及び図９は、それぞれポイントＰ１、ポイントＰ２及びポイントＰ３における時間経過に対する熱ストレスを測定した結果であり、これらの図７〜図９において、比較例１の特性を△のプロットで示し、実施例１の特性を○のプロットで示し、実施例２の特性を●のプロットで示す。
【００８６】
測定結果から、ポイントＰ１での熱ストレスは、図７に示すように、比較例１、実施例１及び実施例２にはほとんど違いはなかった。ポイントＰ２での熱ストレスは、図８に示すように、比較例１と比して実施例１がやや低く、実施例２は実施例１よりも少し低い程度であり、ピーク値で比較すると、比較例１は１２０ＭＰａ、実施例１は１１０ＭＰａ、実施例２は１００ＭＰａであった。
【００８７】
ポイントＰ３では熱ストレスの違いが明瞭に現れており、図９に示すように、全体的に、実施例２が低く、次いで実施例１であり、比較例１が最も高くなっている。ピーク値で比較すると、比較例１は約１４０ＭＰａ、実施例１は約１２０ＭＰａ、実施例２は約９０ＭＰａであり、実施例２のピーク値は比較例１と比して５０ＭＰａも低くなっている。
【００８８】
次に、上述の第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａのいくつかの変形例について図１０Ａ〜図１２Ｂを参照しながら説明する。
【００８９】
まず、第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、上述した第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
【００９０】
すなわち、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅとガス導入孔２８の横幅Ｗｃの比（Ｗｃ／Ｗｅ）が、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足し、かつ、ガス導入孔２８の横幅Ｗｃ、第１空間２０の幅Ｗ１、第２空間２２の幅Ｗ２の関係が、
Ｗ２＜Ｗ１＝Ｗｃ
を満足している。
【００９１】
また、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置からセンサ素子１２の先端までの距離をＬａとしたとき、
２０％＜（Ｌａ／Ｗｅ）＜５０％
を満足している。
【００９２】
ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置が第１空間２０の始端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置よりもガス導入孔２８寄りに位置している。
【００９３】
次に、第２の変形例に係るガスセンサ１０Ａｂは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
【００９４】
すなわち、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅとガス導入孔２８の横幅Ｗｃの比（Ｗｃ／Ｗｅ）が、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足し、かつ、ガス導入孔２８の横幅Ｗｃ、第１空間２０の幅Ｗ１、第２空間２２の幅Ｗ２の関係が、
Ｗｃ＜Ｗ２＜Ｗ１
を満足している。
【００９５】
また、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置からセンサ素子１２の先端までの距離Ｌａは、
２０％＜（Ｌａ／Ｗｅ）＜５０％
を満足している。
【００９６】
ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置が第１空間２０の始端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置よりもガス導入孔２８寄りに位置している。
【００９７】
次に、第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａｃは、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
【００９８】
すなわち、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅとガス導入孔２８の横幅Ｗｃの比（Ｗｃ／Ｗｅ）が、
３０％≦（Ｗｃ／Ｗｅ）＜７０％
を満足し、かつ、ガス導入孔２８の横幅Ｗｃ、第１空間２０の幅Ｗ１、第２空間２２の幅Ｗ２の関係が、
Ｗ２＜Ｗ１＝Ｗｃ
を満足している。
【００９９】
また、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置からセンサ素子１２の先端までの距離Ｌａが、
２０％＜（Ｌａ／Ｗｅ）＜５０％
を満足している。
【０１００】
さらに、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置と、第１空間２０の始端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置とがほぼ一致している。
【０１０１】
これら第１〜第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｃにおいても、センサ素子１２に発生する応力を緩和することができ、センサ素子１２へのクラック等の発生を抑制することができる。
【０１０２】
特に、これら第１〜第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｃにおいては、距離Ｌａとセンサ素子１２の先端部の幅Ｗｅとの比（Ｌａ／Ｗｅ）を２０％＜Ｌａ／Ｗｅ＜５０％を満足するようにしたので、ヒータ８０による熱がガス導入孔２８付近まで伝わりにくくなり、被測定ガスの導入に伴う急激な温度変化はほとんど発生しなくなる。その結果、センサ素子１２に発生する応力をさらに緩和することができ、ガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｃの信頼性をより向上させることができる。
【０１０３】
ところで、第１空間２０に導入された被測定ガスの酸素分圧を所定レベルまで制御する場合、第１空間２０の容積が大きければそれだけ効率がよく、しかも、大容量の被測定ガスの酸素分圧を所定レベルに制御することが可能となる。
【０１０４】
そこで、第１空間２０の容積を大きくするために、まず、第１空間２０の幅Ｗ１を大きくすることが考えられるが、この場合、ガスセンサの小型化のためにセンサ素子１２の横幅が規制されていれば、第１空間２０を区画する側壁の機械的強度が低くなり、該側壁にてクラックが発生するという懸念がある。
【０１０５】
また、第１空間２０の長さを大きくする手法も考えられるが、第１空間２０の始端をガス導入孔２８に近づけると、ガス導入孔２８付近の機械的強度が低くなり、ガス導入孔２８付近での応力の低減が期待できないおそれがある。
【０１０６】
しかし、第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａｃにおいては、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置と、第１空間２０の始端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置とをほぼ一致させるようにしているため、ガス導入孔２８付近の応力低減を実現できると共に、第１空間２０の容積の拡大も実現させることができる。
【０１０７】
ここで、第２の実験例を示す。この第２の実験例は、比較例２、実施例３、実施例４及び実施例５について、それぞれ３つのポイントＰ１、Ｐ２及びＰ３（図３参照）での時間経過に対する熱ストレスを測定したものである。実験の条件は、上述した第１の実験例と同じである。
【０１０８】
比較例２は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、センサ素子１２の先端部の横幅Ｗｅとガス導入孔の横幅Ｗｃとの比（Ｗｃ／Ｗｅ）を７０％とし、かつ、ヒータ８０の先端におけるセンサ素子１２の上面への投影位置からセンサ素子１２の先端までの距離Ｌａとセンサ素子１２の幅Ｗｅとの比（Ｌａ／Ｗｅ）を２０％とした場合を示す。
【０１０９】
実施例３は、上述した第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａと同様の構成を有し、実施例４は、上述した第２の変形例に係るガスセンサ１０Ａｂと同様の構成を有し、実施例５は、上述した第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａｃと同様の構成を有する。
【０１１０】
測定結果を図１４〜図１６に示す。図１４、図１５及び図１６は、それぞれポイントＰ１、ポイントＰ２及びポイントＰ３における時間経過に対する熱ストレスを測定した結果であり、これらの図１４〜図１６において、比較例２の特性を×のプロットで示し、実施例３の特性を△のプロットで示し、実施例４の特性を○のプロットで示し、実施例５の特性を●のプロットで示す。
【０１１１】
測定結果から、ポイントＰ１での熱ストレスは、図１４に示すように、全体的に実施例３〜５が、比較例２よりも低く、実施例３〜５にはほとんど違いはなかった。図１５に示すように、ポイントＰ２でも同様であり、全体的に実施例３〜５が、比較例よりも低く、実施例３〜５にはほとんど違いはなかった。
【０１１２】
ポイントＰ３では、図１６に示すように、全体的に実施例３〜５が比較例２よりも低いのは、ポイントＰ１とＰ２での結果と同様であるが、実施例３〜５のそれぞれについて違いがはっきり現れている。すなわち、実施例３〜５に限ってみると、全体的に、実施例５が最も低く、次いで実施例４であり、実施例３が最も高くなっている。
【０１１３】
上述の第２の実験例から、実施例５と同様の構成を有する第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａｃが最も熱ストレスを受けにくい構造であることがわかる。
【０１１４】
なお、上述した第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（各種変形例１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ａｃを含む）においては、ＮＯｘ濃度の検出に測定用ポンプ手段７４を用いるようにしたが、図１７に示す第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂのように、第３検出手段９０を用いるようにしてもよい。
【０１１５】
この第３検出手段９０は、検出電極９２と、基準ガス導入空間１８内に形成された基準電極４８と、これら両電極９２及び４８間に挟まれた固体電解質層とを有する。この場合、第３検出手段９０の検出電極９２と基準電極４８との間に、該検出電極９２の周りの雰囲気と基準電極４８の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力（酸素濃淡電池起電力）Ｖ２が発生することとなる。
【０１１６】
従って、前記検出電極９２及び基準電極４８間に発生する起電力（電圧）Ｖ２を電圧計にて測定することにより、検出電極９２の周りの雰囲気の酸素分圧（換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧）が電圧値Ｖ２として検出される。そして、この起電力Ｖ２の変化の度合いが、ＮＯｘの濃度を表すことになる。
【０１１７】
なお、本発明に係るガスセンサは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサにおけるガス導入孔の幅とセンサ素子の先端部の幅との関係を示す説明図である。
【図３】実験例において、ガスセンサの熱ストレスを測定した３つのポイントを示す説明図である。
【図４】第１の実験例に使用した比較例１の構成を一部省略して示す横断面図である。
【図５】第１の実験例に使用した実施例１の構成を一部省略して示す横断面図である。
【図６】第１の実験例に使用した実施例２の構成を一部省略して示す横断面図である。
【図７】比較例１、実施例１及び実施例２において、ポイントＰ１での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図８】比較例１、実施例１及び実施例２において、ポイントＰ２での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図９】比較例１、実施例１及び実施例２において、ポイントＰ３での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１０】図１０Ａは、第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変形例を一部省略して示す横断面図であり、図１０Ｂは、その縦断面図である。
【図１１】図１１Ａは、第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の変形例を一部省略して示す横断面図であり、図１１Ｂは、その縦断面図である。
【図１２】図１２Ａは、第１の実施の形態に係るガスセンサの第３の変形例を一部省略して示す横断面図であり、図１２Ｂは、その縦断面図である。
【図１３】図１３Ａは、第２の実験例で使用した比較例２を一部省略して示す横断面図であり、図１３Ｂは、その縦断面図である。
【図１４】比較例２、実施例３〜５において、ポイントＰ１での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１５】比較例２、実施例３〜５において、ポイントＰ２での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１６】比較例２、実施例３〜５において、ポイントＰ３での熱ストレスの時間経過に伴う変化を示す特性図である。
【図１７】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｃ、１０Ｂ…ガスセンサ
１２…センサ素子                          ２０…第１空間
２２…第２空間                            ２４…緩衝空間
２６…目詰まり防止用空間                  ２８…ガス導入孔
３０…第１拡散律速部                      ３２…第２拡散律速部
３４…第４拡散律速部                      ４４…主ポンプ手段
５０…第１検出手段                        ６２…補助ポンプ手段
６６…第２検出手段                        ７２…第３拡散律速部
７４…測定用ポンプ手段                    ８０…ヒータ
９０…第３検出手段
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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