(57)【要約】【課題】リーク電流の影響を受け難く，検出精度の高い積層型ガスセンサ素子を提供すること。【解決手段】被測定ガス室１１の酸素濃度を調整する酸素ポンプセル２と，被測定ガス室１２内の特定ガス濃度を検出するセンサセル４と，酸素ポンプセル２とセンサセル４とを活性温度に加熱するヒータ１９とを備える。ヒータ１９は，通電により発熱する発熱部１９１と，外部に設けたヒータ端子部と，発熱部１９１及びヒータ端子部との間を電気的に導通するヒータリード部１９２とを有し発熱部１９１の電気抵抗値をＲＨ，ヒータリード部１９２の電気抵抗値をＲＬとした場合１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立する。【選択図】  図１
2004151017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入する被測定ガス室と，
酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極へ通電することにより上記被測定ガス室に酸素を導入または排出し，上記被測定ガス室の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと，
酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極間に生じる酸素イオン電流に基づいて，上記被測定ガス室内の特定ガス濃度を検出するセンサセルと，上記酸素ポンプセルと上記センサセルとを活性温度に加熱するヒータとを備える積層型ガスセンサ素子であって，
上記ヒータは，通電により発熱する発熱部と，上記積層型ガスセンサ素子の外部に設けたヒータ端子部と，上記発熱部及び上記ヒータ端子部との間を電気的に導通するヒータリード部とを有し，
上記発熱部の電気抵抗値をＲＨ，上記ヒータリード部の電気抵抗値をＲＬとした場合，１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立することを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
【請求項２】
請求項１において，上記発熱部と上記ヒータリード部とは電気抵抗値の異なる材料から構成することを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
【請求項３】
請求項２において，上記発熱部及び上記ヒータリード部は，Ｐｔを含有する金属粒子と，アルミナを含有するセラミック粒子とを含むサーメット材料から構成し，
上記発熱部を構成する発熱部用サーメット材料におけるセラミック粒子含有量は，上記ヒータリード部を構成するヒータリード部用サーメット材料におけるセラミック粒子含有量よりも大であることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
【請求項４】
請求項１において，上記発熱部の厚みは，上記ヒータリード部の厚みよりも薄いことを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において，酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極間に生じる電流値または起電力に基づいて，上記被測定ガス室内の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを備えることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車用内燃機関の排気系等に使用され，ＮＯｘ濃度等の検出に利用できる積層型ガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車用内燃機関等から排出される排気ガスを原因とする大気汚染は現代社会に深刻な問題を引き起こしており，排気ガス中の公害物質であるＮＯｘ等に対する浄化基準法規が年々厳しくなっている。
排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出し，検出結果をエンジン燃焼制御モニタ，触媒モニタ等にフィードバックすれば，より効率よく排気ガス浄化を行うことができると考えられる。このような背景から，排気ガス中のＮＯｘ濃度を精度高く検出可能なガスセンサ素子が求められていた。
【０００３】
ところで，従来よく知られた積層型のガスセンサ素子として，図１０に示す構成の素子が挙げられる。
図１０に示す積層型ガスセンサ素子９は，第１被測定ガス室１１と対面するよう酸素ポンプセル９２が配置され，該酸素ポンプセル９２に電圧を印加することで，第１被測定ガス室１１内にある酸素を素子外部ヘポンピングする。または，第１被測定ガス室１１内へ素子外部の酸素をポンピングする。
そして，第１被測定ガス室１１内の酸素濃度を検知可能な酸素モニタセル９３を設け，この酸素モニタセル９３が検出する第１被測定ガス室１１内の酸素濃度が定常状態となるように，酸素ポンプセル９２がフィードバック制御される。
【０００４】
第１被測定ガス室１１と連通する第２被測定ガス室１２には，ＮＯｘを電極上で分解して生成した酸素イオンによるイオン電流を測定することで，ＮＯｘ濃度を測定するよう構成したセンサセル９４を設けておく。
上述したごとく第１被測定ガス室１１内の酸素濃度は定常状態となるよう制御されているため，第２被測定ガス室１２内の酸素濃度も一定となる。従って，センサセル９４における電極間を移動する酸素イオンの量，即ちセンサセル９４における酸素イオン電流の大きさはＮＯｘ濃度に対応する。
このように，第１及び第２被測定ガス室１１，１２に導入した被測定ガス中のＮＯｘ濃度を，素子外の雰囲気中の酸素濃度増減にかかわらず，精度高く測定することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８８５３３６号公報
【０００６】
【解決しようとする課題】
ところで，積層型ガスセンサ素子において，酸素ポンプセル，センサセル，モニタセルといったセルは活性温度に加熱しなくては機能が発現しない。
この加熱のために，図１０に示すように，積層型ガスセンサ素子９には，通電により発熱する発熱部１９１やヒータリード部１９２を備えたヒータ１９が一体的に設けてある。
【０００７】
上記ヒータ１９において，発熱部１９１とヒータリード部１９２の電気抵抗値の差が小さい場合，各セルを加熱する発熱部１９１に近い温度にヒータリード部１９２も発熱する。従って，ヒータリード部１９２近傍の温度が上昇し，その部分の電気抵抗値が小さくなって，リーク電流が流れやすい環境となってしまう。
【０００８】
そして，積層型ガスセンサ素子において，酸素モニタセルやセンサセルに流れる電流はμＡオーダーの微小電流であり，僅かのリーク電流が流れ込んでも検出精度が悪化してしまう。
【０００９】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，リーク電流の影響を受け難く，検出精度の高い積層型ガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
第１の発明は，所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極へ通電することにより上記被測定ガス室に酸素を導入または排出し，上記被測定ガス室の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと，
酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極間に生じる酸素イオン電流に基づいて，上記被測定ガス室内の特定ガス濃度を検出するセンサセルと，上記酸素ポンプセルと上記センサセルとを活性温度に加熱するヒータとを備える積層型ガスセンサ素子であって，
上記ヒータは，通電により発熱する発熱部と，
上記積層型ガスセンサ素子の外部に設けたヒータ端子部と，
上記発熱部及び上記ヒータ端子部との間を電気的に導通するヒータリード部とを有し，上記発熱部の電気抵抗値をＲＨ，上記ヒータリード部の電気抵抗値をＲＬとした場合，１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立することを特徴とする積層型ガスセンサ素子にある（請求項１）。
【００１１】
本発明の作用効果につき説明する。
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は発熱部の電気抵抗値ＲＨ，ヒータリード部の電気抵抗値ＲＬとの間に１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立する。
通電により発熱部もヒータリード部もそれぞれの電気抵抗値に応じて発熱する。仮にヒータリード部に対して発熱部の電気抵抗値が相対的に低い場合，ヒータリード部からの発熱量も相対的に大きくなる。
【００１２】
そして，一般にアルミナ，ジルコニア等のセラミック材料は温度上昇に伴って電気抵抗値が下がり，電流が流れやすくなるため，ヒータリード部による加熱によって電気抵抗値の下がった部分がリーク電流の経路となりやすい。
本例は，ヒータリード部の電気抵抗値を発熱部と比較してＲＨ／１．５以下とすることで，ヒータリード部における発生熱量を減らし，ヒータリード部の近傍の温度を下げ，リーク電流の経路となりやすい部分を減らすことでリーク電流を生じ難くし，センサセルに対するリーク電流の影響をより小さくすることができる。
【００１３】
以上，本発明によれば，リーク電流の影響を受け難く，検出精度の高い積層型ガスセンサ素子を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子において，発熱部とヒータリード部は，基板（例えば実施例１の図３参照）の上にパターニングした薄い導体層から形成する構成が一般的である。
通電することで主として発熱部からは大きな熱量が発せられ，積層型ガスセンサ素子の酸素ポンプセルやセンサセル，後述する酸素モニタセル，またその他の温度によって作動状態が影響される固体電解質板と一対の電極からなる各種の電気化学的セル（実施例４にかかる第２ポンプセルが一例である）を作動可能な活性温度に加熱したり，活性温度に保持することができる。
また，発熱部は後述する図３〜図６に例示したように，ヒータリード部よりも相対的に幅細として発熱しやすく構成することが多い。ヒータリード部は電流の流れやすさを重視して幅太に形成することが多い。
【００１５】
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子において，ＲＨ／ＲＬの上限は１０とすることが好ましい。これより大きくなると，発熱部とヒータリード部とを含む全体の電気抵抗値が高くなりすぎ，加える電圧が大きくなりすぎるおそれがある。
また，２≦ＲＨ／ＲＬ≦５とすることがより好ましい。
【００１６】
また，本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は２セルまたはそれ以上のセルを備えた構成のＮＯｘセンサ素子やＣＯセンサ素子，ＨＣセンサ素子に適用することができる。
【００１７】
次に，上記発熱部と上記ヒータリード部とは電気抵抗値の異なる材料から構成することが好ましい（請求項２）。
これにより，容易に発熱部やヒータリード部の電気抵抗値を調節することができる。
また，材料を変えて電気抵抗値を調節する場合，上記発熱部及び上記ヒータリード部は，Ｐｔを含有する金属粒子と，アルミナを含有するセラミック粒子とを含むサーメット材料から構成し，上記発熱部を構成する発熱部用サーメット材料におけるセラミック粒子含有量は，上記ヒータリード部を構成するヒータリード部用サーメット材料におけるセラミック粒子含有量よりも大であることが好ましい（請求項３）。
金属粒子は導体であり，サーメット材料は絶縁材料であり，両者を混ぜ，両者の含有量を適宜調整することで容易に所定の電気抵抗値を持つように発熱部やヒータリード部を作製することができる。
また，ヒータの本体はアルミナで構成することが一般的であり，同じ材料を発熱部やリード部が含むことで両者の接合性も向上し，剥離などのトラブルも減る。
【００１８】
発熱部用サーメット材料におけるセラミック粒子の含有量は５〜１５ｗｔ％とすることが好ましい。セラミック粒子の含有量が５ｗｔ％より小さいと，ヒータの本体との接合性が低下するおそれがある。また，発熱部は幅細に形成することが多いので，セラミック粒子の含有量が１５ｗｔ％より大きいと断線するおそれがある。
【００１９】
また，Ｐｔを含有する金属粒子としては，Ｐｔ単体の粒子粉末や，ＰｔとＲｈ（ロジウム）の混合粉末を用いることができる。
アルミナを含有するセラミック粒子としては，アルミナ粉末からなるセラミック粒子やアルミナにジルコニアを混合した粉末を用いることができる。
【００２０】
また，上記発熱部の厚みは，上記ヒータリード部の厚みよりも薄いことが好ましい（請求項４）。
これにより，容易に所望の電気抵抗値を備えた発熱部とヒータリード部とを得ることができる。また，発熱部とヒータリード部で同じサーメット材料を使うので，製造が容易である。
発熱部の厚みは，２０〜７０μｍであることが好ましい。厚みが２０μｍより薄いと断線したり，電気抵抗値が高くなりすぎて加える電圧が大きくなりすぎる恐れがある。また，７０μｍより厚いとパターンを均一に形成するのが難しく，製造が困難になる恐れがある。
【００２１】
また，酸素イオン導電性の固体電解質板の表面に，一方の電極が上記被測定ガス室に面するように設けた一対の電極を有し，これら一対の電極間に生じる電流値または起電力に基づいて，上記被測定ガス室内の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを備えることが好ましい（請求項５）。
これにより被測定ガス室の酸素濃度を監視することができる。
そして，例えば被測定ガス室の酸素濃度が所定の範囲内に納まるように酸素ポンプセルの作動を制御するなどの構成を加えて，センサセルの一対の電極間に流れる酸素イオン電流がより正確に測定したい特定ガス濃度に対応するように積層型ガスセンサ素子を構成することができる。
なお，電流値に基づいて酸素濃度を検出する酸素モニタセルは限界電流式の酸素センサとして機能し，起電力に基づいて酸素濃度を検出する酸素モニタセルは酸素濃淡起電力式の酸素センサとして機能するよう構成する（後述する図１，実施例１参照）。
【００２２】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子について説明する。
図１，図２に示すごとく，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は，所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入する第１被測定ガス室１１，第２被測定ガス室１２と，酸素イオン導電性の固体電解質板１６の表面に，一方の電極２１が上記第１被測定ガス室１１に面するように設けた一対の電極２１，２２を有し，これら一対の電極２１，２２へ通電することにより上記第１被測定ガス室１１に酸素を導入または排出し，上記第１被測定ガス室１１の酸素濃度を調整する酸素ポンプセル２と，酸素イオン導電性の固体電解質板１４の表面に，一方の電極４２が上記第２被測定ガス室１２に面するように設けた一対の電極４１，４２を有し，これら一対の電極４１，４２間に生じる酸素イオン電流に基づいて，上記第２被測定ガス室１２内の特定ガス濃度（本例はＮＯｘ）を検出するセンサセル４と，上記酸素ポンプセル２と上記センサセル４とを活性温度に加熱するヒータ１９とを備える。
【００２３】
上記ヒータ１９は，通電により発熱する発熱部１９１と，上記積層型ガスセンサ素子１の外部に設けたヒータ端子部１９０と，上記発熱部１９１及び上記ヒータ端子部１９０との間を電気的に導通するヒータリード部１９２とを有する。
そして，上記発熱部１９１の電気抵抗値をＲＨ，上記ヒータリード部１９２の電気抵抗値をＲＬとした場合，１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立する。
【００２４】
以下，詳細に説明する。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は，酸素ポンプセル２を構成するシート状の固体電解質板１６と，酸素モニタセル３，センサセル４を構成するシート状の固体電解質板１４と，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２を構成するシート状のスペーサ１５と，基準ガス室１２１，１２２を形成するシート状のスペーサ１７，１３３，１３２と，各セル２，３，４を加熱するヒータ１９とを，図１や図２に示すごとく，順次積層して構成する。
【００２５】
第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２は，素子外部から被測定ガスを導入する内室であり，図２に示すごとく，固体電解質板１４，１６との間に位置するスペーサ１５に設けた２つの抜き穴１１０，１２０にて形成する。上記抜き穴１１０，１２０間には抜き穴１１０，１２０よりも幅細の絞り部１０２を設け，該絞り部１０２を境として，積層型ガスセンサ素子１の先端部側（図１及び図２における左側）から順に，抜き穴１１０により第１被測定ガス室１１が，抜き穴１２０により第２被測定ガス室１２を構成する。
【００２６】
また，第１被測定ガス室１１は，固体電解質板１４を貫通する拡散抵抗手段としてのピンホール１０１を介して，素子の外部と連通する。
このピンホール１０１の穴径は，該ピンホール１０１を通過して第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２に導入する被測定ガスの拡散速度が所定の速度となるよう適宜設定する。
【００２７】
また，固体電解質板１４には，素子外部側からピンホール１０１の開口端を覆うように多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層１３１を形成する。
これにより，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２内に位置する電極２１，３２，４２の被毒や，ピンホール１０１の目詰まりを防止する。
【００２８】
基準ガス室１２１，１２２は，一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとして大気を導入する内室である。
基準ガス室１２１は，固体電解質板１６の下方に積層したスペーサ１７に設けた抜き穴１２１０，基準ガス室１２２は，固体電解質板１４の上方に積層したスペーサ１３３に設けた抜き穴１２２０にて形成する。
この抜き穴１２１０，１２２０は，それぞれ積層型ガスセンサ素子１の長手方向に伸びる溝としての通路部１２１１，１２２１を有し，この通路部１２１１，１２２１を通して大気を導入することができる。
【００２９】
酸素ポンプセル２は，固体電解質板１６と，該固体電解質板１６を挟むように対向配置した一対の電極２１，２２とより構成する。
一対の電極２１，２２のうち，電極２１は，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２におけるガス流れ上流側に位置する第１被測定ガス室１１に面して固体電解質板１６に接して設け，他方の電極２２は基準ガス室１２１に面して固体電解質板１６に接して設ける。
【００３０】
センサセル４は，固体電解質板１４と，該固体電解質板１４を挟むように対向配置した一対の電極４１，４２とより構成する。
一対の電極４１，４２のうち一方の電極４２は，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２におけるガス流れ下流側に位置する第２被測定ガス室１２に面して固体電解質板１４に接して設け，他方の電極４１は基準ガス室１２２に面して固体電解質板１４に接して設ける。
【００３１】
酸素モニタセル３は，固体電解質板１４と，固体電解質板１４を挟むように対向配置した一対の電極３１，３２とより構成する。
一対の電極３１，３２のうち一方の電極３２は，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２におけるガス流れ下流側に位置する第２被測定ガス室１２に面して固体電解質板１４に接して設け，他方の電極３１は基準ガス室１２２に面して固体電解質板１４に接して設ける。
【００３２】
また，図２に示すように，これら各電極２１，２２，３１，３２，４１，４２には，電気信号を取出したり，電源から電力を供給するために，電極リード部２１１，２２１，３１１，３２１，４１１，４２１が一体に形成されている。
また，固体電解質板１４，１６上の電極２１等以外の部位，特に電極リード部２１１等の形成部位には，固体電解質板１４，１６と電極リード部２１１，３２１，４２１等の間にアルミナ等の絶縁層を形成しておくことが好ましい（図示略）。
【００３３】
また，図２に示すように，各セル２，３，４の電極２１等は，それぞれ各リード部２２１等及び各スペーサ１７等に形成したスルーホール１８０を通して，積層型ガスセンサ素子１の外部に露出形成された外部端子部３１０，３２０，４１０，４２０，２１０，２２０に電気的に接続する。
外部端子部３１０等に適当なコネクタを介し圧着やろう付け等によりリード線を接続することで，外部に設けた回路（詳細は後述する）と各セル２，３，４との間で電気信号のやりとり等が可能となる。
また，符合３２２，４２２は電極リード部３２１，４２１と導通する内部端子である。
【００３４】
酸素ポンプセル２はポンプ電源２５１と電流計２５２を備えたポンプ回路２５０に，酸素モニタセル３は電源３５１と電流計３５２を備えたモニタ回路３５０に，センサセル４は電源４５１と電流計４５２を備えたセンサ回路４５０に上記外部端子部３１０等を介して接続する。
【００３５】
ヒータ１９は，発熱部１９１を外部電源（図示略）からの給電により発熱させ，各セル２，３，４を活性温度まで加熱するために設けてある。
上記ヒータ１９は，アルミナ製のヒータ基板１９５の上面に，通電発熱する発熱部１９１をパターニング形成し，この発熱部１９１の上面（スペーサ１７側の面）に，絶縁のため被覆板１９６を積層してなる。
図３に，ヒータ１９における発熱部１９１とヒータリード部１９２との形状を記載した。
発熱部１９１は幅細に，ヒータリード部１９２は幅太に構成され，また発熱部１９１の形成位置は，図２より明らかであるが，各セル２，３，４の形成位置の真下となるよう構成した。
また，図示を省略したがヒータ１９のヒータ端子部１９０はヒータ電源を備えたヒータ回路に接続する。
【００３６】
なお，図２より明らかであるが，ヒータ端子部１９０，外部端子部２１０，２２０は積層型ガスセンサ素子１のヒータ１９側の表面（図面下方）に，外部端子部３１０，３２０，４１０，４２０は，スペーサ１３２側の表面（図面上方）に設けた。
【００３７】
次に，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１の各部の組成について説明する。
各スペーサ１７，１５，１３３，１３２はアルミナ等の絶縁材料よりなる。
酸素ポンプセル２，酸素モニタセル３，センサセル４を構成するための固体電解質板１４，１６は，ジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有するセラミックよりなる。
酸素ポンプセル２及び酸素モニタセル３の一方の電極２１，３２には，第１被測定ガス室１１及び第２被測定ガス室１２におけるＮＯｘの分解を抑制するため，ＮＯｘ分解活性の低い電極を用いることが好ましく，具体的には，ＰｔとＡｕを含有する多孔質サーメット電極を好適に用いることができる。この場合，上記多孔質サーメット電極において，金属成分中のＡｕの含有量は，１〜１０重量％程度とすることが好ましい。
【００３８】
また，センサセル４の第２被測定ガス室１２に面した電極４２は，被測定ガス中のＮＯｘを分解するために，ＮＯｘの分解活性の高い電極を用いることが好ましく，具体的には，ＰｔとＲｈを含有する多孔質サーメット電極を好適に用いることができる。この場合，上記多孔質サーメット電極において，金属成分中のＲｈの含有量は１０〜５０重量％程度とすることが好ましい。
【００３９】
固体電解質板１４，１６，スペーサ１５，１７，１３３，１３２，アルミナ絶縁板１９６及びヒータシート１９５は，ドクターブレード法や押し出し成形法等により，シート形状に成形することができる。
また，上記の各電極２１等，リード２１１等及び端子部２１０等は，スクリーン印刷等により形成することができる。そして，各シートは積層して焼成することにより，一体化される。
【００４０】
また，酸素ポンプセル２，酸素モニタセル３，センサセル４の基準ガス室１２１，１２２と対面する電極２２，３１，４１には，例えば，Ｐｔ多孔質サーメット電極を用いることが好ましい。
そして，発熱部１９１及びヒータリード部１９２は，Ｐｔとアルミナ含有セラミックとからなるサーメット材料より構成する。
ここに発熱部１９１のサーメット材料の組成は，Ｐｔ８５％，アルミナ含有セラミック１５ｗｔ％である。
また，ヒータリード部１９２のサーメット材料の組成は，Ｐｔ９０ｗｔ％，アルミナ含有セラミック１０ｗｔ％である。
そして，上記発熱部１９１の電気抵抗値ＲＨは１．５Ωで，ヒータリード部１９２の電気抵抗値ＲＬは０．５Ωに構成する。
【００４１】
次に，上記構成のガスセンサ素子の動作原理を説明する。
被測定ガスは多孔質保護層１３１，ピンホール１０１を通過して第１被測定ガス室１１に導入される。このとき導入されるガス量は多孔質保護層１３１，ピンホール１０１の拡散抵抗により定まる。その後，被測定ガスは絞り部１０２を通過して第２被測定ガス室１２に導入される。
【００４２】
酸素ポンプセル２の一対の電極２１，２２に基準ガス室１２１側の電極２２が＋極となるようにポンプ電源にて電圧を印加した場合，上記第１被測定ガス室１１側の電極２１上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり，ポンピング作用により電極２２側に排出される。
逆に，第１被測定ガス室１１側の電極２１が＋極となるように電圧を印加した場合，基準ガス室１２１側の電極２２上で酸素が還元されて酸素イオンとなり，ポンピング作用により電極２１側に排出される。
この酸素ポンプ作用を利用して第１被測定ガス室１１，これと連通した第２被測定ガス室１２の酸素濃度を制御することができる。
【００４３】
酸素モニタセル３の一対の電極３１，３２に，基準ガス室１２２側の電極３１が＋極となるように所定の電圧（例えば０．４０Ｖ）を印加することで，上記第２被測定ガス室１２側の電極３２上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり，ポンピング作用により電極３１側に排出される。
電極３２はＮＯｘの分解に不活性なＰｔ−Ａｕサーメット電極であるため，電極３１，３２間に流れる酸素イオン電流は，多孔質保護層１３１，ピンホール１０１，第１被測定ガス室１１等を通過して，電極３２に到達する被測定ガス中の酸素量に依存し，ＮＯｘ量には依存しない。
従って，この電極３１，３２間の電流値が所定の一定値（例えば，０．２μＡ）となるように，酸素ポンプセル２の電極２１，２２間の印加電圧を制御すれば，第２被測定ガス室１２を常に一定の酸素濃度となるよう制御できる。
【００４４】
センサセル４の一対の電極４１，４２に，基準ガス室１２２側の電極４１が＋極となるように所定の電圧（例えば０．４０Ｖ）を印加する。電極４２は，ＮＯｘの分解に活性なＰｔ−Ｒｈサーメット電極であるため，上記第２被測定ガス室１２側の電極４２上で被測定ガス中の酸素やＮＯｘが還元されて酸素イオンとなり，ポンピング作用により電極４１側に排出される。
【００４５】
そして，図１に示すごとく，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１では，酸素モニタセル３の電極３１，３２間の電流値が一定値（例えば０．２μＡ）となるように，酸素ポンプセル２を制御する。
このとき，被測定ガス中にＮＯｘが存在しなければ，センサセル４の電極４１，４２間の電流値も一定値（例えば０．２μＡ）となる。一方，被測定ガス中にＮＯｘが存在すると，ＮＯｘ濃度に応じて電流値が増加する。これにより，被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出可能となる。
【００４６】
次に，本例の作用効果について説明する。
ヒータリード部１９２に対して，発熱部１９１の電気抵抗値が相対的に低い場合，ヒータリード部１９２からの発熱量が大きくなる。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１では，図２より明らかであるが，ヒータリード部１９２の上側に，センサセル４や酸素モニタセル３の一対の電極４１，４２や３１，３２と電気的に導通したリード部４２１，３２１等が存在する。
従って，ヒータリード部１９２の発熱により電極リード部や外部端子部間でリーク電流が発生しやすくなる。
【００４７】
特に，本例の構成では，スルーホール１８０を各固体電解質板１４，スペーサ１７などを貫通して形成しているため，固体電解質板１４やスペーサ１７の，ヒータリード部１９２直上の温度が上昇するとリーク電流が発生しやすい。
【００４８】
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は発熱部１９１の電気抵抗値ＲＨを１．５Ω，ヒータリード部１９２の電気抵抗値ＲＬを０．５Ωとして１．５≦ＲＨ／ＲＬなる関係が成立する。このため，ヒータリード部１９２の直上でリーク電流が流れ難く，より正確な濃度を測定することができる（実施例２参照）。
以上，本例によればリーク電流の影響を受け難く，検出精度の高い積層型ガスセンサ素子を得ることができる。
【００４９】
また，図３以外の形状を備えた図４〜図６にかかる発熱部１９１を備えた積層型ガスセンサ素子１についても，発熱部１９１とヒータリード部１９２との電気抵抗値の比が１．５≦ＲＨ／ＲＬとして，本例と同様の効果を得ることができる。
図４は図３と同様の形状であるが，発熱部１９１の角を丸く曲線に構成した。
図５はより密度高く発熱部１９１を構成した例である。また図６に示すように，幅方向に波型に発熱部１９１を構成することもできる。
【００５０】
また，図３に示す形状の発熱部１９１とヒータリード部１９２を同じ組成の材料で構成し，発熱部１９１の厚さを４０μｍ，ヒータリード部１９２の厚さを６０μｍとすることで，発熱部１９１の電気抵抗値を１．５Ω，ヒータリード部１９２の電気抵抗値を０．５Ωとすることもできる。
この場合も本例と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（実施例２）
本例は，実施例１に記載した積層型ガスセンサ素子の性能について評価した。
すなわち，ＲＨが十分大きい条件としてＲＨ／ＲＬ＝１０となる積層型ガスセンサ素子を作成し，この積層型ガスセンサ素子の検出誤差を１として，ＲＨ／ＲＬが異なる他の積層型ガスセンサ素子についても同様に検出誤差を測定し，まとめて図７に記載した。
【００５２】
検出誤差の測定方法について説明する。ＲＨ／ＲＬの異なるガスセンサ素子を準備し，１００ｐｐｍのＮＯを含有する被測定ガス中にさらし，被測定ガスの温度を３０℃から１００℃まで変化させたときの，ＮＯｘ濃度の検出誤差を測定した。なお，ガスセンサ素子の検出部の温度は，ヒータに加える電圧を変化させて一定に保持した。この測定では，被測定ガスの温度により，ヒータに加える電圧が変化し，ヒータリード部の発熱量も変化するので，リーク電流による誤差の影響を見積もることができる。
図７より，ＲＨ／ＲＬが小さくなると検出誤差が大きくなり，高い検出精度を得るにはＲＨ／ＲＬが２以上（好ましくは３以上）であることが必要だと判明した。
【００５３】
（実施例３）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は，図８に示すごとく，素子の各部構成は実施例１と略同じであるが回路構成が異なる。
すなわち，ポンプ回路２５０は電源２５１と電流計２５２とを備え，予め求めておいた酸素ポンプセル２に対する印加電圧と酸素ポンプセル２に流れる電流の関係に基づいて，酸素ポンプ電流が限界電流と一致するように，酸素濃度に応じた電圧を印加する。
これにより，第１被測定ガス室１１と第２被測定ガス室１２の酸素濃度を所定の低濃度に制御することができる。
【００５４】
この方法で第１被測定ガス室１１，第２被測定ガス室１２の酸素濃度を制御すると，実施例１にかかる酸素モニタセルに基づいた制御に比べて，第２被測定ガス室１２内の酸素濃度は変動しやすく，したがってセンサセル４の電極４１，４２間に流れる電流をそのままセンサ信号とするとＮＯｘの検出精度が悪化する。
そこで，センサセル４の電極４１，４２間に流れる電流と酸素モニタセル３の電極３１，３２間に流れる電流との差を電流差検出回路４５９において検出し，この値をセンサ信号とすることにより，第２被測定ガス室１２内の酸素濃度変動の影響を減らして，被測定ガス中の酸素濃度に依存しないより正確なＮＯｘ濃度にかかるセンサセル出力を得ることができる。
【００５５】
（実施例４）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子６は，図９に示すごとく，第２の酸素ポンプセル５を設けた４セル構成素子である。
本例の積層型ガスセンサ素子１は，実施例１と同様のヒータ１９に基準ガス室６４０用のスペーサ６４，酸素モニタセル３とセンサセル４を設けた固体電解質板６３，第１被測定ガス室１１，第２被測定ガス室１２用のスペーサ６２，酸素ポンプセル２と第２酸素ポンプセル５用の固体電解質板６１を積層して構成した。
【００５６】
酸素ポンプセル２は，第１被測定ガス室１１に面した電極２１と，多孔質保護層１３１で覆われて素子外部の被測定ガスにさらされた電極２２を有し，電源２５１を備えたポンプ回路２５０に接続される。
モニタセル３は，第１被測定ガス室１１に面した電極３２と基準ガス室６４０に面した電極３１を有し，電圧計３５７を備えた回路３５０に接続される。
センサセル４は，第２被測定ガス室１２に面した電極４２と基準ガス室６４０に面した電極４１を有し，電流計４５７を備えた回路４５０に接続される。
また，電極３１，４１は一体の電極である。
電圧計３５７と電源２５１との間には，電圧計３５７で検出した電圧値に基づいて酸素ポンプセル２の電源２５１を制御する制御回路２５５が接続される。
【００５７】
第２酸素ポンプセル５は，第１酸素ポンプセル２の電極２２と一体に形成した電極５１と，第２被測定ガス室１２にさらされる電極５２を有し，電源５５１を備えた回路５５０に接続される。
【００５８】
実施例１では，第２被測定ガス室１２の酸素濃度を酸素モニタセル３に流れる電流値により検出したが，本例は，酸素モニタセル３の電極３１，３２間に発生する起電力から検出する。
この場合の作動の一例を図９に基づいて説明する。
酸素モニタセル３の電極３２は第１被測定ガス室１１に面し，電極３１は大気が導入される基準ガス室６４０に面している。電極３１，３２間には，第１被測定ガス室１１と基準ガス室６４０との酸素濃度の違いにより，ネルンストの式に基づいた起電力が発生する。
【００５９】
基準ガス室６４０の酸素濃度は一定であるので，電極３１，３２間に発生する起電力は第１被測定ガス室１１の酸素濃度を反映する事になる。したがって，電極３１，３２間に発生する起電力が所定の一定値（例えぱ０．２０Ｖ）になるように酸素ポンプセル２の電極２１，２２間の印加電圧を制御すれぱ，第２被測定ガス室１２へ流れ込む酸素濃度を一定に制御できる。
【００６０】
さらに，本例では，第２酸素ポンプセル５が形成してあり，酸素ポンプセル２で排出できずに第２被測定ガス室１２に流入した酸素を外部に排気する。
これにより，第２被測定ガス室１２内の酸素濃度はほぽ０となり，センサセル４により，高精度なＮＯｘ濃度測定が可能となる。
その他ヒータ１９の構成などは実施例１と同様であり，同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，（ａ）積層型ガスセンサ素子の長手方向の断面説明図，（ｂ）幅方向の断面説明図（図１（ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図）。
【図２】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の斜視展開図。
【図３】実施例１における，ヒータにおける発熱部とヒータリード部の形状を示す平面図（図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面説明図）。
【図４】実施例１における，発熱部とヒータリード部の他の形状を示す平面図。
【図５】実施例１における，発熱部とヒータリード部の他の形状を示す平面図。
【図６】実施例１における，発熱部とヒータリード部の他の形状を示す平面図。
【図７】実施例２における，ＲＨ／ＲＬと検出誤差との関係を示す線図。
【図８】実施例３における，酸素ポンプセルに対する印加電圧と酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて制御する構成の積層型ガスセンサ素子の長手方向の断面説明図，（ｂ）幅方向の断面説明図（図８（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面説明図）。
【図９】実施例４における，第１と第２の酸素ポンプセルを備えた積層型ガスセンサ素子の長手方向の断面説明図。
【図１０】従来における，積層型ガスセンサ素子の説明図。
【符号の説明】
１．．．積層型ガスセンサ素子，
１１，１２．．．第１及び第２被測定ガス室，
１４，１６．．．固体電解質板，
２１，２２，３１，３２，４１，４２．．．電極，
１９．．．ヒータ，
１９１．．．発熱部，
１９２．．．ヒータリード部，
２．．．酸素ポンプセル，
３．．．酸素モニタセル，
４．．．センサセル，
【図１】
2004151017.tif 000003
【図２】
2004151017.tif 000004
【図３】
2004151017.tif 000005
【図４】
2004151017.tif 000006
【図５】
2004151017.tif 000007
【図６】
2004151017.tif 000008
【図７】
2004151017.tif 000009
【図８】
2004151017.tif 000010
【図９】
2004151017.tif 000011
【図１０】
2004151017.tif 000012