(57)【要約】【課題】ヒータと酸素ポンプセル、センサセル、モニタセルとの絶縁抵抗を大きくし、リーク電流の影響を受けずに、正確に特定ガス成分濃度を検出する。また、製造効率を向上しコストを低減する。【解決手段】ピンホール１１を介してＮＯｘを含む排ガスが導入される内部空間７内の酸素濃度を、固体電解質体５１と一対の電極２ａ、２ｂからなる酸素ポンプセル２で調整し、固体電解質体５２と一対の電極４ａ、４ｂからなるセンサセル４を流れる電流値から排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。これらセル２、４のリード部２ｃ、２ｄ、４ｃ、４ｄと、外部へ電気信号を出し入れするためにのセンサ素子表面に設けられた端子部Ｐ１、Ｐ２とを、センサ素子表面に形成した導線Ｌ１、Ｌ２を介して接続することで、これらセル２、４を所定の活性温度まで加熱するヒータ９との間の絶縁を確保する。また、スルーホールに起因する断線や亀裂を防止する。【選択図】        図１
2004157063.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が導入される内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内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体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、
上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルを所定の活性温度まで加熱するヒータとを有する積層構造のガスセンサ素子であって、
外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方のリード部とを、センサ素子表面を介して接続したことを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出するモニタセルを設け、
外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記モニタセルのリード部とを、センサ素子表面を介して接続したことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
上記モニタセルの信号により、上記酸素ポンプセルの印加電圧を制御する請求項２記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
被測定ガス中の特定ガス成分濃度を上記センサセルに流れる電流値により検出する請求項１ないし３のいずれか記載のガスセンサ素子。
【請求項５】
上記内部空間内の酸素濃度を上記モニタセルに流れる電流値により検出する請求項２記載のガスセンサ素子。
【請求項６】
上記内部空間内の酸素濃度を上記モニタセルに発生する起電力により検出する請求項２記載のガスセンサ素子。
【請求項７】
上記センサセルに流れる電流値と上記モニタセルに流れる電流値の差により、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する請求項５記載のガスセンサ素子。
【請求項８】
上記外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一つのリード部との接続個所には、センサ素子表面との間に絶縁層を形成する請求項１または２記載のガスセンサ素子。
【請求項９】
所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内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体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出するモニタセルと、
上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルを所定の活性温度まで加熱するヒータとを有する積層構造のガスセンサ素子を製造する方法において、
外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一つのリード部とを、素子焼成後に、センサ素子表面を介して接続したことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
【請求項１０】
上記外部へ電気信号を出し入れするためにのセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一方のリード部とを接続するに際し、素子焼成後に該接続箇所に対応するセンサ素子表面に絶縁層を形成する請求項９記載のガスセンサ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度等の検出に利用されるガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関から排出される排ガス等を原因とする大気汚染は、現代社会において大きな問題となっており、排ガス中の有害物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなっている。排ガス中の有害成分を低減する手段としては、例えば、エンジンの燃焼制御により有害成分の発生を抑制するシステムや、触媒コンバータを用いて有害成分を浄化するシステムがあり、排気ガス中の有害成分である窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出し、検出結果をこれらシステムにフィードバックすれば、より効率よく排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濃度を精度よく検出可能なガスセンサ素子が求められており、これまでに種々の構成のものが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２８８５３３６号明細書
【０００４】
ところで、従来よく知られたガスセンサ素子として、酸素イオン導電性の固体電解質を用いた積層型のガスセンサ素子が挙げられる。これを図７、８に示すと、ガスセンサ素子は、固体電解質体５１と固体電解質体５２の間に形成される内部空間７を有し、この内部空間７に多孔質保護層１２、ピンホール１１を通じて被測定ガスである排ガスが導入されるようになっている。内部空間７は、第１内部空間７ａと第２内部空間７ｂとに区画されており、第１内部空間７ａ側に、固体電解質体５１とその上下面の電極２ａ、２ｂからなる酸素ポンプセル２が配置されている。酸素ポンプセル２に電圧を印加することで、第１内部空間７ａ内にある酸素を外部にポンピングあるいは第１内部空間７ａ内へ外部から酸素をポンピングすることができる。
【０００５】
一方、第２内部空間７ｂ側には、固体電解質体５２の上下面の電極３ａ、３ｂからなるモニタセル３が配置されている。酸素ポンプセル２は、このモニタセル３により検出される第２内部空間７ｂ内の酸素濃度が一定となるようにフィードバック制御され、内部空間７内を所定の低酸素濃度に調整する。第２内部空間７ｂ側には、また、固体電解質体５２の上下面の電極４ａ、４ｂからなるセンサセル４が配置されており、ＮＯｘが分解することにより生成される酸素イオンを測定するように構成されている。
【０００６】
上述したごとく、第２内部空間７ｂ内の酸素濃度は一定に制御されており、従って、センサセル４を移動する酸素イオンの量、すなわちセンサセル４における酸素イオン電流の大きさがＮＯｘ濃度に対応する。これにより、排ガス中の酸素濃度の増減にかかわらず、正確なＮＯｘを濃度を測定することができる。なお、図中、６１、６２、６３、６４はスペーサ、８１、８２は基準ガス空間、９はヒータである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成のガスセンサ素子において、ＮＯｘ濃度を検出するセンサセル４の電流値はμＡオーダーの微小な値となる。このため、状況により印加電圧・電流値が大きく変化するヒータ９と他のセル２、３、４との絶縁抵抗を充分大きくしなければ、検出誤差を生じるおそれがある。しかしながら、上記従来のガスセンサ素子では、図８に示すように、外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部Ｐと、各セル２、３、４との接続にスルーホールＳＨが用いられており、この構成では、ヒータ９と酸素ポンプセル２、センサセル４、モニタセル３との絶縁が充分でないことが判明した。
【０００８】
そして、このため、ヒータ９の電流が酸素ポンプセル２、センサセル４、モニタセル３にリークし、このリーク電流の影響により、検出精度が悪化することがあった。さらにスルーホールＳＨを介しての接続は、素子焼成時に断線を生じたり、素子にスルーホールＳＨを基点とした亀裂が走ることがあり、製造効率が悪化し、コスト増につながるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みなされたもので、ヒータと酸素ポンプセル、センサセル、モニタセルとの絶縁抵抗を大きくし、リーク電流の影響を受けずに、正確に特定ガス成分濃度を検出することができるとともに、製造効率の向上、コスト低減を実現できるガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１において、ガスセンサ素子は、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内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体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、
上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルを所定の活性温度まで加熱するヒータとを有する積層構造となっている。
さらに、外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方のリード部とは、センサ素子表面を介して接続されている。
【００１１】
上記構成によれば、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方のリード部を、センサ素子表面に設けられた端子部とセンサ素子表面を介して接続しており、スルーホールが介在しないので、上記ヒータとこれらセルとの絶縁性が向上する。さらに、素子焼成時に断線を生じたり、素子にスルーホールを基点とした亀裂が生じるおそれが小さくなるので、製造効率が向上し、コスト低減ができる。
【００１２】
請求項２の構成では、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出するモニタセルを設け、外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記モニタセルのリード部とを、センサ素子表面を介して接続する。
【００１３】
上記構成においても、同様に、上記モニタセルのリード部をセンサ素子表面の端子部とセンサ素子表面を介して接続することで、絶縁性が向上し、素子焼成時に断線や亀裂が生じるのを防止する効果が得られ、製造効率の向上、コスト低減が期待できる。
【００１４】
請求項３の構成では、上記モニタセルの信号により、上記酸素ポンプセルの印加電圧を制御する。
【００１５】
上記モニタセルの信号により、上記内部空間の酸素濃度を検出し、検出される酸素濃度が所定の一定値となるように上記酸素ポンプセルの印加電圧を制御する。これにより、上記内部空間の酸素濃度を一定に制御することができる。
【００１６】
請求項４の構成では、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を上記センサセルに流れる電流値により検出する。
【００１７】
上記センサセルの上記一方の電極を上記特定ガス成分に感度を有するものとし、上記モニタセルと上記酸素ポンプセルを用いて上記内部空間内の酸素濃度を一定に制御すれば、上記センサセルの一対の電極に流れる電流は、被測定ガス中の特定ガス成分濃度に応じて増減する。よって、この電流値を測定することにより、特定ガス成分濃度の精度よい検出が可能になる。
【００１８】
請求項５の構成では、上記内部空間内の酸素濃度を上記モニタセルに流れる電流値により検出する。
【００１９】
上記モニタセルの一対の電極間に所定の電圧を印加すると、上記内部空間内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酸素濃度に応じた酸素イオン電流が流れる。よって、この時流れる電流値から上記内部空間内の酸素濃度を検出することができる。
【００２０】
請求項６の構成では、上記内部空間内の酸素濃度を上記モニタセルに発生する起電力により検出する。
【００２１】
あるいは、上記モニタセルの一対の電極間には、両電極が面する空間の酸素濃度差に応じた起電力が生じるので、これを検出することによっても上記内部空間内の酸素濃度が検出できる。
【００２２】
請求項７の構成では、上記センサセルに流れる電流値と上記モニタセルに流れる電流値の差により、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する。
【００２３】
上記酸素モニタセルの上記一方の電極を上記特定ガス成分に感度を有さないものとし、上記センサセルの上記一方の電極を上記特定ガス成分に感度を有するものとすれば、これらセルに流れる電流値の差は、上記特定ガス成分に依存して変化する。よって、この電流値の差から上記特定ガス成分濃度を検出することができる。
【００２４】
請求項８の構成では、上記外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一方のリード部との接続個所には、センサ素子表面との間に絶縁層を形成する。
【００２５】
上記端子部と各セルのリード部とを接続する導線等と、センサ素子表面との間に絶縁層を形成することで、絶縁性をより向上させることができる。
【００２６】
請求項９は、ガスセンサ素子を製造する方法の発明で、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内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体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出するモニタセルと、
上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルを所定の活性温度まで加熱するヒータとを有する積層構造のガスセンサ素子を製造するにあたり、外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一つのリード部とを、素子焼成後に、センサ素子表面を介して接続する。
【００２７】
上記方法によれば、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一つのリード部を、センサ素子表面に設けられた端子部とセンサ素子表面を介して接続し、スルーホールが介在しないので、上記ヒータとこれらセルとの絶縁性が向上する。さらに、この接続を素子焼成後に行うので、従来のように素子焼成時に断線を生じたり、素子にスルーホールを基点とした亀裂が生じることがなく、製造効率の向上、コスト低減効果が得られる。
【００２８】
請求項１０の製造方法では、上記外部へ電気信号を出し入れするためにセンサ素子表面に設けられた端子部と、上記酸素ポンプセル、上記センサセルおよび上記モニタセルのうち少なくとも一つのリード部とを接続するに際し、素子焼成後に該接続箇所に対応するセンサ素子表面に絶縁層を形成する。
【００２９】
素子焼成後に、上記端子部と各セルの接続箇所に上記絶縁層を形成し、その後導線等により上記端子部と各セルを接続することで、絶縁性をより向上させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面により説明する。図２は本発明のガスセンサ素子１の先端部の模式的な断面図、図１は本発明のガスセンサ素子１の先端部の模式的な分解展開図である。図２には、上半部に素子の軸方向断面図を、下半部にそのＡ−Ａ線断面図を示している。本発明のガスセンサ素子１は、被測定ガス存在空間に配設されて被測定ガス中の特定ガス成分、ここでは、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するために用いられる。測定する際には素子全体を図略の筒状ケースに収容して、被測定ガス存在空間となる内燃機関の排気管壁に固定し、図示する先端部をカバー体で保護した状態で排気管内に挿通配置する。ガスセンサ素子１の後端部はカバー体で保護されて基準酸素濃度ガスとなる大気中に配置される。
【００３１】
図１、図２において、ガスセンサ素子２は、酸素ポンプセル２を構成するためのシート状の固体電解質体５１と、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体５２と、内部空間７を形成するためのスペーサ６１と、基準ガス空間８１、８２を形成するためのシート状のスペーサ６２、６３、６４と、これらを加熱するためのヒータ９とを有し、ヒータ９の上方に、スペーサ６２、固体電解質体５１、スペーサ６１、固体電解質体５２、スペーサ６３、６４をこの順に積層して構成される。
【００３２】
内部空間７は、ガスセンサ素子１の先端部が配置される被測定ガス存在空間より被測定ガスが導入される室であり、図１に示すように、固体電解質体５１、５２間に位置するスペーサ６１に設けた抜き穴６１ａ、６１ｂにて形成される。これら抜き穴６１ａと抜き穴６１ｂは絞り部６１ｃによって連結されており、内部空間７は、この絞り部６１ｃを境として、ガスセンサ素子１の先端側（図２および図１の左側）から順に、抜き穴６１ａからなる第１内部空間７ａと、抜き穴６１ｂからなる第２内部空間７ｂが区画形成されている。
【００３３】
第１内部空間７ａは、固体電解質体５２の先端部を貫通するピンホール１１を介して、被測定ガス存在空間と連通している。このピンホール１１は拡散抵抗手段として機能するもので、ピンホール１１の大きさは、これを通過して第１内部空間７ａおよび第２内部空間７ｂに導入される被測定ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設定される。
【００３４】
また、固体電解質体５２には、被測定ガス存在空間側から、ピンホール１１を被覆するように多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層１２が形成してあり、内部空間７内に位置する電極の被毒や、ピンホール１１の目詰まりを防止している。
【００３５】
基準ガス空間８１、８２は、一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとしての大気が導入される室である。基準ガス空間８１は、固体電解質体５１の下方に積層したスペーサ６２に設けた抜き穴６２ａ（図１）にて、基準ガス空間８２は、固体電解質体５２の上方に積層したスペーサ６３に設けた抜き穴６３ａにて形成される。この抜き穴６２ａ、６３ａは、ガスセンサ素子１の長手方向に延びる溝状の通路部６２ｂ、６３ｂを介してそれぞれ大気が存在する外部空間に連通し、該通路部６２ｂ、６３ｂを通して基準ガス空間８１、８２に大気が導入される。
【００３６】
なお、内部空間７、基準ガス空間８１、８２を構成するスペーサ６１、６２、６３、６４はアルミナ等の絶縁材料よりなる。また、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体５１、５２は、ジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有する固体状の電解質からなる。
【００３７】
図２のように、酸素ポンプセル２は、固体電解質体５１と、固体電解質体５１を挟むように対向配置された一対の電極２ａ、２ｂとからなり、内部空間７内に酸素を導入または内部空間７から酸素を排出して内部空間７内の酸素濃度を調整する。一対の電極２ａ、２ｂのうち、一方の電極２ａは、内部空間７のガス流れの上流側に位置する第１内部空間７ａに面するように、固体電解質体５１の上面に接して設けられ、他方の電極２ｂは、基準ガス空間８１に面するように固体電解質体５１の下面に接して設けられている。
【００３８】
センサセル４は、固体電解質体５２と、固体電解質体５２を挟むように対向配置された一対の電極４ａ、４ｂとからなり、被測定ガス中の特定ガス成分濃度、例えば、ＮＯｘ濃度を検出する。一対の電極４ａ、４ｂのうち、一方の電極４ａは、内部空間７のガス流れの下流側に位置する第２内部空間７ｂに面するように、固体電解質体５２の下面に接して設けられ、他方の電極４ｂは、基準ガス空間８２に面するように固体電解質体５２の上面に接して設けられている。
【００３９】
酸素モニタセル３は、固体電解質体５２と、固体電解質体５２を挟むように対向配置された一対の電極３ａ、３ｂとからなり、内部空間７内の酸素濃度を検出する。一対の電極３ａ、３ｂのうち、一方の電極３ａは、第２内部空間７ｂに面するように、固体電解質体５２の下面に接して設けられ、他方の電極３ｂは、基準ガス空間８２に面するように固体電解質体５２の上面に接して設けられている。また、酸素モニタセル３の電極３ａ、３ｂとセンサセル４の電極４ａ、４ｂが、被測定ガスの導入方向に対しほぼ同等位置にあると、第２内部空間７ｂに面する電極３ａ、電極４ａ近傍の酸素濃度がほぼ等しくなるため、好ましい。
【００４０】
ここで、酸素ポンプセル２および酸素モニタセル３の一方の電極２ａ、３ａには、被測定ガス中のＮＯｘの分解を抑制するために、ＮＯｘの分解活性の低い電極を用いるとよい。具体的には、主金属成分として白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、金属成分中のＡｕの含有量は、通常、１〜１０重量％程度とすることが望ましい。なお、多孔質サーメット電極は、金属合金粉末とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成して得られる。
【００４１】
また、センサセル４の一方の電極４ａには、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とよい。具体的には、主金属成分として白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、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。酸素ポンプセル２、酸素モニタセル３およびセンサセル４の他方の電極２ｂ、３ｂ、４ｂには、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に用いられる。
【００４２】
図１に示すように、酸素ポンプセル２、酸素モニタセル３、センサセル４の電極には、これら各電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂから電気信号を取り出すためのリード部２ｃ、２ｄ、３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄが一体に形成されている。ここで、固体電解質体５１、５２の上下表面には、電極形成部以外の部位、特にリード部２ｃ、２ｄ、３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄの形成部位において、これらリード部２ｃ、２ｄ、３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄの間に、アルミナ等の絶縁層（図示を略す）を形成しておくことが好ましい。
【００４３】
ヒータ９は、アルミナ等の絶縁材料からなるヒータシート１３の上面に、通電により発熱するヒータ電極１４をパターニング形成し、このヒータ電極１４の上面（スペーサ６２側の面）に、絶縁のためのアルミナ層１５を形成してなる。ヒータ電極１４には、通常、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメット電極が用いられる。このヒータ９は、ヒータ電極１４を外部からの給電により発熱させ、上記各セル２、３、４を活性化温度まで加熱するものである。
【００４４】
ヒータ電極１４は、図１に示すように、ヒータシート１３に形成されたスルーホールＳＨを通して、センサ基部の端子部Ｐ１まで接続されている。この端子部Ｐ１はヒータ９裏面に設けられる。
【００４５】
一方、図１、図４（ａ）に示すように、酸素ポンプセル２の電極２ａ、２ｂは、上記リード部２ｃ、２ｄと、固体電解質体５１、スペーサ６２、アルミナ層１５およびヒータシート１３の基端側表面に形成された導線Ｌ１を介して、センサ基部の端子部Ｐ１まで接続されている。また、酸素モニタセル３の電極３ａ、３ｂは、リード部３ｃ、３ｄと、固体電解質体５２の基端側表面に形成された導線Ｌ２を介して、さらに、センサセル４の電極４ａ、４ｂは、リード部４ｃ、４ｄを介して、センサ基部の端子Ｐ２まで接続されている。この端子部Ｐ２は固体電解質体５２の上部表面に設けられ、スペーサ６３、６４の軸方向長を図のように短く形成することにより、素子表面に露出している。
【００４６】
そして、これら端子部Ｐ１、Ｐ２には、図示を略すコネクタを介して圧着やろう付け等によりリード線が接続され、外部回路と各セル２、３、４およびヒータ９との信号のやり取りが可能となっている。なお、導線Ｌ１、Ｌ２の形成部位においても、これら導線Ｌ１、Ｌ２と素子表面との間に、アルミナ等の絶縁層（図示を略す）を形成しておくことが好ましい。
【００４７】
上記構成のガスセンサ素子１は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、固体電解質体５１、５２用のジルコニア等からなる生シートと、スペーサ６１、６２、６３、６４、ヒータシート１３およびアルミナ層１５となるアルミナ生シートを作製する。これら生シートは、ドクターブレード法や押出成形法等により、シート形状に成形することができる。次いで、固体電解質体５１、５２用の生シートと、ヒータシート１３用の生シートの所定位置に、電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、ヒータ電極１４、リード部２ｃ、２ｄ、３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄ、端子部Ｐ１、Ｐ２を、スクリーン印刷等により形成する。
【００４８】
そして、各シートを上記図１の順序で積層し、焼成することにより一体化することができる。導線Ｌ１、Ｌ２は、積層体を焼成して一体化した後に、Ｐｔ等を主成分とする導体ペーストを塗布することにより、形成される。従って、各セル２、３、４の電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂと、端子部Ｐ１、Ｐ２を、確実に接続することができ、スルーホールＳＨを用いた際に起こり得る焼成時の断線や亀裂の発生がない。また、導線Ｌ１、Ｌ２は、素子温度が最も低い部分に形成することができるので、各セル間の絶縁抵抗を大きくすることができる効果がある。さらに、導線Ｌ１、Ｌ２と素子表面との間に、アルミナ等の絶縁層を形成すると絶縁抵抗を大きくできるため、より効果的である。
【００４９】
なお、導線Ｌ１、Ｌ２の形成位置は、上述した図４（ａ）のように、ガスセンサ素子１の基端側端面（図中、右端の端面）に形成することもできるが、図３（ｂ）のように、ガスセンサ素子１の基端側側面（図中、右端の側面）に形成することもできる。このように、導線Ｌ１、Ｌ２の形成位置は、特に限定されず、素子表面であれば同様の効果が得られる。
【００５０】
次に、上記構成のガスセンサ素子１の動作原理を説明する。図２において、被測定ガスである排ガスは、多孔質保護層１２、ピンホール１１を通過して第１内部空間７ａに導入される。導入されるガス量は、多孔質保護層１２、ピンホール１１の拡散抵抗により決定される。さらに、導入されたガスは、絞り部６１ｃを介して第１内部空間７ａと連通する第２内部空間７ｂに導入される。
【００５１】
酸素ポンプセル２の一対の電極２ａ、２ｂに、基準ガス空間８１側の電極２ｂが＋極となるように電圧を印加すると、第１内部空間７ａ側の電極２ａ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２ｂ側へ排出される。逆に、第１内部空間７ａ側の電極２ａが＋極となるように電圧を印加すると、基準ガス空間８１側の電極２ｂ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２ａ側へ導入される。この酸素ポンプ作用により、内部空間７の酸素濃度を制御することができる。
【００５２】
一方、酸素モニタセル３の一対の電極３ａ、３ｂに、基準ガス空間８２側の電極３ｂが＋極となるように所定の電圧（例えば、０．４０Ｖ）を印加すると、第２内部空間７ｂ側の電極３ａ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３ｂ側へ排出される。ここで電極３ａは、特定ガス成分である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３ａ、３ｂ間に流れる酸素イオン電流は、多孔質保護層１２、ピンホール１１、第１内部空間７ａ等を通過して、第２内部空間７ｂ内の電極３ａに到達する酸素量に依存し、ＮＯｘ量には依存しない。従って、電極３ａ、３ｂ間を流れる電流値が所定の一定値（例えば、０．２μＡ）になるように、酸素ポンプセル２の電極２ａ、２ｂ間の印加電圧を制御すれば、第２内部空間７ｂの酸素濃度を一定に制御できる。
【００５３】
センサセル４の一対の電極４ａ、４ｂには、基準ガス空間８２側の電極４ｂが＋極となるように所定の電圧（例えば、０．４０Ｖ）を印加する。ここで電極４ａは、特定ガス成分であるＮＯｘの分解に活性なＰｔ−Ｒｈサーメット電極であるため、第２内部空間７ｂ側の電極４ａ上で被測定ガス中の酸素および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４ｂ側へ排出される。この時、上述したように本実施の形態では、酸素モニタセル３の一対の電極３ａ、３ｂ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を制御しているので、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４ａ、４ｂ間の電流値も一定値（例えば、０．２μＡ）に制御される。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ため、これにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出可能となる。
【００５４】
図３（ａ）、（ｂ）は、他の動作原理を示した図であり、これを第２の実施の形態として以下に説明する。ガスセンサ素子１の構成は上記第１の実施の形態と同じである。上記第１の実施の形態では、酸素モニタセル３の電極３ａ、３ｂ間の電流値が一定になるように酸素ポンプセル２の電極２ａ、２ｂ間の印加電圧を制御したが、本実施の形態では、予め求められた酸素ポンプセル印加電圧と酸素ポンプセル電流の関係から、酸素ポンプセル電流が限界電流となるように、酸素濃度に応じた電圧を酸素ポンプセルに印加することにより、第１内部空間７ａ内の酸素濃度を所定の低酸素濃度に制御する。
【００５５】ただし、この方法で内部空間７内の酸素濃度を制御すると、上記第１の実施の形態のような酸素モニタセル３の検出値に基づいた制御に比べて、第２内部空間７ｂ内の酸素濃度が変動しやすく、従って、センサセル４の電極４ａ、４ｂ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、本実施の形態では、電流差検出回路を設けて、酸素モニタセル３の電極３ａ、３ｂ間に流れる電流とセンサセル４の電極４ａ、４ｂ間に流れる電流との差をセンサ信号とする。これにより、第２内部空間７ｂ内における酸素濃度変動の影響をなくし、被測定ガス中の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができるので、精度よくＮＯｘ濃度を検出できる。
【００５６】
前述の各実施の形態では、第２内部空間７ｂ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、酸素モニタセル３に発生する起電力により検出することも可能である。これを第３の実施の形態として、図５、図６に基づいて説明する。本実施の形態では、酸素モニタセル３、センサセル４を有する基本工程は上記第１の実施の形態と同様であるが、その配置が異なっており、さらに、第２の酸素ポンプセル２０を設置している。また、基準ガス空間８２を設けず、基準ガス空間８１のみとしている。
【００５７】
図５、６において、酸素ポンプセル２は固体電解質体５２の上下面に設けた電極２ａ、２ｂを有し、第１内部空間７ａに面する一方の電極２ａは、固体電解質体５２の下面に、他方の電極２ｂは、固体電解質体５２の上面に被測定ガス存在空間に面して設けられる。酸素モニタセル３は、一方の電極３ａが固体電解質体５１の上面に、第１内部空間７ａに面するように設けられ、他方の電極３ｂは、固体電解質体５１の下面に、基準ガス空間８１に面して設けられる。センサセル４は、第２内部空間７ｂに面する一方の電極４ａが、固体電解質体５１の上面に、他方の電極４ｂは、固体電解質体５１の下面に基準ガス空間８１に面して設けられる。なお、電極４ｂは、酸素モニタセル３の電極３ｂと共通電極としてある。
【００５８】
第２の酸素ポンプセル２０は、固体電解質体５２とその表面に設けた一対の電極２０ａ、２ｂからなる。一方の電極２０ａは、第２内部空間７ｂに面するように、固体電解質体５２の下面に設けられ、他方の電極２ｂは、酸素ポンプセル２と共通電極としてある。第２の酸素ポンプセル２０は、酸素ポンプセル２で排出されずに第２内部空間７ｂに導入される被測定ガス中の残留酸素を、被測定ガス存在空間に排出する機能を有する。
【００５９】
この構成においても、図６、７（ａ）に示すように、各セル２、３、４、２０やスペーサ６１、６２、アルミナ層１５およびヒータシート１３を構成する生シートを上記図４の順序で積層し、焼成して一体化した後、導体ペーストを塗布することにより、導線Ｌ１、Ｌ２を形成する。酸素ポンプセル２と第２の酸素ポンプセル２０およびセンサセル４の電極４ａは、導線Ｌ２により、端子部Ｐ２に接続され、酸素モニタセル３の電極３ａおよび酸素モニタセル３とセンサセル４の共通電極３ｂ（４ｂ）は、導線Ｌ１により、端子部Ｐ１に接続される。これにより、各セル２、３、４、２０の電極と、端子部Ｐ１、Ｐ２を確実に接続することができ、スルーホールＳＨを用いた際に起こり得る焼成時の断線や亀裂の発生がない。また、導線Ｌ１、Ｌ２は、素子温度が最も低い部分に形成することができるので、各セル間の絶縁抵抗を大きくすることができる。さらに、導線Ｌ１、Ｌ２と素子表面との間に、アルミナ等の絶縁層を形成すると絶縁抵抗を大きくできるため、より効果的である。
【００６０】
また、導線Ｌ１、Ｌ２は、図７（ａ）のように、ガスセンサ素子１の基端側端面（図中、右端の端面）に形成しても、図７（ｂ）のように、ガスセンサ素子１の基端側側面（図中、右端の側面）に形成することもよく、素子表面であれば同様の効果が得られる。
【００６１】
この場合の作動を図５に基づいて説明する。上記構成において、酸素モニタセル３の電極３ａは第１内部空間７ａに面し、電極３ｂは大気が導入される基準ガス空間８１に面している。これら電極３ａ、３ｂ間には、両電極の接する第１内部空間７ａと基準ガス空間８１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。基準ガス空間８１の酸素濃度は一定であるので、電極３ａ、３ｂ間に発生する起電力は、第１内部空間７ａの酸素濃度を反映することになる。従って、電極３ａ、３ｂ間に発生する起電力が所定の一定値（例えば、０．２０Ｖ）となるように、酸素ポンプセル２の電極２ａ、２ｂ間の印加電圧を制御すれば、第２内部空間７ｂへ流れ込む酸素濃度を一定に制御できる。さらに、本実施の形態では、固体電解質体５２と電極２０ａ、２ｂにより第２の酸素ポンプセル２０が形成してあり、酸素ポンプセル２で排出できずに第２内部空間７ｂに流入した酸素を外部に排気する。これにより、第２内部空間７ｂ内の酸素濃度はほぼ０となり、センサセル４により、高精度なＮＯｘ濃度測定が可能になる。
【００６２】
以上のように、本発明によれば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を高精度で測定できる。しかも、各セル２、３、４と端子部Ｐとを、素子表面に設けた導線Ｌ１、Ｌ２を介して接続しており、接続にスルーホールＳＨを用いていないので、ヒータ９とこれらセル２、３、４との絶縁が確保できる。よって、ヒータ９からのリーク電流の影響を受けずに、正確な特定ガス成分濃度の検出が可能になる。また、スルーホールＳＨを介しての接続は、素子焼成時に断線を生じたり、素子にスルーホールＳＨを基点とした亀裂が走ることがあるが、このような不具合が生じないので、製造効率が向上し、コスト低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるガスセンサ素子の分解展開図である。
【図２】第１の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、第１の実施の形態における端子部と各セルの接続方法を説明するためのガスセンサ素子の模式的斜視図、（ｂ）は端子部と各セルの接続方法の他の例を説明するためのガスセンサ素子の模式的斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図である。
【図６】第３の実施の形態におけるガスセンサ素子の分解展開図である。
【図７】（ａ）は、第３の実施の形態における端子部と各セルの接続方法を説明するためのガスセンサ素子の模式的斜視図、（ｂ）は端子部と各セルの接続方法の他の例を説明するためのガスセンサ素子の模式的斜視図である。
【図８】従来のガスセンサ素子の模式的断面図である。
【図９】従来のガスセンサ素子の分解展開図である。
【符号の説明】
１  ガスセンサ素子
１１  ピンホール
１２  多孔質保護層
２  酸素ポンプセル
２ａ、２ｂ  一対の電極
３  酸素モニタセル（モニタセル）
４  センサセル
４ａ、４ｂ  一対の電極
５１、５２  固体電解質体
６１、６２、６３、６４  スペーサ
７  内部空間
７ａ  第１内部空間
７ｂ  第２内部空間
８１、８２  基準ガス空間
９  ヒータ
Ｌ１、Ｌ２  導線
Ｐ１、Ｐ２  端子部
【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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