(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を開けて積層される２層の固体電解質層の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、
前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極、及び該内側第１ポンプ電極の対極となる第１対極電極を備え前記第１測定室内の酸素分圧を制御するための第１ポンピングセルと、
前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、
前記第２測定室内に設けられた内側第２ポンプ電極、及び該内側第２ポンプ電極の対極となる第２対極電極を備え、前記第２測定室内の被測定ガス中の特定ガス成分を検出する第２ポンピングセルと、
前記固体電解質層の積層方向に沿って配置され、前記第１ポンピングセル及び前記第２ポンピングセルを加熱するヒータと、を有する、長手方向に延びるガスセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、
前記ヒータは、前記長手方向に延びる一対のリード部と、前記リード部の先端に接続すると共に、該リード部より高抵抗の第１抵抗部と、前記第１抵抗部の先端よりも前記長手方向先方側に配置されて前記第１抵抗部より高抵抗の第２抵抗部を有すると共に、該第１抵抗部の先端に接続する主発熱部と、を有し、前記内側第１ポンプ電極及び前記第１対極電極に対して前記内側第２ポンプ電極が前記長手方向に重ならず、かつ前記内側第２ポンプ電極の少なくとも一部が前記第１抵抗部に対して前記長手方向に重なるガスセンサ。
【請求項２】
前記内側第２ポンプ電極の先端及び後端が、前記第１抵抗部に対して前記長手方向に重なる請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記内側第１ポンプ電極の先端及び後端が、前記第２抵抗部に対して前記長手方向に重なる請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記ヒータは、前記長手方向に延びる少なくとも２つ以上の直線抵抗部と、隣接する２つの前記直線抵抗部の間を繋ぐ屈曲部とを連結してなり、
前記第１抵抗部は、前記長手方向に垂直な幅方向における最も外側の前記直線抵抗部に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記長手方向において前記ヒータの発熱中心が前記第２抵抗部内の前記直線抵抗部に位置する請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記主発熱部は、前記第１抵抗部の先端よりも前記長手方向後方側に配置されてなる第３抵抗部を有しており、前記第３抵抗部は、前記第２抵抗部よりも低抵抗で、且つ前記リード部よりも高抵抗である請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記ヒータの抵抗は、該ヒータの線幅、厚み、及び材質の少なくとも１以上を変えることによって変えられている請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記ガスセンサ素子の前記長手方向先端側が、ガスセンサの筐体側から突出するように固定され、
前記長手方向における前記ガスセンサ素子の固定端から前記第２ポンプ電極の中心までの長さをＬとし、前記ガスセンサ素子の厚みをｔとしたとき、Ｌ≧２．４×ｔの関係を満たす請求項１〜７のいずれか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、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスに含まれるＮＯｘ等の特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
ＮＯｘセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えたガスセンサ素子を有し、被測定ガス空間に連通する第１測定室内の酸素濃度を酸素濃度検出セルによって測定し、第１測定室内が所定の酸素濃度になるように第１測定室内の酸素を第１ポンピングセルによって制御（汲み入れ、汲み出し）する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第１測定室から第２測定室へ流入し、第２ポンピングセルに一定電圧を印加することによって第２測定室内の被測定ガスに含まれるＮＯｘをＮ２とＯ２に分解し、この際、第２ポンピングセルの一対の電極間に流れる第２ポンプ電流を測定することにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。
【０００３】
このようなＮＯｘセンサにおいて、第２ポンプ電流はＮＯｘ濃度が０でも所定の電流値（いわゆるオフセット値）を生じるため、第２ポンプ電流からオフセット値を減じることでＮＯｘ濃度の換算が行われる。ところが、オフセット値自体がＮＯｘセンサの温度の変動等によって変化し、測定精度の低下を招くという問題がある。この問題は、第２ポンピングセルの温度が上昇すると、固体電解質層の電子伝導に影響を与えるためと考えられている。
そこで、センサ素子部を加熱するヒータのうち、センサ素子１００の先端側のパターン９４ａを密にし、第２ポンピングセル（センサ素子１００の後端部）に対応する部分のパターン９４ｃを取り除くことで、第２ポンピングセルの温度を低くしてオフセット値の変動を防止する技術が開発されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１８９７９号公報（フロントページ、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１記載の技術の場合、ヒータから取り除いたパターン９４ｃ部の線幅をヒータのリード部と同等としているため、この部分は自発的に発熱せず外界の温度の影響を受ける。従って、外部熱源（センサ素子部を取り付けた筐体側からのエンジンの熱の伝導等）によってこの部分の温度が変動し、上記したオフセット値の変動を引き起こすおそれがある。
【０００６】
すなわち、本発明は、ヒータの構成を変更することで第２ポンピングセルの温度を制御してオフセット値の変動を防止することができるガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、間隔を開けて積層される２層の固体電解質層の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極、及び該内側第１ポンプ電極の対極となる第１対極電極を備え前記第１測定室内の酸素分圧を制御するための第１ポンピングセルと、前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、前記第２測定室内に設けられた内側第２ポンプ電極、及び該内側第２ポンプ電極の対極となる第２対極電極を備え、前記第２測定室内の被測定ガス中の特定ガス成分を検出する第２ポンピングセルと、前記固体電解質層の積層方向に沿って配置され、前記第１ポンピングセル及び前記第２ポンピングセルを加熱するヒータと、を有する、長手方向に延びるガスセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、前記ヒータは、前記長手方向に延びる一対のリード部と、前記リード部の先端に接続すると共に、該リード部より高抵抗の第１抵抗部と、前記第１抵抗部の先端よりも前記長手方向先方側に配置されて前記第１抵抗部より高抵抗の第２抵抗部を有すると共に、該第１抵抗部の先端に接続する主発熱部と、を有し、前記内側第１ポンプ電極及び前記第１対極電極に対して前記内側第２ポンプ電極が前記長手方向に重ならず、かつ前記内側第２ポンプ電極の少なくとも一部が前記第１抵抗部に対して前記長手方向に重なる。
【０００８】
このような構成とすると、内側第２ポンプ電極と第１抵抗部とを長手方向に重ねることにより、内側第２ポンプ電極（つまり、第２ポンピングセル）の温度を、第１抵抗部によって制御することができる。
ところで、第１抵抗部とリード部の抵抗が同一であると第１抵抗部が自発的に発熱しないため、第１抵抗部は外界の温度の影響を受け、内側第２ポンプ電極を所定温度に制御することが難しくなる。これに対し、本発明では、第１抵抗部をリード部より高抵抗にしているため、第１抵抗部が確実に発熱し、内側第２ポンプ電極を所定温度に制御できる。
さらに、第２抵抗部を第１抵抗部より高抵抗にしているため、第２抵抗部側の発熱が強くなり、第１抵抗部の温度を第２抵抗部より低くすることができる。その結果、内側第２ポンプ電極を低い温度に制御し、オフセット値の変動を防止することができる。又、第２抵抗部を高い温度にすることで、第２抵抗部に対して長手方向に重なる第１ポンピングセルが低温になって酸素ポンピング能力が不足しオフセット値が変動することを防止できる。
なお、本発明において、「抵抗」とは単位長さあたりの抵抗のことを指す。
又、「長手方向先方側」とは、長手方向から見て前記第２ポンピングセルより前記第１ポンピングセルに近い側をいう。「長手方向後方側」とはこの逆方向である。
【０００９】
前記内側第２ポンプ電極の先端及び後端が、前記第１抵抗部に対して長手方向に重なることが好ましい。これにより、内側第２ポンプ電極全体が第１抵抗部に対して長手方向に重なることとなり、内側第２ポンプ電極（つまり、第２ポンピングセル）の温度を、第１抵抗部によってより確実に制御することができる。
【００１０】
前記内側第１ポンプ電極の先端及び後端が、前記第２抵抗部に対して長手方向に重なることが好ましい。これにより、内側第１ポンプ電極全体が第２抵抗部に対して長手方向に重なることとなり、第１ポンピングセルが低温になって酸素ポンピング能力が不足しオフセット値が変動することをさらに防止できる。
【００１１】
前記ヒータは、前記長手方向に延びる少なくとも２つ以上の直線抵抗部と、隣接する２つの前記直線抵抗部の間を繋ぐ屈曲部とを連結してなり、前記第１抵抗部は前記長手方向に垂直な幅方向における最も外側の前記直線抵抗部に形成されてなることが好ましい。ヒータのパターンを密と粗にしてヒータ内の温度を変化させる場合、ヒータの耐久性が低下する。これは、パターンの密な部分でヒータ線の屈曲部の曲率が大きくなる（半径値が小さくなる）ため、屈曲部内側が局所的に発熱して短期で断線しやすくなるからである。これに対し、屈曲部は、長手方向に延びる直線抵抗部を経て屈曲している。このため、長さの短いヒータの幅方向に直線抵抗部が延びる場合に比べ、直線抵抗部の長さを比較的長くし、その分、屈曲回数を少なくできるため、屈曲部が局所的に過熱することが少なく、ヒータの耐久性を向上させることができる。
【００１２】
前記長手方向において前記ヒータの発熱中心が第２抵抗部内の前記直線抵抗部に位置することが好ましい。
このような構成とすると、ヒータの最も高温となる発熱中心に屈曲部が位置しないため、屈曲部が局所的に過熱することをさらに抑制し、ヒータの耐久性をさらに向上させることができる。又、発熱中心が直線抵抗部にあるため、発熱中心から屈曲部まで伝熱する間にある程度放熱され、屈曲部の過熱が防止される。
ここで、ヒータの発熱中心とは、ある一定方向から見たときのヒータの最大温度部分をいい、通常、ヒータの中心部が最も温度が高く、周縁部へ向かって温度が低下する。
【００１３】
前記主発熱部は、前記第１抵抗部の先端よりも前記長手方向後方側に形成される第３抵抗部を有しており、前記第３抵抗部は、前記第２抵抗部よりも低抵抗で、且つ前記リード部よりも高抵抗であることが好ましい。このような構成とすると、内側第２ポンプ電極内に位置する第３抵抗部についても、リード部より高抵抗にしているため、第３抵抗部が確実に発熱し、内側第２ポンプ電極を所定温度に制御できる。さらに、第２抵抗部より低抵抗にしているため、第３抵抗部の温度を第２抵抗部より低くすることができ、内側第２ポンプ電極を低い温度に制御し、オフセット値の変動を防止することができる。
【００１４】
前記ヒータの抵抗は、該ヒータの線幅、厚み、及び材質の少なくとも１以上を変えることによって変えることが好ましい。これにより、ヒータの抵抗（単位長さあたりの抵抗）を容易に変えることができる。
【００１５】
前記ガスセンサ素子の前記長手方向先端側は、ガスセンサの筐体側から突出するように固定され、前記長手方向における前記ガスセンサ素子の固定端から前記第２ポンプ電極の中心までの長さをＬとし、前記ガスセンサ素子の厚みをｔとしたとき、Ｌ≧２．４×ｔの関係を満たすことが好ましい。
このような構成とすると、ガスセンサが高温の被測定ガスに曝されても第２ポンピングセルの温度上昇を抑制できる、これは、通常、高熱の被測定ガスは、ガスセンサの筐体外側から筐体内部のガスセンサ素子固定部へ伝熱し、さらにガスセンサ素子へ伝わる。従って、被測定ガスからの伝熱によって第２ポンピングセルが高温になるのを抑制するためには、ガスセンサ素子固定部から第２ポンプ電極の中央部（Ｌの位置）までの距離を長くすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、ヒータの構成を変更することで第２ポンピングセルの温度を制御してオフセット値の変動を防止することができるガスセンサが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）２００の長手方向に沿う断面図を示す。ＮＯｘセンサ２００は、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、軸線方向（ＮＯｘセンサ２００の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状をなすＮＯｘセンサ素子（ガスセンサ素子）１０と、ＮＯｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がＮＯｘセンサ素子の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、ＮＯｘセンサ素子１０と絶縁コンタクト部１６６との間に配置される６個の接続端子１１０（図１では、４個図示）とを備えている。
【００１８】
主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、ＮＯｘセンサ素子１０を先端側が貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極端子部２２０、２２１を貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
【００１９】
なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、ＮＯｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
又、この実施形態では、ガスセンサ２００の筐体側をなすセラミックホルダ１５１等によってＮＯｘセンサ素子１０が固定され、セラミックホルダ１５１の下面側からＮＯｘセンサ素子１０が突出している。従って、ＮＯｘセンサ素子１０のうち、セラミックホルダ１５１の下面と同じ位置の部分を固定端１０ｂとする。
【００２０】
一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、ＮＯｘセンサ素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。
【００２１】
そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、ＮＯｘセンサ素子１０の電極端子部２２０、２２１とそれぞれ電気的に接続される６本のリード線１４６（図１では５本のみ）が挿通されるリード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０が配置されている。
【００２２】
また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたＮＯｘセンサ素子１０の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、ＮＯｘセンサ素子１０の後端側の表面に形成される電極端子部２２０、２２１の周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。
【００２３】
次に、ＮＯｘセンサ素子１０の構造について、長手方向に沿う断面図２を用いて説明する。なお、本発明において、「長手方向」とは、ＮＯｘセンサ素子の長手方向であって、かつＮＯｘセンサ素子の各層の積層方向に平行な方向をいう。
図２において、ＮＯｘセンサ素子１０は、第１固体電解質層１１ａ、絶縁層１４ａ、第２固体電解質層１２ａ、絶縁層１４ｂ、第３固体電解質層１３ａ、及び絶縁層１４ｃ、１４ｄをこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１ａと第２固体電解質層１２ａとの層間に第１測定室１６が画成され、第１測定室１６の左端（入口）に配置された第１拡散抵抗体１５ａを介して外部から被測定ガスＧＭが導入される。
第１測定室１６のうち入口と反対端には第２拡散抵抗体１５ｂが配置され、第２拡散抵抗体１５ｂを介して第１測定室１６の右側には、第１測定室１６と連通する第２測定室１８が画成されている。第２測定室１８は、第２固体電解質層１２ａを貫通して第１固体電解質層１１ａと第３固体電解質層１３ａとの層間に形成されている。
【００２４】
絶縁層１４ｃ、１４ｄの間にはＮＯｘセンサ素子１０の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ５０が埋設されている。ヒータ５０はガスセンサを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
絶縁層１４ａ〜１４ｄはアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５ａ及び第２拡散抵抗体１５ｂはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ５０は白金等からなる。
【００２５】
第１ポンピングセル１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンプ電極１１ｃ及び対極となる第１対極電極（外側第１ポンプ電極）１１ｂとを備え、内側第１ポンプ電極１１ｃは第１測定室１６に面している。内側第１ポンプ電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂはいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１ｅ、１１ｄでそれぞれ覆われている。
【００２６】
酸素濃度検出セル１２は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２ａと、これを挟持するように配置された検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃとを備え、検知電極１２ｂは内側第１ポンプ電極１１ｃより下流側で第１測定室１６に面している。検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃはいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層１４ｂは、第２固体電解質層１２ａに接する基準電極１２ｃが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２に予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１６から基準酸素室１７内に送り込み、酸素基準とする。
【００２７】
第２ポンピングセル１３は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３ａと、第３固体電解質層１３ａのうち第２測定室１８に面した表面に配置された内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極となる第２対極電極（対極第２ポンプ電極１３ｃ）とを備えている。内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極第２ポンプ電極１３ｃはいずれも白金を主体とする。
なお、対極第２ポンプ電極１３ｃは、第３固体電解質層１３ａ上における絶縁層１４ｂの切り抜き部に配置され、基準電極１２ｃに対向して基準酸素室１７に面している。
【００２８】
又、固体電解質層１１ａ〜１３ａの積層方向に垂直な方向で且つ長手方向に垂直な方向から見たとき、内側第１ポンプ電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂに対し、内側第２ポンプ電極１３ｂが長手方向に重なっていない。これは、後述するように、本発明は内側第２ポンプ電極１３ｂ（つまり、第２ポンピングセル１３）の温度を第１ポンピングセル１１より下げるように制御することを目的とし、第１ポンピングセル１１と第２ポンピングセル１３とを分けて温度制御するためである。
【００２９】
次に、ＮＯｘセンサ素子１０の動作の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、所定の制御回路を介してヒータ５０が作動し、第１ポンピングセル１１、酸素濃度検出セル１２、第２ポンピングセル１３を活性化温度まで加熱する。そして、各セル１１〜１３が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１は、第１測定室１６に流入した被測定ガス（排ガス）ＧＭ中の過剰な酸素を内側第１ポンプ電極１１ｃから第１対電極１１ｂへ向かって汲み出す。
このとき、第１測定室１６内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１２の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、この電極間電圧Ｖｓが一定電圧Ｖ１（例えば４２５ｍＶ）になるように第１ポンピングセル１１の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｐ１を制御することにより、第１測定室１６内の酸素濃度をＮＯｘが分解しない程度に調整する。
【００３０】
酸素濃度が調整された被測定ガスＧＮは第２測定室１８に向かってさらに流れる。そして、第２ポンピングセル１３の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｐ２として、被測定ガスＧＮ中のＮＯｘガスが酸素とＮ２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（酸素濃度検出セル１２の制御電圧の値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）を印加することにより、ＮＯｘが窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１８から汲み出されるように、第２ポンピングセル１３に第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れることになる。この際、第２ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２を検出することにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００３１】
図３は、ヒータの形状及び配置状態を示す。なお、図３（ａ）は図２と同一のＮＯｘセンサ素子１０の断面図を示し、図３（ｂ）はヒータ５０の平面図を示し、図３（ａ）、（ｂ）の間の直線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｈｃは、ＮＯｘセンサ素子１０の各構成とヒータ５０との位置関係を対応させるものである。
図３（ｂ）において、ヒータ５０は、リード部５０ａと、長手方向（ＮＯｘセンサ素子１０の長手方向と同じ方向）に延びる直線抵抗部５０ｂ、５０ｂ１と、隣接する２つの直線抵抗部の間を繋ぐ屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２とを連結してなる。
【００３２】
より詳しくは、ヒータ５０は、一方のリード部５０ａから直線抵抗部５０ｂ１を経て先端側屈曲部５０ｃ１に接続し、先端側屈曲部５０ｃ１で長手方向逆向きに屈曲した後、直線抵抗部５０ｂに接続し、後端側屈曲部５０ｃ２で長手方向逆向きに屈曲した後、直線抵抗部５０ｂに接続し、先端側屈曲部５０ｃ１で長手方向逆向きに屈曲した後、直線抵抗部５０ｂ１に接続し、他方のリード部５０ａへ繋がっている。
【００３３】
そして、直線抵抗部５０ｂ１には、リード部５０ａに接続し、該リード部より幅狭の第１抵抗部５０ｂｘを有している。
さらに、長手方向において内側第２ポンプ電極１３ｂが第１抵抗部５０ｂｘ内に位置している。より詳しくは、内側第２ポンプ電極１３ｂの先端及び後端が第１抵抗部５０ｂｘに対して長手方向に重なっている（図３のＡ１、Ａ２に相当）。なお、長手方向における内側第２ポンプ電極１３ｂの中心Ｐについても、長手方向で第１抵抗部５０ｂｘと重なる。
【００３４】
内側第２ポンプ電極１３ｂを第１抵抗部５０ｂｘ内に位置させることにより、内側第２ポンプ電極１３ｂの温度を、第１抵抗部５０ｂｘによって制御することができる。
なお、第２ポンピングセル１３のうち、第２ポンプ対電極１３ｃは第１抵抗部５０ｂｘの外にあるが、ＮＯｘやＨ２Ｏ等の解離場所は内側第２ポンプ電極１３ｂ上であるため、内側第２ポンプ電極１３ｂの温度を制御すればよい。
又、第１抵抗部５０ｂｘをリード部５０ａより幅狭にすると、第１抵抗部５０ｂｘがリード部５０ａより高抵抗になるので、第１抵抗部５０ｂｘが確実に発熱し、内側第２ポンプ電極１３ｂを所定温度に制御できる。
【００３５】
さらに、第１抵抗部５０ｂｘには、主発熱部５０ｋが接続しており、主発熱部５０ｋは直線抵抗部５０ｂ、５０ｂ１、屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２に亘っている。この主発熱部５０ｋは、第１抵抗部５０ｂｘの先端（（図３におけるＢの位置）よりも先方側に配置された第２抵抗部５０ｂｙと、第１抵抗部５０ｂｘの先端よりも後方側に配置された第３抵抗部５０ｉとを有している。このうち、第２抵抗部５０ｂｙは、第１抵抗部５０ｂｘより幅狭に形成されており、長手方向において内側第１ポンプ電極１１ｃと重なっている。より詳しくは、内側第１ポンプ電極１１ｃの先端及び後端が第２抵抗部５０ｂｙに対して長手方向に重なっている（図３のＡ３、Ａ４に相当）。
【００３６】
このように、第２抵抗部５０ｂｙを第１抵抗部５０ｂｘより幅狭にすると、第２抵抗部５０ｂｙが第１抵抗部５０ｂｘより高抵抗になり、第２抵抗部５０ｂｙ側の発熱が強くなるので、第１抵抗部５０ｂｘの温度を第２抵抗部５０ｂｙより低くすることができる。その結果、内側第２ポンプ電極１３ｂを低い温度に制御し、オフセット値の変動を防止することができる。又、第２抵抗部５０ｂｙを高い温度にすることで、第２抵抗部５０ｂｙに対して長手方向に重なる第１ポンピングセル１１が低温になって酸素ポンピング能力が不足しオフセット値が変動することを防止できる。
【００３７】
さらに、内側第２ポンプ電極１３ｂの先端及び後端が、第１抵抗部５０ｂｘに対して長手方向に重なることが好ましい。これにより、内側第２ポンプ電極１３ｂ全体が第１抵抗部５０ｂｘに対して長手方向に重なることとなり、内側第２ポンプ電極１３ｂの温度を、第１抵抗部５０ｂｘによってより確実に制御することができる。
【００３８】
さらに、内側第１ポンプ電極１１ｃの先端及び後端が、第２抵抗部５０ｂｙに対して長手方向に重なることが好ましい。これにより、内側第１ポンプ電極１１ｃ全体が第２抵抗部５０ｂｙに対して長手方向に重なることとなり、第１ポンピングセル１１が低温になって酸素ポンピング能力が不足しオフセット値が変動することをさらに防止できる。
【００３９】
さらに、各屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２は、長手方向に延びる直線抵抗部５０ｂ、５０ｂ１を経て屈曲している。このため、長さの短いヒータ５０の幅方向（図３（ｂ）の５０ｔ）に直線抵抗部が延びる場合に比べ、直線抵抗部５０ｂ、５０ｂ１の長さを比較的長くし、その分、屈曲回数を少なくできるため、屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２が局所的に過熱することが少なく、ヒータ５０の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
ヒータ５０の各部分の抵抗を変える方法としては、上記したようにヒータ５０の線幅を変える他、ヒータ５０の厚みを変更したり、ヒータ５０の材質を変えることが可能である。又、これらを組合わせてもよい。ヒータ５０の材質を変える方法としては、ヒータ５０の材質に電気伝導度の高い（比抵抗の小さい）成分を加え（例えば、ヒータ５０の主成分であるＰｔにＡｕやＡｇを添加する）、低抵抗とすることが挙げられる。又、ヒータ５０の材質に電気伝導度の低い（比抵抗の大きい）成分を加え（例えば、ヒータ５０の主成分であるＰｔにアルミナ、ジルコニア、セリア、イットリア、Rh、Pd、Ir、Ru、Os、Cuのうち１以上を添加する）、高抵抗とすることが挙げられる。
【００４１】
さらに、長手方向において、ヒータ５０の発熱中心Ｈｃが第２抵抗部５０ｂｙ内の直線抵抗部５０ｂ１、５０ｂに位置することが好ましい。
ここで、ヒータ５０の発熱中心Ｈｃとは、ある一定方向から見たとき（この実施形態では、ガスセンサ素子１０（＝ヒータ５０）の長手方向）のヒータ５０の最大温度部分をいい、通常、ヒータ５０の中心部が最も温度が高く、周縁部へ向かって温度が低下する。
このような構成とすると、ヒータ５０の最も高温となる発熱中心Ｈｃに屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２が位置しないため、屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２が局所的に過熱することをさらに抑制し、ヒータ５０の耐久性をさらに向上させることができる。又、発熱中心Ｈｃが直線抵抗部５０ｂ１、５０ｂにあるため、発熱中心Ｈｃから屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２まで伝熱する間にある程度放熱され、屈曲部５０ｃ１、５０ｃ２の過熱が防止される。
【００４２】
さらに、主発熱部５０ｋの第３抵抗部５０ｉは、第２抵抗部５０ｂｙよりも低抵抗で、且つリード部５０ａよりも高抵抗となっている。このような構成とすると、内側第２ポンプ電極１３ｂ内に位置する第３抵抗部５０ｉについても、リード部５０ａより高抵抗にしているため、第３抵抗部５０ｉが確実に発熱し、内側第２ポンプ電極１３ｂを所定温度に制御できる。さらに、第２抵抗部５０ｂｙより低抵抗にしているため、第３抵抗部５０ｉの温度を第２抵抗部５０ｂｙより低くすることができ、内側第２ポンプ電極１３ｂを低い温度に制御し、オフセット値の変動を防止することができる。
【００４３】
なお、後述する実施例に示すように、第２ポンピングセル１３の温度が６５０℃を超えると、水の解離による第２ポンプ電流Ｉｐ２が発生し、オフセット値をさらに変動させることが判明した。このため、第２ポンピングセル１３を構成する内側第２ポンプ電極１３ｂの温度が４００〜６５０℃となるよう、ヒータ５０を制御することが好ましい。なお、第２ポンピングセル１３の温度を４００℃以上とする理由は、これより低温とすると内側第２ポンプ電極１３ｂのＮＯｘ分解能が不足するからである。
同様に、後述する実施例に示すように、第１ポンピングセル１１の温度が８５０℃を超えると、固体電解質層の電子伝導が高くなってオフセット値を低下させることが判明した。このため、第１ポンピングセル１１の温度が７００〜８５０℃となるよう、ヒータ５０を制御することが好ましい。なお、第１ポンピングセル１１の温度を７００℃以上とする理由は、これより低温とすると固体電解質層のイオン伝導性が低くなって酸素のポンピング能が不足するからである。
【００４４】
図４は、図１の部分拡大図であり、ＮＯｘセンサの筐体側（セラミックホルダ１５１）と、ガスセンサ素子１０との位置関係を示す。ここで、ＮＯｘセンサ素子１０の長手方向において、ＮＯｘセンサ素子の固定端１０ｂから内側第２ポンプ電極１３ｂ中心Ｐまでの長さをＬとし、ＮＯｘセンサ素子の厚みをｔとしたとき、Ｌ≧２．４×ｔの関係を満たすことが好ましい。
通常、高熱の被測定ガス（排ガス）は、ＮＯｘセンサ１０の外側（Ｈｅｘ：主体金具１３８の鍔部）から筐体内部のＮＯｘセンサ素子保持部（セラミックホルダ１５１）へ伝熱し、さらにＮＯｘセンサ素子１０へ伝わる。従って、被測定ガスからの伝熱によって第２ポンピングセル１３が高温になるのを抑制するためには、セラミックホルダ１５１から内側第２ポンプ電極１３ｂまでの距離を長くすることが好ましい。
後述する実施例に示すように、Ｌ（内側第２ポンプ電極１３ｂ中央）≧２．４×ｔの関係を満たすと、高温の被測定ガスに曝されても第２ポンピングセル１３の温度上昇を抑制できることが判明した。
【００４５】
以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明は勿論これらの例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４６】
上記実施形態に係るＮＯｘセンサ２００を、常法に従って作製した。ヒータ５０はＰｔを主体とするペーストを塗布後、焼成して形成し、ヒータ５０の線幅を変えることにより、ヒータ５０各部の抵抗を変化させた。
このＮＯｘセンサ２００を用い、ヒータ５０に通電し、第２ポンピングセル１３（内側第２ポンプ電極１３ｂ）の温度が所定温度になるようにヒータ電圧を制御した。ヒータ５０に通電して３０分後、Ｏ２=０％  Ｈ２Ｏ=１０％  Ｎ２＝バランスのガス（ガス温度１２０℃）を総流量１８リットル流したとき、第２ポンプ電流Ｉｐ２の出力を３０秒間取得し、その平均をオフセット値（オフセット電流）とした。
第２ポンピングセル１３の温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を図５に示す。第２ポンピングセル１３の温度が６５０℃を超えると、オフセット電流が生じ始めることがわかった。これは、ガス中の水の解離に起因するものと考えられる。
【実施例２】
【００４７】
ガスの成分をＯ２=０％  Ｈ２Ｏ=０.１％  ＮＯ=１００ｐｐｍ  Ｎ２＝バランスとしたこと以外は、実施例１とまったく同様にして第２ポンプ電流Ｉｐ２の出力を３０秒間取得し、その平均をＮＯｘゲインとした。
第２ポンピングセル１３の温度を種々変化させたときのＮＯｘゲインの変化を図６に示す。第２ポンピングセル１３の温度が４００℃未満の場合、ＮＯｘゲインが低下し、第２ポンピングセル１３のＮＯｘ分解能が低下することがわかった。
実施例１，２より、第２ポンピングセル１３の温度を４００〜６５０℃に制御することが好ましい。
【実施例３】
【００４８】
ガスの成分をＨ２Ｏ=０.１％  Ｏ２=１６％  Ｎ２＝バランスとし、第２ポンピングセル１３の温度を５８０℃で一定とし、第１ポンピングセル１１の温度を変更したこと以外は、実施例１とまったく同様にして第２ポンピング電流Ｉｐ２の出力を３０秒間取得し、その平均をオフセット値とした。
第１ポンピングセル１１の温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を図７に示す。第１ポンピングセル１１の温度が７００℃未満の場合、オフセット電流が増えた。これは、酸素のポンピング能が不足するためである。一方、第１ポンピングセル１１の温度が８５０℃を超えるとオフセット電流が減少した。これは、第１ポンピングセル１１の入側（先端側）での電子伝導の寄与が大きくなり、出側（後端側）での酸素ポンピングが主となるため、第１測定室の酸素濃度勾配が急になったためと考えられる。
実施例３より、第１ポンピングセル１１の温度を７００〜８５０℃に制御することが好ましい。
【実施例４】
【００４９】
ＮＯｘセンサ素子のＬ（ＮＯｘセンサ素子の固定端１０ｂから内側第２ポンプ電極１３ｂ中心Ｐまでの長さ）の長さを種々変え、実施例１と同様にして多数のＮＯｘセンサを作製した。各ＮＯｘセンサについて、Ｈｅｘ（主体金具１３８）の外側を５００℃に保持し、１０ 分経過後、Ｌ（ＮＯｘセンサ素子の固定端１０ｂから内側第２ポンプ電極１３ｂ中心Ｐまでの長さ）の位置の温度を測定した。セラミックホルダ１５１の寸法は、直径１０．４ｍｍ、軸方向の長さ４．６ｍｍ程度であり、ＮＯｘセンサ素子の厚みｔは１．５ｍｍであった。
得られた結果を表８に示す。Ｌ＝３．５ｍｍ以上の場合、第２ポンピングセル１３の温度が６５０℃以下となった。このことより、Ｌ≧２．４×ｔの関係を満たすことが好ましいことが判明した。
【００５０】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、ヒータの平面形状は上記に限定されない。
又、上記実施形態では、ＮＯｘセンサ素子１０を構成する固体電解質層１１ａ、１２ａ、１３ａを３層としたが、固体電解質層を２層としてもよい。固体電解質層が２層であるＮＯｘセンサ素子構造は、例えば特開２００４−３５４４００号公報（図３）に記載されている。
【００５１】
本発明は、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中のＮＯｘガス濃度検出用ガスセンサや、全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯｘ以外のガス（例えばＣＯｘやＨ２Ｏ、ＨＣなど）の濃度を測定するためのガスセンサ素子を有するガスセンサに対して適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサの長手方向に沿う断面図である。
【図２】ＮＯｘセンサ素子の長手方向に沿う断面図である。
【図３】ヒータの形状及び配置状態を示す図である。
【図４】図１の部分拡大図である。
【図５】第２ポンピングセルの温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を示す図である。
【図６】第２ポンピングセルの温度を種々変化させたときのＮＯｘゲインの変化を示す図である。
【図７】第１ポンピングセルの温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を示す図である。
【図８】ＮＯｘセンサ素子のＬ／２の長さを変えたときのＬ／２の位置での温度を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
２００                              ガスセンサ
１０                                ガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）
１１                                第１ポンピングセル
１２                                酸素濃度検出セル
１３                                第２ポンピングセル
１１ａ〜１３ａ                      第１固体電解質層〜第３固体電解質層
１１ｂ                              第１対極電極（外側第１ポンプ電極）
１１ｃ                              内側第１ポンプ電極
１２ｂ                              検知電極
１２ｃ                              基準電極
１３ｂ                              内側第２ポンプ電極
１３ｃ                              対極第２ポンプ電極
１６                                第１測定室
１８                                第２測定室
５０                                ヒータ
５０ａ                              リード部
５０ｂ、５０ｂ１                    直線抵抗部
５０ｂｘ                            第１抵抗部
５０ｂｙ                            第２抵抗部
５０ｉ                              第３抵抗部
５０ｋ                              主発熱部
５０ｃ１、５０ｃ２                  屈曲部
【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】
0004659889.tif 000008
【図８】
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