(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状のコップ型の固体電解質体（１１）と、
該固体電解質体（１１）の内側面（１１ａ）に形成された基準電極（１２）と、
上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）に形成された測定電極（１３）と、
先端（２２ａ）が上記固体電解質体（１１）の内側面（１１ａ）に接するように上記固体電解質体（１１）の内側に配置されるとともに、上記固体電解質体（１１）を加熱する発熱部（２３）を有するヒータ（２０）と、
を備え、
上記基準電極（１２）と上記測定電極（１３）との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するように構成された限界電流式のガスセンサ素子（１０）を有するガスセンサ（１）であって、
上記測定電極（１３）は、軸方向（Ｘ）の長さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであるとともに、上記固体電解質体（１１）の先端（１１ｃ）から軸方向（Ｘ）において０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっていることを特徴とするガスセンサ（１）。
【請求項２】
上記固体電解質体（１１）の外側には少なくとも上記測定電極（１３）を覆う多孔質体からなる拡散抵抗層（３０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
【請求項３】
上記拡散抵抗層（３０）の上記測定電極（１３）上における厚さ（Ｍ１）は、４００μｍ〜７００μｍであることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ（１）。
【請求項４】
上記拡散抵抗層（３０）の上記測定電極（１３）上における厚さ（Ｍ１）は、４５０μｍ〜６００μｍであることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ（１）。
【請求項５】
上記拡散抵抗層（３０）の気孔率は、２．０％〜８．０％であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項６】
上記拡散抵抗層（３０）の気孔率は、４．５％〜５．５％であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項７】
上記拡散抵抗層（３０）は上記測定電極（１３）の外側面と、上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）とに跨るように形成されているとともに、上記拡散抵抗層（３０）の上記測定電極（１３）上における厚さをＭ１とし、上記拡散抵抗層（３０）の上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）上における厚さをＭ２としたとき、Ｍ２／Ｍ１の値が１．３５以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項８】
上記拡散抵抗層（３０）は上記測定電極（１３）の外側面と、上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）とに跨るように形成されているとともに、上記拡散抵抗層（３０）の上記測定電極（１３）上における厚さをＭ１とし、上記拡散抵抗層（３０）の上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）上における厚さをＭ２としたとき、Ｍ２／Ｍ１の値が１．２５以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項９】
上記拡散抵抗層（３０）の外側面（３０ａ）には、上記拡散抵抗層（３０）よりも気孔率が高い多孔質の保護層（４０）が形成されていることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項１０】
上記保護層（４０）の少なくとも一部は、白金を含んでいることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサ（１）。
【請求項１１】
上記測定電極（１３）は、上記固体電解質体（１１）の外側面（１１ｂ）における上記発熱部（２３）に対向している領域内に収まっていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項１２】
上記ヒータ（２０）における上記固体電解質体（１１）の内側面（１１ａ）と接触する先端（２２ａ）は、軸方向（Ｘ）において上記固体電解質体（１１）の先端（１１ｃ）から１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に位置していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【請求項１３】
上記発熱部（２３）の長さ（Ｌ１）は軸方向（Ｘ）において３．０ｍｍ〜７．０ｍｍであるとともに、上記発熱部（２３）は軸方向（Ｘ）において上記ヒータ（２０）の先端（２２ａ）から０．２５ｍｍ〜９．０ｍｍの範囲内に収まっていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関などから排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出して、空燃比（Ａ／Ｆ）の制御に利用するためのガスセンサがある。例えば、特許文献１には、いわゆるコップ型の固体電解質体と、固体電解質体の内側面に設けられた基準電極と、ガスセンサ素子の外側面に設けられた測定電極とを、固体電解質体の内側に配設されたヒータと、を有するガスセンサ素子を内蔵するガスセンサが開示されている。このガスセンサは、固体電解質体がヒータにより加熱されて活性化された状態で使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７１４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、内燃機関において、触媒貴金属の使用量の削減と排ガスの浄化効率向上が更に求められている。特に触媒による浄化能力が高いストイキに制御することが求められている。そして、排気ガスの浄化効率を高めるには、内燃機関の始動直後からストイキでの微量のガス雰囲気下(ppmオーダー)も含め、高精度にＡ／Ｆを検出することが必要となる。しかしながら、上述の如く、ガスセンサは、ガスセンサ素子の固体電解質体が加熱により活性化された状態で使用する必要があるため、内燃機関の始動直後においてガスセンサ素子が十分に加熱されていないと、始動直後のＡ／Ｆを高精度に検出することが困難となる。また、ガスセンサ素子の検知部（すなわち、測定電極や基準電極）内に温度のばらつきがあると検出性能にもばらつきが生じて、Ａ／Ｆを正確に検出できない。特にストイキでの微量のガス雰囲気下ではガス吸着反応性のばらつきによって、ストイキが検出できない。そのため、従来は、ヒータの輻射熱を利用してガスセンサ素子を加熱することにより検知部の均熱性を確保して、検出性能（ガス吸着反応性）のばらつきを抑制している。しかしながら、輻射熱を利用しているため、速熱性に劣り、ガスセンサ素子の活性温度に昇温するのに時間が要することから、かかる観点からも始動直後のＡ／Ｆを高精度に検出すること、及びストイキを高精度に検出することは困難である。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、速熱性に優れ、Ａ／Ｆを高精度に検出することができ、特にストイキを高精度に検出できるガスセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、有底筒状のコップ型の固体電解質体と、
該固体電解質体の内側面に形成された基準電極と、
上記固体電解質体の外側面に形成された測定電極と、
先端が上記固体電解質体の内側面に接するように上記固体電解質体の内側に配置されるとともに、上記固体電解質体を加熱する発熱部を有するヒータと、
を備え、
上記基準電極と上記測定電極との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するように構成された限界電流式のガスセンサ素子を有するガスセンサであって、
上記測定電極は、軸方向の長さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであるとともに、上記固体電解質体の先端から軸方向において０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっているガスセンサにある。
【発明の効果】
【０００７】
上記ガスセンサにおいては、ヒータは固体電解質体の内側面に接しているためヒータから固体電解質体への熱伝導が促され、固体電解質体の速熱性が向上する。さらに、測定電極は、軸方向における長さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであるとともに、固体電解質体の先端から０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっている。すなわち、測定電極は軸方向における長さが十分に短く形成されており、固体電解質体の先端から所定の範囲内に設けられている。これにより、測定電極内の温度のばらつきを抑制でき、測定電極内における検出性能のばらつきが抑制される。特にストイキでの微量のガス雰囲気下ではガス吸着反応性のばらつきが低減され、ストイキ検出性能のばらつきが抑制される。これらの結果、ストイキでの微量のガス雰囲気下(ppmオーダー)も含め、始動直後のＡ／Ｆを高精度に検出することができる。また、微量のガス雰囲気となる車両の触媒下流に搭載(リア搭載)することによって、常にＡ／Ｆを高精度に検出でき、ストイキ制御に適用できる。
【０００８】
以上のごとく、本発明によれば、速熱性に優れ、Ａ／Ｆを高精度に検出することができ、特にストイキを高精度に検出できるガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における、ガスセンサ素子を備えるガスセンサの断面図。
【図２】実施例１における、ガスセンサ素子の断面一部拡大図。
【図３】実施例１における、発熱部の形成位置と素子温度の関係を示す図。
【図４】実施例１における、発熱部の長さと素子温度の関係を示す図。
【図５】実施例１における、発熱部の形成位置とセンサ出力の関係を示す図。
【図６】実施例１における、発熱部の形成位置とセンサ出力の関係を示す図。
【図７】実施例１における、拡散抵抗層の厚さと消費電力の関係を示す図。
【図８】実施例１における、拡散抵抗層の厚さとセンサ出力の関係を示す図。
【図９】実施例１における、拡散抵抗層の気孔率とセンサ出力の関係を示す図。
【図１０】実施例２における、ガスセンサ素子の断面一部拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のガスセンサは、自動車等に備えられる内燃機関の排ガス等における特定ガス濃度の検出機構に使用することができる。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
実施例に係るガスセンサにつき、図１〜図９を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０を有する。ガスセンサ素子１０は、図１に示すように、有底筒状のコップ型の固体電解質体１１と、固体電解質体１１の内側面１１ａに形成された基準電極１２と、固体電解質体１１の外側面１１ｂに形成された測定電極１３と、先端２２ａが固体電解質体１１の内側面１１ａに接するように固体電解質体１１の内側に配置されるとともに、固体電解質体１１を加熱する発熱部２３を有するヒータ２０と、を備える。
【００１２】
そして、ガスセンサ素子１０は、基準電極１２と測定電極１３との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するように構成された限界電流式のガスセンサ素子である。図２に示すように、測定電極１３は、軸方向Ｘにおける長さＬ２が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであり、固体電解質体１１の先端（固体電解質体１１の外側面１１ｂの先端）１１ｃから軸方向Ｘにおいて０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっている。
【００１３】
図１に示すごとく、本例において、「先端側」とは、ガスセンサ１の軸方向Ｘの一方側であり、ガスセンサ１が被測定ガスに晒される側をいう。また、「基端側」とは、その反対側をいう。
【００１４】
以下、本例のガスセンサ１について、詳述する。
固体電解質体１１はジルコニアを主成分とするセラミックスからなる。固体電解質体１１は有底筒状のコップ型を成している。固体電解質体１１の軸方向（長手方向）をＸとする。軸方向Ｘにおいて、固体電解質体１１の開口側端部（すなわち、図１における紙面上方端部）を基端１１ｄとし、基端１１ｄの反対側を先端１１ｃとする。図２に示すように、先端１１ｃは半球面状に湾曲している。
【００１５】
固体電解質体１１の内側には、ヒータ２０が設けられている。ヒータ２０は棒状のセラミックスの心棒２１と、心棒２１の周面に巻き付けられたシート状の発熱部材２２とを備える。発熱部材２２の先端隅部２２ａは固体電解質体１１の先端１１ｃにおける湾曲した内側面１１ａ（基準電極１２）に接している。先端隅部２２ａは、軸方向Ｘにおいて先端１１ｃから１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に位置している。
【００１６】
発熱部材２２は、図２に示すように、先端１１ｃ側に発熱部材２２への通電によって発熱する発熱部２３を有している。軸方向Ｘにおける発熱部２３の長さＬ１は、３．０ｍｍ〜７．０ｍｍとすることができる。発熱部２３は軸方向Ｘにおいて、ヒータ２０の先端２２ａから０．２５ｍｍ〜９．０ｍｍの範囲に収まっている。これにより、図２に示すように、発熱部２３はヒータ２０の先端２２ａに近い位置に位置するとともに、発熱部２３の少なくとも一部（本例では全部）が測定電極１３に対向することとなる。
【００１７】
固体電解質体１１の内周面１１ａの内、ヒータ２０の発熱部２３と対向する部分の一部には基準電極１２が形成されている。基準電極１２は、固体電解質体１１の内周面１１ａの周方向において全周に亘って形成されている。固体電解質体１１の外周面１１ｂの略全域には測定電極１３が形成されている。図１に示すように、基準電極１２及び測定電極１３はそれぞれ、基端１１ｄ側に引き出されたリード線１２１、１３１に接続されている。
【００１８】
図２に示すように、測定電極１３の軸方向Ｘにおける長さＬ２は０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである。長さＬ２が０．５ｍｍよりも短い場合には、センサ出力が小さくなり検出精度が十分に得られないおそれがある。一方、長さＬ２が３．０ｍｍよりも長い場合には、測定電極１３における温度のばらつきが生じやすくなるため、検出精度が低下するおそれがある。
【００１９】
図２に示すように、測定電極１３は、固体電解質体１１の先端１１ｃから０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっている。そして、本例では、測定電極１３は固体電解質体１１の外側面１１ｂにおける発熱部２３に対向している領域内（図２において矢印Ｌ１で示す領域）に収まっている。
【００２０】
図２に示すように、固体電解質体１１の外側には少なくとも測定電極１３を覆う多孔質体からなる拡散抵抗層３０が設けられている。本例では、拡散抵抗層３０は固体電解質体１１の外側の全域を覆っている。拡散抵抗層３０は固体電解質体１１の外側にセラッミクコーティングを施すことによって形成されている。拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１は、４００μｍ〜７００μｍとすることができ、中でも４５０μｍ〜６００μｍであることが好ましい。
【００２１】
拡散抵抗層３０の気孔率は、２．０％〜８．０％とすることができ、４．５％〜５．５％であることが好ましい。なお、本例では、拡散抵抗層３０の気孔率は、アルキメデス法により測定することができる。
【００２２】
図２に示すように、拡散抵抗層３０は測定電極１３の外側面１３ｂと、固体電解質体１１の外側面１１ｂとに跨るように形成されている。そして、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１と、測定電極１３上を除く固体電解質体１１の外側面１１ｂ上における拡散抵抗層３０の厚さＭ２とは、Ｍ２／Ｍ１≦１．３５の関係を満たしており、Ｍ２／Ｍ１≦１．２５の関係を満たすことが好ましい。なお、図２に示すように、本明細書では、「拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１」とは、測定電極１３の外側面から拡散抵抗層３０の外側面３０ａまでの距離をいうものとする。また、「測定電極１３上を除く固体電解質体１１の外側面１１ｂ上における拡散抵抗層３０の厚さＭ２」とは、固体電解質体１１の外側面１１ｂのうち測定電極１３が形成されていない領域における測定電極１３の外側面に相当する位置から拡散抵抗層３０の外側面３０ａまでの距離をいうものとする。本例では、Ｍ１＜Ｍ２となっており、拡散抵抗層３０の外側面３０ｂにおいて測定電極１３に対向する部分には凹部３１が形成されている。
【００２３】
図２に示すように、拡散抵抗層３０の外側面３０ｂには、拡散抵抗層３０よりも気孔率が高い多孔質の保護層４０が形成されている。保護層４０は、被測定ガス（排ガス）中の被毒成分をトラップするために設けられている。保護層４０はアルミナからなるセラミックスであり、白金が担持されている。本例では、保護層４０は拡散抵抗層３０の外側面３０ｂの全体を覆うように設けられている。保護層４０の厚さＮは、所望の厚さに設定することができる。保護層４０の気孔率は５０％〜９０％とすることができる。なお、本例では、保護層４０の気孔率はアルキメデス法により測定することができる。
【００２４】
（温度ばらつき評価）
ヒータ２０と固体電解質体１１との接触位置（先端隅部２２ａ）と固体電解質体１１の外側面１１ｂの温度のばらつきの関係を検証した。具体的には、ヒータ２０の発熱部２３の長さＬ１を３ｍｍとして、狙い温度を７００℃とした。そして、ヒータ２０の接触位置（先端隅部２２ａ）と先端１１ｃとの距離Ｐを１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲において０．５ｍｍ間隔で変更して、それぞれの場合の外側面１１ｂの温度を先端１１ｃから８．０ｍｍまでの範囲で測定した。電極に対する吸脱着反応のガス種による差が小さくなる６００℃を基準温度Ｔ０とし、狙い温度に対する外側面１１ｂの温度（素子温度）のばらつきを評価した。
【００２５】
図３に示すように、Ｐが１．０ｍｍである場合には、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が６．９ｍｍ未満の範囲では、素子温度が基準温度Ｔ０（６００℃）以上となっていた。一方、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が６．９ｍｍ〜８．０ｍｍの範囲では、素子温度が基準温度Ｔ０よりも低くなっていた。
Ｐが１．５ｍｍである場合には、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が７．５ｍｍ以下の範囲では、素子温度が基準温度Ｔ０以上となっていた。一方、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が７．５ｍｍより大きく８．０ｍｍ以下の範囲では、素子温度が基準温度Ｔ０よりも低くなっていた。
Ｐが２．０ｍｍである場合には、測定範囲全域である固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が８．０ｍｍ以下の範囲において、素子温度が基準温度Ｔ０よりも高くなっていた。
Ｐが２．５ｍｍである場合には、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が０．２４ｍｍ未満の範囲では素子温度が基準温度Ｔ０よりも低くなっていた。一方、固体電解質体１１の先端１１ｃからの距離が０．２４〜８．０ｍｍの範囲では、素子温度が基準温度Ｔ０よりも高くなっていた。
すなわち、かかる条件下において、先端１１ｃからの距離が７．５ｍｍ以下の範囲では、Ｐが１．５ｍｍ〜２．０ｍｍであれば、温度のばらつきが少ないことが示された。
【００２６】
次に、ヒータ２０の発熱部２３の長さＬ１と、固体電解質体１１の外側面１１ｂの温度のばらつきとの関係を検証した。具体的には、図２に示すように、ヒータ２０の接触位置（先端隅部２２ａ）と先端１１ｃとの距離Ｐを１．５ｍｍとし、発熱部２３の軸方向Ｘの長さＬ１を変更して、それぞれの場合の外側面１１ｂの温度を測定した。そして、上記基準温度Ｔ０を基準に評価した。
【００２７】
図４に示すように、先端１１ｃから７．５ｍｍまでの範囲内では、Ｌ１がいずれの場合でも、上記先端部分及び上記基端部分の両方で基準温度Ｔ０以上となっていた。さらに、Ｌ１が５．０ｍｍ及び７．０ｍｍである場合には両者間に温度ばらつきに変化はなかった。すなわち、かかる条件下では、Ｌ１≧３．０ｍｍにおいて、温度のばらつきが少ないことが示された。また、先端１１ｃから７．５ｍｍまでの範囲内では、Ｌ１が７．０ｍｍ以上になると温度ばらつきに変化は少ないが、発熱部２３が過剰に長くなるとヒータ２０の消費電力が無駄に増すこととなるため、Ｌ１は３．０ｍｍ〜７．０ｍｍであることが好ましい。
【００２８】
（センサ出力評価）
ガスセンサ１におけるセンサ出力と測定電極１３の長さＬ２及び形成位置との関係を評価した。具体的には、図５に示すように、まず、測定電極１３の長さＬ１が０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ及び４．０ｍｍであるものを用意した。各測定電極１３の先端部（測定電極先端）１３ａ及び基端部（測定電極基端）１３ｂについて、先端１１ｃからの距離を変更して、センサ出力値ＩＬ１を測定した。そして、ガスセンサ素子１０の狙い出力値ＩＬ０として、各ＩＬ１のＩＬ０に対するズレ割合（ＩＬ１／ＩＬ０）をセンサ出力精度として算出した。十分なＡ／Ｆ検出精度を得るには、センサ出力精度は０．８以上であることを要する。図５及び図６に示すように、測定電極１３の長さＬ２が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであって、測定電極１３の形成位置が先端１１ｃから０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲であれば、センサ出力精度が０．８以上となることが示された。さらに、測定電極１３の形成位置が先端１１ｃから１．７５ｍｍ〜７．０ｍｍの範囲であれば、センサ出力精度は実質的に変化がなく、安定していることが示された。そして、測定電極１３の温度が６００℃未満になると、測定電極１３に対する吸脱着反応のガス種による差が大きくなり、検出精度が低下するため、検出精度をより高めるには測定電極１３の温度は６００℃以上とすることが好ましい。
【００２９】
（拡散抵抗層の厚さ評価）
ガスセンサ１において、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を３００μｍ〜８００μｍの間で変更したときの消費電力を、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を３００μｍとしたときの消費電力と比較した。具体的には、走行モードＬＡ＃４における消費電力について、上記Ｍ１が３００μｍであるときの消費電力を１として、本例のガスセンサ１における消費電力比を算出した。上記消費電力比が１．４を超えると燃費への影響が懸念されるため、上記消費電力比は１．４以下であることを要する。また、消費電力の増加を抑制するには、上記消費電力比は１．２以下であることを要する。図７に示すように、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１が７００μｍ以下であれば、消費電力比が１．４以下となることが示された。また、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１が６００μｍ以下であれば、消費電力比が１．２以下となることが示された。
【００３０】
さらに、ガスセンサ１において、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を３００μｍ〜８００μｍの間で変更したときの耐被水性を、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を３００μｍとしたときの耐被水性と比較した。具体的には、素子先端から３ｍｍ部の素子温度を７００℃にし、先端１１ｃから基端１１ｄ側へ３ｍｍの位置に水滴を落とし、ガスセンサ素子１０に割れが生じるまで滴下する水滴量を増やしていき、当該割れが生じる滴下水滴量を耐被水性とした。上記Ｍ１を３００μｍとしたときの耐被水性を１として、Ｍ１を３００μｍ〜８００μｍの間で変更したときの耐被水性を算出した。リア環境での使用に耐えうるには、当該耐被水性は１．６以上であることを要する。さらに、リア環境での使用において十分な信頼性を得るには、当該耐被水性は１．８以上であることを要する。図７に示すように、拡散抵抗層３０の厚さＭ１が４００μｍ以上であれば、当該耐被水性が１．６以上となることが示された。また、拡散抵抗層３０の厚さＭ１が４５０μｍ以上であれば、当該耐被水性が１．８以上となることが示された。
【００３１】
以上の消費電力比及び耐被水性の評価から、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１は図７において矢印Ｔで示す範囲、すなわち、４００μｍ〜７００μｍであることを要することが確認された。さらに、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１は図７において矢印Ｕで示す範囲、すなわち、４５０μｍ〜６００μｍであることが好ましいことが示された。
【００３２】
（拡散抵抗層の厚さの評価）
拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１と測定電極１３上を除く固体電解質体３０上における厚さＭ２と、センサ出力精度の関係を評価した。具体的には、Ｍ１とＭ２とが同じとき、すなわち、Ｍ２／Ｍ１＝１となるときのセンサ出力値ＩＬｍを１として、Ｍ２／Ｍ１の値を変更してセンサ出力値ＩＬを検出してセンサ出力精度（ＩＬ／ＩＬｍ）を算出した。図８に示すように、充分なＡ／Ｆ検出精度を得るには、当該センサ出力精度（ＩＬ／ＩＬｍ）は０．８以上であることを要する。また、更に高いＡ／Ｆ検出精度を得るには、当該センサ出力精度（ＩＬ／ＩＬｍ）は０．９以上であることを要する。図８に示すように、Ｍ２／Ｍ１≦１．３５であれば、該センサ出力精度（ＩＬ／ＩＬｍ）は０．８以上となることが示された。また、Ｍ２／Ｍ１≦１．２５であれば、該センサ出力精度（ＩＬ／ＩＬｍ）は０．９以上となることが示された。
【００３３】
以上から、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１と測定電極１３上を除く固体電解質体３０上における厚さＭ２とは、Ｍ２／Ｍ１≦１．３５であることを要し、Ｍ２／Ｍ１≦１．２５であることが好ましいことが確認された。
【００３４】
（拡散抵抗層の気孔率の評価）
次に、拡散抵抗層３０の気孔率とセンサ出力精度について評価した。拡散抵抗層３０の気孔率を１．０％〜１４．０％の範囲で変化させてセンサ出力値ＩＬを検出し、従来品である気孔率５．０％の保護層を有するＯ２センサのセンサ出力ＩＬ０を基準として、センサ出力精度（ＩＬ／ＩＬ０）を算出した。充分なＡ／Ｆ検出精度を得るためには、上記センサ出力精度は０．８以上であることを要する。図９に示すように、拡散抵抗層３０の気孔率が２．０％〜８．０％であれば、上記センサ出力精度は０．８以上となることが示された。よって、拡散抵抗層３０の気孔率が２．０％〜８．０％であることを要することが確認された。
【００３５】
次に、本例のガスセンサ１における作用効果について、詳述する。
本例のガスセンサ素子１０においては、ヒータ２０は固体電解質体１１の内側面１１ａに接しているためヒータ２０から固体電解質体１１への熱伝導が促され、固体電解質体１１の速熱性が向上する。さらに、測定電極１３は、軸方向Ｘにおける長さＬ１が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであるとともに、固体電解質体１１の先端１１ｃから０．５ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲に収まっている。すなわち、測定電極１３は軸方向Ｘにおける長さＬ１が十分に短く形成されており、固体電解質体１１の先端１１ｃから所定の範囲内に設けられている。これにより、測定電極１３内の温度のばらつきを抑制でき、測定電極１３内における検出性能のばらつきが抑制される。特にストイキでの微量のガス雰囲気下ではガス吸着反応性ばらつきが低減され、ストイキ検出性能ばらつきが抑制される。これらの結果、ストイキでの微量のガス雰囲気下(ppmオーダー)も含め、始動直後のＡ／Ｆを高精度に検出することができる。また、微量のガス雰囲気となる車両の触媒下流に搭載(リア搭載)することによって、常にＡ／Ｆを高精度に検出でき、ストイキ制御に適用できる。
【００３６】
また、拡散抵抗層３０は多孔質であって、測定電極１３上に形成されているため、測定電極１３でのガス反応量を制御できる。これにより、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができる。
【００３７】
また、本例のガスセンサ１では、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を４００μｍ〜７００μｍとしている。これにより、Ａ／Ｆの検出精度向上と消費電力低減及び固体電解質体１１の活性時間の短縮化の両立を図ることができる。さらに、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１を４５０μｍ〜６００μｍとすることにより、より効果的にＡ／Ｆの検出精度向上と消費電力低減および活性時間の短縮化を両立できる。
【００３８】
また本例では、拡散抵抗層３０の気孔率を２．０％〜８．０％としている。これにより、温度変化がＡ／Ｆ検出精度に与える影響(すなわち、温度特性)を低減することができる。その結果、Ａ／Ｆの検出精度を向上できる。さらに、拡散抵抗層３０の気孔率を４．５％〜５．５％とすることにより、より温度特性を低減することができ、Ａ／Ｆの検出精度を一層向上できる。
【００３９】
また、本例では、拡散抵抗層３０は測定電極１３の外側面１３ｂと、固体電解質体１１の外側面１１ｂとに跨るように形成されている。そして、拡散抵抗層３０の測定電極１３上における厚さＭ１と固体電解質体３０上における厚さＭ２とがＭ２／Ｍ１≦１．３５の関係を満たす。これにより、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができるとともに、センサ素子１１内における熱応力の低減を図ることができる。さらに、本例では、Ｍ２／Ｍ１≦１．２５とすることにより、Ａ／Ｆの検出精度の向上と上記熱応力の低減との両立が一層図られる。
【００４０】
また、本例では、拡散抵抗層３０の外側面３０ａには、拡散抵抗層３０よりも気孔率の高い多孔質からなる保護層４０が形成されている。これにより、被毒物によるセンサ特性低下を防止することができる。その結果、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができる。
【００４１】
また、本例では、保護層４０は白金を含んでいる。これにより、白金が触媒として水素ガスの燃焼を促進して、水素ガスが測定電極１３に到達することを抑制することができる。その結果、水素ガスが排ガス中の他の成分よりも先行して測定電極１３に到達してセンサ出力がリッチ側にシフトすることを抑制することができる。その結果、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができる。
【００４２】
本例では、測定電極１３は、固体電解質体１１の外側面１１ｂにおける発熱部２３に対向している領域内（図２において矢印Ｌ１で示す領域）に収まっている。これにより、ヒータ２０の熱は、先端隅部２２ａから固体電解質体１１を介して測定電極１３に伝熱されるとともに、輻射によっても測定電極１３に到達しやすくなるため、ヒータ２０の熱が測定電極１３全体に均一に到達しやすくなる。これにより、測定電極１３の温度ばらつきをより小さくすることが出来る。その結果、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができる。
【００４３】
本例では、ヒータ２０における固体電解質体１１の内側面１１ａと接触する先端隅部２２ａは、軸方向Ｘにおいて固体電解質体１１の先端１１ｃから１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に位置している。これにより、ヒータ２０の熱は、先端隅部２２ａから固体電解質体１１を介して測定電極１３に伝熱しやすくなるため、測定電極１３の温度ばらつきをより小さくすることが出来る。その結果、Ａ／Ｆの検出精度の向上を図ることができる。
【００４４】
また、本例では、ヒータ２０の発熱部２３の長さＬ１が３．０ｍｍ〜７．０ｍｍであり、発熱部２３は軸方向Ｘにおいてはヒータ２０の先端２２ａから０．２５ｍｍ〜９．０ｍｍ内に収まっている。これにより、発熱部２３が、固体電解質体１１とヒータ２０との接触位置である先端２２ａに近い側に配置されるとともに、発熱部２３の少なくとも一部（本例では全部）が測定電極１３に対向することとなる。そのため、発熱部２３から生じた熱をヒータ２０の先端２２ａを介して測定電極１３へ効率的に伝播することができることから、測定電極１３の温度ばらつきをさらに小さくすることができる。その結果、Ａ／Ｆの検出精度のさらなる向上を図ることができる。
【００４５】
以上のごとく、本例によれば、速熱性に優れ、Ａ／Ｆを高精度に検出することができるガスセンサ素子１０を提供することができる。
【００４６】
（実施例２）
本例のガスセンサ１は、図１０に示すように、実施例１の凹部３１（図２参照）が形成されておらず、Ｍ２／Ｍ１＝１となるように拡散抵抗層３０が形成されている。すなわち、拡散抵抗層３０の外側面３０ｂ及び保護層４０の外側面において、測定電極１３に対向する部分とそれ以外の部分とがそれぞれ面一となっている。なお、実施例１と同等の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本例においても、Ｍ２／Ｍ１≦１．３５を満たすため、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００４７】
１  ガスセンサ
１０  ガスセンサ素子
１１  固体電解質体
１２  基準電極
１３  測定電極
２０  ヒータ
２２  発熱部材
２３  発熱部
３０  拡散抵抗層
４０  保護層
【図１】
0006350326.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006350326.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006350326.tif 000008
【図８】
0006350326.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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