(57)【要約】【課題】  積層構造のガスセンサ素子における、クラックの発生を効果的に抑制乃至は阻止し得る素子構造を提供すること。【解決手段】  緩衝空所８並びに第一及び第二の空所１０，１２を、スペーサ層（４ｂ）の厚さに対応する高さにおいて、素子長手方向に所定幅で延びるように形成すると共に、前記緩衝空所８をガス導入口１６から区画する第一の隔壁１８を、第一の固体電解質層（４ａ）に対して一体的に固設せしめ、更に第一の拡散律速通路２０を、該第一の隔壁１８と第二の固体電解質層（４ｃ）との間に、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成せしめた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、第一の固体電解質層と第二の固体電解質層とを、固体電解質よりなる所定厚さのスペーサ層を介して積層、一体化せしめてなる積層構造を有する長手の素子形状を呈し、それら第一及び第二の固体電解質層の間に位置する内部空所として、素子先端側から素子基部側に向って、緩衝空所と第一の空所と第二の空所とがそれぞれ独立して配設されていると共に、素子先端に形成されたガス導入口から、スリット形状の第一の拡散律速通路を通じて、外部の被測定ガスが前記緩衝空所内に導入され、そして該緩衝空所内の雰囲気が第二の拡散律速通路を通じて前記第一の空所内に導かれ、更に該第一の空所内の雰囲気が第三の拡散律速通路を通じて前記第二の空所内に導かれるようにした構成のガスセンサ素子において、
前記緩衝空所並びに前記第一及び第二の空所を、前記スペーサ層の厚さに対応する高さにおいて、素子長手方向に所定幅で延びるように形成すると共に、前記緩衝空所を前記ガス導入口から区画する第一の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめ、更に前記第一の拡散律速通路を、該第一の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成したことを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】
素子先端における前記第一及び第二の固体電解質層の間に、前記スペーサ層の存在しない、外方に開口する目詰まり防止空所が形成され、該目詰まり防止空所の開口部が前記ガス導入口を構成している一方、該目詰まり防止空所と前記緩衝空所との間の隔壁が、前記第一の隔壁を構成している請求項１記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記緩衝空所と前記第一の空所とを区画する第二の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめる一方、前記第二の拡散律速通路を、該第二の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成した請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
前記第一の空所と前記第二の空所とを区画する第三の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめる一方、前記第三の拡散律速通路を、該第三の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成した請求項１乃至請求項３の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項５】
前記第二の固体電解質層の、前記内部空所の配設側とは反対側に、少なくとも１層のセラミックス層が積層、一体化せしめられており、それら第二の固体電解質層の厚さと少なくとも１層のセラミックス層の厚さとの合計厚さが、前記第二の固体電解質層の厚さよりも大とされている請求項１乃至請求項４の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項６】
前記第二の固体電解質層の、前記内部空所の配設側とは反対側に、電気的な加熱を行なうヒータ層が積層、一体化せしめられており、該ヒータ層による加熱によって、少なくとも、前記第一の空所及び前記第二の空所を区画する第一、第二の固体電解質層部分及びスペーサ層部分が、所定の温度に加熱され得るようになっている請求項１乃至請求項５の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項７】
前記第一の空所を区画する前記第一の固体電解質層部分の内外に形成された第一の内側ポンプ電極と第一の外側ポンプ電極を有し、且つ、前記緩衝空所から導入された雰囲気中に含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段を有している請求項１乃至請求項６の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項８】
前記第二の空所の内外に形成された第二の内側ポンプ電極と第二の外側ポンプ電極とを有し、且つ、前記第一の空所から導入された雰囲気中に含まれる所定ガス成分の還元乃至は分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段を有している請求項１乃至請求項７の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項９】
前記第二の空所の内外に形成された内側測定電極と外側測定電極とを有し、且つ、前記第一の空所から導入された雰囲気中に含まれる所定ガス成分の還元乃至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発生する酸素分圧検出手段を有している請求項１乃至請求項７の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項１０】
前記第二の空所の内外に形成された一対の補助ポンプ電極を有し、かつ、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる酸素を、前記一対の補助ポンプ電極間に印加される補助ポンプ電極に基づいてポンピング処理する補助ポンプ手段が設けられている請求項８又は請求項９の何れかに記載のガスセンサ素子。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０の何れかに記載のガスセンサ素子を用いて、外部の被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定するように構成してなる窒素酸化物センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子に係り、特に、例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ2、ＳＯ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、ＣｎＨｍ等の可燃性ガスを測定するガスセンサに好適に用いられる、ガスセンサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定ガス中の、上述の如き所定のガス成分の濃度を知るために、各種の測定方法や装置が提案されてきており、例えば、特開平８−２７１４７６号公報（特許文献１）においては、被測定ガス中の結合酸素を有する被測定ガス成分を還元乃至は分解せしめ、その際に発生する酸素量を測定することにより、被測定ガス中の被測定ガス成分量を求めるようにした測定装置が、明らかにされている。具体的には、そこでは、被測定ガス成分中の所定のガス成分濃度を知るために、第一の拡散律速通路を通じて、被測定ガスが導かれる第一の内部空所と、その雰囲気が第二の拡散律速通路を通じて導かれる第二の内部空所と、第一の内部空所内の酸素分圧を制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、第二の内部空所内の酸素を汲み出す第二の酸素ポンプ手段と、第二の酸素ポンプ手段の作動により流れるポンプ電流を検出する電流検出手段とを設けたガスセンサ素子が用いられ、かかる電流検出手段により検出されるポンプ電流値から、被測定ガス成分量が求められるようになっている。
【０００３】
また、そのような特許文献１においては、所定厚さの固体電解質層の複数を積層、一体化せしめてなる積層構造のセンサ素子が明らかにされており、更にそこでは、第一及び第二の拡散律速通路や、第一及び第二の内部空所が、二つの固体電解質層にて挟まれた形態において一列に配置され、そして、素子先端に形成されたガス導入口から外部の被測定ガスが、所定の拡散抵抗の下に、それら第一及び第二の内部空所内に、順次、導き入れられるようにした構造が明らかにされている。
【０００４】
また、特開平１１−２３７３６２号公報（特許文献２）や、特開２０００−２８５７６号公報（特許文献３）においては、上記の特許文献１と同様な基本的構造を採用しつつ、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の向上を図るようにしたガスセンサの構造が、提案されている。そこでは、少なくとも、第一の固体電解質層と第二の固体電解質層とを、固体電解質よりなる所定厚さのスペーサ層を介して積層、一体化せしめてなる積層構造を有する長手の素子形状を呈し、それら第一及び第二の固体電解質層の間に位置する内部空所として、素子先端側から素子基部側に向って、緩衝空所と第一の空所と第二の空所とがそれぞれ独立して配設されていると共に、素子先端に形成されたガス導入口から、第一の拡散律速通路を通じて、外部の被測定ガスが、前記緩衝空所内に導入され、そして、該緩衝空所内の雰囲気が、第二の拡散律速通路を通じて前記第一の空所内に導かれ、更に、該第一の空所内の雰囲気が、第三の拡散律速通路を通じて前記第二の空所内に導かれるようにした構造において、ガスセンサ素子が構成されているのである。
【０００５】
しかしながら、それら従来から提案されている積層構造のガスセンサ素子にあっては、それが、排気ガス等の被測定ガスの測定に供されたとき、排気ガスの如き被測定ガスの温度変化やガス流速の変化によって、また、加熱と冷却の作用を繰り返し受けることによって、更には、素子に内蔵されたヒータによる自己加熱の昇温による熱ストレス等の作用によって、内部空所を画成する素子外側（被測定ガスに晒される側）の固体電解質層に、素子先端部から素子長手方向に延びる縦クラックが入ったり、或いは、素子の幅方向に延びる横クラックが生じることがあった。そして、そのようなクラックが入ると、被測定ガスの測定に悪影響をもたらし、測定値に誤差を生じさせ、また、リードの断線やヒータの断線等の回路欠陥を生じさせる恐れもあった。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２７１４７６号公報
【特許文献２】特開平１１−２３７３６２号公報
【特許文献３】特開２０００−２８５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、積層構造のガスセンサ素子における、前記したクラックの発生を効果的に抑制乃至は阻止し得る素子構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、本発明にあっては、かくの如き課題を解決するために、少なくとも、第一の固体電解質層と第二の固体電解質層とを、固体電解質よりなる所定厚さのスペーサ層を介して積層、一体化せしめてなる積層構造を有する長手の素子形状を呈し、それら第一及び第二の固体電解質層の間に位置する内部空所として、素子先端側から素子基部側に向って、緩衝空所と第一の空所と第二の空所とがそれぞれ独立して配設されていると共に、素子先端に形成されたガス導入口から、スリット形状の第一の拡散律速通路を通じて、外部の被測定ガスが前記緩衝空所内に導入され、そして該緩衝空所内の雰囲気が第二の拡散律速通路を通じて前記第一の空所内に導かれ、更に該第一の空所内の雰囲気が第三の拡散律速通路を通じて前記第二の空所内に導かれるようにした構成のガスセンサ素子において、前記緩衝空所並びに前記第一及び第二の空所を、前記スペーサ層の厚さに対応する高さにおいて、素子長手方向に所定幅で延びるように形成すると共に、前記緩衝空所を前記ガス導入口から区画する第一の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめ、更に前記第一の拡散律速通路を、該第一の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成したことを特徴とするガスセンサ素子を、その要旨とするものである。
【０００９】
なお、このような本発明に従うガスセンサ素子の好ましい態様によれば、素子先端における前記第一及び第二の固体電解質層の間に、前記スペーサ層の存在しない、外方に開口する目詰まり防止空所が形成され、該目詰まり防止空所の開口部が前記ガス導入口を構成している一方、該目詰まり防止空所と前記緩衝空所との間の隔壁が前記第一の隔壁を構成している。
【００１０】
また、かかる本発明のガスセンサ素子の好ましい態様の他の一つによれば、前記緩衝空所と前記第一の空所とを区画する第二の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめる一方、前記第二の拡散律速通路を、該第二の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成した構造が、採用されることとなる。
【００１１】
さらに、本発明に従うガスセンサ素子の好ましい態様の更に他の一つによれば、前記第一の空所と前記第二の空所とを区画する第三の隔壁を、前記第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめる一方、前記第三の拡散律速通路を、該第三の隔壁と前記第二の固体電解質層との間で、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成した構造が、採用される。
【００１２】
ところで、本発明に従うガスセンサ素子においては、有利には、前記第二の固体電解質層の、前記内部空所の配設側とは反対側に、少なくとも１層のセラミックス層が積層、一体化せしめられており、それら第二の固体電解質層の厚さと少なくとも１層のセラミックス層の厚さとの合計厚さが、前記第二の固体電解質層の厚さよりも大とされている。
【００１３】
また、本発明にあっては、前記第二の固体電解質層の、前記内部空所の配設側とは反対側に、電気的な加熱を行なうヒータ層が積層、一体化せしめられており、該ヒータ層による加熱によって、少なくとも、前記第一の空所及び前記第二の空所を区画する第一、第二の固体電解質層部分及びスペーサ層部分が、所定の温度に加熱され得るようになっている構造が、有利に採用されることとなる。
【００１４】
さらに、本発明にあっては、有利には、前記第一の空所を区画する前記第一の固体電解質層部分の内外に形成された第一の内側ポンプ電極と第一の外側ポンプ電極を有し、且つ、前記緩衝空所から導入された雰囲気中に含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段を有している。
【００１５】
加えて、本発明の他の好ましい態様によれば、前記第二の空所の内外に形成された第二の内側ポンプ電極と第二の外側ポンプ電極とを有し、且つ、前記第一の空所から導入された雰囲気中に含まれる所定ガス成分の還元乃至は分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段を有している。
【００１６】
また、本発明に従うガスセンサ素子の更に他の好ましい態様によれば、前記第二の空所の内外に形成された内側測定電極と外側測定電極とを有し、且つ、前記第一の空所から導入された雰囲気中に含まれる所定ガス成分の還元乃至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発生する酸素分圧検出手段を有している。
【００１７】
さらに、本発明に従う他の好ましい態様によれば、前記第二の空所の内外に形成された一対の補助ポンプ電極を有し、かつ、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる酸素を、前記一対の補助ポンプ電極間に印加される補助ポンプ電極に基づいてポンピング処理する補助ポンプ手段が設けられている。
【００１８】
そして、本発明にあっては、上述せる如き構成を採用するガスセンサ素子を用いて、外部の被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定するように構成してなる窒素酸化物センサをも、その要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
このような本発明に従うガスセンサ素子にあっては、内部空所としての緩衝空所及び第一及び第二の空所が、第一の固体電解質層と第二の固体電解質層との間において、スペーサ層の厚さに対応する高さで形成されてなる構造とされると共に、素子先端側に配置される緩衝空所を素子先端に形成されたガス導入口から区画する第一の隔壁が、素子外側層となる第一の固体電解質層に対して固設せしめられて、一体的な構造とされていることにより、かかる第一の固体電解質層の強度の向上が効果的に図られ得ることとなるのであり、これによって、そのような素子外側の第一の固体電解質層に生じるクラックを有利に低減乃至は阻止することが可能となったのである。
【００２０】
ところで、本発明の好ましい態様に従えば、本発明は、素子先端のガス導入口と緩衝空所との間に目詰まり防止空所が設けられてなるガスセンサ素子に対して、好適に適用され得るのである。特に、そのような目詰まり防止空所を設けた素子にあっては、素子先端の第一の固体電解質層部分の強度が更に低下することとなるのであり、そのため、かかる目詰まり防止空所と緩衝空所との間に位置する第一の隔壁を、本発明に従って、第一の固体電解質層と一体化することにより、かかる第一の固体電解質層の強度を効果的に向上せしめることができるのであり、以て、そこに発生し易いクラックの低減を有利に図ることが出来るのである。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様に従って、緩衝空所と第一の空所とを区画する第二の隔壁及び／又は第一の空所と第二の空所とを区画する第三の隔壁についても、第一の隔壁と同様に、第一の固体電解質層に対して一体的に固設せしめる一方、第二の固体電解質層との間に、それぞれの拡散律速通路をスリット形状において形成せしめることにより、第一の固体電解質層の強度はより一層高められ得ることとなり、以て、素子クラックの発生に対して、より一層有効な抑制乃至は阻止効果が発揮され得ることとなる。
【００２２】
さらに、本発明は、その望ましい態様の如く、第一の固体電解質層の厚さが、第二の固体電解質層側の厚さ（第一の固体電解質層＋セラミックス層）よりも薄い構造のセンサ素子に対して好適に適用され、かかる第一の固体電解質層に惹起され易い素子クラックの発生防止に効果的に寄与することが出来る。
【００２３】
加えて、本発明は、また、ヒータ層が第二の固体電解質層側に設けられてなる構造のセンサ素子に対しても、好適に適用され、そのようなヒータ層による素子加熱に際しての熱ストレスに起因するところのクラックの発生を、有利に抑制乃至は阻止することが出来るのである。
【００２４】
更にまた、本発明の有利な態様に従って、第一の空所を区画する第一の固体電解質層の内外に、内側ポンプ電極と外側ポンプ電極を形成してなる構造の主ポンプ手段を有するセンサ素子に対して、本発明を適用するようにすれば、かかる主ポンプ手段の外側ポンプ電極の周りにまで惹起され易い素子クラックの発生を有利に低減乃至は阻止することが出来ることとなり、以て、回路断線等の問題も有利に回避され得ることとなる。
【００２５】
そして、本発明にあっては、本発明に従うガスセンサ素子を用いて、外部の被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサを構成することにより、素子欠陥の発生を効果的に抑制乃至は阻止して、寿命の長い窒素酸化物センサを実現することが出来る特徴を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、図面に示される代表的な具体例を参照しつつ、本発明の構成について、詳細に説明することとする。
【００２７】
先ず、図１〜図６は、本発明に従うガスセンサ素子の代表的なものの先端部の概略構造を示しており、そこにおいて、図１は、そのような素子の積層構造を示す縦断面説明図であり、そして図２は、かかる素子の平面説明図である。また、図３は、図１におけるIII −III 断面説明図、図４は、図１に示される素子の左側面説明図、図５及び図６は、それぞれ、図１におけるＶ−Ｖ断面説明図及びVI−VI断面説明図である。
【００２８】
そして、それらの図において、２は、細長な長尺の板状体形状を呈するセンサ素子であって、該センサ素子２は、図１及び図４〜図６より明らかな如く、緻密な気密の複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆを含んで積層されてなる、一体構造の板状体とされている。なお、各固体電解質層４ａ〜４ｆは、何れも、ジルコニア磁器等の公知の酸素イオン伝導性の固体電解質材料を用いて形成され、また、そのような一体構造のセンサ素子２は、従来と同様にして、未焼成の固体電解質層の積層物を一体焼成することにより、製造され得るものである。
【００２９】
また、かかる一体構造のセンサ素子２内には、第一の固体電解質層となる固体電解質層４ａと、第二の固体電解質層となる固体電解質層４ｃとが、スペーサ層となる固体電解質層４ｂを介して、積層、一体化せしめられることによって、それら固体電解質層４ａ、４ｃ間に位置する内部空所が、図１から明らかな如く、固体電解質層４ｂの厚さに対応する高さにおいて、換言すれば、それら固体電解質層４ａ、４ｃ間における、固体電解質層４ｂの存在しない空間として、素子長手方向に延びるように形成されている。なお、そのような内部空所とは独立した形態において、基準ガス存在空所としての基準空気導入通路６が、固体電解質層４ｂ、４ｄ間において、固体電解質層４ｃの存在しない空所として、センサ素子２の長手方向に延びるように設けられ、また、この基準空気導入通路６は、ここでは、従来と同様に、センサ素子２の基部側の端部において開口し、大気に連通せしめられるようになっている。
【００３０】
さらに、センサ素子２内において、二つの固体電解質層４ａ、４ｃ間に形成された内部空所は、図１及び図２から明らかなように、それぞれ矩形形状の平面形態を呈する緩衝空所８と第一の空所１０と第二の空所１２とが、それぞれ独立した形態において、且つ素子長手方向に所定幅で延びるようにして、順次、配設されて、構成されているのである。また、そのような内部空所と同一のレベルに位置するように、スペーサ層となる固体電解質層４ｂの存在しない、外方に開口する目詰まり防止空所１４が、素子先端における二つの固体電解質層４ａ、４ｃ間に形成されており、この目詰まり防止空所１４の開口部が、素子外部の被測定ガスを取り入れるためのガス導入口１６とされている。
【００３１】
そして、かかる目詰まり防止空所１４と緩衝空所８とは、固体電解質層４ｂにて構成される第一の隔壁１８によって区画されていると共に、この第一の隔壁１８は、その上部（図１）において、固体電解質層４ａに対して一体的に固設せしめられている一方、下側の固体電解質層４ｃに対しては、それとの間に、図４及び図５に示される如く、緩衝空所８と略同一幅の、素子幅方向に拡がるスリット形状において、第一の拡散律速通路２０が形成され、この第一の拡散律速通路２０を通じて、ガス導入口１６から目詰まり防止空所１４を通って導かれた外部空間の被測定ガスが、所定の拡散抵抗の下に、緩衝空所８内に導入され得るようになっている。
【００３２】
ここで、かかる素子構造において、緩衝空所８を設けることにより、次のような利益を享受することが出来るのである。即ち、通常、外部空間における排気圧の脈動によって、ガス導入口１６を通じて、酸素が、センサ素子２の内部空所に急激に入り込むこととなるが、図示の構造においては、この外部空間からの酸素は、直接、内部空所（処理空間）に入り込まずに、その前段の緩衝空所８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、緩衝空所８によって打ち消され、内部空所に対する排気圧の脈動の影響は、殆ど無視することが出来る程度となるのである。その結果、処理空間におけるポンプ手段での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、測定精度の向上が図られ得ることになると共に、内部空所を、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も可能となるのである。
【００３３】
なお、ここで、素子先端において外方に開口する目詰まり防止空所１４は、ガス導入口１６を通じて導入される外部空間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、緩衝空所８の入口付近にて詰まるということを回避するように設けられるものであって、これによって、より高精度に所定ガス成分を測定することが可能となり、高精度な状態を長期に亘って維持することが出来るという特徴を発揮するところから、そのような目詰まり防止空所１４の配設が、有利に採用され得ることとなる。
【００３４】
しかしながら、センサ素子２の先端部に、内部空所としての緩衝空所８を設けたり、更には、上述の如き目詰まり防止空所１４を設けたりすると、素子先端の強度が低下し、特に、薄肉となる素子外側（図１においては、上側）の固体電解質層４ａに、望ましくないクラックが惹起されることとなるのであるが、ここでは、緩衝空所８を、二つの固体電解質層４ａ、４ｃ間において、スペーサ層となる固体電解質層４ｂの厚さに対応する高さ、換言すれば、固体電解質層４ｂの存在しない空間として形成すると共に、前述せるように、かかる第一の隔壁１８の上部を固体電解質層４ａに固設して、一体化させることによって、素子外側の固体電解質層４ａの強度の向上を図り、以て、クラックの発生を効果的に抑制乃至は阻止し得るようにしたのである。
【００３５】
また、例示のセンサ素子２においては、緩衝空所８と第一の空所１０とを区画する第二の隔壁２２にあっても、それが、固体電解質層４ｂにて与えられていると共に、前記した第一の隔壁１８と同様に、素子外側の固体電解質層４ａに対して固設、一体化されている一方、第二の拡散律速通路２４が素子内側の固体電解質層４ｃとの間において、素子幅方向に拡がるスリット形状において形成され、このような第二の隔壁２２の配設構造によっても、素子外側の固体電解質層４ａの強度が有利に高められている。
【００３６】
なお、第二の拡散律速通路２４を通じて、所定の拡散抵抗の下に、緩衝空所８から第一の空所１０内に導かれた、緩衝空所８内の雰囲気（被測定ガス）は、従来と同様に、固体電解質層４ａとその内外面に形成された内側ポンプ電極２６及び外側ポンプ電極２８とから構成される電気化学的なポンプセルである主ポンプ手段のポンピング作動にて、第一の空所１０内における雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、或いは外部空間の酸素を第一の空所１０内に組み入れて、第一の空所１０内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）が、被測定ガス中の被測定ガス成分に応じて、所定の濃度に制御されるようになっている。ここで、図２において、２８ａは、外側ポンプ電極２８から素子基部側に延びるリードである。
【００３７】
また、そのような主ポンプ手段において、内側ポンプ電極２６及び外側ポンプ電極２８は、一般に、多孔質サーメット電極とされ、例えば、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ2 等のセラミックスとから構成されることになるが、被測定ガスに接触する第一の空所１０内に配置される内側ポンプ電極２６は、被測定ガス中の被測定ガス成分に対して変化を惹起させない材料、例えば、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ：ＮＯ2 、ＮＯ）の測定に際しては、そのような窒素酸化物に対する還元能力を弱めた、或いは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3ＣｕＯ4等のペロブスカイト構造を有する化合物、或いはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、或いはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることとなる。
【００３８】
さらに、かかる例示のセンサ素子２においては、第一の空所１０と第二の空所１２とを区画する第三の隔壁３０が、固体電解質層４ｂにて与えられて、図１や図６に示される如く、その上部が素子外側の固体電解質層４ａに対して一体的に固着せしめられることにより、かかる素子外側の固体電解質層４ａの強度向上に更に寄与せしめられている。このように、第三の隔壁３０にあっても、第一及び第二の隔壁１８、２２と同様に、固体電解質層４ａに対して一体的に固設されることにより、固体電解質層３ａの強度は更に高められ、クラックの発生の抑制乃至は阻止により、一層有効に寄与させられ得るのである。また、かかる第三の隔壁３０の下部と固体電解質層４ｃとの間には、図３及び図６に示される如く、素子幅方向に拡がる、第二の空所１２の幅に略等しい長さのスリット形状において、第一の空所１０と第二の空所１２とを連通せしめる第三の拡散律速通路３２が形成されており、この第三の拡散律速通路３２を通じて、第一の空所１０内の酸素濃度（分圧）が制御された雰囲気が、所定の拡散抵抗の下に、第二の空所１２内に導かれるようになっている。
【００３９】
そして、第二の空所１２内には、補助ポンプ電極３４と測定用電極３６とが設けられており、この補助ポンプ電極３４と外側の適当な電極、例えば、外側ポンプ電極２８とを、固体電解質層４ａを介して組み合わせ、補助的な電気化学的ポンプセルとして構成することにより、第二の空所１２内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を所定濃度に制御し得るようになっているのであり、また、測定用電極３６においては、それと外側ポンプ電極２８の如き外部電極とを、固体電解質層４ａ〜４ｃを介して組み合わせることにより、第二の空所１２内において、被測定ガス中の所定ガス成分の分解によって発生した酸素をポンピング処理する電気化学的ポンプセルとしての測定用ポンプ手段を構成し得るようになっている。
【００４０】
なお、この第二の空所１２内に設けられる電極のうち、補助ポンプ電極３４は、前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極２６と同様に、被測定ガス中の被測定ガス成分、例えば窒素酸化物に対する還元能力を弱めた、或いは還元能力のない材料を用いて、形成されており、例えば、Ａｕ１％を含むＰｔとＺｒＯ2 との多孔質サーメット電極にて形成されている。また、第二の空所１２内に配置される測定用電極３６は、第二の空所１２内の酸素濃度（分圧）が制御された雰囲気が接触せしめられることにより、その雰囲気中に含まれる被測定ガス成分の還元乃至は分解が惹起されるような成分であることが必要であり、例えば被測定ガス成分が窒素酸化物である場合においては、ＲｈとＰｔとセラミックスとのサーメットの如き多孔質サーメット電極が用いられることとなる。
【００４１】
なお、かかるセンサ素子２における固体電解質層４ｃの第二の空所１２とは反対側に、基準空気導入通路６内の基準空気に接触され得るような形態において、基準電極３８が設けられ、この基準電極３８を用いて、第一の空所１０や第二の空所１２内の雰囲気中の酸素濃度（分圧）を測定することが可能となるが、特に、測定用電極３６と固体電解質層４ｃと基準電極３８とを組み合わせて、電気化学的センサセルとしての酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定用電極３６の周りの雰囲気中に含まれる所定ガス成分の還元乃至は分解によって発生した酸素の量と基準空気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することが出来、これによって、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を求めることも可能である。
【００４２】
ところで、かかるセンサ素子２においては、図１や図４〜図６に示されるように、固体電解質層４ｃの前記内部空所（８、１０、１２）の配設側とは反対側に、複数のセラミックス層、即ち固体電解質層４ｄ〜４ｆが積層、一体化せしめられており、そして、それら固体電解質層４ｃ〜４ｆの合計厚さが、内部空所を挟んで固体電解質層４ｃとは反対の側において該内部空所を画成する固体電解質層４ａの厚さよりも、大とされている。更に、隣り合う二つの固体電解質層４ｄ及び４ｅにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ４０が埋設されている。このヒータ４０は、センサ素子を構成する固体電解質層４ａ〜４ｆにおける酸素イオンの導電性を高めるために、それらを所定の温度に加熱すべく設けられるものであって、ヒータエレメント４２の上下面には、固体電解質層４ｄ及び４ｅとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等の電気絶縁層４４が形成されている。
【００４３】
このように、固体電解質層４ｃの側の素子部の厚さが厚くされた場合にあっても、素子外側となる固体電解質層４ａにおいては、クラックが発生し易くなるのであり、特にヒータ４０を内蔵せしめた場合にあっては、それによるセンサ素子２自体の加熱昇温による熱ストレスも加わり、クラックが発生し易くなるものであるところ、例示の具体例の如く、第一の隔壁１８の上部を固体電解質層４ａに一体的に固設せしめる一方、その下端部と固体電解質層４ｃとの間に、スリット状の第一の拡散律速通路２０が形成されるようにすることによって、更には、第二の隔壁２２や第三の隔壁３０にあっても、第一の隔壁１８と同様な構造とされることによって、素子外側の固体電解質層４ａの強度が効果的に高められ得ることとなることにより、素子クラックの発生が有利に抑制乃至は阻止され得ることとなるのである。
【００４４】
なお、かかる構造のセンサ素子２は、積層構造の素子を製造するために従来から採用されている方式を適宜に選択して、製造され得るものであって、例えば、固体電解質層４ａ〜４ｆを与える未焼成の固体電解質のテープ（グリーンシート）を用いて、それらを順次積層せしめるに際して、所定の電極が設けられる固体電解質層４ａ、４ｃ等を与えるグリーンシートには、焼成によってサーメット電極を形成する電極ペーストを所定の部位に印刷し、また固体電解質層４ｂや４ｃを与えるグリーンシートには、目詰まり防止空所１４、緩衝空所８、第一の空所１０、第二の空所１２を形成するための空所や、基準空気導入通路６を形成するための空所を、プレス加工等によって形成し、更に、固体電解質層４ｄと４ｅを与えるグリーンシート間には、ヒータ層４０の形成層を介在せしめた状態において、積層、一体化し、またその際、第一、第二及び第三の拡散律速通路２０，２４，３２をスリット形状において形成するために、第一、第二及び第三の隔壁１８，２２，３０を与えるグリーンシート（４ｂ）の下面若しくはそれらに対向する固体電解質層４ｃを与えるグリーンシート面に、テオブロミン等の焼成によって消失する物質の層を所定厚さに形成して、焼成を行なうことにより、目的とする素子構造のセンサ素子２を得ることが出来るのである。
【００４５】
ところで、このような本発明に従うセンサ素子２の優れた特徴は、また、次のような実験の結果からも明らかなところである。
【００４６】
すなわち、実験は、上記に例示の構造の本発明例のセンサ素子２と、かかるセンサ素子２と同様な構造ではあるが、第一、第二及び第三の隔壁の上下に、スリット状のガス拡散通路を形成してなる（特開２０００−２８５７６号公報の図２０参照）、比較例としてのセンサ素子とについて、それぞれ、素子外側に位置する固体電解質層４ａにおける、図２にて示されるＡ位置又はＢ位置に対して、細いノズルを通じて冷却空気を吹き付けることにより、その表面を冷やし、そして、そこにクラックが入るまで、吹き付ける空気の速度を高めることにより、行なった。そして、その結果が、不良率（Ｆｔ）とスポットガス流速との関係として、図７の（ａ）及び（ｂ）に示されている。なお、図７における（ａ）は、図２におけるＡ位置に対する冷却空気の吹付け結果を示すものであり、また（ｂ）は、図２におけるＢ位置に対する冷却空気の吹付け結果を示すものである。
【００４７】
従って、かかる図７の（ａ）及び（ｂ）の検討より明らかな如く、本発明例たる、緩衝空所８、第一の空所１０及び第二の空所１２をそれぞれ区画する第一、第二及び第三の隔壁１８、２２、３０を素子外側の固体電解質層４ａに一体的に固設せしめる一方、それら隔壁の下側にそれぞれ第一、第二及び第三の拡散律速通路２０、２４、３２がそれぞれスリット形状に形成されてなるセンサ素子２にあっては、隔壁が固体電解質層４ａに固設されていない比較例のセンサ素子に比べて、冷却空気の吹付け速度がより高くなるまで素子クラックが発生していないことが認められ、不良率（Ｆｔ）においても、優れた結果が得られている。
【００４８】
ところで、このような本発明に従う、クラックの発生が効果的に抑制乃至は阻止された素子構造を有するセンサ素子２は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ2 、ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2Ｏ 等の酸化物や、ＣＯ、ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに好適に用いられ得るものであって、その好適な一例である窒素酸化物（ＮＯｘ）センサの一つが、図８に示されている。
【００４９】
この図８において、ガスセンサ素子としては、先に例示のセンサ素子２と同様な構造のものが用いられており、そしてそのような構造のセンサ素子に対して、図示の如き制御系及び測定系が配設されて、窒素酸化物センサが構成されているのである。なお、ここで用いられるセンサ素子２’には、先のセンサ素子２の構造に加えて、その外側ポンプ電極２８を覆うように、アルミナ等からなる多孔質保護層４６が設けられて、外部空間の被測定ガスから外側ポンプ電極２８を保護し得るようになっており、また、第二の空所１２内の測定用電極３６上には、第二の空所１２において酸素濃度の制御された雰囲気が、所定の拡散抵抗の下に、測定用電極３６に接触せしめられるように、かかる測定用電極３６を取り囲むように、多孔質アルミナ層等からなる拡散律速層４８が、形成されている。
【００５０】
そして、このような窒素酸化物センサにおいては、固体電解質層４ａと内側及び外側ポンプ電極２６及び２８とから、電気化学的なポンプセル、即ち主ポンプセル５０が構成され、また、第一の空所１０内の酸素濃度（分圧）を検出するために、固体電解質層４ａ〜４ｃと内側ポンプ電極２６と基準電極３８とから、電気化学的なセンサセル、即ち主ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５２が構成されている。なお、そこで、５４は、主ポンプセル５０を駆動するための可変電源である。
【００５１】
また、第二の空所１２内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、固体電解質層４ａと外側ポンプ電極２８と補助ポンプ電極３４とからなる電気化学的なポンプセル、即ち補助ポンプセル５６が構成されており、そして、第二の空所１２内の酸素分圧を検出すべく、固体電解質層４ａ、４ｂ、４ｃと補助ポンプ電極３４と基準電極３８とから、電気化学的なセンサセル、即ち補助ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５８が構成されている。なお、この補助ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５８によって電圧制御される可変電源６０にて、補助ポンプセル５６がポンプ作動させられるようになっていると共に、そのポンプ電流値：Ｉｐ１が、前記主ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５２における起電力：Ｖ１の制御に用いられるようになっている。
【００５２】
さらに、測定用電極３６の周りの雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量を検出すべく、固体電解質４ａ、４ｂ、４ｃと外側ポンプ電極２８と測定用電極３６とから、電気化学的なポンプセル、即ち測定用ポンプセル６２が構成され、一方、そのような測定用電極３６の周りの雰囲気中の酸素分圧を検知する測定用ポンプセル制御用酸素分圧検出セル６４が、固体電解質層４ａ、４ｂ、４ｃと測定用電極３６と基準電極３８とによって、電気化学的なセンサセルとして、構成されている。そして、この測定用ポンプセル制御用酸素分圧検出セル６４にて検出された起電力：Ｖ２に基づき、電圧が制御される可変電源６４によって、測定用ポンプセル６２がポンプ作動せしめられて、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に対応したポンプ電流値：Ｉｐ２が得られるようになっている。
【００５３】
なお、固体電解質４ａ、４ｂ、４ｃと外側ポンプ電極２８と基準電極３８とからも、電気化学的なセンサセル６８が構成されており、このセンサセル６８によって得られる起電力：Ｖｒｅｆによって、センサ外部の被測定ガス中の酸素分圧（濃度）を検出し得るようになっている。
【００５４】
そして、このような構成の窒素酸化物センサを用いて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を検出するに際しては、先ず、外部の被測定ガスが、センサ素子２’の先端の目詰まり防止空所１４から、第一の隔壁１８の下側に設けたスリット形状の第一の拡散律速通路２０を通じて、緩衝空所８内に導入された後、更に、第二の隔壁２２の下側に設けたスリット状の第二の拡散律速通路２４を通じて、第一の空所１０内に導き入れられ、そこで、主ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５２における起電力：Ｖ０が一定となるように、可変電源５４の電圧を制御して、主ポンプセル５０におけるポンプ電流：Ｉｐ０が制御される。なお、ここで、第一の空所１０内の雰囲気中の酸素分圧は、所定の値、例えば１０-7ａｔｍ程度となるように制御される。
【００５５】
また、第三の隔壁３０の下側のスリット状の第三の拡散律速通路３２を通じて、第一の空所１０から第二の空所１２内に導かれた雰囲気は、補助ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５８にて検知される起電力：Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源６０からの給電によって、補助ポンプセル５６が酸素のポンピング作動を行い、第二の空所１２内の雰囲気中の酸素分圧を、窒素酸化物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ようになっている。また、この補助ポンプセル５６におけるポンピング電流：Ｉｐ１は、制御信号として、前記主ポンプセル制御用酸素分圧検出セル５２に入力され、その起電力：Ｖ０が制御されることにより、第三の拡散律速通路３２から補助ポンプ電極３４に至る第二の空所１２内の雰囲気中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように、制御されている。
【００５６】
さらに、第二の空所１２内において、酸素分圧が制御された雰囲気は、拡散律速部４８を通じて、所定の拡散抵抗の下に、測定用電極３６に到達するようになるが、その導かれた雰囲気中の窒素酸化物は、測定用電極３６の周りにおいて、還元乃至は分解されて、酸素を発生する。そして、この発生した酸素が、測定用ポンプセル６２によって、ポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプセル制御用酸素分圧検出セル６４における起電力：Ｖ２が一定となるように、可変電源６６の電圧が制御される。ここで、このように測定用電極３６の周りにおいて発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるところから、測定用ポンプセル６２におけるポンプ電流：Ｉｐ２を用いて、目的とする被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が、算出されることとなるのである。
【００５７】
以上、本発明に従うガスセンサ素子の代表的な実施形態について、更には、そこで示された構造のセンサ素子を用いたセンサの一つである窒素酸化物センサについて、詳細に説明してきたが、本発明が、そのような例示の形態のもののみに限定して解釈されるものでないことは、言うまでもないところであって、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであることは、言うまでもないところであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることが、理解されるべきである。
【００５８】
例えば、例示の具体例に係るセンサ素子２においては、ガス導入口１６と第一の隔壁１８との間に、目詰まり防止空所１４が形成されていたが、そのような目詰まり防止空所１４を設けることなく、ガス導入口１６と第一の拡散律速通路２０の入口部が一致した形態において、第一の隔壁１８を設けることも可能であり、また、第二及び第三の拡散律速通路２４、３２にあっても、その配設形態が例示のものに限定されるものではないことは、言うまでもないところである。
【００５９】
また、本発明に従うガスセンサ素子は、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するセンサのみならず、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるＮＯｘ以外の結合酸素含有成分、例えばＨ2ＯやＣＯ2等の測定にも有効に適用することが出来、例えば、ＣＯ2やＨ2Ｏを電気分解して発生したＯ2 を酸素ポンプで汲み出す構成のガスセンサや、Ｈ2Ｏを電気分解して発生したＨ2をプロトンイオン伝導性固体電解質を用いてポンピング処理するガスセンサにも、適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に従うガスセンサ素子の一例を示す縦断面説明図であって、図２におけるＩ−Ｉ断面に相当する図である。
【図２】図１に示されるガスセンサ素子の先端部分の平面説明図である。
【図３】図１におけるIII−III断面説明図である。
【図４】図１に示されるガスセンサ素子の左側面説明図である。
【図５】図１におけるＶ−Ｖ断面説明図である。
【図６】図１におけるVI−VI断面説明図である。
【図７】本発明例と比較例に係るガスセンサ素子についての冷却空気の吹付けによるクラック発生の結果を示すグラフであって、（ａ）は、図２のＡ位置における結果を示す、不良率と冷却空気の流速との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、図２のＢ位置における、不良率と吹付け空気の流速との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に従うガスセンサ素子を用いた窒素酸化物センサの一例を示す、図１に対応する断面説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
２  センサ素子                        ４ａ〜４ｆ  固体電解質層
６  基準空気導入通路                    ８  緩衝空所
１０  第一の空所                        １２  第二の空所
１４  目詰まり防止空所                  １６  ガス導入口
１８  第一の隔壁                        ２０  第一の拡散律速通路
２２  第二の隔壁                        ２４  第二の拡散律速通
２６  内側ポンプ電極                    ２８  外側ポンプ電極
３０  第三の隔壁                        ３２  第三の拡散律速通路
３４  補助ポンプ電極                    ３６  測定用電極
３８  基準電極                          ４０  ヒータ
４２  ヒータエレメント                  ４４  電気絶縁層
４８  拡散律速層                        ５０  主ポンプセル
５２  主ポンプセル制御用酸素分圧検出セル
５４、６０、６６  可変電源              ５６  補助ポンプセル
５８  補助ポンプセル制御用酸素分圧検出セル
６２  測定定用ポンプセル
６４  測定用ポンプセル制御用酸素分圧検出セル
６８  センサセル
【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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