(57)【要約】      （修正有）【課題】センサ素子や被測定ガスの温度変化に伴うセンサ出力の変化を抑制し、該センサ出力の変化による測定精度の低下を抑制することのできるガスセンサを提供する。【解決手段】センサ素子が、所定の固体電解質層の第１主面側に設けられ、所定ガス成分の濃度測定に際して、酸素濃度の基準とする基準ガスと接触する基準電極４２と、固体電解質層の第２主面側に設けられ、所定ガス中の酸化物気体成分を還元可能な測定電極４４と、を備え、基準電極４２と測定電極４４との電位差を制御指標としたセンサ出力が得られるとともに、固体電解質層の厚さ方向から見たときに、測定電極４４と基準電極４２の重心が幅方向にずれており、前者の面積をＳ１、重なり領域の面積をＳ２とするとき、重なり率Ｒ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００を１０以上７７以下とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有する固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、前記センサ素子を前記固体電解質の活性化する温度に加熱し保温したうえで、前記固体電解質の酸素イオン伝導性を利用して、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度に応じて前記固体電解質を流れる電流を検出するガスセンサであって、
前記センサ素子は、
所定の固体電解質層の第１主面側に設けられ、前記所定ガス成分の濃度測定に際して、酸素濃度の基準とする基準ガスと接触する基準電極と、
前記固体電解質層の第２主面側に設けられ、前記所定ガス中の酸化物気体成分を還元可能な測定電極と、
を備え、
前記基準電極と前記測定電極との電位差を制御指標としたセンサ出力が得られるとともに、
前記固体電解質層の厚さ方向から見たときに、前記測定電極と前記基準電極とは、互いの重心が幅方向にずれており、
前記固体電解質層の厚さ方向から見た前記測定電極の面積をＳ１とし、前記固体電解質層の厚さ方向から見て前記基準電極が前記測定電極と重なっている領域の面積をＳ２として、前記重なりの程度を表すパラメータである重なり率Ｒを、
Ｒ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００
で定義したとき、前記重なり率Ｒが１０以上７７以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記重なり率Ｒが５０以上７７以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガスセンサにおいて、
前記所定のガス成分が窒素酸化物であり、前記センサ素子がジルコニアを主成分として構成されることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）センサのような被測定ガス中の酸化物気体の濃度を測定するガスセンサや酸素センサにおいて、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するセンサ素子を有するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成したセンサ素子（以下、単に素子とも称する）を有するガスセンサが公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７１４７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３７４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および特許文献２に記載されるようなガスセンサを用いて被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を測定するにあたって、センサ素子は、これを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が活性化する温度に加熱されることとなる。所定の温度に加熱されたセンサ素子において、固体電解質層上に形成されてなる測定電極によりＮＯｘが還元され、これによって発生する酸素量に比例する電流等がセンサ出力として検出される。そして、検出されたセンサ出力に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度が求められることとなる。
【０００５】
一方、このようなガスセンサを用いて行う所定ガス成分の濃度測定において、従来、センサ素子の加熱等によって、すなわち、センサ素子自体の温度や素子内部の被測定ガスの温度の上昇によって、センサ出力が低下するという問題がある。そして、センサ出力の低下はガスセンサの測定精度の低下につながることとなる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、センサ素子や被測定ガスの温度変化に伴うセンサ出力の変化を抑制し、該センサ出力の変化による測定精度の低下を抑制することのできるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、前記センサ素子を前記固体電解質の活性化する温度に加熱し保温したうえで、前記固体電解質の酸素イオン伝導性を利用して、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度に応じて前記固体電解質を流れる電流を検出するガスセンサであって、前記センサ素子は、所定の固体電解質層の第１主面側に設けられ、前記所定ガス成分の濃度測定に際して、酸素濃度の基準とする基準ガスと接触する基準電極と、前記固体電解質層の第２主面側に設けられ、前記所定ガス中の酸化物気体成分を還元可能な測定電極と、を備え、前記基準電極と前記測定電極との電位差を制御指標としたセンサ出力が得られるとともに、前記固体電解質層の厚さ方向から見たときに、前記測定電極と前記基準電極とは、互いの重心が幅方向にずれており、前記固体電解質層の厚さ方向から見た前記測定電極の面積をＳ１とし、前記固体電解質層の厚さ方向から見て前記基準電極が前記測定電極と重なっている領域の面積をＳ２として、前記重なりの程度を表すパラメータである重なり率Ｒを、
Ｒ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００
で定義したとき、前記重なり率Ｒが１０以上７７以下である、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサであって、前記重なり率Ｒが５０以上７７以下である、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスセンサにおいて、前記所定のガス成分が窒素酸化物であり、前記センサ素子がジルコニアを主成分として構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１ないし請求項３の発明によれば、測定電極と基準電極との位置が重なるようにするので、測定電極と基準電極との温度差を小さくすることができる。これにより、電極間の温度差によって発生する熱起電力を小さくすることができるので、該熱起電力によるセンサ出力への影響を低減することができる。すなわち、熱起電力による測定精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスセンサ１００の構成を概略的に示す断面模式図である。
【図２】図１におけるＩ−ＩＩ断面の形態を模式的に示す部分説明図である。
【図３】測定電極４４と基準電極４２との重なりの他の例を示す図である。
【図４】実施例において得られた重なり率Ｒと熱起電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明に係るガスセンサの一例であるガスセンサ１００の構成を概略的に示す断面模式図である。ガスセンサ１００は、測定対象とするガス（被測定ガス）中の所定のガス成分を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。本実施の形態においては、ガスセンサ１００が窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出対象成分とするＮＯｘセンサである場合を例として説明を行う。係るガスセンサ１００は、被測定ガス中の所定ガス成分の検出に用いる、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなるセンサ素子１０１を有する。
【００１３】
図１に例示するセンサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層（図面視で上下方向、つまり、各固体電解質層に垂直な方向を積層方向とも称する）された構造を有する、長尺の板状体形状の素子である。また、これら６つの層は固体電解質によって緻密に形成されている。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工や回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し一体化させ、さらに、素子単位にカットして焼成することによって製造される。
【００１４】
センサ素子１０１の一端部（素子先端部）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とがこの順に、連通する態様にて隣接形成されてなる。ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画された内部空間である。第１拡散律速部１１と第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。
【００１５】
また、センサ素子１０１の他端部（素子他端部）であって、ガス流通部よりも素子先端部より遠い位置には、第３基板層３の上面とスペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして例えば大気が導入される。
【００１６】
大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。
【００１７】
基準電極４２は、第１固体電解質層４の下面（第１主面）と第３基板層３の上面とに挟まれる態様にて形成されてなる電極である。基準電極４２の周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられており、これにより、基準電極４２には、基準ガスが導入されるようになっている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。
【００１８】
ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。
【００１９】
第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【００２０】
緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。
【００２１】
第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【００２２】
被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの圧力変動、すなわち濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。
【００２３】
第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素濃度（酸素分圧）を調整するための空間として設けられている。係る酸素濃度は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。
【００２４】
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面ほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
【００２５】
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように側部電極部２２ｃ（図示省略）が第１内部空所２０の両側面部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、側部電極部２２ｃの配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
【００２６】
内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ２とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
【００２７】
主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源２４により所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出しあるいは外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。
【００２８】
また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度を検出するために内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２とによって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。
【００２９】
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０においては、該センサセルで発生する起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度がわかるようになっている。さらに、測定した起電力Ｖ０の値が一定となるようにポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、ポンプ電流Ｉｐ０を制御することができる。これによって、第１内部空所２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれている。
【００３０】
第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。
【００３１】
第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられる。ＮＯｘ濃度の測定は、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０内において、測定用ポンプセル４１の動作により行われる。
【００３２】
補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
【００３３】
係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部５１ｃ（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両側面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。
【００３４】
なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
【００３５】
補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１外部に備わる可変電源４６を通じて所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。
【００３６】
また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。
【００３７】
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
【００３８】
また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス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。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
【００３９】
測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面（第２主面）であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。
【００４０】
測定電極４４は平面視ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。
【００４１】
第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護層としても機能する。
【００４２】
測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲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、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２（ポンプ電流Ｉｐ２は、ガスセンサ１００において得られるセンサの出力の１つであり、以下、測定用ポンプセル４１において、測定電極４４の周囲の酸素を汲み出すことにより発生する電流Ｉｐ２を、センサ出力Ｉｐ２とも称する）として検出することができる。
【００４３】
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２（以下、制御電圧Ｖ２とも称する）に基づいて可変電源４６が制御される。
【００４４】
第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ２＋Ｏ２）酸素を発生する。そして、発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲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から、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
【００４５】
また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されている。このセンサセル８３によって得られるＶrefによりセンサ素子１０１外部の被測定ガス中の酸素濃度を検出可能となっている。
【００４６】
このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。
【００４７】
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。
【００４８】
ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。
【００４９】
ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれる態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
【００５０】
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
【００５１】
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
【００５２】
圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う圧力上昇を緩和する目的で形成されている。
【００５３】
＜測定電極と基準電極の位置関係＞
次に、測定電極４４と基準電極４２との位置関係ついて説明する。センサ素子１０１においては、上述したように、固体電解質の活性化等を目的としてセンサ素子１０１を加熱して保温するためのヒータ部７０が形成されている。また、センサ素子１０１の一先端部には被測定ガスをセンサ素子１０１内部に取り込むためのガス導入口１０が、他端部には大気等の基準ガスが取り込まれる基準ガス導入空間４３が設けられている。このように、センサ素子１０１は、ヒータ部７０の動作により所定の温度に加熱される一方で、ヒータ７２の温度よりも通常低い温度である素子外部の被測定ガスや大気等の基準ガスとの接触がある。センサ素子１０１においては、ヒータ７２や素子内部の被測定ガスの温度の違いによって、温度分布には偏り（温度勾配）が生じることとなる。
【００５４】
さらに、センサ素子１０１は、ジルコニア等を主成分とする固体電解質層（第１基板層１、第２基板層２、第３基板層３、第１固体電解質層４、スペーサ層５、および、第２固体電解質層６）、貴金属等の成分が含まれる測定電極４４や基準電極４２等の各電極、アルミナ等の絶縁体によって構成されるヒータ絶縁層７４、さらにはセンサ素子１０１内部に形成される空間部（第１内部空所２０や第２内部空所４０、基準ガス導入空間４３）などにより構成されており、これらの熱伝導率の違いもセンサ素子１０１内部の温度分布に偏りが生じる原因となっている。
【００５５】
そして、素子内部の温度分布の偏りによって、各電極間（例えば、測定電極４４と基準電極４２との間）には温度差が生じることとなる。さらに、各電極間に生じた温度差によって、該電極間には熱起電力が生じる。
【００５６】
制御電圧Ｖ２は、測定電極４４近傍の酸素濃度と基準ガス導入空間４３より取り込まれ大気導入層４８を通じて基準電極４２に到達した（基準ガス）酸素濃度との差によって生じる起電力である。測定電極４４近傍と基準電極４２周囲との酸素濃度差が大きければ制御電圧Ｖ２は大きな値となり、該酸素濃度差が小さければ制御電圧Ｖ２は小さな値となる。そして、制御電圧Ｖ２が一定になるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御され、測定用ポンプセル４１によるポンピングが行われる。
【００５７】
測定電極４４と基準電極４２との間に熱起電力が生じていると、測定電極４４と基準電極４２との間の酸素濃度差による起電力に、熱起電力が加わった電圧が制御電圧Ｖ２として検出されることとなる。このように検出された制御電圧Ｖ２は熱によって発生した起電力を含んでいるので、可変電源４６によって電圧を一定にすると酸素濃度差によって生じる起電力は本来制御される起電力より低くなる。つまり測定電極４４と基準電極４２間の酸素濃度差は小さくなる。従って第２内部空所４０では本来制御される酸素濃度より高くなる。そして、第２内部空所４０の酸素濃度が高い状態では、ＮＯｘの還元反応が抑制されることとなる。特に、測定電極４４近傍においては酸素濃度が高いので、ＮＯｘの還元反応が抑制されることとなる。また、制御電圧Ｖ２のうち熱起電力の割合が大きくなるにつれて、測定電極４４におけるＮＯｘの還元反応は抑制される程度は増すこととなる。
【００５８】
以上のように、測定電極４４と基準電極４２との間に生じる熱起電力によってＮＯｘの還元反応が抑制されるため、センサ出力（ポンプ電流Ｉｐ２）が低下してしまうので、センサの測定精度が低下してしまうこととなる。
【００５９】
このようなセンサ出力の低下、および、センサ出力の低下による測定精度の低下を抑制するため、本発明においては、測定電極４４と基準電極４２との相対位置を好適なものとしている。すなわち、固体電解質層の積層方向からセンサ素子１０１を見たとき（第１基板層１側あるいは第２固体電解質層６側からセンサ素子１０１を見たとき）、測定電極４４と基準電極４２とが所定の程度の重なり（以下、単に重なりとも称する）有するように、これらの電極を配してなる。
【００６０】
図２は、測定電極４４と基準電極４２との重なりの様子を例示すべく示す、ガスセンサ１００の図１におけるＩ−ＩＩ断面説明図である。図２においては、第２固体電解質層６の上面に垂直な方向から見た、スペーサ層５に形成されてなる第２内部空所４０を概略的に示している。また、図２では、第３基板層３と第１固体電解質層４とに挟まれる位置に形成される基準電極４２を点線で示している。なお、第２内部空所４０内の第４拡散律速部４５および補助ポンプ電極５１については図示を省略している。図２において示すように、係る実施の形態においては、測定電極４４の面積より基準電極４２の面積が大きい場合を例として説明する。
【００６１】
図２に示すように、係るセンサ素子１０１においては、基準電極４２と測定電極４４とが重なりを有するように配設されてなる。図中の領域Ｄ１は、素子の積層方向からみたときの測定電極４４と基準電極４２とが重っている領域（重なり領域）を示す。重なり領域Ｄ１は、測定電極４４に全面に対する重なりを示す。
【００６２】
なお、センサ素子１０１の幅方向に関しては、基準電極４２と測定電極４４とが重なりを有していれば、幅方向にずれても該電極間の熱起電力値の変化は小さいことが発明者によって確認されている。
【００６３】
図２に示すように、測定電極４４と基準電極４２との重なりを有している構成、すなわち、重なり領域Ｄ１の面積が０ではない構成においては、測定電極４４と基準電極４２との温度差が、電極に重なりがない場合と比較してより小さくなるため熱起電力は抑制される。すなわち、熱起電力に起因したセンサ精度の低下を抑制することができる。
【００６４】
このように、本発明においては、測定電極４４と基準電極４２とが重なりを有するような位置に配設することによって、電極間の温度差をより小さくすることで熱起電力を小さなものとし、センサ出力変化を抑制している。
【００６５】
ここで、重なりの程度を示すパラメータ量として重なり率をＲ定義する。重なり率Ｒは、測定電極４４の面積を面積Ｓ１とし、基準電極４２において測定電極４４と重なっている領域（重なり領域）の面積を面積Ｓ２として、以下の（式１）で定義される値である。
【００６６】
Ｒ＝（Ｓ２／Ｓ１）×１００    ・・・（式１）
すなわち、重なり率Ｒは、測定電極４４の面積Ｓ１のうち基準電極４２と重なっている領域の面積の割合を表す量であるといえる。例えば、係るセンサ素子１０１においては、図２に示す測定電極４４と基準電極４２との位置関係においては、重なり率Ｒは１００％となる。
【００６７】
係るガスセンサ１００において、高精度で所定ガス成分の濃度測定を行うためには、熱起電力は１０ｍＶ程度以下であることが好ましい。そして、熱起電力が１０ｍＶ以下であるためには、重なり率が約１０％以上であることが好適である。より好ましくは、重なり率が５０％以上であり、この場合、熱起電力は２ｍＶ程度になる。さらに好ましくは、重なり率が１００％とすることである（図２に示すような位置関係に対応）。
【００６８】
なお、センサ素子１０１の厚さ方向に関しても、測定電極４４と基準電極４２との位置は近い方が温度差は小さくなることが確認されている。しかしながら、基準電極４２を被覆する絶縁層（大気導入層４８）や基準電極４２自体の厚さ、さらには、測定用ポンプセル４１を形成するために測定電極４４と基準電極４２との間には固体電解質の層を形成する必要があること等の制約があるため、これらと温度分布の関係を考慮したうえで厚さ方向の位置関係を決定する必要がある。
【００６９】
なお、基準電極４２を基準ガス導入空間４３側に移動させた場合や、基準電極４２を大きくした場合は、センサの測定精度が低下することが発明者によって確認されている。
【００７０】
以上のような構成のガスセンサ１００においては、センサ素子１０１内部の温度分布の偏りによって生じる電極間の熱起電力を、電極の位置を好適なものとすることで抑制し、素子の温度上昇によって生じる素子内部の温度分布によるセンサ出力の影響を低減することができる。これにより、係るガスセンサ１００においては、高い精度で所定ガスの濃度測定を行うことができるようになっている。
【００７１】
＜測定電極と基準電極との位置関係の別の例＞
次に、測定電極４４と基準電極４２との位置関係の別の態様について説明する。図３は、測定電極４４と基準電極４２との重なりの様子を例示すべく示す図である。図３は、図１に示すガスセンサ１００において、測定電極４４と基準電極４２との位置が図１および図２に示すものとは異なる態様のＩ−ＩＩ断面図を示す。図３においては、基準電極４２の位置が異なる以外は図１および図２に示すものと同様の構成である。
【００７２】
図３においても、図２に示したのと同様、基準電極４２と測定電極４４とが重なりを有するように配設されてなる。図中の領域Ｄ２は、素子の積層方向から見たときの測定電極４４と基準電極４２とが重なっている領域を示す。図３においても、測定電極４４の面積より基準電極４２の面積が大きく、重なり領域Ｄ２は、測定電極４４の第２固体電解質層６側の面の一部領域となっている。
【００７３】
図３に示すような重なりの態様であっても、測定電極４４と基準電極４２とは、重なりを有しているので、素子内部の温度分布の偏りによってこれら電極間に生じる温度差を低減することができる。
【００７４】
＜変形例＞
係る実施の形態においては、ヒータ７２（およびこれを含むヒータ部７０）が一体形成されているセンサ素子１０１について説明したが、本発明の適用はこれに限られるものではない。本発明は、ヒータが別体に形成されているセンサ素子についても適用可能であり、この場合においても、ヒータの加熱および保温により測定電極と基準電極との間の温度差および該温度差に起因した熱起電力を低減し、該熱起電力によるセンサ出力への影響を抑制することができる。
【００７５】
また、測定電極４４および基準電極４２が平面矩形状のサーメット電極である場合について説明したが、これらの電極の形状は平面矩形状に限られるものではない。
【００７６】
また、ＮＯｘ濃度を測定するガスセンサ１００（およびセンサ素子１０１）について説明したが、本発明の適用はＮＯｘを濃度測定の対象ガス成分とする場合に限られるものではなく、酸素および酸化物気体を濃度測定の対象ガス成分とする場合においても適用可能である。この場合についても、上述した実施の形態と同様に、熱起電力に起因した測定精度の低下を抑制することができる。
【００７７】
また、測定電極４４の面積が基準電極４２の面積よりも小さい場合について説明したが、測定電極４４と基準電極４２との面積の大小関係はこれに限られるものではない。
【実施例】
【００７８】
（実施例）
実施例として、空間にガスセンサ１００を配し、ヒータ部７０によってセンサ素子１０１を約８００℃に加熱し保温したうえで、測定電極４４と基準電極４２との間に生じる熱起電力の値を測定した。なお、熱起電力の測定は、複数のガスセンサ１００（試験センサ１ないし８）に対して行った。全ての試験センサを乾燥空気８L／minの条件下で試験した。
【００７９】
熱起電力の測定には、測定電極４４と基準電極４２との位置関係が以下に示すものを用いた。基準電極４２の重心は、ガス導入口１０側の素子先端部から基準ガス導入空間４３側の素子他端部へ長手方向に８．０ｍｍの位置にある。また、基準電極４２の積層方向から見た面積は６．０×１０−３ｃｍ２である。測定電極４４の重心は、ガス導入口１０側の素子先端部から基準ガス導入空間４３側の素子他端部へ長手方向に８．０５ｍｍの位置にある。すなわち基準電極４２の重心は、測定電極４４の重心位置からガス導入口１０側の素子先端部側の長手方向に０．０５ｍｍの位置にある（以後、重心位置Cと表記する）。測定電極４４の積層方向からみた面積は４．０×１０−３ｃｍ２である。また、基準電極４２と測定電極４４との重なり領域の面積は３．１×１０−３ｃｍ２であり、すなわち、重なり率Ｒが７７％であるセンサ素子を用いて試験を行った。なお、測定電極４４と基準電極４２の重心位置との幅方向の距離は１．３ｍｍの範囲内であるものを用いた。
【００８０】
（比較例）
一方、比較例としては、実施例と同様に、空間にガスセンサ１００を配し、ヒータ部７０によってセンサ素子１０１を約８００℃に加熱し保温したうえで、基準電極４２の重心位置を測定電極４４の重心から素子のガス導入口１０側へ長手方向に１．２ｍｍ、４．０ｍｍ（以後、重心位置B、Cと表記する）移動させたときの各位置における基準電極４２と測定電極４４の間の熱起電力の値を測定した。熱起電力の測定は、実施例に係る試験センサ１ないし８と同様のものを用いて行った。また、実施例と同様に試験センサを乾燥空気８L／minの条件下で試験した。
【００８１】
（実施例と比較例の比較）
上述のような試験センサ１ないし８において測定した、測定電極４４と、基準電極４２の重心位置A、B、C間に生じる熱起電力の結果を表１として示す。
【００８２】
【表１】
2013140175.tif 000003
【００８３】
表１は、試験センサ１〜８について、測定電極４４と基準電極４２の重心位置A、B、Cの間の熱起電力と、測定電極４４の重心から基準電極４２の重心位置A、B、Cの距離との関係を示す表である。また、測定電極４４については、基準電極４２との重なりがあるため、重なり率Ｒについても示しており、重なり率Ｒは７７．０％である。
【００８４】
表１に示すように、測定電極４４の重心をガス導入口１０側の長手方向へ移動させるにつれて、これら電極間に生じる熱起電力の値は大きくなることが確認できた。すなわち、第１内部空所２０から第２内部空所４０に至る領域において、測定電極４４からの位置が遠くなるほど徐々に熱起電力の値が大きくなっていくことが確認された。
【００８５】
また、測定電極４４と基準電極４２の重心位置Aとの間（重なり率７７．０％）に生じる熱起電力の大きさは、測定電極４４の重心位置B、Cの間に生じる熱起電力の大きさに比べて非常に小さなものとなっている。特に、重なりを有している測定電極４４と基準電極４２との間生じる熱起電力は、１０ｍＶ程度以下となった。ガスセンサにおいて高い測定精度を得るためには、測定電極４４と基準電極４２との間に生じる熱起電力の大きさが１０ｍＶ程度以下であることが望ましい。
【００８６】
表２は、上述の表１にて示した結果のうち、測定電極４４と基準電極４２の重心位置A、B、Cの間に生じる熱起電力の結果を抜き出し、試験センサ１ないし８の熱起電力の平均値を算出した値を示す。
【００８７】
【表２】
2013140175.tif 000004
【００８８】
表２に示すように、試験センサ１ないし８の熱起電力の平均値は基準電極４２の重心位置Bでは１２ｍＶ、基準電極４２の重心位置Aでは１．５ｍＶである。一方、上述したように、測定電極４４と基準電極と４２とは重なり率Ｒが７７．０％である。
【００８９】
図４は、上記の重なり率Ｒと熱起電力の平均値との関係を示す図である。重なり率Ｒが０％の基準電極４２の重心位置Bと測定電極４４の間の熱起電力の平均値と比較して、重なり率Ｒが７７．０％の基準電極４２の重心位置Aと測定電極４４の間の熱起電力の平均値の方が小さくなることが確認された。また、重なり率が大きくなるにともなって熱起電力の値は徐々に減少していくことが発明者によって確認されている。
【符号の説明】
【００９０】
１      第１基板層
２      第２基板層
３      第３基板層
４      第１固体電解質層
５      スペーサ層
６      第２固体電解質層
４１    測定用ポンプセル
４２    基準電極
４４    測定電極
７０    ヒータ部
１００  ガスセンサ
１０１  センサ素子
Ｉｐ２  ポンプ電流
【図１】
2013140175.tif 000005
【図２】
2013140175.tif 000006
【図３】
2013140175.tif 000007
【図４】
2013140175.tif 000008