JP2016065857A

JP2016065857A - ガスセンサ素子及びガスセンサ

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Publication number: JP2016065857A
Application number: JP2015123522A
Authority: JP
Inventors: 聡史岡崎; Satoshi Okazaki; 愛五十嵐; Ai Igarashi; 章敬小島; Akiyoshi Kojima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2035-06-19
Also published as: JP2016065858A; JP6408960B2; JP6438851B2

Abstract

【課題】消費電力を低減して酸素ポンピングの応答性を向上させると共に、ブラックニング及び被測定ガスの検出精度の低下を抑制したガスセンサ素子及びガスセンサを提供する。
【解決手段】第１固体電解質体１０５ｃと検出電極１０６及び基準電極１０４とを有し、外部に連通して被測定ガスが導入される測定室１０７ｃに面して検出電極が配置されて、測定室内の酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度検出セル１３０と、第２固体電解質体１０９ｃと一対の電極１０８、１１０とを有し、一対の電極のうち一方の電極１０８が測定室に面して配置されて、起電力が一定になるように測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセル１４０と、を積層してなるガスセンサ素子１００であって、第２固体電解質体の厚みｔ２が第１固体電解質体の厚みｔ１より薄くなっている。
【選択図】図３

Description

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中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素等）の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサは自身の内部にガスセンサ素子を有し、ガスセンサ素子は、それぞれ固体電解質体と一対の電極とからなる酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルを積層してなる（特許文献１参照）。酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルは、ガスセンサ素子の内部空間をなす測定室内に設けられている。そして、測定室内部の排気ガスの酸素濃度に応じて酸素濃度検出セルの電極間に生じる電圧（起電力）が所定の値となるよう、測定室内の酸素を酸素ポンプセルによりポンピングして測定室内の酸素濃度が調整され、酸素ポンプセルに流れるポンピング電流に応じた排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出している。
また、更に、上記測定室に連通して第２測定室を設け、その第２測定室に面するように第２ポンプセルを配置したガスセンサ（代表的なものとしてＮＯｘセンサ）がある。このガスセンサでは、上述のように酸素ポンプセルを動作させて酸素濃度が調整された排気ガスが第２測定室に導入され、第２ポンプセルを流れる電流を測定することによりＮＯｘ濃度を検出している。

ところで、ガスセンサの消費電力を低減するためには、酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルに掛かる電圧を低くする、つまり各セルが有する固体電解質体の厚みを薄くすることが要望される。又、固体電解質体の厚みを薄くすると、セルの内部抵抗が低減して応答性が向上する。さらに、セルに掛かる電圧が低くなるほど、ブラックニングと称される固体電解質体の特性劣化を抑制することができる。ブラックニングは、固体電解質体を介して電極反応が生じている状態で、固体電解質体に酸素不足が生じて固体電解質体中の金属酸化物が還元される現象である。ブラックニングが生じると、固体電解質体の特性（イオン伝導性）が劣化し、ポンピング性能が低下する。
一方、固体電解質体の温度により、固体電解質体の酸素イオン伝導性、ひいては酸素濃度検出セルの検出出力が変化するので、検出精度を向上させるためには酸素濃度検出セル（の固体電解質体）を所定温度に保つ必要がある。そして、図５の曲線Ｃ１に示すように、固体電解質体の温度と内部抵抗（内部インピーダンス）Ｒｐｖｓとの間に相関があることから、酸素濃度検出セルの固体電解質体の内部抵抗Ｒｐｖｓが所定の値になるようにヒータを加熱し、ガスセンサ素子の温度を制御している。

特開２０１３−７６４２号公報

しかしながら、酸素濃度検出セルの固体電解質体の厚みを薄くすると、固体電解質体の内部抵抗Ｒｐｖｓの温度変化が大きくなり、図５の曲線Ｃ１が固体電解質体の温度軸により近づいたフラットな曲線Ｃ２となる。このため、内部抵抗ＲｐｖｓがΔＲだけ変動したとき、曲線Ｃ２の温度ゆらぎΔ２が曲線Ｃ１の温度ゆらぎΔ１よりも大きくなる。すると、内部抵抗Ｒｐｖｓを所定の値になるようにヒータを加熱し、内部抵抗ＲｐｖｓをΔＲの範囲に制御できても、曲線Ｃ１よりも曲線Ｃ２の方が温度ゆらぎは大きくなるので、ヒータによるガスセンサの温度制御が難しくなるという問題がある。
そこで、本発明は、消費電力を低減して酸素ポンピングの応答性を向上させると共に、ブラックニング及び被測定ガスの検出精度の低下を抑制したガスセンサ素子及びガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ素子は、第１固体電解質体と該第１固体電解質体に配置された検出電極及び基準電極とを有し、外部に連通して被測定ガスが導入される測定室に面して前記検出電極が配置されて、該測定室内の酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度検出セルと、第２固体電解質体と該第２固体電解質体に配置された一対の電極とを有し、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記起電力が一定になるように該測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、を積層してなるガスセンサ素子であって、前記第２固体電解質体の厚みｔ２が前記第１固体電解質体の厚みｔ１より薄くなっている。
このガスセンサ素子によれば、第２固体電解質体を有する酸素ポンプセルに掛かる電圧が低減され、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセルの応答性が向上すると共に、酸素ポンプセルのブラックニングを抑制できる。
一方、第１固体電解質体の厚みｔ１は第２固体電解質体よりも厚い状態に維持されるので、第１固体電解質体の内部抵抗Ｒｐｖｓに基づくガスセンサ素子の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セルによる酸素濃度の検出精度を向上させることができる。
なお、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとを積層した際、酸素濃度検出セルの検出電極が面する測定室を形成するスペーサが、酸素濃度検出セル（及び必要に応じて酸素ポンプセル）と積層される。

本発明のガスセンサ素子において、前記第２固体電解質体の厚みｔ２が２０μｍを超えるとよい。
第２固体電解質体の厚みｔ２が２０μｍ以下になると、ガスセンサ素子の昇温時の素子の温度勾配に起因し、第２固体電解質体に熱応力が加わって破壊され、第２固体電解質体（酸素ポンプセル）の耐久性が低下する場合がある。そこで、第２固体電解質体の厚みｔ２が２０μｍを超えることで、セルの耐久性を向上させることができる。

本発明のガスセンサ素子は、絶縁セラミック体に通電により発熱する発熱体を有するヒータ部をさらに積層してなり、前記ヒータ部は、積層方向に前記第２固体電解質体よりも前記第１固体電解質体に近接して配置されていてもよい。
第２固体電解質体に比べて厚みが厚い第１固体電解質体を有する酸素濃度検出セルでは、ヒータ部からの熱伝導性が酸素ポンプセルよりも劣るため、酸素ポンプセルよりも応答性が低くなる傾向にある。そこで、ヒータ部を積層方向に第２固体電解質体側に近付けることにより、ヒータ部から酸素ポンプセルへの熱伝導性を向上させ、酸素ポンプセルの応答性をも向上させることができる。

本発明のガスセンサ素子において、前記酸素ポンプセルと前記酸素濃度検出セルとの少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部を形成してもよい。
このガスセンサ素子によれば、重なり部を形成することで、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとが被測定ガスの流れる方向である平面方向（積層方向に垂直な方向）に隣接する。このため、測定室に導入される被測定ガスの雰囲気（酸素濃度）や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セルによる酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。

本発明のガスセンサ素子において、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体のうち少なくとも一方の固体電解質体は、当該固体電解質体よりも熱伝導率の高い絶縁基板をくり抜いた部位に埋め込まれてもよい。
このガスセンサ素子によれば、ヒータ部等の熱が熱伝導率の高い絶縁基板を介して固体電解質体に伝わり易くなるので、ガスセンサの消費電力をさらに低減することができる。

本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、前記センサ素子は、前記ガスセンサ素子を用いることを特徴とする。

この発明によれば、ガスセンサの消費電力を低減して酸素ポンピングの応答性を向上させると共に、ブラックニング及び被測定ガスの検出精度の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）の長手方向に沿う断面図である。ガスセンサ素子の分解斜視図である。ガスセンサ素子の軸線方向に直交する模式断面図である。ＮＯｘセンサ素子としてのガスセンサ素子の長手方向に沿う断面図である。固体電解質体の温度と内部抵抗（内部インピーダンス）Ｒｐｖｓとの関係を示す図である。

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（酸素センサ）１の長手方向（軸線Ｌ方向）に沿う断面図、図２はガスセンサ素子１００（検出素子３００及びヒータ２００）の模式分解斜視図、図３は検出素子３００の軸線Ｌ方向に直交する断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１は、検出素子部３００及び検出素子部３００に積層されるヒータ部２００から構成されるガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００、ガスセンサ素子１００等を内部に保持する主体金具（ハウジング）３０、主体金具３０の先端部に装着されるプロテクタ２４等を有している。ガスセンサ素子１００は軸線Ｌ方向に延びるように配置されている。

ヒータ部２００は、図２に示すように、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２を有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａに形成された導体を介してヒータ側パッド１２０と電気的に接続している。第１基体１０１及び第２基体１０３を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。

検出素子部３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とを備える。
酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５ｃと、その第１固体電解質体１０５ｃの両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。なお、アルミナを主体とする第１支持体１０５の先端側が矩形状にくり抜かれ、第１固体電解質体１０５ｃは、このくり抜き部に埋め込まれている。又、第１支持体１０５の外形寸法がガスセンサ１と同一とされ、第１支持体１０５の後端側に１個の第１スルーホール１０５ａが設けられている。
第１電極１０４は、第１電極部１０４ａと、第１電極部１０４ａから第１支持体１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。第２電極１０６は、第２電極部１０６ａと、第２電極部１０６ａから第１支持体１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。
第１電極１０４、第２電極１０６がそれぞれ特許請求の範囲の「基準電極」、「検出電極」に相当する。第１支持体１０５が特許請求の範囲の「絶縁基板」に相当する。

そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２固体電解質体１０９に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、後述する第２支持体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９ｃと、その第２固体電解質体１０９ｃの両面に形成された第３電極１０８、第４電極１１０とから形成されている。なお、アルミナを主体とする第２支持体１０９の先端側が矩形状にくり抜かれ、第２固体電解質体１０９ｃは、このくり抜き部に埋め込まれている。又、第２支持体１０９の外形寸法がガスセンサ１と同一とされ、第２支持体１０９の後端側に第４スルーホール１０９ａ及び第５スルーホール１０９ｂが設けられている。
第３電極１０８は、第３電極部１０８ａと、この第３電極部１０８ａから第２支持体１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。第４電極１１０は、第４電極部１１０ａと、この第４電極部１１０ａから第２支持体１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。
第３電極１０８及び第４電極１１０が特許請求の範囲の「一対の電極」に相当し、第３電極１０８が特許請求の範囲の「一方の電極」に相当する。第２支持体１０９が特許請求の範囲の「絶縁基板」に相当する。

そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、後述する保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃに形成される導体を介して検出素子側パッド１２１と電気的に接続する。なお、第２リード部１０６ｂと第３リード部１０８ｂは同電位となっている。

これら第１固体電解質体１０５ｃ、第２固体電解質体１０９ｃは、ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。

発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、ヒータ側パッド１２０及び検出素子側パッド１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料（例えば、第１固体電解質体１０５ｃ、第２固体電解質体１０９ｃの主体となる成分）と同様の成分であることが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間に、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極部１０６ａ及び第３電極部１０８ａに対応する位置に中空の測定室１０７ｃが形成されている。この測定室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部と測定室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。

絶縁部１１４は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。

拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって被測定ガスが測定室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体１０９ｃの表面には、第４電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、第４電極部１１０ａを挟み込むようにして、第４電極部１１０ａを被毒から防御するための多孔質の電極保護部１１３ａと、第４リード部１１０ｂを挟み込むようにして、第２固体電解質体１０９ｃを保護するための補強部１１２とからなる。なお、本実施の形態のガスセンサ素子１００は、酸素濃度検出セル１３０の電極間に生じる電圧（起電力）が所定の値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、酸素ポンプセル１４０の電極間に流れる電流の方向及び大きさが調整され、測定室１０７ｃ内の酸素がポンピングされる。そして、ガスセンサ素子１００は、酸素ポンプセル１４０に流れる電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子を構成している。

図１に戻り、主体金具３０は、ＳＵＳ４３０製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２とを有している。また、主体金具３０には、径方向内側に向かって突出する金具側段部３３が設けられており、この金具側段部３３はガスセンサ素子１００を保持するための金属ホルダ３４を支持している。そしてこの金属ホルダ３４の内側にはセラミックホルダ３５、滑石３６が先端側から順に配置されている。この滑石３６は金属ホルダ３４内に配置される第１滑石３７と金属ホルダ３４の後端に渡って配置される第２滑石３８とからなる。金属ホルダ３４内で第１滑石３７が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子１００は金属ホルダ３４に対して固定される。また、主体金具３０内で第２滑石３８が圧縮充填されることによって、ガスセンサ素子１００の外面と主体金具３０の内面との間のシール性が確保される。そして第２滑石３８の後端側には、アルミナ製のスリーブ３９が配置されている。このスリーブ３９は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔３９ａが設けられ、内部にガスセンサ素子１００を挿通している。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０ａが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材４０を介してスリーブ３９が主体金具３０の先端側に押圧されている。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するガスセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４ａを有する金属製のプロテクタ２４が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２ａの外径が先端部４２ｂの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、ＳＵＳ４３０製の外筒２５の先端側が挿入されている。この外筒２５は先端側の拡径した先端部２５ａを主体金具３０にレーザ溶接等により固定している。外筒２５の後端側内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、後述するセパレータ５０の突出部５０ａに係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、検出素子部３００やヒータ部２００用のリード線１１〜１５を挿入するための通孔５０ｂが先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１４、１５については図示せず）。通孔５０ｂ内には、リード線１１〜１５と、検出素子部３００の検出素子側パッド１２１及びヒータ部２００のヒータ側パッド１２０とを接続する接続端子１６が収容されている。各リード線１１〜１５は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１１〜１５とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線１１〜１５は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。

さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５ｂを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１〜１５をそれぞれ挿入するための通孔５２ａが先端側から後端側にかけて貫設されている。

図３は、ガスセンサ素子１００の軸線Ｌ方向に直交する模式断面図である。
図３に示すように、第２固体電解質体１０９ｃの厚みｔ２が第１固体電解質体１０５ｃの厚みｔ１より薄くされている。このため、第２固体電解質体１０９ｃを有する酸素ポンプセル１４０に掛かる電圧が低減され、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセル１４０の応答性が向上すると共に、酸素ポンプセル１４０のブラックニングを抑制できる。さらに、ガスセンサ素子１００がヒータ部２００を有する場合には、ヒータ部２００から酸素ポンプセル１４０への熱伝導性が向上し、酸素ポンプセル１４０がより早く所定温度に加熱されるので、この点でも酸素ポンプセル１４０の応答性が向上する。
一方、第１固体電解質体１０５ｃの厚みｔ１は第２固体電解質体１０９ｃよりも厚い状態に維持されるので、第１固体電解質体１０５ｃの内部抵抗Ｒｐｖｓに基づくガスセンサ素子１００の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セル１３０による酸素濃度の検出精度を向上させることができる。

第２固体電解質体１０９ｃの厚みｔ２が２０μｍを超えることが好ましい。上述のように第２固体電解質体１０９ｃの厚みｔ２が薄いほど良いが、その厚みｔ２が２０μｍ以下になると第２固体電解質体１０９ｃ（酸素ポンプセル１４０）の耐久性（ヒータ部２００によるガスセンサ素子１００の昇温時の素子の温度勾配に起因し、第２固体電解質体１０９ｃに熱応力が加わることによる破壊）が低下する場合がある。
又、ガスセンサ素子１００にヒータ部２００が積層されている場合、図３に示すように、ヒータ部２００が積層方向に第２固体電解質体１０９ｃよりも第１固体電解質体１０５ｃに近接して配置されていることが好ましい。第２固体電解質体１０９ｃに比べて厚みが厚い第１固体電解質体１０５ｃを有する酸素濃度検出セル１３０では、ヒータ部２００からの熱伝導性が酸素ポンプセル１４０よりも劣るため、酸素ポンプセル１４０よりも応答性が低くなる傾向にある。そこで、ヒータ部２００を積層方向に第２固体電解質体１０９ｃ側に近付けることにより、ヒータ部２００から酸素ポンプセル１４０への熱伝導性を向上させ、酸素ポンプセル１４０の応答性をも向上させることができる。
第２固体電解質体１０９ｃの厚みｔ２が２０μｍを超え１２０μｍ以下がより好ましい。第２固体電解質体１０９ｃの厚みｔ２が１２０μｍを超えると、酸素ポンプのために印加する電圧によりブラックニングが発生することがある。又、上述した第１固体電解質体１０５ｃの内部抵抗Ｒｐｖｓを用いて酸素濃度検出セル１３０の温度制御を行う観点から、酸素濃度検出セル１３０の厚みｔ１が１５０μｍ以上であることが好ましい。

又、図３に示すように、酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部Ｓ１を形成することが好ましい。重なり部Ｓ１を形成することで、酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０とが被測定ガスの流れる方向である平面方向（積層方向に垂直な方向）に隣接する。このため、測定室１０７ｃに導入される被測定ガスの雰囲気（酸素濃度）や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セル１３０による酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
なお、重なり部Ｓ１は、次のように定義される。まず、酸素ポンプセル１４０の各構成要素（第２固体電解質体１０９ｃ、第３電極１０８、第４電極１１０）の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素ポンプセル１４０の外縁とみなす。同様に、酸素濃度検出セル１３０の各構成要素（第１固体電解質体１０５ｃ、第１電極１０４、第２電極１０６）の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素濃度検出セル１３０の外縁とみなす。そして、それぞれ酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０の外縁が積層方向に重なった部位を、重なり部Ｓ１とする。

本発明は上記実施形態に限定されず、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルを有するあらゆるガスセンサ（ガスセンサ素子）に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ（酸素センサ素子）に適用することができるが、これらの用途に限られず、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、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。

図４は、ＮＯｘセンサ素子としてのガスセンサ素子１００Ｃの長手方向に沿う断面図である。
ガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）１００Ｃは細長で長尺な板状をなし、３層の板状の固体電解質体１０９Ｚ，１０５Ｚ，１５１を、これらの間にアルミナ等からなる絶縁体１８０，１８５をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有し、これらの積層構造が検出素子部３００Ｃを構成する。また、固体電解質体１５１側の外層（図４における下方側）には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層１０３Ｃ，１０１Ｃを積層し、その間にＰｔを主体とするヒータパターンからなる発熱部１０２Ｃを埋設したヒータ部２００Ｃが設けられている。

検出素子部３００Ｃは、以下の酸素ポンプセル（Ｉｐ１セル）１４０Ｃ、酸素濃度検出セル（Ｖｓセル）１３０Ｃ、第２ポンプセル（Ｉｐ２セル）１５０を備える。
酸素ポンプセル１４０Ｃは、第２固体電解質体１０９Ｚとその両面に形成された第３電極１０８Ｃと第４電極１１０Ｃから形成されている。酸素濃度検出セル１３０Ｃは、第１固体電解質体１０５Ｚとその両面に形成された第１電極１０４Ｃと第２電極１０６Ｃから形成されている。また、固体電解質体１０９Ｚと固体電解質体１０５Ｚとの間には小空間としての中空の測定室１０７ｃ２が形成されており、第２電極１０６Ｃ及び第３電極１０８Ｃが測定室１０７ｃ２内に配置されている。測定室１０７ｃ２は先端側で外部と連通しており、該連通部分には、拡散律速部１１５Ｃが配置されている。
また、第２固体電解質体１０９Ｚの表面には、第４電極１１０Ｃを挟み込むようにして、保護層１１１Ｚが形成されている。又、保護層１１１Ｚのうち第４電極部１１０Ｃを覆う部分がくり抜かれて多孔質の電極保護部１１３Ｃが埋め込まれている。

酸素濃度検出セル１３０Ｃ、酸素ポンプセル１４０Ｃは、上述の酸素センサ素子１００における酸素濃度検出セル１３０、酸素ポンプセル１４０と同等の機能を有するので説明を省略する。なお、酸素濃度検出セル１３０Ｃは、測定室１０７ｃ２と後述する基準酸素室１７０との間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。
又、図４の例では、固体電解質体１０９Ｚ，１０５Ｚ，１５１の外形寸法がガスセンサ１と同一とされており、上述の酸素センサ素子１００のように支持体をくり抜いて埋め込む形態とはなっていない。

さらに、測定室１０７ｃ２のガスセンサ素子１００Ｃにおける後端側には、第２測定室（ＮＯｘ測定室）１６０につながる開口部１８１と測定室１０７ｃ２との仕切りとして、ガスの拡散を調整する第２拡散抵抗部１１７が設けられている。そして、第３固体電解質体１５１、第５電極１５２、第６電極１５３から第２ポンプセル１５０が形成されている。ここで、第３固体電解質体１５１は、絶縁体１８５を挟んで固体電解質体１０５Ｃと対向するように配置されている。又、第５電極１５２が形成された位置には絶縁体１８５が配置されておらず、独立した空間としての基準酸素室１７０が形成されている。この基準酸素室１７０内には、酸素濃度検出セル１３０Ｃの第１電極１０４Ｃも配置されている。尚、基準酸素室１７０内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。また、第６電極１５３が形成された位置にも絶縁体１８５が配置されておらず、基準酸素室１７０との間に絶縁体１８５を隔て、独立した小空間としての中空の第２測定室１６０が形成されている。そして、この第２測定室１６０に連通するように、固体電解質体１０５Ｚおよび絶縁体１８０のそれぞれに開口部１２５，１８１が設けられており、前述したように、測定室１０７ｃ２と開口部１８１とが、これらの間に第２拡散抵抗部１１７を挟んで接続されている。
第２ポンプセル１５０は、絶縁体１８５により隔てられた基準酸素室１７０と第２測定室１６０との間で酸素のポンピング（汲み出し）を行うことができる。

又、酸素ポンプセル１４０Ｃと酸素濃度検出セル１３０Ｃとの少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部Ｓ２を形成することが好ましい。重なり部Ｓ２を形成することで、酸素ポンプセル１４０Ｃと酸素濃度検出セル１３０Ｃとが被測定ガスの流れる方向である平面方向（積層方向に垂直な方向）に隣接する。このため、測定室１０７ｃ２に導入される被測定ガスの雰囲気（酸素濃度）や温度の変動に対して両セルをほぼ同じ環境に曝すことができ、酸素濃度検出セル１３０Ｃによる酸素濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
なお、重なり部Ｓ２は、重なり部Ｓ１と同様に次のように定義される。まず、酸素ポンプセル１４０Ｃの各構成要素（第２固体電解質体１０９Ｚ、第３電極１０８Ｃ、第４電極１１０Ｃ）の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素ポンプセル１４０Ｃの外縁とみなす。同様に、酸素濃度検出セル１３０Ｃの各構成要素（第１固体電解質体１０５Ｚ、第１電極１０４Ｃ、第２電極１０６Ｃ）の積層方向の重なり部分の外縁を、酸素濃度検出セル１３０Ｃの外縁とみなす。そして、それぞれ酸素ポンプセル１４０Ｃと酸素濃度検出セル１３０Ｃの外縁が積層方向に重なった部位を、重なり部Ｓ２とする。

ＮＯｘセンサ素子１００Ｃでは、上述の酸素センサ素子１００と同様に酸素濃度検出セル１３０Ｃの出力電圧が一定値となるように酸素ポンプセル１４０Ｃに流す電流を制御してポンピングを行う。このように酸素濃度が調整された排気ガスは、第２拡散抵抗部１１７を介し、第２測定室１６０内に導入され、第２ポンプセル１５０に一定の電圧を印加しときに第２ポンプセルを流れる電流を測定することにより、ＮＯｘ濃度を検出している。
具体的には、第２測定室１６０内の排気ガスは、第２ポンプセル１５０の第６電極１５３を触媒としてＮ_２とＯ_２に分解（還元）される。そして分解された酸素は、第６電極１５３から電子を受け取り、酸素イオンとなって第３固体電解質体１５１内を流れ、第５電極１５２に移動する。このとき、測定室１０７ｃ２で汲み残された残留酸素も同様に、Ｉｐ２セル１５０によって基準酸素室１７０内に移動する。このため、Ｉｐ２セル１５０を流れる電流は、ＮＯｘ由来の電流および残留酸素由来の電流となる。
ここで、測定室１０７ｃ２で汲み残された残留酸素の濃度は上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、ＮＯｘ由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ｉｐ２セル１５０を流れる電流はＮＯｘ濃度に比例することとなる。

図４のＮＯｘセンサ素子１００Ｃにおいても、第２固体電解質体１０９Ｚの厚みｔ２が第１固体電解質体１０５Ｚの厚みｔ１より薄くされているので、ガスセンサの消費電力を低減することができる。又、酸素ポンプセル１４０Ｃの応答性が向上すると共に、酸素ポンプセル１４０Ｃのブラックニングを抑制できる。さらに、ガスセンサ素子１００の温度制御を精度良く行うことができ、酸素濃度検出セル１３０Ｃによる酸素濃度の検出精度を向上させることができる。
なお、ＮＯｘセンサ素子１００Ｃにおいて、第２ポンプセル１５０の第３固体電解質体１５１の厚みｔ３も、第１固体電解質体１０５Ｚの厚みｔ１より薄くしてもよい。この場合には、第２ポンプセル１５０の消費電力が低減すると共に、第２ポンプセル１５０の応答性が向上し、ブラックニングを抑制できる。

図１〜図３に示す板状のガスセンサ素子（酸素センサ素子）１００を製造し、酸素ポンプセル１４０の両電極１０８、１１０間に表１に示す電圧を印加した。第２固体電解質体１０９ｃ（酸素ポンプセル１４０）の耐久性が低いと、電圧印加により固体電解質体１０９ｃが破壊されるので、電圧印加後に第２固体電解質体１０９ｃを目視して割れの有無を判定した。同一電圧につき１０回の試験を行い、一回でも割れが確認された場合を評価×とした。
得られた結果を表１に示す。

表１から明らかなように、第２固体電解質体１４０ｃの厚みｔ２が２０μｍを超えた場合、車両等の実使用に相当する１６Ｖの電圧を印加しても第２固体電解質体１４０ｃに割れは生じなかった。このことより、第２固体電解質体１４０ｃの厚みｔ２が２０μｍを超えることが好ましい。

１ガスセンサ
３０ハウジング
１００、１００Ｃガスセンサ素子
１０１、１０３、１０１Ｃ、１０３Ｃ絶縁セラミック体（第１基体及び第２基体）
１０２、１０２Ｃ発熱体
１０４、１０４Ｃ基準電極（第１電極）
１０５、１０９絶縁基板（第１支持体、第２支持体）
１０６、１０６Ｃ検出電極（第２電極）
一対の電極
１０５ｃ、１０５Ｚ第１固体電解質体
１０９ｃ、１０９Ｚ第２固体電解質体
１０７ｃ、１０７ｃ２測定室
１０８、１１０、１０８Ｃ，１１０Ｃ一対の電極（第３電極及び第４電極）
１０８、１０８Ｃ一方の電極（第３電極）
１３０、１３０Ｃ酸素濃度検出セル
１４０、１４０Ｃ酸素ポンプセル
２００、２００Ｃヒータ部
ｔ１第１固体電解質体の厚み
ｔ２第１固体電解質体の厚み
Ｓ１，Ｓ２重なり部

Claims

第１固体電解質体と該第１固体電解質体に配置された検出電極及び基準電極とを有し、外部に連通して被測定ガスが導入される測定室に面して前記検出電極が配置されて、該測定室内の酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度検出セルと、
第２固体電解質体と該第２固体電解質体に配置された一対の電極とを有し、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記起電力が一定になるように該測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、
を積層してなるガスセンサ素子であって、
前記第２固体電解質体の厚みｔ２が前記第１固体電解質体の厚みｔ１より薄くなっているガスセンサ素子。
前記第２固体電解質体の厚みｔ２が２０μｍを超える請求項１に記載のガスセンサ素子。
絶縁セラミック体に通電により発熱する発熱体を有するヒータ部をさらに積層してなり、
前記ヒータ部は、積層方向に前記第２固体電解質体よりも前記第１固体電解質体に近接して配置されている請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
前記酸素ポンプセルと前記酸素濃度検出セルとの少なくとも一部が積層方向に重なって重なり部を形成する請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体のうち少なくとも一方の固体電解質体は、当該固体電解質体よりも熱伝導率の高い絶縁基板をくり抜いた部位に埋め込まれてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を保持するハウジングとを備えるガスセンサにおいて、
前記センサ素子は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ素子を用いることを特徴とするガスセンサ。