JP2016176810A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサ素子の内部に導入される酸素の濃度勾配が変化する影響を低減し、特定ガス濃度を精度よく検知できるガスセンサ素子を提供する。
【解決手段】三つ以上のセラミック層１１１、１２１、１３１を積層してなるガスセンサ素子１０であり、第１空間１５０と、第２空間１６０と、セラミック層を積層方向に貫くと共に第１空間に導入された被測定ガスを第２空間に導入する導入路１２５と、第１空間内の酸素をポンピングする第１ポンプセル１１０と、第１ポンプセルより被測定ガスの導入方向Ｆ下流側に配置され、被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セル１２０と、酸素濃度検知セルより被測定ガスの導入方向Ｆ下流側に配置され、第２空間内における被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２ポンプセル１３０と、を有し、酸素濃度検知セルの検知電極１２２は、導入路の内側面まで延びると共に、第１空間及び導入路に露出してなる。
【選択図】図２

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濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサ素子に関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定ガス濃度（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度）を検出するガスセンサ（ＮＯｘセンサ）が用いられている（特許文献１）。図８に示すように、一般的なガスセンサ（ＮＯｘセンサ）は、第１ポンプセル１１００、酸素濃度検知セル１２００、第２ポンプセル１３００、第１空間１５００、第２空間１６００を主に備えたガスセンサ素子１０００を有している。
第１ポンプセル１１００は、固体電解質層１１１０と、固体電解質層１１１０の両面に形成された一対の電極１１２０，１１３０とを有している。電極１１３０は、固体電解質層１１１０と積層方向に隣接する第１空間１５００内に露出する一方、電極１１２０は、多孔質層１９００を介して外部と連通するように配置されている。この第１ポンプセル１１００は、第１空間１５００と外部との間で排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。酸素濃度検知セル１２００は、固体電解質層１２１０と、固体電解質層１２１０の両面に形成された一対の電極１２２０，１２３０とを有している。電極１２２０は、固体電解質層１２１０と積層方向に隣接する第１空間１５００内に露出する一方、電極１２３０は、ガスセンサ素子１０００内に設けられた基準室１４００内に露出している。この酸素濃度検知セル１２００は、第１ポンプセル１１００にて酸素を汲み出し又は汲み入れした排気ガス中の酸素濃度を測定し、この酸素濃度に応じた出力電圧（起電力）が一定となるように第１ポンプセル１１００に電流（Ｉｐ電流）を流している。
さらに、上述のように酸素濃度が管理された第１空間１５００内の排気ガスは、拡散律速層となる多孔質体１５２０を適宜介して第２空間１６００に導入される。第２ポンプセル１３００は、固体電解質層１３１０と、固体電解質層１３１０上に形成された一対の電極１３２０，１３３０とを有している。電極１３３０は、固体電解質層１３１０と積層方向に隣接する第２空間１６００内に露出する一方、電極１３２０は、ガスセンサ素子１０００内に設けられた基準室１４００内に露出している。この第２ポンプセル１３００は、第２空間１６００内に導入された排気ガスから特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を検知するようになっている。

特開平１１−７２４７８号公報（図１、図９）

ところで、ガスセンサ素子１０００に導入される排気ガスは導入方向Ｆに沿って第１空間１５００から第２空間１６００に流れるが、第１空間１５００から第２空間１６００に流れるこの排気ガス中の酸素濃度は、第１空間１５００から第２空間１６００に向かって徐々に低くなる濃度勾配Ｇｒを有している。
しかしながら、ガスセンサ素子１０００の先端側で排気ガスの流速が大きくなることに起因する素子自体の温度勾配や、第１ポンプセル１１００の電極１１３０の劣化によって、濃度勾配Ｇｒが濃度勾配Ｇｒ１のように変化することがある。この際、酸素濃度検知セル１２００の検知電極１２１０上では、濃度勾配Ｇｒ、濃度勾配Ｇｒ１ともに酸素濃度が略同等であるにも関わらず、第２空間１６００に導入される直前の排気ガス中の酸素濃度は、濃度勾配Ｇｒと濃度勾配Ｇｒ１とで差異が生じ、ＮＯｘ濃度の検知精度が低下するという問題がある。
そこで、濃度勾配Ｇｒが変化する影響を低減するため、第２空間１６００になるべく近い部位に酸素濃度検知セル１２００（検知電極１２２０）を配置することが好ましいことになる。しかしながら、第１空間１５００と第２空間１６００の間に多孔質体１５２０が介在する場合、多孔質体１５２０内では濃度勾配Ｇｒが複雑な挙動となって酸素濃度が大きく変動する虞がある。例えば、上記特許文献１の図９には、拡散律速層（多孔質体）内へ検知電極を配置する構成が記載されているが、ＮＯｘ濃度の検知精度の点で好ましくない。つまり、多孔質体１５２０を避けて検知電極１２２０を配置する必要があることが判明した。
そこで、本発明は、ガスセンサ素子の内部に導入される酸素の濃度勾配が変化する影響を低減し、特定ガス濃度を精度よく検知できるガスセンサ素子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、三つ以上のセラミック層を積層してなるガスセンサ素子であり、三つ以上の前記セラミック層のうち、二つのセラミック層の層間に形成されると共に、外部から被測定ガスが導入される第１空間と、前記第１空間を形成する前記層間とは異なる二つの前記セラミック層の層間に形成されると共に、前記第１空間と少なくとも一部が積層方向に重なり合う第２空間と、前記第１空間と前記第２空間との間に配置される前記セラミック層を前記積層方向に貫く空間を形成すると共に、前記第１空間に導入された前記被測定ガスを前記第２空間に導入する導入路と、前記第１空間内の前記被測定ガスに含まれる酸素をポンピングする第１ポンプセルであり、前記第１空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第１空間内に晒された第１内側電極と、該第１内側電極と対をなす第１対電極とを備える第１ポンプセルと、前記第１ポンプセルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セルであり、前記第１空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第１空間内に晒された検知電極と、該検知電極と対をなす基準電極とを備える酸素濃度検知セルと、前記酸素濃度検知セルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記第２空間内における前記被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２ポンプセルであり、前記第２空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第２空間内に晒された第２内側電極と、該第２内側電極と対をなす第２対電極とを備える第２ポンプセルと、を有するガスセンサ素子であって、前記酸素濃度検知セルの前記検知電極は、前記導入路の内側面まで延びると共に、前記第１空間及び前記導入路に露出してなることを特徴とする。

ガスセンサ素子内を第１空間から第２空間に流れる被測定ガス中の酸素濃度は、第１空間から第２空間に向かって徐々に低くなる濃度勾配を有しているが、この濃度勾配が、ガスセンサ素子自体の温度勾配や、第１ポンプセルの電極の劣化によって変化することがある。そして、この濃度勾配が変化する影響により、第２空間に導入される直前の被測定ガスの酸素濃度に差異が生じ、第２ポンプセルで検知する特定ガス濃度の検知精度が低下するという問題がある。
そこで、このガスセンサ素子によれば、検知電極が第１空間だけでなく導入路にも形成されている。このため、特定ガスを検知する第２空間により近い導入路の酸素濃度をも検知することができ、ガスセンサ素子内の被測定ガス中の酸素濃度の濃度勾配が変化する影響を低減し、特定ガス濃度を精度よく検知できる。
一方、検知電極が第１空間内に配置されていない場合には、上記濃度勾配が変化する影響を低減することはできるが、第１ポンプセル（第１内側電極）と検知電極との距離が遠くなり過ぎて被測定ガスに対する酸素濃度検知の応答性が低下する。そこで、検知電極を第１空間と導入路の両方に配置することで、第１空間内と導入路の酸素濃度の情報を共に取得することができ、酸素濃度検知の精度と応答性を両立することができる。
さらに、検知電極が第１空間及び導入路に露出するようにしている。つまり、検知電極の主面（表面）は、第１空間内と導入路内とで視認可能に配置されており、拡散律速層（多孔質体）の内部には配置されていない。このため、酸素の濃度勾配が複雑な挙動となって酸素濃度が大きく変動する拡散律速層（多孔質体）内で酸素濃度を検知することを回避し、特定ガス濃度をより一層精度よく検知できる。
本発明のガスセンサ素子において、前記検知電極は、前記導入路の内側面の全周に形成されていてもよい。
このガスセンサ素子によれば、検知電極を導入路の内側面の一部に形成した場合に比べ、導入路内に配置された検知電極の面積が大きくなるので、酸素濃度検知の精度がより向上する。

本発明のガスセンサ素子において、前記検知電極は、前記導入路の内側面を超えて前記第２空間の一部まで延び、前記第２空間内に配置される前記検知電極は、前記第２空間に露出していてもよい。
このガスセンサ素子によれば、検知電極を導入路の内側面のみに形成した場合に比べ、検知電極が特定ガスを検知する第２空間にも形成されるので、酸素濃度検知の精度がより向上する。

この発明によれば、ガスセンサ素子の内部に導入される酸素の濃度勾配が変化する影響を低減し、特定ガス濃度を精度よく検知できる。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）の軸線方向に沿う断面図である。 第１の実施形態に係るガスセンサ素子の軸線方向に沿う断面図である。 第１の実施形態に係るガスセンサ素子の分解斜視図である。 第１の実施形態におけるＶｓ−電極の上面図である。 第２の実施形態に係るガスセンサ素子の軸線方向に沿う断面図である。 第３の実施形態に係るガスセンサ素子の軸線方向に沿う断面図である。 第３の実施形態におけるＶｓ−電極の上面図である。 従来のＮＯｘセンサのガスセンサ素子の軸線方向に沿う断面図である。

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（ＮＯｘセンサ）１の縦断面図（軸線ＡＸに沿って切断した断面図）、図２は第１の実施形態に係るガスセンサ素子１０の軸線ＡＸに沿う断面図、図３はガスセンサ素子１０の分解斜視図、図４はＶｓ−電極１２２の上面図である。

ガスセンサ１は、測定対象ガスである排ガス（被測定ガス）中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を検出可能なガスセンサ素子１０を備え、内燃機関の排気管（図示なし）に装着されて使用されるＮＯｘセンサである。このガスセンサ１は、排気管に固定するためのネジ部２１が外表面の所定位置に形成された筒状の主体金具２０を備える。ガスセンサ素子１０は、軸線ＡＸ方向に延びる細長板状をなし、主体金具２０の内側に保持されている。
さらに詳しくは、ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋ（図１において上端の部位）が挿入される挿入孔６２を有する保持部材６０と、この保持部材６０の内側に保持された６個の端子部材とを備える。なお、図１では、６個の端子部材のうち２個の端子部材（具体的には、端子部材７５，７６）のみを図示している。

ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋには、平面視矩形状の電極端子部１３〜１８（図３参照、図１では、電極端子部１４、１７のみ図示）が合計６個形成されている。電極端子部１３〜１８には、それぞれ、前述の端子部材が弾性的に当接して電気的に接続している。例えば、電極端子部１４には、端子部材７５の素子当接部７５ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。また、電極端子部１７には、端子部材７６の素子当接部７６ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。
さらに、６個の端子部材（端子部材７５，７６など）には、それぞれ、異なるリード線７１が電気的に接続されている。例えば、図１に示すように、端子部材７５のリード線把持部７７によって、リード線７１の芯線が加締められて把持される。また、端子部材７６のリード線把持部７８によって、他のリード線７１の芯線が加締められて把持される。

主体金具２０は、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔２３を有する筒状部材である。この主体金具２０は、径方向内側に突出する形態で貫通孔２３の一部を構成する棚部２５を有している。主体金具２０は、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを自身の先端側外部（図１において下方）に突出させると共に、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋを自身の後端側外部（図１において上方）に突出させた状態で、ガスセンサ素子１０を貫通孔２３内に保持している。
また、主体金具２０の貫通孔２３の内部には、環状のセラミックホルダ４２、滑石粉末を環状に充填してなる２つの滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が配置されている。詳細には、ガスセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ４２、滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が、この順に、主体金具２０の軸線方向先端側（図１において下端側）から軸線方向後端側（図１において上端側）にわたって重ねて配置されている。

また、セラミックホルダ４２と主体金具２０の棚部２５との間には、金属カップ４１が配置されている。また、セラミックスリーブ４５と主体金具２０のカシメ部２２との間には、加締リング４６が配置されている。なお、主体金具２０のカシメ部２２が、加締リング４６を介してセラミックスリーブ４５を先端側に押し付けるように、加締められている。
主体金具２０の先端部２０ｂには、ガスセンサ素子１０の先端部１０ｓを覆うように、複数の孔を有する金属製（具体的にはステンレス）の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具２０の後端部には、外筒５１が溶接によって取り付けられている。外筒５１は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなし、ガスセンサ素子１０を包囲している。

保持部材６０は、絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、軸線ＡＸ方向に貫通する挿入孔６２を有する筒状部材である。挿入孔６２内には、前述した６個の端子部材（端子部材７５，７６など）が配置されている（図１参照）。保持部材６０の後端部には、径方向外側に突出する鍔部６５が形成されている。保持部材６０は、鍔部６５が内部支持部材５３に当接する態様で、内部支持部材５３に保持されている。なお、内部支持部材５３は、外筒５１のうち径方向内側に向けて加締められた加締部５１ｇにより、外筒５１に保持されている。
保持部材６０の後端面６１上には、絶縁部材９０が配置されている。絶縁部材９０は、電気絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、円筒状をなす。この絶縁部材９０には、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔９１が合計６個形成されている。この貫通孔９１には、前述した端子部材のリード線把持部（リード線把持部７７，７８など）が配置されている。

また、外筒５１のうち軸線方向後端部（図１において上端部）に位置する後端開口部５１ｃの径方向内側には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材７３が配置されている。この弾性シール部材７３には、軸線ＡＸ方向に延びる円筒状の挿通孔７３ｃが、合計６個形成されている。各々の挿通孔７３ｃは、弾性シール部材７３の挿通孔面７３ｂ（円筒状の内壁面）によって構成されている。各々の挿通孔７３ｃには、リード線７１が１本ずつ挿通されている。各々のリード線７１は、弾性シール部材７３の挿通孔７３ｃを通じて、ガスセンサ１の外部に延出している。弾性シール部材７３は、外筒５１の後端開口部５１ｃを径方向内側に加締めることで径方向に弾性圧縮変形し、これにより、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとを密着させて、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとの間を水密に封止している。

一方、図２に示すように、ガスセンサ素子１０は、三つの板状の固体電解質体１１１、１２１、１３１と、これらの間に配置された絶縁体１４０、１４５とを備え、これらが積層方向に積層された構造を有する。さらに、ガスセンサ素子１０には、固体電解質体１３１の裏面側に、ヒータ１６１が積層されている。なお、図２において、紙面上側を「表面側」と説明し、紙面下側を「裏面側」と説明する。このヒータ１６１は、アルミナを主体とする板状の絶縁体１６２、１６３と、その間に埋設されたヒータパターン１６４（Ｐｔを主体としている）とを備えている。
固体電解質体１１１、１２１、１３１は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１１１、１２１、１３１はこの順で積層され、固体電解質体１１１、１２１の間に絶縁体１４０が介装されている。絶縁体１４０には貫通孔１４０ｈが形成され（図３参照）、この貫通孔１４０ｈが二つの固体電解質体１１１、１２１の層間に形成された第１空間１５０となる。
さらに、固体電解質体１２１、１３１の間に絶縁体１４５が介装されている。絶縁体１４５には貫通孔１４５ｃが形成され（図３参照）、この貫通孔１４５ｃが二つの固体電解質体１２１、１３１の層間に形成された第２空間１６０となる。
ここで、固体電解質体１１１、１２１、１３１が特許請求の範囲の「セラミック層」に相当する。

そして、積層方向に第１空間１５０と第２空間１６０の間に配置された固体電解質体１２１には、積層方向に円柱状の導入路１２５が貫通しており、第１空間１５０と第２空間１６０とは導入路１２５を介して連通している。このようにして、第１空間１５０に導入された被測定ガスは、軸線ＡＸ方向に沿って流れた後、積層方向に沿って導入路１２５を経由して第２空間１６０に導入される。被測定ガスの導入方向（流れ方向）を符号Ｆで示す。
なお、図３に示すように、第１空間１５０の側方にガス透過性及び透水性を有する第１多孔質体１５１が設けられており、第１空間１５０は第１多孔質体１５１を通じてガスセンサ素子１０の外部と連通し、被測定ガスを導入可能になっている。第１多孔質体１５１は、ガスセンサ素子１０の外部との仕切りとして、第１空間１５０内への排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
又、本実施形態では、積層方向から見たとき、導入路１２５が第１空間１５０及び第２空間１６０よりも小径であり、第１空間１５０及び第２空間１６０よりも導入路１２５が窄まっている。

固体電解質体１１１の表面側には、多孔質のＩｐ１＋電極１１２が設けられている。また、固体電解質体１１１の裏面側には、多孔質のＩｐ１−電極１１３が設けられている。又、Ｉｐ１＋電極１１２にはＩｐ１＋リード１１２ｒ（図３参照）が接続されている。又、Ｉｐ１−電極１１３にはＩｐ１−リード１１３ｒ（図３参照）が接続されている。この固体電解質体１１１、Ｉｐ１＋電極１１２、及びＩｐ１−電極１１３によって、Ｉｐ１セル１１０を構成している。
ここで、Ｉｐ１＋電極１１２、Ｉｐ１−電極１１３、及びＩｐ１セル１１０がそれぞれ特許請求の範囲の「第１対電極」、「第１内側電極」、「第１ポンプセル」に相当する。
また、Ｉｐ１＋電極１１２とＩｐ１＋リード１１２ｒの表面側には、アルミナ等からなる絶縁層１１５が積層され、絶縁層１１５の先端側にＩｐ１＋電極１１２を取り囲む略矩形の貫通孔が設けられ、この貫通孔に多孔質層１９０が埋設されている。このようにして、多孔質層１９０を介してＩｐ１＋電極１１２と外部との間でガスが出入可能になっている。
このＩｐ１セル１１０は、Ｉｐ１＋電極１１２、Ｉｐ１−電極１１３間に流すポンプ電流Ｉｐ１に応じて、Ｉｐ１＋電極１１２の接する雰囲気（ガスセンサ素子１０の外部の雰囲気）とＩｐ１−電極１１３の接する雰囲気（第１空間１５０内の雰囲気）との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

固体電解質体１２１は、絶縁体１４０を挟んで、固体電解質体１１１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１２１の表面側には多孔質のＶｓ−電極１２２が設けられている。より詳細には、Ｖｓ−電極１２２は、第１空間１５０内において、Ｉｐ１−電極１１３よりも被測定ガスの導入方向Ｆの下流側で、かつ導入路１２５より上流側に設けられて導入路１２５と重なる後端部が半円形に切り欠かれた平面部１２２ａと、平面部１２２ａの上記切欠き部から導入路１２５の内側面に延びる半円筒状の延設部１２２ｂとを一体に有している（図４参照）。
また、固体電解質体１２１の裏面側には、多孔質のＶｓ＋電極１２３が設けられている。又、Ｖｓ−電極１２２にはＶｓ−リード１２２ｒ（図３参照）が接続され、Ｖｓ＋電極１２３にはＶｓ＋リード１２３ｒ（図３参照）が接続されている。
この固体電解質体１２１、Ｖｓ−電極１２２、及びＶｓ＋電極１２３によって、Ｖｓセル１２０を構成している。このＶｓセル１２０は、主として、固体電解質体１２１により隔てられた雰囲気（電極１２２の接する第１空間１５０内の雰囲気と、電極１２３の接する後述する基準酸素室１７０内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。
ここで、Ｖｓ−電極１２２、Ｖｓ＋電極１２３、Ｖｓセル１２０がそれぞれ特許請求の範囲の「検知電極」、「基準電極」、「酸素濃度検知セル」に相当する。

固体電解質体１３１は、絶縁体１４５を挟んで、固体電解質体１２１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１３１の表面側には、多孔質のＩｐ２＋電極１３２と多孔質のＩｐ２−電極１３３が設けられている。又、Ｉｐ２＋電極１３２にはＩｐ２＋リード１３２ｒ（図３参照）が接続され、Ｉｐ２−電極１３３にはＩｐ２−リード１３３ｒ（図３参照）が接続されている。
Ｉｐ２＋電極１３２とＶｓ＋電極１２３との間には、孤立した小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は、絶縁体１４５に形成されている開口部１４５ｂにより構成されている。なお、基準酸素室１７０内には、セラミックス製の多孔質体が配置されている。
また、Ｉｐ２−電極１３３は、第２空間１６０内に配置されている。

固体電解質体１３１、Ｉｐ２＋電極１３２、及びＩｐ２−電極１３３によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検知するためのＩｐ２セル１３０を構成している。このＩｐ２セル１３０は、第２空間１６０内で分解されたＮＯｘ由来の酸素（酸素イオン）を、固体電解質体１３１を通じて、基準酸素室１７０に移動させる。このとき、電極１３２及び電極１３３の間には、第２空間１６０内に導入された排ガス（被測定ガス）に含まれる窒素酸化物の濃度に応じた電流が流れる。
ここで、Ｉｐ２＋電極１３２、Ｉｐ２−電極１３３、Ｉｐ２セル１３０がそれぞれ特許請求の範囲の「第２対電極」、「第２内側電極」、「第２ポンプセル」に相当する。

ここで、本実施形態のガスセンサ１によるＮＯｘ濃度検知について、簡単に説明する。
ガスセンサ素子１０の固体電解質体１１１、１２１、１３１は、ヒータパターン１６４の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、及びＩｐ２セル１３０が動作するようになる。
排気通路（図示なし）内を流通する排ガス（測定対象ガス）は、第１多孔質体１５１による流通量の制限を受けつつ第１空間１５０内に導入される。このとき、Ｖｓセル１２０には、Ｖｓ＋電極１２３側からＶｓ−電極１２２側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第１空間１５０及び導入路１２５内のＶｓ−電極１２２から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体１２１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、Ｖｓ−電極１２２、Ｖｓ＋電極１２３間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１空間１５０内の酸素が基準酸素室１７０内に送り込まれる。

第１空間１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、Ｉｐ＋電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、ガスセンサ素子１０の外部から第１空間１５０内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１空間１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ｉｐ−電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、第１空間１５０内からガスセンサ素子１０外部へ酸素の汲み出しを行う。
このように、第１空間１５０において酸素濃度が調整された被測定ガスは、導入路１２５を通じて、第２空間１６０内に導入される。第２空間１６０内でＩｐ２−電極１３３と接触した被測定ガス中の特定ガス成分（ＮＯｘ成分）は、Ｉｐ２−電極１３３、Ｉｐ２＋電極１３２間に電圧Ｖｐ２を印加されることで、Ｉｐ２−電極１３３上で窒素と酸素に分解（還元）され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体１３１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。この際、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検知することができる。

次に、図４を参照し、Ｖｓ−電極１２２の作用について説明する。
上述のように、Ｖｓ−電極１２２は第１空間１５０に設けられた部位（本例では平面部１２２ａ）だけでなく、導入路１２５の内側面まで延びた部位（本例では延設部１２２ｂ）を一体に有している。このため、第１空間１５０に比べて特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を検知する第２空間１６０により近い導入路１２５の酸素濃度を延設部１２２ｂにて検知することができ、ガスセンサ素子１０内を第１空間１５０から第２空間１６０へ流れる酸素の濃度勾配が変化する影響を低減し、特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を精度よく検知できる。
一方、Ｖｓ−電極１２２が第１空間１５０内に配置されていない、つまり平面部１２２ａが形成されずに延設部１２２ｂのみが形成されている場合には、濃度勾配が変化する影響を低減することはできるが、Ｉｐ１−電極１１３とＶｓ−電極１２２の距離が遠くなり過ぎて被測定ガスに対する酸素濃度検知の応答性が低下する。

そこで、Ｖｓ−電極１２２を第１空間１５０と導入路１２５の両方に配置することで、第１空間１５０内と導入路１２５の酸素濃度の情報を共に取得することができ、酸素濃度検知の精度と応答性を両立することができる。
さらに、本発明においては、Ｖｓ−電極１２２（平面部１２２ａと延設部１２２ｂ）は、第１空間１５０と導入路１２５に露出するようにしている。つまり、Ｖｓ−電極１２２は、第１空間１５０内と導入路１２５内とで視認可能に配置されており、拡散律速層（多孔質体）の内部にＶｓ−電極１２２が配置されていない。このため、酸素の濃度勾配Ｇｒが複雑な挙動となって酸素濃度が大きく変動する拡散律速層（多孔質体）内で酸素濃度を検知することを回避し、特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）をより一層精度よく検知できる。

次に、図５を参照し、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサ素子２００について説明する。なお、第２の実施形態に係るガスセンサ素子２００は、Ｖｓセル２２０のＶｓ−電極２２２の構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ素子１０と同一であるので、同一部分の構成については説明を省略する。
図５は第２の実施形態に係るガスセンサ素子２００の軸線ＡＸ方向に沿う断面図である。図５に示すように、Ｖｓ−電極２２２は第１の実施形態と同様に平面部２２２ａ及び延設部２２２ｂを一体に有しているが、延設部２２２ｂが導入路１２５の内側面だけでなく、さらに第２空間１６０の一部まで延びている。詳細には、延設部２２２ｂは導入路１２５の内側面から固体電解質体１２１の裏面（ヒータ１６１側の面）まで一体に延びる裏面部２２２ｃを有している。

そして、第２の実施形態においても、Ｖｓ−電極２２２を第１空間１５０と導入路１２５の両方に配置することで、第１空間１５０内と導入路１２５の酸素濃度の情報を共に取得することができ、酸素濃度検知の精度と応答性を両立することができる。なお、第２の実施形態の場合、第１の実施形態に比べて延設部２２２ｂが第２空間１６０により近くなるので、酸素濃度検知の精度向上をより図った特性となっている。
又、Ｖｓ−電極２２２の延設部２２２ｂが第２空間１６０の一部まで延びる態様としては、図５のように固体電解質体１２１の裏面まで裏面部２２２ｃを延ばす構成の他、導入路１２５と第２空間１６０の内側面が面一な場合には、延設部２２２ｂを導入路１２５の内側面から第２空間１６０の内側面までまっすぐに延ばしてもよい。
なお、Ｖｓ−電極２２２が第２空間１６０の「一部」まで延びるとは、Ｖｓ−電極２２２がＩｐ２−電極１３３や固体電解質体１３１と接していないように、第２空間１６０の一部の表面まで延びることをいう。

次に、図６、図７を参照し、本発明の第３の実施形態に係るガスセンサ素子３００について説明する。なお、第３の実施形態に係るガスセンサ素子３００は、Ｖｓセルｙ３３０のＶｓ−電極３２２の構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ素子１０と同一であるので、同一部分の構成については説明を省略する。
図６は第３の実施形態に係るガスセンサ素子３００の軸線ＡＸ方向に沿う断面図、図７はＶｓ−電極３２２の上面図である。図６に示すように、Ｖｓ−電極３２２は第１の実施形態と同様に平面部３２２ａ及び延設部３２２ｂを一体に有しているが、延設部２２２ｂが導入路１２５の内側面の全周に形成されている。

より詳細には、Ｖｓ−電極３２２は、第１空間１５０内において、Ｉｐ１−電極１１３よりも被測定ガスの導入方向Ｆの下流側で、かつ導入路１２５より上流側に設けられて導入路１２５と重なる中央部が円形にくり貫かれた平面部３２２ａと、平面部３２２ａの上記くり貫き部から導入路１２５の内側面に延びる円筒状の延設部３２２ｂとを一体に有している（図７参照）。
そして、第３の実施形態においても、Ｖｓ−電極３２２を第１空間１５０と導入路１２５の両方に配置することで、第１空間１５０内と導入路１２５の酸素濃度の情報を共に取得することができ、酸素濃度検知の精度と応答性を両立することができる。なお、第３の実施形態の場合、第１の実施形態に比べて延設部３２２ｂの面積が大きいので、酸素濃度検知の精度向上をより図った特性となっている。

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、上記実施形態では、第１空間１５０と第２空間１６０との間には、これら空間の仕切りとして、被測定ガスの単位時間あたりの流通量を制限する拡散律速層（多孔質体）が設けられていないが、この拡散律速層を設けてもよい。但し、上述のように拡散律速層内では酸素濃度が大きく変動して酸素濃度の検知精度が低下するため、Ｖｓ−電極１２２、２２２、３２２を避けて拡散律速層を設けることが必要である。具体的には、例えば、被測定ガスの導入方向Ｆに沿って、Ｉｐ１−電極１１３とＶｓ−電極１２２、２２２、３２２の間に拡散律速層を設けたり、Ｖｓ−電極１２２、２２２、３２２とＩｐ２−電極１３３の間に拡散律速層を設けることができる。
又、ガスセンサ素子は三つ以上のセラミック層を積層して構成されていればよく、セラミック層の積層数は三つに限定されない。

１ ガスセンサ
１０、２００、３００ ガスセンサ素子
１１０ 第１ポンプセル
１１１、１２１、１３１ 固体電解質体（セラミック層）
１１２ 第１対電極（Ｉｐ１＋電極）
１１３ 第１内側電極（Ｉｐ１−電極）
１２０ 酸素濃度検知セル
１２２ 検知電極（Ｖｓ−電極）
１２３ 基準電極（Ｖｓ＋電極）
１２５ 導入路
１３０ 第２ポンプセル
１３２ 第２対電極（Ｉｐ２＋電極）
１３３ 第２内側電極（Ｉｐ２−電極）
１５０ 第１空間
１６０ 第２空間
Ｆ 被測定ガスの導入方向

Claims (3)

1. 三つ以上のセラミック層を積層してなるガスセンサ素子であり、
   三つ以上の前記セラミック層のうち、二つのセラミック層の層間に形成されると共に、外部から被測定ガスが導入される第１空間と、
   前記第１空間を形成する前記層間とは異なる二つの前記セラミック層の層間に形成されると共に、前記第１空間と少なくとも一部が積層方向に重なり合う第２空間と、
   前記第１空間と前記第２空間との間に配置される前記セラミック層を前記積層方向に貫く空間を形成すると共に、前記第１空間に導入された前記被測定ガスを前記第２空間に導入する導入路と、
   前記第１空間内の前記被測定ガスに含まれる酸素をポンピングする第１ポンプセルであり、前記第１空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第１空間内に晒された第１内側電極と、該第１内側電極と対をなす第１対電極とを備える第１ポンプセルと、
   前記第１ポンプセルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セルであり、前記第１空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第１空間内に晒された検知電極と、該検知電極と対をなす基準電極とを備える酸素濃度検知セルと、
   前記酸素濃度検知セルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記第２空間内における前記被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２ポンプセルであり、前記第２空間に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第２空間内に晒された第２内側電極と、該第２内側電極と対をなす第２対電極とを備える第２ポンプセルと、
   を有するガスセンサ素子であって、
   前記酸素濃度検知セルの前記検知電極は、前記導入路の内側面まで延びると共に、前記第１空間及び前記導入路に露出してなることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 前記検知電極は、前記導入路の内側面の全周に形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 前記検知電極は、前記導入路の内側面を超えて前記第２空間の一部まで延び、
   前記第２空間内に配置される前記検知電極は、前記第２空間に露出してなることを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ素子。

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