JP2017187306A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガス中の特定ガスの検出精度の高いガスセンサ素子及びそのガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供すること。【解決手段】ガスセンサ素子７では、第２内側電極１１１の流路の方向における長さは、第１内側電極１０５の流路の方向における長さ以上であり、且つ、第２内側電極１１１の下流側の端部は、第１内側電極１０５の下流側の端部よりも下流側に配置されている。よって、測定室７１内の導入された測定対象ガス中の酸素を十分に汲み出すことができる。つまり、センサセル１２１の第３内側電極１１７上に残留した酸素も十分にポンプアウトすることが可能であるので、ＮＯｘを検出する際の残留酸素による影響を低減でき、よって、ＮＯｘの濃度の検出精度が向上する。【選択図】図３

Description

本発明は、測定対象ガス中に含まれる特定ガスを検出するためのガスセンサ素子及びガスセンサ素子を備えたガスセンサに関する。

従来、測定対象ガス（例えば排気ガス等）に含まれる特定ガス（例えばＮＯｘ等）を検出するためのガスセンサ素子、及びそのガスセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。

この種のガスセンサ素子としては、板型の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成された一対の電極とを有するセルを備えたものがある。
例えば、ＮＯｘを検出するガスセンサ素子では、セルとして、第１ポンプセル、第２ポンプセル、センサセルなどを備えたものが開示されている（例えば特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のガスセンサ素子は、図１３に示すように、ガスセンサ素子Ｐ１の先端側に開口部Ｐ２を有するとともに、開口部Ｐ２から測定対象ガス（Ｇ）が導入される測定室Ｐ３を有する。そして、測定室Ｐ３を挟んで、第１ポンプセルＰ４と第２ポンプセルＰ５とが対向して配置されている。

詳しくは、第１ポンプセルＰ４の測定室Ｐ３側の電極（第１内側電極）Ｐ６と第２ポンプセルＰ５の測定室Ｐ３側の電極（第２内側電極）Ｐ７とは、測定室Ｐ３を挟んで対向して配置されている。

なお、第１ポンプセルＰ４では、第１内側電極Ｐ６の反対側の電極（第１外側電極）Ｐ８は、基準酸素源（例えば大気）が導入される第１基準酸素室Ｐ９に配置されている。同様に、第２ポンプセルＰ５では、第２内側電極Ｐ７の反対側の電極（第２外側電極）Ｐ１０は、基準酸素源が導入される第２基準酸素室Ｐ１１に配置されている。

また、センサセルＰ１２の測定室Ｐ３側の電極（第３内側電極）Ｐ１３は、第１ポンプセルＰ４の第１内側電極Ｐ６と同じ側の表面に配置されており、第３内側電極Ｐ１３と反対側の第３外側電極Ｐ１４は、第１ポンプセルＰ４の第１外側電極Ｐ８と共通となっている。

そして、第１ポンプセルＰ４及び第２ポンプセルＰ５では、測定室Ｐ３に対して酸素の汲み入れ又は汲み出し（ポンピング）を行い、測定対象ガスの酸素濃度を調整する。このとき、センサセルＰ１２には、酸素濃度が調整された測定対象ガスに含まれるＮＯｘ濃度に応じたセンサ電流（濃度電流）が流れるので、このセンサ電流に基づいて測定対象ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出できる。

特開２０１３−８８１１９号公報

しかしながら、上述した従来技術では、図１３を上下方向から見た平面視で、第１ポンプセルＰ４の第１内側電極Ｐ６と第２ポンプセルＰ５の第２内側電極Ｐ７とが同じ位置に配置されているので、ＮＯｘ濃度の精度が十分ではないという問題があった。

つまり、開口部Ｐ２から導入される測定対象ガスの流速等の影響によって、測定対象ガス中の酸素が、第１内側電極Ｐ６と第２内側電極Ｐ７との間の領域（ポンプアウト電極範囲）内で十分に汲み出し切れず（即ちポンプアウトしきれず）に、ＮＯｘを検知するためのセンサセルＰ１２の第３内側電極Ｐ１３近傍に、残余の酸素（残留酸素）が到達することがあった。

そのため、この残留酸素がセンサセルＰ１２によって検知されてしまい、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、測定対象ガス中の特定ガスの検出精度の高いガスセンサ素子、及びそのガスセンサ素子を備えたガスセンサを提供することを目的とする。

（１）本発明の第１局面のガスセンサ素子は、測定室と第１ポンプセルと第２ポンプセルとセンサセルとを備えている。
測定室には、開口部より測定対象ガスが導入される。

第１ポンプセルは、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と固体電解質体上に形成された一対の第１電極とを有しており、一対の第１電極の一方の第１内側電極が測定室に露出している。そして、一対の第１電極への通電により、測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れが行われる。

第２ポンプセルは、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と固体電解質体上に形成された一対の第２電極とを有しており、一対の第２電極の一方の第２内側電極が測定室に露出している。そして、一対の第２電極への通電により、測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れが行われる。

センサセルは、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、固体電解質体上に形成された一対の第３電極とを有しており、一対の第３電極の一方の第３内側電極が測定室に露出している。そして、一対の第３電極に流れる電流に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出する。

また、このガスセンサ素子では、第１内側電極と第２内側電極とは、測定室を介して対向して配置されているとともに、第１内側電極と第３内側電極とは測定室に向いた同じ側の表面に配置されている。従って、第２内側電極と第３内側電極とは、測定室を介して反対側の表面に配置されている（例えば対向して配置されている）。

さらに、ガスセンサ素子を第１内側電極と第２内側電極とが対向する方向から見た場合に（平面視で）、第３内側電極は、第１内側電極に対して測定対象ガスが流れる流路の下流側に配置されている。つまり、測定対象ガスは、測定室内において、第１内側電極側から第３内側電極側に流れる。

ここで、対向する方向とは、測定室を挟んで第１内側電極と第２内側電極とが重ね合わされるように配置される方向（即ち積層方向）である。
しかも、第２内側電極の流路の方向における長さは、第１内側電極の流路の方向における長さ以上であり、且つ、第２内側電極の下流側の端部は、第１内側電極の下流側の端部よりも下流側に配置されている。

このように、本第１局面では、第２内側電極の流路の方向における長さは、第１内側電極の流路の方向における長さ以上であり、且つ、第２内側電極の下流側の端部は、第１内側電極の下流側の端部よりも下流側に配置されているので、測定室内に導入された測定対象ガス中の酸素を十分に汲み出すことができる。

つまり、仮に、センサセルの第３内側電極より上流側にて、第１ポンプセル及び第２ポンプセル（但し第１内側電極の下流側の端部より上流側の範囲の第２ポンプセル）によって、測定室より十分に酸素を汲み出すことができず、それによって、第３内側電極の近傍に規定以上の酸素が到達するような場合でも、本第１局面では、第２内側電極の下流側の端部は、第１内側電極の下流側の端部よりも下流側（即ち第３内側電極に近い側）に配置されているので、第２内側電極の下流側の端部近傍の電極部分によって、第３内側電極の近傍まで流入した酸素を十分に汲み出すことができる。

すなわち、本第１局面では、センサセルの第３内側電極上に残留した酸素も十分にポンプアウトすることが可能であるので、特定ガスを検出する際の残留酸素による影響を低減でき、よって、特定ガスの濃度等の検出精度が向上するという顕著な効果を奏する。

なお、ここで「特定ガスの検出」としては、特定ガスの有無の検出や特定ガスの濃度が挙げられる。
（２）本発明の第２局面では、前記第２内側電極の下流側の端部は、前記第３内側電極の上流側の端部と下流側の端部との間に配置されている。

本第２局面では、上述のように第２内側電極の下流側の端部が配置されているので、下流側における酸素を十分に汲み出すことができる。よって、特定ガスの検出精度が高いという利点がある。

（３）本発明の第３局面では、前記第２内側電極の下流側の端部は、前記第１内側電極の下流側の端部と前記第３内側電極の上流側の端部との間に配置されている。
本第３局面では、上述のように第２内側電極の下流側の端部が配置されているので、特定ガスの検出精度が高いという利点がある。つまり、第２内側電極の下流側の端部は、第３内側電極の部分に至らないように配置されているので、第２ポンプセルの動作がセンサセルによる特定ガスの検出に影響を及ぼしにくいという効果がある。

（４）本発明の第４局面では、前記第１内側電極の上流側の端部と前記第２内側電極の上流側の端部との位置が同じである。
本第４局面では、上述のように第１内側電極と第２内側電極との上流側の端部が配置されているので、測定室に導入された測定対象ガス中の酸素を汲み出す能力が高いという効果がある。よって、特定ガスの検出精度が高いという利点がある。

（５）本発明の第５局面は、前記第１〜第４局面のいずれかのガスセンサ素子を備えたガスセンサである。
このようなガスセンサ素子を備えたガスセンサは、測定対象ガス中の特定ガスの検出精度が高いという効果がある。

なお、上述した各局面において、各電極の長さは、ガスセンサ素子の測定対象ガスの流路の方向（即ち第１内側電極側から第３内側電極側への流路の方向）における最大の長さとする。また、各電極における上流側や下流側の端部も位置も、前記流路の方向における最大の長さの部分とする。

本発明のガスセンサ素子及びガスセンサによれば、測定対象ガス中の特定ガスの検出精度が高いという効果がある。

第１実施形態のＮＯｘセンサを軸方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 第１実施形態のガスセンサ素子の外観を示す斜視図である。 第１実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向（Ｙ軸方向）に沿って厚み方向（Ｚ軸方向）に破断して示す断面図である。 第１実施形態のガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。 第１実施形態のガスセンサ素子を駆動するための電気的構成を示す説明図である。 第２実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断して示す断面図である。 第３実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断して示す断面図である。 第４実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断して示す断面図である。 第５実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断して示す断面図である。 第６実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断して示す断面図である。 第７実施形態のガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断し拡大して示す断面図である。 （ａ）は第８実施形態のガスセンサ素子の先端側を示す斜視図であり、（ｂ）はガスセンサ素子の第４絶縁層を示す斜視図である。 従来技術のガスセンサ素子を示す説明図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種であるＮＯｘセンサを例に挙げる。具体的には、自動車や各種内燃機関における排気管に装着されるガスセンサであって、測定対象となる排気ガス中の特定ガス（窒素酸化物：ＮＯｘ）を検出するガスセンサ素子（検出素子：ＮＯｘセンサ素子）が組み付けられて構成されるＮＯｘセンサを例に挙げて説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．ＮＯｘセンサの全体構成］
まず、第１実施形態のガスセンサ素子が使用されるＮＯｘセンサの全体の構成について、図１に基づいて説明する。

図１に示す様に、第１実施形態におけるＮＯｘセンサ１は、排気管に固定するためのネジ部３が外表面に形成された筒状の主体金具５と、軸線Ｏ方向（ＮＯｘセンサ１の長手方向：図１の上下方向）に延びる板状形状のガスセンサ素子７と、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ９と、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔１１の内壁面がガスセンサ素子７の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される第１セパレータ１３と、ガスセンサ素子７と第１セパレータ１３との間に配置される６個（図１には２個のみ図示）の接続端子１５、を主に備えている。

ガスセンサ素子７は、後に詳述する様に、長手方向に伸びる直方体形状（板型形状）に形成されており、その先端側（図１の下方：長手方向先端部）に、測定対象ガスに含まれる特定ガス（ここではＮＯｘ）を検出する検知部１７を備える。また、ガスセンサ素子７は、後端側の外表面のうち表裏の位置関係となる第１主面２１および第２主面２３に、電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０（詳細は、図２、図４参照）が形成されている。

接続端子１５は、ガスセンサ素子７の電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０にそれぞれ電気的に接続されるとともに、外部からＮＯｘセンサ１の内部に配設される６本のリード線３５（図１では２本のみ表示）にも電気的に接続されている。これにより、リード線３５が接続される外部機器と電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０との間に流れる電流の電流経路が形成される。

主体金具５は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔３７を有し、貫通孔３７の径方向内側に突出する棚部３９を有する略筒状形状に構成されている。この主体金具５は、検知部１７を貫通孔３７の先端よりも先端側に配置し、電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０を貫通孔３７の後端よりも後端側に配置する状態で、貫通孔３７に挿通されたガスセンサ素子７を保持するよう構成されている。

また、主体金具５の貫通孔３７の内部には、ガスセンサ素子７の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ４１、滑石リング４３，４５、及び上述のセラミックスリーブ９が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。

このセラミックスリーブ９と主体金具５の後端部４７との間には、加締パッキン４９が配置され、一方、セラミックホルダ４１と主体金具５の棚部３９との間には、滑石リング４３，４５やセラミックホルダ４１を保持するための金属ホルダ５１が配置されている。なお、主体金具５の後端部４７は、加締パッキン４９を介して、セラミックスリーブ９を先端側に押し付けるように、加締められている。

更に、主体金具５の先端部５３の外周には、ガスセンサ素子７の突出部分を覆う金属製（例えば、ステンレスなど）の二重構造とされたプロテクタ５５が溶接等によって取り付けられている。

一方、主体金具５の後端側外周には、外筒５７が固定されており、外筒５７の後端側の開口部には、グロメット５９が配置されている。このグロメット５９には、各電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０とそれぞれ電気的に接続される各リード線３５が挿通される各リード線挿通孔６１が形成されている。

なお、第１セパレータ１３の外周には、鍔部６３が形成されており、鍔部６３は、保持部材６５を介して外筒５７に固定されている。また、第１セパレータ１３の後端側には、第１セパレータ１３とグロメット５９に狭持される第２セパレータ６７が配置されており、接続端子１５の後端側が第２セパレータ６７内に挿入されている。

［１−２．ガスセンサ素子の構成］
次に、ガスセンサ素子７の構成について、図２〜図４に基づいて説明する。
なお、図２において、長手方向（Ｙ軸方向）がＮＯｘセンサ１の軸線Ｏ方向に沿う形態となる。また、図２のＺ軸方向は、長手方向に垂直な積層方向（平面視の方向）であり、Ｘ軸方向は、長手方向及び積層方向に垂直な幅方向である。また、図３、図４において、左方向がガスセンサ素子７の先端側であり、右方向がガスセンサ素子７の後端側である。

＜ガスセンサ素子の概略構成＞
図２に示す様に、ガスセンサ素子７は、長手方向（Ｙ軸方向）に延びる長尺で、直方体形状の板材である。

このガスセンサ素子７は、長手方向の先端側に、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出する検知部１７を備えている。また、ガスセンサ素子７の先端には、後述するように、測定対象ガスを検知部１７の内部の測定室７１（図３参照）に導入する開口部７３が設けられている。

図３に示すように、ガスセンサ素子７は、複数のセラミック層が積層された積層体である。
詳しくは、ガスセンサ素子７は、図３の上方より、第１絶縁層８１、第２絶縁層８３、第３絶縁層８５、第１固体電解質層８７、第４絶縁層８９、第２固体電解質層９１、第５絶縁層９３、第６絶縁層９５、第７絶縁層９７が積層された構造を有する。

このうち、第１固体電解質層８７と第２固体電解質層９１との間には、長手方向に延びる開口部分８９ａを有する第４絶縁層８９が配置されており、その開口部分８９ａが測定室７１とされている。この測定室７１の先端側領域は、多孔質の拡散抵抗体９９が充填された開口部７３を介して外部に繋がっており、外部から拡散抵抗体９９を介して、測定対象ガス（Ｇ）である外気（ここでは排気ガス）がガスセンサ素子７の内部（即ち測定室７１）に導入される。

なお、測定室７１内では、同図の矢印方向に沿って測定対象ガスが流れる流路が形成される。
また、第２絶縁層８３と第１固体電解質層８７との間には、長手方向に延びて後端に達する開口部分８５ａを有する第３絶縁層８５が配置されており、この開口部分８５ａが、後端側より大気が導入される第１基準酸素室１０１とされている。

同様に、第２固体電解質層９１と第６絶縁層９５との間には、長手方向に延びて後端に達する開口部分９３ａを有する第５絶縁層９３が配置されており、この開口部分９３ａが、後端側より大気が導入される第２基準酸素室１０３とされている。

そして、後に詳述するように、第１固体電解質層８７とその厚み方向（積層方向）の両側に形成された第１内側電極１０５及び第１外側電極１０７とによって、第１ポンプセル１０９が形成されている。

また、第２固体電解質層９１とその厚み方向の両側に形成された第２内側電極１１１及び第２外側電極１１３とによって、第２ポンプセル１１５が形成されている。
さらに、第１ポンプセル１０９より後端側には、第１固体電解質層８７とその厚み方向の両側に形成された第３内側電極１１７及び第３外側電極１１９とによって、センサセル１２１が形成されている。なお、第１外側電極１０７と第３外側電極１１９とは共通の電極であり、第１ポンプセル１０９とセンサセル１２１とは第１固体電解質層８７を共有して各セルを形成する。

また、第６絶縁層９５と第７絶縁層９７との間には、タングステン等の導体によって形成された発熱抵抗体１２３を備えたヒータ１２５が配置されている。
ヒータ１２５は、外部から供給された電力によって発熱抵抗体１２３が発熱することで、ガスセンサ素子７（特に、検知部１７）を所定の活性温度に昇温し、固体電解質体の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。

なお、前記第１、第２固体電解質層８７、９１は、それぞれ、酸素イオン伝導性を有する固体電解質である例えばジルコニアを主成分に用いて形成された部材（固体電解質体）である。また、第１〜第７絶縁層８１、８３、８５、８９、９３、９５、９７は、電気絶縁材料である例えばアルミナを主成分に用いて形成されており、気体等の流体の透過（流通）を防止できる程度に密に形成されている。拡散抵抗体９９は、アルミナ等の多孔質物質を用いて形成され、気体の流通が可能になっている。

ここで、主成分とは「セラミック層中の主材料の含有量が５０ｗｔ％以上であること」を指し、例えば、第１、第２固体電解質層８７、９１は、ジルコニアが５０ｗｔ％以上含有されている。

＜各セルの構成＞
次に、各セル１０９、１１５、１２１の構成等を、図３及び図４に基づいて詳細に説明する。

上述したように、第１ポンプセル１０９は、固体電解質体からなる第１固体電解質層８７と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第１内側電極１０５及び第１外側電極１０７とを備えている。

このうち、第１内側電極１０５は、測定室７１に面している。この測定室７１は、例えば厚さの薄い直方体形状（即ち板形状の空間）であり、平面視で（即ち第１内側電極１０５と第２内側電極１１１とが対向する方向である積層方向から見た場合に）、Ｙ軸方向（図３の左右方向）に長い長方形である。

なお、第１内側電極１０５は、平面視で測定室７１とほぼ同じ幅（Ｘ軸方向の幅）となるように形成されている。
一方、第１外側電極１０７は、第１固体電解質層８７を挟んで第１内側電極１０５と対向するように配置されている。この第１外側電極１０７は平面視で長方形であり、その幅は第１内側電極１０５の幅と同じである。また、第１外側電極１０７の先端側は、第１内側電極１０５の先端側と同じ位置であるが、第１外側電極１０７の後端側は、第３外側電極１１９を兼ねるように、第１内側電極１０５の後端側よりも後端側に延びている。

なお、第１外側電極１０７の形状は、平面視で測定室７１とほぼ同様な矩形形状である（図４参照）。つまり、第３絶縁層８５の開口部分８５ａの先端側は測定室７１と同じ矩形の平面形状となっており、その矩形部分に第１外側電極１０７が形成されている。

また、上述したように、センサセル１２１は、前記第１固体電解質層８７と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第３内側電極１１７及び第３外側電極１１９とを備えている。

このうち、第３内側電極１１７は、第１内側電極１０５と同様に、測定室７１に面している。つまり、第１内側電極１０５と第３内側電極１１７とは、第１固体電解質層８７の同じ側の表面（図３の下面８７ａ）において、Ｙ軸方向に沿って並んで配置されている。

詳しくは、測定室７１内において、先端側に第１内側電極１０５が配置され、所定の間隔１２７をあけて、後端側に第３内側電極１１７が配置されている。言い換えると、測定対象ガスが導入される流れ方向において、上流側に第１内側電極１０５が配置され、それより下流側に第３内側電極１１７が配置されている。

なお、第３内側電極１１７は、平面視で測定室７１とほぼ同じ幅（Ｘ軸方向の幅）となるように形成されている。
この第３内側電極１１７の後端の位置は、第３外側電極１１９（即ち共通の第１外側電極１０７）の後端の位置と同じである。

さらに、上述したように、第２ポンプセル１１５は、第２固体電解質層９１と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第２内側電極１１１及び第２外側電極１１３とを備えている。

このうち、第２内側電極１１１は、測定室７１に面しており、平面視で測定室７１とほぼ同じ幅（Ｘ軸方向の幅）となるように形成されている。
この第２内側電極１１１の先端の位置は、第１内側電極１０５の先端の位置と同じであり、第２内側電極１１１の後端の位置は、第３内側電極１１７の後端の位置と同じである。

一方、第２外側電極１１３の形状は、平面視で、第２内側電極１１１と同じであるので、その先端側及び後端側の位置も第２内側電極１１１と同じである。
なお、第２外側電極１１３の形状は、平面視で測定室７１とほぼ同様な矩形形状である（図４参照）。つまり、第５絶縁層９３の開口部分９３ａの先端側は測定室７１と同じ矩形の平面形状となっており、その矩形部分に第２外側電極１１３が形成されている。

このように、本第１実施形態では、平面視で、第３内側電極１１７は、第１内側電極１０５に対して測定対象ガスが流れる流路の下流側（図３の右側）に配置されており、第２内側電極１１１の前記流路の方向（図３の左右方向）における長さは、第１内側電極１０５の流路の方向における長さ以上であり、且つ、第２内側電極１１１の下流側の端部は、第１内側電極１０５の下流側の端部よりも下流側に配置されている。

また、上述した各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７は、電極反応を良好に維持するために、気体を内部に流通可能な程度の多孔質状に形成されている。すなわち、測定対象ガスの気体（酸素やＮＯｘ等の気相）と電極（触媒相）と固体電解質（酸素イオン伝導相）とが接する三相界面を良好に形成する程度の多孔質状に形成されている。

また、各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７のうち、センサセル１２１の第３内側電極１１７は、他の電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、よりも高い触媒活性の材料（ＮＯｘの分解活性の高い材料）が使用されている。

詳しくは、第３内側電極１１７としては、白金及びロジウムを主成分とする材料が使用されており、第１内側電極１０５、第１外側電極１０７、第２内側電極１１１、第２外側電極１１３としては、白金及び金を主成分とする材料が用いられている。

＜その他の構成＞
図４に示すように、第１絶縁層８１の後端側外表面には、３つの電極パッド２５，２６，２７が形成されており、第７絶縁層９７の後端側外表面にも、３つの電極パッド２８，２９，３０が形成されている。

また、各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７および発熱抵抗体１２３は、各リード部１３１、１３３、１３５、１３７、１３９、１４１、１４３や、導電部１４５、１４７や、スルーホール１４９（総称）等によって、対応する電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０と電気的に接続されている。

詳細には、第１電極パッド２５は、複数のスルーホール１４９を介して、第１外側電極のリード部１３１に電気的に接続される。
第２電極パッド２６は、複数のスルーホール１４９や導電部１４５を介して、第３内側電極１１７のリード部１３３に電気的に接続される。

第３電極パッド２７は、複数のスルーホール１４９を介して、第１内側電極１０５のリード１３５及び第２内側電極１１１のリード部１３７に電気的に接続される。
第４電極パッド３０は、複数のスルーホール１４９や導電部１４７を介して、第２外側電極１１３のリード部１３９に電気的に接続される。

第１ヒータ用電極パッド２８は、スルーホール１４９を介して、発熱抵抗体１２３の一方のリード部１４１に電気的に接続される。
第２ヒータ用電極パッド２９は、スルーホール１４９を介して、発熱抵抗体１２３の他方のリード部１４３に電気的に接続される。

前記電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０は、いずれも白金を主成分として形成されている。また、発熱抵抗体１２３の両リード部１４１、１４３は、発熱抵抗体１２３と同じ材料からなる。

一方、前記各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７とそれらのリード部１３１、１３３、１３５、１３７、１３９とは、その構成が多少異なっている。
具体的には、リード部１３１、１３３、１３５、１３７、１３９は、白金を主成分とし、セラミック（例えばアルミナ）を含む材料から構成されている。

［１−３．ガスセンサ素子の製造方法］
次に、ガスセンサ素子７の製造方法について説明するが、基本的には、従来と同様な製造方法であるので、簡単に説明する。

ガスセンサ素子７を製造する場合、まず、公知のガスセンサ素子７の材料を作製する。
具体的には、各セル１０９、１１５、１２１の固体電解質体となる未焼成固体電解質シートや、各絶縁層８１、８３、８５、８９、９３、９５、９７となる未焼成絶縁シートなどを作製する。

なお、拡散抵抗体９９となるスラリーや、各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７、各リード部１３１、１３３、１３５、１３７、１３９、各導電部１４５、１４７、ヒータ１２５となる各ペースト等も、それぞれ作製する。

次に、各シートを貫通するように、開口部７３、開口部分８５ａ、８９ａ、９３ａ、スルーホール１４９となる貫通部分を形成する。
そして、これらのシートや材料を用いて、従来と同様に、焼成後にガスセンサ素子７となる未圧着積層体を作製する。

例えば、各シートに対して、各ペーストを用いてスクリーン印刷を行って、それぞれのパターンを形成する。つまり、対応する所定のシートに対して、各電極１０５、１０７（１１９）、１１１、１１３、１１７、各リード部１３１、１３３、１３５、１３７、１３９、各導電部１４５、１４７、ヒータ１２５を形成する位置に、スクリーン印刷によって、それぞれのパターンを形成する。そして、それらのパターンを形成したシートを積層する。

なお、これとは別に、積層する前には、開口部７３となる位置に拡散抵抗体９９のスラリーを充填する処理や、開口部分８５ａ、８９ａ、９３ａとなる位置にカーボンペーストを充填する等の処理を行う。

このようにして未圧着積層体が形成される。なお、この未圧着積層体には、電極パッド２５，２６，２７，２８，２９，３０となる未焼成電極パッドなどが形成されている。
そして、この未圧着積層体を加圧することにより、圧着された成形体を得る。

そして、加圧により得られた成形体を、所定の大きさで切断することにより、ガスセンサ素子７と大きさが同等の複数（例えば１０個）の未焼成積層体を得る。
その後、この未焼成積層体を樹脂抜きし、さらに焼成温度１５００℃にて、１時間で本焼成して、図２に示す様なガスセンサ素子７を得る。

このようにしてガスセンサ素子７を用いて、従来と同様にして、ＮＯｘセンサ１を作製する。
［１−４．ＮＯｘ濃度の測定方法］
次に、ＮＯｘセンサ１にてＮＯｘ濃度を検出する方法について、図５に基づいて説明する。

図５に示すように、まず、測定対象ガスは、拡散律速を行う開口部７３を介して測定室７１内に導入される。
そして、第１電圧印加回路１５１により、第１ポンプセル１０９の第１内側電極１０５及び第１外側電極１０７、第２ポンプセル１１５の第２内側電極１１１及び第２外側電極１１３に対して、第１外側電極１０７、第２外側電極１１３が＋極となるように電圧を印加する。

これにより、第１内側電極１０５、第２内側電極１１１にて、測定対象ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなって、測定室７１から第１基準酸素室１０１、第２基準酸素室１０３に、酸素が汲み出される。

逆に、第１電圧印加回路１５１により、第１ポンプセル１０９の第１内側電極１０５及び第１外側電極１０７、第２ポンプセル１１５の第２内側電極１１１及び第２外側電極１１３に対して、第１内側電極１０５、第２内側電極１１１が＋極となるように電圧を印加する。

これにより、第１外側電極１０７、第２外側電極１１３にて、大気中の酸素が還元されて酸素イオンとなって、第１基準酸素室１０１、第２基準酸素室１０３から測定室７１に、酸素が汲み入れられる。

そして、第１、第２ポンプセル１０９、１１５に流れる電流が限界電流となるように、第１電圧印加回路１５１により印加する電圧を調節することにより、測定室７１内の測定対象ガス中の酸素濃度を所定の低濃度にする。

一方、第２電圧印加回路１５３により、センサセル１２１の第３外側電極１１９が＋極となるように所定の電圧を印加する。
ここで、第３内側電極１１７は、ＮＯｘを分解できる活性を有する電極であるので、測定対象ガス中の酸素やＮＯｘが還元されて酸素イオンとなり、測定室７１から第１基準酸素室１０１に酸素が汲み出される。

従って、測定対象ガス中にＮＯｘが存在すると、ＮＯｘ濃度に応じてセンサセル１２１に流れる電流（濃度電流）の電流値が増加するため、その電流値に基づいて、測定対象ガス中のＮＯｘ濃度を求めることができる。

なお、第１、第２ポンプセル１０９、１１５にて十分に酸素がポンピングされている場合には、酸素濃度は所定の低濃度となり、その酸素濃度による影響はごく僅かであるので実質的に、測定された電流値からＮＯｘ濃度を求めることができる。

［１−５．効果］
第１実施形態では、第２内側電極１１１の流路の方向（図３の左右方向）における長さは、第１内側電極１０５の流路の方向における長さ以上であり、且つ、第２内側電極１１１の下流側の端部は、第１内側電極１０５の下流側の端部よりも下流側に配置されているので、測定室７１内の導入された測定対象ガス中の酸素を十分に汲み出すことができる。

例えば、従来では、センサセル１２１の第３内側電極１１７より上流側にて、第１ポンプセル１０９や第２ポンプセル１１５によって、測定室７１より十分に酸素を汲み出すことができず、それによって、第３内側電極１１７の近傍に過剰な酸素が到達するおそれがある。

それに対して、本第１実施形態では、第２内側電極１１１の下流側の端部は、第１内側電極１０５の下流側の端部よりも下流側（即ち第３内側電極１１７に近い側）に配置されているので、第２内側電極１１１の下流側の端部近傍の電極部分によって、第３内側電極１１７の近傍まで流入した酸素を十分に汲み出すことができる。

すなわち、本第１実施形態では、センサセル１２１の第３内側電極１１７上に残留した酸素も十分にポンプアウトすることが可能であるので、ＮＯｘを検出する際の残留した酸素による影響を低減でき、よって、ＮＯｘの濃度の検出精度が向上するという顕著な効果を奏する。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と第１実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
ＮＯｘセンサ１、ガスセンサ素子７、測定室７１、開口部７３、第１ポンプセル１０９、第２ポンプセル１１５、センサセル１２１が、それぞれ、ガスセンサ、ガスセンサ素子、測定室、開口部、第１ポンプセル、第２ポンプセル、センサセルの一例に相当する。

また、第１内側電極１０５及び第１外側電極１０７、第２内側電極１１１及び第２外側電極１１３、第３内側電極１１７及び第４外側電極１１９が、それぞれ、第1電極、第２電極、第３電極の一例に相当する。さらに、第１固体電解質層８７及び第２固体電解質層９１が、固体電解質体の一例に相当する。

［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図６に示すように、本第２実施形態のガスセンサ素子１６１は、前記第１実施形態と同様に、第１ポンプセル１０９及びセンサセル１２１等を備えているが、第２ポンプセル１６３の構成が異なっている。

具体的には、平面視で、第２ポンプセル１６３の第２内側電極１６５の後端の位置は、ポンプセル１２１の第３内側電極１１７の先端と後端との間にある。
なお、平面視で、第２ポンプセル１６３の第２内側電極１６５と第２外側電極１６７とは同様な平面形状である。

本第２実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。
［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図７に示すように、本第３実施形態のガスセンサ素子１７１は、前記第１実施形態と同様に、第１ポンプセル１０９及びセンサセル１２１等を備えているが、第２ポンプセル１７３の構成が異なっている。

具体的には、平面視で、第２ポンプセル１７３の第２内側電極１７５の後端の位置は、第１ポンプセル１０９の第１内側電極１０５の後端とセンサセル１２１の第３内側電極１１７の先端との間にある。

なお、平面視で、第２ポンプセル１７３の第２内側電極１７５と第２外側電極１７７とは同様な平面形状である。
本第３実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、上述のように第２ポンプセル１７３の第２内側電極１７５の後端の位置が設定されているので、第２ポンプセル１７３の動作が、センサセル１２１の動作に影響を与えにくい。そのため、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上できるという利点がある。

［４．第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図８に示すように、本第４実施形態のガスセンサ素子１８１は、前記第１実施形態と同様に、第１ポンプセル１０９及びセンサセル１２１等を備えているが、第２ポンプセル１８３の構成が異なっている。

具体的には、平面視で、第２ポンプセル１８３の第２内側電極１８５の先端の位置は、第１ポンプセル１０９の第１内側電極１０５の先端より後端側にある。
なお、平面視で、第２ポンプセル１８３の第２内側電極１８５と第２外側電極１８７とは同様な平面形状である。

本第４実施形態は、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏する。
［５．第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図９に示すように、本第５実施形態のガスセンサ素子１９１は、前記第１実施形態と同様に、第２ポンプセル１１５を備えているが、第１ポンプセル１９３及びセンサセル１９５の構成が異なっている。

具体的には、平面視で、第１ポンプセル１９３の第１外側電極１９７とセンサセル１９５の第３外側電極１９９とは一体ではなく、分離されて形成されている。
なお、その他は、第１実施形態と同様である。

本第５実施形態は、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏する。また、第１外側電極１９７と第３外側電極１９９とは分離されているので、第１ポンプセル１９３とセンサセル１９５との相互影響の低減や電極に使用する白金材料の低減という利点がある。

［６．第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図１０に示すように、本第６実施形態のガスセンサ素子２０１は、第１ポンプセル２０３、第２ポンプセル２０５、センサセル２０７の構造は、前記第１実施形態と同様であるが、その配置が異なっている。

つまり、第１実施形態とは、第１ポンプセル２０３及びセンサセル２０７と第２ポンプセル２０５との位置が、測定室７１を中心にして、図１０の上下に線対称となるように入れ替わっている。

詳しくは、第１ポンプセル２０３及びセンサセル２０７が、第２ポンプセル２０５よりもヒータ１２５に近い位置に配置されている。
本第６実施形態は、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏する。また、センサセル２０７等がヒータ１２５に近い位置になっているので、センサセル２０７等が活性化温度に到達し易いという利点がある。

［７．第７実施形態］
次に、第７実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図１１に拡大して示すように、本第７実施形態のガスセンサ素子２１１は、第１実施形態と同様に、第１ポンプセル１０９及び第２ポンプセル１１５を備えているが、センサセル２１３の構造が異なる。

具体的には、センサセル２１３の第３内側電極２１５を覆うように、多孔質の拡散制限層２１７が設けられている。
本第７実施形態は、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏する。また、第３内側電極２１５を覆うように拡散制限層２１７が設けられているので、仮に測定室７１内に多くの残留酸素がある場合でも、第１内側電極１０５の下流に流れた酵素が、第３内側電極２１５に到達する前に、第２内側電極１１１によりポンプアウトされ易くなり、その酸素が第３内側電極２１５に到達し難くなる。よって、ＮＯｘの検出精度が向上するという利点がある。また、第３内側電極２１５を被毒から保護することができ、ＮＯｘガスセンサ１の耐久性が向上するという利点がある。

［８．第８実施形態］
次に、第８実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

図１２に示すように、本第８実施形態のガスセンサ素子２２１は、測定対象ガスを測定室７１に導入する開口部２２３、２２５が、幅方向（Ｘ軸方向）の両側に設けられている。

つまり、第４絶縁層２２７に、測定室７１が設けられるとともに、測定室７１の幅方向の両側に開口部２２３、２２５が設けられ、この開口部２２３、２２５には、第１実施形態と同様な拡散抵抗体２２９、２３１が充填されている。

なお、この場合も、測定室７１内に導入された測定対象ガスは、前記第１実施形態と同様に、長手方向（Ｙ軸方向）に沿って、先端側より後端側に供給される。
本第８実施形態は、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１）例えば、各電極の平面形状（平面視での形状）としては、矩形形状が挙げられるが、それ以外の多角形や円や楕円形等の他の形状であってもよい。
なお、その場合には、各電極の長さは、先端側から後端側に向かう方向（ガスの流路の方向：Ｙ軸方向）における最大の長さとする。

（２）また、各セルにおいて、内側電極と外側電極との平面形状は同じであっても、異なっていてもよい。例えば、Ｙ軸方向における長さが異なっていてもよい。
（３）前記実施形態では、ガスセンサ素子の平面形状（平面視での形状）と同様な形状の固体電解質体の基板を用い、その固体電解質体の基板の厚さ方向の両側に電極を配置したが、それとは別に、絶縁基板に埋め込み式のセルを形成してもよい。

例えばアルミナ等の各絶縁基板の一部に開口部を設け、詳しくは第１ポンプセル、第２ポンプセル、センサセルとなる部分（少なくとも１つのセルとなる部分）に、板厚方向に貫通する開口部を設け、その開口部に固体電解質体を配置する。そして、この固体電解質体の両側に電極を配置する。

（４）上記実施形態では、ガスセンサとしてＮＯｘセンサを例に挙げたが、本発明は、例えばアンモニアセンサ等の他のガスセンサにも適用することができる。
（５）なお、上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

１…ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）
７、１６１、１７１、１８１、１９１、２０１、２１１、２２１…ガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）
７１…測定室
７３、２２３、２２５…開口部
１０９、１９３、２０３…第１ポンプセル
１１５、１６３、１７３、１８３、２０５…第２ポンプセル
１２１、１９５、２０７、２１３…センサセル
１０５…第１内側電極、
１０７、１９７…第１外側電極
１１１、１６５、１７５、１８５…第２内側電極
１１３、１６７、１７７、１８７…第２外側電極
１１７、２１５…第３内側電極
１１９、１９９…第３外側電極

Claims (5)

1. 開口部より測定対象ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、該一対の第１電極の一方の第１内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第１電極への通電により前記測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンプセルと、
   酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、該一対の第２電極の一方の第２内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第２電極への通電により前記測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第２ポンプセルと、
   酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、該一対の第３電極の一方の第３内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第３電極に流れる電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサセルと、
   を備え、
   前記第１内側電極と前記第２内側電極とは、前記測定室を介して対向して配置されているとともに、前記第１内側電極と前記第３内側電極とは前記測定室に向いた同じ側の表面に配置されているガスセンサ素子であって、
   前記ガスセンサ素子を前記対向する方向から見た場合に、
   前記第３内側電極は、前記第１内側電極に対して前記測定対象ガスの流路の下流側に配置されており、
   前記第２内側電極の前記流路の方向における長さは、前記第１内側電極の前記流路の方向における長さ以上であり、
   且つ、前記第２内側電極の下流側の端部は、前記第１内側電極の下流側の端部よりも下流側に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 前記第２内側電極の下流側の端部は、前記第３内側電極の上流側の端部と下流側の端部との間に配置さ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素子。
3. 前記第２内側電極の下流側の端部は、前記第１内側電極の下流側の端部と前記第３内側電極の上流側の端部との間に配置さ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素子。
4. 前記第１内側電極の上流側の端部と前記第２内側電極の上流側の端部との位置が同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子を備えたことを特徴とするガスセンサ。