JP2021128108A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供すること。
【解決手段】複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子１。ガスセンサ素子１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２と、固体電解質体２を加熱するヒータ５と、固体電解質体２に設けられた測定電極３１及び基準電極３２と、測定電極３１に面し被測定ガスが導入されるチャンバ４と、長手方向Ｙにおいてチャンバ４の先端側に設けられたガス導入口１５０と、ガス導入口１５０に設けられた拡散抵抗部１５と、を有する。ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型のガスセンサ素子に関する。

被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子として、測定電極と基準電極との間に所定の電圧を印加したときに生じる電流値である限界電流値を出力するよう構成されたガスセンサ素子がある。かかる限界電流式のガスセンサ素子においては、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて、印加電圧と出力電流との関係曲線（これを、以下ＶＩ曲線という）が定まる。そして、ＶＩ曲線は、ある印加電圧の区間において、印加電圧が変化しても出力電流値の変化が殆ど生じないフラット部が存在する。このフラット部の電流値である限界電流値に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。一般に、フラット部における電流値は、極力一定であることが好ましく、印加電圧によって極力変動しないような状態が望ましい。フラット部における印加電圧による出力電流の変動のし難さを、フラット性という。

また、ガスセンサ素子においては、固体電解質体におけるセンサセルを構成する部位を所定の温度に加熱し、活性化させることで、酸素イオンの伝導が可能となり、特定ガス濃度の測定が可能となる。そのために、ガスセンサ素子は、固体電解質体を加熱するためのヒータを有する。

そして、複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子として、素子の長手方向の先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたものが、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１６−２０８９４号公報

しかしながら、先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたガスセンサ素子においては、以下のような課題がある。
すなわち、先端側からチャンバに導入される被測定ガスは、測定電極の先端部付近に、まず到達する。ところが、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度が充分に高くなっていないと、当該部位における酸素イオン伝導度が低くなる場合がある。そうすると、チャンバ内の特定ガス濃度にばらつきが生じ、優れたフラット性を確保することが困難となることが懸念される。フラット性が低いと、印加電圧によって出力電流に差が生じやすくなり、測定誤差が生じやすくなることとなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子（１）であって、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
上記固体電解質体を加熱するヒータ（５）と、
上記固体電解質体に設けられた測定電極（３１）及び基準電極（３２）と、
上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバ（４）と、
上記ガスセンサ素子の長手方向（Ｙ）において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口（１５０）と、
上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部（１５）と、を有し、
上記ヒータの発熱中心（５Ｃ）は、上記測定電極の電極中心（３１Ｃ）よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子にある。

上記ガスセンサ素子においては、ヒータの発熱中心が、測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体における、測定電極の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口から拡散抵抗部を介してチャンバに導入された被測定ガスを、測定電極の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体を基準電極側へ伝導させることができる。
それゆえ、先端側からチャンバに測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子のフラット性を高くすることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ガスセンサ素子の断面図。 図１のII−II線矢視断面図。 （ａ）図１のIIIａ−IIIａ線矢視断面図、（ｂ）図１のIIIｂ−IIIｂ線矢視断面図。 長手方向におけるヒータの温度分布を示す線図。 ＶＩ曲線の説明図。 比較形態のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図。 実施形態１のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図。 比較形態における、ガスセンサ素子の説明図。 図８のIX−IX線矢視断面図。 比較形態における、ガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図。 実験例１における、発熱中心位置とフラット性との関係の測定結果を示す線図。 実験例１における、ガスセンサ素子の各部の寸法を示す説明図。 発熱中心の位置を電極中心としたガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図。 発熱中心の位置を電極中心よりも先端側としたガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図。 実施形態２における、発熱基端部も測定電極の先端より先端側に配されたヒータの平面説明図。 実施形態２における、発熱基端部が電極中心より先端側に配されたヒータの平面説明図。 実施形態２における、発熱基端部が電極基端部より先端側に配されたヒータの平面説明図。 実施形態２における、発熱基端部が電極基端部より基端側に配されたヒータの平面説明図。 実施形態３における、ヒータの平面説明図。 実施形態３における、他のヒータの平面説明図。 実施形態４における、ヒータの平面説明図。 実施形態４における、他のヒータの平面説明図。 実施形態４における、さらに他のヒータの平面説明図。 実施形態５における、折返し回数を変更したヒータの平面説明図。 実施形態５における、幅方向に凹凸形状が表れるように折り返したヒータの平面説明図。 実施形態５における、一部の配線幅を小さくしたヒータの平面説明図。 実施形態５における、一部の配線厚みを小さくしたヒータの平面説明図。 実施形態５における、複数の分岐配線部を設けたヒータの平面説明図。 実施形態６における、センサセルを複数備えたガスセンサ素子の展開説明図。

（実施形態１）
ガスセンサ素子に係る実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
本形態のガスセンサ素子１は、複数のセラミック層を積層してなる。また、本形態のガスセンサ素子１は、限界電流式のガスセンサ素子である。すなわち、ガスセンサ素子１は、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成されている。

ガスセンサ素子１は、図１〜図３に示すごとく、固体電解質体２と、ヒータ５と、測定電極３１及び基準電極３２と、チャンバ４と、ガス導入口１５０と、拡散抵抗部１５と、を有する。
固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有する。ヒータ５は、固体電解質体２を加熱する。測定電極３１及び基準電極３２は、固体電解質体２に設けられている。チャンバ４は、測定電極３１に面し被測定ガスが導入される空間である。ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の長手方向Ｙにおいてチャンバ４の先端側に設けられている。拡散抵抗部１５は、ガス導入口１５０に設けられている。

図１、図３に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。ここで、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、ヒータ５への通電制御を行って最高温度部位の温度を７００℃にて安定させたときの当該最高温度部位として、定義することができる。

すなわち、ヒータ５の温度は、図４に示すごとく、長手方向Ｙの位置Ｙ０によって異なり、分布を有する。ヒータ５の最高温度部位を７００℃にて安定させても、他の部位は、７００℃未満となる。そこで、ヒータ５の最高温度部位が７００℃にて安定させたときに、当該最高温度部位となる、長手方向Ｙの位置を、発熱中心５Ｃと定義する。

なお、図４の横軸は、ガスセンサ素子１の先端からの長手方向Ｙの距離Ｙ０を示し、縦軸が温度Ｔを示す。同図の曲線Ｍ１は、本形態のガスセンサ素子１におけるヒータ５の温度分布を示す。また、同図の曲線Ｍ２は、後述する比較形態のガスセンサ素子９におけるヒータ５の温度分布を示す。

上述したヒータ５の最高温度部位の７００℃は、あくまでもヒータ５の発熱中心５Ｃを定義する際の温度であり、ガスセンサ素子１の使用時の温度を規定するものではない。ガスセンサ素子１を使用する場合、最高温度部位の温度は適宜設定することができる。ガスセンサ素子１の使用時における最高温度部位の温度は、例えば、６００℃〜９５０℃の範囲にて適宜設定することができる。

また、ヒータ５の温度は、ガスセンサ素子１を、積層方向Ｚにおいてヒータ５に近い側の主面（本形態においては、後述するヒータ層１４の主面）から、サーモグラフにて測定することにより得られる温度である。このとき、ガスセンサ素子１が、その表面を覆う多孔質層（例えば、被毒物質を捕捉するトラップ層）を備える場合は、当該多孔質層を剥がして、緻密なセラミック層を露出させた状態にて、温度測定を行う。

ガスセンサ素子１は長尺形状を有し、その長手方向Ｙの一端に近い位置に、測定電極３１及び基準電極３２が形成されている。長手方向Ｙにおける、測定電極３１及び基準電極３２が設けられた側を、先端側、その反対側を基端側という。また、長手方向Ｙ及び積層方向Ｚの双方に直交する方向を、幅方向Ｗという。

図１、図３に示すごとく、本形態において、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の先端３１ＡからＬ／４基端側の位置３１Ｄよりも先端側に配置されている。ここで、Ｌは、長手方向Ｙにおける測定電極３１の全長である。
ヒータ５の先端５Ａは、測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置されている。なお、本形態において、ヒータ５の先端５Ａは、発熱中心５Ｃの温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる。

ヒータ５の発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。ここで、発熱基端部５Ｂは、ヒータ５における、発熱中心５Ｃの温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である。
すなわち、図４において、曲線Ｍ１が、直線Ｔ＝６００と交わる点における距離Ｙ１が、発熱基端部５Ｂの素子先端からの距離に相当する。

本形態のガスセンサ素子１においては、図１、図２に示すごとく、固体電解質体２における測定電極３１を設けた側の面に、チャンバ形成層１１と遮蔽層１２とを順次積層してある。また、固体電解質体２における基準電極３２を設けた側の面に、ダクト形成層１３とヒータ層１４とが順次積層してある。

チャンバ形成層１１は、積層方向Ｚに直交する方向からチャンバ４を囲むように形成されたセラミック層である。チャンバ形成層１１と、固体電解質体２と遮蔽層１２との間に、チャンバ４が形成される。なお、図１、図３（ａ）に示すごとく、チャンバ形成層１１の一部には、拡散抵抗部１５が設けられている。拡散抵抗部１５は、被測定ガスを拡散させながらチャンバ４に導入する部位である。

ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の先端部に形成されている。そして、ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の先端側に開口している。このガス導入口１５０に、拡散抵抗部１５が設けられている。すなわち、チャンバ４の先端側に拡散抵抗部１５が配置されている。拡散抵抗部１５は、多孔質のセラミックからなる。これにより、素子の先端側から被測定ガスをチャンバ４に導入するよう構成されている。

ダクト形成層１３は、図１，図２に示すごとく、ダクト６を固体電解質体２と反対側から覆うと共に、積層方向Ｚに直交する方向からダクト６を囲むように形成されたセラミック層である。ただし、ダクト形成層１３は、ダクト６の基端側を塞いでいない。すなわち、ダクト６は、ガスセンサ素子１の基端部に開口している。これにより、基準ガスは、ガスセンサ素子１の基端側からダクト６に導入される。そして、基準ガスは、ダクト６に面して形成された基準電極３２に接する。本形態において、基準ガスは大気である。

固体電解質体２は、ジルコニアを主成分とするセラミック層である。チャンバ形成層１１、遮蔽層１２、ダクト形成層１３、ヒータ層１４は、いずれもアルミナを主成分とするセラミック層である。拡散抵抗部１５も、アルミナを主成分とする。ただし、被測定ガスを透過させることができるよう、多孔質のセラミック体からなる。

ヒータ５は、ヒータ層１４に形成されている。すなわち、ヒータ層１４におけるダクト形成層１３側の面に、ヒータパターンが形成されている。図３（ｂ）に示すごとく、ヒータ５は、ヒータ発熱部５１とヒータリード部５２とを有する。ヒータリード部５２は、ヒータ発熱部５１の基端側に接続され、基端側へ延設されている。ヒータ発熱部５１は、ヒータリード部５２よりも導通抵抗が大きい。これにより、ヒータ５に通電したとき、主にヒータ発熱部５１が発熱する。

本形態においては、ヒータ発熱部５１は、先端側にて２回、基端側にて１回折り返した形状を有する。ヒータ５の発熱中心５Ｃは、ヒータ発熱部５１の中でも、先端に近い位置に存在する。ヒータ発熱部５１の熱の一部は、基端側に接続されたヒータリード部５２を介して放熱される。また、ガスセンサ素子１において、ヒータ発熱部５１よりも先端側の部位は比較的体積が小さい。すなわち、ヒータ発熱部５１よりも先端側の部位は、熱容量が比較的小さい。このような要因から、ヒータ発熱部５１の中でも先端に近い位置に発熱中心５Ｃが存在することとなる。

ガスセンサ素子１は、複数のセラミック層を積層してなるが、完成品の状態において、各セラミック層の間の境界が存在しない場合もある。例えば、チャンバ形成層１１と遮蔽層１２との間の境界、ダクト形成層１３とヒータ層１４との境界は、存在しない場合がある。

上述のように、ガスセンサ素子１は、基準電極３２が面するダクト６を有する（図１、図２参照）。本形態のガスセンサ素子１は、固体電解質体２と測定電極３１と基準電極３２とによって構成されたセンサセル１６によって、チャンバ４内の酸素がダクト６にポンピングされるよう構成されている。

本形態において、ガスセンサ素子１は、Ａ／Ｆセンサ素子である。すなわち、被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスである。そして、限界電流値を基に混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成されている。

本形態のガスセンサ素子１は、例えば車両の内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。なお、ガスセンサ素子１は、図示を省略するハウジング、素子カバー等を備えたガスセンサ内に組付けられたうえで、排気系に設置される。そして、排気系を流通する排ガスが、被測定ガスとして、ガスセンサ素子１のガス導入口１５０から拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入される。この状態において、測定電極３１と基準電極３２との間に電圧を印加したときに電極間に流れる電流値を測定することにより、排ガス中の酸素の濃度を検出する。

この電圧値と電流値との関係は、図５に示すようなＶＩ曲線（Ｌ１〜Ｌ３）を描く。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度の分圧によって異なるＶＩ曲線（Ｌ１〜Ｌ３）を描くが、各ＶＩ曲線において、電圧値が上昇しても電流値がほとんど変化しないフラット部Ｆが存在する。したがって、このフラット部Ｆにおける電流値（すなわち限界電流値）が測定できるような電圧を測定電極３１と基準電極３２との間に印加することにより、安定した電流値が得られる。そして、この電流値から酸素濃度を検出することができ、ひいては空燃比を導き出すことができる。

これらの電流値の測定や空燃比の導出は、ガスセンサ素子１にて得られた検出信号を基に、例えば、車両に搭載されたＥＣＵ（電子制御ユニットの略）にて行うことができる。また、電極間への電圧印加の制御、ヒータ５への通電制御等も、ＥＣＵにて行うことができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子１においては、ヒータ５の発熱中心５Ｃが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極３１の先端部付近における固体電解質体２の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体２における、測定電極３１の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口１５０から拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入された被測定ガスを、測定電極３１の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極３１の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体２を基準電極３２側へ伝導させることができる。
それゆえ、先端側からチャンバ４に測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子１のフラット性を高くすることができる。

また、チャンバ４の先端側にガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５を設けているため、ガスセンサ素子１の応答性が、測定箇所に対するガスセンサ（すなわち、ガスセンサ素子１を内蔵したセンサモジュール）の取付姿勢に影響され難くすることができる。すなわち、上述のように、ガスセンサ素子１は、内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。かかる場合において、ガスセンサ素子１は、ガス流れに対して長手方向Ｙが直交するような状態にて、取り付けられる。このとき、ガス流れの向きに対して、ガスセンサ素子１の幅方向Ｗの向きが、取付状態によって変わることはある。しかし、ガス流れの向きに対する先端部の向きが取付状態によって大きく変わることはない。それゆえ、先端部にガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５を有するガスセンサ素子１は、取付姿勢が応答性に影響し難い。

これに対して、後述の図８、図９に示す比較形態のガスセンサ素子９のように、ガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５が、チャンバ４に対して幅方向Ｗの外側に形成されている場合には、配管に対するガスセンサ素子９の取付姿勢によって、応答性が変わりやすい。つまり、ガスセンサ素子９の幅方向Ｗの向きが取付姿勢によって変わるため、取付姿勢によって、ガス流れに対するガス導入口１５０の向きが変わることとなる。そして、ガス導入口１５０の向きが、ガス流れの上流側を向いた場合には、被測定ガスがチャンバ４に導入されやすくなる。一方、ガス導入口１５０の開口方向がガス流れに対して直交するように配された場合には、比較的被測定ガスがチャンバ４に導入され難くなる。つまり、取付姿勢によって、チャンバ４への被測定ガスの入りやすさが変動し、これに伴い、応答性が変動することとなる。

ガス導入口１５０が先端側に開口しているガスセンサ素子は、上記のような応答性のバラツキが生じにくく、応答性の観点では有利となる。なお、応答性は、測定箇所における被測定ガス中の特定ガス濃度の変動を、ガスセンサ素子が検出する速度にて評価される性能である。この検出速度、すなわち応答速度が速いほど、応答性に優れている。

ところが、先端側からガスがチャンバ４に導入される構造の場合、被測定ガスはチャンバ４に導入された後、測定電極３１の先端部付近に到達することとなる。この測定電極３１の先端部付近において、仮に固体電解質体２の温度が充分に高くなっていないと、当該部位の活性が不充分となる。それゆえ、図６に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が小さくなり、チャンバ４内において、特定ガス濃度の分布が、長手方向Ｙに生じてしまう。図６に示す矢印Ｏ^2-は、酸素イオンの移動を表し、矢印の太さが単位面積当たりの酸素イオンの移動速度をイメージしている。後述する図７に示す矢印Ｏ^2-についても同様である。

つまり、測定電極３１の先端部付近において、充分な処理速度にて酸素をポンピングできなくなる。そうすると、チャンバ４内において、酸素濃度の傾斜が生じるおそれがある。かかる酸素濃度の傾斜が生じると、上述したＶＩ曲線のフラット性が低下する。つまり、ＶＩ曲線のフラット部が、傾斜しやすくなる。

そこで、本形態のガスセンサ素子１においては、ヒータ５の発熱中心５Ｃを、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置している。それゆえ、測定電極３１の先端部付近における固体電解質体２の温度を高くしやすい。そうすると、図７に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が充分に大きくなり、測定電極３１の先端部付近において充分な処理速度にて酸素をポンピングすることができる。それゆえ、図７に示すごとく、チャンバ４内における酸素濃度の傾斜が生じにくくなる。その結果、フラット性を向上させることができる。

なお、図６、図７は、説明の便宜上、拡散抵抗部１５の基端と測定電極３１の先端３１Ａとが、長手方向Ｙの同位置に設けた構成を示している。そして、ガスセンサ素子が酸素濃度２０％の被測定ガスに曝されたときのチャンバ４内の酸素濃度の分布をグラフにて併記している。また、あくまでも、図６、図７は、説明の便宜のための模式図であり、これらに併記したグラフも概略図である。

なお、ヒータ５の発熱中心５Ｃが、電極中心３１Ｃと同じ位置もしくはそれよりも基端側であっても、ヒータ発熱部５１の発熱量を大きくすることで、測定電極３１の先端部付近の温度を充分に高めることが可能な場合もある。しかし、このような手法にて測定電極３１の先端部付近の温度を高めることは、ヒータ５の耐久性、消費電力等の観点において、不利となる。そこで、本形態においては、上述のように、発熱中心５Ｃを電極中心３１Ｃよりも先端側に配置することで、効果的にフラット性を向上させている。

本形態においては、図１、図２に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の先端３１ＡからＬ／４基端側の位置３１Ｄよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極３１の先端部付近の温度を高くしやすくなる。その結果、フラット性をより向上させやすくすることができる。

ヒータ５の先端５Ａは、測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極３１の先端部付近の温度をより確実に高くすることができる。その結果、フラット性をより向上させることができる。

ヒータ５の発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。これにより、測定電極３１の全体にわたり、固体電解質体２の温度を高く維持しやすくなる。その結果、センサセル１６のうち、充分な酸素ポンピング能力を有する領域の面積を大きくすることができる。その結果、ＶＩ曲線におけるフラット部に至るまでの抵抗値Ｒｉ（すなわちΔＶ／ΔＩ）を抑制することができる。これにより、ＶＩ曲線におけるフラット部を大きくすることができる。このフラット部が大きくなると、ガスセンサ素子１の耐久性が向上し、長寿命化を図ることができる。すなわち、ガスセンサ素子１の使用の継続により、抵抗値Ｒｉは徐々に大きくなり、フラット部が徐々に小さくなる。フラット部が小さくなりすぎると、限界電流値を測定することが困難となる。それゆえ、フラット部を極力大きくしておくことが、ガスセンサ素子１の長寿命化につながる。

なお、本形態においては、長手方向Ｙにおいてヒータ５の先端５Ａと発熱基端部５Ｂとの間に測定電極３１が収まる。これにより、フラット部を大きくし、長寿命化が図られている。ただし、発熱中心５Ｃを電極中心３１Ｃより先端側に設けたうえで、ヒータ５の先端５Ａを測定電極３１の先端３１Ａより基端側としたり、発熱基端部５Ｂを測定電極３１の基端３１Ｂより先端側としたりすることもできる（例えば、後述する実施形態２、３、４に示すバリエーションの一部を参照）。これにより、消費電力を抑制しつつ測定電極３１の先端部付近の温度を充分に上昇させることができる。

また、本形態のガスセンサ素子１は、固体電解質体２と測定電極３１と基準電極３２とによって構成されたセンサセル１６が、チャンバ４内の酸素をダクト６にポンピングすることができるよう構成されている。かかる構成のガスセンサ素子１は、一般に、印加電圧のずれが、測定精度の誤差に影響しやすい。それゆえ、上述のような発熱中心５Ｃの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。

また、本形態において、ガスセンサ素子１は、Ａ／Ｆセンサ素子である。Ａ／Ｆセンサ素子は、一般に、早期活性が重要な要素となり、昇温速度を高くする傾向にある。そのため、耐熱応力を高めるべく、積層方向Ｚのチャンバ４の高さを低くする。例えば、チャンバ４の高さを５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下と、低くする。そうすると、上述のような、チャンバ４内における酸素濃度の傾斜が生じやすくなり、フラット性において不利となりやすい。そこで、上述のように、発熱中心５Ｃの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。

以上のごとく、本形態によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。

（比較形態）
本形態は、図８、図９に示すごとく、ガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５が、チャンバ４に対して幅方向Ｗの外側に形成されているガスセンサ素子９の形態である。
ガスセンサ素子９においては、チャンバ４の先端側にはガス導入口を設けていない。また、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、長手方向Ｙにおいて、測定電極３１の電極中心３１Ｃと同等の位置に配置されている（図４の曲線Ｍ２参照）。

なお、図１０に、本形態のガスセンサ素子９によるＶＩ曲線を示す。このＶＩ曲線は、ガスセンサ素子を大気中に配置した状態において、電極間への印加電圧を１Ｖ近くまで徐々に上昇させた後、印加電圧を徐々に下降させて、出力電流の変化を測定することにより得たものである。電圧上昇時と電圧下降時とでは、出力電流の変化の仕方が若干異なることがあり、そのずれが、図１０のＶＩ曲線において表れている。なお、後述する図１３、図１４についても、同様の手法にて、それぞれのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を得たものである。

その他は、実施形態１と同様である。なお、本形態において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、被測定ガスは、幅方向Ｗの外側からチャンバ４内に導入される。それゆえ、拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入された直後の被測定ガスは、測定電極３１における、長手方向Ｙの中央部付近に接する。この部分は、ヒータ５の発熱中心５Ｃ付近でもあるため、充分に活性化した状態にある。それゆえ、図１０に示すごとく、ＶＩ曲線のフラット性に関しては優れている。ただし、上述したように、排気系への取付姿勢によって応答性が変動しやすいという課題を有している。

（実験例１）
本例においては、図１１に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃの位置と、フラット性との関係につき調べた。
すなわち、発熱中心５Ｃの位置以外は、実施形態１のガスセンサ素子１と同様の構成の種々のガスセンサ素子を、試料として用意した。

具体的に試料として作製したガスセンサ素子において、チャンバ４、測定電極３１、ガス導入口１５０、拡散抵抗部１５等は、図１２に示す寸法関係を有する。チャンバ４の積層方向Ｚの高さは２０μｍとした。そして、発熱中心５Ｃの位置を、素子先端からの長手方向Ｙの距離Ｙ１として、１．２５〜２．７ｍｍの間にて変更した複数水準の試料を用意した。なお、距離Ｙ１＝２．７ｍｍの位置は、測定電極３１の電極中心３１Ｃの位置でもある。また、ヒータ発熱部５１の幅Ｗ２は、２．５ｍｍとした。

各水準の試料につき、フラット性を評価した。フラット性の評価にあたっては、図１３、図１４に示すようなＶＩ曲線を、各試料について取得することにより行った。ＶＩ曲線の取得の仕方は、上述した図１０のＶＩ曲線と同様である。なお、図１３は、Ｙ１＝２．７ｍｍのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す。図１４は、Ｙ１＝１．２５ｍｍのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す。

そして、印加電圧０．６Ｖのときの出力電流値と、印加電圧０．７Ｖのときの出力電流値との差ΔＩＬ（図１３参照）を、フラット性の指標とした。なお、ＶＩ曲線によっては電圧上昇時と電圧下降時とで、曲線が若干ずれることもあるが、その場合は、両者の平均の曲線を用いてΔＩＬを測定した。また、各水準５回ずつ、上記の測定を行った。評価結果を、図１１に示す。同図に示す一点鎖線３１Ａ、３１Ｄ、３１Ｂは、測定電極３１の各位置３１Ａ、３１Ｄ、３１Ｂ（図１、図３参照）に相当する距離Ｙ１を示している。

同図に示すように、発熱中心５Ｃの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、ΔＩＬが小さくなっている。すなわち、発熱中心５Ｃの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、フラット性が向上することが分かる。そして、発熱中心５Ｃの位置が電極中心３１Ｃの位置にあるものよりも、発熱中心５Ｃの位置が電極中心３１Ｃより先端側にあるものの方が、フラット性が向上することが分かる。

さらには、発熱中心５Ｃの位置が、測定電極３１の先端３１Ａから測定電極３１の全長Ｌの１／４の位置３１Ｄより先端側にあるものは、フラット性の指標となるΔＩＬを０．０３６ｍＡ以下とすることができる。ここで、ΔＩ≦０．０３６ｍＡは、本例にて用いたガスセンサ素子の限界電流値１．８ｍＡの±１％の幅に相当する。つまり、ΔＩ≦０．０３６ｍＡを満たすガスセンサ素子は、誤差１％以内の測定精度を実現できるものであると考えられる。

（実施形態２）
本形態は、図１５〜図１８に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置した形態である。
図１５〜図１８は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。

図１５に示すヒータ５は、発熱中心５Ｃと共に、発熱基端部５Ｂも、測定電極３１の先端３１Ａより先端側に配置している。
図１６に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の先端３１Ａより基端側であって、測定電極３１の電極中心３１Ｃより先端側に配置している。

図１７に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃより基端側であって、測定電極３１の基端３１Ｂより先端側に配置している。
図１８に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の基端３１Ｂより基端側に配置している。なお、図１８に示すヒータ５は、ヒータ発熱部５１の先端部側ほど、ヒータパターンの線幅が狭くなる形状を有する。これにより、ヒータ発熱部５１の先端に近い位置において、よりジュール熱が発生しやすくなる。これにより、発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側となるようにしている。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図１８に示すヒータ５は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図１９、図２０に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａと測定電極３１の電極中心３１Ｃとの間に配置しつつ、発熱基端部５Ｂを測定電極３１の基端３１Ｂよりも先端側に配置した形態である。
図１９、図２０は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。

図１９に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。
図２０に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも基端側であって、測定電極３１の基端３１Ｂよりも先端側に配置されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本形態は、図２１〜図２３に示すごとく、ヒータ５の先端５Ａを測定電極３１の先端３１Ａよりも基端側に配置した形態である。
図２１〜図２３は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。

図２１に示すヒータ５は、先端５Ａと発熱基端部５Ｂとのいずれもが、測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置されている。
図２２に示すヒータ５は、先端５Ａ及び発熱中心５Ｃが測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置され、発熱基端部５Ｂが測定電極３１の電極中心３１Ｃと基端３１Ｂとの間に配置されている。

図２３に示すヒータ５は、先端５Ａ及び発熱中心５Ｃが測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置され、発熱基端部５Ｂが測定電極３１の基端３１Ｂより基端側に配置されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図２３に示すヒータ５は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本形態においては、図２４〜図２８に示すごとく、ヒータ５のヒータ発熱部５１におけるパターンのバリエーションを示す。
図２４に示すヒータ発熱部５１は、実施形態１にて示したヒータ発熱部５１（図３参照）に対し、折返し回数を変更した形態である。すなわち、図２４のヒータ５は、先端側の折返し回数を３回、基端側の折返し回数を２回としている。この折返し回数を種々変更したものを採用することもできる。

図２５に示すヒータ発熱部５１は、幅方向Ｗに凹凸形状が表れるように折り返した形状を有する。この折返し回数も、種々変更することができる。
図２６に示すヒータ発熱部５１は、一部の配線幅を特に小さくしたものである。配線幅を細くした細線部５１１の先端と基端との間が、発熱中心５Ｃとなるようにすることができる。

図２７に示すヒータ発熱部５１は、一部の配線厚みを小さくしたものである。配線厚みを薄くした薄線部５１２の先端と基端との間が、発熱中心５Ｃとなるようにすることができる。

図２８に示すヒータ発熱部５１は、互いに並列接続された複数の分岐配線部５１３を有する。図２８においては、分岐配線部５１３が２つの形態を示したが、３つ以上の分岐配線部５１３を設けたものとすることもできる。

（実施形態６）
本形態は、図２９に示すごとく、電気化学セル（１６、１６Ｎ、１６Ｍ）を複数備えたガスセンサ素子１の形態である。
本形態において、ガスセンサ素子１の固体電解質体２における、チャンバ４側の面には、複数の電極が形成されている。

これら複数の電極は、それぞれ、基準電極３２と固体電解質体２と共に、電気化学セルを構成している。すなわち、本形態のガスセンサ素子１は、複数の電気化学セルを有する。このように複数の電気化学セルを有する場合、長手方向Ｙにおいて最も拡散抵抗部１５に近い位置に設けられた電気化学セルであるセンサセル１６を構成する測定電極３１との関係において、ヒータ５の発熱中心５Ｃを規定する。

本形態においては、長手方向Ｙにおいて最も先端側に配されたセンサセル１６は、チャンバ４内の酸素をダクト６へポンピングするポンプセルでもある。このポンプセルにて、チャンバ４内の酸素濃度を調整している。このポンピング時に流れる電流値を測定して、限界電流値を測定することで、排ガス中の酸素濃度を測定している。そして、この酸素濃度に基づいて、内燃機関の空燃比（すなわちＡ／Ｆ）を測定することができる。

また、上記電気化学セルのうち、センサセル１６以外は、例えば、ＮＯｘ用セル１６Ｎと、モニタセル１６Ｍとすることができる。ＮＯｘ用セル１６Ｎは、ＮＯｘ（すなわち窒素酸化物）に活性なＮＯｘ用電極３１Ｎを有する。モニタセル１６Ｍは、酸素に活性なモニタ用電極３１Ｍを有する。モニタセル１６Ｍは、チャンバ４内の酸素濃度を検出する。ＮＯｘ用セル１６Ｎに流れる酸素イオン電流とモニタセル１６Ｍに流れる酸素イオン電流とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
すなわち、本形態のガスセンサ素子は、ＮＯｘ濃度の検出機能とともに、空燃比（すなわちＡ／Ｆ）の検出機能を併せ持つ。

そして、上述のように、発熱中心５Ｃは、最も先端側に配された電気化学セルであるセンサセル１６（ポンプセルでもある）における測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも、先端側に配置されている。また、発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。発熱基端部５Ｂは、ＮＯｘ用電極３１Ｎの基端よりも基端側に配されている。さらには、発熱基端部５Ｂは、モニタ用電極３１Ｍの基端よりも基端側に配されている。

その他は、実施形態１と同様である。
本形態のように、複数の電気化学セルを有するガスセンサ素子１においても、発熱中心５Ｃの位置を測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置することで、フラット性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ ガスセンサ素子
１５ 拡散抵抗部
１５０ ガス導入口
２ 固体電解質体
３１ 測定電極
３１Ｃ 電極中心
３２ 基準電極
４ チャンバ
５ ヒータ
５Ｃ 発熱中心

Claims (6)

1. 複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子（１）であって、
   酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
   上記固体電解質体を加熱するヒータ（５）と、
   上記固体電解質体に設けられた測定電極（３１）及び基準電極（３２）と、
   上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバ（４）と、
   上記ガスセンサ素子の長手方向（Ｙ）において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口（１５０）と、
   上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部（１５）と、を有し、
   上記ヒータの発熱中心（５Ｃ）は、上記測定電極の電極中心（３１Ｃ）よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子。
2. 上記ヒータの発熱中心は、長手方向における上記測定電極の全長をＬとしたとき、上記測定電極の先端（３１Ａ）からＬ／４基端側の位置（３１Ｄ）よりも先端側に配置されている、請求項１に記載のガスセンサ素子。
3. 上記ヒータの先端（５Ａ）は、上記測定電極の先端（３１Ａ）よりも先端側に配置されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
4. 上記ヒータの発熱基端部（５Ｂ）は、上記測定電極の基端（３１Ｂ）よりも基端側に配置されており、
   上記発熱基端部は、上記ヒータにおける、上記発熱中心の温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
5. 上記被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスであって、上記ガスセンサ素子は、上記限界電流値を基に上記混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成された、Ａ／Ｆセンサ素子である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
6. 上記基準電極が面するダクト（６）を有し、上記固体電解質体と上記測定電極と上記基準電極とによって構成されたセンサセル（１６）によって、上記チャンバ内の酸素が上記ダクトにポンピングされるよう構成された、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。

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