JP2022059941A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの始動後にガスセンサを早期に始動させたとしても、センサ素子においてクラックが発生しにくいガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されている。このガスセンサは、センサ素子を備える。センサ素子の内部には、外部空間から前記被測定ガスを導入するように構成された内部空所が形成されている。センサ素子は、平面視において、長辺及び短辺を有する。センサ素子において、短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、０．２２以上である。センサ素子は、上面及び下面を有する。センサ素子の厚みに対する、内部空所の上記下面寄りの端部から上記下面までの長さの割合は、０．５０以上、０．６５以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されたガスセンサに関する。

特許第３８６０５９０号公報（特許文献１）は、ガスセンサを開示する。このガスセンサは、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度を測定するように構成されている。このガスセンサはセンサ素子を備え、該センサ素子の主成分は酸素イオン伝導性を有する固体電解質である。

このセンサ素子においては、外部空間から被測定ガスを導入するように構成された第１室と、第１室に連通した第２室とが形成されている。第２室内には、ＮＯｘ濃度の測定に用いられる検出電極が形成されている。このガスセンサにおいては、第１室内に形成された内側ポンプ電極と、第１室外に形成された外側ポンプ電極とを含む主ポンプセルによって、第１室内の酸素濃度が調節される。

すなわち、このガスセンサにおいては、酸素分圧が低い値に保たれた被測定ガスが検出電極に供給され、該被測定ガスに基づいてＮＯｘ濃度が測定される（特許文献１参照）。

特許第３８６０５９０号公報

ガスセンサは、例えば、エンジンの排気管に取り付けられる。近年、エンジンの始動後にガスセンサを早期に始動させることが求められている。すなわち、エンジンの始動後において、センサ素子の昇温タイミングを早めること、及び、センサ素子を急昇温させることが求められている。

エンジンの始動直後には、排気管内に凝縮水が存在する場合がある。エンジンの始動後におけるセンサ素子の昇温タイミングが早められると、昇温されたセンサ素子に凝縮水が付着する可能性がある。例えば、上記特許文献１に開示されているガスセンサにおいてセンサ素子の昇温タイミングが早められると、センサ素子に凝縮水が付着することにより生じる熱応力によって、センサ素子においてクラックが発生する可能性がある。

また、例えば、上記特許文献１に開示されているガスセンサにおいてセンサ素子を急昇温させると、急昇温に起因する熱応力によって、センサ素子においてクラックが発生する可能性がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、エンジンの始動後にガスセンサを早期に始動させたとしても、センサ素子においてクラックが発生しにくいガスセンサを提供することである。

本発明に従うガスセンサは、被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されている。このガスセンサは、センサ素子を備える。センサ素子の主成分は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質である。センサ素子の内部には、外部空間から前記被測定ガスを導入するように構成された内部空所が形成されている。センサ素子は、酸素ポンピングセルを備える。酸素ポンピングセルは、内側ポンプ電極と、外側ポンプ電極とを備える。内側ポンプ電極は、内部空所内に形成されている。外側ポンプ電極は、内部空所とは異なる空間に形成されている。酸素ポンピングセルは、内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極の間に電圧を印加することによって、内部空所内の酸素を汲み出すように構成されている。センサ素子は、平面視において、長辺及び短辺を有する。上記短辺の長さに対する、内部空所の上記短辺方向の長さの割合は、０．４０以上、０．５５以下である。センサ素子は、上面及び下面を有する。センサ素子の厚みに対する、内部空所の上記下面寄りの端部から上記下面までの長さの割合は、０．５０以上、０．６５以下である。

本発明者（ら）は、センサ素子のクラックが主に内部空所から発生することに着目した。その上で、本発明者（ら）は、内部空所が形成されていない部分のうち上記短辺方向の長さが最も短い部分の長さをある程度確保することによって、特に、急昇温に起因するセンサ素子のクラックを抑制可能であることを見出した。本発明に従うガスセンサにおいて、上記短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、０．２２以上である。したがって、このガスセンサによれば、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さがある程度長いため、急昇温に起因するセンサ素子のクラックを抑制することができる。

また、本発明者（ら）は、センサ素子の厚み方向における内部空所の位置を中心に近付けることによって、特に、凝縮水の付着に起因するセンサ素子のクラックを抑制可能であることを見出した。本発明に従うガスセンサにおいては、センサ素子の厚みに対する、内部空所の上記下面寄りの端部から上記下面までの長さの割合は、０．５０以上、０．６５以下である。したがって、このガスセンサによれば、センサ素子の厚み方向における内部空所の位置がある程度中心に近いため、凝縮水の付着に起因するセンサ素子のクラックを抑制することができる。したがって、本発明によれば、エンジンの始動後にガスセンサを早期に始動させたとしても、センサ素子においてクラックが発生しくにくいガスセンサを提供することができる。

上記ガスセンサにおいて、センサ素子の上記短辺の長さに対する、内部空所の短辺方向の長さの割合は、０．４０以上、０．５５以下であってもよい。

本発明者（ら）は、上記短辺方向における内部空所の長さを短くすることによって、特に、急昇温に起因するセンサ素子のクラックを抑制可能であることを見出した。上記短辺の長さに対する、内部空所の上記短辺方向の長さの割合は、０．４０以上、０．５５以下である。したがって、このガスセンサによれば、上記短辺方向における内部空所の長さがある程度短いため、急昇温に起因するセンサ素子のクラックを抑制することができる。

上記ガスセンサにおいて、センサ素子は、発熱するように構成された発熱部をさらに備え、発熱部は、センサ素子の厚み方向において、上記上面よりも上記下面に近い位置に配置されていてもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、センサ素子の内部には、拡散律速部がさらに形成されており、拡散律速部は、ガス導入口を介して外部空間から取り込まれた被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与するように構成されており、拡散律速部は、上記長辺方向に延びる孔を含み、ガス導入口と内部空所とを連通させ、上記厚み方向における上記孔の長さに対する、上記短辺方向における上記孔の長さの割合は、０．５０以上、３０．００以下であってもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、拡散律速部は、第１拡散律速部と、第２拡散律速部とを含み、第１及び第２拡散律速部は、長辺方向に並んでおり、第１拡散律速部の上記厚み方向の断面形状と、第２拡散律速部の上記厚み方向の断面形状とは、互いに異なっていてもよい。

また、上記ガスセンサにおいて、第１及び第２拡散律速部の一方は、上記孔を含み、第１及び第２拡散律速部の他方は、上記厚み方向に並んだ２つのスリットを含んでいてもよい。

このガスセンサによれば、第１及び第２拡散律速部の一方が上記孔を含むため、センサ素子の剛性を高めることができるとともに、第１及び第２拡散律速部の他方が上記厚み方向に並んだ２つのスリットを含むため、排気圧の脈動に起因する所定ガス成分に関する測定精度の低下を抑制することができる。すなわち、このガスセンサによれば、センサ素子の剛性の向上と、所定ガス成分に関する測定精度の低下抑制とを両立することができる。

また、上記ガスセンサにおいて、センサ素子は、複数のセラミック層の積層体であり、センサ素子においては、外側ポンプ電極が複数のセラミック層のいずれかによって覆われており、外側ポンプ電極を覆うセラミック層と、外側ポンプ電極との間には、外部空間につながるスリット部が形成されていてもよい。

このガスセンサによれば、外側ポンプ電極がセラミック層によって覆われているため、外側ポンプ電極が被水することを抑制することができるとともに、セラミック層と外側ポンプ電極との間にスリット部が形成されているため、外側ポンプ電極から外部空間に酸素を効率的に排出することができる。

本発明によれば、エンジンの始動後にガスセンサを早期に始動させたとしても、センサ素子においてクラックが発生しにくいガスセンサを提供することができる。

ガスセンサの構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 センサ素子等の温度がどのように変化するかの一例を示す図である。 実施の形態に従うガスセンサの断面の一部を示す模式図と、比較対象のガスセンサの断面の一部を示す模式図とを含む図である。 実施の形態に従うガスセンサの平面の一部を示す模式図と、比較対象のガスセンサの平面の一部を示す模式図とを含む図である。 図４のＶ－Ｖ断面の一部を模式的に示す図である。 図４のＶＩ－ＶＩ断面の一部を模式的に示す図である。 ３室構造のセンサ素子を含むガスセンサの構成の一例を概略的に示した断面模式図である。 変形例における、センサ素子の厚み方向断面の一部を模式的に示す図である。 変形例における、ガスセンサの平面の一部を示す図である。 変形例における、他のガスセンサの平面の一部を示す図である。 耐被水性試験において用いられる装置を模式的に示す図である。 ヒータ抵抗の変化の一例を示す図である。 耐被水性試験の結果を示す図である。 急昇温性試験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［１．ガスセンサの概略構成］
図１は、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第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、上部層７との７つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら７つの層を形成する固体電界質は緻密な気密のものである。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及び配線パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。センサ素子１０１は、例えば、複数のセラミック層の積層体である。

センサ素子１０１の一先端部であって、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センサ素子１０１内部の空間である。

第１拡散律速部１１は、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長辺方向を有する）スリットとして設けられる。また、第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０の各々は、図面に垂直な方向に延びる長さが第１内部空所２０及び第２内部空所４０の各々よりも短い孔として設けられる。第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０については、後程詳しく説明する。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。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、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、例えば大気が導入される。なお、第１固体電解質層４がセンサ素子１０１の後端まで延びており、基準ガス導入空間４３が形成されていなくてもよい。また、基準ガス導入空間４３が形成されていない場合に、大気導入層４８がセンサ素子１０１の後端まで延びていてもよい（例えば、図７参照）。

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。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、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内や第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。

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。

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。

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。

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。

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濃度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内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

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。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

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の下面の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。

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層（第２固体電解質層６及び第１固体電解質層４）、及び、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（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部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。

また、外側ポンプ電極２３の上方には、上部層７が位置している。外側ポンプ電極２３と上部層７との間には、外部空間につながるスリット部２４が介在している。スリット部２４は、図面の垂直方向において、センサ素子１０１の一端から他端まで延びている。スリット部２４には、例えば、多孔質アルミナ等の多孔質材が埋められている。

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（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ_２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、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

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。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）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。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるようにＶｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

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、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

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ている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、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において、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

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と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。

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（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の両壁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。

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、被測定ガス中の窒素酸化物成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

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。

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３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。

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。

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。

測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定を行う。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。

測定電極４４は、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。

第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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の保護膜としても機能する。

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として検出することができる。

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に基づいて可変電源４６が制御される。

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→Ｎ_２＋Ｏ_２）酸素を発生する。そして、この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。

また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中の窒素酸化物成分の濃度を求めることも可能である。

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が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

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、被測定ガス中の窒素酸化物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、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を知ることができるようになっている。

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。ヒータ部７０は、センサ素子１０１の厚み方向において、センサ素子１０１の上面よりもセンサ素子１０１の下面に近い位置に配置されている。なお、センサ素子１０１の上面は上部層７の上面であり、センサ素子１０１の下面は第１基板層１の下面である。

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。

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た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。

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。

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、及び、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。

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内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

［２．ガスセンサの早期始動に伴なって生じる問題］
ガスセンサ１００は、例えば、車両のエンジンの排気管に取り付けられる。近年、エンジンの始動後にガスセンサ１００を早期に始動させることが求められている。すなわち、エンジンの始動後において、センサ素子１０１の昇温タイミングを早めること、及び、センサ素子１０１を急昇温させることが求められている。

図２は、センサ素子１０１等の温度がどのように変化するかの一例を示す図である。図２を参照して、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。線Ｗ２はセンサ素子１０１の温度変化の一例を示し、線Ｗ１は比較対象のセンサ素子の温度変化の一例を示す。線Ｗ３は、エンジンの排気管を通る排気ガスの温度変化の一例を示す。

時刻ｔ０において、エンジンが始動する。時刻ｔ０においては、排気管内に凝縮水が存在する。エンジンの始動後に、凝縮水は、排気管内で飛散し、ガスセンサ１００内に進入する。排気ガスの温度上昇に伴って、例えば、時刻ｔ２において、ガスセンサ１００内は乾燥状態になる。

比較対象のセンサ素子は、ガスセンサ１００内が乾燥状態となった後（時刻ｔ２）に昇温を開始する。その後、比較対象のセンサ素子の温度は、時刻ｔ３の時点で温度Ｔ２になる。温度Ｔ２は、ガスセンサが機能するのに必要な温度である。比較対象のセンサ素子はガスセンサ１００内が乾燥状態となった後に昇温を開始し、かつ、昇温は緩やかであるため、比較対象のセンサ素子にクラックが生じる可能性は低い。しかしながら、比較対象のセンサ素子は、時刻ｔ３まで機能を発揮することができない。

一方、センサ素子１０１は、例えば、エンジンの始動と同時（時刻ｔ０）に昇温を開始する。センサ素子１０１の温度は、時刻ｔ１の時点で温度Ｔ２になる。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間よりも短い。すなわち、センサ素子１０１の昇温タイミングは比較対象のセンサ素子の昇温タイミングよりも早く、センサ素子１０１は比較対象のセンサ素子よりも急昇温する。

時刻ｔ０にセンサ素子１０１の昇温を開始すると、昇温されたセンサ素子１０１に凝縮水が付着する可能性がある。仮に特に構造上の工夫を施していないセンサ素子の昇温を時刻ｔ０に開始すると、センサ素子に凝縮水が付着することにより生じる熱応力によって、センサ素子においてクラックが発生する可能性がある。

また、仮に特に構造上の工夫を施していないセンサ素子を時刻ｔ０から時刻ｔ１までの短時間で温度Ｔ２まで急昇温させると、急昇温に起因する熱応力によって、センサ素子においてクラックが発生する可能性がある。

本実施の形態に従うガスセンサ１００においては、センサ素子１０１に構造上の工夫が施されている。その結果、エンジンの始動後にガスセンサ１００を早期に始動させたとしても、センサ素子１０１においてクラックが発生しにくくなっている。以下、センサ素子１０１における構造上の工夫について、詳細に説明する。

［３．ガスセンサにおける特徴的な構造］
＜３－１．厚み方向における各内部空所の位置＞
図３は、本実施の形態に従うガスセンサ１００の断面の一部を示す模式図と、比較対象のガスセンサ１００Ａの断面の一部を示す模式図とを含む図である。図３を参照して、本実施の形態に従うガスセンサ１００の断面の一部は右方に示され、比較対象のガスセンサ１００Ａの断面の一部は左方に示されている。

ガスセンサ１００Ａにおいては、第１内部空所２０Ａがセンサ素子１０１Ａの上面により近い位置に形成されている。その結果、センサ素子１０１Ａの上面から第１内部空所２０Ａの上端までの長さＬ１が短くなっている。センサ素子１０１Ａの昇温途中でセンサ素子１０１Ａに凝縮水が付着すると、長さＬ１が短いため、センサ素子１０１Ａの上面寄りの位置でクラックが発生し得る。

一方、本実施の形態に従うガスセンサ１００においては、比較対象のガスセンサ１００Ａと比較して、センサ素子１０１の厚み方向において、第１内部空所２０がセンサ素子１０１の中心に近い位置に形成されている。第１内部空所２０がセンサ素子１０１の中心に近い位置に形成されることによって、センサ素子１０１の上面から第１内部空所２０の上端までの長さＬ２、及び、第１内部空所２０の下端からセンサ素子１０１の下面までの長さＬ３の各々がある程度長くなっている。長さＬ２及び長さＬ３の各々がある程度長いため、センサ素子１０１の上面側及び下面側の各々の剛性はある程度高くなっている。その結果、センサ素子１０１の昇温途中でセンサ素子１０１に凝縮水が付着しても、センサ素子１０１においてはクラックが発生しにくい。

すなわち、本発明者（ら）は、センサ素子１０１の厚み方向における第１内部空所２０の位置を中心に近付けることによって、特に、凝縮水の付着に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制可能であることを見出した。本実施の形態に従うガスセンサ１００においては、センサ素子１０１の厚み（Ｌ４）に対する、第１内部空所２０のセンサ素子１０１の下面寄りの端部からセンサ素子１０１の下面までの長さ（Ｌ３）の割合（Ｌ３／Ｌ４）は、０．５０以上、０．６５以下である。したがって、ガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１の厚み方向における第１内部空所２０の位置がある程度中心に近いため、凝縮水の付着に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制することができる。

＜３－２．短辺方向における第１内部空所の長さ＞
図４は、本実施の形態に従うガスセンサ１００の平面の一部を示す模式図と、比較対象のガスセンサ１００Ａの平面の一部を示す模式図とを含む図である。図４を参照して、本実施の形態に従うガスセンサ１００の平面の一部は右方に示され、比較対象のガスセンサ１００Ａの平面の一部は左方に示されている。

センサ素子１０１及びセンサ素子１０１Ａの各々は、平面視において、長辺及び短辺を有している。センサ素子１０１Ａにおいて、短辺方向における第１内部空所２０Ａの長さＬ５は、比較的長くなっている。その結果、第１内部空所２０Ａの側壁を形成する部分（第１内部空所２０Ａが形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分）の長さＬ９が短くなっている。センサ素子１０１Ａが急昇温すると、長さＬ９が短いため、第１内部空所２０Ａの側壁部分でクラックが発生し得る。

一方、本実施の形態に従うガスセンサ１００に含まれるセンサ素子１０１においては、比較対象のセンサ素子１０１Ａと比較して、センサ素子１０１の短辺方向における第１内部空所２０の長さが短い。その結果、第１内部空所２０の側壁を形成する部分（第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分）の長さＬ８が長くなっている。長さＬ８がある程度長いため、第１内部空所２０の側壁の剛性はある程度高くなっている。その結果、センサ素子１０１が急昇温しても、センサ素子１０１においてはクラックが発生しにくい。

すなわち、本発明者（ら）は、センサ素子１０１において、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分の長さ（Ｌ８）をある程度確保することによって、特に、急昇温に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制可能であることを見出した。ガスセンサ１００においては、センサ素子１０１の短辺の長さ（Ｌ７）に対する、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さ（Ｌ８）の割合（Ｌ８／Ｌ７）は、０．２２以上である。したがって、ガスセンサ１００によれば、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さがある程度長いため、急昇温に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制することができる。

言い換えると、本発明者（ら）は、センサ素子１０１の短辺方向における第１内部空所２０の長さを短くすることによって、特に、急昇温に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制可能であることを見出したともいえる。本実施の形態に従うガスセンサ１００においては、センサ素子１０１の短辺の長さ（Ｌ７）に対する、第１内部空所２０のセンサ素子１０１の短辺方向の長さ（Ｌ６）の割合（Ｌ６／Ｌ７）は、０．４０以上、０．５５以下である。したがって、ガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１の短辺方向における第１内部空所２０の長さがある程度短いため、急昇温に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制することができる。

＜３－３．厚み方向断面における第１及び第２拡散律速部の形状＞
図５は、図４のＶ－Ｖ断面の一部を模式的に示す図である。すなわち、図５は、センサ素子１０１の厚み方向断面の一部を模式的に示す図である。本明細書において、センサ素子１０１の「厚み方向断面」とは、センサ素子１０１を厚み方向に切ることによって形成される断面のことをいう。

図４及び図５を参照して、第２拡散律速部１３は、センサ素子１０１の長辺方向に延びる孔によって形成されている。センサ素子１０１の厚み方向における第２拡散律速部１３（孔）の長さ（Ｌ１１）に対する、センサ素子１０１の短辺方向における第２拡散律速部１３の長さ（Ｌ１０）の割合（Ｌ１０／Ｌ１１）は、例えば、０．５０以上、３０．００以下である。

図６は、図４のＶＩ－ＶＩ断面の一部を模式的に示す図である。図４及び図６を参照して、第１拡散律速部１１は、センサ素子１０１の厚み方向に並んだ２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２を含んでいる。ガスセンサ１００においては、第１拡散律速部１１の厚み方向断面がこのような形状を有することによって、排気圧の脈動に起因する所定ガス成分に関する測定精度の低下をより効率的に抑制することができる。

一方、第１拡散律速部１１において、スリットＳＬ１の領域Ａ１，Ａ３及びスリットＳＬ２の領域Ａ２，Ａ４は、比較的強度が低い。仮に、第２拡散律速部１３の厚み方向断面の形状が、第１拡散律速部１１と同様であると、センサ素子１０１におけるクラック発生の可能性が高まる。

ガスセンサ１００において、第１拡散律速部１１の厚み方向断面の形状と、第２拡散律速部１３の厚み方向断面の形状とは、互いに異なる。第２拡散律速部１３の構造は、第１拡散律速部１１と比較して剛性が高い。したがって、ガスセンサ１００においては、センサ素子１０１においてクラックが発生する可能性が低減されている。

ガスセンサ１００によれば、第２拡散律速部１３が上述の孔によって形成されているため、センサ素子１０１の剛性を高めることができるとともに、第１拡散律速部１１がセンサ素子１０１の厚み方向に並んだ２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２を含むため、排気圧の脈動に起因する所定ガス成分に関する測定精度の低下を抑制することができる。すなわち、ガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１の剛性の向上と、所定ガス成分に関する測定精度の低下抑制とを両立することができる。なお、第１拡散律速部１１の形状と第２拡散律速部１３の形状とは、反対であってもよい。すなわち、第１拡散律速部１１が上述の孔によって形成され、第２拡散律速部１３が厚み方向に並んだ２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２によって形成されてもよい。

［４．特徴］
以上のように、本実施の形態に従うガスセンサ１００において、センサ素子１０１の短辺の長さに対する、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、０．２２以上である。したがって、ガスセンサ１００によれば、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さがある程度長いため、急昇温に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制することができる。

また、本実施の形態に従うガスセンサ１００において、センサ素子１０１の厚みに対する、第１内部空所２０の下端からセンサ素子１０１の下面までの長さの割合は、０．５０以上、０．６５以下である。したがって、ガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１の厚み方向における第１内部空所２０の位置がある程度中心に近いため、凝縮水の付着に起因するセンサ素子１０１のクラックを抑制することができる。したがって、ガスセンサ１００によれば、エンジンの始動後にガスセンサ１００を早期に始動させたとしても、センサ素子１０１におけるクラックの発生を抑制することができる。

［５．変形例］
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

＜５－１＞
上記実施の形態に従うガスセンサ１００において、センサ素子１０１には、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とが形成されていた。すなわち、センサ素子１０１は、２室構造であった。しかしながら、センサ素子１０１は、必ずしも２室構造である必要はない。たとえば、センサ素子１０１は、３室構造であってもよい。

図７は、３室構造のセンサ素子１０１Ｘを含むガスセンサ１００Ｘの構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図７に示されるように、第２内部空所４０（図１）を第５拡散律速部６０でさらに２室に分け、第２内部空所４０Ｘと第３内部空所６１とを作成してもよい。この場合、第２内部空所４０Ｘに補助ポンプ電極５１Ｘを配置し、第３内部空所６１に測定電極４４Ｘを配置してもよい。また３室構造にする場合には、第４拡散律速部４５を省略してもよい。

＜５－２＞
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００において、スリット部２４には多孔質材が埋められていた。しかしながら、スリット部２４には、必ずしも多孔質材が埋められていなくてもよい。

図８は、変形例における、センサ素子１０１Ｙの厚み方向断面の一部を模式的に示す図である。図８に示されるように、外側ポンプ電極２３の上方には、上部層７が位置している。外側ポンプ電極２３と上部層７との間には、スリット部２４が介在している。変形例において、スリット部２４は空洞となっている。なお、スリット部２４の幅は、上部層７の幅と同一である。このように、スリット部２４は空洞であってもよい。

＜５－３＞
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００において、センサ素子１０１は、上部層７を含んでいた。しかしながら、センサ素子１０１は、必ずしも上部層７を含まなくてもよい。この場合には、外側ポンプ電極２３の上方に、スリット部２４が形成されず、外側ポンプ電極２３の上方が外部に露出していてもよい。

＜５－４＞
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００においては、センサ素子１０１の短辺方向において、ガス流通部（ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位）は中央に位置していた。しかしながら、センサ素子１０１の短辺方向において、ガス流通部は必ずしも中央に位置していなくてもよい。

図９は、変形例における、ガスセンサ１００Ｚ１の平面の一部を示す図である。図９に示されるように、センサ素子１０１Ｚ１の短辺方向において、ガス流通部は、一方に偏った位置に形成されてもよい。この場合に、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分の長さはＬ１３である。すなわち、この場合には、センサ素子１０１Ｚ１の短辺の長さ（Ｌ１４）に対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さ（Ｌ１３）の割合（Ｌ１３／Ｌ１４）が０．２２以上である。

＜５－５＞
また、上記実施の形態に従うガスセンサ１００において、第１内部空所２０の形状は矩形状であった。しかしながら、第１内部空所２０の形状は必ずしも矩形状でなくてもよい。例えば、第１内部空所２０の形状は、台形状であってもよい。

図１０は、変形例における、他のガスセンサ１００Ｚ２の平面の一部を示す図である。図１０に示されるように、第１内部空所２０Ｚ２の形状は台形状である。この場合に、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分の長さはＬ１５である。すなわち、この場合には、センサ素子１０１Ｚ２の短辺の長さ（Ｌ１７）に対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さ（Ｌ１５）の割合（Ｌ１５／Ｌ１７）が０．２２以上である。

［６．実施例等］
＜６－１．実施例及び比較例＞
まず、次に説明する方法により、実施例１となるセンサ素子１０１を作成した。

ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む７枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意した。なお、各セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを４ｍｏｌ％添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。このグリーンシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や必要なスルーホール等を予め複数形成しておいた。

また、スペーサ層５となるグリーンシートにはガス流通部となる空間を予め打ち抜き処理によって設けておいた。第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０も打ち抜き処理によって設けられた。そして、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、上部層７のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに種々のパターンを形成するパターン印刷処理及び乾燥処理を行なった。

形成されたパターンは、具体的には、上述した各電極、各電極に接続されるリード線、大気導入層４８、ヒータ部７０等のパターンであった。パターン印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してグリーンシート上に塗布することにより行なった。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いて行なった。パターン印刷及び乾燥が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層及び接着するための接着用ペーストの印刷及び乾燥処理を行なった。

そして、接着用ペーストを形成したグリーンシートをシート穴により位置決めしつつ所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させ、一つの積層体とする圧着処理を行なった。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子１０１を包含したものであった。その積層体を切断してセンサ素子１０１の大きさに切り分けた。そして、切り分けた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子１０１を得た。

実施例１において、センサ素子１０１の厚みは１５５０μｍであった。第１内部空所２０の下端からセンサ素子１０１の下面までの長さは９００μｍであった。すなわち、センサ素子１０１の厚みに対する、第１内部空所２０の下端からセンサ素子１０１の下面までの長さの割合は０．５８であった。また、センサ素子１０１の短辺の長さは４．２５ｍｍであった。センサ素子１０１の短辺方向における第１内部空所２０の長さは、２．００ｍｍであった。すなわち、センサ素子１０１の短辺の長さに対する、センサ素子１０１の短辺方向における第１内部空所２０の長さの割合は０．４７であった。また、センサ素子１０１において、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さは、１．１２５ｍｍであった。すなわち、センサ素子１０１の短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、約０．２６であった。また、第２拡散律速部１３は、打ち抜き加工によって形成された孔によって構成されていた。

また、比較例１－３のセンサ素子を作成した。比較例１－３のセンサ素子の作成方法は、実施例１のセンサ素子１０１の作成方法とほぼ同じであった。実施例１のセンサ素子１０１と、比較例１－３のセンサ素子との主要な違いは、センサ素子の厚み方向における第１内部空所の位置、第１内部空所の幅（第１内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さ）、及び、第２拡散律速部の形状であった。

比較例１において、センサ素子の厚みは１５５０μｍであった。第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さは１０２０μｍであった。すなわち、センサ素子の厚みに対する、第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さの割合は０．６６であった。また、センサ素子の短辺の長さは４．２５ｍｍであった。センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さは、２．５０ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さの割合は０．５９であった。また、センサ素子において、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さは、０．８７５ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、約０．２１であった。また、第２拡散律速部は、第１拡散律速部１１と同様のスリットによって構成されていた。

比較例２において、センサ素子の厚みは１５５０μｍであった。第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さは１０２０μｍであった。すなわち、センサ素子の厚みに対する、第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さの割合は０．６６であった。また、センサ素子の短辺の長さは４．２５ｍｍであった。センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さは、２．５０ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さの割合は０．５９であった。また、センサ素子において、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さは、０．８７５ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、約０．２１であった。また、第２拡散律速部は、打ち抜き加工によって形成された孔によって構成されていた。

比較例３において、センサ素子の厚みは１５５０μｍであった。第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さは１０２０μｍであった。すなわち、センサ素子の厚みに対する、第１内部空所の下端からセンサ素子の下面までの長さの割合は０．６６であった。また、センサ素子の短辺の長さは４．２５ｍｍであった。センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さは、２．００ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、センサ素子の短辺方向における第１内部空所の長さの割合は０．４７であった。また、センサ素子において、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さは、１．１２５ｍｍであった。すなわち、センサ素子の短辺の長さに対する、内部空所が形成されていない部分のうち短辺方向の長さが最も短い部分における短辺方向の長さの割合は、約０．２６であった。また、第２拡散律速部は、打ち抜き加工によって形成された孔によって構成されていた。

＜６－２．耐被水性試験＞
図１１は、耐被水性試験において用いられる装置を模式的に示す図である。図１１に示されるように、ディスペンサ５００は、ヘッド５１０と、ノズル５２０とを含んでいる。センサ素子１０１は、素子用クランプ５３０によって保持されている。

耐被水性試験においては、液体貯留部から内径が３ｍｍ以下のノズル５２０へ液体が供給される。具体的には、大気圧に１－１０ｋＰａ上乗せした圧力で加圧することによって、液体がノズル５２０へ供給される。液だれを利用して、ノズル５２０の先端から３－７０μＬの範囲で設定された所望の滴下量の液滴をセンサ素子１０１上に１滴滴下する。液滴の滴下によるセンサ素子１０１への影響を評価する。

より具体的には、センサ素子１０１の所定位置に液滴を第１の所定時間ノズルを開いて液滴を滴下する。センサ素子１０１に異常が生じなければ、センサ素子１０１の所定位置に第１の所定時間よりも長い第２の所定時間液滴を滴下する。この作業を、センサ素子１０１に異常が生じるまで、又は、予め定められた全ての所定時間のパターンをやり切るまで繰り返す。

液滴の滴下によって、センサ素子１０１においてクラックが発生すると、第１内部空所２０内に酸素に進入し、Ｉｐ０（図１）が急激に上昇する。Ｉｐ０の急激な上昇の有無によって、センサ素子１０１におけるクラック発生の有無を判断する。実施例１及び比較例１－３の各々におけるサンプル数は５であった。このような方法によって、耐被水性試験が行なわれた。

＜６－３．急昇温性試験＞
通常は５０秒かけてヒータ７２の温度を所定温度まで上昇させるところ、１５秒でヒータ７２の温度を所定温度まで上昇させることによって急昇温性試験を行なった。ヒータ７２の温度は、ヒータ抵抗によって制御される。ガスセンサ１００の駆動時におけるヒータ抵抗は、室温時のヒータ抵抗（サンプル固有値）に定数を積算することによって求められる。急昇温性試験においては、ヒータ抵抗が１５秒で駆動時のヒータ抵抗に達するようにヒータ部７０に電圧を印加した。

図１２は、ヒータ抵抗の変化の一例を示す図である。図１２を参照して、横軸は時間を示し、縦軸はヒータ抵抗を示す。センサ素子１０１においてクラックが生じていない場合には、例えば、線Ｗ４が示すようにヒータ抵抗が上昇する。すなわち、ヒータ抵抗値が時刻ｔ５（１５秒）で駆動時のヒータ抵抗Ｒ１に達する。一方、センサ素子１０１にクラックが生じている場合には、例えば、線Ｗ５が示すようにヒータ抵抗が異常値を示す。１０本のセンサ素子におけるクラック発生率によって、急昇温性を評価した。

＜６－４．試験結果＞
図１３は、耐被水性試験の結果を示す図である。図１３に示されるように、比較例１においては、少なくとも７μＬの被水によってすべてのサンプルにクラックが発生した。比較例２においては、少なくとも８μＬの被水によってすべてのサンプルにクラックが発生した。比較例３においては、少なくとも６μＬの被水によってすべてのサンプルにクラックが発生した。一方、実施例１においては、９μＬの被水によって一部のサンプルにクラックが生じたが、８μＬの被水によってはいずれのサンプルにもクラックが発生しなかった。

図１４は、急昇温性試験の結果を示す図である。図１４に示されるように、比較例１においては、７０％のサンプルにおいてクラックが発生した。比較例２においては、６０％のサンプルにおいてクラックが発生した。比較例３及び実施例１においては、クラックが発生しなかった。実施例１に関しては、比較例１－３と異なり、耐被水性試験及び急昇温性試験の両方において、高い成績を収めた。

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、７． 上部層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０，２０Ａ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ，５１ａ，５１ａＸ 天井電極部、２２ｂ，５１ｂ，５１ｂＸ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４，２４Ｙ スリット部、３０ 第３拡散律速部、４０，４０Ｘ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４，４４Ｘ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６，５２ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１，５１Ｘ 補助ポンプ電極、６０ 第５拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ ヒータ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、１００，１００Ａ ガスセンサ、１０１ センサ素子、５００ ディスペンサ、５１０ ヘッド、５２０ ノズル、５３０ 素子用クランプ、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ 領域、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５ 線。

Claims (7)

1. 被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度を測定するように構成されたガスセンサであって、
   センサ素子を備え、
   前記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を備え、
   前記センサ素子の内部には、外部空間から前記被測定ガスを導入するように構成された内部空所が形成されており、
   前記センサ素子は酸素ポンピングセルを備え、
   前記酸素ポンピングセルは、
   前記内部空所内に形成された内側ポンプ電極と、
   前記内部空所とは異なる空間に形成された外側ポンプ電極とを備え、
   前記酸素ポンピングセルは、前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極の間に電圧を印加することによって、前記内部空所内の酸素を汲み出すように構成されており、
   前記センサ素子は、平面視において、長辺及び短辺を有し、
   前記センサ素子において、前記短辺の長さに対する、前記内部空所が形成されていない部分のうち前記短辺方向の長さが最も短い部分における前記短辺方向の長さの割合は、０．２２以上であり、
   前記センサ素子は、上面及び下面を有し、
   前記センサ素子の厚みに対する、前記内部空所の前記下面寄りの端部から前記下面までの長さの割合は、０．５０以上、０．６５以下である、ガスセンサ。
2. 前記短辺の長さに対する、前記内部空所の前記短辺方向の長さの割合は、０．４０以上、０．５８以下である、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記センサ素子は、発熱するように構成された発熱部をさらに備え、
   前記発熱部は、前記センサ素子の厚み方向において、前記上面よりも前記下面に近い位置に配置されている、請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記センサ素子の内部には、拡散律速部がさらに形成されており、
   前記拡散律速部は、ガス導入口を介して前記外部空間から取り込まれた前記被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与するように構成されており、
   前記拡散律速部は、前記長辺方向に延びる孔を含み、前記ガス導入口と前記内部空所とを連通させ、
   前記厚み方向における前記孔の長さに対する、前記短辺方向における前記孔の長さの割合は、０．５０以上、３０．００以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記拡散律速部は、第１拡散律速部と、第２拡散律速部とを含み、
   前記第１及び第２拡散律速部は、前記長辺方向に並んでおり、
   前記第１拡散律速部の前記厚み方向の断面形状と、前記第２拡散律速部の前記厚み方向の断面形状とは、互いに異なる、請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記第１及び第２拡散律速部の一方は、前記孔を含み、
   前記第１及び第２拡散律速部の他方は、前記厚み方向に並んだ２つのスリットを含む、請求項５に記載のガスセンサ。
7. 前記センサ素子は、複数のセラミック層の積層体であり、
   前記センサ素子においては、前記外側ポンプ電極が前記複数のセラミック層のいずれかによって覆われており、
   前記外側ポンプ電極を覆うセラミック層と、前記外側ポンプ電極との間には、前記外部空間につながるスリット部が形成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
   

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