JP2023091864A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ素子及びガスセンサ Download PDF

Info

Publication number
JP2023091864A
JP2023091864A JP2021206698A JP2021206698A JP2023091864A JP 2023091864 A JP2023091864 A JP 2023091864A JP 2021206698 A JP2021206698 A JP 2021206698A JP 2021206698 A JP2021206698 A JP 2021206698A JP 2023091864 A JP2023091864 A JP 2023091864A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas sensor
electrode
volume
chamber
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021206698A
Other languages
English (en)
Inventor
斉 古田
Sai Furuta
章敬 小島
Akiyoshi Kojima
健太郎 鎌田
Kentaro Kamata
陽介 鈴木
Yosuke Suzuki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2021206698A priority Critical patent/JP2023091864A/ja
Priority to CN202211258889.4A priority patent/CN116297771A/zh
Priority to DE102022133432.5A priority patent/DE102022133432A1/de
Priority to US18/085,067 priority patent/US20230204535A1/en
Publication of JP2023091864A publication Critical patent/JP2023091864A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

【課題】ＮＯに対する応答性に優れたガスセンサ素子等の提供。【解決手段】本発明のガスセンサ素子１０は、複数のセラミックシート１２１等が積層された素子本体部１００と、素子本体部１００内に導入される測定対象ガス中の酸素濃度を調節するポンプセル１１０と、素子本体部１００の内部に形成され、前記酸素濃度の調節後の前記測定対象ガスが導入される検出室１６０と、検出室１６０に収容され、ＮＯを分解する層状のカソード電極１３３とを備える。ガスセンサ素子１０における検出室１６０の容積Ｖ１とカソード電極１３３の体積Ｖ２との関係が、以下に示される条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たす。条件（Ａ）：容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．０６５ｍｍ３以下であり、かつ体積Ｖ２が０．０３０ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である。条件（Ｂ）：容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．１２５ｍｍ３以下であり、かつ体積Ｖ２が０．０４４ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスセンサ素子及びガスセンサに関する。
内燃機関の排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を検出するガスセンサが知られている。この種のガスセンサは、高温に加熱したジルコニア（ＺｒＯ２）の酸素イオン伝導性を利用したセンサであり、ＮＯとＮ２及びＯ２の平衡反応について、酸素（Ｏ２）を除去することでＮＯの分解を促進させつつ、その分解で発生した酸素を測定することにより、ＮＯｘ濃度が求められる。
このようなガスセンサとして、例えば、第１ポンプセル、検知セル、第２ポンプセル、第１測定室、第２測定室等を含むガスセンサ素子を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
第１ポンプセルは、第１測定室と外部との間で排ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れ（所謂、ポンピング）を行うものであり、排ガス中の酸素濃度を調整する。この第１ポンプセルの働きにより、第１測定室内の酸素濃度が低く管理される。検知セルは、第１ポンプセルにて酸素を汲み出し又は汲み入れした排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ポンプセルに電流（第１ポンプ電流）を流す働きをする。
上記のように酸素濃度が管理された第１測定室内の排ガスは、ガスセンサ素子内の所定の経路を通って、第２測定室内に導入される。第２ポンプセルは、第２測定室内に導入された排ガスから、ＮＯｘ濃度を検出する。第２ポンプセルは、１組の電極を備えており、そのうちの一方の電極（カソード電極、Ｉｐ２－電極）が、第２測定室内に収容されている。第２空間内に導入された排ガス中のＮＯは、第２測定室内の電極において、Ｎ２とＯ２に分解される。第２ポンプセルには、その分解により発生した酸素を、他方の電極（アノード電極）へ汲み出すための第２ポンプ電流が流れる。この第２ポンプ電流は、ＮＯ濃度と比例関係にあるため、その第２ポンプ電流を測定することで、排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ）濃度が求められる。
特開２０１７－２０７４６６号公報
従来のガスセンサでは、上述した第２ポンプ電流の出力波形について、その立ち上がり時間を短くして、ＮＯに対する応答性を向上させることが求められていた。
本発明の目的は、ＮＯに対する応答性に優れたガスセンサ素子及びガスセンサを提供することである。
前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 複数のセラミックシートが積層された素子本体部と、前記素子本体部内に導入される測定対象ガス中の酸素濃度を調節するポンプセルと、前記素子本体部の内部に形成され、前記酸素濃度の調節後の前記測定対象ガスが導入される検出室と、前記検出室に収容され、ＮＯを分解する層状のカソード電極とを備えるガスセンサ素子であって、前記検出室の容積Ｖ１と前記カソード電極の体積Ｖ２との関係が、以下に示される条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たすガスセンサ素子。
条件（Ａ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．０６５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０３０ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である
条件（Ｂ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．１２５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０４４ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である
＜２＞ 前記検出室は、前記複数のセラミックシートのうち少なくとも１つのセラミックシートを厚み方向に貫通する形で設けられており、前記検出室が前記セラミックシートを貫通する領域において、前記セラミックシートの平面方向における前記検出室の断面積は０．０５ｍｍ２以上０．３５ｍｍ２以下である前記＜１＞に記載のガスセンサ素子。
＜３＞ 前記素子本体部の一部を構成し、表面に前記カソード電極が形成される固体電解質層と、前記固体電解質層の前記表面に配され、ＮＯの分解に応じて前記カソード電極で発生しかつ前記固体電解質層中を移動した酸素イオンを受け取るアノード電極とを備える前記＜１＞又は＜２＞に記載のガスセンサ素子。
＜４＞ 前記＜１＞から＜３＞の何れか１つに記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。
本発明によれば、ＮＯに対する応答性に優れたガスセンサ素子及びガスセンサを提供することができる。
実施形態１に係るガスセンサの縦断面図 実施形態１に係るガスセンサ素子の斜視図 図２のＡ－Ａ線断面図 ガスセンサ素子の分解斜視図 第２測定室付近を拡大したガスセンサ素子の断面図 ガスセンサ素子のＩｐ２セルを流れる第２ポンプ電流の出力波形を表したグラフ ガスセンサの応答性の試験結果を座標で表した図
＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１を、図１～図７を参照しつつ説明する。図１は、実施形態１に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）１の縦断面図であり、図２は、実施形態１に係るガスセンサ素子１０の斜視図であり、図３は、図２のＡ－Ａ線断面図であり、図４は、ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。
図１には、ガスセンサ１の軸線ＡＸが、上下方向に沿った直線（一点鎖線）として示されている。本明細書では、ガスセンサ１の軸線ＡＸ方向に沿った方向を、「長手方向」と称し、軸線ＡＸに対して垂直に交わる方向を、「幅方向」と称する場合がある。また、本明細書では、図１に示されるガスセンサ１の下側を、「先端側」と称し、その反対側（図１の上側）を、「後端側」と称する。また、説明の便宜上、図２～図５の上側を、ガスセンサ素子１０の「表側（表面側）」と称し、それらの下側を、ガスセンサ素子１０の「裏側（裏面側）」と称する。
ガスセンサ１は、測定対象ガスである排ガス中のＮＯｘの濃度を検出可能なガスセンサ素子１０を備えている。このガスセンサ１は、内燃機関の排気管（不図示）に装着されて使用されるＮＯｘセンサであり、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を備えている。ガスセンサ素子１０は、全体的には、軸線ＡＸ方向に沿って延びた細長い板状をなしており、そのようなガスセンサ素子１０が主体金具２０の内側で保持されている。
ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋが挿入される挿入孔６２を有する筒状の保持部材６０と、この保持部材６０の内側で保持される６個の端子部材とを備えている。なお、図１には、説明の便宜上、６個の端子部材のうち２個の端子部材７５，７６のみが示されている。
ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋには、図２に示されるように、平面視で矩形状をなした電極端子部１３～１８が合計６個形成されている。なお、図１では、電極端子部１４，１７のみが図示される。これらの電極端子部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、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。
また、６個の端子部材（端子部材７５，７６等）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に示されるように、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。
図２に示されるように、ガスセンサ素子１０の後端部１０ｋにおける２つの主面１０ａ，１０ｂのうち、その一方の（表側の）主面１０ａには、電極端子部１３～１５よりも先端側であり、かつ後述するセラミックスリーブ４５（図１参照）よりも後端側の箇所に、開口状の大気導入口１０ｈが設けられている。大気導入口１０ｈは、保持部材６０の挿入孔６２内に配置されている。
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で、貫通孔２３の一部を構成する棚部２５を備えている。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の下方）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の上方）に突出させた状態で、ガスセンサ素子１０を貫通孔２３内で保持する。
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。より詳細には、軸線ＡＸ方向に延びたガスセンサ素子１０の周りを取り囲む形で、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、この順で、主体金具２０の先端側から後端側に重ねられている。
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の加締め部２２との間には、加締めリング４６が配置されている。なお、主体金具２０の加締め部２２は、加締めリング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（例えば、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。また、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、全体的には、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなしており、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（例えば、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、上述した６個の端子部材（端子部材７５，７６等）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に当接する形で、内部支持部材５３によって保持されている。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め部５１ｇによって保持されている。
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、絶縁性材料（例えば、アルミナ）からなり、全体的には、円筒状をなしている。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、上述した端子部材のリード線把持部７７，７８等が配置されている。
また、外筒５１のうち、後端側に配される後端開口部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。
図３に示されるように、ガスセンサ素子１０は、複数の板状の絶縁層（セラミックシート）１１１ｓ，１２１ｓ，１３１ｓと、それらの中に形成された固体電解質体１１１ｅ，１２１ｅ，１３１ｅと、それらの間に配置された絶縁体１４０，１４５とを有する素子本体部１００を備える。絶縁体１４０，１４５は、それぞれ緻密なセラミック（例えば、アルミナ）からなる。更に、ガスセンサ素子１０は、固体電解質体１３１ｅの裏面側に配置されるヒータ２６１を備える。ヒータ２６１は、アルミナを主体とする板状の２つの絶縁体２６２，２６３と、それらの間に埋設されたヒータパターン２６４とを備える。ヒータパターン２６４は、白金（Ｐｔ）を主体とする膜状のパターンからなる。
なお、固体電解質体１１１ｅ，１２１ｅ，１３１ｅは、それぞれ平面視で略矩形状をなしている。固体電解質体１１１ｅは、軸線ＡＸ方向に延びた板状の絶縁層１１１ｓのうち、先端側（図４の左側）に設けられた開口部１１１ａと重なるように形成されている。固体電解質体１２１ｅは、軸線ＡＸ方向に延びた板状の絶縁層１２１ｓのうち、先端側（図４の左側）に設けられた開口部１２１ａと重なるように形成されている。固体電解質体１３１ｅは、軸線ＡＸ方向に延びた板状の絶縁層１３１ｓのうち、先端側（図４の左側）に設けられた開口部１３１ａと重なるように形成される。なお、各固体電解質体１１１ｅ，１２１ｅ，１３１ｅは、対応する開口部１１１ａ，１２１，１３１ａに対して、それぞれ埋め込まれるように形成されてもよいし、別途、用意されたシート状の部材を所定箇所に転写するように形成されてもよい。
絶縁体１４０，１４５は、絶縁層（セラミックシート）１２１ｓ等よりも厚みの小さい印刷層が焼成されたものからなる。
固体電解質体（固体電解質層）１１１ｅ，１２１ｅ，１３１ｅ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１１１ｅ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１１１ｅの裏面側には、多孔質のＩｐ１－電極１１３が設けられている。更に、Ｉｐ１＋電極１１２の表面は、多孔質層１１４で覆われている。なお、Ｉｐ１＋電極１１２には、Ｉｐ１＋リード１１６が接続されている（図２、図４参照）。また、Ｉｐ１－電極１１３には、Ｉｐ１－リード１１７（図４参照）が接続されている。
図４に示されるように、Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１＋リード１１６の各表面には、軸線ＡＸ方向に延びた板状の緻密層１１８Ｂが積層されている。緻密層１１８Ｂは、アルミア等からなるガス非透過性の材料からなる。緻密層１１８Ｂの先端側には、平面視で矩形状をなした開口部１１８Ｂａが設けられている。そして、この開口部１１８Ｂａを埋めるように、上述した多孔質層１１４が形成される。
なお、図４に示されるように、緻密層１１８Ｂの表面側には、空隙１０Ｇを含むと共に、アルミナ等からなるガス非透過性の緻密層１１８が配置される。その空隙１０Ｇからは、多孔質層１１４の一部が露出した状態となっている。空隙１０Ｇは、軸線ＡＸ方向に延びた板状の緻密層１１８において、多孔質層１１４近傍から大気導入口１０ｈに連通する部位まで真っ直ぐに延びている。そして、軸線ＡＸ方向に延びた板状の緻密層１１８のうち、後端側には、電極端子部１３，１４，１５と導通するためのスルーホールが設けられている。
また、緻密層１１８の表面には、アルミナ等からなるガス非透過性の緻密層１１５が積層されている。緻密層１１５がこのように積層されることで、緻密層１１５により空隙１１０Ｇが閉塞される。
緻密層１１５のうち、長手方向（軸線ＡＸ方向）に延びた空隙１０Ｇの後端と重なる位置に大気導入口１０ｈが形成されている。大気導入口１０ｈは、緻密層１１５を厚み方向に貫通する形で設けられた開口部からなる。このような大気導入口１０ｈは、空隙１０Ｇと繋がっている。大気導入口１０ｈは、後述する第１多孔質体１５１よりも後端側に開口しており、排ガスではなく、大気を導入することができる。これにより、Ｉｐ１＋電極１１２は、多孔質層１１４を介して大気導入口１０ｈから導入される大気に晒される。
固体電解質体１１１ｅ、Ｉｐ１＋電極１１２、及びＩｐ１－電極１１３は、Ｉｐ１セル（第１ポンプセル。本発明のポンプセルの一例）１１０を構成する。このＩｐ１セル１１０は、Ｉｐ１＋電極１１２とＩｐ１－電極１１３との間に流されるポンプ電流Ｉｐ１（第１ポンプ電流）に応じて、Ｉｐ１＋電極１１２の接する雰囲気（空隙１０Ｇ内の大気）と、Ｉｐ１－電極１１３の接する雰囲気（後述する第１測定室１５０内の雰囲気。つまり、ガスセンサ素子１０の外部の測定対象ガス）との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ（所謂、酸素ポンピング）を行う。Ｉｐ１セル１１０は、このようにして素子本体部１００内に導入される測定対象ガス（排ガス）中の酸素濃度を調節する。
固体電解質体１２１ｅの表面側には、多孔質のＶｓ－電極１２２が設けられている。また、固体電解質体１２１ｅの裏面側には、多孔質のＶｓ＋電極１２３が設けられている。
積層方向において、固体電解質体１１１ｅと固体電解質体１２１ｅとの間には、第１測定室１５０が形成されている。この第１測定室１５０は、排気管内の排気通路を流れる測定対象ガス（排ガス）が、ガスセンサ素子１０内に最初に導入される内部空間Ｓ１からなり、ガス透過性及び透水性を有する第１多孔質体（拡散抵抗部）１５１（図２、図４参照）を通じてガスセンサ素子１０の外部と連通している。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測定室１５０の側方に設けられている。このような第１多孔質体１５１は、第１測定室１５０内への排ガスの単位時間あたりの流通量（拡散速度）を制限する。第１多孔質体１５１は、多孔質セラミックからなる。
第１測定室１５０の後端側（図３の右側）には、第１測定室１５０と、後述する第２測定室１６０との間の仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第２多孔質体１５２が設けられている。
固体電解質体１２１ｅ、Ｖｓ－電極１２２及びＶｓ＋電極１２３は、Ｖｓセル（検知セル）１２０を構成する。このＶｓセル１２０は、主として、固体電解質体１２１ｅにより隔てられた雰囲気（Ｖｓ－電極１２２の接する第１測定室１５０内の雰囲気と、Ｖｓ＋電極１２３の接する基準酸素室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。
固体電解質体１３１ｅの表面側には、多孔質のＩｐ２＋電極（アノード電極）１３２と、多孔質のＩｐ２－電極（カソード電極）１３３が設けられている。
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内のうち、Ｉｐ２＋電極１３２側には、セラミックス製の多孔質体１７１が配置されている（図３参照）。
また、積層方向において、Ｉｐ２－電極（カソード電極）１３３と対向する位置には、内部空間Ｓ２からなる第２測定室１６０が形成されている。第２測定室１６０等の詳細は、後述する。
第１測定室１５０と第２測定室１６０とは、ガス透過性及び透水性を有する第２多孔質体１５２を介して連通している。したがって、第２測定室１６０は、第１多孔質体１５１、第１測定室１５０及び第２多孔質体１５２を通じて、ガスセンサ素子１０の外部と連通している。
固体電解質体１３１ｅ、Ｉｐ２＋電極１３２及びＩｐ２－電極１３３は、ＮＯｘ濃度を検出するためのＩｐ２セル１３０（第２ポンプセル）を構成する。このＩｐ２セル１３０は、第２測定室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１３１ｅを通じて、基準酸素室１７０に移動させる。その際に、Ｉｐ２＋電極１３２とＩｐ２－電極１３３との間には、第２測定室１６０内に導入された排ガス（測定対象ガス）に含まれるＮＯｘの濃度に応じた電流（第２ポンプ電流）が流れる。
本実施形態では、絶縁層１１１ｓの裏面のうち、Ｉｐ１－電極１１３を除く部位に、アルミナ絶縁層１１９が形成されている。Ｉｐ１－電極１１３は、アルミナ絶縁層１１９を積層方向に貫通する貫通孔１１９ｂ（図４参照）を通じて、固体電解質体１１１ｅと接触する。また、絶縁層１２１ｓの表面のうち、Ｖｓ－電極１２２を除く部位に、アルミナ絶縁層１２８が形成されている。なお、図４では、説明の便宜上、アルミナ絶縁層１２８は省略されている。Ｖｓ－電極１２２は、アルミナ絶縁層１２８を積層方向に貫通する貫通孔（不図示）を通じて、固体電解質体１２１ｅと接触する。
また、絶縁層１２１ｓの裏面のうち、Ｖｓ＋電極１２３を除く部位に、アルミナ絶縁層１２９（図３参照）が形成されている。なお、図４では、説明の便宜上、アルミナ絶縁層１２９は省略されている。Ｖｓ＋電極１２３は、アルミナ絶縁層１２９を積層方向に貫通する貫通孔（不図示）を通じて、固体電解質体１２１ｅと接触する。
また、絶縁層１３１ｓの表面のうち、Ｉｐ２＋電極１３２及びＩｐ２＋電極１３３等を除く部位に、アルミナ絶縁層１３８（図３参照）が形成されている。なお、図４では、説明の便宜上、アルミナ絶縁層１３８は省略されている。Ｉｐ２＋電極１３２及びＩｐ２－電極１３３は、アルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔（不図示）を通じて、それぞれ固体電解質体１３１ｅと接触する。
ここで、本実施形態のガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出方法について、簡単に説明する。ガスセンサ素子１０の固体電解質体１１１ｅ，１２１ｅ，１３１ｅは、ヒータパターン２６４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がそれぞれ作動する。
排気管内の排気通路（不図示）を流れる排ガスは、第１多孔質体１５１による流通量の制限を受けつつ、第１測定室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（微小電流）Ｉｃｐが流されている。そのため、排ガス中の酸素は、負極側となる第１測定室１５０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１２１ｅ内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、Ｖｓ－電極１２２とＶｓ＋電極１２３との間で、電流Ｉｃｐが流されることによって、第１測定室１５０内の酸素が基準酸素室１７０内へ送り込まれる。
第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が、予め定められている所定値より低い場合、Ｉｐ１＋電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１が流され、ガスセンサ素子１０の外部から第１測定室１５０内へ酸素の汲み入れが行われる。これに対して、第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が、前記所定値よりも高い場合、Ｉｐ１－電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１が流され、第１測定室１５０内からガスセンサ素子１０の外部へ酸素の汲み出しが行われる。
このように、第１測定室１５０において酸素濃度が調整された排ガスは、第２多孔質体１５２を通じて、第２測定室１６０内へ導入される。第２測定室１６０内でＩｐ２－電極（カソード電極）１３３と接触した排ガス中のＮＯｘは、Ｉｐ２＋電極１３２と、Ｉｐ２－電極１３３との間に電圧Ｖｐ２が印加されることで、Ｉｐ２－電極１３３上で、窒素と酸素とに分解（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１３１ｅ内を流れ、基準酸素室１７０内へ移動する。このとき、第１測定室１５０で汲み残された残留酸素も同様に、Ｉｐ２セル１３０によって基準酸素室１７０内へ移動される。これにより、Ｉｐ２セル１３０には、ＮＯｘ由来の電流と残留酸素由来の電流とが流れる。なお、基準酸素室１７０内に移動した酸素は、基準酸素室１７０内に接するＶｓ＋電極１２３とＶｓ＋リード及びＩｐ２＋電極１３２とＩｐ２＋リードを介して外部（大気）へ放出される。このため、Ｖｓ＋リード及びＩｐ２＋リードは多孔質となっている。
第１測定室１５０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る。つまり、残留酸素由来の電流は、ＮＯｘ由来の電流の変動に対して影響は小さく、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流（第２ポンプ電流）は、ＮＯｘ濃度に比例することとなる。したがって、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２（第２ポンプ電流）を測定し、その電流値に基づいて、排ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。
次いで、図５を参照しつつ、ガスセンサ素子１０の内部に形成される第２測定室１６０について説明する。図５は、第２測定室１６０付近を拡大したガスセンサ素子の断面図である。なお、説明の便宜上、図５の上側を、第２測定室１６０の「上側（上端側）」と称し、図５の下側を、第２測定室１６０の「下側（下端側）」と称する。
第２測定室（本発明の検出室の一例）１６０は、測定対象ガスである排ガス中に含まれるＮＯｘを検出するための内部空間Ｓ２を形成する。第２測定室１６０は、ガスセンサ素子１０（素子本体部）の積層方向（厚み方向）に延びつつ、一端（上端）が閉塞された円筒状の導入室１６１と、その導入室１６１の他端（下端）に接続し、Ｉｐ２－電極（カソード電極）１３３を収容する収容室１６２とを備えている（図５参照）。
導入室１６１は、第２多孔質体１５２を通過した排ガスが導入される部分であり、上述したように、一端（上端）が閉塞された円筒状をなしている。導入室１６１の上端側は、第２多孔質体１５２を厚み方向に貫通する孔部を囲む円筒状の第１周壁部１５２ａからなる。第２多孔質体１５２を通過した排ガスは、第１周壁部１５２ａから排出されて、導入室１６１内へ導入される。なお、第２多孔質体１５２は、絶縁体１４０に設けられた開口部１４１の後端側（ガスセンサ素子１０の後端側）に嵌め込まれており、そのような第２多孔質体１５２が、第１測定室１５０の内部空間Ｓ１と、第２測定室１６０の内部空間Ｓ２とを連通可能な状態で隔てている。
第１周壁部１５２ａの高さ（第２多孔質体１５２の厚み）は、例えば、３０μｍ程度である。第１周壁部１５２ａの上端は、図５に示されるように、第２多孔質体１５２と、絶縁層１１１ｓとの間に配置されているアルミナ絶縁層１１９によって覆われることで閉塞されている。第１周壁部１５２ａ（第１周壁部１５２ａ）は、例えば絶縁層１２１ｓに第２多孔質体１５２を形成するための材料を印刷した後、その印刷層を乾燥し、乾燥後の印刷層にパンチング等により孔部を開け、そのような印刷層を焼成することで製造される。
導入室１６１のうち、第１周壁部１５２ａの下端側には、アルミナ絶縁層１２８を厚み方向に貫通する孔部を囲む円筒状の第２周壁部１２８ａと、絶縁層１２１ｓを厚み方向に貫通する孔部を囲む円筒状の第３周壁部１２５と、アルミナ絶縁層１２９を厚み方向に貫通する孔部を囲む円筒状の第４周壁部１２９ａとが、この順で配置されている。
第２周壁部１２８ａは、絶縁体１４０（第２多孔質体１５２）と絶縁層１２１ｓとの間に配置されるアルミナ絶縁層１２８に形成されている。第２周壁部１２８ａは、アルミナ絶縁層１２８を形成するための印刷層に、予め厚み方向に貫通する形でプレスピンによるパンチング等により孔部を設けておき、その印刷層を焼成することで得られる。第２周壁部１２８ａの上下方向の長さ（高さ）は、例えば、１５μｍ程度である。
第３周壁部１２５は、Ｖｓセル（検知セル）１２０に利用される絶縁層１２１ｓに形成されている。第３周壁部１２５は、絶縁層１２１ｓを形成するためのセラミックグリーンシートに、予め厚方向に貫通する形でプレスピンによるパンチング等により孔部を設けておき、そのセラミックグリーンシート（例えば、厚み：２００μｍ）を焼成することで得られる。なお、第３周壁部１２５は、導入室１６１を構成する各部分の中で、最も上下方向の長さ（高さ）があり、導入室１６１の大部分を占めている（例えば、７０～８０％の高さ）。図５には、導入室１６１の上下方向の長さＬ１（例えば、２２０μｍ程度）が示されている。
第４周壁部１２９ａは、絶縁層１２１ｓと絶縁体１４５との間に配置されるアルミナ絶縁層１２９に形成されている。第４周壁部１２９ａは、アルミナ絶縁層１２９を形成するための印刷層に、予め厚み方向に貫通する形でプレスピンによるパンチング等により孔部を設けておき、その印刷層を焼成することで得られる。
このように導入室１６１は、第１周壁部１５２ａと、第１周壁部１５２ａの上端を閉塞する部分のアルミナ絶縁層１１９と、第２周壁部１２８ａと、第３周壁部１２５と、第４周壁部１２９ａとによって構成される。第２測定室１６０の内部空間Ｓ２のうち、導入室１６１によって形成されるものを、内部空間Ｓ２１と称する。
なお、第２測定室（検出室）１６０の導入室１６１は、素子本体部１００を構成する複数のセラミックシート（絶縁層）１１１ｓ，１２１ｓ，１３１ｓ等のうち、少なくとも１つのセラミックシート（絶縁層）１２１ｓを厚み方向に貫通する形で設けられている。第２測定室１６０のうち、セラミックシート（絶縁層）１２１ｓを貫通する領域（つまり、第３周壁部１２５）において、セラミックシート（絶縁層）１２１ｓの平面方向（厚み方向に対して垂直な方向）における第２測定室１６０（導入室１６１）の断面積は、０．０５ｍｍ２以上０．３５ｍｍ２以下が好ましく、０．０５ｍｍ２以上０．０９ｍｍ２以下がより好ましい。第２測定室１６０（導入室１６１）の断面積が、このような範囲であると、後述する条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たし易い。
収容室１６２は、導入室１６１と繋がりつつ、Ｉｐ２セル（第２ポンプセル）１３０を構成するＩｐ２－電極（カソード電極）１３３を収容する部分である。収容室１６２は、図５に示されるように、導入室１６１の下端に接続し、導入室１６１と共に第２測定室１６０を構成する。なお、第２測定室１６０の内部空間Ｓ２のうち、収容室１６２によって形成されるものを、内部空間Ｓ２２と称する。収容室１６２の内部空間Ｓ２２と、導入室１６１の内部空間Ｓ２１は互いに繋がっており、導入室１６１内に導入された排ガスは、収容室１６２内へ移動することができる。
収容室１６２は、絶縁体１４５を厚み方向に貫通する孔部を囲む枠状の第５周壁部１４５ｃと、第５周壁部１４５ｃにおける下端の開口部を全面的に覆う多孔質のＩｐ２－電極１３３と、第５周壁部１４５ｃにおける上端の開口部の一部を覆うアルミナ絶縁層１２９の一部１２９ｂとからなる。
第５周壁部１４５ｃは、絶縁体１４５の一部からなり、平面視で、内部空間Ｓ２２を取り囲む枠状をなしている。第５周壁部１４５ｃは、平面視で、導入室１６１を構成する各周壁部よりも大きい。つまり、第５周壁部１４５ｃの内側の開口面積（断面積）は、導入室１６１の開口面積（断面積）よりも大きい。そのような収容室１６２の第５周壁部１４５ｃにおける上端の開口部と、導入室１６１の第４周壁部１２９ａにおける下端の開口部とを接続させると、第５周壁部１４５ｃにおける上端の開口部の一部は、平面視で、導入室１６１（第４周壁部１２９ａ）よりも外側にはみ出した状態となる。そのため、このように外側にはみ出した第５周壁部１４５ｃの上端の開口部の一部を覆うように、アルミナ絶縁層１２９の一部１２９ｂが配置されている。
第５周壁部１４５ｃは、収容室１６２となる領域を除いて絶縁体１４５を印刷形成し、収容室１６２となる領域にカーボンを印刷し、それによる印刷層を焼成することで得られる。
Ｉｐ２－電極（カソード電極）１３３は、第５周壁部１４５ｃにおける下端の開口部を全面的に覆うように、固体電解質体１３１ｅの表面上に形成されている。固体電解質体１３１ｅは、素子本体部１００の一部を構成している。Ｉｐ２－電極１３３は、印刷層が焼成されたものからなり、所定の厚み（膜厚）を有する偏平な多孔質の電極からなる。Ｉｐ２－電極１３３の膜厚は、１５．０μｍ以上が好ましく、２０．０μｍ以上がより好ましく、５５．０μｍ以下が好ましく、４０．０μｍ以下がより好ましい。Ｉｐ２－電極１３３の膜厚がこのような範囲であると、後述する条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たし易い。
Ｉｐ２＋電極（アノード電極）１３２は、Ｉｐ２－電極（カソード電極）１３３と同様、固体電解質体１３１ｅの表面に配されている。このＩｐ２＋電極（アノード電極）１３２は、ＮＯの分解に応じてＩｐ２－電極（カソード電極）１３３で発生し、かつ固体電解質体１３１ｅ中を移動した酸素イオンを受け取る。
本実施形態のガスセンサ素子１０は、第２測定室１６０の容積Ｖ１と、Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２とが、以下に示される条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たすように構成されている。なお、条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を導き出した技術的な根拠については、後述する。
条件（Ａ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．０６５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０３０ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である。
条件（Ｂ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．１２５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０４４ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である。
第２測定室１６０の容積Ｖ１は、導入室１６１の容積と、収容室１６２の容積とを足し合わせたものである。なお、第２測定室１６０の容積Ｖ１は、第２測定室１６０の内部空間Ｓ２の大きさに等しく、導入室１６１の容積は、内部空間Ｓ２１の大きさに等しく、収容室１６２の容積は、内部空間Ｓ２２の大きさに等しい。本実施形態の場合、導入室１６１は円筒状であり、その容積は、導入室１６１の内径（直径）Ｒと、導入室１６１の上下方向の長さ（高さ）Ｌ１とから、円柱の体積として求められる。
Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２は、Ｉｐ２－電極１３３のうち、第２測定室１６０の収容室１６２に収容されている部分の体積である。本実施形態の場合、ガスセンサ素子１０の積層方向において、Ｉｐ２－電極１３３を平面視した際に、収容室１６２の第５周壁部１４５ｃの開口部の面積（開口面積）よりも、Ｉｐ２－電極１３３の面積の方が大きい。そのため、本実施形態の場合、収容室１６２の第５周壁部１４５ｃの開口面積に、Ｉｐ２－電極１３３の厚み（膜厚）を掛けたものが、Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２となる。なお、他の実施形態において、収容室１６２の第５周壁部１４５ｃの開口面積よりも、Ｉｐ２－電極１３３の面積が小さい場合は、そのＩｐ２－電極１３３の面積にＩｐ２－電極１３３の厚み（膜厚）を掛けたものが、Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２となる。
本実施形態のガスセンサ素子１０において、第２測定室１６０の容積Ｖ１と、Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２とが、上述した条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たすように構成するためには、ガスセンサ素子１０の製造時に、ガスセンサ素子１０を製造するための部材（セラミックグリーンシート等の積層物）が、焼成によって収縮することを考慮して、第２測定室１６０の大きさ（断面積等）や、Ｉｐ２－電極１３３の大きさ（厚み等）を設定する必要がある。
ガスセンサ素子１０において、第２測定室１６０の容積Ｖ１と、Ｉｐ２－電極１３３の体積Ｖ２との関係が、上記条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たすと、ＮＯｘ濃度を検出するためのＩｐ２セル１３０の応答性（ＮＯに対する応答性）が向上する。
具体的には、排気管内の排気通路を１２ｍ／秒のガス流速で、ＮＯを含む排ガス（測定対象ガス）が流されている場合に、その排気管の所定箇所に、ガスセンサ素子１０を備えるガスセンサ１が装着された状態において、ガスセンサ素子１０の第２測定室１６０内に導入された排ガス中のＮＯが、Ｉｐ２セル１３０が備えるＩｐ２－電極１３３において、窒素と酸素に分解された際に、Ｉｐ２セル１３０を流れる第２ポンプ電流（電流Ｉｐ２）の出力が１０％から９０％に到達する時間（出力波形の立ち上がり時間）が、１秒以内となる。
図６は、ガスセンサ素子１０のＩｐ２セル１３０を流れる第２ポンプ電流の出力波形を表したグラフである。図６に示されるグラフの横軸は、時間（秒）であり、その縦軸に示される応答（％）は、第２ポンプ電流の出力の割合（％）を表す。ここでは、第２ポンプ電流の出力波形におけるトップの電流値が、１００％に設定されている。図６において、本実施形態のガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）における第２ポンプ電流の出力波形Ｗｅが実線で示されている。ガスセンサ１の第２ポンプ電流の出力が、１０％から９０％に到達するまでの時間ｔｅは、１秒以内である。なお、図６には、比較例として、上記条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れも満たしていないガスセンサにおける第２ポンプ電流の出力波形Ｗｃが、一点鎖線で示されている。この比較例では、第２ポンプ電流の出力が、１０％から９０％に到達するまでの時間ｔｃが１秒を超えている。
〔試験〕
次いで、上記条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を導き出した試験の内容について説明する。
（実施例１～５）
実施例１～５として、上述した実施形態１のガスセンサ（ガスセンサ素子）と基本的な構成が同じであるガスセンサを、それぞれ５個ずつ作製した。なお、各実施例のガスセンサにおける第２測定室の導入室の内径［ｍｍ］は、表１に示される各値に設定した。表１には、参考までに、焼成前のガスセンサ素子における第２測定室の導入室の内径［ｍｍ］も示した。各実施例のガスセンサでは、焼成後の収縮を考慮して、導入室の内径［ｍｍ］の大きさがそれぞれ設定されている。また、各実施例のガスセンサにおけるＩｐ２－電極の膜厚［ｍｍ］は、表１に示される各値に設定した。なお、Ｉｐ２－電極の面積［ｍｍ2］については、収容室の開口面積によって定まる。参考までに、焼成前の収容室の開口面積は、２．１３ｍｍ２であった。
また、各実施例の導入室の高さ（上下方向の長さ）Ｌ１は、０．２３２ｍｍであり、収容室の高さ（上下方向の長さ）Ｌ２は、０．０２４ｍｍであった。
なお、焼成後のガスセンサにおける導入室の内径、導入室の高さＬ１、収容部の高さＬ２、Ｉｐ２－電極の膜厚、Ｉｐ２－電極の面積等の各数値は、後述する応答性の評価後に、ガスセンサ素子を長手方向（軸線ＡＸ方向）や幅方向に切断して得られる各切断面を、ＳＥＭ画像で解析することで求められる。なお、各数値は、５個のサンプルの平均値である。
（比較例１～７）
ガスセンサにおける第２測定室の導入室の内径［ｍｍ］やＩｐ２－電極の膜厚［μｍ］等を、表１に示される各値に設定したこと以外は、実施例１等と同様にして、比較例１～７のガスセンサを、それぞれ５個ずつ作製した。
（応答性）
各実施例及び各比較例で作製したガスセンサについて、以下の方法により、応答性の評価を行った。排気管内の排気通路を１２ｍ／秒のガス流速で、ＮＯを濃度０ｐｐｍから１００ｐｐｍまで徐々に増加させた排ガスを流した状態で、その排気管の所定箇所にガスセンサを装着した。そして、そのガスセンサについて、Ｉｐ２セルを流れる第２ポンプ電流（電流Ｉｐ２）の出力が１０％から９０％に到達するまでの時間（出力波形の立ち上がり時間）を求めた。そのような立ち上がり時間を、各実施例及び各比較例について、それぞれ５回ずつ求めた。そして、以下に示される評価基準に従って、各実施例及び各比較例のガスセンサの応答性を評価した。結果は、表１に示した。
＜評価基準＞
・５回とも立ち上がり時間が１秒以内の場合 ・・・・・「〇」
・少なくとも１回の試験で立ち上がり時間が１秒を超えた場合 ・・・・・「△」
・５回とも立ち上がり時間が１秒を超えた場合 ・・・・・「×」
Figure 2023091864000002
ここで、実施例１～５及び比較例１～７の試験結果を、図７の座標に示した。図７は、ガスセンサの応答性の試験結果を、座標で表した図である。図７に示される座標の縦軸は、Ｉｐ２－電極の膜厚［μｍ］を表し、横軸は、導入室の内径［ｍｍ］を表す。このような座標に、実施例１～５及び比較例１～７の結果をプロットすると、図７に示されるような状態となる。
このような座標において、実施例３～５及び比較例１～７の結果より、導入室の内径［ｍｍ］及びＩｐ２－電極の膜厚［μｍ］の好ましい組み合わせの範囲Ｘａが導き出される。範囲Ｘａについて、導入室の内径［ｍｍ］の範囲は、０．３０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下であり、Ｉｐ２－電極の膜厚［μｍ］の範囲は、２０．０μｍ以上４０．０μｍ以下である。
また、実施例１，２，５及び比較例１～７の結果より、導入室の内径［ｍｍ］及びＩｐ２－電極の膜厚［μｍ］の好ましい組み合わせの範囲Ｘｂが導き出される。範囲Ｘｂについて、導入室の内径［ｍｍ］の範囲は、０．０，３０ｍｍ以上０．７０ｍｍ以下であり、Ｉｐ２－電極の膜厚［μｍ］の範囲は、３０．０μｍ以上４０．０μｍ以下である。
上述した条件（Ａ）は、範囲Ｘａに基づいて定められたものであり、条件（Ｂ）は、範囲Ｘｂに基づいて定められたものである。なお、実施例１～５及び比較例１～７において、第２測定室の収容室の容積は、略一定とみなせる。
ガスセンサ（ガスセンサ素子）の第２ポンプ電流の出力波形は、第２測定室における導入室の内径（孔径）が小さいほど、出力波形の立ち上がりの傾き（例えば、図６の出力波形Ｗｅを参照）が大きくなる。これは、導入室が、収容室と共に第２測定室を構成しており、そのような導入室の内径（孔径）が小さくなるほど、第２測定室における排ガス（ＮＯを含む）の交換速度が速くなるためと推測される。このことから、第２測定室の容積Ｖ１が、小さいほど、排ガスの返還速度が速くなると推測される。なお、導入室の内径（孔径）の下限値（容積Ｖ１の下限値）は、ガスセンサに要求される分解能や精度が確保される程度の第２ポンプ電流の電流値が得られるように設定される。また、導入室の内径（孔径）の上限値（容積Ｖ１の上限値）は、第２測定室付近のガスセンサ素子の強度が確保されるように設定される。
また、Ｉｐ２－電極の膜厚（体積Ｖ２）が大きいと、ＮＯの分解反応が起こる部位が増加するため、Ｉｐ２－電極の膜厚（体積Ｖ２）が大きいほど、排ガスの交換速度が速くなると推測される。
１…ガスセンサ、１０…ガスセンサ素子、１００…素子本体部、１１０…Ｉｐ１セル（ポンプセル）、１１１ｓ，１２１ｓ，１３１ｓ…絶縁層（セラミックシート）、１３０…Ｉｐ２セル、１３２…Ｉｐ２＋電極（アノード電極）、１３３…Ｉｐ２－電極（カソード電極）、１６０…第２測定室（検出室）、１６１…導入室、１６２…収容室、Ｖ１…検出室の容積、Ｖ２…カソード電極の体積

Claims (4)

  1. 複数のセラミックシートが積層された素子本体部と、
    前記素子本体部内に導入される測定対象ガス中の酸素濃度を調節するポンプセルと、
    前記素子本体部の内部に形成され、前記酸素濃度の調節後の前記測定対象ガスが導入される検出室と、
    前記検出室に収容され、ＮＯを分解する層状のカソード電極とを備えるガスセンサ素子であって、
    前記検出室の容積Ｖ１と前記カソード電極の体積Ｖ２との関係が、以下に示される条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の何れか１つを満たすガスセンサ素子。
    条件（Ａ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．０６５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０３０ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である
    条件（Ｂ）：前記容積Ｖ１が０．０４７ｍｍ３以上０．１２５ｍｍ３以下であり、かつ前記体積Ｖ２が０．０４４ｍｍ３以上０．０５９ｍｍ３以下である
  2. 前記検出室は、前記複数のセラミックシートのうち少なくとも１つのセラミックシートを厚み方向に貫通する形で設けられており、
    前記検出室が前記セラミックシートを貫通する領域において、前記セラミックシートの平面方向における前記検出室の断面積は０．０５ｍｍ２以上０．３５ｍｍ２以下である請求項１に記載のガスセンサ素子。
  3. 前記素子本体部の一部を構成し、表面に前記カソード電極が形成される固体電解質層と、
    前記固体電解質層の前記表面に配され、ＮＯの分解に応じて前記カソード電極で発生しかつ前記固体電解質層中を移動した酸素イオンを受け取るアノード電極とを備える請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ素子。
  4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載のガスセンサ素子を備えるガスセンサ。
JP2021206698A 2021-12-21 2021-12-21 ガスセンサ素子及びガスセンサ Pending JP2023091864A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021206698A JP2023091864A (ja) 2021-12-21 2021-12-21 ガスセンサ素子及びガスセンサ
CN202211258889.4A CN116297771A (zh) 2021-12-21 2022-10-14 气体传感器元件及气体传感器
DE102022133432.5A DE102022133432A1 (de) 2021-12-21 2022-12-15 Gassensorelement und Gassensor
US18/085,067 US20230204535A1 (en) 2021-12-21 2022-12-20 Gas sensor element and gas sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021206698A JP2023091864A (ja) 2021-12-21 2021-12-21 ガスセンサ素子及びガスセンサ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023091864A true JP2023091864A (ja) 2023-07-03

Family

ID=86606115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021206698A Pending JP2023091864A (ja) 2021-12-21 2021-12-21 ガスセンサ素子及びガスセンサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230204535A1 (ja)
JP (1) JP2023091864A (ja)
CN (1) CN116297771A (ja)
DE (1) DE102022133432A1 (ja)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6781641B2 (ja) 2016-05-17 2020-11-04 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022133432A1 (de) 2023-06-22
US20230204535A1 (en) 2023-06-29
CN116297771A (zh) 2023-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9453815B2 (en) Gas sensor
US9080964B2 (en) Gas sensor element and gas sensor
US9719957B2 (en) Gas sensor element and gas sensor
US8826727B2 (en) Gas sensor
US10705045B2 (en) Gas sensor element and method for producing gas sensor element
US10012611B2 (en) Gas sensor element and gas sensor
JP2023091864A (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ
US11867659B2 (en) Sensor element and gas sensor
JP2017207467A (ja) ガスセンサ素子
JP2009052973A (ja) ガスセンサ
JP2019039689A (ja) ＮＯｘセンサ素子及びＮＯｘセンサ素子の製造方法
JP5977414B2 (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP7319214B2 (ja) センサ素子、ガスセンサ及びセンサ素子の製造方法
CN115128144A (zh) 气体传感器
JP6517613B2 (ja) ガスセンサ
US11940405B2 (en) Sensor element, gas sensor, and method for manufacturing sensor element
JP7391638B2 (ja) センサ素子及びガスセンサ
JP6392104B2 (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP6602257B2 (ja) ガスセンサ素子
JP6302419B2 (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP2016176810A (ja) ガスセンサ素子
JP2016065857A (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP2023035075A (ja) ガスセンサ素子、ガスセンサ及びガスセンサ素子の製造方法
US20160305903A1 (en) Gas sensor element and gas sensor
JP2016109642A (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ