JP2023141937A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】基準ガス空間側で汚染ガスが生じた場合であっても、測定精度の劣化が抑制されるガスセンサを提供する。【解決手段】内部に基準ガス空間を備えるガスセンサのケーシングが、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子の他方端部側が突出してなる外筒と、外筒の端部に嵌め込まれてなり、基準ガス空間を封止するシール部材とを備え、センサ素子が、外部と少なくとも１つの内側電極とを電気的に接続するための第１の電極リードとこれを被覆する第１のリード絶縁層とを備える第１の電極リード部と、外部と測定電極とを電気的に接続可能な第２の電極リードとこれを被覆する第２のリード絶縁層とを備える第２の電極リード部とを備え、第１の電極リード部における拡散抵抗をＡ（ｃｍ－１）とし、第２の電極リード部における拡散抵抗をＢ（ｃｍ－１）とする場合に、Ａ／Ｂ＜１．００である、ようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、セラミックス製のセンサ素子を備えるガスセンサに関し、特にリッチガス雰囲気下での使用に際しての測定電極の保護と、出力変動の抑制とに関する。

従来より、自動車のエンジン等の内燃機関における燃焼ガスや排気ガス等の被測定ガス中の所定のガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを用いてセンサ素子を形成したガスセンサが公知である。

係るガスセンサは、通常、セラミックス製の長尺板状のセンサ素子（検出素子）が、金属製の収容部材の内部（中空部）において、セラミックサポータとタルク等のセラミックスの圧粉体とによって固定され、圧粉体によって、被測定ガスを測定電極等が備わる素子内部に導入するためのガス導入口が備わる一方端部側と基準ガス（大気）が導入される他方端部側との間が気密封止されてなる構成の、本体部を有する（例えば、特許文献１参照）。

収容部材の他方端部側はいわゆる外筒とも称される円筒状の部材となっており、その先端には、シール（封止）部材としてゴム栓が嵌め込まれている。これら外筒とゴム栓とに囲繞される空間が基準ガス空間とされる。ゴム栓には、センタ素子と外部とを電気的に接続するいくつかのリード線が挿通される貫通穴が備わっている。基準ガスは通常、ガスセンサの作製過程でゴム栓を外筒に嵌め込む時点において外筒内に存在していた大気がそのまま用いられるが、その後にゴム栓の貫通穴とリード線との隙間を通じて外筒内に入り込む大気についても、基準ガスとなり得る。

また、センサ素子の他方端部においては、基準ガスが基準ガス空間から素子内部へと導入されるようになっており、かつ、基準電位を与える基準電極が、基準ガスと接触可能に設けられてなる。基準電極が酸素濃度一定の基準ガスと接触することにより、基準電位が一定に保たれることで、基準電極と測定電極等のセンサ素子に備わる他の電極との間に、当該電極周りの雰囲気に応じた電位差が生じるようになっている。

センサ素子に備わる種々の電極は、素子内部あるいは素子側面に配設された電極リードによって素子端部に備わる接続端子と電気的に接続されているが、基準電極と、係る接続端子としての電極パッドとの間を接続する基準電極リードを多孔質としたセンサ素子も、すでに公知である（例えば、特許文献２参照）。

加えて、被測定ガスが導入される被測定ガス室の幅Ｗ１と、被測定ガス室へのガス導入口に配置される多孔質の拡散抵抗層との幅Ｗ２とがＷ１＜Ｗ２なる関係をみたすようにしたガスセンサ素子もすでに公知である（例えば、特許文献３参照）。

特許第６４０１６４４号公報 特許第５８３２４７９号公報 特開２０２０－７１１２８号公報

特許文献１に開示されているようなガスセンサは、その本体部がエンジンからの排気経路に配置されて排ガス雰囲気下で使用され、かつ、センサ素子自体がヒータにて加熱されるなど、高温の環境下で使用される。それゆえ、使用が開始され、本体部が高温に加熱されると、外筒の内面に付着した油分が揮発したり、ゴム栓からガスが発生したりすることで発生する汚染ガスにより、基準ガスが汚染されることがある。そして、係る汚染ガスが基準電極にまで到達した結果として、一定に保たれるべき基準電位が変化してしまい、ガスセンサの測定精度が保たれなくなることが生じ得る。このような状況は、特許文献２に開示されたような、基準電極リードが多孔質である場合に、より生じやすいと考えられる。

特許文献１に開示されたガスセンサでは、外側電極と、基準電極と、両者の間に備わる固体電解質とによって構成される電気化学的ポンプセルにおいて、両電極間に所定の電圧を印加することで、素子外部から基準ガス空間に酸素を汲み入れることが可能となっており、係る汲み入れを行うことにより、基準ガスが汚染された場合でも基準電位を一定に保つことができるようになっている。

しかしながら、上述した汚染ガスは、基準電極に到達するばかりではなく、測定電極リード等の電極リードを介して測定電極やさらにはよりガス導入口近い内部空所にまで到達する場合がある。すると、本来であればガス導入口から導入された後、酸素濃度が所定の値に調整されたうえで測定電極に到達するはずの被測定ガスがリードを介して侵入した汚染ガスにて汚染されてしまい、結果として、ガスセンサにおける測定精度が劣化してしまうことがあり得る。たとえ侵入量が微小であるとしても、測定対象ガス成分の濃度が小さい場合には、その影響は無視できなくなる。

例えば、特許文献３には、被測定ガス室の幅Ｗ１が従来よりも小さくなることにより、ガスセンサ素子に備わる電極の幅も小さくなる場合には、リード部を含む電極部のインピーダンスが大きく変化しないようにするべく、各電極に接続される電極リードの幅を相対的に大きくなるように設定して、所定の電極インピーダンスに調整する態様が開示されている。このようにリード部の幅を大きくした場合、リード部の拡散抵抗が小さくなり、リード部を介して汚染ガスが到達する量が増えてしまうおそれが高まる。

また、特許文献２に開示されているような多孔質の電極リードを基準電極リード意外にも採用することは、白金の使用量を抑えることができ、コストダウンにつながる一方、電極リードを介した汚染ガスの侵入量が増えてしまうおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基準ガス空間側で汚染ガスが生じた場合であっても、測定精度の劣化が抑制されるガスセンサを提供することを、目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、被測定ガス中の所定ガス成分を検知可能なガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部を有してなり、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、を備え、前記ケーシングが、内部に基準ガスが存在する基準ガス空間を備え、前記基準ガス空間に前記センサ素子の他方端部側が突出してなる外筒と、前記外筒の端部に嵌め込まれてなり、前記基準ガス空間を封止するシール部材と、を備え、前記センサ素子が、前記一方端部側に備わる前記被測定ガスの導入口と所定の拡散抵抗の下で連通する少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所と、前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所とさらに連通する測定用内部空所と、前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所および前記測定用内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所に面して設けられてなり、前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることによって対応する前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能な、少なくとも１つの内側電極と、前記測定用内部空所に面して設けられてなり、前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることによって前記測定用内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能な、測定電極と、前記少なくとも１つの内側電極から延在してなる、前記センサ素子の外部と前記少なくとも１つの内側電極とを電気的に接続するための少なくとも１つの第１の電極リードと、前記少なくとも１つの第１の電極リードを被覆する少なくとも１つの第１のリード絶縁層と、を備える少なくとも１つの第１の電極リード部と、前記測定電極から延在してなる、前記センサ素子の外部と前記測定電極とを電気的に接続可能な第２の電極リードと、前記第２の電極リードを被覆する第２のリード絶縁層と、を備える第２の電極リード部と、を備え、前記少なくとも１つの第１の電極リード部における拡散抵抗をＡ（ｃｍ^－１）とし、前記第２の電極リード部における拡散抵抗をＢ（ｃｍ^－１）とする場合に、Ａ／Ｂ＜１．００であることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、０．０２≦Ａ／Ｂ≦０．２７であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサであって、Ｂ≧７００×１０^－３（ｃｍ^－１）であることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所が、前記導入口から所定の拡散抵抗のもとで順次に連通する第１内部空所と第２内部空所であり、前記測定用内部空所が、前記第２内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通する第３内部空所であり、前記少なくとも１つの内側電極が、前記第１内部空所に設けられた主ポンプ電極と、前記第２内部空所に設けられた補助ポンプ電極である、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第４の態様によれば、基準ガス空間において汚染ガスが生じた場合のＮＯｘ濃度の一時的な出力変動量を抑制することができる。これにより、基準ガス空間内における汚染ガスの発生に起因する測定精度の劣化が、好適に抑制されたガスセンサが、実現される。

ガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。 センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示す、素子長手方向に沿った垂直断面図である。 ガスセンサを、ＮＯｘ濃度が一定のモデルガス雰囲気下で動作させたときの、動作開始からのＮＯｘ電流Ｉｐ２の変化を、ゴム栓１０６の温度変化とともに示すグラフの一例である。 主ポンプ電極２２、補助ポンプ電極５１、および測定電極４４のそれぞれから延在する電極リードを含む電極リード部の配置を示す平面図である。 外側ポンプ電極２３から延在する電極リードを含む電極リード部の配置を示す平面図である。 出力変動量の評価の仕方を説明するための図である。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態において組立の対象となるガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）、長手方向に沿った要部断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１００とは、その内部に備わるセンサ素子１０１によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。なお、図１においては、鉛直方向をｚ軸方向として示しており、ガスセンサ１００の長手方向はｚ軸方向と一致している（以降の図においても同様）。

ガスセンサ１００は、主として、センサ素子１０１と、その周囲に環装されてなる環装部品１２０と、環装部品１２０の周囲にさらに環装され、該環装部品１２０を収容してなる筒状体１３０とが、保護カバー１０２と、固定ボルト１０３と、外筒１０４とによって被覆された構成を有する。換言すれば、ガスセンサ１００においては、概略、センサ素子１０１が筒状体１３０の内部の軸中心位置において軸方向に貫通し、環装部品１２０が、筒状体１３０の内部においてセンサ素子１０１に環装された構成を有する。主として、筒状体１３０と、保護カバー１０２と、外筒１０４とが、センサ素子１０１のケーシング（収容部材）を構成している。

センサ素子１０１は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０１は、筒状体１３０の長手方向に沿った中心軸上に配置されてなる。以降、筒状体１３０の長手方向と一致する中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図１および以降の図において、軸線方向はｚ軸方向と一致している。

センサ素子１０１は、第１先端部１０１ａの側にガス導入口や内部空所などを備える検知部を有するとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する。センサ素子１０１においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。ガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。

センサ素子１０１の表面の、第１先端部１０１ａから長手方向における所定の範囲は、保護膜１１１で被覆されてなる。保護膜１１１は、内部空所や電極等が設けられてなるセンサ素子１０１の第１先端部１０１ａ近傍を被水などによる熱的な衝撃から保護するために設けられ、耐熱衝撃保護層とも称される。保護膜１１１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３などからなる厚みが１０μｍ～２０００μｍ程度の多孔質膜である。保護膜１１１は、その目的に照らして、５０Ｎ程度までの力に耐え得るように形成されるのが好ましい。ただし、図１および以降の各図における保護膜１１１の形成範囲はあくまで例示であって、実際の形成範囲は、センサ素子１０１の具体的構造に応じて適宜に定められる。

保護カバー１０２は、センサ素子１０１のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分である第１先端部１０１ａを保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー１０２は、筒状体１３０の図面視下側（ｚ軸方向負側）の外周端部（後述する縮径部１３１の外周）に、溶接固定されてなる。

図１に示す場合においては、保護カバー１０２は、外側カバー１０２ａと内側カバー１０２ｂとの２層構造となっている。外側カバー１０２ａと内側カバー１０２ｂは、それぞれ、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈ１およびＨ２と、Ｈ３およびＨ４が設けられてなる。なお、図１に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー１０２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。

固定ボルト１０３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト１０３は、ねじ切りがされたボルト部１０３ａと、ボルト部１０３ａを螺合する際に保持される保持部１０３ｂとを備えている。ボルト部１０３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部１０３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー１０２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。

外筒１０４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体１３０の図面視上側（ｚ軸方向正側）の外周端部に溶接固定されてなる、円筒状部材である。外筒１０４の内部にはコネクタ１０５が配されている。また、外筒１０４の他方端部（図面視上端部）には、シール（封止）部材として、ゴム栓１０６が嵌め込まれている。ガスセンサ１００においては、筒状体１３０とゴム栓１０６との間において、外筒１０４に囲繞されてなる空間が、基準ガス空間ＳＰとなっている。換言すれば、基準ガス空間ＳＰは、ゴム栓１０６にて封止されてなる。基準ガス空間ＳＰには、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂが突出してなる。係る基準ガス空間ＳＰには、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

コネクタ１０５には、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂに備わる図示しない複数の端子電極と接する複数の接点部材１５１が備わっている。接点部材１５１は、ゴム栓１０６に挿通されたリード線１０７と接続されてなる。リード線１０７は、ガスセンサ１００外部の図１においては図示しないコントローラ１１０や各種電源に接続されてなる。

なお、図１には、接点部材１５１とリード線１０７とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これは例示である。

筒状体１３０は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体１３０の内部には、センサ素子１０１と環装部品１２０とが収容されてなる。換言すれば、筒状体１３０は、センサ素子１０１の周りに環装された環装部品１２０の周囲に、さらに環装されてなる。

筒状体１３０は、軸線方向に平行な円筒状の内面１３０ａによって円筒状の内空間をなしている厚肉の主部１３０Ｍと、図面視で軸線方向下端部（ｚ軸方向負側）に備わり、主部１３０Ｍよりもさらに厚肉の縮径部１３１と、図面視で軸線方向の上端に位置する主部１３０Ｍの端面１３０ｃからさらに上方に延在しつつ、軸中心へ向かう向きへと屈曲させられてなる薄肉のかしめ部１３２と、周方向外側へと突出してなる係止部１３３とを主として備える。

かしめ部１３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品１２０を（直接的には第２セラミックサポータ１２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部１３２は、後述するように、センサ素子１０１および環装部品１２０の環装後に屈曲させられてなる。

環装部品１２０は、第１セラミックサポータ１２１と、圧粉体１２２と、第２セラミックサポータ１２３とからなる。

第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３は、セラミックス製の碍子である。より詳細には、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３の軸中心位置には、センサ素子１０１の断面形状に応じた矩形状の貫通孔（図示省略）が設けられており、当該貫通孔にセンサ素子１０１が挿通されることによって、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３はセンサ素子１０１に環装されてなる。なお、第１セラミックサポータ１２１は、図面視下方において筒状体１３０のテーパー面１３０ｂに係止されてなる。

一方、圧粉体１２２は、タルクなどのセラミックス粉末を成型してなり、かつ、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３と同様、貫通孔にセンサ素子１０１が挿通されることによってセンサ素子１０１の周囲に環装された状態で筒状体１３０の内部に配置された後、さらに圧縮されて一体となったものである。より詳細には、圧粉体１２２をなすセラミックス粒子は、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３と筒状体１３０とに囲繞され、かつ、センサ素子１０１が貫通する空間に、密に充填されてなる。

ガスセンサ１００においては、概略、第１セラミックサポータ１２１のテーパー面１３０ｂによる係止と、第２セラミックサポータ１２３の図面視上側からのかしめ部１３２による押圧とによって、筒状体１３０の内部におけるセンサ素子１０１と環装部品１２０との固定が、実現されてなる。加えて、圧粉体１２２の圧縮充填により、センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ側と、第２先端部１０１ｂ側との間の気密封止が、実現されてなる。

＜センサ素子の概略構成＞
図２は、センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示す、素子長手方向に沿った垂直断面図である。図２においては、センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ側に備わる保護膜１１１の図示を省略する一方、ガスセンサ１００の各部の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れるＮＯｘ電流に基づいてＮＯｘ濃度を特定するコントローラ１１０を併せて示している。

センサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（ＺｒＯ_２）からなる（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる）、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との６つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の（長尺板状の）セラミックス製の素子体である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。なお、以降においては、図２におけるこれら６つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子１０１のうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。

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および回路パターン（例えば、電極、電極リード、リード絶縁層など）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の第１先端部１０１ａ側であって、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を兼ねる第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、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０、第３内部空所６１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（領域）である。なお、ガス導入口１０についても同様に、第１拡散律速部１１とは別に、第１先端部１０１ａにおいてスペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられてなる態様であってもよい。係る場合、第１拡散律速部１１がガス導入口１０よりも内部に隣接形成されることになる。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０と、第４拡散律速部６０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から最奥の内部空所である第３内部空所６１に至る部位をガス流通部とも称する。

また、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂ側には、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所４３が設けられている。基準ガス導入空所４３は、外筒１０４内の基準ガス空間ＳＰに対し開口しており、基準ガス空間ＳＰから基準ガスたる大気が導入される。

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所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、基準ガス導入空所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（第１拡散律速部１１）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、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内部空所２０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（主ポンプ電極とも称する）２２と、第２固体電解質層６の上面（センサ素子１０１の一方主面）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（空所外）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および第１固体電解質層４）に形成されている。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が形成されてなる。これら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、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）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。

天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂは、平面視矩形状に設けられてなる。ただし、天井電極部２２ａのみ、あるいは、底部電極部２２ｂのみが設けられる態様であってもよい。

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として形成される。特に、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。例えば、５％～４０％の気孔率を有し、Ａｕを０．６ｗｔ～１．４ｗｔ％程度含むＡｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ_２とのサーメット電極として、５μｍ～２０μｍの厚みに形成される。Ａｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ_２との重量比率は、Ｐｔ：ＺｒＯ_２＝７．０：３．０～５．０：５．０程度であればよい。

一方、外側ポンプ電極２３は、例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ_２とのサーメット電極として、平面視矩形状に形成される。

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との間に可変電源２４によって所望のポンプ電圧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主ポンプ電流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。なお、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に印加されるポンプ電圧Ｖｐ０を、主ポンプ電圧Ｖｐ０とも称する。

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である主センサセル８０が構成されている。

主センサセル８０における内側ポンプ電極２２と基準電極４２との電位差である起電力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、コントローラ１１０が、起電力Ｖ０が一定となるように主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。

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酸素分圧をさらに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、補助ポンプセル５０が作動することによって調整される。第２内部空所４０においては、被測定ガスの酸素濃度がさらに高精度に調整される。

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３０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。

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。

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と同様の形態にて、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が形成されてなり、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が形成されてなる。これら天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂは、平面視矩形状をなしているとともに、第２内部空所４０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。

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。

補助ポンプセル５０においては、コントローラ１１０による制御のもと、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（補助ポンプ電圧）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である補助センサセル８１が構成されている。補助センサセル８１においては、第２内部空所４０内の酸素分圧に応じて補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ１が、検出される。

補助ポンプセル５０は、この補助センサセル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、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フィードバック制御されるようになっている。

また、これとともに、その補助ポンプ電流Ｉｐ１が、主センサセル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、補助ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主センサセル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。

第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０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３内部空所６１に導く部位である。

第３内部空所６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間（測定用内部空所）として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、第３内部空所６１において、測定ポンプセル４１が動作することによりなされる。第３内部空所６１には、第２内部空所４０において酸素濃度が高精度に調整された被測定ガスが導入されるため、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。

測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１内に導入された被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定するためのものである。測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１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、貴金属と固体電解質との多孔質サーメット電極である。例えばＰｔあるいはＰｔとＲｈなどの他の貴金属との合金と、センサ素子１０１の構成材料たるＺｒＯ_２とのサーメット電極として形成される。測定電極４４は、第３内部空所６１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。

測定ポンプセル４１においては、コントローラ１１０による制御のもと、第３内部空所６１内の雰囲気中におけるＮＯｘ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である測定センサセル８２が構成されている。測定センサセル８２にて検出される、第３内部空所６１内の酸素分圧に応じて測定電極４４と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ２に基づいて、可変電源４６がフィードバック制御される。

第３内部空所６１内に導かれた被測定ガス中のＮＯｘは測定電極４４により還元され（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、測定センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧（測定ポンプ電圧）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ＮＯｘの濃度に比例するものであるから、測定ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が算出されることとなる。以降、係るポンプ電流Ｉｐ２のことを、ＮＯｘ電流Ｉｐ２とも称する。

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ＮＯｘ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。

なお、図２においては図示の簡略のため、各種ポンプセルやセンサセルを構成する電極とセンサ素子１０１の外部の各部とを電気的に接続するための配線については、あくまで模式的に示している。しかしながら、実際のセンサ素子１０１においては、それぞれのポンプセルやセンサセルの電極と端子電極との間をつなぐ電極リードが内部あるいは側面に備わっている。係る電極リードを含む電極リード部の詳細については後述する。

センサ素子１０１は、さらに、基体部を構成する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、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、図２においては図示を省略するヒータ抵抗検出リードとを、主として備えている。また、ヒータ部７０は、ヒータ電極７１を除いて、センサ素子１０１の基体部に埋設されてなる。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（センサ素子１０１の他方主面）に接する態様にて形成されてなる電極である。

ヒータエレメント７２は、第２基板層２と第３基板層３との間に設けられた抵抗発熱体である。ヒータエレメント７２は、図２においては図示を省略する、センサ素子１０１の外部に備わる図示しないヒータ電源から、通電経路であるヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて給電されることより、発熱する。ヒータエレメント７２は、Ｐｔにて、あるいはＰｔを主成分として、形成されてなる。ヒータエレメント７２は、センサ素子１０１のガス流通部が備わる側の所定範囲に、素子厚み方向においてガス流通部と対向するように埋設されている。ヒータエレメント７２は、１０μｍ～３０μｍ程度の厚みを有するように設けられる。

センサ素子１０１においては、ヒータ電極７１を通じてヒータエレメント７２に電流を流すことにより、ヒータエレメント７２を発熱させることで、センサ素子１０１の各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。具体的には、センサ素子１０１は、ガス流通部付近の固体電解質および電極の温度が７００℃～９００℃程度になるように加熱される。係る加熱によって、センサ素子１０１において基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）ヒータエレメント７２による加熱温度を、センサ素子駆動温度と称する。

ヒータエレメント７２による発熱の程度（ヒータ温度）は、ヒータエレメント７２の抵抗値の大きさ（ヒータ抵抗）によって把握される。

なお、図２においては図示を省略しているが、センサ素子１０１の一方主面側に、外側ポンプ電極２３を保護する目的で、外側ポンプ電極２３を被覆する電極保護層が備わっていてもよい。

以上のような構成を有するガスセンサ１００においてＮＯｘの濃度が測定される際には、主ポンプセル２１さらには補助ポンプセル５０を作動させることによって、第１内部空所２０さらには第２内部空所４０において酸素濃度が一定とされるフィードバック制御が実行され、酸素濃度一定とされた被測定ガスが、第３内部空所６１へと導入され、測定電極４４に到達する。例えば、被測定ガスがリーン雰囲気である場合、酸素分圧がＮＯｘの測定に実質的に影響がない程度（例えば０．０００１ｐｐｍ～１ｐｐｍ）にまで十分に低めた被測定ガスが、第３内部空所６１へと導入される。

そして、測定電極４４においては、到達した被測定ガス中のＮＯｘが還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプセル４１より汲み出されるが、係る汲み出しの際に流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度と一定の関数関係（以下、感度特性と称する）を有する。

係る感度特性は、ガスセンサ１００を実使用するに先立ってあらかじめ、ＮＯｘ濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータがコントローラ１１０に記憶される。そして、ガスセンサ１００の実使用時には、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度に応じて流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値を表す信号がコントローラ１１０に時々刻々と与えられる。コントローラ１１０においては、その値と特定した感度特性とに基づいて、ＮＯｘ濃度が次々と演算され、ＮＯｘセンサ検出値として出力される。これにより、ガスセンサ１００においては、被測定ガス中のＮＯｘ濃度をほぼリアルタイムで把握することができるようになっている。

＜基準ガス空間における汚染ガスの発生＞
本実施の形態に係るガスセンサ１００のように、外筒１０４とゴム栓１０６とによって基準ガス空間ＳＰを囲繞する構成を有し、かつ、高温環境下で使用されるガスセンサの場合、外筒１０４の内面１０４ａに付着した油分が揮発したり、ゴム栓１０６からガスが発生したりすることに起因して、基準ガス空間ＳＰに汚染ガスが発生し、その結果としてＮＯｘ電流Ｉｐ２が変化してしまうことが起こり得る。係る汚染ガスの発生は特に、高温のガス条件や本体部の周りにて熱が籠るような厳しい環境下で生じやすい。

図３は、そのようなガスセンサを、ＮＯｘ濃度が一定のモデルガス雰囲気下で動作させたときの、動作開始からのＮＯｘ電流Ｉｐ２の変化を、ゴム栓１０６の温度変化とともに示すグラフの一例である。図３においては、一定となるはずのＮＯｘ電流Ｉｐ２が、ゴム栓１０６の温度の上昇後に一時的に減少している。そしてその後、ゴム栓１０６の温度が安定して以降は、当初のピーク値と同程度にまで増大し、略一定となっている。

図３におけるＮＯｘ電流の一時的な減少は、ガスセンサが加熱される過程で生じる上述のような汚染ガスが、後述する測定電極リード部を通じて測定電極４４の備わる第３内部空所６１に侵入することによるものと考えられる。そして、一定時間が経過した後にＮＯｘ電流Ｉｐ２の値が増大するのは、外筒１０４やゴム栓１０６が十分に加熱された結果、汚染ガスが全て放出されたことによるものと考えられる。

このようなＮＯｘ電流Ｉｐ２の変動は当然ながら、一時的にせよガスセンサにおけるＮＯｘ濃度の測定精度を低下させる要因となる。また、汚染ガスの発生が図３に示したような使用開始後にのみ生じるとも限らない。

＜電極リード部の構成＞
本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、センサ素子１０１における電極リード部が所定の条件をみたすようにすることで、基準ガス空間ＳＰにおける汚染ガスの発生に起因した図３に示すようなＮＯｘ電流Ｉｐ２の変動が、ＮＯｘ濃度の測定精度に与える影響を、抑制してなる。

図４は、その一例としての、主ポンプ電極２２（より詳細には底部電極部２２ｂ）、補助ポンプ電極５１（より詳細には底部電極部５１ｂ）、および測定電極４４のそれぞれから延在する電極リードを含む電極リード部の配置を示す平面図である。また、図５は、外側ポンプ電極２３から延在する電極リードを含む電極リード部の配置を示す平面図である。

底部電極部２２ｂ、底部電極部５１ｂ、および測定電極４４はいずれも、第１固体電解質層４の上に設けられてなる。そして、底部電極部２２ｂからは主ポンプ電極リード２２Ｌが、底部電極部５１ｂからは補助ポンプ電極リード５１Ｌが、測定電極４４からは測定電極リード４４Ｌが、それぞれ第２先端部１０１ｂ側に延在している。一方、外側ポンプ電極２３は第２固体電解質層６の上に設けられてなる。そして、外側ポンプ電極２３からは外側ポンプ電極リード２３Ｌが第２先端部１０１ｂ側に延在している。

主ポンプ電極リード２２Ｌ、補助ポンプ電極リード５１Ｌ、測定電極リード４４Ｌ、および外側ポンプ電極リード２３Ｌはそれぞれ、その周囲を、主ポンプ電極リード絶縁層２２Ｉ、補助ポンプ電極リード絶縁層５１Ｉ、測定電極リード絶縁層４４Ｉ、および外側ポンプ電極リード絶縁層２３Ｉにて囲繞されている。これにより、各電極リードとセンサ素子１０１を構成する固体電解質との絶縁が図られている。

外側ポンプ電極リード２３Ｌは、第２先端部１０１ｂに備わる端子電極２３Ｔに接続されている。なお、図５においては外側ポンプ電極リード絶縁層２３Ｉが外側ポンプ電極リード２３Ｌに沿って直線的に（線状に）備わっているが、外側ポンプ電極リード絶縁層２３Ｉは、外側ポンプ電極２３と端子電極２３Ｔとの間において平面的に（層状に）設けられてもよい。

一方、主ポンプ電極リード２２Ｌ、補助ポンプ電極リード５１Ｌ、および測定電極リード４４Ｌはそれぞれ、その大部分が第１固体電解質層４とスペーサ層５との間に埋設されてなる層間配線となっているが、第２先端部１０１ｂの近傍で素子側方に向けて屈曲している。さらには、図示は省略するが、これら主ポンプ電極リード２２Ｌ、補助ポンプ電極リード５１Ｌ、および測定電極リード４４Ｌはそれぞれ、主ポンプ電極リード絶縁層２２Ｉ、補助ポンプ電極リード絶縁層５１Ｉ、および測定電極リード絶縁層４４Ｉにて囲繞されつつ素子側端部近傍でスルーホールにて厚み方向の上下いずれかの方向に接続されたうえで、他の層間配線にて、第２先端部１０１ｂに備わる端子電極２３Ｔと同様の図示しない複数の端子電極のいずれかに接続されている。なお、本実施の形態において、それぞれの電極リードがリード絶縁層にて囲繞されるとは、電極リードがリード絶縁層にて被覆される態様や、電極リードがリード絶縁層にて挟み込まれる態様を含む。

主ポンプ電極リード２２Ｌ、補助ポンプ電極リード５１Ｌ、測定電極リード４４Ｌ、および外側ポンプ電極リード２３Ｌは、白金からなるのが好適である。また、主ポンプ電極リード絶縁層２２Ｉ、補助ポンプ電極リード絶縁層５１Ｉ、測定電極リード絶縁層４４Ｉ、および外側ポンプ電極リード絶縁層２３Ｉは、アルミナからなるのが好適である。

以降においては、主ポンプ電極リード２２Ｌと主ポンプ電極リード絶縁層２２Ｉとを含みかつ周囲を固体電解質（主に第１固体電解質層４およびスペーサ層５）にて囲繞された領域を主ポンプ電極リード部２２Ｐと総称する。同様に、補助ポンプ電極リード５１Ｌと補助ポンプ電極リード絶縁層５１Ｉとを含みかつ周囲を固体電解質（主に第１固体電解質層４およびスペーサ層５）にて囲繞された領域を補助ポンプ電極リード部５１Ｐと総称する。さらには、測定電極リード４４Ｌと測定電極リード絶縁層４４Ｉとを含みかつ周囲を固体電解質（主に第１固体電解質層４およびスペーサ層５）にて囲繞された領域を測定電極リード部４４Ｐと総称する。

換言すれば、主ポンプ電極リード部２２Ｐには主ポンプ電極リード２２Ｌと主ポンプ電極リード絶縁層２２Ｉとが挿通されてなる。補助ポンプ電極リード部５１Ｐには補助ポンプ電極リード５１Ｌと補助ポンプ電極リード絶縁層５１Ｉとが挿通されてなる。測定電極リード部４４Ｐには測定電極リード４４Ｌと測定電極リード絶縁層４４Ｉとが挿通されてなる。

そして、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、これら３つの電極リード部のうち、センサ素子１０１に備わるガス流通部においてガス導入口１０から最も遠くに位置する測定電極４４に接続されてなる測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗が、当該ガス流通部において測定電極４４よりもガス導入口１０に近い内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５１とのそれぞれに接続された主ポンプ電極リード部２２Ｐと補助ポンプ電極リード部５１Ｐの拡散抵抗よりも、大きくなっている。

すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、主ポンプ電極リード部２２Ｐと補助ポンプ電極リード部５１Ｐのそれぞれの拡散抵抗をＡとし、測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗をＢとするとき、両者の比Ａ／ＢについてＡ／Ｂ＜１．００という関係をみたすように、構成されてなる。

ここで、それぞれの電極リード部の拡散抵抗（リード拡散抵抗）とは、それぞれの電極リードおよび電極リード絶縁層の内部構造のみならず、それらを含む、それぞれの電極リード部の周囲に存在する固体電解質に囲繞された空間全体が、当該空間を移動するガスに与える拡散抵抗である。つまりは、電極リードや電極リード絶縁層の内部に存在する微細な空隙のみならず、電極リードと電極リード絶縁層の間や、電極リード絶縁層と周囲の固体電解質との間に存在する隙間も、係る拡散抵抗に寄与している。

電極リード部における拡散抵抗の大きさは、例えば、電極リードや絶縁層の気孔率や、電極リード部の全長（配線長さ）や、電極リード部の断面積などを調整することにより、調整される。

Ａ／Ｂ＜１．００がみたされるということは、これをみたさないほかは同様の構成を有するガスセンサに比して、測定電極リード部４４Ｐを通じた汚染ガスの流出が、主ポンプ電極リード部２２Ｐおよび補助ポンプ電極リード部５１Ｐを通じた流出よりも起こりにくいことを意味する。

しかも、ガス導入口１０から導入された被測定ガスが第１内部空所２０および第２内部空所４０において順次に酸素を汲み出されたうえで第３内部空所６１に到達する、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては通常、測定ポンプセル４１を流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２よりも主ポンプセル２１を流れる主ポンプ電流Ｉｐ０や補助ポンプセル５０を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１の方が大きい。それゆえ、仮に汚染ガスの侵入量が同じであったとしても、主ポンプ電極リード２２部Ｐあるいは補助ポンプ電極リード５１部Ｐを通じた第１内部空所２０あるいは第２内部空所４０への汚染ガスの侵入に起因して生じる主ポンプ電流Ｉｐ０あるいは補助ポンプ電流Ｉｐ１の出力変動の割合は、測定電極リード部４４Ｐを通じた第３内部空所６１への汚染ガスの侵入に起因してＮＯｘ電流Ｉｐ２に生じる出力変動の割合に比べれば小さい。

Ａ／Ｂ＜１．００がみたされることで主ポンプ電極リード２２部Ｐあるいは補助ポンプ電極リード５１部Ｐへの汚染ガスの侵入が優先的となった場合にはなおさら、汚染ガスの侵入に起因してＮＯｘ電流Ｉｐ２に出力変動が生じることが、抑制される。

以上の理由から、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、Ａ／Ｂ＜１．００がみたされることにより、使用開始時などに基準ガス空間ＳＰにおいて汚染ガスが生じたとしても、係る汚染ガスが測定電極４４の存在する第３内部空所６１へと流入して測定電極４４を汚染することが、好適に抑制されるようになっている。そして、ガスセンサ１００におけるＮＯｘ濃度の本来の値からの一時的な出力変動量は、測定精度に照らして許容される範囲に留まる。例えば１００ｐｐｍというＮＯｘ濃度に対する出力変動量が、２０ｐｐｍ以内の範囲に留まる。

なお、出力変動量は、概略、ＮＯｘ濃度が一定のモデルガス雰囲気下でガスセンサ１００の動作を開始させたときに得られる、図３に示したようなＮＯｘ電流Ｉｐ２の変化量（最終的な一定値と一時的に減少したときの値との差分値）を、上述した感度特性を利用してＮＯｘ濃度値の変化量に換算することにより、求めることが出来る。

一方で、Ａ／Ｂ＜０．００１である場合、主ポンプ電極リード部２２Ｐあるいは補助ポンプ電極リード部５１Ｐを通じた基準ガス導入空間ＳＰと第１内部空所２０あるいは第２内部空所４０との間における汚染ガス以外のガス（例えば被測定ガスや基準ガス空間ＳＰ内の酸素）の出入りが無視できなくなり、測定精度の劣化が生じることから、Ａ／Ｂ≧０．００１であることが好ましい。

また、Ｂ≧７００×１０^－３ｃｍ^－１であるのが好ましい。Ｂの値が７００×１０^－３ｃｍ^－１を顕著に下回ると、Ａ／Ｂ＜１．００をみたしていても測定電極リード部４４Ｐを通じた第３内部空所６１への汚染ガスの流入が生じやすくなる。なお、Ｂ≧７００×１０^－３ｃｍ^－１である構成は、図１および図２に示すような構成のガスセンサにおいて一般的に採用される構成である。

好ましくは、ガスセンサ１００は、０．０２≦Ａ／Ｂ≦０．２７という範囲をみたすように構成される。係る場合、上述した出力変動量がさらに好適に抑制される。例えば５００ｐｐｍというＮＯｘ濃度に対する出力変動量が、１０ｐｐｍ以内の範囲に留まる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサにおける主ポンプ電極リード部および補助ポンプ電極リード部の拡散抵抗をＡとし、測定電極リード部の拡散抵抗をＢとするとき、Ａ／Ｂ＜１．００という関係をみたすようにガスセンサを構成することで、基準ガス空間において汚染ガスが生じた場合のＮＯｘ濃度の一時的な出力変動量を抑制することができる。好ましくは、０．０２≦Ａ／Ｂ≦０．２７をみたすようにガスセンサを構成することで、係る出力変動量をさらに好適に抑制することができる。

これにより、基準ガス空間内における汚染ガスの発生に起因する測定精度の劣化が、好適に抑制されたガスセンサが、実現される。

実施例として、主ポンプ電極リード部２２Ｐの拡散抵抗Ａの大きさと測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗Ｂの大きさとの組み合わせを、Ａ／Ｂ＜１．００をみたす範囲で種々に違えた１０通りのガスセンサ１００（以下、実施例１～実施例１０）を用意し、使用開始時のＮＯｘ濃度の出力変動量を評価した。なお、補助ポンプ電極リード部５１Ｐの拡散抵抗も主ポンプ電極リード部２２Ｐの拡散抵抗Ａと略同じとした。また、Ａ／Ｂ＜１．００をみたさない他は実施例と同様に作成した２通りのガスセンサ（以下、比較例１および比較例２）についても、同様の評価を行った。

図６は、出力変動量の評価の仕方を説明するための図である。具体的には、温度が１０５０℃で、空気比λ＝１．０５で、ＮＯｘ濃度が１００ｐｐｍであるモデルガス雰囲気下で、各ガスセンサを始動させ、ゴム栓１０６の温度が最終的に３００℃で一定に保たれるようにヒータ部７０による加熱を制御しながら、ＮＯｘ電流Ｉｐ２を連続的に測定することで、図６に示すような、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の時間に対する関数に相当するプロファイルＩｐ２（ｔ）を得た。

いずれのガスセンサにおいても、得られた程度の差こそあれ、図３に示した例と同様のプロファイルＩｐ２（ｔ）が得られた。すなわち、ガスセンサの動作開始後まもなくＮＯｘ電流Ｉｐ２は略一定となるものの、その後いったん減少して、汚染ガスの発生に伴い略一定となり、そして、その後しばらくしてＮＯｘ電流Ｉｐ２は増加に転じ、最終的には動作開始当初と略同じ値にて略一定となった。

ただし、図６においては理解の容易のため、プロファイルＩｐ２（ｔ）を実線の折れ線として図示しているが、実際には、プロファイルＩｐ２（ｔ）は破線にて模式的に示すような多少の変動を有していた。

このようなプロファイルＩｐ２（ｔ）を対象とした出力変動量の評価に際してはまず、減少後の略一定の状態から増加に転じる直前の所定時間Δｔ１（例えば１０分）におけるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値の平均値ａｖ１を特定した。平均値を取るのは、略一定とみられる値が実際には変動しているからである。

次に、増大に転じた後、略一定の状態になって以降のＮＯｘ電流Ｉｐ２の値の、平均値ａｖ１に対する差分値Δ１（ｔ）と、増大に転じた後の略一定の状態におけるＮＯｘ電流Ｉｐ２の最大値と最小値との差分値Δ２（ｔ）を得た。これら差分値Δ１（ｔ）および差分値Δ２（ｔ）もともに、増大後のＮＯｘ電流Ｉｐ２の値の変動に応じて変動する動的な値であるため、時間の関数として表される。

そして、差分値Δ１（ｔ）と差分値Δ２（ｔ）との間に、
差分値Δ１（ｔ）＞２×差分値Δ２（ｔ） ・・・・（１）
なる式（１）が成り立つ状態が、所定の観察時間Δｔｚ（例えば６０分）経過した時点で、汚染ガスに伴う変動が解消されてＮＯｘ電流Ｉｐ２の値が本来の値にて略一定になったと判断した。そのうえで、係る判断時点直前の所定時間Δｔ２（例えば１０分）におけるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値の平均値ａｖ２を特定し、両者の差分値を、
ポンプ電流変動値＝平均値ａｖ２－平均値ａｖ１ ・・・（２）
として算出した。

最終的に、式（２）にて求まるポンプ電流変動値をＮＯｘ濃度値に変換することにより、出力変動量を求めた。

表１は、実施例１～実施例１０と比較例１～比較例２に係るガスセンサの、主ポンプ電極リード部（表１においては「主ポンプ電極リード部」）２２Ｐの拡散抵抗Ａと、測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗Ｂと、両者の比Ａ／Ｂと、出力変動量と、係る出力変動量の評価結果（良否の判定結果）とを、一覧にして示す図である。

出力変動量の良否判定においては、得られた出力変動量が１０ｐｐｍ以内であったガスセンサにつき、使用開始時の汚染ガスの発生に起因した出力変動が好適に抑制されていると判定した（Ａ判定）。該当するガスセンサにつき、表１の「判定」欄に「Ａ」と記している。

また、得られた出力変動量が１０ｐｐｍ超２０ｐｐｍ以下であったガスセンサについては、測定精度に照らせば許容される程度には、使用開始時の汚染ガスの発生に起因した出力変動が抑制されていると判定した（Ｂ判定）。該当するガスセンサにつき、表１の「判定」欄に「Ｂ」と記している。

一方、得られた出力変動量が２０ｐｐｍ超であったガスセンサについては、使用開始時の汚染ガスの発生に起因した出力変動が抑制されていないと判定した（Ｆ判定）。該当するガスセンサにつき、表１の「判定」欄に「Ｆ」と記している。

表１に示すように、実施例３～実施例５、実施例７、および実施例９のガスセンサについては、Ａ判定となった。また、実施例１、実施例２、実施例６、実施例８、および実施例１０のガスセンサについては、Ｂ判定となった。一方、比較例１および比較例２のガスセンサについては、Ｆ判定となった。

以上の結果は、主ポンプ電極リード部２２Ｐの拡散抵抗Ａと、測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗Ｂの比Ａ／Ｂが、Ａ／Ｂ＜１．００なる範囲を満たすガスセンサにおいては、使用開始時などに基準ガス空間ＳＰにおいて汚染ガスが生じたとしても、ＮＯｘ濃度の本来の値からの一時的な出力変動量は、測定精度に照らして許容される範囲に留まることを示している。

さらには、０．０２≦Ａ／Ｂ≦０．２７という範囲をみたす場合には、出力変動量がより好適に抑制されることも、示している。

１～３ 第１～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
１０ ガス導入口
１１ 第１拡散律速部
１３ 第２拡散律速部
２０ 第１内部空所
２１ 主ポンプセル
２２ 内側ポンプ電極
２２Ｐ 主ポンプ電極リード部
２３ 外側ポンプ電極
２３Ｔ 端子電極
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２内部空所
４１ 測定ポンプセル
４２ 基準電極
４３ 基準ガス導入空所
４４ 測定電極
４４Ｐ 測定電極リード部
４８ 大気導入層
５０ 補助ポンプセル
５１ 補助ポンプ電極
５１Ｐ 補助ポンプ電極リード部
６０ 第４拡散律速部
６１ 第３内部空所
７０ ヒータ部
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０２ 保護カバー
１０３ 固定ボルト
１０４ 外筒
１０５ コネクタ
１０６ ゴム栓
１０７ リード線
１２０ 環装部品
１５１ 接点部材
Ｈ１～Ｈ４ 貫通孔
ＳＰ 基準ガス空間

また、特許文献２に開示されているような多孔質の電極リードを基準電極リード以外にも採用することは、白金の使用量を抑えることができ、コストダウンにつながる一方、電極リードを介した汚染ガスの侵入量が増えてしまうおそれがある。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１００の（より詳細にはその本体部の）、長手方向に沿った要部断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１００とは、その内部に備わるセンサ素子１０１によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。なお、図１においては、鉛直方向をｚ軸方向として示しており、ガスセンサ１００の長手方向はｚ軸方向と一致している（以降の図においても同様）。

かしめ部１３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品１２０を（直接的には第２セラミックサポータ１２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部１３２は、後述するように、センサ素子１０１に対する環装部品１２０の環装後に屈曲させられてなる。

しかも、ガス導入口１０から導入された被測定ガスが第１内部空所２０および第２内部空所４０において順次に酸素を汲み出されたうえで第３内部空所６１に到達する、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては通常、測定ポンプセル４１を流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２よりも主ポンプセル２１を流れる主ポンプ電流Ｉｐ０や補助ポンプセル５０を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１の方が大きい。それゆえ、仮に汚染ガスの侵入量が同じであったとしても、主ポンプ電極リード部２２Ｐあるいは補助ポンプ電極リード部５１Ｐを通じた第１内部空所２０あるいは第２内部空所４０への汚染ガスの侵入に起因して生じる主ポンプ電流Ｉｐ０あるいは補助ポンプ電流Ｉｐ１の出力変動の割合は、測定電極リード部４４Ｐを通じた第３内部空所６１への汚染ガスの侵入に起因してＮＯｘ電流Ｉｐ２に生じる出力変動の割合に比べれば小さい。

Ａ／Ｂ＜１．００がみたされることで主ポンプ電極リード部２２Ｐあるいは補助ポンプ電極リード部５１Ｐへの汚染ガスの侵入が優先的となった場合にはなおさら、汚染ガスの侵入に起因してＮＯｘ電流Ｉｐ２に出力変動が生じることが、抑制される。

一方で、Ａ／Ｂ＜０．００１である場合、主ポンプ電極リード部２２Ｐあるいは補助ポンプ電極リード部５１Ｐを通じた基準ガス空間ＳＰと第１内部空所２０あるいは第２内部空所４０との間における汚染ガス以外のガス（例えば被測定ガスや基準ガス空間ＳＰ内の酸素）の出入りが無視できなくなり、測定精度の劣化が生じることから、Ａ／Ｂ≧０．００１であることが好ましい。

表１は、実施例１～実施例１０と比較例１～比較例２に係るガスセンサの、主ポンプ電極リード部（表１においては「主ポンプ電極リード」）２２Ｐの拡散抵抗Ａと、測定電極リード部４４Ｐの拡散抵抗Ｂと、両者の比Ａ／Ｂと、出力変動量と、係る出力変動量の評価結果（良否の判定結果）とを、一覧にして示す図である。

Claims (4)

1. 被測定ガス中の所定ガス成分を検知可能なガスセンサであって、
   酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部を有してなり、一方端部側に検知部を備えるセンサ素子と、
   前記センサ素子が内部に収容され固定されるケーシングと、
   を備え、
   前記ケーシングが、
   内部に基準ガスが存在する基準ガス空間を備え、前記基準ガス空間に前記センサ素子の他方端部側が突出してなる外筒と、
   前記外筒の端部に嵌め込まれてなり、前記基準ガス空間を封止するシール部材と、
   を備え、
   前記センサ素子が、
   前記一方端部側に備わる前記被測定ガスの導入口と所定の拡散抵抗の下で連通する少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所と、
   前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所とさらに連通する測定用内部空所と、
   前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所および前記測定用内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、
   前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所に面して設けられてなり、前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることによって対応する前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能な、少なくとも１つの内側電極と、
   前記測定用内部空所に面して設けられてなり、前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることによって前記測定用内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能な、測定電極と、
   前記少なくとも１つの内側電極から延在してなる、前記センサ素子の外部と前記少なくとも１つの内側電極とを電気的に接続するための少なくとも１つの第１の電極リードと、前記少なくとも１つの第１の電極リードを被覆する少なくとも１つの第１のリード絶縁層と、を備える少なくとも１つの第１の電極リード部と、
   前記測定電極から延在してなる、前記センサ素子の外部と前記測定電極とを電気的に接続可能な第２の電極リードと、前記第２の電極リードを被覆する第２のリード絶縁層と、を備える第２の電極リード部と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの第１の電極リード部における拡散抵抗をＡ（ｃｍ^－１）とし、前記第２の電極リード部における拡散抵抗をＢ（ｃｍ^－１）とする場合に、
   Ａ／Ｂ＜１．００
   であることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   ０．０２≦Ａ／Ｂ≦０．２７
   であることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   Ｂ≧７００×１０^－３（ｃｍ^－１）
   であることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
   前記少なくとも１つの酸素分圧調整用内部空所が、前記導入口から所定の拡散抵抗のもとで順次に連通する第１内部空所と第２内部空所であり、
   前記測定用内部空所が、前記第２内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通する第３内部空所であり、
   前記少なくとも１つの内側電極が、前記第１内部空所に設けられた主ポンプ電極と、前記第２内部空所に設けられた補助ポンプ電極である、
   ことを特徴とするガスセンサ。

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