JP5155712B2

JP5155712B2 - ガスセンサ、ＮＯｘセンサ、およびガスセンサの作製方法

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Publication number: JP5155712B2
Application number: JP2008086566A
Authority: JP
Inventors: 浩基藤田; 博之真藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-03-06
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Also published as: EP2105729A1; US20090242400A1; JP2009236868A; EP2105729B1; US9816958B2

Description

本発明は、酸素イオン伝導性固体電解質を用いて構成されるガスセンサ、特にＮＯｘセンサに関する。

従来より、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いて形成したＮＯｘセンサが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されているＮＯｘセンサでは、まず、外部から取り入れた被測定ガス中のＯ₂を第１の内部空所においてポンピングによりあらかじめ除去して、被測定ガスを低酸素分圧状態（ＮＯｘの測定に被測定ガス中に元々存在しているＯ₂が影響しない程度に酸素分圧が低められた状態）とした上で、第２の内部空所に導入する。そして、第２の内部空所に設けられたＰｔやＲｈなどからなる測定電極と大気中に設けられた基準電極との間に定電圧を印加することで、測定電極においてＮＯｘを還元させる。その際に測定電極と基準電極との間を流れる電流の電流値がＮＯｘ濃度に比例することに基づいて、ＮＯｘ濃度を検出するようになっている。

また、ＮＯｘセンサの内部には、該ＮＯｘセンサを通電加熱するためのヒータが設けられている。上述のような態様にてＮＯｘを検出する際には、第１および第２の内部空所の温度が（およびそれぞれに設けられる電極の温度が）所定の条件をみたすようにヒータによる加熱が行われる。加えて、係る加熱は、ＮＯｘセンサを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるという効果もある。

特開平８−２７１４７６号公報

特許文献１に開示されているＮＯｘセンサにおいては、ヒータによる加熱温度が、通電時のヒータの電気抵抗値（抵抗値）に基づいて制御される。従って、加熱温度を精密に制御するには、ヒータの抵抗値を正確に求めることが必要となる。

係る抵抗値は、ヒータと、該ヒータの両端に接続された２つのリード線（ヒータリード）の全体の抵抗値（全抵抗値）から、２つのヒータリードの抵抗値を差し引くことで求められる。係る場合、２つのヒータリードを抵抗値が同じとなるように設けておけば、全抵抗値から、一方のヒータリードの抵抗値の２倍の値を差し引くことで、ヒータの抵抗値が求められる。この場合、求められたヒータの抵抗値が正確なものであるためには、２つのヒータリードの抵抗値が同じであることが、保証されている必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ヒータの抵抗値を正確に得ることができるＮＯｘ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、請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、それぞれに所定の回路パターンが形成された複数の層を積層することにより形成され、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、被測定ガスが導入される内部空所および外部空間のそれぞれに面して設けられた複数のポンプ電極と、前記複数のポンプ電極のうち前記内部空所に面して設けられたものと前記複数のポンプ電極のうち前記外部空間に面して設けられたものとの間に存在する前記固体電解質とによって、酸素の汲み入れおよび汲み出しを行うポンプセルが構成されてなり、前記内部空所に面して設けられた測定電極と、基準ガス空間に面して設けられた基準電極と、前記測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とによって、前記内部空所内で前記所定ガス成分が分解することで生成した酸素の量に応じた電流が流れる測定ポンプセルが構成されてなり、さらに、前記基準電極と外部とを電気的に接続するための第１のリード線と、前記測定電極と外部とを電気的に接続するための第２のリード線と、前記複数のポンプ電極と外部とを電気的に接続するための第３のリード線と、前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、を備え、前記ヒータと、前記ヒータへの通電経路であって略同一形状を有する２つのヒータリードとが形成されてなる第１の層の直上に、前記第１のリード線が形成されてなる第２の層が積層されてなり、前記第１のリード線が、前記第１の層と前記第２の層との積層方向において前記２つのヒータリードのいずれにも重ならないように配置されてなる、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサであって、前記第２の層の上に形成された前記第１のリード線が、前記積層方向において前記２つのヒータリードの配置位置の間に配置されてなる、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、前記２つのヒータリードが、前記第１の層の上において前記ガスセンサの長手方向に対し線対称に配置されている、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、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、前記所定ガス成分がＮＯｘである。

請求項５の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、それぞれに所定の回路パターンが形成された複数のセラミックスグリーンシートの層を積層することにより、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサを作製する方法であって、前記ガスセンサが、被測定ガスが導入される内部空所および外部空間のそれぞれに面して設けられた複数のポンプ電極と、前記複数のポンプ電極のうち前記内部空所に面して設けられたものと前記複数のポンプ電極のうち前記外部空間に面して設けられたものとの間に存在する前記固体電解質とによって、酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う酸素分圧制御ポンプセルと、前記内部空所に面して設けられた測定電極と、基準ガス空間に面して設けられた基準電極と、前記測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とによって、前記内部空所内で前記所定ガス成分が分解することで生成した酸素の量に応じた電流が流れる測定ポンプセルと、を含むとともに、前記基準電極と外部とを電気的に接続するための第１のリード線と、前記測定電極と外部とを電気的に接続するための第２のリード線と、前記複数のポンプ電極と外部とを電気的に接続するための第３のリード線と、前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、を備えるように作製されるものであり、前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、前記ヒータへの通電経路であって略同一形状を有する２つのヒータリードとが形成されてなる第１の層の直上に、前記第１のリード線が形成された第２の層を形成する工程を備え、前記工程においては、前記第１のリード線が、前記第１の層と前記第２の層との積層方向において前記２つのヒータリードのいずれにも重ならないように配置する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項５の発明によれば、ガスセンサあるいはＮＯｘセンサにおいて、２つのヒータリードのいずれも、その上の層に第１のリード線が設けられたことによる変形を受けることがないので、全抵抗値と１つのヒータリードの抵抗値とに基づいてヒータの抵抗値さらには加熱温度を正確に求めることが可能となる。

＜ガスセンサ＞
図１は、本実施の形態に係るセンサ素子１０１を備えるガスセンサ１００の先端部近傍の構成を概略的に示す断面模式図である。ガスセンサ１００は、測定対象とするガス（被測定ガス）中の所定のガス成分を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。本実施の形態においては、ガスセンサ１００が窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出対象成分とするＮＯｘセンサである場合を例として説明を行う。係るガスセンサ１００は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質からなるセンサ素子１０１を有する。

具体的には、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。

係るセンサ素子１０１は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含むグリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによって作製することができる。積層体の形成は、概略的に言えば、それぞれがセンサ素子の各層に対応してなる複数枚のグリーンシートに、内部空間を形成するための貫通部を打ち抜き等で形成し、積層位置に応じた所定の回路パターンを所定のペーストで印刷形成し、さらに接着剤として接着用ペーストを印刷塗布した上で、それらを順次に積層することによってなされる。パターンや接着剤の印刷には、公知のスクリーン印刷技術を利用可能である。また、印刷後の乾燥処理についても、公知の乾燥手段を利用可能である。なお、グリーンシートとしては、数十μｍ〜数百μｍ（例えば１５０μｍ）のものを用い、回路パターンとなるペースト膜は、数μｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。

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内部空間である。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。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、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、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、基準ガス導入空間４３が設けられてなる。基準ガス導入空間４３は、上部をスペーサ層５の下面で、下部を第３基板層３の上面で、側部を第１固体電解質層４の側面で区画された内部空間である。基準ガス導入空間４３には、基準ガスとして、例えば大気が導入される。

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。

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、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）によって生じる被測定ガスの濃度変動を、打ち消すことを目的として設けられてなる。

第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第２拡散律速部１３に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

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内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の内側ポンプ電極２２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る電気化学的ポンプセルである。内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、平面視矩形状の多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂のサーメット電極）として形成される。なお、内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない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との間にセンサ素子１０１外部に備わる図示しない可変電源（第１の電源）により所望のポンプ電圧（第１ポンプ電圧）を印加して、外側ポンプ電極２３と内側ポンプ電極２２との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流（第１ポンプ電流）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内に汲み入れることが可能となっている。

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０から第２内部空所４０に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

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該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として設けられる。

ＮＯｘ濃度の測定は、測定ポンプセル４１が作動することによって可能となる。測定ポンプセル４１は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる基準電極４２と、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、第１固体電解質層４とによって構成され電気化学的ポンプセルである。基準電極４２と測定電極４４は、いずれも平面視ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属と、ジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成される。これによって、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。

なお、基準電極４２、測定電極４４にはそれぞれ、センサ素子１０１の外部との間の電気的な接続線である基準電極リード４６、測定電極リード４７が接続されている。図１においては図示を省略しているが、基準電極リード４６および測定電極リード４７はそれぞれ、先端部が外部端子を接続可能に設けられてなる。基準電極４２および基準電極リード４６の周囲には、多孔質アルミナからなり、基準ガス導入空間につながる大気導入層４８が設けられてなる。

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、アルミナによって構成される膜であり、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。

測定ポンプセル４１においては、測定電極４４と基準電極４２との間に、図示しない直流電源（第２の電源）を通じて一定の値のポンプ電圧（第２ポンプ電圧）が印加されることによって、ＮＯｘを還元し、これによって発生した第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間４３に汲み出せるようになっている。この測定ポンプセル４１の動作によって流れるポンプ電流（第２ポンプ電流）は、図示しない電流計によって検出されるようになっている。

また、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。これにより、ガスセンサ１００においては、高精度でのＮＯｘ濃度測定が実現される。

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の下面の略全面に設けられた補助ポンプ電極５１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、基準電極４２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、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。また、補助ポンプ電極５１には、センサ素子１０１の外部との間の電気的な接続線であるポンプ電極リード５２が接続されている。なお、図１においては図示を省略しているが、上述した内側ポンプ電極２２および外側ポンプ電極２３についても、それぞれに対応して、センサ素子１０１の外部との間の電気的な接続線である電極リード線が設けられている。これらの電極リード線についても、それぞれ、先端部が外部端子を接続可能に設けられてなる。

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間にセンサ素子１０１外部に備わる図示しない直流電源（第３の電源）を通じて一定電圧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基準ガス導入空間４３に汲み出せるようになっている。

また、センサ素子１０１においては、内側ポンプ電極２２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とによって電気化学的センサセルである制御用酸素分圧検出センサセル６０が構成されている。

制御用酸素分圧検出センサセル６０は、第１内部空所２０内の雰囲気と基準ガス導入空間４３の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に起因して生じる内側ポンプ電極２２と基準電極４２との間に発生する起電力に基づいて、第１内部空所２０内の雰囲気中の酸素分圧を検出できるようになっている。検出された酸素分圧は第１の電源をフィードバック制御するために使用される。具体的には、第１内部空所２０の雰囲気の酸素分圧が、第２内部空所４０において酸素分圧制御が行え得る程度に十分低い所定の値となるように、主ポンプセル２１に印加されるポンプ電圧が制御される。

さらに、センサ素子１０１においては、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、ヒータ７０およびその両端に接続されたヒータリード７１が形成されてなる。ヒータ７０は、センサ素子１０１の外部から通電経路であるヒータリード７１を通じて給電されることより発熱する抵抗発熱体である。ヒータ７０としては、例えば白金などにより形成することができる。ヒータ７０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いる。なお、ヒータ７０およびヒータリード７１の上下面には、第２基板層２および第３基板層３との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７２が形成されている。

センサ素子１０１においては、ヒータ７０による加熱を行うことで、第１の内部空所２０と第２の内部空所４０を（およびそれぞれに設けられる電極を）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。また、ヒータ７０が発熱することによって、センサ素子１０１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。

このような構成を有するガスセンサ１００においては、ヒータ７０による加熱を行った状態で、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ポンプセル４１に与えられる。従って、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が汲み出されることによって測定ポンプセル４１を流れる第２ポンプ電流は、還元されるＮＯｘ濃度に略比例することになる。これに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

＜リード線配置とヒータの抵抗値算出との関係＞
図２は、ヒータ７０の平面構造を模式的に示す図である。図３は、図１のＡ−Ａ’断面をセンサ素子１０１の先端側（図１の左端側）から見たときのセンサ素子１０１のリード線配置を示す図である。

図２に示すように、ヒータ７０は、センサ素子１０１の素子先端部において第２基板層２の上面に（第２基板層２と第３基板層３との間に）、平面視蛇行形状に、かつ、第２基板層２の上面の長手方向中心線に対して線対称となるように設けられる。

また、第２基板層２の上面においては、上述したように、ヒータ７０の両端に接続される態様にて、２つのヒータリード７１（７１ａ、７１ｂ）が設けられてなる。ヒータリード７１ａとヒータリード７１ｂとは、略同一の形状を有するように、かつ、第２基板層２の上面の長手方向中心線に対して（もしくは図３に示すセンサ素子１０１の断面の垂直二等分線Ｐに対して）互いに線対称となるように設けられる。図３に示すように、ヒータリード７１ａとヒータリード７１ｂの端部の垂直二等分線Ｐからの離間距離をｗとすると、両者は、距離２ｗだけ離れて設けられていることになる。さらに、第２基板層２の上面には、ヒータ７０と一方のヒータリード７１ａとの接続部７３から引き出される態様にて、抵抗検出リード７４が設けられてなる。なお、抵抗検出リード７４の抵抗値は無視できるものとする。

いま、ヒータ７０の抵抗値をＲ_H、ヒータリード７１ａの抵抗値をＲ_L1、ヒータリード７１ｂの抵抗値をＲ_L2とし、さらに、ヒータリード７１ａの端部７１ａ１とヒータリード７１ｂの端部７１ｂ１との間の抵抗値をＲ_a、ヒータリードの両端部間（端部７１ａ１と接続部７３の間）の抵抗値をＲ_Lとすると、ヒータの抵抗値Ｒ_Hは、
Ｒ_H＝Ｒ_a−（Ｒ_L1＋Ｒ_L2）・・・・・（１）
なる式で求められる。

抵抗検出リード７４の抵抗値は無視できるので、２つのヒータリード７１ａ、７１ｂの抵抗値が同じであると仮定できれば、（１）式は、
Ｒ_H＝Ｒ_a−２Ｒ_L ・・・・・（２）
となる。すなわち、Ｒ_aとＲ_Lとを測定することで、ヒータ７０の抵抗値Ｒ_Hが求められることになる。

そこで、本実施の形態に係るセンサ素子１０１においては、（２）式を成り立たせるために、「２つのヒータリード７１ａ、７１ｂの抵抗値が同じである」という状態が実現されるよう、関係する構成要素の配置がなされている。

実際には、ヒータリード７１と基準電極リード４６との配置関係を好適に定めることで、（２）式が成り立つ状態が実現される。具体的にいえば、基準電極リード４６は上述したように第３基板層３の上（第３基板層３と第１固体電解質層４との間）に設けられるが、その際、図３に示すように、センサ素子１０１の長手方向に垂直な断面においてヒータリード７１のいずれとも積層方向（図３において図面視上下方向）における重なりが生じないように、両者の配置関係は定められる。

図４および図５はこのことを説明するべく示す図である。まず図４は、ヒータリード７１と基準電極リード４６との配置関係の全ての場合について模式的に示す図である。なお図４においては、図示の簡単のため、第２基板層２と第３基板層３以外の層については図示を省略している。

図４（ａ）は、基準電極リード４６は積層方向においてヒータリード７１と重なりはなく、しかも基準電極リード４６が垂直二等分線Ｐに対して対称に配置される場合である。図４（ｂ）は、基準電極リード４６は積層方向においてヒータリード７１と重なりはないが、基準電極リード４６は垂直二等分線Ｐに対して非対称に配置される場合（ヒータリード７１ｂ寄りに配置される場合）である。図４（ｃ）は、基準電極リード４６が積層方向においてヒータリード７１と一部重なるように配置される場合である。図４（ｄ）は、基準電極リード４６の全てが積層方向においてヒータリード７１と重なるように配置される場合である。

なお、図４（ｃ）に示すように、基準電極リード４６の線幅をＤ１とし、基準電極リード４６とヒータリード７１との重なり幅をＤ２とし、両者の比を「重なり率」と称するものとする。図４（ａ）、（ｂ）の場合はＤ１／Ｄ２＝０であり、図４（ｃ）の場合は０＜Ｄ１／Ｄ２＜１であり、図４（ｄ）の場合はＤ１／Ｄ２＝１である。

そして、図５は、図４に示した種々の配置関係における重なり率と、そのときの２つのヒータリード７１の抵抗値とを一覧にして示す図である。なお、図５においては、ヒータリード７１の抵抗値の設計値を２．２３Ωとした場合の結果を示している。また、係る場合においては、測定電極リード４７、ポンプ電極リード５２については、図３に示すように配置されているものとする。

図５に示す結果からは、重なり率が０である場合には、２つのヒータリード７１の抵抗値はほぼ同じであるのに対して、重なり率が０よりも大きい場合には、重なりが生じている方のヒータリード７１ｂの抵抗値Ｒ_L2が、重なりが生じていないヒータリード７１ａの抵抗値Ｒ_L1よりも小さくなることがわかる。すなわち、積層方向においてヒータリード７１と重ならないように基準電極リード４６を配置しさえすれば、（２）式を用いてヒータ７０の抵抗値を正確に算出することができることになる。

より詳細に言えば、図３に示すように、該垂直二等分線Ｐに垂直な方向（図面視左右方向）に、垂直二等分線Ｐを原点としてｘ軸をとり、基準電極リード４６の両端位置の座標をｘ１、ｘ２（ｘ１＞ｘ２）とするとき、｜ｘ１｜＜ｗかつ｜ｘ２｜＜ｗであるように基準電極リード４６が配置されればよいことになる。

なお、重なりが生じる側のヒータリード７１の抵抗が小さくなるのは、センサ素子１０１の作製プロセスにおいてヒータリード７１となる印刷膜が変形を受けることによるものと考えられる。具体的にいえば、ヒータリード７１となる印刷膜が塗布形成された第２基板層２となるグリーンシートの上に、第３基板層３となるグリーンシートを積層する場合に、基準電極リード４６がヒータリード７１と重なるように両者の印刷パターンが形成されていれば、ヒータリード７１となる印刷膜が、基準電極リード４６となる印刷膜の存在に起因した変形（偏圧）を受ける（基準電極リード４６となる印刷膜の存在により第３基板層３が変形を受け、該変形によってその下に位置するヒータリード７１となる印刷膜が変形を受ける）ことで生じることによるものと考えられる。

なお、図１に示したように、第１固体電解質層４の上（第１固体電解質層４とスペーサ層５との間）には測定電極リード４７が設けられ、スペーサ層５の上（スペーサ層５と第２固体電解質層６との間）には補助ポンプ電極５１についてのポンプ電極リード５２が設けられており、しかも図３に示すように、測定電極リード４７は垂直二等分線Ｐから離間した位置（非対称の位置）に配置されている。しかしながら、図５に示す結果は、基準電極リード４６さえヒータリード７１と重なりがないようにしておけば、これらのリード線の配置位置に偏りがあったとしても、ヒータリード７１の抵抗値は影響を受けないということを、指し示しているといえる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、センサ素子の長手方向に垂直な断面において２つのヒータリードのいずれとも積層方向における重なりが生じないように、基準電極リードを配置するようにすることで、２つのヒータリードの抵抗値が均一な状態が実現される。これにより、ヒータと２つのヒータリードの全抵抗値と一方のヒータリードの抵抗値のみを測定することで、ヒータの抵抗値を正確に求めることができ、ヒータによるセンサ素子の温度制御をより精度良く行うことができるようになる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、基準電極リード４６とヒータリード７１との関係に着目しているが、これは、ヒータリード７１が形成される第２基板層２の上に積層された第３基板層３の上に設けられているのが、基準電極リード４６だからである。第３基板層３の上に、基準電極リード４６以外のリード線（例えば測定電極リード４７、ポンプ電極リード５２など）が設けられるよう、センサ素子１０１が設計される場合であれば、当該リード線について、上述の実施の形態と同様に、積層方向においてヒータリード７１と重ならないように配置すればよい。

本実施の形態に係るセンサ素子１０１を備えるガスセンサ１００の先端部近傍の構成を概略的に示す断面模式図である。ヒータ７０の平面構造を模式的に示す図である。図１のＡ−Ａ’断面をセンサ素子１０１の先端側から見たときのセンサ素子１０１のリード線配置を示す図である。ヒータリード７１と基準電極リード４６との配置関係の全ての場合について模式的に示す図である。図４に示した種々の配置関係における重なり率と、そのときの２つのヒータリード７１の抵抗値とを一覧にして示す図である。

符号の説明

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固体電解質層
２０第１の内部空所
２２内側ポンプ電極
２３外側ポンプ電極
３０拡散律速部
４０第２の内部空所
４２基準電極
４３基準ガス導入空間
４４測定電極
４６基準電極リード
４７測定電極リード
４８大気導入層
５１補助ポンプ電極
５２ポンプ電極リード
７０ヒータ
７１（７１ａ、７１ｂ）ヒータリード
７３接続部
７４抵抗検出リード
１００ガスセンサ
１０１センサ素子

Claims

酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、それぞれに所定の回路パターンが形成された複数の層を積層することにより形成され、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、
被測定ガスが導入される内部空所および外部空間のそれぞれに面して設けられた複数のポンプ電極と、前記複数のポンプ電極のうち前記内部空所に面して設けられたものと前記複数のポンプ電極のうち前記外部空間に面して設けられたものとの間に存在する前記固体電解質とによって、酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う酸素分圧制御ポンプセルが構成されてなり、
前記内部空所に面して設けられた測定電極と、基準ガス空間に面して設けられた基準電極と、前記測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とによって、前記内部空所内で前記所定ガス成分が分解することで生成した酸素の量に応じた電流が流れる測定ポンプセルが構成されてなり、
さらに、
前記基準電極と外部とを電気的に接続するための第１のリード線と、
前記測定電極と外部とを電気的に接続するための第２のリード線と、
前記複数のポンプ電極と外部とを電気的に接続するための第３のリード線と、
前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、
を備え、
前記ヒータと、前記ヒータへの通電経路であって略同一形状を有する２つのヒータリードとが形成されてなる第１の層の直上に、
前記第１のリード線が形成されてなる第２の層が積層されてなり、
前記第１のリード線が、前記第１の層と前記第２の層との積層方向において前記２つのヒータリードのいずれにも重ならないように配置されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記第２の層の上に形成された前記第１のリード線が、前記積層方向において前記２つのヒータリードの配置位置の間に配置されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記２つのヒータリードが、前記第１の層の上において前記ガスセンサの長手方向に対し線対称に配置されている、
ことを特徴とするガスセンサ。
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、
前記所定ガス成分がＮＯｘであるＮＯｘセンサ。
酸素イオン伝導性の固体電解質からなり、それぞれに所定の回路パターンが形成された複数のセラミックスグリーンシートの層を積層することにより、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサを作製する方法であって、
前記ガスセンサが、
被測定ガスが導入される内部空所および外部空間のそれぞれに面して設けられた複数のポンプ電極と、前記複数のポンプ電極のうち前記内部空所に面して設けられたものと前記複数のポンプ電極のうち前記外部空間に面して設けられたものとの間に存在する前記固体電解質とによって、酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う酸素分圧制御ポンプセルと、
前記内部空所に面して設けられた測定電極と、基準ガス空間に面して設けられた基準電極と、前記測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とによって、前記内部空所内で前記所定ガス成分が分解することで生成した酸素の量に応じた電流が流れる測定ポンプセルと、
を含むとともに、
前記基準電極と外部とを電気的に接続するための第１のリード線と、
前記測定電極と外部とを電気的に接続するための第２のリード線と、
前記複数のポンプ電極と外部とを電気的に接続するための第３のリード線と、
前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、
を備えるように作製されるものであり、
前記ガスセンサの前記内部空所近傍を通電加熱するヒータと、前記ヒータへの通電経路であって略同一形状を有する２つのヒータリードとが形成されてなる第１の層の直上に、前記第１のリード線が形成された第２の層を形成する工程を備え、
前記工程においては、前記第１のリード線が、前記第１の層と前記第２の層との積層方向において前記２つのヒータリードのいずれにも重ならないように配置する、
ことを特徴とするガスセンサの作製方法。