JP5166354B2 - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出したり、空燃比を検出するのに好適なガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来から、自動車等の内燃機関やボイラー等の排気ガス中に含まれる酸素等の特定ガス成分の濃度を検出したり、空燃比を検出するガスセンサ素子が知られている。一般に、このようなガスセンサ素子は、固体電解質層の表面に検知電極と基準電極とを形成したセルを用い、各電極の酸素濃度差に起因した起電力に基づいて、特定ガス成分の濃度を検出している。
そのため、基準電極を一定の酸素濃度に保つ必要があり、従来からガスセンサ素子の基準電極側に設けた大気導入孔から大気を導入し、基準酸素雰囲気とすることが行われてきた。しかしながら、この場合、大気導入孔からガスセンサ素子内部に水分が侵入する可能性があり、防水対策が必要になるという問題があった。

そこで、検知電極から基準電極に酸素を汲み込む方向に微弱電流を流し、基準電極側の密閉されたガス室内に基準酸素を生成する方式（Ｉｃｐ方式）が提案されている。Ｉｃｐ方式の場合、ガス室に水分が侵入することがないものの、微弱電流の最適値がガスセンサ素子の置かれた環境によって変動するという問題がある。従って、常に微弱電流が一定であると、環境によっては微弱電流の値が不足して基準酸素を十分に供給できなかったり、微弱電流が過大になって基準電極の酸素分圧が上昇し、正確なセンサ出力を示さなくなる可能性がある。
このようなことから、ガスセンサの外部環境等を検知し、それに応じて微弱電流の値を制御する制御回路を設ける技術が開示されている（特許文献１、２参照）。

特開昭５７−１９６５号公報 特許第３１５２７９３号公報

しかしながら、特許文献１、２記載の技術の場合、微弱電流の制御回路が必要であり、ガスセンサの複雑化やコストアップを招くという問題がある。
従って、本発明は、セルに電流を流して基準電極側に基準濃度の酸素ガスを生成するガスセンサ素子において、制御回路を設けなくともセルに流す電流をセルの温度変化に応じて自動的に変化させることができるガスセンサ素子及びガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサ素子は、酸素イオン伝導性の第１固体電解質部と、該第１固体電解質部上に設けられて被測定ガスに曝される検知電極と、前記第１固体電解質部を介して前記検知電極に対向する基準電極とを有するセルであって、前記検知電極と前記基準電極との重なり部分で区画されるセルと、前記セルに接続される素子配線部とを備え、前記素子配線部に電源を接続することにより前記セルに電流を流して前記基準電極側に基準濃度の酸素ガスを生成するガスセンサ素子であって、前記ガスセンサ素子の前記被測定ガスに晒される一端部であって前記セルと異なる位置に、前記素子配線部の一部をなす酸素イオン伝導性の第２固体電解質部が設けられ、電気的に見て前記セルと前記第２固体電解質部とが直列に接続される形態で、前記セルと前記素子配線部とが接続されている。
このような構成により、ガスセンサ素子の被測定ガスに晒される一端部に、セルとともに素子配線部の一部をなす第２固体電解質部が存在することになり、被測定ガスの温度等の影響によってセルの温度が高くなってセルの抵抗が下がり基準電極側により多くの基準濃度の酸素ガスが必要となると、第２固体電解質部の温度も高くなってその抵抗が低くなるので、素子配線部の抵抗も低くなり、電源から素子配線部を介してセルに流れる電流が増え、より多くの酸素を基準電極側に供給することができる。
一方、セルの温度が低くなると、第２固体電解質部の温度も低くなりその抵抗が高くなるので、素子配線部の抵抗も高くなり、電源から素子配線部を介してセルに流れる電流が減り、基準電極側に供給する酸素の量を低減することができる。
つまり、第２固体電解質部の抵抗の温度変化の傾向が、セルを構成する第１固体電解質部と略同様となるため、セルの温度に応じて素子配線部の抵抗が変化し、基準電極側に基準濃度の酸素ガスを生成するために流す電流を自動的に変化させることができる。
なお、このようなガスセンサ素子では、セルの温度を早期に活性させるためにヒータを付設させることがあるが、このようなヒータを付設した場合には、セルの温度は、被測定ガスの温度に応じて変化するとともに、ヒータの発熱によっても変化する。このような場合においても、素子配線部を構成する第２固体電解質部が、セルに近接して配置されるため、第２固体電解質部の抵抗の温度変化の傾向が、セルを構成する第１固体電解質部と略同様となり、上述した効果は確保される。

前記第２固体電解質部は、前記第１固体電解質部と同一組成からなっていてもよい。
このような構成とすると、両固体電解質部の抵抗の温度変化の傾向をより揃えることができ、セルの温度変化に応じてセルに流す電流を精度よく変化させることができるとともに、生産性が向上し、コストを低減することができる。

さらに、本発明のガスセンサ素子では、一つの酸素イオン導電性の固体電解質体に、前記第１固体電解質部と前記第２固体電解質部が含まれていてもよい。
このような構成とすると、固体電解質体が一つで済むのでガスセンサ素子が小型になると共に、生産性が向上し、コストを低減することができる。

前記電源から電流を流したとき、前記素子配線部の一部を構成する前記第２固体電解質部の厚み方向に流れる電流の向きは、前記セルを構成する前記第１固体電解質部の厚み方向に流れる電流の向きと同じであってもよい。
このような構成とすると、セルの基準電極側に酸素を汲み込む際、第２固体電解質部においても基準電極側に酸素を汲み込む方向に酸素イオンが流れるので、第２固体電解質部を流れる酸素イオンが消失しない。

前記第２固体電解質部の第１の位置と第２の位置とで前記素子配線部の一部が構成され、前記電源から電流を流したとき、前記第１の位置と前記第２の位置とにおいて前記第２固体電解質部の厚み方向にそれぞれ流れる電流の向きは、互いに反対であってもよい。
このような構成とすると、素子配線部を構成する第２固体電解質部の第１の位置と第２の位置とをそれぞれ流れる酸素イオンの向きが互いに打ち消され、第２固体電解質部の密閉されている電極の酸素濃度が変化しにくい。従って、酸素がなくなり電流が流れなくなる不都合が起こりにくい。

本発明のガスセンサは、前記ガスセンサ素子を有する。

この発明によれば、セルに電流を流して基準電極側に基準濃度の酸素ガスを生成するガスセンサ素子において、制御回路を設けなくともセルに流す電流をセンサの外部環境に応じて自動的に変化させることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ３００の長手方向に沿った断面図を示す。このガスセンサ３００は、自動車の排気管（図示しない）に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検知するものであり、図１の下方（プロテクタ２４側）をガスセンサ３００の先端側とし、上方を基端側とする。
ガスセンサ３００は、ガスセンサ素子１００、ガスセンサ素子１００を内側に保持する筒状の主体金具３０、主体金具３０の先端側の所定部位に装着されたプロテクタ２４、主体金具３０の基端側の所定部位に接続された筒状の外筒２５等から構成されている。

ガスセンサ素子１００は、後述するセラミック絶縁層と固体電解質部（固体電解質層）とを積層してなる長尺板状の積層型素子であり、検出部を先端側に備えている。
主体金具３０は、ＳＵＳ４３０等のステンレスからなり、ガスセンサ１００を排気管に取り付けるための雄ネジ部３１と、取り付け時に工具を係合させる六角係合部３２とを外側に有する。また、主体金具３０の内側には、径方向内側に向かって突出する内側段部３３が設けられ、内側段部３３は、ガスセンサ素子１００を保持する有底円筒状の金属ホルダ３４を外側から支持している。
そして、この金属ホルダ３４の内側には、ガスセンサ素子１００を金属ホルダ３４内に保持するためのセラミックホルダ３５及び第１滑石充填層３７とが先端側から順に配置されている。さらに主体金具３０の内側のうち、第１滑石充填層３７の基端側には、主体金具３０とガスセンサ素子１００との間の気密性（シール性）を確保するための第２滑石充填層３８が配置されている。第２滑石充填層３８の基端側には、アルミナ製の多段円筒状のスリーブ３９が配置されている。そして、セラミックホルダ３５、第１滑石充填層３７、第２滑石充填層３８及びスリーブ３９の軸孔３９１にガスセンサ素子１００が内挿されている。主体金具３０の基端には、スリーブ３９の基端に被さるように加締部３０１が延びており、加締部３０１を内側に折り曲げることにより、ステンレス製のリング部材４０を介して、スリーブ３９が主体金具３０の先端側に押圧され、セラミックホルダ３５や第２滑石充填層３８等によってガスセンサ素子１００が主体金具３０内に保持されるようになっている。

一方、主体金具３０の先端外周には、主体金具３０の先端から突出するガスセンサ素子１００の先端部を覆うようにして、金属製のプロテクタ２４が溶接されている。プロテクタ２４は、有底円筒状で外側に位置する外側プロテクタ４１と、有底円筒状で内側に位置する内側プロテクタ４２とからなる二重構造をなし、外側プロテクタ４１及び内側プロテクタ４２には、それぞれ排気ガスを内側に取り入れるためのガス取入穴２４１が複数設けられている。
なお、図１において、ガスセンサ素子１００はセラミックホルダ３５より先端側がプロテクタ２４内に突出し、プロテクタ２４に導入された被測定ガスに曝される。従って、ガスセンサ素子１００のうち、金属ホルダ３４の先端面Ｓより先端側が被測定ガスに曝されることになる。

主体金具３０の基端側外周には、金属製の筒状の外筒２５が溶接され、外筒２５の内側には、円筒状のセパレータ５０が配置されている。セパレータ５０は、５本のリード線１１１〜１１３（図１では、５本のうちの３本が図示されている）をそれぞれ分離して保持する挿通孔を有すると共に、セパレータ５０先端側にガスセンサ素子１００の基端側を収容する中心孔を有する。セパレータ５０の中心孔を囲むように複数の接続端子金具１１６が配置され、接続端子金具１１６はガスセンサ素子１００の基端側表面に形成された後述する電極パッドと接触するようになっている。又、各接続端子金具１１６から延びる５本のリード線１１１〜１１３（リード線のうちの２本はリード線１１１の紙面奥に配置される関係から図示されていない）がガスセンサ１００の基端側外部に取出されている。なお、セパレータ５０先端の外周には、バネ状の保持部材５１が配置され、保持部材５１が拡開して外筒２５内面に当接すると共に、セパレータ５０の突出部５０１を基端側に押圧することにより、この保持部材５１と後述するゴムキャップ５２の先端面との間でセパレータ５０が挟持固定されている。

セパレータ５０の基端には、外筒２５の基端側開口２５２を閉塞する円柱状のゴムキャップ５２が配置され、ゴムキャップ５２が外筒２５に装着された状態で外筒２５の外周を径方向内側に加締めることにより、外筒２５にゴムキャップ５２が固定されている。ゴムキャップ５２には、５本のリード線１１１〜１１３を挿通するための複数の挿通孔５２１が設けられている。

次に、図２〜図４を参照してガスセンサ素子１００の構成について説明する。
図２は、ガスセンサ素子１００の長手方向に直交する断面図を示す。ガスセンサ素子１００は、酸素濃度を検知可能なセル（酸素濃淡電池素子）１と、セル１を加熱するヒータ２とを備える。
セル１は、例えばイットリア部分安定化ジルコニア焼結体からなる酸素イオン伝導性の第１固体電解質部１１と、第１固体電解質部１１の表面（図２の上方を便宜上、表面とする）に形成された検知電極１３１と、第１固体電解質部１１の裏面に形成された基準電極１３２とを有する。
一方、ヒータ２は、抵抗発熱体２１と、抵抗発熱体２１を挟持する１対のセラミック絶縁層２２、２３とを有し、セラミック絶縁層２２側が第１固体電解質部１１の裏面に積層されている。
そして、検知電極１３１の表面を覆うように多孔質からなる電極保護層５が形成されている。電極保護層５は、検知電極１３１の被毒を防止し、外部と酸素を出入させる。さらに、これらの積層体の排気ガスに晒されることになる先端側の露出部分をすべて覆う多孔質保護層４が形成されている。この多孔質保護層４は、排気ガス中に含まれる凝縮水等の水滴が、積層体の表面に直に接触するのを防止するための機能を果たすものである。

ここで、検知電極１３１、基準電極１３２は、多孔質状の電極からなり、例えば金、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム又はこれらの合金を用いることができ、さらに、第１固体電解質部を構成する主成分材料を共材として混合してもよい。抵抗発熱体２１は、例えば、白金、ロジウム、タングステン、レニウム又はこれらの合金を用いることができ、さらに、セラミック絶縁層を構成する主成分材料を共材として混合してもよい。
又、多孔質保護層４、電極保護層５としては、ジルコニア、アルミナ、スピネル等の多孔質体を用いることができる。なお、多孔質保護層４及び電極保護層５及びヒータ２は、本発明において必須の構成ではない。

図３は、ガスセンサ素子１００の分解斜視図である。矩形状をなす検知電極１３１、基準電極１３２は、それぞれ第１固体電解質部１１の先端側に対向して配置されている。そして、検知電極１３１、基準電極１３２から基端に向いガスセンサ素子１００の長手方向に、それぞれリード部１３３、１３４が一体に形成されている。リード部１３３の基端は接続端子金具１１６と接続される電極パッド１８となる。又、リード部１３４の基端は、第１固体電解質部１１を貫通するスルーホール導体１５を介して、電極パッド１５１ｃに接続されている。
一方、抵抗発熱体２１は、検知電極１３１及び基準電極１３２の直下に配置され蛇行状に延びる発熱部２１２と、発熱部２１２の端部にそれぞれ接続され、ガスセンサ素子１００の長手方向に延びるヒータリード部２１３とを有している。ヒータリード部２１３の各基端２１１は、セラミック絶縁層２３を貫通する２個のスルーホール導体２３１を介して、２個の電極パッド２３２にそれぞれ接続されている。
なお、矩形状の電極保護層５は検知電極１３１の周囲を覆い、第１固体電解質部１１の表面（リード部１３３を含む）のうち、電極保護層５で覆われていない部分は強化保護層５２で覆われている。但し、電極パッド１８、１５１ｃは強化保護層５２で覆われずに露出している。

次に、本発明の特徴部分である、素子配線部１５０について説明する。
本発明のガスセンサ素子１００においては、セル１に接続される素子配線部１５０がガスセンサ素子１００と一体に設けられている。そして、素子配線部１５０に外部回路（特許請求の範囲の「電源」を含む回路）５００を電気的に接続することにより、セル１に微弱な電流を流し、基準電極１３２側に基準濃度の酸素ガスを生成する。
ここで、セル１は、検知電極１３１と、基準電極１３２と、検知電極１３１と基準電極１３２との重なり部分（各電極によって投影される部分）において両電極１３１，１３２に挟まれた第１固体電解質部１１とからなる領域である。

素子配線部１５０は、第１固体電解質部１１の検知電極１３１側の面に形成された多孔質状の第１電極１５１ａと、第１固体電解質部１１の基準電極１３２側の面に形成された多孔質状の第２電極１５２ａと、第１電極１５１ａと第２電極１５２ａとの重なり部分において両電極に挟まれた第２固体電解質部１１１とを備える。ここで、第１電極１５１ａは、検知電極１３１に近接しつつ検知電極１３１よりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。同様に、第２電極１５２ａは、基準電極１３２に近接しつつ基準電極１３２よりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。ここで、第１電極１５１ａは前述の電極保護層５に覆われている。
なお、この実施形態では、第１固体電解質部１１のうち、第１電極１５１ａと第２電極１５２ａとの重なり領域が第２固体電解質部１１１になっており、第２固体電解質部１１１と第１固体電解質部１１とが共通の層をなしている。また、第１固体電解質部１１と第２固体電解質部１１２、１１３とは、同一組成から構成されている。しかしながら、第２固体電解質部１１１と第１固体電解質部１１とが別の層として構成されていてもよい。なお、別の層として構成する場合は、互いの層の組成を異ならせるようにしてもよい。
また、第１電極１５１ａと第２電極１５２ａの位置はガスセンサ素子１００の基端側に配置されていなくても良いし、これら電極が第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に配置されていなくても良い。

さらに、素子配線部１５０は、第１電極１５１ａから基端に向いガスセンサ素子１００の長手方向に延びるリード部１５１ｂと、リード部１５１ｂの基端に形成された電極パッド１５１ｃと、第２電極１５２ａから基端に向いガスセンサ素子１００の長手方向に延びるリード部１５２ｂと、リード部１５２ｂの基端に形成された電極パッド１５２ｃとを備える。ここで、リード部１５１ｂは、第１電極１５１ａから第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向に延び、第１固体電解質部１１の外縁側に到達した後、第１固体電解質部１１の長手方向に延びて電極パッド１５１ｃに至っている。
電極パッド１５２ｃは、第１固体電解質部１１を貫通するスルーホール導体１７を介して、第１固体電解質部１１の反対面に形成された電極パッド１６に接続されている。

第１の実施形態では、第２固体電解質部１１１の温度をセル１の温度に近づけるため、第２固体電解質部１１１は、ガスセンサ素子１００の被測定ガス（排気ガス）に曝される一端部（つまり、ガスセンサ素子１００のうちで主体金具３０の内側段部３３の先端（金属ホルダ３４の先端面Ｓ）よりも突出している部分）に設けられている。

例えば、上記した図１において、検知電極１３１は主体金具３０の内側段部３３の先端（金属ホルダ３４の先端面Ｓ）より先端側に位置し、電極保護層５を介して被測定ガスが検知電極１３１に接触する。従って、検知電極１３１の直下の第１固体電解質部１１及び基準電極１３２にも被測定ガスの温度変化が伝達され、これらによって構成されるセル１の温度変化として反映される。
そこで、第２固体電解質部１１１をも主体金具３０の内側段部３３の先端（金属ホルダ３４の先端面Ｓ）より先端側に配置すれば、電極保護層５を介して第２固体電解質部１１１は被測定ガス（排気ガス）に曝され、第２固体電解質部１１１の温度がセル１の温度に近くなる。

そして、素子配線部１５０に外部回路５００を接続してセル１に微弱な電流を流し、基準電極１３２側に基準濃度の酸素ガスを生成、供給する。なお、第２固体電解質部１１１は、第１電極１５１ａ及び第２電極１５２ａに挟まれており、第１電極１５１ａ側が被測定ガス（排気ガス）に曝されることから、第２固体電解質部１１１は酸素イオンを伝導でき、電流を流すことができる。これにより、検知電極１３１側から第１固体電解質部１１を介して基準電極１３２側に供給された酸素ガスが、多孔質状の基準電極１３２に蓄積される。外部回路５００は直流電源と抵抗等からなり、電極パッド１６、１８にそれぞれ外部回路５００の両端子を接続することにより、セル１に電流が流れるようになっている。なお、実際には、外部回路５００は、図１に示した５本のリード線１１１〜１１３のうちの２本を介して、素子配線部１５０に電気的に接続されている。
例えば、電極パッド１６に外部回路５００の＋端子を接続し、電極パッド１８に外部回路５００の−端子を接続すると、検知電極１３１から基準電極１３２に向かい、第１固体電解質部１１中を図３の矢印Ａ１の方向に酸素イオンが流れ、基準電極１３２内に基準酸素（酸素）が供給される。このとき、第１電極１５１ａから第２電極１５２ａへ向かい、素子配線部１５０を構成する第２固体電解質部１１１中を図３の矢印Ａ２の方向に酸素イオンが流れる。

ここで、上記したように、第２固体電解質部１１１の温度がセル１の温度に近くなるよう、第２固体電解質部１１１が配置されている。通常、セル１の温度が高くなるとセル１の抵抗が下がり、起電力発生のために消費する酸素量が増え、基準電極１３２側により多くの基準濃度の酸素ガスが必要となる。
そこで、上記したように、素子配線部１５０に第２固体電解質部１１１を用いると、セル１の温度が高くなるにつれて第２固体電解質部１１１の温度も高くなり、酸素イオン伝導性の固体電解質層の特性によって第２固体電解質部１１１の抵抗が低くなる。従って、第２固体電解質部１１１を含む素子配線部１５０の抵抗も低くなり、外部回路５００を介してセル１に流れる電流が増え、より多くの酸素を基準電極１３２内に供給することができる。

一方、セル１の温度が低くなると、第２固体電解質部１１１の温度も低くなり抵抗が高くなる。従って、第２固体電解質部１１１を含む素子配線部１５０の抵抗も高くなり、外部回路５００を介してセル１に流れる電流が減り、基準電極１３２内に供給する酸素の量を低減することができる。
このように、素子配線部１５０に用いる第２固体電解質部１１１の抵抗の温度変化の傾向が、セル１と略同様となるので、セル１の温度に応じて素子配線部１５０の抵抗が変化し、基準電極１３２側に基準濃度の酸素ガスを生成するために流す電流を自動的に変化させることができる。

なお、この実施形態では、矢印Ａ１とＡ２の向きが第１固体電解質部１１（第２固体電解質部１１１）の厚み方向に同じである。このため、第２固体電解質部１１１でも被測定ガスに曝される第１電極１５１ａ側から他方の第２電極１５２ａに酸素イオンが移動するので、逆の場合のように酸素イオンが不足することがない。
図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う略断面図である。矢印Ａ１とＡ２の向きが第１固体電解質部１１（第２固体電解質部１１１）の厚み方向に同じであることがわかる。
ここで、図４では示さないが、第１電極１５１ａから第２電極１５２ａに流れる酸素イオンが、検知電極１３１及び基準電極１３２に流れない程度に、第１電極１５１ａ及び第２電極１５２ａと、検知電極１３１及び基準電極１３２との間には距離が保たれている。

次に、ガスセンサ素子１００の製造方法の一例を説明する。
まず、セルを構成することになる第１固体電解質部１１のグリーンシートを作製し、このグリーンシートの両面に、検知電極、基準電極、素子配線部、それらのリード、電極パッド、スルーホール導体などを、導体ペーストをスクリーン印刷して形成し、セル１及び素子配線部１５０の未焼成体を作製する。
同様に、ヒータ２を構成するセラミック絶縁層２３のグリーンシートを作製し、このグリーンシート表面に、抵抗発熱体及びリードなどを、導体ペーストをスクリーン印刷して形成する。同様にセラミック絶縁層２２のグリーンシートを作製し、セラミック絶縁層２２，２３となる各グリーンシートを積層して、ヒータ２の積層体を作製する。
そして、セル１及び素子配線部１５０の未焼成体と、ヒータ２の積層体を圧着し、両者を一体に積層した後、全体を焼成（同時焼成）する。焼成条件は、例えば、大気中（または不活性ガス雰囲気中）、焼成温度１３００〜１７００℃、焼成時間１〜１０時間とすることができる。これにより、ガスセンサ素子１００が得られる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサ素子について、図５、図６を参照して説明する。但し、第２の実施形態に係るガスセンサ素子１００Ｂにおいては、素子配線部１６０の構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るガスセンサ素子１００と同一であるので、ガスセンサ素子１００と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。又、ガスセンサ素子１００Ｂを組み付けたガスセンサの構成等については第１の実施形態と同様であるので、説明及び図示（図１に相当するもの）を省略する。

図５は、ガスセンサ素子１００Ｂの分解斜視図であり、図３に対応する図である。ガスセンサ素子１００Ｂの基本的構成は、上記した素子配線部１６０が異なる他、スルーホール導体１７及び電極パッド１６、１５１ｃを有しない点で図３のガスセンサ素子１００の構成と異なる。以下、素子配線部１６０についてのみ説明し、他の構成については説明を省略する。
セル１に接続される素子配線部１６０は、ガスセンサ素子１００Ｂと一体に設けられている。そして、素子配線部１６０に外部回路５００を電気的に接続することにより、セル１に微弱な電流を流し、多孔質状の基準電極１３２側に基準濃度となる酸素ガスを生成する。

素子配線部１６０は、第１固体電解質部１１の検知電極１３１側の面に形成された第３電極１６１ａと、第１固体電解質部１１の基準電極１３２側の面に形成された第４電極１６２ａと、第３電極１６１ａと第４電極１６２ａとの重なり部分において両電極に挟まれた第２固体電解質部１１２とを備える。又、素子配線部１６０は、第１固体電解質部１１の検知電極１３１側の面に形成された第６電極１６３ａと、第１固体電解質部１１の基準電極１３２側の面に形成された第５電極１６２ｃと、第６電極１６３ａと第５電極１６２ｃとの重なり部分において両電極に挟まれた第２固体電解質部１１３とを備える。

ここで、第３電極１６１ａは、検知電極１３１に近接しつつ検知電極１３１よりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。又、第６電極１６３ａは、第３電極１６１ａに近接しつつ第３電極１６１ａよりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。
同様に、第４電極１６２ａは、基準電極１３２に近接しつつ基準電極１３２よりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。又、第５電極１６２ｃは、第４電極１６２ａに近接しつつ第４電極１６２ａよりガスセンサ素子１００の基端側に位置し、かつ第１固体電解質部１１の長手方向に直角な方向の中央に位置している。

さらに、素子配線部１６０は、第３電極１６１ａからガスセンサ素子１００の長手方向に直角に延びてリード部１３３に接続されるリード部１６１ｂと、第６電極１６３ａからガスセンサ素子１００の長手方向に延びるリード部１６３ｂと、リード部１６３ｂの基端に形成された電極パッド１６３ｃと、第４電極１６２ａと第５電極１６２ｃとを接続しガスセンサ素子１００の長手方向に延びるリード部１６２ｂとを備える。
又、リード部１３４の基端は、第１固体電解質部１１を貫通するスルーホール導体１５を介して、第１固体電解質部１１の反対面に形成された電極パッド１４に接続されている。

第２の実施形態では、第１固体電解質部１１のうち、第３電極１６１ａと第４電極１６２ａとの重なり領域、及び第６電極１６３ａと第５電極１６２ｃとの重なり領域が、それぞれ第２固体電解質部（特許請求の範囲の「第１の位置」）１１２、及び第２固体電解質部（特許請求の範囲の「第２の位置」）１１３になっていて、第２固体電解質部１１２、１１３と第１固体電解質部１１とが共通の層をなしている。また、第１固体電解質部１１と第２固体電解質部１１２、１１３とは、同一組成から構成されている。しかしながら、第２固体電解質層１１２、１１３を、第１固体電解質部１１に対して別の層として構成してもよい。また、別の層として構成する場合は、互いの層の組成を異ならせるようにしてもよい。
第２の実施形態では、第２固体電解質部１１２、１１３の温度をセル１の温度に近づけるため、第２固体電解質部１１２、１１３は、ガスセンサ素子１００Ｂの被測定ガス（排気ガス）に曝される一端部（つまり、ガスセンサ素子１００Ｂのうちで主体金具３０の内側段部３３の先端（金属ホルダ３４の先端面Ｓ）よりも突出している部分）に設けられている。これにより、電極保護層５を介して第２固体電解質部１１２、１１３に被測定ガスが接触し、第１の実施形態と同様に第２固体電解質部１１２、１１３の温度がセル１の温度に近くなる。

そして、素子配線部１６０に外部回路５００を接続してセル１に微弱な電流を流し、基準電極１３２側に基準濃度の酸素ガスを生成する。例えば、電極パッド１４に外部回路５００の＋端子を接続し、電極パッド１６３ｃに外部回路５００の−端子を接続すると、検知電極１３１から基準電極１３２に向かい、第１固体電解質部１１中を図５の矢印Ａ１の方向に酸素イオンが流れて基準電極１３２内に供給される。このとき、第４電極１６２ａから第３電極１６１ａへ向かい、素子配線部１６０を構成する第２固体電解質部（第１の位置）１１２中を酸素イオン伝導によって図５の矢印Ａ３の方向に酸素イオンが流れ、これに伴い電流が流れる。同様に、第６電極１６３ａから第５電極１６２ｃへ向かい、素子配線部１６０を構成する第２固体電解質部（第２の位置）１１３中を酸素イオン伝導によって図５の矢印Ａ４の方向に酸素イオンが流れ、これに伴い電流が流れる。

第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、第２固体電解質部１１２、１１３の温度がセル１の温度に近くなるように、第２固体電解質部１１２、１１３が配置されている。このため、セル１の温度が高くなるにつれて第２固体電解質部１１２、１１３の温度も高くなって抵抗が低くなる。従って、第２固体電解質部１１２、１１３を含む素子配線部１６０の抵抗も低くなり、外部回路５００を介してセル１に流れる電流が増え、より多くの酸素を基準電極１３２内に供給することができる。
一方、セル１の温度が低くなると、第２固体電解質部１１２、１１３の温度も低くなり抵抗が高くなる。従って、第２固体電解質部１１２、１１３を含む素子配線部１６０の抵抗も高くなり、外部回路５００を介してセル１に流れる電流が減り、基準電極１３２内に供給する酸素の量を低減することができる。

なお、この実施形態では、第２固体電解質部１１２、１１３をそれぞれ酸素イオンが流れる方向を示す矢印Ａ３とＡ４の向きが第２固体電解質部１１２、１１３の厚み方向に反対である。このため、素子配線部１６０を構成する第２固体電解質部１１２、１１３を流れる酸素イオンの向きが互いに打ち消され、第２固定電解質部の密閉されている電極１６２ａ、１６２ｃの酸素濃度が変化しにくいという利点がある。従って、酸素がなくなり電流が流れなくなる不都合が起こりにくい。又、第２の実施形態の素子配線部１６０の場合、ガスセンサ素子１００の長手方向に延びる長いリード部が１つ（リード部１６３ｂのみ）で済むので、第１の実施形態の素子配線部１５０に比べて素子配線部に使用する電極材料が少なくて済み、コスト低減が図られる。
図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。矢印Ａ３とＡ４の向きが第２固体電解質部１１２、１１３の厚み方向に反対であることがわかる。

本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、第２固体電解質部がガスセンサ素子と一体化した構成であって、被測定ガスに曝される限り、第２固体電解質部が第１固体電解質部とが別の層として構成されていてもよい。このような例としては、ガスセンサ素子の構成部分の一部（例えば、ヒータ２を被覆してセル１との熱膨張率差を緩和する層）に第２固体電解質部を用いたものが挙げられる。
又、第２の実施形態において、第４電極１６２ａと第５電極１６２ｃとが、ガスセンサ素子１００の長手方向に直角な方向に離間して配置されていてもよい。
又、例えば、本発明のガスセンサとしては酸素センサ、酸素濃度に応じてリニアに出力が変化する全領域空燃比センサ、ＮＯxセンサ、ＣＯセンサなどが挙げられる。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサの構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を示す分解斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 第２の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を示す分解斜視図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。

１ セル
１１ 第１固体電解質部
１００、１００Ｂ ガスセンサ素子
１１１ 第２固体電解質部
１１２ 第２固体電解質部（第１の位置）
１１３ 第２固体電解質部（第２の位置）
１３１ 検知電極
１３２ 基準電極
１５０、１６０ 素子配線部
３００ ガスセンサ
５００ 電源（外部回路）

Claims (6)

1. 酸素イオン伝導性の第１固体電解質部と、該第１固体電解質部上に設けられて被測定ガスに曝される検知電極と、前記第１固体電解質部を介して前記検知電極に対向する基準電極とを有するセルであって、前記検知電極と前記基準電極との重なり部分で区画されるセルと、
   前記セルに接続される素子配線部とを備え、前記素子配線部に電源を接続することにより前記セルに電流を流して前記基準電極側に基準濃度の酸素ガスを生成するガスセンサ素子であって、
   前記ガスセンサ素子の前記被測定ガスに曝される一端部であって前記セルと異なる位置に、前記素子配線部の一部をなす酸素イオン伝導性の第２固体電解質部が設けられ、
   電気的に見て前記セルと前記第２固体電解質部とが直列に接続される形態で、前記セルと前記素子配線部とが接続されているガスセンサ素子。
2. 前記第２固体電解質部は、前記第１固体電解質部と同一組成からなる請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 一つの酸素イオン導電性の固体電解質体に、前記第１固体電解質部と前記第２固体電解質部が含まれる請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ素子。
4. 前記電源から電流を流したとき、前記素子配線部の一部を構成する前記第２固体電解質部の厚み方向に流れる電流の向きは、前記セルを構成する前記第１固体電解質部の厚み方向に流れる電流の向きと同じである請求項３記載のガスセンサ素子。
5. 前記第２固体電解質部の第１の位置と第２の位置とで前記素子配線部の一部が構成され、前記電源から電流を流したとき、前記第１の位置と前記第２の位置とにおいて前記第２固体電解質部の厚み方向にそれぞれ流れる電流の向きは、互いに反対である請求項３記載のガスセンサ素子。
6. 請求項１〜５のいずれか記載のガスセンサ素子を有するガスセンサ。

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