JP6603072B2 - センサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を積層してなる長尺な板状体形状のセンサ素子を備えたガスセンサが記載されている。このセンサ素子は、内部に形成されたガス流通部と、ガス流通部に配設された内側ポンプ電極及び測定電極と、を備えている。また、センサ素子は、固体電解質層の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子を加熱して保温するヒータを備えている。

このようなセンサ素子では、例えば以下のようにして特定ガス濃度を検出する。まず、内側ポンプ電極を用いてガス流通部内とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われて、ガス流通部内の酸素濃度が調整される。そして、酸素濃度が調整された後の被測定ガス中の特定ガスを還元し、還元後の酸素濃度に応じて測定電極に流れる電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。

また、センサ素子が備えるヒータとしては、複数の直線部と、隣り合う直線部同士を接続する複数の屈曲部（折り返し部）とを備えた一筆書き形状の発熱部を有するものが知られている（例えば、特許文献２，３）。図４は、このような従来例のヒータ３７２の説明図である。ヒータ３７２は、複数の直線部３７８と、隣り合う直線部３７８同士を接続する複数の屈曲部３７７と、を備えている。

特開２０１４−１９０９４０号公報 特許第４８２６４６１号公報 特許第３５７１４９４号公報

ところで、このようなセンサ素子において、被測定ガス中の特定ガス以外の成分が還元される場合があった。そして、この還元により生じた物質が特定ガスと化学反応する場合があった。これにより、特定ガス濃度の測定精度が低下する場合があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、特定ガス濃度の測定精度の低下を抑制することを主目的とする。

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入するガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記ガス流通部の内周面に配設された内側主ポンプ電極と、
前記ガス流通部の内周面に配設され、且つ前記内側主ポンプ電極よりも前記被測定ガスの下流側に配設された測定電極と、
前記積層体の内部に配設された発熱体であって、第１リード及び第２リードを有するリード部と、前記第１リードと前記第２リードとの間を接続する直線部を複数有する発熱部と、を有し、前記複数の直線部が前記ガス流通部内の前記被測定ガスの流通方向に沿って並べられ、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記測定電極の温度が前記内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されている、発熱体と、
を備えたものである。

このセンサ素子では、発熱体が有する複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときに、測定電極の温度が内側主ポンプ電極の温度よりも低くなる。ここで、測定電極周辺では、内側主ポンプ電極周辺と比較して、被測定ガス中の特定ガス以外の成分の還元が起きやすい。そのため、測定電極周辺では、上述した特定ガスの化学反応に起因する測定精度の低下が起きやすい。また、このような特定ガス以外の成分の還元は、高温になるほど生じやすい。本発明のセンサ素子では、複数の直線部が発熱したときにおける測定電極の温度が内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるようにすることで、このような測定電極周辺での特定ガス以外の成分の還元を抑制でき、測定精度の低下を抑制できる。また、内側主ポンプ電極の温度を測定電極よりも高くすることで、発熱部により内側主ポンプ電極周辺の固体電解質層をより活性化できる。この場合において、本発明のセンサ素子は、前記積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極を備えていてもよい。

本発明のセンサ素子において、前記ガス流通部の内周面に配設され、前記内側主ポンプ電極よりも前記被測定ガスの下流側且つ前記測定電極よりも前記被測定ガスの上流側に配設された内側補助ポンプ電極、を備え、前記複数の直線部は、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記内側補助ポンプ電極の温度が前記内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されていてよい。ここで、内側補助ポンプ電極周辺についても、内側主ポンプ電極周辺と比較して被測定ガス中の特定ガス以外の成分の還元が起きやすく、特定ガス濃度の測定精度が低下しやすい。複数の直線部が発熱したときにおける内側補助ポンプ電極の温度が内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるようにすることで、このような内側補助ポンプ電極周辺での特定ガス以外の成分の還元を抑制でき、測定精度の低下を抑制できる。この場合において、本発明のセンサ素子は、前記積層体の外表面に配設された外側補助ポンプ電極を備えていてもよい。

この場合において、前記複数の直線部は、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記測定電極の温度が前記内側補助ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されていてもよい。こうすれば、内側補助ポンプ電極の温度を測定電極の温度よりも高くすることで、発熱部により内側補助ポンプ電極周辺の固体電解質層をより活性化できる。

本発明のセンサ素子において、前記複数の直線部は、長さ方向に垂直な断面積と体積抵抗率との少なくとも一方が調整されることで、前記単位長さあたりの抵抗値が調整されていてもよい。

本発明のガスセンサは、
上述したいずれかの態様の本発明のセンサ素子を備えたものである。

このセンサ素子は、上述したいずれかの態様のセンサ素子を備えている。そのため、上述した本発明のセンサ素子と同様の効果、例えば特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制する効果が得られる。

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。 図１のＡ−Ａ断面図。 変形例のヒータ７２Ａの説明図。 従来例のヒータ３７２の説明図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。なお、ガスセンサ１００は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガスの濃度を、センサ素子１０１により検出するものである。また、センサ素子１０１は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１０１の長手方向（図１の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１０１の厚み方向（図１の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１０１の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

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素子である。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。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。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、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。

大気導入層４８は、多孔質セラミックス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および第１固体電解質層４）、および、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。

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ＺｒＯ₂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可変電源２４のポンプ電圧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（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、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、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ＮＯｘ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。測定電極４４は、例えば、Ｐｔと、ＮＯｘを還元する触媒活性を持つ白金族元素と、ＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極である。触媒活性を持つ白金族元素としては、例えば、ルテニウム，ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ），オスミウム（Ｏｓ），イリジウム（ｉｒ）などが挙げられる。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、セラミックス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→Ｎ₂＋Ｏ₂）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にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６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。

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ＮＯｘ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ＮＯｘ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、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４、圧力放散孔７５とを備えている。また、ヒータ部７０は、セラミックスからなる第１基板層１，第２基板層２，及び第３基板層３を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ７２と、ヒータ７２を囲む第２基板層２及び第３基板層３を備えたセラミックスヒータとして構成されている。ヒータ７２は、図２に示すように、発熱部７６とリード部７９とを備えている。

ヒータコネクタ電極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。ヒータコネクタ電極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の発熱部７６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のリード部７９は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱部７６が発熱し、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の発熱部７６は、第１内部空所２０及び第２内部空所４０の下方に埋設されており、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、および、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。

ヒータ７２の発熱部７６及びリード部７９について詳細に説明する。発熱部７６は、抵抗発熱体であり、図２に示すように、複数（本実施形態では３個）の直線部７８を備えている。なお、複数の直線部７８は、前方から後方に向かって、順に第１〜第３直線部７８ａ〜７８ｃと称する。複数の直線部７８は、いずれもリード部７９の第１リード７９ａと第２リード７９ｂとの間を接続している。すなわち、複数の直線部７８の各々は、左端が第１リード７９ａに接続され、右端がリード部７９ｂに接続されている。複数の直線部７８は、いずれも長さ方向がセンサ素子１０１の短手方向（左右方向）に平行になるように配設されている。なお、直線部７８の長さ方向は、直線部７８の軸方向，換言すると電流が流れる方向とする。複数の直線部７８は、長さ方向（左右方向）と直交する前後方向に沿って並べられている。なお、前後方向は、センサ素子１０１の長手方向であり、第１方向とも称する。また、前後方向は、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）内の被測定ガスの流通方向でもある。複数の直線部７８は、互いに電気的に並列になるように配設されている。このように、発熱部７６は、複数の直線部７８のみで構成され、屈曲部を有さない構成をしている。

発熱部７６は、本実施形態では、貴金属とセラミックスとを含むサーメット（例えば、白金（Ｐｔ）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とのサーメット）とした。なお、発熱部７６は、サーメットに限らず、例えば貴金属などの導電性物質を含むものであればよい。発熱部７６に用いる貴金属としては、白金，ロジウム（Ｒｈ），金（Ａｕ），パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１以上の金属，又はその合金などが挙げられる。

ヒータ７２において、第１〜第３直線部７８ａ〜７８ｃは内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，及び測定電極４４との位置関係が調整されている。これについて説明する。図２では、内側ポンプ電極２２をヒータ７２に向けて垂直に（＝センサ素子１０１の上下方向すなわち各層１〜６の積層方向に平行に）投影した領域である内側主ポンプ電極投影領域Ａｐを一点鎖線枠で示している。同様に、補助ポンプ電極５１をヒータ７２に投影した内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑを破線枠で示し、測定電極４４をヒータ７２に投影した測定電極投影領域Ａｍを二点鎖線枠で示している。なお、図１に示すように、測定電極４４の真上には補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａが存在する。そのため、図２における内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと測定電極投影領域Ａｍとは一部重複している。図２からわかるように、第１直線部７８ａは、内側主ポンプ電極投影領域Ａｐと重複するように位置している。換言すると、第１直線部７８ａは、内側ポンプ電極２２と上下に対向する（内側ポンプ電極２２の真下に位置する）ように配設されている。第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃは、内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複するように位置している。換言すると、第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃは、補助ポンプ電極５１と上下に対向する（補助ポンプ電極５１の真下に位置する）ように配設されている。また、第３直線部７８ｃは、測定電極投影領域Ａｍとも重複するように位置している。換言すると、第３直線部７８ｃは、測定電極４４と上下に対向する（測定電極４４の真下に位置する）ように配設されている。

ここで、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４の温度をそれぞれ温度Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｍ［℃］とすると、複数の直線部７８は、複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおいて温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるように、単位長さあたりの抵抗値が調整されている。理由は後述するが、こうすることで、センサ素子１０１における特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定精度の低下が抑制される。なお、「複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したとき」とは、複数の直線部７８の平均温度が７００℃以上９００℃以下のいずれかの温度であるときとする。また、温度Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｍは、それぞれ内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４の温度の平均値とする。複数の直線部７８が上述した温度範囲のいずれの温度に発熱したときにおいても温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍであることが好ましい。上述したように、複数の直線部７８は互いに並列に接続されているため、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における直線部７８の単位長さあたりの抵抗値が高いほど、直線部７８の単位長さあたりの発熱量は小さくなる。そして、単位長さあたりの発熱量が小さい直線部７８に対向している電極ほど、温度は低くなりやすい。そのため、本実施形態では、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値が、後方に位置する直線部７８ほど高くなるようにしている。これにより、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たすようになっている。なお、上述したように、第３直線部７８ｃは内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと測定電極投影領域Ａｍとの両方と重複するように位置している。ただし、内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複している第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃの単位長さあたりの抵抗値の平均値と、測定電極投影領域Ａｍと重複している第３直線部７８ｃの単位長さあたりの抵抗値の平均値とを比較すると、本実施形態では後者の方が抵抗値が高い。これにより、温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たすようになっている。ここで、内側主ポンプ電極投影領域Ａｐと重複する直線部７８（本実施形態では第１直線部７８ａ）の単位長さあたりの抵抗値の平均値を単位抵抗値Ｒｐ［μΩ／ｍｍ］とする。同様に、内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複する直線部７８（本実施形態では第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃ）の単位長さあたりの抵抗値の平均値を単位抵抗値Ｒｑ［μΩ／ｍｍ］とする。測定電極投影領域Ａｍと重複する直線部７８（本実施形態では第３直線部７８ｃ）の単位長さあたりの抵抗値の平均値を単位抵抗値Ｒｍ［μΩ／ｍｍ］とする。このとき、複数の直線部７８が上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度において単位抵抗値Ｒｐ＜単位抵抗値Ｒｑ＜単位抵抗値Ｒｍを満たしていれば、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たしやすい。

本実施形態では、複数の直線部７８はいずれも同じ材質（上述した白金を含むサーメット）とし、複数の直線部７８の長さ方向に垂直な断面積が、後方に位置する直線部７８ほど小さくなるようにしている。これにより、上述した温度範囲のいずれの温度においても、後方に位置する直線部７８ほど単位長さあたりの抵抗値が高くなり、単位抵抗値Ｒｐ＜単位抵抗値Ｒｑ＜単位抵抗値Ｒｍを満たすようになっている。ここで、内側主ポンプ電極投影領域Ａｐと重複する直線部７８（本実施形態では第１直線部７８ａ）の長さ方向に垂直な断面積の平均値を断面積Ｓｐ［ｍｍ²］とする。同様に、内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複する直線部７８（本実施形態では第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃ）の長さ方向に垂直な断面積の平均値を断面積Ｓｑ［ｍｍ²］とする。測定電極投影領域Ａｍと重複する直線部７８（本実施形態では第３直線部７８ｃ）の長さ方向に垂直な断面積の平均値を断面積Ｓｍ［ｍｍ²］とする。このとき、複数の直線部７８が断面積Ｓｐ＞断面積Ｓｑ＞断面積Ｓｍを満たしていれば、単位抵抗値Ｒｐ＜単位抵抗値Ｒｑ＜単位抵抗値Ｒｍを満たすことができ、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たしやすい。なお、本実施形態では、第１直線部７８ａの断面積は、どの部分でも同じ値（幅及び厚さが一定）とした。第２直線部７８ｂ及び第３直線部７８ｃについても同様とした。

断面積Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｍの調整は、例えば、複数の直線部７８の幅を異ならせるか、又は直線部７８の厚さを異ならせるか、の少なくとも一方により行えばよい。なお、複数の直線部７８の幅は、いずれも０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としてもよい。複数の直線部７８の厚さは、いずれも０．００３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下としてもよい。

リード部７９は、発熱部７６の左側に配設された第１リード７９ａと、右側に配設された第２リード７９ｂとを有している。第１，第２リード７９ａ，７９ｂは発熱部７６への通電用のリードであり、ヒータコネクタ電極７１と接続されている。第１リード７９ａは正極リードであり、第２リード７９ｂは負極リードである。この第１リード７９ａ，第２リード７９ｂ間に電圧が印加されることで発熱部７６に電流が流れ、発熱部７６が発熱する。リード部７９は、導電体であり、発熱部７６と比べて単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。そのため、リード部７９は発熱部７６とは異なり通電時にはほとんど発熱しないようになっている。例えば、リード部７９は、発熱部７６と比べて体積抵抗率の低い材質であったり、断面積が大きかったりすることで、単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。本実施形態では、リード部７９は、発熱部７６と比べて貴金属の割合が高いことで体積抵抗率が低くなっており、且つ、発熱部７６と比べて幅が広いことで断面積が大きくなっている。

こうして構成されたガスセンサ１００の製造方法を以下に説明する。まず、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６枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。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く。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などによって設けておく。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・乾燥処理を行う。形成するパターンは、具体的には、例えば上述した各電極や各電極に接続されるリード線、大気導入層４８，ヒータ７２，などのパターンである。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う。ヒータ７２となるパターン形成用のペーストは、上述したヒータ７２の材質からなる原料（例えば貴金属とセラミック粒子）と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。

このとき、ヒータ７２となるパターンは、複数の直線部７８が上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおいて温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるように、配置と単位抵抗値Ｒｐ，Ｒｑ，Ｒｍの少なくとも一方を調整して形成する。例えば、単位抵抗値Ｒｐ＜単位抵抗値Ｒｑ＜単位抵抗値Ｒｍとなるように、すなわち断面積Ｓｐ＞断面積Ｓｑ＞断面積Ｓｍとなるように形成する。例えば、複数の直線部７８の幅を異ならせるには、そのようなパターンを形成できるような形状のマスクを用いる。また、複数の直線部７８の厚さを異ならせるには、例えば厚さの小さい直線部７８となる部分のパターンと比べて、厚さの大きい直線部７８となる部分のパターンを形成するペーストの粘度を高くしたり、厚さの大きい直線部７８となる部分のパターンを形成する際の印刷回数を増やしたりする。

このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いて行う。パターン印刷・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・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う。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う。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る。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る。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を得る。

このようにしてセンサ素子１０１を得ると、センサ素子１０１を組み込んだセンサ組立体を製造し、保護カバーなどを取り付けることで、ガスセンサ１００が得られる。なお、ヒータ７２の形状や、ヒータ７２の発熱時に温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにヒータ７２を調整する点を除いて、上記のようなガスセンサの製造方法は公知であり、例えば国際公開２０１３／００５４９１号に記載されている。

こうして構成されたガスセンサ１００では、使用時に、ヒータ７２がヒータコネクタ電極７１を介して電源（例えば自動車のオルタネータ）に接続され、第１リード７９ａ，第２リード７９ｂ間に直流電圧（例えば１２〜１４Ｖ）が印加される。そして、印加された電圧により、発熱部７６に電流が流れて発熱部７６が発熱する。これにより、センサ素子１０１全体が上記固体電解質（各層１〜６）が活性化する温度（例えば、７００℃〜９００℃）に調整される。このとき、センサ素子１０１では、上述したように複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値が調整されていることで、複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときに温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなる。これにより、センサ素子１０１における特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定精度の低下が抑制される。この理由について説明する。

まず、温度Ｔｐ＞温度Ｔｍとすることによる測定精度の向上について説明する。一般に、測定電極付近では、被測定ガスに含まれる特定ガス以外の成分が還元される場合がある。特に、測定電極は還元触媒としての機能を有するため、このような還元が生じやすい。そして、還元により生じた物質が特定ガス（ＮＯｘ）と化学反応してしまう場合がある。例えば、被測定ガス中の水が還元されて、酸素と水素に分解される場合がある。そして、これにより生じた水素がＮＯｘ中の酸素と化学反応し、水及び窒素に変化してしまう場合がある。このような化学反応が生じると、本来は測定電極周辺でＮＯｘが還元されることで発生するはずの酸素の量が減少してしまい、この酸素の量に基づいて検出されるＮＯｘ濃度が変化（減少）してしまう。これにより、センサ素子の測定精度が低下する場合がある。また、このような特定ガス以外の成分の還元（例えば水の酸素と水素への分離反応）は、高温になるほど生じやすい。一方、内側ポンプ電極２２の周辺には、上述した主ポンプセル２１による第１内部空所２０内の酸素濃度の調整前の被測定ガスがガス導入口１０側から流入する。そのため、内側ポンプ電極２２の周辺は測定電極４４周辺と比較して酸素濃度が高い場合が多い。これにより、内側ポンプ電極２２の周辺では、上述した特定ガス以外の成分の還元（例えば水の分解）が生じにくく、ＮＯｘが化学反応することによる測定精度の低下は生じにくい。以上のことから、本実施形態では、温度Ｔｐ＞温度Ｔｍとすることで、特定ガス以外の成分の還元が生じやすい測定電極４４（及びその周辺）については、温度Ｔｍが低いことでＮＯｘの化学反応による測定精度の低下を抑制できるようにしている。一方、特定ガス以外の成分の還元が生じにくい内側ポンプ電極２２の温度Ｔｐを高くすることで、発熱部７６により内側ポンプ電極２２周辺の固体電解質層（例えば第２固体電解質層６，スペーサ層５，第１固体電解質層４，及び第３基板層３）をより活性化できる。これにより、主ポンプセル２１及び主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の性能の低下を抑制でき、これによっても測定精度の低下を抑制できる。

次に、温度Ｔｑとセンサ素子１０１の測定精度との関係について説明する。補助ポンプ電極５１の周辺には、主ポンプセル２１による第１内部空所２０内の酸素濃度の調整後の被測定ガスが第１内部空所２０側から流入する。そのため、補助ポンプ電極５１の周辺には、内側ポンプ電極２２の周辺と比較すると酸素濃度が低い場合が多く、例えば上述した水の還元（分離反応）などが起きやすい。このため、一般に、補助ポンプ電極周辺についても、内側ポンプ電極周辺と比較するとＮＯｘが化学反応することによる測定精度の低下が生じやすい。しかし、本実施形態では、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑとすることで、温度Ｔｑが低いため補助ポンプ電極５１周辺でのＮＯｘの化学反応による測定精度の低下を抑制できる。また、温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとすることで、発熱部７６により補助ポンプ電極５１周辺の固体電解質層（例えば第２固体電解質層６，スペーサ層５，第１固体電解質層４，及び第３基板層３）をより活性化できる。このため、補助ポンプセル５０及び補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１の性能の低下を抑制でき、これによっても測定精度の低下を抑制できる。

なお、測定電極４４に含まれる触媒活性を持つ白金族元素は、高温になるほど酸化して劣化しやすい。そのため、温度Ｔｐや温度Ｔｑよりも温度Ｔｍを低くすることで、酸化による測定電極４４の劣化を抑制することもできる。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１，第２基板層２，第３基板層３，第１固体電解質層４，スペーサ層５及び第２固体電解質層６が本発明の積層体に相当し、内側ポンプ電極２２が内側主ポンプ電極に相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、リード部７９がリード部に相当し、直線部７８が直線部に相当し、発熱部７６が発熱部に相当し、ヒータ７２が発熱体に相当する。また、補助ポンプ電極５１が内側補助ポンプ電極に相当し、外側ポンプ電極２３が外側主ポンプ電極及び外側補助ポンプ電極に相当する。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入するガス流通部が内部に設けられた積層体（各層１〜６）と、ガス流通部の内周面に配設された内側主ポンプ電極（内側ポンプ電極２２）と、ガス流通部の内周面に配設され、且つ内側ポンプ電極２２よりも被測定ガスの下流側（後方）に配設された測定電極４４と、積層体の内部に配設されたヒータ７２と、を備えている。ヒータ７２は、第１リード７９ａ及び第２リード７９ｂを有するリード部７９と、第１リード７９ａと第２リード７９ｂとの間を接続する直線部７８を複数有する発熱部７６と、を有している。複数の直線部７８は、ガス流通部内の被測定ガスの流通方向（前後方向）に沿って並べられている。そして、複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける測定電極４４の温度Ｔｍが内側ポンプ電極２２の温度Ｔｐよりも低くなるように、複数の直線部７８の配置と複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されている。これにより、センサ素子１０１の特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定精度の低下を抑制できる。また、発熱部７６により内側ポンプ電極２２周辺の固体電解質層をより活性化できる。また、センサ素子１０１は、積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極（外側ポンプ電極２３）を備えている。

また、センサ素子１０１は、ガス流通部の内周面に配設され、内側ポンプ電極２２よりも被測定ガスの下流側且つ測定電極４４よりも被測定ガスの上流側（前方）に配設された内側補助ポンプ電極（補助ポンプ電極５１）、を備えている。そして、複数の直線部７８は、複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける補助ポンプ電極５１の温度Ｔｑが内側ポンプ電極２２の温度Ｔｐよりも低くなるように、複数の直線部７８の配置と複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されている。これにより、センサ素子１０１の特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定精度の低下を抑制できる。また、センサ素子１０１は、積層体の外表面に配設された外側補助ポンプ電極（外側ポンプ電極２３）を備えている。

さらに、複数の直線部７８は、複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける測定電極４４の温度Ｔｍが補助ポンプ電極５１の温度Ｔｑよりも低くなるように、複数の直線部７８の配置と複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されている。このため、発熱部７６により補助ポンプ電極５１周辺の固体電解質層をより活性化できる。

また、発熱部７６が有する複数の直線部７８は互いに電気的に並列になるように配設されている。そのため、例えば発熱部が図４に示したような一筆書き形状である場合、換言すると発熱部の構成要素が互いに電気的に直列に接続である場合と比べて、複数の直線部７８の配置や単位長さあたりの抵抗値を調整することによる温度Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｍの調整がしやすい。

さらにまた、複数の直線部７８は、長さ方向に垂直な断面積が調整されることで、単位長さあたりの抵抗値が調整されている。また、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１を備えている。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、複数の直線部７８の長さ方向に垂直な断面積を調整することで、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値を調整したが、他の手法で単位長さあたりの抵抗値を調整してもよい。例えば、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における複数の直線部７８の体積抵抗率を調整することで、単位長さあたりの抵抗値を調整してもよい。例えば、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度における複数の直線部７８の体積抵抗率が、後方に位置する直線部７８ほど高くなるようにしてもよい。ここで、内側主ポンプ電極投影領域Ａｐと重複する直線部７８（上述した実施形態では第１直線部７８ａ）の体積抵抗率の平均値を体積抵抗率ρｐ［μΩ・ｃｍ］とする。同様に、内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複する直線部７８（上述した実施形態では第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃ）の体積抵抗率の平均値を体積抵抗率ρｑ［μΩ・ｃｍ］とする。測定電極投影領域Ａｍと重複する直線部７８（上述した実施形態では第３直線部７８ｃ）の体積抵抗率の平均値を体積抵抗率ρｍ［μΩ・ｃｍ］とする。このとき、複数の直線部７８が、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度において体積抵抗率ρｐ＜体積抵抗率ρｑ＜体積抵抗率ρｍを満たしていてもよい。こうすれば、単位抵抗値Ｒｐ＜単位抵抗値Ｒｑ＜単位抵抗値Ｒｍを満たすことができ、上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度において温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たしやすい。例えば、複数の直線部７８に含まれる貴金属（導体）の割合を異ならせることで、体積抵抗率ρｐ，ρｑ，ρｍを調整することができる。複数の直線部７８のうち１以上の直線部７８に、他の直線部７８には含まれず他の直線部７８に含まれる貴金属よりも体積抵抗率の低い貴金属を含有させることで、体積抵抗率ρｐ，ρｑ，ρｍを調整してもよい。上述した実施形態の直線部７８に含まれる白金と比べて体積抵抗率の低い貴金属としては、ロジウム，金などが挙げられる。あるいは、複数の直線部７８のうち１以上の直線部７８に、主成分の貴金属と比べて抵抗温度係数（単位：［％／℃］）の小さい材質を他の直線部７８よりも多く含有させることで、体積抵抗率ρｐ，ρｑ，ρｍを調整してもよい。このような抵抗温度係数の小さい材質としては、ニクロム（ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）とを含む合金），カンタル（登録商標：鉄，クロム，及びアルミニウムを含む合金），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）などが挙げられる。

上述した実施形態では、第１直線部７８ａのいずれの場所においても、長さ方向に垂直な断面積は同じとしたが、これに限られない。例えば、第１直線部７８ａのうち一部が幅広であるなど、断面積が変化する箇所があってもよい。このように一部の断面積を変化させることでも、第１直線部７８ａの断面積の平均値を調整することができる。第２，第３直線部７８ｂ，７８ｃについても、同様である。また、直線部７８は、長さ方向の両端の少なくとも一方が、リード部７９との接続部分に近くなるほど幅が広くなる形状をしていてもよい。図３は、この場合の変形例のヒータ７２Ａの説明図である。なお、図３では、直線部７８の両端は、円弧状に幅が広くなる形状をしているが、これに限らず、直線状に幅が広くなる形状をしていてもよい。このように、直線部７８の端部が、リード部７９との接続部分に近くなるほど幅が広くなる形状をしていることで、直線部７８の端部が熱膨張による応力に対して強くなり、応力の影響による直線部７８の端部の劣化（断線など）をより抑制できる。特に、直線部７８の幅が細い場合には、端部をこのような形状にすることが好ましい。

なお、上述した実施形態のヒータ７２において、複数の直線部７８の断面積を調整することと、体積抵抗率を調整することと、を組み合わせてもよい。例えば、第１直線部７８ａの体積抵抗率の平均値を断面積の平均値で除した値は、第１直線部７８ａの単位長さあたりの抵抗値の平均値となる。そのため、断面積Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｍの調整と体積抵抗率ρｐ，ρｑ，ρｍの調整とを組み合わせて、単位抵抗値Ｒｐ，Ｒｑ，Ｒｍを調整することができ、これによって温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たすようにしてもよい。

上述した実施形態では、発熱部７６は３個の直線部７８を有していたが、これに限らず、直線部７８は複数個であればよい。なお、センサ素子１０１が内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，及び測定電極４４を備える場合には、これらの電極の各々について、電極に対向する（電極の投影領域に含まれる）直線部７８が少なくとも１個以上存在するようにしてもよい。なお、センサ素子１０１は補助ポンプ電極５１を備えなくてもよい。この場合、内側ポンプ電極２２及び測定電極４４の各々について、電極に対向する（電極の投影領域に含まれる）直線部７８が少なくとも１個以上存在するようにしてもよい。

上述した実施形態では、複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値を調整することで、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにしたが、これに限られない。例えば、複数の直線部７８の単位長さあたりの抵抗値を調整することに加えて又は代えて、複数の直線部７８の配置を調整してもよい。直線部７８の配置の調整の具体例としては、直線部７８の数を調整することや、各電極と直線部７８との距離を調整することや、各電極に対向する直線部７８の数を調整したりすることなどが挙げられる。例えば、測定電極投影領域Ａｍに重複しないように第３直線部７８ｃを前後のいずれかにずらして配置すれば、測定電極４４と第３直線部７８ｃとの距離がヒータ７２と比べて大きくなるため、測定電極４４の温度Ｔｍはさらに低くなる。また、内側主ポンプ電極投影領域Ａｐに対向する直線部７８を発熱部７６がさらに備えるようにすれば、内側ポンプ電極２２の温度Ｔｑはさらに高くなる。このように、複数の直線部７８の配置を調整することでも、複数の直線部７８が上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける温度Ｔｐ，温度Ｔｑ，温度Ｔｍの大小関係を調整することができる。ここで、ヒータ７２のうち内側主ポンプ電極投影領域Ａｐの発熱密度（＝複数の直線部７８のうち内側主ポンプ電極投影領域Ａｐと重複する部分の発熱量／内側主ポンプ電極投影領域Ａｐの面積）を発熱密度Ｈｐ［Ｗ／ｍｍ²］とする。同様に、ヒータ７２のうち内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑの発熱密度（＝複数の直線部７８のうち内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと重複する部分の発熱量／内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑの面積）を発熱密度Ｈｑ［Ｗ／ｍｍ²］とする。ヒータ７２のうち測定電極投影領域Ａｍの発熱密度（＝複数の直線部７８のうち測定電極投影領域Ａｍと重複する部分の発熱量／測定電極投影領域Ａｍの面積）を発熱密度Ｈｍ［Ｗ／ｍｍ²］とする。このとき、複数の直線部７８が上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおいて発熱密度Ｈｐ＞発熱密度Ｈｑ＞発熱密度Ｈｍを満たすようにしてもよい。こうすれば、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍを満たしやすい。なお、発熱密度Ｈｐ，Ｈｑ，Ｈｍは、複数の直線部７８の配置と単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方を調整することによって、調整することができる。

上述した実施形態では、複数の直線部７８が上述した温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおいて温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにしたが、温度Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｍの大小関係はこれに限られない。複数の直線部７８が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおいて、少なくとも温度Ｔｐ＞温度Ｔｍであれば、センサ素子１０１の測定精度の低下を抑制する効果は得られる。例えば、温度Ｔｐ＝温度Ｔｑや温度Ｔｐ＜温度Ｔｑであってもよいし、温度Ｔｑ＝温度Ｔｍや温度Ｔｑ＜温度Ｔｍであってもよい。ただし、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑであることが好ましい。また、温度Ｔｑ＞温度Ｔｍであることが好ましい。なお、上述した単位抵抗値Ｒｐ，Ｒｑ，Ｒｍの大小関係、断面積Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｍの大小関係、体積抵抗率ρｐ，ρｑ，ρｍの大小関係、発熱密度Ｈｐ，Ｈｑ，Ｈｍの大小関係についても同様である。

上述した実施形態では、図２における内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑと測定電極投影領域Ａｍとは一部重複していたが、これに限らず重複していなくてもよい。例えば、測定電極４４の真上には補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａが存在していなくてもよい。また、センサ素子１０１では、前方から後方に向かって内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４がこの順にガス流通部に配設されていたが、被測定ガスの上流から下流に向かって内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４の順に配設されていればよい。例えば、ガス導入口１０の代わりに、第２固体電解質層６を上下に貫通する孔がガス導入口として配設されており、このガス導入口に近い側からセンサ素子１０１の前端に向かって内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４がこの順にガス流通部に配設されていてもよい。

上述した実施形態では、複数の直線部７８はいずれも左右方向の長さが同じとしたが、これに限られない。また、上述した実施形態では、図２に示すように、複数の直線部７８は内側主ポンプ電極投影領域Ａｐ，内側補助ポンプ電極投影領域Ａｑ，及び測定電極投影領域Ａｍよりも左右方向の外側まで配設されているが、これに限られない。また、上述した実施形態では、複数の直線部７８は長さ方向（左右方向）と直交する第１方向（前後方向）に沿って配設されていたが、第１方向は直線部７８の長さ方向と直交する方向に限らず、交差する方向であればよい。

上述した実施形態では、複数の直線部７８は、いずれも同じ第１リード７９ａ，第２リード７９ｂ間を接続していたが、これに限られない。例えば、第１リード７９ａ（正極リード），第２リード７９ｂ（負極リード）がそれぞれ複数存在しており、第１直線部７８ａが接続される第１リード７９ａ，第２リード７９ｂと、第２直線部７８ｂが接続される第１リード７９ａ，第２リード７９ｂと、が異なっていてもよい。なお、このように複数の直線部７８のうち少なくとも１つが他の直線部７８とは異なる第１リード７９ａ，第２リード７９ｂに接続されている場合、複数の直線部７８のうち少なくとも１つが、他の直線部７８と比べて印加される電圧が異なっていてもよい。ただし、例えば単位長さあたりの抵抗値が大きい直線部７８と小さい直線部７８とが存在する場合に、単位長さあたりの抵抗値が大きい直線部７８に印加する電圧が高すぎると、単位長さあたりの抵抗値が大きい直線部７８に近い電極の温度が低くならない場合があるため、この点を考慮して印加電圧を定める必要がある。逆に、単位長さあたりの抵抗値が大きい方の直線部７８に印加する電圧を低くすることで、単位長さあたりの抵抗値が大きい直線部７８に近い電極の温度をその分低くすることができる。

上述した実施形態では、発熱部７６は、複数の直線部７８のみで構成され、屈曲部を有していないが、屈曲部を有していてもよい。ただし、一般に、高温になるほど発熱部は酸化（例えば貴金属成分である白金が酸化）して劣化しやすく、特に屈曲部は直線部と比べて劣化による断線等が生じやすい。より具体的には、屈曲部は熱膨張による応力の影響で微少なクラックが発生しやすい。そして、クラックにより屈曲部の表面積が増加することで酸化が促進されたり、さらにクラックが伸展したりすることで、屈曲部は断線等が生じやすく寿命が短い傾向にある。そのため、発熱部７６は屈曲部を備えないことが好ましい。発熱部７６が屈曲部を備えないことで、発熱部７６の寿命が長くなる。

上述した実施形態では、第１リード７９ａ，第２リード７９ｂは直線状の形状をしていたが、第１リード７９ａ，第２リード７９ｂが屈曲部を有していてもよい。リード部７９は発熱部７６ほど高温にならないため、屈曲部を有していても、上述した酸化による劣化の問題が生じにくい。

上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３が外側主ポンプ電極と外側補助ポンプ電極とを兼ねていたが、これに限らず外側主ポンプ電極と外側補助ポンプ電極とが別々にセンサ素子１０１の外表面（例えば第２固体電解質層６の上面）に配設されていてもよい。

上述した実施形態では、ヒータ７２は帯状としたが、これに限らず線状（例えば断面が円又は楕円）としてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子１０１を備えたガスセンサ１００として説明したが、本発明はセンサ素子１０１単体としてもよい。なお、ヒータ部７０は第１基板層１，第２基板層２，第３基板層３を備えていたが、ヒータ７２の下側の層が第１基板層１及び第２基板層２の２層ではなく、１層だけであってもよい。また、ヒータ部７０はヒータ絶縁層７４を備えていたが、ヒータ７２を囲むセラミックス体（例えば第１基板層１，第２基板層２）が絶縁性を有する材質（例えば、アルミナのセラミックス）であれば、ヒータ絶縁層７４は省略してもよい。また、センサ素子１０１の大きさは、例えば前後方向の長さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、左右方向の幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、上下方向の厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下としてもよい。

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、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 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 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 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５２ 可変電源、７０ ヒータ部、７１ ヒータコネクタ電極、７２，７２Ａ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ 発熱部、７８ 直線部、７８ａ〜７８ｃ 第１〜第３直線部、７９ リード部、７９ａ，７９ｂ 第１，第２リード、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 ガスセンサ、１０１ センサ素子、３７２ ヒータ、３７７ 屈曲部、３７８ 直線部、Ａｍ 測定電極投影領域、Ａｐ 内側主ポンプ電極投影領域、Ａｑ 内側補助ポンプ電極投影領域。

Claims (3)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入するガス流通部が内部に設けられた積層体と、
   前記ガス流通部の内周面に配設された内側主ポンプ電極と、
   前記ガス流通部の内周面に配設され、且つ前記内側主ポンプ電極よりも前記被測定ガスの下流側に配設された測定電極と、
   前記積層体の内部に配設された発熱体であって、第１リード及び第２リードを有するリード部と、前記第１リードと前記第２リードとの間を接続する直線部を複数有する発熱部と、を有し、前記複数の直線部が前記ガス流通部内の前記被測定ガスの流通方向に沿って並べられ、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記測定電極の温度が前記内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されている、発熱体と、
   前記ガス流通部の内周面に配設され、前記内側主ポンプ電極よりも前記被測定ガスの下流側且つ前記測定電極よりも前記被測定ガスの上流側に配設された内側補助ポンプ電極と、
   を備え、
   前記複数の直線部は、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記内側補助ポンプ電極の温度が前記内側主ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されており、
   前記複数の直線部は、該複数の直線部が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける前記測定電極の温度が前記内側補助ポンプ電極の温度よりも低くなるように、該複数の直線部の配置と該複数の直線部の単位長さあたりの抵抗値との少なくとも一方が調整されており、
   前記複数の直線部は、前記積層体の積層方向を上下方向として、前記内側主ポンプ電極を前記発熱体に向けて前記上下方向に平行に投影した領域である内側主ポンプ電極投影領域と重複する第１直線部と、前記内側補助ポンプ電極を前記発熱体に向けて前記上下方向に平行に投影した領域である内側補助ポンプ電極投影領域と重複する第２直線部と、前記測定電極を前記発熱体に向けて前記上下方向に平行に投影した領域である測定電極投影領域と重複する第３直線部と、を有しており、
   前記第１〜第３直線部は、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が第１直線部，第２直線部，第３直線部の順に高くなっていくように、該単位長さあたりの抵抗値が調整されている、
   センサ素子。
2. 前記複数の直線部は、長さ方向に垂直な断面積と体積抵抗率との少なくとも一方が調整されることで、前記単位長さあたりの抵抗値が調整されている、
   請求項１に記載のセンサ素子。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。

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