JP6741512B2 - ガスセンサ素子 - Google Patents

Description

本開示は、被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出するガスセンサ素子に関する。

特許文献１のように、被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度（以下、ＮＯｘ濃度）を検出するＮＯｘセンサが知られている。
このＮＯｘセンサでは、被測定ガスが第１測定室に導入され、固体電解質体と一対の第１電極とからなる第１ポンピングセルによって被測定ガスの酸素濃度が所定の濃度に調整される。そして、この酸素濃度が調整された被測定ガスが第１測定室から第２測定室に流入し、固体電解質体と一対の第２電極とからなる第２ポンピングセルにて被測定ガス中のＮＯｘが分解され、一対の第２電極間にＮＯｘ濃度に応じた第２ポンピング電流が流れる。

特開２０１４−９８６５８号公報

ＮＯｘセンサは、固体電解質層における酸素イオンの伝導性を高めてＮＯｘセンサの動作を安定化させるために、ヒータによって活性化温度まで加熱される。このため、ＮＯｘセンサでは、ヒータを作動させるための電力を供給する必要がある。

本開示は、ガスセンサ素子を作動させるための消費電力を低減することを目的とする。

本開示の一態様は、測定室と、第１ポンピングセルと、第２ポンピングセルと、ヒータとを有し、長尺の板状に形成された素子本体部と、保護層とを備えたガスセンサ素子である。

測定室には、被測定ガスが導入される。第１ポンピングセルは、酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極とを有し、一対の第１電極の間で第１ポンピング電流を流すことにより、測定室に導入された被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。

第２ポンピングセルは、絶縁層に形成された貫通孔の内部に配置された酸素イオン伝導性の第２固体電解質体と、第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極とを有し、第１ポンピングセルにて測定室内における酸素濃度が調整された被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度に応じて値が変化する第２ポンピング電流が一対の第２電極の間で流れる。

ヒータは、発熱抵抗体と、発熱抵抗体の両端に接続された一対のリード部とを有し、第１ポンピングセルおよび第２ポンピングセルを加熱する。
保護層は、素子本体部の先端側において素子本体部の周囲を覆う多孔質の内側保護層と、内側保護層の周囲を覆う多孔質の外側保護層とを有する。つまり、内側保護層の全周が外側保護層により覆われている。さらに、外側保護層は内側保護層よりも緻密である。

そして内側保護層は、その後端側の端部が、第２固体電解質体の後端側の端部よりも、素子本体部の長手方向に沿って素子本体部の先端側の端部から遠くなるように素子本体部の周囲を覆う。

また発熱抵抗体は、その後端側の端部が、第２固体電解質体の後端側の端部よりも、素子本体部の長手方向に沿って素子本体部の先端側の端部から遠くなるように、素子本体部の先端側と素子本体部の後端側との間で延びるように形成されている。

このように構成された本開示のガスセンサ素子では、外側保護層および内側保護層が第２ポンピングセルの全体を覆っているため、ヒータにより加熱される第２ポンピングセルの熱がガスセンサ素子の外部へ放出されるのを最小限に抑制することができる。なお、本開示のガスセンサ素子では、第２ポンピングセルの第２固体電解質体は、絶縁層に形成された貫通孔の内部に配置されており、第２固体電解質体の周囲は絶縁層で覆われている。このため、第２ポンピングセルの第２固体電解質体に供給された熱は、絶縁層を介して外部へ放出され易い。ここで内側保護層よりも緻密である外側保護層はヒータによる熱がガスセンサ素子の外部へ放出されにくくし、外側保護層よりも多孔である内側保護層は断熱層として機能する。

さらに、本開示のガスセンサ素子では、ヒータの発熱抵抗体が、第２固体電解質体の先端側の端部から第２固体電解質体の後端側の端部まで対向するように配置されるため、ヒータから第２ポンピングセルへ効率良く熱を供給することができる。

これにより、本開示のガスセンサ素子は、ヒータへ供給される電力を低減することができ、ガスセンサ素子を作動させるための消費電力を低減することができる。
本開示の一態様では、発熱抵抗体が、複数の直線部と、先端側折返部と、後端側折返部とを有して、蛇行状に形成されるようにしてもよい。直線部は、素子本体部の長手方向に沿って延びる。先端側折返部は、複数の直線部のうちの互いに隣り合う２つの直線部を素子本体部の先端側で繋ぐ。後端側折返部は、複数の直線部のうちの互いに隣り合う２つの直線部を素子本体部の後端側で繋ぐ。そして本開示の一態様では、後端側折返部は、第２固体電解質体の後端側の端部よりも、素子本体部の長手方向に沿って素子本体部の先端側の端部から遠くなるように配置されるようにしてもよい。

このように構成された本開示のガスセンサ素子では、発熱抵抗体が第２ポンピングセルの第２固体電解質体に対向している領域において素子本体部の長手方向に沿った発熱抵抗体の温度勾配を緩やかにすることができる。これにより、本開示のガスセンサ素子は、第２ポンピングセル内における温度のばらつきを低減することができ、窒素酸化物の濃度の測定精度を向上させることができる。

ＮＯｘセンサ１の断面図である。 素子本体部３１とセンサ制御装置１７０の概略構成を示す図である。 ＮＯｘセンサ１の分解斜視図である。 セラミック層１１４、セラミック層１１８、絶縁層１２０およびヒータ１６０の平面図である。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のＮＯｘセンサ１は、車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を検出する。

ＮＯｘセンサ１は、図１に示すように、主体金具２と、ガスセンサ素子３と、保持部４と、プロテクタ５と、外筒６と、複数のリード線７と、複数の接続端子８と、分離部９と、グロメット１０を備える。図１において、ガスセンサ１の下端側を先端側ＦＥといい、ガスセンサ１の上端側を後端側ＢＥという。

主体金具２は、例えばステンレス等の耐熱金属で筒状に形成された部材である。主体金具２は、本体部２１と取付部２２を備える。
本体部２１は、ガスセンサ１の軸線Ｏの方向（以下、軸線方向ＤＡ）に延びる円筒状に形成され、その外周に雄ネジ２１ａが形成されている。雄ネジ２１ａは、ガスセンサ１を内燃機関の排気管に取り付けるために排気管に設けられている取付ネジ孔に嵌め合わせることが可能な形状を有する。また本体部２１は、軸線方向ＤＡに沿って貫通する貫通孔２１ｂを備える。貫通孔２１ｂの内周壁には、径方向内側に向かって突出する段部２１ｃが形成されている。

取付部２２は、本体部２１において雄ネジ２１ａよりも後端側ＢＥに位置する外周から径方向に沿って外側へ延びて外周が六角形の板状に形成されている。取付部２２は、ガスセンサ１を排気管に取り付けるときに六角レンチ等の取付工具を嵌合させるための部位である。

ガスセンサ素子３は、素子本体部３１と保護層３２を備える。素子本体部３１は、軸線方向ＤＡに延びる長尺の板状に形成されている。そして、素子本体部３１の先端側ＦＥに、ガスセンサ素子３が晒される被測定ガス（本実施形態では内燃機関の排気ガス）に含まれる特定ガス（本実施形態ではＮＯｘ）の濃度を検出する検知部３１ａが形成されている。保護層３２は、多孔質状のアルミナで形成されており、少なくとも検知部３１ａを覆うようにして素子本体部３１の先端側ＦＥに配置される。

保持部４は、セラミックホルダ４１と滑石リング４２，４３とセラミックスリーブ４４とパッキン４５と金属ホルダ４６を備える。
主体金具２の貫通孔２１ｂの内部には、先端側ＦＥから後端側ＢＥに向かって順に、ガスセンサ素子３の径方向周囲を取り囲む筒状の部材であるセラミックホルダ４１と、粉末充填層である滑石リング４２，４３と、セラミックスリーブ４４とが積層されている。

セラミックスリーブ４４と主体金具２の後端側ＢＥの端部との間には、パッキン４５が配置されている。セラミックホルダ４１と主体金具２の段部２１ｃとの間には、金属ホルダ４６が配置されている。金属ホルダ４６は、滑石リング４２とセラミックホルダ４１を保持する。主体金具２の後端側ＢＥの端部は、パッキン４５を介してセラミックスリーブ４４を先端側ＦＥに向かって押し付けるように加締められる。これにより、滑石リング４２，４３が圧縮充填され、保持部４は、ガスセンサ素子３の先端側ＦＥが主体金具２の先端側ＦＥより突出するとともに、ガスセンサ素子３の後端側ＢＥが主体金具２の後端側ＢＥより突出する状態で、ガスセンサ素子３を保持する。

プロテクタ５は、主体金具２から突出するガスセンサ素子３の先端側ＦＥの端部を覆うように筒状に形成された金属製の部材である。プロテクタ５には、複数のガス取入孔が形成されている。プロテクタ５は、溶接により、主体金具２の先端側ＦＥの外周に接合されている。

プロテクタ５は、二重構造をなしており、外側プロテクタ５１と内側プロテクタ５２を備える。外側には、有底円筒状の外側プロテクタ５１が配置され、内側には、有底円筒状の内側プロテクタ５２が配置される。

外筒６は、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された金属製の部材である。外筒６は、先端側ＦＥの端部の開口部６ａ内に、主体金具２の本体部２１において取付部２２よりも後端側ＢＥに位置する部分を嵌め込んだ状態で固定される。

複数のリード線７は、素子本体部３１の後端側ＢＥに形成された複数の電極パッド３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃのそれぞれに対応して設けられており、素子本体部３１と、ガスセンサ素子３を駆動制御するセンサ制御装置１７０とを電気的に接続するための導線である。なお、図１では２本のリード線７を示す。また、電極パッド３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃは図１に示しておらず、図３に示している。また、センサ制御装置１７０は、図１に示しておらず、図２に示している。

複数の接続端子８は、複数のリード線７のそれぞれに対応して設けられ、対応するリード線７の一端部に取り付けられる。
分離部９は、セパレータ９１，９２と保持部材９３を備える。セパレータ９１，９２は、軸線方向ＤＡに延びる円筒状に形成されたセラミック製の部材であり、先端側ＦＥから後端側ＢＥに向かって順にセパレータ９１とセパレータ９２とが積層された状態で、外筒６内に配置される。

セパレータ９１の内部には、複数の接続端子８と、素子本体部３１の後端側ＢＥの一部分とを収容可能な空間が形成されている。セパレータ９１は、複数の接続端子８の後端側ＢＥがセパレータ９１の後端側ＢＥより突出しており且つ複数の接続端子８が互いに接触しない状態を保持して、複数の接続端子８を内部に収容する。またセパレータ９１は、複数の接続端子８がそれぞれ素子本体部３１の電極パッド３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃに接触している状態を保持する。また、セパレータ９１の後端側ＢＥの外周面には、径方向に沿って外側へ延びる鍔部９１ａが形成されている。

セパレータ９２には、軸線方向ＤＡに沿って貫通する複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、上記の複数の接続端子８のそれぞれに対応して設けられており、複数の貫通孔には、それぞれ対応する接続端子８が挿入される。

保持部材９３は、本体部９３ａと湾曲部９３ｂを備える。本体部９３ａは、軸線方向ＤＡに延びる筒状に形成された金属製の部材である。湾曲部９３ｂは、本体部９３ａの後端側ＢＥから延びてＵ字状に曲げられた部材である。保持部材９３は、鍔部９１ａよりも先端側ＦＥで外筒６とセパレータ９１との間に位置するように設置される。これにより、本体部９３ａは、外筒６の内周面に接触する状態となり、湾曲部９３ｂは、セパレータ９１をその内側に向けて押し付ける状態となる。このため、セパレータ９１は保持部材９３によって外筒６内に保持される。

またセパレータ９２は、その先端側ＦＥの端部および後端側ＢＥの端部がそれぞれセパレータ９１およびグロメット１０に押し付けられた状態となっている。これにより、セパレータ９２は外筒６内に保持される。

グロメット１０は、軸線方向ＤＡに延びる円筒状に形成されたフッ素ゴム製の弾性部材である。グロメット１０には、軸線方向ＤＡに沿って貫通する複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、上記の複数のリード線７のそれぞれに対応して設けられており、複数の貫通孔には、それぞれ対応するリード線７が挿入される。

グロメット１０は、外筒６における後端側ＢＥの端部の開口部６ｂの内側に配置され、外筒６を介して径方向に加締められる。これにより、外筒６における後端側ＢＥの端部の開口部６ｂが閉塞される。

ガスセンサ素子３の素子本体部３１は、図２に示すように、絶縁層１１３、セラミック層１１４、絶縁層１１５、セラミック層１１６、絶縁層１１７、セラミック層１１８、絶縁層１１９および絶縁層１２０が順次積層されて構成されている。絶縁層１１３，１１５，１１７，１１９，１２０は、アルミナを主体として形成されている。

素子本体部３１は、セラミック層１１４とセラミック層１１６との間に形成される第１測定室１２１を備える。素子本体部３１は、第１測定室１２１に隣接するようにしてセラミック層１１４とセラミック層１１６との間に配置された拡散抵抗体１２２を介して、外部から第１測定室１２１の内部に排気ガスを導入する。拡散抵抗体１２２は、アルミナ等の多孔質材料で形成されている。

素子本体部３１は、第１ポンピングセル１３０を備える。第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１と、ポンピング電極１３２，１３３を備える。
固体電解質層１３１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第１測定室１２１と接触する領域における一部分のセラミック層１１４が除去され、セラミック層１１４の代わりに固体電解質層１３１が充填されている。

ポンピング電極１３２，１３３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１３２は、固体電解質層１３１において第１測定室１２１と接触する面上に配置される。ポンピング電極１３３は、固体電解質層１３１を挟んでポンピング電極１３２とは反対側で固体電解質層１３１の面上に配置される。ポンピング電極１３３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１３は除去され、絶縁層１１３の代わりに多孔質体１３４が充填される。多孔質体１３４は、ポンピング電極１３３と外部との間でガス（例えば、酸素）の出入りを可能とする。

素子本体部３１は、酸素濃度検出セル１４０を備える。酸素濃度検出セル１４０は、固体電解質層１４１と、検知電極１４２と、基準電極１４３を備える。
固体電解質層１４１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層１３１よりも後端側（すなわち、図２の右側）の領域における一部分のセラミック層１１６が除去され、セラミック層１１６の代わりに固体電解質層１４１が充填されている。

検知電極１４２と基準電極１４３は、白金を主体として形成されている。検知電極１４２は、固体電解質層１４１における第１測定室１２１と接触する面上に配置される。基準電極１４３は、固体電解質層１４１を挟んで検知電極１４２とは反対側で固体電解質層１４１の面上に配置される。

素子本体部３１は、基準酸素室１４６を備える。基準酸素室１４６は、基準電極１４３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１７が除去されることにより形成された貫通孔である。

素子本体部３１は、第２測定室１４８を備える。第２測定室１４８は、検知電極１４２および基準電極１４３よりも後端側で固体電解質層１４１および絶縁層１１７を貫通して形成される。素子本体部３１は、第１測定室１２１から排出された排気ガスを第２測定室１４８の内部に導入する。

素子本体部３１は、第２ポンピングセル１５０を備える。第２ポンピングセル１５０は、固体電解質層１５１と、ポンピング電極１５２，１５３を備える。
固体電解質層１５１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室１４６および第２測定室１４８と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層１１８が除去され、セラミック層１１８の代わりに固体電解質層１５１が充填されている。

ポンピング電極１５２，１５３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１５２は、固体電解質層１５１において第２測定室１４８と接触する面上に配置される。ポンピング電極１５３は、基準酸素室１４６を挟んで基準電極１４３とは反対側で固体電解質層１５１の面上に配置される。基準酸素室１４６の内部において、ポンピング電極１５３を覆うように多孔質体１４７が配置されている。

素子本体部３１は、ヒータ１６０を備える。ヒータ１６０は、白金を主体として形成され、通電されることで発熱する発熱抵抗体であり、絶縁層１１９と絶縁層１２０との間に配置される。

素子本体部３１は、センサ制御装置１７０に接続されている。センサ制御装置１７０は、素子本体部３１を制御するとともに、素子本体部３１の検出結果に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

センサ制御装置１７０は、制御回路１８０と、マイクロコンピュータ１９０（以下、マイコン１９０）を備える。
制御回路１８０は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路１８０は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、基準電圧比較回路１８３、Ｉｃｐ供給回路１８４、Ｖｐ２印加回路１８５、Ｉｐ２検出回路１８６およびヒータ駆動回路１８７を備える。

そして、ポンピング電極１３２、検知電極１４２およびポンピング電極１５２は、基準電位に接続される。ポンピング電極１３３は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１に接続される。基準電極１４３は、Ｖｓ検出回路１８２とＩｃｐ供給回路１８４に接続される。ポンピング電極１５３は、Ｖｐ２印加回路１８５とＩｐ２検出回路１８６に接続される。ヒータ１６０は、ヒータ駆動回路１８７に接続される。

Ｉｐ１ドライブ回路１８１は、ポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間に電圧Ｖｐ１を印加して第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給するとともに、供給した第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。

Ｖｓ検出回路１８２は、検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路１８３へ出力する。
基準電圧比較回路１８３は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路１８２の出力（すなわち、電圧Ｖｓ）とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路１８１へ出力する。そしてＩｐ１ドライブ回路１８１は、電圧Ｖｓが基準電圧と等しくなるように、第１ポンピング電流Ｉｐ１の流れる向きと第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさとを制御するとともに、第１測定室１２１内の酸素濃度を、ＮＯｘが分解しない程度の所定値に調整する。

Ｉｃｐ供給回路１８４は、検知電極１４２と基準電極１４３との間に微弱な電流Ｉｃｐを流す。これにより、酸素が第１測定室１２１から固体電解質層１４１を介して基準酸素室１４６に送り込まれるため、基準酸素室１４６は、基準となる所定の酸素濃度に設定される。

Ｖｐ２印加回路１８５は、ポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に、一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。これにより、第２測定室１４８では、第２ポンピングセル１５０を構成するポンピング電極１５２，１５３の触媒作用によって、ＮＯｘが解離される。この解離により得られた酸素イオンがポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間の固体電解質層１５１を移動することにより第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。Ｉｐ２検出回路１８６は、第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。

ヒータ駆動回路１８７は、発熱抵抗体であるヒータ１６０の一端にヒータ通電用の正電圧を印加するともに、ヒータ１６０の他端にヒータ通電用の負電圧を印加することにより、ヒータ１６０を駆動する。

図３に示すように、絶縁層１１３の上面における後端側ＢＥの端部には、３つの電極パッド３６ａ，３６ｂ，３６ｃが形成されている。絶縁層１２０の下面における後端側ＢＥの端部には、３つの電極パッド３７ａ，３７ｂ，３７ｃが形成されている。

セラミック層１１４の下面には、先端側ＦＥでポンピング電極１３２に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１３２ａが形成されている。セラミック層１１４の上面には、先端側ＦＥでポンピング電極１３３に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１３３ａが形成されている。

セラミック層１１６の上面には、先端側ＦＥで検知電極１４２に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１４２ａが形成されている。セラミック層１１６の下面には、先端側ＦＥで基準電極１４３に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１４３ａが形成されている。

セラミック層１１８の上面には、先端側ＦＥでポンピング電極１５２に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１５２ａと、先端側ＦＥでポンピング電極１５３に接続されて後端側ＢＥに向けて延びるリード部１５３ａが形成されている。

ヒータ１６０は、発熱抵抗体１６１と、発熱抵抗体１６１の一端に接続されるリード部１６２と、発熱抵抗体１６１の他端に接続される１６３を備える。
電極パッド３６ａは、スルーホール導体Ｌ１によってリード部１３３ａに接続される。電極パッド３６ｂは、スルーホール導体Ｌ２によってリード部１４３ａに接続される。電極パッド３６ｃは、スルーホール導体Ｌ３によってリード部１５２ａに接続される。

電極パッド３７ａは、スルーホール導体Ｌ４によってリード部１５３ａに接続される。電極パッド３７ｂは、スルーホール導体Ｌ５によってリード部１６２に接続される。電極パッド３７ｃは、スルーホール導体Ｌ６によってリード部１６３に接続される。

スルーホール導体Ｌ１は、絶縁層１１３における後端側ＢＥの端部に形成された貫通孔Ｈ１の内表面に導体を形成することで作成される。
スルーホール導体Ｌ２は、貫通孔Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５の内表面に導体を形成することで作成される。貫通孔Ｈ２，Ｈ４はそれぞれ、絶縁層１１３，１１５における後端側ＢＥの端部に形成される。貫通孔Ｈ３，Ｈ５はそれぞれ、セラミック層１１４，１１６における後端側ＢＥの端部に形成される。

スルーホール導体Ｌ３は、貫通孔Ｈ６，Ｈ７，Ｈ８，Ｈ９，Ｈ１０の内表面に導体を形成することで作成される。貫通孔Ｈ６，Ｈ８，Ｈ１０はそれぞれ、絶縁層１１３，１１５，１１７における後端側ＢＥの端部に形成される。貫通孔Ｈ７，Ｈ９はそれぞれ、セラミック層１１４，１１６における後端側ＢＥの端部に形成される。

スルーホール導体Ｌ４は、貫通孔Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ１３の内表面に導体を形成することで作成される。貫通孔Ｈ１１はセラミック層１１８における後端側ＢＥの端部に形成される。貫通孔Ｈ１２，Ｈ１３はそれぞれ、絶縁層１１９，１２０における後端側ＢＥの端部に形成される。

スルーホール導体Ｌ５，６はそれぞれ、貫通孔Ｈ１４，Ｈ１５の内表面に導体を形成することで作成される。貫通孔Ｈ１４，Ｈ１５は、絶縁層１２０における後端側ＢＥの端部に形成される。

次に、ガスセンサ素子３の動作の一例について説明する。
まず、センサ制御装置１７０が起動すると、センサ制御装置１７０は、ヒータ１６０に電力を供給する。ヒータ１６０は、第１ポンピングセル１３０、酸素濃度検出セル１４０および第２ポンピングセル１５０を活性化温度まで加熱する。

そして、各セル１３０，１４０，１５０が活性化温度まで加熱されると、センサ制御装置１７０は、第１ポンピングセル１３０に第１ポンピング電流Ｉｐ１を流す。これにより、第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１を介してポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間で酸素を移動させることで、第１測定室１２１に流入した排気ガスに含まれる酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う。

センサ制御装置１７０は、酸素濃度検出セル１４０の検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓが基準電圧（例えば４２５ｍＶ）になるように、第１ポンピングセル１３０に流す第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御する。酸素濃度検出セル１４０の電圧Ｖｓは、基準酸素室１４６の酸素濃度を基準として、検知電極１４２における酸素濃度に応じた値となる。この制御によって、第１測定室１２１の内部の酸素濃度は、ＮＯｘが分解しない程度に調整される。

第１測定室１２１にて酸素濃度が調整された排気ガスは、第２測定室１４８に向かってさらに流れる。
センサ制御装置１７０は、第２ポンピングセル１５０のポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に一定電圧Ｖｐ２を印加する。この電圧は、排気ガス中のＮＯｘガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の電圧に設定されている。これにより、排気ガス中のＮＯｘが、窒素と酸素に分解される。ＮＯｘの分解により生じた酸素を第２測定室１４８から汲み出すように、第２ポンピングセル１５０に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には比例関係があるので、第２ポンピング電流Ｉｐ２の電流値を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

次に、ガスセンサ素子３の製造方法を説明する。
図３に示すように、素子本体部３１のセラミック層１１４，１１６，１１８となる未焼成絶縁シート、固体電解質層１３１，１４１，１５１となる未焼成固体電解質シート、絶縁層１１３となる未焼成絶縁層シート、絶縁層１１９，１２０となる未焼成絶縁シートを作製する。

具体的には、セラミック層１１４，１１６，１１８となる未焼成絶縁シートを形成する場合には、アルミナを主体とするセラミック粉末に対して、ブチラール樹脂とジブチルフタレートとを加えて、更に混合溶媒を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成絶縁シートを作製する。

そして、セラミック層１１４，１１６，１１８となる各未焼成絶縁シートには、固体電解質層１３１，１４１，１５１の未焼成固体電解質シートの平面形状に対応した矩形状の貫通孔を形成する。また、絶縁層１１３となる未焼成絶縁シートにも、多孔質体１３４に対応した矩形状の貫通孔を形成する。

また、固体電解質層１３１，１４１，１５１となる未焼成固体電解質シートを形成する場合には、まず、ジルコニアを主体とするセラミック粉末に対して、アルミナ粉末およびブチラール樹脂などを加えて、さらに混合溶媒を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成固体電解質シートを作製する。そして、この未焼成固体電解質シートを、固体電解質層１３１，１４１，１５１に対応した矩形状に切断する。

また、焼成後に絶縁層１１５，１１７となる材料として、アルミナを主体とするセラミック粉末に対して、ブチラール樹脂とジブチルフタレートとを加えて、更に混合溶媒を混合して、アルミナスラリーを作製する。

また、焼成後に拡散抵抗体１２２、多孔質体１３４、多孔質体１４７となる未焼成の多孔質を形成するために、アルミナ粉末１００質量％、加熱焼失材（例えば、カーボンなど）および可塑剤を湿式混合により分散した多孔質用スラリーを作製する。可塑剤はブチラール樹脂およびＤＢＰを有する。

次に、絶縁層１２０となる未焼成絶縁シートの上面に、発熱抵抗体１６１とリード部１６２，１６３とを備えるヒータパターンを形成する。ヒータパターンの材料として、例えば白金を主成分としセラミック（例えば、アルミナ）が含まれる白金ペーストを作製し、この白金ペーストを印刷してヒータパターンを形成する。

また、絶縁層１２０となる未焼成絶縁シートの下面には、例えば白金等のメタライズインクを用いて、電極パッド３７ａ，３７ｂ，３７ｃのパターンを印刷する。
さらに、絶縁層１２０となる未焼成絶縁シートには、貫通孔Ｈ１３，Ｈ１４，Ｈ１５となる孔を形成し、この孔の内周面にはメタライズインクを塗布する。

なお、他の貫通孔Ｈ１〜Ｈ１２の形成方法とメタライズインクの塗布方法も同様であるので、以下では、他の貫通孔Ｈ１〜Ｈ１２に関する同様の説明は省略する。
次に、絶縁層１２０となる未焼成絶縁シートの上面に、ヒータパターンを覆うように、絶縁層１１９となる未焼成絶縁シートを積層する。

次に、セラミック層１１８となる未焼成絶縁シートの貫通孔に、固体電解質層１５１となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。そして、絶縁層１１９となる未焼成絶縁シートの上面に、セラミック層１１８となる未焼成絶縁シートを積層する。

次に、セラミック層１１８となる未焼成絶縁シートの上面に、メタライズインクを用いて、ポンピング電極１５２，１５３となる電極パターンを印刷する。また、白金ペーストを用いて、リード部１５２ａ，１５３ａとなるリードパターンを印刷する。なお、電極パターンとリードパターンの材料は、セラミック層１１４，１１６となる各未焼成絶縁シートでも同様である。

また、セラミック層１１８となる未焼成絶縁シートの上面に、アルミナスラリーを用いて、絶縁層１１７となる層を印刷する。
この層を形成する際には、基準酸素室１４６および第２測定室１４８となる部分には層を形成せずに、開口としておく。そして、基準酸素室１４６となる開口の底部には、多孔質体１４７となる多孔質スラリーを印刷する。また、この多孔質スラリーの上面と、第２測定室１４８となる開口には、昇華剤としてカーボンペーストを印刷する。

次に、セラミック層１１６となる未焼成絶縁シートにおける固体電解質層１４１に対応した貫通孔に、固体電解質層１４１となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。
次に、固体電解質層１４１となる未焼成固体電解質シートに、第１測定室１２１と第２測定室１４８とを接続するための導入路１４１ａとなる貫通孔を開ける。なお、この貫通孔には、カーボンペーストを充填する。

そして、セラミック層１１６となる未焼成絶縁シートの上面に、検知電極１４２となる電極パターンと、リード部１４２ａとなるリードパターンを形成する。一方、セラミック層１１６となる未焼成絶縁シートの下面には、基準電極１４３となる電極パターンと、リード部１４３ａとなるリードパターンを形成する。

次に、絶縁層１１７となる層の上面に、セラミック層１１６となる未焼成絶縁シートを積層する。
さらに、セラミック層１１６となる未焼成絶縁シートの上面に、アルミナスラリーを用いて、絶縁層１１５となる層を印刷する。この層には、拡散抵抗体１２２を形成する位置に第１の開口を設けるとともに、第１測定室１２１となる位置にも第２の開口を設けておく。そして、第１の開口には、拡散抵抗体１２２となる多孔質スラリーを印刷する。また、第１測定室１２１となる第２の開口には、カーボンペーストを印刷する。なお、第１の開口と第２の開口とは、ガスが流通可能となるように繋がっている。

次に、セラミック層１１４となる未焼成絶縁シートにおける固体電解質層１３１に対応した貫通孔に、固体電解質層１３１となる未焼成固体電解質シートを埋め込む。
そして、セラミック層１１４となる未焼成絶縁シートの上面に、ポンピング電極１３３となる電極パターンと、リード部１３３ａとなるリードパターンを形成する。一方、セラミック層１１４となる未焼成絶縁シートの下面には、ポンピング電極１３２となる電極パターンと、リード部１３２ａとなるリードパターンを形成する。

次に、絶縁層１１５となる層の表面に、セラミック層１１４となる未焼成絶縁シートを積層する。さらに、セラミック層１１４となる未焼成絶縁シートの上面に、絶縁層１１３となる未焼成絶縁シートを積層する。なお、絶縁層１１３となる未焼成絶縁シートにおいて多孔質体１３４に対応した貫通孔には、予め多孔質スラリーを印刷しておく。また、絶縁層１１３となる未焼成絶縁シートの上面には、メタライズインクを用いて、電極パッド３６ａ，３６ｂ，３６ｃの形状に印刷しておく。

このようにして、各層を積層することにより、未焼成積層体が形成される。そして、この未圧着積層体を１ＭＰａで加圧することにより、圧着された成形体を得る。その後、加圧により得られた成形体を、所定の大きさで切断することにより、ガスセンサ素子３と大きさが同等の複数（例えば１０個）の未焼成積層体を得る。そして、この未焼成積層体を樹脂抜きし、さらに焼成温度１５００℃にて１時間で本焼成して、ガスセンサ素子３を得る。

図４は、軸線方向ＤＡにおける第１ポンピングセル１３０、酸素濃度検出セル１４０、第２ポンピングセル１５０およびヒータ１６０の配置位置を示すためのセラミック層１１４、セラミック層１１８、絶縁層１２０およびヒータ１６０の平面図である。

図４では、セラミック層１１４内において固体電解質層１３１が配置されている領域が、軸線方向ＤＡにおける第１ポンピングセル１３０の配置位置に相当する。また、セラミック層１１８内において固体電解質層１５１が配置されている領域が、軸線方向ＤＡにおける酸素濃度検出セル１４０および第２ポンピングセル１５０の配置位置に相当する。

図４に示すように、保護層３２は、素子本体部３１の外周面に密着する内側保護層３２ａと、内側保護層３２ａの表面全体を覆うとともに素子本体部３１の後端側ＢＥに延びて素子本体部３１の外周面に密着する外側保護層３２ｂとを備える。

内側保護層３２ａは、例えばチタニア、スピネル、アルミナ、ジルコニア、ジルコンおよびコージェライトの群から選ばれる１種以上のセラミック粒子からなり、気孔率が例えば３５％〜７０％、平均細孔径が１０μｍ〜３０μｍの多孔質の層である。外側保護層３２ｂは、例えばチタニア、スピネル、アルミナ、ジルコニア、ジルコンおよびコージェライトの群から選ばれる１種以上のセラミック粒子からなり、気孔率が例えば１０％〜５０％、平均細孔径が０．０５μｍ〜１０μｍの多孔質の層である。

なお、内側保護層３２ａの気孔率および平均細孔径は、外側保護層３２ｂの気孔率および平均細孔径よりも大きく設定されている。つまり、内側保護層３２ａにおける空孔の割合は、外側保護層３２ｂにおける空孔の割合より大きい。詳しくは、内側保護層３２ａに気孔径の大きな空孔が多く、外側保護層３２ｂに気孔径の大きな空孔が少ない。

そして内側保護層３２ａは、素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から内側保護層３２ａの後端側ＢＥの端部までの距離Ｄ１が、素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から酸素濃度検出セル１４０および第２ポンピングセル１５０の後端側ＢＥの端部までの距離Ｄ２よりも長くなるように素子本体部３１の外周面に密着する。

発熱抵抗体１６１は、リード部１６２，１６３よりも幅狭に形成されている。発熱抵抗体１６１は、直線部１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄと、折返部１６１ｅ，１６１ｆ，１６１ｇとを備える。

直線部１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄは、軸線方向ＤＡに沿って延びる直線状に形成されており、軸線方向ＤＡに対して垂直な方向に沿って等間隔で配列されている。折返部１６１ｅ，１６１ｆ，１６１ｇは、湾曲した線状に形成されている。

直線部１６１ａは、一端がリード部１６２に接続されて先端側ＦＥに向かって延び、他端が折返部１６１ｅの一端に接続される。図４では、直線部１６１ａとリード部１６２との接続箇所を接続点Ｐｃ１で示している。

直線部１６１ｂは、一端が折返部１６１ｅの他端に接続されて後端側ＢＥに向かって延び、他端が折返部１６１ｆの一端に接続される。
直線部１６１ｃは、一端が折返部１６１ｆの他端に接続されて先端側ＦＥに向かって延び、他端が折返部１６１ｇの一端に接続される。図４では、折返部１６１ｆにおける後端側ＢＥの端部を折返点Ｐｔで示している。

直線部１６１ｄは、一端が折返部１６１ｇの他端に接続されて後端側ＢＥに向かって延び、他端がリード部１６３に接続される。図４では、直線部１６１ｄとリード部１６３との接続箇所を接続点Ｐｃ２で示している。

そしてヒータ１６０は、素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から接続点Ｐｃ１，Ｐｃ２までの距離Ｄ３が、上記の距離Ｄ２よりも長くなるように配置される。さらにヒータ１６０は、素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から折返点Ｐｔまでの距離Ｄ４が、上記の距離Ｄ２よりも長くなるように配置される。なお、距離Ｄ３は距離Ｄ４より長い。

このように構成されたガスセンサ素子３は、第１測定室１２１と、第１ポンピングセル１３０と、第２ポンピングセル１５０と、ヒータ１６０とを有し、長尺の板状に形成された素子本体部３１と、保護層３２とを備える。ここで、ガスセンサ素子３の積層方向にみて、第１ポンピングセル１３０とヒータ１６０との間に第２ポンピングセル１５０が配置されている。

第１測定室１２１には、排気ガスが導入される。第１ポンピングセル１３０は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１３１と、固体電解質層１３１の上面と下面に形成された一対のポンピング電極１３２，１３３とを有する。第１ポンピングセル１３０は、一対のポンピング電極１３２，１３３の間で第１ポンピング電流Ｉｐ１を流すことにより、第１測定室１２１に導入された排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。

第２ポンピングセル１５０は、セラミック層１１８に形成された貫通孔の内部に配置された酸素イオン伝導性の固体電解質層１５１と、固体電解質層１５１上に形成された一対のポンピング電極１５２，１５３とを有する。第２ポンピングセル１５０では、第１ポンピングセル１３０にて第１測定室１２１内における酸素濃度が調整された排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度に応じて値が変化する第２ポンピング電流Ｉｐ２が一対のポンピング電極１５２，１５３の間で流れる。

ヒータ１６０は、発熱抵抗体１６１と、発熱抵抗体１６１の両端に接続された一対のリード部１６２，１６３とを有し、第１ポンピングセル１３０および第２ポンピングセル１５０を加熱する。

保護層３２は、素子本体部３１の先端側ＦＥにおいて素子本体部３１の周囲を覆う多孔質の内側保護層３２ａと、内側保護層３２ａの周囲を覆う多孔質の外側保護層３２ｂとを有する。つまり、内側保護層３２ａの全周が外側保護層３２ｂにより覆われている。さらに、外側保護層３２ｂは内側保護層３２ａよりも緻密である。

そして内側保護層３２ａは、その後端側ＢＥの端部が、固体電解質層１５１の後端側ＢＥの端部よりも、素子本体部３１の軸線方向ＤＡに沿って素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から遠くなるように素子本体部３１の周囲を覆う。

また発熱抵抗体１６１は、その後端側ＢＥの端部が、固体電解質層１５１の後端側ＢＥの端部よりも、素子本体部３１の軸線方向ＤＡに沿って素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から遠くなるように、素子本体部３１の先端側ＦＥと素子本体部３１の後端側ＢＥとの間で延びるように形成されている。

このように構成されたガスセンサ素子３では、外側保護層３２ｂおよび内側保護層３２ａが第２ポンピングセル１５０の全体を覆っているため、ヒータ１６０により加熱される第２ポンピングセル１５０の熱がガスセンサ素子３の外部へ放出されるのを最小限に抑制することができる。なお、ガスセンサ素子３では、第２ポンピングセル１５０の固体電解質層１５１は、セラミック層１１８に形成された貫通孔の内部に配置されており、固体電解質層１５１の周囲は、熱伝導率が高いセラミック層１１８で覆われている。このため、第２ポンピングセル１５０の固体電解質層１５１に供給された熱は、セラミック層１１８を介して外部へ放出され易い。ここで内側保護層３２ａよりも緻密である外側保護層３２ｂはヒータ１６０による熱がガスセンサ素子３の外部へ放出されにくくし、外側保護層３２ｂよりも多孔である内側保護層３２ａは断熱層として機能する。

さらにガスセンサ素子３では、ヒータ１６０の発熱抵抗体１６１が、固体電解質層１５１の先端側ＦＥの端部から固体電解質層１５１の後端側ＢＥの端部まで対向するように配置されるため、ヒータ１６０から第２ポンピングセル１５０へ効率良く熱を供給することができる。

これにより、ガスセンサ素子３は、ヒータ１６０へ供給される電力を低減することができ、ガスセンサ素子３を作動させるための消費電力を低減することができる。
また発熱抵抗体１６１が、複数の直線部１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄと、折返部１６１ｅ，１６１ｆ，１６１ｇとを有して、蛇行状に形成されている。直線部１６１ａ〜ｄは、素子本体部３１の軸線方向ＤＡに沿って延びる。折返部１６１ｅは、互いに隣り合う２つの直線部１６１ａ，１６１ｂを素子本体部３１の先端側ＦＥで繋ぐ。折返部１６１ｇは、互いに隣り合う２つの直線部１６１ｃ，１６１ｄを素子本体部３１の先端側ＦＥで繋ぐ。折返部１６１ｆは、互いに隣り合う２つの直線部１６１ｂ，１６１ｃを素子本体部３１の後端側ＢＥで繋ぐ。そして折返部１６１ｆは、固体電解質層１５１の後端側ＢＥの端部よりも、素子本体部３１の軸線方向ＤＡに沿って素子本体部３１の先端側ＦＥの端部から遠くなるように配置される。

これにより、ガスセンサ素子３は、発熱抵抗体１６１が第２ポンピングセル１５０の固体電解質層１５１に対向している領域において素子本体部３１の軸線方向ＤＡに沿った発熱抵抗体１６１の温度勾配を緩やかにすることができる。このため、ガスセンサ素子３は、第２ポンピングセル１５０内における温度のばらつきを低減することができ、窒素酸化物の濃度の測定精度を向上させることができる。

なお、第１測定室１２１は測定室に相当し、固体電解質層１３１は第１固体電解質体に相当し、ポンピング電極１３２，１３３は第１電極に相当する。
また、セラミック層１１８は絶縁層に相当し、固体電解質層１５１は第２固体電解質体に相当し、ポンピング電極１５２，１５３は第２電極に相当する。

また、軸線方向ＤＡは素子本体部の長手方向に相当し、折返部１６１ｅ，１６１ｇは先端側折返部に相当し、折返部１６１ｆは後端側折返部に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施形態では、第１ポンピングセル１３０が第２ポンピングセル１５０よりも軸線方向ＤＡにおいて先端側ＦＥに位置していたが、これに限られず、第１ポンピングセル１３０と第２ポンピングセル１５０とが軸線方向ＤＡにおいて同位置であっても良く、また、第１ポンピングセル１３０が第２ポンピングセル１５０よりも後端側ＢＥであっても良い。また、上記実施形態では、第１ポンピングセル１３０とヒータ１６０との間に第２ポンピングセル１５０が位置していたが、これに限られず、例えば、第１ポンピングセル１３０と第２ポンピングセル１５０が同じ層であっても良い。

上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

３…ガスセンサ素子、３２…保護層、３２ａ…内側保護層、３２ｂ…外側保護層、１１８…セラミック層、１２１…第１測定室、１３０…第１ポンピングセル、１３１…固体電解質層、１３２，１３３…ポンピング電極、１５０…第２ポンピングセル、１５１…固体電解質層、１５２，１５３…ポンピング電極、１６０…ヒータ、１６１…発熱抵抗体、１６２，１６３…リード部

Claims (2)

1. 被測定ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン伝導性の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極とを有し、前記一対の第１電極の間で第１ポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンピングセルと、
   絶縁層に形成された貫通孔の内部に配置された酸素イオン伝導性の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極とを有し、前記第１ポンピングセルにて前記測定室内における酸素濃度が調整された前記被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度に応じて値が変化する第２ポンピング電流が前記一対の第２電極の間で流れる第２ポンピングセルと、
   発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の両端に接続された一対のリード部とを有し、前記第１ポンピングセルおよび前記第２ポンピングセルを加熱するヒータと
   を有し、長尺の板状に形成された素子本体部と、
   前記素子本体部の先端側において前記素子本体部の周囲を覆う多孔質の内側保護層と、前記内側保護層の周囲を覆う多孔質の外側保護層とを有する保護層と
   を備えたガスセンサ素子であって、
   前記外側保護層は前記内側保護層よりも緻密であり、
   前記内側保護層は、その後端側の端部が、前記第２固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように前記素子本体部の周囲を覆い、
   前記発熱抵抗体は、その後端側の端部が、前記第２固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように、前記素子本体部の先端側と前記素子本体部の後端側との間で延びるように形成されているガスセンサ素子。
2. 請求項１に記載のガスセンサ素子であって、
   前記発熱抵抗体は、前記素子本体部の長手方向に沿って延びる複数の直線部と、前記複数の直線部のうちの互いに隣り合う２つの直線部を前記素子本体部の先端側で繋ぐ先端側折返部と、前記複数の直線部のうちの互いに隣り合う２つの直線部を前記素子本体部の後端側で繋ぐ後端側折返部とを有して、蛇行状に形成されており、
   前記後端側折返部は、前記第２固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように配置されるガスセンサ素子。