WO2015194490A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2015194490A1
WO2015194490A1 PCT/JP2015/067117 JP2015067117W WO2015194490A1 WO 2015194490 A1 WO2015194490 A1 WO 2015194490A1 JP 2015067117 W JP2015067117 W JP 2015067117W WO 2015194490 A1 WO2015194490 A1 WO 2015194490A1
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WO
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sensor
electrode
gas
length
heat generating
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PCT/JP2015/067117
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French (fr)
Inventor
祐輔 河本
祐介 藤堂
Original Assignee
株式会社デンソー
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Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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Priority to DE112015002843.9T priority patent/DE112015002843B4/de
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor for detecting a specific gas concentration in exhaust gas.
  • the gas sensor is disposed in the exhaust pipe of the internal combustion engine and is used for detecting a specific gas concentration in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe.
  • a sensor structure in which a heater is stacked on a sensor element is held by a holding body, a tip portion of the sensor structure is protruded from the holding body, and the tip portion is exposed to a gas to be measured.
  • the heater is provided to heat the solid electrolyte body and the electrode provided thereon to the sensor activation temperature.
  • the heater is formed by providing a conductive layer that generates heat upon energization on a ceramic substrate.
  • the sensor element includes a pump cell for adjusting the oxygen concentration of exhaust gas as the gas to be measured, a sensor cell for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell, and the like. Yes.
  • the gas sensor element disclosed in Patent Document 1 has a heater portion including a heating element that generates heat when energized.
  • Patent Document 1 discloses that the temperature of the gas sensor element is controlled by adjusting the heater voltage so that the relationship between the heater resistance and the heater power satisfies the heater control function.
  • Patent Document 1 aims to control the temperature of a gas sensor element (sensor element).
  • the functions required for the pump cell and the sensor cell are different, and the materials of the electrodes constituting them are different from each other. Therefore, the optimum temperature (electrode activation temperature) for controlling the pump cell and the sensor cell is different. Therefore, in order to control a plurality of cells such as pump cells and sensor cells to the optimum temperature, the structural arrangement relationship of the sensor elements is also important. Specifically, it has been found that the relationship between the length of the heat generating portion forming region in the conductor layer of the heater and the length at which the tip of the sensor structure protrudes from the holding body is important.
  • the heat of the sensor structure heated by the heater escapes to the holding body whose temperature is lower than that of the sensor structure, and the length at which the tip of the sensor structure protrudes from the holding body must be set appropriately.
  • the temperature of the pump cell and the sensor cell cannot be appropriately controlled.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object thereof is to provide a gas sensor capable of appropriately controlling the temperatures of the pump cell and the sensor cell.
  • the gas sensor according to the present invention includes a sensor structure in which a sensor element and a heater are stacked, and a holding body that holds the sensor structure, and protrudes from the holding body toward the distal end side.
  • the sensor element includes a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity; A gas space to be measured formed on one side of the solid electrolyte body and into which the gas to be measured is introduced through the diffusion resistor; A reference gas space formed on the other side of the solid electrolyte body and into which a reference gas is introduced; A pump electrode provided on the surface of the solid electrolyte body on the measured gas space side, and a voltage between the pump electrode and a reference electrode provided on the surface of the solid electrolyte body on the reference gas space side; A pump cell for adjusting the oxygen concentration in the measured gas space, A surface of the solid electrolyte body on the gas space to be measured side having a sensor electrode provided on the base end side with respect to the
  • the whole of the heat generating part is disposed on the sensor protruding part,
  • the heat generating center of the heat generating part is located on the tip side from the center of the sensor electrode,
  • the distance E from the tip of the sensor protrusion to the center of the sensor electrode is within a range of 0.7 to 1.3D.
  • the distance F from the tip of the sensor protrusion to the center of the pump electrode is in the range of 0.3 to 0.7D
  • the length L (mm) of the region where the heat generating part is formed and the length H (mm) of the sensor protruding part in the longitudinal direction in which the sensor protruding part protrudes from the holding body are the length L and H, respectively.
  • an appropriate range of the length L (mm) of the heat generating portion forming region and the length H (mm) of the sensor protruding portion in the direction in which the sensor protruding portion protrudes from the holding body is defined.
  • the length L (mm) of the heat generating portion forming region and the length H (mm) of the sensor protruding portion are determined on a two-dimensional coordinate plane with the lengths L and H as the horizontal axis and the vertical axis, respectively.
  • the temperature of the pump cell is kept within an appropriate range of 740 ° C.
  • the temperature of the pump cell here refers to the temperature of the pump electrode in the measured gas space
  • the temperature of the sensor cell here refers to the temperature of the sensor electrode in the measured gas space.
  • the gas sensor can appropriately control the temperature of the pump cell and the sensor cell.
  • the pump cell When the temperature of the pump cell is lower than 740 ° C., the pump cell cannot sufficiently discharge oxygen, and the detection accuracy of the specific gas concentration in the gas to be measured is deteriorated. When the temperature of the sensor cell exceeds 830 ° C., the sensor cell detects moisture in the measurement gas, and the detection accuracy of the specific gas concentration in the measurement gas is deteriorated.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 2. Sectional drawing of the whole gas sensor which concerns on an Example.
  • the graph which shows the relationship between the length L of the formation area of a heat generating part, and the temperature of a sensor electrode in the gas sensor which concerns on an Example.
  • the graph which shows the relationship between the length L of the formation area of a heat generating part, and the length H of a sensor protrusion part in the gas sensor which concerns on an Example.
  • change_quantity of the temperature of a pump electrode in the gas sensor which concerns on an Example The graph which shows the relationship between the temperature of a pump electrode, and the offset current of a sensor cell in the gas sensor which concerns on an Example.
  • the graph which shows the relationship between the temperature of a sensor electrode, and the offset current of a sensor cell in the gas sensor which concerns on an Example The graph which shows the relationship between the length L of the formation area of a heat generating part, and the length H of a sensor protrusion part in the gas sensor which concerns on an Example.
  • the gas sensor may include a monitor cell that measures a residual oxygen concentration after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell.
  • the monitor cell has a monitor electrode provided on the surface of the solid electrolyte body on the side of the gas space to be measured and arranged in the width direction perpendicular to the longitudinal direction with respect to the sensor electrode. An oxygen ion current flowing between the reference electrode and the reference electrode can be measured.
  • the distance E When the distance E is less than 0.7D, the length of the heat generating portion formation region becomes too long, and the efficiency of heating the sensor element by the heater decreases. On the other hand, when the distance E exceeds 1.3D, the length of the heat generating portion forming region becomes too short, and the temperature of the sensor electrode cannot be controlled appropriately.
  • the distance F is less than 0.3D, the efficiency of heating the sensor element by the heater decreases.
  • the distance F exceeds 0.7D, the temperature of the pump electrode cannot be properly controlled.
  • the “tip side” is one side in the longitudinal direction of the gas sensor (longitudinal direction in which the sensor protruding portion protrudes from the holding body) and refers to the side where the gas sensor is exposed to the gas to be measured. Further, the “base end side” refers to the side opposite to the tip end side.
  • the gas sensor 1 includes a sensor structure 10 in which a sensor element 11 and a heater 6 are stacked, and a holding body 12 that holds the sensor structure 10. ing.
  • the front end in the longitudinal direction M of the sensor structure 10 forms a sensor protrusion 100 that protrudes from the holding body 12 toward the front end.
  • the sensor protrusion 100 is a portion exposed to the gas G to be measured.
  • the sensor element 11 includes a solid electrolyte body 2 having oxygen ion conductivity, a measured gas space 51, a reference gas space 52, a pump cell 41, a monitor cell 42, and a sensor cell 43.
  • the measured gas space 51 is formed on one side of the solid electrolyte body 2 as a space into which exhaust gas as the measured gas G is introduced through the diffusion resistor 32.
  • the reference gas space 52 is formed as a space into which the reference gas A is introduced on the other side of the solid electrolyte body 2.
  • the pump cell 41 has a pump electrode 21 provided on the surface 201 of the solid electrolyte body 2 on the measured gas space 51 side.
  • the pump cell 41 applies a voltage between the pump electrode 21 and the reference electrode 25 provided on the surface 202 of the solid electrolyte body 2 on the reference gas space 52 side, and adjusts the oxygen concentration in the measured gas space 51. It is configured as follows.
  • the monitor cell 42 is a surface 201 of the solid electrolyte body 2 on the measured gas space 51 side, and has the monitor electrode 22 provided side by side in the width direction orthogonal to the longitudinal direction M with respect to the sensor electrode 23. .
  • the monitor cell 42 is configured to measure an oxygen ion current flowing between the monitor electrode 22 and the reference electrode 25 and measure a residual oxygen concentration after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell 41.
  • the sensor cell 43 has a sensor electrode 23 that is provided on the surface 201 of the solid electrolyte body 2 on the measurement gas space 51 side and on the base end side of the position where the pump electrode 21 is disposed.
  • the sensor cell 43 is configured to measure an oxygen ion current flowing between the sensor electrode 23 and the reference electrode 25 and measure a specific gas concentration based on a difference between the oxygen ion current and the oxygen ion current in the monitor cell 42. Has been.
  • the heater 6 includes a heat generating portion 62 that generates heat when energized, and a pair of lead portions 63 respectively connected to a pair of end portions 622 of the heat generating portion 62.
  • the entire heat generating portion 62 is disposed on the sensor protrusion 100.
  • the heat generation center 601 of the heat generation part 62 is located on the front end side in the longitudinal direction M with respect to the center 231 of the sensor electrode 23.
  • the distance E from the tip 101 of the sensor protrusion 100 to the center 231 of the sensor electrode 23 is 0.7 to 1. Within the 3D range.
  • the distance F from the tip 101 of the sensor protrusion 100 to the center 211 of the pump electrode 21 is in the range of 0.3 to 0.7D.
  • the length L (mm) of the region where the heat generating part 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protruding part 100 in the longitudinal direction M in which the sensor protruding part 100 protrudes from the holding body 12 are:
  • H ⁇
  • the base end 621 of the heat generating portion 62 refers to a boundary position where the heat generating portion 62 is connected to the pair of lead portions 63.
  • the center 231 of the sensor electrode 23 refers to the centroid when the sensor electrode 23 is viewed in plan.
  • the center 211 of the pump electrode 21 refers to the centroid when the pump electrode 21 is viewed in plan.
  • the gas sensor 1 has a cover 13 that accommodates the sensor protrusion 100 of the sensor structure 10, and the sensor protrusion of the sensor structure 10 from a through hole 131 provided in the cover 13.
  • the exhaust gas as the gas G to be measured is introduced into 100.
  • the gas sensor 1 is used by being disposed in an exhaust pipe of an automobile.
  • the gas to be measured G is exhaust gas that passes through the exhaust pipe, and the gas sensor 1 is used to detect the concentration of NOx (nitrogen oxide) as a specific gas in the exhaust gas.
  • the holding body 12 is composed of an insulator for holding the sensor structure 10 in the housing 14 of the gas sensor 1. A proximal end portion in the longitudinal direction M of the sensor structure 10 is embedded in the holding body 12.
  • the pump electrode 21, the monitor electrode 22, the sensor electrode 23, and the reference electrode 25 are provided for one solid electrolyte body 2.
  • an insulator 31 for forming the measurement gas space 51 is laminated via an insulating first spacer 311.
  • a heater 6 for heating the solid electrolyte body 2 via an insulating second spacer 33 is laminated.
  • the heat generating part 62 and the pair of lead parts 63 in the heater 6 are sandwiched between a pair of insulating ceramic substrates 61.
  • the heat generating portion 62 has a shape meandering in the longitudinal direction M of the sensor structure 10.
  • the cross-sectional area of the heat generating part 62 is smaller than the cross-sectional area of each lead part 63.
  • the cross-sectional area of the heat generating part 62 and the lead part 63 is an area of a cross section orthogonal to the direction of current flow in the heat generating part 62 and the lead part 63.
  • the cross-sectional area of the heat generating portion 62 is substantially constant over the entire length formed by the heat generating portion 62 meandering.
  • the heat generation center 601 of the heat generation part 62 is the center position in the width direction of the heat generation part 62 and the sensor element 11 and is substantially at the center position in the longitudinal direction M of the heat generation part 62.
  • the heat generating portion 62 and the lead portion 63 are formed by separately printing on the ceramic substrate 61. Therefore, the heat generating part 62 and the lead part 63 are partially overlapped.
  • the sensor structure 10 has a long shape and is configured to introduce the gas G to be measured from the front end side in the longitudinal direction M.
  • the diffusion resistor 32 is embedded in the introduction port 312 of the gas G to be measured formed at the distal end portion in the longitudinal direction M of the first spacer 311.
  • the diffusion resistor 32 is made of a porous material having a gas-permeating property, and allows the measurement gas G to be introduced into the measurement gas space 51 at a predetermined diffusion rate.
  • the flow direction N of the gas G to be measured in the sensor element 11 is a direction from the distal end side to the proximal end side in the longitudinal direction M.
  • the pump cell 41 has voltage applying means for applying a voltage between the pump electrode 21 and the reference electrode 25.
  • the monitor cell 42 has current measuring means for measuring the current flowing between the monitor electrode 22 and the reference electrode 25.
  • the sensor cell 43 has current measuring means for measuring a current flowing between the sensor electrode 23 and the reference electrode 25.
  • the solid electrolyte body 2 is a zirconia substrate having oxygen ion conductivity.
  • the reference electrode 25 is provided in common to these electrodes 21, 22, and 23 at a position overlapping the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23 in the thickness direction of the solid electrolyte body 2. It has been.
  • the reference electrode 25 can also be provided separately from each of the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23.
  • the pump electrode 21 is configured using a Pt—Au alloy as a material having oxygen decomposition performance
  • the monitor electrode 22 and the reference electrode 25 are configured using Pt as a material having oxygen decomposition performance.
  • the sensor electrode 23 is made of a Pt—Rh alloy as a material having NOx decomposition performance.
  • Each of the electrodes 21, 22, 23, 25 contains zirconia as a co-material with the solid electrolyte body 2.
  • the content of Au in the Pt—Au alloy in the pump electrode 21 can be 20% by mass or less.
  • the content of Rh in the Pt—Rh alloy in the sensor electrode 23 can be 80% by mass or less.
  • a portion of the holding body 12 that holds the sensor structure 10 is formed in a cylindrical shape having a diameter ⁇ d of 5 to 12 mm.
  • the diameter ⁇ d of the portion of the holding body 12 that holds the sensor structure 10 can be determined in relation to the width of the sensor structure 10.
  • FIG. 7 shows the relationship between the diameter ⁇ d (mm) of the holding body 12 and the change amount (° C.) of the temperature (average temperature) of the pump electrode 21 in the sensor element 11.
  • the amount of change in the temperature of the pump electrode 21 is expressed as 0 (° C.) with the temperature of the pump electrode 21 when the diameter ⁇ d of the holding body 12 is 7.5 mm as a reference temperature, and the diameter ⁇ d of the holding body 12 is 7. This is expressed as a temperature difference (° C.) obtained by subtracting the reference temperature from the temperature of the pump electrode 21 when changing from 5 mm.
  • the influence of the size of the holding body 12 on the temperature of the pump electrode 21 can be reduced by setting the diameter ⁇ d of the holding body 12 within the range of 5 to 12 mm. It should be noted that the characteristics shown in the figure are also observed in the sensor electrode 23 other than the pump electrode 21. Therefore, by setting the diameter ⁇ d of the holding body 12 within the range of 5 to 12 mm, the influence of the size of the holding body 12 on the temperature of the pump cell 41 and the sensor cell 43 can be reduced.
  • the temperature of the pump electrode 21 is maintained within a range of 740 to 920 ° C.
  • the temperature of the sensor electrode 23 is within a range of 650 to 830 ° C. Configured to keep on.
  • the temperature of the pump electrode 21 and the temperature of the sensor electrode 23 are determined by the temperature of the heater 6.
  • the temperature of the heater 6 can be set to 710 to 890 ° C.
  • the distance from the center 211 of the pump electrode 21 to the heat generation center 601 of the heater 6 is shorter than the distance from the center 231 of the sensor electrode 23 to the heat generation center 601 of the heater 6. Further, the distance from the center 221 of the monitor electrode 22 to the heat generation center 601 of the heater 6 is substantially equal to the distance from the center 231 of the sensor electrode 23 to the heat generation center 601 of the heater 6.
  • the pump electrode 21 is heated to a temperature higher than that of the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23.
  • the temperature of the pump cell 41 constituted by the pump electrode 21, the solid electrolyte body 2 and the reference electrode 25 is assumed to be equal to the temperature of the pump electrode 21.
  • the monitor cell 42 and the sensor cell 43 are assumed to be equal in temperature to the monitor electrode 22 or the sensor electrode 23, respectively.
  • FIG. 8 shows the relationship between the temperature (° C.) of the pump electrode 21 and the offset current ( ⁇ A) flowing through the sensor cell 43.
  • the offset current flowing in the sensor cell 43 refers to an oxygen ion current flowing in the sensor cell 43 even though the NOx concentration in the measured gas space 51 is zero.
  • the offset current in the sensor cell 43 increases as the temperature of the pump electrode 21 falls below 740 ° C. This is because when the temperature of the pump electrode 21 is lowered, the pump cell 41 cannot sufficiently discharge oxygen, and the residual oxygen in the measured gas space 51 is increased.
  • FIG. 9 shows the relationship between the temperature (° C.) of the pump electrode 21 and the oxygen ion current ( ⁇ A) that flows when detecting a predetermined concentration of NOx in the sensor cell 43.
  • the detection accuracy of the NOx concentration by the gas sensor 1 can be maintained high by maintaining the temperature of the pump electrode 21 within the range of 740 to 920 ° C. Furthermore, as will be described later, it has been found that the temperature of the pump electrode 21 is preferably maintained within a range of 740 to 850 ° C. in order not to cause the poisoning of Au in the sensor electrode 23.
  • FIG. 10 shows the relationship between the temperature (° C.) of the sensor electrode 23 and the NOx concentration detection error (ppm) by the sensor cell 43.
  • FIG. 11 shows the relationship between the temperature (° C.) of the sensor electrode 23 and the offset current ( ⁇ A) flowing through the sensor cell 43.
  • the offset current flowing in the sensor cell 43 refers to an oxygen ion current flowing in the sensor cell 43 even though the NOx concentration in the measured gas space 51 is zero.
  • the temperature of the sensor electrode 23 is preferably maintained within the range of 650 to 760 ° C. in order not to cause Au poisoning in the sensor electrode 23.
  • the length relationship between the heat generating part 62 and the sensor protruding part 100 in the gas sensor 1 is determined as follows.
  • the length L (mm) of the region where the heat generating portion 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protrusion 100 are determined so as to satisfy the relational expression L ⁇ H ⁇ 20.
  • the relational expression of L ⁇ H is a relational expression derived from a configuration in which the entire heat generating part 62 is disposed on the sensor protruding part 100. That is, the entire length L (mm) of the formation region of the heat generating portion 62 is equal to or shorter than the length H (mm) of the sensor protruding portion 100.
  • H ⁇ 20 the relational expression of H ⁇ 20 is that if the length H (mm) of the sensor protrusion 100 is too long, the sensor protrusion 100 is not likely to be broken because the sensor protrusion 100 is likely to be broken. It becomes a condition.
  • the length L (mm) of the region where the heat generating part 62 is formed and the temperature T (° C.) of the sensor electrode 23 are proportional to each other, and the length L (mm) of the region where the heat generating part 62 is formed increases.
  • the temperature T (° C.) of the sensor electrode 23 has increased. This result is simply based on the fact that the heat generation amount increases as the heat generating portion 62 becomes longer.
  • the temperature of the pump electrode 21 is maintained within an appropriate range of 740 ° C. or higher, and the temperature of the sensor electrode 23 is set to 650 to 830 ° C. Can be kept within the proper range.
  • the sensor cell 43 if the positional relationship between the length L (mm) of the region where the heat generating portion 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protruding portion 100 is within the range on the left side of the third reference line X3, the sensor cell 43. This temperature cannot be maintained at 650 ° C. or higher. Further, if the positional relationship between the length L (mm) of the region where the heat generating portion 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protruding portion 100 is within the range on the right side of the fourth reference line X4, the sensor cell 43. The temperature cannot be kept below 830 ° C.
  • the temperature of the pump electrode 21 and the temperature of the sensor electrode 23 both rise in proportion to the heating amount of the heater 6.
  • the temperature of the pump electrode 21 is proportional to the temperature of the sensor cell 43. Specifically, the temperature of the pump electrode 21 when the sensor electrode 23 becomes 650 ° C. is about 740 ° C., and the temperature of the pump electrode 21 when the temperature of the sensor electrode 23 becomes 830 ° C. is about 920 ° C. .
  • the length L (mm) of the region where the heat generating portion 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protruding portion 100 are set so that the temperature of the sensor electrode 23 falls within the range of 650 to 830 ° C.
  • the temperature of the pump electrode 21 can be in the range of 740 to 920 ° C.
  • the gas sensor 1 according to the present embodiment can appropriately control the temperatures of the pump cell 41 and the sensor cell 43.
  • the length L (mm) of the region where the heat generating portion 62 is formed and the length H (mm) of the sensor protrusion 100 are represented by the horizontal axis and the vertical axis, respectively.
  • the first reference line X1 indicating the relationship of H L
  • the second reference line X2 indicating the relationship of H 20
  • H ⁇ 4.24L + 58.53
  • the setting is within a range surrounded by the fifth reference line X5 indicating the relationship.
  • the temperature of the pump electrode 21 is proportional to the temperature of the sensor cell 43, and the temperature of the pump electrode 21 when the sensor electrode 23 reaches 760 ° C is about 850 ° C.
  • the temperature of the pump electrode 21 can be maintained within an appropriate range of 740 to 850 ° C.
  • the temperature of the sensor electrode 23 can be maintained within an appropriate range of 650 to 760 ° C. Then, it is possible to prevent the Au in the Pt—Au alloy constituting the pump electrode 21 from poisoning the sensor electrode 23.

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Abstract

　センサ素子及びヒータが積層されてなるセンサ構造体は、保持体から先端側に突出するセンサ突出部を有している。センサ素子は、固体電解質体、被測定ガス空間、基準ガス空間、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えている。ヒータの発熱部の全体は、センサ突出部に配置されている。センサ突出部が保持体から突出する長手方向における、発熱部の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係をそれぞれ示す第１、第２、第３、第４基準線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４によって囲まれる範囲内にあるよう設定されている。

Description

ガスセンサ
　本発明は、排気ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。
　ガスセンサは、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するために用いられる。ガスセンサにおいては、センサ素子にヒータが積層されてなるセンサ構造体を保持体に保持し、センサ構造体の先端部を保持体から突出させ、この先端部が被測定ガスに晒されるようにしている。ヒータは、固体電解質体及びこれに設けられた電極を、センサ活性化温度に加熱するために設けられている。具体的に、ヒータは、セラミック基板に、通電によって発熱する導体層を設けて形成されている。また、センサ素子には、被測定ガスとしての排気ガスの酸素濃度を調整するポンプセル、ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス濃度を検出するためのセンサセル等が形成されている。
　例えば、特許文献１に開示されたガスセンサ素子は、通電により発熱する発熱体を備えたヒータ部を有している。特許文献１においては、ヒータ抵抗とヒータ電力との関係がヒータ制御関数を満たすように、ヒータ電圧を調整して、ガスセンサ素子の温度を制御することが開示されている。
特開２００３－６５９９９号公報
　特許文献１においては、ガスセンサ素子（センサ素子）の温度を制御することを目的としている。ポンプセル及びセンサセルに必要な機能はそれぞれ異なり、それらを構成する電極の材料が互いに異なる。そのため、ポンプセル及びセンサセルを制御する最適温度(電極の活性化温度)がそれぞれ異なる。したがって、ポンプセル、センサセル等の複数のセルを最適温度に制御するためには、センサ素子の構造的な配置関係も重要である。具体的には、ヒータの導体層における発熱部の形成領域の長さと、センサ構造体の先端部が保持体から突出する長さとの関係が重要であることがわかった。すなわち、ヒータによって加熱されるセンサ構造体の熱は、センサ構造体よりも温度が低い保持体へと逃げており、センサ構造体の先端部が保持体から突出する長さを適切に設定しなければ、ポンプセル及びセンサセルの温度を適切に制御できないことがわかった。
　本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ポンプセル及びセンサセルの温度を適切に制御できるガスセンサを提供することを目的としている。
　本発明に係るガスセンサは、センサ素子及びヒータが積層されてなるセンサ構造体と、該センサ構造体を保持する保持体とを有し、該保持体から先端側に突出する、上記センサ構造体におけるセンサ突出部が被測定ガスに晒されるよう構成されたガスセンサにおいて、
　上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
　該固体電解質体の一方側に形成され、被測定ガスが拡散抵抗体を通過して導入される被測定ガス空間と、
　上記固体電解質体の他方側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
　上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたポンプ電極を有し、該ポンプ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、
　上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面であって、上記ポンプ電極の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセルと、を備えており、
　上記ヒータは、通電によって発熱する発熱部と、該発熱部の一対の端部にそれぞれ繋がる一対のリード部とを備えており、
　上記発熱部の全体は、上記センサ突出部に配置されており、
　上記発熱部の発熱中心は、上記センサ電極の中心よりも先端側に位置しており、
　上記センサ突出部の先端から上記発熱部の基端までの距離をＤとしたとき、上記センサ突出部の先端から上記センサ電極の中心までの距離Ｅは、０．７～１．３Ｄの範囲内にあり、上記センサ突出部の先端から上記ポンプ電極の中心までの距離Ｆは、０．３～０．７Ｄの範囲内にあり、
　上記センサ突出部が上記保持体から突出する長手方向における、上記発熱部の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係をそれぞれ示す第１、第２、第３、第４基準線によって囲まれる範囲内にあるよう設定されていることを特徴とする。
　上記ガスセンサにおいては、センサ突出部が保持体から突出する方向における、発熱部の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）の適切な範囲を規定している。
　具体的には、発熱部の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係をそれぞれ示す第１、第２、第３、第４基準線によって囲まれる範囲内にあるよう設定されている。これにより、ヒータによって固体電解質体、ポンプ電極、センサ電極、基準電極を加熱する際に、ポンプセルの温度を７４０℃以上の適切な範囲内に保ち、センサセルの温度を６５０～８３０℃の適切な範囲内に保つことができる。なお、ここでいうポンプセルの温度とは、被測定ガス空間内のポンプ電極の温度のことをいい、ここでいうセンサセルの温度とは、被測定ガス空間内のセンサ電極の温度のことをいう。
　それ故、上記ガスセンサは、ポンプセル及びセンサセルの温度を適切に制御できる。
　なお、ポンプセルの温度が７４０℃未満になると、ポンプセルが酸素を十分に排出することができず、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が悪化する。また、センサセルの温度が８３０℃を超えると、センサセルが被測定ガス中の水分を検知して、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が悪化する。
実施例に係るガスセンサの先端部を示す説明図。 実施例に係るガスセンサのセンサ構造体におけるセンサ突出部を示す断面図。 図２におけるI－I線矢視断面図。 実施例に係るガスセンサ全体の断面図。 実施例に係るガスセンサにおける、発熱部の形成領域の長さＬとセンサ電極の温度との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、発熱部の形成領域の長さＬとセンサ突出部の長さＨとの関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、保持体の直径とポンプ電極の温度の変化量との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、ポンプ電極の温度とセンサセルのオフセット電流との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、ポンプ電極の温度とセンサセルの酸素イオン電流との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、センサ電極の温度とセンサセルの検出誤差との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、センサ電極の温度とセンサセルのオフセット電流との関係を示すグラフ。 実施例に係るガスセンサにおける、発熱部の形成領域の長さＬとセンサ突出部の長さＨとの関係を示すグラフ。
　上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態について説明する。
　上記ガスセンサは、上記ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するモニタセルを備えていてもよい。モニタセルは、上記固体電解質体の被測定ガス空間側の表面であって、上記センサ電極に対して上記長手方向に直交する幅方向に並んで設けられたモニタ電極を有しており、モニタ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するよう構成することができる。
　上記距離Ｅが０．７Ｄ未満になると、上記発熱部の形成領域の長さが長くなり過ぎて、上記ヒータによって上記センサ素子を加熱する効率が低下する。一方、上記距離Ｅが１．３Ｄ超過になると、上記発熱部の形成領域の長さが短くなり過ぎて、上記センサ電極の温度を適切に制御できなくなる。
　上記距離Ｆが０．３Ｄ未満になると、上記ヒータによって上記センサ素子を加熱する効率が低下する。一方、上記距離Ｆが０．７Ｄ超過になると、上記ポンプ電極の温度を適切に制御できなくなる。
　なお、上述したガスセンサにおいて、「先端側」とは、ガスセンサの長手方向（センサ突出部が保持体から突出する長手方向）の一方側であり、ガスセンサが被測定ガスに晒される側をいう。また、「基端側」とは、先端側の反対側をいう。
　以下に、一実施例に係るガスセンサ１について、図１～図１２を参照して説明する。
　本実施例に係るガスセンサ１は、図１、図４に示すように、センサ素子１１及びヒータ６が積層されてなるセンサ構造体１０と、センサ構造体１０を保持する保持体１２とを有している。センサ構造体１０の長手方向Ｍにおける先端部は、保持体１２から先端側に突出するセンサ突出部１００を形成している。センサ突出部１００は、被測定ガスＧに晒される部分である。
　センサ素子１１は、図２、図３に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２、被測定ガス空間５１、基準ガス空間５２、ポンプセル４１、モニタセル４２及びセンサセル４３を備えている。被測定ガス空間５１は、固体電解質体２の一方側において、被測定ガスＧとしての排気ガスが拡散抵抗体３２を通過して導入される空間として形成されている。基準ガス空間５２は、固体電解質体２の他方側において、基準ガスＡが導入される空間として形成されている。ポンプセル４１は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１に設けられたポンプ電極２１を有している。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と、固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２に設けられた基準電極２５との間に電圧を印加して、被測定ガス空間５１における酸素濃度を調整するよう構成されている。
　モニタセル４２は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１であって、センサ電極２３に対して長手方向Ｍに直交する幅方向に並んで設けられたモニタ電極２２を有している。モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定し、ポンプセル４１によって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するよう構成されている。センサセル４３は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１であって、ポンプ電極２１の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極２３を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定し、この酸素イオン電流と、モニタセル４２における酸素イオン電流との差分に基づいて、特定ガス濃度を測定するよう構成されている。
　図１に示すように、ヒータ６は、通電によって発熱する発熱部６２と、発熱部６２の一対の端部６２２にそれぞれ繋がる一対のリード部６３とを備えている。発熱部６２の全体は、センサ突出部１００に配置されている。発熱部６２の発熱中心６０１は、センサ電極２３の中心２３１よりも長手方向Ｍの先端側に位置している。センサ突出部１００の先端１０１から、発熱部６２の基端６２１までの距離をＤとしたとき、センサ突出部１００の先端１０１からセンサ電極２３の中心２３１までの距離Ｅは、０．７～１．３Ｄの範囲内にある。センサ突出部１００の先端１０１からポンプ電極２１の中心２１１までの距離Ｆは、０．３～０．７Ｄの範囲内にある。
　図６に示すように、センサ突出部１００が保持体１２から突出する長手方向Ｍにおける、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌの関係を示す第１基準線Ｘ１、Ｈ＝２０の関係を示す第２基準線Ｘ２、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１の関係を示す第３基準線Ｘ３、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係を示す第４基準線Ｘ４によって囲まれる範囲内にあるよう設定されている。ここで、発熱部６２の基端６２１は、発熱部６２が一対のリード部６３に繋がる境界位置のことをいう。また、センサ電極２３の中心２３１とは、センサ電極２３を平面視したときの図心のことをいう。また、ポンプ電極２１の中心２１１とは、ポンプ電極２１を平面視したときの図心のことをいう。
　以下に、本実施例に係るガスセンサ１の構成について、さらに詳説する。
　ガスセンサ１は、図４に示すように、センサ構造体１０のセンサ突出部１００を収容するカバー１３を有しており、カバー１３に設けられた貫通孔１３１から、センサ構造体１０のセンサ突出部１００に、被測定ガスＧとしての排気ガスを導入するよう構成されている。ガスセンサ１は、自動車の排気管内に配置されて使用される。被測定ガスＧは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサ１は、排気ガス中の特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
　保持体１２は、センサ構造体１０をガスセンサ１のハウジング１４に保持するための絶縁碍子から構成されている。センサ構造体１０の長手方向Ｍにおける基端側部分は、保持体１２の内部に埋設されている。
　図２、図３に示すように、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３及び基準電極２５は、１つの固体電解質体２に対して設けられている。固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１には、絶縁性の第１スペーサ３１１を介して被測定ガス空間５１を形成するための絶縁体３１が積層されている。固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２には、絶縁性の第２スペーサ３３を介して固体電解質体２を加熱するためのヒータ６が積層されている。
　ヒータ６における発熱部６２及び一対のリード部６３は、絶縁性を有する一対のセラミック基板６１の間に挟持されている。図１に示すように、発熱部６２は、センサ構造体１０の長手方向Ｍに蛇行する形状を有している。発熱部６２の断面積は、各リード部６３の断面積よりも小さい。ここで、発熱部６２とリード部６３の断面積は、発熱部６２及びリード部６３において電流が流れる方向に直交する断面の面積である。また、発熱部６２の断面積は、発熱部６２が蛇行して形成される全長においてほぼ一定である。一対のリード部６３に通電を行う際には、発熱部６２が発熱してジュール熱を発生させる。発熱部６２の発熱中心６０１は、発熱部６２及びセンサ素子１１の幅方向の中心位置であって、発熱部６２の長手方向Ｍの略中心位置にある。
　また、発熱部６２とリード部６３とは、セラミック基板６１に別々に印刷されて形成される。そのため、発熱部６２とリード部６３とは、一部が重なりあう。
　図２に示すように、センサ構造体１０は、長尺形状を有しており、長手方向Ｍの先端側から被測定ガスＧを導入するよう構成されている。拡散抵抗体３２は、第１スペーサ３１１における長手方向Ｍの先端部に形成された被測定ガスＧの導入口３１２に埋設されている。拡散抵抗体３２は、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって構成されており、被測定ガスＧが所定の拡散速度で被測定ガス空間５１に導入されるようにする。センサ素子１１における被測定ガスＧの流れ方向Ｎは、長手方向Ｍの先端側から基端側に向けた方向となる。
　ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２５との間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２５との間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。
　図２、図３に示すように、固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板である。本実施例において、基準電極２５は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に対して、固体電解質体２の厚み方向に重なる位置において、これらの電極２１，２２，２３に共通して設けられている。なお、基準電極２５は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３のそれぞれに対して分離して設けることもできる。
　ポンプ電極２１は、酸素分解性能を有する材料としてのＰｔ－Ａｕ合金を用いて構成されており、モニタ電極２２及び基準電極２５は、酸素分解性能を有する材料としてのＰｔを用いて構成されている。また、センサ電極２３は、ＮＯｘ分解性能を有する材料としてのＰｔ－Ｒｈ合金を用いて構成されている。また、各電極２１，２２，２３，２５には、固体電解質体２との共材としてのジルコニアを含有している。
　ポンプ電極２１におけるＰｔ－Ａｕ合金中のＡｕの含有量は、２０質量％以下とすることができる。センサ電極２３におけるＰｔ－Ｒｈ合金中のＲｈの含有量は、８０質量％以下とすることができる。
　また、図１に示すように、保持体１２における、センサ構造体１０を保持する部分は、直径φｄが５～１２ｍｍである円柱形状に形成されている。保持体１２における、センサ構造体１０を保持する部分の直径φｄは、センサ構造体１０の幅との関係で決定することができる。
　図７には、保持体１２の直径φｄ（ｍｍ）と、センサ素子１１におけるポンプ電極２１の温度（平均温度）の変化量（℃）との関係を示す。ポンプ電極２１の温度の変化量は、保持体１２の直径φｄが７．５ｍｍであるときのポンプ電極２１の温度を基準温度として０（℃）で表すとともに、保持体１２の直径φｄが７．５ｍｍから変化したときのポンプ電極２１の温度から、基準温度を差し引いた温度差（℃）として表す。
　同図から分かるように、保持体１２の直径φｄが５～１２ｍｍである範囲においては、ポンプ電極２１の温度に大きな変化は生じなかった。これに対し、保持体１２の直径φｄが１２ｍｍよりも大きくなる場合には、センサ構造体１０から保持体１２への伝熱が多くなって、ポンプ電極２１の温度が低下する。一方、保持体１２の直径φｄが５ｍｍよりも小さくなる場合には、センサ構造体１０から保持体１２への伝熱が少なくなって、ポンプ電極２１の温度が上昇する。
　以上の結果より、保持体１２の直径φｄを５～１２ｍｍの範囲内に設定することにより、保持体１２のサイズがポンプ電極２１の温度に与える影響を小さくすることができることが分かる。なお、同図の特性は、ポンプ電極２１以外のセンサ電極２３等においても同様に見られる。従って、保持体１２の直径φｄを５～１２ｍｍの範囲内に設定することにより、保持体１２のサイズがポンプセル４１及びセンサセル４３の温度に与える影響を小さくすることができる。
　本実施例に係るガスセンサ１は、ヒータ６によってセンサ素子１１を加熱する際に、ポンプ電極２１の温度を７４０～９２０℃の範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０～８３０℃の範囲内に保つよう構成されている。ポンプ電極２１の温度及びセンサ電極２３の温度は、ヒータ６の温度によって決定される。ポンプ電極２１の温度を７４０～９２０℃の範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０～８３０℃の範囲内に保つために、ヒータ６の温度は、７１０～８９０℃とすることができる。
　ポンプ電極２１の中心２１１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離は、センサ電極２３の中心２３１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離よりも短い。また、モニタ電極２２の中心２２１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離は、センサ電極２３の中心２３１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離とほぼ等しい。そして、ポンプ電極２１は、モニタ電極２２及びセンサ電極２３よりも高い温度に加熱される。
　なお、ポンプ電極２１、固体電解質体２及び基準電極２５によって構成されるポンプセル４１の温度はポンプ電極２１の温度に等しいとする。また、モニタセル４２及びセンサセル４３についても同様に、それぞれモニタ電極２２又はセンサ電極２３の温度に等しいとする。
　図８には、ポンプ電極２１の温度（℃）と、センサセル４３に流れるオフセット電流（μＡ）との関係を示す。センサセル４３に流れるオフセット電流は、被測定ガス空間５１内のＮＯｘ濃度がゼロであるにも拘らず、センサセル４３に流れる酸素イオン電流のことをいう。
　同図において、ポンプ電極２１の温度が７４０℃よりも低下していくと、センサセル４３におけるオフセット電流が増加していくことが分かる。この理由は、ポンプ電極２１の温度が低下すると、ポンプセル４１が酸素を十分に排出することができず、被測定ガス空間５１内の残存酸素が増加したためである。
　図９には、ポンプ電極２１の温度（℃）と、センサセル４３において、所定濃度のＮＯｘを検出する際に流れる酸素イオン電流（μＡ）との関係を示す。
　同図において、ポンプ電極２１の温度が９２０℃よりも上昇していくと、センサセル４３における酸素イオン電流が減少することが分かる。この理由は、ポンプ電極２１の温度が上昇すると、ポンプセル４１においてＮＯｘが分解され、被測定ガス空間５１内のＮＯｘが減少したためである。
　従って、ポンプ電極２１の温度を７４０～９２０℃の範囲内に維持することにより、ガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出精度を高く維持できることが分かった。さらに、後述するように、センサ電極２３におけるＡｕの被毒を生じさせないためには、ポンプ電極２１の温度は７４０～８５０℃の範囲内に維持することが好ましいことが分かった。
　図１０には、センサ電極２３の温度（℃）と、センサセル４３によるＮＯｘ濃度の検出誤差（ｐｐｍ）との関係を示す。
　同図において、センサ電極２３の温度が６５０～７６０℃の範囲内にある場合には、センサセル４３によるＮＯｘ濃度の検出精度にほとんど誤差は生じていないことが分かる。これに対し、センサ電極２３の温度が７６０℃よりも上昇していくと、ポンプ電極２１を構成するＰｔ－Ａｕ合金中のＡｕが飛散して、センサ電極２３を被毒することにより、センサセル４３におけるＮＯｘ活性が低下し、ＮＯｘ濃度の検出誤差が大きくなる。一方、センサ電極２３の温度が６５０℃よりも低下していくと、センサセル４３がＮＯｘ活性を示す温度に加熱されず、ＮＯｘ濃度の検出誤差が大きくなる。
　図１１には、センサ電極２３の温度（℃）と、センサセル４３に流れるオフセット電流（μＡ）との関係を示す。センサセル４３に流れるオフセット電流は、被測定ガス空間５１内のＮＯｘ濃度がゼロであるにも拘らず、センサセル４３に流れる酸素イオン電流のことをいう。
　同図において、センサ電極２３の温度が８３０℃よりも上昇していくと、センサセル４３におけるオフセット電流が増加していくことが分かる。この理由は、センサ電極２３の温度が上昇すると、センサセル４３において被測定ガス空間５１内の水分が分解されたためである。
　従って、センサ電極２３の温度を６５０～８３０℃の範囲内に維持することにより、ガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出精度を高く維持できることが分かる。さらに、センサ電極２３におけるＡｕの被毒を生じさせないためには、センサ電極２３の温度は６５０～７６０℃の範囲内に維持することが好ましいことが分かる。
　ガスセンサ１における発熱部６２とセンサ突出部１００との長さ関係は、次のように決定される。
　図６に示すように、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、Ｌ≦Ｈ≦２０の関係式を満たすよう決定される。Ｌ≦Ｈの関係式は、発熱部６２の全体がセンサ突出部１００に配置されている構成から導き出される関係式である。つまり、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）の全体は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）以下となる。
　また、Ｈ≦２０の関係式は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が長すぎると、このセンサ突出部１００が折れる可能性が高くなることより、センサ突出部１００が折れないための条件となる。
　Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１の関係を示す第３基準線Ｘ３、及びＨ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係を示す第４基準線Ｘ４は、次のようにして求めた。
　まず、図５に示すように、ポンプ電極２１の温度を７４０℃としたときの、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ電極２３の温度Ｔ（℃）との関係を求めた。また、この関係は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）を１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍと変化させて求めた。これにより、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について直線回帰を行い、各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を求めた。
　その結果、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ電極２３の温度Ｔ（℃）とは比例関係にあり、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）が長くなるほど、センサ電極２３の温度Ｔ（℃）が高くなった。この結果は単純に、発熱部６２が長くなれば、その発熱量が多くなったことに基づく。また、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）を長くするほど、センサ電極２３の温度が高くなった。この結果は、センサ突出部１００の長さＨが長くなれば、センサ構造体１０から保持体１２への伝熱が少なくなることに基づく。
　そして、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が６５０℃となるときの、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入し、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．１７の関係を示す第３基準線Ｘ３を求めた。また、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が８３０℃となるときの、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入し、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係を示す第４基準線Ｘ４を求めた。
　こうして、ガスセンサ１における発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との関係は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係をそれぞれ示す第１～第４基準線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４によって求められる。つまり、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、これらの基準線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４によって囲まれる範囲内において、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）とを設定することにより、ポンプ電極２１の温度を７４０℃以上の適切な範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０～８３０℃の適切な範囲内に保つことができる。
　なお、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との位置関係が、第３基準線Ｘ３よりも左側の範囲内にあると、センサセル４３の温度を６５０℃以上に保つことができなくなる。また、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との位置関係が、第４基準線Ｘ４よりも右側の範囲内にあると、センサセル４３の温度を８３０℃以下に保つことができなくなる。
　また、ヒータ６による加熱を行う際に、ポンプ電極２１の温度とセンサ電極２３の温度とは、ヒータ６の加熱量に比例して、ともに上昇する。ポンプ電極２１の温度はセンサセル４３の温度に比例する。具体的には、センサ電極２３が６５０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約７４０℃であり、センサ電極２３の温度が８３０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約９２０℃である。
　そのため、センサ電極２３の温度が６５０～８３０℃の範囲内になるよう、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）とを設定すれば、ポンプ電極２１の温度を７４０～９２０℃の範囲内にすることができる。
　それ故、本実施例に係るガスセンサ１は、ポンプセル４１及びセンサセル４３の温度を適切に制御できる。
　また、図１２に示すように、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌの関係を示す第１基準線Ｘ１、Ｈ＝２０の関係を示す第２基準線Ｘ２、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１の関係を示す第３基準線Ｘ３、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋５８．５３の関係を示す第５基準線Ｘ５によって囲まれる範囲内にあるよう設定されることがさらに好ましい。
　Ｈ＝－４．２４Ｌ＋５８．５３の関係を示す第５基準線Ｘ５は、第３基準線Ｘ３及び第４基準線Ｘ４と同様にして、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が７６０℃となるときの、発熱部６２の形成領域の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入して求めた。また、ポンプ電極２１の温度はセンサセル４３の温度に比例し、センサ電極２３が７６０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約８５０℃である。
　この場合には、ポンプ電極２１の温度を７４０～８５０℃の適切な範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０～７６０℃の適切な範囲内に保つことができる。そして、ポンプ電極２１を構成するＰｔ－Ａｕ合金中のＡｕが、センサ電極２３を被毒することを防止することができる。
　１　ガスセンサ
　１０　センサ構造体
　１００　センサ突出部
　１１　センサ素子
　１２　保持体
　２　固体電解質体
　２１　ポンプ電極
　２３　センサ電極
　２５　基準電極
　３２　拡散抵抗体
　４１　ポンプセル
　４３　センサセル
　５１　被測定ガス空間
　５２　基準ガス空間
　６　ヒータ
　６２　発熱部
　６３　リード部
　Ｇ　被測定ガス
　Ａ　基準ガス
　Ｍ　長手方向

Claims (4)

  1. 　センサ素子（１１）及びヒータ（６）が積層されてなるセンサ構造体（１０）と、該センサ構造体（１０）を保持する保持体（１２）とを有し、該保持体（１２）から先端側に突出する、上記センサ構造体（１０）におけるセンサ突出部（１００）が被測定ガス（Ｇ）に晒されるよう構成されたガスセンサ（１）において、
    　上記センサ素子（１１）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
    　該固体電解質体（２）の一方側に形成され、被測定ガス（Ｇ）が拡散抵抗体（３２）を通過して導入される被測定ガス空間（５１）と、
    　上記固体電解質体（２）の他方側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（５２）と、
    　上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）に設けられたポンプ電極（２１）を有し、該ポンプ電極（２１）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（５２）側の表面（２０２）に設けられた基準電極（２５）との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（５１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、
    　上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）であって、上記ポンプ電極（２１）の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極（２３）と上記基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセル（４３）と、を備えており、
    　上記ヒータ（６）は、通電によって発熱する発熱部（６２）と、該発熱部（６２）の一対の端部（６２２）にそれぞれ繋がる一対のリード部（６３）とを備えており、
    　上記発熱部（６２）の全体は、上記センサ突出部（１００）に配置されており、
    　上記発熱部（６２）の発熱中心（６０１）は、上記センサ電極（２３）の中心（２３１）よりも先端側に位置しており、
    　上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記発熱部（６２）の基端（６２１）までの距離をＤとしたとき、上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記センサ電極（２３）の中心（２３１）までの距離Ｅは、０．７～１．３Ｄの範囲内にあり、上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記ポンプ電極（２１）の中心（２１１）までの距離Ｆは、０．３～０．７Ｄの範囲内にあり、
    　上記センサ突出部（１００）が上記保持体（１２）から突出する長手方向（Ｍ）における、上記発熱部（６２）の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部（１００）の長さＨ（ｍｍ）は、該長さＬとＨをそれぞれ横軸と縦軸とする２次元座標面において、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋６８．６の関係をそれぞれ示す第１、第２、第３、第４基準線（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）によって囲まれる範囲内にあるよう設定されていることを特徴とするガスセンサ（１）。
  2. 　上記センサ突出部（１００）が上記保持体（１２）から突出する長手方向（Ｍ）における、上記発熱部（６２）の形成領域の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部（１００）の長さＨ（ｍｍ）は、上記２次元座標面において、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝－４．２４Ｌ＋５８．５３の関係をそれぞれ示す第１、第２、第３、第５基準線（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ５）によって囲まれる範囲内にあるよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
  3. 　上記ポンプ電極（２１）は、Ｐｔ－Ａｕ合金を含有し、上記センサ電極（２３）は、Ｐｔ－Ｒｈ合金を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。
  4. 　上記保持体（１２）における、上記センサ構造体（１０）を保持する部分は、直径（φｄ）が５～１２ｍｍである円柱形状に形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
     
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