WO2019088026A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2019088026A1
WO2019088026A1 PCT/JP2018/040132 JP2018040132W WO2019088026A1 WO 2019088026 A1 WO2019088026 A1 WO 2019088026A1 JP 2018040132 W JP2018040132 W JP 2018040132W WO 2019088026 A1 WO2019088026 A1 WO 2019088026A1
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porous layer
gas
gas sensor
detection
input power
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PCT/JP2018/040132
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English (en)
French (fr)
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亨 竹内
友隆 毛利
将太 今田
西嶋　大貴
三宅　慶治
春樹 近藤
泰 平田
Original Assignee
株式会社デンソー
トヨタ自動車株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1493—Details
    • F02D41/1494—Control of sensor heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor in which a relationship between an average thickness of a porous layer covering a sensor element body and power supplied to a heating element in the sensor element body is defined.
  • the gas sensor is used, for example, to detect an oxygen concentration or a specific gas component concentration in an exhaust gas exhausted from an internal combustion engine.
  • a stacked sensor element body is often used in which a solid electrolyte layer provided with a detection electrode and a reference electrode and a heating element that generates heat by energization are integrated. Further, on one main surface of the solid electrolyte layer in the sensor element body, a detection gas chamber in which the detection electrode is disposed and a diffusion resistance layer for introducing the detection gas into the detection gas chamber are formed adjacent to each other. ing.
  • the sensor element body is provided with a porous layer covering at least the exposed surface of the diffusion resistance layer, or covering the entire periphery including the exposed surface of the diffusion resistance layer.
  • the porous layer is used for the purpose of protecting the electrode from poisonous substances, water and the like, or for the purpose of protecting the sensor element body from splashing water. Examples of gas sensor elements corresponding to such a stacked sensor element body include those described in Patent Documents 1 and 2.
  • the surface protective layer has water repellency at high temperatures at which the solid electrolyte layer becomes active, whereby the thickness of the surface protective layer is in the range of 20 to 150 ⁇ m. It is described. Moreover, in the gas sensor element of patent document 2, forming a porous protective layer (porous layer) in the area
  • the thickness of the porous layer is determined in consideration of the early activation of the gas sensor element, the suppression of the generation of the crack due to water immersion, and the like.
  • the essential performance required of the gas sensor includes detection accuracy and responsiveness as a sensor output characteristic.
  • the detection accuracy is affected by the temperature of the detection portion including the electrodes and the portion of the solid electrolyte layer sandwiched between the electrodes in the sensor element body. Generally, as the temperature of the detection unit rises, decomposition reaction of oxygen and the like in the detection unit is promoted, and the detection accuracy and responsiveness tend to be high.
  • the temperature of the detection unit changes in accordance with the heat balance between the amount of heat received by the detection unit and the amount of heat release from the detection unit.
  • the amount of heat received by the detection unit is particularly affected by the input power density applied to the detection unit from the heating unit of the heating element.
  • the input power density is shown as a value obtained by dividing the amount of input power to the heating element by the volume of the length range in which the heating area of the heating element is provided in the sensor element body.
  • the amount of heat released from the detection unit is affected by the heat of vaporization (heat of vaporization) when water adhering to the surface of the porous layer evaporates, particularly when the porous layer covering the detection unit is covered with water. .
  • the thinner the thickness of the porous layer the easier the detection unit is affected by the heat of evaporation, and the larger the amount of heat released from the detection unit. Therefore, it may be considered that as the thickness of the porous layer becomes smaller, it is necessary to increase the amount of power input to the heating element to maintain the temperature of the detection unit at the target temperature.
  • the responsiveness of the gas sensor is deteriorated because the detection gas is less likely to reach the detection portion as the thickness of the porous layer increases. Therefore, in order to maintain the responsiveness of the gas sensor high, there is also a demand to make the thickness of the porous layer as small as possible.
  • the present disclosure has been made to provide a gas sensor capable of providing an index capable of knowing the allowable minimum value of the thickness of the porous layer in relation to the input power density while maintaining high detection accuracy. It is.
  • One embodiment of the present disclosure includes a solid electrolyte layer, a detection electrode provided on a first main surface of the solid electrolyte layer, a reference electrode provided on a second main surface of the solid electrolyte layer, the first electrode of the solid electrolyte layer A detection gas chamber formed to dispose the detection electrode inside adjacent to one main surface, a diffusion resistance layer laminated on the solid electrolyte layer, for introducing a detection gas into the detection gas chamber, the solid An insulating layer laminated on an electrolyte layer, a heating element embedded in the insulating layer and generating heat when energized, and a sensor element body having a porous layer covering at least the exposed surface of the diffusion resistance layer; And a power supply device for energizing the heating element.
  • the input power amount input to the heating element by the power supply device is P [W]
  • the input power density X and the average thickness Y of the porous layer [ ⁇ m] are Y ⁇ 509.32-2884.89X + 5014.12X 2 It is in the gas sensor that satisfies
  • the gas sensor according to the one aspect provides an index of how much the average thickness Y of the porous layer should be made in relation to the input power density X input to the heating element by the power supply device. This index is indicated by the relation between the input power density X and the average thickness Y of the porous layer. This relational expression also takes into account that the porous layer gets wet, and is obtained by performing experiments or simulations.
  • this relational expression defines a limit value with which the average thickness Y of the porous layer can be reduced in relation to the input power density X in order to maintain detection accuracy in the gas sensor.
  • the detection accuracy of the gas sensor can be maintained high, and an index can be provided which can know the allowable minimum value of the thickness of the porous layer in relation to the input power density.
  • Gas detection by a gas sensor has various applications utilizing the difference between the oxygen concentration or the specific gas component concentration between the detection electrode and the reference electrode.
  • an application of gas detection for example, an application of detecting whether the air-fuel ratio of the internal combustion engine obtained from the composition of the exhaust gas is on the fuel rich side or the fuel lean side with respect to the theoretical air fuel ratio Applications that quantitatively detect the air-fuel ratio of internal combustion engines, and applications that determine the NOx component concentration in exhaust gases
  • the steady state in which gas detection is performed differs from the transition state in which the temperature of the detection unit in the sensor element body changes from normal temperature to the activation temperature when the gas sensor is started, and the activation temperature with the temperature of the detection unit as the target temperature It refers to the state of maintaining.
  • the steady state can also be referred to as the state when the temperature of the detection unit is balanced with the target temperature.
  • the target temperature of the detection unit can be 600 to 800.degree.
  • the input power amount by the power supply apparatus By setting the input power amount by the power supply apparatus to the input power density, it is possible to set the value in consideration of the volume of the length range in which the heat generation area of the heat generating element is provided in the sensor element body. In order to maintain the input power density, it is necessary to increase the input power amount as the volume of the length range in which the heat generation area is provided in the sensor element body is larger.
  • the “heat generating area of the heat generating element” refers to an area where the heat generating section of the heat generating element meanders and is provided except for the lead portion of the heat generating element.
  • the “length range in which the heat generating area of the heat generating body is provided in the sensor element body” means the length in which the heat generating area is provided in the length direction along the longest side of the plurality of sides in the sensor element body. Refers to the range of In addition, the volume of this length range is a sensor element body including a heating element, which is taken out when the both ends of the range provided with the heat generation region in the length direction of the sensor element body are cut orthogonally to the length direction. The volume of some of the blocks can be Further, the volume of the length range also includes the volume of the porous layer in the length range.
  • the thickness of the porous layer may differ depending on the portion of the sensor element body where the porous layer is provided.
  • the average thickness of the porous layer in the above relational expression is an average value of the total thickness of the porous layer.
  • this average thickness is a porous layer having a constant thickness having the same volume as the whole volume of the porous layer, in the portions of the porous layers provided in the respective portions of the sensor element body and having different thicknesses. It can be regarded as the thickness when it is replaced by Substantially, the average thickness can be obtained by measuring the thickness of a plurality of portions having different thicknesses in the porous layer, and taking the average value of the thickness of the plurality of portions.
  • the portions whose thickness is to be measured may be, for example, 10 to 100 places having different thicknesses in the sensor element body.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment includes a sensor element body 2 and a power supply device 5 for supplying power to the heating element 34 in the sensor element body 2.
  • the sensor element 2 includes a solid electrolyte layer 31, a detection electrode 311, a reference electrode 312, a detection gas chamber 35, a diffusion resistance layer 32, insulating layers 33 A and 33 B, a heating element 34 and a porous layer 37.
  • the solid electrolyte layer 31 has conductivity of oxygen ions (oxide ions) at a predetermined activation temperature.
  • the detection electrode 311 is provided on the first major surface 301 of the solid electrolyte layer 31 as an electrode exposed to the detection gas G.
  • the reference electrode 312 is provided on the second major surface 302 of the solid electrolyte layer 31.
  • the first main surface 301 and the second main surface 302 refer to the surface (plate surface) having the largest surface area in the flat solid electrolyte layer 31.
  • the detection gas chamber 35 is formed adjacent to the first major surface 301 of the solid electrolyte layer 31 and surrounded by the insulating layer 33A so as to dispose the detection electrode 311 inside. ing.
  • the diffusion resistance layer 32 is stacked on the solid electrolyte layer 31 and is a layer for introducing the detection gas G into the detection gas chamber 35 at a predetermined diffusion rate.
  • the insulating layers 33A and 33B are layers having insulating properties, and are stacked on the first main surface 301 and the second main surface 302 of the solid electrolyte layer 31.
  • the heating element 34 is embedded in the insulating layer 33B, and generates heat by energization.
  • the porous layer 37 is provided on the outer surface of the sensor element body 2 so as to cover at least the exposed surface 321 of the diffusion resistance layer 32.
  • the power supply device 5 supplies (energizes) the heating element 34.
  • the amount of input power supplied to the heating element 34 by the power supply device 5 in the steady state in which gas detection by the gas sensor 1 is performed
  • the volume of the length range (La) in which the heat generating region 340 of the heat generating body 34 is provided is V [mm 3 ].
  • the average input power density X and the porous layer 37 and the thickness Y [[mu] m] satisfying the first relations R1 of Y ⁇ 509.32-2884.89X + 5014.12X 2.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is attached to an exhaust pipe through which exhaust gas exhausted from an internal combustion engine (engine) of a vehicle flows.
  • the gas sensor 1 performs gas detection using the exhaust gas flowing in the exhaust pipe as a detection gas G and the atmosphere as a reference gas A.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is used as an air-fuel ratio sensor for obtaining an air-fuel ratio of an internal combustion engine obtained from the composition of exhaust gas.
  • the air-fuel ratio of the internal combustion engine determined by the gas sensor 1 may be referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas.
  • the air-fuel ratio sensor quantitatively measures the air-fuel ratio continuously from a fuel-rich state in which the ratio of fuel to air is larger than the stoichiometric air-fuel ratio to a lean state in which the ratio of fuel to air is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. Can be detected.
  • the air-fuel ratio sensor when the flow velocity of the detection gas G introduced to the detection gas chamber 35 is reduced by the diffusion resistance layer 32, a current according to the movement amount of oxygen ions between the detection electrode 311 and the reference electrode 312 A predetermined voltage is applied to indicate the limiting current characteristic to be output.
  • the internal combustion engine that detects the air-fuel ratio by the gas sensor 1 is a multi-cylinder reciprocating engine such as a four-cylinder, six-cylinder, eight-cylinder, or the like.
  • the air-fuel ratio detected by the gas sensor 1 is feedback-controlled, and the air-fuel ratio in each cylinder is controlled to the target air-fuel ratio.
  • the timings at which the four strokes of intake, compression, combustion, and exhaust are performed in each cylinder are appropriately different, and the exhaust gas is exhausted from the cylinders to the exhaust pipe at different timings.
  • the gas sensor 1 uses the exhaust gas exhausted from each cylinder to the exhaust pipe in a predetermined order as a detection gas G. Then, in order to obtain the air-fuel ratio in each cylinder, in the engine control device, it is necessary to detect which air-fuel ratio is the air-fuel ratio for the exhaust gas exhausted from which cylinder. Generally, in an internal combustion engine, variation in air-fuel ratio among cylinders is often referred to as inter-cylinder imbalance.
  • the ability to detect the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from each cylinder separately from the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from the other cylinders is referred to as inter-cylinder imbalance detection accuracy.
  • the detection accuracy of the gas sensor 1 of the present embodiment refers to the detection accuracy of the inter-cylinder imbalance.
  • the first relational expression R1 between the input power density X of this embodiment and the average thickness Y of the porous layer 37 is the average thickness Y of the porous layer 37 for maintaining the detection accuracy of the in-cylinder imbalance at a predetermined accuracy. It becomes an index to know the allowable minimum value.
  • a three-way catalyst for purifying HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide) and NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas is disposed.
  • the engine control device controls the air-fuel ratio in each cylinder of the internal combustion engine to be maintained near the theoretical air-fuel ratio at which the catalytic activity of the three-way catalyst is effectively exerted, using the air-fuel ratio by the gas sensor 1.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is disposed at a position upstream of the flow of exhaust gas with respect to the disposition position of the three-way catalyst in the exhaust pipe.
  • the air-fuel ratio of the internal combustion engine determined from the composition of the exhaust gas is on the fuel rich side due to the difference in oxygen concentration between the detection gas G contacting the detection electrode 311 and the reference gas A contacting the reference electrode 312. It can also be used as an oxygen sensor that determines whether it is on the fuel lean side on or off. Also, in this case, the gas sensor 1 can be disposed at a position downstream of the flow of the exhaust gas than the disposition position of the three-way catalyst in the exhaust pipe. Moreover, the gas sensor 1 can also be used as a NOx sensor which detects NOx as a specific gas component in exhaust gas.
  • the gas sensor 1 is an oxygen sensor, it is effective to improve the detection accuracy of the in-cylinder imbalance in order to detect the oxygen concentration in each cylinder separately. Further, even when the gas sensor 1 is a NOx sensor, it is effective to improve the detection accuracy of the in-cylinder imbalance in order to detect the NOx concentration in each cylinder separately.
  • the sensor element body 2 is a laminated type in which the insulating layers 33A and 33B and the heating element 34 are laminated on the solid electrolyte layer 31 and sintered.
  • the solid electrolyte layer 31 contains zirconia as a main component, and is made of stabilized zirconia or partially stabilized zirconia in which a part of the zirconia is substituted by a rare earth metal element or an alkaline earth metal element.
  • the solid electrolyte layer 31 can be composed of yttria stabilized zirconia or yttria partially stabilized zirconia.
  • the detection electrode 311 and the reference electrode 312 contain platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity to oxygen and a solid electrolyte as a co-material with the solid electrolyte layer 31.
  • the sensor element body 2 is formed in a long shape, and the detection electrode 311, the reference electrode 312, the detection gas chamber 35, the diffusion resistance layer 32, and the heat generating region 340 of the heating element 34 Is located in A detection portion 21 is formed on the tip side of the sensor element body 2 in the longitudinal direction L by the detection electrode 311 and the reference electrode 312 and the portion of the solid electrolyte layer 31 sandwiched between the electrodes 311 and 312. It is done.
  • the longitudinal direction L of the sensor element body 2 refers to the direction in which the sensor element body 2 is formed in an elongated shape.
  • the direction in which the solid electrolyte layer 31, the insulating layers 33A and 33B, and the heating element 34 are stacked orthogonal to the long direction L is referred to as a stacking direction D.
  • a direction orthogonal to the longitudinal direction L and the stacking direction D is referred to as a width direction W.
  • the distal end side in the longitudinal direction L is indicated by L1
  • the proximal end side in the longitudinal direction L is indicated by L2.
  • electrode lead portions 313 and 314 for electrically connecting the electrodes 311 and 312 to the outside of the gas sensor 1 are connected to the detection electrode 311 and the reference electrode 312. 313 and 314 are drawn out to the proximal end portion in the longitudinal direction L.
  • the heat generating body 34 has a heat generating portion 341 generating heat by energization and a pair of heat generating body lead portions 342 connected to the heat generating portion 341.
  • the heating element lead portion 342 is drawn out to the proximal end portion in the longitudinal direction L.
  • the heating element 34 contains a conductive metal material.
  • the heat generating portion 341 is formed in a shape that meanders in the longitudinal direction L at the tip of the heat generating body 34.
  • the heat generating portion 341 is disposed at a position facing the detection electrode 311 in the stacking direction D orthogonal to the longitudinal direction L, and the solid electrolyte layer 31, the detection electrode 311, and the target temperature.
  • the reference electrode 312, the insulating layers 33A, 33B, etc. are heated.
  • the cross sectional area of the heat generating portion 341 is smaller than the cross sectional area of the heat generating body lead portion 342, and the resistance value per unit length of the heat generating portion 341 is higher than the resistance value per unit length of the heat generating body lead portion 342.
  • This cross-sectional area refers to the cross-sectional area of the plane orthogonal to the direction in which the heat generating portion 341 and the heat generating body lead portion 342 extend.
  • the “heat generating area 340 of the heat generating element 34” is an area where the heat generating part 341 is provided in a meandering manner, in other words, an area where the heat generating parts 341 are arranged adjacent to three or more in the longitudinal direction L or the width direction W.
  • the heat generating portion 341 may be formed to meander in the width direction W, in addition to being formed to meander in the longitudinal direction L.
  • the heat generating area 340 indicates an area which becomes high temperature by energization of the heat generating body 34.
  • the region in which the heat generating portion 341 is provided in a meandering manner may be shorter than the length in the longitudinal direction L of the heat generating portion 341, as shown in FIG. Further, the area where the heat generating portion 341 is provided in a meandering manner may be substantially the same as the length in the longitudinal direction L of the heat generating portion 341 as shown in FIG.
  • the length range La in which the heat generating area 340 of the heat generating body 34 is provided is a part of the sensor element body 2 in the longitudinal direction L.
  • the volume V of the length range La in which the heat generation area 340 is provided in the sensor element body 2 is the both ends of the length range La in which the heat generation area 340 is provided in the longitudinal direction L as the length direction of the sensor element body 2 Is a volume of a part of the block of the sensor element 2 including the heating element 34, which is taken out when cut at the cut surface S orthogonal to the longitudinal direction L.
  • the volume V of the length range La also includes the volume of the porous layer 37 in the length range La.
  • the input power density X by the power supply device 5 is the amount of input power P to the heating element 34, in other words, the length range in the sensor element body 2 in which the heat from the heating area 340 of the heating element 34 is provided. It is defined as being used to heat portions of La.
  • the volume V is La [mm] in the length direction L in the sensor element 2 in which the heat generation region 340 is provided, and the width (length in the width direction W of the sensor element 2 Is defined based on La.times.Wa.times.Da, where Wa [mm] and the thickness (length) of the sensor element body 2 in the stacking direction D is Da [mm].
  • the corner 22 in the cross section orthogonal to the longitudinal direction L of the sensor element 2 is notched as a notch
  • the volume V is a notch within the range of La ⁇ Wa ⁇ Da to the length La It can be a value obtained by subtracting the volume of a part.
  • the insulating layers 33A and 33B are stacked on both the first major surface 301 and the second major surface 302 of the solid electrolyte layer 31.
  • the first insulating layer 33A stacked on the first main surface 301 of the solid electrolyte layer 31 is stacked to form the detection gas chamber 35, and the first insulating layer 33A is stacked on the second main surface 302 of the solid electrolyte layer 31.
  • the two insulating layers 33 B are laminated to form the air duct 36 and to embed the heating element 34.
  • the first and second insulating layers 33A and 33B are made of an insulating metal oxide such as alumina.
  • the first and second insulating layers 33A and 33B are formed as dense layers having no pores, and do not transmit gases such as the detection gas G and the reference gas A.
  • the detection gas chamber 35 is formed so as to be surrounded by the first major surface 301 of the solid electrolyte layer 31, the first insulating layer 33 A, and the diffusion resistance layer 32.
  • the diffusion resistance layer 32 of this embodiment is a position facing the first main surface 301 of the solid electrolyte layer 31 and a position facing the detection gas chamber 35 on both sides in the width direction W orthogonal to the longitudinal direction L. Is located in The diffusion resistance layer 32 may be disposed at a position facing the first main surface 301 of the solid electrolyte layer 31 and at a position facing the detection gas chamber 35 from the tip end side in the longitudinal direction L.
  • the diffusion resistance layer 32 is stacked on the first major surface 301 of the solid electrolyte layer 31 via the first insulating layer 33A, and faces the first major surface 301 of the solid electrolyte layer 31 via the detection gas chamber 35. It may be arranged at a position.
  • the diffusion resistance layer 32 is made of an insulating metal oxide such as alumina, as in the first and second insulating layers 33A and 33B.
  • the diffusion resistance layer 32 is formed as a porous layer having a plurality of pores for guiding the detection gas G to the detection gas chamber 35 at a predetermined diffusion rate.
  • the density of the diffusion resistance layer 32 is smaller than the density of the first and second insulating layers 33A and 33B.
  • an air duct 36 surrounded by the second insulating layer 33B and into which air as the reference gas A is introduced is adjacent to the second major surface 302 of the solid electrolyte layer 31. It is formed.
  • the air duct 36 is formed from the base end position in the longitudinal direction L of the sensor element body 2 to a position facing the detection gas chamber 35 via the solid electrolyte layer 31.
  • the reference electrode 312 is disposed at the tip end of the air duct 36.
  • the porous layer 37 is made of alumina as a metal oxide.
  • the porous layer 37 has a plurality of pores for capturing poisoning substances to the detection electrode 311, condensed water and the like generated in the exhaust pipe.
  • the porosity of the porous layer 37 is larger than the porosity of the diffusion resistance layer 32, and the flow rate of the detection gas G which can permeate the porous layer 37 is the detection gas G which can permeate the diffusion resistance layer 32. More than the flow rate of
  • the porosity means a volume ratio occupied by pores (voids) per unit volume.
  • the porous layer 37 is formed by collecting a plurality of particulate metal oxides, and a plurality of pores formed between the plurality of particulate metal oxides allow water to pass through. Form a maze structure that interferes.
  • the porous layer 37 can be made of ceramics (metal oxide) containing at least one of alumina, titania, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, spinel, and zinc oxide, in addition to alumina. .
  • the sensor element body 2 shown in this embodiment has one solid electrolyte layer 31 and an air duct 36.
  • the sensor element body 2 may have two solid electrolyte layers 31A and 31B and no air duct 36.
  • the pair of electrodes 315 provided in the first solid electrolyte layer 31A is used to adjust the oxygen concentration of the detection gas G in the detection gas chamber 35, and provided in the second solid electrolyte layer 31B.
  • the pair of electrodes 316 can be used to detect the oxygen concentration of the detection gas G in the detection gas chamber 35.
  • the heating element 34, the porous layer 37 and the like can be provided.
  • the sensor element body 2 of this form is formed in the shape in which the cross-sectional shape orthogonal to the elongate direction L has substantially square shape.
  • the sensor element body 2 is a pair of first flat surfaces 201 parallel to the first major surface 301 and the second major surface 302, and the first major surface 301 and the fourth major surface along the longitudinal direction L. It has a pair of second flat surfaces 202 perpendicular to the two major surfaces 302. Further, at four corner portions 22 between the first flat surface 201 and the second flat surface 202, tapered surfaces 203 are formed by chamfering. Also, instead of the tapered surface 203, a curved corner 22 may be formed.
  • the porous layer 37 is formed continuously to the pair of first flat surfaces 201, the pair of second flat surfaces 202, and the four tapered surfaces 203.
  • the porous layer 37 immerses the sensor element assembly 2 in a paste material containing a metal oxide and a solvent for forming the porous layer 37, and then takes out the sensor element assembly 2 and adheres to the sensor element assembly 2. It can be formed by drying the paste material.
  • the porous layer 37 can also be formed by spraying the paste material onto the sensor element body 2 and drying the sprayed paste material.
  • the thickness of the porous layer 37 is represented by the average thickness Y.
  • the average thickness Y of the porous layer 37 can be the average thickness Y of the porous layer 37 formed on the pair of first flat surfaces 201, the pair of second flat surfaces 202, and the four tapered surfaces 203.
  • the average thickness Y can be an average value of thicknesses measured at a plurality of portions of each of the pair of first flat surfaces 201, the pair of second flat surfaces 202, and the four tapered surfaces 203.
  • the thickness of the porous layer 37 is measured at ten locations, and the average thickness Y of the porous layer 37 is that of the porous layer 37 on each of the surfaces 201, 202, and 203. It can be an average value of measured values of thickness.
  • the porous layer 37 of the present embodiment is provided on the entire periphery of the distal end side portion of the sensor element body 2. Besides this, the porous layer 37 may be provided only around the exposed surface 321 so as to cover the exposed surface 321 of the diffusion resistance layer 32. In this case, it is assumed that the average thickness Y of the porous layer 37 becomes smaller.
  • the gas sensor 1 is connected to a first insulator 42 for holding the sensor element 2, a housing 41 for holding the first insulator 42, and a first insulator 42 in addition to the sensor element 2 and the like.
  • a second insulator 43 and a contact terminal 44 held by the second insulator 43 and in contact with the sensor element body 2 are provided.
  • the gas sensor 1 is mounted on the distal end side of the housing 41, and on the proximal end side of the housing 41 to cover the second insulator 43, the contact terminals 44, etc.
  • a bush 47 or the like for holding the lead wire 48 connected to the contact terminal 44 on the proximal cover 46.
  • the tip end cover 45 is disposed in the exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • a gas passage hole 451 for passing the exhaust gas as the detection gas G is formed in the front end side cover 45.
  • the distal cover 45 can be of a double structure or a single structure.
  • the exhaust gas as the detection gas G flowing into the front end side cover 45 from the gas passage hole 451 of the front end side cover 45 passes through the porous layer 37 and the diffusion resistance layer 32 of the sensor element body 2 and is conducted to the detection electrode 311 It is eaten.
  • the proximal cover 46 is disposed outside the exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • An air introduction hole 461 for introducing the air as the reference gas A into the proximal end cover 46 is formed in the proximal end cover 46.
  • a filter 462 is disposed which allows the passage of gas while preventing the passage of liquid.
  • the reference gas A introduced into the proximal cover 46 from the air introduction hole 461 is guided to the reference electrode 312 through the gap in the proximal cover 46 and the air duct 36.
  • a plurality of contact terminals 44 are disposed in the second insulator 43 so as to be connected to the electrode lead portion 313 of the detection electrode 311, the electrode lead portion 314 of the reference electrode 312, and the heating element lead portion 342 of the heating element 34. . Further, the lead wire 48 is connected to each of the contact terminals 44.
  • the lead wire 48 in the gas sensor 1 is electrically connected to the sensor control device 6.
  • the sensor control device 6 performs electrical control in the gas sensor 1 in cooperation with the engine control device.
  • An energizing circuit and the like for performing the operation are formed.
  • the sensor control device 6 may be built in the engine control device.
  • the power supply device 5 of the present embodiment is constituted by an energization circuit formed in the sensor control device 6.
  • the energizing circuit is configured to adjust the amount of input power P supplied to the heating element 34.
  • Input electric energy P is suitably changed according to the target temperature which heats detection part 21 of gas sensor 1, and average thickness Y of porous layer 37 by an energization circuit.
  • the amount of input power P [W] is represented by the product of the voltage [V] applied to the heating element 34 and the current [A] flowing through the heating element 34.
  • the power supply device 5 can adjust the amount of input power P to the heating element 34 by changing the voltage applied to the pair of heating element leads 342 of the heating element 34.
  • the input power to the heating element 34 by the power supply device 5 can be obtained by performing PWM (pulse width modulation) or the like.
  • the first relational expression R1 of the present embodiment shows an allowable minimum value of the average thickness Y of the porous layer 37 for maintaining the detection accuracy of the in-cylinder imbalance to a predetermined accuracy, and the porous layer 37 may be covered with water.
  • the experiment was conducted to measure the output fluctuation of the gas sensor 1 when the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 were changed.
  • the output fluctuation of the gas sensor 1 occurs in response to the temperature decrease of the detection unit 21 which is generated when the porous layer 37 of the sensor element body 2 gets wet. It is assumed that the output fluctuation of the gas sensor 1 of the present embodiment is increased in proportion to the temperature decrease of the detection unit 21. Further, the output fluctuation of the gas sensor 1 is indicated by the detection accuracy of the inter-cylinder imbalance.
  • the detection accuracy of the in-cylinder imbalance indicates that the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from each cylinder can be detected separately from the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from other cylinders. In a plurality of cylinders of an internal combustion engine, four strokes of intake, compression, combustion and exhaust are performed at different timings. Then, exhaust gases exhausted from the respective cylinders sequentially flow into the exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • the air-fuel ratio in one of the cylinders is made different from the air-fuel ratio in the remaining cylinders. Then, the amplitude (the difference between the maximum value and the minimum value) of the waveform of the output value of the gas sensor 1 in one combustion cycle in which four strokes are performed for all the cylinders is determined as the imbalance response value.
  • the waveform of the output value of the gas sensor 1 fluctuates with one combustion cycle of the internal combustion engine as one cycle.
  • the imbalance response value changes so that the value becomes better (larger) in accordance with a change in temperature of the detection unit 21 of the gas sensor 1. Further, in the present embodiment, as the temperature of the detection unit 21 increases, the imbalance response value is improved in proportion to the temperature of the detection unit 21. Further, the degree of temperature decrease of the detection unit 21 increases as the average thickness Y of the porous layer 37 decreases.
  • the amount P of input power to the heating element 34 by the power supply device 5 is determined such that the temperature of the detection unit 21 becomes 700 ° C. as the target temperature. Assuming that the imbalance response value when the temperature of the detection unit 21 is 700 ° C. is 100% and the temperature of the detection unit 21 is lower than 700 ° C., the imbalance response value becomes less than 100%, and the imbalance response is The value gets worse. On the other hand, when the temperature of the detection unit 21 becomes higher than 700 ° C., the imbalance response value exceeds 100%, and the imbalance response value is improved.
  • the evaluation reference value of the imbalance response value when evaluating the detection accuracy of the in-cylinder imbalance is ⁇ 0.5% when the imbalance response value is deteriorated within the range of 5 to 10%. In the case of deterioration within the range of 4.5 to 10.5% in consideration of the error range of In this evaluation reference value, in other words, the imbalance response value is in the range of 89.5 to 95.5%. Then, when the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 are changed, regression analysis is performed on data when the imbalance response value is in the range of 89.5 to 95.5%. The first relational expression R1 was determined.
  • FIG. 8 shows the relationship between the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37.
  • the average thickness Y of the porous layer 37 when the input power density X is substituted into the first relational expression R1 is taken as a reference value of the average thickness Y. Then, in the evaluation of the detection accuracy of the in-cylinder imbalance, when the input power density X is specified, the case in which the average thickness Y of the porous layer 37 becomes equal to or more than the reference value of the average thickness Y The balance detection accuracy shall meet the required detection accuracy.
  • the first relational expression R1 is a relational expression showing a reference value of the average thickness Y of the porous layer 37 when the input power density X changes.
  • the rotational speed of the internal combustion engine is set to 1600 rpm (26.7 rps), and the unit in the exhaust pipe is It adjusted so that the gas flow rate per cross-sectional area might be 20 g / s. Then, the fuel injection amount in any one of the plurality of (four in the present embodiment) cylinders of the internal combustion engine is excessively increased as compared with the fuel injection amount in the remaining cylinders.
  • the fuel injection amount of any one cylinder is increased by 40%, the air fuel ratio of any one cylinder is shifted to the fuel rich side with respect to the theoretical air fuel ratio, and the air fuel ratios of the remaining cylinders are The theoretical air fuel ratio was set.
  • the reference value of the average thickness Y of the porous layer 37 is about 92.4 [ ⁇ m. And the smallest.
  • the reference value of the average thickness Y of the porous layer 37 becomes larger as the input power density X becomes smaller.
  • the reference value of the average thickness Y of the porous layer 37 becomes larger as the input power density X becomes larger.
  • the temperature of the detection unit 21 which determines the quality of the imbalance response value changes in accordance with the heat balance between the heat reception amount of the detection unit 21 and the heat release amount of the detection unit 21.
  • the amount of heat received by the detection unit 21 is particularly influenced by the input power density X from the heating unit 341 of the heating element 34 to the detection unit 21 of the sensor element 2. As the input power density X increases, the amount of heat received by the detection unit 21 increases. Further, the amount of heat received by the detection unit 21 is also influenced by the thickness of each part in the sensor element body 2 and the thermal conductivity of each part. As the thickness of each part in the sensor element 2 increases, the heat capacity of each part increases, and the amount of heat received by the detection unit 21 decreases. Further, as the thermal conductivity of each part in the sensor element body 2 increases, the heat conduction in each part improves, and the amount of heat received by the detection part 21 increases.
  • the heat release amount of the detection unit 21 is due to the heat of vaporization (heat of vaporization) when the water adhering to the surface of the porous layer 37 evaporates, particularly when the porous layer 37 covering the detection unit 21 is covered with water. to be influenced. As the heat of evaporation increases, the amount of heat released from the detection unit 21 increases. Further, the heat release amount of the detection unit 21 is influenced by the average thickness Y of the porous layer 37. It is considered that as the average thickness Y of the porous layer 37 increases, the heat capacity of the porous layer 37 increases, the heat retention effect of the porous layer 37 becomes easy to operate, and the heat release amount of the detection unit 21 decreases.
  • the heat release amount of the detection unit 21 is also influenced by the thickness of each portion in the sensor element body 2, the thermal conductivity of each portion, and the like. It is considered that as the thickness of each part in the sensor element body 2 is increased, the heat capacity of each part is increased, and the heat radiation amount of the detection unit 21 is reduced. In addition, it is considered that as the thermal conductivity of each part in the sensor element body 2 becomes larger, the heat conduction in each part is improved and the amount of heat radiation of the detection part 21 becomes larger.
  • the relationship between the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 in the first relational expression R1 is obtained based on actual measurement, and the reason why the first relational expression R1 is obtained is not necessarily clear. is not.
  • the temperature of the detection unit 21 is affected by the water as the average thickness Y of the porous layer 37 decreases. Under the influence, the heat radiation amount of the detection unit 21 becomes large.
  • the relationship in this case is considered to be the relationship in which the average thickness Y of the porous layer 37 can not but be increased as the input power density X decreases.
  • the reason why the relationship of the first relational expression R1 in the case where the input power density X is larger than about 0.29 [W / mm 3 ] is not clear.
  • the reason for this is that, for example, when the input power density X becomes too large, the heat of vaporization in the porous layer 37 also increases, and the average thickness Y of the porous layer 37 must be increased as the input power density X becomes larger. It is thought that the relationship which becomes impossible is formed.
  • the input power density X supplied to the heating element 34 of the sensor element 2 which is optimum for reducing the average thickness Y of the porous layer 37 is around 0.29 [W / mm 3 ]. .
  • the responsiveness of the gas sensor 1 is represented by a response time in which the gas sensor 1 can detect a change in the air-fuel ratio when the air-fuel ratio of the exhaust gas changes.
  • the response time of the gas sensor 1 was 63% response time from when the air fuel ratio of the exhaust gas changes to when the gas sensor 1 detects a change of 63% of the change in air fuel ratio.
  • the 63% response time of the gas sensor 1 has a response time of 600 ms, which is the response time of the existing gas sensor 1, as a reference time, and the case where the response time is equal to or less than the reference time is taken as the case where responsiveness can be ensured.
  • the response time of the gas sensor 1 becomes equal to or less than the reference time. Response (response time) is secured.
  • the time until the activation temperature indicating the sensor characteristic becomes long becomes long. Early activation of is difficult.
  • the early activation of the gas sensor 1 is represented by the activation time of the gas sensor 1.
  • the activation time of the gas sensor 1 was the time from when supply of power to the heating element 34 was started to when the temperature of the detection unit 21 reached 600 ° C. as a predetermined activation temperature.
  • the activation time of the gas sensor 1 is 5 seconds, which is the activation time of the existing gas sensor 1, as a reference time, and the case where the activation time is equal to or less than the reference time is a case where the activation time can be secured.
  • the input power density X [W / mm 3 ] satisfies the third relational expression R3 of 0.17 ⁇ X
  • the activation time of the gas sensor 1 becomes equal to or less than the reference time. Early activation (activation time) is secured.
  • the average thickness Y of the porous layer 37 should be in any range.
  • an indicator of what range the input power density X should be within is also provided.
  • first to fourth relational expressions R1, R2, R3, R4 in which the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 are determined.
  • the first to fourth relational expressions R1, R2, R3 and R4 in this embodiment are also in consideration of the fact that the porous layer 37 gets wet, and are obtained by conducting an experiment.
  • the first relational expression R1 may reduce the average thickness Y of the porous layer 37 in relation to the input power density X.
  • the limit value that can be When the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 satisfy the first relational expression R1, the temperature of the detection unit 21 in the sensor element unit 2 can be appropriately maintained, and detection of imbalance between cylinders Accuracy can be maintained high.
  • an indicator capable of knowing the allowable minimum value of the thickness of the porous layer 37 in relation to the input power density X while maintaining high detection accuracy of imbalance among cylinders. Can be provided.
  • the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 are satisfied so as to satisfy not only the first relation R1 but also the second to fourth relations R2, R3 and R4. Determine Thereby, the responsiveness (response time) of the gas sensor 1, the early activation (activation time) of the gas sensor 1, and the durability of the heating element 34 can be secured. Therefore, by satisfying the first to fourth relational expressions R1, R2, R3 and R4, it is possible to form the gas sensor 1 excellent in various characteristics. Also, when the input power density X to be applied to the heating element 34 of the gas sensor 1 is determined, the average thickness Y may be set within a range so as to make the average thickness Y of the porous layer 37 appropriate. You can know what to do.
  • the gas sensor 1 for determining the average thickness Y of the porous layer 37 It can also be understood as a method of manufacturing In the first to fourth relational expressions R1, R2, R3 and R4, when the average thickness Y of the porous layer 37 is determined, the gas sensor 1 for determining the input power density X to the heating element 34 It can also be understood as how to use
  • the whole of the porous layer 37 in the present embodiment is formed of the same quality ceramics (metal oxide) so as to have the same porosity.
  • a part of the porous layer 37 may be formed of a ceramic different from other parts.
  • the porosity of a part of the porous layer 37 can be made different from the porosity of the other part.
  • the portion of the porous layer 37 disposed on the exposed surface 321 of the diffusion resistance layer 32 may be different in material, porosity, etc., compared to the portion of the porous layer 37 disposed on the other portion. .
  • two porous layers 37 having different porosities can be disposed on the exposed surface 321 of the diffusion resistance layer 32.
  • Table 1 shows the results of measuring the decrease in imbalance response value.
  • samples of the gas sensor 1 in which the input power density X or the average thickness Y of the porous layer 37 appropriately change are shown as “1-1” to “1-12”.
  • the amount of decrease in the imbalance response value is within the range of 4.5 to 10.5%, taking into account an error range of ⁇ 0.5% when the imbalance response value decreases within the range of 5 to 10%.
  • the case where it becomes is set as data at the time of obtaining the first relational expression R1.
  • the evaluation reference value of the imbalance response value at the time of classifying the detection accuracy of the in-cylinder imbalance is indicated by ⁇ in the determination of Table 1.
  • Table 2 shows the results of measurement of the decrease in imbalance response value, 63% response time, activation time, and the presence or absence of disconnection.
  • samples of the gas sensor 1 in which the input power density X or the average thickness Y of the porous layer 37 appropriately change are shown as “2-1” to “2-12”.
  • the determination result is x when the average thickness Y of the porous layer 37 is 850 ⁇ m, and the determination result is ⁇ when the average thickness Y of the porous layer 37 is 750 ⁇ m.
  • analysis of the data revealed that there is a reference value for determining the quality of the 63% response time when the average thickness Y of the porous layer 37 is 800 ⁇ m between 750 ⁇ m and 850 ⁇ m. .
  • the second relational expression R2 of Y ⁇ 800 was obtained as the allowable maximum value of the average thickness Y [ ⁇ m] of the porous layer 37 when the porous layer 37 is provided in the sensor element body 2.
  • activation time (Activation time) Moreover, in determination of Table 2, the case where an activation time is 5 s or less which is a value of the existing gas sensor 1 is shown by the mark of O as a case where the early activation is good. On the other hand, the case where the activation time exceeds 5 seconds which is the value of the existing gas sensor 1 is indicated by the mark of x as the case where the early activation is not good. It also indicates when the activation time can not be measured.
  • the determination result is ⁇ next when input power density X is 0.15 W / mm 3, the determination results when input power density X is 0.2 W / mm 3 or more and ⁇ became. Further, by analyzing the data, input power density X is, when it is 0.17 W / mm 3 between 0.15 W / mm 3 and 0.2 W / mm 3, when determining the good or bad of the active time It turned out that there is a reference value of From this result, as the allowable minimum value of the input power density X to the heating element 34, the third relational expression R3 of 0.17 ⁇ X was obtained.
  • the determination result is x when the input power density X is 0.45 W / mm 3 , and the determination result is ⁇ when the input power density X is 0.4 W / mm 3 or less. It became. Further, by analyzing the data, input power density X is, when it is 0.43 W / mm 3 between 0.4 W / mm 3 and 0.45 W / mm 3, the reference in determining the presence or absence of disconnection It turned out that there is a value. From this result, as the allowable maximum value of the input power density X to the heating element 34, the fourth relation R4 of X ⁇ 0.43 was obtained.
  • the present disclosure is not limited to the embodiments, and may be configured in different embodiments without departing from the scope of the invention.
  • the present disclosure pays particular attention to the relationship between the input power density X and the average thickness Y of the porous layer 37 for the laminated type sensor element body 2, and the individual configurations of the gas sensor 1, the sensor element body 2, etc. Can be changed as appropriate.
  • the present disclosure includes various modifications, modifications within the equivalent range, and the like.

Abstract

ガスセンサは、多孔質層が外面に設けられたセンサ素子体と、センサ素子体における発熱体に電力を投入する電力供給装置とを備える。ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において電力供給装置によって発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積をＶ［ｍｍ3］とする。そして、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値とする。このとき、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］とは、Ｙ≧５０９．３２－２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2の第１関係式（Ｒ１）を満たす。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年１０月３１日に出願された日本の特許出願番号２０１７－２１０４０４号に基づくものであり、その記載内容を援用する。
　本開示は、センサ素子体を覆う多孔質層の平均厚みと、センサ素子体における発熱体へ供給する電力との関係が規定されたガスセンサに関する。
　ガスセンサは、例えば、内燃機関から排気される排ガスにおける酸素濃度又は特定ガス成分濃度を検出するために用いられる。ガスセンサには、検出電極及び基準電極が設けられた固体電解質層と、通電によって発熱する発熱体とが一体化された積層型のセンサ素子体が多く用いられる。また、センサ素子体における固体電解質層の一方の主面には、検出電極を内部に配置する検出ガス室と、検出ガス室へ検出ガスを導入するための拡散抵抗層とが隣接して形成されている。
　また、センサ素子体には、少なくとも拡散抵抗層の露出表面を覆う、又は拡散抵抗層の露出表面を含む全周囲を覆う多孔質層が設けられている。多孔質層は、電極を、被毒物質、水等から保護する目的、あるいはセンサ素子体を、飛散する水から保護する目的で使用される。このような積層型のセンサ素子体に相当するガスセンサ素子としては、例えば、特許文献１，２に記載されたものがある。
　特許文献１のガスセンサ素子においては、表面保護層（多孔質層）が、固体電解質層が活性となる高温時において撥水性を有することにより、表面保護層の厚みを２０～１５０μｍの範囲内にすることが記載されている。また、特許文献２のガスセンサ素子においては、多孔質保護層（多孔質層）を、ヒータによる温度制御時に５００℃以上の温度状態となる積層体の領域に形成することが記載されている。
特開２０１１－１１７９３５号公報 特開２０１６－４８２３０号公報
　特許文献１，２等に記載された従来のガスセンサ又はガスセンサ素子においては、ガスセンサ素子の早期活性化、被水によるクラックの発生の抑制等を考慮して、多孔質層の厚みが決定される。ところが、ガスセンサに要求される本質的な性能には、センサ出力特性としての検出精度及び応答性がある。この検出精度は、センサ素子体における、各電極及び各電極に挟まれた固体電解質層の部分を含む検知部の温度による影響を受ける。そして、一般的には、検知部の温度が高くなるほど、検知部における酸素等の分解反応が促進され、検出精度及び応答性が高くなる傾向にある。
　検知部の温度は、検知部への受熱量と検知部からの放熱量との熱収支に応じて変化する。検知部への受熱量は、特に、発熱体の発熱部から検知部に加えられる投入電力密度による影響を受ける。投入電力密度は、発熱体への投入電力量を、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積によって割った値として示される。一方、検知部からの放熱量は、特に、検知部を覆う多孔質層が被水したときに、多孔質層の表面に付着する水が蒸発する際の蒸発熱（気化熱）による影響を受ける。
　多孔質層の厚みが小さくなるほど、その熱容量が小さくなるため、検知部の温度を目標温度にするための発熱体への投入電力量を小さくできると考えられる。その一方、多孔質層の厚みが小さくなるほど、検知部が蒸発熱による影響を受けやすくなって、検知部からの放熱量が大きくなると考えられる。そのため、多孔質層の厚みが小さくなるほど、検知部の温度を目標温度に維持するための発熱体への投入電力量は大きくする必要が生じるとも考えられる。
　また、多孔質層の厚みが大きくなるほど、検出ガスが検知部に到達しにくくなるといった理由により、ガスセンサの応答性は悪化すると考えられる。そこで、ガスセンサの応答性を高く維持するためには、多孔質層の厚みをできるだけ小さくしたいという要望もある。しかし、発明者らの研究の結果、多孔質層の厚みを小さくし過ぎると、検知部の温度を目標温度にすることが困難になり、ガスセンサの検出精度が悪化することが分かった。
　投入電力量の大きさを決定するためには、前述した熱容量と蒸発熱との相反する要因を考慮する必要がある。そして、発明者らの研究の結果、投入電力量と多孔質層の厚みとの間には、当業者が予測できる範囲を超えた複雑な関係があることが見出された。
　従来のガスセンサ又はガスセンサ素子においては、投入電力量との関係において、多孔質層の厚みをどれだけ小さくすることができるかについての知見はない。従って、検知部の温度を適切に維持して、ガスセンサの検出精度を高く維持するためには、投入電力量と多孔質層の厚みとを適切に決定することができる指標が必要であることが分かった。
　本開示は、検出精度を高く維持して、投入電力密度との関係において、多孔質層の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
　本開示の一態様は、固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面に設けられた検出電極、前記固体電解質層の第２主面に設けられた基準電極、前記固体電解質層の前記第１主面に隣接して前記検出電極を内部に配置するように形成された検出ガス室、前記固体電解質層に積層され、前記検出ガス室へ検出ガスを導入するための拡散抵抗層、前記固体電解質層に積層された絶縁層、前記絶縁層内に埋設され、通電によって発熱する発熱体及び、少なくとも前記拡散抵抗層の露出表面を覆う多孔質層を有するセンサ素子体と、
　前記発熱体に通電を行う電力供給装置と、を備えるガスセンサにおいて、
　前記ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において前記電力供給装置によって前記発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び前記センサ素子体における、前記発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積をＶ［ｍｍ3］とし、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値としたとき、
　前記投入電力密度Ｘと前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］とは、
　Ｙ≧５０９．３２－２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2
　の関係式を満たす、ガスセンサにある。
　前記一態様のガスセンサにおいては、電力供給装置によって発熱体に投入される投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層の平均厚みＹはどれだけ以上にすればよいかの指標を提供する。この指標は、投入電力密度Ｘと多孔質層の平均厚みＹとの関係式によって示される。この関係式は、多孔質層が被水することも考慮したものであり、実験又はシミュレーションを行うことによって得られるものである。
　また、この関係式は、ガスセンサにおける検出精度を維持するために、投入電力密度Ｘとの関係において多孔質層の平均厚みＹを小さくすることができる限界値を規定する。投入電力密度Ｘと多孔質層の平均厚みＹとが前記関係式を満たすことにより、センサ素子体における、各電極及び各電極に挟まれた固体電解質層の部分を含む検知部の温度を適切に維持することができ、ガスセンサの検出精度を高く維持することができる。
　詳細は、後述する実施形態において示されるが、前記関係式は単純ではない。この関係式においては、投入電力密度Ｘが小さくなるほど必要とする多孔質層の平均厚みＹが大きくなる関係と、投入電力密度Ｘが大きくなるほど必要とする多孔質層の平均厚みＹが大きくなる関係とが混在する。検知部の温度を適切に維持して、多孔質層の平均厚みＹをより小さくするためには、投入電力密度Ｘには適切な値があることも確認された。
　前記一態様のガスセンサによれば、ガスセンサの検出精度を高く維持して、投入電力密度との関係において、多孔質層の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができる。
　ガスセンサによるガス検出には、検出電極と基準電極とにおける酸素濃度又は特定ガス成分濃度の差を利用する種々の用途がある。ガス検出の用途の例としては、例えば、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを検出する用途、排ガスから求められる内燃機関の空燃比を定量的に検出する用途、排ガスにおけるＮＯｘ成分濃度を求める用途等がある
　また、ガス検出を行う定常状態は、ガスセンサの始動時に、センサ素子体における検知部の温度が、常温から活性温度になるまでの過渡状態とは異なり、検知部の温度を目標温度としての活性温度に維持する状態のことをいう。言い換えれば、定常状態は、検知部の温度が目標温度に平衡するときの状態ということもできる。検知部の目標温度は、６００～８００℃とすることができる。
　電力供給装置による投入電力量は、投入電力密度とすることによって、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲の体積を考慮した値とすることができる。投入電力密度を維持するためには、センサ素子体における、発熱領域が設けられた長さ範囲の体積が大きいほど、投入電力量も大きくする必要がある。
　「発熱体の発熱領域」とは、発熱体におけるリード部を除き、発熱体における発熱部が蛇行して設けられた領域のことをいう。「センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲」とは、センサ素子体における複数の辺のうちの最も長い辺に沿った長さ方向において、発熱領域が設けられた長さの範囲のことをいう。また、この長さ範囲の体積は、センサ素子体の長さ方向における発熱領域が設けられた範囲の両端を、長さ方向に直交して切断したときに取り出される、発熱体を含むセンサ素子体の一部のブロックの体積とすることができる。また、この長さ範囲の体積には、長さ範囲における多孔質層の体積も含まれることとする。
　多孔質層の厚みは、センサ素子体において多孔質層が設けられる部位によって異なることがある。前記関係式における多孔質層の平均厚みは、多孔質層の全体の厚みの平均値とする。この平均厚みは、理想的には、センサ素子体の各部位に設けられた厚みが異なる多孔質層の部分を、この多孔質層の全体の体積と同一体積を有する厚みが一定の多孔質層に置き換えた場合の厚みとして捉えることができる。実質的には、平均厚みは、多孔質層における、厚みが異なる複数部位の厚みを測定し、この複数部位の厚みの平均値とすることができる。厚みを測定する部位は、例えば、センサ素子体における厚みが異なる１０～１００箇所とすることができる。
　なお、本開示の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
　本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する下記の詳細な記述により、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
実施形態にかかる、ガスセンサを示す断面説明図。 実施形態にかかる、センサ素子体を分解した状態で示す斜視図。 実施形態にかかる、センサ素子体を示す断面図。 実施形態にかかる、センサ素子体における、発熱体の発熱領域が設けられた長さ範囲を示す説明図。 実施形態にかかる、発熱体の発熱領域を示す斜視図。 実施形態にかかる、他の発熱体の発熱領域を示す斜視図。 実施形態にかかる、他のセンサ素子体を示す断面図。 実施形態にかかる、投入電力密度と多孔質層の平均厚みとの第１関係式を示すグラフ。 実施形態にかかる、投入電力密度と多孔質層の平均厚みとの第１～第４関係式を示すグラフ。
　前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
　本形態のガスセンサ１は、図１～図３に示すように、センサ素子体２と、センサ素子体２における発熱体３４に電力を投入する電力供給装置５とを備える。センサ素子体２は、固体電解質層３１、検出電極３１１、基準電極３１２、検出ガス室３５、拡散抵抗層３２、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ、発熱体３４及び多孔質層３７を有する。
　固体電解質層３１は、所定の活性温度において、酸素イオン（酸化物イオン）の伝導性を有するものである。検出電極３１１は、検出ガスＧに晒される電極として、固体電解質層３１の第１主面３０１に設けられている。基準電極３１２は、固体電解質層３１の第２主面３０２に設けられている。第１主面３０１及び第２主面３０２とは、平板状の固体電解質層３１における最も大きな表面積を有する表面（板面）のことをいう。
　図２及び図３に示すように、検出ガス室３５は、固体電解質層３１の第１主面３０１に隣接して、検出電極３１１を内部に配置するように絶縁層３３Ａに囲まれて形成されている。拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１に積層されており、所定の拡散速度で検出ガス室３５へ検出ガスＧを導入するための層である。絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、絶縁性を有する層であり、固体電解質層３１の第１主面３０１及び第２主面３０２に積層されている。発熱体３４は、絶縁層３３Ｂ内に埋設されており、通電によって発熱するものである。多孔質層３７は、センサ素子体２の外面において、少なくとも拡散抵抗層３２の露出表面３２１を覆う位置に設けられている。電力供給装置５は、発熱体３４に通電を行う（電力を供給する）ものである。
　ガスセンサ１においては、ガスセンサ１によるガス検出を行う定常状態において電力供給装置５によって発熱体３４に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び、図４に示すように、センサ素子体２における、発熱体３４の発熱領域３４０が設けられた長さ範囲（Ｌａ）の体積をＶ［ｍｍ3］とする。そして、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値とする。このとき、図８に示すように、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］とは、Ｙ≧５０９．３２－２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2の第１関係式Ｒ１を満たす。
　以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（内燃機関）
　図１に示すように、本形態のガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）から排気される排ガスが流れる排気管に取り付けられる。ガスセンサ１は、排気管内を流れる排ガスを検出ガスＧとするとともに、大気を基準ガスＡとして、ガス検出を行うものである。本形態のガスセンサ１は、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比を求める空燃比センサとして用いられる。以下に、ガスセンサ１によって求める内燃機関の空燃比のことを、排ガスの空燃比ということがある。
　空燃比センサは、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチの状態から、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーンの状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。空燃比センサにおいては、拡散抵抗層３２によって検出ガス室３５へ導かれる検出ガスＧの流速が絞られる際に、検出電極３１１と基準電極３１２との間に、酸素イオンの移動量に応じた電流が出力される限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。
　また、ガスセンサ１によって空燃比を検出する内燃機関は、４気筒、６気筒、８気筒等の多気筒のレシプロエンジンである。このレシプロエンジンの制御装置においては、ガスセンサ１によって検出された空燃比のフィードバックを受けて、各気筒における空燃比を目標とする空燃比に制御することが行われる。各気筒における吸気、圧縮、燃焼、排気の４つの行程が行われるタイミングは適宜異なっており、各気筒から排気管へは異なるタイミングで排ガスが排気される。
　ガスセンサ１は、各気筒から排気管へ所定の順序で排気される排ガスを検出ガスＧとする。そして、エンジン制御装置においては、各気筒における空燃比を求めるためには、ガスセンサ１において求める空燃比が、いずれの気筒から排気された排ガスについての空燃比であるかを検知する必要がある。一般的に、内燃機関においては、気筒間における空燃比のばらつきのことを気筒間インバランスということが多い。
　一方、ガスセンサ１においては、各気筒から排気される排ガスの空燃比を、他の気筒から排気される排ガスの空燃比と区別して検出できる性能のことを、気筒間インバランスの検出精度という。本形態のガスセンサ１の検出精度とは、気筒間インバランスの検出精度のことをいう。本形態の投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第１関係式Ｒ１は、気筒間インバランスの検出精度を所定の精度に維持するための多孔質層３７の平均厚みＹの許容最小値を知るための指標となる。
　排気管内には、排ガスにおけるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための三元触媒が配置されている。エンジン制御装置は、ガスセンサ１による空燃比を用いて、内燃機関の各気筒における空燃比が、三元触媒の触媒活性が効果的に発揮される理論空燃比の近傍に維持されるよう制御する。本形態のガスセンサ１は、排気管における三元触媒の配置位置よりも、排ガスの流れの上流側の位置に配置される。
　なお、ガスセンサ１は、検出電極３１１に接触する検出ガスＧと基準電極３１２に接触する基準ガスＡとの酸素濃度の差により、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかをオン・オフ的に判定する酸素センサとして用いることもできる。また、この場合には、ガスセンサ１は、排気管における三元触媒の配置位置よりも、排ガスの流れの下流側の位置に配置することができる。
　また、ガスセンサ１は、排ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘを検出するＮＯｘセンサとして用いることもできる。
　ガスセンサ１を酸素センサとする場合にも、各気筒における酸素濃度を区別して検出するために、気筒間インバランスの検出精度を良くすることは有効である。また、ガスセンサ１をＮＯｘセンサとする場合にも、各気筒におけるＮＯｘ濃度を区別して検出するために、気筒間インバランスの検出精度を良くすることは有効である。
（センサ素子体２）
　図２及び図３に示すように、センサ素子体２は、固体電解質層３１に、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された状態で焼結された積層タイプのものである。固体電解質層３１は、ジルコニアを主成分とするものであり、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質層３１は、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアから構成することができる。また、検出電極３１１及び基準電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質層３１との共材としての固体電解質を含有している。
　センサ素子体２は、長尺形状に形成されており、検出電極３１１、基準電極３１２、検出ガス室３５、拡散抵抗層３２及び発熱体３４の発熱領域３４０は、長尺方向Ｌの先端側部位に配置されている。センサ素子体２の長尺方向Ｌの先端側部位には、検出電極３１１及び基準電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質層３１の部分とによる検知部２１が形成されている。
　センサ素子体２の長尺方向Ｌとは、センサ素子体２が長尺形状に形成された方向のことをいう。また、長尺方向Ｌに直交し、固体電解質層３１、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長尺方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、図１～図４においては、長尺方向Ｌの先端側をＬ１によって示し、長尺方向Ｌの基端側をＬ２によって示す。
　図２に示すように、検出電極３１１及び基準電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３，３１４が接続されており、この電極リード部３１３，３１４は、長尺方向Ｌの基端側部位まで引き出されている。
　また、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱体リード部３４２は、長尺方向Ｌの基端側部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。
　図２に示すように、発熱部３４１は、発熱体３４における先端部において長尺方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、検出電極３１１に対向する位置に配置されており、検出電極３１１が目標とする温度になるよう、固体電解質層３１、検出電極３１１、基準電極３１２、絶縁層３３Ａ，３３Ｂ等を加熱する。
　発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に、電力供給装置５によって電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が加熱される。
　「発熱体３４の発熱領域３４０」とは、発熱部３４１が蛇行して設けられた領域、言い換えれば、発熱部３４１が長尺方向Ｌ又は幅方向Ｗに３本以上隣り合って配置された領域のことをいう。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに蛇行して形成される以外にも、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱領域３４０は、発熱体３４への通電によって高温になる領域を示す。
　発熱部３４１が蛇行して設けられた領域は、図５に示すように、発熱部３４１の長尺方向Ｌの長さよりも短いことがある。また、発熱部３４１が蛇行して設けられた領域は、図６に示すように、発熱部３４１の長尺方向Ｌの長さとほぼ同じこともある。
　図４に示すように、発熱体３４の発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａは、センサ素子体２における長尺方向Ｌの一部となる。センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの体積Ｖは、センサ素子体２の長さ方向としての長尺方向Ｌにおける発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの両端を、長尺方向Ｌに直交する切断面Ｓにおいて切断したときに取り出される、発熱体３４を含むセンサ素子体２の一部のブロックの体積とする。長さ範囲Ｌａの体積Ｖには、長さ範囲Ｌａにおける多孔質層３７の体積も含まれることとする。
　電力供給装置５による投入電力密度Ｘは、発熱体３４への投入電力量Ｐ、言い換えれば発熱体３４の発熱領域３４０による熱が、センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長さ範囲Ｌａの部分を加熱するために使用されるとして定めたものである。
　図４に示すように、体積Ｖは、センサ素子体２における、発熱領域３４０が設けられた長尺方向Ｌの長さをＬａ［ｍｍ］、センサ素子体２の幅方向Ｗの幅（長さ）をＷａ［ｍｍ］、センサ素子体２の積層方向Ｄの厚み（長さ）をＤａ［ｍｍ］としたとき、Ｌａ×Ｗａ×Ｄａに基づいて定められる。センサ素子体２の長尺方向Ｌに直交する断面における角部２２が、切欠部として切り欠かれている場合には、体積Ｖは、Ｌａ×Ｗａ×Ｄａから、長さＬａの範囲内の切欠部の体積を差し引いた値とすることができる。
　絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、固体電解質層３１の第１主面３０１及び第２主面３０２のいずれにも積層されている。固体電解質層３１の第１主面３０１に積層された第１絶縁層３３Ａは、検出ガス室３５を形成するために積層されており、固体電解質層３１の第２主面３０２に積層された第２絶縁層３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに、発熱体３４を埋設するために積層されている。第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、アルミナ等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂは、気孔を有していない緻密な層として形成されており、検出ガスＧ、基準ガスＡ等のガスを透過させないものである。
　図２及び図３に示すように、検出ガス室３５は、固体電解質層３１の第１主面３０１と第１絶縁層３３Ａと拡散抵抗層３２とによって囲まれて形成されている。本形態の拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１の第１主面３０１に対面する位置であって、検出ガス室３５に対して長尺方向Ｌに直交する幅方向Ｗの両側に対向する位置に配置されている。拡散抵抗層３２は、固体電解質層３１の第１主面３０１に対面する位置であって、検出ガス室３５に対して長尺方向Ｌの先端側から対向する位置に配置してもよい。また、拡散抵抗層３２は、第１絶縁層３３Ａを介して固体電解質層３１の第１主面３０１に積層し、固体電解質層３１の第１主面３０１に検出ガス室３５を介して対向する位置に配置してもよい。
　拡散抵抗層３２は、第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂと同様に、アルミナ等の絶縁性の金属酸化物によって構成されている。拡散抵抗層３２は、所定の拡散速度で検出ガスＧを検出ガス室３５へ導くための複数の気孔を有する多孔質の層として形成されている。拡散抵抗層３２の密度は、第１、第２絶縁層３３Ａ，３３Ｂの密度よりも小さい。
　図２及び図３に示すように、固体電解質層３１の第２主面３０２には、第２絶縁層３３Ｂに囲まれた、基準ガスＡとしての大気が導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、センサ素子体２の長尺方向Ｌの基端位置から、固体電解質層３１を介して検出ガス室３５と対向する位置まで形成されている。基準電極３１２は、大気ダクト３６内における先端側部位に配置されている。
　多孔質層３７は、金属酸化物としてのアルミナによって構成されている。多孔質層３７は、検出電極３１１への被毒物質、及び排気管内に生じる凝縮水等を捕獲するための複数の気孔を有する。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗層３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる検出ガスＧの流量は、拡散抵抗層３２を透過することができる検出ガスＧの流量よりも多い。なお、気孔率とは、単位体積当たりに気孔（空隙）が占める体積割合のことをいう。
　多孔質層３７は、複数の粒子状の金属酸化物が集まって形成されたものであり、複数の粒子状の金属酸化物同士の間に形成された複数の気孔が、水が通過することを妨げる迷路構造を形成する。多孔質層３７は、アルミナから構成する以外にも、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スピネル、酸化亜鉛のうちの少なくとも１種を含むセラミックス（金属酸化物）によって構成することができる。
　本形態に示すセンサ素子体２は、１枚の固体電解質層３１及び大気ダクト３６を有するものである。これ以外にも、センサ素子体２は、例えば、図７に示すように、２枚の固体電解質層３１Ａ，３１Ｂを有するとともに大気ダクト３６を有しないものとしてもよい。この場合には、第１固体電解質層３１Ａに設けられた一対の電極３１５を、検出ガス室３５内の検出ガスＧの酸素濃度を調整するために用い、第２固体電解質層３１Ｂに設けられた一対の電極３１６を、検出ガス室３５内の検出ガスＧの酸素濃度を検出するために用いることができる。この場合においても、図３の場合と同様に、発熱体３４、多孔質層３７等を設けることができる。
　図３及び図４に示すように、本形態のセンサ素子体２は、長尺方向Ｌに直交する断面形状が略四角形状を有する形状に形成されている。センサ素子体２は、長尺方向Ｌに沿った４つの表面であって、第１主面３０１及び第２主面３０２に平行な一対の第１平坦面２０１と、第１主面３０１及び第２主面３０２に垂直な一対の第２平坦面２０２とを有する。また、第１平坦面２０１と第２平坦面２０２との間の４つの角部２２には、面取りによるテーパ面２０３が形成されている。また、テーパ面２０３の代わりに、曲面状の角部２２が形成されていてもよい。
　多孔質層３７は、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３に連続して形成されている。多孔質層３７は、多孔質層３７を形成するための金属酸化物及び溶媒が含まれるペースト材料にセンサ素子体２を浸漬させた後、このセンサ素子体２を取り出し、センサ素子体２に付着したペースト材料を乾燥させることによって形成することができる。また、多孔質層３７は、ペースト材料をセンサ素子体２に噴射し、この噴射されたペースト材料を乾燥させることによって形成することもできる。
　多孔質層３７は、製造方法の関係上、全体が均一になるように形成することは難しい。そのため、多孔質層３７の厚みは、平均厚みＹによって表す。多孔質層３７の平均厚みＹは、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３に形成された多孔質層３７における平均厚みＹとすることができる。この平均厚みＹは、一対の第１平坦面２０１、一対の第２平坦面２０２及び４つのテーパ面２０３の各部位の複数箇所において測定した厚みの平均値とすることができる。また、各面２０１，２０２，２０３においては、例えば、１０箇所ずつ多孔質層３７の厚みを測定し、多孔質層３７の平均厚みＹは、各面２０１，２０２，２０３における多孔質層３７の厚みの測定値の平均値とすることができる。
　本形態の多孔質層３７は、センサ素子体２の先端側部位の全周囲に設けられている。これ以外にも、多孔質層３７は、拡散抵抗層３２の露出表面３２１を覆うよう、露出表面３２１の周囲にのみ設けられていてもよい。この場合には、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなることが想定される。
（ガスセンサ１の他の構成）
　図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子体２等の他に、センサ素子体２を保持する第１インシュレータ４２、第１インシュレータ４２を保持するハウジング４１、第１インシュレータ４２に連結された第２インシュレータ４３、第２インシュレータ４３に保持されてセンサ素子体２に接触する接点端子４４を備える。また、ガスセンサ１は、ハウジング４１の先端側の部分に装着された先端側カバー４５、ハウジング４１の基端側の部分に装着されて第２インシュレータ４３、接点端子４４等を覆う基端側カバー４６、接点端子４４に繋がるリード線４８を基端側カバー４６に保持するためのブッシュ４７等を備える。
　先端側カバー４５は、内燃機関の排気管内に配置される。先端側カバー４５には、検出ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔４５１が形成されている。先端側カバー４５は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。先端側カバー４５のガス通過孔４５１から先端側カバー４５内に流入する検出ガスＧとしての排ガスは、センサ素子体２の多孔質層３７及び拡散抵抗層３２を通過して検出電極３１１へと導かれる。
　図１に示すように、基端側カバー４６は、内燃機関の排気管の外部に配置される。基端側カバー４６には、基端側カバー４６内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ４６２が配置されている。大気導入孔４６１から基端側カバー４６内に導入される基準ガスＡは、基端側カバー４６内の隙間及び大気ダクト３６を通過して基準電極３１２へと導かれる。
　接点端子４４は、検出電極３１１の電極リード部３１３、基準電極３１２の電極リード部３１４、発熱体３４の発熱体リード部３４２のそれぞれに接続されるよう、第２インシュレータ４３に複数配置されている。また、リード線４８は、接点端子４４のそれぞれに接続されている。
　図１に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、センサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、検出電極３１１と基準電極３１２との間に流れる電流を測定する測定回路、検出電極３１１と基準電極３１２との間に電圧を印加する印加回路、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。
　本形態の電力供給装置５は、センサ制御装置６に形成された通電回路によって構成されている。通電回路は、発熱体３４へ供給する投入電力量Ｐを調整するよう構成されている。投入電力量Ｐは、通電回路によって、ガスセンサ１の検知部２１を加熱する目標温度及び多孔質層３７の平均厚みＹに応じて適宜変更される。投入電力量Ｐ［Ｗ］は、発熱体３４に印加する電圧［Ｖ］と、発熱体３４に流れる電流［Ａ］との積によって表される。
　電力供給装置５は、発熱体３４の一対の発熱体リード部３４２に印加する電圧を変更することによって、発熱体３４への投入電力量Ｐを調整することができる。電力供給装置５による発熱体３４への投入電力は、ＰＷＭ（パルス幅変調）等を行ったものとすることができる。
（投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第１関係式Ｒ１）
　本形態の第１関係式Ｒ１は、気筒間インバランスの検出精度を所定の精度に維持するための多孔質層３７の平均厚みＹの許容最小値を示し、多孔質層３７が被水することも考慮して、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させたときのガスセンサ１の出力変動を測定する実験を行って得られたものである。
　ガスセンサ１の出力変動は、センサ素子体２の多孔質層３７が被水することによって発生する検知部２１の温度低下に応じて生じる。本形態のガスセンサ１の出力変動は、検知部２１の温度低下に比例して変動率が大きくなることとする。また、ガスセンサ１の出力変動は、気筒間インバランスの検出精度によって示される。気筒間インバランスの検出精度とは、各気筒から排気される排ガスの空燃比を、他の気筒から排気される排ガスの空燃比と区別して検出できる性能のことを示す。内燃機関の複数の気筒においては、吸気、圧縮、燃焼、排気の４つの行程が、それぞれ異なるタイミングで行われる。そして、内燃機関の排気管へは、各気筒から排気される排ガスが順次流れる。
　本形態においては、気筒間インバランスの検出精度を検出するために、いずれかの気筒における空燃比を残りの気筒における空燃比と異ならせた。そして、全ての気筒について４つの行程が行われる１燃焼サイクルにおけるガスセンサ１の出力値の波形の振幅（最大値と最小値との差）をインバランス応答値として求めた。ガスセンサ１の出力値の波形は、内燃機関の１燃焼サイクルを１周期として変動する。
　インバランス応答値は、ガスセンサ１の検知部２１の温度が上昇する変化に応じて、値が良く（大きく）なるように変化する。また、本形態においては、検知部２１の温度が上昇するほど、検知部２１の温度に比例してインバランス応答値が良くなるものとする。また、検知部２１の温度低下の度合いは、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなるほど大きくなる。
　本形態のガスセンサ１においては、検知部２１の温度が目標温度として７００℃になるように、電力供給装置５による発熱体３４への投入電力量Ｐが決定される。検知部２１の温度が７００℃であるときのインバランス応答値を１００％とし、検知部２１の温度が７００℃よりも低くなる場合にはインバランス応答値が１００％未満となってインバランス応答値が悪化する。一方、検知部２１の温度が７００℃よりも高くなる場合にはインバランス応答値が１００％超過となって、インバランス応答値が向上する。
　また、気筒間インバランスの検出精度の良し悪しを評価するときのインバランス応答値の評価基準値は、インバランス応答値が５～１０％の範囲内で悪化する場合に、±０．５％の誤差範囲を加味して、４．５～１０．５％の範囲内で悪化する場合とした。この評価基準値は、言い換えればインバランス応答値が８９．５～９５．５％の範囲内となる場合とした。そして、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させたときに、インバランス応答値が８９．５～９５．５％の範囲内となった場合のデータについて回帰分析を行って、第１関係式Ｒ１を求めた。
　図８には、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について示す。第１関係式Ｒ１に投入電力密度Ｘを代入したときの多孔質層３７の平均厚みＹを、平均厚みＹの基準値とする。そして、気筒間インバランスの検出精度の評価においては、投入電力密度Ｘが特定される際に、多孔質層３７の平均厚みＹが、平均厚みＹの基準値以上になる場合を、気筒間インバランスの検出精度が必要とされる検出精度を満たすこととする。第１関係式Ｒ１は、投入電力密度Ｘが変化したときの多孔質層３７の平均厚みＹの基準値を示す関係式である。
　検知部２１の温度とインバランス応答値との関係においては、検知部２１の温度が１０℃低下したときには、インバランス応答値が約６％低下し、検知部２１の温度が３０℃低下したときには、インバランス応答値が約１８％低下した。そして、インバランス応答値が８９．５～９５．５％の範囲内となる場合には、検知部２１の温度が７．５～１７．５℃程度低下することになる。
　また、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させてインバランス応答値を求める際には、内燃機関の回転速度を１６００ｒｐｍ（２６．７ｒｐｓ）に設定し、排気管内の単位断面積当たりのガス流量が２０ｇ／ｓとなるように調整した。そして、内燃機関の複数（本形態では４つ）の気筒のうち、いずれか１つの気筒における燃料噴射量を残りの気筒における燃料噴射量に比べて過剰に増加させた。本形態においては、いずれか１つの気筒の燃料噴射量を４０％増加させて、いずれか１つの気筒の空燃比を理論空燃比に対して燃料リッチ側にシフトさせ、残りの気筒の空燃比を理論空燃比とした。
　図８の第１関係式Ｒ１においては、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］になるときに、多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が、約９２．４［μｍ］と最も小さくなる。そして、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも小さい場合には、投入電力密度Ｘが小さくなるに従って多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が大きくなる。また、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも大きい場合には、投入電力密度Ｘが大きくなるに従って多孔質層３７の平均厚みＹの基準値が大きくなる。
　インバランス応答値の良し悪しを決定する検知部２１の温度は、検知部２１の受熱量と検知部２１の放熱量との熱収支に応じて変化する。検知部２１の受熱量は、特に、発熱体３４の発熱部３４１からセンサ素子体２の検知部２１への投入電力密度Ｘによる影響を受ける。投入電力密度Ｘが大きくなるほど、検知部２１の受熱量が大きくなる。また、検知部２１の受熱量は、センサ素子体２における各部の厚み、各部の熱伝導率等による影響も受ける。センサ素子体２における各部の厚みが大きくなるほど、各部の熱容量が増えて、検知部２１の受熱量が小さくなる。また、センサ素子体２における各部の熱伝導率が大きくなるほど、各部における熱伝導が向上して、検知部２１の受熱量が大きくなる。
　一方、検知部２１の放熱量は、特に、検知部２１を覆う多孔質層３７が被水したときに、多孔質層３７の表面に付着する水が蒸発する際の蒸発熱（気化熱）による影響を受ける。蒸発熱が大きくなるほど、検知部２１の放熱量が大きくなる。また、検知部２１の放熱量は、多孔質層３７の平均厚みＹによる影響を受ける。多孔質層３７の平均厚みＹが大きくなるほど、多孔質層３７の熱容量が増えて、多孔質層３７による保温効果が作用しやすくなり、検知部２１の放熱量が小さくなると考えられる。
　また、検知部２１の放熱量は、センサ素子体２における各部の厚み、各部の熱伝導率等による影響も受ける。センサ素子体２における各部の厚みが大きくなるほど、各部の熱容量が増えて、検知部２１の放熱量が小さくなると考えられる。また、センサ素子体２における各部の熱伝導率が大きくなるほど、各部における熱伝導が向上して、検知部２１の放熱量が大きくなると考えられる。
　第１関係式Ｒ１の、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係は、実測に基づいて求められたものであり、第１関係式Ｒ１が得られる理由は必ずしも明確にはなっていない。
　投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも小さい場合における第１関係式Ｒ１の関係においては、多孔質層３７の平均厚みＹが小さくなるほど検知部２１の温度が被水による影響を受けて、検知部２１の放熱量が大きくなる。そして、この場合の関係は、投入電力密度Ｘが小さくなるほど多孔質層３７の平均厚みＹを大きくせざるを得なくなる関係にあると考えられる。
　一方、投入電力密度Ｘが約０．２９［Ｗ／ｍｍ3］よりも大きい場合における第１関係式Ｒ１の関係が得られる理由については明確ではない。この理由としては、例えば、投入電力密度Ｘが大きくなり過ぎる場合には、多孔質層３７における蒸発熱も大きくなり、投入電力密度Ｘが大きくなるほど多孔質層３７の平均厚みＹを大きくせざるを得なくなる関係が形成されると考えられる。
　また、多孔質層３７の平均厚みＹを小さくするために最適な、センサ素子体２の発熱体３４に供給する投入電力密度Ｘは、０．２９［Ｗ／ｍｍ3］付近にあると考えられる。
（投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの第２～第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）
　図９に示すように、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係は、次の第２～第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も満たすことが好ましい。
　多孔質層３７の平均厚みＹを大きくし過ぎると、多孔質層３７の熱容量が増え、ガスセンサ１の応答性が低下する。ガスセンサ１の応答性は、排ガスの空燃比が変化したときに、この空燃比の変化をガスセンサ１が検出することができる応答時間によって表される。
　ガスセンサ１の応答時間は、排ガスの空燃比が変化した時点から、ガスセンサ１によって空燃比の変化の６３％の変化が検出される時点までの６３％応答時間とした。ガスセンサ１の６３％応答時間は、既存のガスセンサ１における応答時間である６００ｍｓを基準時間とし、この基準時間以下である場合を、応答性が確保できる場合とした。そして、図９に示すように、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］が、Ｙ≦８００の第２関係式Ｒ２を満たす場合に、ガスセンサ１の応答時間が基準時間以下となり、ガスセンサ１の応答性（応答時間）が確保される。
　投入電力密度Ｘを小さくし過ぎると、センサ素子体２における検知部２１が発熱体３４の発熱部３４１によって加熱される際に、センサ特性を示す活性温度になるまでの時間が長くなり、ガスセンサ１の早期活性が困難になる。ガスセンサ１の早期活性は、ガスセンサ１の活性時間によって表される。
　ガスセンサ１の活性時間は、発熱体３４への電力の供給を開始した時点から、検知部２１の温度が所定の活性温度としての６００℃になる時点までの時間とした。ガスセンサ１の活性時間は、既存のガスセンサ１における活性時間である５ｓを基準時間とし、この基準時間以下である場合を、活性時間が確保できる場合とした。そして、図９に示すように、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］が、０．１７≦Ｘの第３関係式Ｒ３を満たす場合に、ガスセンサ１の活性時間が基準時間以下となり、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）が確保される。
　投入電力密度Ｘを大きくし過ぎると、センサ素子体２における検知部２１が発熱体３４の発熱部３４１によって加熱される際に、発熱部３４１が発熱量によって断線する可能性が高まる。発熱部３４１の断線は、投入電力密度Ｘが所定の大きさを超えた場合に確認された。具体的には、投入電力密度Ｘが、０．４５［Ｗ／ｍｍ3］を超えた場合に、発熱部３４１に断線が確認された。従って、図９に示すように、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］が、Ｘ≦０．４３の第４関係式Ｒ４を満たす場合に、発熱部３４１に断線が確認されず、発熱部３４１の耐久性が確保される。
（作用効果）
　本形態のガスセンサ１においては、電力供給装置５によって発熱体３４に投入される投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層３７の平均厚みＹが、どのような範囲内にあればよいかの指標を提供する。また、本形態のガスセンサ１においては、投入電力密度Ｘが、どのような範囲内にあればよいかの指標も提供する。
　この指標は、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとが定められる第１～第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によって示される。本形態の第１～第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、多孔質層３７が被水することも考慮したものであり、実験を行って得られたものである。
　また、第１関係式Ｒ１は、ガスセンサ１における検出精度としての気筒間インバランスの検出精度を維持するために、投入電力密度Ｘとの関係において多孔質層３７の平均厚みＹを小さくすることができる限界値を規定する。投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとが第１関係式Ｒ１を満たすことにより、センサ素子体２における検知部２１の温度を適切に維持することができ、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができる。
　それ故、本形態のガスセンサ１によれば、気筒間インバランスの検出精度を高く維持して、投入電力密度Ｘとの関係において、多孔質層３７の厚みの許容最小値を知ることができる指標を提供することができる。
　また、本形態のガスセンサ１においては、第１関係式Ｒ１を満たすだけでなく、第２～第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４も満たすように投入電力密度Ｘ及び多孔質層３７の平均厚みＹを定める。これにより、ガスセンサ１の応答性（応答時間）、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）及び発熱体３４の耐久性を確保することができる。それ故、第１～第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされることにより、諸特性に優れたガスセンサ１を形成することができる。また、ガスセンサ１の発熱体３４へ投入される投入電力密度Ｘが決定されるときには、多孔質層３７の平均厚みＹを適切にするために、この平均厚みＹをどれだけの範囲内で設定すればよいかを知ることができる。
　また、第１～第４関係式Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、発熱体３４への投入電力密度Ｘが定められた場合には、多孔質層３７の平均厚みＹを決定するためのガスセンサ１の製造方法として捉えることもできる。また、第１～第４関係式Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、多孔質層３７の平均厚みＹが定められた場合には、発熱体３４への投入電力密度Ｘを決定するためのガスセンサ１の使用方法として捉えることもできる。
　本形態における多孔質層３７の全体は、同質のセラミックス（金属酸化物）によって、同等の気孔率を有する状態に形成されている。これ以外にも、多孔質層３７の一部は、他の部分と異なるセラミックスによって形成してもよい。また、多孔質層３７の一部の気孔率を、他の部分の気孔率と異ならせることもできる。例えば、拡散抵抗層３２の露出表面３２１に配置される多孔質層３７の部分は、他の部分に配置される多孔質層３７の部分に比べて、材質、気孔率等が異なっていてもよい。拡散抵抗層３２の露出表面３２１には、気孔率が互いに異なる２層の多孔質層３７を配置することもできる。
＜確認試験１＞
　確認試験１においては、第１関係式Ｒ１を求めるために、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを適宜変化させて、気筒間インバランスの検出精度を示すインバランス応答値の低下量を測定した。投入電力密度Ｘは０．１～０．４５［Ｗ／ｍｍ3］の範囲内で変化させ、多孔質層３７の平均厚みＹは５０～８００［μｍ］の範囲内で変化させた。
　表１には、インバランス応答値の低下量を測定した結果を示す。同表には、投入電力密度Ｘ又は多孔質層３７の平均厚みＹが適宜変化するガスセンサ１のサンプルを「１－１」～「１－１２」として示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　インバランス応答値の低下量は、インバランス応答値が５～１０％の範囲内で低下する場合に±０．５％の誤差範囲を加味して、４．５～１０．５％の範囲内となった場合を、第１関係式Ｒ１を求める際のデータとした。この場合は、気筒間インバランスの検出精度の良し悪しを分別するときのインバランス応答値の評価基準値として、表１の判定において△で示す。
　図８には、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係において、インバランス応答値の低下量が４．５～１０．５％の範囲内で低下した場合を△の印で示す。そして、△の印で示される４点について回帰分析を行った結果、第１関係式Ｒ１が得られた。
　また、表１においては、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを変化させる際にインバランス応答値の低下量が４．５％未満となった場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好である場合として○の印で示す。また、インバランス応答値の低下量が１０．５％超過となった場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好でない場合として×の印で示す。また、図８においても同様に、これらの場合を○の印及び×の印で示す。同図においては、第１関係式Ｒ１が満たされる範囲を、斜線のハッチングを行って示す。
　確認試験１の結果に示されるように、ガスセンサ１における投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について、回帰分析を行って求められた第１関係式Ｒ１が満たされる場合には、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができる。
＜確認試験２＞
　確認試験２においては、第２～第４関係式Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を求めるために、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとを適宜変化させて、インバランス応答値の低下量、ガスセンサ１の応答性（６３％応答時間）、ガスセンサ１の早期活性（活性時間）及び発熱体３４の耐久性（発熱部３４１の断線の有無）を測定した。投入電力密度Ｘは０．１５～０．４５［Ｗ／ｍｍ3］の範囲内で変化させ、多孔質層３７の平均厚みＹは１００～８５０［μｍ］の範囲内で変化させた。
　表２には、インバランス応答値の低下量、６３％応答時間、活性時間及び断線の有無を測定した結果を示す。同表には、投入電力密度Ｘ又は多孔質層３７の平均厚みＹが適宜変化するガスセンサ１のサンプルを「２－１」～「２－１２」として示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（インバランス応答値の低下量）
　表２の判定において、インバランス応答値の低下量が４．５％未満である場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好である場合として○の印で示す。一方、インバランス応答値の低下量が１０．５％超過である場合を、気筒間インバランスの検出精度が良好でない場合として×の印で示す。また、インバランス応答値の低下量が４．５～１０．５％の範囲内で低下した場合を△の印で示す。また、インバランス応答値の低下量が測定不能であった場合も示す。
　インバランス応答値の低下量の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．２Ｗ／ｍｍ3であって多孔質層３７の平均厚みＹが１００μｍである場合、及び投入電力密度Ｘが０．４Ｗ／ｍｍ3であって多孔質層３７の平均厚みＹが１００μｍである場合に判定結果が×となった。それ以外の測定結果は、確認試験１の場合と同様である。そして、センサ素子体２に多孔質層３７を設ける際の、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］の許容最小値は、第１関係式Ｒ１に基づいて決定できることが確認された。
（６３％応答時間）
　表２の判定において、６３％応答時間が既存のガスセンサ１の値である６００ｍｓ以下である場合を、応答性が良好である場合として○の印で示す。一方、６３％応答時間が既存のガスセンサ１の値である６００ｍｓ超過である場合を、応答性が良好でない場合として×の印で示す。また、６３％応答時間が測定不能であった場合も示す。
　６３％応答時間の測定結果においては、多孔質層３７の平均厚みＹが８５０μｍである場合に判定結果が×となり、多孔質層３７の平均厚みＹが７５０μｍである場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、多孔質層３７の平均厚みＹが、７５０μｍと８５０μｍとの間の８００μｍである場合に、６３％応答時間の良し悪しを判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、センサ素子体２に多孔質層３７を設ける際の、多孔質層３７の平均厚みＹ［μｍ］の許容最大値として、Ｙ≦８００の第２関係式Ｒ２が得られた。
（活性時間）
　また、表２の判定において、活性時間が既存のガスセンサ１の値である５ｓ以下である場合を、早期活性が良好である場合として○の印で示す。一方、活性時間が既存のガスセンサ１の値である５ｓ超過である場合を、早期活性が良好でない場合として×の印で示す。また、活性時間が測定不能であった場合も示す。
　活性時間の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．１５Ｗ／ｍｍ3である場合に判定結果が×となり、投入電力密度Ｘが０．２Ｗ／ｍｍ3以上である場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、投入電力密度Ｘが、０．１５Ｗ／ｍｍ3と０．２Ｗ／ｍｍ3との間の０．１７Ｗ／ｍｍ3である場合に、活性時間の良し悪しを判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、発熱体３４への投入電力密度Ｘの許容最小値として、０．１７≦Ｘの第３関係式Ｒ３が得られた。
（断線の有無）
　また、表２の判定において、発熱部３４１に断線が生じなかった場合を、発熱体３４の耐久性が良好である場合として○の印で示す。一方、発熱部３４１に断線が生じた場合を、発熱体３４の耐久性が良好でない場合として×の印で示す。
　断線の有無の測定結果においては、投入電力密度Ｘが０．４５Ｗ／ｍｍ3である場合に判定結果が×となり、投入電力密度Ｘが０．４Ｗ／ｍｍ3以下である場合に判定結果が○となった。また、データの解析により、投入電力密度Ｘが、０．４Ｗ／ｍｍ3と０．４５Ｗ／ｍｍ3との間の０．４３Ｗ／ｍｍ3である場合に、断線の有無を判定する際の基準値があることが分かった。この結果より、発熱体３４への投入電力密度Ｘの許容最大値として、Ｘ≦０．４３の第４関係式Ｒ４が得られた。
（総合判定）
　そして、表２においては、総合判定として、インバランス応答値の低下量、６３％応答時間、活性時間及び断線の有無の全ての判定結果が良好である場合を○の印で示し、いずれかの判定結果が良好でない場合を×の印で示す。また、図９の投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係を示すグラフにおいても同様に、総合判定の結果として○の印と×の印で示す。同図においては、第１～第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされる範囲を、斜線のハッチングを行って示す。
　確認試験２の結果に示されるように、ガスセンサ１における投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係について、第１～第４関係式Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が満たされる場合には、気筒間インバランスの検出精度を高く維持することができるだけでなく、ガスセンサ１の応答性、ガスセンサ１の早期活性及び発熱体３４の耐久性も高く維持することができる。
＜他の実施形態＞
　本開示は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。本開示は、特に、積層タイプのセンサ素子体２について、投入電力密度Ｘと多孔質層３７の平均厚みＹとの関係に着目するものであり、ガスセンサ１、センサ素子体２等における個々の構成は適宜変更することができる。また、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

Claims (5)

  1. 　固体電解質層（３１，３１Ａ，３１Ｂ）、前記固体電解質層の第１主面（３０１）に設けられた検出電極（３１１）、前記固体電解質層の第２主面（３０２）に設けられた基準電極（３１２）、前記固体電解質層の前記第１主面に隣接して前記検出電極を内部に配置するように形成された検出ガス室（３５）、前記固体電解質層に積層され、前記検出ガス室へ検出ガス（Ｇ）を導入するための拡散抵抗層（３２）、前記固体電解質層に積層された絶縁層（３３Ａ，３３Ｂ）、前記絶縁層内に埋設され、通電によって発熱する発熱体（３４）及び、少なくとも前記拡散抵抗層の露出表面（３２１）を覆う多孔質層（３７）を有するセンサ素子体（２）と、
    　前記発熱体に通電を行う電力供給装置（５）と、を備えるガスセンサ（１）において、
    　前記ガスセンサによるガス検出を行う定常状態において前記電力供給装置によって前記発熱体に投入される投入電力量をＰ［Ｗ］、及び前記センサ素子体における、前記発熱体の発熱領域（３４０）が設けられた長さ範囲（Ｌａ）の体積をＶ［ｍｍ3］とし、投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］を、Ｘ＝Ｐ／Ｖによって表される値としたとき、
    　前記投入電力密度Ｘと前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］とは、
    　Ｙ≧５０９．３２－２８８４．８９Ｘ＋５０１４．１２Ｘ2
    　の関係式（Ｒ１）を満たす、ガスセンサ。
  2. 　前記多孔質層の平均厚みＹ［μｍ］は、Ｙ≦８００の関係式（Ｒ２）をさらに満たし、
    　前記投入電力密度Ｘ［Ｗ／ｍｍ3］は、０．１７≦Ｘ≦０．４３の関係式（Ｒ３，Ｒ４）を満たす、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　前記固体電解質層の前記第２主面には、前記絶縁層に囲まれた、大気が導入される大気ダクト（３６）が隣接して形成されており、
    　前記基準電極は、前記大気ダクト内に配置されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 　前記センサ素子体は、長尺形状に形成されるとともに、長尺方向（Ｌ）の先端側部位に、前記検出電極、前記基準電極及び前記発熱領域を有し、かつ、前記長尺方向に沿った４つの表面であって、前記第１主面及び前記第２主面に平行な一対の第１平坦面（２０１）と、前記第１主面及び前記第２主面に垂直な一対の第２平坦面（２０２）とを有し、
    　前記多孔質層は、一対の前記第１平坦面及び一対の前記第２平坦面に連続して形成されており、
    　前記多孔質層の平均厚みＹは、一対の前記第１平坦面及び一対の前記第２平坦面に形成された前記多孔質層の平均厚みＹとして求められる、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  5. 　前記多孔質層は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スピネル、酸化亜鉛のうちの少なくとも１種を含むセラミックスに、気孔が形成されたものからなる、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
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