WO2021166549A1 - ガスセンサ素子 - Google Patents

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WO2021166549A1
WO2021166549A1 PCT/JP2021/002193 JP2021002193W WO2021166549A1 WO 2021166549 A1 WO2021166549 A1 WO 2021166549A1 JP 2021002193 W JP2021002193 W JP 2021002193W WO 2021166549 A1 WO2021166549 A1 WO 2021166549A1
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gas
gas sensor
heater
tip
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PCT/JP2021/002193
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朝文 藤井
真 野口
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株式会社デンソー
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    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Definitions

  • the present disclosure relates to a laminated gas sensor element.
  • a gas sensor element configured to output a limit current value, which is a current value generated when a predetermined voltage is applied between the measurement electrode and the reference electrode.
  • a limit current value which is a current value generated when a predetermined voltage is applied between the measurement electrode and the reference electrode.
  • a relational curve between the applied voltage and the output current (hereinafter referred to as a VI curve) is determined according to the concentration of the specific gas in the gas to be measured.
  • the VI curve has a flat portion in which the output current value hardly changes even if the applied voltage changes in a certain applied voltage section.
  • the specific gas concentration in the gas to be measured can be detected based on the limit current value which is the current value of the flat portion.
  • the current value in the flat portion is preferably constant as much as possible, and it is desirable that the current value does not fluctuate as much as possible depending on the applied voltage.
  • the difficulty of fluctuation of the output current due to the applied voltage in the flat portion is called flatness.
  • the gas sensor element by heating and activating the part constituting the sensor cell in the solid electrolyte body to a predetermined temperature, oxygen ions can be conducted and a specific gas concentration can be measured. Therefore, the gas sensor element has a heater for heating the solid electrolyte body.
  • Patent Document 1 discloses a laminated gas sensor element formed by laminating a plurality of ceramic layers, which is configured to introduce a gas to be measured into a chamber from the tip side in the longitudinal direction of the element. ..
  • the gas sensor element configured to introduce the gas to be measured into the chamber from the tip side has the following problems. That is, the gas to be measured introduced into the chamber from the tip side first reaches the vicinity of the tip portion of the measurement electrode. However, if the temperature of the solid electrolyte in the vicinity of the tip of the measurement electrode is not sufficiently high, the oxygen ion conductivity at the site may be low. Then, there is a concern that the specific gas concentration in the chamber varies, and it becomes difficult to secure excellent flatness. If the flatness is low, the output current is likely to differ depending on the applied voltage, and a measurement error is likely to occur.
  • the present disclosure is intended to provide a gas sensor element having excellent flatness.
  • One aspect of the present disclosure is a limit current type configured to stack a plurality of ceramic layers and output a limit current value depending on a specific gas concentration in the gas to be measured when a predetermined voltage is applied.
  • It is a gas sensor element A solid electrolyte with oxygen ion conductivity and A heater that heats the solid electrolyte and The measurement electrode and the reference electrode provided on the solid electrolyte body, and A chamber facing the measurement electrode and into which the gas to be measured is introduced, A gas inlet provided on the tip side of the chamber in the longitudinal direction of the gas sensor element, and It has a diffusion resistance part provided at the gas inlet and The heat generating center of the heater is in the gas sensor element arranged on the tip side of the electrode center of the measuring electrode.
  • the heat generating center of the heater is arranged on the tip side of the electrode center of the measurement electrode. Therefore, it becomes easy to raise the temperature of the solid electrolyte in the vicinity of the tip of the measurement electrode sufficiently. That is, the portion of the solid electrolyte body near the tip of the measurement electrode can be sufficiently activated.
  • the gas to be measured introduced into the chamber from the gas introduction port on the tip side via the diffusion resistance portion can be sufficiently treated in the vicinity of the tip portion of the measurement electrode. That is, the component of the specific gas that has reached the vicinity of the tip of the measurement electrode can be conducted to the reference electrode side as oxygen ions at a sufficient processing speed. Therefore, even if the measurement gas is introduced into the chamber from the tip side, the flatness of the gas sensor element can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the gas sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 3A and 3B are a cross-sectional view taken along the line IIIa-IIIa of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along the line IIIb-IIIb of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution of the heater in the longitudinal direction.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the VI curve.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing how the oxygen ion current moves in the gas sensor element of the comparative form, and a diagram showing the distribution of the oxygen concentration in the chamber.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing how the oxygen ion current moves in the gas sensor element of the first embodiment, and a diagram showing the distribution of the oxygen concentration in the chamber.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the gas sensor element in the comparative form.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element in the comparative form.
  • FIG. 11 is a diagram showing the measurement results of the relationship between the heat generation center position and the flatness in Experimental Example 1.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing the dimensions of each part of the gas sensor element in Experimental Example 1.
  • FIG. 13 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element with the position of the heat generation center as the electrode center.
  • FIG. 41 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element in which the position of the heat generation center is on the tip side of the electrode center.
  • FIG. 15 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is also arranged on the tip side from the tip end of the measurement electrode.
  • FIG. 16 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is arranged on the tip side from the electrode center.
  • FIG. 17 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is arranged on the tip end side of the electrode base end portion.
  • FIG. 18 is a plan explanatory view of the heater in which the heat generating base end portion is arranged on the base end side of the electrode base end portion in the second embodiment.
  • FIG. 19 is a plan explanatory view of the heater according to the third embodiment.
  • FIG. 20 is a plan explanatory view of another heater according to the third embodiment.
  • FIG. 21 is a plan explanatory view of the heater according to the fourth embodiment.
  • FIG. 22 is a plan explanatory view of another heater according to the fourth embodiment.
  • FIG. 23 is a plan explanatory view of still another heater according to the fourth embodiment.
  • FIG. 24 is a plan explanatory view of the heater in the fifth embodiment in which the number of turns is changed.
  • FIG. 25 is a plan explanatory view of the heater folded back so that the uneven shape appears in the width direction in the fifth embodiment.
  • FIG. 26 is a plan explanatory view of a heater in which a part of the wiring width is reduced in the fifth embodiment.
  • FIG. 27 is a plan explanatory view of the heater in the fifth embodiment in which the thickness of a part of the wiring is reduced.
  • FIG. 28 is a plan explanatory view of the heater provided with the plurality of branch wiring portions in the fifth embodiment.
  • FIG. 29 is a development explanatory view of the gas sensor element provided with a plurality of sensor cells in the sixth embodiment.
  • the gas sensor element 1 of this embodiment is formed by laminating a plurality of ceramic layers. Further, the gas sensor element 1 of the present embodiment is a limit current type gas sensor element. That is, the gas sensor element 1 is configured to output a limit current value depending on a specific gas concentration in the gas to be measured when a predetermined voltage is applied.
  • the gas sensor element 1 includes a solid electrolyte body 2, a heater 5, a measurement electrode 31, a reference electrode 32, a chamber 4, a gas introduction port 150, and a diffusion resistance portion 15.
  • the solid electrolyte body 2 has oxygen ion conductivity.
  • the heater 5 heats the solid electrolyte body 2.
  • the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 are provided on the solid electrolyte body 2.
  • the chamber 4 faces the measurement electrode 31 and is a space into which the gas to be measured is introduced.
  • the gas introduction port 150 is provided on the tip end side of the chamber 4 in the longitudinal direction Y of the gas sensor element 1.
  • the diffusion resistance portion 15 is provided at the gas introduction port 150.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 can be defined as the maximum temperature portion when the temperature of the maximum temperature portion is stabilized at 700 ° C. by controlling the energization of the heater 5.
  • the temperature of the heater 5 differs depending on the position Y0 in the longitudinal direction Y and has a distribution. Even if the maximum temperature portion of the heater 5 is stabilized at 700 ° C., the other portions will be less than 700 ° C. Therefore, when the maximum temperature portion of the heater 5 is stabilized at 700 ° C., the position in the longitudinal direction Y that becomes the maximum temperature portion is defined as the heat generation center 5C.
  • the horizontal axis of FIG. 4 indicates the distance Y0 in the longitudinal direction Y from the tip of the gas sensor element 1, and the vertical axis indicates the temperature T.
  • the curve M1 in the figure shows the temperature distribution of the heater 5 in the gas sensor element 1 of the present embodiment. Further, the curve M2 in the figure shows the temperature distribution of the heater 5 in the gas sensor element 9 of the comparative form described later.
  • the 700 ° C. of the maximum temperature portion of the heater 5 described above is the temperature at which the heat generating center 5C of the heater 5 is defined, and does not specify the temperature when the gas sensor element 1 is used.
  • the temperature of the maximum temperature portion can be appropriately set.
  • the temperature of the maximum temperature portion when the gas sensor element 1 is used can be appropriately set in the range of, for example, 600 ° C. to 950 ° C.
  • the temperature of the heater 5 is measured by measuring the gas sensor element 1 from the main surface on the side close to the heater 5 in the stacking direction Z (in this embodiment, the main surface of the heater layer 14 described later) with a thermograph. The temperature that can be obtained.
  • the gas sensor element 1 includes a porous layer covering the surface thereof (for example, a trap layer for capturing a toxic substance)
  • the porous layer is peeled off to expose a dense ceramic layer. And measure the temperature.
  • the gas sensor element 1 has an elongated shape, and a measurement electrode 31 and a reference electrode 32 are formed at positions close to one end in the longitudinal direction Y thereof.
  • the side in the longitudinal direction Y where the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 are provided is called the tip end side, and the opposite side is called the base end side.
  • the direction orthogonal to both the longitudinal direction Y and the stacking direction Z is referred to as the width direction W.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the position 31D on the L / 4 base end side from the tip 31A of the measurement electrode 31.
  • L is the total length of the measurement electrode 31 in the longitudinal direction Y.
  • the tip 5A of the heater 5 is arranged closer to the tip than the tip 31A of the measurement electrode 31.
  • the temperature of the tip 5A of the heater 5 is 600 ° C. or higher when the temperature of the heat generating center 5C is maintained at 700 ° C.
  • the heat generating base end portion 5B of the heater 5 is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
  • the chamber forming layer 11 and the shielding layer 12 are sequentially laminated on the surface of the solid electrolyte body 2 on the side where the measurement electrode 31 is provided. Further, the duct forming layer 13 and the heater layer 14 are sequentially laminated on the surface of the solid electrolyte body 2 on the side where the reference electrode 32 is provided.
  • the chamber forming layer 11 is a ceramic layer formed so as to surround the chamber 4 from a direction orthogonal to the stacking direction Z.
  • the chamber 4 is formed between the chamber forming layer 11, the solid electrolyte body 2, and the shielding layer 12.
  • a diffusion resistance portion 15 is provided in a part of the chamber cambium 11.
  • the diffusion resistance portion 15 is a portion where the gas to be measured is introduced into the chamber 4 while being diffused.
  • the gas introduction port 150 is formed at the tip of the gas sensor element 1.
  • the gas introduction port 150 is open to the tip end side of the gas sensor element 1.
  • a diffusion resistance portion 15 is provided at the gas introduction port 150. That is, the diffusion resistance portion 15 is arranged on the tip end side of the chamber 4.
  • the diffusion resistance portion 15 is made of a porous ceramic. As a result, the gas to be measured is introduced into the chamber 4 from the tip end side of the element.
  • the duct forming layer 13 is a ceramic layer formed so as to cover the duct 6 from the side opposite to the solid electrolyte body 2 and to surround the duct 6 from a direction orthogonal to the stacking direction Z. ..
  • the duct forming layer 13 does not block the proximal end side of the duct 6. That is, the duct 6 is open to the base end portion of the gas sensor element 1.
  • the reference gas is introduced into the duct 6 from the proximal end side of the gas sensor element 1. Then, the reference gas comes into contact with the reference electrode 32 formed so as to face the duct 6.
  • the reference gas is the atmosphere.
  • the solid electrolyte body 2 is a ceramic layer containing zirconia as a main component.
  • the chamber forming layer 11, the shielding layer 12, the duct forming layer 13, and the heater layer 14 are all ceramic layers containing alumina as a main component.
  • the diffusion resistance portion 15 also contains alumina as a main component. However, it is made of a porous ceramic body so that the gas to be measured can permeate.
  • the heater 5 is formed in the heater layer 14. That is, a heater pattern is formed on the surface of the heater layer 14 on the duct forming layer 13 side. As shown in FIG. 3B, the heater 5 has a heater heating unit 51 and a heater lead unit 52. The heater lead portion 52 is connected to the proximal end side of the heater heating portion 51 and extends to the proximal end side. The heater heating unit 51 has a larger conduction resistance than the heater lead unit 52. As a result, when the heater 5 is energized, the heater heating unit 51 mainly generates heat.
  • the heater heating unit 51 has a shape that is folded twice on the tip side and once on the base end side.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 exists at a position close to the tip of the heater heat generating portion 51. A part of the heat of the heater heat generating portion 51 is dissipated through the heater lead portion 52 connected to the proximal end side.
  • the volume of the portion on the tip side of the heater heating portion 51 is relatively small. That is, the heat capacity of the portion on the tip side of the heater heating portion 51 is relatively small. Due to such a factor, the heat generating center 5C is present at a position close to the tip of the heater heating unit 51.
  • the gas sensor element 1 is formed by laminating a plurality of ceramic layers, but in the finished product state, there may be no boundary between the ceramic layers.
  • the boundary between the chamber forming layer 11 and the shielding layer 12 and the boundary between the duct forming layer 13 and the heater layer 14 may not exist.
  • the gas sensor element 1 has a duct 6 facing the reference electrode 32 (see FIGS. 1 and 2).
  • the gas sensor element 1 of this embodiment is configured such that oxygen in the chamber 4 is pumped into the duct 6 by a sensor cell 16 composed of a solid electrolyte body 2, a measurement electrode 31, and a reference electrode 32.
  • the gas sensor element 1 is an A / F sensor element. That is, the gas to be measured is the exhaust gas of an internal combustion engine that burns a mixture of air and fuel. Then, the mixing ratio of air and fuel in the air-fuel mixture can be measured based on the limit current value.
  • the gas sensor element 1 of this embodiment is used by being attached to the exhaust system of an internal combustion engine of a vehicle, for example.
  • the gas sensor element 1 is assembled in a gas sensor provided with a housing, an element cover, and the like (not shown), and then installed in the exhaust system. Then, the exhaust gas flowing through the exhaust system is introduced into the chamber 4 from the gas introduction port 150 of the gas sensor element 1 via the diffusion resistance portion 15 as the gas to be measured. In this state, the concentration of oxygen in the exhaust gas is detected by measuring the current value flowing between the electrodes when a voltage is applied between the measurement electrode 31 and the reference electrode 32.
  • VI curve L1 to L3 as shown in FIG. That is, VI curves (L1 to L3) that differ depending on the partial pressure of the oxygen concentration in the gas to be measured are drawn, but in each VI curve, there is a flat portion F in which the current value hardly changes even if the voltage value rises. Therefore, a stable current value can be obtained by applying a voltage between the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 so that the current value (that is, the limit current value) in the flat portion F can be measured. Then, the oxygen concentration can be detected from this current value, and the air-fuel ratio can be derived.
  • the measurement of these current values and the derivation of the air-fuel ratio can be performed by, for example, an ECU (abbreviation of electronic control unit) mounted on the vehicle based on the detection signal obtained by the gas sensor element 1. Further, the ECU can also control the voltage application between the electrodes and the energization control of the heater 5.
  • ECU abbreviation of electronic control unit
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31. Therefore, it becomes easy to raise the temperature of the solid electrolyte 2 in the vicinity of the tip of the measurement electrode 31 sufficiently. That is, the portion of the solid electrolyte body 2 near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently activated. As a result, the gas to be measured introduced into the chamber 4 from the gas introduction port 150 on the tip side via the diffusion resistance portion 15 can be sufficiently treated in the vicinity of the tip portion of the measurement electrode 31.
  • the component of the specific gas that has reached the vicinity of the tip of the measurement electrode 31 can be conducted to the reference electrode 32 side as oxygen ions at a sufficient processing speed. Therefore, even if the measurement gas is introduced into the chamber 4 from the tip side, the flatness of the gas sensor element 1 can be improved.
  • the responsiveness of the gas sensor element 1 is the mounting posture of the gas sensor (that is, the sensor module incorporating the gas sensor element 1) with respect to the measurement point. Can be less affected by. That is, as described above, the gas sensor element 1 is used by being attached to the exhaust system of the internal combustion engine. In such a case, the gas sensor element 1 is attached in a state where the longitudinal direction Y is orthogonal to the gas flow. At this time, the direction W in the width direction of the gas sensor element 1 with respect to the direction of the gas flow may change depending on the mounting state. However, the direction of the tip with respect to the direction of the gas flow does not change significantly depending on the mounting state. Therefore, the mounting posture of the gas sensor element 1 having the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 at the tip portion does not easily affect the responsiveness.
  • the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 are formed outside the width direction W with respect to the chamber 4, as in the gas sensor element 9 of the comparative form shown in FIGS. 8 and 9 described later.
  • the responsiveness is likely to change depending on the mounting posture of the gas sensor element 9 with respect to the pipe. That is, since the direction W in the width direction of the gas sensor element 9 changes depending on the mounting posture, the direction of the gas introduction port 150 with respect to the gas flow changes depending on the mounting posture.
  • the gas introduction port 150 faces the upstream side of the gas flow, the gas to be measured is easily introduced into the chamber 4.
  • the opening direction of the gas introduction port 150 is arranged so as to be orthogonal to the gas flow, it becomes relatively difficult for the gas to be measured to be introduced into the chamber 4. That is, the ease with which the gas to be measured enters the chamber 4 varies depending on the mounting posture, and the responsiveness varies accordingly.
  • the gas sensor element in which the gas inlet 150 is open to the tip side is less likely to cause the above-mentioned variation in responsiveness, which is advantageous from the viewpoint of responsiveness.
  • the responsiveness is a performance that evaluates the fluctuation of the specific gas concentration in the gas to be measured at the measurement point at the speed detected by the gas sensor element. The faster this detection speed, that is, the faster the response speed, the better the responsiveness.
  • the gas to be measured reaches the vicinity of the tip portion of the measurement electrode 31 after being introduced into the chamber 4. If the temperature of the solid electrolyte 2 is not sufficiently high in the vicinity of the tip of the measurement electrode 31, the activity of the site becomes insufficient. Therefore, as shown in FIG. 6, the moving speed of oxygen ions per unit area becomes small, and the distribution of the specific gas concentration occurs in the longitudinal direction Y in the chamber 4.
  • the arrow O 2- shown in FIG. 6 represents the movement of oxygen ions, and the thickness of the arrow is an image of the moving speed of oxygen ions per unit area. The same applies to the arrow O 2- shown in FIG. 7, which will be described later.
  • oxygen cannot be pumped at a sufficient processing speed near the tip of the measuring electrode 31. Then, the oxygen concentration may be inclined in the chamber 4. When the slope of the oxygen concentration occurs, the flatness of the VI curve described above is lowered. That is, the flat portion of the VI curve is likely to be inclined.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31. Therefore, it is easy to raise the temperature of the solid electrolyte 2 near the tip of the measurement electrode 31. Then, as shown in FIG. 7, the moving speed of oxygen ions per unit area becomes sufficiently high, and oxygen can be pumped at a sufficient processing speed near the tip of the measuring electrode 31. Therefore, as shown in FIG. 7, the inclination of the oxygen concentration in the chamber 4 is less likely to occur. As a result, flatness can be improved.
  • FIGS. 6 and 7 show a configuration in which the base end of the diffusion resistance portion 15 and the tip end 31A of the measurement electrode 31 are provided at the same position in the longitudinal direction Y for convenience of explanation. Then, the distribution of the oxygen concentration in the chamber 4 when the gas sensor element is exposed to the gas to be measured having an oxygen concentration of 20% is also shown in a graph.
  • FIGS. 6 and 7 are schematic views for convenience of explanation, and the graphs shown together with them are also schematic views.
  • the temperature near the tip of the measuring electrode 31 can be increased by increasing the heat generation amount of the heater heating unit 51. May be sufficiently increased.
  • raising the temperature near the tip of the measuring electrode 31 by such a method is disadvantageous from the viewpoint of the durability of the heater 5, the power consumption, and the like. Therefore, in the present embodiment, as described above, the heat generating center 5C is arranged closer to the tip side than the electrode center 31C to effectively improve the flatness.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged from the tip 31A of the measurement electrode 31 to the tip side of the position 31D on the L / 4 base end side. This makes it easier to raise the temperature near the tip of the measurement electrode 31. As a result, the flatness can be further improved.
  • the tip 5A of the heater 5 is arranged on the tip side of the tip 31A of the measurement electrode 31. As a result, the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be increased more reliably. As a result, the flatness can be further improved.
  • the heat generating base end portion 5B of the heater 5 is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31. This makes it easier to maintain the temperature of the solid electrolyte 2 high throughout the measurement electrode 31. As a result, the area of the sensor cell 16 having a sufficient oxygen pumping ability can be increased. As a result, the resistance value Ri (that is, ⁇ V / ⁇ I) up to the flat portion in the VI curve can be suppressed. Thereby, the flat portion in the VI curve can be enlarged. When the flat portion becomes large, the durability of the gas sensor element 1 is improved, and the life of the gas sensor element 1 can be extended. That is, as the use of the gas sensor element 1 is continued, the resistance value Ri gradually increases and the flat portion gradually decreases. If the flat portion becomes too small, it becomes difficult to measure the critical current value. Therefore, making the flat portion as large as possible leads to a longer life of the gas sensor element 1.
  • the measurement electrode 31 fits between the tip 5A of the heater 5 and the heating base end 5B in the longitudinal direction Y. As a result, the flat portion is enlarged and the life is extended.
  • the tip 5A of the heater 5 is set to the base end side from the tip end 31A of the measuring electrode 31, and the heat generating base end portion 5B is set to the base end 31B of the measuring electrode 31. It can also be on the more tip side (see, for example, some of the variations shown in embodiments 2, 3 and 4 described later). As a result, the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised while suppressing power consumption.
  • the gas sensor element 1 of the present embodiment is configured so that the sensor cell 16 composed of the solid electrolyte body 2, the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 can pump oxygen in the chamber 4 to the duct 6. ..
  • the deviation of the applied voltage tends to affect the error of the measurement accuracy. Therefore, it is particularly significant to improve the flatness by improving the position of the heat generating center 5C as described above.
  • the gas sensor element 1 is an A / F sensor element.
  • early activity of A / F sensor elements is an important factor, and there is a tendency to increase the rate of temperature rise. Therefore, in order to increase the heat-resistant stress, the height of the chamber 4 in the stacking direction Z is lowered.
  • the height of the chamber 4 is lowered to 50 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the inclination of the oxygen concentration in the chamber 4 tends to occur, which tends to be disadvantageous in terms of flatness. Therefore, as described above, it is particularly significant to improve the flatness by improving the position of the heat generating center 5C.
  • the present embodiment is a form of the gas sensor element 9 in which the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 are formed outside the width direction W with respect to the chamber 4.
  • the gas sensor element 9 is not provided with a gas introduction port on the tip end side of the chamber 4.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged at a position equivalent to the electrode center 31C of the measuring electrode 31 in the longitudinal direction Y (see the curve M2 in FIG. 4).
  • FIG. 10 shows the VI curve of the gas sensor element 9 of this embodiment.
  • the applied voltage between the electrodes is gradually increased to nearly 1 V, and then the applied voltage is gradually decreased to measure the change in the output current. It was obtained by.
  • the way the output current changes may be slightly different between when the voltage rises and when the voltage drops, and the deviation appears in the VI curve of FIG.
  • FIG. 13 and FIG. 14 which will be described later, the VI curve by each gas sensor element was obtained by the same method.
  • the gas to be measured is introduced into the chamber 4 from the outside in the width direction W. Therefore, the gas to be measured immediately after being introduced into the chamber 4 via the diffusion resistance portion 15 comes into contact with the vicinity of the central portion of the measurement electrode 31 in the longitudinal direction Y. Since this portion is also near the heat generating center 5C of the heater 5, it is in a sufficiently activated state. Therefore, as shown in FIG. 10, the flatness of the VI curve is excellent.
  • the responsiveness tends to fluctuate depending on the mounting posture to the exhaust system.
  • Example 1 In this example, as shown in FIG. 11, the relationship between the position of the heat generating center 5C of the heater 5 and the flatness was investigated. That is, various gas sensor elements having the same configuration as that of the gas sensor element 1 of the first embodiment were prepared as samples except for the position of the heat generating center 5C.
  • the chamber 4, the measuring electrode 31, the gas inlet 150, the diffusion resistance portion 15, and the like have the dimensional relationship shown in FIG.
  • the height of the stacking direction Z of the chamber 4 was set to 20 ⁇ m.
  • a plurality of levels of samples were prepared in which the position of the heat generating center 5C was changed between 1.25 and 2.7 mm as the distance Y1 in the longitudinal direction Y from the tip of the element.
  • the width W2 of the heater heating unit 51 was set to 2.5 mm.
  • the flatness was evaluated for each level of sample.
  • the flatness was evaluated by acquiring VI curves as shown in FIGS. 13 and 14 for each sample.
  • the method of acquiring the VI curve is the same as that of the VI curve of FIG. 10 described above.
  • the difference ⁇ IL (see FIG. 13) between the output current value when the applied voltage was 0.6 V and the output current value when the applied voltage was 0.7 V was used as an index of flatness.
  • the curve may deviate slightly between when the voltage rises and when the voltage falls. In that case, ⁇ IL was measured using the average curve of both.
  • the above measurement was performed 5 times for each level.
  • the evaluation results are shown in FIG.
  • the alternate long and short dash lines 31A, 31D, and 31B shown in the figure indicate distances Y1 corresponding to the respective positions 31A, 31D, and 31B (see FIGS. 1 and 3) of the measurement electrode 31.
  • the ⁇ IL which is an index of flatness is 0.036 mA or less.
  • ⁇ I ⁇ 0.036 mA corresponds to a width of ⁇ 1% of the limit current value of 1.8 mA of the gas sensor element used in this example. That is, it is considered that the gas sensor element satisfying ⁇ I ⁇ 0.036 mA can realize the measurement accuracy within an error of 1%.
  • the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the tip 31A of the measurement electrode 31.
  • 15 to 18 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31.
  • the heat generation center 5C and the heat generation base end portion 5B are also arranged on the tip side of the tip end 31A of the measurement electrode 31.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the tip end 31A of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
  • the heater 5 shown in FIG. 18 has a shape in which the line width of the heater pattern becomes narrower toward the tip end side of the heater heating unit 51. As a result, Joule heat is more likely to be generated at a position closer to the tip of the heater heating unit 51.
  • the heat generating center 5C is set to be closer to the tip side than the tip 31A of the measurement electrode 31.
  • the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved.
  • the heater 5 shown in FIG. 18 is particularly easy to secure a wide flat portion. Therefore, it is easy to extend the service life. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
  • the heating center 5C of the heater 5 is arranged between the tip 31A of the measuring electrode 31 and the electrode center 31C of the measuring electrode 31, and the heating base end 5B is the measuring electrode. It is a form arranged on the tip side of the base end 31B of 31. 19 and 20 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31, respectively.
  • the heating base end portion 5B is arranged on the tip side of the measurement electrode 31 with respect to the electrode center 31C.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the base end 31B of the measurement electrode 31. Others are the same as in the first embodiment.
  • the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
  • the tip 5A of the heater 5 is arranged on the proximal end side of the tip 31A of the measurement electrode 31.
  • 21 to 23 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31.
  • both the tip 5A and the heating base end 5B are arranged between the tip 31A of the measurement electrode 31 and the electrode center 31C.
  • the tip 5A and the heat generation center 5C are arranged between the tip 31A and the electrode center 31C of the measurement electrode 31, and the heat generation base end 5B is the electrode center 31C and the base end 31B of the measurement electrode 31. It is placed between.
  • the tip 5A and the heat generation center 5C are arranged between the tip 31A of the measurement electrode 31 and the electrode center 31C, and the heat generation base end 5B is located closer to the base end side than the base end 31B of the measurement electrode 31. Have been placed. Others are the same as in the first embodiment.
  • the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved.
  • the heater 5 shown in FIG. 23 is particularly easy to secure a wide flat portion. Therefore, it is easy to extend the service life. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
  • FIGS. 24 to 28 variations of the pattern in the heater heating unit 51 of the heater 5 are shown.
  • the heater heating unit 51 shown in FIG. 24 is a form in which the number of turns is changed with respect to the heater heating unit 51 (see FIG. 3) shown in the first embodiment. That is, in the heater 5 of FIG. 24, the number of turns on the tip side is set to 3 times, and the number of turns on the base end side is set to 2 times. It is also possible to adopt the one in which the number of turns is variously changed.
  • the heater heating unit 51 shown in FIG. 25 has a folded shape so that an uneven shape appears in the width direction W.
  • the number of turns can also be changed in various ways.
  • the heater heating unit 51 shown in FIG. 26 has a particularly small wiring width.
  • the heat generating center 5C can be provided between the tip end and the base end of the thin wire portion 511 having a narrowed wiring width.
  • the heater heating unit 51 shown in FIG. 27 has a part of the wiring thickness reduced.
  • the heat generating center 5C can be provided between the tip end and the base end of the thin wire portion 512 having a thin wiring thickness.
  • the heater heating unit 51 shown in FIG. 28 has a plurality of branch wiring units 513 connected in parallel to each other.
  • the branch wiring portion 513 shows two forms, but it is also possible to provide three or more branch wiring portions 513.
  • this embodiment is a form of a gas sensor element 1 including a plurality of electrochemical cells (16, 16N, 16M).
  • a plurality of electrodes are formed on the surface of the solid electrolyte body 2 of the gas sensor element 1 on the chamber 4 side.
  • Each of these plurality of electrodes constitutes an electrochemical cell together with the reference electrode 32 and the solid electrolyte body 2. That is, the gas sensor element 1 of this embodiment has a plurality of electrochemical cells.
  • the heater 5 When a plurality of electrochemical cells are provided in this way, the heater 5 generates heat in relation to the measuring electrode 31 constituting the sensor cell 16 which is the electrochemical cell provided at the position closest to the diffusion resistance portion 15 in the longitudinal direction Y. Define the center 5C.
  • the sensor cell 16 arranged on the most tip side in the longitudinal direction Y is also a pump cell that pumps oxygen in the chamber 4 to the duct 6.
  • the oxygen concentration in the chamber 4 is adjusted by this pump cell.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas is measured by measuring the current value flowing during this pumping and measuring the limit current value. Then, based on this oxygen concentration, the air-fuel ratio (that is, A / F) of the internal combustion engine can be measured.
  • a NOx cell 16N and a monitor cell 16M can be used.
  • the NOx cell 16N has a NOx electrode 31N that is active on NOx (ie, nitrogen oxides).
  • the monitor cell 16M has an oxygen-active monitoring electrode 31M.
  • the monitor cell 16M detects the oxygen concentration in the chamber 4.
  • the NOx concentration in the gas to be measured can be detected based on the oxygen ion current flowing through the NOx cell 16N and the oxygen ion current flowing through the monitor cell 16M. That is, the gas sensor element of this embodiment has a function of detecting the air-fuel ratio (that is, A / F) as well as a function of detecting the NOx concentration.
  • the heat generating center 5C is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 in the sensor cell 16 (which is also a pump cell), which is the electrochemical cell arranged on the most tip side.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end of the NOx electrode 31N.
  • the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end of the monitor electrode 31M.
  • the gas sensor element 1 having a plurality of electrochemical cells as in this embodiment the gas sensor element having excellent flatness can be provided by arranging the position of the heat generating center 5C on the tip side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31. Obtainable. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.

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Abstract

複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子（１）。ガスセンサ素子（１）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、固体電解質体（２）を加熱するヒータ（５）と、固体電解質体（２）に設けられた測定電極（３１）及び基準電極（３２）と、測定電極（３１）に面し被測定ガスが導入されるチャンバ（４）と、長手方向（Ｙ）においてチャンバ（４）の先端側に設けられたガス導入口（１５０）と、ガス導入口（１５０）に設けられた拡散抵抗部（１５）と、を有する。ヒータ（５）の発熱中心（５Ｃ）は、測定電極（３１）の電極中心（３１Ｃ）よりも先端側に配置されている。

Description

ガスセンサ素子 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２０年２月１７日に出願された日本出願番号２０２０－２４０１７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、積層型のガスセンサ素子に関する。
　被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子として、測定電極と基準電極との間に所定の電圧を印加したときに生じる電流値である限界電流値を出力するよう構成されたガスセンサ素子がある。かかる限界電流式のガスセンサ素子においては、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて、印加電圧と出力電流との関係曲線（これを、以下ＶＩ曲線という）が定まる。そして、ＶＩ曲線は、ある印加電圧の区間において、印加電圧が変化しても出力電流値の変化が殆ど生じないフラット部が存在する。このフラット部の電流値である限界電流値に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。一般に、フラット部における電流値は、極力一定であることが好ましく、印加電圧によって極力変動しないような状態が望ましい。フラット部における印加電圧による出力電流の変動のし難さを、フラット性という。
　また、ガスセンサ素子においては、固体電解質体におけるセンサセルを構成する部位を所定の温度に加熱し、活性化させることで、酸素イオンの伝導が可能となり、特定ガス濃度の測定が可能となる。そのために、ガスセンサ素子は、固体電解質体を加熱するためのヒータを有する。
　そして、複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子として、素子の長手方向の先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたものが、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０１６－２０８９４号公報
　先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたガスセンサ素子においては、以下のような課題がある。
　すなわち、先端側からチャンバに導入される被測定ガスは、測定電極の先端部付近に、まず到達する。ところが、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度が充分に高くなっていないと、当該部位における酸素イオン伝導度が低くなる場合がある。そうすると、チャンバ内の特定ガス濃度にばらつきが生じ、優れたフラット性を確保することが困難となることが懸念される。フラット性が低いと、印加電圧によって出力電流に差が生じやすくなり、測定誤差が生じやすくなることとなる。
　本開示は、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供しようとするものである。
　本開示の一態様は、複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子であって、
　酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
　上記固体電解質体を加熱するヒータと、
　上記固体電解質体に設けられた測定電極及び基準電極と、
　上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバと、
　上記ガスセンサ素子の長手方向において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口と、
　上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部と、を有し、
　上記ヒータの発熱中心は、上記測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子にある。
　上記ガスセンサ素子においては、ヒータの発熱中心が、測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体における、測定電極の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口から拡散抵抗部を介してチャンバに導入された被測定ガスを、測定電極の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体を基準電極側へ伝導させることができる。
　それゆえ、先端側からチャンバに測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子のフラット性を高くすることができる。
　以上のごとく、上記態様によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、ガスセンサ素子の断面図であり、 図２は、図１のII－II線矢視断面図であり、 図３は、（ａ）図１のIIIａ－IIIａ線矢視断面図、（ｂ）図１のIIIｂ－IIIｂ線矢視断面図であり、 図４は、長手方向におけるヒータの温度分布を示す線図であり、 図５は、ＶＩ曲線の説明図であり、 図６は、比較形態のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図であり、 図７は、実施形態１のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図であり、 図８は、比較形態における、ガスセンサ素子の説明図であり、 図９は、図８のIX－IX線矢視断面図であり、 図１０は、比較形態における、ガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図であり、 図１１は、実験例１における、発熱中心位置とフラット性との関係の測定結果を示す線図であり、 図１２は、実験例１における、ガスセンサ素子の各部の寸法を示す説明図であり、 図１３は、発熱中心の位置を電極中心としたガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図であり、 図４１は、発熱中心の位置を電極中心よりも先端側としたガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す線図であり、 図１５は、実施形態２における、発熱基端部も測定電極の先端より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、 図１６は、実施形態２における、発熱基端部が電極中心より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、 図１７は、実施形態２における、発熱基端部が電極基端部より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、 図１８は、実施形態２における、発熱基端部が電極基端部より基端側に配されたヒータの平面説明図であり、 図１９は、実施形態３における、ヒータの平面説明図であり、 図２０は、実施形態３における、他のヒータの平面説明図であり、 図２１は、実施形態４における、ヒータの平面説明図であり、 図２２は、実施形態４における、他のヒータの平面説明図であり、 図２３は、実施形態４における、さらに他のヒータの平面説明図であり、 図２４は、実施形態５における、折返し回数を変更したヒータの平面説明図であり、 図２５は、実施形態５における、幅方向に凹凸形状が表れるように折り返したヒータの平面説明図であり、 図２６は、実施形態５における、一部の配線幅を小さくしたヒータの平面説明図であり、 図２７は、実施形態５における、一部の配線厚みを小さくしたヒータの平面説明図であり、 図２８は、実施形態５における、複数の分岐配線部を設けたヒータの平面説明図であり、 図２９は、実施形態６における、センサセルを複数備えたガスセンサ素子の展開説明図である。
（実施形態１）
　ガスセンサ素子に係る実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
　本形態のガスセンサ素子１は、複数のセラミック層を積層してなる。また、本形態のガスセンサ素子１は、限界電流式のガスセンサ素子である。すなわち、ガスセンサ素子１は、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成されている。
　ガスセンサ素子１は、図１～図３に示すごとく、固体電解質体２と、ヒータ５と、測定電極３１及び基準電極３２と、チャンバ４と、ガス導入口１５０と、拡散抵抗部１５と、を有する。
　固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有する。ヒータ５は、固体電解質体２を加熱する。測定電極３１及び基準電極３２は、固体電解質体２に設けられている。チャンバ４は、測定電極３１に面し被測定ガスが導入される空間である。ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の長手方向Ｙにおいてチャンバ４の先端側に設けられている。拡散抵抗部１５は、ガス導入口１５０に設けられている。
　図１、図３に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。ここで、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、ヒータ５への通電制御を行って最高温度部位の温度を７００℃にて安定させたときの当該最高温度部位として、定義することができる。
　すなわち、ヒータ５の温度は、図４に示すごとく、長手方向Ｙの位置Ｙ０によって異なり、分布を有する。ヒータ５の最高温度部位を７００℃にて安定させても、他の部位は、７００℃未満となる。そこで、ヒータ５の最高温度部位が７００℃にて安定させたときに、当該最高温度部位となる、長手方向Ｙの位置を、発熱中心５Ｃと定義する。
　なお、図４の横軸は、ガスセンサ素子１の先端からの長手方向Ｙの距離Ｙ０を示し、縦軸が温度Ｔを示す。同図の曲線Ｍ１は、本形態のガスセンサ素子１におけるヒータ５の温度分布を示す。また、同図の曲線Ｍ２は、後述する比較形態のガスセンサ素子９におけるヒータ５の温度分布を示す。
　上述したヒータ５の最高温度部位の７００℃は、あくまでもヒータ５の発熱中心５Ｃを定義する際の温度であり、ガスセンサ素子１の使用時の温度を規定するものではない。ガスセンサ素子１を使用する場合、最高温度部位の温度は適宜設定することができる。ガスセンサ素子１の使用時における最高温度部位の温度は、例えば、６００℃～９５０℃の範囲にて適宜設定することができる。
　また、ヒータ５の温度は、ガスセンサ素子１を、積層方向Ｚにおいてヒータ５に近い側の主面（本形態においては、後述するヒータ層１４の主面）から、サーモグラフにて測定することにより得られる温度である。このとき、ガスセンサ素子１が、その表面を覆う多孔質層（例えば、被毒物質を捕捉するトラップ層）を備える場合は、当該多孔質層を剥がして、緻密なセラミック層を露出させた状態にて、温度測定を行う。
　ガスセンサ素子１は長尺形状を有し、その長手方向Ｙの一端に近い位置に、測定電極３１及び基準電極３２が形成されている。長手方向Ｙにおける、測定電極３１及び基準電極３２が設けられた側を、先端側、その反対側を基端側という。また、長手方向Ｙ及び積層方向Ｚの双方に直交する方向を、幅方向Ｗという。
　図１、図３に示すごとく、本形態において、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の先端３１ＡからＬ／４基端側の位置３１Ｄよりも先端側に配置されている。ここで、Ｌは、長手方向Ｙにおける測定電極３１の全長である。
　ヒータ５の先端５Ａは、測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置されている。なお、本形態において、ヒータ５の先端５Ａは、発熱中心５Ｃの温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる。
　ヒータ５の発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。ここで、発熱基端部５Ｂは、ヒータ５における、発熱中心５Ｃの温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である。
　すなわち、図４において、曲線Ｍ１が、直線Ｔ＝６００と交わる点における距離Ｙ１が、発熱基端部５Ｂの素子先端からの距離に相当する。
　本形態のガスセンサ素子１においては、図１、図２に示すごとく、固体電解質体２における測定電極３１を設けた側の面に、チャンバ形成層１１と遮蔽層１２とを順次積層してある。また、固体電解質体２における基準電極３２を設けた側の面に、ダクト形成層１３とヒータ層１４とが順次積層してある。
　チャンバ形成層１１は、積層方向Ｚに直交する方向からチャンバ４を囲むように形成されたセラミック層である。チャンバ形成層１１と、固体電解質体２と遮蔽層１２との間に、チャンバ４が形成される。なお、図１、図３（ａ）に示すごとく、チャンバ形成層１１の一部には、拡散抵抗部１５が設けられている。拡散抵抗部１５は、被測定ガスを拡散させながらチャンバ４に導入する部位である。
　ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の先端部に形成されている。そして、ガス導入口１５０は、ガスセンサ素子１の先端側に開口している。このガス導入口１５０に、拡散抵抗部１５が設けられている。すなわち、チャンバ４の先端側に拡散抵抗部１５が配置されている。拡散抵抗部１５は、多孔質のセラミックからなる。これにより、素子の先端側から被測定ガスをチャンバ４に導入するよう構成されている。
　ダクト形成層１３は、図１，図２に示すごとく、ダクト６を固体電解質体２と反対側から覆うと共に、積層方向Ｚに直交する方向からダクト６を囲むように形成されたセラミック層である。ただし、ダクト形成層１３は、ダクト６の基端側を塞いでいない。すなわち、ダクト６は、ガスセンサ素子１の基端部に開口している。これにより、基準ガスは、ガスセンサ素子１の基端側からダクト６に導入される。そして、基準ガスは、ダクト６に面して形成された基準電極３２に接する。本形態において、基準ガスは大気である。
　固体電解質体２は、ジルコニアを主成分とするセラミック層である。チャンバ形成層１１、遮蔽層１２、ダクト形成層１３、ヒータ層１４は、いずれもアルミナを主成分とするセラミック層である。拡散抵抗部１５も、アルミナを主成分とする。ただし、被測定ガスを透過させることができるよう、多孔質のセラミック体からなる。
　ヒータ５は、ヒータ層１４に形成されている。すなわち、ヒータ層１４におけるダクト形成層１３側の面に、ヒータパターンが形成されている。図３（ｂ）に示すごとく、ヒータ５は、ヒータ発熱部５１とヒータリード部５２とを有する。ヒータリード部５２は、ヒータ発熱部５１の基端側に接続され、基端側へ延設されている。ヒータ発熱部５１は、ヒータリード部５２よりも導通抵抗が大きい。これにより、ヒータ５に通電したとき、主にヒータ発熱部５１が発熱する。
　本形態においては、ヒータ発熱部５１は、先端側にて２回、基端側にて１回折り返した形状を有する。ヒータ５の発熱中心５Ｃは、ヒータ発熱部５１の中でも、先端に近い位置に存在する。ヒータ発熱部５１の熱の一部は、基端側に接続されたヒータリード部５２を介して放熱される。また、ガスセンサ素子１において、ヒータ発熱部５１よりも先端側の部位は比較的体積が小さい。すなわち、ヒータ発熱部５１よりも先端側の部位は、熱容量が比較的小さい。このような要因から、ヒータ発熱部５１の中でも先端に近い位置に発熱中心５Ｃが存在することとなる。
　ガスセンサ素子１は、複数のセラミック層を積層してなるが、完成品の状態において、各セラミック層の間の境界が存在しない場合もある。例えば、チャンバ形成層１１と遮蔽層１２との間の境界、ダクト形成層１３とヒータ層１４との境界は、存在しない場合がある。
　上述のように、ガスセンサ素子１は、基準電極３２が面するダクト６を有する（図１、図２参照）。本形態のガスセンサ素子１は、固体電解質体２と測定電極３１と基準電極３２とによって構成されたセンサセル１６によって、チャンバ４内の酸素がダクト６にポンピングされるよう構成されている。
　本形態において、ガスセンサ素子１は、Ａ／Ｆセンサ素子である。すなわち、被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスである。そして、限界電流値を基に混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成されている。
　本形態のガスセンサ素子１は、例えば車両の内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。なお、ガスセンサ素子１は、図示を省略するハウジング、素子カバー等を備えたガスセンサ内に組付けられたうえで、排気系に設置される。そして、排気系を流通する排ガスが、被測定ガスとして、ガスセンサ素子１のガス導入口１５０から拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入される。この状態において、測定電極３１と基準電極３２との間に電圧を印加したときに電極間に流れる電流値を測定することにより、排ガス中の酸素の濃度を検出する。
　この電圧値と電流値との関係は、図５に示すようなＶＩ曲線（Ｌ１～Ｌ３）を描く。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度の分圧によって異なるＶＩ曲線（Ｌ１～Ｌ３）を描くが、各ＶＩ曲線において、電圧値が上昇しても電流値がほとんど変化しないフラット部Ｆが存在する。したがって、このフラット部Ｆにおける電流値（すなわち限界電流値）が測定できるような電圧を測定電極３１と基準電極３２との間に印加することにより、安定した電流値が得られる。そして、この電流値から酸素濃度を検出することができ、ひいては空燃比を導き出すことができる。
　これらの電流値の測定や空燃比の導出は、ガスセンサ素子１にて得られた検出信号を基に、例えば、車両に搭載されたＥＣＵ（電子制御ユニットの略）にて行うことができる。また、電極間への電圧印加の制御、ヒータ５への通電制御等も、ＥＣＵにて行うことができる。
　次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
　上記ガスセンサ素子１においては、ヒータ５の発熱中心５Ｃが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極３１の先端部付近における固体電解質体２の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体２における、測定電極３１の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口１５０から拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入された被測定ガスを、測定電極３１の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極３１の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体２を基準電極３２側へ伝導させることができる。
　それゆえ、先端側からチャンバ４に測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子１のフラット性を高くすることができる。
　また、チャンバ４の先端側にガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５を設けているため、ガスセンサ素子１の応答性が、測定箇所に対するガスセンサ（すなわち、ガスセンサ素子１を内蔵したセンサモジュール）の取付姿勢に影響され難くすることができる。すなわち、上述のように、ガスセンサ素子１は、内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。かかる場合において、ガスセンサ素子１は、ガス流れに対して長手方向Ｙが直交するような状態にて、取り付けられる。このとき、ガス流れの向きに対して、ガスセンサ素子１の幅方向Ｗの向きが、取付状態によって変わることはある。しかし、ガス流れの向きに対する先端部の向きが取付状態によって大きく変わることはない。それゆえ、先端部にガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５を有するガスセンサ素子１は、取付姿勢が応答性に影響し難い。
　これに対して、後述の図８、図９に示す比較形態のガスセンサ素子９のように、ガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５が、チャンバ４に対して幅方向Ｗの外側に形成されている場合には、配管に対するガスセンサ素子９の取付姿勢によって、応答性が変わりやすい。つまり、ガスセンサ素子９の幅方向Ｗの向きが取付姿勢によって変わるため、取付姿勢によって、ガス流れに対するガス導入口１５０の向きが変わることとなる。そして、ガス導入口１５０の向きが、ガス流れの上流側を向いた場合には、被測定ガスがチャンバ４に導入されやすくなる。一方、ガス導入口１５０の開口方向がガス流れに対して直交するように配された場合には、比較的被測定ガスがチャンバ４に導入され難くなる。つまり、取付姿勢によって、チャンバ４への被測定ガスの入りやすさが変動し、これに伴い、応答性が変動することとなる。
　ガス導入口１５０が先端側に開口しているガスセンサ素子は、上記のような応答性のバラツキが生じにくく、応答性の観点では有利となる。なお、応答性は、測定箇所における被測定ガス中の特定ガス濃度の変動を、ガスセンサ素子が検出する速度にて評価される性能である。この検出速度、すなわち応答速度が速いほど、応答性に優れている。
　ところが、先端側からガスがチャンバ４に導入される構造の場合、被測定ガスはチャンバ４に導入された後、測定電極３１の先端部付近に到達することとなる。この測定電極３１の先端部付近において、仮に固体電解質体２の温度が充分に高くなっていないと、当該部位の活性が不充分となる。それゆえ、図６に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が小さくなり、チャンバ４内において、特定ガス濃度の分布が、長手方向Ｙに生じてしまう。図６に示す矢印Ｏ2-は、酸素イオンの移動を表し、矢印の太さが単位面積当たりの酸素イオンの移動速度をイメージしている。後述する図７に示す矢印Ｏ2-についても同様である。
　つまり、測定電極３１の先端部付近において、充分な処理速度にて酸素をポンピングできなくなる。そうすると、チャンバ４内において、酸素濃度の傾斜が生じるおそれがある。かかる酸素濃度の傾斜が生じると、上述したＶＩ曲線のフラット性が低下する。つまり、ＶＩ曲線のフラット部が、傾斜しやすくなる。
　そこで、本形態のガスセンサ素子１においては、ヒータ５の発熱中心５Ｃを、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置している。それゆえ、測定電極３１の先端部付近における固体電解質体２の温度を高くしやすい。そうすると、図７に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が充分に大きくなり、測定電極３１の先端部付近において充分な処理速度にて酸素をポンピングすることができる。それゆえ、図７に示すごとく、チャンバ４内における酸素濃度の傾斜が生じにくくなる。その結果、フラット性を向上させることができる。
　なお、図６、図７は、説明の便宜上、拡散抵抗部１５の基端と測定電極３１の先端３１Ａとが、長手方向Ｙの同位置に設けた構成を示している。そして、ガスセンサ素子が酸素濃度２０％の被測定ガスに曝されたときのチャンバ４内の酸素濃度の分布をグラフにて併記している。また、あくまでも、図６、図７は、説明の便宜のための模式図であり、これらに併記したグラフも概略図である。
　なお、ヒータ５の発熱中心５Ｃが、電極中心３１Ｃと同じ位置もしくはそれよりも基端側であっても、ヒータ発熱部５１の発熱量を大きくすることで、測定電極３１の先端部付近の温度を充分に高めることが可能な場合もある。しかし、このような手法にて測定電極３１の先端部付近の温度を高めることは、ヒータ５の耐久性、消費電力等の観点において、不利となる。そこで、本形態においては、上述のように、発熱中心５Ｃを電極中心３１Ｃよりも先端側に配置することで、効果的にフラット性を向上させている。
　本形態においては、図１、図２に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、測定電極３１の先端３１ＡからＬ／４基端側の位置３１Ｄよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極３１の先端部付近の温度を高くしやすくなる。その結果、フラット性をより向上させやすくすることができる。
　ヒータ５の先端５Ａは、測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極３１の先端部付近の温度をより確実に高くすることができる。その結果、フラット性をより向上させることができる。
　ヒータ５の発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。これにより、測定電極３１の全体にわたり、固体電解質体２の温度を高く維持しやすくなる。その結果、センサセル１６のうち、充分な酸素ポンピング能力を有する領域の面積を大きくすることができる。その結果、ＶＩ曲線におけるフラット部に至るまでの抵抗値Ｒｉ（すなわちΔＶ／ΔＩ）を抑制することができる。これにより、ＶＩ曲線におけるフラット部を大きくすることができる。このフラット部が大きくなると、ガスセンサ素子１の耐久性が向上し、長寿命化を図ることができる。すなわち、ガスセンサ素子１の使用の継続により、抵抗値Ｒｉは徐々に大きくなり、フラット部が徐々に小さくなる。フラット部が小さくなりすぎると、限界電流値を測定することが困難となる。それゆえ、フラット部を極力大きくしておくことが、ガスセンサ素子１の長寿命化につながる。
　なお、本形態においては、長手方向Ｙにおいてヒータ５の先端５Ａと発熱基端部５Ｂとの間に測定電極３１が収まる。これにより、フラット部を大きくし、長寿命化が図られている。ただし、発熱中心５Ｃを電極中心３１Ｃより先端側に設けたうえで、ヒータ５の先端５Ａを測定電極３１の先端３１Ａより基端側としたり、発熱基端部５Ｂを測定電極３１の基端３１Ｂより先端側としたりすることもできる（例えば、後述する実施形態２、３、４に示すバリエーションの一部を参照）。これにより、消費電力を抑制しつつ測定電極３１の先端部付近の温度を充分に上昇させることができる。
　また、本形態のガスセンサ素子１は、固体電解質体２と測定電極３１と基準電極３２とによって構成されたセンサセル１６が、チャンバ４内の酸素をダクト６にポンピングすることができるよう構成されている。かかる構成のガスセンサ素子１は、一般に、印加電圧のずれが、測定精度の誤差に影響しやすい。それゆえ、上述のような発熱中心５Ｃの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。
　また、本形態において、ガスセンサ素子１は、Ａ／Ｆセンサ素子である。Ａ／Ｆセンサ素子は、一般に、早期活性が重要な要素となり、昇温速度を高くする傾向にある。そのため、耐熱応力を高めるべく、積層方向Ｚのチャンバ４の高さを低くする。例えば、チャンバ４の高さを５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下と、低くする。そうすると、上述のような、チャンバ４内における酸素濃度の傾斜が生じやすくなり、フラット性において不利となりやすい。そこで、上述のように、発熱中心５Ｃの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。
　以上のごとく、本形態によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。
（比較形態）
　本形態は、図８、図９に示すごとく、ガス導入口１５０及び拡散抵抗部１５が、チャンバ４に対して幅方向Ｗの外側に形成されているガスセンサ素子９の形態である。
　ガスセンサ素子９においては、チャンバ４の先端側にはガス導入口を設けていない。また、ヒータ５の発熱中心５Ｃは、長手方向Ｙにおいて、測定電極３１の電極中心３１Ｃと同等の位置に配置されている（図４の曲線Ｍ２参照）。
　なお、図１０に、本形態のガスセンサ素子９によるＶＩ曲線を示す。このＶＩ曲線は、ガスセンサ素子を大気中に配置した状態において、電極間への印加電圧を１Ｖ近くまで徐々に上昇させた後、印加電圧を徐々に下降させて、出力電流の変化を測定することにより得たものである。電圧上昇時と電圧下降時とでは、出力電流の変化の仕方が若干異なることがあり、そのずれが、図１０のＶＩ曲線において表れている。なお、後述する図１３、図１４についても、同様の手法にて、それぞれのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を得たものである。
　その他は、実施形態１と同様である。なお、本形態において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
　本形態においては、被測定ガスは、幅方向Ｗの外側からチャンバ４内に導入される。それゆえ、拡散抵抗部１５を介してチャンバ４に導入された直後の被測定ガスは、測定電極３１における、長手方向Ｙの中央部付近に接する。この部分は、ヒータ５の発熱中心５Ｃ付近でもあるため、充分に活性化した状態にある。それゆえ、図１０に示すごとく、ＶＩ曲線のフラット性に関しては優れている。ただし、上述したように、排気系への取付姿勢によって応答性が変動しやすいという課題を有している。
（実験例１）
　本例においては、図１１に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃの位置と、フラット性との関係につき調べた。
　すなわち、発熱中心５Ｃの位置以外は、実施形態１のガスセンサ素子１と同様の構成の種々のガスセンサ素子を、試料として用意した。
　具体的に試料として作製したガスセンサ素子において、チャンバ４、測定電極３１、ガス導入口１５０、拡散抵抗部１５等は、図１２に示す寸法関係を有する。チャンバ４の積層方向Ｚの高さは２０μｍとした。そして、発熱中心５Ｃの位置を、素子先端からの長手方向Ｙの距離Ｙ１として、１．２５～２．７ｍｍの間にて変更した複数水準の試料を用意した。なお、距離Ｙ１＝２．７ｍｍの位置は、測定電極３１の電極中心３１Ｃの位置でもある。また、ヒータ発熱部５１の幅Ｗ２は、２．５ｍｍとした。
　各水準の試料につき、フラット性を評価した。フラット性の評価にあたっては、図１３、図１４に示すようなＶＩ曲線を、各試料について取得することにより行った。ＶＩ曲線の取得の仕方は、上述した図１０のＶＩ曲線と同様である。なお、図１３は、Ｙ１＝２．７ｍｍのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す。図１４は、Ｙ１＝１．２５ｍｍのガスセンサ素子によるＶＩ曲線を示す。
　そして、印加電圧０．６Ｖのときの出力電流値と、印加電圧０．７Ｖのときの出力電流値との差ΔＩＬ（図１３参照）を、フラット性の指標とした。なお、ＶＩ曲線によっては電圧上昇時と電圧下降時とで、曲線が若干ずれることもあるが、その場合は、両者の平均の曲線を用いてΔＩＬを測定した。また、各水準５回ずつ、上記の測定を行った。評価結果を、図１１に示す。同図に示す一点鎖線３１Ａ、３１Ｄ、３１Ｂは、測定電極３１の各位置３１Ａ、３１Ｄ、３１Ｂ（図１、図３参照）に相当する距離Ｙ１を示している。
　同図に示すように、発熱中心５Ｃの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、ΔＩＬが小さくなっている。すなわち、発熱中心５Ｃの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、フラット性が向上することが分かる。そして、発熱中心５Ｃの位置が電極中心３１Ｃの位置にあるものよりも、発熱中心５Ｃの位置が電極中心３１Ｃより先端側にあるものの方が、フラット性が向上することが分かる。
　さらには、発熱中心５Ｃの位置が、測定電極３１の先端３１Ａから測定電極３１の全長Ｌの１／４の位置３１Ｄより先端側にあるものは、フラット性の指標となるΔＩＬを０．０３６ｍＡ以下とすることができる。ここで、ΔＩ≦０．０３６ｍＡは、本例にて用いたガスセンサ素子の限界電流値１．８ｍＡの±１％の幅に相当する。つまり、ΔＩ≦０．０３６ｍＡを満たすガスセンサ素子は、誤差１％以内の測定精度を実現できるものであると考えられる。
（実施形態２）
　本形態は、図１５～図１８に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側に配置した形態である。
　図１５～図１８は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。
　図１５に示すヒータ５は、発熱中心５Ｃと共に、発熱基端部５Ｂも、測定電極３１の先端３１Ａより先端側に配置している。
　図１６に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の先端３１Ａより基端側であって、測定電極３１の電極中心３１Ｃより先端側に配置している。
　図１７に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃより基端側であって、測定電極３１の基端３１Ｂより先端側に配置している。
　図１８に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の基端３１Ｂより基端側に配置している。なお、図１８に示すヒータ５は、ヒータ発熱部５１の先端部側ほど、ヒータパターンの線幅が狭くなる形状を有する。これにより、ヒータ発熱部５１の先端に近い位置において、よりジュール熱が発生しやすくなる。これにより、発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａよりも先端側となるようにしている。
　その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
　本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図１８に示すヒータ５は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
　その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
（実施形態３）
　本形態は、図１９、図２０に示すごとく、ヒータ５の発熱中心５Ｃを測定電極３１の先端３１Ａと測定電極３１の電極中心３１Ｃとの間に配置しつつ、発熱基端部５Ｂを測定電極３１の基端３１Ｂよりも先端側に配置した形態である。
　図１９、図２０は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。
　図１９に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置されている。
　図２０に示すヒータ５は、発熱基端部５Ｂが、測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも基端側であって、測定電極３１の基端３１Ｂよりも先端側に配置されている。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。
　その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
（実施形態４）
　本形態は、図２１～図２３に示すごとく、ヒータ５の先端５Ａを測定電極３１の先端３１Ａよりも基端側に配置した形態である。
　図２１～図２３は、それぞれ、ヒータ５のパターンのバリエーションを、測定電極３１との位置関係を示しつつ、表したものである。
　図２１に示すヒータ５は、先端５Ａと発熱基端部５Ｂとのいずれもが、測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置されている。
　図２２に示すヒータ５は、先端５Ａ及び発熱中心５Ｃが測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置され、発熱基端部５Ｂが測定電極３１の電極中心３１Ｃと基端３１Ｂとの間に配置されている。
　図２３に示すヒータ５は、先端５Ａ及び発熱中心５Ｃが測定電極３１の先端３１Ａと電極中心３１Ｃとの間に配置され、発熱基端部５Ｂが測定電極３１の基端３１Ｂより基端側に配置されている。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態のガスセンサ素子においても、測定電極３１の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図２３に示すヒータ５は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
　その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
（実施形態５）
　本形態においては、図２４～図２８に示すごとく、ヒータ５のヒータ発熱部５１におけるパターンのバリエーションを示す。
　図２４に示すヒータ発熱部５１は、実施形態１にて示したヒータ発熱部５１（図３参照）に対し、折返し回数を変更した形態である。すなわち、図２４のヒータ５は、先端側の折返し回数を３回、基端側の折返し回数を２回としている。この折返し回数を種々変更したものを採用することもできる。
　図２５に示すヒータ発熱部５１は、幅方向Ｗに凹凸形状が表れるように折り返した形状を有する。この折返し回数も、種々変更することができる。
　図２６に示すヒータ発熱部５１は、一部の配線幅を特に小さくしたものである。配線幅を細くした細線部５１１の先端と基端との間が、発熱中心５Ｃとなるようにすることができる。
　図２７に示すヒータ発熱部５１は、一部の配線厚みを小さくしたものである。配線厚みを薄くした薄線部５１２の先端と基端との間が、発熱中心５Ｃとなるようにすることができる。
　図２８に示すヒータ発熱部５１は、互いに並列接続された複数の分岐配線部５１３を有する。図２８においては、分岐配線部５１３が２つの形態を示したが、３つ以上の分岐配線部５１３を設けたものとすることもできる。
（実施形態６）
　本形態は、図２９に示すごとく、電気化学セル（１６、１６Ｎ、１６Ｍ）を複数備えたガスセンサ素子１の形態である。
　本形態において、ガスセンサ素子１の固体電解質体２における、チャンバ４側の面には、複数の電極が形成されている。
　これら複数の電極は、それぞれ、基準電極３２と固体電解質体２と共に、電気化学セルを構成している。すなわち、本形態のガスセンサ素子１は、複数の電気化学セルを有する。このように複数の電気化学セルを有する場合、長手方向Ｙにおいて最も拡散抵抗部１５に近い位置に設けられた電気化学セルであるセンサセル１６を構成する測定電極３１との関係において、ヒータ５の発熱中心５Ｃを規定する。
　本形態においては、長手方向Ｙにおいて最も先端側に配されたセンサセル１６は、チャンバ４内の酸素をダクト６へポンピングするポンプセルでもある。このポンプセルにて、チャンバ４内の酸素濃度を調整している。このポンピング時に流れる電流値を測定して、限界電流値を測定することで、排ガス中の酸素濃度を測定している。そして、この酸素濃度に基づいて、内燃機関の空燃比（すなわちＡ／Ｆ）を測定することができる。
　また、上記電気化学セルのうち、センサセル１６以外は、例えば、ＮＯｘ用セル１６Ｎと、モニタセル１６Ｍとすることができる。ＮＯｘ用セル１６Ｎは、ＮＯｘ（すなわち窒素酸化物）に活性なＮＯｘ用電極３１Ｎを有する。モニタセル１６Ｍは、酸素に活性なモニタ用電極３１Ｍを有する。モニタセル１６Ｍは、チャンバ４内の酸素濃度を検出する。ＮＯｘ用セル１６Ｎに流れる酸素イオン電流とモニタセル１６Ｍに流れる酸素イオン電流とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
　すなわち、本形態のガスセンサ素子は、ＮＯｘ濃度の検出機能とともに、空燃比（すなわちＡ／Ｆ）の検出機能を併せ持つ。
　そして、上述のように、発熱中心５Ｃは、最も先端側に配された電気化学セルであるセンサセル１６（ポンプセルでもある）における測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも、先端側に配置されている。また、発熱基端部５Ｂは、測定電極３１の基端３１Ｂよりも基端側に配置されている。発熱基端部５Ｂは、ＮＯｘ用電極３１Ｎの基端よりも基端側に配されている。さらには、発熱基端部５Ｂは、モニタ用電極３１Ｍの基端よりも基端側に配されている。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態のように、複数の電気化学セルを有するガスセンサ素子１においても、発熱中心５Ｃの位置を測定電極３１の電極中心３１Ｃよりも先端側に配置することで、フラット性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
　その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
　本開示は上記各実施形態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種々の実施形態に適用することが可能である。
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (6)

  1. 　複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子（１）であって、
    　酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
    　上記固体電解質体を加熱するヒータ（５）と、
    　上記固体電解質体に設けられた測定電極（３１）及び基準電極（３２）と、
    　上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバ（４）と、
    　上記ガスセンサ素子の長手方向（Ｙ）において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口（１５０）と、
    　上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部（１５）と、を有し、
    　上記ヒータの発熱中心（５Ｃ）は、上記測定電極の電極中心（３１Ｃ）よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子。
  2. 　上記ヒータの発熱中心は、長手方向における上記測定電極の全長をＬとしたとき、上記測定電極の先端（３１Ａ）からＬ／４基端側の位置（３１Ｄ）よりも先端側に配置されている、請求項１に記載のガスセンサ素子。
  3. 　上記ヒータの先端（５Ａ）は、上記測定電極の先端（３１Ａ）よりも先端側に配置されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
  4. 　上記ヒータの発熱基端部（５Ｂ）は、上記測定電極の基端（３１Ｂ）よりも基端側に配置されており、
    　上記発熱基端部は、上記ヒータにおける、上記発熱中心の温度を７００℃に維持しているときの温度が６００℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
  5. 　上記被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスであって、上記ガスセンサ素子は、上記限界電流値を基に上記混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成された、Ａ／Ｆセンサ素子である、請求項１～４のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
  6. 　上記基準電極が面するダクト（６）を有し、上記固体電解質体と上記測定電極と上記基準電極とによって構成されたセンサセル（１６）によって、上記チャンバ内の酸素が上記ダクトにポンピングされるよう構成された、請求項１～５のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
PCT/JP2021/002193 2020-02-17 2021-01-22 ガスセンサ素子 WO2021166549A1 (ja)

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