JP2011227061A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子先端部への水の付着によっても測定精度が安定的に保たれるガスセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサにおいて、センサ素子が、外部空間に開口した開口部を有し、外部空間から所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入する外部連通部と、外部連通部と連通する内部空所と、内部空所の表面に形成された第１の電極と内部空所とは異なる空間に形成された第２の電極との間に所定電圧を印加することで、内部空所中の酸素を汲み出し可能に設けられたポンピングセルと、を備え、外部連通部の厚みが内部空所の厚みに対して５０％以上１００％以下であるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ素子を備え、被測定ガス成分中の所定ガス成分を測定するガスセンサに関する。

従来より、被測定ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成することにより構成した電気化学的ポンプセルを有するガスセンサが公知である。このようなガスセンサは、外部空間からセンサ素子内へ被測定ガスを取り込むとともに、該被測定ガスに対して所望ガス成分濃度の測定に適した拡散抵抗を付与するように、外部空間と連通した拡散律速部が形成されている。

例えば、センサ素子の先端部に外部空間と連通する開口を有するとともに、横長のスリットとして形成された拡散律速部を備えたガスセンサが公知である（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１には、上述したスリット状の拡散律速部の前段にガス導入空間をさらに備えたガスセンサが開示されている。また、センサ素子の外部空間からの被測定ガスの導入部分に多孔質体が充填されることによって、外部空間からセンサ素子内へ被測定ガスを取り込む際に、該被測定ガスに対して所望ガス成分濃度の測定に適した拡散抵抗を付与する拡散律速部を備えたガスセンサセンサが公知である（例えば、特許文献２参照）。

特許第３７０１１２４号公報 特許第３１７６８９０号公報

特許文献１および特許文献２に開示されているようなガスセンサは、例えば、自動車エンジン等の内燃機関の排気管内に設けられて、排ガス中に含まれる所望のガス成分の濃度の測定に用いられる。このような内燃機関においては、その駆動が停止された場合に、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して水滴となることがある。係る水滴は、排気管内に溜まるほか、ガスセンサに付着する。

一般に、ガスセンサは、ガスが出入り自在なガス導入孔を備えた保護カバーをセンサ素子の外側に設けた状態で、排ガスの流れに対してほぼ垂直となるように排気管内に取り付けられているので、保護カバーの内側に水滴が付着した場合、その一部はガス導入孔から排出されるものの、保護カバーの底部に、水滴が滞留してしまう。保護カバーの底部はセンサ素子の先端部と近接しているため、内燃機関が再駆動されると、保護カバーの底部に滞留していた水滴の相当程度が、センサ素子の先端部に付着することとなる。これに加えて、排気管内に滞留していた水滴が保護カバー内に飛散して、センサ素子の先端部に付着することもある。

すると、水滴の付着によって先端部のみが部分的に冷却されてしまうために、センサ素子においては、先端部と内部との間で温度勾配が生じる。さらには、係る温度勾配が原因で発生する熱応力によって、亀裂が生じることがある。

加えて、センサ素子の先端部に付着した水が、毛細管現象により、センサ素子の先端部に形成されたスリット状の拡散律速部を介して内部空所内にまで達することもある。この状態で内燃機関を駆動すると、内部空所内において水が急激に蒸発してセンサ素子に亀裂が生じることになる。

このように、センサ素子に亀裂が生じると、被測定ガスに対して付与される拡散抵抗が大きく変化し、測定精度が低下するために好ましくない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、測定精度が安定的に保たれるガスセンサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、前記センサ素子は、外部空間に開口した開口部を有し、外部空間から所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを導入する外部連通部と、前記外部連通部と連通する内部空所と、前記内部空所の表面に形成された第１の電極と前記内部空所とは異なる空間に形成された第２の電極との間に所定電圧を印加することで、前記内部空所中の酸素を汲み出し可能に設けられたポンピングセルと、を備え、前記外部連通部の厚みが前記内部空所の厚みに対して５０％以上１００％以下である、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサであって、前記外部連通部の幅が前記内部空所の幅に対して５％以上６０％以下であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、前記外部連通部と前記内部空所との間に緩衝空間をさらに備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、前記外部連通部は、前記センサ素子の側面に前記開口部を有することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、前記外部連通部は、前記センサ素子の先端部に前記開口部を有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、前記内部空所として、第１の内部空所と第２の内部空所を備え、前記ポンピングセルとして、主ポンピングセルと補助ポンピングセルとを備え、前記第１の内部空所は、前記外部連通部と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、前記第２の内部空所は、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に前記第１の電極を備え、前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に前記第１の電極を備える、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載のガスセンサであって、前記センサ素子が、前記第２の内部空所の表面に形成された第３の電極と、前記第２の内部空所とは異なる部位に形成された第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極とを含んで構成される測定セルと、前記第３の電極の上に設けられてなり、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、をさらに備え、前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、前記第３の電極は、前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元し、前記測定セルは、前記第３の電極における前記酸化物気体成分の還元度合いに応じた電圧を前記第３の電極と前記第４の電極の間に印加することによって前記第３の電極と前記第４の電極の間を流れる電流を、測定可能に設けられてなる、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項３に記載のガスセンサであって、前記内部空所として、第１の内部空所と第２の内部空所を備え、前記ポンピングセルとして、主ポンピングセルと補助ポンピングセルとを備え、前記第１の内部空所は、前記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、前記第２の内部空所は、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に前記第１の電極を備え、前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に前記第１の電極を備える、ことを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８に記載のガスセンサであって、前記センサ素子が、前記第２の内部空所の表面に形成された第３の電極と、前記第２の内部空所とは異なる部位に形成された第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極とを含んで構成される測定セルと、前記第３の電極の上に設けられてなり、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、をさらに備え、前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、前記第３の電極は、前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元し、前記測定セルは、前記第３の電極における前記酸化物気体成分の還元度合いに応じた電圧を前記第３の電極と前記第４の電極の間に印加することによって前記第３の電極と前記第４の電極の間を流れる電流を、測定可能に設けられてなる、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項９の発明によれば、センサ素子先端部への水の付着によっても測定精度が安定的に保たれるガスセンサを実現することができる。

請求項３、請求項８、および請求項９の発明によれば、外部空間における被測定ガスの圧力変動に伴って被測定ガスがセンサ素子内部に急激に取り込まれたとしても、該被測定ガスの濃度変動が好適に抑制されるガスセンサを実現することができる。

請求項４および請求項５の発明によれば、センサ素子先端部へ付着した水の毛細管現象によるセンサ素子内への浸入が抑制されるガスセンサを実現することができる。

第１の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の構成の一例を概略的に示した斜視図である。 第１の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の断面を概略的に示した断面模式図である。 第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を例示した断面模式図である。 第２の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の断面を概略的に示した断面模式図である。 第３の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の構成の一例を概略的に示した斜視図である。 第３の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の断面を概略的に示した断面模式図である。 第４の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の構成の一例を概略的に示した斜視図である。 第４の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の断面を概略的に示した断面模式図である。 本発明に係るガスセンサの変形例を示した断面模式図である。 外部連通部の構造と破壊強度との関係を示した図である。 第１の実施形態相当の実施例に係るガスセンサの外部連通部の幅と破壊強度との関係を示した図である。 第２の実施形態相当の実施例に係るガスセンサの外部連通部の厚みと破壊強度との関係を示した図である。 第３の実施形態相当の実施例に係るガスセンサの外部連通部の厚みと破壊強度との関係を示した図である。 第４の実施形態相当の実施例に係るガスセンサの外部連通部の幅と破壊強度との関係を示した図である。 実施例および比較例に係るガスセンサの応答時間を測定した結果を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
＜ガスセンサの概略構成＞
はじめに、ガスセンサ１００の概略構成について説明する。

図１は、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した外観斜視図である。図１には、センサ素子１０１の長手方向をｘ軸とする右手系のｘｙｚ座標を付している（以降においても同様）。図２は、ガス流通部１１１の構造を説明するために、図１に示す各位置におけるセンサ素子１０１の断面を概略的に示した断面模式図である。図２においては、単純化のため、ガス流通部１１１以外の構成は省略している。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ´を矢印に沿って切断した断面図である。図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ´を矢印に沿って切断した断面図である。図２（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ´を矢印に沿って切断した断面図である。また、図３は、ガスセンサ１００のより詳細な構成を例示した断面模式図である。

センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する細長な長尺の板状体形状の素子である。また、これら６つの層を形成する固体電界質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、得られた積層体を素子単位に切り出したうえで、これを焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１０１の一先端部側であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、外部連通部１１と、第１内部空所２０と、第１拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

外部連通部１１は、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた、センサ素子１０１内部の空間である。外部連通部１１は、上部を第２固体電解質層６の下面またはスペーサ層５の内面５ａで、下部を第１固体電解質層４の上面またはスペーサ層５の内面５ｂで、側部をスペーサ層５の側面５ｃ，５ｄで区画されることによって設けられている。ただし、より詳細には、外部連通部１１は、後述するように、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した拡散抵抗の程度に応じて、形成される位置が調整される。

第１内部空所２０および第２内部空所４０も、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた、センサ素子１０１内部の空間である。第１内部空所２０および第２内部空所４０は、上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されることによって設けられている。

第１拡散律速部３０は、２本の横長の（ｙ軸方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、外部連通部１１から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部１１１とも称する。

また、センサ素子１０１の他端部側であって、ガス流通部１１１よりも素子先端部１０１ａより遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて内部空所内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

＜ガス流通部および関連部位の詳細＞
外部連通部１１は、センサ素子先端部１０１ａに形成された開口部１１ａを通じて外部空間から導入された被測定ガスに対し、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した所定の拡散抵抗を付与したうえで、該被測定ガスを連通部１１ｂにて連通する第１内部空所２０へと導く部位である。

外部連通部１１のｙ軸方向の幅ａおよびｚ軸方向の厚みｂは、開口部１１ａから第１内部空所２０へ導入される被測定ガスに対して付与しようとする拡散抵抗の程度に応じて規定される。

ただし、外部連通部１１は、厚みｂが、第１内部空所２０のｚ軸方向の厚み（空室厚み）ｄに対して５０％〜１００％であり、幅ａが、第１内部空所２０のｙ軸方向の幅（空室幅）ｃに対して５％〜６０％（望ましくは、１０％〜４０％）であることが好適である。

厚みｂが厚みｄに対して５０％未満になると、開口部１１ａの開口面積が小さくなってセンサ素子先端部１０１ａに付着した水が毛細管現象により第１内部空所２０内に浸入しやすくなるため好ましくない。また、幅ａが幅ｃに対して５％未満になると、開口部１１ａの開口面積が小さくなってセンサ素子先端部１０１ａに付着した水が毛細管現象により第１内部空所２０内に浸入しやすくなるため好ましくない。一方、幅ａが幅ｃに対して６０％を超えると、被測定ガスに対して窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した拡散抵抗を付与することが困難となる。

このように、ガスセンサ１００においては、外部連通部１１の幅ａおよび厚みｂが上述した範囲内に規定されることで、センサ素子先端部１０１ａに付着した水の第１内部空所２０内への浸入が抑制される。

第１内部空所２０は、外部連通部１１を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質６と、スペーサ層５と、第１固体電解質４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるようにＶｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第１拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第１拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第１拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。

なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第１拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

すなわち、ガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれる。

このように第２内部空所４０内において酸素濃度が調整された被測定ガスは、測定用ポンプセル４１が作動することによってそのＮＯｘ濃度を測定される。測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極４４は、第２拡散律速部４５によって被覆されてなる。

第２拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第２拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護層としても機能する。

測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電界質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。

上述したように、第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第２拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

すなわち、ガスセンサ１００においては、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

＜ヒータ部＞
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４、圧力放散孔７５とを備えている。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

上述したように、本実施の形態に係るガスセンサ１００では、センサ素子１０１の先端部１０１ａに開口部１１ａを有する外部連通部１１のサイズを好適に定めることにより、センサ素子先端部１０１ａに付着した水が毛細管現象によって内部空所内に浸入することが抑制される。その結果、内部空所内にて水が急激に蒸発することによってセンサ素子１０１に亀裂が生じることが抑制される。

ゆえに、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、センサ素子１０１に生じる亀裂を原因とする測定精度の低下が好適に抑制されたものとなっている。換言すれば、ガスセンサ動作中にセンサ素子先端部１０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれたものとなっている。

なお、上述のようなセンサ素子１０１の形成は、外部連通部１１の厚みｂを第１内部空所２０の厚みｄと同じにする場合であれば、上述したグリーンシートプロセスにおいて、スペーサ層５に対応するセラミックスグリーンシートにパンチングによって第１内部空所２０や第２内部空所４０に対応する開口部を形成する際に、外部連通部１１に対応する開口部を併せて形成し、その後は上述と同様の工程を経ることによって実現可能である。

また、外部連通部１１の厚みｂを第１内部空所２０の厚みｄよりも小さくする場合であれば、上述した６層に対応するグリーンシートとは別に、第１固体電解質層４とスペーサ層５との間またはスペーサ層５と第２固体電解質層６との間に積層されるグリーンシートを準備し、上述したグリーンシートプロセスにおいて、該セラミックスグリーンシートにパンチングによって対応する切り欠きを形成した後、該グリーンシートも含めた積層を行い、その後は上述と同様の工程を行うようにすればよい。

あるいは、上述したグリーンシートプロセスにおいて、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の回路パターンの印刷などを行う際に、第１固体電解質層４に対してまたはスペーサ層５に対して外部連通部１１に対応する昇華性ペーストを印刷するようにしてもよい。係る場合、焼成時にペーストが昇華することで、外部連通部１１が形成される。

以上のように、本実施の形態によれば、センサ素子先端部１０１ａに外部連通部を所定のサイズにて設けることによって、動作中にセンサ素子先端部１０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれるガスセンサが実現できる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００とはガス流通部の構成が異なる態様について説明する。

なお、第２の実施の形態に係るガスセンサ２００のセンサ素子２０１の構成の一例を示す外観斜視図は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００のものと同じであるため、図１を引用する。

図４は、ガス流通部１１２の構造を説明するために、図１に示す各位置におけるセンサ素子２０１の断面を概略的に示した断面模式図である。図４においては、単純化のため、ガス流通部１１２以外の構成は省略している。図４（ａ）は、図１のＡ−Ａ´を矢印に沿って切断した断面図である。図４（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ´を矢印に沿って切断した断面図である。図４（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ´を矢印に沿って切断した断面図である。なお、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００と同様の構成については、同一の符号を付してその説明および図示を省略する。

センサ素子２０１は、第１の実施の形態に係るセンサ素子１０１の外部連通部１１と第１内部空所２０との間に、緩衝空間９１と第３拡散律速部９２とを設けた構成を有する。なお、本実施の形態においては、外部連通部１１から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部１１２とも称する。

緩衝空間９１は、外部連通部１１と同様に、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた、センサ素子１０１内部の空間である。すなわち、緩衝空間９１も、上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されることによって設けられている。ただし、緩衝空間９１は、ｙ軸方向の幅ｗが、外部連通部１１の幅ａよりも大きくなるように設けられる。

係る緩衝空間９１を備えることで、センサ素子２０１においては、被測定ガスが、センサ素子２０１外部から第１内部空所２０内まで導入される際の、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）の影響が低減される。すなわち、圧力変動に伴って被測定ガスが急激に取り込まれたとしても、第１内部空間２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

第３拡散律速部９２は、緩衝空間９１から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する部位であり、２本の横長の（ｙ軸方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。

センサ素子２０１においては、外部連通部１１、緩衝空間９１および第３拡散律速部９２の全体によって、開口部１１ａから第２内部空所２０に導入される被測定ガスに対し、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した所定の拡散抵抗が付与される。

よって、外部連通部１１において付与される拡散抵抗の値を規定する幅ａおよび厚みｂの値は、第３拡散律速部９２にて付与される拡散抵抗との関係も踏まえて定められればよい。ただし、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、外部連通部１１は、厚みｂが、第１内部空所２０のｚ軸方向の厚みｄに対して５０％〜１００％であり、幅ａが、第１内部空所２０のｙ軸方向の幅ｃに対して５％〜６０％（望ましくは、１０％〜４０％）であることが好適である。これにより毛細管現象の発生が抑制される。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、動作中にセンサ素子先端部２０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれるとともに、緩衝空間９１と第３拡散律速部９２とを設けることによって、外部空間における被測定ガスの圧力変動に伴って被測定ガスがセンサ素子２０１内部に急激に取り込まれたとしても、該被測定ガスの濃度変動が好適に抑制されるガスセンサが実現できる。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００とは異なる位置に外部連通部が設けられる態様について説明する。

図５は、第３の実施の形態に係るガスセンサ３００のセンサ素子３０１の構成の一例を概略的に示した外観斜視図である。図６は、ガス流通部１１３の構造を説明するために、図５に示す各位置におけるセンサ素子３０１の断面を概略的に示した断面模式図である。図６においては、単純化のため、ガス流通部１１３以外の構成は省略している。図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ´を矢印に沿って切断した断面図である。図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ´を矢印に沿って切断した断面図である。図６（ｃ）は、図５のＣ−Ｃ´を矢印に沿って切断した断面図である。なお、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００および第２の実施の形態に係るガスセンサ２００と同様の構成については、同一の符号を付してその説明および図示を省略する。

センサ素子３０１は、第１の実施の形態に係るセンサ素子１０１においてセンサ素子先端部１０１ａに設けられていた外部連通部１１に代えて、センサ素子側部３０１ｂに外部連通部１２が設けられてなる。なお、本実施の形態においては、外部連通部１２から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部１１３とも称する。

外部連通部１２は、外部連通部１１と同様に、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた、センサ素子３０１内部の空間である。外部連通部１２は、上部を第２固体電解質層６の下面またはスペーサ層５の内面５ａで、下部を第１固体電解質層４の上面またはスペーサ層５の内面５ｂで、側部をスペーサ層５の側面５ｅ，５ｆで区画されることによって設けられている。ただし、より詳細には、外部連通部１２は、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した拡散抵抗の程度に応じて、形成される位置が調整される。

外部連通部１２のｘ軸方向の幅ｅおよびｚ軸方向の厚みｆは、開口部１２ａから第１内部空所２０へ導入される被測定ガスに対して付与しようとする拡散抵抗の程度に応じて規定される。

ただし、外部連通部１２は、外部連通部１１と同様に、厚みｆが、第１内部空所２０のｚ軸方向の厚みｄに対して５０％〜１００％であり、幅ｅが、第１内部空所２０のｙ軸方向の幅ｃに対して５％〜６０％（望ましくは、１０％〜４０％）であることが好適である。

このように、ガスセンサ３００においては、外部連通部１２の幅ｅおよび厚みｆが上述した範囲内に規定されることで、センサ素子側部３０１ｂに付着した水の第１内部空所２０内への浸入が抑制される。

なお、外部連通部１２は、第１内部空所２０の素子先端部側の端部から連通部１２ｂに到達するまでのｘ軸方向の距離ｔ１が、第１内部空所２０のｘ軸方向の長さｔ２に対して、２０％以下であることが好適である。距離ｔ１が２０％を超えると、第１内部空所２０内において、上述した被測定ガス中の酸素分圧の調整をすることが困難となる。また、ｔ１は０でもよい。より効果的に酸素分圧の調整をすることが出来るからである。

上述したように、本実施の形態に係るガスセンサ３００では、センサ素子３０１の側部３０１ｂに開口部１２ａを有する外部連通部１２を設けることにより、センサ素子先端部３０１ａに付着した水が毛細管現象によって内部に浸入することが抑制される。さらに、外部連通部１２のサイズを好適に定めることにより、センサ素子側部３０１ｂに付着した水が毛細管現象によって内部に浸入することも抑制される。その結果、内部空所内にて水が急激に蒸発することによってセンサ素子３０１に亀裂が生じることが抑制される。

加えて、本実施の形態に係るガスセンサ３００では、センサ素子先端部３０１ａに開口部を有する外部連通部に代えて、センサ素子側部３０１ｂに開口部１２ａを有する外部連通部１２を設けることにより、センサ素子先端部３０１ａ近傍の強度が向上する。その結果、センサ素子先端部３０１ａに付着した水により発生する熱応力によってセンサ素子３０１に亀裂が生じることが抑制される。

ゆえに、本実施の形態に係るガスセンサ３００は、センサ素子３０１に生じる亀裂を原因とする測定精度の低下が好適に抑制されたものとなっている。換言すれば、ガスセンサ動作中にセンサ素子先端部３０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれたものとなっている。

以上のように、本実施の形態によれば、センサ素子側部３０１ｂに外部連通部を所定のサイズにて設けることによって、動作中にセンサ素子先端部３０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれるガスセンサが実現できる。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態においては、第３の実施の形態に係るガスセンサ３００とはガス流通部の構成が異なる態様について説明する。

図７は、第４の実施の形態に係るガスセンサ４００のセンサ素子４０１の構成の一例を概略的に示した外観斜視図である。図８は、ガス流通部１１４の構造を説明するために、図７に示す各位置におけるセンサ素子４０１の断面を概略的に示した断面模式図である。図８においては、単純化のため、ガス流通部１１４以外の構成は省略している。図８（ａ）は、図７のＡ−Ａ´を矢印に沿って切断した断面図である。図８（ｂ）は、図７のＢ−Ｂ´矢印に沿って切断した断面図である。図８（ｃ）は、図７のＣ−Ｃ´を矢印に沿って切断した断面図である。なお、第１の実施の形態に係るガスセンサ１００ないし第３の実施の形態に係るガスセンサ３００と同様の構成については、同一の符号を付してその説明および図示を省略する。

センサ素子４０１は、第３の実施の形態に係るセンサ素子３０１の外部連通部１２と第１内部空所２０との間に、緩衝空間９１と第３拡散律速部９２とを設けた構成を有する。なお、本実施の形態においては、外部連通部１２から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部１１４とも称する。なお、本実施の形態においては、緩衝空間９１は、ｘ軸方向の幅ｔ４が外部連通部１２の幅ｅよりも大きくなるように設けられる。これにより、第２の実施の形態と同様の緩衝効果が得られる。

センサ素子４０１においては、外部連通部１２、緩衝空間９１および第３拡散律速部９２の全体によって、開口部１２ａから第２内部空所２０に導入される被測定ガスに対し、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に適した所定の拡散抵抗が付与される。

よって、外部連通部１２において付与される拡散抵抗の値を規定する幅ｅおよび厚みｆの値は、第３拡散律速部９２にて付与される拡散抵抗との関係も踏まえて定められればよい。ただし、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、外部連通部１２は、厚みｆが、第１内部空所２０のｚ軸方向の厚みｄに対して５０％〜１００％であり、幅ｅが、第１内部空所２０のｙ軸方向の幅ｃに対して５％〜６０％（望ましくは、１０％〜４０％）であることが好適である。これにより、毛細管現象の発生が抑制される。

なお、外部連通部１２は、緩衝空間９１の素子先端部側端部から連通部１２ｂに到達するまでのｘ軸方向の距離ｔ３が、緩衝空間９１のｘ軸方向の長さｔ４に対して、５０％以下であることが好適である。距離ｔ３が５０％を超えると、緩衝空間９１内において、上述した被測定ガスの濃度変動の急激な変化を打ち消すことが困難となる。

以上のように、本実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様に、動作中にセンサ素子先端部４０１ａに水が付着したとしても、測定精度が安定的に保たれるとともに、緩衝空間９１と第３拡散律速部９２とを設けることによって、外部空間における被測定ガスの圧力変動に伴って被測定ガスがセンサ素子４０１内部に急激に取り込まれたとしても、該被測定ガスの濃度変動が好適に抑制されるガスセンサが実現できる。

＜変形例＞
以上の説明においては、第１拡散律速部３０および第３拡散律速部９２が横長のスリットとして形成される態様について説明したが、本発明の適用はこれに限られるものではなく、その他の形状で形成される態様であってもよい。

また、第３の実施の形態および第４の実施の形態においては、センサ素子のそれぞれの側部に外部連通部が１つずつ設けられる態様について説明したが、本発明の適用はこれに限られるものではなく、センサ素子のそれぞれの側部に外部連通部が２つ以上設けられる態様であってもよい。あるいは、一方の側部にのみ外部連通部が設けられる態様であってもよい。

また、外部連通部の厚みを第１内部空所の厚みよりも小さくする場合は、外部連通部が、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、スペーサ層５の上側または下側のどちらかに形成される態様であってもよいし、図９（ｃ）に示すように、スペーサ層５の略中央に形成される態様であってもよい。

（実施例１）
第１の実施の形態に係るガスセンサ１００の実施例であるガスセンサＡと第２の実施の形態に係るガスセンサ２００の実施例であるおよびガスセンサＢと、第３の実施の形態に係るガスセンサ３００の実施例であるガスセンサＣおよびガスセンサＤと、第４の実施の形態に係るガスセンサ４００の実施例であるガスセンサＥおよびＦと、比較例であるガスセンサＧに対して、水滴滴下試験を行った。

なお、ガスセンサＣでは距離ｔ１が０、ガスセンサＤでは距離ｔ１が長さｔ２の１０％、ガスセンサＥでは距離ｔ３が０、ガスセンサＦでは距離ｔ３が長さｔ４の１０％である。また、ガスセンサＧは、センサ素子先端部に開口部を有するスリット状の外部連通部が設けられた、従来のガスセンサである。なお、ガスセンサＧにおいては、外部連通部の幅は空室幅と同じであり、外部連通部の厚みは空室厚みの５％である。

水滴滴下試験においては、センサ素子を所定の温度で加熱しつつガスセンサを駆動させた状態で、センサ素子の先端部近傍に水滴を落下させて、センサ素子にクラックが発生するかどうかを確認した。そして、センサ素子にクラックが発生するまで、落下させる水滴の量を多くして同様の試験を実施し、センサ素子にクラックが発生した時点でガスセンサの駆動を停止して、このときの水滴の量を測定することで行った。クラック発生水滴量比は、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦのそれぞれのクラックが発生する水滴量の、ガスセンサＧのクラックが発生する水滴量に対する比で表される値である。

図１０は、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦのクラック発生水滴量を測定した結果を示している。なお、ガスセンサＡでは幅ａが幅ｃの２０％、厚みｂが厚みｄの１００％であり、ガスセンサＢでは幅ａが幅ｃの１０％、厚みｂが厚みｄの１００％であり、ガスセンサＣでは幅ｅが幅ｃの２０％、厚みｆが厚みｄの１００％であり、ガスセンサＤでは幅ｅが幅ｃの３０％、厚みｆが厚みｄの５０％であり、ガスセンサＥでは幅ｅが幅ｃの２０％、厚みｆが厚みｄの１００％であり、ガスセンサＦでは幅ｅが幅ｃの１５％、厚みｆが厚みｄの８０％である。また、ガスセンサＡ〜ガスセンサＧの各々において、測定数はいずれも５とした。

図１０中の丸印は測定値の平均値を示しており、丸印の上下のラインは測定値の最大値および最小値を示している。図１０に示すように、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦは、ガスセンサＧよりもクラック発生水滴量が多いことが確認された。係る結果は、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦが、ガスセンサＧよりも破壊強度が大きいことを意味している。

（実施例２）
本実施例では、外部連通部のサイズと破壊強度との関係を調べるために、各実施形態ごとに、空室のサイズに対する外部連通部のサイズの比が異なる複数のガスセンサを用意して、実施例１と同様の水滴滴下試験を行った。

図１１は、第１の実施形態に相当するガスセンサであって、外部連通部１１の幅ａが異なる８種類のガスセンサのクラック発生水滴量を測定した結果を示している。また、図１２は、第２の実施形態に相当するガスセンサであって、外部連通部１２の厚みｂが異なる５種類のガスセンサのクラック発生水滴量を測定した結果を示している。また、図１３は、第３の実施形態に相当するガスセンサであって、外部連通部１２の厚みｆが異なる５種類のガスセンサのクラック発生水滴量を測定した結果を示している。さらに、図１４は、第４の実施形態に相当するガスセンサであって、外部連通部１２の幅ｅが異なる８種類のガスセンサのクラック発生水滴量を測定した結果を示している。各種類のガスセンサについて、測定数は５とした。ただし、図１１および図１４において空室幅に対する外部連通幅の比が１００％のもの、および、図１２及び図１３において空室厚みに対する外部連通厚みの比が５％のものは、比較例であるガスセンサＧについての測定結果である。

図１１ないし図１４中の丸印は測定値の平均値を示しており、丸印の上下のラインは測定値の最大値および最小値を示している。図１１ないし図１４に示すように、外部連通部の幅あるいは厚みの大きさに関わらず、実施例に係るガスセンサはいずれも、比較例に係るガスセンサＧよりもクラック発生水滴量が多いことが確認された。係る結果は、外部連通部の幅あるいは厚みの大きさに関わらず、実施例に係るガスセンサはいずれも、比較例に係るガスセンサＧよりも破壊強度が大きいことを意味している。特に、空室幅に対する外部連通部幅の比が５％以上６０％以下である場合、および、空室厚みに対する外部連通部厚みの比が５０％以上１００％以下である場合に、クラック発生水滴量が比較例に係るガスセンサの２倍以上になっている。これは、これらのサイズを満たすように外部連通部を設けることで従来の２倍以上の破壊強度を有するガスセンサが実現されることを示している。

実施例１および実施例２の結果より、上述した要件にてサイズに定めた外部連通部を設けることが、破壊強度の向上に効果があることが確認された。また、実施例１および実施例２の双方において、センサ素子の側部に開口部を有する外部連通部を設ける（第３および第４の実施形態相当）方が、より破壊強度の向上に効果があることが確認された。係る結果は、上述の外部連通部を設けることが、センサ素子に生じる亀裂を原因とする測定精度の低下を抑制するうえで効果的であることを意味している。

（実施例３）
本実施例では、実施例１の各ガスセンサについて、応答性を調べた。応答性の試験は、被測定ガスの空燃比（被測定ガス中の酸素濃度）をλ＝０．９からλ＝１．１に変化させた場合において、センサ素子内が空燃比λ＝０．９の被測定ガスにほぼ置換したときのセンサ出力（Ｉｐ２）を０％とし、センサ素子内が空燃比λ＝１．１の被測定ガスにほぼ置換したときのセンサ出力（Ｉｐ２）を１００％としたとき、３３％に相当するセンサ出力（Ｉｐ２）を検出した時点から６６％に相当するセンサ出力（Ｉｐ２）を検出した時点までの時間（応答時間）をそれぞれのガスセンサについて３回ずつ測定することで行った。

図１５は、ガスセンサＡ〜ガスセンサＧの応答時間を測定した結果を示している。なお、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦのそれぞれにおいて、外部連通部の幅と幅ｃとの関係および外部連通部の厚みと厚みｄとの関係は、図１０に示す水滴滴下試験で用いたガスセンサと同様とした。

図１５中の丸印は測定値の平均値を示しており、丸印の上下のラインは測定値の最大値および最小値を示している。図１５に示すように、ガスセンサＡ〜ガスセンサＦの応答時間とガスセンサＧの応答時間との間には、有意差はみられなかった。

以上の結果より、上述した要件にて外部連通部を設けたガスセンサＡ〜ガスセンサＦにおいても、従来のガスセンサと同等の応答性が得られることが確認された。

１ 第１基板層
２ 第２基板層
３ 第３基板層
４ 第１固体電解質層
５ スペーサ層５
６ 第２固体電解質層
１１，１２ 外部連通部
２０ 第１内部空所
３０ 第１拡散律速部
４０ 第２内部空所
４４ 測定電極
９１ 緩衝空間
９２ 第３拡散律速部
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子

Claims (9)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、
   前記センサ素子は、
   外部空間に開口した開口部を有し、外部空間から所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを導入する外部連通部と、
   前記外部連通部と連通する内部空所と、
   前記内部空所の表面に形成された第１の電極と前記内部空所とは異なる空間に形成された第２の電極との間に所定電圧を印加することで、前記内部空所中の酸素を汲み出し可能に設けられたポンピングセルと、
   を備え、
   前記外部連通部の厚みが前記内部空所の厚みに対して５０％以上１００％以下である、ことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記外部連通部の幅が前記内部空所の幅に対して５％以上６０％以下であることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記外部連通部と前記内部空所との間に緩衝空間をさらに備えることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
   前記外部連通部は、前記センサ素子の側部に前記開口部を有することを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
   前記外部連通部は、前記センサ素子の先端部に前記開口部を有することを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記内部空所として、第１の内部空所と第２の内部空所を備え、
   前記ポンピングセルとして、主ポンピングセルと補助ポンピングセルとを備え、
   前記第１の内部空所は、前記外部連通部と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、
   前記第２の内部空所は、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、
   前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に前記第１の電極を備え、
   前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に前記第１の電極を備える、
   ことを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項６に記載のガスセンサであって、
   前記センサ素子が、
   前記第２の内部空所の表面に形成された第３の電極と、
   前記第２の内部空所とは異なる部位に形成された第４の電極と、
   前記第３の電極と前記第４の電極とを含んで構成される測定セルと、
   前記第３の電極の上に設けられてなり、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、
   をさらに備え、
   前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、
   前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、
   前記第３の電極は、前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元し、
   前記測定セルは、前記第３の電極における前記酸化物気体成分の還元度合いに応じた電圧を前記第３の電極と前記第４の電極の間に印加することによって前記第３の電極と前記第４の電極の間を流れる電流を、測定可能に設けられてなる、
   ことを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項３に記載のガスセンサであって、
   前記内部空所として、第１の内部空所と第２の内部空所を備え、
   前記ポンピングセルとして、主ポンピングセルと補助ポンピングセルとを備え、
   前記第１の内部空所は、前記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、
   前記第２の内部空所は、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなり、
   前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に前記第１の電極を備え、
   前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に前記第１の電極を備える、
   ことを特徴とするガスセンサ。
9. 請求項８に記載のガスセンサであって、
   前記センサ素子が、
   前記第２の内部空所の表面に形成された第３の電極と、
   前記第２の内部空所とは異なる部位に形成された第４の電極と、
   前記第３の電極と前記第４の電極とを含んで構成される測定セルと、
   前記第３の電極の上に設けられてなり、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、
   をさらに備え、
   前記主ポンピングセルは、前記第１の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、
   前記補助ポンピングセルは、前記第２の内部空所に設けられた前記第１の電極と前記第２の電極の間に所定電圧を印加することで、前記第２の内部空所内の酸素を汲み出し可能に設けられてなり、
   前記第３の電極は、前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元し、
   前記測定セルは、前記第３の電極における前記酸化物気体成分の還元度合いに応じた電圧を前記第３の電極と前記第４の電極の間に印加することによって前記第３の電極と前記第４の電極の間を流れる電流を、測定可能に設けられてなる、
   ことを特徴とするガスセンサ。

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