特許 6321968 ガスセンサ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6321968

(24)【登録日】2018年4月13日

(45)【発行日】2018年5月9日

(54)【発明の名称】ガスセンサ素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20180423BHJP

   G01N 27/407 20060101ALI20180423BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/416 331

   G01N27/407

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-6373(P2014-6373)

(22)【出願日】2014年1月17日

(65)【公開番号】特開2015-135262(P2015-135262A)

(43)【公開日】2015年7月27日

【審査請求日】2016年8月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中藤 充伸

(72)【発明者】

【氏名】水谷 圭吾

(72)【発明者】

【氏名】荒木 貴司

【審査官】 櫃本 研太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−３１８９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６５９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１１８７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６６９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６５０８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４０６−２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
該固体電解質体（２）の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体（３）を通過した被測定ガス（Ｇ）が導入される被測定ガス空間（１０１）と、
上記固体電解質体（２）の他方の表面側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（１０２）と、
該基準ガス空間（１０２）又は上記被測定ガス空間（１０１）を介して上記固体電解質体（２）に積層されたヒータ（６）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられたセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極（２３）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（１０２）側の表面に設けられた基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間（１０１）における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル（４３）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられた電子伝導電極（２４）を有し、上記ヒータ（６）の電子伝導によって上記電子伝導電極（２４）と上記基準電極（２５）との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セル（４４）と、
上記固体電解質体（２）又は該固体電解質体（２）に積層された他の固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極（２１，２５）を有し、該一対のポンプ電極（２１，２５）の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（１０１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、を備え、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面には、被測定ガス（Ｇ）中の酸素成分を透過させない性質を有し、かつ上記被測定ガス空間（１０１）を形成するための絶縁体（５１）が積層されており、
上記電子伝導電極（２４）は、上記絶縁体（５１）に埋設されていることを特徴とするガスセンサ素子（１）。

【請求項2】

上記ヒータ（６）は、通電によって発熱する導体層（６２）と、該導体層（６２）を挟持する絶縁層（６１）とを有しており、
上記導体層（６２）は、上記センサ電極（２３）及び上記電子伝導電極（２４）に対して平行に配置されており、
上記固体電解質体（２）に上記ヒータ（６）が積層された厚み方向（Ｔ）において、上記導体層（６２）から上記センサ電極（２３）までの距離と、上記導体層（６２）から上記電子伝導電極（２４）までの距離とが同じであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子（１）。

【請求項3】

酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
該固体電解質体（２）の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体（３）を通過した被測定ガス（Ｇ）が導入される被測定ガス空間（１０１）と、
上記固体電解質体（２）の他方の表面側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（１０２）と、
該基準ガス空間（１０２）又は上記被測定ガス空間（１０１）を介して上記固体電解質体（２）に積層されたヒータ（６）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられたセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極（２３）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（１０２）側の表面に設けられた基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間（１０１）における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル（４３）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられた電子伝導電極（２４）を有し、上記ヒータ（６）の電子伝導によって上記電子伝導電極（２４）と上記基準電極（２５）との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セル（４４）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられたモニタ電極（２２）を有し、該モニタ電極（２２）と上記基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間（１０１）における酸素濃度を検出するモニタセル（４２）と、
上記固体電解質体（２）又は該固体電解質体（２）に積層された他の固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極（２１，２５）を有し、該一対のポンプ電極（２１，２５）の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（１０１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、を備え、
上記ポンプ電極（２１）は、上記センサ電極（２３）及び上記電子伝導電極（２４）が設けられた上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面の長手方向（Ｌ）において、上記センサ電極（２３）及び上記電子伝導電極（２４）の配置位置よりも上記被測定ガス（Ｇ）の流れの上流側位置に設けられており、
上記センサ電極（２３）、上記電子伝導電極（２４）及び上記モニタ電極（２２）は、上記長手方向（Ｌ）における上記ポンプ電極（２１）の配置位置から互いに等しい距離に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子（１）。

【請求項4】

酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
該固体電解質体（２）の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体（３）を通過した被測定ガス（Ｇ）が導入される被測定ガス空間（１０１）と、
上記固体電解質体（２）の他方の表面側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（１０２）と、
該基準ガス空間（１０２）又は上記被測定ガス空間（１０１）を介して上記固体電解質体（２）に積層されたヒータ（６）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられたセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極（２３）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（１０２）側の表面に設けられた基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間（１０１）における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル（４３）と、
上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面に設けられた電子伝導電極（２４）を有し、上記ヒータ（６）の電子伝導によって上記電子伝導電極（２４）と上記基準電極（２５）との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セル（４４）と、
上記固体電解質体（２）又は該固体電解質体（２）に積層された他の固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極（２１，２５）を有し、該一対のポンプ電極（２１，２５）の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（１０１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、を備え、
上記ヒータ（６）は、通電によって発熱する導体層（６２）と、該導体層（６２）を挟持する絶縁層（６１）とを有しており、かつ上記電子伝導検出セル（４４）によって検出される電流値が一定になるよう、上記導体層（６２）に通電を行うよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子（１）。

【請求項5】

上記電子伝導電極（２４）の上記被測定ガス空間（１０１）側の表面は、被測定ガス（Ｇ）中の酸素成分を透過させない被覆層（５５）によって覆われていることを特徴とする請求項３又は４に記載のガスセンサ素子（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子は、エンジンの排気管等の排気ガスを排気する部位に配置され、被測定ガスとしての排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）等の濃度を検出している。
例えば、特許文献１のガスセンサ素子においては、固体電解質体に一対の電極を設けて、酸素ポンプセル、酸素モニタセル及びセンサセルを形成し、内部空間に導入された被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出している。また、特許文献１のガスセンサ素子においては、内部空間内の酸素濃度の影響を受けずに特定ガス成分の濃度を検出するために、内部空間に被測定ガスを導入するガス導入口から、酸素モニタセルの電極とセンサセルの電極との、ガス流れの上流側端部位置までの距離が同等となるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−３１０９８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

酸素ポンプセル、酸素モニタセル及びセンサセルを構成する一対の電極間に流れる電流は、ガスセンサ素子を加熱するヒータによる電子伝導の影響を受けている。この電子伝導によって一対の電極間に流れる電流は、ヒータによって加熱されるガスセンサ素子の作動温度が高くなるほど増加する傾向にある。
ヒータの加熱量は、酸素ポンプセルにおける一対の電極間の抵抗値等の大きさに基づいて、ガスセンサ素子の作動温度を一定に保つよう制御される。しかし、被測定ガスに接触する電極は時間の経過とともに劣化する。そして、この電極の劣化により、一対の電極間の抵抗値等が増加し、ヒータによる加熱量が増加されることになる。そのため、ガスセンサ素子が長く使用されるほどガスセンサ素子の作動温度が高くなり、電子伝導によって一対の電極間に流れる電流が増加する傾向にある。

【0005】

特許文献１等に示される酸素モニタセルは、被測定ガス中の残留酸素による酸素イオン電流と、電子伝導による電流との両方を同時に検出する。そのため、酸素モニタセルは、電子伝導による電流を、残留酸素による酸素イオン電流から区別して検出することができない。そのため、酸素モニタセルによっては、ガスセンサ素子の作動温度が変化したときに、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることが困難である。

【0006】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ガスセンサ素子の作動温度の変化を反映して、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができるガスセンサ素子を提供しようとして得られたものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体を通過した被測定ガスが導入される被測定ガス空間と、
上記固体電解質体の他方の表面側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
該基準ガス空間又は上記被測定ガス空間を介して上記固体電解質体に積層されたヒータと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられた電子伝導電極を有し、上記ヒータの電子伝導によって上記電子伝導電極と上記基準電極との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セルと、
上記固体電解質体又は該固体電解質体に積層された他の上記固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極を有し、該一対のポンプ電極の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、を備え、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面には、被測定ガス中の酸素成分を透過させない性質を有し、かつ上記被測定ガス空間を形成するための絶縁体が積層されており、
上記電子伝導電極は、上記絶縁体に埋設されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
また、本発明の他の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体を通過した被測定ガスが導入される被測定ガス空間と、
上記固体電解質体の他方の表面側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
該基準ガス空間又は上記被測定ガス空間を介して上記固体電解質体に積層されたヒータと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられた電子伝導電極を有し、上記ヒータの電子伝導によって上記電子伝導電極と上記基準電極との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたモニタ電極を有し、該モニタ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間における酸素濃度を検出するモニタセルと、
上記固体電解質体又は該固体電解質体に積層された他の上記固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極を有し、該一対のポンプ電極の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、を備え、
上記ポンプ電極は、上記センサ電極及び上記電子伝導電極が設けられた上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面の長手方向において、上記センサ電極及び上記電子伝導電極の配置位置よりも上記被測定ガスの流れの上流側位置に設けられており、
上記センサ電極、上記電子伝導電極及び上記モニタ電極は、上記長手方向における上記ポンプ電極の配置位置から互いに等しい距離に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
また、本発明のさらに他の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の表面側に形成され、拡散抵抗体を通過した被測定ガスが導入される被測定ガス空間と、
上記固体電解質体の他方の表面側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
該基準ガス空間又は上記被測定ガス空間を介して上記固体電解質体に積層されたヒータと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間における特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられた電子伝導電極を有し、上記ヒータの電子伝導によって上記電子伝導電極と上記基準電極との間に流れる電流を検出する電子伝導検出セルと、
上記固体電解質体又は該固体電解質体に積層された他の上記固体電解質体の両表面に設けられた一対のポンプ電極を有し、該一対のポンプ電極の間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、を備え、
上記ヒータは、通電によって発熱する導体層と、該導体層を挟持する絶縁層とを有しており、かつ上記電子伝導検出セルによって検出される電流値が一定になるよう、上記導体層に通電を行うよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。

【発明の効果】

【0008】

上記ガスセンサ素子は、ヒータによって生じる電子伝導の強さを検出する電子伝導検出セルを有している。そのため、電子伝導検出セルにおける、電子伝導による電流を検出することにより、ヒータによる加熱量、さらにはガスセンサ素子の作動温度を検知することができる。また、電子伝導検出セルによれば、ガスセンサ素子が経時変化したときに増加する、電子伝導による電流を検出することもできる。
これにより、センサセルにおける検出電流から電子伝導検出セルにおける電流を差し引くことにより、ガスセンサ素子の作動温度の変化を反映して、センサセルによって特定ガス成分濃度を検出することができる。なお、センサセルにおける検出電流の値は、特定ガス成分濃度の検出を行うための酸素イオン電流に、電子伝導による電流が加わった値となる。

【0009】

それ故、上記ガスセンサ素子によれば、ガスセンサ素子の作動温度の変化を反映して、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１にかかる、ガスセンサ素子を示す断面図。

【図2】実施例１にかかる、図１のI−I断面図。

【図3】実施例１にかかる、横軸にガスセンサ素子の作動温度をとり、縦軸にセンサセルに流れる電流及び電子伝導検出セルに流れる電流をとって、作動温度と電流値の関係を示すグラフ。

【図4】実施例２にかかる、ガスセンサ素子を示す断面図。

【図5】実施例２にかかる、図４のII−II断面図。

【図6】実施例２にかかる、横軸にガスセンサ素子の作動温度をとり、縦軸にセンサセルに流れる電流及び電子伝導検出セルに流れる電流をとって、作動温度と電流値の関係を示すグラフ。

【図7】実施例２にかかる、他のガスセンサ素子についての図４のII−II断面相当図。

【図8】実施例３にかかる、ガスセンサ素子についての図４のII−II断面相当図。

【図9】実施例３にかかる、センサセル、モニタセル及び電子伝導検出セルに流れる電流値の大きさを、（ａ）ガスセンサ素子が劣化する前の初期状態、（ｂ）ガスセンサ素子が劣化した後の耐久状態について示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

上述したガスセンサ素子における好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサ素子においては、上記電子伝導電極における、少なくとも上記被測定ガスに曝される表面は、上記被測定ガス中の酸素分解に対して不活性である電極材料から構成されていてもよい。
この場合には、電子伝導電極に用いる電極材料を工夫することにより、電子伝導検出セルを容易に形成することができる。被測定ガス中の酸素分解に対して不活性である電極材料によって、電子伝導電極の全体を形成してもよく、電子伝導電極の表面層を形成してもよい。
また、電極材料としては、例えば、金材料、銀材料、銅材料、鉛材料等がある。

【0012】

また、上記電子伝導電極の被測定ガス空間側の表面は、被測定ガス中の酸素成分を透過させない被覆層によって覆われていてもよい。
この場合には、電子伝導電極に用いる電極材料は通常用いる材料としたまま、被覆層を設けることによって電子伝導検出セルを容易に形成することができる。

【0013】

また、上記ポンプ電極は、上記センサ電極及び上記電子伝導電極が設けられた上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面の長手方向において、上記センサ電極及び上記電子伝導電極の配置位置よりも上記被測定ガスの流れの上流側位置に設けられており、上記センサ電極及び上記電子伝導電極は、上記長手方向における上記ポンプ電極の配置位置から互いに等しい距離に配置されていてもよい。
この場合には、ポンプ電極を、センサ電極及び電子伝導電極が設けられた固体電解質体に設けることにより、ヒータによってポンプ電極を加熱することが容易になる。また、ヒータにおける加熱中心から、センサ電極及び電子伝導電極までの距離を同等にして、ヒータからの電子伝導によってセンサ電極及び電子伝導電極に流れる電流を同等にすることができる。そのため、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出精度をさらに向上させることができる。

【0014】

また、上記ガスセンサ素子は、上記センサ電極及び上記電子伝導電極が設けられた上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたモニタ電極を有するモニタセルを備えており、上記センサ電極、上記電子伝導電極及び上記モニタ電極は、上記長手方向における上記ポンプ電極の配置位置から互いに等しい距離に配置されており、上記モニタセルは、上記モニタ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、上記被測定ガス空間における酸素濃度を検出するよう構成されていてもよい。

【0015】

この場合には、ヒータにおける加熱中心から、センサ電極、電子伝導電極及びモニタ電極までの距離を同等にして、ヒータからの電子伝導によってセンサ電極、電子伝導電極及びモニタ電極に流れる電流を同等にすることができる。そのため、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出精度をさらに向上させることができる。

【0016】

また、センサ電極は、被測定ガス中の特定ガス成分の分解に活性な電極材料によって構成されており、モニタ電極は、被測定ガス中の特定ガス成分（ＮＯｘ等）の分解に不活性な電極材料によって構成されている。センサセルにおいては、酸素濃度及び特定ガス成分濃度に依存して酸素イオン電流が検出される一方、モニタセルにおいては、酸素濃度に依存して酸素イオン電流が検出される。そして、ガスセンサ素子においては、センサセルによって検出される電流から、モニタセルによって検出される電流が差し引かれることにより、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度が検出される。こうして、モニタセルを用いることによって、ガスセンサ素子が経時変化した際に、被測定ガス中の残留酸素による酸素イオン電流が、センサセルによる特定ガス成分濃度の検出に与える影響を補正することができる。
なお、センサセルによって検出される電流の値、及びモニタセルによって検出される電流の値のそれぞれは、特定ガス成分濃度の検出を行うための酸素イオン電流に、電子伝導による電流が加わった値となる。

【0017】

また、ヒータによる電子伝導がセンサセル及びモニタセルに与える影響を、電子伝導検出セルによって補正することができる。具体的には、ガスセンサ素子が劣化によって経時変化した際に、ヒータによる加熱量が増加した場合の電子伝導による影響を考慮して、センサセルが特定ガス成分濃度を検出することができる。
そして、特定ガス成分濃度を検出する際に、残留酸素による酸素イオン電流と、電子伝導による電流とを区別して検出することができる。

【0018】

また、上記ヒータは、通電によって発熱する導体層と、該導体層を挟持する絶縁層とを有しており、かつ上記電子伝導検出セルによって検出される電流値が一定になるよう、上記導体層に通電を行うよう構成されていてもよい。
電子伝導によって電子伝導検出セルに流れる電流値は、ガスセンサ素子の作動温度と相関関係を有している。また、電子伝導検出セルは、被測定ガス中の酸素分解によって生じる酸素イオン電流を検出せず、電子伝導検出セルの電子伝導電極においては、被測定ガス中の酸素成分を分解することによる経時劣化がほとんど生じない。そのため、電子伝導検出セルによって検出される電流値が一定になるよう導体層に通電を行うことにより、ガスセンサ素子の作動温度を、精度よく制御することができる。

【実施例】

【0019】

以下に、ガスセンサ素子にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例のガスセンサ素子１は、図１、図２に示すように、固体電解質体２、被測定ガス空間１０１、基準ガス空間１０２、ヒータ６、ポンプセル４１、センサセル４３及び電子伝導検出セル４４を備えている。
固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有する材料から構成されている。被測定ガス空間１０１は、固体電解質体２の一方の表面側に形成されており、拡散抵抗体３を通過した被測定ガスＧが導入されるよう構成されている。基準ガス空間１０２は、固体電解質体２の他方の表面側に形成されており、基準ガスＡが導入されるよう構成されている。固体電解質体２の基準ガス空間１０２側の表面２０２には、基準ガスＡに曝される基準電極２５が設けられている。

【0020】

図１、図２に示すように、ヒータ６は、基準ガス空間１０２を介して固体電解質体２に積層されている。ポンプセル４１は、固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１に設けられ、被測定ガスＧに曝されるポンプ電極２１を有している。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧を印加して、被測定ガス空間１０１における酸素濃度を調整するよう構成されている。本例の基準電極２５は、ポンプ電極２１の一方も兼ねている。センサセル４３は、固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１に設けられ、被測定ガスＧに曝されるセンサ電極２３を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、被測定ガス空間１０１における特定ガス成分濃度を検出するために用いられる。電子伝導検出セル４４は、被測定ガスＧに曝されないよう、固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１に設けられた電子伝導電極２４を有している。電子伝導検出セル４４は、ヒータ６の電子伝導によって電子伝導電極２４と基準電極２５との間に流れる電流を検出するよう構成されている。

【0021】

以下に、本例のガスセンサ素子１について、図１〜図３を参照して詳説する。
本例のガスセンサ素子１は、カバー内に配置された状態で、自動車の排気管内に配置して使用される。また、被測定ガスＧは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサ素子１は、排気ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
図１に示すように、固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板である。ポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４は、固体電解質体２における、被測定ガスＧに曝される側の表面２０１に一定の厚みで設けられている。基準電極２５は、固体電解質体２における、基準ガスＡに曝される側の表面２０２に一定の厚みで設けられている。本例の基準電極２５は、固体電解質体２においてポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４が位置する領域の全体の裏側の位置に設けられている。基準電極２５は、ポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４の全体に対して１つ設ける以外にも、ポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４のそれぞれの裏側の位置に分離させて、３つ設けることもできる。

【0022】

図１、図２に示すごとく、固体電解質体２の被測定ガスＧ側の表面２０１には、拡散抵抗体３と、アルミナからなる平板状の基板である第１の絶縁体５１とが積層されている。拡散抵抗体３及び第１の絶縁体５１の表面には、アルミナからなる平板状の基板である第２の絶縁体５２が積層されている。拡散抵抗体３は、ガスセンサ素子１の長手方向Ｌにおける、被測定ガスＧを導入する側の一端部に配置されている。被測定ガスＧは、拡散抵抗体３を通って被測定ガス空間１０１に導入され、被測定ガス空間１０１を長手方向Ｌに流れる。第１の絶縁体５１は、固体電解質体２の被測定ガスＧ側の表面２０１において、ポンプ電極２１及びセンサ電極２３を三方から囲むように、長手方向Ｌの他端部及び幅方向Ｗの両側の端部に設けられている。

【0023】

被測定ガス空間１０１は、固体電解質体２と第２の絶縁体５２との間において、拡散抵抗体３及び第１の絶縁体５１によって、固体電解質体２の被測定ガスＧ側の表面２０１の四方が囲まれて形成されている。被測定ガス空間１０１は、ポンプ電極２１及びセンサ電極２３が設けられた位置において、長手方向Ｌ及び幅方向Ｗに直交する厚み方向Ｔにおける空間高さが一定になっている。

【0024】

図１、図２に示すごとく、固体電解質体２の基準ガスＡ側の表面２０２には、アルミナからなる平板状の基板である第３の絶縁体５３が積層されている。第３の絶縁体５３は、固体電解質体２の基準ガスＡ側の表面２０２において、基準電極２５を三方から囲むように、長手方向Ｌの一端部及び幅方向Ｗの両側の端部に設けられている。基準ガス空間１０２は、固体電解質体２と第４の絶縁体６１との間において、第３の絶縁体５３によって、固体電解質体２の基準ガスＡ側の表面２０２の、一端部及び幅方向Ｗの両側の端部の三方が囲まれて形成されている。

【0025】

また、第３の絶縁体５３には、ポンプ電極２１及びセンサ電極２３を加熱するためのヒータ６が積層されている。ヒータ６は、第３の絶縁体５３の表面に積層された絶縁層としての第４の絶縁体６１と、第４の絶縁体６１に設けられて通電が行われる導体層６２とを有している。第４の絶縁体６１は、２枚の絶縁プレート６１１によって導体層６２を挟み込んでいる。導体層６２は、外部の通電手段が接続される一対の電極部と、一対の電極部同士を繋ぎ、一対の電極部に印加される電圧によって通電されて発熱する発熱部とを有している。
また、ヒータ６の第４の絶縁体６１及び導体層６２は、固体電解質体２に対して平行に配置されており、導体層６２は、ポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４に対して平行に配置されている。

【0026】

図１、図２に示すように、ポンプ電極２１は、センサ電極２３及び電子伝導電極２４が設けられた固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１の長手方向Ｌにおいて、センサ電極２３の配置位置よりも被測定ガスＧの流れの上流側位置に設けられている。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧が印加されることにより、被測定ガス空間１０１内の酸素濃度を一定に調整する。なお、ポンプ電極２１は、固体電解質体２に対して絶縁体を介して積層された別の固体電解質体に設けることもできる。

【0027】

センサ電極２３は、被測定ガスＧ中の特定ガス成分としてのＮＯｘの分解に活性な電極材料によって構成されている。そして、センサセル４３は、ＮＯｘを分解する際にセンサ電極２３と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流値の大きさに応じて、被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度を検出する。
電子伝導電極２４は、センサ電極２３に対する長手方向Ｌの他端側に位置しており、被測定ガスＧ中の酸素成分を透過させない被覆層としての第１の絶縁体５１によって覆われている。本例の電子伝導電極２４は、第１の絶縁体５１の中に埋設されている。

【0028】

次に、本例のガスセンサ素子１の作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子１は、ヒータ６によって生じる電子伝導の強さを検出する電子伝導検出セル４４を有している。そのため、電子伝導検出セル４４における、電子伝導による電流を検出することにより、ヒータ６による加熱量、さらにはガスセンサ素子１の作動温度を検知することができる。また、電子伝導検出セル４４によれば、ガスセンサ素子１が経時変化したときに増加する、電子伝導による電流を検出することもできる。
これにより、センサセル４３における検出電流から電子伝導検出セル４４における電流を差し引くことにより、ガスセンサ素子１の作動温度の変化を反映して、センサセル４３によって特定ガス成分濃度を検出することができる。なお、センサセル４３における検出電流の値は、特定ガス成分濃度の検出を行うための酸素イオン電流に、電子伝導による電流が加わった値となる。

【0029】

それ故、本例のガスセンサ素子１によれば、ガスセンサ素子１の作動温度の変化を反映して、センサセル４３による特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

【0030】

図３には、横軸にガスセンサ素子１の作動温度をとり、縦軸にセンサセル４３に流れる電流Ｉ１及び電子伝導検出セル４４に流れる電流Ｉ３をとって、作動温度と電流値の関係を示す。また、この場合の特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度は０ｐｐｍとしている。同図に示すように、センサセル４３及び電子伝導検出セル４４の両方において、ガスセンサ素子１の作動温度が上昇するほど電流値Ｉ１，Ｉ３が大きくなることがわかる。この作動温度との相関関係を有する電流値Ｉ１，Ｉ３のほとんどは、ヒータ６による電子伝導に基づくものである。そのため、センサセル４３における電流値Ｉ１から電子伝導検出セル４４における電流値Ｉ３を差し引くことにより、センサセル４３において、特定ガス成分としてのＮＯｘを分解する際に生じる酸素イオン電流をできるだけ正確に検出することができる。

【0031】

また、ガスセンサ素子１の長手方向Ｌには、ヒータ６の加熱中心からの距離に応じた温度分布が存在する。そして、センサ電極２３からヒータ６の加熱中心までの距離は、電子伝導電極２４からヒータ６の加熱中心までの距離よりも短い。そのため、センサセル４３における電流値Ｉ１から電子伝導検出セル４４における電流値Ｉ３を差し引いた差分値はゼロにはならない。また、この差分値は、ガスセンサ素子１の作動温度が上昇するほど大きくなる傾向にある。そのため、ガスセンサ素子１を使用する際には、この差分値がゼロになるように校正しておく。

【0032】

（実施例２）
本例は、上記実施例１に示したガスセンサ素子１において、電子伝導検出セル４４の配置箇所を変更した例である。
図４、図５に示すように、本例の電子伝導検出セル４４の電子伝導電極２４Ａは、固体電解質体２の被測定ガスＧ側の表面２０１の長手方向Ｌに直交する幅方向Ｗにおいて、センサセル４３のセンサ電極２３に隣接して形成されている。ポンプ電極２１、センサ電極２３及び電子伝導電極２４Ａは、被測定ガス空間１０１内に配置されている。センサ電極２３及び電子伝導電極２４Ａは、固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１の長手方向Ｌにおいて、ポンプ電極２１の配置位置から互いに等しい距離に配置されている。電子伝導電極２４Ａは、被測定ガスＧ中の酸素分解に対して不活性である電極材料としての金材料から構成されている。なお、電子伝導電極２４Ａにおける、被測定ガスＧに曝される表面に、金材料からなる表面層を設けてもよい。

【0033】

本例においては、ヒータ６における加熱中心から、センサ電極２３及び電子伝導電極２４Ａまでの距離を同等にして、ヒータ６からの電子伝導によってセンサ電極２３及び電子伝導電極２４Ａに流れる電流を同等にすることができる。そのため、センサセル４３による特定ガス成分濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例１と同様であり、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

【0034】

図６には、上記実施例１の図３の場合と同様にして、ガスセンサ素子１の作動温度と、センサセル４３に流れる電流Ｉ１及び電子伝導検出セル４４に流れる電流Ｉ３との関係を示す。図６に示すように、センサセル４３及び電子伝導検出セル４４の両方において、ヒータ６による電子伝導に基づいて、ガスセンサ素子１の作動温度が上昇するほど電流値Ｉ１，Ｉ３が大きくなることがわかる。本例においては、ヒータ６における加熱中心から、センサ電極２３及び電子伝導電極２４Ａまでの距離が同等であるために、センサセル４３における電流値Ｉ１から電子伝導検出セル４４における電流値Ｉ３を差し引いたときの差分は、ほとんどないことがわかる。このことより、センサセル４３における酸素イオン電流を、さらに正確に検出できることがわかる。

【0035】

また、図７に示すように、電子伝導電極２４は、被測定ガスＧ中の酸素成分を透過させない被覆層５５によって覆われていてもよい。電子伝導電極２４は、センサセル４３と幅方向Ｗに並んで被測定ガス空間１０１内に配置されており、被測定ガスＧに曝されないように被覆層５５によって覆われている。この場合には、電子伝導電極２４に用いる電極材料は通常用いる白金材料等として、上記と同様の作用効果を得ることができる。なお、被覆層５５の厚みは、被測定ガスＧ中の酸素成分を透過させない範囲において、できるだけ薄くすることができる。

【0036】

（実施例３）
本例は、ガスセンサ素子１が、センサセル４３及び電子伝導検出セル４４の他に、モニタセル４２を備える例である。
図８に示すように、モニタセル４２は、センサ電極２３及び電子伝導電極２４が設けられた固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１に設けられたモニタ電極２２を有している。モニタ電極２２は、固体電解質体２の被測定ガスＧ側の表面２０１の長手方向Ｌに直交する幅方向Ｗにおいて、センサ電極２３及び電子伝導検出セル４４と並んで形成されている。センサ電極２３、電子伝導電極２４及びモニタ電極２２は、被測定ガス空間１０１内に配置されている。センサ電極２３、電子伝導電極２４及びモニタ電極２２は、固体電解質体２の被測定ガス空間１０１側の表面２０１の長手方向Ｌにおいて、ポンプ電極２１の配置位置から互いに等しい距離に配置されている。電子伝導電極２４は、上記実施例２の図７で示した場合と同様に、被測定ガスＧ中の酸素成分を透過させない被覆層５５によって覆われている。なお、図８は、上記実施例２の図４のII−II断面に相当する部位を示す。

【0037】

モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、被測定ガス空間１０１における酸素濃度を検出するよう構成されている。
また、センサ電極２３は、被測定ガスＧ中の特定ガス成分としてのＮＯｘの分解に活性な電極材料によって構成されており、モニタ電極２２は、被測定ガスＧ中のＮＯｘの分解に不活性な電極材料によって構成されている。センサセル４３においては、酸素濃度及び特定ガス成分濃度に依存して酸素イオン電流が検出される一方、モニタセル４２においては、酸素濃度に依存して酸素イオン電流が検出される。そして、ガスセンサ素子１においては、センサセル４３によって検出される電流から、モニタセル４２によって検出される電流が差し引かれることにより、被測定ガスＧ中の特定ガス成分の濃度が検出される。こうして、モニタセル４２を用いることによって、ガスセンサ素子１が経時変化した際に、被測定ガスＧ中の残留酸素による酸素イオン電流が、センサセル４３によるＮＯｘ濃度の検出に与える影響を補正することができる。
なお、センサセル４３によって検出される電流の値、及びモニタセル４２によって検出される電流の値のそれぞれは、特定ガス成分濃度の検出を行うための酸素イオン電流に、電子伝導による電流が加わった値となる。

【0038】

また、ヒータ６による電子伝導がセンサセル４３及びモニタセル４２に与える影響を、電子伝導検出セル４４によって補正することができる。具体的には、ガスセンサ素子１が長期の使用によって経時変化した際には、ポンプセル４１によって酸素量が調整された後の被測定ガスＧ中の残存酸素量が増加する傾向にある。これは、被測定ガスＧと接触するポンプ電極２１の劣化によって、ポンプセル４１の酸素量調整能力が低下したことに起因する。
また、ガスセンサ素子１が長期の使用によって経時変化した際に、ポンプ電極２１が劣化すると、ポンプ電極２１と基準電極２５との間の抵抗値が増加する。この抵抗値は、温度が上昇すると減少する傾向を有している。そのため、劣化によって抵抗値が増加すると、ガスセンサ素子１の温度を上昇させようとして、ヒータ６の加熱量が増加する。そして、各セル４２，４３，４４においては、ヒータ６からの電子伝導による電流が増加する。

【0039】

図９は、センサセル４３、モニタセル４２及び電子伝導検出セル４４に流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の値の大きさを、（ａ）ガスセンサ素子１が劣化する前の初期状態、（ｂ）ガスセンサ素子１が劣化した後の耐久状態について示す。また、この場合の特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度は０ｐｐｍとしている。
初期状態及び耐久状態のいずれにおいても、センサセル４３及びモニタセル４２においては、電子伝導による電流Ｉ３と、酸素イオン電流Ｉ１’，Ｉ２’とが流れ、電子伝導検出セル４４においては、電子伝導による電流Ｉ３のみが流れる。電子伝導による電流Ｉ３は、初期状態及び耐久状態のいずれにおいても、ヒータ６の加熱中心からセンサ電極２３、モニタ電極２２及び電子伝導電極２４までのそれぞれの距離が同等であるために、各セル４２，４３，４４において同等である。また、センサ電極２３に用いる材料は、モニタ電極２２に用いる材料に比べて酸素分解を生じさせやすい。そのため、ＮＯｘの濃度が０ｐｐｍであっても、センサセル４３に流れる酸素イオン電流Ｉ１’は、モニタセル４２に流れる酸素イオン電流Ｉ２’よりも多くなる。

【0040】

また、耐久状態のセンサセル４３及びモニタセル４２においては、上記残存酸素量の増加による影響を受けて酸素イオン電流Ｉ１’，Ｉ２’が増加していることがわかる。この酸素イオン電流Ｉ１’，Ｉ２’の増加に対しては、センサセル４３における電流Ｉ１’の値からモニタセル４２における電流Ｉ２’の値を差し引くことによって対処することができる。
また、耐久状態においては、ポンプ電極２１の劣化によってヒータ６の加熱量が増加したことに伴い、各セル４２，４３，４４における電子伝導による電流Ｉ３が初期状態に比べて増加していることがわかる。この電子伝導による電流Ｉ３の増加は、電子伝導セルにおける電流値Ｉ３の増加量によって検出することができる。

【0041】

そして、耐久状態のセンサセル４３及びモニタセル４２においては、ポンプセル４１の酸素量調整能力の低下に起因した酸素イオン電流Ｉ１’，Ｉ２’の変化と、ポンプ電極２１の劣化によるヒータ６の加熱量の増加に起因した電子伝導による電流Ｉ３の変化とを、切り分けることができる。特に、電子伝導による電流Ｉ３の増加量を監視することにより、ガスセンサ素子１の作動温度の上昇の度合い、及びポンプ電極２１の劣化の度合いを知ることができ、これらがセンサセル４３及びモニタセル４２によるＮＯｘ濃度の検出精度に及ぼす影響を検知することができる。そのため、本例のガスセンサ素子１によれば、その作動温度の変化を学習して、ＮＯｘ濃度の検出を正確に行うことができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例１、２と同様であり、実施例１、２と同様の作用効果を得ることができる。

【0042】

また、電子伝導検出セル４４における電流Ｉ３の変化量を監視することにより、ガスセンサ素子１の故障診断（温度異常、ポンプセル能力異常等）を行うこともできる。
なお、電子伝導検出セル４４を用いず、センサセル４３とモニタセル４２とを用いることのみによっては、電子伝導による電流Ｉ３の量を知ることはできない。そのため、電子伝導による電流Ｉ３の量を知るためには、電子伝導検出セル４４を用いることが必要である。

【0043】

（実施例４）
本例は、電子伝導検出セル４４によって検出される電流値が一定になるよう、ヒータ６の導体層６２に通電を行うよう構成した例である。
電子伝導によって電子伝導検出セル４４に流れる電流値は、ガスセンサ素子１の作動温度と相関関係を有している。また、電子伝導検出セル４４は、被測定ガスＧ中の酸素分解によって生じる酸素イオン電流を検出せず、電子伝導検出セル４４の電子伝導電極２４においては、被測定ガスＧ中の酸素成分を分解することによる経時劣化がほとんど生じない。そのため、電子伝導検出セル４４によって検出される電流値が一定になるよう導体層６２に通電を行うことにより、ガスセンサ素子１の作動温度を、精度よく制御することができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例１〜３と同様であり、実施例１〜３と同様の作用効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0044】

１ ガスセンサ素子
１０１ 被測定ガス空間
１０２ 基準ガス空間
２ 固体電解質体
２１ ポンプ電極
２２ モニタ電極
２３ センサ電極
２４ 電子伝導電極
２５ 基準電極
３ 拡散抵抗体
４１ ポンプセル
４２ モニタセル
４３ センサセル
４４ 電子伝導検出セル
６ ヒータ
Ｇ 被測定ガス
Ａ 基準ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】