特許 7391638 センサ素子及びガスセンサ

(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】

(24)【登録日】2023-11-27

(45)【発行日】2023-12-05

(54)【発明の名称】センサ素子及びガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20231128BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20231128BHJP

【ＦＩ】

G01N27/416 331

G01N27/419 327H

G01N27/419 327G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019219276

(22)【出願日】2019-12-04

(65)【公開番号】P2020180961

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2022-06-08

(31)【優先権主張番号】P 2019081474

(32)【優先日】2019-04-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】古田 斉

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】小島 章敬

(72)【発明者】

【氏名】山原 諭

(72)【発明者】

【氏名】原 晃大

【審査官】大瀧 真理

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１５９６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２５３５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２２８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５８８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－００５８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４０９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４７３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０１３０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／２７ － ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定室と、
固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室に曝される内側電極と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室の外部に配置される外側電極と、を有し、前記測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し及び汲み入れを行うことで前記測定室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
外部と前記測定室との間に配置され、前記測定室に導入される前記被測定ガスの拡散速度を調整する拡散抵抗部と、
前記酸素濃度の調整後の前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する検知セルと、を有し、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子であって、
前記外側電極は、多孔質層で覆われると共に前記被測定ガスとの接触を防止するガス非透過性の緻密層で囲まれた空隙内に配置され、
前記空隙は、前記拡散抵抗部よりも後端側に開口する大気導入口に連通し、前記外側電極が前記多孔質層を介して前記大気導入口から導入される大気に曝されることを特徴とするセンサ素子。

【請求項2】

積層方向にみて前記緻密層の反対側に、ヒータが積層されてなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。

【請求項3】

前記軸線方向に垂直であって積層方向に沿った断面でみたとき、前記空隙の断面積をＷ１とし、前記大気導入口の断面積をＷ２としたとき、
（１．５×Ｗ１）≧Ｗ２≧（０．３×Ｗ１）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ素子。

【請求項4】

前記大気導入口は、前記センサ素子の後端よりも先端側で前記緻密層を貫通して開口することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のセンサ素子。

【請求項5】

前記外側電極は、貴金属と前記固体電解質体の成分とを含有してなり、
かつ断面を観察した場合に、前記貴金属からなる貴金属領域と、前記固体電解質体の成分からなる固体電解質体領域と、前記貴金属と前記固体電解質体の成分とが共存する共存領域とを有し、
前記共存領域は、前記貴金属領域と前記固体電解質体領域との境界部に沿って存在することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のセンサ素子。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載のセンサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、を備えてなるガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられ、ポンプセルを有するセンサ素子及びガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素、ＮＯｘ等）の濃度を検出するガスセンサが広く用いられている（特許文献１、２）。例えば一般的なＮＯｘセンサは、図９に示すような酸素ポンプセル１４００を備えたセンサ素子を有している。酸素ポンプセル１４００は、固体電解質層１０９０の両面に形成された一対の内側電極１０８０、１１００を有し、内側電極１０８０は固体電解質層１０９０と積層方向に隣接する測定室１０７０内に露出している。一方、外側電極１１００は外部に臨み、外部との間で排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。そして、測定室１０７０内の排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧（起電力）が一定となるように酸素ポンプセル１４００に電圧（Ｖｐ電圧）を印加し、測定室１０７０内の酸素濃度をＮＯｘが分解しない程度に管理している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１７３１４６号公報

【文献】特許第４９６６２６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、図９に示すようなセンサ素子の場合、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化したときに過渡的なノイズ電流が酸素ポンプセル１４００に流れ、測定室１０７０内の酸素濃度の管理が困難になるという問題がある。
つまり、被測定ガス中の酸素雰囲気がリッチ側に変化した場合、測定室１０７０内の酸素濃度もリッチになり、図１０の実線Ｃ１に示すように、酸素ポンプセル１４００に流れるポンプ電流Ｉｐも減少するのが通常である。
ところが、図９に示すように、被測定ガスは拡散抵抗部１２００を介して測定室１０７０に流入するため、測定室１０７０内の内側電極１０８０に被測定ガスが接触するまで時間を要し、しばらくはリーン雰囲気のままである。一方、外側電極１１００は外部に臨んでいるため、内側電極１０８０に被測定ガスが接触するより前に外側電極１１００にリッチな被測定ガスが接触してしまうので、相対的に、外側電極１１００側に比べて測定室１０７０内の内側電極１０８０側の方がリーンになる。
その結果、図９の矢印のような起電力Ｅｆが酸素ポンプセル１４００に発生して過渡的にノイズ電流が流れ、図１０の破線Ｃ２に示すようなノイズピークが発生する。

【0005】

そこで、本発明は、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化したときのポンプセルのノイズ電流を抑制し、酸素濃度の管理精度の低下を抑制したセンサ素子及びガスセンサの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、測定室と、固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室に曝される内側電極と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室の外部に配置される外側電極と、を有し、前記測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し及び汲み入れを行うことで前記測定室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、外部と前記測定室との間に配置され、前記測定室に導入される前記被測定ガスの拡散速度を調整する拡散抵抗部と、前記酸素濃度の調整後の前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する検知セルと、を有し、軸線方向に延びる積層型のセンサ素子であって、前記外側電極は、多孔質層で覆われると共に前記被測定ガスとの接触を防止するガス非透過性の緻密層で囲まれた空隙内に配置され、前記空隙は、前記拡散抵抗部よりも後端側に開口する大気導入口に連通し、前記外側電極が前記多孔質層を介して前記大気導入口から導入される大気に曝されることを特徴とする。

【0007】

このセンサ素子によれば、外側電極は緻密層で囲まれた空隙内に配置されて被測定ガスとの接触を防止されつつ、拡散抵抗部よりも後端側の大気導入口から導入される大気に曝される。
これにより、外側電極は常に大気を基準雰囲気とするので、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化しても外側電極の雰囲気が一定に保たれ、被測定ガス中の酸素雰囲気の変動によるポンプセルのノイズ電流を抑制し、拡散抵抗部から測定室に導入される被測定ガス中の酸素雰囲気に応じた正常なポンプ電流が流れる。従って、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下を抑制することができる。
また、外側電極が多孔質層で覆われているので、センサ駆動時に外側電極の貴金属（Ｐｔ等）を主体とする電極材料が昇華することを抑制できる。

【0008】

本発明のセンサ素子において、積層方向にみて前記緻密層の反対側に、ヒータが積層されていてもよい。
このセンサ素子によれば、空隙よりも緻密層側に（例えば緻密層に埋設して）ヒータが積層される場合のように、ヒータの熱が空隙で断熱されることが無いので、ヒータの熱をより有効に利用でき、急速加熱にも有利である。

【0009】

本発明のセンサ素子は、前記軸線方向に垂直であって積層方向に沿った断面でみたとき、前記空隙の断面積をＷ１とし、前記大気導入口の断面積をＷ２としたとき、（１．５×Ｗ１）≧Ｗ２≧（０．３×Ｗ１）の関係を満たしてもよい。
このセンサ素子によれば、大気導入口の断面積を広くし過ぎてセンサ素子の強度が低下することを抑制すると共に、大気導入口の断面積を狭くし過ぎて空隙への大気の導入を妨げることを抑制できる。

【0010】

本発明のセンサ素子において、前記大気導入口は、前記センサ素子の後端よりも先端側で前記緻密層を貫通して開口してもよい。
このセンサ素子によれば、空隙から大気導入口に至る長さを短くし、大気導入口から導入された大気を外側電極に迅速に接触させることができる。

【0011】

本発明のセンサ素子において、前記外側電極は、貴金属と前記固体電解質体の成分とを含有してなり、かつ断面を観察した場合に、前記貴金属からなる貴金属領域と、前記固体電解質体の成分からなる固体電解質体領域と、前記貴金属と前記固体電解質体の成分とが共存する共存領域とを有し、前記共存領域は、前記貴金属領域と前記固体電解質体領域との境界部に沿って存在してもよい。
このセンサ素子によれば、外側電極の電極抵抗のバラツキを抑制し、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下をさらに抑制することができる。

【0012】

本発明のガスセンサは、前記センサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、を備えてなる。

【発明の効果】

【0013】

この発明によれば、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化したときのポンプセルのノイズ電流を抑制し、酸素濃度の管理精度の低下を抑制したセンサ素子及びガスセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）の長手方向に沿う断面図である。

【図2】第１の実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。

【図3】図２のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。

【図4】第１の実施形態に係るセンサ素子のＩｐ１セル（ポンプセル）近傍の分解斜視図である。

【図5】図２のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。

【図6】第２の実施形態に係るセンサ素子の軸線に沿う断面図である。

【図7】第２の実施形態に係るセンサ素子のＩｐ１セル（ポンプセル）近傍の分解斜視図である。

【図8】第３の実施形態に係るセンサ素子の軸線に沿う断面図である。

【図9】従来の酸素ポンプセルを備えたセンサ素子の断面図である。

【図10】被測定ガス中の酸素雰囲気がリッチ側に変化した場合に、酸素ポンプセルに生じるノイズピークを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）１の縦断面図（軸線ＡＸに沿った長手方向に切断した断面図）、図２は第１の実施形態に係るセンサ素子１０の斜視図、図３は図２のＢ－Ｂ線（軸線ＡＸ）に沿う断面図、図４はセンサ素子１０のＩｐ１セル（ポンプセル）１１０近傍の分解斜視図、図５は図２のＣ－Ｃ線（軸線ＡＸの直交する線）に沿う断面図である。
なお、センサ素子の「幅方向」と区別するために、軸線ＡＸに沿う方向（軸線方向）を適宜「長手方向」と称する。センサ素子の「幅方向」は、「長手方向（軸線方向）」と垂直な方向である。

【0016】

ガスセンサ１は、測定対象ガスである排ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を検出可能なセンサ素子１０を備え、内燃機関の排気管（図示なし）に装着されて使用されるＮＯｘセンサである。このガスセンサ１は、排気管に固定するためのネジ部２１が外表面の所定位置に形成された筒状の主体金具２０を備える。センサ素子１０は、軸線ＡＸ方向に延びる細長板状をなし、主体金具２０の内側に保持されている。
さらに詳しくは、ガスセンサ１は、センサ素子１０の後端部１０ｋ（図１において上端の部位）が挿入される挿入孔６２を有する保持部材６０と、この保持部材６０の内側に保持された６個の端子部材とを備える。なお、図１では、６個の端子部材のうち２個の端子部材（具体的には、端子部材７５，７６）のみを図示している。

【0017】

センサ素子１０の後端部１０ｋには、平面視矩形状の電極端子部１３～１８（図１では、電極端子部１４、１７のみ図示）が合計６個形成されている。電極端子部１３～１８には、それぞれ、前述の端子部材が弾性的に当接して電気的に接続している。例えば、電極端子部１４には、端子部材７５の素子当接部７５ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。また、電極端子部１７には、端子部材７６の素子当接部７６ｂが弾性的に当接して電気的に接続している。
さらに、６個の端子部材（端子部材７５，７６など）には、それぞれ、異なるリード線７１が電気的に接続されている。例えば、図１に示すように、端子部材７５のリード線把持部７７によって、リード線７１の芯線が加締められて把持される。また、端子部材７６のリード線把持部７８によって、他のリード線７１の芯線が加締められて把持される。

【0018】

また、センサ素子１０の後端部１０ｋの主面の一方には、電極端子部１３～１５よりも先端側で、後述するセラミックスリーブ４５よりも後端側に大気導入口１０ｈが開口しており（図２参照）、大気導入口１０ｈは保持部材６０の挿入孔６２内に配置されている。
これにより、後述する外筒５１の内部に閉じ込められた基準大気が大気導入口１０ｈからセンサ素子１０の内部に導入される。

【0019】

主体金具２０は、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔２３を有する筒状部材である。この主体金具２０は、径方向内側に突出する形態で貫通孔２３の一部を構成する棚部２５を有している。主体金具２０は、センサ素子１０の先端部１０ｓを自身の先端側外部（図１において下方）に突出させると共に、センサ素子１０の後端部１０ｋを自身の後端側外部（図１において上方）に突出させた状態で、センサ素子１０を貫通孔２３内に保持している。
また、主体金具２０の貫通孔２３の内部には、環状のセラミックホルダ４２、滑石粉末を環状に充填してなる２つの滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が配置されている。詳細には、センサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ４２、滑石リング４３，４４、及びセラミックスリーブ４５が、この順に、主体金具２０の軸線方向先端側（図１において下端側）から軸線方向後端側（図１において上端側）にわたって重ねて配置されている。

【0020】

また、セラミックホルダ４２と主体金具２０の棚部２５との間には、金属カップ４１が配置されている。また、セラミックスリーブ４５と主体金具２０のカシメ部２２との間には、加締リング４６が配置されている。なお、主体金具２０のカシメ部２２が、加締リング４６を介してセラミックスリーブ４５を先端側に押し付けるように、加締められている。
主体金具２０の先端部２０ｂには、センサ素子１０の先端部１０ｓを覆うように、複数の孔を有する金属製（具体的にはステンレス）の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具２０の後端部には、外筒５１が溶接によって取り付けられている。外筒５１は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状をなし、センサ素子１０を包囲している。

【0021】

保持部材６０は、絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、軸線ＡＸ方向に貫通する挿入孔６２を有する筒状部材である。挿入孔６２内には、前述した６個の端子部材（端子部材７５，７６など）が配置されている（図１参照）。保持部材６０の後端部には、径方向外側に突出する鍔部６５が形成されている。保持部材６０は、鍔部６５が内部支持部材５３に当接する態様で、内部支持部材５３に保持されている。なお、内部支持部材５３は、外筒５１のうち径方向内側に向けて加締められた加締部５１ｇにより、外筒５１に保持されている。
保持部材６０の後端面６１上には、絶縁部材９０が配置されている。絶縁部材９０は、電気絶縁性材料（具体的にはアルミナ）からなり、円筒状をなす。この絶縁部材９０には、軸線ＡＸ方向に貫通する貫通孔９１が合計６個形成されている。この貫通孔９１には、前述した端子部材のリード線把持部（リード線把持部７７，７８など）が配置されている。

【0022】

また、外筒５１のうち軸線方向後端部（図１において上端部）に位置する後端開口部５１ｃの径方向内側には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材７３が配置されている。この弾性シール部材７３には、軸線ＡＸ方向に延びる円筒状の挿通孔７３ｃが、合計６個形成されている。各々の挿通孔７３ｃは、弾性シール部材７３の挿通孔面７３ｂ（円筒状の内壁面）によって構成されている。各々の挿通孔７３ｃには、リード線７１が１本ずつ挿通されている。各々のリード線７１は、弾性シール部材７３の挿通孔７３ｃを通じて、ガスセンサ１の外部に延出している。弾性シール部材７３は、外筒５１の後端開口部５１ｃを径方向内側に加締めることで径方向に弾性圧縮変形し、これにより、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとを密着させて、挿通孔面７３ｂとリード線７１の外周面７１ｂとの間を水密に封止している。

【0023】

一方、図３に示すように、センサ素子１０は、板状の固体電解質体１１１、１２１、１３１と、これらの間に配置された絶縁体１４０、１４５とを備え、これらが積層方向に積層された構造を有する。さらに、センサ素子１０には、固体電解質体１３１の裏面側に、ヒータ１６１が積層されている。このヒータ１６１は、アルミナを主体とする板状の絶縁体１６２、１６３と、その間に埋設されたヒータパターン１６４（Ｐｔを主体としている）とを備えている。

【0024】

固体電解質体１１１、１２１、１３１は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１１１の表面側には、多孔質のＩｐ１＋電極１１２が設けられている。また、固体電解質体１１１の裏面側には、多孔質のＩｐ１－電極１１３が設けられている。さらに、Ｉｐ１＋電極１１２の表面は、多孔質層１１４で覆われている。
又、Ｉｐ１＋電極１１２にはＩｐ１＋リード１１６が接続されている（図２、図４参照）。又、Ｉｐ１－電極１１３にはＩｐ１－リード１１７（図４）が接続されている。

【0025】

また、図４に示すように、Ｉｐ１＋電極１１２及びＩｐ１＋リード１１６の表面には、空隙１０Ｇを有し、アルミナ等からなるガス非透過性の第１緻密層１１８が積層され、空隙１０Ｇから多孔質層１１４が露出すると共に、Ｉｐ１＋リード１１６が第１緻密層１１８の外周側の枠部で覆われている。
空隙１０Ｇは、多孔質層１１４近傍から大気導入口１０ｈに連通する部位までまっすぐに延びている。そして、空隙１０Ｇの後端側の第１緻密層１１８には、電極端子部１３～１５と導通するためのスルーホールが設けられている。

【0026】

さらに、第１緻密層１１８の表面には、アルミナ等からなるガス非透過性の第２緻密層１１５が積層され、空隙１０Ｇを閉塞している。これにより、多孔質層１１４で覆われたＩｐ１＋電極１１２が、緻密層１１５，１１８で囲まれた空隙１０Ｇ内に配置されて被測定ガスとの接触を防止するようになっている。
そして、第２緻密層１１５のうち、空隙１０Ｇの後端と重なる位置が矩形状に開口して大気導入口１０ｈを形成し、空隙１０Ｇは大気導入口１０ｈに連通している。大気導入口１０ｈは、後述する第１多孔質体１５１よりも後端側に開口しており、排ガスでなく、大気を導入することができる。これにより、Ｉｐ１＋電極１１２は、多孔質層１１４を介して大気導入口１０ｈから導入される大気に曝されるようになっている。

【0027】

ここで、固体電解質体１１１、Ｉｐ１－電極１１３、Ｉｐ１＋電極１１２がそれぞれ特許請求の範囲の「固体電解質体」、「内側電極」、「外側電極」に相当する。又、後述する第１測定室１５０が特許請求の範囲の「測定室」に相当する。
固体電解質体１１１及び電極１１２、１１３は、Ｉｐ１セル１１０（ポンプセル）を構成する。このＩｐ１セル１１０は、電極１１２、１１３間に流すポンプ電流Ｉｐ１に応じて、電極１１２の接する雰囲気（センサ素子１０の外部の被測定ガスとは異なる、空隙１０Ｇ内の大気）と、電極１１３の接する雰囲気（後述する第１測定室１５０内の雰囲気、つまりセンサ素子１０の外部の被測定ガス）との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

【0028】

固体電解質体１２１は、絶縁体１４０を挟んで、固体電解質体１１１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１２１の表面側（図２において上面側）には、多孔質のＶｓ－電極１２２が設けられている。また、固体電解質体１２１の裏面側（図２において下面側）には、多孔質のＶｓ＋電極１２３が設けられている。

【0029】

固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間には、センサ素子の内部空間としての第１測定室１５０が形成されている。この第１測定室１５０は、排気通路内を流通する被測定ガス（排ガス）が、センサ素子１０内に最初に導入される内部空間であり、ガス透過性及び透水性を有する第１多孔質体（拡散抵抗部）１５１（図２、図４参照）を通じてセンサ素子１０の外部と連通している。第１多孔質体１５１は、センサ素子１０の外部との仕切りとして、第１測定室１５０の側方に設けられており、第１測定室１５０内への排ガスの単位時間あたりの流通量（拡散速度）を制限する。
第１測定室１５０の後端側（図２において右側）には、第１測定室１５０と後述する第２測定室１６０との間の仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第２多孔質体１５２が設けられている。

【0030】

固体電解質体１２１及び電極１２２、１２３は、Ｖｓセル（検知セル）１２０を構成する。このＶｓセル１２０は、主として、固体電解質体１２１により隔てられた雰囲気（電極１２２の接する第１測定室１５０内の雰囲気と、電極１２３の接する基準酸素室１７０内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。

【0031】

固体電解質体１３１は、絶縁体１４５を挟んで、固体電解質体１２１と積層方向に対向するように配置されている。固体電解質体１３１の表面側（図２において上面側）には、多孔質のＩｐ２＋電極１３２と多孔質のＩｐ２－電極１３３が設けられている。

【0032】

Ｉｐ２＋電極１３２とＶｓ＋電極１２３との間には、孤立した小空間としての基準酸素室１７０が形成されている。この基準酸素室１７０は、絶縁体１４５に形成されている開口部１４５ｂにより構成されている。なお、基準酸素室１７０内のうちＩｐ２＋電極１３２側には、セラミックス製の多孔質体が配置されている。
また、Ｉｐ２－電極１３３と積層方向に対向する位置には、センサ素子の内部空間としての第２測定室１６０が形成されている。この第２測定室１６０は、絶縁体１４５を積層方向に貫通する開口部１４５ｃと、固体電解質体１２１を積層方向に貫通する開口部１２５と、絶縁体１４０を積層方向に貫通する開口部１４１とにより構成されている。
第１測定室１５０と第２測定室１６０とは、ガス透過性及び透水性を有する第２多孔質体１５２を通じて連通している。従って、第２測定室１６０は、第１多孔質体１５１、第１測定室１５０、及び第２多孔質体１５２を通じて、センサ素子１０の外部と連通している。

【0033】

固体電解質体１３１及び電極１３２、１３３は、ＮＯｘ濃度を検知するためのＩｐ２セル１３０（第２ポンプセル）を構成する。このＩｐ２セル１３０は、第２測定室１６０内で分解されたＮＯｘ由来の酸素（酸素イオン）を、固体電解質体１３１を通じて、基準酸素室１７０に移動させる。このとき、電極１３２及び電極１３３の間には、第２測定室１６０内に導入された排ガス（測定対象ガス）に含まれるＮＯｘの濃度に応じた電流が流れる。

【0034】

又、本実施形態では、固体電解質体１１１の裏面上のＩｐ１－電極１１３を除く部位には、アルミナ絶縁層１１９が形成され、Ｉｐ１－電極１１３はアルミナ絶縁層１１９を積層方向に貫通する貫通孔１１９ｂ（図４参照）を通じて、固体電解質体１１１と接触する。

【0035】

さらに、本実施形態では、固体電解質体１２１の表面上のＶｓ－電極１２２を除く部位に、アルミナ絶縁層１２８が形成され、Ｖｓ－電極１２２はアルミナ絶縁層１２８を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１２１と接触する。
さらに、固体電解質体１２１の裏面上のＶｓ＋電極１２３を除く部位に、アルミナ絶縁層１２９が形成され、Ｖｓ＋電極１２３はアルミナ絶縁層１２９を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１２１と接触する。

【0036】

さらに、本実施形態では、固体電解質体１３１の表面上のＩｐ２＋電極１３２を除く部位に、アルミナ絶縁層１３８が形成され、Ｉｐ２＋電極１３２はアルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１３１と接触する。さらに、固体電解質体１３１の表面上のＩｐ２－電極１３３を除く部位にも、アルミナ絶縁層１３８が形成され、電極１３３はアルミナ絶縁層１３８を積層方向に貫通する貫通孔（図示せず）を通じて、固体電解質体１３１と接触する。

【0037】

ここで、本実施形態のガスセンサ１によるＮＯｘ濃度検知について、簡単に説明する。
センサ素子１０の固体電解質体１１１、１２１、１３１は、ヒータパターン１６４の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、及びＩｐ２セル１３０が動作するようになる。
排気通路（図示なし）内を流通する排ガスは、第１多孔質体１５１による流通量の制限を受けつつ第１測定室１５０内に導入される。このとき、Ｖｓセル１２０には、電極１２３側から電極１２２側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第１測定室１５０内の電極１２２から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体１２１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、電極１２２、１２３間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１測定室１５０内の酸素が基準酸素室１７０内に送り込まれる。

【0038】

第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、センサ素子１０の外部から第１測定室１５０内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、第１測定室１５０内からセンサ素子１０外部へ酸素の汲み出しを行う。

【0039】

このように、第１測定室１５０において酸素濃度が調整された排ガスは、第２多孔質体１５２を通じて、第２測定室１６０内に導入される。第２測定室１６０内で電極１３３と接触した排ガス中のＮＯｘは、電極１３２、１３３間に電圧Ｖｐ２を印加されることで、電極１３３上で窒素と酸素に分解（還元）され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体１３１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。このとき、第１測定室１５０で汲み残された残留酸素も同様に、Ｉｐ２セル１３０によって基準酸素室１７０内に移動する。これにより、Ｉｐ２セル１３０には、ＮＯｘ由来の電流及び残留酸素由来の電流が流れる。なお、基準酸素室１７０内に移動した酸素は、基準酸素室１７０内に接するＶｓ＋電極１２３とＶｓリード及びＩｐ２＋電極１３２とＩｐ２＋リードを介して外部（大気）に放出される、このため、Ｖｓ＋リード及びＩｐ２＋リードは多孔質となっている。

【0040】

ここで、第１測定室１５０で汲み残された残留酸素の濃度は、上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、ＮＯｘ由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流は、ＮＯｘ濃度に比例することとなる。従って、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値に基づいて、排ガス中のＮＯｘ濃度を検知することができる。

【0041】

そして、本実施形態では、Ｉｐ１＋電極１１２は緻密層１１５，１１８で囲まれた空隙１０Ｇ内に配置されて被測定ガスとの接触を防止されつつ、大気導入口１０ｈから導入される大気に曝される。
これにより、Ｉｐ１＋電極１１２は常に大気を基準雰囲気とするので、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化してもＩｐ１＋電極１１２の雰囲気が一定に保たれ、被測定ガス中の酸素雰囲気の変動によるポンプセルのノイズ電流（図１０の破線Ｃ２）を抑制し、第１多孔質体１５１から第１測定室１５０に導入される被測定ガス中の酸素雰囲気に応じた正常なポンプ電流（図１０の実線Ｃ１）が流れる。従って、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下を抑制することができる。
また、Ｉｐ１＋電極１１２が多孔質層１１４で覆われているので、センサ駆動時のＩｐ１＋電極１１２の貴金属（Ｐｔ等）を主体とする電極材料が昇華することを抑制できる。

【0042】

また、本実施形態では、積層方向にみて緻密層１１５，１１８の反対側（空隙１０Ｇよりもポンプセル１１０側）に、ヒータ１６１が積層されている。
これにより、空隙１０Ｇよりも緻密層１１５，１１８側に（例えば緻密層１１５に埋設して）ヒータ１６１が積層される場合のように、ヒータ１６１の熱が空隙１０Ｇで断熱されることが無いので、ヒータ１６１の熱をより有効に利用でき、急速加熱にも有利である。

【0043】

また、本実施形態では、大気導入口１０ｈは、センサ素子１０の後端よりも先端側で緻密層１１５，１１８を貫通して開口する。
これにより、空隙１０Ｇから大気導入口１０ｈに至る長さを短くし、大気導入口１０ｈから導入された大気をＩｐ１＋電極１１２に迅速に接触させることができる。

【0044】

また、本実施形態では、Ｉｐ１＋電極１１２は貴金属と固体電解質体１１１の成分とを含有してなり、かつ断面を観察した場合に、貴金属からなる貴金属領域と、固体電解質体１１１の成分からなる固体電解質体領域と、貴金属と固体電解質体１１１の成分とが共存する共存領域とを有し、共存領域は、貴金属領域と固体電解質体領域との境界部に沿って存在する。
これにより、Ｉｐ１＋電極１１２の電極抵抗のバラツキを抑制し、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下をさらに抑制することができる。

【0045】

また、大気導入口１０ｈを投影した図５に示すように、本実施形態では、空隙１０Ｇの断面積をＷ１とし、大気導入口１０ｈの断面積をＷ２としたとき、（１．５×Ｗ１）≧Ｗ２≧（０．３×Ｗ１）の関係を満たす。
これにより、大気導入口１０ｈの断面積を広くし過ぎてセンサ素子１０の強度が低下することを抑制すると共に、大気導入口１０ｈの断面積を狭くし過ぎて空隙１０Ｇへの大気の導入を妨げることを抑制できる。

【0046】

次に、図６、図７を参照し、本発明の第２の実施形態に係るセンサ素子１０Ｂについて説明する。なお、第２の実施形態に係るセンサ素子１０Ｂは、第１緻密層１１８と、固体電解質体１１１ｅを含む複合層（具体的には後述する固体電解質体１１１ｅと絶縁層１１１ｓ）との間に、第３緻密層１１８Ｂが介装されていること、並びに固体電解質体１１１ｅ、１２１ｅ、１３１ｅがそれぞれ絶縁層１１１ｓ、１２１ｓ、１３１ｓ内に埋め込まれていること以外は、第１の実施形態に係るセンサ素子１０と同一であるので、同一部分の構成については説明を省略する。
図６は第２の実施形態に係るセンサ素子１０Ｂの軸線ＡＸに沿う断面図、図７はセンサ素子１０ＢのＩｐ１セル（ポンプセル）１１０近傍の分解斜視図を示す。

【0047】

図６、図７に示すように、第２の実施形態においては、第１緻密層１１８と上記複合層との間に、第３緻密層１１８Ｂが介装され、第３緻密層１１８Ｂの先端側には矩形の開口１１８Ｂｈが設けられている。
そして、この開口１１８Ｂｈに多孔質層１１４Ｂが充填され、多孔質層１１４Ｂの下面（Ｉｐ１＋電極１１２側）にＩｐ１＋電極１１２が形成され、Ｉｐ１＋電極１１２は第３緻密層１１８Ｂの下面よりも下側に突出している。そして、Ｉｐ１＋電極１１２の上記した突出部位は固体電解質体１１１ｅに覆われている。
このように、第２の実施形態においては、Ｉｐ１＋電極１１２の側面は固体電解質体１１１ｅで囲まれることになる。
なお、固体電解質体１１１ｅ、１２１ｅ、１３１ｅはそれぞれ略矩形をなし、絶縁層１１１ｓ、１２１ｓ、１３１ｓの先端側には矩形の開口が設けられている。そして、この開口にそれぞれ固体電解質体１１１ｅ、１２１ｅ、１３１ｅが埋め込まれている。

【0048】

第２の実施形態においても、Ｉｐ１＋電極１１２は固体電解質体１１１ｅで囲まれた空隙１０Ｇ内に配置されて被測定ガスとの接触を防止されつつ、大気導入口１０ｈから導入される大気に曝される。
これにより、Ｉｐ１＋電極１１２は常に大気を基準雰囲気とするので、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化してもＩｐ１＋電極１１２の雰囲気が一定にその保たれ、ポンプセルのノイズ電流を抑制し、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下を抑制することができる。
また、Ｉｐ１＋電極１１２が多孔質層１１４Ｂで覆われているので、Ｉｐ１＋電極１１２の昇華を抑制できる。

【0049】

次に、図８を参照し、本発明の第３の実施形態に係るセンサ素子１０Ｃについて説明する。なお、第３の実施形態に係るセンサ素子１０Ｃは、第１緻密層１１８と同じ厚みまで多孔質層１１４Ｃが形成されていること以外は、第１の実施形態に係るセンサ素子１０と同一であるので、同一部分の構成については説明を省略する。
図８は第３の実施形態に係るセンサ素子１０Ｃの軸線ＡＸに沿う断面図を示す。

【0050】

図８に示すように、第３の実施形態においては、第１緻密層１１８と同じ厚みまで多孔質層１１４Ｃが形成されている。
このように、第３の実施形態においては、Ｉｐ１＋電極１１２を覆う多孔質層１１４Ｃは、自身の後端側の側面のみが空隙１０Ｇに臨み、大気に曝される（図８の矢印）。

【0051】

第３の実施形態においても、Ｉｐ１＋電極１１２は緻密層１１５，１１８で囲まれた空隙１０Ｇ内に配置されて被測定ガスとの接触を防止されつつ、大気導入口１０ｈから導入される大気に曝される。
これにより、Ｉｐ１＋電極１１２は常に大気を基準雰囲気とするので、被測定ガス中の酸素雰囲気が変化してもＩｐ１＋電極１１２の雰囲気が一定にその保たれ、ポンプセルのノイズ電流を抑制し、ポンプセルにおける酸素濃度の管理精度の低下を抑制することができる。
また、Ｉｐ１＋電極１１２が多孔質層１１４Ｃで覆われているので、Ｉｐ１＋電極１１２の昇華を抑制できる。

【0052】

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
空隙１０Ｇがセンサ素子の後端まで貫通し、大気導入口がセンサ素子の後端向き面にて開口するようにしてもよい。
拡散抵抗部（第１多孔質体１５１）の位置も、素子側面に限らず、素子の先端向き面に配置されてもよい。
固体電解質体１１１、１２１、１３１は、絶縁層内に埋め込まれる態様であってもよい。

【0053】

又、本発明は、酸素ポンプセルと検知セルを有する（２セル以上の）センサ素子（ガスセンサ）に適用可能であり、本実施の形態のＮＯｘセンサ素子（ＮＯｘセンサ）に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素センサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。

【符号の説明】

【0054】

１ ガスセンサ
１０、１０Ｂ、１０Ｃ センサ素子
１０ｈ 大気導入口
１０Ｇ 空隙
２０ 主体金具
１１０ ポンプセル
１１１、１１１ｅ 固体電解質体
１１２ 外側電極
１１３ 内側電極
１１４、１１４Ｂ，１１４Ｃ 多孔質層
１１５、１１８、１１８Ｂ 緻密層
１２０ 検知セル（Ｖｓセル）
１５０ 測定室
１５１ 拡散抵抗部（第１多孔質体）
１６１ ヒータ
ＡＸ 長手方向（軸線）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】