特許 7573575 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】2024-10-17

(45)【発行日】2024-10-25

(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 20060101AFI20241018BHJP

   G01N 27/409 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

G01N27/416 331

G01N27/409 100

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022125362

(22)【出願日】2022-08-05

(65)【公開番号】P2023033155

(43)【公開日】2023-03-09

【審査請求日】2024-04-17

(31)【優先権主張番号】P 2021137151

(32)【優先日】2021-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋本 哲

(72)【発明者】

【氏名】惣川 真吾

(72)【発明者】

【氏名】山村 嘉彦

(72)【発明者】

【氏名】氏原 浩佑

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０４１４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５３１６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３０８７４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２１１８６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられ、長手方向と短手方向と該長手方向及び該短手方向に垂直な厚さ方向とを有する板状の素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの主ポンプ室の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記主ポンプ室よりも下流側に設けられた補助ポンプ室の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記補助ポンプ室よりも下流側に設けられた測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルと、
前記素子本体を加熱する発熱体と、
を備え、
前記発熱体は、
前記短手方向に沿って並んでおり長さ方向が前記長手方向に沿っている第１外側直線部及び第２外側直線部と、
前記短手方向で前記第１外側直線部と前記第２外側直線部との間に配置され長さ方向が前記長手方向に沿っている第１内側直線部及び第２内側直線部と、
前記第１外側直線部と前記第１内側直線部とを前記長手方向の一端側で接続する第１屈曲部と、
前記第１内側直線部と前記第２内側直線部とを前記長手方向の他端側で接続する第２屈曲部と、
前記第２内側直線部と前記第２外側直線部とを前記長手方向の一端側で接続する第３屈曲部と、
を有し、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、それぞれ、前記主ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域である主ポンプ室投影領域と少なくとも一部が重複しており、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、それぞれ、前記補助ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域である補助ポンプ室投影領域と少なくとも一部が重複しており、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、前記主ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの前記短手方向の距離Ｘ１が、前記主ポンプ室投影領域の前記短手方向の幅Ｗｐの１／３以上であり、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、前記補助ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの前記短手方向の距離Ｘ２が、前記幅Ｗｐの０．４倍以上である、
センサ素子。

【請求項2】

前記距離Ｘ１が、前記幅Ｗｐの０．４倍より大きい、
請求項１に記載のセンサ素子。

【請求項3】

前記発熱体のうち前記主ポンプ室及び補助ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域であるポンプ室投影領域と重複する部分であるポンプ室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、
前記発熱体のうち前記測定室を前記発熱体に向けて厚さ方向に投影した領域である測定室投影領域と重複する部分である測定室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ３［μΩ／ｍｍ］としたときに、
７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満である、
請求項１又は２に記載のセンサ素子。

【請求項4】

請求項１又は２に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサに用いられるセンサ素子が知られている。例えば、特許文献１には、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層の積層体と、積層体の内部に設けられた内部空所と、内部空所の酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセルと、積層体の内部に配設された測定電極と、を備えたセンサ素子が記載されている。このセンサ素子でＮＯｘの濃度を検出する場合、まず、内部空所における被測定ガスの酸素濃度を調整する。次に、酸素濃度が調整された後の被測定ガス中のＮＯｘが測定電極の周囲で還元される。そして、測定電極の周囲の酸素を汲み出したときに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。また、特許文献１のセンサ素子は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子を加熱して保温する温度調整の役割を担う発熱体を備えている。この発熱体は、直線部と屈曲部とを有している。そして、屈曲部は、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位長さあたりの抵抗値が直線部と比べて低くなっている。これにより、直線部と比べて劣化しやすい屈曲部の温度を上昇しにくくして、屈曲部の劣化を抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－０４１４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、発熱体がセンサ素子を加熱することで、センサ素子の内部空所の周辺に応力が生じる場合があった。この応力によりセンサ素子にクラックが生じる場合があるため、応力を低減することが望まれていた。特許文献１では、内部空所の周辺に生じる応力については考慮されていなかった。

【0005】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、発熱体の発熱時にセンサ素子の内部空所の周辺に生じる応力を低減することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

［１］本発明のセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられ、長手方向と短手方向と該長手方向及び該短手方向に垂直な厚さ方向とを有する板状の素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの主ポンプ室の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記主ポンプ室よりも下流側に設けられた補助ポンプ室の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記補助ポンプ室よりも下流側に設けられた測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルと、
前記素子本体を加熱する発熱体と、
を備え、
前記発熱体は、
前記短手方向に沿って並んでおり長さ方向が前記長手方向に沿っている第１外側直線部及び第２外側直線部と、
前記短手方向で前記第１外側直線部と前記第２外側直線部との間に配置され長さ方向が前記長手方向に沿っている第１内側直線部及び第２内側直線部と、
前記第１外側直線部と前記第１内側直線部とを前記長手方向の一端側で接続する第１屈曲部と、
前記第１内側直線部と前記第２内側直線部とを前記長手方向の他端側で接続する第２屈曲部と、
前記第２内側直線部と前記第２外側直線部とを前記長手方向の一端側で接続する第３屈曲部と、
を有し、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、それぞれ、前記主ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域である主ポンプ室投影領域と少なくとも一部が重複しており、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、それぞれ、前記補助ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域である補助ポンプ室投影領域と少なくとも一部が重複しており、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、前記主ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの前記短手方向の距離Ｘ１が、前記主ポンプ室投影領域の前記短手方向の幅Ｗｐの１／３以上であり、
前記第１内側直線部及び前記第２内側直線部は、前記補助ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの前記短手方向の距離Ｘ２が、前記幅Ｗｐの０．４倍以上である、
ものである。

【0008】

このセンサ素子では、発熱体とセンサ素子の内部空所（主ポンプ室，補助ポンプ室，及び測定室）との位置関係が、距離Ｘ１が幅Ｗｐの１／３以上であり、且つ距離Ｘ２が幅Ｗｐの０．４倍以上であるという条件を満たしている。距離Ｘ１は、発熱体の第１内側直線部及び第２内側直線部のうち主ポンプ室を発熱体に向けて厚さ方向に投影した領域である主ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの短手方向の距離である。距離Ｘ２は、発熱体の第１内側直線部及び第２内側直線部のうち補助ポンプ室を発熱体に向けて厚さ方向に投影した領域である補助ポンプ室投影領域と重複する部分における互いの短手方向の距離である。幅Ｗｐは、主ポンプ室投影領域の短手方向の長さである。上記の条件を満たすことで、発熱体の発熱時に内部空所（主ポンプ室，補助ポンプ室，及び測定室）の周辺に生じる応力を低減できる。

【0009】

［２］上述したセンサ素子（前記［１］に記載のセンサ素子）において、前記距離Ｘ１が、前記幅Ｗｐの０．４倍より大きくてもよい。こうすれば、上述した応力を低減する効果が高まる。

【0010】

［３］上述したセンサ素子（前記［１］又は［２］に記載のセンサ素子）において、前記発熱体のうち前記主ポンプ室及び補助ポンプ室を前記発熱体に向けて前記厚さ方向に投影した領域であるポンプ室投影領域と重複する部分であるポンプ室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とし、前記発熱体のうち前記測定室を前記発熱体に向けて厚さ方向に投影した領域である測定室投影領域と重複する部分である測定室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ３［μΩ／ｍｍ］としたときに、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であってもよい。ここで、単位抵抗値Ｒ３が大きすぎると主ポンプ室及び補助ポンプ室の周辺の温度と測定室の周辺の温度との差が小さくなりすぎて、特定ガス濃度の検出精度が低下する場合がある。単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であることで、そのような検出精度の低下を抑制できる。

【0011】

この場合において、前記測定室重複部分は、前記第２屈曲部の少なくとも一部であってもよい。言い換えると、前記発熱体は、前記第２屈曲部が測定室投影領域と重複していてもよい。

【0012】

［４］本発明のガスセンサは、前記［１］～［３］のいずれかのセンサ素子を備えたものである。そのため、このガスセンサは、上述した本発明のセンサ素子と同様の効果、例えば発熱体の発熱時にセンサ素子の内部空所の周辺に生じる応力を低減できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。

【図2】図１のＡ－Ａ断面図。

【図3】変形例のヒータ７２の説明図。

【図4】変形例のヒータ７２の説明図。

【図5】実験例１～９の距離Ｘ１，Ｘ２，及び内部空所の応力評価の結果をプロットしたグラフ。

【図6】実験例１～９の距離Ｘ１，Ｘ２，及び外周部の応力評価の結果をプロットしたグラフ。

【図7】実験例１１のヒータ７２の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。なお、ガスセンサ１００は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガスの濃度を、センサ素子１０１により検出するものである。また、センサ素子１０１は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１０１の長手方向（図１の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１０１の厚さ方向（図１の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１０１の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

【0015】

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積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解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、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

【0016】

センサ素子１０１の前端部側（図１の左端部側）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、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

【0017】

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第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の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

【0018】

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な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。また、第４拡散律速部６０は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な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、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

【0019】

また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、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。

【0020】

大気導入層４８は、多孔質セラミックス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。

【0021】

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を用いて第１内部空所２０内，第２内部空所４０内，及び第３内部空所６１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。基準電極４２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。

【0022】

被測定ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた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る。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２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る。被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、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）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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材料を用いて形成される。

【0026】

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。

【0027】

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、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。

【0028】

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（電圧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、電圧Ｖ０が目標値となるように可変電源２４の電圧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２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

【0029】

第３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。

【0030】

第２内部空所４０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３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を行うための空間として設けられている。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。

【0031】

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の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。

【0032】

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材料を用いて形成される。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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（電圧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。

【0036】

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、その電圧Ｖ０の上述した目標値が制御されることにより、第３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。

【0037】

第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０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３内部空所６１に導く部位である。第４拡散律速部６０は、第３内部空所６１に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。

【0038】

第３内部空所６１は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガスに対して、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、第３内部空所６１において、測定用ポンプセル４１の動作により行われる。

【0039】

測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１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。

【0040】

測定電極４４は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極２２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第３内部空所６１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。

【0041】

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。

【0042】

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、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（電圧Ｖ２）に基づいて可変電源４６が制御される。

【0043】

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４拡散律速部６０を通じて第３内部空所６１内の測定電極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にて検出された電圧Ｖ２が一定（目標値）となるように可変電源４６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。

【0044】

また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。

【0045】

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（電圧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。

【0046】

このような構成を有するガスセンサ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）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、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。

【0047】

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、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。また、ヒータ部７０は、セラミックスからなる第１基板層１，第２基板層２，及び第３基板層３を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ７２と、ヒータ７２を囲む第２基板層２及び第３基板層３を備えたセラミックスヒータとして構成されている。ヒータ７２は、図２に示すように、発熱部７６とリード部８５とを備えている。

【0048】

ヒータコネクタ電極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。ヒータコネクタ電極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。

【0049】

ヒータ７２の発熱部７６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のリード部８５は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱部７６が発熱し、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。

【0050】

また、ヒータ７２の発熱部７６は、第１内部空所２０から第３内部空所６１まで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。

【0051】

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。

【0052】

圧力放散孔７５は、第３基板層３及び大気導入層４８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。

【0053】

ヒータ７２の発熱部７６及びリード部８５について詳細に説明する。発熱部７６は、抵抗発熱体であり、図２に示すように、両端がリード部８５に接続された帯状の一筆書き形状をしている。発熱部７６は、屈曲部７７と、直線部７８とを有している。屈曲部７７は、第１屈曲部７７ａ，第２屈曲部７７ｂ，及び第３屈曲部７７ｃを有している。直線部７８は、第１外側直線部７８ａ，第２外側直線部７８ｂ，第１内側直線部７９ａ，及び第２内側直線部７９ｂを有している。複数の屈曲部７７及び複数の直線部７８は、電気的に直列に接続されている。具体的には、第１リード８５ａから順に、第１外側直線部７８ａ，第１屈曲部７７ａ，第１内側直線部７９ａ，第２屈曲部７７ｂ，第２内側直線部７９ｂ，第３屈曲部７７ｃ，及び第２外側直線部７８ｂの順に互いに直列に接続されており、第２外側直線部７８ｂが第２リード８５ｂに接続されている。発熱部７６は、左右対称の形状をしている。

【0054】

複数の直線部７８は、センサ素子１０１の短手方向（左右方向）に沿って並んでいる。具体的には、センサ素子１０１の左から右に向かって、第１外側直線部７８ａ，第１内側直線部７９ａ，第２内側直線部７９ｂ，及び第２外側直線部７８ｂがこの順で配置されている。そのため、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂは、左右方向で第１外側直線部７８ａと第２外側直線部７８ｂとの間に配置されている。第１外側直線部７８ａ，第２外側直線部７８ｂ，第１内側直線部７９ａ，及び第２内側直線部７９ｂは、いずれも長さ方向が長手方向に沿うように配置されている。第１外側直線部７８ａは後端が第１リード８５ａに接続され、第２外側直線部７８ｂは後端が第２リード８５ｂに接続されている。また、第１内側直線部７９ａは、前側部分７９ａ１と、前側部分７９ａ１の後方に配置された後側部分７９ａ３と、前側部分７９ａ１及び後側部分７９ａ３を接続する接続部７９ａ２と、を有している。第２内側直線部７９ｂは、前側部分７９ｂ１と、前側部分７９ｂ１の後方に配置された後側部分７９ｂ３と、前側部分７９ｂ１及び後側部分７９ｂ３を接続する接続部７９ｂ２と、を有している。

【0055】

直線部７８に関して、「長さ方向が長手方向に沿うように配置されている」とは、長さ方向がセンサ素子１０１の長手方向（前後方向）と平行な場合と、長さ方向がセンサ素子１０１の長手方向（前後方向）から傾斜している場合とを含む。例えば、本実施形態では、第１外側直線部７８ａ，第２外側直線部７８ｂ，前側部分７９ａ１，後側部分７９ａ３，前側部分７９ｂ１，及び後側部分７９ｂ３は、長さ方向がセンサ素子１０１の長手方向と平行である。接続部７９ａ２及び接続部７９ｂ２は、長さ方向がセンサ素子１０１の長手方向から傾斜している。

【0056】

複数の屈曲部７７は、各々が、左右方向に隣り合う直線部７８同士を接続している。具体的には、第１屈曲部７７ａが第１外側直線部７８ａと第１内側直線部７９ａとを長手方向の一端側（ここでは前側）で接続している。第２屈曲部７７ｂが第１内側直線部７９ａと第２内側直線部７９ｂとを長手方向の他端側（ここでは後側）で接続している。第３屈曲部７７ｃが第２内側直線部７９ｂと第２外側直線部７８ｂとを長手方向の一端側（ここでは前側）で接続している。第１～第３屈曲部７７ａ～７７ｃは、いずれも曲線状に屈曲しており半円の円弧状をしている。なお、第１～第３屈曲部７７ａ～７７ｃは、折れ線状に屈曲した形状であってもよい。

【0057】

発熱部７６は、被測定ガス流通部の内部空所（ここでは第１内部空所２０，第２内部空所４０，及び第３内部空所６１）との位置関係が調整されている。これについて説明する。なお、第１内部空所２０は主ポンプ室の一例であり、第２内部空所４０は補助ポンプ室の一例であり、第３内部空所６１は測定室の一例である。図２では、第１内部空所２０を発熱部７６に向けて厚さ方向（ここでは下方向）に投影した領域である主ポンプ室投影領域Ａｐを一点鎖線枠で示している。同様に、第２内部空所４０及び第３内部空所６１をそれぞれ発熱部７６に投影した補助ポンプ室投影領域Ａｑ，測定室投影領域Ａｍも一点鎖線枠で図２に示している。図２に示すように、本実施形態では、主ポンプ室投影領域Ａｐ，補助ポンプ室投影領域Ａｑ，及び測定室投影領域Ａｍはそれぞれ矩形の領域とした。すなわち、本実施形態では、第１内部空所２０，第２内部空所４０及び第３内部空所６１はそれぞれ上面視での形状が矩形とした。

【0058】

発熱部７６の第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂは、それぞれ、主ポンプ室投影領域Ａｐと少なくとも一部が重複している。具体的には、第１内側直線部７９ａのうち前側部分７９ａ１と、第２内側直線部７９ｂのうち前側部分７９ｂ１とが、それぞれ、主ポンプ室投影領域Ａｐと少なくとも一部が重複している。言い換えると、第１内部空所２０の直下に第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（特に前側部分７９ａ１及び前側部分７９ｂ１）が存在している。また、発熱部７６の第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂは、それぞれ、補助ポンプ室投影領域Ａｑと少なくとも一部が重複している。具体的には、第１内側直線部７９ａのうち後側部分７９ａ３と、第２内側直線部７９ｂのうち後側部分７９ｂ３とが、それぞれ、補助ポンプ室投影領域Ａｑと少なくとも一部が重複している。言い換えると、第２内部空所４０の直下に第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（特に後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３）が存在している。なお、本実施形態では、第２屈曲部７７ｂの一部、具体的には第２屈曲部７７ｂのうち後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３と接続される部分も、補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複している。また、発熱部７６は、測定室投影領域Ａｍと少なくとも一部が重複している。具体的には、発熱部７６のうち第２屈曲部７７ｂが、測定室投影領域Ａｍと少なくとも一部が重複している。なお、本実施形態では、接続部７９ａ２及び接続部７９ｂ２は、前後方向で主ポンプ室投影領域Ａｐと補助ポンプ室投影領域Ａｑとの間に配置されており、主ポンプ室投影領域Ａｐ及び補助ポンプ室投影領域Ａｑとは重複していない。また、第１屈曲部７７ａ，第３屈曲部７７ｃ，第１外側直線部７８ａ，及び第２外側直線部７８ｂは、それぞれ、主ポンプ室投影領域Ａｐ，補助ポンプ室投影領域Ａｑ，及び測定室投影領域Ａｍのいずれとも重複していない。本実施形態では、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と、主ポンプ室投影領域Ａｐの左右の中心軸と、補助ポンプ室投影領域Ａｑの左右の中心軸と、測定室投影領域Ａｍの左右の中心軸と、がいずれも一致している。

【0059】

発熱部７６の第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂは、主ポンプ室投影領域Ａｐと重複する部分における互いの短手方向（左右方向）の距離Ｘ１が、主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅Ｗｐの１／３以上である。すなわち、Ｘ１≧１／３×Ｗｐを満たす。本実施形態では、発熱部７６のうち主ポンプ室投影領域Ａｐと重複しているのは前側部分７９ａ１及び前側部分７９ｂ１であるため、前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１との左右方向の距離が、距離Ｘ１となる。なお、本実施形態では前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１とは長さ方向が互いに平行であるため前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１との左右方向の距離は一定値（＝距離Ｘ１）である。前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１とが互いに平行でない場合など、互いの左右方向の距離が一定でない場合は、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂのうち主ポンプ室投影領域Ａｐと重複する部分における互いの短手方向（左右方向）の距離の平均値を距離Ｘ１とする。

【0060】

発熱部７６の第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂは、補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分における互いの短手方向（左右方向）の距離Ｘ２が、主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅Ｗｐの０．４倍以上である。すなわち、Ｘ２≧０．４Ｗｐを満たす。本実施形態では、発熱部７６のうち補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複しているのは後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３であるため、後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３との左右方向の距離が、距離Ｘ２となる。なお、本実施形態では後側部分７９ａ３と後側部分７９ｂ３とは長さ方向が互いに平行であるため後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３との左右方向の距離は一定値（＝距離Ｘ２）である。後側部分７９ａ３と後側部分７９ｂ３とが互いに平行でない場合など、互いの左右方向の距離が一定でない場合は、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂのうち補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分における互いの短手方向（左右方向）の距離の平均値を距離Ｘ２とする。

【0061】

上記の条件すなわち「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすことで、発熱部７６の発熱時にセンサ素子１０１の内部空所（第１内部空所２０，第２内部空所４０，及び第３内部空所６１）の周辺に生じる応力を低減できる。また、距離Ｘ１は幅Ｗｐの０．４倍以上が好ましく、０．４倍より大きいことがより好ましい。距離Ｘ１は幅Ｗｐの２／３倍以上としてもよい。距離Ｘ１は幅Ｗｐ以下であることが好ましく、幅Ｗｐ未満であってもよい。距離Ｘ２は幅Ｗｐの２／３倍以上としてもよい。また、補助ポンプ室投影領域Ａｑの左右方向の幅を幅Ｗｑとしたときに、距離Ｘ２は幅Ｗｑ以下であることが好ましく、幅Ｗｑ未満であってもよい。なお、本実施形態では、図２に示すように、距離Ｘ１よりも距離Ｘ２の方が大きい。

【0062】

なお、本実施形態では、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と主ポンプ室投影領域Ａｐの左右の中心軸とが一致している。そのため、主ポンプ室投影領域Ａｐのうち左右の中央に位置し且つ幅が距離Ｘ１と同じ値である領域には、発熱部７６が存在しないことになる。例えば、上述したＸ１＞１／３×Ｗｐを満たす場合には、主ポンプ室投影領域Ａｐのうち左右の中央に位置し且つ幅が１／３×Ｗｐである領域（すなわち、主ポンプ室投影領域Ａｐを左右に３等分したうちの中央の領域）には、発熱部７６が存在しないことになる。言い換えると、主ポンプ室（第１内部空所２０）のうち左右の中央且つ幅が１／３×Ｗｐの領域の直下には、発熱部７６が存在しないことになる。同様に、Ｘ１＞０．４Ｗｐを満たす場合には、主ポンプ室投影領域Ａｐのうち左右の中央に位置し且つ幅が０．４Ｗｐである領域には、発熱部７６が存在しないことになる。

【0063】

また、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と主ポンプ室投影領域Ａｐの左右の中心軸とが一致しているため、距離Ｘ１が幅Ｗｐ以下であれば、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（ここでは特に前側部分７９ａ１及び前側部分７９ｂ１）が、それぞれ、少なくとも一部が主ポンプ室投影領域Ａｐと重複することになる。

【0064】

本実施形態では、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と補助ポンプ室投影領域Ａｑの左右の中心軸とが一致している。そのため、補助ポンプ室投影領域Ａｑのうち左右の中央に位置し且つ幅が距離Ｘ２と同じ値である領域には、発熱部７６が存在しないことになる。言い換えると、補助ポンプ室（第２内部空所４０）のうち左右の中央且つ幅がＸ２の領域の直下には、発熱部７６が存在しないことになる。

【0065】

また、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と補助ポンプ室投影領域Ａｑの左右の中心軸とが一致しているため、距離Ｘ２が幅Ｗｑ以下であれば、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（ここでは特に後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３）が、それぞれ、少なくとも一部が補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複していることになる。

【0066】

発熱部７６は、本実施形態では、貴金属とセラミックスとを含むサーメット（例えば、白金（Ｐｔ）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とのサーメット）とした。なお、発熱部７６は、サーメットに限らず、例えば貴金属などの導電性物質を含むものであればよい。発熱部７６に用いる貴金属としては、白金，ロジウム（Ｒｈ），金（Ａｕ），パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１以上の金属，又はその合金などが挙げられる。

【0067】

ここで、発熱部７６のうち主ポンプ室投影領域Ａｐ及び補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分であるポンプ室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ１［μΩ／ｍｍ］とする。また、発熱部７６のうち測定室投影領域Ａｍと重複する部分である測定室重複部分の単位長さあたりの抵抗値を単位抵抗値Ｒ３［μΩ／ｍｍ］とする。このとき、発熱部７６は、使用時に発熱部７６が加熱される可能性のある温度範囲である７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度において、単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満である。言い換えると、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度において、単位抵抗値Ｒ３が単位抵抗値Ｒ１より低い。本実施形態では、ポンプ室重複部分は、前側部分７９ａ１及び前側部分７９ｂ１のうち主ポンプ室投影領域Ａｐと重複する部分と、後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３のうち補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分と、第２屈曲部７７ｂのうち補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分と、で構成されている。本実施形態では、測定室重複部分は、第２屈曲部７７ｂのうち測定室投影領域Ａｍと重複する部分である。なお、発熱部７６の長さ方向は、発熱部７６の軸方向，換言すると電流が流れる方向とする。また、単位抵抗値Ｒ１は、ポンプ室重複部分の単位長さあたりの抵抗値の平均値とする。同様に、単位抵抗値Ｒ３は、測定室重複部分の単位長さあたりの抵抗値の平均値とする。そのため、測定室重複部分の一部にポンプ室重複部分よりも単位長さあたりの抵抗値が高い部分がある場合でも、全体として測定室重複部分の方が単位長さあたりの抵抗値が低ければよい。ただし、測定室重複部分のいずれの位置においても単位長さあたりの抵抗値が単位抵抗値Ｒ１より低いことが好ましい。

【0068】

単位抵抗値Ｒ３が大きすぎると第１内部空所２０及び第２内部空所４０の周辺の温度と第３内部空所６１の周辺の温度との差が小さくなりすぎて、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する場合がある。単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であることで、そのような検出精度の低下を抑制できる。上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が、値０．８以下であることが好ましく、値０．７以下であることがより好ましく、値０．６５以下であることがさらに好ましい。上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値０．５以上であってもよい。

【0069】

本実施形態では、第１内側直線部７９ａ，第２内側直線部７９ｂ及び第２屈曲部７７ｂは同じ材質（上述した白金を含むサーメット）とし、発熱部７６のうちポンプ室重複部分の長さ方向に垂直な断面積Ｓ１［ｍｍ²］が、測定室重複部分の長さ方向に垂直な断面積Ｓ３［ｍｍ²］よりも小さくなるようにしている。すなわち、発熱部７６は、断面積比Ｓ１／Ｓ３が値１未満である。こうすることで、７００℃以上９００℃以下の温度範囲のいずれにおいても、単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満となる。断面積比Ｓ１／Ｓ３は、値０．８以下が好ましく、値０．７以下がより好ましく、値０．６５以下がさらに好ましい。断面積比Ｓ１／Ｓ３は、値０．５以上としてもよい。なお、断面積比Ｓ１／Ｓ３の調整は、例えば、ポンプ室重複部分の幅Ｗ１を測定室重複部分の幅Ｗ３より小さくするか、又はポンプ室重複部分の厚さＤ１を測定室重複部分の厚さＤ３より小さくするか、の少なくとも一方により行えばよい。なお、断面積Ｓ１，Ｓ３、幅Ｗ１，Ｗ３、及び厚さＤ１，Ｄ３のいずれの値も、単位抵抗値Ｒ１，Ｒ３と同様にポンプ室重複部分，測定室重複部分の各々の平均値とする。

【0070】

本実施形態では、第１内側直線部７９ａ，第２内側直線部７９ｂ，及び第２屈曲部７７ｂはどの部分でも同じ厚さとした。第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂはどの部分でも同じ幅とした。また、第２屈曲部７７ｂは、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂとの接続部分では、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂから離れるほど幅が大きくなり、接続部分以外の部分（測定室投影領域Ａｍと重複する部分も含む）では一定の幅とした。そのため、本実施形態の幅Ｗ１は、第２屈曲部７７ｂの一部がポンプ室重複部分に含まれる分だけ、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの幅よりわずかに大きい値となる。また、幅Ｗ３は、第２屈曲部７７ｂのうち第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂとの接続部分以外の部分の幅と同じ値となる。そして、幅Ｗ１が幅Ｗ３より小さいことで、断面積比Ｓ１／Ｓ３が値１未満となっている。幅Ｗ１と幅Ｗ３との比Ｗ１／Ｗ３は、値０．８以下が好ましく、値０．７以下がより好ましく、値０．６５以下がさらに好ましい。比Ｗ１／Ｗ３は、値０．５以上としてもよい。幅Ｗ１，Ｗ３は、０．０５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下としてもよい。厚さＤ１，Ｄ３は、０．００３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下としてもよい。幅Ｗ１は、０．３ｍｍ以上０．４ｍｍ以下としてもよい。幅Ｗ３は、０．５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下としてもよい。

【0071】

距離Ｘ１は、０．６７ｍｍ以上としてもよいし、０．８ｍｍ以上としてもよいし、０．８６ｍｍ以上としてもよい。距離Ｘ１は、２ｍｍ以下としてもよいし、２ｍｍ未満としてもよいし、１．６７ｍｍ以下としてもよいし、１．３４ｍｍ以下としてもよい。距離Ｘ２は、０．８ｍｍ以上としてもよいし、０．８６ｍｍ以上としてもよい。距離Ｘ２は、２ｍｍ以下としてもよいし、２ｍｍ未満としてもよいし、１．３４ｍｍ以下としてもよい。主ポンプ室投影領域Ａｐの幅Ｗｐ（＝第１内部空所２０の幅）は、例えば１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。補助ポンプ室投影領域Ａｑの幅Ｗｑ（＝第２内部空所４０の幅）は、例えば１．２ｍｍ以上２．４ｍｍ以下である。測定室投影領域Ａｍの幅Ｗｍ（＝第３内部空所６１の幅）は、例えば０．９ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。センサ素子１０１の前端から第３内部空所６１の後端までの長さ、すなわち被測定ガス流通部の長さは、例えば７．５ｍｍ以上９ｍｍ以下である。また、本実施形態では、Ｗｐ＞Ｗｑ＞Ｗｍが満たされている。

【0072】

リード部８５は、発熱部７６の左後方に配設された第１リード８５ａと、右後方に配設された第２リード８５ｂとを有している。第１，第２リード８５ａ，８５ｂは発熱部７６への通電用のリードであり、ヒータコネクタ電極７１と接続されている。第１リード８５ａは正極リードであり、第２リード８５ｂは負極リードである。この第１，第２リード８５ａ，８５ｂ間に電圧が印加されることで発熱部７６に電流が流れ、発熱部７６が発熱する。リード部８５は、導電体であり、発熱部７６と比べて単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。そのため、リード部８５は発熱部７６とは異なり通電時にはほとんど発熱しないようになっている。例えば、リード部８５は、発熱部７６と比べて体積抵抗率の低い材質であったり、断面積が大きかったりすることで、単位長さあたりの抵抗値が低くなっている。本実施形態では、リード部８５は、発熱部７６と比べて貴金属の割合が高いことで体積抵抗率が低くなっており、且つ、発熱部７６と比べて幅が広いことで断面積が大きくなっている。

【0073】

こうして構成されたガスセンサ１００の製造方法を以下に説明する。まず、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む６枚の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。このグリーンシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や必要なスルーホール等を予め複数形成しておく。また、スペーサ層５となるグリーンシートには被測定ガス流通部となる空間を予め打ち抜き処理などによって設けておく。そして、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のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに種々のパターンを形成するパターン印刷処理・乾燥処理を行う。形成するパターンは、具体的には、例えば上述した各電極や各電極に接続されるリード線、大気導入層４８，ヒータ７２，などのパターンである。パターン印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してグリーンシート上に塗布することにより行う。ヒータ７２となるパターン形成用のペーストは、上述したヒータ７２の材質からなる原料（例えば貴金属とセラミック粒子）と、有機バインダー及び有機溶剤等を混合したものを用いる。

【0074】

このとき、ヒータ７２となるパターンは、単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満となるように、例えば断面積比Ｓ１／Ｓ３が値１未満となるように形成する。例えば、幅Ｗ１＜幅Ｗ３となるようにするには、そのようなパターンを形成できるような形状のマスクを用いる。また、厚さＤ１＜厚さＤ３となるようにするには、例えばポンプ室重複部分となる部分（例えば第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ）のパターンと比べて、測定室重複部分となる部分（例えば第２屈曲部７７ｂ）のパターンを形成するペーストの粘度を高くしたり、測定室重複部分となる部分のパターンを形成する際の印刷回数を増やしたりする。

【0075】

このように各種のパターンを形成したあと、グリーンシートを乾燥する。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いて行う。パターン印刷・乾燥が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う。そして、接着用ペーストを形成したグリーンシートをシート穴により位置決めしつつ所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させ、一つの積層体とする圧着処理を行う。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子１０１を包含したものである。その積層体を切断してセンサ素子１０１の大きさに切り分ける。そして、切り分けた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子１０１を得る。

【0076】

このようにしてセンサ素子１０１を得ると、センサ素子１０１を組み込んだセンサ組立体を製造し、保護カバーなどを取り付けることで、ガスセンサ１００が得られる。

【0077】

こうして構成されたガスセンサ１００では、使用時に、ヒータ７２がヒータコネクタ電極７１を介して電源（例えば自動車のオルタネータ）に接続され、第１リード８５ａ，第２リード８５ｂ間に直流電圧（例えば１２～１４Ｖ）が印加される。そして、印加された電圧により、発熱部７６に電流が流れて発熱部７６が発熱する。これにより、センサ素子１０１全体が上記固体電解質（各層１～６）が活性化する温度（例えば、７００℃～９００℃）に調整される。この状態で、被測定ガスがガス導入口１０から被測定ガス流通部に導入されると、被測定ガスは、第１拡散律速部１１，緩衝空間１２及び第２拡散律速部１３を通過し、第１内部空所２０に到達する。次に、第１内部空所２０及び第２内部空所４０において被測定ガスの酸素濃度が主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０によって調整され、調整後の被測定ガスが第３内部空所６１に到達する。そして、測定用ポンプセル４１によって第３内部空所６１の酸素を汲み出すときのポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。

【0078】

このとき、発熱部７６が高温になることで、センサ素子１０１の内部空所（第１内部空所２０，第２内部空所４０，及び第３内部空所６１）の周辺に応力が生じる場合がある。これは、センサ素子１０１のうち内部空所の下側と内部空所の上側との温度差に起因すると考えられる。しかし、本実施形態のセンサ素子１０１では、上述した「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすことで、発熱部７６の発熱時にセンサ素子１０１の内部空所の周辺に生じる応力を低減できる。これは、距離Ｘ１，Ｘ２が上記の条件を満たすことで、内部空所の下側のうち左右の中央付近が過熱することを抑制でき、内部空所の下側と内部空所の上側との温度差を小さくできるためと考えられる。また、距離Ｘ１が幅Ｗｐの０．４倍より大きければ、上記の応力を低減する効果が高まる。

【0079】

また、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすことで、センサ素子１０１の外周部（特に、センサ素子１０１のうちヒータ７２に近い外周面である下面）に生じる応力も低減できる。これは、距離Ｘ１，Ｘ２が上記の条件を満たすことで、センサ素子１０１の下面のうち左右の中央付近が過熱することを抑制でき、下面のうち左右の中央とそれ以外との温度差を小さくできるためと考えられる。

【0080】

また、本実施形態では、距離Ｘ１が幅Ｗｐ以下であり、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（ここでは特に前側部分７９ａ１及び前側部分７９ｂ１）が、それぞれ、少なくとも一部が主ポンプ室投影領域Ａｐと重複している。そのため、発熱部７６によって主ポンプ室（ここでは第１内部空所２０）の周辺の固体電解質を十分加熱でき、主ポンプセル２１を十分機能させることができる。同様に、距離Ｘ２が幅Ｗｑ以下であり、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂ（ここでは特に後側部分７９ａ３及び後側部分７９ｂ３）が、それぞれ、少なくとも一部が補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複している。そのため、発熱部７６によって補助ポンプ室（ここでは第２内部空所４０）の周辺の固体電解質を十分加熱でき、補助ポンプセル５０を十分機能させることができる。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０の機能が不十分な場合、被測定ガス中の酸素濃度の調整が十分に行われず、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する場合があるが、本実施形態では距離Ｘ１が幅Ｗｐ以下且つ距離Ｘ２が幅Ｗｑ以下であることで、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。

【0081】

また、本実施形態では、発熱部７６（ここでは第２屈曲部７７ｂ）は測定室投影領域Ａｍと少なくとも一部が重複しているため、測定室（ここでは第３内部空所６１）の周辺の固体電解質を十分加熱でき、測定用ポンプセル４１を十分機能させることができる。これによっても、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。

【0082】

また、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であることで、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。これについて詳細に説明する。まず、第１内部空所２０，第２内部空所４０，及び第３内部空所６１の周辺の温度をそれぞれ温度Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｍ［℃］とすると、発熱部７６の発熱時に（温度Ｔｐ及び温度Ｔｑ）＞温度Ｔｍとなることが好ましく温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなることがより好ましい。これは以下の理由による。内側ポンプ電極２２の周辺すなわち第１内部空所２０は、主ポンプセル２１による酸素濃度の調整前の被測定ガスがガス導入口１０側から流入するため、測定電極４４の周辺よりも酸素濃度が高い。また、補助ポンプ電極５１の周辺すなわち第２内部空所４０は、補助ポンプセル５０による酸素濃度の調整前の被測定ガスが第１内部空所２０側から流入するため、測定電極４４の周辺よりも酸素濃度が高い。そのため、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０が多量の酸素を汲み出せるように、第１内部空所２０周辺の温度Ｔｐ及び第２内部空所４０の周辺の温度Ｔｑをそれぞれ温度Ｔｍよりも高温にして、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１及びその周辺の固体電解質層をより活性化させることが好ましい。一方、測定電極４４の周辺すなわち第３内部空所６１は、第１内部空所２０及び第２内部空所４０と比較すると酸素濃度が低い。そのため、例えば被測定ガス中の水や二酸化炭素の還元などにより水素や一酸化炭素が生じる場合があり、これらがＮＯｘ中の酸素と化学反応してしまい測定精度が低下する場合がある。そして、このような特定ガス（ＮＯｘ）以外の成分の還元は、高温になるほど生じやすい。そのため、温度Ｔｍは高すぎないことが好ましい。以上のことから、（温度Ｔｐ及び温度Ｔｑ）＞温度Ｔｍとなっていることが好ましい。また、第１内部空所２０は第２内部空所４０よりも被測定ガス流通部の上流側に位置しており第１内部空所２０の酸素濃度は第２内部空所４０よりも高いから、第１内部空所２０周辺の温度Ｔｐを第２内部空所４０周辺の温度Ｔｑよりも高温にして内側ポンプ電極２２及びその周辺の固体電解質層をより活性化させることが好ましい。そのため、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなることがより好ましい。そして、単位抵抗値Ｒ３が大きすぎると、温度Ｔｍが高くなりすぎて（温度Ｔｐ及び温度Ｔｑ）＞温度Ｔｍの関係を満たさず、ＮＯｘ濃度の測定精度が低下する場合がある。単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であることで、単位抵抗値Ｒ３が大きすぎないため、そのような検出精度の低下を抑制できる。また、温度Ｔｍが高いと第３内部空所６１に近い第２内部空所４０の周辺の温度Ｔｑも高くなりやすいため、これにより温度Ｔｐ＜温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなって温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍの関係を満たさなくなり、主ポンプセル２１のポンピング能力が不足する場合がある。これに対して単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であれば、主ポンプセル２１のポンピング能力が十分高くなりやすい。

【0083】

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の各層１～６が本発明の素子本体に相当し、第１内部空所２０が主ポンプ室に相当し、主ポンプセル２１が主ポンプセルに相当し、第２内部空所４０が補助ポンプ室に相当し、補助ポンプセル５０が補助ポンプセルに相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定用ポンプセル４１が測定用ポンプセルに相当し、発熱部７６が発熱体に相当し、第１外側直線部７８ａが第１外側直線部に相当し、第２外側直線部７８ｂが第２外側直線部に相当し、第１内側直線部７９ａが第１内側直線部に相当し、第２内側直線部７９ｂが第２内側直線部に相当し、第１～第３屈曲部７７ａ～７７ｃが第１～第３屈曲部に相当し、主ポンプ室投影領域Ａｐが主ポンプ室投影領域に相当し、補助ポンプ室投影領域Ａｑが補助ポンプ室投影領域に相当する。

【0084】

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、距離Ｘ１が幅Ｗｐの１／３以上であり、且つ距離Ｘ２が幅Ｗｐの０．４倍以上であることで、発熱体の発熱時に内部空所（主ポンプ室，補助ポンプ室，及び測定室）の周辺に生じる応力を低減できる。また、距離Ｘ１が、幅Ｗｐの０．４倍より大きいことで、上述した応力を低減する効果が高まる。さらに、７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１が値１未満であることで、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。

【0085】

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

【0086】

例えば、上述した実施形態では、距離Ｘ１よりも距離Ｘ２の方が大きかったが、これに限られない。例えば、図３に示すように距離Ｘ１と距離Ｘ２とが同じ大きさであってもよい。この場合も、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすことで、発熱部７６の発熱時にセンサ素子１０１の内部空所の周辺に生じる応力を低減できる効果が得られる。なお、図３の場合は、Ｘ１＝Ｘ２であるため、「Ｘ１≧０．４Ｗｐ」も満たしている。また、図３の例では、第１内側直線部７９ａの前側部分７９ａ１，接続部７９ａ２，及び後側部分７９ａ３は一直線状に配置されているため、前側部分７９ａ１，接続部７９ａ２，及び後側部分７９ａ３は互いに区別できない形状をしている。第２内側直線部７９ｂの前側部分７９ｂ１，接続部７９ｂ２，及び後側部分７９ｂ３についても同様である。

【0087】

あるいは、図４に示すように距離Ｘ１の方が距離Ｘ２よりも大きくてもよい。この場合も、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすことで、発熱部７６の発熱時にセンサ素子１０１の内部空所の周辺に生じる応力を低減できる効果が得られる。なお、図４の場合は、Ｘ１＞Ｘ２であるため、「Ｘ１＞０．４Ｗｐ」も満たしている。

【0088】

上述した実施形態では、断面積比Ｓ１／Ｓ３を値１未満とすることで、単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１を値１未満としたが、これに限られない。例えば、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度において、ポンプ室重複部分の体積抵抗率ρ１［μΩ・ｃｍ］と測定室重複部分の体積抵抗率ρ３［μΩ・ｃｍ］との比である体積抵抗率比ρ３／ρ１が値１未満であってもよい。こうしても、上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度における単位抵抗値比Ｒ３／Ｒ１を値１未満とすることができ、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。上記の温度範囲の少なくともいずれかの温度において体積抵抗率比ρ３／ρ１は値０．８以下が好ましく、値０．７以下がより好ましく、値０．６５以下がさらに好ましい。体積抵抗率比ρ３／ρ１は、値０．５以上としてもよい。例えば、発熱部７６のうち測定室重複部分に含まれる貴金属（導体）の割合をポンプ室重複部分と比べて高くすることで、体積抵抗率ρ３を体積抵抗率ρ１より低くすることができる。なお、体積抵抗率ρ１，ρ３の値も、単位抵抗値Ｒ１，Ｒ３と同様にポンプ室重複部分，測定室重複部分の各々の平均値とする。

【0089】

上述した実施形態では、単位抵抗値Ｒ３／Ｒ１を値１未満としたが、これに限られない。例えば、図２において第２屈曲部７７ｂの幅を第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの幅と同じにして、単位抵抗値Ｒ３／Ｒ１を値１としてもよい。この場合も、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」且つ「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たしていれば、発熱部７６の発熱時にセンサ素子１０１の内部空所の周辺に生じる応力を低減できる効果は得られる。

【0090】

上述した実施形態では、発熱部７６は左右対称であり、且つ発熱部７６の左右の中心軸と、主ポンプ室投影領域Ａｐの左右の中心軸と、補助ポンプ室投影領域Ａｑの左右の中心軸と、測定室投影領域Ａｍの左右の中心軸と、がいずれも一致していたが、特にこれに限られない。例えば発熱部７６は左右非対称でもよいし、上記の中心軸のいずれかが他の中心軸とずれていてもよい。この場合も、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの各々の少なくとも一部が主ポンプ室投影領域Ａｐと重複し、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの各々の少なくとも一部が補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複し、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」及び「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たしていればよい。

【0091】

上述した実施形態では、主ポンプ室投影領域Ａｐの形状すなわち上面視での第１内部空所２０の形状は矩形であり、図２に示すように主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅は一定値（＝幅Ｗｐ）としたが、これに限られない。例えば主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅が大きい部分と小さい部分とが存在するなど、主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅が一定でなくてもよい。このような場合、主ポンプ室投影領域Ａｐの短手方向の幅の最大値を幅Ｗｐとする。補助ポンプ室投影領域Ａｑの幅Ｗｑ，及び測定室投影領域Ａｍの幅Ｗｍについても同様である。

【実施例】

【0092】

以下には、センサ素子を具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例３～６，８，９，１０が本発明の実施例に相当し、実験例１，２，７，１１が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0093】

［実験例１］
「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」を満たさない点以外は、図１，２に示したセンサ素子１０１と同様のセンサ素子を実験例１とした。実験例１のセンサ素子の大きさは、前後方向の長さが６７．５ｍｍ、左右方向の幅が４．２５ｍｍ、上下方向の厚さが１．４５ｍｍとした。第１外側直線部７８ａ及び第２外側直線部７８ｂの幅は０．２８ｍｍとした。第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの幅は０．３３ｍｍとした。第２屈曲部７７ｂのうち第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂとの接続部分以外の部分の幅は０．５３ｍｍとした。主ポンプ室投影領域Ａｐの幅Ｗｐは２ｍｍとした。補助ポンプ室投影領域Ａｑの幅Ｗｑは１．６ｍｍとした。測定室投影領域Ａｍの幅Ｗｍは１．２ｍｍとした。被測定ガス流通部の長さは、８．３ｍｍとした。距離Ｘ１は０．２６ｍｍ（＝０．１３Ｗｐ）とし、距離Ｘ２は０．８６ｍｍ（＝０．４３Ｗｐ）とした。そのため、実験例１は「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」を満たすが、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」は満たさない。

【0094】

［実験例２，３］
距離Ｘ１を０．４６ｍｍ（＝０．２３Ｗｐ）とした点以外は、実験例１と同じセンサ素子を実験例２とした。距離Ｘ１を０．６７ｍｍ（＝１／３×Ｗｐ）とした点以外は、実験例１と同じセンサ素子を実験例３とした。

【0095】

［実験例４］
ヒータ７２のパターンを図３に示す形状としたセンサ素子を実験例４とした。実験例４では、距離Ｘ１及び距離Ｘ２をいずれも０．８６ｍｍ（＝０．４３Ｗｐ）とした。それ以外の寸法は実験例１と同じとした。

【0096】

［実験例５，６］
ヒータ７２のパターンを図４に示す形状としたセンサ素子を実験例５，６とした。実験例５では、距離Ｘ１を１．３４ｍｍ（＝２／３×Ｗｐ）とし、距離Ｘ２を０．８６ｍｍ（＝０．４３Ｗｐ）とした。実験例６では、距離Ｘ１を１．６７ｍｍ（＝０．８４Ｗｐ）とし、距離Ｘ２を０．８６ｍｍ（＝０．４３Ｗｐ）とした。実験例５，６のそれ以外の寸法は実験例１と同じとした。

【0097】

［実験例７～９］
ヒータ７２のパターンを図３に示す形状としたセンサ素子を実験例７～９とした。実験例７では、距離Ｘ１及び距離Ｘ２をいずれも０．６７ｍｍ（＝１／３×Ｗｐ）とした。実験例８では、距離Ｘ１及び距離Ｘ２をいずれも１．３４ｍｍ（＝２／３×Ｗｐ）とした。実験例９では、距離Ｘ１及び距離Ｘ２をいずれも０．８ｍｍ（＝０．４Ｗｐ）とした。実験例７～９のそれ以外の寸法は実験例１と同じとした。

【0098】

［応力の評価］
実験例１～９のセンサ素子の各々について、発熱部７６を８００℃に発熱させたときの、センサ素子に生じる内部空所の応力及び外周部の応力を調べた。内部空所の応力は、センサ素子の第１内部空所２０，第２内部空所４０，及び第３内部空所６１の周辺に生じる応力の最大値とし、この最大値の大小によって「優（Ａ）」「良（Ｂ）」「可（Ｃ）」「不可（Ｆ）」の４段階の評価を行った。外周部の応力は、センサ素子の下面に生じる応力の最大値とし、この最大値の大小によって「優（Ａ）」「良（Ｂ）」「可（Ｃ）」「不可（Ｆ）」の４段階の評価を行った。いずれの評価においても、「優（Ａ）」が応力の最大値が最も小さく、「不可（Ｆ）」が応力の最大値が最も大きい。

【0099】

実験例１～９の各々における距離Ｘ１，Ｘ２，内部空所の応力評価の結果、及び外周部の応力評価の結果を表１及び図５，６に示す。図５は内部空所の応力評価の結果を示しており、図６は外周部の応力評価の結果を示している。図５，６における１～９の数字は各実験例の番号を表す。応力評価の結果は、「優（Ａ）」を丸で示し、「良（Ｂ）」を白塗りの四角で示し、「可（Ｃ）」をハッチングの四角で示し、「不可（Ｆ）」を黒塗りの四角で示している。

【0100】

【表1】

【0101】

表１及び図５から分かるように、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とのうち前者を満たさない実験例１，２、及び後者を満たさない実験例７は、いずれも内部空所の応力評価が「不可（Ｆ）」であった。これに対し、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たす実験例３～６，８，９は、いずれも内部空所の応力評価が「可（Ｃ）」以上であった。これらの結果から、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たすことで、内部空所の応力を低減できることが確認された。また、さらに「Ｘ１＞０．４Ｗｐ」を満たしている実験例４～６、８は、いずれも内部空所の応力評価が「良（Ｂ）」以上であった。また、図５からわかるように、距離Ｘ１，Ｘ２が大きくなるほど、すなわち図５の右上にプロットされる実験例ほど、内部空所の応力評価が高くなる傾向が確認された。

【0102】

外周部の応力評価についても、内部空所の応力評価と同様の傾向が確認された。具体的には、表１及び図６からわかるように、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とのうち前者を満たさない実験例１，２、及び後者を満たさない実験例７は、いずれも外周部の応力評価が「不可（Ｆ）」であった。これに対し、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たす実験例３～６，８，９は、いずれも外周部の応力評価が「可（Ｃ）」以上であった。これらの結果から、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たすことで、外周部の応力を低減できることが確認された。また、図６からわかるように、距離Ｘ１，Ｘ２が大きくなるほど、すなわち図６の右上にプロットされる実験例ほど、外周部の応力評価が高くなる傾向が確認された。

【0103】

［実験例１０］
ヒータ７２のパターンを図３に示す形状としたセンサ素子を実験例１０とした。実験例１０では、実験例４と同じく、距離Ｘ１及び距離Ｘ２をいずれも０．８６ｍｍ（＝０．４３Ｗｐ）とした。それ以外の寸法は実験例１と同じとした。そのため、実験例１０は「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たしている。

【0104】

［実験例１１］
ヒータ７２のパターンを図７に示す形状としたセンサ素子を実験例１１とした。実験例１１では、図７に示すように、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂの幅が部分的に大きい形状をしており、補助ポンプ室投影領域Ａｑと重複する部分の幅が最も大きくなっている。第１内側直線部７９ａの前側部分７９ａ１は長さ方向がセンサ素子の長手方向（前後方向）から傾斜している部分と長手方向（前後方向）に平行な部分とを有している。第２内側直線部７９ｂの前側部分７９ｂ１も同様である。前側部分７９ａ１のうち前後方向から傾斜している部分と前側部分７９ｂ１のうち前後方向から傾斜している部分とは、センサ素子の前端に近づくほど互いの左右方向の距離が大きくなるように配置されている。前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１との左右方向の距離は一定ではなく、前側部分７９ａ１のうち前後方向に平行な部分と前側部分７９ｂ１のうち前後方向に平行な部分との左右方向の距離が、前側部分７９ａ１と前側部分７９ｂ１との左右方向の最小距離Ｘ１ｍｉｎとなっている。最小距離Ｘ１ｍｉｎは０．４７ｍｍとした。距離Ｘ１は、第１内側直線部７９ａ及び第２内側直線部７９ｂのうち主ポンプ室投影領域Ａｐと重複する部分における互いの短手方向（左右方向）の距離の平均値である。距離Ｘ１は最小距離Ｘ１ｍｉｎより大きい０．４９ｍｍであった。後側部分７９ａ３と後側部分７９ｂ３との互いの左右方向の距離は一定であり、この距離は最小距離Ｘ１ｍｉｎと同じとした。したがって、距離Ｘ２は最小距離Ｘ１ｍｉｎと同じ０．４７ｍｍである。第２屈曲部７７ｂの幅は０．３３ｍｍとした。それ以外の寸法は実験例１と同じであり、主ポンプ室投影領域Ａｐの幅Ｗｐは２ｍｍである。そのため、実験例１１では「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とのいずれも満たさない。

【0105】

［クラック発生率の評価］
実験例１０，１１のセンサ素子の各々について、発熱部７６を昇温させたときのクラック発生率を測定した。具体的には、まず、実験例１０，１１のセンサ素子をそれぞれ１０本ずつ用意した。次に、各々のセンサ素子についてヒータ７２が目標温度（８００℃）に到達するように、ヒータ７２に一定の電圧を印加して発熱部７６を昇温させた。その後、各々のセンサ素子についてクラックが発生しているか否かを確認した。なお、この昇温の条件は、通常のセンサ素子の使用時よりもヒータ７２を短時間で目標温度まで昇温させる条件であり、これによりセンサ素子に一定程度のクラックが発生するようにした。実験例１０では、１０本のセンサ素子のうち４本にクラックが発生しており、クラック発生率は４０％であった。実験例１１では、１０本のセンサ素子の全てにクラックが発生しており、クラック発生率は１００％であった。これらの結果から、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たす実験例１０は、「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とのいずれも満たさない実験例１１よりもクラック発生率が低いことが確認された。実験例１０は「Ｘ１≧１／３×Ｗｐ」と「Ｘ２≧０．４Ｗｐ」とを共に満たしていることで内部空所の応力が低減できていることから、クラック発生率が低いと考えられる。

【符号の説明】

【0106】

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、６ 第２固体電解質層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 測定電極、４６ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ ヒータコネクタ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ 発熱部、７７ 屈曲部、７７ａ～７７ｃ 第１～第３屈曲部、７８ 直線部、７８ａ，７８ｂ 第１，第２外側直線部，７９ａ，７９ｂ 第１，第２内側直線部、７９ａ１，７９ｂ１ 前側部分、７９ａ２，７９ｂ２ 接続部、７９ａ３，７９ｂ３ 後側部分、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、８５ リード部、８５ａ，８５ｂ 第１，第２リード、１００ ガスセンサ、１０１ センサ素子、Ａｍ 測定室投影領域、Ａｐ 主ポンプ室投影領域、Ａｑ 補助ポンプ室投影領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】