(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】2024-11-14
(45)【発行日】2024-11-22
(54)【発明の名称】ガスセンサ素子
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20241115BHJP
G01N 27/41 20060101ALI20241115BHJP
G01N 27/419 20060101ALI20241115BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
G01N27/41 325G
G01N27/419 327K
G01N27/41 325K
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021161439
(22)【出願日】2021-09-30
(65)【公開番号】P2023051017
(43)【公開日】2023-04-11
【審査請求日】2024-04-17
(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】100124039
【弁理士】
【氏名又は名称】立花 顕治
(74)【代理人】
【識別番号】100170542
【弁理士】
【氏名又は名称】桝田 剛
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 悠介
(72)【発明者】
【氏名】新妻 匠太郎
(72)【発明者】
【氏名】高橋 希来里
(72)【発明者】
【氏名】平川 敏弘
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１０１４７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２５７２１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１４５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０７１０４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０７８９１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／４９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれ酸素イオン伝導性を有する複数の固体電解質層を積層することで構成される積層体であって、被測定ガスを外部から受け入れるように構成される内部空間、前記内部空間に隣接する第１面、及び外部の空間に隣接する第２面を備える積層体と、前記第１面に設けられる第１ポンプ電極と、
前記第２面に設けられる第２ポンプ電極と、
前記第１面において、前記第１ポンプ電極から延びるように構成される第１リードと、
前記第２面において、前記第２ポンプ電極から延びて、前記第１リードと電気的に接続するように構成される第２リードと、
を備え、
前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、リードの断面積が最も小さくなる部分において、酸素濃度２０．５％の前記被測定ガスに対して流れる電流を測定し、測定された電流を前記断面積で除することで算出される最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下となる形状に構成される、
ガスセンサ素子。
【請求項2】
前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、前記第１リード及び前記第２リードのうちの抵抗の高い方を含む、請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項3】
前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、それぞれ第１方向に延びる複数の柱部、及び
前記第１方向に交差する第２方向にそれぞれ延び、前記複数の柱部のうちの隣接する２つの柱部にそれぞれ接続する複数の連絡部、
を備え、
前記複数の連絡部のうち前記第１方向に隣接する２つの連絡部の間には空隙が設けられる、
請求項１又は２に記載のガスセンサ素子。
【請求項4】
前記各連絡部は、前記隣接する２つの柱部それぞれにそれぞれ連結する２つの端部、及び前記２つの端部から離間する中央部を有し、前記各連絡部において、前記２つの端部のうちの少なくとも一方の幅は、前記中央部の幅よりも大きくなっている、
請求項３に記載のガスセンサ素子。
【請求項5】
前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、前記最大電流密度が３．１Ａ／ｍｍ2以下となる形状に構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスセンサ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
酸素イオン伝導性を有する複数の固体電解質層により構成されるガスセンサ素子がある（例えば、特許文献１）。一般的に、このガスセンサ素子では、被測定ガスを導入する内部空間が設けられ、内部空間及び外部空間それぞれに面するように一対のポンプ電極が設けられる。この一対のポンプ電極に電圧を印加することにより、外部空間へ酸素を汲み出すことができ、その際に流れるポンプ電流を測定することで、酸素又は酸化物（例えば、窒素酸化物）の濃度を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０２１－０３２７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本件発明者は、従来のガスセンサ素子には、次のような問題点があることを見出した。すなわち、ガスセンサ素子には、各ポンプ電極に電気的に接続するリードが設けられている。リードの材料には、白金等の貴金属が用いられる。そのため、リードの断面積を大きくすればするほど、ガスセンサ素子の製造コストが高くなってしまう。そこで、製造コストの低減を図るために、リードの断面積を小さくすることが考えられる。しかしながら、リードの断面積を小さくすると、リードの抵抗が大きくなり、これによって、測定精度の悪化を招いてしまう可能性がある。
【0005】
一例として、特許文献１で開示されるガスセンサ素子を用いて、測定精度の悪化を招く一因を説明する。特許文献１で開示されるガスセンサ素子は、主ポンプセル、補助ポンプセル、及び測定ポンプセルを備える。主ポンプセルは、第１内部空所に面する内側ポンプ電極、外部空間に接する外側ポンプ電極、及び両電極に挟まれた固体電解質層により構成される。補助ポンプセルは、第２内部空所に面する補助ポンプ電極、外側ポンプ電極、及び両電極に挟まれた固体電解質層により構成される。測定ポンプセルは、第２内部空所に面する測定電極、外側ポンプ電極、及び両電極に挟まれた固体電解質層により構成される。このガスセンサ素子では、主ポンプセル及び補助ポンプセルにより、被測定ガスに含まれる酸素濃度が調整され、測定ポンプセルにより、被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度が測定される。
【0006】
このガスセンサ素子において、主ポンプセルを構成する各電極に接続されるリードの断面積を小さくし、製造コストの低減を図ったと仮定する。この場合、リードの断面積が小さくなることで、主ポンプセルの各電極及びリードの抵抗が大きくなり、これによって、主ポンプセルに印加する電圧が大きくなる。主ポンプセルに印加する電圧が大きくなると、主ポンプセルの範囲で窒素酸化物を分解しやすくなってしまう。特に、被測定ガス中の酸素濃度が高くなるほど、窒素酸化物を分解しやすくなり、その結果、被測定ガスの酸素濃度に対するＮＯｘ電流（測定ポンプセルに流れる電流）の依存性が悪化してしまう。すなわち、被測定ガスの酸素濃度に対するＮＯｘ電流の直線性が損なわれてしまう。そうすると、被測定ガス中の酸素濃度とＮＯｘ電流との間の関係のキャリブレーションが複雑になり、窒素酸化物の濃度を測定する精度の悪化を招く可能性がある。
【0007】
なお、この問題点は、主ポンプセルの電極に接続されるリードの断面積を小さくした場合に限られず、他のポンプセルの電極に接続されるリードの断面積を小さくした場合でも同様に生じる可能性がある。また、この問題点は、窒素酸化物の濃度を測定するように構成されたガスセンサ素子だけではなく、例えば、酸素の濃度を測定するように構成されたガスセンサ素子等の他のガスセンサ素子でも同様に生じる可能性がある。
【0008】
本発明は、一側面では、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を抑制する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
【0010】
本発明の一側面に係るガスセンサ素子は、それぞれ酸素イオン伝導性を有する複数の固体電解質層を積層することで構成される積層体であって、被測定ガスを外部から受け入れるように構成される内部空間、前記内部空間に隣接する第１面、及び外部の空間に隣接する第２面を備える積層体と、前記第１面に設けられる第１ポンプ電極と、前記第２面に設けられる第２ポンプ電極と、前記第１面において、前記第１ポンプ電極から延びるように構成される第１リードと、前記第２面において、前記第２ポンプ電極から延びて、前記第１リードと電気的に接続するように構成される第２リードと、を備える。そして、前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下となる形状に構成される。
【0011】
当該構成に係るガスセンサ素子では、第１リード及び第２リードの少なくとも一方の最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下に定められる。電流密度は、関係式「電流密度＝電流÷断面積（電極面積）」により導出される。この関係式によれば、断面積を大きくすれば、（最大）電流密度は小さくなり、断面積を小さくすれば、（最大）電流密度を大きくなる。上記のとおり、リードの断面積を小さくする（最大電流密度は大きくなる）ことで、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図ることができるが、測定精度の悪化を招く恐れがある。これに対して、本件発明者は、以下で後述する実施例により、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下であれば、測定精度の悪化を抑制できることを見出した。したがって、当該構成によれば、最大電流密度を基準に（すなわち、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下となるように）リードの断面積を小さくすることで、製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を抑制することができる。
【0012】
なお、測定精度の悪化を抑制する観点から、第１リード及び第２リードの少なくとも一方の最大電流密度は、３．４、３．３、３．２、３．１、３．０、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１又は１．０Ａ／ｍｍ2以下に定められてよい。最大電流密度のこれらの基準値に近くなるようにリードの断面積を大きくすることで、製造コストの低減を図ると共に、測定精度の悪化を抑制することができる。
【0013】
上記一側面に係るガスセンサ素子において、前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、前記第１リード及び前記第２リードのうちの抵抗の高い方を含んでよい。上記のとおり、抵抗が高くなることによって、測定セルに辿り着く前に被測定ガスが分解されやすくなることに起因する測定精度の悪化を招きやすくなる。当該構成によれば、その抵抗の高い方のリードの最大電流密度を３．５Ａ／ｍｍ2以下に定めることにより、製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を適切に抑制することができる。
【0014】
上記一側面に係るガスセンサ素子において、前記第１リード及び前記第２リードの少なくとも一方は、それぞれ第１方向に延びる複数の柱部、及び前記第１方向に交差する第２方向にそれぞれ延び、前記複数の柱部のうちの隣接する２つの柱部にそれぞれ接続する複数の連絡部、を備えてよい。そして、前記複数の連絡部のうち前記第１方向に隣接する２つの連絡部の間には空隙が設けられてよい。当該構成によれば、空隙が設けられる分だけ、中実な場合に比べて、リードに使用する材料の量を抑えることができ、その結果、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図ることができる。
【0015】
上記一側面に係るガスセンサ素子において、前記各連絡部は、前記隣接する２つの柱部それぞれにそれぞれ連結する２つの端部、及び前記２つの端部から離間する中央部を有してよい。そして、前記各連絡部において、前記２つの端部のうちの少なくとも一方の幅は、前記中央部の幅よりも大きくなっていてもよい。電流が流れる際、各連絡部の端部には応力が生じやすい。この応力に起因して、連絡部は、端部で欠損（例えば、断線）が発生しやすくなっている。当該構成によれば、端部の幅を中央部に比べて大きくすることで、端部での断線の発生を抑制することができ、その結果、リードの耐久性を高めることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良又は変形を行うことができることは言うまでもない。本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。
【0019】
本実施形態に係るガスセンサ素子は、積層体、第１ポンプ電極、第２ポンプ電極、第１リード、及び第２リードを備える。積層体は、それぞれ酸素イオン伝導性を有する複数の固体電解質層を積層することで構成され、被測定ガスを外部から受け入れるように構成される内部空間、内部空間に隣接する第１面、及び外部の空間に隣接する第２面を備える。「隣接する」ことは、空間に直接的に隣接してもよいし、或いは被覆等を介して間接的に隣接してよい。第１ポンプ電極は、第１面に設けられ、第２ポンプ電極は、第２面に設けられる。第１リードは、第１面において、第１ポンプ電極から延びるように構成される。第２リードは、第２面において、第２ポンプ電極から延びて、第１リードと電気的に接続するように構成される。第１リード及び第２リードの少なくとも一方は、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下となる形状に構成される。以下、これらの構成を有するガスセンサ素子の一例を説明する。
【0020】
［構成例］
図１は、本実施形態に係るガスセンサ素子１００の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。ガスセンサ素子１００は、第１基板層１、第２基板層２、第３基板層３、第１固体電解質層４、スペーサ層５、及び第２固体電解質層６を図３の断面視で下側から順に積層することで構成される積層体を備える。各層１－６は、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により構成される。各層１－６を形成する固体電解質は、緻密質なものであってよい。緻密質は、気孔率が５％以下であることを指す。
図１は、本実施形態に係るガスセンサ素子１００の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。ガスセンサ素子１００は、第１基板層１、第２基板層２、第３基板層３、第１固体電解質層４、スペーサ層５、及び第２固体電解質層６を図３の断面視で下側から順に積層することで構成される積層体を備える。各層１－６は、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により構成される。各層１－６を形成する固体電解質は、緻密質なものであってよい。緻密質は、気孔率が５％以下であることを指す。
【0021】
本実施形態では、ガスセンサ素子１００の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面６２及び第１固体電解質層４の上面の間には、被測定ガスを外部の空間から受け入れるように構成される内部空間が設けられる。本実施形態に係る内部空間は、ガス導入口１０、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３、第１内部空所１５、第３拡散律速部１６、第２内部空所１７、第４拡散律速部１８、及び第３内部空所１９が、この順に連通する態様にて隣接形成されるように構成される。すなわち、本実施形態に係る内部空間は、３室構造（第１内部空所１５、第２内部空所１７及び第３内部空所１９）を有する。
【0022】
一例では、この内部空間は、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられる。内部空間の上部は、第２固体電解質層６の下面６２で区画される。内部空間の下部は、第１固体電解質層４の上面で区画される。内部空間の側部は、スペーサ層５の側面で区画される。
【0023】
第１拡散律速部１１は、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長辺方向を有する）スリットとして設けられる。第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部１６それぞれは、図面に垂直な方向に延びる長さが各内部空所（１５、１７、１９）よりも短い孔として設けられる。第４拡散律速部１８は、図面に垂直な方向の上側のみ開口した孔として設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所１９に至る部位（内部空間）は、ガス流通部とも称されてよい。
【0024】
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の上面及びスペーサ層５の下面の間であって、第１固体電解質層４の側面で側部を区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられる。基準ガス導入空間４３には、例えば、大気等の基準ガスが導入される。
【0025】
基準ガス導入空間４３に隣接する第３基板層３の上面の一部には、大気導入層４８が設けられる。大気導入層４８は、多孔質アルミナから成り、基準ガス導入空間４３を介して基準ガスが導入されるように構成される。加えて、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。
【0026】
基準電極４２は、第３基板層３の上面及び第１固体電解質層４の間に挟まれるように形成され、その周囲には、上記基準ガス導入空間４３に接続する大気導入層４８が設けられている。基準電極４２は、第１内部空所１５内及び第２内部空所１７内の酸素濃度（酸素分圧）の測定に使用される。詳細は後述する。
【0027】
ガス導入口１０は、ガス流通部において、外部空間に対して開口してなる部位である。ガスセンサ素子１００は、当該ガス導入口１０を通じて外部空間から内部に被測定ガスを取り込むように構成される。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所１５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。
【0031】
被測定ガスは、ガスセンサ素子１００の外部空間から第１内部空所１５内まで導入されるにあたり、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からガスセンサ素子１００内部に急激に取り込まれる場合がある。この場合であっても、当該構成では、取り込まれる被測定ガスは、直接第１内部空所１５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濃度変動が打ち消された後、第１内部空所１５へ導入される。これにより、第１内部空所１５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。
【0032】
第１内部空所１５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。
【0033】
主ポンプセル２１は、内側ポンプ電極２２、外側ポンプ電極２３、及びこれらの電極に挟まれた第２固体電解質層６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１５に隣接する（面する）第２固体電解質層６の下面６２のほぼ全面に設けられる天井電極部２２ａを有する。外側ポンプ電極２３は、第２固体電解質層６の上面６３の天井電極部２２ａに対応する領域に外部空間に隣接する態様にて設けられる。
【0034】
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所１５を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６及び第１固体電解質層４）、及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１５の天井面を与える第２固体電解質層６の下面６２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が形成される。そして、それら天井電極部２２ａ及び底部電極部２２ｂに接続するように、側部電極部（図示省略）が、第１内部空所１５の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されている。つまり、内側ポンプ電極２２は、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態の構造で配設されている。
【0035】
内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２３は、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔ及びＺｒＯ2により構成されるサーメット電極）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、被測定ガス中の窒素酸化物（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。
【0036】
ガスセンサ素子１００は、主ポンプセル２１において、内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２３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及び外側ポンプ電極２３の間に正方向又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１５内の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間の酸素を第１内部空所１５に汲み入れ可能に構成される。
【0037】
また、第１内部空所１５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、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、及び基準電極４２により、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０（すなわち、電気化学的なセンサセル）が構成されている。
【0038】
ガスセンサ素子１００は、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１５内の酸素濃度（酸素分圧）を特定可能に構成される。更に、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。これにより、第１内部空所１５内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
【0039】
第３拡散律速部１６は、第１内部空所１５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１７に導く部位である。
【0040】
第２内部空所１７は、第３拡散律速部１６を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を更に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、補助ポンプセル５０が作動することによって調整される。
【0041】
補助ポンプセル５０は、補助ポンプ電極５１、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、ガスセンサ素子１００と外側の適当な電極であれば足りる）、及び第２固体電解質層６により構成される補助的な電気化学的ポンプセルである。補助ポンプ電極５１は、第２内部空所１７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。
【0042】
係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所１５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の構造で、第２内部空所１７内に配設されている。つまり、第２内部空所１７の天井面を与える第２固体電解質層６の下面６２に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所１７の底面を与える第１固体電解質層４の上面には、底部電極部５１ｂが形成される。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１７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る。これにより、補助ポンプ電極５１は、トンネル形態の構造を有している。
【0043】
なお、補助ポンプ電極５１も、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中の窒素酸化物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。
【0044】
ガスセンサ素子１００は、補助ポンプセル５０において、補助ポンプ電極５１及び外側ポンプ電極２３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１７内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間から第２内部空所１７内に汲み入れ可能に構成される。
【0045】
また、第２内部空所１７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、基準電極４２、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、及び第３基板層３により、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１（すなわち、電気化学的なセンサセル）が構成されている。
【0046】
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１７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。
【0047】
また、これと共に、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３拡散律速部１６から第２内部空所１７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１７内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
【0048】
第４拡散律速部１８は、第２内部空所１７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１９に導く部位である。
【0049】
第３内部空所１９は、第４拡散律速部１８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濃度は、測定用ポンプセル４１の動作により測定される。本実施形態では、第１内部空所１５において酸素濃度（酸素分圧）が予め調整された後、第２内部空所１７において、第３拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が更に行われる。これにより、第２内部空所１７から第３内部空所１９に導入される被測定ガスの酸素濃度を高精度に一定に保つことができる。そのため、本実施形態に係るガスセンサ素子１００は、精度の高いＮＯx濃度の測定が可能となる。
【0050】
測定用ポンプセル４１は、第３内部空所１９内において、被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、測定電極４４、外側ポンプ電極２３、第２固体電解質層６、スペーサ層５、及び第１固体電解質層４により構成される電気化学的ポンプセルである。図１の一例では、測定電極４４は、第３内部空所１９に隣接する（面する）第１固体電解質層４の上面に設けられる。
【0051】
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３内部空所１９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。図１の一例では、測定電極４４は、第３内部空所１９内で露出している。他の一例では、測定電極４４は、拡散律速部により被覆されていてよい。該拡散律速部は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分とする多孔体の膜により構成されてよい。該拡散律速部は、測定電極４４に流入するＮＯxの量を制限する役割を担うと共に、測定電極４４の保護膜としても作用する。
【0052】
ガスセンサ素子１００は、測定用ポンプセル４１において、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として検出可能に構成される。
【0053】
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固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、測定電極４４、及び基準電極４２により、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２（すなわち、電気化学的なセンサセル）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にて検出される電圧（起電力）Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。
【0054】
第３内部空所１９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にて検出される制御電圧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。
【0055】
また、測定電極４４、第１固体電解質層４、第３基板層３、及び基準電極４２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ることで、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る。これにより、被測定ガス中の窒素酸化物成分の濃度を求めることも可能である。
【0056】
また、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、外側ポンプ電極２３、及び基準電極４２から電気化学的なセンサセル８３が構成されている。ガスセンサ素子１００は、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に構成されている。
【0057】
以上の構成を有するガスセンサ素子１００において、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を作動させることにより、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を測定用ポンプセル４１に与えることができる。したがって、ガスセンサ素子１００は、被測定ガス中の窒素酸化物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で流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を特定可能に構成されている。
【0058】
更に、ガスセンサ素子１００は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、ガスセンサ素子１００を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ７０を備えている。図１の一例では、ヒータ７０は、ヒータ電極７１、発熱部７２、リード部７３、ヒータ絶縁層７４、及び圧力放散孔７５を備えている。リード部７３は、スルーホールにより構成されてよい。
【0059】
本実施形態では、ヒータ７０は、ガスセンサ素子１００の厚み方向（鉛直方向／積層方向）において、ガスセンサ素子１００の上面よりもガスセンサ素子１００の下面に近い位置に配置されている。ただし、ヒータ７０の配置は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
【0060】
ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（ガスセンサ素子１００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り、外部からヒータ７０へ給電することができるようになっている。
【0061】
発熱部７２は、第２基板層２及び第３基板層３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。発熱部７２は、リード部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、ガスセンサ素子１００を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
【0062】
また、発熱部７２は、第１内部空所１５から第２内部空所１７の全域に渡って埋設されており、ガスセンサ素子１００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。
【0063】
ヒータ絶縁層７４は、発熱部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及び発熱部７２の間の電気的絶縁性、並びに第３基板層３及び発熱部７２の間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
【0064】
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。
【0065】
製造方法の一例として、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、配線パターンの印刷等の工程を実行する。当該工程を実行した後、各シートを積層し、焼成して一体化させる。これにより、ガスセンサ素子１００を製造することができる。
【0066】
＜リード構造＞
図２Ａ及び図２Ｂは、主ポンプセル２１のリード構造の一例を概略的に示す模式図である。図２Ａは、外側ポンプ電極２３に接続されるリード９２の一例を概略的に示し、図２Ｂは、内側ポンプ電極２２に接続されるリード９３の一例を概略的に示す。
図２Ａ及び図２Ｂは、主ポンプセル２１のリード構造の一例を概略的に示す模式図である。図２Ａは、外側ポンプ電極２３に接続されるリード９２の一例を概略的に示し、図２Ｂは、内側ポンプ電極２２に接続されるリード９３の一例を概略的に示す。
【0067】
図２Ｂの一例では、リード９３は、第２固体電解質層６の下面６２に設けられる。第２固体電解質層６の下面６２は、内部空間に隣接する第１面の一例である。また、下面６２に設けられる内側ポンプ電極２２は、第１ポンプ電極の一例である。
【0068】
ただし、本実施形態では、内側ポンプ電極２２はトンネル形態の構造を有するため、リード９３を設ける面は、第２固体電解質層６の下面６２に限られなくてよい。他の一例では、リード９３は、第１固体電解質層４の上面及びスペーサ層５の側面のいずれかに設けられてよい。この場合、リード９３が設けられる面が、第１面の一例である。
【0069】
なお、図２Ｂの一例では、内側ポンプ電極２２（天井電極部２２ａ）は、矩形状に形成されている。ただし、内側ポンプ電極２２の形状は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
【0070】
リード９３は、内側ポンプ電極２２（天井電極部２２ａ）から端子Ｔ２の方に延びるように構成されている。端子Ｔ２は、実施の形態に応じて適宜配置されてよい。図２Ａ及び図２Ｂの一例では、端子Ｔ２は、上面６３の後端（図の右端）側に配置される。リード９３は、下面６２に配置された内側ポンプ電極２２（天井電極部２２ａ）から後端側へ延び、後端側において下面６２から上面６３に回り込んで端子Ｔ２まで延びるように構成されている。リード９３は、第１リードの一例である。
【0071】
一方、図２Ａの一例では、リード９２は、第２固体電解質層６の上面６３に設けられる。第２固体電解質層６の上面６３は、外部空間に隣接する第２面の一例である。また、上面６３に設けられる外側ポンプ電極２３は、第２ポンプ電極の一例である。
【0072】
なお、図２Ａの一例では、外側ポンプ電極２３は、矩形状に形成されている。ただし、外側ポンプ電極２３の形状は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
【0073】
リード９２は、外側ポンプ電極２３から端子Ｔ１の方に延びるように構成されている。端子Ｔ１は、実施の形態に応じて適宜配置されてよい。図２Ａの一例では、端子Ｔ１は、上面６３の後端（図の右端）側に配置される。端子Ｔ１は、端子Ｔ２と電気的に接続するように構成される。これにより、リード９２は、リード９３と電気的に接続するように構成される。リード９２は、第２リードの一例である。
【0074】
各リード（９２、９３）の形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。図２Ａ及び図２Ｂの一例では、各リード（９２、９３）は、直線状に形成される。各面（６２、６３）上には、絶縁材料（不図示）が塗布されてよく、各リード（９２、９３）は、その絶縁材料上に形成されてよい。各リード（９２、９３）の材料には、白金等の貴金属が用いられてよい。
【0075】
本実施形態では、リード９２及びリード９３の少なくとも一方は、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下となる形状に構成される。リード９２及びリード９３の少なくとも一方は、リード９２及びリード９３のうちの抵抗の高い方を含んでよい。
【0076】
測定精度の悪化を抑制する観点から、リード９２及びリード９３の少なくとも一方の最大電流密度は、３．４、３．３、３．２、３．１、３．０、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１又は１．０Ａ／ｍｍ2以下となるように構成されてよい。また、リード９２及びリード９３の少なくとも一方の最大電流密度は、０．０５A／ｍｍ2以上となるように構成されてよい。
【0077】
寸法の一例として、リード９２及びリード９３の少なくとも一方は、長さが２０～６０ｍｍ、かつ断面積が０．００１～０．０１ｍｍ2となるように形成されることで、最大電流密度が上記範囲を満たすように構成されてよい。
【0078】
また、最大電流密度の算出方法の一例として、リードの断面積が最も小さくなる部分において、酸素濃度２０．５％の被測定ガスに対して流れる電流を測定し、測定された電流を該断面積で割り算することで、該リードの最大電流密度が算出されてよい。
【0079】
なお、一例では、補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１の少なくとも一方も、主ポンプセル２１と同様のリード構造を有してもよい。
【0080】
補助ポンプセル５０が主ポンプセル２１と同様のリード構造を有する場合、補助ポンプ電極５１が第１ポンプ電極の一例であり、外側ポンプ電極２３が第２ポンプ電極の一例である。補助ポンプ電極５１が配置される第２固体電解質層６の下面６２、第１固体電解質層４の上面、及びスペーサ層５の側面のいずれかに補助ポンプ電極５１から延びるリードが設けられてよく、リードの設けられる面が第１面の一例である。補助ポンプ電極５１から延びる該リードは、第１リードの一例である。外側ポンプ電極２３から延びるリードが、第２リードの一例である。補助ポンプセル５０のリード構造におけるその他の構成は、主ポンプセル２１のリード構造と同様であってよい。
【0081】
測定用ポンプセル４１が主ポンプセル２１と同様のリード構造を有する場合、測定電極４４が第１ポンプ電極の一例であり、外側ポンプ電極２３が第２ポンプ電極の一例である。測定電極４４が配置される第１固体電解質層４の上面が第１面の一例である。測定電極４４から延びるリードは、第１リードの一例である。外側ポンプ電極２３から延びるリードが、第２リードの一例である。測定用ポンプセル４１のリード構造におけるその他の構成は、主ポンプセル２１のリード構造と同様であってよい。
【0082】
他の一例では、補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１は、主ポンプセル２１と異なるリード構造を有してもよい。
【0083】
［特徴］
以上のとおり、本実施形態に係るガスセンサ素子１００では、主ポンプセル２１において、リード９２及びリード９３の少なくとも一方の最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下に定められる。上記関係式によれば、断面積を大きくすれば、（最大）電流密度は小さくなり、断面積を小さくすれば、（最大）電流密度を大きくなる。後述する実施例により、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下であれば、測定精度の悪化を抑制できることが見出された。したがって、本実施形態によれば、最大電流密度を基準にリード９２及びリード９３の少なくとも一方の断面積を小さくすることで、ガスセンサ素子１００の製造コストの低減を図りつつ、主ポンプセル２１の動作に起因する測定精度の悪化を抑制することができる。補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１の少なくとも一方に主ポンプセル２１と同様のリード構造を採用することで、測定精度の悪化を更に抑制することができる。
以上のとおり、本実施形態に係るガスセンサ素子１００では、主ポンプセル２１において、リード９２及びリード９３の少なくとも一方の最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下に定められる。上記関係式によれば、断面積を大きくすれば、（最大）電流密度は小さくなり、断面積を小さくすれば、（最大）電流密度を大きくなる。後述する実施例により、最大電流密度が３．５Ａ／ｍｍ2以下であれば、測定精度の悪化を抑制できることが見出された。したがって、本実施形態によれば、最大電流密度を基準にリード９２及びリード９３の少なくとも一方の断面積を小さくすることで、ガスセンサ素子１００の製造コストの低減を図りつつ、主ポンプセル２１の動作に起因する測定精度の悪化を抑制することができる。補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１の少なくとも一方に主ポンプセル２１と同様のリード構造を採用することで、測定精度の悪化を更に抑制することができる。
【0084】
また、本実施形態では、リード９２及びリード９３の少なくとも一方は、リード９２及びリード９３のうちの抵抗の高い方を含んでよい。上記のとおり、抵抗が高くなることによって、測定精度の悪化を招きやすくなる。本実施形態によれば、その抵抗の高い方のリードの最大電流密度を３．５Ａ／ｍｍ2以下に定めることにより、ガスセンサ素子１００の製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を適切に抑制することができる。
【0085】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、前述までの実施形態の説明は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。上記実施形態には、種々の改良及び変形が行われてよい。上記実施形態の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてもよい。また、上記実施形態の各構成要素の形状及び寸法は、実施の形態に応じて適宜変更されてよい。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、前述までの実施形態の説明は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。上記実施形態には、種々の改良及び変形が行われてよい。上記実施形態の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてもよい。また、上記実施形態の各構成要素の形状及び寸法は、実施の形態に応じて適宜変更されてよい。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
【0086】
（Ｉ）リード構造の適用先
以上では、本発明の実施形態に係るリード構造を主ポンプセル２１に適用したケースの一例を説明した。しかしながら、上記リード構造の適用先は、主ポンプセル２１に限られなくてよい。上記のとおり、補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１の少なくとも一方が、上記リード構造を有してもよい。同様に、基準電極４２に関するセル８０－８３の少なくともいずれかも、上記リード構造を有してよい。少なくともいずれかのセルが上記リード構造を有する場合に、主ポンプセル２１は、上記実施形態と異なるリード構造を有してもよい。
以上では、本発明の実施形態に係るリード構造を主ポンプセル２１に適用したケースの一例を説明した。しかしながら、上記リード構造の適用先は、主ポンプセル２１に限られなくてよい。上記のとおり、補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１の少なくとも一方が、上記リード構造を有してもよい。同様に、基準電極４２に関するセル８０－８３の少なくともいずれかも、上記リード構造を有してよい。少なくともいずれかのセルが上記リード構造を有する場合に、主ポンプセル２１は、上記実施形態と異なるリード構造を有してもよい。
【0087】
（ＩＩ）リードの形状
上記実施形態では、第２リードの一例であるリード９２及び第１リードの一例であるリード９３は共に直線状に形成されている。しかしながら、第１リード及び第２リードの形状は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、第１リード及び第２リードの少なくとも一方は、それぞれ第１方向に延びる複数の柱部、及び第１方向に交差する第２方向にそれぞれ延び、複数の柱部のうちの隣接する２つの柱部にそれぞれ接続する複数の連絡部を備えるように形成されてよい。そして、複数の連絡部のうちの第１方向に隣接する２つの連絡部の間には空隙が設けられてよい。
上記実施形態では、第２リードの一例であるリード９２及び第１リードの一例であるリード９３は共に直線状に形成されている。しかしながら、第１リード及び第２リードの形状は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、第１リード及び第２リードの少なくとも一方は、それぞれ第１方向に延びる複数の柱部、及び第１方向に交差する第２方向にそれぞれ延び、複数の柱部のうちの隣接する２つの柱部にそれぞれ接続する複数の連絡部を備えるように形成されてよい。そして、複数の連絡部のうちの第１方向に隣接する２つの連絡部の間には空隙が設けられてよい。
【0088】
図３は、本変形例に係る形態を外側ポンプ電極２３から延びるリード９２Ａに適用したケースの一例を概略的に示す模式図である。図３の一例では、リード９２Ａは、２つの柱部（９２１、９２２）及び１１個の連絡部９２５を備える。なお、図３では、図２Ａにおける内側ポンプ電極２２から延びるリード９３に関する構成を省略する。後述する図５－図７でも同様に、リード９３に関する構成を省略する。
【0089】
図３の左右方向（ガスセンサ素子の長手方向）が、第１方向の一例であり、図３の上下方向（ガスセンサ素子の幅方向）が、第２方向の一例である。なお、図３の一例では、第１方向及び第２方向の交差する角度は、直角であるが、このような例に限定されなくてよい。第１方向及び第２方向は、鋭角又は鈍角で交差してよい。
【0090】
各連絡部９２５は、第２方向に延びて、第２方向に隣接する２つの柱部（９２１、９２２）それぞれにそれぞれの端部で接続する。第１方向に隣接する２つの連絡部９２５の間には空隙Ｇが設けられる。これにより、リード９２Ａは、はしご状に形成されている。
【0091】
各連絡部９２５の形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、各連絡部９２５の幅（第２方向に垂直な方向の長さ）は一定であってよい。他の一例では、各連絡部９２５は、中央部の幅が端部よりも大きくなるように形成されてもよい。ただし、リードに電流が流れる際、各連絡部の端部（すなわち、各柱部と各連絡部との連結部分）には、応力が生じやすく、この応力により、連絡部は、端部において欠損が生じやすくなっている。そこで、更に他の一例では、各連絡部は、隣接する２つの柱部それぞれにそれぞれ連結する２つの端部、及び２つの端部から離間する中央部を有してよい。そして、各連絡部において、２つの端部のうちの少なくとも一方の幅は、中央部の幅よりも大きくなるように形成されてよい。
【0092】
図４は、当該連絡部の形態をリード９２Ａに適用したケースの一例を概略的に示す拡大模式図である。図４の一例では、各連絡部９２５は、隣接する２つの柱部（９２１、９２２それぞれにそれぞれ連結する２つの端部（９２５１、９２５２）、及び２つの端部（９２５１、９２５２）から離間する中央部９２５５を有する。各連絡部９２５において、２つの端部（９２５１、９２５２）のうちの少なくとも一方の幅は、中央部９２５５の幅よりも大きくなるように形成される。
【0093】
なお、図４の一例では、２つの端部（９２５１、９２５２）共に、中央部９２５５よりも幅が広くなるように形成されている。このように両方の端部の幅が、中央部よりも広くなるように形成されるのが好ましい。ただし、連絡部の形態は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、２つの端部（９２５１、９２５２）のうちの少なくとも一方の幅は、中央部９２５５の幅と同じ又は小さくなるように形成されていてもよい。
【0094】
本形態によれば、各連絡部９２５の端部（９２５１、９２５２）の幅を中央部９２５５に比べて大きくすることで、端部（９２５１、９２５２）での断線の発生を抑制することができる。その結果、リード９２Ａの耐久性を高めることができる。リード９２Ａのその他の構成は、上記実施形態に係るリード９２と同様であってよい。
【0095】
＜柱部の数＞
上記本変形例に係るリードの形態の一例では、柱部の数は、２つである。しかしながら、柱部の数は、このような例に限定されなくてよく、３つ以上であってよい。
上記本変形例に係るリードの形態の一例では、柱部の数は、２つである。しかしながら、柱部の数は、このような例に限定されなくてよく、３つ以上であってよい。
【0096】
図５は、本変形例に係るリード９２Ｂの一例を概略的に示す模式図である。リード９２Ｂは、上記リード９２Ａと同様に、外側ポンプ電極２３から端子Ｔ１の方に延びるように構成される。図５の一例では、リード９２Ｂは、３つの柱部（９２１Ｂ、９２２Ｂ、９２３Ｂ）、及び１２個の連絡部９２５Ｂを備える。
【0097】
各連絡部９２５Ｂは、隣接する２つの柱部（９２１Ｂ、９２３Ｂ）（９２３Ｂ、９２２Ｂ）に接続するように形成される。第１方向に隣接する２つの連絡部９２５Ｂの間には空隙ＧＢが設けられる。
【0098】
各連絡部９２５Ｂの形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、各連絡部９２５Ｂの幅は一定であってよい。他の一例では、各連絡部９２５Ｂは、中央部の幅が端部よりも大きくなるように形成されてもよい。更に他の一例では、各連絡部９２５Ｂは、図４に例示される上記連絡部９２５の形態と同様に形成されてよい。リード９２Ｂのその他の構成は、上記実施形態に係るリード９２と同様であってよい。
【0099】
＜連絡部の延びる方向＞
上記変形例に係るリードの形態の一例では、各連絡部（９２５、９２５Ｂ）は、一方向に延びている。しかしながら、各連絡部の延びる方向は、一方向に限られなくてよい。複数の連絡部のうちの少なくとも一つの連絡部は、他の連絡部と異なる方向に延びてよい。
上記変形例に係るリードの形態の一例では、各連絡部（９２５、９２５Ｂ）は、一方向に延びている。しかしながら、各連絡部の延びる方向は、一方向に限られなくてよい。複数の連絡部のうちの少なくとも一つの連絡部は、他の連絡部と異なる方向に延びてよい。
【0100】
図６は、本変形例に係るリード９２Ｃの一例を概略的に示す模式図である。図６の一例では、リード９２Ｃは、上記リード９２Ａと同様に、外側ポンプ電極２３から端子Ｔ１の方に延びるように構成され、２つの柱部（９２１Ｃ、９２２Ｃ）を備える。更に、リード９２Ｃは、複数の連絡部９２５Ｃを備える。
【0101】
複数の連絡部９２５Ｃのうちの一部は、第１方向に対して鋭角に傾斜する方向に延びて、隣接する２つの柱部（９２１Ｃ、９２２Ｃ）に接続するように形成される。複数の連絡部９２５Ｃのうちの残りは、第１方向に対して鈍角に傾斜する方向に延びて、隣接する２つの柱部（９２１Ｃ、９２２Ｃ）に接続するように形成される。それぞれの方向は、第２方向の一例である。
【0102】
図６の一例では、鋭角に傾斜する方向に延びる連絡部９２５Ｃと鈍角に傾斜する方向に延びる連絡部９２５Ｃとが互いに交差している。そして、第１方向に隣接し、交差する２つの連絡部９２５Ｃの間に、空隙ＧＣが設けられる。これにより、リード９２Ｃは、網目状に形成されている。
【0103】
このように、２つ以上の連絡部は、互いに異なる方向に延びることで、部分的に交差するように構成されてもよい。ただし、リードの形態は、このような例に限定されなくてよい。複数の連絡部が異なる方向に延びる場合に、各連絡部は、交差しないように配置されてもよい。
【0104】
各連絡部９２５Ｃの形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、各連絡部９２５Ｃの幅は一定であってよい。他の一例では、各連絡部９２５Ｃは、中央部の幅が端部よりも大きくなるように形成されてもよい。更に他の一例では、各連絡部９２５Ｃは、図４に例示される上記連絡部９２５の形態と同様に形成されてよい。リード９２Ｃのその他の構成は、上記実施形態に係るリード９２と同様であってよい。
【0105】
＜連絡部の配置＞
上記変形例に係るリードの形態の一例では、各連絡部（９２５、９２５Ｂ、９２５Ｃ）は、互いに離れた位置に独立的に配置されるように構成されている。しかしながら、各連絡部の配置は、このような例に限定されなくてよい。複数の連絡部のうちの少なくとも２つ以上の連絡部は、一体的に形成されるように配置されてよい。
上記変形例に係るリードの形態の一例では、各連絡部（９２５、９２５Ｂ、９２５Ｃ）は、互いに離れた位置に独立的に配置されるように構成されている。しかしながら、各連絡部の配置は、このような例に限定されなくてよい。複数の連絡部のうちの少なくとも２つ以上の連絡部は、一体的に形成されるように配置されてよい。
【0106】
図７は、本変形例に係るリード９２Ｄの一例を概略的に示す模式図である。図７の一例では、リード９２Ｄは、上記リード９２Ｂと同様に、外側ポンプ電極２３から端子Ｔ１の方に延びるように構成され、３つの柱部（９２１Ｄ、９２２Ｄ、９２３Ｄ）を備える。更に、リード９２Ｄは、複数の連絡部９２５Ｄを備える。
【0107】
複数の連絡部９２５Ｄのうちの第１連絡部は、第１方向に対して鋭角に傾斜する方向に延びて、隣接する２つの柱部（９２１Ｄ、９２３Ｄ）（９２３Ｄ、９２２Ｄ）に接続するように形成される。複数の連絡部９２５Ｄのうちの第２連絡部は、第１方向に対して垂直な方向に延びて、隣接する２つの柱部（９２１Ｄ、９２３Ｄ）（９２３Ｄ、９２２Ｄ）に接続するように形成される。複数の連絡部９２５Ｄのうちの第３連絡部は、第１方向に対して鈍角に傾斜する方向に延びて、隣接する２つの柱部（９２１Ｄ、９２３Ｄ）（９２３Ｄ、９２２Ｄ）に接続するように形成される。各連絡部の延びる方向は、第２方向の一例である。第１方向に隣接する２つの連絡部９２５Ｄの間には空隙ＧＤが設けられる。
【0108】
図７の一例では、それぞれの第２方向において、２つの柱部（９２１Ｄ、９２３Ｄ）を接続する連絡部、及び２つの柱部（９２３Ｄ、９２２Ｄ）を接続する連絡部が、一体的に形成されるように配置されている。このように、複数の連絡部のうちの少なくとも２つ以上の連絡部が、一体的に形成されるように配置されてよい。すなわち、この一体的に形成される２つ以上の連絡部を１つの連絡部として捉えて、３つ以上の柱部に接続するように連絡部を配置してもよい。
【0109】
各連絡部９２５Ｄの形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、各連絡部９２５Ｄの幅は一定であってよい。他の一例では、各連絡部９２５Ｄは、中央部の幅が端部よりも大きくなるように形成されてもよい。更に他の一例では、各連絡部９２５Ｄは、図４に例示される上記連絡部９２５の形態と同様に形成されてよい。リード９２Ｄのその他の構成は、上記実施形態に係るリード９２と同様であってよい。
【0110】
＜特徴＞
本変形例によれば、中実な場合に比べて、空隙（Ｇ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ）が設けられる分だけ、リード（９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ）に使用する材料の量を抑えることができる。その結果、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図ることができる。
本変形例によれば、中実な場合に比べて、空隙（Ｇ、ＧＢ、ＧＣ、ＧＤ）が設けられる分だけ、リード（９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ）に使用する材料の量を抑えることができる。その結果、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図ることができる。
【0111】
なお、上記各変形例では、外側ポンプ電極２３から延びるリードに各形態を適用したケースの一例を説明した。しかしながら、上記各形態の適用先は、このような例に限定されなくてよい。本変形例に係るリード（９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ）の形態は、内側ポンプ電極２２から延びるリード９３にも適用されてよい。本変形例に係る形態がリード９３に適用される場合には、外側ポンプ電極２３から延びるリードには、上記実施形態等の本変形例以外の他の形態が適用されてよい。第１リード及び第２リードそれぞれには、上記各変形例に係るリード（９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ）の形態及び上記実施形態に係る形態のうちの異なる形態が採用されてもよい。補助ポンプセル５０、測定用ポンプセル４１及び基準電極４２に関するセル８０－８３の少なくともいずれかにも同様のリード構造が採用されてよい。
【0112】
（ＩＩＩ）その他
上記実施形態では、ガスセンサ素子１００の積層体は、６層の固体電解質層により構成されている。しかしながら、積層体を構成する固体電解質層の数は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
上記実施形態では、ガスセンサ素子１００の積層体は、６層の固体電解質層により構成されている。しかしながら、積層体を構成する固体電解質層の数は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
【0113】
また、上記実施形態では、被測定ガスを導入する内部空間は、第１固体電解質層４、スペーサ層５、及び第２固体電解質層６により区画される位置に設けられる。しかしながら、内部空間の配置は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。第１面、第２面、第１ポンプ電極、第２ポンプ電極、第１リード、及び第２リードの配置は、積層体及び内部空間の構成に応じて適宜選択されてよい。
【0114】
また、上記実施形態では、内部空間は、３室構造を有するように構成されている。しかしながら、内部空間の構成は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。他の一例では、第４拡散律速部１８及び第３内部空所１９が省略されてよく、これにより、内部空間は、２室構造を有するように構成されてよい。この場合、測定電極４４は、第２内部空所１７に隣接する第１固体電解質層４の上面における、第３拡散律速部１６から離れた位置に設けられてよい。
【0115】
また、図１では、第１ポンプ電極の一例である内側ポンプ電極２２及び第２ポンプ電極の一例である外側ポンプ電極２３は共に空間に対して露出している。しかしながら、空間に隣接することは、このような形態に限定されなくてよく、被覆等を介して間接的に隣接してもよい。他の一例として、外側ポンプ電極２３は、保護部材等によって被覆されていてよい。
【0116】
また、上記実施形態では、基準ガス導入空間４３が設けられている。しかしながら、ガスセンサ素子１００の構成は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、第１固体電解質層４は、ガスセンサ素子１００の後端まで延びるように構成されてよく、基準ガス導入空間４３は省略されてよい。この場合、大気導入層４８が、ガスセンサ素子１００の後端まで延びるように構成されてよい。
【0117】
また、上記実施形態では、ガスセンサ素子１００は、窒素酸化物（ＮＯx）の濃度を測定するように構成されている。しかしながら、本発明のガスセンサ素子は、このようなＮＯxの濃度を測定するように構成されるガスセンサ素子に限られなくてよい。他の一例では、本発明のガスセンサ素子は、例えば、酸素の濃度を測定するように構成されたガスセンサ素子等の他のガスセンサ素子であってよい。例えば、上記実施形態に係るガスセンサ素子１００について、補助ポンプセル、測定ポンプセルを省略し、基準電極を主ポンプ電極の下に配置することで、酸素濃度を測定するためのガスセンサ素子を構成することができる。この場合、ガスセンサ素子は、主ポンプセルにより酸素を汲み出すことで、被測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。
【0118】
［実施例］
本発明の効果を検証するために、以下の実施例及び比較例に係るガスセンサ素子を作製した。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
本発明の効果を検証するために、以下の実施例及び比較例に係るガスセンサ素子を作製した。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0119】
ガスセンサ素子の構成に上記図１に示される構成を採用し、主ポンプセルのリード構造に図２Ａ及び図２Ｂに示される構造を採用することで、第１実施例に係るガスセンサ素子（タイプ：ＮＯｘセンサ）を作製した。第１実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、０．６７Ａ／ｍｍ2であった。
【0120】
第１実施例に係るガスセンサ素子のリードの断面積を変更して、第２実施例から第５実施例に係るガスセンサ素子を作製した。第２実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、０．８３Ａ／ｍｍ2であった。第３実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、０．８９Ａ／ｍｍ2であった。第４実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、０．１８Ａ／ｍｍ2であった。第５実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、１．１４Ａ／ｍｍ2であった。
【0121】
第１実施例に係るガスセンサ素子において、補助ポンプセル、測定ポンプセルを省略し、基準電極を主ポンプ電極の下に配置することで、第６実施例に係るガスセンサ素子を作製した（タイプ：Ｏ2センサ）。第６実施例に係るガスセンサ素子の主ポンプセルのリード構造には、図３に示される構造を採用した。第６実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、１．５９Ａ／ｍｍ2であった。
【0122】
第６実施例に係るガスセンサ素子のリード構造を図５に示される構造に変更することで、第７実施例に係るガスセンサ素子を作製した。第７実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、０．４０Ａ／ｍｍ2であった。第６実施例に係るガスセンサ素子のリードの断面積を変更して、第８実施例に係るガスセンサ素子を作製した。第８実施例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、３．０６Ａ／ｍｍ2であった。
【0123】
一方、第１実施例に係るガスセンサ素子のリードの断面積を変更して、第１比較例に係るガスセンサ素子を作製した。第１比較例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、６．００Ａ／ｍｍ2であった。また、第６実施例に係るガスセンサ素子のリードの断面積を変更して、第２比較例に係るガスセンサ素子を作製した。第２比較例に係るガスセンサ素子の２つのリードのうちの一方の最大電流密度は、４．２９Ａ／ｍｍ2であった。
【0124】
次に、各実施例及び各比較例に係るガスセンサ素子により、被測定ガスに含まれる酸素濃度を測定することにより、酸素感度の変化率及び酸素濃度依存性を評価した。
【0125】
具体的に、酸素濃度が０％、５％、１０％、１８％の４つのモデルガス（ＮＯ濃度が５００ｐｐｍで一定である）及びＮＯ濃度が０ｐｐｍで酸素濃度が２０．５％である１つのモデルガスの合計５つのモデルガスを用意した。そして、これら５つのモデルガス（いずれも残余はＮ2）を用いて、加速耐久試験の開始前、開始後１０００時間経過後、開始後２０００時間経過後、及び終了時（開始後３０００時間経過後）の各時点で、各実施例及び各比較例に係るガスセンサ素子により、各モデルガスのＯ2電流Ｉｐ０及びＮＯｘ電流Ｉｐ２を測定した。いずれの場合も、素子駆動温度は８５０℃とした。また、加速耐久試験は、ガスセンサ素子をディーゼルエンジンの排気管に取り付けたうえで３０００時間排ガスに曝すものとした。
【0126】
そして、上記各時点における、ＮＯ濃度が０ｐｐｍの場合の酸素濃度（２０．５％）にて、当該濃度におけるＯ2電流Ｉｐ０の測定値を除した値を、感度特性の傾き（酸素濃度値に対するＯ2電流の変化率）として算出したうえで、加速耐久試験の開始前の時点における感度特性の傾きを基準（初期値）として、経過時間毎の当該傾きの変化率である酸素感度変化率を算出し、その値に基づいて、各実施例及び各比較例に係るガスセンサ素子における酸素感度の変化の程度を判定した（第１判定）。
【0127】
続いて、ＮＯｘセンサタイプのガスセンサ素子（第１－第５実施例及び第１比較例）に対して、各モデルガスに対する測定の結果から、測定電流（Ｉｐ２）の酸素濃度依存性の指標として決定係数Ｒ2を算出した。そして、算出された決定係数Ｒ2の値に基づいて、酸素濃度に対する測定電流の直線性の程度を判定した（第２判定）。
【0128】
【表1】
【0129】
上記表１は、上記第１判定及び第２判定の評価結果を示す。なお、第１判定では、酸素感度変化率の絶対値が１０％以下である場合に、「Ａ：酸素感度の変化は好適に抑制される」と評価した。酸素感度変化率の絶対値が１０％を超えて２０％以内である場合に、「Ｂ：酸素感度の変化は実使用に際して許容される範囲には抑制される」と評価した。酸素感度変化率の絶対値が２０％を超える場合、「Ｃ：酸素感度は、許容される範囲を超えて変化してしまう」と評価した。
【0130】
一方、第２判定では、決定係数Ｒ2の値が０．９７５以上である場合に、「Ａ：酸素濃度に対する測定電流の直線性は良好に維持される」と評価した。決定係数Ｒ2の値が０．９５０以上０．９７５未満である場合に、「Ｂ：酸素濃度に対する測定電流の直線性は実使用に際して許容される範囲で維持される」と評価した。決定係数Ｒ2の値が０．９５０未満である場合に、「Ｃ：酸素濃度に対する測定電流の直線性は大きく損なわれる」と評価した。
【0131】
第１－第４実施例の評価は、第１判定及び第２判定共に「Ａ」であった。第５実施例の評価は、第１判定及び第２判定共に「Ｂ」であった。第６－第７実施例の第１判定の評価は「Ａ」であり、第８実施例の第１判定の評価は「Ｂ」であった。一方、第１比較例の第１判定及び第２判定の評価は共に「Ｃ」であった。第２比較例の第１判定の評価は「Ｃ」であった。
【0132】
これらの結果から、２つのリードの少なくとも一方を、第８実施例及び第２比較例の間である３．５Ａ／ｍｍ2以下に最大電流密度がなるように構成することで、ガスセンサ素子の測定精度の悪化を抑制できることが推測された。また、２つのリードの少なくとも一方を、（各実施例を含むように）最大電流密度が３．１Ａ／ｍｍ2以下になるように構成することで、ガスセンサ素子の測定精度の悪化を好適に抑制可能であることが分かった。したがって、これらの最大電流密度を基準にリードの断面積を小さくすることで、ガスセンサ素子の製造コストの低減を図りつつ、測定精度の悪化を抑制できることが分かった。
【符号の説明】
【0133】
１００…ガスセンサ素子、
２２…内側ポンプ電極、２３…外側ポンプ電極、
６２…下面、６３…上面、
９２・９３…リード、Ｔ…端子、
９２１・９２２…柱部、９２５…連絡部、
９２５１・９２５２…端部、９２５５…中央部、
Ｇ…空隙
２２…内側ポンプ電極、２３…外側ポンプ電極、
６２…下面、６３…上面、
９２・９３…リード、Ｔ…端子、
９２１・９２２…柱部、９２５…連絡部、
９２５１・９２５２…端部、９２５５…中央部、
Ｇ…空隙
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
