JP6573783B2 - センサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。
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が知られている。例えば、特許文献１や特許文献２には、気密な複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を積層してなる長尺な板状体形状のセンサ素子を備えたガスセンサが記載されている。
このような従来例のガスセンサ３００の構成の一例を概略的に示した断面模式図を図１４に示す。図示するように、このガスセンサ３００は、センサ素子３０７を備えている。このセンサ素子３０７は、緻密な酸素イオン伝導性の固体電解質層３０１〜３０６を積層した構造を有する素子である。このセンサ素子３０７では、固体電解質層３０６の下面と固体電解質層３０４の上面との間に、被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が形成されており、この被測定ガス流通部は、ガス導入部３１０と、第１〜第３内部空所３２０，３４０，３６１とを備えている。第１内部空所３２０には内側ポンプ電極３２２が形成されており、第２内部空所３４０には補助ポンプ電極３５１が形成されており、第３内部空所３６１には測定電極３４４が形成されている。また、固体電解質層３０６の上面には外側ポンプ電極３２３が形成されている。このガスセンサ３００では、被測定ガスが被測定ガス流通部の第１内部空所３２０に導入されると、外側ポンプ電極３２３と内側ポンプ電極３２２との間に印加される制御電圧Ｖｐ０により第１内部空所３２０とセンサ素子３０７の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われる。続いて、被測定ガスが第２内部空所３４０に導入されると、外側ポンプ電極３２３と補助ポンプ電極３５１との間に印加される制御電圧Ｖｐ１により第２内部空所３４０とセンサ素子３０７の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われる。このようにして、第１内部空所３２０，第２内部空所３４０を通過する間に酸素濃度を制御した後の被測定ガスを第３内部空所３６１に導入する。そして、外側ポンプ電極３２３及び測定電極３４４を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際の電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。
ところで、このような従来のガスセンサにおいて、固体電解質層の積層体（センサ素子）の外表面のうち、電極が形成されておらず固体電解質が露出している部分でも酸素イオンの移動が生じる場合があった。例えば、図１４のガスセンサ３００において、固体電解質層３０６の上面のうち第３内部空所３６１の直上周辺の雰囲気（被測定ガス）と第３内部空所３６１内との間で、電極を介さずに固体電解質層３０６を酸素イオンが通過する場合があった。このような電極を介さない酸素イオンの移動は、高温下であったりセンサ素子の内外の酸素濃度差が大きいほど起こりやすい。そして、この酸素イオンの移動により、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があった。例えば、図１４のガスセンサ３００において電極を介さない酸素イオンの移動が生じると、この酸素イオンの移動に基づいて電流Ｉｐ２にノイズが生じて、特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があった。電流Ｉｐ２のように特定ガス濃度の検出に用いる電流は極微量の電流であることが多いため、電極を介さない酸素イオンの移動による影響を受けやすい。
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、センサ素子において、電極を介さずに測定電極設置空間と積層体の外部との間で酸素イオンが移動するのを抑制することを主目的とする。
本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
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複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記被測定ガス流通部の一部である測定電極設置空間に配設された測定電極と、
前記積層体の外表面に配設された外側ポンプ電極と、
前記外表面に配設された外側ポンプ電極用コネクタ電極と、
前記外表面に配設され前記外側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極用コネクタ電極とを導通させる外側ポンプ電極用リード部と、
前記外表面に配設され少なくとも前記外側ポンプ電極を覆う多孔質保護層と、
前記外側ポンプ電極用リード部と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、前記外側ポンプ電極用コネクタ電極と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、且つ、前記外表面のうち前記外側ポンプ電極が配設されておらず且つ前記測定電極設置空間との距離が最小である最接近部の少なくとも一部を覆うように配設され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない外側阻止層を有する阻止部と、
を備えたものである。
酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記被測定ガス流通部の一部である測定電極設置空間に配設された測定電極と、
前記積層体の外表面に配設された外側ポンプ電極と、
前記外表面に配設された外側ポンプ電極用コネクタ電極と、
前記外表面に配設され前記外側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極用コネクタ電極とを導通させる外側ポンプ電極用リード部と、
前記外表面に配設され少なくとも前記外側ポンプ電極を覆う多孔質保護層と、
前記外側ポンプ電極用リード部と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、前記外側ポンプ電極用コネクタ電極と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、且つ、前記外表面のうち前記外側ポンプ電極が配設されておらず且つ前記測定電極設置空間との距離が最小である最接近部の少なくとも一部を覆うように配設され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない外側阻止層を有する阻止部と、
を備えたものである。
このセンサ素子は、積層体の外表面のうち外側ポンプ電極が配設されておらず且つ測定電極設置空間との距離が最小である最接近部の少なくとも一部を覆うように形成された外側阻止層を有する阻止部を備えている。そして、外側阻止層は、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性（導電性ともいう）を有さない。こうすることで、積層体の外表面のうち阻止部で覆われた部分では酸素イオンの移動が抑制される。すなわち、測定電極や外側ポンプ電極などの電極を介さずに測定電極設置空間と積層体の外部との間で酸素イオンが移動するのを抑制することができる。このような本発明のセンサ素子を用いたガスセンサでは、例えば、電極を介さない酸素イオンの移動に基づく測定電極−外側ポンプ電極間の電流への影響を抑制することができ、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度をより向上させることができる。なお、測定電極設置空間と積層体の外部との距離が小さいほど、測定電極設置空間と積層体の外部との間で電極を介さない酸素イオンの移動が起こりやすい。本発明のガスセンサでは、積層体の外表面のうち上記最接近部の少なくとも一部を覆うように外側阻止層を形成することで、電極を介さない酸素イオンの移動をより確実に抑制することができるようにしている。また、本発明のセンサ素子は、外側阻止層が、外側ポンプ電極用リード部と積層体の外表面との間を絶縁し、外側ポンプ電極用コネクタ電極と積層体の外表面との間を絶縁している。そのため、外側阻止層は外側ポンプ電極用リード部や外側ポンプ電極用コネクタ電極の絶縁層も兼ねることができる。さらに、本発明のセンサ素子では、多孔質保護層により外側ポンプ電極を保護することができる。この場合において、前記測定電極は、前記測定電極設置空間に露出していてもよいし、露出していなくてもよい。前記測定電極が前記測定電極設置空間に露出していない場合、該測定電極は、多孔質体である拡散律速部に被覆されていてもよい。
ここで、「酸素を含む物質」には、例えば、Ｏ2，ＣＯ，ＣＯ2，ＮＯｘ，Ｈ2Ｏなど化学式表記で酸素（Ｏ）を含む分子の他、化学式表記で酸素（Ｏ）を含むイオンなどを含む。「酸素を含むイオン」には、例えばＯ2-やＯ-などの酸素イオン（酸化物イオンともいう）を含む。また、阻止部は、酸素を含む分子のうち１種類以上の分子の伝導性を有さないものとしてもよいし、酸素を含むイオンのうち１種類以上のイオンの伝導性を有さないものとしてもよいし、酸素を含む分子のうち１種類以上の分子の伝導性を有さず且つ酸素を含むイオンのうち１種類以上のイオンの伝導性を有さないものとしてもよい。なお、酸素を含む分子や酸素を含むイオン（酸素イオン以外）などの物質が固体電解質層の表面に到達すると、その物質から酸素イオンが生成されて固体電解質内を移動する場合がある。そのため、阻止部が酸素イオンの伝導性を有さないものに限らず、酸素を含む物質の伝導性を有さないものであれば、上述した酸素イオンの移動を抑制する効果は得られる。なお、阻止部は、酸素を含む物質のうち被測定ガス中に存在する物質の１種類以上の伝導性を有しないものとすることが好ましい。こうすれば、電極を介さない酸素イオンの移動をより確実に抑制することができる。また、阻止部は、被測定ガス（被測定ガスの成分だけでなく被測定ガスの成分がイオン化したものも含む）と固体電解質の表面とを遮断する能力が高いものほど好ましい。具体的には、阻止部の気孔率は、８％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。また、外側阻止層は、前記積層体のうち前記被測定ガスに曝される部分に形成することが好ましい。被測定ガスに曝される部分は、電極を介さない酸素イオンの移動が起きやすいため、外側阻止層を設ける意義が高い。
本発明のセンサ素子において、前記多孔質保護層は、前記外側ポンプ電極用リード部の少なくとも一部と、前記外側阻止層の少なくとも一部と、を覆っていてもよい。こうすれば、多孔質保護層により、外側ポンプ電極だけでなく外側ポンプ電極用リード部や外側阻止層についても保護することができる。
本発明のセンサ素子において、外側ポンプ電極，外側ポンプ電極用コネクタ電極，リード部がいずれも積層体の同じ面に配設されていてもよい。例えば、積層体の積層方向を上下方向として、外側ポンプ電極，外側ポンプ電極用コネクタ電極，リード部がいずれも積層体の上面に配設されていてもよい。さらに、前記外側阻止層は、前記積層体の上面のうち、前記外側ポンプ電極の前記外側ポンプ電極用コネクタ電極側の端部から、前記積層体の上面のうち前記外側ポンプ電極用コネクタ電極側の端部まで、を少なくとも覆っていてもよい。
本発明のセンサ素子は、前記外側ポンプ電極用リード部のうち少なくとも前記外側阻止層で絶縁されていない部分を覆う絶縁層、を備えていてもよい。こうすれば、外側ポンプ電極用リード部と積層体との間は外側阻止層で絶縁され、外側ポンプ電極用リード部のうち外側阻止層で絶縁されていない部分は絶縁層で絶縁されるため、リード部の絶縁がより確実になる。この場合において、前記多孔質保護層は、前記絶縁層の上面を覆っていてもよい。
本発明のセンサ素子において、前記外側阻止層は前記最接近部全体を覆っていてもよい。こうすれば、電極を介さない酸素イオンの移動を外側阻止層が抑制する効果がより高まる。
本発明のセンサ素子において、前記外側阻止層の厚さは１μｍ〜３０μｍとしてもよい。外側阻止層の厚さを１μｍ以上とすることで、外側阻止層が電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより確実に得られる。また、外側阻止層の厚さを３０μｍ以下とすることで、外側阻止層を固体電解質層上に比較的容易に形成することができる。
本発明のセンサ素子において、前記積層体は直方体であり、前記外側阻止層は前記積層体の複数の外表面に形成されており、前記外側阻止層は、該外側阻止層が形成されている複数の前記外表面の各々に対して前記測定電極設置空間を垂直方向に投影した投影領域を全て覆っているものとしてもよい。積層体が直方体であり複数の外表面を有する場合、各外表面において測定電極設置空間を垂直方向に投影した投影領域は、その外表面のうち測定電極設置空間との距離が最も小さい領域となる。そのため、複数の外表面に外側阻止層を形成するにあたり、外側阻止層を形成した外表面についてはこの投影領域を全て覆うようにすることで、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果をより高めることができる。
本発明のセンサ素子において、前記阻止部は、前記外側阻止層と、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出部分の少なくとも一部を覆うように形成され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない内側阻止層と、を有していてもよい。こうすれば、阻止部が外側阻止層に加えてさらに内側阻止層を有することで、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより高まる。なお、内側阻止層と外側阻止層とで、伝導性を有さない物質の種類が異なっていてもよいし、同じであってもよい。
内側阻止層を備える態様の本発明のセンサ素子において、前記内側阻止層の厚さは１μｍ〜３０μｍとしてもよい。内側阻止層の厚さを１μｍ以上とすることで、内側阻止層が電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより確実に得られる。また、内側阻止層の厚さを３０μｍ以下とすることで、内側阻止層を固体電解質層上に比較的容易に形成することができる。
内側阻止層を備える態様の本発明のセンサ素子において、前記内側阻止層は、前記測定電極設置空間の内周面のうち、前記最接近部に対向する部分の少なくとも一部を覆っていてもよい。上述したように、測定電極設置空間と積層体の外部との距離が小さい箇所ほど、測定電極設置空間と積層体の外部との間で電極を介さない酸素イオンの移動が起こりやすい。そのため、最接近部に対向する部分の少なくとも一部を内側阻止層が覆うことで、電極を介さない酸素イオンの移動をより抑制することができる。なお、「前記測定電極設置空間の内周面のうち、前記最接近部に対向する部分」とは、例えば、前記固体電解質層を介して前記最接近部の反対側の部分としてもよいし、前記積層体の外表面のうち前記最接近部の部分に垂直に該最接近部を前記測定電極設置空間の内周面に投影した部分としてもよい。この場合において、前記内側阻止層は、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記最接近部に対向する部分を全て覆うものとしてもよい。こうすれば、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより高まる。
本発明のセンサ素子において、前記積層体は直方体であり、前記積層体の複数の外表面の各々に対して前記測定電極設置空間を垂直方向に投影した投影領域を前記阻止部が覆う被覆面積ａ１と、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出部分を前記阻止部が覆う被覆面積ａ２と、の和を被覆面積Ａとしたときに、該被覆面積Ａと、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出面積Ｂとの面積比Ａ／Ｂが０．３以上としてもよい。こうすれば、電極を介さない酸素イオンの移動を阻止部が抑制する効果がより高まる。面積比Ａ／Ｂは、０．５以上，０．８以上とすることがより好ましい。電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果は、面積比Ａ／Ｂが大きいほど高まる。なお、阻止部が内側阻止層を備えない場合には、被覆面積ａ２は値０である。また、露出面積Ｂは、内側阻止層で覆われた部分の面積も含む値である。また、被覆面積ａ１は、測定電極が固体電解質層を覆う面積以上であることが好ましい。同様に、内側阻止層が固体電解質層を覆う面積（被覆面積ａ２）は、測定電極が固体電解質層を覆う面積以上であることが好ましい。
本発明のガスセンサは、上述したいずれかの態様の本発明のセンサ素子を備えたものである。そのため、本発明のガスセンサは、本発明のセンサ素子と同様の効果、例えば、電極を介さない酸素イオンの移動に基づく測定電極−外側ポンプ電極間の電流への影響を抑制して、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度をより向上させる効果が得られる。
本発明のガスセンサにおいて、前記被測定ガス流通部には、前記被測定ガスの導入口から前記測定電極設置空間までの間に、第１内部空所，第２内部空所がこの順に形成されており、前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、前記測定電極設置空間に前記被測定ガスを導入し、前記測定電極及び前記外側ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際の電流に基づいて該被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、前記第１内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側主ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極と該内側主ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第１内部空所内の酸素濃度が所定の主ポンプ目標濃度になるよう該内側主ポンプ電極及び該外側主ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う主ポンプセルと、前記第２内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側補助ポンプ電極と該内側補助ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第２内部空所内の酸素濃度が所定の補助ポンプ目標濃度になるよう該内側補助ポンプ電極及び該外側補助ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う補助ポンプセルと、を備えたものとしてもよい。こうすることで、被測定ガスが第１内部空所を通過する際に被測定ガス中の酸素濃度を所定の主ポンプ目標濃度に調整し、さらに被測定ガスが第２内部空所を通過する際に被測定ガス中の酸素濃度を所定の補助ポンプ目標濃度に調整するため、測定電極設置空間内に到達す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。これにより、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度をより向上させることができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記被測定ガス流通部には、前記被測定ガスの導入口から前記測定電極設置空間までの間に、第１内部空所が形成されており、前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、前記測定電極設置空間に前記被測定ガスを導入し、前記測定電極及び前記外側ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際の電流に基づいて該被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、前記第１内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側主ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極と該内側主ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第１内部空所内の酸素濃度が所定の主ポンプ目標濃度になるよう該内側主ポンプ電極及び該外側主ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う主ポンプセルと、を備えたものとしてもよい。また、この場合において、本発明のガスセンサは、前記測定電極設置空間に面する固体電解質層上に形成された内側補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側補助ポンプ電極と該内側補助ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該測定電極設置空間内の酸素濃度が所定の補助ポンプ目標濃度になるよう該内側補助ポンプ電極及び該外側補助ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う補助ポンプセル、を備えていてもよい。さらの、この場合において、前記測定電極は、多孔質体である拡散律速部に被覆されていてもよい。
次に、本発明の実施の形態の一例であるセンサ素子１０１を備えたガスセンサ１００の概略構成について説明する。図１は、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図１（ａ）は、ガスセンサ１００の断面模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のうち第３内部空所６１周辺の拡大図である。図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２のＢ視図である。このガスセンサ１００は、被測定ガス中の特定ガス（本実施形態ではＮＯｘ）の濃度を検出するセンサ素子１０１を備えている。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の厚み方向（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（図２の左右方向）とする。なお、図１（ａ）のセンサ素子１０１の断面は、図３のＣ−Ｃ断面図に相当する。
センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された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。
センサ素子１０１の一端（前端）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。
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。
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。第４拡散律速部６０は、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。
また、被測定ガス流通部よりも一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。
大気導入層４８は、多孔質アルミナからなり、基準ガス導入空間４３に露出している層である。この大気導入層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。この大気導入層４８は、基準ガス導入空間４３内の基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極４２に導入する。なお、大気導入層４８は、基準電極４２よりもセンサ素子１０１の他端側（右端側）でのみ基準ガス導入空間４３に露出するように形成されている。このため、例えば基準ガス導入空間４３が図１における基準電極４２の真上まで形成されているような場合と比較して、基準ガス導入空間４３から基準電極４２までの基準ガスの経路が長くなり、大気導入層４８によって基準ガスに所定の高い拡散抵抗を付与しやすくなっている。ここで、基準ガスに付与される拡散抵抗が高いほど、基準電極４２に到達する基準ガスに含まれる酸素の量が少なくなる。そのため、所定の高い拡散抵抗を付与することで、基準電極４２を用いて被測定ガス流通部内の酸素濃度（酸素分圧）を測定するにあたり、被測定ガス流通部内のわずかな酸素濃度の変化を検出しやすくなり、検出感度を向上させることができる。また、例えば基準ガス導入空間４３が図１における基準電極４２の真上まで形成されているような場合には、基準ガスによって基準電極４２が被毒しやすくなるが、本実施形態ではこれを防止することができる。なお、以上のような効果は得られなくなるが、基準電極４２が基準ガス導入空間４３の図１における真下に形成されていてもよい。
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。なお、基準電極４２は、第３基板層３の上面に直に形成されており、第３基板層３の上面に接する部分以外が大気導入層４８に覆われている。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，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。
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濃度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濃度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。
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが直に形成され、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の左右の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。
また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源２５のポンプ電圧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内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
第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。
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。
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。
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の上面には、底部電極部５１ｂが直に形成され、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の左右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。
補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。
また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第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。
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。
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。
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の上面に直に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第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。
測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。
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にて検出された起電力Ｖ２が一定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。
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。
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、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
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。
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７２と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、ヒータ用リード線７６とを備えている。
ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、ヒータ用リード線７６及び下部スルーホール９５内のホール内導体９７を介してヒータ電極である下部コネクタパッド９２と接続されており（図１（ａ）参照）、下部コネクタパッド９２を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。なお、ホール内導体９７は、下部スルーホール９５の内周面を覆うホール内絶縁層９６で囲まれており、ホール内導体９７と下部スルーホール９５の内周面とは絶縁されている。
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第３内部空所６１の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成された多孔質アルミナからなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
さらに、センサ素子１０１は、阻止部６５を備えている。この阻止部６５は、第３内部空所６１内に形成された内側阻止層６６と、第２固体電解質層６の上面に形成された外側阻止層６７と、を有している。
内側阻止層６６及び外側阻止層６７は、外側ポンプ電極２３や測定電極４４などの電極を介さずに酸素イオンが積層体（第２固体電解質層６）内を移動するのを抑制するためのものである。内側阻止層６６及び外側阻止層６７は、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さないものであり、例えばアルミナ，石英ガラス，ソーダガラス，シリカ，ムライト，窒化ケイ素，炭化ケイ素などにより形成されている。なお、「酸素を含む物質」には、例えば、Ｏ2，ＣＯ，ＣＯ2，ＮＯｘ，Ｈ2Ｏなど化学式表記で酸素（Ｏ）を含む分子の他、化学式表記で酸素（Ｏ）を含むイオンなどを含む。「酸素を含むイオン」には、例えばＯ2-やＯ-などの酸素イオン（酸化物イオンともいう）を含む。内側阻止層６６及び外側阻止層６７は、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果が高まるため、気孔率が小さいほど、厚みが厚いほど好ましい。具体的には、阻止部６５の気孔率は、０％以上８％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。内側阻止層６６及び外側阻止層６７の厚さは、１μｍ〜３０μｍとすることが好ましい。厚さを１μｍ以上とすることで、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより確実に得られる。また、厚さを３０μｍ以下とすることで、内側阻止層６６や外側阻止層６７を固体電解質層上に比較的容易に形成することができる。なお、内側阻止層６６と外側阻止層６７とは同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、気孔率や厚さなどもそれぞれ同じでもよいし異なっていてもよい。なお、外側阻止層６７は、後述する外側ポンプ電極用リード線９３及び上部コネクタパッド９１と第２固体電解質層６の上面との間を絶縁する役割も果たすものであり、絶縁性を有する材料で構成されている。
内側阻止層６６及び外側阻止層６７が形成される位置について詳細に説明する。図１〜図３に示すように、外側阻止層６７は、積層体のうち第２固体電解質層６の上面を直に覆っている。そして、図１，図３に示すように、外側阻止層６７は、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３の上部コネクタパッド９１側の端部（すなわち外側ポンプ電極２３の後端部）から、第２固体電解質層６の上面のうち上部コネクタパッド９１側の端部まで、を全て覆っている。なお、本実施形態では、上部コネクタパッド９１の後端部は第２固体電解質層６の上面の後端部と一致している。そのため、外側阻止層６７は、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３の後端部から第２固体電解質層６の後端部までを全て覆っている。これにより、外側阻止層６７は、後述する外側ポンプ電極用リード線９３，リード線９４，上部コネクタパッド９１の各々と第２固体電解質層６の上面との間に配設されている。そして、外側阻止層６７は、外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間や、リード線９４と第２固体電解質層６の上面との間，及び上部コネクタパッド９１と第２固体電解質層６の上面との間を絶縁している。また、外側阻止層６７は、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３が配設されておらず且つ第３内部空所６１との距離が最小である上側最接近部６ａの全体を覆っている（図１（ｂ），図２，図３参照）。外側阻止層６７は、外側ポンプ電極２３の上面は覆っていない。
内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち固体電解質層（第１，第２固体電解質層４，６及びスペーサ層５）の露出部分の少なくとも一部を覆うように形成されている。また、内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち上側最接近部６ａに対向する部分（すなわち第３内部空所６１の天井面である第２固体電解質層６の下面）の略全体を覆っている。換言すると、内側阻止層６６を第２固体電解質層６の上面に対して垂直に投影したときの投影領域は、上側最接近部６ａと略一致する。ここで、センサ素子１０１は直方体であるため、図２，図３に示すように、センサ素子１０１の固体電解質層の外表面として、第１面１０１ａ（上面），第２面１０１ｂ（下面），第３面１０１ｃ（左側面），第４面１０１ｄ（右側面），第５面１０１ｅ（前端面），第６面１０１ｆ（後端面）、の６面を有している。本実施形態では、第３内部空所６１から第１面〜第６面１０１ａ〜１０１ｆまでの距離をそれぞれ距離Ｘ１〜Ｘ６とすると、第３内部空所６１から第１面１０１ａまでの距離Ｘ１が最小となるように形成されている。そのため、固体電解質層の外表面（第１面〜第６面１０１ａ〜１０１ｆ）のうち第３内部空所６１との距離が最小である部分を「最接近部」と定義すると、本実施形態では上側最接近部６ａ（第１面１０１ａのうち第３内部空所６１との距離が最小である部分）が最接近部となっている。なお、上側最接近部６ａは、第３内部空所６１を第１面１０１ａに対して垂直に投影したときの投影領域でもある。
ここで、積層体の複数の外表面（第１面〜第６面１０１ａ〜１０１ｆ）の各々に対して第３内部空所６１を垂直方向に投影した投影領域を阻止部６５が覆う面積を被覆面積ａ１とする。また、第３内部空所６１の内周面のうち固体電解質層の露出部分を阻止部６５が覆う面積を被覆面積ａ２とする。このとき、阻止部６５は、被覆面積Ａ（＝被覆面積ａ１＋被覆面積ａ２）と、第３内部空所６１の内周面のうち固体電解質層の露出面積Ｂとの面積比Ａ／Ｂが０．３以上となるように形成されていることが好ましい。本実施形態では、外側阻止層６７は、上側最接近部６ａ（＝第１面１０１ａに対する第３内部空所６１の投影領域）の全体を覆っている。そのため、上側最接近部６ａの面積が被覆面積ａ１となる。また、内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち上側最接近部６ａに対向する部分の略全体を覆っている。そのため、被覆面積ａ２は被覆面積ａ１と略等しい値になる。なお、露出面積Ｂは、内側阻止層６６で覆われた部分の面積も含む値である。すなわち、露出面積Ｂは、内側阻止層６６を無視した場合における、第３内部空所６１の内周面のうち固体電解質層の露出面積である。本実施形態では、第３内部空所６１に形成されているのは内側阻止層６６と測定電極４４とであるため、第３内部空所６１の内周面（６つの面）のうち測定電極４４に覆われていない部分の面積が露出面積Ｂとなる。この面積比Ａ／Ｂが大きいほど、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果が高まる。なお、面積比Ａ／Ｂは０．５以上，０．８以上とすることがより好ましい。また、内側阻止層６６が固体電解質層を覆う面積（被覆面積ａ２）は、測定電極４４が固体電解質層を覆う面積以上であることが好ましい。同様に、被覆面積ａ１も、測定電極４４が固体電解質層を覆う面積以上であることが好ましい。被覆面積ａ１や被覆面積ａ２の少なくとも一方を、測定電極４４が固体電解質層を覆う面積以上とすることで、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果が十分なものになりやすい。
また、第２固体電解質層６の上面の後端側には、上部コネクタパッド９１が配設されている（図１（ａ），図３参照）。上部コネクタパッド９１は、センサ素子１０１と外部とを電気的に導通するためのコネクタ電極として機能する。上部コネクタパッド９１は、複数（本実施形態では４個）の上部コネクタパッド９１ａ〜９１ｄを有している。上部コネクタパッド９１ｂは、第２固体電解質層６の上面側であり外側阻止層６７の上面に配設された外側ポンプ電極用リード線９３を介して、外側ポンプ電極２３と電気的に導通している。同様に、上部コネクタパッド９１ａ，９１ｃ，９１ｄは、外側阻止層６７の上面に配設されたリード線９４を介して、センサ素子１０１内部の電極と電気的に導通している。なお、リード線９４の各々は、センサ素子１０１の側面（左右の外表面）に配設された図示しないリード線や、センサ素子１０１の内部に配設された図示しないリード線を介して、センサ素子１０１内部の各電極と電気的に導通している。特にこれに限定するものではないが、上部コネクタパッド９１，外側ポンプ電極用リード線９３の厚みは、例えば５〜２０μｍである。なお、図示は省略するが、センサ素子１０１の下面には下部コネクタパッド９２の他にも図示しないコネクタパッドが配設されており、このコネクタパッドも上部コネクタパッド９１と同様に図示しないリード線を介してセンサ素子１０１の内部の電極と電気的に導通している。
これらの上部コネクタパッド９１やセンサ素子１０１の下面のコネクタパッドを介して、外部からセンサ素子１０１の各電極（内側ポンプ電極２２，外側ポンプ電極２３，基準電極４２，測定電極４４，補助ポンプ電極５１）に電圧又は電流を印加したり各電極の電圧や電流を測定したりすることができるようになっている。上述した可変電源２５，可変電源４６，可変電源５２による電圧の印加や、ポンプ電流Ｉｐ１，起電力Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２の検出なども、実際はこの上部コネクタパッド９１やセンサ素子１０１の下面のコネクタパッドを介して行われる。
第１基板層１の下面と下部コネクタパッド９２との間には、下部絶縁層６９が配設されている。この下部絶縁層６９は、外側阻止層６７と同様に、第１基板層１と下部コネクタパッド９２との間を絶縁している。本実施形態では、下部絶縁層６９は、第１基板層１の下面のうち、下部コネクタパッド９２の前端部の位置から、センサ素子１０１の後端部までの略長方形の領域を全て覆っているものとした。下部絶縁層６９は、アルミナなどの絶縁体からなる。
また、センサ素子１０１の積層体の上面には、少なくとも外側ポンプ電極２３を覆う多孔質保護層２４が配設されている。本実施形態では、多孔質保護層２４は、センサ素子１０１の上面の前端側から後端側までのうち、上部コネクタパッド９１が形成された部分を含む後端側の一部を除いた領域を、全て覆っているものとした（図１（ａ），図３）。これにより、多孔質保護層２４は、外側ポンプ電極２３の全てと、外側阻止層６７及び外側ポンプ電極用リード線９３のほとんどを覆っている。また、多孔質保護層２４は上部コネクタパッド９１を覆っていないため、上部コネクタパッド９１は外部に露出している。そのため、上部コネクタパッド９１と外部との接続を多孔質保護層２４が妨げないようになっている。多孔質保護層２４は、被測定ガスに含まれるオイル成分等が外側ポンプ電極２３等に付着するのを抑制する役割を果たす。多孔質保護層２４は、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体，チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなる。特にこれに限定するものではないが、多孔質保護層２４の気孔率は、例えば１０〜５０％である。また、多孔質保護層２４の厚みは、例えば５〜４０μｍである。多孔質保護層２４は、例えばプラズマ溶射，スクリーン印刷，ディッピングなどにより形成することができる。なお、本実施形態では、多孔質保護層２４はセンサ素子１０１の上面を覆うものとしたが、下面，左側面，右側面，前端面のうち１以上をさらに覆っていてももよい。
次に、こうしたガスセンサ１００のセンサ素子１０１の製造方法の一例を以下に説明する。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。第１固体電解質層４となるグリーンシートにも、同様に基準ガス導入空間４３となる空間を設けておく。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・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リード線、大気導入層４８，ヒータ部７０，阻止部６５，下部絶縁層６９，多孔質保護層２４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。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。このようにしてセンサ素子１０１を得ると、所定のハウジングに収容してガスセンサ１００の本体（図示せず）に組み込むことで、ガスセンサ１００が得られる。なお、多孔質保護層２４の形成及び焼成は、センサ素子１０１の焼成後に行ってもよい。
以上説明したガスセンサ１００では、センサ素子１０１の内側阻止層６６及び外側阻止層６７が酸素を含む物質のうち１種類以上の伝導性を有さないことで、積層体の表面のうち内側阻止層６６や外側阻止層６７に覆われている部分では酸素イオンの移動が抑制される。例えば、外側阻止層６７が酸素イオンの伝導性を有さない場合には、積層体の表面のうち外側阻止層６７が覆っている部分では、外部と積層体内部との間での酸素イオンの移動が抑制される。内側阻止層６６が酸素イオンの伝導性を有さない場合には、積層体の表面のうち内側阻止層６６が覆っている部分では、第３内部空所６１と積層体内部との間での酸素イオンの移動が抑制される。また、酸素イオンの伝導性を有さない場合に限らず、内側阻止層６６や外側阻止層６７が酸素を含む物質の１種類以上の伝導性を有しなければ、同様に酸素イオンの移動を抑制する効果が得られる。積層体の表面に酸素イオン以外の酸素を含む物質が到達すると、この物質から酸素イオンが生成される場合があるが、これを抑制できるためである。このように、内側阻止層６６及び外側阻止層６７を有することで、測定電極４４や外側ポンプ電極２３などの電極を介さずに第３内部空所６１と積層体の外部との間で酸素イオンが移動するのを抑制するのである。
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が本発明の積層体に相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、第３内部空所６１が測定電極設置空間に相当し、外側ポンプ電極２３が外側ポンプ電極に相当し、上部コネクタパッド９１ｂが外側ポンプ電極用コネクタ電極に相当し、外側ポンプ電極用リード線９３が外側ポンプ電極用リード部に相当し、多孔質保護層２４が多孔質保護層に相当し、外側阻止層６７が外側阻止層に相当し、阻止部６５が阻止部に相当する。また、内側阻止層６６が内側阻止層に相当し、外側ポンプ電極２３が外側主ポンプ電極及び外側補助ポンプ電極に相当し、測定用ポンプセル４１が検出手段に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、内側ポンプ電極２２が内側主ポンプ電極に相当し、主ポンプセル２１が主ポンプセルに相当し、補助ポンプ電極５１が内側補助ポンプ電極に相当し、補助ポンプセル５０が補助ポンプセルに相当する。なお、本実施形態では、センサ素子１０１を備えたガスセンサ１００についても説明することにより、本発明のガスセンサの一例も明らかにしている。
以上詳述した本実施形態のセンサ素子１０１は、積層体の上面のうち外側ポンプ電極２３が配設されておらず且つ第３内部空所６１との距離が最小である上側最接近部６ａの少なくとも一部を覆うように形成された外側阻止層６７を有する阻止部６５を備えている。そして、外側阻止層６７は、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない。こうすることで、積層体の上面のうち阻止部６５で覆われた部分では酸素イオンの移動が抑制される。すなわち、測定電極４４や外側ポンプ電極２３などの電極を介さずに第３内部空所６１と積層体の外部との間で酸素イオンが移動するのを抑制することができる。ここで、このような電極を介さない酸素イオンの移動が生じると、これに基づいて例えばポンプ電流Ｉｐ２にノイズが生じる。上述したように、ガスセンサ１００は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度をポンプ電流Ｉｐ２に基づいて検出することができるが、このポンプ電流Ｉｐ２にノイズが生じると、ポンプ電流Ｉｐ２がＮＯｘ濃度を正確に反映しない値となり、検出精度が低下する。本実施形態のガスセンサ１００では、このような電極を介さない酸素イオンの移動を阻止部６５で抑制することで、ポンプ電流Ｉｐ２への影響を抑制することができ、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度をより向上させることができる。なお、第３内部空所６１と積層体の外部との距離が小さい箇所ほど、第３内部空所６１とセンサ素子１０１の外部との間で電極を介さない酸素イオンの移動が起こりやすい。本実施形態のガスセンサ１００では、積層体の上面のうち上側最接近部６ａの少なくとも一部を覆うように外側阻止層６７を形成することで、電極を介さない酸素イオンの移動をより確実に抑制することができる。また、外側阻止層６７が、外側ポンプ電極用リード線９３と積層体の上面との間を絶縁し、上部コネクタパッド９１と積層体の上面との間を絶縁している。そのため、外側阻止層６７は外側ポンプ電極用リード線９３や上部コネクタパッド９１の絶縁層も兼ねることができる。これにより、例えば積層体の上面と外側ポンプ電極用リード線９３，上部コネクタパッド９１との間の絶縁層を外側阻止層６７とは別に設ける場合と比べて、センサ素子１０１の製造時の工数を削減できる。さらに、多孔質保護層２４により外側ポンプ電極２３を保護することができる。
また、多孔質保護層２４は、外側ポンプ電極用リード線９３の少なくとも一部と、外側阻止層６７の少なくとも一部と、を覆っているため、外側ポンプ電極２３だけでなく外側ポンプ電極用リード線９３や外側阻止層６７についても保護することができる。さらに、外側阻止層６７は、積層体の上面のうち外側ポンプ電極２３の上部コネクタパッド９１ｂ側の端部から、積層体の上面のうち上部コネクタパッド９１ｂ側の端部まで、を少なくとも覆っている。
また、外側阻止層６７は上側最接近部６ａ全体を覆っているため、電極を介さない酸素イオンの移動を外側阻止層６７が抑制する効果がより高まる。
さらに、内側阻止層６６及び外側阻止層６７及び内側阻止層６６の厚さは１μｍ〜３０μｍとしている。外側阻止層６７の厚さを１μｍ以上とすることで、外側阻止層６７が電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより確実に得られる。また、外側阻止層６７の厚さを３０μｍ以下とすることで、外側阻止層６７を固体電解質層上に比較的容易に形成することができる。内側阻止層６６についても同様の効果が得られる。
さらにまた、センサ素子１０１において、阻止部６５は、外側阻止層６７と、第３内部空所６１の内周面のうち固体電解質層の露出部分の少なくとも一部を覆うように形成され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない内側阻止層６６と、を有している。そのため、阻止部６５が外側阻止層６７に加えてさらに内側阻止層６６を有することで、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果がより高まる。
そしてまた、内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち、固体電解質層の外表面（第１面〜第６面１０１ａ〜１０１ｆ）のうち第３内部空所６１との距離が最小である最接近部（上側最接近部６ａ）に対向する部分の全体を覆っている。ここで、上述したように、第３内部空所６１と積層体の外部との距離が小さい箇所ほど、電極を介さない酸素イオンの移動が起こりやすい。そのため、最接近部６ａに対向する部分を内側阻止層６６が覆うことで、電極を介さない酸素イオンの移動をより抑制することができる。
さらに、面積比Ａ／Ｂが０．３以上であるため、電極を介さない酸素イオンの移動をより抑制することができる。
さらにまた、阻止部６５の気孔率を５％以下とすることで、電極を介さない酸素イオンの移動をより抑制することができる。
そしてまた、被測定ガス流通部には第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１が形成され、被測定ガスが第１内部空所を通過する際に主ポンプセル２１が被測定ガス中の酸素濃度を所定の主ポンプ目標濃度に調整し、さらに被測定ガスが第２内部空所を通過する際に補助ポンプセル５０が被測定ガス中の酸素濃度を所定の補助ポンプ目標濃度に調整する。このため、第３内部空所６１に到達す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。これにより、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度をより向上させることができる。
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うることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、阻止部６５は内側阻止層６６と外側阻止層６７とを共に備えるものとしたが、少なくとも外側阻止層６７を備えていればよい。すなわち、図４に示すように内側阻止層６６を備えなくともよい。こうしても、外側阻止層６７により、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制することはできる。
上述した実施形態において、センサ素子１０１は、外側ポンプ電極用リード線９３のうち少なくとも外側阻止層６７で絶縁されていない部分を覆う絶縁層を備えていてもよい。図５は、上部絶縁層６８を備えた変形例のガスセンサ１００の断面模式図である。図６は、図５のＤ−Ｄ断面図である。この変形例のガスセンサ１００では、外側阻止層６７の上面に形成された外側ポンプ電極用リード線９３の表面（側面及び上面）が、外側ポンプ電極２３側から上部コネクタパッド９１ｂ側までに亘って、上部絶縁層６８で覆われている。これにより、外側ポンプ電極用リード線９３の上下面及び側面は、絶縁性を有する外側阻止層６７，上部絶縁層６８で覆われている。上部絶縁層６８は、例えばアルミナなどの絶縁体からなる。上部絶縁層６８として、上述した外側阻止層６７に用いる材料のいずれかを用いてもよい。特にこれに限定するものではないが、上部絶縁層６８の厚みは、例えば５μｍ〜１５μｍである。なお、上部絶縁層６８が本発明の絶縁層に相当する。また、上部絶縁層６８は、外側ポンプ電極用リード線９３のうち少なくとも外側阻止層６７で絶縁されていない部分を覆っていればよい。例えば上部絶縁層６８が外側ポンプ電極用リード線９３の上面のみを覆ったり、側面のみを覆ったりしてもよい。
上述した実施形態では、外側阻止層６７は、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３の後端部から第２固体電解質層６の後端部までを全て覆っているものとしたが、これに限られない。外側阻止層６７は、外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間，上部コネクタパッド９１ｄと第２固体電解質層６の上面との間に配設され、且つ最接近部の少なくとも一部を覆うように配設されていればよい。例えば、上述した実施形態よりも外側阻止層６７が第２固体電解質層６を覆う面積を少なくしてもよいし、多くしてもよい。例えば、図７に示すように、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３以外を全て外側阻止層６７が覆ってもよい。このように外側素子層６７が上面を覆う面積を大きくすることで、例えば外側阻止層６７が上面のごく一部のみ覆う場合と比べて、焼成時に外側阻止層６７が収縮してセンサ素子１０１が反るのを、より抑制できる。なお、図７では外側阻止層６７をハッチングで示している。また、図７では、多孔質保護層２４，上部コネクタパッド９１，外側ポンプ電極用リード線９３，リード線９４については図示を省略している。なお、外側阻止層６７のうち上側最接近部６ａを覆う部分と上部コネクタパッド９１を覆う部分とが離間しているなど、外側阻止層６７が離間して形成された複数の層を有していてもよい。
上述した実施形態では、内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち最接近部と対向する部分の全面を覆うものとしたが、最接近部と対向する部分の少なくとも一部を覆うものとしてもよい。また、第３内部空所６１の内周面のうち最接近部と対向する部分以外についても内側阻止層６６が覆うものとしてもよいし、第３内部空所６１の内周面のうち最接近部と対向する部分以外のみを内側阻止層６６が覆うものとしてもよい。ただし、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果を高めるためには、最接近部と対向する部分の少なくとも一部を内側阻止層６６が覆うことが好ましい。なお、内側阻止層６６は、第３内部空所６１の内周面のうち、固体電解質層が露出していない箇所を覆う必要はない。例えば、第３内部空所６１の内周面のうち最接近部と対向する部分の一部に固体電解質層が露出していない部分がある場合には、そのような箇所を除いて最接近部と対向する部分の一部又は全てを覆うものとすればよい。特に、測定電極４４などの電極が形成されている箇所は覆わないことが好ましい。
上述した実施形態では、外側阻止層６７は、外側ポンプ電極２３を覆わないものとしたが、外側ポンプ電極２３の一部を覆ってもよい。ただし、外側ポンプ電極２３のうち外側阻止層６７で覆われた部分では酸素イオンの移動が抑制されてしまうため、外側阻止層６７は外側ポンプ電極２３を覆わないことが好ましい。
上述した実施形態では、外側阻止層６７は、積層体の上面を覆うものとしたが、これに加えて積層体の上面以外の外表面をさらに覆ってもよい。図８に、変形例のガスセンサ１００の斜視図を示す。なお、図８では、多孔質保護層２４，上部コネクタパッド９１，外側ポンプ電極用リード線９３，リード線９４については図示を省略している。図８では、上述した外側阻止層６７の他に、第４面１０１ｄの一部を覆う外側阻止層６７ｄをさらに設けている。このように、外側阻止層６７が固体電解質層の露出部分を覆う面積が増えるほど、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果は高まる。なお、図示するように、外側阻止層６７ｄは、第３内部空所６１を第４面１０１ｄに垂直に投影したときの投影領域６ｄを全て覆い、さらにその周辺も覆うように形成されている。このように、最接近部（上側最接近部６ａ）を有する面（第１面１０１ａ）以外の外表面にも外側阻止層を形成する場合、外側阻止層が形成されている複数の外表面の各々（図８では第１面１０１ａ及び第４面１０１ｄ）に対して第３内部空所６１を垂直方向に投影した投影領域（図８では上側最接近部６ａ及び投影領域６ｄ）の全てを外側阻止層が覆うようにすることが好ましい。こうすれば、外側阻止層が形成されている複数の外表面の各々について、外表面のうち第３内部空所６１との距離が最も小さい領域（投影領域）を覆うことができるため、電極を介さない酸素イオンの移動を抑制する効果をより高めることができる。なお、図８では、外側素子層は上側最接近部６ａ及び投影領域６ｄを全て覆っているため、上側最接近部６ａの面積と投影領域６ｄの面積との和が被覆面積ａ１となる。
上述した実施形態では、図２，３に示した距離Ｘ１〜Ｘ６のうち距離Ｘ１が最小であるものとしたが、これに限られない。例えば、距離Ｘ４が最小であってもよい。この場合には、例えば図８における投影領域６ｄが最接近部となる。そのため、外側阻止層は必ずしも上側最接近部６ａを覆う必要はなく、代わりに少なくとも投影領域６ｄの一部を覆うように配設されていればよい。また、内側阻止層は第３内部空所６１の内周面のうち上側最接近部６ａに対向する部分よりも、第３内部空所６１の内周面のうち投影領域６ｄに対向する領域を優先して覆うことが好ましい。また、例えば距離Ｘ１〜Ｘ６のうち距離Ｘ３と距離Ｘ４とが等しく共に最小であるときには、第３内部空所６１を第３面１０１ｃに垂直に投影したときの投影領域と投影領域６ｄとが共に最接近部となる。この場合には、外側阻止層は必ずしも上側最接近部６ａを覆う必要はなく、代わりに少なくともこれら領域の一方の少なくとも一部を覆うように形成すればよい。同様に、内側阻止層は、第３内部空所６１の内周面のうちこれらの領域の少なくとも一方に対向する部分の少なくとも一部を覆うように形成することが好ましい。なお、積層体の外表面のうち電極が形成されている部分は、最接近部や上側最接近部には含めない。例えば、上述した実施形態において上側最接近部６ａとして示した領域が外側ポンプ電極２３で覆われている場合には、第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３で覆われている領域を除いて第３内部空所６１との距離が最小である部分が上側最接近部となる。そのため、例えば第２固体電解質層６の上面のうち外側ポンプ電極２３の周辺部分において、第３内部空所６１との距離が最小である部分が上側最接近部となる。ガス導入口１０のように、固体電解質層が表面に存在しない部分についても、同様に最接近部や上側最接近部とはしない。
上述した実施形態では、外側阻止層６７は、積層体の上面に配設されているが、上面に限られない。例えば外側ポンプ電極２３，外側ポンプ電極用リード線９３，上部コネクタパッド９１が積層体の上面以外の面に配設されている場合は、外側阻止層６７も外側ポンプ電極用リード線９３や上部コネクタパッド９１が配設された面と同じ面に配設して、外側ポンプ電極用リード線９３や上部コネクタパッド９１と積層体の外表面との間を絶縁すればよい。
上述した実施形態では、主ポンプセル２１は、外側ポンプ電極２３と、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６とによって構成されるものとしたが、外側ポンプ電極２３の代わりに、センサ素子１０１の外側に設けられた他の電極（外側主ポンプ電極）を用いてもよい。同様に、補助ポンプセル５０は、補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６とによって構成されるものとしたが、外側ポンプ電極２３の代わりに、センサ素子１０１の外側に設けられた他の電極（以下、外側補助ポンプ電極）を用いてもよい。なお、このように外側ポンプ電極２３の他にも積層体の外表面に形成されたポンプ電極がある場合には、外側阻止層６７はこれらのポンプ電極を覆わないように配設することが好ましい。また、外側ポンプ電極２３以外のポンプ電極と電気的に導通するリード部やコネクタパッドが積層体の外表面に形成されているときには、これらと積層体の外表面との間に外側阻止層６７を配設して両者を絶縁することが好ましい。
上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２は、天井電極部２２ａ，底部電極部２２ｂ及び側部電極部からなるトンネル形態の電極としたが、例えば天井電極部２２ａのみからなるものとしたり底部電極部２２ｂのみからなるものとしたりするなど、トンネル形態に限られない。同様に、補助ポンプ電極５１についても、トンネル形態に限られるものではない。
上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、第２内部空所４０を備えないものとしてもよい。この場合の変形例のガスセンサ１００の模式断面図を図９に示す。なお、図９のガスセンサ１００では、阻止部６５は内側阻止層６６を備えないものとした。図示するように、この変形例のガスセンサ１００では、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、第１内部空所２０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。また、上述した実施形態と異なり、ガスセンサ１００が補助ポンプセル５０，補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１を備えていない。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。そして、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。そして、このような構成のガスセンサであっても、上述した実施形態と同様に少なくとも外側阻止層６７を有する阻止部６５を設けることで、本実施形態と同様に、電極を介さない酸素イオンの移動を阻止部６５で抑制してポンプ電流Ｉｐ２への影響を抑制することができ、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度をより向上させることができる。また、外側阻止層６７が外側ポンプ電極用リード線９３と積層体の上面との間を絶縁し、上部コネクタパッド９１と積層体の上面との間を絶縁することで、外側阻止層６７は外側ポンプ電極用リード線９３や上部コネクタパッド９１の絶縁層を兼ねることができる。さらに、多孔質保護層２４により外側ポンプ電極２３を保護することができる。
上述した実施形態では、本発明のセンサ素子を、可変電源２５，４６，５２などを備えたセンサ素子１０１に具体化した例を示したが、本発明のセンサ素子は、これら可変電源２５，４６，５２や外部配線などの構成を除いた、センサ素子１０１単体として具体化してもよい。
上述した実施形態では、ガス導入口１０はセンサ素子１０１の前端面に形成されているが、外部から被測定ガスを導入できればよく、前端面に限られない。例えば、ガス導入口１０がセンサ素子１０１の上面（第２固体電解質層６の上面）に形成されていてもよい。
上述した実施形態では、上部コネクタパッド９１ａ，９１ｃ，９１ｄはリード線９４を介してセンサ素子１０１内部の電極と電気的に導通しているものとしたが、これに限られない。例えば、上部コネクタパッド９１ａ，９１ｃ，９１ｄの１以上が、下部コネクタパッド９２と同様に、スルーホール内の導体を介してセンサ素子１０１内部の電極と導通していてもよい。
上述した実施形態では、測定電極４４は第３内部空所６１（測定電極設置空間）に露出して配設されていたが、これに限られない。例えば、多孔質体である拡散律速部によって測定電極が被覆されていてもよい。この場合の変形例のガスセンサ１００の模式断面図を図１０に示す。この変形例のガスセンサ１００のセンサ素子１０１は、第４拡散律速部６０及び第３内部空所６１を備えない代わりに、測定電極４４が第２内部空所４０に配設され、測定電極４４が第４拡散律速部４５に被覆されている。図１０に示すように、この変形例のセンサ素子１０１では、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とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位が、被測定ガス流通部である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の第１固体電解質層４の上面に配設されている。そのため、第２内部空所４０が本発明の測定電極設置空間に相当する。測定電極４４は第４拡散律速部４５によって被覆されており、測定電極４４は第２内部空所４０内に露出していない。第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔質体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。このような構成のガスセンサ１００であっても、上述した実施形態と同様に少なくとも外側阻止層６７を有する阻止部６５を設けることで、本実施形態と同様に、電極を介さない酸素イオンの移動を阻止部６５で抑制してポンプ電流Ｉｐ２への影響を抑制することができ、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度をより向上させることができる。また、外側阻止層６７が外側ポンプ電極用リード線９３と積層体の上面との間を絶縁し、上部コネクタパッド９１と積層体の上面との間を絶縁することで、外側阻止層６７は外側ポンプ電極用リード線９３や上部コネクタパッド９１の絶縁層を兼ねることができる。さらに、多孔質保護層２４により外側ポンプ電極２３を保護することができる。
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。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
上述した製造方法により図１〜３に示したセンサ素子１０１と同様の構成のセンサ素子を１０個製造し、実施例１とした。なお、外側阻止層６７は、図１〜３とは異なり、上側最接近部６ａの一部，外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間，上部コネクタパッド９１（９１ａ〜９１ｄ）と第２固体電解質層６の上面との間、リード線９４と第２固体電解質層６の上面との間、のみを覆うように配設した。実施例１の多孔質保護層２４は、材質がアルミナであり、気孔率は３５％，厚さは２０μｍとした。リード線９４は、材質が白金とした。内側阻止層６６及び外側阻止層６７は、材質がアルミナであり、気孔率は５％、厚さは５μｍとした。また、測定電極４４が固体電解質層を覆う面積は０．４ｍｍ2とし、第３内部空所６１の内周面うち固体電解質層の露出面積Ｂは１．４ｍｍ2とし、内側阻止層６６が固体電解質層を覆う面積（被覆面積ａ２）は０．７ｍｍ2とし、外側阻止層６７が最接近部６ａを覆う面積（被覆面積ａ１）は０．４ｍｍ2とした。この結果、被覆面積Ａは１．１ｍｍ2であり、面積比Ａ／Ｂは０．８であった。
上述した製造方法により図１〜３に示したセンサ素子１０１と同様の構成のセンサ素子を１０個製造し、実施例１とした。なお、外側阻止層６７は、図１〜３とは異なり、上側最接近部６ａの一部，外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間，上部コネクタパッド９１（９１ａ〜９１ｄ）と第２固体電解質層６の上面との間、リード線９４と第２固体電解質層６の上面との間、のみを覆うように配設した。実施例１の多孔質保護層２４は、材質がアルミナであり、気孔率は３５％，厚さは２０μｍとした。リード線９４は、材質が白金とした。内側阻止層６６及び外側阻止層６７は、材質がアルミナであり、気孔率は５％、厚さは５μｍとした。また、測定電極４４が固体電解質層を覆う面積は０．４ｍｍ2とし、第３内部空所６１の内周面うち固体電解質層の露出面積Ｂは１．４ｍｍ2とし、内側阻止層６６が固体電解質層を覆う面積（被覆面積ａ２）は０．７ｍｍ2とし、外側阻止層６７が最接近部６ａを覆う面積（被覆面積ａ１）は０．４ｍｍ2とした。この結果、被覆面積Ａは１．１ｍｍ2であり、面積比Ａ／Ｂは０．８であった。
［実施例２］
阻止部６５が外側阻止層６７のみを備える点（面積比Ａ／Ｂ＝０．４／１．４＝０．３）以外は、実施例１と同様のセンサ素子を１０個製造し、実施例２とした。
阻止部６５が外側阻止層６７のみを備える点（面積比Ａ／Ｂ＝０．４／１．４＝０．３）以外は、実施例１と同様のセンサ素子を１０個製造し、実施例２とした。
［比較例１］
以下の点以外は実施例１と同様のセンサ素子を１０個製造し、比較例１とした。阻止部６５は内側阻止層６６を備えず（被覆面積ａ２＝０ｍｍ2）、外側阻止層６７のみを備えた。外側阻止層６７は、上側最接近部６ａを全く覆わず（被覆面積ａ１＝０ｍｍ2）、外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間，上部コネクタパッド９１（９１ａ〜９１ｄ）と第２固体電解質層６の上面との間、リード線９４と第２固体電解質層６の上面との間、のみを覆うように配設した。なお、外側ポンプ電極用リード線９３は、上側最接近部６ａを迂回するように形成して、外側ポンプ電極用リード線９３の配設位置と上側最接近部６ａとが重複しないようにした。なお、面積比Ａ／Ｂ＝（０／１．４）＝０であった。
以下の点以外は実施例１と同様のセンサ素子を１０個製造し、比較例１とした。阻止部６５は内側阻止層６６を備えず（被覆面積ａ２＝０ｍｍ2）、外側阻止層６７のみを備えた。外側阻止層６７は、上側最接近部６ａを全く覆わず（被覆面積ａ１＝０ｍｍ2）、外側ポンプ電極用リード線９３と第２固体電解質層６の上面との間，上部コネクタパッド９１（９１ａ〜９１ｄ）と第２固体電解質層６の上面との間、リード線９４と第２固体電解質層６の上面との間、のみを覆うように配設した。なお、外側ポンプ電極用リード線９３は、上側最接近部６ａを迂回するように形成して、外側ポンプ電極用リード線９３の配設位置と上側最接近部６ａとが重複しないようにした。なお、面積比Ａ／Ｂ＝（０／１．４）＝０であった。
［評価試験１］
実施例１，２，比較例１のセンサ素子を所定の雰囲気中（窒素濃度＝７９％，酸素濃度＝１８％，ＮＯｘ濃度＝０％，水分＝３％）にてヒータにより通常駆動時の温度（８００℃）に保ち、ＮＯｘ信号オフセット値（測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２）を測定した。測定は、実施例１，２，比較例１についてそれぞれ１０個の素子について行った。測定した１０個の電流値の最大値，最小値，平均値をそれぞれ測定した。結果を図１１に示す。図示するように、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っている実施例１，２は、いずれも比較例１と比べてＮＯｘ信号オフセット値が低い傾向にあった。また、実施例１，２を比較すると、内側阻止層６６と外側阻止層６７とを共に備える実施例１の方がＮＯｘ信号オフセット値が低い傾向にあった。また、面積比Ａ／Ｂの値で比較すると、面積比Ａ／Ｂが値０．３以上の実施例１，２ではＮＯｘ信号オフセット値が比較例１と比べて低い傾向にあり、面積比Ａ／Ｂが値０．５以上の実施例１ではＮＯｘ信号オフセット値がさらに低い傾向にあった。なお、大気中でのＮＯｘ信号オフセット値は理論的には０μＡであり、数値が高いほどＮＯｘ濃度とは無関係の要因によりポンプ電流Ｉｐ２が流れていることを意味する。実施例１，２では、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っていることで電極を介さない酸素イオンの移動が抑制されていることにより、ＮＯｘ信号オフセット値が小さくなっていると考えられる。
実施例１，２，比較例１のセンサ素子を所定の雰囲気中（窒素濃度＝７９％，酸素濃度＝１８％，ＮＯｘ濃度＝０％，水分＝３％）にてヒータにより通常駆動時の温度（８００℃）に保ち、ＮＯｘ信号オフセット値（測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２）を測定した。測定は、実施例１，２，比較例１についてそれぞれ１０個の素子について行った。測定した１０個の電流値の最大値，最小値，平均値をそれぞれ測定した。結果を図１１に示す。図示するように、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っている実施例１，２は、いずれも比較例１と比べてＮＯｘ信号オフセット値が低い傾向にあった。また、実施例１，２を比較すると、内側阻止層６６と外側阻止層６７とを共に備える実施例１の方がＮＯｘ信号オフセット値が低い傾向にあった。また、面積比Ａ／Ｂの値で比較すると、面積比Ａ／Ｂが値０．３以上の実施例１，２ではＮＯｘ信号オフセット値が比較例１と比べて低い傾向にあり、面積比Ａ／Ｂが値０．５以上の実施例１ではＮＯｘ信号オフセット値がさらに低い傾向にあった。なお、大気中でのＮＯｘ信号オフセット値は理論的には０μＡであり、数値が高いほどＮＯｘ濃度とは無関係の要因によりポンプ電流Ｉｐ２が流れていることを意味する。実施例１，２では、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っていることで電極を介さない酸素イオンの移動が抑制されていることにより、ＮＯｘ信号オフセット値が小さくなっていると考えられる。
［評価試験２］
実施例２のセンサ素子について、阻止部６５（外側阻止層６７）の厚み及び気孔率を種々変えた場合のＮＯｘ信号オフセット値を調べた。結果を図１２に示す。図１２の曲線は、ＮＯｘ信号オフセット値が０．０３μＡとなるときの厚みと気孔率との対応をプロットしたものであり、曲線よりも下側の領域ではＮＯｘ信号オフセット値が０．０３μＡ以下となり良好な結果が得られることを意味する。図示するように、気孔率が小さいほど、厚みが薄くとも良好な結果が得られた。例えば阻止部６５の気孔率を９％とした場合には、厚みが２５μｍ以上のときに良好な結果が得られた。また、阻止部６５の気孔率を５％以下とすることで、厚みが５μｍ以上の範囲で良好な結果が得られた。
実施例２のセンサ素子について、阻止部６５（外側阻止層６７）の厚み及び気孔率を種々変えた場合のＮＯｘ信号オフセット値を調べた。結果を図１２に示す。図１２の曲線は、ＮＯｘ信号オフセット値が０．０３μＡとなるときの厚みと気孔率との対応をプロットしたものであり、曲線よりも下側の領域ではＮＯｘ信号オフセット値が０．０３μＡ以下となり良好な結果が得られることを意味する。図示するように、気孔率が小さいほど、厚みが薄くとも良好な結果が得られた。例えば阻止部６５の気孔率を９％とした場合には、厚みが２５μｍ以上のときに良好な結果が得られた。また、阻止部６５の気孔率を５％以下とすることで、厚みが５μｍ以上の範囲で良好な結果が得られた。
［評価試験３］
実施例２，比較例１のセンサ素子について、耐久性能を評価した。具体的には、まず、大気中にてヒータによりセンサ素子を通常駆動時の温度（８００℃）に保ち、その状態で所定の耐久時間だけ経過させた。次に、耐久時間経過後のセンサ素子におけるＮＯｘ濃度の測定に用いる信号の値（測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２）を、ＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍの雰囲気中（窒素濃度＝９６．９５％，酸素濃度＝０％，ＮＯｘ濃度＝５００ｐｐｍ，水分＝３％）で測定した。この信号の値の測定を、耐久時間を０時間，１０００時間，２０００時間，３０００時間と変化させて各々の耐久時間について行った。結果を図１３に示す。なお、図１３では、耐久時間が０時間のときの実施例２，比較例１の各々の信号の値を基準値として、基準値からの信号変化率と耐久時間との関係を示している。また、信号変化率が絶対値の大きい負の値であるほど、時間経過によるＮＯｘ濃度の検出感度の低下が大きい（耐久性能が低い）ことを意味する。図１３からわかるように、実施例２は、比較例１と比べて耐久時間が増大しても信号変化率があまり減少せず、信号変化率の絶対値が小さい（信号変化率が０％に近い）傾向にあった。実施例２では、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っていることでポンプ電流Ｉｐ２のノイズなどの不要な電流が抑制されていることから、比較例１と比べて電極にかかる負担が小さくなり耐久性能が向上したと考えられる。
実施例２，比較例１のセンサ素子について、耐久性能を評価した。具体的には、まず、大気中にてヒータによりセンサ素子を通常駆動時の温度（８００℃）に保ち、その状態で所定の耐久時間だけ経過させた。次に、耐久時間経過後のセンサ素子におけるＮＯｘ濃度の測定に用いる信号の値（測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２）を、ＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍの雰囲気中（窒素濃度＝９６．９５％，酸素濃度＝０％，ＮＯｘ濃度＝５００ｐｐｍ，水分＝３％）で測定した。この信号の値の測定を、耐久時間を０時間，１０００時間，２０００時間，３０００時間と変化させて各々の耐久時間について行った。結果を図１３に示す。なお、図１３では、耐久時間が０時間のときの実施例２，比較例１の各々の信号の値を基準値として、基準値からの信号変化率と耐久時間との関係を示している。また、信号変化率が絶対値の大きい負の値であるほど、時間経過によるＮＯｘ濃度の検出感度の低下が大きい（耐久性能が低い）ことを意味する。図１３からわかるように、実施例２は、比較例１と比べて耐久時間が増大しても信号変化率があまり減少せず、信号変化率の絶対値が小さい（信号変化率が０％に近い）傾向にあった。実施例２では、外側阻止層６７が上側最接近部６ａを覆っていることでポンプ電流Ｉｐ２のノイズなどの不要な電流が抑制されていることから、比較例１と比べて電極にかかる負担が小さくなり耐久性能が向上したと考えられる。
本発明は、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利用可能である。
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、６ａ 上側最接近部、１０，３１０ 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、２０，３２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２，３２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２３，３２３ 外側ポンプ電極、２４ 多孔質保護層、２５ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０，３４０ 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、４４，３４４ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１，３５１ 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、６１，３６１ 第３内部空所、６５ 阻止部、６６ 内側阻止層、６７，６７ｄ 外側阻止層、６８ 上部絶縁層、６９ 下部絶縁層、７０ ヒータ部、７２ ヒータ、７４，３７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ ヒータ用リード線、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、９１，９１ａ〜９１ｄ 上部コネクタパッド、９２，９２ａ〜９２ｄ 下部コネクタパッド、９３ 外側ポンプ電極用リード線、９４ リード線、９５ 下部スルーホール、９６ ホール内絶縁層，９７ ホール内導体、１００，３００ ガスセンサ、１０１，３０７ センサ素子、１０１ａ〜１０１ｆ 第１面〜第６面、３０１〜３０６ 固体電解質層。
Claims (16)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記被測定ガス流通部の一部である測定電極設置空間に配設された測定電極と、
前記積層体の外表面に配設された外側ポンプ電極と、
前記外表面に配設された外側ポンプ電極用コネクタ電極と、
前記外表面に配設され前記外側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極用コネクタ電極とを導通させる外側ポンプ電極用リード部と、
前記外表面に配設され少なくとも前記外側ポンプ電極を覆う多孔質保護層と、
前記外側ポンプ電極用リード部と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、前記外側ポンプ電極用コネクタ電極と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、且つ、前記外表面のうち前記外側ポンプ電極が配設されておらず且つ前記測定電極設置空間との距離が最小である最接近部の少なくとも一部を覆うように配設され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない外側阻止層を有する阻止部と、
を備え、
前記多孔質保護層は、前記外側ポンプ電極用リード部の少なくとも一部と、前記外側阻止層の少なくとも一部と、を覆っている、
センサ素子。 - 請求項１に記載のセンサ素子であって、
前記外側ポンプ電極用リード部のうち少なくとも前記外側阻止層で絶縁されていない部分を覆う絶縁層、
を備えたセンサ素子。 - 前記外側阻止層は前記最接近部全体を覆っている、
請求項１又は２に記載のセンサ素子。 - 前記外側阻止層の厚さは１μｍ〜３０μｍである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ素子。 - 前記積層体は直方体であり、
前記外側阻止層は前記積層体の複数の外表面に形成されており、
前記外側阻止層は、該外側阻止層が形成されている複数の前記外表面の各々に対して前記測定電極設置空間を垂直方向に投影した投影領域を全て覆っている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ素子。 - 酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、外部から被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記被測定ガス流通部の一部である測定電極設置空間に配設された測定電極と、
前記積層体の外表面に配設された外側ポンプ電極と、
前記外表面に配設された外側ポンプ電極用コネクタ電極と、
前記外表面に配設され前記外側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極用コネクタ電極とを導通させる外側ポンプ電極用リード部と、
前記外表面に配設され少なくとも前記外側ポンプ電極を覆う多孔質保護層と、
前記外側ポンプ電極用リード部と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、前記外側ポンプ電極用コネクタ電極と前記外表面との間に配設されて両者を絶縁し、且つ、前記外表面のうち前記外側ポンプ電極が配設されておらず且つ前記測定電極設置空間との距離が最小である最接近部の少なくとも一部を覆うように配設され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない外側阻止層を有する阻止部と、
を備え、
前記阻止部は、前記外側阻止層と、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出部分の少なくとも一部を覆うように形成され、酸素を含む物質のうち１種類以上の物質の伝導性を有さない内側阻止層と、を有する、
センサ素子。 - 前記内側阻止層の厚さは１μｍ〜３０μｍである、
請求項６に記載のセンサ素子。 - 前記内側阻止層は、前記測定電極設置空間の内周面のうち、前記最接近部に対向する部分の少なくとも一部を覆っている、
請求項６又は７に記載のセンサ素子。 - 前記内側阻止層は、前記測定電極設置空間の内周面のうち、前記最接近部に対向する部分を全て覆っている、
請求項６〜８のいずれか１項に記載のセンサ素子。 - 前記積層体は直方体であり、
前記積層体の複数の外表面の各々に対して前記測定電極設置空間を垂直方向に投影した投影領域を前記阻止部が覆う被覆面積ａ１と、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出部分を前記阻止部が覆う被覆面積ａ２と、の和を被覆面積Ａとしたときに、該被覆面積Ａと、前記測定電極設置空間の内周面のうち前記固体電解質層の露出面積Ｂとの面積比Ａ／Ｂが０．３以上である、
請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサ素子。 - 前記面積比Ａ／Ｂが０．５以上である、
請求項１０に記載のセンサ素子。 - 前記面積比Ａ／Ｂが０．８以上である、
請求項１０又は１１に記載のセンサ素子。 - 前記阻止部は、気孔率が５％以下である、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセンサ素子。 - 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。
- 請求項１４に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス流通部には、前記被測定ガスの導入口から前記測定電極設置空間までの間に、第１内部空所，第２内部空所がこの順に形成されており、
前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記測定電極設置空間に前記被測定ガスを導入し、前記測定電極及び前記外側ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際の電流に基づいて該被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、
前記第１内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側主ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極と該内側主ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第１内部空所内の酸素濃度が所定の主ポンプ目標濃度になるよう該内側主ポンプ電極及び該外側主ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う主ポンプセルと、
前記第２内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側補助ポンプ電極と該内側補助ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第２内部空所内の酸素濃度が所定の補助ポンプ目標濃度になるよう該内側補助ポンプ電極及び該外側補助ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う補助ポンプセルと、
を備えたガスセンサ。 - 請求項１４に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス流通部には、前記被測定ガスの導入口から前記測定電極設置空間までの間に、第１内部空所が形成されており、
前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記測定電極設置空間に前記被測定ガスを導入し、前記測定電極及び前記外側ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際の電流に基づいて該被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、
前記第１内部空所に面する固体電解質層上に形成された内側主ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に基づいて、前記積層体の外表面に配設された外側主ポンプ電極と該内側主ポンプ電極との間に制御電圧を印加して、該第１内部空所内の酸素濃度が所定の主ポンプ目標濃度になるよう該内側主ポンプ電極及び該外側主ポンプ電極を介して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う主ポンプセルと、
を備えたガスセンサ。
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