WO2020195080A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2020195080A1
WO2020195080A1 PCT/JP2020/002489 JP2020002489W WO2020195080A1 WO 2020195080 A1 WO2020195080 A1 WO 2020195080A1 JP 2020002489 W JP2020002489 W JP 2020002489W WO 2020195080 A1 WO2020195080 A1 WO 2020195080A1
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electrode
sensor
gas
solid electrolyte
electrolyte body
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原田　敏彦
水谷　圭吾
弘宣 下川
祐輔 河本
大樹 市川
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株式会社デンソー
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    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037—NOx

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor including a sensor element for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be detected.
  • a gas sensor that detects the concentration of a specific gas component such as NOx (nitrogen oxide) in the detection target gas is used with the exhaust gas flowing in the exhaust pipe as the detection target gas.
  • This gas sensor detects, for example, the concentration of a specific gas component flowing out from the catalyst arranged in the exhaust pipe, and monitors whether the catalyst is functioning normally.
  • Gas sensors that detect the concentration of a specific gas component are, for example, laminated on a solid electrolyte, a gas chamber formed in an insulator laminated on the first surface of the solid electrolyte, and on the second surface of the solid electrolyte. It is provided with a reference gas duct formed in an insulator. Further, a pump electrode and a sensor electrode housed in the gas chamber are provided on the first surface of the solid electrolyte body, and a reference electrode housed in the reference gas duct is provided on the second surface of the solid electrolyte body. Has been done.
  • the pump electrode has a catalytic activity for oxygen
  • the sensor electrode has a catalytic activity for oxygen and a specific gas component.
  • a monitor electrode having catalytic activity for oxygen is provided at a position on the first surface of the solid electrolyte body along with the sensor electrode. Further, the concentration of the specific gas component in the detection target gas in the gas chamber is detected by the current generated between the monitor electrode to which the DC voltage is applied and the reference electrode. Then, by subtracting the current generated between the monitor electrode and the reference electrode from the current generated between the sensor electrode and the reference electrode, the influence of the residual oxygen in the detection target gas on the concentration of the specific gas component is alleviated. To.
  • the value of the current generated between the sensor electrode and the reference electrode may increase even though the specific gas component is not detected in the sensor electrode. At this time, an error may occur in the detection of the concentration of the specific gas component.
  • the sensor electrode and the monitor electrode are affected by the temporary increase in the oxygen concentration in the atmosphere in the reference gas duct. Therefore, it is considered that the error that occurs in the detection of the concentration of the specific gas component is alleviated.
  • the composition of the sensor electrode and the composition of the monitor electrode are different, the capacitance of the sensor electrode and the capacitance of the monitor electrode are different. Therefore, due to the temporary increase in the oxygen concentration in the atmosphere in the reference gas duct, the current generated between the sensor electrode and the reference electrode and the current generated between the monitor electrode and the reference electrode are different. Therefore, it is difficult to eliminate the error that occurs in the detection of the concentration of the specific gas component.
  • the present disclosure has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of preventing an error in detecting the concentration of a specific gas component even when the oxygen concentration of the reference gas suddenly increases. ..
  • One aspect of the present disclosure is a gas sensor including a sensor element for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be detected.
  • the sensor element is A solid electrolyte with ionic conductivity and A first insulator laminated on the first surface of the solid electrolyte body and A gas chamber into which the gas to be detected is introduced, which is formed by being surrounded by the first surface of the solid electrolyte and the recess formed in the first insulator.
  • the pump electrode For detecting the concentration of the specific gas component in the detection target gas after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode, which is provided on the first surface of the solid electrolyte and is housed in the gas chamber.
  • one or a plurality of reference electrodes provided at positions where the pump electrode and the sensor electrode are overlapped with each other via the solid electrolyte.
  • a gas sensor having an insulating shielding layer provided so as to cover a portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte body in a contacting or non-contacting state.
  • an insulating shielding layer is provided at a portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte.
  • the shielding layer indicates a portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte, in other words, a portion of the reference electrode that faces the sensor electrode via the solid electrolyte. Then, a current flows between the sensor electrode and the portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte body when a specific gas component is detected.
  • the portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte is covered with a shielding layer. Therefore, even if the oxygen concentration of the reference gas in the reference gas duct increases sharply, the oxygen concentration of the reference gas in contact with the portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte body does not sharply increase. As a result, the current generated between the sensor electrode and the portion of the reference electrode that overlaps the sensor electrode via the solid electrolyte body is not affected when the oxygen concentration of the reference gas suddenly increases. Can be done.
  • the gas sensor of the above aspect even when the oxygen concentration of the reference gas suddenly increases, it is possible to prevent an error in detecting the concentration of the specific gas component from occurring.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a gas sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG. 2 showing the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. 2 showing a sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a VV cross-sectional view of FIG. 2 showing a sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI of FIG.
  • FIG. 7 is a VI-VI cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing another sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a VI-VI cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing still another sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 9 showing the sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional equivalent view taken along the line XX of FIG. 9, showing another sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII of FIG. 12, showing the sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line XIV-XIV of FIG. 12, showing the sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional equivalent view of XIII-XIII of FIG. 12, showing the sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional equivalent view of XIV-XIV of FIG. 12, showing another sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 17 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing the sensor element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a VV cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing the sensor element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 19 is an IV-IV cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing another sensor element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a VI-VI cross-sectional equivalent view of FIG. 2 showing
  • the gas sensor 1 of this embodiment includes a sensor element 2 for detecting the concentration of a specific gas component in the detection target gas G.
  • the sensor element 2 has a solid electrolyte body 31, a first insulator 33A, a gas chamber 35, a second insulator 33B, a reference gas duct 36, a pump electrode 311, a sensor electrode 312, a reference electrode 314, and a shielding layer 5.
  • the solid electrolyte body 31 has ionic conductivity that conducts oxygen ions at a predetermined active temperature.
  • the first insulator 33A is laminated on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31.
  • the gas chamber 35 is formed by being surrounded by the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 and the recess formed in the first insulator 33A, and forms a space into which the detection target gas G is introduced.
  • the second insulator 33B is laminated on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
  • the reference gas duct 36 is formed by being surrounded by the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 and the groove portion formed in the second insulator 33B, and forms a flow path into which the reference gas A is introduced.
  • the pump electrode 311 is provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 and is housed in the gas chamber 35.
  • the pump electrode 311 is used to adjust the oxygen concentration in the detection target gas G.
  • the sensor electrode 312 is provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 and is housed in the gas chamber 35.
  • the sensor electrode 312 is used to detect the concentration of a specific gas component in the detection target gas G after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode 311.
  • the reference electrode 314 is the solid electrolyte 31 on the second surface 302 opposite to the first surface 301, the pump electrode 311 and the sensor electrode 312, and the solid electrolyte 31. It is provided at a position where it overlaps with each other.
  • the shielding layer 5 is made of an insulating ceramic material, and covers the sensor side electrode portion 314B, which is a portion of the reference electrode 314 that overlaps the sensor electrode 312 via the solid electrolyte body 31.
  • the gas sensor 1 of this embodiment will be described in detail below.
  • the gas sensor 1 As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 is arranged at the attachment port 71 of the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine (engine) of the vehicle, and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 7 is set as the detection target gas G, and the specific gas in the detection target gas G is used. It is used to detect the concentration of NOx (nitrogen oxide) as a component. NOx includes nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and the like.
  • a catalyst for purifying harmful substances in the detection target gas G is arranged in the exhaust pipe 7.
  • the gas sensor 1 can be arranged, for example, at a position on the downstream side of the catalyst in the flow direction of the detection target gas G in the exhaust pipe 7.
  • the sensor element 2 of this embodiment is formed in a long rectangular parallelepiped shape.
  • the sensor element 2 is a laminated type in which the first insulator 33A, the second insulator 33B, and the like are laminated on the solid electrolyte body 31.
  • a detection unit 21 is formed by the portion of the body 31.
  • the long direction L of the sensor element 2 means the direction in which the sensor element 2 extends in a long shape. Further, the direction in which the solid electrolyte 31 and the insulators 33A and 33B are laminated, in other words, the solid electrolyte 31, the insulators 33A and 33B and the heating element 34 are laminated, orthogonal to the long direction L. The direction is called the stacking direction D. Further, the direction orthogonal to the long direction L and the stacking direction D is referred to as the width direction W. Further, in the long direction L of the sensor element 2, the side exposed to the detection target gas G is referred to as the front end side L1, and the side opposite to the front end side L1 is referred to as the rear end side L2.
  • the solid electrolyte 31 has a plate shape and has the conductivity of oxygen ions (O 2- ) at a predetermined active temperature.
  • the solid electrolyte 31 is composed of a zirconia-based oxide, contains zirconia as a main component (containing 50% by mass or more), and is a stabilized zirconia or a portion obtained by substituting a part of zirconia with a rare earth metal element or an alkaline earth metal element. Consists of stabilized zirconia. A portion of the zirconia constituting the solid electrolyte 31 can be replaced by yttria, scandia or calcia.
  • the pump electrode 311 contains platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte 31.
  • the co-material maintains the bond strength between the pump electrode 311 and the like formed by the electrode material and the solid electrolyte 31 when the paste-like electrode material is printed (coated) on the solid electrolyte 31 and both are fired. Is for.
  • the sensor electrode 312 contains a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen and NOx as a specific gas component, and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte 31.
  • the sensor electrode 312 contains platinum exhibiting catalytic activity for oxygen and rhodium exhibiting catalytic activity for NOx. In addition to rhodium, a noble metal having catalytic activity for NOx can be used for the sensor electrode 312.
  • the reference electrode 314 contains platinum as a noble metal exhibiting catalytic activity for oxygen and a zirconia oxide as a co-material with the solid electrolyte 31.
  • the reference electrode 314 of the present embodiment has a pump side electrode portion 314A which is a portion overlapping the pump electrode 311 via the solid electrolyte body 31 in the stacking direction D, and a solid electrolyte on the sensor electrode 312. It is formed separately from the sensor-side electrode portion 314B, which is a portion that overlaps the stacking direction D via the body 31.
  • the pump-side electrode portion 314A has the same area as the pump electrode 311 and is arranged at a position facing the pump electrode 311 via the solid electrolyte body 31.
  • the sensor-side electrode portion 314B has the same area as the sensor electrode 312, and is arranged at a position facing the sensor electrode 312 via the solid electrolyte body 31. "Overlapping in the stacking direction D via the solid electrolyte 31" means that the solid electrolytes exist at overlapping positions when viewed from the stacking direction D.
  • the portion of the reference electrode 314 that affects the detection of a specific gas component such as NOx can be effectively covered.
  • the pump electrode 311 is arranged on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 at the position of the tip side L1 in the long direction L in the gas chamber 35.
  • the pump electrode 311 is arranged on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 at a position adjacent to the rear end side L2 of the diffusion resistance layer 32 in the elongated direction L, which will be described later.
  • the sensor electrode 312 is arranged on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 at a position adjacent to the tip end side L1 in the longitudinal direction L with respect to the pump electrode 311.
  • the detection target gas G introduced from the diffusion resistance layer 32 into the gas chamber 35 contacts the pump electrode 311 to reduce the oxygen concentration, and then contacts the sensor electrode 312.
  • the pump electrode 311 is provided with a lead portion for a pump electrode for external connection for electrically connecting the pump electrode 311 to the outside of the gas sensor 1 provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31.
  • 311X is connected.
  • the lead portion 311X for the pump electrode is formed from the rear end position of the pump electrode 311 in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte body 31 in the long direction L.
  • the sensor electrode 312 is connected to a sensor electrode lead portion 312X for external connection for electrically connecting the sensor electrode 312 to the outside of the gas sensor 1 provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31.
  • the sensor electrode lead portion 312X is formed from the rear end position of the sensor electrode 312 in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte body 31 in the long direction L.
  • the pump-side electrode portion 314A of the reference electrode 314 is provided with an external electrode portion 314A provided on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 for electrically connecting the pump-side electrode portion 314A to the outside of the gas sensor 1.
  • the first lead portion 314X for the reference electrode for connection is connected.
  • the first lead portion 314X for the reference electrode is formed from the rear end position of the long direction L of the pump side electrode portion 314A to the rear end portion of the solid electrolyte 31 in the long direction L.
  • the sensor-side electrode portion 314B of the reference electrode 314 is a reference electrode for external connection for electrically connecting the sensor-side electrode portion 314B provided on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 to the outside of the gas sensor 1.
  • the two lead portions 314Y are connected.
  • the second lead portion 314Y for the reference electrode is formed from the rear end position of the sensor side electrode portion 314B in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte body 31 in the long direction L.
  • the pump electrode lead portion 311X, the sensor electrode lead portion 312X, the reference electrode first lead portion 314X, and the reference electrode second lead portion 314Y are formed along the long direction L.
  • each rear end portion of the lead portion 311X for the pump electrode, the lead portion 312X for the sensor electrode, the first lead portion 314X for the reference electrode, and the second lead portion 314Y for the reference electrode is the first insulator 33A.
  • the contact portion 22 provided on the surface of the sensor element 2 is electrically connected to the contact portion 22 via the through hole in the second insulator 33B.
  • the contact terminals 44 of the lead wires 48 wired to the sensor control unit 6 arranged outside the gas sensor 1 come into contact with each contact portion 22 of the sensor element 2.
  • the rear end portion of the first lead portion 314X for the reference electrode and the rear end portion of the second lead portion 314Y for the reference electrode are connected to each other on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31. May be good.
  • the contact portions 22 can be integrated into one to reduce the number of contact terminals 44 and lead wires 48 used.
  • the supply of oxygen in the reference gas A to the sensor side electrode portion 314B is the second lead for the reference electrode. It is performed from the part 314Y. Therefore, in order to facilitate the uptake of oxygen in the reference gas A into the second lead portion 314Y for the reference electrode, the cross-sectional area of the second lead portion 314Y for the reference electrode perpendicular to the long direction L is for the pump electrode.
  • the cross-sectional area of the cross section of the lead portion 311X orthogonal to the long direction L the cross-sectional area of the cross section of the lead portion 312X for the sensor electrode orthogonal to the long direction L, and the long direction L of the first lead portion 314X for the reference electrode It can be made larger than the cross-sectional area of the orthogonal cross sections.
  • the cross-sectional area of the second lead portion 314Y for the reference electrode perpendicular to the long direction L is increased by increasing at least one of the thickness in the stacking direction D and the width in the width direction W, thereby increasing the lead portion 311X for the pump electrode and the sensor. It can be made larger than the cross-sectional area of the cross section of the lead portion 312X for the electrode and the first lead portion 314X for the reference electrode orthogonal to the long direction L.
  • the cross-sectional area of the second lead portion 314Y for the reference electrode orthogonal to the long direction L can be set to be in the range of 0.01 to 0.1 [mm 2 ].
  • the thickness of the second lead portion 314Y for the reference electrode in the stacking direction D can be set to be in the range of 10 to 50 [ ⁇ m].
  • the width of the second lead portion 314Y for the reference electrode in the width direction W can be set to be within the range of 1.0 to 2.0 [mm].
  • the cross-sectional area of the lead portion 311X for the pump electrode, the lead portion 312X for the sensor electrode, and the first lead portion 314X for the reference electrode orthogonal to the long direction L is within the range of 0.0015 to 0.01 [mm 2 ].
  • the thickness of the lead portion 311X for the pump electrode, the lead portion 312X for the sensor electrode, and the first lead portion 314X for the reference electrode in the stacking direction D can be set to be within the range of 5 to 10 [ ⁇ m].
  • the width of the lead portion 311X for the pump electrode, the lead portion 312X for the sensor electrode, and the first lead portion 314X for the reference electrode in the width direction W should be within the range of 0.3 to 1.0 [mm]. it can.
  • the portion where the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 are not provided includes alumina or the like.
  • An insulating layer 38 made of the insulating ceramic material of the above is provided.
  • the insulating layer 38 can be formed to have a thickness equivalent to the thickness of the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 in the stacking direction D.
  • the shielding layer 5 of the present embodiment comes into contact with the sensor-side electrode portion 314B without filling the flow path in the reference gas duct 36, and covers the entire sensor-side electrode portion 314B. It is provided in a buried state.
  • the shielding layer 5 is formed to have a uniform thickness on the surface of the sensor-side electrode portion 314B. A part of the shielding layer 5 surrounds the sensor side electrode portion 314B and is in contact with the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
  • the shielding layer 5 is formed of a dense ceramic material having a property of not allowing the reference gas A to permeate. Further, the ceramic material is formed of particles of a metal oxide such as alumina. "Denseness" means that there are almost no gaps formed between the metal oxide particles, or the gaps formed between the metal oxide particles allow a gas such as reference gas A to pass through. It means that the state is so small that it cannot be done.
  • the movement of oxygen from the sensor-side electrode portion 314B to the atmosphere as the reference gas A is performed via the second lead portion 314Y for the reference electrode. It is thought that it will be done.
  • the oxygen concentration in the atmosphere as the reference gas A in contact with the sensor-side electrode portion 314B is hardly affected by the change in the oxygen concentration of the reference gas A in the reference gas duct 36.
  • the shielding layer 5 may continuously cover the entire sensor-side electrode portion 314B of the reference electrode 314 and a part of the second lead portion 314Y for the reference electrode.
  • the length of the shielding layer 5 covering the reference electrode second lead portion 314Y can be longer than the length of the sensor-side electrode portion 314B in the longitudinal direction L.
  • the shielding layer 5 can cover a range of 20% or more from the tip end side L1 in the long direction L in the total length of the second lead portion 314Y for the reference electrode in the long direction L. In this case, it is possible to suppress the influence of the change in the oxygen concentration of the reference gas A in the reference gas duct 36 on the second lead portion 314Y for the reference electrode.
  • the shielding layer 5 may cover the entire sensor-side electrode portion 314B and the entire reference electrode second lead portion 314Y.
  • the second lead portion 314Y for the reference electrode is the solid electrolyte body 31 and the first insulator 33A, except for the portion of the tip side L1 in the long direction L connected to the sensor side electrode portion 314B. It can also be embedded at the boundary with the above or inside the first insulator 33A. In this case, the portion of the sensor-side electrode portion 314B and the reference electrode second lead portion 314Y on the tip side L1 in the long direction L connected to the sensor-side electrode portion 314B can be covered by the shielding layer 5.
  • Gas chamber 35 As shown in FIGS. 2 to 5, a gas chamber 35 surrounded by the first insulator 33A and the solid electrolyte 31 is formed adjacent to the first surface 301 of the solid electrolyte 31.
  • the gas chamber 35 is formed at a position of the first insulator 33A on the tip side L1 in the long direction L at a position for accommodating the pump electrode 311.
  • the gas chamber 35 is formed as a space portion closed by the first insulator 33A, the diffusion resistance layer 32, and the solid electrolyte body 31.
  • the detection target gas G flowing in the exhaust pipe 7 passes through the diffusion resistance layer 32 and is introduced into the gas chamber 35.
  • a diffusion resistance layer for introducing the detection target gas G into the gas chamber 35 under a predetermined diffusion resistance. 32 is provided at the tip of the first insulator 33A in the long direction L.
  • the diffusion resistance layer 32 of this embodiment is provided adjacent to the tip end side L1 of the gas chamber 35 in the elongated direction L.
  • the diffusion resistance layer 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to the tip end side L1 of the gas chamber 35 in the long direction L in the first insulator 33A.
  • the diffusion resistance layer 32 is formed of a porous metal oxide such as alumina.
  • the diffusion rate (flow rate) of the detection target gas G introduced into the gas chamber 35 is determined by limiting the rate at which the detection target gas G permeates the pores in the diffusion resistance layer 32.
  • the diffusion resistance layer 32 may be formed adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W.
  • the diffusion resistance layer 32 is arranged in the introduction port opened adjacent to both sides of the gas chamber 35 in the width direction W in the first insulator 33A.
  • the diffusion resistance layer 32 can be formed on both sides of the gas chamber 35 in the width direction W at a position L1 on the tip side of the pump electrode 311 in the long direction L.
  • a pinhole which is a small through hole communicated with the gas chamber 35, can be formed on the first insulator 33A.
  • the gas sensor 1 of this embodiment is a limit current type sensor using the gas chamber 35 and the diffusion resistance layer 32. More specifically, in the gas sensor 1, when a predetermined DC voltage is applied between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314, the diffusion resistance rate-determining of the detection target gas G by the diffusion resistance layer 32 The concentration of NOx as a specific gas component is detected by utilizing the limit current characteristic in which the current value is constant regardless of the change in voltage according to (inflow limit).
  • Reference gas duct 36 As shown in FIGS. 2, 3, 4 and 6, a reference gas duct 36 surrounded by the second insulator 33B and the solid electrolyte 31 is adjacent to the second surface 302 of the solid electrolyte 31. It is formed.
  • the reference gas duct 36 is formed from the portion of the second insulator 33B in the long direction L accommodating the reference electrode 314 to the rear end position in the long direction L of the sensor element 2 exposed to the reference gas A such as the atmosphere. Has been done.
  • a rear end opening 361 as a reference gas introduction portion of the reference gas duct 36 is formed.
  • the reference gas duct 36 is formed from the rear end opening 361 to a position where it overlaps with the gas chamber 35 in the stacking direction D via the solid electrolyte body 31.
  • the reference gas A is introduced into the reference gas duct 36 from the rear end opening 361.
  • the cross-sectional area of the cross section of the reference gas duct 36 orthogonal to the long direction L is larger than the cross-sectional area of the cross section of the gas chamber 35 orthogonal to the long direction L. Further, the thickness (width) of the reference gas duct 36 in the stacking direction D is larger than the thickness (width) of the gas chamber 35 in the stacking direction D. Since the cross-sectional area, thickness, volume, etc. of the reference gas duct 36 is larger than the cross-sectional area, thickness, volume, etc. of the gas chamber 35, oxygen in the reference gas A for reacting the unburned gas in the pump electrode 311 is released. , The reference gas duct 36 can sufficiently supply the pump electrode 311.
  • Heating element 34 As shown in FIGS. 2 to 6, the heating element 34 is embedded in the second insulator 33B forming the reference gas duct 36.
  • the heating element 34 has a heating element 341 that generates heat when energized, and a heating element lead portion 342 that is connected to the heating element 341.
  • the heat generating portion 341 is arranged at a position where at least a part of the solid electrolyte body 31 and the insulators 33A and 33B overlap with the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 and the reference electrode 314 in the stacking direction D.
  • the heating element 34 has a heating element 341 that generates heat when energized, and a pair of heating element lead portions 342 that are connected to the rear end side L2 of the heating element 341 in the long direction L.
  • the heat generating portion 341 is formed by a linear conductor portion meandering by a straight portion and a curved portion.
  • the straight portion of the heat generating portion 341 of this embodiment is formed parallel to the elongated direction L.
  • the heating element lead portion 342 is formed by a linear conductor portion.
  • the resistance value per unit length of the heating element 341 is larger than the resistance value per unit length of the heating element lead unit 342.
  • the heating element lead portion 342 is pulled out to the portion of the rear end side L2 in the long direction L.
  • the heating element 34 contains a conductive metal material.
  • the heat generating portion 341 of the present embodiment is formed in a shape meandering in the long direction L at the position of the tip side L1 in the long direction L in the heating element 34.
  • the heat generating portion 341 may be formed in a meandering manner in the width direction W.
  • the heat generating portion 341 is arranged at a position facing the pump electrode 311, the sensor electrode 312, and the reference electrode 314 in the stacking direction D orthogonal to the long direction L.
  • the heat generating portion 341 is arranged at a position of the sensor element 2 at the tip end side L1 in the long direction L at a position overlapping the pump electrode 311, the sensor electrode 312, and the reference electrode 314 in the stacking direction D. ..
  • the cross-sectional area of the heating element 341 is smaller than the cross-sectional area of the heating element lead portion 342, and the resistance value per unit length of the heating element lead portion 341 is higher than the resistance value per unit length of the heating element lead portion 342.
  • This cross-sectional area means the cross-sectional area of the surfaces orthogonal to the extending direction of the heating element 341 and the heating element lead portion 342.
  • the heat generating portion 341 generates heat due to the energization from the heating element lead portion 342, so that the heat generating portion 341 is sandwiched between the electrodes 311, 312, 314 of the pump electrode 311, the sensor electrode 312, the reference electrode 314, and the solid electrolyte body 31. The portion is heated to the target temperature.
  • each insulator 33A, 33B As shown in FIGS. 2 to 6, the first insulator 33A forms the gas chamber 35, and the second insulator 33B forms the reference gas duct 36 and embeds the heating element 34. ..
  • the first insulator 33A and the second insulator 33B are formed of a metal oxide such as alumina (aluminum oxide).
  • the insulators 33A and 33B are formed as a dense body through which the detection target gas G or the reference gas A cannot permeate, and the insulators 33A and 33B have almost all pores through which the gas can pass. It has not been.
  • Porous layer 37 As shown in FIG. 1, the entire circumference of the portion L1 on the tip side L1 in the long direction L of the sensor element 2 is porous to capture the toxic substance to the pump electrode 311 and the condensed water generated in the exhaust pipe 7.
  • a layer 37 is provided.
  • the porous layer 37 is formed of porous ceramics (metal oxide) such as alumina.
  • the porosity of the porous layer 37 is larger than the porosity of the diffusion resistance layer 32, and the flow rate of the detection target gas G that can permeate the porous layer 37 is the detection target that can permeate the diffusion resistance layer 32. It is higher than the flow rate of gas G.
  • the gas sensor 1 includes a first insulator 42 that holds the sensor element 2, a housing 41 that holds the first insulator 42, and a second insulator connected to the first insulator 42. 43, a contact terminal 44 that is held by the second insulator 43 and comes into contact with the sensor element 2 is provided. Further, the gas sensor 1 is mounted on the tip side L1 portion of the housing 41 and is mounted on the element covers 45A and 45B covering the tip end side L1 portion of the sensor element 2 and the rear end side L2 portion of the housing 41.
  • the insulator 43, reference gas covers 46A and 46B for covering the contact terminals 44 and the like, and bushes 47 and the like for holding the lead wires 48 connected to the contact terminals 44 on the reference gas covers 46A and 46B are provided.
  • the portion L1 on the tip side of the sensor element 2 and the element covers 45A and 45B are arranged in the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine.
  • the element covers 45A and 45B are formed with gas passage holes 451 for passing the exhaust gas as the detection target gas G.
  • the element covers 45A and 45B have a double structure of an inner cover 45A and an outer cover 45B that covers the inner cover 45A.
  • the element covers 45A and 45B may have a single structure.
  • the detection target gas G flowing into the element covers 45A and 45B from the gas passage holes 451 of the element covers 45A and 45B passes through the porous layer 37 and the diffusion resistance layer 32 of the sensor element 2 and is guided into the gas chamber 35. Be taken.
  • the reference gas covers 46A and 46B are arranged outside the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine.
  • the reference gas covers 46A and 46B of this embodiment are composed of a first cover 46A attached to the housing 41 and a second cover 46B covering the first cover 46A.
  • the second cover 46B is formed with an air passage hole 461 for passing the reference gas A.
  • a water repellent filter 462 for preventing water from entering the first cover 46A is arranged inside the second cover 46B at a position facing the air passage hole 461.
  • the rear end opening 361 of the reference gas duct 36 in the sensor element 2 is open to the space inside the reference gas covers 46A and 46B.
  • the reference gas A existing around the atmospheric passage holes 461 of the reference gas covers 46A and 46B is taken into the reference gas covers 46A and 46B via the water repellent filter 462. Then, the reference gas A that has passed through the water repellent filter 462 flows into the reference gas duct 36 from the rear end opening 361 of the reference gas duct 36 of the sensor element 2 and is guided to the reference electrode 314 in the reference gas duct 36.
  • the contact terminal 44 is a lead portion for each electrode of the pump electrode 311 and the sensor electrode 312, the pump side electrode portion 314A of the reference electrode 314 and the sensor side electrode portion 314B, 311X, 312X, 314X, 314Y, and a heating element lead portion of the heating element 34.
  • a plurality of the second insulators 43 are arranged so as to be connected to each of the 342s. Further, the lead wire 48 is connected to each of the contact terminals 44.
  • the lead wire 48 in the gas sensor 1 is electrically connected to the sensor control unit (SCU) 6 that controls gas detection in the gas sensor 1.
  • the sensor control unit 6 performs electrical control on the gas sensor 1 in cooperation with an engine control unit (ECU) that controls combustion operation in the engine.
  • ECU engine control unit
  • the sensor control unit 6 is formed with a pump voltage application circuit 61, a sensor voltage application circuit 62, a sensor current detection circuit 64, an energization circuit, and the like.
  • the pump voltage application circuit 61 applies a DC voltage between the pump electrode 311 and the pump side electrode portion 314A of the reference electrode 314.
  • the sensor voltage application circuit 62 applies a DC voltage between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314.
  • the sensor current detection circuit 64 measures the current flowing between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314.
  • the energizing circuit is for energizing the heating element 34.
  • the sensor control unit 6 may be built in the engine control unit.
  • the detection target gas G is used.
  • the contained oxygen is discharged from the pump electrode 311 to the pump side electrode portion 314A via the solid electrolyte 31. Then, the oxygen concentration of the detection target gas G in the gas chamber 35 is maintained at a predetermined concentration or less.
  • a diffusion resistance layer is applied.
  • the diffusion rate-determining by 32 occurs and the current is limited.
  • a current corresponding to the amount of NOx decomposed in the sensor electrode 312 flows between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B.
  • the current flowing between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B is detected by the sensor current detection circuit 64.
  • the paste material constituting the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 and the reference electrode 314 is printed (coated) on the sheet constituting the solid electrolyte body 31 to form the second insulator 33B.
  • the paste material constituting the heating element 34 is printed (coated) on the sheet to be used.
  • the paste material constituting the shielding layer 5 is printed (coated) on the surface of the paste material constituting the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314.
  • the sheet constituting the solid electrolyte body 31, the sheet constituting the first insulator 33A, the sheet constituting the second insulator 33B, and the like are laminated with each other and adhered via the adhesive layer. After that, the intermediate of the sensor element 2 formed of each sheet and each paste material is fired at a predetermined firing temperature to form the sensor element 2.
  • the sensor current detection circuit 64 of the gas sensor 1 detects the concentration of NOx in the detection target gas G.
  • the concentration of NOx in the detection target gas G increases.
  • oxygen in the air (atmosphere) taken into the internal combustion engine is used for combustion, and the oxygen concentration in the exhaust gas as the detection target gas G is not so high.
  • the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314 is covered with the shielding layer 5, and is shielded from the atmosphere as the reference gas A in the reference gas duct 36 by the shielding layer 5. Therefore, even if the oxygen concentration of the reference gas A in the reference gas duct 36 temporarily increases, the oxygen concentration of the reference gas A in contact with the sensor-side electrode portion 314B covered by the shielding layer 5 hardly changes.
  • this current is the primary oxygen concentration of the reference gas A in the reference gas duct 36. It is hardly affected by the increase. As a result, it is possible to maintain high detection accuracy of the concentration of NOx as a specific gas component detected according to the current flowing between the sensor electrode 312 and the sensor side electrode portion 314B.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment even when the oxygen concentration of the reference gas A suddenly increases, it is possible to prevent an error in detecting the concentration of the specific gas component from occurring.
  • the shielding layer 5 can also function as a poisoning prevention layer for preventing a poisonous substance that may poison the reference electrode 314 from adhering to the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314.
  • Toxic substances include Si (silicon) contained in the atmosphere generated in the engine room in which the internal combustion engine (engine) is arranged and flowing from the engine room to the reference gas cover of the gas sensor 1.
  • the shielding layer 5 can also be formed of a porous ceramic material having a property of allowing the reference gas A to permeate.
  • porous means that a gap is formed between the particles of the metal oxide constituting the ceramic material so that a gas such as the reference gas A can pass through.
  • the reference gas A in the reference gas duct 36 can be made to reach the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314 covered by the shielding layer 5.
  • the oxygen concentration of the reference gas A in the reference gas duct 36 temporarily increases, the presence of the shielding layer 5 makes it difficult for the reference gas A whose oxygen concentration has temporarily increased to come into contact with the sensor side electrode portion 314B. be able to.
  • the reference electrode 314 in the sensor element 2 of the gas sensor 1 of the present embodiment has a pump side portion 314C that overlaps the pump electrode 311 via the solid electrolyte 31 in the stacking direction D, and the sensor electrode 312.
  • a sensor-side portion 314D that overlaps the stacking direction D via the solid electrolyte 31 is integrally formed.
  • the reference electrode 314 of the present embodiment is continuously formed at a position overlapping the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 via the solid electrolyte body 31 in the stacking direction D.
  • a connecting portion that overlaps the stacking direction D via the solid electrolyte 31 with respect to the gap between the pump electrode 311 and the sensor electrode 312. 314E is located.
  • the reference electrode lead portion 314Z connected to the reference electrode 314 is formed from the rear end position of the reference electrode 314 in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte 31 in the long direction L.
  • the cross-sectional area of the reference electrode lead portion 314Z orthogonal to the long direction L is the length of the pump electrode lead portion 311X. It can be made larger than the cross-sectional area of the cross section orthogonal to the direction L and the cross-sectional area of the cross section orthogonal to the long direction L of the lead portion 312X for the sensor electrode.
  • the cross-sectional area of the cross section orthogonal to the elongated direction L can be changed by changing at least one of the thickness in the stacking direction D and the width in the width direction W.
  • the shielding layer 5 of the present embodiment is provided in a state of contacting the sensor side portion 314D of the reference electrode 314 and filling the sensor side portion 314D without filling the flow path in the reference gas duct 36.
  • the shielding layer 5 is not provided on the surface of the pump side portion 314C, but is provided only on the surface of the sensor side portion 314D.
  • the shielding layer 5 may be provided at the connecting portion 314E, or may not be provided at the connecting portion 314E.
  • the shielding layer 5 is provided in contact with the positions on both sides of the sensor side portion 314D in the width direction W and the positions of the rear end side L2 in the long direction L on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
  • the shielding layer 5 may be formed of either a dense or porous ceramic material. As shown in FIG. 11, the shielding layer 5 may continuously cover the entire sensor-side electrode portion 314B and a part of the reference electrode lead portion 314Z.
  • the shielding layer 5 in the sensor element 2 of the gas sensor 1 of the present embodiment surrounds the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314 by utilizing the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
  • a flow path different from the flow path of the reference gas duct 36 is provided as an internal duct 51 formed in the reference gas duct 36.
  • the internal duct 51 covers the sensor-side electrode portion 314B in a non-contact state with the sensor-side electrode portion 314B.
  • the inner duct 51 is formed so as to divide the flow path in the reference gas duct 36 into an inner flow path 52A inside the inner duct 51 and an outer flow path 52B outside the inner duct 51.
  • the internal duct 51 is formed in a tubular shape using the second surface 302 of the solid electrolyte body 31.
  • the inner flow path 52A and the outer flow path 52B are formed from the rear end portion of the reference gas duct 36 in the long direction L to the formation position of the sensor side electrode portion 314B. Further, the tip portion of the internal duct 51 in the long direction L is closed between the pump side electrode portion 314A and the sensor side electrode portion 314B.
  • the reference gas A separately flows into the inner flow path 52A of the inner duct 51 and the outer flow path 52B of the inner duct 51.
  • the internal duct 51 is made of a dense ceramic material having the property of not allowing the reference gas A to permeate.
  • the internal duct 51 can be formed by various methods.
  • the internal duct 51 can be formed, for example, as follows. A paste of a resin burning agent that burns out during firing is applied to the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314 and the second surface 302 of the solid electrolyte body 31, and a ceramic material paste is applied to the surface side of the burning agent paste. Apply. Then, when the sensor element 2 is fired, the paste of the burning agent is burnt, a cavity serving as the inner flow path 52A is formed in the burned portion of the paste, and the inner duct 51 is formed by the paste of the ceramic material.
  • the internal duct 51 can be filled with a porous ceramic material having a property of allowing the reference gas A to permeate.
  • a gas permeable layer 53 made of a porous ceramic material can be formed in the internal duct 51.
  • Both the dense ceramic material and the porous ceramic material are formed of particles of a metal oxide such as alumina.
  • the dense ceramic material has a property of impermeable to the reference gas A because there are almost no gaps between the metal oxide particles.
  • the porous ceramic material has a property of allowing the reference gas A to permeate because the gap between the metal oxide particles is larger than that of the dense ceramic material.
  • the reference electrode second lead portion 314Y connected to the rear end position of the sensor side electrode portion 314B of the reference electrode 314 in the long direction L is formed inside the internal duct 51. It is arranged in the flow path 52A.
  • the reference electrode first lead portion 314X connected to the rear end position of the pump side electrode portion 314A of the reference electrode 314 in the long direction L is arranged in the outer flow path 52B which is the outside of the inner duct 51.
  • the reference gas A in contact with the sensor-side electrode portion 314B of the reference electrode 314 can be separated from the reference gas A in contact with the pump-side electrode portion 314A of the reference electrode 314 by the internal duct 51.
  • the sensor side electrode portion The oxygen concentration of the reference gas A in the inner flow path 52A in which the 314B is arranged can be kept unchanged.
  • the reference gas A which is not affected by the change in the potential of the pump side electrode portion 314A, is sufficiently supplied from the inner flow path 52A to the sensor side electrode portion 314B. Can be done. Then, the ease of reaching the reference gas A to the sensor-side electrode portion 314B can be maintained, and an error can be less likely to occur in the detection of the concentration of NOx as a specific gas component.
  • the reference electrode 314 of this embodiment may have the pump side portion 314C and the sensor side portion 314D integrated as in the case of the second embodiment.
  • the internal duct 51 surrounds the sensor side portion 314D of the reference electrode 314, and the flow path in the reference gas duct 36 is divided into the inner flow path 52A of the inner duct 51 and the outer flow path outside the inner duct 51. It can be formed so as to be divided into 52B.
  • the other configurations, action effects, etc. of the gas sensor 1 of this embodiment are the same as those of the first and second embodiments. Further, also in the gas sensor 1 of the present embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first and second embodiments are the same as those of the first and second embodiments.
  • the sensor element 2 of the gas sensor 1 of the present embodiment detects after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode 311 in addition to the pump electrode 311 and the sensor electrode 312 and the reference electrode 314. It has a monitor electrode 313 for detecting the concentration of oxygen in the target gas G.
  • the monitor electrode 313 is provided at a position on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 adjacent to the rear end side L2 of the pump electrode 311 in the long direction L and adjacent to the width direction W of the sensor electrode 312. Has been done.
  • the pump electrode 311, the sensor electrode 312, the monitor electrode 313, the reference electrode 314, and the gas chamber 35 are provided at the portion of the sensor element 2 on the tip side L1 in the long direction L.
  • the reference electrode 314 of this embodiment is provided at a position where it overlaps the stacking direction D via the pump electrode 311 and the solid electrolyte body 31, and at a position where it overlaps the stacking direction D via the sensor electrode 312 and the monitor electrode 313 and the solid electrolyte body 31. Has been done. More specifically, the reference electrode 314 is provided on the pump electrode 311 via the solid electrolyte 31 at a position where it overlaps with the stacking direction D, and the sensor electrode 312 and the monitor electrode 313 are solid electrolytes.
  • the sensor / monitor side electrode portion 314F is formed separately from the sensor / monitor side electrode portion 314F provided at a position overlapping the stacking direction D via 31.
  • the sensor / monitor side electrode portion 314F is formed with a connecting portion 314G that overlaps the stacking direction D with respect to the gap between the sensor electrode 312 and the monitor electrode 313.
  • a lead portion 313X for a monitor electrode provided on the first surface 301 of the solid electrolyte body 31 is connected to the rear end position of the monitor electrode 313 in the long direction L.
  • the lead portion 313X for the monitor electrode is formed from the rear end position of the monitor electrode 313 in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte body 31 in the long direction L on the first surface 301.
  • a second lead portion 314Y for the reference electrode provided on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 is connected to the rear end position of the sensor monitor side electrode portion 314F of the reference electrode 314 in the long direction L.
  • the second lead portion 314Y for the reference electrode is formed from the rear end position of the sensor / monitor side electrode portion 314F in the long direction L to the rear end portion of the solid electrolyte 31 in the second surface 302 in the long direction L.
  • the lead portion 311X for the pump electrode, the lead portion 312X for the sensor electrode, and the first lead portion 314X for the reference electrode are formed in the same manner as in the first embodiment.
  • a monitor that applies a DC voltage between the monitor electrode 313 and the sensor / monitor side electrode unit 314F with the sensor / monitor side electrode unit 314F as the positive side.
  • a voltage application circuit 63 and a monitor current detection circuit 65 for measuring the current flowing between the monitor electrode 313 and the sensor / monitor side electrode portion 314F are formed.
  • the sensor control unit 6 subtracts the current value by the monitor current detection circuit 65 of the monitor electrode 313 from the current value by the sensor current detection circuit 64 of the sensor electrode 312, and after pumping oxygen in the gas chamber 35 by the pump electrode 311. , The influence of the oxygen remaining in the gas chamber 35 on the detection of the concentration of NOx as a specific gas component can be mitigated.
  • the configuration of the sensor voltage application circuit 62 and the sensor current detection circuit 64 is the same as that of the first embodiment.
  • the shielding layer 5 of this embodiment is formed so as to cover the entire sensor / monitor side electrode portion 314F.
  • the shielding layer 5 may continuously cover the entire sensor / monitor side electrode portion 314F and at least a part of the reference electrode second lead portion 314Y in the long direction L.
  • the reference electrode 314 is located on the second surface 302 of the solid electrolyte body 31 so as to overlap the pump electrode 311 in the stacking direction D, the sensor electrode 312 in the stacking direction D, and the monitor electrode 313. It may be separately arranged at each position with the position overlapping with the stacking direction D.
  • the reference electrode 314 may be integrally provided at a position overlapping the pump electrode 311, the sensor electrode 312, and the monitor electrode 313 in the stacking direction D via the solid electrolyte body 31.
  • the shielding layer 5 can be provided so as to cover the portion of the reference electrode 314 that overlaps the sensor electrode 312 and the monitor electrode 313 via the solid electrolyte body 31 in the stacking direction D.
  • the shielding layer 5 can be formed of the dense ceramic material shown in the first embodiment, or can be formed of the porous ceramic material. Further, as shown in FIGS. 19 and 20, the shielding layer 5 can also be formed by the internal duct 51 shown in the third embodiment. In this case, the portion of the reference electrode 314 facing the sensor / monitor side electrode portion 314F or the reference electrode 314 facing the sensor electrode 312 and the monitor electrode 313 is arranged in the inner flow path 52A of the internal duct 51.
  • the other configurations, action effects, etc. of the gas sensor 1 of this embodiment are the same as those of the first to third embodiments. Further, also in the gas sensor 1 of the present embodiment, the components indicated by the same reference numerals as those shown in the first to third embodiments are the same as those of the first to third embodiments.
  • the flow rate of the detection target gas G flowing in the evaluation pipe was set to 3 [m / s].
  • the detection target gas G was changed from a state of oxygen concentration: 0 [volume%] to a state of oxygen concentration: 20 [volume%].
  • the state of oxygen concentration: 0 [volume%] was a state in which only nitrogen (N 2 ) flowed, simulating the operating state of the internal combustion engine in a stoichiometric state.
  • the state of oxygen concentration: 20 [volume%] was a state in which nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) flowed, simulating the operating state of the internal combustion engine in the fuel cut state.
  • test products 1 to 4 in which the shielding layer 5 was formed differently and a comparative product in which the shielding layer 5 was not formed were used.
  • the test product 1 is the gas sensor 1 of the first embodiment, in which the sensor-side electrode portion 314B of the reference electrode 314 is covered with the shielding layer 5.
  • the test product 2 is the gas sensor 1 of the third embodiment in which the sensor-side electrode portion 314B of the reference electrode 314 is arranged in the internal duct 51 as the shielding layer 5.
  • the test product 3 is the gas sensor 1 of the third embodiment, in which the internal duct 51 is filled with a porous ceramic material.
  • the test product 4 is the gas sensor 1 of the second embodiment in which the sensor side portion 314D of the reference electrode 314 is covered with the shielding layer 5.
  • the sensor is used as the sensor output. It was confirmed how much the current flowing between the electrode 312 and the reference electrode 314 changed.
  • the case where the amount of decrease in the sensor output is within ⁇ 10 [%] is indicated by “ ⁇ ” as being particularly excellent.
  • the case where the amount of decrease in the sensor output is within ⁇ 30 [%] is indicated by “ ⁇ ” as good.
  • the amount of decrease in the sensor output exceeds ⁇ 30 [%], it is indicated by “x” as not excellent.
  • the judgment of the sensor output of the test products 1 and 2 is " ⁇ ", and according to the gas sensor 1 of the first and third embodiments, the error of the sensor output is minimized and high detection accuracy can be obtained. I found out.
  • the determination of the sensor output of the test products 3 and 4 was " ⁇ ", and it was found that the error of the sensor output can be suppressed to a small value according to the gas sensor 1 of the other examples of the second and third embodiments.
  • the judgment of the sensor output of the comparative product is "x", and it is found that when the shielding layer 5 is not formed on the sensor element 2, the error of the sensor output becomes large and the output accuracy temporarily decreases. It was.
  • the gas sensor 1 shown in the first to fourth embodiments can maintain high detection accuracy of the concentration of the specific gas component.
  • the present disclosure is not limited to each embodiment, and it is possible to configure different embodiments without departing from the gist thereof.
  • the present disclosure includes various modifications, modifications within an equal range, and the like.
  • the technical concept of the present disclosure also includes combinations, forms, etc. of various components assumed from the present disclosure.

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Abstract

ガスセンサ（１）のセンサ素子（２）は、固体電解質体（３１）、第１絶縁体（３３Ａ）、ガス室（３５）、第２絶縁体（３３Ｂ）、基準ガスダクト（３６）、ポンプ電極（３１１）、センサ電極（３１２）、基準電極（３１４）及び遮蔽層（５）を有する。遮蔽層（５）は、絶縁性のセラミック材料によって構成されており、基準電極（３１４）における、センサ電極（３１２）に固体電解質体（３１）を介して重なる部位であるセンサ側電極部（３１４Ｂ）を覆っている。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１９年３月２８日に出願された日本の特許出願番号２０１９－０６３４９３号に基づくものであり、その記載内容を援用する。
　本開示は、検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサに関する。
　車両の内燃機関の排気管等においては、排気管内を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおけるＮＯｘ（窒素酸化物）等の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサが用いられる。このガスセンサによって、例えば、排気管内に配置された触媒から流出する特定ガス成分の濃度を検出し、触媒が正常に機能しているかを監視している。
　特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサは、例えば、固体電解質体と、固体電解質体の第１表面に積層された絶縁体に形成されたガス室と、固体電解質体の第２表面に積層された絶縁体に形成された基準ガスダクトとを備える。また、固体電解質体の第１表面には、ガス室内に収容されたポンプ電極及びセンサ電極が設けられており、固体電解質体の第２表面には、基準ガスダクト内に収容された基準電極が設けられている。ポンプ電極は、酸素に対する触媒活性を有しており、センサ電極は、酸素及び特定ガス成分に対する触媒活性を有している。
　ポンプ電極と基準電極との間に直流電圧が印加されることにより、ガス室内の検出対象ガスにおける不要な酸素が汲み出される。また、直流電圧が印加されたセンサ電極と基準電極との間に生じる電流によって、ガス室内の検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度が検出される。このようなガスセンサとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
　特許文献１のガスセンサにおいては、固体電解質体の第１表面の、センサ電極と並ぶ位置に、酸素に対する触媒活性を有するモニタ電極が設けられている。また、直流電圧が印加されたモニタ電極と基準電極との間に生じる電流によって、ガス室内の検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度が検出される。そして、センサ電極と基準電極との間に生じる電流から、モニタ電極と基準電極との間に生じる電流を差し引くことにより、検出対象ガスにおける残留酸素が、特定ガス成分の濃度に与える影響が緩和される。
特開２０１７－４０６６０号公報
　ところで、車両の内燃機関の排気管に配置されて使用されるガスセンサにおいて、内燃機関における運転状態が、燃料の噴射を停止する燃料カット状態になったときには、検出対象ガスにおける酸素の濃度が急激に増加する。この場合には、ポンプ電極と基準電極との間に印加される直流電圧によって、ポンプ電極から固体電解質体を介して基準電極へ大量の酸素が汲み出される。このとき、基準ガスダクト内の、基準ガスとしての大気の酸素濃度が一時的に増加する。そして、この影響を受けて、センサ電極と基準電極との間に生じる電流が一時的に増加する。
　そのため、実際には、センサ電極において特定ガス成分を検出していないにも拘らず、センサ電極と基準電極との間に生じる電流の値が大きくなることがある。このとき、特定ガス成分の濃度の検出に誤差が生じるおそれがある。一方、特許文献１のガスセンサにおいては、センサ電極とモニタ電極とが、基準ガスダクト内の大気の酸素濃度が一時的に増加した影響を受ける。そのため、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差が緩和されると考えられる。
　しかし、センサ電極の組成とモニタ電極の組成とが異なっていることにより、センサ電極が有する静電容量とモニタ電極が有する静電容量とが異なる。そのため、基準ガスダクト内の大気の酸素濃度が一時的に増加したことによって、センサ電極と基準電極との間に生じる電流と、モニタ電極と基準電極との間に生じる電流とが異なることになる。そのため、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差をなくすことは難しい。
　本開示は、基準ガスの酸素濃度が急激に増加した場合であっても、特定ガス成分の濃度の検出に誤差がほとんど生じないようにすることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
　本開示の一態様は、検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子を備えるガスセンサであって、
　前記センサ素子は、
　イオン伝導性を有する固体電解質体と、
　前記固体電解質体の第１表面に積層された第１絶縁体と、
　前記固体電解質体の前記第１表面と、前記第１絶縁体に形成された凹部とによって囲まれて形成された、前記検出対象ガスが導入されるガス室と、
　前記固体電解質体の第２表面に積層された第２絶縁体と、
　前記固体電解質体の前記第２表面と、前記第２絶縁体に形成された溝部とによって囲まれて形成された、基準ガスが導入される基準ガスダクトと、
　前記固体電解質体の前記第１表面に設けられるとともに前記ガス室内に収容された、前記検出対象ガスにおける酸素の濃度を調整するためのポンプ電極と、
　前記固体電解質体の前記第１表面に設けられるとともに前記ガス室内に収容された、前記ポンプ電極によって酸素の濃度が調整された後の前記検出対象ガスにおける前記特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ電極と、
　前記固体電解質体の前記第２表面において、前記ポンプ電極及び前記センサ電極と前記固体電解質体を介して重なる位置に設けられた１つ又は複数の基準電極と、
　前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位を接触又は非接触の状態で覆うように設けられた、絶縁性の遮蔽層と、を有するガスセンサにある。
　前記一態様のガスセンサにおいては、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位に、絶縁性の遮蔽層を設けている。この遮蔽層は、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位とは、換言すれば、固体電解質体を介してセンサ電極と対向する基準電極の部位のことを示す。そして、センサ電極と、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位との間には、特定ガス成分が検出されるときに電流が流れる。
　内燃機関の運転状態が燃料カット状態になったとき等、検出対象ガスにおける酸素濃度が急激に変化したときには、ポンプ電極及び基準電極の作用によって、ポンプ電極から基準電極へ大量の酸素が汲み出される。このとき、基準ガスダクト内の大気等の基準ガスの酸素濃度が急激に増加することになる。
　ただし、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位は、遮蔽層によって覆われている。そのため、基準ガスダクト内の基準ガスの酸素濃度が急激に増加したとしても、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位に接触する基準ガスの酸素濃度は急激に増加しない。これにより、センサ電極と、基準電極における、センサ電極に固体電解質体を介して重なる部位との間に生じる電流が、基準ガスの酸素濃度が急激に増加したときの影響を受けないようにすることができる。
　それ故、前記一態様のガスセンサによれば、基準ガスの酸素濃度が急激に増加した場合であっても、特定ガス成分の濃度の検出に誤差がほとんど生じないようにすることができる。
　なお、本開示の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
　本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図１は、実施形態１にかかる、ガスセンサを示す断面図である。 図２は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す断面図である。 図３は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図２のIII－III断面図である。 図４は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図２のIV－IV断面図である。 図５は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図２のV－V断面図である。 図６は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図２のVI－VI断面図である。 図７は、実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す、図２のVI－VI断面相当図である。 図８は、実施形態１にかかる、さらに他のセンサ素子を示す、図２のVI－VI断面相当図である。 図９は、実施形態２にかかる、センサ素子を示す断面図である。 図１０は、実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図９のX－X断面図である。 図１１は、実施形態２にかかる、他のセンサ素子を示す、図９のX－X断面相当図である。 図１２は、実施形態３にかかる、センサ素子を示す断面図である。 図１３は、実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図１２のXIII－XIII断面図である。 図１４は、実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図１２のXIV－XIV断面図である。 図１５は、実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図１２のXIII－XIII断面相当図である。 図１６は、実施形態３にかかる、他のセンサ素子を示す、図１２のXIV－XIV断面相当図である。 図１７は、実施形態４にかかる、センサ素子を示す、図２のIV－IV断面相当図である。 図１８は、実施形態４にかかる、センサ素子を示す、図２のV－V断面相当図である。 図１９は、実施形態４にかかる、他のセンサ素子を示す、図２のIV－IV断面相当図である。 図２０は、実施形態４にかかる、他のセンサ素子を示す、図２のVI－VI断面相当図である。
　前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
　本形態のガスセンサ１は、図１～図６に示すように、検出対象ガスＧにおける特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子２を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１、第１絶縁体３３Ａ、ガス室３５、第２絶縁体３３Ｂ、基準ガスダクト３６、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２、基準電極３１４及び遮蔽層５を有する。
　固体電解質体３１は、所定の活性温度において酸素イオンを伝導させるイオン伝導性を有するものである。第１絶縁体３３Ａは、固体電解質体３１の第１表面３０１に積層されている。ガス室３５は、固体電解質体３１の第１表面３０１と、第１絶縁体３３Ａに形成された凹部とによって囲まれて形成されており、検出対象ガスＧが導入される空間を形成する。第２絶縁体３３Ｂは、固体電解質体３１の第２表面３０２に積層されている。基準ガスダクト３６は、固体電解質体３１の第２表面３０２と、第２絶縁体３３Ｂに形成された溝部とによって囲まれて形成されており、基準ガスＡが導入される流路を形成する。
　図２、図３及び図５に示すように、ポンプ電極３１１は、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられるとともにガス室３５内に収容されている。ポンプ電極３１１は、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を調整するために用いられる。センサ電極３１２は、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられるとともにガス室３５内に収容されている。センサ電極３１２は、ポンプ電極３１１によって酸素の濃度が調整された後の検出対象ガスＧにおける特定ガス成分の濃度を検出するために用いられる。
　図２、図４及び図６に示すように、基準電極３１４は、固体電解質体３１の、第１表面３０１の反対側の第２表面３０２において、ポンプ電極３１１及びセンサ電極３１２と固体電解質体３１を介して重なる位置に設けられている。遮蔽層５は、絶縁性のセラミック材料によって構成されており、基準電極３１４における、センサ電極３１２に固体電解質体３１を介して重なる部位であるセンサ側電極部３１４Ｂを覆っている。
　以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
　図１に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスを検出対象ガスＧとして、検出対象ガスＧにおける特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。ＮＯｘには、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）等がある。
　排気管７には、検出対象ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されている。ガスセンサ１は、例えば、排気管７における検出対象ガスＧの流れ方向において、触媒の下流側の位置に配置することができる。
（センサ素子２）
　図２～図６に示すように、本形態のセンサ素子２は、長尺の直方体形状に形成されている。センサ素子２は、固体電解質体３１に、第１絶縁体３３Ａ、第２絶縁体３３Ｂ等が積層された積層タイプのものである。センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４と、ポンプ電極３１１及びセンサ電極３１２と基準電極３１４との間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる検知部２１が形成されている。
　本形態において、センサ素子２の長尺方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長尺方向Ｌに直交し、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向、換言すれば、固体電解質体３１、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長尺方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長尺方向Ｌにおいて、検出対象ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を後端側Ｌ２という。
（固体電解質体３１、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２、基準電極３１４）
　図２～図６に示すように、固体電解質体３１は、板形状を有しており、所定の活性温度において、酸素イオン（Ｏ2-）の伝導性を有するものである。固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。
　ポンプ電極３１１は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金と、固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物とを含有している。共材は、固体電解質体３１にペースト状の電極材料を印刷（塗布）して両者を焼成する際に、電極材料によって形成されるポンプ電極３１１等と固体電解質体３１との結合強度を維持するためのものである。
　センサ電極３１２は、酸素及び特定ガス成分としてのＮＯｘに対する触媒活性を示す貴金属と、固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物とを含有している。センサ電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す白金と、ＮＯｘに対する触媒活性を示すロジウムとを含有する。センサ電極３１２には、ロジウムの他に、ＮＯｘに対する触媒活性を有する貴金属を用いることができる。基準電極３１４は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金と、固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物とを含有している。
　図２及び図６に示すように、本形態の基準電極３１４は、ポンプ電極３１１に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる部位であるポンプ側電極部３１４Ａと、センサ電極３１２に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる部位であるセンサ側電極部３１４Ｂとに、分離して形成されている。ポンプ側電極部３１４Ａは、ポンプ電極３１１と同じ面積を有し、固体電解質体３１を介してポンプ電極３１１と正対する位置に配置されている。センサ側電極部３１４Ｂは、センサ電極３１２と同じ面積を有し、固体電解質体３１を介してセンサ電極３１２と正対する位置に配置されている。「固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる」とは、積層方向Ｄから見て重なる位置に存在することをいう。
　基準電極３１４をポンプ側電極部３１４Ａとセンサ側電極部３１４Ｂとに分離することにより、センサ側電極部３１４Ｂのみを遮蔽層５によって被覆することができる。そのため、ＮＯｘ等の特定ガス成分の検出に影響する基準電極３１４の部位を効果的に被覆することができる。
　ポンプ電極３１１は、固体電解質体３１の第１表面３０１において、ガス室３５における長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の位置に配置されている。ポンプ電極３１１は、固体電解質体３１の第１表面３０１において、後述する拡散抵抗層３２の長尺方向Ｌの後端側Ｌ２に隣接する位置に配置されている。センサ電極３１２は、固体電解質体３１の第１表面３０１において、ポンプ電極３１１に対する長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接する位置に配置されている。拡散抵抗層３２からガス室３５内に導入される検出対象ガスＧは、ポンプ電極３１１に接触して酸素濃度が下げられた後、センサ電極３１２に接触する。
　図５に示すように、ポンプ電極３１１には、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられた、ポンプ電極３１１をガスセンサ１の外部と電気接続するための外部接続用のポンプ電極用リード部３１１Ｘが繋がっている。ポンプ電極用リード部３１１Ｘは、ポンプ電極３１１の長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。
　センサ電極３１２には、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられた、センサ電極３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための外部接続用のセンサ電極用リード部３１２Ｘが繋がっている。センサ電極用リード部３１２Ｘは、センサ電極３１２の長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。
　図６に示すように、基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａには、固体電解質体３１の第２表面３０２に設けられた、ポンプ側電極部３１４Ａをガスセンサ１の外部と電気接続するための外部接続用の基準電極用第１リード部３１４Ｘが繋がっている。基準電極用第１リード部３１４Ｘは、ポンプ側電極部３１４Ａの長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。
　基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂには、固体電解質体３１の第２表面３０２に設けられた、センサ側電極部３１４Ｂをガスセンサ１の外部と電気接続するための外部接続用の基準電極用第２リード部３１４Ｙが繋がっている。基準電極用第２リード部３１４Ｙは、センサ側電極部３１４Ｂの長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。
　ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ、基準電極用第１リード部３１４Ｘ及び基準電極用第２リード部３１４Ｙのほとんどの部分は、長尺方向Ｌに沿って形成されている。図１に示すように、ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ、基準電極用第１リード部３１４Ｘ及び基準電極用第２リード部３１４Ｙの各後端部は、第１絶縁体３３Ａ又は第２絶縁体３３Ｂにおけるスルーホールを介して、センサ素子２の表面に設けられた接触部２２にそれぞれ導通されている。センサ素子２の各接触部２２には、ガスセンサ１の外部に配置されたセンサコントロールユニット６に配線されるリード線４８の接点端子４４がそれぞれ接触する。
　図７に示すように、基準電極用第１リード部３１４Ｘの後端部と基準電極用第２リード部３１４Ｙの後端部とは、固体電解質体３１の第２表面３０２において互いに接続されていてもよい。この場合には、基準電極３１４が複数に分離（分割）して形成されていても、接触部２２を１つに集約して、接点端子４４及びリード線４８の使用数を減らすことができる。
　図６に示すように、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂが遮蔽層５によって覆われているため、センサ側電極部３１４Ｂへの基準ガスＡ中の酸素の供給は、基準電極用第２リード部３１４Ｙから行われる。そのため、基準電極用第２リード部３１４Ｙに基準ガスＡ中の酸素が取り込まれやすくするために、基準電極用第２リード部３１４Ｙの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、ポンプ電極用リード部３１１Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積、センサ電極用リード部３１２Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積、及び基準電極用第１リード部３１４Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積に比べて大きくすることができる。
　基準電極用第２リード部３１４Ｙの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、積層方向Ｄの厚み及び幅方向Ｗの幅の少なくとも一方を大きくすることによって、ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ及び基準電極用第１リード部３１４Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積に比べて大きくすることができる。
　基準電極用第２リード部３１４Ｙの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、０．０１～０．１［ｍｍ2］の範囲内になるようにすることができる。基準電極用第２リード部３１４Ｙの積層方向Ｄの厚みは、１０～５０［μｍ］の範囲内になるようにすることができる。基準電極用第２リード部３１４Ｙの幅方向Ｗの幅は、１．０～２．０［ｍｍ］の範囲内になるようにすることができる。
　ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ及び基準電極用第１リード部３１４Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、０．００１５～０．０１［ｍｍ2］の範囲内になるようにすることができる。ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ及び基準電極用第１リード部３１４Ｘの積層方向Ｄの厚みは、５～１０［μｍ］の範囲内になるようにすることができる。ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ及び基準電極用第１リード部３１４Ｘの幅方向Ｗの幅は、０．３～１．０［ｍｍ］の範囲内になるようにすることができる。
　図２～図５に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１における、ガス室３５を形成する部位であって、ポンプ電極３１１及びセンサ電極３１２が設けられていない部位には、アルミナ等の絶縁性のセラミック材料による絶縁層３８が設けられている。絶縁層３８は、ポンプ電極３１１及びセンサ電極３１２の積層方向Ｄの厚みと同等の厚みに形成することができる。
（遮蔽層５）
　図２、図４及び図６に示すように、本形態の遮蔽層５は、基準ガスダクト３６内の流路を埋めずに、センサ側電極部３１４Ｂに接触してセンサ側電極部３１４Ｂの全体を埋める状態で設けられている。遮蔽層５は、センサ側電極部３１４Ｂの表面において、均一な厚みに形成されている。遮蔽層５の一部は、センサ側電極部３１４Ｂの周りを囲んで固体電解質体３１の第２表面３０２に接触している。
　遮蔽層５は、基準ガスＡを透過させない性質を有する緻密質のセラミック材料によって形成されている。また、セラミック材料は、アルミナ等の金属酸化物の粒子によって形成されている。「緻密質」とは、金属酸化物の粒子同士の間に間隙がほとんど形成されていない状態、又は金属酸化物の粒子同士の間に形成された間隙が、基準ガスＡ等の気体を通過させることができない程度に小さい状態にあることをいう。
　センサ側電極部３１４Ｂの全体が遮蔽層５によって覆われていることにより、センサ側電極部３１４Ｂから基準ガスＡとしての大気への酸素の移動は、基準電極用第２リード部３１４Ｙを介して行われると考えられる。そして、センサ側電極部３１４Ｂに接触する基準ガスＡとしての大気の酸素濃度は、基準ガスダクト３６内における基準ガスＡの酸素濃度の変化による影響をほとんど受けない。
　図７に示すように、遮蔽層５は、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂの全体と、基準電極用第２リード部３１４Ｙの一部とを連続して覆っていてもよい。遮蔽層５が基準電極用第２リード部３１４Ｙを覆う長さは、センサ側電極部３１４Ｂの長尺方向Ｌの長さよりも長くすることができる。また、遮蔽層５は、基準電極用第２リード部３１４Ｙの長尺方向Ｌの全長における、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１から２割以上の長さの範囲を覆うことができる。この場合には、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡの酸素濃度の変化による影響が、基準電極用第２リード部３１４Ｙに生じることを抑制することができる。なお、遮蔽層５は、センサ側電極部３１４Ｂの全体と基準電極用第２リード部３１４Ｙの全体とを覆っていてもよい。
　また、図８に示すように、基準電極用第２リード部３１４Ｙは、センサ側電極部３１４Ｂに繋がる長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位を除いて、固体電解質体３１と第１絶縁体３３Ａとの境界、又は第１絶縁体３３Ａの内部に埋設することもできる。この場合には、センサ側電極部３１４Ｂ、及び基準電極用第２リード部３１４Ｙにおける、センサ側電極部３１４Ｂに繋がる長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位は、遮蔽層５によって覆うことができる。
（ガス室３５）
　図２～図５に示すように、固体電解質体３１の第１表面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａの長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、ポンプ電極３１１を収容する位置に形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗層３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる検出対象ガスＧは、拡散抵抗層３２を通過してガス室３５内に導入される。
（拡散抵抗層３２）
　図２及び図５に示すように、第１絶縁体３３Ａの長尺方向Ｌの先端部には、ガス室３５内に検出対象ガスＧを所定の拡散抵抗の下に導入するための拡散抵抗層３２が設けられている。本形態の拡散抵抗層３２は、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して設けられている。拡散抵抗層３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口内に配置されている。拡散抵抗層３２は、アルミナ等の多孔質の金属酸化物によって形成されている。ガス室３５に導入される検出対象ガスＧの拡散速度（流量）は、検出対象ガスＧが拡散抵抗層３２における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。
　拡散抵抗層３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して形成されていてもよい。この場合には、拡散抵抗層３２は、第１絶縁体３３Ａにおいて、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して開口された導入口内に配置される。また、この場合には、拡散抵抗層３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側において、ポンプ電極３１１の長尺方向Ｌの形成位置よりも先端側Ｌ１の位置に形成することができる。なお、センサ素子２に拡散抵抗層３２を形成する代わりに、第１絶縁体３３Ａに、ガス室３５に連通された小さな貫通穴であるピンホールを形成することもできる。
　本形態のガスセンサ１は、ガス室３５及び拡散抵抗層３２を利用した限界電流式のセンサである。より具体的には、ガスセンサ１は、センサ電極３１２と基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂとの間に、所定の直流電圧を印加したときに、拡散抵抗層３２による検出対象ガスＧの拡散律速（流入限界）によって、電圧の変化に拘わらず電流値が一定となる限界電流特性を利用して、特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度を検出する。
（基準ガスダクト３６）
　図２、図３、図４及び図６に示すように、固体電解質体３１の第２表面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれた基準ガスダクト３６が隣接して形成されている。基準ガスダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、基準電極３１４を収容する長尺方向Ｌの部位から、センサ素子２の長尺方向Ｌにおける、大気等の基準ガスＡに晒される後端位置まで形成されている。センサ素子２の長尺方向Ｌの後端位置には、基準ガスダクト３６の基準ガス導入部としての後端開口部３６１が形成されている。基準ガスダクト３６は、後端開口部３６１から固体電解質体３１を介してガス室３５と積層方向Ｄに重なる位置まで形成されている。基準ガスダクト３６には、後端開口部３６１から基準ガスＡが導入される。
　基準ガスダクト３６における、長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、ガス室３５における、長尺方向Ｌに直交する断面の断面積よりも大きい。また、基準ガスダクト３６の積層方向Ｄの厚み（幅）は、ガス室３５の積層方向Ｄの厚み（幅）よりも大きい。基準ガスダクト３６の断面積、厚み、体積等が、ガス室３５の断面積、厚み、体積等よりも大きいことにより、ポンプ電極３１１における未燃ガスを反応させるための、基準ガスＡ中の酸素を、基準ガスダクト３６からポンプ電極３１１へ十分に供給することができる。
（発熱体３４）
　図２～図６に示すように、発熱体３４は、基準ガスダクト３６を形成する第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、固体電解質体３１と各絶縁体３３Ａ，３３Ｂとの積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部がポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４に重なる位置に配置されている。
　また、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態の発熱部３４１の直線部分は、長尺方向Ｌに平行に形成されている。発熱体リード部３４２は、直線状の導体部によって形成されている。発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部３４２は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。
　図５及び図６に示すように、本形態の発熱部３４１は、発熱体３４における長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の位置において、長尺方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部３４１は、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４に対向する位置に配置されている。換言すれば、発熱部３４１は、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４に対して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。
　発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が加熱される。
　発熱体リード部３４２からの通電によって発熱部３４１が発熱することにより、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２、基準電極３１４、及び固体電解質体３１における、各電極３１１，３１２，３１４の間に挟まれた部分が、目標とする温度に加熱される。
（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ）
　図２～図６に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、基準ガスダクト３６を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、検出対象ガスＧ又は基準ガスＡが透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。
（多孔質層３７）
　図１に示すように、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位の全周には、ポンプ電極３１１に対する被毒物質、排気管７内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層３７が設けられている。多孔質層３７は、アルミナ等の多孔質のセラミックス（金属酸化物）によって形成されている。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗層３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる検出対象ガスＧの流量は、拡散抵抗層３２を透過することができる検出対象ガスＧの流量よりも多い。
（ガスセンサ１の他の構成）
　図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子２の他に、センサ素子２を保持する第１インシュレータ４２、第１インシュレータ４２を保持するハウジング４１、第１インシュレータ４２に連結された第２インシュレータ４３、第２インシュレータ４３に保持されてセンサ素子２に接触する接点端子４４を備える。また、ガスセンサ１は、ハウジング４１の先端側Ｌ１の部分に装着されてセンサ素子２の先端側Ｌ１の部分を覆う素子カバー４５Ａ，４５Ｂ、ハウジング４１の後端側Ｌ２の部分に装着されて第２インシュレータ４３、接点端子４４等を覆う基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂ、接点端子４４に繋がるリード線４８を基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂに保持するためのブッシュ４７等を備える。
　センサ素子２の先端側Ｌ１の部分及び素子カバー４５Ａ，４５Ｂは、内燃機関の排気管７内に配置される。素子カバー４５Ａ，４５Ｂには、検出対象ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔４５１が形成されている。素子カバー４５Ａ，４５Ｂは、インナーカバー４５Ａと、インナーカバー４５Ａを覆うアウターカバー４５Ｂとの二重構造を有する。素子カバー４５Ａ，４５Ｂは、一重構造のものとしてもよい。素子カバー４５Ａ，４５Ｂのガス通過孔４５１から素子カバー４５Ａ，４５Ｂ内に流入する検出対象ガスＧは、センサ素子２の多孔質層３７及び拡散抵抗層３２を通過してガス室３５内へと導かれる。
　図１に示すように、基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂは、内燃機関の排気管７の外部に配置される。本形態の基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂは、ハウジング４１に取り付けられた第１カバー４６Ａと、第１カバー４６Ａを覆う第２カバー４６Ｂとによって構成されている。第２カバー４６Ｂには、基準ガスＡを通過させるための大気通過孔４６１が形成されている。第２カバー４６Ｂの内側における、大気通過孔４６１と対向する位置には、第１カバー４６Ａ内への水の浸入を防ぐための撥水フィルタ４６２が配置されている。
　センサ素子２における、基準ガスダクト３６の後端開口部３６１は、基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂ内の空間に開放されている。基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂの大気通過孔４６１の周辺に存在する基準ガスＡは、撥水フィルタ４６２を経由して基準ガスカバー４６Ａ，４６Ｂ内に取り込まれる。そして、撥水フィルタ４６２を通過した基準ガスＡは、センサ素子２の基準ガスダクト３６の後端開口部３６１から基準ガスダクト３６内に流れ、基準ガスダクト３６内の基準電極３１４へと導かれる。
　接点端子４４は、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２、基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａ及びセンサ側電極部３１４Ｂの各電極用リード部３１１Ｘ，３１２Ｘ，３１４Ｘ，３１４Ｙ、発熱体３４の発熱体リード部３４２のそれぞれに接続されるよう、第２インシュレータ４３に複数配置されている。また、リード線４８は、接点端子４４のそれぞれに接続されている。
（センサコントロールユニット６）
　図１及び図２に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサコントロールユニット（ＳＣＵ）６に電気接続される。センサコントロールユニット６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。
　センサコントロールユニット６には、ポンプ電圧印加回路６１、センサ電圧印加回路６２、センサ電流検出回路６４、通電回路等が形成されている。ポンプ電圧印加回路６１は、ポンプ電極３１１と基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａとの間に直流電圧を印加するものである。センサ電圧印加回路６２は、センサ電極３１２と基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂとの間に直流電圧を印加するものである。センサ電流検出回路６４は、センサ電極３１２と基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂとの間に流れる電流を測定するものである。通電回路は、発熱体３４に通電を行うためのものである。なお、センサコントロールユニット６は、エンジンコントロールユニット内に構築してもよい。
　ポンプ電圧印加回路６１によって、ポンプ電極３１１と基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａとの間に、ポンプ側電極部３１４Ａがプラス側になるようにして直流電圧を印加するときには、検出対象ガスＧに含まれる酸素がポンプ電極３１１からポンプ側電極部３１４Ａへ固体電解質体３１を介して排出される。そして、ガス室３５内における検出対象ガスＧの酸素濃度が所定濃度以下に維持される。
　また、センサ電圧印加回路６２によって、センサ電極３１２と基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂとの間に、センサ側電極部３１４Ｂがプラス側になるようにして直流電圧を印加するときには、拡散抵抗層３２による拡散律速が生じて、電流が制限される。そして、この状態で、特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度が変化したときには、センサ電極３１２においてＮＯｘが分解される量に応じた電流がセンサ電極３１２とセンサ側電極部３１４Ｂとの間に流れる。このセンサ電極３１２とセンサ側電極部３１４Ｂとの間に流れる電流は、センサ電流検出回路６４によって検出される。
（センサ素子２の製造方法）
　センサ素子２を製造する際には、固体電解質体３１を構成するシートに、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４を構成するペースト材料を印刷（塗布）し、第２絶縁体３３Ｂを構成するシートには、発熱体３４を構成するペースト材料を印刷（塗布）する。また、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂを構成するペースト材料の表面には、遮蔽層５を構成するペースト材料を印刷（塗布）する。そして、固体電解質体３１を構成するシート、第１絶縁体３３Ａを構成するシート、第２絶縁体３３Ｂを構成するシート等を、互いに積層するとともに接着層を介して接着する。その後、各シート、各ペースト材料によって形成されたセンサ素子２の中間体を、所定の焼成温度において焼成して、センサ素子２を形成する。
（ガスセンサ１の検出動作と作用効果）
　ガスセンサ１を使用する際に、内燃機関の運転状態が燃料リッチ状態又は燃料リーン状態に変化するとき、ガスセンサ１のセンサ電流検出回路６４によって、検出対象ガスＧにおけるＮＯｘの濃度が検出される。特に、燃料リーン状態において、検出対象ガスＧにおけるＮＯｘの濃度が増加する。また、燃料リッチ状態及び燃料リーン状態においては、内燃機関に取り込まれる空気（大気）中の酸素が燃焼に用いられ、検出対象ガスＧとしての排ガスにおける酸素濃度は、それほど高くない。
　一方、内燃機関における運転状態が、燃料の噴射を停止する燃料カット状態になったときには、内燃機関に取り込まれる空気中の酸素が燃焼に用いられず、内燃機関から排気される検出対象ガスＧとしての排ガスにおける酸素濃度が、空気中の酸素濃度と同等程度になるまで急激に増加する。そして、ガスセンサ１においては、ポンプ電極３１１と基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａとの間に印加される直流電圧によって、ポンプ電極３１１から固体電解質体３１を介してポンプ側電極部３１４Ａへ大量の酸素が汲み出される。このとき、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡの酸素濃度が一時的に増加する。
　本形態のガスセンサ１においては、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂは、遮蔽層５によって覆われており、遮蔽層５によって基準ガスダクト３６内の基準ガスＡとしての大気と遮断されている。そのため、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡの酸素濃度が一時的に増加したとしても、遮蔽層５によって覆われたセンサ側電極部３１４Ｂに接触する基準ガスＡの酸素濃度はほとんど変化しない。
　これにより、センサ電流検出回路６４によって、センサ電極３１２とセンサ側電極部３１４Ｂとの間に流れる電流が検出されるときに、この電流が、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡの酸素濃度の一次的な増加による影響をほとんど受けない。その結果、センサ電極３１２とセンサ側電極部３１４Ｂとの間に流れる電流に応じて検出される特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度の検出精度を高く維持することができる。
　それ故、本形態のガスセンサ１によれば、基準ガスＡの酸素濃度が急激に増加した場合であっても、特定ガス成分の濃度の検出に誤差がほとんど生じないようにすることができる。
　また、遮蔽層５は、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂに、基準電極３１４を被毒するおそれがある被毒物質が付着することを防止する被毒防止層として機能することもできる。被毒物質には、内燃機関（エンジン）が配置されたエンジンルームにおいて発生し、エンジンルームからガスセンサ１の基準ガスカバーへ流れる大気に含まれるＳｉ（ケイ素）等がある。
（他の遮蔽層５）
　遮蔽層５は、基準ガスＡを透過させる性質を有する多孔質のセラミック材料によって形成することもできる。「多孔質」とは、セラミック材料を構成する金属酸化物の粒子同士の間に、基準ガスＡ等の気体を通過させることができる程度の間隙が形成されている状態にあることをいう。
　この場合には、遮蔽層５によって覆われた、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂに、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡが到達するようにすることができる。一方、基準ガスダクト３６内の基準ガスＡの酸素濃度が一時的に増加したときには、遮蔽層５の存在によって、酸素濃度が一時的に増加した基準ガスＡがセンサ側電極部３１４Ｂに接触しにくくすることができる。これにより、センサ側電極部３１４Ｂへの基準ガスＡの到達のしやすさを維持しつつ、特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度の検出に誤差が生じにくくすることができる。
＜実施形態２＞
　図９及び図１０に示すように、本形態のガスセンサ１のセンサ素子２における基準電極３１４は、ポンプ電極３１１に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なるポンプ側部位３１４Ｃと、センサ電極３１２に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なるセンサ側部位３１４Ｄとが、一体となって形成されている。換言すれば、本形態の基準電極３１４は、ポンプ電極３１１及びセンサ電極３１２に対して固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に連続して形成されている。基準電極３１４における、ポンプ側部位３１４Ｃとセンサ側部位３１４Ｄとの間には、ポンプ電極３１１とセンサ電極３１２との間の隙間に対して、固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる繋ぎ部位３１４Ｅが位置する。
　基準電極３１４に繋がる基準電極用リード部３１４Ｚは、基準電極３１４の長尺方向Ｌの後端位置から固体電解質体３１の長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。基準電極用リード部３１４Ｚに基準ガスＡ中の酸素が取り込まれやすくするために、基準電極用リード部３１４Ｚの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、ポンプ電極用リード部３１１Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積、及びセンサ電極用リード部３１２Ｘの長尺方向Ｌに直交する断面の断面積に比べて大きくすることができる。長尺方向Ｌに直交する断面の断面積は、積層方向Ｄの厚み及び幅方向Ｗの幅の少なくとも一方を変化させることによって変化させることができる。
　本形態の遮蔽層５は、基準ガスダクト３６内の流路を埋めずに、基準電極３１４のセンサ側部位３１４Ｄに接触して、センサ側部位３１４Ｄを埋める状態で設けられている。換言すれば、遮蔽層５は、ポンプ側部位３１４Ｃの表面には設けられておらず、センサ側部位３１４Ｄの表面にのみ設けられている。遮蔽層５は、繋ぎ部位３１４Ｅに設けられていてもよく、繋ぎ部位３１４Ｅには設けられていなくてもよい。
　また、遮蔽層５は、固体電解質体３１の第２表面３０２における、センサ側部位３１４Ｄの幅方向Ｗの両側位置及び長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の位置に接触して設けられている。遮蔽層５は、緻密質又は多孔質のいずれのセラミック材料によって形成してもよい。図１１に示すように、遮蔽層５は、センサ側電極部３１４Ｂの全体と、基準電極用リード部３１４Ｚの一部とを連続して覆っていてもよい。
　本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態のガスセンサ１においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
＜実施形態３＞
　図１２～図１４に示すように、本形態のガスセンサ１のセンサ素子２における遮蔽層５は、固体電解質体３１の第２表面３０２を利用して基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂを囲うとともに、基準ガスダクト３６の流路とは別の流路を、基準ガスダクト３６内に形成する内部ダクト５１として設けられている。内部ダクト５１は、センサ側電極部３１４Ｂに非接触の状態でセンサ側電極部３１４Ｂを覆う。内部ダクト５１は、基準ガスダクト３６内の流路を、内部ダクト５１の内側の内側流路５２Ａと、内部ダクト５１の外側の外側流路５２Ｂとに分けるように形成されている。
　内部ダクト５１は、固体電解質体３１の第２表面３０２を利用して筒形状に形成されている。内側流路５２Ａ及び外側流路５２Ｂは、基準ガスダクト３６の長尺方向Ｌの後端部から、センサ側電極部３１４Ｂの形成位置まで形成されている。また、内部ダクト５１の長尺方向Ｌの先端部は、ポンプ側電極部３１４Ａとセンサ側電極部３１４Ｂとの間において閉じられている。基準ガスダクト３６の後端開口部３６１において、基準ガスＡは、内部ダクト５１の内側流路５２Ａと、内部ダクト５１の外側流路５２Ｂとに分かれて流入する。
　内部ダクト５１は、基準ガスＡを透過させない性質を有する緻密質のセラミック材料によって形成されている。内部ダクト５１は、種々の方法によって形成することができる。内部ダクト５１は、例えば、次のように形成することができる。基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂ及び固体電解質体３１の第２表面３０２に、焼成時に焼失する樹脂の焼失剤のペーストを塗布し、この焼失剤のペーストの表面側に、セラミック材料のペーストを塗布する。そして、センサ素子２を焼成するときに、焼失剤のペーストが焼失して、このペーストの焼失部分に内側流路５２Ａとなる空洞が形成され、セラミック材料のペーストによって内部ダクト５１が形成される。
　また、図１５に示すように、内部ダクト５１内には、基準ガスＡを透過させる性質を有する多孔質のセラミック材料を充填することができる。換言すれば、内部ダクト５１内には、多孔質のセラミック材料によるガス透過層５３を形成することができる。内部ダクト５１内に多孔質のセラミック材料を充填すること（ガス透過層５３を形成すること）によって、センサ素子２を焼成するときに、内部ダクト５１内の空間が潰れにくくすることができる。
　緻密質のセラミック材料及び多孔質のセラミック材料は、いずれもアルミナ等の金属酸化物の粒子によって形成されている。緻密質のセラミック材料は、金属酸化物の粒子同士の間の間隙がほとんどないことによって、基準ガスＡを透過させない性質を有する。多孔質のセラミック材料は、金属酸化物の粒子同士の間の間隙が、緻密質のセラミック材料の場合と比べて大きいことによって、基準ガスＡを透過させる性質を有する。
　図１２～図１４に示すように、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂの長尺方向Ｌの後端位置に繋がる基準電極用第２リード部３１４Ｙは、内部ダクト５１の内側に形成された内側流路５２Ａ内に配置されている。基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａの長尺方向Ｌの後端位置に繋がる基準電極用第１リード部３１４Ｘは、内部ダクト５１の外部である外側流路５２Ｂに配置されている。
　本形態においては、内部ダクト５１によって、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂに接触する基準ガスＡを、基準電極３１４のポンプ側電極部３１４Ａに接触する基準ガスＡと分けることができる。これにより、内燃機関の燃料カット状態を受けて、ポンプ側電極部３１４Ａが配置された外側流路５２Ｂ内の基準ガスＡの酸素濃度が一時的に増加したときであっても、センサ側電極部３１４Ｂが配置された内側流路５２Ａ内の基準ガスＡの酸素濃度は変化しないようにすることができる。
　また、内部ダクト５１を用いることによって、ポンプ側電極部３１４Ａの電位の変化の影響を受けない基準ガスＡが、内側流路５２Ａからセンサ側電極部３１４Ｂに十分に供給される状態を形成することができる。そして、センサ側電極部３１４Ｂへの基準ガスＡの到達のしやすさを維持して、特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度の検出に誤差が生じにくくすることができる。
　また、図１６に示すように、本形態の基準電極３１４は、実施形態２の場合と同様に、ポンプ側部位３１４Ｃとセンサ側部位３１４Ｄとが一体となったものとすることもできる。この場合には、内部ダクト５１は、基準電極３１４のセンサ側部位３１４Ｄを囲んで、基準ガスダクト３６内の流路を、内部ダクト５１の内側流路５２Ａと、内部ダクト５１の外部の外側流路５２Ｂとに分けるように形成することができる。
　本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の場合と同様である。また、本形態のガスセンサ１においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１，２の場合と同様である。
＜実施形態４＞
　図１７及び図１８に示すように、本形態のガスセンサ１のセンサ素子２は、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及び基準電極３１４の他に、ポンプ電極３１１によって酸素の濃度が調整された後の検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を検出するためのモニタ電極３１３を有する。モニタ電極３１３は、固体電解質体３１の第１表面３０１における、ポンプ電極３１１の長尺方向Ｌの後端側Ｌ２に隣接する位置であって、センサ電極３１２の幅方向Ｗに隣接する位置に設けられている。
　ポンプ電極３１１、センサ電極３１２、モニタ電極３１３、基準電極３１４及びガス室３５は、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けられている。本形態の基準電極３１４は、ポンプ電極３１１と固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置、及びセンサ電極３１２及びモニタ電極３１３と固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に設けられている。より具体的には、基準電極３１４は、ポンプ電極３１１に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に設けられたポンプ側電極部３１４Ａと、センサ電極３１２及びモニタ電極３１３に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に設けられたセンサ・モニタ側電極部３１４Ｆとに、分離して形成されている。センサ・モニタ側電極部３１４Ｆには、センサ電極３１２とモニタ電極３１３との間の隙間に対して積層方向Ｄに重なる繋ぎ部位３１４Ｇが形成されている。
　モニタ電極３１３の長尺方向Ｌの後端位置には、固体電解質体３１の第１表面３０１に設けられたモニタ電極用リード部３１３Ｘが繋がっている。モニタ電極用リード部３１３Ｘは、モニタ電極３１３の長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の第１表面３０１における長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。
　基準電極３１４のセンサ・モニタ側電極部３１４Ｆの長尺方向Ｌの後端位置には、固体電解質体３１の第２表面３０２に設けられた基準電極用第２リード部３１４Ｙが繋がっている。基準電極用第２リード部３１４Ｙは、センサ・モニタ側電極部３１４Ｆの長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１の第２表面３０２における長尺方向Ｌの後端部まで形成されている。ポンプ電極用リード部３１１Ｘ、センサ電極用リード部３１２Ｘ及び基準電極用第１リード部３１４Ｘは、実施形態１と同様に形成されている。
　図１７に示すように、本形態のセンサコントロールユニット６においては、モニタ電極３１３とセンサ・モニタ側電極部３１４Ｆとの間に、センサ・モニタ側電極部３１４Ｆをプラス側として直流電圧を印加するモニタ電圧印加回路６３と、モニタ電極３１３とセンサ・モニタ側電極部３１４Ｆとの間に流れる電流を測定するモニタ電流検出回路６５とが形成されている。また、センサコントロールユニット６は、センサ電極３１２のセンサ電流検出回路６４による電流値からモニタ電極３１３のモニタ電流検出回路６５による電流値を差し引いて、ポンプ電極３１１によるガス室３５内の酸素の汲み出し後に、ガス室３５内に残留する酸素が特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度の検出に与える影響を緩和することができる。センサ電圧印加回路６２及びセンサ電流検出回路６４の構成は、実施形態１の場合と同様である。
　本形態の遮蔽層５は、センサ・モニタ側電極部３１４Ｆの全体を覆う状態で形成されている。遮蔽層５は、センサ・モニタ側電極部３１４Ｆの全体と基準電極用第２リード部３１４Ｙの長尺方向Ｌの少なくとも一部とを連続して覆っていてもよい。
　基準電極３１４は、固体電解質体３１の第２表面３０２における、ポンプ電極３１１に対して積層方向Ｄに重なる位置と、センサ電極３１２に対して積層方向Ｄに重なる位置と、モニタ電極３１３に対して積層方向Ｄに重なる位置とのそれぞれの位置に分離して配置されていてもよい。
　基準電極３１４は、ポンプ電極３１１、センサ電極３１２及びモニタ電極３１３に対して固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる位置に、一体的に設けられていてもよい。この場合には、遮蔽層５は、基準電極３１４における、センサ電極３１２及びモニタ電極３１３に固体電解質体３１を介して積層方向Ｄに重なる部位を覆うように設けることができる。
　遮蔽層５は、実施形態１に示した、緻密質のセラミック材料によって形成することができ、多孔質のセラミック材料によって形成することもできる。また、図１９及び図２０に示すように、遮蔽層５は、実施形態３に示した内部ダクト５１によって形成することもできる。この場合には、基準電極３１４のセンサ・モニタ側電極部３１４Ｆ、又は基準電極３１４における、センサ電極３１２及びモニタ電極３１３に対向する部位が内部ダクト５１の内側流路５２Ａ内に配置される。
　本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１～３の場合と同様である。また、本形態のガスセンサ１においても、実施形態１～３に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１～３の場合と同様である。
＜確認試験＞
　本確認試験においては、内燃機関の排気管７を模擬した評価用配管に、ガスセンサ１のサンプル（試験品１～４）を配置し、評価用配管に流す検出対象ガスＧの酸素濃度を変化させたときの、検出対象ガスＧにおける特定ガス成分としてのＮＯｘのセンサ出力の変化を確認した。評価用配管の外周には、検出対象ガスＧを加熱するためのヒータを配置し、ヒータによって検出対象ガスＧを２５［℃］になるように加熱した。
　評価用配管内を流れる検出対象ガスＧの流量は、３［ｍ／ｓ］とした。検出対象ガスＧは、酸素濃度：０［体積％］の状態から、酸素濃度：２０［体積％］の状態に変化させた。酸素濃度：０［体積％］の状態は、内燃機関の運転状態がストイキ状態にあるときを模擬した、窒素（Ｎ2）のみが流れる状態とした。酸素濃度：２０［体積％］の状態は、内燃機関の運転状態が燃料カット状態にあるときを模擬した、窒素（Ｎ2）及び酸素（Ｏ2）が流れる状態とした。
　ガスセンサ１のサンプルには、遮蔽層５の形成の仕方が異なる試験品１～４と、遮蔽層５が形成されていない比較品とを用いた。試験品１は、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂが遮蔽層５によって覆われた、実施形態１のガスセンサ１である。試験品２は、基準電極３１４のセンサ側電極部３１４Ｂが、遮蔽層５としての内部ダクト５１内に配置された、実施形態３のガスセンサ１である。試験品３は、内部ダクト５１内に多孔質のセラミック材料が充填された、実施形態３のガスセンサ１である。試験品４は、基準電極３１４のセンサ側部位３１４Ｄが遮蔽層５によって覆われた、実施形態２のガスセンサ１である。
　そして、試験品１～４及び比較品の各サンプルのセンサ素子２に接触させる検出対象ガスＧの酸素濃度を０［体積％］から２０［体積％］に変化させた後に、センサ出力として、センサ電極３１２と基準電極３１４との間に流れる電流がどれだけ変化したかを確認した。センサ出力の評価においては、センサ出力の低下量が±１０［％］以内である場合を、特に優れるとして「◎」によって示す。また、センサ出力の低下量が±３０［％］以内である場合を、良好として「○」によって示す。また、センサ出力の低下量が±３０［％］を超えて大きかった場合を、優れないとして「×」によって示す。
　本確認試験の評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　同表において、試験品１，２のセンサ出力の判定は「◎」となり、実施形態１及び実施形態３のガスセンサ１によれば、センサ出力の誤差を最小限にし、高い検出精度が得られることが分かった。試験品３，４のセンサ出力の判定は「○」となり、実施形態２及び実施形態３の他の例のガスセンサ１によれば、センサ出力の誤差を小さく抑えられることが分かった。一方、比較品のセンサ出力の判定は「×」となり、センサ素子２に遮蔽層５が形成されていない場合には、センサ出力の誤差が大きくなり、出力精度が一時的に低下することが分かった。
　以上の確認試験の結果より、実施形態１～４に示したガスセンサ１によれば、特定ガス成分の濃度の検出精度を高く維持できることが確認できた。
　本開示は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。

Claims (11)

  1. 　検出対象ガス（Ｇ）における特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）であって、
    　前記センサ素子は、
    　イオン伝導性を有する固体電解質体（３１）と、
    　前記固体電解質体の第１表面（３０１）に積層された第１絶縁体（３３Ａ）と、
    　前記固体電解質体の前記第１表面と、前記第１絶縁体に形成された凹部とによって囲まれて形成された、前記検出対象ガスが導入されるガス室（３５）と、
    　前記固体電解質体の第２表面（３０２）に積層された第２絶縁体（３３Ｂ）と、
    　前記固体電解質体の前記第２表面と、前記第２絶縁体に形成された溝部とによって囲まれて形成された、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガスダクト（３６）と、
    　前記固体電解質体の前記第１表面に設けられるとともに前記ガス室内に収容された、前記検出対象ガスにおける酸素の濃度を調整するためのポンプ電極（３１１）と、
    　前記固体電解質体の前記第１表面に設けられるとともに前記ガス室内に収容された、前記ポンプ電極によって酸素の濃度が調整された後の前記検出対象ガスにおける前記特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサ電極（３１２）と、
    　前記固体電解質体の前記第２表面において、前記ポンプ電極及び前記センサ電極と前記固体電解質体を介して重なる位置に設けられた１つ又は複数の基準電極（３１４）と、
    　前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｂ，３１４Ｄ，３１４Ｆ）を接触又は非接触の状態で覆うように設けられた、絶縁性の遮蔽層（５）と、を有するガスセンサ（１）。
  2. 　前記基準電極は、前記ポンプ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位であるポンプ側電極部（３１４Ａ）と、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位であるセンサ側電極部（３１４Ｂ）とに、分離して形成されており、
    　前記遮蔽層は、前記固体電解質体の前記第２表面を利用して前記センサ側電極部を囲うとともに、前記基準ガスダクトの流路とは別の流路を、前記基準ガスダクト内に形成する内部ダクト（５１）として設けられている、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　前記基準電極は、前記ポンプ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｃ）と、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｄ）とが、一体となって形成されており、
    　前記遮蔽層は、前記固体電解質体の前記第２表面を利用して、前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位を囲うとともに、前記基準ガスダクトの流路とは別の流路を、前記基準ガスダクト内に形成する内部ダクト（５１）として設けられている、請求項１に記載のガスセンサ。
  4. 　前記基準電極は、前記ポンプ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位であるポンプ側電極部（３１４Ａ）と、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位であるセンサ側電極部（３１４Ｂ）とに、分離して形成されており、
    　前記遮蔽層は、前記基準ガスダクト内の流路を埋めずに、前記センサ側電極部に接触して前記センサ側電極部を埋める状態で設けられている、請求項１に記載のガスセンサ。
  5. 　前記基準電極は、前記ポンプ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｃ）と、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｄ）とが、一体となって形成されており、
    　前記遮蔽層は、前記基準ガスダクト内の流路を埋めずに、前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位に接触して、前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位を埋める状態で設けられている、請求項１に記載のガスセンサ。
  6. 　前記遮蔽層は、基準ガスを透過させない性質を有する緻密質のセラミック材料によって形成されている、請求項２～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  7. 　前記内部ダクトは、基準ガスを透過させない性質を有する緻密質のセラミック材料によって形成されており、
    　前記内部ダクト内には、基準ガスを透過させる性質を有する多孔質のセラミック材料が充填されている、請求項２又は３に記載のガスセンサ。
  8. 　前記遮蔽層は、基準ガスを透過させる性質を有する多孔質のセラミック材料によって形成されている、請求項４又は５に記載のガスセンサ。
  9. 　前記基準電極には、前記固体電解質体の前記第２表面に設けられた、外部接続用の基準電極用リード部（３１４Ｙ，３１４Ｚ）が繋がっており、
    　前記遮蔽層は、前記基準電極における、前記センサ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位と、前記基準電極用リード部の少なくとも一部とを連続して覆っている、請求項１～８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  10. 　前記センサ素子は、長尺の直方体形状に形成されており、
    　前記ポンプ電極には、前記固体電解質体の前記第１表面に設けられた、外部接続用のポンプ電極用リード部（３１１Ｘ）が繋がっており、
    　前記センサ電極には、前記固体電解質体の前記第１表面に設けられた、外部接続用のセンサ電極用リード部（３１２Ｘ）が繋がっており、
    　前記基準電極には、前記固体電解質体の前記第２表面に設けられた、外部接続用の基準電極用リード部（３１４Ｙ，３１４Ｚ）が繋がっており、
    　前記ポンプ電極用リード部、前記センサ電極用リード部及び前記基準電極用リード部は、前記センサ素子の長尺方向（Ｌ）の後端部まで形成されており、
    　前記基準電極用リード部の前記長尺方向に直交する断面の断面積は、前記ポンプ電極用リード部の前記長尺方向に直交する断面の断面積、及び前記センサ電極用リード部の前記長尺方向に直交する断面の断面積に比べて大きい、請求項９に記載のガスセンサ。
  11. 　前記センサ素子は、長尺の直方体形状に形成されており、
    　前記ポンプ電極、前記センサ電極、前記基準電極及び前記ガス室は、前記センサ素子の長尺方向の先端側部位に形成されており、
    　前記第１絶縁体の前記長尺方向の先端部には、前記ガス室内に前記検出対象ガスを所定の拡散抵抗の下に導入するための拡散抵抗層（３２）が設けられており、
    　前記固体電解質体の第１表面における、前記センサ電極に隣接する位置には、前記ポンプ電極によって酸素の濃度が調整された後の前記検出対象ガスにおける酸素の濃度を検出するためのモニタ電極（３１３）が設けられており、
    　前記基準電極は、前記ポンプ電極、前記センサ電極及び前記モニタ電極と前記固体電解質体を介して重なる位置に設けられており、
    　前記遮蔽層は、前記基準電極における、前記センサ電極及び前記モニタ電極に前記固体電解質体を介して重なる部位（３１４Ｆ）を覆うように設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
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