JP2010271283A

JP2010271283A - ＮＯｘセンサ

Info

Publication number: JP2010271283A
Application number: JP2009125620A
Authority: JP
Inventors: Masao Nakagawa; 将生中川; Tomohiro Wakazono; 知宏若園; Seiji Oya; 誠二大矢
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】２つのヒータを設けることで第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの温度を別個に制御してＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させると共に、導電材料の使用量を低減したＮＯ_ｘセンサを提供する。
【解決手段】第１測定室１６と、第１ポンピングセル１１と、第２測定室１８と、特定ガス成分を検出する第２ポンピングセル１３と、第１発熱部５１ａ並びに第１正極電圧供給リード５１ｂ及び第１負極電圧供給リード５１ｃを備えた第１ヒータ５１と、第２発熱部５２ａ並びに第２正極電圧供給リード５２ｂ及び第２負極電圧供給リード５２ｃを備えた第２ヒータ５２とを有し、第１ポンピングセルと第２ポンピングセルは長手方向と垂直な方向に重ならず、第１正極電圧供給リード及び第２正極電圧供給リードの少なくとも一部、又は第１負極電圧供給リード及び第２負極電圧供給リードの少なくとも一部６１が共通になっているＮＯ_ｘセンサ２００である。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスに含まれるＮＯ_ｘの濃度を検出するＮＯ_ｘセンサに関する。

自動車等の内燃機関の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量の低減が要求されており、ＮＯ_ｘ濃度を直接測定できるＮＯ_ｘセンサが開発されている。
ＮＯ_ｘセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えたセンサ素子を有し、被測定ガス空間に連通する第１測定室内の酸素濃度を測定し、第１測定室内が所定の酸素濃度になるように第１測定室内の酸素を第１ポンピングセルによって制御（汲み入れ、汲み出し）する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第１測定室から第２測定室へ流入し、第２ポンピングセルに一定電圧を印加することによって被測定ガスに含まれるＮＯ_ｘをＮ_２とＯ_２に分解する。この際、第２ポンピングセルの一対の電極間に流れる第２ポンプ電流を測定することにより、被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度が検出される。

通常、このようなＮＯ_ｘセンサには１つのヒータが設けられ、センサ素子の温度が制御されている。ところで、第１ポンピングセル及び前記第２ポンピングセルは、センサ素子の長手方向に重ならないように配置される一方、ヒータはセンサ素子の長手方向に沿って配置される。このため、センサ素子の長手方向には、第１ポンピングセルから第２ポンピングセルに向かって低温となる温度勾配が生じる。通常、ＮＯ_ｘセンサにおいては、この温度勾配によるオフセット量を予め想定して第２ポンピングセルの温度を推定し、ＮＯ_ｘ濃度の検出を行っているが、ＮＯ_ｘセンサの周囲の環境（排気ガス温度やガス流量等）によって温度勾配が変化すると、第２ポンピングセルの温度が変化してＮＯ_ｘ濃度の検出誤差が生じるおそれがある。

このようなことから、第１ポンピングセルと第２ポンピングセルを、２つのヒータで別個に制御する技術が開発されている（特許文献１参照）。

特開２０００−２０６０８５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術の場合、２つのヒータにそれぞれ電圧を供給するため、導電経路（リード部や電極パッド）が余分に必要となり、その分だけＰｔ等の高価な導電材料を消費してコストアップにつながるという問題があった。

すなわち、本発明は、２つのヒータを設けることで第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの温度を別個に制御してＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させると共に、導電材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができるＮＯ_ｘセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のＮＯ_ｘセンサは、間隔を開けて積層される２層の固体電解質体の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極と該内側第１ポンプ電極の対極となる第１対極電極とを備え、前記第１測定室内の酸素分圧を制御するための第１ポンピングセルと、前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、前記第２測定室内に設けられた内側第２ポンプ電極と該内側第２ポンプ電極の対極となる第２対極電極とを備え、前記第２測定室内の被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度を検出する第２ポンピングセルと、前記固体電解質体の積層方向に配置され、第１発熱部並びにこれにそれぞれ接続される第１正極電圧供給リード及び第１負極電圧供給リードを備えて前記第１ポンピングセルを加熱する第１ヒータと、前記固体電解質体の積層方向に配置され、第２発熱部並びにこれにそれぞれ接続される第２正極電圧供給リード及び第２負極電圧供給リードを備えて前記第２ポンピングセルを加熱する第２ヒータと、を有し、前記固体電解質体の積層方向を長手方向とするＮＯ_ｘセンサであって、前記第１ポンピングセルの形成領域及び前記第２ポンピングセルの形成領域は前記長手方向と垂直な方向に重ならず、前記第１発熱部及び前記第２発熱部は前記長手方向と垂直な方向に重ならず、かつ前記第１発熱部と前記第１ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重なりを有し、前記第２発熱部と前記第２ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重なりを有しつつ、前記第１正極電圧供給リード及び前記第２正極電圧供給リードの少なくとも一部、又は前記第１負極電圧供給リード及び前記第２負極電圧供給リードの少なくとも一部が共通になっている。

このように、第１正極電圧供給リード及び第２正極電圧供給リード、又は第１負極電圧供給リード及び第２負極電圧供給リードの一部が共通になっていると、線幅の広いリードや、リード基端の電極パッドを共通部分で兼用することができ、その分だけ導電材料（特に貴金属）の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。
又、第１ポンピングセルの形成領域及び第２ポンピングセルの形成領域が長手方向に垂直な方向に重ならないので、両セルを長手方向に分離させ、それぞれ第１ヒータ及び第２ヒータによって両セルの温度を別個に制御することができ、ＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
さらに、長手方向と垂直な方向において、第１発熱部と第１ポンピングセルの形成領域とが重なりを有し、第２発熱部と第２ポンピングセルの形成領域とが重なりを有することで、第１発熱部及び第２発熱部の発熱がそれぞれ第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルに効率良く伝わって各セルを精度よく温度制御できる。

前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記第１測定室に対して前記第１対極電極と前記長手方向と垂直な方向の反対側に位置してもよい。
このようにすると、大気と接する必要のある第１対極電極側に第１ヒータと第２ヒータを設けるよりも製造が容易となる。また、前記第１測定室に対して第２ポンピングセルが第１対極電圧と反対側にある場合、第１ヒータと第２ヒータは第１ポンピングセルよりも第２ポンピングセルに近くなり、ＮＯｘ濃度の検出を行う第２ポンピングセルをより精度良く加熱する事ができ、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。

前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記長手方向の同一層上に位置してもよい。
このようにすると、各ヒータを１つの層上で印刷法等によって一度に製造できるので生産性が向上する。又、各ヒータが長手方向と垂直な方向に離間していないので、各ヒータのリードの一部を共通にするためのスルーホールが不要となり、スルーホール導体に必要な導電材料を削減できる。

前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記長手方向の別の層上に位置し、かつ前記長手方向と垂直な方向において、前記第２ヒータは前記第１ヒータより前記第２測定室から遠い位置にあってもよい。
このようにすると、長手方向と垂直な方向において、第２ヒータを第１ヒータより第２測定室から遠ざけることで、第２ヒータのリーク電流が第２ポンピングセルへ影響を及ぼすことを抑制することができる。

前記第１発熱部と、前記第２ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重ならないようにしてもよい。
このようにすると、第１発熱部が第２ポンピングセルから遠くなるので、第１ヒータのリーク電流による第２ポンピングセルへの影響が少なく、また、各ヒータの温度制御が干渉しにくくなり、ＮＯ_ｘの測定精度が向上する。

この発明によれば、２つのヒータを設けることで第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの温度を別個に制御してＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させると共に、導電材料の使用量を低減したＮＯ_ｘセンサが得られる。

本発明の第１の実施形態に係るＮＯ_ｘセンサの長手方向に沿う断面図である。ＮＯ_ｘセンサ素子及びヒータの長手方向に沿う断面図である。本発明の第２の実施形態に係るＮＯ_ｘセンサが有するＮＯ_ｘセンサ素子及びヒータの長手方向に沿う断面図である。第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの形成領域と、第１発熱部及び第２発熱部との長手方向の位置関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＮＯ_ｘセンサ２００の長手方向に沿う断面図を示す。ＮＯ_ｘセンサ２００は、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、軸線方向（ＮＯ_ｘセンサ２００の長手方向：図中上下方向）に延びる板状形状をなすＮＯ_ｘセンサ素子１０と、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がＮＯ_ｘセンサ素子の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、ＮＯ_ｘセンサ素子１０と絶縁コンタクト部１６６との間に配置される６個の接続端子１１０（図１では、２個図示）とを備えている。

主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０を先端側が貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極端子部２２０、２２１を貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、及び上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側（図１における下方）から後端側（図１における上方）にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
又、この実施形態では、ＮＯ_ｘセンサ２００の筐体側をなすセラミックホルダ１５１等によってＮＯ_ｘセンサ素子１０が固定され、セラミックホルダ１５１の先端側からＮＯ_ｘセンサ素子１０が突出している。従って、ＮＯ_ｘセンサ素子１０のうち、セラミックホルダ１５１の先端面と同じ位置の部分を固定端１０ｂとする。

一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外部プロテクタ１４２及び内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の電極端子部２２０、２２１とそれぞれ電気的に接続される６本のリード線１４６（図１では５本のみ）が挿通される、リード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０が配置されている。

また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたＮＯ_ｘセンサ素子１０の後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の後端側の表面に形成される電極端子部２２０、２２１の周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。

次に、ＮＯ_ｘセンサ素子１０及びヒータ（第１ヒータ５１、第２ヒータ５２）の構造について、長手方向に沿う断面図２を用いて説明する。なお、本発明において、「長手方向」とは、ＮＯ_ｘセンサ素子の長手方向であって、かつＮＯ_ｘセンサ素子１０の固体電解質体（この例では、第１固体電解質体１１ａ〜第３固体電解質体１３ａ）の積層方向に平行な方向をいう。
又、図２の左側（第１ポンピングセル１１側）をＮＯ_ｘセンサ素子１０の「先端（側）」と称し、図２の右側（第２ポンピングセル１３側）をＮＯ_ｘセンサ素子１０の「後端（側）」と称する。

図２（ａ）において、ＮＯ_ｘセンサ素子１０は、第１固体電解質体１１ａ、絶縁層１４ａ、第２固体電解質体１２ａ、絶縁層１４ｂ、第３固体電解質体１３ａ、及び絶縁層１４ｃ、１４ｄをこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質体１１ａと第２固体電解質体１２ａとの層間に第１測定室１６が画成され、第１測定室１６の左端（入口）に配置された第１拡散抵抗体１５ａを介して外部から被測定ガスＧＭが導入される。
第１測定室１６のうち入口と反対端には第２拡散抵抗体１５ｂが配置され、第２拡散抵抗体１５ｂを介して第１測定室１６の右側には、第１測定室１６と連通する第２測定室１８が画成されている。第２測定室１８は、第２固体電解質体１２ａを貫通して第１固体電解質体１１ａと第３固体電解質体１３ａとの層間に形成されている。

詳しくは後述するが、絶縁層１４ｃ、１４ｄの間の同一層上には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の長手方向に沿って延びる長尺板状の２つの第１ヒータ５１、第２ヒータ５２が埋設されている。第１ヒータ５１、第２ヒータ５２は、ＮＯ_ｘセンサ２００に接続された２つのヒータ制御部（図示せず）によってそれぞれ別個に制御され、それぞれ第１ポンピングセル１１及び第２ポンピングセル１３を所定温度に（より具体的には、第１ポンピングセル１１から第２ポンピングセル１３へ至る温度勾配が一定になるよう）制御する。
絶縁層１４ａ〜１４ｄはアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５ａ及び第２拡散抵抗体１５ｂはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、第１ヒータ５１、第２ヒータ５２は白金等からなる。なお、ヒータ制御部は公知のもの（例えば、トランジスタと抵抗からなり、コントローラのＣＰＵからパルス幅変調により通電制御されるもの）を用いることができる。

第１ポンピングセル１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質体１１ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンプ電極１１ｃ及び対極となる第１対極電極（外側第１ポンプ電極）１１ｂとを備え、内側第１ポンプ電極１１ｃは第１測定室１６に面している。内側第１ポンプ電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂはいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１ｅ、１１ｄでそれぞれ覆われている。

酸素濃度検出セル１２は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質体１２ａと、これを挟持するように配置された検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃとを備え、検知電極１２ｂは内側第１ポンプ電極１１ｃより後端側で第１測定室１６に面している。検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃはいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層１４ｂは、第２固体電解質体１２ａに接する基準電極１２ｃが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２に予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１６から基準酸素室１７内に送り込み、酸素基準とする。

第２ポンピングセル１３は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質体１３ａと、第３固体電解質体１３ａのうち第２測定室１８に面した表面に配置された内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極となる第２対極電極（対極第２ポンプ電極１３ｃ）とを備えている。内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極第２ポンプ電極１３ｃはいずれも白金を主体とする。
なお、対極第２ポンプ電極１３ｃは、第３固体電解質体１３ａ上における絶縁層１４ｂの切り抜き部に配置され、基準電極１２ｃに対向して基準酸素室１７に面している。

又、第１ポンピングセル１１の形成領域１１Ｓ及び第２ポンピングセル１３の形成領域１３Ｓは、長手方向に垂直な方向に重ならない。これは、長手方向にそれぞれ延びる第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２によって、第１ポンピングセル１１及び第２ポンピングセル１３の温度を別個に制御できるよう、第１ポンピングセル１１と第２ポンピングセル１３とを長手方向に分離させるためである。

ここで、第１ポンピングセル１１の形成領域１１Ｓは、内側第１ポンプ電極１１ｃ、第１対極電極１１ｂ、及びこれら各電極１１ｃ、１１ｂに挟まれて導電経路となる第１固体電解質体１１ａを、長手方向に投影した領域の合計をいう。例えば、図２において、内側第１ポンプ電極１１ｃと第１対極電極１１ｂとは第１固体電解質体１１ａの表裏に対向し、各電極１１ｃ、１１ｂはほぼ同寸であるので、第１ポンピングセル１１の形成領域１１Ｓは、内側第１ポンプ電極１１ｃ（第１対極電極１１ｂ）を長手方向に投影した領域に等しい。
同様に、第２ポンピングセル１３の形成領域１３Ｓは、内側第２ポンプ電極１３ｂ、第２対極電極１３ｃ、及びこれら各電極１３ｃ、１３ｂに挟まれて導電経路となる第３固体電解質体１３ａを、長手方向に投影した領域の合計をいう。例えば、図２において、内側第２ポンプ電極１３ｂと第２対極電極１３ｃとは、いずれも第３固体電解質体１３ａの裏面に離間しているため、酸素イオンは各電極１３ｃ、１３ｂに挟まれた第３固体電解質体１３ａを流れる（導電経路となる）。従って、第２ポンピングセル１３の形成領域１３Ｓは、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の先端側の第２対極電極１３ｃの先端（図２の左側）から、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の後端側の内側第２ポンプ電極１３ｂの後端（図２の右側）に至る部分を長手方向に投影した領域に等しい。
そして、各形成領域１１Ｓ、１３Ｓは長手方向に間隔を開けて配置されており、第１ポンピングセル１１と第２ポンピングセル１３とが長手方向に分離していることがわかる。

図２（ｂ）は、第１ヒータ５１、第２ヒータ５２の平面形状及び配置状態を示す。なお、図２（ａ）、（ｂ）の間の直線は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の各構成と各ヒータ５１、５２との位置関係を対応させるものである。
図２（ｂ）において、第１ヒータ５１は、第１発熱部５１ａ、並びにこれにそれぞれ接続されて長手方向に延びる直線状の第１正極電圧供給リード５１ｂ及び第１負極電圧供給リード５１ｃを備えている。第１発熱部５１ａは、第１正極電圧供給リード５１ｂの先端に接続される最外側直線抵抗部５１ａ１と、最外側直線抵抗部５１ａ１の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５１ａ２と、屈曲部５１ａ２から長手方向に沿って２往復する蛇行経路５１ａ３と、蛇行経路５１ａ３の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５１ａ４と、屈曲部５１ａ４の後端に接続される最外側直線抵抗部５１ａ５と、を備えている。最外側直線抵抗部５１ａ５の後端は、第１負極電圧供給リード５１ｃの先端に接続されている。
又、第１正極電圧供給リード５１ｂの後端は広幅矩形の電極パッド５１ｄを形成している。一方、第１負極電圧供給リード５１ｃの後端は、後述するように第２ヒータ５２の第２負極電圧供給リード５２ｃに接続され、両者が一体化している。
なお、本発明においては、ヒータのうち発熱部以外の導体経路（つまり、発熱部より低抵抗な部分）を、電極パッドを含めて「リード」と称する。

第１発熱部５１ａは、第１正極電圧供給リード５１ｂ及び第１負極電圧供給リード５１ｃより狭幅であるので、第１正極電圧供給リード５１ｂと第１負極電圧供給リード５１ｃとの間に通電すると、抵抗の高い第１発熱部５１ａが発熱するようになっている。
又、第１発熱部５１ａと、第１ポンピングセル１１の形成領域１１Ｓとは長手方向に垂直な方向に重なりを有している。ここで、「重なりを有する」とは、第１発熱部５１ａと形成領域１１Ｓの少なくとも一部が重なっていればよいこととする。第１発熱部５１ａと形成領域１１Ｓとが重なりを有することで、第１発熱部５１ａの発熱が第１ポンピングセル１１に効率良く伝わって第１ポンピングセル１１を加熱（温度制御）できるようになっている。
なお、図２において、第１発熱部５１ａは形成領域１１Ｓの内側に位置している。

同様に、第２ヒータ５２は、第２発熱部５２ａ、並びにこれにそれぞれ接続されて長手方向に延びる直線状の第２正極電圧供給リード５２ｂ及び第２負極電圧供給リード５２ｃを備えている。第２ヒータ５２は、第１正極電圧供給リード５１ｂと第１負極電圧供給リード５１ｃとの間に挟まれつつ、第１発熱部５１ａの後端側に位置し、第１ヒータ５１に囲まれている。
第２発熱部５２ａは、第２正極電圧供給リード５２ｂの先端に接続される最外側直線抵抗部５２ａ１と、最外側直線抵抗部５２ａ１の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５２ａ２と、屈曲部５２ａ２から長手方向に沿って１往復する蛇行経路５２ａ３と、蛇行経路５２ａ３の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５２ａ４と、屈曲部５２ａ４の後端に接続される最外側直線抵抗部５２ａ５と、を備えている。最外側直線抵抗部５２ａ５の後端は、第２負極電圧供給リード５２ｃの先端に接続されている。又、第２正極電圧供給リード５２ｂの後端は広幅矩形の電極パッド５２ｄを形成している。
なお、電極パッド５１ｄの内側に位置する電極パッド５２ｄが電極パッド５１ｄと干渉しないよう、第２正極電圧供給リード５２ｂは後端側が内側に向くようにして長手方向に対し斜めに延びている。

一方、第２負極電圧供給リード５２ｃは後端側が外側に向くようにして長手方向に対し斜めに延び、第１負極電圧供給リード５１ｃに近づくようになっている。そして、第２負極電圧供給リード５２ｃと第１負極電圧供給リード５１ｃの後端同士が接して一体化し、広幅の共通パッド６１を形成している。
このように、第１負極電圧供給リード５１ｃと第２負極電圧供給リード５２ｃの少なくとも一部（図２の例では後端部）が共通になっているため、線幅の広いリード部や電極パッドを兼用することができ、その分だけＰｔ等の高価な導電材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。例えば、図２の例では、第１負極電圧供給リード５１ｃと第２負極電圧供給リード５２ｃとが長手方向に接して共通パッド６１を形成し、共通パッド６１の線幅は、第１負極電圧供給リード５１ｃと第２負極電圧供給リード５２ｃの線幅の合計となるので、共通パッド６１だけで外部との接続端子（電極パッド）として機能する。そのため、第１負極電圧供給リード５１ｃや第２負極電圧供給リード５２ｃの後端に広幅の電極パッドを別途設ける必要がなく、これら不要となった電極パッドの分だけ導電材料の使用量が低減することになる。

なお、第２発熱部５２ａは、第２正極電圧供給リード５２ｂ及び第２負極電圧供給リード５２ｃより狭幅であるので、第２正極電圧供給リード５２ｂと第２負極電圧供給リード５２ｃとの間に通電することにより、抵抗の高い第２発熱部５２ａが発熱するようになっている。
又、第２発熱部５２ａと、第２ポンピングセル１３の形成領域１３Ｓとは、長手方向に垂直な方向に重なりを有している。ここで、「重なりを有する」とは、第２発熱部５２ａと形成領域１３Ｓの少なくとも一部が重なっていればよいことをいう。第２発熱部５２ａと形成領域１３Ｓとが重なりを有することで、第２発熱部５２ａの発熱が第２ポンピングセル１３に効率良く伝わって第２ポンピングセル１３を加熱（温度制御）できるようになっている。
なお、図２において、第２発熱部５２ａは形成領域１３Ｓの内側に位置している。

又、第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２は、グランドとなる第１負極電圧供給リード５１ｃと第２負極電圧供給リード５２ｃとを共通の電位（グランド）としつつ、それぞれ第１正極電圧供給リード５１ｂと第２正極電圧供給リード５２ｂとが別個になっている。このため、第１正極電圧供給リード５１ｂと第２正極電圧供給リード５２ｂとを、それぞれ別のヒータ制御部に接続し、グランドを共通とすることで、第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２を介して第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの温度を別個に制御し、ＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
より具体的には、第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２を別個に制御することで、第１ポンピングセル１１から第２ポンピングセル１３へ至る温度勾配が一定になるよう制御することができる。この場合、酸素濃度検出セル１２の内部抵抗（インピーダンス）に基づいてＮＯ_ｘセンサ素子１０の温度を測定し、この温度に応じて第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２の制御を行っている。
そして、第１ポンピングセル１１は面積が大きいと共にＮＯ_ｘセンサ素子１０の先端側にあって被測定ガスにより冷やされ易い。このため、第１ポンピングセル１１を単独で制御できるよう、第１ヒータ５１の第１発熱部５１ａの発熱量を多くしている（具体的には、第１発熱部５１ａを長手方向に３往復（３つ折り）させて蛇行させている）。
これに対し、酸素濃度検出セル１２及び第２ポンピングセル１３は第１ポンピングセル１１に比べて小さいので、第２ヒータ５２で酸素濃度検出セル１２及び第２ポンピングセル１３の温度をまとめて制御している。

なお、第１の実施形態においては、第１ヒータ５３と第２ヒータ５４とは、共に長手方向の同一層上（絶縁層１４ｃ、１４ｄの間）に位置する。このため、各ヒータ５３、５４を1つの層上で印刷法等によって一度に製造できるので生産性が向上する。又、各ヒータ５３、５４が長手方向と垂直な方向に離間していないので、各ヒータの導通を取る為のスルーホールが不要となり、スルーホール導体に必要な導電材料を削減できる。

次に、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の動作の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、所定の制御回路を介してヒータ５１、５２が作動し、第１ポンピングセル１１、酸素濃度検出セル１２、第２ポンピングセル１３を活性化温度まで加熱する。そして、各セル１１〜１３が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１は、第１測定室１６に流入した被測定ガス（排ガス）ＧＭ中の過剰な酸素を内側第１ポンプ電極１１ｃから第１対電極１１ｂへ向かって汲み出す。
このとき、第１測定室１６内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１２の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、この電極間電圧Ｖｓが一定電圧Ｖ１（例えば４２５ｍＶ）になるように第１ポンピングセル１１の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｐ１を制御することにより、第１測定室１６内の酸素濃度をＮＯ_ｘが分解しない程度に調整する。

酸素濃度が調整された被測定ガスＧＮは第２測定室１８に向かってさらに流れる。そして、第２ポンピングセル１３の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｐ２として、被測定ガスＧＮ中のＮＯ_ｘガスが酸素とＮ_２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（酸素濃度検出セル１２の制御電圧の値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）を印加することにより、ＮＯ_ｘが窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯ_ｘの分解により生じた酸素が第２測定室１８から汲み出されるように、第２ポンピングセル１３に第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れることになる。この際、第２ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯ_ｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２を検出することにより被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度を検出することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＮＯ_ｘセンサ２００Ｃについて説明する。ＮＯ_ｘセンサ２００Ｃは、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃの構成が異なること以外は、第１の実施形態と同一であるので、ＮＯ_ｘセンサ２００Ｃについての説明を省略する。
図３は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃ及びヒータ（第１ヒータ５５、第２ヒータ５６）の構造を示す長手方向に沿う断面図である。なお、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃのうち、第１ヒータ５５、第２ヒータ５６以外の部分は第１の実施形態におけるＮＯ_ｘセンサ素子１０と同一であるので、同一符号を付して同一構成部分の説明を省略する。

図３（ａ）において、絶縁層１４ｄの下に絶縁層１４ｈが積層され、絶縁層１４ｃ、１４ｄ、１４ｈがこの順で第２ポンピングセル１３（より具体的には第３固体電解質体１３ａ）の下面に積層されている。
絶縁層１４ｃ、１４ｄの間には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃの長手方向に沿って延びる長尺板状の第１ヒータ５５が埋設され、第１ヒータ５５の上方に位置する第１ポンピングセル１１を加熱するようになっている。
一方、絶縁層１４ｄ、１４ｈの間には、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃの長手方向に沿って延びる長尺板状の第２ヒータ５６が埋設され、第２ヒータ５６の上方に位置する第２ポンピングセル１３を加熱するようになっている。
第１ヒータ５５、第２ヒータ５６は、ＮＯ_ｘセンサ２００Ｃに接続された２つのヒータ制御部（図示せず）によってそれぞれ別個に制御され、それぞれ第１ポンピングセル１１及び第２ポンピングセル１３を所定温度に（より具体的には、第１ポンピングセル１１から第２ポンピングセル１３へ至る温度勾配が一定になるよう）制御する。
さらに、長手方向（各層の積層方向）と垂直な方向には、第１ヒータ５５から第２ヒータ５６に至る（つまり、絶縁層１４ｄを貫通する）スルーホール７１が穿孔されている。そして、後述するように、第１ヒータ５５の第１負極電圧供給リード５５ｃと、第２ヒータ５６の第２負極電圧供給リード５６ｃとは、スルーホール７１に形成されたスルーホール導体を介して電気的に接続されている。

図３（ｂ）は、第１ヒータ５５、第２ヒータ５６の平面形状及び配置状態を示す。なお、図３（ａ）、（ｂ）の間の直線は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０Ｃの各構成と各ヒータ５５、５６との位置関係を対応させるものである。
図３（ｂ）において、第１ヒータ５５は、第１の実施形態における第１ヒータ５１とほぼ同一の形状をなし、第１ヒータ５１と同様に、第１発熱部５５ａ並びにこれにそれぞれ接続される第１正極電圧供給リード５５ｂ及び第１負極電圧供給リード５５ｃを備えている。第１発熱部５５ａは、第１ヒータ５１と同様にして第１正極電圧供給リード５５ｂの先端に接続される最外側直線抵抗部５５ａ１と、最外側直線抵抗部５５ａ１の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５５ａ２と、屈曲部５５ａ２から長手方向に沿って２往復する蛇行経路５５ａ３と、蛇行経路５５ａ３の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５５ａ４と、屈曲部５５ａ４の後端に接続される最外側直線抵抗部５５ａ５と、を備えている。最外側直線抵抗部５５ａ５の後端は、第１負極電圧供給リード５５ｃの先端に接続されている。
又、第１正極電圧供給リード５５ｂの後端は広幅矩形の電極パッド５５ｄを形成している。一方、第１負極電圧供給リード５５ｃの後端は、後述するように第２ヒータ５６の第２負極電圧供給リード５６ｃに接続されている。

第１発熱部５５ａは、第１正極電圧供給リード５５ｂ及び第１負極電圧供給リード５５ｃより狭幅であるので、第１正極電圧供給リード５５ｂと第１負極電圧供給リード５５ｃとの間に通電すると、抵抗の高い第１発熱部５５ａが発熱するようになっている。
又、第１発熱部５５ａと、第１ポンピングセル１１の形成領域１１Ｓとは長手方向に垂直な方向に重なりを有し、第１発熱部５５ａの発熱が第１ポンピングセル１１に効率良く伝わって第１ポンピングセル１１を加熱（温度制御）できるようになっている。
なお、図３において、第１発熱部５５ａの先端側は、形成領域１１Ｓの先端より外側（先端側）にはみ出す一方、第１発熱部５５ａの後端側は形成領域１１Ｓの後端より内側に位置している。

第２ヒータ５６は、第１の実施形態における第２ヒータ５２とほぼ同一の形状をなし、第２発熱部５６ａ並びにこれにそれぞれ接続される第２正極電圧供給リード５６ｂ及び第２負極電圧供給リード５６ｃを備えている。第２ヒータ５６は、第１正極電圧供給リード５５ｂと第１負極電圧供給リード５５ｃとの間に挟まれつつ、第１発熱部５５ａの後端側に位置し、第１ヒータ５５に囲まれている。
第２発熱部５６ａは、第２正極電圧供給リード５６ｂの先端に接続される最外側直線抵抗部５６ａ１と、最外側直線抵抗部５６ａ１の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５６ａ２と、屈曲部５６ａ２から長手方向に沿って１往復する蛇行経路５６ａ３と、蛇行経路５６ａ３の先端から長手方向逆向きにＵ字形に屈曲する屈曲部５６ａ４と、屈曲部５６ａ４の後端に接続される最外側直線抵抗部５６ａ５と、を備えている。最外側直線抵抗部５６ａ５の後端は、第２負極電圧供給リード５６ｃの先端に接続されている。又、第２正極電圧供給リード５６ｂの後端は広幅矩形の電極パッド５６ｄを形成している。
なお、電極パッド５５ｄの内側に位置する電極パッド５６ｄが電極パッド５５ｄと干渉しないよう、第２正極電圧供給リード５６ｂは後端側が内側に向くようにして長手方向に対し斜めに延びている。

一方、第２負極電圧供給リード５６ｃは後端側が外側に向くようにして長手方向に対し斜めに延び、長手方向と垂直な方向で第１負極電圧供給リード５５ｃと重なるようになっている。そして、第１負極電圧供給リード５５ｃの後端とその直下に位置する第２負極電圧供給リード５６ｃとの間がスルーホール接続され、スルーホール接続部より後端側では、第２負極電圧供給リード５６ｃ基端が広幅の共通パッド６５を形成している。
このように、第１負極電圧供給リード５５ｃと第２負極電圧供給リード５６ｃの一部（図３の例ではスルーホール接続部より後端）が共通になっているため、線幅の広いリード部や電極パッドを兼用することができ、その分だけＰｔ等の高価な導電材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。例えば、図３の例では、第１負極電圧供給リード５５ｃと第２負極電圧供給リード５６ｃとがスルーホール接続され、スルーホール接続部より後端側では１個の共通パッド６５を形成しているため、第１負極電圧供給リード５５ｃの後端側に広幅の電極パッドを別途設ける必要がなく、これら不要となった電極パッドの分だけ導電材料の使用量が低減することになる。

なお、第２発熱部５６ａは、第２正極電圧供給リード５６ｂ及び第２負極電圧供給リード５６ｃより狭幅であるので、第２正極電圧供給リード５６ｂと第２負極電圧供給リード５６ｃとの間に通電することにより、抵抗の高い第２発熱部５６ａが発熱するようになっている。
又、第２発熱部５６ａと、第２ポンピングセル１３の形成領域１３Ｓとが長手方向に垂直な方向に重なりを有し、第２発熱部５６ａの発熱が第２ポンピングセル１３に効率良く伝わって第２ポンピングセル１３を加熱（温度制御）できるようになっている。
又、第２発熱部５６ａの先端側は、形成領域１３Ｓの先端より外側（先端側）にはみ出す一方、第２発熱部５６ａの後端側は形成領域１３Ｓの後端より内側に位置している。

第１ヒータ５５及び第２ヒータ５６は、グランドとなる第１負極電圧供給リード５５ｃと第２負極電圧供給リード５６ｃとを共通の電位（グランド）としつつ、それぞれ第１正極電圧供給リード５５ｂと第２正極電圧供給リード５６ｂとが別個になっている。このため、第１正極電圧供給リード５５ｂと第２正極電圧供給リード５６ｂとを、それぞれ別のヒータ制御部に接続し、グランドを共通とすることで、第１ヒータ５５及び第２ヒータ５６を介して第１ポンピングセル及び第２ポンピングセルの温度を別個に制御し、ＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
より具体的には、第１ヒータ５５及び第２ヒータ５６を別個に制御することで、第１ポンピングセル１１から第２ポンピングセル１３へ至る温度勾配が一定になるよう制御することができる。

なお、第２の実施形態において、第２ヒータ５６と第１ヒータ５５とは、第１測定室１６を挟んで長手方向と垂直な方向の同じ側（図３の第１測定室１６より下側）に位置している。さらに、長手方向と垂直な方向において、第２ヒータ５６は第１ヒータ５５より下側に位置し、第２測定室１８から遠い位置にある。
このように、第２ヒータ５６と第１ヒータ５５とを第１測定室１６を挟んで同じ側に位置させることで、スルーホール７１の長さを短くし、スルーホール導体に用いる導電材料の使用量を低減できる。又、長手方向と垂直な方向において、第２ヒータ５６を第１ヒータ５５より第２測定室１８から遠ざけることで、第２ヒータ５６のリーク電流が第２ポンピングセル１３へ影響を及ぼすことを抑制することができる。

次に、図４を参照して、第１の実施形態において、各セル１１，１３の形成領域１１Ｓ、１３Ｓと、第１発熱部５１ａ及び第２発熱部５２ａとの長手方向の位置関係を変えた場合の作用を説明する。
図４（ａ）は、第１発熱部５１ａの先後端がいずれも形成領域１１Ｓからはみ出し、第１発熱部５１ａの後端が形成領域１３Ｓの内側まで延びている場合を示す。一方、図４（ａ）において、第２発熱部５２ａの先後端は形成領域１３Ｓの内側に位置する。図４（ａ）の場合、第１発熱部５１ａが形成領域１１Ｓより広いので、第１ポンピングセル１１を十分に加熱することができるが、第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓに近いので（第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓと長手方向と垂直な方向に重なるので）、第１ヒータ５１のリーク電流による第２ポンピングセル１３への影響が大きくなる場合がある。

図４（ｂ）は、第１発熱部５１ａの先後端がいずれも形成領域１１Ｓの内側に位置する一方、第２発熱部５２ａの先端が形成領域１３Ｓをはみ出して形成領域１１Ｓの内側まで延びている場合を示す。図４（ｂ）の場合、第２発熱部５２ａが形成領域１３Ｓより広いので、第２ポンピングセル１３を十分に加熱することができる。又、第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓから遠いので（第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓと長手方向と垂直な方向に重ならないので）、第１ヒータ５１のリーク電流による第２ポンピングセル１３への影響が少なく、ＮＯ_ｘの測定精度が向上する。
なお、第２発熱部５２ａは形成領域１１Ｓの内側まで延びているが、第１ポンピングセル１１自身には比較的大きい電流が流れるため、第２ヒータ５２のリーク電流による第１ポンピングセル１１への影響は少ない。

図４（ｃ）は、第１発熱部５１ａの先後端、及び第２発熱部５２ａの先後端がそれぞれ形成領域１１Ｓ、１３Ｓの内側に位置する場合を示す。図４（ｃ）の場合も、第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓから遠いので（第１発熱部５１ａが形成領域１３Ｓと長手方向と垂直な方向に重ならないので）、第１ヒータ５１のリーク電流による第２ポンピングセル１３への影響が少なく、ＮＯ_ｘの測定精度が向上する。又、第１発熱部５１ａ、第２発熱部５２ａがそれぞれ形成領域１１Ｓ、１３Ｓの外側にはみ出さないので、第１ヒータ５１及び第２ヒータ５２によって第１ポンピングセル１１及び第２ポンピングセル１３を精度よく個別制御できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、ヒータの平面形状は上記に限定されない。又、第１負極電圧供給リード及び第２負極電圧供給リードの代わりに、第１正極電圧供給リード及び第２正極電圧供給リードの少なくとも一部を共通にしてもよい。
又、上記実施形態では、ＮＯ_ｘセンサ素子を構成する固体電解質層を３層としたが、固体電解質層を２層としてもよい。固体電解質層が２層であるＮＯ_ｘセンサ素子構造は、例えば特開２００４−３５４４００号公報（図３）に記載されている。
又、上記実施形態では、第２ポンピングセルの電圧をＶｐ２に制御したときの第２ポンプ電流Ｉｐ２をＮＯ_ｘ濃度に換算しているが、第２ポンピングセルの電圧Ｖｐ２を測定し、第２測定室の酸素分圧に応じた起電力を示すＶｐ２をＮＯ_ｘ濃度に換算してもよい。さらに、酸素濃度検出セルの検出電極を、第１ポンプセルの内側電極と兼用してもよい。

２００、２００ＣＮＯ_ｘセンサ
１０、１０ＣＮＯ_ｘセンサ素子
１１第１ポンピングセル
１１Ｓ第１ポンピングセルの形成領域
１２酸素濃度検出セル
１３第２ポンピングセル
１３Ｓ第２ポンピングセルの形成領域
１１ａ〜１３ａ第１固体電解質体〜第３固体電解質体
１１ｂ第１対極電極（外側第１ポンプ電極）
１１ｃ内側第１ポンプ電極
１３ｂ内側第２ポンプ電極
１３ｃ対極第２ポンプ電極
１６第１測定室
１８第２測定室
５１、５５第１ヒータ
５１ａ、５５ａ第１発熱部
５１ｂ、５５ｂ第１正極電圧供給リード
５１ｃ、５５ｃ第１負極電圧供給リード
５２、５６第２ヒータ
５２ａ、５６ａ第２発熱部
５２ｂ、５６ｂ第２正極電圧供給リード
５２ｃ、５６ｃ第２負極電圧供給リード
６１、６５共通パッド（リードの共通部分）

Claims

間隔を開けて積層される２層の固体電解質体の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、
前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極と該内側第１ポンプ電極の対極となる第１対極電極とを備え、前記第１測定室内の酸素分圧を制御するための第１ポンピングセルと、
前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、
前記第２測定室内に設けられた内側第２ポンプ電極と該内側第２ポンプ電極の対極となる第２対極電極とを備え、前記第２測定室内の被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度を検出する第２ポンピングセルと、
前記固体電解質体の積層方向に配置され、第１発熱部並びにこれにそれぞれ接続される第１正極電圧供給リード及び第１負極電圧供給リードを備えて前記第１ポンピングセルを加熱する第１ヒータと、
前記固体電解質体の積層方向に配置され、第２発熱部並びにこれにそれぞれ接続される第２正極電圧供給リード及び第２負極電圧供給リードを備えて前記第２ポンピングセルを加熱する第２ヒータと、を有し、前記固体電解質体の積層方向を長手方向とするＮＯ_ｘセンサであって、
前記第１ポンピングセルの形成領域及び前記第２ポンピングセルの形成領域は前記長手方向と垂直な方向に重ならず、
前記第１発熱部及び前記第２発熱部は前記長手方向と垂直な方向に重ならず、かつ前記第１発熱部と前記第１ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重なりを有し、前記第２発熱部と前記第２ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重なりを有しつつ、
前記第１正極電圧供給リード及び前記第２正極電圧供給リードの少なくとも一部、又は前記第１負極電圧供給リード及び前記第２負極電圧供給リードの少なくとも一部が共通になっているＮＯ_ｘセンサ。
前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記第１測定室に対して前記第１対極電極と前記長手方向と垂直な方向の反対側に位置する請求項１記載のＮＯｘセンサ。
前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記長手方向の同一層上に位置する請求項１又は請求項２に記載のＮＯ_ｘセンサ。
前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、前記長手方向の別の層上に位置し、かつ前記長手方向と垂直な方向において、前記第２ヒータは前記第１ヒータより前記第２測定室から遠い位置にある請求項１又は請求項２に記載のＮＯ_ｘセンサ。
前記第１発熱部と、前記第２ポンピングセルの形成領域とは前記長手方向と垂直な方向に重ならない請求項１〜４のいずれかに記載のＮＯ_ｘセンサ。