(57)【要約】【課題】良好な応答特性と熱に対する高耐久性を有しつつも、被検出ガスの温度に左右されず、固体電解質体の温度制御を精度良く行えるガスセンサを提供する。【解決手段】有底筒状である固体電解質体６１の外周面６１Ａおよび内周面には、それぞれ検出電極６３Ｄおよび基準電極が設けられる。検出素子６の筒孔に挿入されたヒータは基準電極と点Ｑで接する。検出電極６３Ｄは、固体電解質体６１を挟んで点Ｑと対向する位置近傍に部分的に形成され、その表面積は検出部６４の表面積に対して８％〜２０％である。これにより、固体電解質体６１の温度制御をする電子制御装置は、ヒータ加熱時に最高温度となる点Ｑ近傍の固体電解質体６１の温度のみを正確に検知できる。さらに、検出電極６３Ｄの形成量は最低限で且つ点Ｑ近傍に限定されるため、酸素センサは、高温に対する耐久性と、不活性な固体電解質体６１から影響を受けない良好な応答性をも達成できる。【選択図】図２
2014002130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに曝されるガスセンサであって、
軸線方向に沿って延び、先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体と、
前記固体電解質体の先端側における外側表面に設けられた外側電極部と、
前記外側電極部から、前記軸線方向の後端側に向けて延びると共に、周方向の幅が前記外側電極部の後端寄り部位の幅よりも狭い外側リード部と、を有するセンサ素子と、
通電によって発熱する発熱抵抗体からなる発熱部を有し、且つ前記センサ素子の内面に当接するヒータと、を備え、
前記外側電極部は、前記外側表面の周方向において部分的に形成された外側部分電極部を少なくとも有し、前記外側電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置され、
前記外側電極部の表面積をＳとし、前記固体電解質体のうち、前記被測定ガスに曝される部位であるガス接触部の表面積をＴとしたときに、ＳはＴに対して８％以上２０％以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記外側部分電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
被測定ガスに曝されるガスセンサであって、
軸線方向に沿って延び、先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体と、
通電によって発熱する発熱抵抗体からなる発熱部を有したヒータと、
前記固体電解質体の先端側における外側表面のうち、前記発熱部の後端よりも前記軸線方向の先端側に設けられた外側電極部と、
前記外側電極部から、前記軸線方向の後端側に向けて前記外側電極部と等幅で延びる外側リード部と、を有するセンサ素子と、を備え、
前記ヒータは、前記センサ素子の内面に当接し、
前記外側電極部は、前記固体電解質体の外側表面の周方向において部分的に形成され、
前記外側電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置され、
前記外側電極部の表面積をＳとし、前記固体電解質体のうち、前記被測定ガスに曝される部位であるガス接触部の表面積をＴとしたときに、ＳはＴに対して８％以上２０％以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
前記軸線方向に沿ってみて、前記外側電極部の周方向の一端部と前記固体電解質体の中心との二点を結ぶ線分と、前記外側電極部の前記周方向の他端部と前記中心との二点を結ぶ線分とのなす角度のうち、前記外側電極部を含む領域における角度が１８０°未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記軸線方向において、前記ガス接触部の先端部から前記外側電極部の後端部までの長さが、前記ガス接触部の長さの４０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記固体電解質体の先端側における内側表面に設けられた内側電極部をさらに有し、
前記軸線方向において、前記内側電極部の後端部は、前記外側電極部の後端部よりも後端側に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記内側電極部は、前記内側表面の周方向において部分的に形成された内側部分電極部を少なくとも有し、該内側部分電極部は、前記外側部分電極部と前記固体電解質体を挟んで少なくとも一部が対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記ヒータは、前記センサ素子の内側表面のうち、内側側面に当接することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するための検出素子を備えるガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検出ガス中の特定ガスの濃度を検出するために使用されるガスセンサの検出素子は、ジルコニア等のセラミックスからなり、且つ先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体を、一対の電極が挟み込むことで形成される。一対の電極は白金や白金合金等からなる。そして一対の電極にはそれぞれ、検出素子の出力を外部へ行う一対のリード線が電気的に接続されている。検出素子の先端側で且つ内側には、固体電解質体を加熱し活性化させるために、通電により発熱する発熱抵抗体を自身の先端部に有するヒータが配置される。
【０００３】
このような検出素子は、自動車等の内燃機関にて吸排気されるガス中の特定のガス成分（例えば、酸素など）を検出する。例えば、自動車等の内燃機関のエンジンから排気される排気ガス中の酸素を検出する酸素センサは、排気ガス中に晒される測定電極と、基準となるガス（通常は大気）中に晒される基準電極とが一対の電極となって、有底筒状に形成された固体電解質体を挟むように、固体電解質体の表面上に形成されている。固体電解質体の先端側は排気ガスに晒される。また固体電解質体はヒータにより加熱されることで活性化する。この検出素子は、固体電解質体に隔てられた排気ガスと基準ガス（大気）とにおける酸素分圧の差に応じて両電極間に生ずる起電力をもとに、排気ガス中の酸素を検出し、一対のリード線を介して外部へ出力を行う。
【０００４】
こうした構造を有するガスセンサは、ヒータから十分な熱量を得られず固体電解質体の一部分が不活性となった場合でも、検出素子の出力がその影響を受けないことが求められる。さらに、ヒータによる加熱で電極部が昇華しても、その昇華に起因する電極部の消耗に耐えられる高い耐久性を有することも、ガスセンサには求められる。そこで、固体電解質体の外周面に設けた測定電極を、検出素子の先端側では固体電解質体の外周方向に一周させ、検出素子の後端側に向かう程、外周方向における測定電極の形成範囲を縮小させ、さらに固体電解質体の先端側の内周壁にヒータを当接させるガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発明によれば、固体電解質体の先端側においては、ヒータが当接するため高温領域となるが、この高温領域から離れる程、電極の形成範囲が小さくなる。このため、検出素子が外部へ出力するに際して固体電解質体の不活性な部位から受ける影響を小さくできる。同時に、固体電解質体の高温部位となる先端側において測定電極の形成範囲が大きく、昇華による消耗に耐えられる。このため、ガスセンサは熱に対して高い耐久性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２２６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、検出素子の出力は一定であることが望ましく、活性化した固体電解質体の温度を一定に制御することが求められる。その制御方法として、ガスセンサの外部に設けられた外部制御装置が固体電解質体に電流を流すことで、その温度を検出し、制御する方法が知られている。具体的には、外部制御装置が一対の電極を介して固体電解質体を通電し、固体電解質体の抵抗値を検出する。そして、この抵抗値に基づいて固体電解質体の温度を検出する。検出された固体電解質体の温度と所望の温度との差に基づき、外部制御装置は発熱抵抗体への通電を調整し、ヒータが行う加熱を加減する。これにより、固体電解質体の温度は所望の温度になり、さらにそのまま維持される。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、図１４に示す、自身の半径方向と平行な平面を含む固体電解質体６１の断面図のように、固体電解質体６１のうち、ヒータ１００との当接部（図１４における点Ｑ）近傍と、そうでない部位とでは、ヒータ１００のうち、ヒータパターンが形成された発熱部との距離に差があるため、ヒータによる加熱時において温度上昇に差が出る場合がある。特に、検出素子６と接触する被検出ガスの温度が低い場合には、固体電解質体６１のうちヒータ１００に当接していない部位が十分に温度上昇できず、温度差が生じる。一方、固体電解質体６１の温度は、一対の電極に通電して流れる電流により検出される抵抗値によって算出される。つまり、一対の電極に挟み込まれた固体電解質体６１の領域における合成抵抗値によって温度が定まる。ところが、検出電極６３Ｄが固体電解質体６１の全周に形成されている場合、ヒータ１００に当接していない固体電解質体６１の領域も含んで通電されるため、算出される温度はヒータ１００当接部の温度よりも低くなる。すなわち、検出素子６と接触する被検出ガスの温度が低い場合には、外部制御装置がこの電流値を検出しても、固体電解質体６１の温度制御を精度良く行うことができない虞がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱に対する高い耐久性を有し、検出素子の出力に際して不活性な固体電解質体の影響を受けず、なお且つ被検出ガスの温度に左右されることなく、固体電解質体の温度制御を精度良く行うことができるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一態様のガスセンサによれば、被測定ガスに曝されるガスセンサであって、軸線方向に沿って延び、先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体と、前記固体電解質体の先端側における外側表面に設けられた外側電極部と、前記外側電極部から、前記軸線方向の後端側に向けて延びると共に、周方向の幅が前記外側電極部の後端寄り部位の幅よりも狭い外側リード部と、を有するセンサ素子と、通電によって発熱する発熱抵抗体からなる発熱部を有し、且つ前記センサ素子の内面に当接するヒータと、を備え、前記外側電極部は、前記外側表面の周方向において部分的に形成された外側部分電極部を少なくとも有し、前記外側電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置され、前記外側電極部の表面積をＳとし、前記固体電解質体のうち、前記被測定ガスに曝される部位であるガス接触部の表面積をＴとしたときに、ＳはＴに対して８％以上２０％以下であることを特徴とするガスセンサが提供される。
【００１０】
本態様において、外側電極部の形成範囲が、ＳがＴに対して８％以上２０％以下の関係を保ちつつヒータの当接部の近傍に制限される。このため、ヒータにより加熱された固体電解質体の温度が部位により異なる場合であっても、外側電極部を介して固体電解質体を通電させた際に流れる電流は、ヒータの当接部近傍にある最も活性化された固体電解質体の抵抗値のみを反映した電流となる。従って、ガスセンサの外部に設けられ、且つ固体電解質体およびヒータへ電流を流すことで固体電解質体の温度を制御する外部制御装置は、ヒータの当接部近傍にある固体電解質体の温度のみを正確に検知でき、固体電解質体の温度を精度良く制御できる。すなわち、外部制御装置は、固体電解質体が部位によって温度差があっても、被検出ガスの温度に影響されずに、固体電解質体の温度制御を精度良く行うことができ、ガスセンンサは一定の出力を行うことができる。同時に、ヒータによる加熱時に、固体電解質体に不活性な部位があっても、外側電極部の形成範囲が従来よりも制限されているため、その部位から影響を受けることはない。すなわち、ガスセンサの応答性が向上する。さらに、外側電極部が熱に対する最低限の形成量を確保できる結果、昇華に伴う消耗に耐えることができる。すなわち、ガスセンサは高温に対しての高い耐久性実現することもできる。
【００１１】
本態様において、前記外側部分電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置されてもよい。この場合においても、上記の効果を奏することができる。
【００１２】
本発明の第二態様のガスセンサによれば、被測定ガスに曝されるガスセンサであって、軸線方向に沿って延び、先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体と、通電によって発熱する発熱抵抗体からなる発熱部を有したヒータと、前記固体電解質体の先端側における外側表面のうち、前記発熱部の後端よりも前記軸線方向の先端側に設けられた外側電極部と、前記外側電極部から、前記軸線方向の後端側に向けて前記外側電極部と等幅で延びる外側リード部と、を有するセンサ素子と、を備え、前記ヒータは、前記センサ素子の内面に当接し、前記外側電極部は、前記固体電解質体の外側表面の周方向において部分的に形成され、前記外側電極部は、前記センサ素子の内面のうち前記ヒータが当接する当接部と前記固体電解質体を挟んで対向する位置に配置され、前記外側電極部の表面積をＳとし、前記固体電解質体のうち、前記被測定ガスに曝される部位であるガス接触部の表面積をＴとしたときに、ＳはＴに対して８％以上２０％以下であることを特徴とするガスセンサが提供される。
【００１３】
外側電極部と外側リード部が等幅である場合においても、上記の効果を奏することができる。
【００１４】
第一態様及び第二態様において、前記軸線方向に沿ってみて、前記外側電極部の周方向の一端部と前記固体電解質体の中心との二点を結ぶ線分と、前記外側電極部の前記周方向の他端部と前記中心との二点を結ぶ線分とのなす角度のうち、前記外側電極部を含む領域における角度が１８０°未満であってもよい。一般に、固体電解質体の外側表面に外側電極部を形成させるために、その製造工程において、固体電解質体をメッキ液に浸すメッキ工程がある。メッキ液に浸す前においては、外側電極部を形成させない固体電解質体の外側表面にはマスクが取り付けられる。本態様の場合、外側電極部は固体電解質体の周方向の半分以下にて形成される。すなわち、マスクは固体電解質体の周方向の半分以上を覆う。このため、固体電解質体に装着されたマスクは、固体電解質体に対して十分な締め付け力を有し、マスクゴム内周面と固体電解質体の外側表面は十分に密着することができる。従って、本態様に係るガスセンサは、メッキ工程において、マスクゴム内周面と固体電解質体の外側表面との間にメッキ液が浸入することを防止することができる。
【００１５】
第一態様及び第二態様において、前記軸線方向において、前記ガス接触部の先端部から前記外側電極部の後端部までの長さが、前記ガス接触部の長さの４０％以下であってもよい。この場合、外側電極部は、ヒータの当接部の近傍にあるヒータの発熱部を覆うように設けられる。従って外側電極部は、ヒータが発熱した場合に固体電解質体が最も活性化される部位である、ヒータの当接部およびヒータの発熱部の近傍に確実に設けられる。このため、外部制御装置は固体電解質体の最も高い温度を確実に検知することができ、固体電解質体の温度制御を、被測定ガスの温度に影響されず確実に精度良く行うことができる。
【００１６】
第一態様及び第二態様において、前記固体電解質体の先端側における内側表面に設けられた内側電極部をさらに有し、前記軸線方向において、前記内側電極部の後端部は、前記外側電極部の後端部よりも後端側に位置してもよい。この場合には、内側電極部の後端部が外側電極部の後端部よりも先端側に位置して、素子表面温度にばらつきが生じることを防止できる。
【００１７】
第一態様及び第二態様において、前記内側電極部は、前記内側表面の周方向において部分的に形成された内側部分電極部を少なくとも有し、該内側部分電極部は、前記外側部分電極部と前記固体電解質体を挟んで少なくとも一部が対向する位置に配置されていてもよい。この場合には、内側部分電極部と外側部分電極部とが少なくとも一部が重なるように対向配置され、しかもヒータがその近傍に当接しているため、素子の活性化時間を短縮することができる。
【００１８】
第一態様及び第二態様において、前記ヒータは、前記センサ素子の内側表面のうち、内側側面に当接してもよい。この場合には、ヒータがセンサ素子の内側表面に当接する場合であっても、第一態様及び第二態様と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】酸素センサ１の縦断面図である。
【図２】検出素子６の正面図である。
【図３】検出素子６の左側面図である。
【図４】ヒータ１００の斜視図である。
【図５】図２の一点鎖線Ａ−Ａにおける検出素子６の断面を矢指方向からみた場合の図である。
【図６】検出素子６のメッキ処理におけるマスク１７０およびマスク固定板１８０の装着工程を示す図である。
【図７】検出素子６のメッキ処理におけるメッキ液１９０に浸す工程を示す図である。
【図８】マスク１７０の正面図である。
【図９】マスク１７０の左側面図である。
【図１０】図８の一点鎖線Ｂ−Ｂにおけるマスク１７０の断面を矢視方向からみた場合の図である。
【図１１】第一変形例における検出素子６の正面図である。
【図１２】第二変形例における検出素子６の正面図である。
【図１３】第三変形例における検出素子６の正面図である。
【図１４】基準電極６２Ｂおよび検出電極６３Ｄを備えた従来例の検出素子６における、自身の半径方向と平行な平面を含む断面図である。
【図１５】酸素センサ１の出力のばらつき試験の内容を示すグラフである。
【図１６】酸素センサ１の出力のばらつき試験の結果を示す表である。
【図１７】酸素センサ１の耐久試験の内容を示すグラフである。
【図１８】酸素センサ１の耐久試験の結果を示す表である。
【図１９】酸素センサ１の検出素子６の温度のばらつきの試験の方法を示す図である。
【図２０】酸素センサ１の検出素子６の温度のばらつきの試験結果を示す表である。
【図２１】メッキ処理を行った結果を示す表である。
【図２２】検出素子６が６００℃の場合の外側電極部と内側電極部の位置関係と、検出素子６の内部抵抗の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した酸素センサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１を参照して、一例としての酸素センサ１の全体の構成について説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している酸素センサ１の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図１において、紙面表側、裏側、上側、下側、右側、左側を、それぞれ酸素センサ１の左側、右側、上側（後端側）、下側（先端側）、正面側、奥側と定義して以下説明する。
【００２１】
図１に示す酸素センサ１は、自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）に取り付けられて使用されるものであり、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するためのセンサである。酸素センサ１の先端側（下側）にある検出素子６の先端側は、酸素センサ１の取り付け時において、排気管（図示外）内に挿入される。なお、図１に示す酸素センサ１の軸線Ｏ方向は上下方向と平行になっている。
【００２２】
図１に示すように、酸素センサ１は、先端側が閉じられた筒状の検出素子６を主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。酸素センサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出す２本のリード線１８が引き出されている。また、検出素子６内に挿入されるヒータ１００へ通電するための２本のリード線１９（図１ではそのうちの１本を示す。）も、酸素センサ１から引き出されている。各リード線１８，１９は、酸素センサ１とは離れた位置に設けられる図示外の外部回路（例えば自動車の電子制御装置（ＥＣＵ））に、電気的に接続されている。本実施形態においては一例として、外部回路として電子制御装置（ＥＣＵ）が用いられている。
【００２３】
まず、図１〜図３を参照して、検出素子６を説明する。図１に示すように、検出素子６は、軸線Ｏ方向に延び且つ先端が閉じられた有底筒状の固体電解質体６１と、固体電解質体６１の内周面（内側表面）に設けられた基準電極部６２と、固体電解質体６１の外周面６１Ａに設けられた検出電極部６３とを備える。固体電解質体６１の内周面（内側表面）に基準電極部６２が設けられることで筒孔６９が形成される。固体電解質体６１はジルコニアを主成分とし、軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する鍔状のフランジ部６５が設けられている。図２および図３に示すように、フランジ部６５の一部であって、先端側から後端側にかけて外径が広がる部位である拡径部６７の後端部から、固体電解質体６１の先端部までは、検出部６４を形成される。酸素センサ１が排気管（図示外）に取り付けられた場合に、固体電解質体６１のうち検出部６４のみが排気管内に晒される。
【００２４】
図１に示すように、基準電極部６２はリード部６２Ａと基準電極６２Ｂとを備える。白金または白金合金からなるリード部６２Ａは固体電解質体６１の後端部における内周面に、多孔質状に形成されている。白金または白金合金からなる基準電極６２Ｂは、リード部６２Ａよりも先端側にある固体電解質体６１の内周面の略全面を覆うように多孔質状に形成されている。検出電極部６３も同様に白金または白金合金からなり、図２および図３に示すように、固体電解質体６１の外周面６１Ａの一部に多孔質状に形成されている。検出電極部６３の構成および外周面６１Ａ上の形成範囲については後述する。検出電極部６３は耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層（図示外）により被覆されており、排気ガスによる被毒から保護されている。図１に示すように、基準電極部６２は後述する内側端子７０を介して、また、検出電極部６３は後述する外側端子７５を介して、それぞれリード線１８に電気的に接続される。これにより、検出素子６は、検出部６４が排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒された場合に、酸素濃度検出を行うことができる。
【００２５】
図１に示すように、主体金具５は自身の筒孔５５において、検出素子６をその周方向に亘って取り囲み、保持している。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管の取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。雄ねじ部５２よりも先端側には、その外周に、後述するプロテクタ４をはめ込み取り付ける先端取付部５６が形成されている。なお、検出素子６の検出部６４の先端部は先端取付部５６よりも先端側に突出している。
【００２６】
主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には径方向に拡径された工具係合部５３が形成されており、酸素センサ１を排気管の取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。この工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。そして主体金具５の後端側には、筒孔５５内で保持する検出素子６を後述するリング１７、スリーブ１６、充填部材１５、パッキン１４、支持部材１３等を通じて固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、この加締部５７よりも後端側に突出している。また、工具係合部５３と加締部５７との間には、その外周に、後述する外筒３の先端部３１が係合される後端係合部５８が形成されている。
【００２７】
次に、主体金具５の筒孔５５内の先端側には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられている。この段部５９に、金属製のパッキン１２を介し、アルミナからなる筒状の支持部材１３が係止されている。支持部材１３の内周も段状に形成されており、その段状の部位は、金属製のパッキン１４を介し、検出素子６のフランジ部６５における拡径部６７と当接する。これにより支持部材１３は検出素子６を支持する。さらに筒孔５５内には、支持部材１３の後端側に滑石粉末からなる充填部材１５が充填されている。充填部材１５を支持部材１３との間で挟むように、充填部材１５の後端側に、アルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。
【００２８】
スリーブ１６の後端側には環状のリング１７が配置されている。主体金具５の加締部５７を内側先端方向に加締めることで、リング１７を介し、スリーブ１６が充填部材１５に対して押しつけられている。加締部５７の加締めによって、主体金具５の段部５９に係止された支持部材１３に向けて検出素子６のフランジ部６５を押圧するよう、充填部材１５が主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填される。筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙は、充填部材１５によって、気密に埋められる。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で保持されている。
【００２９】
また、上記したように、検出部６４の先端部は、主体金具５の先端取付部５６から軸線Ｏ方向の先端側に向け突出されている。また検出部６４は、先端取付部５６に溶接によって組みつけられたプロテクタ４によって覆われている。プロテクタ４は、酸素センサ１が排気管（図示外）に取り付けられた際に排気管内に突き出される検出素子６の検出部６４を、排気ガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ４は、外側プロテクタ４１と内側プロテクタ４５とからなる２重構造を有する。外側プロテクタ４１は有底筒状をなし、開放された側の周縁部が先端取付部５６に接合される。内側プロテクタ４５も同様に有底筒状をなし、外側プロテクタ４１の内部に固定される。外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の外周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２，４７が、それぞれ開口されている。また、外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３，４８が、それぞれ開口されている。
【００３０】
次に、主体金具５の後端側には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる筒状の外筒３が組み付けられている。外筒３は、ステンレス鋼を軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状に形成し、さらに略中央より先端側を、後端側よりも大径に形成したものである。外筒３の先端部３１は、主体金具５の後端係合部５８にはめ込まれ、外周側から後端係合部５８に加締められている。さらに、先端部３１の外周を一周して、レーザ溶接が施されている。外筒３は、軸線Ｏ方向に沿って後端側へ向けて延びており、検出素子６の後端部６６や、それよりも後端側に配置されるセパレータ８およびグロメット９（後述）の外周を、径方向に取り囲んでいる。
【００３１】
図１に示すように、外側端子７５は、筒状に形成された先端部７６と、先端部７６から後端側へ向けて棒状に延びる後端部７７を有する。先端部７６は、自身の内周面が後述する端子接続部６３Ａ（図２参照）と当接するように嵌め込まれている。先端部７６は、切れ目を有して径方向に弾性的に撓むことができ、付勢力によって端子接続部６３Ａとの当接を維持する。これにより、外側端子７５と検出電極部６３とは電気的な接続を確保される。図１に示すように、内側端子７０も同様に、筒状に形成された先端部７１と、先端部７１から棒状に延びる後端部７２を有する。先端部７１は、自身の外周面がリード部６２Ａと当接するように嵌め込まれている。先端部７１は切れ目有して径方向に弾性的に撓むことができ、付勢力によってリード部６２Ａとの当接を維持する。これにより、内側端子７０と基準電極部６２との電気的な接続が確保される。内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７とには、上記したリード線１８の芯線が加締め接合されている。
【００３２】
図１に示すように、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ８は、検出素子６の後端部６６よりも軸線Ｏ方向の後端側に配置されている。セパレータ８は、上記の内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７と、後述する２つの電極端子１３０（図１では一方の電極端子１３０のみを示す）とが互いに接触しないよう分離するため、それらを独立に収容する収容部８２を有する。各収容部８２はセパレータ８を軸線Ｏ方向に貫通しており、セパレータ８を挟んで先端側と後端側との間で大気連通が可能となるように構成されている。内側端子７０の後端部７２、および外側端子７５の後端部７７に接続された２本のリード線１８は、後述するグロメット９の挿通孔９２を介して酸素センサ１の外部に引き出され、電子制御装置に接続されている。これにより電子制御装置は、基準電極部６２および検出電極部６３を介して固体電解質体６１に対して通電可能となっている。
【００３３】
また、セパレータ８の外周面には径方向外側に突出するフランジ部８１が設けられている。フランジ部８１の配置位置の後端に相当する外筒３の外周面には、周方向の３カ所以上において凹みが設けられており、この凹みによって、外筒３内において内向きに突出する係合部３２が形成されている。セパレータ８は、フランジ部８１の後端向きの面が係合部３２に当接し、上方向への移動が規制されている。
【００３４】
さらに、フランジ部８１よりも先端側で、外筒３とセパレータ８との間の間隙には、保持金具８５が配設されている。保持金具８５は筒状に形成された金属製の部材で、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部を有する。保持金具８５は、自身の内部に挿通されるセパレータ８のフランジ部８１の先端向きの面を支持部に係止させて、セパレータ８を支持している。この状態で、保持金具８５が配置された部分の外筒３の外周面が加締められ、セパレータ８を支持した保持金具８５が外筒３に固定されている。
【００３５】
グロメット９はフッ素ゴムからなり、セパレータ８の後端側に配置されている。グロメット９は、外筒３の後端側の開口３３に嵌められて、開口３３付近の外周が加締められることにより、外筒３に保持されている。グロメット９には、外筒３内に大気を導入するための連通孔９１が、軸線Ｏ方向に貫通して形成されている。酸素センサ１では、この連通孔９１およびセパレータ８の収容部８２を介し、外筒３内に大気を導入し、検出素子６内の基準電極６２Ｂが大気に晒されるように構成されている。連通孔９１内には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８７およびその留め金具８８が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。また、グロメット９には、リード線１８，１９を挿通するための５つの挿通孔９２も、それぞれ独立に形成されている（図１ではそのうちの２つの挿通孔９２を示す）。
【００３６】
次に図１、図４、図５を用いてヒータ１００の構成について説明する。図１に示すように、固体電解質体６１を加熱して活性化させるヒータ１００は、棒状の形状をなし検出素子６の筒孔６９内に挿入されている。ヒータ１００の先端部１１０は筒孔６９に当接している（以下、この接点を点Ｑともいう）。また、ヒータ１００の後端部１２０は筒孔６９から突出し、セパレータ８の収容部８２内に配置されている。後端部１２０の外径は、先端部１１０よりも小さく形成される。また、筒孔６９内の後端部の近傍においては、ヒータ１００の外周面は、先端部７１の内周面と接している。また、図４に示すように、ヒータ１００は、アルミナセラミック製で丸棒状の碍管１０１を芯棒とし、碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０を巻き付けた状態で焼成したものを基体１０５としている。基体１０５内には、タングステン系の発熱抵抗体１４１が埋設されている。グリーンシート１４０は２枚のシートからなり、発熱抵抗体１４１は２枚のシート間に、ヒータパターンとして形成され、焼成によって埋設される。発熱抵抗体１４１のヒータパターンは、ヒータ１００の先端部１１０に配置される発熱部１４２と、発熱部１４２の両端それぞれに接続され、後端部１２０へ向けて延びる一対のリード部１４３とからなる。発熱部１４２のパターンはリード部１４３のパターンよりも通電抵抗が大きくなるよう断面積が小さく形成されており、一対のリード部１４３間に通電されると、主に発熱部１４２において発熱する。
【００３７】
図４に示すように、ヒータ１００の基体１０５の後端部１２０には、外表面上に２つの電極パッド１５０が形成されている。また、発熱抵抗体１４１の一対のリード部１４３は、それぞれ、グリーンシート１４０内で電極パッド１５０の形成位置まで延びている。グリーンシート１４０には、２つの電極パッド１５０の形成位置それぞれに、軸線Ｏ方向に並ぶ２つのスルーホール１４４がそれぞれ形成されている。各スルーホール１４４には、メタライズインクが充填されている。電極パッド１５０とリード部１４３とは、スルーホール１４４を介し、電気的に接続されている。
【００３８】
さらに、２つの電極パッド１５０にはそれぞれ、電極端子１３０（図１参照）がろう付けされている。図１に示すように、２本のリード線１９は電極端子１３０に接続される。さらに２本のリード線１９は、グロメット９の筒孔９２を介して酸素センサ１の外部に引き出され、電子制御装置に接続されている。これにより、電子制御装置はヒータ１００の発熱部１４２に通電可能となっている。
【００３９】
次に、図２、図３および図５を用いて検出電極部６３の構成とその形成範囲について説明する。図２および図３に示すように、検出電極部６３は、端子接続部６３Ａ、第一リード部６３Ｂ、第二リード部６３Ｃ、検出電極６３Ｄと、を備える。端子接続部６３Ａはリング状の形状であって、固体電解質体６１の後端部にて、その外周面６１Ａ上に絶縁部材（図示外）を介しつつ周方向に亘って設けられる。端子接続部６３Ａは、外側端子７５の先端部７６（図１参照）と当接しており、これにより端子接続部６３Ａは外側端子７５と電気的に接続される。
【００４０】
端子接続部６３Ａの先端部を形成する稜線の一部からは、周方向の長さが一定である所定幅であって検出素子６の先端側へ向かって上下方向に延びる第一リード部６３Ｂが、外周面６１Ａ上に絶縁部材（図示外）を介しつつ設けられている。第一リード部６３Ｂは、拡径部６７よりもやや先端側の位置まで延びている。図２に示すように、第一リード部６３Ｂを正面からみた場合に、上下方向に延びる第一リード部６３Ｂの中心線は上述の点Ｑを通過する。また、図３に示すように、第一リード部６３Ｂは、外周面６１Ａの前側にのみ設けられている。第一リード部６３Ｂと端子接続部６３Ａとは接触することで互いに電気的に接続されている。
【００４１】
第一リード部６３Ｂの先端部からは、第一リード部６３Ｂと同じ周方向の長さであって検出素子６の先端側へ向かって上下方向に延びる第二リード部６３Ｃが、外周面６１Ａ上に絶縁部材（図示外）を介しつつ設けられている。第二リード部６３Ｃは、検出部６４の先端側まで延びる。図２に示すように、第二リード部６３Ｃを正面からみた場合に、上下方向に延びる第二リード部６３Ｃの中心線は、第一リード部６３Ｂと同様、点Ｑを通過する。また、図３に示すように、第二リード部６３Ｃは、外周面６１Ａの前側にのみ設けられている。第二リード部６３Ｃと第一リード部６３Ｂとは接触することで互いに電気的に接続されている。
【００４２】
図２に示すように、第二リード部６３Ｃの先端部からは、周方向の長さが第二リード部６３Ｃよりも長く、検出素子６の先端部まで上下方向に延びる検出電極６３Ｄが、外周面６１Ａ上に設けられている。検出電極６３Ｄは、第二リード部６３Ｃの先端部から直線的に延びており、且つ検出素子６のうち球面状に閉じられた先端部を覆うように設けられている。図３に示すように、検出電極６３Ｄは外周面６１Ａの前側にのみ設けられている。さらに、図２に示すように、検出電極６３Ｄを正面からみた場合に、上下方向に延びる検出電極６３Ｄの中心線は、第二リード部６３Ｃと同様、点Ｑを通過する。検出電極６３Ｄと第二リード部６３Ｃとは接触することで互いに電気的に接続されている。
【００４３】
図３に示すように、検出電極６３Ｄは検出部６４の先端側において部分的に形成されている。具体的には、検出電極６３Ｄの表面積をＳとし、検出部６４の表面積をＴとしたときに、ＳはＴに対して８％〜２０％であり、１４％がさらに好ましい。これにより、検出電極６３Ｄの形成範囲が、点Ｑ近傍に制限される。従って、後述するように、固体電解質体６１の温度制御をするために、電子制御装置が固体電解質体６１を通電させる場合、流れる電流は、点Ｑ近傍にある最も活性化した部位の温度のみを反映する。その結果、電子制御装置は制度の良い温度制御を行うことができる。
【００４４】
ＳがＴに対して８％未満である場合、検出電極６３Ｄの形成量が少なく、ヒータ１００が加熱する場合に、検出電極６３Ｄは昇華により消耗し易い。このため酸素センサ１は高温に対する耐久性に劣ってしまう。
【００４５】
また、ＳがＴに対して２０％よりも大きい場合、検出電極６３Ｄは、点Ｑ近傍以外の固体電解質体６１の部位を覆ってしまう。このため、固体電解質体６１を温度制御する際に、電子制御装置が固体電解質体６１に対して後述する通電を行っても、電子制御装置は精度の高い温度制御ができない。より詳細には、固体電解質体６１に流れる電流は、点Ｑ近傍の最も活性化した固体電解質体６１の部位の温度と、それ以外の部位の温度との差分だけ誤差を含むことになり、電子制御装置は固体電解質体６１の温度を正確に検出できないため、固体電解質体６１に対して精度の高い温度制御ができない。
【００４６】
以下、図１５及び図１６を参照して、ＳのＴに対する比率であるＳ／Ｔの比率を、従来のもの、５０％、２０％、１０％、５％と変化させて行った酸素センサ１の出力のばらつき試験の結果について説明する。この試験は、検出素子６の内部抵抗を一定に保ちながら、図１５に示すように、排気ガスの温度を３００℃〜７００℃の間で変化させた時のλ＝０．９８での酸素センサ１の出力電圧（ｍV)のばらつきを比較した。λは、理論空気量と実際に供給されている空気量の差を表す係数である。図１６に示すように、Ｓ／Ｔの比率が２０％、１０％、５％と、Ｓ／Ｔの比率が２０％以下では、酸素センサ１の出力電圧（ｍV)のばらつきが従来の酸素センサに比べて大きく改善したことが判明した。従って、Ｓ／Ｔの比率は、２０％以下であることが望ましい。
【００４７】
次に、図１７及び図１８を参照して、酸素センサ１の耐久試験の結果について説明する。この試験では、図１７に示すように、エンジンの実機にて排気ガスの温度を９００℃〜９５０℃となるようにした運転を５０分間行い、その後、アイドリング運転を１０分間行う運転のパターンを１０００時間、２０００時間、３０００時間繰り返した。この耐久試験の結果を図１８に示す。図１８に示す耐久試験の結果では、耐久試験後に電極の劣化状態を電子顕微鏡で観察した。電極が昇華により劣化した場合を「×」で表し、電極が昇華により劣化の問題が無かった場合を「○」で表している。Ｓ／Ｔの比率が５％の場合には、１０００時間及び２０００時間の運転時間では、検出電極６３Ｄの形成量が少なく、検出電極６３Ｄが昇華により消耗することが判明した。Ｓ／Ｔの比率が８％の場合には、１０００時間、２０００時間及び３０００時間の運転時間では、検出電極６３Ｄが昇華により消耗する問題は生じなかった。同様に、Ｓ／Ｔの比率が５０％の場合には、１０００時間、２０００時間及び３０００時間の運転時間では、検出電極６３Ｄが昇華により消耗する問題は生じなかった。従って、Ｓ／Ｔの比率が８％未満である場合、検出電極６３Ｄの形成量が少なく、酸素センサ１は高温に対する耐久性に劣ってしまうことが判明した。よって、Ｓ／Ｔの比率は、８％以上２０％以下であることが望ましい。
【００４８】
また、図５に示すように、検出電極６３Ｄの周方向の一端部と固体電解質体６１の中心Ｐとの結ぶ線分と、検出電極６３Ｄの周方向の他端部と中心Ｐとを結ぶ線分とのなす角度のうち、検出電極６３Ｄを含む領域における角度θは１８０°未満であり、１６０°がさらに好ましい。θが１８０°未満であることで、後述するように、検出素子６に検出電極６３Ｄを形成させるためのメッキ処理において、マスク１７０を固体電解質体６１に、十分な締め付け力でもって装着させることができる。このため、検出素子６をメッキ液に浸す場合に、マスク１７０の内周面と固体電解質体６１の外周面６１Ａとの間にメッキ液が浸入することを防止することができる。θが１８０°以上の場合、マスク１７０の締め付け力が十分でなく、メッキ液がマスク１７０の内周面と外周面６１Ａとの間に浸入してしまう。なお、図５に示す基準電極６２Ｂおよび検出電極６３Ｄの厚さは、図面の見易さのため、実際よりも厚くして図示しており、図１４においても同様である。
【００４９】
さらに、図２に示すように、上下方向において、検出電極６３Ｄの長さＸは検出部６４の長さＹに対して４０％以下であり、３６％がさらに好ましい。ＸがＹに対して４０％以下であることで、検出電極６３Ｄは、点Ｑ近傍および点Ｑ近傍にあるヒータ１００の発熱部１４２を覆うように外周面６１Ａ上に設けられる。ヒータ１００による加熱時には、発熱部１４２の発熱によって点Ｑ近傍の固体電解質体６１が最も活性化する。従って、電子制御装置は最も活性化した固体電解質体６１の温度を確実に検知することができる。ＸがＹに対して４０％よりも大きい場合、電子制御装置が点Ｑ近傍以外の温度を検知する場合があり、固体電解質体６１の温度制御を精度良くできない。
【００５０】
以下、図１９及び図２０を参照して、検出電極６３Ｄの長さＸの検出部６４の長さＹに対する比であるＸ／Ｙの比率を、１００％、５０％、４０％、２０％と変化させて行った酸素センサ１の検出素子６の温度のばらつきの試験結果について説明する。この試験は、図１９に示すように、検出素子６の内部抵抗を一定に保ちながら、排気ガスの温度を３００℃〜７００℃の間で変化させた時の検出素子６の温度を熱電対１０を用いて測定した。図２０に示すように、Ｘ／Ｙの比率が４０％及び２０％の酸素センサ１では、Ｘ／Ｙの比率が１００％及び５０％の酸素センサ１に比較して、検出素子６の温度のばらつきが大きく改善したことが判明した。従って、Ｘ／Ｙの比率は、４０％以下であることが望ましい。
【００５１】
次に、検出素子６に、第二リード部６３Ｃおよび検出電極６３Ｄを形成させるためのメッキ処理について説明する。図６および図７に示すように、メッキ処理においては、検出素子６にマスキングをするマスク１７０と、マスク１７０が装着された固体電解質体６１を固定するマスク固定板１８０と、メッキ液１９０とが用いられる。端子接続部６３Ａおよび第一リード部６３Ｂは予め印刷工程により、外周面６１Ａ上に形成されている。なお、検出素子６について既に定義されている、左側、右側、上側（後端側）、下側（先端側）、正面側、奥側を、図６に示すマスク１７０およびマスク固定板１８０も同様に、左側、右側、上側（後端側）、下側（先端側）、正面側、奥側と定義し、以下説明する。
【００５２】
図６に示すように、マスク１７０は先端側が閉じられた略筒状の形状をなす。マスク１７０は伸縮自在のゴム部材からなり、自身の筒孔の内径は固体電解質体６１の検出部６４の外径よりも小さい。このため、マスク１７０が固体電解質体６１に取り付けられた場合、マスク１７０の内周面と固体電解質体６１の外周面６１Ａとは、上下方向に亘って密着することができる。図８に示すように、マスク１７０は自身の外周面１７１上に、第一スリット１７２および第二スリット１７３を有している。第一スリット１７２は、マスク１７０の後端部から先端側にかけて一定の幅で上下方向に延びている。図９に示すように、第一スリット１７２は外周面１７１上の前側にのみ設けられている。図６に示すように、マスク１７０を固体電解質体６１に装着させた場合、第一スリット１７２は外周面６１Ａ上にて、第一リード部６３Ｂが形成された部位及び第二リード部６３Ｃを形成させる部位を露出させる。
【００５３】
図８に示すように、外周面１７１における周方向の長さが第一スリット１７２よりも長い第二スリット１７３は、第一スリット１７２の先端部からマスク１７０の先端部まで上下方向に延びている。図８に示すように、マスク１７０を正面からみた場合に、上下方向に延びる第一スリット１７２の中心線と、第二スリット１７３の中心線とは一致している。また、図９に示すように、第二スリット１７３は、外周面１７１上の前側にのみ設けられている。マスク１７０を固体電解質体６１に装着させた場合、第二スリット１７３は、外周面６１Ａにて第二リード部６３Ｃを形成させる部位を露出させる。
【００５４】
上述したように、外周面６１Ａの周方向における検出電極６３Ｄの形成範囲は、外周面６１Ａの半分以下である（図２参照）。そのため、図１０に示すように、マスク１７０の中心Ｒと第二スリット１７３の周方向の一端部を結ぶ線分と、中心Ｒと第二スリット１７３の他端部を結ぶ線分とのなす角度のうち、第二スリット１７３を含まない領域における角度δは１８０°以上となる。これにより、マスク１７０は、十分な締め付け力でもって固体電解質体６１に取り付けられる。従って、マスク１７０を装着した固体電解質体６１が後述するメッキ液１９０に浸される場合に、メッキ液１９０がマスク１７０の内周面と固体電解質体６１の外周面６１Ａとの間に浸入することはない。なお、本実施形態においては一例として、δは２００°である。また、外周面１７１における周方向の長さが第二スリット１７３よりも短い第一スリット１７２においては、第二スリット１７３よりも大きな締め付け力をもつことができるため、同様にメッキ液１９０の浸入を防ぐことができる。
【００５５】
図６に示すように、伸縮自在のゴム部材からなるマスク固定板１８０は、貫通孔１８１を有する略直方体形状をなす。貫通孔１８１は平面視で円形状であって、マスク固定板１８０を上下方向に亘って貫通している。これによって、マスク固定板１８０の手前側は上下方向に亘って開口している。貫通孔１８１の内径は、固体電解質体６１の検出部６４後端側の外径よりも小さい。これにより、マスク１７０が装着された固体電解質体６１に取り付けられることで、マスク固定板１８０は固体電解質体６１およびマスク１７０を一体的に固定することができる。
【００５６】
次に、検出素子６に、メッキ処理により第二リード部６３Ｃおよび検出電極６３Ｄを形成させる程を説明する。図６に示すように「マスク装着工程」において、予め印刷工程によって端子接続部６３Ａおよび第一リード部６３Ｂが形成された固体電解質体６１に、マスク１７０を装着させる。この際、第一リード部６３Ｂおよび第一スリット１７２の上下方向に延びる中心線が、正面視で互いに一致するように、且つ固体電解質体６１とマスク１７０との先端位置が一致するように位置合わせを行いながら、固体電解質体６１にマスク１７０を装着させる。なお、メッキ処理予定位置には予め核付け処理がなされている。そして、図６に示すように「マスク固定板装着工程」において、マスク１７０が取り付けられた固体電解質体６１に、マスク固定板１８０を装着させる。この際、上下方向に延びる第一リード部６３Ｂの中心線と貫通孔１８１の軸線とが正面視で一致するように、且つ固体電解質体６１の先端部とマスク固定板１８０の先端部とが一致するように位置合わせ行いながら装着させる。さらに図７に示すように、マスク固定板１８０およびマスク１７０を備えた固体電解質体６１を、所定の容器に入ったメッキ液１９０に浸す。固体電解質体６１がメッキ液に浸ることで、第一スリット１７２および第二スリット１７３により露出される外周面６１Ａのうち、核付け処理がなされた部位にのみメッキ処理がなされる。これにより、外周面６１Ａ上に第二リード部６３Ｃおよび検出電極６３Ｄが形成される。
【００５７】
図５に示す、検出電極６３Ｄを含む領域における角度θの値を５０°、１００°、１６０°、１８０°と成るように、マスク１７０の形状を変更して、検出素子６に検出電極６３Ｄを形成させるためのメッキ処理を行った結果を図２１に示す。図２１に示すように、角度θが５０°〜１６０°の場合にはメッキの滲みが生じなかった。一方、角度θが１８０°の場合にはメッキの滲みが生じた。従って、角度θは、１８０°未満であることが望ましい。
【００５８】
次に、固体電解質体６１の温度制御について説明する。酸素センサ１の使用時において、ヒータ１００の加熱により活性化した固体電解質体６１の温度を一定に保つために、電子制御装置（図示外）は固体電解質体６１の温度制御を行う。具体的には、上述の電子制御装置が一対のリード線１８を介して、基準電極部６２および検出電極部６３に挟まれる固体電解質体６１に電流を流す。電子制御装置は通電により流れる電流値に基づいて、固体電解質体６１の抵抗値を読み取り、この抵抗値に基づいて固体電解質体６１の温度を検出する。検出した温度と、固体電解質体６１の所望の温度との差に基づいて、電子制御装置は一対のリード線１９を介したリード部１４３への通電を制御する。これによって、電子制御装置はヒータ１００の発熱部１４２の発熱の加減を調整し、ヒータ１００の固体電解質体６１に対する加熱は調整される。この結果、固体電解質体６１は所望の温度となり、その後その温度は維持される。これによって検出素子６の出力は一定に保たれる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態の酸素センサ１では、ヒータ１００の先端部１１０が基準電極部６２に接する点Ｑからみて、固体電解質体６１を挟んで対向する部位近傍にのみ、検出電極６３Ｄは外周面６１Ａ上に形成されている。そして、検出電極６３Ｄの表面積Ｓは、検出部６４の表面積Ｔに対して８％〜２０％である。すなわち、検出電極６３Ｄの形成範囲は点Ｑの位置近傍で、且つ所定の範囲に限定される。形成範囲が限定されることで、検出素子６は固体電解質体６１の不活性な部位から影響を受けることがなく、外部に出力を行うことができる。
【００６０】
また、活性化した固体電解質体６１を通電させた場合に流れる電流値は、点Ｑ近傍にある最も活性化された固体電解質体６１の抵抗値のみを反映した値となる。この結果、電子制御装置は、固体電解質体６１のうち最も活性化された部位の温度のみに基づいて、固体電解質体６１が所望の温度となるよう制御できる。このため、固体電解質体６１の温度が部位によって差がある場合であっても、電子制御装置は、精度良く固体電解質体６１の温度制御を行うことができ、検出素子６の出力は一定となる。すなわち、電子制御装置は、被測定ガスの温度に関わらず、精度良く固体電解質体６１の温度を制御でき検出素子６の応答性を向上させることができる。
【００６１】
また、ＳがＴに対して８％以上であることで、ヒータ１００の加熱により検出電極６３Ｄが高温化した場合であっても、検出電極６３Ｄは昇華による消耗に耐えることができ、酸素センサ１は高温に対する耐久性を達成できる。さらにＳがＴに対して２０％以下であることで、検出電極６３Ｄは点Ｑ近傍にのみ配置される。このため、ヒータ１００が加熱した場合に、固体電解質体６１は昇温しやすい。このため、酸素センサ１は良好な応答性を達成できる。また、ＳがＴに対して２０％以下であることで、白金や白金合金などの検出電極６３Ｄに用いられる材料の使用量を減らすことができ、酸素センサ１の低コスト化を実現することができる。
【００６２】
また、固体電解質体６１の外周面６１Ａの周方向において、検出電極６３Ｄの形成範囲は外周面６１Ａの半分以下である。このため、検出電極６３Ｄを形成させるメッキ処理において、メッキ液１９０に浸す前に固体電解質体６１に装着させるマスク１７０は、外周面６１Ａの半分以上を覆うことができる。従って、マスク１７０は固体電解質体６１に対して十分な締め付け力でもって装着されることができる。すなわち、メッキ液１９０に検出素子６を浸した場合に、メッキ液が外周面６１Ａとマスク１７０の内周面との間に浸入することを防止することができる。
【００６３】
また、ＸがＹに対して４０％以下の範囲で、検出電極６３Ｄは外周面６１Ａに形成される。これにより、検出電極６３Ｄは、固体電解質体６１が活性時に最も温度が高くなる点Ｑ近傍およびヒータ１００の発熱部１４２近傍に確実に設けられる。このため、検出電極６３Ｄには、固体電解質体６１の最も高い温度を反映した電流が確実に流れる。従って、活性化した固体電解質体６１の温度が部位によって異なるか否かに関わらず、すなわち被検出ガスの温度に関わらず、電子制御装置は固体電解質体６１の最も高い温度を確実に検出し、固体電解質体６１の温度制御を精度良く行うことができる。
【００６４】
次に、図２２を参照して、外側電極部である検出電極６３Ｄの検出素子６の軸線方向における長さ及び内側電極部である基準電極６２Ｂの検出素子６の軸線方向における長さと、検出素子６の内部抵抗との関係を説明する。図２２に示す図は、検出素子６が６００℃の場合の外側電極部と内側電極部の位置関係と、検出素子６の内部抵抗の関係を示している。図２２の（１）〜（３）に示すように、検出素子６の軸線方向において、外側電極部（検出電極６３Ｄ）の長さより内側電極部（基準電極６２Ｂ）の長さが長い場合には、検出素子６の内部抵抗のばらつきが少なく安定する。これに対して、外側電極部（検出電極６３Ｄ）の長さが内側電極部（基準電極６２Ｂ）の長さと等しい場合や、外側電極部（検出電極６３Ｄ）の長さが内側電極部（基準電極６２Ｂ）の長さよりも長い場合には、検出素子６の内部抵抗のばらつきが大きくなる。従って、外側電極部（検出電極６３Ｄ）の長さより内側電極部（基準電極６２Ｂ）の長さが長いことが望ましい。即ち、検出素子６の軸線方向において、内側電極部（基準電極６２Ｂ）の後端部は、外側電極部（検出電極６３Ｄ）の後端部よりも後端側に位置することが望ましい。この場合には、検出素子６の内部抵抗のばらつきが少なく安定する。
【００６５】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば図１１に示すように、検出電極６３Ｄの外周面６１Ａの周方向における長さは第二リード部６３Ｃと略同じであってもよい。この場合、検出電極６３Ｄがさらに限定される。この結果、通電時において検出電極６３Ｄに流れる電流は、より確実に固体電解質体６１の最も高い温度を反映でき、電子制御装置は固体電解質体６１を精度良く温度制御できる。また、図１２および図１３に示すように、検出電極６３Ｄは、点Ｑ近傍に設けられるのであれば、検出部６４のうち球面状に閉じられた先端部に形成されていなくてもよい。この場合、酸素センサ１は更なる低コスト化を実現することができる。なお、図１１や図１３のように、検出電極６３Ｄの周方向における長さと第二リード部６３Ｃの周方向における長さとが等しい場合、ヒータ１００の発熱部１４２の後端を基準位置として、そこより先端側を検出電極６３Ｄ、後端側を第二リード部６３Ｃとして区別する。
【００６６】
また、内側電極部である基準電極６２Ｂは、検出素子６の内側表面の周方向において部分的に形成された内側部分電極部を少なくとも有し、該内側部分電極部は、外側部分電極部である検出電極６３Ｄと固体電解質体６１を挟んで少なくとも一部が対向する位置に配置されていてもよい。この場合には、内側部分電極部と外側部分電極部とが少なくとも一部が重なるように対向配置され、しかもヒータがその近傍に当接しているため、素子の活性化時間を短縮することができる。また、ヒータ１００は、検出素子６の内側表面のうち、内側側面に当接するようにしてもよい。
【００６７】
また、本発明は、上記の実施形態のような、エンジンから排出される排気ガスを検知する酸素センサに限られず、各種の被検出ガスを検知するガスセンサに適用が可能である。また、本発明は、エンジンの吸気管に取り付けられるガスセンサにも適用可能である。さらに、検出電極６３Ｄは、図１２のような正面視で長方形形状である必要はなく、上下方向を長手方向とする楕円形等の曲線形状をなしていてもよい。また、本発明は、図１に示すようなヒータ１００が検出素子６の内側側面のみに当接する態様に限られず、例えば検出素子６の底部に当接する態様にも適用が可能である。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、酸素センサ１が「ガスセンサ」に、検出素子６が「センサ素子」に、外周面６１Ａが「外側表面」に、基準電極６２Ｂが「内側電極部」に、検出電極６３Ｄが「外側電極部」に、リード部６２Ａ、第一リード部６３Ｂおよび第二リード部６３Ｃが「リード部」に、検出部６４が「ガス接触部」に、筒孔６９が「内面」に、軸線Ｏが「軸線」に、中心Ｐが「中心」に、点Ｑが「当接部」に、角度θが「角度」に相当する。
【符号の説明】
【００６９】
１        酸素センサ
６        検出素子
６１      固体電解質体
６１Ａ    外周面
６２Ａ    リード部
６２Ｂ    基準電極
６３Ｂ    第一リード部
６３Ｃ    第二リード部
６３Ｄ    検出電極
６４      検出部
６９      筒孔
１００    ヒータ
１４１    発熱抵抗体
１４２    発熱部
Ｏ        軸線
Ｐ        中心
Ｑ        点
Ｓ，Ｔ    表面積
Ｘ，Ｙ    長さ
θ        角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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