(57)【要約】【課題】センサ部を均一に昇温することができ、且つ、簡便に製造することができる酸素センサおよびそれを備えた駆動装置ならびに自動車両を提供する。【解決手段】本発明によるガスセンサは、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有する基材１１と、基材１１の先端部において主面１１ａ上に設けられ、所定のガスを検出するためのセンサ部１２と、基材１１の裏面１１ｂ側においてセンサ部１２に対応する位置に設けられ、センサ部１２を昇温させる第１加熱素子１５と、基材１１の裏面１１ｂ側に設けられ、第１加熱素子１５よりも基材１１の基端部側に配置された第２加熱素子１６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する主面および裏面を有する基材と、
前記基材の先端部において前記主面上に設けられ、所定のガスを検出するためのセンサ部と、
前記基材の前記裏面側において前記センサ部に対応する位置に設けられ、前記センサ部を昇温させる第１加熱素子と、
前記基材の前記裏面側に設けられ、前記第１加熱素子よりも前記基材の基端部側に配置された第２加熱素子と、を備えるガスセンサ。
【請求項２】
前記第１加熱素子および前記第２加熱素子のそれぞれは、一定の幅を有する所定のパターンで形成されており、
前記第１加熱素子のパターンの幅と、前記第２加熱素子のパターンの幅とが略等しい請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１加熱素子および前記第２加熱素子のそれぞれは、複数の直線部分と、少なくとも１つの屈曲した部分とを有する請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１加熱素子が有する前記複数の直線部分は、前記基材の基端部から先端部に向かう第１の方向に略平行に延び、
前記第２加熱素子が有する前記複数の直線部分は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行に延びる請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記センサ部は、雰囲気ガスに含まれる前記所定のガスとの接触により抵抗率が変化するガス感応層と、前記ガス感応層に接触するように設けられた電極とを有する請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記センサ部の前記電極は、前記基材の基端部から先端部に向かう第１の方向に直交する第２の方向に略平行に延びる請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記所定のガスは酸素である請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
内燃機関と、
前記内燃機関の排ガスに接するように設けられた請求項１から７のいずれかに記載のガスセンサと、
前記ガスセンサに接続され、前記内燃機関を制御する制御装置と、を備えた駆動装置。
【請求項９】
請求項８に記載の駆動装置を備えた自動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、センサ部を昇温するためのヒータを備えたガスセンサに関する。また、本発明は、ガスセンサを備えた駆動装置やそのような駆動装置を備えた自動車両にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は、理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、例えば、抵抗型の酸素センサが知られている。図１１に、従来の抵抗型酸素センサ５００を示す。なお、図１１では、わかりやすさのために酸素センサ５００を分解して示している。
【０００５】
抵抗型酸素センサ５1０は、アルミナなどの絶縁体から形成された基材５１１と、基材５１１の主面５１１ａ上に設けられたセンサ部５１２とを備えている。センサ部５１２は、基材５１１の先端部に設けられており、このセンサ部５１２は、基材５１１の主面５１１ａ上に形成された電極５１３と、これらの電極５１３を覆うように形成された酸化物半導体層５１４とを有している。
【０００６】
酸化物半導体層５１４に接する雰囲気ガスの酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層５１４中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層５１４の抵抗率が変化する。そのため、抵抗率の変化を電極５１３を用いて測定することにより、酸素濃度を検出できる。
【０００７】
基材５１１の裏面５１１ｂ側には、センサ部５１２に対応する位置にヒータ５１５が配置されている。ヒータ５１５は、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型のヒータである。ヒータ５１５から引き延ばされた電極５１６に所定の電圧を印加すると、所定の形状に形成された発熱体に電流が流れて発熱体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。発熱体は、金属材料から形成されることが多い。このヒータ５１４によってセンサ部５１２を昇温させ、センサ部５１２を速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。
【０００８】
ところが、従来の酸素センサ５１０には、センサ部５１２を均一に昇温させることが難しいという問題があった。この理由を以下に説明する。
【０００９】
基材５１１の基端部には、酸素センサ５１０を排気管に固定するための部材（ハウジングなど）が取り付けられるので、センサ部５１２の昇温時には、基材５１１の基端部からこれらの部材に熱が伝導してしまう。従って、センサ部５１２の基端部は先端部に比べて昇温しにくく、そのため、センサ部５１２を均一に昇温させることは難しい。
【００１０】
センサ部５１２の温度がばらつくと、検出精度が低下してしまう。また、温度がススの燃焼温度（具体的には約６００℃）以下の部分には、ススが付着してしまう。そのため、センサ出力に異常を来たしたり、ヒータ５１５の短絡によって温度制御に異常を来たしたりする。
【００１１】
さらに、センサ部５１２の基端部を速やかに昇温させるためには、基材５１１の基端部からの熱損失を見込んで電極に大きな電圧を印加する必要があるので、ヒータ５１５の先端部５１５ｌｅがヒータ５１５の基端部５１５ｂｅに比べて著しく高温となり、ヒータ先端部５１５ｌｅで断線が発生してしまうことがある。
【００１２】
このような断線を防止するために、特許文献１は、ヒータ先端部の発熱量をヒータ基端部の発熱量よりも少なくする技術を開示している。上記特許文献１は、具体的には、ヒータ先端部の発熱体の幅をヒータ基端部の発熱体の幅よりも広くしたり、ヒータ先端部の発熱体をヒータ基端部の発熱体よりも厚くしたり、あるいは、ヒータ先端部の発熱体をヒータ基端部の発熱体の材料よりも比抵抗の小さな材料から形成したりする手法を開示している。
【００１３】
上述した手法を用いることにより、ヒータ先端部の発熱体の抵抗率がヒータ基端部の発熱体の抵抗率よりも低くなるので、ヒータ先端部の発熱量がヒータ基端部の発熱量よりも少なくなり、ヒータ先端部における断線の発生が抑制される。また、このような手法を用いることにより、センサ部の温度のばらつきは結果的にはいくぶん小さくなる。
【特許文献１】特許第３５２３９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記特許文献１に開示されているように、ヒータ先端部とヒータ基端部とで発熱体の幅や厚さ、材料を異ならせることは、製造プロセス上の問題を発生させてしまう。具体的には、発熱体の厚さや材料を異ならせるためには、余分な工程を追加する必要があるし、幅の異なる発熱体を同一の工程で形成することは製法によっては難しいことがある。例えば、幅の異なる発熱体をスクリーン印刷法を用いて一度に形成すると、厚さがばらついたり、印刷のにじみやかすれが発生したりする。
【００１５】
また、上記の手法は、ヒータ先端部の発熱量を相対的に小さくすることによって断線を解消する手法であるため、基材の基端部からの熱損失に起因してセンサ部の基端部が昇温されにくいことを本質的に解消することはできない。
【００１６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ部を均一に昇温することができ、且つ、簡便に製造することができる酸素センサおよびそれを備えた駆動装置ならびに自動車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によるガスセンサは、互いに対向する主面および裏面を有する基材と、前記基材の先端部において前記主面上に設けられ、所定のガスを検出するためのセンサ部と、前記基材の前記裏面側において前記センサ部に対応する位置に設けられ、前記センサ部を昇温させる第１加熱素子と、前記基材の前記裏面側に設けられ、前記第１加熱素子よりも前記基材の基端部側に配置された第２加熱素子とを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００１８】
ある好適な実施形態において、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子のそれぞれは、一定の幅を有する所定のパターンで形成されており、前記第１加熱素子のパターンの幅と、前記第２加熱素子のパターンの幅とが略等しい。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子のそれぞれは、複数の直線部分と、少なくとも１つの屈曲した部分とを有する。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記第１加熱素子が有する前記複数の直線部分は、前記基材の基端部から先端部に向かう第１の方向に略平行に延び、前記第２加熱素子が有する前記複数の直線部分は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行に延びる。
【００２１】
ある好適な実施形態において、  前記センサ部は、雰囲気ガスに含まれる前記所定のガスとの接触により抵抗率が変化するガス感応層と、前記ガス感応層に接触するように設けられた電極とを有する。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記センサ部の前記電極は、前記基材の基端部から先端部に向かう第１の方向に直交する第２の方向に略平行に延びる。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記所定のガスは酸素である。
【００２４】
本発明による駆動装置は、内燃機関と、前記内燃機関の排ガスに接するように設けられた上記の構成を有するガスセンサと、前記ガスセンサに接続され、前記内燃機関を制御する制御装置とを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００２５】
本発明による自動車両は、上記の構成を有する駆動装置を備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によるガスセンサは、基材の裏面側においてセンサ部に対応する位置に設けられ、センサ部を昇温させる第１加熱素子と、基材の裏面側に設けられ、第１加熱素子よりも基材の基端部側に配置された第２加熱素子とを備えている。従って、基材の基端部からの熱損失を第２加熱素子の発熱によって減殺することができるので、センサ部を均一に昇温することができる。また、第１加熱素子と第２加熱素子とは、幅や厚さ、材料を互いに異ならせる必要がないので、本発明によるガスセンサは、簡便に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、抵抗型の酸素センサを例として本発明を説明するが、本発明は抵抗型の酸素センサに限定されず、各種のガスセンサに好適に用いられる。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照しながら、本実施形態における酸素センサ１０の構造を説明する。図１は、酸素センサ１０を模式的に示す分解斜視図である。
【００２９】
酸素センサ１０は、図１に示すように、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有する基材１１と、基材１１の主面１１ａ上に設けられたセンサ部１２とを備えている。
【００３０】
基材１１は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成されており、絶縁性の表面を備えている。この基材１１の先端部に、センサ部１２が設けられている。また、基材１１の基端部は、後述するように、酸素センサ１０を排気管に固定するための部材（例えばハウジング）によって保持される。本実施形態における基材１１は、基端部から先端部に向かう方向Ｄ１が長手方向となる形状を有している。以下では、基材１１の基端部から先端部に向かう方向Ｄ１を単に「基材の長手方向」と呼び、方向Ｄ１に直交する方向Ｄ２を単に「基材の幅方向」と呼ぶ。
【００３１】
センサ部１２は、センサ部１２に接する雰囲気ガス中に含まれる所定のガスの濃度や量を検出する。本実施形態におけるセンサ部１２は、いわゆる抵抗型のセンサ部であり、雰囲気ガスに含まれる所定のガス（ここでは酸素）との接触により抵抗率が変化するガス感応層１４と、ガス感応層１４に接触するように設けられた電極１３とを有している。
【００３２】
ガス感応層１４は、例えば、酸化物半導体層である。酸化物半導体層は、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変化し、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。この抵抗率の変化を電極１３で計測することにより、酸素濃度を検出することができる。
【００３３】
電極１３は、基材１１の主面１１ａ上に設けられており、ガス感応層１４によって覆われている。電極１３は、ガス感応層１４の抵抗率の変化を効率よく計測できるよう、櫛歯状に形成されていることが好ましい。本実施形態における電極１３は、基材１１の幅方向Ｄ２に略平行に延びるように形成されている。
【００３４】
基材１１の裏面１１ｂ側には、センサ部１２を昇温させるための第１加熱素子１５および第２加熱素子１６が設けられている。第１加熱素子１５は、センサ部１２に対応する位置に設けられている。すなわち、第１加熱素子１５は、基材１１を介してセンサ部１２にほぼ重なるように設けられている。また、第２加熱素子１６は、第１加熱素子１５よりも基材１１の基端部側に配置されている。
【００３５】
ここで、図２も参照しながら、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６の構造をより詳しく説明する。図２は、酸素センサ１０を基材１１の裏面１１ｂ側から見た平面図である。
【００３６】
本実施形態における第１加熱素子１５および第２加熱素子１６は、抵抗体に電流を通したときの抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の加熱素子である。第１加熱素子１５および第２加熱素子１６は、典型的には、白金やタングステンなどの金属材料から形成されている。
【００３７】
第１加熱素子１５および第２加熱素子１６は、それぞれ一定の幅Ｗ１、Ｗ２を有する所定のパターンで形成されている。本実施形態では、第１加熱素子１５のパターンの幅Ｗ１と、第２加熱素子１６のパターンの幅Ｗ２とはほぼ等しい。
【００３８】
第１加熱素子１５は、具体的には、矩形波状のパターンで形成されており、直線部分１５ａと屈曲した部分１５ｂとを有している。また、第２加熱素子１６も、矩形波状のパターンで形成されており、直線部分１６ａと屈曲した部分１６ｂとを有している。ただし、第１加熱素子１５の直線部分１５ａが、基材１１の長手方向Ｄ１に略平行に延びているのに対し、第２加熱素子１６の直線部分１５ｂは、基材１１の幅方向Ｄ２に略平行に延びている。つまり、第１加熱素子１５が基材１１の長手方向Ｄ１を振幅方向とする波状に形成されているのに対し、第２加熱素子１６は、基材１１の幅方向Ｄ２を振幅方向とする波状に形成されている。
【００３９】
第１加熱素子１５および第２加熱素子１６は、二対の電極１７、１８に接続されている。内側に位置する一対の電極１７は、加熱素子に電力を供給する（電圧を印加する）ための電極であり、外側に位置する一対の電極１８は、抵抗率を測定して加熱素子の温度を検出するための電極である。
【００４０】
電力供給用の一対の電極１７間に電圧が印加されると、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６の抵抗体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。第１加熱素子１５および第２加熱素子１６によってセンサ部１２を昇温させ、センサ部１２を速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。
【００４１】
本実施形態における酸素センサ１０は、第１加熱素子１５よりも基材１１の基端部側に配置された第２加熱素子１６を備えているので、基材１１の基端部からの熱損失を第２加熱素子１６の発熱によって減殺することができる。そのため、センサ部を均一に昇温することができ、検出精度をより向上することが可能になる。
【００４２】
本願発明者は、本実施形態における酸素センサ１０を実際に試作し、昇温時におけるセンサ部１２の温度の均一性を検証した。以下、その検証結果を、図３（ａ）に示す従来の酸素センサ５１０（以下「比較例１」と呼ぶ）と比較しながら説明する。また、以下では、図３（ｂ）に示す酸素センサ６１０（以下「比較例２」と呼ぶ）とも比較して説明する。図３（ｂ）に示す酸素センサ６１０は、従来の酸素センサ５１０を本願発明者が独自に改良したものであり、ヒータ６１５の基端が基材の基端部側に引き延ばされている点において従来の酸素センサ５１０と異なっている。なお、試作例の具体的な仕様（構成部材の材料やサイズ等）は後に詳述することとし、ここでは省略する。
【００４３】
図４に、センサ部の中央部の温度を約７００℃としたときの温度分布（基材の長手方向に沿った温度分布）を示す。図４は、基材の最先端からの距離（ｍｍ）と温度（℃）との関係を示すグラフである。試作例、比較例１および比較例２のいずれについても、センサ部は、その先端が基材の最先端から約０．５ｍｍの位置、その基端が基材の最先端から約５．０ｍｍの位置となるように設けられている。
【００４４】
図４に示すように、比較例１では、センサ部の基端部の温度がセンサ部の中央部の温度に比べて大きく低下している。これに比べ、本実施形態における酸素センサ１０の試作例では、センサ部１２の基端部の温度の低下が抑制されている。また、比較例２では、比較例１よりもセンサ部の基端部の温度の低下が抑制されているものの、その抑制効果は、本実施形態における酸素センサ１０の試作例に比べれば不十分である。
【００４５】
表１に、試作例、比較例１および比較例２について、センサ部が設けられている領域における温度差（最低温度と最高温度との差）と、消費電力とを示す。表１に示すように、温度差は、比較例１では約１１０℃、比較例２では約７４℃であるのに対し、試作例では約６０℃であり、センサ部１２の温度の均一性が向上していた。また、試作例の消費電力は５．６Ｗであり、比較例１の消費電力（＝５．１Ｗ）に比べれば多いものの、比較例２の消費電力（５．９Ｗ）に比べると少なかった。つまり、試作例は、比較例２よりも温度を均一化する効果が高いにもかかわらず、消費電力は比較例２よりも少なかった。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１０は、従来の酸素センサ５１０に比べてセンサ部１２を均一に昇温することができる。また、酸素センサ１０は、ヒータの基端を単純に引き延ばした図３（ｂ）に示す酸素センサ６１０と比べても、センサ部１２の温度を均一に昇温することができる。
【００４８】
ここで、図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本実施形態における酸素センサ１０においてセンサ部１２が均一に昇温される理由を説明する。
【００４９】
加熱素子（ヒータ）の屈曲部分では、発熱体の面積比率（基板の単位面積当たりの発熱体面積）が直線部分に比べて高くなる。そのため、発熱に際しては、屈曲部分による発熱が支配的となる。従って、図５（ａ）に示す従来の酸素センサ５１０では、ヒータの先端部に位置する屈曲部分のグループ（屈曲部分群）５１５ｂｇ１による発熱と、ヒータの基端部に位置する屈曲部分のグループ（屈曲部分群）５１５ｂｇ２による発熱とが支配的となる。図５（ａ）には、先端側の屈曲部分群５１５ｂｇ１の発熱による温度曲線ＴＣ１と、基端側の屈曲部分群５１５ｂｇ２の発熱による温度曲線ＴＣ２とを示している。
【００５０】
温度曲線ＴＣ１およびＴＣ２のそれぞれには、屈曲部分群５１５ｂｇ１、５１５ｂｇ２に対応した位置にピークが見られる。ただし、基材の基端部側からの熱損失によって、基端側の屈曲部分群５１５ｂｇ２に対応したピークは、先端側の屈曲部分群５１５ｂｇ２に対応したピークよりも低くなっている。そのため、温度曲線ＴＣ１と温度曲線ＴＣ２とを合成した実効的な温度曲線ＴＣ３では、基端部に向かうにつれて温度が大きく低下してしまい、不均一な温度分布となってしまう。
【００５１】
これに対して、本実施形態における酸素センサ１０では、図５（ｂ）に示すように、第１加熱素子１５の屈曲部分群１５ｂｇ１および１５ｂｇ２の発熱による温度曲線ＴＣ１およびＴＣ２に加え、第２加熱素子１６の屈曲部分群１６ｂｇの発熱による温度曲線ＴＣ３が存在する。温度曲線ＴＣ３では、第２加熱素子１６の屈曲部分群１６ｂｇに対応した位置にピークが現れている。そのため、これら３つの温度曲線ＴＣ１、ＴＣ２およびＴＣ３を合成した実効的な温度曲線ＴＣ（１＋２＋３）では、第２加熱素子１６の屈曲部分群１６ｂｇに起因したピークによって基端側が底上げされており、そのことによって均一な温度分布が実現されている。
【００５２】
なお、図５（ａ）を参照しながら行った説明は、図３（ｂ）に示した酸素センサ６１０についてもほぼあてはまる。酸素センサ６１０では、ヒータ基端部が引き延ばされている分、ヒータ基端部の屈曲部分群に対応したピークの位置が基端側にシフトするとともに、直線部分が増加することによって総発熱量が増加するので、従来の酸素センサ５１０に比べると温度の均一性を高くすることができる。しかしながら、基材の基端部からの熱損失をさらなる加熱素子によって補償する本実施形態の酸素センサ１０に比べると、その効果は低い。
【００５３】
このように、本実施形態における酸素センサ１０では、基材１１の基端部からの熱損失を、第２加熱素子１６の発熱によって直接的に減殺するので、温度の均一性を向上する効果が高い。
【００５４】
また、本実施形態における酸素センサ１０では、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６の幅、厚さ、材料に特に制限はなく、これらを第１加熱素子１５と第２加熱素子１６とで異ならせる必要もない。従って、本実施形態における酸素センサ１０は、簡便に製造することができる。
【００５５】
本実施形態における酸素センサ１０は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００５６】
まず、基材１１を用意する。基材１１は、絶縁性の表面を備え、以下の工程で行う熱処理温度、および、酸素センサ１０の使用温度において変形等が実質的に生じない耐熱性を備えていればよい。基材１１としては、例えば、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成された基板を用いることができる。上述した試作例では、アルミナの焼結体から形成され、厚さが０．６３５ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが１５ｍｍのアルミナ基板を用いた。
【００５７】
次に、基材１１の主面１１ａ上に電極１３を形成する。電極１３は、導電性を有し、基材１１と同程度の耐熱性を有する材料から形成する。特に、ガス感応層１４を形成する際の熱処理温度よりも融点が高い材料を用いることが好ましい。電極１３の材料としては、白金や白金ロジウム合金、金などを用いることができる。電極１３の形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法を用いることができる。また、気相成長法などによって主面１１ａの全面に上述した材料の膜を形成した後、この膜をパターニングすることによって電極１３を形成してもよい。電極１３の厚さは例えば５μｍ〜５０μｍであり、電極１３の幅は例えば５０μｍ〜５００μｍである。また、櫛歯状に形成された電極１３間の距離は、例えば５０μｍ〜５００μｍである。試作例では、主面１１ａ上に白金ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布した後、焼成を行うことによって、厚さが８μｍ、幅が１００μｍ、電極１３間の距離が２００μｍとなるように電極１３を形成した。
【００５８】
続いて、電極１３を覆うように、ガス感応層１４としての酸化物半導体層を形成する。例えば、平均径５０ｎｍ〜５００ｎｍの酸化セリウムを主成分とするセラミックス粒子からなるペーストを、厚さ５μｍ〜５０μｍの範囲内で電極１３を覆うように基材１１の主面１１ａ上に塗布する。その後、酸化（空気）雰囲気下において、１１００℃で数時間保持し、ペーストを焼成することによって、多孔質の酸化物半導体層（半導体セラミックス層）が形成される。試作例では、酸化セリウムを用いて厚さ８μｍの酸化物半導体層を形成した。なお、酸化物半導体層の材料としては、上述したものに限定されず、セリウムおよびジルコニウムを含む酸化物や、酸化チタン、酸化ガリウムなどを用いることができる。特に、特開２００４−９３５４７号公報に開示されているような、セリウムおよびジルコニウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層は、検出感度に優れているので、ガス感応層１４として好適に用いられる。
【００５９】
また、上述したようにして基材１１の主面１１ａ上に電極１３およびガス感応層１４を形成するのとは別途に、基材１１の裏面１１ｂ上に、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を形成する。
【００６０】
第１加熱素子１５および第２加熱素子１６の材料としては、白金やタングステンなどの金属材料を用いることができる。また、非金属材料を用いることもでき、例えば、酸化レニウムなどの良導体酸化物を用いることができる。第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を形成する方法としては、簡便に厚膜を形成することができ、また、設備コストも低いという観点から、スクリーン印刷法が好適に用いられる。あるいは、薄膜法やエッチング法を用いてもよい。典型的には、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を形成する工程において、電極１７、１８も同時に形成される。
【００６１】
第１加熱素子１５および第２加熱素子１６の厚さは、例えば１μｍ〜２５μｍであり、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６のパターンの幅Ｗ１およびＷ２は、例えば５０μｍ〜２５０μｍである。また、第２加熱素子１６は、第１加熱素子１５の基端側の屈曲部分から例えば０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの間隔をおいて設けられる。試作例では、材料として白金を用いてスクリーン印刷法により、厚さ１０μｍ、パターンの幅Ｗ１およびＷ２が１２０μｍの第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を形成した。また、試作例では、第２加熱素子１６を、第１加熱素子１５の基端側の屈曲部分から０．５６ｍｍの間隔をおいて設けた。なお、第１加熱素子１５の基端は、センサ部１２の基端と厳密に一致している必要はなく、基端側や先端側にずれていてもよい。
【００６２】
このようにして、酸素センサ１０を製造することができる。なお、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６をスクリーン印刷法を用いて形成する場合には、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６がそれぞれ一定のパターン幅Ｗ１、Ｗ２を有し、さらに、これらのパターン幅Ｗ１およびＷ２が互いにほぼ等しいことが好ましい。スクリーン印刷の最適条件は、形成されるパターンの幅に応じて決まるので、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を一定の同じ幅で形成することにより、最適な条件で印刷を行うことができ、厚さのばらつきや、印刷のにじみ・かすれの発生を防止できる。
【００６３】
また、本実施形態では、基材１１の裏面１１ｂに第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を形成する場合を例示したが、第１加熱素子１５および第２加熱素子１６は、必ずしもセンサ部１２を設ける基材１１上に直接形成されている必要はない。例えば、図６に示されるように、別の基材１９上に形成された第１加熱素子１５および第２加熱素子１６を、基材１１の裏面１１ｂ側に配置してもよい。
【００６４】
センサ部１２の電極１３は、本実施形態のように基材１１の幅方向Ｄ２に略平行に延びていることが好ましい。その理由としては以下のように考えられる。既に述べたように、基材１１の基端部からの熱損失によって、基材１１の基端部から先端部に向かう方向Ｄ１に沿っては比較的大きな温度差が発生してしまう。そのため、電極１３を例えば方向Ｄ１に略平行に延びるように設けると、電極１３の延びる方向に沿って大きな温度差が発生してしまい、このことは、センサ部１２の回路全体としての抵抗率を著しく高くしてしまう可能性があるので、ガスの検出に支障をきたしてしまう。これに対し、基材１１の幅方向Ｄ２に沿っては、基材１１の基端部からの熱損失に起因した温度差は発生しないので、電極１３が基材１１の幅方向Ｄ２に略平行に延びていると、上述した問題の発生を防止できる可能性がある。
【００６５】
第１加熱素子１５の直線部分１５ａを、基材１１の長手方向Ｄ１に略平行に延びるように（つまり第１加熱素子１５の波状のパターンの振幅方向が方向Ｄ１に略平行となるように）設けると、屈曲部分１５ｂを基材１１の幅方向Ｄ２に沿って並べることができるので、幅方向Ｄ２に沿って均一な温度分布を実現することができ、検出精度を向上することができる。言い換えると、第１加熱素子１５は、基材１１の幅方向Ｄ２に沿って並ぶ複数の屈曲部分１５ｂを含むことが好ましい。
【００６６】
また、基材１１の幅方向Ｄ２に沿って均一な温度分布を実現するためには、本実施形態のように、第２加熱素子１６も、基材１１の幅方向Ｄ２に沿って並ぶ複数の屈曲部分１６ｂを含むことが好ましい。なお、本実施形態では、第２加熱素子１６の直線部分１６ａは幅方向Ｄ２に略平行に延びているが、直線部分１６の延びる方向（波状のパターンの振幅方向）はこれに限定されるものではない。ただし、均一な温度分布を実現するためには、第２加熱素子１６のパターンは高い対称性を有することが好ましい。本実施形態で例示するような、直線部分１６ａが幅方向Ｄ２に略平行に延び、コの字状の抵抗体が背合わせに配置されたパターンは、抵抗体を引き廻す際の制約等を考慮した場合に、簡単に高い対称性を確保できる点で優れている。なお、図１や図２などには、角張った屈曲部分１５ｂ、１６ｂを例示したが、勿論、屈曲部分１５ｂ、１６ｂは丸みがかっていてもよい。
【００６７】
次に、図７（ａ）、（ｂ）および図８を参照しながら、酸素センサ１０を実際に内燃機関の排気管に取り付けるための構成を説明する。
【００６８】
酸素センサ１０は、図７（ａ）および図８に示すように、基材１１の基端部において第１のハウジング２０に保持されている。基材１１を保持する（固定する）ためのこの第１のハウジング１０は、例えばセラミックから形成されている。酸素センサ１０は、さらに、第１のハウジング２０ごと第２のハウジング２１に保持されている。第２のハウジング２１は、例えばステンレスから形成されている。第２のハウジング２１の表面には、ねじが切られており、第２のハウジング２１は、このねじに螺合するナット２２によって排気管に固定される。実際の使用に際しては、図７（ｂ）に示すように、酸素センサ１０を覆うように保護キャップ２５が設けられる。酸素センサ１０による検出結果は、検出線２４を介して制御装置に出力される。第１のハウジング２０内は、充填材（例えばタルク粉末）２３によって気密封止がなされている。
【００６９】
表２に、図７および図８に示すように酸素センサがハウジングに組み込まれた状態においてセンサ部１２の中央部を約７００℃としたときの温度差（センサ部が設けられている領域における温度差）および消費電力を、既に述べた試作例および比較例１について示す。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
表２からわかるように、温度差は、比較例１では約２２３℃であるのに対し、試作例では約１４１℃であり、センサ部１２の温度の均一性が向上していた。また、驚くべきことに、試作例の消費電力は６．５Ｗであり、比較例１の消費電力（＝６．７Ｗ）よりも少なかった。つまり、試作例では、比較例１よりも温度差が著しく小さくなっているにもかかわらず、消費電力は比較例１よりも少なかった。これは、第２加熱素子１６によってハウジング側の加熱をなし得るためと考えられる。
【００７２】
なお、本実施形態では、抵抗型のセンサを例として本発明を説明したが、本発明は、これに限定されず、種々のセンサに用いられる。例えば、特開平８−１１４５７１号公報に開示されているような、固体電解質を用いたセンサにも用いられる。抵抗型のセンサは、温度の不均一さによる検出誤差が大きいので、本発明は、特に抵抗型のセンサに用いるとその効果が高い。
【００７３】
また、本発明は、酸素センサに限定されず、種々のガスを検出するためのセンサに用いられる。例えば、特開２００３−２６２５９９号公報に開示されているような、水素ガスセンサ、ＮＯｘ、炭化水素、有機化合物センサにも好適に用いられる。
【００７４】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明したガスセンサを備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図９は、本実施形態による自動二輪車の模式図である。自動二輪車３００は、本体フレーム３０１と内燃機関としてのエンジン１００とを備える。本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２にはフロントフォーク３０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク３０３の下端に前輪３０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ３０２の上端にはハンドル３０５が取り付けられている。
【００７５】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１の上部には燃料タンク３０７が設けられ、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。また、本体フレーム３０１の後端に後方へ伸びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能に支持されている。
【００７６】
本体フレーム３０１の中央部にはエンジン１００が保持されている。エンジン１００の前部にはラジエター３１１が取り付けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されている。以下において詳細に説明するように、排気管にはエンジン１００に近い順に酸素センサ１０２、三元系触媒１０４および消音器１０６が設けられている。酸素センサ１０２には、第１の実施形態で説明した酸素センサ１０が用いられる。酸素センサ１０２のセンサ部の表面は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、排気ガス中の酸素を検出する。酸素センサ１０２には、図１などに示したような第１加熱素子１５および第２加熱素子１６が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはこれらの第１加熱素子１５および第２加熱素子１６によりセンサ部１２が昇温されるとによって、センサ部１２の検出感度が高めらる。
【００７７】
エンジン１００には、変速機３１５が連結されており、変速機３１５の出力軸３１６は駆動スプロケット３１７に取り付けられている。駆動スプロケット３１７はチェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。
【００７８】
図１０は、エンジン１００の制御系の主要な構成を示している。エンジン１００のシリンダ１０１には吸気弁１１０、排気弁１０６および点火プラグ１０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ１１６が設けられている。吸気弁１１０は、空気吸入口をもつ吸気管１２２に接続されている。吸気管にはエアーフローメータ１１２、スロットルバルブのスロットルセンサ１１４および燃料噴射装置１１１が設けられている。このように燃焼室ではなく吸気管１２２内に燃料を噴射する場合には、始動時の空燃比を適切にコントロールすることが難しくなる。
【００７９】
エアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４、燃料噴射装置１１１、水温センサ１１６、点火プラグ１０８およびガスセンサ１０２は、制御装置であるコンピュータ１１８に接続されている。コンピュータ１１８には自動二輪車３００の速度を示す車速信号１２０も入力される。
【００８０】
図示しないセルモータによって、ライダーがエンジン１００を始動させると、コンピュータはエアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４および水温センサ１１６から得られる検出信号および車速信号１２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置１１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置１１１から噴射される燃料は、吸気管１２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ１１０を介してシリンダ１０１へ噴出される。シリンダ１０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁１０６を介して排気管３１２へ導かれる。
【００８１】
酸素センサ１０２は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をコンピュータ１１８へ出力する。コンピュータ１１８は、酸素センサ１０２の信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、フローメター１１２およびスロットルセンサ１１４から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置１１１から噴出する燃料量を制御する。
【００８２】
本実施形態の自動二輪車によれば、特に、エンジンの始動時において、排気ガスの温度が低くても、優れた検出精度で排気ガス中の酸素濃度およびその変化を検出することができる。このため、始動時においても、適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のＮＯｘをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、燃費の向上をはかることも可能である。
【００８３】
なお、本実施形態では、自動二輪車を例示して説明を行ったが、本発明の車両は四輪自動車などの他の自動車両であってもよい。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によると、センサ部を均一に昇温することができ、且つ、簡便に製造することができる酸素センサが提供される。本発明による酸素センサは、種々の自動車両用の駆動装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の好適な実施形態の酸素センサ１０を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】本発明の好適な実施形態の酸素センサ１０を模式的に示す図であり、基材の裏面側から見た平面図である。
【図３】（ａ）は、従来の酸素センサ５１０を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、従来の酸素センサ５１０を改良した酸素センサ６１０を模式的に示す平面図である。
【図４】センサ部の中央部の温度を約７００℃としたときの温度分布（基材の長手方向に沿った温度分布）を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、従来の酸素センサ５１０において温度分布が不均一となることを説明するための図であり、（ｂ）は、本発明の好適な実施形態の酸素センサ１０において温度分布が均一となることを説明するための図である。
【図６】本発明の他の好適な実施形態の酸素センサ１０を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は保護キャップを外した状態を示し、（ｂ）は保護キャップを付けた状態を示している。
【図８】酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の好適な実施形態の自動二輪車の例を示す模式図である。
【図１０】図９に示す自動二輪車におけるエンジンの制御系を示す模式図である。
【図１１】従来の酸素センサ５１０を模式的に示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０、１０２    酸素センサ（ガスセンサ）
１１    基材
１２    センサ部
１３    電極
１４    ガス感応層（酸化物半導体層）
１５    第１加熱素子
１５ａ    第１加熱素子の直線部分
１５ｂ    第１加熱素子の屈曲部分
１６    第２加熱素子
１６ａ    第２加熱素子の直線部分
１６ｂ    第２加熱素子の屈曲部分
１７    電圧印加用の電極
１８    温度測定用の電極
２０    第１のハウジング
２１    第２のハウジング
２２    ナット
２３    充填材
２４    検出線
２５    保護キャップ
１００    エンジン
３００    自動二輪車
【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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