(57)【要約】【課題】センサ素子の被水割れ及び応答性低下をともに抑制することのできるガスセンサを提供する。【解決手段】空燃比センサ１１は、内燃機関の排気中に含まれる特定ガス成分である酸素の濃度を検出する検出部４８と、排気流れについて、検出部４８と略同じ箇所に設けられて同検出部４８を加熱するヒータ加熱部とを有するセンサ素子４０を備える。センサ素子４０の表面のうち排気が触れる領域の全体が、吸水性を有する多孔質保護層６０で被覆されている。この多孔質保護層６０は、検出部４８及びヒータ加熱部よりも排気流れの上流側に形成されて排気中の水滴を吸水する上流側部６１，６２と、検出部４８及びヒータ加熱部の周りに上流側部６１，６２よりも薄く形成されて、上流側部６１，６２を経由した排気が導かれる下流側部６３とを備える。【選択図】図１
2011064585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気中に含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出部と、排気流れについて、前記検出部と略同じ箇所に設けられて同検出部を加熱するヒータ加熱部とを有するセンサ素子を備え、前記センサ素子の表面のうち前記排気が触れる領域の全体を、吸水性を有する多孔質保護層で被覆したガスセンサにおいて、
前記多孔質保護層は、前記検出部及び前記ヒータ加熱部よりも排気流れの上流側に形成されて前記排気中の水滴を吸水する上流側部と、前記検出部及び前記ヒータ加熱部の周りに前記上流側部よりも薄く形成されて、前記上流側部を経由した前記排気が導かれる下流側部とを備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記センサ素子のうち前記排気が触れる領域は、通気孔を有する長尺状の素子カバーにより覆われており、
前記通気孔は、前記排気の入口として機能するものと、前記素子カバーの長さ方向について、前記入口として機能するものとは異なる箇所に設けられて前記排気の出口として機能するものとを含み、
前記多孔質保護層の前記上流側部及び前記下流側部は、前記入口として機能する前記通気孔と、前記出口として機能する前記通気孔との間であって、前記素子カバーの長さ方向の異なる箇所に設けられている請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記多孔質保護層の前記上流側部の少なくとも一部は、前記素子カバーについて前記排気の入口として機能する前記通気孔に対向する箇所に設けられている請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記通気孔は、前記素子カバーの長さ方向について互いに異なる２箇所に設けられ、前記通気孔の一方は、他方が前記入口として機能するときには前記出口として機能し、同他方が前記出口として機能するときには前記入口として機能するものであり、
前記多孔質保護層の前記上流側部は、前記素子カバーの長さ方向についての異なる２箇所に設けられ、前記下流側部は前記両上流側部間に設けられている請求項２又は３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記センサ素子のうち前記排気が触れる領域は、少なくとも同排気の入口として機能する通気孔を有する素子カバーにより覆われており、
前記多孔質保護層の前記上流側部の少なくとも一部は、前記素子カバーについて前記通気孔に対向する箇所に設けられている請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記多孔質保護層の前記上流側部のうち、前記素子カバーの長さ方向について最も厚みの大きな箇所と前記素子カバーの内壁面との間隔が、前記排気中の水滴の水滴径よりも小さく設定されている請求項２〜５のいずれか１つに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記多孔質保護層は、前記センサ素子の表面に密着している請求項１〜６のいずれか１つ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  車両用エンジン等の内燃機関の排気中に含まれる酸素等の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジン等の内燃機関では、排気通路に配置されたガスセンサによって、排気中に含まれる酸素、窒素酸化物等の特定ガス成分の濃度を検知し、その検出値に基づき燃焼制御を行うようにしている。
【０００３】
例えば、排気中の特定ガス成分として酸素の濃度を検出するセンサ素子が内蔵されたガスセンサでは、同センサ素子の検出部が、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、固体電解質体の一方の表面に設けられた被測定ガス側の電極と、固体電解質体の他方の表面に設けられた基準ガス側の電極とを備えている。そして、センサ素子の検出部は、被測定ガス側の電極に接触する排気と、基準ガス側の電極に接触する基準ガスとの酸素濃度の違いにより出力を変化させ、酸素の濃度や空燃比を検出するようにしている。
【０００４】
また、上記センサ素子には、その検出部を早期に活性温度に到達させるために、被測定ガス側の電極及び基準ガス側の電極の周辺を加熱するヒータ加熱部が設けられている。
ところで、排気中には水分（水蒸気）が含まれている。この水蒸気が凝縮して水滴となり、ヒータ加熱部によって加熱されて昇温しているセンサ素子の検出部に付着する（検出部が被水する）と、付着した部分の温度が急激に低下する。この急激な温度変化によって検出部の内部に熱応力が発生し（検出部が熱衝撃を受け）、被水が原因で検出部が割れる現象（被水割れ）を生ずるおそれがある。
【０００５】
そこで、吸水性を有する多孔質保護層によってセンサ素子を被覆し、排気中の水滴を多孔質保護層内に吸収することにより、センサ素子の検出部の被水による温度低下を抑制し、被水割れの発生を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−０９０３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記特許文献１に記載のガスセンサでは、センサ素子の表面のうち排気が触れる領域の全体が、略均一な厚みを有する多孔質保護層で被覆されている。そのため、こうした構成を有するガスセンサでは、多孔質保護層の膜厚を厚くすることで、被水に伴う熱衝撃に対する耐久性を向上させることができるものの、排気が多孔質保護層を通過してセンサ素子の検出部に到達するまでに時間がかかるようになり、応答性が低下するおそれがある。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、センサ素子の被水割れ及び応答性低下をともに抑制することのできるガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気中に含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出部と、排気流れについて、前記検出部と略同じ箇所に設けられて同検出部を加熱するヒータ加熱部とを有するセンサ素子を備え、前記センサ素子の表面のうち前記排気が触れる領域の全体を、吸水性を有する多孔質保護層で被覆したガスセンサにおいて、前記多孔質保護層は、前記検出部及び前記ヒータ加熱部よりも排気流れの上流側に形成されて前記排気中の水滴を吸水する上流側部と、前記検出部及び前記ヒータ加熱部の周りに前記上流側部よりも薄く形成されて、前記上流側部を経由した前記排気が導かれる下流側部とを備えることを要旨とする。
【００１０】
上記の構成によれば、排気中の特定ガス成分の濃度は、センサ素子の検出部によって検出される。この検出に際し、センサ素子を被覆する多孔質保護層では排気が、まず、検出部及びヒータ加熱部よりも排気流れの上流側に設けられた上流側部を流れる。排気中に含まれた水分が凝縮してなる水滴は、この上流側部を経由する過程で同上流側部の多数の微細な気孔に吸収（吸水）された後、蒸発する。そして、この吸水により水滴の少なくなった排気が、検出部及びヒータ加熱部の周りに設けられた下流側部に導かれる。従って、排気中の水滴は、ヒータ加熱部によって加熱された検出部に到達しにくくなり、熱衝撃が加わって被水割れを生ずることが起こりにくくなる。
【００１１】
また、多孔質保護層の下流側部が上流側部よりも薄いことから、同じ厚みである場合に比べ、排気が多孔質保護層を通過して検出部に到達するまでの時間が短くなり、センサ素子の応答性が良好なものとなる。
【００１２】
このように、請求項１に記載の発明によれば、センサ素子の被水割れ及び応答性低下をともに抑制することができるようになる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センサ素子のうち前記排気が触れる領域は、通気孔を有する長尺状の素子カバーにより覆われており、前記通気孔は、前記排気の入口として機能するものと、前記素子カバーの長さ方向について、前記入口として機能するものとは異なる箇所に設けられて前記排気の出口として機能するものとを含み、前記多孔質保護層の前記上流側部及び前記下流側部は、前記入口として機能する前記通気孔と、前記出口として機能する前記通気孔との間であって、前記素子カバーの長さ方向の異なる箇所に設けられていることを要旨とする。
【００１３】
上記の構成によれば、素子カバーの外部の排気は、入口として機能する通気孔を通過して同素子カバーの内部に入り込む。排気は、センサ素子に沿って素子カバー内を流れた後、素子カバーの長さ方向について、入口として機能する排気孔とは異なる箇所に設けられ、かつ出口として機能する通気孔を通って、素子カバーの外部へ流出する。
【００１４】
上記のように素子カバー内を上流側から下流側へ向けて流れる過程で、排気は多孔質保護層については、上流側部及び下流側部の順に通過する。排気中に含まれた水滴は、上流側部を経由する過程で吸収（吸水）される。そして、この吸水により水滴の少なくなった排気が、上記上流側部よりも排気流れについての下流側であって、検出部及びヒータ加熱部の周りに設けられた下流側部に導かれる。従って、排気中の水滴は、ヒータ加熱部によって加熱された検出部に到達しにくくなり、同検出部に熱衝撃が加わって被水割れを生ずることが起こりにくくなる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記多孔質保護層の前記上流側部の少なくとも一部は、前記素子カバーについて前記排気の入口として機能する前記通気孔に対向する箇所に設けられていることを要旨とする。
【００１６】
上記の構成によれば、排気の入口として機能する通気孔を通過した排気は、その通過の直後に多孔質保護層の上流側部に確実に導かれる。排気中に含まれた水滴は、この上流側部を経由する過程で吸水される。そして、この吸水により確実に水滴の少なくなった排気が下流側部に導かれる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記通気孔は、前記素子カバーの長さ方向について互いに異なる２箇所に設けられ、前記通気孔の一方は、他方が前記入口として機能するときには前記出口として機能し、同他方が前記出口として機能するときには前記入口として機能するものであり、前記多孔質保護層の前記上流側部は、前記素子カバーの長さ方向についての異なる２箇所に設けられ、前記下流側部は前記両上流側部間に設けられていることを要旨とする。
【００１８】
上記の構成によれば、２箇所の通気孔の一方が入口として機能し、かつ他方が出口として機能する場合であっても、その逆に通気孔の他方が入口として機能し、かつ一方が出口として機能する場合であっても、水滴を含み、かつ素子カバー内に流入した排気は、多孔質保護層については、まず上流側部を経由する。排気中に含まれた水滴は、上流側部を経由する過程で吸収される。そして、この吸水により水滴の少なくなった排気が、上記上流側部よりも下流側の下流側部に導かれる。従って、素子カバー内での排気の流れ方向に拘わらず、同排気中の水滴は、ヒータ加熱部によって加熱された検出部に到達しにくく、同検出部に熱衝撃が加わって被水割れを生ずることが起こりにくい。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センサ素子のうち前記排気が触れる領域は、少なくとも同排気の入口として機能する通気孔を有する素子カバーにより覆われており、前記多孔質保護層の前記上流側部の少なくとも一部は、前記素子カバーについて前記通気孔に対向する箇所に設けられていることを要旨とする。
【００２０】
上記の構成によれば、素子カバーの外部の排気は、通気孔を通過して同素子カバーの内部に入り込み、センサ素子に沿って同内部を流れる。ここで、素子カバー内での排気流れについて、通気孔に対向する箇所には上流側部の少なくとも一部が位置している。そのため、通気孔を通過した排気は、その通過の直後に多孔質保護層の上流側部に確実に導かれる。排気中に含まれた水滴は、この上流側部を経由する過程で吸水される。そして、この吸水により確実に水滴の少なくなった排気が下流側部に導かれる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれか１つに記載の発明において、前記多孔質保護層の前記上流側部のうち、前記素子カバーの長さ方向について最も厚みの大きな箇所と前記素子カバーの内壁面との間隔が、前記排気中の水滴の水滴径よりも小さく設定されていることを要旨とする。
【００２２】
上記の設定により、通気孔から素子カバー内に流入した排気は、上流側部と素子カバーの内壁面との間の空間での通過を許容されるが、排気中の水滴は同空間での通過が大きく規制される。水滴は、下流側部と素子カバーの内壁面との間の空間、ひいては下流側部、検出部及びヒータ加熱部に到達しにくくなり、検出部に熱衝撃が加わって被水割れを生ずることが一層起こりにくくなる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１つに記載の発明において、前記多孔質保護層は、前記センサ素子の表面に密着していることを要旨とする。
上記多孔質保護層のセンサ素子との密着により、ヒータ加熱部の熱が多孔質保護層の上流側部に伝達されやすくなり、同上流側部によって吸水された排気中の水滴の蒸発が、このヒータ加熱部からの熱によって促進される。そのため、上流側部に吸水された水滴が、ヒータ加熱部によって加熱された検出部に対し、より到達しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を具体化した一実施形態における空燃比センサの内部構造を示す部分縦断面図。
【図２】空燃比センサについて、インナカバーの側壁部の通気孔を通る断面における断面構造を示す平断面図。
【図３】空燃比センサについて、センサ素子の検出部を通る断面における断面構造を示す平断面図。
【図４】図３中のセンサ素子及び多孔質保護層を拡大して示す平断面図。
【図５】ヒータ基板の一部と多孔質保護層との関係を示す部分拡大縦断面図。
【図６】図１中のＸ部を拡大して示す部分縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明のガスセンサを、各種車両用エンジン等の内燃機関に適用される空燃比センサに具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
一般的な車両用内燃機関では、燃焼室において空気と燃料との混合気が燃焼され、その燃焼に伴い生じた排気が排気管内の排気通路を通じて外部に排出される。この排気管には、排気を被測定ガスとし、同排気の酸素濃度から混合気の空燃比（混合気中の空気と燃料との比）を検出するための空燃比センサが設けられている。この空燃比センサは、排気管の外部から同排気管内に挿入される。そして、空燃比センサは、排気管に貫通させられた状態で同排気管に取付けられて使用される。車両用内燃機関においては、この空燃比センサにより検出された空燃比が予め定められた所定空燃比（通常、理論空燃比）となるように混合気中の燃料量がフィードバック制御される。
【００２６】
なお、本明細書において、空燃比センサの方向を特定するために、排気管等に挿入される側（図１の下側）を「先端側」といい、その反対側（図１の上側）を「基端側」というものとする。
【００２７】
空燃比センサの一つに限界電流式と呼ばれるタイプがある。この空燃比センサにおける電圧−電流特性では、印加電圧を変化させても電流値が殆ど変化せず一定の電流値（限界電流値）となる領域があり、印加電圧がこの領域の電圧より大きい、又は小さい場合には、電流値はその印加電圧に応じて比例的に変化する。また、限界電流値の大きさは空燃比の状態に応じて変化し、空燃比のリッチからリーン側への移行に伴って増加する傾向を示す。このため、限界電流式の空燃比センサにおいては、同センサに所定電圧を印加し、その際に流れる限界電流値の大きさを検出することによって空燃比、及び空燃比に対応する排気中の特定ガス成分である酸素の濃度を検出するようにしている。
【００２８】
図１は、本実施形態の空燃比センサ１１の主要部の構造を示している。図２は、空燃比センサ１１について、インナカバー２０の通気孔２３を通る断面における断面構造を示し、図３は、空燃比センサ１１について、センサ素子４０の検出部４８を通る断面における断面構造を示している。これらの図１〜図３の少なくとも１つに示すように、本実施形態の空燃比センサ１１は、細長い板状をなす積層型のセンサ素子４０を主要な構成部品として備えている。
【００２９】
センサ素子４０の基端側部分は、電気絶縁性を有する碍子部１４を介して金属製のハウジング１５に保持されている（図１参照）。
センサ素子４０の先端側部分の周りには、ともにステンレス鋼等の耐熱性金属によって形成された長尺状のインナカバー２０及びアウタカバー３０が配置されている。インナカバー２０は、特許請求の範囲における素子カバーに該当するものであって、センサ素子４０を非接触状態で覆う略円筒状の側壁部２１と、その側壁部２１の先端部に設けられてセンサ素子４０を非接触状態で覆う先端壁部２２とを備えている。側壁部２１の基端側の箇所であって、周方向に沿う複数箇所（図２では４箇所）には、同側壁部２１の内外を連通させる通気孔２３が略等角度毎に開口されている。先端壁部２２の中心部には、同先端壁部２２の内外を連通させる通気孔２４が開口されている。このようにインナカバー２０の長さ方向について互いに異なる２箇所に設けられた通気孔２３，２４の一方は、他方が排気の入口として機能するときには同排気の出口として機能し、同他方が排気の出口として機能するときには排気の入口として機能するものである。
【００３０】
アウタカバー３０は、上記インナカバー２０の側壁部２１を覆う略円筒状の側壁部３１と、その側壁部２１の先端部に設けられてインナカバー２０の先端壁部２２を非接触状態で覆う先端壁部３２とを備えている。側壁部３１の先端側の箇所であって、周方向に沿う複数箇所には、同側壁部３１の内外を連通させる通気孔３３が略等角度毎に開口されている。先端壁部３２の中心部には、同先端壁部３２の内外を連通させる通気孔３４が開口されている。このようにアウタカバー３０の長さ方向について互いに異なる２箇所に設けられた通気孔３３，３４の一方は、他方が排気の入口として機能するときには同排気の出口として機能し、同他方が排気の出口として機能するときには排気の入口として機能するものである。
【００３１】
インナカバー２０及びアウタカバー３０は、それらの側壁部２１，３１の基端部においてハウジング１５の下端部にかしめ固定されている（図１参照）。
上述したいずれの通気孔２３，２４，３３，３４も、排気中の水滴よりも大きな直径を有している。本実施形態では、平均的な大きさを有する水滴の水滴径を１．０〜１．５ｍｍと想定し、通気孔２３，２４，３３，３４の直径が上記水滴径の最大値（１．５ｍｍ）よりも大きな値、例えば２．０ｍｍ程度に設定されている。
【００３２】
このように通気孔２３，２４，３３，３４が開口されていることから、排気管１２内の排気通路１２Ａを流れる排気は、空燃比センサ１１内では次の２つの経路を流れ得る。１つ目の経路は、図６において矢印で示すように、通気孔３３→通気孔２３→通気孔２４→通気孔３４の順に排気が流れる経路であって、排気は多くの場合にこの経路を流れる。また、２つ目の経路は、通気孔３４→通気孔２４→通気孔２３→通気孔３３の順に排気が流れる経路であって、排気の脈動が生じたとき等、特殊な場面で、排気はこの経路を流れる。いずれの経路であっても、排気の多くはセンサ素子４０の長さ方向に流れることとなる。
【００３３】
図１に示すように、ハウジング１５の先端部外周にはねじ部１６が形成されており、このねじ部１６においてハウジング１５が排気管１２のねじ孔１２Ｂに螺合されることにより、センサ素子４０の一部、インナカバー２０及びアウタカバー３０を排気通路１２Ａに位置させた状態で、空燃比センサ１１が排気管１２に取付けられている。
【００３４】
次に、センサ素子４０の構成について説明する。センサ素子４０は、図２〜図４の少なくとも１つに示すように、センサ基板４１を骨格とし、これにヒータ基板４２、多孔質の拡散抵抗層４３、及び緻密な遮蔽層４４を積層することによって形成されている。
【００３５】
センサ基板４１は、固体電解質体４５の一方（図４の上方）の表面に、被測定ガスである排気に晒される被測定ガス側の電極４６を有している。固体電解質体４５は、例えば、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する固体電解質からなるセラミック材料によって平板状に形成されている。また、センサ基板４１は、固体電解質体４５の他方（図４の下方）の表面に、大気等の基準ガスに晒される基準ガス側の電極４７を有している。両電極４６，４７は白金等によって形成されており、両電極４６，４７と、その間の固体電解質体４５とによって、排気中に含まれる特定ガス成分である酸素の濃度を検出する検出部４８が構成されている。両電極４６，４７は、固体電解質体４５の両表面の互いに対向する位置に、印刷によって形成されている。両電極４６，４７の形成位置は、後述するヒータ加熱部５１に対向する位置でもあり、固体電解質体４５の先端からやや基端側へ離れた位置である。
【００３６】
ヒータ基板４２は、内燃機関の始動時等において、センサ素子４０の検出部４８を早期に活性化させる（活性化温度に昇温させる）べく加熱する、又は不安定な温度条件下で検出部４８の温度を所要値に保つべく加熱するためのものである。ヒータ基板４２は、センサ基板４１（固体電解質体４５）に対し、基準ガス側の電極４７が設けられた側に積層されている。
【００３７】
図４及び図５の少なくとも一方に示すように、ヒータ基板４２は、基準ガス側の電極４７の周りに、基準ガスとなる外気を導入する基準ガス室５３を形成するためのセラミックス体４９Ａと、そのセラミックス体４９Ａの先端側に配置されたセラミックス体４９Ｂとを備えている。この構成により、基準ガス側の電極４７が基準ガス室５３に面している。両セラミックス体４９Ａ，４９Ｂはともに電気絶縁性を有しており、これらの間には、ヒータ加熱部５１と、同ヒータ加熱部５１の各端部に連結され、かつ同ヒータ加熱部５１よりも幅広の一対のリード５２とが配置されている。ヒータ加熱部５１及び両リード５２は、白金等による導体をセラミックス体４９Ａ，４９Ｂのいずれか一方にパターン印刷することによって形成されている。
【００３８】
ヒータ加熱部５１は、排気流れについて、検出部４８と略同じ箇所において、センサ素子４０の長さ方向（図５の上下方向）に蛇行した状態で形成されているが、センサ素子４０の幅方向（図５の左右方向）に蛇行した状態で形成されてもよい。
【００３９】
上記の構成を有するヒータ基板４２では、両リード５２を通じてヒータ加熱部５１に通電されると、同ヒータ加熱部５１が発熱し、被測定ガス側の電極４６及び基準ガス側の電極４７の周辺を急速に加熱して検出部４８を昇温させる。
【００４０】
拡散抵抗層４３は、排気を拡散してその流れを律速させるためのものであって、センサ基板４１（固体電解質体４５）に対し、被測定ガス側の電極４６が設けられた側の表面に積層されている。拡散抵抗層４３は、被測定ガス側の電極４６に接触させる被測定ガス（排気）を透過させる多孔質体からなる。
【００４１】
遮蔽層４４は、拡散抵抗層４３上に積層されている。拡散抵抗層４３及び遮蔽層４４は、センサ素子４０の先端部付近、すなわちセンサ素子４０の検出部４８の周りにおいて、アルミナ等によって形成されており、それよりも基端側には設けられていない。
【００４２】
図５及び図６の少なくとも一方に示すように、センサ素子４０について、排気に晒される部位は多孔質保護層６０によって被覆されている。この部位には、センサ素子４０の検出部４８と、それよりも先端側の部分と基端側の部分とが含まれている。上記先端側の部分は、本実施形態では、検出部４８とセンサ素子４０の先端面との間の領域である。
【００４３】
多孔質保護層６０の役割の１つは、センサ素子４０の周りを流れる排気中に含まれる水滴が凝縮してなる水滴を吸入（吸水）することで、ヒータ加熱部５１によって加熱されたセンサ素子４０の検出部４８に同水滴が付着して被水割れを起こすのを抑制することである。ここで、センサ素子４０の周りでは、排気は、主として同センサ素子４０の長さ方向に流れる。この長さ方向には、センサ素子４０の基端側から先端側に向かう方向だけでなく、その逆方向も含まれる。
【００４４】
多孔質保護層６０の別の役割は、センサ素子４０の周りを流れる排気中に含まれ、かつＫ、Ｎａ、Ｐｂ等のガソリン添加成分からなる被毒物質を捕獲（トラップ）することであり、両電極４６，４７や拡散抵抗層４３が被毒物質によって汚染されて劣化し、空燃比センサ１１の応答性劣化や出力異常等を引き起こす現象（被毒）を抑制するようにしている。
【００４５】
多孔質保護層６０は、セラミックス粒子によって形成された多数の微細な気孔によって排気を透過させるよう構成されている。セラミックス粒子としては、アルミナ、スピネル、チタニア、ジルコニア、ムライトの粒子のうちの１種又は２種以上から構成することができる。本実施形態では、多孔質保護層６０は、平均粒径が２０μｍ程度のアルミナ粒子からなり、かつ開口径が２０μｍ程度である開口を有する気孔が分散されている。
【００４６】
気孔の開口径は、排気を通過可能であるが、排気中に含まれる比較的粒径の大きなＰ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉのオイル含有成分、Ｋ、Ｎａ、Ｐｂ等のガソリン添加物、ＰＭ（球状物質）、燃料の不完全燃焼物質等の被毒物質を捕獲することのできる大きさに設定されている。この設定により、センサ素子４０の表面に被毒物質が到達するのを抑制するようにしている。
【００４７】
なお、多孔質保護層６０は、複数種類の被毒物のトラップ性能を向上させるために、複数層からなるものであってもよく、センサ素子４０の表面から遠い層ほど粒径の大きなセラミック粒子によって形成されることが好ましい。この場合には、粒径の大きさの異なる種々の被毒物を効果的にトラップすることができる。すなわち、粒径の大きい被毒物をセンサ素子４０の表面から遠い層においてトラップし、粒径の小さい被毒物をセンサ素子４０の表面から近い層においてトラップすることにより、効果的なトラップが可能となる。
【００４８】
また、Ｚｎ、Ｃａ、Ｐ等の酸化物等の被毒物が被着した場合、多孔質保護層６０が１層構造であると目詰まりを起こしやすいが、複数層構造とすると共に外側層を大粒径として構成することにより、被着した固体状の被毒物が大粒子の表面に被着しトラップされる。そして、この大粒子の粒子空間が大きいため、目詰まりを起こしにくい。これにより、固体状に被着する被毒物の内側層への被着量を大幅に低減できるため、目詰まりを効果的に抑えることができる。
【００４９】
もちろん、多孔質保護層６０が上述した役割を充分に果たす場合には、同多孔質保護層６０は１層で構成されてもよい。
上記多孔質保護層６０は、検出部４８及びヒータ加熱部５１よりも排気流れの上流側に形成されて排気中の水滴を吸水する上流側部６１，６２と、検出部４８及びヒータ加熱部５１の周りに上流側部６１，６２よりも薄く形成されて、上流側部６１（又は６２）を経由した排気が導かれる下流側部６３とを備えている。本実施形態では、センサ素子４０において、検出部４８及びヒータ加熱部５１よりも基端側に上流側部６１が形成され、検出部４８及びヒータ加熱部５１よりも先端側に上流側部６２が形成されている。前者の上流側部６１の全体は、センサ素子４０の周りにのみ形成されている。これに対し、後者の上流側部６２は、センサ素子４０の周りだけでなく同センサ素子４０よりも先端側の部分、すなわちセンサ素子４０のない箇所にも形成されている。
【００５０】
下流側部６３は、図３に示すように、検出部４８及びヒータ加熱部５１の周りに略均一の厚みで形成されている。基端側の上流側部６１は、図２に示すようにインナカバー２０の径方向のうち、センサ素子４０の積層方向に直交する方向（幅方向：図２の左右方向）には上記下流側部６３と同程度の厚みで形成されているのに対し、同積層方向（図２の上下方向）には下流側部６３よりも厚く形成されている。本実施形態では、下流側部６３がどの部位においても２０μｍ前後の厚みに形成されているのに対し、上流側部６１がセンサ素子４０の積層方向には、最も肉厚の箇所で５００μｍ程度の厚みに形成されている。最も肉厚の箇所とは、センサ素子４０の幅方向についての中央部を指し、上流側部６１の厚みは、この中央部から幅方向に遠ざかるに従い漸減する。上流側部６１の厚みは、センサ素子４０の角部の近傍において最も薄くなっている。
【００５１】
図６に示すように、先端側の上流側部６２においてセンサ素子４０の周りに設けられた部分は、上述した基端側の上流側部６１と同様の厚みを有している。すなわち、上流側部６２は、インナカバー２０の径方向のうち、センサ素子４０の積層方向に直交する方向（幅方向）には上記下流側部６３と同程度の厚みで形成されているのに対し、同積層方向には下流側部６３よりも厚く形成されている。
【００５２】
また、図２に示すように、多孔質保護層６０の上流側部６１，６２のうち、排気の流れ方向について最も厚みの大きな箇所と側壁部２１の内壁面との間隔Ｄは、排気中の水滴の水滴径よりも小さく設定されている。平均的な大きさを有する水滴の水滴径を１．０〜１．５ｍｍと想定していることについては前述したが、本実施形態では、上記間隔Ｄが上記水滴径の最小値（１．０ｍｍ）よりもわずかに小さな値、例えば０．８ｍｍに設定されている。
【００５３】
本実施形態のセンサ素子４０は、センサ基板４１、ヒータ基板４２、拡散抵抗層４３及び遮蔽層４４を積層した状態で、焼成を行うことによって形成されている。そして、多孔質保護層６０は、センサ素子４０を、多数のセラミックス粒子を溶媒としての水に含有させてなるスラリー状のセラミックス材料中に浸漬して、センサ素子４０の表面にセラミックス材料を付着させる工程と、この付着させたセラミックス材料を乾燥させる工程とを繰り返した後、仮焼き（熱処理）を行うことによって形成されている。こうして形成された多孔質保護層６０はセンサ素子４０の表面に密着している。
【００５４】
上記センサ素子４０を有する空燃比センサ１１では、通電制御装置（図示略）によってリード５２を通じてヒータ加熱部５１に通電され、同ヒータ加熱部５１によって、検出部４８が加熱されて、固体電解質体４５が活性化される。また、被測定ガス側及び基準ガス側の両電極４６，４７間に、限界電流特性を生じさせる電圧が印加される。
【００５５】
一方、多くの場合、アウタカバー３０では、図６に示すように、側壁部３１の通気孔３３が排気の入口として機能し、先端壁部３２の通気孔３４が排気の出口として機能する。また、インナカバー２０では、側壁部２１の通気孔２３が排気の入口として機能し、先端壁部２２の通気孔２４が排気の出口として機能する。
【００５６】
この場合、排気管１２内の排気通路１２Ａを流れ、かつ水滴を含む排気の一部は、アウタカバー３０の側壁部３１の通気孔３３から同アウタカバー３０内に入り込む。流入した排気はインナカバー２０の側壁部２１に当って向きを変え、多くはアウタカバー３０及びインナカバー２０間において基端側へ向けて流れる。この排気は、インナカバー２０の側壁部２１の通気孔２３から同インナカバー２０内に入り込む。
【００５７】
通気孔２３を通過した排気は、その通過の直後に多孔質保護層６０の上流側部６１に当って向きを変え、又は同上流側部６１を通過した後にセンサ素子４０に当って向きを変え、先端側に向けてセンサ素子４０に沿って流れる。この流通の際に、排気は、多孔質保護層６０の下流側部６３を通過し、検出部４８における被測定ガス側の電極４６に接触する。その後、排気は先端壁部２２に達すると、向きを変える。排気は、インナカバー２０の先端壁部２２の通気孔２４、及びアウタカバー３０の先端壁部３２の通気孔３４を順に通って、同アウタカバー３０の外部へ流出する。
【００５８】
また、図示はしないが、アウタカバー３０では、先端壁部３２の通気孔３４が排気の入口として機能し、側壁部３１の通気孔３３が排気の出口として機能する場合がある。また、インナカバー２０では、先端壁部２２の通気孔２４が排気の入口として機能し、側壁部２１の通気孔２３が排気の出口として機能する場合がある。
【００５９】
これらの場合、排気管１２内の排気通路１２Ａを流れ、かつ水滴を含む排気の一部は、上述したものとは別の経路として、アウタカバー３０の先端壁部３２の通気孔３４、及びインナカバー２０の先端壁部２２の通気孔２４を順に通って同インナカバー２０内に流入する。流入した排気は、多孔質保護層６０の先端側の上流側部６２に当って向きを変え、又は同上流側部６２を通過した後にセンサ素子４０に当って向きを変え、基端側へ向けて流れる。このセンサ素子４０の長さ方向に沿った流通の際に、排気は多孔質保護層６０の下流側部６３を通過して、検出部４８における被測定ガス側の電極４６に接触する。その後、排気は、インナカバー２０の側壁部２１の通気孔２３から同インナカバー２０の外へ流出する。流出した排気はアウタカバー３０の側壁部３１に当って向きを変え、アウタカバー３０及びインナカバー２０間において先端側へ向けて流れる。この排気は、側壁部３１の通気孔３３からアウタカバー３０の外部へ流出する。
【００６０】
そして、上記のように被測定ガス側の電極４６に接触する排気と、基準ガス側の電極４７に接触する基準ガス（大気等）との酸素濃度の差に応じて両電極４６，４７間に流れる電流が検出部４８によって検出される。この電流により、混合気の空燃比、及び排気中の酸素の濃度が検出される。
【００６１】
ところで、排気中の特定ガス成分（酸素）の濃度検出に際し、排気が上記のようにインナカバー２０内を上流側から下流側へ向けて流れる過程で、センサ素子４０を被覆する多孔質保護層６０では排気が、まず、検出部４８及びヒータ加熱部５１よりも上流側に設けられた上流側部６１（又は６２）に接触又は通過する。同排気は、その後に検出部４８及びヒータ加熱部５１の周りの下流側部６３に接触又は通過する。このことは、側壁部２１の通気孔２３が入口として機能し、かつ先端壁部２２の通気孔２４が出口として機能する場合であっても、その逆に先端壁部２２の通気孔２４が入口として機能し、かつ側壁部２１の通気孔２３が出口として機能する場合であっても共通する。
【００６２】
排気中に含まれた水蒸気が凝縮した水滴は、この上流側部６１（又は６２）を経由する過程で同上流側部６１（又は６２）の多数の微細な気孔に吸収（吸水）された後、蒸発する。この上流側部６１（又は６２）を経由する水滴には、上流側部６１（又は６２）とインナカバー２０の内壁面との間の空間を通過しようとしたが、通過できず上流側部６１（又は６２）に付着するものも含まれる。すなわち、上流側部６１（又は６２）とインナカバー２０の側壁部２１の内壁面との間隔Ｄが水滴の水滴径よりも小さく設定されている本実施形態では、通気孔２３（又は２４）を通過してインナカバー２０内に流入した排気は、上流側部６１（又は６２）と側壁部２１の内壁面との間の空間での通過を許容される。しかし、排気中の水滴は、同空間での通過を大きく規制される。そのため、水滴は、下流側部６３と側壁部２１の内壁面との間の空間、ひいては下流側部６３、検出部４８及びヒータ加熱部５１に到達しにくい。
【００６３】
そして、上記の吸水により水滴の少なくなった排気が、上記上流側部６１（又は６２）よりも排気流れについての下流側であって、検出部４８及びヒータ加熱部５１の周りに設けられた下流側部６３に導かれる。水滴は、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に到達しにくい。
【００６４】
なお、ヒータ加熱部５１の熱は、センサ素子４０の表面に密着している多孔質保護層６０の上流側部６１，６２に伝達されやすく、同上流側部６１，６２によって吸水された排気中の水滴の蒸発が、このヒータ加熱部５１からの熱によって促進される。
【００６５】
ここで、上流側部６１（又は６２）で排気中の水滴が吸水される分、下流側部６３で吸水すべき排気中の水滴が少なくなって、被水による熱衝撃が小さくなる。そのため、下流側部６３の容量を上流側部よりも少なくすることが可能となる。このことから、下流側部６３が上流側部６１，６２よりも薄く形成されている本実施形態では、同上流側部６１，６２と同じ厚みである場合に比べ、排気が下流側部６３を通過して検出部４８に到達するまでの時間が短くなる。また、下流側部６３の薄肉化に伴いセンサ素子４０の熱容量が少なくなり、速熱性が向上し、センサ素子４０が早期に活性状態となる。内燃機関の始動時に、特定ガス成分（酸素）の濃度検出を早期に正確に検出することができるようになる。
【００６６】
また、排気が多孔質保護層６０を通過する過程で、同排気中に含まれる被毒物質が補足（トラップ）され、被測定ガス側の電極４６の被毒が抑制される。
以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。
【００６７】
（１）多孔質保護層６０が、検出部４８及びヒータ加熱部５１よりも排気流れの上流側に形成されて排気中の水滴を吸水する上流側部６１，６２と、検出部４８及びヒータ加熱部５１の周りに上流側部６１，６２よりも薄く形成されて、上流側部６１，６２を経由した排気が導かれる下流側部６３とを備える構成としている。
【００６８】
そのため、排気中の水滴を、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に到達しにくくし、同検出部４８に熱衝撃が加わって被水割れが生ずるのを抑制することができる。また、排気が下流側部６３を通過して検出部４８に到達するまでの時間を短くし、多孔質保護層６０の形成に起因してセンサ素子４０の応答性が低下するのを抑制することもできる。
【００６９】
（２）センサ素子４０のうち排気が触れる領域を、通気孔２３，２４を有する長尺状のインナカバー２０によって覆っている。通気孔２３（又は２４）を排気の入口として機能させ、インナカバー２０の長さ方向について、前記入口として機能するものとは異なる箇所に設けられた通気孔２４（又は２３）を、排気の出口として機能させるようにしている。そして、多孔質保護層６０の上流側部６１，６２及び下流側部６３を、入口として機能する通気孔２３（又は２４）と、出口として機能する通気孔２４（又は２３）との間であって、インナカバー２０の長さ方向の異なる箇所に設けている。
【００７０】
そのため、インナカバー２０の外部の排気を、入口として機能する通気孔２３（又は２４）を通じて同インナカバー２０内に流入させ、出口として機能する通気孔２４（又は２３）を通じて同インナカバー２０の外部へ流出させることができる。そして、上記のようにインナカバー２０内を流れる過程で、排気を、多孔質保護層６０の上流側部６１（又は６２）及び下流側部６３の順に接触又は通過させ、排気中に含まれた水滴を、上流側部６１（又は６２）を経由する過程で吸収（吸水）させることができる。吸水により水滴の少なくなった排気を下流側部６３に導くことで、排気中の水滴を、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に到達しにくくすることができ、上記（１）の効果を確実なものとすることができる。
【００７１】
（３）多孔質保護層６０の各上流側部６１，６２の少なくとも一部を、インナカバー２０について排気の入口として機能する通気孔２３，２４に対向する箇所に設けている。そのため、通気孔２３，２４を通過した排気を、その通過の直後に多孔質保護層６０の上流側部６１，６２に確実に導くことができる。排気中に含まれている水滴を、上流側部６１，６２によって確実に吸水することができる。
【００７２】
（４）通気孔２３，２４を、インナカバー２０の長さ方向について互いに異なる２箇所に設けている。一方の通気孔２３を、他方の通気孔２４が入口として機能するときには出口として機能させ、同他方の通気孔２４が出口として機能するときには入口として機能させるようにしている。そして、多孔質保護層６０の上流側部６１，６２を、インナカバー２０の長さ方向についての異なる２箇所に設け、下流側部６３を両上流側部６１，６２間に設けている。
【００７３】
そのため、側壁部２１の通気孔２３が入口として機能し、かつ先端壁部２２の通気孔２４が出口として機能する場合であっても、その逆に通気孔２４が入口として機能し、かつ通気孔２３が出口として機能する場合であっても、排気中の水滴を、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に到達しにくくすることができる。その結果、排気の流れ方向に拘わらず、上記（１）〜（３）の効果が得られる。
【００７４】
（５）多孔質保護層６０の上流側部６１，６２のうち、インナカバー２０の長さ方向について最も厚みの大きな箇所と、インナカバー２０の側壁部２１の内壁面との間隔Ｄを、排気中の水滴の水滴径よりも小さく設定している。このため、上流側部６１，６２とインナカバー２０における側壁部２１の内壁面との間の空間での水滴の通過を規制し、同水滴を、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に対し、より一層到達しにくくすることができる。
【００７５】
（６）多孔質保護層６０をセンサ素子４０の表面に密着させている。そのため、上流側部６１，６２に吸水された排気中の水滴の蒸発を、ヒータ加熱部５１からの熱によって促進し、同水滴を、ヒータ加熱部５１によって加熱された検出部４８に対し、より到達しにくくすることができる。
【００７６】
なお、本発明は次に示す別の実施形態に具体化することができる。
・インナカバー２０の側壁部２１における通気孔２３の数や、先端壁部２２における通気孔２４の数を変更してもよい。アウタカバー３０の通気孔３３，３４についても同様の変更を行ってもよい。
【００７７】
・インナカバー２０の側壁部２１における通気孔２３を前記実施形態とは異なる箇所に設けてもよい。対象となる箇所には、周方向における箇所も、インナカバー２０の長さ方向における箇所も含まれる。
【００７８】
・前記実施形態では、センサ素子４０をインナカバー２０及びアウタカバー３０といった２つのカバーによって覆う、いわゆる二重筒構造としたが、インナカバー２０及びアウタカバー３０のいずれか一方を割愛して一重筒構造としてもよい。
【００７９】
・排気が素子カバー（インナカバー２０）内を一方向にのみ流れる場合であれば、両上流側部６１，６２のうち、下流側部６３よりも排気流れの下流側に位置するものを割愛してもよい。
【００８０】
・多孔質保護層６０の上流側部６２について、センサ素子４０よりも先端側の部分の大きさを変えたり、同部分を割愛したりしてもよい。後者の変更（割愛）を行う場面としては、例えば、検出部４８とセンサ素子４０の先端との間が比較的広い場合が挙げられる。
【００８１】
・多孔質保護層６０の上流側部６１（又は６２）を、通気孔２３（又は２４）と対向しない箇所に設けてもよい。
・本発明は、排気の出口が通気孔とは異なる形態で設けられたり、素子カバーとは異なる部材に設けられたりしたガスセンサにも適用可能である。
【００８２】
・本発明を、排気中の酸素の濃度に限らず、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等といった排気中の他の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに適用してもよい。
・本発明のガスセンサは、センサ素子の検出部をヒータ加熱部によって加熱するようにしたものであることを条件に、上述した限界電流式とは異なる検出方式、例えば、濃淡起電力式等を採るガスセンサにも適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１１…空燃比センサ（ガスセンサ）、２０…インナカバー（素子カバー）、２３，２４…通気孔、４０…センサ素子、４８…検出部、５１…ヒータ加熱部、６０…多孔質保護層、６１，６２…上流側部、６３…下流側部、Ｄ…間隔。
【図１】
2011064585.tif 000003
【図２】
2011064585.tif 000004
【図３】
2011064585.tif 000005
【図４】
2011064585.tif 000006
【図５】
2011064585.tif 000007
【図６】
2011064585.tif 000008