(57)【要約】【課題】ヒータ体による効率的なセンサ素子の加熱を実現しつつも、水滴がヒータ体に付着することに伴って空燃比センサに異常が生じることを防止する。【解決手段】空燃比センサ５０は、検出用固体電解質体６１及び当該検出用固体電解質体６１を挟み込むセンサ電極６２及び共通電極６３を有しかつ排気中の酸素分圧に応じた電流を出力するセンサ素子２００を備えている。また、空燃比センサ５０は、センサ素子２００に積層され、通電されることでセンサ素子２００を加熱するヒータ体５１を備えている。ヒータ体５１におけるセンサ素子２００とは反対側には、通気性を有さない材料で形成されているとともに断熱空間室８８を区画する第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体及び当該固体電解質体を挟み込む一対の電極を有し、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子に積層され、通電されることで前記センサ素子を加熱するヒータ体とを備えている空燃比センサであって、
前記ヒータ体における前記センサ素子とは反対側には、通気性を有さない材料で形成されているとともに断熱空間室を区画する隔壁体が設けられている空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空燃比センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された空燃比センサは、被測定ガスの酸素分圧を測定するためのセンサ素子を備えている。センサ素子は、固体電解質層及びその固体電解質層を挟み込む一対の電極を有している。また、特許文献１の空燃比センサにおいては、センサ素子に当該センサ素子を活性化温度にまで加熱するヒータ体が積層されている。このヒータ体には、当該ヒータ体の放熱を防止するための多孔質体が積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２６０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、内燃機関の機関冷間始動時には、低温の排気通路の壁面に接触した排気中の水蒸気が凝集して、水滴が発生することがある。この水滴が排気の流通によって排気通路内で飛散すると、空燃比センサに付着することがある。仮に、空燃比センサに付着した水滴が、多孔質体を通じてヒータ体にまで至ると、ヒータ体が急激に冷却されて熱応力によって割れが生じるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための空燃比センサは、固体電解質体及び当該固体電解質体を挟み込む一対の電極を有し、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流を出力するセンサ素子と、前記センサ素子に積層され、通電されることで前記センサ素子を加熱するヒータ体とを備えている空燃比センサであって、前記ヒータ体における前記センサ素子とは反対側には、通気性を有さない材料で形成されているとともに断熱空間室を区画する隔壁体が設けられている。
【０００６】
上記構成では、ヒータ体に対してセンサ素子とは反対側に断熱空間室が設けられている。したがって、ヒータ体の熱がセンサ素子とは反対側に放熱されることが抑制され、断熱のための構成を有しない空燃比センサに比較してセンサ素子を効率的に加熱できるようになる。
【０００７】
また、上記構成では、断熱空間室を区画している隔壁体が、通気性を有さない材料で形成されている。したがって、隔壁体に水滴が浸透することがなく、少なくとも水滴が隔壁体を通過して断熱空間室まで至ることが防止される。この結果、水滴が断熱空間室を通じてヒータ体まで至り熱応力によってヒータ体に割れが生じるおそれが低減される。したがって、上記構成によれば、ヒータ体による効率的なセンサ素子の加熱を実現しつつも、水滴がヒータ体に付着することに伴って空燃比センサに異常が生じることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】空燃比センサを搭載した内燃機関の概略図。
【図２】空燃比センサの断面図。
【図３】空燃比センサの分解斜視図。
【図４】図２における４−４線断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、内燃機関に搭載されている空燃比センサの一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。先ず、内燃機関Ｅの概略構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関Ｅは、外部から吸気を導入するための吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、燃料と吸気との混合気を燃焼させる気筒１０が接続されている。気筒１０には、排気を外部に排出するための排気通路２１が接続されている。
【００１０】
吸気通路１１には、吸気通路１１に導入される空気を濾過するエアクリーナ１２が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２よりも下流側には、通路面積を可変とするスロットルバルブ１３が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２とスロットルバルブ１３との間には、吸気通路１１に導入された空気の流量を検出するエアフロメータ１４が設けられている。エアフロメータ１４は、検出した空気の流量値を、内燃機関Ｅの制御装置である電子制御ユニット３０（以下、ＥＣＵ３０と略記する。）に出力する。吸気通路１１におけるスロットルバルブ１３よりも下流側には、燃料を噴射するインジェクタ１５が設けられている。
【００１１】
排気通路２１には、排気中の成分を浄化する触媒２２が設けられている。排気通路２１における触媒２２よりも上流側には、排気中の酸素分圧に応じた検出信号を出力する空燃比センサ５０が設けられている。空燃比センサ５０は、具体的には、排気中の酸素分圧に応じた電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００１２】
ＥＣＵ３０は、空燃比センサ５０が検出した電流値に基づいて、排気通路２１における触媒２２の上流部分の酸素分圧を算出する。そして、ＥＣＵ３０は、算出した酸素分圧に基づいて、気筒１０に供給された混合気の空燃比を演算する。また、ＥＣＵ３０には、エアフロメータ１４、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、機関回転速度を検出する回転速度センサ等の各種センサの検出値が入力される。ＥＣＵ３０は、各種センサの検出値から把握される内燃機関Ｅの状況に応じて、スロットルバルブ１３やインジェクタ１５等を制御して空燃比制御を行う。
【００１３】
次に、空燃比センサ５０の具体的な構成について説明する。
図２及び図３に示すように、空燃比センサ５０は、長方形板状のポンプ用固体電解質体７１を備えている。ポンプ用固体電解質体７１は、酸素イオン伝導性のある電解質体である。なお、以下の説明では、図３に示すようにポンプ用固体電解質体７１の長辺方向を長さ方向とし、長辺方向に直交する短辺方向を幅方向とする。また、ポンプ用固体電解質体７１の面方向に直交する方向を上下方向とする。
【００１４】
ポンプ用固体電解質体７１の下面には、上側に向かって平面視四角形状の凹部７１ａが窪んでいる。また、ポンプ用固体電解質体７１の下面において、凹部７１ａと異なる位置には、上側に向かって凹条部７１ｂが窪んでいる。凹条部７１ｂは、ポンプ用固体電解質体７１における長さ方向の一端から凹部７１ａまで長さ方向に延びている。
【００１５】
ポンプ用固体電解質体７１の上面には、ポンプ電極７３が固定されている。ポンプ電極７３は、長方形板状の本体部７３ａと、本体部７３ａから長さ方向に延びている接続部７３ｂとを備えている。ポンプ電極７３における本体部７３ａ及び接続部７３ｂの寸法は、ポンプ用固体電解質体７１における凹部７１ａ及び凹条部７１ｂと一致している。また、ポンプ電極７３における本体部７３ａ及び接続部７３ｂは、空燃比センサ５０を上側から平面視したときにポンプ用固体電解質体７１における凹部７１ａ及び凹条部７１ｂと重なる位置に設けられている。なお、空燃比センサ５０の外部には排気が流通するため、ポンプ電極７３は、内燃機関Ｅの駆動時には排気に晒される。
【００１６】
ポンプ用固体電解質体７１の下面には、共通電極６３が固定されている。共通電極６３は、長方形板状の本体部６３ａと、本体部６３ａから長さ方向に延びている接続部６３ｂとを備えている。共通電極６３の本体部６３ａ及び接続部６３ｂの寸法は、ポンプ用固体電解質体７１における凹部７１ａ及び凹条部７１ｂと一致している。共通電極６３の本体部６３ａは、ポンプ用固体電解質体７１の凹部７１ａに嵌め込まれている。共通電極６３の接続部６３ｂは、ポンプ用固体電解質体７１の凹条部７１ｂに嵌め込まれている。ポンプ用固体電解質体７１と、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込むポンプ電極７３及び共通電極６３は、共通電極６３の本体部６３ａの周囲に酸素を供給するポンピングセル７０を構成している。
【００１７】
ポンプ用固体電解質体７１及び共通電極６３の下面には、長方形板状の検出用固体電解質体６１が積層されている。検出用固体電解質体６１は、ポンプ用固体電解質体７１及び共通電極６３の下面に対して面接触している。検出用固体電解質体６１の寸法は、ポンプ用固体電解質体７１の寸法と一致している。検出用固体電解質体６１は、ポンプ用固体電解質体７１と同一の材料でできている。
【００１８】
検出用固体電解質体６１の下面には、センサ電極６２が固定されている。センサ電極６２は、長方形板状の本体部６２ａと、本体部６２ａから長さ方向に延びている接続部６２ｂとを備えている。センサ電極６２の本体部６２ａ及び接続部６２ｂの寸法は、共通電極６３の本体部６３ａ及び接続部６３ｂの寸法と一致している。空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、センサ電極６２は共通電極６３と重なっている。なお、本実施形態では、センサ電極６２及び共通電極６３が、検出用固体電解質体６１を挟み込む一対の電極である。そして、検出用固体電解質体６１と、これらセンサ電極６２及び共通電極６３とが、排気中の酸素分圧に応じた検出信号を出力するためのセンサセル６０を構成している。
【００１９】
検出用固体電解質体６１の下面には、長方形板状の第１隔壁体５３が積層されている。第１隔壁体５３は、例えばアルミナ製であり、絶縁性を有する。また、第１隔壁体５３は、材料密度が高くなっていて通気性を有していない。第１隔壁体５３の寸法（外寸）は、検出用固体電解質体６１の寸法と一致している。第１隔壁体５３には、四角形状の貫通孔５３ａが上下方向に貫通している。貫通孔５３ａの寸法は、センサ電極６２の本体部６２ａよりも大きくなっている。また、貫通孔５３ａは、その内部にセンサ電極６２における本体部６２ａが収容される位置に設けられている。
【００２０】
第１隔壁体５３において、その貫通孔５３ａを囲む壁部のうち、幅方向の一方側の壁部の一部は、空燃比センサ５０の外側に開放されている。この開放部分を区画している壁部である開放壁部５３ｂには、四角柱状の拡散抵抗体５４が嵌め込まれている。上下方向における拡散抵抗体５４の寸法は、第１隔壁体５３の厚みと同じになっている。拡散抵抗体５４は、多孔質性の材質で形成されており、通気性を有する。拡散抵抗体５４は、例えばアルミナ製である。
【００２１】
第１隔壁体５３の上面には、下側に凹んだ凹条部５３ｃが形成されている。この凹条部５３ｃは、第１隔壁体５３における長さ方向の一端から第１隔壁体５３の貫通孔５３ａまで長さ方向に延びている。この凹条部５３ｃには、センサ電極６２の接続部６２ｂが嵌め込まれている。第１隔壁体５３は、ポンピングセル７０及びセンサセル６０とともにセンサ素子２００を構成している。
【００２２】
第１隔壁体５３（センサ素子２００）の下面には、長方形板状のヒータ体５１が積層されている。ヒータ体５１は、例えばアルミナ製であり、絶縁性を有する。ヒータ体５１は、材料密度が高くなっていて通気性を有していない。ヒータ体５１の寸法（外寸）は、第１隔壁体５３の寸法と一致している。ヒータ体５１の内部には、センサ素子２００を加熱する電熱ヒータ５２が埋設されている。空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、電熱ヒータ５２は、略Ｍ字形状に延びている。電熱ヒータ５２の両端は、図示しないヒータ用電源に接続されている。電熱ヒータ５２は通電によって発熱する。電熱ヒータ５２は、センサ素子２００の温度がおよそ６５０〜７５０℃になるように加熱制御されている。検出用固体電解質体６１及びポンプ用固体電解質体７１は、電熱ヒータ５２に加熱されることによって温度が上昇すると、活性化状態（酸素イオン伝導性が高い状態）となる。
【００２３】
なお、図２に示すように、ヒータ体５１の上面、第１隔壁体５３の貫通孔５３ａの内面、及び検出用固体電解質体６１の下面によって被測定ガス室５８が区画されている。被測定ガス室５８には、拡散抵抗体５４を介して、被測定ガスである排気が流入する。拡散抵抗体５４の外面の一部は空燃比センサ５０の外面の一部を構成しており、排気は拡散抵抗体５４を介して被測定ガス室５８に流入する。そして、拡散抵抗体５４を通過する際に排気の流速が低下する。そのため、排気通路２１を通過する排気の流速に脈動が生じても、被測定ガス室５８に流入する排気の流入速度はほぼ一定になる。
【００２４】
図２及び図３に示すように、ヒータ体５１の下面には、長方形板状の第２隔壁体８０が積層されている。第２隔壁体８０は、第１隔壁体５３と同じ材料でできている。第２隔壁体８０の寸法（外寸）は、第１隔壁体５３の寸法と一致している。第２隔壁体８０には、四角形状の貫通孔８０ａが上下方向に貫通している。図４に示すように、空燃比センサ５０を上側から平面視したときの電熱ヒータ５２のＭ字部分の全体を囲む領域を加熱領域Ａとしたとき、貫通孔８０ａの面積は、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの面積よりも大きい。そして、貫通孔８０ａの開口縁は、電熱ヒータ５２の加熱領域を外側から囲んでいる。
【００２５】
第２隔壁体８０において、その貫通孔８０ａを囲む壁部のうち、幅方向の一方側の壁部の一部は、空燃比センサ５０の外側に開放されている。空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、上記開放部分を区画している壁部である開放壁部８０ｂは、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されている。具体的には、開放壁部８０ｂは、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａに対して長さ方向の一方側にずれた位置に配置されている。
【００２６】
第２隔壁体８０の開放壁部８０ｂには、四角柱状の多孔質体８４が嵌め込まれている。上下方向における多孔質体８４の寸法は、第２隔壁体８０の厚みと同じになっている。多孔質体８４は、通気性を有する。多孔質体８４は、例えばアルミナ製である。
【００２７】
第２隔壁体８０の下面には、長方形板状の第３隔壁体９０が積層されている。第３隔壁体９０は、第１隔壁体５３と同じ材料でできている。第３隔壁体９０の寸法（外寸）は、第１隔壁体５３の寸法と一致している。図２に示すように、第３隔壁体９０の上面、第２隔壁体８０の貫通孔８０ａの内面、及びヒータ体５１の下面によって断熱空間室８８が区画されている。なお、上述したように、貫通孔８０ａの開口縁が電熱ヒータ５２の加熱領域を外側から囲んでいるため、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、断熱空間室８８の範囲内に電熱ヒータ５２の加熱領域Ａが位置している。
【００２８】
図３に示すように、第３隔壁体９０の上面、第２隔壁体８０の開放壁部８０ｂ、及びヒータ体５１の下面によって通気孔８６が区画されている。上述したように、開放壁部８０ｂは、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されている。そのため、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、通気孔８６は、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されている。通気孔８６は、断熱空間室８８と空燃比センサ５０の外部とを連通している。
【００２９】
図２に示すように、センサ電極６２の接続部６２ｂ及び共通電極６３の接続部６３ｂには、第１電源１８１が接続されている。第１電源１８１の正極は共通電極６３側に接続され、第１電源１８１の負極はセンサ電極６２側に接続されている。そして、第１電源１８１は、センサ電極６２及び共通電極６３の間に一定の電圧を印加する。第１電源１８１は、ＥＣＵ３０によって制御されている。
【００３０】
共通電極６３と第１電源１８１との間には、電流測定装置１８３が接続されている。電流測定装置１８３は、第１電源１８１によってセンサ電極６２及び共通電極６３の間に電圧が印加された際に、センサ電極６２及び共通電極６３の間に流れる電流値を測定する。電流測定装置１８３は、検出した電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００３１】
共通電極６３の接続部６３ｂ及びポンプ電極７３の接続部７３ｂには、第２電源１８２が接続されている。第２電源１８２の正極は共通電極６３側に接続され、第２電源１８２の負極はポンプ電極７３側に接続されている。そして、第２電源１８２は、共通電極６３及びポンプ電極７３間に一定の電流が流れるように電圧を印加する。第２電源１８２は、ＥＣＵ３０によって制御されている。
【００３２】
次に、空燃比センサ５０が実行する排気中の酸素分圧に応じた電流値検出の流れについて説明する。
空燃比センサ５０の動作状態においては、第２電源１８２が、当該第２電源１８２の正極側である共通電極６３側から、第２電源１８２の負極側であるポンプ電極７３に向けて常に一定量の電流が流れるように電圧を印加している。これに伴い、第２電源１８２の負極側であるポンプ電極７３側から第２電源１８２の正極側である共通電極６３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、ポンプ用固体電解質体７１を通じて、空燃比センサ５０の外部の排気中から共通電極６３の本体部６３ａの周囲に酸素が取り込まれる。こうして、共通電極６３の本体部６３ａの周囲には、常に酸素が供給される。
【００３３】
このようにして共通電極６３の本体部６３ａの周囲に常に酸素が供給されている状態のもと、第１電源１８１は、センサ電極６２及び共通電極６３の間に一定の電圧を印加する。第１電源１８１が電圧を印加すると、例えば気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンの場合には、検出用固体電解質体６１を通じて被測定ガス室５８の排気中から共通電極６３の本体部６３ａの側に酸素が取り込まれる。このとき、第１電源１８１の負極側であるセンサ電極６２側から第１電源１８１の正極側である共通電極６３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源１８１の正極側である共通電極６３側から第１電源１８１の負極側であるセンサ電極６２側に向かって電流が流れる。このとき、電流測定装置１８３は正の電流値を検出する。電流測定装置１８３は、この電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００３４】
一方、気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチの場合には、検出用固体電解質体６１を通じて共通電極６３の本体部６３ａの周囲から被測定ガス室５８に酸素が持ち出される。このとき、第１電源１８１の正極側である共通電極６３側から第１電源１８１の負極側であるセンサ電極６２側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源１８１の負極側であるセンサ電極６２側から第１電源１８１の正極側である共通電極６３側に向かって電流が流れる。このとき、電流測定装置１８３は負の電流値を検出する。電流測定装置１８３は、この電流値はＥＣＵ３０に出力する。
【００３５】
ところで、例えば内燃機関Ｅの機関冷間始動時には、低温の排気通路２１の壁面に接触した排気中の水蒸気が凝集して、水滴が発生することがある。この水滴が排気の流通によって排気通路２１内で飛散すると、空燃比センサ５０に付着することがある。仮に、空燃比センサ５０に付着した水滴がヒータ体５１に至ると、ヒータ体５１が急激に冷却されて熱応力によってヒータ体５１に割れが生じるおそれがある。ヒータ体５１に割れが生じると、その割れ目を通じて水滴がセンサ素子２００に付着し、高温に加熱されているセンサ素子２００が急激に冷却されてセンサ素子２００に割れが生じるおそれがある。
【００３６】
この点、上記構成では、断熱空間室８８を区画している第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０が、通気性を有さない材料で形成されている。したがって、第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０に水滴が浸透することがないため、少なくとも水滴が第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０を通過して断熱空間室８８まで至ることが防止される。つまり、水滴が断熱空間室８８まで至り難くい。したがって、水滴が断熱空間室８８を通じてヒータ体５１まで至りその結果ヒータ体５１さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。
【００３７】
次に、本実施形態の作用及び効果を説明する。
（１）上記構成では、ヒータ体５１に対してセンサ素子２００とは反対側に断熱空間室８８が設けられている。したがって、ヒータ体５１の熱がセンサ素子２００とは反対側に放熱されることが抑制され、センサ素子２００を効率的に加熱できる。
【００３８】
また、上述のとおり、上記構成では、第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０に水滴が浸透することがないため、水滴が断熱空間室８８まで至り難い。このことに加え、上記構成では、通気孔８６によって、断熱空間室８８と空燃比センサ５０の外部とが連通されている。したがって、ヒータ体５１からの熱で断熱空間室８８内のガスが加熱されて当該ガスが膨張した場合、膨張したガスは通気孔８６を通じて断熱空間室８８内の外部へ流出可能である。このため、断熱空間室８８を区画している第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０の壁面には、ガスの膨張に伴う応力がかかり難く、当該応力に起因して第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０に割れが生じるおそれが低減される。したがって、断熱空間室８８に水滴が流入するおそれが低減され、水滴が断熱空間室８８を通じてヒータ体５１まで至り当該ヒータ体５１、さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。
【００３９】
なお、通気孔８６を通じて水滴が断熱空間室８８に入り込む可能性は否定できない。ここで、例えば特許文献１に開示されている空燃比センサのように、ヒータ体に対してその放熱防止用に多孔質体を積層させた場合、水滴は、多孔質体内全体に浸透して当該多孔質体が接しているヒータ体の面全体に行き渡るおそれがある。
【００４０】
これに対して、本実施形態のように、ヒータ体５１に対してその放熱防止用に断熱空間室８８を設けた場合、水滴は、断熱空間室８８を区画している第２隔壁体８０や第３隔壁体９０の壁面を伝って流れることになる。仮に第２隔壁体８０や第３隔壁体９０の壁面を伝って流れた水滴の一部がヒータ体５１まで至ったとしても、上記多孔質体の場合のようにヒータ体５１の面全体に水滴が行き渡るような場合に比べて、水滴がヒータ体５１に至る量はごく僅かである。そのため、ヒータ体５１、さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。なお、断熱空間室８８はヒータ体５１の熱によって加熱された状態にある。そのため、第２隔壁体８０や第３隔壁体９０の壁面に水滴が付着した場合でも、当該水滴はヒータ体５１まで至る前に蒸発してしまう。したがって、ヒータ体５１、さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。
【００４１】
このように、上記構成によれば、ヒータ体による効率的なセンサ素子の加熱を実現しつつも、水滴がヒータ体に付着することに伴って空燃比センサに異常が生じることを防止できる。
【００４２】
（２）上記構成では、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、断熱空間室８８の範囲内に電熱ヒータ５２の加熱領域Ａが配置されている。そのため、断熱空間室８８は、加熱領域Ａの全域に亘る範囲において、電熱ヒータ５２の熱の放熱を抑制できる。したがって、センサ素子２００に対する加熱効率が向上する。
【００４３】
（３）上記構成では、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、通気孔８６は、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されている。例えば通気孔８６が電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりに配置されている場合、断熱空間室８８において電熱ヒータ５２からの熱で暖まった空気はすぐに当該断熱空間室８８から外に流出する。
【００４４】
これに対して、通気孔８６が電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されている場合、電熱ヒータ５２からの熱で暖まったガスがすぐに断熱空間室８８の外に流出することが防止され、当該暖まったガスを断熱空間室８８に保持し続け易くなる。したがって、断熱空間室８８による断熱効果が高まる。
【００４５】
ここで、仮にヒータ体５１に水滴が付着してしまった場合にヒータ体５１に生じる熱応力は、ヒータ５１体の冷却が急激であるほど生じやすい。つまり、ヒータ体５１に水滴が付着することに伴うヒータ体５１の割れは、ヒータ体５１において特に加熱領域Ａで生じやすい。
【００４６】
上記構成においては、通気孔８６が、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されているため、仮に水滴が通気孔８６から断熱空間室８８に入り込んだとしても、水滴が加熱領域Ａに至るまでには相応の距離があり、水滴が加熱領域Ａまで行き着き難い。したがって、ヒータ体５１、さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。
【００４７】
（４）上記構成では、通気孔８６に多孔質体８４が嵌め込まれている。そのため、通気孔８６を通じて断熱空間室８８の外に流出するガスの量が低減される。したがって、電熱ヒータ５２からの熱で暖まったガスが断熱空間室８８の外に過度に流出することが防止され、断熱空間室８８による断熱効果が高まる。
【００４８】
また、通気孔８６に多孔質体８４が嵌め込まれていれば、例えば通気孔８６に何も配置されていない場合に比べて、通気孔８６を通じて断熱空間室８８に入り込む水滴の量が低減される。そのため、ヒータ体５１、さらにはセンサ素子２００に割れが生じるおそれが低減される。
【００４９】
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・通気孔８６に嵌め込まれている多孔質体８４を廃止してもよい。この場合、通気孔８６の通路断面積を調整するなどして、水滴が通気孔８６を介して断熱空間室８８内に至りにくくすることが好ましい。
【００５０】
・通気孔８６の位置は、上記実施形態に示した位置から変更可能であり、何処に設けられていてもよい。ただし、上述のとおり、通気孔８６は、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの外縁まわりから外れた位置に配置されていることが好ましい。通気孔８６は、例えば、第３隔壁体９０を貫通することによって断熱空間室８８と空燃比センサ５０の外部とを連通してもよい。
【００５１】
・通気孔８６を廃止して、断熱空間室８８を密閉構造としてもよい。なお、ヒータ体５１によって断熱空間室８８内のガスが暖められて膨張する。そのため、第２隔壁体や第３隔壁体９０として、ガスの膨張圧に耐えられる材質・形状を採用する必要がある。
【００５２】
・断熱空間室８８に多孔質体を配置してもよい。例えば通気孔８６を廃止した場合には、当該通気孔８６から水滴が断熱空間室８８に入り込むことがほぼない。したがって、こうした場合には、断熱空間室８８に多孔質体を配置しても、上述のように水滴が多孔質体内全体に浸透してヒータ体の面全体に行き渡るおそれはない。断熱空間室８８に多孔質体を配置した場合、断熱空間室８８が空間のままである場合に比べて空燃比センサ５０の強度（剛性）が向上する。
【００５３】
・断熱空間室８８内を長さ方向または幅方向に仕切る仕切り壁を断熱空間室８８内に設けてもよい。仕切り壁の数は、一つでも複数でもよい。なお、仕切り壁を設ける場合には、仕切り壁によって区画される小部屋同士で気体が流通できるように、仕切り壁の材質として通気性を有する材質を採用したり、仕切り壁に通気孔を設けたりすることが好ましい。こうした仕切り壁を設けた場合、断熱空間室８８が空間のままである場合に比べて空燃比センサ５０の強度（剛性）が向上する。
【００５４】
・空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、断熱空間室８８の範囲から電熱ヒータ５２の加熱領域Ａが多少外れていてもよい。すなわち、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、断熱空間室８８の範囲に電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの一部のみが配置されていてもよい。さらに、空燃比センサ５０を上側から平面視したとき、断熱空間室８８の面積が、電熱ヒータ５２の加熱領域Ａの面積より小さくてもよい。
【００５５】
・第２隔壁体８０と第３隔壁体９０とを積層するのに代えて、第２隔壁体８０及び第３隔壁体９０が一体的な形状の隔壁体をヒータ体５１に積層してもよい。
・第２電源１８２による共通電極６３及びポンプ電極７３間への電圧のかけ方は変更可能である。例えば、第２電源１８２の正極側である共通電極６３側から、第２電源１８２の負極側であるポンプ電極７３に向けて流れる電流値が可変となるように電圧を印加してもよい。この場合、電流値の変化に応じて、空燃比センサ５０の外部の排気中から共通電極６３の本体部６３ａの周囲に取込まれる酸素の量が変化する。例えば共通電極６３の本体部６３ａの周囲の酸素の量を調整したい場合には、こうして共通電極６３の本体部６３ａの周囲に供給する酸素の量を変更することが有効である。ただし、共通電極６３の本体部６３ａの周囲に供給する酸素の量を変更する場合には、センサセル６０が排気中の酸素分圧に応じた適切な電流値に検出するのに十分な酸素が共通電極６３の本体部６３ａの周囲に存在していることが条件である。なお、前記条件のもと、共通電極６３の本体部６３ａの周囲の酸素量に応じて、当該本体部６３ａの周囲から空燃比センサ５０の外部へ酸素を排出するように第２電源１８２を制御してもよい。この場合、第２電源１８２の負極側であるポンプ電極７３側から第２電源１８２の正極側である共通電極６３に向けて電流が流れるように第２電源１８２に電圧が印加される。これに伴い、第２電源１８２の正極側である共通電極６３側から第２電源１８２の負極側であるポンプ電極７３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、ポンプ用固体電解質体７１を通じて、共通電極６３の本体部６３ａの周囲から空燃比センサ５０の外部の排気中へ酸素が排出される。ポンピングセル７０によって共通電極６３の本体部６３ａの周囲に酸素を供給することに加え、このようにして当該本体部６３ａの周囲から酸素を排出することで、当該本体部６３ａの周囲の酸素の量をより自在に調整できるようになる。
【００５６】
・空燃比センサ５０を構成している各種部材の形状や配置は、適宜変更可能である。例えば、ポンプ電極７３と共通電極６３の形状や大きさ、水平方向の位置を互いに異なるものとしてもよい。共通電極６３とセンサ電極６２についても同様である。ポンプ用固体電解質体７１、検出用固体電解質体６１、ヒータ体５１、第１隔壁体５３、第２隔壁体８０、第３隔壁体９０は例えば正方形等、長方形以外の形状にしてもよい。電熱ヒータ５２は、センサ素子２００を加熱できる状態に延びていればよく、空燃比センサ５０を上側から平面した状態で略Ｍ字状に延びていなくてもよい。ヒータ体５１と第２隔壁体８０との間に、他の隔壁体を挟んでもよい。
【００５７】
・センサ素子２００の積層構造を変更してもよい。ただし、センサ素子は、固体電解質体及び当該固体電解質体を挟み込む一対の電極を有し、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流を出力する構造となっていることが必須である。センサ素子の構造の変更の具体例を以下の（Ａ）〜（Ｂ）に記す。
【００５８】
（Ａ）上記実施形態で説明したセンサ素子２００において、ポンプ用固体電解質体７１とポンプ電極７３とを廃止し、検出用固体電解質体６１の上面に、大気室を区画するための隔壁体を積層する。そして、大気室に共通電極６３の本体部６３ａを配置する。大気室は、車両の外部の大気に連通させる。こうしたセンサ素子においても、センサ電極６２と共通電極６３との間に一定の電圧を印加することで、被測定ガス室５８の酸素分圧に応じた電流値が出力される。
【００５９】
（Ｂ）上記実施形態で説明したセンサ素子２００において、被測定ガス室を区画するための第１隔壁体５３を、ヒータ体５１の上面ではなく、検出用固体電解質体６１とポンプ用固体電解質体７１との間に配置する。そして、検出用固体電解質体６１とポンプ用固体電解質体７１との間に被測定ガス室５８を設ける。その上で、共通電極６３を廃止し、検出用固体電解質体６１を挟み込む一対の電極と、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極とを、それぞれ別々の電極で構成する。そして、被測定ガス室５８に、検出用固体電解質体６１を挟み込む一対の電極のうちの一方の電極と、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極のうちの一方の電極とを配置する。検出用固体電解質体６１を挟み込む一対の電極のうちの他方の電極（ヒータ体５１側の電極）は、ヒータ体５１の上面に下側に窪んだ凹部を設けて、当該凹部に配置する。ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極のうちの他方の電極は排気に晒す。
【００６０】
このようにセンサ素子を構成した場合、検出用固体電解質体６１を挟み込む一対の電極に対して電圧測定装置を接続する。そして電圧測定装置によって、一対の電極間の起電力を測定する。この起電力は、被測定ガス室５８とヒータ体５１の上面の凹部とにおける酸素分圧の差を反映する。
【００６１】
また、上記のようにセンサ素子を構成した場合、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極に電源を接続するとともに、電源とポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極のうちの一方の電極とに電流測定装置を接続する。
【００６２】
ＥＣＵ３０には、気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比である場合に上記電圧測定装置が検出するはずの起電力（以下、この起電力をストイキ起電力と称する）が予め記憶されている。ＥＣＵ３０は、上記電圧測定装置が検出する起電力が常にストイキ起電力となるように、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極間に電圧を印加する。例えば気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンの場合には、ポンプ用固体電解質体７１を通じて被測定ガス室５８の排気中から空燃比センサの外部に酸素が持ち出されるように、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極に電圧が印加される。これに伴い、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極間に電流が流れる。このときの電流値がＥＣＵ３０に出力される。一方、気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチの場合には、ポンプ用固体電解質体７１を通じて被測定ガス室に空燃比センサの外部から酸素が取り込まれるようにポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極に電圧が印加される。これに伴い、ポンプ用固体電解質体７１を挟み込む一対の電極間に電流が流れる。このときの電流値がＥＣＵ３０に出力される。
【００６３】
・第３隔壁体９０の下方に、断熱空間室を区画するための隔壁体をさらに積層してもよい。これによって、第３隔壁体９０の下方に、さらに断熱空間室を設けることができる。さらに、第３隔壁体９０の下方に断熱空間室を複数設けてもよい。
【００６４】
・センサ素子の上部に隔壁体を積層できる構成の場合（センサ素子の最上部において電極を空燃比センサの外部に露出させる必要がない場合）、センサ素子の上方に、断熱空間室を区画するための隔壁体をさらに積層してもよい。これによって、センサ素子の上方にも、断熱空間室を設けることができる。センサ素子の上方に断熱空間室を複数設けてもよい。なお、センサ素子の上部に隔壁体を積層できる構成の例としては、上記（Ａ）のような構成が挙げられる。
【符号の説明】
【００６５】
５０…空燃比センサ、５１…ヒータ体、５２…電熱ヒータ、６１…検出用固体電解質体（固体電解質体）、６２…センサ電極、６３…共通電極、２００…センサ素子、８８…断熱空間室、８０…第２隔壁体、９０…第３隔壁体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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