(57)【要約】【課題】高い耐熱衝撃性と低い熱伝導率を有する基板を備え、低コストで製造できるガスセンサおよびそれを備えた自動車両を提供することにある。【解決手段】本発明によるガスセンサは、ガスセンサ部１２と、ガスセンサ部１２を支持する基板１１とを備えている。基板１１は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、このセラミックス基板１１は、ムライト相を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサ部と、
前記ガスセンサ部を支持する基板と、を備えたガスセンサであって、
前記基板は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、
前記セラミックス基板は、ムライト相を含むガスセンサ。
【請求項２】
ガスセンサ部と、
前記ガスセンサ部を支持する基板と、を備えたガスセンサであって、
前記基板は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、
前記セラミックス基板は、アルミナおよびシリカを添加剤として含むガスセンサ。
【請求項３】
前記セラミックス基板は、２．２０ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下の密度を有する請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記セラミックス基板は、２．３３ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下の密度を有する請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ガスセンサ部を昇温させるヒータをさらに備える請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
酸素センサである請求項１から５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサを備えた自動車両。
【請求項８】
自動二輪車である請求項７に記載の自動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。また、本発明は、ガスセンサ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には、酸素センサが用いられる。酸素センサを好適に動作させるためには、５００℃以上の高温が必要であるため、酸素センサにはヒータが設けられている。ヒータを備えた酸素センサは、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
ヒータを備えた酸素センサの一例を図８に示す。なお、図８では、わかりやすさのために酸素センサ５１０を分解して示している。
【０００６】
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板５１１と、基板５１１の主面５１１ａ上に設けられたガスセンサ部５１２とを備えている。
【０００７】
基板５１１の裏面５１１ｂ側には、センサ部５１２に対応する位置にヒータ５１３が配置されている。ヒータ５１３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。ヒータ５１３から引き延ばされた電極５１４に所定の電圧を印加すると、所定の形状に形成された抵抗体に電流が流れて抵抗体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。抵抗体は、例えば金属材料から形成されている。このヒータ５１３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】
上述したように高温化で使用される酸素センサ５１０は、急激な温度変化に晒されることがある。例えば、運転中に排気管から入り込んだ水滴が酸素センサ１０に付着し、それによって急激に冷却されてしまうことがある。そのため、酸素センサ５１０の基板５１１には、高い耐熱性に加えて高い耐熱衝撃性が要求される。
【０００９】
特に、自動二輪車では、排気管の末端から酸素センサ５１０の取り付け位置までの距離が短いので、酸素センサ５１０に水滴が付着しやすい。そのため、基板５１１には特に高い耐熱衝撃性が要求される。
【００１０】
特許文献２には、ジルコン粉末とコージェライト粉末との混合物からセラミックス製品を形成することにより、セラミックス製品の耐熱衝撃性および強度が向上することが開示されている。セラミックス製品の具体例としては、酸素センサ用の断熱絶縁ブッシュやバーナーノズルが記載されている。
【００１１】
また、特許文献３には、酸素センサの材料として部分安定化ジルコニア焼結体を用いることにより、高い機械的強度と耐熱衝撃性とを両立し得ることが開示されている。
【００１２】
さらに、特許文献４、５および６には、酸素センサ用基板の構造を工夫することにより、耐熱衝撃性を向上させる手法が開示されている。例えば特許文献５および６には、水滴がセラミックス基板に直接付着することを防止するために、セラミックス基板の外側に多孔質保護層を設けた構成が記載されている。
【特許文献１】特許第３５２３９３７号公報
【特許文献２】特許第３３５９２４２号公報
【特許文献３】特開平１０−８７３６６号公報
【特許文献４】特開２０００−１３１２７１号公報
【特許文献５】特開２００１−２８１２１０号公報
【特許文献６】特開２００３−３２２６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、たとえ特許文献２や特許文献３に開示されている材料を用いて酸素センサ用の基板を作成したとしても、その耐熱衝撃性は十分ではなく、ヒータによる加熱温度（つまり酸素センサが好適に動作する温度）から被水によって冷却が行われると、クラックが発生してしまう。
【００１４】
このように基板の耐熱衝撃性が十分ではないため、従来は、水滴の付着が予想される環境下においてはヒータによる加熱温度が通常よりも低く設定されるような制御系を設けることが行われていた。しかしながら、このような制御系をわざわざ設けることは、製造コストの増加を招いてしまう。また、本来の動作温度よりも低い温度で酸素センサを使用することになるので、検出精度が低下してしまう。
【００１５】
また、特許文献４、５および６のように特殊な構造の基板を用いることも、製造コストを増加させてしまう。
【００１６】
さらに、従来用いられてきた基板材料は、その熱伝導率が高いので、ヒータで発生した熱が、周辺の部材に伝播しやすい。そのため、耐熱性の高い部材を用いたり、基板と耐熱性の低い部材との距離を長くしたりする必要があり、製造コストの増加や、酸素センサの大型化を招いていた。
【００１７】
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、高い耐熱衝撃性と低い熱伝導率を有する基板を備え、低コストで製造できるガスセンサおよびそれを備えた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】
【００１８】
本発明によるガスセンサは、ガスセンサ部と、前記ガスセンサ部を支持する基板とを備えたガスセンサであって、前記基板は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、前記セラミックス基板は、ムライト相を含み、そのことによって上記目的が達成される。
【００１９】
あるいは、本発明によるガスセンサは、ガスセンサ部と、前記ガスセンサ部を支持する基板とを備えたガスセンサであって、前記基板は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、前記セラミックス基板は、アルミナおよびシリカを添加剤として含み、そのことによって上記目的が達成される。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記セラミックス基板は、２．２０ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下の密度を有する。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記セラミックス基板は、２．３３ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下の密度を有する。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記ガスセンサ部を昇温させるヒータをさらに備える。
【００２３】
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは酸素センサである。
【００２４】
本発明による自動車両は、上記構成を有するガスセンサを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００２５】
ある好適な実施形態において、本発明による自動車両は、自動二輪車である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によるガスセンサが備える基板は、コージェライトを主成分とするセラミックス基板であり、さらに、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）相を含んでいる。
【００２７】
コージェライトは熱膨張率が低いので、コージェライトを主成分とするセラミックス基板は、高い耐熱衝撃性を有している。また、コージェライトは熱伝導率が低いので、コージェライトを主成分とするセラミックス基板は、低い熱伝導率を有している。
【００２８】
コージェライトそのものはポーラスであるために強度が低いので、被水による急激な冷却時にクラックが発生することがあり、耐熱衝撃性が必ずしも十分ではない。しかしながら、本発明によるガスセンサのセラミックス基板は、ムライト相を含んでいるので、通常のコージェライトよりも緻密であり、強度が高い。そのため、被水時の熱衝撃によるクラックが発生しにくく、十分に高い耐熱衝撃性を有している。
【００２９】
上述したように、本発明によるガスセンサでは、基板が高い耐熱衝撃性を有しているので、被水が予想される環境下においても高温で動作させることができ、検出精度が向上する。また、基板に特殊な構造を採用する必要がないので、本発明によるガスセンサは低コストで製造することができる。さらに、特別な制御系を設ける必要もないので、自動車両の製造コストを低減することもできる。また、本発明によるガスセンサでは、基板が低い熱伝導率を有しているので、ハウジングなどの基板周辺の部材への熱の伝播を抑制することができる。そのため、耐熱性の低い安価な部材を使用することが可能になり、製造コストの低減を図ることができる。また、基板と耐熱性の低い部材との距離を短くすることができるので、ガスセンサの小型化を図ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本願発明者は、酸素センサ用の基板材料としてコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）に着目し、種々の検討を重ねた。その結果、コージェライトを主成分とするセラミックス基板がムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）相を含むと、耐熱衝撃性が格段に向上するという刮目すべき現象を発見した。
【００３１】
本発明は、上記知見に基づいて想到されたものである。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、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
（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。
【００３３】
酸素センサ１０は、図１に示すように、ガスセンサ部１２と、ガスセンサ部１２を支持する基板１１とを備えている。
【００３４】
基板１１は、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有している。基板１１の先端部の主面１１ａ上にガスセンサ部１２が設けられている。また、基板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。
【００３５】
ガスセンサ部１２は、ガスセンサ部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。ガスセンサ部１２としては、公知の種々のタイプの素子を用いることができ、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層を備えた素子を用いることができる。
【００３６】
基板１１の裏面１１ｂ側には、ガスセンサ部１２を昇温させるためのヒータ１３が設けられている。本実施形態におけるヒータ１３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。ヒータ１３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】
ヒータ１３は、線状に延びるヒータパターン１３ｐを含んでいる。ヒータパターン１３ｐは、ガスセンサ部１２を均一に昇温させることができるように、複数回折り返され、蛇行するように形成されている。典型的には、ヒータパターン１３ｐは、一定の幅（同じ幅）で形成されている。
【００３８】
ヒータ１３は、一対の電極１４に接続されている。電極１４間に電圧が印加されると、抵抗体であるヒータパターン１３ｐが発熱し、そのことによって加熱が行われる。ヒータ１３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。
【００３９】
本実施形態における酸素センサ１０の基板１１は、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）を主成分とするセラミックス基板である。さらに、このセラミックス基板１１は、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）相を含んでいる。
【００４０】
コージェライトは、酸素センサ用の一般的な基板材料に比べて熱膨張率が低い。例えば、従来酸素センサ用の基板材料として多く用いられてきたアルミナの熱膨張率が８×１０-6／Ｋ程度であるのに対し、コージェライトの熱膨張率は２×１０-6／Ｋ程度である。そのため、コージェライトを主成分とするセラミックス基板１１は、高い耐熱衝撃性を有している。
【００４１】
また、コージェライトは、酸素センサ用の一般的な基板材料に比べて熱伝導率も低い。具体的には、アルミナの熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対して、コージェライトの熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。したがって、コージェライトを主成分とするセラミックス基板１１は、低い熱伝導率を有している。
【００４２】
ただし、一般的には、コージェライトそのものは、ポーラスであるために強度が低いので、被水による急激な冷却時にクラックが発生することがあり、耐熱衝撃性が必ずしも十分ではない。しかしながら、本実施形態におけるセラミックス基板１１は、ムライト相を含んでいるので、後に詳しく説明するように通常のコージェライトよりも緻密であり、強度が高い。そのため、被水時の熱衝撃によるクラックが発生しにくく、十分に高い耐熱衝撃性を有している。
【００４３】
上述したように、本発明による酸素センサ１０では、基板１１が高い耐熱衝撃性を有しているので、被水が予想される環境下においても高温で動作させることができ、検出精度が向上する。また、特許文献４、５および６に開示されているような特殊な構造を採用する必要がないので、本発明による酸素センサ１０は低コストで製造することができる。さらに、特別な制御系を設ける必要もないので、自動車両の製造コストを低減することもできる。
【００４４】
また、本発明による酸素センサ１０では、基板１１が低い熱伝導率を有しているので、ハウジングなどの基板１１周辺の部材への熱の伝播を抑制することができる。そのため、耐熱性の低い安価な部材を使用することが可能になり、製造コストの低減を図ることができる。また、基板１１と耐熱性の低い部材との距離を短くすることができるので、酸素センサ１０の小型化を図ることもできる。
【００４５】
コージェライトを主成分とし、ムライト相を含むセラミックス基板１１は、コージェライト材料にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）およびシリカ（ＳｉＯ2）を添加することによって得られる。添加剤として導入されたアルミナおよびシリカが焼成されることにより、コージェライトのマトリクス中にムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）相が形成される。
【００４６】
本実施形態におけるセラミックス基板１１を実際に試作し、その耐熱衝撃性を検証した結果を下記表１に示す。なお、表１には、比較のために、ムライト相を含まないコージェライト基板およびアルミナ基板についての検証結果も併せて示している。
【００４７】
なお、耐熱衝撃性の評価は、図２に示すように、ガスバーナーによって基板を所定の温度に加熱した後、基板に水滴を滴下し、クラックの発生の有無を確認することによって行った。表１中の「耐熱衝撃性」の欄に記載されている温度は、その温度に加熱された基板に水滴を滴下しても、クラックが発生しなかったことを意味している（この温度を以下では単に「許容温度」とも呼ぶ。）。評価に用いた基板は、いずれも厚さが０．６３５ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが５ｍｍのものである。滴下される水滴の直径は４．２ｍｍであり、滴下数は１である。温度の測定は、放射温度計を用いて行った。また、表１中の「焼結具合」の欄に記載されている「未焼結」、「半焼結」、「焼結」は、それぞれ「約１２００℃」、「約１３００℃」、「約１４００℃」で焼成を行ったことを意味している。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１に示すように、ムライト相を含まない未焼結コージェライト基板（比較例１）の許容温度は３００℃であり、ムライト相を含まない焼結コージェライト基板（比較例２）の許容温度は４００℃であった。このように、ムライト相を含まないコージェライト基板は、耐熱衝撃性が十分ではなかった。また、焼結アルミナ基板（比較例３）の許容温度は３００℃であり、アルミナ基板も耐熱衝撃性が低かった。
【００５０】
これに対し、アルミナおよびシリカを添加剤として含む未焼結コージェライト基板（実施例１）の許容温度は５００℃であり、実施例１の基板は、比較例１、２および３の基板よりも耐熱衝撃性が高かった。実施例１の基板の許容温度は、ガスセンサ部１２が活性化する最低温度とほぼ一致していた。
【００５１】
また、アルミナおよびシリカを添加剤として含む半焼結コージェライト基板（実施例２）および焼結コージェライト基板（実施例３）の許容温度はそれぞれ７００℃、９００℃であり、実施例２および３の基板の耐熱衝撃性はさらに高かった。
【００５２】
このように、本発明による酸素センサ１０の基板１１の耐熱衝撃性が高いことが確認された。図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、実施例３、比較例２および比較例３の基板のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を示す。
【００５３】
図３（ａ）と、図３（ｂ）および（ｃ）とを比較すればわかるように、実施例３の基板は、比較例２の基板や比較例３の基板に比べて空孔が少なく、より緻密である。なお、実施例３の基板が比較例２の基板よりも緻密であることは、表１中に示した密度の値からもわかる。本発明による酸素センサ１０のセラミックス基板１１は、このように緻密であるために、従来に比べて強度および耐熱衝撃性が向上している。
【００５４】
アルミナおよびシリカを添加することによりコージェライト中の空孔が少なくなる理由は、アルミナおよびシリカを焼成することによって形成されるムライト相が、空孔を埋めるように作用するからであると考えられる。コージェライト中においてムライト相がこのような特異な作用を示すのは、ムライト相の組成とコージェライトの組成との近似性に由来していると推測される。つまり、ムライト相の成分（具体的にはＡｌ2Ｏ3とＳｉＯ2）が、コージェライトの成分の一部と共通しているために、空孔を埋めるように好適に作用すると考えられる。なお、本願発明者は、アルミナおよびシリカを添加剤として含むコージェライト基板中にムライト相が形成されていることを、Ｘ線回折測定によって確認した。
【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、コージェライトを主成分とし、ムライト相を含むセラミックス基板１１を用意する。このセラミックス基板１１は、既に述べたように、コージェライト材料（典型的には粉末材料）にアルミナおよびシリカを添加剤として加えた材料を用いて形成することができる。
【００５７】
表１からもわかるように、ほとんど熱処理されていない未焼結基板（実施例１）であっても耐熱衝撃性は従来の基板より向上するが、より高い耐熱衝撃性を実現する観点からは、十分に焼成を行うことが好ましい。具体的には、実施例２のような半焼結基板であることが好ましく、実施例３のような焼結基板であることがさらに好ましい。
【００５８】
また、表１からもわかるように、セラミックス基板１１の密度は、２．２０ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下であることが好ましく、２．３３ｇ／ｃｍ3以上２．４０ｇ／ｃｍ3以下であることがさらに好ましい。十分に高い耐熱衝撃性を実現するためには、セラミックス基板１１の熱膨張率は、５×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。また、周辺部材への熱の伝播を抑制する観点からは、セラミックス基板１１の熱伝導率は４Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。セラミックス基板１１の厚さは、典型的には０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であり、好ましくは０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ程度である。
【００５９】
次に、基板１１の主面１１ａ上にガスセンサ部１２を設ける。ガスセンサ部１２は、公知の種々のタイプの素子を用いることができる。例えば、既に述べたように、特開平８−１１４５７１号公報に開示されているような固体電解質層を備えた素子を用いることができる。
【００６０】
基板１１の主面１１ａ上にセンサ部１２を設けるのとは別途に、基板１１の裏面１１ｂ上に、ヒータ１３を形成する。ヒータ１３の材料としては、白金、白金ロジウム合金、モリブデン、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。
【００６１】
ヒータ１３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、ヒータ１３を形成する工程において、電極１４も同時に形成される。
【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、ヒータ１３をスクリーン印刷法を用いて形成する場合には、本実施形態のようにヒータパターン１３ｐの幅が実質的に同じであることが好ましい。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、ヒータパターン１３ｐを一定の幅（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、基板１１の裏面１１ｂにヒータ１３を形成する場合を例示したが、ヒータ１３は、必ずしもガスセンサ部１２を設ける基板１１上に直接形成されている必要はない。例えば、別の基板上に形成されたヒータを、基板１１の裏面１１ｂ側に配置してもよい。
【００６４】
次に、図４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。
【００６５】
酸素センサ１０は、図４に示すように、ハウジング２０によって保持されており、このハウジング２０ごと排気管内に固定される。ハウジング２０は、例えば、セラミックスから形成されたセラミックスガイドや金属から形成された金属ケースを含んでいる。
【００６６】
酸素センサ１０の露出した部分を覆うように保護キャップ（例えば金属キャップ）２３が設けられる。保護キャップ２３には、複数の開口部２３ａが形成されており、開口部２３ａから流入した排気ガスが酸素センサ１０に接触することにより、排気ガス中の酸素の検出が行われる。酸素センサ１０による検出結果は、検出線２４を介して制御系に出力される。検出線２４を含む種々の配線は、制御系に接続されたハーネス２６に内蔵されている。
【００６７】
本発明による酸素センサ１０では、基板１１の熱伝導率が低いので、ヒータ１３近傍からハーネス２６などへの熱の伝播を抑制することができる。そのため、耐熱性の低い安価なハーネス２６を使用することが可能になり、製造コストの低減を図ることができる。また、基板１１とハーネス２６との距離を短くすることができるので、酸素センサ１０およびハウジング２０を含む素子全体の小型化を図ることもできる。
【００６８】
なお、本実施形態では酸素センサを例示したが、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。
【００６９】
（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５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。
【００７０】
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。
【００７１】
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１０、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１０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１０のガスセンサ部１２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１０には、図１に示したヒータ１３が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはヒータ１３によりガスセンサ部１２が昇温されることによって、ガスセンサ部１２の検出感度が高められる。
【００７２】
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。
【００７３】
図６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。
【００７４】
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および酸素センサ１０は、制御部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。
【００７５】
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１１８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。
【００７６】
酸素センサ１０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１０からの信号に基づき、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。このように、酸素センサ１０と、酸素センサ１０に接続されたコンピュータ（制御部）１１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【００７７】
図７に、酸素センサ１０のヒータ１３の制御フローを示す。エンジン１００が始動され、メインスイッチがオン状態になる（ステップＳ１）と、ヒータ１３への通電が開始される（ステップＳ２）。次に、ヒータ１３の温度が検出され（ステップＳ３）、ヒータ１３の温度が設定温度よりも低いか否かが判定される（ステップＳ４）。ヒータ１３の温度の検出は、ヒータ１３の抵抗値が温度に依存して変化することを利用し、ヒータ１３に流れる電流を検出することによって行うことができる。ヒータ１３の温度が設定温度よりも低い場合には、引き続いてヒータ１３への通電が行われる（ステップＳ２）。一方、ヒータ１３の温度が設定温度以上である場合には、ヒータ１３への通電を一定時間停止し（ステップＳ５）、再びヒータ１３への通電が開始された（ステップＳ２）後、ヒータ１３の温度の検出が行われる（ステップＳ３）。このような制御フローにより、ヒータ１３の温度が一定に保たれる。
【００７８】
本実施形態の自動二輪車では、酸素センサ１０の基板１１が高い耐熱衝撃性を有しているので、被水が予想される環境下においても、酸素センサ１０を高温で動作させることができ、検出精度が向上する。そのため、そのような環境下においても、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、被水が予想される環境下ではヒータ１３の加熱温度を低くするような特別な制御系を設ける必要もないので、製造コストが低減される。
【００７９】
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。ただし、自動二輪車では、排気管の末端から酸素センサの取り付け位置までの距離が短く、酸素センサに水滴が付着しやすいので、本発明は、自動二輪車に特に好適に用いられる。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】
【００８０】
本発明によると、高い耐熱衝撃性と低い熱伝導率を有する基板を備え、低コストで製造できるガスセンサが提供される。本発明によるガスセンサは、種々の自動車両に好適に用いられ、特に自動二輪車に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の好適な実施形態における酸素センサ１０を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】基板の耐熱衝撃性を評価するための検証実験の様子を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は基板のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真であり、（ａ）は本発明の実施例３の基板、（ｂ）は比較例２の基板、（ｃ）は比較例３の基板を示している。
【図４】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５】本発明の好適な実施形態における自動二輪車の例を模式的に示す図である。
【図６】図５に示す自動二輪車におけるエンジンの制御系を模式的に示す図である。
【図７】酸素センサ１０の制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図８】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】
【００８２】
１０    酸素センサ（ガスセンサ）
１１    基材
１２    ガスセンサ部
１３    ヒータ
１３ｐ    ヒータパターン
１４    電極
２０    ハウジング
２３    保護キャップ
２４    検出線
２６    ハーネス
１００    エンジン
３００    自動二輪車
【図１】
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【図２】
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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３】
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