(57)【要約】【課題】センサ部を均一に昇温させることができ、且つ、簡便に製造することができるガスセンサおよびそれを備えた空燃比制御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を有する基板１１と、基板１１の主面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、基板１１の裏面１１ｂ側に設けられ、センサ部１２を昇温させるヒータ１３とを備えている。ヒータ１３は、ヒータ１３の基端部から先端部に向かってセンサ部１２の両側辺１２ａ、１２ｂに沿うように設けられた第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂを有している。第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂは、ヒータ１３の先端部において屈曲し、内側に向かって延びている。【選択図】図１
2007171013.tif 000002
【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板と、
前記基板の主面上に設けられ、所定のガスを検出するためのセンサ部と、
前記基板の裏面側に設けられ、前記センサ部を昇温させるヒータと、を備え、
前記ヒータは、前記ヒータの基端部から先端部に向かって前記センサ部の両側辺に沿うように設けられた第１および第２のヒータ部を有し、
前記第１および第２のヒータ部は、前記ヒータの先端部において屈曲し、内側に向かって延びているガスセンサ。
【請求項２】
前記第１および第２のヒータ部のそれぞれは、線状に形成されたヒータパターンを含み、
前記第１のヒータ部および前記第２のヒータ部のヒータパターンは、それぞれ前記ヒータの先端部内側において折り返されている請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１のヒータ部のヒータパターンと前記第２のヒータ部のヒータパターンとは前記ヒータの先端部において連続していない請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１のヒータ部のヒータパターンの一端と、前記第２のヒータ部のヒータパターンの一端とが前記ヒータの基端部において連続している請求項２または３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ヒータは、前記センサ部の中央付近に重なる領域にはヒータ部を有していない請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記基板の厚さは、１．５ｍｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記センサ部は、固体電解質層を含む請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記所定のガスは酸素ガスである請求項１から７のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項９】
請求項１から８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、内燃機関の空燃比を制御する制御部と、を備えた空燃比制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の空燃比制御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、センサ部を昇温させ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空燃比制御装置やそのような空燃比制御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、２および３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１０に示す。なお、図１０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上に設けられたセンサ部５１２とを備えている。センサ部５１２は、基板５１１の先端部に設けられている。
【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】
従来のヒータ５１３の形状を図１１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。図１１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、ヒータ５１３は、線状のヒータパターン５１３ｐを有している。センサ部５１２を均一に加熱することができるように、線状に延びるヒータパターン５１３ｐは複数回折り返されて蛇行するように形成されている。
【０００９】
近年、環境問題への関心が特に高まってきており、内燃機関の始動直後において、より正確に空燃比を制御することが要望されている。そのため、酸素センサをより早く昇温させ、より早く酸素濃度を正確に測定できるようにすることが望まれている。酸素センサをより早く昇温させるために、基板の厚さを小さくして基板の熱容量を小さくすることが行われるようになってきており、ヒータに供給される電力も大きくなってきている。
【特許文献１】特許第３５２３９３７号公報
【特許文献２】特開平５−３４３１３号公報
【特許文献３】特開２００３−１３０８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、基板の薄型化やヒータへの供給電力の増大が進む状況下、従来の酸素センサでは、センサ部を均一に昇温させ得ないことが判明した。
【００１１】
センサ部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、ヒータの短絡によって温度制御に異常を来たしたりする。
【００１２】
特許文献１は、ヒータ先端部における断線を防止するために、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。基板の基端部には、酸素センサ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、センサ部の昇温時には、基板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、センサ部の基端部は先端部に比べて昇温しにくい。センサ部の基端部を速やかに昇温させるためには、基板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、ヒータの先端部がヒータの基端部に比べて著しく高温となり、ヒータ先端部で断線が発生してしまうことがある。
【００１３】
特許文献１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。
【００１４】
このような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、センサ部の先端部と基端部とでの温度のばらつきは結果的にはいくぶん小さくなる。
【００１５】
しかしながら、特許文献１に開示されている手法を用いてもなお、センサ部を均一に昇温させることは難しかった。本願発明者がセンサ部の温度のばらつきを検証したところ、基板の幅方向（基端部から先端部に向かう方向に直交する方向）における両端部において空気中への放熱による温度低下が著しく、これにより、中央部において温度が高く、両端部において温度が低い温度分布となっていることがわかった。このような基板の幅方向に沿った温度のばらつきは、特許文献１に開示されている技術を用いても改善することはできない。
【００１６】
また、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。
【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、センサ部を均一に昇温させることができ、且つ、簡便に製造することができるガスセンサおよびそれを備えた空燃比制御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】
【００１８】
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板と、前記基板の主面上に設けられ、所定のガスを検出するためのセンサ部と、前記基板の裏面側に設けられ、前記センサ部を昇温させるヒータと、を備え、前記ヒータは、前記ヒータの基端部から先端部に向かって前記センサ部の両側辺に沿うように設けられた第１および第２のヒータ部を有し、前記第１および第２のヒータ部は、前記ヒータの先端部において屈曲し、内側に向かって延びており、そのことによって上記目的が達成される。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記第１および第２のヒータ部のそれぞれは、線状に形成されたヒータパターンを含み、前記第１のヒータ部および前記第２のヒータ部のヒータパターンは、それぞれ前記ヒータの先端部内側において折り返されている。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記第１のヒータ部のヒータパターンと前記第２のヒータ部のヒータパターンとは前記ヒータの先端部において連続していない。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記第１のヒータ部のヒータパターンの一端と、前記第２のヒータ部のヒータパターンの一端とが前記ヒータの基端部において連続している。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記ヒータは、前記センサ部の中央付近に重なる領域にはヒータ部を有していない。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記基板の厚さは、１．５ｍｍ以下である。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記センサ部は、固体電解質層を含む。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記所定のガスは酸素ガスである。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記ヒータパターンの厚さは、１μｍ以上２５μｍ以下であり、前記ヒータパターンの幅は、５０μｍ以上２５０μｍ以下である。
【００２７】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有するガスセンサと、前記ガスセンサに接続され、内燃機関の空燃比を制御する制御部と、を備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００２８】
本発明による自動車両は、上記構成を有する空燃比制御装置を備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によるガスセンサのヒータは、ヒータの基端部から先端部に向かってセンサ部の両側辺に沿うように設けられた第１および第２のヒータ部を有しているので、センサ部の中央付近に対する発熱量を抑制する一方で、空気中への放熱が激しいセンサ部の両側辺近傍に十分な熱量を与えることができる。そのため、基板の幅方向（基端部から先端部に向かう方向に直交する方向）における温度のばらつきを抑制し、センサ部を均一に昇温させることができる。また、第１および第２のヒータ部は、ヒータの先端部において屈曲し、内側に向かって延びているので、センサ部の先端部の側辺近傍にも十分な熱量を与えることができ、このことも、センサ部を均一に昇温させ得る一因である。また、本発明によるガスセンサのヒータは、ヒータパターンの幅、厚さ、材料等を場所ごとに異ならせる必要もないので、簡便に製造することができる。
【００３０】
本発明によるガスセンサは、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ので、空燃比制御装置や自動車両に好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ酸素センサ１０を模式的に示す上面図、側面図および下面図である。
【００３３】
酸素センサ１０は、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有する基板１１と、基板１１の主面１１ａ上に設けられたセンサ部１２とを備えている。
【００３４】
基板１１は、アルミナなどの絶縁性材料から形成されている。この基板１１の先端部に、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、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】
本実施形態における基板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、基板１１の基端部から先端部に向かう方向Ｄ１を単に「基板の長手方向」と呼び、方向Ｄ１に直交する方向Ｄ２を単に「基板の幅方向」と呼ぶ。
【００３６】
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。センサ部１２としては、公知の種々のタイプのものを用いることができるので、ここではセンサ部１２の具体的な構造の説明を省略する。
【００３７】
基板１１の裏面１１ｂ側には、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、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おり、その全体にわたって実質的に同じ厚さである。
【００３８】
ヒータ１３は、図１（ｃ）に示すように、ヒータ１３の基端部から先端部に向かってセンサ部１２の両側辺１２ａ、１２ｂに沿うように設けられた第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂを有している。
【００３９】
第１のヒータ部１３ａは、ヒータ１３の先端部において屈曲し、基板１１の幅方向内側（図中右側）に向かって延びている。また、第２のヒータ部１３ｂも、ヒータ１３の先端部において屈曲し、基板１１の幅方向内側（図中左側）に向かって延びている。つまり、第１のヒータ部１３ａおよび第２のヒータ部１３ｂは、それぞれセンサ部１２の先端部の側辺１２ｃに沿うように延びる部分を有している。
【００４０】
第１のヒータ部１３ａおよび第２のヒータ部１３ｂのそれぞれは、線状に形成されたヒータパターン１３ｐを含んでいる。本実施形態では、ヒータパターン１３ｐは一定の幅（同じ幅）Ｗで形成されている。
【００４１】
図１（ｃ）中の点線で囲まれた箇所Ａに示されているように、第１のヒータ部１３ａおよび第２のヒータ部１３ｂのヒータパターン１３ｐは、ヒータ１３の先端部内側において折り返されており、第１のヒータ部１３ａのヒータパターン１３ｐと第２のヒータ部１３ｂのヒータパターン１３ｐとはヒータ１３の先端部において連続していない。これに対し、図１（ｃ）中の点線で囲まれた箇所Ｂに示されているように、第１のヒータ部１３ａのヒータパターン１３ｐの一端と、第２のヒータ部１３ｂのヒータパターン１３ｐの一端とはヒータ１３の基端部側において連続している。
【００４２】
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。
【００４３】
本実施形態における酸素センサ１０は、ヒータ１３の基端部から先端部に向かってセンサ部１２の両側辺１２ａ、１２ｂに沿うように設けられた第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂを有しており、センサ部１２の中央付近に対応した領域（つまりセンサ部１２の中央付近に重なる領域）にはヒータ部を有していない。従って、センサ部１２の中央付近での発熱量を抑制する一方で、雰囲気ガス中への放熱が激しい側辺１２ａ、１２ｂ近傍に十分な熱量を与えることができる。そのため、基板１１の幅方向における温度のばらつきを抑制し、センサ部１２を均一に昇温させることができる。
【００４４】
また、センサ部１２の先端部の側辺１２ｃにおいても空気中への放熱は激しいが、本実施形態における第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂは、ヒータ１３の先端部において屈曲し、基板１１の幅方向内側に向かって延びているので、センサ部１２の先端部の側辺１２ｃ近傍にも十分な熱量を与えることができる。
【００４５】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１０は、センサ部１２を均一に昇温させ得るので、検出精度をより向上させることができる。また、本実施形態における酸素センサ１０では、ヒータパターン１３ｐの幅、厚さ、材料に特に制限はなく、これらを場所によって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。
【００４６】
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１１（ａ）に示した従来のヒータ５１３を備えた酸素センサ（以下「比較例」と呼ぶ）と比較しながら説明する。なお、試作例および比較例では、いずれもセンサ部１２は一辺が３．０ｍｍの正方形状に形成されている。試作例および比較例における他の具体的な仕様（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。
【００４７】
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、比較例におけるセンサ部の温度（℃）の分布を示す。比較例では、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基板の幅方向において、センサ部の両端部の温度が中央部の温度に比べて大きく低下しており、温度がばらついている。また、図２（ａ）および（ｃ）に示すように、基板の長手方向においてもセンサ部の両端部（先端部および基端部）の温度が中央部の温度に比べて大きく低下しており、温度がばらついている。また、センサ部の基端部において温度の低下が著しい。
【００４８】
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、試作例におけるセンサ部１２の温度（℃）の分布を示す。試作例では、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、基板の幅方向において、センサ部の両端部と中央部とでほとんど温度に差がなく、均一な温度分布が得られている。これは、センサ部１２の両側辺１２ａ、１２ｂに沿うように第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂが設けられており、センサ部１２の中央付近に重なる領域にはヒータ部が設けられていないためである。また、図３（ａ）および（ｃ）に示すように、基板の長手方向においても、センサ部の両端部（先端部および基端部）と中央部とでほとんど温度に差がなく、均一な温度分布が得られている。これは、センサ部１２の中央付近に重なる領域にはヒータ部が設けられていない一方で、第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂがヒータ１３の先端部において屈曲し、基板１１の幅方向内側に向かって延びているためであり、また、第１および第２のヒータ部１３ａおよび１３ｂがヒータ１３の基端部においても屈曲して幅方向内側に向かって延び、さらに連続しているためである。
【００４９】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１０によれば、従来の酸素センサに比べてセンサ部１２を均一に昇温させ得ることが確認された。
【００５０】
また、本実施形態では、第１のヒータ部１３ａおよび第２のヒータ部１３ｂのヒータパターン１３ｐは、ヒータ１３の先端部内側において折り返されており、第１のヒータ部１３ａのヒータパターン１３ｐと第２のヒータ部１３ｂのヒータパターン１３ｐとは、ヒータ１３の先端部において連続しておらず、基端部において一端同士が連続している。このような構成を採用すると、ヒータパターン１３ｐを不要に引き廻す必要がなく、ヒータパターン１３ｐの配置効率を高くすることができる。また、本実施形態のように、ヒータパターン１３ｐがヒータ１３の先端部において連続しておらず、ヒータ１３の先端部の中央付近（図１（ｃ）の点線で囲まれた箇所Ａ）にヒータパターン１３ｐが設けられていないと、ヒータ１３の先端部における基板幅方向に沿った温度のばらつきを抑制できるので、センサ部１２の温度をいっそう均一に保つことができる。
【００５１】
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。
【００５２】
まず、基板１１を用意する。基板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。
【００５３】
基板１１の材料としては、例えばセラミックスを用いることができ、具体的には、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ムライト、コージェライトなどを用いることができる。基板１１の厚さに特に制限はないが、本発明は、薄く熱容量の小さな基板１１を用いる場合に効果が高く、具体的には、厚さが１．５ｍｍ以下の基板１１を用いる場合に効果が高い。また、センサ部１２やヒータ１３を保持するための剛性および強度を確保する観点からは、基板１１の厚さは０．４ｍｍ以上であることが好ましい。上述した試作例では、基板１１として、厚さが０．６３５ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが１５ｍｍのアルミナ基板を用いた。
【００５４】
次に、基板１１の主面１１ａ上にセンサ部１２を設ける。センサ部１２は、公知の種々のタイプのものを用いることができる。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ヒータパターン１３ｐの厚さは、例えば１μｍ〜２５μｍであり、ヒータパターン１３ｐの幅Ｗは、例えば５０μｍ〜２５０μｍである。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、幅Ｗが１００μｍのヒータパターン１３ｐを形成した。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、ヒータ１３の形状は、図１（ｃ）に例示したものに限定されない。図１（ｃ）に示すヒータ１３では、ヒータ部１３ａおよび１３ｂがほぼ直角に屈曲しているが、図４（ａ）に示すヒータ１３のように、ヒータ部１３ａおよび１３ｂが円弧状に（丸みをおびて）屈曲していてもよい。
【００６１】
また、図１（ｃ）に示すヒータ１３では、ヒータパターン１３ｐは、センサ部１２の四隅に対応した領域とヒータ１３の先端部の中央付近とでのみ屈曲しているが、図４（ｂ）に示すヒータ１３のように、ヒータパターン１３ｐにさらなる屈曲部１３ａ’、１３ｂ’を設けてもよい。ヒータパターン１３ｐにこのような屈曲部１３ａ’、１３ｂ’を設けると、設けた部分近傍では抵抗体の面積比率（基板の単位面積当たりに占める抵抗体の面積）が高くなり、発熱量が多くなる。そのため、温度が低下しやすい領域に適宜このような屈曲部を設けることにより、より均一な温度分布を実現することができる。
【００６２】
図５に、センサ部１２の具体的な構成の一例を示す。センサ部１２は、基板１１の主面１１ａ上に設けられた固体電解質層１５と、固体電解質層１５に接触するように形成された一対の電極１６ａおよび１６ｂとを有している。固体電解質層１５の材料としては、例えばジルコニアが用いられる。
【００６３】
固体電解質層１５の一部１５ｂおよびこれに接触する電極１６ｂは、カバー１７によって覆われており、カバー１７内に導入される測定基準のガスに接触するように構成されている。一方、固体電解質層１５の他の一部１５ａおよびこれに接触する電極１６ａは、カバー１７によって覆われておらず、測定対象となるガスに直接接触するように構成されている。
【００６４】
測定対象となるガス（例えば排気ガス）に接触する固体電解質層１５ａ上に設けられた電極（「測定電極」とも呼ばれる。）１６ａと、測定基準となるガス（例えば大気）に接触する固体電解質層１５ｂ上に設けられた電極（「基準電極」とも呼ばれる。）１６ｂとの間には、それぞれのガス中の酸素分圧に応じた起電力が発生する。そのため、この起電力を測定することによって、測定対象となるガス中に含まれる酸素を検出することができる。
【００６５】
なお、ここでは固体電解質層１５を含み、測定電極１６ａと基準電極１６ｂとの間に発生する起電力を利用して検出を行う起電力型のセンサ部１２を例示したが、センサ部１２の具体的な構成はこれに限定されるものではない。
【００６６】
次に、図６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。
【００６７】
酸素センサ１０は、図６に示すように、先端部が露出した状態で第１のハウジング２０に保持されている。酸素センサ１０を保持する（固定する）ためのこの第１のハウジング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である。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、例えば金属から形成された金属ケースである。第２のハウジング２０内は、充填材（例えばガラスシール）２２によって気密封止がなされている。
【００６８】
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が設けられている。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。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によって排気管に固定される。
【００６９】
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。
【００７０】
（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７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。
【００７１】
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。
【００７２】
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などに示したヒータ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によりセンサ部１２が昇温されることによって、センサ部１２の検出感度が高められる。
【００７３】
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。
【００７４】
図８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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
図９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。
【００７９】
本実施形態の自動二輪車によれば、エンジン始動後速やかに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。
【００８０】
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】
【００８１】
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空燃比制御装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の好適な実施形態における酸素センサ１０を模式的に示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、比較例の酸素センサにおけるセンサ部の温度分布を示すグラフである。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、試作例の酸素センサにおけるセンサ部の温度分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の好適な実施形態における他の酸素センサ１０を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明による酸素センサ１０に用いられるセンサ部１２の一例を示す斜視図である。
【図６】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７】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８】図７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９】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１０】従来の酸素センサ５１０を模式的に示す分解斜視図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、従来の酸素センサ５１０に用いられるヒータを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０    酸素センサ（ガスセンサ）
１１    基材
１２    センサ部
１３    ヒータ
１３ａ    第１のヒータ部
１３ｂ    第２のヒータ部
１３ｐ    ヒータパターン
１４    電極
１５    固体電解質層
１６ａ    測定電極
１６ｂ    基準電極
１７    カバー
２０    第１のハウジング
２１    第２のハウジング
２２    充填材
２３    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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