(57)【要約】【課題】セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させる。【解決手段】本発明によるガスセンサ１０は、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層１１と、酸化物半導体層１１の抵抗率を検出する検出電極１２とを備えた抵抗型のガスセンサである。酸化物半導体層１１は、アルミナを含むアルミナ含有層１１ａを含んでおり、検出電極１２は、アルミナ含有層１１ａに接触するように設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、
を備えた抵抗型のガスセンサであって、
前記酸化物半導体層は、アルミナを含むアルミナ含有層を含み、
前記検出電極は、前記アルミナ含有層に接触するように設けられているガスセンサ。
【請求項２】
前記アルミナ含有層は、４．５ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下のアルミナを含む請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記酸化物半導体層の一部のみが前記アルミナ含有層である請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記酸化物半導体層の全部が前記アルミナ含有層である請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記酸化物半導体層は、酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有し、前記酸化物半導体粒子の平均粒径は、２００ｎｍ以下である請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記アルミナ含有層は、酸化物半導体粒子およびアルミナ粒子を含む多孔質構造を有し、前記アルミナ粒子の平均粒径は、前記酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きい請求項１から５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記酸化物半導体層を形成する前記酸化物は、さらにジルコニウムを含む請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、
を備えた抵抗型のガスセンサであって、
前記酸化物半導体層は、アルミナを含み、
前記酸化物半導体層に含まれるアルミナが、前記検出電極側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有するガスセンサ。
【請求項９】
酸素センサである請求項１から８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスセンサを備えた内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０に記載の内燃機関を備えた輸送機器。
【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、酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサに関する。また、本発明は、そのようなガスセンサを備えた内燃機関および輸送機器にも関する。
【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、特許文献１に開示されているような固体電解質を用いた酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。
【０００５】
固体電解質を用いた酸素センサは、基準極および測定極間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。このため、この方式の酸素センサでは、測定極および基準極を排気ガスおよび空気にそれぞれ曝す必要がある。従って、酸素センサ自体の構造が複雑になるとともに、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も複雑化してしまう。また、構造が複雑になるために、酸素センサを小型化し難いという問題も生じる。
【０００６】
これに対して、抵抗型酸素センサは、排気ガスに接するように設けられた酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出する。排気ガス中の酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。従って、この抵抗率の変化を検出することにより、酸素濃度を測定することができる。抵抗型酸素センサは、基準極を必要としないため、酸素センサ自体の構造を簡単にすることができる。また、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も簡単にすることができる。
【０００７】
抵抗型酸素センサに用いられる酸化物半導体としては、耐久性や安定性の点から酸化セリウムが有望視されている。特許文献３に開示されているように、酸化物半導体層に含まれる酸化セリウム微粒子の平均粒径を２００ｎｍ以下にすることによって、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素センサの応答性を改善することができる。
【０００８】
また、特許文献４に開示されているように、セリウムを含む酸化物にジルコニウムを添加すると、酸化物半導体層の電子伝導率が上がり、酸素センサの出力の酸素分圧依存性が大きくなるので、検出精度を向上させることができる。
【特許文献１】特開平８−１１４５７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８９２１号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９１８９号公報
【特許文献４】特開２００４−９３５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、環境問題への関心がさらに高まってきており、酸素濃度をより高い精度で検出することが求められている。
【００１０】
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、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極とを備えた抵抗型のガスセンサであって、前記酸化物半導体層は、アルミナを含むアルミナ含有層を含み、前記検出電極は、前記アルミナ含有層に接触するように設けられており、そのことによって上記目的が達成される。
【００１２】
ある好適な実施形態において、前記アルミナ含有層は、４．５ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下のアルミナを含む。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層の一部のみが前記アルミナ含有層である。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層の全部が前記アルミナ含有層である。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層は、酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有し、前記酸化物半導体粒子の平均粒径は、２００ｎｍ以下である。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記アルミナ含有層は、酸化物半導体粒子およびアルミナ粒子を含む多孔質構造を有し、前記アルミナ粒子の平均粒径は、前記酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きい。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層を形成する前記酸化物は、さらにジルコニウムを含む。
【００１８】
あるいは、本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、を備えた抵抗型のガスセンサであって、前記酸化物半導体層は、アルミナを含み、前記酸化物半導体層に含まれるアルミナが、前記検出電極側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有し、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、本発明によるガスセンサは酸素センサである。
【００２０】
本発明による内燃機関は、上記構成を有するガスセンサを備えている。
【００２１】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備えている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサである。本発明によるガスセンサでは、酸化物半導体層が、アルミナを含むアルミナ含有層を含んでおり、検出電極は、このアルミナ含有層に接触するように設けられている。このことにより、酸素分圧の低い雰囲気下（つまり燃料リッチ側）での酸化物半導体層の抵抗率が低くなるので、センサ出力の酸素分圧依存性が大きくなる。そのため、検出精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
まず、図１および図２を参照しながら、本実施形態におけるガスセンサ１０の構造を説明する。図１および図２は、それぞれガスセンサ１０を模式的に示す分解斜視図および断面図である。ガスセンサ１０は、図１および図２に示すように、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層１１と、酸化物半導体層１１の抵抗率を検出する検出電極１２とを備えた抵抗型の酸素センサである。
【００２５】
酸化物半導体層１１および検出電極１２は、基板１３によって支持されている。基板１３は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成されている。基板１３は、互いに対向する主面１３ａおよび裏面１３ｂを有しており、主面１３ａ上に酸化物半導体層１１および検出電極１２が設けられている。
【００２６】
酸化物半導体層１１は、多孔質構造を有し、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１１中の酸素空孔濃度が変化し、酸化物半導体層１１の抵抗率が変化するので、この抵抗率の変化を検出電極１２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。
【００２７】
酸化物半導体層１１を形成する酸化物としては、例えば、酸化セリウムや、酸化セリウムと酸化ジルコニウムの複合体を用いることができる。セリウムに加えてジルコニウムを含む酸化物を用いることにより、特許文献４に記載されているように検出精度が向上する。酸化物半導体層１１は、典型的には、主として酸化セリウムを（つまり５０ｍｏｌ％以上）含んでいる。
【００２８】
検出電極１２は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。検出電極１２は、酸化物半導体層１１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。
【００２９】
基板１３の裏面１３ｂ側には、酸化物半導体層１１を昇温させるためのヒータ１４が設けられている。本実施形態におけるヒータ１４は、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素子である。ヒータ１４から引き延ばされた電極１４ａに電圧を印加すると、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。熱は、基板１３を介して酸化物半導体層１１に伝達される。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１４によって酸化物半導体層１１を昇温させて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。
【００３０】
本実施形態におけるガスセンサ１０の酸化物半導体層１１は、図２に示すように、アルミナが添加されたアルミナ含有層１１ａと、アルミナが添加されていないアルミナ非含有層１１ｂとが積層されて構成されている。つまり、酸化物半導体層１１は、アルミナを含むアルミナ含有層１１ａを含んでいる。そして、検出電極１２は、このアルミナ含有層１１ａに接触するように設けられている。言い換えると、ガスセンサ１０の厚さ方向（基板１３の主面１３ａに垂直な方向）に沿って検出電極１２側からアルミナ含有層１１ａ、アルミナ非含有層１１ｂがこの順に積層されており、アルミナ含有層１１ａは、酸化物半導体層１１中で検出電極１２側に位置している。
【００３１】
このように、酸化物半導体層１１がアルミナ含有層１１ａを含んでいると、ガスセンサ１０の検出精度が向上する。以下、この理由を説明する。
【００３２】
本願発明者は、抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させるために種々の検討を重ね、その結果、セリウムを含む酸化物にアルミナを添加すると、酸化物半導体層の抵抗率が低くなるという驚くべき現象を発見した。アルミナについては、高い電気絶縁性を有することが知られており、従来、材料の電気抵抗を低くする目的でアルミナを用いることはなかった。勿論、ガスセンサ用の酸化物半導体についても抵抗率を低くする目的でアルミナを添加した例は報告されていない。
【００３３】
図３に、本実施形態におけるガスセンサ１０を実際に試作し、アルミナの添加量（アルミナ含有層１１ａ中のアルミナの重量分率）を変化させて酸化物半導体層１１の抵抗率（すなわちセンサ出力）を測定した結果を示す。図３は、横軸にラムダ（λ）をとり、縦軸にセンサ出力を対数軸でとったグラフである。なお、ラムダ（λ）は、実際の空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを示す値であり、λ＝（供給される空気量）／（理論的に必要な空気量）という関係式で表される。λ＝１の場合（グラフの中央）、空燃比は理論空燃比と一致している。これに対し、λ＜１の場合（グラフの左側）は、供給される空気量が不足しており、混合気は濃厚である（つまりリッチ側）。また、λ＞１の場合（グラフの右側）は、供給される空気量が過剰であり、混合気は希薄である（つまりリーン側）。
【００３４】
図３からわかるように、アルミナを添加することによって、リッチ側での抵抗率が大きく低下している。そのため、センサ出力の酸素分圧依存性が大きくなるので、検出精度が向上する。なお、アルミナの添加により酸化物半導体層１１の抵抗率が低下するメカニズムについては明らかではないが、リッチ側で抵抗率が低下すること自体は実験的に確認されている。
【００３５】
図４に、リッチ側での酸化物半導体層１１の抵抗率とアルミナ添加量との関係を示す。なお、図４では、アルミナ添加量が０ｗｔ％のときの抵抗率を１００％として抵抗率を相対値で示している。
【００３６】
図４に示すように、アルミナ添加量が０ｗｔ％から約５ｗｔ％まではアルミナの量が増加するにつれて抵抗率が大きく低下し、アルミナ添加量が約５ｗｔ％を超えるとアルミナの量が増加するにつれてわずかずつ抵抗率が増加する。図４からもわかるように、アルミナ含有層１１ａのアルミナ含有量を４．５ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下とすることによって、酸化物半導体層１１の抵抗率を２０％以下と十分に低くすることができる。
【００３７】
本実施形態におけるガスセンサ１０は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００３８】
まず、基板１３を用意する。基板１３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、ガスセンサ１０の使用温度において変形等が実質的に生じない程度の耐熱性を有していることが好ましい。図３および図４にデータを示した試作例のガスセンサでは、厚さが０．６３５ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが１５ｍｍのアルミナ基板を用いた。
【００３９】
次に、基板１３の主面１３ａ上に検出電極１２を形成する。検出電極１２は、導電性を有し、基板１３と同程度の耐熱性を有する材料から形成する。検出電極１２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。試作例では、主面１３ａ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、櫛歯状の電極間の距離が１００μｍとなるように検出電極１２を形成した。
【００４０】
続いて、検出電極１２を覆うように酸化物半導体層１１を形成する。具体的には、まず、酸化物半導体の粒子を含む２種類のスラリーを用意する。一方のスラリーには、アルミナの粒子が添加されており、他方のスラリーにはアルミナの粒子は添加されていない。
【００４１】
次に、アルミナ粒子が添加されている方のスラリーを、検出電極１２を覆うように基板１３の主面１３ａ上に塗布し、その後焼成することによって、多孔質構造を有するアルミナ含有層１１ａを形成する。
【００４２】
続いて、アルミナ粒子が添加されていない方のスラリーを、アルミナ含有層１１ａ上に塗布し、その後焼成することによって、多孔質構造を有するアルミナ非含有層１１ｂを形成する。このようにして、酸化物半導体層１１が形成される。
【００４３】
試作例では、セリウムを主成分としジルコニウムが２０ｍｏｌ％添加された複合酸化物（Ｃｅ0.8Ｚｒ0.2Ｏ2-δという化学式で表される）の粒子（平均粒径は１０ｎｍ〜５０ｎｍ）を含むスラリーを用いて焼成後の厚さが５μｍとなるようにアルミナ非含有層１１ｂを形成した。また、上述したアルミナ非含有層１１ｂ用のスラリーにさらに５ｍｏｌ％のアルミナ（平均粒径は２００ｎｍ〜８００ｎｍ）が添加されたものを用いて焼成後の厚さが５μｍとなるようにアルミナ含有層１１ａを形成した。
【００４４】
上述したようにして基板１３の主面１３ａ上に検出電極１２および酸化物半導体層１１を形成するのとは別途に、基板１３の裏面１３ｂ上に、ヒータ１４を形成する。ヒータ１４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。ヒータ１４を形成する方法としては、スクリーン印刷法が好適に用いられる。
【００４５】
このようにして、ガスセンサ１０を製造することができる。なお、本実施形態では、図２に示したように、酸化物半導体層１１の一部のみがアルミナ含有層１１ａである構成を示したが、図５に示すように、酸化物半導体層１１の全部がアルミナ含有層１１ａであってもよい。
【００４６】
酸化物半導体層１１の低抵抗化の観点からは、アルミナは検出電極１２側に偏在していることが好ましい。つまり、酸化物半導体層１１の一部のみがアルミナ含有層１１ａであることが好ましい。図６に、酸化物半導体層１１の一部のみがアルミナ含有層１１ａである（すなわちアルミナが検出電極１２側に偏在している）場合と、酸化物半導体層１１の全部がアルミナ含有層１１ａである（すなわちアルミナが酸化物半導体層１１全体に遍在している）場合とについて、酸化物半導体層１１の抵抗率を示す（縦軸は対数軸）。
【００４７】
図６からわかるように、酸化物半導体層１１の一部のみ（検出電極１２側の部分のみ）がアルミナ含有層１１ａである方が抵抗率が低い。これは、アルミナ粒子が酸化物半導体層１１の全体に存在していると、排気ガス中の酸素の酸素空孔への取り込みが妨げられやすくなるからであると推測される。図２に示したように、酸化物半導体層１１の一部のみをアルミナ含有層１１ａとし、排気ガスに接触する他の部分をアルミナ非含有層１１ｂとすることにより、酸素空孔への酸素の取り込みが好適に行われ、酸化物半導体層１１のさらなる低抵抗化が可能となる。
【００４８】
一方、図５に示したように、酸化物半導体層１１の全部をアルミナ含有層１１ａにすると、酸化物半導体層１１を形成する際に、２種類のスラリーを用意したり、塗布工程および焼成工程をそれぞれ２回行ったりする必要がなくなるので、ガスセンサ１０の製造を簡略化、低コスト化することができる。
【００４９】
なお、ここまでの説明では、酸化物半導体層１１内におけるアルミナの濃度がガスセンサ１０の厚さ方向に沿って２段階に変化する場合（図２に示した構成）や、ほぼ一定である場合（図５に示した構成）を例示したが、酸化物半導体層１１内におけるアルミナの濃度は、ガスセンサ１０の厚さ方向に沿って３段階以上に変化してもよいし、線形的（連続的）に変化してもよい。ただし、酸化物半導体層１１の低抵抗化の観点からは、酸化物半導体層１１の、排気ガスに接触する側ではアルミナ濃度が相対的に低いことが好ましく（たとえ酸化物半導体層１１の全体にアルミナが含まれている場合であっても）、つまり、酸化物半導体層１１に含まれるアルミナが、検出電極１２側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有することが好ましい。換言すれば、酸化物半導体層１１におけるアルミナ濃度は、ガスセンサ１０の表面側よりも検出電極１２側の方で高いことが好ましい。
【００５０】
既に述べたように、酸化物半導体層１１は、酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有している。セリウムを含む酸化物半導体粒子の平均粒径を小さく、具体的には２００ｎｍ以下にすると、粒子内における酸素空孔の移動距離が減ったり、酸化物半導体の表面積が増えたりすることにより、酸素の濃度変化に対する出力の応答時間が短縮されるので、ガスセンサ１０の応答性が向上する。また、酸化物半導体粒子の平均粒径を小さくすると、酸化物半導体粒子同士の接合部の数が増えるので、多孔質構造の強度が向上するという効果も得られる。
【００５１】
また、アルミナ粒子の平均粒径は、酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。アルミナ粒子の平均粒径を酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きくすると、相対的に大きなアルミナ粒子を取り巻くように相対的に小さな酸化物半導体粒子が配置されるので、酸化物半導体粒子の配置が緻密になりすぎることが防止される。そのため、多孔質構造の空孔率が高くなる。
【００５２】
ここまでは、酸化物半導体層１１にアルミナを添加する場合について説明した。図７に、アルミナの代わりにシリカ・酸化バリウム（ＳｉＯ2・ＢａＯ）を５ｗｔ％添加した場合の抵抗率（相対値）を示す。図７からわかるように、シリカ・酸化バリウムを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率はあまり低下しなかった。このことから、酸化物半導体層１１の抵抗率を低下させるのにはアルミナが特に適していることがわかる。
【００５３】
また、図７には、アルミナの代わりにシリカ・アルミナ（ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3）を５ｗｔ％添加した場合の抵抗率も示している。図７からわかるように、シリカ・アルミナを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率は大きく低下した。このように、酸化物半導体層１１にはアルミナを単独で添加しなくてもよく、シリカ・アルミナのような複合物を添加してもよい。つまり、酸化物半導体層１１の一部または全部がアルミナを成分として含んでいればよい。なお、図７に示した例では、添加したシリカ・アルミナ全体におけるアルミナの割合は１／４であり、添加量はアルミナに換算すると１．２５ｗｔ％である。
【００５４】
また、参考までに、図８に、アルミナの代わりにシリカ・酸化カルシウム（ＳｉＯ2・ＣａＯ）を５ｗｔ％添加した場合の抵抗率（相対値）を示す。図８からわかるように、シリカ・酸化カルシウムを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率が１００倍以上高くなった。このことからも、酸化物半導体層１１の抵抗率を低下させるためにはアルミナを用いるのが好ましいことがわかる。
【００５５】
次に、図９（ａ）、（ｂ）および図１０を参照しながら、ガスセンサ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。
【００５６】
ガスセンサ１０は、図９（ａ）および図１０に示すように、そ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。第１のハウジング２０は、例えば、セラミックから形成されたセラミックガイドである。ガスセンサ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た金属ケースである。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。
【００５７】
実際の使用に際しては、図９（ｂ）に示すように、ガスセンサ１０を覆うように保護キャップ２５が設けられる。ガスセンサ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。
【００５８】
続いて、本実施形態におけるガスセンサ１０を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図１１に、ガスセンサ１０を備えた自動二輪車３００を模式的に示す。
【００５９】
自動二輪車３００は、図１１に示すように、本体フレーム３０１とエンジン（内燃機関）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。
【００６０】
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。
【００６１】
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に近い順にガスセンサ１０、三元系触媒１０４および消音器１０６が設けられている。ガスセンサ１０の先端部は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、ガスセンサ１０は排気ガス中の酸素を検出する。ガスセンサ１０には、図１などに示したヒータ１４が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはヒータ１４により酸化物半導体層１１が昇温される（例えば５秒で７００℃まで昇温される）ことによって、酸化物半導体層１１の検出感度が高められる。
【００６２】
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。
【００６３】
図１２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１２２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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
ガスセンサ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、ガスセンサ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、エアーフローメータ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、ガスセンサ１０と、ガスセンサ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。
【００６７】
図１３に、ガスセンサ１０のヒータ１４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１４への通電が開始される（ステップＳ２）。次に、ヒータ１４の温度が検出され（ステップＳ３）、ヒータ１４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１４の温度の検出は、ヒータ１４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１４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１４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１４への通電が行われる（ステップＳ２）。一方、ヒータ１４の温度が設定温度以上である場合には、ヒータ１４への通電を一定時間停止し（ステップＳ５）、再びヒータ１４への通電が開始された（ステップＳ２）後、ヒータ１４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１４の温度が一定に保たれる。
【００６８】
本実施形態におけるガスセンサ１０を備えた自動二輪車３００では、エンジン１００の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。
【００６９】
なお、ここでは自動二輪車を例示したが、本発明は四輪自動車などの他の輸送機器にも好適に用いられる。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】
【００７０】
本発明によると、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させることができる。本発明によるガスセンサは、優れた検出精度を有しているので、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の好適な実施形態におけるガスセンサ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におけるガスセンサ１０を模式的に示す断面図である。
【図３】アルミナの添加量を変化させたときのラムダ（λ）とセンサ出力（酸化物半導体層の抵抗率）との関係を示すグラフであり、縦軸は対数軸である。
【図４】酸化物半導体層のリッチ側での抵抗率とアルミナ添加量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の好適な実施形態におけるガスセンサ１０を模式的に示す断面図である。
【図６】酸化物半導体層の一部のみがアルミナ含有層である場合と、酸化物半導体層の全部がアルミナ含有層である場合とについて、ラムダ（λ）とセンサ出力（酸化物半導体層の抵抗率）との関係を示すグラフであり、縦軸は対数軸である。
【図７】酸化物半導体層にシリカ・酸化バリウム（ＳｉＯ2・ＢａＯ）を５ｗｔ％添加した場合、シリカ・アルミナ（ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3）を５ｗｔ％添加した場合および何も添加しなかった場合について、酸化物半導体層の抵抗率を示すグラフである。
【図８】酸化物半導体層にシリカ・酸化カルシウム（ＳｉＯ2・ＣａＯ）を５ｗｔ％添加した場合および何も添加しなかった場合について、酸化物半導体層の抵抗率を示すグラフである。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、ガスセンサ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１０】ガスセンサ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１１】ガスセンサ１０を備えた自動二輪車の例を模式的に示す図である。
【図１２】図１１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１３】ガスセンサ１０の制御フローの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１０    ガスセンサ
１１    酸化物半導体層
１１ａ    アルミナ含有層
１１ｂ    アルミナ非含有層
１２    検出電極
１３    基板
１４    ヒータ
２０    第１のハウジング
２１    第２のハウジング
２３    充填材
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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【図１２】
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【図１３】
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