以下、図面を参照しながら本発明の実施� ��態を説明する。なお、本発明は以下の実施� ��態に限定されるものではない。

 図1および図2に、本実施形態における酸� �センサ100を示す。図1は、酸素センサ100を模� ��的に示す側断面図であり、図2は、図1中の2A -2A’線に沿った下断面図である。

 酸素センサ100は、図1に示すように、板状 のセンサ素子10と、センサ素子10を収容する� �ウジング20とを備えている。ハウジング20は� ��ステンレス鋼などの金属材料から形成され� ��いる。また、ハウジング20は、ねじ山が形� �されたねじ部20aをその側面に有しており、� �のハウジング20によって酸素センサ100が内燃 機関の排気管(酸素センサ100の取り付け対象� �)にねじ止めされて固定される。

 センサ素子10は、酸素を検出するための� �出部11をその主面10aに有している。検出部11� ��、基板12によって支持されている。センサ� �子10としては、酸素を検出し得る種々の素子 を用いることができる。図3に、抵抗型のセ� �サ素子10の具体的な構造を示す。

 図3に示す抵抗型のセンサ素子10の検出部1 1は、酸化物半導体層13と、酸化物半導体層13� ��抵抗率を検出する検出電極14とを含む。酸� �物半導体層13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13中の酸� ��空孔濃度が変化し、酸化物半導体層13の抵� �率が変化する。そのため、この抵抗率の変� �を検出電極14で計測することにより、酸素濃 度を検出できる。

 酸化物半導体層13の材料としては、例え� �チタニア(二酸化チタン)が用いられる。また 、セリア(酸化セリウム)を用いてもよい。セ� ��アは、耐久性や安定性に優れている。

 検出電極14は、導電性を有する材料から� �成されており、例えば、白金や白金ロジウ� �合金、金などの金属材料から形成されてい� �。検出電極14は、酸化物半導体層13の抵抗率� ��変化を効率よく計測できるよう、櫛歯状に� ��成されていることが好ましい。

 検出部11を支持する基板12は、絶縁性を有 する材料(例えばアルミナや窒化珪素などの� �ラミックス材料)から形成されている。なお� ��図3では省略しているが、センサ素子10の裏� ��10bに、酸化物半導体層13を昇温させるため� �ヒータが設けられていることが好ましい。� �ータによって酸化物半導体層13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。ヒータとしては、例えば、抵抗損 失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素 子が用いられる。

 センサ素子10は、図1に示すように、ハウ� ��ング20の下端側に検出部11を露出するように ハウジング20に挿通配置されている。なお、� ��実施形態では、センサ素子10は、ハウジン� �20内部に配置された固着部材(例えばガラス� �料から形成されている。)21によってハウジ� �グ20に固定されているが、センサ素子10をハ� ��ジング20に固定する(さらにはセンサ素子10� �ハウジング20との間を気密封止する)ための� �造はこれに限定されるものではない。

 センサ素子10は、リード線30に端子部40を� ��して電気的に接続されている。リード線30� �、金属材料(例えば銅)から形成されており、 絶縁材料(PTFEなどの樹脂)によって被覆されて いる。端子部40は、ステンレス鋼やニッケル� ��金などの金属材料から形成されており、セ� ��サ素子10の基端部(検出部11が設けられてい� �い方の端部)に接続されている。

 端子部40を覆うように、ハウジング20の上 端側に筒状の部材50が設けられている。筒状� ��材50は、ステンレス鋼などの金属材料から� �成されている。筒状部材50の上端部(ハウジ� �グ20から遠い方の端部)50aに、筒状部材50を封 口する封口部材60が設けられている。封口部� ��60は、リード線30が挿通される貫通孔を有し ている。封口部材60は、フッ素ゴムなどのゴ� ��材料から形成されており、筒状部材50の上� �部50aを内方にかしめることによって、リー� �線30の固定および筒状部材50の封口がなされ� ��いる。

 酸素センサ100は、さらに、ハウジング20� �下端側に、センサ素子10の検出部11を取り囲� ��第1のカバー71と、第1のカバー71を取り囲む� ��2のカバー72とを備えている。以下では、相� ��的に内側に配置された第1のカバー71を「内� ��カバー」と称し、相対的に外側に配置され� ��第2のカバー72を「外側カバー」と称する。� ��側カバー71および外側カバー72は、ガスを遮 蔽し得る材料から形成されており、典型的に は、ステンレス鋼などの金属材料から形成さ れている。

 内側カバー71は、複数の通気孔71aを有し� �いる。また、外側カバー72も、複数の通気孔 72aを有している。内側カバー71および外側カ� ��ー72の通気孔71aおよび72aが形成されていな� �部分は、ガスを遮蔽する遮蔽部として機能� �る。図1では、遮蔽部にはハッチングが付さ� ��ており、通気孔71aおよび72aは白抜きで示さ� ��ている。これは、以降に参照する断面図に� ��いても同様である。

 内側カバー71の通気孔(以下では「内側通� ��孔」と称する。)71aと外側カバー72の通気孔( 以下では「外側通気孔」と称する。)72aとは� �図1および図2に示すように、酸素センサ100の 径方向(センサ素子10の中心軸から外側に向か う方向)において互いに重ならないように配� �されている。このように、内側通気孔71aと� �側通気孔72aとを互いに重ならないように配� �することによって、排気ガスが検出部11に直 接当たることを防止できるので、排気ガスに 含まれる凝縮水の水滴や検出部11に有害な物� ��が検出部11に到達することを低減できる。� �側通気孔71aおよび外側通気孔72aの形状は、� �えば円形(勿論真円形および楕円形の両方を� ��む)であるが、これに限定されるものではな く、例えば細長い長方形であってもよい。

 本実施形態における酸素センサ100は、さ� ��に、内側通気孔71aと板状のセンサ素子10と� �相対的な位置関係に特徴を有している。

 内側通気孔71aは、図2に示すように、センサ 素子10の主面10a側に位置する通気孔71a1と、セ ンサ素子10の裏面10b側に位置する通気孔71a2と を含んでいる。本実施形態における酸素セン サ100では、主面10a側に位置する通気孔71a1の� �心(幾何学的つまり図形的な重心)とセンサ素 子10の中心軸(図1中には鎖線で示している。)� ��を結ぶ直線が、センサ素子10の主面10aに対� �て所定の角度θ ₁ をなしている。この角度θ ₁ (以下では単に「通気孔角度」と称する。)は� ��具体的には、35°以上45°以下の範囲内にあ� �。通気孔角度θ ₁ をこのような角度範囲内にすることによって 、取り付け角度に依存した応答性のばらつき を小さくすることができる。以下、この理由 をより具体的に説明する。

 まず、板状のセンサ素子を備えた酸素セ� ��サにおいて応答性にばらつきが発生する理� ��を説明する。図4に、従来の酸素センサ800に 板状のセンサ素子810を用いた場合の断面構造 (図14(b)中の4A-4A’線に沿った断面構造)を示す 。従来の酸素センサ800の内側カバー871には、 図4に示すように、排気ガスを効率よく内側� �バー871内に導入できるように多数の通気孔87 1aが設けられており、これらの通気孔871aは、 センサ素子810との相対的な位置関係(つまり� �述した通気孔角度)を何等考慮することなく� ��置されている。

 図4に示した酸素センサ800を実際に排気管 に取り付ける場合、図5(a)~(e)に示すように、� ��り付け角度はばらついてしまう。図5(a)~(e)� �おいては、ガス流方向(排気ガスの流れる方� ��)と板状のセンサ素子810の主面810aとのなす� �に注目されたい。図5(a)および(e)が、ガス流� ��向に対してセンサ素子810の主面810aが垂直な 場合を示しているのに対し、図5(c)は、ガス� �方向に対してセンサ素子810の主面810aが平行� ��場合を示している。また、図5(b)および(d)は 、ガス流方向に対してセンサ素子810の主面810 aが45°傾斜している場合を示している。

 図5(a)および(e)に示すように、ガス流方向 に対してセンサ素子810の主面810aが垂直な場� �には、排気ガスの流れがセンサ素子810によ� �て遮られる格好となるので、排気ガスの抜� �が悪くなり、検出部811近傍で排気ガスの流� �が遅くなる。これに対し、図5(c)に示すよう� ��、ガス流方向に対してセンサ素子810の主面8 10aが平行な場合には、排気ガスはセンサ素子 810によってほとんど遮られないので、排気ガ スの抜けは良好であり、検出部811近傍では排 気ガスの流速は速い。このように、酸素セン サ800の取り付け角度がばらつくことによって 、ガス流方向に対してセンサ素子810の主面810 aのなす角がばらつくと、検出部811近傍にお� �る排気ガスの流速もばらつく。この流速の� �らつきが、酸素センサ800の応答性(応答時間) のばらつきをもたらす。

 次に、本実施形態における酸素センサ100� ��おいて応答性のばらつきが小さい理由を説� ��する。

 酸素センサ100を排気管に取り付ける場合に� ��、図6(a)~(e)に示すように、取り付け角度自� �はばらついてしまう。しかしながら、酸素� �ンサ100では、通気孔角度θ ₁ が35°以上45°以下の範囲内にあるので、図6(a) ~(e)からもわかるように、内側カバー71の内部 へは、センサ素子10の主面10aに対して常にあ� ��程度傾斜した方向(つまり垂直でも平行でも ない方向)から排気ガスが導入される。その� �め、たとえ取り付け角度が異なっていても� �検出部11近傍における排気ガスの流速のばら つきは小さく、取り付け角度に依存した応答 性のばらつきは小さい。

 次に、本実施形態における酸素センサ100� ��実際に試作してその応答性のばらつきを評� ��した結果を説明する。試作に際しては、ま� ��、アルミナから形成された基板12上に白金� �ら形成された検出電極14を設け、この検出電 極14を覆うように酸化セリウムを含むペース� ��をスクリーン印刷して焼成することによっ� ��酸化物半導体層13を形成した。このように� �て作製されたセンサ素子10の検出部11を取り� ��むように、直径7mmの内側カバー71と直径10mm� ��外側カバー72とを設けた。内側通気孔71aと� �側通気孔72aとは、互いに重ならないように� �置した。内側通気孔71aおよび外側通気孔72a� �直径はそれぞれ2mmである。このようにして� �作した酸素センサ100を4サイクルガソリンエ� ��ジンの排気管に取り付け、応答性のばらつ� ��を評価した。その結果を表1に示す。

 表1における実施例1、2および3は、図7(a)、(b )および(c)にそれぞれ示すように、通気孔角� �θ ₁ が35°、40°および45°の場合に相当する。また 、比較例1は、図4に示したように多数の内側� ��気孔871aを設けた場合に相当する。さらに、 比較例2および3は、図8(a)および(b)にそれぞれ 示すように、通気孔角度θ ₁ が46°および50°の場合に相当する。このよう� ��実施例1~3および比較例1~3のそれぞれについ� ��、酸素センサの取り付け角度を変化させて� ��応答時間を測定した。

 なお、表1中における酸素センサの取り付 け角度は、図5(a)および図6(a)に示しているよ� ��にセンサ素子の主面がガス流方向に対して� ��直で、かつ、上流側を向いている状態を0°� ��して、図5(b)および図6(b)に示す状態を45°、� ��5(c)および図6(c)に示す状態を90°、図5(d)およ び図6(d)に示す状態を135°、図5(e)および図6(e)� ��示す状態を180°として示している。

 また、応答時間は、取り付け角度を45°ずつ 変化させていったときの最短の応答時間が0� �なるよう、下記式で表されるような相対値(% )で示している。
 応答時間(%)=((応答時間―最短応答時間)/最� �応答時間)×100

 応答時間(%)の最小値(つまり0)と最大値と� ��差の1/2が、応答性のばらつきである。例え� ��、応答時間(%)の最大値が90%である場合には� ��応答性のばらつきは±45°となる。

 表1から、比較例1のようにセンサ素子810� �の相対的な位置関係に頓着せずに内側カバ� �871に多数の通気孔871aを設けると、応答性の� ��らつきが非常に大きい(±45%以上)ことがわか る。これは、図5(a)~(e)を参照しながら説明し� ��ように、酸素センサ800の取り付け角度のば� ��つきに応じて、検出部811近傍における排気� ��スの流速が大きくばらつくためである。

 また、比較例2および3のように通気孔角度θ ₁ が45°を超えていると、応答性のばらつきが� �きい(±10%以上)ことがわかる。これは、通気� ��角度θ ₁ が大きすぎると、内側カバー71の内部にセン� ��素子10の主面法線方向に近い方向から排気� �スが導入されるため、排気ガスの抜けが悪� �なって検出部11近傍における排気ガスの流速 が遅くなるためである。特に、取り付け角度 が0°や180°の場合に、応答時間が顕著に長く� ��る。

 これに対し、実施例1、2および3のように通� ��孔角度θ ₁ が45°以下であると、応答性のばらつきが小� �い。応答性のばらつきは、具体的には、±10% 未満である。これは、図6(a)~(e)を参照しなが� ��説明したように、酸素センサ100の取り付け� ��度が異なっていても、検出部11近傍におけ� �排気ガスの流速のばらつきが小さいためで� �る。

 なお、通気孔角度θ ₁ は、35°以上であることが好ましい。通気孔� �度θ ₁ が35°未満であると、内側通気孔71aと外側通� �孔72aとを互いに重ならないように配置し難� �ことがあるからである。内側通気孔71aと外� �通気孔72aとが重なっていると、凝縮水の水� �を含んだ排気ガスが検出部11に直接届くため 、基板12が急冷されることによって割れるお� ��れがある。また、検出部11にとって有害な� �質を含んだ排気ガスが検出部11に直接届くた め、検出動作に支障を来たすおそれがある。

 上述したように、本実施形態における酸素� ��ンサ100では、少なくとも主面10a側(検出部11� ��設けられている側)における通気孔角度θ ₁ が35°以上45°以下であるので、取り付け角度� ��依存した応答性のばらつきを小さくするこ� ��ができる。

 なお、上記の説明からもわかるように、内� ��カバー71の内部に、センサ素子10の主面法線 方向に近い方向から排気ガスが導入されるこ とは好ましくない。そのため、内側カバー71� ��、センサ素子10の主面10aを、主面法線方向� �ら一定の範囲で遮蔽していることが好まし� �、具体的には、図9に示すように、主面法線� ��向から主面法線方向に対して少なくとも20° 傾斜した方向までの範囲で遮蔽していること が好ましい。言い換えると、内側通気孔71aは 、センサ素子10の中心軸とセンサ素子10の主� �法線とを含む第1の仮想平面P ₁ と、センサ素子10の中心軸を含み第1の仮想平 面P ₁ に対して20°傾斜した第2の仮想平面P ₂ とを考えたときに、これらの間には設けられ ていない(つまりこれらの間には遮蔽部のみ� �位置している)ことが好ましい。

 また、上記の説明では、内側通気孔71aのう� ��、センサ素子10の主面10a側に位置する通気� �71a1に主に言及しているが、内側カバー71内� �への排気ガスの導入および内側カバー71内部 からの排気ガスの排出を効率よく行う観点か らは、内側通気孔71aは、センサ素子10の裏面1 0b側に位置する通気孔71a2を含んでいることが 好ましい。また、内側カバー71内部での排気� ��スの流速のばらつきを小さくする観点から� ��、裏面10b側に位置する通気孔71a2の中心とセ ンサ素子10の中心軸とを結ぶ直線がセンサ素� ��10の裏面に対してなす角度θ ₂ (図2参照)も、35°以上45°以下であることが好� ��しい。

 なお、本実施形態では、センサ素子10と� �て、図3に示すような抵抗型のものを例示し� ��が、もちろん、本発明はこれに限定される� ��のではなく、センサ素子10として起電力型� �ものを用いてもよい。図10に、起電力型のセ ンサ素子10を示す。

 図10に示すセンサ素子10の検出部11は、ジ� ��コニアなどのセラミックス材料から形成さ� ��た固体電解質層15と、固体電解質層15を挟む ように設けられた基準電極16および測定電極1 7と、測定電極17上に設けられた触媒層18とを� ��んでいる。

 検出部11を支持する基板12には、測定基準 となるガスが導入される基準ガス導入孔12aが 形成されている。固体電解質層15の基板12側� �表面と、この表面に接触する基準電極16とは 、基準ガス導入孔12a内に導入される測定基準 のガス(例えば大気)に接触する。一方、固体� ��界質層15の触媒層18側の表面と、この表面に 接触する測定電極17とは、触媒層18を介して� �入する測定対象のガス(例えば排気ガス)に接 触する。

 基準電極16と測定電極17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、測定対象ガス中に含まれる酸素 を検出することができる。

 触媒層18は、触媒金属を含んでおり、触� �金属の触媒作用によって、固体電解質層15に 悪影響を及ぼす物質(例えば完全には燃焼し� �かった炭化水素や炭素、窒素酸化物など)を� ��解し、そのような物質が固体電解質層15の� �面に付着するのを防止する。触媒金属とし� �は、例えば白金が用いられる。なお、ここ� �は図示していないが、図10に示すセンサ素子 10は、固体電解質層15を昇温させるためのヒ� �タを含んでいることが好ましい。

 このように、センサ素子10としては抵抗� �のものを用いてもよいし起電力型のものを� �いてもよい。抵抗型のセンサ素子10は、起電 力型のセンサ素子10に比べて応答性が若干低� ��ことがあるので、本発明は、センサ素子10� �抵抗型である場合に特に用いる意義が大き� �。

 また、本実施形態では、酸素センサ100が� ��ウジング20に設けられたねじ部20aによって� �気管に固定される構成を例示したが、酸素� �ンサ100を取り付け対象物に固定するための� �定構造はねじ部20aに限定されるものではな� �。本発明は、固定構造が、固定の際に酸素� �ンサ100の回転を伴う構造である場合、言い� �えると、酸素センサ100の取り付け角度を常� �同じにすることが難しい(つまり取り付け角� ��がばらつきやすい)固定構造を採用する場合 に好適に用いられる。例えば、テーパ面同士 の摩擦を利用して締結を行うテーパロック構 造を採用する場合にも好適に用いられる。テ ーパロック構造を採用する場合には、例えば 図11に示すように、酸素センサ100のハウジン� ��20に、テーパ面24aを有するフロントフェル� �ル24と、フロントフェルール24を排気管側に� ��し付けるためのバックフェルール25とを取� �付ける。フロントフェルール24のテーパ面24a と、排気管に設けられたテーパ面とを密に接 触させることにより、酸素センサ100が排気管 に固定される。

 図12に、本実施形態における酸素センサ10 0を備えた自動二輪車500を模式的に示す。自� �二輪車500は、本体フレーム501と内燃機関600� �を備える。本体フレーム501の前端にヘッド� �イプ502が設けられている。ヘッドパイプ502� �はフロントフォーク503が左右方向に揺動可� �に設けられている。また、フロントフォー� �503の下端に前輪504が回転可能に支持されて� �る。ヘッドパイプ502の上端にはハンドル505� �取り付けられている。

 本体フレーム501の後端上部から後方に伸� ��るようにシートレール506が取り付けられて� ��る。本体フレーム501の上部には燃料タンク5 07が設けられ、シートレール506上にメインシ� ��ト508aおよびタンデムシート508bが設けられ� �いる。また、本体フレーム501の後端に後方� �伸びるリアアーム509が取り付けられている� �リアアーム509の後端に後輪510が回転可能に� �持されている。

 本体フレーム501の中央部には内燃機関600� ��保持されている。内燃機関600の前部にはラ� ��エター511が取り付けられている。内燃機関6 00の排気ポートには排気管630が接続されてい� ��。排気管630には、酸素センサ100、三元系触� ��604および消音器606が設けられている。酸素� ��ンサ100は、排気管630に設けられた雌ねじ部� ��ねじ込まれて固定されている。酸素センサ1 00は、排気管630内を流れる排気ガス中の酸素� ��検出する。

 内燃機関600には、変速機515が連結されて� ��り、変速機515の出力軸516は駆動スプロケッ� ��517に取り付けられている。駆動スプロケッ� ��517はチェーン518を介して後輪510の後輪スプ� ��ケット519に連結されている。

 図13は、内燃機関600の制御系の主要な構� �を示している。内燃機関600のシリンダ601に� �吸気弁610、排気弁606および点火プラグ608が� �けられている。またエンジンを冷却する冷� �水の水温を計測する水温センサ616が設けら� �ている。吸気弁610は、空気吸入口をもつ吸� �管622に接続されている。吸気管622にはエア� �フローメータ612、スロットルバルブのスロ� �トルセンサ614および燃料噴射装置611が設け� �れている。

 エアーフローメータ612、スロットルセン� ��614、燃料噴射装置611、水温センサ616、点火� ��ラグ608および酸素センサ100は、制御部であ� ��コンピュータ618に接続されている。コンピ� ��ータ618には自動二輪車500の速度を示す車速� ��号620も入力される。

 図示しないセルモータによって、ライダ� ��が内燃機関600を始動させると、コンピュー� ��618はエアーフローメータ612、スロットルセ� ��サ614および水温センサ616から得られる検出� ��号および車速信号620に基づき、最適な燃料� ��を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射� ��置611へ制御信号を出力する。燃料噴射装置6 11から噴射される燃料は、吸気管622から供給� ��れる空気と混合され、適切なタイミングで� ��閉される吸気バルブ610を介してシリンダ601� ��噴出される。シリンダ601において噴出され� ��燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁606� ��介して排気管630へ導かれる。

 酸素センサ100は排気ガス中の酸素を検出� ��、検出信号をコンピュータ618へ出力する。� ��ンピュータ618は、酸素センサ100からの信号� ��基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度� ��れているかを判断する。そして、エアーフ� ��ーメータ612およびスロットルセンサ614から� ��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611か� ��噴出する燃料量を制御する。このように、� ��素センサ100と、酸素センサ100に接続された� ��ンピュータ(制御部)618とを含む空燃比制御� �置によって、内燃機関の空燃比が適切に制� �される。

 なお、本実施形態では、自動二輪車を例� ��して説明を行ったが、本実施形態における� ��素センサ100は、四輪自動車などの他の自動� ��両にも用いられる。内燃機関は、ガソリン� ��ンジンに限られず、ディーゼルエンジンで� ��ってもよい。

 また、本実施形態では、酸素センサを例� ��して本発明を説明したが、本発明は、酸素� ��ンサに限定されず、種々のガスを検出する� ��めのセンサに好適に用いられる。本発明は� ��例えば、NOx濃度を検出するためのNOxセンサ� ��も好適に用いられる。また、本発明は、特� ��の酸素濃度(例えば理論空燃比近傍)で出力� �ステップ状に(急峻に)変化するタイプの酸素 センサ(「λセンサ」と呼ばれる。)だけでな� �、リーン領域からリッチ領域まで連続的に� �力が変化するタイプの空燃比センサ(「全領� ��空燃比センサ」と呼ばれる。)にも好適に用 いられる。