JP7733592B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサに関する。

センサ素子により構成されるセンサ（例えば、特許文献１で開示されるガスセンサ）がある。温度による影響を抑えるため、センサ素子には、ヒータが内蔵される場合がある。例えば、特許文献１で提案される発明では、センサ素子を構成する固体電解質を活性化するためにセンサ素子にヒータが内蔵されている。

また、センサは、天候等の環境の影響に晒される場所で利用される場合がある。一例では、ガスセンサは、車両の排ガスを監視するため、車両の排気管内に配置される。このような場合に、例えば、湿気、結露、雨等により、センサ素子（特に、ヒータの部分）が被水して（すなわち、水に濡れて）しまうと、ヒータによる加熱の効率が低下してしまい、例えば、センサ素子にクラックが入る恐れがある等の悪影響をもたらす可能性がある。

これに対して、特許文献２及び３では、例えば、保護カバー、ハウジング等のカバー部材でセンサ素子を保護することが提案されている。特許文献２及び３で提案されるカバー部材によれば、センサ素子（特に、ヒータの部分）に被水する確率を低減し、上記のような悪影響が生じる可能性を減らすことができる。

特開２０２０－１８０９８５号公報 特開２０１７－２２３６１９号公報 特表２０１８－５３６８６０号公報

本件発明者らは、従来のカバー部材には、次のような問題点があることを見出した。すなわち、特許文献３で提案されるハウジングは、先端ほど内壁の径が拡がっており、これにより、先端ほどセンサ素子とハウジングの内壁との距離が大きくなっている。これにより、例えば、結露等によりハウジングの内壁に水が生じた場合でも、センサ素子が被水する確率を低減することができる。しかしながら、このハウジングの形状だけでは、被水対策として不十分な場合がある。一例では、結露等により発生した水が、ハウジングの内壁を径が拡がる部分の後端（径が拡がる始点）まで流れ、この部分からセンサ素子の方に水が垂れ落ちてしまう可能性がある。この垂れ落ちた水がセンサ素子のヒータの発熱部の近傍にかかってしまい、上記のような悪影響が生じる可能性がある。

本発明は、一側面では、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ素子のヒータ部分が被水する確率の低減が図られたセンサを提供することである。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。

本発明の一側面に係るセンサは、ヒータを内蔵し、長手方向に延びるセンサ素子、及び前記長手方向に沿って前記センサ素子の周りを囲むように構成されるハウジングを備える。前記センサ素子は、先端部及び後端部を有する。前記ヒータは、発熱部及びリード部を備える。前記発熱部は、先端及び後端を有し、前記センサ素子の前記先端部側に配置される。前記ハウジングは、前記長手方向の軸線に平行な断面において、前記センサの先端側ほど前記ハウジングの内壁の径が拡がるように構成される拡径部を備える。前記拡径部は、先端部及び後端部を有する。前記発熱部の後端は、前記拡径部の後端部よりも前記センサの先端側に配置される。

当該構成では、ハウジングが、センサ素子のヒータの発熱部近傍に拡径部が設けられる。この拡径部により、ハウジングの内壁は、センサの先端側ほどセンサ素子との間の距離が拡がるように構成される。加えて、拡径部の後端部が、ヒータの発熱部の後端よりもセンサの後端側に配置される。これにより、ハウジングの内壁に水が流れ、拡径部の後端部から水が垂れ落ちたとしても、ヒータの発熱部がこの後端部よりも先端側に配置されていることで、ハウジングの内壁（拡径部の後端部）から垂れ落ちた水がヒータの発熱部にかかるのを抑制することができる。したがって、当該構成に係るセンサによれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を低減することができる。

上記一側面に係るセンサにおいて、前記拡径部の前記断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。前記テーパの角度は、１０度以上９０度未満であってよい。前記テーパの角度は、２０度以上９０度未満であってよい。或いは、前記テーパの角度は、３０度以上９０度未満であってよい。これらの構成によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を良好に低減することができる。

上記一側面に係るセンサにおいて、前記拡径部の前記断面での形状は、Ｒ状に構成されてよい。当該構成によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率を良好に低減することができる。

上記一側面に係るセンサは、前記長手方向に沿って、前記ハウジングの前記拡径部の少なくとも一部の周りを囲み、前記センサ素子の前記先端部を越えて延びるように構成される保護カバーを更に備えてよい。当該構成によれば、保護カバーにより、ハウジング及びセンサ素子が被水する確率を低減することができる。

上記一側面に係るセンサにおいて、前記センサ素子は、前記センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有していてよい。当該構成によれば、多孔質保護層により、センサ素子に対する被水の影響を低減すると共に、センサ素子の強度の向上を図ることができる。

上記一側面に係るセンサにおいて、前記センサ素子は、ガスセンサ素子であってよい。当該構成によれば、ヒータ部分が被水する確率の低減が図られたガスセンサを提供することができる。

本発明によれば、センサ素子のヒータ部分が被水する確率の低減が図られたセンサを提供することができる。

図１は、実施の形態に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図２は、実施の形態に係るセンサ素子の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図３は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図４は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図５は、変形例に係るセンサ素子の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図６は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図７は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。 図８は、変形例に係るセンサの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

［構成例］
図１は、本実施形態に係るセンサＳの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサＳは、軸を有し、長手方向（軸線方向）に沿って延びるように構成されている。図１は、長手方向の軸線（図の上下方向に沿う線）に平行でかつ軸線に接する断面の構成を模式的に示す。センサＳは、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有している。長手方向の一方の端が先端、他方の端が後端である。図１の例では、センサＳは、センサＳの先端が下方向を向き、センサＳの後端が上方向を向くように配置されている。すなわち、図１の上下方向が、長手方向（軸線方向）に相当する。本実施形態では、センサＳは、センサ素子１００、ハウジング２００、及び保護カバー３００を備える。

（センサ素子）
センサ素子１００は、ヒータ７０を内蔵し、長手方向（図１の上下方向）に沿って延びるように構成されている。センサ素子１００は、長手方向のそれぞれの端部として先端部１１０及び後端部１２０を有している。センサ素子１００は、先端部１１０がセンサＳの先端の方を向くように配置されている。ヒータ７０は、発熱部７２及びリード部７３を備えている。発熱部７２は、長手方向のそれぞれの端として先端７２１及び後端７２２を有している。発熱部７２は、発熱部７２の先端７２１がセンサ素子１００の先端部１１０の方を向いた状態でセンサ素子１００の先端部１１０側に配置される。リード部７３は、発熱部７２の後端７２２に連結しており、センサ素子１００の後端部１２０側に配置される。

図１の例では、センサ素子１００は、直方体状に形成されているが、センサ素子１００の形状は、このような例に限定されなくてよい。センサ素子１００の形状は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。また、センサ素子１００の種類は、特に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。一例では、センサ素子１００は、ガスセンサ素子であってよく、これにより、センサＳは、任意のガス成分の濃度を測定するように構成されてよい。センサ素子１００としてガスセンサ素子を採用する場合のセンサ素子１００の構成の一例は後述で詳細に説明する。

（ハウジング）
ハウジング２００は、長手方向に沿ってセンサ素子１００を囲むように構成される。図１の一例では、ハウジング２００は、筒状に形成されている。これにより、ハウジング２００は、ハウジング２００の内部空間にセンサ素子１００が収容されることで、センサ素子１００の先端部１１０側の一部を除く範囲を囲うように構成されている。ただし、ハウジング２００の形状は、このような例に限定されなくてよい。ハウジング２００は、図１に示されるとおり、センサ素子１００の一部を囲うように構成されてもよいし、或いは長手方向に沿ってセンサ素子１００を完全に囲うように構成されてもよい。センサ素子１００の少なくとも一部を囲むように構成されていれば、ハウジング２００の形状は、特に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。

ハウジング２００は、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有しており、ハウジング２００の先端がセンサＳの先端の方を向くように配置されている。ハウジング２００は、図１に示される長手方向の軸線に平行な断面において、センサＳの先端側ほどハウジング２００の内壁２１５の径が拡がるように構成される拡径部２１０を備えている。ハウジング２００の内壁２１５は、ハウジング２００の内部空間に収容されるセンサ素子１００に対向するハウジング２００の内側の壁である。

拡径部２１０は、ハウジング２００の先端側に配置される。また、拡径部２１０は、長手方向のそれぞれの端部として先端部２１１及び後端部２１２を有しており、拡径部２１０の先端部２１１がセンサＳの先端の方を向くように配置される。なお、センサＳの後端側から先端側にかけて拡径部２１０を見た場合、拡径部２１０の後端部２１２は、内壁２１５の径が拡がり始める位置となる。そのため、後端部２１２は、拡径部２１０の始点と称してもよい。本実施形態では、拡径部２１０の後端部２１２は、ヒータ７０の発熱部７２の後端７２２よりもセンサＳの後端側に配置される。すなわち、ヒータ７０の発熱部７２の後端７２２は、拡径部２１０の後端部２１２よりもセンサＳの先端側に配置される。

拡径部２１０の形状は、センサＳの先端側ほど内壁２１５の径が拡がる、すなわち、後端部２１２よりも先端部２１１の方がセンサ素子１００及び内壁２１５の間の軸線に垂直な方向（図１の左右方向）の距離が大きくなるように構成されていれば、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、図１に示されるとおり、拡径部２１０の図１の断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。テーパの角度２２０は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、テーパの角度２２０は、１０度以上９０度未満であってよい。他の一例では、テーパの角度２２０は、２０度以上９０度未満であってよい。更に他の一例では、テーパの角度２２０は、３０度以上９０度未満であってよい。テーパの角度２２０は、図１の断面において、拡径部２１０の始点（すなわち、後端部２１２）よりセンサＳの後端側の形状がこの始点よりも先端側に直線状に続くと仮想した場合に、この仮想の直線と拡径部２１０における内壁２１５との間の角度により規定されてよい。

なお、図１の一例では、拡径部２１０以外の部分における内壁２１５は、拡径部２１０の後端部２１２に連続する一部分が後端部２１２と同一の径になっており、その部分よりもセンサＳの後端側の部分がセンサ素子１００の支持部材を受け入れるようにやや広がった形状を有している。ただし、拡径部２１０以外の部分における内壁２１５の形状及び径は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。

ハウジング２００の材料には、例えば、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ）等の金属材料が用いられてよい。ハウジング２００は、金属材料を適宜成形することで、製造されてよい。

（保護カバー）
保護カバー３００は、長手方向に沿って、ハウジング２００の拡径部２１０の少なくとも一部の周りを囲み、センサ素子１００の先端部１１０を越えて延びるように構成される。図１の一例では、保護カバー３００は、概略的に筒状に形成されており、センサ素子１００及びハウジング２００の先端側の一部を軸線周りに囲うように構成されている。保護カバー３００は、長手方向のそれぞれの端として先端及び後端を有しており、保護カバーの先端がセンサ素子１００の先端部１１０よりもセンサＳの先端側に配置されている。

一例として、保護カバー３００の構成には、特開２０１７－２２３６１９号公報で提案される保護カバーの構成が採用されてよい。具体的に、図１の例では、保護カバー３００は、内側カバー３１０及び外側カバー３２０を備えている。内側カバー３１０は、第１部材３１１及び第２部材３１５を備え、センサ素子１００及びハウジング２００の先端部の周囲を覆うように構成されている。第１部材３１１は、ハウジング２００の先端部の外壁から長手方向に沿って延び、ハウジング２００の先端を越えた辺りで長手方向に垂直な方向に径が小さくなった後に、長手方向に沿って更に延びるように構成されている。第２部材３１５は、第１部材３１１の先端側の一部の周囲を覆うように構成されている。外側カバー３２０は、内側カバー３１０の周囲を覆うように構成されている。内側カバー３１０の第１部材３１１、第２部材３１５及び外側カバー３２０には、開口が適宜設けられており、これにより、センサ素子１００の先端部１１０の空間は、保護カバー３００の外側の空間と接続している。ただし、保護カバー３００の構成及び形状は、このような例に限定されなくてよい。保護カバー３００の構成及び形状は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。

保護カバー３００の材料には、例えば、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ）等の金属材料が用いられてよい。保護カバー３００は、金属材料を適宜成形することで、製造されてよい。なお、この保護カバー３００は、センサＳの構成から省略されてもよい。

（寸法の一例）
センサ素子１００、ハウジング２００及び保護カバー３００の寸法は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。一例として、ハウジング２００の拡径部２１０の後端部２１２とセンサ素子１００との間の第１距離（図１の左右方向の長さ／後端部２１２の内壁２１５とセンサ素子１００の外壁との間の距離）は、１ｍｍ～４ｍｍであってよい。また、ハウジング２００の拡径部２１０の先端部２１１とセンサ素子１００との間の第２距離（図１の左右方向の長さ／先端部２１１の内壁２１５とセンサ素子１００の外壁との間の距離）は、第１距離より長く、２ｍｍ～６ｍｍであってよい。

（使用方法の一例）
センサＳは、実施の形態に応じて適宜取り付けられてよい。一例として、センサ素子１００としてガスセンサ素子を採用する場合、センサＳは、車両のエンジンからの排気経路である配管４１０に取り付けられてよい。図１の例では、センサＳは、外周面に雄ネジが設けられた金属製のナット４００を更に備えている。ナット４００は、ハウジング２００の外周面に固定される。ハウジング２００は、配管４１０に溶接され、かつ内周面に雌ネジが設けられた固定用部材４１２にナット４００と共に挿入される。固定用部材４１２は配管４１０に固定される。そして、ナット４００の雄ネジは固定用部材４１２の雌ネジに螺合される。これにより、センサＳは、ハウジング２００及び固定用部材４１２を介して配管４１０に固定される。

一例では、ガスセンサ素子として構成されるセンサ素子１００は、エンジンから排出される排気ガス（被測定ガス）に含まれるＮＯ_x、Ｏ₂等の成分の濃度を測定してよい。図１の例では、センサＳは、センサＳの軸線が配管４１０内の排気ガスの流れに垂直な状態で、センサ素子１００の先端部１１０が下方向を向くように配管４１０に固定されている。なお、配管４１０に対するセンサＳの取付角度は、このような例に限定されなくてよい。センサＳは、センサＳの軸線が排気ガスの流れに任意の角度だけ傾いた状態で配管４１０に固定されてよい。センサＳの取付角度は、例えば、センサ素子１００の先端部１１０が鉛直下方向に対して０度～８０度の角度を向くように構成されてよい。センサ素子１００が配管４１０以外に取り付けられるケース、及びセンサ素子１００がガスセンサ素子以外で構成されるケースでも同様の取付角度が採用されてよい。

（センサ素子の構成）
図２は、センサ素子１００としてガスセンサ素子を採用する場合におけるセンサ素子１００の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサ素子１００は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオンの伝導性固体電解質層により構成される第１基板層１、第２基板層２、第３基板層３、第１固体電解質層４、スペーサ層５、及び第２固体電解質層６の６つの層が、図２の断面視で下側から順に積層された構造を有している。これら６つの層を形成する固体電解質は、緻密でかつ気密なものであってよい。なお、緻密でかつ気密とは、気孔率が５％以下であることを指す。センサ素子１００は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに、例えば、所定の加工、配線パターンの印刷等の工程を実行した後にそれらを積層し、更に、焼成して一体化させることで製造される。一例として、センサ素子１００は、複数のセラミックス層の積層体である。

センサ素子１００の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面及び第１固体電解質層４の上面の間には、ガス導入口１０、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３、第１内部空所２０、第３拡散律速部３０、及び第２内部空所４０が、この順に連通する態様にて隣接形成されるように構成されている。

ガス導入口１０、緩衝空間１２、第１内部空所２０、及び第２内部空所４０は、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されるセンサ素子１００内部の空間である。

第１拡散律速部１１は、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長辺方向を有する）スリットとして設けられる。また、第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０それぞれは、図面に垂直な方向に延びる長さが第１内部空所２０及び第２内部空所４０それぞれよりも短い孔として設けられる。第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０については、後述で詳細に説明する。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。

ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面及びスペーサ層５の下面の間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、例えば、大気等の基準ガスが導入される。ただし、センサ素子１００の構成は、このような例に限定されなくてよい。他の一例として、第１固体電解質層４は、センサ素子１００の後端まで延びるように構成されてよく、基準ガス導入空間４３は省略されてよい。この場合、大気導入層４８が、センサ素子１００の後端まで延びるように構成されてよい。

大気導入層４８は、多孔質アルミナから成り、基準ガス導入空間４３を介して基準ガスが導入されるように構成されている。加えて、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面及び第１固体電解質層４の間に挟まれるように形成され、その周囲には、上記基準ガス導入空間４３に接続する大気導入層４８が設けられている。基準電極４２は、第１内部空所２０内及び第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）の測定に使用される。詳細は後述する。

ガス導入口１０は、ガス流通部において、外部空間に対して開口してなる部位である。センサ素子１００は、当該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１００内に被測定ガスを取り込むように構成されている。

第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

被測定ガスが、センサ素子１００外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１００内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これにより、第１内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６及び第１固体電解質層４）、及び側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成される。そして、それら天井電極部２２ａ及び底部電極部２２ｂに接続するように、側部電極部（図示省略）が、第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されている。内側ポンプ電極２２は、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態の構造で配設されている。

内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２３は、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔ及びＺｒＯ₂により構成されるサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_x）成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

センサ素子１００は、主ポンプセル２１において、内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２３の間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２３の間に正方向又は負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れ可能に構成される。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、及び基準電極４２により、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０（すなわち、電気化学的なセンサセル）が構成されている。

センサ素子１００は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）を特定可能に構成される。更に、起電力Ｖ０が一定となるようにＶｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯ_x濃度は、主として、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、測定用ポンプセル４１の動作により測定される。

第２内部空所４０では、センサ素子１００は、第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が予め調整された後、第３拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を更に行うように構成されている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るセンサ素子１００において、精度の高いＮＯ_x濃度の測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、補助ポンプ電極５１、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１００の外側の適当な電極であれば足りる）、及び第２固体電解質層６により構成される補助的な電気化学的ポンプセルである。補助ポンプ電極５１は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する。

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態の構造で、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成される。そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成される。これにより、補助ポンプ電極５１は、トンネル形態の構造を有している。

なお、補助ポンプ電極５１も、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中の窒素酸化物成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

センサ素子１００は、補助ポンプセル５０において、補助ポンプ電極５１及び外側ポンプ電極２３の間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れ可能に構成される。

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１、基準電極４２、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、及び第３基板層３により、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１（すなわち、電気化学的なセンサセル）が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯ_xの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これと共に、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯ_xセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中の窒素酸化物濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、測定電極４４、外側ポンプ電極２３、第２固体電解質層６、スペーサ層５、及び第１固体電解質層４により構成される電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられる。

測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯ_xを還元するＮＯ_x還元触媒としても機能する。更に、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されている。

第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯ_xの量を制限する役割を担うと共に、測定電極４４の保護膜としても作用する。

センサ素子１００は、測定用ポンプセル４１において、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出可能に構成される。

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、測定電極４４、及び基準電極４２により、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２（すなわち、電気化学的なセンサセル）が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧（起電力）Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。

第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、測定電極４４、第１固体電解質層４、第３基板層３、及び基準電極４２を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすることで、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯ_x成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができる。これにより、被測定ガス中の窒素酸化物成分の濃度を求めることも可能である。

また、第２固体電解質層６、スペーサ層５、第１固体電解質層４、第３基板層３、外側ポンプ電極２３、及び基準電極４２から電気化学的なセンサセル８３が構成されている。センサ素子１００は、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能に構成されている。

以上の構成を有するセンサ素子１００において、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を作動させることにより、酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯ_xの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスを測定用ポンプセル４１に与えることができる。したがって、センサ素子１００は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に略比例して、ＮＯ_xの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることで流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を特定可能に構成されている。

更に、センサ素子１００は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１００を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ７０を備えている。図２の例では、ヒータ７０は、上記発熱部７２及びリード部７３に加えて、ヒータ電極７１、ヒータ絶縁層７４、及び圧力放散孔７５を更に備えている。リード部７３は、スルーホールにより構成されてよい。ヒータ７０は、センサ素子１００の厚み方向において、センサ素子１００の上面よりもセンサ素子１００の下面に近い位置に配置されている。なお、センサ素子１００の上面は第２固体電解質層６の上面であり、センサ素子１００の下面は第１基板層１の下面である。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極７１を外部電源と接続することにより、外部からヒータ７０へ給電することができるようになっている。

発熱部７２は、第２基板層２及び第３基板層３に上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。発熱部７２は、リード部７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１００を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、発熱部７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１００全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層７４は、発熱部７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２及び発熱部７２の間の電気的絶縁性、並びに第３基板層３及び発熱部７２の間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

（特徴）
以上のとおり、本実施形態に係るセンサＳによれば、ハウジング２００が、センサ素子１００のヒータ７０の発熱部７２近傍に拡径部２１０が設けられる。この拡径部２１０により、ハウジング２００の内壁２１５は、センサＳの先端側ほどセンサ素子１００との間の距離が拡がっている（すなわち、センサ素子１００から離れている）。加えて、拡径部２１０の後端部２１２が、ヒータ７０の発熱部７２の後端７２２よりもセンサＳの後端側に配置される。これにより、ハウジング２００の内壁２１５に水が流れ、拡径部２１０の後端部２１２から水が垂れ落ちたとしても、ヒータ７０の発熱部７２がこの後端部２１２よりもセンサＳの先端側に配置されていることで、ハウジング２００の内壁２１５（拡径部２１０の後端部２１２）から垂れ落ちた水がヒータ７０の発熱部７２にかかるのを抑制することができる。したがって、本実施形態に係るセンサＳによれば、センサ素子１００のヒータ７０の発熱部７２が被水する確率を低減することができる。

また、図１に示されるとおり、拡径部２１０の断面での形状は、テーパを有するように構成されてよい。テーパの角度２２０は、１０度以上９０度未満、２０度以上９０度未満、又は３０度以上９０度未満であってよい。これにより、後述する実施例に示されるとおり、センサ素子１００の発熱部７２が被水する確率を良好に低減することができる。本実施形態に係るセンサＳによれば、保護カバー３００により、ハウジング２００及びセンサ素子１００が被水する確率を低減することができる。更に、図２で例示されるガスセンサ素子をセンサ素子１００として採用することで、ヒータ７０の発熱部７２が被水する確率の低減が図られたガスセンサを提供することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、前述までの実施形態の説明は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。上記実施形態には、種々の改良及び変形が行われてよい。上記実施形態の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてもよい。また、上記実施形態の各構成要素の形状及び寸法は、実施の形態に応じて適宜変更されてよい。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。

（Ｉ）拡径部の形状
上記図１の例では、ハウジング２００の拡径部２１０は、テーパを有するように構成されている。しかしながら、センサＳの先端側ほど内壁２１５の径が拡がる形状は、このような例に限定されなくてよい。他の一例では、拡径部の断面での形状は、Ｒ状に構成されてよい。

図３及び図４は、拡径部をＲ状に形成する本変形例に係るセンサ（ＳＡ、ＳＢ）の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。また、図６～図８は、拡径部において内壁が複数の直線部分、直線部分および傾斜部分、または、複数の傾斜部分を備える本変形例に係るセンサ（ＳＰ、ＳＱ、および、ＳＲ）の構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図３、図４、図６～図８は、図１と同様に、長手方向の軸線に平行でかつ軸線に接する断面の構成を模式的に示す。図３に示されるセンサＳＡでは、ハウジング２００Ａの拡径部２１０Ａは、Ｒの凸が内側を向くように形成されている。すなわち、軸線方向に沿って内壁２１５Ａの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部２１０Ａの後端部２１２Ａ側より先端部２１１Ａ側の方が、内壁２１５Ａの径の拡がる量が大きくなっている。Ｒ状の寸法は、任意に決定されてよい。一例として、この内壁２１５Ａを円弧として捉えた場合に、図３の断面において、拡径部２１０Ａにおける内壁２１５Ａの曲率半径は１ｍｍ～４ｍｍであってよい。一方、図４に示されるセンサＳＢでは、ハウジング２００Ｂの拡径部２１０Ｂは、Ｒの凸が外側を向くように形成されている。すなわち、軸線方向に沿って内壁２１５Ｂの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部２１０Ｂの先端部２１１Ｂ側より後端部２１２Ｂ側の方が、内壁２１５Ｂの径の拡がる量が大きくなっている。更に換言すると、図４の断面において、拡径部２１０Ｂは、円弧を切り取った形状を有している。この切り取る円弧の寸法は、任意に決定されてよい。一例として、図４の断面において、切り取る円弧の曲率半径は１ｍｍ～４ｍｍであってよい。これらの点を除き、各センサ（ＳＡ、ＳＢ）の構成は、上記センサＳと同様であってよい。本変形例に係るセンサ（ＳＡ、ＳＢ）によれば、拡径部（２１０Ａ、２１０Ｂ）をＲ状に形成することで、センサ素子１００の発熱部７２が被水する確率を良好に低減することができる。

先端側ほど内壁の径が拡がる形状は、後端側から先端側にかけて、内壁の径が、段階状に、つまり、段階的に、拡がる形状であってもよい。例えば、内壁の径が一定である直線部分が、複数、内壁に形成されていてもよく、先端側の直線部分における内壁の径の方が、後端側の直線部分における内壁の径よりも広ければ（大きければ）よい。

図６に例示するセンサＳＰでは、ハウジング２００Ｐの拡径部２１０Ｐは、内壁２１５Ｐの径が、後端部２１２Ｐ側から先端部２１１Ｐ側へと、段階状（つまり、段階的）に、拡がるように形成されている。具体的には、拡径部２１０Ｐにおいて内壁２１５Ｐは、各々において内壁２１５Ｐの径が一定である、直線部分２０１１と直線部分２０１３とを含む。すなわち、直線部分２０１１において内壁２１５Ｐの径は一定であり、また、直線部分２０１３において内壁２１５Ｐの径は一定である。直線部分２０１３は、直線部分２０１１よりも、拡径部２１０Ｐの後端部２１２Ｐ側に配置され、言い換えれば、直線部分２０１１は、直線部分２０１３よりも、拡径部２１０Ｐの先端部２１１Ｐ側に配置される。そして、後端部２１２Ｐ側に配置される直線部分２０１３における内壁２１５Ｐの径よりも、先端部２１１Ｐ側に配置される直線部分２０１１における内壁２１５Ｐの径の方が、広い（大きい）。つまり、軸線方向に沿って内壁２１５Ｐの径を比較した場合、直線部分２０１３より、直線部分２０１１の方が、内壁２１５Ｐの径が大きくなっている。したがって、軸線方向に沿って内壁２１５Ｐの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部２１０Ｐの後端部２１２Ｐ側より先端部２１１Ｐ側の方が、内壁２１５Ｐの径の拡がる量が大きくなっている。

なお、図６に示す例では、直線部分２０１１と直線部分２０１３とをつなぐ中間部分２０１２は、直線部分２０１１および直線部分２０１３の各々に直交している。より正確には、中間部分２０１２における内壁２１５Ｐは、直線部分２０１１における内壁２１５Ｐ、および、直線部分２０１３における内壁２１５Ｐの各々に、直交している。しかしながら、中間部分２０１２が、直線部分２０１１および直線部分２０１３の各々に直交することは必須ではない。例えば、中間部分２０１２は、先端部２１１Ｐ側ほど内壁２１５Ｐの径が拡がるように、直線部分２０１１および直線部分２０１３の各々に対して傾いていてもよい。具体的には、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部２１１Ｐ側ほど内壁２１５Ｐの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」として示されるように、中間部分２０１２（中間部分２０１２における内壁２１５Ｐ）を構成してもよい。

図６においては、内壁の径が一定である直線部分が、複数、内壁に形成され、先端側の直線部分における内壁の径の方が、後端側の直線部分における内壁の径よりも広い（大きい）拡径部の例を示した。ただし、先端側ほど内壁の径が拡がる拡径部の形状として、「拡径部において内壁が、複数の直線部分を含む」例は一例であり、拡径部において内壁は、傾斜部分を含んでいてもよい。すなわち、拡径部において内壁は、先端側ほど内壁の径が拡がる傾斜部分を、言い換えれば、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」として示される傾斜部分を、含んでもよい。拡径部において内壁は、傾斜部分に加えてさらに、図６に例示したような直線部分を、すなわち、内壁の径が一定である直線部分を、含んでいてもよい。内壁は、１つ以上の直線部分と、１つ以上の傾斜部分とを含んでいてもよい。内壁は、直線部分および傾斜部分の少なくとも一方を、複数含んでいてもよい。内壁が直線部分と傾斜部分とを含む場合、直線部分を傾斜部分よりも後端側に配置してもよいし、直線部分を傾斜部分よりも先端側に配置してもよい。内壁が複数の傾斜部分を含む場合、複数の傾斜部分の各々の、軸線方向に対する傾きは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

図７に示されるセンサＳＱでは、ハウジング２００Ｑの拡径部２１０Ｑにおいて内壁２１５Ｑは、先端部２１１Ｑ側ほど内壁２１５Ｑの径が拡がる傾斜部分２０２２と、内壁２１５Ｑの径が一定である直線部分２０２１とを含む。傾斜部分２０２２は、直線部分２０２１よりも、拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑ側に配置され、言い換えれば、直線部分２０２１は、傾斜部分２０２２よりも、拡径部２１０Ｑの先端部２１１Ｑ側に配置される。図７に示す例では、傾斜部分２０２２は、拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑに接し、また、直線部分２０２１は、拡径部２１０Ｑの先端部２１１Ｑに接している。そして、傾斜部分２０２２において、内壁２１５Ｑの径は、先端部２１１Ｑ側ほど拡がっている。したがって、軸線方向に沿って内壁２１５Ｑの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑ側より先端部２１１Ｑ側の方が、内壁２１５Ｑの径の拡がる量が大きくなっている。

なお、図７に示す例では、傾斜部分２０２２は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部２１１Ｑ側ほど内壁２１５Ｑの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた直線」によって、示されている。しかしながら、傾斜部分２０２２は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端部２１１Ｑ側ほど内壁２１５Ｑの径が拡がるように軸線方向に対して傾いた曲線」によって示されるような形状であってもよい。図７および図８における「傾斜部分」は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」によって示されるものであればよい。

また、図７に示す例では、傾斜部分２０２２は後端部２１２Ｑ側に、直線部分２０２１は先端部２１１Ｑ側に配置されているが、傾斜部分２０２２を先端部２１１Ｑ側に、直線部分２０２１を後端部２１２Ｑ側に配置してもよい。

さらに、傾斜部分２０２２が拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑに接することは必須ではく、傾斜部分２０２２は拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑに接していなくてもよいし、また、傾斜部分２０２２は拡径部２１０Ｑの先端部２１１Ｑに接していてもよい。同様に、直線部分２０２１が拡径部２１０Ｑの先端部２１１Ｑに接していることは必須ではなく、直線部分２０２１は拡径部２１０Ｑの先端部２１１Ｑに接していなくてもよいし、直線部分２０２１は拡径部２１０Ｑの後端部２１２Ｑに接していてもよい。

図７に例示するように、拡径部において内壁は、傾斜部分に加えて、直線部分（内壁の径が一定である）を１つ以上含んでいてもよい。内壁において、傾斜部分の先端側および後端側の少なくとも一方に、直線部分を配置してもよい。

図８に示されるセンサＳＲでは、ハウジング２００Ｒの拡径部２１０Ｒにおいて内壁２１５Ｒは、先端部２１１Ｒ側ほど内壁２１５Ｒの径が拡がる傾斜部分を複数含み、具体的には、傾斜部分２０３１と傾斜部分２０３３とを含む。傾斜部分２０３１は、傾斜部分２０３３よりも、拡径部２１０Ｒの先端部２１１Ｒ側に配置され、言い換えれば、傾斜部分２０３３は、傾斜部分２０３１よりも、拡径部２１０Ｒの後端部２１２Ｒ側に配置される。図８に示す例では、傾斜部分２０３１は、拡径部２１０Ｒの先端部２１１Ｒに接し、また、傾斜部分２０３３は、拡径部２１０Ｒの後端部２１２Ｒに接している。そして、傾斜部分２０３１において、内壁２１５Ｒの径は、先端部２１１Ｒ側ほど拡がっている。また、傾斜部分２０３３において、内壁２１５Ｒの径は、先端部２１１Ｒ側ほど拡がっている。したがって、軸線方向に沿って内壁２１５Ｒの径の拡がる量を比較した場合に、拡径部２１０Ｒの後端部２１２Ｒ側より先端部２１１Ｒ側の方が、内壁２１５Ｒの径の拡がる量が大きくなっている。

なお、図８に示す例では、傾斜部分２０３１と傾斜部分２０３３とをつなぐ中間部分２０３２において、内壁２１５Ｒの径は一定である。すなわち、傾斜部分２０３１と傾斜部分２０３３との間には、「内壁の径が一定である直線部分」として構成された中間部分２０３２が配置されている。しかしながら、中間部分２０３２を直線部分として構成することは必須ではなく、中間部分２０３２は、「先端側ほど内壁の径が拡がる傾斜部分」として構成されてもよい。すなわち、中間部分２０３２において内壁２１５Ｒは、先端部２１１Ｒ側ほど内壁２１５Ｒの径が拡がっていてもよい。

また、図８に示す例では、傾斜部分２０３１の軸線方向に対する傾きと傾斜部分２０３３の軸線方向に対する傾きとは異なっている。ただし、傾斜部分２０３１の軸線方向に対する傾きと傾斜部分２０３３の軸線方向に対する傾きとは同じであってもよい。また、傾きが両者で異なる場合、どちらの傾きをより大きくするかは任意である。

さらに、傾斜部分２０３１の軸線方向に対する傾きと傾斜部分２０３３の軸線方向に対する傾きとが異なる場合、中間部分２０３２を配置せずに、傾斜部分２０３１と傾斜部分２０３３とを直接つないでもよい。

これまでに説明してきたように、先端側ほど内壁の径が拡がる拡径部の形状は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、１つの直線または１つの曲線」によって、示されるものでなくてもよい。拡径部において内壁は、複数の直線部分を含んでいてもよく、先端側に配置される直線部分における内壁の径の方が、後端側に配置される直線部分における内壁の径よりも広ければ（大きければ）よい（図６）。また、拡径部において内壁は、軸線に平行でかつ軸線に接する断面において、「先端側ほど内壁の径が拡がるように軸線方向に対して傾いた、直線または曲線」によって示される傾斜部分を１つ以上含んでいてもよい。拡径部において内壁が含む傾斜部分が１つである場合、傾斜部分の先端側および後端側の少なくとも一方に直線部分を配置してもよい（図７）。拡径部において内壁が傾斜部分を複数含む場合、複数の傾斜部分の間に直線部分を配置してもよいし（図８）、直線部分を配置せずに傾斜部分同士を直接接続してもよい。拡径部において内壁が傾斜部分を複数含む場合、複数の傾斜部分の各々の、軸線方向に対する傾き（角度）は異なっていてもよいし、同じであってもよい。ただし、直線部分を配置せずに２つの傾斜部分を直接接続する場合、それら２つの傾斜部分の、各々の軸線方向に対する傾き（角度）は、互いに異なっているものとする。

（ＩＩ）センサ素子の構成
上記実施形態において、センサ素子１００の各構成要素に関して、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が行われてよい。他の一例として、センサ素子は、センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有するように構成されてよい。

図５は、本変形例に係るセンサ素子１００Ｃの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。センサ素子１００Ｃは、多孔質保護層９１を更に有している点を除き、上記センサ素子１００と同様に構成されている。図５の例では、多孔質保護層９１は、センサ素子１００Ｃの上面（第２固体電解質層６の上面）の先端側の一部、先端面（図５の左側の面）、及び下面（第１基板層１の下面）の先端側の一部を被覆している。なお、センサ素子１００Ｃの少なくとも一部分が多孔質保護層９１により被覆されていれば、多孔質保護層９１により被覆する範囲は、このような例に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。多孔質保護層９１は、例えば、アルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体、チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体等の多孔質体により構成されてよい。本変形例によれば、多孔質保護層９１により、センサ素子１００Ｃに対する被水の影響を低減すると共に、センサ素子１００Ｃの強度の向上を図ることができる。

［実施例］
本発明の効果を検証するため、以下の実施例及び比較例に係るセンサを作製した。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

センサの構成に上記図１に示される構成を採用し、センサ素子の構成に上記図２に示される構成を採用することで、第１実施例に係るセンサを作製した。第１実施例に係るセンサでは、上記実施形態のとおり、ヒータの発熱部の後端（最後端）が、拡径部の後端部（始点）よりもセンサの先端側に位置するようにハウジング内にセンサ素子を配置した。ハウジングにおける拡径部は、２０度のテーパを有するように構成した。ハウジングの拡径部の後端部とセンサ素子との間の距離は２ｍｍであった。ハウジングの拡径部の先端部とセンサ素子との間の距離は３ｍｍであった。

第１実施例の拡径部のテーパの角度を３０度に変更することで、第２実施例に係るセンサを作製した。第１実施例の拡径部のテーパの角度を４０度に変更することで、第３実施例に係るセンサを作製した。第１実施例の拡径部のテーパの角度を６０度に変更することで、第４実施例に係るセンサを作製した。第１実施例の拡径部のテーパの角度を１０度に変更することで、第５実施例に係るセンサを作製した。第１実施例の拡径部の形状を図３に示されるＲ状に変更することで、第６実施例に係るセンサを作製した。第６実施例における拡径部の内壁の曲率半径は２ｍｍであった。第１実施例の拡径部を省略し、内壁の径が一定の直線状の形状を有する部分に拡径部を置き換えることで、第１比較例に係るセンサを作製した。ヒータの発熱部の後端が拡径部の後端部（始点）よりもセンサの後端側に位置するように第１実施例におけるセンサ素子の配置を変更することで、第２比較例に係るセンサを作製した。第２実施例～第６実施例及び第１比較例～第２比較例それぞれのその他の条件は、第１実施例と同様である。

第１実施例～第６実施例及び第１比較例～第２比較例に係るセンサの被水量の評価には、特開２０１９－１８５６１５号公報に記載された被水試験装置を使用した。この被水試験装置は、内部にガスの流路を有し、水平かつ直線状に配置された配管と、配管の上流に設けられた送風機（ブロアー）と、配管の下流側に設けられた圧力変動発生器と、送風機及び圧力変動発生器の間の配管の一部であり、各実施例及び比較例のセンサが取り付けられるチャンバと、を備えている。チャンバには、チャンバに振動を加える加振機が接続されている。この被水試験装置では、エンジンからの排気ガスを模したガスにより水分をセンサに向けて飛散させることができる。

被水試験では、まず、被水試験装置のチャンバ内に、センサの中心軸が配管の軸に垂直かつ水平方向に対して１０度傾いた状態でセンサを配置した。次に、送風機とチャンバとの間の配管内に所定量の水分を供給した。続いて、送風機を用いて配管内にガス（大気）を供給し、圧力変動発生器を用いてガスの圧力を変動させると共に、加振機によりチャンバに振動を加えた。これにより、配管内に供給した水分を、圧力変動するガスによって、チャンバ内に配置されたセンサに向けて飛散させた。この状態で、センサ素子に内蔵されたヒータを駆動して、センサ素子の温度がセ氏１００度～２００度の間の所定の目標値になるようにヒータのパワーを制御した。このときのヒータのパワーの制御値を、事前に導出したヒータのパワーと被水量との関係に当てはめて、各実施例及び比較例におけるセンサ素子の被水量を算出した。そして、被水量が１０μＬ（マイクロリットル）以下を「Ａ（優）」、１０μＬ超過２０μＬ以下を「Ｂ（良）」、２０μＬ超過３０μＬ以下を「Ｃ（可）」、３０μＬ超過を「Ｆ（不可）」と設定して、各実施例及び比較例の被水量を評価した。以下の表１は、各実施例及び比較例の評価結果を示す。

表１に示されるとおり、第１比較例及び第２比較例では、センサ素子の被水量が３０μＬを超過したのに対して、全ての実施例では、センサ素子の被水量を３０μＬ以下に抑えることができた。この結果から、本発明によれば、センサ素子、特に、発熱部の被水量を低減できることが分かった。また、第１実施例～第５実施例の評価結果から、拡径部の形状をテーパ状に形成した場合、テーパの角度を大きくすることで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。特に、テーパの角度を２０度以上、３０度以上、又は４０度以上に設定することで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。更に、第６実施例の評価結果から、拡径部の形状をＲ状に形成することで、センサ素子の被水量を有効的に低減できることが分かった。

Ｓ…センサ、
１００…センサ素子、１１０…先端部、１２０…後端部
７０…ヒータ、７２…発熱部、７２１…先端、７２２…後端、
７３…リード部、
２００…ハウジング、
２１０…拡径部、２１１…先端部、２１２…後端部、
２１５…内壁

Claims (9)

1. ヒータを内蔵し、長手方向に延びるセンサ素子、及び
   前記長手方向に沿って前記センサ素子の周りを囲むように構成されるハウジング、
   を備えるセンサであって、
   前記センサ素子は、先端部及び後端部を有し、
   前記ヒータは、発熱部及びリード部を備え、
   前記発熱部は、先端及び後端を有し、前記センサ素子の前記先端部側に配置され、
   前記ハウジングは、前記長手方向の軸線に平行な断面において、前記センサの先端側ほど前記ハウジングの内壁の径が拡がるように構成される拡径部を備え、
   前記拡径部は、先端部及び後端部を有し、
   前記発熱部の後端は、前記拡径部の後端部よりも前記センサの先端側、かつ、前記拡径部の先端部よりも前記センサの後端側に配置され、
   前記発熱部の先端は、前記拡径部の先端部よりも前記センサの先端側に配置される、
   センサ。
2. 前記拡径部の前記断面での形状は、テーパを有するように構成される、
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記テーパの角度は、１０度以上９０度未満である、
   請求項２に記載のセンサ。
4. 前記テーパの角度は、２０度以上９０度未満である、
   請求項２に記載のセンサ。
5. 前記テーパの角度は、３０度以上９０度未満である、
   請求項２に記載のセンサ。
6. 前記拡径部の前記断面での形状は、Ｒ状に構成される、
   請求項１に記載のセンサ。
7. 前記長手方向に沿って、前記ハウジングの前記拡径部の少なくとも一部の周りを囲み、前記センサ素子の前記先端部を越えて延びるように構成される保護カバーを更に備える、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記センサ素子は、前記センサ素子の少なくとも一部分を被覆する多孔質保護層を有している、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. 前記センサ素子は、ガスセンサ素子である、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ。