JP2017067533A

JP2017067533A - ガスセンサ

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Publication number: JP2017067533A
Application number: JP2015191249A
Authority: JP
Inventors: 悠介渡邉; Yusuke Watanabe; 隆生村瀬; Takao Murase; 将司安居; Shoji Yasui
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: US10514349B2; US10900920B2; US20170089852A1; US10775333B2; US20190285563A1; JP6754559B2; US20190293585A1; DE102016217166A1; DE102016217166B4

Abstract

【課題】特定ガス濃度の検出の応答性を向上させる。
【解決手段】ガスセンサ１０は、内側に素子室３７を有し、外部から素子室３７への被測定ガスの流入を許容する筒状の保護カバー３０と、素子室３７内に位置し被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部２３を有する長尺なセンサ素子２０と、を備えている。センサ素子２０は、保護カバー３０の軸方向（カバー軸Ａ２に平行な方向）に対する素子室３７内での軸方向（素子軸Ａ１に平行な方向）の傾斜角度θｔが１°以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、筒状のハウジングに固定されたセンサ素子と、センサ素子の先端を覆う筒状の被測定ガス側カバー（保護カバー）と、を備えたガスセンサが記載されている。

特許第３９３２８８１号

このようなガスセンサでは、被測定ガスが保護カバー内を流通してセンサ素子の検出部に到達すると、検出部が特定ガス濃度を検出する。このとき、被測定ガスが検出部に到達するまでの時間が長いことにより、特定ガス濃度の検出の応答性が低い場合があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、特定ガス濃度の検出の応答性を向上させることを主目的とする。

本発明者らは、鋭意研究した結果、保護カバー内のセンサ素子が配置された空間における被測定ガスの流れが層流的であることで、センサ素子の先端部の内部又は表面の検出部に被測定ガスが到達しにくくなっており応答性が低下していると予測した。そしてさらに検討した結果、従来のガスセンサにおけるセンサ素子が保護カバーの軸線上に配置されていることで被測定ガスの流れが層流になりやすいことを見いだした。そこで、センサ素子を保護カバーの軸方向から傾斜させたところ、特定ガス濃度の検出の応答性が向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のガスセンサは、
内側に素子室を有し、外部から前記素子室への被測定ガスの流入を許容する筒状の保護カバーと、
前記素子室内に位置し前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部を有する長尺なセンサ素子であって、前記保護カバーの軸方向に対する前記素子室内での該センサ素子の軸方向の傾斜角度θｔが１°以上であるセンサ素子と、
を備えたものである。

このガスセンサでは、センサ素子の素子室内での軸方向が、保護カバーの軸方向に対して傾斜しており、その傾斜角度θｔが１°以上である。これにより、センサ素子によって素子室内での被測定ガスの流れを乱すことができ、被測定ガスが層流になりにくい（乱流になりやすい）。したがって、センサ素子の検出部に被測定ガスが到達しやすくなり、ガスセンサの特定ガス濃度の検出の応答性が向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記傾斜角度θｔは３°以上としてもよい。こうすれば、被測定ガスが層流になるのをセンサ素子の傾斜によってより抑制でき、ガスセンサの応答性がより向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記傾斜角度θｔは１５°以下としてもよい。こうすれば、センサ素子が傾斜することによる素子室内の圧損の増大が抑制される。そのため、圧損により被測定ガスの流速が遅くなることを抑制でき、ガスセンサの応答性の低下を抑制できる。

本発明のガスセンサは、前記センサ素子のうち前記素子室内での傾斜方向側の表面を覆う厚さが、該センサ素子のうち前記素子室内での傾斜方向とは反対側の表面を覆う厚さよりも厚い保護層、を備えていてもよい。こうすれば、保護層の厚さの偏りによって、素子室内での被測定ガスの流れが乱されてより層流になりにくくなるため、ガスセンサの応答性がより向上する。

本発明のガスセンサにおいて、前記保護カバーは、前記素子室に開口し前記被測定ガスの流路となる素子室入口と、前記素子室に開口し前記被測定ガスの流路となり前記素子室入口よりも前記保護カバーの先端側に位置する素子室出口と、を有していてもよい。一般に、素子室入口と素子室出口とがこのような位置関係にある場合、被測定ガスの流れが保護カバーの軸方向に沿った層流になりやすく、ガスセンサの応答性が低下しやすい。そのため、本発明を適用する意義が高い。

本発明のガスセンサにおいて、前記センサ素子は、板状体形状であり、前記素子室内に位置する部分が前記保護カバーの軸方向に対して該センサ素子の厚さ方向に傾斜していてもよい。こうすれば、例えばセンサ素子が厚さ方向に垂直な方向に傾斜している場合と比べて、センサ素子のうち保護カバーの軸方向に交差する面の面積が大きくなる。そのため、素子室内での被測定ガスの流れが乱されてより層流になりにくくなり、ガスセンサの応答性がより向上する。

ガスセンサ１０が配管９０に取り付けられた様子を示す概略説明図。ガスセンサ１０の縦断面図。センサ素子２０の幅方向に垂直な断面図。センサ素子２０に反りがある場合における、センサ素子２０の素子室３７内での軸方向の説明図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１０が配管９０に取り付けられた様子を示す概略説明図である。図２は、ガスセンサ１０の縦断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。図２の右下の二点鎖線枠内は、センサ素子２０の概略斜視図である。図３は、センサ素子２０の幅方向に垂直な断面図である。なお、本実施形態において、上下方向，及び左右方向は、図２に示した通りとする。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、例えば車両の排ガス管などの配管９０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等の特定ガスの濃度（特定ガス濃度）を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ１０は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。

図２に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子２０と、センサ素子２０の表面の少なくとも一部を被覆する保護層２９と、センサ素子２０の先端面２０ａを含む先端側（図２の下端側）を保護する保護カバー３０と、センサ素子２０を封止固定する素子封止体４０と、センサ素子２０の基端面２０ｂを含む基端側（図２の上端側）の保護やセンサ素子２０からの電気信号の取り出しを行う組立体５０と、を備えている。

センサ素子２０は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層を複数積層した構造を有している。センサ素子２０は、長尺な板状体形状（直方体形状）の素子であり、下端側の先端面２０ａと、上端側の基端面２０ｂと、先端面２０ａ及び基端面２０ｂに垂直な第１〜第４面２１ａ〜２１ｄと、を備えている。センサ素子２０において、直方体の３辺のうち最も長い辺（例えば第１面２１ａと第４面２１ｄとに共有される辺）に沿った方向を長さ方向とする。直方体の３辺のうち最も短い辺（例えば先端面２０ａと第４面２１ｄとに共有される辺）に沿った方向を厚さ方向とする。直方体の３辺のうち残りの１辺（例えば先端面２０ａと第１面２１ａとに共有される辺）に沿った方向を幅方向とする。このセンサ素子２０の軸方向は、保護カバー３０の軸方向に対して傾斜角度θｔだけ傾斜して配置されている。傾斜角度θｔについて詳しくは後述する。センサ素子２０の寸法は、例えば長さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下としてもよい。図２及び図３に示すように、センサ素子２０は、被測定ガスを自身の内部に導入する被測定ガス導入口２２ａと、特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガス（大気）を自身の内部に導入する基準ガス導入口２２ｂと、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部２３と、を有している。被測定ガス導入口２２ａは、センサ素子２０の先端面２０ａに開口しており、内側保護カバー３１の内側の空間である素子室３７内に位置している。基準ガス導入口２２ｂは、図３に示すようにセンサ素子２０の基端面２０ｂに開口しており、大気側カバー７４の内側の空間内に位置している。

検出部２３は、少なくとも１つの電極を備えており、素子室３７内に位置して素子室３７内の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。本実施形態では、検出部２３は、第１面２１ａに配設された外側電極２４と、センサ素子２０の内部に配設された内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６，測定電極２７，及び基準電極２８とを備えている。素子室３７内の被測定ガスは、外側電極２４及び被測定ガス導入口２２ａに到達する。被測定ガス導入口２２ａからセンサ素子２０の内部に導入された被測定ガスは、内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６，及び測定電極２７にこの順に到達する。また、基準ガス導入口２２ｂから導入された基準ガスは、基準電極２８に到達する。検出部２３が特定ガス濃度を検出する原理は周知であるため詳細な説明は省略するが、検出部２３は例えば以下のように特定ガス濃度を検出する。検出部２３は、外側電極２４と内側主ポンプ電極２５との間に印加された電圧に基づいて、内側主ポンプ電極２５周辺の被測定ガス中の酸素の外部（素子室３７）への汲み出し又は汲み入れを行う。また、検出部２３は、外側電極２４と内側補助ポンプ電極２６との間に印加された電圧に基づいて、内側補助ポンプ電極２６周辺の被測定ガス中の酸素の外部（素子室３７）への汲み出し又は汲み入れを行う。これらにより、酸素濃度が所定値に調整された後の被測定ガスが、測定電極２７周辺に到達する。測定電極２７は、ＮＯｘ還元触媒として機能し、到達した被測定ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）を還元する。そして、検出部２３は、還元後の酸素濃度に応じて測定電極２７と基準電極２８との間に発生する起電力又はその起電力に基づく電流を、電気信号として発生させる。このように検出部２３が発生させた電気信号は、被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた値（特定ガス濃度を導出可能な値）を示す信号であり、検出部２３が検出した検出値に相当する。また、この電気信号は、センサ素子２０の基端側の表面に配設された図示しない導通電極を介して外部に出力される。

保護層２９は、センサ素子２０の表面の少なくとも一部を覆う多孔質体である。保護層２９は、センサ素子２０の先端面２０ａ全てと、第１〜第４面２１ａ〜２１ｄのうち素子室３７内に位置する部分のほとんどを覆っている。保護層２９は外側電極２４及び被測定ガス導入口２２ａも覆っているが、保護層２９が多孔質体であるため、被測定ガスは保護層２９の内部を流通して外側電極２４及び被測定ガス導入口２２に到達可能である。保護層２９は、例えば被測定ガス中の水分やオイル成分等からセンサ素子２０を保護する役割を果たす。保護層２９は、例えばアルミナなどのセラミックスの多孔質体からなる。保護層２９は、第１面２１ａを覆う部分（図２におけるセンサ素子２０の左側の部分）の厚さが、第２〜第４面２１ｂ〜２１ｄ及び先端面２０ａを覆う部分の厚さよりも厚くなっている。そのため、保護層２５は、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向側の表面（第１面２１ａ）を覆う厚さが、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向とは反対側の表面（第２面２１ｂ）を覆う厚さよりも厚くなっている。

保護カバー３０は、例えばステンレス鋼などの金属からなり、外部から素子室３７への被測定ガスの流入を許容する円筒状の部材である。保護カバー３０は、センサ素子２０の先端側を覆う有底筒状の内側保護カバー３１と、この内側保護カバー３１を覆う有底筒状の外側保護カバー３２とを備えている。内側保護カバー３１は、内側に素子室３７を有している。素子室３７は、内側保護カバー３１の内周面に囲まれた空間である。素子室３７内には、センサ素子２０の先端面２０ａ及び検出部２３を含む先端側が配置されている。内側保護カバー３１と外側保護カバー３２との間には、両カバーに囲まれた空間であるガス室３８が存在する。

内側保護カバー３１には、側面（外周面）に位置する複数の素子室入口３３と、底面に位置する素子室出口３４とが配設されている。素子室入口３３及び素子室出口３４は、いずれも素子室３７及びガス室３８に開口している。素子室入口３３は、ガス室３８から素子室３７への被測定ガスの流路となる。素子室出口３４は、ガス室３８から素子室３７への被測定ガスの流路となる。素子室入口３３は、センサ素子２０の先端面２０ａ（及び被測定ガス導入口２２ａ）よりも基端面２０ｂに近い位置（先端面２０ａよりも上方）に位置している。また、素子室入口３３は、検出部２３のうちセンサ素子２０の表面に配設された電極である外側電極２４よりも上方に位置している。素子室出口３４は、素子室入口３３よりも下側すなわち保護カバー３０の先端側に位置している。また、素子室出口３４は、センサ素子２０の先端面２０ａよりも下側に位置している。素子室入口３３及び素子室出口３４は、円形の孔とした。内側保護カバー３１の内径は、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍとしてもよい。素子室入口３３と素子室出口３４との上下の距離（内側保護カバー３１の軸方向の距離）は、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍとしてもよい。

外側保護カバー３２には、側面（外周面）に位置する複数の外側入口３５と、底面に位置する外側出口３６とが配設されている。外側入口３５及び外側出口３６は、いずれもガス室３８及び外側保護カバー３２の外部（配管９０内）に開口している。外側入口３５は、外部からガス室３８への被測定ガスの流路となる。外側出口３６は、ガス室３８から外部への被測定ガスの流路となる。外側入口３５は、素子室入口３３よりも下側に位置している。外側出口３６は、素子室出口３４及び外側入口３５よりも下側に位置している。素子室入口３３及び素子室出口３４は、円形の孔とした。外側保護カバー３２の内径は、例えば７ｍｍ〜１５ｍｍとしてもよい。

素子封止体４０は、ハウジング４１と、第１絶縁碍子４５と、封止部材４８と、シール材４９と、を備えている。センサ素子２０は、素子封止体４０の中心軸付近に位置しており、素子封止体４０を上下に貫通している。ハウジング４１は、円筒状の金属部材であり、下端には保護カバー３０の上端が取付けられている。ハウジング４１は、配管９０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材９１内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１０のうちセンサ素子２０の先端側や保護カバー３０が配管９０内に突出した状態で、ガスセンサ１０が配管９０に固定されている。第１絶縁碍子４５は、ハウジング４１の内部に挿入された円柱状の部材である。センサ素子２０は、第１絶縁碍子４５の内部を貫通している。第１絶縁碍子４５は、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニアなどの絶縁性のセラミックスからなる。封止部材４８は、例えばステンレス，ニッケル，又は銅などの金属からなるリング状の部材である。封止部材４８は、ハウジング４１と第１絶縁碍子４５とに上下から押圧されており、ハウジング４１と第１絶縁碍子４５との隙間を気密に封止している。シール材４９は、タルクやアルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末の成型体である。シール材４９は、第１絶縁碍子４５の内周面とセンサ素子２０との間に充填されて、両部材間を気密に封止している。第１絶縁碍子４５及びシール材４９は、傾斜した貫通孔を有しており、この貫通孔内に挿入配置されることで、センサ素子２０は傾斜角度θｔだけ傾斜した状態で固定されている。

組立体５０は、第２絶縁碍子５５と、複数の接触金具６０と、複数の接続端子７１と、複数のリード線７２と、ゴム栓７３と、大気側カバー７４と、外側カバー７５と、皿バネ７７とを備えている。第２絶縁碍子５５は、有底筒状の部材であり、第１絶縁碍子４５と同様に絶縁性のセラミックスからなる。第２絶縁碍子５５は、下面が第１絶縁碍子４５の上面と接触しており、第１絶縁碍子４５と同軸に位置している。接触金具６０は、複数箇所で屈曲した金属板であり、内側に折り曲げられた状態の板バネ部を備えている。接触金具６０は、センサ素子２０の左右に複数本ずつ（例えば２本ずつ、３本ずつなど）配設されており、各々がセンサ素子２０の第１，第２面２１ａ，２１ｂに配設された図示しない導通電極と接触している。この複数の接触金具６０の板バネ部は、自身の弾性力の反力によって第２絶縁碍子５５に支持されると共に、センサ素子２０を左右両側から押圧してセンサ素子２０の導通電極と導通している。複数の接触金具６０の各々の端部は、第２絶縁碍子５５の上側の底部の孔を貫通して引き出され、接続端子７１を介してリード線７２と導通している。リード線７２は、大気側カバー７４及び外側カバー７５の上端を塞ぐゴム栓７３を上下に貫通して外部（配管９０の外部であり、大気中）に引き出されている。大気側カバー７４は、素子封止体４０の外周面のうちセンサ素子２０の基端側（上側）の部分を覆っている。また、大気側カバー７４は、第２絶縁碍子５５及びゴム栓７３を覆っている。外側カバー７５は大気側カバー７４の上側の外周面を覆っている。大気側カバー７４及び外側カバー７５には、それぞれ複数の大気導入孔７６が形成されている。この大気導入孔７６を介して、センサ素子２０の基準ガス導入口２２ｂ内に基準ガス（大気）が導入される。大気側カバー７４及び外側カバー７５は、上端付近に、縮径状に加締められた加締め部を有しており、この加締め部により、ゴム栓７３が固定されている。皿バネ７７は、上下で大気側カバー７４と第２絶縁碍子５５とに挟まれており、第２絶縁碍子５５を下方に押圧することで第２絶縁碍子５５及び第１絶縁碍子４５を固定している。

ここで、センサ素子２０の傾斜角度θｔについて詳細に説明する。傾斜角度θｔは、保護カバー３０の軸方向に対する素子室３７内でのセンサ素子２０の軸方向の傾斜角度である。図２には、センサ素子２０の中心軸である素子軸Ａ１を図示した。素子軸Ａ１は、センサ素子２０の長さ方向に平行な軸であり、この素子軸Ａ１に平行な方向がセンサ素子２０の軸方向となる。また、本実施形態では、センサ素子２０には反りなどは生じておらず、センサ素子２０のうち素子室３７内に位置する部分と素子室３７内に位置しない部分（例えば基端面２０ｂを含む基端側）とでは軸方向は同じとした。そのため、素子室３７内でのセンサ素子２０の軸方向（センサ素子２０のうち素子室３７内に位置する部分の軸方向）は、センサ素子２０全体の軸方向と同じで素子軸Ａ１に平行な方向となる。また、本実施形態では、ガスセンサ１０の中心軸と、保護カバー３０（内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２）の中心軸とは一致しており、図２にカバー軸Ａ２として示した。カバー軸Ａ２は、図２の上下方向と平行であり、この上下方向が保護カバー３０の軸方向である。そして、センサ素子２０の軸方向（素子軸Ａ１に平行な方向）は、保護カバー３０の軸方向（カバー軸Ａ２に平行な方向）に対して傾斜角度θｔだけ傾斜している。傾斜角度θｔは、１°以上である。傾斜角度θｔは２０°以下としてもよい。また、センサ素子２０は、センサ素子２０の厚さ方向に傾斜している。すなわち、図２の二点鎖線枠内に示すように、センサ素子２０は、素子軸Ａ１とカバー軸Ａ２とが平行な状態（破線で示したセンサ素子２０の状態）から、厚さ方向（先端面２０ａ，第３面２１ｃ，及び第４面２１ｄに平行な方向）にセンサ素子２０を回転させた状態になっている。なお、本実施形態では、センサ素子２０は、厚さ方向のうち、センサ素子２０の先端側が第２面２１ｂから第１面２１ａに向かう方向に傾斜した状態になっている。ただし、センサ素子２０は、厚さ方向のうち、センサ素子２０の先端側が第１面２１ａから第２面２１ｂに向かう方向に傾斜した状態としてもよい。なお、素子軸Ａ１とカバー軸Ａ２とが交差している必要はない。素子軸Ａ１とカバー軸Ａ２とが交差していなくとも、保護カバー３０の軸方向（＝カバー軸Ａ２に平行な方向）と素子室３７内でのセンサ素子２０の軸方向（素子軸Ａ１に平行な方向）とが傾斜していれば、傾斜角度θｔは定まる。

次に、こうして構成されたガスセンサ１０の使用例を以下に説明する。ガスセンサ１０が図１，図２のように配管９０に取り付けられた状態で、配管９０内を被測定ガスが流れると、被測定ガスは保護カバー３０内を流通する。具体的には、配管９０内の被測定ガスは、外側入口３５からガス室３８に流入し、ガス室３８から素子室入口３３を経て素子室３７に流入する。そして、被測定ガスは素子室３７内を素子室入口３３から素子室出口３４に向かって流れ、素子室出口３４から外側出口３６を経て外部（配管９０内）に流出する。なお、本実施形態では、保護カバー３０はいわゆるアスピレータ式（差圧吸引式ともいう）として構成されている。すなわち、保護カバー３０は、配管９０の内周面付近よりも配管９０の中心軸付近の方が静圧力が低くなる現象を利用して、配管９０の内周面に近い外側入口３５から被測定ガスが流入し、配管９０の中心軸に近い外側出口３６から被測定ガスが流出するようになっている。そして、被測定ガスが、素子室３７内を流通する際に検出部２３に到達、より具体的には外側電極２４に到達及び被測定ガス導入口２２ａからセンサ素子２０内に到達すると、上述したようにこの被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電気信号を検出部２３が発生させる。この電気信号を接触金具６０，接続端子７１，及びリード線７２を介して取り出すことで、電気信号に基づき特定ガス濃度が検出される。

ここで、従来のガスセンサのようにセンサ素子の中心軸が保護カバーの中心軸と一致している場合（傾斜角度θｔが０°である場合）には、素子室内の被測定ガスの流れが層流になりやすい。被測定ガスの流れが層流であるほど、センサ素子の周囲を流れる被測定ガスが素子先端部の検出部に到達するのに時間を要する。そして、検出部に被測定ガスが到達しにくいことで、例えば被測定ガス中の特定ガス濃度が変化してもセンサ素子が発生させる電気信号の変化には時間がかかるなど、特定ガス濃度の検出の応答性が低下しやすい。しかし、本実施形態のガスセンサ１０では、傾斜角度θｔが１°以上であることで、素子室３７内のセンサ素子２０が被測定ガスの流れ（本実施形態では素子室入口３３から素子室出口３４へ向かう下向きの流れ）を乱すことができる。これにより、素子室３７の被測定ガスは層流になりにくい（乱流になりやすい）。したがって、センサ素子２０の周囲を流れる被測定ガスが素子先端部の検出部２３に到達しやすくなり、ガスセンサ１０の特定ガス濃度の検出の応答性が向上する。

なお、傾斜角度θｔは３°以上であることが好ましい。こうすれば、被測定ガスが層流になるのをセンサ素子２０の傾斜によってより抑制でき、ガスセンサ１０の応答性がより向上する。傾斜角度θｔは５°以上がより好ましく、９°以上がさらに好ましい。また、傾斜角度θｔは１５°以下であることが好ましい。こうすれば、センサ素子２０が傾斜することによる素子室３７内の圧損の増大が抑制される。そのため、圧損により被測定ガスの流速が遅くなることを抑制でき、ガスセンサ１０の応答性の低下を抑制できる。傾斜角度θｔは１３°以下がより好ましく、１１°以下がさらに好ましい。また、センサ素子２０の素子室３７内での傾斜方向は、被測定ガスの流れ方向（図２における左から右に向かう方向）に対向する方向であることが好ましく、本実施形態ではそのような向きになっている。センサ素子２０の素子室３７内での傾斜方向は、素子室入口３３（複数存在する場合には素子室入口３３のいずれか）に向かう方向であることが好ましく、本実施形態では、そのような向きになっている。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１０によれば、傾斜角度θｔが１°以上であることで、センサ素子２０の検出部２３に被測定ガスが到達しやすくなり、ガスセンサ１０の特定ガス濃度の検出の応答性が向上する。また、傾斜角度θｔが３°以上であることで、ガスセンサ１０の応答性がより向上する。さらに、傾斜角度θｔが１５°以下であることで、圧損の増大によるガスセンサ１０の応答性の低下を抑制できる。なお、一般に、被測定ガスが低流速、低流量、低圧力の少なくともいずれかの場合には、特に検出部２３に被測定ガスが到達しにくい。そのため、このような場合には特に傾斜角度θを１°以上として素子室３７内の層流を抑制する意義が高い。

また、ガスセンサ１０は、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向側の表面（第１面２１ａ）を覆う厚さが、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向とは反対側の表面（第２面２１ｂ）を覆う厚さよりも厚い保護層２９を備えている。これにより、保護層２９の厚さの偏りによって、素子室３７内での被測定ガスの流れが乱されてより層流になりにくくなるため、ガスセンサ１０の応答性がより向上する。

さらに、ガスセンサ１０において、保護カバー３０は、素子室３７に開口し被測定ガスの流路となる素子室入口３３と、素子室３７に開口し被測定ガスの流路となり素子室入口３３よりも保護カバー３０の先端側に位置する素子室出口３４と、を有している。ここで、一般に、素子室入口と素子室出口とがこのような位置関係にある場合、被測定ガスの流れが保護カバーの軸方向に沿った層流になりやすく、ガスセンサの応答性が低下しやすい。そのため、このような形状の保護カバー３０において傾斜角度θを１°以上として素子室３７内の層流を抑制する意義が高い。

さらにまた、ガスセンサ１０において、センサ素子２０は、板状体形状であり、素子室３７内に位置する部分が保護カバー３０の軸方向に対してセンサ素子２０の厚さ方向に傾斜している。そのため、例えばセンサ素子２０が厚さ方向に垂直な方向（幅方向）に傾斜している場合と比べて、センサ素子２０のうち保護カバー３０の軸方向に交差する面の面積が大きくなる。詳述すると、例えばセンサ素子２０が幅方向に傾斜している場合は、第３面２１ｃ又は第４面２１ｄが保護カバー３０の軸方向に交差するが、センサ素子２０が厚さ方向に傾斜している場合は、第３，第４面２１ｃ，２１ｄよりも面積の大きい第１面２１ａ又は第２面２１ｂ（本実施形態では第１面２１ａ）が保護カバー３０の軸方向に交差する。そのため、素子室３７内での被測定ガスの流れが乱されてより層流になりにくくなり、ガスセンサ１０の応答性がより向上する。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、センサ素子２０は厚さ方向に傾斜していたが、これに限らず厚さ方向に垂直な方向（幅方向）に傾斜していてもよい。また、厚さ方向と幅方向との両方に傾斜していてもよい。

上述した実施形態では、ガスセンサ１０の中心軸と、保護カバー３０（内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２）の中心軸とは一致していたが、これに限られない。傾斜角度θｔは、センサ素子２０の中心軸（素子軸Ａ１）の方向と保護カバー３０の中心軸（カバー軸Ａ２）の方向とに基づいて定まる。例えば、ガスセンサ１０の中心軸と保護カバー３０の中心軸とが一致していなかったり平行でなかったりしてもよい。また、ガスセンサ１０の中心軸とセンサ素子２０の中心軸とが平行（一致も含む）であってもよく、この場合もセンサ素子２０の軸方向と保護カバー３０の軸方向とが傾斜していればよい。また、上述した実施形態では、内側保護カバー３１と外側保護カバー３２との中心軸は一致していたが、これに限られない。なお、内側保護カバー３１と外側保護カバー３２との軸方向が異なる場合には、内側保護カバー３１の軸方向（言い換えると素子室３７の軸方向）を「保護カバーの軸方向」とする。

上述した実施形態では、センサ素子２０には反りなどは生じておらず、センサ素子２０のうち素子室３７内に位置する部分と素子室３７内に位置しない部分とでは軸方向は同じとしたが、これに限られない。あくまでセンサ素子２０のうち素子室３７内に位置する部分の軸方向に基づいて定まる傾斜角度θｔが、１°以上であればよい。なお、センサ素子２０の素子室３７内の部分に反りが生じている場合など、センサ素子２０のうち素子室３７内に位置する部分の軸線が直線でない場合には、その軸線の両端を結んだ直線に平行な方向を、「センサ素子の素子室内での軸方向」とする。図４は、センサ素子２０に反りがある場合における、センサ素子２０の素子室３７内での軸方向の説明図である。図４では、センサ素子２０のうち素子室３７内の部分の軸線Ａ３（二点鎖線）の両端である点Ｐ１，Ｐ２を結んだ直線（破線）を素子軸Ａ１とし、この素子軸Ａ１に平行な方向を素子室３７内でのセンサ素子２０の軸方向とする。この素子軸Ａ１に平行な方向とカバー軸Ａ２に平行な方向とのなす角が、傾斜角度θｔとなる。

上述した実施形態では、第１絶縁碍子４５及びシール材４９が傾斜した貫通孔を有しており、この貫通孔内に挿入配置されることで、センサ素子２０が傾斜角度θｔだけ傾斜した状態で固定されていたが、これに限られない。ガスセンサ１０では、傾斜角度θｔが１°以上となる状態でセンサ素子２０が固定されていればよい。例えば、センサ素子２０は反りが生じた状態で作製されており、第１絶縁碍子４５及びシール材４９この反りに合うような形状の貫通孔を有していてもよい。また、センサ素子２０単体では反りが生じておらず、第１絶縁碍子４５及びシール材４９の貫通孔の形状によってセンサ素子２０を押圧することで、センサ素子２０に反り（あるいは曲げ）を生じさせて傾斜角度θｔが１°以上になるように調整されていてもよい。

保護カバー３０の形状は、上述した実施形態に限られない。例えば、内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２の少なくとも一方が、基端側に位置する大径部と先端側に位置する小径部とを軸方向に接続した段差のある形状であってもよい。また、素子室入口３３，素子室出口３４，外側入口３５，外側出口３６の配置や数も、上述した実施形態に限られない。さらに、素子室入口３３，素子室出口３４，外側入口３５，外側出口３６は、円形の孔としたが、これに限らず楕円形の孔としてもよいし、四角形などの多角形の孔としてもよいし、孔に限らずスリット状の隙間としてもよい。また、保護カバー３０はいわゆるアスピレータ式（差圧吸引式ともいう）として構成されていたが、特にこれに限られない。すなわち、保護カバー３０への被測定ガスの流出入が、配管９０の内周面付近と中心軸付近との差圧を利用していなくてもよい。また、保護カバー３０は内側保護カバー３１と外側保護カバー３２とを備える２重構造のカバーとしたが、これに限らず３重以上の構造のカバーとしてもよい。保護カバー３０が内側保護カバー３１と外側保護カバー３２との一方を備えるなど、保護カバー３０が１重構造のカバーであってもよい。また、保護カバー３０（内側保護カバー３１及び外側保護カバー３２）は円筒状としたが、筒状であればよい。

上述した実施形態では、保護層２９は、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向側の表面を覆う厚さが、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向とは反対側の表面を覆う厚さよりも厚かったが、特にこれに限られない。いずれの面を覆う保護層２９の厚さも同じとしてもよい。また、保護層２９は先端面２０ａ及び第１〜第４面２１ａ〜２１ｄを覆っていたが、これらの５面のうち少なくとも１面を覆っていなくてもよい。また、ガスセンサ１０は保護層２９を備えなくてもよい。なお、「センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向側の表面を覆う厚さが、センサ素子２０のうち素子室３７内での傾斜方向とは反対側の表面を覆う厚さよりも厚い」は、少なくとも保護層２９が傾斜方向側の表面を覆っていればよく、保護層２９が傾斜方向とは反対側の表面を全く覆っていない場合も含む。

上述した実施形態では、被測定ガス導入口２２ａはセンサ素子２０の先端面２０ａに配設されていたが、被測定ガス導入口２２ａは素子室３７内に位置すればよく、被測定ガス導入口２２ａがセンサ素子２０の他の面に配設されていてもよい。例えば、被測定ガス導入口２２ａが第１面２１ａに配設されていてもよい。この場合も、傾斜角度θｔを１°以上とすることで、ガスセンサ１０の応答性が向上する効果が得られる。なお、被測定ガス導入口２２ａが第１面２１ａに配設されている場合、内側保護カバー３１の素子室入口３３は被測定ガス導入口２２ａよりも上方（センサ素子２０の基端面２０ｂ側）に位置していてもよい。

検出部２３の構成は、上述した実施形態に限られない。検出部２３が備える電極の数や配置が上述した実施形態と異なっていてもよい。例えば、検出部２３が内側補助ポンプ電極２６を備えなくてもよい。また、上述した実施形態では、被測定ガス導入口２２ａからつながるセンサ素子２０の内部に検出部２３の一部（内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６及び測定電極２７）が配設されていたが、これに限られない。例えば、センサ素子２０が被測定ガス導入口２２ａを備えていなくてもよい。この場合、例えば検出部２３が少なくとも測定電極２７及び基準電極２８を備えるものとし、測定電極２７がセンサ素子２０の表面（例えば第１面２１ａ）に配設されていてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子２０は長尺な板状体形状としたが、長尺であればよい。例えば、センサ素子２０が円柱状であってもよい。

以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例２〜１０が本発明の実施例に相当し、実験例１が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実験例１〜１０］
傾斜角度θｔを表１に示すように種々変更した点，及び保護層２９を備えない点以外は、図２，３に示したガスセンサ１０と同様の構成のガスセンサを作製し、実験例１〜１０とした。なお、内側保護カバー３１の内径は８ｍｍとした。素子室入口３３は直径が２ｍｍの円形とし、内側保護カバー３１の外周面に均等に６個形成した。素子室出口３４は直径が２ｍｍの円形とした。外側保護カバー３２の内径は１２ｍｍとした。外側入口３５は直径が３ｍｍの円形とし、外側保護カバー３２の外周面に均等に６個形成した。外側出口３６は直径３ｍｍの円形とした。実験例２〜１０のセンサ素子２０の傾斜の方向は、図２と同じく、センサ素子２０の先端側が第２面２１ｂから第１面２１ａに向かう方向とした。

［応答性の試験］
実験例１〜１０のガスセンサについて、センサ素子２０の特定ガス濃度の検出の応答性を評価した。具体的には、以下のように評価を行った。まず、実験例１のガスセンサを図１と同様に配管に取り付けた。配管の直径は５０ｍｍとした。保護カバー３０のうち配管内に突出する部分の長さ（図２の上下方向の長さ）は２８ｍｍであった。そして、配管内に空気を流速５ｍ／ｓｅｃで流し、十分な時間放置した。その後、配管内に流れるガスを空気から被測定ガスに切り替えた。被測定ガスは５００ｐｐｍのＮＯを含む窒素とし、流速５ｍ／ｓｅｃで流した。なお、実験例１における空気及び被測定ガスの流れの向きは、図２における左から右方向とした。この場合におけるセンサ素子２０の出力（検出部２３が発生させる電気信号）の時間変化を調べた。配管内に空気を流している状態の出力を０％とし、配管内に被測定ガスを流したときのセンサ素子２０の出力の最大値を１００％として、出力が１０％を超えたときから９０％を超えるまでの経過時間を測定し、特定ガス濃度の検出の応答時間（ｍｓｅｃ）とした。この応答時間が短いほど、ガスセンサの特定ガス濃度の検出の応答性が高いことを意味する。実験例２〜１０についても、同様に応答時間を測定した。実験例１〜１０の傾斜角度θｔ，及び上記の試験で測定した応答時間を表１にまとめて示す。

表１に示すように、傾斜角度θｔが０°である実験例１と比べて、傾斜角度θｔが１°である実験例２は、応答時間が短かった。また、傾斜角度θｔが１°から大きくなるほど応答時間が短くなる傾向が見られ、３°以上が好ましく、５°以上がより好ましく、９°以上がさらに好ましい結果が得られた。また、傾斜角度θｔが大きすぎると応答時間が増大する傾向が見られ、応答時間の増大の抑制のためには１５°以下が好ましく、１３°以下がより好ましく、１１°以下がさらに好ましいことが確認できた。また、傾斜角度θｔが７°超過１３°未満の範囲における応答時間が最も短かった。

１０ガスセンサ、２０センサ素子、２０ａ先端面、２０ｂ基端面、２１ａ〜２１ｄ第１面〜第４面、２２ａ被測定ガス導入口、２２ｂ基準ガス導入口、２３検出部、２４外側電極、２５内側主ポンプ電極、２６内側補助ポンプ電極、２７測定電極、２８基準電極、２９保護層、３０保護カバー、３１内側保護カバー、３２外側保護カバー、３３素子室入口、３４素子室出口、３５外側入口、３６外側出口、３７素子室、３８ガス室、４０素子封止体、４１ハウジング、４５第１絶縁碍子、４８封止部材、４９シール材、５０組立体、５５第２絶縁碍子、６０接触金具、７１接続端子、７２リード線、７３ゴム栓、７４大気側カバー、７５外側カバー、７６大気導入孔、７７皿バネ、９０配管、９１固定用部材、Ａ１素子軸、Ａ２カバー軸。

Claims

内側に素子室を有し、外部から前記素子室への被測定ガスの流入を許容する筒状の保護カバーと、
前記素子室内に位置し前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部を有する長尺なセンサ素子であって、前記保護カバーの軸方向に対する前記素子室内での該センサ素子の軸方向の傾斜角度θｔが１°以上であるセンサ素子と、
を備えたガスセンサ。
前記センサ素子の前記傾斜角度θｔが３°以上である、
請求項１に記載のガスセンサ。
前記センサ素子の前記傾斜角度θｔが１５°以下である、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記センサ素子のうち前記素子室内での傾斜方向側の表面を覆う厚さが、該センサ素子のうち前記素子室内での傾斜方向とは反対側の表面を覆う厚さよりも厚い保護層、
を備えたガスセンサ。
前記保護カバーは、前記素子室に開口し前記被測定ガスの流路となる素子室入口と、前記素子室に開口し前記被測定ガスの流路となり前記素子室入口よりも前記保護カバーの先端側に位置する素子室出口と、を有する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記センサ素子は、板状体形状であり、前記素子室内に位置する部分が前記保護カバーの軸方向に対して該センサ素子の厚さ方向に傾斜している、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。