JP4131242B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の排気管に設置して燃焼制御等に利用するガスセンサに関する。

自動車エンジンの排気管に取付け、エンジン燃焼制御や排気ガス浄化触媒劣化検知に利用するガスセンサとして、酸素センサ、空燃比センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等が知られている。
図２４に示すごとく、上記ガスセンサ９は、筒型のハウジング３０と、該ハウジング３０内に挿通固定したガスセンサ素子３５と、該ガスセンサ素子３５の先端側を覆うと共に上記ハウジング３０に固定した筒型の被測定ガス側カバー９とを有し、上記被測定ガス側カバー９の側面には、排気ガスを被測定ガス側カバー９の内部に導入または排出するための側面穴９１０、９２０が多数設けてある。

そして、ガスセンサ素子３５を被水による素子割れから保護するために、上記被測定ガス側カバー９はインナーとアウターの二つのカバー部材９２、９１から構成し、アウターカバー部材９１の側面９１１に設けた側面穴９１０は、必ずインナーカバー部材９２の側面９２１と対面し、アウターカバー部材９１における側面穴９１０とインナーカバー部材９２に設けた側面穴９２０の位置が重ならないように構成する。
これにより、アウターカバー部材９１の側面穴９１０から水滴が進入した場合、水滴はインナーカバー部材９２の側面９２１に当たって止まり、そのまま落下してアウターカバー部材９１の底面９３に設けた底穴９３０よりガスセンサ外部に排出される。

特開平９−２１０９５４号公報

しかしながら、従来構成はアウターカバー部材９１の側面穴９１０がインナーカバー部材９２の側面によって塞がれるため、アウターカバー部材９１の側面穴９１０から入った排気ガスがインナーカバー部材９２の側面９２１に設けた側面穴９２０に入り難く、ガスセンサの応答性が低くなりがちであった。

すなわち、図２４に示すごとく、アウターカバー部材９１の側面穴９１０から入った排気ガスは矢線Ｇに示すごとく、インナーカバー部材９２の側面９２１に当たりながら、複雑な流路をたどって基端側に上昇し、長い時間をかけてインナーカバー部材９２の側面９２１に設けた側面穴９２０からインナーカバー部材９２の内部に入り込んでガスセンサ素子３５に達していた。
また、排気ガスの一部は矢線Ｇに示すごとく、インナーとアウターのカバー部材９２、９１の底面９４と９３との間を通過して、入った側面穴９１０とは別の側面穴９１０から抜けていく。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ガスセンサ素子の被水割れが生じ難く、かつ応答性に優れたガスセンサを提供しようとするものである。

本発明は、筒型のハウジングと、該ハウジング内に挿通固定するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の先端側を覆って上記ハウジングの先端側に固定した筒型の被測定ガス側カバーとを有するガスセンサにおいて、
上記被測定ガス側カバーは、第１カバー部材と該第１カバー部材の外方を覆う第２カバー部材とを有し、上記第１カバー部材の側面及び上記第２カバー部材の側面は、被測定ガスを上記被測定ガス側カバーの内部に導入または排出する複数の側面穴を有し、
上記第２カバー部材の側面にある複数の側面穴の少なくとも１つは上記第１カバー部材の側面に対し部分的に対向した部分開放穴であって、
上記部分開放穴の軸方向における先端位置及び基端位置の間に上記第１カバー部材の先端位置が存在し、
上記第１カバー部材の側面穴は、上記第２カバー部材のすべての側面穴よりも基端側に位置することを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本発明にかかる被測定ガス側カバーは、少なくとも第１カバー部材と該第１カバー部材の外方を覆う第２カバー部材とを有する多重構造で、より外側に位置する第２カバー部材側面にある少なくとも１つの側面穴は、上記第１カバー部材の側面に対し部分的に対向した部分開放穴であり、後述する図２に示すごとく、部分開放穴の先端位置と基端位置との間に第１カバー部材の先端位置がある。
そのため、部分開放穴の基端付近は第１カバー部材によって遮られ、部分開放穴の先端付近は第１カバー部材によって遮られない。
すなわち、部分開放穴は先端側が第１カバー部材と第２カバー部材との先端位置間に形成されるクリアランスに対し開放されている。

このような被測定ガス側カバーにおいて、上記第２カバー部材の部分開放穴から被測定ガスと共に水滴が侵入した場合、後述する図９に示すごとく、被測定ガスの流れは第１カバー部材と第２カバー部材等との間で基端側に上昇して、第１カバー部材の側面に設けた側面穴等から第１カバー部材の内部等に入り込んでガスセンサ素子の近傍に到達する。
水滴は慣性により上昇することなく、そのまま別の側面穴等から第２カバー部材の外へ放出される。
そして、本例にかかる被測定ガス側カバーでは、部分開放穴の先端側が開放されているため、被測定ガスは第１カバー部材と第２カバー部材の先端位置間を速やかに通過することができ、かつ流れが阻害され難い。よって、被測定側ガスカバー内のガス交換が充分早くなって、応答性に優れたガスセンサを得ることができる。

以上、本発明によれば、ガスセンサ素子の被水割れが生じ難く、かつ応答性に優れたガスセンサを提供することができる。

本発明は、被測定ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度などを測定する各種のガスセンサに用いることができる。また、自動車エンジン等の内燃機関の排気管に設置して、燃焼制御に利用する空燃比センサとして用いることができる。
また、ガスセンサ素子として積層型またはコップ型のいずれを採用したガスセンサについても本発明を適用することができる。
本発明にかかる被測定ガス側カバーは、後述する実施例に示すように二重や三重構造を備える。それ以上の数のカバー部材を重ねて構成することもある。
上記側面穴（部分開放穴も含める）の形状は、真円、楕円、長穴等、特に限定はしない。また、上記側面穴の構造としては、貫通穴、ルーバー形状等がある。

本発明において、ガスセンサにおける先端、基端とは、軸方向に沿った一方の端部を先端、他方を基端とし、先端側は被測定ガス雰囲気に、基端側は大気雰囲気にさらして使用する。ガスセンサ軸方向とは、略円筒型状のガスセンサにおける中心軸と平行な方向で、径方向とは上記軸方向と直交する方向である。

本発明にかかる第１カバー部材、第２カバー部材は共に有底円筒型（実施例１等）で先端側に底面や底穴を備えた形のものや、他の実施例における図１６、図２０のように、底面のない開放された先端を備えた形状のものがある。
また、第１カバー部材や第２カバー部材が、多層構成の被測定ガス側カバーにおける最も内側や外側のカバー部材になることもあれば（実施例１参照）、図１９、図２０のように、他のカバー部材が内側にあったり、外側にあったりする構成もある。
また、実施例１のように、部分開放穴が軸方向の最先端の側面穴となることもあれば、別の側面穴を更に先端側に設けた構成を採ることもある。

また、上記第１カバー部材の側面は被測定ガスを上記被測定ガス側カバーの内部に導入または排出する複数の側面穴を有することがある（請求項２）。
すなわち、実施例１にかかるガスセンサのように、第１カバー部材の側面に側面穴を有する場合がある。
また、図２０のように第１カバー部材の側面に側面穴のない場合もある。
ない場合の第１カバー部材は図２０のように底がなくて、先端が開放された構成であり、開放された底から被測定ガスが入る。

また、上記部分開放穴の先端位置と、上記第１カバー部材の先端位置との間の距離Ｌ１は、上記部分開放穴のガスセンサ軸方向に沿った長径をＲとすると、Ｌ１≦０．９５Ｒであることが好ましい（請求項３）。
これにより本発明にかかる効果をより確実に得ることができる。
Ｌ１が０．９５Ｒより大となると、第１カバー部材の側面が部分開放穴に対面する部分の面積が少なくなり、部分開放穴から導入された被測定ガスが基端側に向かって上昇することなく別の部分開放穴や側面穴から排出されてしまうおそれがある。

また、上記第１カバー部材の先端位置と上記第２カバー部材の先端位置との距離Ｌ２は、０．５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍであることが好ましい（請求項４）。
これにより、第１と第２とのカバー間を被測定ガスが通りやすくなり、ガスセンサの応答性を高めることができる。
Ｌ２が０．５ｍｍ未満及び１０ｍｍを越えて開いた場合は、第１カバー部材の基端側に上昇して、第１カバー部材の側面に設けた側面穴などから第１カバー部材の内部等に入り込んでガスセンサ素子の近傍に到達する流れが発生し難くなるおそれがある。

また、上記第２カバー部材の側面は、ガスセンサ軸方向において同一位置にある上記部分開放穴を奇数個有することが好ましい（請求項５）。
この場合、部分開放穴が相互に対抗する位置（つまり１８０度の位置に他の部分開放穴がない）をとらないため（図６参照）、被測定ガスがある部分開放穴から入って、そのまま他の部分開放穴から抜けてしまうことを防止して、第１カバー部材の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。

また、上記第１カバー部材の先端位置における外径をＤ１、上記第１カバー部材の最先端にある側面穴の先端位置における外径をＤ２とした場合、Ｄ１＜Ｄ２であることが好ましい（請求項６）。
この場合、被測定ガスは第１カバー部材の側面をつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなり、第１カバー部材の内部に被測定ガスを入りやすくすることができる。

また、上記第１カバー部材において、最先端にある側面穴の先端位置と上記第１カバー部材の先端位置との間は先端に向かうに従って除々に径細となるテーパー部であることが好ましい（請求項７）。
この場合、被測定ガスが第１カバー部材におけるテーパー部をつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなる。よって、第１カバー部材の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。

また、上記第１カバー部材の最先端にある側面穴の先端位置と上記第１カバー部材の先端位置との間は、先端に向かうに従って除々に径細となるテーパー部と、該テーパー部より先端に位置する径が略均一のストレート部とよりなることが好ましい（請求項８）。
この場合、被測定ガスが第１カバー部材におけるストレート部とテーパー部とをつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなる。よって、第１カバー部材の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。

また、上記第１カバー部材及び上記第２カバー部材は基端において両者が当接する当接部分を有し、上記第１カバー部材の最基端にある側面穴の基端位置と上記第１カバー部材及び上記第２カバー部材の当接部分における先端位置との間の距離Ｌ３は５ｍｍ以下であることが好ましい（請求項９）。
この場合、第１カバー部材の側面に設けた穴等から第１カバー部材の内部等に入り込んでガスセンサ素子の近傍に到達する流れが円滑に行われる。
仮に５ｍｍを越えた場合は第１カバー部材の側面に設けた側面穴等から第１カバー部材の内部等に入り込んでガスセンサ素子の近傍に到達する流れが円滑に行われ難くなるおそれがある。また、Ｌ３の距離が０ｍｍ以上、すなわち当接部分のすぐ先端側に側面穴が位置する構成でもよい。

また、上記ガスセンサ素子は少なくとも１つの固体電解質体と該固体電解質体に形成した一対の電極からなる電気化学的セルを有し、最基端にある電極の基端位置と上記第１及び第２カバー部材の最基端にある側面穴の先端位置とを比較した場合、上記側面穴の先端位置のほうがより先端にあることが好ましい（請求項１０）。
ガスセンサ素子においてガス濃度を検出する部分は電気化学的セルで、特に電気化学的セルにおける電極の位置に被測定ガスが当たることが最も好ましい。
本請求項にかかる構成とすることで、被測定ガスを直接電極にあてて、よりガスセンサの応答性を高めることができる。

（実施例１）
本例にかかるガスセンサについて、図１〜図６を用いて説明する。
本例のガスセンサ３は、図１に示すごとく、筒型のハウジング３０と、該ハウジング３０内に挿通固定するガスセンサ素子３５と、該ガスセンサ素子３５の先端側を覆って上記ハウジング３５の先端側に固定した筒型の被測定ガス側カバー３１とを有する。

図２に示すごとく、上記被測定ガス側カバー３１は、第１カバー部材１と該第１カバー部材１の外方を覆う第２カバー部材２とを有し、また上記第１カバー部材１及び上記第２カバー部材２の側面１１、２１は被測定ガスを上記被測定ガス側カバー３１の内部に導入または排出する複数の側面穴２０、１３、１４を有する。
上記第２カバー部材２の側面２１にある６個の側面穴２０は上記第１カバー部材１の側面１１に対し部分的に対向した部分開放穴２０であって、上記部分開放穴２０の軸方向における先端位置２０１及び基端位置２０２との間に上記第１カバー部材１の先端位置１２１が存在する

以下、詳細に説明する。
まず、ガスセンサ３の全体構成について図１から説明する。
本例のガスセンサ３は、筒型のハウジング３０と、該ハウジング３０の先端側に固定した被測定側ガス側カバー３１と、基端側に固定した大気側カバー３２とを有し、上記ハウジング３０内にガスセンサ素子３５が気密的に封止固定され、ガスセンサ素子３５の基端は大気側カバー３２の内部に、先端は被測定ガス側カバー３１の内部に露出する。

また、上記ガスセンサ３において、ガスセンサ素子３５の基端側に該ガスセンサ素子３５の出力取り出し用の端子３５１や上記ガスセンサ素子３５を活性温度に加熱するために設けたセラミックヒータ３５５への電力供給用の端子３５６等が引き出され、該端子３５１、３５６等は大気側絶縁碍子３２１の内部で接続部材３５２を介してガスセンサ３の外部より引き込まれたリード線３５３に電気的に接続される。
また、大気側カバー３２の基端は弾性絶縁部材３２２で封止してなり、該弾性絶縁部材３２２に設けた貫通穴（図示略）を介して上記リード線３５３は引き込まれている。

上記ガスセンサ素子３５は、図２に示すごとく、有底円筒型の固体電解質体３５９と該固体電解質体３５９の内部に設けた大気室３５８と該大気室３５８の内側面、固体電解質体３５９の外側面にそれぞれ設けた一対の電極３５６、３５７よりなる電気化学的セルを備えたコップ型の素子である。
そして、図３に示すごとく、電極３５６、３５７の基端位置で、より最基端にある方（本例では両電極３５６、３５７が同位置にあるため、いずれの基端位置を採用してもよい。図面には基端位置３５７１を記載した。）と第１及び第２カバー部材１、２の中で最基端にある側面穴（本例では側面穴１４が該当する）の先端位置とを比較した場合、側面穴１４の先端位置１４１のほうがよりガスセンサ３の軸方向の先端にある。

上記被測定ガス側カバー３１について説明する。
図２に示すごとく、本例の被測定ガス側カバー３１は、第１カバー部材１と第２カバー部材２とからなる二重構造カバーである。第１カバー部材１及び第２カバー部材２は基端において両者が当接する当接部分１１９、２９０をそれぞれ有する。
上記第１及び第２のカバー部材１、２における基端は、径方向外側に曲折したフランジ部１９、２９よりなる。このフランジ部１９、２９をハウジング３０の先端側底面３００に設けた環状溝３０１にはめ込んでかしめ固定することで、第１及び第２カバー部材１、２のハウジング固定が実現される。

外側に位置する第２カバー部材２はハウジング３０に固定された基端から先端まで径が均一なストレート形状の有底筒型部材よりなる。第２カバー部材２において、第１カバー部材１と当接するのは当接部分２９０である。第２カバー部材２の側面２１における軸方向の略同一位置に６個の円形の部分開放穴２０がある。そして、第２カバー部材２の底面２２には底穴２２０が１個ある。
図４に示すごとく、被測定ガス側カバー３１を外側から眺めると、円形の部分開放穴２０から第１カバー部材１１の先端位置１２１が見える。

内側に位置する第１カバー部材１は、径の大きさが変化する有底筒型部材よりなる。図２に示すごとく、基端側から順に当接部分１１９、基端側テーパー部１１８、側面穴形成部１１７、テーパー部１１６、ストレート部１１５である。
当接部分１１９、側面穴形成部１１７、ストレート部１１５はいずれも径が均一なストレート形状を有する。基端側テーパー部１１８及びテーパー部１１６はいずれも先端に向かうにつれて径が細くなる。
なお、第１カバー部材１の最先端にある側面穴１３の先端位置１３１と第１カバー部材１の先端位置１２１との間に、上記テーパー部１１６とストレート部１１５とが存在する。
そして、第１カバー部材１の底面１２には底穴１２０が３個ある。
側面穴形成部１１７の側面には、軸方向の略同一位置に８個の円形の側面穴１３、１４が２組、合計１６個ある。

本例にかかる第１カバー部材１、第２カバー部材２の各部寸法を、図３（ａ）、（ｂ）に記載する。
ａ１１（第２カバー部材２の軸方向に沿った長さ）＝２３ｍｍ
ａ１２（部分開放穴２０の軸方向中心と第２カバー部材２の先端位置２２１との距離）＝３．５ｍｍ
ａ１３（第２カバー部材２の底面２２の外径）＝１２ｍｍ
ａ１４（第１カバー部材１の底面１２の外径）＝７ｍｍ
ａ１５（第２カバー部材２の底穴２２０の直径）＝１．２ｍｍ
ａ１６（第１カバー部材１の３つの底穴１２０は円周１２５上に等間隔に配置されており、その円周１２５の径、図３（ｂ）参照）＝３ｍｍ
ａ１７（第１カバー部材１の当接部分１１９における外径）＝１１ｍｍ
ａ１８（第１カバー部材１の側面穴形成部１１７における外径）＝９ｍｍ
ａ１９（第１カバー部材１の側面穴形成部１１７の先端位置と底面１２の先端位置１２１との距離）＝６ｍｍ
ａ２０（第１カバー部材１の側面穴形成部１１７における側面穴の中心位置と底面１２の先端位置１２１との距離）＝８ｍｍ
ａ２１（第１カバー部材１における軸方向に位置が異なる二つの側面穴１３と１４との間の中心距離）＝３ｍｍ
ａ２２（当接部分１１９または２９０の軸方向距離）＝７ｍｍ
ａ２３（第１カバー部材１の軸方向に沿った長さ）＝２１ｍｍ
ａ２４（テーパー部１１８の開き角）＝９０°
ａ２５（テーパー部１１６の開き角）＝４０°

そして、図３、図４に示すごとく、この部分開放穴２０の先端位置２０１と、第１カバー部材１の先端位置１２１との間の距離Ｌ１は、部分開放穴２０のガスセンサ軸方向に沿った長径をＲとすると、Ｌ１＝０．５ｍｍ、Ｒ＝６ｍｍで、Ｌ１≦０．９５Ｒが成立する。
さらに、第１カバー部材１の先端位置１２１と第２カバー部材の先端位置２２２との距離Ｌ２は２ｍｍ、第１カバー部材１の最基端にある側面穴１４の基端位置１４２と第１カバー部材１及び第２カバー部材２の当接部分１１９、２９０における先端位置２９１との間の距離Ｌ３は２．２５ｍｍで、５ｍｍ以下である。

また、第１カバー部材１の先端位置１２１における外径をＤ１は図３におけるａ１４に等しく７ｍｍである。また第１カバー部材１の最先端にある側面穴１３の先端位置１３１における外径をＤ２は図３におけるａ１８に等しく９ｍｍである。従って、Ｄ１＜Ｄ２が成立する。
また、第１カバー部材１の側面穴１３、１４のガスセンサ軸方向に沿った長径は１．５ｍｍである。

本例にかかる作用効果について説明する。
本例にかかるガスセンサ３は自動車のエンジンの空燃比制御に利用するため、エンジンの排気管に設置して使用する。ところで排気管の壁面は、排気ガス中の水蒸気や大気中の水分などがエンジン停止時に凝縮して形成した水滴が付着していることがある。
水滴が付着した状態で自動車エンジンを始動した場合、特にエンジン始動直後の排気ガス温度が低い場合は、凝縮水が気化することなく排気ガスによって吹き飛ばされ、排気ガスと同時に被測定ガス側カバー３の内部に侵入する。
侵入した水滴がガスセンサ素子３５の表面に付着した場合、素子において被水割れが発生する。従って、被水割れ防止のために、水滴を被測定ガス側カバー３における素子の近傍に近づけない工夫が必要である。

ところで、本例にかかるガスセンサ３の被測定ガス側カバー３１は、第１カバー部材１と第２カバー部材２とを有する二重構造で、外側の第２カバー部材２の側面２１は、第１カバー部材１の側面１１に対し部分的に対向した部分開放穴２０を有する。
そして、図３に示すごとく、部分開放穴２０の先端位置２０１と基端位置２０２との間に第１カバー部材１の先端位置１２１がある。
そのため、部分開放穴２０の基端側は第１カバー部材１によって遮られ、部分開放穴２０の先端側は第１カバー部材１によって遮られない。
すなわち、部分開放穴２０は先端側が第１カバー部材１と第２カバー部材２との先端位置１２１、２２２間に形成されるクリアランスに対し開放されている。

このような被測定ガス側カバー３１において、上記第２カバー部材２の部分開放穴２０から被測定ガスと共に水滴が侵入した場合、後述する図９に示すごとく、被測定ガスの流れは第１カバー部材１と第２カバー部材２との間で基端側に上昇して、第１カバー部材１の側面１１に設けた側面穴１３、１４から第１カバー部材１の内部に入り込んでガスセンサ素子３５の近傍に到達する。
水滴は慣性により上昇することなく、そのまま別の部分開放穴２０や、底面２２の底穴２２０等から第２カバー部材２の外へ放出される。
そして、本例にかかる被測定ガス側カバー１では、部分開放穴２０の先端側が開放されているため、被測定ガスは第１カバー部材１と第２カバー部材２の先端位置１２１、２２２間を速やかに通過することができ、かつ流れが阻害され難い。よって、被測定ガスカバー内のガス交換が充分早くなって、応答性に優れたガスセンサ３を得ることができる。

以上、本例によれば、ガスセンサ素子の被水割れが生じ難く、かつ応答性に優れたガスセンサを提供することができる。

なお、本例にかかるガスセンサ素子で部分開放穴２００は真円とした。しかしながら、図５に示すごとき長穴（なお、この長穴のガスセンサ３の軸方向の径はＲである。）の部分開放穴２０を持つ場合も本例にかかる効果を得ることができる。

また、本例にかかるガスセンサは、第２カバー部材の部分開放穴が軸方向の同一位置に６つ並んでいたが、図６に示すように、５つ並んだ構成とすることもできる。この場合、図６より明らかであるが、部分開放穴２０同士が１８０度対向する位置に存在しない。したがって、この場合、被測定ガスがある部分開放穴２０から入って、そのまま他の部分開放穴２０から抜けてしまうことを防止して、第１カバー部材１の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。

次に、Ｌ１と応答性との関係について説明する。
Ｌ１と応答性との関係を調べる測定は、本例にかかる図１の構成でＬ１を少しずつ違えたガスセンサを利用して行った。
すなわち、図７に示すごとく、（１）は第１カバー部材１の先端位置１２１が第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１よりも先端側にある場合、（２）は第１カバー部材１の先端位置１２１が第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１と同位置にある場合、（３）は第１カバー部材１の先端位置１２１が第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１よりも基端側にある場合である。（３）にかかるガスセンサとしては、Ｌ１が０．５、１、１．５、２ｍｍのものを準備した。
なお、本発明にかかるガスセンサは（３）で、（１）と（２）は比較例となる。

このような各種のガスセンサを用い、次の方法で応答性を測定した。
すなわち排気量２リットルのエンジンベンチに取り付け、エンジン回転数を１５００ｒｐｍとしたときのガスセンサの自己フィードバック周波数を測定した。
縦軸に応答性、横軸にＬ１の長さを採用した図８の線図に測定結果を記載した。

図８より明らかであるが、Ｌ１がマイナスである、すなわち第１カバー部材１の先端位置１２１が第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１よりも先端側にある場合や、Ｌ１が０である、すなわち第１カバー部材１の先端位置１２１と第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１が同位置である場合は応答性が低かった。そして、Ｌ１がプラスになることで応答性が急速に向上した。
このように、第１カバー部材１の先端位置１２１が第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１よりも基端側にくるように第１カバー部材１と第２カバー部材２を組み合わせることで、応答性に優れたガスセンサが得られることがわかった。

さらに、（１）〜（３）にかかるガスセンサに被測定ガス側カバーの外側から水滴を含んだエアーを吹き付け、ガスセンサ素子の被水状況について調べたところ、いずれのガスセンサにおいても水滴は第１カバー部材の内部に侵入せず、素子が濡れないことが分かった。

また、上記実験結果や流体シミュレーションの結果から、第１や第２カバー部材１、２内のガス流れは、図９に矢線で記載したごとき流路を持つことが分かった。ここに破線Ｈが排気ガスの流れ、実線Ｍが水滴の流れである。排気ガスの流れは被測定ガス側カバー３１の外部から内部に入るに使用した部分開放穴２０（図面左）から、第１と第２のカバー部材１、２の底面の間を通って、入った位置と略１８０度対向する位置において、排気ガスは基端に向かって流路を変えて上昇し、第１カバー部材１の側面穴１３、１４から入り込む。
水滴は、図面右の部分開放穴２０から慣性によって外部に吐き出される。
以上の点から、（３）にかかる構成の被測定ガス側カバーを持ったガスセンサは、ガスセンサ素子の被水割れも生じ難く、かつ応答性に優れていることが分かった。

次に、Ｄ１及びＤ２の差と応答性との関係について説明する。
Ｄ１及びＤ２の差と応答性との関係を調べる測定は、実施例１と同じ構成のガスセンサでＤ２を９ｍｍに、Ｄ１を適宜変更して、両者の差を少しずつ違えたガスセンサを利用して行った。応答性の測定は上記と同様の方法で行い、結果を図１０にかかる線図に記載した。
同図より、Ｄ２−Ｄ１が大きくなればなるほど応答性に優れたガスセンサが得られることが分かった。

（実施例２）
本例のガスセンサは、図１１に示すごとく、第１カバー部材１において、最先端にある側面穴１３の先端位置１３１と第１カバー部材１の先端位置１２１との間に先端に向かうに従って除々に径細となるテーパー部４１を有する。また、本例の構成にかかるガスセンサにおいてＬ１及びＬ２は図１１に記載したとおりの位置で、Ｌ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
このようにテーパー部４１を設けることで、被測定ガスが第１カバー部材１におけるテーパー部４１をつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなる。よって、第１カバー部材１の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例のガスセンサは、図１２に示すごとく、第１カバー部材１は軸方向に径が均一であるストレート形状であって、先端の底面１２と側面１１との間が曲率半径３ｍｍと大きく湾曲した曲面コーナー部４２となっている。また、本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１２に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
このように曲率半径の大きな曲面コーナー部４２を設けることで、被測定ガスが第１カバー部材１における曲面コーナー部４２をつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなる。よって、第１カバー部材１の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例のガスセンサは、図１３に示すごとく、第１カバー部材１において、側面穴１３、１４を設けた付近は径が軸方向に均一なストレート形状であるが、除々に先端に向かって径が細くなる構成を有する。また、本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１３に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
このように構成することで、被測定ガスが第１カバー部材１の側面１１をつたって先端から基端に向かうガス流れを形成しやすくなる。よって、第１カバー部材１の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例５）
本例のガスセンサは、図１４に示すごとく、第１カバー部材１、第２カバー部材２の形状が軸方向に径が均一なストレート形状である。また、本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１４に記載したとおりの位置で、Ｌ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例６）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵したもので、図１５に示すごとく、第２カバー部材２における部分開放穴２０よりも基端側に別の側面穴２０５を設けた構成である。
この側面穴２０５はすべて軸方向の同一位置にあって、各部分開放穴２０に対し、図面から見て真上に位置する。
また、第１カバー部材１は、側面１１から底面１２に向かうに従って除々に径細となるテーパー部を有する。また、側面穴１３より基端側にも、先端に向かうに従って徐々に径細となるテーパー部を有する。第２カバー部材２はストレート形状である。
本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１５に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例７）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵したもので、図１６に示すごとく、第２カバー部材２が、先端が開放されたストレート形状の底なし筒型部材よりなる。なお、第１カバー部材１は実施例６の図５と同じ形状である。
本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１は第１カバー部材１の先端位置１２１と部分開放穴２０の先端位置２０１との距離で、Ｌ２は第１カバー部材１の先端位置１２１と第２カバー部材２の開放された先端位置２２５との距離でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝３ｍｍである。
このように構成することで、第２カバー部材２の内部により多くの被測定ガスを導入することができる。よって、第１カバー部材１の内部に被測定ガスを導入しやすくすることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例８）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵したもので、図１７、図１８に示すごとく、第２カバー部材２の断面形状が４箇所に凹部２１００を持つ略円形状となっている。なお、第１カバー部材１は実施例６の図５と同じ形状である。
また、本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１７に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
このように構成することで、第２カバー部材２内に入った被測定ガスは、第２カバー部材２に凹部２１００があるため（すなわち凹部２１００は径方向内側に突出することになり、凸部として機能する）、第２カバーの周方向に流れることが少なく、カバーの上方または下方に流れる。上方に流れたガスは第１カバー部材１の側面穴１３に導入されてガスセンサ素子３６に到達する。下方に流れたガスは第１と第２のカバー部材１、２の底面１２、２２の間のクリアランスを通過して、背面から上方に流れる。この上方に流れたガスが第１カバー部材１の側面穴１３に導入されて、ガスセンサ素子３６に到達する。結果的に被測定ガスの流れにおける上流側と下流側とからそれぞれガスセンサ素子３６に流れが到達することができるため、ガスセンサ素子３６に対して方向性のないガス当たりを実現することができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例９）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵し、図１９に示すごとく、被測定ガス側カバー３１は第１、第２カバー部材１、２の外側に外部カバー部材５１を有する三重構造である。なお、第１カバー部材１は実施例６の図５と同じ形状である。第２カバー部材２はストレート形状である。
そして、本例にかかる外部カバー部材５１の先端位置５１０は、第２カバー部材２の部分開放穴２０の先端位置２０１よりも基端にある。また、本例の構成にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図１９に記載したとおりの位置で、Ｌ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（実施例１０）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵し、図２０に示すごとく、被測定ガス側カバー３１は第１カバー部材１、第２カバー部材１、２の内側に内部カバー部材５２を有する三重構造である。
図２０のガスセンサにおいて、第２カバー部材２は実施例１と同様の形状である。
第１カバー部材１は、径一定のストレートな筒型底なし形状である。また、第１カバー部材１には側面穴がない。内部カバー部材５２は、実施例６の図１５にかかる第１カバー部材と同形状で、側面５２１に側面穴５２０を持ち、底面１２には底穴５２３がある。

したがって、部分開放穴２０から入った被測定ガスは、第１カバー部材１と内部カバー部材５２との間から基端側に向かって流れ、内部カバー部材５２に設けた側面穴５２０に入って、ガスセンサ素子３６と接触する。
被測定ガスと共に入った水滴は、慣性によって基端側に向かわず、入った位置と対向する位置にある別の部分開放穴２０から第２カバー部材２の外部に排出される。

図２０にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１はストレート形状の第１カバー部材１の開放された先端位置１２５と部分開放穴２０の先端位置２０１との距離で、Ｌ２は第２カバー部材２の先端位置２２２と第１カバー部材１の開放された先端位置１２５との距離で、Ｌ１＝２ｍｍ、Ｌ２＝４ｍｍである。

図２１のガスセンサは、第１カバー部材１は実施例６の図５にかかる第１カバー部材１と同じ形状である。第２カバー部材２はストレート形状である。そして、第１カバー部材１の内部に、径が均一のストレート形状の有底で、側面５３１に側面穴５３２を持つ内部カバー部材５３を設けた。また、内部カバー部材５３の側面穴５３２は、第１カバー部材１の側面穴１３よりも先端側に、第２カバー部材２の部分開放穴２０より基端側にある。

従って、部分開放穴２０から入った被測定ガスの流れは実施例１と略同一で、第２カバー部材２の部分開放穴２０を経て第１カバー部材１の内部に入った被測定ガスは先端に向かって流れ、内部カバー部材５３の側面穴５３２から入って、ガスセンサ素子３６と接触する。
被測定ガスと共に入った水滴は、慣性によって基端側に向かわず、入った位置と対向する位置にある別の部分開放穴２０から第２カバー部材２の外部に排出される。
図２１にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図２１に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。

図２２のガスセンサは、第１、内部カバー部材１、５４が共に径が均一のストレート形状の有底で側面１１、５４１にそれぞれ側面穴１３、側面穴５４２を持つ構成である。第１カバー部材１の内部にある内部カバー部材５４の形状は、実施例６の図５にかかる第１カバー部材と同形状である。また、内部カバー部材５４の側面５４１に設けた側面穴５４２は、第１カバー部材１の側面穴１３よりも先端側にある。

従って、部分開放穴２０から入った被測定ガスの流れは実施例１と略同一で、第１カバー１の側面穴１３から入った被測定ガスは先端に向かって流れ、内部カバー部材５４の側面穴５４２から入って、ガスセンサ素子３６と接触する。
被測定ガスと共に入った水滴は、慣性によって基端側に向かわず、入った位置と対向する位置にある別の部分開放穴２０から第２カバー部材２の外部に排出される。
図２２にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図２２に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝１ｍｍである。
以上、図２０〜図２２の構成にかかるガスセンサから、カバー部材を三重構成とすることにより、より優れた耐被水性が得ることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

（参考例）
本例のガスセンサは積層型のガスセンサ素子３６を内蔵し、図２３に示すごとく、被測定ガス側カバー３１は第１、第２カバー部材１、２と、該第２カバー部材２の外側に外部カバー部材５５を有する三重構造である。
図２３に示すごとく、外側カバー部材５５は、径一定のストレート形状の有底円筒で、第２カバー部材２の部分開放穴２０を設けた位置より基端側の同一位置に側面穴５５０を有する構成である。外部カバー部材５５に設けた側面穴５５０と部分開放穴２０は径方向に略同一位置にある。

従って、側面穴５５０から入った被測定ガスは、部分開放穴２０を経由して、第１カバー部材１の内部に入ってガスセンサ素子３６と接触する。
図２３にかかるガスセンサにおいて、Ｌ１及びＬ２は図２３に記載したとおりの位置でＬ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍである。
この構成にかかるガスセンサから、カバー部材を三重構成とすることにより、より優れた耐被水性を得ることができる。
その他詳細は実施例１と同様の構成で、同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、ガスセンサの断面説明図。 実施例１における、被測定ガス側カバーを示す要部説明図。 実施例１における、被測定ガス側カバーの各部寸法を示す要部説明図。 実施例１における、被測定ガス側カバーの概観と部分開放穴を示す説明図。 実施例１における、第２カバー部材における部分開放穴が長円である場合の要部説明図。 実施例１における、第２カバー部材における部分開放穴が軸方向同一位置に径方向に沿って５つ等間隔で設けてある場合の断面説明図。 実施例１における、測定に使用した各ガスセンサにかかるＬ１の説明図。 実施例１における、応答性とＬ１との関係を示す線図。 実施例１における、被測定ガス側カバーの内部における排気ガスの流路を示す説明図。 実施例１における、応答性とＤ２−Ｄ１との関係を示す線図。 実施例２における、先端にテーパー部を有する第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例３における、先端にストレート部を有する第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例４における、除々に先端に向かって径が細くなる。第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例５における、側面と底面との間に大きく湾曲した曲面コーナー部を持つ第１カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例６における、部分開放穴とは違う側面穴を設けた第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例７における、ストレート形状の第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例８における、側面に凹部を有する第２カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 図１７における、Ａ−Ａ矢視断面図。 実施例９における、ストレート形状で先端が開放された外部カバー部材を第２カバー部材の外側に持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例１０における、ストレート形状で先端が開放された第１カバー部材の内側に内部カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例１０における、第１カバー部材の内側にストレート形状の内部カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 実施例１０における、ストレート形状の第１カバー部材の内側に内部カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 参考例における、第２カバー部材の外側に外部カバー部材を持つ被測定ガス側カバーの要部説明図。 従来にかかる、被測定ガス側カバーの要部説明図。

符号の説明

１ 第１カバー部材
２ 第２カバー部材
３ ガスセンサ
３０ ハウジング
３１ 被測定ガス側カバー
３５ ガスセンサ素子

Claims (10)

1. 筒型のハウジングと、該ハウジング内に挿通固定するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の先端側を覆って上記ハウジングの先端側に固定した筒型の被測定ガス側カバーとを有するガスセンサにおいて、
   上記被測定ガス側カバーは、第１カバー部材と該第１カバー部材の外方を覆う第２カバー部材とを有し、上記第１カバー部材の側面及び上記第２カバー部材の側面は、被測定ガスを上記被測定ガス側カバーの内部に導入または排出する複数の側面穴を有し、
   上記第２カバー部材の側面にある複数の側面穴の少なくとも１つは上記第１カバー部材の側面に対し部分的に対向した部分開放穴であって、
   上記部分開放穴の軸方向における先端位置及び基端位置の間に上記第１カバー部材の先端位置が存在し、
   上記第１カバー部材の側面穴は、上記第２カバー部材のすべての側面穴よりも基端側に位置することを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１において、上記第１カバー部材の側面は被測定ガスを上記被測定ガス側カバーの内部に導入または排出する複数の側面穴を有することを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または２において、上記部分開放穴の先端位置と、上記第１カバー部材の先端位置との間の距離Ｌ１は、上記部分開放穴のガスセンサ軸方向に沿った長径をＲとすると、Ｌ１≦０．９５Ｒであることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記第１カバー部材の先端位置と上記第２カバー部材の先端位置との距離Ｌ２は、０．５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍであることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記第２カバー部材の側面は、ガスセンサ軸方向において同一位置にある上記部分開放穴を奇数個有することを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記第１カバー部材の先端位置における外径をＤ１、上記第１カバー部材の最先端にある側面穴の先端位置における外径をＤ２とした場合、Ｄ１＜Ｄ２であることを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項６において、上記第１カバー部材において、最先端にある側面穴の先端位置と上記第１カバー部材の先端位置との間は先端に向かうに従って除々に径細となるテーパー部であることを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項６または７において、上記第１カバー部材の最先端にある側面穴の先端位置と上記第１カバー部材の先端位置との間は、先端に向かうに従って除々に径細となるテーパー部と、該テーパー部より先端に位置する径が略均一のストレート部とよりなることを特徴とするガスセンサ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、上記第１カバー部材及び上記第２カバー部材は基端において両者が当接する当接部分を有し、上記第１カバー部材の最基端にある側面穴の基端位置と上記第１カバー部材及び上記第２カバー部材の当接部分における先端位置との間の距離Ｌ３は５ｍｍ以下であることを特徴とするガスセンサ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、上記ガスセンサ素子は少なくとも１つの固体電解質体と該固体電解質体に形成した一対の電極からなる電気化学的セルを有し、最基端にある電極の基端位置と上記第１及び第２カバー部材の最基端にある側面穴の先端位置とを比較した場合、上記側面穴の先端位置のほうがより先端にあることを特徴とするガスセンサ。

Images