JP4174004B2

JP4174004B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP4174004B2
Application number: JP2003093051A
Authority: JP
Inventors: 信和生駒; 武也宮下; 昭宏室口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: US7390385B2; EP1471346A1; JP2004301579A; EP1471346B1; US20050016849A1; US8157977B2; US20080236248A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両の排出ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ₂、ＳＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等のガス成分を測定するガスセンサに関し、特に、センサ素子を取り囲むように配置された保護カバーを有するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、酸素イオン伝導体を用いた酸素センサ、ＮＯｘセンサ（特許文献１参照）、ＨＣセンサ（特許文献２参照）、プロトンイオン伝導体を用いた水素センサ、Ｈ₂Ｏセンサ、あるいはＳｎＯ₂やＴｉＯ₂等の酸化物半導体を用いた酸素センサや各種ガスセンサなど、様々なガスセンサが提案され、実用化されている。
【０００３】
これらのガスセンサのうち、ＺｒＯ₂を用いた酸素センサやＴｉＯ₂を用いた酸素センサは、自動車の排気ガス環境下においても安定した性能を保つことから、広く自動車の排気ガス中の酸素濃度制御あるいはＡ／Ｆ（空燃比）制御用として用いられている。また、ＺｒＯ₂を用いたＮＯｘセンサも自動車のＮＯｘ制御用として実用段階に入っている。
【０００４】
そして、内燃機関の排気管に取り付けられる酸素センサとしては、センサ素子部の周囲に排ガスの流れを均一にするようにした保護カバーや、エンジンの始動時に発生する凝縮水の付着（いわゆる水掛かり）を防止するようにした保護カバーが知られている。また、二重構造の保護カバーを取り付けた酸素センサとしては、特許文献３及び特許文献４に示されるものが公知になっている。
【０００５】
これらの従来の保護カバーのうち、水掛かりを防止した耐飛水性の保護カバーにおいては、ガスセンサでの応答性が遅くなるおそれがある。そこで、二重構造の保護カバーのうち、センサ素子に近接する内側保護カバーの内側ガス導入孔をセンサ素子に対向して設けることによって応答性を向上させたものが提案されている（特許文献５参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７１４７６号公報（図２）
【特許文献２】
特開平８−２４７９９５号公報（図１）
【特許文献３】
米国特許第４５９７８５０号公報（図１）
【特許文献４】
米国特許第４６８３０４９号公報（図７、図８）
【特許文献５】
特許第２６４１３４６号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来例においては、触媒の前方に設置することを前提に設計されており、触媒の後方に設置して使用した場合、耐飛水性（エンジン始動時に発生する凝縮水の付着を防止する性能）の点で問題があることが判明した。また、内燃機関の排気管への取り付け角度によっても耐飛水性の点で問題があることが判明した。
【０００８】
応答性を速くするために、保護カバーの構造として、被測定ガスの進入量を増加させた構造にすることが考えられるが、エンジンの始動時に発生する凝縮水も同様に浸入しやすくなる。即ち、センサ素子への水掛かりの防止効果と応答性の向上とは背反する関係にあり、これらの効果を同時に満足することは困難である。
【０００９】
また、保護カバー内への被測定ガスの導入に伴ってセンサ素子に大幅な温度変動が発生し、センサ素子の構成基体にクラックが発生するおそれがある。
【００１０】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、応答性を損なうことなく、測定ガスの進入によるセンサ素子の温度変動及び水掛かりを有効に低減することができ、温度特性並びに耐飛水性に優れたガスセンサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスセンサは、導入された被測定ガスのうちの所定ガス成分を測定するセンサ素子と、該センサ素子を取り囲むように配置された保護カバーとを有し、前記保護カバーが、前記センサ素子の少なくとも先端部を覆う内側保護カバーと、前記内側保護カバーを覆う外側保護カバーと、前記内側保護カバーと前記外側保護カバーとの間に設置された中間保護カバーとを具備したガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、有底筒状に形成され、かつ、その側面のうち、前記センサ素子に対向する位置に複数の内側ガス導入孔が形成され、底部に少なくとも１つの内側ガス排出孔が形成され、前記外側保護カバーは、有底筒状に形成され、かつ、その側面のうち、前記内側ガス導入孔に対向しない位置に複数の外側ガス導入孔が形成され、前記中間保護カバーは、前記内側ガス導入孔と前記外側ガス導入孔に対向しない位置に中間ガス導入孔が少なくとも形成され、前記複数の内側ガス導入孔の合計開口面積をＡ１、前記複数の外側ガス導入孔の合計開口面積をＡ２としたとき、Ａ１／Ａ２≧１を満足することを特徴とする。
【００１２】
これにより、まず、内側保護カバーと外側保護カバーからなる２重構造のカバーに、中間保護カバーを設けた３重構造としているため、エンジン始動時に発生する凝縮水の付着（いわゆる水掛かり）を有効に防止することができる。
【００１３】
更に、前記複数の内側ガス導入孔の合計開口面積Ａ１と、前記複数の外側ガス導入孔の合計開口面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２を１以上としているため、外側ガス導入孔から導入された被測定ガスが内側ガス導入孔を抜ける流速が低減することとなる。従って、例えば外側ガス導入孔を通じて凝縮水が外側保護カバー内に入り込んだとしても、前記被測定ガスの内側ガス導入孔への流速が低いことから、該凝縮水が内側ガス導入孔を通じてセンサ素子に向けて入り込むことがなくなる。その結果、例えばガス管（内燃機関の排気管等）に保護カバーをどのような角度で設置したとしても、センサ素子への水掛かりを防止することができる。もちろん、センサ素子に向かって急速に被測定ガスが当たるということがなくなるため、センサ素子での温度変動（被測定ガスの導入に伴う温度変動）を抑えることができる。
【００１４】
従って、前記保護カバーを、ガス管に対してほぼ直角に取り付けてもよいし、ガス管に対して傾斜させて取り付けるようにしてもよく、ユーザの好みに合わせて様々なガス管への取り付けを実現させることができる。
【００１５】
なお、被測定ガスの内側ガス導入孔への流速が低くなることから、センサ素子での応答性が低下するおそれがあるが、これは、外側ガス導入孔の各径や内側ガス導入孔の各径を適宜選定することで、前記応答性の低下を抑えることが可能となる。
【００１６】
そして、前記構成において、前記内側ガス導入孔の個数が前記外側ガス導入孔の個数よりも多くするようにしてもよい。これにより、外側保護カバー内に導入された被測定ガスの各内側ガス導入孔に対する流量が減ることから、被測定ガスがセンサ素子に到達するまでに内側保護カバー内で拡散し、センサ素子に対する局部的で、かつ、集中的な被測定ガスの照射を回避させることができる。
【００１７】
そのため、センサ素子での局部的な温度変動を防止することができ、センサ素子への温度変動に伴うクラックの発生等を有効に防止することができる。
【００１８】
また、前記構成において、前記中間保護カバーは、前記内側保護カバーを覆うように有底円筒状に形成され、底部に前記内側保護カバーの内側ガス排出孔の径よりも小径の中間ガス排出孔が形成され、前記外側保護カバーの内壁に当接するフランジ部を有し、前記フランジ部は、その円周に沿って複数の前記中間ガス導入孔が形成されていてもよい。
また、前記構成において、前記外側ガス導入孔と、前記中間ガス導入孔と、前記内側ガス導入孔との配置関係が、前記外側保護カバーの底部から上方に向かって、前記外側ガス導入孔、前記中間ガス導入孔、前記内側ガス導入孔の順に配置され、前記内側保護カバーは、前記複数の矩形状の内側ガス導入孔を跨ぐように板部が設けられ、前記板部は、前記内側ガス導入孔の周辺部のうち、互いに対向する部分から前記内側保護カバーの中心に向かって立ち上がる２つの側壁とこれら側壁間を一体につなぎ、前記内側ガス導入孔の開口と平行に配置された平板部とを有するようにしてもよい。これにより、内側ガス導入孔を通じて内側保護カバー内に導入された被測定ガスは、板部によって拡散されることとなる。即ち、被測定ガスが直接センサ素子に当たるということが回避され、センサ素子での温度変動を抑制することができる。
【００１９】
また、前記構成において、前記外側ガス導入孔と、前記中間ガス導入孔と、前記内側ガス導入孔との配置関係が、前記外側保護カバーの底部から上方に向かって、前記外側ガス導入孔、前記内側ガス導入孔、前記中間ガス導入孔の順に配置され、前記フランジ部から第１距離の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って複数の前記内側ガス導入孔が形成され、前記フランジ部から前記第１距離よりも長い第２距離の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って複数の前記内側ガス導入孔が形成され、各前記内側ガス導入孔の中心を結ぶ線がジグザグとなるように設定されていてもよい。
【００２０】
通常、内側ガス導入孔をランダムに形成した場合、その配列状態によっては、被測定ガスが１つあるいは２つの内側ガス導入孔からセンサ素子に向かって集中的に導入されるおそれがある。
【００２１】
しかし、上述したように、複数の内側ガス導入孔を内側保護カバーの１つあるいは複数の円周に沿って形成することで、被測定ガスは各内側ガス導入孔に対しほぼ均等に分散されて導入されることから、各内側ガス導入孔での被測定ガスの流速をより低減することが可能となり、上述の水掛かりを有効に防止することができる。また、被測定ガスがセンサ素子に対し集中的に当たるということも回避することができることから、センサ素子での温度変動を更に抑制することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサの実施の形態例を図１〜図１９を参照しながら説明する。
【００２３】
第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、図１に示すように、導入された被測定ガス（排気ガス）のうちの所定ガス成分、例えばＮＯｘ等を測定するセンサ素子１２と、該センサ素子１２の先端部を取り囲むように配置された保護カバー１４を有して構成されている。
【００２４】
センサ素子１２の構成は、例えば特開２０００−３０４７１９号公報に記載されたセンサ素子（公報の図３及び図４参照）と同様の構成を有するため、ここでは、その説明を省略する。
【００２５】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいて、センサ素子１２を取り囲むように配置された保護カバー１４は、センサ素子１２の先端部を覆う内側保護カバー１６と、該内側保護カバー１６を覆う外側保護カバー１８と、前記内側保護カバー１６と外側保護カバー１８との間に設置された中間保護カバー２０とを有して構成されている。
【００２６】
前記内側保護カバー１６は、金属にて有底筒状に形成され、センサ素子１２に対向する位置に複数の内側ガス導入孔２２が形成され、底部（前端部）に内側ガス排出孔２４が形成されている。
【００２７】
中間保護カバー２０は、金属にて有底円筒状に形成され、該中間保護カバー２０の前端部で内側保護カバー１６の前端部を覆うように構成されている。中間保護カバー２０の前端面の中央には、内側保護カバー１６の内側ガス排出孔２４の径よりも小径の中間ガス排出孔２６が形成されている。
【００２８】
また、中間保護カバー２０は、その後部に外側保護カバー１８の内壁に当接するフランジ部２８を有する。フランジ部２８は、その後端部分が横方向に屈曲され、その周端縁が後方に屈曲してなる屈曲部３０が一体に形成されている。この屈曲部３０の外周面が前記外側保護カバー１８の内壁に当接されるようになっている。
【００２９】
前記フランジ部２８には、その円周に沿って中間ガス導入孔を構成する複数のスリット３２が形成されている。この第１の実施の形態では６等配のスリット３２が形成され、各スリット３２は、フランジ部２８の円周に対して中心角４０°の円弧状を有する。なお、隣接するスリット３２間には中心角２０°の円弧状の隙間が置かれている。
【００３０】
前記外側保護カバー１８は、金属にて有底筒状に形成され、その側周面のうち、前記内側保護カバー１６の内側ガス導入孔２２に対向しない位置に外側ガス導入孔３４を有する。
【００３１】
外側保護カバー１８の側周面のうち、内側ガス排出孔２４と外側保護カバー１８の底部との間に、外側ガス導入孔３４が６等配に形成されている。
【００３２】
内側保護カバー１６の側周面には、１２個の内側ガス導入孔２２が２段に分かれて形成されている。
【００３３】
ここで、１２個の内側ガス導入孔２２の形成位置について説明すると、フランジ部２８から距離Ｌ１の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って６つの内側ガス導入孔２２が形成され、更に、フランジ部２８から距離Ｌ２（＞Ｌ１）の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って６つの内側ガス導入孔２２が形成されている。また、各内側ガス導入孔２２の形成位置は、内側保護カバー１６の剛性を維持するために、各内側ガス導入孔２２の中心を結ぶ線がジグザグとなるように設定されている。
【００３４】
つまり、外側ガス導入孔３４と、スリット（中間ガス導入孔）３２と、内側ガス導入孔２２との配置関係は、外側保護カバー１８の底部から上方に向かって、外側ガス導入孔３４、内側ガス導入孔２２、中間ガス導入孔３２の順に配置されている。
【００３５】
そして、外側保護カバー１８の外側ガス導入孔３４から入った被測定ガスは、中間保護カバー２０のスリット３２と内側保護カバー１６の内側ガス導入孔２２を通じてセンサ素子１２に達し、その後、内側保護カバー１６の底部に形成された内側ガス排出孔２４と中間保護カバー２０の底部に形成された中間ガス排出孔２６並びに外側保護カバー１８の外側ガス導入孔３４を通じて排出されることになる。この経路を被測定ガスの流通経路と定義したとき、中間ガス排出孔２６付近が負圧となるため、被測定ガスはスムーズに前記流通経路を流れることになる。
【００３６】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、１２個の内側ガス導入孔２２の合計開口面積をＡ１、６個の外側ガス導入孔３４の合計開口面積をＡ２としたとき、
Ａ１／Ａ２≧１
を満足するようになっている。
【００３７】
これにより、まず、内側保護カバー１６と外側保護カバー１８からなる２重構造のカバーに、中間保護カバー２０を設けた３重構造としているため、エンジン始動時に発生する凝縮水の付着（いわゆる水掛かり）を有効に防止することができる。
【００３８】
更に、開口面積Ａ１とＡ２との比Ａ１／Ａ２を１以上としているため、外側ガス導入孔３４から導入された被測定ガスが内側ガス導入孔２２を抜ける流速が低減することとなる。
【００３９】
従って、例えば外側ガス導入孔３４を通じて凝縮水が外側保護カバー１８内に入り込んだとしても、前記被測定ガスの内側ガス導入孔２２への流速が低いことから、該凝縮水が内側ガス導入孔２２を通じてセンサ素子１２に向けて入り込むことがなくなる。
【００４０】
その結果、例えばガス管（内燃機関の排気管等）に保護カバー１４をどのような角度で設置したとしても、センサ素子１２への水掛かりを防止することができる。もちろん、センサ素子１２に向かって急速に被測定ガスが当たるということがなくなるため、センサ素子１２での温度変動（被測定ガスの導入に伴う温度変動）を抑えることができる。
【００４１】
従って、保護カバー１４を、ガス管に対してほぼ直角に取り付けてもよいし、ガス管に対して傾斜させて取り付けるようにしてもよく、ユーザの好みに合わせて様々なガス管への取り付けを実現させることができる。
【００４２】
なお、被測定ガスの内側ガス導入孔２２への流速が低くなることから、センサ素子１２での応答性が低下するおそれがあるが、これは、外側ガス導入孔３４の各径や内側ガス導入孔２２の各径を適宜選定することで、前記応答性の低下を抑えることが可能となる。
【００４３】
更に、この第１の実施の形態においては、内側ガス導入孔２２の個数を外側ガス導入孔３４の個数よりも多くしているため、外側保護カバー１８内に導入された被測定ガスの各内側ガス導入孔２２に対する流量が減る。そのため、被測定ガスがセンサ素子１２に到達するまでに内側保護カバー１６内で拡散し、センサ素子１２に対する局部的で、かつ、集中的な被測定ガスの照射を回避させることができる。
【００４４】
その結果、センサ素子１２での局部的な温度変動を防止することができ、センサ素子１２への温度変動に伴うクラックの発生等を有効に防止することができる。
【００４５】
なお、保護カバー１４の具体的な寸法例を示すと、外側保護カバー１８については、該外側保護カバー１８の外径Ｄｏが約１４．６ｍｍとされ、外側ガス導入孔３４の直径ｄ１が約２ｍｍとされ、外側保護カバー１８の厚みは約０．４ｍｍとされている。
【００４６】
内側保護カバー１６は、外径Ｄｉが約７ｍｍとされ、内側ガス導入孔２２の直径ｄ２は約１．５ｍｍとされ、内側ガス排出孔２４の径ｄ３は約５．０ｍｍとされ、内側保護カバー１６の厚みは約０．３ｍｍとされている。
【００４７】
中間保護カバー２０の底部に設けられた中間ガス排出孔２６の径ｄ４は約１ｍｍとされている。
【００４８】
また、フランジ部２８から第１群の内側ガス導入孔２２の中心までの距離Ｌ１は約３．５ｍｍ、フランジ部２８から第２群の内側ガス導入孔２２の中心までの距離Ｌ２は約５．５ｍｍ、外側保護カバー１８の先端から外側ガス導入孔３４の中心までの距離Ｌ３は約２．８ｍｍ、外側ガス導入孔３４の中心からフランジ部２８までの距離Ｌ４は約１６ｍｍ、外側保護カバー１８の先端から中間保護カバー２０の先端までの距離Ｌ５は約４．５ｍｍ、外側保護カバー１８の先端から内側保護カバー１６の先端までの距離Ｌ６は約６．５ｍｍである。
【００４９】
ここで、３つの実験例（第１〜第３の実験例）を示す。まず、第１の実験例は、比較例１並びに実施例１〜３について水掛かりとセンサ素子１２の温度変動をみたものである。
【００５０】
実験方法は、図２に示すように、２．０リットルのガソリンエンジン５０を搭載した自動車５２の排気管５４のうち、触媒５６の後方にガスセンサ（代表的に参照符号を１０とする）を取り付け、更に、自動車５２のリア部分を持ち上げて、自動車５２を地面５８に対して傾斜角３°だけ傾けた。
【００５１】
そして、図３に示すように、時点ｔ０において、自動車５２の排気管５４のうち、ほぼ後輪６０と対応する部分６２に１００ｃｃの墨汁等により着色した水を注入し、数秒〜数１０秒後の時点ｔ１において、ガスセンサ１０のヒータへの通電を開始し、６０秒後の時点ｔ２において、エンジン５０をスタートし（アイドル状態の回転数＝６００ｒｐｍ）、１５秒後の時点ｔ３において、３秒間の加速運転（加速状態のピーク時の回転数＝５０００ｒｐｍ）を続けて３回行った。
【００５２】
センサ素子１２への水掛かり状態、即ち、センサ素子１２に水が付着したか否かの判定は目視により行った。
【００５３】
センサ素子１２の温度変動は、以下のように測定した。即ち、センサ素子１２の温度を一定に保つために、環境温度の変化に応じてヒータに対する通電量（電力）をフィードバック制御するようにしている。従って、無風状態のときのヒータへの通電量（電力）と、排気管５４に流速４５ｍ／ｓｅｃの流体を流通させたときのヒータへの通電量（電力）との差をとり、該差を温度変動の測定結果とした。
【００５４】
これらの測定は、図４に示すように、ガスセンサ１０を排気管５４に対して直角に取り付けた場合（以下、標準取り付けと記す）と、図５に示すように、ガスセンサ１０を排気管５４に対して傾斜（傾斜角θ＝３５°）させて取り付けた場合（以下、傾斜取り付けと記す）とで行った。
【００５５】
比較例１は、内側ガス導入孔２２の合計開口面積Ａ１と外側ガス導入孔３４の合計開口面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２を１未満とした構成を有する。
【００５６】
実施例１は、前記比Ａ１／Ａ２が１以上であって、かつ、外側ガス導入孔３４の径を比較例１よりも小さくした構成を有する。実施例２は、前記比Ａ１／Ａ２が１以上であって、かつ、内側ガス導入孔２２の数を比較例１よりも多くした構成を有する。実施例３は、上述した第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａと同様の構成を有し、前記比Ａ１／Ａ２が１以上であって、かつ、外側ガス導入孔３４の径を比較例１よりも小さくし、更に、内側ガス導入孔２２の数を比較例１よりも多くした構成を有する。
【００５７】
水掛かりの測定結果を図６に示し、センサ素子１２の温度変動の測定結果を図７に示す。図７において、それぞれ左側のバーが標準取り付けの場合を示し、右側のバーが傾斜取り付けの場合を示す。
【００５８】
水掛かりの状況は、図６に示すように、標準取り付けの場合、比較例１では２０個中４個がＮＧであり、実施例２では２２個中２個がＮＧであった。実施例１及び実施例３は、共にＮＧはなかった。
【００５９】
傾斜取り付けの場合は、比較例１では２０個中１５個がＮＧであり、実施例１では２０個中３個がＮＧであり、実施例２では２０個中１４個がＮＧであり、実施例３では２１個中１個がＮＧであった。
【００６０】
このように、比較例１及び実施例２は、ガスセンサ１０の取り付け状態によってＮＧの発生頻度が変わり、特に、傾斜取り付けの場合においては、ＮＧの発生が顕著であった。但し、実施例２は、比較例１よりもＮＧの個数が低くなっている。
【００６１】
これに対し、実施例１及び３は、取り付け状態に拘わらず、水掛かりがほとんど生じていない。
【００６２】
センサ素子１２の温度変動は、図７に示すように、標準取り付けの場合、比較例１では通電量の差が約２．１Ｗであり、実施例１では約２．０５Ｗ、実施例２では約１．２Ｗ、実施例３では約１．８Ｗであった。
【００６３】
傾斜取り付けの場合は、比較例１では通電量の差が約２．１５Ｗであり、実施例１では約１．５Ｗ、実施例２では約２．１Ｗ、実施例３では約１．４Ｗであった。
【００６４】
このように、比較例１では取り付け状態に拘わらず、通電量の差が大きく、温度変動が大きいことがわかる。
【００６５】
これに対して、実施例１は、標準取り付け状態では比較例１とほぼ同じように温度変動が大きいが、傾斜取り付け状態では通電量の差が小さくなっている。実施例２は、傾斜取り付け状態では比較例１とほぼ同じように温度変動が大きいが、標準取り付け状態では通電量の差が小さく、温度変動が小さくなっている。
【００６６】
実施例３は、標準取り付け状態及び傾斜取り付け状態のいずれにおいても、通電量の差が比較例１よりも小さく、取り付け状態に拘わらず、センサ素子１２の温度変動が抑制されていることがわかる。
【００６７】
次に、第２の実験例は、上述した比較例１並びに実施例１〜３についてＡ／Ｆ（空燃比）を変化させたときの応答性をみたものである。
【００６８】
図示しない１．８リットルのガソリンエンジンを用い、２５００ｒｐｍ／２６Ｎｍ、ガス温度＝３８０℃の条件で、図４に示すように、ガスセンサ１０を排気管５４に対して直角に取り付け、図８に示すように、燃料をリッチからリーンに変化させた場合に、ガスセンサ１０がＡ／Ｆ＝１３．２を検出した時点ｔ１１からＡ／Ｆ＝２１を検出した時点ｔ１２までの応答時間Ｔ１と、図９に示すように、燃料をリーンからリッチに変化させた場合に、ガスセンサ１０がＡ／Ｆ＝２１を検出した時点ｔ１３からＡ／Ｆ＝１３．２を検出した時点ｔ１４までの応答時間Ｔ２とを測定した。
【００６９】
また、図１０に示すように、２つのガスセンサ１０ａ及び１０ｂを排気管５４に対してそれぞれ直角に、かつ、互いに対向するように取り付け、図１１に示すように、燃料をリッチからリーンに変化させた場合に、一方のガスセンサ１０ａ（比較例１）がＡ／Ｆ＝１７．１を検出した時点ｔ１５から他方のガスセンサ１０ｂ（実施例１、実施例２又は実施例３）がＡ／Ｆ＝１７．１を検出した時点ｔ１６までの遅延時間Ｔ３と、図１２に示すように、燃料をリーンからリッチに変化させた場合に、一方のガスセンサ１０ａ（比較例１）がＡ／Ｆ＝１７．１を検出した時点ｔ１７から他方のガスセンサ１０ｂ（実施例１、実施例２又は実施例３）がＡ／Ｆ＝１７．１を検出した時点ｔ１８までの遅延時間Ｔ４とを測定した。
【００７０】
比較例１並びに実施例１〜３の応答時間Ｔ１及びＴ２の測定結果を図１３に示し、実施例１〜３の遅延時間Ｔ３及びＴ４を図１４に示す。
【００７１】
図１３及び図１４から、実施例１は、比較例１に対して３０ｍｓｅｃ程度の遅延はあるものの、応答時間Ｔ１は比較例１よりも短くなっている。実施例２は、比較例１に対して７０〜８０ｍｓｅｃ程度の遅延があり、応答時間Ｔ１も比較例１より１０ｍｓｅｃ程度長くなっている。実施例３は、比較例１に対して４０ｍｓｅｃから６０ｍｓｅｃ程度の遅延はあるものの、比較例１と実施例１とはほとんど応答時間Ｔ１に変化がないことがわかる。
【００７２】
次に、第３の実験例は、上述した比較例１並びに実施例１〜３について、プロパンの燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を変化させたときの応答性をみたものである。ガスの温度を３８０℃、流速を１０ｍ／ｓとした。
【００７３】
そして、図４に示すように、ガスセンサ１０を排気管５４に対して直角に取り付け、図１５に示すように、ガス中のＮＯｘ濃度を低濃度から高濃度に変化させた場合に、ガスセンサ１０がＮＯｘ濃度＝３３％を検出した時点ｔ１９からＮＯｘ濃度＝６６％を検出した時点ｔ２０までの応答時間Ｔ５と、図１６に示すように、ガス中のＮＯｘ濃度を高濃度から低濃度に変化させた場合に、ガスセンサ１０がＮＯｘ濃度＝６６％を検出した時点ｔ２１からＮＯｘ濃度＝３３％を検出した時点ｔ２２までの応答時間Ｔ６とを測定した。
【００７４】
比較例１並びに実施例１〜３の応答時間Ｔ５及びＴ６の測定結果を図１７に示す。比較例１の応答時間Ｔ５及びＴ６は共に約７５０ｍｓｅｃであり、実施例１の応答時間Ｔ５及びＴ６は共に約７９０ｍｓｅｃであった。また、実施例２の応答時間Ｔ５及びＴ６は共に約８００ｍｓｅｃであり、実施例３の応答時間Ｔ５及びＴ６は共に約７００ｍｓｅｃであった。
【００７５】
このように、比較例１並びに実施例１〜３は、ほとんど応答時間が同じであることがわかる。
【００７６】
このように、実施例１〜３については、内側ガス導入孔２２の合計開口面積Ａ１と外側ガス導入孔３４の合計開口面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２を１以上としていることから、被測定ガスの内側ガス導入孔２２への流速が低くなり、センサ素子１２での応答性が低下するおそれがあるが、上述の第２の実験例や第３の実験例からもわかるように、外側ガス導入孔３４の各径や内側ガス導入孔２２の各径を適宜選定することで、応答性の低下を抑えることが可能となる。
【００７７】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂについて図１８を参照しながら説明する。
【００７８】
この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂは、上述した第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１８に示すように、内側保護カバー１６に、矩形状の内側ガス導入孔２２を跨ぐように板部４０がそれぞれ設けられている点と、内側ガス導入孔２２の個数が６個である点で異なる。
【００７９】
また、中間保護カバー２０のフランジ部２８が第１の実施の形態の場合よりも下方の位置に設定され、外側ガス導入孔３４と、スリット３２と、内側ガス導入孔２２との配置関係が、外側保護カバー１８の底部から上方に向かって、外側ガス導入孔３４、スリット３２、内側ガス導入孔２２の順に配置されている点でも異なる。
【００８０】
板部４０は、図１９に示すように、内側ガス導入孔２２の周辺部のうち、互いに対向する部分から内側保護カバー１６の中心に向かって立ち上がる２つの側壁４０ａ及び４０ｂとこれら側壁４０ａ及び４０ｂ間を一体につなぎ、内側ガス導入孔２２の開口と平行に配置された平板部４０ｃとを有する。つまり、２つの側壁４０ａ及び４０ｂと平板部４０ｃ以外の部分が被測定ガスの通り道となる。
【００８１】
従って、内側ガス導入孔２２に導入された被測定ガスは、平板部４０ｃに当たって拡散され、前記通り道を流通して内側保護カバー１６内のセンサ素子１２に伝わることになる。このように、被測定ガスが直接センサ素子１２に当たるということが回避され、センサ素子１２での温度変動を抑制することができる。
【００８２】
なお、この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂにおける保護カバー１４の具体的な寸法例を示すと、外側保護カバー１８については、該外側保護カバー１８の外径Ｄｏが約１４．６ｍｍとされ、外側ガス導入孔３４の直径ｄ１が約２ｍｍとされ、外側保護カバー１８の厚みは約０．４ｍｍとされている。
【００８３】
内側保護カバー１６は、外径Ｄｉが約１０ｍｍとされ、内側ガス導入孔２２の長辺ｄ２は約３ｍｍとされ、内側保護カバー１６の厚みは約０．３ｍｍとされている。中間保護カバー２０の底部に設けられた中間ガス排出孔２６の径ｄ３は約１ｍｍとされている。
【００８４】
また、フランジ部２８から内側ガス導入孔２２の中心までの距離Ｌ１１は約６．３ｍｍ、外側保護カバー１８の先端から外側ガス導入孔３４の中心までの距離Ｌ１２は約３ｍｍ、外側ガス導入孔３４の中心からフランジ部２８までの距離Ｌ１３は７．５ｍｍ、外側保護カバー１８の先端から中間保護カバー２０の先端までの距離Ｌ１４は約４ｍｍである。
【００８５】
この発明に係るガスセンサは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、応答性を損なうことなく、測定ガスの進入によるセンサ素子の温度変動及び水掛かりを有効に低減することができ、温度特性並びに耐飛水性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを一部省略して示す断面図である。
【図２】第１の実験例の測定方法を示す説明図である。
【図３】第１の実験例の測定タイミングを示す図である。
【図４】ガスセンサの標準取り付けを示す説明図である。
【図５】ガスセンサの傾斜取り付けを示す説明図である。
【図６】水掛かりの測定結果を示す表図である。
【図７】センサ素子の温度変動の測定結果を示すグラフである。
【図８】燃料をリッチからリーンに変化させた場合の応答時間を説明するための図である。
【図９】燃料をリーンからリッチに変化させた場合の応答時間を説明するための図である。
【図１０】遅延時間を測定する場合のガスセンサの取り付け状態を示す説明図である。
【図１１】燃料をリッチからリーンに変化させた場合の遅延時間を説明するための図である。
【図１２】燃料をリーンからリッチに変化させた場合の遅延時間を説明するための図である。
【図１３】Ａ／Ｆの変化に対する応答時間の測定結果を示すグラフである。
【図１４】Ａ／Ｆの変化に対する遅延時間の測定結果を示すグラフである。
【図１５】ＮＯｘ濃度を３３％から６６％に変化させた場合の応答時間を説明するための図である。
【図１６】ＮＯｘ濃度を６６％から３３％に変化させた場合の応答時間を説明するための図である。
【図１７】ＮＯｘ濃度の変化に対する応答時間の測定結果を示すグラフである。
【図１８】第２の実施の形態に係るガスセンサを一部省略して示す断面図である。
【図１９】内側ガス導入孔に跨って形成された板部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ、１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ｂ…ガスセンサ
１２…センサ素子１４…保護カバー
１６…内側保護カバー１８…外側保護カバー
２０…中間保護カバー２２…内側ガス導入孔
２４…内側ガス排出孔２６…中間ガス排出孔
２８…フランジ部３２…スリット（中間ガス導入孔）
３４…外側ガス導入孔４０…板部

Claims

導入された被測定ガスのうちの所定ガス成分を測定するセンサ素子と、該センサ素子を取り囲むように配置された保護カバーとを有し、
前記保護カバーが、前記センサ素子の少なくとも先端部を覆う内側保護カバーと、前記内側保護カバーを覆う外側保護カバーと、前記内側保護カバーと前記外側保護カバーとの間に設置された中間保護カバーとを具備したガスセンサにおいて、
前記内側保護カバーは、有底筒状に形成され、かつ、その側面のうち、前記センサ素子に対向する位置に複数の内側ガス導入孔が形成され、底部に少なくとも１つの内側ガス排出孔が形成され、
前記外側保護カバーは、有底筒状に形成され、かつ、その側面のうち、前記内側ガス導入孔に対向しない位置に複数の外側ガス導入孔が形成され、
前記中間保護カバーは、前記内側ガス導入孔と前記外側ガス導入孔に対向しない位置に中間ガス導入孔が少なくとも形成され、
前記複数の内側ガス導入孔の合計開口面積をＡ１、前記複数の外側ガス導入孔の合計開口面積をＡ２としたとき、
Ａ１／Ａ２≧１
を満足することを特徴とするガスセンサ。
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記内側ガス導入孔の個数が前記外側ガス導入孔の個数よりも多いことを特徴とするガスセンサ。
請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記中間保護カバーは、前記内側保護カバーを覆うように有底円筒状に形成され、底部に前記内側保護カバーの内側ガス排出孔の径よりも小径の中間ガス排出孔が形成され、前記外側保護カバーの内壁に当接するフランジ部を有し、
前記フランジ部は、その円周に沿って複数の前記中間ガス導入孔が形成されていることを特徴とするガスセンサ。
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記外側ガス導入孔と、前記中間ガス導入孔と、前記内側ガス導入孔との配置関係が、前記外側保護カバーの底部から上方に向かって、前記外側ガス導入孔、前記内側ガス導入孔、前記中間ガス導入孔の順に配置され、
前記フランジ部から第１距離の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って複数の前記内側ガス導入孔が形成され、
前記フランジ部から前記第１距離よりも長い第２距離の位置に対応する箇所の１つの円周に沿って複数の前記内側ガス導入孔が形成され、
各前記内側ガス導入孔の中心を結ぶ線がジグザグとなるように設定されていることを特徴とするガスセンサ。
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記外側ガス導入孔と、前記中間ガス導入孔と、前記内側ガス導入孔との配置関係が、前記外側保護カバーの底部から上方に向かって、前記外側ガス導入孔、前記中間ガス導入孔、前記内側ガス導入孔の順に配置され、
前記内側保護カバーは、前記複数の矩形状の内側ガス導入孔を跨ぐように板部が設けられ、
前記板部は、前記内側ガス導入孔の周辺部のうち、互いに対向する部分から前記内側保護カバーの中心に向かって立ち上がる２つの側壁とこれら側壁間を一体につなぎ、前記内側ガス導入孔の開口と平行に配置された平板部とを有することを特徴とするガスセンサ。