JP5254154B2

JP5254154B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5254154B2
Application number: JP2009188212A
Authority: JP
Inventors: 高幸関谷; 圭小坂
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: US20110036716A1; EP2287598B1; US8449743B2; EP2287598A1; JP2011038953A

Description

本発明は、センサ素子を備え、被測定ガス成分中の所定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。

従来より、被測定ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成することにより構成した電気化学的ポンプセルを有するガスセンサが公知である。

このようなガスセンサは、例えば、自動車の排出ガスに含まれる所望のガス成分の測定に用いられる。自動車の排気管に取り付けられるガスセンサには、エンジンの始動時に発生する水のセンサ素子への付着を防止すること、および水のセンサ素子内への侵入を防止することを主目的として、センサ素子を保護する保護カバーが設けられている。

このような保護カバーとしては種々のものがすでに公知である。例えば、内部での被測定ガスの流れを一定方向の旋回流とするようにした保護カバーが公知である（例えば、特許文献１参照）。また、水の付着によるセンサ素子のクラックの発生や、被測定ガスの温度の低下によるセンサ素子の温度低下を抑制するようにした保護カバーも公知である（例えば、特許文献２参照）。

さらには、３重構造（内側保護カバー、中間保護カバーおよび外側保護カバー）を採用して水の付着を有効に防止するようにした保護カバーも公知である（例えば、特許文献３および特許文献４参照）。

特開平１−２９６１５９号公報特開平１０−３１８９８０号公報特開２０００−３０４７１９号公報特開２００４−３０１５７９号公報

ガスセンサを高精度化するには、応答性をより高めること、すなわち、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度変化により迅速に追従した濃度測定を可能にすることと、エンジン始動時に発生する水のセンサ素子への付着を低減することとが必要である。

保護カバーが設けられたガスセンサの場合、応答性の確保のためには、保護カバー内の雰囲気が、より迅速に保護カバー外に存在する被測定ガスと置換される必要がある。

しかしながら、保護カバー内の被測定ガスの置換性を高めることと、センサ素子への水の付着を低減すること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った。

特許文献１および特許文献２に開示されている保護カバーは、水の付着およびセンサ素子内への侵入を低減することを重視した構造となっているため、応答性は十分なものではなかった。

また、特許文献３および特許文献４に開示されている三重構造を採用した保護カバーは、水の付着を有効に防止しつつ、高い応答性を得ることを目的としているが、中間保護カバーを備えることで、製造工程が複雑になり、製造コストが高くなるという問題があった。

そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、製造コストを抑えつつ、かつ、高い応答性を有するとともに、センサ素子への水の付着およびセンサ素子内への水の侵入を効果的に低減することが可能なガスセンサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子と、前記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備え、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、前記保護カバーは、底部が閉じた有底筒状に形成され、筒状部が前記センサ素子の長手方向に沿って一様な形状を有するとともにその側面に略円形である複数の内側ガス流通孔を有し、前記センサ素子の一先端部を取り囲む内側保護カバーと、有底筒状に形成され、その側面に略円形である複数の外側ガス流通孔を１段にのみ有し、前記内側保護カバーを取り囲む外側保護カバーと、を備え、前記複数の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面に前記センサ素子の長手方向に２段に形成された、複数の第１の内側ガス流通孔と、複数の第２の内側ガス流通孔と、を備え、前記複数の第１の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面において、前記センサ素子の一先端部に対向する位置よりも前記内側保護カバーの底部側の位置に形成されており、前記複数の第２の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面において、前記センサ素子の一先端部に対向する位置よりも前記センサ素子の他の先端部側の位置に形成されており、前記複数の外側ガス流通孔は、前記外側保護カバーの側面において、前記複数の第１の内側ガス流通孔と対向する位置と前記複数の第２の内側ガス流通孔と対向する位置との間の位置に形成されており、前記複数の第１の内側ガス流通孔の合計開口面積をＳ１、前記複数の第２の内側ガス流通孔の合計開口面積をＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２≦０．４４を満たす。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサにおいて、前記複数の第１の内側ガス流通孔および前記複数の第２の内側ガス流通孔は、それぞれ前記内側保護カバーの側周にほぼ等ピッチで形成される。

請求項３の発明は、請求項２に記載のガスセンサにおいて、前記複数の外側ガス流通孔は、前記外側保護カバーの側周にほぼ等ピッチで形成される。

請求項１から請求項３の発明によれば、内側保護カバーの側面に第１のガス流通孔と第２のガス流通孔とを備えることにより、応答性に優れ、かつ、センサ素子への配管内に存在する水の付着およびセンサ素子内部への水などの配管内に存在する水の侵入が効果的に防止されたガスセンサを実現することができる。

本発明の実施の形態に係るガスセンサの構成の一例を概略的に示した部分断面図である。本発明の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子の構成の一例を概略的に示した模式図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性のシミュレーションの結果を示した図である。ガスセンサの応答性の試験の結果を示した図である。壊れ出し水量測定装置の構成を概略的に示した図である。ガスセンサの耐被水性の試験の結果を示した図である。

＜実施の形態＞
＜ガスセンサの概略構成＞
はじめに、本発明の実施の形態に係るガスセンサの概略構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した部分断面図である。ガスセンサ１００は、測定対象とするガス（被測定ガス）中の所定のガス成分（ＮＯｘやＯ₂）を検出し、さらにはその濃度を測定するセンサ素子１０１と、該センサ素子１０１の先端部を取り囲むように設けられた保護カバー１０２とを主として備える。被測定ガス中の所定ガス成分の濃度測定は、ガスセンサ１００外部から、保護カバー１０２を介してセンサ素子１０１内部に取り込まれた被測定ガスに対して行われる。

保護カバー１０２は、後述するように、センサ素子１０１への水の付着およびセンサ素子１０１内部への水の侵入を効果的に防止しつつも、ガスセンサ１００に高い応答性を確保させるべく採用されたものである。

なお、本実施の形態においては、ガスセンサ１００が窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出対象成分とするＮＯｘセンサである場合を例として説明する。

＜センサ素子の概略構成＞
次に、センサ素子１０１の概略構成について説明する。

図２は、センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する細長な長尺の板状体形状の素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１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所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１０１の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、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の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。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。

また、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の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、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、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、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の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。

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１０１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１０１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。これによって、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および第１固体電解質層４）、および、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、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、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、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）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ＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３と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と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるい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、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

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と、第２固体電解質６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。

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）がわかるようになっている。さらに、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。これによって、第１内部空所内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（ＮＯｘ）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。ＮＯｘ濃度の測定は、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、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、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、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。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、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０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を有する補助ポンプ電極５１と、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１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

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とされた構造において、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、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たトンネル形態の構造となっている。

なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧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、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

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と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１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、ＮＯｘ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、これとともに、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。ＮＯｘ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ＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１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た測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極４４は、平面視ほぼ矩形状の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ＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。

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ＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護膜としても機能する。

測定用ポンプセル４１においては、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として検出することができる。

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と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２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にて検出された起電力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にて検出された制御電圧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、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、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となっている。

このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘ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によって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

さらに、センサ素子１０１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１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１ａ，７１ｂと、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４、圧力放散孔７５とを備えている。

ヒータ電極７１ａ，７１ｂ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７１ａ，７１ｂを外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３と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。ヒータ７２は、スルーホール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１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ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、ヒータ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とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２と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。

＜保護カバーの概略構成＞
次に、図１を参照して、保護カバー１０２の概略構成について説明する。図１には、説明の便宜上、図面視左右方向をｘ軸方向、図面視上下方向をｙ軸方向、紙面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を付している。また、図１においては、センサ素子１０１の長手方向がｙ軸方向に一致するようにガスセンサ１００を図示している。

保護カバー１０２は、センサ素子１０１の先端部１０１ａを取り囲むように設けられた内側保護カバー１１０と、該内側保護カバー１１０を取り囲むように設けられた外側保護カバー１２０とを備える。すなわち、本実施の形態における保護カバー１０２には、内側保護カバー１１０と外側保護カバー１２０とからなる二重構造が採用されている。

内側保護カバー１１０および外側保護カバー１２０は、それぞれ、金属等によって構成される有底円筒状の部材である。加えて、内側保護カバー１１０は、そのｙ軸正方向側端部にフランジ部１１２を備える。フランジ部１１２は、ｙ軸方向に延びた円筒部分からｘ軸方向に屈曲してなる第１屈曲部１１２ａと、第１屈曲部１１２ａからさらにｙ軸方向に屈曲してなる第２屈曲部１１２ｂとを備える。そして、第２屈曲部１１２ｂが外側保護カバー１２０に当接あるいは嵌合されることで、内側保護カバー１１０は外側保護カバー１２０に固定される。また、外側保護カバー１２０の開口部にはハウジング１０３がはめ込まれたうえで、スポット溶接等により、外側保護カバー１２０がハウジング１０３に固定されている。

内側保護カバー１１０および外側保護カバー１２０には、それぞれ内部への被測定ガスの導入および外部への被測定ガスの排出のため、略円形状の複数のガス流通孔が備わっている。ここで、ガス流通孔には、四角穴、スリットおよびフラップ構造等の形状を採用してもよく、このような形状を採用しても、略円形状の流通孔を採用した場合と同様の効果を得ることができる。

内側保護カバー１１０の側面には、センサ素子１０１の長手方向に２段に形成された（ｙ軸方向に離間させて形成された）複数の内側ガス流通孔１１１が備わっている。図１においては、内側ガス流通孔１１１は、６個の第１の内側ガス流通孔１１１ａと６個の第２の内側ガス流通孔１１１ｂとからなる場合を例示している。第１の内側ガス流通孔１１１ａは、内側保護カバー１１１の側面（円筒部分）において、センサ素子先端部１０１ａよりもｙ軸負方向（センサ素子先端部１０１ａに対向する位置よりも内側保護カバー１１０の底部側）の位置に形成されている。第２の内側ガス流通孔１１１ｂは、センサ素子先端部１０１ａよりもｙ軸正方向（センサ素子先端部１０１ａと対向する位置よりもセンサ素子１０１の他の先端部側）の位置に形成されている。

外側保護カバー１２０の側面には、複数の第１の外側ガス流通孔１２１が備わっている。図１においては、第１の外側ガス流通孔１２１が６個の場合を例示している。また、外側保護カバー１２０の底部には、１個の第２の外側ガス流通孔１２２が備わっている。

第１の外側ガス流通孔１２１は、外側保護カバー１２０の側面（ｙ軸方向に延びた円筒部分）において、第１の内側ガス流通孔１１１ａと対向する位置と第２の内側ガス流通孔１１１ｂと対向する位置との間に形成されている。

すなわち、第１の内側ガス流通孔１１１ａ，第２の内側ガス流通孔１１１ｂおよび第１の外側ガス流通孔１２１は、ｙ軸正方向において、第１の内側ガス流通孔１１１ａ、第１の外側ガス流通孔１２１、第２の内側ガス流通孔１１１ｂの順に位置するように形成されている。

ｙ軸正方向においてこのような配置関係を有することで、第１の外側ガス流通孔１２１から外側保護カバー１２０の内部へ入った水の大部分は、内側保護カバー１１０の側面に衝突もしくは付着する。これにより、水が内側保護カバー１１０の内部まで到達してセンサ素子１０１に付着したり、さらには水がセンサ素子１０１内に侵入したりすることが阻止される。

しかも、内側保護カバー１１０に衝突もしくは付着した水は、外側保護カバー１２０の内部に留まることなく、第２の外側ガス流通孔１２２を通じて外部に排出される。結果として、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、実用上問題ない程度の耐被水性が確保されている。

また、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、上述のように、内側保護カバー１１０の側面に上下２段に内側ガス流通孔１１１を備えることにより、内側ガス流通孔を１段のみ備えるガスセンサに比べて、内側保護カバー内部への被測定ガスの導入および外部への被測定ガスの排出を行う流通経路を多く有している。これにより、保護カバー１０２内部における被測定ガスの置換性が向上したものとなっている。

しかも、センサ素子１０１の長手方向において、第１の内側ガス流通孔１１１ａと第２の内側ガス流通孔１１１ｂとの間の位置にセンサ素子先端部１０１ａが配置される構成となっているので、特にセンサ素子先端部１０１ａの周辺における被測定ガスの置換性に優れている。

図３ないし図８は、上述したような保護カバー１０２内の被測定ガスの置換性を確認するために行った、被測定ガスを外部から保護カバー１０２内部に導入したときの、保護カバー１０２内部の被測定ガスの置換率の経時変化についてのシミュレーションの結果を示す図である。ここで、ガス置換率とは、内側保護カバー１１０内部のガス中に占める被測定ガスの割合のことをいう。シミュレーションは、表１に示す内側保護カバー１１０における内側ガス流通孔１１１の形成態様のみが異なった３つのガスセンサＡ、ガスセンサＢおよびガスセンサＣを対象に行っている。被測定ガスは、保護カバー１０２内部のガスとはＮＯｘ濃度が異なり、かつ、一定のＮＯｘ濃度を有するものとした。

表１に示すように、ガスセンサＡおよびガスセンサＢは、内側保護カバー１１０の側面に６個の第１の内側ガス流通孔１１１ａと６個の第２の内側ガス流通孔１１１ｂとを上下２段に備える。ガスセンサＡは、第１の内側ガス流通孔１１１ａの径（１．０ｍｍ）と第２の内側ガス流通孔１１１ｂの径（１．０ｍｍ）とが同じ大きさである。ガスセンサＢは、第１の内側ガス流通孔１１１ａの径（１．０ｍｍ）よりも第２の内側ガス流通孔１１１ｂの径（０．５ｍｍ）の方が小さく、第１の内側ガス流通孔１１１ａの合計開口面積／第２の内側ガス流通孔１１１ｂの合計開口面積（S-low/S-high）が４．０である。一方、ガスセンサＣは、６個の内側ガス流通孔を内側保護カバーの側面に１段に備える。

図３から図７は、ガスセンサＡおよびガスセンサＣについてのシミュレーションにおける保護カバー１０２内のガス置換率の分布を示した図である。ここで、図面視上側（ａ）がガスセンサＡを示した図であり、図面視下側（ｂ）がガスセンサＣを示した図である。図中に示した時間および置換率は、所定の時間経過後におけるシミュレーションにより求めたセンサ素子先端部１０１ａ周辺のガス置換率である。例えば、図３（ａ）において、センサ素子先端部１０１ａ周辺のガスは、２０ｍｓ経過後に被測定ガスが６５％を占めている。

図３から図７に示すように、ガスセンサＡでは、被測定ガスが導入されにくい停滞領域がほとんど形成されることなく、時間経過とともに内側保護カバー内部のガスが被測定ガスに置換されていく。一方、ガスセンサＣでは、センサ素子先端部１０１ａよりもフランジ側に停滞領域が形成され、時間が経過しても内側保護カバー内部の被測定ガスへの置換が妨げられる領域がある。

すなわち、上下２段に内側ガス流通孔１１１を備えるガスセンサＡの方が、１段のみ内側ガス流通孔を備えるガスセンサＣと比べて、内側保護カバー１１０内部への被測定ガスの導入および外部への被測定ガスの排出を行う流通経路を多く有しており、内側保護カバー１１０内部への被測定ガスの置換性が優れる。

また、図８は、シミュレーションを行って得た、ガスセンサＡ、ガスセンサＢおよびガスセンサＣのそれぞれについての保護カバー１０２内のセンサ素子先端部１０１ａ周辺のガス置換率の経時変化を示した図である。

図８に示すように、センサ素子先端部１０１ａの周辺の被測定ガスの置換率が９０％に達するのに要する時間は、ガスセンサＡが約５０ｍｓｅｃ、ガスセンサＢが約８０ｍｓｅｃ、ガスセンサＣが約１００ｍｓｅｃである。

また、センサ素子先端部１０１ａの周辺の被測定ガスの置換率が１００％に達するのに要する時間は、ガスセンサＡが約７０ｍｓｅｃ、ガスセンサＢが約１５０ｍｓｅｃである。一方、ガスセンサＣは、２００ｍｓｅｃを経過した時点でも、センサ素子先端部１０１ａの周辺の被測定ガスの置換率が１００％に達していない。

すなわち、上下２段に内側ガス流通孔１１１を備えるガスセンサＡおよびガスセンサＢの方が、１段のみ内側ガス流通孔を備えるガスセンサＣと比べて、短い時間でセンサ素子先端１０１ａ周辺のガスが置換される。

以上のようなガス置換特性を有することで、本実施の形態におけるガスセンサ１００は、優れた応答性を有するものとなっている。

次に、保護カバー１０２のより好ましい構成について説明する。

第１の内側ガス流通孔１１１ａおよび第２の内側ガス流通孔１１１ｂは、それぞれ、内側保護カバー１１０の底部に平行な内側保護カバー１１０の所定の側周位置において等ピッチで形成されることが好ましい。

同様に、第１の外側ガス流通孔１２１は、外側保護カバー１２０の底部に平行な外側保護カバー１２０の所定の側周位置において等ピッチで形成されることが好ましい。

また、第１の内側ガス流通孔１１１ａと第２の内側ガス流通孔１１１ｂとは同数であることが好ましい。そして、第１の内側ガス流通孔１１１ａの中心位置と、対応する第２の内側ガス流通孔１１１ｂの中心位置とを結ぶ直線が、内側保護カバー１１１の軸方向（ｙ軸方向）と平行になるように、第１の内側ガス流通孔１１１ａおよび第２の内側ガス流通孔１１１ｂは形成されることが好ましい。

保護カバー１０２がこのような構成を有することにより、ガスセンサ１００においては、いずれかのガス流通孔に集中的に被測定ガスが導入および排出されることが回避される。その結果、ガスセンサ１００における保護カバー１０２内部の被測定ガスの置換性がより向上する。さらに、センサ素子１０１内での局部的な温度変動等が防止され、センサ素子への温度変動に伴うクラックの発生等が有効に防止される。

また、第１の内側ガス流通孔１１１ａの合計開口面積／第２の内側ガス流通孔１１１ｂの合計開口面積（S-low/S-high）は、３．０以下であることが好ましい。S-low/S-highが３．０以下の場合、ガスセンサ１００は、実用上問題ない程度の耐被水特性を有することができる。

特に、第１の内側ガス流通孔１１１ａのS-low/S-highが０．４４以下である場合には、内側ガス流通孔を内側保護カバーの側面に１段のみ有するガスセンサと同等の耐被水性を有するとともに、より高い応答性を有するガスセンサ１００が実現される。

以上より、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、内側保護カバー１１０の側面に内側ガス流通孔１１１を上下２段に有することにより、応答性に優れ、かつ、センサ素子１０１への水の付着およびセンサ素子１０１内部への水の侵入を効果的に防止することができる。

また、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、二重構造の保護カバー１０２を用いることにより、三重構造の保護カバーを用いる場合に比べて、製造工程が簡易になり、製造コストが低減される。

＜実施例＞
次に、本実施の形態に係るガスセンサ１００と従来から用いられているガスセンサに対して行った試験結果を示す。

実施例として、表２に示したガスセンサａからガスセンサｅに対して、応答性の試験および耐被水性の試験を行った。ガスセンサａからガスセンサｅは、それぞれ保護カバー１０２のみ異なった構造を有しており、その他は同じ構成である。

表２に示すように、ガスセンサａからガスセンサｄは、６個の第１の内側ガス流通孔１１１ａと、６個の第２の内側ガス流通孔１１１ｂとからなる上下２段の内側ガス流通孔１１１を内側保護カバー１１０の側面に備える。ガスセンサａからガスセンサｄは、第１の内側ガス流通孔１１１ａの径（１．０ｍｍ）は共通で、第２の内側ガス流通孔１１１ｂの径がそれぞれ、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．７５ｍｍ、０．５ｍｍと異なっている。これに応じて、S-low/S-highがそれぞれ、０．４４、１．０、１．７８、４．０となっている。一方、ガスセンサｅは、６個の内側ガス流通孔を内側保護カバーの側面に１段に備える。

応答性の試験は、保護カバー１０２内部に導入する混合ガス中のＮＯｘ濃度を０％から１００％まで変化させた場合において、ＮＯｘ濃度が１０％に相当するセンサ出力（Ｉｐ２）を検出した時点からＮＯｘ濃度が９０％に相当するセンサ出力（Ｉｐ２）を検出した時点までの時間（応答時間）をそれぞれのガスセンサについて３０回ずつ測定することで行った。なお、ＮＯｘ濃度が７０ｐｐｍのときを０％とし、５００ｐｐｍのときを１００％とした。また、温度が３５０℃、ガスの流速が１０ｍ／ｓ、空燃比（被測定ガス中の酸素濃度）を制御してλ値（空気過剰率）が１．３の条件下で応答性の試験を行った。

応答性試験の結果を図９に示す。図９に示すように、ガスセンサｅの応答時間を１００％としたとき、ガスセンサａは約６０％の応答時間、ガスセンサｂは約７０％の応答時間、ガスセンサｃは約７５％の応答時間、ガスセンサｄは約９０％の応答時間であった。

すなわち、ガスセンサａからガスセンサｄでは、ガスセンサｅに比べて応答時間が短くなっていた。これにより、内側保護カバー１１０の側面に内側ガス流通孔１１１を上下２段に備えてガスの流通経路を増やすことが、応答性の向上に効果があることが確認された。特に、第１の内側ガス流通孔１１１ａよりも第２の内側ガス流通孔１１１ｂの径が大きい方が、より応答性の向上に効果があることが確認された。

次に、耐被水性の試験は、壊れ出し水量測定装置４００を用いて、センサ素子１０１が壊れ始めたときの水量を、それぞれのガスセンサについて３０回ずつ測定することで行った。

図１０は、壊れ出し水量測定装置４００の構成を概略的に示した図である。壊れ出し水量測定装置４００は、角度が１５０°となるように接続された直径４０ｍｍの２本のパイプ４１０，４２０と、パイプ４１０の接続部４３０とは反対側の端部に接続部４３０からの距離が１５００ｍｍの位置で接続されたエンジン４４０と、パイプ４２０の側面に接続部４３０からの距離が５００ｍｍの位置で形成されたセンサ取り付け部４４０と、を有している。

壊れ出し水量測定装置４００を用いた試験は、センサ取り付け部にガスセンサを取り付け、パイプ４１０およびパイプ４２０内の接続部４３０に水が蓄えられた状態でエンジンを運転し、蓄えられた水の飛散によるガスセンサの出力の変動を検査することで行った。エンジンの運転は、ガスセンサのヒータへの通電を開始してから６０秒後にエンジンをスタートし、スタートから１５秒後の時点から３秒間の加速運転を続けて３回行い、アイドル状態の回転数が６００ｒｐｍ、加速状態のピーク時の回転数が５０００ｒｐｍとした。そして、ガスセンサの出力に異常が見られるまで、蓄えられた水の量を１０ｃｍ³ずつ増やして同様の試験を実施した。そして、センサ素子の出力に異常が見られた時点でエンジンの運転を停止し、このときに蓄えられた水の量を壊れ出し水量とした。

耐被水性の試験の結果を図１１に示す。図１１に示すように、ガスセンサｅの壊れ出し水量は１００ｃｍ³であり、ガスセンサａの壊れ出し水量は１００ｃｍ³、ガスセンサｂの壊れ出し水量は８０ｃｍ³、ガスセンサｃの壊れ出し水量は６０ｃｍ³、ガスセンサｄの壊れ出し水量は４０ｃｍ³であった。

ここで、耐被水特性は、壊れ出し水量測定装置４００を用いて同様の条件で耐被水性の試験を行った場合の壊れ出し水量が５０ｃｍ³以上あれば実用上問題ない。すなわち、ガスセンサａ、ガスセンサｂおよびガスセンサｃは、実用上問題ない耐被水性を有していることが確認された。特に、ガスセンサａは、ガスセンサｅと同程度の耐被水性を有していた。これにより、S-low/S-highが０．４４以下の内側ガス流通孔１１１を内側保護カバー１１０の側面に備えることで、耐被水性を維持しつつ、応答性の向上に効果があることが確認された。

１００ガスセンサ
１０１センサ素子
１０２保護カバー
１１０内側保護カバー
１１１ａ第１の内側ガス流通孔
１１１ｂ第２の内側ガス流通孔
１２０外側保護カバー
１２１第１の外側ガス流通孔
１２２第２の外側ガス流通孔

Claims

酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子と、前記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備え、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、
前記保護カバーは、
底部が閉じた有底筒状に形成され、筒状部が前記センサ素子の長手方向に沿って一様な形状を有するとともにその側面に略円形である複数の内側ガス流通孔を有し、前記センサ素子の一先端部を取り囲む内側保護カバーと、
有底筒状に形成され、その側面に略円形である複数の外側ガス流通孔を１段にのみ有し、前記内側保護カバーを取り囲む外側保護カバーと、
を備え、
前記複数の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面に前記センサ素子の長手方向に２段に形成された、複数の第１の内側ガス流通孔と、複数の第２の内側ガス流通孔と、を備え、
前記複数の第１の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面において、前記センサ素子の一先端部に対向する位置よりも前記内側保護カバーの底部側の位置に形成されており、
前記複数の第２の内側ガス流通孔は、前記内側保護カバーの側面において、前記センサ素子の一先端部に対向する位置よりも前記センサ素子の他の先端部側の位置に形成されており、
前記複数の外側ガス流通孔は、前記外側保護カバーの側面において、前記複数の第１の内側ガス流通孔と対向する位置と前記複数の第２の内側ガス流通孔と対向する位置との間の位置に形成されており、
前記複数の第１の内側ガス流通孔の合計開口面積をＳ１、前記複数の第２の内側ガス流通孔の合計開口面積をＳ２としたとき、
Ｓ１／Ｓ２≦０．４４
を満たすガスセンサ。
前記複数の第１の内側ガス流通孔および前記複数の第２の内側ガス流通孔は、それぞれ前記内側保護カバーの側周にほぼ等ピッチで形成される、請求項１に記載のガスセンサ。
前記複数の外側ガス流通孔は、前記外側保護カバーの側周にほぼ等ピッチで形成される、請求項２に記載のガスセンサ。