JP5997833B2 - ガスセンサ - Google Patents

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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や酸素などの所定のガス濃度を検出するガスセンサが知られている。このガスセンサでは、例えばエンジンの始動時に発生する水がセンサ素子に付着することにより、センサ素子の温度が低下してクラックが発生する場合がある。そのため、センサ素子を覆う保護カバーを取り付けてこれを防止することが提案されている。例えば、特許文献１には、排気ガスを内部に導くための通気口が形成された２重構造の保護カバーをセンサ素子の先端部外周に設けたガスセンサが記載されている。
特開２０１１−１１２５５７号公報
ところで、このようなガスセンサでは、被測定ガス中のガス濃度の変化を速やかに検出したい、すなわちガス濃度検出の応答性を高めたいとう要望がある。また、センサ素子の検出感度の低下を抑制するためや、センサ素子を保温するヒーターの消費電力の増大を抑制するために、被測定ガスの流れや水の付着によるセンサ素子の冷えを抑制したいという要望がある。しかし、例えばガス検出濃度の応答性を高めるために保護カバー内部の被測定ガスの流路を単純にすると、センサ素子周辺の被測定ガスの流量が増大してセンサ素子が冷えやすくなってしまう。一方、センサ素子の冷えを抑制するために保護カバー内部の流路を複雑にすると、センサ素子への被測定ガスの到達に時間がかかり、ガス濃度検出の応答性が低下してしまう。そのため、応答性と保温性とを両立できるガスセンサが望まれている。
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、ガスセンサにおいてガス濃度検出の応答性とセンサ素子の保温性とを両立することを主目的とする。
本発明のガスセンサは、
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサ素子と、
前記センサ素子の先端を覆うと共に、３以上の第１内側ガス孔と、該第１内側ガス孔よりも前記センサ素子の先端方向に形成された１以上の第２内側ガス孔と、が形成された有底筒状の内側保護カバーと、
複数の第１外側ガス孔が形成された円筒状の胴部と、１以上の第２外側ガス孔が形成され該胴部よりも内径の小さい有底筒状の先端部と、を有し、前記内側保護カバーを覆う有底筒状の外側保護カバーと、
前記外側保護カバーの胴部と前記内側保護カバーとの間の空間であり、前記第１内側ガス孔により前記内側保護カバーの内部と連通する第１ガス室と、
前記外側保護カバーの先端部と前記内側保護カバーとの間の空間であり、前記第１ガス室と直接には連通しておらず、前記第２内側ガス孔により前記内側保護カバーの内部と連通する第２ガス室と、
を備え、
前記第１内側ガス孔及び前記第１外側ガス孔は、０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されている、
（ただし、前記第１内側ガス孔の個数を第１内孔数Ｎｉｎとする。（前記第１内側ガス孔の総開口面積）／（第１内孔数Ｎｉｎ）を第１内孔平均面積Ａｉｎ［ｍｍ2］とする。前記第１外側ガス孔の個数を第１外孔数Ｎｏｕｔとする。（前記第１外側ガス孔の総開口面積）／（第１外孔数Ｎｏｕｔ）を第１外孔平均面積Ａｏｕｔ［ｍｍ2］とする。第１内孔数Ｎｉｎ／第１外孔数Ｎｏｕｔを内外孔数比Ｎｒとする。第１内孔平均面積Ａｉｎ／第１外孔平均面積Ａｏｕｔを内外孔面積比Ａｒとする。）
ものである。
この本発明のガスセンサでは、第１外側ガス孔を通って外側保護カバー内の第１ガス室に被測定ガスが流入可能になっている。また、被測定ガスは、第１ガス室から第１内側ガス孔を通って内側保護カバー内のセンサ素子に到達可能になっている。そして、第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔は、０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されている。すなわち、第１外側ガス孔の数（第１外孔数Ｎｏｕｔ）が第１内側ガス孔の数（第１内孔数Ｎｉｎ）の２倍以上であり、第１外側ガス孔の１つあたりの開口面積（第１外孔平均面積Ａｏｕｔ）が第１内側ガス孔の１つあたりの開口面積（第１内孔平均面積Ａｉｎ）の４倍以上になっている。これにより、第１外側ガス孔の数及び平均面積が相対的に大きいため、ガスセンサの外部から第１ガス室への被測定ガスの流量は比較的大きくなる。一方、第１内側ガス孔の数及び平均面積が相対的に小さいため、第１内側ガス孔から内側保護カバー内への被測定ガスの流量は比較的少なくなる。これらにより、第１ガス室から内側保護カバー内への被測定ガスの流量の減少を、外部から第１ガス室への被測定ガスの流量の増大で補うことになり、外部から第１ガス室を経由して内側保護カバー内に被測定ガスが到達するまでの全体時間の増大が抑制される。すなわち、ガス濃度検出の応答性の低下は抑制される。一方、センサ素子への被測定ガスの流量（第１ガス室から内側保護カバー内への被測定ガスの流量）は抑制されているため、センサ素子の冷えが抑制される。このように、ガスセンサにおいてガス濃度検出の応答性とセンサ素子の保温性とを両立することができる。ここで、「センサ素子の先端方向」とは、センサ素子の後端から先端へ向かう方向を意味する。なお、本発明のガスセンサでは、第１内側ガス孔が３以上（第１内孔数Ｎｉｎ≧３）であり、且つ０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５であるため、第１外孔数Ｎｏｕｔ≧６である。また、第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔は、０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．２５となるように形成してもよいし、０．２５≦内外孔数比Ｎｒ≦０．５となるように形成してもよい。
この本発明のガスセンサにおいて、前記外側保護カバーは、前記胴部が、該外側保護カバーの中心軸方向に沿った側面をもつ側部と、該側部と前記先端部とを接続する段差部と、を有しており、前記複数の第１外側ガス孔は、前記外側保護カバーの前記側部に形成された３以上の横孔と、前記外側保護カバーの前記段差部に形成された３以上の縦孔と、を含んでおり、前記横孔は、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°となるように形成されており（ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該横孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した横孔の存在しない領域を横孔不存在領域とする。また、該横孔不存在領域の中心角の最大値を横孔不存在最大角θｈｍａｘとする。）、前記縦孔は、０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°となるように形成されている（ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該縦孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した縦孔の存在しない領域を縦孔不存在領域とする。また、該縦孔不存在領域の中心角の最大値を縦孔不存在最大角θｖｍａｘとする。）、ものとしてもよい。ここで、外側保護カバーの中心軸と垂直な方向に被測定ガスが流れてくる場合、被測定ガスの上流側では、外側保護カバーの先端部に被測定ガスがぶつかり中心軸方向への流れが生じるため、縦孔に被測定ガスが流入しやすい。また、被測定ガスの下流側では、外側保護カバーの外周面を回り込むような流れが生じるため、横孔に被測定ガスが流入しやすい。そのため、第１外側ガス孔が横孔と縦孔とを有していることにより、外部から第１ガス室への被測定ガスの流量をより増大させ、ガス濃度検出の応答性を向上させることが可能になる。しかも、横孔及び縦孔が、それぞれ３個以上であり、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°，０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°を満たすように形成されている。そのため、外側保護カバーの外周面のどの方向から被測定ガスが流れてくる場合でも、被測定ガスの上流に縦孔を存在しやすくし、下流に横孔を存在しやすくできる。換言すると、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量が変化するのを抑制することができる。これにより、ガス濃度検出の応答性を向上させる効果をより確実に得ることができる。この場合において、ガス濃度検出の応答性を向上させる効果をさらに確実に得ることができるため、横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１２０°，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１２０°とすることが好ましい。また、横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦（３６０°／横孔の数）とすることがより好ましい。同様に、縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦（３６０°／縦孔の数）とすることがより好ましい。また、外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に横孔を投影したときに、横孔が外側保護カバーの周方向に沿って等間隔に配置されていることが好ましい。同様に、外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に縦孔を投影したときに、縦孔が外側保護カバーの周方向に沿って等間隔に配置されていることが好ましい。
上述した横孔及び縦孔を有する態様の本発明のガスセンサにおいて、前記横孔及び前記縦孔は、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該横孔及び該縦孔を投影したときに該横孔と該縦孔とが該外側保護カバーの周方向に沿って交互に位置する、ように形成されていてもよい。こうすれば、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量が変化するのをさらに抑制することができる。この場合において、外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に横孔及び縦孔を投影したときに、隣接する横孔と縦孔との周方向の間隔（中心軸を中心とした横孔と縦孔との中心角）が複数の横孔及び縦孔について全て等しくなるように縦孔及び横孔が配置されていることが好ましい。こうすれば、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量が変化するのを抑制する効果がより高まる。
本発明のガスセンサにおいて、前記第１内側ガス孔は、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１８０°となるように形成されており（ただし、前記内側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該第１内側ガス孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該内側保護カバーの径方向を見たときに該投影した第１内側ガス孔の存在しない領域を第１内孔不存在領域とする。また、該第１内孔不存在領域の中心角の最大値を第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘとする。）、前記第１外側ガス孔は、第１外孔数Ｎｏｕｔ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦９０°となるように形成されている（ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該第１外側ガス孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した第１外側ガス孔の存在しない領域を第１外孔不存在領域とする。また、該第１外孔不存在領域の中心角の最大値を第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘとする。）、ものとしてもよい。こうすることで、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー及び内側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量や第１ガス室から内側保護カバー内への流量が変化するのを抑制することができる。これにより、ガスセンサにおいてガス濃度検出の応答性とセンサ素子の保温性とを両立する効果を、より確実に得ることができる。この場合において、前記第１内側ガス孔は、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°となるように形成されており、前記第１外側ガス孔は、第１外孔数Ｎｉｎ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°となるように形成されていてもよい。こうすれば、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー及び内側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量や第１ガス室から内側保護カバー内への流量が変化するのをさらに抑制することができる。なお、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦（３６０°／第１内孔数Ｎｉｎ）とすることが好ましい。同様に、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦（３６０°／第１外孔数Ｎｉｎ）とすることが好ましい。
本発明のガスセンサにおいて、前記複数の第１外側ガス孔は、いずれも開口面積が０．１９６ｍｍ2〜３．１４ｍｍ2となるように形成されているものとしてもよい。複数の第１外側ガス孔の開口面積をいずれも３．１４ｍｍ2以下とすることで、第１外側ガス孔から外側保護カバー内に被測定ガス中の水滴やススなどの不要成分が侵入するのをより抑制することができる。また、複数の第１外側ガス孔の開口面積をいずれも０．１９６ｍｍ2以上、好ましくは０．７８５ｍｍ2以上とすることで、第１外側ガス孔からより確実に被測定ガスを第１ガス室に流入させることができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記第１内側ガス孔は、いずれも開口面積が０．２ｍｍ2以上としてもよい。こうすれば、被測定ガス中のススなどの不要成分により第１内側ガス孔が目詰まりするのをより抑制できる。
本発明のガスセンサにおいて、前記第１内側ガス孔は、いずれも開口部の中心が前記センサ素子の先端から５ｍｍ以上該センサ素子の後端側に位置していてもよい。ここで、第１内側ガス孔から内側保護カバー内へ流入した被測定ガスは、第１内側ガス孔よりもセンサ素子の先端方向に形成された第２内側ガス孔から流出することになる。そのため、第１内側ガス孔よりもセンサ素子の後端側の空間には被測定ガスが到達しにくく、これにより内側保護カバー内の空間が被測定ガスで置換されるまでに要する時間が増大しガス濃度検出の応答性が低下する場合がある。そこで、第１内側ガス孔の開口部の中心がセンサ素子の先端から５ｍｍ以上該センサ素子の後端側に位置することで、センサ素子の後端側の空間に被測定ガスを到達させやすくなり、ガス濃度検出の応答性の低下をより抑制することができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記第２外側ガス孔は、前記先端部の側面に形成された３以上の横孔と、前記先端部の底面に形成された３以上の縦孔と、を含んでいてもよい。
配管２０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図である。 図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＣ−Ｃ断面図である。 図２のＤ視図である。 図２の第２外側ガス孔１４６ａ周辺を拡大した部分断面図である。 図２の第２外側ガス孔１４６ａ及び第２内側ガス孔１３８ａ周辺を拡大した部分断面図である。 横孔不存在最大角θｈｍａｘの説明図である。 縦孔不存在最大角θｖｍａｘの説明図である。 第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘの説明図である。 第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘの説明図である。 被測定ガスの流れの説明図である。 図１１のＥ視図である。 変形例のガスセンサ２００の縦断面図である。 図１３のＦ−Ｆ断面図である。 変形例のガスセンサ３００の縦断面図である。 実験例３の第１内側ガス孔，第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。 実験例４のガスセンサ４００の縦断面図である。 図１７のＧ−Ｇ断面図である。 実験例８の第１内側ガス孔，第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。 実験例１２の第１内側ガス孔，第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。 実験例１３の第１内側ガス孔，第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。 実験例２，１２，１３についての流速Ｖ＝３０ｍ／ｓにおけるガス置換率の時間変化を示すグラフである。 実験例３における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例１４における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例１５における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例１６における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例１７における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例１８における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係を示す断面図である。 実験例３，１４〜１８についての流速Ｖ＝３０ｍ／ｓの場合のガス置換率の時間変化を示すグラフである。 実験例１９のガスセンサを図４と同じ視点で見た図である。 実験例１９のガスセンサの先端部１４６の断面図である。 実験例２０のガスセンサの先端部１４６の断面図である。 実験例２１のガスセンサの先端部１４６の断面図である。 被水量測定装置９００の説明図である。 質量流量Ｆｉｎの値と制御パワー比との関係を示すグラフである。
次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は配管２０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図である。図１（ａ）は配管２０の側面から見た状態の説明図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２は図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であり、図３は図２のＣ−Ｃ断面図である。図４は図２のＤ視図である。なお、図２は、説明の便宜上、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面の一部を拡大して示している。
図１（ａ）に示すように、ガスセンサ１００は車両のエンジンからの排気経路である配管２０内に取り付けられており、エンジンから排出された被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ2等のガス成分のうち少なくともいずれか１つの濃度を検出するようになっている。このガスセンサ１００は、図１（ｂ）に示すように、ガスセンサ１００の中心軸が配管２０内の被測定ガスの流れに垂直な状態で配管２０内に固定されている。なお、ガスセンサ１００の中心軸が配管２０内の被測定ガスの流れに垂直且つ鉛直方向に対して所定の角度（例えば４５°）だけ傾いた状態で配管２０内に固定されていてもよい。
ガスセンサ１００は、図２に示すように、被測定ガス中のガス成分の濃度を検出する機能を有するセンサ素子１１０と、このセンサ素子１１０を保護する保護カバー１２０とを備えている。また、ガスセンサ１００は、金属製のハウジング１０２及び外周面におねじが設けられた金属製のナット１０３を備えている。ハウジング１０２は配管２０に溶接され内周面にめねじが設けられた固定用部材２２内に挿入されており、さらにナット１０３が固定用部材２２内に挿入されることでハウジング１０２が固定用部材２２内に固定されている。これにより、ガスセンサ１００が配管２０内に固定されている。
センサ素子１１０は、細長な長尺の板状体形状の素子であり、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。センサ素子１１０は、センサ素子１１０を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒーターを内部に備えている。このようなセンサ素子１１０の構造やガス成分の濃度を検出する原理は公知であり、例えば特開２００８−１６４４１１号公報に記載されている。
保護カバー１２０は、センサ素子１１０の周囲を取り囲むように配置されている。この保護カバー１２０は、センサ素子１１０の先端を覆う有底筒状の内側保護カバー１３０と、内側保護カバー１３０を覆う有底筒状の外側保護カバー１４０とを有している。また、内側保護カバー１３０と外側保護カバー１４０とに囲まれた空間として第１ガス室１２２，第２ガス室１２６が形成され、内側保護カバー１３０に囲まれた空間としてセンサ素子室１２４が形成されている。なお、ガスセンサ１００，内側保護カバー１３０，外側保護カバー１４０の中心軸は同軸になっている。
内側保護カバー１３０は、金属（例えばステンレス鋼）製の部材であり、円筒状の大径部１３２と、円筒状で大径部１３２よりも径の小さい第１胴部１３４と、円筒状で第１胴部１３４よりも径の小さい第２胴部１３６と、有底筒状で第２胴部１３６よりも径の小さい先端部１３８とを有している。また、内側保護カバー１３０は、大径部１３２と第１胴部１３４とを接続する段差部１３３と、第１胴部１３４と第２胴部１３６とを接続する段差部１３５と、第２胴部１３６と先端部１３８とを接続する段差部１３７とを有している。なお、大径部１３２，第１胴部１３４，第２胴部１３６，先端部１３８は中心軸が同一である。大径部１３２は、ハウジング１０２に内周面が当接しており、これにより内側保護カバー１３０がハウジング１０２に固定されている。第１胴部１３４，第２胴部１３６は、センサ素子１１０の側面を覆うように位置している。第１胴部１３４には、第１ガス室１２２とセンサ素子室１２４とに通じる第１内側ガス孔１３４ａと、第１内側ガス孔１３４ａを経てセンサ素子室１２４に流入する被測定ガスの流れを規制する板状のガイド部１３４ｂとがそれぞれ等間隔に３箇所形成されている（図３参照）。先端部１３８の側面には、センサ素子室１２４と第２ガス室１２６とに通じる第２内側ガス孔１３８ａが等間隔に４箇所形成されている。
第１内側ガス孔１３４ａは、図３に示すように、ガイド部１３４ｂと１対１に対応しており、ガイド部１３４ｂは対応する第１内側ガス孔１３４ａとセンサ素子１１０との間に位置するように形成されている。また、複数のガイド部１３４ｂは、回転対称（３回対称）となるように形成されている。３個の第１内側ガス孔１３４ａは、開口部が長方形であり、いずれも開口面積が０．２ｍｍ2以上となるように形成されている。開口面積を０．２ｍｍ2以上とすることで、被測定ガス中のススなどの不要成分により第１内側ガス孔１３４ａが目詰まりするのをより抑制できる。なお、第１内側ガス孔１３４ａの開口面積とは、内側保護カバー１３０（第１胴部１３４）の法線方向から第１内側ガス孔１３４ａを見たときの開口面積をいう。換言すると、第１内側ガス孔１３４ａの開口面積とは、第１内側ガス孔１３４ａの外部開口面（第１胴部１３４の外周側の開口面）を、外部開口面に対して垂直に見たときの、外部開口面の面積である。また、ガイド部１３４ｂの規制面と第１内側ガス孔１３４ａの外部開口面とのなす角θ１（図３参照）は、２０°以上７０°以下としてもよく、２５°以上６７．５°以下としてもよい。第１内側ガス孔１３４ａは、開口部の中心（図２の上下方向の中心）がセンサ素子１１０の先端から５ｍｍ以上センサ素子１１０の後端側に形成されている。すなわち、センサ素子１１０の先端から第１内側ガス孔１３４ａの開口部の中心までの距離Ｌ１（図２参照）が５ｍｍ以上となっている。なお、本実施形態では、３個の第１内側ガス孔１３４ａの距離Ｌ１がいずれも同じになっている。複数の第１内側ガス孔１３４ａについての距離Ｌ１が異なる場合には、いずれの距離Ｌ１も５ｍｍ以上とすることが好ましい。
第２内側ガス孔１３８ａは、第２内側ガス孔１３８ａの中心軸に垂直な断面が真円となるように形成されている。この第２内側ガス孔１３８ａは、４個形成されている。第２内側ガス孔１３８ａは、４個のいずれについても、第２内側ガス孔１３８ａの中心（図２の上下方向の中心）と内側保護カバー１３０の底面（先端部１３８の底部の外周面）との距離Ｌ２（図２参照）が例えば１ｍｍ〜３ｍｍである。また、特に限定するものではないが、本実施形態では、第２内側ガス孔１３８ａの直径は例えば０．６〜１．２ｍｍの範囲の値である。また、第２内側ガス孔１３８ａの孔の数は、４個に限らず、例えば３〜６個としてもよい。なお、第２内側ガス孔１３８ａは、先端部１３８の側面に形成するものに限らず、先端部１３８の底面に形成してもよいし、先端部１３８の側面と底面との境界部分に形成してもよい。
外側保護カバー１４０は、金属（例えばステンレス鋼）製の部材であり、円筒状の大径部１４２と、大径部１４２に接続しており大径部１４２よりも径の小さい円筒状の胴部１４３と、有底筒状で胴部１４３よりも内径の小さい先端部１４６とを有している。また、胴部１４３は、外側保護カバー１４０の中心軸方向（図２の上下方向）に沿った側面をもつ側部１４３ａと、胴部１４３の底部であり側部１４３ａと先端部１４６とを接続する段差部１４３ｂと、を有している。なお、大径部１４２，胴部１４３，先端部１４６の中心軸はいずれも内側保護カバー１３０の中心軸と同一である。大径部１４２は、ハウジング１０２及び大径部１３２に内周面が当接しており、これにより外側保護カバー１４０がハウジング１０２に固定されている。胴部１４３は、第１胴部１３４，第２胴部１３６の外周面を覆うように位置している。先端部１４６は、先端部１３８を覆うように位置していると共に、内周面が第２胴部１３６の外周面と当接している。この外側保護カバー１４０は、胴部１４３に形成された１２個の第１外側ガス孔１４４ａと、先端部１４６に形成された６個の第２外側ガス孔１４６ａとを有している。
第１外側ガス孔１４４ａは、外側保護カバー１４０の外側と第１ガス室１２２とに通じる孔である。第１外側ガス孔１４４ａは、側部１４３ａに形成された６個の横孔１４４ｂと、段差部１４３ｂに形成された６個の縦孔１４４ｃとを有している。横孔１４４ｂの中心（図２の上下方向の中心）と段差部１４３ｂの外表面（図２の下面）との距離Ｌ３（図２参照）は、特に限定するものではないが、例えば１ｍｍ〜３ｍｍである。本実施形態では、６個の横孔１４４ｂのいずれも、距離Ｌ３が同じ値になるように形成されているものとしたが、距離Ｌ３は異なる値であってもよい。この第１外側ガス孔１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）は、円形（真円）に開けられた孔である。この１２個の第１外側ガス孔１４４ａは、いずれも開口面積が０．１９６ｍｍ2〜３．１４ｍｍ2となるように形成されている複数の第１外側ガス孔の開口面積をいずれも３．１４ｍｍ2以下とすることで、第１外側ガス孔１４４ａから外側保護カバー１４０内に被測定ガス中の水滴やススなどの不要成分が侵入するのをより抑制することができる。また、複数の第１外側ガス孔の開口面積をいずれも０．１９６ｍｍ2以上、好ましくは０．７８５ｍｍ2以上とすることで、第１外側ガス孔１４４ａからより確実に被測定ガスを第１ガス室１２２に流入させることができる。本実施形態では、１２個の第１外側ガス孔１４６ａの開口面積はいずれも同じとした。なお、第１外側ガス孔１４４ａの開口面積とは、第１外側ガス孔１４４ａの外部開口面を、外部開口面に対して垂直に見たときの、外部開口面の面積である。
第２外側ガス孔１４６ａは、外側保護カバー１４０の外側と第２ガス室１２６とに通じる孔である。この第２外側ガス孔１４６ａは、先端部１４６の側面と底面との境界部分である角部１４６ｂに形成され、等間隔に６箇所形成されている（図２，図４参照）。この第２外側ガス孔１４６ａは、円形に開けられた孔である。図５は、図２の第２外側ガス孔１４６ａ周辺を拡大した部分断面図であり、図６は、第２外側ガス孔１４６ａ及び第２内側ガス孔１３８ａ周辺を拡大した部分断面図である。図５に示すように、第２外側ガス孔１４６ａは、第２外側ガス孔１４６ａの外部開口面と先端部１４６の底面とのなす角θ２が１０°〜８０°の範囲の値（本実施形態では４５°）となり、且つ、第２外側ガス孔１４６ａの内周面と外部開口面とのなす角が９０°となるように形成されている。こうすることで、水が外側保護カバー１４０内に入ってセンサ素子１１０に付着するのをより抑制できると共に、センサ素子１１０の応答性の流速依存性を低くすることができる。また、図６に示すように、第２外側ガス孔１４６ａの延長上の領域１４６ｃ以外の位置に第２内側ガス孔１３８ａが位置するように、第２外側ガス孔１４６ａと第２内側ガス孔１３８ａとの位置関係が定められている。図示するように、第２外側ガス孔１４６ａの中心軸に沿った方向（外側保護カバー１４０の中心軸方向とのなす角が４５°の方向）から仮想的に指向性をもつ光を照射すると、内側保護カバー１３０の先端部１３８の底面にその光が当たる領域１４６ｃが現れるが、この領域１４６ｃを第２外側ガス孔１４６ａの延長上の領域という。第２内側ガス孔１３８ａはこの領域１４６ｃ以外に位置している。なお、６箇所の第２外側ガス孔１４６ａの開口部の面積はいずれも同じである。第２外側ガス孔１４６ａは、自身の中心軸に垂直な断面が真円となるように形成されている。また、特に限定するものではないが、本実施形態では、第２外側ガス孔１４６ａの直径は例えば０．８〜１．２ｍｍの範囲の値である。なお、第２外側ガス孔１４６ａは、例えば先端部１４６の側面や底面など角部１４６ｂ以外の位置に形成してもよい。
第１ガス室１２２は、段差部１３３，１３５，第１胴部１３４，第２胴部１３６，大径部１４２，側部１４３ａ、段差部１４３ｂにより囲まれた空間である。センサ素子室１２４は、内側保護カバー１３０に囲まれた空間である。第２ガス室１２６は、段差部１３７，先端部１３８，１４６に囲まれた空間である。なお、先端部１４６の内周面が第２胴部１３６の外周面と当接しているため、第１ガス室１２２と第２ガス室１２６とは直接には連通していない。
ここで、第１外側ガス孔１４４ａ及び第１内側ガス孔１３４ａについて詳細に説明する。本実施形態では、第１内側ガス孔１３４ａ及び第１外側ガス孔１４４ａは、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されている。ただし、第１内側ガス孔１３４ａの個数を第１内孔数Ｎｉｎとする。（前記第１内側ガス孔１３４ａの総開口面積）／（第１内孔数Ｎｉｎ）を第１内孔平均面積Ａｉｎ［ｍｍ2］とする。第１外側ガス孔１４４ａの個数を第１外孔数Ｎｏｕｔとする。（前記第１外側ガス孔１４４ａの総開口面積）／（第１外孔数Ｎｏｕｔ）を第１外孔平均面積Ａｏｕｔ［ｍｍ2］とする。第１内孔数Ｎｉｎ／第１外孔数Ｎｏｕｔを内外孔数比Ｎｒとする。第１内孔平均面積Ａｉｎ／第１外孔平均面積Ａｏｕｔを内外孔面積比Ａｒとする。換言すると、第１外側ガス孔１４４ａの数（第１外孔数Ｎｏｕｔ）が第１内側ガス孔１３４ａの数（第１内孔数Ｎｉｎ）の２倍以上であり、第１外側ガス孔１４４ａの１つあたりの開口面積（第１外孔平均面積Ａｏｕｔ）が第１内側ガス孔１３４ａの１つあたりの開口面積（第１内孔平均面積Ａｉｎ）の４倍以上になっている。なお、本実施形態では、第１内孔数Ｎｉｎ＝３，第１外孔数Ｎｏｕｔ＝１２であるため、内外孔数比Ｎｒ＝０．２５であり、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５を満たしている。なお、０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．２５となるように形成してもよいし、０．２５≦内外孔数比Ｎｒ≦０．５となるように形成してもよい。
また、本実施形態では、横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃはそれぞれ３個以上であり、横孔１４４ｂは０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°を満たすように形成され、縦孔１４４ｃは０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°を満たすように形成されている。しかも、横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃは、横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１２０°，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１２０°も満たすように形成されている。なお、上述したように横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃは本実施形態ではいずれも６個形成されている。ここで、横孔不存在最大角θｈｍａｘ及び縦孔不存在最大角θｖｍａｘについて説明する。図７は、横孔不存在最大角θｈｍａｘの説明図である。図８は、縦孔不存在最大角θｖｍａｘの説明図である。図７，８はいずれも、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面（例えば図２のＣ−Ｃ面）に横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａ及び中心軸を投影（中心軸に平行に投影）した様子を示している。図７，８では、投影した横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａを実線で示している。
横孔不存在最大角θｈｍａｘについて図７を用いて説明する。まず、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面において、この平面に投影した中心軸（以下、中心点ともいう）から、外側保護カバー１４０の径方向を見たときに、投影した横孔１４４ｂの存在しない領域を横孔不存在領域と定義する。図７では、横孔不存在領域をハッチングされた領域として示した。例えば、本実施形態では横孔１４４ｂは６個形成されており、中心点から伸び横孔１４４ｂの端部に接する半直線（図の太い破線）を作図することができる（図７では１２本）。そして、隣接する２つの横孔１４４ｂ同士で互いの横孔１４４ｂに近い方の端部を通る半直線で挟まれる領域には他の横孔１４４ｂが存在しない。そのため、この領域（図のハッチングされた領域）が横孔不存在領域となる。本実施形態の横孔１４４ｂの配置の場合、図示するように、横孔不存在領域は６個存在する。続いて、この６個の横孔不存在領域のそれぞれの中心角（横孔不存在領域を形成する２つの半直線同士のなす角）を横孔不存在角θｈ１〜θｈ６と定義する。横孔不存在最大角θｈｍａｘは、この横孔不存在角θｈ１〜θｈ６の最大値である。なお、本実施形態では、６個の横孔１４４ｂが、外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に配置されているため、横孔不存在角θｈ１〜θｈ６は互いに全て等しく、横孔不存在最大角θｈｍａｘとも等しい。また、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ（＝横孔不存在角θｈ１〜θｈ６）＜６０°（＝３６０°／横孔１４４ｂの数）である。この横孔不存在最大角θｈｍａｘが大きいことは、横孔１４４ｂ同士の周方向の間隔が大きい部分が存在することを意味する。換言すると、横孔不存在最大角θｈｍａｘが大きいことは、外側保護カバー１４０の周方向に沿って見たときに横孔１４４ｂが連続して存在しない大きな領域が存在することを意味する。
次に、縦孔不存在最大角θｖｍａｘについて図８を用いて説明する。なお、縦孔不存在最大角θｖｍａｘの考え方は、横孔不存在最大角θｈｍａｘと同様である。まず、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面において、中心点から、投影した縦孔１４４ｃの存在しない領域を縦孔不存在領域と定義する。図８では、縦不存在領域をハッチングされた領域として示した。本実施形態の縦孔１４４ｃの配置の場合、図示するように、縦孔不存在領域は６個存在する。そして、この６個の縦孔不存在領域のそれぞれの中心角を縦孔不存在角θｖ１〜θｖ６と定義する。縦孔不存在最大角θｖｍａｘは、この縦孔不存在角θｖ１〜θｖ６の最大値である。なお、本実施形態では、６個の縦孔１４４ｃが、外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に配置されているため、縦孔不存在角θｖ１〜θｖ６は互いに全て等しく、縦孔不存在最大角θｖｍａｘとも等しい。また、０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ（＝縦孔不存在角θｖ１〜θｖ６）＜６０°（＝３６０°／縦孔１４４ｃの数）である。この縦孔不存在最大角θｖｍａｘが大きいことは、縦孔１４４ｃ同士の周方向の間隔が大きい部分が存在することを意味する。換言すると、縦孔不存在最大角θｖｍａｘが大きいことは、外側保護カバー１４０の周方向に沿って見たときに縦孔１４４ｃが連続して存在しない大きな領域が存在することを意味する。
また、第１外側ガス孔１４４ａは、第１外孔数Ｎｏｕｔ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°となるように形成されている。ここで、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘについて説明する。図９は、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘの説明図である。図９は、図７，図８と同様に、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面（例えば図２のＣ−Ｃ面）に横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａ及び中心軸を投影（中心軸に平行に投影）した様子を示している。図９では、投影した横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａを実線で示している。第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘについて図９を用いて説明する。なお、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘの考え方は、横孔不存在最大角θｈｍａｘや縦孔不存在最大角θｖｍａｘと同様である。まず、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面において、中心点から、投影した第１外側ガス孔１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）の存在しない領域を第１外孔不存在領域と定義する。図９では、第１外孔不存在領域をハッチングされた領域として示した。本実施形態の第１外側ガス孔１４４ａの配置の場合、図示するように、第１外孔不存在領域は１２個存在する。そして、この１２個の第１外孔不存在領域のそれぞれの中心角を第１外孔不存在角θｏｕｔ１〜θｏｕｔ１２と定義する。第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘは、この第１外孔不存在角θｏｕｔ１〜θｏｕｔ１２の最大値である。なお、本実施形態では、図９からもわかるように、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面に横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃを投影したときに、横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとが外側保護カバー１４０の周方向に沿って交互に位置するように形成されている。しかも、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面に横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃを投影したときに、隣接する横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとの周方向の間隔（中心軸を中心とした横孔１４４ｂの端部と縦孔１４４ｃの端部との中心角）が複数の横孔及び縦孔について全て等しくなるように、縦孔１４４ｂ及び横孔１４４ｃが配置されている。そのため、第１外孔不存在角θｏｕｔ１〜θｏｕｔ１２は互いに全て等しく、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘとも等しい。また、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ（＝第１外孔不存在角θｏｕｔ１〜θｏｕｔ１２）＜３０°（＝３６０°／第１外側ガス孔１４４ａの数）である。この第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘが大きいことは、第１外側ガス孔１４４ａ同士の周方向の間隔が大きい部分が存在することを意味する。換言すると、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘが大きいことは、外側保護カバー１４０の周方向に沿って見たときに第１外側ガス孔１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）が連続して存在しない大きな領域が存在することを意味する。
第１内側ガス孔１３４ａは、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°となるように形成されている。ここで、第１外孔不存在最大角θｉｎｍａｘについて説明する。図１０は、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘの説明図である。図１０は、内側保護カバー１３０の中心軸に垂直な平面（例えば図２のＣ−Ｃ面）に横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａ及び中心軸を投影（中心軸に平行に投影）した様子を示している。図１０では、投影した横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，第１内側ガス孔１３４ａを実線で示している。第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘについて図１０を用いて説明する。なお、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘの考え方は、横孔不存在最大角θｈｍａｘ，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘと同様である。まず、内側保護カバー１３０の中心軸に垂直な平面において、中心点から、投影した第１内側ガス孔１３４ａの存在しない領域を第１内孔不存在領域と定義する。図１０では、第１内孔不存在領域をハッチングされた領域として示した。本実施形態の第１内側ガス孔１３４ａの配置の場合、図示するように、第１内孔不存在領域は３個存在する。そして、この３個の第１内孔不存在領域のそれぞれの中心角を第１内孔不存在角θｉｎ１〜θｉｎ３と定義する。第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘは、この第１内孔不存在角θｉｎ１〜θｉｎ３の最大値である。なお、本実施形態では、３個の第１内側ガス孔１３４ａが、内側保護カバー１３０の周方向に沿って等間隔に配置されているため、第１内孔不存在角θｉｎ１〜θｉｎ３は互いに全て等しく、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘとも等しい。また、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ（＝第１内孔不存在角θｉｎ１〜θｉｎ３）＜１２０°（＝３６０°／第１内孔数Ｎｏｕｔ）である。この第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘが大きいことは、第１内側ガス孔１３４ａ同士の周方向の間隔が大きい部分が存在することを意味する。換言すると、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘが大きいことは、内側保護カバー１４０の周方向に沿って見たときに第１内側ガス孔１３４ａが連続して存在しない大きな領域が存在することを意味する。
なお、横孔不存在最大角θｈｍａｘ＝０°とは、横孔不存在領域が存在しないことを意味する。縦孔不存在最大角θｖｍａｘ，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘがそれぞれ値０°の場合についても、同様である。
こうして構成されたガスセンサ１００が所定のガス濃度を検出する際の被測定ガスの流れについて説明する。配管２０内を流れる被測定ガスは、まず、複数の第１外側ガス孔１４４ａのいずれかを通って第１ガス室１２２内に流入する。次に、第１ガス室１２２から複数の第１内側ガス孔１３４ａのいずれかを通ってセンサ素子室１２４に流入する。そして、被測定ガスは、センサ素子室１２４から複数の第２内側ガス孔１３８ａのいずれかを通って第２ガス室１２６に流入し、そこから複数の第２外側ガス孔１４６ａのいずれかを通って外部に流出する。このとき、センサ素子１１０は、所定の温度を保つように内部のヒーターの出力が例えば図示しないコントローラによって制御される。そして、センサ素子１１０は、センサ素子室１２４内の被測定ガス中の所定のガス濃度（例えばＮＯｘやＯ2等の濃度）に応じた電気信号（電圧又は電流）を発生させ、この電気信号に基づいてガス濃度が検出される。
以上詳述した本実施形態によれば、ガスセンサ１００は、第１外側ガス孔１４４ａを通って外側保護カバー１４０内の第１ガス室１２２に被測定ガスが流入可能になっている。また、被測定ガスは、第１ガス室１２２から第１内側ガス孔１３４ａを通って内側保護カバー１３０内のセンサ素子１１０に到達可能になっている。そして、第１内側ガス孔１３４ａ及び第１外側ガス孔１４４ａは、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されている。これにより、第１外側ガス孔１４４ａの数及び平均面積が相対的に大きいため、ガスセンサ１００の外部から第１ガス室１２２への被測定ガスの流量は比較的大きくなる。一方、第１内側ガス孔１３４ａの数及び平均面積が相対的に小さいため、第１内側ガス孔１３４ａから内側保護カバー１３０内への被測定ガスの流量は比較的少なくなる。これらにより、第１ガス室１２２から内側保護カバー１３０内への被測定ガスの流量の減少を、外部から第１ガス室１２２への被測定ガスの流量の増大で補うことになり、外部から第１ガス室１２２を経由して内側保護カバー内に被測定ガスが到達するまでの全体時間の増大が抑制される。すなわち、ガス濃度検出の応答性の低下が抑制される。一方、センサ素子１１０への被測定ガスの流量（第１ガス室１２２から内側保護カバー１３０内への被測定ガスの流量）は抑制されているため、センサ素子１１０の冷えが抑制される。このように、ガスセンサ１００においてガス濃度検出の応答性とセンサ素子１１０の保温性とを両立することができる。なお、センサ素子１１０の保温性が高いほど、温度低下によるガス濃度の検出感度の低下を抑制したり、センサ素子を保温するヒーターの消費電力の増大を抑制したりすることができる。
また、外側保護カバー１４０は、胴部１４３が、外側保護カバー１４０の中心軸方向に沿った側面をもつ側部１４３ａと、側部１４３ａと先端部１４６とを接続する段差部１４３ｂと、を有しており、複数の第１外側ガス孔１４４ａは、外側保護カバー１４０の側部１４３ａに形成された３以上の横孔１４４ｂと、外側保護カバー１４０の段差部１４３ｂに形成された３以上の縦孔１４４ｃと、を含んでいる。そして、横孔１４４ｂは、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°となるように形成されており、縦孔１４４ｃは、０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°となるように形成されている。これにより、ガス濃度検出の応答性を向上させる効果をより確実に得ることができる。これについて詳細に説明する。図１１は、被測定ガスの流れの説明図であり、図１２は、図１１のＥ視図である。なお、図１１は、図２の左から右方向へ被測定ガスが流れてきたときに、被測定ガスの流れの向きに垂直に外側保護カバー１４０を見たときの様子を示している。図１１に示すように、外側保護カバー１４０の中心軸と垂直な方向に被測定ガスが流れてくる場合、被測定ガスの上流側では、外側保護カバー１４０の先端部１４６の外周面に被測定ガスがぶつかり、被測定ガスの中心軸方向への流れが生じる。そのため、外側保護カバー１４０の上流側では縦孔１４４ｃに被測定ガスが流入しやすい。また、図１２に示すように、被測定ガスの下流側では、外側保護カバー１４０の外周面を回り込むような流れが生じるため、横孔１４４ｂに被測定ガスが流入しやすい。そのため、第１外側ガス孔１４４ａが横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとを有していることにより、外部から第１ガス室１２２への被測定ガスの流量をより増大させ、ガス濃度検出の応答性を向上させることが可能になる。しかも、横孔及び縦孔がそれぞれ３個以上であり、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°，０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°を満たすように形成することで、外側保護カバー１４０の外周面のどの方向から被測定ガスが流れてくる場合でも、被測定ガスの上流に縦孔１４４ｃを存在しやすくし、下流に横孔１４４ｂを存在しやすくできる。換言すると、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー１４０の向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのを抑制することができる。これにより、ガス濃度検出の応答性を向上させる効果をより確実に得ることができる。なお、配管２０にガスセンサ１００を取り付ける際に外側保護カバー１４０がどのような向きに取り付けられるかは、ガスセンサの製造時には不明であるため、このように外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー１４０の向きとの位置関係の影響を受けにくくすることは、意義が高い。後述する被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー１３０の向きとの位置関係についても同様である。
しかも、横孔１４４ｂは横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１２０°を満たすように形成され、縦孔１４４ｃは縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１２０°を満たすように形成されている。そのため、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー１４０の向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのをより抑制することができる。さらに、横孔１４４ｂは横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦（３６０°／横孔の数）を満たすように形成され、縦孔１４４ｃは縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦（３６０°／縦孔の数）を満たすように形成されている。そのため、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー１４０の向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのをさらに抑制することができる。また、外側保護カバー１４０の中心軸に垂直な平面に横孔１４４ｂを投影したときに、横孔１４４ｂが外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に配置されている。そのため、外側保護カバー１４０の周方向に沿って見たときに横孔１４４ｂが連続して存在しない領域（横孔不存在領域）の配置や大きさの偏りがない。その結果、外側保護カバー１４０の向きの影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのをさらに抑制することができる。縦孔１４４ｃについても同様に外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に配置されているため、縦孔不存在領域の配置や大きさの偏りがない。その結果、外側保護カバー１４０の向きの影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのをさらに抑制することができる。さらに、隣接する横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとの周方向の間隔が複数の横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃについて全て等しくなるように縦孔１４４ｂ及び横孔１４４ｃが配置されている。このことによっても、外側保護カバー１４０の向きの影響で外部から第１ガス室１２２への流量が変化するのをさらに抑制することができる。
さらに、第１内側ガス孔１３４ａは、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°となるように形成されており、第１外側ガス孔１４４ａは、第１外孔数Ｎｉｎ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°となるように形成されている。そのため、外部を被測定ガスが流れる向きと外側保護カバー及び内側保護カバーの向きとの位置関係の影響で外部から第１ガス室への流量や第１ガス室から内側保護カバー内への流量が変化するのをさらに抑制することができる。また、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦（３６０°／第１内孔数Ｎｉｎ），第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦（３６０°／第１外孔数Ｎｉｎ），を満たすように第１内側ガス孔１３４ａ及び第１外側ガス孔１４４ａが形成されているため、第１ガス室への流量や第１ガス室からセンサ素子室１２４への流量が変化するのをさらに抑制することができる。
さらにまた、複数の第１外側ガス孔１４４ａは、いずれも開口面積が０．１９６ｍｍ2〜３．１４ｍｍ2となるように形成されているため、第１外側ガス孔１４４ａから外側保護カバー１４０内に被測定ガス中の水滴やススなどの不要成分が侵入するのをより抑制することができる。外側保護カバー１４０内に水滴が侵入すると、センサ素子１１０まで水滴が到達してセンサ素子１１０にクラックが発生する場合があるが、これを抑制することができる。また、外側保護カバー１４０内にススが侵入すると、第１内側ガス孔１３４ａなどの孔に目詰まりを生じる場合があるが、これを抑制することができる。また、ススが例えば内側保護カバー１３０に付着すると、センサ素子１１０からの輻射熱を受けやすくなり、センサ素子１１０の温度が低下しやすくなるが、これを抑制することができる。
そしてまた、第１内側ガス孔１３４ａは、いずれも開口面積が０．２ｍｍ2以上であるため、被測定ガス中のススなどの不要成分により第１内側ガス孔が目詰まりするのをより抑制できる。
そしてまた、第１内側ガス孔１３４ａは、いずれも開口部の中心がセンサ素子１１０の先端から５ｍｍ以上センサ素子の後端側に位置している。ここで、第１内側ガス孔１３４ａからセンサ素子室１２４へ流入した被測定ガスは、第１内側ガス孔１３４ａよりもセンサ素子１１０の先端方向に形成された第２内側ガス孔１３８ａから第２ガス室１２６へ流出することになる。そのため、第１内側ガス孔１３４ａよりもセンサ素子１１０の後端側（第２ガス室１２６とは反対側）の空間には被測定ガスが到達しにくく、これによりセンサ素子室１２４が被測定ガスで置換されるまでに要する時間が増大しガス濃度検出の応答性が低下する場合がある。そこで、第１内側ガス孔１３４ａの開口部の中心がセンサ素子１１０の先端から５ｍｍ以上センサ素子１１０の後端側に位置することで、センサ素子１１０の後端側の空間に被測定ガスを到達させやすくなり、ガス濃度検出の応答性の低下をより抑制することができる。
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現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、内側保護カバー１３０が第１胴部１３４，段差部１３５，第２胴部１３６を備えるものとしたが、段差部１３５を省略して第１胴部１３４と第２胴部１３６との内径を同じとしてもよい。図１３は、変形例のガスセンサ２００の縦断面図である。図１４は、図１３のＦ視図である。なお、図１３，１４では、ガスセンサ１００と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。図１３に示すように、ガスセンサ２００では、内側保護カバー２３０は、第１胴部１３４，段差部１３５，第２胴部１３６を備える代わりに、胴部２３６を備えている。胴部２３６は、段差部１３３を介して大径部１３２と接続されている。胴部２３６は、段差部１３７を介して先端部１３８と接続されている。胴部２３６は、図１３の上下方向の長さが図２の第１胴部１３４，段差部１３５，第２胴部１３６の上下方向の合計長さと同じである。また、胴部２３６は、図２の第２胴部１３６と同じ内径である。すなわち、内側保護カバー２３０の形状は、図２の内側保護カバー１３０のうち第１胴部１３４の内径を第２胴部１３６の内径と等しくしたものに相当する。こうすることで、内側保護カバー２３０内の空間すなわちセンサ素子室２２４の容積は、図２のセンサ素子室１２４と比べて小さくなる。このようにセンサ素子室２２４の容積を小さくすることで、センサ素子室２２４が被測定ガスで置換されるまでに要する時間が減少し、濃度検出の応答性を高めることができる。なお、ガスセンサ２００では、図１４に示すように、胴部２３６に第１内側ガス孔２３４ａとガイド部２３４ｂとがそれぞれ等間隔に６箇所形成されている。複数のガイド部２３４ｂは、回転対称（６回対称）となるように形成されている。第１内側ガス孔２３４ａ及びガイド部２３４ｂは、個数が異なる以外はガスセンサ１００の第１内側ガス孔１３４ａ及びガイド部１３４ｂと同様の構成である。
図２や図１３に示したものに限らず他の形状の保護カバーを用いてもよい。図１５は、変形例のガスセンサ３００の縦断面図である。なお、図１５では、ガスセンサ１００と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。図１５に示すように、ガスセンサ３００は、内側保護カバー３３０を備えている。内側保護カバー３３０は、先端部３３８及び第２内側ガス孔３３８ａの形状が先端部１３８，第２内側ガス孔１３８ａと異なる点，及び段差部１３７を備えない点以外は図２の内側保護カバー１３０と同じ構造である。先端部３３８は、先端部１３８と異なり三角錐台を逆さにした形状をしており、第２胴部１３６と接続されている。また、第２内側ガス孔３３８ａは、先端部３３８の底面の中心点に位置する円形の孔である。
上述した実施形態では、第１内側ガス孔１３４ａは３個の孔とし、第１外側ガス孔１４４ａは１２個の孔であるとしたが、これに限られない。また、第１内側ガス孔１３４ａ及び第１外側ガス孔１４４ａの位置や開口面積も、上述した実施形態に限られない。第１内側ガス孔１３４ａ及び第１外側ガス孔１４４ａは、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されていればよい。例えば、複数の第１外側ガス孔１４４ａのうち１以上が、開口面積が０．１９６ｍｍ2〜３．１４ｍｍ2の範囲から外れていてもよい。また、第１内側ガス孔１３４ａのうち１以上が、開口面積が０．２ｍｍ2未満であってもよい。あるいは、複数の第１内側ガス孔１３４ａの開口面積が全て同じでなくてもよい。ただし、複数の第１内側ガス孔１３４ａの１つ１つの開口面積は、いずれも第１内孔平均面積Ａｉｎの０．８倍〜１．２倍の範囲内にあることが好ましい。第１内側ガス孔１３４ａの開口部の形状は、長方形に限らず真円や楕円，多角形など他の形状であってもよい。ガイド部１３４ｂを備えない構成としてもよい。複数の第１外側ガス孔１４４ａの開口面積は、全て同じでなくてもよい。ただし、複数の第１外側ガス孔１４４ａの１つ１つの開口面積は、いずれも第１外孔平均面積Ａｏｕｔの０．８倍〜１．２倍の範囲内にあることが好ましい。第１外側ガス孔１４４ａの開口部の形状は、真円に限らず楕円や多角形など他の形状であってもよい。
上述した実施形態では、ガスセンサ１００は、第１内孔数Ｎｉｎ≧３、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°、第１外孔数Ｎｉｎ≧６、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°を満たすものとしたが、これに限られない。例えば、第１内孔数Ｎｉｎ≧３、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１８０°、第１外孔数Ｎｉｎ≧６、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦９０°を満たすものであってもよい。また、ガスセンサ１００はこれらの条件を満たさないものであってもよい。ただし、ガス濃度検出の応答性を向上させる効果をより確実に得ることができるため、第１内孔数Ｎｉｎ≧３、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１８０°、第１外孔数Ｎｉｎ≧６、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦９０°を満たすことが好ましい。また、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°とすることがより好ましい。
上述した実施形態では、横孔不存在角θｈ１〜θｈ６は互いに全て等しく、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ＜６０°（＝３６０°／横孔１４４ｂの数）となっているものとしたが、０＜横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦（３６０°／横孔１４４ｂの数）を満たしていれば、横孔不存在角θｈ１〜θｈ６が等しくなくてもよい。縦孔不存在角θｖ１〜θｖ６，第１外孔不存在角θｏｕｔ１〜θｏｕｔ１２，第１内孔不存在角θｉｎ１〜θｉｎ３についても同様である。また、０＜横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦（３６０°／横孔１４４ｂの数）を満たしていなくともよい。縦孔不存在最大角θｖｍａｘ，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘについても同様である。
上述した実施形態では、第１外側ガス孔１４４ａは６個の横孔１４４ｂと６個の縦孔１４４ｃとを有するものとしたが、これに限られない。例えば横孔１４４ｂの数と縦孔１４４ｃの数が異なっていてもよいし、第１外側ガス孔１４４ａが横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとの一方のみを有するものとしてもよい。なお、第１外側ガス孔１４４ａが横孔１４４ｂのみを有する場合には、横孔不存在最大角θｈｍａｘ＝第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘとなる。同様に、第１外側ガス孔１４４ａが縦孔１４４ｃのみを有する場合には、縦孔不存在最大角θｖｍａｘ＝第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘとなる。あるいは、第１外側ガス孔１４４ａが、横孔１４４ｂや縦孔１４４ｃに加えて、又は代えて、胴部１４３の側部１４３ａと段差部１４３ｂとの境界部分である角部に形成された孔を有していてもよい。
上述した実施形態では、第２内側ガス孔１３８ａ及び第２外側ガス孔１４６ａは、自身の中心軸に垂直な断面が真円となるように形成されているものとしたが、これに限られない。例えば、中心軸に垂直な断面が楕円であったり多角形（例えば長方形）であったりしてもよい。また、第２内側ガス孔１３８ａ及び第２外側ガス孔１４６ａの配置や個数も、上述した実施形態に限られない。例えば、第２外側ガス孔１４６ａは、先端部１４６の側面と底面との境界部分である角部１４６ｂに形成されているものとしたが、角部１４６ｂに限らず側面や底面に形成されていてもよい。第２外側ガス孔は、角部１４６ｂと側面と底面との少なくともいずれかに形成された１以上の孔を含んでいてもよい。第２外側ガス孔は、先端部１４６の側面に形成された３以上の横孔と、先端部１４６の底面に形成された３以上の縦孔と、を含んでいてもよい。第２外側ガス孔１４６ａが複数形成されている場合の各孔の間隔も、外側保護カバー１４０周方向に沿って等間隔としてもよいし、等間隔でなくともよい。
上述した実施形態では、センサ素子１１０の先端から第１内側ガス孔１３４ａの開口部の中心までの距離Ｌ１が５ｍｍ以上となっているものとしたが、これに限らず５ｍｍ未満としてもよい。例えば、第１内側ガス孔１３４ａは第２胴部１３６に形成されていてもよい。また、第１内側ガス孔１３４ａはセンサ素子１１０の先端よりもセンサ素子の先端方向（図２の下方向）に形成されていてもよい。
［実験例１］
図２〜図１２に示したガスセンサ１００を実験例１とした。具体的には、内側保護カバー１３０は、板厚が０．３ｍｍ、軸方向長さが１７．７ｍｍ、大径部１３２の軸方向長さが１．８ｍｍ、第１胴部１３４の軸方向長さが５．４ｍｍ、第２胴部１３６の軸方向長さが５．６ｍｍ、先端部１３８の軸方向長さが４．９ｍｍ、大径部１３２の外径が１４．１ｍｍ、第１胴部１３４の外径が１１．８ｍｍ、第２胴部１３６の外径が８．２ｍｍ、先端部１３８の外径が５．９ｍｍ、第１内側ガス孔１３４ａの第１内孔数Ｎｉｎが３個、第１内孔平均面積Ａｉｎが０．２００ｍｍ2、距離Ｌ１が６ｍｍ、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘが１１５°、なす角θ１が３８°、第２内側ガス孔１３８ａの内径が１．０ｍｍ、第２内側ガス孔１３８ａの孔数が４、距離Ｌ２が１．１ｍｍとした。なお、３つの第１内側ガス孔１３４ａはいずれも同じ大きさ（開口面積がいずれも０．２００ｍｍ2）とした。更に、外側保護カバー１４０は、板厚が０．４ｍｍ、軸方向長さが２４．２ｍｍ、大径部１４２の軸方向長さが６．１ｍｍ、胴部１４３の軸方向長さが８．５ｍｍ、先端部１４６の軸方向長さが９．６ｍｍ、大径部１４２の外径が１５．２ｍｍ、胴部１４３の外径が１４．６ｍｍ、先端部１４６の外径が８．７ｍｍ、第１外側ガス孔１４４ａの第１外孔数Ｎｏｕｔが１２個（横孔１４４ｂが６個、縦孔１４４ｃが６個）、距離Ｌ３が１．５ｍｍ，第１外側ガス孔１４４ａの径がいずれも１ｍｍ（開口面積が０．７８５ｍｍ2）、第１外孔平均面積Ａｏｕｔが０．７８５ｍｍ2、横孔不存在最大角θｈｍａｘが４９°縦孔不存在最大角θｖｍａｘが４７°、第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘが１９°、第２外側ガス孔１４６ａの内径が１．２ｍｍ、第２外側ガス孔１４６ａの孔数が６、第２外側ガス孔１４６ａのなす角θ２が４５°とした。なお、第１内側ガス孔１３４ａ，第２内側ガス孔１３８ａ，第１外側ガス孔１４４ａ及び第２外側ガス孔１４６ａは、いずれもそれぞれ等間隔に形成した。実験例１のガスセンサ１００の内外孔数比Ｎｒは値０．２５とし、内外孔面積比Ａｒは値０．２５とした。また、ガスセンサ１００のセンサ素子１１０は、酸素濃度を検出するものとした。
［実験例２〜１２］
実験例１のガスセンサから、第１外孔数Ｎｏｕｔ，第１内孔数Ｎｉｎ，内外孔数比Ｎｒ，第１外孔平均面積Ａｏｕｔ，第１内孔平均面積Ａｉｎ，内外孔面積比Ａｒ，横孔不存在最大角θｈｍａｘ，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ，距離Ｌ１を表１に示すように種々変更したものを実験例２〜１１とした。具体的には、内側保護カバーの形状を図１３，１４に示したガスセンサ２００の内側保護カバー２３０の形状とし、第１内孔数Ｎｉｎ＝６，内外孔数比Ｎｒ＝０．５，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５５°とした点以外は実験例１と同じ構成のガスセンサを、実験例２とした。第１内孔数Ｎｉｎ＝３，内外孔数比Ｎｒ＝０．２５，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝１１５°とした点以外は実験例２と同じ構成のガスセンサを、実験例３とした。図１６は、実験例３の第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。
図１７，図１８に示すガスセンサ４００を、実験例４とした。図１７は、実験例４のガスセンサ４００の縦断面図である。図１８は、図１７のＧ−Ｇ断面図である。図１７，１８では、ガスセンサ１００と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。図１７に示すように、ガスセンサ４００は、内側保護カバー４３０を備えている。内側保護カバー４３０は、第１胴部１３４，段差部１３５，第２胴部１３６，先端部１３８を備える代わりに、胴部４３６，先端部４３８を備えている。胴部４３６は、図１３の胴部２３６と同じ構造であり、段差部１３３を介して大径部１３２と接続されている。胴部４３６は、先端部４３８と接続されている。先端部４３８は、図１５の先端部３３８と同じ構造であり、第２内側ガス孔３３８ａと同様の第２内側ガス孔４３８ａが形成されている。また、胴部４３６には、第１内側ガス孔４３４ａとガイド部４３４ｂとがそれぞれ等間隔に６箇所形成されている（図１８参照）。第１内側ガス孔４３４ａ及びガイド部４３４ｂは、図１４の第１内側ガス孔２３４ａ及びガイド部２３４ｂと同じ構成である。また、ガスセンサ４００は、第２外側ガス孔１４６ａの代わりに、開口面が円形の第２外側ガス孔４４６ａが先端部１４６の側面に６箇所等間隔に形成されている（図１７参照）。第２外側ガス孔４４６ａの径は、１．２ｍｍである。第１外側ガス孔１４４ａは、縦孔１４４ｃを有しておらず、第１外孔数Ｎｏｕｔ＝６（横孔１４４ｂが６個）である。６個の第１外側ガス孔１４４ａの径はいずれも１ｍｍ（開口面積がいずれも０．７８５ｍｍ2）とした。６個の第１内側ガス孔４３４ａはいずれも同じ大きさとした。具体的には、第１内側ガス孔４３４ａの開口面積はいずれも０．４７９ｍｍ2とした（第１内孔平均面積Ａｉｎ＝０．４７９ｍｍ2）。また、内外孔数比Ｎｒ＝１，内外孔面積比Ａｒ＝０．６１，横孔不存在最大角θｈｍａｘ＝４７°，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ＝３６０°（縦孔１４４ｃが存在しない），第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ＝４７°（横孔不存在最大角θｈｍａｘと同じ値），第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５２°，距離Ｌ１＝６ｍｍとした。
第１外孔数Ｎｏｕｔ＝６（側部１４３ａと段差部１４３ｂとの境界に形成した孔が６個）とし、第１内孔数Ｎｉｎ＝６とし、第１内孔平均面積Ａｉｎ＝０．３９６ｍｍ2とし、内外孔数比Ｎｒ＝１，内外孔面積比Ａｒ＝０．５０，横孔不存在最大角θｈｍａｘ＝３６０°（横孔１４４ｂが存在しない），縦孔不存在最大角θｖｍａｘ＝３６０°（縦孔１４４ｃが存在しない），第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ＝４９°，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５３°とした点以外は実験例１と同じ構成のガスセンサを、実験例５とした。なお、実験例５では、６個の第１内側ガス孔１３４ａはいずれも同じ大きさとし、開口面積はいずれも０．３９６ｍｍ2とした。第１内孔数Ｎｉｎ＝６とし、第１内孔平均面積Ａｉｎ＝０．３９６ｍｍ2とし、内外孔数比Ｎｒ＝０．５，内外孔面積比Ａｒ＝０．５０，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５３°とした点以外は実験例１と同じ構成のガスセンサを、実験例６とした。なお、実験例６の６個の第１内側ガス孔１３４ａの大きさは、実験例５と同じとした。内側保護カバーの形状を図１３に示した形状とし、第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５２°とした以外は実験例６と同じ構成のガスセンサを、実験例７とした。なお、実験例７の第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔の配置は、図１４と同じである。内側保護カバーの取り付け位置をガスセンサの中心軸を中心に３０°回転させた点以外は実験例７と同じ構成のガスセンサを、実験例８とした。実験例８の第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔の配置を図１９に示す。第１内孔平均面積Ａｉｎ＝０．２７７ｍｍ2，内外孔面積比Ａｒ＝０．３５，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝５４°とした点以外は実験例７と同じ構成のガスセンサを、実験例９とした。なお、実験例９では、６個の第１内側ガス孔１３４ａはいずれも同じ大きさとし、開口面積はいずれも０．２７７ｍｍ2とした。第１内孔数Ｎｉｎ＝３，内外孔数比Ｎｒ＝０．２５，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝１１２°とした点以外は、実験例７と同じ構成のガスセンサを、実験例１０とした。なお、実験例１０の第１内側ガス孔及び第１外側ガス孔の配置は、図１６と同じである。距離Ｌ１＝３ｍｍとした点以外は、実験例３と同じ構成のガスセンサを、実験例１１とした。なお、実験例２〜１１では、複数の第１内側ガス孔及び複数の第１外側ガス孔は、それぞれ等間隔に形成されている。
［評価試験１］
実験例１〜１１のガスセンサについて、センサ素子の保温性及びガス濃度検出の応答性を評価した。その結果を表１に示す。具体的には、以下のように評価を行った。
実験例１〜１１のガスセンサをそれぞれ図１と同様に配管に取り付けた。なお、配管の中は空気で満たした。そして、配管内を無風状態として３１０秒間放置し、その後、配管内に被測定ガスを所定の流速Ｖで流した。なお、実験例１における被測定ガスの流れの向きは、図２，３における左から右方向とした。実験例２〜１１についても同様の向きとした。この場合におけるセンサ素子の出力の時間変化を調べた。センサ素子の出力が最大値になったときに内側保護カバー内の空気が被測定ガスに全て置換されたとみなし、センサ素子の出力の最大値に対する割合を内側保護カバー内のガス置換率として求め、ガス置換率の時間変化とした。被測定ガスの所定の流速Ｖを３０ｍ／ｓとして、ガス置換率の時間変化を求めた。そして、被測定ガスを流し始めてから、ガス置換率が９０％を超えるまでの経過時間をガス濃度検出の応答時間とした。また、被測定ガスを流し始めてから、ガス置換率が９０％を超えるまでの、第１ガス室からセンサ素子室への被測定ガスの平均流量を調べて、センサ素子室へのガスの質量流量Ｆｉｎ（ｋｇ／ｓ）とした。質量流量Ｆｉｎが２．９２×１０-5ｋｇ／ｓ未満のときに保温性が良好（「○」）と判定し、２．００×１０-5ｋｇ／ｓ未満のときに非常に良好（「◎」）と判定した。なお、質量流量Ｆｉｎが小さいほど、センサ素子の保温性が高いことを意味する。また、応答時間が０．３０秒以下のときに応答性が良好（「○」）と判定し、０．２０秒以下のときに非常に良好（「◎」）と判定した。なお、応答時間が短いほどガス濃度検出の応答性が高いことを意味する。
表１からわかるように、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５を満たす実験例１〜３，１１は、保温性及び応答性のいずれも良好な結果が得られた。一方、第１内孔数Ｎｉｎ≧３，０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，及び０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５のいずれかを満たさない実験例４〜１０は、保温性及び応答性のいずれか一方が不良であった。また、距離Ｌ１の値以外が同じ条件である実験例３と実験例１１とを比較すると、距離Ｌ１が５ｍｍ以上である実験例３の方が、応答性が高くなっていた。また、実験例３と実験例１１とで保温性は同等であった。
［実験例１２〜１３］
第１外側ガス孔を１２個全て横孔とした点以外は、実験例２と同じ構成のガスセンサを実験例１２とした。また、第１外側ガス孔を１２個全て縦孔とした点以外は、実験例２と同じ構成のガスセンサを実験例１３とした。図２０，２１は、実験例１２，１３の第１内側ガス孔，第１外側ガス孔の配置を示す断面図である。実験例２，１２〜１３のガスセンサの第１外孔数Ｎｏｕｔ，横孔数，縦孔数を表２にまとめて示す。なお、実験例１２，１３では、複数の第１内側ガス孔及び複数の第１外側ガス孔は、それぞれ等間隔に形成されている。
［評価試験２］
実験例２，１２，１３のガスセンサについて、評価試験１と同様の試験を行ってセンサ素子の保温性及びガス濃度検出の応答性を評価した。なお、被測定ガスの流速Ｖは３０ｍ／ｓとした。その結果を表２及び図２２に示す。
表２及び図２２からわかるように、第１外側ガス孔として縦孔と横孔とを交互に形成した実験例２の方が、縦孔と横孔とのいずれか一方しか有さない実験例１２，１３と比べて、応答時間が短くなっていた。また、実験例１２と実験例１３とでは、応答時間に差はなかった。なお、実験例２は質量流量Ｆｉｎの値が実験例１２，１３と比べてやや高くなっているが、この程度の差であれば実験例２，１２，１３の保温性はほぼ同等であると言える。
［実験例１４〜１８］
配管２０に取り付けたときの保護カバーの向きが３０°ずれている点以外は実験例３と同じ構成のガスセンサを、実験例１４とした。第１内孔数Ｎｉｎ＝２，内外孔数比Ｎｒ＝０．１７，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝１７５°とした点以外は実験例３と同じ構成のガスセンサを、実験例１５とした。配管２０に取り付けたときの保護カバーの向きが３０°ずれている点以外は実験例１５と同じ構成のガスセンサを、実験例１６とした。第１内孔数Ｎｉｎ＝１，内外孔数比Ｎｒ＝０．０８，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ＝３５５°とした点以外は、実験例３と同じ構成のガスセンサを、実験例１７とした。配管２０に取り付けたときの保護カバーの向きが３０°ずれている点以外は実験例１７と同じ構成のガスセンサを、実験例１８とした。実験例３，１４〜１８のガスセンサの第１外孔数Ｎｏｕｔ，第１内孔数Ｎｉｎ，内外孔数比Ｎｒ，第１外孔平均面積Ａｏｕｔ，第１内孔平均面積Ａｉｎ，内外孔面積比Ａｒ，横孔不存在最大角θｈｍａｘ，縦孔不存在最大角θｖｍａｘ，第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ，第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ，距離Ｌ１を表３にまとめて示す。
［評価試験３］
実験例３，１４〜１８のガスセンサについて、センサ素子の保温性及びガス濃度検出の応答性を評価した。評価方法は評価試験１と同様に行い、ガスの流速Ｖは３０ｍ／ｓとした。なお、実験例３，１４〜１８における被測定ガスの流れの向きと第１外側ガス孔及び第１内側ガス孔との位置関係をそれぞれ図２３〜２８に示す。また、評価試験３の結果を表３及び図２９に示す。
表３及び図２９からわかるように、被測定ガスの流れの向きだけが異なる２つの実験例の応答時間の差を比較すると、実験例３と実験例１４との応答時間の差が最も小さく、実験例１４と実験例１５との応答時間の差が次に小さく、実験例１５と実験例１６との応答時間の差が最も大きかった。このことから、第１内孔数Ｎｉｎが大きくなって第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘが小さくなるほど、被測定ガスの流れの向きと保護カバーの向きｔの位置関係が変わっても、応答時間の変化が少ない（すなわちガスの流量の変化が少ない）ことがわかる。
［実験例１９］
実験例２のガスセンサから、外側保護カバーの第２外側ガス孔１４６ａの形成位置を種々変更したものを実験例１９〜２１とした。具体的には、図３０，図３１に示すように、実施例２の第２外側ガス孔１４６ａの代わりに、６個の第２外側ガス孔５４６ａ（先端部１４６の側面に形成された３個の横孔５４６ｂと、先端部１４６の底面に形成された３個の縦孔５４６ｃ）を形成したものを実験例１９のガスセンサとした。なお、図３０は、実験例１９のガスセンサを図４と同じ視点で見た図（図２のＤ視図に相当）である。図３１は、実験例１９のガスセンサの先端部１４６の断面図である。図３１は、ガスセンサの中心軸に垂直且つ横孔５４６ｂの中心を通る断面から、先端部１４６の底面側を見た様子を示している。なお、縦孔５４６ｂは、互いに等間隔に形成した。すなわち、縦孔５４６ｂの中心とガスセンサの中心軸とを結んだ直線が互いに１２０°の角をなすように形成した。横孔５４６ｃも同様に、互いに等間隔に形成した。また、縦孔５４６ｂと横孔５４６ｃとは、図３１の断面で互い違いに位置する（隣接する縦孔５４６ｂと横孔５４６ｃとで、孔の中心とガスセンサの中心軸とを結んだ直線のなす角が６０°）ように形成した。縦孔５４６ｂ，横孔５４６ｃは、いずれも円形（真円）の孔とし、内径は第２外側ガス孔１４６ａと同じ１．２ｍｍとした。
［実験例２０］
第２外側ガス孔５４６ａが横孔５４６ｂを備えない代わりに縦孔５４６ｃを６個備える点以外は実験例１９と同様のガスセンサを、実験例２０とした。図３２は、実験例２０のガスセンサの先端部１４６の断面図である。図３２は、図３１と同じ断面を図示している。横孔５４６ｃは、互いに等間隔に形成した。すなわち、横孔５４６ｃの中心とガスセンサの中心軸とを結んだ直線が互いに６０°の角度をなすように形成した。
［実験例２１］
第２外側ガス孔５４６ａが縦孔５４６ｃを備えない代わりに横孔５４６ｂを６個備える点以外は実験例１９と同様のガスセンサを、実験例２１とした。図３３は、実験例２１のガスセンサの先端部１４６の断面図である。図３３は、図３１と同じ断面を図示している。縦孔５４６ｂは、互いに等間隔に形成した。すなわち、縦孔５４６ｂの中心とガスセンサの中心軸とを結んだ直線が互いに６０°の角度をなすように形成した。
［評価試験４］
評価試験１と同様に、実験例１９〜２１のガスセンサについて、センサ素子の保温性及びガス濃度検出の応答性を評価した。なお、図３１〜３３では、評価試験４における被測定ガスの流れの向きも併せて図示した。
［評価試験５］
実験例２，１９〜２１のガスセンサについて、センサ素子の先端への被水量を調べた。被水量は、図３４に示す被水量測定装置９００を用いて求めた。すなわち、被水量測定装置９００として、直径２８ｍｍの２本のパイプ９１０，９２０を角度が１５０°となるように繋ぎ合わせ、繋ぎ目から３００ｍｍの位置に切替バルブ９４０を介して送風機９３０を接続し、繋ぎ目から送風機９３０とは反対側に向かって４００ｍｍの位置にガスセンサを配置したものを用意した。そして、繋ぎ目部分に１００ｍｌの水を蓄えた状態で、送風機９３０を所定の駆動条件で運転し、送風機９３０からパイプへ送風した。この送風によって繋ぎ目部分の水をガスセンサに向かって飛散させて、蓄えられていた水を全てパイプ９２０の外へ放出した。この間、センサ素子１１０の温度が目標値１００℃になるように、内蔵されたヒーターのパワーを制御した。ヒーターのパワー制御値は、センサ素子１１０の先端に水が掛かると、温度が低下するため大きくなる。したがって、このパワー制御値が大きいほど、センサ素子１１０への被水量が多い（耐被水性が低い）といえる。なお、送風機９３０の所定の駆動条件とは、センサ素子１１０のヒーターが１００℃で安定した後、切替バルブ９４０をバイパス９４０ａに接続した状態で、風速約５０ｍ/ｓの大気の流れを作り、切替バルブ９４０をパイプ９１０に切替え、３秒間パイプ９１０に送風することをいう。なお、評価試験５では、パワー制御値が０．０５以下のときに耐被水性が良好（「○」）と判定した。
実験例２，１９〜２１におけるガスセンサの、第１外側ガス孔の数及び配置、第２外側ガス孔の数及び配置、評価試験４及び評価試験５の結果を、表４にまとめて示す。
［質量流量Ｆｉｎとセンサ素子の冷えとの関係］
実験例１，２，４，６，１０，１１，１９〜２１におけるガスセンサの、質量流量Ｆｉｎとセンサ素子の冷えとの関係とを調べた。具体的には、まず、各実験例のガスセンサについて、評価試験１，４と同様にガスセンサを空気で満たした配管に取り付け、配管内を無風状態とした。この状態で、センサ素子１１０の温度が目標値８５０℃になるように、内蔵されたヒーターのパワーを制御した。そして、ヒーターのパワー制御値が安定した時の値を測定し、無風時のパワー制御値とした。次に、評価試験１，４と同様に被測定ガスを所定の流速Ｖ（＝３０ｍ／ｓ）で流した。この間も、センサ素子１１０の温度が目標値８５０℃になるように、内蔵されたヒーターのパワーを制御した。無風時と被測定ガスを流した時のパワー制御値の差（＝「安定した時のパワー制御値−上記『無風時のパワー制御値』」）を測定し、ガスフロー時のパワー制御値とした。そして、測定した値に基づき制御パワー比＝（ガスフロー時のパワー制御値／無風時のパワー制御値）を導出した。実験例１，２，４，６，１０，１１，１９〜２１におけるガスセンサの、質量流量Ｆｉｎの値（評価試験１，４と同じ値）と制御パワー比との関係を表５及び図３５に示す。表５及び図３５から明らかなように、質量流量Ｆｉｎの値が大きいほど、制御パワー比が大きくなる傾向にあった。ここで、制御パワー比は、被測定ガスの流れによってセンサ素子１１０の温度が低下するほど、大きい値になる。したがって、質量流量Ｆｉｎの値が小さいガスセンサほど、制御パワー比が小さい、すなわちセンサ素子の保温性が高いことが、表５及び図３５からも確認できた。
なお、実験例１〜３，１１〜１４が本発明の実施例に相当し、実験例４〜１０，１５〜１８が比較例に相当する。また、実験例１９〜２１が本発明の実施例に相当する。
本出願は、２０１３年３月２８日に出願された日本国特許出願第２０１３−０６８８６８号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、例えば自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘや酸素などの所定のガス濃度を検出するガスセンサとして利用可能である。
２０ 配管、２２ 固定用部材、１００ ガスセンサ、１０２ ハウジング、１０３ ナット、１１０ センサ素子、１２０ 保護カバー、１２２ 第１ガス室、１２４ センサ素子室、１２６ 第２ガス室、１３０ 内側保護カバー、１３２ 大径部、１３３ 段差部、１３４ 第１胴部、１３４ａ 第１内側ガス孔、１３４ｂ ガイド部、１３５ 段差部、１３６ 第２胴部、１３７ 段差部、１３８ 先端部、１３８ａ、第２内側ガス孔、１４０ 外側保護カバー、１４２ 大径部、１４３ 胴部、１４３ａ 側部 １４３ｂ 段差部、１４４ａ 第１外側ガス孔、１４４ｂ 横孔、１４４ｃ 縦孔、１４６ 先端部、１４６ａ 第２外側ガス孔、１４６ｂ 角部、１４６ｃ 領域、２００ ガスセンサ、２２４ センサ素子室、２３０ 内側保護カバー、２３４ａ 第１内側ガス孔、２３４ｂ ガイド部、２３６ 胴部、３００ ガスセンサ、３３０ 内側保護カバー、３３８ 先端部、３３８ａ 第２内側ガス孔、４００ ガスセンサ、４３０ 内側保護カバー、４３４ａ 第１内側ガス孔、４３４ｂ ガイド部、４３６ 胴部、４３８ 先端部、４３８ａ 第２内側ガス孔、４４６ａ 第２外側ガス孔、５４６ａ 第２外側ガス孔、５４６ｂ 横孔、５４６ｃ 縦孔、９００ 被水量測定装置、９１０，９２０ パイプ、９３０ 送風機、９４０ 切替バルブ、９４０ａ バイパス。

Claims (9)

  1. 被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサ素子と、
    前記センサ素子の先端を覆うと共に、３以上の第１内側ガス孔と、該第１内側ガス孔よりも前記センサ素子の先端方向に形成された１以上の第２内側ガス孔と、が形成された有底筒状の内側保護カバーと、
    複数の第１外側ガス孔が形成された円筒状の胴部と、１以上の第２外側ガス孔が形成され該胴部よりも内径の小さい有底筒状の先端部と、を有し、前記内側保護カバーを覆う有底筒状の外側保護カバーと、
    前記外側保護カバーの胴部と前記内側保護カバーとの間の空間であり、前記第１内側ガス孔により前記内側保護カバーの内部と連通する第１ガス室と、
    前記外側保護カバーの先端部と前記内側保護カバーとの間の空間であり、前記第１ガス室と直接には連通しておらず、前記第２内側ガス孔により前記内側保護カバーの内部と連通する第２ガス室と、
    を備え、
    前記第１内側ガス孔及び前記第１外側ガス孔は、０＜内外孔数比Ｎｒ≦０．５，且つ０＜内外孔面積比Ａｒ≦０．２５となるように形成されている、
    （ただし、前記第１内側ガス孔の数を第１内孔数Ｎｉｎとする。（前記第１内側ガス孔の総開口面積）／（第１内孔数Ｎｉｎ）を第１内孔平均面積Ａｉｎ［ｍｍ2］とする。前記第１外側ガス孔の数を第１外孔数Ｎｏｕｔとする。（前記第１外側ガス孔の総開口面積）／（第１外孔数Ｎｏｕｔ）を第１外孔平均面積Ａｏｕｔ［ｍｍ2］とする。第１内孔数Ｎｉｎ／第１外孔数Ｎｏｕｔを内外孔数比Ｎｒとする。第１内孔平均面積Ａｉｎ／第１外孔平均面積Ａｏｕｔを内外孔面積比Ａｒとする。）
    ガスセンサ。
  2. 前記外側保護カバーは、前記胴部が、該外側保護カバーの中心軸方向に沿った側面をもつ側部と、該側部と前記先端部とを接続する段差部と、を有しており、
    前記複数の第１外側ガス孔は、前記外側保護カバーの前記側部に形成された３以上の横孔と、前記外側保護カバーの前記段差部に形成された３以上の縦孔と、を含んでおり、
    前記横孔は、０≦横孔不存在最大角θｈｍａｘ≦１８０°となるように形成されており（ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該横孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した横孔の存在しない領域を横孔不存在領域とする。また、該横孔不存在領域の中心角の最大値を横孔不存在最大角θｈｍａｘとする。）、
    前記縦孔は、０≦縦孔不存在最大角θｖｍａｘ≦１８０°となるように形成されている（ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該縦孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した縦孔の存在しない領域を縦孔不存在領域とする。また、該縦孔不存在領域の中心角の最大値を縦孔不存在最大角θｖｍａｘとする。）、
    請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記横孔及び前記縦孔は、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該横孔及び該縦孔を投影したときに該横孔と該縦孔とが該外側保護カバーの周方向に沿って交互に位置する、ように形成されている、
    請求項２に記載のガスセンサ。
  4. 前記第１内側ガス孔は、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１８０°となるように形成されており
    （ただし、前記内側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該第１内側ガス孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該内側保護カバーの径方向を見たときに該投影した第１内側ガス孔の存在しない領域を第１内孔不存在領域とする。また、該第１内孔不存在領域の中心角の最大値を第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘとする。）、
    前記第１外側ガス孔は、第１外孔数Ｎｏｕｔ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦９０°となるように形成されている
    （ただし、前記外側保護カバーの中心軸に垂直な平面に該第１外側ガス孔及び該中心軸を投影し、該投影した中心軸から該外側保護カバーの径方向を見たときに該投影した第１外側ガス孔の存在しない領域を第１外孔不存在領域とする。また、該第１外孔不存在領域の中心角の最大値を第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘとする。）、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  5. 前記第１内側ガス孔は、第１内孔数Ｎｉｎ≧３であり、０≦第１内孔不存在最大角θｉｎｍａｘ≦１２０°となるように形成されており、
    前記第１外側ガス孔は、第１外孔数Ｎｉｎ≧６であり、０≦第１外孔不存在最大角θｏｕｔｍａｘ≦６０°となるように形成されている、
    請求項４に記載のガスセンサ。
  6. 前記複数の第１外側ガス孔は、いずれも開口面積が０．１９６ｍｍ2〜３．１４ｍｍ2となるように形成されている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  7. 前記第１内側ガス孔は、いずれも開口面積が０．２ｍｍ2以上である、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  8. 前記第１内側ガス孔は、いずれも開口部の中心が前記センサ素子の先端から５ｍｍ以上該センサ素子の後端側に位置している、
    請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  9. 前記第２外側ガス孔は、前記先端部の側面に形成された３以上の横孔と、前記先端部の底面に形成された３以上の縦孔と、を含んでいる、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
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