JP6741128B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサに関する。

自動車の内燃機関等の排気系に設けられ、被測定ガスである排ガス中の酸素や窒素酸化物等の特定ガス濃度を測定するガスセンサが知られている。ガスセンサとしては、例えば、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通するハウジングと、該ハウジングの先端側に配設された素子カバーとを備えたものがある。

ガスセンサは、センサ素子の表面に排ガス等の被測定ガスが接触するように構成されている。ところが、内燃機関の低温始動時等においては、排ガス中の水蒸気が凝縮して生成する凝縮水が排ガスと共にセンサ素子に向かって飛来し、センサ素子の表面に付着することがある。ここで、センサ素子は、固体電解質体を活性化させるために高温に加熱した状態で使用される。そのため、凝縮水の付着により、センサ素子に大きな熱衝撃が加わり、被水割れが発生することがある。

被水割れの対策として、例えば特許文献１には、ガス導入部が設けられたセンサ素子の先端部を覆うインナカバー（具体的には第１のプロテクタ）と、インナカバーの外側に配設されたアウタカバー（具体的には第２のプロテクタ）とからなる二重構造の素子カバーを備えたガスセンサが開示されている。このガスセンサにおいて、インナカバー及びアウタカバーには、被測定ガスが流通するガス流通孔がそれぞれ設けられている。

特開２００１−７４６８６号公報

上述の従来の構成のガスセンサにおいては、インナカバーに設けられたガス流通孔がセンサ素子の先端よりも十分に先端側に位置しているため素子への被水防止効果が期待されるものの、その一方で、素子の先端とガス流通孔との位置が離れすぎているためセンサ出力の応答性が低下するおそれがある。すなわち、インナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子によって検出されないまま、インナカバーの底面等に設けられた流通孔や側面等に設けられた流通孔から排出され易い。その結果、センサ出力の応答性が低下するおそれがある。すなわち、従来の構成のガスセンサにおいては、被水割れの防止とセンサ出力の高い応答性とを両立することが困難であった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、センサ素子の被水割れを防止しつつ、センサ出力の応答性の低下を抑制することができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、被測定ガス（Ｇ）中のガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング（３）と、
該ハウジングの軸方向先端側（Ｚ１）に配設された素子カバー（４）と、を備える、ガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
該センサ素子の内部に上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（２４１）と、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２０）と、
上記固体電解質体上に設けられた基準電極（２１３）と、
上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整するポンプセル（２１１ｐ）を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するポンプ電極（２１１）と、
上記被測定ガス中の上記ガス濃度に応じた信号を出力するセンサセル（２１２ｓ）を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するセンサ電極（２１２）と、
上記固体電解質体に対向配置され、上記固体電解質体を加熱するヒータ（２３）と、を備え、
上記素子カバーは、
上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー（５）と、
該インナカバーの外側に空間（４１）を空けて配設された有底形状のアウタカバー（６）と、
上記アウタカバー内へ上記被測定ガスを導入するアウタ側面流通孔（６１１）と、
上記アウタカバー内へ導入された上記被測定ガスを上記インナカバー内へ導入するインナ側面流通孔（５１１）と、
上記アウタカバーの上記軸方向先端側の底面（６２）に設けられたアウタ底面流通孔（６２１）と、
上記インナカバーの上記軸方向先端側の底面（５２）に設けられたインナ底面流通孔（５２１）と、を備え、
上記ポンプ電極は、上記センサ電極よりも上記センサ素子の上記軸方向先端側に形成されており、
上記ガスセンサの上記軸方向において、上記インナ側面流通孔の基端位置（５１３）が上記ポンプ電極の先端位置（２１１Ｆ）よりも上記軸方向先端側にあり、
上記インナ側面流通孔の上記基端位置と、上記ポンプ電極の上記先端位置との間の、上記軸方向における距離Ｌ４は、０．５ｍｍ以上であることを特徴とするガスセンサにある。
また、参考発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング（３）と、
該ハウジングの軸方向先端側（Ｚ１）に配設された素子カバー（４）とを備え、
上記センサ素子の先端（２１）には、該センサ素子の内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部（２５）が設けられており、
上記素子カバーは、上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー（５）と、該インナカバーの外側に空間（４１）を空けて配設された有底筒形状のアウタカバー（６）とを有し、
上記インナカバーの側面（５１）には、上記被測定ガスが流通するインナ側面流通孔（５１１）が設けられており、上記インナカバーの底面（５２）には、上記被測定ガスが流通するインナ底面流通孔（５２１）が設けられており、
上記インナカバーには、上記軸方向先端側に向かって縮径する縮径段差部（５３）が設けられており、上記インナ側面流通孔は、上記縮径段差部よりも軸方向基端側（Ｚ２）に設けられており、
上記アウタカバーの側面（６１）には、上記被測定ガスが流通するアウタ側面流通孔（６１１）が設けられており、
上記アウタ側面流通孔は、該アウタ側面流通孔の先端位置（６１２）が上記インナカバーの上記底面よりも上記軸方向先端側に配置するように設けられており、
上記センサ素子の上記先端（２１）と上記インナ側面流通孔の基端位置（５１３）との軸方向（Ｚ）における距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下である、ガスセンサ（１）にある。

上記ガスセンサにおいては、被測定ガスを導入するためのガス導入部が先端に設けられたセンサ素子がインナカバーとアウタカバーとからなる素子カバーによって覆われている。そして、縮径段差部を有するインナカバー及びアウタカバーに各流通孔が上述のような所定の位置関係で設けられており、特に、センサ素子の先端とインナ側面流通孔の基端位置との軸方向における距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下に調整されている。そのため、センサ素子への被水量を減らしつつ、センサ素子の先端に設けられたガス導入部へ被測定ガスを十分に供給することができる。したがって、センサ素子の被水割れを防止しつつ、センサ出力の応答性の低下を抑制することができる。その他の作用効果及びメカニズムについては、後述の実施形態において図面を参照しながら説明する。なお、特許請求の範囲及び課題解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術範囲を限定するものではない。

実施形態１〜４における、ガスセンサの断面図。 実施形態１における、ガスセンサの素子カバーの断面図。 実施形態１〜４における、アウタカバーの側面図。 図３のIV−IV線矢視断面図。 図３のＶ−Ｖ線矢視断面図。 実施形態１〜４における、アウタカバーの底面図。 実施形態１〜４における、インナカバーの側面図。 図７のVIII−VIII線矢視断面図。 実施形態１における、インナカバーの底面図。 図７のＸ−Ｘ線矢視断面図。 実施形態２における、センサ素子のカバーの断面図。 実施形態３における、センサ素子のカバーの断面図。 実験例１〜３における、センサの応答時間の測定方法の概略図。 実験例１〜３における、被水面積の測定方法の概略図。 実験例１における、（ａ）カーボンを塗布したセンサ素子の側面図、（ｂ）被水後のセンサ素子の側面図。 実験例１における、（ａ）カーボンを塗布したセンサ素子の先端面の図、（ｂ）被水後のセンサ素子の先端面の図。 実験例１における、距離Ｌ１と６３％応答時間との関係、及び距離Ｌ１と被水面積との関係を示す図。 実験例２における、Φ１／Φ２と６３％応答時間との関係、及びΦ１／Φ２と被水面積との関係を示す図。 実験例３における、Ｌ３／Ｌ２と６３％応答時間との関係、及びＬ３／Ｌ２と被水面積との関係を示す図。 実施形態４における、センサ素子の軸方向断面図。 図２０のXXI−XXI線矢視断面図。 図２０のXXII−XXII線矢視断面図。 実施形態４における、ガスセンサの素子カバーの断面図。 実験例４における、センサ電極の温度変動の測定方法の概略図。 実験例４における、経過時間ｔとセンサ電極温度Ｔsとの関係図。 実験例４における、センサＡ及びセンサＢのセンサ電極温度変動ΔＴsを示す図。 インナカバーの側面流通孔の基端位置がポンプ電極の先端位置よりも基端側にあるガスセンサの部分断面拡大図。

（実施形態１）
次に、ガスセンサの実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。なお、本明細書において、「軸方向先端側」とは、ガスセンサの軸方向の一方側であり、ガスセンサが被測定ガスに晒される側をいう。また、「軸方向基端側」とは、その反対側をいう。

図１に示すごとく、本実施形態のガスセンサ１は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子２と、このセンサ素子２を内側に挿通して保持するハウジング３と、ハウジング３の軸方向先端側Ｚ１に配設された素子カバー４とを備えている。センサ素子２の先端２１には、センサ素子２の内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部２５が設けられている。素子カバー４は、センサ素子２の先端側Ｚ１を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー５と、このインナカバー５の外側に空間４１を空けて配設された有底筒形状のアウタカバー６とを有する。

図１及び図２に示すように、インナカバー５の側面５１には、被測定ガスが流通可能なインナ側面流通孔５１１が設けられており、インナカバー５の底面５２には、被測定ガスが流通可能なインナ底面流通孔５２１が設けられている。インナカバー５には、先端側Ｚ１に向かって縮径する縮径段差部５３が設けられており、インナ側面流通孔５１１は、縮径段差部５３よりも軸方向基端側Ｚ２に設けられている。また、アウタカバー６の側面６１には、被測定ガスが流通可能なアウタ側面流通孔６１１が設けられおり、アウタ側面流通孔６１１は、その先端位置６１２がインナカバー５の底面５２よりも先端側Ｚ１に配置するように設けられている。

また、ガスセンサ１においては、図２に示すごとく、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向Ｚにおける距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下に調整されている。なお、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との位置関係においては、図２に示すごとく、センサ素子２の先端２１がインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３よりも軸方向先端側Ｚ１に配置されていてもよいし、図示を省略するが軸方向基端側Ｚ２に配置されていてもよい。すなわち、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との距離Ｌ１が上述のように１．６ｍｍ以下であれば、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３とはどちらが軸方向先端側Ｚ１に配置されていてもよい。以下、本実施形態のガスセンサ１についてさらに詳説する。

図１に示すごとく、本実施形態のガスセンサ１は、自動車等の車両用のＮＯxセンサであり、排気ガス中に含まれるＯ₂やＮＯxの濃度を測定するために用いられる。ガスセンサ１は、センサ素子２として、排ガス中のＮＯx濃度に依存して電極（図示略）間を流れる電流や電極間に発生する電圧をもとにＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ素子を有している。長尺で板状のセンサ素子２は、軸方向Ｚにおける先端２１に、多孔質セラミックスからなるガス導入部２５を有しており、このガス導入部２５からセンサ素子２の内部に被測定ガスが導入される。具体的には、ガス導入部２５は、長尺板状のガスセンサ素子２の軸方向Ｚにおける例えば先端面に形成することができる。センサ素子２の電極が配置される位置には、ヒータ（図示略）が内蔵されており、このヒータに電力が供給されることによってセンサ素子２が加熱される。なお、センサ素子２は、Ａ／Ｆセンサ素子であってもよい。この場合には、ガスセンサ１は、空燃比を検出するＡ／Ｆセンサとして用いられる。

ガスセンサ１において、板状のセンサ素子２は、第１絶縁碍子１１の内側に挿通して保持されている。さらに、第１絶縁碍子１１は、ハウジング３の内側に保持されている。

ハウジング３の軸方向基端側Ｚ２には、センサ素子２の基端側を覆う基端側カバー１４が固定されている。基端側カバー１４には、大気を導入する通気孔１４１が設けられている。また、基端側カバー１４の基端側開口部は、ゴムブッシュからなる封止部材１５によって閉塞されている。封止部材１５には、外部に接続される複数のリード部材１６が貫通配置されている。

基端側カバー１４の内部において、第１絶縁碍子１１の軸方向基端側Ｚ２には、センサ素子２の基端側を覆う第２絶縁碍子１２が配設されている。第２絶縁碍子１２には、リード部材１６に接続された金属端子１８が配設されている。金属端子１８は、センサ素子２の電極端子に接触して電気的な導通を図っている。

図１及び図２に示すごとく、ハウジング３の先端側には、センサ素子２を保護するための素子カバー４が配設されている。素子カバー４は、センサ素子２の先端２１を覆うように配設された有底略円筒状のインナカバー５と、このインナカバー５の外側に配設された有底略円筒状のアウタカバー６とを有する。インナカバー５は、ハウジング３の先端側に固定されている。また、アウタカバー６は、インナカバー５の基端側に固定されている。なお、インナカバー５及びアウタカバー６は、必ずしも有底円筒形状でなくてもよく、有底楕円筒形状、有底多角筒形状等であってもよい。有底多角筒形状としては、例えば有底三角筒形状、有底四角筒形状、有底六角筒形状、有底八角筒形状等が挙げられる。

図２〜図６に示すごとく、アウタカバー６は、円筒形状の側面６１と、軸方向先端側Ｚ１を閉塞する底面６２とを有する。アウタカバー６の側面６１には、複数のアウタ側面流通孔６１１が周方向に所定の間隔で設けられている。これらのアウタ側面流通孔６１１は、互いに直径が等しい円形穴であり、アウタカバー６の側面６１における軸方向先端側Ｚ１に形成されている。また、これらのアウタ側面流通孔６１１は、軸方向Ｚに直交する平面において、ガスセンサ１の中心軸に対して同心円上に配置されている。すなわち、アウタ側面流通孔６１１は、軸方向Ｚにおける同じ位置に形成されている。

アウタカバー６の底面６２には、複数のアウタ底面流通孔６２１が設けられている。これらのアウタ底面流通孔６２１は、互いに直径が等しい円形穴であり、互いに所定の間隔を開けて、アウタカバー６の円盤状の底面６２の中心位置に対して同心円上に配置されている（図６参照）。なお、図５及び図６においては、図面における紙面と垂直方向が軸方向Ｚであり、紙面の軸方向における手前が軸方向先端側Ｚ１で、紙面の軸方向における奥側が軸方向基端側Ｚ２である。後述の図９及び図１０についても同様である。アウタ側面流通孔６１１及びアウタ底面流通孔６２１は、上述の円形穴のだけでなく、三角形穴、四角形穴、六角形穴、八角形穴等の多角形穴、楕円形穴、不定形穴等に適宜変更することも可能である。

次に、図２、及び図７〜図１０に示すごとく、インナカバー５は、軸方向基端側Ｚ２から順に、同径のまま軸方向Ｚに伸びる第１側面５１ａと、軸方向先端側Ｚ１に向かって縮径するテーパ状の縮径段差部５３と、同径のまま軸方向Ｚに伸びる第２側面部５１ｂと、軸方向先端側Ｚ１を閉塞する底面５２とを有する。インナカバー５における縮径段差部５３よりも軸方向基端側Ｚ２に形成された第１側面５１ａには、複数のインナ側面流通孔５１１が設けられている。これらのインナ側面流通５１１は、互いに直径が等しい円形穴である。また、これらのインナ側面流通孔５１１は、軸方向Ｚに直交する平面において、ガスセンサ１の中心軸に対して同心円上に配置されている。すなわち、インナ側面流通孔５１１は、軸方向Ｚにおける位置が同じである。インナカバー５の底面５２には、インナ底面流通孔５２１が設けられている。インナ底面流通孔５２１も円形穴である。インナ側面流通孔５１１及びインナ底面流通孔５２１は、上述の円形穴のだけでなく、三角形穴、四角形穴、六角形穴、八角形穴等の多角形穴、楕円形穴、不定形穴等に適宜変更することも可能である。

図２に示すごとく、素子カバー４においては、アウタ側面流通孔６１１の先端位置６１２は、インナカバー５の底面５２よりも軸方向先端側Ｚ１に配置されている。さらに、本実施形態においては、アウタ側面流通孔６１１の基端位置６１３は、インナカバー５の底面５２と、軸方向Ｚにおける同じ位置に配置されている。また、図１及び図２に示すごとく、ガスセンサ１においては、先端２１にガス導入部２５を有するセンサ素子２の先端２１と、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向Ｚにおける距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下に調整されている。

次に、本実施形態のガスセンサ１における作用効果及びそのメカニズムについて説明する。図１及び図２に示すごとく、ガスセンサ１においては、被測定ガスを導入するためのガス導入部２５が先端２１に設けられたセンサ素子２がインナカバー５とアウタカバー６とからなる素子カバー４によって覆われている。被測定ガスである排ガスの主要な流れの向きが図２の破線矢印によって表されている。

図２の破線矢印Ｇ１に示されるように、アウタカバー６の側面６１に設けられた複数のアウタ側面流通孔６１１のうち、排ガス流路方向における上流側に位置する流通孔６１１ａからガスセンサ１内に排ガスが導入され、下流側に位置する流通孔６１１ｂから外部に排出される。このとき、インナカバー５とアウタカバー６との間の空間４１内に導入された排ガスの一部は、破線矢印Ｇ２、Ｇ３に示されるように、アウタカバー６の内壁に衝突して軸方向基端側Ｚ２に巻き上げられる。インナカバー５は上述のように縮径段差部５３を有しているため、破線矢印Ｇ２に示されるように、巻き上げられた排ガス中に含まれる水分の一部は、縮径段差部５３に衝突して、軸方向先端側Ｚ１に戻されて、アウタカバーの流通孔６１１ｂから排出される。そのため、センサ素子２の被水を防止し、センサ素子２の被水割れを防止することができる。

一方、巻き上げられた排ガスや水分の一部は、破線矢印Ｇ３に示されるように、インナカバー５の側面５１に設けられたインナ側面流通孔５１１からインナカバーの内部に導入される。ガスセンサ１においては、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向における距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下に調整されているため、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５内に導入された水分とセンサ素子２との接触領域を小さくすることができる。そのため、センサ素子２への被水量を少なくすることができ、センサ素子２の被水割れを防止することができる。また、破線矢印Ｇ３に示されるように、排ガスは、ガス導入部２５が設けられたセンサ素子２の先端２１付近を流通し、さらに破線矢印Ｇ４に示されるように、インナ底面流通孔５２１から排出される。そのため、ガス導入部２５が設けられたセンサ素子２の先端２１付近におけるガス交換性が良好になり、センサ出力の応答性の低下を抑制することができる。

また、図２においては、アウタ側面流通孔６１１の基端位置６１３と、インナカバー５の底面５２とがガスセンサ１の軸方向Ｚにおいて同じ位置にある。このように、アウタ側面流通孔６１１の基端位置６１３が、軸方向Ｚにおいてインナカバー５の底面５２と同じ位置に設けられているか、あるいは底面５２よりも軸方向基端側Ｚ２に設けられていることが好ましい。この場合には、破線矢印Ｇ４で示されるように、インナカバー５の底面５２に設けられたインナ底面流通孔５２１からインナカバー５の外部（具体的には空間４１）へ排出される排ガスの流量を増大させることができる。そのため、インナカバー５内のガスの交換性が向上し、センサ出力の応答性をより向上させることができる。

また、図１〜図４及び図５に示すごとく、アウタカバー６の底面６２には、アウタ底面流通孔６２１が設けられていることが好ましい。この場合には、ガスセンサ１の先端側Ｚ１を例えば排ガス流路内に配置した際に、アウタカバー６の外部を流れる排ガス、より具体的にはアウタカバー６の底面６２よりもさらに軸方向先端側Ｚ１を流れる排ガスと、アウタカバー６内を流れる排ガスの流速との差によって、アウタカバー６内を負圧にすることが可能になる。そのため、アウタカバー６内のガスの流速を高めることができる。その結果、アウタカバー６内だけでなくインナカバー５内におけるガスの交換性を向上させることができる。したがって、センサ出力の応答性をより向上させることができる。また、この場合には、アウタカバー６の底面６２に水分が溜まることなく排出できるため、センサ素子２への被水量をより少なくすることができる。そのため、センサ素子２の被水割れをより防止することができる。

以上のごとく、本実施形態のガスセンサ１においては、センサ素子２の被水割れを防止しつつ、センサ出力の応答性の低下を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、インナカバーの外径Φ１とアウタカバーの内径Φ２との関係を調整したガスセンサの実施形態について説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１１に示すごとく、本実施形態のガスセンサ１においては、インナカバー５の縮径段差部５３よりも軸方向先端側Ｚ１において、インナカバー５の外径Φ１とアウタカバー６の内径Φ２とが、０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５の関係を満足する。縮径段差部５３よりも軸方向先端側Ｚ１とは、縮径段差部５３を含まない領域である。

上記のごとく、インナカバー５の外径Φ１とアウタカバー６の内径Φ２とが上記所定の関係を満足する場合には、ガスセンサ１の径方向Ｘにおけるインナカバー５とアウタカバー６との間のクリアランスが好適になる。そのため、図１１における破線矢印Ｇ２に示されるように、巻き上がった排ガス中に含まれる水分が縮径段差部５３によって軸方向先端側Ｚ１に戻され易くなる。そのため、センサ素子２の被水量がより抑制され、被水割れをより防止することができる。さらに、この場合には、破線矢印Ｇ３に示されるように、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５内に流入してセンサ素子２の先端付近を流通するガスの流速をより高めることできる。さらに、インナカバー５の底面５２の面積が小さくなることを防止できるため、インナ底面流通孔５２１が小さくなりすぎることを防止することができる。そのため、破線矢印Ｇ４で示されるインナ底面流通孔５２１から排出される排ガスの流量の低下を防止することができる。かかる観点からも、センサ出力の応答性をより向上させることができる。

素子カバー４が、縮径段差部５３よりも軸方向先端側Ｚ１において、上述の０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５という関係を満たす部分を有していれば、本実施形態における上述の効果を得ることは可能である。より好ましくは、縮径段差部５３よりも軸方向先端側Ｚ１における全ての領域において０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５という関係を満足することがよい。この場合には、センサ素子の被水量をさらに抑制することができると共に、センサ出力の応答性をさらに向上させることができる。本実施形態のガスセンサ１は、その他に実施形態１と同様の構成を採用することができ、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施形態３）
次に、インナカバー５の全長Ｌ２に対する、インナカバー５の縮径段差部５３とこの縮径段差部５３より軸方向先端側Ｚ１にあるインナカバー５との合計長さＬ３の比（すなわち、Ｌ３／Ｌ２）を調整したガスセンサの実施形態について説明する。図１２に示すごとく、本実施形態のガスセンサ１は、軸方向Ｚにおいて、インナカバー５の縮径段差部５３とこの縮径段差部５３より軸方向先端側Ｚ１にあるインナカバー５との合計長さＬ３と、インナカバー５の全長Ｌ２とが、０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足する。

インナカバー５の全長Ｌ２は、図１２に示すごとく、インナカバー５とアウタカバー６との間に空間４１が形成される領域におけるインナカバー５の軸方向Ｚの長さである。また、縮径段差部５３の長さは、縮径段差部５３における縮径開始部５３１から縮径終了部５３２までの軸方向Ｚにおける長さである。縮径段差部５３より軸方向先端側Ｚ１にあるインナカバー５の長さは、縮径段差部５３の長さを含まず、縮径終了部５３２からインナカバー５の底面５２までの軸方向Ｚにおける長さである。したがって、上述の合計長さＬ３は、縮径段差部５３の縮径開始部５３１からインナカバー５の底面５２までの軸方向Ｚにおける長さである。

Ｌ２とＬ３とが上記のごとく０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足する場合には、ガスセンサの軸方向Ｚにおけるインナカバー５とアウタカバー６との間のクリアランスが好適になる。その結果、図１２における破線矢印Ｇ２に示すように、排ガス中に含まれる水分がアウタカバー６の内側面に衝突することによって軸方向基端側Ｚ２に巻き上げられても、水分は縮径段差部５３によって軸方向先端側Ｚ１に戻され易くなる。また、アウタ側面流通孔６１１から流入した排ガス中に含まれる水分がインナカバー５の第２側面部５１ｂに衝突すると、破線矢印Ｇ５に示すように、水分は軸方向基端側Ｚ２へ巻き上げられる。本実施形態のように０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足する場合には、第２側面部５１ｂへの水分の衝突量を減らすことができる。そのため、軸方向基端側Ｚ２への水分の巻き上がり量を減らすことができる。したがって、センサ素子２の被水量をより抑制することがきるため、被水割れをより防止することができる。

さらに、０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足する場合には、インナカバー５内の容積を小さくすることができる。そのため、破線矢印Ｇ３に示されるように、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５内に流入してセンサ素子２の先端２１付近を流通するガスの流速を高めることができる。そのため、センサ出力の応答性をより向上させることができる。

本実施形態のガスセンサ１は、その他に実施形態１又は実施形態２と同様の構成を採用することができ、実施形態１又は実施形態２と同様の作用効果を奏することができる。特に好ましくは、実施形態１〜３の構成の組み合わせがよい。すなわち、ガスセンサ１の素子カバー４においては、距離Ｌ１が１．６ｍｍ以下であり、かつ０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５であり、かつ０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７であることが特に好ましい。この場合には、被水割れをさらに一層防止することができ、センサ出力の応答性をさらに一層向上させることができる。

（実験例１）
本例においては、実施形態１において示した距離Ｌ１の長さが異なる複数のガスセンサについて、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する。なお、実施形態１においては、センサ素子としてＮＯxセンサ素子を有する所謂ＮＯxセンサについて説明したが、本実験例以降では、センサ素子として、Ａ／Ｆセンサ素子を備えた所謂Ａ／Ｆガスセンサを用い、その空燃比の応答性に基づいた評価を行う。Ａ／Ｆセンサの方がＮＯxセンサよりも、素子カバーの構成の変更による影響を受けやすいためである。センサ素子の種類が異なる点を除き、本実験例に使用したガスセンサの構成は、実施形態１と同様である。本実験例以降において用いられた符号のうち、上述の実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を示す。

「６３％応答時間」
センサ出力の応答性は、以下のように６３％応答時間を測定することによって評価した。具体的には、まず、図１３に示すごとく、ディーゼルエンジン７１に連結された排気管７２にガスセンサ１を取り付けた。次いで、ガスセンサ１のセンサ素子２が内蔵するヒータ２３を発熱させ、センサ素子２が内蔵する電極（図示略）に電圧を印加することによってガスセンサ１を駆動させた（図１参照）。一方、図１３に示すごとく、ディーゼルエンジン７１を作動させることによって、排気管７２内にガス流速１５ｍ／ｓの排ガスを流通させた。ガスセンサ１の出力は、検出回路７７１を介して接続された外部のコンピュータ７７３によって経時的に計測される。そして、空燃比（すなわち、Ａ／Ｆ）を３０から４０に変化させた時からガスセンサ１の出力が６３％変化するまでに要する時間（すなわち、６３％応答時間）を計測した。本例においては、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向Ｚにおける距離Ｌ１が異なる複数のガスセンサ１について６３％応答時間を測定した（図１及び図１３参照）。そして、Ｌ１＝０（ｍｍ）のガスセンサの６３％応答時間を１とし、他のガスセンサの６３％応答時間をその相対値によって表した。その結果を後述の図１７に示す。

「被水面積」
センサ素子への被水量は、以下のように被水面積を計測することによって評価した。まず、板状のセンサ素子２の側面と先端面にカーボンを塗布することにより、センサ素子２を黒色に着色させた（図１５（ａ）及び図１６（ａ）参照）。このセンサ素子２を用いて、実施形態１と同様の構成のガスセンサ１を構築した（図１参照）。次いで、図１４に示すごとく、パイプ７４内にガスセンサ１と水噴射ノズル７５を取り付けた。両者の取り付け位置は、ガスセンサ１のアウタカバー６のアウタ側面流通孔６１１と水噴射ノズル７５の噴射口７５１とが同じ高さに位置するように調整した（図１、図２、図１４参照）。パイプ７４は、ヒータ７６１を内蔵する加熱パイプ７６に連結されている。そして、ヒータ７６１によって温度２８０℃に加熱された空気Ｇ_Aを流速１２．６ｍ／ｓで加熱パイプ７６からパイプ７４内に送りこみ、ガスセンサ１内のセンサ素子２の温度を２００℃とする条件下において、水噴射ノズル７５から０．２ｍｌの水Ｇ_Wを５回噴射した。その後、センサ素子２の側面及び先端面を観察した。センサ素子が被水すると、例えば図１５（ｂ）及び図１６（ｂ）に示されるように、被水部分におけるカーボンが剥がれ、黒色から灰色〜白色に変化する。そして、画像解析によって、カーボンが剥がれた領域の面積を測定した。この面積が被水面積である。本例においては、上述の距離Ｌ１が異なる複数のガスセンサについて被水面積を測定した。そして、Ｌ１＝０（ｍｍ）のガスセンサの被水面積を１とし、他のガスセンサの被水面積をその相対値によって表した。その結果を後述の図１７に示す。

なお、６３％応答時間及び被水面積は、５つのガスセンサを用いた結果から算出されたものである。図１７には、これらの平均値がプロット点により示されており、最大値と最小値とがエラーバーによって示されている。後述の実験例２及び３において参照する図１８及び図１９についても同様である。また、図１７における距離Ｌ１は、センサ素子２の先端２１がインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３に対して軸方向先端側Ｚ１に位置している場合に正（すなわち、＋）で表され、軸方向基端側Ｚ２に位置している場合に負（すなわち、−）で表されている（図２参照）。

図１７より知られるように、−１．６ｍｍ≦Ｌ１≦＋１．６ｍｍの場合、すなわち、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向Ｚにおける距離Ｌ１が１．６ｍｍ以内の場合には、６３％応答時間が短くなり、応答性が向上している。さらに、この場合には、被水面積も小さい。そのため、センサ素子２への被水量が少なくなり、センサ素子２の被水割れを防止することができる。一方、Ｌ１が−１．６ｍｍを下回る場合、すなわち、距離Ｌ１が１．６ｍｍを超え、かつインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３に対してセンサ素子２の先端２１が軸方向基端側Ｚ２に位置している場合には、６３％応答時間が顕著に増大し、応答性が低下している。また、Ｌ１が＋１．６ｍｍを超える場合、すなわち、距離Ｌ１が１．６ｍｍを超え、かつインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３に対してセンサ素子２の先端２１が軸方向先端側Ｚ１に位置している場合には、応答性が低下すると共に被水面積が顕著に増大しており、被水割れが起こり易くなる。したがって、上述のように距離Ｌ１は１．６ｍｍ以下が好ましい。被水割れをより一層防止し、応答性の低下をより抑制する観点から、距離Ｌ１は１．３ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらにより好ましい。

このように、本例によれば、センサ素子２の先端２１とインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向における距離Ｌ１を１．６ｍｍ以下にすることにより、センサ素子２の被水割れを防止しつつ、センサ出力の応答性の低下を抑制できることがわかる（図１及び図２参照）。

（実験例２）
本例においては、実施形態２において示したアウタカバー６の内径Φ２に対するインナカバー５の外径Φ１の比（すなわち、Φ１／Φ２）が異なる複数のガスセンサ１について、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する（図１１参照）。センサ素子の種類が上述の実験例１と同様に異なる点を除いては、本実験例に使用したガスセンサは、実施形態２と同様の構成である。また、センサ出力の応答性及びセンサ素子への被水量の評価方法は実験例１と同様であるが、本例においては、Φ１／Φ２＝０．９のガスセンサの６３％応答時間を１とし、他のガスセンサの６３％応答時間をその相対値によって表した。被水面積についても同様である。その結果を図１８に示す。

図１８より知られるように、０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５の関係を満足する場合には、６３％応答時間がより短くなり、センサ出力の応答性が向上する。また、Φ１／Φ２≦０．５の場合には、被水面積がより小さくなり、被水割れをより一層防止できることがわかる。したがって、センサ出力の応答性をより向上させると共に、被水割れをより防止できるという観点から、上述のように０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５の関係を満足することが好ましく、０．２≦Φ１／Φ２≦０．４の関係を満足することがより好ましい。

（実験例３）
本例においては、実施形態３において示したインナカバー５の全長Ｌ２に対する、インナカバー５の縮径段差部５３とこの縮径段差部５３より軸方向先端側Ｚ１にあるインナカバー５との合計長さＬ３の比（すなわち、Ｌ３／Ｌ２）が異なる複数のガスセンサについて、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する（図１２参照）。センサ素子の種類が実験例１と同様に異なる点を除いては、本実験例に使用したガスセンサは、実施形態３と同様の構成である。また、センサ出力の応答性及びセンサ素子への被水量の評価方法は実験例１と同様であるが、本例においては、Ｌ３／Ｌ２＝０．９のガスセンサの６３％応答時間を１とし、他のガスセンサの６３％応答時間をその相対値によって表した。被水面積についても同様である。その結果を図１９に示す。

図１９より知られるように、０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足する場合には、被水面積がより小さくなり、被水割れをより一層防止することができる。また、Ｌ３／Ｌ２≦０．７の場合には、６３％応答時間がより短くなり、センサ出力の応答性をより向上できることがわかる。したがって、センサ出力の応答性をより向上させると共に、被水割れをより防止できるという観点から、上述のように０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満足することが好ましく、０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．６の関係を満足することがより好ましい。

（実施形態４）
次に、センサ素子のポンプ電極の先端位置と、インナカバーにおけるインナ側面流通孔の基端位置との関係を調整したガスセンサの実施形態について図面を参照して説明する。なお、本形態及び後述の実験例４においては、インナ側面流通孔のことを適宜「側面流通孔」という。図２０〜図２３に例示されるように、本形態のガスセンサ１は、ガス導入部２５、ポンプ電極２１１等を備えたセンサ素子２を有する。

具体的には、図２０及び図２１に例示されるように、センサ素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２０と、被測定ガス室２４１と、基準ガス室２４２と、ポンプ電極２１１と、センサ電極２１２と、モニタ電極２１４と、基準電極２１３と、ヒータ２３とを備える。

被測定ガス室２４１は、センサ素子２のガス導入部２５より排ガス等の被測定ガスＧが導入される空間からなる。一方、基準ガス室２４２は、センサ素子２の基端側Ｚ２に配置された図示しない基準ガス導入部より空気等の基準ガスＧ_Aが導入される空間からなる。

固体電解質体２０は、板状の酸素イオン伝導性を有するセラミックスからなる。このようなセラミックスとしては、例えばイットリア安定化ジルコニアがあるが、他の酸素イオン伝導性のセラミックスを用いることもできる。

固体電解質体２０は、被測定ガス室２４１と基準ガス室２４２との間に配置される。板状の固体電解質体２０の第１主面２０１には、被測定ガス室２４１が隣接して形成されており、第１主面２０１は、被測定ガス室２４１に面している。一方、固体電解質体２０の第２主面２０２には、基準ガスＧ_Aが導入される基準ガス室２４２が隣接して形成されており、第２主面２０２は、基準ガス室２４２に面している。

図２２に例示されるように、固体電解質体の第１主面２０１上には、ポンプ電極２１１とセンサ電極２１２とモニタ電極２１４とが形成されて、各電極２１１、２１２、２１４は、例えば単一の空間より形成された被測定ガス室に面している。一方、図２０及び図２１に例示されるように、第２主面２０２上には、基準電極２１３が形成されており、基準電極２１３は、例えば単一の空間により形成された基準ガス室２４２に面している。図２０〜図２２に例示されるように、ポンプ電極２１１は、第１主面２０１における軸方向先端側Ｚ１に形成されており、センサ電極２１２及びモニタ電極２１４は、ポンプ電極２１１よりも軸方向基端側Ｚ２に形成されると共に、互いに並列に形成されている。

図２０に例示されるように、センサ素子２においては、ポンプ電極２１１と固体電解質体２０の一部２０ｐと基準電極２１３によって、被測定ガス室２４１内の酸素濃度を調整するポンプセル２１１ｐが形成されている。ポンプ電極２１１と基準電極２１３との間に電圧が印加されることによって、被測定ガス室２４１内の酸素が除去され、被測定ガス室２４１内の被測定ガスＧの酸素濃度が所定の濃度以下に調整される。

また、センサ素子２においては、図２１に例示されるように、モニタ電極２１４と固体電解質体２０の一部２０ｍと基準電極２１３とによって、モニタセル２１４ｍが形成されている。モニタセル２１４ｍにおいては、固体電解質体２０の一部２０ｍを介してモニタ電極２１４と基準電極２１３との間に流れる電流を検出することにより、被測定ガスＧ中の酸素濃度が検出される。

一方、図２０及び図２１に例示されるように、センサ電極２１２と固体電解質体２０と基準電極２１３によって、被測定ガスＧ中の特定ガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセル２１２sが形成されている。センサセル２１２ｓにおいては、センサ電極２１２と基準電極２１３との間に流れる電流を検出することによって、被測定ガスＧ中の特定ガス成分の濃度が検出される。

被測定ガス室２４１内に導入される被測定ガスＧの導入部２５は、センサ素子２の先端２１に形成されている。そして、ポンプ電極２１１は、モニタ電極２１４及びセンサ電極２１２よりも軸方向先端側Ｚ１に形成されている。したがって、モニタセル２１４ｍにおいては、ポンプセル２１１ｐにより酸素濃度が調整された後における被測定ガスＧ中の残留酸素濃度が検出される。また、センサセル２１２ｓにおいても、ポンプセル２１１ｐにより酸素濃度が調整された後における被測定ガスＧ中の特定ガス成分の濃度が検出される。その際、センサセル２１２ｓの出力からモニタセル２１４ｍの出力を差し引くことにより、特定ガス成分の検出に残留酸素が与える影響を補正することができる。なお、被測定ガス室２４１内においては、軸方向先端側Ｚ１が排ガスＧの流れ方向の上流側であり、軸方向基端側Ｚ２が下流側である。

板状の固体電解質体２０には、セラミックスから構成される絶縁体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが積層されている。また、センサ素子２は、固体電解質体２０を加熱するための板状のヒータ２３を有している。ヒータ２３は、固体電解質体２０に対向配置されており、センサ素子２に積層して形成されている。本形態のガスセンサ１において、ヒータ２３への印加電力は、図２４に例示される外部の制御装置７７により、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスに基づいて制御される。外部の制御装置７７としては、例えばガスセンサ１に接続された、検出回路７７１、センサ制御回路７７２、及びこれらに接続されたコンピュータ７７３等があり、これらの制御装置７７によって、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスとヒータ２３に印加する電力との関係から、センサ素子２が所定温度になるように制御される。具体的には、ポンプ電極２１１の温度が例えば８００℃に制御され、センサ電極２１２の温度が例えば６００℃に制御される。

被測定ガス室２４１は、固体電解質体２０の第１主面２０１に積層された板状の第１絶縁体２２Ａと、板状の第２絶縁体２２Ｂとによって囲まれて形成されている。基準ガス室２４２は、固体電解質体２０の第２主面２０２に積層された板状の第３絶縁体２２Ｃと、板状のヒータ２３とによって囲まれて形成されている。ヒータ２３は、セラミックスの基板２３１と、この基板２３１の内部に埋設された、通電によって発熱する発熱体２３２とを有している。第１絶縁体２２Ａ、第２絶縁体２２Ｂ、第３絶縁体２２Ｃは、いずれも所謂スペーサである。

被測定ガス室２４１の先端側Ｚ１には、被測定ガス室２４１内に被測定ガスＧを導入するためのガス導入部２５が設けられている。ガス導入部２５には、被測定ガス室２４１に所定の拡散抵抗の下で被測定ガスＧを導入するための拡散抵抗体２５１が設けられている。拡散抵抗体２５１は、セラミックスの多孔質体によって構成されている。

図２０〜図２３に例示されるように、ガスセンサ１においては、センサ素子２の軸方向先端側Ｚ１が素子カバー４内に挿入されており、センサ素子２の先端側Ｚ１が素子カバー４内に配置されている。素子カバー４は、実施形態１と同様の構成を有しており、インナカバー５とアウタカバー６とを有している。インナカバー５における側面流通孔５１１の基端位置５１３は、センサ素子２のポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向先端側Ｚ１に配置されている。換言すれば、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆは、側面流通孔５１１の基端位置５１３よりも軸方向基端側Ｚ２に配置されている。

側面流通孔５１１の基端位置５１３と、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆとの位置関係は、例えば次のようにして調整することができる。具体的には、例えば軸方向Ｚにおけるポンプ電極２１１の形成位置を調整する方法がある。また、例えばインナカバー５内へのセンサ素子２の挿入幅を調整することによりインナカバー５内におけるセンサ素子２の先端２１の位置を調整する方法がある。また、例えばインナカバー５における側面流通孔５１１の形成位置、形状、大きさ等を調整する方法がある。

本形態のガスセンサ１においては、図２３の破線矢印Ｇ１に示されるように、排ガスがアウタカバー６の流通孔６１１ａからアウタカバー６とインナカバー５との間の空間４１内に流入する。破線矢印Ｇ３に紙示されるように、空間４１内に流入した排ガスの一部は、排ガスの流れ方向における下流側に設けられたインナ側面流通孔５１１からインナカバー５内に流入し、センサ素子２のガス導入部２５の周囲に到達する。

上記のように、インナカバー５における側面流通孔５１１の基端位置５１３は、センサ素子２のポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向先端側Ｚ１に配置されている。ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆとは、軸方向Ｚにおけるポンプ電極２１１の最先端の位置である。一方、側面流通孔５１１の基端位置５１３とは、軸方向Ｚにおける側面流通孔５１１の最基端の位置であり、例えば側面流通孔５１１が複数ある場合には、各側面流通孔５１１の基端位置５１３のうち最基端の位置である。

先端位置２１１Ｆと基端位置５１３との比較は、例えば次のようにして行うことができる。具体的には、センサ素子２とインナカバー５との軸方向Ｚにおける相対位置が変わらないようにこれらを固定しつつ、必要に応じてインナカバー５、アウタカバー６、センサ素子２を所定の位置で切断、研磨する。この切断や研磨等により、例えばセンサ素子２からポンプ電極２１１の少なくとも先端側を露出させる。その上で、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆと、インナカバー５の側面流通孔５１１の基端位置５１３とを比較することができる。実際の比較は、例えばポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆにおける軸方向Ｚと垂直な面、すなわち径方向Ｘと平行な面と、側面流通孔５１１の基端位置５１３における軸方向Ｚと垂直な面、すなわち径方向Ｘと平行な面との間の最短距離Ｌ４を求めることにより行うことができる。そして、Ｌ４が０より大きく、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆより先端側にあるか、Ｌ４が０以下、すなわちＬ４が０又はマイナスであり、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆと同じ位置か基端側にあるかを判定することができる。

図２３に例示されるように、Ｌ４が０より大きく、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆより先端側にある場合には、破線矢印Ｇ３に例示されるように、低温又は高温の排ガスがインナカバー５内に流入しても、排ガスがポンプ電極２１１の形成位置にあたりにくい。そのため、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスが排ガスの温度変動による影響を受けにくい。その結果、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスに基づいてセンサセル２１２ｓが所定温度になるようにヒータ２３に印加する電力を制御しても、センサセル２１２ｓの温度変動を小さくし、そのばらつきも小さくすることができる。したがって、センサ素子２の温度制御が容易になり、さらに特定ガス成分の検出精度の向上が可能になる。さらに、本形態のガスセンサ１においては、実施形態１と同様に、センサ素子２の先端２１と側面流通孔５１１の基端位置５１３との軸方向Ｚにおける距離Ｌ１が上述の所定の位置関係に調整されている。そのため、図２３における破線矢印Ｇ３及びＧ４に例示されるように、インナカバー５内に流入した排ガスはセンサ素子２の先端２１よりも先端側Ｚ１の空間を通過してインナ底面流通孔５２１から排出されやすい。すなわち、センサ素子２と排ガスとの接触面積を小さくすることができる。この観点からも上述の温度変動を小さくすることができると考えられる。

これに対し、図２７に例示されるように、Ｌ４がマイナスであり、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも基端側Ｚ２にある場合には、インナカバー５内に流入した排ガスがセンサ素子２におけるポンプ電極２１１の形成位置にあたる。そのため、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスが排ガスの温度変動による影響を受け易い。すなわち、例えばセンサ素子２よりも低温の排ガスがインナカバー５内に流入し、ポンプ電極２１１の形成位置にあたると、ポンプ電極２１１が冷やされる。ポンプ電極２１１のインピーダンスに基づいてヒータ２３の印加電力が制御されている場合には、上述のようにポンプ電極２１１が冷やされると、ヒータ２３によりセンサ素子２が加熱されるため、センサ電極２１２の温度も上昇し、センサ電極２１２の温度変動が増大してしまう。その結果、被測定ガス中の特性ガス成分に対する検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、例えばセンサ素子の温度よりも高温の排ガスがインナカバー５内に流入し、センサ素子２におけるポンプ電極２１１の形成位置にあたると、センサ素子が部分的に加熱され、ポンプ電極２１１の温度が上昇するおそれがある。そして、上記と同様にポンプ電極２１１のインピーダンスに基づいてヒータ２３の印加電力が制御されている場合には、ヒータ２３による加熱が不十分のままセンサ電極２１２において特定ガス成分の検出が行われるおそれがある。この場合にも、特定ガス成分の検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。

特定ガス成分に対する検出精度の向上効果をより高めるという観点からは、Ｌ４は０．５ｍｍ以上、すなわち、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも０．５ｍｍ以上先端側にあることがより好ましい。同様の観点から、Ｌ４は１ｍｍ以上、すなわち、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも１ｍｍ以上先端側にあることがさらに好ましい。

本形態のガスセンサ１は、その他に実施形態１と同様の構成を備え、実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、本形態と、実施形態２、実施形態３、又は実施形態２及び実施形態３との組み合わせを採用することができ、この場合には、上述の各実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（実験例４）
本例は、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆと、インナカバー５の側面流通孔５１１の基端位置５１３との関係を変更した２つのガスセンサについて、センサ電極の温度変動を比較する例である（図２０〜図２３参照）。

具体的には、まず、２種類のセンサＡ及びセンサＢを準備した。センサＡは、実施形態４と同様の構成を有しており、インナカバー５における側面流通孔５１１の基端位置５１３がセンサ素子２のポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向先端側Ｚ１に配置されている。より具体的には、センサＡにおいては、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも１ｍｍだけ軸方向先端側Ｚ１に配置されており、Ｌ４＝１ｍｍである（図２３参照）。

一方、センサＢは、図２７に例示されるように、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向基端側Ｚ２に配置されたガスセンサ９である。センサＢにおけるポンプ電極２１１は、センサＡにおけるポンプ電極２１１よりも軸方向先端側Ｚ１に形成されている。より具体的には、センサＢにおいては、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも１ｍｍだけ軸方向基端側Ｚ２に配置されており、Ｌ４＝−１ｍｍである。センサＢのその他の構成はセンサＡと同様である。

これらのセンサＡ及びセンサＢについて、センサ電極の温度変動を比較した。具体的には、まず、図２４に例示されるように、ディーゼルエンジン７１に連結された排気管７２にガスセンサ１を取り付けた。図２０〜図２４に例示されるように、センサ制御回路７７２によりセンサ素子２が所定の温度になるようにヒータ２３を発熱させた。センサ素子２のポンプセル２１１ｐ間、センサセル２１２ｓ間、モニタセル２１４ｍ間に電圧を印加することによってガスセンサ１を駆動させた。一方、ディーゼルエンジン７１を駆動させ、流速４０ｍ／ｓ、温度２００℃の排ガスを排気管７２内に流通させた。センサ素子２の温度の測定は、センサ素子２の基端側Ｚ２に配置された図示しない基準ガス導入部から、センサ電極２１２の中心に熱電対を挿入し、温度測定器７８によりセンサ電極２１２の温度を測定した。

実際の温度変動の測定にあたっては、まず、ディーゼルエンジン７１を駆動しない状態において、ガスセンサ１を駆動させセンサ電極２１２の温度が一定になるまで保持した。次いで、ディーゼルエンジン７１を上記条件で駆動させ、センサ電極２１２の温度が一定になるまで保持し温度変動を算出した（図２５参照）。

図２５のグラフは、横軸が経過時間を表し、縦軸がセンサ電極温度Ｔｓを示す。横軸における時間ｔ１は、ガスセンサ１の駆動開始時を示し、時間ｔ２はエンジン駆動開始時をし、ΔＴｓがセンサ電極の温度変動を示す。本例においては、ポンプ電極２１１の温度が８００℃に制御され、センサ電極２１２の温度が６００℃に制御されるが、実際のポンプ電極２１１の温度やセンサ電極２１２の温度はこれらの制御温度から若干変動する。その結果を図２６に示す。

ガスセンサ１においては、上述のようにポンプセル２１１ｐのインピーダンスとポンプセル２１１ｐの温度との関係に基づきセンサ制御回路７７によりセンサ素子２のセンサ電極２１２を所定の温度に制御している。一方、上述のようにディーゼルエンジン７１の駆動により、低温の排ガスがガスセンサ１に供給されると、ポンプ電極２１１の温度が低下する虞がある。そして、ポンプ電極２１１の温度低下幅に応じて外部の制御装置７７により印加電力が制御されたヒータ２３によりセンサ電極２１２が加熱されて温度変動が生じ、図２５に例示されるようにセンサ電極２１２の温度が所定温度よりも高くなる。

図２６より知られるように、センサＡにおいては温度変動が２５℃程度であり、変動が小さい。さらに、温度変動のばらつきもほとんどない。これは、センサＡにおいては、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向先端側Ｚ１に配置されているため、ポンプ電極２１１の形成位置に排ガスがあたることを防止でき、その結果ヒータ２３による温度制御が排ガスの温度変動による影響をほとんど受けないためであると考えられる。

一方、側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向基端側Ｚ２に配置されたセンサＢにおいては、ポンプ電極２１１の形成位置に排ガスが当たりやすい。これにより、センサ素子２が冷やされるため、センサ素子２を所定温度に制御するようにヒータ２３に印加される電力が大きくなり、センサ電極２１２の温度も大きく上昇する。その結果、図２６より知られるように、センサＢにおいては、温度変動が５２℃程度であり、温度変動が大きい。さらに温度変動のばらつきも大きい。なお、図示を省略するが、側面流通孔５１１の基端位置５１３とポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆとが軸方向Ｚにおいて同じ位置にある場合、すなわち，Ｌ４＝０の場合には、温度変動が約５０℃になり、上述のセンサＢと同程度まで温度変動が大きくなることを確認している。

特に、ＮＯｘセンサ用のガスセンサ１においては、ポンプ電極２１１、センサ電極２１２等の複数の電極が形成されているため、上述のように、センサ電極２１２の温度をポンプ電極２１１等の他の電極により制御することが求められる。本例のようにセンサ電極２１２を例えば６００℃に設定している場合には、温度変動は±３０℃以内であることが好ましい。温度変動が３０℃を超えてセンサ電極２１２の温度が高くなる場合には、センサ電極２１２において排ガス中の水が分解されて酸素が発生し、特定ガス成分の濃度の検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。また、この場合には、センサ電極２１２が熱劣化するおそれがあり、この熱劣化も検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、温度変動が３０℃を超えてセンサ電極２１２の温度が低くなる場合には、温度が低すぎて特定ガス成分の濃度を十分に検出することができなくなり、検出精度が低下するおそれがある。

したがって、本例によれば、実施形態４のように、インナカバー５における側面流通孔５１１の基端位置５１３をセンサ素子２のポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも軸方向先端側Ｚ１に配置させることにより、ポンプ電極２１１の温度に基づいてセンサ素子２の温度制御を行ってもセンサセル２１２ｓの温度変動を小さくできることがわかる。その結果、センサ素子２の温度制御が容易になり、排ガス中の特定ガス成分の検出精度の向上が可能になる。

本発明は、上述の実施形態や実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、センサ素子２は、必ずしもモニタ電極、モニタセルを有していなくてもよい。この場合であっても、本発明の構成を採用することにより、上述の作用効果を奏することができる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３ ハウジング
４ 素子カバー
５ インナカバー
５１１ インナ側面流通孔
６ アウタカバー
６１１ アウタ側面流通孔

Claims (4)

1. 被測定ガス（Ｇ）中のガス濃度を検出するセンサ素子（２）と、
   該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング（３）と、
   該ハウジングの軸方向先端側（Ｚ１）に配設された素子カバー（４）と、を備える、ガスセンサ（１）であって、
   上記センサ素子は、
   該センサ素子の内部に上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（２４１）と、
   酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２０）と、
   上記固体電解質体上に設けられた基準電極（２１３）と、
   上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整するポンプセル（２１１ｐ）を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するポンプ電極（２１１）と、
   上記被測定ガス中の上記ガス濃度に応じた信号を出力するセンサセル（２１２ｓ）を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するセンサ電極（２１２）と、
   上記固体電解質体に対向配置され、上記固体電解質体を加熱するヒータ（２３）と、を備え、
   上記素子カバーは、
   上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー（５）と、
   該インナカバーの外側に空間（４１）を空けて配設された有底形状のアウタカバー（６）と、
   上記アウタカバー内へ上記被測定ガスを導入するアウタ側面流通孔（６１１）と、
   上記アウタカバー内へ導入された上記被測定ガスを上記インナカバー内へ導入するインナ側面流通孔（５１１）と、
   上記アウタカバーの上記軸方向先端側の底面（６２）に設けられたアウタ底面流通孔（６２１）と、
   上記インナカバーの上記軸方向先端側の底面（５２）に設けられたインナ底面流通孔（５２１）と、を備え、
   上記ポンプ電極は、上記センサ電極よりも上記センサ素子の上記軸方向先端側に形成されており、
   上記ガスセンサの上記軸方向において、上記インナ側面流通孔の基端位置（５１３）が上記ポンプ電極の先端位置（２１１Ｆ）よりも上記軸方向先端側にあり、
   上記インナ側面流通孔の上記基端位置と、上記ポンプ電極の上記先端位置との間の、上記軸方向における距離Ｌ４は、０．５ｍｍ以上であることを特徴とするガスセンサ。
2. 上記距離Ｌ４は、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 上記アウタ側面流通孔は、該アウタ側面流通孔の先端位置（６１２）が上記インナカバーの上記軸方向先端側よりもさらに先端側に配置するように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 上記アウタ側面流通孔の基端位置（６１３）は、上記インナ底面流通孔よりも上記軸方向において同じかもしくは基端側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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