JP6984356B2

JP6984356B2 - センサ装置

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Publication number: JP6984356B2
Application number: JP2017229645A
Authority: JP
Inventors: 悠男為井; 浩史野田; 岳人木全; 貴司荒木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2037-11-29
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Description

本発明は、被測定ガスに含まれる特定成分を検出するためのセンサ装置に関する。

内燃機関の排ガス通路には、排ガス中の特定成分を検出するセンサ装置と、フィルタ装置や触媒装置等の浄化装置を備える排ガス浄化システムが設けられる。センサ装置は、例えば、粒子状物質（すなわち、ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ；以下、適宜、ＰＭと称する）を検出するためのＰＭセンサであり、ＰＭ捕集用のフィルタ装置の下流位置に配置されて、フィルタ故障の判定に用いられる。また、触媒装置の上流又は下流位置に酸素センサ等の排ガスセンサが配置される。

このようなセンサ装置は、一般に、ハウジング内に収容されるセンサ素子と、ハウジングから突出するセンサ素子の外周囲を取り囲む素子カバーとを有する。センサ素子は、素子カバーに保護される先端部（突出側の端部）に検出部を備え、素子カバー内に取り込まれた排ガスに含まれる特定成分を検出する。特許文献１に記載されるように、素子カバーは、通常、一重又は二重の容器状に構成される。

特許文献１に記載されるガスセンサにおいて、素子カバーは、例えば、二重カバーの内側に位置するインナカバーとその外周に取り付けられたアウタカバーを有し、排ガスは、アウタカバーの基端外周部に開口するガス流通孔から両カバーの間の空間を経て、インナカバーの中間外周部におけるガス流通孔から内部に導入される。インナカバーの先端面は、アウタカバーの先端面に形成されたガス流通孔内に位置し、センサ素子に接触した排ガスは、インナカバーの先端面に形成されたガス流通孔から外部へ流出する。

特開２０１６−０９０５６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載される従来の素子カバー構成では、排ガスが低流速となる内燃機関の運転条件下で、素子カバー内部におけるガス流速が低下し、センサ素子の検出感度又は出力応答性が悪化することが判明した。例えば、内燃機関の始動時等は、粒子状物質が排出されやすいため、ＰＭセンサの検出感度の向上が望まれるが、素子カバー内においてガス流れが減速すると、粒子状物質を含む排ガスの流れが、検出部に到達しにくくなる。一方、始動時には排ガス通路内の凝縮水が、先端面のガス流通孔から内部に侵入しやすくなり、センサ素子に付着すると被水による素子割れ（以下、被水割れと称する）の原因になる。

特許文献１には、他のカバー構成として、二重カバーの内側に位置するインナカバーの先端面を基端側に離して、外側に位置するアウタカバーの先端面との間に空間を形成すると共に、インナカバーの先端側を縮径した構成の素子カバーが記載されている。この構成において、排ガスは、アウタカバーの先端外周面に開口するガス流通孔から導入され、両先端面間の空間を流れた後、インナカバーの縮径部の外周の空間を経て、インナカバーの基端側のガス流通孔へ向かう。

この構成では、インナカバーの先端面のガス流通孔が、外部に直接開口しないので、センサ素子の被水は抑制される。ところが、インナカバーの外周の空間に流入するガス流れが、縮径部の段差面との間で大きな渦流を形成して流速が減少しやすくなり、特に低流速時には、インナカバー内へ向かうガス流れが十分形成されないことが判明した。そのため、粒子状物質がインナカバー内の検出部に到達しにくくなって、ＰＭセンサの検出感度が低下し、また、排ガスセンサに採用した場合には、センサ出力の応答性が低下するおそれがあった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、二重構造の素子カバー内にセンサ素子が収容される構成において、素子カバー内における渦流の発生を抑制して、センサ素子の検出部へ向かうガス流速を向上させ、検出部における特定成分の検出性能を向上させたセンサ装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
被測定ガス中の特定成分を検出する検出部（２１）を備えるセンサ素子（２）と、
上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向（Ｘ）の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジング（Ｈ）と、
上記ハウジングの先端側に配設された素子カバー（１）と、を備え、
上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバー（１１）と、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバー（１２）と、を有するセンサ装置（Ｓ）であって、
上記インナカバーは、先端側から基端側へ拡径するテーパ状の第１筒部（１１３）と上記第１筒部の基端側に連続する一定径の第２筒部（１１４）とを有する側面（１１１）及び先端面（１１２）に、被測定ガスが流通するインナ側面孔（１１ａ）及びインナ先端面孔（１１ｂ）がそれぞれ設けられると共に、上記インナ側面孔は、上記第２筒部となる上記側面に設けられ、
上記アウタカバーは、側面（１２１）に、被測定ガスが流通するアウタ側面孔（１２ａ）が設けられると共に、上記アウタ側面孔の基端位置が上記インナカバーの先端位置ないしそれよりも先端側にあり、上記アウタカバーの先端面（１２２）は、上記軸方向において、上記インナカバーの上記インナ先端面孔に対向する位置にガス流通孔を有しておらず、かつ、
上記インナカバーの外側面と、上記アウタカバーの内側面との間に設けられる流路（３）が、上記インナカバーの上記先端面に連続する上記第１筒部の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部（３１）を有し、上記大クリアランス部よりも基端側で上記第２筒部の外周側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部（３２）を有すると共に、上記センサ素子の先端よりも先端側において、上記大クリアランス部と上記小クリアランス部とが段差なく接続された流路形状を有しており、上記大クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをｄ１、上記小クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをｄ２としたとき、クリアランス比ｄ１／ｄ２は２．４５以上である、センサ装置にある。

上記構成のセンサ装置において、被測定ガスは、アウタカバーのアウタ側面孔から素子カバーの内部に流入し、インナカバーの先端面との間の空間を通過して、ガス流れの対向方向に位置するアウタ側面孔へ向かうと共に、その一部は、アウタカバーとインナカバーの側面間の流路に流入する。この流路は、段差を有しない形状とすることで渦流の発生による流速の低下を抑制し、先端側の大クリアランス部から基端側の小クリアランス部へ向けて、流路断面積が縮小することで流速をさらに高めることができる。

したがって、流速を高めた被測定ガスを、インナ側面孔から検出部へ向けて導入することができるので、検出部への供給流量を増大させて、検出感度又は出力応答性を向上することができる。また、アウタカバーの先端面にはガス流通孔が不要であるので、インナカバーのインナ先端面孔へ、被測定ガスが直接流入することが抑制され、センサ素子の被水割れを防止することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、二重構造の素子カバー内にセンサ素子が収容される構成において、素子カバー内における渦流の発生を抑制して、センサ素子の検出部へ向かうガス流速を向上させ、検出部における特定成分の検出性能を向上させたセンサ装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を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、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ＰＭセンサの要部拡大断面図。実施形態１における、ＰＭセンサのセンサ素子の全体斜視図。実施形態１における、ＰＭセンサの概略構成を示す軸方向断面図。実施形態１における、ＰＭセンサを含む排ガス浄化システムの概略構成例を示す図。実施形態１における、ＰＭセンサの素子カバー内のガス流れを説明するための要部拡大断面図。実施形態１における、素子カバーのアウタ側面孔の配置によるガス流れ（ａ）の効果を、アウタ側面孔の配置を変更した場合のガス流れ（ｂ）と比較して示す素子カバーの要部拡大断面図。実施形態１における、素子カバーの内部のガス流れをＣＡＥ解析した結果を模式的に示すＰＭセンサの要部拡大断面図。従来の素子カバーの内部のガス流れをＣＡＥ解析した結果を模式的に示すＰＭセンサの要部拡大断面図。実施形態１における、素子カバーのクリアランス比ｄ１／ｄ２を説明するためのＰＭセンサの要部拡大断面図。評価試験における、クリアランス比ｄ１／ｄ２と出力立ち上がり時間の関係を示す図。実施形態１における、センサ素子の検出原理を説明するための検出部の概略構成図及び流速と検出時間の関係を示す図。実施形態１における、クリアランス比をｄ１／ｄ２＝２．５又はｄ１／ｄ２＝１．７のときの素子カバーの形状を比較して示すＰＭセンサの要部拡大断面図。実施形態２における、ＰＭセンサの要部拡大断面図。実施形態２における、ＰＭセンサのセンサ素子の全体斜視図。実施形態３における、ＰＭセンサの要部拡大断面図。

（実施形態１）
以下に、センサ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図１〜図３に示すように、本形態におけるセンサ装置は、粒子状物質を検出するためのＰＭセンサＳであり、例えば、図４に示す内燃機関Ｅの排ガス浄化装置に適用される。図１において、ＰＭセンサＳは、検出部２１を備えるセンサ素子２と、センサ素子２を内側に挿通して、軸方向Ｘの先端側に検出部２１が位置するように保持するハウジングＨと、ハウジングＨの先端側に配設された素子カバー１と、を備える。

内燃機関Ｅは、例えば、自動車用ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンであり、センサ素子２の検出部２１は、被測定ガスとしての排ガス中に含まれる特定成分としての粒子状物質を検出する。なお、ＰＭセンサＳは、図１の上下方向を軸方向Ｘとし、下端側を先端側、上端側を基端側としている。

図１において、素子カバー１は、センサ素子２の軸方向Ｘにおいて、その先端側を覆うように配設されたインナカバー１１と、インナカバー１１の外側に空間を有して配設されたアウタカバー１２と、を有する。インナカバー１１は、側面１１１及び先端面１１２に、被測定ガスが流通するインナ側面孔１１ａ及びインナ先端面孔１１ｂがそれぞれ設けられる。また、アウタカバー１２は、側面１２１に、被測定ガスが流通するアウタ側面孔１２ａが設けられると共に、アウタ側面孔１２ａの先端位置がインナカバー１１の先端位置よりも先端側にある。

素子カバー１は、インナカバー１１の外側面と、アウタカバー１２の内側面との間に設けられる流路３が、インナカバー１１の先端面１１２の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部３１を有する。また、大クリアランス部３１よりも基端側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部３２を有すると共に、大クリアランス部３１と小クリアランス部３２とが段差なく接続された流路形状を有する。
素子カバー１の詳細構成については、後述する。

図３に示すように、ＰＭセンサＳは、筒状のハウジングＨ内にセンサ素子２を同軸的に収容し、ハウジングＨの先端開口Ｈ１を覆うように取り付けた素子カバー１によって、先端開口Ｈ１から突出するセンサ素子２の検出部２１を保護している。ＰＭセンサＳは、ハウジングＨの外周に設けたネジ部材Ｈ２により、例えば、図４に示す内燃機関Ｅの排ガス管壁にネジ固定されて、先端側が排ガス通路ＥＸ内に突出位置する。

図４において、排ガス通路ＥＸの途中には、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、ＤＰＦと称する)１０が設置されており、ＰＭセンサＳは、ＤＰＦ１０の下流側に配置されて、ＤＰＦ１０を通過後の排ガスＧに含まれる粒子状物質（すなわち、図中に示すＰＭ）を検出する。これにより、ＤＰＦ１０をすり抜ける粒子状物質を検出し、例えば、ＤＰＦ１０の異常診断システムの一部を構成することができる。ＤＰＦ１０の下流位置において、排ガスＧの流れ方向は、ＰＭセンサＳの軸方向Ｘと直交する方向となっている。

図２に示すように、センサ素子２は、積層構造を有する積層型素子であり、直方体形状の絶縁性基体２２の先端面に、電極２３、２４が露出する検出部２１を有している。絶縁性基体２２は、例えば、絶縁性基体２２となる複数の絶縁性シートの間に、電極２３、２４となる電極膜を交互に配設した積層体を焼成して形成される。このとき、絶縁性基体２２に少なくとも一部が埋設された電極２３、２４の端縁部が、絶縁性基体２２の先端面に線状に露出して、交互に極性の異なる線状電極からなる複数の電極対を構成する。絶縁性基体２２の内部には、電極２３、２４に接続されるリード部２３ａ、２４ａが配置され、絶縁性基体２２の基端側の表面に形成される端子電極２５、２６と接続される。

絶縁性基体２２は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成することができる。また、電極２３、２４、リード部２３ａ、２４ａ、端子電極２５、２６は、例えば、貴金属等の導電性材料を用いて構成することができる。

図１、図３において、素子カバー１は、ハウジングＨ側が開口する二重容器状で、同軸配置されるインナカバー１１とアウタカバー１２からなる。アウタカバー１２は、概略一定径の筒状体からなる側面１２１と、筒状体を閉鎖する先端面１２２とを有し、インナカバー１１は、アウタカバー１２との間に空間を有して配置される筒状体からなる側面１１１と、筒状体を閉鎖する先端面１１２とを有する。インナカバー１１の基端部は、アウタカバー１２の基端部に密接する拡径部となり、ハウジングＨの先端部に一体的に固定される。

インナカバー１１の側面１１１となる筒状体は、先端面１１２に連続し、基端側へ向けて拡径するテーパ状の第１筒部１１３と、第１筒部１１３から基端側へ連続する概略一定径の第２筒部１１４とを有する。第１筒部１１３は、一定のテーパ角度を有するテーパ面であり、先端側の端部において、アウタカバー１２との間に大クリアランス部３１を形成する。第２筒部１１４は、アウタカバー１２との間に小クリアランス部３２を形成する。

大クリアランス部３１は、軸方向Ｘと直交する方向におけるクリアランス、すなわち、インナカバー１１の外側面とアウタカバー１２の内側面の距離が、最大クリアランスとなる部分である。第１筒部１１３に面する流路３において、先端側の大クリアランス部３１から基端側へ向かうほど、クリアランスは小さくなる。

小クリアランス部３２は、軸方向Ｘと直交する方向におけるクリアランス、すなわち、インナカバー１１の外側面とアウタカバー１２の内側面の距離が、最小クリアランスとなる部分である。第２筒部１１４に面する流路３では、先端側から基端側へかけてクリアランスは一定であり、最小クリアランスの小クリアランス部３２となる。

インナカバー１１には、基端側の側面１１１となる第２筒部１１４の軸方向Ｘの中間部に、複数のインナ側面孔１１ａが設けられる。先端面１１２には、中央部に１つのインナ先端面孔１１ｂが設けられる。インナ側面孔１１ａ及びインナ先端面孔１１ｂは、例えば、円形の貫通孔であり、インナ側面孔１１ａの数や配置は、特に限定されないが、周方向の全体に均等配置されることが望ましい。

また、アウタカバー１２には、先端面１２２の近傍における側面１２１に、複数のアウタ側面孔１２ａが設けられる。アウタ側面孔１２ａは、例えば、インナ先端面孔１１ｂよりも大径に形成される。アウタ側面孔１２ａは、インナカバー１１の先端面１１２とアウタカバー１２の先端面１２２との間の空間に開口する円形貫通孔であり、周方向の全体に均等配置されることが望ましい。このように、アウタ側面孔１２ａ、インナ側面孔１１ａを側面の全周に設けることで、ガス流れに対する指向性を有しない構成となり、組付性が向上する。

先端面１２２には、インナ先端面孔１１ｂと対向しない外周部に、複数の水抜き孔１３が設けられる。水抜き孔１３は、素子カバー１内の凝縮水を外部に排出するための小孔であり、排ガスが主に流通するアウタ側面孔１２ａに対して十分に小さい。

このとき、図５に示すように、排ガスＧは、ＰＭセンサＳの側方から素子カバー１へ向けて流れ、アウタカバー１２の側面１２１に開口するアウタ側面孔１２ａに導入される。アウタ側面孔１２ａは、インナカバー１１の先端位置よりも先端側に位置するので、素子カバー１内において、排ガスＧは、インナカバー１１の先端面１１２とアウタカバー１２の先端面１２２との間の空間を、十分な流速でそのまま流れ、対向方向に位置するアウタ側面孔１２ａへ向かう（例えば、図５中の点線矢印参照）。

また、排ガスＧの一部は、流れ方向の下流側の大クリアランス部３１において、基端側へ向きを変えて、インナカバー１１の側面１１１とアウタカバー１２の側面１２１との間の流路３に流入する（例えば、図５中の太線矢印参照）。

流路３は、流入側の大クリアランス部３１よりも小クリアランス部３２における流路面積が狭くなっているので、排ガスＧは、ベンチュリ効果により、流速を向上させながら、小クリアランス部３２に開口するインナ側面孔１１ａに向かう。また、インナカバー１１は、小クリアランス部３２を形成する第２筒部１１４より先端側の第１筒部１１３が、先端側へ向けて縮径するテーパ状であり、大クリアランス部３１から小クリアランス部３２へ至る間に、徐々に流路面積が狭くなる形状となっているので、排ガスＧは、インナカバー１１の側面１１１に沿って流れ、渦流を生じにくい。

したがって、渦流の抑制効果により、排ガスＧの流速がさらに向上し、十分な流速でインナ側面孔１１ａから、インナカバー１１の内部に流入する。そして、十分な流速のまま基端側内方に位置するセンサ素子２の先端面の検出部２１に到達する。このような排ガスＧの流れにより、検出部２１への単位時間当たりの供給流量が増加するので、ＤＰＦ１０故障時等に粒子状物質の検出に要する時間が短縮され、センサ素子２による検出感度を向上させることができる。

その後、排ガスＧは、インナカバー１１の先端面１１２に開口するインナ先端面孔１１ｂへ向かう（例えば、図１中の太線矢印参照）。このとき、上述したように、インナカバー１１の先端面１１２とアウタカバー１２の先端面１２２との間の空間において、排ガスＧが十分な流速を有するので、インナ先端面孔１１ｂの近傍に負圧が発生する。

すなわち、図６左図に（ａ）として示す本形態の構成では、負圧による吸い出し効果で、インナ先端面孔１１ｂからアウタカバー１２内へ流出する流れが形成される。なお、参考のため、図６右図に（ｂ）として示すように、アウタ側面孔１２ａがインナカバー１１の先端面１１２よりも基端側に位置する構成では、排ガスＧがインナカバー１１の側面１１１の周囲を通過し、インナ先端面孔１１ｂの下方を流束が通過しないため、負圧が発生しない。

ここで、アウタカバー１２の先端面１２２、特に、インナ先端面孔１１ｂに対向する位置には、ガス流通孔となる孔が形成されないので、排ガスＧの流れ方向は、軸方向Ｘと直交する方向となる。インナ先端面孔１１ｂは、排ガスＧの流れ方向に開口しておらず、また、上述した吸い出し効果により、インナ先端面孔１１ｂから排ガスＧへ合流する方向の流れが形成されるので、アウタカバー１２内に流入した排ガスＧが、インナ先端面孔１１ｂからインナカバー１１内に、直接流入することが抑制される。

したがって、排ガスＧに凝縮水が含まれる場合やアウタカバー１２の内側に凝縮水が付着している場合においても、凝縮水が排ガスＧと共にインナカバー１１内に侵入しセンサ素子２に到達するおそれは小さい。よって、センサ素子２が被水により割れを生じるといった不具合を抑制することができる。

図７に低流速時におけるガス流れを模式的に示すように、本形態の構成とした場合には、流路３における渦流の発生が抑制される。すなわち、アウタカバー１２に流入した排ガスＧは、対向方向へ流れると共に、アウタ側面孔１２ａから流出する手前にて一部が大クリアランス部３１にスムーズに流入している、渦流は発生しにくい。この流れは、流路３に沿って上昇し、基端側の小クリアランス部３２の近傍で流速が増してインナ側面孔１１ａへ流入し、センサ素子２の先端面へ向かっている。また、インナ先端面孔１１ｂから流出し、両先端面１１２、１２２間の空間を流れる排ガスＧに合流するガス流れが形成されている。

これに対して、図８に比較して示すように、インナカバー１１の先端側半部を一定の小径部１１５として、大径の基端側半部１１６との間に、テーパ状の段差面１１７を設けた構成では、アウタカバー１２に流入した排ガスＧが、先端側半部の外周空間４にて大きな渦流を形成しやすい。すなわち、排ガスＧは、アウタ側面孔１２ａから流出する手前にて、外周空間４に流入するものの、段差面１１７に遮られて渦流を形成し、流速を向上させにくい。その結果、十分な流速でインナ側面孔１１ａへ流入して、センサ素子２の先端面に到達することができないと、検出部２１の検出感度が低下する。

なお、図７、図８は、低流速（例えば、１０ｍ／ｓ）におけるＣＡＥ(すなわち、Computer aided Engineering)の解析結果に基づいて、素子カバー１内のガス流れを模式的に示したものである。

このように、本形態の構成によれば、低流速時においてもＰＭセンサＳの検出感度を低下させることなく、良好な検出性能を維持できる。

（試験例）
次に、図９〜図１２により、流路３の形状による効果を調べるために行った評価試験とその結果について説明する。図９に示すように、大クリアランス部３１におけるクリアランス（すなわち、最大クリアランス）をｄ１とし、小クリアランス部３２におけるクリアランス（すなわち、最小クリアランス）をｄ２としたときに、それらの比率であるクリアランス比ｄ１／ｄ２を、１．５〜２０の範囲で変更した素子カバー１を用意した。これら素子カバー１を備えるＰＭセンサＳを、それぞれＰＭモデルガスベンチに取り付けて、所定のＰＭ濃度としたモデルガスを導入し、センサ素子２の検出部２１における出力の立ち上がり時間を評価した。試験条件は、以下の通りとし、図１０に評価結果を示した。
評価ベンチ：ＰＭモデルガスベンチ
ガス流速：１０ｍ／ｓ
ＰＭ濃度：６ｍｇ／ｍ³

図１１の左図に示すように、センサ素子２は、評価試験に先立ち、検出部２１の再生を行って表面のＰＭを加熱除去した後、電極２３、２４間に所定の捕集用電圧を印加して、静電捕集を開始した。出力の立ち上がり時間とは、絶縁性基体２２の表面に、粒子状物質が静電力により捕集されて電極２３、２４間が導通し、検出部２１の出力が予め設定した閾値を超えた時間である。図１１の右図に示すように、ＰＭセンサＳの検出特性は、流速と相関があり、流速の増加と共に検出時間（すなわち、立ち上がり時間）が短縮されるが、ある流速を超えると検出感度はほぼ一定となる。これは、流速が速くなることで、検出部２１の近傍に到達する粒子状物質も増加するものの、一定以上の流速では、検出部２１の近傍に留まりにくくなり、それ以上の捕集量の増加が難しくなるためと考えられる。

図１０に示すように、ｄ１／ｄ２を１．５〜２０の範囲で変更した場合についても、ｄ１／ｄ２の増加に伴い、出力の立ち上がり時間が急減し、ｄ１／ｄ２＝２．４５以上の範囲では、ほぼ一定値に収束している（すなわち、図中にサチュレーションとして示す範囲）。具体的には、ｄ１／ｄ２＝１．７とした構成（例えば、図１２の右図参照）では、立ち上がり時間が４５０秒程度に低減している。さらに、ｄ１／ｄ２＝２．４５とした構成（例えば、図１２の左図参照）では、４００秒を下回っており、ｄ１／ｄ２＝１．５とした構成よりも１００秒程度、出力の立ち上がり時間が低減している。ｄ１／ｄ２＝８において、立ち上がり時間は３５０秒程度まで低減し、ほぼ一定となる。

したがって、好ましくは、クリアランス比ｄ１／ｄ２が、２．４５以上となる素子カバー１を用いるのがよく、検出感度を大きく向上させることができる。より好ましくは、クリアランス比ｄ１／ｄ２が、２．４５より大きくなる範囲で適宜選択するのがよい。

（実施形態２）
図１３、図１４により、センサ装置としてのＰＭセンサＳの実施形態２について説明する。上記実施形態１では、センサ素子２の先端面に検出部２１を設けた構成としているが、図１３に示すように、センサ素子２の側面に検出部２１を有する構成であってもよい。センサ素子２以外のＰＭセンサＳの構成は、上記実施形態１と同様であるので説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１４において、センサ素子２は、積層構造を有する積層型素子であり、直方体形状の絶縁性基体２２の先端側の一側面に、電極２３、２４が露出する検出部２１を有している。電極２３、２４がリード部２３ａ、２４ａを介して、端子電極２５、２６と接続される構成は、上記実施形態と同様である。

図１３において、センサ素子２は、検出部２１を有する側面が、インナカバー１１の内側へ排ガスＧを流入させるインナ側面孔１１ａを向くように配置される。その際に、好適には、検出部２１を、側方のインナカバー１１の側面１１１へ投影したときに、その投影面の少なくとも一部が、軸方向Ｘにおいて、インナ側面孔１１ａと重なり代５を有するようにするのがよい。言い換えれば、検出部２１の軸方向の両端位置を、側面１１１へ投影したときに、その両端間に、インナ側面孔１１ａの少なくとも一部が位置しているとよい。

これにより、インナ側面孔１１ａからインナカバー１１内に流入する排ガスＧが、拡散することなく、対向する位置にある検出部２１に、直接到達しやすくなる。したがって、低流速時においてもＰＭセンサＳの検出感度を低下させることなく、良好な検出性能を維持できる。

また、インナカバー１１の第１筒部１１３は、先端側の大クリアランス部３１から基端側の小クリアランス部３２へ向けて、徐々に縮径している形状であればよく、必ずしも全体がテーパ状でなくてもよい。ここでは、例えば、大クリアランス部３１となる先端部に、概略一定径の筒部１１３ａを有する形状となっている。

このような構成においても、流路３に流入し小クリアランス部３２へ向かう排ガスＧの流速を向上させて、渦流を抑制する効果が得られる。また、最大クリアランスとなる大クリアランス部３１のクリアランスｄ１が容易に設定できるので、所定のクリアランス比ｄ１／ｄ２を有する流路３を容易に形成して、所望の効果が得られる。

（実施形態３）
図１５により、センサ装置としてのＰＭセンサＳの実施形態３について説明する。
上述したように、インナカバー１１の形状は、流路３のクリアランスが徐々に縮小し、段差面を有しない形状であればよい。図１５において、インナカバー１１は、概略一定径の第２筒部１１４と、その先端側に設けられる第１筒部１１３からなる。第１筒部１１３は、全体が概略テーパ状に形成され、基端側から先端側へ向けて縮径するテーパ状の筒面１１３ｃと、筒面１１３ｃとインナカバー１１の先端面１１２とを接続する曲面状の先端筒部１１３ｂとからなる。
インナカバー１１以外のＰＭセンサＳの構成は、上記各実施形態と同様であり、説明を省略する。

このような構成とすると、インナカバー１１の先端面１１２と側面１１１とが、先端筒部１１３ｂにより滑らかに接続されるので、素子カバー１内に流入する排ガスが、先端面１１２から先端筒部１１３ｂ及び筒面１１３ｃに沿って、流路３にスムーズに流入することができる。したがって、流速の低下を抑制して、検出感度を向上させる効果が高まる。

あるいは、インナカバー１１において、第１筒部１１３を構成するテーパ面は、一定のテーパ角度である必要はなく、例えば、テーパ角度の異なる複数のテーパ面が軸方向Ｘに接続された形状とすることもできる。

このように、排ガスＧの流速を向上させる効果が得られ、ガス流れに大きく影響しない範囲であれば、流路３を形成するインナカバー１１あるいはアウタカバー１２の形状を適宜変更することができる。

上記各実施形態では、積層型のセンサ素子２を有するＰＭセンサＳを例示して説明したが、センサ素子２は、電極２３、２４が、検出部２１となる表面に印刷形成された印刷型素子であってもよい。この場合は、電極２３、２４は、平板状に成形された絶縁性基体２２の表面に、櫛歯状に印刷形成され、同様に絶縁性基体２２の表面に印刷形成されたリード部２３ａ、２４ａを介して、端子電極２５、２６と接続される。

また、上記各実施形態では、センサ装置としてのＰＭセンサＳについて、主に説明したが、センサ装置は、ＰＭセンサＳに限らず、排ガスＧに含まれる特定ガス成分を検出するガスセンサであってもよい。具体的には、排ガスＧ中の酸素を検出する酸素センサや、空燃比を検出する空燃比センサ、ＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ等の排ガスセンサが挙げられる。これらガスセンサに用いられるセンサ素子２は、公知の構成とすることができ、例えば、コップ型又は積層型素子の先端側に、検出用の電極を有する検出部２１を備えた構成とすることができる。

この場合も、上記各実施形態と同様に、検出部２１が軸方向Ｘの先端側となるように、ハウジングＨの内側に挿通保持して、その外側を素子カバー１で保護することができる。そして、素子カバー１の内側に導入される排ガスＧを、インナカバー１１とアウタカバー１２の間の流路３に誘導し、大クリアランス部３１から小クリアランス部３２に至る間に、流速を向上させて、検出部２１へ導くことができ、センサ素子２の検出部２１における出力の応答性を向上させる。

したがって、排ガスＧが低流速となる運転条件下においても、良好な検出性能を示すガスセンサを実現することができる。そして、ガスセンサの検出結果に基づいて、内燃機関の状態を把握し、排ガス浄化システムを制御することで、排ガス浄化性能を向上させることができる。

本発明は上記各実施形態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実施形態に適用することが可能である。
例えば、上記各実施形態では、センサ装置が自動車用エンジンの排ガス浄化システムに適用される場合について説明したが、内燃機関は自動車用に限らず、各種装置からの排ガスを被測定ガスとすることができる。また、被測定ガスは内燃機関からの排ガスに限らず、各種ガス中に含まれる特定成分を検出するためのセンサ装置に適用することができる。

ＳＰＭセンサ（センサ装置）
１素子カバー
１１インナカバー
１１ａインナ側面孔
１１ｂインナ先端面孔
１２アウタカバー
１２ａアウタ側面孔
２センサ素子
３流路
３１大クリアランス部
３２小クリアランス部

Claims

被測定ガス中の特定成分を検出する検出部（２１）を備えるセンサ素子（２）と、
上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向（Ｘ）の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジング（Ｈ）と、
上記ハウジングの先端側に配設された素子カバー（１）と、を備え、
上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバー（１１）と、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバー（１２）と、を有するセンサ装置（Ｓ）であって、
上記インナカバーは、先端側から基端側へ拡径するテーパ状の第１筒部（１１３）と上記第１筒部の基端側に連続する一定径の第２筒部（１１４）とを有する側面（１１１）及び先端面（１１２）に、被測定ガスが流通するインナ側面孔（１１ａ）及びインナ先端面孔（１１ｂ）がそれぞれ設けられると共に、上記インナ側面孔は、上記第２筒部となる上記側面に設けられ、
上記アウタカバーは、側面（１２１）に、被測定ガスが流通するアウタ側面孔（１２ａ）が設けられると共に、上記アウタ側面孔の基端位置が上記インナカバーの先端位置ないしそれよりも先端側にあり、上記アウタカバーの先端面（１２２）は、上記軸方向において、上記インナカバーの上記インナ先端面孔に対向する位置にガス流通孔を有しておらず、かつ、
上記インナカバーの外側面と、上記アウタカバーの内側面との間に設けられる流路（３）が、上記インナカバーの上記先端面に連続する上記第１筒部の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部（３１）を有し、上記大クリアランス部よりも基端側で上記第２筒部の外周側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部（３２）を有すると共に、上記センサ素子の先端よりも先端側において、上記大クリアランス部と上記小クリアランス部とが段差なく接続された流路形状を有しており、上記大クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをｄ１、上記小クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをｄ２としたとき、クリアランス比ｄ１／ｄ２は２．４５以上である、センサ装置。
上記インナ側面孔の先端位置は、上記センサ素子の先端よりも先端側に位置する、請求項１に記載のセンサ装置。
上記インナ側面孔は、上記軸方向における上記第２筒部の中間位置において、周方向に複数設けられる、請求項１又は２に記載のセンサ装置。
上記検出部は、上記センサ素子の先端面に設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
上記検出部は、上記センサ素子の先端側の側面に設けられ、上記検出部を上記インナカバーの上記側面に投影した投影面と、上記インナ側面孔とが、上記軸方向に重なりを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
上記被測定ガスは、内燃機関からの排ガスであり、上記特定成分は、粒子状物質又は特定ガス成分である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。