JP6984356B2 - センサ装置 - Google Patents

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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、Particulate Matter;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。
S PM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 (6)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
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