JP7261718B2 - 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。ガスセンサは、例えば、センサ素子と、センサ素子が配置されるセンサ素子室を有し素子室入口及び素子室出口が配設された内側保護カバーと、外側入口と外側出口とが配設された外側保護カバーと、を備えている。被測定ガスは、ガスセンサの外部から外側入口及び素子室入口を通ってセンサ素子室に到達し、一部がセンサ素子内に導入される。センサ素子室に到達した被測定ガスはその後、素子室出口及び外側出口を通って外部に排出される。ところで、ガスセンサはセンサ素子の活性化する温度（例えば８５０℃）で使用されるため、センサ素子が被水すると熱衝撃によってセンサ素子にクラックが生じることがある。このため、センサ素子の被水を抑制することが検討されている。例えば特許文献１では、素子室入口を外側入口と軸線方向に重ならないように内側保護カバーの側部に配置するとともに、素子室出口を内側保護カバーの底部ではなく側部に配置し内側保護カバーの底部と外側出口とが軸線方向に重なるようにして、ガスセンサの外部からセンサ素子室に直接水が進入するのを防止している。
特開２０１５－９９１４２号公報
しかしながら、特許文献１では、内側保護カバーと外側保護カバーとの間に水が存在する場合に、そうした水がセンサ素子室に進入しやすいという問題があった。また、センサ素子室に水が進入した場合にセンサ素子が被水しやすいという問題があった。
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、センサ素子の被水を抑制することを主目的とする。
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明のガスセンサは、
被測定ガスを導入するガス導入口を有し、該ガス導入口から内部に流入した該被測定ガスの特定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及び前記ガス導入口が内部に配置されるセンサ素子室を内側に有し、該センサ素子室への入口である１以上の素子室入口と該センサ素子室からの出口である１以上の素子室出口とが配設された筒状の内側保護カバーと、
前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口と、前記被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口と、が配設され、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
を備え、
前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、両者の間の空間として、前記外側入口と前記素子室入口との間の前記被測定ガスの流路として機能する入口側ガス流路と、前記外側出口と前記素子室出口との間の前記被測定ガスの流路として機能し前記入口側ガス流路と直接には連通していない出口側ガス流路と、を形成しており、
前記センサ素子の中心軸に沿いかつ前記センサ素子の幅方向に平行な断面を幅方向断面とし、前記内側保護カバーの軸方向に平行かつ前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を下方向とし、前記センサ素子の前記先端から前記後端に向かう方向を上方向とした場合に、前記内側保護カバーのうち前記素子室入口よりも前記下方向側にある部分と前記センサ素子との前記幅方向断面における最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であり、
前記素子室出口及び前記外側出口は、前記外側保護カバーの外部から前記外側出口の軸線方向に平行な仮想光を前記外側出口に照射したときに、前記仮想光が前記センサ素子室の内部に到達しないような位置関係で配置され、前記出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下である。
このガスセンサでは、素子室入口よりも下方向側（先端方向側）において、内側保護カバーとセンサ素子との最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であるため、センサ素子室に水が進入しても、センサ素子が被水しにくい。その理由は、以下のように推察される。センサ素子室に進入した水は下方向側に流れるため内側保護カバーのうち素子室入口よりも下方向側にある部分にたまりやすく、たまった水が振動や突発的なガスの流れなどによってセンサ素子に向けて飛散するおそれがある。そこで、最短距離ＸＷを２．６４ｍｍ以上とすれば、内側保護カバーのうち素子室入口よりも下方向側にある部分とセンサ素子との間の隙間が広くなるため、内側保護カバーにたまった水が飛散してもセンサ素子に到達しにくい。また、このガスセンサでは、外側保護カバーの外部から外側出口の軸線方向に平行な仮想光を外側出口に照射したときに、仮想光がセンサ素子室の内部に到達しないような位置関係で素子室出口及び外側出口が配置されている。このため、ガスセンサの外側出口からセンサ素子室に直接水が進入するのを抑制できる。さらに、このガスセンサでは、出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上であるため、センサ素子室から素子室出口を通って出口側ガス流路に排出された水が外側出口に到達しやすい。このため、ガスセンサの外部に水が排出されやすい。また、出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが２．６０ｍｍ以下であるため、ガスセンサの外部から外側出口を通って出口側ガス流路に水が進入しても、その水が素子室出口に到達しにくい。このため、外側出口からセンサ素子室に水が進入しにくい。以上により、本発明のガスセンサは、センサ素子の被水を抑制できる。なお、「最小流路幅Ｙ」とは、外側保護カバー及び内側保護カバーの少なくとも一方で周囲を囲まれかつ素子室出口から外側出口に至る被測定ガスが必ず通過する面のうち、流路幅が最も狭い面（幅狭面とも称する）における流路幅をいう。幅狭面は、例えば、外側保護カバーと内側保護カバーとで挟まれた環状面である。幅狭面は１面だけでもよいし、２面以上が連続してまたは離間して存在していてもよい。「最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下である」は、「素子室出口から外側出口に到達できる最大の球の直径が０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下である」と言い換えることもできる。
本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、筒状の第１部分と、該第１部分よりも前記下方向側かつ前記素子室入口よりも前記下方向側に設けられ前記第１部分よりも内径の小さい第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する段差部とを備えているものとしてもよい。段差部には水がたまりやすいが、上述した最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であれば段差部とセンサ素子との距離が少なくとも２．６４ｍｍ以上あるため、段差部にたまった水が飛散してもセンサ素子に到達しにくい。このため、内側保護カバーが段差部を有していても、センサ素子の被水を抑制できる。本発明のガスセンサは、前記第１部分、前記第２部分及び前記段差部で構成された段構造を１つ以上有していてもよい。段構造を複数有する場合には、隣合う段構造のうち一方の第１部分が他方の第２部分となってもよい。前記段構造を１つ以上有するガスセンサにおいて、前記段差部のうち、少なくとも前記センサ素子との距離が最も近い段差部、好ましくは全ての段差部は、前記センサ素子の先端面よりも前記下方向側に配置されていることが好ましい。例えばガスセンサを鉛直方向に対して傾けて用いる場合、段差部のうち第２部分よりも内径の大きい第１部分との接続部付近に水がたまりやすいが、段差部がセンサ素子の先端面よりも上方向側ではなく下方向側に配置されていれば、接続部とセンサ素子との距離が大きくなるため、センサ素子の被水をさらに抑制できる。
本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、有底筒状の先端部を備え、前記素子室出口は、前記先端部の底部ではなく側部に配設されているものとしてもよい。素子室出口を底部ではなく側部に配設すれば、素子室出口の外側から突発的にガスが流入したとしても、ガスの流れがセンサ素子方向に集中しにくいため、ガス流れにのって水がセンサ素子に到達するのを抑制できる。こうしたガスセンサにおいて、前記外側出口は、前記外側保護カバーの底部に配設されているものとしてもよい。素子室出口が側部に配設されている場合に、外側出口を底部に配設すれば、ガスセンサの外部からセンサ素子室に水が進入するのをより抑制できる。
本発明のガスセンサは、前記最短距離ＸＷが２．８０ｍｍ以上であるものとしてもよい。こうすれば、素子室入口からセンサ素子室に水が進入したとしても、センサ素子がより被水しにくい。
本発明のガスセンサは、前記最小流路幅Ｙが０．８０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下であるものとしてもよい。出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが０．８０ｍｍ以上であれば、センサ素子室から排出された水がガスセンサの外部により排出されやすい。また、出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが２．００ｍｍ以下であれば、ガスセンサの外部から外側出口を通って水が進入したとしても、その水が素子室出口により到達しにくい。
本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、第１部材と第２部材とを有しており、前記第１部材及び前記第２部材は、両者の間の隙間として、前記素子室入口を形成しており、前記素子室入口は、前記センサ素子室側の開口部である素子側開口部が前記下方向に向けて開口しているものとしてもよい。こうすれば、第１部材によってセンサ素子と隔てられた素子室入口からセンサ素子室内に下方向に向けて被測定ガスが流入するため、被測定ガスに水が含まれていてもその水がセンサ素子に到達しにくい。ここで、「素子側開口部が下方向に向けて開口する」とは、下方向と平行に開口している場合と、下方向に向かうにつれてセンサ素子に近づくように下方向から傾斜して開口している場合とを含む。
本発明のガスセンサにおいて、前記第１部材は、前記センサ素子を囲む第１円筒部を有しており、前記第２部材は、前記第１円筒部よりも大径の第２円筒部を有しており、前記素子室入口は、前記第１円筒部の外周面と前記第２円筒部の内周面との間の筒状の隙間であってもよい。
配管２０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図。 図１のＡ－Ａ断面図。 図２のＢ－Ｂ断面図。 図３のＣ－Ｃ断面図。 図３の外側保護カバー１４０のＣ－Ｃ断面図。 図３のＤ視図。 図３の部分拡大図。 変形例のガスセンサ２００の縦断面図。 変形例の素子室入口３２７を示す断面図。 変形例のガスセンサ４００の縦断面図。
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２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、図２のＢ－Ｂ断面図である。図４は、図３のＣ－Ｃ断面図である。図５は、図３の外側保護カバー１４０のＣ－Ｃ断面図である。なお、図５は、図４から第１円筒部１３４，第２円筒部１３６，先端部１３８及びセンサ素子１１０を除いた図に相当する。図６は、図３のＤ視図である。図７は、図３の部分拡大図である。なお、保護カバー１２０の軸方向に平行且つセンサ素子１１０の先端から後端に向かう方向（図３，７の上方向）を上方向とし、保護カバー１２０の軸方向に平行且つセンサ素子１１０の後端から先端に向かう方向（図３，７の下方向）を下方向と称する。
図１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，アンモニア，Ｏ2等のガス成分のうち少なくともいずれか１つの特定ガスの濃度である特定ガス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２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°～８０°の間に含まれるいずれかの角度）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３に示すように、被測定ガス中の特定ガス濃度（ＮＯｘ，アンモニア，Ｏ2等の濃度）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ボルト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、さらにボルト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。なお、配管２０内の被測定ガスの流れる向きは、図３における左から右に向かう方向である。
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を複数積層した構造の素子本体１１０ｂを有している。素子本体１１０ｂは、被測定ガスを自身の内部に導入するガス導入口１１１を有しており、ガス導入口１１１から内部に流入した被測定ガスの特定ガス濃度を検出可能に構成されている。本実施形態では、ガス導入口１１１は、素子本体１１０ｂの先端面（図３における素子本体１１０ｂの下面）に開口しているものとした。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の構造や特定ガス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。センサ素子１１０は、先端（図３の下端）及びガス導入口１１１がセンサ素子室１２４内に配置されている。なお、センサ素子１１０の後端から先端に向かう方向（下方向）を先端方向とも称する。
また、センサ素子１１０は、素子本体１１０ｂの表面の少なくとも一部を覆う多孔質保護層１１０ａを備えている。本実施形態では、多孔質保護層１１０ａは、素子本体１１０ｂの６つの表面のうち５面に形成されて、センサ素子室１２４内に露出した表面のほとんどを覆っている。具体的には、多孔質保護層１１０ａは、素子本体１１０ｂのうちガス導入口１１１が形成された先端面（下面）を全て覆っている。また、多孔質保護層１１０ａは、素子本体１１０ｂの先端面に接続される４つの表面（図４の素子本体１１０ｂにおける上下左右の面）のうち素子本体１１０ｂの先端面に近い側を覆っている。多孔質保護層１１０ａの下端面がセンサ素子１１０の先端面１１０ｃとなる。多孔質保護層１１０ａは、例えば、被測定ガス中の水分等が付着して素子本体１１０ｂにクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、多孔質保護層１１０ａは、被測定ガスに含まれるオイル成分等が素子本体１１０ｂの表面の図示しない電極等に付着するのを抑制する役割を果たす。多孔質保護層１１０ａは、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体，チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなる。多孔質保護層１１０ａは、例えばプラズマ溶射，スクリーン印刷，ディッピングなどにより形成することができる。なお、多孔質保護層１１０ａは、ガス導入口１１１も覆っているが、多孔質保護層１１０ａが多孔質体であるため、被測定ガスは多孔質保護層１１０ａの内部を流通してガス導入口１１１に到達可能である。多孔質保護層１１０ａの厚さは例えば１００μｍ～７００μｍである。
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入口側ガス流路１５２，出口側ガス流路１５６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，センサ素子１１０，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。保護カバー１２０は、金属（例えばＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス鋼）で形成されている。
内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と、第２部材１３５と、を備えている。第１部材１３１は、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円筒部１３４と、大径部１３２と第１円筒部１３４とを接続する段差部１３３と、を有している。第１円筒部１３４は、センサ素子１１０の周囲を囲んでいる。第２部材１３５は、第１円筒部１３４よりも径が大きい第２円筒部１３６と、第２円筒部１３６よりもセンサ素子１１０の先端方向（下方向）に位置する先端部１３８と、第２円筒部１３６の下端と先端部１３８とを接続する接続部１３７と、を有している。接続部１３７は、第２円筒部１３６より径が小さく先端部１３８より径が大きい第３円筒部１３７ａと、第２円筒部１３６と第３円筒部１３７ａとを接続する第１段差部１３７ｂと、第３円筒部１３７ａと先端部１３８とを接続する第２段差部１３７ｃと、を有している。第１段差部１３７ｂ及び第２段差部１３７ｃは、いずれもセンサ素子１１０の先端面１１０ｃよりも下方向側に配置されている。先端部１３８は、側部１３８ｄと底部１３８ｅとを有している。先端部１３８には、センサ素子室１２４と出口側ガス流路１５６とに通じ、センサ素子室１２４からの被測定ガスの出口である１以上の素子室出口１３８ａが形成されている。素子室出口１３８ａは、側部１３８ｄに等間隔に形成された複数（本実施形態では４個）の円形の横孔１３８ｂを有している。素子室出口１３８ａは、先端部１３８の底部１３８ｅには配設されていない。素子室出口１３８ａの径は、例えば０．５ｍｍ～２．６ｍｍである。本実施形態では、複数の横孔１３８ｂの径はいずれも同じ値とした。素子室出口１３８ａは、ガス導入口１１１よりもセンサ素子１１０の先端方向（下方向）の位置に形成されている。換言すると、素子室出口１３８ａは、センサ素子１１０の後端（図３におけるセンサ素子１１０の図示しない上端）から見てガス導入口１１１よりも遠く（下方向）に位置している。
大径部１３２，第１円筒部１３４，第２円筒部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、これにより第１部材１３１がハウジング１０２に固定されている。第２部材１３５は、第１段差部１３７ｂが外側保護カバー１４０の段差部１４３ｂと当接しており溶接などにより固定されている。なお、第３円筒部１３７ａの先端側（下端側）の外径を外側保護カバー１４０の先端部１４６の内径よりわずかに大きく形成し、第３円筒部１３７ａの先端部分を先端部１４６内に圧入することで、第２部材１３５を固定してもよい。
第２円筒部１３６の内周面には、第１円筒部１３４の外周面に向けて突出してこの外周面に接している複数の突出部１３６ａが形成されている。図４に示すように、突出部１３６ａは３個設けられ、第２円筒部１３６の内周面の周方向に沿って均等に配置されている。突出部１３６ａは、略半球形状に形成されている。このような突出部１３６ａが設けられていることで、突出部１３６ａによって第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との位置関係が固定されやすくなっている。なお、突出部１３６ａは、第１円筒部１３４の外周面を径方向内側に向けて押圧していることが好ましい。こうすれば、突出部１３６ａによって第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との位置関係をより確実に固定できる。なお、突出部１３６ａは、３個に限らず２個や４個以上としてもよい。なお、第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との固定が安定化しやすいため、突出部１３６ａは３個以上とすることが好ましい。
この内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と第２部材１３５との隙間でありセンサ素子室１２４への被測定ガスの入口である素子室入口１２７（図３，４，７参照）を形成している。素子室入口１２７は、より具体的には、第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との間の円筒状の隙間（ガス流路）として形成されている。素子室入口１２７は、外側入口１４４ａの配置された空間である入口側ガス流路１５２側の開口部である外側開口部１２８と、ガス導入口１１１の配置された空間であるセンサ素子室１２４側の開口部である素子側開口部１２９と、を有している。外側開口部１２８は、素子側開口部１２９よりもセンサ素子１１０の後端側（上側）に形成されている。そのため、外側入口１４４ａからガス導入口１１１に達するまでの被測定ガスの経路中で、素子室入口１２７はセンサ素子１１０の後端側（上側）から先端側（下側）へ向かう流路となっている。また、素子室入口１２７は、センサ素子１１０の後端－先端方向に平行な流路（上下方向に平行な流路）となっている。
素子側開口部１２９は、センサ素子１１０の後端から先端へ向かう方向（下方向）に開口し且つセンサ素子１１０の後端－先端方向（上下方向）に平行に開口している。すなわち、素子側開口部１２９は、下方向と平行に開口している。そのため、センサ素子１１０は、素子側開口部１２９から素子室入口１２７を仮想的に延長した領域（図３，７における素子側開口部１２９の真下の領域）以外の位置に、配置されている。これにより、素子側開口部１２９から流出した被測定ガスがセンサ素子１１０の表面に直接当たることを抑制でき、ガス流れに乗って水がセンサ素子１１０に到達することを抑制できる。
この内側保護カバー１３０は、センサ素子１１０の中心軸に沿いかつセンサ素子１１０の幅方向に平行な幅方向断面において、素子室入口１２７よりも下方向側（先端方向側）にある部分とセンサ素子１１０との最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上となるように配置されている。本実施形態では、第１段差部１３７ｂの第３円筒部１３７ａ側の端とセンサ素子１１０の先端側の角との間の距離（図７に示す仮想線１６０の長さ）が最短距離ＸＷとなり、この最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上となるように内側保護カバー１３０が配置されている。なお、本実施形態では、センサ素子１１０は、図４に示すように中心軸に垂直な断面が長方形であるため、この長方形の長辺の方向が幅方向であり、短辺の方向は厚さ方向となる。つまり、幅方向断面は、図４のＥ－Ｅ断面に相当し、このＥ－Ｅ断面を示す図３，７には、センサ素子１１０をその中心軸に沿って厚さ方向に２等分した幅方向の断面が現れる。また、素子室入口１２７よりも下方向側にある部分とは、素子室入口１２７の下端である素子側開口部１２９を含む仮想平面Ｐよりも下方向側にある部分をいい、仮想平面Ｐ上にある部分を含まない。このため、素子室入口１２７よりも下方向側にある部分には、第１部材１３１は含まれない。
外側保護カバー１４０は、図３に示すように、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（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、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。胴部１４３のうち上端周辺の部分は、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、大径部１３２，第１円筒部１３４，第２円筒部１３６の外周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３円筒部１３７ａの外周面と接している。先端部１４６は、外側保護カバー１４０の中心軸方向（上下方向）に沿った側面を有し外径が側部１４３ａの内径よりも小さい側部１４６ａと、外側保護カバー１４０の底部である底部１４６ｂと、側部１４６ａと底部１４６ｂとを接続し側部１４６ａから底部１４６ｂに向けて縮径するテーパー部１４６ｃと、を有している。先端部１４６は、胴部１４３よりも先端方向側（下側）に位置している。この外側保護カバー１４０は、胴部１４３に形成され被測定ガスの外部からの入口である１以上（本実施形態では複数であり、具体的には１２個）の外側入口１４４ａと、先端部１４６に形成され被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口１４７ａとを有している。
外側入口１４４ａは、外側保護カバー１４０の外側（外部）と入口側ガス流路１５２とに通じる孔である。外側入口１４４ａは、側部１４３ａに等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の横孔１４４ｂと、段差部１４３ｂに等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の縦孔１４４ｃとを有している（図３～６）。この外側入口１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）は、円形に開けられた孔である。この１２個の外側入口１４４ａの径は、例えば０．５ｍｍ～２ｍｍである。外側入口１４４ａの径は、１．５ｍｍ以下としてもよい。なお、本実施形態では、複数の横孔１４４ｂの径はいずれも同じ値とし、複数の縦孔１４４ｃの径はいずれも同じ値とした。また、横孔１４４ｂの径は縦孔１４４ｃの径よりも大きい値とした。なお、外側入口１４４ａは、図４，５に示すように、外側保護カバー１４０の周方向に沿って横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとが交互に等間隔に位置するように形成されている。すなわち、図４，５における横孔１４４ｂの中心と外側保護カバー１４０の中心軸とを結んだ線と、その横孔１４４ｂに隣接する縦孔１４４ｃの中心と外側保護カバー１４０の中心軸とを結んだ線と、のなす角が３０°（３６０°／１２個）となっている。
外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の外側（外部）と出口側ガス流路１５６とに通じる孔である。この外側出口１４７ａは、先端部１４６の底部１４６ｂの中心に形成された１以上（本実施形態では１個）の縦孔１４７ｃを有している（図３，５，６参照）。この外側出口１４７ａ（ここでは縦孔１４７ｃ）は、円形に開けられた孔である。この外側出口１４７ａの径は、例えば０．５ｍｍ～２．５ｍｍである。外側出口１４７ａの径は、１．５ｍｍ以下としてもよい。なお、本実施形態では、縦孔１４７ｃの径は、横孔１４４ｂや縦孔１４４ｃの径よりも大きい値とした。外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の外部から外側出口１４７ａの軸線方向に平行な仮想光を外側出口１４７ａに照射したときに、仮想光がセンサ素子室１２４の内部に到達しないように素子室出口１３８ａとの位置関係を調整して配置されている。本実施形態では、上述した仮想光は内側保護カバー１３０の底部１３８ｅにあたるため、センサ素子室１２４の内部には到達しない。なお、本実施形態では、外側出口１４７ａと素子室出口１３８ａとが異なる向きに開口するように、外側出口１４７ａは側部１４６ａではなく底部１４６ｂに配置されている。外側出口１４７ａは、外側入口１４４ａとは異なり、外側保護カバー１４０の側部（ここでは先端部１４６の側部１４６ａ）には配置されていない。また、本実施形態では、上述した仮想光があたる領域から外れるように素子室出口１３８ａが底部１３８ｅではなく側部１３８ｄに配置されている。
外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、胴部１４３と内側保護カバー１３０との間の空間として入口側ガス流路１５２を形成している。より具体的には、入口側ガス流路１５２は、段差部１３３，第１円筒部１３４，第２円筒部１３６，側部１４３ａ、段差部１４３ｂにより囲まれた空間である。入口側ガス流路１５２は、外側入口１４４ａと素子室入口１２７との間の被測定ガスの流路として機能する。外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、先端部１４６と内側保護カバー１３０との間の空間として出口側ガス流路１５６を形成している。より具体的には、出口側ガス流路１５６は、先端部１３８と第２段差部１３７ｃと先端部１４６とに囲まれた空間である。なお、先端部１４６の内周面が接続部１３７の外周面と当接しているため、入口側ガス流路１５２と出口側ガス流路１５６とは直接には連通していない。出口側ガス流路１５６は、外側出口１４７ａと素子室出口１３８ａとの間の被測定ガスの流路として機能する。外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、出口側ガス流路１５６の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下となるように配置されている。つまり、外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、素子室出口１３８ａから外側出口１４７ａに到達できる最大の球の直径が０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下となるように配置されている。本実施形態では、外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、内側保護カバー１３０の先端部１３８の底部１３８ｅの外周と、外側保護カバー１４０のテーパー部１４６ｃのうち底部１３８ｅの外周と対向する部分との間の円錐台側面形状の仮想環状面１６２の幅（例えば図３，７に現れる直線の長さ）が最小流路幅Ｙとなり、この最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下となるように配置されている。なお、素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａは、直径が最小流路幅Ｙ以上でもよく、直径が最小流路幅Ｙよりも大きくてもよい。
ここで、ガスセンサ１００が特定ガス濃度を検出する際の保護カバー１２０内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、複数の外側入口１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）の少なくともいずれかを通って入口側ガス流路１５２内に流入する。次に、被測定ガスは、入口側ガス流路１５２から外側開口部１２８を経て素子室入口１２７に流入し、素子室入口１２７を経て素子側開口部１２９から流出して、センサ素子室１２４に流入する。素子側開口部１２９からセンサ素子室１２４内に流入した被測定ガスは、少なくとも一部がセンサ素子１１０のガス導入口１１１に到達する。被測定ガスがガス導入口１１１に到達してセンサ素子１１０の内部に流入すると、この被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電気信号（電圧又は電流）をセンサ素子１１０が発生させ、この電気信号に基づいて特定ガス濃度が検出される。また、センサ素子室１２４内の被測定ガスは、素子室出口１３８ａ（ここでは横孔１３８ｂ）の少なくともいずれかを通って出口側ガス流路１５６に流入し、そこから外側出口１４７ａ（ここでは縦孔１４７ｃ）を通って外部に流出する。なお、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。
ところで、自動車の排気ガスなどが流れる配管２０内には凝縮水が発生することがある。こうした凝縮水は、上述した被測定ガスの流れや、エンジン始動時の突発的なガス流れなどによって外側入口１４４ａや外側出口１４７ａから外側保護カバー１４０内に進入し、さらに素子室入口１２７や素子室出口１３８ａからセンサ素子室１２４に進入することがある。センサ素子室１２４に進入した水は自重によって下方向側に流れるため、内側保護カバー１３０のうち素子室入口１２７よりも下方向側にある部分にたまりやすい。内側保護カバー１３０内にたまった水は、エンジン始動時の突発的なガス流れや振動などによってセンサ素子１１０に向けて飛散するおそれがある。そこで、上述したガスセンサ１００では、素子室入口１２７よりも下方向（先端方向）側において、内側保護カバー１３０とセンサ素子１１０との最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上となるようにした。なお、本実施形態では、センサ素子１１０は中心軸に垂直な断面が長方形であるため、幅方向断面において最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であれば、厚さ方向断面（センサ素子１１０の中心軸に沿いかつ図４においてＥ－Ｅ断面に直交する断面）において、素子室入口１２７よりも下方向側にある部分とセンサ素子１１０との最短距離（最短距離ＸＨとも称する）は２．６４ｍｍより大きくなる。こうしたガスセンサ１００では、内側保護カバー１３０のうち素子室入口１２７よりも下方向側にある部分とセンサ素子１１０との間の隙間が広い。このため、内側保護カバー１３０にたまった水が飛散してもセンサ素子１１０に到達しにくい。また、このガスセンサ１００では、外側保護カバー１４０の外部から外側出口１４７ａの軸線方向に平行な仮想光を外側出口１４７ａに照射したときに、仮想光がセンサ素子室１２４の内部に到達しないような位置関係で素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａが配置されている。このため、ガスセンサ１００の外側出口１４７ａからセンサ素子室１２４に直接水が進入するのを抑制できる。さらに、このガスセンサ１００では、出口側ガス流路１５６の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上であるため、センサ素子室１２４から素子室出口１３８ａを通って出口側ガス流路１５６に排出された水が外側出口１４７ａ側に到達しやすい。このため、ガスセンサ１００の外部に水が排出されやすい。また、出口側ガス流路１５６の最小流路幅Ｙが２．６０ｍｍ以下であるため、ガスセンサ１００の外部から外側出口１４７ａを通って出口側ガス流路１５６に水が進入しても、その水が素子室出口１３８ａに到達しにくい。このため、外側出口１４７ａからセンサ素子室１２４に水が侵入しにくい。以上により、本実施形態のガスセンサ１００では、センサ素子１１０の被水が抑制される。最短距離ＸＷは、２．８０ｍｍ以上であることが好ましい。最小流路幅Ｙは、０．８０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下であることが好ましい。
また、このガスセンサ１００では、内側保護カバー１３０は、筒状の第２円筒部１３６と、第３円筒部１３７ａ（第２円筒部１３６を本発明の第１部分とした場合の第２部分に相当）と、第２円筒部１３６と第３円筒部１３７ａとを接続する第１段差部１３７ｂ（第２円筒部１３６を本発明の第１部分とした場合の段差部に相当）とで構成された段構造を有している。また、内側保護カバー１３０は、筒状の第３円筒部１３７ａと、側部１３８ｄ（第３円筒部１３７ａを本発明の第１部分とした場合の第２部分に相当）と、第３円筒部１３７ａと側部１３８ｄとを接続する第２段差部１３７ｃ（第３円筒部１３７ａを本発明の第１部分とした場合の段差部に相当）とで構成された段構造を有している。ところで、段差部には水がたまりやすい。本実施形態のガスセンサ１００では、第１段差部１３７ｂと第２段差部１３７ｃの２つの段差部を有するものとしたが、第１段差部１３７ｂとセンサ素子１１０との最短距離が上述した最短距離ＸＷとなり、最短距離がＸＷが２．６４ｍｍ以上となるようにした。これにより、第１段差部１３７ｂや第２段差部１３７ｃとセンサ素子１１０との距離が少なくとも２．６４ｍｍ以上となるため、第１段差部１３７ｂや第２段差部１３７ｃにたまった水が飛散してもセンサ素子１１０に到達しにくい。また、ガスセンサは中心軸を鉛直方向に対して傾けて用いる場合が多く、その場合、段差部のうち第１部分との接続部付近に水がたまりやすい。そこで、こうした接続部とセンサ素子１１０との距離が大きくなるように、第１段差部１３７ｂ及び第２段差部１３７ｃをセンサ素子１１０の先端面１１０ｃより上方向側ではなく下方向側に配置した。このため、センサ素子１１０の被水がさらに抑制される。
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、素子室入口１２７よりも下方向側において、内側保護カバー１３０とセンサ素子１１０との最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上である。また、外側保護カバー１４０の外部から外側出口１４７ａの軸線方向に平行な仮想光を外側出口１４７ａに照射したときに、仮想光がセンサ素子室１２４の内部に到達しないような位置関係で素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａが配置されている。さらに、出口側ガス流路１５６の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下である。このため、センサ素子１１０の被水を抑制できる。
また、素子室出口１３８ａは、先端部１３８の底部１３８ｅではなく側部１３８ｄに配設されている。このため、素子室出口１３８ａの外側から突発的にガスが流入したとしても、ガスの流れがセンサ素子１１０方向に集中しにくく、ガス流れにのって水がセンサ素子１１０に到達しにくい。また、素子室出口１３８ａが側部１３８ｄに配設されているだけでなく、外側出口１４７ａが外側保護カバー１４０の底部１４６ｂに配設されている。このため、ガスセンサ１００の外部からセンサ素子室１２４に水がより進入しにくい。
さらに、最短距離ＸＷを２．８０ｍｍ以上とすれば、素子室入口１２７からセンサ素子室１２４に水が進入したとしても、センサ素子１１０がより被水しにくい。また、最小流路幅Ｙを０．８０ｍｍ以上とすれば、センサ素子室１２４から排出された水がガスセンサ１００の外部により排出されやすい。また、最小流路幅Ｙを２．００ｍｍ以下とすれば、ガスセンサ１００の外部から外側出口１４７ａを通って水が進入したとしても、その水が素子室出口１３８ａにより到達しにくい。
さらにまた、ガスセンサ１００において、第１部材１３１及び第２部材１３５は、素子側開口部１２９が下方向に向けて開口するように素子室入口１２７を形成している。これにより、第１部材１３１によってセンサ素子１１０と隔てられた素子室入口１２７からセンサ素子室１２４内に下向きに被測定ガスが流入するため、被測定ガスに水が含まれていてもその水がセンサ素子１１０に到達しにくい。
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施しうることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、内側保護カバー１３０は、２つの段差部（第１段差部１３７ｂ及び第２段差部１３７ｃ）を有するものとしたが、段差部を有さないものとしてもよいし、段差部の数を１つ又は３つ以上としてもよい。例えば、後述する図８のガスセンサ２００のように第２段差部１３７ｃを省略してもよいし、後述する図１０のガスセンサ４００のように第１段差部１３７ｂを省略してもよい。また、上述した実施形態では、第１段差部１３７ｂとセンサ素子１１０との間の距離が最短距離ＸＷとなるようにしたが、第２段差部１３７ｃとセンサ素子１１０との間の距離が最短距離ＸＷとなるようにしてもよいし、段差部以外の部分とセンサ素子１１０との間の距離が最短距離ＸＷとなるようにしてもよい。
上述した実施形態では、内側保護カバー１３０の先端部１３８は、側部１３８ｄの外径が一定で側部１３８ｄと底部１３８ｅとが同径となるような形状としたが、例えば、後述する図８に示す円錐台を逆さにした形状など、側部１３８ｄの外径が底部１３８ｅに近づくほど小さくなるような形状としてもよい。言い換えると、内側保護カバー１３０の先端部１３８がテーパー部を有していてもよい。
上述した実施形態では、外側保護カバー１４０の先端部１４６は、有底筒状で、側部１４６ａと底部１４６ｂとテーパー部１４６ｃとを有するものとしたが、後述する図８に示すようにテーパー部１４６ｃを省略した円筒形状としてもよい。
上述した実施形態では、外側入口１４４ａは横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとを有するものとしたが、いずれか一方のみを有するものとしてもよい。また、横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃに加えて又は代えて、側部１４３ａと段差部１４３ｂとの境界の角部に角孔を形成してもよい。素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａについても、同様に横孔，縦孔，角孔のいずれか１以上を有するものとしてもよい。また、外側出口１４７ａは、テーパー部１４６ｃに設けられた貫通孔を有するものとしてもよい。素子室出口１３８ａについても、同様にテーパー部（例えば後述するテーパー部２３８ｄ）に設けられた貫通孔を有するものとしてもよい。さらに、素子室出口１３８ａ，外側入口１４４ａ，外側出口１４７ａは、孔に限らず、素子室入口１２７のように保護カバー１２０を構成する複数の部材の隙間であってもよいし、各々の数は１以上であればよい。
上述した実施形態では、最小流路幅Ｙは、外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０で挟まれた、円錐台側面形状の仮想環状面１６２における流路幅としたが、これに限定されない。例えば、仮想環状面の形状は円板形状でもよいし筒形状でもよい。また、最小流路幅Ｙは、外側保護カバー１４０のみ又は内側保護カバー１３０のみで外周を囲われた環状でない面における流路幅としてもよい。
上述した実施形態では、突出部１３６ａは第２円筒部１３６の内周面に形成されているが、これに限られない。第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との少なくとも一方の面に、他方の面に向けて突出してその面に接する複数の突出部が形成されていればよい。また、上述した実施形態では、図３，４に示すように、第２円筒部１３６のうち突出部１３６ａが形成されている部分の外周面は内側に窪んでいるが、これに限らず外周面が窪んでいなくてもよい。また、突出部１３６ａは半球形状に限らずどのような形状であってもよい。なお、第１円筒部１３４の外周面及び第２円筒部１３６の内周面に突出部１３６ａが形成されていなくてもよい。
図８は、変形例のガスセンサ２００の縦断面図である。図８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８に示すように、ガスセンサ２００の保護カバー２２０は、内側保護カバー１３０に代えて内側保護カバー２３０を備え、外側保護カバー１４０に代えて外側保護カバー２４０を備えている。内側保護カバー２３０の第２部材２３５は、図３の先端部１３８及び接続部１３７に代えて円錐台を逆さにした形状の先端部２３８と、第２段差部１３７ｃを省略した形状の接続部２３７とを有している。先端部２３８は、内側保護カバー２３０の底部である底部２３８ｅと、第３円筒部１３７ａから底部２３８ｅに向けて縮径するテーパー部２３８ｄと、を有している。また、先端部２３８には、センサ素子室１２４と出口側ガス流路１５６とに通じ、センサ素子室１２４からの被測定ガスの出口である素子室出口２３８ａが形成されている。素子室出口２３８ａは、先端部２３８の底部２３８ｅの中心に形成された１個の円形の縦孔である。外側保護カバー２４０は、胴部１４３よりも上側に、胴部１４３よりも径の大きい円筒状の大径部２４２を有している。外側保護カバー２４０は、胴部１４３ではなく大径部２４２の内周面がハウジング１０２及び大径部１３２に当接している。外側保護カバー２４０は、図３の先端部１４６に代えて、テーパー部１４６ｃを省略した有底筒状（円筒形状）の先端部２４６を有している。先端部２４６は、外側保護カバー２４０の中心軸方向（図８の上下方向）に沿った側面を有し外径が側部１４３ａの内径よりも小さい側部２４６ａと、外側保護カバー２４０の底部である底部２４６ｂと、を有している。また、先端部２４６には、被測定ガスの外部への出口である外側出口２４７ａが形成されている。外側出口２４７ａは、先端部２４６の側部２４６ａに外側保護カバー２４０の周方向に沿って等間隔に形成された３個の横孔２４７ｂ（図８では２個のみ図示）と、底部２４６ｂに外側保護カバー２４０の周方向に沿って等間隔に形成された３個の縦孔２４７ｃ（図８では１個のみ図示）と、を有している。横孔２４７ｂと縦孔２４７ｃとは、外側保護カバー２４０の周方向に沿って交互に等間隔に位置しており、隣接する横孔２４７ｂと縦孔２４７ｃとのなす角（位相）は６０°である。ガスセンサ２００では、ガスセンサ１００と同様に、第１段差部１３７ｂの第３円筒部１３７ａ側の端とセンサ素子１１０の先端側の角との間の距離（図８に示す仮想線２６０の長さ）が最短距離ＸＷとなり、この最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上となるように内側保護カバー２３０が配置されている。また、ガスセンサ２００では、外側保護カバー２４０の外部から外側出口２４７ａの軸線方向に平行な仮想光を外側出口２４７ａに照射したときに、仮想光がセンサ素子室１２４の内部に到達しないように素子室出口２３８ａと外側出口２４７ａとの位置関係が調整されている。具体的には、素子室出口２３８ａは、外側出口２４７ａのうち横孔２４７ｂから照射された仮想光があたる領域から外れるように、横孔２４７ｂの上端よりも上方向側に配置された底部２３８ｅに、横孔２４７ｂに対して垂直に開口するように配置されている。素子室出口２３８ａは、外側出口２４７ａのうち縦孔２４７ｃと同じ向きに開口するように配置されているが、縦孔２４７ｃから照射された仮想光があたる領域から外れるように、縦孔２４７ｃを軸線方向に伸ばした領域からはずれた位置に配置されている。また、ガスセンサ２００では、外側保護カバー２４０及び内側保護カバー２３０は、内側保護カバー２３０の先端部２３８の底部２３８ｅのうち素子室出口２３８ａの周囲の環状の部分と、外側保護カバー２４０の底部２４６ｂのうちその環状の部分に対向する部分との間の仮想環状面２６２の幅（例えば図８に現れる直線の長さ）が最小流路幅Ｙとなり、この最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下となるように配置されている。仮想環状面２６２は筒形状である。このガスセンサ２００でも、上述したガスセンサ１００と同様の特徴により、同様の効果が得られる。つまり、最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であり、素子室出口２３８ａ及び外側出口２４７ａが上述した位置関係で配置されており、最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下であるため、センサ素子１１０の被水を抑制できる。
上述した実施形態では、素子室入口１２７は第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との間の筒状の隙間としたが、これに限られない。例えば、第１円筒部の外周面と第２円筒部の内周面との少なくとも一方に凹部（溝）が形成されており、素子室入口は、凹部により形成された第１円筒部と第２円筒部との隙間としてもよい。図９は、変形例の素子室入口３２７を示す断面図である。図９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９に示すように、第１円筒部３３４の外周面と第２円筒部３３６の内周面とは接しており、第１円筒部３３４の外周面には複数（図９では４個）の凹部３３４ａが等間隔に形成されている。この凹部３３４ａと第２円筒部３３６の内周面との間の隙間が、素子室入口３２７となっている。
上述した実施形態では、素子室入口１２７は、センサ素子１１０の後端－先端方向に平行な流路（図３における上下方向に平行な流路）としたが、素子室入口１２７は、下方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように上下方向から傾斜した流路としてもよい。図１０は、この場合の変形例のガスセンサ４００の縦断面図である。図１０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１０に示すように、ガスセンサ４００の保護カバー４２０は、内側保護カバー１３０に代えて内側保護カバー４３０を備えている。内側保護カバー４３０は、第１部材４３１と、第２部材４３５と、を備えている。第１部材４３１は、第１部材１３１と比べて、第１円筒部１３４を備えない代わりに、円筒状の胴部４３４ａと、下方に向かうにつれて縮径する円筒状の第１円筒部４３４ｂと、を備えている。第１円筒部４３４ｂは、上端部で胴部４３４ａと接続されている。第２部材４３５は、第２部材１３５と比べて、第２円筒部１３６を備えない代わりに、下方に向かうにつれて縮径する円筒状の第２円筒部４３６を備えているとともに、接続部１３７に代えて、第１段差部１３７ｂを省略した接続部４３７を有している。第１円筒部４３４ｂの外周面と第２円筒部４３６の内周面とは接しておらず、両者により形成される隙間が素子室入口４２７となっている。素子室入口４２７は、入口側ガス流路１５２側の開口部である外側開口部４２８と、センサ素子室１２４側の開口部である素子側開口部４２９と、を有している。この素子室入口４２７は、第１円筒部４３４ｂ及び第２円筒部４３６の形状によって、下方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように（内側保護カバー４３０の中心軸に近づくように）上下方向から傾斜した流路となっている。同様に、素子側開口部４２９は、下方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように上下方向から傾斜して開口している（図１０の拡大図参照）。このため、素子室入口４２７よりも下方向側にある部分とは、素子側開口部４２９の下端を含む仮想平面Ｐよりも下方向側にある部分を示すこととなる。この場合も、素子室入口４２７よりも下方向側にある部分には、第１部材４３１は含まれない。なお、素子側開口部４２９の開口の向きは、開口周辺の第１円筒部４３４ｂの外周面及び第２円筒部４３６の内周面に基づいて定まる開口の軸方向とする。また、素子側開口部４２９の開口面は、開口の軸方向に対して垂直な面とする。センサ素子１１０は、素子側開口部４２９から素子室入口４２７を仮想的に延長した領域以外の位置に配置されている。これにより、素子側開口部４２９から流出した被測定ガスがセンサ素子１１０の表面に直接当たることを抑制でき、ガス流れに乗って水がセンサ素子１１０に到達することを抑制できる。ガスセンサ４００では、第２円筒部４３６と第３円筒部１３７ａとの接続部と、センサ素子１１０の先端側の角との間の距離（図１０に示す仮想線４６０の長さ）が最短距離ＸＷとなり、この最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上となるように、内側保護カバー４３０及びセンサ素子１１０が配置されている。また、ガスセンサ４００では、ガスセンサ１００と同様に、外側保護カバー１４０及び内側保護カバー４３０は、最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下となるように配置されている。このガスセンサ４００でも、上述したガスセンサ１００と同様の特徴により、同様の効果が得られる。つまり、最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であり、素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａが上述した位置関係で配置されており、最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下であるため、センサ素子１１０の被水を抑制できる。
図１０のガスセンサ４００のように素子室入口４２７が上下方向に対して傾斜した流路である場合や素子側開口部４２９が上下方向に対して傾斜して開口している場合、素子室入口４２７からセンサ素子室１２４に流出する被測定ガスの流れる向きは上下方向から傾斜した向きになる。これにより、上述した実施形態の素子室入口１２７や素子側開口部１２９と同様の効果が得られる。すなわち、第１部材４３１によってセンサ素子１１０と隔てられた素子室入口４２７からセンサ素子室１２４内に下向きに被測定ガスが流入するため、被測定ガスに水が含まれていてもその水がセンサ素子１１０に到達しにくい。また、図１０では、素子室入口４２７の流路幅は、センサ素子１１０の下方に向かうにつれて狭くなっている。そのため、素子側開口部４２９の開口面積は外側開口部４２８の開口面積よりも小さい。これにより、被測定ガスが外側開口部４２８から流入して素子側開口部４２９から流出することで流入時と比べて流出時の被測定ガスの流速が高まる。そのため、特定ガス濃度検出の応答性を向上させることができる。なお、図１０では、素子室入口４２７が上下方向から傾斜した流路となっており、素子側開口部４２９が上下方向から傾斜して開口し、且つ素子側開口部４２９の開口面積が外側開口部４２８の開口面積よりも小さくなるようにしているが、これらの３つの特徴のうち１以上を省略してもよいし、ガスセンサがこれらの３つの特徴のうち１以上の特徴を有するようにしてもよい。
上述した実施形態では、内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と第２部材１３５との２つの部材を備えていたが、第１部材１３１と第２部材１３５とは一体化された部材であってもよい。
上述した実施形態では、センサ素子１１０は中心軸に垂直な断面が長方形であるものとしたが、中心軸に垂直な断面が正方形や円形であるものとしてもよい。この場合、センサ素子１１０の幅方向の寸法と厚さ方向の寸法が同じになるため、幅方向断面において最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であれば、最短距離ＸＨも２．６４ｍｍ以上となる。
上述した実施形態では、ガス導入口１１１は、素子本体１１０ｂの先端面（図３における素子本体１１０ｂの下面）に開口しているものとしたが、これに限られない。例えば、素子本体１１０ｂの側面（図４における素子本体１１０ｂの上下左右の面）に開口していてもよい。
上述した実施形態では、センサ素子１１０は多孔質保護層１１０ａを備えているが、多孔質保護層１１０ａを備えていなくてもよい。その場合は、素子本体１１０ｂの下面がセンサ素子１１０の先端面となる。
以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
図３～７に示したガスセンサ１００を実施例１とした。実施例１では、最短距離ＸＷが３．２４ｍｍ、最小流路幅Ｙが１．０６ｍｍとなるようにした。
［実施例２～４］
実施例２は、最短距離ＸＷが２．８９ｍｍとなるようにセンサ素子１１０の位置を保護カバー１２０に対して下方向側に移動した以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。実施例３は、最短距離ＸＷが２．６４ｍｍとなるようにセンサ素子１１０の位置を保護カバー１２０に対して下方向側に移動し、最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍとなるように側部１３８ｄの長さを長くした以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。実施例４は、最短距離ＸＷが２．６４ｍｍとなるようにセンサ素子１１０の位置を保護カバー１２０に対して下方向側に移動し、最小流路幅Ｙが２．６０ｍｍとなるように側部１３８ｄの長さを短くした以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。
［比較例１］
図８に示すガスセンサ２００を比較例１とした。比較例１では、最短距離ＸＷを２．６４ｍｍとし、最小流路幅Ｙを２．８８ｍｍとした。なお、比較例１では、保護カバー２２０に対するセンサ素子１１０の相対位置を図８よりも下方向側に移動させ、第１段差部１３７ｂがセンサ素子１１０の先端面１１０ｃよりも上側にあり、第１段差部１３７ｂの第３円筒部１３７ａ側の端がセンサ素子１１０の先端面１１０ｃを含む仮想平面上に位置するようにした。
［比較例２，３］
比較例２は、最小流路幅Ｙが０．４８ｍｍとなるように側部１３８ｄの長さを長くした以外は、実施例３のガスセンサ１００と同様とした。比較例３は、最短距離ＸＷが２．４６ｍｍとなるようにセンサ素子１１０の位置を保護カバー１２０に対して下方向に移動した以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。
［被水量の評価］
被水量の評価には、特開２０１９－１８５６１５号公報に記載された被水試験装置を用いた。この被水試験装置は、内部にガスの流路を有し水平かつ直線状に配置された配管と、配管の上流に設けられた送風機（ブロアー）と、配管の下流側に設けられた圧力変動発生器と、送風機と圧力変動発生器との間の配管の一部でありガスセンサが取り付けられるチャンバと、を備えている。チャンバには、チャンバに振動を加える加振機が接続されている。この被水試験装置では、エンジンからの排気ガスを模したガスにより水分をガスセンサに向けて飛散させることができる。被水試験では、まず、被水試験装置のチャンバ内に、ガスセンサの中心軸が配管の軸に垂直かつ水平方向に対して１０°傾いた状態でガスセンサを配置した。次に、送風機とチャンバとの間の配管内に所定量の水分を供給した。続いて、送風機を用いて配管内にガス（大気）を供給し、圧力変動発生器を用いてガスの圧力を変動させるとともに、加振機によりチャンバに振動を加えた。これにより、配管内に供給された水分が、圧力変動するガスによって、チャンバ内に配置されたガスセンサに向けて飛散する。この状態で、センサ素子に内蔵されたヒーターを駆動して、センサ素子の温度が１００～２００℃の間の所定の目標値になるようにヒーターパワーを制御した。このときのヒーターパワーの制御値を、事前に導出したヒーターパワーと被水量との関係に当てはめて、各ガスセンサにおけるセンサ素子の被水量を求めた。そして、被水量が１０μＬ以下のものを「Ａ（優）」、１０μＬ超過２０μＬ以下のものを「Ｂ（良）」、２０μＬ超過３０μＬ以下のものを「Ｃ（可）」、３０μＬ超過のものを「Ｆ（不可）」として判定を行った。結果を表１にまとめた。
表１より、最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であり、上述した仮想光がセンサ素子室の内部に到達しないように外側出口及び素子室出口が配設され、最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下であれば、被水量を３０μＬ以下に抑えられることがわかった。また、最小流路幅Ｙが小さい方から１．０６ｍｍ付近に近づくにつれて被水量が抑制されるとともに、最小流路幅Ｙが大きい方から１．０６ｍｍに近づくにつれて被水量が抑制されることがわかった。また、最短距離ＸＷが大きい方が被水量を抑えられることがわかった。この結果より、最短距離ＸＷは２．６４ｍｍ以上が好ましく、２．８０ｍｍ以上がより好ましいと推察された。また、最小流路幅Ｙは０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下が好ましく、０．８０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下がより好ましいと推察された。
Figure 0007261718000001
２０ 配管、２２ 固定用部材、１００，２００，４００ ガスセンサ、１０２ ハウジング、１０３ ボルト、１１０ センサ素子、１１０ａ 多孔質保護層、１１０ｂ 素子本体、１１０ｃ 先端面、１１１ ガス導入口、１２０，２２０，４２０ 保護カバー、１２４ センサ素子室、１２７，３２７，４２７ 素子室入口、１２８，４２８ 外側開口部、１２９，４２９ 素子側開口部、１３０，２３０，４３０ 内側保護カバー、１３１，４３１ 第１部材、１３２ 大径部、１３３ 段差部、１３４，３３４ 第１円筒部、３３４ａ 凹部、４３４ａ 胴部、４３４ｂ 第１円筒部、１３５，２３５，４３５ 第２部材、１３６，３３６，４３６ 第２円筒部、１３６ａ 突出部、１３７，２３７，４３７ 接続部、１３７ａ 第３円筒部、１３７ｂ 第１段差部、１３７ｃ 第２段差部、１３８，２３８ 先端部、１３８ａ，２３８ａ 素子室出口、１３８ｂ 横孔、１３８ｄ 側部、２３８ｄ テーパー部、１３８ｅ，２３８ｅ 底部、１４０，２４０ 外側保護カバー、２４２ 大径部、１４３ 胴部、１４３ａ 側部、１４３ｂ 段差部、１４４ａ 外側入口、１４４ｂ 横孔、１４４ｃ 縦孔、１４６，２４６ 先端部、１４６ａ，２４６ａ 側部、１４６ｂ，２４６ｂ 底部、１４６ｃ テーパー部、１４７ａ，２４７ａ 外側出口、２４７ｂ 横孔、１４７ｃ，２４７ｃ 縦孔、１５２ 入口側ガス流路、１５６ 出口側ガス流路、１６０，２６０，４６０ 仮想線、１６２，２６２ 仮想環状面、Ｐ 仮想平面。

Claims (8)

  1. 被測定ガスを導入するガス導入口を有し、該ガス導入口から内部に流入した該被測定ガスの特定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及び前記ガス導入口が内部に配置されるセンサ素子室を内側に有し、該センサ素子室への入口である１以上の素子室入口と該センサ素子室からの出口である１以上の素子室出口とが配設された筒状の内側保護カバーと、
    前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口と、前記被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口と、が配設され、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
    を備え、
    前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、両者の間の空間として、前記外側入口と前記素子室入口との間の前記被測定ガスの流路として機能する入口側ガス流路と、前記外側出口と前記素子室出口との間の前記被測定ガスの流路として機能し前記入口側ガス流路と直接には連通していない出口側ガス流路と、を形成しており、
    前記センサ素子の中心軸に沿いかつ前記センサ素子の幅方向に平行な断面を幅方向断面とし、前記内側保護カバーの軸方向に平行かつ前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を下方向とし、前記センサ素子の前記先端から前記後端に向かう方向を上方向とした場合に、前記内側保護カバーのうち前記素子室入口よりも前記下方向側にある部分と前記センサ素子との前記幅方向断面における最短距離ＸＷが２．６４ｍｍ以上であり、
    前記素子室出口及び前記外側出口は、前記外側保護カバーの外部から前記外側出口の軸線方向に平行な仮想光を前記外側出口に照射したときに、前記仮想光が前記センサ素子室の内部に到達しないような位置関係で配置され、前記出口側ガス流路の最小流路幅Ｙが０．６７ｍｍ以上２．６０ｍｍ以下である、
    ガスセンサ。
  2. 前記内側保護カバーは、筒状の第１部分と、該第１部分よりも前記下方向側かつ前記素子室入口よりも前記下方向側に設けられ前記第１部分よりも内径の小さい第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する段差部とを備えている、
    請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記内側保護カバーは、有底筒状の先端部を備え、
    前記素子室出口は、前記先端部の底部ではなく側部に配設されている、
    請求項１または２に記載のガスセンサ。
  4. 前記外側出口は、前記外側保護カバーの底部に配設されている、
    請求項３に記載のガスセンサ。
  5. 前記最短距離ＸＷが２．８０ｍｍ以上である、
    請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  6. 前記最小流路幅Ｙが０．８０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下である、
    請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  7. 前記内側保護カバーは、第１部材と第２部材とを有しており、
    前記第１部材及び前記第２部材は、両者の間の隙間として、前記素子室入口を形成しており、
    前記素子室入口は、前記センサ素子室側の開口部である素子側開口部が前記下方向に向けて開口している、
    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部材は、前記センサ素子を囲む第１円筒部を有しており、
    前記第２部材は、前記第１円筒部よりも大径の第２円筒部を有しており、
    前記素子室入口は、前記第１円筒部の外周面と前記第２円筒部の内周面との間の筒状の隙間である、
    請求項７に記載のガスセンサ。
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