JP7487136B2 - ガスセンサ - Google Patents

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。例えば、特許文献１には、ガス導入口から内部に流入した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、センサ素子の先端を覆う外側保護カバーと、外側保護カバーとセンサ素子との間に配置された内側保護カバーと、を備えたガスセンサが記載されている。特許文献１の内側保護カバーは、外側保護カバーの外側ガス孔からセンサ素子のガス導入口に達するまでの被測定ガスの経路中に、センサ素子の後端側から先端側へ向かい且つガス導入口の配置された空間に開口したガス流路を形成している。これにより、所定の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としている。また、例えば、特許文献２には、内部空所に導入された被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサ部に加え、センサ素子の表面に形成されたＮＨ₃検知電極を備えたＮＨ₃ガスセンサ部を有するガスセンサが記載されている。

国際公開第２０１４／１９２９４５号パンフレット 特開２０１８－４０７４６号公報

ところで、特許文献１のガスセンサにおいて特許文献２のセンサ素子を採用すること、言い換えると、特許文献１のガスセンサにおいて所定のガス（以下第１特定ガスとも称する）とは異なるガス（以下第２特定ガスとも称する）を検知する検知電極をセンサ素子に追加することが考えられる。そして、このような場合に、検知電極の劣化を抑制し且つ第２特定ガスに対する応答性が良好なガスセンサが望まれていた。しかし、このような場合において、保護カバー及び検知電極の適切な位置関係については検討されていなかった。

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、ガスセンサにおける検知電極の劣化を抑制し且つ第２特定ガスに対する応答性を良好に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、
先端と該先端とは反対側の後端とを有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体を備え、前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記被測定ガス流通部に流入した前記被測定ガス中の第１特定ガスの濃度を検出するための検出部を備えたセンサ素子と、
前記センサ素子の前記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素子室入口と該センサ素子室からの出口である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外側入口と前記被測定ガスの外部への出口である外側出口とを有し、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、
前記センサ素子は、前記被測定ガス中の前記第１特定ガスとは異なる第２特定ガスの濃度に応じた起電力を生じる混成電位セルを備え、
前記混成電位セルは、前記素子本体に配設された検知電極を備え、
前記検知電極は、前記センサ素子室の内部に配置され、
前記素子室入口から前記検知電極までの最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下である、
ものである。

このガスセンサでは、ガスセンサの周囲を流れる被測定ガスが、外側保護カバーの外側入口から外側保護カバー内に流入し、内側保護カバーの素子室入口からセンサ素子室内に流入し、ガス導入口及び検知電極に到達する。このとき、素子室入口から検知電極までの最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上であることで、素子室入口からセンサ素子室内に流入した被測定ガスの流速が検知電極に至るまでに適度に抑えられるため、被測定ガスが当たることによる検知電極の劣化が抑制される。また、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、素子室入口からセンサ素子室内に流入した被測定ガスの少なくとも一部について、被測定ガスが比較的速い流速を保ったまま検知電極に至るため、第２特定ガスに対する応答性が良好になる。以上のことから、このガスセンサでは、検知電極の劣化が抑制され且つ第２特定ガスに対する応答性が良好になる。

本発明のガスセンサにおいて、前記素子室入口から前記ガス導入口までの最短経路長Ｍ２と、前記最短経路長Ｍ１と、の比Ｍ２／Ｍ１が、０．０１以上６．３７以下であってもよい。比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下では、ガスセンサの第１特定ガス濃度の検出の応答時間と第２特定ガス濃度の検出の応答時間とが比較的近くなるため、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、第１特定ガス濃度及び第２特定ガス濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。

本発明のガスセンサにおいて、前記素子室入口から前記ガス導入口までの最短経路長Ｍ２が、９．６ｍｍ以下であってもよい。最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下では、素子室入口からセンサ素子室内に流入した被測定ガスの少なくとも一部について、被測定ガスが比較的速い流速を保ったままガス導入口に至るため、第１特定ガスに対する応答性が良好になる。最短経路長Ｍ２は、０．３ｍｍ以上としてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記検出部は、前記素子本体の外部に配設された外側電極を備え、前記検知電極は、前記素子本体の外部且つ前記外側電極よりも後方に配設されていてもよい。検知電極が外側電極よりも後方に配設されている場合には、素子室入口から検知電極までの最短経路長Ｍ１が比較的長くなりやすいが、その場合でも上述したように最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、第２特定ガスに対する応答性が良好になる。

本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、前記センサ素子の周囲を囲む筒状の第１部材と、該第１部材の周囲を囲む筒状の第２部材とを有し、前記素子室入口は、前記第１部材及び前記第２部材の間の隙間であり、前記素子室入口の前記センサ素子室側の開口は、前方に向けて開口していてもよい。ここで、「前記素子室入口の前記センサ素子室側の開口が前方に向けて開口する」とは、前記素子室入口のセンサ素子室側の開口が前後方向と平行に開口している場合と、前方に向かうにつれてセンサ素子に近づくように前後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、前記素子室入口は、前記第１部材の外周面と前記第２部材の内周面との間の筒状の隙間であってもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記センサ素子は、前記検知電極を覆う多孔質の保護層を備えていてもよい。

配管１０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図。 ガスセンサ１００の断面模式図。 センサ素子１１０の断面模式図。 図２の部分拡大図。 図２のＡ－Ａ断面図。 図２のＢ視図。 前方から素子本体２０を見たときの最短経路長Ｍ１，Ｍ２を示す説明図。 検知電極５６の別の配置の例を示す部分断面図。 変形例のガスセンサ２００の断面模式図。 変形例の素子室入口３２７を示す模式図。

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１０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、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図３は、ガスセンサ１００が備えるセンサ素子１１０の断面模式図である。図４は、図２の部分拡大図である。図５は、図２のＡ－Ａ断面図である。図６は図２のＢ視図である。図２に示すように、センサ素子１１０が備える素子本体２０の長手方向を前後方向、素子本体２０の厚み方向を上下方向とする。また、図５に示すように、素子本体２０の幅方向（長手方向と厚み方向に垂直な方向）を左右方向とする。なお、図２は、図５のＣ－Ｃ断面図に相当する。センサ素子１１０の内部構造については、図３に詳しく図示し、図２，図４～図５では図示を省略する。

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１０に取り付けられる。ガスセンサ１００は、エンジンから排出された排気ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の第１特定ガスの濃度と、被測定ガス中の第２特定ガスの濃度とを検出するようになっている。本実施形態では、第１特定ガスがＮＯｘであり、第２特定ガスがアンモニアである場合について説明する。

ガスセンサ１００は、図２に示すように、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、センサ素子１１０を封入固定する素子封止体１０１と、素子封止体１０１に取り付けられたボルト１０３とを備えている。素子封止体１０１は、金属製で円筒状のハウジング１０２と、ハウジング１０２の内側の貫通孔内に封入されたセラミックス製のサポーター１０４と、ハウジング１０２の内側の貫通孔内に封入されたタルクなどのセラミックス粉末を成形した圧粉体１０５と、を備えている。センサ素子１１０は素子封止体１０１の中心軸上に位置しており、素子封止体１０１を前後方向に貫通している。圧粉体１０５はハウジング１０２とセンサ素子１１０との間で圧縮されている。これにより、圧粉体１０５がハウジング１０２内の貫通孔を封止すると共にセンサ素子１１０を固定している。ボルト１０３は、金属製で円筒状の部材であり、外周面におねじが設けられている。素子封止体１０１のハウジング１０２は配管１０に溶接され内周面にめねじが設けられた固定用部材１２内に挿入されており、さらにボルト１０３が固定用部材１２に螺合されることでハウジング１０２が固定用部材１２内に固定されている。これにより、ガスセンサ１００が配管１０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、先端と、先端とは反対側の後端とを有している。図３に示すように、センサ素子１１０は、素子本体２０と、検出部２３と、混成電位セル５５と、を備えている。センサ素子１１０の先端は、センサ素子１１０の長手方向の両端のうち後述するセンサ素子室１２４内に配置される端、つまり前方の端であり、以下では前端とも称する。

図３に示すように、素子本体２０は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数枚（図３では６枚）上下方向に積層した積層体を有している。素子本体２０は直方体形状であるため、図３，５に示すように、素子本体２０は外表面として上面２０ａ，下面２０ｂ，左面２０ｃ，右面２０ｄ，前端面２０ｅ，後端面２０ｆを有している。上面２０ａは、素子本体２０の長手方向（軸線方向）に沿った表面である。素子本体２０の前後方向の長さは例えば２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。素子本体２０の左右方向の長さ（幅）は例えば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。素子本体２０の上下方向の長さ（厚み）は例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。また、素子本体２０には、前端面２０ｅに開口して被測定ガスを自身の内部に導入する被測定ガス導入口２１ａ（本発明のガス導入口に相当）と、後端面２０ｆに開口してＮＯｘ濃度の検出の基準となる基準ガス（ここでは大気）を自身の内部に導入する基準ガス導入口２２と、が形成されている。素子本体２０の内部には、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部２１が設けられている。被測定ガス流通部２１は、被測定ガス流通部２１の入口である被測定ガス導入口２１ａから測定電極２７に至る空間である。被測定ガス導入口２１ａの左右方向の長さ（幅）は例えば１ｍｍ以上９ｍｍ以下である。上面２０ａから被測定ガス導入口２１ａまでの上下方向の長さ、言い換えると前端面２０ｅの上端から被測定ガス導入口２１ａまでの上下方向の長さである距離Ｋ３（図３，４参照）は、例えば０．１ｍｍ以上２．４ｍｍ以下である。

検出部２３は、被測定ガス導入口２１ａから被測定ガス流通部２１に流入した被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのものである。検出部２３は、素子本体２０の前端側に配設された複数の電極を有している。本実施形態では、検出部２３は、複数の電極として、外側電極２４と、内側主ポンプ電極２５と、内側補助ポンプ電極２６と、測定電極２７と、基準電極２８と、を備えている。外側電極２４は、素子本体２０の外部、より詳しくは、素子本体２０の上面２０ａに配設されている。内側主ポンプ電極２５，内側補助ポンプ電極２６，及び測定電極２７は、素子本体２０の内部に配設され、被測定ガス導入口２１ａから後方に向かってこの順に被測定ガス流通部２１内に配設されている。基準電極２８は、素子本体２０の内部に配設されており、基準電極２８には基準ガス導入口２２を介して基準ガスが到達する。内側主ポンプ電極２５及び内側補助ポンプ電極２６は、素子本体２０の内部の空間の内周面に配設されておりトンネル状の構造を有していてもよい。外側電極２４は、例えば多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕ及びＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。検出部２３が有する他の電極２５～２８も、同様に多孔質サーメット電極として形成されていてもよい。

検出部２３を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する原理は周知であるため詳細な説明は省略するが、検出部２３は、例えばセンサ素子１１０（特に検出部２３、混成電位セル５５）に接続された図示しないコントローラーによって以下のように制御され、以下のように動作する。コントローラーは、外側電極２４と基準電極２８との間の電圧Ｖ０が目標値となるように、外側電極２４と内側主ポンプ電極２５との間に電圧Ｖｐ０を印加する。この電圧Ｖｐ０によって、検出部２３は、内側主ポンプ電極２５周辺の被測定ガス中の酸素を外部（図２のセンサ素子室１２４）へ汲み出し又は汲み入れる。このとき、外側電極２４と内側主ポンプ電極２５との間にはポンプ電流Ｉｐ０が流れる。このポンプ電流Ｉｐ０は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた値（酸素濃度を導出可能な値）となる。また、コントローラーは、内側補助ポンプ電極２６と基準電極２８との間の電圧Ｖ１が目標値となるように、外側電極２４と内側補助ポンプ電極２６との間に電圧Ｖｐ１を印加する。この電圧Ｖｐ１によって、検出部２３は、内側補助ポンプ電極２６周辺の被測定ガス中の酸素を外部（センサ素子室１２４）へ汲み出し又は汲み入れる。これらにより、酸素濃度が所定値に調整された後の被測定ガスが、測定電極２７周辺に到達する。測定電極２７は、ＮＯｘの還元触媒として機能し、到達した被測定ガス中のＮＯｘを還元する。そして、コントローラーは、測定電極２７と基準電極２８との間の電圧Ｖ２が目標値となるように、外側電極２４と測定電極２７との間に電圧Ｖｐ２を印加する。この電圧Ｖｐ２によって、検出部２３は、測定電極２７周辺の被測定ガス中の酸素を外部（センサ素子室１２４）に汲み出す。これにより、検出部２３は、被測定ガス中のＮＯｘが還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、測定電極２７周辺の酸素を外部に汲み出す。このとき、外側電極２４と測定電極２７との間にはポンプ電流Ｉｐ２が流れる。このポンプ電流Ｉｐ２は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた値（ＮＯｘ濃度を導出可能な値）となる。

また、素子本体２０には、検知電極５６が配設されている。検知電極５６は、被測定ガスと接触するように素子本体２０の外部かつ被測定ガス導入口２１ａよりも後方に配設されている。より具体的には、検知電極５６は、素子本体２０の上面２０ａに配設されている。また、検知電極５６は、素子本体２０のうち外側電極２４よりも後方に配設されている。この検知電極５６と、検出部２３と兼用の基準電極２８と、両電極間の固体電解質層とによって、混成電位セル５５が構成されている。混成電位セル５５では、検知電極５６において被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位（起電力ＥＭＦ）が生じる。そして、検知電極５６と基準電極２８との間の起電力ＥＭＦの値が被測定ガス中のアンモニアの濃度の検出に用いられる。検知電極５６は、アンモニアの濃度に応じた混成電位を生じ、アンモニア濃度に対する検出感度を有する材料を主成分として構成されている。検知電極５６は、例えば金（Ａｕ）などの貴金属を主成分としてもよいし、導電性酸化物を主成分としてもよい。貴金属を主成分とする場合、検知電極５６は、Ａｕ－Ｐｔ合金を主成分とすることが好ましい。ここで、主成分とは、含まれる成分全体のうち存在量（ａｔｍ％，原子量比）が最も多い成分をいうものとする。本実施形態では、検知電極５６は、Ａｕ－Ｐｔ合金とジルコニアとの多孔質サーメット電極とした。検知電極５６の前後方向の長さは例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。検知電極５６の左右方向の長さ（幅）は例えば１．０ｍｍ以上９．０ｍｍ以下である。検知電極５６の厚みは例えば５μｍ以上４０μｍ以下である。検知電極５６は、例えば、素子本体２０の前端面２０ｅから検知電極５６の前端までの距離Ｋ１（図３，図４参照）が７ｍｍ以上１４ｍｍ以下となる位置に配置されている。

センサ素子１１０は、ヒータ２９を備えている。ヒータ２９は、素子本体２０内部に配設された電気抵抗体である。ヒータ２９は、外部から給電されることにより発熱して素子本体２０を加熱する。ヒータ２９は、素子本体２０が有する固体電解質層の加熱及び保温を行って、検出部２３の固体電解質層が活性化する温度（例えば８００℃）に調整することが可能となっている。また、これによって、混成電位セル５５の検知電極５６は、アンモニアの検知に適した温度（例えば８００°よりも低い温度）に調整される。これらの検出部２３及び検知電極５６の温度は、例えば、外部からヒータ２９に給電される電力を調整するとともに、ヒータ２９，検出部２３，及び検知電極５６の位置関係を調整することによって、調整できる。

また、センサ素子１１０は、緩衝層８４及び保護層８５を備えている。緩衝層８４は、多孔質体であり、素子本体２０の表面に配設されて保護層８５と素子本体２０とを接着する役割を果たす。緩衝層８４は、素子本体２０の上面２０ａの少なくとも一部を被覆する上側緩衝層８４ａと、素子本体２０の下面２０ｂの少なくとも一部を被覆する下側緩衝層８４ｂと、を備えている。上側緩衝層８４ａは、検知電極５６及び外側電極２４も被覆している。上側緩衝層８４ａ及び下側緩衝層８４ｂの各々は、素子本体２０の前端から、検出部２３及び混成電位セル５５に含まれる各電極２４，２５，２６，２７，２８，５６よりも後方までの領域に存在している。また、上側緩衝層８４ａ及び下側緩衝層８４ｂの各々は、被測定ガス流通部２１の後端及び保護層８５の後端よりも後方まで存在している。保護層８５は、多孔質体であり、素子本体２０の前端部の周辺、より具体的には検出部２３及び混成電位セル５５が存在する領域の周囲を被覆している。保護層８５は、緩衝層８４が形成された素子本体２０について、その前端面を全て被覆し、その上下左右の面の一部を被覆している。保護層８５は、被測定ガス流通部２１の後端よりも後方まで存在している。保護層８５は、例えば被測定ガス中の水分等が付着して素子本体２０にクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、保護層８５は、被測定ガスに含まれるオイル成分等が素子本体２０の外部に配設された外側電極２４及び検知電極５６等に付着するのを抑制する役割も果たす。緩衝層８４も、保護層８５と同様の役割を果たす。このため、緩衝層８４及び保護層８５が本発明の保護層に相当する。緩衝層８４及び保護層８５は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト、マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。緩衝層８４と保護層８５とは、主成分が同じであることが好ましい。本実施形態では、緩衝層８４及び保護層８５はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。保護層８５は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層８５の内部を流通して被測定ガス導入口２１ａに到達可能である。また、保護層８５及び緩衝層８４は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層８５及び緩衝層８４の内部を流通して外側電極２４及び検知電極５６に到達可能である。なお、センサ素子１１０は緩衝層８４及び保護層８５のうちの少なくとも一方を備えなくてもよい。また、緩衝層８４及び保護層８５は、少なくとも検知電極５６を被覆していれば、その他の部分を被覆しなくてもよい。

図２，図４～図６に示すように、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。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。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部材１３１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よりも前方に位置する先端部１３８と、先端部１３８の後端に接続して配設され先端部１３８の外周面よりも外側に突出する段差部１３９と、第２円筒部１３６の前端と段差部１３９とを接続する接続部１３７と、を有している。第２部材１３５は、第１部材１３１（特に第１円筒部１３４）の周囲を囲んでいる。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と第２ガス室１２６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。本実施形態では、素子室出口１３８ａは、側部１３８ｄに周方向に等間隔に形成された複数（４個）の円形の孔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は、被測定ガス導入口２１ａよりも前方に配置されている。第１円筒部１３４の外径の半径は例えば３ｍｍ以上６ｍｍ以下である。第２円筒部１３６の内径の半径は例えば３．２ｍｍ以上７ｍｍ以下である。第１円筒部１３４及び第２円筒部１３６を含む内側保護カバー１３０の厚みは例えば０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

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、接続部１３７の外周面が外側保護カバー１４０の内周面と当接しており溶接などにより固定されている。なお、接続部１３７の先端側（前端側）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、接続部１３７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５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。

内側保護カバー１３０は、上述したようにセンサ素子室１２４を内側に有している。センサ素子室１２４は、内側保護カバー１３０の内側の空間として形成されており、センサ素子室１２４の後端は素子封止体１０１で塞がれている。より具体的には、センサ素子室１２４は、先端部１３８，段差部１３９，接続部１３７，第２円筒部１３６，第１円筒部１３４，ハウジング１０２，サポーター１０４により囲まれた空間である。センサ素子室１２４の内部には、センサ素子１１０の先端及び被測定ガス導入口２１ａが配置される。また、センサ素子室１２４の内部には、検知電極５６が配置される。内側保護カバー１３０は、センサ素子室１２４への入口である素子室入口１２７を有している。

素子室入口１２７は、第１部材１３１及び第２部材１３５の間の隙間として形成されている。本実施形態では、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、第２部材１３５の後端（ここでは第２円筒部１３６の後端）から第１部材１３１の前端（ここでは第１円筒部１３４の前端）までの空間である。素子室入口１２７は、外側入口１４４ａの配置された空間である第１ガス室１２２側の開口である後方開口１２８と、被測定ガス導入口２１ａの配置された空間であるセンサ素子室１２４側の開口である前方開口１２９と、を有している。後方開口１２８は、外側開口とも称する。前方開口１２９は、素子側開口とも称する。後方開口１２８は、第２円筒部１３６の内周面の後端と第１円筒部１３４の外周面との間のリング状の隙間である。前方開口１２９は、第２円筒部１３６の内周面と第１円筒部１３４の外周面の前端との間のリング状の隙間である。後方開口１２８は、前方開口１２９よりも後方に形成されている。そのため、外側入口１４４ａから被測定ガス導入口２１ａ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の後端側から先端側、言い換えると後方から前方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（前後方向に平行な流路）となっている。

前方開口１２９は、検知電極５６よりも前方に配置され、かつ、センサ素子１１０の後端から先端へ向かう方向（前方）に向けて開口している。また、前方開口１２９は、センサ素子１１０の後端－先端方向（前後方向）に平行に開口している。そのため、センサ素子１１０は、素子室入口１２７を前方開口１２９から仮想的に延長した領域（前方開口１２９の真前の領域）以外の位置に、配置されている。

前方開口１２９は、被測定ガス導入口２１ａからの距離Ｋ２（図４参照）が－５ｍｍ以上２ｍｍ以下の位置に形成されていることが好ましい。なお、距離Ｋ２は、センサ素子１１０の軸方向に沿った距離（前後方向の距離）であり、被測定ガス導入口２１ａよりも前方開口１２９が後方に位置する場合に距離Ｋ２が正の値となるものとする。また、距離Ｋ２は、前後方向で、被測定ガス導入口２１ａの開口の端部のうち最も前方開口１２９に近い部分と、前方開口１２９の端部のうち最も被測定ガス導入口２１ａに近い部分と、の距離とする。例えば、図４において被測定ガス導入口が素子本体２０の側面（例えば上面２０ａ）に開口する穴である場合、被測定ガス導入口の開口の後端より後方に前方開口１２９が位置するときには、被測定ガス導入口の開口の後端と前方開口１２９との距離が距離Ｋ２となり、距離Ｋ２は正の値となる。同様に、図４において被測定ガス導入口が素子本体２０の側面に開口する穴である場合、被測定ガス導入口の開口の前端より前方に前方開口１２９が位置するときには、被測定ガス導入口の開口の前端と前方開口１２９との距離が距離Ｋ２となり、距離Ｋ２は負の値となる。なお、図４において被測定ガス導入口が素子本体２０の側面に開口する穴である場合、被測定ガス導入口の開口の前端と後端との間に前方開口１２９が位置するときには、距離Ｋ２は値０となる。本実施形態では、前方開口１２９は、距離Ｋ２が正の値となる位置に形成されているものとした。すなわち、被測定ガス導入口２１ａよりも後方に前方開口１２９が形成されているものとした。なお、前方開口１２９は、距離Ｋ２が負の値となる位置に形成されていてもよい。すなわち、被測定ガス導入口２１ａよりも前方に前方開口１２９が存在していてもよい。

外側保護カバー１４０は、図２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（前後方向）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のうち後端周辺の部分は、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、内周面が接続部１３７の外周面と当接している。先端部１４６は、外側保護カバー１４０の中心軸方向（前後方向）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よりも前方に位置している。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）と第１ガス室１２２とに通じる孔である。外側入口１４４ａは、側部１４３ａに周方向に等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の孔１４４ｂと、段差部１４３ｂに周方向に等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の孔１４４ｃとを有している。この外側入口１４４ａ（孔１４４ｂ及び孔１４４ｃ）は、円形に開けられた孔である。なお、外側入口１４４ａは、図５，６に示すように、外側保護カバー１４０の周方向に沿って孔１４４ｂと孔１４４ｃとが交互に等間隔に位置するように形成されている。外側入口１４４ａは、いずれも、第２部材１３５の後端（ここでは第２円筒部１３６の後端）よりも下方に位置している。

外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の外側（外部）と第２ガス室１２６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）の孔１４７ｃを有している（図２，図６参照）。なお、外側入口１４４ａとは異なり、外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の側部（ここでは先端部１４６の側部１４６ａ）には配設されていない。この外側出口１４７ａ（ここでは孔１４７ｃ）は、円形に開けられた孔である。

外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、上述したように第１ガス室１２２及び第２ガス室１２６を形成している。第１ガス室１２２は、胴部１４３と内側保護カバー１３０との間の空間として形成されている。より具体的には、第１ガス室１２２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。第２ガス室１２６は、先端部１４６と内側保護カバー１３０との間の空間として形成されている。より具体的には、第２ガス室１２６は、先端部１３８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、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。

次に、ガスセンサ１００がＮＯｘ濃度及びアンモニア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１０内を流れる被測定ガスは、まず、複数の外側入口１４４ａ（ここでは孔１４４ｂ及び孔１４４ｃ）の少なくともいずれかを通って第１ガス室１２２内に流入する。第１ガス室１２２内に流入した被測定ガスは、素子室入口１２７を通ってセンサ素子室１２４に流入する。素子室入口１２７からセンサ素子室１２４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の検知電極５６に到達する。被測定ガスが検知電極５６に到達すると、センサ素子１１０の混成電位セル５５では、この被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位（起電力ＥＭＦ）が生じる。コントローラーは、この起電力ＥＭＦに基づいてアンモニア濃度を検出する。また、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の被測定ガス導入口２１ａに到達する。被測定ガスが被測定ガス導入口２１ａに到達してセンサ素子１１０の内部に流入すると、上述したコントローラーの制御によって、検出部２３では、この被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じたポンプ電流Ｉｐ２が流れる。コントローラーは、このポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出する。なお、被測定ガス導入口２１ａから被測定ガス流通部２１内に流入する被測定ガスは、測定電極２７周辺から外側電極２４周辺への酸素の汲み出しに伴って速やかに測定電極２７に到達して、ＮＯｘ濃度の検出に用いられる。また、センサ素子室１２４内の被測定ガスは、素子室出口１３８ａ（ここでは孔１３８ｂ）の少なくともいずれかを通って第２ガス室１２６に流入し、そこから外側出口１４７ａを通って外部に流出する。

ここで、内側保護カバー１３０及び検知電極５６は、上記のように被測定ガスが保護カバー１２０内を流れる際の素子室入口１２７から検知電極５６までの最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下となるように、配置されている。最短経路長Ｍ１について、図４を用いて説明する。最短経路長Ｍ１は、素子室入口１２７のうちセンサ素子室１２４側の開口端から検知電極５６までの被測定ガスの流路の最短経路の長さとする。本実施形態では、最短経路長Ｍ１は、図４に示す破線の折れ線の長さであり、具体的には、素子室入口１２７の前方開口１２９の内周（第１部材１３１の前端面の外周）から第１部材１３１の前端面の内周に至る直線と、第１部材１３１の前端面の内周から検知電極５６の上面の前端に至る直線と、の合計の長さである。この最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上であることで、言い換えると長さが１．５ｍｍ未満となるような被測定ガスの流路が存在しないことで、素子室入口１２７からセンサ素子室１２４内に流入した被測定ガスの流速が検知電極５６に至るまでに適度に抑えられる。これにより、被測定ガスが当たることによる検知電極５６の劣化が抑制される。また、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、素子室入口１２７からセンサ素子室１２４内に流入した被測定ガスの少なくとも一部について、被測定ガスが比較的速い流速を保ったまま検知電極５６に至る。これにより、アンモニアの濃度検出の応答性が良好になる。このように、最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下であることで、ガスセンサ１００は検知電極５６の劣化が抑制され且つアンモニアに対する応答性が良好になる。最短経路長Ｍ１は、例えば第１円筒部１３４の外径を調整したり、素子本体２０の前端面２０ｅから検知電極５６までの前後の距離を調整したり、素子本体２０の寸法を調整したりすることで、調整できる。最短経路長Ｍ１は、１１．６ｍｍ以下が好ましく、３．０ｍｍ以下がより好ましい。こうすれば、アンモニアの濃度検出の応答性がより良好になる。

また、ガスセンサ１００の使用時にはセンサ素子１１０がヒータ２９によって加熱されて高温になっている。そのため、被測定ガスがセンサ素子１１０と接触することで被測定ガス中のアンモニアが燃焼し、アンモニアの濃度検出の感度が低下することがある。しかし、本実施形態では、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であるため、センサ素子室１２４内に流入した被測定ガスが検知電極５６に至るまでの間の被測定ガスの経路として、センサ素子１１０と接触する距離が比較的短い経路が存在する。これにより、被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。最短経路長Ｍ１は、１１．６ｍｍ以下が好ましく、６．９ｍｍ以下がより好ましい。こうすれば、アンモニアの濃度検出の感度の低下をより抑制できる。

また、内側保護カバー１３０及びセンサ素子１１０は、上記のように被測定ガスが保護カバー１２０内を流れる際の素子室入口１２７から被測定ガス導入口２１ａまでの最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下であることが好ましい。最短経路長Ｍ２について、図４を用いて説明する。最短経路長Ｍ２は、素子室入口１２７のうちセンサ素子室１２４側の開口端から被測定ガス導入口２１ａまでの被測定ガスの流路の最短経路の長さとする。本実施形態では、最短経路長Ｍ２は、図４に示す破線の折れ線の長さであり、具体的には、素子室入口１２７の前方開口１２９の内周（第１部材１３１の前端面の外周）から素子本体２０の前端面２０ｅの端部に至る直線と、前端面２０ｅの端部から被測定ガス導入口２１ａに至る直線と、の合計の長さである。この最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下であることで、素子室入口１２７からセンサ素子室１２４内に流入した被測定ガスの少なくとも一部について、被測定ガスが比較的速い流速を保ったまま被測定ガス導入口２１ａに至る。これにより、ＮＯｘの濃度検出の応答性が良好になる。最短経路長Ｍ２は、例えば第１円筒部１３４の外径を調整したり、被測定ガス導入口２１ａの位置及び大きさを調整したり、素子本体２０の寸法を調整したりすることで、調整できる。最短経路長Ｍ２は、６．６ｍｍ以下が好ましく、４．１ｍｍ以下がより好ましい。こうすれば、ＮＯｘの濃度検出の応答性がより良好になる。最短経路長Ｍ２は、０．３ｍｍ以上であってもよい。

なお、最短経路長Ｍ１，Ｍ２は、説明の便宜上の理由により図４中に示したが、実際は最短経路長Ｍ１，Ｍ２は図４（図５のＣ－Ｃ断面）には現れない。例えば本実施形態の最短経路長Ｍ１は、図７に示すように、前方開口１２９と検知電極５６の前端面の左上の角部とを最短距離で結ぶ折れ線の長さである。最短経路長Ｍ１は図７では１本の直線に見えるが、図４に示したように第１部材１３１の前端面を回り込むように折れ曲がった直線である。また、本実施形態の最短経路長Ｍ２は、図７に示すように、前方開口１２９と被測定ガス導入口２１ａの左上の角部とを最短距離で結ぶ折れ線の長さである。最短経路長Ｍ２は図７では１本の直線に見えるが、図４に示したように素子本体２０の前端面２０ｅを回り込むように折れ曲がった直線である。また、最短経路長Ｍ１，Ｍ２は、素子本体２０を前方から後方に向かって見ると、すなわち図７のように内側保護カバー１３０の中心軸に沿って素子本体２０を見ると、内側保護カバー１３０の中心軸と第１円筒部１３４の外周とを結ぶ第１円筒部１３４の半径に沿った経路となる。そのような経路が被測定ガスの流路の最短経路となるためである。

また、内側保護カバー１３０及びセンサ素子１１０は、最短経路長Ｍ２と最短経路長Ｍ１との比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下であることが好ましい。比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下であることで、ガスセンサ１００のＮＯｘ濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近くなる。ＮＯｘ濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の変化に応じて検出部２３におけるＮＯｘ濃度を表す検出値（ここではポンプ電流Ｉｐ２）が変化するまでの時間である。同様に、アンモニア濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のアンモニア濃度の変化に応じて混成電位セル５５におけるアンモニア濃度を表す検出値（ここでは起電力ＥＭＦ）が変化するまでの時間である。そして、このＮＯｘ濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近いことで、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、ガスセンサ１００によるＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。比Ｍ２／Ｍ１は、０．２１以上２．２２以下が好ましい。こうすれば、ガスセンサ１００によるＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれがさらに小さくなる。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００では、最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上であることで、検知電極５６の劣化が抑制される。また、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、アンモニアに対する濃度検出の応答性が良好になる。したがって、本実施形態のガスセンサ１００では、検知電極５６の劣化が抑制され且つアンモニアに対する濃度検出の応答性が良好になる。

また、比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下であることで、ガスセンサのＮＯｘ濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近くなるため、第１特定ガス濃度及び第２特定ガス濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。さらに、最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下であることで、第１特定ガスに対する応答性が良好になる。

さらにまた、検出部２３は、素子本体２０の外部に配設された外側電極２４を備え、検知電極５６は、素子本体２０の外部且つ外側電極２４よりも後方に配設されている。検知電極５６が外側電極２４よりも後方に配設されている場合には、最短経路長Ｍ１が比較的長くなりやすいが、その場合でも上述したように最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、アンモニアに対する濃度検出の応答性が良好になる。

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、検知電極５６の前端は外側電極２４の後端よりも後方に配設されているものとしたが、外側電極２４の前端よりも後方に配設されていてもよい。また、図８に示すように、検知電極５６の後端は外側電極２４の前端よりも前方に配設されていてもよい。この場合も、上述した実施形態と同様の効果が得られる。例えば、最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下であることで検知電極５６の劣化が抑制され且つアンモニアに対する濃度検出の応答性が良好になる効果が得られる。なお、図４と同様に、説明の便宜上の理由により最短経路長Ｍ１，Ｍ２を図８中に示している。素子本体２０の前端面２０ｅから検知電極５６の前端までの距離Ｋ１は、上述した図３，４の態様では例えば７ｍｍ以上としたが、図８のように検知電極５６が外側電極２４よりも前方に配設されている場合は、距離Ｋ１は０ｍｍ以上である。

上述した実施形態及び図８に示した例では、検知電極５６は素子本体２０の外部に配設されていたが、これに限らず検知電極５６が素子本体２０の内部に配設されていてもよい。例えば、検知電極５６が被測定ガス流通部２１内に配設されていてもよい。検知電極５６が被測定ガス流通部２１内に配設されている場合、最短経路長Ｍ１は、最短経路長Ｍ２と、被測定ガス導入口２１ａから検知電極５６までの被測定ガスの流路の最短経路の長さと、の和となる。

上述した実施形態において、ガスセンサ１００では、センサ素子１１０に接続された図示しないコントローラーが、混成電位セル５５の起電力ＥＭＦを取得し、起電力ＥＭＦに基づいて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。このとき、起電力ＥＭＦは被測定ガス中の酸素の影響も受けるため、コントローラーは、起電力ＥＭＦと、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて導出した被測定ガス中の酸素濃度と、を用いて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出することが好ましい。例えば、被測定ガス中の酸素濃度（又は酸素濃度を表す値としてのポンプ電流Ｉｐ０）と起電力ＥＭＦとアンモニア濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成してメモリに記憶しておく。そして、コントローラーは被測定ガス中の酸素濃度と起電力ＥＭＦとこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。これにより、ガスセンサ１００では、酸素濃度による起電力ＥＭＦの誤差を補正したアンモニア濃度を導出できる。

上述した実施形態において、ガスセンサ１００では、センサ素子１１０に接続されたコントローラーが、混成電位セル５５の起電力ＥＭＦを取得し、起電力ＥＭＦに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度の誤差を補正してもよい。ポンプ電流Ｉｐ２は、被測定ガス中のアンモニアの影響も受けることがある。これは、以下の理由による。被測定ガス中にアンモニアが含まれると、アンモニアが被測定ガス流通部２１内で酸素と反応してＮＯが生じ、そのＮＯに由来して測定電極２７の周囲の空間に酸素が発生する。そのため、測定電極２７の周囲の空間から外側電極２４の周囲に汲み出す酸素には、このようなアンモニア由来の酸素が含まれてしまう。したがって、ポンプ電流Ｉｐ２の値は被測定ガス中のアンモニアの濃度によっても変化する。そのため、ガスセンサ１００において、コントローラーは、ポンプ電流Ｉｐ２と、上述した起電力ＥＭＦに基づいて導出した被測定ガス中のアンモニア濃度と、を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することが好ましい。例えば、ポンプ電流Ｉｐ２とアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成してメモリに記憶しておく。そして、コントローラーはポンプ電流Ｉｐ２と被測定ガス中のアンモニア濃度とこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出する。これにより、ガスセンサ１００では、アンモニアによるポンプ電流Ｉｐ２の誤差を補正したＮＯｘ濃度を導出できる。このように、混成電位セル５５の起電力ＥＭＦをＮＯｘ濃度の補正に用いる場合には、ＮＯｘ濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが近いほど、補正の精度が高まる。そのため、このような場合には比Ｍ２／Ｍ１を０．０１以上６．３７以下とする意義が高い。なお、このように起電力ＥＭＦをＮＯｘ濃度の補正に用いる場合には、アンモニア濃度を検出（導出）せず、起電力ＥＭＦをそのままＮＯｘ濃度の補正に用いてもよい。

上述した実施形態では、素子室入口１２７の前方開口１２９は、検知電極５６の前端よりも前方に配置されているものとしたが、検知電極５６の前端よりも後方に配置されていてもよい。また、前方開口１２９は、検知電極５６の後端よりも後方に配置されていてもよい。

上述した実施形態では、検知電極５６は、センサ素子１１０の幅方向の中央に配設されているものとしたが、センサ素子１１０の幅方向において中央からずれていてもよい。

上述した実施形態では、素子本体２０には基準電極２８が１つ配設され、基準電極２８が検出部２３の基準電極と混成電位セル５５の基準電極とを兼ねていたが、これに限られない。例えば、基準電極２８は検出部２３用の基準電極とし、混成電位セル５５が備える基準電極を基準電極２８とは別に設けてもよい。

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（前後方向に平行な流路）としたが、素子室入口１２７は、前方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように前後方向から傾斜した流路としてもよい。図９は、この場合の変形例のガスセンサ２００の縦断面図である。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、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を備えている。内側保護カバー２３０は、第１部材２３１と、第２部材２３５と、を備えている。第１部材２３１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２３４ａと、前方に向かうにつれて縮径する円筒状の第１円筒部２３４ｂと、を備えている。第１円筒部２３４ｂは、後端部で胴部２３４ａと接続されている。第２部材２３５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、前方に向かうにつれて縮径する円筒状の第２円筒部２３６を備えている。第１円筒部２３４ｂの外周面と第２円筒部２３６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２２７となっている。素子室入口２２７は、後方開口２２８と、前方開口２２９と、を有している。この素子室入口２２７は、第１円筒部２３４ｂ及び第２円筒部２３６の形状によって、前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２３０の中心軸に近づくように）前後方向から傾斜した流路となっている。同様に、前方開口２２９は、前方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように前後方向から傾斜して開口している（図９の拡大図参照）。なお、前方開口２２９の向きは、前方開口２２９周辺の第１円筒部２３４ｂの外周面及び第２円筒部２３６の内周面に基づいて定まる前方開口２２９の軸線方向とする。図９のガスセンサ２００では、素子室入口２２７の流路幅は、前方に向かうにつれて狭くなっている。そのため、前方開口２２９の開口面積は後方開口２２８の開口面積よりも小さい。これにより、被測定ガスが第１ガス室２２２から素子室入口２２７に流入するときと比べて、素子室入口２２７からセンサ素子室１２４に流入するときの被測定ガスの流速が高まる。そのため、ＮＯｘ濃度検出及びアンモニア濃度検出の応答性を向上させることができる。なお、図９では、素子室入口２２７が前後方向から傾斜した流路となっており、前方開口２２９が前後方向から傾斜して開口し、且つ前方開口２２９の開口面積が後方開口２２８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、素子室入口１２７は第１部材１３１の第１円筒部１３４の外周面と第２部材１３５の第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１０は、この場合の変形例の素子室入口３２７を示す模式図であり、図２のＡ－Ａ断面に相当する断面図である。図１０に示すように、ガスセンサ３００は、第１部材１３１に代えて第１部材３３１を有している。第１部材３３１の第１円筒部３３４は、図２，図５に示した第１円筒部１３４よりも肉厚になっており、第１円筒部３３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面とは接している。また、第１円筒部３３４の外周面には複数（図１０では４個）の凹部３３４ｂが等間隔に形成されている。この凹部３３４ｂと第２円筒部１３６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１つであったが、素子室入口１２７は１以上であればよく、例えば図１０に示したように素子室入口１２７が複数存在していてもよい。素子室入口１２７が複数存在する場合は、複数の素子室入口１２７の各々について、検知電極５６までの最短経路長を算出し、その中の最小値を最短経路長Ｍ１とする。こうして算出される最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下であればよい。また、複数の素子室入口１２７のいずれについても、検知電極５６までの最短経路長が１９．９ｍｍ以下であることが好ましい。同様に、素子室入口１２７が複数存在する場合は、複数の素子室入口１２７の各々について、被測定ガス導入口２１ａまでの最短経路長を算出し、その中の最小値を最短経路長Ｍ２とする。こうして算出される最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下であることが好ましい。また、複数の素子室入口１２７のいずれについても、被測定ガス導入口２１ａまでの最短経路長が９．６ｍｍ以下であることがより好ましい。

上述した実施形態では、被測定ガス導入口２１ａは、センサ素子１１０の先端面（素子本体２０の前端面２０ｅ）に開口しているものとしたが、これに限られない。被測定ガス導入口２１ａは、例えば、センサ素子１１０の上面２０ａ，下面２０ｂ，左面２０ｃ，右面２０ｄのいずれかに開口していてもよい。この場合、被測定ガス導入口２１ａは、検知電極５６よりも前方に開口していてもよいし、検知電極５６よりも後方に開口していてもよい。

上述した実施形態では、素子本体２０は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数枚厚み方向に積層した積層体を有しているものとしたが、積層体において、検出部２３及び混成電位セル５５を構成する固体電解質層以外の部分は固体電解質でなくてもよい。

上述した実施形態では、第１特定ガスをＮＯｘとしたが、ＮＯｘ以外の酸化物ガスとしてもよいし、酸素としてもよい。また、第２特定ガスをアンモニアとしたが、第１特定ガスとは異なるガスであればよく、炭化水素ガスなどの可燃性ガスとしてもよい。

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。実験例２～７が本発明の実施例に相当し、実験例１，８が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実験例１］
図２～７を用いて説明したガスセンサ１００を作製して、実験例１とした。実験例１では、素子本体２０の前端面２０ｅから検知電極５６の前端までの距離Ｋ１を１４．０ｍｍとし、素子室入口１２７の前方開口１２９と素子本体２０の被測定ガス導入口２１ａとの距離Ｋ２を０．０ｍｍとし、素子本体２０の上面２０ａから被測定ガス導入口２１ａまでの上下方向の長さである距離Ｋ３を０．１ｍｍとした。また、実験例１では、素子室入口１２７から検知電極５６までの最短経路長Ｍ１を２０ｍｍとし、素子室入口１２７から被測定ガス導入口２１ａまでの最短経路長Ｍ２を０．１ｍｍとした。そのため実験例１では比Ｍ２／Ｍ１は０．００５である。

［実験例２～８］
実験例１と同様に、図２～７を用いて説明したガスセンサ１００を作製して、実験例２とした。実験例２では、距離Ｋ１を１４．０ｍｍとし、距離Ｋ２を０．０ｍｍとし、距離Ｋ３を０．１ｍｍとし、最短経路長Ｍ１を１９．９ｍｍとし、最短経路長Ｍ２を０．３ｍｍとした。そのため実験例２では比Ｍ２／Ｍ１は０．０１である。同様に、図２～７を用いて説明したガスセンサ１００を作製して、実験例３～８とした。実験例１～８の各々の比Ｍ２／Ｍ１，最短経路長Ｍ１，最短経路長Ｍ２，距離Ｋ１，距離Ｋ２，距離Ｋ３を後述する表１にまとめて示した。

［出力特性の評価］
実験例１のガスセンサ１００の出力特性を評価した。具体的には、まず、ガスセンサ１００を図１と同様に配管に固定し、ベースガスが窒素であり、酸素濃度が１０％であり、Ｈ₂Ｏ濃度が５％であり、アンモニア濃度が０ｐｐｍである被測定ガスを配管に流した。そして、配管内に流す被測定ガスのアンモニア濃度を０ｐｐｍから５００ｐｐｍに変化させて、ガスセンサ１００の出力値（起電力ＥＭＦ及びポンプ電流Ｉｐ２）を測定した。アンモニア濃度を変化させる直前の起電力ＥＭＦを０％、アンモニア濃度を５００ｐｐｍにして起電力ＥＭＦが安定したときの起電力ＥＭＦを１００％として、起電力ＥＭＦが１００％のときの起電力ＥＭＦをアンモニアの濃度検出の感度を表す値とした。アンモニア濃度検出の感度（起電力ＥＭＦ）が大きいほど、アンモニアに対する感度が良好であり、アンモニア濃度検出の精度が高いことを意味する。そして、アンモニア濃度検出の感度が１５０ｍＶ以上であった場合にアンモニア濃度の検出感度を「Ａ（優）」と判定し、アンモニア濃度検出の感度が１２０ｍＶ以上１５０ｍＶ未満であった場合にアンモニア濃度の検出感度を「Ｂ（良）」と判定し、アンモニア濃度検出の感度が１２０ｍＶ未満であった場合にアンモニア濃度の検出感度を「不可（Ｆ）」と判定した。

また、配管内に流す被測定ガスのアンモニア濃度を０ｐｐｍから５００ｐｐｍに変化させたときの、起電力ＥＭＦが１０％を超えたときから９０％を超えるまでの経過時間をアンモニア濃度検出の応答時間とした。アンモニア濃度検出の応答時間が短いほど、アンモニアに対する応答性が良好であることを意味する。そして、アンモニア濃度検出の応答時間が１．０ｓｅｃ以下であった場合にアンモニア濃度検出の応答性を「Ａ（優）」と判定し、１．２ｓｅｃ以下であった場合にアンモニア濃度検出の応答性を「Ｂ（良）」と判定し、１．２ｓｅｃを超えていた場合にアンモニア濃度検出の応答性を「Ｆ（不可）」と判定した。

同様に、アンモニア濃度を変化させる直前のポンプ電流Ｉｐ２を０％、アンモニア濃度を５００ｐｐｍにしてポンプ電流Ｉｐ２が安定したときのポンプ電流Ｉｐ２を１００％として、ポンプ電流Ｉｐ２が１０％を超えたときから９０％を超えるまでの経過時間をＮＯｘ濃度検出の応答時間とした。ＮＯｘ濃度検出の応答時間が短いほど、ＮＯｘに対する応答性が良好であることを意味する。なお、ＮＯｘ濃度の検出に用いられるポンプ電流Ｉｐ２は、上述したようにアンモニアの濃度の変化によっても変化するため、アンモニア濃度を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の応答時間を調べることで、ＮＯｘに対する応答性を評価できる。そして、ＮＯｘ濃度検出の応答時間が１．０ｓｅｃ以下であった場合にＮＯｘ濃度検出の応答性を「Ａ（優）」と判定し、１．２ｓｅｃ以下であった場合にＮＯｘ濃度検出の応答性を「Ｂ（良）」と判定し、１．２ｓｅｃを超えていた場合にＮＯｘ濃度検出の応答性を「Ｆ（不可）」と判定した。

また、上記のようにして得たアンモニア濃度検出の応答時間とＮＯｘ濃度検出の応答時間との差を算出した。応答時間の差が小さいほど、ガスセンサ１００によるＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さいことを意味する。そして、応答時間の差の絶対値が０．１ｓｅｃ以下であった場合に応答時間の差を「Ａ（差が非常に小さい）」と判定し、応答時間の差の絶対値が０．１ｓｅｃ超過０．３ｓｅｃ以下であった場合に応答時間の差を「Ｂ（差が小さい）」と判定し、応答時間の差の絶対値が０．３ｓｅｃ超過０．５ｓｅｃ以下であった場合に応答時間の差を「Ｃ（差が許容できる程度である）」と判定し、応答時間の差の絶対値が０．５ｓｅｃを超えていた場合に応答時間の差を「Ｆ（差が許容できない程度に大きい）」と判定した。

表１に、実験例１～８の各々の比Ｍ２／Ｍ１，最短経路長Ｍ１，最短経路長Ｍ２，距離Ｋ１～距離Ｋ３，アンモニアの濃度検出の感度（起電力ＥＭＦ），検出感度の評価結果，アンモニア濃度検出の応答時間，アンモニア濃度検出の応答性の評価結果，ＮＯｘ濃度検出の応答時間，ＮＯｘ濃度検出の応答性の評価結果，応答時間の差，及び応答時間の差の評価結果をまとめて示す。

表１に示すように、素子室入口１２７から検知電極５６までの最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下である実験例２～８では、アンモニア濃度検出の応答性の評価が「Ａ（優）」又は「Ｂ（良）」であった。これに対し、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍを超えている実験例１では、アンモニア濃度検出の応答性の評価が「Ｆ（不可）」であった。これらの結果から、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、アンモニア濃度検出の応答性が良好になることが確認された。また、最短経路長Ｍ１が小さいほど、アンモニア濃度検出の応答時間が短くなる傾向が確認された。特に、最短経路長Ｍ１が１１．６ｍｍ以下である実験例４～８は、いずれもアンモニア濃度検出の応答性の評価が「Ａ（優）」であった。実験例４～８の結果から、最短経路長Ｍ１は１１．６ｍｍ以下が好ましく、３．０ｍｍ以下がより好ましいと考えられる。

表１に示すように、素子室入口１２７から検知電極５６までの最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下である実験例２～８では、アンモニアの濃度検出の感度の評価が「Ａ（優）」又は「Ｂ（良）」であった。これに対し、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍを超えている実験例１では、アンモニアの濃度検出の感度（起電力ＥＭＦ）が低下しており、アンモニア濃度検出の感度の評価が「Ｆ（不可）」であった。これらの結果から、最短経路長Ｍ１が１９．９ｍｍ以下であることで、アンモニア濃度検出の感度の低下を抑制できることが確認された。また、最短経路長Ｍ１が小さいほど、アンモニア濃度検出の感度の低下が抑制される傾向が確認された。特に、最短経路長Ｍ１が１１．６ｍｍ以下である実験例４～８は、いずれもアンモニア濃度検出の感度の評価が「Ａ（優）」であった。実験例４～８の結果から、最短経路長Ｍ１は１１．６ｍｍ以下が好ましく、６．９ｍｍ以下がより好ましいと考えられる。

表１に示すように、素子室入口１２７から被測定ガス導入口２１ａまでの最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下である実験例１～７では、ＮＯｘ濃度検出の応答性の評価が「Ａ（優）」又は「Ｂ（良）」であった。これに対し、最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍを超えている実験例８では、ＮＯｘ濃度検出の応答性の評価が「Ｆ（不可）」であった。これらの結果から、最短経路長Ｍ２が９．６ｍｍ以下であることで、ＮＯｘ濃度検出の応答性が良好になることが確認された。また、最短経路長Ｍ２が小さいほど、ＮＯｘ濃度検出の応答時間が短くなる傾向が確認された。特に、最短経路長Ｍ２が６．６ｍｍ以下である実験例１～６は、いずれもＮＯｘ濃度検出の応答性の評価が「Ａ（優）」であった。実験例１～６の結果から、最短経路長Ｍ２は６．６ｍｍ以下が好ましく、４．１ｍｍ以下がより好ましいと考えられる。

表１に示すように、最短経路長Ｍ１と最短経路長Ｍ２との比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下である実験例２～７では、応答時間の差の評価が「Ａ（差が非常に小さい）」，「Ｂ（差が小さい）」又は「Ｃ（差が許容できる程度である）」であった。これに対し、比Ｍ２／Ｍ１が０．０１未満である実験例１、及び比Ｍ２／Ｍ１が６．３７より大きい実験例８では、応答時間の差の評価が「Ｆ（差が許容できない程度に大きい）」であった。これらの結果から、比Ｍ２／Ｍ１が０．０１以上６．３７以下であることで、ＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなることが確認された。また、実験例２～７の結果から、比Ｍ２／Ｍ１は０．２１以上２．２２以下が好ましいと考えられる。

１０ 配管、１２ 固定用部材、２０ 素子本体、２０ａ 上面、２０ｂ 下面、２０ｃ 左面、２０ｄ 右面、２０ｅ 前端面、２０ｆ 後端面、２１ 被測定ガス流通部、２１ａ 被測定ガス導入口、２２ 基準ガス導入口、２３ 検出部、２４ 外側電極、２５ 内側主ポンプ電極、２６ 内側補助ポンプ電極、２７ 測定電極、２８ 基準電極、２９ ヒータ、５５ 混成電位セル、５６ 検知電極、８４ 緩衝層、８４ａ 上側緩衝層、８４ｂ 下側緩衝層、８５ 保護層、１００，２００ ガスセンサ、１０１ 素子封止体、１０２ ハウジング、１０３ ボルト、１０４ サポーター、１０５ 圧粉体、１１０ センサ素子、１２０，２２０ 保護カバー、１２２，２２２ 第１ガス室、１２４ センサ素子室、１２６ 第２ガス室、１２７，２２７，３２７，４２７ 素子室入口１２８，２２８ 後方開口、１２９，２２９ 前方開口、１３０，２３０，４３０ 内側保護カバー、１３１，２３１，３３１ 第１部材、１３２ 大径部、１３３ 段差部、１３４，３３４ 第１円筒部、１３５，２３５ 第２部材、１３６，２３６ 第２円筒部、１３６ａ 突出部、１３７ 接続部、１３８ 先端部、１３８ａ 素子室出口、１３８ｂ 孔、１３８ｄ 側部、１３８ｅ 底部、１３９ 段差部、１４０ 外側保護カバー、１４３ 胴部、１４３ａ 側部、１４３ｂ 段差部、１４４ａ 外側入口、１４４ｂ 孔、１４４ｃ 孔、１４６ 先端部、１４６ａ 側部、１４６ｂ 底部、１４６ｃ テーパー部、１４７ａ 外側出口、１４７ｃ 孔、２３４ａ 胴部、２３４ｂ 第１円筒部、３３４ｂ 凹部、４２９ 素子側開口、４３４ 円筒部。

Claims (6)

1. 先端と該先端とは反対側の後端とを有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体を備え、前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記被測定ガス流通部に流入した前記被測定ガス中の第１特定ガスの濃度を検出するための検出部を備えたセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記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素子室入口と該センサ素子室からの出口である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外側入口と前記被測定ガスの外部への出口である外側出口とを有し、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、
   前記センサ素子は、前記被測定ガス中の前記第１特定ガスとは異なる第２特定ガスの濃度に応じた起電力を生じる混成電位セルを備え、
   前記混成電位セルは、前記素子本体に配設された検知電極を備え、
   前記検知電極は、前記センサ素子室の内部に配置され、
   前記素子室入口から前記検知電極までの最短経路長Ｍ１が１．５ｍｍ以上１９．９ｍｍ以下である、
   ガスセンサ。
2. 前記素子室入口から前記ガス導入口までの最短経路長Ｍ２と、前記最短経路長Ｍ１と、の比Ｍ２／Ｍ１が、０．０１以上６．３７以下である、
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記素子室入口から前記ガス導入口までの最短経路長Ｍ２が、９．６ｍｍ以下である、
   請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記検出部は、前記素子本体の外部に配設された外側電極を備え、
   前記検知電極は、前記素子本体の外部且つ前記外側電極よりも後方に配設されている、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記内側保護カバーは、前記センサ素子の周囲を囲む筒状の第１部材と、該第１部材の周囲を囲む筒状の第２部材とを有し、
   前記素子室入口は、前記第１部材及び前記第２部材の間の隙間であり、前記素子室入口の前記センサ素子室側の開口は、前方に向けて開口している、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記素子室入口は、前記第１部材の外周面と前記第２部材の内周面との間の筒状の隙間である、
   請求項５に記載のガスセンサ。

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