WO2017047511A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2017047511A1
WO2017047511A1 PCT/JP2016/076567 JP2016076567W WO2017047511A1 WO 2017047511 A1 WO2017047511 A1 WO 2017047511A1 JP 2016076567 W JP2016076567 W JP 2016076567W WO 2017047511 A1 WO2017047511 A1 WO 2017047511A1
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WO
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gas
sensor
sensor element
cover
axial direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/076567
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴司 荒木
岳人 木全
充伸 中藤
Original Assignee
株式会社デンソー
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Publication date
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Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/409—Oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured.
  • a gas sensor that is provided in an exhaust system of an automobile internal combustion engine or the like and measures a specific gas concentration such as oxygen or nitrogen oxide in exhaust gas that is a gas to be measured is known.
  • the gas sensor includes a sensor element that detects a specific gas concentration in the gas to be measured, a housing that is inserted through the sensor element, and an element cover that is disposed on the distal end side of the housing.
  • the gas sensor is configured such that a gas to be measured such as exhaust gas contacts the surface of the sensor element.
  • a gas to be measured such as exhaust gas contacts the surface of the sensor element.
  • condensed water generated by condensation of water vapor in the exhaust gas may fly toward the sensor element together with the exhaust gas and adhere to the surface of the sensor element.
  • the sensor element is used in a state heated to a high temperature in order to activate the solid electrolyte body. For this reason, the sensor element is subjected to a large thermal shock due to the adhesion of condensed water, and water cracking may occur.
  • Patent Document 1 discloses an inner cover (specifically, a first protector) that covers the tip of a sensor element provided with a gas introduction part, and an outer cover of the inner cover.
  • a gas sensor including a double-structured element cover including an outer cover specifically, a second protector
  • the inner cover and the outer cover are provided with gas flow holes through which the gas to be measured flows.
  • the gas flow hole provided in the inner cover is located sufficiently on the tip side from the tip of the sensor element.
  • the responsiveness of the sensor output may be lowered. That is, in the gas sensor having the conventional configuration, the gas to be measured introduced into the inner cover is discharged from the flow hole provided in the bottom surface or the side surface of the inner cover without being detected by the sensor element. easy. As a result, the responsiveness of the sensor output may be reduced. That is, in the conventional gas sensor, it is difficult to achieve both prevention of water cracking and high response of sensor output.
  • the present disclosure is intended to provide a gas sensor that can prevent the sensor element from being cracked by water and can suppress a decrease in responsiveness of the sensor output.
  • the gas sensor (1) which is an aspect of the technology of the present disclosure is: A sensor element (2) for detecting a specific gas concentration in the gas to be measured; A housing (3) for inserting and holding the sensor element inside; An element cover (4) disposed on the axial front end side (Z1) of the housing, A gas introduction part (25) for introducing the measurement gas into the sensor element is provided at the tip (21) of the sensor element.
  • the element cover is disposed with a bottomed cylindrical inner cover (5) disposed so as to cover the axial front end side of the sensor element and a space (41) outside the inner cover.
  • a bottomed cylindrical outer cover (6) The side surface (51) of the inner cover is provided with an inner side surface flow hole (511) through which the gas to be measured flows, and the bottom surface (52) of the inner cover has an inner through which the gas to be measured flows.
  • a bottom flow hole (521) is provided,
  • the inner cover is provided with a reduced diameter step portion (53) that decreases in diameter toward the distal end side in the axial direction, and the inner side surface flow hole is more axially proximal than the reduced diameter step portion ( Z2),
  • an outer side surface circulation hole (611) through which the gas to be measured flows is provided,
  • the outer side surface circulation hole is provided such that a tip position (612) of the outer side surface circulation hole is disposed on the tip side in the axial direction from the bottom surface of the inner cover,
  • the distance (L1) in the axial direction (Z) between the tip of the sensor element and the base end position (513) of the inner side surface flow hole is 1.6 mm or less.
  • a sensor element provided with a gas introduction part for introducing a gas to be measured at the tip is covered with an element cover including an inner cover and an outer cover.
  • each circulation hole is provided in the inner cover and outer cover which have a diameter-reduced level
  • the axial distance L1 between the tip of the sensor element and the base end position of the inner side surface flow hole is adjusted to 1.6 mm or less. Therefore, in the gas sensor, the amount of water to be applied to the sensor element can be reduced, and the gas to be measured can be sufficiently supplied to the gas introduction part provided at the tip of the sensor element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor in the first to fourth embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the element cover of the gas sensor in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a side view of the outer cover in the first to fourth embodiments.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
  • FIG. 6 is a bottom view of the outer cover in the first to fourth embodiments.
  • FIG. 7 is a side view of the inner cover in the first to fourth embodiments.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is a bottom view of the inner cover in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the sensor element cover according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the sensor element cover according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a sensor response time measurement method in Experimental Examples 1 to 3.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a method for measuring a wet area in Experimental Examples 1 to 3.
  • 15A is a side view of a sensor element coated with carbon in Experimental Example 1.
  • FIG. 15B is a side view of the sensor element after being wet in Experimental Example 1.
  • FIG. 16A is a diagram of a tip surface of a sensor element coated with carbon in Experimental Example 1.
  • FIG. 16B is a diagram of the front end surface of the sensor element after being wet in Experimental Example 1.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between the distance L1 and the 63% response time and the relationship between the distance L1 and the area to be covered in Experimental Example 1.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating the relationship between ⁇ 1 / ⁇ 2 and 63% response time and the relationship between ⁇ 1 / ⁇ 2 and the area to be wet in Experimental Example 2.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between L3 / L2 and 63% response time and the relationship between L3 / L2 and the area to be wet in Experimental Example 3.
  • FIG. 20 is a sectional view in the axial direction of the sensor element in the fourth embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line XXI-XXI in FIG. 22 is a cross-sectional view taken along line XXII-XXII in FIG.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of an element cover of a gas sensor in the fourth embodiment.
  • FIG. 24 is a schematic diagram of a method for measuring the temperature fluctuation of the sensor electrode in Experimental Example 4.
  • FIG. 25 is a relationship diagram between the elapsed time t and the sensor electrode temperature Ts in Experimental Example 4.
  • FIG. 26 is a diagram showing sensor electrode temperature fluctuation ⁇ Ts of sensor A and sensor B in Experimental Example 4.
  • FIG. 27 is a partial cross-sectional enlarged view of the gas sensor in which the base end position of the side surface through hole of the inner cover is closer to the base end side than the front end position of the pump electrode.
  • the “axial tip side” is one side of the gas sensor in the axial direction Z and refers to the side where the gas sensor is exposed to the gas to be measured. Further, “axial direction proximal end side” refers to the opposite side.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment includes a sensor element 2 that detects a specific gas concentration in a gas to be measured, a housing 3 that is inserted and held inside the sensor element 2, And an element cover 4 disposed on the axial front end side Z1.
  • a gas introduction part 25 for introducing a measurement gas into the sensor element 2 is provided at the tip 21 of the sensor element 2.
  • the element cover 4 includes a bottomed cylindrical inner cover 5 disposed so as to cover an end of the sensor element 2 on the axial front end side Z1 (hereinafter referred to as “the front end of the sensor element 2”), and the inner cover. 5 and a bottomed cylindrical outer cover 6 disposed with a space 41 therebetween.
  • an inner side flow hole 511 through which the gas to be measured can flow is provided on the side surface 51 of the inner cover 5, and the gas to be measured is formed on the bottom surface 52 of the inner cover 5.
  • An inner bottom flow hole 521 capable of flow is provided.
  • the inner cover 5 is provided with a reduced diameter step portion 53 that decreases in diameter toward the axial front end side Z ⁇ b> 1, and the inner side surface flow hole 511 is provided closer to the axial base end side Z ⁇ b> 2 than the reduced diameter step portion 53. It has been.
  • an outer side surface circulation hole 611 through which a gas to be measured can flow is provided on the side surface 61 of the outer cover 6, and the outer side surface circulation hole 611 has a tip position 612 that is axially distal to the bottom surface 52 of the inner cover 5. It is provided to be arranged on the side Z1.
  • the distance L1 in the axial direction Z between the tip 21 of the sensor element 2 and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is adjusted to 1.6 mm or less.
  • the distal end 21 of the sensor element 2 is positioned at the proximal end position of the inner side surface circulation hole 511 as shown in FIG. You may arrange
  • the tip 21 of the sensor element 2 may be disposed closer to the axial base end side Z2 than the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511. That is, the distance L1 between the tip 21 of the sensor element 2 and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 may be 1.6 mm or less as described above. Either the distal end 21 of the sensor element 2 or the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 may be disposed on the distal end side Z1 in the axial direction.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment will be further described in detail.
  • the gas sensor 1 of this embodiment is a NOx sensor for vehicles such as automobiles, and is used for measuring the concentration of O 2 and NOx contained in exhaust gas.
  • the gas sensor 1 has, as the sensor element 2, a NOx sensor element that detects the NOx concentration based on the current flowing between electrodes (not shown) and the voltage generated between the electrodes, depending on the NOx concentration in the exhaust gas. is doing.
  • the long and plate-shaped sensor element 2 has a gas introduction part 25 made of porous ceramics at the tip 21 in the axial direction Z, and the measured object is introduced into the sensor element 2 from the gas introduction part 25. Gas is introduced.
  • the gas introduction part 25 can be formed in the front end surface in the axial direction Z of the elongate plate-shaped sensor element 2, for example.
  • a heater (not shown) is built in a position where an electrode (not shown) of the sensor element 2 is arranged, and the sensor element 2 is heated by supplying electric power to the heater.
  • the sensor element 2 may be an A / F sensor element.
  • the gas sensor 1 is used as an A / F sensor that detects an air-fuel ratio.
  • the plate-like sensor element 2 is inserted and held inside the first insulator 11. Further, the first insulator 11 is held inside the housing 3.
  • a base end side cover 14 that covers an end portion of the sensor element 2 on the base end side Z2 in the axial direction (hereinafter referred to as “base end portion of the sensor element 2”) is fixed to the base end side Z2 of the housing 3. .
  • the base end cover 14 is provided with a vent hole 141 for introducing air.
  • the opening part (base end opening part) of the axial direction base end side Z2 of the base end side cover 14 is obstruct
  • a plurality of lead members 16 connected to the outside are disposed through the sealing member 15.
  • a second insulator 12 that covers the base end portion of the sensor element 2 is disposed on the axial base end side Z ⁇ b> 2 of the first insulator 11.
  • a metal terminal 18 connected to the lead member 16 is disposed on the second insulator 12. The metal terminal 18 is in contact with the electrode terminal of the sensor element 2 to achieve electrical conduction.
  • an element cover 4 for protecting the sensor element 2 is disposed on the axially leading end side Z ⁇ b> 1 of the housing 3.
  • the element cover 4 includes a bottomed substantially cylindrical inner cover 5 disposed so as to cover the tip 21 of the sensor element 2, and a bottomed generally cylindrical shape disposed with a space 41 outside the inner cover 5.
  • an outer cover 6 having a shape.
  • the inner cover 5 is fixed to the axial front end side Z ⁇ b> 1 of the housing 3.
  • the outer cover 6 is fixed to the axial base end side Z ⁇ b> 2 of the inner cover 5.
  • the inner cover 5 and the outer cover 6 do not necessarily have a bottomed cylindrical shape, but may have a bottomed elliptical cylindrical shape, a bottomed polygonal cylindrical shape, or the like.
  • Examples of the bottomed polygonal cylinder shape include a bottomed triangular cylinder shape, a bottomed square cylinder shape, a bottomed hexagonal cylinder shape, and a bottomed octagonal cylinder shape.
  • the outer cover 6 has a cylindrical side surface 61 and a bottom surface 62 that closes the axial front end side Z1.
  • a plurality of outer side surface flow holes 611 are provided at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • These outer side surface circulation holes 611 are circular holes having the same diameter, and are formed on the axial front end side Z1 of the side surface 61 of the outer cover 6. Further, these outer side surface flow holes 611 are arranged concentrically with respect to the central axis of the gas sensor 1 in a plane orthogonal to the axial direction Z. That is, the outer side flow hole 611 has the same position in the axial direction Z.
  • a plurality of outer bottom surface flow holes 621 are provided on the bottom surface 62 of the outer cover 6. These outer bottom surface flow holes 621 are circular holes having the same diameter, and are arranged concentrically with respect to the center position of the disk-shaped bottom surface 62 of the outer cover 6 with a predetermined interval therebetween. 5 and 6, the direction perpendicular to the paper surface in the drawings is the axial direction Z, the front side shown is the axial front end side Z1, and the back side not shown is the axial base end side Z2. The same applies to FIGS. 9 and 10 described later.
  • the outer side flow hole 611 and the outer bottom flow hole 621 are not only circular holes as described above, but also polygonal holes such as triangular holes, square holes, hexagonal holes, octagonal holes, elliptical holes, irregular holes, etc. Can be appropriately changed.
  • the inner cover 5 has the following members in order from the axial base end side Z2.
  • the inner cover 5 includes a first side surface 51a that extends in the axial direction Z with the same diameter, a tapered diameter-reduced stepped portion 53 that decreases in diameter toward the distal end Z1 in the axial direction, and an axial direction with the same diameter. It has the 2nd side part 51b extended to Z, and the bottom face 52 which obstruct
  • a plurality of inner side surface flow holes 511 are provided in the first side surface 51 a formed on the proximal end side Z ⁇ b> 2 in the axial direction from the reduced diameter step portion 53 in the inner cover 5.
  • These inner side surface flow holes 511 are circular holes having the same diameter. Further, these inner side surface flow holes 511 are arranged concentrically with respect to the central axis of the gas sensor 1 in a plane orthogonal to the axial direction Z. That is, the inner side flow hole 511 has the same position in the axial direction Z.
  • An inner bottom surface circulation hole 521 is provided on the bottom surface 52 of the inner cover 5. The inner bottom flow hole 521 is also a circular hole. Inner side flow hole 511 and inner bottom flow hole 521 are not only circular holes as described above, but also polygonal holes such as triangular holes, square holes, hexagonal holes, octagonal holes, elliptical holes, irregular holes, etc. Can be appropriately changed.
  • the distal end position 612 of the outer side surface circulation hole 611 is disposed closer to the axial distal end side Z ⁇ b> 1 than the bottom surface 52 of the inner cover 5. Furthermore, in the present embodiment, the base end position 613 of the outer side surface circulation hole 611 is disposed so that the position in the axial direction Z is the same as the bottom surface 52 of the inner cover 5. As shown in FIGS. 1 and 2, in the gas sensor 1, the distance L ⁇ b> 1 in the axial direction Z between the distal end 21 of the sensor element 2 having the gas introduction part 25 and the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is It is adjusted to 1.6 mm or less.
  • a sensor element 2 in which a gas introduction part 25 for introducing a gas to be measured is provided at a tip 21 is an element constituted by an inner cover 5 and an outer cover 6. Covered by a cover 4.
  • the direction of the main flow of the exhaust gas, which is the gas to be measured, is represented by broken line arrows G1 to G4 in FIG.
  • the exhaust gas flows from the flow hole 611a located upstream in the exhaust gas flow channel direction among the plurality of outer side surface flow holes 611 provided in the side surface 61 of the outer cover 6. Introduced inside. And it is discharged
  • the inner cover 5 has the reduced diameter step portion 53 as described above.
  • the distance L1 in the axial direction Z between the distal end 21 of the sensor element 2 and the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is adjusted to 1.6 mm or less. Therefore, the contact area between the moisture introduced into the inner cover 5 from the inner side surface flow hole 511 and the sensor element 2 can be reduced. Thereby, in the gas sensor 1 of this embodiment, the amount of moisture to the sensor element 2 can be reduced, and the moisture crack of the sensor element 2 can be prevented.
  • the exhaust gas circulates in the vicinity of the tip 21 of the sensor element 2 provided with the gas introduction part 25, and is further discharged from the inner bottom surface circulation hole 521 as indicated by the broken line arrow G4. .
  • tip 21 of the sensor element 2 in which the gas introduction part 25 was provided becomes favorable, and can suppress the fall of the responsiveness of a sensor output.
  • the base end position 613 of the outer side surface circulation hole 611 and the bottom surface 52 of the inner cover 5 have the same position in the axial direction Z of the gas sensor 1.
  • the base end position 613 of the outer side surface flow hole 611 is provided in the same position as the bottom surface 52 of the inner cover 5 in the axial direction Z, or is provided closer to the axial base end side Z2 than the bottom surface 52. It is preferable.
  • the flow rate of the exhaust gas discharged from the inner bottom surface circulation hole 521 provided in the bottom surface 52 of the inner cover 5 to the outside (space 41) of the inner cover 5 can be increased.
  • the exchangeability of the gas inside the inner cover 5 is improved, and the response of the sensor output can be further improved.
  • the bottom surface 62 of the outer cover 6 is provided with an outer bottom surface circulation hole 621.
  • the inside of the outer cover 6 is negatively affected by the flow velocity difference between the exhaust gas flowing outside the outer cover 6 and the exhaust gas flowing inside. Pressure. More specifically, the inside of the outer cover 6 is set to a negative pressure by the difference between the flow rate of the exhaust gas flowing further in the axial front end side Z1 than the bottom surface 62 of the outer cover 6 and the flow rate of the exhaust gas flowing inside the outer cover 6. Is possible. Therefore, the gas flow velocity inside the outer cover 6 can be increased.
  • the gas exchangeability not only in the outer cover 6 but also in the inner cover 5 can be improved. Therefore, the response of the sensor output can be further improved.
  • the water can be discharged without accumulating on the bottom surface 62 of the outer cover 6. Therefore, the amount of water applied to the sensor element 2 can be further reduced. Thereby, in the gas sensor 1 of this embodiment, the moisture crack of the sensor element 2 can further be prevented.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment it is possible to prevent the sensor element 2 from being cracked by water and to suppress a decrease in responsiveness of the sensor output.
  • the outer diameter ⁇ 1 of the inner cover 5 and the inner diameter ⁇ 2 of the outer cover 6 are the following in the axial direction front end side Z1 from the reduced diameter step portion 53 of the inner cover 5.
  • the relational expression [1] is satisfied. 0.15 ⁇ ⁇ 1 / ⁇ 2 ⁇ 0.5 (1)
  • the above-mentioned axial direction front end side Z1 rather than the reduced diameter step part 53 is an area
  • the inner cover 5 and the outer cover in the radial direction X of the gas sensor 1 are used.
  • a clearance of 6 is preferred. Therefore, as shown by the broken line arrow G2 in FIG. 11, the moisture contained in the rolled up exhaust gas is easily returned to the axial front end side Z1 by the reduced diameter step portion 53. Thereby, in the gas sensor 1 of this embodiment, the amount of water to the sensor element 2 can be further reduced, and water cracking can be further prevented.
  • the element cover 4 has a portion satisfying the predetermined relationship (relational expression [1]) on the tip end side Z1 in the axial direction with respect to the reduced diameter step portion 53, the above-described effects are obtained. Is obtained. More preferably, the element cover 4 may satisfy the predetermined relationship (relational expression [1]) in all regions on the axial front end side Z1 with respect to the reduced diameter step portion 53. In this case, the moisture content of the sensor element 2 can be further suppressed, and the response of the sensor output can be further improved. In addition, since the gas sensor 1 of this embodiment can employ
  • the gas sensor 1 includes a reduced diameter step portion 53 of the inner cover 5 in the axial direction Z and a total of the inner cover 5 located on the front end side Z1 in the axial direction from the reduced diameter step portion 53.
  • the length L3 of the inner cover 5 and the total length L2 of the inner cover 5 satisfy the following relational expression [2]. 0.5 ⁇ L3 / L2 ⁇ 0.7 [2]
  • the total length L2 of the inner cover 5 is the length in the axial direction Z of the inner cover 5 in the area of the space 41 formed between the inner cover 5 and the outer cover 6, as shown in FIG. Further, the length of the reduced diameter step portion 53 is the length in the axial direction Z from the reduced diameter start portion 531 to the reduced diameter end portion 532 in the reduced diameter step portion 53.
  • the length of the inner cover 5 at the axially distal end Z1 from the reduced diameter step portion 53 does not include the length of the reduced diameter step portion 53, and the axial direction Z from the reduced diameter end portion 532 to the bottom surface 52 of the inner cover 5 Is the length of Therefore, the total length L3 is the length in the axial direction Z from the diameter reducing start portion 531 of the diameter reducing step portion 53 to the bottom surface 52 of the inner cover 5 in the inner cover 5.
  • the clearance between the inner cover 5 and the outer cover 6 in the axial direction Z of the gas sensor 1. Is preferred. Therefore, as shown by the broken line arrow G2 in FIG. 12, even if the moisture contained in the exhaust gas collides with the inner wall (inner side surface) of the outer cover 6 and is wound up to the axial base end side Z2, the reduced diameter step portion. 53 makes it easy to return to the axial front end side Z1. Further, as indicated by the broken line arrow G5, when the moisture contained in the exhaust gas flowing in from the outer side surface circulation hole 611 collides with the second side surface portion 51b of the inner cover 5, it is wound up to the axial base end side Z2.
  • the internal volume of the inner cover 5 can be reduced. Therefore, as indicated by a broken line arrow G ⁇ b> 3, the flow velocity of the exhaust gas that flows into the inner cover 5 from the inner side surface circulation hole 511 and flows in the vicinity of the tip 21 of the sensor element 2 can be increased. Thereby, in the gas sensor 1 of this embodiment, the responsiveness of a sensor output can further be improved.
  • the gas sensor 1 of this embodiment can employ
  • Particularly preferred is a combination of the configurations of the first to third embodiments. That is, it is particularly preferable that the following conditions [a] to [c] are satisfied in the element cover 4 of the gas sensor 1.
  • Example 1 In this experimental example, a sensor is used for a plurality of gas sensors shown in Embodiment 1 having different lengths of the distance L1 in the axial direction Z between the distal end 21 of the sensor element 2 and the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511. The output responsiveness and the amount of water applied to the sensor element 2 are evaluated.
  • a gas sensor NOx sensor
  • NOx sensor NOx sensor
  • a gas sensor (A / F gas sensor) having an A / F sensor element is used, and the air-fuel ratio thereof is changed. Perform evaluation based on responsiveness.
  • the A / F sensor is more susceptible to changes in the configuration of the element cover 4 than the NOx sensor.
  • the configuration of the gas sensor used in this experimental example is the same as that of the first embodiment except that the type of the sensor element 2 is different.
  • the same reference numerals as those used in the first embodiment represent the same components as those in the first embodiment unless otherwise specified.
  • the response of the sensor output was evaluated by measuring the 63% response time as follows. Specifically, first, as shown in FIG. 13, the gas sensor 1 that is the subject of the experiment was attached to the exhaust pipe 72 connected to the diesel engine 71. Next, the gas sensor 1 was driven by heating a heater (not shown) built in the sensor element 2 of the gas sensor 1 and applying a voltage to an electrode (not shown) built in the sensor element 2 (see FIG. 1). ). In addition, as shown in FIG. 13, exhaust gas having a gas flow rate of 15 m / s was circulated in the exhaust pipe 72 by operating the diesel engine 71. The output of the gas sensor 1 is measured over time by an external computer 773 connected via a detection circuit 771.
  • the amount of water to be applied to the sensor element 2 was evaluated by measuring the water-covered area as follows. Specifically, first, the sensor element 2 was colored black by applying carbon to the side surface and the tip surface of the plate-shaped sensor element 2 (see FIGS. 15A and 16A). Using this sensor element 2, a gas sensor 1 having the same configuration as that of the first embodiment was constructed (see FIG. 1). Next, as shown in FIG. 14, the gas sensor 1 and the water injection nozzle 75 were installed in the pipe 74. The mounting positions of the gas sensor 1 and the water injection nozzle 75 were adjusted so that the outer side flow hole 611 of the outer cover 6 of the gas sensor 1 and the injection port 751 of the water injection nozzle 75 were at the same height (FIGS. 1 and 2). And FIG.
  • the pipe 74 is connected to a heating pipe 76 containing a heater 761. Then, the air A heated to 280 ° C. by the heater 761 is sent from the heating pipe 76 into the pipe 74 at a flow rate of 12.6 m / s. Furthermore, 0.2 ml of water W was jetted five times from the water jet nozzle 75 under conditions where the temperature of the sensor element 2 inside the gas sensor 1 was 200 ° C. Thereafter, the side surface and the tip surface of the sensor element 2 were observed. When the sensor element 2 is wetted, for example, as shown in FIGS. 15B and 16B, the carbon of the wetted part is peeled off and changes from black to gray or white.
  • the area of the region thus changed was measured by image analysis. This area is the wet area.
  • the 63% response time and wet area shown in FIG. 17 are values calculated from measured values using five gas sensors. Specifically, in FIG. 17, the average value of the calculated values is indicated by plot points, and the maximum value and the minimum value are indicated by error bars. The same applies to FIGS. 18 and 19 described later.
  • the distance L1 in FIG. 17 is expressed as positive (+) when the distal end 21 of the sensor element 2 is positioned on the distal end side Z1 in the axial direction with respect to the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511. Yes.
  • the distal end 21 of the sensor element 2 is positioned on the axial base end side Z2, it is expressed as negative ( ⁇ ) (see FIG. 2).
  • the distance L1 is preferably within ⁇ 1.6 mm ( ⁇ 1.6 mm ⁇ L1 ⁇ + 1.6 mm).
  • the distance L1 is within ⁇ 1.3 mm ( ⁇ 1.3 mm ⁇ L1 ⁇ + 1.3 mm) from the viewpoint of further preventing the sensor element 2 from being cracked by water and further improving the response of the sensor output.
  • it is within ⁇ 1 mm ( ⁇ 1 mm ⁇ L1 ⁇ + 1 mm).
  • the distance L1 in the axial direction Z between the distal end 21 of the sensor element 2 and the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is set to 1.6 mm or less.
  • Example 2 In this experimental example, the sensor output responsiveness and the sensor for the plurality of gas sensors different in the ratio ( ⁇ 1 / ⁇ 2) of the outer diameter ⁇ 1 of the inner cover 5 to the inner diameter ⁇ 2 of the outer cover 6 shown in the second embodiment are described. The amount of water applied to the element 2 is evaluated (see FIG. 11).
  • the gas sensor used in the present experimental example has the same configuration as that of the second embodiment except that the type of the sensor element 2 is different from that of the experimental example 1 described above.
  • the responsiveness of the sensor output and the method for evaluating the amount of water applied to the sensor element 2 are the same as in Experimental Example 1 described above.
  • the outer diameter ⁇ 1 of the inner cover 5 and the inner diameter ⁇ 2 of the outer cover 6 are related by the relation [1]. It is preferable that (0.15 ⁇ ⁇ 1 / ⁇ 2 ⁇ 0.5) is satisfied. Furthermore, it is more preferable that the outer diameter ⁇ 1 of the inner cover 5 and the inner diameter ⁇ 2 of the outer cover 6 satisfy the following relational expression [1-1]. 0.2 ⁇ ⁇ 1 / ⁇ 2 ⁇ 0.4 ... [1-1]
  • Example 3 In this experimental example, the total of the reduced diameter step portion 53 of the inner cover 5 and the inner cover 5 located on the distal end side Z1 in the axial direction from the reduced diameter step portion 53 with respect to the total length L2 of the inner cover 5 shown in the third embodiment.
  • the sensor output response and the amount of water applied to the sensor element 2 are evaluated (see FIG. 12).
  • the gas sensor used in the present experimental example has the same configuration as that of the third embodiment except that the type of the sensor element 2 is different from that of the experimental example 1 described above.
  • the sensor output response and the method for evaluating the amount of water applied to the sensor element are the same as in Experimental Example 1 described above.
  • the length L2 and the length L3 satisfy the relational expression [2] (0.5 ⁇ L3 / L2 ⁇ 0.7), the area to be covered with water becomes smaller. Further, water cracking of the sensor element 2 can be further prevented. Further, when the ratio of the length L3 to the length L2 is 0.7 or less (when L3 / L2 ⁇ 0.7), the response time of the sensor output is further shortened by 63%, thereby further improving the response of the sensor output. I understand that Therefore, the length L2 and the length L3 are expressed by the relation [2] (0.5 ⁇ L3) from the viewpoint of further preventing the sensor element 2 from being cracked by water and further improving the response of the sensor output. /L2 ⁇ 0.7) is preferably satisfied. Furthermore, it is more preferable that the length L2 and the length L3 satisfy the following relational expression [2-1]. 0.5 ⁇ L3 / L2 ⁇ 0.6 ... [2-1]
  • the gas sensor 1 of the present embodiment has a sensor element 2 including a gas introduction part 25, a pump electrode 211, and the like.
  • the sensor element 2 includes a solid electrolyte body 20 having oxygen ion conductivity, a gas chamber 241 to be measured, and a reference gas chamber 242. Further, the sensor element 2 includes a pump electrode 211, a sensor electrode 212, a reference electrode 213, a monitor electrode 214, and a heater 23.
  • the measured gas chamber 241 is a space into which the measured gas G such as exhaust gas is introduced by the gas introduction part 25 of the sensor element 2, and is formed by a single space, for example.
  • the solid electrolyte body 20 is made of a plate-like ceramic having oxygen ion conductivity.
  • ceramics include yttria stabilized zirconia, but other oxygen ion conductive ceramics may be used.
  • the solid electrolyte body 20 is disposed between the measured gas chamber 241 and the reference gas chamber 242.
  • a gas chamber to be measured 241 is formed adjacent to the first main surface 201 of the plate-shaped solid electrolyte body 20, and the first main surface 201 faces the gas chamber to be measured 241.
  • the second major surface 202 of the solid electrolyte body 20, the reference gas chamber 242 in which the reference gas G A is introduced are formed adjacent, second major surface 202 faces the reference gas chamber 242 ing.
  • a pump electrode 211, a sensor electrode 212, and a monitor electrode 214 are formed on the first main surface 201 of the solid electrolyte body 20, and each electrode 211, 212, 214 is measured. It faces the gas chamber 241.
  • the reference electrode 213 is formed on the second main surface 202, and the reference electrode 213 faces the reference gas chamber 242.
  • the pump electrode 211 is formed on the axial front end side Z1 of the first main surface 201.
  • the sensor electrode 212 and the monitor electrode 214 are located on the proximal side Z2 in the axial direction from the pump electrode 211 on the first main surface 201, and are formed in parallel to each other.
  • a pump cell 211 p that adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber 241 is formed by the pump electrode 211, a part 20 p of the solid electrolyte body 20, and the reference electrode 213. .
  • the pump cell 211p removes oxygen in the measured gas chamber 241 by applying a voltage between the pump electrode 211 and the reference electrode 213. Thereby, the oxygen concentration in the measurement gas G in the measurement gas chamber 241 is adjusted to a predetermined concentration or less.
  • the monitor electrode 214, a part 20m of the solid electrolyte body 20, and the reference electrode 213 form a monitor cell 214m that detects the residual oxygen concentration in the gas G to be measured. ing.
  • the monitor cell 214m detects a current flowing between the monitor electrode 214 and the reference electrode 213 via a part 20m of the solid electrolyte body 20. Thereby, the residual oxygen concentration in the measurement gas G in the measurement gas chamber 241 is detected.
  • the sensor electrode 212, a part 20 s of the solid electrolyte body 20, and the reference electrode 213 correspond to the concentration of a specific gas component in the measurement gas G.
  • a sensor cell 212s for outputting a signal is formed.
  • the sensor cell 212 s detects a current that flows between the sensor electrode 212 and the reference electrode 213 through the part 20 s of the solid electrolyte body 20. Thereby, the specific gas component concentration in the measurement gas G in the measurement gas chamber 241 is detected.
  • the gas introduction part 25 of the measurement gas G introduced into the measurement gas chamber 241 is formed at the tip 21 of the sensor element 2.
  • the pump electrode 211 is formed closer to the distal end side Z1 in the axial direction than the monitor electrode 214 and the sensor electrode 212.
  • the oxygen concentration is adjusted on the axial front end side Z ⁇ b> 1 and then flows to the axial base end side Z ⁇ b> 2. Therefore, in the monitor cell 214m, the residual oxygen concentration in the gas G to be measured after the oxygen concentration is adjusted is detected by the pump cell 211p.
  • the pump cell 211p detects the specific gas component concentration in the measured gas G after the oxygen concentration is adjusted.
  • the axial front end side Z1 is the upstream side in the flow direction of the measured gas G
  • the axial base end side Z2 is the downstream side.
  • the plate-like solid electrolyte body 20 is laminated with insulators 22A, 22B, and 22C made of ceramics. Further, the sensor element 2 has a plate-like heater 23 for heating the solid electrolyte body 20.
  • the heater 23 is disposed so as to face the solid electrolyte body 20, and is formed by being stacked on the sensor element 2.
  • the applied power to the heater 23 is controlled based on the impedance of the pump cell 211p by an external control device 77 shown in FIG. 24, for example.
  • Examples of the external control device 77 include a detection circuit 771 and a sensor control circuit 772 connected to the gas sensor 1, and a computer 773 connected to them.
  • the control device 77 controls the sensor element 2 to have a predetermined temperature from the relationship between the impedance of the pump cell 211 p and the power applied to the heater 23. Specifically, the temperature of the pump electrode 211 in the sensor element 2 is controlled to, for example, 800 ° C., and the temperature of the sensor electrode 212 is controlled to, for example, 600 ° C.
  • the gas chamber 241 to be measured is formed by being surrounded by a plate-like first insulator 22A and a plate-like second insulator 22B stacked on the first main surface 201 of the solid electrolyte body 20.
  • the reference gas chamber 242 is formed by being surrounded by a plate-like third insulator 22 ⁇ / b> C stacked on the second main surface 202 of the solid electrolyte body 20 and a plate-like heater 23.
  • the heater 23 includes a ceramic substrate 231 and a heating element 232 embedded in the substrate 231.
  • the heating element 232 generates heat when energized.
  • the first insulator 22A, the second insulator 22B, and the third insulator 22C are all spacers.
  • a gas introduction part 25 for introducing the measurement gas G into the measurement gas chamber 241 is provided at the axially leading end side Z1 of the measurement gas chamber 241.
  • the gas introduction unit 25 is provided with a diffusion resistor 251 for introducing the measurement gas G into the measurement gas chamber 241 under a predetermined diffusion resistance.
  • the diffusion resistor 251 is made of a ceramic porous body.
  • the axial front end side Z1 of the sensor element 2 is inserted into the element cover 4.
  • the axial front end side Z ⁇ b> 1 of the sensor element 2 is disposed inside the element cover 4.
  • the element cover 4 has the same configuration as that of the first embodiment, and has an inner cover 5 and an outer cover 6.
  • the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 in the inner cover 5 is disposed on the distal end side Z1 in the axial direction with respect to the distal end position 211F of the pump electrode 211 in the sensor element 2.
  • the distal end position 211F of the pump electrode 211 is disposed closer to the axial base end side Z2 than the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511.
  • the positional relationship between the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 and the distal end position 211F of the pump electrode 211 can be adjusted as follows. For example, there is a method of adjusting the formation position of the pump electrode 211 in the axial direction Z. As another method, for example, there is a method of adjusting the position of the tip 21 of the sensor element 2 in the inner cover 5 by adjusting the insertion width of the sensor element 2 into the inner cover 5. Further, for example, there is a method of adjusting the formation position, shape, size, and the like of the inner side flow hole 511 in the inner cover 5.
  • the exhaust gas flows into the space 41 between the outer cover 6 and the inner cover 5 from the flow hole 611a of the outer cover 6 as indicated by a broken line arrow G1 in FIG.
  • a part of the exhaust gas flowing into the space 41 between the inner cover 5 and the outer cover 6 collides with the inner wall (inner side surface) of the outer cover 6 as shown by broken arrows G2 and G3, and the axial direction It is wound up on the base end side Z2.
  • a part of the exhaust gas that has been wound up is from an inner side surface circulation hole 511 (an inner side surface circulation hole 511 located on the downstream side in the flow direction of the exhaust gas) provided in the side surface 51 of the inner cover 5 as indicated by a dashed arrow G3. It flows into the inner cover 5.
  • part of the exhaust gas reaches the periphery of the gas introduction part 25 of the sensor element 2.
  • the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 in the inner cover 5 is arranged closer to the front end side Z1 in the axial direction than the front end position 211F of the pump electrode 211 in the sensor element 2.
  • the tip position 211F of the pump electrode 211 is the most advanced position of the pump electrode 211 in the axial direction Z.
  • the proximal end position 513 of the inner side surface circulation hole 511 is the position of the most proximal end of the inner side surface circulation hole 511 in the axial direction Z.
  • it is the position of the most proximal end among the base end positions 513 of each inner side surface flow hole 511.
  • the comparison of the positional relationship between the distal end position 211F and the proximal end position 513 can be performed as follows. For example, first, the sensor element 2 and the inner cover 5 are fixed so that the relative position in the axial direction Z does not change. Then, if necessary, the inner cover 5, the outer cover 6, and the sensor element 2 are cut and polished at predetermined positions. For example, the axial tip end Z1 of the pump electrode 211 is exposed from the sensor element 2 by this cutting or polishing. In addition, the front end position 211F of the pump electrode 211 and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 in the inner cover 5 can be compared.
  • the shortest distance L4 between a surface perpendicular to the axial direction Z at the distal end position 211F (a surface parallel to the radial direction X) and a surface perpendicular to the axial direction Z at the proximal end position 513 is obtained.
  • the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is closer to the distal end side Z1 in the axial direction than the distal end position 211F of the pump electrode 211. It is determined.
  • the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is the same position as the distal end position 211F of the pump electrode 211 or the axial proximal end. It is determined to be on the side Z2.
  • the temperature fluctuation of the sensor cell 212s can be reduced.
  • the variation can be reduced. Therefore, the temperature control of the sensor element 2 is facilitated, and the detection accuracy of the specific gas component concentration is improved.
  • the distance L1 in the axial direction Z between the tip 21 of the sensor element 2 and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is the predetermined positional relationship described above. Has been adjusted. Therefore, as indicated by broken line arrows G3 and G4 in FIG.
  • the exhaust gas flowing into the inner cover 5 passes through the space on the axial front end side Z1 rather than the front end 21 of the sensor element 2, and the inner bottom surface circulation hole It is easy to be discharged from 521. That is, the contact area between the sensor element 2 and the exhaust gas can be reduced. From this point of view, it is considered that the temperature fluctuation described above can be reduced.
  • the shortest distance L4 is negative and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is closer to the axial base end side Z2 than the front end position 211F of the pump electrode 211, the broken line arrow G3 in FIG.
  • the exhaust gas flowing into the inner cover 5 corresponds to the formation position of the pump electrode 211 in the sensor element 2. Therefore, the impedance of the pump cell 211p is likely to be affected by the temperature fluctuation of the exhaust gas. That is, for example, when exhaust gas having a temperature lower than the temperature of the sensor element 2 flows into the inner cover 5 and hits the position where the pump electrode 211 is formed, the pump electrode 211 is cooled.
  • the sensor element 2 When the power applied to the heater 23 is controlled based on the impedance of the pump electrode 211, the sensor element 2 is heated by the heater 23 when the pump electrode 211 is cooled as described above. For this reason, the temperature of the sensor electrode 212 also rises, and the temperature fluctuation of the sensor electrode 212 increases. As a result, the detection accuracy of the specific gas component concentration in the measured gas G may be adversely affected.
  • exhaust gas having a temperature higher than the temperature of the sensor element 2 flows into the inner cover 5 and hits the position where the pump electrode 211 is formed, the sensor element 2 is partially heated, and the temperature of the pump electrode 211 is increased. To rise.
  • the shortest distance L4 is preferably 0.5 mm or more. That is, it is preferable that the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is 0.5 mm or more on the axial distal end side Z1 from the distal end position 211F of the pump electrode 211. From the same viewpoint, the shortest distance L4 is more preferably 1 mm or more. That is, the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is more preferably 1 mm or more on the axial distal end side Z1 than the distal end position 211F of the pump electrode 211.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, and has the same effects as those of the first embodiment.
  • the present embodiment can be combined with the second embodiment, the third embodiment, or the second embodiment and the third embodiment, in this case, the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained. Play.
  • Example 4 In this experimental example, the sensor electrode 212 in the sensor element 2 is used for two gas sensors in which the relationship between the tip position 211F of the pump electrode 211 in the sensor element 2 and the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 in the inner cover 5 is changed. Are compared (see FIGS. 20 to 23).
  • sensor A and sensor B were prepared as two types of gas sensors.
  • the sensor B is a gas sensor 9 in which the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is disposed closer to the axial proximal end side Z2 than the distal end position 211F of the pump electrode 211.
  • the pump electrode 211 in the sensor B is formed closer to the tip end side Z1 in the axial direction than the pump electrode 211 in the sensor A.
  • the other configuration of the sensor B is the same as that of the sensor A.
  • the temperature fluctuation of the sensor electrode 212 was compared for these sensors A and B.
  • a gas sensor P as an experiment target (hereinafter referred to as “experiment target sensor P”) was attached to an exhaust pipe 72 connected to the diesel engine 71.
  • the heater 23 is caused to generate heat by the sensor control circuit 772 so that the sensor element 2 has a predetermined temperature.
  • the experiment target sensor P was driven by applying a voltage between the pump cells 211p of the sensor element 2, between the sensor cells 212s, and between the monitor cells 214m.
  • the diesel engine 71 was driven, and the exhaust gas having a gas flow rate of 40 m / s and a temperature of 200 ° C. (gas circulation conditions) was circulated in the exhaust pipe 72.
  • the temperature of the sensor element 2 is measured by inserting a thermocouple into the center of the sensor electrode 212 from a reference gas introduction part (not shown) disposed on the axial base end side Z2 of the sensor element 2 and using a temperature measuring device 78. The temperature of the sensor electrode 212 was measured.
  • the experiment target sensor P is driven and held until the temperature of the sensor electrode 212 becomes constant.
  • the diesel engine 71 was driven so as to satisfy the above gas flow conditions, and the temperature of the sensor electrode 212 was held constant, and the temperature fluctuation was calculated (see FIG. 25).
  • the horizontal axis represents the elapsed time t
  • the vertical axis represents the sensor electrode temperature Ts.
  • a time t1 on the horizontal axis indicates the start of driving of the test target sensor P
  • a time t2 indicates the start of engine driving.
  • ⁇ Ts indicates the temperature fluctuation of the sensor electrode 212.
  • the temperature of the pump electrode 211 is controlled to 800 ° C.
  • the temperature of the sensor electrode 212 is controlled to 600 ° C.
  • the actual temperature of the pump electrode 211 and the temperature of the sensor electrode 212 are controlled by these control temperatures. Will vary slightly. The result is shown in FIG.
  • the sensor control circuit 772 controls the sensor electrode 212 of the sensor element 2 to a predetermined temperature based on the relationship between the impedance of the pump cell 211p (pump electrode 211) and the temperature. Yes.
  • the temperature of the pump electrode 211 may decrease in the experiment target sensor P.
  • the sensor electrode 212 is heated by the heater 23 whose applied power is controlled by the external control device 77, and temperature fluctuation occurs.
  • the temperature of the sensor electrode 212 is higher than a predetermined temperature.
  • the base end position 513 of the inner side surface flow hole 511 is disposed closer to the axial base end side Z2 than the front end position 211F of the pump electrode 211. Easy to hit. Thereby, the sensor element 2 is cooled. Therefore, in the sensor B, the electric power applied to the heater 23 in order to control the sensor element 2 to a predetermined temperature increases, and the temperature of the sensor electrode 212 also increases greatly. As a result, in the sensor B, as shown in FIG. 26, the temperature fluctuation of the sensor electrode 212 in the sensor element 2 is about 52 ° C., and the temperature fluctuation is large. Furthermore, the variation in temperature fluctuation is large.
  • the sensor element It has been confirmed that the temperature fluctuation of the sensor electrode 212 at 2 is about 50 ° C., and the temperature fluctuation is as large as that of the sensor B.
  • the gas sensor 1 for NOx sensor a plurality of electrodes such as the pump electrode 211 and the sensor electrode 212 are formed. Therefore, as described above, it is required to control the temperature of the sensor electrode 212 with another electrode such as the pump electrode 211.
  • the temperature fluctuation of the sensor electrode 212 in the sensor element 2 is preferably within ⁇ 30 ° C.
  • the temperature fluctuation exceeds 30 ° C. and the temperature of the sensor electrode 212 becomes high, the water in the exhaust gas is decomposed at the sensor electrode 212 to generate oxygen, and the specific gas component concentration in the measurement gas G is detected. May adversely affect accuracy.
  • the sensor electrode 212 may be thermally deteriorated, and this heat deterioration may also adversely affect the detection accuracy.
  • the temperature fluctuation exceeds 30 ° C. and the temperature of the sensor electrode 212 becomes low, the temperature is too low to sufficiently detect the specific gas component concentration in the gas G to be measured, and the detection accuracy decreases. There is a fear.
  • the proximal end position 513 of the inner side surface flow hole 511 in the inner cover 5 is set to the distal end side in the axial direction from the distal end position 211 F of the pump electrode 211 of the sensor element 2. Place in Z1.
  • the technology of the present disclosure is not limited to the above-described embodiments and experimental examples. Various changes can be made to the technology of the present disclosure without departing from the gist thereof.
  • the sensor element 2 does not necessarily have the monitor electrode 214 and the monitor cell 214m. Even in this case, the above-described effects can be obtained by employing the configuration of the present disclosure.

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Abstract

ガスセンサは、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、これを内側に挿通して保持するハウジング３と、その軸方向先端側Ｚ１に配設された素子カバー４とを備える。センサ素子２の軸方向先端２１には、ガス導入部２５が設けられている。素子カバー４は、インナカバー５と、その外側に空間４１を空けて配設されたアウタカバー６とを有する。インナカバー５に設けられたインナ側面流通孔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。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以下である。

Description

ガスセンサ
　本開示は、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。例えばガスセンサは、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、センサ素子には、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）とから構成され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
　上記従来の構成のガスセンサでは、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。しかし、従来の構成のガスセンサでは、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、従来の構成のガスセンサでは、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では、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。
　本開示は、センサ素子の被水割れを防止し、かつ、センサ出力の応答性の低下を抑制できるガスセンサを提供することを目的とする。
　本開示の技術の一態様であるガスセンサ（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、
　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、
　前記センサ素子の先端（２１）には、該センサ素子の内部に前記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、
　前記素子カバーは、前記センサ素子の前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、
　前記インナカバーの側面（５１）には、前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、前記インナカバーの底面（５２）には、前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、
　前記インナカバーには、前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、前記インナ側面流通孔は、前記縮径段差部よりも軸方向基端側（Ｚ２）に設けられており、
　前記アウタカバーの側面（６１）には、前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、
　前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、前記インナカバーの前記底面よりも前記軸方向先端側に配置するように設けられており、
　前記センサ素子の前記先端と前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。
　本開示のガスセンサでは、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構成される素子カバーによって覆われている。そして、本開示のガスセンサでは、縮径段差部を有するインナカバー及びアウタカバーに、各流通孔が所定の位置関係で設けられている。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は１．６ｍｍ以下に調整されている。そのため、上記ガスセンサでは、センサ素子への被水量を減らし、かつ、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できる。したがって、本開示のガスセンサでは、センサ素子の被水割れを防止し、かつ、センサ出力の応答性の低下を抑制できる。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、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る。よって、該当記載は、本開示の技術範囲を限定するものではない。
図１は実施形態１～４における、ガスセンサの断面図である。 図２は実施形態１における、ガスセンサの素子カバーの断面図である。 図３は実施形態１～４における、アウタカバーの側面図である。 図４は図３のIV－IV線矢視断面図である。 図５は図３のＶ－Ｖ線矢視断面図である。 図６は実施形態１～４における、アウタカバーの底面図である。 図７は実施形態１～４における、インナカバーの側面図である。 図８は図７のVIII－VIII線矢視断面図である。 図９は実施形態１における、インナカバーの底面図である。 図１０は図７のＸ－Ｘ線矢視断面図である。 図１１は実施形態２における、センサ素子のカバーの断面図である。 図１２は実施形態３における、センサ素子のカバーの断面図である。 図１３は実験例１～３における、センサの応答時間の測定方法の概略図である。 図１４は実験例１～３における、被水面積の測定方法の概略図である。 図１５Ａは実験例１における、カーボンを塗布したセンサ素子の側面図である。 図１５Ｂは実験例１における、被水後のセンサ素子の側面図である。 図１６Ａは実験例１における、カーボンを塗布したセンサ素子の先端面の図である。 図１６Ｂは実験例１における、被水後のセンサ素子の先端面の図である。 図１７は実験例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である。 図１８は実験例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である。 図１９は実験例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である。 図２０は実施形態４における、センサ素子の軸方向断面図である。 図２１は図２０のXXI－XXI線矢視断面図である。 図２２は図２０のXXII－XXII線矢視断面図である。 図２３は実施形態４における、ガスセンサの素子カバーの断面図である。 図２４は実験例４における、センサ電極の温度変動の測定方法の概略図である。 図２５は実験例４における、経過時間ｔとセンサ電極温度Ｔsとの関係図である。 図２６は実験例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を示す図である。 図２７は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である。
（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、以降の説明では、「軸方向先端側」とは、ガスセンサの軸方向Ｚ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に示すように、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の軸方向先端側Ｚ１の端部（以下「センサ素子２の先端部」という）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、軸方向先端側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よりも軸方向先端側Ｚ１に配置するように設けられている。
　また、ガスセンサ１では、図２に示すように、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との位置関係については、図２に示すように、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。また、図示を省略するが、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、上述したように１．６ｍｍ以下であればよい。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に示すように、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、排ガス中のＮＯｘ濃度に依存して、電極（非図示）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、センサ素子２として有している。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構成されるガス導入部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、例えば、長尺板状のセンサ素子２の軸方向Ｚにおける先端面に形成できる。センサ素子２の電極（非図示）が配置される位置には、ヒータ（非図示）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（air-fuel ratio）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の軸方向基端側Ｚ２の端部（以下「センサ素子２の基端部」という）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の軸方向基端側Ｚ２の開口部（基端開口部）は、ゴムブッシュ等の封止部材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が貫通して配置されている。
　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の基端部を覆う第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に示すように、ハウジング３の軸方向先端側Ｚ１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の外側に空間４１を空けて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の軸方向先端側Ｚ１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の軸方向基端側Ｚ２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に示すように、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における位置が同じである。
　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。なお、図５及び図６では、図面における紙面と垂直方向が軸方向Ｚであり、図示されている表側が軸方向先端側Ｚ１で、図示されていない裏側が軸方向基端側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、上述したような円形穴だけでなく、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可能である。
　次に、図２及び図７～図１０に示すように、インナカバー５は、軸方向基端側Ｚ２から順に、次のような部材を有している。具体的には、インナカバー５は、同径のまま軸方向Ｚに伸びる第１側面５１ａ、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、同径のまま軸方向Ｚに伸びる第２側面部５１ｂ、及び軸方向先端側Ｚ１を閉塞する底面５２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孔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、上述したような円形穴だけでなく、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可能である。
　図２に示すように、素子カバー４では、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、本実施形態では、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における位置が同じとなるように配置されている。また、図１及び図２に示すように、ガスセンサ１では、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に示すように、ガスセンサ１では、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とから構成される素子カバー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は、図２の破線矢印Ｇ１～Ｇ４によって表されている。
　図２の破線矢印Ｇ１に示すように、排ガスは、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の内部に導入される。そして、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に示すように、アウタカバー６の内壁（内側面）に衝突する。そして、軸方向基端側Ｚ２に巻き上げられる。これに対し、本実施形態のガスセンサ１では、インナカバー５は、上述したような縮径段差部５３を有している。そのため、破線矢印Ｇ２に示すように、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に衝突する。その結果、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。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２の被水を防げる（センサ素子２の被水割れを防止できる）。
　一方、巻き上げられた排ガスや水分の一部は、破線矢印Ｇ３に示すように、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５の内部に導入される。これに対し、本実施形態のガスセンサ１では、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１．６ｍｍ以下に調整されている。そのため、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５の内部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できる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２への被水量を少なくでき、センサ素子２の被水割れを防止できる。また、破線矢印Ｇ３に示すように、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に示すように、インナ底面流通孔５２１から排出される。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、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できる。
　また、図２に示すように、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とは、ガスセンサ１の軸方向Ｚにおいて位置が同じである。このように、アウタ側面流通孔６１１の基端位置６１３は、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で示すように、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（空間４１）へ排出される排ガスの流量を増大させられる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、インナカバー５の内部におけるガスの交換性が向上し、センサ出力の応答性をさらに向上させられる。
　また、図１～図５に示すように、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、例えば、ガスセンサ１の軸方向先端側Ｚ１を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と内部を流れる排ガスとの流速差によって、アウタカバー６の内部を負圧にできる。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を流れる排ガスの流速と、アウタカバー６の内部を流れる排ガスの流速との差によって、アウタカバー６の内部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の内部におけるガスの流速を高められる。その結果、本実施形態のガスセンサ１では、アウタカバー６の内部だけでなくインナカバー５の内部におけるガスの交換性を向上させられる。したがって、センサ出力の応答性をさらに向上させられる。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。そのため、センサ素子２への被水量をさらに少なくできる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２の被水割れをさらに防止できる。
　以上のように、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２の被水割れを防止し、かつ、センサ出力の応答性の低下を抑制できる。
（実施形態２）
　次に、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（Φ１／Φ２）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、上述した実施形態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と同様の構成要素を表す。
　図１１に示すように、本実施形態のガスセンサ１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、次の関係式［１］を満たしている。
０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５・・・［１］
なお、上述した、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。
　上述したように、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（関係式［１］）を満たす場合には、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の破線矢印Ｇ２に示すように、巻き上げられた排ガス中に含まれる水分は、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。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２への被水量をさらに少なくでき、被水割れをさらに防止できる。また、上記所定の関係（関係式［１］）を満たす場合には、破線矢印Ｇ３に示すように、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５の内部に流入し、センサ素子２の先端２１付近を流通する排ガスの流速をさらに高められる。また、インナカバー５の底面５２の面積が小さくなることを抑制できるため、インナ底面流通孔５２１が小さくなりすぎることを防止できる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、インナ底面流通孔５２１から排出される排ガス（破線矢印Ｇ４）の流量の低下を防止できる。以上のような観点からも、本実施形態のガスセンサ１では、センサ出力の応答性をさらに向上させられる。
　本実施形態では、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、上記所定の関係（関係式［１］）を満たす部分を有していれば、上述したような効果が得られる。より好ましくは、素子カバー４が、縮径段差部５３よりも軸方向先端側Ｚ１における全ての領域において、上記所定の関係（関係式［１］）を満たしているとよい。この場合には、センサ素子２の被水量をさらに抑制でき、センサ出力の応答性をさらに向上させられる。なお、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可能であることから、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
（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との合計の長さＬ３の比（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に示すように、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との合計の長さＬ３と、インナカバー５の全長Ｌ２とが、次の関係式［２］を満たしている。
０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７・・・［２］
　インナカバー５の全長Ｌ２は、図１２に示すように、インナカバー５とアウタカバー６との間に形成される空間４１の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の長さである。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の長さである。したがって、上記合計の長さＬ３は、インナカバー５における、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の長さである。
　上述したように、長さＬ２と長さＬ３とが上記所定の関係（関係式［２］）を満たす場合には、ガスセンサ１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。そのため、図１２の破線矢印Ｇ２に示すように、排ガス中に含まれる水分は、アウタカバー６の内壁（内側面）に衝突して、軸方向基端側Ｚ２に巻き上げられても、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、破線矢印Ｇ５に示すように、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は、インナカバー５の第２側面部５１ｂに衝突すると、軸方向基端側Ｚ２へ巻き上げられる。これに対し、上記所定の関係（関係式［２］）を満たす場合には、第２側面部５１ｂへの水分の衝突量を減らせる。その結果、軸方向基端側Ｚ２への水分の巻き上がり量を減らせる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ素子２への被水量をさらに少なくでき、被水割れをさらに防止できる。
　また、上記所定の関係（関係式［２］）を満たす場合には、インナカバー５の内部の容積を小さくできる。そのため、破線矢印Ｇ３に示すように、インナ側面流通孔５１１からインナカバー５の内部に流入し、センサ素子２の先端２１付近を流通する排ガスの流速を高められる。これにより、本実施形態のガスセンサ１では、センサ出力の応答性をさらに向上させられる。
　なお、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可能であることから、実施形態１又は実施形態２と同様の作用効果を奏する。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では、次のような条件［ａ］～［ｃ］が満たされていることが特に好ましい。
［ａ］：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以下である。
［ｂ］：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、関係式［１］（０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５）を満たす。
［ｃ］：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との合計の長さＬ３と、インナカバー５の全長Ｌ２とが、関係式［２］（０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７）を満たす。
この場合には、センサ素子２の被水割れをより一層防止でき、センサ出力の応答性をより一層向上させられる。
（実験例１）
　本実験例では、実施形態１で示した、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の長さが異なる複数のガスセンサを対象に、センサ出力の応答性、及び、センサ素子２への被水量を評価する。なお、実施形態１では、ＮＯｘセンサ素子を有するガスセンサ（ＮＯｘセンサ）について説明したが、本実験例以降では、Ａ／Ｆセンサ素子を備えたガスセンサ（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。これは、Ａ／Ｆセンサの方がＮＯｘセンサよりも、素子カバー４の構成の変更による影響を受けやすいためである。本実験例に使用したガスセンサの構成は、センサ素子２の種類が異なる点を除き、実施形態１と同様である。なお、本実験例以降において用いた符号のうち、上述した実施形態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と同様の構成要素を表す。
「６３％応答時間（Ｔ６３）」
　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に示すように、ディーゼルエンジン７１に連結された排気管７２に、実験対象であるガスセンサ１を取り付けた。次に、ガスセンサ１のセンサ素子２が内蔵するヒータ（非図示）を発熱させ、センサ素子２が内蔵する電極（非図示）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）。また、図１３に示すように、ディーゼルエンジン７１を作動させることによって、ガス流速１５ｍ／ｓの排ガスを排気管７２内に流通させた。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（Ａ／Ｆ）を３０から４０に変化させたときから、ガスセンサ１の出力が６３％変化するまでに要する時間（６３％応答時間）を計測した。本実験例では、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それぞれについて、６３％応答時間を測定した（図２参照）。そして、距離Ｌ１が０ｍｍ（Ｌ１＝０ｍｍ）となるガスセンサの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２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。具体的には、まず、板状のセンサ素子２の側面と先端面とにカーボンを塗布することによって、センサ素子２を黒色に着色させた（図１５Ａ及び図１６Ａ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）。次に、図１４に示すように、パイプ７４内に、ガスセンサ１と水噴射ノズル７５とを取り付けた。ガスセンサ１及び水噴射ノズル７５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、同じ高さとなるように調整した（図１、図２、及び図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Ａを、流速１２．６ｍ／ｓで加熱パイプ７６からパイプ７４内に送り込む。さらに、ガスセンサ１の内部におけるセンサ素子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２が被水した場合には、例えば、図１５Ｂ及び図１６Ｂに示すように、被水した部分のカーボンが剥がれ、黒色から灰色又は白色へと変化する。このように変化した領域（カーボンが剥がれた領域）の面積を、画像解析によって測定した。この面積が被水面積である。本実験例では、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それぞれについて、被水面積を測定した。そして、距離Ｌ１が０ｍｍ（Ｌ１＝０ｍｍ）となる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。
　図１７に示す６３％応答時間及び被水面積は、５つのガスセンサを用いた測定値から算出された値である。具体的には、図１７には、算出された値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。なお、後述する図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（＋）で表されている。一方、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負（－）で表されている（図２参照）。
　図１７に示すように、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（－１．６ｍｍ≦Ｌ１≦＋１．６ｍｍの場合）には、６３％応答時間が短くなり、センサ出力の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の被水割れを防止できる。一方、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（－１．６ｍｍ＞Ｌ１の場合）には、６３％応答時間が顕著に増大し、センサ出力の応答性が低下している。また、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（＋１．６ｍｍ＜Ｌ１の場合）には、６３％応答時間が増大し、センサ出力の応答性が低下している。さらに、この場合には、被水面積が顕著に増大しており、センサ素子２の被水割れが起こり易くなっている。したがって、距離Ｌ１は、±１．６ｍｍ以内（－１．６ｍｍ≦Ｌ１≦＋１．６ｍｍ）が好ましい。センサ素子２の被水割れをより一層防止でき、センサ出力の応答性をより一層向上させるという観点から、距離Ｌ１は、±１．３ｍｍ以内（－１．３ｍｍ≦Ｌ１≦＋１．３ｍｍ）であることが好ましく、±１ｍｍ以内（－１ｍｍ≦Ｌ１≦＋１ｍｍ）であることがより好ましい。
　このように、本実験例からは、次のようなことがわかる。具体的には、ガスセンサ１では、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を、１．６ｍｍ以下にする。このようにすることで、ガスセンサ１では、センサ素子２の被水割れを防止し、かつ、センサ出力の応答性の低下を抑制できる（図１及び図２参照）。
（実験例２）
　本実験例では、実施形態２で示した、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（Φ１／Φ２）が異なる複数のガスセンサを対象に、センサ出力の応答性、及び、センサ素子２への被水量を評価する（図１１参照）。センサ素子２の種類が、上述した実験例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２への被水量の評価方法は、上述した実験例１と同様である。本実験例では、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の比が０．９（Φ１／Φ２＝０．９）となるガスセンサの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に示すように、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、関係式［１］（０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５）を満たす場合には、６３％応答時間がより短くなり、センサ出力の応答性が向上している。また、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の比が０．５以下の場合（Φ１／Φ２≦０．５の場合）には、被水面積がより小さくなり、センサ素子２の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、センサ素子２の被水割れをより一層防止でき、センサ出力の応答性をより一層向上させるという観点から、インナカバー５の外径Φ１とアウタカバー６の内径Φ２とは、関係式［１］（０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５）を満たしていることが好ましい。さらに、インナカバー５の外径Φ１とアウタカバー６の内径Φ２とは、次の関係式［１－１］を満たしていることがより好ましい。
０．２≦Φ１／Φ２≦０．４・・・［１－１］
（実験例３）
　本実験例では、実施形態３で示した、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との合計の長さＬ３の比（Ｌ３／Ｌ２）が異なる複数のガスセンサを対象に、センサ出力の応答性、及び、センサ素子２への被水量を評価する（図１２参照）。センサ素子２の種類が、上述した実験例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、上述した実験例１と同様である。本実験例では、長さＬ２に対する長さＬ３の比が０．９（Ｌ３／Ｌ２＝０．９）となるガスセンサの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に示すように、長さＬ２と長さＬ３とが、関係式［２］（０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７）を満たしている場合には、被水面積がより小さくなり、センサ素子２の被水割れをより一層防止できる。また、長さＬ２に対する長さＬ３の比が０．７以下の場合（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さらに向上させられることがわかる。したがって、センサ素子２の被水割れをより一層防止でき、センサ出力の応答性をより一層向上させるという観点から、長さＬ２と長さＬ３とは、関係式［２］（０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７）を満たしていることが好ましい。さらに、長さＬ２と長さＬ３とは、次の関係式［２－１］を満たしていることがより好ましい。
０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．６・・・［２－１］
（実施形態４）
　次に、センサ素子２のポンプ電極の先端位置と、インナカバー５におけるインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３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。図２０～図２３に示すように、本実施形態のガスセンサ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に示すように、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、被測定ガス室２４１、及び基準ガス室２４２を備える。さらに、センサ素子２は、ポンプ電極２１１、センサ電極２１２、基準電極２１３、モニタ電極２１４、及びヒータ２３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により、排ガス等の被測定ガスＧが導入される空間であり、例えば、単一の空間により形成されている。一方、基準ガス室２４２は、センサ素子２の軸方向基端側Ｚ２に配置された基準ガス導入部（非図示）により、空気等の基準ガスＧＡが導入される空間であり、例えば、単一の空間により形成されている。
　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によって構成される。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てもよい。
　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ＧＡ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に示すように、固体電解質体２０の第１主面２０１上には、ポンプ電極２１１、センサ電極２１２、及びモニタ電極２１４が形成されており、各電極２１１、２１２、２１４は、被測定ガス室２４１に面している。一方、図２０及び図２１に示すように、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、基準ガス室２４２に面している。図２０～図２２に示すように、ポンプ電極２１１は、第１主面２０１における軸方向先端側Ｚ１に形成されている。これに対し、センサ電極２１２及びモニタ電極２１４は、第１主面２０１において、ポンプ電極２１１よりも軸方向基端側Ｚ２に位置し、互いに並列に形成されている。
　図２０に示すように、センサ素子２では、ポンプ電極２１１、固体電解質体２０の一部２０ｐ、及び基準電極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。ポンプセル２１１ｐは、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内の酸素を除去する。これにより、被測定ガス室２４１内における被測定ガスＧ中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では、図２１に示すように、モニタ電極２１４、固体電解質体２０の一部２０ｍ、及び基準電極２１３によって、被測定ガスＧ中の残留酸素濃度を検出するモニタセル２１４ｍが形成されている。モニタセル２１４ｍ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。これにより、被測定ガス室２４１内における被測定ガスＧ中の残留酸素濃度が検出される。
　一方、図２０及び図２１に示すように、センサ素子２では、センサ電極２１２、固体電解質体２０の一部２０ｓ、及び基準電極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は、固体電解質体２０の一部２０ｓを介して、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。これにより、被測定ガス室２４１内における被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度が検出される。
　被測定ガス室２４１内に導入される被測定ガスＧのガス導入部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。つまり、被測定ガスＧは、被測定ガス室２４１内に導入されると、軸方向先端側Ｚ１で酸素濃度が調整された後に、軸方向基端側Ｚ２へと流れる。したがって、モニタセル２１４ｍでは、ポンプセル２１１ｐにより、酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中の残留酸素濃度が検出される。同様に、センサセル２１２ｓでは、ポンプセル２１１ｐにより、酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度が検出される。本実施形態では、センサセル２１２ｓの出力（検出値）からモニタセル２１４ｍの出力（検出値）を差し引くことにより、被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度の検出に、残留酸素が与える影響を補正できる。なお、被測定ガス室２４１内では、軸方向先端側Ｚ１が被測定ガス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、セラミックスによって構成される絶縁体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に対向するように配置されており、センサ素子２に積層して形成されている。本実施形態のガスセンサ１では、ヒータ２３への印加電力は、例えば図２４に示す外部の制御装置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及びセンサ制御回路７７２、またこれらに接続されたコンピュータ７７３等が挙げられる。ガスセンサ１では、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が所定の温度になるように制御される。具体的には、センサ素子２における、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発熱体２３２とを有している。発熱体２３２は、通電によって発熱する。第１絶縁体２２Ａ、第２絶縁体２２Ｂ、第３絶縁体２２Ｃは、いずれもスペーサである。
　被測定ガス室２４１の軸方向先端側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、所定の拡散抵抗の下で、被測定ガス室２４１に被測定ガス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に示すように、ガスセンサ１では、センサ素子２の軸方向先端側Ｚ１が、素子カバー４の内部に挿入されている。つまり、センサ素子２の軸方向先端側Ｚ１は、素子カバー４の内部に配置されている。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におけるインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３は、センサ素子２におけるポンプ電極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、インナ側面流通孔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。
　インナ側面流通孔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、次のようにして調整できる。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。別の方法としては、例えば、インナカバー５の内部へのセンサ素子２の挿入幅を調整することにより、インナカバー５の内部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におけるインナ側面流通孔５１１の形成位置、形状、大きさ等を調整する方法がある。
　本実施形態のガスセンサ１では、図２３の破線矢印Ｇ１に示すように、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。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内に流入した排ガスの一部は、破線矢印Ｇ２，Ｇ３に示すように、アウタカバー６の内壁（内側面）に衝突して、軸方向基端側Ｚ２に巻き上げられる。巻き上げられた排ガスの一部は、破線矢印Ｇ３に示すように、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（排ガスの流れ方向の下流側に位置するインナ側面流通孔５１１）からインナカバー５の内部に流入する。その結果、排ガスの一部は、センサ素子２のガス導入部２５の周囲に到達する。
　上述したように、インナカバー５におけるインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３は、センサ素子２におけるポンプ電極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。この中で、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、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３とは、軸方向Ｚにおけるインナ側面流通孔５１１の最基端の位置である。なお、例えば、インナ側面流通孔５１１が複数ある場合には、各インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３のうちの最基端の位置である。
　先端位置２１１Ｆと基端位置５１３との位置関係の比較は、次のようにして行える。例えばまず、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、これらを固定する。そして、必要に応じて、インナカバー５、アウタカバー６、及びセンサ素子２を所定の位置で切断し研磨する。この切断や研磨等により、例えば、ポンプ電極２１１の軸方向先端側Ｚ１を、センサ素子２から露出させる。その上で、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆと、インナカバー５におけるインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３とを比較できる。実際の比較は、例えば、先端位置２１１Ｆにおける軸方向Ｚと垂直な面（径方向Ｘと平行な面）と、基端位置５１３における軸方向Ｚと垂直な面との間の最短距離Ｌ４を求め、求めた結果に基づいて行う。具体的には、最短距離Ｌ４が０ｍｍより大きい場合（Ｌ４＞０ｍｍの場合）には、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３が、ポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆより軸方向先端側Ｚ１にあると判定される。一方、最短距離Ｌ４が０ｍｍ以下の場合（Ｌ４≦０ｍｍの場合）には、インナ側面流通孔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、又は、軸方向基端側Ｚ２にあると判定される。
　最短距離Ｌ４が０より大きく、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆより軸方向先端側Ｚ１にある場合には、図２３の破線矢印Ｇ３に示すように、センサ素子２の温度よりも低温又は高温の排ガスが、インナカバー５の内部に流入しても、センサ素子２におけるポンプ電極２１１の形成位置にあたりにくい。そのため、ポンプセル２１１ｐのインピーダンスは、排ガスの温度変動による影響を受けにくい。その結果、本実施形態のガスセンサ１では、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が所定の温度になるように、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でき、そのばらつきも小さくできる。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、特定ガス成分濃度の検出精度が向上する。さらに、本実施形態のガスセンサ１では、実施形態１と同様に、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、上述した所定の位置関係に調整されている。そのため、図２３の破線矢印Ｇ３，Ｇ４に示すように、インナカバー５の内部に流入した排ガスは、センサ素子２の先端２１よりも軸方向先端側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できる。この観点からも、上述した温度変動を小さくできると考えられる。
　これに対し、最短距離Ｌ４がマイナスであり、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆより軸方向基端側Ｚ２にある場合には、図２７の破線矢印Ｇ３に示すように、インナカバー５の内部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のインピーダンスは、排ガスの温度変動による影響を受けやすい。すなわち、例えば、センサ素子２の温度よりも低温の排ガスが、インナカバー５の内部に流入し、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、上記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。そのため、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Ｇ中の特定ガス成分濃度の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２の温度よりも高温の排ガスが、インナカバー５の内部に流入し、ポンプ電極２１１の形成位置にあたると、センサ素子２が部分的に加熱され、ポンプ電極２１１の温度が上昇する。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の状態で、センサ電極２１２において特定ガス成分濃度の検出が行われてしまう。この場合にも、被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度の検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。
　被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度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、最短距離Ｌ４は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。つまり、インナ側面流通孔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以上軸方向先端側Ｚ１にあることが好ましい。同様の観点から、最短距離Ｌ４は、１ｍｍ以上であることがより好ましい。つまり、インナ側面流通孔５１１の基端位置５１３がポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆよりも１ｍｍ以上軸方向先端側Ｚ１にあることがより好ましい。
　本実施形態のガスセンサ１は、その他に、実施形態１と同様の構成を備え、実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態は、実施形態２、実施形態３、又は、実施形態２及び実施形態３との組み合わせが可能であることから、この場合には、上述した各実施形態と同様の作用効果を奏する。
（実験例４）
　本実験例では、センサ素子２におけるポンプ電極２１１の先端位置２１１Ｆと、インナカバー５におけるインナ側面流通孔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、センサ素子２におけるセンサ電極２１２の温度変動を比較する（図２０～図２３参照）。
　具体的には、まず、２種類のガスセンサとして、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におけるインナ側面流通孔５１１の基端位置５１３がセンサ素子２におけるポンプ電極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では、インナ側面流通孔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、最短距離Ｌ４が＋１ｍｍ（Ｌ４＝＋１ｍｍ）である（図２３参照）。
　一方、センサＢは、図２７に示すように、インナ側面流通孔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では、インナ側面流通孔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、最短距離Ｌ４が－１ｍｍ（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。
　本実験例では、これらのセンサＡ及びセンサＢについて、センサ電極２１２の温度変動を比較した。具体的には、まず、図２４に示すように、ディーゼルエンジン７１に連結された排気管７２に、実験対象であるガスセンサＰ（以下「実験対象センサＰ」という）を取り付けた。次に、図２０～図２４に示すように、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。次に、センサ素子２のポンプセル２１１ｐ間、センサセル２１２ｓ間、及びモニタセル２１４ｍ間に電圧を印加することによって、実験対象センサＰを駆動させた。また、ディーゼルエンジン７１を駆動させ、ガス流速４０ｍ／ｓ及び温度２００℃（ガス流通条件）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の軸方向基端側Ｚ２に配置された基準ガス導入部（非図示）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では、まず、ディーゼルエンジン７１を駆動しない状態において、実験対象センサＰ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。次に、上記ガス流通条件になるように、ディーゼルエンジン７１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、温度変動を算出した（図２５参照）。
　図２５のグラフでは、横軸が経過時間ｔを表し、縦軸がセンサ電極温度Ｔｓを表している。横軸における時間ｔ１は、実験対象センサＰの駆動開始時を示し、時間ｔ２は、エンジン駆動開始時を示す。また、ΔＴｓは、センサ電極２１２の温度変動を示す。本実験例では、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。
　実験対象センサＰでは、上述したように、ポンプセル２１１ｐ（ポンプ電極２１１）のインピーダンスと温度との関係に基づいて、センサ制御回路７７２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、上述したように、ディーゼルエンジン７１の駆動により、センサ素子２の温度よりも低温の排ガスが供給されると、実験対象センサＰでは、ポンプ電極２１１の温度が低下するおそれがある。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で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る。その結果、実験対象センサＰでは、図２５に示すように、センサ電極２１２の温度が、所定の温度よりも高くなる。
　図２６に示すように、実験対象センサＰがセンサＡの場合には、センサ素子２におけるセンサ電極２１２の温度変動が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では、インナ側面流通孔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に配置されているからである。そのため、センサＡでは、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る。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。図２６に示すセンサＡの実験結果は、上記理由により得られたものと考えられる。
　一方、センサＢの場合には、インナ側面流通孔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に配置されているため、ポンプ電極２１１の形成位置に排ガスがあたりやすい。これにより、センサ素子２が冷やされる。そのため、センサＢでは、センサ素子２を所定の温度に制御するためにヒータ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、センサＢでは、図２６に示すように、センサ素子２におけるセンサ電極２１２の温度変動が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、インナ側面流通孔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（Ｌ４＝０ｍｍ）の場合には、センサ素子２におけるセンサ電極２１２の温度変動が約５０℃になり、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では、ポンプ電極２１１やセンサ電極２１２等の複数の電極が形成されている。そのため、上述したように、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。本実験例のように、センサ電極２１２を、例えば６００℃に設定している場合には、センサ素子２におけるセンサ電極２１２の温度変動は、±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、被測定ガスＧ中の特定ガス成分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、被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度を十分に検出できなくなり、検出精度が低下するおそれがある。
　したがって、本実験例からは、次のようなことがわかる。具体的には、実施形態４で説明したように、ガスセンサ１では、インナカバー５におけるインナ側面流通孔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。このようにすることで、ガスセンサ１では、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。その結果、センサ素子２の温度制御が容易になり、被測定ガスＧ中の特定ガス成分濃度に対する検出精度を向上させられる。
　本開示の技術は、上述した実施形態や実験例に限定されない。本開示の技術は、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２１４、モニタセル２１４ｍを有していなくてもよい。この場合であっても、本開示の構成を採用することにより、上述した作用効果を奏する。
　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 (7)

  1. 　被測定ガス（Ｇ）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、
    　前記センサ素子の先端（２１）には、該センサ素子の内部に前記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、
    　前記素子カバーは、前記センサ素子の前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、
    　前記インナカバーの側面（５１）には、前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、前記インナカバーの底面（５２）には、前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、
    　前記インナカバーには、前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、前記インナ側面流通孔は、前記縮径段差部よりも軸方向基端側（Ｚ２）に設けられており、
    　前記アウタカバーの側面（６１）には、前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、
    　前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）が前記インナカバーの前記底面よりも前記軸方向先端側に配置するように設けられており、
    　前記センサ素子の前記先端と前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）。
  2. 　前記インナカバーの前記縮径段差部よりも前記軸方向先端側において、前記インナカバーの外径Φ１と前記アウタカバーの内径Φ２とが、０．１５≦Φ１／Φ２≦０．５の関係を満たす、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　前記ガスセンサの軸方向（Ｚ）において、前記インナカバーの全長Ｌ２と、前記インナカバーの前記縮径段差部と該縮径段差部より前記軸方向先端側にある前記インナカバーとの合計の長さＬ３とが、０．５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．７の関係を満たす、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 　前記ガスセンサの軸方向（Ｚ）において、前記アウタ側面流通孔は、該アウタ側面流通孔の基端位置（６１３）が前記インナカバーの前記底面と同じ位置、又は、該底面よりも前記軸方向基端側に配置するように設けられている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  5. 　前記センサ素子は、
    　前記ガス導入部より前記被測定ガスが導入される被測定ガス室（２４１）と、
    　基準ガスが導入される基準ガス室（２４２）と、
    　前記被測定ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記被測定ガス室に面する第１主面（２０１）と、前記基準ガス室に面する第２主面（２０２）と、を有し、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２０）と、
    　前記固体電解質体の前記第２主面に形成された基準電極（２１３）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に形成され、前記基準電極と前記固体電解質体の一部（２０ｐ）とともに、前記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（２１１ｐ）を構成するポンプ電極（２１１）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に形成され、前記基準電極と前記固体電解質体の一部（２０ｓ）とともに、前記ポンプセルによって前記酸素濃度を調整した後の前記被測定ガス中における前記特定ガス濃度に応じた信号を出力するセンサセル（２１２ｓ）を構成するセンサ電極（２１２）と、
    　前記基準ガス室を介して前記固体電解質体に対向配置され、前記固体電解質体を加熱するヒータ（２３）と、を備え、
    　前記ポンプ電極は、前記センサ電極よりも前記センサ素子の前記軸方向先端側に形成されており、
    　前記ガスセンサの軸方向（Ｚ）において、前記インナカバーにおける前記インナ側面流通孔の前記基端位置が前記ポンプ電極の先端位置（２１１Ｆ）よりも前記軸方向先端側にある、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  6. 　前記固体電解質体の前記第１主面に形成され、前記基準電極と前記固体電解質体の一部（２０ｍ）とともに、前記ポンプセルにより、前記被測定ガス中の前記酸素濃度を調整した後の前記被測定ガス中における酸素濃度を検出するモニタセル（２１４ｍ）を構成するモニタ電極（２１４）を、さらに備え、
    　前記被測定ガス室（２４１）は、単一の空間により形成される、請求項５に記載のガスセンサ。
  7. 　前記ヒータは、外部の制御装置（７７）により、前記ポンプセルのインピーダンスに基づいて印加電力が制御される、請求項５又は６に記載のガスセンサ。
     
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