JP2013238584A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭの堆積等に起因する応答性の低下を防止することができ、耐被水性、応答性に優れたガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサ１は、センサ素子２とハウジング１３と素子カバー１４とを備えている。素子カバー１４は、インナカバー３とアウタカバー４とを有する。アウタカバー４は、アウタ導入孔４１とアウタ排出孔４２とを有する。インナカバー３は、インナ導入孔３１とインナ排出孔３２とを有する。アウタカバー４の外側には、アウタ導入孔４１の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した保護カバー５が配設されている。インナカバー３には、先端側に向かって縮径する縮径段差部３３が設けられている。縮径段差部３３は、軸方向Ｘにおいて、アウタ導入孔４１とインナ導入孔３１との間の位置に設けられている。インナカバー３の内径をＡ、センサ素子２の先端部２１の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、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。

従来、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。
ガスセンサとしては、例えば、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たものがある。

上記ガスセンサは、センサ素子の表面に被測定ガスである排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、センサ素子に大きな熱衝撃が加わり、被水割れが発生することがある。

例えば、特許文献１には、被水割れの対策として、センサ素子の先端部を覆うインナカバーと該インナカバーの外側に配設されたアウタカバーとからな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。
このガスセンサでは、アウタカバーの外側開口部から導入された排ガス及び凝縮水をアウタカバーとインナカバーとの間の空間において分離する。そして、凝縮水をアウタカバーの排出用開口部から排出し、排ガスをインナカバーの内側開口部から導入する。これにより、インナカバー内への凝縮水の侵入を抑制すると共、排ガスを十分に導入することができる。その結果、センサ素子の被水割れを防止すると共に、ガスセンサの応答性を十分に確保することができる。

特開２００７−３１６０５１号公報

しかしながら、上記特許文献１のガスセンサを粒子状物質（以下、ＰＭという）が発生するディーゼル等の内燃機関等に使用した場合には、排ガスと共に飛来したＰＭがアウタカバーに付着する。また、ＰＭが排ガスと共にアウタカバーの外側開口部から内部に侵入し、インナカバーに付着する。そのため、アウタカバーの外側開口部近傍、インナカバーの内側開口部近傍に堆積すると、排ガスの導入が妨げられることになり、ガスセンサの応答性が低下することがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ＰＭの堆積等に起因する応答性の低下を防止することができ、耐被水性、応答性に優れたガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一の態様は、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、
該素子カバーは、上記センサ素子の先端部を覆うように配設されたインナカバーと、該インナカバーの外側に配設されたアウタカバーとを有し、
該アウタカバーは、被測定ガスを導入するアウタ導入孔と、該アウタ導入孔よりも先端側に設けられたアウタ排出孔とを有し、
上記インナカバーは、上記アウタ導入孔よりも基端側に設けられた被測定ガスを導入するインナ導入孔と、該インナ導入孔よりも先端側に設けられたインナ排出孔とを有し、
上記アウタカバーの外側には、上記アウタ導入孔の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した筒状の保護カバーが配設されており、
上記インナカバーには、先端側に向かって縮径する縮径段差部が設けられており、
該縮径段差部は、軸方向において、上記アウタ導入孔と上記インナ導入孔との間の位置に設けられており、
上記インナカバーの内径をＡ、上記センサ素子の先端部の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たすことを特徴とするガスセンサにある（請求項１）。

上記ガスセンサにおいて、アウタカバーの外側には、アウタ導入孔の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した筒状の保護カバーが配設されている。そのため、被測定ガスと共に飛来する凝縮水や粗大なＰＭ（例えば粒径が０．１μｍ以上）が直接的にアウタ導入孔からアウタカバー内（アウタカバーとインナカバーとの間の空間）に侵入すること、粗大なＰＭがアウタ導入孔近傍に堆積することを、アウタ導入孔を覆う保護カバーによって抑制することができる。
一方、被測定ガスは、開口した先端側から保護カバー内（保護カバーとアウタカバーとの間の空間）に入り込み、アウタ導入孔からアウタカバー内に導入される。これにより、被測定ガスをアウタカバー内に十分に導入することができる。

また、インナカバーには、先端側に向かって縮径する縮径段差部が設けられており、縮径段差部は、軸方向において、アウタ導入孔とインナ導入孔との間の位置に設けられている。そのため、例え凝縮水が被測定ガスと共にアウタ導入孔からアウタカバー内に侵入したとしても、その凝縮水をアウタ導入孔からインナ導入孔までの途中にある縮径段差部に衝突させ、凝縮水がインナ導入孔に到達することを抑制することができる。そして、縮径段差部に衝突させた凝縮水をアウタ排出孔から排出することができる。これにより、凝縮水がインナ導入孔からインナカバー内に侵入することを抑制することができる。

また、インナカバーの内径をＡ、センサ素子の先端部の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たしている。つまり、インナカバーの内径Ａをセンサ素子の先端部の最大径Ｂの２．１倍以下としており、インナカバーとセンサ素子の先端部との間の距離を適度に小さくしている。そのため、センサ素子の先端部がヒータ等によって加熱された場合に、そのセンサ素子の熱によってインナカバーの温度を十分に高めることができる。これにより、例え微小なＰＭ（例えば粒径が０．１μｍ未満）が被測定ガスと共にアウタ導入孔からアウタカバー内に侵入したとしても、その微小なＰＭがインナカバーに付着することを抑制することができる。

すなわち、これは熱泳動という現象を利用したものである。ここで、熱泳動とは、温度差のある空間に微小な粒子が存在する場合、高温側から受ける力が低温側から受ける力よりも大きくなるため、粒子が高温側から低温側に移動する（低温側から高温側に移動しにくくなる）現象をいう。具体的に説明すると、インナカバーとセンサ素子の先端部との間の距離を小さくし、センサ素子の熱によってインナカバーの温度を被測定ガスの温度よりも高くすることにより、被測定ガスと共にアウタカバー内に侵入した微小なＰＭが被測定ガス側（低温側）からインナカバー側（高温側）に移動しにくくなるように、つまりインナカバーに付着しないようにすることができる。これにより、微小なＰＭがインナカバーに付着し、インナ導入孔近傍に堆積することを抑制することができる。

また、アウタカバー内に侵入した微小なＰＭは、インナカバーに付着することなく、アウタ排出孔から排出される。また、微小なＰＭが被測定ガスと共にインナ導入孔からインナカバー内に侵入しても、上述した熱泳動の現象によってインナカバーに付着することはなく、最終的に被測定ガスと共にインナ排出孔から排出される。
一方、アウタカバー内に導入された被測定ガスは、アウタカバーとインナカバーとの間の空間を通ってインナ導入孔からインナカバー内に導入される。これにより、被測定ガスをインナカバー内に十分に導入することができる。

このように、上記ガスセンサは、アウタ導入孔近傍やインナ導入孔近傍へのＰＭの堆積等を抑制することができるため、ＰＭの堆積等によるガスセンサの応答性の低下を防止することができる。また、素子カバー（アウタカバー、インナカバー）内への凝縮水の侵入を抑制することができるため、センサ素子の被水割れを防止することができ、耐被水性を向上させることができる。また、被測定ガスを素子カバー（アウタカバー、インナカバー）内へ十分に導入することができるため、ガスセンサの応答性を十分に確保することができる。

以上により、ＰＭの堆積等に起因する応答性の低下を防止することができ、耐被水性、応答性に優れたガスセンサを提供することができる。

実施例１における、ガスセンサの構造を示す説明図。 実施例１における、素子カバー等を拡大して示す説明図。 図２のIII−III線矢視断面説明図。 実施例１における、素子カバー等を拡大して示す説明図。 実施例１における、素子カバー等を拡大して示す説明図。 実施例２における、素子カバー等を拡大して示す説明図。 実施例３における、素子カバー等を拡大して示す説明図。 実施例４における、Ａ／Ｂの値とＰＭ付着割合との関係を示すグラフ。 実施例４における、距離比とＰＭ付着割合との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーと保護カバーとの間の距離と応答時間との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーと保護カバーとの間の距離と応答時間劣化率との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーと保護カバーとの間の距離と被水面積との関係を示すグラフ。 実施例４における、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離と応答時間との関係を示すグラフ。 実施例４における、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離と応答時間劣化率との関係を示すグラフ。 実施例４における、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離と被水面積との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーの突出量と応答時間との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーの突出量と応答時間劣化率との関係を示すグラフ。 実施例４における、アウタカバーの突出量と被水面積との関係を示すグラフ。

上記ガスセンサにおいて、上記保護カバーは、上記アウタカバーの上記アウタ導入孔の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うように配設されている。すなわち、保護カバーは、アウタ導入孔全体を径方向外側から覆っている。したがって、ガスセンサを径方向外側から見た場合、アウタ導入孔は、保護カバーによって隠れて見えない状態となっている。

また、上記インナカバーの内径Ａ及び上記センサ素子の先端部の最大径Ｂは、インナカバーとセンサ素子の先端部が径方向において対向している領域におけるインナカバーの内径及びセンサ素子の先端部の最大径である。
また、上記インナカバーの内径Ａと上記センサ素子の先端部の最大径Ｂとの関係がＡ／Ｂ＞２．１の場合には、センサ素子の熱によってインナカバーの温度を高める効果を十分に得ることができないおそれがある。

また、上記インナカバーの内径Ａと上記センサ素子の先端部の最大径Ｂとの関係をＡ／Ｂ≦２．１とし、センサ素子の熱によってインナカバーの温度を高める場合、インナカバーの温度は、被測定ガスの温度（具体的には素子カバー内に導入された被測定ガスの温度）よりも高くなるようにする。インナカバーの温度は、例えば、被測定ガスの温度よりも５０℃以上高いことが望ましい。

また、上記インナカバーの内径Ａと上記センサ素子の先端部の最大径Ｂとは、Ａ／Ｂ≧１．４の関係を満たすことが望ましい。例えば、Ａ／Ｂ＜１．４の場合には、製造工程において、センサ素子がインナカバーに接触し、センサ素子が損傷するおそれがある。
また、上記インナカバーの内径Ａは、例えば、６．５〜７．５ｍｍとすることができる。また、上記センサ素子の先端部の最大径Ｂは、例えば、３．７〜４．５ｍｍとすることができる。

また、上記インナカバーの上記縮径段差部は、上記センサ素子の先端部と上記インナカバーとの間の径方向の最大距離をＣとした場合、その少なくとも一部が上記センサ素子の先端から軸方向に最大距離Ｃだけ離れた位置よりも基端側に設けられている構成とすることができる（請求項２）。
この場合には、インナカバーにおける縮径段差部よりも先端側部分の体積を小さくすることが可能となり、センサ素子の熱によってインナカバー内の空間を効率よく暖めることができる。これにより、センサ素子からの距離が遠いインナカバーの先端側部分についても、その温度を十分に高めることができ、ＰＭがインナカバーに付着することを十分に抑制することができる。
なお、上記最大距離Ｃは、例えば、１．２〜２．９ｍｍとすることができる。

また、上記アウタカバーと上記保護カバーとの間の距離は、上記アウタ導入孔の軸方向位置において、０．５〜２ｍｍであることが望ましい（請求項３）。
この場合には、アウタカバーと保護カバーとの間の被測定ガスの流れを十分に確保することができ、被測定ガスをアウタ導入孔からアウタカバー内に十分に導入することができる。また、保護カバーによって凝縮水や粗大なＰＭがアウタ導入孔からアウタカバー内に侵入することを十分に抑制することができる。

また、上記アウタカバーと上記保護カバーとの間の距離が０．５ｍｍ未満の場合には、アウタカバーや保護カバーに堆積したＰＭによってガスセンサの応答性が低下するおそれがある。また、２ｍｍを超える場合には、保護カバーによって凝縮水や粗大なＰＭがアウタ導入孔からアウタカバー内に侵入することを十分に抑制することができないおそれがある。

また、上記インナカバーの上記縮径段差部と上記アウタカバーとの間の距離は、０．５〜１．５ｍｍであることが望ましい（請求項４）。
この場合には、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の被測定ガスの流れを十分に確保することができる。また、アウタカバー内に侵入した凝縮水をインナカバーの縮径段差部に衝突させやすくすることができる。

また、上記インナカバーの上記縮径段差部と上記アウタカバーとの間の距離が０．５ｍｍ未満の場合には、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間に堆積したＰＭによってガスセンサの応答性が低下するおそれがある。また、１．５ｍｍを超える場合には、アウタカバー内に侵入した凝縮水がインナカバーの縮径段差部に衝突せずにインナ導入孔に到達するおそれがある。

また、上記インナ導入孔の径は、例えば、１．５ｍｍ以下とすることができる。
この場合には、アウタカバー内に侵入した凝縮水がインナ導入孔からインナカバー内に侵入することを防止することができる。

また、上記アウタカバーは、上記保護カバーよりも先端側に突出している構成とすることができる（請求項５）。
この場合には、被測定ガスがアウタカバーに接触した後、アウタカバーと保護カバーとの間の空間に入り込むようにすることができる。これにより、被測定ガスをアウタ導入孔からアウタカバー内に十分に導入することができる。
なお、上記アウタカバーは、上記の効果を十分に得るために、保護カバーよりも軸方向の先端側に２ｍｍ以上突出していることが望ましい。また、耐被水性を十分に確保するためには、アウタカバーの突出量を４．５ｍｍ以下とすることが望ましい。

また、上記アウタ排出孔は、上記アウタカバーの先端部に設けられている構成とすることができる（請求項６）。
この場合には、アウタカバー内に侵入した凝縮水がアウタ排出孔から排出されやすくなる。これにより、耐被水性を向上させることができる。

また、上記インナ排出孔は、上記インナカバーの先端部に設けられている構成とすることができる（請求項７）。
この場合には、インナカバー内に導入された被測定ガスがインナ排出孔から排出されることでインナ排出孔付近に負圧が発生し、被測定ガスをインナ導入孔からインナカバー内に導入しやすくなる。これにより、ガスセンサの応答性を向上させることができる。

また、上記インナカバーの先端面は、応答性を高めるために、上記アウタカバーの先端面よりも先端側に配置されていてもよし、耐被水性を高めるために、上記アウタカバーの先端面よりも基端側に配置されていてもよい。また、応答性及び耐被水性をバランスよく得るために、上記インナカバーの先端面と上記アウタカバーの先端面とが互いに略同一平面上に配置されていてもよい。

また、上記インナカバーの内表面は、上記センサ素子の熱による上記インナカバーの温度上昇を促進するために、例えば輻射率０．４〜０．８の範囲で黒色化処理が施されていてもよい。
また、上記インナカバー、上記アウタカバー及び上記保護カバーの表面は、ＰＭの付着、堆積を抑制し、被測定ガスの流れを良好なものとするために、例えば平滑化処理が施されていてもよい。

（実施例１）
上記ガスセンサにかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１〜図３に示すごとく、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、センサ素子２を内側に挿通するハウジング１３と、ハウジング１３の先端側に配設された素子カバー１４とを備えている。
素子カバー１４は、センサ素子２の先端部２１を覆うように配設されたインナカバー３と、インナカバー３の外側に配設されたアウタカバー４とを有する。アウタカバー４は、被測定ガスを導入するアウタ導入孔４１と、アウタ導入孔４１よりも先端側に設けられたアウタ排出孔４２とを有する。インナカバー３は、アウタ導入孔４１よりも基端側に設けられた被測定ガスを導入するインナ導入孔３１と、インナ導入孔３１よりも先端側に設けられたインナ排出孔３２とを有する。

同図に示すごとく、アウタカバー４の外側には、アウタ導入孔４１の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した筒状の保護カバー５が配設されている。インナカバー３には、先端側に向かって外径が小さくなる縮径段差部３３が設けられている。縮径段差部３３は、軸方向Ｘにおいて、アウタ導入孔４１とインナ導入孔３１との間の位置に設けられている。インナカバー３の内径をＡ、センサ素子２の先端部２１の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たす。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、本例において、「先端側」とは、ガスセンサ１の軸方向Ｘの一方側であり、ガスセンサ１が被測定ガスに晒される側をいう。また、「基端側」とは、その反対側をいう。
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。センサ素子２の先端部２１には、ヒータ（図示略）が内蔵されている。また、第１絶縁碍子１１は、ハウジング１３の内側に保持されている。

同図に示すごとく、ハウジング１３の基端側には、センサ素子２の基端部２２を覆うように基端側カバー１５が固定されている。基端側カバー１５には、大気を導入する通気孔１５１が設けられている。また、基端側カバー１５の基端側開口部は、ゴムブッシュからなる封止部材１６によって閉塞されている。封止部材１６には、外部に接続される複数のリード部材１７が貫通配置されている。

同図に示すごとく、基端側カバー１５の内部において、第１絶縁碍子１１の基端側には、センサ素子２の基端部２２を保持する第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１７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。また、第２絶縁碍子１２は、バネ部材１９によって押圧保持されている。

同図に示すごとく、ハウジング１３の先端側には、素子カバー１４が配設されている。素子カバー１４は、センサ素子２の先端部２１を覆うように配設された有底円筒状のインナカバー３と、インナカバー３の外側に配設された有底円筒状のアウタカバー４とを有する。インナカバー３は、ハウジング１３の先端側に固定されている。また、アウタカバー４は、後述する保護カバー５に固定されている。

図２に示すごとく、アウタカバー４の側面部には、被測定ガスをアウタカバー４内に導入する複数のアウタ導入孔４１が設けられている。また、アウタカバー４の側面部において、アウタ導入孔４１よりも基端側には、先端側に向かって縮径するテーパ状のアウタ縮径部４３が設けられている。また、アウタカバー４の側面部において、アウタ縮径部４３よりも基端側であって軸方向Ｘに略同径のアウタ基端部４４は、後述する保護カバー５の内側面に固定されている。
アウタカバー４の先端部には、アウタ排出孔４２が設けられている。アウタ排出孔４２は、アウタ導入孔４１よりも先端側に設けられている。

同図に示すごとく、インナカバー３の側面部には、被測定ガスをインナカバー３内に導入する複数のインナ導入孔３１が設けられている。インナ導入孔３１の径は、１．５ｍｍ以下である。また、インナカバー３の側面部において、インナ導入孔３１よりも先端側には、先端側に向かって縮径するテーパ状の縮径段差部３３が設けられている。
インナカバー３の先端部には、インナ排出孔３２が設けられている。インナ排出孔３２は、インナ導入孔３１よりも先端側に設けられている。また、インナカバー３の先端面３００とアウタカバー４の先端面４００とは、互いに略同一平面上に配置されている。

また、図３に示すごとく、インナカバー３の内径をＡ、センサ素子２の先端部２１の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たす。また、本例では、Ａ／Ｂ≧１．４の関係を満たす。すなわち、インナカバー３の内径Ａは、センサ素子２の先端部２１の最大径Ｂの１．４〜２．１倍である。本例において、センサ素子２の先端部２１の最大径Ｂは、センサ素子２の先端部２１の径方向断面における対角線の長さである。なお、図３は、センサ素子２及びインナカバー３のみを図示したものである。

また、図２に示すごとく、縮径段差部３３は、軸方向Ｘにおいて、アウタ導入孔４１とインナ導入孔３１との間の位置に設けられている。また、縮径段差部３３は、センサ素子２の先端部２１とインナカバー３との間の径方向の最大距離をＣ（図３）とした場合、センサ素子２の先端から軸方向Ｘに最大距離Ｃだけ離れた位置よりも基端側に設けられている。本例において、最大距離Ｃは、図３に示すごとく、センサ素子２の主面２０１、２０２とインナカバー３の内側面３０１との最大距離である。
また、インナカバー３の縮径段差部３３とアウタカバー４との間の距離Ｅは、０．５〜１．５ｍｍである。

図２に示すごとく、アウタカバー４の外側には、アウタ導入孔４１の径方向外側を所定の間隔を設けて覆う円筒状の保護カバー５が配設されている。保護カバー５は、アウタ導入孔４１全体を径方向外側から覆っている。したがって、ガスセンサ１を径方向外側から見た場合、アウタ導入孔４１は、保護カバー５によって隠れて見えない状態となっている。また、保護カバー５は、アウタカバー４よりも基端側に延びて形成されており、インナカバー３と共にハウジング１３の先端側に固定されている。また、保護カバー５は、アウタカバー４との間において、先端側に開口した先端側開口部５１を有する。保護カバー５の内側面には、アウタカバー４のアウタ基端部４４が固定されている。

同図に示すごとく、アウタカバー４と保護カバー５との間の距離Ｄは、アウタ導入孔４１の軸方向位置において、０．５〜２ｍｍである。
また、アウタカバー４は、保護カバー５よりも先端側に突出している。また、アウタカバー４は、アウタ導入孔４１が形成されており、アウタ縮径部４３よりも先端側であって軸方向Ｘに略同径のアウタ同径部４５が保護カバー５よりも先端側に１ｍｍ以上突出している。

次に、本例のガスセンサ１における作用効果について説明する。
本例のガスセンサ１において、アウタカバー４の外側には、アウタ導入孔４１の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した筒状の保護カバー５が配設されている。そのため、被測定ガスと共に飛来する凝縮水、粗大なＰＭ（例えば粒径が０．１μｍ以上）が直接的にアウタ導入孔４１からアウタカバー４内（アウタカバー４とインナカバー３との間の空間）に侵入すること、粗大なＰＭがアウタ導入孔４１近傍に堆積することを、アウタ導入孔４１を覆う保護カバー５によって抑制することができる。
一方、被測定ガスは、開口した先端側から保護カバー５内（保護カバー５とアウタカバー４との間の空間）に入り込み、アウタ導入孔４１からアウタカバー４内に導入される。これにより、被測定ガスをアウタカバー４内に十分に導入することができる。

また、インナカバー３には、先端側に向かって縮径する縮径段差部３３が設けられており、縮径段差部３３は、軸方向Ｘにおいて、アウタ導入孔４１とインナ導入孔３１との間の位置に設けられている。そのため、例え凝縮水が被測定ガスと共にアウタ導入孔４１からアウタカバー４内に侵入したとしても、その凝縮水をアウタ導入孔４１からインナ導入孔３１までの途中にある縮径段差部３３に衝突させ、凝縮水がインナ導入孔３１に到達することを抑制することができる。そして、縮径段差部３３に衝突させた凝縮水をアウタ排出孔４２から排出することができる。これにより、凝縮水がインナ導入孔３１からインナカバー３内に侵入することを抑制することができる。

また、インナカバー３の内径をＡ、センサ素子２の先端部２１の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たしている。つまり、インナカバーの内径Ａをセンサ素子２の先端部２１の最大径Ｂの２．１倍以下としており、インナカバー３とセンサ素子２の先端部２１との間の距離を適度に小さくしている。そのため、センサ素子２の先端部２１がヒータ等によって加熱された場合に、そのセンサ素子２の熱によってインナカバー３の温度を十分に高めることができる。これにより、例え微小なＰＭ（例えば粒径が０．１μｍ未満）が被測定ガスと共にアウタ導入孔４１からアウタカバー４内に侵入したとしても、その微小なＰＭがインナカバー３に付着することを抑制することができる。

すなわち、これは熱泳動という現象を利用したものである。ここで、熱泳動とは、温度差のある空間に微小な粒子が存在する場合、高温側から受ける力が低温側から受ける力よりも大きくなるため、粒子が高温側から低温側に移動する（低温側から高温側に移動しにくくなる）現象をいう。具体的に説明すると、インナカバー３とセンサ素子２の先端部２１との間の距離を小さくし、センサ素子２の熱によってインナカバー３の温度を被測定ガスの温度よりも高くする。本例では、インナカバー３の温度が素子カバー１４（アウタカバー４、インナカバー３）内に導入された被測定ガスの温度よりも５０℃以上高くなるようにする。これにより、被測定ガスと共にアウタカバー４内に侵入した微小なＰＭが被測定ガス側（低温側）からインナカバー３側（高温側）に移動しにくくなるように、つまりインナカバー３に付着しないようにすることができる。その結果、微小なＰＭがインナカバー３に付着し、インナ導入孔３１近傍に堆積することを抑制することができる。

また、アウタカバー４内に侵入した微小なＰＭは、インナカバー３に付着することなく、アウタ排出孔４２から排出される。また、微小なＰＭが被測定ガスと共にインナ導入孔３１からインナカバー３内に侵入しても、上述した熱泳動の現象によってインナカバー３に付着することはなく、最終的に被測定ガスと共にインナ排出孔３２から排出される。
一方、アウタカバー４内に導入された被測定ガスは、アウタカバー４とインナカバー３との間の空間を通ってインナ導入孔３１からインナカバー３内に導入される。これにより、被測定ガスをインナカバー３内に十分に導入することができる。

このように、ガスセンサ１は、アウタ導入孔４１近傍やインナ導入孔３１近傍へのＰＭの堆積等を抑制することができるため、ＰＭの堆積等によるガスセンサ１の応答性の低下を防止することができる。また、素子カバー１４（アウタカバー４、インナカバー３）内への凝縮水の侵入を抑制することができるため、センサ素子２の被水割れを防止することができ、耐被水性を向上させることができる。また、被測定ガスを素子カバー１４（アウタカバー４、インナカバー３）内へ十分に導入することができるため、ガスセンサ１の応答性を十分に確保することができる。

また、本例において、インナカバー３の内径Ａとセンサ素子２の先端部２１の最大径Ｂとは、Ａ／Ｂ≧１．４の関係を満たす。そのため、製造工程において、センサ素子２がインナカバー３に接触し、センサ素子２が損傷することを防止することができる。

また、インナカバー３の縮径段差部３３は、センサ素子２の先端部２１とインナカバー３との間の径方向の最大距離をＣとした場合、センサ素子２の先端から軸方向Ｘに最大距離Ｃだけ離れた位置よりも基端側に設けられている。そのため、インナカバー３における縮径段差部３３よりも先端側部分の体積を小さくすることが可能となり、センサ素子２の熱によってインナカバー３内の空間を効率よく暖めることができる。これにより、センサ素子２からの距離が遠いインナカバー３の先端側部分についても、その温度を十分に高めることができ、ＰＭがインナカバー３に付着することを十分に抑制することができる。

また、アウタカバー４と保護カバー５との間の距離Ｄは、アウタ導入孔４１の軸方向位置において、０．５〜２ｍｍである。これにより、アウタカバー４と保護カバー５との間の被測定ガスの流れを十分に確保することができ、被測定ガスをアウタ導入孔４１からアウタカバー４内に十分に導入することができる。また、保護カバー５によって凝縮水や粗大なＰＭがアウタ導入孔４１からアウタカバー４内に侵入することを十分に抑制することができる。

また、インナカバー３の縮径段差部３３とアウタカバー４との間の距離Ｅは、０．５〜１．５ｍｍである。これにより、インナカバー３の縮径段差部３３とアウタカバー４との間の被測定ガスの流れを十分に確保することができる。また、アウタカバー４内に侵入した凝縮水をインナカバー３の縮径段差部３３に衝突させやすくすることができる。

また、インナ導入孔３１の径は、１．５ｍｍ以下である。これにより、アウタカバー４内に侵入した凝縮水がインナ導入孔３１からインナカバー３内に侵入することを防止することができる。

また、アウタカバー４は、保護カバー５よりも先端側に突出している。そのため、被測定ガスがアウタカバー４（アウタカバー４のアウタ同径部４５）に接触した後、アウタカバー４と保護カバー５との間の空間に入り込むようにすることができる。これにより、被測定ガスをアウタ導入孔４１からアウタカバー４内に十分に導入することができる。

また、アウタ排出孔４２は、アウタカバー４の先端部に設けられている。そのため、アウタカバー４内に侵入した凝縮水がアウタ排出孔４２から排出されやすくなる。これにより、耐被水性を向上させることができる。

また、インナ排出孔３２は、インナカバー３の先端部に設けられている。そのため、インナカバー３内に導入された被測定ガスがインナ排出孔３２から排出されることでインナ排出孔３２付近に負圧が発生し、被測定ガスをインナ導入孔３１からインナカバー３内に導入しやすくなる。これにより、ガスセンサ１の応答性を向上させることができる。

以上により、ＰＭの堆積等に起因する応答性の低下を防止することができ、耐被水性、応答性に優れたガスセンサ１を提供することができる。

なお、本例では、応答性及び耐被水性をバランスよく得るために、図１、図２に示すごとく、インナカバー３の先端面３００とアウタカバー４の先端面４００とが互いに略同一平面上に配置されている。例えば、応答性を高めるために、図４に示すごとく、インナカバー３の先端面３００をアウタカバー４の先端面４００よりも先端側に配置してもよい。また、耐被水性を高めるために、図５に示すごとく、インナカバー３の先端面３００をアウタカバー４の先端面４００よりも基端側に配置してもよい。

（実施例２）
本例は、図６に示すごとく、アウタカバー４及び保護カバー５の構成を変更した例である。
本例において、同図に示すごとく、アウタカバー４は、保護カバー５よりも基端側に延びて形成されており、インナカバー３と共にハウジング１３の先端側に固定されている。また、アウタカバー４の側面部において、アウタ縮径部４３よりも基端側の固定部４６には、保護カバー５が固定されている。
その他の基本的な構成及び作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例３）
本例は、図７に示すごとく、保護カバー５の構成を変更した例である。
本例において、同図に示すごとく、保護カバー５の先端部には、径方向内側に向かって突出してなる突出部５２が設けられている。また、保護カバー５は、突出部５２とアウタカバー４との間において、先端側に開口した先端側開口部５１を有する。
その他の基本的な構成及び作用効果は、実施例２と同様である。

（実施例４）
本例は、ガスセンサについて各種評価を行ったものである。
本例では、Ａ／Ｂの値（Ａ：インナカバーの内径、Ｂ：センサ素子の先端部の最大径）が異なるガスセンサについて、ＰＭ付着割合を求め、ＰＭ付着抑制効果の評価を行った。

ＰＭ付着抑制効果の評価は、まず、ガスセンサを模擬した試験体において、被測定ガスの温度とインナカバーとの温度差を温度差ΔＴ、インナカバーに付着するＰＭの量をＰＭ付着量とし、シミュレーションによって温度差ΔＴ（℃）とＰＭ付着割合（％）との関係を求める。ここで、ＰＭ付着割合（％）は、ＰＭ付着割合＝（（温度差ΔＴ＝ｘ℃（ｘ：任意の温度）の時のＰＭ付着量）／（温度差ΔＴ＝０℃の時のＰＭ付着量））×１００の式を用いて求める。次いで、Ａ／Ｂの値が異なるガスセンサにおいて、Ａ／Ｂの値に応じた温度差ΔＴ（℃）を求め、これを用いてＡ／Ｂの値とＰＭ付着割合（％）との関係を求める。

上記の評価結果について説明する。
図８は、Ａ／Ｂの値とＰＭ付着割合との関係を示したグラフである。
同図から、Ａ／Ｂの値が２．１を超えたあたりからＰＭ付着割合が高くなり、ＰＭ付着抑制効果が低下することがわかる。
また、製造工程においてセンサ素子がインナカバーに接触してセンサ素子が損傷する等の不具合の発生を調べたところ、Ａ／Ｂの値が１．４よりも小さくなると不具合の発生が見られるようになる。

以上の結果からわかるように、ガスセンサにおいて、インナカバーの内径Ａとセンサ素子の先端部の最大径ＢとがＡ／Ｂ≦２．１の関係を満たすことにより、ＰＭ付着抑制効果を十分に発揮することができる。
また、部品の組み付け性を考慮した場合、Ａ／Ｂ≧１．４の関係を満たすことが好ましい。

次に、センサ素子の先端からインナカバーの縮径段差部までの軸方向の距離が異なるガスセンサについて、ＰＭ付着割合を求め、ＰＭ付着抑制効果の評価を行った。ＰＭ付着割合を求め方は、上記と同様である。

上記の評価結果について説明する。
図９は、距離比とＰＭ付着割合との関係を示したグラフである。ここで、距離比とは、センサ素子の先端部とインナカバーとの間の径方向の最大距離Ｃに対するセンサ素子の先端からインナカバーの縮径段差部までの軸方向の距離の割合を示している。
同図から、距離比が１（センサ素子の先端からインナカバーの縮径段差部までの軸方向の距離が最大距離Ｃと等しい場合）を超えたあたりからＰＭ付着量が多くなり、ＰＭの付着を抑制する効果が低下することがわかる。

以上の結果からわかるように、ガスセンサにおいて、ＰＭ付着抑制効果を考慮した場合、インナカバーの縮径段差部は、センサ素子の先端部とインナカバーとの間の径方向の最大距離をＣとした場合、その少なくとも一部がセンサ素子の先端から軸方向に最大距離Ｃだけ離れた位置よりも基端側に設けられていることが好ましい。

次に、アウタ導入孔の軸方向位置におけるアウタカバーと保護カバーとの間の距離、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離、保護カバーに対するアウタカバーの先端側への突出量が異なるガスセンサについて、応答時間、応答時間劣化率、被水面積を求め、ＰＭ付着抑制効果、応答性、耐被水性等の評価を行った。

応答時間については、ガス流速：２ｍ／秒の条件において、ガスの酸素濃度を所定の割合に変化させた場合に、この濃度変化に応じたセンサ出力値の変化が生じるまでの時間を応答時間（秒）として求める。
応答時間劣化率については、所定サイクルのＰＭ付着試験を行った後、応答時間を求める。応答時間は、上記と同様の方法で求める。ＰＭ付着試験は、ＰＭが大量に発生する条件（例えば、エンジン低回転、高負荷）で行う。そして、応答時間劣化率＝（初期の応答時間）／（ＰＭ付着試験後の応答時間）の式を用いて、応答時間劣化率を求める。
被水面積については、ガスセンサに水を適量噴射し、センサ素子の表面において凝縮水が付着した面積を被水面積（ｍｍ^２）として求める。

上記の各評価結果について説明する。
図１０〜図１２は、アウタ導入孔の軸方向位置におけるアウタカバーと保護カバーとの間の距離と、応答時間、応答時間劣化率及び被水面積との関係を示したグラフである。
図１０から、アウタカバーと保護カバーとの間の距離が２ｍｍ以下になると応答時間が短くなり、応答性が良くなることがわかる。また、図１１から、上記の距離が０．５ｍｍ以上になると応答時間劣化率が小さくなり、ＰＭ付着抑制効果が高くなることがわかる。また、図１２から、上記の距離が０．５ｍｍ以上になると被水面積が小さくなり、耐被水性が高くなることがわかる。

以上の結果からわかるように、ガスセンサにおいて、ＰＭ付着抑制効果、耐被水性、応答性を考慮した場合、アウタカバーと保護カバーとの間の距離は、アウタ導入孔の軸方向位置において、０．５〜２ｍｍであることが好ましい。
さらに、部品の組み付け性を考慮した場合、アウタカバーと保護カバーとの間の距離は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

また、図１３〜図１５は、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離と、応答時間、応答時間劣化率及び被水面積との関係を示したグラフである。
図１３から、アウタカバーと保護カバーとの間の距離が１．５ｍｍを超えると応答時間が長くなり、応答性が低下することがわかる。また、図１４から、上記の距離が０．５ｍｍ以下になると応答時間劣化率が小さくなり、ＰＭ付着抑制効果が高くなることがわかる。また、図１５から、上記の距離が１．５ｍｍを超えると被水面積が大きくなり、耐被水性が低下することがわかる。

以上の結果からわかるように、ガスセンサにおいて、ＰＭ付着抑制効果、耐被水性、応答性を考慮した場合、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離は、０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。
さらに、部品の組み付け性を考慮した場合、インナカバーの縮径段差部とアウタカバーとの間の距離は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

また、図１６〜図１８は、保護カバーに対するアウタカバーの先端側への突出量と、応答時間、応答時間劣化率及び被水面積との関係を示したグラフである。
図１６から、アウタカバーの突出量が０ｍｍを超えると、応答時間が短くなり、応答性が良くなることがわかる。特に、その突出量が２ｍｍを超えると効果がより大きくなる。また、図１７から、アウタカバーの突出量が０ｍｍを超えても応答時間劣化率はほぼ同じであり、ＰＭ付着抑制効果が維持されることがわかる。また、図１８から、アウタカバーの突出量が４．５ｍｍを超えると被水面積が大きくなり、耐被水性が低下することがわかる。

以上の結果からわかるように、ガスセンサにおいて、ＰＭ付着抑制効果、耐被水性、応答性を考慮した場合、アウタカバーは、保護カバーよりも先端側に突出していることが好ましい。また、アウタカバーの突出量は、２ｍｍ以上であって、４．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

１ ガスセンサ
１３ ハウジング
１４ 素子カバー
２ センサ素子
２１ 先端部（センサ素子の先端部）
３ インナカバー
３１ インナ導入孔
３２ インナ排出孔
３３ 縮径段差部
４ アウタカバー
４１ アウタ導入孔
４２ アウタ排出孔
５ 保護カバー

Claims (7)

1. 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（２）を内側に挿通するハウジング（１３）と、
   該ハウジング（１３）の先端側に配設された素子カバー（１４）とを備え、
   該素子カバー（１４）は、上記センサ素子（２）の先端部（２１）を覆うように配設されたインナカバー（３）と、該インナカバー（３）の外側に配設されたアウタカバー（４）とを有し、
   該アウタカバー（４）は、被測定ガスを導入するアウタ導入孔（４１）と、該アウタ導入孔（４１）よりも先端側に設けられたアウタ排出孔（４２）とを有し、
   上記インナカバー（３）は、上記アウタ導入孔（４１）よりも基端側に設けられた被測定ガスを導入するインナ導入孔（３１）と、該インナ導入孔（３１）よりも先端側に設けられたインナ排出孔（３２）とを有し、
   上記アウタカバー（４）の外側には、上記アウタ導入孔（４１）の径方向外側を所定の間隔を設けて覆うと共に先端側が開口した筒状の保護カバー（５）が配設されており、
   上記インナカバー（３）には、先端側に向かって縮径する縮径段差部（３３）が設けられており、
   該縮径段差部（３３）は、軸方向において、上記アウタ導入孔（４１）と上記インナ導入孔（３１）との間の位置に設けられており、
   上記インナカバー（３）の内径をＡ、上記センサ素子（２）の先端部（２１）の最大径をＢとした場合、Ａ／Ｂ≦２．１の関係を満たすことを特徴とするガスセンサ（１）。
2. 請求項１に記載のガスセンサ（１）において、上記インナカバー（３）の上記縮径段差部（３３）は、上記センサ素子（２）の先端部（２１）と上記インナカバー（３）との間の径方向の最大距離をＣとした場合、その少なくとも一部が上記センサ素子（２）の先端から軸方向に最大距離Ｃだけ離れた位置よりも基端側に設けられていることを特徴とするガスセンサ（１）。
3. 請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）において、上記アウタカバー（４）と上記保護カバー（５）との間の距離は、上記アウタ導入孔（４１）の軸方向位置において、０．５〜２ｍｍであることを特徴とするガスセンサ（１）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ（１）において、上記インナカバー（３）の縮径段差部（３３）と上記アウタカバー（４）との間の距離は、０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とするガスセンサ（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ（１）において、上記アウタカバー（４）は、上記保護カバー（５）よりも先端側に突出していることを特徴とするガスセンサ（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ（１）において、上記アウタ排出孔（４２）は、上記アウタカバー（４）の先端部に設けられていることを特徴とするガスセンサ（１）。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ（１）において、上記インナ排出孔（３２）は、上記インナカバー（３）の先端部に設けられていることを特徴とするガスセンサ（１）。

Images