JP4856751B2

JP4856751B2 - ガス濃度検出センサー

Info

Publication number: JP4856751B2
Application number: JP2009270400A
Authority: JP
Inventors: 高幸関谷; 圭小坂; 相宰李
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: US8464573B2; EP2333534A3; JP2011112557A; US20110126610A1; EP2333534A2; EP2333534B1

Description

本発明は、ガス濃度検出センサーに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘや酸素などの所定のガス濃度を検出するガス濃度検出センサーが知られている。このガス濃度検出センサーでは、例えばエンジンの始動時に発生する水がセンサー素子に付着したり、センサー素子に当たる被測定ガスの流速が急上昇したりすることにより、センサー素子の温度が低下してクラックが発生する場合がある。そのため、センサー素子を覆う保護カバーを取り付けてこれを防止することが提案されている。例えば、特許文献１に記載のガスセンサーでは、保護カバーとして、排気ガスを内部に導くための通気口が形成された二重構造のプロテクタをセンサー素子の先端部外周に設けている。

特開２００５−１９５５１６号公報（図１０）

しかし、このような二重構造の保護カバーであっても、被測定ガスの流れや振動などによって通気口から水が保護カバー内に進入してセンサー素子に付着してセンサー素子が冷却されてしまう場合がある。また、ガスの流れによるセンサー素子の温度低下も完全に防止されるわけではない。そのため、これらセンサー素子の温度低下をさらに抑制してクラックの発生を抑制できる保護カバーが望まれている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、センサー素子のクラックの発生を抑制可能なガス濃度検出センサーを提供することを主目的とする。

本発明のガス濃度検出センサーは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のガス濃度検出センサーは、
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサー素子と、
前記センサー素子を覆うと共に外側から内側への前記被測定ガスの流れを許容する第１のガス導入孔を有する第１の保護カバーと、
前記第１の保護カバーを覆うと共に外側から内側への前記被測定ガスの流れを許容する第２のガス導入孔を有する第２の保護カバーと、
前記第２のガス導入孔から前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの間を経て前記第１のガス導入孔に至り、該第１のガス導入孔から前記第１の保護カバーの内側に入り、前記センサー素子の先端に達するガス流路と、
を備え、
前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの少なくとも一方は、前記ガス流路のうち前記第２のガス導入孔から前記第１のガス導入孔に至る流路の少なくとも一部の幅を狭めるように配置され、中味の詰まった中実形状又は内部に密閉空間を有する形状の内壁部材を備えている、
ものである。

このガス濃度検出センサーでは、被測定ガスのガス流路のうち第２のガス導入孔から第１のガス導入孔に至る経路の少なくとも一部の幅を狭めるように内壁部材が配置されているため、内壁部材がない場合と比べて、水などの液体がガス流路を通ってセンサー素子に到達しにくい。また、内壁部材は中実形状か内部に密閉空間を有する形状であるため、内壁部材が周囲の熱を蓄える。そのため、被測定ガスの流速が急上昇したときのようにセンサー素子の温度が低下するおそれが生じたとしても、内壁部材に蓄えられた熱によってセンサー素子の温度低下が抑制される。これらにより、従来の二重構造の保護カバーを採用したセンサーに比べてセンサー素子のクラックの発生を抑制できる。

本発明のガス濃度検出センサーにおいて、前記第１の保護カバーが前記内壁部材を備えているものとしてもよい。こうすれば、例えば内壁部材が第２の保護カバーのみに取り付けられている場合と比べて内壁部材がセンサー素子の近くに位置するため、内壁部材の蓄える熱によりセンサー素子の温度低下を抑制できる。

本発明のガス濃度検出センサーにおいて、前記内壁部材は、比熱が前記第１の保護カバーと同じか又はそれ以上としてもよい。こうすれば、内壁部材の比熱が第１の保護カバーの比熱より小さい場合と比べて周囲の熱を多く蓄えることができる。

本発明のガス濃度検出センサーにおいて、前記ガス流路は、前記被測定ガスが前記第２のガス導入孔から前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの間を前記センサー素子の先端から後端へ向かう方向に流れるように通過して前記第１のガス導入孔に至り、前記第１のガス導入孔から前記第１の保護カバーの内側に入り、前記センサー素子の後端ら先端に向かう方向に流れて前記センサー素子の先端に達するように形成されているものとしてもよい。こうすれば、ガス流路に曲がりが多くなるため、曲がりの少ないガス流路と比べて、第２の保護カバーの外側で被測定ガスの流速が急上昇した場合でも、ガス流路内で被測定ガスの流速が減少する。また、液体が第２のガス導入孔からガス流路を通ってセンサー素子に到達しにくくなる。これらにより、センサー素子の温度低下を抑制できる。

本発明のガス濃度検出センサーにおいて、前記内壁部材は、前記第１の保護カバー及び前記第２の保護カバーとは別に形成された部材としてもよい。こうすれば、例えば内壁部材が第１の保護カバー又は第２の保護カバーと一体として形成される場合と比べて、本発明のガス濃度検出センサーを製造しやすくできる。

配管２００へのガスセンサー１００の取り付け状態の概略説明図である。ガスセンサー１００の構成を表す縦断面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。変形例の内壁部材２５０を示す縦断面図である。変形例の内壁部材３５０を示す縦断面図である。変形例の内壁部材４５０を示す縦断面図である。変形例の内壁部材５５０を示す縦断面図である。変形例の内壁部材６５０，外側保護カバー２４０を示す縦断面図である。変形例の外側ガス導入孔３４４ａの部分断面図である。図９のＢ視図である。変形例の外側ガス導入孔４４４ａを示す縦断面図である。図２の先端部１４６を拡大した部分断面図である。評価試験１の様子を示す説明図である。評価試験１における振動条件の説明図である。評価試験２におけるセンサー素子１１０の温度変化の説明図である。評価試験２におけるヒータの投入パワー比の変化の説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は配管２００へのガスセンサー１００の取り付け状態の概略説明図、図２はガスセンサー１００の構成を表す縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。

図１に示すように、ガスセンサー１００は車両のエンジンからの排気経路である配管２００内に取り付けられており、エンジンから排出された被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等のガス成分のうち少なくともいずれか１つの濃度を検出するようになっている。

ガスセンサー１００は、図２に示すように、被測定ガス中のガス成分の濃度を検出する機能を有するセンサー素子１１０と、このセンサー素子１１０を保護する保護カバー１２０とを備えている。

センサー素子１１０は、細長な長尺の板状体形状の素子であり、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる。センサー素子１１０は、センサー素子１１０を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒーターを内部に備えている。このようなセンサー素子１１０の構造やガス成分の濃度を検出する原理は公知であり、例えば特開２００８−１６４４１１号公報に記載されている。

保護カバー１２０は、センサー素子１１０の周囲を取り囲むように配置されている。この保護カバー１２０は、センサー素子１１０の先端を覆う内側保護カバー１３０と、内側保護カバー１３０を覆う外側保護カバー１４０と、内側保護カバー１３０と外側保護カバー１４０の間に取り付けられた内壁部材１５０とを有している。また、内側保護カバー１３０と外側保護カバー１４０とに囲まれた空間としてガス流入室１２２，ガス流出室１２６が形成され、内側保護カバー１３０に囲まれた空間としてセンサー素子室１２４が形成されている。

内側保護カバー１３０は、金属（例えばステンレス鋼）製の部材であり、円筒状の大径部１３２と、円筒状で大径部１３２よりも径の小さい胴部１３４と、有底筒状で胴部１３４よりも径の小さい先端部１３６とを有している。また、内側保護カバー１３０は、大径部１３２と胴部１３４とを接続する段差部１３３と、胴部１３４と先端部１３６とを接続する段差部１３５とを有している。大径部１３２は、金属製の主体金具１０２に内周部が当接しており、これにより内側保護カバー１３０が主体金具１０２に固定されている。胴部１３４は、センサー素子１１０の側面を覆うように位置しており、内側保護カバー１３０の外側から内側へ被測定ガスを流入させるための内側ガス導入孔１３４ａと、内側ガス導入孔１３４ａを経て流入する被測定ガスの流れを規制する板状のガイド部１３４ｂとがそれぞれ等間隔に６箇所形成されている（図３参照）。この内側ガス導入孔１３４ａとガイド部１３４ｂとは１対１に対応しており、ガイド部１３４ｂは対応する内側ガス導入孔１３４ａとセンサー素子１１０との間に位置するように形成されている。また、複数のガイド部１３４ｂは、回転対称（６回対称）となるように形成されている。先端部１３６は、側面に内側保護カバー１３０の内側から外側へ被測定ガスを排出するための内側ガス排出孔１３６ａが等間隔に複数箇所（例えば６箇所）形成されている。

外側保護カバー１４０は、金属（例えばステンレス鋼）製の部材であり、円筒状の大径部１４２と、円筒状で大径部１４２よりも径の小さい胴部１４４と、有底筒状で胴部１４４よりも径の小さい先端部１４６とを有している。また、外側保護カバー１４０は、大径部１４２と胴部１４４とを接続する段差部１４３と、胴部１４４と先端部１４６とを接続する段差部１４５とを有している。大径部１４２は、主体金具１０２及び大径部１３２に内周部が当接しており、これにより外側保護カバー１４０が主体金具１０２に固定されている。胴部１４４は、胴部１３４の外周面を覆うように位置しており、外側保護カバー１４０の外側から内側へ被測定ガスを流入させるための外側ガス導入孔１４４ａが等間隔に複数箇所（例えば６カ所）形成されている。この外側ガス導入孔１４４ａは、円形に開けられた孔であり、内周面の最下面１４４ｂと段差部１４５の上側の面１４５ａとが同一平面上になるように形成されている。先端部１４６は、厚さが大径部１４２，胴部１４４，段差部１４５よりも厚い部材であり、内周面が胴部１３４の外周面と当接している。また、先端部１４６の底部には、外側保護カバー１４０の内側から外側へ被測定ガスを排出するための外側ガス排出孔１４６ａが形成されている。この外側ガス排出孔１４６ａは、外側保護カバー１４０の中心軸上に形成されている。

内壁部材１５０は、内側保護カバー１３０と同じ材質かそれより比熱の大きい材質で作製され、中身の詰まった中実形状の部材であり、胴部１３４の外径と同じ内径をもつリング状の部材である。この内壁部材１５０は、胴部１３４の外周面に例えば溶接により取り付けられており、胴部１３４のうち外側ガス導入孔１４４ａに対向する部分と内側ガス導入孔１３４ａとの間に位置している。

ガス流入室１２２は、段差部１３３，胴部１３４，１４４，段差部１４５により囲まれた空間である。被測定ガスは、外側ガス導入孔１４４ａからこのガス流入室１２２に流入し、ガス流入室１２２を通って内側ガス導入孔１３４ａからセンサー素子室１２４へ流出するようになっている。また、このガス流入室１２２には内壁部材１５０が配置されているため、外側ガス導入孔１４４ａから内側ガス導入孔１３４ａに至るガスの流路のうち、胴部１４４の内周面と内壁部材１５０の外周面とに挟まれる部分は幅が狭くなっている。この幅の狭い流路の大きさは特に限定するものではないが、例えば流路の幅Ｗ（＝胴部１４４の内周面の半径と内壁部材１５０の外周面の半径との差）は０．１〜１．５ｍｍであり、流路のガス流れ方向の長さＬ（＝内壁部材１５０の軸方向長さ）は１〜５ｍｍである。

センサー素子室１２４は、内側保護カバー１３０に囲まれた空間である。被測定ガスは、内側ガス導入孔１３４ａからこのセンサー素子室１２４に流入し、センサー素子室１２４を通って内側ガス排出孔１３６ａからガス流出室１２６へ流出するようになっている。

ガス流出室１２６は、段差部１３５，先端部１３６，１４６に囲まれた空間である。被測定ガスは、内側ガス排出孔１３６ａからこのガス流出室１２６に流入し、ガス流出室１２６を通って外側ガス排出孔１４６ａから保護カバー１２０の外部へ排出されるようになっている。

次に、こうして構成されたガスセンサー１００がガス成分の濃度を検出する際の被測定ガスの流れについて説明する。配管２００内を流れる被測定ガスは、まず、外側ガス導入孔１４４ａを通り、ガス流入室１２２内に入る。そして、被測定ガスが外側ガス導入孔１４４ａからガス流入室１２２内をセンサー素子１１０の先端から後端へ向かう方向に流れるように通過して内側ガス導入孔１３４ａに至り、内側ガス導入孔１３４ａからセンサー素子室１２４内をセンサー素子１１０の後端へ向かう方向に流れてセンサー素子１１０の先端に達する。ここで、例えばエンジンの始動時で配管２００内に水などの液体が存在するような場合には、被測定ガスの流れにより外側ガス導入孔１４４ａから液体がガス流入室１２４内に入ることがある。しかし、ガス流入室１２２のうち外側ガス導入孔１４４ａから内側ガス導入孔１３４ａに至る流路は内壁部材１５０が存在することにより途中で幅が狭まっているため、液体はこの幅の狭い空間を通過しにくい。そのため、ガス流入室１２４のうち内壁部材１５０よりも内側ガス導入孔１３４ａ側の空間には液体が到達しにくい。また、配管２００内の被測定ガスの流速が急上昇すると、その被測定ガスに接触する部位は熱を奪われて温度が急激に低下しやすい。しかし、センサー素子１１０の先端の周囲に設けられた中実形状の内壁部材１５０は周囲の熱を蓄えているため、センサー素子１１０の先端は内壁部材１５０によって保温された状態となっている。そのため、被測定ガスの流速が急上昇したとしても、センサー素子１１０の先端の温度は急激に低下することはない。また、外側ガス導入孔１４４ａからセンサー素子１１０の先端に至るガスの流路に曲がりが多いため、液体のセンサー素子１１０への到達が抑制されると共に、流路内で被測定ガスの流速を減少させてセンサー素子１１０周辺での流速の急上昇が抑制される。

そして、センサー素子１１０の先端に被測定ガスが到達すると、被測定ガス中のガス成分の濃度が検出される。その後、被測定ガスはセンサー素子１１０の先端から先端部１３６に向かい、先端部１３６の中心から外周へ向かう方向に内側ガス排出孔１３６ａを通過してガス流出室１２６に至り、先端部１４６の外周から中心へ向かう方向にガス流出室１２６内を流れて外側ガス排出孔１４６ａから外部へ排出される。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のセンサー素子１１０が本発明のセンサー素子に相当し、内側ガス導入孔１３４ａが第１のガス導入孔に相当し、内側保護カバー１３０が第１の保護カバーに相当し、外側ガス導入孔１４４ａが第２のガス導入孔に相当し、外側保護カバー１４０が第２の保護カバーに相当し、ガス流入室１２２及びセンサー素子室１２４がガス流路に相当し、内壁部材１５０が内壁部材に相当する。

以上詳述した本実施形態によれば、外側ガス導入孔１４４ａから内側ガス導入孔１３４ａに至る経路は内壁部材１５０が存在することにより途中で幅が狭まっているため、内壁部材１５０がない場合と比べて、水などの液体がガス流入室１２２を通ってセンサー素子１１０に到達しにくい。また、内壁部材１５０は中実形状であり周囲の熱を蓄えるため、センサー素子１１０の温度が低下するおそれが生じたとしても、内壁部材１５０に蓄えられた熱によってセンサー素子１１０の温度低下が抑制される。これらにより、従来の二重構造の保護カバーを採用したセンサーに比べてセンサー素子１１０のクラックの発生を抑制できる。

また、内壁部材１５０が内側保護カバー１３０の胴部１３４の外周面に取り付けられているため、図４に示すように内壁部材２５０が外側保護カバー１４０の胴部１４４の内周面に取り付けられている場合に比べて、センサー素子１１０の近くに位置することになり、内壁部材１５０の蓄える熱によりセンサー素子の温度低下を抑制できる。

さらに、内壁部材１５０は、比熱が内側保護カバー１３０と同じかそれ以上であるため、比熱が内側保護カバー１３０より小さい場合と比べて周囲の熱を多く蓄えることができる。

さらにまた、外側ガス導入孔１４４ａからセンサー素子１１０の先端までのガスの流路において、被測定ガスが外側ガス導入孔１４４ａからガス流入室１２２内をセンサー素子１１０の先端から後端へ向かう方向に流れるように通過して内側ガス導入孔１３４ａに至り、内側ガス導入孔１３４ａからセンサー素子室１２４内をセンサー素子１１０の後端へ向かう方向に流れてセンサー素子１１０の先端に達するようになっている。このように、外側ガス導入孔１４４ａからセンサー素子１１０の先端に至るガスの流路の曲がり多くすることで、曲がりの少ない流路と比べて液体がセンサー素子１１０に到達しにくくなると共に、流路内で被測定ガスの流速が減少する。これにより、センサー素子１１０の温度低下を抑制してクラックの発生を抑制することができる。

そしてまた、内壁部材１５０は内側保護カバー１３０とは別に形成されているため、溶接等により簡単に取り付けることができる。

さらに、ガスセンサー１１０は、外側ガス導入孔１４４ａの内周面の最下面１４４ｂと段差部１４５の上側の面１４５ａとが同一平面上になるように形成されている。このため、エンジン始動時に配管２００内に存在する水などの液体が外側ガス導入孔１４４ａからガス流入室１２２内に入った場合でも、この液体が外側ガス導入孔１４４ａから外側保護カバー１４０の外へ出るのを妨げるものがなく、ガス流入室１２２に入った液体が外に逃げやすくなる。したがって、液体がセンサー素子１１０に到達してこれを冷却することによるクラックの発生を抑制できる。

そしてまた、被測定ガスが内側ガス導入孔１３４ａからセンサー素子室１２４内に入るときには、ガイド部１３４ｂにより被測定ガスの流れが規制され、被測定ガスの流れが直接センサー素子１２４に向かわない。このため、ガイド部１３４ｂがない場合と比べて被測定ガスの流れによるセンサー素子１１０の温度低下が抑制され、クラックの発生を防止できる。

そしてまた、センサー素子室１２４から外側ガス排出孔１４６ａまでのガスの流路において、被測定ガスは内側保護カバー１３０の中心から外周へ向かう方向に流れるように内側ガス排出孔１３６ａを通過してガス流出室１２６に至り、外側保護カバー１４０の外周から中心へ向かう方向にガス流出室１２６内を流れて外側ガス排出孔１４６ａから外部へ排出される。そのため、例えば内側ガス排出孔１３６ａが先端部１３６の底面に開いているような場合と比べて経路に曲がりが多くなるため、外側ガス排出孔１４６ａからガス流出室１２６内に水などの液体が入った場合に液体がセンサー素子１１０に到達しにくい。これにより、センサー素子１１０のクラックの発生を抑制できる。

そしてまた、先端部１４６は、厚さが大径部１４２，胴部１４４，段差部１４５よりも厚くなっている。これにより、外側ガス排出孔１４６ａの孔の長さが長くなり、液体が外側ガス排出孔１４６ａからガス流出室１２６に入りにくい。また、外側ガス排出孔１４６ａは、配管２００における被測定ガスの流れと垂直な方向に孔が開いているため、液体が外側ガス排出孔１４６ａからガス流出室１２６に入りにくい。これらにより、外側ガス排出孔１４６ａから液体が入ってセンサー素子１１０に到達するのを抑制できる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実現し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、内壁部材１５０は中身の詰まった中実形状としたが、図５に示す内壁部材３５０のように内部に密閉空間３５０ａを有する形状としてもよい。この場合、内壁部材３５０が内部の密閉空間３５０ａに所定の気体を有しているものとしてもよい。このような内壁部材でも、周囲の熱を蓄えることができるため、内壁部材がない場合と比べてセンサー素子１１０の温度低下が抑制される。また、内壁部材３５０が密閉空間３５０ａに所定の気体を有する場合には、所定の気体の比熱が内側保護カバー１３０と同じかそれ以上のものとすることが好ましい。

上述した実施形態では、内壁部材１５０は内側保護カバー１３０の胴部１３４の外周面に取り付けられているものとしたが、内壁部材１５０が外側ガス導入孔１４４ａから外側保護カバー１４０と内側保護カバー１３０との間を経てセンサー素子の先端に達するガス流路のうち少なくとも一部の流路の幅を狭くするように配置されていればよい。例えば、図６に示す内壁部材４５０のように縦断面が円形のリング状部材２つからなるものであってもよいし、図７に示す内壁部材５５０のように縦断面が円弧と直線とで構成された形状のリング状部材２つからなるものであってもよい。このような形状でも、流路の幅Ｗ１（＝胴部１４４の内周面の半径と内壁部材４５０，５５０の最外周部の半径との差）が胴部１３４の外周面の半径と胴部１４４の内周面の半径との差よりも小さいため、内壁部材４５０，５５０がない場合と比べて、水などの液体がガス流入室１２２を通ってセンサー素子１１０に到達しにくい。また、内壁部材１５０はリング状の部材でなくともよい。さらに、内壁部材が外側保護カバー１４０に取り付けられていてもよいし、内側保護カバー１３０及び外側保護カバー１４０が共に内壁部材を備えていてもよい。さらにまた、本実施形態のように内壁部材１５０を内側保護カバー１３０及び外側保護カバー１４０とは別に形成された部材とした方が、一体に形成する場合と比べてガスセンサー１１０の製造は容易であるが、内壁部材１５０は内側保護カバー１３０又は外側保護カバー１４０と共に１つの材料から一体に形成されるものであってもよい。例えば、図８に示す内壁部材６５０，外側保護カバー２４０のように、外側保護カバー２４０と内壁部材６５０とが１つの材料から一体に形成されるものであってもよい。この外側保護カバー２４０では、胴部２４４の一部が絞り加工されることで内壁部材６５０が形成されている。この場合でも、内壁部材６５０により外側ガス導入孔２４４ａから内側ガス導入孔１３４ａに至る経路の幅が途中で狭まっているため、内壁部材６５０を形成しない場合と比べて、水などの液体がガス流入室１２２を通ってセンサー素子１１０に到達しにくい。なお、胴部２４４と内壁部材６５０とは同じ厚さであり、図２の胴部１４４よりも厚くなっている。こうすることで、内壁部材６５０が胴部２４４よりも厚くなるように胴部２４４の一部を絞り加工する場合に比べて、絞り加工による内壁部材６５０の形成が容易になる。また、胴部２４４を胴部１４４よりも厚くすることで、内壁部材６５０が内壁部材１５０と同様に周囲の熱を蓄えるだけでなく、胴部２４４も胴部１４４と比べて周囲の熱を蓄えることができるため、センサー素子１１０の温度低下を抑制する効果が高まる。

上述した実施形態では、外側ガス導入孔１４４ａは、内周面の最下面１４４ｂと段差部１４５の上側の面１４５ａとが同一平面上になるように形成されているものとしたが、これに限らず、外側ガス導入孔１４４ａからガス流入室１２２内に入った液体が外側ガス導入孔１４４ａに到達するのを妨げない形状であれば、外側ガス導入孔１４４ａは他の形状としてもよい。例として、変形例の外側ガス導入孔３４４ａの部分断面図を図９に、図９のＢ視図を図１０に示す。この外側ガス導入孔３４４ａは、段差部３４５と胴部３４４との境界である周縁部３４５ｂを含むように位置している。このようにすることで、上述した実施形態と比べてガス流入室３２２に入った液体が外側ガス導入孔３４４ａから外部へ出ていきやすくなり、液体がセンサー素子１１０に到達しにくくなる。また、円形の孔である外側ガス導入孔１４４ａと異なり、外側ガス導入孔３４４ａは図１０に示すようにスリット状の孔である。被測定ガスは、孔が円形であってもスリット状であっても孔の面積が同じであれば流入のしやすさはそれほど変わらないが、液体については表面張力があるためスリットの幅によって流入のしやすさが変化する。そのため、外側ガス導入孔３４４ａを所定の幅（例えば０．１〜０．５ｍｍ）のスリットとすることで、同じ面積の円形の孔と比較して液体のみが流入しにくくなり、外側保護カバー内への液体の進入を抑制できる。また、他の例として、変形例の外側ガス導入孔４４４ａの縦断面図を図１１に示す。この外側ガス導入孔４４４ａは、配管２００内における被測定ガスの流れる方向と垂直に段差部４４５を貫通するように開けられている。また、外側保護カバー４４０の中心軸に最も近い外側ガス導入孔４４４ａの内周面４４４ｂが、先端部１４６の外周面１４６ｂの一部と同一平面上に位置するように形成されている。このようにすることで、配管２００内を流れる被測定ガスは、まず外周面１４６ｂに当たり、その後外側ガス導入孔４４４ａからガス流入室４２２に入る。これにより、被測定ガスと共に配管２００内を流れる水などの液体は外周面１４６ｂに付着するため、図２のガス導入孔１４４ａと比べて、ガス導入孔４４４ａから外側保護カバー４４０内への液体の進入を抑制できる。なお、内周面４４４ｂと外周面１４６ｂとは同一平面上になくともよい。

上述した実施形態において、先端部１４６の形状を、外側ガス排出孔１４６ａの外部周辺における被測定ガスの流れが層流となるようにすることが好ましい。図２の先端部１４６を拡大した部分断面図を図１２に示す。図１２における先端部１４６の周縁部１４６ｃの曲面の半径Ｒ１と周縁部１４６ｃを除いた先端部１４６の底面の直径Ｒ２とを適切な値とすることで、外側ガス排出孔１４６ａの外部周辺における被測定ガスの流れが層流となる。これにより、被測定ガスの流れに乗っている液体がある場合でも、液体が外側ガス排出孔１４６ａから外側保護カバー１４０の内部に入りにくくなる。また、ガス流出室１２６よりも外側ガス排出孔１４６ａの外部周辺の圧力が低下して、ガス流出室１２６内の被測定ガスが速やかに外側ガス排出孔１４６ａから排出される。これにより、保護カバー１２０内部の被測定ガスの入れ替わりが短時間でなされることになり、センサ素子１１０の応答性が向上する。

上述した実施形態において、保護カバー１２０の容積は小さくすることが好ましい。容積が小さいほど、保護カバー１２０内部の被測定ガスの入れ替わりが短時間でなされるため、センサ素子１１０の応答性が向上する。

上述した実施形態では、内側ガス導入孔１３４ａは、胴部１３４に等間隔に６箇所形成されているものとしたが、６箇所に限るものではなく、等間隔でなくてもよい。

［実施例１，比較例１］
上述したガスセンサー１００を作製し、実施例１とした。実施例１において、幅Ｗは０．７ｍｍ，長さＬは１．８ｍｍ，内壁部材１５０の内径は６．４ｍｍとし、内側保護カバー１３０，外側保護カバー１４０，内壁部材１５０の材質はＳＵＳ３１０とした。また、外側ガス導入孔１４４ａは胴部１４４に等間隔に６箇所形成した。なお、理由は後述するが、内側保護カバー１３０の先端部１３６には内側ガス排出孔１３６ａを形成しないものとした。さらに、センサー素子１１０内部のヒーターは、センサー素子１１０の温度が８５０℃一定となるようにフィードバック制御により発熱量が制御されるものとした。次に、内壁部材１５０を備えない点以外は実施例１と同様にして比較例１のガスセンサー１００を作製した。

［評価試験１］
作製した実施例１，比較例１のガスセンサー１００について、ガス流入室１２２内の内壁部材１５０よりも外側ガス導入孔１４４ａ側の空間（比較例１においては、それに相当する空間）に水１００μリットルを入れた状態で、センサー素子１１０が鉛直方向から４５°傾いた状態にした。このときの実施例１のガスセンサー１００の様子を図１３に示す。なお、ガスセンサー１００は、ガス流入室１２２内の水が外側ガス導入孔１４４ａから外側保護カバー１４０の外に飛び出さないように傾けた。そして、実施例１，比較例１をこのように４５°傾けた状態で、鉛直上下方向に図１４に示す条件の振動を３０分間加えてガス流入室１２２内の水の様子を観察し、振動を加えた後にセンサー素子室１２４に溜まった水の量を計測した。すると、実施例１ではガス流入室１２２のうち内壁部材１５０よりも内側ガス導入孔１３４ａ側の空間への水の浸入は見られず、センサー素子室１２４へ移動した水はなかった。一方、比較例１では実施例１におけるガス流入室１２２のうち内壁部材１５０よりも内側ガス導入孔１３４ａ側の空間に相当する空間に全量である１００μリットルの水の浸入が見られ、センサー素子室１２４へ移動した水は２０μリットルであった。これは、内壁部材１５０がガス流入室１２２におけるガスの流路の一部の幅を狭くしていることにより、内壁部材１５０よりも内側ガス導入孔１３４ａ側の空間へ水が入りにくくなっているためと考えられる。なお、実施例１，比較例１において内側ガス排出孔１３６ａを形成しなかったのは、ガス流入室１２２からセンサー素子室１２４に移動した水が内側ガス排出孔１３６ａから逃げないようにして、振動を加えたあとのセンサー素子室１２４内の水の量を正しく計測するためである。

［実施例２，比較例２］
内側保護カバー１３０の先端部１３６に、上述した内側ガス排出孔１３６ａを等間隔に６箇所形成した点以外は、実施例１と同様にしてガスセンサー１００を作製し、実施例２とした。また、内壁部材１５０を備えない点以外は実施例２と同様にして比較例２のガスセンサー１００を作製した。

［評価試験２］
作製した実施例２，比較例２のガスセンサー１００をそれぞれ図１と同様に配管に取り付けた。なお、配管の中は空気で満たした。そして、配管内を無風状態として３１０秒間放置し、その後、配管内の空気の流速を４５ｍ／ｓとした。この場合における実施例２，比較例２のセンサー素子１１０の温度変化を図１５に、センサー素子１１０のヒーターの投入パワー比（ヒーターの最大出力１５Ｗに対する出力の比）の変化を図１６に示す。図１５からわかるように、実施例２のセンサー素子１１０は流速が急激に変化したときでも温度変化が小さい。これは、内壁部材１５０が周囲の熱を蓄えることで、この熱によりセンサー素子１１０の温度の急激な変化を抑制しているためと考えられる。また、図１６からわかるように、実施例２のセンサー素子１１０のヒーターの出力は、風の有無に関わらず比較例２よりも小さい。これは、内壁部材１５０が周囲の熱を蓄えることでセンサー素子１１０の保温効果が高まり、内壁部材１５０を備えない場合と比べてセンサー素子１１０の温度を一定に保つのに要するヒーターの出力が小さくて済むためと考えられる。

なお、上述したガスセンサー１００のように被測定ガスの所定のガス濃度を検出するガス濃度検出センサーに限らず、センサー素子に水などの液体が付着することでクラックを生じるなど、液体による障害発生の可能性があるセンサー素子を有するセンサーであれば、本発明における保護カバーが内壁部材を備える構成を採用することで同様の効果を得ることができる。

１００ガスセンサー、１０２主体金具、１１０センサー素子、１２０保護カバー、１２２，３２２，４２２ガス流入室、１２４センサー素子室、１２６ガス流出室、１３０内側保護カバー、１３２大径部、１３３段差部、１３４，３３４胴部、１３４ａ内側ガス導入孔、１３４ｂガイド部、１３５段差部、１３６先端部、１３６ａ内側ガス排出孔、１４０，２４０，４４０外側保護カバー、１４２大径部、１４３，２４３段差部、１４４，２４４，３４４胴部、１４４ａ，２４４ａ，３４４ａ，４４４ａ外側ガス導入孔、１４４ｂ最下面、１４５，３４５，４４５段差部、１４５ａ上側の面、１４６，３４６先端部、１４６ａ，３４６ａ外側ガス排出孔、１４６ｂ外周面、１４６ｃ周縁部、１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０内壁部材、３５０ａ密閉空間、２００配管、３４５ｂ周縁部、４４４ｂ内周面。

Claims

被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサー素子と、
前記センサー素子を覆うと共に外側から内側への前記被測定ガスの流れを許容する第１のガス導入孔を有する第１の保護カバーと、
前記第１の保護カバーを覆うと共に外側から内側への前記被測定ガスの流れを許容する第２のガス導入孔を有する第２の保護カバーと、
前記第２のガス導入孔から前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの間を経て前記第１のガス導入孔に至り、該第１のガス導入孔から前記第１の保護カバーの内側に入り、前記センサー素子の先端に達するガス流路と、
を備え、
前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの少なくとも一方は、前記ガス流路のうち前記第２のガス導入孔から前記第１のガス導入孔に至る流路の少なくとも一部の幅を狭めるように配置され、中味の詰まった中実形状又は内部に密閉空間を有する形状の内壁部材を備えている、
ガス濃度検出センサー。
前記第１の保護カバーが前記内壁部材を備えている、
請求項１に記載のガス濃度検出センサー。
前記内壁部材は、比熱が前記第１の保護カバーと同じか又はそれ以上である、
請求項１又は２に記載のガス濃度検出センサー。
前記ガス流路は、前記被測定ガスが前記第２のガス導入孔から前記第１の保護カバーと前記第２の保護カバーとの間を前記センサー素子の先端から後端へ向かう方向に流れるように通過して前記第１のガス導入孔に至り、前記第１のガス導入孔から前記第１の保護カバーの内側に入り、前記センサー素子の後端ら先端に向かう方向に流れて前記センサー素子の先端に達するように形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサー。
前記内壁部材は、前記第１の保護カバー及び前記第２の保護カバーとは別に形成された部材である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサー。