JP5765394B2 - ガスセンサ - Google Patents

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、自動車の内燃機関の排気管等に設けられ、被測定ガスである排ガス中の特定ガス濃度を検出するための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、センサ素子を内側に挿通して保持するハウジングと、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。

例えば、特許文献１には、センサ素子の被水防止等のため、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と、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。
このガスセンサにおいて、アウタカバーには、アウタカバー内に被測定ガスを導入するためのアウタ導入開口部が設けられている。また、インナカバーには、インナカバー内に被測定ガスを導入するためのインナ導入開口部が設けられている。

特開２００９−２５０７６号公報

ところで、多気筒の内燃機関では、気筒間の燃料噴射量のばらつき等により、気筒間において空燃比のばらつき（気筒間インバランス）が生じる。近年、さらなる排ガス規制、燃費規制により、内燃機関の気筒間インバランスをガスセンサにおいてより精度良く検出し、内燃機関の各気筒の空燃比制御を行うことが求められている。したがって、気筒間インバランスの指標となるガスセンサの出力値（空燃比：Ａ／Ｆ）の変化をより正確に把握するため、各気筒の空燃比変化に伴うガスセンサの応答性をさらに高めることが必要となる。具体的には、従来のＡ／Ｆ変化に対する応答性とは異なり、特にセンサ素子を保護する素子カバーにおいては、センサ素子のガス検出部（被測定ガスを検出するための部分）により多くの被測定ガスを短距離で迅速に到達させることに加え、センサ素子の検出部に到達するまでの間に、各気筒から順次排気されるＡ／Ｆの異なる被測定ガスが混合されにくくすることが不可欠となる。

しかしながら、上記特許文献１のガスセンサでは、主にセンサ素子の被水を防止することに重点が置かれていたため、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を考えた場合には、気筒間インバランスを検出する応答性が十分でない。この要因としては、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子のガス導入部に到達するまでの距離が長いことなどが考えられる。この距離が長いと、時間的に前後して排気され、センサ素子のガス検出部に前後して到達する被測定ガスが混ざりやすくなってしまう。この被測定ガスの混合が生じると、いずれかの気筒から排気される被測定ガスの空燃比がリッチ側に変動し、他のいずれかの気筒から排気される被測定ガスの空燃比がリーン側に変動していたとしても、これらの被測定ガスが混合された状態の空燃比を検出することになってしまう。その結果、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度が低下し、気筒間インバランスを検出するためのガスセンサの応答性が低下するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を高めることができ、気筒間インバランスを検出する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して保持するハウジングと、
該ハウジングの軸方向先端側に配設された素子カバーとを備え、
上記センサ素子の先端部には、その内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部が設けられており、
上記素子カバーは、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、
該アウタカバーには、該アウタカバー内に被測定ガスを導入するためのアウタ導入開口部が設けられており、
上記インナカバーには、該インナカバー内に被測定ガスを導入するためのインナ導入開口部が設けられており、
上記センサ素子の上記ガス導入部の軸方向中間位置は、上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあり、
上記センサ素子（２）の軸方向先端位置（Ｃ３）は、上記インナカバー（４）の上記インナ導入開口部（４２）の軸方向基端位置（Ｄ１）よりも軸方向先端側（Ｘ１）にあることを特徴とするガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいて、センサ素子の先端部には、その内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部が設けられている。また、センサ素子の先端部を覆うインナカバーには、インナカバー内に被測定ガスを導入するためのインナ導入開口部が設けられている。そして、センサ素子のガス導入部の軸方向中間位置は、インナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にある。

すなわち、アウタ導入開口部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）に導入された被測定ガスは、インナ導入開口部からインナカバー内に導入され、センサ素子のガス導入部に到達する。
本発明者らは、このような被測定ガスの流れにおいて、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子のガス導入部に到達するまでの距離が、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性に大きく寄与することを見出した。

そして、本発明者らは、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子のガス導入部に到達するまでの距離を短くするためには、被測定ガスがインナカバー内に導入される部分であるインナ導入開口部の軸方向基端位置を、被測定ガスがセンサ素子の内部に導入される部分であるガス導入部の軸方向中間位置よりも軸方向基端側とすることが非常に有効であることを見出した。

これにより、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスをできるだけ短距離で迅速にセンサ素子のガス導入部に到達させることができる。また、被測定ガスを他のインナ導入開口部から流れ込んだ被測定ガスと混合させることなく、センサ素子のガス導入部に到達させることができる。そして、内燃機関の各気筒の被測定ガスを順にセンサ素子のガス導入部に到達させ、センサ素子のガス導入部に到達するまでの間に各気筒の被測定ガスが混合されることを抑制することができる。

その結果、ガスセンサの応答性を高めることができ、内燃機関の気筒間インバランスの指標となるガスセンサの出力値（例えば、空燃比：Ａ／Ｆ等）の変化をより正確に把握することができる。そして、ガスセンサにおける内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を向上させることができる。

このように、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を高めることができ、気筒間インバランスを検出する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、ガスセンサ全体の構造を示す断面説明図。 実施例１における、ガスセンサの素子カバーの構造を示す断面説明図。 実施例１における、インナカバーのインナ導入開口部及びルーバー部を示す断面説明図。 実施例１における、センサ素子の先端部の構造を示す断面説明図。 実施例１における、ルーバー部をインナ導入開口部と同一平面上に投影した状態を示す説明図。 実施例１における、インナ導入開口部と同一平面上に投影したルーバー部を示す説明図。 実施例１における、インナ導入開口部からルーバー部を介してインナカバー内に流れ込む被測定ガスの流れを示す説明図。 実施例１における、多気筒の内燃機関における被測定ガスの流れを示す説明図。 実施例１における、横軸に時間をとり、縦軸に被測定ガスのガス濃度をとって、ガス濃度の時間変化を示すグラフ。 実施例１における、インナ導入開口部と同一平面上に投影した別例のルーバー部を示す説明図。 実施例１における、インナ導入開口部から別例のルーバー部を介してインナカバー内に流れ込む被測定ガスの流れを示す説明図。 実施例２における、ガスセンサの素子カバーの構造の一例を示す断面説明図。 実施例３における、ガスセンサを取り付けた内燃機関の排気管を示す説明図。 実施例３における、クランク角及びＡ／Ｆの時間ごとの変化を示すグラフ。 実施例３における、インナ導入開口部の軸方向基端位置とガス導入部の軸方向中間位置との間の軸方向距離ａとインバランス応答値比との関係を示すグラフ。

上記ガスセンサにおいて、「軸方向先端側」とは、ガスセンサの軸方向の一方側であり、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。

また、上記センサ素子としては、例えば、被測定ガス側電極及び基準ガス側電極を設けた酸素イオン伝導性の固体電解質体、被測定ガス側電極に接触させる被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層等を積層して構成された積層型のセンサ素子を用いることができる。上記構成の場合、センサ素子の外表面に拡散抵抗層の一部が露出しており、その露出した部分が上記ガス導入部となる。

また、上記センサ素子の先端部には、上記ガス導入部が複数箇所設けられていてもよい。
また、上記センサ素子の外表面には、少なくとも拡散抵抗層の露出した部分（ガス導入部）を覆うように、被測定ガス中の被毒成分を捕獲するための保護層等が設けられていてもよい。

また、上記アウタカバーには、上記アウタ導入開口部が周方向に並んで複数設けられていてもよい。
また、上記インナカバーには、上記インナ導入開口部が周方向に並んで複数設けられていてもよい。
また、上記インナ導入開口部が複数設けられている場合には、上記センサ素子の上記ガス導入部の軸方向中間位置は、そのすべてのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあることが好ましい。

また、上記インナ導入開口部が複数設けられている場合には、そのすべてのインナ導入開口部の軸方向位置が同じであることが好ましい。また、インナ導入開口部からガス導入部までの径方向距離が同じであることが好ましい。
この場合には、インナ導入開口部からセンサ素子のガス導入部までの距離のばらつきを抑制し、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をより一層高めることができる。

また、上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置から上記センサ素子の上記ガス導入部の軸方向中間位置までの軸方向距離ａは、例えば、０ｍｍ＜ａ≦３．０ｍｍとすることが好ましく、さらに０．７ｍｍ≦ａ≦３．０ｍｍとすることがより好ましい。
この場合には、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスをより一層短距離で迅速にセンサ素子のガス導入部に到達させることができる。そして、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をさらに高めることができる。

上記センサ素子の上記ガス導入部の軸方向中間位置と上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置との間の軸方向距離ａが０ｍｍ以下の場合、３．０ｍｍを超える場合には、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子のガス導入部に到達するまでの距離が長くなってしまうおそれがあり、ガスセンサの気筒間インバランスを検出する応答性の低下を招く場合がある。

また、上記センサ素子の上記ガス導入部の軸方向先端位置は、上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあってもよい。
この場合には、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスをより一層短距離で迅速にセンサ素子のガス導入部に到達させることができる。そして、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をさらに高めることができる。
また、センサ素子のガス導入部の軸方向先端位置は、インナ導入開口部が複数設けられている場合、そのすべてのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあることが好ましい。

また、上記センサ素子の軸方向先端位置は、上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向先端側にある。
これにより、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスをより一層短距離で迅速にセンサ素子のガス導入部に到達させることができる。そして、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をさらに高めることができる。
また、センサ素子の軸方向先端位置は、インナ導入開口部が複数設けられている場合、そのすべてのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向先端側にあることが好ましい。

また、上記インナカバーには、上記インナ導入開口部の内側において、被測定ガスの流れを遮り、該被測定ガスが軸方向基端側へ流れるようにするルーバー部が設けられていてもよい。
この場合には、被測定ガスの多くを、インナ導入開口部からルーバー部を介してインナカバー内の軸方向基端側へ流れ込ませることができる。これにより、インナ導入開口部からインナカバー内に導入された被測定ガスがセンサ素子のガス導入部に到達するまでの距離をより適切に短くすることができる。

また、上記ルーバー部は、上記インナ導入開口部の軸方向先端側の端部から上記インナカバーの内側に折り曲げられ、軸方向基端側に向かって形成されていてもよい。
この場合には、ルーバー部は、インナカバーから切り開くことによって、容易に形成することができる。
なお、上記ルーバー部が軸方向基端側に向かって形成されている状態には、ルーバー部がインナ導入開口部の軸方向先端側の端部から軸方向基端側へ向けて、軸方向に平行に伸びる状態、又はルーバー部がインナ導入開口部の軸方向先端側の端部から軸方向基端側へ向けて、軸方向に傾斜して伸びる状態がある。

また、上記インナカバーにおける上記インナ導入開口部よりも軸方向基端側の部分と上記ルーバー部との間の最短距離であるルーバー開度は、例えば、２．０ｍｍ以下とすることができる。これにより、インナ導入開口部からルーバー部を介してインナカバー内に流れ込む被測定ガスの流量を適切に制御することができ、ガスセンサの気筒間インバランスを検出する応答性をより一層高めることができる。
上記ルーバー開度が２．０ｍｍを超える場合には、インナ導入開口部からルーバー部を介してインナカバー内に流れ込む被測定ガスの流量を適切に制御することが困難となるおそれがある。

また、上記アウタカバーの上記アウタ導入開口部の軸方向先端位置は、上記インナカバーの上記インナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあってもよい。
この場合には、アウタ導入開口部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）に導入された被測定ガスは、軸方向先端側に向かって流れ、途中で向きを変えてインナ導入開口部からインナカバー内に流れ込む。このとき、被測定ガスと共に流れる水滴は、被測定ガスよりも質量が大きいため、その自重によってそのまま軸方向先端側に流れる。そのため、被測定ガスと水滴とをより分離しやすくなり、水滴がインナカバー内に侵入することを防止する効果をより高めることができる。これにより、センサ素子の被水及びそれに伴うセンサ素子の割れをより一層防止することができる。そして、耐被水性を向上させながら、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性を十分に確保することができる。
なお、アウタカバーのアウタ導入開口部の軸方向先端位置をインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向先端側とすることもできる。

（実施例１）
上記ガスセンサにかかる実施例について、図を参照して説明する。
図１、図２に示すごとく、本例のガスセンサ１は、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、センサ素子２を内側に挿通して保持するハウジング１３と、ハウジング１３の軸方向先端側Ｘ１に配設された素子カバー３とを備えている。
センサ素子２の先端部２０１には、その内部に被測定ガスＧを導入するためのガス導入部２７１が設けられている。

同図に示すごとく、素子カバー３は、センサ素子２の先端部２０１を覆うように配設されたインナカバー４と、インナカバー４の外側に配設されたアウタカバー５とを有する。アウタカバー５には、アウタカバー５内に被測定ガスＧを導入するためのアウタ導入開口部５２が設けられている。インナカバー４には、インナカバー４内に被測定ガスＧを導入するためのインナ導入開口部４２が設けられている。
センサ素子２のガス導入部２７１の軸方向中間位置Ｃ１は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。
以下、本例のガスセンサ１についてさらに詳説する。

図１に示すごとく、本例において、「軸方向先端側Ｘ１」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Ｇに晒される側をいう。また、「軸方向基端側Ｘ２」とは、その反対側をいう。
同図に示すごとく、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。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。

図４に示すごとく、センサ素子２は、被測定ガスＧ（排ガス）中の特定ガス濃度（酸素濃度）に依存して電極（後述する被測定ガス側電極２２、基準ガス側電極２３）間を流れる限界電流をもとに内燃機関に供給される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ素子である。
なお、図４は、センサ素子２の先端部２０１における軸方向Ｘに直交する断面を示したものである。

同図に示すごとく、センサ素子２は、ジルコニアからなる酸素イオン伝導性の固体電解質体２１を有する。板状の固体電解質体２１の一方の面には、被測定ガスＧを接触させる被測定ガス側電極２２が設けられ、他方の面には、基準ガス（大気）を接触させる基準ガス側電極２３が設けられている。

同図に示すごとく、固体電解質体２１の基準ガス側電極２３の側には、アルミナからなる基準ガス室形成層２４が積層されている。基準ガス室形成層２４には、溝部２４１が設けられており、この溝部２４１によって基準ガス室２４９が形成されている。基準ガス室２４９は、基準ガスを導入することができるよう構成されている。

基準ガス室形成層２４における固体電解質体２１とは反対側の面には、ヒータ基板２５が積層されている。ヒータ基板２５には、通電により発熱する発熱体（ヒータ）２５１が基準ガス室形成層２４と対面するよう設けられている。発熱体２５１は、通電によって発熱させることにより、センサ素子２を活性温度まで加熱することができるよう構成されている。

同図に示すごとく、固体電解質体２１の被測定ガス側電極２２の側には、アルミナからなる絶縁層２６が積層されている。絶縁層２６は、開口部２６１を有する。また、絶縁層２６における固体電解質体２１とは反対側の面には、被測定ガスＧを透過させるアルミナ多孔体からなる多孔質の拡散抵抗層２７が積層されている。拡散抵抗層２７の一部は、センサ素子２の外表面に露出しており、その露出した部分にガス導入部２７１が複数箇所形成されている。

固体電解質体２１と絶縁層２６と拡散抵抗層２７とにより覆われた場所には、被測定ガス室２６９が形成されている。被測定ガス室２６９は、拡散抵抗層２７を透過した被測定ガスＧを導入することができるよう構成されている。また、拡散抵抗層２７における絶縁層２６とは反対側の面には、アルミナからなる遮蔽層２８が積層されている。
なお、図示を省略したが、センサ素子２の外表面には、拡散抵抗層２７の露出した部分（ガス導入部２７１）を覆うように、被測定ガスＧ中の被毒成分を捕獲するための保護層等が設けられていてもよい。

図１に示すごとく、ハウジング１３の軸方向基端側Ｘ２には、センサ素子２の基端部２０２を覆うように第１基端側カバー１４が固定されており、さらに第１基端側カバー１４の軸方向基端側Ｘ２には、第２基端側カバー１５が固定されている。第２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、第２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。

また、第１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Ｘ２には、センサ素子２の基端部２０２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。

同図に示すごとく、ハウジング１３の先端側には、センサ素子２を保護するための素子カバー３が配設されている。素子カバー３は、センサ素子２の先端部２０１を覆うように配設された有底略円筒状のインナカバー４と、インナカバー４の外側に配設された有底略円筒状のアウタカバー５とを有する。インナカバー４は、ハウジング１３の先端部に固定されている。また、アウタカバー５は、インナカバー４の基端部に固定されている。

図２に示すごとく、アウタカバー５は、軸方向基端側Ｘ２から順に、軸方向Ｘに略同径のアウタ側面部５１１と、軸方向先端側Ｘ１に向かって縮径するテーパ状のアウタ縮径部５１２と、軸方向先端側Ｘ１を閉塞するアウタ底面部５１３とを有する。
アウタ側面部５１１には、複数のアウタ導入開口部５２が周方向に所定の間隔で設けられている。アウタ導入開口部５２の軸方向先端位置Ｅ１は、後述するインナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。また、アウタ底面部５１３には、アウタ排出開口部５３が設けられている。

同図に示すごとく、インナカバー４は、軸方向基端側Ｘ２から順に、軸方向Ｘに略同径のインナ第１側面部４１１と、軸方向先端側Ｘ１に向かって縮径するテーパ状のインナ第１縮径部４１２と、軸方向Ｘに略同径のインナ第２側面部４１３と、軸方向先端側Ｘ１に向かって縮径するテーパ状のインナ第２縮径部４１４と、軸方向先端側Ｘ１を閉塞するインナ底面部４１５とを有する。
インナ底面部４１５は、アウタカバー５のアウタ底面部５１３と略同一平面上であって、アウタ底面部５１３のアウタ排出開口部５３内に配置されている。

インナ第１縮径部４１２には、複数のインナ導入開口部４２が周方向に所定の間隔で設けられている。複数のインナ導入開口部４２は、軸方向Ｘ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、すべてのインナ導入開口部４２は、軸方向位置が同じである。また、すべてのインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１は、アウタカバー５のアウタ導入開口部５２の軸方向先端位置Ｅ１よりも軸方向先端側Ｘ１にある。また、すべてのインナ導入開口部４２は、ルーバー形状となっている。すなわち、インナ第１縮径部４１２には、インナ導入開口部４２が設けられたそれぞれの内側位置において、被測定ガスＧの流れを遮り、被測定ガスＧが軸方向基端側Ｘ２へ流れるようにするルーバー部４４が設けられている。また、インナ底面部４１５には、インナ排出開口部４３が設けられている。

同図に示すごとく、センサ素子２のガス導入部２７１の軸方向中間位置Ｃ１は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。本例では、すべてのインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。
また、センサ素子２の軸方向先端位置Ｃ３は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向先端側Ｘ１にある。本例では、すべてのインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向先端側Ｘ１にある。

また、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１からセンサ素子２のガス導入部２７１の軸方向中間位置Ｃ１までの軸方向距離ａは、０ｍｍ＜ａ≦３．０ｍｍとしている。なお、軸方向距離ａは、０ｍｍ＜ａ≦３．０ｍｍであることが好ましく、０．７ｍｍ≦ａ≦３．０ｍｍであることがより好ましい。

図３に示すごとく、ルーバー部４４は、インナ導入開口部４２の軸方向先端側Ｘ１の端部４２１からインナカバー４の内側に折り曲げられ、軸方向基端側Ｘ２に向かって形成されている。ルーバー部４４は、略四角形状に形成されている。また、ルーバー部４４は、インナカバー４の一部を金型等によって内側方向に押し出して形成されている。
また、インナカバー４におけるインナ導入開口部４２よりも軸方向基端側Ｘ２の部分（本例のインナ第１側面部４１１）とルーバー部４４との間の最短距離であるルーバー開度Ａは、２．０ｍｍ以下に設定されている。

図５、図６に示すごとく、ルーバー部４４をインナ導入開口部４２と同一平面（平面Ｈ）上に投影した場合、ルーバー部４４は、先端側端縁４４１ａ、根元側端縁４４２ａ、一対の側端縁４４３ａ、４４４ａを有する。一対の側端縁４４３ａ、４４４ａは、ルーバー部４４の根元側から先端側に向かうルーバー形成方向Ｖに対して略平行に、略直線状に形成されている。そして、ルーバー部４４の根元側端縁４４２ａと一対の側端縁４４３ａ、４４４ａとの間の角度Ｂ１、Ｂ２が９０度である。
なお、図５、図６は、インナカバー４からルーバー部４４を取り出して示したものである。

図２に示すごとく、ルーバー部４４の軸方向基端側Ｘ２の端部は、インナ導入開口部４２の軸方向基端側Ｘ２の端部と、軸方向Ｘのほぼ同じ位置にある。そして、アウタカバー５とインナカバー４との間の空間からインナ導入開口部４２を通過してインナカバー４内へ流れようとする被測定ガスＧは、ルーバー部４４によって遮られて、軸方向先端側Ｘ１へは流れない。この被測定ガスＧの一部は、一対の側端縁４４３ａ、４４４ａからインナカバー４内へ流れようとするものの、この被測定ガスＧの多くは、ルーバー部４４に沿って軸方向基端側Ｘ２へ流れる。

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、センサ素子２の先端部２０１には、その内部に被測定ガスＧを導入するためのガス導入部２７１が設けられている。また、センサ素子２の先端部２０１を覆うインナカバー４には、インナカバー４内に被測定ガスＧを導入するためのインナ導入開口部４２が設けられている。そして、センサ素子２のガス導入部２７１の軸方向中間位置Ｃ１は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。また、インナカバー４におけるインナ導入開口部４２の内側位置には、インナ導入開口部４２からインナカバー４内に流入する被測定ガスＧが、軸方向基端側Ｘ２へ流れるようにするルーバー部４４が設けられている。

これにより、図７に示すごとく、インナ導入開口部４２からインナカバー４内へ流れようとする被測定ガスＧの多くは、ルーバー部４４によってインナカバー４内の軸方向基端側Ｘ２へ流れ込ませることができる。また、ガス導入部２７１の軸方向中間位置Ｃ１が、インナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にあることにより、インナ導入開口部４２からインナカバー４内に導入された被測定ガスＧをできるだけ短距離で迅速にセンサ素子２のガス導入部２７１に到達させることができる。また、被測定ガスＧを他のインナ導入開口部４２から流れ込んだ被測定ガスＧと混合させることなく、センサ素子２のガス導入部２７１に到達させることができる。そして、内燃機関の各気筒の被測定ガスＧを順にセンサ素子２のガス導入部２７１に到達させ、センサ素子２のガス導入部２７１に到達するまでの間に各気筒の被測定ガスＧが混合されることを抑制することができる。

その結果、ガスセンサ１の応答性を高めることができ、内燃機関の気筒間インバランスの指標となるガスセンサ１の出力値（空燃比：Ａ／Ｆ）の変化をより正確に把握することができる。そして、ガスセンサ１における内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を向上させることができる。

図８には、多気筒の内燃機関において、いずれかの気筒７１ａの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側にあり、他の気筒７１ｂの空燃比が理論空燃比に対してリーン側にあるときの排気管８２における被測定ガスＧ（排気ガス）の流れを示す。同図に示すごとく、各気筒７１ａ、７１ｂからの排気は順次行われ、排気管８２内のガスセンサ１には、リッチ側の被測定ガスＧ１とリーン側の被測定ガスＧ２とが順次到達すると考えられる。
図９には、ガスセンサ１によって測定される被測定ガスＧのガス濃度の時間変化を示す。同図に示すごとく、ガスセンサ１においては、リッチ側の被測定ガスＧ１とリーン側の被測定ガスＧ２とが交互に測定されることになると考えられる。

そして、時間的に前後して排気され、インナカバー４内に前後して流入する被測定ガスＧが混ざりにくい状態にあることにより、所定の時間間隔で到達すると考えられるリッチ側の被測定ガスＧ１とリーン側の被測定ガスＧ２とが混ざりにくくすることができる。
本例においては、ルーバー部４４に沿って軸方向基端側Ｘ２へ流れる被測定ガスＧが、センサ素子２のガス導入部２７１に到達するまでの距離を短くしている。これにより、時間的に前後して排気された被測定ガスＧの混ざり合いを抑制し、ガスセンサ１における内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を向上させることができると考えられる。

また、本例において、センサ素子２の軸方向先端位置Ｃ３は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向先端側Ｘ１にある。そのため、インナ導入開口部４２からインナカバー４内に導入された被測定ガスＧをより一層短距離で迅速にセンサ素子２のガス導入部２７１に到達させることができる。これにより、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をさらに高めることができる。

また、ルーバー部４４をインナ導入開口部４２と同一平面（平面Ｈ）上に投影した場合、ルーバー部４４の一対の側端縁４４３ａ、４４４ａは、ルーバー形成方向Ｖに対して略平行に、略直線状に形成されている。
そのため、図７に示すごとく、被測定ガスＧがルーバー部４４の表面に沿って、ルーバー部４４の根元側から先端側に向かって流れやすくなる。そして、被測定ガスＧの一部がルーバー部４４の側端部４４３、４４４から両側に漏れてインナカバー４内に流れ込むことを抑制することができる。つまり、ルーバー部４４の先端部４４１を通過して流れ込む被測定ガスＧの流量の割合をさらに高めることができる。

また、インナカバー４におけるインナ導入開口部４２よりも軸方向基端側Ｘ２の部分（インナ第１側面部４１１）とルーバー部４４との間の最短距離であるルーバー開度Ａは、２．０ｍｍ以下である。そのため、インナ導入開口部４２からルーバー部４４を介してインナカバー４内に流れ込む被測定ガスＧの流量を適切に制御することができ、ガスセンサ１の応答性をより一層高めることができる。

また、アウタカバー５のアウタ導入開口部５２の軸方向先端位置Ｅ１は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。
そのため、図７に示すごとく、アウタ導入開口部５２からアウタカバー５内（アウタカバー５とインナカバー４との間）に導入された被測定ガスＧは、軸方向先端側Ｘ１に向かって流れ、途中で向きを変えてインナ導入開口部４２からインナカバー４内に流れ込む。このとき、被測定ガスＧと共に流れる水滴Ｗは、被測定ガスＧよりも質量が大きいため、その自重によってそのまま軸方向先端側Ｘ１に流れる。

これにより、同図に示すごとく、被測定ガスＧと水滴Ｗとをより分離しやすくなり、水滴Ｗがインナカバー４内に侵入することを防止する効果をより高めることができる。その結果、センサ素子２の被水及びそれに伴うセンサ素子２の割れを防止することができる。そして、耐被水性を向上させながら、ガスセンサ１の応答性、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を十分に確保することができる。なお、分離された水滴Ｗは、アウタカバー５のアウタ排出開口部５３から外部に排出される。

このように、本例によれば、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する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、図５、図６に示すごとく、ルーバー部４４をインナ導入開口部４２と同一平面（平面Ｈ）上に投影した場合、ルーバー部４４の一対の側端縁４４３ａ、４４４ａは、ルーバー形成方向Ｖに対して略平行に、略直線状に形成されている。これ以外にも、例えば、図１０に示すごとく、ルーバー部４４の一対の側端縁４４３ａ、４４４ａは、ルーバー形成方向Ｖに対して外側に傾斜して、略直線状に形成されていてもよい。すなわち、ルーバー部４４の根元側端縁４４２ａと一対の側端縁４４３ａ、４４４ａとの間の角度Ｂ１、Ｂ２が９０度を超えた角度（例えば、９０度超え９５度以下）であってもよい。

上記構成の場合には、図１１に示すごとく、被測定ガスＧがルーバー部４４の表面に沿って、ルーバー部４４の根元側から先端側に向かってより一層流れやすくなる。そして、被測定ガスＧの一部がルーバー部４４の側端部４４３、４４４から両側に漏れてインナカバー４内に流れ込むことをさらに抑制することができる。つまり、ルーバー部４４の先端部４４１を通過して流れ込む被測定ガスＧの流量の割合をさらに高めることができる。これにより、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をより一層向上させることができる。

（実施例２）
本例は、図１２に示すごとく、センサ素子２のガス導入部２７１とインナカバー４のインナ導入開口部４２との位置関係を変更した例である。
同図に示すごとく、センサ素子２のガス導入部２７１の軸方向先端位置Ｃ２は、インナカバー４のインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。本例では、ガス導入部２７１の軸方向先端位置Ｃ２は、すべてのインナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にある。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。また、実施例１と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。

本例のインナカバー４におけるインナ導入開口部４２の内側位置には、実施例１と同様に、インナ導入開口部４２からインナカバー４内に流入する被測定ガスＧが、軸方向基端側Ｘ２へ流れるようにするルーバー部４４が設けられている。そして、インナ導入開口部４２からインナカバー４内に流れる被測定ガスＧの多くは、軸方向基端側Ｘ２へ流れる。そのため、ガス導入部２７１の軸方向先端位置Ｃ２を、インナ導入開口部４２の軸方向基端位置Ｄ１よりも軸方向基端側Ｘ２にすることにより、ルーバー部４４に沿って軸方向基端側Ｘ２へ流れる被測定ガスＧが、より一層短距離で迅速にセンサ素子２のガス導入部２７１に到達するようにできる。これにより、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度、及び気筒間インバランスを検出する応答性をさらに高めることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例３）
本例は、ガスセンサについて、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を評価したものである。
本例では、インナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置からセンサ素子のガス導入部の軸方向中間位置までの軸方向距離ａ（図２参照）が異なる複数のガスセンサを準備した。準備したガスセンサのその他の基本的な構成は、実施例１のガスセンサ（図１〜図４等参照）と同様である。

次に、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度の評価方法について説明する。
本例では、図１３に示すごとく、４つの気筒（第１気筒８１１、第２気筒８１２、第３気筒８１３、第４気筒８１４）を有する直列４気筒型の内燃機関８１を準備した。内燃機関８１の各気筒８１１〜８１４は、それぞれ排気管８２の排気枝部８２１に連通している。４つの排気枝部８２１は、その下流側において集合して排気管８２の排気集合部８２２に連通している。そして、この排気管８２の排気集合部８２２に、ガスセンサ８９を取り付けた。

次いで、内燃機関を所定の条件で運転させた。本例では、回転数を１６００ｒｐｍに設定し、排気管内の単位断面積当たりのガス流量が２０ｇ／秒となるように調整した。そして、内燃機関の４つの気筒のうち、第２気筒の燃料噴射量を他の気筒に比べて過剰に増加させた。本例では、第２気筒の空燃比が理論空燃比に対してリッチ側に４０％ずらした状態（燃料噴射量を４０％増加した状態）となるように調整した。

そして、図１４に示すごとく、時間経過ごとにガスセンサの出力値（空燃比：Ａ／Ｆ）を取得した。
ここで、ガスセンサの出力値の波形は、内燃機関の１燃焼サイクルを１周期として変動する。内燃機関の１燃焼サイクルは、クランク角が０度の時に開始され、クランク角が７２０度のときに終了する。また、１燃焼サイクルの間、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順に燃焼が行われる。また、各気筒では、燃焼の後に排気が行われるため、１燃焼サイクルの間、第２気筒、第１気筒、第３気筒、第４気筒の順に排気が行われる。したがって、理想的には、第２気筒、第１気筒、第３気筒、第４気筒の順に、各気筒から排出された排ガスがガスセンサのセンサ素子のガス導入部に到達する。

次に、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度の評価方法について説明する。
図１４に示すごとく、取得したガスセンサの出力値（空燃比：Ａ／Ｆ）の波形から、１燃焼サイクル中の波形の振幅Ｐ（最大値と最小値との差）をインバランス応答値として求めた。
本例では、軸方向距離ａが異なるガスセンサに対して、それぞれ上述したインバランス応答値を求めた。そして、軸方向距離ａが−１．５ｍｍのガスセンサ（従来の仕様のガスセンサ）のインバランス応答値を基準（＝１００％）とし、その他のガスセンサのインバランス応答値比（％）を求めた。なお、インバランス応答値比が高いほうが内燃機関の気筒間インバランスの検出精度がより高いことを示す。

図１５に、内燃機関の気筒間インバランスの検出精度の評価結果を示す。同図の横軸は軸方向距離ａ（ｍｍ）、縦軸はインバランス応答値比（％）である。
なお、軸方向距離ａが０ｍｍの場合は、センサ素子のガス導入部の軸方向中間位置とインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置とが同じ位置であることを示す。また、軸方向距離ａが０ｍｍ未満の場合は、センサ素子のガス導入部の軸方向中間位置がインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向先端側にあることを示す。

同図から、軸方向距離ａが０ｍｍを超えると、すなわちセンサ素子のガス導入部の軸方向中間位置がインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあると、インバランス応答値比が高くなることがわかった。また、軸方向距離ａが０．７ｍｍあたりを超えると、インバランス応答値比がさらに高くなり、そのインバランス応答値比が安定していることがわかった。
一方、軸方向距離ａが３．０ｍｍあたりを超えると、インバランス応答値比が少し低くなることがわかった。

以上の結果から、センサ素子のガス導入部の軸方向中間位置がインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置よりも軸方向基端側にあることにより、ガスセンサの応答性を高めることができ、ガスセンサにおける内燃機関の気筒間インバランスの検出精度を向上させることができることがわかった。
また、このような効果を十分に得るためには、センサ素子のガス導入部の軸方向中間位置からインナカバーのインナ導入開口部の軸方向基端位置までの軸方向距離ａを０．７ｍｍ以上とすることが好ましく、３．０ｍｍ以下とすることが好ましいことがわかった。

１ ガスセンサ
１３ ハウジング
２ センサ素子
２０１ 先端部（センサ素子の先端部）
２７１ ガス導入部
３ 素子カバー
４ インナカバー
４２ インナ導入開口部
５ アウタカバー
５２ アウタ導入開口部
Ｃ１ 軸方向中間位置（ガス導入部の軸方向中間位置）
Ｄ１ 軸方向基端位置（インナ導入開口部の軸方向基端位置）
Ｘ１ 軸方向先端側
Ｘ２ 軸方向基端側

Claims (5)

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）を内側に挿通して保持するハウジング（１３）と、
   該ハウジング（１３）の軸方向先端側（Ｘ１）に配設された素子カバー（３）とを備え、
   上記センサ素子（２）の先端部（２０１）には、その内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部（２７１）が設けられており、
   上記素子カバー（３）は、上記センサ素子（２）の先端部（２０１）を覆うように配設されたインナカバー（４）と、該インナカバー（４）の外側に配設されたアウタカバー（５）とを有し、
   該アウタカバー（５）には、該アウタカバー（５）内に被測定ガスを導入するためのアウタ導入開口部（５２）が設けられており、
   上記インナカバー（４）には、該インナカバー（４）内に被測定ガスを導入するためのインナ導入開口部（４２）が設けられており、
   上記センサ素子（２）の上記ガス導入部（２７１）の軸方向中間位置（Ｃ１）は、上記インナカバー（４）の上記インナ導入開口部（４２）の軸方向基端位置（Ｄ１）よりも軸方向基端側（Ｘ２）にあり、
   上記センサ素子（２）の軸方向先端位置（Ｃ３）は、上記インナカバー（４）の上記インナ導入開口部（４２）の軸方向基端位置（Ｄ１）よりも軸方向先端側（Ｘ１）にあることを特徴とするガスセンサ（１）。
2. 上記センサ素子（２）の上記ガス導入部（２７１）の軸方向先端位置（Ｃ２）は、上記インナカバー（４）の上記インナ導入開口部（４２）の軸方向基端位置（Ｄ１）よりも軸方向基端側（Ｘ２）にあることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
3. 上記インナカバー（４）には、上記インナ導入開口部（４２）の内側において、被測定ガスの流れを遮り、該被測定ガスが軸方向基端側（Ｘ２）へ流れるようにするルーバー部（４４）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。
4. 上記ルーバー部（４４）は、上記インナ導入開口部（４２）の軸方向先端側（Ｘ１）の端部（４２１）から上記インナカバー（４）の内側に折り曲げられ、軸方向基端側（Ｘ２）に向かって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ（１）。
5. 上記アウタカバー（５）の上記アウタ導入開口部（５２）の軸方向先端位置（Ｅ１）は、上記インナカバー（４）の上記インナ導入開口部（４２）の軸方向基端位置（Ｄ１）よりも軸方向基端側（Ｘ２）にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ（１）。

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