JPH10318980A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
に解決できるようにして、所定ガス成分の測定を高精度
に行えるようにする。 【解決手段】導入された被測定ガスにおける所定ガス成
分を測定するセンサ素子12と、該センサ素子12の先
端を取り囲むように配置された保護カバー14を有する
ガスセンサ10Aにおいて、センサ素子12の先端面に
被測定ガスを導入するためのガス導入口を設け、保護カ
バー14を内側保護カバー110と外側保護カバー11
2により構成する。そして、内側保護カバー110に前
記ガス導入口に連通する開口部114を設け、内側保護
カバー110とセンサ素子12間で形成される内側保護
カバー空間130と、前記内側保護カバー110の開口
部114からセンサ素子12の前記ガス導入口に連通す
る連通路134とを隔離させて、被測定ガスを主として
開口部114よりセンサ素子12の前記ガス導入口に拡
散流入させるように構成する。
Description
出ガスや大気中に含まれるNO、NO2 、SO2、CO
2 、H2 O等のガス成分を測定するガスセンサに関し、
特に、センサ素子を取り囲むように配置された保護カバ
ーの構造に関する。
ンサ、NOxセンサ(特開平8−271476号公報参
照)、HCセンサ(特開平8−247995号公報参
照)、プロトンイオン伝導体を用いた水素センサ、H2
Oセンサ、あるいはSnO2 やTiO2 等の酸化物半導
体を用いた酸素センサや各種ガスセンサなど、様々なガ
スセンサが提案され、実用化されている。
いた酸素センサやTiO2 を用いた酸素センサは、自動
車の排気ガス環境下においても安定な性能を保つことか
ら、広く自動車の排気ガス中の酸素濃度制御あるいはA
/F制御用として用いられている。
動車のNOx制御用として実用段階に入っている。
常、ヒータを内蔵しており、エンジンの始動と同時にヒ
ータへの通電が行われ、センサ素子は排気ガスの温度上
昇よりも早く昇温し、作動温度に達するようになってい
る。
する。この凝縮水は、排気ガス温度の上昇に伴ってその
発生量が減少し、無くなっていく。従って、凝縮水の発
生時間帯にセンサ素子が十分に加熱されていると、凝縮
水の付着によりセンサ素子に熱衝撃が加わり、クラック
が入ることになる。
スセンサにおいては、センサ温度の立ち上がりが早く、
凝縮水の発生時間帯にセンサ温度が十分に加熱されてい
るために、前記クラックの発生確率が高いという欠点が
あった。
素センサにおいて、凝縮水対策の保護カバーが提案さ
れ、実用化に至っている(例えば特開平5−26842
号公報参照)。
これらのガスセンサは、三元触媒の後方に取り付けられ
るようになり、従来のような三元触媒の前方に取り付け
るタイプのものと比べて、凝縮水の発生時間帯が著しく
長くなり、上述の保護カバーでもセンサ素子のクラック
の発生確率が高くなるという問題を抱えている。
能を用いるものにあっては、酸素ポンプを有効に働かせ
るために700℃以上に加熱しており、凝縮水がかかっ
たときの熱衝撃は加熱型の酸素センサよりもはるかに大
きく、クラックの発生確率が高いという問題を有してい
る。
を用いたガスセンサでは、センサの取付け位置が排気パ
イプの下流になればなるほど、低温の環境になり、これ
により、センサ素子が冷やされやすくなって、酸素ポン
プが有効に働かないという不都合を生じていた。特に、
ディーゼルエンジン、リーンバーンエンジンでは、排気
ガス温度が低く、この問題が顕著である。
たものであり、凝縮水によるクラックの発生と素子冷え
を同時に解決することができ、所定ガス成分の測定を高
精度に行うことができるガスセンサを提供することを目
的とする。
は、導入された被測定ガスのうちの所定ガス成分を測定
するセンサ素子と、該センサ素子を取り囲むように配置
された保護カバーを有するガスセンサにおいて、前記セ
ンサ素子の先端面に前記被測定ガスを導入するためのガ
ス導入口を設け、前記保護カバーに、前記ガス導入口に
連通する開口部を設け、前記保護カバーと前記センサ素
子間で形成される保護カバー空間と、前記保護カバーの
開口部から前記センサ素子のガス導入口に連通する連通
路とを隔離させて、前記被測定ガスを主として前記開口
部より前記センサ素子のガス導入口に拡散流入させるよ
うに構成する。
また、仮に侵入したとしても、水滴の大きさは極めて小
さなものとなるため、凝縮水がセンサ素子の先端に当た
っても、その熱衝撃は非常に小さいものであり、センサ
素子の先端にクラックが発生するということがない。
離され、これにより、開口部からセンサ素子に向かって
拡散流入される被測定ガスが保護カバー空間に入り込む
ことがなくなるため、センサ素子において応答性よく所
定ガス成分の濃度を測定することができる。
にし、保護カバーの開口部をセンサ素子のガス導入口に
直接連通させる構成としているため、センサ素子が冷や
されにくく、凝縮水のセンサ素子への付着確率も著しく
小さくなる。
ル燃焼物やカーボンの付着が起こり、開口部のガス拡散
抵抗が増大しても、開口部のガス拡散抵抗はセンサ素子
のガス拡散抵抗に比して、十分低く設定されることにな
るため、感度の低下や応答性の低下を最小限に抑えるこ
とができる。
抵抗をD1、前記保護カバー空間から前記連通路へのガ
ス拡散抵抗をD2としたとき、これらのガス拡散抵抗の
比D1/D2(以下、隔離のガス拡散抵抗比と記す)が
1/5以下であることが好ましい。この場合、保護カバ
ー空間内へのガスの拡散が抑えられるため、センサ素子
での応答性の遅れを大きく改善させることができる。
ーの側面及び/又は底面に、少なくとも被測定ガスを保
護カバー空間に連通させるための穴(側面穴や底面穴)
を設けるようにしてもよい。この場合、前記隔離のガス
拡散抵抗比が1/5以上であっても、応答の遅れを改善
することができる。前記隔離のガス拡散抵抗比が1/5
以下であれば、更に応答は速くなる。但し、前記側面穴
や底面穴は素子冷えや凝縮水の付着確率の増大につなが
るため、できるだけ径の小さい穴とすることが好まし
い。前記穴の設置位置は、保護カバーの側面でも底面で
もよいし、両方でもよい。これらの穴の径としては1m
m以下が好ましい。
の端面を前記保護カバーに当接させるようにしてもよ
い。この場合、保護カバー空間と連通路との隔離がより
確実になる。
充填材を充填するようにしてもよい。前記隔離のガス拡
散抵抗比を下げるために、間隙部をガラスあるいはセラ
ミックセメント、ガラスウール、金属メッシュ(金属ワ
イヤを押し固めたもの)等の耐熱充填材を充填するのが
好ましい。
を被覆するように設けられ、かつ、少なくともガス導入
孔を具備した外側保護カバーを設けるようにしてもよ
い。これにより、内部の保護カバーが被測定ガスに直接
曝されるということがなくなり、素子冷え対策として非
常に有効になる。
記被測定ガスのガス排出孔を設けるようにしてもよい。
被測定ガスの流れが直接開口部へ向かわなくなるため、
凝縮水が開口部に当たりにくくなり、オイル燃焼物等の
付着も少なくなる。
2mm以下のガス排出孔を複数個設けることが好まし
い。開口部に対向しない位置に設けると更に好ましく、
飛散水滴が小さくなり、クラックの発生確率が減少す
る。この場合、前記ガス排出孔を開口部に対向しない位
置に設けることにより、凝縮水の開口部に向かう確率が
更に少なくなる。
ス拡散抵抗が、センサ素子のガス拡散抵抗の1/10以
下であることが好ましい。この場合、開口部にオイル燃
焼物等が付着しても、感度、応答性低下への影響を小さ
くすることができる。
記センサ素子に向かう長さを該開口部の開口幅の1.5
倍以上とすることが好ましい。この場合、飛散水滴がセ
ンサ素子に当たる確率が大きく減少する。なお、開口部
の開口の形状としては、スリットや楕円形、円形など種
々のものが考えられる。開口をスリット形状とする場合
は、スリット幅が1mm以下であることが望ましい。飛
散水滴が小さくなると同時にセンサ素子への熱衝撃が小
さくなり、クラックの発生確率をより小さくすることが
できる。
填するようにしてもよい。この場合、開口部に多孔質金
属、金属メッシュ、多孔質セラミックス、ガラスウール
等を充填することができる。これにより、凝縮水のセン
サ素子に当たる確率が更に減少する。従って、開口部の
開口幅が大きい場合に有効である。
保護カバーとは別部材にて構成するようにしてもよい。
この場合、センサ素子の位置ばらつきを容易に解消でき
るほか、開口部の高さ、開口面積等を自由に設定でき、
開口部の設計の自由度が高くなる。例えば、開口部の入
り口部分の開口面積を大きくし、かつ、開口部の高さを
大きくすることにより、ガス拡散抵抗を上げることな
く、高さを大きくすることができ、凝縮水の付着確率を
更に低下させることができる。また、隔離部分(センサ
素子と開口部との間隙部分)のガス拡散抵抗も十分に大
きな値になるように設計、製作することが可能になる。
の底部に凹部を設け、前記凹部に前記開口部を設けるよ
うにしてもよい。この場合、被測定ガスの流入経路が長
くなることから、凝縮水も当たりにくく、しかも、開口
部が凹部の奥に配置されているため、開口部へのオイル
燃焼物等の粒子の付着が起こりにくいという特徴を有す
る。
例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるNO、N
O2 、SO2 、CO2 、H2 O等のガス成分を測定する
ガスセンサに適用したいくつかの実施の形態例を図1A
〜図17を参照しながら説明する。
係るガスセンサ10Aは、導入された被測定ガス(排気
ガス)のうちの所定ガス成分、例えばNOx等を測定す
るセンサ素子12と、該センサ素子12の先端部を取り
囲むように配置された保護カバー14と、センサ素子1
2の先端部を除く全部を取り囲むように配置され、か
つ、外部への電気的導通を図るように構成されたセンサ
組立体16を有して構成されている。
うに、全体として、長尺な板状体形状に構成されてお
り、ZrO2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いた
セラミックスよりなる例えば6枚の固体電解質層20a
〜20fが積層されて構成され、下から1層目及び2層
目が第1及び第2の基板層20a及び20bとされ、下
から3層目及び5層目が第1及び第2のスペーサ層20
c及び20eとされ、下から4層目及び6層目が第1及
び第2の固体電解質層20d及び20fとされている。
のスペーサ層20cが積層され、更に、この第1のスペ
ーサ層20c上に第1の固体電解質層20d、第2のス
ペーサ層20e及び第2の固体電解質層20fが順次積
層されている。
20dとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、
例えば大気が導入される空間(基準ガス導入空間)22
が、第1の固体電解質層20dの下面、第2の基板層2
0bの上面及び第1のスペーサ層20cの側面によって
区画、形成されている。
及び20f間に第2のスペーサ層20eが挟設されると
共に、第1及び第2の拡散律速部24及び26が挟設さ
れている。
面、第1及び第2の拡散律速部24及び26の側面並び
に第1の固体電解質層20dの上面によって、被測定ガ
ス中の酸素分圧を調整するための第1室28が区画、形
成され、第2の固体電解質層20fの下面、第2の拡散
律速部26の側面、第2のスペーサ層20eの側面並び
に第1の固体電解質層20dの上面によって、被測定ガ
ス中の酸素分圧を微調整し、更に被測定ガス中の酸化
物、例えば窒素酸化物(NOx)を測定するための第2
室30が区画、形成される。
第2のスペーサ層20eの端面に被測定ガスを前記第1
室28に導入するためのガス導入口32が設けられてい
る。従って、外部空間と第1室28は、ガス導入口32
と第1の拡散律速部24を介して連通され、第1室28
と第2室30は、前記第2の拡散律速部26を介して連
通されている。
4及び26は、第1室28及び第2室30にそれぞれ導
入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する
ものであり、例えば、被測定ガスを導入することができ
る多孔質材料(例えばZrO 2 等からなる多孔質体)又
は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成す
ることができる。また、印刷による多孔質層もしくは空
隙層にて構成してもよい。なお、第1及び第2の拡散律
速部24及び26における各拡散抵抗の大小関係は、こ
こでは問わないが、第2の拡散律速部26の拡散抵抗が
第1の拡散律速部24より大きい方が好ましい。
て、第1室28内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第2
室30内に導入される。
面のうち、前記第1室28を形づくる下面全面に、平面
ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ
電極34が形成され、前記第2の固体電解質層20fの
上面のうち、前記内側ポンプ電極34に対応する部分
に、外側ポンプ電極36が形成されており、これら内側
ポンプ電極34、外側ポンプ電極36並びにこれら両電
極34及び36間に挟まれた第2の固体電解質層20f
にて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル38
が構成されている。
側ポンプ電極34と外側ポンプ電極36間に、外部の可
変電源40を通じて所望の制御電圧(ポンプ電圧)Vp
1を印加して、外側ポンプ電極36と内側ポンプ電極3
4間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip1を流す
ことにより、前記第1室28内における雰囲気中の酸素
を外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第1
室28内に汲み入れることができるようになっている。
面のうち、前記第1室28を形づくる上面であって、か
つ第2の拡散律速部26に近接する部分に、平面ほぼ矩
形状の多孔質サーメット電極からなる測定電極42が形
成され、前記第1の固体電解質層20dの下面のうち、
基準ガス導入空間22に露呈する部分に基準電極44が
形成されており、これら測定電極42、基準電極44及
び第1の固体電解質層20dによって、電気化学的なセ
ンサセル、即ち、制御用酸素分圧測定セル46が構成さ
れている。
室28内の雰囲気と基準ガス導入空間22内の基準ガス
(大気)との間の酸素濃度差に基づいて、測定電極42
と基準電極44との間に発生する起電力を電圧計48に
て測定することにより、前記第1室28内の雰囲気の酸
素分圧が検出できるようになっている。
生じる電圧V1は、基準ガス導入空間22に導入される
基準ガスの酸素分圧と、第1室28内の被測定ガスの酸
素分圧との差に基づいて生じる酸素濃淡電池起電力であ
り、ネルンストの式として知られる V1=RT/4F・ln(P1 (O2 )/P
0 (O2 )) R:気体定数 T:絶対温度 F:ファラデー数 P1 (O2 ):第1室28内の酸素分圧 P0 (O2 ):基準ガスの酸素分圧 の関係を有している。そこで、前記ネルンストの式に基
づく電圧V1を電圧計48によって測定することで、第
1室28内の酸素分圧を検出することができる。
のポンプ電圧Vp1をフィードバック制御系50を通じ
て制御するために使用され、具体的には、第1室28内
の雰囲気の酸素分圧が、次の第2室30において酸素分
圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるよう
に、主ポンプセル38のポンプ動作が制御される。
ポンプ電極34及び外側ポンプ電極36並びに制御用酸
素分圧測定セル46における測定電極42は、このガス
センサ内に導入された被測定ガス中のNOx、例えば、
NOに対する触媒活性が低い不活性材料により構成され
る。
極42は、多孔質サーメット電極にて構成することがで
き、この場合、Pt等の金属とZrO2 等のセラミック
スとから構成されることになるが、被測定ガスに接触す
る第1室28内に配置される内側ポンプ電極34及び測
定電極42は、測定ガス中のNO成分に対する還元能力
を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要が
あり、例えばLa3 CuO4 等のペロブスカイト構造を
有する化合物、あるいはAu等の触媒活性の低い金属と
セラミックスのサーメット、あるいはAu等の触媒活性
の低い金属とPt族金属とセラミックスのサーメットで
構成されることが好ましい。更に、電極材料にAuとP
t族金属の合金を用いる場合は、Au添加量を金属成分
全体の0.03〜35vol%にすることが好ましい。
面のうち、前記第2室30を形づくる上面に、平面ほぼ
矩形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極52が
形成されている。そして、該検出電極52、前記主ポン
プセル38における内側ポンプ電極34、第1の固体電
解質層20d、第2のスペーサ層20e及び第2の固体
電解質層20fによって、電気化学的なポンプセル、即
ち、測定用ポンプセル54が構成される。
分であるNOxを還元し得る金属であるRhとセラミッ
クスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて
構成され、これによって、第2室30内の雰囲気中に存
在するNOxを還元するNOx還元触媒として機能する
ほか、前記基準電極44との間に、直流電源56を通じ
て測定用電圧Vp2が印加されることによって、第2室
30内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間22内に汲
み出せるようになっている。この測定用ポンプセル54
のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ip2は、電流
計58によって検出されるようになっている。
1及び第2の基板層20a及び20bにて上下から挟ま
れた形態において、外部からの給電によって発熱するヒ
ータ60が埋設されている。このヒータ60は、酸素イ
オンの伝導性を高めるために設けられるもので、該ヒー
タ60の上下面には、基板層20a及び20bとの電気
的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミックス層62
が形成されている。
1室28から第2室30の全体にわたって配設されてお
り、これによって、第1室28及び第2室30がそれぞ
れ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル38、制
御用酸素分圧測定セル46及び測定用ポンプセル54も
所定の温度に加熱、保持されるようになっている。
ように構成されるものであり、次にその作用効果につい
て説明する。
第1室28内に被測定ガスが導入できる状態に設定す
る。次いで、ヒータ60に通電し、第1及び第2の固体
電解質層20d及び20fを所望の状態に活性化する。
2に対して被測定ガスを導入することにより、前記被測
定ガス中に含まれるNOxの測定を開始する。
抵抗のもとに第1室28内に導入された被測定ガスは、
可変電源40を通じて内側ポンプ電極34及び外側ポン
プ電極36間に印加された所定のポンプ電圧Vp1によ
って、その中に含まれる酸素分圧が所定値に制御され
る。即ち、第1室28内の酸素分圧は、電圧計48によ
って検出される測定電極42及び基準電極44間の電圧
V1に基づいて測定することができる。この電圧V1
は、前述したネルンストの式で規定される酸素濃淡電池
起電力であり、この電圧V1が、例えば、300mV以
下となるように可変電源40の電圧を制御することで、
第1室28内の酸素分圧が所定値に制御される。
た被測定ガスは、第2の拡散律速部26を介して第2室
30に導入される。
52との間に当該第2室30内のO 2 を十分に汲み出す
ことのできる所定のポンプ電圧Vp2が直流電源56に
よって印加されており、このポンプ電圧Vp2あるいは
第2室30に配設したNOx分解触媒によって被測定ガ
スに含まれるNOxが分解され、それによって発生した
O2 が第1の固体電解質層20dを介して基準ガス導入
空間22側に汲み出される。このとき、酸素イオンの移
動によって生じた電流値Ip2は、電流計58によって
測定され、この電流値Ip2から被測定ガス中に含まれ
る所定の酸化物、例えば、NO、NO2 等のNOxの濃
度が測定されることになる。
性固体電解質(図4の例では、第1の固体電解質層20
d)に電圧を印加すると、酸素イオンの移動によって電
流が流れ、これが電流計58を通じてポンプ電流Ip2
として測定される。なお、プロトンイオン伝導性固体電
解質の場合は、プロトンが移動することによって電流が
流れる。
プセル54を用いるほかに、図5に示すように、NOx
を検出する電気化学的センサセルとして、前記測定用ポ
ンプセル54の代わりに測定用酸素分圧測定セル64を
用いるようにしてもよい。
の固体電解質層20dの上面のうち、前記第2室30を
形づくる上面に形成された検出電極66と、前記第1の
固体電解質層20dの下面に形成された前記基準電極4
4と、前記第1の固体電解質層20dによって構成され
ている。
おける検出電極66と基準電極44との間に、該検出電
極66の周りの雰囲気と基準電極44の周りの雰囲気と
の間の酸素濃度差に応じた起電力(酸素濃淡電池起電
力)V2が発生することとなる。
4間に発生する起電力(電圧)V2を電圧計68にて測
定することにより、検出電極66の周りの雰囲気の酸素
分圧、換言すれば、被測定ガス成分(NOx)の還元又
は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分
圧が電圧値V2として検出される。
が、NOx濃度を表すことになる。つまり、前記検出電
極66と基準電極44と第1の固体電解質層20dとか
ら構成される測定用酸素分圧測定セル64から出力され
る起電力V2が、被測定ガス中のNOx濃度を表すこと
になる。
示すように、センサ組立体16によって固定されてい
る。具体的には、前記センサ素子12は、金属製のハウ
ジング70と該ハウジング70に溶接固定された円筒形
の内筒72の中空部に配置された複数のセラミックサポ
ータ74a〜74cとこれらセラミックサポータ74a
〜74c間にそれぞれ充填されたタルク等のセラミック
粉体76によって固定され、該セラミック粉体76によ
って気密封止されている。
0Aでは、センサ素子12と外部との導通をとるため
に、例えば図1Aに示すように、リード線78と接続す
る雌コンタクト80、2分割のセラミックハウジング8
2、固定金具84、押圧ばね86及びカシメリング88
からなる差込み部材90をセンサ素子12の電極端子部
92に挿入し、カシメリング88の外周をかしめること
により、押圧ばね86に変位を与え、雌コンタクト80
を所定の圧力で電極端子部92に押圧するように構成し
ている。
いては、実公平6−37325号公報、実公平6−37
326号公報及び実開平2−146362号公報に詳細
に説明されている。
センサ10Aの保護カバー14は、図1Aに示すよう
に、金属製あるいは合成樹脂製の内側保護カバー110
と外側保護カバー112により構成される。
ガスを導入するための開口部114が設けられており、
この開口部114は、所定の長さを有する角状パイプの
形状を呈している。開口部114の後方には、ほぼ直角
に近い段差部116を介して開口部114よりも幅広で
所定の高さを有する拡開部118が一体に形成され、こ
の拡開部118の後方には、テーパ状の段差部120を
介して円筒状のカバー部122が一体に形成されてい
る。このカバー部122の外径は、ハウジング70の前
方中空部の内径とほぼ同じとされ、該カバー部122の
後端部は、外方に折り曲げられて、センサ組立体16の
セラミックサポータ74aの前面とこれに対向するハウ
ジング70における中空部の段差面によって挟持されて
いる。
2において破線で示すように、開口部の開口寸法よりも
大きく、拡開部118の内壁面で区画形成される空間の
投影寸法とほぼ同じか、僅かに小とされている。
は、図3において、センサ素子12の長手方向の寸法を
長さ、短手方向の寸法を幅と表示し、図4において、セ
ンサ素子12の固体電解質の積層方向の寸法を高さと表
示するのが通例であるため、以後の寸法表示においては
この通例の表示に従って記す。
れ、後方が開口とされた円筒状のキャップ形状に形成さ
れ、その内径は、センサ組立体16のハウジング70に
おける前方の小径部124の外径とほぼ同じか、わずか
に小とされている。そして、この外側保護カバー112
をハウジング70の小径部124にはめ込んでスポット
溶接等で固定することにより、内部の内側保護カバー全
体を被覆するかたちとなる。また、この外側保護カバー
112には、その側面に複数のガス導入孔126が例え
ば等ピッチで形成されている。
覆するように内側保護カバー110を取り付け、更に、
内側保護カバー110を被覆するように外側保護カバー
112を取り付けることによって、センサ素子12と内
側保護カバー110間に一つの空間(以下、内側保護カ
バー空間130と記す)が形成され、内側保護カバー1
10と外側保護カバー112間に一つの空間(以下、外
側保護カバー空間132と記す)が形成される。
部114(角状パイプ)の内側寸法(即ち、開口の寸
法)は、センサ素子12のガス導入口32(図3参照)
の寸法よりも大きく設定してあり、該開口部114での
ガス拡散抵抗は、センサ素子12のガス導入口32での
ガス拡散抵抗に比べ、十分に低く設定されている。
m、高さhが約0.8mm、長さが約1.5mmLとな
っている。即ち、前記開口部114は、3mm×0.8
mmのスリット(開口)114aが1.5mmの長さで
形成された連通路134(図1A参照)を有するかたち
となっているため、凝縮水が侵入しにくく、また、仮に
侵入する場合があったとしても、水滴の大きさは極めて
小さなものとなるため、凝縮水がセンサ素子12の先端
に当たっても、その熱衝撃は非常に小さいものとなり、
センサ素子12の先端にクラックが発生するということ
がない。
前記開口部114に対する位置決め、及び内側保護カバ
ー空間130と外側保護カバー空間132を隔離するた
めのもので、センサ素子12の先端部が拡開部118の
内壁面に挿入されることにより、センサ素子12のガス
導入口32と内側保護カバー110の開口部114との
位置が合うことになる。
き当てられることにより、内側保護カバー空間130と
外側保護カバー空間132とが完全に隔離され、これに
より、開口部114からセンサ素子12に向かって拡散
流入される被測定ガスが内側保護カバー空間130に入
り込むことがないため、センサ素子12において応答性
よく所定ガス成分の濃度を測定することができる。
内側保護カバー空間130から連通路134へのガス拡
散抵抗D2の比D1/D2としては1/5以下に設定す
ることが望ましい。また、センサ素子12の先端が段差
部116に当接しなくても、開口部114のガス拡散抵
抗(連通路134のガス拡散抵抗D1)をセンサ素子1
2と開口部114のクリアランスのガス拡散抵抗(内側
保護カバー空間130から連通路134へのガス拡散抵
抗D2)の1/5以下にすれば、内側保護カバー空間1
30内へのガスの拡散による応答の遅れは大きく改善さ
れる。
空間130に連通していると、内側保護カバー空間13
0の体積が大きいため、拡散流入した被測定ガスが前記
内側保護カバー空間130に入り込む。このため、セン
サ素子12に入り込む被測定ガスが少なくなり、応答性
が遅くなる。
ガスを導入するための穴がないことから、センサ素子1
2に被測定ガスが直接当たることがなくなり、センサ素
子12は被測定ガスによって冷やされることがない。
なっているため、内側保護カバー110の側面と板状の
センサ素子12の大面(大きな面積を有する面で、この
例ではセンサ素子12の上面や下面が相当する。)との
距離が長くなる。これにより、内側保護カバー110が
被測定ガス等によって冷やされても、センサ素子12の
前記大面との距離が長いため、熱放射、あるいは熱対流
によるセンサ素子12の熱損失が少なくなる。即ち、セ
ンサ素子12は冷やされにくい構造となっている。
保護カバー110の側面に対向する面(センサ素子12
の大面側)には被測定ガスを導入するためのガス導入口
32を設けず、該ガス導入口32をセンサ素子12の端
面側にし、内側保護カバー110の開口部114をセン
サ素子12のガス導入口32に直接連通させる構成とし
ているため、センサ素子12が冷やされにくく、凝縮水
のセンサ素子12への付着確率も著しく小さくなる。
きさが極端に小さくなっているため、熱衝撃を著しく小
さくすることができ、センサ素子12にクラックが生じ
ることがなく、素子冷え、凝縮水によるクラックの発生
の問題を同時に解決することができる。
るオイル燃焼物やカーボンの付着が起こり、開口部11
4のガス拡散抵抗が増大しても、開口部114のガス拡
散抵抗はセンサ素子12のガス拡散抵抗に比して、十分
低く設定してあるため、感度の低下や応答性の低下を最
小限に抑えることができる。
2の実施の形態に係るガスセンサ10Bについて説明す
る。なお、図1A及び図1Bと対応するものについては
同符号を付してその重複説明を省略する。
0Bは、図6A及び図6Bに示すように、前記第1の実
施の形態に係るガスセンサ10Aとほぼ同じ構成を有す
るが、内側保護カバー110の開口部114がパイプ形
状になっておらず、単に内側保護カバー110の底面が
角状の穴になっているのみである。また、内側保護カバ
ー110の底部(先端部分)には段差部がなく、くぼん
だ形状とされている。開口部114の形状は、幅dが約
3mm、高さhが約0.4mm、長さが0.15mmL
(内側保護カバー110の板厚)になっている。
0Bにおいても、センサ素子12の先端面の投影寸法
は、図7において破線で示すように、前記開口部114
の開口(スリット形状)の寸法よりも大きく、拡開部1
18の内壁面で区画形成される空間の投影寸法とほぼ同
じか、僅かに小とされている。
実施の形態に係るガスセンサ10Aの場合の1.5mm
Lから0.15mmLに短くなっているものの、高さh
が0.8mmから0.4mmと小さくなっており、依然
として水滴の当たる確率は従来の保護カバー(側面に穴
があるもの)と比べて著しく少なく、また、水滴の大き
さも小さいため、センサ素子12へのクラックの発生を
有効に抑えることができる。
10Aの保護カバー(図1A及び図1B参照)と比べる
と、開口部114の長さが1/10になり、高さhが1
/2になっているため、開口部114のガス拡散抵抗D
1とセンサ素子12と開口部114のクリアランスのガ
ス拡散抵抗D2の比D1/D2が、前記第1の実施の形
態に係るガスセンサ10Aよりも更に1/5小さくな
り、応答性の点で有利になっている。
ンサ10Bにおいても、内側保護カバー空間130と外
側保護カバー空間132の隔離、並びにセンサ素子12
のガス導入口32と開口部114との位置合わせは、内
側保護カバー110の底部に形成されたくぼみ部分(拡
開部118)に対するセンサ素子12の挿入によって確
保されている。
実施の形態に係るガスセンサ10Cについて説明する。
なお、図6A及び図6Bと対応するものについては同符
号を付してその重複説明を省略する。
0Cは、図8A及び図8Bに示すように、前記第2の実
施の形態に係るガスセンサ10B(図6A及び図6B参
照)とほぼ同じ構成を有するが、内側保護カバー110
に段差部が設けられていない点で異なる。即ち、この第
3の実施の形態に係るガスセンサ10Cの内側保護カバ
ー110は、前記段差部や拡開部118が存在せず、全
体がカバー部122として構成され、その底部の平坦部
分に開口部114が形成された構造を有する。
0Cにおいては、センサ素子12の先端面の投影寸法
は、図9において破線で示すように、前記開口部114
の開口(スリット形状)の寸法よりも大きく設定されて
いる。
ンサ素子12のガス導入口32と内側保護カバー110
の開口部114との位置合わせ並びに内側保護カバー空
間130と外側保護カバー空間132との隔離にある
が、図8A及び図8Bに示すように、単にセンサ素子1
2の先端面を内側保護カバー110の底面に当接させる
ことにより、上述のような段差部を設けなくても、前記
目的を達成させることができる。この場合、内側保護カ
バー110の開口部114の寸法をセンサ素子12の組
立位置のばらつきを考慮した大きさに設定すればよい。
0Cでは、センサ素子12の先端の位置ばらつきが±
0.3mmあることから、センサ素子12のガス導入口
32の大きさ(0.15mm×0.5mm)に対して、
開口部114の寸法を0.6mm×2.0mmに設定し
てあり、センサ素子12の位置がばらついても、開口部
114のガス拡散抵抗とセンサ素子12のガス拡散抵抗
の比は変わらない。
4の実施の形態に係るガスセンサ10Dについて説明す
る。なお、図1A及び図1Bと対応するものについては
同符号を付してその重複説明を省略する。
0Dは、図10A及び図10Bに示すように、前記第1
の実施の形態に係るガスセンサ10A(図1A及び図1
B参照)とほぼ同じ構成を有するが、内側保護カバー1
10の開口部114が別部材で構成されている点と、外
側保護カバー112の側面にガス導入孔126が2列に
形成されている点で異なる。前記2列のガス導入孔12
6のうち、上部ガス導入孔126aは、2mmφの孔が
6等配とされ、下部ガス導入孔126bは、2.5mm
φの孔が8等配となっている。
3の実施の形態に係るガスセンサ10Cと同様に、全体
がカバー部122として構成され、その底部の平坦部分
に貫通孔136が形成された構造を有する。
を有する開口部本体114aと、該開口部本体114a
を内側保護カバー110の底部外面に固定するためのフ
ランジ部114bを有し、長さは約2.0mmとされて
いる。
10への固定は、センサ組立体16に内側保護カバー1
10を組み付けた後、該内側保護カバー110の底部か
ら外方に突出するセンサ素子12の先端部分に別部材で
ある開口部本体114aを差し込み、フランジ部114
bを内側保護カバー110の底部外面に例えば溶接によ
り固定することによって開口部114が内側保護カバー
110に取り付けられることになる。このあと、外側保
護カバー112がハウジング70の小径部124に差し
込まれて溶接固定される。
に示すように、センサ素子12の外形寸法に対して片側
0.05mmのクリアランスで1.5mmの長さにわた
ってセンサ素子12に近接している。
×1.2mmであり、この近接部分のガス拡散抵抗(1
/D)×(L/S)は、 (1/D) ×(1.5/( (4.2+1.2 +4.2 +1.2)×0.05 ) )
=2.78/D となっている。なお、Dは被測定ガスの拡散係数であ
る。
mm×1.3mmのスリットが長さ2.0mmにわたっ
て形成された形状を有しており、そのガス拡散抵抗(1
/D)×(L/S)は、 (1/D)×(2.0/(4.3 ×1.3 ))=0.36/D となっている。
0.36D≒7.7となり、内側保護カバー110から
センサ素子12へのガス拡散抵抗が8倍近くに設定され
ている。従って、ほとんどの被測定ガスはセンサ素子1
2に入り込み、内側保護カバー空間130には入り込み
にくくなっており、実質的に内側保護カバー空間130
と外側保護カバー空間132を隔離している。
で構成されるため、センサ素子12の位置ばらつきを容
易に解消できるほか、開口部114の長さ、開口面積等
を自由に設定でき、開口部114の設計の自由度が高く
なる。例えば、開口部114の入り口部分の開口面積を
大きくし、かつ、開口部114の長さを大きくすること
により、ガス拡散抵抗を上げることなく、長さを大きく
することができ、凝縮水の付着確率を更に低下させるこ
とができる。
114との間隙部分)のガス拡散抵抗も十分に大きな値
になるように設計、製作することが可能になる。
126は、上述したように、2列に形成され、上部ガス
導入孔126aは2mmφの孔が6等配、下部ガス導入
孔126bは2.5mmφの孔が8等配となっている。
は、図10Aの矢印で示すように、上から下への流れに
なり、開口部114の入り口部分へのオイル燃焼物、あ
るいはカーボン等の粒子の付着が起こりにくくなってい
る。
く、内壁面方向に向かって遅くなる分布を持っている。
従って、図10Aの上部ガス導入孔126aを吹き抜け
るガス流速に対して下部ガス導入孔126bを吹き抜け
るガス流速は速く負圧となっているため、上部ガス導入
孔126aから下部ガス導入孔126bに向かうガスが
流れが生じる。更に、図10Aの例では、上部ガス導入
孔126aの径を下部ガス導入孔126bの径に対して
小さくし、数も少なくしてあるため、効果的に下方向に
流れるガス流を作っている。つまり、下部ガス導入孔1
26bは、ガス排出孔として機能することになる。
5の実施の形態に係るガスセンサ10Eについて説明す
る。なお、図10A及び図10Bと対応するものについ
ては同符号を付してその重複説明を省略する。
0Eは、図12A及び図12B並びに図13に示すよう
に、前記第4の実施の形態に係るガスセンサ10Dとほ
ぼ同じ構成を有するが、以下の点でその構成が異なる。
カバー110の底部よりも奥まった位置に配されてお
り、内側保護カバー110の貫通孔(図示せず)とセン
サ素子12の先端部との間に別部材の開口部114が取
り付けられている。つまり、第4の実施の形態に係るガ
スセンサ10D(図10A及び図10B参照)における
開口部114が逆向きに設けられている。
大きくなっており、その後端部(ハウジング側の端部)
にはフランジ部110aが設けられ、該フランジ部11
0aがハウジング70の底面に例えばプロジェクション
溶接されて固定されている。
(上部ガス導入孔126a及び下部ガス導入孔126
b)が全体的にハウジング70側に設けられ、外側保護
カバー112の底部(前部)にはガス排出孔128が形
成されている。
り、開口部114の入り口部分の位置を上方に設定する
ことができ、外側保護カバー112との距離を長くする
ことができる。これにより、開口部114と外側保護カ
バー112間に凝縮水が表面張力で溜まりにくくなる。
また、外側保護カバー112の底部に設けられたガス排
出孔128を通じて飛散侵入した凝縮水が開口部114
に到達する確率を小さくすることができる。
入孔126bが内側保護カバー110の側面に対向する
位置に設けられているため、外側保護カバー112のガ
ス導入孔(上部ガス導入孔126a及び下部ガス導入孔
126b)から飛散侵入した凝縮水が開口部114に当
たりにくくなっており、センサ素子12への付着確率を
更に低下させる効果を有する。
が直接曝されることがないため、オイル燃焼物等の粒子
が開口部114に溜まりにくくなっている。
排出孔128が設けられているため、外側保護カバー1
12の外部表面においてガス流速が速くなって負圧とな
る。これにより、被測定ガスの流れは、上部から下部に
向かう流れが生じ、効果的に前記オイル燃焼物等の粒子
の付着、凝縮水の付着を少なくすることができる。
くなっているため、センサ素子12からの熱輻射、対流
等による素子冷えを少なくすることができる。
6の実施の形態に係るガスセンサ10Fについて説明す
る。なお、図1A及び図1Bと対応するものについては
同符号を付してその重複説明を省略する。
0Fは、図14A及び図14B並びに図15に示すよう
に、これまでの実施の形態に係るガスセンサ(第1〜第
5の実施の形態に係るガスセンサ10A〜10E)と異
なり、保護カバーが内側保護カバー110のみで構成さ
れ、外側保護カバー112が無いところに特徴がある。
前方中央(底部中央)に所定径の凹部138が形成さ
れ、後方が開口とされたほぼ円筒状のキャップ形状に形
成され、その内径は、センサ組立体16のハウジング7
0における前方の小径部124の外径とほぼ同じか、わ
ずかに小とされている。そして、この内側保護カバー1
10をハウジング70の小径部124にはめ込んで固定
することにより、内部に配置されているセンサ素子12
を被覆するかたちとなる。
に係るガスセンサ10Eと同様に、その先端部が内側保
護カバー110の底部(この場合、凹部138の底部)
よりも奥まった位置に配され、前記凹部138の底部中
央に形成された貫通孔140とセンサ素子12の先端部
との間には、別部材の開口部114が例えば溶接に固定
されている。
0Fにおいては、保護カバーが内側保護カバー110だ
けの一重構造となっているため、排気ガスが直接内側保
護カバー110に当たって素子冷えが起こり易くなって
いるが、内側保護カバー110の内径が、これまでの実
施の形態に係るガスセンサ10A〜10Eの内側保護カ
バー110と比して最も大きくなっており、熱輻射や対
流による素子冷えを抑制した構造となっている。
ンサ10Fにおいては、内側保護カバー110の底部に
凹部138が設けられており、該凹部138に開口部1
14が固定された構造となっている。従って、被測定ガ
スの流入経路は、その断面積が凹部138の入り口付近
において大きく、開口部114で狭くなっており、しか
も、全体としての流入経路が長くなっている。このた
め、前記第1〜第5の実施の形態に係るガスセンサ10
A〜10Eと同様に、開口部114でのガス拡散抵抗
が、センサ素子12のガス導入口32でのガス拡散抵抗
よりも低く維持されている。
からセンサ素子12までの距離が長いことから、その
分、凝縮水も当たりにくく、しかも、開口部114が凹
部138の奥に配置されているため、開口部114への
オイル燃焼物等の粒子の付着が起こりにくいという特徴
を有する。
ンサ10Fは、保護カバー14が一重構造という簡単な
構成であるにも拘わらず、良好な応答性を確保しつつ、
凝縮水対策、素子冷え対策になるばかりでなく、オイル
燃焼物、カーボン等の粒子の付着の影響を受けにくいと
いう機能を有している。
7の実施の形態に係るガスセンサ10Gについて説明す
る。図12A及び図12Bと対応するものについては同
符号を付してその重複説明を省略する。
0Gは、図16A及び図16B並びに図17に示すよう
に、前記第5の実施の形態に係るガスセンサ10E(図
12A及び図12B参照)とほぼ同じ構成を有するが、
内側保護カバー110の側面に0.5mmφの穴(側面
穴142a)が4等配で設けられ、底面にも0.5mm
φの穴(底面穴142b)が3等配で設けられている点
で異なる。
0Gにおいては、連通路134のガス拡散抵抗D1と内
側保護カバー空間130から連通路134へのガス拡散
抵抗D2の比D1/D2、あるいは開口部114のガス
拡散抵抗D1とセンサ素子12と開口部114のクリア
ランスのガス拡散抵抗D2の比D1/D2(以下、単に
隔離のガス拡散抵抗比と記す)が十分にとれていない場
合に有効である。
ガスが入る構造となっているため、前記隔離のガス拡散
抵抗比D1/D2が小さくても応答性の遅れを防ぐこと
ができる。内側保護カバー110の側面及び底面に設け
られた側面穴142a及び底面穴142bはそれぞれ
0.5mmφと小さく、素子冷えに対する影響が小さく
なっている。
面穴142bがともに外側保護カバー112のガス導入
孔126及びガス排出孔128からの位置をずらして設
置され、かつ、0.5mmφと小さな穴となっているた
め、水滴がセンサ素子12に当たりにくいばかりでな
く、小さい水滴になることから、センサ素子12への熱
衝撃を和らげることができる。
るガスセンサ10A〜10Gにおいては、応答性を確保
しつつ、凝縮水対策、素子冷え対策、粒子付着による応
答性低下対策を同時に可能にすることができる。
り、かつ、ガス流速が低速から高速まで大きく変動する
ことによって、素子冷えに対する環境が大きく変動する
環境に加えて、オイル燃焼物、カーボン等の粒子が飛来
するなど、各種センサにとって厳しい環境下でもそれら
の影響を最小限に抑え込むことができ、産業上、極めて
有効である。
ンサ10A〜10Gにおいて、内側保護カバー空間13
0と連通路134との隔離部分にガラスあるいはセラミ
ックセメント、ガラスウール、金属メッシュ(金属ワイ
ヤを押し固めたもの)等の耐熱充填材を充填するように
してもよい。この場合、隔離のガス拡散抵抗比を更に下
げることが可能となる。
合、該開口部114に多孔質体を充填するようにしても
よい。この場合、開口部114に多孔質金属、金属メッ
シュ、多孔質セラミックス、ガラスウール等を充填する
ことができる。これにより、凝縮水のセンサ素子に当た
る確率が更に減少する。
の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱すること
なく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
センサによれば、導入された被測定ガスにおける所定ガ
ス成分を測定するセンサ素子と、該センサ素子を取り囲
むように配置された保護カバーを有するガスセンサにお
いて、前記センサ素子の先端面に前記被測定ガスを導入
するためのガス導入口を設け、前記保護カバーに、前記
ガス導入口に連通する開口部を設け、前記保護カバーと
前記センサ素子間で形成される保護カバー空間と、前記
保護カバーの開口部から前記センサ素子のガス導入口に
連通する連通路とを隔離させて、前記被測定ガスを主と
して前記開口部より前記センサ素子のガス導入口に拡散
流入させるようにしている。
素子冷えを同時に解決することができ、所定ガス成分の
測定を高精度に行うことができるという効果が達成され
る。
構成を示す縦断面図であり、図1Bは図1AにおけるA
−A線上の断面図である。
大図である。
る。
要部を示す一部省略断面図であり、図6Bは図6Aにお
けるC−C線上の断面図である。
大図である。
要部を示す一部省略断面図であり、図8Bは図8Aにお
けるD−D線上の断面図である。
大図である。
サの要部を示す一部省略断面図であり、図10Bは図1
0AにおけるE−E線上の断面図である。
部拡大図である。
サの要部を示す一部省略断面図であり、図12Bは図1
2AにおけるF−F線上の断面図である。
部拡大図である。
サの要部を示す一部省略断面図であり、図14Bは図1
4Aにおける開口部側を見た正面図である。
部拡大図である。
サの要部を示す一部省略断面図であり、図16Bは図1
6AにおけるG−G線上の断面図である。
部拡大図である。
子 14…保護カバー 16…センサ組
立体 32…ガス導入口(センサ素子) 38…主ポンプ
セル 46…制御用酸素分圧測定セル 54…測定用ポ
ンプセル 64…測定用酸素分圧測定セル 110…内側保
護カバー 112…外側保護カバー 114…開口部 116…段差部 118…拡開部 120…テーパ状の段差部 122…カバー
部 126…ガス導入孔 128…ガス排
出孔 130…内側保護カバー空間 132…外側保
護カバー空間 134…連通路 138…凹部
Claims (15)
- 【請求項1】導入された被測定ガスのうちの所定ガス成
分を測定するセンサ素子と、該センサ素子を取り囲むよ
うに配置された保護カバーを有するガスセンサにおい
て、 前記センサ素子は、その先端面に前記被測定ガスを導入
するためのガス導入口を有し、 前記保護カバーは、前記ガス導入口に連通する開口部を
有し、 前記保護カバーと前記センサ素子間で形成される保護カ
バー空間と、前記保護カバーの開口部から前記センサ素
子のガス導入口に連通する連通路とが隔離され、 前記被測定ガスが主として前記開口部より前記センサ素
子のガス導入口に拡散流入することを特徴とするガスセ
ンサ。 - 【請求項2】請求項1記載のガスセンサにおいて、 前記連通路のガス拡散抵抗をD1、前記保護カバー空間
から前記連通路へのガス拡散抵抗をD2としたとき、こ
れらのガス拡散抵抗の比D1/D2が1/5以下である
ことを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項3】請求項1又は2記載のガスセンサにおい
て、 前記保護カバーの側面及び/又は底面に、少なくとも被
測定ガスを保護カバー空間に連通させるための穴が設け
られていることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項4】請求項2又は3記載のガスセンサにおい
て、 前記センサ素子の端面が前記保護カバーに当接されてい
ることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項5】請求項3記載のガスセンサにおいて、 前記隔離部分に充填材が充填されていることを特徴とす
るガスセンサ。 - 【請求項6】請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス
センサにおいて、 前記保護カバーを被覆するように設けられ、かつ、少な
くともガス導入孔を具備した外側保護カバーを有するこ
とを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項7】請求項6記載のガスセンサにおいて、 前記外側保護カバーの底部分に前記被測定ガスのガス排
出孔を有することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項8】請求項7記載のガスセンサにおいて、 前記外側保護カバーの底部分に設けられた前記ガス排出
孔は複数個存在し、各径が2mm以下であることを特徴
とするガスセンサ。 - 【請求項9】請求項7又は8記載のガスセンサにおい
て、 前記ガス排出孔は、前記開口部と対向しない位置に設け
られていることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項10】請求項1〜9のいずれか1項に記載のガ
スセンサにおいて、 前記開口部のガス拡散抵抗は、センサ素子のガス拡散抵
抗の1/10以下であることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項11】請求項1〜10のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記開口部の前記センサ素子に向かう長さが該開口部の
開口幅の1.5倍以上であることを特徴とするガスセン
サ。 - 【請求項12】請求項1〜11のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記開口部の開口が1mm以下のスリット状であること
を特徴とするガスセンサ。 - 【請求項13】請求項1〜12のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記開口部に多孔質体が充填されていることを特徴とす
るガスセンサ。 - 【請求項14】請求項10〜13のいずれか1項に記載
のガスセンサにおいて、 前記開口部が保護カバーとは別部材にて構成されている
ことを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項15】請求項14記載のガスセンサにおいて、 前記保護カバーの底部に凹部が設けられ、 前記凹部に前記開口部が設けられていることを特徴とす
るガスセンサ。
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