WO2020170740A1

WO2020170740A1 - センサ装置

Info

Publication number: WO2020170740A1
Application number: PCT/JP2020/003163
Authority: WO
Inventors: 悠男為井; 康一吉田; 岳人木全
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2020-08-27
Also published as: CN113474634A; US20210381945A1; US11835439B2; JP2020134366A; JP7151542B2; DE112020000893T5

Abstract

センサ素子（２）を内側に挿通して、軸方向（Ｘ）の先端側に検出部（２１）が位置するように保持するハウジング（Ｈ）と、その先端側に同軸配設された素子カバー（１）を備えるセンサ装置（Ｓ）であって、アウタカバー（１２）の先端面（１２２）には、インナ先端面孔（１１ｂ）の外周縁に対向する位置よりも外側に、複数のアウタ先端面孔（１２ｂ）が設けられ、かつ、先端面（１２２）は、中央部（１２２ａ）がインナ先端面孔（１１ｂ）に向けて突出し、中央部（１２２ａ）よりも、アウタ先端面孔（１２ｂ）が配置される外周部（１２２ｂ）が先端側に位置すると共に、中央部（１２２ａ）とアウタ先端面孔（１２ｂ）とを接続する傾斜面（１２３）を有する。

Description

センサ装置

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１９年２月２１日に出願された特許出願番号２０１９－０２９８１６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、被測定ガスに含まれる特定成分を検出するためのセンサ装置に関する。

　内燃機関の排ガス通路には、排ガス中の特定成分を検出するセンサ装置と、フィルタ装置や触媒装置等の浄化装置を備える排ガス浄化システムが設けられる。センサ装置は、例えば、粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜、ＰＭと称する）を検出するためのＰＭセンサであり、ＰＭ捕集用のフィルタ装置の下流位置に配置されて、フィルタ故障の判定に用いられる。また、触媒装置の上流又は下流位置に酸素センサ等の排ガスセンサが配置される。

　このようなセンサ装置のセンサ本体は、一般に、ハウジング内に収容されるセンサ素子と、ハウジングから突出するセンサ素子の外周囲を取り囲む素子カバーとを有する。センサ素子は、素子カバーに保護される先端部（突出側の端部）に検出部を備え、素子カバー内に取り込まれた排ガスに含まれる特定成分を検出する。素子カバーは、通常、一重又は二重の容器状に構成される。

　例えば、特許文献１に記載されるガスセンサにおいて、素子カバーは二重カバー構造で、インナカバーとその外側に空間を設けて配置されたアウタカバーを有する。排ガスは、アウタカバーの側面に開口するガス流通孔から両カバーの間の空間に流入し、インナカバーの側面に開口するガス流通孔から内部に導入される。インナカバー内においてセンサ素子に接触した排ガスは、インナカバーの先端面に開口するガス流通孔へ向かい、外部へ流出するガスに合流する。

特開２０１８－１８０００２号公報

　ところで、エンジン停止時に排ガス通路内の温度が低下すると、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が発生しやすい。特許文献１に記載されるガスセンサは、インナカバーとアウタカバーの先端面の対向位置にガス流通孔を配置せず、外部からの凝縮水の侵入を抑制可能な素子カバー構成となっている。また、インナカバーの先端側に縮径段差部を有する形状とし、インナ側面流通孔へ向かう排ガスに含まれる凝縮水を縮径段差部に衝突させて、排ガスから分離することで、インナカバーの内部への凝縮水の侵入を抑制している。

　一方、近年、アイドリングストップ機構を搭載した車両が増加しており、アイドリング時のエンジン停止により排ガス温度が急低下すると、センサの素子カバー内においても結露が発生することが判明した。このカバー内結露による凝縮水が滞留すると、エンジン始動時に素子カバー内に流入する排ガス流れと共に巻き上げられ、インナカバー側面のガス流通孔へ到達しやすくなる。その場合には、凝縮水がインナカバーの内部へ侵入してセンサ素子に付着し、被水による素子割れ（以下、適宜、被水割れと称する）の原因になるおそれがある。

　なお、素子カバー内における排ガス流速がより低くなれば、凝縮水の巻き上げも抑制されるが、センサ素子による粒子状物質等の検出性能を向上させるためには、排ガス流速を高めて、排ガスをセンサ素子まで速やかに到達させることが望ましい。
　そのため、従来の素子カバーは、一般的には、インナカバーの先端面をアウタカバーの先端面と一体的に設けて、ガス交換を促す構成としたものが多く採用されている。その場合には、ガス流通孔を外部に直接開口させた構成となり、耐被水性についての対策はほとんどなされていないのが実情であった。

　本開示の目的は、二重構造の素子カバー内にセンサ素子が収容される構成において、センサ素子の被水割れを抑制して耐被水性を向上可能であると共に、検出性能を向上させて信頼性に優れたセンサ装置を提供しようとするものである。

　本開示の一態様は、
　被測定ガス中の特定成分を検出する検出部を備えるセンサ素子と、
　上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジングと、
　上記ハウジングの先端側に同軸的に配設された素子カバーと、を備え、
　上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバーと、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバーと、を有するセンサ装置であって、
　上記インナカバーは、側面及び先端面に、被測定ガスが流通するインナ側面孔及びインナ先端面孔がそれぞれ設けられ、
　上記アウタカバーは、側面に、被測定ガスが流通する複数のアウタ側面孔が設けられると共に、上記アウタ側面孔の先端位置が上記インナカバーの先端位置よりも先端側にあり、
　上記アウタカバーの先端面には、上記インナ先端面孔の外周縁に対向する位置よりも外側に、複数のアウタ先端面孔が設けられ、かつ、
　上記アウタカバーの上記先端面は、上記インナ先端面孔に対向する中央部が上記インナ先端面孔に向けて突出し、上記中央部よりも、上記アウタ先端面孔が配置される外周部が先端側に位置すると共に、上記中央部と上記アウタ先端面孔とを接続する傾斜面を有する、センサ装置にある。

　上記構成によれば、センサ装置の非作動時に、素子カバー内において結露による凝縮水が発生し、自重によりインナカバーの表面からアウタカバーの先端面に落下しても、先端面の中央部が突出する形状であるので、結露水の滞留が抑制される。結露水は、先端面の中央部から傾斜面を伝って、より先端側の外周部へ速やかに移動し、外周部に設けられる複数のアウタ先端面孔から、速やかに外部に排出される。

　したがって、センサ装置の作動時に、被測定ガスが素子カバー内に導入されても、滞留水が巻き上げられることがなく、インナカバーの内部へ侵入して、センサ素子が被水するのを抑制することができる。
　また、素子カバーは、アウタ側面孔の先端位置がインナカバーの先端位置よりも先端側にあり、アウタ側面孔から軸方向と直交する方向に導入される被測定ガスの流れが、インナ先端面孔の近傍に負圧を発生させる。この負圧による吸い出し効果で、インナ先端面孔からアウタカバーへ流出する流れが形成されることで、センサ素子へ向かう流れが促進され、検出性能を向上させる。

　以上のごとく、上記態様によれば、二重構造の素子カバー内にセンサ素子が収容される構成において、センサ素子の被水割れを抑制して耐被水性を向上可能であると共に、検出性能を向上させて信頼性に優れたセンサ装置を提供することができる。

　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、ＰＭセンサの軸方向における主要部拡大断面図であり、図２は、実施形態１における、ＰＭセンサの素子カバーの先端面形状を示す平面図及び軸方向断面図であり、図３は、実施形態１における、ＰＭセンサの概略構成を示す軸方向断面図であり、図４は、実施形態１における、ＰＭセンサの素子カバー内のガス流れを説明するための径方向断面図で、図３のＩＶ－ＩＶ線断面図であり、図５は、実施形態１における、ＰＭセンサを含む排ガス浄化システムの概略構成例を示す図であり、図６は、実施形態１における、ＰＭセンサのセンサ素子の全体斜視図であり、図７は、比較形態１における、ＰＭセンサの素子カバー内における凝縮水の滞留とガス流れによる巻き上げの様子を示す軸方向断面図であり、図８は、実施形態１における、ＰＭセンサの素子カバー形状による効果を、従来の素子カバー形状と比較して示す軸方向断面図であり、図９は、比較形態１における、ＰＭセンサのＰＭ検出特性を示す図及びＰＭ検出への滞留水の影響を示す軸方向の要部断面図であり、図１０は、実施形態１における、ＰＭセンサのＰＭ検出における出力立ち上がり時間と検出電流の関係を示す図であり、図１１は、試験例１における、ＰＭセンサの素子カバーの先端面形状とそのＡーＡ線断面図であり、図１２は、実施形態２における、ＰＭセンサの軸方向における主要部拡大断面図であり、図１３は、実施形態２における、ＰＭセンサの素子カバーの先端面形状の他の例を示す平面図及び軸方向断面図である。

（実施形態１）
　以下に、センサ装置の実施形態１について、図面を参照して説明する。
　図１～図４に示すように、本形態におけるセンサ装置は、粒子状物質を検出するためのＰＭセンサＳであり、例えば、図５に示す内燃機関Ｅの排ガス浄化装置に適用される。図１において、ＰＭセンサＳは、検出部２１を備えるセンサ素子２と、センサ素子２を内側に挿通して、軸方向Ｘの先端側に検出部２１が位置するように保持するハウジングＨと、ハウジングＨの先端側に同軸的に配設された素子カバー１と、を備える。

　内燃機関Ｅは、例えば、自動車用ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンであり、センサ素子２の検出部２１は、被測定ガスとしての排ガス中に含まれる特定成分としての粒子状物質を検出する。なお、ＰＭセンサＳは、図１、図３の上下方向をハウジングＨ及び素子カバー１の軸方向Ｘとし、下端側を先端側、上端側を基端側としている。また、図３に示す排ガスＧの流れ方向を、図の左右方向とし、図の左方を上流側、右方を下流側とする。

　図１において、素子カバー１は、ハウジングＨの軸方向Ｘにおいて、その先端側を覆うように配設されたインナカバー１１と、インナカバー１１の外側に空間を有して配設されたアウタカバー１２と、を有する。インナカバー１１は、側面１１１及び先端面１１２に、被測定ガスが流通するインナ側面孔１１ａ及びインナ先端面孔１１ｂがそれぞれ設けられる。また、アウタカバー１２は、側面１２１に、被測定ガスが流通する複数のアウタ側面孔１２ａが設けられると共に、アウタ側面孔１２ａの先端位置がインナカバー１１の先端位置よりも先端側にある。

　アウタカバー１２の先端面１２２には、インナ先端面孔１１ｂの外周縁に対向する位置よりも外側に、複数のアウタ先端面孔１２ｂが設けられる。アウタカバー１２の先端面１２２は、インナ先端面孔１１ｂに対向する中央部１２２ａがインナ先端面孔１１ｂに向けて突出し、中央部１２２ａよりも、アウタ先端面孔１２ｂが配置される外周部１２２ｂが先端側に位置すると共に、中央部１２２ａとアウタ先端面孔１２ｂとを接続する傾斜面１２３を有する。

　図３に示すように、アウタカバー１２の先端面１２２の内側には、軸方向Ｘと直交する方向をガス流れ方向とする第１流路Ｆ１が形成される。インナ側面孔１１ａは、インナカバー１１の外側面とアウタカバー１２の内側面との間に設けられる第２流路Ｆ２に開口する。また、第２流路Ｆ２は、インナカバー１１の先端面１１２の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部３１を有し、大クリアランス部３１よりも基端側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部３２を有する（例えば、図３参照）。

　好適には、インナカバー１１の側面１１１は、小クリアランス部３２に対応する基端側から大クリアランス部３１に対応する先端側へ向けて縮経するテーパ面を有する。このとき、第２流路Ｆ２は、大クリアランス部３１と小クリアランス部３２とは、段差なく接続された流路形状を有する。

　図２に示すように、アウタカバー１２において、先端面１２２の中央部１２２ａは、アウタ側面孔１２ａの外周縁の位置又はそれよりも先端側に位置することが好ましい。このとき、先端面１２２の先端側表面からの、中央部１２２ａの基端側表面の高さｈは、先端面１２２の先端側表面とアウタ側面孔１２ａの外周縁との距離ｄ以下となる。また、複数のアウタ先端面孔１２ｂは、好適には、先端面１２２の周方向に均等配置されており、排水孔として機能する。

　また、好適には、インナカバー１１には、インナ側面孔１１ａの先端縁部からインナカバー１１の内方へ傾斜して延出するガイド体１３が設けられる。
　素子カバー１の詳細構成については、後述する。

　図３において、ＰＭセンサＳは、筒状のハウジングＨ内にセンサ素子２を同軸的に収容し、ハウジングＨの先端開口Ｈ１を覆うように取り付けた素子カバー１によって、先端開口Ｈ１から突出するセンサ素子２の検出部２１を保護している。ＰＭセンサＳは、ハウジングＨの外周に設けたネジ部材Ｈ２により、例えば、図５に示す内燃機関Ｅの排ガス管ＥＸ壁に軸方向Ｘを鉛直方向としてネジ固定されて、鉛直方向の下端側となる先端側が排ガス管ＥＸ内に突出位置する。

　図５において、排ガス管ＥＸの途中には、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、ＤＰＦと称する)１０が設置されており、ＰＭセンサＳは、例えば、ＤＰＦ１０の異常診断システムの一部を構成する。ＰＭセンサＳは、ＤＰＦ１０の下流側に配置されて、ＤＰＦ１０を通過後の排ガスＧに含まれる粒子状物質（すなわち、図中に示すＰＭ）を検出し、内燃機関Ｅの制御装置ＥＣＵに出力する。これにより、ＤＰＦ１０をすり抜ける粒子状物質を検出し、ＤＰＦ１０の異常の有無を診断することができる。ＤＰＦ１０の下流位置において、排ガスＧの流れ方向は、ＰＭセンサＳの軸方向Ｘと直交する方向となっている。

　図６に一例を示すように、センサ素子２は、積層構造を有する積層型素子であり、偏平な直方体形状の絶縁性基体２２の先端面を検出面２０として、この検出面２０に、電極２３、２４が露出する検出部２１が配置されている。絶縁性基体２２は、例えば、絶縁性基体２２となる複数の絶縁性シートの間に、電極２３、２４となる電極膜を交互に配設した積層体を焼成して形成される。このとき、絶縁性基体２２に少なくとも一部が埋設される電極２３、２４の端縁部が、絶縁性基体２２の先端面に、線状に露出して、交互に極性の異なる線状電極からなる複数の電極対を構成する。

　絶縁性基体２２の長方形状の先端面には、外周縁部を除く表面に、複数の電極対を構成する線状電極が間隔をおいて平行配設されて、検出部２１を形成している。検出部２１は、例えば、図中に点線で囲んで示す領域であり、絶縁性シートを挟んで対向する複数の電極対と、複数の電極対の外周側に位置する絶縁性シートの一部を含む。絶縁性基体２２の内部には、電極２３、２４となる電極膜に接続されるリード部２３ａ、２４ａが配置され、リード部２３ａ、２４ａは、絶縁性基体２２の基端側の表面に形成される端子電極２５、２６と接続される。検出部２１は、電極２３、２４に所定の検出電圧が印加されることにより、検出部２１の表面に到達する排ガスＧ中の粒子状物質を静電捕集する。

　検出面２０は、検出部２１よりも一回り大きい領域であり、ここでは、検出部２１の外側の外周縁部を含む、絶縁性基体２２の先端面の全面を検出面２０としている。これは、検出面２０の外周縁部に排ガスＧが到達すれば、検出部２１の表面に沿って容易に検出部２１に到達可能であるからで、検出面２０となる領域は、適宜設定することができる。

　センサ素子２の形状は限定されるものではなく、絶縁性基体２２の先端面が概略正方形となる直方体形状を有していてもよい。この場合も、正方形の先端面の全面が検出面２０となり、その外周縁部を除く領域に検出部２１が配置される。正方形の検出部２１の表面には、例えば、図６に示したセンサ素子２より多くの線状電極が間隔をおいて平行配設されて、所定数の電極対を構成可能となる。

　絶縁性基体２２は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成することができる。また、電極２３、２４、リード部２３ａ、２４ａ、端子電極２５、２６は、例えば、貴金属等の導電性材料を用いて構成することができる。
　次に、本形態の素子カバー１の詳細構成について、説明する。

　図１、図３において、素子カバー１は、ハウジングＨ側が開口する二重容器状で、同軸配置されるインナカバー１１とアウタカバー１２からなる。アウタカバー１２は、概略一定径の筒状体からなる側面１２１と、筒状体を閉鎖する先端面１２２とを有し、インナカバー１１は、アウタカバー１２との間に空間を有して配置される筒状体からなる側面１１１と、筒状体を閉鎖する先端面１１２とを有する。インナカバー１１の基端部は、アウタカバー１２の基端部に密接する拡径部となり、ハウジングＨの先端部に一体的に固定される。

　アウタカバー１２には、先端面１２２の近傍における側面１２１に、複数のアウタ側面孔１２ａが設けられる。アウタカバー１２の先端面１２２の内側には、インナカバー１１の先端面１１２との間に、第１流路Ｆ１が形成され、軸方向Ｘと直交する方向を流れ方向として、排ガスＧが流通する。アウタ側面孔１２ａは、少なくともその先端位置がインナカバー１１の先端位置であるインナ先端面孔１１ｂよりも先端側にあり、第１流路Ｆ１を排ガスＧが流通可能に形成されていればよい。
　好適には、アウタ側面孔１２ａの孔中心が、インナ先端面孔１１ｂよりも先端側にあるように配置すると、第１流路Ｆ１を流れる排ガスＧの流量が増加して、第２流路Ｆ２へのガス流れを形成しやすい。

　本形態において、アウタ側面孔１２ａは、アウタカバー１２の側面１２１に、軸方向Ｘに二列に配置される。各列において、アウタ側面孔１２ａは、周方向の複数個所（例えば、４箇所以上）に配置され、ここでは、８箇所に等間隔で均等配置されると共に、先端側から一列目と二列目のアウタ側面孔１２ａは、軸方向Ｘにおいて、重ならないように互い違いに位置する。ここでは、一列目のアウタ側面孔１２ａは、インナ先端面孔１１ａとアウタカバー１２の間に位置し、二列目のアウタ側面孔１２ａは、インナカバー１１の先端部を取り囲んで配位置され、インナ先端面孔１１ｂと、先端位置がほぼ一致している。

　アウタ側面孔１２ａは、例えば、円形貫通孔であり、第１流路Ｆ１に排ガスＧを導入する。アウタ側面孔１２ａの数や配置は、必ずしも限定されないが、側面１２１の全周に均等配置されることで、ガス流れに対する指向性を有しない構成となり、組付性が向上するのみならず、第２流路Ｆ２に形成されるガス流れの流量が安定する。特に、図示されるように、二列に千鳥配置されることで、１６箇所のアウタ側面孔１２ａが、全周に均等に開口する構成となり、取付角度の影響を受けにくくなる。
　なお、アウタ側面孔１２ａの列の数や、各列のアウタ側面孔１２ａの数、インナ先端面孔１１ａとの位置関係等は、適宜変更することができる。例えば、二列目のアウタ側面孔１２ａの先端位置が、インナ先端面孔１１ａより先端側となっていてもよい。

　図４に、ＣＡＥ解析結果に基づくガス流れを模式的に示すように、二列に千鳥配置されることで、素子カバー１の取付角度によらず、良好なガス流れが形成される。本図は、二列目のアウタ側面孔１２ａの位置における断面（すなわち、ＩＶ－ＩＶ断面）を示しており、図４左図の取付角度が０°の場合は、軸線上に、アウタ側面孔１２ａが位置する。図４中図、右図は、それぞれ、取付角度が１１．２５°、２２．５°の場合であり、アウタ側面孔１２ａが軸線からややずれて位置するが、図示されない一列目のアウタ側面孔１２ａからも排ガスＧが取り込み可能であり、ガス流量は大きく低下しない。

　アウタカバー１２の先端面１２２は、インナ先端面孔１１ｂと対向する中央部１２２ａが、インナ先端面孔１１ｂ側へ凸となる曲面状に形成されている。先端面１２２は、インナ先端面孔１１ｂと対向する中央部１２２ａと、中央部１２２ａより外側に位置し、複数のアウタ先端面孔１２ｂが設けられる外周部１２２ｂと、中央部１２２ａと外周部１２２ｂのアウタ先端面孔１２ｂとを接続する傾斜面１２３とを有する。外周部１２２ｂは、中央部１２２ａ及び傾斜面１２３よりも先端側に位置し、排ガス管に取り付けられたときに鉛直方向の最下端の位置となる。アウタ先端面孔１２ｂは、インナ先端面孔１１ｂの外周縁に対向する位置よりも外側であって、傾斜面１２３との境界部に近い外周部１２２ｂの最下端に位置する。

　図２に示すように、傾斜面１２３は、中央部１２２ａから連続する断面山形の曲面部の一部をなしており、その外側に環状平面部からなる外周部１２２ｂが形成される。
　アウタ先端面孔１２ｂは、例えば、円形貫通孔であり、素子カバー１内における結露で発生する凝縮水、及び、素子カバー１内に導入される排ガスＧに含まれる凝縮水を、外部に排出するための排水孔として機能する。中央部１２２ａ及び傾斜面１２３は、曲面状に形成されることで、凝縮水の滞留を防止し、自重により先端面１２２に落下する凝縮水を、より下端側の外周部１２２ｂへ集めて、アウタ先端面孔１２ｂからの排出を促進する。

　したがって、排ガスＧに凝縮水が含まれる場合やアウタカバー１２の内側に凝縮水が付着している場合においても、凝縮水が排ガスＧと共にインナカバー１１内に侵入しセンサ素子２に到達するおそれは小さい。よって、センサ素子２が被水により割れを生じるといった不具合を抑制することができる。
　アウタ先端面孔１２ｂは、外周部１２２ｂの複数個所（例えば、４箇所以上）に均等配置されることが好ましく、ここでは、８箇所に等間隔で配置される。このようにすると、凝縮水の排出が促進され、ガス流れに対する指向性を有しない構成となり、組付性が向上する。

　図３において、インナカバー１１の外側面と、アウタカバー１２の内側面との間には、第２流路Ｆ２が設けられる。第２流路Ｆ２は、インナカバー１１の先端面１１２の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部３１を有する。また、大クリアランス部３１よりも基端側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部３２を有すると共に、大クリアランス部３１と小クリアランス部３２とが段差なく接続された流路形状を有する。

　インナカバー１１の側面１１１となる筒状体は、先端面１１２に連続し、基端側へ向けて拡径するテーパ状の第１筒部１１３と、第１筒部１１３から基端側へ連続する概略一定径の第２筒部１１４とを有する。第１筒部１１３は、一定のテーパ角度を有するテーパ面であり、先端側の端部において、アウタカバー１２との間に大クリアランス部３１を形成する。第２筒部１１４は、アウタカバー１２との間に小クリアランス部３２を形成する。

　このとき、インナカバー１１は、小クリアランス部３２に対応する位置から大クリアランス部３１に対応する先端側へ向けて縮経する、テーパ状の側面形状を有する。これにより、インナカバー１１の外側面に発生する結露水が、自重により先端側へ移動しながら集合し、素子カバー１の底面となるアウタカバー１２の先端面１２２へ向けて落下しやすくなる。したがって、結露水が、排ガス流れによってインナカバー１１の基端側へ移動するのを抑制し、被水を防止する効果が高まる。

　大クリアランス部３１は、軸方向Ｘと直交する方向におけるクリアランス、すなわち、インナカバー１１の外側面とアウタカバー１２の内側面の距離が、最大クリアランスとなる部分である。第１筒部１１３に面する第２流路Ｆ２において、先端側の大クリアランス部３１から基端側へ向かうほど、クリアランスは小さくなる。

　小クリアランス部３２は、軸方向Ｘと直交する方向におけるクリアランス、すなわち、インナカバー１１の外側面とアウタカバー１２の内側面の距離が、最小クリアランスとなる部分である。第２筒部１１４に面する第２流路Ｆ２では、先端側から基端側へかけてクリアランスは一定であり、最小クリアランスの小クリアランス部３２となる。

　このとき、大クリアランス部３１におけるクリアランス（すなわち、最大クリアランス）をｄ１とし、小クリアランス部３２におけるクリアランス（すなわち、最小クリアランス）をｄ２としたときに、それらの比率であるクリアランス比ｄ１／ｄ２を調整することで、検出感度を調整することができる。好適には、クリアランス比ｄ１／ｄ２を、２．４５以上とすることが好ましく、出力の立ち上がり時間を低減して、検出感度を向上させることができる。

　インナカバー１１には、基端側の側面１１１となる第２筒部１１４の軸方向Ｘの中間部に、複数のインナ側面孔１１ａが設けられる。インナ側面孔１１ａは、例えば、軸方向Ｘに細長い長孔形状の貫通孔であり、周方向の複数個所（例えば、４箇所以上）に配置されて、第２流路Ｆ２に開口する。複数のインナ側面孔１１ａには、それぞれ、先端縁部と一体的に、細長い板状のガイド体１３が設けられる。インナ側面孔１１ａの基端縁部、ガイド体１３の延出端部は、いずれも幅方向の両端角部に面取りを施した丸みを有する形状となっている。
　インナカバー１１の先端面１１２には、中央部に１つのインナ先端面孔１１ｂが設けられる。インナ先端面孔１１ｂは、例えば、円形の貫通孔であり、第１流路Ｆ１に開口する。

　インナ側面孔１１ａの数や配置は、必ずしも限定されないが、側面１１１の全周に均等配置されることが望ましい。ここでは、例えば、インナ側面孔１１ａを、側面１１１の周方向の８箇所に等間隔で配置し、これらと一体のガイド体１３は、センサ素子２の検出面２０を放射状に取り囲む配置とされている。このようにすると、ガス流れに対する指向性を有しない構成となり、組付性が向上するのみならず、第２流路Ｆ２からガイド体１３を経て流入する排ガスＧを、速度を低下させることなく検出面２０に導くことができ、検出精度が向上する。

　図１において、ガイド体１３は、例えば、インナ側面孔１１ａの先端縁部と一体となるように、第２筒部１１４を切り欠いた切欠部分にて形成され、インナ側面孔１１ａの先端縁部を屈曲位置として、インナカバー１１の内方へ屈曲傾斜している。軸方向Ｘにおいて、センサ素子２の検出面２０は、インナ側面孔１１ａよりも基端側にあり、ガイド体１３は、その延出方向に、検出面２０が位置するように構成されている。

　これにより、検出面２０の外周縁部より内側に位置する検出部２１に向けて、排ガスＧが直接導入されるので、ガイド効果を高めて、検出感度を向上させることができる。

　次に、上記構成の素子カバー１を備えたＰＭセンサＳについて、センサ素子２の検出精度と耐被水性の向上に対する素子カバー１の効果について説明する。
　図３に矢印で示すように、排ガスＧは、ＰＭセンサＳの側方から素子カバー１へ向けて流れ、アウタカバー１２の側面１２１に開口するアウタ側面孔１２ａに導入される。アウタ側面孔１２ａは、二列配置される一方がインナカバー１１の先端位置よりも先端側に位置するので、素子カバー１内において、排ガスＧは、インナカバー１１の先端面１１２とアウタカバー１２の先端面１２２との間の第１流路Ｆ１を、十分な流速でそのまま流れ、対向方向に位置するアウタ側面孔１２ａへ向かう。

　その際、上述したように、二列配置される他方からアウタ側面孔１２ａに導入される排ガスＧが合流することで、素子カバー１の取付角度によらず、良好なガス流れが形成される。また、排ガスＧの一部は、流れ方向の下流側の大クリアランス部３１において、基端側へ向きを変えて、インナカバー１１の側面１１１とアウタカバー１２の側面１２１との間の第２流路Ｆ２に流入する。

　第２流路Ｆ２は、流入側の大クリアランス部３１よりも小クリアランス部３２における流路面積が狭くなっているので、排ガスＧは、ベンチュリ効果により、流速を向上させながら、小クリアランス部３２に開口するインナ側面孔１１ａに向かう。また、インナカバー１１は、小クリアランス部３２を形成する第２筒部１１４より先端側の第１筒部１１３が、先端側へ向けて縮径するテーパ状であり、大クリアランス部３１から小クリアランス部３２へ至る間に、徐々に流路面積が狭くなる形状となっているので、排ガスＧは、インナカバー１１の側面１１１に沿って流れ、渦流を生じにくい。

　したがって、渦流の抑制効果により、排ガスＧの流速がさらに向上し、十分な流速でインナ側面孔１１ａに到達する。さらに、インナ側面孔１１ａと一体的に設けられたガイド体１３の傾斜表面に沿って、インナカバー１１の内部に流入する。そして、ガイド体１３は、傾斜表面の延出方向にセンサ素子２の検出面２０が位置するように設けられるので、そのガイド効果により、排ガスＧは、十分な流速のままセンサ素子２の先端面の検出部２１に到達する。このような排ガスＧの流れにより、検出部２１への単位時間当たりの供給流量が増加するので、ＤＰＦ１０の故障時等に粒子状物質ＰＭの検出に要する時間が短縮され、センサ素子２による検出感度を向上させることができる。

　その後、排ガスＧは、インナカバー１１の先端面１１２に開口するインナ先端面孔１１ｂへ向かう。このとき、上述したように、インナカバー１１の先端面１１２とアウタカバー１２の先端面１２２との間の第１流路Ｆ１において、排ガスＧが十分な流速を有するので、インナ先端面孔１１ｂの近傍に負圧が発生する。

　ここで、アウタカバー１２の先端面１２２、特に、インナ先端面孔１１ｂに対向する中央部１２２ａには、ガス流通孔となる孔が形成されないので、排ガスＧの流れ方向は、軸方向Ｘと直交する方向となる。インナ先端面孔１１ｂは、排ガスＧの流れ方向に開口しておらず、また、上述した吸い出し効果により、インナ先端面孔１１ｂから排ガスＧへ合流する方向の流れが形成されるので、アウタカバー１２内に流入した排ガスＧが、インナ先端面孔１１ｂからインナカバー１１内に、直接流入することが抑制される。

　したがって、導入される排ガスＧに凝縮水が含まれる場合や、アウタカバー１２の内側面又はインナカバー１１の外側面において結露で発生した凝縮水が付着している場合においても、これら凝縮水が排ガスＧと共に、インナ先端面孔１１ｂからインナカバー１１内に侵入しセンサ素子２に到達するおそれは小さい。また、インナカバー１１の外側面形状や、アウタカバー１２のセンサ取付時の底面となる先端面１２２の形状の工夫により、凝縮水の滞留を抑制し、排出が促進される。
　この効果について、図７に示すように、アウタカバー１２の先端面１２２の全面が平坦面として構成されている比較形態１と対比させて、以下に説明する。

　図７左図に示すように、エンジン停止中に素子カバー１内で発生した結露水は、アウタカバー１２の内側面又はインナカバー１１の外側面を伝って移動し、自重により落下して、アウタカバー１２の先端面１２２に滞留する。このとき、排ガスＧ中の油分により素子カバー１内において、壁面に油膜が形成されることで、発生した結露水がより落下しやすくなる。

　図７中図に示すように、この状態で、エンジンが始動すると、アウタ側面孔１２ａから第１流路Ｆ１に導入される排ガスＧによって、先端面１２２の滞留水Ｗが飛散し、第１流路Ｆ１から第２流路Ｆ２へ向かうガス流れによって、液滴が巻き上がる。図７右図に示すように、この液滴が、第２流路Ｆ２からインナ側面孔１１ａを経て、インナカバー１１の内部へ侵入し、ヒータ加熱により、高温になったセンサ素子２が被水すると、冷熱割れが発生するおそれがある。

　これに対して、図８左図に示す本形態の構成では、自重により先端面１２２に落下した結露水が中央部１２２ａに滞留することなく、曲面状の中央部１２２ａから傾斜面１２３を流れ落ちて外周部１２２ｂへ移動する。外周部１２２ｂには、全周にアウタ先端面孔１２ｂが設けられるので、結露水は速やかに排出され、滞留水Ｗの巻き上げによるセンサ素子の被水を抑制することができる。

　なお、図８右図に示す従来構成のように、インナカバー１１を先端側が縮径する段付きに形成した場合にも、段差部から基端側への結露水の移動が抑制されるが、段差部に排ガスＧが衝突することで渦流が発生し、インナカバー１１内へ向かうガス流速が低下しやすくなる。

　その場合においても、本形態の構成では、インナカバー１１の先端側の第１筒部１１３をテーパ面としたので、第１筒部１１３に衝突することで排ガスＧから分離される凝縮水や、第１筒部１１３に付着していた結露水が、テーパ面に沿って集まりやすい。したがって、インナカバー１１の先端面１１２からの凝縮水の落下が促進され、センサ素子の被水を抑制する効果を高めることができる。

　なお、インナカバー１１において、第１筒部１１３を構成するテーパ面は、一定のテーパ角度である必要はなく、例えば、テーパ角度の異なる複数のテーパ面が軸方向Ｘに接続された形状とすることもできる。
　この場合も、第１筒部１１３の全体が滑らかに接続され、基端側から先端側へ向けて縮径する概略テーパ状に形成されることで、同様の効果が得られる。

　さらに、ＰＭセンサＳに適用される場合には、図９右図に示す比較形態１のように、アウタカバー１２の先端面１２２が平坦面として構成されていると、結露水が滞留することで、滞留水Ｗに、排ガスＧに含まれる粒子状物質が吸着されやすくなる。すると、図９左図に示すように、ＰＭ量に比例するセンサ素子２の検出電流が、検出開始後に速やかに上昇せず、検出感度（すなわち、応答性）が低下するおそれがある。

　その場合も、本形態の構成では、先端面１２２に滞留水Ｗが生じにくいので、粒子状物質の吸着が抑制され、センサ素子２へ到達するのを妨げることがない。したがって、図１０に示すように、検出電流が閾値を超える出力立ち上がり時間が短縮され、検出感度が向上すると共に、出力立ち上がり時間のバラツキも抑制されるので、検出精度が向上する。

（試験例１）
　図１１に示すように、実際に金属板材を絞り加工してアウタカバー１２を試作し、先端面１２２の形状による効果を確認した。本例では、先端面１２２の中央部１２２ａから外周部１２２ｂへかけてのほぼ全面が、断面山形の曲面部をなしており、外周部１２２ｂは傾斜面１２３に連続する傾斜状に形成されている。
　このアウタカバー１２を用いたＰＭセンサＳについて、水分を含むモデルガスの導入と停止を繰り返し行い、結露水の発生と滞留の様子を観察したところ、発生する結露水はアウタ先端面孔１２ｂから排水され、先端面１２２の中央部１２２ａに滞留することはなかった。

　このアウタカバー１２の先端面１２２は、中央部１２２ａに近い部位の傾斜角度は比較的緩やかで、外周部１２２ｂに近い部位で傾斜角度が大きくなっている。一例として、図中に示すように、外周部１２２ｂに近い傾斜面１２３における傾斜角度θは、ｔａｎθ≒１８μｍ／４０００μｍより、θ≒０．２６度であった。したがって、例えば、少なくとも０．２度以上の傾斜角度θを有するように、アウタカバー１２の先端面１２２の傾斜面１２３を形成し、アウタ先端面孔１２カバー１２ａとの位置関係が適切となるように、中央部１２２ａや外周部１２２ｂを傾斜させることで、結露水の排出が効果的になされる。

（実施形態２）
　図１２、図１３により、センサ装置としてのＰＭセンサＳの実施形態２について説明する。本形態では、素子カバー１のアウタカバー１２において、先端面１２２の形状を変更すると共に、アウタ側面孔１２ａの配置を変更している。また、センサ素子２の側面に検出部２１を設けた構成としている。それ以外のＰＭセンサＳの基本構成は、上記実施形態１と同様であるので説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
　なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

　上記実施形態１では、アウタカバー１２の先端面１２２において、中央部１２２ａ及び傾斜面１２３を、断面山状に連続する曲面状としたが、図１２に示すように、インナ先端面孔１１ｂに対向する中央部１２２ａは、平坦面であってもよい。この場合も、外周部１２２ｂは中央部１２２ａよりも先端側、すなわち、鉛直方向の下端側に位置し、中央部１２２ａに続く傾斜面１２３は、例えば、外周部１２２ｂへ向けて下り傾斜するテーパ面状に設けられる。したがって、インナカバー１１の側面１１１の先端側に集まる結露水は、自重で落下して傾斜面１２３を移動し、アウタ先端面孔１１ｂから排出される。

　あるいは、図１３に示すように、アウタカバー１２の先端面１２２において、アウタ先端面孔１１ｂを有する外周部１２２ｂの一部を、中央部１２２ａ及び傾斜面１２３に連続する曲面状としてもよい。その場合には、図示するように、アウタ先端面孔１１ｂが傾斜面１２３に続く曲面部に配置されてもよいが、好適には、アウタ先端面孔１１ｂが、先端面１２２において、鉛直方向の最下端の位置を含むように配置されることが好ましい。

　また、上記実施形態１では、アウタ側面孔１２ａを、軸方向Ｘにおいて２列に設けたが、１列としてもよい。その場合には、少なくともアウタ側面孔１２ａの先端位置が、インナカバー１１の先端位置であるインナ先端面孔１１ｂよりも先端側にあり、第１流路Ｆ１を排ガスＧが流通可能に形成されていることが望ましい。好適には、アウタ側面孔１２ａの孔中心が、インナ先端面孔１１ｂより先端側に位置しているとよい。

　本形態では、アウタ側面孔１２ａは、軸方向Ｘにおいて、インナ先端面孔１１ｂと重ならない位置にあり、例えば、インナ先端面孔１１ｂの先端位置と、アウタ側面孔１２ａの基端位置が同等位置にある。この構成では、アウタ側面孔１２ａから導入される排ガスが、インナカバー１１に衝突することなく、第１流路Ｆ１に流入するので、第１流路Ｆ１を流れる排ガスＧの流量が増加して、第２流路Ｆ２へのガス流れを形成しやすい。

　また、センサ素子２は、上記実施形態１と同様の積層型素子であり、直方体形状の絶縁性基体２２の先端側の一側面に、検出部２１を有している。本形態においても、検出部２１には、一対の電極２３、２４が設けられ、リード部２３ａ、２４ａを介して、端子電極２５、２６と接続される構成を有する（例えば、図６参照）。また、絶縁性基体２２の一側面において、検出部２１の外周部を取り囲む、一回り大きな側面表面が、検出面２０となる。

　センサ素子２は、検出部２１を設けた側面に、インナ側面孔１１ａからインナカバー１１の内側へ流入する排ガスＧが到達するように配置される。例えば、インナ側面孔１１ａに設けられるガイド体１３の延長線上に、検出部２１を設けた側面が位置するように配置されていればよい。

　これにより、インナ側面孔１１ａからインナカバー１１内に流入する排ガスＧが、拡散することなく、対向する側面の検出面２０上に位置する検出部２１に、直接到達しやすくなる。したがって、低流速時においてもＰＭセンサＳの検出感度を低下させることなく、良好な検出性能を維持できる。

　本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
　例えば、上記各実施形態では、積層型のセンサ素子２を有するＰＭセンサＳを例示して説明したが、センサ素子２は、電極２３、２４が、検出部２１となる表面に印刷形成された印刷型素子であってもよい。この場合は、電極２３、２４は、平板状に成形された絶縁性基体２２の表面に、櫛歯状に印刷形成され、同様に絶縁性基体２２の表面に印刷形成されたリード部２３ａ、２４ａを介して、端子電極２５、２６と接続される。

　また、上記各実施形態では、センサ装置としてのＰＭセンサＳについて、主に説明したが、センサ装置は、ＰＭセンサＳに限らず、排ガスＧに含まれる特定ガス成分を検出するガスセンサであってもよい。具体的には、排ガスＧ中の酸素を検出する酸素センサや、空燃比を検出する空燃比センサ、ＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ等の排ガスセンサが挙げられる。これらガスセンサに用いられるセンサ素子２は、公知の構成とすることができ、例えば、コップ型又は積層型素子の先端側に、検出用の電極を有する検出部２１を備えた構成とすることができる。

　上記各実施形態では、センサ装置が自動車用エンジンの排ガス浄化システムに適用される場合について説明したが、内燃機関は自動車用に限らず、各種装置からの排ガスを被測定ガスとすることができる。また、被測定ガスは内燃機関からの排ガスに限らず、各種ガス中に含まれる特定成分を検出するためのセンサ装置に適用することができる。

Claims

　被測定ガス中の特定成分を検出する検出部（２１）を備えるセンサ素子（２）と、
　上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向（Ｘ）の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジング（Ｈ）と、
　上記ハウジングの先端側に同軸的に配設された素子カバー（１）と、を備え、
　上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバー（１１）と、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバー（１２）と、を有するセンサ装置（Ｓ）であって、
　上記インナカバーは、側面（１１１）及び先端面（１１２）に、被測定ガスが流通するインナ側面孔（１１ａ）及びインナ先端面孔（１１ｂ）がそれぞれ設けられ、
　上記アウタカバーは、側面（１２１）に、被測定ガスが流通する複数のアウタ側面孔（１２ａ）が設けられると共に、上記アウタ側面孔の先端位置が上記インナカバーの先端位置よりも先端側にあり、
　上記アウタカバーの先端面（１２２）には、上記インナ先端面孔の外周縁に対向する位置よりも外側に、複数のアウタ先端面孔（１２ｂ）が設けられ、かつ、
　上記アウタカバーの上記先端面は、上記インナ先端面孔に対向する中央部（１２２ａ）が上記インナ先端面孔に向けて突出し、上記中央部よりも、上記アウタ先端面孔が配置される外周部（１２２ｂ）が先端側に位置すると共に、上記中央部と上記アウタ先端面孔とを接続する傾斜面（１２３）を有する、センサ装置。
　上記アウタカバーの上記先端面の内側には、上記軸方向と直交する方向をガス流れ方向とする第１流路（Ｆ１）が形成され、
　上記インナ側面孔は、上記インナカバーの外側面と上記アウタカバーの内側面との間に設けられる第２流路（Ｆ２）に開口すると共に、
　上記第２流路は、上記インナカバーの上記先端面の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部（３１）を有し、上記大クリアランス部よりも基端側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部（３２）を有する、請求項１に記載のセンサ装置。
　上記インナカバーの上記側面は、上記小クリアランス部に対応する基端側から上記大クリアランス部に対応する先端側へ向けて縮経するテーパ面を有する、請求項２に記載のセンサ装置。
　上記アウタカバーにおいて、上記先端面の上記中央部は、上記アウタ側面孔の外周縁の位置又はそれよりも先端側に位置する、請求項１～３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
　上記アウタカバーにおいて、複数の上記アウタ先端面孔は、上記先端面の周方向に均等配置されており、排水孔として機能する、請求項１～４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
　上記インナカバーには、上記インナ側面孔の先端縁部から上記インナカバー１１の内方へ傾斜して延出するガイド体１３が設けられる、請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
　上記被測定ガスは、内燃機関（Ｅ）の排ガスであり、上記ハウジングは、上記軸方向を鉛直方向として上記内燃機関の排ガス管（ＥＸ）に取り付けられ、上記特定成分は、排ガスに含まれる粒子状物質である、請求項１～６のいずれか１項に記載のセンサ装置。