JP3553316B2

JP3553316B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP3553316B2
Application number: JP13015497A
Authority: JP
Inventors: 伸秀加藤; 信和生駒; 安彦濱田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10318980A; EP0880025A1; DE69828918T2; EP0880025B1; US5948963A; DE69828918D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両の排出ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ_２、ＳＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ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。
【０００２】
【従来の技術】
現在、酸素イオン伝導体を用いた酸素センサ、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、Ｈ_２Ｏセンサ、あるいはＳｎＯ_２やＴｉＯ_２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。
【０００３】
これらのガスセンサのうち、ＺｒＯ_２を用いた酸素センサやＴｉＯ_２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。
【０００４】
また、ＺｒＯ_２を用いたＮＯｘセンサも自動車のＮＯｘ制御用として実用段階に入っている。
【０００５】
これらＺｒＯ_２を用いたガスセンサは、通常、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。
【０００６】
一方、エンジンの始動時には凝縮水が発生する。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。
【０００７】
特にヒータとセンサ素子が一体となったガ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。
【０００８】
これを解消するために、ヒータ内蔵型の酸素センサにおいて、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）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、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。
【００１０】
更に、ＮＯｘセンサのような酸素ポンプ機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。
【００１１】
また、これら高温に加熱されるセンサ素子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。
【００１２】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスセンサは、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。
【００１４】
これにより、凝縮水が侵入しにくくなり、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。
【００１５】
また、前記保護カバー空間と連通路とが隔離され、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。
【００１６】
しかも、ガス導入口をセンサ素子の先端側にし、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。
【００１７】
なお、開口部に排気ガス中に含まれるオイ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。
【００１８】
前記構成において、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（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。
【００１９】
そして、前記構成において、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（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１ｍｍ以下が好ましい。
【００２０】
また、前記構成において、前記センサ素子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。
【００２１】
また、前記構成において、前記隔離部分に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。
【００２２】
また、前記構成において、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。
【００２３】
そして、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。
【００２４】
なお、前記外側保護カバーの底部分に径が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。
【００２５】
また、前記構成において、前記開口部のガス拡散抵抗が、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。
【００２６】
また、前記構成において、前記開口部の前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。
【００２７】
前記構成において、開口部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。
【００２８】
そして、前記構成において、前記開口部を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。
【００２９】
また、前記構成において、前記保護カバー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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ_２、ＳＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ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。
【００３１】
図１Ａに示すように、第１の実施の形態に係るガスセンサ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１２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。
【００３２】
センサ素子１２は、図３及び図４に示すように、全体として、長尺な板状体形状に構成されており、ＺｒＯ_２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２０ｃ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。
【００３３】
具体的には、第２の基板層２０ｂ上に第１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。
【００３４】
第２の基板層２０ｂと第１の固体電解質層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２０ｂ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。
【００３５】
また、第１及び第２の固体電解質層２０ｄ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。
【００３６】
そして、第２の固体電解質層２０ｆの下面、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。
【００３７】
また、センサ素子１２の先端端面のうち、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。
【００３８】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部２４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。
【００３９】
そして、前記第２の拡散律速部２６を通じて、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。
【００４０】
また、前記第２の固体電解質層２０ｆの下面のうち、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。
【００４１】
そして、前記主ポンプセル３８における内側ポンプ電極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）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極３６と内側ポンプ電極３４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。
【００４２】
また、前記第１の固体電解質層２０ｄの上面のうち、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。
【００４３】
この制御用酸素分圧測定セル４６は、第１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。
【００４４】
即ち、基準電極４４及び測定電極４２間に生じる電圧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（Ｐ_１（Ｏ_２）／Ｐ_０（Ｏ_２））
Ｒ：気体定数
Ｔ：絶対温度
Ｆ：ファラデー数
Ｐ_１（Ｏ_２）：第１室２８内の酸素分圧
Ｐ_０（Ｏ_２）：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。
【００４５】
前記検出された酸素分圧値は可変電源４０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。
【００４６】
なお、前記主ポンプセル３８における内側ポンプ電極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。
【００４７】
特に、前記内側ポンプ電極３４及び測定電極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ＺｒＯ_２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Ｌａ_３ＣｕＯ_４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Ｐｔ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。
【００４８】
また、前記第１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、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。
【００４９】
前記検出電極５２は、例えば被測定ガス成分である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。
【００５０】
また、このセンサ素子１２においては、第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。
【００５１】
前記ヒータ６０は、図４に示すように、第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。
【００５２】
前記センサ素子１２は、基本的には以上の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。
【００５３】
ＮＯｘの測定に先立ち、センサ素子１２を第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。
【００５４】
次に、上述のように設定したセンサ素子１２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。
【００５５】
第１の拡散律速部２４を介して所定の拡散抵抗のもとに第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。
【００５６】
第１室２８内で所定の酸素分圧に制御された被測定ガスは、第２の拡散律速部２６を介して第２室３０に導入される。
【００５７】
第２室３０では、基準電極４４と検出電極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Ｏ_２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、ＮＯ_２等のＮＯｘの濃度が測定されることになる。
【００５８】
つまり、ＺｒＯ_２のような酸素イオン伝導性固体電解質（図４の例では、第１の固体電解質層２０ｄ）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。
【００５９】
センサ素子１２としては、前記測定用ポンプセル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。
【００６０】
この測定用酸素分圧測定セル６４は、第１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４４と、前記第１の固体電解質層２０ｄによって構成されている。
【００６１】
この場合、測定用酸素分圧測定セル６４における検出電極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。
【００６２】
従って、前記検出電極６６及び基準電極４４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。
【００６３】
そして、この起電力Ｖ２の変化の度合いが、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。
【００６４】
そして、前記センサ素子１２は、図１Ａに示すように、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。
【００６５】
この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ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８２、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。
【００６６】
なお、前記センサ組立体１６の構造等については、実公平６−３７３２５号公報、実公平６−３７３２６号公報及び実開平２−１４６３６２号公報に詳細に説明されている。
【００６７】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ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。
【００６８】
内側保護カバー１１０の先端には、被測定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。
【００６９】
センサ素子１２の先端面の投影寸法は、図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。
【００７０】
ここで、センサ素子１２の寸法表示としては、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。
【００７１】
外側保護カバー１１２は、前方が密閉され、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。
【００７２】
このように、センサ素子１２の先端部を被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１１０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。
【００７３】
ここで、前記内側保護カバー１１０の開口部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。
【００７４】
前記開口部１１４の寸法は、幅ｄが約３ｍｍ、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×０．８ｍｍ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。
【００７５】
前記開口部１１４に続く拡開部１１８は、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。
【００７６】
更に、センサ素子１２が段差部１１６に突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。
【００７７】
なお、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１２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１３０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。
【００７８】
ちなみに、開口部１１４が内側保護カバー空間１３０に連通していると、内側保護カバー空間１３０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。
【００７９】
内側保護カバー１１０の側面には、被測定ガスを導入するための穴がないことから、センサ素子１２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。
【００８０】
更に、内側保護カバー１１０は円筒形状となっているため、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。
【００８１】
このように、センサ素子１２のうち、内側保護カバー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。
【００８２】
仮に凝縮水が付着したとしても、水滴の大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。
【００８３】
なお、開口部１１４に排気ガス中に含まれるオイル燃焼物やカーボンの付着が起こり、開口部１１４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。
【００８４】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら第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。
【００８５】
この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂ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。
【００８６】
この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂ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。
【００８７】
この場合、開口部１１４の長さが、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａの場合の１．５ｍｍＬ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。
【００８８】
また、第１の実施の形態に係るガスセンサ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。
【００８９】
なお、この第２の実施の形態に係るガスセンサ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。
【００９０】
次に、図８Ａ〜図９を参照しながら第３の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。
【００９１】
この第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃ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。
【００９２】
この第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃ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。
【００９３】
前記段差部の目的は、上述したように、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１２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。
【００９４】
この第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃ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。
【００９５】
次に、図１０Ａ〜図１１を参照しながら第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。
【００９６】
この第４の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｄ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１Ｂ参照）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１２６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、２．５ｍｍφの孔が８等配となっている。
【００９７】
内側保護カバー１１０は、図８Ａに示す第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。
【００９８】
別体の開口部１１４は、角状のパイプ形状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。
【００９９】
そして、開口部１１４の内側保護カバー１１０への固定は、センサ組立体１６に内側保護カバー１１０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１１４ｂ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。
【０１００】
開口部１１４の内部寸法は、例えば図１１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。
【０１０１】
センサ素子１２の外形寸法は、４．２ｍｍ×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。
【０１０２】
一方、開口部１１４の内部寸法は、４．３ｍｍ×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。
【０１０３】
このガス拡散抵抗の比は、２．７８Ｄ／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１２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。
【０１０４】
この構造によれば、開口部１１４が別部材で構成されるため、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。
【０１０５】
また、隔離部分（センサ素子１２と開口部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。
【０１０６】
一方、外側保護カバー１１２のガス導入孔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。
【０１０７】
このため、被測定ガス（排気ガス）の流れは、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。
【０１０８】
ここで、排気管内のガス流速は中央部は速く、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に向かうガスの流れが生じる。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１２６ｂは、ガス排出孔として機能することになる。
【０１０９】
次に、図１２Ａ〜図１３を参照しながら第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。
【０１１０】
この第５の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｅ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。
【０１１１】
即ち、センサ素子１２の先端部が内側保護カバー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。
【０１１２】
内側保護カバー１１０は、全体として径が大きくなっており、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１１０ａ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。
【０１１３】
外側保護カバー１１２のガス導入孔１２６（上部ガス導入孔１２６ａ及び下部ガス導入孔１２６ｂ）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。
【０１１４】
開口部１１４を逆向きに配置することにより、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。
【０１１５】
また、外側保護カバー１１２の下部ガス導入孔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。
【０１１６】
また、被測定ガスの雰囲気に開口部１１４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。
【０１１７】
更に、外側保護カバー１１２の底部にガス排出孔１２８が設けられているため、外側保護カバー１１２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。
【０１１８】
また、内側保護カバー１１０の内径が大きくなっているため、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。
【０１１９】
次に、図１４Ａ〜図１５を参照しながら第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。
【０１２０】
この第６の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｆ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。
【０１２１】
この場合の内側保護カバー１１０は、その前方中央（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、この内側保護カバー１１０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。
【０１２２】
センサ素子１２は、前記第５の実施の形態に係るガスセンサ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が例えば溶接により固定されている。
【０１２３】
この第６の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｆ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。
【０１２４】
また、この第６の実施の形態に係るガスセンサ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１１４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１０Ａ〜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。
【０１２５】
上述したように、凹部１３８の入り口付近からセンサ素子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。
【０１２６】
即ち、この第６の実施の形態に係るガスセンサ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。
【０１２７】
次に、図１６Ａ〜図１７を参照しながら第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。
【０１２８】
この第７の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｇ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０．５ｍｍφの穴（底面穴１４２ｂ）が３等配で設けられている点で異なる。
【０１２９】
この第７の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｇ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。
【０１３０】
即ち、内側保護カバー空間１３０にも測定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。
【０１３１】
凝縮水に関しては、側面穴１４２ａ及び底面穴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。
【０１３２】
このように、第１〜第７の実施の形態に係るガスセンサ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。
【０１３３】
また、自動車のような凝縮水の発生が起こり、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。
【０１３４】
前記第１〜第７の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ〜１０Ｇにおいて、内側保護カバー空間１３０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。
【０１３５】
また、開口部１１４の開口幅が大きい場合、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。
【０１３６】
なお、この発明に係るガスセンサは、上述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。
【０１３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、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。
【０１３８】
このため、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という効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａは第１の実施の形態に係るガスセンサの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。
【図２】図１Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図３】ガスセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図５】ガスセンサ素子の他の構成を示す断面図である。
【図６】図６Ａは第２の実施の形態に係るガスセンサの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。
【図７】図６Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図８】図８Ａは第３の実施の形態に係るガスセンサの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。
【図９】図８Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図１０】図１０Ａは第４の実施の形態に係るガスセンサの要部を示す一部省略断面図であり、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＥ−Ｅ線上の断面図である。
【図１１】図１０Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図１２】図１２Ａは第５の実施の形態に係るガスセンサの要部を示す一部省略断面図であり、図１２Ｂは図１２ＡにおけるＦ−Ｆ線上の断面図である。
【図１３】図１２Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図１４】図１４Ａは第６の実施の形態に係るガスセンサの要部を示す一部省略断面図であり、図１４Ｂは図１４Ａにおける開口部側を見た正面図である。
【図１５】図１４Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。
【図１６】図１６Ａは第７の実施の形態に係るガスセンサの要部を示す一部省略断面図であり、図１６Ｂは図１６ＡにおけるＧ−Ｇ線上の断面図である。
【図１７】図１６Ｂに示された開口部を拡大して示す要部拡大図である。

Claims

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し、
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２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１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１〜４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５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６又は７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１〜８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９〜１２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１３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。