JP2017223620A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガス濃度検出の応答性をより向上させる。
【解決手段】ガスセンサ１００は、ガス導入口１１１を有するセンサ素子１１０と、センサ素子室１２４を内部に有し１以上の素子室入口１２７と１以上の素子室出口１３８ａとが配設された内側保護カバー１３０と、１以上の外側入口１４４ａと１以上の外側出口１４７ａとが配設された外側保護カバー１４０と、を備えている。外側入口１４４ａの合計断面積Ｓ１［ｍｍ²］と外側出口１４７ａの合計断面積Ｓ２［ｍｍ²］との比である断面積比Ｓ１／Ｓ２は、値２．０超過値５．０以下となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

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センサが知られている。例えば、特許文献１には、外側保護カバーと、外側保護カバーとセンサ素子との間に配置されセンサ素子の先端を覆う有底筒状の内側保護カバーと、を備えたガスセンサが記載されている。特許文献１では、内側保護カバーの形状を所定の形状にすることで、ガス濃度検出の応答性とセンサ素子の保温性とを両立できるようにすることが記載されている。

国際公開第２０１４／１９２９４５号パンフレット

ところで、このようなガスセンサにおいて、ガス濃度検出の応答性をより向上させることが望まれていた。

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、ガス濃度検出の応答性をより向上させることを主目的とする。

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のガスセンサは、
被測定ガスを導入するガス導入口を有し、該ガス導入口から内部に流入した該被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサ素子と、
前記センサ素子の先端及び前記ガス導入口が内部に配置されるセンサ素子室を内側に有し、該センサ素子室への入口である１以上の素子室入口と該センサ素子室からの出口である１以上の素子室出口とが配設された内側保護カバーと、
前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口と、前記被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口と、が配設され、前記内側保護カバーの外側に配設された外側保護カバーと、
を備え、
前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、両者の間の空間として、前記外側入口と前記素子室入口との間の被測定ガスの流路の少なくとも一部である第１ガス室と、前記外側出口と前記素子室出口との間の被測定ガスの流路の少なくとも一部であり該第１ガス室と直接には連通していない第２ガス室と、を形成しており、
前記外側入口の合計断面積Ｓ１［ｍｍ²］と前記外側出口の合計断面積Ｓ２［ｍｍ²］との比である断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過値５．０以下である、
ものである。

このガスセンサでは、ガスセンサの周囲を流れる被測定ガスは、外側保護カバーの外側入口から流入し、第１ガス室及び素子室入口を通ってセンサ素子室内のガス導入口に到達する。また、センサ素子室内の被測定ガスは、素子室出口から第２ガス室を通って外側保護カバーの外側出口から流出する。このとき、断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過では、合計断面積Ｓ１が比較的大きいことで外側入口から流入する被測定ガスの流量が大きくなりやすく、合計断面積Ｓ２が比較的小さいことで外側出口から流入（逆流）しようとする被測定ガスの流量が小さくなりやすい。これらにより、ガス導入口周辺の空間が流入した被測定ガスで置換されやすくなる。したがって、ガス濃度検出の応答性が向上する。また、合計断面積Ｓ２が小さすぎると外側出口から流出する被測定ガスの流量が小さくなって応答性が低下する場合があるが、断面積比Ｓ１／Ｓ２が値５．０以下では、そのような応答性の低下を低減できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記断面積比Ｓ１／Ｓ２は値２．５以上が好ましく、値３．０以上がより好ましく、値３．４以上がさらに好ましい。断面積比Ｓ１／Ｓ２が大きいほど、ガス濃度検出の応答性が向上しやすい。

本発明のガスセンサにおいて、合計断面積Ｓ１は１０ｍｍ²以上としてもよい。また、合計断面積Ｓ１は３０ｍｍ²以下としてもよい。また、合計断面積Ｓ２は２ｍｍ²以上としてもよい。また、合計断面積Ｓ２は１０ｍｍ²以下としてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記外側保護カバーは、側部と底部とを有する有底筒状の形状をしており、前記外側出口は、前記外側保護カバーの側部には配設されていなくてもよい。ここで、外側保護カバーの側部に配設された外側出口が存在する場合、側部の外側出口と周囲の被測定ガスの流れ方向との位置関係によって、応答性が変化する場合がある。例えば、側部の外側出口が被測定ガスの流れ方向と平行且つ上流に向けて開口している場合、外側保護カバー内から側部の外側出口を通って外部に流出しようとする被測定ガスの流れを、周囲を流れる被測定ガスが妨げてしまい、応答性が低下しやすい。このような側部の外側出口と周囲の被測定ガスの流れ方向との位置関係による応答性の変化が大きいと、例えばガスセンサの取り付けの向きによっては応答性が低下する場合がある。外側出口が側部に配設されていないことで、ガスセンサの取り付けの向きによる応答性への影響を低減できる。この場合において、前記外側出口は、前記底部と、前記側部と前記底部との境界の角部と、の少なくとも一方に配設されていてもよい。また、前記外側出口は、前記底部にのみ配設されていてもよいし、前記角部にのみ配設されていてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記外側入口から前記ガス導入口までの最短経路長Ｐが５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下であってもよい。最短経路長Ｐが１１．０ｍｍ以下であることで、外側入口から流入した被測定ガスはガス導入口に比較的短時間で到達できる。これにより、ガス濃度検出の応答性が向上する。また、最短経路長Ｐが５．０ｍｍ以上であることで、最短経路長Ｐが小さすぎることによる不具合を低減できる。このような不具合としては、例えば、外側入口から流入した外部の被毒物質や水分がセンサ素子に到達しやすくなることや、被測定ガスによりセンサ素子が冷えやすくなることなどが挙げられる。

本発明のガスセンサにおいて、前記最短経路長Ｐは１０．５ｍｍ以下が好ましく、１０．０ｍｍ以下がより好ましく、１０．０ｍｍ未満がさらに好ましく、９．５ｍｍ以下が一層好ましく、９．０ｍｍ以下がより一層好ましい。最短経路長Ｐが小さいほど、ガス濃度検出の応答性が向上しやすい。また、最短経路長Ｐは７．０ｍｍ以上としてもよいし、８．０ｍｍ以上としてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記外側保護カバーは、前記外側入口が配設された円筒状の胴部と、前記外側出口が配設され該胴部よりも内径の小さい有底筒状の先端部と、を有し、前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を先端方向として該先端部は該胴部よりも該先端方向側に位置しており、前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、該外側保護カバーの前記胴部と該内側保護カバーとの間の空間として前記第１ガス室を形成し、該外側保護カバーの前記先端部と該内側保護カバーとの間の空間として前記第２ガス室を形成していてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を先端方向として、前記素子室入口のうち前記センサ素子室側の開口部である素子側開口部が該先端方向に向けて開口するように該素子室入口を形成していてもよい。こうすれば、素子側開口部から流出した被測定ガスがセンサ素子の表面（ガス導入口以外の表面）に垂直に当たることを抑制したり、センサ素子の表面上を長い距離通過してからガス導入口に到達することを抑制したりできる。これにより、センサ素子の冷えを抑制できる。しかも、素子側開口部の開口の向きを調整することでセンサ素子の冷えを抑制しており、内側保護カバー内の被測定ガスの流量や流速を減らしているわけではないため、ガス濃度検出の応答性の低下も低減できる。これらにより、センサ素子の応答性と保温性とを両立することができる。ここで、「素子側開口部が該先端方向に向けて開口する」とは、前記センサ素子の先端方向に平行に開口している場合と、前記センサ素子の後端側から先端側に向かうにつれて該センサ素子に近づくように先端方向から傾斜して開口している場合とを含む。

本発明のガスセンサにおいて、前記内側保護カバーは、第１部材と第２部材とを有しており、前記第１部材及び前記第２部材は、両者の間の隙間として、前記素子室入口を形成していてもよい。さらに、前記第１部材は、前記センサ素子を囲む第１円筒部を有しており、前記第２部材は、前記第１円筒部よりも大径の第２円筒部を有しており、前記素子室入口は、前記第１円筒部の外周面と前記第２円筒部の内周面との間の筒状の隙間であってもよい。

配管２０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。 図３のＣ−Ｃ断面図。 図３の外側保護カバー１４０のＣ−Ｃ断面図。 図３のＤ視図。 図４のＥ−Ｅ断面の一部を拡大した断面図。 外側出口１４７ａが複数の横孔１４７ｂを有する場合の断面図。 外側出口１４７ａが複数の横孔１４７ｂを有する場合の斜視図。 外側出口１４７ａが角孔１４７ｄを有する場合の断面図。 変形例の素子室入口２２７を示す断面図。 変形例のガスセンサ３００の縦断面図。 実験例４の外側保護カバー１４０の断面図。 実験例５のガスセンサ１００の断面の一部を拡大した断面図。 実験例１〜５のガスセンサの応答時間の角度依存性を示すグラフ。 実験例１〜５についての流速Ｖと応答時間との関係を示すグラフ。

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２０へのガスセンサ１００の取り付け状態の概略説明図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２のＢ−Ｂ断面図である。図４は、図３のＣ−Ｃ断面図である。図５は、図３の外側保護カバー１４０のＣ−Ｃ断面図である。なお、図５は、図４から第１円筒部１３４，第２円筒部１３６，先端部１３８及びセンサ素子１１０を除いた図に相当する。図６は、図３のＤ視図である。図７は、図４のＥ−Ｅ断面の一部を拡大した断面図である。

図１に示すように、ガスセンサ１００は車両のエンジンからの排気経路である配管２０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。このガスセンサ１００は、図２に示すように、ガスセンサ１００の中心軸が配管２０内の被測定ガスの流れに垂直な状態で配管２０内に固定されている。なお、ガスセンサ１００の中心軸が配管２０内の被測定ガスの流れに垂直且つ鉛直方向に対して所定の角度（例えば４５°）だけ傾いた状態で配管２０内に固定されていてもよい。

ガスセンサ１００は、図３に示すように、被測定ガス中の所定のガス濃度を検出する機能を有するセンサ素子１１０と、このセンサ素子１１０を保護する保護カバー１２０とを備えている。また、ガスセンサ１００は、金属製のハウジング１０２及び外周面におねじが設けられた金属製のナット１０３を備えている。ハウジング１０２は配管２０に溶接され内周面にめねじが設けられた固定用部材２２内に挿入されており、さらにナット１０３が固定用部材２２内に挿入されることでハウジング１０２が固定用部材２２内に固定されている。これにより、ガスセンサ１００が配管２０内に固定されている。なお、配管２０内の被測定ガスの流れる向きは、図３における左から右に向かう方向である。

センサ素子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を複数積層した構造を有している。センサ素子１１０は、被測定ガスを自身の内部に導入するガス導入口１１１を有しており、ガス導入口１１１から内部に流入した被測定ガスの所定のガス濃度（ＮＯｘやＯ₂等の濃度）を検出可能に構成されている。本実施形態では、ガス導入口１１１は、センサ素子１１０の先端面（図３におけるセンサ素子１１０の下面）に開口しているものとした。センサ素子１１０は、センサ素子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。このようなセンサ素子１１０の構造やガス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。センサ素子１１０は、先端（図３の下端）及びガス導入口１１１がセンサ素子室１２４内に配置されている。なお、センサ素子１１０の後端から先端に向かう方向（図３の下方向）を先端方向と称する。

また、センサ素子１１０は、表面の少なくとも一部を覆う多孔質保護層１１０ａを備えている。本実施形態では、多孔質保護層１１０ａは、センサ素子１１０の６つの表面のうち５面に形成されて、センサ素子室１２４内に露出した表面のほとんどを覆っている。具体的には、多孔質保護層１１０ａは、センサ素子１１０のうちガス導入口１１１が形成された先端面（図３の下面）を全て覆っている。また、多孔質保護層１１０ａは、センサ素子１１０の先端面に接続される４つの表面（図４のセンサ素子１１０における上下左右の面）のうちセンサ素子１１０の先端面に近い側を覆っている。多孔質保護層１１０ａは、例えば、被測定ガス中の水分等が付着してセンサ素子１１０にクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、多孔質保護層１１０ａは、被測定ガスに含まれるオイル成分等がセンサ素子１１０の表面の図示しない電極等に付着するのを抑制する役割を果たす。多孔質保護層１１０ａは、例えばアルミナ多孔質体、ジルコニア多孔質体、スピネル多孔質体、コージェライト多孔質体，チタニア多孔質体、マグネシア多孔質体などの多孔質体からなる。多孔質保護層１１０ａは、例えばプラズマ溶射，スクリーン印刷，ディッピングなどにより形成することができる。なお、多孔質保護層１１０ａは、ガス導入口１１１も覆っているが、多孔質保護層１１０ａが多孔質体であるため、被測定ガスは多孔質保護層１１０ａの内部を流通してガス導入口１１１に到達可能である。特にこれに限定するものではないが、多孔質保護層１１０ａの厚さは例えば１００μｍ〜７００μｍである。

保護カバー１２０は、センサ素子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、センサ素子１１０の先端を覆う有底筒状の内側保護カバー１３０と、内側保護カバー１３０を覆う有底筒状の外側保護カバー１４０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第１ガス室１２２，第２ガス室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素子室１２４が形成されている。なお、ガスセンサ１００，センサ素子１１０，内側保護カバー１３０，外側保護カバー１４０の中心軸は同軸になっている。保護カバー１２０は、金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。

内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と、第２部材１３５と、を備えている。第１部材１３１は、円筒状の大径部１３２と、円筒状で大径部１３２よりも径の小さい第１円筒部１３４と、大径部１３２と第１円筒部１３４とを接続する段差部１３３と、を有している。第１円筒部１３４は、センサ素子１１０の周囲を囲んでいる。第２部材１３５は、第１円筒部１３４よりも径が大きい第２円筒部１３６と、第２円筒部１３６よりもセンサ素子１１０の先端方向（図３の下方向）に位置し円錐台を逆さにした形状の先端部１３８と、第２円筒部１３６と先端部１３８とを接続する接続部１３７と、を有している。また、先端部１３８の底面の中心には、センサ素子室１２４と第２ガス室１２６とに通じ、センサ素子室１２４からの被測定ガスの出口である円形の素子室出口１３８ａ（内側ガス孔とも称する）が１つ形成されている。素子室出口１３８ａの径は、特に限定するものではないが、例えば０．５ｍｍ〜２．６ｍｍである。素子室出口１３８ａは、ガス導入口１１１よりもセンサ素子１１０の先端方向（図３の下方向）の位置に形成されている。換言すると、素子室出口１３８ａは、センサ素子１１０の後端（図３におけるセンサ素子１１０の図示しない上端）から見てガス導入口１１１よりも遠く（図３の下方向）に位置している。

大径部１３２，第１円筒部１３４，第２円筒部１３６，先端部１３８は中心軸が同一である。大径部１３２は、ハウジング１０２に内周面が当接しており、これにより第１部材１３１がハウジング１０２に固定されている。第２部材１３５は、接続部１３７の外周面が外側保護カバー１４０の内周面と当接しており溶接などにより固定されている。なお、先端部１３８の外径を外側保護カバー１４０の先端部１４６の内径よりわずかに大きく形成し、先端部１３８を先端部１４６内に圧入することで、第２部材１３５を固定してもよい。

第２円筒部１３６の内周面には、第１円筒部１３４の外周面に向けて突出してこの外周面に接している複数の突出部１３６ａが形成されている。図４に示すように、突出部１３６ａは３個設けられ、第２円筒部１３６の内周面の周方向に沿って均等に配置されている。突出部１３６ａは、略半球形状に形成されている。このような突出部１３６ａが設けられていることで、突出部１３６ａによって第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との位置関係が固定されやすくなっている。なお、突出部１３６ａは、第１円筒部１３４の外周面を径方向内側に向けて押圧していることが好ましい。こうすれば、突出部１３６ａによって第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との位置関係をより確実に固定できる。なお、突出部１３６ａは、３個に限らず２個や４個以上としてもよい。なお、第１円筒部１３４と第２円筒部１３６との固定が安定化しやすいため、突出部１３６ａは３個以上とすることが好ましい。

この内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と第２部材１３５との隙間でありセンサ素子室１２４への被測定ガスの入口である素子室入口１２７（図３，４，７参照）を形成している。素子室入口１２７は、より具体的には、第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との間の筒状の隙間（ガス流路）として形成されている。素子室入口１２７は、外側入口１４４ａの配置された空間である第１ガス室１２２側の開口部である外側開口部１２８と、ガス導入口１１１の配置された空間であるセンサ素子室１２４側の開口部である素子側開口部１２９と、を有している。外側開口部１２８は、素子側開口部１２９よりもセンサ素子１１０の後端側（図３の上側）に形成されている。そのため、外側入口１４４ａからガス導入口１１１に達するまでの被測定ガスの経路中で、素子室入口１２７はセンサ素子１１０の後端側（図３の上側）から先端側（図３の下側）へ向かう流路となっている。また、素子室入口１２７は、センサ素子１１０の後端−先端方向に平行な流路（図３における上下方向の流路）となっている。

素子側開口部１２９は、ガス導入口１１１からの距離Ａ１（図７参照）が−１．５ｍｍ以上の位置に形成されていることが好ましい。距離Ａ１は０ｍｍ以上としてもよいし、１．５ｍｍ超過としてもよい。なお、距離Ａ１は、センサ素子１１０の後端−先端方向（図３の上下方向）の距離であり、先端から後端へ向かう方向（図３の上方向）を正とする。また、距離Ａ１は、センサ素子１１０の後端−先端方向で、ガス導入口１１１の開口の端部のうち最も素子側開口部１２９に近い部分と、素子側開口部１２９の端部のうち最もガス導入口１１１に近い部分と、の距離とする。なお、図３においてガス導入口がセンサ素子１１０の側面に開口する横穴であり、ガス導入口の開口の上端と下端との間に素子側開口部１２９が位置するときには、距離Ａ１は値０ｍｍとする。距離Ａ１の上限は内側保護カバー１３０やセンサ素子室１２４の形状によって定まる。特に限定するものではないが、距離Ａ１は７．５ｍｍ以下としてもよいし、５ｍｍ以下としてもよいし、２ｍｍ以下としてもよい。

また、素子側開口部１２９は、センサ素子１１０から距離Ａ２（図７参照）の位置に形成されている。なお、距離Ａ２は、センサ素子１１０の先端−後端方向に垂直な方向の距離である。また、距離Ａ２は、センサ素子１１０の後端−先端方向に垂直な方向で、センサ素子１１０のうち最も素子側開口部１２９に近い部分と、素子側開口部１２９の端部のうち最もセンサ素子１１０に近い部分と、の距離とする。距離Ａ２が大きいほど、センサ素子１１０と素子側開口部１２９とが離れるため、センサ素子１１０の冷えを抑制する効果が高まる傾向になる。特に限定するものではないが、距離Ａ２は例えば０．６ｍｍ〜３．０ｍｍである。また、素子側開口部１２９は、センサ素子１１０の後端から先端へ向かう方向に開口し且つセンサ素子１１０の後端−先端方向に平行に開口している。すなわち、素子側開口部１２９は、図３，７の下方向（真下）に開口している。そのため、センサ素子１１０は、素子側開口部１２９から素子室入口１２７を仮想的に延長した領域（図３，７における素子側開口部１２９の真下の領域）以外の位置に、配置されている。これにより、素子側開口部１２９から流出した被測定ガスがセンサ素子１１０の表面に直接当たることを抑制でき、センサ素子１１０の冷えを抑制できる。

外側開口部１２８は、外側入口１４４ａから距離Ａ３（図７参照）の位置に形成されている。なお、距離Ａ３は、センサ素子１１０の先端−後端方向（図３，７の上下方向）の距離であり、距離Ａ１と同様に先端から後端へ向かう方向を正とする。また、距離Ａ３は、センサ素子１１０の後端−先端方向で、外側入口１４４ａの開口の端部のうち最も外側開口部１２８に近い部分と、外側開口部１２８の端部のうち最も外側入口１４４ａに近い部分と、の距離とする。なお、本実施形態では、外側入口１４４ａとして横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとが形成されており、図３の上下方向で外側開口部１２８に最も近いのは横孔１４４ｂの上端である。そのため、図７に示すように横孔１４４ｂの上端と外側開口部１２８との距離が距離Ａ３となる。例えば、図３の上下方向で縦孔１４４ｃの下端よりも下側に外側開口部１２８が位置するときには、縦孔１４４ｃの下端と外側開口部１２８との上下方向の距離が距離Ａ３となる。なお、外側開口部１２８は、距離Ａ３が０以上の値や正の値となる位置に形成されていてもよいし、０以下の値や負の値となる位置に形成されていてもよい。特に限定するものではないが、距離Ａ３は例えば−３ｍｍ以上３ｍｍ以下である。距離Ａ３は、−２ｍｍ以上としてもよいし、−１ｍｍ以上としてもよいし、２ｍｍ以下としてもよいし、１ｍｍ以下としてもよい。

外側開口部１２８は、外側入口１４４ａから距離Ａ６（図７参照）の位置に形成されている。なお、距離Ａ６は、センサ素子１１０の先端−後端方向（図３，７の上下方向）に垂直な方向の距離である。また、距離Ａ６は、センサ素子１１０の後端−先端方向で最も外側開口部１２８に近い外側入口１４４ａと、外側開口部１２８と、の距離とする。本実施形態では、距離Ａ６は、側部１４３ａの内径と第２円筒部１３６の内径との差の半分の値と同じである。特に限定するものではないが、距離Ａ６は例えば０ｍｍ超過２．５ｍｍ以下である。距離Ａ６は０．５ｍｍ以上としてもよいし、１ｍｍ以上としてもよいし、２．０ｍｍ以下としてもよいし、１．５ｍｍ以下としてもよい。

第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面とは、素子側開口部１２９において円筒の径方向に距離Ａ４だけ離れており、外側開口部１２８において円筒の径方向に距離Ａ５だけ離れている。また、第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面とは、突出部１３６ａと第１円筒部１３４とが接触する部分（図４に示した断面）において距離Ａ７だけ離れている。距離Ａ４，距離Ａ５，距離Ａ７は、特に限定するものではないが、例えばそれぞれ０．３ｍｍ〜２．４ｍｍである。距離Ａ４，距離Ａ５の値を調整することで、素子側開口部１２９の開口面積や外側開口部１２８の開口面積を調整することができる。本実施形態では、距離Ａ４，距離Ａ５，距離Ａ７は等しいものとし、素子側開口部１２９の開口面積と外側開口部１２８の開口面積とが等しいものとした。なお、本実施形態では、距離Ａ４（距離Ａ５，距離Ａ７）は、第１円筒部１３４の外径と第２円筒部１３６の内径との差の半分の値と同じである。また、素子側開口部１２９と外側開口部１２８との上下方向の距離、すなわち素子室入口１２７の上下方向の距離Ｌ（素子室入口１２７の経路長に相当）は、特に限定するものではないが、例えば０ｍｍ超過６．６ｍｍ以下である。距離Ｌは３ｍｍ以上としてもよいし、５ｍｍ以下としてもよい。

外側保護カバー１４０は、図３に示すように、円筒状の大径部１４２と、大径部１４２に接続しており大径部１４２よりも径の小さい円筒状の胴部１４３と、有底筒状で胴部１４３よりも内径の小さい先端部１４６とを有している。また、胴部１４３は、外側保護カバー１４０の中心軸方向（図３の上下方向）に沿った側面をもつ側部１４３ａと、胴部１４３の底部であり側部１４３ａと先端部１４６とを接続する段差部１４３ｂと、を有している。なお、大径部１４２，胴部１４３，先端部１４６の中心軸はいずれも内側保護カバー１３０の中心軸と同一である。大径部１４２は、ハウジング１０２及び大径部１３２に内周面が当接しており、これにより外側保護カバー１４０がハウジング１０２に固定されている。胴部１４３は、第１円筒部１３４，第２円筒部１３６の外周を覆うように位置している。先端部１４６は、先端部１３８を覆うように位置していると共に、内周面が接続部１３７の外周面と当接している。先端部１４６は、外側保護カバー１４０の中心軸方向（図３の上下方向）に沿った側面を有し外径が側部１４３ａの内径よりも小さい側部１４６ａと、外側保護カバー１４０の底部である底部１４６ｂと、を有している。先端部１４６は、胴部１４３よりも先端方向側に位置している。この外側保護カバー１４０は、胴部１４３に形成され被測定ガスの外部からの入口である複数（本実施形態では１２個）の外側入口１４４ａと、先端部１４６に形成され被測定ガスの外部への出口である複数（本実施形態では６個）の外側出口１４７ａとを有している。

外側入口１４４ａは、外側保護カバー１４０の外側（外部）と第１ガス室１２２とに通じる孔である（第１外側ガス孔とも称する）。外側入口１４４ａは、側部１４３ａに等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の横孔１４４ｂと、段差部１４３ｂに等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の縦孔１４４ｃとを有している（図３〜６）。この外側入口１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）は、円形（真円）に開けられた孔である。この１２個の外側入口１４４ａの径は、特に限定するものではないが、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍである。外側入口１４４ａの径は、１．５ｍｍ以下としてもよい。なお、本実施形態では、複数の横孔１４４ｂの径はいずれも同じ値とし、複数の縦孔１４４ｃの径はいずれも同じ値とした。また、横孔１４４ｂの径は縦孔１４４ｃの径よりも大きい値とした。なお、外側入口１４４ａは、図４，５に示すように、外側保護カバー１４０の周方向に沿って横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとが交互に等間隔に位置するように形成されている。すなわち、図４，５における横孔１４４ｂの中心と外側保護カバー１４０の中心軸とを結んだ線と、その横孔１４４ｂに隣接する縦孔１４４ｃの中心と外側保護カバー１４０の中心軸とを結んだ線と、のなす角が３０°（３６０°／１２個）となっている。

外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の外側（外部）と第２ガス室１２６とに通じる孔である（第２外側ガス孔とも称する）。この外側出口１４７ａは、先端部１４６の底部１４６ｂに外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に形成された複数（本実施形態では６個）の縦孔１４７ｃを有している（図３，５，６参照）。なお、外側入口１４４ａとは異なり、外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の側部（ここでは先端部１４６の側部１４６ａ）には配設されていない。この外側出口１４７ａ（ここでは縦孔１４７ｃ）は、円形（真円）に開けられた孔である。この６個の外側出口１４７ａの径は、特に限定するものではないが、例えば０．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。外側出口１４７ａの径は、１．５ｍｍ以下としてもよい。なお、本実施形態では、複数の外側出口１４７ａの径はいずれも同じ値であるものとした。また、縦孔１４７ｃの径は、横孔１４４ｂの径よりも小さい値とした。

外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、胴部１４３と内側保護カバー１３０との間の空間として第１ガス室１２２を形成している。より具体的には、第１ガス室１２２は、段差部１３３，第１円筒部１３４，第２円筒部１３６，大径部１４２，側部１４３ａ、段差部１４３ｂにより囲まれた空間である。センサ素子室１２４は、内側保護カバー１３０により囲まれた空間である。外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、先端部１４６と内側保護カバー１３０との間の空間として第２ガス室１２６を形成している。より具体的には、第２ガス室１２６は、先端部１３８と先端部１４６とに囲まれた空間である。なお、先端部１４６の内周面が接続部１３７の外周面と当接しているため、第１ガス室１２２と第２ガス室１２６とは直接には連通していない。

ここで、ガスセンサ１００が所定のガス濃度を検出する際の保護カバー１２０内の被測定ガスの流れについて説明する。配管２０内を流れる被測定ガスは、まず、複数の外側入口１４４ａ（横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）の少なくともいずれかを通って第１ガス室１２２内に流入する。次に、被測定ガスは、第１ガス室１２２から外側開口部１２８を経て素子室入口１２７に流入し、素子室入口１２７を経て素子側開口部１２９から流出して、センサ素子室１２４に流入する。素子側開口部１２９からセンサ素子室１２４内に流入した被測定ガスは、少なくとも一部がセンサ素子１１０のガス導入口１１１に到達する。被測定ガスがガス導入口１１１に到達してセンサ素子１１０の内部に流入すると、この被測定ガス中の所定のガス濃度（例えばＮＯｘやＯ₂等の濃度）に応じた電気信号（電圧又は電流）をセンサ素子１１０が発生させ、この電気信号に基づいてガス濃度が検出される。また、センサ素子室１２４内の被測定ガスは、素子室出口１３８ａを通って第２ガス室１２６に流入し、そこから複数の外側出口１４７ａの少なくともいずれかを通って外部に流出する。なお、センサ素子１１０は、所定の温度を保つように内部のヒーターの出力が例えば図示しないコントローラによって制御される。

ここで、保護カバー１２０は、上記のように被測定ガスが保護カバー１２０内を流れる際の、外側入口１４４ａからガス導入口１１１までの最短経路長Ｐが５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下となっていることが好ましい。本実施形態では、図７に太い一点鎖線で示した折れ線ＰＬの長さが、最短経路長Ｐである。ここで、最短経路長Ｐは、外側入口１４４ａのうち外側の開口面から、ガス導入口１１１の外側の開口面までの被測定ガスの流路の最短経路の長さとする。また、外側入口１４４ａが複数ある場合は、各々の外側入口１４４ａからのガス導入口１１１までの最短経路長のうち最も短い経路長を、最短経路長Ｐとする。本実施形態では、外側保護カバー１４０は外側入口１４４ａとして横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃを備え、例えば図３に示すように縦孔１４４ｃよりも横孔１４４ｂの方が上方に位置しており、縦孔１４４ｃよりも横孔１４４ｂの方が外側開口部１２８との距離が近くなっている。また、本実施形態では、図４に示すように、ガス導入口１１１の開口面は長方形状をしており、且つ内側保護カバー１３０及び外側保護カバー１４０の中心軸よりも図４の上方にずれて位置するものとした。以上のことから、本実施形態では、図４に示す６個の横孔１４４ｂのうち、図４の左上に位置する横孔１４４ｂからガス導入口１１１までの最短経路長が、保護カバー１２０の最短経路長Ｐとなる。なお、図４の右上に位置する横孔１４４ｂからガス導入口１１１までの最短経路長も同じ値（＝最短経路長Ｐ）となる。図７は、図４の左上に位置する横孔１４４ｂを通るＥ−Ｅ断面の一部を拡大した断面図であり、図７に示す横孔１４４ｂは図４の左上に位置する横孔１４４ｂである。図７に示すように、横孔１４４ｂの外側の開口面のうち外側開口部１２８に最も近い端部Ｃ１（図７では上端）から、ガス導入口１１１の外側の開口面の端部Ｃ２（図７では左端）までの最短経路（折れ線ＰＬ）の長さが、最短経路長Ｐとなる。なお、最短経路長Ｐは、多孔質保護層１１０ａを無視して定めるものとする。例えば図７では、折れ線ＰＬで表される経路のうち素子側開口部１２９からガス導入口１１１までの経路は、多孔質保護層１１０ａを無視して、素子側開口部１２９とセンサ素子１１０の左下端部とを結んだ直線と、センサ素子１１０の左下端部とガス導入口１１１の開口面の左端とを結んだ直線と、で表される経路として定められている。なお、本実施形態では、上記のようにガス導入口１１１の形状や位置などの関係から、図４の左上及び右上に位置する横孔１４４ｂ以外の４個の横孔１４４ｂの各々からガス導入口１１１までの最短経路長は、最短経路長Ｐよりもわずかに大きい値になる。このように複数の横孔１４４ｂの各々からの最短経路長が異なる場合、最短経路長が５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下である横孔１４４ｂの数が多い方が好ましい。本実施形態では、図４の左上及び右上に位置する横孔１４４ｂからの最短経路長Ｐだけでなく、複数の横孔１４４ｂの各々からの最短経路長のいずれもが、５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下であるものとした。また、横孔１４４ｂだけでなく、複数の縦孔１４４ｃのうち少なくとも１つについて、縦孔１４４ｃからガス導入口１１１までの最短経路長が５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下となっていてもよい。さらに、複数の縦孔１４４ｃのいずれについても、ガス導入口１１１までの最短経路長が５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下となっていてもよい。さらに、複数の外側入口１４４ａ（ここでは横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃ）のいずれについても、ガス導入口１１１までの最短経路長が５．０ｍｍ以上１１．０ｍｍ以下となっていてもよい。

ここで、ガスセンサ１００では、センサ素子１１０が被測定ガス中のガス濃度の変化を速やかに検出できること、すなわちガス濃度検出の応答性が高いことが好ましい。上記のように定まる最短経路長Ｐが１１．０ｍｍ以下と比較的小さい値になっている場合には、外側入口１４４ａから流入した被測定ガスはガス導入口１１１に比較的短時間で到達でき、応答性が向上する。また、最短経路長Ｐが５．０ｍｍ以上であることで、最短経路長Ｐが小さすぎることによる不具合を低減できる。このような不具合としては、例えば、外側入口１４４ａから流入した外部の被毒物質や水分がセンサ素子１１０に到達しやすくなること、被測定ガスによりセンサ素子１１０が冷えやすくなること、又はセンサ素子１１０の冷えを防止するために必要なヒーターの出力が増加すること、などが挙げられる。また、最短経路長Ｐは１０．５ｍｍ以下が好ましく、１０．０ｍｍ以下がより好ましく、１０．０ｍｍ未満がさらに好ましく、９．５ｍｍ以下が一層好ましく、９．０ｍｍ以下がより一層好ましい。最短経路長Ｐが小さいほど、ガス濃度検出の応答性が向上しやすい。なお、最短経路長Ｐの調整は、例えば図７の距離Ａ１〜Ａ７，距離Ｌの少なくとも１以上を調整したり、外側入口１４４ａの径を調整したりすることで行ってもよい。また、最短経路長Ｐは７．０ｍｍ以上としてもよいし、８．０ｍｍ以上としてもよい。

また、外側保護カバー１４０は、外側入口１４４ａの合計断面積Ｓ１［ｍｍ²］と外側出口１４７ａの合計断面積Ｓ２［ｍｍ²］との比である断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過値５．０以下となっている。断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過では、合計断面積Ｓ１が比較的大きいことで外側入口１４４ａから流入する被測定ガスの流量が大きくなりやすく、合計断面積Ｓ２が比較的小さいことで外側出口１４７ａから流入（逆流）しようとする被測定ガスの流量が小さくなりやすい。これらにより、ガス導入口１１１周辺の空間が流入した被測定ガスで置換されやすくなる。したがって、ガス濃度検出の応答性が向上する。また、合計断面積Ｓ２が小さすぎると外側出口１４７ａから流出する被測定ガスの流量が小さくなって応答性が低下する場合があるが、断面積比Ｓ１／Ｓ２が値５．０以下では、そのような応答性の低下を低減できる。なお、断面積比Ｓ１／Ｓ２の調整は、例えば外側入口１４４ａ及び外側出口１４７ａの数を調整することで行ってもよいし、外側入口１４４ａの各々の断面積及び外側出口１４７ａの各々の断面積を調整することで行ってもよい。

なお、本実施形態では、合計断面積Ｓ１は、６個の横孔１４４ｂの合計断面積と６個の縦孔１４４ｃの合計断面積との和である。合計断面積Ｓ２は、６個の縦孔１４７ｃの断面積の和である。外側入口１４４ａの断面積は、外側入口１４４ａを通過する被測定ガスの向きに垂直な方向の面積とする。本実施形態では、外側入口１４４ａはいずれも円形の孔であるため、この円の面積が断面積となる。外側出口１４７ａについても同様である。また、例えばある１つの外側入口１４４ａにおいて、入口側（外側保護カバー１４０の外表面側）と出口側（外側保護カバー１４０の内表面側）とで断面積が異なるなど、外側入口１４４ａの断面積が一定でない場合には、断面積の最小値をその外側入口１４４ａの断面積とする。外側出口１４７ａについても同様である。

また、断面積比Ｓ１／Ｓ２は値２．５以上が好ましく、値３．０以上がより好ましく、値３．４以上がさらに好ましい。断面積比Ｓ１／Ｓ２が大きいほど、ガス濃度検出の応答性が向上しやすい。合計断面積Ｓ１は１０ｍｍ²以上としてもよい。また、合計断面積Ｓ１は３０ｍｍ²以下としてもよい。また、合計断面積Ｓ２は２ｍｍ²以上としてもよい。また、合計断面積Ｓ２は１０ｍｍ²以下としてもよい。

また、本実施形態では、外側保護カバー１４０は、側部１４６ａと底部１４６ｂとを有する有底筒状の形状をしており、外側出口１４７ａは、外側保護カバー１４０の側部１４６ａには配設されていない。ここで、外側保護カバー１４０の側部１４６ａに配設された外側出口１４７ａが存在する場合、側部１４６ａの外側出口１４７ａと周囲の被測定ガスの流れ方向との位置関係によって、応答性が変化する場合がある。図８，図９は、外側出口１４７ａが側部１４６ａに形成された複数（ここでは３個）の横孔１４７ｂを有する場合の断面図及び斜視図である。図８，９に示した外側保護カバー１４０では、外側出口１４７ａは、３個の横孔１４７ｂと、３個の縦孔１４７ｃとを有している。横孔１４７ｂ及び縦孔１４７ｃは、外側保護カバー１４０の周方向に沿って、横孔１４７ｂと縦孔１４７ｃとが交互に等間隔に位置するように形成されている。この図８，９に示したような外側保護カバー１４０において、例えば、被測定ガスの流れ方向が図８の矢印Ｄ１のように左から右に向かう向きであった場合、横孔１４７ｂの１つ（図８で最も左側に位置する横孔１４７ｂ）が被測定ガスの流れ方向と平行且つ上流（図８の左方向）に向けて開口していることになる。このような場合、外側保護カバー１４０内からこの横孔１４７ｂを通って外部に流出しようとする被測定ガスの流れを、周囲を流れる被測定ガスが妨げてしまい、応答性が低下しやすい。一方、被測定ガスの流れ方向が図８の矢印Ｄ２の向きであった場合を考える。なお、矢印Ｄ２は、矢印Ｄ１を図８で時計回りに６０°回転させた向きであり、外側保護カバー１４０の側部１４６ａのうち図８の左の横孔１４７ｂと右上の横孔１４７ｂとの中間に向かう向きである。この場合、側部１４６ａのうち被測定ガスが垂直に当たる領域の周辺から比較的離れた位置にのみ横孔１４７ｂが存在する。このような場合、横孔１４７ｂから外部に流出しようとする被測定ガスの流れは、比較的妨げられにくく、応答性は低下しにくい。このような側部１４６ａの外側出口１４７ａ（ここでは横孔１４７ｂ）と周囲の被測定ガスの流れ方向との位置関係による応答性の変化が大きいと、ガスセンサ１００の取り付けの向き（外側保護カバー１４０の中心軸を中心とした回転方向の角度）によっては応答性が低下する場合がある。例えば矢印Ｄ１の向きに被測定ガスが流れるような向きで配管２０内にガスセンサ１００を取り付けた場合には応答性が低下しやすくなる、などである。これに対し、本実施形態のガスセンサ１００では、外側出口１４７ａが側部１４６ａには配設されていないため、ガスセンサ１００の取り付けの向きによる応答性への影響を低減できる。なお、このようなガスセンサ１００の取り付けの向きによる応答性への影響を角度依存性と称する。本実施形態のガスセンサ１００では、外側出口１４７ａが側部１４６ａには配設されていないことで、角度依存性を小さくできる。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過値５．０以下であることで、ガス濃度検出の応答性が向上する。さらに、外側出口１４７ａが側部１４６ａには配設されていないため、ガスセンサ１００の取り付けの向きによる応答性への影響を低減できる。そのため、取り付けの向きに関わらず、上述したガス濃度検出の応答性が向上する効果が得やすい。

さらに、ガスセンサ１００において、内側保護カバー１３０は、素子側開口部１２９が先端方向に向けて開口するように素子室入口１２７を形成している。そのため、素子側開口部１２９から流出した被測定ガスがセンサ素子１１０の表面（ガス導入口１１１以外の表面）に垂直に当たることを抑制したり、センサ素子１１０の表面上を長い距離通過してからガス導入口１１１に到達することを抑制したりできる。これにより、センサ素子１１０の冷えを抑制できる。しかも、素子側開口部１２９の開口の向きを調整することでセンサ素子１１０の冷えを抑制しており、内側保護カバー１３０内の被測定ガスの流量や流速を減らしているわけではないため、ガス濃度検出の応答性の低下も低減できる。これらにより、センサ素子１１０の応答性と保温性とを両立することができる。

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施しうることは言うまでもない。

例えば、保護カバー１２０の形状は上述した実施形態に限られない。保護カバー１２０の形状や素子室入口１２７，素子室出口１３８ａ，外側入口１４４ａ，外側出口１４７ａの形状，個数，配置などは、適宜変更してもよい。例えば、素子室入口１２７は第１部材１３１と第２部材１３５との隙間としたが、これに限らず、素子室入口はセンサ素子室１２４への入口であればどのような形状であってもよい。例えば素子室入口は内側保護カバー１３０に形成された貫通孔であってもよい。なお、素子室入口が貫通孔である場合も、素子室入口がセンサ素子１１０の後端側から先端側へ向かう流路を形成していてもよい。例えば素子室入口が縦孔や図３の上下方向から傾斜した孔であってもよい。また、素子側開口部１２９が先端方向に向けて開口していてもよい。また、素子室入口１２７の数は１つに限らず複数でもよい。素子室出口１３８ａ，外側入口１４４ａ，外側出口１４７ａについても、孔に限らず保護カバー１２０を構成する複数の部材の隙間であってもよいし、各々の数は１以上であればよい。また、外側入口１４４ａは横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとを有するものとしたが、いずれか一方のみを有するものとしてもよい。また、横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃに加えて又は代えて、側部１４３ａと段差部１４３ｂとの境界の角部に角孔を形成してもよい。素子室入口１２７，素子室出口１３８ａ，外側出口１４７ａについても、同様に横孔，縦孔，角孔のいずれか１以上を有するものとしてもよい。ただし、上述したように外側出口１４７ａについては横孔を有さない、すなわち外側出口１４７ａは側部１４６ａには配設されていないことが好ましい。

角孔の一例について説明する。図１０は、外側出口１４７ａが複数の角孔１４７ｄを有する場合の断面図である。図視するように、図１０の先端部１４６に配設された外側出口１４７ａは、縦孔１４７ｃに代えて、側部１４６ａと底部１４６ｂとの境界の角部に位置する複数の角孔１４７ｄを有している。角孔１４７ｄは、外側保護カバー１４０の周方向に沿って等間隔に６個（図１０では４個のみ図示）配設されている。角孔１４７ｄは、角孔１４７ｄの外部開口面（図１０左下拡大図の直線ａ）と底部１４６ｂの底面（下面）（図１０左下拡大図の直線ｂ）とのなす角θが１０°〜８０°の範囲の値であってもよい。図１０では、なす角θは４５°としている。なお、上述した実施形態における側部１４３ａと段差部１４３ｂとの境界の角部に角孔が形成されている場合も、その角孔の外部開口面と段差部１４３ｂの底面（下面）とのなす角θが１０°〜８０°の範囲の値であってもよい。

上述した実施形態では、突出部１３６ａは第２円筒部１３６の内周面に形成されているが、これに限られない。第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との少なくとも一方の面に、他方の面に向けて突出してその面に接する複数の突出部が形成されていればよい。また、上述した実施形態では、図３，４に示すように、第２円筒部１３６のうち突出部１３６ａが形成されている部分の外周面は内側に窪んでいるが、これに限らず外周面が窪んでいなくてもよい。また、突出部１３６ａは半球形状に限らずどのような形状であってもよい。なお、第１円筒部１３４の外周面及び第２円筒部１３６の内周面に突出部１３６ａが形成されていなくてもよい。

上述した実施形態では、素子室入口１２７は第１円筒部１３４の外周面と第２円筒部１３６の内周面との間の筒状の隙間としたが、これに限られない。例えば、第１円筒部の外周面と第２円筒部の内周面との少なくとも一方に凹部（溝）が形成されており、素子室入口は、凹部により形成された第１円筒部と第２円筒部との隙間としてもよい。図１１は、変形例の素子室入口２２７を示す断面図である。図１１に示すように、第１円筒部２３４の外周面と第２円筒部２３６の内周面とは接しており、第１円筒部２３４の外周面には複数（図１１では４個）の凹部２３４ａが等間隔に形成されている。この凹部２３４ａと第２円筒部２３６の内周面との間の隙間が、素子室入口２２７となっている。

上述した実施形態では、素子室入口１２７は、センサ素子１１０の後端−先端方向に平行な流路（図３における上下方向に平行な流路）としたが、これに限られない。例えば、素子室入口は、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように後端−先端方向から傾斜した流路としてもよい。図１２は、この場合の変形例のガスセンサ３００の縦断面図である。図１２では、ガスセンサ１００と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。図１２に示すように、ガスセンサ３００は、内側保護カバー１３０に代えて内側保護カバー３３０を備えている。内側保護カバー３３０は、第１部材３３１と、第２部材３３５と、を備えている。第１部材３３１は、第１部材１３１と比べて、第１円筒部１３４を備えない代わりに、円筒状の胴部３３４ａと、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれて縮径する円筒状の第１円筒部３３４ｂと、を備えている。第１円筒部３３４ｂは、センサ素子１１０の後端側の端部で胴部３３４ａと接続されている。第２部材３３５は、第２部材１３５と比べて、第２円筒部１３６及び接続部１３７を備えない代わりに、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれて縮径する円筒状の第２円筒部３３６を備えている。第２円筒部３３６は、先端部１３８と接続されている。第１円筒部３３４ｂの外周面と第２円筒部３３６の内周面とは接しておらず、両者により形成される隙間が素子室入口３２７となっている。素子室入口３２７は、第１ガス室１２２側の開口部である外側開口部３２８と、センサ素子室１２４側の開口部である素子側開口部３２９と、を有している。この素子室入口３２７は、第１円筒部３３４ｂ及び第２円筒部３３６の形状によって、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように（内側保護カバー３３０の中心軸に近づくように）後端−先端方向から傾斜した流路となっている。同様に、素子側開口部３２９は、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように後端−先端方向から傾斜して開口している（図１２の拡大図参照）。このように素子室入口３２７が傾斜した流路である場合や素子側開口部３２９が傾斜して開口している場合、素子側開口部３２９からセンサ素子室１２４に流出する被測定ガスの流れる向きはセンサ素子１１０の後端−先端方向から傾斜した向きになる。これにより、上述した実施形態の素子室入口１２７や素子側開口部１２９と同様の効果が得られる。すなわち、被測定ガスがセンサ素子１１０の表面（ガス導入口１１１以外の表面）に垂直に当たることを抑制したり、センサ素子１１０の表面上を長い距離通過してからガス導入口１１１に到達することを抑制したりできる。これにより、センサ素子１１０の冷えを抑制できる。また、図１２では、素子室入口３２７の幅は、センサ素子１１０の後端側から先端側に向かうにつれて狭くなっている。そのため、素子側開口部３２９の開口面積は外側開口部３２８の開口面積よりも小さい。換言すると、素子室入口３２７は、図７を用いて説明した距離Ａ５よりも距離Ａ４の方が小さくなっている。これにより、被測定ガスが外側開口部３２８から流入して素子側開口部３２９から流出することで流入時と比べて流出時の被測定ガスの流速が高まる。そのため、ガス濃度検出の応答性を向上させることができる。なお、図１２では、素子室入口３２７がセンサ素子１１０の後端−先端方向から傾斜した流路となっており、素子側開口部３２９がセンサ素子１１０の後端−先端方向から傾斜して開口し、且つ素子側開口部３２９の開口面積が外側開口部３２８の開口面積よりも小さくなるようにしているが、これらの３つの特徴のうち１以上を省略してもよいし、ガスセンサがこれらの３つの特徴のうち１以上の特徴を有するようにしてもよい。なお、変形例のガスセンサ３００における距離Ａ１は、図１２に示すように、ガス導入口１１１から素子側開口部３２９の下端までの上下方向の距離となる。この図１２のガスセンサ３００でも、例えば断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過値５．０以下であることで、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

上述した実施形態では、素子側開口部１２９は先端方向に向けて開口していたが、これに限らず、例えば先端方向と垂直な方向に向けてセンサ素子室１２４に開口していてもよい。また、上述した実施形態では、素子室入口１２７はセンサ素子１１０の後端−先端方向に平行な流路としたが、これに限らず、例えば先端方向と垂直な方向に沿った流路としてもよい。

上述した実施形態では、外側入口１４４ａと素子室入口１２７との間の被測定ガスの流路は第１ガス室１２２のみとしたが、これに限られない。第１ガス室１２２は、外側入口１４４ａと素子室入口１２７との間の被測定ガスの流路の少なくとも一部であればよい。例えば、保護カバー１２０が内側保護カバー１３０及び外側保護カバー１４０の他に両者の間に配置された中間保護カバーを備えており、外側入口１４４ａと素子室入口１２７との間の被測定ガスの流路が複数のガス室を含んでいてもよい。同様に、上述した実施形態では、外側出口１４７ａと素子室出口１３８ａとの間の被測定ガスの流路は第２ガス室１２６のみとしたが、これに限られない。第２ガス室１２６は、外側出口１４７ａと素子室出口１３８ａとの間の被測定ガスの流路の少なくとも一部であればよい。

上述した実施形態では、ガス導入口１１１は、センサ素子１１０の先端面（図３におけるセンサ素子１１０の下面）に開口しているものとしたが、これに限られない。例えば、センサ素子１１０の側面（図４におけるセンサ素子１１０の上下左右の面）に開口していてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子１１０は多孔質保護層１１０ａを備えているが、多孔質保護層１１０ａを備えていなくてもよい。

以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例３〜５が本発明の実施例に相当し、実験例１，２が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実験例１］
図８，９に示したように外側出口１４７ａが側部１４６ａに形成された３個の横孔１４７ｂ及び３個の縦孔１４７ｃを有する点以外は、図３〜７に示したガスセンサ１００を実験例１とした。具体的には、内側保護カバー１３０の第１部材１３１は、板厚が０．３ｍｍ、軸方向長さが１０．２ｍｍ、大径部１３２の軸方向長さが１．８ｍｍ、大径部１３２の外径が１４．４ｍｍ、第１円筒部１３４の軸方向長さが８．４ｍｍ、第１円筒部１３４の外径が７．７ｍｍとした。第２部材１３５は、板厚が０．３ｍｍ、軸方向長さが１１．５ｍｍ、第２円筒部１３６の軸方向長さが４．５ｍｍ、第２円筒部１３６の内径が９．７ｍｍ、先端部１３８の軸方向長さが４．９ｍｍ、先端部１３８の底面の径が３．０ｍｍとした。素子室入口１２７に関して、距離Ａ１は０．５９ｍｍ、距離Ａ２は１．７ｍｍ、距離Ａ３は３．１ｍｍ、距離Ａ４，Ａ５，Ａ７はいずれも１．０ｍｍ、距離Ａ６は２．０５ｍｍ、距離Ｌは４ｍｍとした。素子室出口１３８ａの径は１．５ｍｍとした。外側保護カバー１４０は、板厚が０．４ｍｍ、軸方向長さが２４．３５ｍｍ、大径部１４２の軸方向長さが５．８５ｍｍ、大径部１４２の外径が１５．２ｍｍ、胴部１４３の軸方向長さが８．９ｍｍ（胴部１４３の上端から段差部１４３ｂの上面までの軸方向長さが８．５ｍｍ）、胴部１４３の外径が１４．６ｍｍ、先端部１４６の軸方向長さが９．６ｍｍ、先端部１４６の外径が８．７ｍｍとした。外側入口１４４ａは、径１ｍｍの横孔１４４ｂを６個、径１ｍｍの縦孔１４４ｃを６個、それぞれ交互に等間隔（隣接する孔のなす角が３０°）に形成した。外側出口１４７ａは、径１ｍｍの横孔１４７ｂを３個、径１ｍｍの縦孔１４７ｃを３個、それぞれ交互に等間隔（隣接する孔のなす角が６０°）に形成した。保護カバー１２０の材質は、ＳＵＳ３０１Ｓとした。また、ガスセンサ１００のセンサ素子１１０は、幅（図４における左右長さ）が４ｍｍ、厚さ（図４における上下長さ）が１．５ｍｍとした。多孔質保護層１１０ａはアルミナ多孔質体とし、厚さは４００μｍとした。最短経路長Ｐは１１．４ｍｍとした。合計断面積Ｓ１は９．４２ｍｍ²とした。合計断面積Ｓ２は４．７１ｍｍ²とした。断面積比Ｓ１／Ｓ２は値２．００とした。

［実験例２］
第１部材１３１の第１円筒部１３４の内径を実験例１よりも大きい７．８８ｍｍとした点以外は、実験例１と同様のガスセンサ１００を実験例２とした。実験例２では、距離Ａ４，Ａ５，Ａ７を０．６１ｍｍとした。距離Ａ２を２．１ｍｍとした。最短経路長Ｐは１１．７ｍｍとした。合計断面積Ｓ１は９．４２ｍｍ²とした。合計断面積Ｓ２は４．７１ｍｍ²とした。断面積比Ｓ１／Ｓ２は値２．００とした。

［実験例３］
図３〜７に示したガスセンサ１００を実験例３とした。実験例３では、外側出口１４７ａは横孔１４７ｂを備えず、縦孔１４７ｃの径は実験例１と同じ１ｍｍとした。横孔１４４ｂの径は１．５ｍｍとし、孔の位置をより後端側に変更して距離Ａ３を０．８４ｍｍとした。それ以外は実験例２と同じ寸法とした。最短経路長Ｐは１０．０ｍｍとした。合計断面積Ｓ１は１５．３２ｍｍ²とした。合計断面積Ｓ２は４．７１ｍｍ²とした。断面積比Ｓ１／Ｓ２は値３．２５とした。

［実験例４］
縦孔１４４ｃの断面積を大きくし、縦孔１４７ｃの数を３個にしつつ断面積を大きくした点以外は、実験例３と同じガスセンサ１００を実験例４とした。具体的には、図１３に示すように、縦孔１４４ｃ及び縦孔１４７ｃを外側保護カバー１４０の周方向に沿った円弧状の孔とすることで、断面積を大きくした。縦孔１４４ｃ及び縦孔１４７ｃは、いずれも幅１ｍｍの円弧状の孔とした。縦孔１４４ｃは６個で断面積はいずれも２．４ｍｍ²とした。縦孔１４７ｃは３個で断面積はいずれも２．４ｍｍ²とした。最短経路長Ｐは１０．０ｍｍとした。合計断面積Ｓ１は２５．０３ｍｍ²とした。合計断面積Ｓ２は７．２１ｍｍ²とした。断面積比Ｓ１／Ｓ２は値３．４７とした。

［実験例５］
図１４に示すように、横孔１４４ｂの位置を外側開口部１２８より後端側に変更して距離Ａ３を−０．１６ｍｍとした点以外は実験例３と同じガスセンサ１００を実験例５とした。最短経路長Ｐは、９．９ｍｍとした。なお、実験例５のガスセンサ１００では、図１４に示すように、横孔１４４ｂの外側の開口面のうち外側開口部１２８に最も近い端部Ｃ１（図１４では下端）から、ガス導入口１１１の外側の開口面の端部Ｃ２（図１４では左端）までの最短経路（折れ線ＰＬ）の長さが、最短経路長Ｐとなる。合計断面積Ｓ１は１５．３２ｍｍ²とした。合計断面積Ｓ２は４．７１ｍｍ²とした。断面積比Ｓ１／Ｓ２は値３．２５とした。

［角度依存性の評価］
実験例１〜５のガスセンサの取り付けの向きによる応答性への影響（角度依存性）を評価した。まず、実験例１のガスセンサを図１，２と同様に配管に取り付けた。なお、実験例１のガスセンサの取り付けの向きは、配管内の被測定ガスの流れの向きが図８における矢印Ｄ１となる向きとした。大気に酸素を混合して任意の酸素濃度に調節したガスを被測定ガスとし、この被測定ガスを配管内に流速Ｖ＝８ｍ／ｓで流した。そして、配管内に流す被測定ガスの酸素濃度を２２．９％から２０．２％に変化させた場合における、センサ素子の出力の時間変化を調べた。酸素濃度を変化させる直前のセンサ素子の出力値を０％、酸素濃度の変化後にセンサ素子の出力が変化して安定したときの出力値を１００％として、出力値が１０％を越えたときから９０％を越えるまでの経過時間をガス濃度検出の応答時間（ｓｅｃ）とした。この応答時間が短いほどガス濃度検出の応答性が高いことを意味する。この応答時間の測定を、実験例１のガスセンサの取り付けの向きを変えて複数回測定した。具体的には、被測定ガスの流れの向きが図８における矢印Ｄ１となる取り付けの向きを０°として、ガスセンサを外側保護カバー１４０の中心軸を中心に回転させて取り付けの向きを０°〜３６０°まで３０°ずつ変化させて、それぞれの取り付けの向きに対する応答時間を測定した。なお、０°と３６０°は、ガスセンサの取り付けの向きは同じ状態である。実験例２〜５についても、同様に配管への取り付けの向きを変化させて応答時間を測定した。なお、実験例２のガスセンサでは、実験例１と同様に被測定ガスの流れの向きが図８における矢印Ｄ１となる取り付けの向きを０°とした。実験例３〜５では、被測定ガスの流れの向きが図４における左上の横孔１４４ｂの開口の向きに平行、且つ図４の左上から右下に向くようにガスセンサを配管に取り付けた状態を０°とした。

図１５は、実験例１〜５のガスセンサの応答時間の角度依存性を示すグラフである。図１５に示すように、実験例１，２では、ガスセンサの取り付けの向きによって応答時間が大きく変動しており、角度依存性が大きかった。具体的には、実験例１，２では、取り付けの向きがほぼ１２０°周期で、応答時間が長くなる傾向が見られた。ここで、実験例１，２では、外側出口１４７ａが側部１４６ａに配設された３個の横孔１４７ｂを有し、この横孔１４７ｂは外側保護カバー１４０の中心軸を中心として等間隔（１２０°）で配置されている。そのため、取り付けの向きが０°，１２０°，２４０°，３６０°の時には、横孔１４７ｂの１つが被測定ガスの流れ方向と平行且つ上流に向けて開口している状態になる。これにより、実験例１，２では、取り付けの向きが０°，１２０°，２４０°，３６０°付近の時に、上述したように外側保護カバー１４０内から横孔１４７ｂを通って外部に流出しようとする被測定ガスの流れを、周囲を流れる被測定ガスが妨げてしまい、応答性が低下していると考えられる。これに対し、実験例３〜５では、図１５に示すように実験例１，２と比べて取り付けの向きによる応答時間の変動はほとんど見られず、角度依存性が小さかった。これは、実験例３〜５では、外側出口１４７ａが側部１４６ａに配設されていないためと考えられる。

［応答性の評価］
実験例１〜５のガスセンサについて、配管内を流す被測定ガスの流速Ｖを１，２，４，６，８，１０ｍ／ｓにそれぞれ変化させて、それぞれの流速Ｖにおける応答時間［ｓｅｃ］を測定した。応答時間は、上述した角度依存性の評価における応答時間と同様に測定した。なお、流速Ｖ＝８ｍ／ｓの場合については、上述した角度依存性の評価と同様に取り付けの向きを０°〜３６０°まで変化させ且つ同じ取り付けの向きについても応答時間の測定を複数回行った。さらに、配管内に流す被測定ガスの酸素濃度を２０．２％から２２．９％に変化（上述した角度依存性の評価時と逆の変化）させた場合についても、同様に取り付けの向きを０°〜３６０°まで変化させ且つ同じ取り付けの向きについても応答時間の測定を複数回行った。そして、全ての応答時間の平均値を流速Ｖ＝８ｍ／ｓにおける応答時間とした。それ以外の場合（流速Ｖ＝１，２，４，６，１０ｍ／ｓ）については、取り付けの向きを変えずに、配管内に流す被測定ガスの酸素濃度を下降（２２．９％から２０．２％に変化）させた場合と上昇（２０．２％から２２．９％に変化）させた場合との応答時間を測定し、その平均値を各流速Ｖに対応する応答時間とした。取り付けの向きは、具体的には、実験例１，２では０°とし、実験例３〜５では１８０°とした。

実験例１〜５について、外側保護カバーの外側入口及び外側出口の径及び個数，最短経路長Ｐ，合計断面積Ｓ１，Ｓ２，断面積比Ｓ１／Ｓ２，及び各流速Ｖにおける応答時間を、表１にまとめて示す。また、実験例１〜５についての流速Ｖと応答時間との関係を示すグラフを図１６に示す。

表１及び図１６に示すように、実験例１〜５のいずれにおいても流速Ｖが低いほど応答時間が増加する傾向が見られるが、いずれの流速Ｖにおいても、実験例３〜５は実験例１，２と比べて応答時間が短かった。すなわち、最短経路長Ｐが１１．０ｍｍ以下且つ断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過である実験例３〜５は、最短経路長Ｐが１１．０ｍｍ超過且つ断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０以下である実験例１，２と比べて応答時間が短くなっていた。実験例１〜５において最短経路長Ｐが小さいほど応答時間が短くなる傾向が見られた。断面積比Ｓ１／Ｓ２の値が同じで最短経路長Ｐの値が異なる実験例３，５の比較から、最短経路長Ｐは１０．０ｍｍ未満が好ましいと考えられる。実験例１〜５において断面積比Ｓ１／Ｓ２が大きいほど応答時間が短くなる傾向が見られた。最短経路長Ｐの値が同じで断面積比Ｓ１／Ｓ２の値が異なる実験例３，４の比較から、断面積比Ｓ１／Ｓ２は値３．４以上が好ましいと考えられる。なお、第１部材１３１の第１円筒部１３４の内径が同じであり保護カバー１２０の形状が比較的近い実験例２〜５を比較すると、実験例２の応答時間と実験例３〜５の応答時間との差は、流速Ｖが低いほど大きくなる傾向が見られた。このことから、特に流速Ｖが低い場合（４ｍ／ｓ以下）において、最短経路長Ｐを１１．０ｍｍ以下とすることによる応答時間の短縮効果や断面積比Ｓ１／Ｓ２を値２．０超過とすることによる応答時間の短縮効果が高くなると考えられる。

２０ 配管、２２ 固定用部材、１００，３００ ガスセンサ、１０２ ハウジング、１０３ ナット、１１０ センサ素子、１１０ａ 多孔質保護層、１１１ ガス導入口、１２０ 保護カバー、１２２ 第１ガス室、１２４ センサ素子室、１２６ 第２ガス室、１２７，２２７，３２７ 素子室入口、１２８，３２８ 外側開口部、１２９，３２９ 素子側開口部、１３０，３３０ 内側保護カバー、１３１，３３１ 第１部材、１３２ 大径部、１３３ 段差部、１３４，２３４ 第１円筒部、１３５，３３５ 第２部材、１３６，２３６，３３６ 第２円筒部、１３６ａ 突出部、１３７ 接続部、１３８ 先端部、１３８ａ 素子室出口、１４０ 外側保護カバー、１４２ 大径部、１４３ 胴部、１４３ａ 側部、１４３ｂ 段差部、１４４ａ 外側入口、１４４ｂ 横孔、１４４ｃ 縦孔、１４６ 先端部、１４６ａ 側部、１４６ｂ 底部、１４７ａ 外側出口、１４７ｂ 横孔、１４７ｃ 縦孔、１４７ｄ 角孔、２３４ａ 凹部、３３４ａ 胴部、３３４ｂ 第１円筒部。

Claims (9)

1. 被測定ガスを導入するガス導入口を有し、該ガス導入口から内部に流入した該被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサ素子と、
   前記センサ素子の先端及び前記ガス導入口が内部に配置されるセンサ素子室を内側に有し、該センサ素子室への入口である１以上の素子室入口と該センサ素子室からの出口である１以上の素子室出口とが配設された内側保護カバーと、
   前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口と、前記被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口と、が配設され、前記内側保護カバーの外側に配設された外側保護カバーと、
   を備え、
   前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、両者の間の空間として、前記外側入口と前記素子室入口との間の被測定ガスの流路の少なくとも一部である第１ガス室と、前記外側出口と前記素子室出口との間の被測定ガスの流路の少なくとも一部であり該第１ガス室と直接には連通していない第２ガス室と、を形成しており、
   前記外側入口の合計断面積Ｓ１［ｍｍ²］と前記外側出口の合計断面積Ｓ２［ｍｍ²］との比である断面積比Ｓ１／Ｓ２が値２．０超過値５．０以下である、
   ガスセンサ。
2. 前記断面積比Ｓ１／Ｓ２が値３以上である、
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記合計断面積Ｓ１が１０ｍｍ²以上３０ｍｍ²以下である、
   請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記合計断面積Ｓ２が２ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記外側保護カバーは、側部と底部とを有する有底筒状の形状をしており、
   前記外側出口は、前記外側保護カバーの側部には配設されていない、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記外側保護カバーは、前記外側入口が配設された円筒状の胴部と、前記外側出口が配設され該胴部よりも内径の小さい有底筒状の先端部と、を有し、前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を先端方向として該先端部は該胴部よりも該先端方向側に位置しており、
   前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、該外側保護カバーの前記胴部と該内側保護カバーとの間の空間として前記第１ガス室を形成し、該外側保護カバーの前記先端部と該内側保護カバーとの間の空間として前記第２ガス室を形成している、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記内側保護カバーは、前記センサ素子の後端から前記先端に向かう方向を先端方向として、前記素子室入口のうち前記センサ素子室側の開口部である素子側開口部が該先端方向に向けて開口するように該素子室入口を形成している、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記内側保護カバーは、第１部材と第２部材とを有しており、
   前記第１部材及び前記第２部材は、両者の間の隙間として、前記素子室入口を形成している、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
9. 前記第１部材は、前記センサ素子を囲む第１円筒部を有しており、
   前記第２部材は、前記第１円筒部よりも大径の第２円筒部を有しており、
   前記素子室入口は、前記第１円筒部の外周面と前記第２円筒部の内周面との間の筒状の隙間である、
   請求項８に記載のガスセンサ。

Images