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JP7288833B2 - ガスセンサ及び保護カバー - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサ及び保護カバーに関する。
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、センサ素子と、センサ素子の先端が内部に配置される内側保護カバーと、内側保護カバーの外側に配置された外側保護カバーと、を備えたガスセンサが記載されている。また、特許文献１には、外側保護カバーに配設され被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口の合計断面積Ｓ１と、外側保護カバーに配設され被測定ガスの外部への出口である１以上の外側出口の合計断面積Ｓ２と、の比である断面積比Ｓ１／Ｓ２を値２．０超過値５．０以下とすることで、ガス濃度検出の応答性を高めることが記載されている。
特開２０１７－２２３６２０号公報
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。また、被測定ガスには煤が含まれることがあり、煤による保護カバーの目詰まりが生じて応答性が低下する場合があった。そのため、ガスセンサの耐煤性を向上させることも望まれていた。
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、ガスセンサの応答性と耐煤性とを共に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特定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筒状の内側保護カバーと、
前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口が配設された円筒状の胴部と、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、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
を備え、
前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、前記外側入口及び前記素子室入口を含む外部から前記センサ素子室への入口側ガス流路と、前記素子室出口及び前記外側出口を含む前記センサ素子室から外部への出口側ガス流路と、を形成しており、
前記内側保護カバーは、前記センサ素子を囲む筒状の第１部材と、該第１部材を囲む筒状の第２部材とを有し、
前記内側保護カバーの軸方向に平行且つ前記センサ素子の前記先端から後端に向かう方向を上方向とし、前記センサ素子の前記後端から前記先端に向かう方向を下方向として、前記入口側ガス流路は、前記外側保護カバーと前記第２部材との間の空間であり前記外側入口から前記上方向に向かう第１流路と、前記第２部材と前記第１部材との間の空間であり前記第１流路と前記素子室入口との間に存在し且つ前記下方向に向かう第２流路と、を有し、
前記第１流路の流路幅Ｗ１と前記第２流路の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であり、
前記外側入口は、前記外側保護カバーの前記胴部の側部に配設された横孔と、該胴部の底部に配設された縦孔と、該胴部の前記側部と前記底部との境界の角部に配設された角孔と、の３種類の孔のうち少なくとも２種類の孔を有し、
前記外側保護カバーの前記先端部は、該先端部の底部に向けて縮径するテーパー部を有し、
前記外側出口は、前記外側保護カバーの前記先端部の前記底部に配設された縦孔を有する、
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が、外側保護カバーの外側入口から入口側ガス流路に流入し、入口側ガス流路から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、出口側ガス流路を通過して外側出口から外部に流出する。このとき、外側保護カバーの先端部がテーパー部を有しているため、先端部にテーパー部がない場合と比較して、すなわち先端部が底部と底部に垂直に接続された側部とを有する場合と比較して、底部と側部との間の角部付近での被測定ガスの滞留が生じにくい。これにより、被測定ガスが出口側ガス流路を通過しやすくなり、結果として被測定ガスがセンサ素子室内を通過しやすくなるため、ガスセンサの特定ガス濃度検出の応答性が向上する。また、このガスセンサは、入口側ガス流路のうち第１流路の流路幅Ｗ１と第２流路の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であるため、流路幅Ｗ１が比較的大きい。これにより、外側入口から外側保護カバー内に侵入した煤が第１流路の壁面にある程度付着しても、煤による第１流路の目詰まりが生じにくく、ガスセンサの耐煤性が向上する。以上により、このガスセンサでは、応答性と耐煤性とが共に向上する。
本発明のガスセンサにおいて、前記比Ｗ２／Ｗ１は０．４３以上０．８２以下であってもよい。比Ｗ２／Ｗ１が０．８２以下であることで、流路幅Ｗ１がより大きい傾向になるため、第１流路の目詰まりをより抑制でき、耐煤性がより向上する。比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上であることで、流路幅Ｗ２が小さすぎないため、被測定ガスが第２流路を通過しやすくなり、特定ガス濃度検出の応答性が向上する。また、流路幅Ｗ１が大きくても流路幅Ｗ２が小さすぎると第２流路で煤による目詰まりが生じる場合があるが、比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上であることで第２流路での煤による目詰まりを抑制できる。以上により、比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上０．８２以下であることで、応答性と耐煤性とが共により向上する。この場合において、前記比Ｗ２／Ｗ１は０．４５以上０．６５以下であってもよい。こうすれば、応答性と耐煤性とが共に一層向上する。
本発明のガスセンサにおいて、前記外側入口は、前記３種類の孔のうち少なくとも前記横孔を１以上有し、該１以上の該横孔の中心位置と前記第２部材の上端との間の前記軸方向の最小距離Ａが７．３ｍｍ以上であってもよい。言い換えると、１以上の横孔のいずれについても、孔の中心位置が第２部材の上端から下方向に７．３ｍｍ以上離れていてもよい。最小距離Ａが小さすぎると、第２部材の上端すなわち第１流路の上端（下流端）に近すぎる横孔が存在することになる。そのため、そのような横孔から外側保護カバー内に侵入した煤が堆積できる第１流路内の表面積が少なすぎることになる。これにより、第１流路で煤による目詰まりが生じやすくなったり、煤が第２流路に到達しやすく第２流路で煤による目詰まりが生じやすくなったりする場合がある。最小距離Ａが７．３ｍｍ以上であれば、このような煤による目詰まりを抑制できるため、耐煤性が向上する。
本発明のガスセンサにおいて、前記流路幅Ｗ１は、１．２０ｍｍ以上１．７０ｍｍ以下であり、前記流路幅Ｗ２は、０．６１ｍｍ以上１．２０ｍｍ以下であってもよい。本発明のガスセンサにおいて、前記流路幅Ｗ１と前記流路幅Ｗ２との和Ｗｓは、２．００ｍｍ以上２．４０ｍｍ以下であってもよい。
本発明のガスセンサにおいて、前記素子室入口は、前記下方向に向けて開口していてもよい。こうすれば、素子室入口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、素子室入口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、特定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、特定ガス濃度検出の応答性の低下を抑制しつつ、センサ素子の保温性の低下も抑制できる。ここで、「素子室入口が下方向に向けて開口する」とは、下方向と平行に開口している場合と、下方に向かうにつれてセンサ素子に近づくように下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、前記第２流路は、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円筒状の隙間であってもよい。
本発明の保護カバーは、
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特定ガス濃度を検出可能なセンサ素子、を保護するための保護カバーであって、
前記センサ素子の先端及び前記ガス導入口を内部に配置するための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筒状の内側保護カバーと、
前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口が配設された円筒状の胴部と、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、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
を備え、
前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、前記外側入口及び前記素子室入口を含む外部から前記センサ素子室への入口側ガス流路と、前記素子室出口及び前記外側出口を含む前記センサ素子室から外部への出口側ガス流路と、を形成しており、
前記内側保護カバーは、筒状の第１部材と、該第１部材を囲む筒状の第２部材とを有し、
前記内側保護カバーの軸方向に平行且つ前記外側保護カバーの前記先端部から前記胴部に向かう方向を上方向とし、前記外側保護カバーの前記胴部から前記先端部に向かう方向を下方向として、前記入口側ガス流路は、前記外側保護カバーと前記第２部材との間の空間であり前記外側入口から前記上方向に向かう第１流路と、前記第２部材と前記第１部材との間の空間であり前記第１流路と前記素子室入口との間に存在し且つ前記下方向に向かう第２流路と、を有し、
前記第１流路の流路幅Ｗ１と前記第２流路の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であり、
前記外側入口は、前記外側保護カバーの前記胴部の側部に配設された横孔と、該胴部の底部に配設された縦孔と、該胴部の前記側部と前記底部との境界の角部に配設された角孔と、の３種類の孔のうち少なくとも２種類の孔を有し、
前記外側保護カバーの前記先端部は、該先端部の底部に向けて縮径するテーパー部を有し、
前記外側出口は、前記外側保護カバーの前記先端部の前記底部に配設された縦孔を有する、
ものである。
この保護カバーのセンサ素子室にセンサ素子の先端及びガス導入口を配置することで、上述した本発明のガスセンサと同様に、ガスセンサの応答性と耐煤性とを共に向上させる効果が得られる。本発明の保護カバーにおいて、上述したガスセンサの種々の態様を採用してもよい。
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。 外側入口１４４ａが角孔１４４ｄを有する場合の部分断面図。 変形例のガスセンサ２００の縦断面図。 比較例１のガスセンサ３００の縦断面図。
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。なお、保護カバー１２０の軸方向に平行且つセンサ素子１１０の先端から後端に向かう方向（図３，７の上方向）を上方向とし、保護カバー１２０の軸方向に平行且つセンサ素子１１０の後端から先端に向かう方向（図３，７の下方向）を下方向とする。
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，アンモニア，Ｏ2等のガス成分のうち少なくともいずれか１つの特定ガスの濃度である特定ガス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、被測定ガス中の特定ガス濃度（ＮＯｘ，アンモニア，Ｏ2等の濃度）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ボルト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、さらにボルト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特定ガス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の構造や特定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（下方向）を先端方向とも称する。
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（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。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。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。外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、外部からセンサ素子室１２４への被測定ガスの流路である入口側ガス流路１５２と、センサ素子室１２４から外部への被測定ガスの流路である出口側ガス流路１５６と、を形成している。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が形成されている。第１ガス室１２２は入口側ガス流路１５２の一部であり、第２ガス室１２６は出口側ガス流路１５６の一部である。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ＳＵＳ３１０Ｓなどのステンレス鋼）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（下方向）に位置する先端部１３８と、先端部１３８の上端に接続して配設され先端部１３８の外周面よりも外側に突出する段差部１３９と、第２円筒部１３６の下端と段差部１３９とを接続する接続部１３７と、を有している。先端部１３８は、側部１３８ｄと底部１３８ｅとを有している。先端部１３８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１以上の素子室出口１３８ａが形成されている。素子室出口１３８ａは、側部１３８ｄに等間隔に形成された複数（本実施形態では４個）の円形の横孔１３８ｂを有している。素子室出口１３８ａは、先端部１３８の底部１３８ｅには配設されていない。素子室出口１３８ａの径は、例えば０．５ｍｍ～２．６ｍｍである。本実施形態では、複数の横孔１３８ｂの径はいずれも同じ値とした。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（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（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、接続部１３７の先端側（下端側）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、接続部１３７の先端部分を先端部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との間の空間であり入口側ガス流路１５２の一部である第２流路１２７（図３，４，７参照）を形成している。第２流路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の内周面との間の円筒状の隙間（ガス流路）として形成されている。第２流路１２７は、第２部材１３５の上端（ここでは第２円筒部１３６の上端）から第１部材１３１の下端（ここでは第１円筒部１３４の下端）までの空間である。第２流路１２７は、外側入口１４４ａの配置された空間である第１ガス室１２２側の開口部である第２流路入口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側の開口部である第２流路出口１２９と、を有している。第２流路入口１２８は、第２円筒部１３６の内周面の上端と第１円筒部１３４の外周面との間のリング状の隙間である。第２流路出口１２９は、第２円筒部１３６の内周面と第１円筒部１３４の外周面の下端との間のリング状の隙間である。第２流路入口１２８は、第２流路出口１２９よりもセンサ素子１１０の後端側（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、すなわち入口側ガス流路１５２内で、第２流路１２７はセンサ素子１１０の後端側（上側）から先端側（下側）へ向かう流路となっている。また、第２流路１２７は、センサ素子１１０の後端－先端方向に平行な流路（上下方向に平行な流路）となっている。第２流路出口１２９は、センサ素子室１２４に開口しており、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を兼ねている。第２流路１２７は、第１ガス室１２２と素子室入口との間に存在する被測定ガスの流路である。
素子室入口（ここでは第２流路出口１２９）は、センサ素子１１０の後端から先端へ向かう方向（下方向）に開口し且つセンサ素子１１０の後端－先端方向（上下方向）に平行に開口している。すなわち、第２流路出口１２９は、下方向と平行に開口している。そのため、センサ素子１１０は、第２流路出口１２９から第２流路１２７を仮想的に延長した領域（図３，７における第２流路出口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、第２流路出口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。
外側保護カバー１４０は、図３に示すように、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（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、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。胴部１４３のうち上端周辺の部分は、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、大径部１３２，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（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、側部１４６ａと底部１４６ｂとを接続し側部１４６ａから底部１４６ｂに向けて縮径するテーパー部１４６ｃと、を有している。先端部１４６は、胴部１４３よりも先端方向側（下側）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１以上（本実施形態では複数であり、具体的には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１以上の外側出口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。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、円形に開けられた孔である。この１２個の外側入口１４４ａの径は、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。この外側出口１４７ａは、先端部１４６の底部１４６ｂの中心に形成された１以上（本実施形態では１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、円形に開けられた孔である。この外側出口１４７ａの径は、例えば０．５ｍｍ～２．５ｍｍ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、縦孔１４７ｃの径は、横孔１４４ｂや縦孔１４４ｃの径よりも大きい値とした。
外側保護カバー１４０及び内側保護カバー１３０は、上述したように入口側ガス流路１５２及び出口側ガス流路１５６を形成している。入口側ガス流路１５２は、外側入口１４４ａ，第１ガス室１２２，第２流路１２７，及び素子室入口（ここでは第２流路出口１２９）を含んでおり、被測定ガスはこの順に入口側ガス流路１５２内を通過する。出口側ガス流路１５６は、素子室出口１３８ａ，第２ガス室１２６，及び外側出口１４７ａを含んでおり、被測定ガスはこの順に出口側ガス流路１５６内を通過する。第１ガス室１２２は、胴部１４３と内側保護カバー１３０との間の空間として形成されている。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，側部１４３ａ、段差部１４３ｂにより囲まれた空間である。第２ガス室１２６は、先端部１４６と内側保護カバー１３０との間の空間として形成されている。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。
また、図７に示すように、第１ガス室１２２は、第１流路１２２ａと、空間１２２ｂと、を有している。第１流路１２２ａは、外側保護カバー１４０と内側保護カバー１３０の第２部材１３５との間の空間であり、外側入口１４４ａから上方向に向かう被測定ガスの流路として機能する。第１流路１２２ａは、より具体的には、側部１４３ａ，段差部１４３ｂ，第２円筒部１３６で囲まれた空間であり、第２部材１３５の上端（ここでは第２円筒部１３６の上端）よりも下方の空間である。第１流路１２２ａは、外側保護カバー１４０の内周面と第２円筒部１３６の外周面との間の円筒状の隙間である。空間１２２ｂは、第２部材１３５の上端（ここでは第２円筒部１３６の上端）よりも上方且つ外側保護カバー１４０と第１部材１３１（ここでは第１円筒部１３４）との間の空間である。空間１２２ｂは、第１流路１２２ａから第２流路１２７までの被測定ガスの流路として機能する。空間１２２ｂは、外側保護カバー１４０の内周面と第１円筒部１３４の外周面との間の円筒状の隙間である。
第１流路１２２ａから空間１２２ｂへの被測定ガスの流入口を第１流路出口１２２ｃと称する。第１流路出口１２２ｃは、外側保護カバー１４０の内周面と第２円筒部１３６の外周面の上端との間のリング状の隙間である。外側入口１４４ａは、いずれも、第１流路出口１２２ｃよりも下方に位置している。言い換えると、外側入口１４４ａは、いずれも、第２部材１３５の上端（ここでは第２円筒部１３６の上端）よりも下方に位置している。
ここで、第１流路１２２ａの流路幅をＷ１とし、第２流路１２７の流路幅をＷ２とする。流路幅Ｗ１は、第１流路１２２ａの径方向の幅であり、胴部１４３の側部１４３ａの内周面の半径Ａｒ１と、第２円筒部１３６の外径の半径Ａｒ２との差である。流路幅Ｗ２は、第２流路１２７の径方向の幅であり、第２円筒部１３６の内径の半径Ｂｒ１と、第１円筒部１３４の外径の半径Ｂｒ２との差である。第１流路１２２ａは、上下方向に平行な流路であり、第１流路１２２ａ内のいずれの場所でも、流路幅Ｗ１は同じ値である。同様に、第２流路１２７は、上下方向に平行な流路であり、第２流路１２７内のいずれの場所でも、流路幅Ｗ２は同じ値である。流路幅Ｗ１と流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１は１未満である。すなわち、Ｗ１＞Ｗ２となっている。比Ｗ２／Ｗ１は、０．４３以上０．８２以下が好ましく、０．４５以上０．６５以下であることがより好ましい。流路幅Ｗ１，流路幅Ｗ２及び比Ｗ２／Ｗ１は、半径Ａｒ１，Ａｒ２，Ｂｒ１，Ｂｒ２を調整することで、調整できる。これらの半径は、Ａｒ１＞Ａｒ２＞Ｂｒ１＞Ｂｒ２を満たす。流路幅Ｗ１は、例えば１．１８ｍｍ以上としてもよいし、１．２０ｍｍ以上としてもよいし、１．３ｍｍ以上としてもよい。流路幅Ｗ１は、１．８５ｍｍ以下としてもよいし、１．７０ｍｍ以下としてもよいし、１．６０ｍｍ以下としてもよいし、１．５ｍｍ以下としてもよい。流路幅Ｗ２は、例えば０．５１ｍｍ以上としてもよいし、０．６１ｍｍ以上としてもよい。流路幅Ｗ２は、１．２０ｍｍ以下としてもよいし、１．１８ｍｍ以下としてもよいし、１．０６ｍｍ以下としてもよいし、０．８５ｍｍ以下としてもよい。流路幅Ｗ１と流路幅Ｗ２との和Ｗｓは、例えば２．００ｍｍ以上２．４０ｍｍ以下としてもよい。半径Ａｒ１は、例えば６．９ｍｍ以上７．２ｍｍ以下としてもよい。半径Ｂｒ２は、例えば４．２ｍｍ以上４．８ｍｍ以下としてもよい。
第２流路１２７の流路長Ｌは、例えば０ｍｍ超過８．３ｍｍ以下である。本実施形態では、流路長Ｌは、第２流路入口１２８と第２流路出口１２９との上下方向の距離と同じである。流路長Ｌは、３．０ｍｍ以上としてもよいし、４．０ｍｍ以上としてもよい。流路長Ｌは、７．０ｍｍ以下としてもよいし、６．６ｍｍ以下としてもよいし、５ｍｍ以下としてもよい。
空間１２２ｂの上下方向の長さを高さＣと称する。高さＣは、例えば０．４７ｍｍ以上としてもよいし、０．７５ｍｍ以上としてもよい。高さＣは、３．８０ｍｍ以下としてもよいし、２．３５ｍｍ以下としてもよいし、１．８７ｍｍ以下としてもよい。
次に、ガスセンサ１００が特定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（ここでは横孔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流路１２２ａ，空間１２２ｂ，及び第２流路１２７をこの順に通過して第２流路出口１２９から流出して、センサ素子室１２４に流入する。第２流路出口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特定ガス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特定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（ここでは横孔１３８ｂ）の少なくともいずれかを通って第２ガス室１２６に流入し、そこから外側出口１４７ａ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、本実施形態のガスセンサ１００では、外側保護カバー１４０の先端部１４６がテーパー部１４６ｃを有している。そのため、先端部１４６にテーパー部１４６ｃがない場合と比較して、すなわち先端部１４６の底部１４６ｂと底部１４６ｂに垂直な側部１４６ａとが直接接続されている場合と比較して、底部１４６ｂと側部１４６ａとの間に直角に曲がった角部が存在しないことになる。このような直角に曲がった角部が存在すると、その角部付近で被測定ガスの滞留が生じやすいため、被測定ガスが出口側ガス流路１５６を通過しにくくなる。本実施形態のガスセンサ１００では、そのような直角に曲がった角部が存在しないため、被測定ガスが出口側ガス流路１５６を通過しやすくなり、結果として被測定ガスがセンサ素子室１２４内を通過しやすくなる。これにより、ガスセンサ１００の特定ガス濃度検出の応答性が向上する。また、配管２０内を流れる被測定ガスには煤が含まれている場合があり、煤により保護カバー１２０内の被測定ガスの流路に目詰まりが生じると、特定ガス濃度検出の応答性が低下する場合がある。しかし、本実施形態のガスセンサ１００は、入口側ガス流路１５２のうち第１流路１２２ａの流路幅Ｗ１と第２流路１２７の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満である（すなわちＷ１＞Ｗ２である）ため、流路幅Ｗ１が比較的大きい。これにより、外側入口１４４ａから外側保護カバー１４０内に侵入した煤が第１流路１２２ａの壁面にある程度付着しても、煤による第１流路１２２ａの目詰まりが生じにくく、ガスセンサ１００の耐煤性が向上する。以上により、本実施形態のガスセンサ１００では、応答性と耐煤性とが共に向上する。比Ｗ２／Ｗ１は０．３以上としてもよい。
また、比Ｗ２／Ｗ１は、０．４３以上０．８２以下であることが好ましい。比Ｗ２／Ｗ１が０．８２以下であることで、流路幅Ｗ１がより大きい傾向になるため、第１流路１２２ａの目詰まりをより抑制でき、耐煤性がより向上する。比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上であることで、流路幅Ｗ２が小さすぎないため、被測定ガスが第２流路１２７を通過しやすくなり、特定ガス濃度検出の応答性が向上する。また、流路幅Ｗ１が大きくても流路幅Ｗ２が小さすぎると第２流路１２７で煤による目詰まりが生じる場合があるが、比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上であることで第２流路１２７での煤による目詰まりを抑制できる。以上により、比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上０．８２以下であることで、応答性と耐煤性とが共により向上する。比Ｗ２／Ｗ１は、０．４５以上０．６５以下がより好ましく、０．４８以上０．５９以下がさらに好ましく、０．５２以上０．５６以下がより一層好ましい。
また、外側入口１４４ａのうち横孔１４４ｂの中心位置と第２部材１３５の上端との間の上下方向の最小距離Ａ（図７参照）が、７．３ｍｍ以上であることが好ましい。言い換えると、１以上の横孔１４４ｂのいずれについても、孔の中心位置が第２部材１３５の上端から下方向に７．３ｍｍ以上離れていることが好ましい。最小距離Ａが小さすぎると、第２部材１３５の上端すなわち第１流路１２２ａの上端（下流端）に近すぎる横孔１４４ｂが存在することになる。そのため、そのような横孔１４４ｂから外側保護カバー１４０内に侵入した煤が堆積できる第１流路１２２ａ内の表面積が少なすぎることになる。これにより、第１流路１２２ａで煤による目詰まりが生じやすくなったり、煤が第２流路１２７に到達しやすく第２流路１２７で煤による目詰まりが生じやすくなったりする場合がある。最小距離Ａが７．３ｍｍ以上であれば、このような煤による目詰まりを抑制できるため、耐煤性が向上する。最小距離Ａは８．１ｍｍ以下としてもよい。
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、外側保護カバー１４０の先端部１４６がテーパー部１４６ｃを有していることで、特定ガス濃度検出の応答性が向上する。また、比Ｗ２／Ｗ１が１未満であることで、ガスセンサ１００の耐煤性が向上する。したがって、ガスセンサ１００は、応答性と耐煤性とが共に向上する。
また、比Ｗ２／Ｗ１が０．４３以上０．８２以下であることで、応答性と耐煤性とが共により向上する。比Ｗ２／Ｗ１が０．４５以上０．６５以下であることで、応答性と耐煤性とが共に一層向上する。さらに、最小距離Ａが７．３ｍｍ以上であることで、耐煤性が向上する。
さらに、素子室入口（ここでは第２流路出口１２９）が下方向に向けて開口しているため、素子室入口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、素子室入口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、特定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、特定ガス濃度検出の応答性の低下を抑制しつつ、センサ素子１１０の保温性の低下も抑制できる。
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、上述した実施形態では、外側入口１４４ａは横孔１４４ｂと縦孔１４４ｃとを有するものとしたが、これに限られない。外側入口１４４ａは、外側保護カバー１４０の胴部１４３の側部１４３ａに配設された横孔１４４ｂと、胴部１４３の底部（段差部１４３ｂ）に配設された縦孔１４４ｃと、胴部１４３の側部１４３ａと底部（段差部１４３ｂ）との境界の角部に配設された角孔と、の３種類の孔のうち少なくとも２種類の孔を有していればよい。例えば、図８に示すように、外側入口１４４ａは横孔１４４ｂと角孔１４４ｄとを有していてもよい。図８では、外側保護カバー１４０の中心軸を基準として横孔１４４ｂと角孔１４４ｄとを同位相の位置に配置した場合を示しているが、図３の横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃのように、複数の横孔１４４ｂと複数の角孔１４４ｄとを交互に等間隔に配置してもよい。逆に、図３の横孔１４４ｂ及び縦孔１４４ｃを図８のように同位相の位置に配置してもよい。外側入口１４４ａが、横孔１４４ｂ，縦孔１４４ｃ，及び角孔１４４ｄという３種類の孔のうちの２種類以上を有することで、外側入口１４４ａから外側保護カバー１４０内に被測定ガスが流入しやすくなる。また、外側入口１４４ａは、３種類の孔のうち少なくとも横孔を１以上有することが好ましい。素子室出口１３８ａ及び外側出口１４７ａは、横孔，縦孔，角孔のうちいずれか１種類以上を有すればよい。また、外側出口１４７ａは、テーパー部１４６ｃに設けられた貫通孔を有するものとしてもよい。
上述した実施形態では、複数の横孔１４４ｂの径はいずれも複数の縦孔１４４ｃの径よりも大きい値としたが、径の大小関係はこれに限られない。複数の横孔１４４ｂと複数の縦孔１４４ｃとがいずれも同じ直径であってもよいし、縦孔１４４ｃの方が直径が大きくてもよい。また、複数の横孔１４４ｂの径が全て同じ値でなくてもよいし、複数の縦孔１４４ｃの径が全て同じ値でなくてもよい。
上述した実施形態では、第２流路１２７の第２流路出口１２９が素子室入口を兼ねていたが、これに限られない。例えば、入口側ガス流路１５２は、第２流路１２７の第２流路出口１２９と素子室入口との間にさらに別の流路を有していてもよい。この場合、素子室入口は、第２流路出口１２９と異なり下方向に向けて開口している必要はなく、例えば下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。ただし、第２流路出口１２９が素子室入口を兼ねるか否かに関わらず、素子室入口は下方向に向けて開口していることが好ましい。また、上述した実施形態では、素子室入口は１つであったが、素子室入口は１以上であればよい。
上述した実施形態では、内側保護カバー１３０の先端部１３８は、側部１３８ｄの外径が一定で側部１３８ｄと底部１３８ｅとが同径となるような形状としたが、例えば円錐台を逆さにした形状など、側部１３８ｄの外径が底部１３８ｅに近づくほど小さくなるような形状としてもよい。言い換えると、内側保護カバー１３０の先端部１３８がテーパー部を有していてもよい。例えば、先端部１３８の代わりに、後述する図１０の先端部３３８を採用してもよい。
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説明しなかったが、突出部１３６ａが存在する場合でも、第２流路１２７中の突出部１３６ａの存在しない部分を被測定ガスが流通できるため、突出部１３６ａは流路幅Ｗ２の値に影響を与えないものとする。例えば、図４に示すように、第２流路１２７内の被測定ガスの流通方向に沿って見たときに、突出部１３６ａの存在しない部分に基づいて流路幅Ｗ２の値を定める。また、第２流路１２７内の被測定ガスの流通方向に沿って見たときに、突出部１３６ａが存在することによる第２流路１２７の流路断面積の減少割合は、２０％以下としてもよいし、１５％以下としてもよいし、１０％以下としてもよい。例えば、上述した実施形態では、この減少割合は、｛（図４の断面における突出部１３６ａによる第２流路１２７の断面積の減少分の絶対値）×（突出部１３６ａの個数）｝／｛（第２円筒部１３６の内径を直径とする円の面積）－（第１円筒部１３４の外径を直径とする円の面積）｝×１００％として算出できる。
上述した実施形態では、第２流路１２７は第１部材１３１の第１円筒部１３４と第２部材１３５の第２円筒部１３６との間の円筒状の隙間としたが、これに限られない。第２流路１２７は第１部材１３１と第２部材１３５との間の空間であり下方向に向かう流路であればよい。例えば、第２流路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、第２流路１２７は、下方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように上下方向から傾斜した流路としてもよい。図９は、この場合の変形例のガスセンサ２００の縦断面図である。図９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９に示すように、ガスセンサ２００の保護カバー２２０は、内側保護カバー１３０に代えて内側保護カバー２３０を備えている。内側保護カバー２３０は、第１部材２３１と、第２部材２３５と、を備えている。第１部材２３１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２３４ａと、下方に向かうにつれて縮径する円筒状の第１円筒部２３４ｂと、を備えている。第１円筒部２３４ｂは、上端部で胴部２３４ａと接続されている。第２部材２３５は、第２部材１３５と比べて、第２円筒部１３６を備えない代わりに、下方に向かうにつれて縮径する円筒状の第２円筒部２３６を備えている。第１円筒部２３４ｂの外周面と第２円筒部２３６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第２流路２２７となっている。第２流路２２７は、第１ガス室１２２側の開口部である第２流路入口２２８と、センサ素子室１２４側の開口部である第２流路出口２２９（素子室入口を兼ねる）と、を有している。この第２流路２２７は、第１円筒部２３４ｂ及び第２円筒部２３６の形状によって、下方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２３０の中心軸に近づくように）上下方向から傾斜した流路となっている。同様に、素子室入口（第２流路出口２２９）は、下方に向かうにつれてセンサ素子１１０に近づくように上下方向から傾斜して開口している（図９の拡大図参照）。なお、素子室入口（第２流路出口２２９）の開口の向きは、開口周辺の第１円筒部２３４ｂの外周面及び第２円筒部２３６の内周面に基づいて定まる開口の軸方向とする。また、素子室入口（第２流路出口２２９）の開口面は、開口の軸方向に対して垂直な面とする。第２流路２２７の流路幅は、センサ素子１１０の下方に向かうにつれて狭くなっている。第１円筒部２３４ｂと胴部１４３との間の空間が、第１流路２２２ａとなっている。このガスセンサ２００でも、上述したガスセンサ１００と同様の特徴により、同様の効果が得られる。例えば、第１流路２２２ａの流路幅Ｗ１と第２流路２２７の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であることで、煤による第１流路２２２ａの目詰まりが生じにくく、ガスセンサ２００の耐煤性が向上する。ここで、第２円筒部２３６は上下方向に対して傾斜しており、第１流路２２２ａの流路幅は一定ではない。このような場合は、第１流路２２２ａの流路幅の最小値を、流路幅Ｗ１とする。ガスセンサ２００では、第１流路２２２ａの第１流路出口２２２ｃの部分で流路幅が最も狭くなっているため、この部分の流路幅を流路幅Ｗ１とする。同様に、第２流路２２７においては第２流路出口２２９の部分で流路幅が最も狭くなっているため、この部分の流路幅を流路幅Ｗ２とする。
図９のガスセンサ２００のように第２流路２２７が上下方向に対して傾斜した流路である場合や素子室入口（第２流路出口２２９）が上下方向に対して傾斜して開口している場合、素子室入口からセンサ素子室１２４に流出する被測定ガスの流れる向きは上下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第２流路１２７や第２流路出口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９では、第２流路２２７の流路幅は、センサ素子１１０の下方に向かうにつれて狭くなっている。そのため、第２流路出口２２９の開口面積は第２流路入口２２８の開口面積よりも小さい。これにより、被測定ガスが第２流路入口２２８から流入して第２流路出口２２９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、特定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９では、第２流路２２７が上下方向から傾斜した流路となっており、素子室入口（第２流路出口２２９）が上下方向から傾斜して開口し、且つ第２流路出口２２９の開口面積が第２流路入口２２８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。
上述した実施形態では、内側保護カバー１３０は、第１部材１３１と第２部材１３５との２つの部材を備えていたが、第１部材１３１と第２部材１３５とは一体化された部材であってもよい。
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。
上述した実施形態では、保護カバー１２０をガスセンサ１００の一部として説明したが、保護カバー１２０は単独で流通してもよい。
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。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
図３～７に示したガスセンサ１００を実施例１とした。実施例１では、流路幅Ｗ１が１．３ｍｍ、流路幅Ｗ２が０．８５ｍｍ、比Ｗ２／Ｗ１が０．６５、となるように、胴部１４３の側部１４３ａの内周面の半径Ａｒ１、第２円筒部１３６の外径の半径Ａｒ２、第２円筒部１３６の内径の半径Ｂｒ１、及び第１円筒部１３４の外径の半径Ｂｒ２を調整した。具体的には、半径Ａｒ１は７．２０ｍｍ，半径Ａｒ２は５．９０ｍｍ，半径Ｂｒ１は５．６０ｍｍ，半径Ｂｒ２は４．７５ｍｍとした。また、外側入口１４４ａのうち６個の横孔１４４ｂの直径はいずれも１．５ｍｍとし、６個の縦孔１４４ｃの直径はいずれも１ｍｍとした。６個の横孔１４４ｂは、最小距離Ａが７．３ｍｍとなる位置に配置した。
［実施例２～５］
実施例２～５は、流路幅Ｗ１，Ｗ２，比Ｗ２／Ｗ１を表１に示す値に変更した点以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。実施例１～５は、和Ｗｓの値はいずれも同じ２．１５ｍｍとして、流路幅Ｗ１と流路幅Ｗ２との間のバランスのみを変更した。実施例２～５は、いずれも半径Ａｒ１，Ｂｒ２は実施例１と同じとし、半径Ａｒ２，Ｂｒ１を実施例１から変更することで流路幅Ｗ１，Ｗ２を変更した。
［比較例１］
図１０に示すガスセンサ３００を比較例１とした。図１０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１０に示すように、ガスセンサ３００の保護カバー３２０は、内側保護カバー１３０に代えて内側保護カバー３３０を備え、外側保護カバー１４０に代えて外側保護カバー３４０を備えている。内側保護カバー３３０の第２部材３３５は、図３の先端部１３８及び段差部１３９に代えて円錐台を逆さにした形状の先端部３３８を有している。また、先端部３３８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素子室出口３３８ａが形成されている。素子室出口３３８ａは、先端部３３８の底面の中心に形成された１個の円形の縦孔である。外側保護カバー３４０は、胴部１４３よりも上側に、胴部１４３よりも径の大きい円筒状の大径部３４２を有している。外側保護カバー３４０は、胴部１４３ではなく大径部３４２の内周面がハウジング１０２及び大径部１３２に当接している。外側保護カバー３４０は、図３の先端部１４６に代えて、有底筒状（円筒形状）で胴部１４３よりも内径の小さい先端部３４６を有している。先端部３４６は、外側保護カバー３４０の中心軸方向（図１０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３４６ａと、外側保護カバー３４０の底部である底部３４６ｂと、を有している。先端部３４６は、図３の先端部１４６のようにテーパー部１４６ｃを備えておらず、底部３４６ｂと底部１４６ｂに垂直な側部３４６ａとが直接接続されている。そのため、先端部３４６は、直角に曲がった角部３４６ｄを備えている。また、先端部３４６には、被測定ガスの外部への出口である外側出口３４７ａが形成されている。外側出口３４７ａは、先端部３４６の側部３４６ａに外側保護カバー３４０の周方向に沿って等間隔に形成された３個の横孔３４７ｂと、底部３４６ｂに外側保護カバー３４０の周方向に沿って等間隔に形成された３個の縦孔３４７ｃと、を有している。横孔３４７ｂと縦孔３４７ｃとは、外側保護カバー３４０の周方向に沿って交互に等間隔に位置しており、隣接する横孔３４７ｂと縦孔３４７ｃとのなす角（位相）は６０°である。比較例１では、流路幅Ｗ１は１．７３ｍｍ、流路幅Ｗ２は０．６０ｍｍ、比Ｗ２／Ｗ１は０．３５とした。また、外側入口１４４ａのうち６個の横孔１４４ｂの直径はいずれも１．５ｍｍとし、６個の縦孔１４４ｃの直径はいずれも１ｍｍとした。また、第２円筒部１３６の上下方向の長さを実施例１よりも短くすることで、最小距離Ａを３．６ｍｍとした。
［比較例２］
比較例２は、横孔１４４ｂの位置を上方に移動して最小距離Ａを２．０ｍｍとし、外側出口３４７ａが横孔３４７ｂを備えず６個の等間隔に配置された縦孔３４７ｃを備えるように変更した点以外は、比較例１のガスセンサ３００と同様とした。
［比較例３］
比較例３は、半径Ａｒ１，Ａｒ２，Ｂｒ１，Ｂｒ２をいずれも実施例５と同じとして、流路幅Ｗ１，Ｗ２，比Ｗ２／Ｗ１が実施例５と同じ値（Ｗ１が１．５ｍｍ，Ｗ２が０．６５ｍｍ，比Ｗ２／Ｗ１が０．４３）になるようにした。また、比較例３は、第２円筒部１３６の上下方向の長さを実施例５と同じとすることで最小距離Ａを実施例５と同じ値（７．３ｍｍ）とした。それ以外の点は、比較例３は比較例１のガスセンサ３００と同様とした。
［実施例６～９］
実施例６～９は、流路幅Ｗ１，Ｗ２，比Ｗ２／Ｗ１を表１に示す値に変更し、高さＣを小さくすることで最小距離Ａを７．３ｍｍよりも大きい８．１ｍｍとした点以外は、実施例１のガスセンサ１００と同様とした。実施例６～９は、実施例１～５よりも半径Ｂｒ２を小さくすることで和Ｗｓの値がいずれも同じ２．３６ｍｍとなるようにした。実施例６～９は、和Ｗｓの値はいずれも同じとして、流路幅Ｗ１と流路幅Ｗ２とのバランスが互いに異なるようにした。
［比較例４］
比較例４は、流路幅Ｗ１，Ｗ２，比Ｗ２／Ｗ１を表１に示す値に変更した点以外は、実施例６～９のガスセンサ１００と同様とした。比較例４は、半径Ａｒ１，半径Ｂｒ２，及び和Ｗｓの値は実施例６～９と同じとしつつ、流路幅Ｗ１と流路幅Ｗ２とのバランスを実施例６～９とは異なる値にして、比Ｗ２／Ｗ１が値１より大きくなるようにした。
［応答性の評価］
実施例１～９，比較例１～４のガスセンサをそれぞれ図１，２と同様に配管に取り付けた。大気に酸素を混合して任意の酸素濃度に調節した温度３５０℃のガスを被測定ガスとし、この被測定ガスを配管内に流速１ｍ／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２３．６％から２０．９％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特定ガス濃度検出の応答時間［秒］とした。この応答時間が短いほど特定ガス濃度検出の応答性が高いことを意味する。応答時間の測定は、各実験例について複数回行い、各々の平均値を各実験例についての応答時間とした。そして、応答時間が４．６秒以下の場合に「Ａ（優）」、４．６秒超過４．８秒以下の場合に「Ｂ（良）」、４．８秒超過５．０秒以下の場合に「Ｃ（可）」、５．０秒超過の場合に「Ｆ（不可）」として応答性を評価した。結果を表１に示す。
［耐煤性の評価］
実施例１～９，比較例１～４のガスセンサについて、煤付け処理を行った後の応答時間を測定して、耐煤性を評価した。煤付け処理は、以下のように行った。まず、ガスセンサを図１，２と同様に配管に取り付けた。次に、配管の上流側でガスバーナーを燃焼させることで、煤量が１５ｇ／ｈ、ガス流量が３Ｎｍ3／ｍｉｎのガスを配管内に流して、ガスセンサをこのガスに４８時間晒した。その後、被測定ガスを流速７ｍ／ｓとした点以外は上述した応答時間の測定方法と同じ試験を行って、煤付け処理後の応答時間を測定した。煤付け処理後の応答時間が短いほど、耐煤性が高いことを意味する。応答時間が５．０秒以下の場合に「Ａ（優）」、５．０秒超過５．５秒以下の場合に「Ｂ（良）」、５．５秒超過６．０秒以下の場合に「Ｃ（可）」、６．０秒超過の場合に「Ｆ（不可）」として耐煤性を評価した。結果を表１に示す。
Figure 0007288833000001
表１からわかるように、流路幅Ｗ１，Ｗ２，比Ｗ２／Ｗ１，最小距離Ａがいずれも同じ実施例５と比較例３とを比較すると、テーパー部１４６ｃを有する実施例５の方が、テーパー部１４６ｃを有さない比較例３よりも応答性が高かった。これは、実施例５では底部３４６ｂと側部３４６ａとの間に直角に曲がった角部３４６ｄが存在することで、第２ガス室１２６のうち角部３４６ｄ付近で被測定ガスの滞留が生じてしまい、被測定ガスが出口側ガス流路１５６を通過しにくくなっているためと考えられる。また、テーパー部１４６ｃを有し且つ比Ｗ２／Ｗ１が１未満であるという条件を満たす実施例１～９は、いずれも応答性と耐煤性とが「Ｃ（可）」以上の評価であり、応答性と耐煤性とが共に高かった。これに対し、テーパー部１４６ｃを有さない比較例１～３及びＷ２／Ｗ１が１以上である比較例４は、いずれも応答性が「Ｆ（不可）」であり、比較例１，２，４についてはさらに耐煤性も「Ｆ（不可）」であった。また、実施例１～９の結果から、比Ｗ２／Ｗ１は０．４３以上０．８２以下が好ましく、０．４５以上０．６５以下がより好ましいと考えられる。さらに、実施例１～９の比較から、比Ｗ２／Ｗ１が０．４８以上０．５９以下であれば応答性と耐煤性とが共に「Ｂ（良）」以上の評価となり、比Ｗ２／Ｗ１が０．５２以上０．５６以下であれば応答性と耐煤性とが共に「Ａ（優）」となると考えられる。実施例１～９の比較から、最小距離Ａが７．３ｍｍ及び８．１ｍｍのいずれであっても、テーパー部１４６ｃを有し且つ比Ｗ２／Ｗ１が１未満であるという条件を満たすことで応答性と耐煤性とが共に高くなることが確認された。
２０ 配管、２２ 固定用部材、１００，２００，３００ ガスセンサ、１０２ ハウジング、１０３ ボルト、１１０ センサ素子、１１０ａ 多孔質保護層、１１１ ガス導入口、１２０，２２０，３２０ 保護カバー、１２２ 第１ガス室、１２２ａ，２２２ａ 第１流路、１２２ｂ 空間、１２２ｃ，２２２ｃ 第１流路出口、１２４ センサ素子室、１２６ 第２ガス室、１２７，２２７ 第２流路、１２８，２２８ 第２流路入口、１２９，２２９ 第２流路出口、１３０，２３０，３３０ 内側保護カバー、１３１，２３１ 第１部材、１３２ 大径部、１３３ 段差部、１３４ 第１円筒部、１３５，２３５，３３５ 第２部材、１３６，２３６ 第２円筒部、１３６ａ 突出部、１３７ 接続部、１３８，３３８ 先端部、１３８ａ，３３８ａ 素子室出口、１３８ｂ 横孔、１３８ｄ 側部、１３８ｅ 底部、１３９ 段差部、１４０，３４０ 外側保護カバー、１４３ 胴部、１４３ａ 側部、１４３ｂ 段差部、１４４ａ 外側入口、１４４ｂ 横孔、１４４ｃ 縦孔、１４４ｄ 角孔、１４６，３４６ 先端部、１４６ａ，３４６ａ 側部、１４６ｂ，３４６ｂ 底部、１４６ｃ テーパー部、１４７ａ，３４７ａ 外側出口、１４７ｃ，３４７ｃ 縦孔、１５２ 入口側ガス流路、１５６ 出口側ガス流路、２３４ａ 胴部、２３４ｂ 第１円筒部、３４２ 大径部、３４６ｄ 角部、３４７ｂ 横孔。

Claims (8)

  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特定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筒状の内側保護カバーと、
    前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口が配設された円筒状の胴部と、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、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
    を備え、
    前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、前記外側入口及び前記素子室入口を含む外部から前記センサ素子室への入口側ガス流路と、前記素子室出口及び前記外側出口を含む前記センサ素子室から外部への出口側ガス流路と、を形成しており、
    前記内側保護カバーは、前記センサ素子を囲む筒状の第１部材と、該第１部材を囲む筒状の第２部材とを有し、
    前記内側保護カバーの軸方向に平行且つ前記センサ素子の前記先端から後端に向かう方向を上方向とし、前記センサ素子の前記後端から前記先端に向かう方向を下方向として、前記入口側ガス流路は、前記外側保護カバーと前記第２部材との間の空間であり前記外側入口から前記上方向に向かう第１流路と、前記第２部材と前記第１部材との間の空間であり前記第１流路と前記素子室入口との間に存在し且つ前記下方向に向かう第２流路と、を有し、
    前記第１流路の流路幅Ｗ１と前記第２流路の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であり、
    前記外側入口は、前記外側保護カバーの前記胴部の側部に配設された横孔と、該胴部の底部に配設された縦孔と、該胴部の前記側部と前記底部との境界の角部に配設された角孔と、の３種類の孔のうち少なくとも２種類の孔を有し、
    前記外側保護カバーの前記先端部は、該先端部の底部に向けて縮径するテーパー部を有し、
    前記外側出口は、前記外側保護カバーの前記先端部の前記底部に配設された縦孔を有し、
    前記外側入口は、前記３種類の孔のうち少なくとも前記横孔を１以上有し、該１以上の該横孔の中心位置と前記第２部材の上端との間の前記軸方向の最小距離Ａが７．３ｍｍ以上である、
    ガスセンサ。
  2. 前記比Ｗ２／Ｗ１は０．４３以上０．８２以下である、
    請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記比Ｗ２／Ｗ１は０．４５以上０．６５以下である、
    請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 前記流路幅Ｗ１は、１．２０ｍｍ以上１．７０ｍｍ以下であり、
    前記流路幅Ｗ２は、０．６１ｍｍ以上１．２０ｍｍ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. 前記流路幅Ｗ１と前記流路幅Ｗ２との和Ｗｓは、２．００ｍｍ以上２．４０ｍｍ以下である、
    請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  6. 前記素子室入口は、前記下方向に向けて開口している、
    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、
    前記第２流路は、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円筒状の隙間である、
    請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  8. 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特定ガス濃度を検出可能なセンサ素子、を保護するための保護カバーであって、
    前記センサ素子の先端及び前記ガス導入口を内部に配置するための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筒状の内側保護カバーと、
    前記被測定ガスの外部からの入口である１以上の外側入口が配設された円筒状の胴部と、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、前記内側保護カバーの外側に配設された筒状の外側保護カバーと、
    を備え、
    前記外側保護カバー及び前記内側保護カバーは、前記外側入口及び前記素子室入口を含む外部から前記センサ素子室への入口側ガス流路と、前記素子室出口及び前記外側出口を含む前記センサ素子室から外部への出口側ガス流路と、を形成しており、
    前記内側保護カバーは、筒状の第１部材と、該第１部材を囲む筒状の第２部材とを有し、
    前記内側保護カバーの軸方向に平行且つ前記外側保護カバーの前記先端部から前記胴部に向かう方向を上方向とし、前記外側保護カバーの前記胴部から前記先端部に向かう方向を下方向として、前記入口側ガス流路は、前記外側保護カバーと前記第２部材との間の空間であり前記外側入口から前記上方向に向かう第１流路と、前記第２部材と前記第１部材との間の空間であり前記第１流路と前記素子室入口との間に存在し且つ前記下方向に向かう第２流路と、を有し、
    前記第１流路の流路幅Ｗ１と前記第２流路の流路幅Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１が１未満であり、
    前記外側入口は、前記外側保護カバーの前記胴部の側部に配設された横孔と、該胴部の底部に配設された縦孔と、該胴部の前記側部と前記底部との境界の角部に配設された角孔と、の３種類の孔のうち少なくとも２種類の孔を有し、
    前記外側保護カバーの前記先端部は、該先端部の底部に向けて縮径するテーパー部を有し、
    前記外側出口は、前記外側保護カバーの前記先端部の前記底部に配設された縦孔を有し、
    前記外側入口は、前記３種類の孔のうち少なくとも前記横孔を１以上有し、該１以上の該横孔の中心位置と前記第２部材の上端との間の前記軸方向の最小距離Ａが７．３ｍｍ以上である、
    保護カバー。
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