特許 6233206 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6233206

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/409 20060101AFI20171113BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20171113BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/409 100

   G01N27/41 325A

   G01N27/41 325H

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-133482(P2014-133482)

(22)【出願日】2014年6月30日

(65)【公開番号】特開2016-11883(P2016-11883A)

(43)【公開日】2016年1月21日

【審査請求日】2017年2月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水谷 圭祐

(72)【発明者】

【氏名】辻 伸幸

(72)【発明者】

【氏名】今村 弘男

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開2007-17453（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2001-228112（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2009-145268（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2007-101353（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2007-33425（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2013-72671（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平10-96708（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2004-157111（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４０９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素イオン伝導性の固体電解質体（２１）と該固体電解質体（２１）の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極（２２）及び基準電極（２３）とを有するセンサ素子（２）と、
該センサ素子（２）を内側に挿通するハウジング（３）と、
該ハウジング（３）の先端側に配設された素子カバー（４）と、を備えるガスセンサ（１）であって、
該素子カバー（４）は、上記センサ素子（２）の先端部を外周側及び先端側から覆うように配設されたインナカバー（４１）と、該インナカバー（４１）を外周側及び先端側から覆うように配設されたアウタカバー（４２）とを有し、
上記インナカバー（４１）は、軸方向（Ｚ）に沿ったインナ側壁部（４１１）と、該インナ側壁部（４１１）の先端側に設けられて軸方向（Ｚ）に対して交差するインナ底壁部（４１２）とを有し、
上記アウタカバー（４２）は、軸方向（Ｚ）に沿ったアウタ側壁部（４２１）と、該アウタ側壁部（４２１）の先端側に設けられて軸方向（Ｚ）に対して交差するアウタ底壁部（４２２）とを有し、
上記インナ側壁部（４１１）に形成されたインナ側面孔（５１）は、上記測定電極（２２）よりも基端側に位置し、
上記アウタ側壁部（４２１）に形成されたアウタ側面孔（６１）は、上記インナ側面孔（５１）よりも先端側に位置し、
上記インナ底壁部（４１２）に形成されたインナ底面孔（５２）は、上記測定電極（２２）よりも先端側に位置し、
上記アウタ底壁部（４２２）に形成されたアウタ底面孔（６２）は、上記インナ底面孔（５２）よりも外側に位置しており、
流量：０．０２ｋｇ／ｓ、温度：６２５℃、密度：０．３９３２２９５４７ｋｇ／ｍ³，ガス粘性率：３．７５２２３×１０^-5ｋｇ／（ｍ・ｓ）、拡散係数：０．０００２３４８８６ｍ²／ｓ、流速：１５．１１９１６７ｍ／ｓであるガスの流路に上記ガスセンサ（１）を設置したという解析条件下において流体解析を行ったとき、上記アウタ側面孔（６１）から上記アウタカバー（４２）内へのガスの流入総流量と、上記インナ底面孔（５２）から上記インナカバー（４１）外へのガスの流出総流量との積によって定義されるガス交換指標が、１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されていることを特徴とするガスセンサ（１）。

【請求項2】

上記ガス交換指標が、２０〜７２ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。

【請求項3】

上記インナ底面孔（５２）は、軸方向（Ｚ）に対して直交する上記インナ底壁部（４１２）に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。

【請求項4】

上記センサ素子（２）は、先端側が閉塞されると共に基端側が開放された有底筒状のコップ型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

【請求項5】

内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

【請求項6】

上記測定電極（２２）と上記基準電極（２３）との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力する限界電流式のガスセンサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

車両用の内燃機関等の排気系には、排ガス等の被測定ガス中における特定ガス濃度（例えば、酸素濃度）を検出するガスセンサが配設されている。かかるガスセンサは、固体電解質体と該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極及び基準電極とを有するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通するハウジングと、該ハウジングの先端側に配設された素子カバーとを備えている。

【0003】

素子カバーは、排ガス等の被測定ガスと共に飛来する水滴等の液滴がセンサ素子に付着すること（以下において適宜「被液」という。）を抑制することを一つの目的として設けられている。すなわち、液滴がセンサ素子に付着すると、センサ素子に応力が発生して、素子割れの要因となることが懸念される。それゆえ、素子カバーによってセンサ素子の被液を抑制している。この素子カバーの機能を、以下において、被液抑制能という。

【0004】

その一方で、素子カバーには、センサ素子の検知部（測定電極）に被測定ガスが良好に到達するようにすべく、通気孔が形成されている。すなわち、充分に被測定ガスが素子カバー内に導入され、素子カバーから排出されるように、通気孔を形成して、これにより、ガスセンサの応答性を確保する必要がある。

【0005】

しかし、一般に、応答性と被液抑制能とは背反の関係にあり、従来、応答性と被液抑制能とを両立するために、素子カバーの構造に関して、種々の検討がなされている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−１８１８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、近年、ガスセンサに求められる応答性と被液抑制能とは何れも高くなっている。すなわち、例えば、車両の使用地域の多様化に伴い、各地域において用いられるオイルや燃料の多様化、排ガス規制の強化、燃料消費量低減の要請等が、一層進んでいる。したがって、ガスセンサにおいては、より高度な応答性と被液抑制能との両立が求められている。

【0008】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、高い応答性と被液抑制能とを両立することができるガスセンサを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極及び基準電極とを有するセンサ素子と、
該センサ素子を内側に挿通するハウジングと、
該ハウジングの先端側に配設された素子カバーと、を備えるガスセンサであって、
該素子カバーは、上記センサ素子の先端部を外周側及び先端側から覆うように配設されたインナカバーと、該インナカバーを外周側及び先端側から覆うように配設されたアウタカバーとを有し、
上記インナカバーは、軸方向に沿ったインナ側壁部と、該インナ側壁部の先端側に設けられて軸方向に対して交差するインナ底壁部とを有し、
上記アウタカバーは、軸方向に沿ったアウタ側壁部と、該アウタ側壁部の先端側に設けられて軸方向に対して交差するアウタ底壁部とを有し、
上記インナ側壁部に形成されたインナ側面孔は、上記測定電極よりも基端側に位置し、
上記アウタ側壁部に形成されたアウタ側面孔は、上記インナ側面孔よりも先端側に位置し、
上記インナ底壁部に形成されたインナ底面孔は、上記測定電極よりも先端側に位置し、
上記アウタ底壁部に形成されたアウタ底面孔は、上記インナ底面孔よりも外側に位置しており、
流量：０．０２ｋｇ／ｓ、温度：６２５℃、密度：０．３９３２２９５４７ｋｇ／ｍ³，ガス粘性率：３．７５２２３×１０^-5ｋｇ／（ｍ・ｓ）、拡散係数：０．０００２３４８８６ｍ²／ｓ、流速：１５．１１９１６７ｍ／ｓであるガスの流路に上記ガスセンサを設置したという解析条件下において流体解析を行ったとき、上記アウタ側面孔から上記アウタカバー内へのガスの流入総流量と、上記インナ底面孔から上記インナカバー外へのガスの流出総流量との積によって定義されるガス交換指標が、１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されていることを特徴とするガスセンサにある。

【発明の効果】

【0010】

上記ガスセンサは、上記流体解析によって得られる上記ガス交換指標が１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されている。これにより、上記ガスセンサは、高い応答性と被液抑制能とを両立することができる。

【0011】

本願発明者らは、ガスセンサにおける応答性と被液抑制能との両立を、これまでよりも高いレベルで達成するために、流体解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）を利用して、センサ素子に達するガスの流れを具体的に解析することによって、本発明に至った。すなわち、上述の解析条件のもとで流体解析を行うと共に、後述の被水試験（実験例３）を行うことで、発明者らは、上記ガス交換指標（上記アウタ側面孔から上記アウタカバー内へのガスの流入総流量と、上記インナ底面孔から上記インナカバー外へのガスの流出総流量との積）が、応答性と被液抑制能とに大きく依存することを見出した。そして、このガス交換指標が１３〜８０ｍｇ²／ｓ²の範囲にあるとき、応答性と被液抑制能とを高いレベルにて両立することができることを見出した。
したがって、上記第１の態様のガスセンサによれば、高い応答性と被液抑制能とを両立することができる。

【0012】

以上のごとく、本発明によれば、高い応答性と被液抑制能とを両立することができるガスセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例１における、ガスセンサの素子カバー周辺の断面図。

【図2】実施例１における、ガスセンサの断面図。

【図3】実施例１における、図１のIII−III線矢視断面相当の、インナカバーの断面図。

【図4】実施例１における、先端側から見たインナカバーの平面図。

【図5】実施例１における、図１のＶ−Ｖ線矢視断面相当の、アウタカバーの断面図。

【図6】実施例１における、先端側から見たインナカバーの平面図。

【図7】実施例１における、アウタ底面孔とインナ底面孔との位置関係を示す平面図。

【図8】実施例２における、ガスセンサの素子カバー周辺の断面図。

【図9】実施例２における、中心軸を含む平面によるインナカバーの断面図。

【図10】図９のＸ−Ｘ線矢視断面図。

【図11】実施例２における、先端側から見たインナカバーの平面図。

【図12】実験例２における、中心軸を含む平面によるアウタカバーの断面図。

【図13】図１２のXIII−XIII線矢視断面図。

【図14】実施例２における、先端側から見たアウタカバーの平面図。

【図15】実験例１における、排気管へのガスセンサの設置状態を示す説明図。

【図16】実験例１における、排気管に設置したガスセンサの説明図。

【図17】実験例１における、ガス交換指標と平均入れ替り時間との関係の解析結果を示すグラフ図。

【図18】実験例２における、ガス交換指標と平均応答時間との関係の実験結果を示すグラフ図。

【図19】実験例２における、平均応答時間の定義の説明図。

【図20】実験例３における、被水試験結果のグラフ図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

上記ガスセンサは、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設して用いられる。
なお、本明細書において、ガスセンサを排気系等に挿入する側を先端側、その反対側を基端側という。また、軸方向とは、特に言及しない限り、ガスセンサの軸方向をいうものとする。
また、インナ底面孔の総面積とは、例えば、インナ底面孔が複数存在する場合に、そのすべてのインナ底面孔の面積の合計を意味し、インナ底面孔が一つの場合にはその一つのインナ底面孔の面積を意味する。アウタ側面孔の総面積、インナ側面孔の総面積等についても、同様である。

【実施例】

【0015】

（実施例１）
上記ガスセンサの実施例につき、図１〜図７を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、センサ素子２と、センサ素子２を内側に挿通するハウジング３と、ハウジング３の先端側に配設された素子カバー４とを備える。センサ素子２は、酸素イオン伝導性の固体電解質体２１と該固体電解質体２１の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極２２及び基準電極２３とを有する。

【0016】

図１に示すごとく、素子カバー４は、センサ素子２の先端部を外周側及び先端側から覆うように配設されたインナカバー４１と、該インナカバー４１を外周側及び先端側から覆うように配設されたアウタカバー４２とを有する。
インナカバー４１は、軸方向Ｚに沿ったインナ側壁部４１１と、インナ側壁部４１１の先端側に設けられて軸方向Ｚに対して交差するインナ底壁部４１２とを有する。
アウタカバー４２は、軸方向Ｚに沿ったアウタ側壁部４２１と、アウタ側壁部４２１の先端側に設けられて軸方向Ｚに対して交差するアウタ底壁部４２２とを有する。

【0017】

インナ側壁部４１１に形成されたインナ側面孔５１は、測定電極２２よりも基端側に位置している。アウタ側壁部４２１に形成されたアウタ側面孔６１は、インナ側面孔５１よりも先端側に位置している。インナ底壁部４１２に形成されたインナ底面孔５２は、測定電極２２よりも先端側に位置している。アウタ底壁部４２２に形成されたアウタ底面孔６２は、インナ底面孔５２よりも外側に位置している。

【0018】

そして、ガスセンサ１は、下記の解析条件下において流体解析を行ったとき、下記のガス交換指標が、１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されている。
すなわち、上記解析条件は、流量：０．０２ｋｇ／ｓ、温度：６２５℃、密度：０．３９３２２９５４７ｋｇ／ｍ³，ガス粘性率：３．７５２２３×１０^-5ｋｇ／（ｍ・ｓ）、拡散係数：０．０００２３４８８６ｍ²／ｓ、流速：１５．１１９１６７ｍ／ｓであるガスの流路にガスセンサ１を設置したという解析条件である。

【0019】

また、上記ガス交換指標は、上記解析条件下において流体解析を行ったとき、アウタ側面孔６１からアウタカバー４２内へのガスの流入総流量（以下において、「流入総流量Ａ」ともいう。）と、インナ底面孔５２からインナカバー４１外へのガスの流出総流量（以下において、「流入総流量Ｂ」ともいう。）との積によって定義される指標である。なお、このガス交換指標を、以下において、単に「ガス交換指標Ｅ」ともいう。

【0020】

インナ底面孔５２は、軸方向Ｚに対して直交するインナ底壁部４１２に形成されている。ここで、軸方向Ｚに対して直交とは、軸方向Ｚに対する角度が正確に９０°となる場合のみならず、概略直交する状態をも含む。例えば、軸方向Ｚに対する角度が例えば８８〜９２°となるインナ底壁部４１２にインナ底面孔５２が形成されている。

【0021】

センサ素子２は、先端側が閉塞されると共に基端側が開放された有底筒状のコップ型である。すなわち、固体電解質体２１が、上記のような有底筒状のコップ型の形状を有している。そして、その外側面に測定電極２２が形成されており、内側面に基準電極２３が形成されている。

【0022】

固体電解質体２１は、ジルコニアを主成分としてなる。また、測定電極２２及び基準電極２３は、何れも白金族元素からなることが好ましく、特に本例においては、白金からなる。
基準電極２３は、固体電解質体２１の内側面の略全面に形成されている。一方、測定電極２２は、固体電解質体２１における先端部付近の一部に設けられている。ただし、本例においては、測定電極２２の先端は、固体電解質体２１の先端よりも基端側に位置する。また、測定電極２２は、周方向の全体に形成されている。

【0023】

素子カバー４は、その基端のフランジ部４１３、４２３において、ハウジング３の先端部にかしめ固定されている。インナカバー４１とアウタカバー４２とは、それらのフランジ部４１３、４２３を互いに重ね合わせるようにした状態で、ハウジング３にかしめ固定されている。

【0024】

インナカバー４１は、フランジ部４１３とインナ側壁部４１１との間に傾斜面部４１４を有する。インナ側面孔５１は、傾斜面部４１４よりも先端側において、インナ側壁部４１１に形成されている。すなわち、インナ側面孔５１は、軸方向Ｚにおいて、傾斜面部４１４と測定電極２２との間の位置に形成されている。図３に示すごとく、インナ側面孔５１は、周方向に等間隔に、６個形成されている。

【0025】

また、インナ底壁部４１２は、軸方向Ｚに直交する直交平面部４１５と、該直交平面部４１５の周囲において、内側に窪みつつインナ側壁部４１１と繋がるように形成された窪み部４１６とを有する。そして、インナ底面孔５２は、インナ底壁部４１２における直交平面部４１５に形成されている。また、図４に示すごとく、インナ底面孔５２は、３個形成されている。

【0026】

また、図１に示すごとく、アウタカバー４２のアウタ側壁部４２１は、フランジ部４２３から先端側へ向かって延びるように形成されている。そして、アウタ側壁部４２１の先端に繋がるように、軸方向Ｚに直交するようにアウタ底壁部４２２が形成されている。アウタ側面孔６１は、図１、図５に示すごとく、インナ側面孔５１よりも先端側であると共に、ガスセンサ素子２の先端部よりも先端側となる位置に、周方向に等間隔に８個形成されている。

【0027】

また、図６に示すごとく、アウタ底面孔６２は、アウタ底壁部４２２に８個形成されている。図１、図７に示すごとく、これらのアウタ底面孔６２は、いずれも、インナ底面孔５２よりも外側に形成されている。なお、インナ底面孔５２、アウタ底面孔６２、インナ側面孔５１、アウタ側面孔６１は、いずれも円形の孔である。
また、図１に示すごとく、インナ側壁部４１１とアウタ側壁部４２１との間には、クリアランスが形成されており、インナ底壁部４１２とアウタ底壁部４２２との間にも、クリアランスが形成されている。

【0028】

また、インナ側壁部４１１及びアウタ側壁部４２１は、有底円筒状のセンサ素子２の外周面に沿って、センサ素子２の中心軸と中心軸を共有するように、略円筒状に形成されている。

【0029】

また、図２に示すごとく、センサ素子２の内側には、センサ素子２を加熱するためのヒータ１１が配設されている。ヒータ１１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とするヒータ基材に、発熱体及びリード部が形成されている（図示略）。発熱体及びリード部は、タングステンを主成分とし、少なくともレニウム、モリブデンのいずれかを含む材料からなる。また、ヒータ１１は、円柱形状を有する。

【0030】

また、本例のガスセンサ１は、内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサである。また、本例のガスセンサ１は、測定電極２２と基準電極２３との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス（排ガス）中の特定ガス濃度（酸素濃度）に依存した限界電流値を出力する限界電流式のガスセンサである。

【0031】

すなわち、ガスセンサ１は、自動車エンジンの排気系において、排ガスを浄化する触媒フィルタの下流側に配置される。そして、触媒フィルタを通過した後の排ガス中の酸素濃度に依存した限界電流値を出力する。得られた限界電流値に基づいて、内燃機関に供給された混合気における空燃比を算出して、エンジン制御システムにフィードバックするよう構成することができる。

【0032】

次に、本例の作用効果につき説明する。
ガスセンサ１は、上述の流体解析によって得られる上記ガス交換指標Ｅが１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されている。これにより、ガスセンサ１は、高い応答性と被液抑制能とを両立することができる。この点については、後述する実験例１〜３を参照されたい。

【0033】

また、センサ素子２は、有底筒状のコップ型である。これにより、出力精度の高いガスセンサ１を得ることができる。
また、ガスセンサ１は、内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサである。それゆえ、特にガスセンサ１に要求される応答性及び被液抑制能のレベルが高くなるが、上記構成とすることで、その要求に応えることができる。
また、ガスセンサ１は限界電流式のガスセンサであるため、高い出力精度（ストイキ精度）を得ることができる。

【0034】

以上のごとく、本例によれば、高い応答性と被液抑制能とを両立することができるガスセンサを提供することができる。

【0035】

（実施例２）
本例は、図８〜図１４に示すごとく、素子カバー４の形状を変更した例である。なお、図８は、素子カバー４のうち、ハウジング３の先端よりも先端側の部分のみを表したものであり、フランジ部４１３、４２３は省略してある。

【0036】

本例のガスセンサ１においては、アウタ側面孔６１が、アウタ側壁部４２１における軸方向Ｚの２つの位置に形成されている。すなわち、アウタ側壁部４２１には、アウタ底壁部４２２に近い位置に、８個のアウタ側面孔６１が形成されているとともに、これらのアウタ側面孔６１よりも基端側に、同じく８個のアウタ側面孔６１が形成されている。先端側の８個のアウタ側面孔６１は、インナ底面孔５２よりも先端側に位置し、基端側の８個のアウタ側面孔６１は、インナ底面孔５２よりも基端側に位置している。

【0037】

図９〜図１１に示すごとく、インナカバー４１は、実施例１に示したものと略同様の形状を有する。そして、インナ側面孔５１は、インナ底壁部４１２の先端面から１２．９ｍｍの位置に中心を有する。そして、各インナ側面孔５１は、直径１ｍｍの円形状に形成されている。また、インナ底面孔５２は、インナカバー４１の中心軸から１．７５ｍｍ離れた位置に中心を有する。そして、各インナ底面孔５２は、直径１．２ｍｍの円形状に形成されている。

【0038】

また、図１２〜図１４に示すごとく、アウタカバー４２においては、先端側の８個のアウタ側面孔６１が、アウタ底壁部４２２の先端面から２ｍｍの位置に中心を有し、先端側の８個のアウタ側面孔６１が、アウタ底壁部４２２の先端面から５ｍｍの位置に中心を有する。そして、各アウタ側面孔６１は、直径２ｍｍの円形状に形成されている。また、アウタ底面孔６２は、アウタカバー４２の中心軸から３．６ｍｍ離れた位置に中心を有する。そして、各アウタ底面孔６２は、直径１．２ｍｍの円形状に形成されている。

【0039】

その他の基本構成については、実施例１と同様である。そして、本例のガスセンサ１も、ガス交換指標Ｅが、１３〜８０ｍｇ²／ｓ²となるよう構成されている。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

【0040】

本例のガスセンサ１につき、後述の実験例１、２、３の試験を行ったところ、具体的なデータとして以下の値が得られた。すなわち、ガス交換指標Ｅが４２．１ｍｇ²／ｓ²、平均入れ替り時間Ｔ１が２８０ｍｓ、平均応答時間Ｔ２が６９２ｍｓ、被水痕面積が２．３ｍｍ²であった。
このように、本例のガスセンサは、高い応答性と被液抑制能とを両立することができる。

【0041】

（実験例１）
本例は、図１５〜図１７に示すごとく、実施例１、２のガスセンサ１と基本構成を略同じくした種々のガスセンサ１０について、流体解析を行った例である。複数のガスセンサ１０は、インナカバー４１の形状、アウタカバー４２の形状、インナ側面孔５１、インナ底面孔５２、アウタ側面孔６１、アウタ底面孔６２の位置や大きさ、個数等を種々変更したものである。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

【0042】

図１５、図１６に示すごとく、排気管７１にガスセンサ１０を配置した状態で、完全燃焼を想定したガスを、排気管７１に流したときのガス（流体）の流れをコンピュータシミュレーションにて解析した。なお、図１５、図１６において、矢印Ｇは、排気管７１内のガスの流れを示している。

【0043】

すなわち、流量：０．０２ｋｇ／ｓ、温度：６２５℃、密度：０．３９３２２９５４７ｋｇ／ｍ³，ガス粘性率：３．７５２２３×１０^-5ｋｇ／（ｍ・ｓ）、拡散係数：０．０００２３４８８６ｍ²／ｓ、流速：１５．１１９１６７ｍ／ｓであるガスの流路（排気管７１内）にガスセンサ１０を設置したという解析条件下において流体解析を行った。

【0044】

ガス流路における上記のガスの状態は、完全燃焼を想定したガスであり、ガスの成分比率（体積比率）として、Ｎ₂：Ｈ₂Ｏ：ＣＯ₂＝３９：８：７である混合気体であり、この混合気体の密度：０．３９３２２９５４７ｋｇ／ｍ³、ガス粘性率：３．７５２２３×１０^-5ｋｇ／（ｍ・ｓ）、拡散係数：０．０００２３４８８６ｍ²／ｓは、各ガス成分の物性値を上記の比率で掛け合わせた値である。

【0045】

なお、排気管７１は、内径５８ｍｍ、長さ１０６ｍｍの円筒形状を有するものとする。そして、その長手方向の中央に、ガスセンサ１０を設置する。ここで、ガスセンサ１０は、排気管７１の内側面から２０．６ｍｍの位置まで流路の中心軸に向かって突出した状態とする。そして、排気管７１の一端から他端へ上記のガスを流したときの素子カバー４周辺のガスの流れを解析した。

【0046】

上記流体解析によって、アウタ側面孔６１からアウタカバー４２内へのガスの流入総流量Ａと、インナ底面孔５２からインナカバー４１外へのガスの流出総流量Ｂとを得た。また、上記流体解析によって、ガスセンサ１０の測定電極２２の表面の２つの特定部位２２１、２２２におけるガスの平均入れ替り時間Ｔ１を、算出した。ここで、平均入れ替り時間Ｔ１とは、測定電極２２の表面の中でガスの上流側の特定部位２２１と下流側の特定部位２２２とにおいてそれぞれ算出されるガスの入れ替り時間の平均値を意味する。また、入れ替り時間とは、各特定部位２２１、２２２において、ガスが６３体積％分、入れ替るまでの時間として定義される。上記特定部位２２１、２２２は、センサ素子２の先端から３．７５〜４．２５ｍｍ基端側となる０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍの立方体状の領域とする。

【0047】

上記平均入れ替り時間Ｔ１が短いガスセンサ１０ほど、応答性に優れていることが予測される。そして、本例の解析結果を、図１７に示す。図１７に示すグラフの横軸は、流入総流量Ａと流出総流量Ｂとの積であるガス交換指標Ｅである。また、同図のグラフの縦軸が、平均入れ替り時間Ｔ１である。

【0048】

図１７から分かるように、ガス交換指標Ｅが大きくなるほど、平均入れ替り時間Ｔ１が短くなる。そして、ガス交換指標Ｅが１３ｍｇ²／ｓ²を下回ると、平均入れ替り時間Ｔ１が４５０ｍｓ（ミリ秒）を超えて長くなる。また、ガス交換指標Ｅが２０ｍｇ²／ｓ²以上となると、平均入れ替り時間Ｔ１を３５０ｍｓ以下に短縮することができる。
これらの解析結果から、ガス交換指標Ｅを１３ｍｇ²／ｓ²以上とすることにより、ガスセンサの応答時間を低減することができ、２０ｍｇ²／ｓ²以上とすることにより、一層ガスセンサの応答時間を低減することができると考えられる。

【0049】

（実験例２）
本例は、図１８に示すごとく、実施例１、２のガスセンサ１と基本構成を略同じくした種々のガスセンサを、実際のエンジンの排気管に設置して、その応答性を評価した例である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

【0050】

試験にあたっては、２．５Ｌの直列４気筒のエンジンの排気管に、各ガスセンサを設置した。そして、回転数１０００回／分にてエンジンを運転した。そして、エンジンに供給する混合気の空燃比Ａ／Ｆが１４となる状態と、１５となる状態とを複数回にわたって交互に形成した。また、ガスセンサの素子温度は７５０℃とした。

【0051】

そしてこのとき、ガスセンサによって実際に測定されるＡ／Ｆの値を調べた。すなわち、図１９の曲線Ｌ１に示すように、時刻ｔ１においてエンジンの空燃比を１４から１５へと移行したとき、時刻ｔ１から、曲線Ｌ２によって表したガスセンサによって測定されるＡ／Ｆの値が１４から１５に向かって６３％上昇するまで（すなわち、Ａ／Ｆの値が１４．６３となるまで）の時間を測定した。そして、この測定された時間と時刻ｔ１との時間のずれを応答時間Δｔ１として算出した。

【0052】

また、時刻ｔ２においてエンジンの空燃比（曲線Ｌ１）を１５から１４へと移行したとき、時刻ｔ２から、ガスセンサによって測定されるＡ／Ｆの値（曲線Ｌ２）が１５から１４に向かって６３％減少するまで（すなわち、Ａ／Ｆの値が１４．３７となるまで）の時間を測定した。そして、この測定された時間と時刻ｔ２との時間のずれを応答時間Δｔ２として算出した。
そして、これを複数回繰り返し、複数の応答時間Δｔ１及び複数の応答時間Δｔ２の平均値を算出して各ガスセンサの平均応答時間Ｔ２とした。

【0053】

なお、複数のガスセンサは、実験例１と同様に、インナカバー４１の形状、アウタカバー４２の形状、インナ側面孔５１、インナ底面孔５２、アウタ側面孔６１、アウタ底面孔６２の位置や大きさ、個数等を種々変更したものである。また、各ガスセンサのガス交換指標Ｅは、上述の流体解析によって得られる値である。

【0054】

本例の実験の測定結果を、図１８に示す。同図から分かるように、ガス交換指標Ｅが大きいほど、平均応答時間Ｔ２は短くなる。この傾向は、実験例１の結果（図１７）におけるガス交換指標Ｅと平均入れ替り時間Ｔ１との関係と略同様である。
そして、ガス交換指標Ｅが１３ｍｇ²／ｓ²を下回ると、平均応答時間Ｔ２が７３０ｍｓ（ミリ秒）を超えて長くなる。また、ガス交換指標Ｅが２０ｍｇ²／ｓ²以上となると、平均応答時間Ｔ２を７００ｍｓ以下に短縮することができる。

【0055】

本例の実験結果は、上記実験例１における解析結果による結論と略一致する。つまり、本例によっても、ガス交換指標Ｅを１３ｍｇ²／ｓ²以上とすることにより、ガスセンサの応答時間を低減することができ、２０ｍｇ²／ｓ²以上とすることにより、一層ガスセンサの応答時間を低減することができるということが確認できた。

【0056】

（実験例３）
本例は、図２０に示すごとく、ガスセンサの被液抑制能を評価した例である。
まず、実験例２と同様に、インナカバー４１の形状、アウタカバー４２の形状、インナ側面孔５１、インナ底面孔５２、アウタ側面孔６１、アウタ底面孔６２の位置や大きさ、個数等を種々変更した複数のガスセンサを用意した。そして、これらのガスセンサにつき、被水（被液）試験を行った。

【0057】

被水試験は、特開２００７−２２５５９２号公報に詳細に記載された被水確認試験方法を用いると共に以下の手順にて行った。すなわち、水平面に対して傾斜させた配管に、ガスセンサを取付ける。そして、配管の上端開口部から水滴を含む空気を、噴射機から複数回噴射する。このときの、ガスセンサに内蔵されたセンサ素子２への被水痕面積を、測定した。

【0058】

実験結果を図２０に示す。同図から分かるように、ガス交換指標Ｅが８０ｍｇ²／ｓ²を超えると、被水痕面積が約３０ｍｍ²と大きくなる。また、ガス交換指標Ｅが７２ｍｇ²／ｓ²以下であれば、被水痕面積が２０ｍｍ²以下に抑制されている。この結果から、素子カバー４による被液抑制能を充分に得るためには、ガス交換指標Ｅを８０ｍｇ²／ｓ²以下とすることが求められることがわかる。また、ガス交換指標Ｅを７２ｍｇ²／ｓ²以下とすることにより、被液抑制能をより向上させることができることが分かる。

【0059】

なお、上記実施例においては、有底筒状のコップ型のセンサ素子を備えたガスセンサにつき説明したが、板棒状の固体電解質体に他の層を積層してなるセンサ素子を備えたガスセンサに、本発明を適用することもできる。

【符号の説明】

【0060】

１ ガスセンサ
２ センサ素子
２１ 固体電解質体
２２ 測定電極
２３ 基準電極
３ ハウジング
４ 素子カバー
４１ インナカバー
４２ アウタカバー
４１１ インナ側壁部
４１２ インナ底壁部
４２１ アウタ側壁部
４２２ アウタ底壁部
５１ インナ側面孔
５２ インナ底面孔
６１ アウタ側面孔
６２ アウタ底面孔
Ｚ 軸方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】