JP2004037471A

JP2004037471A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2004037471A
Application number: JP2003323648A
Authority: JP
Inventors: Naokatsu Atsumi; 渥美　尚勝; Satoshi Ishikawa; 石川　聡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】　二重構造プロテクタの使用により検出部への被水や被毒に対する保護機能が高められ、かつ該プロテクタの構造改良により検出応答の正確性にも優れたガスセンサを提供する。
【解決手段】　ガスセンサ１においては、二重構造プロテクタ１００の使用により検出部２ｋに対する被水や被毒に対する保護機能が高められる。また、外側の第一筒状部１０１の側壁内面と内側の第二筒状部１０２の側壁外面との間に形成される側方隙間の大きさをｇ1とし、第一筒状部１０１の底部内面と第二筒状部１０２の底部外面との間の距離をｇ2としたときに、ｇ1＞ｇ2とされる。また、第一筒状部１０１の側壁には第一側ガス流通孔１０３が、第二筒状部１０２の側壁には第二側ガス流通孔１０４が形成され、第一側ガス流通孔１０３が第二側ガス流通孔１０４よりも、検出素子２の軸線方向において前方側に位置するように、互いにずれた位置関係で形成される。これにより、被測定成分の濃度が急激に変化しても、センサ出力の立ち下がりを鋭くでき、検出の正確性に優れる。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯＸセンサなど、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに関する。

　上述のようなガスセンサとして、被検出成分を検出する検出部が先端に形成された棒状ないし筒状の検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置した構造のものが知られている。このようなガスセンサは、該ケーシングの一部をなす主体金具の外周面に形成されたねじ部により排気管等の所定の取付部に取り付けられるとともに、主体金具の端部から突出する検出部が測定雰囲気中に保持され、被検出成分を検出する。そして、多くのガスセンサにおいては、測定雰囲気中に位置する検出部を被水や被毒から保護するために、該検出部を覆うプロテクタが設けられている。プロテクタの側壁部にはガス流通孔が形成され、排気ガス等の被測定ガスは、このガス流通孔からプロテクタ内に導かれて検出部と接触させられる。ここで、最近では、検出部の保護性能を高めるため、該プロテクタを内外２つの筒状部からなる二重構造としたものも多く使用されている。

　ところで、上記のような二重構造のプロテクタにおいては、検出部の保護性能は高められるが、壁部が二重となる分だけ、ガス流通孔を経た被測定ガスの流通に対する抵抗が増大し、例えばプロテクタ外側の測定雰囲気と、検出部の配置されるプロテクタ内部空間との間での被測定ガスの交換速度も小さくなることが多い。そのため、測定雰囲気中の被測定成分の濃度が急激に変化した場合等においては、例えば空燃比測定の正確性に欠ける不具合が生ずることもある。

　上記不具合は、例えばジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層の両側に多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子により検出部が構成され、その濃淡電池起電力の変化に基づいて空燃比や酸素濃度の検出を行うλ型酸素センサにおいて大きな問題となることが多い。すなわち、該λ型酸素センサの場合、測定雰囲気が酸素過剰のリーン雰囲気から可燃成分過剰のリッチ雰囲気に転ずる場合は、可燃成分の多孔質電極への吸着が速やかに起こるため、比較的鋭敏な立ち上がり応答が期待できる。しかしながら、リッチ雰囲気からリーン雰囲気に転じる場合には、多孔質電極に吸着した可燃ガス成分の脱着が、吸着時ほどには速やかに進行しないため、これにガス交換進行の遅延も重なって、立ち下がり応答の遅れが特に生じやすくなる。

　また、立ち下がり応答に遅れが生じると、次のような問題にもつながる。すなわち、エンジン制御部は、酸素センサの出力がある一定レベルまで下がると雰囲気がリッチ側へシフトするように燃焼制御を行うこととなる。しかしながら、センサの出力は、雰囲気が相当希薄にならないと低下しないから、リッチ側へシフトさせる燃焼制御も必然的に遅れてしまう。そして、ようやくリッチ側への燃焼制御が進み始めると、今度はセンサ出力が比較的鋭敏に立ち上がってしまい、これを受けてエンジン制御部は、雰囲気が十分リッチにならないうちに燃焼制御を停止しまうことになる。その結果、雰囲気が常にリーン側にずれた状態で制御されてしまう、いわゆるリーンシフト制御が生じ易くなる。これは、センサ出力の立ち下がり時と立ち上がり時とで、応答挙動が等価でないことに基づく不具合であるともいえる。

　本発明の課題は、二重構造プロテクタの使用により検出部への被水や被毒に対する保護機能が高められ、かつ該プロテクタの構造改良により検出の応答性にも優れたガスセンサを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　本発明のガスセンサは、上記課題を解決するために、先端部に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出する検出素子と、検出部を突出させた状態で検出素子を覆う筒状の素子収容体と、その素子収容体の、検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタとを備え、そのプロテクタが、それぞれ有底に構成される内外２つの筒状部、すなわち外側の第一筒状部と内側の第二筒状部とを有する二重構造とされ、その第一筒状部の側壁内面と第二筒状部の側壁外面との間には所定量の隙間（以下、側方隙間という）が形成されるとともに、その側方隙間の大きさをｇ1とし、第一筒状部の底部内面と第二筒状部の底部外面との間の距離をｇ2としたときに、ｇ1＞ｇ2とされ、第一筒状部の側壁には第一側ガス流通孔が、第二筒状部の側壁には第二側ガス流通孔が、検出素子の軸線方向において該検出素子の先端に向かう側を前方側として、第一側ガス流通孔が第二側ガス流通孔よりも前方側に位置するように、互いにずれた位置関係で形成され、検出素子の先端が、第二側ガス流通孔よりも前方側に位置するものとされ、さらに、第一筒状部の底部と第二筒状部の底部とを貫く形態で底部ガス流通孔が形成されたことを特徴とする。

　上記ガスセンサの構成では、二重構造プロテクタの使用により検出部に対する被水や被毒に対する保護機能が高められ、かつガス流通孔を上記のような位置関係で形成することで、測定雰囲気中の被測定成分の濃度が急激に変化した場合等においても、センサ出力の立ち下がりを鋭くでき、検出の正確性（例えば、いわゆるλ制御の正確性）に優れる。

　上記プロテクタの構造により、検出の正確性が改善される機構としては下記のようなものが推測される。すなわち、プロテクタを構成する第一筒状部と第二筒状部との底部間の間隔ｇ2が、同じく側壁間に形成される側方隙間の大きさｇ1よりも小さく設定され、かつ第一筒状部と第二筒状部の各側壁に第一側ガス流通孔と第二側ガス流通孔とが、前者が後者よりも前方側に位置するように形成されている。これにより、第一側ガス流通孔からプロテクタ内に導かれた被測定ガスは、上記側方隙間内において、検出素子の先端位置よりも後方側に形成された第二側ガス流通孔に向け、優先的に流れるようになる。つまり、被測定ガスは迂回経路をたどり、第二筒状部の内部に導かれる。従って、第二筒状部内へのガスの流入、ひいては第二筒状部内がリーン雰囲気からリッチ雰囲気に転ずるのに遅れが生ずる。この遅れ作用により、迂回経路がない場合に比べて第二筒状部内がリーン雰囲気に保持される時間が長くなるので、例えば可燃ガス成分の脱着を十分に進行させることができるようになる。その結果、リッチ雰囲気からリーン雰囲気に転じた後、酸素センサ出力に応じてエンジンの燃焼がフィードバック制御され、再度リッチ雰囲気に転ずるような場合においても、酸素センサの出力が十分に下がりきった後、再度上昇するセンサ特性が得られるようになり、正確な制御が可能となる。

　さらに、第一筒状部の底部と第二筒状部の底部とには、これらを貫く形態で底部ガス流通孔が形成されているので、第二筒状部の内部には、検出素子と第二筒状部との隙間を通ってその第二側ガス流通孔から底部ガス流通孔に向かう流れが形成されやすくなる。これにより被測定ガスは、検出素子の先端部側面、すなわち検出部側面に沿って比較的大きな流速で流れた後、底部ガス流通孔から速やかに排出されるので、リッチ雰囲気とリーン雰囲気との置換性もよくなると考えられる。このことは、出力立ち下がり時において可燃ガス成分の脱着の進行を促進するので、センサ特性改善の上で同様の効果を生じているものと考えられる。

　この場合、検出部が、酸素イオン伝導性固体電解質層の片側に検出側多孔質電極を、これと反対側に酸素基準側多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子を含んで構成されており、かつ第二側ガス流通孔から底部ガス流通孔に向かう被測定ガスが、その検出側多孔質電極の表面に沿って流れるようになっている場合に、特に顕著な効果を得ることができる。

　すなわち、上記のような酸素濃淡電池素子を用いるガスセンサとしては、例えばλ型酸素センサがあるが、これは空燃比測定等においてリッチ雰囲気からリーン雰囲気に転じる場合に、可燃ガス成分の電極からの脱着速度が遅いため、応答に遅れを生じやすいことは既に説明した通りである。しかしながら、上記本発明の構成によれば、被測定ガスが検出側多孔質電極の表面に沿って流れやすくなるため、多孔質電極に吸着した可燃ガス成分の脱着が促進され、検出の正確性を大幅に高めることができる。

　第一側ガス流通孔からプロテクタ内に導かれた被測定ガスを、第二側ガス流通孔に向けて優先的に流れるようにするためには、第一筒状部と第二筒状部との底部間には隙間がなるべく形成されていないことが望ましい。ここに隙間が形成されていると、第一側ガス流通孔から第一筒状部側の底部ガス流通孔へ短絡する流れが生じ、第二筒状部内のガス交換が滞りやすくなるためである。従って、第一筒状部は、その底部内面が第二筒状部の底部外面と接する形で配置されていることが望ましいといえる。この場合、第一筒状部を第二筒状部に対し底が当たる位置まで挿入すればよいので、両筒状部の軸線方向の位置合わせも不要となり、組立工程の簡略化を図ることができる利点も生ずる。

　もし上記両筒状部の底部間に隙間を形成する場合は、両底部を貫いて排出されるガスの流れがなるべく妨げられないように、それぞれ形成されたガス流通孔を略同心的な位置関係で形成することが望ましい。

　第一側ガス流通孔は、第一筒状部の側壁部に対しその周方向に所定の間隔で複数個形成することができる。また、第二側ガス流通孔は第二筒状部の側壁部に対しその周方向に所定の間隔で複数個形成することができる。これにより、プロテクタに対し、その軸線周りにおいて各種方向から被検出ガスが当たる場合でも、略等価なガス流入特性が実現され、検出応答性に対するガス流方向の影響を小さくすることができる。

　また、上記ガスセンサにおいては、軸線方向において、第一側ガス流通孔の形成位置から第二側ガス流通孔の形成位置までの距離をｄ1とし、該第一筒状部の底部内面位置から第一側ガス流通孔の形成位置までの距離をｄ2としたときに、ｄ1＞ｄ2となっているのがよい。ｄ1≦ｄ2となっていると、側方隙間内において、第一側ガス流通孔よりも軸線方向前方側に比較的大きな空間が形成されるため、ここに流れ込むガス流の影響で第二側ガス流通孔へ向かうガス流が妨げられ、プロテクタ内のガス交換が妨げられる場合がある。なお、本明細書においてガス流通孔の形成位置は、筒状部外面における孔開口部の幾何学的重心位置（例えば孔開口部が円形の場合は、その中心位置）として定義する。

　また、検出素子の軸線方向において、第二側ガス流通孔の形成位置から検出素子の先端位置までの距離をｈ1、該検出素子の先端位置から第二筒状部の底部内面位置までの距離をｈ2としたときに、ｈ1＞ｈ2となっているのがよい。ｈ1≦ｈ2になっていると、第二側ガス流通孔から底部ガス流通孔へ向かうガス流に対する検出部表面の接触面積が減じ、プロテクタ内に流れ込んだ被測定ガスと検出部との接触がスムーズに進まず、応答性が悪化する場合がある。

　以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。図１は本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示している。該酸素センサ１は通称λセンサあるいはＯ２センサと呼ばれるもので、先端が閉じた中空軸状の固体電解質部材である酸素検出素子２と、軸状のセラミックヒータである発熱体３とを備えて構成される。酸素検出素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。

　この酸素検出素子２の中間部外側には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ６，７、並びにタルクから形成されたセラミック粉末８を介して、検出素子収容体としての金属製のケーシング１０が設けられ、酸素検出素子２はケーシング１０と電気的に絶縁された状態でこれらを貫通している。ケーシング１０は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部９ｂを有する主体金具９、その主体金具９の一方の開口部に内側が連通するように結合された内筒部材１４等を備える。また、図２に示すように、酸素検出素子２の内面及び外面には、そのほぼ全面を覆うように一対の電極層２ｂ，２ｃが設けられている。これら電極層２ｂ，２ｃはいずれも、酸素検出素子２を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されている。このうち、外側の電極層２ｂは検出側多孔質電極、内側の電極層２ｃは基準側多孔質電極として機能する（以下、検出側多孔質電極２ｂ及び基準側多孔質電極２ｃともいう）。

　なお、以下においては、酸素検出素子２の軸方向においてその閉じた先端部に向かう側を「前方側（あるいは先端側）」、これと反対方向に向かう側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。

　まず、主体金具９の後方側の開口部には、前述の内筒部材１４がインシュレータ６との間にリング１５を介してかしめられ、この内筒部材１４にさらに外筒部材５４が外側から嵌合・固定されている。この外筒部材５４の図中上端側の開口はゴム等で構成されたグロメット（弾性シール部材）１７で封止され、またこれに続いてさらに内方にセラミックセパレータ１８が設けられている。そして、それらセラミックセパレータ１８及びグロメット１７を貫通するように、酸素検出素子２用のリード線２０，２１及び発熱体３用のリード線（リード線２０，２１の影になって見えない）が配置されている。

　酸素検出素子２用の一方のリード線２０は、端子金具２３のコネクタ部２４及びこれに続く引出し線部２５、並びに端子金具２３の内部電極接続部２６を経て、前述の酸素検出素子２の内側の電極層２ｃ（図２）と電気的に接続されている。一方、他方のリード線２１は、別の端子金具３３のコネクタ部３４及びこれに続く引出し線部３５並びに外部電極接続部３５ｂを経て、酸素検出素子２の図示しない外側の電極層と電気的に接続されている。

　ここで、酸素検出素子２は、排気ガス温が十分高温となっている場合には当該排気ガスで加熱されて活性化されるが、エンジン始動時など排気ガス温が低温である場合には前述の発熱体３（例えばセラミックヒータ）で強制的に加熱することで活性化される。該発熱体３は、端子金具２３により酸素検出素子２の中空部内に保持される。

　次に、図１に示すように、外筒部材５４は、内筒部材１４（ケーシング１０）に対し後方外側からほぼ同軸的に連結される筒状形態をなす。内筒部材１４の後端部は、段付き部５１に関して軸方向前方側を第一部分６１、同じく軸方向後方側を第二部分６２として、その第二部分６２に周方向の複数のガス導入孔５２が形成されている。該第二部分６２の外側には、上記ガス導入孔５２を塞ぐ筒状のフィルタ５３が配置され、そのフィルタ５３の外側を覆う外筒部材５４の壁部には、周方向に所定の間隔で複数の補助ガス導入孔５５が形成される。また、補助ガス導入孔５５の列を挟んで両側に、フィルタ５３を自身と内筒部材１４の第二部分６２との間で圧着固定する環状のフィルタかしめ部５６，５７が形成されている。なお、フィルタ５３は、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ空気及び／又は水蒸気などのガスの透過は許容する撥水性フィルタ（商品名：例えばゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）））により構成されている。他方、外筒部材５４は、第一部分６１において内筒部材１４に対し外側からこれに重なりを生じるように配置され、その重なり部には周方向の環状の外筒／内筒連結かしめ部７５が形成されている。この外筒／内筒連結かしめ部７５により、外筒部材５４が内筒部材１４に対して結合される。

　次に、主体金具９の前方側開口部には筒状のプロテクタ装着部９ａが形成され、ここから突出する酸素検出素子２の先端側、すなわち検出部２ｋを所定の空間を隔てて覆うように、キャップ状のプロテクタ１００が装着されている。該プロテクタ１００は、有底の第一筒状部１０１と、その内側に所定の隙間を経て同心的に配置された有底の第二筒状部１０２とを有する二重構造となっている。

　図３に示すように、第二筒状部１０２は、その側壁部に対し軸方向において開口端部寄りの中間位置に、テーパ面状の段差部１０２ｂが形成されている。そして、その段差部１０２ｂに関して開口側に位置する端部が、第一筒状部１０１の内径にちょうど嵌まる程度に拡径されて第一部分１０２ａを形成する一方、上記段差部１０２ｂに関してこれと反対側に位置する部分は、該第一部分１０２ａよりも径小の第二部分１０２ｃとされている。これにより、第一筒状部１０１の側壁内面と第二筒状部１０２の側壁外面との間には所定量の側方隙間Ｇ1が形成されている。

　第一筒状部１０１と第二筒状部１０２には、各々その底部中央にガス流通孔１０５，１０６が、互いに同心的にかつ略同じ大きさの円形状に形成される。そして、それら底部は、溶接部１５３（例えばスポット溶接等の抵抗溶接にて形成されたもの）により互いに結合されている。本実施例では、該溶接部１５３は、底部ガス流通孔１０５，１０６の周囲を取り囲む形で複数個形成されている。ここで、図５（各部を示す符号については図３を参照）に示すように、側方隙間Ｇ1の大きさをｇ1とし、第一筒状部１０１の底部内面と第二筒状部１０２の底部外面との間の距離をｇ2としたときに、ｇ2は略ゼロであるからｇ1＞ｇ2を満たしている。なおｇ1＞ｇ2を満たす範囲で、第一筒状部１０１の底部内面と第二筒状部１０２の底部外面との間には、若干の隙間が形成されていてもよい。

　次に、第一筒状部１０１の側壁部には、各々開口部が円形状に形成された第一側ガス流通孔１０３が周方向に略一定の角度間隔で複数（本実施例では８個）形成されている。また、第二筒状部１０２の側壁部にも同様の第二側ガス流通孔１０４が、第一側ガス流通孔１０３と略同じ角度間隔で複数（本実施例では８個）形成されている。そして、それら第一側ガス流通孔１０３と第二側ガス流通孔１０４とは、検出素子２の軸線Ｏの方向において該検出素子２の先端に向かう側を前方側として、第一側ガス流通孔１０３が第二側ガス流通孔１０４よりも前方側に位置するように、互いにずれた位置関係で形成されている。

　図７に分解状態で示すように、第一筒状部１０１には、周方向の第一側ガス流通孔１０３の列を除いて、その側壁部には他のガス流通孔が形成されていない。また、第二筒状部１０２には、周方向の第二側ガス流通孔１０４の列を除いて、その側壁部には他のガス流通孔が形成されていない。なお、第一側ガス流通孔１０３と第二側ガス流通孔１０４とは、図４（ａ）に示すように、第一筒状部１０１及び第二筒状部１０２の周方向において、互いにほぼ同じ角度位相で形成されているが、図４（ｂ）に示すように、これを異なる角度位相で形成してもよい。

　また、図５（図３も参照）に示すように、検出素子２の軸線Ｏの方向において、第一側ガス流通孔１０３の形成位置から第二側ガス流通孔１０４の形成位置までの距離をｄ1とし、該第一筒状部１０１の底部内面位置から第一側ガス流通孔１０３の形成位置までの距離をｄ2としたときに、ｄ1＞ｄ2となっている。同じく第二側ガス流通孔１０４の形成位置から検出素子２の先端位置までの距離をｈ1、該検出素子２の先端位置から第二筒状部１０２の底部内面位置までの距離をｈ2としたときに、ｈ1＞ｈ2となっている。

　このようなプロテクタ１００は、図３に示すように、その装着代部１０１ａに対し主体金具９のプロテクタ装着部９ａを挿入し、装着代部１０１ａとプロテクタ装着部９ａとの重なり部に対し周方向に連続的又は断続的に形成された溶接部９０を、例えばレーザー溶接やスポット溶接等により形成する形で取り付けられている。

　以下、酸素センサ１の作動について説明する。図１に示す上記酸素センサ１においては、前述の通り外筒部材５４のフィルタ５３を介して基準ガスとしての大気が導入される一方、図３に示すように、酸素検出素子２の外面には、プロテクタ１００のガス流通孔１０３，１０４を介して導入された被測定ガス、例えば内燃機関から排出される排気ガスＥＧが接触する。これにより、該酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として電極層２ｂ，２ｃからリード線２１，２０を介して取り出すことにより、排気ガスＥＧ中の酸素濃度を検出できる。この種のλセンサ（あるいはＯ２センサ）は、排気ガス組成が理論空燃比となる近傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことから、空燃比検出用に広く使用されるものである。

　そして、その検出部２ｋを保護するプロテクタ１００が二重構造になっていることから、検出部２ｋに対する被水や被毒に対する保護機能が高められている。さらに、その内外の筒状部１０１，１０２のガス流通孔１０３，１０４を上記のような位置関係で形成することで、測定雰囲気中の被測定成分の濃度が急激に変化した場合等においても、その検出の正確性に優れる。具体的には、排気ガスＥＧの組成がリーン側からリッチ側に急変した場合、逆にリッチ側からリーン側に急変した場合のいずれにおいても、センサ出力の応答追従性の差が小さく、正確な空燃比検知が可能となるのである。

　すなわち、図３に示すように、第一筒状部１０１と第二筒状部１０２とは底部が接して配置されることで、第一側ガス流通孔１０３から第一筒状部１０１側の底部ガス流通孔１０５へ短絡する流れが発生せず、導入された排気ガスＥＧはほぼ全てが、第一側ガス流通孔１０３から側方隙間Ｇ1内において、検出素子２の先端位置よりも後方側に形成された第二側ガス流通孔１０４に向けて流れるようになる。そして、第一筒状部１０１の底部と第二筒状部１０２の底部とには、これらを貫く形態で底部ガス流通孔１０５，１０６が形成されているので、第二筒状部１０２の内部においては、さらにその第二側ガス流通孔１０４から、検出素子２と第二筒状部１０２との隙間Ｇ2を通って、底部ガス流通孔１０５，１０６に向かう流れが形成されやすくなる。これにより排気ガスＥＧは、検出部２ｋの側面に沿って比較的大きな流速で流れた後、底部ガス流通孔１０５，１０６から速やかに排出されるので、センサの応答追従性の差を小さくできると考えられる。

　ここで、検出部２ｋは、図２に示すように、酸素イオン伝導性固体電解質層の片側（外側）に検出側多孔質電極２ｂを、これと反対側（内側）に酸素基準側多孔質電極２ｃを形成した酸素濃淡電池素子として構成され、第二側ガス流通孔１０４から底部ガス流通孔１０５，１０６に向かう排気ガスＥＧが、比較的大きな流速で検出側多孔質電極２ｂの表面と接触する形となる。例えばλセンサを用いて空燃比測定を行う場合、排気ガス組成がリッチからリーンに転じる場合は、可燃ガス成分の脱着速度が吸着時と比較すれば遅いため、従来は応答に遅れを生じやすかった。しかしながら、上記構成によれば、排気ガスＥＧが検出側多孔質電極２ｂに接するまでに遅れがあり、また、検出側多孔質電極２ｂと接する排気ガスＥＧの面積が大きいので、センサ出力の応答追従性の差が小さくなり、検出の正確性を大幅に高めることができる。

　なお、図５により示すプロテクタ１００の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図１に示すものの具体的な数値例である）。
Ｄ1（第一側ガス流通孔１０３の開口面積）：
　１〜１０ｍｍ^２（４．９ｍｍ^２）
※Ｄ1が１ｍｍ^２未満になると、被測定ガスの第一筒状部１０１内への流入に対する抵抗が大きくなり過ぎ、センサの検出の正確性に悪影響を及ぼす場合がある。また、Ｄ1が１０ｍｍ^２を超えると、検出ガスの流入遅れが生じにくくなり、酸素センサの出力が下がりきらないまま、リッチ出力が立ち上がってしまい、検出の正確性を悪化させる場合がある。

Ｄ2（第二側ガス流通孔１０４の開口面積）：
　１〜１０ｍｍ^２（４．９ｍｍ^２）
※Ｄ2が１ｍｍ^２未満になると、被測定ガスの第二筒状部１０２内への流入に対する抵抗が大きくなり過ぎ、検出の正確性に悪影響を及ぼす場合がある。また、Ｄ2が１０ｍｍ^２を超えると、検出ガスの流入遅れが生じにくくなり、酸素センサの出力が下がりきらないまま、リッチ出力が立ち上がってしまい、検出の正確性を悪化させる場合がある。また、Ｄ2の面積が大きくなりすぎると（特にＤ2＞Ｄ3（Ｄ3については後述）になると）、ガスがスムーズに底部ガス流通孔１０５，１０６から抜けにくくなることがある。

Ｄ3（底部ガス流通孔１０５，１０６の開口面積）：
　１〜１０ｍｍ^２（７ｍｍ^２）
※Ｄ3が１ｍｍ^２未満になると、被測定ガスの流出に対する抵抗が大きくなり過ぎ、特にＤ2＞Ｄ3の場合には、検出の正確性に悪影響を及ぼす場合がある。また、Ｄ3が１０ｍｍ^２を超えると、被測定ガスの逆流が生じやすくなり、同様に応答性を悪化させる場合がある。また、Ｄ1やＤ2の寸法にもよるが、被測定ガスの流出速度が大きくなり過ぎ、被検出成分の濃度変化が生じた場合に応答が追従できなくなることもありうる。

ｄ1：５〜１５ｍｍ（７ｍｍ）
ｄ2：１．５〜５ｍｍ（２．６ｍｍ）
ｄ1／ｄ2：１〜１０（２．７）
※ｄ1／ｄ2が１以下になると、側方隙間Ｇ1内において、第一側ガス流通孔１０３よりも軸線方向前方側に比較的大きな空間が形成されるため、ここに流れ込むガス流の影響で第二側ガス流通孔１０４へ向かうガス流が妨げられ、プロテクタ内のガス交換が妨げられる場合がある。逆にｄ1／ｄ2が１０を超えると、第二側ガス流通孔１０４へ向かう流路長さが大きくなり過ぎ、プロテクタ内のガス交換が却って妨げられる場合がある。

ｇ1：０．３〜１．５ｍｍ（０．５３ｍｍ）
※ｇ1が０．３ｍｍ未満になると、ガス流に対する抵抗が大きくなり過ぎ、検出精度が低下する場合がある。他方、ｇ1が１．５ｍｍを超えると、第二側ガス流通孔１０４への流入速度が下がる場合がある。

ｇ3（第二側ガス流通孔１０４の中心位置における第二筒状部１０２の側壁内面と、検出素子２の外面との距離）：０．５〜２．０ｍｍ（１．０ｍｍ）
※ｇ3が０．５ｍｍ未満になるとガス流に対する抵抗が大きくなり過ぎ、検出精度が低下する場合がある。他方、ｇ3が２．０ｍｍを超えると、底部ガス流通孔１０５，１０６から流出する速度が下がる場合がある。

ｈ1：５〜２０ｍｍ（９ｍｍ）
ｈ2：０．５〜３．０ｍｍ（１．０ｍｍ）
※ｈ1が５ｍｍ未満になると、検出素子２のガス流との接触長さが短くなり過ぎ、被検出成分の濃度変化が生じた場合に応答が追従できなくなることがある。また、ｈ1が２０ｍｍを超えるとガス流路長さが大きくなり過ぎ、プロテクタ内のガス交換が却って妨げられる場合がある。ｈ2が０．５ｍｍ未満になると、検出素子２の先端が底部ガス流通孔１０５，１０６に近づき過ぎ、ガスの排出が妨げられて検出精度が低下する場合がある。逆にｈ2が３．０ｍｍを超えるとプロテクタの全長が無駄に長くなり、センサ１のコンパクト化を図るうえで不利となる。

Ｈ1（第一筒状部１０１の全長）：例えば２０．０ｍｍ
Ｈ2（第二筒状部１０２の全長）：例えば１５．４ｍｍ

　また、図６により示す主体金具９の各部の寸法は、例えば以下のように設定できる（なお、括弧内は、図１に示すものの具体的な数値例である）。
Ｋ1：２５〜３０ｍｍ（２９．６ｍｍ）
Ｋ2：１３〜１７ｍｍ（１６．８ｍｍ）
Ｋ3：１２．５〜１３．０ｍｍ（１２．８ｍｍ）
Ｋ4：８．８〜９．２ｍｍ（９ｍｍ）
Ｋ5：３．６〜４ｍｍ（３．８ｍｍ）
Ｋ6：１〜２．５ｍｍ（２ｍｍ）
Ｋ7：０．５〜１．５ｍｍ（１ｍｍ）
Ｋ8：１２〜１４ｍｍ（１３．９ｍｍ）
Ｋ9：７〜１０ｍｍ（９．６ｍｍ）
Ｋ10：７．５〜１０．５ｍｍ（１０ｍｍ）
Ｋ11：２０．０〜２３．６ｍｍ（２３．１ｍｍ）
Ｋ12：５〜７ｍｍ（６．５ｍｍ）
Ｋ13：２１．８〜２２．２ｍｍ（２２ｍｍ）
Ｋ14：例えば、Ｍ１８程度Ｋ15：９．３〜１１．２ｍｍ（９．５ｍｍ）
Ｋ16：７．３〜７．７ｍｍ（７．５ｍｍ）
Ｋ17：１６．３〜１６．７ｍｍ（１６．５ｍｍ）
Ｋ18：１１．４〜１１．８ｍｍ（１１．６ｍｍ）
Ｋ19：１５．８〜１６．２ｍｍ（１６ｍｍ）

　また、図１において、センサ１の全長Ｌ1は約８４ｍｍである。また、主体金具９のガスケットＧの受け面９ｄから、プロテクタ１００の先端面までの長さＬ2は約２９ｍｍである。

　なお、プロテクタ１００は主体金具９に対し、以下の図８〜図１１に示す方法にて形成される加締め溶接構造部１５０（図１１（ａ））により接合することもできる。すなわち、図８に示すように、主体金具９のプロテクタ装着部９ａを、プロテクタ１００の装着代部１０１ａに対し、該装着代部１０１ａの開口縁が金具端面に当たる位置まで挿入する。そして、図９に示すように、この状態で装着代部１０１ａの軸方向中間部を、プロテクタ装着部９ａに向けて周方向に加締めることにより、図１０に示すように加締め部８１を形成する。このとき、プロテクタ装着部９ａ側には、この加締め部８１に対応して環状の凹所が形成される場合がある。

　次いで、図１１（ａ）に示すように、この加締め部８１に対し、周方向の溶接部８３を、例えばレーザー溶接により形成すれば、目的とする加締め溶接構造部１５０が得られる。ここで、溶接部８３の幅をｗ1、加締め部８１の幅をｗ2とした場合、接合強度確保の観点からｗ1／ｗ2は０．５以上とするのがよい（図１の例では、ｗ1は約０．７ｍｍ、ｗ2は約１ｍｍ、ｗ1／ｗ2は約０．７である）。また、図１１（ｂ）に示すように、加締めによる圧着力をプロテクタ装着部９ａ（内側部材）側に十分生じさせ、良好な圧着状態を確保するために、装着代部１０１ａ（外側部材）の厚さｔ2は１ｍｍ以下に設定するのがよい（図１の例では、ｔ2は約０．４ｍｍである）。さらに、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）側の溶接部８３の侵入深さｄ1は、接合強度確保の観点から０．３ｍｍ以上となっているのがよい。ただし、プロテクタ装着部９ａ（内側部材）を厚さ方向に貫く形で溶接部８３が形成されると、溶接欠陥等の影響を受けて接合強度が低下する場合があるので、上記侵入深さｄ1はプロテクタ装着部９ａの厚さｔ1よりも小さくなっていることが望ましい。

　プロテクタ１００とプロテクタ装着部９ａとの重なり部に加締め部８１を予め形成して、両者の密着を高めた状態で、ここに全周の溶接部８３を形成して接合する構造とすることで、溶接部８３における欠陥発生が効果的に防止され、接合の気密性を高めることができる。例えば、酸素センサ１が低温となったときに、凝結した水滴がプロテクタの外面に付着することがある。この場合、主体金具９とプロテクタ１００とを接合する溶接部８３に欠陥があると、その欠陥部から凝結した水滴が侵入して検出部２ｋをぬらしたり、あるいは錆等の汚れを付着させたりする場合がある。しかしながら、主体金具９とプロテクタ１００との接合構造が上記加締め溶接構造部１５０となっていることで、そのような水滴や汚れの侵入等の不具合を効果的に防止することができる。

　なお、このような全周溶接部の形成は、従来は隙間嵌めあるいは圧入によりプロテクタ１００とプロテクタ装着部９ａとを嵌め合わせ、その状態で溶接部を形成するようにしていた。しかしながら、この方法では、プロテクタ１００とプロテクタ装着部９ａとの寸法管理、特にプロテクタ１００の内径とプロテクタ装着部９ａの外径との差に対する寸法管理を極度に厳しく行わないと良好な溶接接合状態が得られない場合があった。しかしながら、上記構成では、嵌め合わせの段階で多少径差がばらついていても、加締め部８１の形成により密着状態を確保できるので、上記のような厳しい寸法管理は不要となる。その結果、センサの製造能率及び歩留まりが向上する。

　なお、プロテクタ１００の開口基端部に、予め周方向の縮径部を例えばプレス加工等により帯状に形成しておき、その状態でその縮径部に主体金具９側のプロテクタ装着部９ａを圧入して、その縮径部に溶接部を形成することにより両者を接合してもよい。縮径部にプロテクタ装着部９ａを圧入することにより、プロテクタ１００の開口側が裾拡がり形態になりにくくなるので、同様に溶接部への欠陥発生確率を低減することができる。

　なお、以上説明した本発明のセンサの構造は、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯＸセンサなどにも同様に適用できる。

本発明のガスセンサの一実施例たる酸素センサの内部構造を示す縦断面図。図１の、発熱部と酸素検出素子との接触部付近を拡大して示す断面図。プロテクタの一例を示す平面図及び正面半断面図、Ａ−Ａ断面図及び底面図。第一側ガス流通孔と第二側ガス流通孔との形成位置関係のいくつかの例を示す軸断面模式図。プロテクタの寸法説明図。主体金具の寸法説明図。プロテクタの組立工程説明図。プロテクタと主体金具とを、加締め溶接構造部の形成により接合する工程を説明する図。図８に続く工程説明図。図９に続く工程説明図。図１０に続く工程説明図。

符号の説明

１酸素センサ（ガスセンサ）
２酸素検出素子（検出素子）
２ｂ検出側多孔質電極
２ｃ基準側多孔質電極
９主体金具
９ａプロテクタ装着部
１０ケーシング（素子収容体）
１００プロテクタ
１０１第一筒状部
１０２第二筒状部
１０３第一側ガス流通孔
１０４第二側ガス流通孔
１０５，１０６底部ガス流通孔

Claims

　先端部に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成分を検出する検出素子と、前記検出部を突出させた状態で前記検出素子を覆う筒状の素子収容体と、その素子収容体の、前記検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、前記被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロテクタとを備え、そのプロテクタは、それぞれ有底に構成される内外２つの筒状部、すなわち外側の第一筒状部と内側の第二筒状部とを有する二重構造とされ、その第一筒状部の側壁内面と第二筒状部の側壁外面との間には所定量の隙間（以下、側方隙間という）が形成されるとともに、その側方隙間の大きさをｇ1とし、前記第一筒状部の底部内面と前記第二筒状部の底部外面との間の距離をｇ2としたときに、ｇ1＞ｇ2とされ、前記第一筒状部の側壁には第一側ガス流通孔が、前記第二筒状部の側壁には第二側ガス流通孔が、前記検出素子の軸線方向において該検出素子の先端に向かう側を前方側として、前記第一側ガス流通孔が前記第二側ガス流通孔よりも前方側に位置するように、互いにずれた位置関係で形成され、前記検出素子の先端が、前記第二側ガス流通孔よりも前方側に位置するものとされ、さらに、前記第一筒状部の底部と前記第二筒状部の底部とを貫く形態で底部ガス流通孔が形成されたことを特徴とするガスセンサ。
　前記検出部は、酸素イオン伝導性固体電解質層の片側に検出側多孔質電極を、これと反対側に酸素基準側多孔質電極を形成した酸素濃淡電池素子を含み、前記第二側ガス流通孔から前記底部ガス流通孔に向かう被測定ガスが、前記検出側多孔質電極の表面に沿って流れるようになっている請求項１記載のガスセンサ。
　前記第一筒状部側の底部ガス流通孔と前記第二筒状部側の底部ガス流通孔とは略同心的な位置関係で形成されている請求項１又は２に記載のガスセンサ。
　前記第一筒状部は、その底部内面が前記第二筒状部の底部外面と接する形で配置されている請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ。
　前記第一側ガス流通孔は、前記第一筒状部の側壁部に対しその周方向に所定の間隔で複数個形成されており、前記第二側ガス流通孔は前記第二筒状部の側壁部に対しその周方向に所定の間隔で複数個形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセンサ。
　前記軸線方向において、前記第一側ガス流通孔の形成位置から前記第二側ガス流通孔の形成位置までの距離をｄ1とし、該第一筒状部の底部内面位置から前記第一側ガス流通孔の形成位置までの距離をｄ2としたときに、ｄ1＞ｄ2とされている請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンサ。
　前記軸線方向において、前記第二側ガス流通孔の形成位置から前記検出素子の先端位置までの距離をｈ1、該検出素子の先端位置から前記第二筒状部の底部内面位置までの距離をｈ2としたときに、ｈ1＞ｈ2とされている請求項１ないし６のいずれかに記載のガスセンサ。