JP2010164359A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出素子の応答性を低下させず、検出素子の被水を確実に防止することができるガスセンサを提供する。
【解決手段】外側導入孔１２５を介し第１空隙１２９に流入する排気ガスが内側周壁１３２に阻まれ、検出素子１０が被水から保護される。また第１空隙１２９に流入する排気ガスの流れがルーバー１２６によって先方向きに案内され、検出素子１０が直接晒されることがないので、検出素子１０が被水から保護される。その上、内側流通孔１３５が外側導入孔１２５よりも後端側に配置されるので、水分が、排気ガスの巻き込み等により内側流通孔１３５からガス検出室１４０内に導入されることがなく、検出素子１０が被水から保護される。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガス中に晒される検出素子を被水から保護するプロテクタを備えたガスセンサに関するものである。

従来、自動車などの排気ガス中の特定ガス、例えばＮＯｘ（窒素酸化物）や酸素などの濃度に応じ、大きさの異なる起電力が生じたり、抵抗値が変化したりする検出素子を備えたガスセンサが知られている。このガスセンサは自動車の排気管等に取り付けられて使用されるが、検出素子を加熱したり検出素子が高温の排気ガス中に晒されたりすることで、検出素子が高温となる。この状態で排気ガスに含まれる水分（水滴）が検出素子に付着（被水）し、検出素子が熱衝撃を受けると、検出素子にクラックや割れが生ずる虞がある。そこで、検出素子を被水から保護するため、ガスセンサには検出素子を覆うプロテクタが装着される。

ガスセンサのプロテクタとしては、主体金具から突出された検出素子の先端部を覆う内側プロテクタ（内側筒状部）と、その内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ径方向周囲を取り囲む外側プロテクタ（外側筒状部）とから構成される２重構造をなすものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、外側プロテクタの先端側に設けた外側導入孔（外壁ガス導入口）から外側プロテクタ内に排気ガスが導入され、その外側導入孔よりも後端側に設けた内側流通孔（内壁ガス導入口）を介し、排気ガスが検出室内（内側筒状部内）に導かれている。その際に、外側導入孔に設けられたルーバー（ガイド体）が排気ガスを案内し、内側プロテクタの外周面を取り囲む状態で旋回流を生じさせて、排気ガス中の水滴とガス成分とを分離させている。検出室内に導入された排気ガス（ガス成分）は、排出口を介して外部に排出される。その際に、内側流通孔から排出口へ向かう排気ガスの主流路（排気管内を流れる排気ガスの方向と同方向からプロテクタ内に導入され、外部に排出されるまでの流路のうち主流となる流路をいう。）上に検出素子が配置されることで、検出素子のガス応答性が確保されている。

また、ガスセンサのプロテクタの構造として、外側プロテクタ（外側保護カバー）と内側プロテクタ（内側保護カバー）との間に、さらに、中間プロテクタ（中間保護カバー）を設けた３重構造をなすものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２でも同様に、外側導入孔（外側ガス導入孔）から中間導入孔（中間ガス導入孔）および内側流通孔（内側ガス導入孔）を介し検出室内（内側保護カバー内）に導入される排気ガスの主流路上に検出素子が配置されることで、検出素子のガス応答性が確保されている。そして特許文献２では、プロテクタを３重構造とし、各孔の開口面積を調整することで内側流通孔を抜ける排気ガスの流速を低減させ、検出素子に向かって排気ガスが急速に当たることを抑制している。

しかし、特許文献１や特許文献２において、排気ガス中の水滴とガス成分とが完全に分離されるとは限らず、検出素子が主流路上に配置されていることから、依然として、検出素子が被水する虞がある。そこで、外側プロテクタ（外筒）の外側導入孔（外筒側面開口部）を後端側に設け、内側プロテクタ（内筒）の外周壁に沿って先端側へ向かい、排出口（外筒底面開口部）から外部に排出される主流路を形成する。さらに、内側流通孔（内筒側面開口部）を外側導入孔より先端側の位置にて形成し、主流路上に配置する。また、内側プロテクタ先端にも開口（内筒底面開口部）を設け、内側プロテクタ内を検出室（内筒内部）とし、検出素子を配置する（例えば、特許文献３参照。）。

主流路に向け開口された内側流通孔の側方を排気ガスが通過することで内側流通孔が負圧となり、内側流通孔を介して検出室の内部から外部へ向かう排気ガスの流れを生じさせるので、内側プロテクタ先端の開口から検出室内へ排気ガスを引き込んでガス置換を行うことができる。また、主流路上に検出素子が配置されないので、排気ガス中の水滴が完全に分離されていなくとも、検出素子の直接の被水は防止される。そして、内側プロテクタ先端の開口から検出素子へ向かう排気ガスの流れの方向が、主流路とは逆方向となるため、内側プロテクタ先端の開口からの検出室内への水滴の進入も抑制される。

特開２００４−１０９１２５号公報 特開２００４−３０１５７９号公報 特開２００８−７６２１１号公報

しかしながら、特許文献３では、内側流通孔が負圧となるように形成していたとしても、外側導入孔から内側プロテクタの外周壁に沿って先端側に向かう主流路上に内側流通孔が配置されていることから、水分が排気ガスの巻き込み等により内側流通孔から検出室内へ侵入する虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、検出素子の応答性を低下させず、検出素子の被水を確実に防止することができるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の実施態様に係るガスセンサは、軸線方向に延びると共に、自身の先端側に被検出ガスを検出するための検出部を有する検出素子と、前記検出部を自身の先端から突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記検出部の径方向周囲を取り囲む内側周壁を有し、自身の内部と外部との間で前記被検出ガスを流通可能にするための内側流通孔が前記内側周壁に形成された円筒状の内側プロテクタと、前記内側プロテクタの前記内側周壁との間に第１空隙を形成する外側周壁を有する外側プロテクタであって、前記外側周壁に、前記被検出ガスを前記第１空隙に導入するための外側導入孔、および当該外側導入孔を介して導入される前記被検出ガスの流路を案内する外側ガイド体が形成された外側プロテクタと、を備えたガスセンサにおいて、前記外側導入孔は、前記軸線方向において、前記内側プロテクタの前記内側周壁に対向するように形成されており、前記外側ガイド体は、前記外側導入孔の前記軸線方向後端から前記軸線方向先端側に向かって径方向内向きに延出する形態をなし、前記内側流通孔は、前記軸線方向において、前記外側導入孔の位置よりも後端側に形成されていることを特徴とする。

本実施態様のガスセンサでは、被検出ガスを第１空隙に導入する外側導入孔が、検出素子の検出部の径方向周囲を取り囲む内側周壁に対向するように形成されているので、被検出ガスが、直接、検出部に接触することがない。このため、被検出ガス中の水分（水滴）が検出部に接触することがない。また、外側導入孔に付設された外側ガイド体によって、外側導入孔から内側周壁に沿って先端側へ向かう主流路を形成しており、主流路上に検出部が配置されないので、排気ガス中の水分が完全に分離されていなくとも、検出素子の被水は防止される。さらに、内側流通孔が主流路上に配置されておらず、外側導入孔よりも後端側に配置されているので、水分が被検出ガスの巻き込み等により内側流通孔から内部へ導入されることがなく、検出部が被水されることを防止できる。よって、検出素子を確実に被水から保護することができる。

また、外側ガイド体により、被検出ガスの主流路が先端側へ案内されるので、内側流通孔では負圧が生ずる。この負圧によって、内側プロテクタの先端開口から被検出ガスを内部に引き込むガス流が生ずるため、内側プロテクタの内部にて、被検出ガスを流通状態に保つことができる。したがって、内側プロテクタの内部におけるガス交換性が確保され、内側プロテクタの内部にて被検出ガスが停滞しにくくなるので、検出素子を常に新しい被検出ガスに晒すことができ、被検出ガスに対する検出素子の高い応答性を確保することができる。なお、内側プロテクタの先端開口から検出素子へ向かう被検出ガスの流れの方向が、主流路とは逆方向となるため、内側プロテクタの先端開口からの検出部への水分の進入も抑制される。

また、本実施態様において、前記検出素子の先端の位置が、前記外側ガイド体の先端よりも先方側にあり、且つ、前記内側プロテクタの先端よりも後方側にあってもよい。検出素子の先端の位置を外側ガイド体の先端よりも前記軸線方向の先方側に配置し、内側プロテクタの先端に近づけるほど、検出部を、ガス流の入れ換わりが激しい、内側プロテクタの先端開口の近くに配置できるので、検出素子の高いガス応答性を確保することができる。そして、検出素子の先端の位置を内側プロテクタの先端よりも後方側に配置することで、主流路上に、直接、検出素子が配置されることがない。したがって被検出ガス中の水分が検出部に接触することがなく、検出素子を確実に被水から保護することができる。

また、本実施態様において、前記外側プロテクタの前記外側周壁を取り囲む最外側周壁を有し、当該最外側周壁と前記外側周壁との間に第２空隙を形成する最外側プロテクタを備え、前記最外側周壁には、前記被検出ガスを前記第２空隙に導入するための最外側導入孔が、前記外側導入孔よりも先端側の前記外側周壁に対向するように形成されていてもよい。最外側導入孔が、外側導入孔よりも先端側の外側周壁に対向するように形成された最外側プロテクタを備えることで、第２空隙に導入された被検出ガス中の水分とガス成分を分離させることができ、外側導入孔から導入される被検出ガス中の水分を削減することができる。よって、検出素子をより確実に被水から保護することができる。

また、本実施態様のガスセンサの前記内側プロテクタが、前記主体金具内で前記検出素子を保持するための保持部材と一体に形成されていてもよい。内側プロテクタと保持部材を別体で形成するよりも部品点数を削減できる。また、主体金具内に保持部材を位置決めして固定するだけで内側プロテクタの位置決めと固定を行えるので、内側プロテクタに位置決めおよび固定を行うための部位を設ける必要がない。したがって内側プロテクタの小型化も図ることができるので、第１空隙や内側プロテクタ内のスペースをより大きく確保することができ、ガス流通性を高め、検出素子の高いガス応答性を確保することができる。

また、本実施態様のガスセンサの前記検出素子は、前記軸線方向に延びる板状をなすものであってもよく、また、前記検出部には、前記被検出ガスを前記検出素子の内部に導入するガス導入口が、前記検出素子の板幅方向両端の側面に形成されていてもよい。板幅方向両端の側面にガス導入口が形成された検出素子の保護のためのプロテクタに、３重構造のプロテクタを適用すれば、内側プロテクタとガス導入口との間のクリアランスが小さくなるが、本実施態様のガスセンサであれば、内側プロテクタ内におけるガス流通性を十分に確保できるので、検出素子の高いガス応答性を確保することができる。

ガスセンサ１の部分断面図である。 図１の矢印Ａ方向からガスセンサ１の先端側を拡大して見た断面図である。

以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、一例としてのガスセンサ１の構造について、図１，図２を参照して説明する。なお、図１，図２ではガスセンサ１の軸線Ｏ方向（１点鎖線で示す。）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の検出部１１側をガスセンサ１の先端側あるいは先方側とし、後端部１２側（図２参照）をガスセンサ１の後端側あるいは後方側として説明する。

図１に示すガスセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の検出部１１が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれる被検出ガスとしてのＮＯｘ（具体的にはＮＯｘや酸素の有無や濃度）を検出する、いわゆるＮＯｘセンサを一例としたものである。また、検出素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなし、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス検出体と、そのガス検出体を早期活性化させるために加熱を行うヒータ体とを互いに貼り合わせ、略角柱状をなす積層体として一体化した公知のガス検出素子である。なお、図１では、紙面左右方向を検出素子１０の板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として示し、図２では、紙面左右方向を検出素子１０の板幅方向、紙面表裏方向を板厚方向として示している。

検出素子１０のガス検出体はジルコニアを主体とする固体電解質体や白金を主体とする検出電極などから構成され（図示せず）、その検出電極は、検出素子１０の先端側の検出部１１内に配置されている。この検出電極が排気ガスに接触できるように、検出部１１内に排気ガスを導入するためのガス導入口１５が、検出素子１０の板幅方向両端の側面に形成されている。また、検出素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体やヒータ体と外部回路とを電気的に接続するための６つの電極パッド１６（図１ではそのうちの２つを図示している。）が形成されている。なお、本実施の形態では検出素子１０を本発明における「検出素子」として説明を行うが、厳密には、検出素子の構成としてヒータ体は必ずしも必要ではなく、ガス検出体が本発明の「検出素子」に相当する。

検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側の位置から検出部１１にかけての径方向周囲を囲う位置には、筒状で２段の段状をなす金属製のホルダ２０が配置されている。ホルダ２０の先端側は、後述する内側プロテクタ部１３０として構成されており、検出素子１０の検出部１１の径方向周囲を内側周壁１３２で取り囲む円筒状をなしている。また、ホルダ２０の後端側の基端部２５は内側プロテクタ部１３０よりも太径に形成されている。基端部２５の内部には、セラミックリング２１および滑石層２２が軸線Ｏ方向に層状をなして収容される。セラミックリング２１および滑石層２２は検出素子１０の周囲を取り巻き、検出素子１０をホルダ２０内にて保持している。セラミックリング２１はアルミナ製で、板状の検出素子１０が挿し通される矩形の挿通孔を有するリング状に形成されたものである。また、滑石層２２は滑石粉末を圧縮して固めたものである。ホルダ２０の基端部２５内において、セラミックリング２１は基端部２５から内側プロテクタ部１３０へ繋がる段差（段差部２３）の形成された側に配置されている。滑石層２２は基端部２５内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、検出素子１０がホルダ２０内で位置決めされて、固定されている。

ホルダ２０と一体となった検出素子１０は、その周囲を、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなる筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０はガスセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部５１が設けられている。そして主体金具５０の外周中央には、取り付け用の工具に係合する工具係合部５２が形成されている。検出素子１０の検出部１１と、検出部１１を囲う内側プロテクタ部１３０とは、排気管内に配置されるように、主体金具５０の先端よりも先方へ突出されている。さらに、主体金具５０の取付部５１よりも先端側には、後述する最外側プロテクタ１１０および外側プロテクタ１２０を固定する先端固定部５６が形成されている。最外側プロテクタ１１０および外側プロテクタ１２０は、内側プロテクタ部１３０ごと検出素子１０を囲って保護するものである。また、工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０を固定する後端固定部５７が形成されている。さらに後端固定部５７の後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締部５３が形成されている。そして工具係合部５２と取付部５１との間には、ガスセンサ１を排気管に取り付けた際に、取付孔を介したガス抜けが生ずるのを防止する環状のガスケット５５が嵌め込まれている。

次に、主体金具５０の内周には、取付部５１付近に段状の部位が設けられており、その段状の部位に、前述したホルダ２０の段差部２３が配置されている。また、主体金具５０の内周には、上記の滑石層２２と同様の滑石層２６がホルダ２０の後端側から挿入されており、滑石層２２を先端側へ向け押さえるように配置されている。さらにその滑石層２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が、筒穴に検出素子１０を挿し通しつつ、主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７の後端側外周には、段状をなす肩部２８が形成されており、その肩部２８に、円環状のパッキン２９が配置されている。この状態で、主体金具５０の加締部５３が内向きに加締められ、パッキン２９を介し、スリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧している。この加締めによって、スリーブ２７に押圧された滑石層２６が主体金具５０内で押し潰されて、細部にわたって充填されている。そして、この滑石層２６と、ホルダ２０内にあらかじめ装填された滑石層２２とによって、ホルダ２０および検出素子１０が、主体金具５０内で位置決め保持される。

また、検出素子１０の後端部１２は、主体金具５０の後端（加締部５３）よりも後方に突出されており、その後端部１２に、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、先端側セパレータ６３と後端側セパレータ６４とからなり、先端側セパレータ６３の後端にて鍔状に形成された連結部６２に後端側セパレータ６４の先端が嵌め合わされて、両者が互いに位置決めされている。先端側セパレータ６３は、検出素子１０の後端部１２に形成された６つの電極パッド１６と、電極パッド１６のそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子６１と（図１ではそれぞれ、そのうちの１つを指し示している。）の接続部位を、内部に収容して保持している。後端側セパレータ６４は、各接続端子６１とガスセンサ１の外部に引き出される６本のリード線６５（図１ではそのうちの４本を図示している。）との接続部位を内部に収容している。

そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製で筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０は、先端側の開口端３１が、主体金具５０の後端固定部５７の外周に嵌め込まれている。その開口端３１は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されることで後端固定部５７に接合されており、これにより、外筒３０と主体金具５０とが一体となっている。

また、外筒３０と先端側セパレータ６３との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具７０が配置されている。保持金具７０は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部７１を有し、その支持部７１で、自身の内部に挿し通される先端側セパレータ６３の連結部６２を支え、先端側セパレータ６３を保持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒３０の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータ６３を支持した保持金具７０が外筒３０に固定されている。

次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット７５が嵌め込まれている。グロメット７５は６つの挿通孔７６（図１ではそのうちの１つを図示している。）を有し、各挿通孔７６に、セパレータ６０から引き出された上記６本のリード線６５が気密に挿し通されている。この状態でグロメット７５は、後端側セパレータ６４を先端側セパレータ６３へ向け押圧しつつ外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。

一方、主体金具５０に保持された検出素子１０の検出部１１は、主体金具５０の先端（先端固定部５６）から突出している。この先端固定部５６には、最外側プロテクタ１１０および外側プロテクタ１２０が嵌められ、スポット溶接やレーザ溶接によって固定されている。この最外側プロテクタ１１０および外側プロテクタ１２０と、前述した内側プロテクタ部１３０は、検出素子１０の検出部１１を、排気ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのものである。以下、これらの各プロテクタの構造について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、ガスセンサ１の検出素子１０の検出部１１を保護するプロテクタは、最外側プロテクタ１１０、外側プロテクタ１２０および内側プロテクタ部１３０からなる３重構造を有する。径方向の最も内側において検出素子１０を保護する内側プロテクタ部１３０は、前述したように、ホルダ２０の基端部２５よりも先端側の部分を筒状に形成したものである。内側プロテクタ部１３０を構成する内側周壁１３２は、検出素子１０の検出部１１全体の径方向周囲を取り囲んでおり、内側プロテクタ部１３０の内部がガス検出室１４０として構成されている。そして、ガス検出室１４０内外のガス交換を容易に行えるように、内側プロテクタ部１３０の先端側の端部１３１が、内側プロテクタ部１３０の内径とほぼ同径で開口されている。さらに本実施の形態では、端部１３１からガス検出室１４０内へ進入する排気ガスに検出部１１が接触しやすくなるよう、軸線Ｏ方向における検出素子１０の先端位置Ｋが、内側プロテクタ部１３０の先端位置Ｊ（共に図２において２点鎖線の矢印で示す。）よりも若干後方側ながら、略同位置に配置されている。

また、内側プロテクタ部１３０の内側周壁１３２には、周方向に沿って複数（本実施の形態では６個）の内側流通孔１３５が開口されている。内側流通孔１３５は、内側プロテクタ部１３０のうち主体金具５０の先端よりも先方に突出する部分において、主体金具５０の先端寄りの位置に配置されている。

次に、外側プロテクタ１２０は、内側プロテクタ部１３０の外周を取り囲む円筒状の外側周壁１２２を有し、先端側が閉じられた有底筒状のプロテクタである。外側プロテクタ１２０の先端には、軸線Ｏ方向と直交する円盤状の先端壁１２４と、先端壁１２４の周縁から外側周壁１２２へ向けてテーパ状に拡がるテーパ部１２３とが設けられ、外側周壁１２２の先端を閉じる壁面を構成している。また、外側プロテクタ１２０の開口端側（後端側）の基端部１２１は外側周壁１２２よりも拡径され、主体金具５０の先端固定部５６の外周に嵌められている。

外側プロテクタ１２０の内部において、外側周壁１２２と、内側プロテクタ部１３０の内側周壁１３２との間には、第１空隙１２９が形成される。また、外側周壁１２２には、後述する最外側プロテクタ１１０の第２空隙１１９に導入される排気ガスのうち、主にガス成分を、第１空隙１２９に導入するための外側導入孔１２５が開口されている。この外側導入孔１２５は、外側周壁１２２に設けたＬ字形状の切り込みを第１空隙１２９内へ向けて押し込むことによって開口されたものである。外側導入孔１２５は、外側周壁１２２の基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って複数（本実施の形態では６個）設けられている。

また、外側導入孔１２５を形成する過程で第１空隙１２９内に押し込まれた部分は、第１空隙１２９に導入される排気ガスの流路を案内するルーバー１２６として機能する。ルーバー１２６は、軸線Ｏを含む断面でみたときに、外側導入孔１２５の軸線Ｏ方向後端から先端側に向かって径方向内向きに延びる形態をなす。また、外側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ部１３０の先端位置Ｊと、内側流通孔１３５の形成位置との間の位置に形成されている。

外側プロテクタ１２０の内部において、先端壁１２４と、内側プロテクタ部１３０の先端とは距離が離れており、両者の間の部位が、比較的大きな室内空間を確保したガス充満室１４５として構成されている。ガス充満室１４５は、第１空隙１２９経由でガス充満室１４５内に流入し、排出口１２８（後述）から外部へと排出される排気ガスを、その流通過程において自室内にて充満させ、ガス検出室１４０との間で容易にガス交換できるようにする。また、外側プロテクタ１２０の外側周壁１２２の先端側には、外側導入孔１２５と同様にＬ字形状の切り込みをガス充満室１４５内へ向けて押し込んで開口した水抜孔１２７が、外側周壁１２２の周方向に沿って複数箇所（本実施の形態では３箇所）に設けられている。水抜孔１２７は、後述する第２空隙１１９内に導入された排気ガスに含まれる水分（水滴）等を、第１空隙１２９を経ず、直接、ガス充満室１４５内へ導く導路として機能する。水抜孔１２７を介してガス充満室１４５内へ進入する水滴は、先端壁１２４の略中央に開口された排出口１２８を介して外部に排出される。また、第１空隙１２９経由でガス充満室１４５内に流入するガス成分も、この排出口１２８を介して外部に排出され、ガス充満室１４５内のガス交換が行われるように構成されている。

次に、最外側プロテクタ１１０は、外側プロテクタ１２０の外側周壁１２２を取り囲む円筒状の最外側周壁１１２を有するプロテクタである。最外側プロテクタ１１０の後端側の基端部１１１は、外側プロテクタ１２０の基端部１２１に重ねた状態で、主体金具５０の先端固定部５６の外周に嵌められている。この基端部１１１の外周面側から基端部１２１を貫通して先端固定部５６に達するレーザ溶接が、基端部１１１の外周を一周して施されており、最外側プロテクタ１１０が、外側プロテクタ１２０ごと、主体金具５０に固定されている。また、最外側プロテクタ１１０の先端部１１３は、外側プロテクタ１２０のテーパ部１２３付近にて内側に折り曲げられており、テーパ部１２３と共に連続するテーパをなす。外側プロテクタ１２０の外側周壁１２２と最外側プロテクタ１１０の最外側周壁１１２との間には第２空隙１１９が形成され、上記の先端部１１３によって、先端側にて閉塞されている。

最外側プロテクタ１１０の最外側周壁１１２には、最外側プロテクタ１１０の外部と第２空隙１１９とを連通する複数（本実施の形態では６個）の最外側導入孔１１５が、周方向に沿って形成されている。最外側導入孔１１５は、軸線Ｏ方向において、外側プロテクタ１２０の外側導入孔１２５の形成位置よりも先端側で、水抜孔１２７の形成位置よりも後端側の位置に形成されている。そして最外側導入孔１１５には、それぞれ、内側（第２空隙１１９内）に向けて延出するルーバー１１６が付設されている。ルーバー１１６は、最外側プロテクタ１１０の最外側周壁１１２に仮に描いた四角形の三辺を切り込み、残る一辺を始端にして、末端側（自由端側）を第２空隙１１９内に押し込んだ形態のものとして形成されている。このルーバー１１６は、外部から最外側導入孔１１５を介して第２空隙１１９内に導入される排気ガスに、外側プロテクタ１２０の外側周壁１２２の外周に沿って周回する旋回流を生じさせる機能を担う。

このように構成されたガスセンサ１が内燃機関の排気管に取り付けられる場合、軸線Ｏ方向先端側を重力方向下向きにして取り付けられ、主体金具５０の取付部５１よりも先端側が、排気管内に露出される。排気管内を流通する排気ガスは、少なくとも軸線Ｏ方向とは異なる方向（例えば軸線Ｏに直交する方向）から図２に示すガスセンサ１に衝突し、最外側プロテクタ１１０の最外側導入孔１１５から第２空隙１１９内に導入される。このとき、ルーバー１１６によって排気ガスの流路が案内され、第２空隙１１９内では、排気ガスが外側周壁１２２の外周に沿って周方向に旋回する旋回流が生ずる。この旋回流に伴い発生する慣性力により、排気ガス中に含まれる、相対的に重い水分（水滴）と、相対的に軽いガス成分とが分離される。比重の重い水分は、最外側プロテクタ１１０の最外側周壁１１２や外側プロテクタ１２０の外側周壁１２２に衝突し、最外側周壁１１２や外側周壁１２２を伝って重力方向（軸線Ｏ方向先端側）へ落下する。そして水抜孔１２７から外側プロテクタ１２０のガス充満室１４５内に導入され、排出口１２８から外部へ排出される。

一方、水滴と分離されたガス成分は、第２空隙１１９内を旋回しつつ上昇し、最外側導入孔１１５よりも上方（軸線Ｏ方向後端側）に設けられた外側導入孔１２５から第１空隙１２９内に導入される。このとき排気ガスは、ルーバー１２６によって、第１空隙１２９の外から内へ向かう成分に加え、軸線Ｏ方向先方向きの成分を有するように案内される。そして、外側導入孔１２５よりも先方側にて内側周壁１３２に衝突しつつ、ガス充満室１４５へ向かう。この際、内側周壁１３２が検出素子１０の検出部１１全体の周囲を囲うため、外側導入孔１２５から第１空隙１２９内へ導入される排気ガスが、検出素子１０に直接接触することもない。

そして、第１空隙１２９を介してガス充満室１４５に進入する排気ガスは、ガス充満室１４５内で広がり、ガス充満室１４５内を満たす。排気ガスは、ガス充満室１４５内に大きく開口された内側プロテクタ部１３０の先端側の端部１３１からガス検出室１４０内に進入し、検出素子１０の検出部１１の周囲を満たす。また、第１空隙１２９では、上記のように、排気ガスの流路がルーバー１２６によって先方へ向けて案内されるため、第１空隙１２９の外側導入孔１２５よりも後方側の部位は、負圧となる。よって、内側流通孔１３５では、ガス検出室１４０側よりも第１空隙１２９側が負圧となり、ガス検出室１４０から内側流通孔１３５を介して第１空隙１２９へ流れるガス流が生ずる。このガス流は、内側プロテクタ部１３０の端部１３１を介し、ガス充満室１４５内からガス検出室１４０内へ排気ガスを引き込む流れを生じさせる。その一方で、内側プロテクタ部１３０の端部１３１の開口が大きいため、この端部１３１を介しガス検出室１４０からガス充満室１４５に戻るガス流も生ずる。これらのガス流が入り交じるため、ガス検出室１４０内の排気ガスが流通状態に保たれる。ここで、検出素子１０のガス導入口１５は、板幅方向両端の側面に形成されており、また、プロテクタの構造が３重構造をなすため、ガス導入口１５と内側プロテクタ部１３０の内側周壁１３２との径方向距離が近い。本実施の形態では、ガス検出室１４０内の排気ガスを流通状態に保つことができるので、検出部１１のガス導入口１５の周囲において、内側周壁１３２とのクリアランスが小さいながらも十分なガス交換性を確保できるのである。さらに、検出素子１０の先端位置Ｋが内側プロテクタ部１３０の先端位置Ｊとほぼ同位置となるように構成されており、ガス導入口１５が、ガス流の入れ換わりが激しい端部１３１に近い位置に配置されることからも、高いガス交換性が確保される。ガス導入口１５を経て検出部１１の内部に進入する排気ガスが検出電極（図示外）と接触することで、排気ガス中の酸素濃度の検出が行われる。

ところで、排気管内を流通する排気ガスが最外側プロテクタ１１０の先端部１１３や外側プロテクタ１２０の先端壁１２４のテーパ部１２３に衝突すると、テーパに沿って先端壁１２４の最先端面に向かって流れるガス流が生ずる。このガス流により排出口１２８付近に負圧が発生するため、ガス充満室１４５内に導入された排気ガス（ガス成分や水滴）は、排出口１２８を介し、外部に吸引されるように排出される。この吸引によって、第１空隙１２９経由でガス充満室１４５に導入された排気ガスが、上記のガス流によってガス充満室１４５内やガス検出室１４０内を流通しつつも長期間停滞することなく、外部に排出される。

ガスセンサ１では、排気ガスを第１空隙１２９に導入する外側導入孔１２５が内側周壁１３２に対向するように形成されているので、排気ガスが、直接、検出部１１に接触することがない。このため、排気ガス中の水分が検出部１１に接触することがない。また、外側導入孔１２５に付設されたルーバー１２６によって、外側導入孔１２５から内側周壁１３２に沿って先端側へ向かう主流路を形成しており、主流路上に検出部１１が配置されないので、排気ガス中の水分が完全に分離されていなくとも、検出素子１０への被水は防止される。さらに、内側流通孔１３５が主流路上に配置されておらず、外側導入孔１２５よりも後端側に配置されているので、水分が排気ガスの巻き込み等により内側流通孔１３５から内部へ導入されることを防止でき、水分が検出部１１に接触することがない。よって、検出素子１０を確実に被水から保護することができる。

また、内側プロテクタ部１３０の端部１３１開口から検出素子１０へ向かう排気ガスの流れの方向が、主流路とは逆方向となるため、内側プロテクタ部１３０の端部１３１開口からの検出部１１への水分の進入も抑制される。さらに、最外側導入孔１１５が、外側導入孔１２５よりも先端側の外側周壁１２２に対向するように形成されているので、第２空隙１１９に導入された排気ガス中の水分とガス成分を分離させることができ、外側導入孔１２５から導入される排気ガス中の水分を削減することができる。よって、検出素子１０をより確実に被水から保護することができる。なお、本実施例におけるルーバー１２６が、特許請求の範囲の「外側ガイド体」に相当し、ホルダ２０の基端部２５が、保持部材に相当する。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、外側プロテクタ１２０の外側導入孔１２５に付設のルーバー１２６は、本実施の形態のように、Ｌ字状の切り込みを押し込んだ形態で形成されるものに限らない。例えば、四角形の三辺を切り込み、残る一辺を始端にして末端側（自由端側）を第１空隙内に押し込んだ形態のものとして形成してもよい。あるいは、外側周壁を第１空隙内に向けて押し込むことで外周面側に凹部を形成し、その凹部の内壁のうち軸線方向先端側の内壁の一部を開口して第１空隙に通ずる外側導入孔を形成し、凹部の残る内壁をルーバーとして機能させてもよい。もちろん、外側周壁に外側導入孔を開口し、その開口に、外側プロテクタ本体とは別体に形成したルーバーを接合して付設してもよい。形成されるルーバーによって、外側導入孔を通過し第１空隙内に導入される排気ガスが、軸線Ｏ方向先方向きの成分を有するように案内されれば足りる。

また、内側プロテクタ部１３０は、ホルダ２０の一部位として構成したが、ホルダ２０（基端部２５）と別体に形成してもよい。また、検出素子１０の先端位置Ｋが、内側プロテクタ部１３０の先端位置Ｊと同じ位置にあってもよい。検出素子１０の先端位置Ｋを、内側プロテクタ部１３０の端部１３１の厚み（図２の軸線Ｏ方向の厚み）の位置に配置させれば、ガス検出精度の向上を図ることができるため、好ましい。

酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等に用いられるプロテクタにも同様に適用することができる。

１ ガスセンサ
１０ 検出素子
１１ 検出部
１５ ガス導入口
２５ 基端部
５０ 主体金具
５６ 先端固定部
１１０ 最外側プロテクタ
１１２ 最外側周壁
１１５ 最外側導入孔
１１９ 第２空隙
１２０ 外側プロテクタ
１２２ 外側周壁
１２５ 外側導入孔
１２６ ルーバー
１２９ 第１空隙
１３０ 内側プロテクタ部
１３２ 内側周壁
１３５ 内側流通孔
１４０ ガス検出室

Claims (5)

1. 軸線方向に延びると共に、自身の先端側に被検出ガスを検出するための検出部を有する検出素子と、
   前記検出部を自身の先端から突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、
   前記検出部の径方向周囲を取り囲む内側周壁を有し、自身の内部と外部との間で前記被検出ガスを流通可能にするための内側流通孔が前記内側周壁に形成された円筒状の内側プロテクタと、
   前記内側プロテクタの前記内側周壁との間に第１空隙を形成する外側周壁を有する外側プロテクタであって、前記外側周壁に、前記被検出ガスを前記第１空隙に導入するための外側導入孔、および当該外側導入孔を介して導入される前記被検出ガスの流路を案内する外側ガイド体が形成された外側プロテクタと、
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記外側導入孔は、前記軸線方向において、前記内側プロテクタの前記内側周壁に対向するように形成されており、
   前記外側ガイド体は、前記外側導入孔の前記軸線方向後端から前記軸線方向先端側に向かって径方向内向きに延出する形態をなし、
   前記内側流通孔は、前記軸線方向において、前記外側導入孔の位置よりも後端側に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記検出素子の先端の位置は、
   前記外側ガイド体の先端よりも先方側にあり、且つ、前記内側プロテクタの先端よりも後方側にあることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記外側プロテクタの前記外側周壁を取り囲む最外側周壁を有し、当該最外側周壁と前記外側周壁との間に第２空隙を形成する最外側プロテクタを備え、
   前記最外側周壁には、前記被検出ガスを前記第２空隙に導入するための最外側導入孔が、前記外側導入孔よりも先端側の前記外側周壁に対向するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 前記内側プロテクタは、前記主体金具内で前記検出素子を保持するための保持部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記検出素子は、前記軸線方向に延びる板状をなすものであり、
   前記検出部には、前記被検出ガスを前記検出素子の内部に導入するガス導入口が、前記検出素子の板幅方向両端の側面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサ。

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