JP3531859B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，例えば自動車用内燃機関等の排
気ガスにおける酸素濃度，空燃比状態等を測定すること
ができるガスセンサに関する。

【０００２】

【従来技術】例えば，内燃機関においては，排気ガス中
の酸素濃度，空燃比状態等を検出し，その検出値に基づ
いて燃焼制御を行うことが，省エネルギー化，排ガス浄
化等に非常に有効であることが知られている。上記排気
ガス（被測定ガス）中の酸素濃度等を検出するセンサと
しては，ジルコニア等の固体電解質よりなるガス検知素
子を用いたものが知られている。

【０００３】上記ガス検知素子としては，先端が封止さ
れたコップ状のタイプ，シート状のものを積層してなる
角型のタイプなどがある。いずれのガス検知素子も，被
測定ガスと接触する接ガス部を有しており，該接ガス部
を被測定ガス中に曝すことによって機能するものであ
る。一方，ガス検知素子は，固体電解質により構成され
ているので，非常に脆く，これを露出させた状態での使
用は困難である。そのため，ガスセンサにおける上記ガ
ス検知素子には，これを保護するための素子カバーを被
せてある。

【０００４】また，上記素子カバーとしては，被測定ガ
スをガス検知素子の接ガス部に導く必要があるので，被
測定ガス流通用の開口部を有することが必要となる。し
かしながら，開口部の開け方によっては，被測定ガス中
の凝縮水が直接ガス検知素子に付着する場合がある。こ
の凝縮水のガス検知素子への付着はガス検知素子の破壊
につながる場合がある。

【０００５】これに対し，従来，ガス検知素子の接ガス
部への被測定ガスの流入特性を維持しつつ，凝縮水の付
着防止を図るべく，種々の形態の素子カバー（保護カバ
ー）を設けたガスセンサが種々開発されている。例え
ば，実公平３−３３１６７号公報には，一重管構造の素
子カバー（保護カバー）を有するガスセンサが，実開昭
５９−１９４０５９号公報あるいは特開平９−２２２４
１６号公報には，二重管構造の素子カバーを設け，その
外管及び内管にいくつかの開口部を設けたガスセンサが
提案されている。

【０００６】具体的には，上記特開平９−２２２４１６
号公報を例にとると，図２３に示すごとく，被測定ガス
と接触する接ガス部１１を有するガス検知素子１０と，
これを保持するハウジング４と，ハウジング４から設け
られガス検知素子１０の接ガス部１１を覆う素子カバー
９０とを有するガスセンサ９が示されている。

【０００７】素子カバー９０は，有底筒状の外管９１と
内管９２とを重ねた二重管構造を有している。外管９１
及び内管９２の側部には被測定ガス導入用の横孔９１
１，９２１を，外管９１及び内管９２の底部には被測定
ガス排出用の底孔９１２，９２２をそれぞれ設けてあ
る。また，外管９１と内管９２の横孔は外方から見て重
なり合わないようにずらして設けてある。そして，この
二重管構造の素子カバー９０によって，ガス検知素子１
０の保護，凝縮水のガス検知素子１０への付着防止，被
測定ガスの流通特性向上による応答性向上を図ろうとし
ている。

【０００８】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来のガ
スセンサ９等においては，ガス検知素子１０の保護及び
凝縮水の付着防止について十分な効果が得られるもの
の，被測定ガスの流通特性は未だ十分でない。即ち，ガ
ス検知素子の接ガス部への新しい被測定ガスの導入が遅
く，応答性が十分ではない。

【０００９】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，ガス検知素子を保護すると共に，凝縮水
の内部浸入の防止及びセンサ応答性の向上を図ることが
できる素子カバーを有するガスセンサを提供しようとす
るものである。

【００１０】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，被測定ガ
スと接触する接ガス部を有するガス検知素子と，該ガス
検知素子を保持するハウジングと，該ハウジングから設
けられ上記ガス検知素子の上記接ガス部を覆う素子カバ
ーとを有するガスセンサにおいて，上記素子カバーは，
有底筒状の外管と内管とを重ねた二重管構造を有してい
ると共に，上記外管の側部及び上記内管の側部には被測
定ガス流通用の横孔を，上記外管の底部及び上記内管の
底部には被測定ガス流通用の底孔をそれぞれ設けてな
り，また，上記外管の横孔と上記内管の横孔とは外方か
ら見て重なり合わないようにずらして設けてあり，か
つ，上記外管の上記底部と上記内管の上記底部との間に
は，０．２〜１．０ｍｍの間隙を設けてあることを特徴
とするガスセンサにある。

【００１１】本発明において最も注目すべきことは，上
記素子カバーは，有底筒状の外管と内管とを重ねた二重
管構造を有していると共に，その外管の底部と内管の底
部との間には，０．２〜１．０ｍｍの間隙を設けたこと
である。

【００１２】上記間隙が１．０ｍｍを超える場合には，
上記外管の横孔から内部へ浸入した被測定ガスが，上記
外管と内管との間を通り，外管の底孔から外部へ逃げる
割合が増加し，ガス検知素子の接ガス部への被測定ガス
の導入が不十分となるという問題がある。一方，上記間
隙が０．２ｍｍ未満となると，外管と内管との間に浸入
した凝縮水が排出されなくなるおそれがある。

【００１３】また，上記素子カバーにおける上記外管及
び内管に設ける横孔は，いずれも，外方からみて重なり
合わないようにずらして設け，ガス検知素子が横孔から
直接見えないように設ける。また，横孔の配設位置，個
数等は，後述するごとく，種々の態様をとることができ
る。

【００１４】次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明のガスセンサにおいては，上記素子カバーとし
て，二重管構造を採用していると共に，その外管と内管
にそれぞれ設けた横孔を上記のごとくずらして配置して
ある。そのため，外管の側面から内部に流入してくる被
測定ガスは，直接ガス検知素子には接触せず，いったん
内管に接触した後，内管の横孔からガス検知素子の接ガ
ス部に接触する。それ故，被測定ガス中に凝縮水等が含
有されている場合においても，凝縮水が直接ガス検知素
子に接触してこれを破壊するという不具合を防止するこ
とができる。

【００１５】また，上記素子カバーの外管と内管の底部
の間には，上記間隙を設けてある。そのため，内管表面
に付着した凝縮水等は，上記外管と内管の底部の間を通
り，外管の底孔から外部へ排出することができる。一
方，上記外管と内管の底部の間隙は，上記のごとく０．
２〜１．０ｍｍと小さい。そのため，上記両底部の間に
おける被測定ガスの通過抵抗が大きくなる。これによ
り，外管と内管の間に浸入した被測定ガスは，上記両底
部の間よりも内管の横孔を通過しやすくなり，その内部
へ浸入しやすくなる。それ故，素子カバー内部に位置す
るガス検知素子の接ガス部に対して，被測定ガスを迅速
かつ十分に送り込むことができる。そして，これによ
り，優れたセンサ応答性を得ることができる。

【００１６】このように，本発明によれば，ガス検知素
子を保護するだけでなく，凝縮水の内部浸入の防止及び
センサ応答性の向上を図ることができる素子カバーを有
するガスセンサを提供することができる。

【００１７】また，特にガス検知素子が積層型で板状で
ある場合には（後述の実施形態例８参照），横孔を一段
構成とし，ガス検知素子におけるガス検知部よりも開口
部側に設け，また底部には底孔を設けることが好まし
い。なお，「横孔を一段構成とする」とは，後述する実
施形態例８の図１７に示すごとく，略同一面上に横孔が
存在する場合である。

【００１８】特にガス検知素子が積層型の板状である場
合に，従来技術として排ガス流れ方向とセンサ取り付け
時の素子法線方向の位置関係が異なったときの応答速度
の差（方向性）を低減した素子カバー（特許２６５３８
３１）が知られている。

【００１９】本発明者らは素子カバーに横孔が複数段設
置されている場合，被測定ガス流れがガス検知素子の軸
方向に垂直な平面内の特定な流れに限られることを素子
カバー内のガス流れのシミュレーションにより明らかに
した。このため，被測定ガスの状態が変わることで電極
の位置が限定されている板状の積層型ガス検知素子を設
けたガスセンサでは方向性や応答性の悪化が生じてしま
う。ここに方向性とは，被測定ガスに対し取り付けた位
置によって，検出精度や検出値が変動することである。

【００２０】上述の構成とすることで，被測定ガスの流
れをガス検知素子の軸方向とすることができる。この流
れであれば，ガス検知素子の軸方向と垂直な平面につい
て被測定ガスが充分混合し，被測定ガスの濃度分布が減
少できる。これにより，積層型で板状のガス検知素子を
用いたガスセンサの応答性の低下，方向性を減らすこと
ができる（実施形態例８参照）。

【００２１】次に，被測定ガスと接触する接ガス部を有
するガス検知素子と，該ガス検知素子を保持するハウジ
ングと，該ハウジングから設けられ上記ガス検知素子の
上記接ガス部を覆う素子カバーとを有するガスセンサに
おいて，上記素子カバーは，有底筒状の外管と内管とを
重ねた二重管構造を有していると共に，上記外管の側部
及び上記内管の側部には被測定ガス流通用の横孔を，上
記外管の底部及び上記内管の底部には被測定ガス流通用
の底孔をそれぞれ設けてなり，また，上記外管の横孔と
上記内管の横孔とは外方から見て重なり合わないように
ずらして設けてあり，かつ，上記外管の横孔から流入し
た被測定ガスが，実質的に，内管の横孔を通ることなく
直接上記外管の底部の底孔から流出しないよう構成され
ていることを特徴とするガスセンサにある。

【００２２】上記ガスセンサにおいては，上記素子カバ
ーとして，二重管構造を採用していると共に，その外管
と内管にそれぞれ設けた横孔を上記のごとくずらして配
置してある。そのため，外管の側面から内部に流入して
くる被測定ガスは，直接ガス検知素子には接触せず，い
ったん内管に接触した後，内管の横孔からガス検知素子
の接ガス部に接触する。それ故，被測定ガス中に凝縮水
等が含有されている場合においても，凝縮水が直接ガス
検知素子に接触してこれを破壊するという不具合を防止
することができる。

【００２３】また，上記外管の横孔から流入した被測定
ガスが，実質的に内管の横孔を通ることなく直接外管の
底部の底孔から流出しないよう上記素子カバーが構成さ
れている。このため，外管の横孔から外管内部に進入し
たガスが内管の横孔を通って底孔から流出しないため，
内管内に流入するガスの量が増加して，ガスセンサの応
答性の向上を図ることができる。その他詳細は請求項１
と同様である。

【００２４】次に，請求項２記載の発明のように，上記
内管の横孔は，上記外管の横孔よりも上記底部に近い位
置に設けることが好ましい。即ち，上記外管の横孔を内
管の横孔よりもガス検知素子の先端から離れた位置に設
けることができる。この場合には，外管の横孔から内管
の横孔への経路と，内管の横孔からガス検知素子の先端
を通過して内管の底孔に至る経路とがほぼ同方向とな
り，被測定ガスの流通を更にスムーズにすることができ
る。

【００２５】上記被測定ガスが底孔から流出しないよう
な構成としては，例えば，後述する実施形態例９に示さ
れるごとく，外管に環状凹部を設け，これにより外管と
内管との間を部分的に閉塞させて，外管の横孔から入っ
た被測定ガスがそのまま外管の底孔に向かうことができ
ないような構造がある。その他，外管と内管とを底部で
接合する（実施形態例８参照）等の構成を採用すること
もでき，基本的には外管の横孔と底孔との間の側部等に
設けられた，外管と内管との閉塞構造であれば，本請求
項の目的を達せられる。

【００２６】次に，請求項３記載の発明のように，上記
外管の横孔は，上記内管の横孔よりも上記底部に近い位
置に設けることもできる。即ち，上記内管の横孔を外管
の横孔よりもガス検知素子の先端から離れた位置に設け
ることができる。この場合には，外管の横孔から内管の
横孔への経路と，内管の横孔からガス検知素子の先端を
通過して内管の底孔へ至る経路とがほぼ逆方向となる。
そのため，被測定ガスと共に浸入してくる凝縮水等は，
上記流通経路における方向転換の際に外管と内管との間
に留まり易くなる。それ故，凝縮水等の内部への浸入防
止効果を更に向上させることができる。

【００２７】また，このような構成とすることで，ガス
センサを車両用内燃機関の排気管に設置し，内燃機関よ
り排出される排ガス中のガス濃度を測定する用途に利用
する際，次のような効果を得ることができる。内管内に
は被測定ガスである排ガスが流入するが，これは外管の
横孔から流入した被測定ガスの一部である。外管の横孔
は底部側にあるため，排気管壁の影響を受けず，内燃機
関から排出された排ガスと略同じ組成である排気管中央
部に流れている排ガスを取り入れることができるため，
より正確な測定を行うことができる。

【００２８】次に，請求項４に記載の発明のように，上
記内管の底孔と上記外管の底孔とは，外方から見て重な
り合わないようにずらして設けてあることが好ましい。
この場合には，素子カバーの底部側からの凝縮水等の浸
入を確実に防止することができる。

【００２９】次に，請求項５に記載の発明のように，上
記内管の最も底部側に近い位置にある横孔は，上記ガス
検知素子に設けられているガス検知部の最も底部側の位
置よりも開口部側に設けてあることが好ましい（実施形
態例８参照）。これにより，被測定ガスはガス検知素子
のガス検知を行うガス検知部を経て，底孔から排出され
ることとなる。よって，ガス検知素子のガス検知部付近
の被測定ガスは定常流れによって速やかに交換される。
よって，応答性の高いガスセンサを得ることができる。

【００３０】次に，請求項６記載の発明のように，上記
ガス検知素子は板状であり，上記内管は断面楕円の有底
筒状である，または断面四角形の有底筒状であることが
好ましい。ガス検知素子が板状である場合に，内管の断
面形状を楕円や四角形とすることにより，内管の内容積
を小さくすることができ，応答性を高めることができ
る。

【００３１】次に，請求項７記載の発明のように，上記
ガス検知素子は板状であり，上記内管の横孔は３個以上
かつ同形状であり，更にガス検知素子の軸方向に対し揃
った位置に設けてあることが好ましい。各横孔を同形状
かつ軸方向に揃えることで，各横孔からの被測定ガスの
流入量を揃えることができ，板状のガス検知素子に特有
の方向性を低減することができる。また横孔を３個以上
とすることで同様に方向性を低減することができる。

【００３２】次に，請求項８記載の発明のように，上記
外管及び上記内管の底孔は直径が０．５〜５ｍｍである
ことが好ましい。これにより応答性に優れ，また排ガス
の凝縮水が直接素子に到達し難いガスセンサを得ること
ができる。

【００３３】直径が０．５ｍｍ未満では排ガスの流入，
流出が困難となり応答性が悪化するおそれがある。５ｍ
ｍより大きい場合，底孔より，排ガス中の凝縮水が直接
素子に容易に到達してしまうという問題が生じる。ま
た，上記底孔の直径の下限は１ｍｍ以上とすることがよ
り好ましい。更に，上限は４ｍｍ未満とすることがより
好ましい。

【００３４】

【発明の実施の形態】実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき，図１〜
図４を用いて説明する。本例のガスセンサ１は自動車の
内燃機関に用いる酸素センサであって，図１，図４に示
すごとく，被測定ガスと接触する接ガス部１１を有する
ガス検知素子１０と，該ガス検知素子１０を保持するハ
ウジング４と，該ハウジング４から設けられ上記ガス検
知素子１０の上記接ガス部１１を覆う素子カバー２とを
有する。

【００３５】上記素子カバー２は，有底筒状の外管２０
と内管３とを重ねた二重管構造を有していると共に，上
記外管２０の側部２１及び内管３の側部３１には被測定
ガス流通用の横孔２５，３５を，上記外管２０の底部２
２及び内管３の底部３２には被測定ガス流通用の底孔２
６，３６をそれぞれ設けてなる。また，上記外管２０の
横孔２５と内管３の横孔３５とは外方から見て重なり合
わないようにずらして設けてある。かつ，上記外管２０
の底部２２と内管３の底部３２との間には，０．２〜
１．０ｍｍの間隙Ｄを設けてある。

【００３６】以下，これを詳説する。上記素子カバー２
を構成する上記外管２０は，図２に示すごとく，外径１
２ｍｍ，長さ２０ｍｍの有底筒状であると共に，その開
口部側に固定用のフランジ部２９を有している。また，
外管２０の円筒状の側部２１には，円周方向に８個，の
横孔２５を設けてある。この横孔２５は，同図に示すご
とく，直径２ｍｍの丸孔である。

【００３７】また，外管２０の横孔２５は，後述する内
管３の横孔３５よりも開口部寄りに設け，互いの位置を
ずらしてある。また，外管２０の円盤状の底部２２に
は，その中央に直径１．５ｍｍの丸孔よりなる底孔２６
を一つ設けてある。

【００３８】また，図３に示すごとく，内管３は，外径
１１ｍｍの大径部３１１と外径９ｍｍの小径部３１２よ
りなる側部３１を有する長さ１９．５ｍｍの有底筒状で
あると共に，その開口部側には固定用のフランジ部３９
を有している。このフランジ部３９の外径は上記外管の
フランジ部２９と同じにしてあり，互いに重なり合うよ
うに設けてある。

【００３９】また，内管３の円筒状の側部３１には，円
周方向に８個の横孔３５を設けてある。この横孔３５
は，同図に示すごとく，直径２ｍｍの丸孔である。ま
た，内管３の横孔３５は，上記のごとく，外管２０の横
孔２５よりも底部３２寄りに設け，互いの位置をずらし
てある。また，内管３の円盤状の底部３２には，その中
央に直径１．５ｍｍの丸孔よりなる底孔３６を一つ設け
てある。この底孔３６は，外管２０の底孔２６と重なり
合うように設けてある。

【００４０】また，図１，図４に示すごとく，ガスセン
サ１のガス検知素子１０は，コップ状を呈しており，そ
の内部に大気と接する基準ガス室１２を設け，その外表
面側の上記接ガス部１１の周囲には被測定ガス室１３を
設けてある。また，ガス検知素子１０には，その基準ガ
ス室１２側に基準電極を，被測定ガス室１３側に測定電
極をそれぞれ設けてある（図示略）。また，ガス検知素
子１０の内部には，これを適温に加熱するためのヒータ
５が挿入配置されている。

【００４１】図４に示すごとく，ハウジング４の上方に
は大気側カバー４２１，４２２，４２３を設けてあると
共に，その上端にはリード線４７１，４８１，４９１が
挿入された弾性絶縁部材４５が設けてある。上記リード
線４８１，４９１は，ガス検知素子１０からの出力を取
り出してガスセンサ１の外部に送るものである。また，
上記リード線４７１は，ヒータ５に通電するためのもの
である。

【００４２】上記リード線４８１，４９１の下端には接
続端子４８２，４９２が設けてあり，該接続端子４８
２，４９２により，ガスセンサ１０固定した金属端子４
８３，４９３とが導通されている。なお，上記金属端子
４８３，４９３は，ガス検知素子１０における基準電極
及び測定電極に導通した各ターミナル部に対し接触固定
されている。

【００４３】次に，本例の作用効果につき説明する。本
例のガスセンサ１は，素子カバー２として，上記のごと
く二重管構造を採用していると共に，その外管２０と内
管３にそれぞれ設けた横孔２５，３５を重なり合わない
ようにずらして配置してある。そのため，外管２０の側
面から内部に流入してくる被測定ガス８は，直接ガス検
知素子１０には接触せず，いったん内管３の側部３１に
接触した後，内管３の横孔３５からガス検知素子１０の
接ガス部１１に接触する。それ故，被測定ガス８中に凝
縮水等が含有されている場合においても，凝縮水が直接
ガス検知素子１０に接触してこれを破壊するという不具
合を防止することができる。

【００４４】また，本例においては，上記内管３の横孔
３５を，外管２０の横孔２５よりも底部２２に近い位置
に設けてある。そのため，図１に示すごとく，外管２０
の横孔２５から内管３の横孔３５への経路と，内管３の
横孔３５からガス検知素子１０の先端を通過して内管３
の底孔３６に至る経路とがほぼ同方向となり，被測定ガ
ス８の流通を更にスムーズにすることができる。

【００４５】また，素子カバー２の外管２０と内管３の
底部２２，３２の間には，上記間隙Ｄを設けてある。そ
のため，内管３の側部３１に付着した凝縮水等は，外管
２０と内管３の両底部２５，３５の間を通り，外管２０
の底孔２６から外部へ排出することができる。一方，外
管２０と内管３の底部２２，３２の間隙Ｄは，上記のご
とく０．２〜１．０ｍｍと小さい。そのため，両底部２
２，３２の間における被測定ガス８の通過抵抗が大きく
なる。

【００４６】これにより，図１に示すごとく，外管２０
と内管３の間に浸入した被測定ガス８は，両底部２２，
３２の間よりも内管３の横孔３５を通過しやすくなり，
その内部へ浸入しやすくなる。それ故，素子カバー２内
部に位置するガス検知素子１０の接ガス部１１に対し
て，被測定ガス８を迅速かつ十分に送り込むことができ
る。

【００４７】特に，本例においては，図１に示すごと
く，被測定ガス８の流れ方向を素子カバー２の側面に向
けてある。そのため，素子カバー２の底部２２，３２に
沿って流れる被測定ガス８は，底孔３６，２６から内部
のガスを吸引する効果を生じる。この場合にも，上記の
ごとく通過抵抗が大きい部分よりも，内管３の内部の被
測定ガス測定室からの吸引が多くなり，ガス置換速度を
向上させることができる。そして，これにより，優れた
センサ応答性を得ることができる。

【００４８】実施形態例２ 本例は，図５，図６に示すごとく，実施形態例１におけ
る素子カバー２の，横孔２５，３５の数を変更した例で
ある。即ち，図５に示すごとく，本例の外管２０は，そ
の横孔２５として円周方向に８個，長手方向に２列，合
計１６個設け，実施形態例１の場合よりも８個増やし
た。

【００４９】また，図６に示すごとく，内管３も，その
横孔３５として円周方向に８個，長手方向に２列，合計
１６個設け，実施形態例１の場合よりも８個増やした。
そして，これらの横孔２５，３５は，互いに重ならない
ようにずらすと共に，内管３の横孔３５を，外管２０の
横孔３５よりも底部２２，３２に近い位置に設けた。そ
の他は，実施形態例１と同様である。

【００５０】この場合には，横孔２５，３５の数を増や
したことにより，さらに被測定ガス８の流入速度を速め
ることができる。それ故，さらにセンサ応答性の向上を
図ることができる。なお，横孔２５，３５の増加は，凝
縮水等の異物混入を容易にする傾向があるので，上記の
ごとく，互いに位置をずらして設けることが必要であ
る。

【００５１】その他は，実施形態例１と同様の作用効果
が得られる。なお，上記横孔２５，３５の数及び配置
は，上記のごとくずらして設ける限りは，外管２０と内
管３とにおける横孔２５，３５の数を変えることもでき
る。さらに，横孔２５，３５，底孔２６，３６の形状
は，上記の丸孔形状の他に，図７に示すごとく，コ字状
に切り欠いてその切り欠き片２５９を少し折曲げてルー
バー状にした形状，その他の種々の形状にすることがで
きる。

【００５２】実施形態例３ 本例は，実施形態例１，２における応答性の向上効果を
定量的に評価するため，上記素子カバー２における外管
２０と内管３の両底部２２，３２の間隙Ｄと応答性との
関係を測定した。ガスセンサ１としては，上記間隙Ｄが
０．１，０．３，０．５，０．７５，１．０，１．７ｍ
ｍの３種類を準備した。素子カバー２の構成としては，
実施形態例２と同様とした。

【００５３】測定は，排気量２０００ｃｃ，燃料噴射装
置付きの直列６気筒ガソリンエンジンの排気管に上記ガ
スセンサ１を取り付けて，その出力値を測定することに
より行った。上記ガソリンエンジンは，無鉛ガソリンを
用いて１１００ｒｐｍ（回転数／分）の速度で運転させ
た。

【００５４】１１００ｒｐｍの時のセンサ出力周波数
（応答周期ＦＦＢ，Frequency Feed Back）を測定し，
図８に記載した。その単位は１秒間の繰り返し回数で現
し，単位Ｈｚ（ヘルツ）で示す。

【００５５】そして，空燃比（空気／ガソリン）が１
４．７倍をλとした場合に，その０．９倍の空燃比（λ
０．９）から１．１倍の空燃比（λ１．１）へ切替える
場合のＲ→Ｌ（リッチ→リーン）応答性を測定し，図９
に記載した。また，上記λ１．１から上記λ０．９へ切
替える場合のＬ→Ｒ（リーン→リッチ）応答性を測定
し，図１０に記載した。上記Ｒ→Ｌ応答性は，ガスセン
サ１の出力が０．６Ｖから０．３Ｖに変化する時間によ
り測定した。また，上記Ｌ→Ｒ応答性は，ガスセンサ１
の出力が０．３Ｖから０．６Ｖに変化する時間により測
定した。また，これらの測定結果を表１に記載した。

【００５６】表１，図８〜図１０より，周波数，応答性
共に間隙Ｄが１ｍｍ以下にて応答性が早くなることが分
かる。特に０．８ｍｍ以下では良好な特性が得られた。
また，０．２ｍｍ以下であっても応答性については問題
がないが，前述したごとく，外管と内管との間に浸入し
た凝縮水が排出されなくなるため，滞留した水が内管に
浸入し，ガス検知素子が破壊されるおそれがあり，実用
に耐えない。

【００５７】

【表１】

【００５８】さらに，本例においては，上記間隙Ｄによ
る，被測定ガス測定室におけるガス置換率を有限要素法
（ＦＥＭ）を用いてシミュレーションを試みた。間隙Ｄ
は，上記の場合と同様に，０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０
ｍｍに設定した。その結果を図１１に示す。同図は，横
軸に時間（ｍｓ）を，縦軸にガス置換率（％）をとった
ものである。符号ＡはＤ＝０ｍｍ，ＢはＤ＝０．５ｍ
ｍ，ＣはＤ＝１．０ｍｍの場合を示す。

【００５９】同図より知られるごとく，ガス置換率が６
３％となるまでの時間は１．０ｍｍの時に７５ｍｓと，
非常に早いガス置換を実現することができることが分か
る。また，このガス置換性の向上によって，上記センサ
応答性の向上が得られることも分かる。よって，１．０
ｍｍ以下の際には良好な応答性が得られることが分か
る。また，上述した理由により，０．２ｍｍ未満では応
答性が優れていても，凝縮水の排水の問題から実用に耐
えない。

【００６０】実施形態例４ 本例は，図１２（ａ）（ｂ）に示すごとく，実施形態例
１における，素子カバー２の底孔２６の数，配置の変更
例である。具体的には，図１２（ａ）には，外管２０の
底孔２６を数を２個に増やした例を示す。図１２（ｂ）
には，外管２０の底孔２６の数を３個に増やし，これを
３角形の頂点に位置するように配置した例である。その
他は実施形態例１と同様である。

【００６１】これらの場合には，内管３の底孔３６と，
外管２０の底孔３６とを互いに重なり合わない位置に配
置することができる。そのため，底孔３６，３５を通っ
て凝縮水等が逆流して浸入することも確実に防止するこ
とができる。なお，内管の底孔３６の数を複数にし，外
管の底孔２６の数を１つにすることも当然可能である。
その他は実施形態例１と同様の作用効果が得られる。

【００６２】実施形態例５ 本例は，図１３（ａ）〜（ｃ）に示すごとく，実施形態
例１における，素子カバー２の底部２２，３２の形状を
変更した例である。図１３（ａ）に示す第１の例は，内
管３の底部３２における底孔３６の周囲を下方に突出さ
せた円筒状の突出部３６１を設け，その先端と外管２０
の底部２２との間に０．２〜１．０ｍｍの間隙Ｄを設け
た例である。

【００６３】図１３（ｂ）に示す第２の例は，上記第１
の例における内管３に設けた突出部３６１を更に長く延
ばし，外管の底孔２６内に配置した例である。この場合
の０．２〜１．０ｍｍの間隙Ｄは，突出部３６１の外周
面と外管２０の底孔２６の内面との間に設けられる。

【００６４】図１３（ｃ）に示す第３の例は，上記第２
の例において，さらに外管２０の底部２２における底孔
２６の周囲を下方に突出させた円筒状の突出部２６１を
設けた例である。この場合の０．２〜１．０ｍｍの間隙
Ｄは，外管側の突出部２６１の内面と内管側の突出部３
６１の外面との間に設ける。また，第１〜第３の例のい
ずれにおいても，図１３（ｃ）に示すごとく，両底部２
２，３２の平面部分の間に間隙Ｆを０．２〜１．０ｍｍ
にすることも当然可能である。この場合にも，実施形態
例１と同様の作用効果が得られる。

【００６５】実施形態例６ 本例は，図１４に示すごとく，実施形態例１の素子カバ
ー２における，横孔２５，３５の位置関係を逆転させた
例である。即ち，外管２０の横孔２５は，内管３の横孔
３５よりも底部２２，３２に近い位置に設けた。その他
は実施形態例１と同様とした。

【００６６】この場合には，同図に示すごとく，外管２
０の横孔２５から内管３の横孔３５への経路と，内管２
０の横孔２５からガス検知素子１０の先端を通過して内
管３の底孔３６へ至る経路とがほぼ逆方向となる。その
ため，被測定ガス８と共に浸入してくる凝縮水等は，上
記流通経路における方向転換の際に外管と内管との間に
留まり易くなる。それ故，凝縮水等の内部への浸入防止
効果を更に向上させることができる。その他は，実施形
態例１と同様の作用効果が得られる。

【００６７】実施形態例７ 本例においては，素子カバー２における横孔２５，３５
の配置を実施形態例１のように外管側を底部から遠ざけ
た場合Ｅ１（以下，外孔上方型）と，実施形態例６のよ
うに内管側を底部から遠ざけた場合Ｅ６（内孔上方型）
とにおいて，被測定ガス測定室のガス置換速度がどのよ
うに変化するかをシミュレーションした。シミュレーシ
ョン方法は，実施形態例３の場合と同様に有限要素法
（ＦＥＭ）を用いた。

【００６８】測定結果を図１５に示す。同図は横軸に時
間（ｍｓ），縦軸にガス置換率（％）をとったものであ
る。また，上記外孔上方型は符号Ｅ１により，内孔上方
型は符号Ｅ６により示した。同図より知られるごとく，
ガス置換率６３％までの時間は，いずれも同じである
が，その前後の時間では，ガス置換率が逆転している。
このような特性の違いを利用して，ガスセンサ１の取付
場所，その他の使用状況に応じてより適する方を使い分
けることもできると考えられる。

【００６９】実施形態例８ 本例は，図１６，図１７に示すように，積層型酸素検知
素子を有するガスセンサである。図１６に示すごとく，
上記ガスセンサ１は，固体電解質からなる被測定ガスと
の接ガス部１１を備えた板状の積層型酸素検知素子１０
１と，該積層型酸素検知素子１０１を保持するハウジン
グ４と，接ガス部１１の先端部を覆い，排気ガスを流通
させる横孔２５，３５及び底孔２６，３６を備え，接ガ
ス部１１に近い内側に位置する内管３と該内管３の外側
に位置する外管２０とよりなる素子カバー２を有する。

【００７０】図１７に示すように，上記外管２０におけ
る横孔２５は，積層型酸素検知素子１０１の中心軸と垂
直方向に，底部２２からＵ＝４ｍｍとなる開口部側の平
面上に６個並んで設けてある。つまり，横孔は一段であ
る。また，この横孔２５は直径２ｍｍの円形である。ま
た，底孔２６は底部２２の中心に１個設けられている。
この底孔２６は直径２ｍｍの円形である。

【００７１】また，図１７に示すように，上記内管３に
おける横孔３５は，積層型酸素検知素子１０１の中心軸
と垂直方向に，底部３２からＶ＝１５ｍｍとなる開口部
側の平面上に６個並んで設けてある。つまり，この横孔
も一段である。また，この横孔３５は直径２ｍｍの円形
である。また，底孔３６は底部３２の中心に１個設けて
ある。この底孔３６は直径２ｍｍの円形である。また，
上記積層型酸素検知素子１０１のガス検知部１１９の下
端は底部２２からＸ＝６ｍｍ，上端はＹ＝１０ｍｍに設
けてある。つまり，横孔３５はガス検知部１１９よりも
開口部側に位置する。また，内管３の底部３２と外管２
０の底部２２はスポット溶接にて接合されており，両者
に設けた各底孔２２，３２の位置は重なっている。

【００７２】以下，それぞれについて説明を補足する。
本例は，自動車エンジンの空燃比を検知する空燃比セン
サである。図１６に示すように，ハウジング４の胴部４
１は，自動車エンジンの排気通路に設けたネジ穴に螺合
するネジ部４１４と，排気通路に当接するフランジ部４
１５とを有している。また，基端部側に位置するカバー
部材４２２，４２３には，積層型酸素検知素子１０１に
大気を導入する大気取入口４４４が設けられている。積
層型酸素検知素子１０は粉体４１６を外接させて胴部４
１に保持されている。なお，図１６において，符号４６
２はガスケット，符号４６３は金属製リングである。

【００７３】また，積層型酸素検知素子１０１は，図１
８に示すごとく，板状の固体電解質８０３の両面に電極
８０１，８０２を設け，一方の電極８０１は保護層８０
０を介して被測定ガスである排気ガスと接し，他方はス
ペーサ８０４にて形成された大気室８０５と面してい
る。また，一体的にヒータ部８０６が設けてある。この
ヒータ部は図示を略した発熱電線が付設してあり，該発
熱電線は，リード線４７１に接続されている。上述した
ガス検知部１１９とは電極８０１が存在する範囲を指し
ている。その他は実施形態例１と同様である。

【００７４】次に本例のガスセンサ１の作用効果につい
て述べる。本例のガスセンサ１では，図１７に示すごと
く，外管２０の横孔２５から進入した排気ガスの一部は
他の横孔２５から流出し，残りが内管３の横孔３５から
内管３の内部に進入する。内管３に進入した排気ガスが
ガス検知部１１９を通過し，底孔２６，３６から素子カ
バー２外に流出する（実施形態例１の図１と同様）。

【００７５】以上により，上述の構成とすることで，排
気ガスの流れを積層型酸素検知素子１０９の軸方向とす
ることができる。この流れであれば，積層型酸素検知素
子１０９の軸方向と垂直な平面について排気ガスが充分
混合し，排気ガスの濃度分布が減少できる。これによ
り，方向性が少なく，速い応答性が得られる。

【００７６】また，本例のガスセンサ１において，外管
２０と内管３は底部２１，３２において溶接により接合
されている。このため，外管２０の横孔２５から流入し
た排気ガスが外管２０の底部２２の底孔２５から直接流
出しないよう構成されている。このため，排気ガスは内
管３と外管２０との間隙部２１５内を上昇し，横孔３５
から内管３内に入り，その後，底孔３６と底孔２６とを
経て，再び素子カバー２外に排出される。このため，内
管３内に流入する排気ガスの量が増加して，ガスセンサ
１の応答性の向上を図ることができる。

【００７７】また，ガスセンサ１において外管２０の横
孔２５から流入した排気ガスが内管３から熱を奪うが，
本例のガスセンサでは横孔２５が一段であるため，開口
面積が小さく，奪われる熱量が小さい。このため，ヒー
タの消費電力を小さくすることができる。

【００７８】また，内管２の横孔２５とガス検知部との
位置関係とガスセンサ１の応答性について，次の方法で
測定した。排気量２０００ｃｃ，燃料噴射装置付きの直
列４気筒ガソリンエンジンの排気管に上記ガスセンサ１
を取り付けて，その出力値を測定した。上記ガソリンエ
ンジンは，無鉛ガソリンを用いて１５００ｒｐｍ（回転
数／分）の速度で運転させた。

【００７９】そして，空燃比（空気／ガソリン）が１４
から１５へ切り替えた時の応答性を測定した。上記応答
性は予め空燃比１４及び１５に安定している時の出力を
測定しておき，空燃比１４から１５への出力の６３％変
化した時間を測定した。この結果を図１９に記載した。
ここに横軸は図１７に示すごとく底部側のガス検知部１
１９の先端から横孔３５までの距離である（この時の横
孔３５の基準は底部側の先端である）。ただし，横孔が
ガス検知部１１９よりも底部側にある場合を正，反対の
場合を負とした。

【００８０】同図によれば，内管２の横孔２５がより底
部側に設置されるほど応答時間が遅くなることがわかっ
た。速い応答時間を得るには，内管２の最も底部側にあ
る横孔２５の位置が，ガス検知部１１９の最も底部側の
位置より開口部側に設置される必要があることが分かっ
た。なお，上述の測定をガス検知部１１９の面積を適宜
変更して実行した結果，よりガス検知部１１９の面積が
より狭い場合に顕著に現れたことが分かった。

【００８１】なお，上述の結果は実施形態例１等に示し
たコップ型のガス検知素子を持ったガスセンサではガス
検知部が素子接ガス部のほぼ全面を占めており，本例と
比較して面積が大きい。このため内管の横孔とガス検知
部との位置関係は応答時間にほとんど影響しない。

【００８２】実施形態例９ 本例も実施形態例８と同様に積層型の酸素検知素子を設
けたガスセンサの素子カバー２について説明するもので
ある。図２０（ａ）に示すごとく，本例の素子カバー２
も内管３と外管２０とよりなり，両者の底部２２と２３
との間隔Ｄは１ｍｍである。図２０（ｂ）に示すごと
く，内管３の底孔３６は直径２ｍｍの円形で，底部３６
の中心部に一個設けてある。また，外管２０の底孔２６
は，直径１．５ｍｍの円形で，底部を中心として直径４
ｍｍの円周上に並べて５個設けてある。

【００８３】また，図２０（ａ）に示すごとく，外管２
０の側部２１の底部近傍には環状凹部２１０が設けてあ
る。この環状凹部により内管３と外管２０との間は底部
側空間部２１８と側部側空間部２１７とに分割され，両
者の間での被測定ガスの行き来を非常に少なくできる。
その他は実施形態例１と同様である。

【００８４】本例では環状凹部２１０を外管２０に設け
ることで横孔２５から導入された被測定ガスが底孔２６
から直接排出されず，いったん側部側空間部２１７を上
昇し，横孔３５から内管３内に入り，その後，底孔３６
と底孔２６とを経て，再び素子カバー外に排出される。
このため，内管３内に流入する被測定ガスの量が増加し
て，ガスセンサの応答性の向上を図ることができる。

【００８５】また，内管３の底孔３６と外管２０の底孔
２６とは，図２０（ｂ）に示されるごとく，外方から見
て重なり合わないようにずらして設けてある。よって，
素子カバーの底部側からの凝縮水等の浸入を確実に防止
することができる。その他は実施形態例１と同様の作用
効果を有する。

【００８６】実施形態例１０ 本例も実施形態例８と同様に積層型の酸素検知素子を設
けたガスセンサの素子カバー２について説明するもので
ある。本例の内管は図２１に示すごとく，断面楕円形状
である。その他は実施形態例８と同様である。内管３を
このような形状とすることで，該内管３の内容積がより
小さくなり，耐水性や方向性を犠牲にすることなく，よ
り速い応答性が得られる。その他は実施形態例１と同様
である。

【００８７】実施形態例１１ 本例は図１４にかかる構成のガスセンサを用いて，底孔
２６，３６の径（直径）と，間隙Ｄの値と，応答性との
関係について測定した結果について説明する。測定方法
の詳細は実施形態例３と同様で，１１００ｒｐｍの時の
センサ出力周波数（応答周期ＦＦＢ，Frequency Feed B
ack）を測定し，図２２に記載した。

【００８８】図２２より，底孔２６，３６の径にかかわ
らず，間隙Ｄの値が１ｍｍを超えると応答性が悪化し，
特に０．８ｍｍ以下の場合に優れた応答性を発揮するこ
とが分かる。ただし，同図より知れるごとく，底孔２
６，３６の径が小さくなればなる程排ガスの流入，流出
が困難となるため，底孔の径は適当な大きさに保つこと
が好ましい。

【００８９】図１４にかかる構成のガスセンサにおいて
は，同図より，底孔２６，３６の径は０．５〜５ｍｍと
することが好ましいことが分かる。０．５ｍｍ未満では
排ガスの流入，流出が困難となり応答性が悪化する。ま
た，径が５ｍｍより大きい場合，底穴２６，３６より，
排ガス中の凝縮水が直接素子に容易に到達してしまうと
いう問題が生じる。図１４にかかるガスセンサにおい
て，底孔２６，３６の径は更に好ましくは１〜４ｍｍと
することが好ましい。

【００９０】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，ガスセンサの素子カバ
ーの構造を示す説明図。

【図２】実施形態例１における，素子カバーの外管の斜
視図。

【図３】実施形態例１における，素子カバーの内管の斜
視図。

【図４】実施形態例１における，ガスセンサの全体構成
を示す説明図。

【図５】実施形態例２における，素子カバーの外管の斜
視図。

【図６】実施形態例２における，素子カバーの内管の斜
視図。

【図７】実施形態例２における，横孔形状の別例を示す
説明図。

【図８】実施形態例３における，センサ出力周波数と間
隙Ｄとの関係を示す線図。

【図９】実施形態例３における，Ｒ→Ｌ（リッチ→リー
ン）の応答時間と間隙Ｄとの関係を示す線図。

【図１０】実施形態例３における，Ｌ→Ｒ（リーン→リ
ッチ）の応答時間と間隙Ｄとの関係を示す線図。

【図１１】実施形態例３における，間隙Ｄとガス置換率
との関係を示す線図。

【図１２】実施形態例４における，外管の底孔を（ａ）
２個，（ｂ）３個，に変更した例を示す説明図。

【図１３】実施形態例５における，素子カバーの底部の
構成を変更した説明図。

【図１４】実施形態例６における，ガスセンサの素子カ
バーの構造を示す説明図。

【図１５】実施形態例７における，横孔形成位置と応答
性の関係を示す説明図。

【図１６】実施形態例８における，ガスセンサの全体構
成を示す説明図。

【図１７】実施形態例８における，ガスセンサの素子カ
バーの構造を示す説明図。

【図１８】実施形態例８における，積層型酸素検知素子
の断面説明図。

【図１９】実施形態例８における，応答時間と横孔の位
置との関係を示す線図。

【図２０】実施形態例９における，ガスセンサの素子カ
バーの構造を示す説明図。

【図２１】実施形態例１０における，ガスセンサの素子
カバーの構造を示す説明図。

【図２２】実施形態例１１における，センサ出力周波数
と間隙Ｄ，底孔の径との関係を示す線図。

【図２３】従来例における，ガスセンサの素子カバーの
構造を示す説明図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ， １０．．．ガス検知素子， １１．．．接ガス部， ２．．．素子カバー， ２０．．．外管， ２１，３１．．．側部， ２２，３２．．．底部， ２５，３５．．．横孔， ２６，３６．．．底孔， ３．．．内管， ４．．．ハウジング， ８．．．被測定ガス，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 秀隆 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (72)発明者 中村 聡 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 今村 弘男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 牧野 太輔 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 平９−210954（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−222416（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−96708（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−183428（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26842（ＪＰ，Ａ) 特開2000−2857（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−194059（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/409 G01N 27/41

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスと接触する接ガス部を有する
   ガス検知素子と，該ガス検知素子を保持するハウジング
   と，該ハウジングから設けられ上記ガス検知素子の上記
   接ガス部を覆う素子カバーとを有するガスセンサにおい
   て， 上記素子カバーは，有底筒状の外管と内管とを重ねた二
   重管構造を有していると共に，上記外管の側部及び上記
   内管の側部には被測定ガス流通用の横孔を，上記外管の
   底部及び上記内管の底部には被測定ガス流通用の底孔を
   それぞれ設けてなり，また，上記外管の横孔と上記内管
   の横孔とは外方から見て重なり合わないようにずらして
   設けてあり， かつ，上記外管の上記底部と上記内管の上記底部との間
   には，０．２〜１．０ｍｍの間隙を設けてあることを特
   徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記内管の横孔は，
   上記外管の横孔よりも上記底部に近い位置に設けてある
   ことを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１において，上記外管の横孔は，
   上記内管の横孔よりも上記底部に近い位置に設けてある
   ことを特徴とするガスセンサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項において，
   上記内管の底孔と上記外管の底孔とは，外方から見て重
   なり合わないようにずらして設けてあることを特徴とす
   るガスセンサ。
5. 【請求項５】 請求項３において，上記内管の最も底部
   側に近い位置にある横孔は，上記ガス検知素子に設けら
   れているガス検知部の最も底部側の位置よりも開口部側
   に設けてあることを特徴とするガスセンサ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項において，
   上記ガス検知素子は板状であり，上記内管は断面楕円の
   有底筒状である，または断面四角形の有底筒状であるこ
   とを特徴とするガスセンサ。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項において，
   上記ガス検知素子は板状であり，上記内管の横孔は３個
   以上かつ同形状であり，更にガス検知素子の軸方向に対
   し揃った位置に設けてあることを特徴とするガスセン
   サ。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項において，
   上記外管及び上記内管の底孔は直径が０．５〜５ｍｍで
   あることを特徴とするガスセンサ。