JP4355622B2

JP4355622B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP4355622B2
Application number: JP2004189541A
Authority: JP
Inventors: 浩磯村; 正二赤塚; 修新海
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2005037382A

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に、有底筒状または板状をなすガスセンサ素子のうちで被測定ガスに晒される部位を覆うプロテクタを備えるガスセンサに関する。

従来より、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサなどのガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、一般に、ガスセンサ素子のうちで排ガス等の被測定ガスに晒される先端部を保護するため、この先端部を覆うようにプロテクタが装着されている。例えば、特許文献１〜特許文献３に、このようなプロテクタを有するガスセンサが開示されている。

特許文献１で開示されたガスセンサでは、素子カバー（プロテクタ）は、有底筒状の外管と内管とを重ねた２重管構造を有している。外管の側部及び内管の側部には、それぞれ被測定ガス流通用の横孔が設けられている。外管の横孔は、後端側に配置され、内管の横孔は、外管の横孔よりも先端側に配置されている。また、外管の底部及び内管の底部にも、それぞれ被測定ガス流通用の底孔が設けられている。

特許文献２で開示されたガスセンサでは、保護管（プロテクタ）は、それぞれ通気孔を有する外側保護管と内側保護管とからなる。外側保護管の通気孔は、外側保護管の側壁に設けられている。内側保護管の通気孔は、内側保護管の後端側に設けられた鍔部に形成され、この鍔部は、主体金具の貫通孔内に配置されている。また、外側保護管及び内側保護管の底部にも、それぞれ通気孔が設けられている。

特許文献３に開示されたガスセンサでは、保護カバー（プロテクタ）は、センサ素子の先端部を覆う内側保護カバーと、この内側保護カバーを覆う外側保護カバーと、これらのカバーの間に設置された中間保護カバーを具備し、三重構造をなす。外側保護カバーの外側ガス導入孔は、外側保護カバーの先端側に設けられている。中間保護カバーの中間ガス導入孔は、筒状部の後部に設けられ外側保護カバーの内壁に当接するフランジ部に形成されている。内側保護カバーの内側ガス導入孔は、軸方向に見て、外側ガス導入孔と内側ガス導入孔との間に設けられている。また、内側保護カバーの底部には、内側ガス排出口が設けられている。

特開２０００−１７１４２９号公報特開２００２−１６２３７７号公報特開２０００−３０４７１９号公報

特許文献１で開示されたガスセンサでは、外部から外管の横孔を通って導入された被測定ガスは、外管と内管の間を先端方向に流れ、内管の横孔を通って内管の内側に侵入する。そして、内管内部を先端方向に流れる。その後、被測定ガスの一部は、内管の底孔及び外管の底孔を通って外部に排出され、また、被測定ガスの一部は、内管内部を後端方向に流れ、内管の横孔及び外管の横孔を通って外部に排出される。
しかしながら、このように被測定ガスが流れるガスセンサでは、被測定ガスが内管内部の後端側（内管の横孔よりも後端側）に滞留するため、センサの応答性が低下する。加えて、ガスセンサを先端下向きに使用したとき、被測定ガスと共に外管の横孔から侵入した凝縮水が、内管の外壁面を伝って先端方向に流れ、内管の横孔を通って、内管内部に侵入する。そして、この凝縮水がガス検出素子（検出部）に付着することがある。特に、特許文献１のガスセンサでは、検出部の近傍に内管の横孔が設けられているため、内管内部に侵入した凝縮水が検出部に付着しやすい。ヒータを備えるガスセンサにおいては、排ガス温度が低い（例えば、１００℃以下）ときに検出部に水が付着していたり、または、排気管中の水がガス流通によって飛水し、検出部に水が付着したりすると、ヒータによる素子温度の急速加熱により検出素子にクラックが生じたりすることがあり、耐被水性に劣ることになる。

特許文献２で開示されたガスセンサでは、外部から外側保護管の通気孔を通って導入された被測定ガスは、外側保護管と内側保護管の間を後端方向に流れ、内側保護管の鍔部に形成された通気孔を通って内側保護管の内側に侵入する。そして、内側保護管内部を先端方向に流れる。その後、被測定ガスは、内側保護管及び外側保護管の底部に設けられた通気孔を通って外部に排出される。
しかしながら、このようなタイプのものは、内側保護管の通気孔が主体金具の内部に配置されているため、この通気孔からセンサ素子の検出部までの距離が長くなって（流通路が長くなって）、センサの応答性が低下する場合がある。加えて、このようなガスセンサは、内側保護管の鍔部を主体金具の貫通孔内に配置する設計であるため、主体金具の先端部の内径をある程度大きくする必要がある。一方、主体金具は、強度の面からある程度の肉厚が当然に必要とされる。それ故、ガスセンサが径方向に大型化する傾向にあった。

特許文献３で開示されたガスセンサでは、外部から外側保護カバーの外側ガス導入孔を通って導入された被測定ガスは、外側保護カバーと中間保護カバーの間を後端方向に流れ、中間保護カバーのフランジ部に形成された中間ガス導入孔を通ってその内側に侵入する。さらに、被測定ガスは、中間保護カバーと内側保護カバーの間を先端方向に流れ、内側保護カバーの内側ガス導入孔を通ってその内側に侵入する。そして、内側保護カバー内部を先端方向に流れる。その後、被測定ガスは、内側保護カバーの底部に設けられた内側ガス排出口を通り、さらに、外側保護カバーの外側ガス導入孔から外部へ排出される。
しかしながら、このようなガスセンサは、保護カバーが、外側保護カバーと中間保護カバーと内側保護カバーとからなる三重構造であるため、構造が複雑で、部品点数が多く、その製造工程も多くなる。それ故、ガスセンサが高コスト化する傾向にあった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、センサの応答性、耐被水性に優れ、安価にできるガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、軸方向に延び、少なくとも自身の先端部に感ガス特性を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の先端部が自身の先端から突出した状態で、前記ガスセンサ素子の周囲を取り囲み、内周面に前記ガスセンサ素子の軸方向を支持する支持面を有する筒状の主体金具と、前記主体金具に固定され、前記ガスセンサ素子の先端部を覆うプロテクタと、を備えるガスセンサであって、前記プロテクタは、前記ガスセンサ素子の先端部を間隙を介して覆う筒状の内側カバー部と、この内側カバー部の外周に配置された筒状の外側カバー部とを有する二重構造をなし、前記外側カバー部は、被測定ガスを外部から前記外側カバー部の内側に導入可能な外側ガス導入窓を有する外側筒状部を含み、前記内側カバー部は、前記ガスセンサ素子の先端部を取り囲む内側筒状部と、この内側筒状部より先端側に位置する内側先端通気孔と、を含み、前記主体金具のうち前記支持面より先端側に位置する先端部と、前記外側筒状部と、前記内側筒状部とは、前記外側ガス導入窓から導入された被測定ガスを、前記外側筒状部と前記内側筒状部との間を通り、前記主体金具の先端部のうち、内周面と外周面との間を結ぶ連結面の内周面側端縁よりも軸方向に見て先端側で、前記内側筒状部の後端を越えて、前記内側カバー部と前記ガスセンサ素子の先端部との間の空隙に導く内側ガス導入路を構成する配置とされているガスセンサであ
る。

本発明のガスセンサは、外側カバー部の外側筒状部に外側ガス導入窓を有する。また、ガスセンサは、主体金具の先端部と外側カバー部の外側筒状部と内側カバー部の内側筒状部によって構成される内側ガス導入路を有する。さらに、ガスセンサは、内側カバー部の先端方向に位置する内側先端貫通孔を有する。
このような設計とすることで、外部から外側カバー部の外側ガス導入窓を通ってその内側に導入された被測定ガスは、外側カバー部と内側カバー部との間を後端方向に流れ、さらに、内側ガス導入路を通って、内側カバー部の内側に侵入する。そしてその後、内側カバー部とガスセンサ素子の先端部との空隙を先端方向に流れる。その後、被測定ガスは、内側先端貫通孔を経由して外部に排出される。このため、被測定ガスの流入特性がよい。一方、ガスセンサを先端下向きに使用した場合、被測定ガスと共に外部から外側ガス導入窓を通ってその内側に侵入した凝縮水は、外側ガス導入窓よりも後端側に配置された内側ガス導入路には流れず、内側カバー部の内側筒状部外壁面を伝って先端側に流れる。このため、凝縮水がガスセンサ素子にかかり、ガスセンサ素子が破損する危険性が低い。従って、このガスセンサは、センサの応答性に優れると共に、耐被水性にも優れる。

ところで、特許文献２で開示されたガスセンサは、前述したように、内側保護管の通気孔からセンサ素子の検出部までの距離が長くなって、センサの応答性が低下する場合がある。これに対し、本発明のガスセンサは、内側ガス導入路がより先端側に設けられているため、内側ガス導入路からガスセンサ素子の先端部までの距離が短くなり、センサの応答性を向上させることができる。
また、特許文献２で開示されたガスセンサは、前述したように、内側保護管の鍔部を主体金具の貫通孔内に配置する設計上、ガスセンサが径方向に大型化する傾向にあった。これに対し、本発明のガスセンサは、内側ガス導入路をより先端側に設けているため、ガスセンサを小型化することも可能となる。

一方、特許文献３で開示されたガスセンサは、前述したように、保護カバーが三重構造であるため、構造が複雑で、部品点数が多く、その製造工程も多くなる。それ故、ガスセンサが高コスト化する傾向にあった。これに対し、本発明のガスセンサは、プロテクタを二重構造としているため、部品点数を少なく、製造工程も少なくできる。従って、ガスセンサを安価にできる。

さらに、上記のガスセンサであって、前記内側筒状部と前記外側筒状部とは、前記外側ガス導入窓と対向する位置に、前記内側筒状部の側壁が存在し、前記内側筒状部と前記外側筒状部とが、平行または先端側に向かうほど互いの間隔が小さくなる形態とされてなるガスセンサとするのが好ましい。

例えば、特許文献３で開示されたガスセンサは、外側ガス導入孔と対向する位置に内側保護カバーの側壁が存在しないため、外側ガス導入孔から導入された被測定ガスが、他の外側ガス導入孔から流出しやすい傾向にあり、内側保護カバー内のガス置換が優れているとは言い難い。
これに対し、本発明では、外側ガス導入窓と対向する位置に、内側筒状部の側壁が存在し、かつ、内側筒状部と外側筒状部とが、平行または先端側に向かうほど互いの間隔が小さくなる形態とされている。このため、外側ガス導入窓から導入された被測定ガスは、内側筒状部の外壁面に沿って後端方向に流れやすくなり、多くの被測定ガスを内側ガス導入路に速やかに送ることができ、ガス置換に優れる。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記主体金具の先端部と前記内側筒状部の後端との最短距離をｄ、前記内側筒状部の後端と前記外側ガス導入窓の後端側端との軸方向についての最短距離をＤとしたときに、その比ｄ／Ｄが０．０７５以上０．２００以下の範囲内にあるガスセンサとすると良い。

このような構成とすることで、早い応答性を実現しつつ、ガスセンサ素子に対する耐被水性を向上させることができる。ｄ／Ｄが０．０７５未満であると、センサの応答性が低下する恐れがあり、ｄ／Ｄが０．２００を越えると、耐被水性が低下する。なお、好ましくは、ｄ／Ｄを０．０８０以上０．１８０以下、さらに好ましくは、ｄ／Ｄを０．１００以上０．１５０以下とする。また、ｄの絶対値としては、０．５ｍｍ以上確保するのが好ましい。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記内側カバー部の前記内側筒状部と前記外側カバー部の前記外側筒状部との間のカバー部間空間のうち、前記外側ガス導入窓よりも後端側において、前記カバー部間空間を周方向に断続的に遮る遮り部を有するガスセンサとすると良い。

このような遮り部を設けることで、外側ガス導入窓から導入された被測定ガスの流通性を確保しつつ、被測定ガスと共に侵入した凝縮水が、内側ガス導入路を通過して内部に侵入するのをより効果的に抑制できる（凝縮水の侵入防止効果を向上させることができる）。従って、ガスセンサの耐被水性をより向上させることができる。
なお、この遮り部を設けるにあたり、内側カバー部と一体成形により遮り部を設けることで、外側筒状部と内側筒状部との間のカバー部内空間に、容易に遮り部を配置でき、低コスト化に寄与する。

さらに、上記のガスセンサであって、前記外側ガス導入窓の開口面積に対する前記遮り部の面積の割合が、５％以上４０％以下の範囲内にあるガスセンサとすると良い。

外側ガス導入窓の開口面積に対する遮り部の面積の割合を５％以上４０％以下とすることで、被測定ガスの流通性を十分に確保しつつ、かつ、凝縮水の侵入防止効果も十分に確保できる。上記割合が５％未満であると、凝縮水の侵入防止効果が低下する恐れがあり、上記割合が４０％を越えると、被測定ガスの流通性が低下する恐れがある。なお、この外側ガス導入窓の開口面積に対する遮り部の面積の割合は、７．５％以上３５％以下とすることが好ましい。
また、遮り部の面積は、遮り部を軸方向先端側から後端側に向かって投影したときの投影面積として算出する。

さらに、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記外側カバー部は、前記外側筒状部より先端側に位置し、外側先端通気孔を含む外側底部を有し、前記内側カバー部は、前記内側筒状部より先端側に位置し、前記内側先端通気孔を含む内側底部を有し、前記外側底部と前記内側底部とが密接し、または、前記外側底部と前記内側底部とが、少なくとも前記外側先端通気孔の周囲部と前記内側先端通気孔の周囲部との間で、０．２ｍｍ以下の隙間を介して近接し、前記外側先端通気孔と前記内側先端通気孔とが連通してなるガスセンサとすると良い。

本発明によれば、外側底部と内側底部とが密接し、外側先端通気孔と内側先端通気孔とが連通してなる。または、外側底部と内側底部とが、少なくとも外側先端通気孔の周囲部と内側先端通気孔の周囲部との間で、０．２ｍｍ以下の隙間を介して近接し、外側先端通気孔と内側先端通気孔とが連通してなる。即ち、外側底部と内側底部との隙間が実質的に閉じている。このような構成とすることで、被測定ガスが、外側底部と内側底部との隙間を流れることがほとんどなくなり、外部を流れる被測定ガスによるベンチュリー効果によって、内側カバー部内の被測定ガスを、連結した内側先端通気孔及び外側先端通気孔を通じて、効率よく外部へ排出できる。

さらに、上記のガスセンサであって、前記外側カバー部の外側先端通気孔の周囲部と前記内側カバー部の内側先端通気孔の周囲部とが互いに固着されてなるガスセンサとすると良い。

このように外側先端通気孔の周囲部と内側先端通気孔の周囲部を固着することにより、外側カバー部と内側カバー部が相対的に位置ずれするのを確実に防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態に係るガスセンサ１０１の断面図を図１に、要部の平面図を図２に、要部の断面図を図３に示す。また、プロテクタ１５１について図４に示す。なお、図１〜図４においては、下方が先端側、上方が後端側となる。このガスセンサ１０１は、内燃機関の排ガス管に取り付けて、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサである。ガスセンサ１０１は、軸線Ｃ方向に延びるガスセンサ素子１０３と、このガスセンサ素子１０３の周囲を取り囲む筒状の主体金具１２１と、ガスセンサ素子１０３のうちで排ガスに晒される先端部１０５を覆うプロテクタ１５１とを備える。

このうち、ガスセンサ素子１０３は、感ガス特性を有すると共に、先端１０５Ｓが閉じた有底筒状をなし、被測定ガス中の酸素濃度を測定可能なガス検出部１０７を有する。また、このガス検出部１０７の内側には、ガス検出部１０７を加熱するための棒状のヒータ部１０９が挿設されている。また、ガスセンサ素子１０３は、軸方向の中央付近に、径方向外側に突出する突出部１１１を有する。この突出部１１１は、後述するように、このガスセンサ素子１０３を主体金具１２１に保持するために利用されている。

主体金具１２１は、プロテクタ１５１内に挿入される比較的肉薄な先端部１２３を有する。また、主体金具１２１の内周には、先端部１２３よりも後端側の位置に、ガスセンサ素子１０３を軸方向に保持（支持）するための棚部（支持面）１２５が設けられている。さらに、棚部１２５よりも後端側にも段付部１２７が形成されている。一方、主体金具１２１の外周には、先端部１２３よりも後端側の位置に、このガスセンサ１０１を排ガス管に取り付けるため周方向に取付ねじ部１２９が設けられている。また、この取付ねじ部１２９の後端側には、このガスセンサ１０１を排ガス管に取り付ける際に利用される六角フランジ部１３１（工具係合部）が設けられている。

この主体金具１２１は、ガスセンサ素子１０３の先端部１０５が自身の先端面１２３Ｓから突出した状態で、ガスセンサ素子１０３を同軸状に保持している。具体的には、主体金具１２１の棚部１２５上には、第１板パッキン１３３が配置されている。さらに、その上には、内周に段付部１３６を有する筒状の第１固定部材１３５が配置されている。ガスセンサ素子１０３は、この第１固定部材１３５に挿通され、ガスセンサ素子１０３の突出部１１１が、第２板パッキン１３７を介して、第１固定部材１３５の段付部１３６に係合している。第１固定部材１３５の後端側には、ガスセンサ素子１０３の外周面と主体金具の内周面とによって構成される間隙に、粉末が充填されてなる充填封止層１３９が形成されている。さらに、この充填封止層１３９の後端側には、外周に段付部１４２を有し、内側をガスセンサ素子１０３が貫通する筒状の第２固定部材１４１が配置されている。第２固定部材１４１の後端側には、加締めリング１４５が配置され、主体金具１２１の後端部１３２によって加締められている。

プロテクタ１５１は、ガスセンサ素子１０３の先端部１０５を間隙を介して覆う筒状の内側カバー部１５３と、この内側カバー部１５３の外周に配置された筒状の外側カバー部１７３とを有する二重構造をなす。
このうち、外側カバー部１７３は、肉厚約０．５ｍｍの金属材からなり、外側筒状部１７５（外径約１３．１ｍｍ）と、この先端側に位置する外側底部１７７とからなる。外側筒状部１７５には、被測定ガスを外部から外側カバー部１７５の内側に導入可能な外側ガス導入窓１７６が８カ所に設けられている。外側ガス導入窓１７６は、それぞれ長円形状をなし、各々の外側ガス導入窓１７６は、軸方向に見て中央よりも先端側の位置に、周方向に均等な間隔で形成されている。外側底部１７７には、その中央に、プロテクタ１５１よりも先端方向外部に繋がる円形状の外側先端通気孔１７９が設けられている。

内側カバー部１５３は、肉厚約０．３ｍｍの金属材からなり、内側筒状部１５５（外径約８．５ｍｍ）と、この先端側に位置する内側底部１５７とからなる。内側筒状部１５５は、上記外側筒状部１７５と異なり、通気孔を有しない。一方、内側底部１５７には、その中央に、プロテクタ１５１よりも先端方向外部に繋がる円形状の内側先端通気孔１５９が設けられている。

また、プロテクタ１５１は、内側カバー部１５３の内側筒状部１５５と外側カバー部１７３の外側筒状部１７５との間のカバー部間空間１７１のうち、外側ガス導入窓１７６よりも後端側において、カバー部間空間１７１を周方向に断続的に遮る遮り部１８１を有する。本実施形態の遮り部１８１は、内側筒状部１５５の後端１５５Ｋから６カ所で径方向外側に突出する鍔部１８３からなる。外側ガス導入窓１７６の開口面積に対する遮り部１８１（鍔部１８３）の面積（遮り部１８１を軸方向に投影したときの投影面積）は、約２２％とされている。この鍔部１８３には、この径方向外側端からそれぞれ軸方向後端側に突出する６本の脚部１８５が設けられている。

内側カバー部１５３と外側カバー部１７３は、内側底部１５７と外側底部１７７が、内側先端通気孔１５９の周囲部１５７Ｗと外側先端通気孔１７９の周囲部１７７Ｗにおいて、４カ所で部分的にスポット溶接されることにより、約０．１ｍｍの隙間を介して互いに固着されている。これにより、内側先端通気孔１５９と外側先端通気孔１７９とが連通している。また、内側筒状部１５５と外側筒状部１７５は、外側ガス導入窓１７６と対向する位置に、内側筒状部１５５の側壁が存在し、内側筒状部１５５と外側筒状部１７５とが、平行となる形態とされている。

このようなプロテクタ１５１は、外側カバー部１７３の後端部１８０（外側筒状部１７５の後端部）が、主体金具１２１の先端部１２３の外周面１２３Ｅにレーザ溶接され固着されている。また、遮り部１８１と繋がった脚部１８５が主体金具１２１の先端部１２３の先端面１２３Ｓと当接している。
これにより、主体金具１２１の先端部１２３と、外側筒状部１７５と、内側筒状部１５５とは、外側ガス導入窓１７６から導入された被測定ガスを、内側カバー部１５３とガスセンサ素子１０３の先端部１０５との間の空隙に導く内側ガス導入路１９１を構成している。具体的には、内側ガス導入路１９１は、外側ガス導入窓１７６から導入された被測定ガスを、外側筒状部１７５と内側筒状部１５５との間を通過させ、後端側に導く。その後、被測定ガスを、主体金具１２１の先端部１２３のうち、内周面１２３Ｄと外周面１２３Ｅとの間を結ぶ連結面（先端面）１２３Ｓの内周面側端縁１２３ＳＴよりも軸方向に見て先端側で、内側筒状部１５５の後端１５５Ｋを越えさせる。そして、被測定ガスを、内側カバー部１５３とガスセンサ素子１０３の先端部１０５との間の空隙に導き、内側先端通気孔１５９及び外側先端通気孔１７９を介してプロテクタ１５１の外部に排出する。

図１に示すように、主体金具１２１のうち、六角フランジ部１３１の後端側には、筒状の金属外筒２０１の先端部２０１Ｓが外側からレーザ溶接により固着されている。また、金属外筒２０１の後端側開口部２０１Ｋには、ゴム等で構成されたグロメット２０３が嵌入され、加締めにより封止されている。グロメット２０３の中心部には、大気を金属外筒２０１内に導入する一方、水分の侵入を防ぐフィルタ部材２０５が配置されている。また、グロメット２０３の先端側には、絶縁性のアルミナセラミックからなるセパレータ２０７が設けられている。そして、グロメット２０３及びセパレータ２０７を貫通してセンサ出力リード線２１１，２１２及びヒータリード線２１３，２１４が配置されている。また、セパレータ２０７内には、第１，第２センサ端子金具２１５，２１６のコネクタ部２１５Ｂ，２１５Ｃ、及び、ヒータ端子金具２１７，２１８が互いに絶縁されつつ保持されている。

第１センサ端子金具２１５は、そのコネクタ部２１５Ｂがセンサ出力リード線２１１を把持してこれに電気的に接続すると共に、挿入部２１５Ｃがガス検出部１０７の有抵孔内に挿入され、センサ内部電極層と電気的に接続している。また、第２センサ端子金具２１６は、そのコネクタ部２１６Ｂがセンサ出力リード線２１２を把持してこれに電気的に接続すると共に、把持部２１６Ｃがガスセンサ部１０７の後端付近の外周を把持して、センサ外部電極層と電気的に接続している。また、ヒータ端子金具２１７，２１８は、ヒータリード線２１３，２１４とそれぞれ電気的に接続すると共に、ヒータ部１０９の電極パッド１０９Ｂ，１０９Ｃとそれぞれ電気的に接続している。

（調査結果）
次いで、本実施形態に係るガスセンサ１０１について、センサの応答性と耐被水性についてそれぞれ調査した。
本実施形態に係るガスセンサ１０１について、主体金具１２１の先端部１２３と内側筒状部１５５の後端１５５Ｋとの最短距離（本実施形態では、主体金具１２１の先端部１２３の内周面側端縁１２３ＳＴと内側筒状部１５５の後端１５５Ｋとの距離）をｄとした。また、内側筒状部１５５の後端１５５Ｋと外側ガス導入窓１７６の後端側端１７６Ｋとの軸方向についての最短距離をＤとした。そして、調査には、ｄ＋Ｄ＝５．９（ｍｍ）の条件で、実施例１としてｄ／Ｄの値が約０．０１０のガスセンサを、実施例２としてｄ／Ｄの値が約０．０７９のガスセンサを、実施例３としてｄ／Ｄの値が約０．１０５のガスセンサを、実施例４としてｄ／Ｄの値が約０．１５０のガスセンサを、実施例５としてｄ／Ｄの値が約０．２００のガスセンサ、また、実施例６としてｄ／Ｄの値が約０．２１７のガスセンサを用いた。

調査は、排気量２０００ｃｃ、インジェクター付きの直列４気筒ガソリンエンジンの排気管に供試酸素センサを取り付けて、その出力値を測定することにより行った。ガソリンエンジンは、無鉛ガソリンを用いて２０００ｒｐｍ（回転数／分）の速度で駆動させた。排気温度は、約４５０℃である。この測定では、制御用酸素センサで、空燃比（空気／ガソリン）の理論空燃比１４．７倍をλ＝１としたときに、０．５Ｈｚで強制的にリッチ（λ＝０．９７）・リーン（λ＝１．０３）を切り替える制御をした。そして、リッチからリーンへの切り替え後、供試酸素センサの出力がλ＝１に対応した値に変化するまでの時間をＴｒｓと、リーンからリッチへの切り替え後、供試酸素センサの出力がλ＝１に対応した値に変化するまでの時間をＴｌｓとの和を求めた。その結果を表１に示す。応答性試験は、実施例１の応答時間を１としたときの比率で結果をそれぞれ示してある。

また、耐被水性試験は、ガスセンサ１０１を内径５０ｍｍの排気管内に突き出すように取り付けた。次いで、この排気管内において、水をガスセンサ１０１に向けてノズルから０．２ＭＰａの噴射圧で噴射すると共に、３ｍ／ｓの流速で５秒間送風した後、５秒間送風を止めることを３回繰り返して行った。そして、この直後に、プロテクタ１５１内のガスセンサ素子１０３の外観を観察して水滴付着の有無を確認した。その結果、水滴付着がないものを良好、水滴付着があったものを不良とした。調査は、それぞれ１０個のサンプルについて行った。
また、総合判定は、応答性と耐被水性を総合的に判断したものであり、双方の結果が良好なものを○とし、いずれか一方の結果が良くないものを△とした。

表１から明らかなように、応答性試験については、実施例１に比べて、実施例２〜実施例６は、応答時間の比率でおよそ０．０５（５％）良くなっている。従って、実施例１に比べて、実施例２〜実施例６のガスセンサは、センサの応答性に優れていることが判る。このような結果となるのは、ｄ／Ｄの値がある程度大きくないと、つまり、Ｄに比べｄがある程度大きくないと、内側ガス導入路１９１に生じる抵抗が小さくならず、応答に影響するためと考えられる。一方、Ｄに比べｄが大きすぎても、応答の改善にはあまり影響しないことも判る。このようなセンサの応答性を考えると、ｄ／Ｄの値は０．０７５以上とするのがよいと考えられる。

一方、耐被水性試験については、実施例１〜実施例５で耐被水性良好であったが、実施例６では耐被水性の低下が確認された。従って、実施例１〜実施例５のガスセンサは、耐被水性に優れていることが判る。ｄ／Ｄの値があまり大きすぎると、ｄに比べＤが小さくなると、外側ガス導入窓１７６から侵入した凝縮水が、内側ガス導入路１９１を通過して内側カバー部１５５内に入りやすくなるためと考えられる。このような結果から、ｄ／Ｄの値が０．２００以下となるようにガスセンサを設計すると、耐被水性を特に向上させることができると考えられる。
また、これら応答性試験及び耐被水性試験を総合的に判断すると、実施例１はセンサの応答性に劣り、実施例６は耐被水性に劣るのに対し、実施例２〜実施例５は応答性にも耐被水性にも優れていると言える。

以上で説明したように、本実施形態のガスセンサ１０１は、外側カバー部１７３の外側筒状部１７５に外側ガス導入窓１７６を有する。また、ガスセンサ１０１は、主体金具１２１の先端部１２３と外側カバー部１７３の外側筒状部１７５と内側カバー部１５３の内側筒状部１５５によって構成される内側ガス導入路１９１を有する。さらに、ガスセンサ１０１は、内側カバー部１５３の先端方向に位置する内側先端貫通孔１５９と外側カバー部１７３の先端方向に位置する外側先端貫通孔１７９を有する。

このため、外部から外側ガス導入窓１７６を通ってその内側に侵入した被測定ガスは、外側カバー部１７３と内側カバー部１５３との間を後端側に流れ、さらに、内側ガス導入路１９１を通って、内側カバー部１５３の内側に流入する。そしてその後、内側カバー部１５３とガスセンサ素子１０３の先端部１０５との空隙を先端側に流れる。その後、被測定ガスは、内側先端貫通孔１５９及び外側先端貫通孔１７９を通じて外部に排出される。よって、被測定ガスの流入特性がよい。一方、ガスセンサ１０１を先端下向きに使用した場合、被測定ガスと共に外部から外側ガス導入窓１７６を通ってその内側に侵入した凝縮水は、内側カバー部１５３の内側筒状部外壁面を伝って先端側に流れる。このため、凝縮水がガスセンサ素子１０３にかかり、ガスセンサ素子１０３が破損する危険性が低い。従って、このガスセンサ１０１は、センサの応答性に優れると共に、耐被水性にも優れる。

特に、このガスセンサ１０１は、内側ガス導入路１９１が、特許文献２で開示された従来のガスセンサよりも先端側に設けられているため、内側ガス導入路１９１からガスセンサ素子１０３の先端部１０５までの距離が短くなり、センサの応答性を向上させることができる。また、内側ガス導入路１９１を先端側に設けているため、主体金具１２１の先端部１２３の内周面１２３Ｄの寸法に影響されることなく、ガスセンサ１０１を径方向に小型化することも可能となる。
さらに、このガスセンサ１０１は、プロテクタ１５１を二重構造としているため、部品点数を少なく、製造工程も少なくできる。従って、ガスセンサ１０１を安価にできる。

また、本実施形態では、外側ガス導入窓１７６と対向する位置に、内側筒状部１５５の側壁が存在し、かつ、内側筒状部１５５と外側筒状部１７５とが、平行な形態とされている。このため、外側ガス導入窓１７６から導入された被測定ガスは、内側筒状部１７５の外壁面に沿って後端側に流れやすくなり、多くの被測定ガスを内側ガス導入路１９１に速やかに送ることができる。
また、上述したｄ／Ｄの値を０．０７５以上０．２００以下とすることで、特に、早い応答性を実現しつつ、ガスセンサ素子１０３に対する耐被水性を向上させることができる。

また、本実施形態では、遮り部１８１が設けられているので、外側ガス導入窓１７６から導入された被測定ガスの流通性を確保しつつ、被測定ガスと共に侵入した凝縮水が、内側ガス導入路１９１を通過して内部に侵入するのをより効果的に抑制できる。従って、ガスセンサ１０１の耐被水性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、外側ガス導入窓１７６の開口面積に対する遮り部１８１の面積の割合を、５％以上４０％以下である約２２％としているので、被測定ガスの流通性を十分に確保しつつ、かつ、凝縮水の侵入防止効果も十分に確保できる。

また、本実施形態では、外側先端通気孔１７９と内側先端通気孔１５９とが約０．１ｍｍの隙間を介して連通しているため、被測定ガスが、外側底部１７７と内側底部１５７との隙間を流れることがほとんどなくなり、外部を流れる被測定ガスによるベンチュリー効果によって、内側カバー部１５３内の被測定ガスを、効率よく外部へ排出できる。
また、本実施形態では、外側先端通気孔１７９の周囲部１７７Ｗと内側先端通気孔１５９の周囲部１５７Ｗとをスポット溶接によって固着しているので、外側カバー部１７３と内側カバー部１５３が相対的に位置ずれするのを確実に防止できる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、外側筒状部１７５の先端側に外側先端通気孔１７９を有する外側カバー部１７３を例示した。しかし、外側カバー部は、外側筒状部の先端側に通気
孔を有しない有底の外側底部を有するものや、内側カバー部が外側カバー部よりも先端側に突出しており、外側筒状部の先端側に内側カバー部に近接あるいは当接する内側カバー接近部を有するものとすることもできる。
また、上記実施形態では、内側筒状部１５５の先端側に、プロテクタ１５１よりも先端方向外部に繋がる内側先端通気孔１５９を有する内側カバー部１５３を例示した。しかし、内側カバー部は、内側筒状部の先端側に形成された内側先端通気孔が、外側カバー部内の空間と繋がるように配置したものとすることもできる。

また、上記実施形態では、内側筒状部１５３と外側筒状部１７３が平行な形態のガスセンサ１０１を例示した。しかし、ガスセンサは、内側筒状部と外側筒状部が先端側に向かうほど互いの間隔が小さくなる形態とすることもできる。
また、上記実施形態では、外側先端通気孔１７９と内側先端通気孔１５９が隙間を介して連結したガスセンサ１０１を例示した。しかし、ガスセンサは、外側カバー部と内側カバー部とが密接して外側先端通気孔と内側先端通気孔とが連結したものとすることもできる。

また、上記実施形態では、有底筒状の形態をなすガスセンサ素子１０３を例示した。しかし、ガスセンサ素子の形態は、板状などとすることもできる。
また、上記実施形態では、外側ガス導入窓１７６の形状を長円形、内側先端通気孔１５９及び外側先端通気孔１７９の形状を円形としている。しかし、これらの孔の形状は、楕円形、矩形など適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、遮り部１８１は、６カ所で径方向外側に突出する形態としているが、遮り部の数や形状はこれに限定されるものではなく、適宜変更することができる。

実施形態に係るガスセンサの断面図である。実施形態に係るガスセンサの要部の平面図である。実施形態に係るガスセンサの要部の断面図である。実施形態に係るガスセンサのうちプロテクタを示す説明図である。

１０１ガスセンサ
１０３ガスセンサ素子
１０５（ガスセンサ素子の）先端部
１２１主体金具
１２３（主体金具の）先端部
１２３Ｄ（主体金具の先端部の）内周面
１２３Ｅ（主体金具の先端部の）外周面
１２３Ｓ（主体金具の先端部の）連結面（先端面）
１２３ＳＴ（連結面の）内周面側端縁
１５１プロテクタ
１５３内側カバー部
１５５内側筒状部
１５９内側先端通気孔
１７３外側カバー部
１７５外側筒状部
１７６外側ガス導入窓
１７９外側先端通気孔
１９１内側ガス導入路

Claims

軸方向に延び、少なくとも自身の先端部に感ガス特性を有するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子の先端部が自身の先端から突出した状態で、前記ガスセンサ素子の周囲を取り囲み、内周面に前記ガスセンサ素子の軸方向を支持する支持面を有する筒状の主体金具と、
前記主体金具に固定され、前記ガスセンサ素子の先端部を覆うプロテクタと、を備えるガスセンサであって、
前記プロテクタは、前記ガスセンサ素子の先端部を間隙を介して覆う筒状の内側カバー部と、この内側カバー部の外周に配置された筒状の外側カバー部とを有する二重構造をなし、
前記外側カバー部は、被測定ガスを外部から前記外側カバー部の内側に導入可能な外側ガス導入窓を有する外側筒状部を含み、
前記内側カバー部は、
前記ガスセンサ素子の先端部を取り囲む内側筒状部と、
この内側筒状部より先端側に位置する内側先端通気孔と、
を含み、
前記主体金具のうち前記支持面より先端側に位置する先端部と、前記外側筒状部と、前記内側筒状部とは、前記外側ガス導入窓から導入された被測定ガスを、前記外側筒状部と前記内側筒状部との間を通り、前記主体金具の先端部のうち、内周面と外周面との間を結ぶ連結面の内周面側端縁よりも軸方向に見て先端側で、前記内側筒状部の後端を越えて、前記内側カバー部と前記ガスセンサ素子の先端部との間の空隙に導く内側ガス導入路を構成する配置とされている
ガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記主体金具の先端部と前記内側筒状部の後端との最短距離をｄ、前記内側筒状部の後端と前記外側ガス導入窓の後端側端との軸方向についての最短距離をＤとしたときに、その比ｄ／Ｄが０．０７５以上０．２００以下の範囲内にある
ガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記内側カバー部の前記内側筒状部と前記外側カバー部の前記外側筒状部との間のカバー部間空間のうち、前記外側ガス導入窓よりも後端側において、前記カバー部間空間を周方向に断続的に遮る遮り部を有する
ガスセンサ。
請求項３に記載のガスセンサであって、
前記外側ガス導入窓の開口面積に対する前記遮り部の面積の割合が、５％以上４０％以下の範囲内にある
ガスセンサ。
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記外側カバー部は、前記外側筒状部より先端側に位置し、外側先端通気孔を含む外側底部を有し、
前記内側カバー部は、前記内側筒状部より先端側に位置し、前記内側先端通気孔を含む内側底部を有し、
前記外側底部と前記内側底部とが密接し、または、前記外側底部と前記内側底部とが、少なくとも前記外側先端通気孔の周囲部と前記内側先端通気孔の周囲部との間で、０．２ｍｍ以下の隙間を介して近接し、
前記外側先端通気孔と前記内側先端通気孔とが連通してなる
ガスセンサ。
請求項５に記載のガスセンサであって、
前記外側カバー部の外側先端通気孔の周囲部と前記内側カバー部の内側先端通気孔の周囲部とが互いに固着されてなる
ガスセンサ。
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記内側筒状部と前記外側筒状部とは、前記外側ガス導入窓と対向する位置に、前記内側筒状部の側壁が存在し、
前記内側筒状部と前記外側筒状部とが、平行または先端側に向かうほど互いの間隔が小さくなる形態とされてなる
ガスセンサ。