JP4838871B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス等の被測定ガス中に含まれる特定のガス（例えば、酸素等）を検出するためのガスセンサに関する。

従来から、被測定ガス中の特定のガスを検出するガスセンサ、例えば、内燃機関の排気ガス中の酸素等を検出するためのガスセンサが知られている。また、このようなガスセンサに用いられるガスセンサ素子としては、先端が閉じた有底筒状の固体電解質体の内外面に電極層を有するガスセンサ素子が知られている。このような構造のガスセンサ素子を用いたガスセンサでは、基準ガスとして例えば大気をガスセンサ素子の内側に導入し、外側に被測定ガスを接触させ、ガスセンサ素子内外のガス濃度差に応じて生じる起電力を測定することによって、ガス濃度を検出する。

また、上記のガスセンサでは、ガスセンサ素子の先端側に形成された検知部を金属製のハウジングの先端から突出させるようにして、ガスセンサ素子をハウジングに保持し、突出させたガスセンサ素子の周囲を通気孔が設けられたプロテクタによって覆い、保護した構成となっているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−３２６３９４号公報

上記のガスセンサにおいては、ガスセンサ素子を構成する材料、例えば、電極に使用する白金等の使用量を削減し、製造コストの低減を図るため、ガスセンサ素子の全長を短くする短縮化を行うことが望まれている。

しかしながら、上記のようにガスセンサ素子を短縮化した場合、ガスセンサ素子の先端側に設けられたガス検出部の全体又はその一部が、ガスセンサ素子を保持するハウジングの先端から外部に突出せずに、ハウジング内部に収容された状態となる。このため、ガスセンサ素子を短縮化するとガスセンサの応答性の低下を招くという問題が発生し、十分なガスセンサ素子の短縮化が困難であるという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、応答性の低下を抑制しつつガスセンサ素子の短縮化を図ることのできるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明のガスセンサは、軸線方向に延びるとともに、自身の先端が閉塞された有底円筒状のガスセンサ素子であって、先端側外側面上に検出電極が形成された固体電解質体を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の内部に挿入された棒状の加熱用ヒータであって、少なくとも前記検出電極に対向する前記ガスセンサ素子の内側面に直接又は他部材を介して接触するヒータ接触部を有するヒータと、自身の貫通孔内に、前記ガスセンサ素子を挿入し、前記ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲む筒状のハウジングと、前記ハウジングの先端側に固定されたプロテクタであって、前記ハウジングに外嵌され、自身の内部にガスを導入する外側導入口を有する筒状の外側プロテクタと、この外側プロテクタと間隔を設けて軸線方向に延びる筒状の内側筒状部を有し、前記外側プロテクタの内部に配置された筒状の内側プロテクタとを具備したプロテクタとを備えたガスセンサにおいて、前記ヒータ接触部が、前記ハウジングの先端より後端側に位置するとともに、前記ハウジングに、先端に向けて前記貫通孔が拡径する拡径部が設けられ、かつ、前記ハウジングの先端と前記内側筒状部との間に、前記ガスを前記内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられていることを特徴とする。

上記構成の本発明のガスセンサでは、ガスセンサ素子のヒータ接触部がハウジングの先端より後端側に位置する構成となっている。すなわち、加熱用ヒータによって加熱され、ガスを検出可能となるガス検出部の全体又は一部がハウジングの先端よりハウジングの後端側（内部）に入り込んだ構成となっている。そして、ハウジングに、先端に向けて貫通孔が拡径する拡径部が設けられ、かつ、ハウジングの先端と内側筒状部との間に、ガスを内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられた構成とすることによって、ガスセンサ素子の全長が従来のガスセンサに比べて短縮化することが可能であると共に、ハウジング内に入り込んだガスセンサ素子の検出部付近にガスの流れが到達し易くなり、応答性の低下が生じることを抑制できるようになっている。

なお、検出電極は、固体電解質体の先端を含む外側面上に形成されていても良いし、先端を含まずに先端側外側面上に形成されていても良い。また、ヒータ接触部は、ガスセンサ素子の検出電極に対向する内側面側に直接接触していても良いし、他部材（例えば、基準電極や保護層等）を介して接触していても良い。なお、「ガスセンサの検出電極に対向する内側面」とはガスセンサの検出電極が形成された固体電解質体の外側面に垂線を引いてその垂線と交差する内側面のことを指す。さらに、ヒータ接触部は、棒状の加熱用ヒータの先端縁の一部もしくは全部であっても良いし、先端側外周面の一部であっても良い。

上記構成の発明のガスセンサでは、軸線方向に沿った断面にて見たときに、拡径部における貫通孔の後端と先端とを結んだ仮想線より径方向内側に、内側導入口の少なくとも一部が設けられている構成とすることが好ましい。これにより、プロテクタ内を通過したガスが、ハウジングの影響を殆ど受けずに拡径部に向けて迅速に、且つ多量に流れ込むので、その結果、迅速に、且つ多量にガスがガスセンサ素子のヒータ接触部付近（ガス検出部）に到達させることができ、応答性の低下が生じることを抑制できる。

上記構成の本発明のガスセンサでは、軸線方向に沿った断面にて見たときに、拡径部における貫通孔の後端と先端とを結んだ仮想線とガスセンサ素子表面との交点より先端側に、ヒータ接触部の少なくとも一部が設けられている構成とすることが好ましい。これによって、拡径部の内周面に沿ったガスの流れによって、迅速に、且つ多量にガスがガスセンサ素子のヒータ接触部（ガス検出部）付近に到達させることができ、応答性の低下が生じることを抑制できる。

上記構成の本発明のガスセンサでは、軸線方向に沿った断面にて見たとき、拡径部における貫通孔の後端よりも先端側に、ヒータ接触部の少なくとも一部が設けられている構成とすることが好ましい。これにより、拡径部の内周面に沿ったガスの流れによって、さらに迅速に、且つ多量にガスがガスセンサ素子のヒータ接触部付近（ガス検出部）に到達させることができ、応答性の低下が生じることをさらに抑制できる。

上記構成の発明のガスセンサでは、拡径部における貫通孔が、ハウジングの先端面に向かうにつれて漸近的に拡径する構成とすることが好ましい。これにより、拡径部に流れ込んだガスが、ガスセンサ素子のヒータ接触部付近（ガス検出部）に到達するまでに、拡径部により緩慢に、または少量になることを防止でき、応答性の低下が生じることを抑制できる。

本発明の別のガスセンサは、軸線方向に延びるとともに、自身の先端が閉塞された有底円筒状のガスセンサ素子であって、先端側外側面上に検出電極が形成された固体電解質体を有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の内部に挿入された棒状の加熱用ヒータであって少なくとも前記検出電極に対向する前記ガスセンサ素子の内面側面に直接又は他部材を介して接触するヒータ接触部を有するヒータと、自身の貫通孔内に、前記ガスセンサ素子を挿入し、前記ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲む筒状のハウジングと、前記ハウジングの先端側に固定されたプロテクタであって、前記ハウジングに外嵌され、自身の内部にガスを導入する外側導入口を有する筒状の外側プロテクタと、この外側プロテクタと間隔を設けて軸線方向に延びる筒状の内側筒状部を有し、前記外側プロテクタの内部に配置された筒状の内側プロテクタとを具備したプロテクタとを備えたガスセンサにおいて、前記ヒータ接触部が、前記ハウジングの先端より後端側に位置するとともに、前記ハウジングの先端と前記内側筒状部との間に、前記ガスを前記内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられており、前記ガスセンサを前記軸線方向に沿った断面にて見たときに、前記貫通孔と前記ハウジングの先端との交点よりも径方向内側に、前記内側導入口の少なくとも一部が設けられていることを特徴とする。

上記構成の別のガスセンサでは、ガスセンサ素子のヒータ接触部がハウジングの先端より後端側に位置する構成となっている。すなわち、加熱用ヒータによって加熱され、ガスを検出可能となるガス検出部の全体又は一部がハウジングの先端よりハウジングの後端側（内部）に入り込んだ構成となっている。そして、ハウジングの先端と内側筒状部との間に、ガスを内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられると共に、この内側導入口の少なくとも一部が貫通孔とハウジングの先端との交点よりも径方向内側に設けられた構成とすることによって、ガスセンサ素子の全長が従来のガスセンサに比べて短縮化することが可能であると共に、プロテクタ内を通過したガスが、ハウジングの影響を殆ど受けずに迅速に、且つ多量にハウジング内に流れ込むので、ハウジング内に入り込んだガスセンサ素子の検出部付近にガスの流れが到達し易くなり、応答性の低下が生じることを抑制できる。

また、上記構成の本発明のガスセンサでは、内側プロテクタの先端部に、当該内側プロテクタ内からガスを排出するためのガス流通孔が設けられた構成とすることができる。これによって、内側プロテクタ内を流通するガスの流れが円滑になり、応答性の低下が生じることを抑制できる。

また、上記構成の本発明のガスセンサでは、外側プロテクタは、ガスセンサ素子の先端部より先端側にガス流通孔が設けられている構成とすることができる。これによって、排気ガス等の中にガスとともに含まれる水分等がガスセンサ素子に到達してガスセンサ素子を損傷させることを防止することができる。

本発明によれば、応答性の低下を抑制しつつガスセンサ素子の短縮化を図ることのできるガスセンサを提供することができる。

本発明の第１実施形態のガスセンサの全体概略構成を示す縦断面図。 図１のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 図１のガスセンサの要部構成を拡大して示す一部切り欠き斜視図。 他の実施形態のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 他の実施形態のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 実施例と比較例の応答特性を調査した結果を示すグラフ。 実施例と比較例の応答特性を調査した結果を示すグラフ。 従来のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 比較例に係るガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 他の比較例に係るガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 本発明の第２実施形態のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図。 図１１のＡ−Ａにて切断した横断面図。

以下、本発明のガスセンサを酸素センサに適用した第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のガスセンサの第１実施形態に係る酸素センサの概略構成を示す縦断面図であり、図２は図１のガスセンサの要部構成を拡大して示す縦断面図、図３は図１のガスセンサの要部構成を拡大して示す一部切り欠き斜視図である。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、先端が閉じた有底円筒状のガスセンサ素子（酸素検出素子）２００を具備している。この、ガスセンサ素子２００の筒部内には、棒状のヒータ１０１が挿入さている。

ガスセンサ素子２００は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性の固体電解質体１からなり、その先端部３側（図中下側）に後述する外側電極５が形成された検知領域を有し、検知領域の後端側（図中上側）には、径方向外側に突出する鍔部２が形成されている。

固体電解質体１の外側には、例えばＰｔあるいはＰｔ合金からなり、無電解めっきなどのめっきによって形成された外側電極５が形成されている。この外側電極５には、電極からの信号を後端側に引き出すためのリード電極（図示せず。）が電気的に接続されている。また、固体電解質体１の内側には、上記外側電極５と同様に、例えばＰｔあるいはＰｔ合金などからなる内側電極（図示せず。）が形成されている。なお、外側電極５の外側には、スピネル等のセラミック溶射層からなる保護層（図示せず。）が形成されている。

ガスセンサ素子２００のうち鍔部２は、絶縁性セラミックからなるホルダ１０２に係合され、ガスセンサ素子２００は、鍔部２の後端側に配置されたタルクから形成されたセラミック粉末１０４およびセラミック粉末１０４の後端側に配置されたスリーブ１０３により、筒状の主体金具１０５の貫通孔１７１内に気密に保持されている。なお、本明細書においては、ガスセンサ素子２００の軸に沿う方向（図１中、上下方向）のうち、先端部３側（図１中、下方）に向かう側を「先端側」とし、これと反対方向（図１中、上方）に向かう側を「後端側」ということとする。

主体金具１０５は、ガスセンサ１００を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部１０６や工具係合部１０７を有し、プロテクタ１０８がプロテクタ接続部１０９にレーザ溶接で接続されている。このプロテクタ１０８は、ガスセンサ素子２００の先端部３の一部を覆うように取り付けられている。このガスセンサ１００は、ねじ部１０６より先端側が排気管等のエンジン内に位置し、それより後端側は外部の大気中に位置して使用される。

一方、主体金具１０５の後端部１１０は、スリーブ１０３との間にリングパッキン１１１を介してかしめられて気密保持されている。また工具係合部１０７の後端側の接続部１１２には、筒状の金属外筒１１３の先端部１１４が外側からレーザ溶接により固着されている。これらの主体金具１０５と金属外筒１１３とによって、ガスセンサ１００におけるハウジングの主要部が構成されている。

また、上記金属外筒１１３の後端側開口、つまり実質的にハウジングの後端側開口は、封止部材、例えばゴム等で構成されたグロメット１２０を嵌入させてかしめることにより封止されている。

グロメット１２０の中心部には、大気を金属外筒１１３内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ２１０が配置されている。またこのグロメット１２０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１２２が設けられている。そして、セパレータ１２２およびグロメット１２０を貫通してセンサ出力リード線１３０、１３１およびヒータリード線１３２、１３３が配置されている。

セパレータ１２２は、後端側部１２３、先端側部１２４、およびこれらの間に位置し、これらよりも大径の鍔部１２５とを有する。鍔部１２５のうち、後端側部１２３との間には、先端側（図中下方）ほど拡径してテーパ面をなす外筒当接面１２６が形成されている。一方、先端側部１２４との間は、階段状の段差をなす先端側面１２７が形成されている。

このセパレータ１２２内には、第１、第２センサ端子金具１４０、２４０のコネクタ部１４１、２４１、およびヒータ端子部材３４０、３４１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１４０は、一体に成形されたコネクタ部１４１、セパレータ当接部１４２、挿入部１４３を有する。このうち、コネクタ部１４１は、センサ出力リード線１３０の芯線を把持して、第１センサ端子金具１４０とセンサ出力リード線１３０とを電気的に接続する。

また、セパレータ当接部１４２は、セパレータ１２２の保持孔に弾性的に当接して、第１センサ端子金具１４０をセパレータ１２２内に保持する。また、挿入部１４３は、ガスセンサ素子２００の筒部内に挿入されて、内側電極（基準電極）と導通する。

また、この挿入部１４３は、この挿入部１４３がガスセンサ素子２００の筒部内に挿入された際に、挿入部１４３が包囲するヒータ１０１を押圧し、ヒータ１０１の軸線がガスセンサ素子２００の中心軸線に対して偏心する。これにより、ガスセンサ素子２００の筒部内壁（内側電極）に、ヒータ１０１が接触し、ヒータ接触部２０１を形成する。なお、ヒータ接触部２０１に対応するように発熱部１６１が設けられている。

なお、ガスセンサ素子２００の筒部内壁にヒータ接触部２０１が接することで、より小さな容積に熱エネルギーを集中することになり、ガスセンサ１００の活性化時間を短縮する上で効果的である。そして、ガスセンサ素子２００のうち、ヒータ接触部２０１が接触するこのガスセンサ素子２００の部位が実質的な検出部２０２となっている。

一方、第２センサ端子金具２４０は、一体に形成されたコネクタ部２４１、セパレータ当接部２４２、把持部２４３を有する。このうち、コネクタ部２４１は、センサ出力リード線１３１の芯線を把持して、第２センサ端子金具２４０とセンサ出力リード線１３１を電気的に接続する。また、セパレータ当接部２４２は、セパレータ１２２の保持孔に弾性的に当接して、第２センサ端子金具２４０をセパレータ１２２内に保持する。また、把持部２４３は、ガスセンサ素子２００の後端付近の外周を弾性的に把持する。

ヒータ１０１は棒状のセラミックヒータであり、アルミナを主とする芯材に抵抗発熱体（図示せず）を有する発熱部１６１が形成されている。電極パッド１６３、１６４にろう付け接続されるヒータ端子金具３４０、３４１およびヒータリード線１３２、１３３を通じて、このヒータ１０１に通電すると、ガスセンサ素子２００の先端部が加熱される。

金属外筒１１３は、金属製で略円筒形状を成し、先端側（図中下側）に位置し上述したようにその先端部１１４が主体金具１０５と接合される第１外筒部１１５と、第１外筒部１１５よりも後端側に位置し第１外筒部１１５よりも小径の第２外筒部１１６とを有している。この第２外筒部１１６の軸方向中間部分には、周方向に均等に４箇所、径方向内側に凸部頂面が四角形状となって突出する内側凸部１１７が形成されている。この内側凸部１１７のうち、この凸部頂面より先端側には、斜面をなす鍔部当接面１１８が形成されている。この鍔部当接面１１８は、セパレータ１２２の外筒当接面１２６と当接する。

さらに、セパレータ１２２の先端側部１２４の周囲には、付勢金具１５０が装着されている。この付勢金具１５０は、円筒状の金属筒部１５１のほか、この金属筒部１５１の後端部に金属筒部１５１と一体に形成された弾性保持部１５２を有する。

この弾性保持部１５２は、周方向に等間隔に４箇所点在しており、径方向内側に延びると共に徐々に方向転換して先端側に延びて湾曲してなる。この弾性保持部１５２は、付勢金具１５０をセパレータ１２２の先端側部１２４に装着すると、弾性変形して付勢金具１５０を先端側部１２４に保持する。

上記構成のガスセンサ１００は、ねじ部１０６より先端側（図１において下側）が排気管内等に位置し、それより後端側（図１において上側）が外部の大気中に位置した状態で使用される。ガスセンサ素子２００は、その内側に配置されたヒータ１０１で加熱され活性化される。そして、基準ガスとしての大気は、フィルタ２１０から金属外筒１１３内に導入され、ガスセンサ素子２００の内側に導入される。一方、ガスセンサ素子２００の外側にはプロテクタ１０８の通気孔１８７等を介して排気ガスが導入される。

これによって、ガスセンサ素子２００には、その内外面の酸素濃度差に応じて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取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出する。

図２は、上記構成のガスセンサ１００の先端部分を拡大して示すもので、同図に示すように、第１実施形態では、ガスセンサ素子２００は、その先端が主体金具１０５の先端から４ｍｍ突出するようになっている。このため、ヒータ接触部２０１及び検出部２０２は、その全体が主体金具１０５の先端から突出せず、主体金具１０５内に収容された状態となっている。

また、プロテクタ１０８は、主体金具１０５の先端側に外嵌される外側プロテクタ１８６と、この外側プロテクタ１８６と間隙を設けて外側プロテクタ１８６の内側に設けられた内側プロテクタ１８１とを具備している。

このうち、外側プロテクタ１８６は、自身の後端側が主体金具１０５の先端側に外嵌され、先端側に向かって延びる外側筒状部１８８と、外側筒状部１８８の先端に連結した外側テーパ部１８９と、外側テーパ部１８９に連結する外側底部１９０とを具備している。そして、外側筒状部１８８には、周方向に沿って複数の通気孔１８７が形成されている。

また、内側プロテクタ１８１は、外側筒状部１８８に対向するように配置された内側筒状部１８４と、内側筒状部１８４の先端に連結した内側テーパ部１８５と、内側テーパ部１８５に連結する内側底部１９２とを具備している。

そして、内側プロテクタ１８１には、内側筒状部１８４の基端側（後端側）と主体金具１０５との間に入り口側通気孔１８２が周方向に沿って複数形成されている。具体的には、図３に示すように、内側筒状部１８４の後端から、径方向外側に突出すると共に、周方向に間欠的に配置された間欠鍔部１９３を有する。そして、この間欠鍔部１９３のそれぞれの隙間が入り口側通気孔１８２となる。さらに、内側底部１９２には、出口側通気孔１８３が形成されている。なお、内側底部１９２と外側底部１９０とは接触しており、この出口側通気孔１８３は外側底部１９０まで延びている。

また、図２に示すように、主体金具（ハウジング）１０５の先端部には、先端に向けて貫通孔１７１が拡径する拡径部５０１が設けられ、第１実施形態では、この拡径部５０１がテーパ状に形成されている。

そして、ガスセンサ１００は、図示矢印のように、水平方向に排気ガスが流通される排気配管等に、後端側が上部に位置するように挿入固定されるようになっている。この場合、排気ガスは、外側プロテクタ１８６の通気孔１８７から外側プロテクタ１８６と内側プロテクタ１８１との間（外側筒状部１８８と内側筒状部１８４との間）に流入する。この排気ガスには、排気ガスの他水分等が含まれているが、水分等は排気ガスと比較して重いため、外側プロテクタ１８６と内側プロテクタ１８１との間を通り、反対側の通気孔１８７から外部に導出される。

一方、排気ガスは、水分に比べて軽いため、外側プロテクタ１８６と内側プロテクタ１８１との間で上方に向けて上昇し、入り口側通気孔１８２から内側プロテクタ１８１内に流入する。ここで、出口側通気孔１８３の外側には、図中矢印で示すように外側テーパ部１８９に沿った排気ガスの流れが形成されているため、出口側通気部１８３近傍は負圧となっており、内側プロテクタ１８１内に流入した排気ガスは、出口側通気孔１８３から外部に排出される。

上記のような排気ガスの流れによって、排気ガスがガスセンサ素子２００の検出部２０２に供給され、ここで排気ガス中の酸素濃度が検出される。この時、第１実施形態では、ガスセンサ素子２００の検出部２０２全体が主体金具１０５の先端から突出せず、主体金具１０５内に収容された状態となっているが、主体金具（ハウジング）１０５の先端部の拡径部５０１に沿って主体金具１０５の内部に排気ガスが導かれるので、応答性が低下することを抑制することができる。

ここで、拡径部５０１の形状と、ガスセンサ素子２００の検出部２０２との位置の関係は、図２に示すように、検出部２０２に対応するヒータ接触部２０１の少なくとも一部が、拡径部５０１における貫通孔１７１の後端と先端とを結んだ仮想線（図中一点鎖線で示す）より先端側に位置するようにすることが好ましい。なお、図２は拡径部５０１の貫通孔１７１がテーパ状に形成されているため、このテーパ面に沿って仮想線が形成される。これにより、拡径部５０１の内周面に沿ったガスの流れによって、迅速にガスをガスセンサ素子２００の検出部２０２（ヒータ接触部２０１）付近に到達させることができ、応答性の低下が生じることを抑制できる。

また、図５に示すように、拡径部５０１がテーパ状ではなく、段差状に形成されている場合についても、拡径部５０１における貫通孔１７１の後端と先端とを結んだ仮想線（図中一点鎖線で示す）より先端側にヒータ接触部２０１の少なくとも一部が位置するようにすればよい。なお、図２に示されるように、拡径部５０１の貫通孔１７１が先端に向かうにつれて漸近的に拡径するテーパ状に形成されていることがより好ましい。なぜなら、拡径部５０１に流れ込んだガスが、ガスセンサ素子２００の検出部２０２に到達するまでに、拡径部５０１により緩慢に、または少量になることを防止でき、応答性の低下が生じることを抑制できる。

また、拡径部５０１における貫通孔１７１の後端よりも先端側に、ヒータ接触部２０１の少なくとも一部（第１実施形態では全部）が設けられているので、拡径部５０１の貫通孔１７１に沿ったガスの流れによって、さらに迅速に、且つ多量にガスをガスセンサ素子２００の検出部２０２に到達させることができ、応答性の低下が生じることをさらに抑制できる。

さらに、拡径部５０１における貫通孔１７１の後端と先端とを結んだ仮想線より径方向内側に、入り口側通気孔１８２の少なくとも一部が設けられているので、外側筒状部１８８と内側筒状部１８４との間を通過したガスが、主体金具１０５の先端の影響を殆ど受けずに、拡径部５０１に向けて迅速に、且つ多量に流れ込むので、その結果、迅速に、且つ多量にガスをガスセンサ素子２００の検出部２０２に到達させることができ、応答性の低下が生じることを抑制できる。

（実施例）
図８は、従来のガスセンサの先端部の構成を拡大して示すものである。同図に示すように、従来のガスセンサは、ガスセンサ素子２００の先端部が長く、ガスセンサ素子２００は、その先端が主体金具１０５の先端から１０ｍｍ程度突出するようになっており、ヒータ接触部２０１は、主体金具１０５の先端から突出した状態となっている。なお、従来のガスセンサには、上記した拡径部５０１は設けられていない。

そして、かかる構成において、ガスセンサ素子２００の先端部の長さを短くして、図９に示すように、図２に示した場合と同様に、ガスセンサ素子２００の先端を主体金具１０５の先端から４ｍｍ突出させた場合（比較例１）。ガスセンサ素子２００の先端を主体金具１０５の先端から２ｍｍ突出させた場合（比較例２）。図１０に示すように、ガスセンサ素子２００の先端を主体金具１０５の先端から０ｍｍ突出させた場合（突出させない場合）（比較例３）について、その応答性を測定した。

上記応答性の測定は、排気量２０００ｃｃの４サイクルエンジンの排気管にガスセンサを取り付け、回転数２０００ｒｐｍとして駆動させた時のガスセンサの出力値を測定することにより行った。なお、ガスセンサを排気管に取り付ける位置は、エンジン排気温が約４５０℃となる位置とした。この測定では、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、２秒で強制的にリッチ（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とし、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として測定値を出力した。

縦軸をＴＬＳ（ｍｓｅｃ）横軸を素子突き出し量（突出量）（ｍｍ）とした図６のグラフ、及び縦軸をＴＲＳ（ｍｓｅｃ）横軸を素子突き出し量（突出量）（ｍｍ）とした図７のグラフに示すように、従来のガスセンサでは、図９，１０に示したように突き出し量（突出量）を４ｍｍ以下に少なくすると、応答時間が長くなり、応答性の低下が顕著に表れた。なお、図６，７には、従来のガスセンサにおいて、上記突き出し量（突出量）を１０ｍｍ，８ｍｍ，６ｍｍとした場合の参考例のデータも示してある。

一方、図２に示した実施形態において、突き出し量（突出量）を４ｍｍとした場合（実施例１）、突き出し量（突出量）を２ｍｍとした場合（実施例２）、図４のように突き出し量（突出量）を０ｍｍとした場合（突出させない場合）（実施例３）について、その応答性を測定した。この結果、図６，７に示すように、上記した比較例１〜３の場合に比べて、明らかに応答性の低下を抑制することができた。

なお、図２に示したように、突き出し量（突出量）を４ｍｍ以下とすると、ヒータ１０１がガスセンサ素子２００に接触するヒータ接触部（検出部）２０１の位置は、主体金具１０５の先端より後端側（内側）となる。このため、上述した比較例１〜３では、応答性の低下が顕著に表れたと考えられる。

なお、第１実施形態において、外側電極５が特許請求の範囲における「検出電極」に相当し、通気孔１８７が外側導入口に相当し、入り口通気孔１８３が内側導入孔に相当し、出口通気孔がガス流通孔に相当する。

以上説明したとおり、第１実施形態のガスセンサ１００によれば、応答性の低下を抑制しつつガスセンサ素子２００の短縮化を図ることができ、製造コストの低減を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態のガスセンサ４００について説明する。なお、図１１は、ガスセンサ４００の要部構成を拡大して示す縦断面図であり、図１２は、図１１のＡ−Ａにて切断した横断面図である。なお、図１２では、ガスセンサ素子２００及びヒータ１０１については省略している。第２実施形態のガスセンサ４００では、主体金具４０５及びプロテクタ４０８の構造が第１実施形態のガスセンサ１００と異なるが、その他の部位については、ガスセンサ１００のものと同一のものが用いられている。したがって、ガスセンサ１００と共通する部分について、図面においては同一の符号を付し、説明については省略または簡略化する。

第２実施形態では、ガスセンサ素子２００は、その先端が主体金具４０５の先端から４ｍｍ突出するようになっている。このため、ヒータ接触部２０１及び検出部２０２は、その全体が主体金具４０５の先端から突出せず、主体金具４０５内に収容された状態となっている。

また、プロテクタ４０８は、主体金具４０５の先端側に外嵌される外側プロテクタ４８６と、この外側プロテクタ４８６と間隙を設けて外側プロテクタ４８６の内側に設けられた内側プロテクタ４８１とを具備している。

このうち、外側プロテクタ４８６は、自身の後端側が主体金具４０５の先端側に外嵌され、先端側に向かって延びる外側筒状部４８８と、外側筒状部４８８の先端に連結した外側テーパ部４８９と、外側テーパ部４８９に連結する外側底部４９０とを具備している。そして、外側筒状部４８８には、周方向に沿って複数の通気孔４８７が形成されている。

また、内側プロテクタ４８１は、外側筒状部４８８に対向するように配置された内側筒状部４８４と、内側筒状部４８４の先端に連結した内側テーパ部４８５と、内側テーパ部４８５に連結する内側底部４９２とを具備している。

そして、内側プロテクタ４８１には、内側筒状部４８４の基端側（後端側）と主体金具４０５との間に入り口側通気孔４８２が周方向に沿って複数形成されている。具体的には、図３と同様の構成であり、内側筒状部４８４の後端から、径方向外側に突出すると共に、周方向に間欠的に配置された間欠鍔部４９３（図１２参照）を有する。そして、この間欠鍔部４９３のそれぞれの隙間が入り口側通気孔４８２となる。さらに、内側底部４９２には、出口側通気孔４８３が形成されている。なお、内側底部４９２と外側底部４９０とは接触しており、この出口側通気孔４８３は外側底部４９０まで延びている。

また、図１１に示されるように、第２実施形態では、入り口側通気孔４８２が、主体金具４０５の貫通孔４７１と主体金具４０５の先端（先端面）との交点Ｈよりも径方向内側に配置されている。これにより、図１２に示されるように、主体金具４０５の貫通孔４７１よりも径方向内側に入り口側通気孔４８２が露出することとなる。なお、主体金具４０５の貫通孔４７１と主体金具４０５の先端面とをつなぐように面取りが設けてある場合、交点Ｈは、主体金具４０５の先端面での貫通孔４７１（面取りを含む）との交点のことを指す。

そして、ガスセンサ４００は、図示矢印のように、水平方向に排気ガスが流通される排気配管等に、後端側が上部に位置するように挿入固定されるようになっている。この場合、排気ガスは、外側プロテクタ４８６の通気孔４８７から外側プロテクタ４８６と内側プロテクタ４８１との間（外側筒状部４８８と内側筒状部４８４との間）に流入する。この排気ガスには、排気ガスの他水分等が含まれているが、水分等は排気ガスと比較して重いため、外側プロテクタ４８６と内側プロテクタ４８１との間を通り、反対側の通気孔４８７から外部に導出される。

一方、排気ガスは、水分に比べて軽いため、外側プロテクタ４８６と内側プロテクタ４８１との間で上方に向けて上昇し、入り口側通気孔４８２から内側プロテクタ４８１内に流入する。ここで、出口側通気孔４８３の外側には、図中矢印で示すように外側テーパ部４８９に沿った排気ガスの流れが形成されているため、出口側通気孔４８３近傍は負圧となっており、内側プロテクタ４８１内に流入した排気ガスは、出口側通気孔４８３から外部に排出される。

上記のような排気ガスの流れによって、排気ガスがガスセンサ素子２００の検出部２０２に供給され、ここで排気ガス中の酸素濃度が検出される。この時、第２実施形態では、ガスセンサ素子２００の検出部２０２全体が主体金具４０５の先端から突出せず、主体金具４０５内に収容された状態となっているが、入り口通気孔４８２の少なくとも一部が貫通孔４７１と主体金具４０５の先端との交点Ｈよりも径方向内側に設けられた構成とすることによって、外側筒状部４８８と内側筒状部４８４との間を通過したガスが、主体金具４０５に邪魔されずに迅速に、且つ多量に主体金具４０５の貫通孔４７１内に流れ込むので、主体金具４０５内に入り込んだガスセンサ素子２００の検出部２０２（ヒータ接触部２０１）付近にガスの流れが到達し易くなり、応答性の低下が生じることを抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形等が可能であることは、勿論である。例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、通気孔１８７、４８７は、外側筒状部１８８、４８８に設けられていたが、これに限らず、外側テーパ部１８９、４８９に設けられていても良い。また、第１実施形態及び第２実施形態では、ヒータ１０１がガスセンサ素子２００の中心軸線に対して偏心することで、ヒータ１０１がガスセンサ素子２００に接触していたが、これに限らず、センサ素子２００とヒータ１０１との中心軸線をあわせつつ、ガスセンサ素子２００の先端部３の内周面にヒータ１０１の先端縁が当接するようにしても良い。また、第１実施形態及び第２実施形態では、ヒータ接触部２０１（検出部２０２）全体が主体金具１０５、４０５内に収容されていたが、一部が主体金具１０５、４０５の先端に突出していても良い。

１００，４００……ガスセンサ、１０１……ヒータ、１０５、４０５……主体金具、１０８，４０８……プロテクタ、１８１，４８１……内側プロテクタ、１８２，４８２……入り口側通気孔、１８３，４８３……出口側通気孔、１８６，４８６……外側プロテクタ、１８７，４８７……通気孔、２００……ガスセンサ素子、２０１……ヒータ接触部、５０１……拡径部。

Claims (8)

1. 軸線方向に延びるとともに、自身の先端が閉塞された有底円筒状のガスセンサ素子であって、先端側外側面上に検出電極が形成された固体電解質体を有するガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子の内部に挿入された棒状の加熱用ヒータであって、少なくとも前記検出電極に対向する前記ガスセンサ素子の内側面に直接又は他部材を介して接触するヒータ接触部を有するヒータと、
   自身の貫通孔内に、前記ガスセンサ素子を挿入し、前記ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲む筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの先端側に固定されたプロテクタであって、前記ハウジングに外嵌され、自身の内部にガスを導入する外側導入口を有する筒状の外側プロテクタと、この外側プロテクタと間隔を設けて軸線方向に延びる筒状の内側筒状部を有し、前記外側プロテクタの内部に配置された筒状の内側プロテクタとを具備したプロテクタと
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記ヒータ接触部が、前記ハウジングの先端より後端側に位置するとともに、
   前記ハウジングに、先端に向けて前記貫通孔が拡径する拡径部が設けられ、かつ、
   前記ハウジングの先端と前記内側筒状部との間に、前記ガスを前記内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられている
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサであって、
   前記軸線方向に沿った断面にて見たときに、前記拡径部における前記貫通孔の後端と先端とを結んだ仮想線より径方向内側に、前記内側導入口の少なくとも一部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は２記載のガスセンサであって、
   前記軸線方向に沿った断面にて見たときに、前記拡径部における前記貫通孔の後端と先端とを結んだ仮想線より先端側に、前記ヒータ接触部の少なくとも一部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスセンサであって、
   前記軸線方向に沿った断面にて見たときに、前記拡径部における前記貫通孔の後端より先端側に、前記ヒータ接触部の少なくとも一部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
   前記拡径部における前記貫通孔は、前記ハウジングの先端面に向かうにつれて漸近的に拡径することを特徴とするガスセンサ。
6. 軸線方向に延びるとともに、自身の先端が閉塞された有底円筒状のガスセンサ素子であって、先端側外側面上に検出電極が形成された固体電解質体を有するガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子の内部に挿入された棒状の加熱用ヒータであって、少なくとも前記検出電極に対向する前記ガスセンサ素子の内面側面に直接又は他部材を介して接触するヒータ接触部を有するヒータと、
   自身の貫通孔内に、前記ガスセンサ素子を挿入し、前記ガスセンサ素子の径方向外側を取り囲む筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの先端側に固定されたプロテクタであって、前記ハウジングに外嵌され、自身の内部にガスを導入する外側導入口を有する筒状の外側プロテクタと、この外側プロテクタと間隔を設けて軸線方向に延びる筒状の内側筒状部を有し、前記外側プロテクタの内部に配置された筒状の内側プロテクタとを具備したプロテクタと
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記ヒータ接触部が、前記ハウジングの先端より後端側に位置するとともに、
   前記ハウジングの先端と前記内側筒状部との間に、前記ガスを前記内側プロテクタの内部に導入する内側導入口が設けられており、
   前記ガスセンサを前記軸線方向に沿った断面にて見たときに、前記貫通孔と前記ハウジングの先端との交点よりも径方向内側に、前記内側導入口の少なくとも一部が設けられている
   ことを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
   前記内側プロテクタの先端部に、当該内側プロテクタ内からガスを排出するためのガス流通孔が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載のガスセンサであって、
   前記外側プロテクタは、前記ガスセンサ素子の先端部より先端側にガス流通孔が設けられていることを特徴とするガスセンサ。

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