JP5276149B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中に晒されるガスセンサ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。

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）や酸素などの濃度差に応じて大きさの異なる起電力が生じ、この起電力の大きさに基づく特定ガス濃度測定を行うガスセンサ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、ガスセンサ素子が高温の排気ガス中に晒されたり、ガスセンサ素子をヒータ等で加熱したりすることでガスセンサ素子が高温となるため、例えば、排気ガスに含まれる水分や排気管内面に付着した凝縮水が付着（被水）することで、ガスセンサ素子が熱衝撃を受けてクラックや割れが生ずる虞がある。

このようなことから、ガスセンサ素子をプロテクタで覆って被水から保護する技術が開発されている（例えば特許文献１参照）。このプロテクタは、内側プロテクタと外側プロテクタとから構成される２重構造をなしている。そして、内側プロテクタと外側プロテクタとにそれぞれ形成されたガス導入孔から被測定ガスを導入すると共に、内側プロテクタの先端壁に設けた陥没部の側壁にガス排出孔を開口することで、外部（ガスセンサ素子先端側）から飛来した水滴が、直接検出素子に接触し難くなっている。又、この技術では、内側プロテクタの底壁と側壁との間に設けたテーパ部を、外側プロテクタより先端に突出させている。

特開２００８−９６４１９号公報 特表２０１０−５２３９８９号公報

しかしながら、特許文献１のガスセンサの場合、テーパ部の先端側に設けられた底壁がテーパ部と比較して相対的に大きく形成されているため、テーパ部付近の負圧の発生が少なく、内側プロテクタの内部空間内に導入された排気ガスをガス排出孔から外部に効果的に排出することが困難であり、ガスセンサの応答性が劣る虞がある。

これに対し、センサ素子を覆う筒状のセンサ素子室と、センサ素子室の外側を囲む前室とを備えた保護キャップを有すると共に、センサ素子室の先端に楔形のノズル（流れを加速させるための装置）を配置したガスセンサが開発されている（例えば特許文献２参照）。このガスセンサにおいて、上記ノズルの先端には出口穴が開口し、ノズルによってセンサ素子室内部の流れが加速し、センサ素子室内の凝縮液や粒子が出口穴から排出される。

しかしながら、特許文献２のガスセンサの場合、ノズルの先端に開口する出口穴がセンサ素子に直接臨むため、外部（ガスセンサ先端側）から飛来した水滴が出口穴から検出素子に接触し易いという問題がある。

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、ガス排出性を大幅に向上させてガスセンサの応答性を高めると共に、ガスセンサ素子を被水から効果的に保護することができるプロテクタを備えたガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、先端側に被測定ガスを検出するための検出部を有するガスセンサ素子と、該検出部を自身の先端から突出させて、前記検出素子を保持する筒状の主体金具と、該主体金具の先端側に固定すると共に、前記検出部の周囲を取り囲むプロテクタと、を備えるガスセンサにおいて、前記プロテクタは、ガスセンサ素子を自身の内部空間に収容する内側プロテクタであって、該内部空間に被測定ガスを導入するための内側ガス導入孔を有する筒状の側壁と、該側壁の先端側に設けられた底壁とを有する内側プロテクタと、該内側プロテクタの側壁との間に間隙を有しつつ、前記内側プロテクタを収容する外側プロテクタであって、前記内側ガス導入孔よりも前記軸線方向先端側に設けられ、該間隙に被測定ガスを導入するための外側ガス導入孔を有する筒状の側壁を有する外側プロテクタと、を備え、前記外側プロテクタは、前記側壁の先端側に設けられて前記軸線方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁と、該テーパ壁の先端縁内に形成されて前記外側プロテクタ内外を連通する外側ガス排出孔とを備え、該テーパ壁の先端縁で形成される面積をＳLとしたときに、前記外側ガス排出孔の開口面積Ｓが1/2×ＳＬ≦Ｓ≦ＳＬとなり、前記内側プロテクタの底壁には底壁開口が設けられており、前記内側プロテクタは、該底壁開口の軸線方向後端側を覆いつつ、前記内側プロテクタの前記底壁より後端側に凹むカバー部を備え、前記カバー部と前記底壁とは一部が前記軸線方向に離間して側部開口を形成してなる。

このようなガスセンサによれば、外側プロテクタの先端側に、軸線方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁を設けると共に、1/2×ＳＬ≦Ｓ≦ＳＬの関係を満たすよう、外側プロテクタ先端の錐台頂面に外側ガス排出孔が開口されているため、テーパ壁先端付近の被測定ガスの下流側に強い負圧が発生し、内部空間内に導入された排気ガスを底壁開口から外側ガス排出孔へ吸引して外部に排出する効果が増大し、ガスセンサの応答性を向上させることができる。なお、Ｓ＜1/2×ＳＬであれば、外側プロテクタ先端の錐台頂面にテーパ壁と比較して相対的に大きくなる底壁が形成されてしまい、この効果が得られない虞がある。
一方、外側プロテクタ先端の錐台頂面に外側ガス排出孔を開口すると、特許文献１のような陥没部を設けることが困難である。
そこで、このようなガスセンサでは、内側プロテクタの底壁に、カバー部で軸線方向後端側が覆われた底壁開口を形成することで、外側ガス排出孔から軸線方向に沿って底壁開口内に水滴等が飛来しても、カバー部によって遮られてガスセンサ素子には直接到達し難く、ガスセンサ素子を被水から保護することができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記軸線方向に沿って視認したときに、前記底壁開口と前記外側ガス排出孔とが重なっていてもよい。
このようなガスセンサでは、底壁開口（カバー部）と外側ガス排出孔とが少なくとも一部で重なっているため、底壁開口と外側ガス排出孔とがより近接することで、内側プロテクタから外部に軸線方向に沿って被測定ガスを通過させることができ、ガスセンサの応答性をさらに向上させることができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記軸線方向に沿って視認したときに、前記側部開口と前記外側ガス排出孔とが重なっていてもよい。
このようなガスセンサでは、内側プロテクタの側部開口と外側ガス排出孔とが少なくとも一部で重なっているため、側部開口と外側ガス排出孔とを近接させることができる。これにより、底壁開口と外側ガス排出孔を重ねる構成よりも、さらに内側プロテクタから外部に軸線方向に沿って被測定ガスを通過させることができ、ガスセンサの応答性をさらに向上させることができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記内側プロテクタの側壁には水抜き孔が設けられ、前記軸線方向において前記水抜き孔は前記外側ガス導入孔と重ならず、かつ前記側部開口と重なってもよい。
このようなガスセンサによれば、内側プロテクタの側壁に水抜き孔が設けられることで、外側プロテクタのガス導入孔から水滴が侵入したとしても、水抜き孔を通過させて内側プロテクタ内部に導入させることができ、内側ガス導入孔に水滴が侵入することを防止できる。その上、水抜き孔と側部開口とを近接させているので、水抜き孔から内側プロテクタ内に侵入した水滴が直ちに側部開口から外部（外側ガス排出孔側）へ抜け易くなる。一方、水抜き孔は外側ガス導入孔と重なっていないため、外側ガス導入孔を通過したガス成分が水抜き孔を直接通過することを抑制でき、内側ガス導入孔から内側プロテクタ内に導入される被測定ガス量を維持し、ガスセンサの応答性を維持している。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記外側ガス排出孔の最小幅は、前記側部開口の最大軸線方向長さよりも大きくしてもよい。
このようなガスセンサによれば、内側プロテクタ内から側部開口を通過した排気ガスが外側ガス排出孔で規制されて外側プロテクタ内で滞留することなく外部に排出することができ、ガスセンサの応答性の低下を抑制することができる。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記外側排出孔の最小径は２ｍｍ以上であってもよい。これにより、側部開口を通過した水滴が外側プロテクタ内で滞留することなく、外側ガス排出孔を通過して外部へ抜け易くすることができる。なお、外側排出孔の最小径が２ｍｍ未満であれば、この効果を得られないことがある。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記側部開口の最大軸線方向長さは１．６ｍｍ以上であってもよい。これにより、内部空間内に導入された排気ガスを側部開口から外部（外側プロテクタ内）に排出する効果が増大し、ガスセンサの応答性を向上させることができる。なお、側部開口の最大軸線方向長さが１．６ｍ未満であれば、この効果を得られないことがある。

さらに、本発明のガスセンサでは、前記内側プロテクタの側壁には先端側から後端側に向かうにつれて径方向外側に広がりつつ先端向き面を有する段部が形成され、前記軸線方向において該段部は前記外側ガス導入孔と前記内側ガス導入孔との間の領域に位置してもよい。
このようなガスセンサによれば、外側ガス導入孔から水分を含む被測定ガスが導入された場合に、比重の軽いガス成分が上昇して内側ガス導入孔から内側プロテクタ内に導入される一方、水分は内側プロテクタの段部（先端向き面）に衝突して落下するので、内側プロテクタ内に水分が侵入することが回避される。

この発明によれば、ガス排出性を大幅に向上させてセンサの応答性を高めると共に、ガスセンサ素子を被水から効果的に保護することができる。

本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサの軸線方向に沿う断面図である。 プロテクタの部分拡大断面図である。 内側プロテクタの底壁に形成されるカバー部及び底壁開口を示す斜視図である。 テーパ壁の先端縁近傍の部分拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサをガス流中に載置したときの、ガスの圧力分布の数値シミュレーション結果を示す図である。 従来のプロテクタを有するガスセンサをガス流中に載置したときの、ガスの圧力分布の数値シミュレーション結果を示す図である。 ガスセンサの後端から先端に向かって見たときの、内側プロテクタの底壁開口（カバー部）と、外側プロテクタの外側ガス排出孔の重なり状態を示す平面図である。 水抜き孔、内側ガス導入孔、外側ガス導入孔、側部開口、及び内側プロテクタ側壁の段部の軸線方向に沿う位置関係を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかるガスセンサが有するプロテクタの部分拡大断面図である。 第２の実施形態において、内側プロテクタの底壁に形成されるカバー部及び底壁開口を示す斜視図である。 第２の実施形態において、ガスセンサの後端から先端に向かって見たときの、内側プロテクタの底壁開口（カバー部）と、外側プロテクタの外側ガス排出孔の重なり状態を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサ１の軸線Ｏ方向に沿う断面図である。ガスセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持するガスセンサ素子１０の検出部１１が排気管内を流通する排気ガス中に晒されて、その排気ガス中の酸素濃度から排気ガスの空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。
なお、以下の説明では、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向を上下方向として図示し、内部に保持するガスセンサ素子１０の検出部１１側をガスセンサ１の先端側、後端部１２側をガスセンサ１の後端側（基端側）として説明する。

ガスセンサ素子１０は公知にあるような軸線Ｏ方向に延びる細幅の板状形状をなし、酸素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が互いに貼り合わされ、略角柱状をなす積層体として一体化されたものである（図１では、紙面左右方向を板厚方向、紙面表裏方向を板幅方向として示している。）。ガス検出体はジルコニアを主体とする固体電解質体と白金を主体とする電極と（共に図示しない）から構成され、その電極は、ガスセンサ素子１０の先端側の検出部１１に配置されている。そして、電極を排気ガスによる被毒から保護するため、ガスセンサ素子１０の検出部１１には、その外周面を包むように保護層１５が形成されている。また、ガスセンサ素子１０の後端側の後端部１２には、ガス検出体やヒータ体から電極を取り出すための５つの電極パッド１６（図１ではそのうちの１つを図示している。）が形成されている。なお、本実施の形態ではガスセンサ素子１０を本発明における「ガスセンサ素子」として説明を行うが、厳密には、ガスセンサ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「ガスセンサ素子」に相当する。

ガスセンサ素子１０の中央に位置する胴部１３の先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部にガスセンサ素子１０を挿通させ、その検出部１１を筒底の開口２５から先端側に突出させた状態で配置されている。金属カップ２０は主体金具５０内にガスセンサ素子１０を保持するための部材であり、筒底の縁部分の先端周縁部２３は外周面にかけてテーパ状に形成されている。金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、ガスセンサ素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。

金属カップ２０と一体となったガスセンサ素子１０は、その周囲を筒状の主体金具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、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなり、外周先端側に排気管への取り付け用の雄ねじ部５１が形成されている。この雄ねじ部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ１００が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されており、その工具係合部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止するためのガスケット５５が嵌挿されている。更に、工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７と、その後端側に、主体金具５０内にガスセンサ素子１０を加締め保持するための加締め部５３とが形成されている。

また、主体金具５０の内周で雄ねじ部５１付近には段部５４が形成されている。この段部５４には、ガスセンサ素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身をガスセンサ素子１０に挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。そして、滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が主体金具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には、円環状の加締めパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締め部５３が、加締めパッキン２９を介してスリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。スリーブ２７に押圧された滑石リング２６は主体金具５０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０およびガスセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決め保持される。

ガスセンサ素子１０は、その後端部１２が主体金具５０の後端（加締め部５３）よりも後方に突出されており、その後端部１２には、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、ガスセンサ素子１０の後端部１２に形成された５つの電極パッド１６とそれぞれ電気的に接続される５つの接続端子６１（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持すると共に、それら各接続端子６１と、ガスセンサ１の外部に引き出される５本のリード線６５（図１ではそのうちの３本を図示している。）との各接続部分を収容して保護している。

そして、セパレータ６０が嵌められたガスセンサ素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０はステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製であり、主体金具５０の後端係合部５７の外周に自身の先端側の開口端３１が係合されている。その開口端３１は、外周側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて後端係合部５７に接合されており、外筒３０と主体金具５０とが一体に固定されている。

また、外筒３０とセパレータ６０との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具７０が配設されている。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、自身の内部に挿通されるセパレータ６０の後端側外周に鍔状に設けられた鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０を支持している。この状態で、保持金具７０が配置された部分の外筒３０の外周面が加締められ、セパレータ６０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が嵌合されている。グロメット７５は５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５本のリード線６５が気密に挿通されている。この状態でグロメット７５は、セパレータ６０を先端側に押圧しつつ、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に保持されたガスセンサ素子１０の検出部１１は、主体金具５０の先端部（先端係合部５６）より突出されている。この先端係合部５６には、ガスセンサ素子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、排気ガスに含まれる水分や排気管内面に付着した凝縮水の被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ１００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。以下、このプロテクタ１００について、図２〜図４を参照して説明する。

図２に示すように、プロテクタ１００は、底壁１２４および側壁１２２を有する有底筒状をなす内側プロテクタ１２０と、内側プロテクタ１２０の外周面との間に間隙（以下、「ガス分離室」１１９ともいう。）を有した状態で内側プロテクタ１２０の径方向周囲を取り囲む筒状をなす側壁１１２を有する外側プロテクタ１１０とから構成される２重構造を有する。

内側プロテクタ１２０は、その外径が主体金具５０の先端係合部５６よりも小さく形成されており、開口側（基端側）の端部である開口端部１２１は、先端係合部５６の外周に係合するように拡径されている。そして、開口端部１２１の外周を一周してレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ１２０は主体金具５０の先端係合部５６に固定されている。一方、内側プロテクタ１２０の側壁１２２には、軸線Ｏ方向で開口端部１２１寄りの位置の外周面に、周方向に沿って複数（本実施の形態では６個）の内側ガス導入孔１３０が開口されている。内側ガス導入孔１３０は、後述する外側プロテクタ１１０の外側ガス導入孔１１５を介してガス分離室１１９に導入される排気ガスのうち、主にガス成分を内側プロテクタ１２０の内部、すなわちガスセンサ素子１０の検出部１１が露出されたガス検出室（特許請求の範囲の「内部空間」に相当）１２９に導入させるために設けられている。
また、内側プロテクタ１２０の側壁１２２の先端側には、水抜き孔１５０が外周面の周方向の複数箇所（本実施の形態では４箇所）に設けられている。この水抜き孔１５０は、ガス分離室１１９内に導入される排気ガスに含まれる水分（水滴）等を、ガス検出室１２９を介し外部に排出するための導路として設けられたものであり、内側ガス導入孔１３０の形成位置よりも先端側に配設されている。

内側プロテクタ１２０の底壁１２４は軸線Ｏ方向に垂直な面に略平行な平面として形成されている。そして、底壁１２４の一部（中央部）が内側に押し込まれるようにして後端側に凹み、カバー部１２７が形成されている。具体的には、図３に示すように、底壁１２４の中央部に２本の平行なスリット１２７ａを設け、このスリット１２７ａで挟まれる短冊状の材料を後端側に押し込むと、山状に隆起したカバー部１２７が形成される。カバー部１２７と底壁１２４とは、スリット１２７ａで軸線Ｏ方向に離間し、カバー部１２７の短辺１２７ｂ（対向するスリット１２７ａの端縁同士を結ぶ線分）ではカバー部１２７と底壁１２４が繋がっている。
このようにして、カバー部１２７の一部が底壁１２４から軸線Ｏ方向に浮いた状態（特許請求の範囲の「カバー部と底壁とは一部が軸線方向に離間し」た状態）で、カバー部１２７が底壁１２４に支持されている。そして、軸線Ｏ方向に視認したときに、カバー部１２７と重なる底壁１２４には、底壁開口１６０が開口している。さらに、カバー部１２７と底壁１２４とが軸線Ｏ方向に離間した部分（スリット１２７ａ部分）には、底壁開口１６０に連通し、軸線Ｏ方向と角度を持って開口する側部開口１６２が形成されている。底壁開口１６０は、側部開口１６２を介し、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスや水滴を外部に排出する。

なお、側部開口１６２の最大軸線Ｏ方向長さを１．６ｍｍ以上とすると、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスを側部開口１６２から外部（外側プロテクタ１１０内）に排出する効果が増大し、ガスセンサ１の応答性を向上させることができる。

これは、以下の応答性評価に基づくものである。
具体的には、評価方法として、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、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時からガスセンサ１の出力値がλ＝１に対応した値に変化するまでの時間を測定した。なお、この評価では、排気量２０００ｃｃの４サイクルエンジンの排気管にガスセンサ１を取り付け、エンジンを回転数２０００ｒｐｍにて駆動させて実施された。なお、ガスセンサ１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。
評価試料として、ガスセンサ１における側部開口１６２の最大軸線Ｏ方向長さを０．９ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍとしたものを準備し、上記評価方法にて評価を行った。
その結果、それぞれの時間が６２０ｓｅｃ（最大軸線Ｏ方向長さを０．９ｍｍ）、５８５ｓｅｃ（最大軸線Ｏ方向長さを１．２ｍｍ）、５６０ｓｅｃ（最大軸線Ｏ方向長さを１．６ｍｍ）となった。なお、５６０ｓｅｃであれば、実使用時のガスセンサ１の応答性が十分に得られることとなる。

一方、外側プロテクタ１１０は、その外径が主体金具５０の先端係合部５６よりも大きく形成されており、開口側（基端側）の端部である開口端部１１１は、先端係合部５６の外周に（より詳細には、内側プロテクタ１１０の開口端部１２１の外周に）係合している。そして、開口端部１１１の外周を一周してレーザ溶接が施されており、外側プロテクタ１１０は主体金具５０の先端係合部５６に固定されている。一方、外側プロテクタ１１０の側壁１１２には、軸線Ｏ方向で先端側寄りの位置の外周面に、周方向に沿って複数（本実施の形態では６個）の外側ガス導入孔１１５が開口されている。外側ガス導入孔１１０は、外部からガス分離室１１９に排気ガスを導入させるために設けられている。なお、外側ガス導入孔１１５は、内側ガス導入孔１３０よりも軸線Ｏ方向の先端側に設けられている。

一方、外側プロテクタ１１０の側壁１１２の先端側には、軸線Ｏ方向の先端側に向かって窄む錐台状（本実施例では円錐台状）のテーパ壁１１７が設けられている。又、テーパ壁１１７の先端縁（先端外縁）１１７ｓの内側には、外側プロテクタ１１０の内外を連通する外側ガス排出孔１７０が開口している。
ここで、図４（ａ）に示すように、第１の実施形態において、テーパ壁１１７の先端縁１１７ｓと、外側ガス排出孔１７０の周縁とが一致しており、外側ガス排出孔１７０はテーパ壁１１７の錐台頂面（先端縁１１７ｓで囲まれる仮想面）の全面を軸線Ｏ方向に貫通する突切り孔となっている。従って、テーパ壁１１７の先端縁１１７ｓで形成される面積をＳLとしたときに、外側ガス排出孔１７０の開口面積ｓがｓ＝ＳLとなっている。但し、本発明においては、1/2×ＳL≦ｓ≦ＳLの関係を満たせばよく、例えば図４（ｂ）に示すように、外側ガス排出孔１７０の周縁がテーパ壁１１７の先端縁１１７ｓより内側に位置し、先端縁１１７ｓから外側ガス排出孔１７０の周縁に向かって外側底壁１１８が形成されていてもよい。

なお、外側ガス排出孔１７０の最小幅を２ｍｍ以上（外側ガス排出孔１７０が円の場合は面積３．１４ｍｍ^２以上）とすると、側部開口１６２を通過した水滴が外側プロテクタ１１０内で滞留することなく、水が自重で外側ガス排出孔１７０を通過して外部へ排出され易いので好ましい。

これは、以下の応答性評価に基づくものである。
具体的には、評価試料として、ガスセンサ１のうち、外側プロテクタ１１０のみを主体金具５０に固定したものを準備する。そして、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０の最小幅が０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍとしたものを準備した。
評価方法としては、主体金具５０側から外側プロテクタ１１０内に水を滴下し、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０から水が排出されるか否かを確認する。そして、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０から水が排出された時の滴下量を測定した。
その結果、それぞれの滴下量が６００μｌ（最小幅０．１ｍｍ）、６００μｌ（最小幅０．１５ｍｍ）、２８０μｌ（最小幅０．２ｍｍ）となった。これにより、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０の最小幅が０．２ｍｍ以上であれば、水滴が外側ガス排出孔１７０を通過して外部へ排出され易いことがわかる。

又、テーパ壁１１７のテーパ角を３０°〜６０°とすると、ガスセンサ１の取付け対象体（排気管等）への取付け角度が変わっても取付け対象体内のガス流に対してテーパ壁１１７が角度を持ち、外側ガス排出孔１７０から外側プロテクタ１１０内にガス流が逆流し難いので好ましい。
さらに、外側ガス排出孔１７０の最小幅を、側部開口１６２の最大軸線Ｏ方向長さよりも大きくすると、ガス検出室１２９内から側部開口１６２を通過した排気ガスが外側ガス排出孔１７０で規制されて外側プロテクタ１１０内で滞留することなく外部に排出することができ、ガスセンサ１の応答性の低下を抑制することができる。

このように、外側プロテクタ１１０は、側壁１１２の先端側に軸線Ｏ方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁１１７を備えると共に、1/2×ＳL≦Ｓ≦Ｓの関係を満たすように、テーパ壁１１７の錐台頂面に外側ガス排出孔１７０が開口する。このため、後述するようにテーパ壁１１７先端付近の被測定ガスの下流側に強い負圧が発生し、この負圧がガス検出室１２９内へ有効に作用し、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスを吸引して外部に排出する効果が増大する。
そして、外側ガス排出孔１７０からの吸引効果が大きくなるため、ガスセンサ１の取付け対象体（排気管等）への取付け角度が変わっても外側ガス排出孔１７０から外側プロテクタ１１０内にガス流が逆流しにくく、応答性が変化せずに被測定ガスを安定して検出することができる。特に、例えばガスセンサ１が、自身の先端側をガス流の上流側に向け、自身の後端側をガス流の下流側に向けるような取付け角度で取付けられた場合に、水分やガス流のプロテクタ内への逆流を有効に抑制することができる。

一方、1/2×ＳL＞Ｓであると、図４（ｂ）に示す外側底壁１１８がテーパ壁１１７と比較して相対的に大きく形成されてしまい、テーパによる形状効果が減じられ、テーパ壁１１７先端付近の被測定ガス下流側の負圧が減少する。

図５、図６は、それぞれ本発明の第１の実施形態にかかるガスセンサ１、及び従来の（特許文献１記載の）プロテクタを有するガスセンサをガス流中に載置したときの、ガスの圧力分布の数値シミュレーション結果を示す。なお、この数値シミュレーションは、ナビエ・ストークス方程式を用いた乱流解析であり、シーディーアダプコジャパン（CDAJ）社製の流体解析ソフトウェア（製品名；STAR-CD）を用いて行ったものである。なお、図５、図６のうち、濃淡の濃い領域Ｐが強い負圧を示す（図５、図６の凡例の色調のうち、Ｐで矢視した黒色部分）。
図５から明らかなように、外側プロテクタ１１０の先端側に、軸線Ｏ方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁１１７を備えると共に、1/2×ＳＬ≦Ｓ≦ＳＬの関係を満たすよう（図５においては、Ｓ＝ＳＬ）、テーパ壁１１７の錐台頂面に外側ガス排出孔１７０が開口する場合、テーパ壁１１７先端付近のガス下流側に強い負圧が発生することがわかる（負圧領域Ｐ）。
一方、図６に示す従来のプロテクタの場合、図４（ｂ）に相当する外側底壁１１８の面積がテーパ壁１１７と比較して相対的に大きく形成されており（Ｓ＝1/20ＳＬ）、テーパ壁１１７先端付近のガス下流側の負圧領域Ｐが減少することがわかる。

さらに、図７は、ガスセンサ１の後端から先端に向かって見たときの、内側プロテクタ１２０の底壁開口１６０（カバー部１２７）と、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０の重なり状態を示す。
図７に示すように、底壁開口１６０（カバー部１２７）と外側ガス排出孔１７０とが少なくとも一部（図７のハッチング領域）で重なっている。
さらに、図７に示すように、側部開口１６２の一部と外側ガス排出孔１７０とも重なっている。
このように、底壁開口１６０と外側ガス排出孔１７０とが少なくとも一部で重なっているため、底壁開口１６０と外側ガス排出孔１７０とが近接することで、内側プロテクタ１２０から外部に軸線Ｏ方向に沿って被測定ガスを通過させることができ、ガスセンサ１の応答性をさらに向上させることができる。
そのうえ、側部開口１６２と外側ガス排出孔１７０とが少なくとも一部で重なっているため、側部開口１６２と外側ガス排出孔１７０とが近接することで、底壁開口１６０と外側ガス排出孔１７０を重ねる構成よりも、さらに内側プロテクタ１２０から外部に軸線Ｏ方向に沿って被測定ガスを通過させることができ、ガスセンサ１の応答性をさらに向上させることができる。

以上のように、第１の実施形態にかかるガスセンサ１は、１）外側プロテクタ１１０の先端側に、軸線Ｏ方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁１１７を設けると共に、外側プロテクタ１１０のテーパ壁１１７の錐台頂面に、1/2×ＳＬ≦Ｓ≦ＳＬとなる外側ガス排出孔１７０が開口され、２）内側プロテクタ１２０の底壁１４に、カバー部１２７で後端側が覆われた底壁開口１６０が形成されている。
１）の構成により、テーパ壁１１７先端付近の被測定ガスの下流側に強い負圧が発生するので、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスを底壁開口１６０から外側ガス排出孔１７０へ吸引して外部に排出する効果が増大し、ガスセンサ１の応答性を向上させることができる。

さらに、２）の構成により、外側プロテクタ１１０内に収容された内側プロテクタ１２０の底壁１４にカバー部１２７で軸線Ｏ方向後端側が覆われた底壁開口１６０を設けることで、外側ガス排出孔１７０から軸線Ｏ方向に沿って底壁開口１６０内に水滴等が飛来しても、カバー部１２７によって遮られてガスセンサ素子１０には直接到達し難く、ガスセンサ素子１０を被水から保護することができる。

なお、図８に示すように、内側プロテクタ１２０の水抜き孔１５０が軸線Ｏ方向に外側ガス導入孔１１５と重ならず、かつ軸線Ｏ方向に側部開口１６２と重なることが好ましい。ここで、「水抜き孔１５０が軸線Ｏ方向に外側ガス導入孔１１５と重ならず」とは、水抜き孔１５０の後端縁Ｌ_１より外側ガス導入孔１１５の先端縁が後端側に位置することをいう。また、「水抜き孔１５０が軸線Ｏ方向に側部開口１６２と重なる」とは、水抜き孔１５０の後端縁Ｌ_１と先端縁Ｌ_２との間に側部開口１６２の少なくとも一部が位置することをいう。
このような構成によれば、水抜き孔１５０と側部開口１６２とが近接するので、水抜き孔１５０から内側プロテクタ１２０内に侵入した水分Ｗが直ちに側部開口１６２から外部（外側ガス排出孔１７０側）へ抜け易くなる。一方、水抜き孔１５０は外側ガス導入孔１１５と重なっていないため、外側ガス導入孔１１５を通過した被測定ガスが水抜き孔１５０を直接通過することを抑制でき、内側ガス導入孔１３０から内側プロテクタ１２０のガス検出室１２９内に導入される被測定ガス量を維持し、ガスセンサ１の応答性を維持している。

又、図８に示すように、内側プロテクタ１２０の側壁１２２に先端側から後端側に向かうにつれて径方向外側に広がりつつ先端向き面を有する段部１２２Ｄが形成され、段部１２２Ｄが軸線Ｏ方向に外側ガス導入孔１１５と内側ガス導入孔１３０との間の領域Ｒに位置することが好ましい。ここで、領域Ｒは、内側ガス導入孔１３０の先端縁と、外側ガス導入孔１１５の先端縁との間の領域をいう。
このような構成によれば、外側ガス導入孔１１５から水分を含む被測定ガスが導入された場合に、比重の軽いガス成分Ｇが上昇して内側ガス導入孔１３０から内側プロテクタ１２０内に導入される一方、水分Ｗは内側プロテクタ１２０の段部１２２Ｄ（先端向き面）に衝突して落下するので、内側プロテクタ１２０のガス検出室１２９内に水分が侵入することが回避される。

なお、上記した水抜き効果の観点からは、内側プロテクタ１２０の先端角部（側壁１２２と底壁１２４との折り返し部）１２０ｃが外側プロテクタ１１０のテーパ壁１１７内面に接していると、内側プロテクタ１２０と外側プロテクタ１１０との間に溜まった水分（図８のクロスハッチング部分）が外部（外側ガス排出孔１７０側）へ抜け難い。
従って、水抜き効果を向上させるには、先端角部１２０ｃをテーパ壁１１７内面と離間させるのが好ましい。

一方、先端角部１２０ｃとテーパ壁１１７内面とが離間していると、外側ガス導入孔１１５から導入された被測定ガスが先端角部１２０ｃとテーパ壁１１７内面との間を通過してしまうため、ガスセンサ１の応答性の点では好ましくない傾向にある。このため、ガスセンサ１の応答性の観点からは、内側プロテクタ１２０の先端角部１２０ｃが外側プロテクタ１１０のテーパ壁１１７内面に接していることが好ましい。

次に、図９〜図１１を参照し、本発明の第２の実施形態にかかるガスセンサ２について説明する。但し、第２の実施形態にかかるガスセンサ２は、内側プロテクタ１２０の底壁１２４に設けられたカバー部２２７及び底壁開口２６０の構成が異なること以外は、第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

図９において、内側プロテクタ１２０の底壁１２４は軸線Ｏ方向に垂直な面に略平行な平面として形成されている。そして、底壁１２４の２箇所の略半円状の場所が内側に押し込まれるようにして後端側に凹み、カバー部２２７が形成されている。具体的には、図１０に示すように、底壁１２４に２本の平行なスリット２２７ａを設け、このスリット２２７ａで挟まれ、円周部を互いに接して対向する２つの半円領域の材料を後端側に押し込むと、スリット２２７ａ側が径方向外側の側方に向いて開口し（側部開口２６２）、扁平な半球状に隆起したカバー部２２７が２個形成される。個々のカバー部２２７と底壁１２４とは、スリット２２７ａで軸線Ｏ方向に離間し、スリット２２７ａを除くカバー部２２７の半円状の縁部では互いに繋がっている。又、各カバー部２２７は、半円状の縁部を底壁１２４の中心で接しつつ、互いの側部開口２６２を径方向の反対に向けて配置されている。

このようにして、カバー部２２７の一部が底壁１２４から軸線Ｏ方向に浮いた状態（特許請求の範囲の「カバー部と底壁とは一部が軸線Ｏ方向に離間し」た状態）で、カバー部２２７が底壁１２４に支持されている。そして、軸線Ｏ方向に視認したときに、カバー部２２７と重なる底壁１２４には、半円状の底壁開口２６０が２個開口している。さらに、カバー部２２７と底壁１２４とが軸線Ｏ方向に離間した部分（スリット２２７ａ部分）には、底壁開口２６０に連通し、軸線Ｏ方向と角度を持って開口する側部開口２６２が形成されている。底壁開口２６０は、側部開口２６２を介し、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスや水滴を外部に排出する。
なお、第２の実施形態においては、複数（２個）の底壁開口２６０が開口しているので、底壁開口２６０の合計開口面積が大きくなり、その結果、内側プロテクタ１２０からの排気ガスの排出性や水滴の排水性をより高めることができる。

図１１は、ガスセンサ２の後端から先端に向かって見たときの、内側プロテクタ１２０の底壁開口２６０（カバー部２２７）と、外側プロテクタ１１０の外側ガス排出孔１７０の重なり状態を示す。
図１１に示すように、底壁開口２６０と外側ガス排出孔１７０とが少なくとも一部（図１１のハッチング領域）で重なっている。これにより、軸線Ｏ方向に垂直な方向において、底壁開口２６０と外側ガス排出孔１７０とが近接することで、内側プロテクタ１２０から外部に軸線Ｏ方向に沿って被測定ガスを通過させることができ、ガスセンサ２の応答性がさらに向上する。

第２の実施形態においても、テーパ壁１１７先端付近の被測定ガスの下流側に強い負圧が発生するので、ガス検出室１２９内に導入された排気ガスや水滴を底壁開口１６０から外側ガス排出孔１７０へ吸引して外部に排出する効果が増大し、ガスセンサ２の応答性が向上する。又、外側ガス排出孔１７０から軸線Ｏ方向に沿って底壁開口２６０内に水滴等が飛来しても、カバー部２２７によって遮られてガスセンサ素子１０には直接到達し難く、ガスセンサ素子１０を被水から保護することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、内側プロテクタの底壁開口及びカバー部の形状や個数は上記に限定されない。例えば、内側プロテクタの底壁にコ字状又はＵ字状のスリットを形成し、このスリットで挟まれた領域の材料を後端側に押し込んでカバー部を形成してもよい。この場合、カバー部の１箇所が軸線方向に延びて底壁に接続される。
また、上記各実施形態では、内側プロテクタの側壁の同一母線上に水抜き孔および内側ガス導入孔が設けられ、さらにその母線と径方向に同一となる外側プロテクタの母線上に外側ガス導入孔が形成されているが、各孔がそれぞれ異なる母線上に形成されていてもよいし、いずれかの孔が異なる母線上に形成されていてもよい。また、外側ガス導入孔、水抜き孔および内側ガス導入孔の形成数はそれぞれ４個、６個に限られるものではなく、その大きさや形状も任意に設定されてもよい。
又、ガスセンサとしては、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等に本発明を同様に適用することができる。

１、２ ガスセンサ
１０ ガスセンサ素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
１００、２００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１１２ 外側プロテクタの側壁
１１５ 外側ガス導入孔
１１７ テーパ壁
１１７ｓ テーパ壁の先端縁
１１８ 外側底壁
１１９ 間隙
１２０ 内側プロテクタ
１２２ 内側プロテクタの側壁
１２２Ｄ 内側プロテクタの段部
１２４ 内側プロテクタの底壁
１２７，２２７ カバー部
１２９ ガス検出室（内側プロテクタの内部空間）
１３０ 内側ガス導入孔
１５０ 水抜き孔
１６０，２６０ 底壁開口
１６２，２６２ 側部開口
１７０ 外側ガス排出孔
Ｏ 軸線
ＳＬ テーパ壁の先端縁で形成される面積
Ｓ 外側ガス排出孔の開口面積
Ｒ 領域

Claims (7)

1. 軸線方向に延び、先端側に被測定ガスを検出するための検出部を有するガスセンサ素子と、
   該検出部を自身の先端から突出させて、前記検出素子を保持する筒状の主体金具と、
   該主体金具の先端側に固定すると共に、前記検出部の周囲を取り囲むプロテクタと、
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記プロテクタは、
   ガスセンサ素子を自身の内部空間に収容する内側プロテクタであって、該内部空間に被測定ガスを導入するための内側ガス導入孔を有する筒状の側壁と、該側壁の先端側に設けられた底壁とを有する内側プロテクタと、
   該内側プロテクタの側壁との間に間隙を有しつつ、前記内側プロテクタを収容する外側プロテクタであって、前記内側ガス導入孔よりも前記軸線方向先端側に設けられ、該間隙に被測定ガスを導入するための外側ガス導入孔を有する筒状の側壁を有する外側プロテクタと、
   を備え、
   前記外側プロテクタは、前記側壁の先端側に設けられて前記軸線方向先端側に向かって窄む錐台状のテーパ壁と、該テーパ壁の先端縁内に形成されて前記外側プロテクタ内外を連通する外側ガス排出孔とを備え、
   該テーパ壁の先端縁で形成される面積をＳLとしたときに、前記外側ガス排出孔の開口面積Ｓが1/2×ＳＬ≦Ｓ≦ＳＬとなり、
   前記内側プロテクタの底壁には底壁開口が設けられており、前記内側プロテクタは、該底壁開口の軸線方向後端側を覆いつつ、前記内側プロテクタの前記底壁より後端側に凹むカバー部を備え、前記カバー部と前記底壁とは一部が前記軸線方向に離間して側部開口を形成してなるガスセンサ。
2. 前記軸線方向に沿って視認したときに、前記底壁開口と前記外側ガス排出孔とが重なる請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記内側プロテクタの側壁には水抜き孔が設けられ、前記軸線方向において前記水抜き孔は前記外側ガス導入孔と重ならず、かつ前記側部開口と重なる請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記外側ガス排出孔の最小幅は、前記側部開口の最大軸線方向長さよりも大きい請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記外側排出孔の最小幅は２ｍｍ以上である請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
6. 前記側部開口の最大軸線方向長さは１．６ｍｍ以上である請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
7. 前記内側プロテクタの側壁には、先端側から後端側に向かうにつれて径方向外側に広がりつつ先端向き面を有する段部が形成され、前記軸線方向において該段部は前記外側ガス導入孔と前記内側ガス導入孔との間の領域に位置する請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。