JP5291232B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、外部から内燃機関内に吸入される吸気ガスが流れる吸気ガス通路や、内燃機関の汚染物質排出の削減のために、排気ガスを再循環させる吸気再循環ガスが流れる吸気再循環ガス通路といった吸気通路に配置されるガスセンサに関するものである。

従来、外部から内燃機関に吸入される吸気ガス（大気）の酸素濃度を検出するために、内燃機関の吸気ガス通路にガスセンサを配設し、検出した酸素濃度を内燃機関の運転制御に用いることによって、内燃機関の空燃比制御の精度などを向上させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。
また、近年、内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯx）を減少させる目的で、排気ガスを再度吸気システムに導入させる技術（以下、排ガス再循環またはＥＧＲシステムという）が知られている（例えば、特許文献２を参照）。このようなＥＧＲシステムの排気ガスと吸気ガスとが混ざり合った吸気再循環ガスの酸素濃度を検出するために、吸気再循環ガス通路にガスセンサを配設することも知られている。

吸気ガス通路や吸気再循環ガス通路といった吸気通路に取り付けられるガスセンサとして、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（例えば、特許文献３参照）。このガスセンサは、吸気ガスや吸気再循環ガスといった高温の被測定ガスに晒される一方、ガスに含まれる水分が付着（被水）するため、検出素子が熱衝撃を受け、クラックや割れが生ずる虞がある。そこで、ガスセンサに検出素子を覆うプロテクタが装着され、検出素子を被水から保護している。さらには、吸気通路側に流れるガスは、煤（カーボン）が多く含まれているが、プロテクタを装着することで、検出素子に煤が付着することも防止でき、検出素子の検出精度が低下することを防止できる。

このプロテクタとしては、例えば、検出素子の検出部の周囲を取り囲むように設けられ、検出素子を被水や煤から保護している。その一方、検出素子の検出部に吸気ガスを晒すために、プロテクタにガス導入孔が設けられている。

特開２００５−６１４２０号公報 特開２００６−２７６１号公報 特開平１０−２９３１１３号公報

しかしながら、ガス導入孔が相対的に小さいと、煤がプロテクタのガス導入孔を塞いでしまう（以下、目詰まりとも言う）ことがある。その結果、被測定ガスが検出素子の検出部にさらされにくくなり、検出素子の検出精度が低下してしまう。他方、プロテクタの目詰まりを考慮してガス導入孔を相対的に大きくしてしまうと、検出素子が被水したり、検出素子に煤が付着してしまう。その結果、検出素子がクラックや割れが生じたり、検出精度が低下する虞がある。

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、プロテクタのガス導入孔に目詰まりが生じるのを抑制すると共に、検出素子が被水したり、検出素子に煤が付着することを抑制す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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する素子本体と共に、該検出部を加熱するためのヒータが積層された板状の検出素子と、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筒状の主体金具と、内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、を備え、内燃機関の吸気通路に配置されるガスセンサにおいて、
前記プロテクタは、前記検出部と間隙を介して配置される内側プロテクタと、該内側プロテクタと間隙を介して配置される外側プロテクタとを有し、前記内側プロテクタは、前記被測定ガスを前記内側プロテクタ内に導入可能な内側ガス導入部を有すると共に、前記ヒータに対向しつつ前記検出部の径方向外側に配置された内側壁部を有し、前記外側プロテクタは、前記被測定ガスを前記外側プロテクタ内に導入可能な外側ガス導入部を有すると共に、前記内側壁部の径方向外側に配置された外側壁部を有し、前記内側壁部の少なくとも一部は、前記検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となり、ガスセンサ使用時に、前記内側プロテクタの温度が、前記外側プロテクタの温度よりも高く、前記内側ガス導入部は、前記検出素子の軸をはさんで前記素子本体の側面側のみに配置され、前記外側ガス導入部は、前記検出素子の軸をはさんで前記ヒータの側面側のみに配置されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のガスセンサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記内側壁部の全体が、前記検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となることを特徴とする。

さらに、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項１又は２記載の発明の構成に加え、前記外側壁部の全体が、前記内側壁部とのクリアランスが１ｍｍ以上となることを特徴とする。

さらに、請求項４に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発明の構成に加え、前記外側ガス導入部と前記内側ガス導入部は重ならないことを特徴とする。

さらに、請求項５に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発明の構成に加え、前記外側ガス導入部は、前記吸気通路の下流側に配置されていることを特徴とする。

さらに、請求項６に係る発明のガスセンサは、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記外側プロテクタは、前記外側壁部の先端側に接続する外側底部を有しており、前記外側底部には、前記吸気通路の上流側に前記外側プロテクタから前記被測定ガスを導出可能なガス導出部を有していることを特徴とする。

さらに、請求項７に係る発明のガスセンサは、請求項６に記載の発明の構成に加え、前記内側プロテクタは、前記内側壁部の先端側に接続すると共に、前記検出素子の先端面の少なくとも一部を被覆する内側底部を有していることを特徴とする。

さらに、請求項８に係る発明のガスセンサは、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の発明の構成に加え、前記内側ガス導入部は、前記吸気通路の上流側に配置されていることを特徴とする。

さらに、請求項９に係る発明のガスセンサは、請求項８に記載の発明の構成に加え、前記内側ガス導入部は、前記検出素子の側面のうち少なくとも１つの側面を露出するように形成されることを特徴とする。

さらに、請求項１０に係る発明のガスセンサは、請求項８又は請求項９に記載の発明の構成に加え、前記内側ガス導入部は、前記検出部に前記被測定ガスを晒すためのガス連通部の少なくとも一部を露出するように形成されることを特徴とする。

さらに、請求項１１に係る発明のガスセンサは、請求項９又は請求項１０に記載の発明の構成に加え、前記ヒータは、前記検出素子の軸よりも前記内側壁部側に配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明のガスセンサでは、内側プロテクタと外側プロテクタとを有するプロテクタを備える。これにより、外側ガス導入部の目詰まりを考慮して、外側ガス導入部を相対的に大きくしても、内側プロテクタの内側壁部に水分や煤が付着することとなり、検出素子に水分や煤が付着することが抑制できる。その結果、検出素子がクラックや割れが生じることを抑制したり、検出精度が低下することを抑制することができる。

さらに、内側プロテクタの温度は、２８０℃以上であることが好ましい。これにより、内側壁部に付着した水分を積極的に蒸発させたり、煤を積極的に内側壁部からはがすことができる。その結果、一度内側壁部に付着した水分や煤が、内側ガス導入部から検出素子に導入される被測定ガスに再度含まれないようにすることができ、検出素子に水分や煤が付着することが抑制できる。

ところで、本発明では、内側プロテクタの温度を２８０℃以上にする構成として、内側プロテクタが、検出部を加熱するためのヒータから熱を受けるようにしている。これにより、内側プロテクタを加熱する加熱手段を別途設ける必要がなく、構成が容易になる。

この場合、ガスセンサの使用時に、内側プロテクタの温度を外側プロテクタの温度よりも高くする。これにより、外側プロテクタにヒータからの熱を受けにくくし、効率よく内側プロテクタの温度を２８０℃以上とすることができ、内側壁部に付着した水分を蒸発させたり、内側壁部に付着した煤を焼やしたり、内側壁部からはがすことができる。その結果、検出素子に水分や煤が付着することが抑制できる。

具体的には、内側プロテクタ（内側壁部）と検出部とを間隙を介して配置させると共に、内側壁部の少なくとも一部を、検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となるように配置している。これにより、内側プロテクタが、検出素子に積層されたヒータからの熱を受けて２８０℃以上の温度となると共に、且つ外側プロテクタの温度よりも高くなる温度となる。なお、内側プロテクタ（内側壁部）と検出部とが接触すると、内側プロテクタにヒータの熱が伝わりすぎて、検出部を所定の温度に維持するために、より多くのヒータ電力が必要となる。他方、内側壁部と検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍを超えると、ヒータからの熱が内側プロテクタに受けにくくなり、内側プロテクタの温度を高くすることが困難となる。

なお、「ガスセンサ使用時に、内側プロテクタの温度が、外側プロテクタの温度よりも高い」とは、ガスセンサを吸気通路に取付け、ガスセンサが被測定ガス中の特定ガス成分を検出しているときに、内側プロテクタの任意の位置の温度と外側プロテクタの任意の位置の温度とを比較すると、内側プロテクタの温度が高くなっていればよく、常温時は、内側プロテクタの温度と外側プロテクタの温度が同温度であってもよい。

また、外側プロテクタの温度も、内側プロテクタの温度以下で、且つ２８０℃以上であっても、外側壁部に付着した水分を積極的に蒸発させたり、煤を積極的に焼却やはがすことができるが、２８０℃以下であってもよい。

また、「内側壁部の少なくとも一部を、検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となるように配置する」とは、内側壁部と検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となる箇所が１箇所以上形成されればよいことをさす。

さらに、内側プロテクタの材料が外側プロテクタの材料よりも熱伝導率の高い材料を用いても良い。これにより、ガスセンサ使用時に、内側プロテクタの温度を外側プロテクタの温度より効果的に高くすることができる。
また、内側プロテクタの温度と外側プロテクタの温度とは、熱電対や放射温度計にて測定することができる。

さらに、請求項２に係る発明のガスセンサでは、内側壁部の全体が、検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となることが好ましい。これにより、ヒータからの熱を内側プロテクタが確実に受けることができる。

さらに、請求項３に係る発明のガスセンサでは、外側壁部の全体が、前記内側壁部とのクリアランスが１ｍｍ以上となることが好ましい。これにより、内側壁部と外側壁部との間隙に、多量の水分や煤が導入されたとしても、内側壁部と外側壁部との間隙にて目詰まりを生じることがなく、被測定ガスが検出素子の検出部に十分にさらされ、検出素子の検出精度が低下することを抑制できる。

さらに、請求項４に係る発明のガスセンサでは、外側ガス導入部と内側ガス導入部は重ならないことが好ましい。これにより、外側ガス導入部を通過した被測定ガスが直接内側ガス導入部を通過することなく、必然的に内側壁部に当接することとなり、内側プロテクタの内側壁部に水分や煤が付着させやすい。よって、検出素子がクラックや割れが生じることを効率よく抑制したり、検出精度が低下することを抑制できる。
なお、「外側ガス導入部と内側ガス導入部とは重ならない」とは、軸線を通り、軸線方向に垂直な仮想線上から外側ガス導入部を垂直方向に目視したときに、内側ガス導入部が見えない事を指す。
また、外側ガス導入部と内側導入とが重ならない構成としては、内側ガス導入部と外側ガス導入部とが軸線方向にずれて配置されていても良いし、プロテクタの周方向にずれて配置されていてもよい。

さらに、請求項５に係る発明のガスセンサでは、外側ガス導入部は、吸気通路の下流側に配置されていることが好ましい。外側ガス導入部が吸気通路の下流側に配置されていると、被測定ガスは吸気通路の下流側から巻き込まれて外側プロテクタへ導入されることになる。これに対し、被測定ガスに含まれる水分や煤は、吸気通路内を上流から下流へ流れる被測定ガスに従って上流から下流に流れており、吸気通路内を下流から上流へ流れることが難しく外側プロテクタ内に導入されにくくなる。よって、外部から外側プロテクタ内へ導入される水分や煤を減らすことができる。
なお、「外側ガス導入部は、吸気通路の下流側に配置されている」とは、ガスセンサを吸気通路に配置し、吸気通路の下流側からガスセンサを目視したときに、外側ガス導入部が目視できることを指す。

さらに、請求項６に係る発明のガスセンサでは、外側プロテクタは、外側壁部の先端側に接続する外側底部を有しており、外側底部には、吸気通路の上流側に外側プロテクタから被測定ガスを導出可能なガス導出部を有していても良い。ガス導出部を設けることで、外側プロテクタ内において被測定ガスが吸気経路の下流側から上流側に流れることで、外側プロテクタ内にて被測定ガスを効率よく置換でき、検出部の被測定ガスに対する検出精度が向上する。

さらに、請求項７に係る発明のガスセンサでは、内側プロテクタは、内側壁部の先端側に接続すると共に、検出素子の先端面の少なくとも一部を被覆する内側底部を有していることが好ましい。これにより、仮に外側底部に設けられたガス導出部から水分や煤が外側プロテクタ内に入り込んだとしても、内側底部に水分や煤が付着することとなり、検出素子に水分や煤が付着することが抑制できる。

さらに、請求項８に係る発明のガスセンサでは、内側ガス導入部は、吸気通路の上流側に配置されていることが好ましい。これにより、吸気通路の下流側に配置した外側ガス導入部との距離が遠ざかることとなり、外側ガス導入部を通過した被測定ガスが内側ガス導入部に到達するまでに内側壁部により長くあたることとなり、内側プロテクタの内側壁部に水分や煤がより多く付着させることができる。
なお、「内側ガス導入部は、吸気通路の上流側に配置されている」とは、ガスセンサを吸気通路に配置し、吸気通路の上流側からガスセンサを目視したときに、目視できる外側壁部に対向する内側壁部に配置されることを指す。

さらに、請求項９に係る発明のガスセンサでは、内側ガス導入部は、検出素子の側面のうち少なくとも１つの側面を露出するように形成されていることが好ましい。これにより、内側プロテクタ内により多くの被測定ガスが導入されることとなり、検出部に被測定ガスがさらされやすくなり、検出部の被測定ガスに対する検出精度が向上する。

さらに、請求項１０に係る発明のガスセンサでは、内側ガス導入部は、前記検出部に前記被測定ガスを晒すためのガス連通部の少なくとも一部を露出するように形成されていることが好ましい。これにより、外側プロテクタ内に導入されたより多くの被測定ガスが検出部に晒されることとなり、検出部の被測定ガスに対する検出精度がさらに向上する。

さらに、請求項１１に係る発明のガスセンサでは、ヒータは、検出素子の軸よりも前記内側壁部側に配置されていることが好ましい。これにより、ヒータからの熱を効率よく内側プロテクタに伝えることができる。なお、「ヒータが、検出素子の軸よりも内側壁部側に配置される」とは、内側壁部とヒータとの距離が、内側部と検出素子の軸との距離よりも近いことをさす。

本実施形態のガスセンサ１の部分断面図である。 本実施形態の検出素子１０の分解斜視図である。 図１に示すガスセンサ１のＡ−Ａ断面図である。 本実施形態の外側プロテクタ１１０の斜視図である。 本実施形態の内側プロテクタ１２０の斜視図である。 本実施形態のガスセンサ１を吸気通路２に取り付けた図である。

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を参照して説明する。図１は、ガスセンサ１の部分断面図である。なお、図１において、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、後端部１２側をガスセンサ１の後端側として説明する。

図１に示すガスセンサ１は、内燃機関の吸気通路２（図５参照）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の検出部１１が吸気通路２を流通する吸気ガスや吸気再循環ガス中に晒されて、その吸気ガスや吸気再循環ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。

検出素子１０は軸線Ｏ方向に延びる短冊状をなし、酸素濃度の検出を行う素子本体３００（図２参照）と、その素子本体を早期活性化させるために加熱を行うヒータ２００（図２参照）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。そして、検出電極を吸気ガスや吸気再循環ガスによる被毒から保護するため、検出素子１０の先端側に形成された検出部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。他方、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。

図２は、検出素子１０の分解斜視図である。なお、図２には、保護層１５は図示していない。図２に示すように、検出素子１０は、素子本体３００とヒータ２００とが積層されたものであり、さらに素子本体３００は、酸素濃度検出セル３１０と酸素ポンプセル３３０とが積層されたものである。

ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体２０１及び第２基体２０３と、第１基体２０１と第２基体２０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体２０２を有している。発熱体２０２は、先端側に位置する発熱部２０２ａと、発熱部２０２ａから第１基体２０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部２０２ｂの端末は、第１基体２０１に設けられるヒータ側スルーホール２０１ａを介して電極パッド１６と電気的に接続している。

酸素濃度検出セル３１０は、第１固体電解質体３１２と、その第１固体電解質体３１２の両面に形成された第１電極３１１及び第２電極３１３とから形成されている。第１電極３１１は、第１電極部３１１ａと、第１電極部３１１ａから第１固体電解質体３１２の長手方向に沿って延びる第１リード部３１１ｂとから形成されている。第２電極３１３は、第２電極部３１３ａと、第２電極部３１３ａから第１固体電解質体３１２の長手方向に沿って延びる第２リード部３１３ｂとから形成されている。

そして、第１リード部３１１ｂの端末は、第１固体電解質体３１２に設けられる第１スルーホール３１２ａ、後述する絶縁層３２０に設けられる第２スルーホール３２０ａ、第２固体電解質体３３２に設けられる第４スルーホール３３２ａ及び電極保護層３４０に設けられる第６スルーホール３４０ａを介して電極パッド１６と電気的に接続する。一方、第２リード部３１３ｂの端末は、絶縁層３２０に設けられる第３スルーホール３２０ｂ、第２固体電解質体３３２に設けられる第５スルーホール３３２ｂ及び電極保護層３４０に設けられる第７スルーホール３４０ｂを介して電極パッド１６と電気的に接続する。

一方、酸素ポンプセル３３０は、第２固体電解質体３３２と、その第２固体電解質体３３２の両面に形成された第３電極３３１、第４電極３３３とから形成されている。第３電極３３１は、第３電極部３３１ａと、この第３電極部３３１ａから第２固体電解質体３３２の長手方向に沿って延びる第３リード部３３１ｂとから形成されている。第４電極３３３は、第４電極部３３３ａと、この第４電極部３３３ａから第２固体電解質体３３２の長手方向に沿って延びる第４リード部３３３ｂとから形成されている。

そして、第３リード部３３１ｂの端末は、第２固体電解質体３３２に設けられる第５スルーホール３３２ｂ及び電極保護層３４０に設けられる第７スルーホール３４０ｂを介して電極パッド１６と電気的に接続する。一方、第４リード部３３３ｂの端末は、電極保護層３４０に設けられる第８スルーホール３４０ｃを介して電極パッド１６と電気的に接続する。なお、第２リード部３１３ｂと第３リード部３３１ｂは第３スルーホール３２０ｂを介して同電位となっている。

これら第１固体電解質体３１２、第２固体電解質体３３２は、ジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。

発熱体２０２、第１電極３１１、第２電極３１３、第３電極３３１、第４電極３３３及び電極パッド１６は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。さらに、発熱体２０２、第１電極３１１、第２電極３１３、第３電極３３１、第４電極３３３及び電極パッド１６は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。

そして、上記酸素濃度検出セル３１０と酸素ポンプセル３３０との間に、絶縁層３２０が形成されている。絶縁層３２０は、絶縁部３２１と拡散律速部３２２とからなる。この絶縁層３２０の絶縁部３２１には、第２電極部３１３ａ及び第３電極部３３１ａに対応する位置にガス検出室３２０ｃが形成されている。このガス検出室３２０ｃは、絶縁層３２０の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部とガス検出室３２０ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部３２２が配置されている。なお、拡散律速部３２２が特許請求の範囲のガス連通部に相当する。

絶縁部３２１は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部３２２は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部３２２によって検出ガスがガス検出室３２０ｃへ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体３３２の表面には、第４電極３３３を挟み込むようにして、電極保護層３４０が形成されている。この電極保護層３４０は、第４電極部３３３ａを挟み込む多孔質の電極保護部３４２が、第４リード部３３３ｂを挟み込む補強部３４１に形成された貫通孔３４１ａに挿入されている。

図１に戻り、検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側には、有底筒状をなす金属製の金属カップ２０が、自身の内部に検出素子１０を挿通させ、その検出部１１を筒底の開口２５から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内に検出素子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、自身を検出素子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、検出素子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と一体となった検出素子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を自動車の吸気通路２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や通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、吸気通路２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内に検出素子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、検出素子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、自身を検出素子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および検出素子１０が主体金具５０内で位置決め保持される。主体金具５０内の気密は、加締め部５３とスリーブ２７の肩部２８との間に介在される加締めパッキン２９によって維持され、燃焼ガスの流出が防止される。

検出素子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、検出素子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が嵌められた検出素子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。

そして外筒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。

次に、本発明の主要部であるプロテクタ１００について説明する。
このプロテクタ１００は、検出素子１０の検出部１１を取り囲むように主体金具５０の先端係合部５６に固定されている。プロテクタ１００により、吸気ガスや吸気再循環ガス中の煤や被水などが検出素子１０に付着することを防止している。図１に示すプロテクタ１００の構造について、図３〜図５も参照して説明する。なお、図３は、図１に示すＡ−Ａ断面図、図４は、外側プロテクタ１１０の斜視図、図５は内側プロテクタ１２０の斜視図である。

プロテクタ１００は、図１、図３に示すように、検出素子１０の検出部１１と間隙をおいて配置された内側プロテクタ１２０と、内側プロテクタ１２０と間隙をおいて配置された外側プロテクタ１１０とから構成される２重構造を有する。

外側プロテクタ１１０は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成され、図１、４に示すように、外側壁部１３０と外側壁部１３０よりも外径が拡径された外側基端部１３１を有する。外側基端部１３１は、主体金具５０の先端径合部５６に係合され、レーザ溶接にて主体金具５０と全周溶接されている。他方、外側壁部１３０は、外側基端部１３１の先端側に円筒状に設けられ、外周面に軸線方向に延びるスリット状の外側ガス導入部１４０が１つ設けられている。この外側ガス導入部１４０を介して外部から外側プロテクタ１１０に吸気ガスや吸気再循環ガスが導入される。さらに、外側壁部１３０の先端側には外側底部１３２が設けられており、この外側底部１３２には、吸気ガスや吸気再循環ガスが導出される導出部１５０が設けられている。なお、後述するように、ガスセンサ１が吸気通路２に配置されると、外側プロテクタ１１０の外側ガス導入部１４０は吸気通路２の下流側に配置されることになる。

また、内側プロテクタ１２０は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成され、図１、図５に示すように、内側壁部１６０と内側壁部１６０よりも外径が拡径された内側基端部１６１を有する。内側基端部１６１は、主体金具５０の先端径合部５６に係合され、外側基端部１３１と共に、レーザ溶接にて主体金具５０と全周溶接されている。さらに、内側基端部１６１は、主体金具の先端係合部５６の先端面に対しても溶接されている。他方、内側壁部１６０は、内側基端部１６１の先端側に半円弧状に設けられており、検出素子１０の検出部１１のうち、ヒータ２００側を覆っている。内側壁部１６０の径方向の端部には内側ガス導入部１７０が設けられており、本実施例では、検出部１１の素子本体３００側は、内側ガス導入部１７０よりも突出し、外側プロテクタ１１０の内部空間に露出している。さらに、内側壁部１６０の先端側には内側底部１６２が設けられており、検出素子１０の検出部１１の先端を覆うように設けられている。なお、後述するように、ガスセンサ１が吸気通路２に配置されると、内側プロテクタ１１０の内側ガス導入部１７０は吸気通路２の上流側に配置されることになる。

このガスセンサ１は、図６に示すように、吸気通路２に配置される。この吸気通路２にはガスが上流から下流に向けて流れている（図６の矢印の方向）。この際、外側プロテクタ１１０の外側ガス導入部１４０が吸気通路２の下流側に配置されることとなる。これにより、ガスは吸気通路２の下流側から巻き込まれて外側プロテクタ１１０へ導入されることになる。

このように、内側プロテクタ１２０と外側プロテクタ１１０とを有するプロテクタ１００とすることで、外側ガス導入部１４０の目詰まりを考慮して、外側ガス導入部１４０を相対的に大きくしても、内側プロテクタ１２０の内側壁部１６０に水分や煤が付着することとなり、検出素子１０に水分や煤が付着することが抑制できる。その結果、検出素子１０がクラックや割れが生じることを抑制したり、検出精度が低下することを抑制できる。

そして、この内側プロテクタ１２０は、内側壁部１６０と検出部１１とを間隙を介して配置させると共に、内側壁部１６０を、検出部１１とのクリアランスＡ１（図３参照）が０．５ｍｍとなるように配置している。このように、内側壁部１６０と検出部１１とのクリアランスＡ１が１．３５ｍｍ以下となることで、ガスセンサ１が吸気ガス中の特定ガス成分を検出しているとき（ガスセンサ１の使用時）に、内側プロテクタ１２０の温度を外側プロテクタ１１０の温度よりも高くなる。具体的には、内側プロテクタ１２０の温度は３５０℃となり、外側プロテクタ１１０の温度は１２０℃となっている。これにより、内側壁部１６０に付着した水分を蒸発させたり、内側壁部１６０に付着した煤を焼やしたり、内側壁部１６０からはがすことができる。その結果、一度、内側壁部１６０に付着した水分や煤が、内側ガス導入部１７０から検出素子１０に導入されるガスに再度含まれないようにすることができ、検出素子１０に水分や煤が付着することが抑制できる。

また、内側壁部１６０が、検出部１１を加熱するためのヒータ２００から熱を受けるようにしている。これにより、内側プロテクタ１１０を加熱する加熱手段を別途設ける必要がなく、構成が容易になる。

なお、内側プロテクタ１２０の内側壁部１６０と検出部１１とのクリアランスＡ１と内側プロテクタ１２０の温度の関係とは、下記表１のようになっている。この表１は、内側プロテクタ１２０内に検出部１１を配置し（外側プロテクタ１１０は配置せず）、無風の状態でヒータ２００に通電して1分後の内側プロテクタ１２０の温度を放射温度計にて計測した値である。これより、クリアランスＡ１を１．３５ｍｍ以下とすることで、内側プロテクタ１２０の温度を２８０以上とすることができる。

さらにガスセンサ１では、外側壁部１３０の全体が、内側壁部１６０とのクリアランスが２．８ｍｍとなっている。このように、外側壁部１３０と内側壁部１６０とのクリアランスＡ２が１ｍｍ以上となることで、内側壁部１６０と外側壁部１３０との間隙に、多量の水分や煤が導入されたとしても、内側壁部１６０と外側壁部１３０との間隙にて目詰まりを生じることがなく、被測定ガスが検出素子１０の検出部１１に十分にさらされ、検出素子１０の検出精度が低下することを抑制できる。

そして、外側プロテクタ１１０及び内側プロテクタ１２０が主体金具５０の先端径合部５６に固定されると、図１、図２に示すように、外側ガス導入部１４０と内側ガス導入部１７０とが重ならないように配置される。これにより、外側ガス導入部１４０を通過したガスが直接内側ガス導入部１７０を通過することなく、必然的に内側壁部１６０に当接することとなり、内側プロテクタ１２０の内側壁部１６０に水分や煤が付着させやすい。よって、検出素子１０がクラックや割れが生じることを効率よく抑制したり、検出精度が低下することを抑制できる。

さらに、外側プロテクタ１１０の外側ガス導入部１４０が吸気通路２の下流側に配置される。これにより、ガスは吸気通路２の下流側から巻き込まれて外側プロテクタ１１０へ導入されることになる。これに対し、ガスに含まれる水分や煤は、吸気通路２内を上流から下流へ流れるガスに従って上流から下流に流れており、吸気通路２内を下流から上流へ流れることが難しく外側プロテクタ１１０内に導入されにくくなる。よって、外部から外側プロテクタ１１０内へ導入される水分や煤を減らすことができる。

さらに、外側底部１３２には、吸気通路２の上流側に外側プロテクタ１１０から被測定ガスを導出可能なガス導出部１５０を有している。これにより、外側プロテクタ１１０内において被測定ガスが吸気経路２の下流側から上流側に流れることで、外側プロテクタ１１０内にて被測定ガスを効率よく置換でき、検出部１１の被測定ガスに対する検出精度が向上する。

さらに、内側プロテクタ１２０は、検出素子１０の先端面を被覆する内側底部１６２を有している。これにより、仮に外側底部１３２に設けられたガス導出部１５０から水分や煤が外側プロテクタ内に入り込んだとしても、内側底部１６２に水分や煤が付着することとなり、検出素子に水分や煤が付着することが抑制できる。

また、内側プロテクタ１１０の内側ガス導入部１７０が吸気通路２の上流側に配置される。これにより、内側ガス導入部１７０が吸気通路２の下流側に配置した外側ガス導入部１４０との距離が遠ざかることとなり、外側ガス導入部１４０を通過したガスが内側ガス導入部１７０に到達するまでに内側壁部１６０により長くあたることとなり、内側プロテクタ１２０の内側壁部１６０に水分や煤がより多く付着させることができる。

さらに、内側ガス導入部１７０は、素子本体３００の側面３００ｔを露出するように形成されている。これにより、内側プロテクタ１００内により多くの被測定ガスが導入されることとなり、検出部１１に被測定ガスがさらされやすくなり、検出部１１の被測定ガスに対する検出精度が向上する。

さらに、内側ガス導入部１７０は、拡散律速部３２２を露出するように形成されている。これにより、外側プロテクタ１１０内に導入されたより多くの被測定ガスが検出部１１に晒されることとなり、検出部１１の被測定ガスに対する検出精度がさらに向上する。

さらに、ヒータ２００は、検出素子１０の軸よりも内側壁部１６０側に配置されている。つまり、ヒータ２００の検出素子１０を形成する側面２００ｔを内側壁部１６０に対向させている。これにより、ヒータ２００からの熱を効率よく内側プロテクタ１２０に伝えることができる。

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、本実施形態では、外側ガス導入部１４０及び内側ガス導入部１７０をそれぞれ１つづつ外側壁部１３０及び内側壁部１６０に設けたが、これに限られず、外側ガス導入部及び内側ガス導入部が複数設けられていてもよい。

また、本実施形態では、外側ガス導入部１４０が軸線方向に延びるスリット状に形成されていたが、これに限られず、円形状であってもよい。
また、本実施形態では、内側壁部１６０が半円弧状に形成されていたが、これに限られず、外側壁部１３０のように、検出素子１０の大半を覆う円筒状に形成されていてもよい。
また、本実施形態では、外側ガス導入部１４０及び内側ガス導入部１７０をそれぞれ吸気通路の下流側及び上流側に形成したが、これに限られず、外側ガス導入部が上流側に設けられ、内側ガス導入部が下流側に設けられていてもよい。

また、本実施形態では全領域空燃比センサを例に説明したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等に取り付けられるプロテクタにも同様に適用できる。

１ ガスセンサ
１０ 検出素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
１００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１２０ 内側プロテクタ
１３０ 外側壁部
１４０ 外側ガス導入部
１６０ 内側壁部
１７０ 内側ガス導入部
２００ ヒータ
３００ 素子本体

Claims (11)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するための検出部を有する素子本体と共に、該検出部を加熱するためのヒータが積層された板状の検出素子と、
   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筒状の主体金具と、
   内部に前記検出素子の前記検出部を収容しつつ、前記主体金具に固定されるプロテクタと、
   を備え、内燃機関の吸気通路に配置されるガスセンサにおいて、
   前記プロテクタは、前記検出部と間隙を介して配置される内側プロテクタと、該内側プロテクタと間隙を介して配置される外側プロテクタとを有し、
   前記内側プロテクタは、前記被測定ガスを前記内側プロテクタ内に導入可能な内側ガス導入部を有すると共に、前記ヒータに対向しつつ前記検出部の径方向外側に配置された内側壁部を有し、
   前記外側プロテクタは、前記被測定ガスを前記外側プロテクタ内に導入可能な外側ガス導入部を有すると共に、前記内側壁部の径方向外側に配置された外側壁部を有し、
   前記内側壁部の少なくとも一部は、前記検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となり、
   ガスセンサ使用時に、前記内側プロテクタの温度が、前記外側プロテクタの温度よりも高く、
   前記内側ガス導入部は、前記検出素子の軸をはさんで前記素子本体の側面側のみに配置され、前記外側ガス導入部は、前記検出素子の軸をはさんで前記ヒータの側面側のみに配置されることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記内側壁部の全体が、前記検出部とのクリアランスが１．３５ｍｍ以下となる請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記外側壁部の全体が、前記内側壁部とのクリアランスが１ｍｍ以上となる請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 前記外側ガス導入部と前記内側ガス導入部は重ならないことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記外側ガス導入部は、前記吸気通路の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のガスセンサ。
6. 前記外側プロテクタは、前記外側壁部の先端側に接続する外側底部を有しており、
   前記外側底部には、前記吸気通路の上流側に前記外側プロテクタから前記被測定ガスを導出可能なガス導出部を有している請求項５記載のガスセンサ。
7. 前記内側プロテクタは、前記内側壁部の先端側に接続すると共に、前記検出素子の先端面の少なくとも一部を被覆する内側底部を有している請求項６記載のガスセンサ。
8. 前記内側ガス導入部は、前記吸気通路の上流側に配置されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ。
9. 前記内側ガス導入部は、前記検出素子の側面のうち少なくとも１つの側面を露出するように形成されることを特徴とする請求項８記載のガスセンサ。
10. 前記内側ガス導入部は、前記検出部に前記被測定ガスを晒すためのガス連通部の少なくとも一部を露出するように形成されることを特徴とする請求項８又は請求項９記載のガスセンサ。
11. 前記ヒータは、前記検出素子の軸よりも前記内側壁部側に配置されていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のガスセンサ。