JP6158792B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、被検出ガス中に晒される検出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ものである。
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。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、検出素子を加熱したり検出素子が高温の排気ガス中に晒されたりすることで、検出素子が高温となるのに対し、排気ガスに含まれる水分（水滴）が検出素子に付着（被水）することにより検出素子が熱衝撃を受けると、クラックや割れが生ずる虞がある。そこでガスセンサには検出素子を覆うプロテクタが装着され、検出素子が被水から保護されている。
例えば、特許文献１に記載のガスセンサでは、プロテクタは、検出素子を覆う内側プロテクタと、当該内側プロテクタを覆う外側プロテクタの二重構造となっている。当該外側プロテクタには、排気ガスを内部に導入する為のガス導入孔が形成されている。凝縮水のプロテクタ内への浸入を低減すためにはガス導入孔の開口面積を絞る必要があるが、排気ガスの導入のための開口面積がある程度必要である。従って、特許文献１に記載のガスセンサでは、ガス導入孔はガスセンサの軸線方向に長細い孔形状に形成されている。
しかしながら、図１４に示すように、ガス導入孔が縦長の孔の場合、水滴が当該ガス導入孔上部から孔をすり抜けて浸入すると、内側プロテクタのガス導入孔がすぐ近くにあるため素子に被水する危険性が高くなってしまうという問題点がある。
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、検出素子を覆うプロテクタ内への排気ガスの導入効率を落とさず、検出素子の被水を確実に防止することができるガスセンサを提供することを目的とする。
本発明の第１態様によれば、軸線方向に延び、先端側に被検出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検出素子と、前記検出部を自身の先端部から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための導入孔が形成され、空隙を有して複数重ねられたプロテクタとを備え、前記プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられ、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状であり、前記プロテクタは、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための内側導入孔が形成された内側プロテクタと、前記内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ、少なくとも前記内側プロテクタの前記周壁を取り囲む円筒状をなし、自身の周壁に前記被検出ガスを前記空隙に導入するための外側導入孔が形成された外側プロテクタとから構成され、前記外側導入孔は、前記横孔形状の孔部から構成され、前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられていることを特徴とするガスセンサが提供される。
第１態様のガスセンサでは、プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられ、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状であるので、検出素子を覆うプロテクタ内への排気ガスの導入効率を落とさず、導入孔がガスセンサの軸線方向に長細い孔形状に比して検出素子の被水を確実に防止することができる。従って、検出素子に水滴が付着して検出素子が破損することを防止できる。また、前記外側導入孔は、前記横孔形状の孔部から構成され、前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられているので、外側導入孔から進入した水滴は、内側導入孔には届かず、内側プロテクタの周壁に衝突する。従って、検出素子の被水を確実に防止することができる。また、検出素子を覆うプロテクタ内への排気ガスの導入効率を落とすこともない。
本発明の第２態様によれば、軸線方向に延び、先端側に被検出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検出素子と、前記検出部を自身の先端部から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための導入孔が形成され、空隙を有して複数重ねられたプロテクタとを備え、前記プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられた孔部であり、一つの当該孔部は、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより小さい縦孔形状の孔部を複数前記周方向に近接させて形成した横孔相当の孔部であり、前記プロテクタは、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための内側導入孔が形成された内側プロテクタと、前記内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ、少なくとも前記内側プロテクタの前記周壁を取り囲む円筒状をなし、自身の周壁に前記被検出ガスを前記空隙に導入するための外側導入孔が形成された外側プロテクタとから構成され、前記外側導入孔は、前記横孔相当の孔部から構成され、前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられていることを特徴とするガスセンサが提供される。
第２態様のガスセンサでは、プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられた孔部であり、一つの当該孔部は、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより小さい縦孔形状の孔部を複数前記周方向に近接させて形成した横孔相当の孔部であるので、導入孔の部分の強度を低下させず、且つ、検出素子を覆うプロテクタ内への排気ガスの導入効率を低下させない。また、導入孔がガスセンサの軸線方向に長細い孔形状に比して検出素子の被水を確実に防止することができる。従って、検出素子に水滴が付着して検出素子が破損することを防止できる。また、前記外側導入孔は、前記横孔相当の孔部から構成され、前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられているので、外側導入孔から進入した水滴は、内側導入孔には届かず、内側プロテクタの周壁に衝突する。従って、検出素子の被水を確実に防止することができる。また、検出素子を覆うプロテクタ内への排気ガスの導入効率を落とすこともない。
また、前記プロテクタの周壁の外周長さをＬ１とし、前記プロテクタの周壁を軸線方向に対して垂直な面に投影した場合の前記導入孔の周方向の長さの合計をＬ２とした場合に、Ｌ２／Ｌ１が０．３以上であるようにしてもよい。Ｌ２／Ｌ１が０．３以上であれば、導入孔の通気が十分であり、検出素子の応答性が悪化せず、導入孔がガスセンサの軸線方向に長細い孔形状に比して検出素子の被水を確実に防止することができる。
また、Ｌ２／Ｌ１が０．５２以上であるようにしてもよい。この場合には、導入孔が横孔として通気が十分であり、検出素子の応答性が悪化せず、導入孔がガスセンサの軸線方向に長細い孔形状に比して検出素子の被水を確実に防止することができる。
また、前記プロテクタの周壁の周方向における前記導入孔の長さをＬ３、当該Ｌ３と直交する方向における前記導入孔の長さをＬ４とした場合に、Ｌ３／Ｌ４が３以上であるようにしてもよい。この場合には、導入孔が横孔として十分に機能することができる。
また、 前記プロテクタを前記軸線方向と直交し且つ前記導入孔を通る平面で切断した円断面を、その中心を通る直線により複数分割した場合に、当該分割した各領域に前記導入孔が少なくとも一つ存在するようにしてもよい。この場合には、分割した各領域に導入孔が設けられるので、ガスセンサの排気流路への取り付けの回転角度に制限がない。
また、前記外側導入孔は、前記外側プロテクタの周壁において、最基端側にある前記内側導入孔よりも前記軸線方向の先端側に設けられているようにしてもよい。この外側導入孔から進入した水滴は、内側導入孔には届かず、内側プロテクタの周壁に衝突し、外側プロテクタの先端側から排出される。従って、検出素子の被水を確実に防止することができる。
また、前記外側導入孔は、前記外側プロテクタの周壁において、前記軸線方向に複数設けられているようにしてもよい。この場合には、これらの導入孔から進入する排気ガスの量は十分であり、検出素子の排気ガスに対する検出値の応答が遅れることもない。また、外側プロテクタの周壁の全周に渡って、外側導入孔が設けられるので、ガスセンサの排気流路への取り付けの回転角度に制限がない。
以下、本発明を具体化したガスセンサの第一実施の形態について、図１〜図２を参照して説明する。図１〜図２ではガスセンサの軸線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の検出部１１側をガスセンサの先端側、後端部側（図２参照）をガスセンサの後端側として説明する。
ガスセンサは、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子の検出部１１が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれる被検出ガスとしての酸素濃度を検出する、いわゆる酸素センサを一例とする。
検出素子は公知にあるような軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなし、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。なお、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や白金を主体とする検出電極などから構成され（図示せず）、その検出電極は、検出素子の先端側の検出部１１に配置されている。また、検出素子の後端側の後端部には、ガス検出体やヒータ体から電極を取り出すための６つの電極パッドが形成されている。なお、本実施の形態では検出素子を本発明における「検出素子」として説明を行うが、厳密には、検出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「検出素子」に相当する。
検出素子の胴部の中央よりやや先端側の位置には、有底筒状ながら底壁に開口を有する金属製の金属カップが配置されている。検出素子は、開口を通じて金属カップに挿通されており、開口から先端側に、検出部１１が突出されている。金属カップは主体金具内に検出素子を保持するための部材であり、底壁の縁部分には、底壁から外周壁にかけてテーパ状をなす先端周縁部が形成されている。金属カップ内には、アルミナ製のセラミックリングと、滑石粉末を圧縮して固めた滑石リングとが検出素子の周囲を取り巻きつつ軸線Ｏ方向に層状に配置され、収容されている。滑石リングは金属カップ内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、検出素子が金属カップ内で位置決めされて、保持されている。
金属カップと一体となった検出素子は、その周囲を、ＳＵＳ４３０等の低炭素鋼からなる筒状の主体金具に取り囲まれて保持されている。主体金具はガスセンサを自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部が設けられている。この取付部よりも先端側には、後述するプロテクタ１００が係合される先端係合部が形成されている。また、主体金具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が形成されている。工具係合部の後端側には、後述する外筒が係合される後端係合部が形成されており、さらにその後端側に、主体金具内に検出素子を加締め保持するための加締部が形成されている。そして工具係合部と取付部５１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環状のガスケットが嵌挿されている。
次に、主体金具の内周には、取付部５１付近に段状の部位が設けられており、その段状の部位には、前述した検出素子を保持する金属カップの先端周縁部が係止されている。そして主体金具の内周には、滑石リングが、自身に検出素子を挿通させた状態で、金属カップの後端側から装填されている。さらにその滑石リングを後端側から押さえるように、筒状のスリーブが、自身に検出素子を挿通させつつ主体金具内に嵌め込まれている。スリーブの後端側外周には、段状をなす肩部が形成されており、その肩部に、円環状のパッキンが配置されている。この状態で主体金具の加締部が内向きに加締められ、パッキンを介し、スリーブの肩部を先端側に向けて押圧している。この加締めによって、スリーブに押圧された滑石リングが主体金具内で押し潰されて、細部にわたって充填されている。そして、この滑石リングと、金属カップ内にあらかじめ装填された滑石リングとによって、金属カップおよび検出素子が、主体金具内で位置決め保持される。
検出素子の後端部は、主体金具の後端（加締部）よりも後方に突出されており、その後端部に、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータが被せられている。セパレータは、先端側セパレータと後端側セパレータとからなり、先端側セパレータに設けられた鍔状の鍔部に、後端側セパレータが係合している。先端側セパレータは、検出素子の後端部に形成された６つの電極パッドと、電極パッドのそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子との接続部位を内部に収容して保持している。後端側セパレータは、各接続端子とガスセンサの外部に引き出される６本のリード線との接続部位を内部に収容している。
そして、セパレータが嵌められた検出素子の後端部の周囲を囲うように、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）製で筒状の外筒が配設されている。外筒は、先端側の開口端が、主体金具の後端係合部の外周に係合されている。その開口端は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されて、後端係合部に接合されており、これにより、外筒と主体金具とが一体となっている。
また、外筒と先端側セパレータとの間の間隙には、金属製で筒状の保持金具が配設されている。保持金具は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部を有し、その支持部に、自身の内部に挿通される先端側セパレータの鍔部を係合させて、先端側セパレータを保持している。この状態で、保持金具が配置された部分の外筒の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータを支持した保持金具が外筒に固定されている。
次に、外筒の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメットが嵌合されている。グロメットは６つの挿通孔を有し、各挿通孔に、セパレータから引き出された上記６本のリード線が気密に挿通されている。この状態でグロメットは、後端側セパレータを先端側セパレータに押圧しつつ、外筒の外周から加締められて、外筒の後端に固定されている。
一方、主体金具に保持された検出素子の検出部は、主体金具の先端部（先端係合部）より突出されている。この先端係合部には、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。プロテクタ１００は、検出素子の検出部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）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのものである。
以下、第一実施の形態のプロテクタ１００の構造について、図１及び図２を参照して説明する。図１及び図２に示すプロテクタ１００は、周壁１２２およびその先端側に先端壁１２４を有する有底円筒状をなす内側プロテクタ１２０と、周壁１２２の径方向周囲を周壁１１２で取り囲む筒状をなす外側プロテクタ１１０とから構成される２重構造を有する。この内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外表面１２６と、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の内表面１１７との間には空隙から成るガス分離室１１９が形成されている。
内側プロテクタ１２０は、その外径が主体金具の先端係合部５６よりも小さく形成されており、開口端側（後端側）の基端部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。また、先端壁１２４の周縁部分は周壁１２２へ向けてテーパ状に拡がるテーパ部１２３として構成されている。この内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って複数（本実施の形態では１２個）の内側導入孔１２５が開口されている。内側導入孔１２５は、後述する外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０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、すなわち検出素子の検出部１１が露出されたガス検出室１２９内に導入するための孔である。
また、基端部１２１の外周から後述する外側プロテクタ１１０ごとレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ１２０は主体金具の先端係合部５６に固定されている。そして、内側プロテクタ１２０の先端壁１２４には、排出口１６０が開口されている。内側プロテクタ１２０内（ガス検出室１２９内）に進入した水滴は、この排出口１６０を介してプロテクタ１００の外部に排出される。また、内側導入孔１２５を介してガス検出室１２９内に導入されるガス成分も、この排出口１６０を介して外部に排出され、ガス検出室１２９内のガス交換が行われるように構成されている。
次に、外側プロテクタ１１０は、一方の開口端が拡径され、基端部１１１として、内側プロテクタ１２０の基端部１２１の外周に係合されている。外側プロテクタ１１０の基端部１１１を内側プロテクタ１２０の基端部１２１に重ねた状態で、基端部１１１の外周面側から基端部１２１を貫通して主体金具の先端係合部５６に達するレーザ溶接が基端部１１１の外周を一周しつつ施されている。これにより、外側プロテクタ１１０と内側プロテクタ１２０とが主体金具に固定されている。
また、この外側プロテクタ１１０の先端部１１３は、内側プロテクタ１２０のテーパ部１２３付近にて内側に折り曲げられている。これにより、内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外表面１２６と外側プロテクタ１１０の内表面１１７との間の空隙が先端側にて閉塞されて、上記のガス分離室１１９として構成される。そしてテーパ状の内側プロテクタ１２０のテーパ部１２３は、外側プロテクタ１１０の先端部１１３よりも軸線Ｏ方向先端側に向けて突出された形態となる。外側プロテクタ１１０の先端部１１３と、内側プロテクタ１２０のテーパ部１２３とは角度は異なるが連続するテーパをなす。
次に、外側プロテクタ１１０の周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数（本実施の形態では４個）の外側導入孔１７０が、周方向に沿って均等間隔で形成されている。外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されている（つまり外側導入孔１７０の後端の位置が、内側導入孔１２５の先端の位置よりも先端側に配置されている。）。従って、内側導入孔１２５に対向する位置以外の外側プロテクタ１１０の周壁１１２に外側導入孔１７０が設けられる。また、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。外側導入孔１７０の周方向の長さと、周壁１１２の外周長さとの関係等については後述する。
このような構成をなすガスセンサが内燃機関の排気管に取り付けられた場合、軸線Ｏ方向先端側を重力方向下向きにして取り付けられ、主体金具の取付部５１よりも先端側が排気管内に露出される。排気管内を流通する排気ガスは、少なくとも軸線Ｏ方向とは異なる方向（例えば軸線Ｏに直交する方向）から図１に示すプロテクタ１００に衝突し、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０からガス分離室１１９内に導入される。このときに、排気ガス中に含まれる相対的に重い水分（水滴）と、相対的に軽いガス成分とが分離される。このときに、外側導入孔１７０が、軸線Ｏ方向において内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成され、且つ、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に沿って形成されているので、外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入した水滴が内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５からガス検出室１２９内に入ることを防止できる。また、外側導入孔１７０は外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に沿って複数、且つ、所定長さ形成されているので、外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入する排気ガスの量は十分であり、検出素子の排気ガスに対する検出値の応答が遅れることもない。
次に、図３及び図４を参照して、第二実施の形態のガスセンサのプロテクタ１００を説明する。第二実施の形態のガスセンサは第一実施の形態とは、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の構造が第一実施の形態と異なるのみで、他の構造は同じである。以下、異なる点のみ説明する。
以下、第二実施の形態の外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の構造について説明する。第二実施の形態の外側プロテクタ１１０では、周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、周壁１１２に２列形成されている。さらに、軸線Ｏ方向において、一方の外側導入孔１７０の端部が他方の外側導入孔１７０とオーバーラップするように周壁１１２に周方向に均等間隔で配置されている。また、全ての外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されている。つまり、外側導入孔１７０の後端の位置が、内側導入孔１２５の先端の位置よりも先端側に配置されている。
第二実施の形態の外側プロテクタ１１０では、第一実施の形態の効果に加え、軸線Ｏ方向において、外側プロテクタ１１０の周壁１１２に２列形成され、且つ、一方の外側導入孔１７０の端部が他方の外側導入孔１７０とオーバーラップするように周壁１１２に周方向に均等間隔で配置されているので、これらの外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入する排気ガスの量は十分であり、検出素子の排気ガスに対する検出値の応答が遅れることもない。また、全ての外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されているため、外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入した水滴が内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５からガス検出室１２９内に入ることを防止できる。また、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の全周に渡って、外側導入孔１７０が設けられるので、ガスセンサの排気流路への取り付けの回転角度に制限がない。
次に、図５及び図６を参照して、第三実施の形態のガスセンサのプロテクタ１００を説明する。第三実施の形態のガスセンサは第一実施の形態とは、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の構造が第一実施の形態と異なるのみで、他の構造は同じである。以下、異なる点のみ説明する。
第三実施の形態の外側プロテクタ１１０では、周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、周壁１１２に３列形成されている。さらに、軸線Ｏ方向において、一方の外側導入孔１７０の端部が他方の外側導入孔１７０とオーバーラップするように周壁１１２に配置されている。また、全ての外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されている。つまり、外側導入孔１７０の後端の位置が、内側導入孔１２５の先端の位置よりも先端側に配置されている。
第三実施の形態の外側プロテクタ１１０では、第一及び第二実施の形態の効果に加え、軸線Ｏ方向において、外側プロテクタ１１０の周壁１１２に３列形成され、且つ、一方の外側導入孔１７０の端部が他方の外側導入孔１７０とオーバーラップするように周壁１１２に周方向に均等間隔で配置されているので、これらの外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入する排気ガスの量は十分であり、検出素子の排気ガスに対する検出値の応答が遅れることもない。また、全ての外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されているため、外側導入孔１７０からガス分離室１１９に進入した水滴が内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５からガス検出室１２９内に入ることを防止できる。また、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の全周に渡って、外側導入孔１７０が設けられるので、ガスセンサの排気流路への取り付けの回転角度に制限がない。
以上説明した第一〜第三実施の形態では、外側プロテクタ１１０を軸線Ｏ方向と直交し且つ外側導入孔１７０を通る平面で切断した円断面を、その中心を通る直線により複数分割した場合に、当該分割した各領域に外側導入孔１７０が少なくとも一つ存在することになる。例えば、第一実施の形態では、外側プロテクタ１１０の周壁１１２を二本の直交する直線により分割した場合に、当該分割した各領域に外側導入孔１７０が少なくとも１つ存在する。
次に、図７〜図１２を参照して、外側導入孔１７０の横孔の定義について説明する。先ず、図７に示すように、正面視横長の矩形の横孔である外側導入孔１７０が外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に一列に４個形成されている場合について説明する。外側導入孔１７０は正面視、横長の矩形である。外側プロテクタ１１０を軸線Ｏに垂直な面に投影した場合に、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の円周長さをＬ１とする（図８参照）。また、図９に示すように、外側プロテクタ１１０を軸線Ｏに垂直な面に投影した場合に、外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の個別の長さをＭ２とし、４個の外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の長さの合計をＬ２とすると、Ｌ２＝Ｍ２×４となる。ここで、図７に示す例では、Ｌ２／Ｌ１＝０．５８となる。
次に、図１０に示すように、正面視横長の矩形の横孔である外側導入孔１７０が外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に上下二列に６個形成されている場合について説明する。ここでも、外側プロテクタ１１０を軸線Ｏに垂直な面に投影した場合に、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の円周長さをＬ１とする（図８参照）。また、図１１に示すように、外側プロテクタ１１０を軸線Ｏに垂直な面に投影した場合に、外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の個別の長さをＭ２とし、６個の外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の長さの合計をＬ２とすると、Ｌ２＝Ｍ２×６となる。ここで、図１１に示す例では、Ｌ２／Ｌ１＝０．６６となる。
次に、図１２に示すように、外側プロテクタ１１０の１つの外側導入孔１７０の周方向の長さをＬ３とし、軸線Ｏ方向の長さをＬ４とし、外側導入孔１７０の縦の長さに対する横の長さの比（アスペクト比）は、Ｌ３／Ｌ４となる。本発明では、横孔とは、「Ｌ２／Ｌ１≧０．５２」又は「Ｌ３／Ｌ４≧３」の何れかに該当するものとする。従って、外側導入孔１７０は、「Ｌ２／Ｌ１≧０．５２」又は「Ｌ３／Ｌ４≧３」の何れかに該当するように外側プロテクタ１１０の周壁１１２に形成するものとする。
次に、第一実施の形態〜第三実施の形態と、第一比較例（図１３及び図１４参照）と、第二比較例（図１５参照）と、第三比較例（図１６）とを用いて、ガスセンサの応答性の第一解析シミュレーションの結果について図１７のグラフを参照して説明する。
先ず、図１３及び図１４を参照して、第一比較例の外側プロテクタ１１０について説明する。第一比較例の外側プロテクタ１１０は従来の形状の外側導入孔１７０を有する従来技術の外側プロテクタである。具体的には、外側プロテクタ１１０の周壁１１２には、外側導入孔１７０が、周方向に沿って一定間隔で８個形成されている。外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されている。また、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向における開口長さより当該周方向と直交する方向（軸線Ｏ方向）における開口長さが大きい縦孔形状に形成されている。
次に、図１５を参照して、第二比較例の外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の形状を説明する。第二比較例の外側プロテクタ１１０では、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向における開口長が第一比較例よりも細くなっている。即ち、第二比較例の外側導入孔１７０は第一比較例よりも細長く形成されている。
次に、図１６を参照して、第三比較例の外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の形状を説明する。第三比較例の外側プロテクタ１１０では、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向における開口長が第一比較例よりも細なっており、軸線Ｏ方向における長さは、第一比較例及び第二比較例よりも長くなっている。即ち、第三比較例の外側導入孔１７０は第一比較例及び第二比較例よりもよりも細長く形成されている。
第一解析シミュレーションでは、第一比較例の外側プロテクタ１１０の全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を１とし、第一実施の形態の外側プロテクタ１１０の全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を「０．６」とし、第二実施の形態の外側プロテクタ１１０の全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を「０．５」とし、第三実施の形態の外側プロテクタ１１０では、全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を「０．８」する。また、第二比較例の外側プロテクタ１１０では、全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を「０．５」とし、第三比較例の外側プロテクタ１１０では、全部の外側導入孔１７０の合計開口面積を「０．８」とする。この条件に従って、検出素子の応答性（素子ガス置換割合と時間（秒）との関係）をコンピュータによりシミュレーションを行った。第一解析シミュレーションの結果を図１７のグラフに示す。
図１７のグラフに示すように、第二比較例が最も応答性が悪いことが分かる。次いで、第一比較例、第三比較例の応答性が悪い。これに対して、第三実施の形態が最も応答性が良く、次いで、第一実施の形態、第二実施の形態は応答性が良いことが分かった。従って、従来技術のように、外側導入孔１７０を縦孔にするより、横孔にして開口面積を小さくしても高い応答性を得ることができることが分かった。
次に、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に於ける外側導入孔１７０の割合関して、図１８〜図２０に示す第四実施の形態と、図２１〜図２３に示す第五実施の形態を用いたガスセンサの応答性の第二解析シミュレーションの結果について図２４のグラフを参照して説明する。
以下、図１８〜図２０を参照して、第四実施の形態の外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の構造について説明する。第四実施の形態の外側プロテクタ１１０では、周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に一列に４個形成されている。図２０に示すように、各外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の長さをＭ２とし、周壁１１２の円周長さをＬ１とし、Ｌ２＝Ｍ２×４とする。第四実施の形態では、周壁１１２の周方向の開口割合Ｌ２／Ｌ１＝０．８３とする。
次に、図２１〜図２３を参照して、第五実施の形態の外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０の構造について説明する。第五実施の形態の外側プロテクタ１１０では、周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に一列に３個形成されているが、当該周方向における開口長さが余り大きくない。図２３に示すように、各外側導入孔１７０の周壁１１２の周方向の長さをＭ２とし、周壁１１２の円周長さをＬ１とし、Ｌ２＝Ｍ２×３とする。第五実施の形態では、周壁１１２の周方向の開口割合Ｌ２／Ｌ１＝０．３０とする。
第二解析シミュレーションでは、図１３及び図１４に示す第一比較例の外側プロテクタ１１０と、上記第四実施の形態の外側プロテクタ１１０及び第五実施の形態の外側プロテクタ１１０を用いて、検出素子の応答性（素子ガス置換割合と時間（秒）の関係）をコンピュータによりシミュレーションを行った。本解析シミュレーションの結果を図２４のグラフに示す。
図２４のグラフに示すように、第一比較例が最も応答性が悪いことが分かる。これに対して、第五実施の形態が最も応答性が良く、次いで、第四実施の形態が良いことが分かった。従って、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に於ける孔の割合（Ｌ２／Ｌ１）が０．３０（３０％）以上なら、検出素子の応答性が悪くならないと判断できる。
次に、内側プロテクタ１２０の周壁１２２の周方向に於ける内側導入孔１２５の開口部の面積を変化させた場合に関して、図２６に示す第四比較例と、図２７に示す第六実施の形態と、図２８に示す第七実施の形態と、図２９に示す第八実施の形態を用いたガスセンサの構造について説明する。
まず、図２６を参照して、第四比較例の外側プロテクタ１１０及び内側プロテクタ１２０について説明する。第四比較例の外側プロテクタ１１０では、周壁１１２には、外側プロテクタ１１０の外部とガス分離室１１９とを連通する複数の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。外側導入孔１７０は、周壁１１２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、周壁１１２に２列形成されている。さらに、軸線Ｏ方向において、一方の外側導入孔１７０の端部が他方の外側導入孔１７０とオーバーラップするように周壁１１２に周方向に均等間隔で配置されている。また、全ての外側導入孔１７０は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の形成位置よりも先端側の位置に形成されている。つまり、外側導入孔１７０の後端の位置が、内側導入孔１２５の先端の位置よりも先端側に配置されている。
また、この内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って１２個の円形の孔である内側導入孔１２５が開口されている。内側導入孔１２５は、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０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、すなわち検出素子の検出部１１が露出されたガス検出室１２９内に導入するため孔である。第四比較例では、内側導入孔１２５は、周方向に６個、軸線Ｏ方向において、周壁１１２に２列形成されている。一例として、１つの内側導入孔１２５の直径は、１．５ｍｍであり、１２個で、内側導入孔１２５の開口部の面積の合計は、２１．２ｍｍ２である。
次に、図２７を参照して、第六実施の形態の内側プロテクタ１２０について説明する。第六実施の形態の外側プロテクタ１１０は、第四比較例と同じ構造であるので、説明は省略する。第六実施の形態の内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って複数の内側導入孔１２５が開口されている。内側導入孔１２５は、周壁１２２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、内側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、周壁１２２に２列形成されている。さらに、軸線Ｏ方向において、一方の内側導入孔１２５の端部が他方の内側導入孔１２５とオーバーラップするように周壁１２２に周方向に均等間隔で形成されている。一例として、１つの内側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、０．６ｍｍの幅であり、軸線Ｏと直交する平面において、軸線Ｏを中心として７０度で開口している。この開口が３個で２列形成されているので、第六実施の形態の内側導入孔１２５の開口部の面積の合計は、１６．７ｍｍ２である。従って、第四比較例の内側導入孔１２５の開口部の面積（２１．２ｍｍ２）の合計に対する比率は、０．７９である。
次に、図２８を参照して、第七実施の形態の内側プロテクタ１２０について説明する。第七実施の形態の外側プロテクタ１１０は、第四比較例と同じ構造であるので、説明は省略する。第七実施の形態の内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って複数の内側導入孔１２５が開口されている。内側導入孔１２５は、周壁１２２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、内側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、周壁１２２に２列形成されている。内側導入孔１２５は、周壁１２２に周方向に均等間隔で配置され、上下で形成位置がずれている。一例として、１つの内側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、０．６ｍｍの幅であり、軸線Ｏと直交する平面において、軸線Ｏを中心として４５度で開口している。この開口が３個で２列形成されているので、第六実施の形態の内側導入孔１２５の開口部の面積の合計は、１０．７ｍｍ２である。従って、第四比較例の内側導入孔１２５の開口部の面積（２１．２ｍｍ２）の合計に対する比率は、０．５１である。
次に、図２９を参照して、第八実施の形態の内側プロテクタ１２０について説明する。第八実施の形態の外側プロテクタ１１０は、第四比較例と同じ構造であるので、説明は省略する。第八実施の形態の内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で基端部１２１寄りの位置に、周方向に沿って複数の内側導入孔１２５が開口されている。内側導入孔１２５は、周壁１２２の周方向に延設され、当該周方向における開口長さが当該周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状に形成されている。また、内側導入孔１２５は、周壁１２２の周方向に１列均等間隔で形成されている。一例として、１つの内側導入孔１２５は、軸線Ｏ方向において、０．６ｍｍの幅であり、軸線Ｏと直交する平面において、軸線Ｏを中心として７０度で開口している。この開口が４個で１列形成されているので、第八実施の形態の内側導入孔１２５の開口部の面積の合計は、１１．１ｍｍ２である。従って、第四比較例の内側導入孔１２５の開口部の面積（２１．２ｍｍ２）の合計に対する比率は、０．５３である。
次に、図３０を参照して、ガスセンサの応答性の第三解析シミュレーションの結果について説明する。第三解析シミュレーションでは、第四比較例と第六実施の形態から第八実施の形態を用いて、検出素子の応答性（素子ガス置換割合と時間（秒）の関係）をコンピュータによりシミュレーションを行った。
図３０のグラフに示すように、第四比較例の応答性に対して、第六実施の形態、第七実施の形態及び第八実施の形態の応答性がいずれも低下しないことが判明した。特に、第八実施の形態が最も応答性が良いことが分かった。従って、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１２５の開口部の面積の合計が第四比較例の開口部の面積の合計の５０％程度に小さくなっても検出素子の応答性が悪くならないことが判明した。
尚、プロテクタ１００が本発明の「プロテクタ」の一例であり、外側プロテクタ１１０が本発明の「外側プロテクタ」の一例である。内側プロテクタ１２０が本発明の「内側プロテクタ」の一例である。外側導入孔１７０が、本発明の「外側プロテクタに形成された導入孔」の一例である。ガス分離室１１９が本発明の「空隙」及び「ガス流路」の一例である。
尚、本発明は、上記実施の形態に限られず各種の変形が可能である。例えば、外側導入孔１７０は、図１に示すような単純な横孔に限られず、図２５に示すように、小さな矩形の孔１７１を外側プロテクタ１１０の周壁１１２の周方向に複数近接して連続して形成した横孔相当の孔部１７０であってもよい。この場合には、外側導入孔１７０の部分の強度を低下させず、且つ、外側プロテクタ１１０内への排気ガスの導入効率を低下させない。また、検出素子の被水を確実に防止することができる。従って、検出素子に水滴が付着して検出素子が破損することを防止できる。尚、外側導入孔１７０の数は上記の実施の形態に限られず適宜の数にしてもよい。
本発明は、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等に用いられるプロテクタにも同様に適用することができる。
１１ 検出部
１００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１１２ 周壁
１１９ ガス分離室
１２０ 内側プロテクタ
１２２ 周壁
１２５ 内側導入孔
１２９ ガス検出室
１２５ 内側導入孔
１７０ 外側導入孔
１７１ 孔
１００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１１２ 周壁
１１９ ガス分離室
１２０ 内側プロテクタ
１２２ 周壁
１２５ 内側導入孔
１２９ ガス検出室
１２５ 内側導入孔
１７０ 外側導入孔
１７１ 孔
Claims (8)
- 軸線方向に延び、先端側に被検出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検出素子と、
前記検出部を自身の先端部から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための導入孔が形成され、空隙を有して複数重ねられたプロテクタとを備え、
前記プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられ、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより大きい横孔形状であり、
前記プロテクタは、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための内側導入孔が形成された内側プロテクタと、
前記内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ、少なくとも前記内側プロテクタの前記周壁を取り囲む円筒状をなし、自身の周壁に前記被検出ガスを前記空隙に導入するための外側導入孔が形成された外側プロテクタとから構成され、
前記外側導入孔は、前記横孔形状の孔部から構成され、
前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられていることを特徴とするガスセンサ。 - 軸線方向に延び、先端側に被検出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検出素子と、
前記検出部を自身の先端部から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための導入孔が形成され、空隙を有して複数重ねられたプロテクタとを備え、
前記プロテクタに形成された前記導入孔は、前記周壁の周方向に複数設けられた孔部であり、
一つの当該孔部は、前記周方向における開口長さが前記周方向と直交する方向における開口長さより小さい縦孔形状の孔部を複数前記周方向に近接させて形成した横孔相当の孔部であり、
前記プロテクタは、周壁およびその先端側に先端壁を有し、自身の内部に前記検出部を収容した状態で、基端側の開口端部が前記主体金具の前記先端部に固定されると共に、前記周壁に前記被検出ガスを自身の内部に導入するための内側導入孔が形成された内側プロテクタと、
前記内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ、少なくとも前記内側プロテクタの前記周壁を取り囲む円筒状をなし、自身の周壁に前記被検出ガスを前記空隙に導入するための外側導入孔が形成された外側プロテクタとから構成され、
前記外側導入孔は、前記横孔相当の孔部から構成され、
前記内側導入孔に対向する位置以外の前記外側プロテクタの周壁に前記外側導入孔が設けられていることを特徴とするガスセンサ。 - 前記プロテクタの周壁の外周長さをＬ１とし、
前記プロテクタの周壁を軸線方向に対して垂直な面に投影した場合の前記導入孔の周方向の長さの合計をＬ２とした場合に、
Ｌ２／Ｌ１が０．３以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。 - Ｌ２／Ｌ１が０．５２以上であることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
- 前記プロテクタの周壁の周方向における前記導入孔の長さをＬ３、当該Ｌ３と直交する方向における前記導入孔の長さをＬ４とした場合に、
Ｌ３／Ｌ４が３以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のガスセンサ。 - 前記プロテクタを前記軸線方向と直交し且つ前記導入孔を通る平面で切断した円断面を、その中心を通る直線により複数分割した場合に、当該分割した各領域に前記導入孔が少なくとも一つ存在することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のガスセンサ。
- 前記外側導入孔は、前記外側プロテクタの周壁において、最基端側にある前記内側導入孔よりも前記軸線方向の先端側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のガスセンサ。
- 前記外側導入孔は、前記外側プロテクタの周壁において、前記軸線方向に複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のガスセンサ。
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