JP6911692B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、車両用内燃機関等に用いられて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

自動車用エンジンの排気系には、排ガスを浄化するための触媒と、排ガス中の酸素濃度等を検出するガスセンサを備える排ガス浄化システムが設けられる。代表的な触媒として、排ガスに含まれるＣＯ、ＨＣ、及びＮＯｘを理論空燃比の近傍において効率的に浄化する三元触媒があり、例えば、その後段に、酸素濃度に応じた信号を出力するガスセンサ素子を備えるガスセンサ（すなわち、酸素センサ）が配置されて、検出結果を基に燃焼状態を制御し又は触媒状態の監視等を行っている。

このようなガスセンサは、一般に、ガスセンサ素子をハウジングに挿通保持した状態で、排気管壁に取付けられる。ハウジングの先端側には、排ガスに晒されるガスセンサ素子の先端側を覆うように、一重又は二重カバー構造を有する素子カバーが設けられ、応答性と耐被水性を両立させることが課題となっている。

例えば、特許文献１に開示されるガスセンサは、先端面に内側先端通気孔を有する内側筒状部を含む内側カバー部と、側面に外側ガス導入窓を有する外側筒状部を含む外側カバー部とからなる二重構造の素子カバーを備えている。素子カバーが固定される主体金具の先端部は、外側筒状部と内側筒状部とを後端側にて連通させる内側ガス導入路を構成している。この構成では、外側ガス導入窓から導入される被測定ガスが、主体金具の先端側において内側筒状部の後端側を越えるようにし、比較的短い距離で、凝縮水の侵入を抑制しながら、被測定ガスをガスセンサ素子の先端部に導くようになっている。
また、外側カバー部と内側カバー部の底部を密接させ、内側先端通気孔と外側先端通気孔を連通させて、被測定ガスが排出されやすいようにしている。

特許第４３５５６２２号公報

近年、各国の排ガス規制や燃費規制へ対応するため、過給機を用いたエンジンのダウンサイジングを行うと共に、ガスセンサを三元触媒の前段に配置したシステム構成が一般的になりつつある。このようなシステム構成においては、搭載スペースの制約から、ガスセンサが排気管の屈曲部位に取付けられることがあるが、排ガスの流れ方向に対して斜め４５度搭載となるために、二重カバー構造の素子カバーであっても、耐被水性が低下しやすくなる。つまり、素子カバー内の流路方向も排ガスの流れ方向に対して４５度傾斜となり、通常の垂直搭載よりも傾きが緩くなるので、排気管内で発生する凝縮水が排ガスと共に飛来した場合には、排ガスの流れに沿って比較的容易に、外側カバー部内の通路から内側カバー部の内部に侵入してしまう。
また、素子カバーの先端面も排ガスの流れ方向に傾くので、特に、特許文献１のように、内側先端通気孔が外部に開口している構成では、先端通気孔からも排ガスが流入し、ガスセンサ素子に到達しやすくなる。

ガスセンサが排気管の屈曲部位に取付けられない場合においても、例えば、排気管の連結部等に溜まった凝縮水が、排ガス流れによって斜め下方から飛来すると、同様の現象が起こり得る。このようにして、排ガスと共に凝縮水が内部に侵入し、ガスセンサ素子に到達すると、例えば、内蔵ヒータによる加熱時に、熱膨張係数差による素子割れを引き起こすおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサの搭載位置等によらず、飛来する凝縮水が素子カバー内へ侵入するのを抑制することができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
筒状のハウジング（Ｈ）に挿通保持され、軸方向（Ｘ）の先端部に被測定ガス（Ｇ）中の特定ガス濃度を検出する検出部（３）を有するガスセンサ素子（２）と、
上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記ガスセンサ素子の周囲を取り囲む筒状の素子カバー（１）と、を備えるガスセンサ（Ｓ）であって、
上記素子カバーは、
上記ハウジング側の端部に位置する第１径部（１１）、及び、上記第１径部の先端側に位置し上記第１径部よりも小径の第２径部（１２）と、
上記第１径部と上記第２径部とを連結する連結部（１３）と、
上記連結部を貫通して設けられ、上記第１径部の内部に被測定ガスを導入する複数の基端側ガス流通孔（１３１）と、
上記第２径部（１２）よりも先端側に位置する先端部（１４）と、
上記先端部において、上記ガスセンサ素子の先端面（２１）よりも先端側に設けられる先端側ガス流通孔（１４１）と、
上記第２径部の外周から側方に張り出して設けられ、上記基端側ガス流通孔と上記軸方向に対向する、フランジ部（１２１）と、を有する、ガスセンサにある。

上記構成のガスセンサにおいて、排ガスは、ハウジングに隣接する素子カバーの基端側において、第１径部と第２径部との連結部に設けられる、基端側ガス流通孔から、大径の第１径部の内部空間に流入し、小径の第２径部から先端側ガス流通孔へ向かうガス流れを形成する。素子カバーには、基端側ガス流通孔に対向するフランジ部が設けられるので、ガス流れと共に凝縮水が直接、基端側ガス流通孔に流入することが抑制される。また、被測定ガスは、基端側ガス流通孔から一旦ハウジング側へ向かい、その後向きを変えて先端側へ向かうので、凝縮水が自重で排ガスから分離されやすい。したがって、ガスセンサが被水しやすい上流側配管に傾斜配置されたり、凝縮水が斜め方向から飛来したりする構成においても、ガスセンサ素子の被水を抑制しながら、検出部へ速やかに排ガスを導入して、応答性を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、ガスセンサの搭載位置等によらず、凝縮水が素子カバー内へ侵入するのを抑制することができるガスセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態１における、ガスセンサの主要部構成を示す径方向断面図で、図１のII−II線断面図。 実施形態１における、ガスセンサの取り付け状態の一例を示す排気管の屈曲部の部分拡大図。 実施形態１における、ガスセンサの取り付け状態の一例を示す排気管の直線部の部分拡大図。 実施形態２における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態２における、ガスセンサの取り付け状態の一例を示す排気管の曲線部及び直線部の部分拡大図。 実施形態３における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態３における、ガスセンサの要部構成を示す径方向断面図で、図７のVIII部拡大図。 実施形態３における、ガスセンサの取り付け状態の一例を示す排気管の曲線部及び直線部の部分拡大図。 実施形態４における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態４における、ガスセンサの取り付け状態の一例を示す排気管の曲線部及び直線部の部分拡大図。 実施形態５における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態５における、ガスセンサの主要部構成を示す径方向断面図で、図１のXIII−XIII線断面図。 実施形態５における、ガスセンサの要部構成を示す軸方向断面図で、図１１のXIV部拡大図。 実施形態５の変形例における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態５における、ガスセンサを用いた排ガス浄化システムの全体概略構成図。 実施形態５における、ガスセンサの全体構成を示す部分断面図。 試験例１における、ガスセンサを用いた被水性評価試験方法を説明するための試験装置の模式図。 試験例１における、ガスセンサの被水性評価試験の結果を比較して示す柱状グラフ図。 従来の二重カバー構造又は一重カバー構造のガスセンサとその取り付け状態を示す排気管の曲線部の部分拡大図。 実施形態６における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 実施形態７における、ガスセンサの主要部構成を示す軸方向断面図。 試験例２における、ガスセンサの被水評価試験の結果を比較して示す柱状グラフ図。 試験例２における、ガスセンサの応答性評価試験の結果を比較して示す柱状グラフ図。

（実施形態１）
以下に、ガスセンサに係る実施形態１について、図１〜図４を参照して説明する。
図１、図２に主要部を示すように、ガスセンサＳは、筒状のハウジングＨ内に挿通保持され、先端部に被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部３を有するガスセンサ素子２と、ハウジングＨの先端側に配設されて、ハウジングＨから突出するガスセンサ素子２の周囲を取り囲む筒状の素子カバー１と、を備えている。
ガスセンサＳは、例えば、図３、図４に示されるように、自動車用エンジンの排気管ＥＸに設置されて、被測定ガスである排ガスＧに含まれる、特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する酸素センサに用いられる。あるいは、酸素濃度に基づいて空燃比（すなわち、Ａ／Ｆ）を検出する空燃比センサや、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等に用いることができる。

図１において、ガスセンサＳは、図中の上下方向を軸方向Ｘとしており、素子カバー１は、基端側（すなわち、図中の上端側）開口縁部が、ハウジングＨの先端側（すなわち、図中の下端側）外周縁部に、加締め固定される。ガスセンサ素子２は、先端側の一部が、ハウジングＨの先端側から突出して、素子カバー１の内側に、同軸的に位置している。素子カバー１は概略筒状で、軸方向Ｘに外径が異なる複数の部分が並設される。具体的には、ハウジングＨ側の端部に位置する第１径部１１と、第１径部１１の先端側に位置し第１径部１１よりも小径の第２径部１２と、これら第１径部１１と第２径部１２とを連結する連結部１３と、第２径部１２よりも先端側に位置する先端部１４と、を有している。

素子カバー１の連結部１３には、複数の基端側ガス流通孔としてのガス導入孔１３１が設けられる。ガス導入孔１３１は、連結部１３を貫通して外部に開口し、第１径部１１の内部空間１１１に被測定ガスを導入する。第２径部１２の外周には、外周面から側方、例えば、径方向（すなわち、軸方向Ｘと直交する方向）に張り出すフランジ部１２１が設けられる。フランジ部１２１は、ガス導入孔１３１と軸方向Ｘに対向している。フランジ部１２１の配置や大きさ、複数のガス導入孔１３１の配置との関係については、後述する。

先端部１４は、ガスセンサ素子２の先端面２１よりも先端側に、外部に開口する先端側ガス流通孔としてのガス排出孔１４１を有する。具体的には、先端部１４は、ガスセンサ素子２の先端部を取り囲むテーパ状の筒部１４Ａと、筒部１４Ａの先端側に連続する第３径部１４Ｂとを有し、第３径部１４Ｂの先端開口にて、ガス排出孔１４１が構成される。

本形態において、ガスセンサ素子２は、中空有底のコップ型に成形された固体電解質体２２を含むコップ型素子として構成される。固体電解質体２２の内側には、基準ガス室３３が設けられ、軸方向Ｘに延びる棒状のヒータ４が収容される。固体電解質体２２は、例えば、ジルコニア（すなわち、ＺｒＯ₂）を主成分とするジルコニア系固体電解質からなり、その外表面側に被測定ガス側電極３１が形成され、内表面側に基準ガス側電極３２が対向して形成されて、検出部３を構成している。基準ガス室３３には、基準ガスとしての大気が導入される。

被測定ガス側電極３１及び基準ガス側電極３２は、例えば、Ｐｔ等の貴金属元素を含む電極材にて構成されるガス透過性電極からなる。このとき、検出部３では、固体電解質体２２を挟んで、排ガスに晒される被測定ガス側電極３１と、大気に晒される基準ガス側電極３２とが対向することで、被測定ガス側電極３１と基準ガス側電極３２の間に、酸素分圧差に基づく起電力が生じる。これを利用して、排ガス中の酸素濃度に応じたセンサ信号を得ることができる。

ヒータ４は、例えば、棒状のセラミックス基体内に発熱抵抗体が埋設されたセラミックスヒータとして構成されている。ヒータ４は検出部３の対向位置を発熱部として、外部からの通電により発熱し、検出部３を活性温度（例えば、５００℃）以上に加熱することができる。

このようなガスセンサＳは、エンジンの排ガス浄化システムの一部を構成して、燃焼状態の監視を行い、所望の燃焼状態が維持されることで規制物質の排出抑制に寄与する。
そのため、例えば、エンジン始動時には、速やかにヒータ４に通電してガスセンサＳを作動させることが望まれるが、一方で、低温の排気管内で水分が凝縮し、凝縮水が生じやすい。このように、排気管ＥＸ内に凝縮水が存在するような条件では、排ガスと共に飛来する凝縮水が、ガスセンサ素子２の表面に付着すると、ヒータ加熱によって素子割れを引き起こすおそれがある。

これに回避するために、従来から、素子カバー１内の通路を気液分離しやすい形状とする工夫がなされているが、例えば、ガスセンサＳがよりエンジンに近く、より多量の凝縮水が発生するような配置では、さらなる耐被水性の向上が必要となる。また、耐被水性を確保するために、従来のような二重カバー構造とすると、応答性が低下する。

そこで、本形態では、素子カバー１を一重カバー構造とし、ハウジングＨ側から、大径の第１径部１１とこれより小径の第２径部１２を有する形状として、これらの連結部１３にガス導入孔１３１を設ける。さらに、第２径部１２の軸方向Ｘにおける中間部の外周にフランジ部１２１を突設し、ガス導入孔１３１に対向させて配置する。第１径部１１及び第２径部１２は、それぞれ一定径の円筒状で、軸方向Ｘに連続しており、連結部１３は、第１径部１１の先端側と第２径部１２の基端側を繋ぐ、平面状の段部となっている。素子カバー１の外周側において、フランジ部１２１は、連結部１３と平行に径方向に拡がり、両者の対向面間に、排ガスの導入空間部１０を区画形成している。

図２に示すように、連結部１３は、ガスセンサ素子２の周囲を円環状に取り囲んでいる。ガス導入孔１３１は、連結部１３を貫通して内外を連通させる複数の円形孔からなり、周方向に沿って複数箇所（例えば、８箇所）に均等配置される。これにより、ガス流れ方向によらずガス導入孔１３１から排ガスＧを導入可能となり、ガスセンサＳの取付時に周方向の位置決めが不要になる。ガス導入孔１３１、周方向に沿う６箇所であってもよく、その孔数や孔径は、連結部１３の大きさ等に応じて適宜設定することができる。

フランジ部１２１の外径は、ここでは、第１径部１１の内径と同等か僅かに小さく、ガス導入孔１３１は、フランジ部１２１の外周縁部よりも僅かに内側に位置している。このとき、ガス導入孔１３１は、フランジ部１２１と連結部１３との間に形成される導入空間部１０に面すると共に、第１径部１１の内部空間１１１に面して、両空間を互いに連通させる。

図１において、第１径部１１の内部空間１１１は、第１径部１１の内周面とガスセンサ素子２の外周面２３との間に形成される環状空間であり、第２径部１２の内部空間１２２に連通している。内部空間１２２は、第２径部１２の内周面とガスセンサ素子２の外周面２３との間の環状空間であり、先端部１４の内部空間１４２に連通している。
素子カバー１内の空間は、ガス導入孔１３１から、内部空間１１１、１２２、１４２を経て、ガス排出孔１４１に至る、排ガス通路を形成する。

先端部１４の筒部１４Ａは、ガスセンサ素子２の半球状の先端面２１に沿うように、先端側へ向けて縮径するテーパ状に形成されている。筒部１４Ａは、ガスセンサ素子２よりも先端側において段付に縮径して、環状の段部を形成し、この段部の内周縁部から先端側へ連続して、一定径の第３径部１４Ｂが設けられる。
先端部１４は、筒部１４Ａをテーパ状とすることで、ガスセンサ素子２の先端面２１との間の隙間を第２径部１２と同等程度に保つことが望ましい。これにより、内部空間１４２の容積を小さくして、排ガスＧの流速を大きくすることができる。

好適には、ガスセンサ素子２の検出部３は、図示するように、先端面２１に近い一定径部に設けられ、第２径部１２の内部空間１２２に面するように配置される。第２径部１２の外周に設けられるフランジ部１２１は、軸方向Ｘにおいて、例えば検出部３と同等位置か、より基端側に配置され、連結部１３は、検出部３よりも基端側に位置することが望ましい。検出部３が第１径部１１及び連結部１３よりも先端側に設けられ、内部空間１１１に流入する排ガスＧの流れ方向に位置しないので、検出部３の被水が抑制される。

上記構成のガスセンサＳは、例えば、図３に示すように、排気管ＥＸの９０°に屈曲する屈曲部ＥＸ１に取り付けられる。排気管ＥＸの取付位置に対して垂直搭載されるガスセンサＳの軸方向Ｘと、排ガスＧの流れ方向とは、４５°の角度を有して交わることになる（すなわち、斜め４５°搭載）。
このとき、ガス導入孔１３１を、軸方向Ｘと直交する連結部１３に設けて、素子カバー１の側面に直接露出しない構成とし、さらに、フランジ部１２１を対向させることで、ガス導入孔１３１の対向方向から飛来する凝縮水Ｗの侵入を規制することができる。

排ガスＧは、図中に示すように、ガス導入孔１３１とフランジ部１２１との間に区画される導入空間部１０を経て、導入空間部１０に開口するガス導入孔１３１から、第１径部１１の内部空間１１１に流入する。そして、流入方向に沿って、一旦、ハウジングＨ側へ向かった後、向きを変えて、先端側へ向かう。すなわち、排ガスＧの流入方向が、ガスセンサ素子２の検出部３と反対方向となるので、仮に凝縮水Ｗが素子カバー１の内部に侵入しても、自重で排ガスＧから分離されやすくなる。
また、素子カバー１の先端部１４は、ガスセンサ素子２よりも先端側に、これよりも小径の第３径部１４Ｂが延出し、最先端にガス排出孔１４１が開口する構成としたので、仮に凝縮水Ｗがガス排出孔１４１から侵入しても、ガスセンサ素子２に到達しにくい。
これらにより、検出部３への付着による素子割れ等を抑制して、耐被水性を向上させる。

さらに、素子カバー１の先端部１４は、筒部１４Ａをテーパ状とし、その先端側により小径の第３径部１４Ｂを有することで、排ガスＧの流れを絞り、ガス排出孔１４１へ向かうガス流れを促進することができる。したがって、ガス導入孔１３１から内部空間１１１、１２１、１４１を通過するガス流れが形成されやすくなり、検出部３への排ガスＧの導入が促進されて、応答性を向上させる。

図４に示すように、ガスセンサＳを、排気管ＥＸの直線部ＥＸ２に取り付けることもできる。このとき、ガスセンサＳの軸方向Ｘと、排ガスＧの流れ方向とは、９０°の角度を有して交わる（すなわち、垂直搭載）。そして、例えば、ガスセンサＳの上流側において、排気管ＥＸの接続部等に、凝縮水Ｗが溜まる凹部ＥＸ３が形成されると、排ガスＧの流れに乗って、凝縮水Ｗが舞い上がる。この場合にも、ガスセンサＳに対して、例えば、斜め下方４５°の角度で、凝縮水Ｗが下方から飛来することになる。

したがって、上述したように、素子カバー１の外周にフランジ部１２１を設けて、導入空間部１０を区画し、ガス導入孔１３１を開口させることで、排ガスＧと共に凝縮水Ｗが侵入するのを抑制することができる。また、先端部１４は、テーパ状の筒部１４Ａの先端側に小径の第３径部１４Ｂを設けて、その最先端にガス排出孔１４１を開口させることで、排ガスＧの流れを促進すると共に、先端からの凝縮水Ｗの侵入を抑制することができる。これらにより、耐被水性と応答性を向上させる同様の効果が得られる。

（実施形態２）
次に、ガスセンサに係る実施形態２について、図５〜図６を参照して説明する。
図５に主要部を示すように、本形態のガスセンサＳは、上記実施形態１と同様の基本構成を有し、素子カバー１のフランジ部１２１の構成が一部異なっている。ハウジングＨの先端側に固定された素子カバー１の内側に、ガスセンサ素子２の先端側が収容されており、コップ型のガスセンサ素子２の先端に検出部３を有する構成は、上記実施形態１と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においても、素子カバー１は、ハウジングＨ側から第１径部１１、第２径部１２、先端部１４が軸方向Ｘに並設された構成を有し、第１径部１１と第２径部１２の間を連結する連結部１３に、複数のガス導入孔１３１が設けられる。第２径部１２に設けられるフランジ部１２１の外径は、上記実施形態１では、第１径部１１の内径と同等か僅かに小さい程度としたが、ここでは、第１径部１１の外径と同等か僅かに大きい。すなわち、フランジ部１２１の外周縁部は、ガス導入孔１３１の対向位置よりも、十分外側に位置している。

このとき、図６上図に示すように、排気管ＥＸの屈曲部ＥＸ１にガスセンサＳが取り付けられると、フランジ部１２１が素子カバー１の径方向において、より外方に突出するので、排ガスＧと共に飛来する凝縮水Ｗが、ガス導入孔１３１へ直接到達するのを抑制する効果が高い。また、フランジ部１２１との間の導入空間部１０がより外方へ拡がることで、導入空間部１０に達した排ガスＧが、その内表面となるフランジ部１２１の表面及び第２径部１２の表面に沿って、ガス導入孔１３１へ誘導されやすくなり、凝縮水Ｗの侵入がさらに抑制される。

図６下図に示すように、ガスセンサＳが、排気管ＥＸの直線部ＥＸ２に取り付ける場合も同様であり、一重カバー構造の素子カバー１を用いて、耐被水性と応答性とを両立させることができる。

（実施形態３）
ガスセンサに係る実施形態３について、図７〜図９を参照して説明する。
図７に主要部を示すように、素子カバー１のフランジ部１２１を、より外方へ突出する構成とすることもできる。その他のガスセンサＳの基本構成は、上記実施形態１と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。

本形態においても、素子カバー１は、ハウジングＨ側から第１径部１１、第２径部１２、先端部１４が軸方向Ｘに並設された構成を有し、第１径部１１と第２径部１２の間を連結する連結部１３に、複数のガス導入孔１３１が設けられる。第２径部１２に設けられるフランジ部１２１の外径は、上記実施形態２では、第１径部１１の外径と同等か僅かに大きい程度としたが、第１径部１１の外径よりも十分大きく形成することができる。ここでは、フランジ部１２１の外周縁部は、第１径部１１の基端開口縁部が固定されるハウジングＨの下端部と対向し、素子カバー１の最大径部となっている。

このとき、図８に示すように、径方向において、フランジ部１２１の外周縁部は、ガス導入孔１３１が形成される連結部１３の外周縁部よりも外側に、大きく突出して位置する。これにより、排ガスＧの流れからガス導入孔１３１を遮蔽する効果が高くなる。

好適には、図７において、ガス導入孔１３１の外周縁部とフランジ部１２１の外周縁部とを結ぶ線Ｌ１と、ガス導入孔１３１の外周縁部を通り軸方向Ｘと平行な線Ｌ２とのなす角度αを、搭載角度等に対応させて設定するのがよい。図９上図又は下図において、角度αが大きくなるほど、フランジ部１２１がより外側へ突出するので、凝縮水Ｗの侵入を抑制する効果がより高くなる。例えば、斜め４５°搭載の場合には、角度αが４５°となるように、フランジ部１２１の外径や第２径部１２の軸方向Ｘにおける設置位置を設定することが好ましい。

このとき、図９上図に示すように、線Ｌ１が排ガスＧの流れ方向とほぼ平行となり、フランジ部１２１がガス導入孔１３１と排ガスＧの流れとの間を遮蔽するので、排ガスＧの流れが直接、ガス導入孔１３１に流入するのを防止できる。角度αは、４５°に限らず、例えば、３０°以上６０°以下の範囲で、所望の遮蔽効果が得られるように、また、素子カバーＡの外径が必要以上に大きくならないように、適宜設定するとよい。

同様に、図９下図においても、線Ｌ１が凝縮水Ｗの飛来方向とほぼ平行となり、フランジ部１２１が、斜め下方から排ガスＧと共に飛来する凝縮水Ｗと、ガス導入孔１３１との間を遮蔽するので、排ガスＧの流れが直接、ガス導入孔１３１に流入するのを防止できる。これにより、凝縮水Ｗが、導入空間部１０に流入し、さらに、ガス導入孔１３１から内部への侵入を防止することができる。

（実施形態４）
ガスセンサに係る実施形態４について、図１０〜図１１を参照して説明する。
図１０に主要部を示すように、素子カバー１の先端部１４形状を変更することもできる。フランジ部１２１は、ここでは、上記実施形態３と同様としているが、上記実施形態１又は２の形状としてもよい。その他のガスセンサＳの基本構成は、上記実施形態１と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。

本形態においても、素子カバー１は、ハウジングＨ側から第１径部１１、第２径部１２、先端部１４が軸方向Ｘに並設された構成を有し、第１径部１１と第２径部１２の間を連結する連結部１３に、複数のガス導入孔１３１が設けられる。第２径部１２に設けられるフランジ部１２１の外径は、上記実施形態３と同様に、第１径部１１の外径よりも大きくし、素子カバー１の基端開口縁部よりも外側に位置して、ハウジングＨの下端部と対向させている。

素子カバー１の先端部１４は、テーパ状の筒部１４Ａの先端側に、小径の第３径部１４Ｂを有する形状は、上記各実施形態と同様であり、さらに、第３径部１４Ｂの先端側に、これより大径の第４径部１４Ｃを有する。第４径部１４Ｃは、一定径の円筒状で、先端面が閉鎖され、側面を貫通する複数の基端側ガス流通孔（以下、ガス流通孔と略称する）１４３を有している。これら複数のガス流通孔１４３の少なくとも１つは、ガス排出孔１４１として機能する。

第４径部１４Ｃの外径は、第３径部１４Ｂより大きければよく、ここでは、筒部１４Ａの先端側より大きく、基端側より小さくなっている。ガス流通孔１４３は、ガス導入孔１３１と同様に、側面の全周に均等に配置されるのがよく、これにより、ガスセンサＳの取付時に周方向の位置決めが不要になり、ガス流通孔１４３の一部から排ガスＧを導入すると共に、対向するガス流通孔１４３からなるガス排出孔１４１へ向かうガス流れを、容易に形成可能となる。ガス流通孔１４３の孔数や孔径等は、第４径部１４Ｃの外径や軸方向長等に応じて適宜設定され、例えば、側面の６箇所ないし８箇所に等間隔で円形孔を形成して、ガス流通孔１４３とすることができる。

図１１上図又は下図に示すように、先端部１４に、小径の第３径部１４Ｂに続く第４径部１４Ｃを設け、その側面に複数のガス流通孔１４３を形成することで、その内部を通過する排ガスＧの流れを形成することができる。例えば、図１１上図において、排気管ＥＸの屈曲部ＥＸ１に達した排ガスＧの一部は、ガスセンサＳの基端側の導入空間部１０へ向かい、第１径部１１から先端部１４の第３径部１４Ｂを経て、第４径部１４Ｃに至る。一方、排ガスＧの一部は、先端側の第４径部１４Ｃへ向かい、排ガスＧの流れに対向する側面に開口するガス流通孔１４３から内部に流入する。流入した排ガスＧは、第４径部１４Ｃの内部空間１４２Ｃを通過して、反対側の側面に開口するガス流通孔１４３から外部へ流出する。

このとき、反対側の側面に開口するガス流通孔１４３が、ガス排出孔１４１となり、軸方向Ｘに素子カバー１内を通過する排ガスＧの流れは、第４径部１４Ｃの内部空間１４２Ｃにおいて、径方向（すなわち、軸方向Ｘと直交する方向）のガス流れに合流し、ガス排出孔１４１から排出される。

この軸方向Ｘと直交する方向のガス流れによる吸出し効果で、軸方向Ｘに素子カバー１内を先端側へ向かう排ガスＧの流速が上昇し、応答性がさらに向上する。また、第４径部１４Ｃ内に、排ガスＧと共に凝縮水Ｗが侵入しても、軸方向Ｘと直交するガス流れによって、ガス排出孔１４１から排出され、第３径部１４Ｂから基端側に侵入することが抑制される。したがって、ガスセンサ素子２が収容される筒部１４Ａより基端側へ、先端側から凝縮水Ｗが侵入することはなく、耐被水性がさらに向上する。

図１１下図に示すように、排気管ＥＸの直線部ＥＸ２にガスセンサＳが取り付けられる場合も同様の効果が得られる。すなわち、ガス導入孔１３１に対向して設けられるフランジ部１２１により、基端側からの凝縮水Ｗの侵入が抑制されると共に、先端部１４に設けられる第４径部１４Ｃにより、先端側からの凝縮水Ｗの侵入が抑制される。また、第４径部１４Ｃの内部に形成されるガス流れの効果により、素子カバー１の内部を先端側へ向かうガス流れを促進する。よって、応答性と耐被水性をより向上両立させることができる。

（実施形態５）
ガスセンサに係る実施形態４について、図１２〜図１４を参照して説明する。
図１２に主要部を示すように、本形態では、素子カバー１の先端部１４において、第４径部１４Ｃを、より外径が大きい構成としている。フランジ部１２１その他のガスセンサＳの基本構成は、上記実施形態４と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。

本形態においても、素子カバー１は、ハウジングＨ側から第１径部１１、第２径部１２、先端部１４が軸方向Ｘに並設された構成を有し、第１径部１１と第２径部１２の間を連結する連結部１３に、複数のガス導入孔１３１が設けられる。第２径部１２に設けられるフランジ部１２１の外径は、上記実施形態３と同様に、第１径部１１の外径よりも大きく、フランジ部１２１の外周縁部は、複数のガス導入孔１３１を有する連結部１３の外側に突出して、素子カバー１の基端開口縁部が固定されるハウジングＨの下端部と対向している。

素子カバー１の先端部１４は、テーパ状の筒部１４Ａの先端側に、小径の第３径部１４Ｂと、これより大径の第４径部１４Ｃを有する。第４径部１４Ｃは、一定径の円筒状で、先端面が閉鎖され、側面に設けた複数のガス流通孔１４３の一部により、ガス排出孔１４１が構成されている。第４径部１４Ｃの外径は、第３径部１４Ｂより十分大きく、例えば、筒部１４Ａの基端開口部、すなわち第２径部１２の外径と同等程度となっている。

なお、第４径部１４Ｃの外径が大きくなり、第４径部１４Ｃの側面の面積が大きくなるのに伴い、全周に均等配置されるガス流通孔１４３の孔数を、より多くすることが望ましい。あるいは、ガス流通孔１４３を長孔形状としての開口面積を大きくしてもよい。これにより、第４径部１４Ｃの内部空間１４２Ｃに排ガスＧを導入しやすくして、ガス流れの流速が上昇する。

このように、第４径部１４Ｃの内部空間１４２Ｃがより大きくなることで、ガス排出孔１４１へ向かうガス流れによる吸出し効果も大きくなる。したがって、軸方向Ｘに素子カバー１内を先端側へ向かう排ガスＧの流速が上昇し、応答性がさらに向上すると共に、内部に侵入する凝縮水Ｗの排出効果を高めて、耐被水性がさらに向上する。

図１３に示すように、好適には、フランジ部１２１は、ガス導入孔１３１の外周縁部とフランジ部１２１の外周縁部とを結ぶ線Ｌ１と、ガス導入孔１３１の外周縁部を通り軸方向Ｘと平行な線Ｌ２とのなす角度αが、３０°以上６０°以下、例えば、４５°程度となるように設けられる。

また、図１４に示すように、第４径部１４Ｃについても、その内部空間１４３Ｃにおいて、ガス流通孔１４３の先端縁部と第３径部１４Ｂの先端縁部とを結ぶ線Ｌ３と、ガス流通孔１４３の先端縁部を通り軸方向Ｘと平行な線Ｌ４とのなす角度βが、例えば、４５°程度となっているのがよい。このようにすると、図中の斜め下方から排ガスＧがガス流通孔１４３内に侵入しても、第４径部１４Ｃの基端側端面に衝突するので、第３径部１４Ｂ内に直接侵入することが防止される、好適には、角度βが、３０°以上６０°以下となるように、第４径部１４Ｃの径やガス流通孔１４３の位置等を、適宜設定することができる。

このような構成の素子カバー１は、例えば、鋼材をプレス加工することにより製作することができる。この場合は、図１２、図１３等に示されるように、フランジ部１２１が、その外径に合わせて折り返し曲げされることにより、重ね合わされた板材の衝合部によって形成される。
あるいは、図１５に変形例として示すように、フランジ部１２１を、素子カバー１の第２径部１２の外周から径方向に突出する環状部材にて形成することもできる。この場合には、フランジ部１２１を、素子カバー１とは別体の環状の板材で形成して、素子カバー１に溶接等により固定してもよいが、素子カバー１と一体に形成することもできる。例えば、三次元造形装置を用いて、金属粉末層の所定領域を加熱固化させることを繰り返し、所望形状の積層造形物を形成して素子カバー１とすることができ、素子カバー１の寸法精度を高めることができる。

また、ガスセンサ素子２は、上述したコップ型素子に限らず、図１５に示されるように、細長い直方体形状の積層型素子としてもよい。詳細な図示は省略するが、例えば、平板状の固体電解質体の両面に、被測定ガス側電極と基準ガス側電極を形成し、平板状の絶縁体を積層して、基準ガス室やヒータを内蔵する積層型素子とすることができる。
このようなガスセンサ素子２と素子カバー１の組み合わせによっても、応答性と耐被水性を向上させたガスセンサＳとすることができる。

図１６に示すように、このようにして、応答性と耐被水性を向上させたガスセンサＳは、例えば、過給機５を備える車両用エンジンＥの排ガス浄化システムに、好適に適用される。エンジンＥは、各気筒の燃焼室Ｅ１に面して燃料噴射弁ＩＮＪを有し、所定のタイミングで燃料を噴射して着火燃焼させる。過給機５は、排気管ＥＸに設けられるタービン５１が、吸気管ＩＮに設けられるコンプレッサ５２を駆動して、吸入空気を所定の過給圧となるように圧縮する。排気管ＥＸは、例えば、図示するように、タービン５１の下流に配置される三元触媒Ｃとの間に屈曲部ＥＸ１を有し、この屈曲部ＥＸ１にガスセンサＳが、斜め４５°搭載されている。

図１７に示すように、ガスセンサＳは、ハウジングＨの先端部（すなわち、図中の下端部）外周に取付用のネジ部Ｈ１を有し、図示しない排気管ＥＸの取付穴にネジ固定される。ハウジングＨの基端部（すなわち、図中の上端部）には、大気カバー６が設けられ、図示しない大気導入孔が設けられ、ガスセンサ素子２の内部に設けられる基準ガス室３１に基準ガスである大気を導入する。大気カバー６の基端開口から外部に取り出される信号線７は、ガスセンサ素子２の検出部３に接続されて、その検出結果を図示しない制御部に出力する。大気カバー６は、ハウジングＨに加締め又は溶接等により取り付けられる。

ここで、排ガスの温度が低いエンジンＥの始動時等には、排ガスに含まれる水分が凝縮水となって、過給機５の直下に位置するガスセンサＳへ向かうことになる。このような場合でも、上記実施形態１〜５に示したように、応答性と耐被水性を向上させた素子カバー１を有することで、ガスセンサ素子２の被水割れを抑制することが可能になる。また、三元触媒Ｃの上流側にガスセンサＳが配置されることで、さらに応答性の向上が可能であり、エンジンＥの排ガス浄化システムの制御性を高めることができる。

（試験例１）
図１８に示す試験装置１００を用い、ガスセンサＳのサンプル１〜５について、それぞれ被水性評価を行い、素子カバー１の形状による効果を調べた。
ガスセンサＳの素子カバー１は、寸法精度よく作製するため三次元造形装置を用いて、以下の寸法となるように作製した。第１径部１１、第２径部１２、第３径部１４Ｂ、第４径部１４Ｃの径又は長さと、ガス導入孔１３１の径及び数は一定とした。また、フランジ部１２１の幅、第３径部１４Ｂと第４径部１４Ｃの径差、ガス排出孔の径と数を、表１のように変更した。
全長：２３ｍｍ
第１径部１１：径φ１４．５×長さ５．１ｍｍ
第２径部１２：径φ８．６×長さ５．７ｍｍ
第３径部１４Ｂ：長さ２．５ｍｍ
第４径部１４Ｃ：径φ８．６×長さ２．２ｍｍ
フランジ部１２１：幅１ｍｍ又は２ｍｍ又は３ｍｍ
第３径部１４Ｂと第４径部１４Ｃの径差：１．５ｍｍ又は２．５ｍｍ
ガス導入孔１３１：φ１．２ｍｍ×６個
ガス排出孔１４１又はガス流通孔１４３：φ１．８ｍｍ×１個又はφ１．２ｍｍ×６個

サンプル１〜５の６個のガス導入孔１３１、サンプル４〜５の６個のガス流通孔１４３は、周方向に等間隔で配置した。サンプル１〜３は、ガス排出孔１４１が先端面に開口する上記実施形態１〜３の構成に対応し、フランジ部１２１の幅が順に大きくなっている。サンプル４〜５は、第４径部１４Ｃを有する上記実施形態４〜５の構成に対応し、第４径部１４Ｃの外径が順に大きくなっている。

試験装置１００は、排気管ＥＸを模した試験通路１０１の上流側から、送風機１０２、ヒータ１０３、噴射装置１０４を順に配置し、その下流に、ガスセンサＳを４５°の傾斜角度を有して設置した。送風機１０２を用いて、試験通路１０１の上流端部から導入した空気を、流速：７ｍ／ｓでヒータ１０３を通過させ、噴射装置１０４から０．２ｍｌの水をガスセンサＳに向けて５回噴射した後、素子カバー１内のガスセンサ素子２の被水量を定量化した。サンプル１〜５のガスセンサＳについて、それぞれ被水試験を行った結果を、図１９に示す。

また、比較のために、図２０に示すように、素子カバー１に代えて、従来の二重カバー構造の素子カバー２００、又は、一重カバー構造の素子カバー３００を用いたガスセンサＳのサンプル７、８について、同様の被水試験を行った。これらの結果を、図１９に併記する。
図２０の上図に示される素子カバー２００は、外側カバー２０１と内側カバー２０２にて構成されており、外側カバー２０１は、基端側の側面に複数の通孔２０３を有するとともに、先端面の中央に通孔２０４を有する。また、内側カバー２０２は、基端側の側面に複数の通孔２０５が開口するとともに、先端面の中央に通孔２０６が開口する。
また、図２０の下図に示される素子カバー３００は、ガスセンサ素子２の外側の大径部と、ガスセンサ素子２より先端側の小径部３０２とを有しており、大径部３０１と小径部３０２とを繋ぐ段部に通孔３０３が開口すると共に、小径部３０２の先端面に通孔３０４が開口している。

図１９に明らかなように、サンプル１〜５のガスセンサＳは、いずれも、従来構成のサンプル７、８に比べて、被水量が大きく低減している。これは、サンプル７の素子カバー２００では、外側カバー２０１の先端側の側面に開口する通孔２０３から、排ガスＧと共に凝縮水Ｗが容易に侵入するためであり、そのまま基端側へ流れて内側カバー２０２の通孔２０４に到達しやすい。また、先端面の通孔２０４、２０６からも排ガスＧが流入して、凝縮水Ｗがガスセンサ素子２に到達しやすい。サンプル８の素子カバー３００は、傾斜配置されることで、段部の通孔３０３が排ガスＧの流れに向くために、排ガスＧと共に凝縮水Ｗが浸入しやすくなり、一重カバー構造であるために、容易にガスセンサ素子２に到達する。また、先端面の通孔３０４からも排ガスＧが流入するので、サンプル７よりもさらに被水量が多くなる。

サンプル１〜３のガスセンサＳは、フランジ部１２１の幅、すなわち外径が大きくなるのに伴い被水量が低減しており、フランジ部１２１が径方向に突出するほど、ガス導入孔１３１からの凝縮水Ｗの侵入が抑制されることがわかる。また、第４径部４Ｃを有するサンプル４〜５のガスセンサＳは、さらに被水量が低減しており、ガス排出孔１４１が側面に開口することで、先端側からの凝縮水Ｗの侵入が、さらに抑制されることがわかる。この効果は、サンプル４〜５のガスセンサＳは、第３径部４Ｂと第４径部４Ｃの外径の差が大きいサンプル５の方が大きい。

（実施形態６）
ガスセンサに係る実施形態６について、図２１を参照して説明する。
上記各実施形態では、ガスセンサＳに素子カバー１を設けた一重カバー構造としたが、素子カバー１の応答性を損なわない範囲で、二重カバー構造とすることもできる。
素子カバー１その他のガスセンサＳの基本構成は、上記実施形態４と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。

図２０に主要部を示すように、本形態では、素子カバー１の内側に、金属多孔体からなる通気性カバー１５を配置している。通気性カバー１５は、ガスセンサ素子２の先端側の外周囲を取り囲む筒状体で、ガスセンサ素子２と対向する側面及び先端面を有している。基端部は拡径して素子カバー１の基端部と共に、例えば、図示しないハウジングＨに固定される。金属多孔体は、例えば、メッシュ状の鋼材でも、鋼板に多数の貫通孔を形成したパンチングメタル等でもよい。このように、全面に多数の通孔を有する金属多孔体を、筒状に加工して、ガスセンサ素子２の外周囲を通気可能に保護する通気性カバー１５とすることができる。

このように、外側に耐被水性を向上させた素子カバー１を配置し、その内側に、通気性カバー１５を配置することにより、二重カバー構造であっても、耐被水性と応答性を両立させることができる。

（実施形態７）
ガスセンサに係る実施形態７について、図２２を参照して説明する。
上記実施形態６では、素子カバー１の内側に通気性カバー１５を設けているが、図２２に実施形態７として示すように、外側に、金属多孔体からなる通気性カバー１６を配置することもできる。通気性カバー１６は、ガスセンサ素子２の先端側の外周囲を取り囲む筒状体で、ガスセンサ素子２と対向する側面及び先端面を有し、基端部は例えば、素子カバー１の基端部に固定される。通気性カバー１６を構成する金属多孔体には、通気性カバー１５と同様のものが用いられ、同様に、金属多孔体は、筒状メッシュ形状でもパンチングメタル形状でもよく、素子カバー１の外周囲を通気可能に保護することができる。

このように、内側に耐被水性を向上させた素子カバー１を配置し、その外側に、通気性カバー１６を配置した二重カバー構造としても、耐被水性と応答性を両立させることができる。また、外側に通気性カバー１６が配置されることで、複数の径部からなる変形形状の素子カバー１全体を収容して保護することができる。

（試験例２）
上記実施形態６、７の構成に対応するガスセンサＳのサンプル８、９について、それぞれ被水性と応答性の評価を行い、素子カバー１の形状による効果を調べた。結果を、それぞれ図２３、図２４に示す。被水性評価は、上記図１８に示した試験装置１００を用い、試験例１と同様にして行った。また、応答性は、排気量２．０Ｌのエンジンを使用し、空燃比Ａ／Ｆが１４から１５の間で変化するように、排気管ＥＸに排ガスを排出させて、排気管ＥＸに設置したガスセンサＳの起電力が０．４５Ｖを過ぎる時間を、応答時間とした。エンジンＥの運転条件は、以下の通りとした。
回転数：１５００ｒｐｍ
吸入空気量：約１０ｇ／sec

図２３に明らかなように、サンプル８、９の被水量は同等であり、従来の二重カバー構造のサンプル６に対して、大きく低減している。また、図２４に示される応答時間も、サンプル８、９では、従来構造のサンプル６に対して、大きく短縮されている。応答時間は、素子カバー１の内側に通気性カバー１５を有するサンプル６よりも、外側に通気性カバー１６を有するサンプル９の方が、やや短くなっている。
このように、二重カバー構造とする場合には、通気性カバー１５、１６と組み合わせることで、耐被水性と応答性を両立可能であることがわかる。

上記各実施形態において、素子カバー１は、フランジ部１２１が径方向に張り出すと共に、連結部１３がフランジ部１２１と平行な段部にて形成される構成としたが、フランジ部１２１と連結部１３は必ずしも平行でなくともよく、いずれかが径方向に対して傾斜する配置となっていてもよい。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、ガスセンサＳは、自動車用エンジンに限らず、任意の排気系における排ガス浄化システムその他に適用されて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するものであればよい。また、ガスセンサ素子の検出部等、ガスセンサＳの構成も適宜変更することができる。

１ 素子カバー
２ ガスセンサ素子
３ 検出部
１１ 第１径部
１２ 第２径部
１２１ フランジ部
１３ 連結部
１３１ ガス導入孔（基端側ガス流通孔）
１４ 先端部
１４１ ガス排出孔（先端側ガス流通孔）

Claims (7)

1. 筒状のハウジング（Ｈ）に挿通保持され、軸方向（Ｘ）の先端部に被測定ガス（Ｇ）中の特定ガス濃度を検出する検出部（３）を有するガスセンサ素子（２）と、
   上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記ガスセンサ素子の周囲を取り囲む筒状の素子カバー（１）と、を備えるガスセンサ（Ｓ）であって、
   上記素子カバーは、
   上記ハウジング側の端部に位置する第１径部（１１）、及び、上記第１径部の先端側に位置し上記第１径部よりも小径の第２径部（１２）と、
   上記第１径部と上記第２径部とを連結する連結部（１３）と、
   上記連結部を貫通して設けられ、上記第１径部の内部に被測定ガスを導入する複数の基端側ガス流通孔（１３１）と、
   上記第２径部（１２）よりも先端側に位置する先端部（１４）と、
   上記先端部において、上記ガスセンサ素子の先端面（２１）よりも先端側に設けられる先端側ガス流通孔（１４１）と、
   上記第２径部の外周から側方に張り出して設けられ、上記基端側ガス流通孔と上記軸方向に対向する、フランジ部（１２１）と、を有する、ガスセンサ。
2. 上記フランジ部の外径は、上記第１径部の外径と同じかそれ以上である、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 上記フランジ部の外径は、上記基端側ガス流通孔の外周縁部と上記フランジ部の外周縁部とを結ぶ線（Ｌ１）と、上記基端側ガス流通孔の外周縁部を通り上記軸方向と平行な線（Ｌ２）とのなす角度（α）が、３０°以上６０°以下の範囲となるように設定される、請求項１に記載のガスセンサ。
4. 上記先端部は、先端側へ向けて縮径するテーパ状の筒部（１４Ａ）と、上記筒部の先端側に連続する第３径部（１４Ｂ）とからなり、上記第３径部の先端側に上記先端側ガス流通孔が開口する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 上記先端部は、先端側へ向けて縮径するテーパ状の筒部（１４Ａ）と、上記筒部の先端側に連続する第３径部（１４Ｂ）と、上記第３径部の先端側に連続し上記第３径部よりも大径の第４径部（１４Ｃ）とを有し、上記第４径部の側面に複数の先端側ガス流通孔が開口する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 上記第４径部は、その内部において、上記先端側ガス流通孔の先端縁部と上記第３径部の先端縁部とを結ぶ線（Ｌ３）と、上記先端側ガス流通孔の先端縁部を通り上記軸方向と平行な線（Ｌ４）とのなす角度（β）が、３０°以上６０°以下の範囲となるように設定される、請求項５に記載のガスセンサ。
7. 上記素子カバーの外側又は内側に、金属多孔体からなる通気性カバー（１５、１６）を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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