JP2000171430A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多重構造プロテクタを採用しつつ、プロテク
タに対する被測定ガス流の方向によらず均一な応答性あ
るいは出力特性が得られるガスセンサを提供する。 【解決手段】 プロテクタ６の第二筒状部６ａの先端が
第一筒状部６ｂの先端よりも突出して位置するととも
に、その側壁部に形成された第二側ガス入口６３から導
入された被測定ガスＥＧが、第一筒状部６ｂの縮径部６
ｔの外面に沿ってその基端側から先端側に向けて流れた
後、第二側ガス出口６４から流出する。このような被測
定ガス流が形成されることにより、縮径部６ｔの先端に
形成された第一側ガス出口６２に負圧を生じて第一筒状
部６ｂ内が吸引され、それによって第一筒状部６ｂ内に
は、周方向の各第一側ガス入口６０，６１から被測定ガ
スＥＧが略等方的に吸入される形となる。その結果、プ
ロテクタ６の軸線周りにおいてどのような角度で被測定
ガス流が当たっても、プロテクタ６内の検出部Ｄに対し
ては略等方的に被測定ガスＥＧが供給されるので、ガス
流の方向によらず均一な応答性あるいは出力特性が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサ、ＨＣ
センサ、ＮＯｘセンサなど、測定対象となるガス中の被
検出成分を検出するためのガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】上述のようなガスセンサとして、被検出
成分を検出する検出部が先端に形成された棒状ないし筒
状の検出素子を、金属製のケーシングの内側に配置した
構造のものが知られている。このようなガスセンサにお
いては、測定雰囲気中に位置する検出部を覆うプロテク
タが設けられている。プロテクタの側壁部にはガス流通
孔が形成され、排気ガス等の被測定ガスはこのガス流通
孔からプロテクタ内に導かれて検出部と接触させられ
る。

【０００３】自動車用の各種ガスセンサにおいて最近で
は、水滴や油滴あるいは汚れ等に対する検出部の保護性
能を高めるため、該プロテクタを内外２つの筒状部から
なる二重構造としたものも多く使用されている。図９に
示すように従来は、このような二重構造のプロテクタ１
０６においては、内外の筒状部１０６ａ、１０６ｂの側
壁部にそれぞれガス入口１６３，１６１を形成し、被測
定ガスはまず外側の筒状部１０６ａのガス入口１６３を
通り、次いで内側の筒状部１０６ｂのガス入口１６１を
通って検出部１０２に到達する形となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な二重構造のプロテクタにおいては、検出部の保護性能
は高められるが、壁部が二重となる分だけガス流通に対
する抵抗が増大し、例えばプロテクタ外側とプロテクタ
内部空間との間での被測定ガスの交換速度も小さくなる
ことが多い。そのため、測定雰囲気中の被測定成分の濃
度が急激に変化した場合等においては、応答に遅れが出
やすいという構造上の問題がある。

【０００５】この場合、例えば図９のように検出部１０
２において、特に積層体の一方の面にのみガス検知面Ｄ
Ｐが形成されていると次のような問題が生ずる。すなわ
ち、排気ガス等の被測定ガスＥＧがガス検知面ＤＰの側
からプロテクタ１０６内に流れ込んだ場合は、ガス流は
ガス検知面ＤＰに比較的直接的に到達するためにガス中
の被検出成分の濃度等が変化したときの検出応答性は比
較的良好となるが、例えばこれと反対側から流れ込んだ
場合は、検出部１０２の検知面ＤＰが形成されているの
とは反対側の面にガス流が当たるため、検出応答遅れが
生じやすくなる。このように、プロテクタに対する被測
定ガス流の方向に応じてセンサの応答性や出力特性が変
化しやすい欠点がある。

【０００６】なお、プロテクタを一重構造とすれば、プ
ロテクタ内外のガスの交換速度が高められるので、セン
サの応答性は良好となるが、検出部に対する保護機能は
当然のことながら悪くなる。また、急激にガス流速が大
きくなったりガス温が低下したりすると検出部の温度が
低下し、例えば酸素濃淡電池素子が不活性化して検出感
度が低下したり検出出力が途切れたりする問題を生ず
る。なお、ガスの交換速度を高めるために、二重構造の
プロテクタのガス入口の寸法を大きくする方法もある
が、この場合も程度の差はあれ上記一重構造プロテクタ
と同様の問題が避け難く、応答性と保護機能とを両立さ
せることは困難であった。

【０００７】本発明の課題は、多重構造プロテクタ特有
の検出素子に対する優れた保護機能を有して、しかもセ
ンサ応答特性に被測定ガス流の方向依存性が生じにく
く、ひいては適切なレベルにて均一な応答性あるいは出
力特性が得られるガスセンサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のガスセンサは、検出素子の
先端部に形成された検出部を覆うプロテクタが、第一筒
状部と、該第一筒状部の外側に配置される第二筒状部と
を備え、前記第一筒状部の側壁部の軸方向先端側にテー
パ状の縮径部が形成されるとともに、前記第二筒状部の
側壁部において、前記縮径部に対応する位置に第二側ガ
ス入口が形成されていることを特徴とする。

【０００９】上記本発明のガスセンサにおいては、その
プロテクタが内側の第一筒状部と外側の第二筒状部とを
有する少なくとも二重構造とされている。これにより、
プロテクタ内側へ水滴・油滴等が侵入しにくくなり、検
出部に対する保護機能に優れる。

【００１０】また、第一筒状部の側壁部の軸方向先端側
にテーパ状の縮径部が形成されるとともに、第二筒状部
の側壁部において、縮径部に対応する位置に第二側ガス
入口が形成され、縮径部に当たった被測定ガス流が縮径
部の側壁部外面に沿って流れるようになっている。これ
により、第一側ガス出口側に負圧が生じて第一筒状部内
が減圧状態となり、被測定ガスが速やかに吸入されるの
で、多重構造プロテクタにも関わらず十分な応答性を確
保できる。

【００１１】なお、本発明において「テーパ状の縮径
部」は、第一筒状部を軸線を含む平面で切断したとき
に、その縮径部の断面が直線状に形成されていてもよい
し、外向き又は内向きの曲面形状に形成されていてもよ
い。また、縮径部は基端側よりも先端側の方が小径とな
るよう形成するのが、第一側ガス出口に負圧を発生する
上で望ましい。

【００１２】具体的には、第一筒状部は、円筒状の本体
部の先端側に、円錐台状の縮径部が一体化されたものと
して構成することができる。例えば第一筒状部の全長が
規定される場合に、その基端側に形成する円筒状の本体
部の長さを調整することにより、縮径部外面の傾斜角度
を、例えば第一側ガス出口に負圧を生じさせるのに好都
合な値に容易に設定することが可能となる。

【００１３】そこで本発明の具体的な実施態様として、
先端部に形成された検出部にて被測定ガス中の被検出成
分を検出する検出素子と、検出部を突出させた状態で検
出素子を覆う筒状の素子収容体と、その素子収容体の、
検出部が突出する側の開口端部に結合されるとともに、
被測定ガスの流通を許容した状態で該検出部を覆うプロ
テクタとを備え、該プロテクタは、検出素子の軸線周り
において検出部を周方向に取り囲む筒状に形成され、そ
の側壁部には周方向に所定の間隔で複数の第一側ガス入
口が形成される一方、該側壁部の軸方向先端側にテーパ
状の縮径部が形成され、その縮径部の先端面に第一側ガ
ス出口が形成された第一筒状部と、先端に開口部が形成
されるとともに、第一筒状部の外側において該第一筒状
部との間に所定量の隙間を形成する形で配置される筒状
形態をなし、被測定ガス流中に配置された場合に、被測
定ガスが縮径部のテーパ状の外面に沿ってその基端側か
ら先端側に流れることを許容し、かつ第一筒状部の軸線
と直交する向きにおいて、該被測定ガスが第一側ガス入
口へ直接流れ込むことは阻止する第二筒状部とを備え、
第一筒状部は、第一側ガス出口が第二筒状部の先端面よ
りも軸線方向基端側に位置しているか、又は縮径部外面
に第二筒状部の開口部内縁が対向する位置関係で、該縮
径部が第二筒状部の開口部から突出しているようになす
こともできる。

【００１４】この場合、検出部は、例えば板状の酸素イ
オン伝導性固体電解質層の片側に検出側多孔質電極を形
成し、これと反対側に酸素基準側多孔質電極を形成した
酸素濃淡電池素子と、その酸素濃淡電池素子の酸素基準
側多孔質電極側に積層される板状ヒータとを備えた酸素
検出部とし、検出側多孔質電極の電極面がガス検知面と
なっている構成とすることができる。この構成は、例え
ばλ型酸素センサに好適に採用することができる。

【００１５】次に、上記本発明のガスセンサは、第一筒
状部の側壁部には周方向に所定の間隔で複数の第一側ガ
ス入口が形成され、第一側ガス入口は、軸方向に離れた
２つの孔の組によって構成され、２つの孔の組の内、一
方の組の孔は検出部に対向する形態で配置され、他方の
組の孔は検出部の先端よりも先端側に位置しているもの
として構成できる。例えば、第一側ガス入口が検出部に
対応する１列しか存在しない場合、負圧により被測定ガ
スの第一筒状部への流入速度が増大すると、流入ガスの
大半が検出部に当たる形となる。そして、水滴等が被測
定ガスに混ざっているとその水滴が検出部に当たり、プ
ロテクタの保護機能が損なわれてしまうこともありう
る。そこで、検出素子先端よりも先端側に孔の組を１列
以上追加すれば、水滴の流れが分散するので保護機能を
維持できるようになる。

【００１６】また、この場合、第二筒状部が、第一筒状
部先端のテーパ状縮径部の外面において、その基端部か
ら先端部に被測定ガスが流れることを許容するようにな
っている。このような被測定ガス流が形成されることに
より、縮径部先端に形成された第一側ガス出口側に負圧
を生じて第一筒状部内が吸引され、それによって第一筒
状部内には周方向の各第一側ガス入口から被測定ガスが
略等方的に吸入される形となる。その結果、プロテクタ
の軸線周りにおいてどのような角度で被測定ガス流が当
たっても、ガス流の方向によらず均一な応答性あるいは
出力が得られる。このことは特に検出部の外周面に対
し、その周方向の一部区間に沿ってガス検知面が形成さ
れている場合や、板状で片側にガス検知面を形成してい
る場合においては、特に有利な効果として働く。

【００１７】さらに本発明のガスセンサは、第一筒状部
の先端面には第一側ガス出口が形成され、第二筒状部の
先端面には第二側ガス出口が形成され、第二側ガス出口
が前記第一側ガス出口よりも先端側に位置しているもの
として構成できる。この構成では、第二側ガス入口から
導入される被測定ガスが縮径部に直接当たり、縮径部に
沿ったガスの流速が高められるので、第一側ガス出口に
生じる負圧をより大きくすることができる。その結果、
第一側ガス入口からの被測定ガスの吸入速度、ひいては
第一筒状部内の被測定ガスの交換速度が向上して、検出
応答性あるいは濃度変化に対する出力追従性が一層良好
となる。

【００１８】さらに、上記のような吸引効果を有効に引
き出すために、本発明のガスセンサは、第二側ガス出口
が前記第一側ガス出口よりも大きく形成されているもの
として構成できる。この構成では、第二側ガス出口から
の被測定ガスの流出が阻害されることなくスムーズであ
り、第一側ガス出口に生じる負圧変動を抑制することが
できる。したがって、安定した検出応答性あるいは濃度
変化に対する出力追従性が得られる。

【００１９】この場合、第一及び第二側ガス出口は、互
いに同心的となる位置関係で形成することができる。こ
の構成では、第一側ガス出口を経て第一筒状部から吸引
される被測定ガスを、縮径部に沿って流れる被測定ガス
とともに第二側ガス出口からスムーズに排出させること
ができる。これにより、センサの検出応答性あるいは濃
度変化に対する出力追従性をさらに良好なものとするこ
とができる。

【００２０】さらに本発明のガスセンサは、第一筒状部
の先端面には第一側ガス出口が形成され、第二筒状部の
先端面には第二側ガス出口が形成され、第一側ガス出口
が第二側ガス出口よりも先端側に位置しているものとし
て構成できる。この構成では、第二側ガス出口は、第一
筒状部先端側の縮径部に直接的に対向することとなり、
縮径部の外面と第二側ガス出口の内縁との隙間を小さく
すれば、縮径部に沿った被測定ガスの流速がさらに高め
られ、第一側ガス出口に生じる負圧をより一層大きくす
ることができる。したがって、第一筒状部内の被測定ガ
スの交換速度がさらに向上して、検出応答性あるいは濃
度変化に対する出力追従性が一層良好となる。

【００２１】次に本発明のガスセンサは、第二側ガス入
口が、第二筒状部の側壁部において、湾曲した切れ目を
作成し、この湾曲した切れ目の内側に生ずる爪状部を径
方向内側に折り曲げて形成されているものとして構成で
きる。この構成では、爪状部は、第二側ガス入口に対し
てフラップ状に重なり合うので、プロテクタ内側へ水滴
・油滴等が侵入しにくくなり、検出部に対する保護機能
が一層向上する。しかも、被測定ガスは、径方向内側に
折り曲げて形成された爪状部により、第二筒状部の側壁
部に沿う旋回流となる。このため、縮径部に沿ったガス
の流速が高められ、第一側ガス出口に生じる負圧をより
大きくすることができる。その結果、第一筒状部内の被
測定ガスの交換速度が向上して、検出応答性あるいは濃
度変化に対する出力追従性が一層良好となる。

【００２２】さらに本発明のガスセンサは、第一側ガス
入口の内、前記検出部に対向する形態で配置される組の
孔は、前記第一筒状部の側壁部において、湾曲した切れ
目を作成し、この湾曲した切れ目の内側に生ずる爪状部
を径方向内側に折り曲げて形成されているものとして構
成できる。この構成では、爪状部は、第一側ガス入口に
対してフラップ状に重なり合うので、第一筒状部内側へ
水滴・油滴等が侵入しにくくなり、検出部に対する保護
機能がさらに向上する。しかも、被測定ガスは、径方向
内側に折り曲げて形成された爪状部により、第一筒状部
の側壁部に沿う旋回流となって略等方的に吸入される。
その結果、プロテクタの軸線周りにおいて均一な被測定
ガスの旋回流が生成され、均一な応答性あるいは出力が
得られる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１には、この発明
のガスセンサの一実施例として、自動車等の排気ガス中
の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示している。この
酸素センサはλ型酸素センサと通称されるもので、細長
い板状のセラミック素子２（検出素子）が主体金具３に
固定された構造を有している。そして、該主体金具３の
外周面に形成された取り付けネジ部３ａにより、先端側
の検出部Ｄが排気管内に位置するように取り付けられ、
該排気管内を流れる被測定ガスとしての高温の排気ガス
に晒される。

【００２４】セラミック素子２は方形状の軸断面を有
し、図２（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成
された酸素濃淡電池素子２１と、該酸素濃淡電池素子２
１を所定の活性化温度に加熱するヒータ２２とが積層さ
れたものとして構成されている。なお、酸素濃淡電池素
子２１は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性
固体電解質により構成されている。他方、ヒータ２２は
公知のセラミックヒータで構成されている。

【００２５】酸素濃淡電池素子２１において多孔質電極
２５，２６には、その長手方向に沿って酸素センサ１の
取付基端側に向けて延びる電極リード部２５ａ，２６ａ
がそれぞれ一体化されている。このうち、ヒータ２２と
対向しない側の電極２５からの電極リード部２５ａは、
その末端が電極端子部７として使用される。一方、ヒー
タ２２に対向する側の電極２６の電極リード部２６ａ
は、図２（ｃ）に示すように、酸素濃淡電池素子２１を
厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子面に形
成された電極端子部７と接続されている。すなわち、酸
素濃淡電池素子２１は、両多孔質電極２５，２６の電極
端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成される形
となっている。上記各電極、電極端子部及びビアは、Ｐ
ｔ又はＰｔ合金など、酸素分子解離反応の触媒活性を有
した金属粉末のペーストを用いてスクリーン印刷等によ
りパターン形成し、これを焼成することにより得られる
ものである。

【００２６】一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２
３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２
（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２
１と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部
７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されてい
る。酸素濃淡電池素子２１とヒータ２２とは、図２
（ｂ）に示すように、ＺｒＯ_２系セラミックあるいはＡ
ｌ_２Ｏ_３系セラミック等のセラミック層２７を介して互
いに接合される。そして、酸素濃淡電池素子２１は、接
合側の多孔質電極（酸素基準側多孔質電極）２６が、微
小なポンピング電流の印加により酸素基準電極として機
能する一方、反対側の多孔質電極２５が排気ガスと接触
する検出側電極となり、その表面がガス検知面となる。

【００２７】図１に戻りセラミック素子２は、主体金具
３の内側に配置された絶縁体４の挿通孔３０に挿通さ
れ、先端の検出部Ｄが、排気管に固定される主体金具３
の先端より突出した状態で絶縁体４内に固定される。絶
縁体４には、その軸線方向において挿通孔３０の後端に
一端が連通し、他端が絶縁体４の後端面に開口するとと
もに軸断面が該挿通孔３０よりも大径の空隙部３１が形
成されている。そして、その空隙部３１の内面とセラミ
ック素子２の外面との間は、ガラス（例えば結晶化亜鉛
シリカホウ酸系ガラス）を主体に構成される封着材層３
２により封着されている。

【００２８】絶縁体４と主体金具３との間には、軸線方
向に隣接してタルクリング３６と加締めリング３７とが
はめ込まれ、主体金具３の後端側外周部を加締めリング
３７を介して絶縁体４側に加締めることにより、絶縁体
４と主体金具３とが固定されている。また、本明細書で
は、主体金具３の軸線方向において検出部Ｄの突出側を
前方側とし、これと反対側を後方側としている。

【００２９】また、外筒１８の末端部（図面上部）内側
にはセラミックセパレータ１６及びグロメット１５が嵌
め込まれ、これらに続いてそのさらに内方側にコネクタ
部１３が設けられている。リード線１４の後端側はセラ
ミックセパレータ１６を貫通して外部に延びている。一
方、リード線１４の先端側は、コネクタ部１３を介して
図２に示すセラミック素子２の各電極端子部７（４極を
総称する）に電気的に接続されている。

【００３０】主体金具３の先端には、セラミック素子２
の突出部分、すなわち検出部Ｄを覆うプロテクタ６が取
り付けられている。該プロテクタ６は内側の第一筒状部
６ｂと外側の第二筒状部６ａとを有する二重構造を有す
る。図３に示すように、第一筒状部６ｂは検出素子２の
軸線周りにおいて検出部Ｄを取り囲む筒状に形成され、
その側壁部には軸方向に所定の間隔で複数の第一ガス入
口６０，６１が形成される一方、該側壁部の軸方向先端
側にテーパ状の縮径部６ｔが形成され、その縮径部６ｔ
の先端面に第一ガス出口６２が形成されている。具体的
には、縮径部６ｔは円筒状の本体部６ｓの先端側に一体
的に円錐台状に形成されている。そして、第一ガス入口
６０，６１は本体部６ｓの周方向に沿ってほぼ等間隔で
並ぶ孔の組（６０及び６１）を複数組含んでいる。本実
施例では、円状開口形態の孔を４個ずつ含む孔の組６
０，６１が、本体部６ｓの軸線方向において２列形成さ
れている。

【００３１】また、第二筒状部６ａは第一筒状部６ｂの
外側において該第一筒状部６ｂとの間に所定量の隙間Ｇ
を形成する形で配置される筒状形態をなし、その先端が
第一筒状部６ｂよりも突出して位置するとともに、先端
面に第二側ガス出口６４が形成されている。そして、図
５に示すように、例えば検出素子２の軸線と直交する向
きに流れる被測定ガス流ＥＧ中に配置された場合に、そ
の側壁部に形成された第二側ガス入口６３から導入され
た被測定ガスＥＧが、縮径部６ｔのテーパ状外面に沿っ
てその基端側から先端側に向けて流れた後、第二側ガス
出口６４から流出するようになっている。

【００３２】具体的には、第二筒状部６ａは先端に底部
６ｆが形成される円筒状に形成され、その側壁部先端寄
りの縮径部６ｔに対応する位置において、周方向にほぼ
等間隔で第二側ガス入口６３が複数個（本実施例では１
２個）形成されている。他方、第二側ガス出口６４は、
底部６ｆの中央において第一側ガス出口６２と同心的な
位置関係で形成されている。ここで第二側ガス入口６３
は、第一側ガス入口６０，６１とのいずれに対しても、
各筒状部６ａ，６ｂの軸線方向において互いにずれた位
置関係で形成されている。これにより該軸線方向と直交
する向きにおいて被測定ガスＥＧは、第二筒状部６ａに
より第一側ガス入口６０，６１に直接流れ込むことが阻
止されるようになっている。

【００３３】なお、第一側ガス入口を形成する２列の孔
の組６０，６１は、一方のもの（６１）が検出部の先端
よりも軸線方向先端側に位置し、他方のもの（６０）が
基端側に位置している。被測定ガス流には、凝縮水の水
滴の他、燐、硫黄、シリコン等の被毒物質が含まれてい
る場合がある。このような水滴や被毒物質は孔列６０あ
るいは６１を通して第一筒状部６ｂ内に入り込むが、孔
列６１から入り込むものについては、そのままガス流に
乗って外部に排出される確率が高く、検出部に被着しに
くくなる。すなわち、第一側ガス入口を、上記のように
検出部の先端を挟む２つの孔列６０，６１を含むものと
して形成すれば、凝縮水や被毒物質に対する検出部の耐
久性を高めることができるようになる。

【００３４】次に、図１に示すように、主体金具３の取
付ネジ部３ａよりも先端側が少し縮径されて小径部３ｂ
が形成されている。そして、図３のように、その小径部
３ｂの先端面には、その開口周縁部から突出する筒状の
位置決め突出部３ｃが形成されている。第一筒状部６ｂ
は、位置決め突出部３ｃにより位置決めされつつ、開口
側に形成された拡径部６ｇが主体金具３の小径部３ｂの
外側に嵌め込まれている。一方第二筒状部６ａは、その
基端側開口部において第一筒状部６ｂの拡径部６ｇの外
側から主体金具３の小径部３ｂに嵌め込まれ、拡径部６
ｇとともに周方向の溶接部６５（例えば断続的に形成さ
れるスポット溶接部、あるいは連続環状に形成されるレ
ーザー溶接部）により、小径部３ｂに固定される。

【００３５】酸素センサ１は、取付ねじ部３ａにおいて
車両の排気管に固定される。その検出部Ｄが排気ガスＥ
Ｇに晒されると、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２
５（図２）が排気ガスＥＧと接触し、酸素濃淡電池素子
２１には該排気ガスＥＧ中の酸素濃度に応じた酸素濃淡
電池起電力が生じる。この起電力がセンサ出力として取
り出される。そのプロテクタ６は、上記のように２重構
造とされていることから、検出部Ｄに対する保護機能に
優れる。他方、図５に示すように、第二側ガス入口６３
からプロテクタ６内に導入された排気ガスＥＧは、第一
筒状部６ｂの縮径部６ｔの外面に沿って基端側から先端
側に向けて流れた後、第二側ガス出口６４から流出す
る。

【００３６】このようなガス流が形成されると、第一側
ガス出口６２には負圧が生じて第一筒状部６ｂ内が吸引
され、周方向の各第一側ガス入口６０，６１から排気ガ
スＥＧが略等方的に吸入される。その結果、プロテクタ
の軸線周りにおいてどのような角度で被測定ガス流が当
たっても、検出部Ｄに対しては略等方的にガスＥＧが供
給されるので、ガス流の方向によらず均一な応答性ある
いは出力特性が得られる。また、第一側ガス出口６２が
負圧となることで、第一側ガス入口６０，６１から吸入
される排気ガスＥＧにより、検出側多孔質電極２５の表
面（ガス検知面）に沿って比較的大きなガス流を形成す
ることができるので、リッチ雰囲気からリーン雰囲気に
転じる場合でも良好な出力追従性が得られ、かつプロテ
クタ６に対するガス流の向きによる効果の差異も生じに
くい。

【００３７】以下、酸素センサ１の各部の寸法の例につ
いて、図１及び図４を用いて説明する（寸法を範囲にて
示している場合、括弧内に具体的な数値例を示してい
る。なお、図４中の各部の符号は図３を参照のこと）。 ・プロテクタ６の長さＬ2：１６．５ｍｍ。 ・取付ねじ部３ａの呼び径Ｄ1：Ｍ１２×Ｐ１．２５。
（以上、図１）

【００３８】・セラミック素子２の主体金具３先端面か
らの突出長さＬ3：５ｍｍ。 ・第一筒状部６ｂの先端面から、第二筒状部６ａの内底
面までの距離Ｌ4：５ｍｍ以下。Ｌ4が５ｍｍを超える
と、応答性悪化を招く問題が生ずる場合がある。 ・縮径部６ｔの長さＬ5：Ｄ6＜Ｌ5（３．５ｍｍ）。Ｌ5
が該範囲を外れると、ガス流の方向によってセンサ１の
応答性が影響を受けやすくなる。 ・縮径部６ｔのテーパ角度θ：８０゜未満（４５゜）。
ただし、第一筒状部６ｂの軸線Ｏを含む断面において、
その軸線Ｏと縮径部６ｔ外面とのなす角度θをテーパ角
として定義する。

【００３９】・第二筒状部６ａ内底面から第二側ガス入
口６３の中心までの軸線方向距離Ｌ6：Ｌ4＜Ｌ6＜Ｌ4＋
Ｌ5（３ｍｍ）。 ・プロテクタ基端から、基端側の第一側ガス入口６０ま
での距離Ｌ7：Ｌ7＜Ｌ3（１．８ｍｍ）。 ・プロテクタ基端から、先端側の第一側ガス入口６１ま
での距離Ｌ8：Ｌ3＜Ｌ8（６．８ｍｍ）。

【００４０】・第二筒状部６ａの内径をＤ2、第一筒状
部６ｂの外径をＤ3としたときに、Ｄ2−Ｄ3：０．５〜
１０ｍｍ（１．９ｍｍ）。Ｄ2−Ｄ3が０．５ｍｍ未満に
なると、第二側ガス入口６３から第二側ガス出口６４へ
のガスの流れが阻害され、検出応答性の悪化を招く場合
がある。また、１０ｍｍを超えると、負圧効果がなくな
る問題が生ずる場合がある。

【００４１】・第二側ガス出口６４の内径Ｄ4：Ｄ5＜Ｄ
4＜Ｄ3（４ｍｍ）。Ｄ4がＤ5未満になると、第二筒状部
６ａからのガスの流出が阻害され、検出応答性の悪化を
招く場合がある。 ・第一側ガス出口６２の内径Ｄ5：０．５ｍｍ＜Ｄ5＜Ｄ
3（２ｍｍ）。Ｄ5が０．５ｍｍ未満になると、第一筒状
部６ｂからのガスの流出が阻害され、検出応答性の悪化
を招く場合がある。 ・第二側ガス入口６３の内径Ｄ6：０．５ｍｍ＜Ｄ6＜Ｌ
5（２ｍｍ）。Ｄ6が０．５ｍｍ未満になると、第二筒状
部６ａへのガスの流入が阻害され、検出応答性の悪化を
招く場合がある。また、Ｌ5を超えると、ガス流の方向
によってセンサ１の応答性が影響を受けやすくなる。 ・第一側ガス入口６０，６１の内径Ｄ7：０．５ｍｍ＜
Ｄ7＜４ｍｍ（１ｍｍ）。Ｄ7が０．５ｍｍ未満になる
と、第一筒状部６ｂへのガスの流入が阻害され、検出応
答性の悪化を招く場合がある。また、４ｍｍを超える
と、ガス流の方向によってセンサ１の応答性が影響を受
けやすくなる。

【００４２】・第二側ガス入口６３の周方向の形成個数
ｎ1：ｎ1≧２。２個未満では、第二筒状部６ａへのガス
の流入が阻害され、検出応答性の悪化を招く場合があ
る。 ・第一側ガス入口６０，６１の周方向の形成個数：ｎ2
≧２。２個未満では、第一筒状部６ｂへのガスの流入が
阻害され、検出応答性の悪化を招く場合がある。なお、
ガス入口の形成個数を過度に増やすと、隣接するガス入
口に挟まれる部分の幅が狭くなり過ぎて強度低下等につ
ながる場合があるので、このような不具合を生じないよ
う、ｎ1及びｎ2の上限を定めるようにする。

【００４３】以下、プロテクタ６の変形例について説明
する。図６（ａ）のプロテクタ６においては、縮径部６
ｔに対応する位置において、第二側ガス入口は６３ｂと
６３ａとの２列形成されている。これにより、縮径部６
ｔの外面に沿うガスの流れがスムーズとなり、応答性が
改善されるほか、ガス流の方向による影響も受けにくく
なる。なお、図６（ａ）においては、周方向の段部６ｈ
により第一筒状部６ｂの先端側を径小とし、それによっ
て第二筒状部６ａとの間に隙間Ｇを形成している。ま
た、第一筒状部６ｂの基端部は主体金具３の径小部３ｂ
に嵌め込まれている。そして、第二筒状部６ａの基端部
はその外側に重ね合わされる形で嵌め込まれ、該重なり
部において第一筒状部６ｂとともに図示しない溶接部に
より径小部３ｂに対して固定されている。

【００４４】図６（ｂ）では、第一筒状部６ｂと第二筒
状部６ａとの間において、第一側ガス入口６０（基端側
に１列のみ形成）を覆う形で第三の筒状部６ｃを設けた
３重構造となっている。これにより、第一筒状部６ｂの
内側への水滴、油あるいは汚れ等の侵入が一層起こりに
くくなる。

【００４５】また、図６（ｃ）では、第二筒状部６ａの
外側においてその基端側を覆うとともに、第二側ガス入
口６３は覆わない形態で第三筒状部６ｃが配置されてい
る。これにより、ガス流速が急上昇したりした場合に、
検出部Ｄの温度低下がさらに効果的に防止される。さら
に、図６（ｄ）では、第三筒状部６ｃを第二側ガス入口
６３の位置まで延長し、対応する位置に第三側ガス入口
６６を形成している。これにより、第一筒状部６ｂの内
側への水滴、油あるいは汚れ等の侵入が一層起こりにく
くなる。

【００４６】図７（ｅ）は、第二側ガス入口６３の周縁
に沿って第二筒状部６ａの内面から内向きに突出する形
態で、気流ガイド６ｗを形成した例を示している。これ
により、縮径部６ｔに向けた排気ガスの流れが乱れにく
くなり、センサ１の応答性がガス流の方向の影響を受け
にくくなる本発明の効果を一層高めることができる。

【００４７】図７（ｆ）は、第二筒状部６ａの先端側に
も縮径部６ｕを形成した例である。これにより、プロテ
クタ６内に流入したガスの吸引効果が高められ、センサ
１の応答性がガス流の方向の影響を受けにくくなる本発
明の効果を一層高めることができる。

【００４８】また、図７（ｇ）に示すように、第一筒状
部６ｂの縮径部６ｔの先端側に、さらに円筒状の直線部
６ｖを形成してもよい。他方、第二筒状部６ａは、図７
（ｈ）に示すように、軸断面を多角形状に形成してもよ
い。

【００４９】また、図７（ｉ）及び（ｊ）に示すよう
に、第一筒状部６ｂは、その外面のほぼ全体を縮径部６
ｔとしてもよい。なお、縮径部６ｔは、図７（ｉ）のよ
うに、断面が略直線状（この場合、縮径部６ｔの外面形
状は円錐台状のものとなる）となっていてもよいし、図
７（ｊ）のように、外向きに突出する曲面状（この場
合、縮径部６ｔの外面形状は紡錘状のものとなる）とな
っていてもよい。さらに、図７（ｋ）のように縮径部６
ｔを、先端側が第二側ガス出口６４（先端側開口部）か
ら突出させるようにしてもよい。この場合、第二側ガス
出口６４の開口内縁は、縮径部６ｔの外面に対向するよ
うに位置させる。

【００５０】図８はプロテクタのさらに他の変形例を示
し、第二側ガス入口６３及び第一側ガス入口６０に関し
て以下のような変更を行った。第二側ガス入口６３は、
第二筒状部６ａの側壁部において、湾曲した形状（ある
いは、一方の基端部から延びて方向変換部６ａ１により
方向変換した後、他方の基端部へ至る形状）の切れ目と
して、半月状の切れ目６ａ２を作成し、この切れ目６ａ
２の内側に生ずる爪状部６ａ３を径方向内側に折り曲げ
て形成されている。第二側ガス入口６３からプロテクタ
６内に導入された排気ガスＥＧは、第一筒状部６ｂの縮
径部６ｔの外面に沿って基端側から先端側に向けて流れ
た後、第二側ガス出口６４から流出する。このとき排気
ガスＥＧは、径方向内側に折り曲げて形成された爪状部
６ａ３により、第二筒状部６ａの側壁部に沿う旋回流と
なる。このため、縮径部６ｔに沿ったガスの流速が高め
られるので、第一側ガス出口６２に生じる負圧をより大
きくすることができる。その結果、第一側ガス入口６
０，６１からの排気ガスＥＧの吸入速度、ひいては第一
筒状部６ｂ内の排気ガスＥＧの交換速度が向上して、検
出応答性あるいは濃度変化に対する出力追従性が一層良
好となる。また、爪状部６ａ３は、第二側ガス入口６３
に対してフラップ状に重なり合う（図８（ｂ）参照）の
で、プロテクタ６内側へ水滴・油滴等が侵入しにくくな
り、検出部Ｄに対する保護機能に優れる。

【００５１】一方、第一側ガス入口６０，６１の内、検
出部Ｄに対向する形態で配置される組の孔６０は、第一
筒状部６ｂの側壁部において、湾曲した形状（あるい
は、一方の基端部から延びて方向変換部６ｂ１により方
向変換した後、他方の基端部へ至る形状）の切れ目とし
て、半月状の切れ目６ｂ２を作成し、この切れ目６ｂ２
の内側に生ずる爪状部６ｂ３を径方向内側に折り曲げて
形成されている。第一側ガス出口６２に生じる負圧によ
り、第一筒状部６ｂ内が吸引され、このとき排気ガスＥ
Ｇは、径方向内側に折り曲げて形成された爪状部６ｂ３
により、第一筒状部６ｂの側壁部に沿う旋回流となって
略等方的に吸入される。その結果、プロテクタ６の軸線
周りにおいて均一な排気ガスＥＧの旋回流が生成され、
均一な応答性あるいは出力が得られる。また、爪状部６
ｂ３は、第一側ガス入口６０に対してフラップ状に重な
り合うので、第一筒状部６ｂ内側へ水滴・油滴等が侵入
しにくくなり、検出部Ｄに対する保護機能に優れる。

【００５２】なお、切れ目６ａ２，６ｂ２の形状をＵ字
状、コ字状等に適宜変更できる。また、切れ目６ａ２，
６ｂ２の個数、折り曲げ線の位置や折り曲げ方向等につ
いても変更が可能である。

【００５３】以上説明した本発明のセンサの構造は、酸
素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサやＮＯｘ
センサなどにも同様に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスセンサの一例を示す酸素センサの
正面図及び縦断面図。

【図２】その検出素子としてのセラミック素子の構造を
示す説明図。

【図３】図１のプロテクタの構造の詳細を示す部分縦断
面図及びＡ−Ａ軸断面図。

【図４】図１のプロテクタの各部の寸法を示す部分縦断
面図及び軸断面図。

【図５】図１のプロテクタの作用を示す部分縦断面図及
びＢ−Ｂ軸断面図。

【図６】プロテクタのいくつかの変形例を示す縦断面
図。

【図７】プロテクタの別のいくつかの変形例を示す縦断
面図（（ｅ）〜（ｇ），（ｉ）〜（ｋ））及び軸断面図
（（ｈ））。

【図８】プロテクタのさらに他の変形例を示す部分縦断
面図、Ｃ−Ｃ軸断面図及びＤ−Ｄ軸断面図。

【図９】従来のプロテクタの構造を示す断面図。

【符号の説明】

１ 酸素センサ（ガスセンサ） ２ セラミック素子（検出素子） Ｄ 検出部 ３ 主体金具 ６ プロテクタ ６ａ 第二筒状部 ６ｂ 第一筒状部 ６ｔ 縮径部 ６ｓ 本体部 ６ａ１，６ｂ１ 方向変換部 ６ａ２，６ｂ２ 切れ目 ６ａ３，６ｂ３ 爪状部 ２１ 酸素濃淡電池素子 ２２ ヒータ ２５ 多孔質電極（検出側多孔質電極） ２６ 多孔質電極（酸素基準側多孔質電極） ６０，６１ 第一側ガス入口 ６２ 第一側ガス出口 ６３ 第二側ガス入口 ６４ 第二側ガス出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大井 三徳 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 中尾 敬 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大川 哲平 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出素子の先端部に形成された検出部を
   覆うプロテクタが、第一筒状部と、該第一筒状部の外側
   に配置される第二筒状部とを備え、 前記第一筒状部の側壁部の軸方向先端側にテーパ状の縮
   径部が形成されるとともに、 前記第二筒状部の側壁部において、前記縮径部に対応す
   る位置に第二側ガス入口が形成されていることを特徴と
   するガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記第一筒状部の側壁部には周方向に所
   定の間隔で複数の第一側ガス入口が形成され、 該第一側ガス入口は、軸方向に離れた２つの孔の組によ
   って構成され、 当該２つの孔の組の内、一方の組の孔は前記検出部に対
   向する形態で配置され、 他方の組の孔は前記検出部の先端よりも先端側に位置し
   ている請求項１記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記第一筒状部の先端面には第一側ガス
   出口が形成され、 前記第二筒状部の先端面には第二側ガス出口が形成さ
   れ、 前記第二側ガス出口が前記第一側ガス出口よりも先端側
   に位置している請求項１記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記第二側ガス出口が前記第一側ガス出
   口よりも大きく形成されている請求項３記載のガスセン
   サ。
5. 【請求項５】 前記第一筒状部の先端面には前記第一側
   ガス出口が形成され、 前記第二筒状部の先端面には前記第二側ガス出口が形成
   され、 前記第一側ガス出口が前記第二側ガス出口よりも先端側
   に位置している請求項１記載のガスセンサ。