JP5000984B2

JP5000984B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP5000984B2
Application number: JP2006300580A
Authority: JP
Inventors: 達也奥村; 聡石川; 健弘大場; 智彦船橋
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-11-06
Also published as: EP1918699B1; EP1918699A1; CN101178377A; JP2008116355A; CN101178377B

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、検出素子が高温の排気ガス中に晒されることとなるため、排気ガスに含まれる水分の付着（被水）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。

ガスセンサのプロテクタとしては、主体金具から突出された検出素子の先端部を覆う内側プロテクタ（内側筒状部）と、その内側プロテクタとの間に空隙を有しつつ径方向周囲を取り囲む外側プロテクタ（外側筒状部）とから構成される２重構造をなすものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような２重構造のプロテクタでは、外側プロテクタおよび内側プロテクタそれぞれに複数の外側導入孔（外壁ガス導入口）および内側導入孔（内壁ガス導入口）が形成されており、排気ガスは、外側導入孔から外側プロテクタと内側プロテクタとの間の空隙に導入され、さらに内側導入孔を介して内側プロテクタ内に導入されて、検出素子と接触する経路を辿る。

ところで、特許文献１のガスセンサの外側プロテクタの各外側導入孔には、空隙内に向けて延出するガイド体が付設されている。このガイド体は、外側導入孔から空隙内に導入する排気ガスの流路を案内し、内側プロテクタの外周面を取り囲む旋回流を生じさせるものである。この旋回流に伴い発生する慣性力により、相対的に重い水滴と相対的に軽いガス成分とが分離される。そして、内側導入孔を介して内側プロテクタ内に、主にガス成分が導入されるようにして、検出素子の被水からの保護をより確実なものとしている。特許文献１では、こうした旋回流の発生によるガス成分と水滴との分離をより確実に行えるようにするため、外側導入孔から空隙内に延出するガイド体の角度（外周接線に対する角度）を規定している。
特開２００４−１０９１２５号公報

しかしながら、ガスセンサの小型化や小径化に対する要望からプロテクタの外径をより小さくした場合、空隙内における内側プロテクタの外周面と外側プロテクタの内周面との間の距離が小さくなるため、特許文献１のガイド体ではその延出方向の終端が内側プロテクタに接触し、旋回流の発生を阻害する虞が生じた。そこで外側導入孔から空隙内に延出するガイド体の角度をより小さくしてみたところ、外側導入孔とガイド体との隙間が小さくなって空隙内に導入される排気ガスの導入量自体が低減し、ガス交換性の低下から応答性が鈍くなるという問題が生じた。

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、２重構造をなす外側プロテクタと内側プロテクタとの間の空隙に、ガイド体が付設された外側導入孔を介し導入される被検出ガスの導入量を減らすことなく小径化を図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。

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、軸線方向に延びる板状をなし、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ハウジングと、有底筒状をなし、自身の内部に前記検出素子の前記検出部を収容した状態で、開口端側の基端部が前記ハウジングの先端部に固定されると共に、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内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を備えたガスセンサにおいて、前記外側プロテクタは、該外側プロテクタの周方向における前記外側導入孔の一端を始端とし、前記外側プロテクタの周壁の一端を残してコの字型に切り欠いた周壁の一部が自身の内部に押し込まれた形態で形成され、前記始端より前記外側導入孔の他端に向かいつつも前記空隙内に向けて延出され、前記空隙内に導入される被検出ガスの流路を案内するガイド体を備え、前記外側プロテクタの外周面側において、前記外側導入孔の前記周方向に沿った長さは、前記ガイド体の前記始端と、前記ガイド体が延出する延出方向において前記始端とは反対側における前記ガイド体の端部である終端との間の長さよりも長く、前記外側導入孔は前記周方向に沿って複数箇所に形成され、前記外側プロテクタおよび前記内側プロテクタを軸線と直交する仮想平面に投影して見たときに、複数の前記外側導入孔のうち任意の第１外側導入孔の一端より延出された第１ガイド体の始端における自身の外周面側の点を通り、前記第１外側導入孔の他端側で最も近くに形成された第２外側導入孔の一端より延出された第２ガイド体の始端における自身の内周面側の点を通る第１仮想直線と、前記第１ガイド体の前記始端における自身の外周面側の点を通り、前記内側プロテクタの前記周壁の外周面に外接する第２仮想直線とで挟まれた鋭角をなす領域内に前記第１ガイド体自身の外周面全面が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、前記第１ガイド体の前記始端とは延出方向に反対側の終端における自身の外周面側の点と、前記第１外側導入孔の前記他端における前記外側プロテクタの内周面側の点との間の直線距離が、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記外側導入孔は、前記外側プロテクタの前記周方向に沿って、少なくとも４箇所以上に形成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、ガイド体の延出方向における始端と終端との間の長さよりも、外側導入孔の周方向に沿った長さ（一端と他端との間の長さ）が長くなるように構成したので、外側導入孔とガイド体との間の間隙をより大きく広げることができ、外側導入孔より導入される被検出ガスの導入量を十分に確保することができる。これにより、検出素子に十分な量の被検出ガスを供給することができるので、特定ガス成分の検出にあたって良好な応答速度を得ることができる。

そして、軸線と直交する仮想平面上において、第１仮想直線と第２仮想直線とで挟まれた鋭角をなす領域内に、ガイド体の外周面が配置されるように、延出方向を規定することが望ましい。この第１仮想直線と第２仮想直線とは隣り合う２つの外側導入孔（第１ガイド体が付設された第１外側導入孔、および第２ガイド体が付設された第２外側導入孔）と内側プロテクタの外周面の形成位置との関係によって決められるものである。第１外側導入孔から空隙内に導入される被検出ガスは、そのまま第２ガイド体の内周側の面に衝突して流路が案内されることにより、旋回流を生じ、ガス成分と水分とに分離される。あるいは、第２ガイド体と内側プロテクタの外周面との間隙を通り抜け、さらにその流路下流側にある他のガイド体に衝突して流路を案内されることもあるが、壁面との衝突回数が少ないので流速の低下が抑制され、被検出ガスは効率よくガス成分と水分とに分離される。

ここで、第１仮想直線よりも上記領域の外側に第１ガイド体の外周面が配置された場合、第１外側導入孔から空隙内に進入する被検出ガスの進入角度が狭くなるため、被検出ガスの流路として、第１外側導入孔から空隙内に進入し、第１外側導入孔の他端と第２外側導入孔の一端との間における外側プロテクタの内周面に衝突する流路を辿る場合が多くなる。その内周面で跳ね返った被検出ガスは、さらに第２ガイド体の内周面に衝突して上記のような旋回流を生じる流路に案内されるが、都合２度の衝突が生ずるため流速が低下してガス成分と水分との分離を十分に行えなくなる虞がある。また、第１外側導入孔の他端と第１ガイド体の終端との間隙も狭くなるため、被検出ガスの導入量自体が低減することがあり、検出素子による被検出ガス中の特定ガス成分を検出する応答速度を損なう虞がある。

一方、第２仮想直線よりも上記領域の外側に第１ガイド体の外周面が配置された場合、第１外側導入孔から空隙内に進入する被検出ガスの進入角度が広くなるため、被検出ガスの流路として、第１外側導入孔から空隙内に進入し、直接内側プロテクタの外周面に衝突する流路を辿る場合が多くなる。その外周面で跳ね返った被検出ガスは、さらに第２ガイド体の内周面に衝突し、上記のような旋回流を生じる流路に案内されるが、上記同様、都合２度の衝突が生ずるため流速が低下する。また、第２ガイド体の内周側の面が排気ガスの流路方向に対し、より垂直に近い角度で向き合うこととなるため、第２ガイド体に衝突する被検出ガスが旋回方向に案内され難くなり、ガス成分と水分（水滴）との分離を十分に行えなくなる虞がある。

さらに、請求項２によれば、第１ガイド体の終端の外周面側の点と第１外側導入孔の他端の内周面側の点との直線距離が、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。この距離が０．５ｍｍ未満となると、空隙内への被検出ガスの導入量自体が低減することがあり、検出素子による被検出ガス中の特定ガス成分を検出する応答速度を損なう虞がある。また、被検出ガス中に含まれるデポジット（例えば、燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）により外側導入孔の目詰まりが発生する虞がある。

また、請求項３に係る発明のように、外側導入孔が外側プロテクタの周方向に沿って少なくとも４箇所以上に形成すれば、いずれかの外側導入孔を被検出ガスの流路上流側に向けさせることができる。この構成により、ガスセンサの排気管への取り付け向きや取り付け位置にかかわらず、外側導入孔から空隙内への被検出ガスの導入を良好に行うことができる。

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〜図３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。図２は、ガスセンサ１の先端側を拡大した断面図である。図３は、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０に付設されたガイド体１８０について説明するための斜視図である。なお、図１，図２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（図２参照）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、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１０の検出部１１が排気管内を流通する被検出ガスとしての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。

検出素子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検出電極と（共に図示しない）から構成され、その検出電極は、検出素子１０の先端側の検出部１１に配置されている。そして、検出電極を排気ガスによる被毒から保護するため、検出素子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、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。なお、本実施の形態では検出素子１０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、自身に検出素子１０を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。さらに、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。なお、主体金具５０が、本発明における「ハウジング」に相当する。

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。さらに、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身に検出素子１０を挿通させた状態で、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。

また検出素子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、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、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に保持された検出素子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、検出素子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を参照して説明する。

図２に示すプロテクタ１００は、有底筒状をなし、周壁１２２に複数の孔が形成された内側プロテクタ１２０と、内側プロテクタ１２０の径方向周囲を取り囲む筒状をなし、周壁１１２に複数の孔が形成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。この内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面１２８と、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の内周面１１７との間には空隙が形成されており、ガス分離室１１９として構成されている。

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。そして、基端部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、先端部１２３は、周壁１２２から底壁１２４に向けてテーパ状に先細る形状に形成されている。

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６個）の内側導入孔１３０が開口されている。内側導入孔１３０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１０の検出部１１が露出されたガス検出室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の周壁１２２の先端側には、Ｌ字型の切り込みをガス検出室１２９内に向けて押し込むように開口された水抜き孔１５０が、外周面１２８の周方向の複数箇所（本実施の形態では６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ている。

そして、内側プロテクタ１２０の底壁１２４には、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ための排出口１６０が設けられている。排出口１６０は、内側プロテクタ１２０の先端側の底壁１２４の一部を外側から内側に押し込む形態で陥没させ、天壁１２６の周縁を側壁１２７で囲う凹部状に形成された陥没部１２５において、側壁１２７の一部を貫通する形態で開口されている。前述した水抜き孔１５０を介して内側プロテクタ１２０内（ガス検出室１２９内）に導入される水滴は、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１３０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、開口端側の基端部１１１が、内側プロテクタ１２０の基端部１２１の外周に係合されている。この外側プロテクタ１１０の基端部１１１の外周にはスポット溶接が施されており、外側プロテクタ１１０の基端部１１１と内側プロテクタ１２０の基端部１２１とが重ねられた状態で、外側プロテクタ１１０が内側プロテクタ１２０に固定されている。なお、外側プロテクタ１１０は、レーザ溶接により内側プロテクタ１２０に固定されていてもよい。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の先端部１２３付近にて内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面１２８に向け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の外周面１２８と外側プロテクタ１１０の内周面１１７との間の空隙が先端側にて閉塞されて、この空隙が上記のガス分離室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の先端部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り、外部に露出されている。

また、外側プロテクタ１１０の周壁１１２で、内側プロテクタ１２０の内側導入孔１３０の形成位置よりも先端側の位置には、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６個）の外側導入孔１７０が周方向に沿って形成されている。これら外側導入孔１７０のそれぞれには内側（ガス分離室１１９内）に向けて延出されたガイド体１８０が付設されている。図３に示すように、ガイド体１８０は、外側プロテクタ１１０の周壁１１２の外周面１１８において、周方向の一端１７１を残してコの字型に切り欠き外側導入孔１７０の形状を形成し、その形状内に残る周壁１１２を、ガス分離室１１９内に押し込む形態で形成されている。このガイド体１８０は、外部から外側導入孔１７０を介してガス分離室１１９内に導入された排気ガスに、内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面１２８を取り囲む状態で旋回流を生じさせる機能を担う。

このような構成をなすガスセンサ１が内燃機関の排気管に取り付けられた場合、図１に示す、雄ねじ部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２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、排気ガスはガイド体１８０により流路方向を案内され、ガス分離室１１９内で内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面１２８に沿う旋回流が生ずる。この旋回流に伴い発生する慣性力により、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、比重の重い水分は水抜き孔１５０から内側プロテクタ１２０のガス検出室１２９内に導入され、ガス成分は内側導入孔１３０からガス検出室１２９内に導入される。ガスセンサ１は、ガス検出室１２９内に導入された排気ガス中のガス成分と検出素子１０の検出部１１とが接触することにより、排気ガス中の酸素濃度の検出を行うものである。一方、排気管内を流通する排気ガスが内側プロテクタ１２０の先端部１２３に衝突すると、テーパに沿って底壁１２４に向かって流れるガス流が生ずる。このガス流により陥没部１２５付近に負圧が発生するため、ガス検出室１２９内の排気ガスや水滴は、排出口１６０を介し外部に吸引されるように排出される。このようにして、プロテクタ１００内を流れる排気ガスの流路が形成されている。

ところで、本実施の形態のガスセンサ１では、小型化、小径化に伴い、外側プロテクタ１１０の内周面１１７と内側プロテクタ１２０の外周面１２８との間の距離がより小さくなった場合でも、外側導入孔１７０からガス分離室１１９内に導入される排気ガスの導入量を十分に確保できるように、外側導入孔１７０に付設されたガイド体１８０の大きさや延出方向に規定を設けている。以下、図４を参照し、ガイド体１８０に関する規定について説明する。図４は、図２の２点鎖線Ａ−Ａにおいて矢視方向からみたプロテクタ１００の断面図である。

なお、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０に設けられたガイド体１８０は、前述したように、周壁１１２の外周面１１８を内部に押し込む形態で形成されているため、軸線Ｏ方向のどの部位における断面も同一の形状となる。また、外側プロテクタ１１０の周壁１１２や内側プロテクタ１２０の周壁１２２も、軸線Ｏを取り巻く一定径の筒状をなすため、図２のＡ−Ａ断面における各部位の輪郭線は、これら各部位を軸線Ｏと直交する仮想平面に投影したものと同等の輪郭線形状を有する。従って、図４の紙面を、本発明における外側プロテクタと内側プロテクタとを投影して見た軸線と直交する仮想平面に相当する平面の一例として捉え、以下の説明を行うものとする。

まず、外側導入孔１７０に付設されたガイド体１８０の大きさの規定について説明する。ガイド体１８０は、外側導入孔１７０の周方向に沿った長さに対する自身の延出方向に沿った長さが規定されている。図４に示すように、外側プロテクタ１１０の外周面１１８上で、軸線Ｏを中心とする周方向に沿って形成された外側導入孔１７０の周方向の端部のうち、時計回り方向上流側の端部を一端１７１とし、下流側の端部を他端１７２とする。そして、一端１７１の外周面１１８側の点Ｂと、他端１７２の外周面１１８側の点Ｃとの周方向に沿った長さをＬ１とする。またガイド体１８０は、外側導入孔１７０の一端１７１を始端１８１としてガス分離室１１９内に延出されたものであり、延出方向の端部を終端１８２とする。そして、始端１８１（一端１７１）の外周面１１８側の点Ｂと、終端１８２の外周面１１８側の点Ｄとの延出方向に沿った長さをＬ２としたとき、本実施の形態では、Ｌ１がＬ２より長くなるように構成している。

外側導入孔１７０を介してガス分離室１１９内に導入される排気ガスは、外側導入孔１７０の他端１７２の内周面１１７側の点Ｅと、ガイド体１８０の点Ｄとの間隙を通過して導入されることとなる。ここで、仮想線を用い、延出方向に沿った長さＬ３（始端１８１の外周面１１８側の点Ｂと、終端１９２の外周面１１８側の点Ｇとの延出方向に沿った長さ）が外側導入孔１７０の周方向に沿った長さＬ１と同じであるガイド体１９０を示す。比較のため、ガス分離室１１９内にて旋回するガス流が妨げられないように、内側プロテクタ１２０の外周面１２８とガイド体１８０との間隙と同じ大きさの間隙を、内側プロテクタ１２０の外周面１２８とガイド体１９０との間で確保した場合を図示した。すなわち、ガイド体１９０にて内側プロテクタ１２０の外周面１２８に最も近接した点、すなわち終端１９２の内周面１１７側の点Ｈと内側プロテクタ１２０の外周面１２８との間の距離と、ガイド体１８０にて内側プロテクタ１２０の外周面１２８に最も近接した終端１８２の内周面１１７側の点Ｆと内側プロテクタ１２０の外周面１２８との間の距離とを同じとした。このとき、明らかに、外側導入孔１７０とガイド体１９０との間隙（点Ｅと点Ｇとの間隙）よりも、外側導入孔１７０とガイド体１８０との間隙（点Ｅと点Ｄとの間隙）の方を大きく開くことができることがわかる。つまり、Ｌ１がＬ２よりも大きくなるようにガイド体１８０の大きさを規定することにより、外側導入孔１７０とガイド体１８０との間の間隙をより大きく広げることができ、外側導入孔１７０より導入される排気ガスの導入量を十分に確保することができる。

次に、ガイド体１８０の延出方向の規定について説明する。前述したように、ガイド体１８０は外側導入孔１７０の一端１７１を残し、その内側の形状をガス分離室１１９内に押し込む形態で形成されている。本実施の形態では、外側導入孔１７０の一端１７１を始端１８１とし、その始端１８１から延出されるガイド体１８０の延出方向、すなわち、ガス分離室１１９内への押し込み具合を規定している。

具体的には図４に示すように、外側プロテクタ１１０の外周面１１８上で、軸線Ｏを中心とする周方向に沿って形成された６つの外側導入孔１７０のうち、任意の位置の外側導入孔１７０を便宜上、第１外側導入孔２７０とし、その第１外側導入孔２７０に付設されたガイド体１８０を第１ガイド体２８０とする。また、第１外側導入孔２７０の周方向の両端部のうち、時計回り方向上流側の端部を一端２７１とし、下流側の端部を他端２７２とする。一端２７１については、第１ガイド体２８０の始端２８１という場合もある。そして、第１ガイド体２８０の延出方向の端部を終端２８２とし、始端２８１の外周面１１８側の点Ｋと終端２８２の外周面１１８側の点Ｐとを結ぶ第１ガイド体２８０の外周面１１８側の面を、外周面２８３とする。一方、周方向において第１外側導入孔２７０の他端２７２側で最も近くに形成された外側導入孔１７０を便宜上、第２外側導入孔３７０とし、その第２外側導入孔３７０に付設されたガイド体１８０を第２ガイド体３８０とする。そして、この第２外側導入孔３７０の周方向の両端部のうち、時計回り方向上流側の端部を一端３７１とする。この一端３７１については、第２ガイド体３８０の始端３８１という場合もある。

次に、第１ガイド体２８０の始端２８１における自身の外周面２８３側の点Ｋを通り、第２ガイド体３８０の始端３８１における自身の内周面３８３側の点Ｉを通る仮想直線を第１仮想直線Ｍ−Ｍとし、点Ｋを通る仮想直線で、内側プロテクタ１２０の外周面１２８の接線（接点を点Ｊとする。）を第２仮想直線Ｎ−Ｎとする。すると、第１仮想直線Ｍ−Ｍと第２仮想直線Ｎ−Ｎとで挟まれ点Ｋにて鋭角をなす領域が形成されるが、本実施の形態では、この領域内に第１ガイド体２８０の外周面２８３が配置されるように構成している。

例えば、矢印Ｒで示すように、第１外側導入孔２７０からガス分離室１１９内に導入される排気ガスは、点Ｑと点Ｐとの間隙を通過してガス分離室１１９内に進入し、そのまま第２ガイド体３８０の内周面３８３に衝突して流路が案内され、旋回流を生ずることとなる。第１ガイド体２８０の外周面２８３が第１仮想直線Ｍ−Ｍよりも上記領域の外側に配置された場合、第１外側導入孔２７０から空隙内に進入する被検出ガスの進入角度が狭くなる。このため、排気ガスの流路として、第１外側導入孔２７０からガス分離室１１９内に進入し、第１外側導入孔２７０の他端２７２と第２外側導入孔３７０の一端３７１との間における外側プロテクタ１１０の内周面１１７に衝突する流路を辿る場合が多くなる。その内周面１１７で跳ね返った被検出ガスは、さらに第２ガイド体３８０の内周面３８３に衝突して上記のような旋回流を生じる流路に案内されるが、都合２度の衝突が生ずるため流速が低下してガス成分と水分（水滴）との分離を十分に行えなくなる虞がある。また、点Ｑと点Ｐとの間隙も狭くなるため、排気ガスの導入量自体が低減することがあり、検出素子１０による酸素濃度の検出速度を損なう虞がある。

一方、第１ガイド体２８０の外周面２８３が第２仮想直線Ｎ−Ｎよりも上記領域の外側に配置された場合、第１外側導入孔２７０からガス分離室１１９内に進入する排気ガスの進入角度が広くなるため、排気ガスの流路として、第１外側導入孔２７０からガス分離室１１９内に進入し、直接内側プロテクタ１２０の外周面１２８に衝突する流路を辿る場合が多くなる。その外周面１２８で跳ね返った排気ガスは、さらに第２ガイド体３８０の内周面３８３に衝突し、上記のような旋回流を生じる流路に案内されるが、上記同様、都合２度の衝突が生ずるため流速が低下する。また、第２ガイド体３８０の内周面３８３が排気ガスの流路方向に対し、より垂直に近い角度で向き合うこととなるため、第２ガイド体に衝突する排気ガスが旋回方向に案内され難くなり、ガス成分と水分（水滴）との分離を十分に行えなくなる虞がある。

さらに、本実施の形態では、第１外側導入孔２７０の他端２７２の内周面１１７側の点Ｑと、第１ガイド体２８０の終端２８２の外周面２８３側の点Ｐとの間の直線距離（前述した点Ｅと点Ｄとの間の距離と同じ。）が、０．５ｍｍ以上であることを規定している。点Ｑと点Ｐとの間の直線距離が０．５ｍｍ未満となると、ガス分離室１１９内への排気ガスの導入量自体が低減することがあり、検出素子１０による酸素濃度の検出速度を損なう虞がある。また、排気ガス中に含まれるデポジット（例えば、燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）により外側導入孔２７０の目詰まりが発生する虞がある。

また、本実施の形態では、外側導入孔１７０を、外側プロテクタ１１０の周方向に沿って少なくとも４箇所以上に形成している。主体金具５０の雄ねじ部５１によって内燃機関の取付孔（図示外）に螺合されるガスセンサ１は、軸線Ｏ方向と異なる方向（例えば直交する方向）から排気管内を流通する排気ガスがその排気管内に露出されるプロテクタ１００に衝突することとなる。このとき、上記のように４箇所以上に外側導入孔１７０が形成されていれば、いずれかの外側導入孔１７０を排気ガスの流路上流側に向けさせることができ、ガスセンサ１の取り付け向きや取り付け位置にかかわらず、ガス分離室１１９内への良好な排気ガスの導入性を得ることができる。

なお、このようなガイド体１８０は、予め周方向にＬ１とＬ２との差分に相当する長さ分となる開口を設けておき、一端１７１を残してその開口を一辺とするコの字型の切り欠きを形成し、その形状内に残る周壁１１２を、ガス分離室１１９内に押し込むことで形成することが可能である。あるいは、コの字型の切り欠きをパンチ等の治具により押し切りつつ、ガイド体１８０となる部位をガス分離室１１９内に押し込んでガイド体１８０を形成してもよく、その際に、ガイド体１８０の延出方向の長さがＬ２となるように終端１８２側を切断することにより、ガイド体１８０を形成してもよい。このとき、ガイド体１８０の押し込み量（角度）は、パンチの受け型で規定すればよい。

以上説明したように、本実施の形態では外側導入孔１７０に付設されたガイド体１８０の大きさや延出方向に規定を設けたことにより、プロテクタ１００の小径化が図られ、外側プロテクタ１１０の内周面１１７と内側プロテクタ１２０の外周面１２８とがより近づいた構成となっても、外側導入孔１７０を介したガス分離室１１９内への排気ガスの導入量がガイド体１８０の配置位置により制限されることなく、導入量の低下を防止することができる。換言すれば、外側プロテクタ１１０の内周面１１７と内側プロテクタ１２０の外周面１２８との間の距離によらず、ガイド体１８０のガス分離室１１９内への十分な延出角度（ガイド体１８０の始端１８１において外周面１１８の接線とガイド体１８０の延出方向とがなす角度）を得ることができる。このため、０．５ｍｍ以上の点Ｑと点Ｐとの間の直線距離として０．５ｍｍ以上を確保したまま、プロテクタ１００の小型化、小径化を図ることができる。

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、外側プロテクタ１１０の周方向において、外側導入孔１７０は一端１７１から他端１７２へ向かう方向を時計回りの方向として、その一端１７１を始端１８１とするガイド体１８０をガス分離室１１９内に延出させたが、一端１７１から他端１７２へ向かう方向は反時計回りの方向であってもよい。

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。

ガスセンサ１の部分断面図である。ガスセンサ１の先端側を拡大した断面図である。外側プロテクタ１１０の外側導入孔１７０に付設されたガイド体１８０について説明するための斜視図である。図２の２点鎖線Ａ−Ａにおいて矢視方向からみたプロテクタ１００の断面図である。

１ガスセンサ
１０検出素子
１１検出部
５０主体金具
５６先端係合部
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
１２１基端部
１２２周壁
１２８外周面
１２９ガス検出室
１３０内側導入孔
１７０外側導入孔
１７１，２７１一端
１７２，２７２他端
１８０ガイド体
１８１，２８１，３８１始端
１８２，２８２終端
２７０第１外側導入孔
２８０第１ガイド体
２８３外周面
３７０第２外側導入孔
３７１一端
３８０第２ガイド体
３８３内周面

Claims

軸線方向に延びる板状をなし、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ハウジングと、
有底筒状をなし、自身の内部に前記検出素子の前記検出部を収容した状態で、開口端側の基端部が前記ハウジングの先端部に固定されると共に、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内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
を備えたガスセンサにおいて、
前記外側プロテクタは、該外側プロテクタの周方向における前記外側導入孔の一端を始端とし、前記外側プロテクタの周壁の一端を残してコの字型に切り欠いた周壁の一部が自身の内部に押し込まれた形態で形成され、前記始端より前記外側導入孔の他端に向かいつつも前記空隙内に向けて延出され、前記空隙内に導入される被検出ガスの流路を案内するガイド体を備え、
前記外側プロテクタの外周面側において、前記外側導入孔の前記周方向に沿った長さは、前記ガイド体の前記始端と、前記ガイド体が延出する延出方向において前記始端とは反対側における前記ガイド体の端部である終端との間の長さよりも長く、
前記外側導入孔は前記周方向に沿って複数箇所に形成され、
前記外側プロテクタおよび前記内側プロテクタを軸線と直交する仮想平面に投影して見たときに、
複数の前記外側導入孔のうち任意の第１外側導入孔の一端より延出された第１ガイド体の始端における自身の外周面側の点を通り、前記第１外側導入孔の他端側で最も近くに形成された第２外側導入孔の一端より延出された第２ガイド体の始端における自身の内周面側の点を通る第１仮想直線と、
前記第１ガイド体の前記始端における自身の外周面側の点を通り、前記内側プロテクタの前記周壁の外周面に外接する第２仮想直線と
で挟まれた鋭角をなす領域内に前記第１ガイド体自身の外周面全面が配置されることを特徴とするガスセンサ。
前記第１ガイド体の前記始端とは延出方向に反対側の終端における自身の外周面側の点と、前記第１外側導入孔の前記他端における前記外側プロテクタの内周面側の点との間の直線距離が、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１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前記周方向に沿って、少なくとも４箇所以上に形成されてい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。