JP5022170B2

JP5022170B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP5022170B2
Application number: JP2007266659A
Authority: JP
Inventors: 森　　茂樹; 裕一山田; 崇史中島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP2009097868A

Description

本発明は、被検出ガス中に晒され、この中の特定ガス成分を検出する検出素子を備えるガスセンサに関し、特に、検出素子を被水から保護するプロテクタを備えるガスセンサに関する。

従来より、自動車の排気管等に取り付けられて使用され、排気ガス中の特定ガス（例えばＮＯｘ（窒素酸化物）や酸素など）の濃度に応じて、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るガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、検出素子が高温になっているときに、この検出素子に排気ガスに含まれる水滴が付着（被水）すると、熱衝撃によってこの検出素子にクラック等の破損が生ずるおそれがある。そこで、ガスセンサに検出素子を覆うプロテクタを装着して、検出素子を被水から保護している。例えば、特許文献１及び２に、このようなガスセンサが開示されている。

特許文献１のガスセンサは、板状センサ素子（検出素子）の先端部を覆う保護カバー（プロテクタ）を備える。この保護カバーには、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入するガス導入口が複数設けられ、各ガス導入口には、被検出ガスの流れの方向を変える案内板が設けられている。この案内板により、保護カバー内には、被検出ガスの一定方向の旋回流が生じるので、被検出ガスが常に一定の状態で検出素子に当たるようになる。

特許文献２のガスセンサは、内側筒状部（内側プロテクタ）と外側筒状部（外側プロテクタ）とからなる２重構造のプロテクタを備える。このプロテクタの外側筒状部には、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入する外壁ガス導入口（外側導入孔）が複数設けられ、各外壁ガス導入口には、内側に向けて延出するガイド体が設けられている。このガイド体により、内側筒状部と外側筒状部との空隙には、軸線の周方向に旋回する被検出ガスの旋回流が生じ、この旋回流に伴い発生する慣性力により、ガス成分と、ガス成分より比較的重い水滴とが分離される。そして、分離されたガス成分が、内側筒状部の基端側（ガスセンサの取り付け時の上方側）に設けられた内壁ガス導入口（内側導入孔）を通過して、内側筒状部内に導入される。

特開平１−２９６１５９号公報特開２００４−１０９１２５号公報

特許文献１のガスセンサでは、プロテクタが一重構造のため、被検出ガスに旋回流を生じさせても、ガス成分と水滴が分離される前に、被検出ガス中の水滴がガス検出素子に付着しやすい。従って、水滴の付着により検出素子が大きな熱衝撃を受け、クラックや割れを引き起こすおそれがあった。
一方、特許文献２のガスセンサは、プロテクタが二重構造で、かつ、外壁ガス導入口が先端側、内壁ガス導入口がそれよりも基端側に設けられているため、被検出ガスに旋回流を生じさせることにより、上記のように、被検出ガスから水滴をある程度分離でき、検出素子が被水することを抑制できる。

しかしながら、外側筒状部内に導入される被検出ガスの導入時の流速や、分離された水滴の大きさ、ガスセンサの排気管への取り付け位置等によっては、水滴がガス成分と共に内側筒状部の導入口からその内部に進入してしまう場合があった。そして、大きな水滴が検出素子に付着すると、検出素子が大きな熱衝撃を受けて、クラックや割れを引き起こすおそれがあった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、良好なガス応答性を確保しつつ、検出素子を被水から効果的に保護できるプロテクタを備えるガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、軸線方向に延びる形態をなし、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出部であって、被検出ガスを内部に導入するガス導入部を含む検出部を自身の先端側に有する検出素子と、自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、筒状をなし、自身の内部に前記検出素子の前記検出部を配置した状態で、前記ハウジングに固定されると共に、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入する内側導入孔が複数設けられた内側プロテクタと、筒状をなし、前記内側プロテクタの径方向周囲を空隙を介して取り囲んだ状態で、前記ハウジングに固定されると共に、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入する外側導入孔が、前記内側プロテクタの前記内側導入孔よりも軸線方向先端側に複数設けられた外側プロテクタと、を備え、前記外側導入孔を通じて外側プロテクタ内に導入された被検出ガスが、前記空隙を軸線方向基端側に流れ、前記内側導入孔を通じて内側プロテクタ内に導入される形態を有するガスセンサであって、前記内側導入孔は、前記検出素子の前記ガス導入部よりも軸線方向先端側に設けられた複数の第１内側導入孔と、前記検出素子の前記ガス導入部よりも軸線方向基端側に設けられた複数の第２内側導入孔と、を有し、すべての前記第１内側導入孔の開口面積Ｓ１を合計した第１総開口面積ＳＳ１を、すべての前記第２内側導入孔の開口面積Ｓ２を合計した第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしてなるガスセンサである。

内側プロテクタの内側導入孔のうち、第１内側導入孔は、検出素子のガス導入部よりも先端側に位置して外側プロテクタの外側導入孔との距離が近いため、この第１内側導入孔から内側プロテクタ内に被検出ガスと共に水滴が侵入しやすい。第１内側導入孔を通じて水滴が内部に侵入し、高温状態となっている検出素子に付着すると、検出素子が熱衝撃を受けて破損するおそれがある。水滴の侵入を十分に抑制するには、この第１内側導入孔を無くし、ガス導入部よりも基端側に位置する第２内側導入孔だけにすればよいと考えられる。しかし、そうすると、内側プロテクタ内外のガス交換性が悪くなり、ガスセンサの応答性が悪くなる。

これに対し、本発明では、内側プロテクタに検出素子のガス導入部よりも先端側に位置する第１内側導入孔を設けつつも、この第１内側導入孔の第１総開口面積ＳＳ１を、ガス導入部よりも基端側に位置する第２内側導入孔の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている。これにより、外側プロテクタの外側導入孔から導入された被検出ガスは、第１内側導入孔及び第２内側導入孔を通じて内側プロテクタ内に導入されるので、内側プロテクタ内外のガス交換性が良好となり、ガスセンサの応答性も良好となる。
その上、第１内側導入孔は第１総開口面積ＳＳ１が小さいので、水滴がこの第１内側導入孔を通じて内側プロテクタ内に侵入することを抑制できる。このため、被水により検出素子にクラックや割れ等の発生することを抑制できる。このように本発明のガスセンサは、良好なガス応答性を確保しつつ、検出素子を被水から効果的に保護できる。

なお、「ガス導入部」は、検出素子の検出部に設けられ、検出部で被検出ガス中の特定ガス成分を検出するために、被検出ガスを素子外部から素子内部（例えば、素子内部に形成されたガス検出室）に導入するものである。「ガス導入部」の形態としては、例えば、素子内部に繋がる開口が形成されたものの他、素子内部に繋がる開口を、通気性を有する多孔質体で塞いだものなどが挙げられる。

「外側導入孔」は、「内側導入孔」よりも軸線方向先端側に設けられたものであり、「外側導入孔」の中心（重心）が「内側導入孔」の中心（重心）よりも先端側に位置すれば、「外側導入孔」と「内側導入孔」とが軸線方向に見て一部重なっていてもよい。但し、検出素子を被水から効果的に保護するためには、「外側導入孔」の基端が「内側導入孔」の先端よりも先端側にある形態とするのが好ましい。また、「外側導入孔」は、軸線方向の１つの所定位置において、軸線の周方向に並べて配置してもよいし、軸線方向の複数の所定位置に配置してもよい。更に、いずれの場合でも、「外側導入孔」を周方向に等間隔に設けるのが好ましい。ガスセンサの排気管等への取り付け方向、位置等を考慮する必要がなくなるからである。

内側導入孔のうち、「第１内側導入孔」は、検出素子のガス導入部よりも軸線方向先端側に設けたものである。従って、「第１内側導入孔」の中心（重心）がガス導入部の中心よりも先端側に位置すれば、「第１内側導入孔」とガス導入部とが軸線方向に見て一部重なっていてもよい。また、「第１内側導入孔」は、軸線方向の１つの所定位置において、軸線の周方向に並べて配置してもよいし、軸線方向の複数の所定位置に配置してもよい。更に、いずれの場合でも、「第１内側導入孔」を周方向に等間隔に設けるのが好ましい。ガスセンサの排気管等への取り付け方向、位置等を考慮する必要がなくなるからである。

また、内側導入孔のうち、「第２内側導入孔」は、検出素子のガス導入部よりも軸線方向基端側に設けたものである。従って、「第２内側導入孔」の中心（重心）がガス導入部の中心よりも基端側に位置すれば、「第２内側導入孔」とガス導入部とが軸線方向に見て一部重なっていてもよい。また、「第２内側導入孔」は、軸線方向の１つの所定位置において、軸線の周方向に並べて配置してもよいし、軸線方向の複数の所定位置に配置してもよい。更に、いずれの場合でも、「第２内側導入孔」を周方向に等間隔に設けるのが好ましい。ガスセンサの排気管等への取り付け方向、位置等を考慮する必要がなくなるからである。
また、「第１内側導入孔」と「第２内側導入孔」とは、軸線方向に見て重ならないことが好ましい。内側プロテクタの強度を保つことができるからである。

更に、上記のガスセンサであって、前記内側プロテクタと外側プロテクタとの前記空隙において、軸線の周方向に旋回する被検出ガスの旋回流を生じさせる形態を有するガスセンサとすると良い。

本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の空隙において、軸線の周方向に旋回する被検出ガスの旋回流を生じさせる。この旋回流に伴い生じる慣性力により、ガス成分とガス成分より比較的重い水滴とが分離される。このため、内側導入孔を通じて内側プロテクタ内に導入される被検出ガスには、水滴が更に含まれにくくなる。従って、被水により検出素子が破損することを更に効果的に抑制できる。

なお、内側プロテクタと外側プロテクタとの空隙において、軸線の周方向に旋回する被検出ガスの旋回流を生じさせる形態としては、例えば、外側プロテクタのうち、外側導入孔の開口周縁に、内側へ延出するガイド体を設けて、上述の旋回流を生じさせる形態が挙げられる。また例えば、内側プロテクタのうち、外側導入孔に対向する位置に、突起状等をなすガイド体を設けて、上述の旋回流を生じさせる形態が挙げられる。また、内側プロテクタ及び外側プロテクタ以外の部材を用いて、上述の旋回流を生じさせる形態としてもよい。

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記第１内側導入孔及び前記第２内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２を等しくし、前記第１内側導入孔の個数Ｋ１を、前記第２内側導入孔の個数Ｋ２よりも少なくしてなるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、第１内側導入孔及び第２内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２を等しくし、第１内側導入孔の個数Ｋ１を第２内側導入孔の個数Ｋ２よりも少なくすることにより、第１内側導入孔の第１総開口面積ＳＳ１を第２内側導入孔の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている（ＳＳ１＜ＳＳ２）。第１，第２内側導入孔をいずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２を等しくすることで、各導入孔における被検出ガスの通気性が等しくなるので、内側プロテクタ内外のガス交換性をより良好なものとすることができ、ガスセンサの応答性をより良好なものとすることができる。

更に、前記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記第１内側導入孔と前記第２内側導入孔を、同数とし、前記第２内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ２を等しくし、前記第１内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ１を等しくし、かつ、前記第２内側導入孔の開口面積Ｓ２よりも小さい形状としてなるガスセンサとすると良い。

本発明のガスセンサでは、第１内側導入孔と第２内側導入孔を同数（Ｋ１＝Ｋ２）とする一方、第２内側導入孔をいずれも開口面積Ｓ２を等しくし、第１内側導入孔をいずれも開口面積Ｓ１を等しくしている。但し、この第１内側導入孔の開口面積Ｓ１を第２内側導入孔の開口面積Ｓ２よりも小さくすることにより、第１内側導入孔の第１総開口面積ＳＳ１を第２内側導入孔の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている（ＳＳ１＜ＳＳ２）。このように第１内側導入孔をいずれも開口面積Ｓ１を等しくすることで、各第１内側導入孔における被検出ガスの通気性が等しくなる。また、第２内側導入孔をいずれも開口面積Ｓ２を等しくすることで、各第２内側導入孔における被検出ガスの通気性が等しくなる。このため、内側プロテクタのガス交換性をより良好なものとすることができ、ガスセンサの応答性をより良好なものとすることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態１に係るガスセンサ１００を示す。また、図２及び図３に、このガスセンサ１００の先端側部分を示す。また、図４及び図５に、内側プロテクタ１６１を示し、図６に、外側プロテクタ１７１を示す。なお、図１，図２，図４〜図６の各図において、下側が軸線ＡＸ方向先端側（以下、単に先端側とも言う。）であり、上側が軸線ＡＸ方向基端側（以下、単に基端側とも言う。）である。

このガスセンサ１００は、図示しない自動車の排気管に取り付けられ、内部に保持する検出素子１２０の検出部１２１が排気管内を流通する排気ガス（被検出ガス）中に晒されて、その排気ガス中の酸素（特定ガス成分）の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。このガスセンサ１００は、図１に示すように、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の主体金具（ハウジング）１１０、この主体金具１１０の内側に保持された板状の検出素子１２０、主体金具１１０の基端側に固設された外筒１５１、主体金具１１０の先端側に固設され、内側プロテクタ１６１と外側プロテクタ１７１とからなる二重構造のプロテクタ１６０等から構成されている。

このうち、検出素子１２０は、軸線ＡＸ方向に延びる板状（短冊状）をなし、自身の先端部が、排気ガス中の酸素ガス成分を検出する検出部１２１とされている。この検出素子１２０は、酸素濃度の検出を行う板状のガス検出体と、このガス検出体を早期活性化させるために加熱を行う板状のヒータ体とを、互いに貼り合わせて一体化したものである。このうち、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から構成され、その検出電極は、検出部１２１に配置されている。

更に、この検出部１２１のうち、検出素子１２０の先端１２０ｓから２．５ｍｍ基端側の所定位置Ｚ（図２参照）には、排気ガスを素子内部に導入するガス導入部１２３が設けられている。このガス導入部１２３は、多孔質体からなり、軸線ＡＸ方向の長さが２．５ｍｍ、幅が０．０５ｍｍの平面視矩形状をなす。また、検出部１２１には、検出電極を排気ガスによる被毒から保護するため、その外表面を覆うようにして保護層１２５が設けられている。また、この検出素子１２０の基端部１２９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個の電極パッド１２８，１２８，…（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。

この検出素子１２０の胴部１２７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１３１が、自身の内側に検出素子１２０を挿通し、その検出部１２１を筒底の開口１３１ｃから突出させた状態で配置されている。この金属カップ１３１は、主体金具１１０内に検出素子１２０を保持するための部材であり、その先端周縁部１３２は、先端側に向かうにつれて径が小さくなるテーパ状に形成されている。この金属カップ１３１内には、アルミナ製のセラミックリング１３３と、滑石粉末を圧縮した第１滑石リング１３５とが、検出素子１２０を挿通した状態で収容されている。第１滑石リング１３５は、金属カップ１３１内で押し潰されて細部にまで充填されており、これにより、検出素子１２０が、金属カップ１３１内で位置決めされて保持されている。

金属カップ１３１と一体となった検出素子１２０は、その径方向周囲を筒状の主体金具１１０に取り囲まれて保持されている。この主体金具１１０は、ガスセンサ１００を自動車の排気管に取り付け固定するためのものであり、ＳＵＳ４３０の低炭素鋼からなる。この主体金具１１０の外周先端側には、排気管への取り付け用の雄ねじ部１１１が形成されている。また、この雄ねじ部１１１よりも先端側には、後述するプロテクタ１６０が固定される円環状の先端固定部１１３が突出形成されている。

また、主体金具１１０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１１７が形成されている。また、主体金具１１０には、この工具係合部１１７と雄ねじ部１１１との間に、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１１９が嵌挿されている。更に、工具係合部１１７の基端側には、後述する外筒１５１が固定される基端固定部１１６が形成されている。また、更にその基端側には、主体金具１１０内に検出素子１２０を加締め保持するための加締め部１１８が形成されている。

また、主体金具１１０の内周先端側には、先端側ほど縮径するテーパ状をなす段部１１５が形成されている。この段部１１５には、検出素子１２０を保持する金属カップ１３１のテーパ状をなす先端周縁部１３２が係止されている。更に、主体金具１１０の内側のうち、金属カップ１３１の基端側には、第２滑石リング１３７が、検出素子１２０を挿通した状態で配置されている。そして、この第２滑石リング１３７を基端側から押さえるようにして、筒状のスリーブ１４１が主体金具１１０内に嵌め込まれている。このスリーブ１４１には、段状をなす肩部１４２が形成されている。この肩部１４２には、円環状の加締めパッキン１４３が配置されている。そして、主体金具１１０の加締め部１１８が、この加締めパッキン１４３を介してスリーブ１４１の肩部１４２を先端側に押圧するようにして、加締められている。

スリーブ１４１に押圧された第２滑石リング１３７は、主体金具１１０内で押し潰されて細部にわたって充填され、この第２滑石リング１３７と、金属カップ１３１内に予め装填された第１滑石リング１３５とによって、金属カップ１３１及び検出素子１２０が、主体金具１１０内で位置決めされて保持されている。主体金具１１０内の気密は、加締め部１１８とスリーブ１４１の肩部１４２との間に介在される加締めパッキン１４３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１２０は、その基端部１２９が主体金具１１０の基端部である加締め部１１８よりも基端側に突出しており、その基端部１２９には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ１４５が被せられている。セパレータ１４５は、検出素子１２０の基端部１２９に形成された５個の電極パッド１２８，１２８，…とそれぞれ電気的に接続する５個の接続端子１４７，１４７，…（図１ではそのうちの１つを図示している。）を内部に保持している。また、セパレータ１４５は、これらの接続端子１４７，１４７，…と、ガスセンサ１００の外部に引き出される５本のリード線１４９，１４９，…（図１ではそのうちの３本を図示している。）との各接続部分を互いに絶縁しつつ収容している。

そして、セパレータ１４５の周囲を囲うようにして、筒状の外筒１５１が配設されている。この外筒１５１は、ステンレス（本実施形態ではＳＵＳ３０４）製であり、その先端開口部１５２が、主体金具１１０の基端固定部１１６の径方向外側に配置されている。この先端開口部１５２は、外側から加締められ、更に外周を一周してレーザ溶接が施されて、基端固定部１１６に接合されている。

また、外筒１５１とセパレータ１４５との間隙には、金属製で筒状をなす保持金具１５３が配設されている。この保持金具１５３は、自身の基端を内側に折り曲げて構成した支持部１５４を有し、自身の内部に挿通されるセパレータ１４５の基端側外周に鍔状に設けられた鍔部１４６をこの支持部１５４に係止させて、セパレータ１４５を支持している。この状態で、保持金具１５３が配置された部分の外筒１５１が外側から加締められ、セパレータ１４５を支持した保持金具１５３が外筒１５１に固定されている。

また、外筒１４１の基端側開口には、フッ素系ゴム製のグロメット１５５が嵌合されている。このグロメット１５５は、５つの挿通孔１５６，１５６，…（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１５６，１５６，…に、セパレータ１４５から延出した５本のリード線１４９，１４９，…が気密に挿通されている。この状態でグロメット１５５は、セパレータ１４５を先端側に押圧しつつ、外筒１５１の外側から加締められて、外筒１５１に固定されている。

主体金具１１０に保持された検出素子１２０は、その検出部１２１が、主体金具１１０の先端部である先端固定部１１３よりも先端側に突出している。そして、この先端固定部１１３には、検出素子１１０の検出部１２１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１６０が嵌められ、レーザ溶接によって固定されている。このプロテクタ１６０は、有底筒状の内側プロテクタ１６１と、この内側プロテクタ１６１の径方向周囲を、空隙ＫＧを介して取り囲む筒状をなす外側プロテクタ１７１とから構成される二重構造を有する。

内側プロテクタ１６１は、図２〜図５に示すように、有底の筒状をなし、自身の内部に検出素子１２０の検出部１２１を配置した状態で、主体金具１１０に固定されている。内側プロテクタ１６１は、その内径が主体金具１１０の先端固定部１１３の外径よりも小さく形成されているが、開口端側の基端部１６３は、先端固定部１１３の外側に位置するように拡径されている。

内側プロテクタ１６１には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する内側導入孔（第１内側導入孔１６７及び第２内側導入孔１６９）が複数設けられている。これらの第１，第２内側導入孔１６７，１６９は、後述する外側プロテクタ１７１の外側導入孔１７７を介して外側プロテクタ１７１と内側プロテクタ１６１との空隙ＫＧに導入され、この空隙ＫＧを旋回しながら図２中に矢印で示すように基端側に流れた排気ガスのうち、主にガス成分を、内側プロテクタ１６１内に導入する。

具体的には、内側プロテクタ１６１の側壁１６５のうち、検出素子１２０のガス導入部１２３よりも先端側で、かつ、検出素子１２０の先端１２０ｓよりも基端側の所定位置Ｘには、複数（本実施形態ではＫ１＝３個）の第１内側導入孔（内側導入孔）１６７，１６７，１６７が周方向に１２０度の等間隔に並んで形成されている。
また、この側壁１６５のうち、ガス導入部１２３よりも軸線ＡＸ方向基端側の所定位置Ｙには、複数（本実施形態ではＫ２＝６個）の第２内側導入孔（内側導入孔）１６９，１６９，…が周方向に６０度の等間隔に並んで形成されている。これらの第２内側導入孔１６９，１６９，…は、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７と軸線ＡＸ方向においても周方向においても重ならないように、ずらして形成されている。

第１内側導入孔１６７，１６７，１６７と第２内側導入孔１６９，１６９，…は、いずれも直径が１．５ｍｍ円形状をなすので、これらの開口面積Ｓ１，Ｓ２が、いずれもＳ１＝Ｓ２＝約１．８ｍｍ²である。そして、第１内側導入孔１６７の個数Ｋ１が全部で３個（Ｋ１＝３）、第２内側導入孔１６９の個数Ｋ２が全部で６個（Ｋ２＝６）であるので、第１内側導入孔１６７の方が数が少ない。従って、すべての第１内側導入孔１６７，１６７，１６７の開口面積Ｓ１を合計した第１総開口面積ＳＳ１（ＳＳ１＝約５．４ｍｍ²）は、すべての第２内側導入孔１６９，１６９，…の開口面積Ｓ２を合計した第２総開口面積ＳＳ２（ＳＳ２＝約１０．８ｍｍ²）よりも小さくなっている（ＳＳ１＜ＳＳ２）。

また、内側プロテクタ１６１の側壁１６５の先端側には、内部に向けて切り込み状に開口された水抜き孔１６６，１６６，１６６が、周方向に１２０度の等間隔に並んで複数（本実施形態では３個）に設けられている。この水抜き孔１６６，１６６，１６６は、検出素子１２０の先端１２０ｓよりも先端側に形成されている。また、内側プロテクタ１６１の底壁１６２の中央には、排気ガス及び水を外部に排出する排出孔１６４が形成されている。

次に、外側プロテクタ１７１は、図２、図３及び図６に示すように、内側プロテクタ１６１の径方向周囲を空隙ＫＧを介して取り囲んだ状態で、主体金具１１０に固定されている。外側プロテクタ１７１は、内側プロテクタ１６１と同様に開口端側の基端部１７３の外径が拡径されており、その基端部１７３が、内側プロテクタ１６１の基端部１６３の外側に配置されている。レーザ溶接は、外側プロテクタ１７１の基端部１７３を内側プロテクタ１６１の基端部１６３ごと先端固定部１１３に固定するように、外側プロテクタ１７１の基端部１７３の外周を一周して行われている。一方、この外側プロテクタ１７１の先端部１７２は、内側プロテクタ１６１の底壁１６２付近で内側プロテクタ１６１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１６１と外側プロテクタ１７１との空隙ＫＧが先端側で閉塞されている。

また、外側プロテクタ１７１の側壁１７５のうち、前述した所定位置Ｘよりも先端側の所定位置には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する複数（本実施形態では８個）の外側導入孔１７７，１７７，…が、周方向に４５度の等間隔に並んで形成されている。これら外側導入孔１７７，１７７，…の各々には、内側に向けて延出する板状のガイド体１７８，１７８，…が設けられている。これらのガイド体１７８，１７８，…は、外部から外側導入孔１７７，１７７，…を介して内部に導入される排気ガスに、内側プロテクタ１６１との空隙ＫＧにおいて軸線ＡＸの周方向に旋回する旋回流ＳＲを生じさせる機能を有する。

このようなプロテクタ１６０を備えることにより、排気ガスは、まず外側プロテクタ１７１の外側導入孔１７７，１７７，…から、外側プロテクタ１７１と内側プロテクタ１６１との空隙ＫＧに導入される。外側プロテクタ１７１と内側プロテクタ１６１との空隙ＫＧでは、ガイド体１７８，１７８，…により、軸線ＡＸの周方向に旋回する排気ガスの旋回流ＳＲが生じ、この旋回流ＳＲに伴い発生する慣性力により、ガス成分と、ガス成分より比較的重い水滴とが分離される。

こうして分離された水滴の大部分は、外側プロテクタ１７１の側壁１７５の内面に付着して下降し、内側プロテクタ１６１の水抜き孔１６６，１６６，１６６を通じて内側プロテクタ１６１内に入り、更に、内側プロテクタの排出口１６４から外部に排出される。なお、排気ガス中の水滴は、旋回流ＳＲにより分離される前に、内側プロテクタ１６１の側壁１６５の外面に付着することもあり、このような水滴も、水抜き孔１６６，１６６，１６６を通じて排出口１６４から外部に排出される。
一方、分離されたガス成分は、内側プロテクタ１６１の内側導入孔１６７，１６９を通じて内側プロテクタ１６１内に導入される。このガス成分は、検出素子１２０の検出部１２１のガス導入部１２３に届き、このガス導入部１２３から素子内部に導入されて、酸素濃度の検出に利用される。その後、ガス成分は、先端側に流れ、内側プロテクタ１６１の排出口１６４から外部に排出される。

以上で説明したように、本実施形態１では、内側プロテクタ１６１のうち、検出素子１２０のガス導入部１２３よりも先端側の所定位置Ｘに、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７を設けつつも、この第１内側導入孔１６７，１６７，…の第１総開口面積ＳＳ１を、ガス導入部１２３よりも基端側の所定位置Ｙに設けた第２内側導入孔１６９，１６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている（ＳＳ１＜ＳＳ２）。これにより、外側プロテクタ１７１の外側導入孔１７７，１７７，…から導入された排気ガスは、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７と第２内側導入孔１６９，１６９，…とを通じて内側プロテクタ１６１内に導入されるので、内側プロテクタ１６１のガス交換性が良好となり、ガスセンサ１００の応答性も良好となる。

その上、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７は、第１総開口面積ＳＳ１が第２内側導入孔１６９，１６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さいので、水滴が第１内側導入孔を１６７，１６７，…通じて内部に侵入することを抑制できる。このため、被水により検出素子１２０にクラックや割れ等の発生することを防止できる。このように、ガスセンサ１００は、良好なガス応答性を確保しつつ、検出素子１２０を被水から効果的に保護できる。

また、本実施形態１では、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７及び第２内側導入孔１６９，１６９，…をいずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２を等しくし、第１内側導入孔１６７，１６７，１６７の個数（Ｋ１＝３個）を第２内側導入孔１６９，１６９，…の個数（Ｋ２＝６個）よりも少なくすることにより（Ｋ１＜Ｋ２）、第１内側導入孔１６７，１６７，…の第１総開口面積ＳＳ１を第２内側導入孔１６９，１６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている。このように第１，第２内側導入孔１６７，１６９をいずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２が等しい形状（本実施形態１では同形状）とすることで、各内側導入孔１６７，１６９における排気ガスの通気性が等しくなるので、内側プロテクタ１６１のガス交換性をより良好なものとすることができ、ガスセンサ１００の応答性をより良好なものとすることができる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。図７に、本実施形態２に係るガスセンサ２００のうち、内側プロテクタ２６１を示す。本実施形態２のガスセンサ２００は、この内側プロテクタ２６１に形成された第１内側導入孔２６７及び第２内側導入孔２６９の形態が、上記実施形態１に係る内側プロテクタ１６１に形成された第１内側導入孔１６７及び第２内側導入孔１６９の形態と異なる。それ以外は、上記実施形態１と同様である。そこで、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。

本実施形態２に係るガスセンサ２００の内側プロテクタ２６１は、図７に示すように、上記実施形態１の内側プロテクタ１６１と同様、有底筒状をなし、その基端部２６３が主体金具１１０の先端固定部１１３に固定される。
内側プロテクタ２６１には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する内側導入孔（第１内側導入孔２６７及び第２内側導入孔２６９）が複数設けられている。

具体的には、内側プロテクタ２６１の側壁２６５のうち、検出素子１２０のガス導入部１２３よりも軸線ＡＸ方向先端側の所定位置（実施形態１の所定位置Ｘに対応する位置）には、複数（本実施形態２ではＫ１＝６個）の第１内側導入孔（内側導入孔）２６７，２６７，…が周方向に等間隔に並んで形成されている。これらの第１内側導入孔２６７，２６７，…は、後述するように、その開口面積Ｓ１が上記実施形態１の第１内側導入孔１６７，１６７，…よりも小さくされているが、その個数Ｋ１は多くされている。
また、この側壁２６５うち、検出素子１２０のガス導入部１２３よりも軸線ＡＸ方向基端側の所定位置（実施形態１の所定位置Ｙに対応する位置）には、上記実施形態１と同様に、複数（Ｋ２＝６個）の第２内側導入孔２６９，２６９，…が周方向に等間隔に並んで形成されている。

第１内側導入孔２６７，２６７，…は、いずれも直径が１．０ｍｍの円形状をなすので、いずれも開口面積Ｓ１が同じＳ１＝約０．７８ｍｍ²である。一方、第２内側導入孔２６９は、いずれも直径が１．５ｍｍの円形状をなすので、いずれも開口面積Ｓ２が同じＳ２＝約１．８ｍｍ²である。従って、すべての第１内側導入孔２６７，２６７，…の開口面積Ｓ１を合計した第１総開口面積ＳＳ１（ＳＳ１＝約４．７ｍｍ²）は、すべて第２内側導入孔２６９，２６９，…の開口面積Ｓ２を合計した第２総開口面積ＳＳ２（ＳＳ２＝約１０．８ｍｍ²）よりも小さくなっている。

また、内側プロテクタ２６１の側壁２６５の先端側には、上記実施形態１と同様に、水抜き孔２６６，２６６，２６６が複数に設けられている。また、内側プロテクタ２６１の底壁２６２の中央には、排出孔２６４が形成されている。

このような内側プロテクタ２６１も、内側プロテクタ１６１に第１内側導入孔２６７，２６７，…を設けつつも、この第１内側導入孔２６７，２６７，…の第１総開口面積ＳＳ１を、第２内側導入孔２６９，２６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている（ＳＳ１＜ＳＳ２）。これにより、外側プロテクタ１７１の外側導入孔１７７，１７７，…から導入された排気ガスは、第１内側導入孔２６７，２６７，…及び第２内側導入孔２６９，２６９，…を通じて内側プロテクタ２６１内に導入されるので、内側プロテクタ２６１のガス交換性が良好となり、ガスセンサ２００の応答性が良好となる。

その上、第１内側導入孔２６７，２６７，…は、第１総開口面積ＳＳ１が第２内側導入孔２６９，２６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さいので、水滴が第１内側導入孔を２６７，２６７，…通じて内部に侵入することを抑制できる。このため、被水により検出素子１２０にクラックや割れ等の発生することを防止できる。このようにガスセンサ２００は、良好なガス応答性を確保しつつ、検出素子１２０を被水から効果的に保護できる。

また、本実施形態２では、第１内側導入孔２６７，２６７，…と第２内側導入孔２６９，２６９，…を同数（Ｋ１＝Ｋ２＝６個）としている。また、第２内側導入孔２６９，２６９，…をいずれも開口面積Ｓ２が等しい形状としている。また、第１内側導入孔２６７，２６７，…をいずれも開口面積Ｓ１が等しい形状で第２内側導入孔２６９，２６９，…の開口面積Ｓ２よりも小さい形状としている（Ｓ１＜Ｓ２）。そしてこれにより、第１内側導入孔２６７，２６７，…の第１総開口面積ＳＳ１を、第２内側導入孔２６９，２６９，…の第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしている。

このように第１内側導入孔２６７，２６７，…をいずれも開口面積Ｓ１を等しくすることで、各第１内側導入孔２６７における排気ガスの通気性が等しくなる。また、第２内側導入孔２６９，２６９，…をいずれも開口面積Ｓ２を等しくすることで、各第２内側導入孔２６９における排気ガスの通気性が等しくなる。このため、内側プロテクタ２６１のガス交換性をより良好なものとすることができ、ガスセンサ２００の応答性をより良好なものとすることができる。

（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について説明する。図８及び図９に、本実施形態３に係るガスセンサ３００のうちの先端側部分を示す。本実施形態３のガスセンサ３００は、外側プロテクタ３７１にガイド体を有しない点が、外側プロテクタ１７１にガイド体１７８，１７８，…を有する上記実施形態１，２のガスセンサ１００，２００と異なる。それ以外は、上記実施形態１と同様である。そこで、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。

本実施形態３に係るガスセンサ３００の外側プロテクタ３７１は、内側プロテクタ１６１の径方向周囲を空隙ＫＧを介して取り囲んだ状態で、主体金具１１０に固定されている。外側プロテクタ３７１の開口端側の基端部３７３は、外径が拡径されており、内側プロテクタ１６１の基端部１６３の外側に配置されている。一方、外側プロテクタ３７１の先端部３７２は、内側プロテクタ１６１の底壁１６２付近で内側プロテクタ１６１に向けて内側に折り曲げられている。

また、外側プロテクタ３７１の側壁３７５のうち、先端側の所定位置には、自身の外部から内部へ排気ガスを導入する複数（本実施形態では８個）の外側導入孔３７７，３７７，…が、周方向に４５度の等間隔に並んで形成されている。しかし、本実施形態３の外側導入孔３７７，３７７，…には、上記実施形態１，２のガイド体１７８に相当する部位が存在しない。このため、外部から外側導入孔３７７，３７７，…を介して内部に導入される排気ガスには旋回流が生じない。排気ガスは、図８中に矢印で示すように、そのまま軸線ＡＸ方向基端側に流れ、内側導入孔１６７，１６９を通じて内側プロテクタ１６１内に導入される。その後、排気ガスは、内側プロテクタ１６１内を先端側に流れ、内側プロテクタ１６１の排出口１６４から外部に排出される。

このガスセンサ３００でも、外側プロテクタ３７１の外側導入孔３７７，３７７，…から導入された排気ガスは、前述した第１内側導入孔１６７，１６７，１６７と第２内側導入孔１６９，１６９，…とを通じて内側プロテクタ１６１内に導入される。このため、内側プロテクタ１６１のガス交換性が良好となり、ガスセンサ３００の応答性も良好となる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１〜３に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態１〜３では、第１内側導入孔１６７，２６７を軸線ＡＸ方向の１つの所定位置において、軸線ＡＸの周方向に並べて設けたが、第１内側導入孔１６７，２６７を軸線ＡＸ方向の異なる複数の所定位置に設けることもできる。同様に、第２内側導入孔１６９，２６９を軸線ＡＸ方向の１つの所定位置において、軸線ＡＸの周方向に並べて設けたが、第２内側導入孔１６９，２６９を軸線方向の異なる複数の所定位置に設けることもできる。

また、上記実施形態１〜３では、第１，第２内側導入孔１６７，１６９，２６７，２６９をいずれも円形状としたが、この形状は適宜変更できる。例えば、楕円形状や長円形状、多角形状、或いは、スリット形状とすることができる。但し、製造の容易さ等を考慮すると、円形状とするのが好ましい。
また、上記実施形態１〜３では、ガスセンサ１００，２００，３００として全領域空燃比センサを例示したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等について、本発明を適用することもできる。

実施形態１に係るガスセンサの部分断面図である。実施形態１に係るガスセンサのうち、先端側部分を拡大した部分断面図である。実施形態１に係るガスセンサのうち、図２におけるＡ−Ａ断面図である。実施形態１に係るガスセンサのうち、内側プロテクタの側面図である。実施形態１に係るガスセンサのうち、内側プロテクタの断面図である。実施形態１に係るガスセンサのうち、外側プロテクタの部分断面図である。実施形態２に係るガスセンサのうち、内側プロテクタの側面図である。実施形態３に係るガスセンサのうち、先端側部分を拡大した部分断面図である。実施形態３に係るガスセンサのうち、図８におけるＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１００，２００，３００ガスセンサ
１１０主体金具（ハウジング）
１２０検出素子
１２１検出部
１２３ガス導入部
１６０プロテクタ
１６１，２６１内側プロテクタ
１６４，２６４排出孔
１６５，２６５側壁
１６６，２６６水抜き孔
１６７，２６７第１内側導入孔（内側導入孔）
１６９，２６９第２内側導入孔（内側導入孔）
１７１，３７１外側プロテクタ
１７５，３７５側壁
１７７，３７７外側導入孔
１７８ガイド体
ＡＸ軸線

Claims

軸線方向に延びる形態をなし、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出部であって、被検出ガスを内部に導入するガス導入部を含む検出部を自身の先端側に有する検出素子と、
自身の先端から前記検出部を突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、
筒状をなし、自身の内部に前記検出素子の前記検出部を配置した状態で、前記ハウジングに固定されると共に、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入する内側導入孔が複数設けられた内側プロテクタと、
筒状をなし、前記内側プロテクタの径方向周囲を空隙を介して取り囲んだ状態で、前記ハウジングに固定されると共に、自身の外部から内部へ被検出ガスを導入する外側導入孔が、前記内側プロテクタの前記内側導入孔よりも軸線方向先端側に複数設けられた外側プロテクタと、を備え、
前記外側導入孔を通じて外側プロテクタ内に導入された被検出ガスが、前記空隙を軸線方向基端側に流れ、前記内側導入孔を通じて内側プロテクタ内に導入される形態を有する
ガスセンサであって、
前記内側導入孔は、
前記検出素子の前記ガス導入部よりも軸線方向先端側に設けられた複数の第１内側導入孔と、
前記検出素子の前記ガス導入部よりも軸線方向基端側に設けられた複数の第２内側導入孔と、を有し、
すべての前記第１内側導入孔の開口面積Ｓ１を合計した第１総開口面積ＳＳ１を、すべての前記第２内側導入孔の開口面積Ｓ２を合計した第２総開口面積ＳＳ２よりも小さくしてなる
ガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記内側プロテクタと外側プロテクタとの前記空隙において、軸線の周方向に旋回する被検出ガスの旋回流を生じさせる形態を有する
ガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記第１内側導入孔及び前記第２内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ１，Ｓ２を等しくし、
前記第１内側導入孔の個数Ｋ１を、前記第２内側導入孔の個数Ｋ２よりも少なくしてなる
ガスセンサ。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサであって、
前記第１内側導入孔と前記第２内側導入孔を、同数とし、
前記第２内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ２を等しくし、
前記第１内側導入孔を、いずれも開口面積Ｓ１を等しくし、かつ、前記第２内側導入孔の開口面積Ｓ２よりも小さい形状としてなる
ガスセンサ。