JP5069941B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、排気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（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のガスセンサのプロテクタは、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。排気ガスは、外側プロテクタに形成された外側導入孔（外壁ガス導入口）から外側プロテクタと内側プロテクタとの間の間隙に導入され、さらに内側プロテクタに形成された内側導入孔（内壁ガス導入口）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構成となっている。

また、この特許文献１のガスセンサの内側プロテクタの先端部はテーパ状に形成され、外側プロテクタの先端より突出されており、先端面には排出口が開口されている。外部を流れる排気ガスがそのテーパに当接するとテーパに沿って流れるガス流が発生し、排出口付近に負圧が生じて、内側プロテクタの内部に導入された排気ガスが排出口から速やかに排出される。つまりテーパを設けることで内側プロテクタ、外側プロテクタに限らず排出口付近の負圧を生じさせている。
特開２００４−１０９１２５号公報

しかしながら、特許文献１のガスセンサでは、内側プロテクタの排出口が、排気ガスの排出性を確保できる大きさで開口されており、この排出口を介して内側プロテクタ内に水滴等が飛び込んでしまうことがあった。検出素子の先端部はこの排出口を介して外部から直接目視できる状態にあるため、排出口から飛び込んだ水滴が検出素子に付着する虞が生じ、これにより素子が熱衝撃を受けた場合にクラックや割れが発生する虞があった。

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、良好なガス排出性を確保しつつ、検出素子を被水から効果的に保護することができるプロテクタを備えた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、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ハウジングと、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ハウジング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、前記内側プロテクタの前記周壁のみ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を備えたガスセンサにおいて、少なくとも前記内側プロテクタには、前記周壁の先端側に、先端に向けて外径が小さくなるテーパ部が形成され、前記内側プロテクタの前記先端壁には、当該先端壁よりも前記検出素子の近くに位置する底壁と、前記先端壁と前記底壁とをつなぐ側壁と、前記側壁に設けられ、前記被検出ガスを排出するための排出口と、を有する陥没部が設けられていることを特徴とする。

また、請求項１に係る発明のガスセンサは、上記の発明の構成に加え、前記内側プロテクタの前記周壁には、前記内側導入孔の形成位置よりも先端側に、前記空隙に進入した水滴を前記内側プロテクタの内部に導入するための水抜き孔が形成され、前記陥没部の前記排出口は、前記水抜き孔の基端よりも先端側に形成されており、前記陥没部は、前記テーパ部の基端よりも先端側に形成されてい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、前記検出素子は板状をなし、前記排出口は、前記検出素子と軸線方向において重ならないことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記排出口は、前記陥没部の前記側壁のうち、向かい合う２箇所の部位においてそれぞれ貫通する形態で開口されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のガスセンサは、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記検出素子は板状をなし、前記内側プロテクタは、前記陥没部の前記２つの排出口が向かい合う方向を、前記ハウジングに保持される前記検出素子の厚み方向に揃えた状態で、前記ハウジングに固定されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記排出口は、先端側の開口幅が基端側の開口幅よりも広い台形形状の開口を有することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記水抜き孔が、前記外側プロテクタの前記外側導入孔の基端よりも先端側に配置されると共に、前記検出素子の先端が、前記外側プロテクタの前記外側導入孔の基端よりも基端側に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の変形例のガスセンサとしては、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ハウジングと、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ハウジング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、前記内側プロテクタの前記周壁のみ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を備えたガスセンサにおいて、前記内側プロテクタおよび前記外側プロテクタの少なくともいずれか一方には、前記周壁の先端側に、先端に向けて外径が小さくなるテーパ部が形成され、前記内側プロテクタの前記先端壁には、当該先端壁よりも前記検出素子の近くに位置する底壁と、前記先端壁と前記底壁とをつなぐ側壁と、前記側壁に設けられ、前記被検出ガスを排出するための排出口と、を有する陥没部が設けられ、前記テーパ部は、前記内側プロテクタに設けられており、前記内側プロテクタは、前記陥没部の底壁が前記外側プロテクタの先端よりも先端側に形成されるように、前記外側プロテクタの先端よりも突出するようにしてもよい。

請求項１に係る発明のガスセンサでは、内側プロテクタの先端壁に排出口を直接開口せず、陥没部の側壁に開口して設けたことで、内側プロテクタの内部と外部とが、少なくとも軸線方向に沿って連通されにくい。つまり、内側プロテクタ内に収容される検出素子の検出部は、軸線方向において、内側プロテクタの先端壁や、陥没部を構成する壁部分のうち周縁を側壁に囲まれた底部分（以下、「底壁」という。）によって遮られ、外部に直接晒されにくい。この構成により、内側プロテクタの外部より水滴等が飛来し、軸線方向に沿って陥没部内に飛び込んだ場合であっても、底壁によって遮られるので検出素子には到達し難く、検出素子を被水から保護することができる。また、被水対策として内側プロテクタ全体（特に内側プロテクタの先端壁）を外側プロテクタで覆う必要もないため、両者の小型化を図ることができ、ひいてはガスセンサの小型化を実現することができる。

また、外側プロテクタと内側プロテクタとの間の空隙に進入した水滴は、水抜き孔を介して内側プロテクタ内に導入されるが、請求項１に係る発明によれば、排出口はその水抜き孔の基端よりも軸線方向において先端側に配置されている。すなわち外側プロテクタおよび内側プロテクタ内を流通する排気ガスの流路において、排出口が水抜き孔よりも流路下流側に配置されている。このため、内側プロテクタ内に導入された水滴が水抜き孔を逆流して外側プロテクタと内側プロテクタとの間の空隙に入り込むことが防止されるので、水滴の残留を防止し、内側プロテクタ内の排水性を高め、ひいては検出素子を被水から保護することができる。また、陥没部は、テーパ部の基端よりも先端側に形成されているので、軸線方向において検出素子の先端と陥没部の底壁との距離がより大きくなる。これにより、陥没部内に飛び込んで底壁に衝突した一部の水滴が排出口を通過し、ガス検出室内に進入した場合であっても、検出素子に到達し難く、検出素子を被水から保護することができる。

ところで、水滴が、軸線方向とは異なる方向に沿って陥没部内に飛び込んだ場合、その向きによっては排出口を介し、内側プロテクタ内に到達する場合がある。そこで請求項２に係る発明のように、排出口が検出素子と軸線方向において重ならないことで、排出口を介し内側プロテクタの内外を直線で結んだ場合に、その直線上に、検出素子が配置されることがない。この構成により、内側プロテクタの外部より飛来した水滴が、軸線方向とは異なる方向に沿って陥没部内に飛び込み、排出口を介して内側プロテクタ内に進入した場合でも、水滴が検出素子にかかることがないため、検出素子を被水から保護することができる。

そして、請求項３に係る発明によれば、排出口が陥没部の側壁のうち、向かい合う２箇所の部位にそれぞれ開口されているので、先端壁に占める陥没部の面積を大きくすることなく、排出口の開口面積を広くすることができる。さらに、陥没部の深さを深くすることなく、排出口の開口面積を広げることも可能となる。これにより、内側プロテクタの排出口からの排気ガスの排出性や水滴の排水性を高めることができる。また、このような排出口を形成するには、例えば先端壁に２本の平行なスリットを設け、両スリット間を内側プロテクタ内に押し込むように加工すれば容易に形成できるため、製造の際の手間を省き、製造コストを低減することができる。

さらに、請求項４に係る発明のように、ハウジングに保持された検出素子の厚み方向と、陥没部の２つの排出口の向かい合う方向とを揃えた状態で内側プロテクタをハウジングに固定すれば、排出口を介し内側プロテクタの内外を直線で結んだ場合に、その直線上に、検出素子の板幅方向の両端が配置されることがない。この構成により、内側プロテクタの外部より飛来した水滴が、軸線方向とは異なる方向に沿って陥没部内に飛び込み、排出口を介して内側プロテクタ内に進入した場合でも、水滴が検出素子にかかることがないため、検出素子を被水から保護することができる。

そして、請求項５に係る発明によれば、排出口が台形形状の開口を有しているので、１つの排出口の開口面積をさらに広くすることができる。また、陥没部の深さを深くすることなく、排出口の開口面積をより広げることも可能である。これにより、内側プロテクタの排出口からの排気ガスの排出性や水滴の排水性をより高めることができる。

さらに、請求項６に係る発明によれば、検出素子の先端は、外側プロテクタの外側導入孔の基端よりも基端側に配置されており、内側プロテクタの水抜き孔は、外側導入孔の基端よりも先端側に配置されている。つまり、外部から外側プロテクタの周壁に向かって飛来した水滴等が外側導入孔から内部に飛び込み、そのまま水抜き孔を通過して内側プロテクタ内に進入した場合において、水滴等の進入方向に検出素子の先端が配置されていない構成である。従って、外部より飛来した水滴等が、直接、検出素子にかかることはなく、排出口を介して外部へ排出されるため、検出素子を被水から保護できる。

また、上記本発明の変形例のガスセンサによれば、テーパ部は、内側プロテクタに設けられており、内側プロテクタは、陥没部が外側プロテクタの先端よりも先端側に形成されるように外側プロテクタの先端よりも突出する。これにより、プロテクタ内を流れる排気ガスや水滴の流路の最も下流側に内側プロテクタの排出口が配置されることとなるので、排出口からの排気ガスの排出性や水滴の排水性をさらに高めることができる。

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のプロテクタ１００の構造を、（ａ）は側方から、（ｂ）は先端側から示した図である。図３は、ガスセンサ１のプロテクタ１００の構造を、（ａ）は図２（ａ）の側面側から、（ｂ）は先端側から示した図である。なお、図１〜図３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側をガスセンサ１の後端側（基端側）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、自身を検出素子１０に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。更に、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。更に、主体金具５０の内周には滑石リング２６が、自身を検出素子１０に挿通させた状態で、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。主体金具５０内の気密は加締め部５３とスリーブ２７の肩部２８との間に介在される加締めパッキン２９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、その後端部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、更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，図３を参照して説明する。

図２（ａ）（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）に示すように、プロテクタ１００は、先端壁１２４および周壁１１２を有する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の外周面との間に空隙（以下、「ガス分離室」１１９ともいう。）を有した状態で内側プロテクタ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。

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、開口側（基端側）の端部である開口端部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、開口端部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、周壁１２２の先端側には、先端壁１２４に向けてテーパ状に先細るテーパ部１２３が形成されている。この内側プロテクタ１２０の周壁１２２には、軸線Ｏ方向で開口端部１２１寄りの位置の外周面に、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１１５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たものであり、内側導入孔１３０の形成位置よりも先端側に配設されている。そして、内側プロテクタ１２０の先端壁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。

内側プロテクタ１２０の先端側の先端壁１２４には、その一部を外側から内側に押し込むようにして、検出素子１０に近づくように窪んだ陥没部１２５が形成されている。陥没部１２５は、底壁１２６の周縁を側壁１２７で囲う凹部形状をなしており、上記の排出口１６０は、側壁１２７の一部を貫通する形態で開口されている。この構成により、内側プロテクタ１２０の外部より水滴等が飛来し、軸線Ｏ方向に沿って陥没部１２５内に飛び込んだ場合であっても、底壁１２６によって遮られ、検出素子１０には到達し難く、検出素子１０を被水から保護することができる。さらに、陥没部１２５は、テーパ部１２３の基端（つまり周壁１２２との境）よりも先端側に形成されているので、軸線Ｏ方向において検出素子１０の先端と陥没部１２５の底壁１２６との距離がより大きくなる。これにより、陥没部１２５内に飛び込んで底壁１２６に衝突した一部の水滴が排出口１６０を通過し、ガス検出室１２９内に進入した場合であっても、検出素子１０に到達し難く、検出素子１０を被水から保護することができる。

また、排出口１６０は、水抜き孔１５０の基端よりも先端側に形成されている。換言すると、陥没部１２５を形成するにあたって、底壁１２６が水抜き孔１５０の基端よりも後端側に配置されないような形態で、陥没部１２５が内側に押し込まれている。この構成により、外側プロテクタ１１０および内側プロテクタ１２０内を流通する排気ガスの流路において、排出口１６０が水抜き孔１５０よりも流路下流側に配置される。このため、水抜き孔１５０よりガス検出室１２９内に導入された水滴が水抜き孔１５０を逆流してガス分離室１１９に入り込むことが防止される。

本実施の形態では、陥没部１２５の側壁１２７のうち、向かい合う２箇所の部位（図２の側壁１２７においては紙面左右両側の部位）が排出口１６０として開口されている。そして、この排出口１６０は、先端側（先端壁１２４側）の開口幅（軸線Ｏと直交する方向の長さ）が基端側（底壁１２６側）の開口幅よりも広い台形形状の開口を有している。これにより、１つの排出口の開口面積をさらに広くすることができる。また、陥没部１２５の深さを深くすることなく、排出口１６０の開口面積をより広げることも可能である。その結果、内側プロテクタ１２０の排出口１６０からの排気ガスの排出性や水滴の排水性をより高めることができる。

そして、ガス検出室１２９内に検出部１１が収容される板状の検出素子１０の板厚方向（図２（ａ）（ｂ）においては紙面左右方向、図３（ａ）においては紙面表裏方向，図３（ｂ）においては紙面上下方向）と、２つの排出口１６０の向かい合う方向とが一致するように揃えられた状態で、内側プロテクタ１２０が主体金具５０に固定されている。特に、図２（ｂ），図３（ｂ）に示すように、検出素子１０の配置位置と排出口１６０の形成位置とを軸線Ｏ方向に沿ってみたときに、両者が重ならない配置構成となっている。つまり、排出口１６０を介し内側プロテクタ１２０の内部と外部とを直線で結んだ場合に、その直線上に検出素子１０が配置されることがない。この構成により、内側プロテクタ１２０の外部より飛来した水滴が、軸線Ｏ方向とは異なる方向に沿って陥没部１２５内に飛び込み、排出口１６０を介して内側プロテクタ１２０内に進入した場合でも、水滴が検出素子１０にかかることがないため、検出素子１０を被水から保護することができる。

なお、上記のように、軸線Ｏ方向に沿ってみたときに、排出口１６０と検出素子１０とが重ならない配置構成であれば、検出素子１０の板厚方向と２つの排出口１６０の向かい合う方向とが完全に一致しなくとも十分に、検出素子１０を被水から保護することが可能である。例えば、検出素子１０の軸方向（延設方向）が軸線Ｏに対し傾いた状態で主体金具５０に組み付けられた状態であってもよいし、検出素子１０の板厚方向と２つの排出口１６０の向かい合う方向とが軸線Ｏの周方向にずれた配置となってもよい。つまり、外部から排出口１６０を介してガス検出室１２９内を覗いたときに、検出素子１０が見えない状態であれば、外部から排出口１６０を介してガス検出室１２９内に飛び込んだ水滴は検出素子１０に到達し難く、検出素子１０を被水から保護することができる。

また陥没部１２５は、先端壁１２４において、軸線Ｏを中心とする位置に形成されており、検出素子１０の軸線Ｏ方向先端側に、陥没部１２５の底壁１２６が配置されるように構成されている。この陥没部１２５の底壁１２６は、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１２０の周壁１２２に開口された水抜き孔１５０の基端よりも先端側に配置されるように構成されている。これにより、排出口１６０は、水抜き孔１５０の基端よりも軸線Ｏ方向の先端側に配置される。この構成により、内側プロテクタ１２０内に導入された水滴が水抜き孔１５０を逆流して外側プロテクタ１１０と内側プロテクタ１２０との間のガス分離室１１９に入り込むことが防止される。よって、プロテクタ１００内における水滴の残留を防止し、内側プロテクタ１２０内の排水性を高め、ひいては検出素子１０を被水から保護することができる。

次に、外側プロテクタ１１０は、後端側の端部となる基端部１１１が、内側プロテクタ１２０の開口端部１２１の外周に係合されている。そして外側プロテクタ１１０の基端部１１１の外周に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の開口端部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のテーパ部１２３付近にて内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面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の外周面と外側プロテクタ１１０の内周面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。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り、外部に露出されている。そして上記したように、陥没部１２５はテーパ部１２３の基端よりも先端側に形成されている。このため、陥没部１２５は、外側プロテクタ１１０の先端部１１３よりも先端側に配置される。従って、プロテクタ１００内を流れる排気ガスや水滴の流路の最も下流側に排出口１６０が配置されることとなり、排出口１６０からの排気ガスの排出性や水滴の排水性をさらに高めることができる。

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おける外周面には、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１１５が周方向に沿って形成されている。これら外側導入孔１１５のそれぞれには、内側に向けて延出するガイド体１１６が設けられている。ガイド体１１６は、外部から外側導入孔１１５を介してガス分離室１１９内に導入される排気ガスに、内側プロテクタ１２０の周壁１２２の外周面を取り囲む状態で旋回流を生じさせる機能を担う。さらに、軸線Ｏ方向において、検出素子１０の先端が外側プロテクタ１１０の外側導入孔１１５の基端よりも基端側に配置されている。また、内側プロテクタ１２０の水抜き孔１５０は、外側導入孔１１５の基端よりも先端側に配置されている。つまり、外部から外側プロテクタ１１０の周壁１１２に向かって飛来した水滴等が外側導入孔１１５からガス分離室１１９内に飛び込み、そのまま水抜き孔１５０を通過してガス検出室１２９内に進入した場合において、水滴等の進入方向には検出素子１０の先端が配置されていない。この構成により、外部より飛来した水滴等が、直接、検出素子１０にかかることはなく、排出口１６０を介して外部へ排出されるため、検出素子１０を被水から保護できる。

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、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）からプロテクタ１００に衝突し、外側プロテクタ１１０の外側導入孔１１５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１１６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のテーパ部１２３に衝突すると、テーパに沿って先端壁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。

上記のような排出口１６０は、先端壁１２４の一部をガス検出室１２９内に押し込むようにして陥没部１２５を形成した後に、側壁１２７を開口することで形成することができるが、より簡易な手順で形成することが可能である。例えば、先端壁１２４に２本の平行なスリットを形成し、そのスリット間の中央部分をガス検出室１２９内に押し込んで陥没部１２５を形成する。このようにすれば、スリット間の中央部分を陥没部１２５の底壁１２６として構成し、スリット間の両端部分を側壁１２７として構成すると共に、スリット部分を排出口１６０として構成することが可能である。

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、本実施の形態の陥没部１２５は、先端壁１２４に設けた２本の平行なスリット間の中央部分を内側プロテクタ１２０の内部に向けて押し込んだ形態をなすが、図４（ａ）（ｂ）に示すガスセンサ２００のように、先端壁２２４に設けた１本のスリットを境に一方側の部分を内側プロテクタ２２０のガス検出室２２９内に向けて押し込むようにして、検出素子１０に近づくように窪んだ陥没部２２５を形成してもよい。この場合、陥没部２２５内において、軸線Ｏを中心とする３方向が側壁２２７に囲まれ、残る１方向に排出口２６０が形成される形態となるが、底壁２２６によって検出素子１０が外部に露出されるのを十分に保護することができる。そしてこの場合においても、図４（ｂ）に示すように、検出素子１０の配置位置と排出口２６０の形成位置とを軸線Ｏ方向に沿ってみたときに、両者が重ならない配置構成として、内側プロテクタ２２０の主体金具５０への固定を行う。すなわち、外から排出口を介して内側プロテクタ２２０を覗いたときに、検出素子１が見えないように配置されている。この構成により、外部より飛来した水滴が排出口２６０を介して内側プロテクタ２２０内に進入した場合でも、水滴が検出素子１０にかかることがなく、検出素子１０を被水から保護することができる。もちろん、排出口を３箇所以上設けてもよい。あるいはスリットを設けず陥没部を形成し、その後の工程で、陥没部の側壁に開口を設けてもよい。

また、本実施の形態のプロテクタ１００は、図２，図３において内側プロテクタ１２０の周壁１２２の同一母線上に水抜き孔１５０および内側導入孔１３０が設けられた形態として描かれ、さらにその母線と径方向に同一となる外側プロテクタ１１０の母線上に外側導入孔１１５が形成された形態で描かれているが、それぞれ異なる母線上に形成されていてもよいし、いずれかが異なる母線上に形成されていてもよい。また、外側導入孔１１５、水抜き孔１５０および内側導入孔１３０の形成数はそれぞれ６個に限られるものではなく、その大きさも任意に設定されてもよい。

また、本実施の形態では内側プロテクタ１２０の周壁１２２の先端側に先端壁１２４に向けてテーパ状に先細るテーパ部１２３を備えていたが、こうしたテーパ形状を外側プロテクタ１１０の先端側に形成してもよい。例えば、図５に示すガスセンサ３５０の外側プロテクタ３１０のように、周壁３１２の先端側に、自身の周壁３１２から内側プロテクタ３２０の先端壁３２４へ向けてテーパ状に先細るテーパ部３１３を形成してもよい。こうした形状のプロテクタ３００であっても、本実施の形態のプロテクタ１００と同様に、排気管内を流通する排気ガスを外側プロテクタ３１０のテーパ部３１３に衝突させ、テーパ部３１３に沿って内側プロテクタ３２０の先端壁３２４に向かって流れるガス流を生じさせることができるので、陥没部３２５付近に負圧を発生させることができる。なおこの場合、図５に示すように、外側プロテクタ３１０のテーパ部３１３の先端が、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ３２０の先端壁３２４とほぼ同じ位置となるように外側プロテクタ３１０を構成する。一方、内側プロテクタ３２０のテーパ部３２３が周壁３２２をそのまま軸線方向に真っ直ぐ延長した形態となるように内側プロテクタ３２０を構成する。このようにすれば、テーパ部３１３から先端壁３２４へほぼ連続した面に構成することができ、排気ガスをスムーズに先端壁３２４へと案内させやすく好ましい。もちろん、図示しないが、外側プロテクタにテーパ部を形成すると共に、内側プロテクタにもテーパ部を形成してもよい。この場合、外側プロテクタのテーパ部を内側プロテクタのテーパ部に連続させ、排気ガスが両者のテーパ部それぞれに沿って内側プロテクタの先端壁へスムーズに案内されるようにすると、なおよい。

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のプロテクタ１００の構造を、（ａ）は側方から、（ｂ）は先端側から示した図である。 ガスセンサ１のプロテクタ１００の構造を、（ａ）は図２（ａ）の側面側から、（ｂ）は先端側から示した図である。 変形例としてのガスセンサ２００の内側プロテクタ２２０の構造を、（ａ）は側方から、（ｂ）は先端側から示した図である。 変形例としてのガスセンサ３５０のプロテクタ３００の形状を示す断面図である。

１，２００，３５０ ガスセンサ
１０ 検出素子
５０ 主体金具
５６ 先端係合部
１００ プロテクタ
１１０，３１０ 外側プロテクタ
１１２ 周壁
１１５ 外側導入孔
１１９ ガス分離室
１２０，２２０，３２０ 内側プロテクタ
１２１ 開口端部
１２２，３２２ 周壁
１２３，３１３ テーパ部
１２４，２２４，３２４ 先端壁
１２５，２２５，３２５ 陥没部
１２６，２２６ 底壁
１２７，２２７ 側壁
１２９，２２９ ガス検出室
１３０ 内側導入孔
１５０ 水抜き孔
１６０，２６０ 排出口

Claims (6)

1. 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ハウジングと、
   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ハウジング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、前記内側プロテクタの前記周壁のみ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
   を備えたガスセンサにおいて、
   少なくとも前記内側プロテクタには、前記周壁の先端側に、先端に向けて外径が小さくなるテーパ部が形成され、
   前記内側プロテクタの前記先端壁には、
   当該先端壁よりも前記検出素子の近くに位置する底壁と、
   前記先端壁と前記底壁とをつなぐ側壁と、
   前記側壁に設けられ、前記被検出ガスを排出するための排出口と、を有する陥没部が設けられ、
   前記内側プロテクタの前記周壁には、前記内側導入孔の形成位置よりも先端側に、前記空隙に進入した水滴を前記内側プロテクタの内部に導入するための水抜き孔が形成され、
   前記陥没部の前記排出口は、前記水抜き孔の基端よりも先端側に形成されており、
   前記陥没部は、前記テーパ部の基端よりも先端側に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記検出素子は板状をなし、
   前記排出口は、前記検出素子と軸線方向において重ならないことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記排出口は、前記陥没部の前記側壁のうち、向かい合う２箇所の部位においてそれぞれ貫通する形態で開口されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記検出素子は板状をなし、
   前記内側プロテクタは、前記陥没部の前記２つの排出口が向かい合う方向を、前記ハウジングに保持される前記検出素子の厚み方向に揃えた状態で、前記ハウジングに固定されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記排出口は、先端側の開口幅が基端側の開口幅よりも広い台形形状の開口を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記水抜き孔が、前記外側プロテクタの前記外側導入孔の基端よりも先端側に配置されると共に、
   前記検出素子の先端が、前記外側プロテクタの前記外側導入孔の基端よりも基端側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のガスセンサ。

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