JP4398501B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

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。

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前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。

自動車用の各種ガスセンサにおいて最近では、被測定ガス中の水滴や油滴あるいは汚れ等に対して、さらにプロテクタの壁部表面や内部空間で凝縮した凝縮水の侵入に対して検出部の保護機能を高めるため、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１０に示すように従来は、このような二重構造のプロテクタ１０６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。

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、検出部の保護機能は高められるが、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。

さらにこの場合、例えば図１０のように検出部１０２において、特に積層体の一方の面にのみガス検知面ＤＰ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しやすい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（方向依存性）がある。

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。

本発明の課題は、多重構造プロテクタが本来的に具備する検出部の保護機能をさらに高め、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。

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、
検出素子の前端側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略同軸状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に第一側ガス入口が周方向に沿って複数形成され、該第一側ガス入口には、被測定ガスを前記検出部と前記第一筒状部との間に導入し、かつ前記検出部を取り囲む旋回流を発生させるための第一側ガイド体が配置され、前記第一側ガス入口を含む軸直交断面において、前記第一側ガイド体のガス導入面の前記被測定ガス導入方向への延長線（以下、第一側ガス導入線という）が、前記検出部の外面よりも径方向外側に離間して位置しているとともに、
前記第二筒状部の側壁部であって前記第一側ガス入口よりも軸方向前端側に第二側ガス入口が形成され、該第二側ガス入口には、被測定ガスを前記第一筒状部と前記第二筒状部との間に導入し、かつ前記第一筒状部の側壁部外面を取り囲む旋回流を発生させるための第二側ガイド体が配置されたことを特徴とする。

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、かつ、第一筒状部の側壁部に形成される第一側ガス入口に第一側ガイド体が配置されている。この第一側ガイド体は、被測定ガスを検出部を取り囲む状態で旋回流を生じさせる機能を有し、この旋回流に伴い発生する遠心力により、相対的に重い水滴・油滴等は相対的に軽いガス分と分離されて第一筒状部の側壁部内面に押し付けられる。したがって、被測定ガス中に水滴・油滴等が含まれる場合にもそれら水滴・油滴等が第一筒状部の内側（検出部）へ侵入しにくくなり、検出部に対する保護機能がさらに向上する。

さらに本発明では、第一側ガス入口を第二側ガス入口よりも軸方向後端側に配置することができる。このように、第一側ガス入口と第二側ガス入口とが軸方向に離間して形成されているので、第一筒状部内側へ被測定ガス中の水滴・油滴等が侵入しにくくなり、かつ第二筒状部内部で発生する凝縮水が第一筒状部の内側（検出部）に流入しにくくなり、もって検出部に対する保護機能がさらに向上する。このようにして、被測定ガスは、第二側ガス入口の第二側ガイド体により第一筒状部の側壁部外面を取り囲む状態で旋回流を形成しながら、第一筒状部の側壁部に周方向に沿って複数形成されたそれぞれの第一側ガス入口から第一筒状部の内側に流入することになる。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、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。

ここで第一側ガイド体は、第一筒状部の側壁部から径方向内側に向けて一体的に延出されていることが好ましい。この第一側ガイド体の構成によって、プロテクタ内側へ被測定ガス中の水滴・油滴等が侵入しにくく、かつ被測定ガスの流通を阻害しにくくなるので、検出部に対する保護機能及びセンサ応答特性が一層向上する。このような第一側ガイド体としては、第一筒状部の側壁部において、湾曲した切れ目を作成し、この切れ目により生ずる爪状部を径方向内側に折り曲げることで構成できる。

さらに第二側ガイド体は、第二筒状部の側壁部から径方向内側に向けて一体的に延出されていることが好ましい。この第二側ガイド体の構成によって、プロテクタ内側へ被測定ガス中の水滴・油滴等が侵入しにくく、かつ被測定ガスの流通を阻害しにくくなるので、検出部に対する保護機能及びセンサ応答特性が一層向上する。このような第二側ガイド体としては、第二筒状部の側壁部において、湾曲した切れ目を作成し、この切れ目により生ずる爪状部を径方向内側に折り曲げることで構成できる。

また本発明では、第二側ガス入口を含む軸直交断面において、第二側ガイド体のガス導入面の被測定ガス導入方向への延長線（以下、第二側ガス導入線という）が、第一筒状部の側壁部外面よりも径方向外側に離間して位置するとよい。つまり、第二側ガス導入線が第一筒状部の側壁部外面に接したり交差したりしないので、旋回流に伴い発生する遠心力により、相対的に重い水滴・油滴等は第二筒状部の側壁部内面に押し付けられ壁面に沿って流下し、一方残りの相対的に軽いガス分は水滴・油滴等とは分離されて第一筒状部の内側（検出部）へ導入され（遠心分離作用）、被測定ガス中の水滴・油滴等の第一筒状部内部への侵入を効果的に防止し得る。また、第二側ガス導入線が第一筒状部の側壁部外面に接したり交差したりしないので、被測定ガス中の水分が第一筒状部の側壁部外表面で凝縮しにくく、凝縮水の第一筒状部内部への侵入を防止し得る。これらの諸作用によって、検出部に対する保護機能が強化される。

いずれかのガス導入線（第一側ガス導入線又は第二側ガス導入線）は、一方のガス入口（第一側ガス入口又は第二側ガス入口）を含む軸直交断面において、対応するガイド体（第一側ガイド体又は第二側ガイド体）のガス導入面の被測定ガス導入方向への延長線として規定される。ここで、ガイド体のガス導入面が単一の平面（軸直交断面においては単一の直線）で構成されるときは、ガス導入線は一義的に定められる。一方、ガイド体のガス導入面が複数の平面若しくは単一又は複数の曲面で構成されるときは、ガス導入線は一義的に定められない場合があり、本発明においては種々の表現方法が選択できる。ここでは、ガス導入線の表現方法として比較的一般的な次の２法を例示した。
（１）いずれかのガス導入線は、一方のガス入口を含む軸直交断面において、対応するガイド体のガス導入面の先端における接線で表される。
（２）いずれかのガス導入線は、一方のガス入口を含む軸直交断面において、対応するガイド体のガス導入面の基部が対応する筒状部（第一筒状部又は第二筒状部）の側壁部外面と接する点と、ガス導入面の先端とを結ぶ直線で表される。

また本発明は、第二側ガス入口を含む軸直交断面において、第二側ガス導入線が第一筒状部の側壁部外面よりも径方向外側に離間して位置するように、第一筒状部の前端側の側壁部を、軸方向前端側ほど小径となる縮径部に形成することができる。第二側ガス入口に対向する第一筒状部の前端側を縮径部に形成することによって、第二側ガス導入線が第一筒状部の側壁部外面に接するまでの第二側ガス入口の開口幅を広くとれ、被測定ガスの交換速度（流通量）を大きくできるので、センサ応答特性を改善することができる。

次に、本発明の第一筒状部の前端側の側壁部には、軸方向前端側ほど小径となる縮径部が形成されるとともに、第一筒状部の前端面に第一側ガス出口を形成することができる。被測定ガス流が第一筒状部の側壁部外面を取り囲んで旋回しながら縮径部を軸方向前端側に向かって流れることにより、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、第一側ガス入口から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。

なお、本発明において「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。

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、その後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。

そして、本発明の第二側ガス入口は、第一筒状部の縮径部と対向する位置に配置することができる。第二筒状部の側壁部において、縮径部に対向する位置に第二側ガス入口が形成され、第二側ガス入口から流入する被測定ガスが縮径部の側壁部外面を取り囲んで旋回しながら軸方向前端側に向かって流れるようになっている。この構成では、第二側ガス入口と縮径部とが対向して配置され、縮径部を取り囲んで旋回しながら軸方向前端側に向かって流れる被測定ガスの流速が高められるので、第一側ガス出口側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。

なお、本発明の第二側ガス入口は、第一筒状部の縮径部の前端よりも軸方向前端寄りの位置に配置されていてもよい。この場合には、第二側ガス入口を含む軸直交断面においては、第二側ガス入口に対応する第一筒状部（縮径部）が存在しなくなるので、第二側ガス入口の開口幅を広く設定して、被測定ガスの交換速度（流通量）を増大することができ、センサ応答特性を大幅に改善することが可能となる。

さらに、本発明の第二筒状部の前端面に第二側ガス出口を形成するときは、第一筒状部の側壁部外面を取り囲んで旋回しながら軸方向前端側に向かって流れる被測定ガス流を第二側ガス出口からスムーズに排出することができ、安定したセンサ応答特性が確保される。

また、軸直交断面において、本発明の第二筒状部の第二側ガス出口は、第一筒状部の前端面に形成される第一側ガス出口に対して径方向に離間して位置させることができる。仮に被測定ガス中の水滴・油滴等が第二側ガス出口から侵入した場合でも、第一側ガス出口は第二側ガス出口と軸直交断面において重なっていないので、第一側ガス出口を通ってさらに内部の検出部に侵入する恐れは少なく、検出部に対する保護機能が発揮される。

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、前端側の検出部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ＥＧに晒される。なお、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（あるいは前端側）」、これと反対側を「後方側（あるいは後端側）」として説明を行う。

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２１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。

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、Ｐｔ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。

一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２３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２１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Ａｌ_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。

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、前端側の検出部Ｄが、排気管に固定される主体金具３の前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３２により封着されている。

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、外筒１８の後端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の前端側は、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。

主体金具３の前端には、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とを有し、略同軸状に配置され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、該側壁部の軸方向前端側にテーパ状の縮径部６ｔが形成され、その縮径部６ｔの前端面中心部に第一ガス出口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の前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、後述の第一側爪状部６ｂ３を形成した孔を４個含む後方側の孔の組６０と、円状開口形態の孔を４個含む前方側の孔の組６１とが、本体部６ｓの軸線方向において２列形成されている。

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、その前端が第一筒状部６ｂの前端よりも前方側に位置している。第二筒状部６ａの前端面には所定のピッチ円上に等間隔で配置された複数個（本実施例では４個）の第二側ガス出口６４が形成されている。この第二側ガス出口６４のそれぞれは、第一筒状部６ｂの前端面中心部に形成された第一側ガス出口６２とは、軸直交断面において互いに径方向に離間して位置している。第一側ガス出口６２と第二側ガス出口６４とをこのように配置することによって、中心部に形成された第一側ガス出口６２からの被測定ガスＥＧの排出に支障を来すこともなく、第二側ガス出口６４から侵入した被測定ガスＥＧ中の水滴・油滴等が、第一側ガス出口６２を通って内部の検出部Ｄに侵入する恐れが減少する。

さらに、第二筒状６ａは前端に底部６ｆが形成される円筒状に形成され、その側壁部前端寄りであって第一筒状部６ｂを構成する縮径部６ｔに対応する位置に、周方向ほぼ等間隔で第二側ガス入口６３が複数個（本実施例では６個）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向かい合うことのない位置関係にある。これにより被測定ガス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。

なお、第一側ガス入口を形成する２列の孔の組６０，６１のうち、前方側のもの（６１）が検出部Ｄよりも軸線方向前端側で、かつ第二側ガス入口６３よりも軸線方向後端側に位置し、後方側のもの（６０）は検出部Ｄを取り囲むような形態で位置している。ところで排気ガス流ＥＧ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。しかし、このような排気ガス流ＥＧが孔列６０あるいは６１を通して第一筒状部６ｂ内に入り込むことがあったとしても、孔列６１から入り込むものは、そのままガス流に乗って第一側ガス出口６２から排出される確率が高く、水滴や被毒物質が分散されることになり検出部Ｄの保護機能を高めることができるようになる。

次に、図１に示すように、主体金具３の取付ネジ部３ａよりも前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の前端面には、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、その後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６ｇ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。

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ＥＧに晒されると、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５（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。

再び図３に戻り、第二筒状部６ａの側壁部において、湾曲した形状（一方の基端部６ａ０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６ａ０’へ至る形状）の切れ目（第二側切れ目）６ａ２を、カッター切断、金型打抜等により作成し、この切れ目６ａ２により生ずる第二側爪状部６ａ３を径方向内側に折り曲げて第二側ガイド体となし、同時に第二筒状部の側壁部に第二側ガス入口６３が形成される。第二側ガス入口６３を含む軸直交断面（図３（ｂ））において、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが、第二側ガス入口６３の開口に向かって凸形態の曲面で構成され、第二側ガス導入線Ｌは、第一筒状部６ｂの側壁部外面（側壁部外形線）Ｌｂよりも径方向外側に離間して位置している。

一方、第一筒状部６ｂの側壁部においても、湾曲した形状（一方の基端部６ｂ０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６ｂ０’へ至る形状）の切れ目（第一側切れ目）６ｂ２を、カッター切断、金型打抜等により作成し、この第一側切れ目６ｂ２により生ずる第一側爪状部６ｂ３を径方向内側に折り曲げて第一側ガイド体となし、第一側ガス入口６０，６１の内、後方側の孔の組６０が形成される。第一側ガス入口６０を含む軸直交断面（図３（ｃ））において、第一側爪状部６ｂ３のガス導入面Ｓ’が、第一側ガス入口６０の開口に向かって凸形態の曲面で構成され、第一側ガス導入線Ｌ’は、検出部Ｄの外面よりも径方向外側に離間して位置している。

ここで、プロテクタ６内での排気ガスＥＧの流れについて言及する。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の外面に沿って後端側から前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６０，６１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、第二側ガス入口６３から導入される排気ガス流ＥＧは、第二側爪状部６ａ３により旋回流を生じ、この旋回流は第一筒状部６ｂの縮径部６ｔを取り囲むように流れて、第二側ガス出口６４から流出することになる。この旋回流の発生により、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。

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ＥＧは、第一側爪状部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検出部Ｄを取り囲むように均一な排気ガス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、第一側爪状部６ｂ３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い。さらに、検出部Ｄを取り囲む旋回流により、第一筒状部６ｂ内側へ水滴・油滴等が侵入した場合にも検出部Ｄに直接接触しにくくなり、検出部Ｄに対する保護機能に優れる。

このような排気ガス流ＥＧが形成される結果、プロテクタ６の軸線周りにおいてどのような角度で排気ガス流ＥＧが当たっても、検出部Ｄに対しては略等方的に排気ガスＥＧが供給されるので、排気ガス流ＥＧ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排気ガス流ＥＧ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る。

なお、第二側又は第一側切れ目６ａ２，６ｂ２の形状をＵ字状、コ字状等に適宜変更できる。また、これらの切れ目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。さらに、第一側爪状部６ｂ３は、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に加えて、あるいはその孔６０に代えて、検出部Ｄの前端よりも軸線方向前端側に位置する組の孔６１に形成してもよい。

ここで、第二側ガイド体（第二側爪状部６ａ３）のガス導入面Ｓと第二側ガス導入線Ｌについて、図３（ｂ）の拡大図である図４により説明する。本明細書において第二側ガス導入線Ｌは、「第二側ガス入口６３を含む軸直交断面において、第二側爪状部６ａ３（第二側ガイド体）のガス導入面Ｓの排気ガスＥＧ（被測定ガス）導入方向への延長線」と定義される。ところでこの第二側ガス導入線Ｌは、「第二側ガス入口６３を含む軸直交断面において、第二側ガス入口６３を通り第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓに沿って第一筒状部６ｂと第二筒状部６ａとの間に流入する排気ガスＥＧが描く軌跡」と言い換えることができる。

そして図４において、第二側ガス導入線Ｌは次の２つの方法により表現されている。
（１）第二側ガス導入線Ｌは、第二側ガス入口６３を含む軸直交断面において、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓの先端Ｐ１における接線Ｌ１（以下、接線Ｌ１という）で表される。
（２）第二側ガス導入線Ｌは、第二側ガス入口６３を含む軸直交断面において、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓの基部が第二筒状部６ａの側壁部外面Ｌａと接する点Ｐ２と、ガス導入面Ｓの先端Ｐ１とを結ぶ直線Ｌ２（以下、直線Ｌ２という）で表される。

図４では第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが複数の曲面で構成されているので、接線Ｌ１と直線Ｌ２とは異なる線で表されるが、仮に第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが単一の平面（軸直交断面図上では単一の直線）で構成されるときは、図４上で接線Ｌ１と直線Ｌ２とは一致することになる。一般的に直線Ｌ２は、排気ガスＥＧの入口方向線と出口方向線の平均として表される（このうちの出口方向線が接線Ｌ１に該当する）ので、直線Ｌ２は、接線Ｌ１に比べて第一筒状部６ｂの側壁部外面Ｌｂよりも径方向のより外側に離間して（つまり第二筒状部６ａの側壁部内面により近づいて）位置する場合が多い。

いずれにしても、図４に見る通り、第二側ガス導入線Ｌ（接線Ｌ１又は直線Ｌ２）は、第一筒状部６ｂの側壁部外面Ｌｂよりも径方向外側に離間して位置している。このことは、次のような機能を果たしている。すなわち、第二側ガス導入線Ｌ（接線Ｌ１又は直線Ｌ２）が第一筒状部６ｂの側壁部外面Ｌｂに接したり交差したりしないので、第一筒状部６ｂの側壁部外面を取り囲む旋回流に伴い発生する遠心力により、相対的に重い水滴・油滴等ＷＤは第二筒状部６ａの側壁部内面に押し付けられ壁面に沿って流下し、一方残りの相対的に軽いガス分は水滴・油滴等ＷＤとは分離されて第一筒状部６ｂの内側（検出部Ｄ）へ導入され（遠心分離作用）、排気ガスＥＧ中の水滴・油滴等ＷＤのプロテクタ６内部への侵入を効果的に防止し得る。また、第二側ガス導入線Ｌ（接線Ｌ１又は直線Ｌ２）が第一筒状部６ｂの側壁部外面Ｌｂに接したり交差したりしないので、排気ガスＥＧ中の水分が第一筒状部６ｂの側壁部外表面で凝縮しにくく、凝縮水のプロテクタ６内部への侵入を防止し得る。これらの諸作用によって、検出部Ｄに対する保護機能が強化される。

図５に、第二側ガイド体（第二側爪状部６ａ３）の軸直交断面形状を例示する。図５（ａ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが単一の平面（軸直交断面図上では単一の直線）で構成される場合には、接線Ｌ１と直線Ｌ２とは一致することになる。次に、図５（ｂ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが球面弧等の単一の曲面（軸直交断面図上では円弧等の単一の曲線）で構成される場合には、直線Ｌ２が接線Ｌ１よりも径方向外側へ開く形態となる。

さらに、図５（ｃ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが先端ほど径方向内側に折れ曲がる複数の平面（軸直交断面図上では複数の直線）又は複数の曲面（軸直交断面図上では複数の曲線）で構成される場合も、直線Ｌ２が接線Ｌ１よりも径方向外側へ開く形態となる。ただし、第二側切れ目６ａ２を作成するカッターの形状等によっては、図５（ｄ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓは、先端部のみが径方向内側に急激に折れ曲がるような、複数の平面又は複数の曲面で構成される場合がある。このような場合において、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓ上にある水滴・油滴等ＷＤが、排気ガスＥＧとともに現在乗っているガス導入面Ｓの延長線上を吹き飛ばされる状況であれば、先端折れ曲がり部６ａ３’はガス導入面Ｓとして考慮しなくてもよい。

また、図５（ｅ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓが途中から先端ほど径方向外側に折れ曲がる複数の平面（軸直交断面図上では複数の直線）又は複数の曲面（軸直交断面図上では複数の曲線）で構成される場合には、接線Ｌ１が直線Ｌ２よりも径方向外側へ開く形態となる。ただし、第二側切れ目６ａ２を作成するカッターの形状等によっては、図５（ｆ）のように第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓは、先端部のみが径方向外側に急激に折れ曲がったりバリとして突出するような、複数の平面又は複数の曲面で構成される場合がある。このような場合において、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓ上にある水滴・油滴等ＷＤが、排気ガスＥＧとともに現在乗っているガス導入面Ｓの延長線上を吹き飛ばされる状況であれば、先端折れ曲がり部又はバリ部分６ａ３”はガス導入面Ｓとして考慮しなくてもよい。

以上第二側ガイド体（第二側爪状部６ａ３）の形状について図５により説明したが、実際の第二側爪状部６ａ３はさらに複雑な形状を呈する場合があり、また第二筒状部６ａの側壁部外面Ｌａが真円でない場合もある。特に、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓの先端Ｐ１（以下、先端Ｐ１という）及び／又は、第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓの基部が第二筒状部６ａの側壁部外面Ｌａと接する点Ｐ２（以下、接点Ｐ２という）を定めにくいときには、接線Ｌ１や直線Ｌ２が引けなくなるケースも想定される。そこでこのようなときには、例えば以下に述べる円近似によって先端Ｐ１及び接点Ｐ２を求めることができる。

図１１において、第二筒状部６ａの側壁部外面Ｌａに最も近似したサーチ円Ｃ（例えば側壁部外面Ｌａの外接円を選定でき、サーチ円中心をＯ、サーチ円半径をＲとする）を描き、この側壁部外面Ｌａとガス導入面Ｓの基部との接近位置において、ガス導入面Ｓ上でサーチ円半径Ｒの例えば９８％をもって接点Ｐ２と定めることができる。一方、第二側爪状部６ａ３の先端にバリ部分６ａ３”が径方向外側に向けて突出形成されている場合、バリ部分６ａ３”の基部とガス導入面Ｓとの結合部を先端Ｐ１と定めることができる。したがって、先端Ｐ１を通る接線Ｌ１と、先端Ｐ１と接点Ｐ２とを結ぶ直線Ｌ２とがそれぞれ求められる。

以下、プロテクタ６の参考例について説明する。なお、図３の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。

まず、図６はプロテクタ６の第一参考例を示している。図６の参考例では、第二筒状部６ａの側壁部に８個の第二側ガス入口６３が周方向に略等間隔で形成されている。各第二側ガス入口６３に形成される第二側爪状部６ａ３のガス導入面Ｓは図３の実施例に比べて平坦な形状を有している（ただし平面ではなく、緩やかな曲面で構成される）ので、ガス導入線Ｌは第一筒状部６ｂの側壁部外面Ｌｂに対して図３よりもさらに径方向外側に離間して位置している。したがって、旋回流に伴い発生する遠心力がより大きくなり水滴・油滴等が素早く分離され、また被測定ガスＥＧ中の水分が第一筒状部６ｂの側壁部外表面で一層凝縮しにくくなる。なお、図６の参考例では第一側ガス入口の内、前方側の孔の組６１は省略されているので、この孔の組６１から第一筒状部６ｂの内部に流れ込む被測定ガスＥＧの流れはない。

次に、図７はプロテクタ６の第二参考例を示している。図７の参考例では、第二側ガス入口６３が第一筒状部６ｂの縮径部６ｔの前端よりも軸方向前端寄りの位置に形成されているので、図７（ｂ）で表される第二側ガス入口６３を含む軸直交断面において、第二側ガス入口６３に対応する第一筒状部６ｂ（縮径部６ｔ）が存在しなくなる。そこで第二側爪状部６ａ３を図３の実施例よりも径方向内側へ大きく折り曲げて、ガス導入線Ｌがプロテクタ６の軸心近くを通るように設定できる。その結果、第二側ガス入口６３の開口幅が広くなり、被測定ガスＥＧの交換速度（流通量）が増大する。

また、図８及び図９にプロテクタ６のその他のいくつかの参考例を示す。なお、図３の実施例と共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。

図８（ａ）のプロテクタ６においては、縮径部６ｔ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６ｔ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８（ａ）においては、周方向の段部６ｈにより第一筒状部６ｂの前端側を径小とし、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の後端部は主体金具３の径小部３ｂに嵌め込まれている。そして、第二筒状部６ａの後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。

図８（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（後端側に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。

また、図８（ｃ）では、第二筒状部６ａの外側においてその後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８（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。

図８（ｅ）は、第二側ガス入口６３の周縁に沿って第二筒状部６ａの側壁部内面から内向きに突出する形態で、気流ガイド６ｗ（ガイド体）を形成した例を示している。これにより、排気ガスＥＧを第一筒状部６ｂと第二筒状部６ａとの間に導入し、かつ縮径部６ｔの周囲を回る旋回流を発生させることができ、プロテクタ６内での排気ガスＥＧの流れが乱れにくくなり、センサ１の応答性が排気ガス流ＥＧの方向の影響を一層受けにくくなる。

図８（ｆ）は、第二筒状部６ａの前端側にも縮径部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の応答性が排気ガス流ＥＧの方向の影響を一層受けにくくなる。

また、図９（ｇ）に示すように、第一筒状部６ｂの縮径部６ｔの前端側に、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９（ｈ）に示すように、軸断面を多角形状に形成してもよい。

また、図９（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６ｔとしてもよい。なお、縮径部６ｔは、図９（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９（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９（ｋ）のように第一筒状部６ｂの縮径部６ｔの前端側を、第二筒状部６ａの底部６ｆ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は、縮径部６ｔの外面と底部６ｆの開口内縁との間に環状に形成される。

さらに、図９（ｌ）の参考例では、第一筒状部６ｂの先端部外径が本体部６ｓ外径と同径に形成されている。また、第一側ガス入口は３列の孔の組６０，６１ａ，６１ｂから構成され、このうち後方側のもの（６０）は検出部Ｄに対向する形態で配置されている。そして、前方側の孔の組は、第二側ガス入口６３に対向する形態で配置されるもの（６１ａ）と、上記２つの孔の組（６０）（６１ａ）の中間部に配置されるもの（６１ｂ）とで構成される。

なお、図８（ａ）の参考例において、前後２列の第二側ガス入口６３ａ，６３ｂのうち少なくとも一方望ましくは両方に、前述の第二側切れ目６ａ２及び第二側爪状部６ａ３（ガイド体）が図３と同様に形成されているが、図示を省略した。また、図８（ｂ）〜図８（ｄ）、図８（ｆ）、図９（ｇ）及び図９（ｉ）〜図９（ｋ）の各参考例においても、第二側ガス入口６３に第二側切れ目６ａ２及び第二側爪状部６ａ３（ガイド体）が図３と同様に形成されているが、いずれも図示を省略した。

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。

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。 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１のプロテクタの構造の詳細を示す部分縦断面図、Ｘ−Ｘ軸断面図及びＹ−Ｙ軸断面図。 第二側ガイド体の作用を示す図３（ｂ）の拡大説明図。 第二側ガイド体の形状を示す説明図。 プロテクタの第一参考例を示す部分縦断面図、Ｘ−Ｘ軸断面図及びＹ−Ｙ軸断面図。 プロテクタの第二参考例を示す部分縦断面図、Ｘ−Ｘ軸断面図及びＹ−Ｙ軸断面図。 プロテクタの他のいくつかの参考例を示す縦断面図。 プロテクタの別のいくつかの参考例を示す縦断面図（（ｅ）〜（ｇ），（ｉ）〜（ｌ））及び軸断面図（（ｈ））。 従来のプロテクタの構造を示す断面図。 円近似による先端Ｐ１及び接点Ｐ２を求める方法を例示する説明図。

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
６ プロテクタ
６ａ 第二筒状部
６ａ２ 第二側切れ目（切れ目）
６ａ３ 第二側爪状部（第二側ガイド体）
６ｂ 第一筒状部
６ｂ２ 第一側切れ目（切れ目）
６ｂ３ 第一側爪状部（第一側ガイド体）
６ｓ 本体部
６ｔ 縮径部
６０，６１，６１ａ，６１ｂ 第一側ガス入口
６２ 第一側ガス出口
６３，６３ａ，６３ｂ 第二側ガス入口
６４ 第二側ガス出口
ＥＧ 排気ガス（被測定ガス）
Ｓ，Ｓ’ ガス導入面
Ｌ 第二側ガス導入線
Ｌ’ 第一側ガス導入線
Ｌ１ 第二側ガイド体のガス導入面の先端における接線
Ｌ２ 第二側ガイド体のガス導入面の基部が第二筒状部の側壁部外面と接する点と、ガス導入面の先端とを結ぶ直線
Ｌａ 第二筒状部の側壁部外面
Ｌｂ 第一筒状部の側壁部外面
Ｐ１ 第二側ガイド体のガス導入面の先端
Ｐ２ 第二側ガイド体のガス導入面の基部が第二筒状部の側壁部外面と接する点

Claims (11)

1. 検出素子の前端側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略同軸状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に第一側ガス入口が周方向に沿って複数形成され、該第一側ガス入口には、被測定ガスを前記検出部と前記第一筒状部との間に導入し、かつ前記検出部を取り囲む旋回流を発生させるための第一側ガイド体が配置され、前記第一側ガス入口を含む軸直交断面において、前記第一側ガイド体のガス導入面の前記被測定ガス導入方向への延長線（以下、第一側ガス導入線という）が、前記検出部の外面よりも径方向外側に離間して位置しているとともに、
   前記第二筒状部の側壁部であって前記第一側ガス入口よりも軸方向前端側に第二側ガス入口が形成され、該第二側ガス入口には、被測定ガスを前記第一筒状部と前記第二筒状部との間に導入し、かつ前記第一筒状部の側壁部外面を取り囲む旋回流を発生させるための第二側ガイド体が配置されたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第一側ガイド体は、前記第一筒状部の側壁部から径方向内側に向けて一体的に延出されている請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記第一側ガイド体は、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、この切れ目により生ずる爪状部を径方向内側に折り曲げることで構成されている請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 前記第二側ガイド体は、前記第二筒状部の側壁部から径方向内側に向けて一体的に延出されている請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記第二側ガス入口を含む軸直交断面において、前記第二側ガイド体のガス導入面の前記被測定ガス導入方向への延長線（以下、第二側ガス導入線という）が、前記第一筒状部の側壁部外面よりも径方向外側に離間して位置している請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記第二側ガス入口を含む軸直交断面において、前記第二側ガス導入線が前記第一筒状部の側壁部外面よりも径方向外側に離間して位置するように、前記第一筒状部の前端側の側壁部が、軸方向前端側ほど小径となる縮径部に形成されている請求項５記載のガスセンサ。
7. 前記第一筒状部の前端側の側壁部には、軸方向前端側ほど小径となる縮径部が形成されるとともに、前記第一筒状部の前端面に第一側ガス出口が形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のガスセンサ。
8. 前記第二側ガス入口は、前記第一筒状部の前記縮径部と対向する位置に配置されている請求項７記載のガスセンサ。
9. 前記第二側ガス入口は、前記第一筒状部の前記縮径部の前端よりも軸方向前端寄りの位置に配置されている請求項７記載のガスセンサ。
10. 前記第二筒状部の前端面に第二側ガス出口が形成されている請求項１ないし９のいずれかに記載のガスセンサ。
11. 軸直交断面において、前記第二筒状部の前記第二側ガス出口は、前記第一筒状部の前端面に形成される第一側ガス出口に対して径方向に離間して位置している請求項１０記載のガスセンサ。

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