JP2012118056A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出素子が被水することを抑制しつつ、プロテクタの底部に設けた開口に目詰まりが生じる事を抑制する。
【解決手段】プロテクタの底部の一部を先端側に向かってドーム状に突出するように形成し、吸気通路の下流側を向くよう第２開口に配置し、プロテクタの先端側に向けて開口する面積を小さくすることで、プロテクタの底部に設けられた第２開口を通じてプロテクタの内部に水分等が侵入する事を抑制する。そして、第２開口の開口面積をプロテクタの筒部に形成された第１開口に応じて相対的に大きくすることで、第２開口が煤により目詰まりを起こす事を抑制する。
【選択図】図４

Description

本発明は、外部から内燃機関内に吸入される吸気ガスが流れる吸気ガス通路や、内燃機関の汚染物質排出の削減のために、排気ガスを再循環させる吸気再循環ガスが流れる吸気再循環ガス通路といった吸気通路に配置されるガスセンサに関するものである。

従来、外部から内燃機関に吸入される吸気ガス（大気）の酸素濃度を検出するために、内燃機関の吸気ガス通路にガスセンサを配設して、検出した酸素濃度を内燃機関の運転制御に用いることによって、内燃機関の空燃比制御の精度などを向上させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。
また、近年、内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯx）を減少させる目的で、排気ガスを再度吸気システムに導入させる技術（以下、排ガス再循環またはＥＧＲシステムという）が知られている（例えば、特許文献２を参照）。このようなＥＧＲシステムの排気ガスと吸気ガスとが混ざり合った吸気再循環ガスの酸素濃度を検出するために、吸気再循環ガス通路にガスセンサを配設することも知られている。

吸気ガス通路や吸気再循環ガス通路といった吸気通路に取り付けられるガスセンサとして、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（例えば、特許文献３参照）。このガスセンサは、吸気ガスや吸気再循環ガスといった高温のガスに晒される一方、ガスに含まれる水分が付着（被水）するため、検出素子が熱衝撃を受け、クラックや割れが生ずる虞がある。そこで、ガスセンサに検出素子を覆うプロテクタが装着され、検出素子を被水から保護している。さらには、吸気通路側に流れるガスは排気通路側に流れるガスに比べて、煤（カーボン）が多く含まれているが、プロテクタを装着することで、検出素子に煤が付着することも防止でき、検出素子の検出精度が低下することを防止できる。

また、プロテクタを内側プロテクタと外側プロテクタとの二重構造にした上で、プロテクタの内部に吸気ガスを導入するための外側ガス導入部を外側プロテクタの筒状部側面に設け、プロテクタの内部から吸気ガスを導出するための外側ガス導出部を外側プロテクタの底部（先端面）に配置したガスセンサが知られている（例えば、特許文献４）。これにより、外側ガス導入部の目詰まりを考慮して外側ガス導入部を相対的に大きくしても、内側プロテクタの内壁部分に煤が付着することとなり、検出素子に煤が付着する事を抑制できる。その結果、外側ガス導入部の目詰まりを抑制（検出素子の検出精度の低下を抑制）しつつ、検出素子に割れやクラックが発生することも抑制できる。
特開２００５−６１４２０号公報 特開２００６−２７６１号公報 特開平１０−２９３１１３号公報 国際公開第２０１０／０５０１４６号

ところで、内燃機関の吸気通路に配置されるガスセンサにおいて、ガス導出部（開口）が相対的に小さいと、煤がプロテクタのガス導出部を塞いで目詰まりを生じ、検出素子の検出精度の低下を引き起こしてしまう。しかしながら、ガス導出部は被測定ガスを速やかに交換するためにはプロテクタの先端（底部）に設ける必要があるため、ガス導出部を相対的に大きくすると、ガス導出孔からプロテクタ内部へと水が浸入して検出素子が被水し、検出素子にクラックや割れが生じる虞がある。

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、検出素子が被水することを抑制しつつプロテクタの底部に設けられた開口に目詰まりが生じるのを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端側に被測定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、前記検出部を径方向外側から取り囲む筒部と、該筒部の先端側に連結される底部とを有し、前記筒部には内燃機関の吸気通路の下流側を向くように配置されて前記筒部に前記被測定ガスの流通を許容する第１開口が設けられると共に、前記底部には前記被測定ガスを流通させる第２開口が設けられたプロテクタと、を備え、前記内燃機関の前記吸気通路に配置されるガスセンサであって、前記底部は、第１底壁部と第２底壁部を含み、前記第２底壁部は、軸線方向先端側に向かって突出すると共に、自身の内面の少なくとも一部が、前記第１底壁部の外面よりも軸線方向先端側に位置し、前記第２底壁部の内面によって形成される連通路には、前記筒部の内部空間と反対側に、前記吸気通路の下流側を向く前記第２開口が設けられており、前記第２開口の開口面積が、前記第１開口を前記筒部の中心軸線に直交する向きに平面視したときの当該第１開口に内接可能な最も大きい仮想円の面積よりも大きくなるように、前記連通部が形成されていることを特徴とする。

このようなガスセンサによれば、プロテクタの先端側に位置する底部に第２開口が形成されているので、被測定ガスは第２開口を通じてプロテクタ内部から外部へと速やかに導出され、応答性の低下を抑制できる。
そして、底部の一部である第２底壁部を先端側へ突出させ、第２底壁部の内面によって筒部の内部空間とプロテクタの外部とを接続する連通路を形成する。そして、連通路の筒部の内部空間と反対側には、第１底壁部及び第２底壁部の端縁の一部によってなる開口である第２開口が形成されており、第２開口は吸気通路の下流側を向いている。このような構成とすることにより、吸気通路の上流側又はプロテクタの側面方向から飛んでくる水分又はオイル等が、プロテクタの内部空間へと侵入する事を抑制できる。
従って、第２開口を相対的に大きくしても、第２開口からの水分等の浸入を抑制できるため、第２開口を煤による目詰まりを抑制できる程度の相対的に大きな開口とすることができる。そこで、第２開口の開口面積を、第１開口を筒部の中心軸線に直交する向きから平面視したときに第１開口に内接可能な最も大きい仮想円の面積よりも、大きくすることで、煤による第２開口の目詰まりを防止できる。

なお本発明のように、筒部に吸気通路の下流側を向く第１開口を、底部に第２開口を設けたプロテクタにおいては、プロテクタ内部を流通する被測定ガスの大部分は、第１開口を通じてプロテクタの内部へと導入され、連通路及び第２開口を通じてプロテクタの外部へと導出される。そのため、プロテクタ内部に侵入する煤の量は第１開口の大きさに比例するため、第２開口（ガス導出部）の開口面積を第１開口（ガス導入部）にあわせて設定することで、煤による目詰まりを抑制できる。

つまり本発明では、被水等に起因する検出素子のクラックや割れを抑制しつつ、被測定ガスを速やかに交換でき且つ煤による第２開口の目詰まりを抑制することにより、検出素子の検出精度が低下することを抑制することができる。

なお本発明において、「第１開口に内接可能な最も大きい仮想円」を考える際には、具体的には、「第１開口をプロテクタの外部から平面視したときに、開口面積が最も大きく見える方向」から見れば良い。同様に、第２開口の開口面積及び形状を考える際にも、「第２開口をプロテクタの外部から平面視したときに、開口面積が最も大きく見える方向」から見れば良い。
また、第１開口及び第２開口が、「吸気通路の下流側を向く」とは、ガスセンサを吸気通路に配置し、吸気通路の下流側からガスセンサを目視したときに、各開口が目視できることを指す。
また、吸気通路の上流側からガスセンサを目視した際には、第２開口は第２底壁部の外面により、遮蔽されてなる（目視できない構成となる）。

さらに、前記第２底壁部のうち前記第２開口の端縁から最も離間した第１端部と、前記第１底壁部との、前記プロテクタの径方向における距離の最小値Ｌ１と、前記第１端部と、前記第２底壁部のうち前記第２開口の端縁との、前記プロテクタの径方向における距離の最小値Ｌ２とが、Ｌ２／Ｌ１≧０．５の関係を満たすことが好ましい。

このように第２開口を形成することで、底部側からプロテクタの中心軸線に沿ってガスセンサを見たときに、視認できるプロテクタの内部空間のプロテクタの径方向の距離が、従来のようにプロテクタの中心軸線に沿って第２開口を形成した時に比べて半分以下となる。そのため、より効果的にガスセンサの内部への水分等の浸入を抑制でき、検出素子のクラックや割れを更に効果的に抑制できる。

より好ましくは、Ｌ２／Ｌ１≧１．０の関係を満たすとよい。

このように第２開口を形成することで、先端側からプロテクタの中心軸線に沿ってガスセンサを見たときに、第２開口及びプロテクタの内部空間が視認不能となる。従って、先端側からプロテクタの中心軸線に沿ってプロテクタに水がかかっても、プロテクタ内部への水分の侵入の虞が殆ど無い。そのため、より効果的にガスセンサの内部への水分等の浸入を抑制でき、検出素子のクラックや割れを更に効果的に抑制できる。

また、前記第２開口は、前記仮想円が全て内包される大きさを有してなることが好ましい。他にも、前記第２開口のアスペクト比は、５以下であることや、前記第２開口は、１つだけ設けられているという条件を満たしている事が望ましい。

何故ならば、第２開口の煤による目詰まりは、開口の面積にも関係するが、煤は開口の周縁部から堆積を開始して開口を塞ぎ始めるため、その形状にも関係がある。例えば、開口面積の総和が同一でも、多くの相対的に小さな開口であるよりは、少数の相対的に大きな開口であるほうが、煤の目詰まりは生じにくい。同様に、開口面積が同一でも、スリット状の開口よりは、円形や正方形に近い形状の開口であるほうが、煤の目詰まりは生じにくい。従って、上述のように第２開口を形成することで、煤の目詰まりをより効果的に抑制できる。

なお、第２開口の「アスペクト比」とは、第２開口の投影図を見たときに、最も長い開口の寸法と、最も長い開口に直交する方向における最も長い開口の寸法との比を指す。

また、前記プロテクタの少なくとも一部の温度が２８０℃以上６００℃以下であるときに、本発明はより効果を奏する。

第１開口からプロテクタの内部に煤や水分，オイル等が侵入して、プロテクタの内部に付着する。このとき、プロテクタが６００℃以下であると付着した煤は燃焼（焼失）しにくいが、プロテクタが２８０℃以上だと付着した水分やオイル等は蒸発しやすい状態となり、プロテクタの内側に付着した煤も乾燥した状態となる。その結果、煤がプロテクタの内側から剥れやすい状態となり、剥れた煤は主に第２開口からプロテクタの外部へと排出される。

この時、一度プロテクタの内側に付着した水分や煤が、検出素子に導入するガスに再度含まれないようにすることができ、検出素子に水分や煤が付着することを抑制できるが、第２開口に目詰まりが生じる頻度が若干上がる。そのようなガスセンサにおいても本発明の構成であれば、第２開口の目詰まりを抑制できる。なお、煤の燃焼する温度は、被測定ガス中の酸素濃度や水分、煤の量などにも左右されるが、一般に６００℃以上であると燃焼しやすい。

なお「プロテクタの少なくとも一部の温度が２８０℃以上６００℃以下である」とは、ガスセンサを吸気通路に取り付けて、ガスセンサが被測定ガス中の特定ガス成分を検出しているときに、プロテクタの任意の位置の温度が２８０℃以上６００℃以下となっていることを指す。必ずしもプロテクタの全体が２８０℃以上６００℃以下であることを必要としない。また、プロテクタは、被測定ガスに晒されることで、２８０℃以上６００℃以下となるようにしていてもよいし、検出部を加熱するヒータを備えるガスセンサであればヒータによる加熱でプロテクタを２８０℃以上６００℃以下に加熱しても良い。また、プロテクタの温度は、熱電対や放射温度計にて測定することができる。

本発明により、プロテクタの底部に設けられた第２開口の煤による目詰まりを抑制しつつ、検出素子の被水による割れやクラックを抑制可能なガスセンサを提供できる。

本実施形態のガスセンサ１の部分断面図を示す。 本実施形態のガスセンサ１を吸気通路２に取り付けた図を示す。 図１に示すガスセンサ１のＡ−Ａ断面図を示す。 本実施形態の外側プロテクタ１１０の斜視図を示す。 本実施形態の外側プロテクタ１１０を吸気通路２の下流側から見た時の正面図を示す。 本実施形態の外側プロテクタ１１０の断面図を示す。 本実施形態の内側プロテクタ１２０の斜視図を示す。 変形例における外側プロテクタ１１１を示す。 変形例における外側プロテクタ１１２、１１３の断面図を示す。 従来例における外側プロテクタ５００の斜視図を示す。 プロテクタ先端部の被水量に与える影響を調べた評価実験を説明するための図及び実験結果を示す。

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の部分断面図であり、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の後端側として説明する。なお、本実施例では、検出素子１０の伸びる軸線方向と、プロテクタ１００の中心軸線が同一である。

なお、ガスセンサ１は、図２に示すように内燃機関の吸気通路２に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の検出部１１が吸気通路２を流通する吸気ガスや吸気再循環ガス等の被測定ガス中に晒されて、その被測定ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。なお、図２の矢印は吸気通路２内の被測定ガスの流れを示し、後述する「吸気通路の下流側」とは、図２の右側のことを指す。

検出素子１０は公知にあるような軸線Ｏ方向に延びる短冊状をなし、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。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の先端側に形成された検出部１１に配置されている。そして、検出電極を被測定ガス中に含まれる被毒物質から保護するため、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。他方、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。また、検出素子１０は、図１に示すような略角柱状をなす積層体ではなく、有底筒状に形成されていても良い。

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を自動車の吸気通路２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や通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、吸気通路２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。

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。

そして外筒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。

次に、本発明の主要部であるプロテクタ１００について説明する。
このプロテクタ１００は、検出素子１０の検出部１１を取り囲むように主体金具５０の先端係合部５６に固定されている。プロテクタ１００により、被測定ガス中の煤や水分，オイル等が検出素子１０に付着することを防止している。図１に示すプロテクタ１００の構造について、図３〜図７を参照して詳細に説明する。

プロテクタ１００は、図１、図３に示すように、検出素子１０の検知部１１と間隙をおいて配置された内側プロテクタ１２０と、内側プロテクタ１２０と間隙をおいて配置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。

外側プロテクタ１１０は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成され、図１、４に示すように、軸線方向に延びて検出素子１０を径方向外側から取り囲む略筒状の外側筒部１３０と、外側筒部１３０よりも軸線方向後端側に配置されると共に外側筒部１３０よりも外径が拡径された外側基端部１３１と、外側筒部１３０の軸線方向先端に接続されていて且つ検出素子１０を軸線方向先端側から包囲する（覆う）位置に配置される外側底部１３２とを有する。
なお、本実施例における外側筒部１３０と、外側底部１３２とが、それぞれ特許請求の範囲における「筒部」と、「底部」とを指す。

外側基端部１３１は、主体金具５０の先端径合部５６に係合され、レーザ溶接にて主体金具５０と内側プロテクタ１２０とに全周溶接されている。そして、外側筒部１３０は、外側基端部１３１の先端側に円筒状に設けられ、外周面に軸線方向に延びるスリット状の開口である第１開口１４０が１つ設けられている。そして外側底部１３２には、第２開口１５０が設けられている。

図４に示すように、第２開口１５０は、外側底部１３２の一部を軸線方向先端側へドーム状に突出させて開口を設けることで形成されている。本実施例において、外側底部１３２のうち、外側筒部１３０の先端と同位置にある部位が第１底壁部１３２１、第１底壁部１３２１よりも軸線方向先端側へドーム状に突出すると共に自身の内面の少なくとも一部が第１底壁部１３２１の外面よりも軸線方向先端側に位置する部位を第２底壁部１３２２である。なお、第２開口１５０は、第１底壁部１３２１及び第２底壁部１３２２の端縁からなる。

そして、第２底壁部の内面によって、外側筒部１３０の内部空間と、第２開口１５０（及びプロテクタ１００の外部）とを連通する連通路２００が形成される。なお具体的には、第２底壁部１３２２の内面と、第２開口１５０と、第１底壁部１３２１の第２開口１５０を形成する端縁を通るプロテクタの中心軸線と直交する平面と、により形成される領域が、連通路２００である。

図５に示すように、第１開口１４０に内接可能な最も大きい円である仮想円Ｃ（直径Ｒ）が、第２開口１５０にも内接可能であるように、第１開口１４０および第２開口１５０は形成されている。従って、第２開口１５０は第１開口１４０を通じてプロテクタ１００の内部に侵入した煤を、プロテクタ１００の外部へと排出可能な大きさの開口とされているため、第２開口１５０に目詰まりを生じる事を抑制できる。
なお、ここで仮想円Ｃが各開口に内接可能であるとは、各開口の開口面積が最も大きく見える方向から平面視したときに、各開口の領域内に仮想円Ｃが描けることを指す。

図６に、図１に示した外側プロテクタ１１０の断面図を、拡大して示す。第２底壁部のうち第２開口の端縁から最も離間した第１端部と、第１底壁部との、プロテクタの径方向における距離の最小値をＬ１とする。そして第１端部と、第２底壁部のうち第２開口の端縁との、プロテクタの径方向における距離の最小値Ｌ２とし、Ｌ０＝Ｌ２／Ｌ１とする。
このとき、本実施例では、Ｌ０＝１となる。そのため、プロテクタの中心軸線に沿って先端側からガスセンサ１を見たときに、第２開口１５０及びプロテクタ１００の内部空間は目視できない構成となっている。そのため、プロテクタ１００の内部へ水分等が侵入することを効果的に抑制できる。

また、このガスセンサ１は吸気通路２に、外側底部１３２が鉛直方向先端側を向くように配置される。そして、この吸気通路２には被測定ガスが上流から下流に向けて流れており（図２の矢印の方向）、外側プロテクタ１１０の第１開口１４０及び第２開口１５０が、吸気通路２の下流側を向くようにガスセンサ１は取り付けられる。そして、第２開口１５０は、下流側を向くと共に、吸気通路２の上流側から見たときに、前記第２底壁部の外面によって遮蔽されてなる。

このようなプロテクタの内部を流通する被測定ガスは、主に吸気通路２の下流側から巻き込まれて第１開口１４０から外側プロテクタ１１０の内部へと導入され、連通路２００を介して第２開口１５０より外側プロテクタ１１０の外部へと導出される。これに対し、ガスに含まれる煤や水分，オイル等は、吸気通路２内を上流から下流へ流れる被測定ガスに従って上流から下流に流れており、吸気通路２内を下流から上流へ流れることが難しく、外側プロテクタ１１０内に導入されにくくなる。特に、第２底壁部の外面が、吸気通路２の上流側及びプロテクタ１００の側面側から飛んでくる水分等がプロテクタの内部に侵入する事を抑制する。
よって、外部からプロテクタ１００内へ導入される煤や水分，オイル等を減らすことができる。

また、内側プロテクタ１２０は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成され、図１、図３、図７に示すように、内側筒状部１６０と内側筒状部１６０よりも外径が拡径された内側基端部１６１を有する。上述したように、内側基端部１６１は、主体金具５０の先端径合部５６に係合され、外側基端部１３１と共に、レーザ溶接にて主体金具５０と全周溶接されている。他方、内側筒状部１６０は、内側基端部１６１の先端側に半円弧状に設けられており、検出素子１０の検出部１１のうち、ヒータ側を覆っている。内側筒状部１６０の径方向の端部には内側ガス導入部１７０が設けられており、本実施例では、検知部１１の素子側は、内側ガス導入部１７０よりも突出し、外側プロテクタ１１０の内部空間に露出している。さらに、内側筒状部１６０の先端側には内側底部１６２が設けられており、検出素子１０の検出部１１の先端を覆うように設けられている。なお、ガスセンサ１が吸気通路２に配置された時には、内側プロテクタ１１０の内側ガス導入部１７０は吸気通路２の上流側に配置される。但し、本発明において、内側プロテクタ１２０は必ずしも必須の要件ではない。

このように、第２開口１５０を、プロテクタ１００の先端（外側底部１３２）に、吸気通路２の下流側を向くように配置しつつ、プロテクタ１００の先端側から中心軸線に沿って見てもプロテクタ１００の内側が見えないように配置することで、検出素子１０への被水（又はオイルの付着）を抑制できるため、ガス導出孔１５０を相対的に大きく開口させる事が可能となる。具体的には、第２開口１５０の開口面積が最も大きく見える方向から見たときに、第２開口１５０の内側に直径Ｒの仮想円Ｃが描けるような第２開口１５０とすることで、第１開口１４０を通じてプロテクタ１００の内部へと侵入した煤を、第２開口１５０から目詰まりすることなく排出する事ができる。なお、本実施例における第２開口１５０のアスペクト比は、およそ４．２である。

その結果、被水等に起因する検出素子１０のクラックや割れの発生を抑制しつつ、被測定ガスを速やかに交換でき且つ煤によるガス導出孔１５０の目詰まりを抑制できるため、検出素子１０の検出精度が低下することを抑制できる。

また、本実施例におけるプロテクタ１００は、ガスセンサ１が吸気ガス中の特定ガス成分を検出しているとき（ガスセンサ１の実使用時）に、検出素子１０を構成するヒータ体により内側プロテクタ１２０の温度を外側プロテクタ１１０の温度よりも高くなるよう加熱している。具体的には、内側プロテクタ１２０の温度は３５０℃となり、外側プロテクタ１１０の温度は１２０℃となっている。これにより、内側筒状部１６０に付着した水分やオイル等を蒸発させることや、内側筒状部１６０から煤をはがすことができる。内側プロテクタから剥れた煤は、外側プロテクタ１１０の先端側（外側底部１３２）に配置された第２開口１５０よりプロテクタの外部へと排出される。その結果、一度内側プロテクタ１２０（内側筒状部１６０）に付着した水分や煤が、内側ガス導入部１７０から検出素子１０に導入するガスに再度含まれないようにすることができ、検出素子１０に水分や煤が付着することを抑制できる。

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。各種変形例を、図８〜９を用いて説明する。

図８（ａ）は変形例における外側プロテクタ１１１を吸気通路２の下流側から見たときの図を、図８（ｂ）は変形例における外側プロテクタ１１１の縦断面図である。図８に示すように、第１開口１４０がスリット状でなく三角形の形状にしても良いし、図示しないが楕円形状、多角形状、又はＴ字のスリット状等であっても良い。なお、第１開口１４０は一つであることが好ましいが、複数個設けられていてもよい。第１開口１４０がどのように形成されていても、第１開口１４０に内接可能な最大の円である仮想円Ｃ（直径Ｒ）を基準として、第２開口１５０の開口の形状及び寸法を決めればよい。

また、図８に示すように、第２開口１５０は複数個形成されていても良い。本変形例では、第２開口１５０は２つからなる。また、図８の第２開口１５０は、内部に仮想円Ｃが描けるようには形成されていないが、開口面積の総和は仮想円Ｃの面積（πＲ２／４）を超えるように形成されているため、第２開口１５０における煤の目詰まりを抑制する事ができる。なお、図８に示す２つの第２開口１５０のアスペクト比は、共に約１．４である。そして、本実施例においても、Ｌ０＝１（Ｌ１＝Ｌ２）となるように第２開口１５０が形成されているため、先端側から中心軸線に沿って外側プロテクタ１１１を見ても、第２開口１５０及びプロテクタ１００の内部空間を視認することは出来ない。なお、本実施例における第２開口１５０は、外側底部１３２の中央部分のみを軸線方向先端側に突出させて形成されている。

また、図９に示すように、外側底部１３２を形成しても良い。図９（ａ）、図９（ｂ）では、それぞれＬ０＝０．５、Ｌ０＝２．０となるようにすることで、第２開口１５０が吸気通路２の下流側を向くように形成されている。

図９（ａ）において、軸線方向先端側から軸線方向に沿ってガスセンサ１を見ると、第２開口１５０を通じてプロテクタ１００（外側プロテクタ１１２）の内部空間を視認できるが、図１０に示すような第２開口５５０が軸線方向先端側を向いている従来のプロテクタ５００に比べて、視認可能な内部空間は小さくなっている。具体的には、プロテクタ１００の径方向に見て、開口している寸法は半分となっている。そのため、図１０のような軸線方向先端側を向いた第２開口５５０に比べて、ガスセンサの内部へと水分等が侵入する事を抑制することができる。
なお「プロテクタ１００の径方向」とは、プロテクタ１００の中心軸線に直交する平面を通り、且つプロテクタ１００の中心軸線を通る直線上の方向を指す。

図９（ｂ）においては、先端側から軸線方向に沿ってガスセンサ１を見ても、第２開口１５０及びプロテクタ１００（外側プロテクタ１１３）の内部空間を視認することが出来ない。そのため、より効果的に、ガスセンサ１の内部へと水分等が浸入することを抑制することができる。

なお第２底壁部１３２２は、底部１３２の一部を軸線方向に突出するように変形させて形成しても良いし、第１底部１３２１に溶接等により固定することで形成しても良い。

実験結果：
図１１は、距離Ａ及び距離Ｂが先端部の被水量に与える影響を調べた評価実験を説明するための図である。図１１（ａ）は評価実験の第１の実験結果を示す図であり、図１１（ｂ）は、評価実験１の試験方法を説明するための図である。また、図１１（ｃ）は、評価実験後のセラミック積層体の先端部の様子を示す図であり、図１１（ｃ−１）は、セラミック積層体の先端部の部分拡大写真であり、図１１（ｃ−２）は、セラミック積層体の先端部の部分拡大写真を画像処理したものである。

評価実験１では、Ｌ２／Ｌ１が異なるガスセンサ１をそれぞれ5本用意し、被水試験を行うことで評価した。但し、ガスセンサ１の有底筒状の検出素子１０の代わりに、板型（平板状）のセラミック積層体（本実施例の検出素子１０に相当）を組付け、試験を行った。これは、後述する被水量の算出を容易にするためである。図１１（ｂ）に示すように、被水試験は、ガスセンサ１を内径５０ｍｍの配管８０に取り付け、配管８０内に設けたスプレーノズル８２から所定量の水Ｗａをセラミック積層体に向かって噴霧することで行った。また、被水試験の評価のために、セラミック積層体の表面には予めカーボンをコーティングしている。なお、セラミック積層体のカーボンをコーティングしている箇所は、セラミックリング２１（図１）に保持される部位よりも先端側の部分であり、配管８０内に露出する部分（以下、露出する部分を「検出部」ともいう。）である。具体的には、検出部は、幅４ｍｍ、長さ１５ｍｍの大きさを有している。被水試験は、ノズル８４からガスセンサ１の軸線Oまでの距離Ｌを１５０ｍｍ、配管８０内を流れる気体を空気とし、空気の流速を３０ｍ／ｓ、空気の流れる向きをスプレーノズル８２からガスセンサ１に向かう方向として行った。また、１回の被水試験は、５秒間で３０ｍｌの水Ｗａを噴霧圧０．２Ｍｐａで噴霧する噴霧工程を所定間隔あけて３回繰り返すことで行った。

被水試験の後に、ガスセンサ１を配管８０から取り外し、３回の噴霧工程によってセラミック積層体の検出部に水Ｗａが当たった箇所を検出部の画像を処理することで割り出した。具体的には、図１１（ｃ−１）に示す画像処理前の検出部の写真に対し、図１１（ｃ−２）に示すように、検出部のうち水Ｗａが当たった箇所ＡＷを白色、水Ｗａが当たらなかった箇所を黒色とする画像処理を施し、水Ｗａが当たった箇所ＡＷを割り出した。次に、検出部の表面のうち、水Ｗａが当たった箇所ＡＷの割合を式（１）により求め、求めた値を被水量Ｗｂ（％）とした。
［数１］
Ｗｂ＝（Ａｗ／Ｂ）×１００ （１）
ここで、Ｗｂは被水量（％）、Ａｗは検出部のうち水Ｗａが当たった箇所（白色）の面積（ｍｍ^２）、Ｂは検出部の表面積（ｍｍ^２）。

評価実験１の判定は、被水量Ｗｂが２．０％以下の良好な結果を示したガスセンサ１をＯＫ品としてカウントし、被水量Ｗｂが２．０％より大きく良好でない結果を示したガスセンサ１をＮＧ品としてカウントした。ここで、被水量Ｗｂの閾値を２．０％としたのは、排気ガス管内でガスセンサ１を使用した際に、被水量Ｗｂが２．０％以下のガスセンサ１にはクラックが殆ど発生しなかったことに因る。

図１１（ａ）に示すように、Ｌ２／Ｌ１が０．２５であると、ＯＫ品の数は従来品と変わらず、０．５以上であれば従来品よりもＯＫ品の数が増える。以上より、Ｌ２／Ｌ１≧０．５の関係を満たすことで、ガスセンサ内部への水分等の侵入を抑制でき、検出素子のクラックや割れを効果的に抑制できる。

評価実験２では、評価実験１よりも厳しい条件にて実施した。図１１（ｄ）は、評価実験２の試験方法を説明するための図である、評価実験１との違いは、ガスセンサ１の底部を、スプレーノズル８２の方向に３０°傾けて配管８０に取り付けた点のみであり、その他の条件は同一であるため、説明を省略する。

図１１（ｅ）に示すように、本実験条件は、評価実験１ではＯＫ品であったＬ２／Ｌ１が０．５のサンプルであってもＮＧ品となるような厳しい条件である。しかしながら、本実験条件であっても、Ｌ２／Ｌ１が１．０以上であればＯＫ品の数が増える。以上より、Ｌ２／Ｌ１≧１．０の関係を満たすことで、ガスセンサ内部への水分等の侵入をさらに抑制でき、検出素子のクラックや割れをより効果的に抑制できる。

また、本実施形態及び変形例では全領域空燃比センサを例に説明したが、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ、温度センサ等に取り付けられるプロテクタにも同様に適用できる。

また、本実施形態及び変形例では、検出素子１０の伸びる軸線方向と、プロテクタ１００の中心軸線が同一である例を用いて説明したが、これに限られるものではない。さらに、本実施形態ではガスセンサ１と吸気通路２への取付け角度が、直角を成す例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、プロテクタの先端側（底部側）が鉛直方向先端側を向いていて、第１開口１４０及び第２開口１５０が吸気通路２の下流側を向くように配置されていれば良い。

また、本実施形態及び変形例では、軸線方向に見て第１底壁部１３２１と外側筒部１３０の先端とが同位置にある例を用いて説明したが、これに限られるものではない。つまり、第１底壁部１３２１全体が外側筒部１３０よりも先端側に突出していても、その突出した第１底壁部１３２１の外面よりも、第２底壁部１３２２の内面の少なくとも一部が先端側に突出していれば良い。

１ ガスセンサ
１０ 検出素子
１１ 検出部
５０ 主体金具
１００ プロテクタ
１１０ 外側プロテクタ
１２０ 内側プロテクタ
１３０ 外側筒部
１３２ 外側底部
１３２１ 第１底部
１３２２ 第２底部
１４０ 第１開口
１５０ 第２開口
２００ 連通路
Ｃ 直径Ｒの仮想円

Claims (7)

1. 軸線方向に延び、自身の先端側に被測定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、
   前記検出部を径方向外側から取り囲む筒部と、該筒部の先端側に連結される底部とを有し、前記筒部には内燃機関の吸気通路の下流側を向くように配置されて前記筒部に前記被測定ガスの流通を許容する第１開口が設けられると共に、前記底部には前記被測定ガスを流通させる第２開口が設けられたプロテクタと、
   を備え、前記内燃機関の前記吸気通路に配置されるガスセンサであって、
   前記底部は、第１底壁部と第２底壁部を含み、
   前記第２底壁部は、軸線方向先端側に向かって突出すると共に、自身の内面の少なくとも一部が、前記第１底壁部の外面よりも軸線方向先端側に位置し、
   前記第２底壁部の内面によって形成される連通路には、前記筒部の内部空間と反対側に、前記吸気通路の下流側を向く前記第２開口が設けられており、
   前記第２開口の開口面積が、前記第１開口を前記筒部の中心軸線に直交する向きに平面視したときの当該第１開口に内接可能な最も大きい仮想円の面積よりも大きくなるように、前記連通部が形成されている
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第２底壁部のうち前記第２開口の端縁から最も離間した第１端部と、前記第１底壁部との、前記プロテクタの径方向における距離の最小値Ｌ１と、
   前記第１端部と、前記第２底壁部のうち前記第２開口の端縁との、前記プロテクタの径方向における距離の最小値Ｌ２とが、
   Ｌ２／Ｌ１≧０．５となることを特徴とする、請求項１に記載のガスセンサ。
3. Ｌ２／Ｌ１≧１．０となることを特徴とする、請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記第２開口は、前記仮想円が全て内包される大きさを有してなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記第２開口のアスペクト比は、５以下であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
6. 前記第２開口は、１つだけ設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
7. 前記プロテクタの少なくとも一部の温度が２８０℃以上６００℃以下であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。