(57)【要約】【課題】  多重構造のカバーを備え、特に応答性に優れたガスセンサを提供する。【解決手段】  検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂを覆うカバー２Ａを備えたガスセンサ１Ａであって、カバー２Ａは内カバー２１Ａと、内カバー２１Ａの外側に配置される外カバー２２とを有し、外カバー２２は、ガス流入孔２２ｂが周方向に所定の間隔で形成された側壁部２２ａと、ガス流出孔２２ｃが形成された先端部Ｃとを有し、外カバー２２の先端部Ｃに対向するように配置したガイド３０を、ガス流出孔２２ｃに対向する位置から先端部Ｃとの間隔が次第に広がるように形成する。【選択図】  図２
2006292609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子の先端部に形成された検出部を覆うカバーを備えたガスセンサであって、
前記カバーは内カバーと、該内カバーの外側に配置される外カバーとを有し、
前記外カバーは、ガス流入孔が周方向に所定の間隔で形成された側壁部と、ガス流出孔が形成された先端部とを有し、
前記外カバーの前記先端部に対向するように配置したガイドを、前記ガス流出孔に対向する位置から前記先端部との間隔が次第に広がるように形成することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
検出素子の先端部に形成された検出部を覆うカバーを備えたガスセンサであって、
前記カバーは内カバーと、該内カバーの外側に配置される外カバーとを有し、
前記内カバーの側壁部の検出素子側表面が凹凸を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
前記内カバーの側壁部を前記外カバーの先端部から前記検出素子側へ延伸させ、該側壁部の延伸端を前記内カバーの内外の空間が連通するように形成し、
前記外カバーの前記ガス流入孔を、前記内カバーの前記延伸端よりもガスセンサの軸線方向先端側に形成することを特徴とする請求項１または２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記内カバーがガスセンサの軸線方向先端側に向かって絞られた形状になるように、前記内カバーの側壁部を形成することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサには、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサなどがある。これらガスセンサは、例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスに含まれる成分を検出するために利用されている。ガスセンサは、測定雰囲気中に位置する検出部を覆うカバーを備えている。カバーの側壁部にはガス流入孔が形成され、排気ガス等の被測定ガスはこのガス流入孔からカバー内に流入し検出部と接触する。近年、ガスセンサにおいて、水滴や油滴あるいは汚れ等に対する検出素子の保護性能を高めるために、内外２つの筒状部材からなる二重構造のカバーが使用されている。二重構造のカバーにおいては、検出部の保護性能は高められるが、側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、例えばカバー外側とカバー内部空間との間での被測定ガスの交換速度が小さくなることも多い。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。
【０００３】
そこで特許文献１では、カバーが多重構造を有していても、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、また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案している。特許文献１で提案しているガスセンサは、検出素子の先端部に形成された検出部を覆うプロテクタ（カバー）が、第一筒状部（内カバー）と、第一筒状部の外側に配置される第二筒状部（外カバー）とを備えている。第一筒状部の側壁部の軸方向先端側にはテーパ上の縮径部が形成され、第二筒状部の側壁部には縮径部に対応する位置に第二側ガス入口（ガス流入孔）が形成されている。
【０００４】
第二側ガス入口から流入した被測定ガスは、縮径部の外面に沿って、第一筒状部に形成された第二側ガス出口（ガス流出孔）から流出する。このガス流によって、縮径部の先端に形成された第一側ガス出口に負圧を発生させる。この負圧によって第一筒状部内が吸引され、第一筒状部内には、周方向の各第一側ガス入口から被測定ガスが略等方的に吸入される。
【０００５】
また、特許文献２では、応答速度が速く、消費電力が少なく、耐被水性に優れ、取付け方向依存性及び取付け角度依存性の少ないガスセンサを提案している。このガスセンサは、アウターカバー（外カバー）とインナーカバー（内カバー）との間に、ガスセンサの軸方向に延設された仕切り部を有している。これによって、アウターカバーのガス流通穴（ガス流入孔）から入った被測定ガスが、仕切り部に沿って、インナーカバーのガス流通穴に速やかに到達できるように整流する。
【０００６】
【特許文献１】特開平２０００−１７１４３０号公報
【特許文献２】特開平２００３−７５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の提案技術では、第二側ガス入口から導入された被測定ガスはまず第二側ガス出口から流出し、その後発生する負圧によって第一筒状部内の気体を吸引する。そのため、負圧が発生するまで第一筒状部内に被測定ガスが十分流入できない虞がある。よって、負圧が発生するまでの間、センサ応答性が低下する虞がある。
【０００８】
また、特許文献２の提案技術では、ガスセンサが特許文献１で提案するガスセンサのような吸引機能を有していない。したがって、吸引機能を有するガスセンサと比較してセンサ応答性が低い。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、多重構造のカバーを備え、耐被水性及びとりわけ応答性に優れたガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、検出素子の先端部に形成された検出部を覆うカバーを備えたガスセンサであって、前記カバーは内カバーと、該内カバーの外側に配置される外カバーとを有し、前記外カバーは、ガス流入孔が周方向に所定の間隔で形成された側壁部と、ガス流出孔が形成された先端部とを有し、前記外カバーの前記先端部に対向するように配置したガイドを、前記ガス流出孔に対向する位置から前記先端部との間隔が次第に広がるように形成することを特徴とする。
【００１１】
ガイドは、外カバーの先端部と所謂エゼクタ構造を形成する。これによって、外カバーの先端部とガイドとの間を被測定ガスが通過すると、外カバーの先端部に形成したガス流出孔に負圧が発生する。本発明によれば、この負圧によって内カバー内の気体を吸い出すことができ、外カバーのガス流入孔から被測定ガスを好適に流入させることができる。
【００１２】
また、本発明は、検出素子の先端部に形成された検出部を覆うカバーを備えたガスセンサであって、前記カバーは内カバーと、該内カバーの外側に配置される外カバーとを有し、前記内カバーの側壁部の検出素子側表面が凹凸を有することを特徴とする。
【００１３】
外カバーのガス流入孔から流入した被検出ガスは、例えば内カバーの側壁部に形成したガス流入孔を通じて内カバー内に流入する。さらに、被検出ガスは内カバー内で検出素子に接触しながらガス流出孔を通じて、ガスセンサの外側へ流出する。ここで、内カバーの検出素子側表面が平滑である場合、被検出ガスは層流的に流れる。本発明では、内カバーの検出素子側表面が凹凸を有しているので、内カバー内を流れる被検出ガスに乱流を発生させることができる。これによって、被測定ガスが検出素子と接触する機会を増加させることができるので、センサ反応の遅れを抑制し、センサ応答性を向上させることが可能である。
【００１４】
また、本発明は、前記内カバーの側壁部を前記外カバーの先端部から前記検出素子側へ延伸させ、該側壁部の延伸端を前記内カバーの内外の空間が連通するように形成し、前記外カバーの前記ガス流入孔を前記内カバーの前記延伸端よりもガスセンサの軸線方向先端側に形成してもよい。
【００１５】
本発明によれば、外カバーのガス流入孔を、内カバーの延伸端よりもガスセンサの軸線方向先端側に形成しているので、内カバーに水滴が侵入することを抑制できる。これによって、耐被水性に優れたガスセンサとすることができる。また、側壁部の延伸端を内カバーの内外の空間が連通するように形成しているので、内カバーにガス流入孔を形成することを要しない。また、有底円筒状の内カバーを採用した場合に必要になるガス流出孔を底部（先端部）に形成することを要しない。
【００１６】
また、本発明は、前記内カバーがガスセンサの軸線方向先端側に向かって絞られた形状になるように、前記内カバーの側壁部を形成してもよい。本発明によれば、内カバー内の被検出ガスに検出素子方向へ向かう流れを生じさせることができる。これによって、被測定ガスが検出素子と接触する機会を増加させることができるので、センサ反応の遅れを抑制し、センサ応答性を向上させることができる。また、本発明によれば、流速が遅い場合でもセンサ応答性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多重構造のカバーを備え、耐被水性及びとりわけ応答性に優れたガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るガスセンサの最良の実施形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、ガスセンサ１Ａを断面で示す図である。ガスセンサ１Ａは、ハウジング３と、検出素子４と、検出素子４の先端に形成された検出部Ｂを覆うカバー２と、検出素子４の後端部を覆う第１外筒部５、第２外筒部６及び上部カバー７等によって形成されている。ハウジング３の外周面にはねじ部３ａが形成され、本実施例では、車両の排気通路に形成したねじ部にねじ部３ａを螺合して、排気通路内に検出部Ｂが突出するようにしてガスセンサ１Ａを取り付けている。なお、本実施例において、ガスセンサ１Ａのカバー２側を先端側と称し、ガスセンサ１Ａの上部カバー７側を後端側と称す。
【００２０】
検出素子４は、ハウジング３内に配設した絶縁体８ａの挿入孔に挿通され、先端の検出部Ｂが、排気通路に固定されるハウジング３の先端よりも突出した状態で絶縁体８ａ内に固定される。絶縁体８ａの軸方向後端側には、タルク粉体９が封着され、さらにタルク粉体９の軸方向後端側にはパッキン１０と固定子１１とが配設される。検出素子４は、ハウジング３の後端側外周部を固定子１１に向けてかしめることにより固定される。
【００２１】
ハウジング３の後端側には、第１外筒部５が固定され、さらに第１外筒部５の後端側には、第２外筒部６が固定されている。第２外筒部６内には、絶縁体８ｂが配設されている。また、第２外筒部６の後端側には撥水フィルタ１２を介して上部カバー７が設けられている。第２外筒部６及び上部カバー７の撥水フィルタ１２と対向する位置には大気導入孔６ａ及び７ａが形成され、大気導入孔６ａ及び７ａを通じて、第２外筒部６内に形成された大気側雰囲気に大気が導入される。また、上部カバー７の後端部内側には、グロメット１３が配設されている。
【００２２】
検出素子４からの出力を取り出すために、コネクタ１４ａ及び１４ｂを介してガスセンサ１Ａ外部にリード線１５ａ及び１５ｂが延設されている。また、ガスセンサ１Ａが検出素子４を活性温度に維持するための図示しないヒータを備える場合には、ヒータに通電するためにコネクタ及びリード線を同様にして配設する。
【００２３】
図２は図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例１に係るカバー２Ａの断面の拡大図である。図２に示すように、カバー２Ａは、内カバー２１Ａ及び外カバー２２によって構成される二重構造のカバーである。外カバー２２は有底円筒状の部材からなり、ハウジング３の先端側に固定されている。また、外カバー２２は先端に略円状の面からなる先端部Ｃを有している。内カバー２１Ａは、外カバー２２の先端部Ｃから検出素子４側へガスセンサ１Ａの軸線と略平行に延伸した略円筒状の側壁部２１ａを有している。内カバー２１Ａは外カバー２２の先端部Ｃに対して、例えば溶接等によって固定することができる。
【００２４】
本実施例では、側壁部２１ａの延伸端２１ｂを内カバー２１Ａの内外の空間が連通するように形成している。また、外カバー２２の側壁部２２ａには、周方向略等間隔にガス流入孔２２ｂが６個形成されている。ただし、ガス流入孔２２ｂは６個でなく適宜の数量形成してもよい。複数のガス流入孔２２ｂを周方向に略等間隔に形成することで、ガスセンサ１Ａの排気通路への取付け方向性を好適に抑制することができる。さらに、本実施例では、ガス流入孔２２ｂを、内カバー２１Ａの延伸端２１ｂよりも、ガスセンサ１Ａの軸線方向先端側に形成している。被測定ガスには凝縮水の水滴が含まれる場合があるが、本実施例では、例えば水滴が外カバー２２の流入孔２２ｂから侵入した場合でも、内カバー２１Ａの側壁部２１ａによって遮断することができる。このように、内カバー２１Ａ内の検出素子４に水滴が到達することを抑制することによって、ガスセンサ１Ａは優れた耐被水性を備えることができる。また、内カバー２１Ａの延伸端２１ｂを内カバー２１Ａの内外の空間が連通するように形成しているため、内カバー２１Ａ内に被測定ガスを流入させるためのガス流入孔を形成することを要しない。さらに、内カバー２１Ａ内は、外カバー２２の先端部Ｃ略円中心に形成するガス流出孔２２ｃによって、排気通路内とも連通している。したがって、例えば内カバー２１Ａを有底円筒状の部材で形成した場合に底部（先端部）に要するガス流出孔を形成する必要もない。
【００２５】
さらに、本実施例では、外カバー２２の先端部Ｃに対向するようにガイド３０配設する。ガイド３０は外カバー２２の先端部Ｃに周方向略等間隔に配設された４本の支持部材３１によって固定されている。但し、例えば外カバー２２の外径と略同一径を有する多孔質の略円筒部材を外カバー２２の先端部Ｃに配設し、ガイド３０を支持してもよい。つまり、ガイド３０を支持する部材は、外カバー２２の先端部Ｃと、ガイド３０との間を通過する被測定ガスの流れを阻害しない形状を有しているものであれば、支持部材３１に限られない。被測定ガスの流れを阻害しない形状とは、言い換えれば、後述する負圧を発生させる機能を阻害しない形状のことである。
【００２６】
ガイド３０は、ガス流出孔２２ｃに対向する位置Ｄから先端部Ｃとの間隔が次第に広がるように形成されている。より具体的には、ガイド３０は位置Ｄを頂点とした略球面状に形成されている。但し、ガイド３０を略球面状でなく、例えば位置Ｄを頂点とした略円錐状に形成してもよい。略球面状に形成されたガイド３０は、外カバー２２の先端部Ｃとともに所謂エゼクタ構造を形成している。これによって、排気通路内を流れる被検出ガスが先端部Ｃとガイド３０との間を通過すると、ガス流出孔２２ｃに負圧が発生する。この負圧によって内カバー２１Ａ内の気体を積極的に吸い出すことができるので、外カバー２２のガス流入孔２２ｂから、被測定ガスを好適に流入させることができる。すなわち、ガスセンサ１Ａへの被検出ガスの流入を促進し、排気通路内を流れる被検出ガスを即座に取り込めるので、センサ応答性を向上させることができる。なお、本実施例の検出素子４は検出素子４内に大気を流入させる大気層４ａを形成し、検出素子４内面に大気側電極４ｂ、検出素子４外面に排気側電極４ｃを備えるコップ型と称される素子である。
【実施例２】
【００２７】
図３は図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例２に係るカバー２Ｂの断面の拡大図である。本実施例のガスセンサ１Ｂは、実施例１のガスセンサ１Ａと、ガイド３０を備えていない点で異なっている。また、本実施例では、内カバー２１Ｂの側壁部２１ａの検出素子４側表面２１ｃが凹凸を有している。より具体的には、検出素子４側表面２１ｃに軸線と略垂直方向に一周にわたって形成した略半円状の断面形状を有する突起２１ｄを、軸線方向へ略等間隔に、延伸端２１ｂから検出素子４の先端と略同一の位置まで形成している。但し、例えば一周にわたって軸線と所定の角度をなした突起を形成してもよく、また、螺旋状に突起を形成しても構わない。また、検出素子４側表面２１ｃに例えば凸状の突起を複数個形成してもよい。さらに、突起の断面形状は略半円状に限られるものではない。つまり、検出素子４側表面２１ｃに形成する突起は、被検出ガスに後述する乱流を発生させることができればよく、内カバー２１Ｂに突起を形成するための生産性などを考慮して適宜変形可能である。
【００２８】
外カバー２２のガス流入孔２２ｂから流入した被検出ガスは、内カバー２１Ｂの延伸端２１ｂの先に形成された連通部を通じて内カバー２１Ｂ内に流入する。さらに、被検出ガスは、内カバー２１Ｂ内で検出素子４に接触しながらガス流出孔２２ｃを通じて、排気通路内へ流出する。ここで、内カバー２１Ｂの検出素子４側表面２１ｃが略平滑である場合、被検出ガスは層流的に流れる。本実施例では、内カバー２１Ｂの検出素子４側表面２１ｃに上述したような突起２１ｄを形成しているので、被検出ガスは、内カバー２１Ｂ内を流れる際にこの突起２１ｄに接触する。被検出ガスが突起２１ｄに接触すると、被検出ガスに乱流が発生する。この乱流によって、被検出ガスが検出素子４に接触する機会が増加する。これにより、検出素子４が被検出ガスとより早く反応することができるのでセンサ反応の遅れを抑制し、センサ応答性を向上させることが可能である。また、例えばガスセンサ１が酸素センサである場合には、検出素子４は被検出ガスに含まれる酸素を検出する。ここで、分子拡散は分子量の小さい分子のほうが早いため、酸素分子より分子量が小さい水素等は早く拡散するが、酸素はなかなか拡散しないため検出素子４での反応が遅い。このような場合でも、本実施例では、被検出ガスの流れに乱流を発生させて被検出ガスが検出素子４に接触する機会を増加させているので、センサ反応を促進でき、センサ応答性を向上させることができる。
【実施例３】
【００２９】
図４は図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例３に係るカバー２Ｃの断面の拡大図である。本実施例のガスセンサ１Ｃは、実施例１のガスセンサ１Ａと内カバー２１が異なっている。すなわち、本実施例では、内カバー２１Ｃが軸方向先端側に向かって絞られた形状になるように、側壁部２１ａを形成している。より具体的には、内カバー２１Ｃの側壁部２１ａが、延伸端２１ｂから外カバー２２の先端部Ｃに向かうに従って、検出素子４との間隔が縮小するように、すなわち略円錐状に形成されている。但し、側壁部２１ａの断面形状は直線的でなくてもよく、例えば曲線的であってもよい。つまり、側壁部２１ａの断面形状は、後述するように内カバー２１Ｃ内を流れる被検出ガスに、検出素子４側に向かう流れを発生させることができる形状であればよい。
【００３０】
外カバー２２のガス流入孔２２ｂから流入した被検出ガスは、内カバー２１Ｃの延伸端２１ｂの先に形成された連通部を通じて内カバー２１Ｃ内に流入する。さらに、被検出ガスは、内カバー２１Ｃ内で検出素子４に接触しながらガス流出孔２２ｃを通じて、排気通路内へ流出する。ここで、本実施例では、内カバー２１Ｃの側壁部２１ａがガスセンサ１Ｃの軸線に対して、上述のようにして傾斜している。そのため、内カバー２１Ｃ内を流れる被検出ガスが内カバー２１Ｃの側壁部２１ａと接触すると、被検出ガスには検出素子４側へ向かう流れが発生する。これによって、被検出ガスが検出素子４に接触する機会が増加する。すなわち、検出素子４が被検出ガスとより早く反応することができるのでセンサ反応の遅れを抑制し、センサ応答性を向上させることができる。また、内カバー２１Ｃの側壁部２１ａを本実施例のように形成することによって、流速が遅い場合でもセンサ応答性を向上させることができる。
【００３１】
なお、ガスセンサ１は上述したガイド３０と突起２１ｄと傾斜した側壁部２１ａとをすべて備えてもよい。また、ガスセンサ１に要求するセンサ応答性に応じて、例えばガイド３０と突起２１ｄとを備えたガスセンサ１とすることも可能である。また、検出素子４はコップ型でなく、センサ早期活性のため、ヒータと検出素子とを一体化して直接加熱構造とした積層型の素子であってもよい。
【００３２】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ガスセンサ１Ａを断面で示す図である。
【図２】図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例１に係るカバー２Ａの断面の拡大図である。
【図３】図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例２に係るカバー２Ｂの断面の拡大図である。
【図４】図１のＡ部で示す検出素子４の先端部に形成された検出部Ｂ及び実施例３に係るカバー２Ｃの断面の拡大図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ガスセンサ
２  カバー
３  ハウジング
４  検出素子
５  第１外筒部
６  第２外筒部
７  上部カバー
８  絶縁体
９  タルク粉体
１０  パッキン
１１  固定子
１２  撥水フィルタ
１３  グロメット
１４  コネクタ
１５  リード線
２１  内カバー
２１ａ  側壁部
２１ｂ  延伸端
２１ｃ  検出素子４側表面
２１ｄ  突起
２２  外カバー
２２ａ  側壁部
２２ｂ  ガス流入孔
２２ｃ  ガス流出孔
３０  ガイド
３１  支持部材
【図１】
2006292609.tif 000003
【図２】
2006292609.tif 000004
【図３】
2006292609.tif 000005
【図４】
2006292609.tif 000006