(57)【要約】【課題】検出素子の被水クラックを防止でき、かつ応答性のよいガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ１では、検出素子６の先端からヒータ接触部Ｐまでの距離Ａ、検出素子６の先端からプロテクタ４の先端壁４５ｔの内側面までの距離Ｂを各々規定している。距離Ａを７ｍｍ以上に規定することで、検出素子６の先端温度が高温になり過ぎないので、プロテクタ４内に水が進入し、検出素子６の先端に水がかかっても、被水クラックが生じるのを防止できる。さらに、距離Ｂを１ｍｍ以上８ｍｍ以下に規定することで、ガスセンサ１の製造時に、検出素子６の先端にプロテクタ４が接触して検出素子６が破損するのを防止できると共に、プロテクタ４内の容積が適切な大きさに調整されるので、ガス置換性が速くなり、応答性が向上する。【選択図】図１
2011158262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状の固体電解質体、及び該固体電解質体の外表面の少なくとも一部に形成された測定電極を有する検出素子と、
軸線方向に延び、前記検出素子の筒孔内に挿通され、先端側に発熱部を有するヒータと、
前記検出素子の先端側を自身の先端から先端側に突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、
前記主体金具に取り付けられて、前記検出素子の先端側を覆うと共に、先端壁に貫通孔が形成された有底筒状のプロテクタと、
を備え、
前記ヒータは、前記検出素子の内側面と接するガスセンサであって、
前記検出素子は、前記ヒータと前記検出素子の前記内側面とが接触するヒータ接触位置、及び前記固体電解質体を介して該ヒータ接触位置と対向する前記検出素子の前記外側面の対向位置を含むヒータ接触部を有し、
前記ヒータ接触部は、前記被検出ガスに晒されると共に、少なくとも前記測定電極が設けられており、
軸線方向において、前記検出素子の先端から前記ヒータ接触部までの第１距離は７ｍｍ以上であり、
軸線方向において、前記検出素子の先端から前記プロテクタの前記先端壁の内側面までの第２距離は１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第１距離は、前記第２距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検出素子は、他部材を介して前記主体金具に保持されており、
前記発熱部は前記他部材よりも先端側に配置されると共に、軸線方向において、前記発熱部の後端から前記他部材と前記検出素子との接触面の先端までの第３距離は１０ｍｍ以上であ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。
【請求項４】
前記測定電極は、前記ヒータ接触部よりも先方側に設けられた前記検出素子の先端部には形成されていないことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ヒータ接触部よりも先方側に設けられた前記検出素子の先端部の少なくとも一部の外表面には、複数の孔を有する多孔質体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガス中の特定ガス（例えば、酸素など）の濃度を検出するための検出素子を備えるガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ジルコニア等のセラミックスからなる固体電解質体を用い、内燃機関の排出する排気ガス中の特定ガス成分（例えば酸素など）を検出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１参照）。例えば、酸素を検出する酸素センサの検出素子は、排気ガス中に晒される測定電極と、基準となるガス（通常は大気）中に晒される基準電極とが一対となって、有底円筒状の固体電解質体を挟むように、固体電解質体の表面上に形成された構成を有する。この検出素子は、固体電解質体に隔てられた２つの雰囲気間、すなわち排気ガスと基準ガス（大気）との間における酸素分圧の差に応じて両電極間に生ずる起電力をもとに、排気ガス中の酸素を検出するものである。
【０００３】
この検出素子は主体金具に保持されており、主体金具が内燃機関の排気管に取り付けられると、検出素子の先端側に設けられた測定電極が、排気管内を流通する排気ガス中に晒される。また、検出素子の筒孔内には、先端側に発熱部を有し、検出素子の先端側を加熱するための棒状のヒータが挿通されている。さらに、主体金具には、検出素子の先端側を覆うようにして有底筒状のプロテクタが取り付けられている。そのプロテクタの先端壁には、排気ガスを排出するための排出口（貫通孔）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３７４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサにおいて、プロテクタの先端壁の内側面と検出素子の先端との間の距離（ガスセンサの軸線方向に沿う距離）が短いと、排気ガス中や排気管壁面に付着した水滴がプロテクタの先端壁に形成された排出口から進入し、検出素子の先端側が被水することになる。このとき、検出素子の先端側は、ヒータにより加熱されて高温になっており、この先端側が被水すると検出素子にクラックが生じ易いという問題点があった。
【０００６】
そして、このクラックを解消するために、例えば、プロテクタの先端壁の内側面と検出素子の先端との間の距離をただ単に長くすることが考えられるが、プロテクタ内部の容積が大きくなるため、ガス置換に時間がかかり、応答性が悪くなるという問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、検出素子のクラックを防止でき、かつ応答性のよい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】
【０００８】
本発明の実施態様によれば、軸線方向に延び、先端側が閉じられた有底筒状の固体電解質体、及び該固体電解質体の外表面に形成された測定電極を有する検出素子と、軸線方向に延び、前記検出素子の筒孔内に挿通され、先端側に発熱部を有するヒータと、前記検出素子の先端側を自身の先端から先端側に突出させつつ、前記検出素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具に取り付けられて、前記検出素子の先端側を覆うと共に、先端壁に貫通孔が形成された有底筒状のプロテクタと、を備え、前記ヒータは、前記検出素子の内側面と接するガスセンサであって、前記検出素子は、前記ヒータと前記検出素子の前記内側面とが接触するヒータ接触位置及び前記固体電解質体を介して該ヒータ接触位置と対向する前記固体電解質体の前記外側面の対向位置を含むヒータ接触部を有し、前記ヒータ接触部は、前記被検出ガスに晒されると共に、該ヒータ接触部には、少なくとも前記測定電極が設けられており、軸線方向において、前記検出素子の先端から前記ヒータ接触部までの第１距離は７ｍｍ以上であり、軸線方向において、前記検出素子の先端から前記プロテクタの前記先端壁の内側面までの第２距離は１ｍｍ以上８ｍｍ以下であるガスセンサが提供される。
【０００９】
本実施態様に係るガスセンサでは、検出素子の先端からヒータ接触部までの第１距離を７ｍｍ以上とすることで、ヒータ接触部よりも先端側に形成される検出素子の先端部の温度を、ヒータ接触部に比べて低温とすることができる。これにより、検出素子の先端部に水滴がかかってもクラックを生じにくくすることができる。なお、第１距離を７ｍｍ未満とすると上記効果を得られない。
【００１０】
そして、このような第１距離を有する検出素子の先端からプロテクタの先端壁の内側面までの第２距離を１ｍｍ以上８ｍｍ以下としている。このように、検出素子の先端部とプロテクタの先端壁とをより近づけることで、プロテクタの貫通孔から進入した水滴を検出素子の先端部に積極的に付着させることができる。これにより、検出素子の先端部に付着した水滴をこの先端部にて蒸発させることができ、ヒータ接触部に水滴が届きにくくなる。その結果、ヒータ接触部でクラックが生ずるのを防止できる。また、プロテクタ内の容積が適切に調整されるので、ガス置換性が速くなり、応答性が向上する。なお、第２距離が１ｍｍ未満であれば、製造時に検出素子がプロテクタに接触して破損することがある。また、第２距離が８ｍｍを越えると、水滴を検出素子の先端部に付着させる効果が得られないと共に、プロテクタ内部の容積が大きくなるため、ガス置換に時間がかかり、応答性が悪くなる。
【００１１】
なお、貫通孔と検出素子との間には、お互いを隔てる壁部を備えておらず、空隙にて繋がることは言うまでもないが、貫通孔を通過した水滴が、直線状に移動して検出素子に付着するだけでなく、曲線状に移動して検出素子に付着することも考慮し、プロテクタの貫通孔を適宜配置すればよい。
【００１２】
また、「検出素子を介してヒータ接触位置と対向する検出素子の外側面の対向位置」とは、軸方向に沿ってヒータ接触位置を含むような検出素子の半断面を露出させ、半断面にてヒータ接触位置から固体電解質体の厚み方向に仮想線を引いたときに、固体電解質体の外側面と交わる位置を対向位置とする。
【００１３】
また、本発明では、第１距離は、第２距離よりも長くしてもよい。つまり、プロテクタの貫通孔から検出素子の先端までの第２距離よりも、検出素子の先端からヒータ接触部までの第１距離の方が長いので、ヒータ接触部に比べて低温となる検出素子の先端部をプロテクタの貫通孔にさらに近づけることができる。これにより、貫通孔から進入した水滴は検出素子の先端部に確実に付着させることができ、ヒータ接触部に水滴がさらに届きにくくなり、ヒータ接触部でのクラックが生ずるのをより確実に防止できる。
【００１４】
また、本発明では、前記検出素子は、他部材を介して前記主体金具に保持されており、前記発熱部は前記他部材よりも先端側に配置されると共に、軸線方向において、前記発熱部の後端から前記他部材と前記検出素子との接触面の先端までの第３距離は１０ｍｍ以上であってもよい。ヒータ接触部を後端側へ引っ込めれば引っ込めるほど、よりクラックの発生を防止できる。なぜなら、検出素子の先端部がより低温化でき、また、先端部の表面積が増加し、水滴が付着する量が増加させることでヒータ接触部へ水滴が届きにくくなるためである。しかしながら、通常、検出素子は、他部材を介して主体金具に保持させているが、ヒータ接触部を後端側に引っ込めた場合、発熱部と他部材との距離が縮まることになる。すると、検出素子の熱が他部材を介して主体金具に逃げてしまうので、検出素子が活性する温度まで上昇するのに時間がかかる。そこで、発熱部の後端から他部材と検出素子との接触面の先端までの距離を１０ｍｍ以上に規定することで、ヒータにて加熱された検出素子の熱が、他部材を介して主体金具に逃げてしまうのを抑制できる。
【００１５】
また、本発明では、前記測定電極は、前記ヒータ接触部よりも先方側に設けられた前記検出素子の先端部には形成されていなくてもよい。検出素子の先端部に測定電極が形成されていると、測定電極に水滴が付着し、その結果、測定電極の内部抵抗が上昇し、センサ出力が増加してしまう虞がある。これに対し、本発明では、測定電極が検出素子の先端部に形成されていないので、センサ出力の増加を抑制できる。
【００１６】
また、本発明では、前記ヒータ接触部よりも先方側に設けられた前記検出素子の先端部の少なくとも一部の外表面には、複数の孔を有する多孔質体が設けられていてもよい。これにより、検出素子の先端部に付着した水滴を、多孔質体にて、より多く吸着させることができ、ヒータ接触部のクラックが生ずるのをより防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ガスセンサ１の縦断面図である。
【図２】図１に示す検出素子６の先端周囲の部分拡大図である。
【図３】水滴下試験の結果を示すグラフである。
【図４】サンプルＡの検出素子６の側面図である。
【図５】サンプルＡの検出素子６の先端から見た視認図である。
【図６】サンプルＢの検出素子６の側面図である。
【図７】サンプルＢの検出素子６の先端から見た視認図である。
【図８】変形例であるガスセンサ１０の縦断面図である。
【図９】水噴霧試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。図１に示すガスセンサ１は、自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）に取り付けられて使用されるものである。以下では、ガスセンサ１の軸線Ｏ方向において、排気管内に挿入される検出素子６の先端に向かう側（閉じている側であり図中下側）を先端側とし、これと反対方向に向かう側（図中上側）を後端側として説明するものとする。
【００１９】
図１に示すように、ガスセンサ１は、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の濃度を検出するためのセンサであり、細長で先が閉じられた筒状の検出素子６を主体金具５に保持した構造を有する。ガスセンサ１からは、この検出素子６の出力する信号を取り出したり、検出素子６に併設されるヒータ７への通電を行ったりするためのリード線１８が引き出されている。各リード線１８は、ガスセンサ１とは離れた位置に設けられる図示外のセンサ制御装置あるいは自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に電気的に接続されている。
【００２０】
ガスセンサ１の検出素子６は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体６１を軸線Ｏ方向に延びる有底筒状に形成し、固体電解質体６１の内面には、ＰｔまたはＰｔ合金からなる多孔質の基準電極６２が形成されている。また、固体電解質体６１の先端側の外面において、後述するヒータ接触部Ｐよりも先方側に設けられた先端部ｒを避けるようにして、ＰｔまたはＰｔ合金からなる多孔質の測定電極６３が形成されている。これは、検出素子６の先端部ｒに測定電極６３が形成されていると、検出素子６の先端部ｒに水がかかった場合、測定電極６３の内部抵抗が上昇することで、センサ出力が増加する虞があるが、本実施形態では、測定電極６３が検出素子６の先端部ｒに形成されていないので、センサ出力の増加を抑制できる。
【００２１】
検出素子６の測定電極６３が排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒される。図２に示すように、測定電極６３は、耐熱性セラミックス（アルミナ、チタニア、ムライト等）よりなる多孔質状の保護層６７により被覆されている。この保護層６７は、検出素子６の先端まで設けられているが、後述するヒータ接触部Ｐよりも先方側に設けられた先端部ｒの少なくとも一部の外表面に設ければよい。保護層６７は、測定電極６３を排気ガスによる被毒から保護すると共に、ヒータ接触部Ｐへの被水を、より確実に防止できる。さらに、保護層６７が検出素子６の先端部ｒに形成されているので、検出素子６の先端部ｒに付着した水滴を保護層６７にて吸着でき、検出素子６のクラックを効果的に防止できる。また、図１に示すように、検出素子６の軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する鍔状のフランジ部６５が設けられている。
【００２２】
次に、検出素子６の有底筒内には、固体電解質体６１を加熱して活性化させるための棒状のヒータ７が挿入されている。ヒータ７は、その軸線方向先端側に発熱部７７を備えている。ヒータ７の少なくとも一部は、固体電解質体６１の内面に形成された基準電極６２に接触している。ここで、図２に示すように、ヒータ７が検出素子６の内面に接触する位置を「ヒータ接触位置Ｔ」とした場合、そのヒータ接触位置Ｔから固体電解質体６１を介して固体電解質体の厚み方向に仮想線Ｓを引いたとき、検出素子６の外側面と交わる位置を対向位置Ｕとし、このヒータ接触位置Ｔ及び対向位置Ｕを含む部分を「ヒータ接触部Ｐ」とする。このヒータ接触部Ｐは、後述するプロテクタ４内に導入される排気ガス中に晒される領域内に位置する。なお、本実施形態において、排気ガスが導入される領域とは、後述するプロテクタ４の内側の領域と、後述する主体金具５の筒孔５５におけるパッキン１４よりも先端側の領域とを含むものである。このヒータ接触部Ｐには、測定電極６３が設けられている。なお、本実施例では、測定電極６３が形成された部位をヒータ接触部Ｐとしている。このように、ヒータ７による加熱によって固体電解質体６１が最も活性化される部分を、基準電極６２と測定電極６３の間で挟むことができるので、排気ガス中の特定ガスの検出精度を向上できる。
【００２３】
検出素子６は、自身の径方向周囲を筒状の主体金具５に取り囲まれた状態で、その主体金具５の筒孔５５内に保持されている。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管の取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。雄ねじ部５２よりも先端側には、その外周に後述するプロテクタ４が係合される先端係合部５６が形成されている。検出素子６の先端部ｒは、この先端係合部５６よりも先端側に突出されている。
【００２４】
主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には、径方向に拡径された工具係合部５３が形成されており、ガスセンサ１を排気管の取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。この工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。そして主体金具５の後端側には、自身の筒孔５５内で保持する検出素子６を加締め固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、この加締部５７よりも後端側に突出されている。また、工具係合部５３と加締部５７との間には、その外周に、後述する外筒３の先端部３１の先端が係合される後端係合部５８が形成されている。
【００２５】
次に、主体金具５の筒孔５５内の先端側には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられており、この段部５９に、金属製のパッキン１２を介し、アルミナからなる筒状の支持部材１３が係止されている。支持部材１３の内周も段状に形成されており、その段状の部位に配置される金属製のパッキン１４（本発明の「他部材」に相当）を介し、検出素子６のフランジ部６５が支持部材１３により支持されている。さらに筒孔５５内には、支持部材１３の後端側に滑石粉末からなる充填部材１５が充填され、その充填部材１５を支持部材１３との間で挟むように、充填部材１５の後端側にアルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。
【００２６】
スリーブ１６の後端側には環状のリング１７が配置されており、主体金具５の加締部５７を内側先端方向に加締めることで、リング１７を介し、スリーブ１６が充填部材１５に対して押しつけられている。この加締部５７の加締めを通じ、充填部材１５が、主体金具５の段部５９に係止された支持部材１３に向けて検出素子６のフランジ部６５を押圧するよう主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填されると供に、筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙が気密に埋められている。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で保持されている。
【００２７】
次に、主体金具５の先端係合部５６には、その先端係合部５６から軸線Ｏ方向の先端側に向け突出された検出素子６の先端部ｒを覆うプロテクタ４が、溶接によって組み付けられている。プロテクタ４は、ガスセンサ１が排気管に取り付けられた際に排気管内に突き出される検出素子６の先端部ｒを、排気ガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ４は、有底筒状をなし開放された側の周縁部が先端係合部５６に接合される外側プロテクタ４１と、その外側プロテクタ４１の内部に固定された有底筒状の内側プロテクタ４５とからなる２重構造をなすように構成されている。外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の外周面には内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導くための導入口４２がそれぞれ開口されている（内側プロテクタ４５のガス導入口は図示せず）。また、外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３，４８がそれぞれ開口されている。
【００２８】
また、前述したように、検出素子６の後端部６６は、主体金具５の後端（加締部５７）よりも後方に突出されている。この後端部６６よりも軸線Ｏ方向の後端側には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ８が配置されている。セパレータ８は、４つの接続端子１９（図１ではそのうちの３つの接続端子１９を示している。）をそれぞれ独立に収容する収容部８２を有する。収容部８２はセパレータ８を軸線Ｏ方向に貫通しており、セパレータ８よりも先端側と後端側との間において通気可能に構成されている。
【００２９】
各接続端子１９のうち、ヒータ７に電気的に接続する接続端子１９は、ヒータ７の有する発熱抵抗体に通電するため後端側にて露出された一対の電極パッド７１（図１ではそのうちの一方の電極パッド７１を示している。）に、それぞれ電気的に接続されるものである。他方、検出素子６の基準電極６２に電気的に接続する接続端子１９は、先端側を検出素子６の内側に挿入し、検出素子６の内側面に形成された基準電極６２と電気的に接続する基準リード部（図示なし）に接続する。また、検出素子６の測定電極６３に電気的に接続する接続端子１９は、先端側を検出素子６の外側に挿入し、検出素子６の外側面に形成された測定電極６３と電気的に接続する測定リード部（図示なし）に接続している。セパレータ８は、各接続端子１９を分離した状態で収容し、接続端子１９同士の接触を防止している。各接続端子１９には４本のリード線１８の芯線がそれぞれ加締め接合されており（図１ではそのうちの２本のリード線１８を示している。）、各リード線１８は、後述するグロメット９を介してガスセンサ１の外部に引き出されている。また、セパレータ８の外周面には、径方向外側に突出するフランジ部８１が設けられており、そのフランジ部８１よりも先端側の外周面に、略円筒状の保持金具８５が嵌挿されている。
【００３０】
また、セパレータ８の後端側にはフッ素系ゴムからなるグロメット９が配置されている。グロメット９は、外筒３の後端側の開口３２に嵌合され、外筒３の外周が加締められることにより固定されている。このグロメット９には、外筒３内に大気を導入するための連通孔９１が、軸線Ｏ方向に貫通して形成されている。ガスセンサ１では、この連通孔９１およびセパレータ８の収容部８２を介し、検出素子６の筒内に形成された基準電極６２が大気に晒されるように構成されている。連通孔９１内には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８７およびその留め金具８８が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。また、グロメット９には、上記した４本のリード線１８を挿通するための４つの挿通孔９２が、それぞれ独立に形成されている（図１ではそのうちの２つの挿通孔９２を示す。）。
【００３１】
また、外筒３は、図１に示すように、軸線Ｏ方向に連ねて配置された検出素子６の後端部６６、セパレータ８およびグロメット９の各側面を、周方向に取り囲んだ状態で、主体金具５の後端側に配置される。外筒３の先端部３１は、主体金具５の後端係合部５８の外周に嵌められ、外周側から径方向内向きに加締められる。さらに先端部３１の外周を一周してレーザ溶接が施されることで、外筒３が主体金具５に固定されている。
【００３２】
また、セパレータ８のフランジ部８１よりも先端側の部分の位置に対応する外筒３の側面は、外周を一周して径方向内向きに加締められている。この位置には保持金具８５が配置されており、保持金具８５は、自身の内部にセパレータ８を保持した状態で、外筒３内に加締め保持される。また、セパレータ８のフランジ部８１よりも後端側の部分の位置に対応する外筒３の側面も、周方向の複数箇所において、径方向内向きに加締められている。この部分の加締めはフランジ部８１の後端に接する位置に行われ、この加締め部分と保持金具８５とでフランジ部８１が挟まれて、セパレータ８の軸線Ｏ方向への移動が規制されている。
【００３３】
次に、ガスセンサ１において、軸線方向において規定される距離Ａ、Ｂ、Ｃについて、図１を参照して説明する。本実施例において、距離Ａ（本発明の「第１距離」に相当）は、検出素子６の先端からヒータ接触部Ｐまでの距離とする。距離Ｂ（本発明の「第２距離」に相当）は、検出素子６の先端から内側プロテクタ４５の先端壁４５ｔの内側面までの距離とする。距離Ｃ（本発明の「第３距離」に相当）は、ヒータ７の発熱部７７の後端からパッキン１４と検出素子６との接触面の先端までの距離とする。このとき、ガスセンサ１における距離Ａ、Ｂ、Ｃは、以下の条件を満たしている。
・距離Ａ≧７ｍｍ        ・・・（条件１）
・１ｍｍ≦距離Ｂ≦８ｍｍ・・・（条件２）
・距離Ｃ≧１０ｍｍ      ・・・（条件３）
【００３４】
（条件１について）
距離Ａを７ｍｍ以上に規定しているので、検出素子６の先端部ｒに対してヒータ７が近くなり過ぎない。これにより、検出素子６の先端部ｒの温度を、ヒータ接触部Ｐの温度に比べて低温とすることができる。これにより、外側プロテクタ４１の排出口４３及び内側プロテクタ４５の排出口４８からプロテクタ４内に進入した水滴が検出素子６の先端部ｒにかかっても、クラックが生じるのを防止できる。
【００３５】
（条件２について）
距離Ｂを８ｍｍ以下に規定しているので、検出素子６の先端部ｒと内側プロテクタ４５の先端壁４５ｔとをより近づけることができ、外側プロテクタ４１の排出口４３及び内側プロテクタ４５の排出口４８からプロテクタ４内に進入した水滴を検出素子６の先端部ｒに積極的に付着させることができる。その結果、検出素子６の先端部ｒに付着した水滴を先端部ｒにて蒸発させ、ヒータ接触部Ｐに水滴が届きにくくなり、クラックが生じるのを防止できる。また、プロテクタ４の容積が適切な大きさに調整され、ガス置換性が速くなり、応答性が向上する。さらに、距離Ｂを１ｍｍ以上に規定しているので、ガスセンサ１の製造時に、検出素子６の先端にプロテクタ４が接触して検出素子６が破損するのを防止できる。
【００３６】
（条件３について）
距離Ｃを１０ｍｍ以上に規定しているので、パッキン１４の位置を、ヒータ７の発熱部７７の位置から確実に離すことができる。つまり、本実施形態のように、ヒータ接触部Ｐがガスセンサ１の奥側（後端側）に引っ込んでいても、ヒータ７で加熱された検出素子６の熱が、パッキン１４を介して主体金具５に逃げてしまうのを防止できる。よって、検出素子６の固体電解質体６１をヒータ７によって活性温度まで速やかに上昇させることができるので、応答性が向上する。
【００３７】
（評価１）
次に、検出素子６の温度と、検出素子６にクラックが発生する水量との関係を調べるために、ガスセンサの水滴下試験を行った。水滴下試験では、まず、検出素子６のヒータ接触部Ｐが所定温度になるように、ヒータ７の通電を行った。そして、温度が安定した時点でマイクロシリンジで一定量の水を検出素子６のヒータ接触部Ｐに滴下する作業を１０回繰り返し、検出素子６のヒータ接触部Ｐに被水クラックが発生するまで徐々に水量を増やしていった。なお、この評価では、ヒータ接触部Ｐにおける温度とクラックが発生する水量との関係を調べたが、この関係はヒータ接触部Ｐだけでなく、その他の部位（例えば先端部ｒ）にも適用できる。
【００３８】
水滴下試験の結果について説明する。図３のグラフに示すように、検出素子のヒータ接触部Ｐの温度が３００℃から４５０℃までは、水滴下量が１０μＬであっても被水クラックは発生しなかった。ところが、ヒータ接触部Ｐの温度が５００℃になると、水滴下量が５μＬで被水クラックが発生し、ヒータ接触部Ｐの温度が５５０℃になると、水滴下量が２μＬで被水クラックが発生した。通常、プロテクタ４により、検出素子６に付着する最大量が３μｌであることを考慮し、検出素子のヒータ接触部Ｐの温度を５００℃以下にすれば、クラックの発生を抑制でき、さらに、検出素子の先端温度を４５０℃以下にすれば、被水クラックの発生を確実に防止できることが実証された。
【００３９】
（評価２）
次に、ガスセンサ１において、まず、距離Ａ、Ｂを規定したことによる効果を確認するため、ガスセンサの評価試験をおこなった。まず、試験方法について説明する。表１に示すように、距離Ａ、Ｂをそれぞれ変えたＮｏ１〜８のガスセンサのサンプルを用意した。距離Ａについては、３〜１４ｍｍの範囲内で適宜変更し、距離Ｂについては、３〜１０ｍｍの範囲内で適宜変更した。なお、サンプルＮｏ１、２は比較品であり、サンプルＮｏ３〜７は発明品である。
【００４０】
そして、距離Ａ、Ｂを種々変更したサンプルについて、検出素子の「先端部ｒの温度」、検出素子の先端の「被水量」をそれぞれ測定、又は観察し、その結果を評価した。以下、各評価項目について詳細に説明する。
・（先端温度）
排ガスが４５０℃のエンジン排気管にガスセンサを取り付け、最高発熱部が６００℃となるようにヒータに印加した状態で、検出素子の先端部ｒの温度を熱電対で測定した。そして、上述した水滴下試験の結果をもとに、先端部ｒの温度が５００℃以下となるものを「○」とし、先端部ｒの温度が５００℃を超えるものを「×」として判定した。
・（被水量）
まず、検出素子６の外側面に煤を付着させた後、φ５６の管にプロテクタの先端が上流を向くように３０°傾けるようにしてガスセンサを取り付け、流速２９ｍ／ｓの空気を流し、１５０ｍｍ上流から２７ｍＬ／５ｓｅｃのスプレー噴霧によって水を吹き付けた際に、検出素子の外表面のうち、ヒータ接触部Ｐの煤が剥離しているものを「×」として判定した。
【００４１】
【表１】
2011158262.tif 000003
【００４２】
検出素子６の先端部ｒの温度の結果について説明する。表１に示すように、サンプルＮｏ１については、先端部ｒの温度が５３０℃、サンプルＮｏ２については、先端部ｒの温度が５１０℃まで上昇した。これは、距離Ａが何れも規定範囲よりも短いため、検出素子６の先端部ｒの温度がヒータ接触部Ｐからの熱により高温になり過ぎたものと思われる。従って、これらは検出素子６の先端部ｒの温度が５００℃よりも高いため、「×」とした。その他のサンプルＮｏ３〜８については、先端部ｒの温度が５００℃以下であり、「○」とした。これらの距離Ａは、７〜１４ｍｍであり、検出素子６の先端部ｒがヒータ接触部Ｐから離れている。これらの結果より、少なくとも距離Ａが７ｍｍ以上あれば、クラックの発生を効果的に防止できることが実証された。
【００４３】
被水量の結果について説明する。表１に示すように、被水量は、サンプルＮｏ１が「×」である。これは、サンプルＮｏ１の距離Ｂが１０ｍｍで長いことから、プロテクタの排出口から進入した水を、検出素子の先端部ｒで受けることができず、検出素子のヒータ接触部Ｐまで被水したからである。これに対し、サンプルＮｏ２〜８は、距離Ｂが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であって、サンプルＮｏ１に比べて、検出素子の先端から内側プロテクタの先端壁の内側面までの距離が遠くない。これらの場合、内側プロテクタの排出口から進入した水滴は、検出素子の先端部ｒにかかって蒸発するので、ヒータ接触部Ｐに水がかかりにくい。これらの結果より、少なくとも距離Ｂが８ｍｍ以下であれば、クラックの発生を効果的に防止できることが実証された。なお、ガスセンサの製造上の観点から、距離Ｂを１ｍｍ以上にすることが望ましい。
【００４４】
（評価３）
次に、上述の規定条件を満たしたガスセンサにおいて、距離Ａと距離Ｂとの大小関係を変えたことによる効果について比較実験を行った。表２に示すように、この比較では、距離Ａと距離Ｂとの大小関係を互いに変えた２つのサンプルＡ、Ｂを用意した。サンプルＡは、距離Ａが７ｍｍ、距離Ｂが８ｍｍである。サンプルＢは、距離Ａが７ｍｍ、距離Ｂが６ｍｍである。つまり、サンプルＡでは、距離Ａよりも距離Ｂの方が長く、サンプルＢでは、距離Ａのほうが距離Ｂより長い。これらについて、上述した試験と同様に、検出素子の先端温度、被水量についてそれぞれ評価した。そして、各試験後のサンプルＡ、Ｂについて、各検出素子の先端を観察し、クラックの発生の有無等を確認した。なお、実験方法及び評価方法は、上述した評価試験における方法と同じである。
【００４５】
【表２】
2011158262.tif 000004
【００４６】
比較実験の結果について説明する。表２に示すように、サンプルＡ、Ｂの検出素子の先端温度は何れも５００℃であり、評価は「○」であった。被水量についても、サンプルＡ、Ｂの何れにおいても、ヒータ接触部Ｐにほとんど水がかからなかったため、評価は「○」であった。これらの理由は、上述と同じである。
【００４７】
さらに、被水量について評価した後のサンプルＡ、Ｂの検出素子の先端を見比べた。図４は、サンプルＡの検出素子６の側面図、図５は、サンプルＡの検出素子６の先端から見た視認図である。また、図６は、サンプルＢの検出素子６の側面図、図７は、サンプルＢの検出素子６の先端から見た視認図である。図４、図５に示すように、サンプルＡの検出素子６は、先端部ｒの後端側まで煤が剥離しており、且つ全体にわたって煤が少なく剥離していた。これに対し、図６、図７に示すように、サンプルＢの検出素子６は、サンプルＡに比べて先端部ｒの先端側のみが煤が剥離しており、且つその先端側の煤が多く剥離している。これは、サンプルＢでは、距離Ａが距離Ｂよりも長いため、プロテクタの排出口から進入した水が、検出素子の先端部ｒにより当たり易くなったためである。これらの結果より、距離Ａは距離Ｂよりも長いことがクラックを抑制することに好ましいことが実証された。
【００４８】
なお、本実施形態では、距離Ａを距離Ｂよりも長くすることが望ましいことから、図１に示すガスセンサ１の他にも、例えば、図８に示すガスセンサ１０のように、ヒータ７の先端が、検出素子６の奥側（後端側）にさらに引っ込んだタイプのものでもよい。具体的には、ヒータ接触部Ｐを主体金具５の筒孔５５内に配置している。
【００４９】
（評価４）
次に、ガスセンサ１において、距離Ｃを規定したことによる効果を確認するため、ガスセンサの評価試験をおこなった。まず、試験方法について説明する。表３に示すように、表１で用いたＮｏ３〜８のガスセンサのサンプルを用い、距離Ｃを８〜１４ｍｍの範囲内で適宜変更したサンプルを用意した。
【００５０】
そして、距離Ｃを種々変更したサンプルについて、ヒータの「印加電圧」を測定、又は観察し、その結果を評価した。
・（印加電圧）
検出素子を所定温度に上昇させるためのヒータの消費電力が増えるかどうかを確認するために、ヒータの印加電圧を測定した。具体的には、排気ガスが４５０℃のエンジン排気管にガスセンサを取り付け、検出素子のヒータ接触部Ｐが６００℃以上となるようにヒータに印加した状態の印加電圧を測定した。そして、９．５Ｖを超えるものを「×」とした。
【００５１】
【表３】
2011158262.tif 000005
【００５２】
印加電圧の結果について説明する。表３に示すように、印加電圧は、サンプルＮｏ７が「×」である。サンプルＮｏ７は、距離Ｃが８ｍｍで短いことから、ヒータ７の発熱部７７によって加熱された検出素子６の熱が、パッキン１４を介して主体金具５側に逃げてしまったものと思われる。従って、検出素子６を所定の活性温度まで速やかに上昇させることができなかったため、ヒータ７の印加電圧が１０．０Ｖまで増加したものと思われる。これに対し、サンプルＮｏ３、４、５、６、８は、距離Ｃが１０〜１４ｍｍであることから、検出素子６の熱がパッキン１４を介して主体金具に逃げにくくなり、これらの印加電圧は、何れも９．５Ｖ以下であったため、「○」と評価した。これらの結果より、少なくとも距離Ｃが１０ｍｍ以上あれば、ヒータの印加電圧が大きく上昇しないので、消費電力の増大を防止できることが実証された。
【００５３】
（評価５）
次に、検出素子６において、測定電極６３を先端部ｒに形成しないことによる効果を確認するため、ガスセンサの水噴霧試験を行った。発明品に対する比較品として、測定電極６３を固体電解質体６１の先端を含む検出素子６の全面に設けたものを用いた。そして、検出素子６のヒータ接触部Ｐが６００℃になった状態で、検出素子６の先端部ｒに、水５０ｍｌを１０秒間でスプレー噴霧した。なお、測定雰囲気は大気中である。この場合において、検出素子６の先端部ｒにスプレー噴霧を行っている間のガスセンサ１の出力（以下、センサ出力という）変化を調べた。
【００５４】
図９のグラフに示すように、スプレー噴霧前では、発明品、比較品の何れもセンサ出力は約４０ｍＶであった。そして、スプレー噴霧を１０秒間行ったところ、スプレー噴霧中においては、比較品では約８５ｍＶまで一気に上昇した。これは、検出素子６の先端部ｒに形成した測定電極６３に水がかかったことにより、内部抵抗が上昇したためと考えられる。スプレー噴霧終了後は、検出素子６の先端部ｒにかかった水が蒸発したので、センサ出力は再び約４０ｍＶに戻った。これに対し、発明品では、スプレー噴霧中においては、センサ出力がやや上昇したが極端な変化は見られなかった。これは、検出素子の先端部ｒに測定電極６３が形成されていないため、測定電極６３に水がほとんどかからず、センサ出力に与える影響を抑えることができたと考えられる。スプレー噴霧終了後は、比較品と同様に、センサ出力は再び約４０ｍＶに戻った。以上の結果より、測定電極６３を先端部ｒに形成しないことによって、安定したセンサ出力が得られることが確認できた。
【００５５】
なお、本発明のガスセンサは、上記実施の形態に限られるものではなく、種々、変更可能である。例えば、上記実施形態では、プロテクタ４を二重のプロテクタ（外側プロテクタ４１、内側プロテクタ４５）で構成したが、一重のプロテクタ、あるいは三重のプロテクタであってもよい。なお、多重のプロテクタを用いる場合には、距離Ｂは、最も検出素子に近いプロテクタの先端壁の内側面と検出素子との距離を指す。
【００５６】
また、上記実施形態において、測定電極６３は、先端部ｒには形成されていないが、固体電解質体６１の先端全面を覆うように設けてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  ガスセンサ
４  プロテクタ
５  主体金具
６  検出素子
７  ヒータ
１０  ガスセンサ
１２  パッキン
１３  支持部材
４１  外側プロテクタ
４３  排出口
４５  内側プロテクタ
４８  排出口
６１  固体電解質体
６２  基準電極
６３  測定電極
６７  保護層
７７  発熱部
Ａ  距離
Ｂ  距離
Ｃ  距離
【図１】
2011158262.tif 000006
【図２】
2011158262.tif 000007
【図３】
2011158262.tif 000008
【図８】
2011158262.tif 000009
【図９】
2011158262.tif 000010
【図４】
2011158262.tif 000011
【図５】
2011158262.tif 000012
【図６】
2011158262.tif 000013
【図７】
2011158262.tif 000014