(57)【要約】【課題】ガスセンサ素子に水滴が付着することを抑制すると共に、煤によってガスセンサ素子への被測定ガスの流通が阻害されることを抑制する技術を提供する。【解決手段】ガスセンサ１は、検出部１１とヒータ３００とを有するガスセンサ素子１０と、内側プロテクタ１２２と、外側プロテクタ１１０とを備える。外側プロテクタ１１０はガス導入孔１４０を有する。内側プロテクタ１２２は、金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材のうちの少なくとも一方を使用して構成されている。また、内側プロテクタ１２２は、検出部１１のうち、少なくともガス導入孔１４０と対向する部分を覆うように検出部１１と接触して配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定成分を検出するためのガスセンサ素子であって、被測定ガス中に晒される検出部と、前記検出部を加熱するためのヒータとを有するガスセンサ素子と、
前記ガスセンサ素子の検出部が自身の先端から突出するようにして前記ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具に取り付けられ、前記検出部との間で間隙をあけて前記検出部を取り囲む筒状の外側プロテクタであって、前記外側プロテクタの外側から内側に被測定ガスを導入するためのガス導入孔を有する外側プロテクタと、を備えるガスセンサにおいて、
前記検出部と前記外側プロテクタの間に位置し、前記検出部と接触して配置される内側プロテクタであって、前記ガスセンサ素子の検出部のうち、少なくとも前記ガス導入孔と対向する部分を覆うように配置される内側プロテクタを有し、
前記内側プロテクタは、金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材のうちの少なくとも一方を使用して構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記内側プロテクタは、前記検出部の周囲を取り囲んでいることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記内側プロテクタは、少なくとも前記外側プロテクタの前記ガス導入孔と離間していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記内側プロテクタは、前記外側プロテクタと接触しておらず、間隙を介して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項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、被測定ガス中の特定成分を検出するために用いるガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気ガス中に含まれる特定成分（例えば、酸素）の濃度を検出し、この濃度に応じて内燃機関の空燃比を制御することが行われている。この際、特定成分の濃度の検出のために、被測定ガス中に含まれる特定成分の濃度に応じて電気的特性が変化するガスセンサ素子を備えたガスセンサが用いられている。
【０００３】
ガスセンサ素子は、例えば、ヒータ等の加熱手段を用いて加熱されることで高温（例えば７００℃〜８００℃）となり、ガスセンサ素子が活性化して被測定ガス中に含まれる特定成分の検出を行うことが可能となる。しかしながら、このようにガスセンサ素子が高温になった状態で被測定ガスに含まれる水滴（液体の水分）がガスセンサ素子に付着（被水）すると、ガスセンサ素子にクラックが発生する場合があった。このため、ガスセンサ素子への水滴の付着を防止するために、ガスセンサ素子の周囲を取り囲むプロテクタ（以下、「外側プロテクタ」ともいう。）を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１）。そして、この外側プロテクタの側面部分（外周部分）には、被測定ガスを外側プロテクタの内側に導入するためのガス導入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２００８−２６８１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、このガスセンサを内燃機関の吸気管に取り付け、吸気ガス中に含まれる特定成分（例えば、酸素）の濃度を検出し、この濃度に応じて内燃機関の空燃比を制御することも行われている。この吸気管内の温度は、排気管内の温度に比べて高温化せず、吸気ガス中の水滴が排気ガス中に比べて長時間発生し続ける。そのため、外側プロテクタを設けた場合であっても、ガス導入孔を介して外側プロテクタの外側から内側に吸気ガスと共に多くの水滴が侵入し、ガスセンサ素子に水滴が付着することでガスセンサ素子にクラックが発生する場合があった。
【０００６】
また、吸気管内の温度が、排気管内の温度に比べ高温化しないため、排気管内では殆ど自然に燃えてしまう被測定ガス中の煤が吸気管内では燃えることなく存在し、この煤がガスセンサ素子の周囲に堆積して外側プロテクタとガスセンサ素子との間隙を埋めてしまう虞があった。その結果、被測定ガスのガスセンサ素子への流通が阻害されることでガスセンサの応答性が低下する場合があった。
【０００７】
なお、被水防止のために、外側プロテクタよりも内側にガスセンサ素子を保護するための内側プロテクタを配置することが考えられる。しかしながら、２重にプロテクタを配置した場合、外側プロテクタと内側プロテクタとの間隙が、ガスセンサ素子と外側プロテクタとの間隙に比べさらに狭くなるため、より早くに被測定ガスのガスセンサ素子への流通が阻害されると考えられる。
【０００８】
従って本発明は、ガスセンサ素子に水滴が付着することを抑制すると共に、煤によってガスセンサ素子への被測定ガスの流通が阻害されることを抑制する技術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】
【０００９】
[適用例１]被測定ガス中の特定成分を検出するためのガスセンサ素子であって、被測定ガス中に晒される検出部と、前記検出部を加熱するためのヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の検出部が自身の先端から突出するようにして前記ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具と、前記主体金具に取り付けられ、前記検出部との間で間隙をあけて前記検出部を取り囲む筒状の外側プロテクタであって、前記外側プロテクタの外側から内側に被測定ガスを導入するためのガス導入孔を有する外側プロテクタと、を備えるガスセンサにおいて、前記検出部と前記外側プロテクタの間に位置し、前記検出部と接触して配置される内側プロテクタであって、前記ガスセンサ素子の検出部のうち、少なくとも前記ガス導入孔と対向する部分を覆うように配置される内側プロテクタを有し、前記内側プロテクタは、金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材のうちの少なくとも一方を使用して構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【００１０】
適用例１のガスセンサによれば、内側プロテクタを設けていないガスセンサに比べ、ガス導入孔を介して外側プロテクタの内側に侵入した水滴が、直接、ガスセンサ素子に付着することを抑制することができる。また、ガス導入孔を介して外側プロテクタの内側に侵入した煤は、内側プロテクタにより捕捉される。ここで、内側プロテクタはヒータを有するガスセンサ素子（詳細には検出部）と接触しているため、ヒータからの熱を効率的に利用して内側プロテクタを煤が燃焼する温度（例えば６００℃以上）まで加熱することができる。よって、内側プロテクタを加熱する他の装置を用いることなく内側プロテクタに捕捉された煤を、燃焼させることができ、内側プロテクタと外側プロテクタとの間隙を煤が埋めてしまうことを抑制することができる。さらに、内側プロテクタは金属を含む多孔質素材又は金属を含む繊維状素材のうちの少なくとも一方を使用して構成されているため、通気性を有する。よって、被測定ガスの検出部への流通を阻害されることが抑制できる。
【００１１】
なお、内側プロテクタは、前記ガスセンサ素子の検出部のうち、少なくともガス導入孔と対向する部分を覆うように配置されていればよい。これは、被測定ガスはガス導入孔からガスセンサ素子に向かって導入するため、ガス導入孔に対向する部分に内側プロテクタを配置することで、煤を効率良く燃焼させることができると共に、水滴がガスセンサ素子に付着することを効率よく抑制することができる。
【００１２】
[適用例２]前記内側プロテクタは、前記検出部の周囲を取り囲んでいることを特徴とする適用例１記載のガスセンサ。
適用例２のガスセンサによれば、内側プロテクタがガスセンサ素子の検出部の周囲を取り囲んでいるため、ガス導入孔を介して外側プロテクタの内側に侵入した水滴がガスセンサ素子に付着することを確実に抑制することができる。また、外側プロテクタの内側に侵入した被測定ガス中の煤を確実に内側プロテクタで捕捉することができる。よって、内側プロテクタと外側プロテクタとの間隙を煤が埋めてしまうことを確実に抑制することができる。
【００１３】
[適用例３]前記内側プロテクタは、少なくとも前記外側プロテクタの前記ガス導入孔と離間していることを特徴とする適用例１又は適用例２に記載のガスセンサ。
適用例３のガスセンサによれば、ガス導入孔近傍に内側プロテクタが配置されることが無いので、内側プロテクタが被測定ガスのガスセンサ素子への流通に影響を与える可能性を低減し、ガスセンサの応答性が低下することをより抑制できる。
【００１４】
[適用例４]前記内側プロテクタは、前記外側プロテクタと接触しておらず、間隙を介して配置されていることを特徴とする適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載のガスセンサ。
内側プロテクタと外側プロテクタが接触していると、ヒータから発せられる熱の多くが内側プロテクタを通って外側プロテクタに伝導し、最終的にガスセンサの外部へ放熱されてしまう場合がある。これに対し、適用例４のガスセンサによれば、内側プロテクタと外側プロテクタは接触していないことから、ヒータから発せられた熱が外側プロテクタまで伝導することを抑制することができる。よって、ヒータからの熱をより一層効率的に用いて内側プロテクタを加熱することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサ、ガスセンサの製造方法及びガスセンサを被測定ガスが流れる通路に装着した車両等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例としてのガスセンサを示す部分断面図である。
【図２】ガスセンサ１の使用態様を説明するための図である。
【図３】ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。
【図４】外側プロテクタ１１０の外観斜視図である。
【図５】内側プロテクタ１２２及び保持部材１２４の外観斜視図である。
【図６】ガスセンサ素子１０、プロテクタ１００及び保持部材１２４の組み付け態様を示す斜視図である。
【図７】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図８】第２実施例のガスセンサを説明するための図である。
【図９】第３実施例のガスセンサを説明するための図である。
【図１０】第３変形例のガスセンサを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００１８】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．ガスセンサの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としてのガスセンサを示す部分断面図である。図１は、ガスセンサ１の軸線ＡＸ方向を上下方向として図示している。またこれ以降、図１における下方向（下側）をガスセンサ１の先端側とし、図１における上方向（上側）をガスセンサ１の後端側（「基端側」ともいう。）として説明を行う。
【００１９】
ガスセンサ１は、例えば、内燃機関の吸気通路に取り付けられる。具体的には、ガスセンサ１は、吸気通路を流通する吸気ガスや、吸気ガスと排気ガスが混ざり合ったガスであって、吸気ガス後段通路を流れる吸気再循環ガス等の被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。
【００２０】
ガスセンサ１は、主に、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の主体金具５０と、ガスセンサ素子１０と、プロテクタ１００と、５個の接続端子６１（図１では１個の接続端子のみ図示する）と、を備えている。主体金具５０は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の部材である。プロテクタ１００は、ガスセンサ素子１０の被測定ガスに晒される検出部１１を保護するための部材である。接続体６０は、ガスセンサ素子１０の後端部１２を取り囲むように配置され、５つの接続端子６１のそれぞれの絶縁をはかる部材である。
【００２１】
ガスセンサ素子１０のうち、先端部１３は主体金具５０の先端から突出し、後端部１２は主体金具５０の後端から突出している。また、ガスセンサ素子１０は、素子本体２００と、素子本体２００が活性化する温度（例えば７００℃〜８００℃）に素子本体２００を加熱するためのヒータ３００とを有する。さらに、ガスセンサ素子１０の検出電極（図示せず）を被測定ガスによる被毒から保護するため、ガスセンサ素子１０はその先端部１３の周囲を覆うように形成されたセラミックからなる先端保護層１５を有する。先端保護層１５は気体の流通が可能な多孔質体である。なお、ガスセンサ素子１０の詳細な構成については後述する。
【００２２】
主体金具５０は、先端側から後端側に向かう順に、先端係合部５６と、雄ねじ部５１と、工具係合部５２と、後端係合部５７と、加締め部５３とを有する。先端係合部５６には、後述する外側プロテクタ１１０や保持部材１２４が係合する。雄ねじ部５１は、被測定ガスが流れる通路（配管）にガスセンサ１を取り付けるために用いられる。工具係合部５２には、ガスセンサ１を通路に取り付ける際に用いる取り付け用工具が係合する。後端係合部５７には、後述する外筒３０が係合する。加締め部５３は、ガスセンサ素子１０を主体金具５０の内側に保持するために加締めを行うことで形成される部位である。なお、工具係合部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間には、被測定ガスが流れる通路にガスセンサ１を取り付けた際に、通路に設けられたガスセンサ装着口からガスが漏れださないようにするためのガスケット５５が差し込まれている。
【００２３】
また、主体金具５０内には、アルミナからなる筒状のセラミックリング２１と、滑石粉末からなる第１の滑石リング２２と、同じく滑石粉末からなる第２の滑石リング２６と、アルミナからなる筒状のセラミックスリーブ２７とがこの順に先端側から後端側に積層されている。更に、主体金具５０内には、セラミックリング２１及び第１の滑石リング２２と共にガスセンサ素子１０と一体化された筒状の金属カップ２０が設けられている。
【００２４】
金属カップ２０は、その先端周縁部２３が、主体金具５０の内周に形成された第２の段部５４と係合することで係止される。第２の滑石リング２６は、自身をガスセンサ素子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。また、第２の滑石リング２６を後端側から先端側へ押さえるようにしてセラミックスリーブ２７が主体金具５０内に嵌め込まれている。セラミックスリーブ２７には段状をなす第１の段部２８が形成されている。また、第１の段部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を介して第１の段部２８を先端側に向けて押圧するように加締められている。セラミックスリーブ２７に押圧された第２の滑石リング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る。この第２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第１の滑石リング２２とによって、金属カップ２０およびガスセンサ素子１０が主体金具５０内で位置決めされると共に、主体金具５０内に保持される。
【００２５】
主体金具５０の工具係合部５２よりも後端側には、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）等の金属から形成される。外筒３０の内側には、接続体６０が配設されている。外筒３０の先端側開口端３１は、主体金具５０の後端係合部５７に加締められ、更に全周溶接されることで主体金具５０に接合されている。外筒３０と接続体６０との間隙には、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は自身の後端を径方向内側に向かって折り曲げて構成した支持部７１を有する。この支持部７１は、接続体６０に設けられた他の部分よりも外径の大きい鍔部６２を係止させることで、接続体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ることで、接続体６０を支持した保持金具７０が外筒３０に固定される。
【００２６】
外筒３０の後端側開口端３３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５つのうち１つのみを図示している。）を有する。５つの挿通孔７６には、接続端子６１から引き出された５本のリード線６５（図１では３本のみ図示している。）が気密に挿通されている。この状態でグロメット７５は、接続体６０を先端側に押圧しつつ、外筒３０の外側から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。
【００２７】
主体金具５０の雄ねじ部５１よりも先端側には、外側プロテクタ１１０と、内側プロテクタ１２２を保持する保持部材１２４とがレーザ溶接により全周溶接することで固定されている。外側プロテクタ１１０は被測定ガスを外側から内側に導入するためのガス導入孔１４０と、被測定ガスを内側から外側に導出するためのガス導出孔１５０を有する。内側プロテクタ１２２は保持部材１２４に固定されている。
【００２８】
ガスセンサ１を用いて被測定ガス中の特定成分の濃度を検出する際には、検出部１１はヒータ３００により７００℃〜８００℃程度まで加熱され活性化される。またその際、内側プロテクタ１２２は検出部１１からの熱伝導により６００℃以上に加熱されている。
【００２９】
図２は、ガスセンサ１の使用態様を説明するための図である。図２（Ａ）は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムを説明するための図であり、図２（Ｂ）は、ガスセンサ１の具体的な取付態様を示す図である。ＥＧＲシステム５は、内燃機関５１０と、内燃機関５１０の前段に配置された吸気通路５０２と、内燃機関５１０の後段に配置された後段通路５０４とを備える。さらにＥＧＲシステム５は、排気通路５０４を流れる排気ガスの一部を吸気ガスが流れる吸気通路５０２に循環させるための循環通路５０６を有する。ガスセンサ１は特に、吸気通路５０２のうち、循環通路５０６が接続された位置よりもガスの流れ方向で下流側部分に位置する吸気ガス後段通路５０２ｂに取り付けて使用される。吸気ガス後段通路５０２ｂを流れる吸気再循環ガスは、排気ガスに比べ温度が低い（例えば吸気再循環ガスの温度は１５０℃程度、排気ガスの温度は６００℃〜９００℃程度）。更に、吸気再循環ガスは、排気ガスを含むため煤を含有している。この吸気再循環ガス中の煤の多くは、吸気再循環ガスのガス温度では自然に燃焼しない。従って、煤を捕捉し燃焼させることのできるガスセンサ１を用いることで、内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０との間隙を煤が埋めてしまうことを抑制することができる。
【００３０】
図２（Ｂ）に示すように、ガスセンサ１が吸気ガス後段通路５０２ｂに取り付けられた場合、ガス導入孔１４０が下流側を向くように配置されている。すなわち、ガスセンサ１が取り付けられている位置よりも下流側から外側プロテクタ１１０に向かって平行光線を照射したときに、外側プロテクタ１１０に平行光線が照射される範囲にガス導入孔１４０が位置するよう、ガスセンサ１を吸気ガス後段通路５０２ｂに取り付ける。このようにガスセンサ１を取り付けることで、外側プロテクタ１１０の外側から内側に導入される水滴や煤を低減することができる。
【００３１】
Ａ−２．ガスセンサ素子の構成：
図３は、ガスセンサ素子１０の分解斜視図である。ガスセンサ素子１０は、軸線方向（図３中では左右方向）に伸びる板状の素子本体２００と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ３００とが積層されることにより一体化されている。なお、図３においては、図中左側が図１における先端側、図中右側が図１における後端側（基端側）に対応する。
【００３２】
素子本体２００は、それぞれ板状をなす保護層２４０、ポンプセル２３０、スペーサ２２０、酸素濃度検知セル２１０が、この順番で積層されている。ポンプセル２３０は、第１固体電解質体２３２と、第１の電極２３３ａと、第２の電極２３１ａとにより構成される。酸素濃度検知セル２１０は、第２固体電解質体２１２と、第３の電極２１３ａと、第４の電極２１１ａとにより構成される。
【００３３】
保護層２４０は、アルミナを主体に形成されている。この保護層２４０の先端側近傍には多孔質体２４２が設けられている。保護層２４０の第１の面２４０ｄは、ガスセンサ素子１０として各部材が一体化された場合に、ガスセンサ素子１０の第１の板面１０ａを構成する。第１の面２４０ｄには、その後端側近傍に、３つの第１〜第３のセンサ用電極４０１ａ〜４０１ｃが軸線方向と直交する方向に所定間隔に並んで形成されている。第１〜第３のセンサ用電極４０１ａ〜４０１ｃは、保護層２４０の後端側近傍に貫通形成された３つの第１〜第３のスルーホール導体２４０ａ〜２４０ｃと、それぞれ図中に破線で示すように電気的に接続している。
【００３４】
第１固体電解質体２３２は、ジルコニアを主体に形成され、この第１固体電解質体の後端側近傍には、２つのスルーホール導体２３２ａ，２３２ｂが貫通形成されている。これらのスルーホール導体２３２ａ，２３２ｂは、上記保護層２４０に貫通形成されたスルーホール導体２４０ａ，２４０ｂと電気的に接続している。
【００３５】
第１固体電解質体２３２の２つの面２３２ｄ，２３２ｅのうち、保護層２４０と対向する第２の面２３２ｄには、Ｐｔを主体とし多孔質で矩形状をなす第１の電極２３３ａが形成されている。この第１の電極２３３ａは、第２の面２３２ｄ上に延びる第１の電極リード２３３ｂを介して、上記保護層２４０に貫通形成されたスルーホール導体２４０ｃと電気的に接続している。このため、第１の電極２３３ａは、スルーホール導体２４０ｃを通じて第３のセンサ用電極４０１ｃと導通している。第１の電極２３３ａは、保護層２４０に設けられた多孔質体２４２を通じて、被測定ガス中に晒される。
【００３６】
第１固体電解質体２３２の２つの面２３２ｄ，２３２ｅのうち、スペーサ２２０と対向する第３の面２３２ｅにも、Ｐｔを主体とし多孔質で矩形状をなす第２の電極２３１ａが形成されている。この第２の電極２３１ａは、第３の面２３２ｅ上に延びる第２の電極リード２３１ｂを介して、第１固体電解質体２３２に貫通形成されたスルーホール導体２３２ｂに電気的に接続されている。そのため、第２の電極２３１ａは、スルーホール導体２３２ｂおよびスルーホール導体２４０ｂを通じて、第２のセンサ用電極４０１ｂに導通している。
【００３７】
スペーサ２２０は、アルミナを主体に形成され、先端側近傍に長方形状の開口を有する。この開口は、スペーサ２２０が第１固体電解質体２３２と第２固体電解質体２１２との間に挟まれて積層されることによってガス検出室２２０ｃを構成する。ガス検出室２２０ｃの両側壁の一部は、ガス検出室２２０ｃ内と外部との間の通気を確保する多孔質体２２２によって構成されている。この多孔質体２２２は、多孔質のアルミナから形成されている。スペーサ２２０の後端側近傍には、２つのスルーホール導体２２０ａ，２２０ｂが貫通形成されている。スルーホール導体２２０ｂは、第２の電極部２３１と電気的に接続している。また、スルーホール導体２２０ａは、ポンプセル２３２に貫通形成されたスルーホール導体２３２ａと電気的に接続している。
【００３８】
第２固体電解質体２１２は、ジルコニアを主体に形成され、この第２固体電解質体２１２の後端側近傍には、スルーホール導体２１２ａが貫通形成されている。このスルーホール導体２１２ａは、上記スペーサ２２０に貫通形成されたスルーホール導体２２０ａと電気的に接続している。
【００３９】
第２固体電解質体２１２の２つの面２１２ｄ，２１２ｅのうち、スペーサ２２０と対向する第４の面２１２ｄには、Ｐｔを主体とし多孔質で矩形状をなす第３の電極２１３ａが形成されている。この第３の電極２１３ａは、第４の面２１２ｄ上に延びる第３の電極リード２１３ｂを介して、上記スペーサ２２０に貫通形成されたスルーホール導体２２０ｂに電気的に接続している。このため、第３の電極２１３ａは、スルーホール導体２２０ｂ、スルーホール導体２３２ｂ、スルーホール導体２４０ｂを通じて、第２のセンサ用電極４０１ｂに導通している。つまり、第２のセンサ用電極４０１ｂに共通して接続された第２の電極２３１ａと第３の電極２１３ａとは電気的に同電位となる。
【００４０】
第２固体電解質体２１２の２つの面２１２ｄ，２１２ｅのうち、ヒータ３００に対向する第５の面２１２ｅにも、Ｐｔを主体とし多孔質で矩形状をなす第４の電極２１１ａが形成されている。この第４の電極２１１ａは、第５の面２１２ｅ上に延びる第４の電極リード２１１ｂを介して、第２固体電解質体２１２に貫通形成されたスルーホール導体２１２ａに電気的に接続している。このため、第４の電極２１１ａは、スルーホール導体２１２ａ，２２０ａ，２３２ａ，２４０ａを通じて、第１のセンサ用電極４０１ａに導通している。
【００４１】
ヒータ３００は、それぞれ板状をなす第１の絶縁層３０３と第２の絶縁層３０１とが積層されることで構成されている。第１と第２の絶縁層３０３，３０１は共にアルミナにより形成されている。第１の絶縁層３０３と第２の絶縁層３０１との間には、発熱抵抗体３０２が配置されている。発熱抵抗体３０２は、ガスセンサ素子１０の先端側近傍に位置するＰｔを主体とする発熱抵抗部３０２ａと、この発熱抵抗部３０２ａに接続され後端側に延びる２つのヒータリード部３０２ｂ，３０２ｃとを有する。
【００４２】
第２の絶縁層３０１の後端側近傍には、２つのスルーホール導体３０１ａ，３０１ｂが貫通形成されている。第２の絶縁層３０１の第６の面３０１ｅは、ガスセンサ素子１０として各部材が一体化された場合に、ガスセンサ素子１０の第２の板面１０ｂを構成する。第６の面３０１ｅには、その後端側近傍に、２つの第１と第２のヒータ用電極４０２ａ，４０２ｂが軸線方向と直交する方向に並んで形成されている。このうち第２のヒータ用電極４０２ｂは、スルーホール導体３０１ｂを介して、ヒータリード部３０２ｃと電気的に接続している。また、第１のヒータ用電極４０２ａは、スルーホール導体３０１ａを介して、ヒータリード部３０２ｂと電気的に接続している。
【００４３】
以上のように構成されたガスセンサ１の通常利用時（被測定ガス中の特定成分検出時）の動作を参考までに説明する。ガスセンサ１の通常利用時には、ヒータ３００をヒータ制御回路によってガスセンサ素子１０が活性化する温度（例えば、７００〜８００℃）まで素子本体２００をヒータ３００により加熱する。更に、第１のセンサ用電極４０１ａを通じて酸素濃度検知セル２１０に微少電流（例えば１５μＡ）を流して、第４の電極２１１ａを酸素準備室として機能させる。この状態において、ガス検出室２２０ｃ内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、酸素濃度がほぼ一定に保たれている酸素準備室と第２固体電解質体２１２との間には、４５０ｍＶの電圧が発生する。そこで、公知の構成である所定の電気回路を用いて、酸素濃度検知セル２１０の電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるようにポンプセル２３０に流す電流Ｉｐを適時調整して、ガス検出室２２０ｃ内の雰囲気を理論空燃比に保つ制御を行う。このように、ガスセンサ１を動作させれば、ガス検出室２２０ｃ内を理論空燃比に保つための電流Ｉｐの値に基づいて、被測定ガス中の酸素の濃度を測定することが可能になる。
【００４４】
Ａ−３．プロテクタ１００及び保持部材１２４の構成：
図４は、外側プロテクタ１１０の外観斜視図である。外側プロテクタ１１０は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成された有底筒状の部材である。また外側プロテクタ１１０は、外径の大きい拡径部１３１と、拡径部１３１より外径の小さい筒状部１３０とを有する。筒状部１３０の外周部分（側面部分）には被測定ガスを外側プロテクタ１１０の外側から内側に導入するためのガス導入孔１４０が１つ形成されている。また、筒状部１３０の底面部分１３２には、外側プロテクタ１１０に導入された被測定ガスをガスセンサ１の外側に導出するためのガス導出孔１５０が１つ形成されている。
【００４５】
図５は、内側プロテクタ１２２及び保持部材１２４の外観斜視図である。保持部材１２４は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成された略筒状の部材である。また保持部材１２４は、円筒状の円筒部１２４ｂと、円筒部１２４ｂの底面（「先端面」ともいう。）１２４ｃから先端側（図中で下側）に延びる突出部１２４ａと、を有する。円筒部１２４ｂの外径は、外側プロテクタ１１０の拡径部１３１の内径よりもやや小さく、円筒部１２４ｂが拡径部１３１の内側に収まるような構成となっている。突出部１２４ａは、内側プロテクタ１２２を保持するための部位である。突出部１２４ａの内周面と内側プロテクタ１２２の後端側（図中で上側）部分の外周面とが熱圧着されることで、内側プロテクタ１２２は保持部材１２４に固定される。なお、ガスセンサ素子１０が内側プロテクタ１２２の内側に挿入された場合において、ガスセンサ素子１０の先端部１３のうち、突出部１２４ａの先端（図４中では下端）よりも先端側（下側）にある部分が被測定ガスに晒される検出部１１（図１）となる。
【００４６】
内側プロテクタ１２２は、金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材から形成されている。内側プロテクタ１２２は、その内側にガスセンサ素子１０の検出部１１を収納できるよう、内側（内部）に空間を形成している。ここで、金属からなる繊維状素材としては、例えば金属不織布が挙げられる。また金属からなる多孔質素材としては、例えばシート状の金属不織布を複数枚重ねたものや金属粉末を焼結したものが挙げられる。本実施例の場合、内側プロテクタ１２２は、シート状の金属布織布を複数枚重ねた多孔質素材を筐体状に加工することで形成している。
【００４７】
内側プロテクタ１２２に用いることができる素材は金属であれば特に限定されないが、耐熱性（例えば、６００℃以上好ましくは８００℃以上の耐熱性)及び防錆性を有すると共に、熱伝導性が良好な素材を用いることが好ましい。このような素材としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼が挙げられる。このような素材を用いることで、ヒータ３００（図３）による加熱や、高温の被測定ガスや、被測定ガス中の水滴に起因する内側プロテクタ１２２の不具合を抑制することができる。さらに、熱伝導性を有することでヒータ３００からの熱を効率的に利用して内側プロテクタ１２２を所定の温度（例えば煤が燃焼する温度である６００℃程度）まで加熱することができる。
【００４８】
また、内側プロテクタ１２２は、被測定ガスを内側プロテクタ１２２の外側から内側に導入できる程度の通気性を有する。すなわち内側プロテクタ１２２は、細孔構造を有する。通気性の程度は特に限定されないが、被測定ガス（気体）を通し、被測定ガス中の煤（気体中の固体成分）を捕捉できる程度であれば好ましい。このようにすることで、被測定ガス中のより多くの煤を内側プロテクタ１２２で捕捉し燃焼させることができる。また、内側プロテクタ１２２は三次元網目構造を有することが好ましい。三次元網目構造とすることで、被測定ガスに接触する内側プロテクタ１２２を構成する素材の面積を大きくでき、被測定ガス中に含まれるより多くの水滴および煤を捕捉することができる。
【００４９】
図６は、ガスセンサ素子１０、プロテクタ１００及び保持部材１２４の組み付け態様を示す斜視図である。なお、図６では図示の関係上、外側プロテクタ１１０の筒状部１３０は破線で示すとともにガス導入孔１４０及びガス導出孔１５０（図４）の図示は省略している。図６に示すように、内側プロテクタ１２２を固定した保持部材１２４は外側プロテクタ１１０の内側に挿入される。保持部材１２４の円筒部１２４ｂと外側プロテクタ１１０の拡径部１３１は重ね合わされ、主体金具５０の先端係合部５６に係合され全周溶接により主体金具５０に固定される（図１）。
【００５０】
図７は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１及び図７に示すように、内側プロテクタ１２２は、ガスセンサ素子１０のうち、被測定ガス中に晒される検出部１１を取り囲むように配置されている。また、検出部１１の外周面（側面）は全周に亘って、内側プロテクタ１２２と接触して配置されている（図７）。
【００５１】
上記のように、金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材を使用して構成された内側プロテクタ１２２は、検出部１１の外周面と接するようにして検出部１１を取り囲んでいる。これにより、ガス導入孔１４０から外側プロテクタ１１０の内側に侵入した被測定ガス中の水滴は、内側プロテクタ１２２に捕捉されることから、ガスセンサ素子１０（詳細には検出部１１）に水滴が付着することを抑制できる。よって、検出部１１のクラックの発生を抑制することができる。また、ガス導入孔１４０から外側プロテクタ１１０の内側に侵入した被測定ガス中の煤は、内側プロテクタ１２２により捕捉される。内側プロテクタ１２２は、検出部１１に接触しており、煤が燃焼する温度まで加熱されているため、捕捉された煤は燃焼する。よって、内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０との間隙を煤が埋めてしまうことを抑制することができる。よって、被測定ガスの検出部１１への流通を阻害されることを抑制できる。ここで、検出部１１の外周面（側面）は全周に亘って、内側プロテクタ１２２と接触して配置されているため、ヒータ３００から発せられる熱を有効に利用して内側プロテクタ１２２を加熱することができる。
【００５２】
さらに、図１及び図７に示すように、内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０とは、接触しておらず、間隙をあけて配置されている。内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０をこのように配置することで、内側プロテクタ１２２の熱が外側プロテクタ１１０に伝導し、ガスセンサ素子１０の外側に放熱されることを防止できる。これによりヒータ３００から発せられる熱を効率的に利用して、内側プロテクタ１２２を所定の温度（煤が燃焼する温度）まで加熱することができる。なお、本実施例において、図１に示すように検出部１１の底面（先端面）は内側プロテクタ１２２とは接触しておらず、離間しているが、検出部１１の底面と内側プロテクタ１２２を接触させて配置させても良い。すなわち、内側プロテクタ１２２の内側の表面と検出部１１の外表面とは全面に亘って接触しても良い。このようにすることで、ヒータ３００から発せされる熱をさらに有効に利用して内側プロテクタ１２２を所定の温度まで加熱することができる。
【００５３】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例のガスセンサを説明するための図である。図８（Ａ）は、ガスセンサ１ａの検出部１１付近を示す部分断面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。第１実施例のガスセンサ１との違いは、内側プロテクタ１２２ａの形状及び配置位置である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。
【００５４】
図８（Ａ），（Ｂ）に示すように内側プロテクタ１２２ａは平板状であり、検出部１１の一部を覆っている。具体的には、図８（Ｂ）に示すように、内側プロテクタ１２２ａは、検出部１１のうち、ガス導入孔１４０と対向する面１１ａ（以下単に、「対向面１１ａ」とも言う。）を覆うように配置されている。また、内側プロテクタ１２２ａは検出部１１と接触して配置されている。ここで、対向面１１ａは、図３に示すヒータ３００側の第２の板面１０ｂの一部分(先端側)に当たる。
【００５５】
外側プロテクタ１１０のガス導入孔１４０から侵入した水滴及び煤は、被測定ガスの流れに沿ってガス導入孔１４０から対向面１１ａに向かって流れる。従って、検出部１１の対向面１１ａを内側プロテクタ１２２ａで覆うことで、検出部１１に水滴が付着することを効率良く抑制できる。また、内側プロテクタ１２２ａで捕捉された煤は燃焼するため、検出部１１のうち、ガス導入孔１４０と対向する側の内側プロテクタ１２２ａと外側プロテクタ１１０との間隙に煤が堆積することを抑制することができる。更に、第２実施例のガスセンサ１ａは、内側プロテクタ１２２ａに用いる素材の量を第１実施例に比べ低減することができる。
【００５６】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例のガスセンサを説明するための図である。図９（Ａ）は、ガスセンサ素子１０及び内側プロテクタ１２２の組み付け態様を示す斜視図であり、図９（Ｂ）は、ガスセンサ１ｂの検出部１１付近を示す部分断面図である。第１実施例のガスセンサ１との違いは、内側プロテクタ１２２を保持するための保持部材１２４を備えていない点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。
【００５７】
図９（Ａ）に示すように、内側プロテクタ１２２は保持部材１２４（図１）を設けることなくガスセンサ素子１０に配置されている。このような配置方法としては、例えばガスセンサ素子１０の検出部１１に内側プロテクタ１２２を覆いかぶせ、内側プロテクタの後端部（図９（Ａ）中の上側部分）とガスセンサ素子１０を熱圧着する方法が挙げられる。
【００５８】
図９（Ｂ）に示すように、内側プロテクタ１２２は、検出部１１を取り囲むように配置されている。なお、第３実施例において、検出部１１は、ガスセンサ素子１０のうち、主体金具５０の先端から突出する部分である。
【００５９】
このようすることで、第１実施例と同様に、ガス導入孔１４０から外側プロテクタ１１０の内側に侵入した被測定ガス中の水滴は、内側プロテクタ１２２に捕捉される。よって、検出部１１に水滴が付着することを抑制できる。また、ガス導入孔１４０から外側プロテクタ１１０の内側に侵入した被測定ガス中の煤は、内側プロテクタ１２２により捕捉され燃焼する。よって、内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０との間隙を煤が埋めてしまうことを抑制することができる。さらに、第３実施例のガスセンサ１ｂは保持部材１２４を備えていないことから、第１実施例に比べ部品点数を低減することができる。
【００６０】
Ｄ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
Ｄ−１．第１変形例：
上記実施例では、ガスセンサ１，１ａ，１ｂを内燃機関の吸気通路に取り付ける例を挙げて説明を行ったが特にこれに限定されるものではなく、ガスセンサ１，１ａ，１ｂは、水滴及び煤を含む被測定ガスが流れる通路に取り付けて特定成分を検出するために用いることができる。また、上記実施例では、ガスセンサとして全領域空燃比センサを例に説明したが、これに限らず被測定ガス中の特定成分（例えば、酸素、ＮＯｘ、ＨＣ等）の検出や濃度測定を行うガスセンサに採用可能である。
【００６２】
Ｄ−２．第２変形例：
上記実施例では、ガス導入孔１４０が被測定ガスの流れ方向において下流側を向くように、被測定ガスが流れる通路にガスセンサ１，１ａ，１ｂを取り付けていたが、これに特に限定されるものではない。例えば、被測定ガスの流れ方向において上流側を向くようにガスセンサ１，１ａ，１ｂを取り付けても良い。
【００６３】
Ｄ−３．第３変形例：
図１０は、第３変形例のガスセンサの内側プロテクタ１２２ｂの配置位置を説明するための図である。上記第２実施例では、内側プロテクタ１２２ａは、対向面１１ａを覆うように配置されていたが、これに代えて、検出部１１のうちガス導入孔１４０と対向する部分１１ｂ（以下単に、「対向部分１１ｂ」とも言う。）のみを内側プロテクタ１２２ｂで覆うようにしても良い。ここで、対向部分１１ｂとは、外側プロテクタ１１０の外側（図１０では右側）からガス導入孔１４０を介して検出部１１に向かって平行光線を照射したときに、検出部１１が平行光線に照射される部分を指す。このようにしても、少なくともガス導入孔１４０から対向部分１１に向かって流れる被測定ガス中の水滴及び煤を効率良く捕捉することができる。これにより、ガスセンサ素子１０に水滴が付着することを抑制することができると共に、検出部１１のうち、少なくともガス導入孔１４０と対向する側の内側プロテクタ１２２ａと外側プロテクタ１１０との間隙に煤が堆積することを抑制することができる。
【００６４】
Ｄ−４．第４変形例：
上記実施例では、外側プロテクタ１１０にはガス導入孔１４０及びガス導出孔１５０がそれぞれ１つずつ形成されていたが、複数形成されていても良い。また、ガス導入孔１４０及びガス導出孔１５０の形状は、特に上記実施例に限定されるものではなく、例えば円形状や矩形状でも良い。さらに、ガス導入孔１４０及びガス導出孔１５０の形成位置は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、両者１４０，１５０とも筒状部１３０（図４）に形成しても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
Ｄ−５．第５変形例：
上記第１及び第３実施例では、内側プロテクタ１２２は、検出部１１（詳細には検出部１１の側面及び底面（先端面））を取り囲むように配置されていたが、これに代えて、検出部１１の側面のみを取り囲むように配置しても良い。すなわち、内側プロテクタ１２２は、少なくとも検出部１１の側面を取り囲んで配置されても良い。このようにしても、検出部１１の側面における内側プロテクタ１２２と外側プロテクタ１１０との間隙の煤の堆積と水滴の付着を抑制することができる。
【００６６】
Ｄ−６．第６変形例：
上記実施例では、内側プロテクタ１２２，１２２ａは、外側プロテクタ１１０と接触しておらず間隙を介して配置されていたが、全面に亘って接触していても良いし、一部において接触していても良い。このようにしても、内側プロテクタ１２２，１２２ａにより被測定ガス中の水滴を捕捉することができ、ガスセンサ素子１０に水滴が付着することを抑制することができる。また、被測定ガス中の煤は、内側プロテクタ１２２，１２２ａにより捕捉された燃焼するため、内側プロテクタ１２２，１２２ａと外側プロテクタ１１０との間隙に煤が堆積することを抑制することができる。
なお、内側プロテクタ１２２，１２２ａが外側プロテクタ１１０と一部において接触する場合、少なくとも外側プロテクタ１１０のガス導入孔１４０と離間していることが好ましい。こうすることで、内側プロテクタ１２２，１２２ａが被測定ガスのガスセンサ素子１０への流通に影響を与える可能性を低減し、ガスセンサの応答性が低下することをより抑制できるからである。
【００６７】
Ｄ−７．第７変形例：
上記実施例では、内側プロテクタ１２２は金属からなる多孔質素材又は金属からなる繊維状素材を使用して構成されていたが、両者を組み合わせて使用することで構成されても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
【００６８】
Ｄ−８．第８変形例：
上記実施例では、素子本体２００とヒータ３００が板状のガスセンサ素子１０を用いたが、特に形状はこれに限定されるものではない。例えば先端が閉じた有底筒状の素子本体の内部に棒状のヒータを配置したガスセンサ素子を用いても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００６９】
１，１ａ，１ｂ…ガスセンサ
５…ＥＧＲシステム
１０…ガスセンサ素子
１０ａ…第１の板面
１０ｂ…第２の板面
１１…検出部
１１ａ…対向面
１１ｂ…対向部分
１２…後端部
１３…先端部
１５…先端保護層
２０…金属カップ
２１…セラミックリング
２２…第１の滑石リング
２３…先端周縁部
２６…第２の滑石リング
２７…セラミックスリーブ
２８…第１の段部
２９…パッキン
３０…外筒
３１…先端側開口端
３３…後端側開口端
５０…主体金具
５１…雄ねじ部
５２…工具係合部
５３…加締め部
５４…第２の段部
５５…ガスケット
５６…先端係合部
５７…後端係合部
６０…接続体
６１…接続端子
６２…鍔部
７０…保持金具
７１…支持部
７５…グロメット
７６…挿通孔
１００…プロテクタ
１１０…外側プロテクタ
１２２，１２２ａ，１２２ｂ…内側プロテクタ
１２４…保持部材
１２４ａ…突出部
１２４ｂ…円筒部
１２４ｃ…底面
１３０…筒状部
１３１…拡径部
１３２…底面部分
１４０…ガス導入孔
１５０…ガス導出孔
２００…素子本体
２１０…酸素濃度検知セル
２１１ａ…第４の電極
２１１ｂ…第４の電極リード
２１２…第２固体電解質体
２１２ａ…スルーホール導体
２１２ｄ…第４の面
２１２ｅ…第５の面
２１３ａ…第３の電極
２１３ｂ…第２の電極リード
２２０…スペーサ
２２０ａ，２２０ｂ…スルーホール導体
２２０ｃ…ガス検出室
２２２…多孔質体
２３０…ポンプセル
２３１ａ…第２の電極
２３１ｂ…第２の電極リード
２３２…第１固体電解質体
２３２ａ…スルーホール導体
２３２ｂ…スルーホール導体
２３２ｄ…第２の面
２３２ｅ…第３の面
２３３ａ…第１の電極
２３３ｂ…第１の電極リード
２４０…保護層
２４０ａ，ｂ，ｃ…スルーホール導体
２４０ｄ…第１の面
２４２…多孔質体
３００…ヒータ
３０１…第２の絶縁層
３０１ａ，ｂ…スルーホール導体
３０１ｅ…第６の面
３０２…発熱抵抗体
３０２ａ…発熱抵抗部
３０２ｂ，ｃ…ヒータリード部
３０３…第１の絶縁層
４０１ａ…第１のセンサ用電極
４０１ｂ…第２のセンサ用電極
４０１ｃ…第３のセンサ用電極
４０２ａ…第１のヒータ用電極
４０２ｂ…第２のヒータ用電極
５０２…吸気通路
５０２ｂ…吸気ガス後段通路
５０４…排気通路
５０６…循環通路
５１０…内燃機関
ＡＸ…軸線
【図１】
2011145145.tif 000003
【図２】
2011145145.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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