(57)【要約】【課題】検出素子を被水から効果的に保護することができるプロテクタを備えたガスセンサを提供することを目的とする。また、本発明は、検出素子が低い温度の排気ガスや吸気再循環ガスに熱を奪われにくいプロテクタを備えたガスセンサを提供することを目的とする。【解決手段】ガスセンサ１のセンサ素子１０の検出部１１を保護するプロテクタ１００のうち、センサ素子１０よりも排気管の上流側に形成された第１導入孔１１４の開口面積の合計よりもセンサ素子１０よりも排気管の下流側に形成された第２導入孔１１５の開口面積の合計が大きいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延びる板状をなし、自身の先端側に被検出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、
前記検出部を自身の先端から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、
自身の内部に前記検出素子の前記検出部を収容した状態で、自身の基端部が前記ハウジングの先端部に固定されると共に、自身の内部に被検出ガスを導入するための導入孔が外周面に設けられたプロテクタと、
を備え、気体通路中に配置されるガスセンサにおいて、
前記プロテクタは、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成された導入孔の開口面積の合計よりも前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成された導入孔の開口面積の合計が大きいことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成されたぞれぞれの導入孔の面積が、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成された導入孔の個数が、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の個数よりも多いことを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記気体通路には、内燃機関に送られる吸気ガスが流れることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記気体通路は、内燃機関から排出された排気ガスが再度、内燃機関に送られるための循環路であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一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、内燃機関から排出される排気ガス中や、内燃機関の汚染物質排出の削減のために、排ガスを再循環させる吸気再循環ガスに晒される検出素子を被水から保護するプロテクタを備えたガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの排気ガス中の特定ガス、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。このガスセンサは自動車の排気管等の気体通路に取り付けられて使用されるが、検出素子が高温の排気ガス中に晒されることとなるため、排気ガスに含まれる水分の付着（被水）により検出素子が熱衝撃を受けると、クラックや割れが生ずる虞がある。そこでガスセンサには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（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
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が流れる通気管においてもガスセンサが取り付けられることがあるが、このガスセンサにおいても検出素子の被水に対する保護のため、プロテクタが取り付けられる。
【０００４】
そして、特許文献１、特許文献２のガスセンサにおいては、検出素子の全周を覆うように１つのプロテクタが設けられ、検出素子を被水から保護している。その一方、検出素子の検出部に排気ガスや吸気再循環ガスを晒すために、プロテクタには、全周にわたって排気ガスや吸気再循環ガスをプロテクタの外部から内部に挿通するための挿通孔が設けられている。
【特許文献１】特開平１０−２９３１１３号公報
【特許文献２】特開２００６−２７６１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や特許文献２のようにプロテクタの全周にわたって均一に挿通孔を設けると、気体通路の上流側に配置された挿通孔を排気ガスや吸気再循環ガスが通過することになる。その際、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が挿通孔を通過して検出素子に付着し、検出素子にクラックや割れが生じる虞がある。また、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤が挿通孔を通過し、検出素子に付着する虞がある。検出素子に煤が堆積すると、検出素子の外表面に形成された多孔質層が煤による目詰まりを起こしてしまい、ガスセンサの検出精度が低下する虞がある。
【０００６】
また、ガスセンサの検出素子は、２８０℃以上となるとガス検出特性を得ることができる。そのため、通常、検出素子の近傍や検出素子と一体化して加熱装置（特にヒータ）が配置される。ところで、プロテクタの孔径や形状によっては、加熱された検出素子に対して温度が低い排気ガスや吸気再循環ガスが晒されることになり、検出素子が熱を奪われ、検出素子のガス検出特性を得られない虞がある。
【０００７】
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、検出素子を被水から効果的に保護することができるプロテクタを備えたガスセンサを提供することを目的とする。また、本発明は、検出素子が低い温度の排気ガスや吸気再循環ガスに熱を奪われにくいプロテクタを備え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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のガスセンサは、軸線方向に延びる板状をなし、自身の先端側に被検出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、前記検出部を自身の先端から突出させた状態で、前記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、自身の内部に前記検出素子の前記検出部を収容した状態で、自身の基端部が前記ハウジングの先端部に固定されると共に、自身の内部に被検出ガスを導入するための導入孔が外周面に設けられたプロテクタと、を備え、気体通路中に配置されるガスセンサにおいて、
前記プロテクタは、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成された導入孔の開口面積の合計よりも前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成された導入孔の開口面積の合計が大きいことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明のガスセンサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成されたぞれぞれの導入孔の面積が、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
さらに、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項１または２記載の発明の構成に加え、前記検出素子よりも前記気体通路の下流側に形成された導入孔の個数が、前記検出素子よりも前記気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の個数よりも多いことを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項４に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記気体通路には、内燃機関に送られる吸気ガスが流れることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項５に係る発明のガスセンサは、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発明の構成に加え、前記気体通路は、内燃機関から排出された排気ガスが再度、内燃機関に送られるための循環路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明のガスセンサでは、検出素子よりも気体通路の上流側に形成された導入孔の開口面積の合計を検出素子よりも気体通路の下流側に形成された導入孔の開口面積の合計に比べて小さくする。これにより、上流側から流れてくる排気ガスや吸気再循環ガスが直接検出素子に晒されることを抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が検出素子に付着することを抑制でき、検出素子にクラックや割れが生じることを抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接検出素子に付着することを抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下する事を抑制できる。
【００１４】
それに対して、検出素子よりも気体通路の下流側に形成された導入孔の開口面積の合計を検出素子よりも気体通路の上流側に形成された導入孔の開口面積の合計に比べて大きくする。これにより、プロテクタ内のガス置換が早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００１５】
また、温度が低い排気ガスや吸気再循環ガスが直接検出素子に晒されにくくなり、検出素子が熱を奪われることを抑制し、検出素子のガス検出特性を十分に得ることができる。
【００１６】
なお、導入孔の開口面積は、プロテクタを所定の平面上に投影させたときの導入孔に対応する開口の面積のことを指す。つまり、導入孔の開口面積の合計は、プロテクタを所定の平面上に投影させたときの全ての導入孔における開口の面積の合計のことを指す。
【００１７】
また、検出素子よりも気体通路の上流側に導入孔が形成されてなくてもよい。このとき、上流側から流れてくる排気ガスや吸気再循環ガスが直接検出素子に晒されることがない。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が検出素子に付着することをより抑制でき、検出素子にクラックや割れが生じることをより抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接検出素子に付着することをより抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下する事をより抑制できる。
【００１８】
さらに、検出素子よりも気体通路の下流側に形成されたぞれぞれの導入孔の面積が、検出素子よりも気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の面積よりも大きいことが好ましい。これにより、上流側から流れてくる気体が直接検出素子に晒されることをより抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が検出素子に付着することをより抑制でき、検出素子にクラックや割れが生じることをより抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接検出素子に付着することをより抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下する事をより抑制できる。また、プロテクタ内のガス置換がより早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００１９】
さらに、検出素子よりも気体通路の下流側に形成された導入孔の個数が、検出素子よりも気体通路の上流側に形成されたそれぞれの導入孔の個数よりも多いことが好ましい。これにより、上流側から流れてくる気体が直接検出素子に晒されることをより抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が検出素子に付着することをより抑制でき、検出素子にクラックや割れが生じることをより抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接検出素子に付着することをより抑制でき、ガスセンサの検出精度が低下する事をより抑制できる。また、プロテクタ内のガス置換がより早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００２０】
さらに、気体通路が、内燃機関に送られる吸気ガスが流れるための通路であったり、内燃機関から排出された排気ガスが再度、内燃機関に送られるための循環路であることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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の部分断面図である。なお、図１において、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、内部に保持するセンサ素子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。
【００２２】
図１に示すガスセンサ１は、自動車の排気管や通気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持するセンサ素子１０の検出部１１が排気管や通気管内を流通する排気ガスや吸気再循環ガス中に晒されて、その排気ガスや吸気再循環ガス中の酸素濃度から排気ガスの空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。なお、本実施形態の排気管や通気管が特許請求の範囲の「気体流路」に相当する。
【００２３】
センサ素子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、センサ素子１０の先端側の検出部１１に配置されている。さらに、この検出部１１に排気ガスや吸気再循環ガスを晒すためのガス導入部１７が設けられている。そして、検出電極を排気ガスや吸気再循環ガスによる被毒から保護するため、センサ素子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。また、センサ素子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、本実施の形態ではセンサ素子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。
【００２４】
センサ素子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、自身の内部にセンサ素子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内にセンサ素子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、自身をセンサ素子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、センサ素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて保持されている。
【００２５】
金属カップ２０と一体となったセンサ素子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を自動車の排気管や通気管（図示外）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、排気管や通気管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内にセンサ素子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。なお、主体金具５０が、本発明における「ハウジング」に相当する。
【００２６】
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、センサ素子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。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およびセンサ素子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。
【００２７】
センサ素子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、センサ素子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。
【００２８】
そして、セパレータ６０が嵌められたセンサ素子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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
そして、主体金具５０に保持されたセンサ素子１０は、その検出部１１が、主体金具５０の先端部（先端係合部５６）より突出された状態となる。この先端係合部５６には、センサ素子１０の検出部１１を、排気ガスや吸気再循環ガス中のデポジット（燃料灰分やオイル成分など被毒性の付着物質）による汚損や被水などによる折損等から保護するためのプロテクタ１００が嵌められ、レーザ溶接によって固定されている。
【００３２】
図１に示すように、プロテクタ１００は、ガスセンサ１を排気管や通気管に取り付けた際に、排気管や通気管内に突出した状態となる。そして、排気管や通気管の上流側（図１の左側）において、プロテクタ１００には、センサ素子１０の検出部１１に排気ガスや吸気再循環ガスを晒すための、略円形状の第１導入部１１４が３つ形成されている。一方、プロテクタ１００の下流側（図１の右側）には、センサ素子１０の検出部１１に排気ガスや吸気再循環ガスを晒すための第２導入孔１１５が形成されている。この第２導入孔１１５はプロテクタ１００の軸線方向に延びるスリット形状を有している。
【００３３】
そして、第１導入孔１１４の１つの開口面積が３．１４ｍｍ２となり、第２導入孔１１５の開口面積が１５．０ｍｍ２となっている。つまり、第１導入孔１１４の１つの開口面積の合計が９．４２ｍｍ２となっている。このように、センサ素子１０よりも排気管や通気管の上流側に形成された第１導入孔１１４の開口面積の合計をセンサ素子１０よりも排気管や通気管の下流側に形成された第２導入孔１１５の開口面積の合計に比べて小さくすることで、上流側から流れてくる排気ガスや吸気再循環ガスが直接センサ素子１０に晒されることを抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分がセンサ素子１０に付着することを抑制でき、センサ素子１０にクラックや割れが生じることを抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接センサ素子１０に付着することを抑制でき、ガスセンサ１の検出精度が低下する事を抑制できる。また、センサ素子１０よりも排気管や通気管の下流側に形成された第２導入孔１１５の開口面積の合計をセンサ素子１０よりも排気管や通気管の上流側に形成された第１導入孔１１４の開口面積の合計に比べて大きくすることで、プロテクタ１００内のガス置換が早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００３４】
また、センサ素子１０よりも排気管や通気管の下流側に形成されたぞれぞれの第２導入孔１１５の面積が、センサ素子１０よりも排気管や通気管の上流側に形成されたそれぞれの第１導入孔１１４の面積よりも大きいことで、上流側から流れてくる排気ガスや吸気再循環ガスが直接センサ素子１０に晒されることをより抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分がセンサ素子１０に付着することをより抑制でき、センサ素子１０にクラックや割れが生じることをより抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接センサ素子１０に付着することをより抑制でき、ガスセンサ１の検出精度が低下する事をより抑制できる。また、プロテクタ１００内のガス置換がより早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００３５】
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。例えば、本実施形態では、導入孔１１５がスリット形状を有していたが、これに限られず、センサ素子１０の第２面１９側に、プロテクタ１００の外側と内側を挿通させる形態であれば良い。このとき、図２に示されるように、センサ素子１０よりも排気管や通気管の下流側に形成された第２導入孔１１５の個数（６個であるが、図２では３個のみ表示）が、センサ素子１０よりも排気管や通気管の上流側に形成された第１導入孔１１４の個数（３こであるが、図２では２個のみ表示）よりも多いことが好ましい。これにより、上流側から流れてくる排気ガスや吸気再循環ガスが直接センサ素子１０に晒されることをより抑制することができる。よって、排気ガスや吸気再循環ガスに含まれる水分や油分が検出素子に付着することをより抑制でき、センサ素子１０にクラックや割れが生じることをより抑制できる。さらに、排気ガスや吸気再循環ガス中に含まれる煤においても直接センサ素子１０に付着することをより抑制でき、ガスセンサ１の検出精度が低下する事をより抑制できる。また、プロテクタ１００内のガス置換がより早期に行われるようにすることができ、ガス検出精度が低下することを防止できる。
【００３６】
また、本実施形態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。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態のガスセンサ１の部分断面図である。
【図２】別実施形態のガスセンサ１の部分断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    ガスセンサ
１０    センサ素子
１１    検出部
５０    主体金具
５６    先端係合部
１００    プロテクタ
１１０    非導入部
１１５    導入孔
【図１】
2008268148.tif 000003
【図２】
2008268148.tif 000004