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BEZUGNAHME AUF FRÜHERE
ANMELDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität
von der früheren
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2008-329086 vom 25. Dezember 2008,
deren Beschreibung durch Bezugnahme einbezogen ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(Gebiet der Erfindung)
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Die
Erfindung betrifft ein Gassensorelement, das die Konzentration eines
zu messenden spezifischen Gases erfasst sowie einen das Gassensorelement
beinhaltenden Gassensor.
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(Stand der Technik)
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Im
Stand der Technik ist ein Gassensorelement bekannt, das ein Festkörperelektrolytmaterial
mit einer am Boden geschlossenen zylindrischen Form und Sauerstoffionenleitfähigkeit,
eine auf der inneren Seitenoberfläche des Festkörperelektrolytmaterials
angeordnete Bezugselektrode, eine auf der äußeren
Seitenoberfläche des Festkörperelektrolytmaterials
angeordnete Messelektrode und eine die äußere
Seitenoberfläche des Festkörperelektrolytmaterials
zusammen mit der Messelektrode bedeckende Schutzschicht, die ein
Passieren des zu messenden Gases erlaubt, beinhaltet (vergleiche
beispielsweise die Druckschrift
JP-A-2006-38496 ).
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Ein
derartiges Gassensorelement ist aus einem Schenkelabschnitt, dessen
Profillinie im axialen Querschnitt parallel zu der Achse des Gassensorelementes
gerade ist, und einem Bodenabschnitt ausgebildet, dessen Profillinie
gekrümmt ist.
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Das
vorstehend beschriebene Gassensorelement weist die nachstehend aufgeführten
Probleme auf.
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Da
der Bodenabschnitt des Gassensorelementes eine geringe Wasserbeständigkeit
und Festigkeit aufweist, zerbricht der Bodenabschnitt des Festkörperelektrolytmaterials
leicht, wenn er feucht wird. Dafür werden die nachstehend
aufgeführten Gründe angenommen. Zunächst
weist der Bodenabschnitt des Festkörperelektrolytmaterials
die vorstehend beschriebene gekrümmte Form auf, so dass
sich leicht die thermische Verspannung im Bodenabschnitt konzentriert.
Daher reißt der Bodenabschnitt leicht, wenn er nass wird.
Zudem sammelt sich das beim Anhalten eines Autos kondensierende
Wasser in den Ecken einer Abdeckung des Gassensorelementes. Das
gesammelte Wasser kommt leicht in Kontakt mit dem Bodenabschnitt
des Gassensorelementes, wenn der Motor startet.
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Zur
Lösung der vorstehend angeführten Probleme wird
eine Erhöhung der Schichtdicke bei der Schutzschicht in
Betracht gezogen, um die Wasserbeständigkeit des Gassensorelementes
zu verbessern.
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Wenn
jedoch die Schichtdicke der Schutzschicht einfach erhöht
wird, können die nachfolgend aufgeführten Probleme
auftreten. Da eine Erhöhung der Schichtdicke der Schutzschicht
die zur Ausbildung der Schutzschicht verwendete Materialmenge erhöht,
und zum Aufsprühen der Materialien viel Zeit erforderlich
ist, können die Herstellungskosten für das Gassensorelement
ansteigen. Bei einem einfachen Erhöhen der Schichtdicke
der Schutzschicht werden zudem die fetten Bestandteile und die mageren
Bestandteile in dem zu messenden Gas nur langsam zu der Messelektrode
diffundiert. Dies kann das Ansprechverhalten des Gassensorelementes
verringern.
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ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend beschriebenen bekannten
Situation, und der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Gassensorelement und einen das Gassensorelement beinhaltenden
Gassensor bereitzustellen, welche bei geringen Kosten hergestellt
werden können, und eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit
und Ansprechverhalten aufweisen.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß nach
einer Ausgestaltung ein Gassensorelement bereitgestellt mit: einem
Festkörperelektrolytmaterial mit einer bodenseitig geschlossenen
zylindrischen Form und Sauerstoffionenleitfähigkeit, einer
Bezugselektrode, die auf einer inneren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, einer Messelektrode,
die auf einer äußeren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, und einer
Schutzschicht, die die äußere Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials zusammen mit der Messelektrode
bedeckt, und die erlaubt, dass das zu messende Gas durch die Schutzschicht
passiert, wobei eine innere Seite des Gassensorelementes aus einem
Schenkelabschnitt, dessen Profillinie im axialen Querschnitt, der
ein Querschnitt parallel zu einer Achse des Gassensorelementes ist,
gerade ist, und einem Bodenabschnitt ausgebildet ist, dessen Profillinie
gekrümmt ist, und wobei die Schichtdicke der Schutzschicht
des Bodenabschnitts größer als die Schichtdicke
der Schutzschicht des Schenkelabschnitts ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Endabschnitts eines Gassensorelementes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
Schnittansicht eines Gassensors gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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3 eine
Zeichnung zur Beschreibung eines thermischen Sprühvorgangs
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4A eine
Zeichnung zur Beschreibung eines Zustands, bei dem ein Schenkelabschnitt
bei einem anderen thermischen Sprühvorgang gesprüht
wird;
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4B eine
Zeichnung zur Beschreibung eines Zustands, bei dem ein Bodenabschnitt
in dem thermischen Sprühvorgang besprüht wird;
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5 eine
Zeichnung zur Beschreibung eines weiteren thermischen Sprühvorgangs
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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6A eine
Seitenansicht einer Messelektrode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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6B eine
Seitenansicht einer weiteren Messelektrode gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel;
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6C eine
Seitenansicht einer weiteren Messelektrode gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel; und
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7 eine
Zeichnung zur Beschreibung der Schichtdicken und der Porositäten
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
Gassensorelemente gemäß den Ausführungsbeispielen
beinhalten ein Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensorelement,
das in einer Abgasröhre von verschiedenen Verbrennungsmotoren
für Fahrzeuge angeordnet ist, und das für ein
Abgasrückmeldesystem verwendet wird, sowie ein Sauerstoffsensorelement,
das die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas misst.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung wird eine Seite eines Gassensors,
die beispielsweise in ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingefügt
wird, als eine Endseite in Bezug genommen, und die entgegengesetzte
Seite der Endseite wird als eine Basisseite in Bezug genommen.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung ist die Schichtdicke eines Bodenabschnitts
einer Schutzschicht ein Wert, der durch Durchschnittsbildung von
drei Schichtdicken erhalten wird, wenn der axiale Querschnitt des Gassensorelementes
betrachtet wird. Die erste Schichtdicke ist eine Dicke der Schutzschicht
an einer Position, wo die Achse des Gassensorelementes den Bodenabschnitt
durchläuft. Die zweite und dritte Schichtdicke sind Dicken
der Schutzschicht an zwei Positionen, an denen Linien den Bodenabschnitt
durchlaufen. Jede der Linien ist in einem Winkel von 30° bezüglich
der Achse von der Endseite zur Basisseite geneigt und an einem Punkt
zentriert, wo die Grenze zwischen dem Bodenabschnitt und dem Schenkelabschnitt
und die Achse einander schneiden (vergleiche 7).
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Die
Schichtdicke des Schenkelabschnitts der Schutzschicht ist ein Wert,
der durch Durchschnittsbildung von Schichtdicken an drei willkürlichen
Punkten gebildet wird, wenn der axiale Querschnitt des Gassensorelementes
betrachtet wird. Die Schichtdicken sind Dicken der Schutzschicht
an den drei Punkten in einem Bereich, dessen Länge sich
5 mm von der Grenze zwischen dem Bodenabschnitt und dem Schenkelabschnitt zu
der Basisseite hin erstreckt (vergleiche 7).
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Bei
der Schutzschicht beträgt das Schichtdickenverhältnis
von der Schichtdicke des Bodenabschnitts zu der Schichtdicke des
Schenkelabschnitts vorzugsweise 1,1 oder mehr.
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Dabei
kann die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts ausreichend
größer als die des Schenkelabschnitts sein. Daher
kann ein Gassensorelement mit hoher Wasserbeständigkeit
erhalten werden.
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Wenn
das Schichtdickenverhältnis weniger als 1,1 beträgt,
entsteht im Übrigen das nachstehend beschriebene Problem.
Die Wassermenge in dem zu messenden Gas variiert in Abhängigkeit
von den Motorspezifikationen, dem Abgasrohr und dergleichen. Im
Einzelnen kann bei einem eine große Wassermenge erzeugenden
Fahrzeug das Gassensorelement mit einem Schichtdickenverhältnis
von weniger als 1,1 nur schwer eine ausreichende Wasserbeständigkeit
erhalten.
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Zudem
liegt das Schichtdickenverhältnis für die Schutzschicht
vorzugsweise im Bereich von 1,2 bis 2.
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Dabei
kann ein Gassensorelement mit einer ausreichend hohen Wasserbeständigkeit
und einem ausreichend hohen Ansprechverhalten erhalten werden. Wenn
die Schutzschicht durch thermisches Aufsprühen ausgebildet
wird, kann zudem das Festkörperelektrolytmaterial vor einer
Rissbildung bewahrt werden.
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Wenn
demgegenüber das Schichtdickenverhältnis der Schutzschicht
weniger als 1,2 beträgt, kann eine ausreichende Verbesserung
der Wasserbeständigkeit schwierig sein.
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Wenn
das Schichtdickenverhältnis für die Schutzschicht
mehr als 2 beträgt, wird ansonsten die Ansprechzeit des
Sensors am Bodenabschnitt lang. Dadurch kann das Ansprechverhalten
des Gassensorelementes verringert werden. Zudem kann das Festkörperelektrolytmaterial
reißen, wenn die Schutzschicht durch thermisches Aufsprühen
ausgebildet wird.
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Bei
der Schutzschicht liegt weiterhin die Schichtdicke des Schenkelabschnitts
vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 μm.
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Dabei
kann ein Gassensorelement erhalten werden, das ein ausreichendes
Ansprechverhalten sowie eine Funktion zum Schützen der
Elektroden durch die Schutzschicht aufweist.
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Wenn
demgegenüber die Schichtdicke der Schutzschicht des Schenkelabschnitts
weniger als 100 μm beträgt, kann der Effekt der
Begrenzung der Flussrate des Abgases verringert sein. Als Folge
kann sich die Messelektrode abschälen, wenn das Gassensorelement
einer Hochtemperaturatmosphäre für eine lange
Zeitdauer ausgesetzt ist.
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Wenn
die Schichtdicke der Schutzschicht des Schenkelabschnitts mehr als
500 μm beträgt, wird ferner die Diffusion des
Gases zur Messelektrode verzögert. Dies kann die Ansprechzeit
des Sensors verlängern, was zu einer schlechten Emission
führt.
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Weiterhin
ist in der Schutzschicht die Porosität des Bodenabschnitts
vorzugsweise höher als die des Schenkelabschnitts.
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Dabei
kann ein Gassensorelement erhalten werden, das sein Ansprechverhalten
bewahrt und eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit aufweist.
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Dies
bedeutet, dass gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts größer
als die des Schenkelabschnitts ist, was die Wasserbeständigkeit
und die Festigkeit verbessert. Dabei verzögert sich jedoch
die Diffusion des zu messenden Gases zur Messelektrode am Bodenabschnitt,
was das Ansprechverhalten des Gassensors verringern kann.
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Zur
Lösung dieses Problems ist nach vorstehender Beschreibung
die Porosität der Schutzschicht des Bodenabschnitts, dessen
Schichtdicke groß ist, erhöht. Dies bedeutet,
dass bei der Schutzschicht die Porosität des Bodenabschnitts
höher als die des Schenkelabschnitts ist. Dies verbessert
die Diffusion des Gases am Bodenabschnitt in ausreichendem Umfang
und bewahrt das Ansprechverhalten äquivalent zu dem eines
konventionellen Gassensors.
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Folglich
kann ein Gassensorelement erhalten werden, das das Ansprechverhalten
unmittelbar nach dem Motorstart aufrecht erhält, und eine
ausgezeichnete Wasserbeständigkeit aufweist.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung ist die Porosität der Schutzschicht
des Bodenabschnitts ein durch Mittelwertbildung der Porositäten
an willkürlichen drei Punkten in einem Bereich der Schutzschicht
zwischen zwei Linien erhaltener Wert. Jede der Linien ist in einem
Winkel von 30° bezüglich der auf einem Punkt zentrierten
Achse geneigt, wo die Achse eine Grenze zwischen dem Bodenabschnitt
und dem Schenkelabschnitt schneidet.
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Die
Porosität der Schutzschicht des Schenkelabschnitts ist
ein durch Mittelwertbildung der Porositäten an drei willkürlichen
Punkten in einem Bereich erhaltener Wert, dessen Länge
5 mm beträgt, und der sich von der Grenze zwischen dem
Bodenabschnitt und dem Schenkelabschnitt zur Basisseite hin erstreckt.
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Im
Einzelnen ist die Porosität ein Wert, der erhalten wird,
indem durch ein Rasterelektronenmikroskop Bilder der Punkte bei
400-facher Vergrößerung aufgenommen werden, und
dann die Gesamtsumme der Querschnittsflächen der Poren,
die in den Rasterelektronenmikroskopbildern existieren, durch die Gesamtfläche der
Rasterelektronenmikroskopbilder geteilt wird.
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Zudem
beträgt in der Schutzschicht die Porosität des
Bodenabschnitts 50% oder weniger, und ein Porositätsverhältnis,
das ein Verhältnis der Porosität des Bodenabschnitts
zu der Porosität des Schenkelabschnitts ist, liegt vorzugsweise
im Bereich von 1,1 bis 10.
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Dabei
kann die Schutzschicht mit einer ausreichenden Festigkeit sowie
einer Funktion zum Schutz der Elektroden erhalten werden. Ferner
kann ein Gassensorelement erhalten werden, das ein ausreichendes
Ansprechverhalten aufweist.
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Wenn
demgegenüber die Porosität der Schutzschicht des
Bodenabschnitts mehr als 50% beträgt, wird die Festigkeit
der Schutzschicht verringert. Dies kann bei einer Verwendung des
Gassensors Risse in der Schutzschicht sowie ein Abschälen
der Schutzschicht verursachen.
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Wenn
das Porositätsverhältnis weniger als 1,1 beträgt,
insbesondere bei einem Fahrzeug, dessen Hubraum klein ist, kann
es zudem schwierig sein, ein Gassensorelement mit einem ausreichenden
Ansprechverhalten zu erhalten, weil die Gasflussrate niedrig ist.
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Wenn
das Porositätsverhältnis mehr als 10 beträgt,
wird weiterhin die Wirkung zur Beschränkung eines Passierens
des zu messenden Gases durch die Schutzschicht verringert, was den
Erhalt einer stabilen Sensorausgabe erschweren kann. Außerdem
kann ein Abschälen und Verschlechtern der Messelektrode
beschleunigt werden.
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Das
Porositätsverhältnis der Schutzschicht von dem
Schenkelabschnitt liegt ferner vorzugsweise im Bereich von 2 bis
20%.
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Dabei
kann ein Gassensorelement erhalten werden, welches das Ansprechverhalten
sicherstellt, eine Ausgabe stabil erzeugt, und den Effekt zur ausreichenden
Beschränkung des Durchpassierens des zu messenden Gases
aufweist.
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Wenn
umgekehrt das Porositätsverhältnis der Schutzschicht
des Schenkelabschnitts weniger als 2% beträgt, verzögert
sich die Diffusion des Gases zur Schutzschicht beträchtlich,
was das Ansprechverhalten herabsetzen kann.
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Wenn
das Porositätsverhältnis der Schutzschicht des
Schenkelabschnitts mehr als 20% beträgt, wird die beschränkende
Wirkung der Schutzschicht hinsichtlich dem Hindurchpassieren des
zu messenden Gases verringert, was den Erhalt einer stabilen Sensorausgabe
erschwert. Zudem wird es schwierig, die Diffusion des Gases ausreichend
zu beschränken. Dadurch kann sich die Messelektrode rasch
verschlechtern.
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Ferner
ist die Schutzschicht vorzugsweise aus zumindest zwei Schichten
ausgebildet.
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Dabei
kann das Gassensorelement erhalten werden, das eine ausgezeichnete
Beständigkeit aufweist.
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Genauer
kann ein dichter Aufbau der untersten Schicht, die in der aus zumindest
zwei Schichten ausgebildeten Schutzschicht enthalten ist, und mit
der Messelektrode in Kontakt steht, die Diffusion des zu messenden
Gases steuern, wodurch eine stabile Sensorcharakteristik erhalten
wird, und ein Abschälen der Messelektrode kann vermieden werden.
Zudem kann eine Ausbildung der oberen Schicht auf der untersten
Schicht unter Verwendung eines Materials mit einer größeren
spezifischen Oberfläche als die der untersten Schicht oder
einem Material mit einem hohen Adsorptionsverhalten gegenüber
giftigen Materialen die giftigen Materialen in dem zu messenden
Gas einfangen, wodurch die Messelektrode geschützt wird.
Im Einzelnen kann nach vorstehender Beschreibung ein Gassensorelement
mit einer ausgezeichneten Beständigkeit unter Verwendung
der aus zumindest zwei Schichten ausgebildeten Schutzschicht erhalten
werden, was eine unterste Schicht hauptsächlich zum Steuern
der Diffusion des zu messenden Gases und eine obere Schicht hauptsächlich
zum Einfangen der giftigen Materialen beinhaltet.
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Weiterhin
ist die unterste Schicht der Schutzschicht in Kontakt mit der Messelektrode
vorzugsweise aus einem Metalloxyd ausgebildet, dessen Hauptbestandteil
zumindest Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell oder
Titanoxyd beinhaltet.
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Da
hierbei das Metalloxyd thermisch und chemisch stabil ist, kann eine
Schutzschicht erhalten werden, die schwer zu verschlechtern ist,
selbst wenn sie dem zu messenden Gas ausgesetzt wird.
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Es
versteht sich, dass bei der vorliegenden Beschreibung der Hauptbestandteil
als ein Metalloxyd definiert ist, dessen Anteil in der Schutzschicht
mehr als 50% beträgt.
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Ferner
umfasst das Gassensorelement vorzugsweise eine Katalyseschicht,
welche die äußere Oberfläche der Schutzschicht
bedeckt, und aus einem Metalloxyd ausgebildet ist, dessen Hauptbestandteil
zumindest Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell und Zirkonoxyd
beinhaltet.
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Da
hierbei das Metalloxyd thermisch und chemisch stabil ist, kann die
Katalyseschicht erhalten werden, welche sich nur schwerlich verschlechtert,
wenn sie dem zu messenden Gas ausgesetzt ist.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel für ein Gassensorelement
und einen Gassensor mit dem Gassensorelement gemäß der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben.
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Ein
Gassensor 1 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
beinhaltet gemäß 1 ein Festkörperelektrolytmaterial 21 mit
einer Zylinderform mit Boden und Sauerstoffionenleitfähigkeit,
eine auf der inneren Seitenoberfläche 212 des
Festkörperelektrolytmaterials 21 angeordnete Referenzelektrode 22,
eine auf der äußeren Seitenoberfläche 213 des
Festkörperelektrolytmaterials 21 angeordnete Messelektrode,
und eine die äußere Seitenoberfläche 213 des
Festkörperelektrolytmaterials 21 zusammen mit
der Messelektrode 23 bedeckende Schutzschicht 24,
welche ein Passieren des zu messenden Gases ermöglicht.
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Die
Endseite des Gassensorelementes 2 ist gemäß 1 aus
einem Schenkelabschnitt 202, dessen Profillinie auf einem
axialen Querschnitt S parallel zu der Achse des Gassensorelementes 2 gerade
ist, sowie aus einem Bodenabschnitt 201 ausgebildet, dessen
Profillinie gekrümmt ist.
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Die
Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ist
größer als die der Schutzschicht 24 des
Schenkelabschnitts 202.
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Nachstehend
ist die Konfiguration des Gassensors 1 näher beschrieben.
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Gemäß 2 umfasst
der Gassensor 1 zusätzlich zu dem Gassensorelement 2 ein
Heizelement 11, ein Gehäuse 12, eine
Atmosphärenseitenabdeckung 13 und eine Elementabdeckung 14.
Das Heizelement 11 ist innerhalb des Festkörperelektrolytmaterials 21 eingefügt,
und erzeugt Wärme durch Energiezufuhr. Das Gassensorelement 2 ist
innerhalb des Gehäuses 12 eingefügt.
Das Gehäuse 12 hält das Gassensorelement 2.
Die atmosphärenseitige Abdeckung 13 ist auf der
Basisseite des Gehäuses 12 angeordnet, und bedeckt
die Basisseite des Gassensorelementes 2. Die Elementabdeckung 14 ist
auf der Endseite des Gehäuses 12 angeordnet und
deckt die Endseite des Gassensorelementes 2 ab.
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Außerdem
umfasst der Gassensor 1 ein atmosphärenseitiges
Isolatorelement 17, eine Hülse 15, Zuleitungen 16 und
Kontaktklemmen 18. Das atmosphärenseitige Isolatorelement 17 ist
zum Bedecken der Basisseite des Gassensorelementes 2 angeordnet.
Die Hülse 15 ist auf der Basisseite der atmosphärenseitigen Abdeckung 13 angeordnet.
Die Zuleitungen 16 sind innerhalb der Hülse 15 eingefügt.
Die Kontaktklemmen 18 sind mit den Zuleitungen 16 verbunden
und an das Heizelement 11 und das Gassensorelement 2 elektrisch angeschlossen.
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Die
Elementabdeckung 14 umfasst gemäß 2 Gaseinlasslöcher 143 in
einem Bodenoberflächenabschnitt und einem Seitenoberflächenabschnitt.
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Im
Einzelnen weist die Elementabdeckung 14 eine Doppelabdeckung
auf, wobei eine äußere Abdeckung 141 und
eine innere Abdeckung 142 an dem Endabschnitt des Gehäuses 12 abgedichtet
sind.
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Das
in eine Lücke zwischen der äußeren Abdeckung 141 und
der inneren Abdeckung 142 durch die in der äußeren
Abdeckung 141 ausgebildeten Gaseinlasslöcher 143 eingeführte
zu messende Gas wird innerhalb der Elementabdeckung 14 durch
die in der inneren Abdeckung 142 ausgebildeten Gaseinlasslöcher 143 eingeführt.
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Die
innere Abdeckung 142 ist mit den Gaseinlasslöchern 143 ausgebildet,
welche an der Endseite des Gassensors 1 bezüglich
der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 angeordnet
sind.
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Nachstehend
ist das in dem Gassensor 1 enthaltene Gassensorelement 2 näher
beschrieben.
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Das
Gassensorelement 2 ist ein A/F-Sensorelement, das in einem
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor enthalten ist, der in
einer Abgasröhre von verschiedenen Verbrennungsmotoren
für Fahrzeuge angeordnet ist, und das für ein
Abgasrückkopplungssystem verwendet wird, oder es ist ein
Sauerstoffsensorelement, das eine Sauerstoffkonzentration im Abgas
misst.
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Das
Gassensorelement 2 umfasst nach vorstehender Beschreibung
das Festkörperelektrolytmaterial 21, die Referenzelektrode 22,
die Messelektrode 23 und die Schutzschicht 24,
sowie eine die äußere Oberfläche der
Schutzschicht 24 bedeckende Katalyseschicht 25 und
eine die äußere Oberfläche der Katalyseschicht 25 bedeckende
Einfangschicht 26.
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Die
Katalyseschicht 25 besteht im Einzelnen aus Aluminiumoxydteilchen,
welche Platin und Rhodium tragen. Die Einfangschicht 26 besteht
aus Aluminiumoxydteilchen. Die Katalyseschicht 25 und die
Einfangschicht 26 sind auf der äußeren
Seite der Schutzschicht 24 angeordnet.
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Es
versteht sich, dass die Katalyseschicht 25 und die Einfangschicht 26 aus
einem anderen Material als Aluminiumoxyd ausgebildet werden können.
Die Katalyseschicht 25 und die Einfangschicht 26 können
unter Verwendung eines Metalloxyds ausgebildet werden, dessen Hauptbestandteil
zumindest Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell oder Zirkonoxyd beinhaltet.
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Die
Katalyseschicht 25 und die Einfangschicht 26 können
durch Eintauchen des Gassensorelementes 2 oder Aufdrucken
von die Katalyseschicht 25 und die Einfangschicht 26 ausbildenden
Pasten auf der Messelektrode 23 ausgebildet werden.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist gemäß 7 die
Schichtdicke t1 der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ein
durch Durchschnittswertbildung über die Schichtdicken an
willkürlichen drei Punkten erhaltener Wert, wie es nachstehend
beschrieben ist. Genauer ist die Schichtdicke t1 ein Wert, der durch
die Durchschnittswertbildung über die Schichtdicken t11,
t12 und t13 erhalten wird, wenn ein axialer Querschnitt S betrachtet
wird. Die Schichtdicke t11 ist eine Dicke der Schutzschicht 24 an
einer Position, wo eine Achse M des Gassensorelementes 2 durch
den Bodenabschnitt 201 passiert.
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Die
Schichtdicken t12 und t13 sind Dicken der Schutzschicht 24 an
zwei Positionen, wo die Linien L, L durch den Bodenabschnitt 201 passieren.
Die Linien L, L sind in einem Winkel von 30° bezüglich
der Achse M von der Endseite zu der Basisseite mit einem Zentrum
im Punkt 203 geneigt, wo eine Grenze N zwischen dem Bodenabschnitt 201 und
dem Schenkelabschnitt 202 und der Achse M einander schneiden.
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Gemäß 7 ist
die Schichtdicke t2 der Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 ein
durch Durchschnittswertbildung über die Schichtdicken an
nachstehend beschriebenen willkürlichen drei Punkten erhaltener
Wert. Genauer ist die Schichtdicke t2 ein Wert, der durch Durchschnittswertbildung über
die Schichtdicken t21, t22 und t23 erhaltener Wert, wenn der axiale
Querschnitt S betrachtet wird. Die Schichtdicken t21, t22 und t23
sind Dicken der Schutzschicht 24 an willkürlichen
drei Positionen in einem Bereich R1, dessen Länge 5 mm
beträgt und sich von der Grenze N zu der Basisseite erstreckt.
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Bei
der Schutzschicht 24 beträgt ein Schichtdickenverhältnis
von der Schichtdicke t1 des Bodenabschnitts 201 zu der
Schichtdicke t2 des Schenkelabschnitts 202 1,1 oder mehr.
Genauer liegt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
das Schichtdickenverhältnis im Bereich von 1,2 bis 2.
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Bei
der Schutzschicht 24 kann die Schichtdicke t1 des Bodenabschnitts 201 im
Bereich von 110 bis 1000 μm liegen, und die Schichtdicke
t2 des Schenkelabschnitts 202 kann im Bereich von 100 bis
500 μm liegen.
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Es
versteht sich, dass bei dem Gassensorelement 2 nach dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des
Bodenabschnitts 201 vorzugsweise im Bereich von 350 bis
550 μm liegt, und die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des
Schenkelabschnitts 202 vorzugsweise im Bereich von 260 bis
340 μm liegt. Dabei wird die Ansprechzeit des Sensors kurz,
und die Wasserbeständigkeit und Festigkeit können
verbessert werden.
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Zudem
ist bei der Schutzschicht 24 eine Porosität des
Bodenabschnitts 201 höher als die des Schenkelabschnitts 202.
Genauer beträgt bei der Schutzschicht 24 die Porosität
des Bodenabschnitts 201 50% oder weniger, und ein Porositätsverhältnis
als ein Verhältnis der Porosität des Bodenabschnitts 201 zu
der Porosität des Schenkelabschnitts 202 liegt
in dem Bereich von 1,1 bis 10. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt
das Porositätsverhältnis der Schutzschicht 24 des
Schenkelabschnitts 202 im Bereich von 2 bis 20%. Daher
kann das Porositätsverhältnis der Schutzschicht 24 des
Bodenabschnitts 201 im Bereich von 2,2 bis 50% liegen.
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Nach
vorstehender Beschreibung ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
bei der Schutzschicht 24 die Porosität des Bodenabschnitts 201 höher
als die des Schenkelabschnitts 202. Es versteht sich, dass
es vorzuziehen ist, dass die Porosität der Schutzschicht 24 des
Bodenabschnitts 201 im Bereich von 8 bis 20% liegt, und
die Porosität der Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 im
Bereich von 3 bis 7% liegt.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Porosität
der Schutzschicht 24 wie folgt gemessen. Die Porosität
der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ist
ein Wert, der durch Durchschnittswertbildung über die Porositäten
an willkürlichen drei Punkten in einem Bereich R2 der Schutzschicht 24 zwischen zwei
Linien L, L erhalten wird.
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Die
Linien L, L sind in einem Winkel von 30° bezüglich
der Achse M mit einem Zentrum in einem Punkt 203 geneigt,
wo die Grenze N zwischen dem Bodenabschnitt 201 und dem
Schenkelabschnitt 202 und die Achse M einander schneiden.
Gemäß 7 ist die Porosität
der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ein
Wert, der durch Durchschnittswertbildung über die Porositäten
an drei willkürlichen Punkten in dem Bereich R1 erhalten
wird, dessen Länge 5 mm beträgt, und der sich
von der Grenze N zu der Basisseite hin erstreckt.
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Obwohl
die Schutzschicht 24 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
aus zwei Schichten ausgebildet ist, kann die Schutzschicht 24 aus
drei oder mehr Schichten oder aus einer Schicht ausgebildet sein.
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Wenn
die Schutzschicht 24 aus zwei oder mehr Schichten ausgebildet
ist, besteht die unterste Schicht der Schutzschicht 24,
welche in Kontakt mit der Messelektrode 23 steht, vorzugsweise
aus einem Metalloxyd, dessen Hauptbestandteil zumindest Aluminiumoxyd,
Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell oder Titanoxyd beinhaltet.
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Nachstehend
ist ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelementes 2 unter
Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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Zunächst
werden die Messelektrode 23 und die Referenzelektrode 22 auf
die äußere Seitenoberfläche 213 bzw.
die innere Seitenoberfläche 212 des Festkörperelektrolytmaterials 21 aufgebracht.
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Danach
wird das Festkörperelektrolytmaterial 21, auf
das die Messelektrode 23 nach vorstehender Beschreibung aufgebracht
ist, um seine Achse M gedreht. Das Gassensorelement 2 kann
durch Aufsprühen eines nachstehend beschriebenen Schutzmaterials 4 auf
das drehende Festkörperelektrolytmaterial 21 ausgebildet
werden. Dabei kann das Gassensorelement 2 ohne die Verwendung
von großem Gerät leicht ausgebildet werden, was
ein ausgezeichnetes Gassensorelement liefert.
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Weiterhin
wird gemäß 3 das Schutzmaterial 4 auf
die Messelektrode 23 in einem Zustand aufgesprüht,
bei dem der Sprühwinkel θ weniger als 36° beträgt,
wenn eine zu einer Axialrichtung und der Endseite bezüglich
einer orthogonalen Richtung geneigte Richtung als die positive Richtung
angenommen wird. Die orthogonale Richtung ist die Richtung orthogonal
zu der Axialrichtung des Gassensorelementes 2. Dies bedeutet,
dass das Schutzmaterial 4 in einem Zustand aufgesprüht
wird, bei dem eine thermische Sprühpistole 3, welche
das Schutzmaterial 4 aufsprüht, in einem Winkel
von weniger als 36° bezüglich der orthogonalen
Richtung geneigt ist.
-
Die
thermische Sprühpistole 3 umfasst eine (nicht
gezeigte) Düsenelektrode, welche Plasma erzeugt, einen
(nicht gezeigten) Einlass, durch dessen Öffnung Gas injiziert
wird, einen (nicht gezeigten) Sprühauslass, durch den das
mit dem Plasma verschmolzene Schutzmaterial 4 auf das Festkörperelektrolytmaterial 21 aufgesprüht
wird, sowie einen (nicht gezeigten) Tank, in dem das (nicht gezeigte)
Sprühpulver gespeichert wird.
-
Dabei
kann die eine Leistung von 35 kW aufnehmende thermische Sprühpistole 3 verwendet
werden.
-
Die
Verteilung des von der thermischen Sprühpistole 3 aufgesprühten
Schutzmaterials 4 ist an einem Abschnitt nahe einer Achse
M der thermischen Sprühpistole 3 dicht, und wird
in von der Achse M weiter entfernten Winkeln weniger dicht. Wenn
hierbei der Sprühwinkel θ auf weniger als 36° eingestellt
wird, verlagert sich der Abschnitt des Schutzmaterials 4,
dessen Verteilung weniger dicht ist, zum Bodenabschnitt 201.
Daher kann der Bodenabschnitt 201 der Schutzschicht 24 mit
einer relativ großen Schichtdicke und einer relativ hohen
Porosität ausgebildet werden. Im Übrigen ist der
Abschnitt des Schutzmaterials 4 mit der dichten Verteilung
an dem Schenkelabschnitt 202 angeordnet. Somit kann der
Schenkelabschnitt 202 der Schutzschicht 24 mit
einer relativ geringen Schichtdicke und einer relativ niedrigen
Porosität ausgebildet werden.
-
Nachstehend
ist ein thermischer Sprühvorgang zur Ausbildung der Schutzschicht 24 näher
beschrieben.
-
Zunächst
wird das in dem Tank gespeicherte Sprühpulver vom Tank
zum Sprühauslass durch ein (nicht gezeigtes) Zuführrohr
zugeführt.
-
Danach
wird das Sprühpulver mit dem zwischen den Düsenelektroden
erzeugten Plasma geschmolzen, wodurch das Schutzmaterial 4 ausgebildet
wird.
-
Sodann
wird das Schutzmaterial 4 auf das Festkörperelektrolytmaterial 21 mit
dem von dem Sprühauslass ausgestoßenen Plasma
aufgesprüht.
-
Dann
wird bei dem thermischen Sprühvorgang das Schutzmaterial 4 so
aufgesprüht, dass der Sprühwinkel θ gemäß vorstehender
Beschreibung weniger als 36° beträgt.
-
Wenn
im Einzelnen das Schutzmaterial 4 auf die äußere
Seitenoberfläche 213 des Festkörperelektrolytmaterials 21 in
einem Zustand aufgesprüht wird, bei dem der Sprühwinkel θ mehr
als 9° und weniger als 36° beträgt, wird
das Gassensorelement 2 leicht ausgebildet, bei dem die
Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 größer
als die des Schenkelabschnitts 202 ist. Folglich kann gemäß nachstehender
Beschreibung das Gassensorelement 2 mit einer hohen Wasserbeständigkeit
leicht erhalten werden.
-
Die
thermische Sprühpistole 3 wird vorzugsweise in
einem Abstand von 50 bis 150 mm von dem Endabschnitt des Festkörperelektrolytmaterials 21 verwendet.
-
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Aluminiumoxyd
mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 30 μm
oder weniger als das Sprühpulver verwendet. Dabei kann
die Schutzschicht 24 mit der gewünschten Porosität
leicht ausgebildet werden.
-
Wenn
der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Sprühpulvers
mehr als 30 μm beträgt, wird die Porosität
zu hoch und die Wasserbeständigkeit und Festigkeit wird
gering. Das Element kann dabei leicht reißen.
-
Danach
wird das Schutzmaterial 4 auf die äußere
Seitenoberfläche 213 des Festkörperelektrolytmaterials 21 bei
einer Flussrate von 100 bis 800 m/s in einem Zustand aufgesprüht,
bei dem das Schutzmaterial 4 bei 1800 bis 2200°C
geschmolzen ist.
-
Der
vorstehend beschriebene thermische Sprühvorgang ist damit
abgeschlossen.
-
Anstelle
des vorstehend beschriebenen Vorgangs kann gemäß 4 der Sprühwinkel θ in
Abhängigkeit von einem zu besprühenden Abschnitt
variiert werden.
-
Wenn
die Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 ausgebildet
wird, kann das Schutzmaterial 4 gemäß 4A in
einem Zustand aufgesprüht werden, bei dem die Sprührichtung
orthogonal zu der Achse des Gassensorelementes 2 ist, das
heißt der Sprühwinkel θ beträgt
0°, während die thermische Sprühpistole 3 bewegt
wird (in Richtung des in 4A gezeigten
Pfeils A).
-
Wenn
die Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ausgebildet
wird, kann das Schutzmaterial 4 gemäß 4B aufgesprüht
werden, während die thermische Sprühpistole 3 bewegt
wird (in Richtung des in 4B gezeigten
Pfeils B).
-
Die
Bewegungen der thermischen Sprühpistole 3 (welche
durch die Pfeile A und B gezeigt sind) können kontinuierlich
oder diskontinuierlich erfolgen. Der Bodenabschnitt 201 kann
dem Sprühvorgang durch die thermische Sprühpistole 3 exklusiv
unterzogen werden, und der Schenkelabschnitt 202 kann dem
Sprühvorgang durch die thermische Sprühpistole 3 exklusiv
unterzogen werden. Alternativ können der Bodenabschnitt 201 und
der Schenkelabschnitt 202 dem Sprühvorgang durch
dieselbe thermische Sprühpistole unterzogen werden.
-
Zudem
kann gemäß 5 die thermische
Sprühpistole 3 fixiert sein. Dabei wird das Festkörperelektrolytmaterial 21 bewegt
(in Richtung des in 5 gezeigten Pfeils C), während
es in einem Zustand gedreht wird, bei dem das Festkörperelektrolytmaterial 21 bezüglich
der thermischen Sprühpistole 3 geneigt ist. Dies erlaubt
eine Bewegung des Festkörperelektrolytmaterials 21 zu
der thermischen Sprühpistole 3 hin oder weg.
-
Nach
vorstehender Beschreibung kann der thermische Sprühvorgang
unter Verwendung von verschiedenen Verfahren verwirklicht werden.
-
Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können die
Schichtdicken des Bodenabschnitts 201 und des Schenkelabschnitts 202 durch
Einstellen des Sprühwinkels θ, des Bewegungsabstands
der thermischen Sprühpistole 3, der Drehgeschwindigkeit
des Festkörperelektrolytmaterials 21 oder dergleichen
gesteuert werden.
-
Zudem
können nach Abschluss des thermischen Sprühvorgangs
die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 und
die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 durch
Abschleifen der Schutzschicht 24 gesteuert werden.
-
Danach
wird die Katalyseschicht 25 durch Eintauchen des Festkörperelektrolytmaterials 21,
bei der die Schutzschicht 24 ausgebildet ist, in einer
Aluminiumoxydaufschlämmung ausgebildet. Die Katalyseschicht 25 kann
unter Verwendung einer Aufschlämmung ausgebildet werden,
deren Hauptbestandteil Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell oder Zirkonoxyd
anstelle von Aluminiumoxyd ist.
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Sodann
wird die Einfangschicht 26 auf der Oberfläche
der Schutzschicht 24 durch Eintauchen des Festkörperelektrolytmaterials 21 in
einer Aluminiumoxydaufschlämmung ausgebildet. Die Einfangschicht 26 kann
ebenso unter Verwendung einer Aufschlämmung ausgebildet
werden, deren Hauptbestandteil Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell
oder Zirkonoxyd anstelle von Aluminiumoxyd ist.
-
Das
Gassensorelement 2 kann gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ablauf hergestellt werden.
-
Es
versteht sich, dass die Form des Gassensorelementes 2 nicht
auf die vorstehend beschriebene Form beschränkt ist.
-
Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst
gemäß 6A das
Gassensorelement 2 die Messelektrode 23, die im
Wesentlichen auf der gesamten äußeren Seitenoberfläche 213 des
Festkörperelektrolytmaterials 21 ausgebildet ist.
Gemäß 6B kann
jedoch das Gassensorelement 2 die Messelektrode 23 auf
der äußeren Seitenoberfläche 213 lokal
ausgebildet aufweisen. Weiterhin kann gemäß 6C das
Gassensorelement 2 die Messelektrode 23 aufweisen,
ohne dass sie auf der Endseite des Festkörperelektrolytmaterials 21 ausgebildet
ist.
-
Nachstehend
sind Vorteile des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
Die
Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 ist
größer als die der Schutzschicht 24 des
Schenkelabschnitts 202. Folglich kann ein Gassensorelement 2 mit
hoher Wasserbeständigkeit erhalten werden. Dies bedeutet,
dass unmittelbar nach dem Motorstart das Wasser, das auf der das
Gassensorelement 2 bedeckenden Elementabdeckung 14 kondensiert,
leicht in Kontakt mit dem Bodenabschnitt 201 des Festkörperelektrolytmaterials 21 kommt.
Daher reißt der Bodenabschnitt 201 aufgrund des
Wassers leichter als der Schenkelabschnitt 202. Wenn das
Wasser in dem zu messenden Gas beim Fahren in Kontakt mit dem Gassensorelement 2 kommt,
reißt zudem der Bodenabschnitt 201, bei dem sich
die thermische Verspannung leicht konzentriert, leichter aufgrund
des Wassers als der Schenkelabschnitt 202. Dies bedeutet,
dass der Bodenabschnitt 201 des Festkörperelektrolytmaterials 21 eine
geringere Wasserbeständigkeit und Festigkeit als die des
Schenkelabschnitts 202 des Festkörperelektrolytmaterials 21 aufweist.
-
Da
die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Bodenabschnitts 201 größer
als die der Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 ist,
kann der mit der Schutzschicht 24 bedeckte Bodenabschnitt 201 des
Festkörperelektrolytmaterials 21 ausreichend vor
einer unmittelbaren Befeuchtung bewahrt werden.
-
Folglich
kann ein Gassensorelement 2 mit einer höheren
Wasserbeständigkeit erhalten werden.
-
Wenn
zudem beispielsweise das Gassensorelement 2 so hergestellt
wird, dass die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des Schenkelabschnitts 202 so
hoch ist, wie im Stand der Technik, und die Schichtdicke der Schutzschicht 24 des
Bodenabschnitts 201 so groß wie möglich
ist, kann das Ansprechverhalten des Gassensorelementes 2 im
Vergleich zu einem Gassensorelement verbessert werden, bei dem einfach
die gesamte Schutzschicht 24 dicker ausgebildet wird. Zudem
kann die zur Ausbildung der Schutzschicht 24 verwendete Materialmenge
verringert werden. Daher kann das vorstehend beschriebene Gassensorelement 2 mit
ausgezeichneter Wasserbeständigkeit und ausgezeichnetem
Ansprechverhalten bei geringen Kosten hergestellt werden.
-
Da
zudem das Schichtdickenverhältnis der Schutzschicht im
Bereich von 1,2 bis 2 liegt, kann ein Gassensorelement mit einer
ausreichend ausgezeichneten Wasserbeständigkeit und Ansprechverhalten
erhalten werden. Wenn außerdem die Schutzschicht durch
einen thermischen Aufsprühvorgang ausgebildet wird, wird das
Festkörperelektrolytmaterial vor einer Rissbildung bewahrt.
-
Da
ferner die Schichtdicke der Schutzschicht des Schenkelabschnitts
im Bereich von 100 bis 500 μm liegt, kann ein Gassensorelement
erhalten werden, das ein ausreichendes Ansprechverhalten sowie eine Funktion
zum Schützen der Elektroden durch die Schutzschicht aufweist.
-
Zudem
beträgt bei der Schutzschicht 24 die Porosität
des Bodenabschnitts 201 50% oder weniger, und ein Porositätsverhältnis,
was ein Verhältnis der Porosität des Bodenabschnitts 201 zu
der Porosität des Schenkelabschnitts 202 ist,
liegt im Bereich von 1,1 bis 10. Daher kann die Schutzschicht 24 mit
einer ausreichenden Festigkeit sowie einer Funktion zum Schützen
der Elektroden erhalten werden. Weiterhin kann ein Gassensorelement 2 mit
einem ausreichenden Ansprechverhalten erhalten werden.
-
Außerdem
liegt das Porositätsverhältnis für die
Schutzschicht 24 von dem Schenkelabschnitt 202 im Bereich
von 2 bis 20%. Daher kann ein Gassensorelement 2 erhalten
werden, das das Ansprechverhalten sicherstellt, eine stabile Ausgabe
erzeugt, und eine ausreichende Wirkung zur Beschränkung
eines Durchpassierens des zu messenden Gases aufweist.
-
Da
ferner die Schutzschicht 24 aus zumindest zwei Schichten
ausgebildet ist, kann das Gassensorelement 2 mit einer
ausgezeichneten Beständigkeit erhalten werden. Genauer
ermöglicht ein dichter Aufbau der untersten Schicht eine
Diffusion des zu steuernden Gases, wodurch eine stabile Sensorcharakteristik
erhalten wird, und vermeidet ein Abschälen der Messelektrode 23.
Zudem erlaubt ein Ausbilden der oberen Schicht auf der untersten
Schicht unter Verwendung eines Materials mit einer größeren
spezifischen Oberfläche als die der untersten Schicht oder
einem Material mit einem hohen Adsorptionsvermögen für
giftige Substanzen ein Einfangen der giftigen Substanzen in dem
Gas, wodurch die Messelektrode 23 geschützt wird.
Genauer kann nach vorstehender Beschreibung ein Gassensorelement 2 mit
ausgezeichneter Wasserbeständigkeit unter Verwendung der
aus zumindest zwei Schichten ausgebildeten Schutzschicht 24 erhalten
werden, wobei die unterste Schicht hauptsächlich zum Steuern
der Diffusion des zu messenden Gases ist, und die obere Schicht hauptsächlich
zum Einfangen der giftigen Substanzen ist.
-
Weiterhin
ist die unterste Schicht der Schutzschicht 24 in Kontakt
mit der Messelektrode 23 aus einem Metalloxyd ausgebildet,
dessen Hauptbestandteil zumindest Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell
oder Titanoxyd beinhaltet. Da das Metalloxyd thermisch und chemisch
stabil ist, kann die Schutzschicht 24 erhalten werden,
die sich nur schwerlich verschlechtert, selbst wenn sie dem zu messenden
Gas ausgesetzt ist.
-
Das
Gassensorelement 2 weist eine Katalyseschicht 25 auf,
welche die äußere Oberfläche der Schutzschicht 24 bedeckt,
und die aus einem Metalloxyd ausgebildet ist, dessen Hauptbestandteil
zumindest Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydmagnesiumoxydspinell oder
Zirkonoxyd beinhaltet. Da das Metalloxyd thermisch und chemisch
stabil ist, kann eine Katalyseschicht 25 erhalten werden,
die sich nur schwerlich verschlechtert, selbst wenn sie dem zu messenden
Gas ausgesetzt ist.
-
Außerdem
kann ein Gassensor 1 mit einer ausgezeichneten Wasserbeständigkeit
und einem ausgezeichneten Ansprechverhalten unter Verwendung des
vorstehend beschriebenen ausgezeichneten Gassensorelementes 2 bei
geringen Kosten hergestellt werden.
-
Nach
vorstehender Beschreibung kann gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel ein Gassensorelement mit ausgezeichneter
Wasserbeständigkeit und ausgezeichnetem Ansprechverhalten
und ein Gassensor unter Verwendung dieses Gassensorelementes bei
geringen Kosten bereitgestellt werden.
-
(Zweites Ausführungsbeispiel)
-
Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel für ein Gassensorelement
beschrieben, das durch Ändern der Schichtdicke der Schutzschicht
des Bodenabschnitts und der Schichtdicke der Schutzschicht des Schenkelabschnitts
hergestellt wurde. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde die Wasserbeständigkeit des Gassensorelementes bewertet.
-
Genauer
wurden Proben für das Gassensorelement durch Ändern
der Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts im Bereich
von 100 bis 1000 μm und Ändern der Schichtdicke
der Schutzschicht des Schenkelabschnitts im Bereich von 100 bis
500 μm hergestellt. Die Anzahl der jeweils hergestellten
Proben betrug vier.
-
Die
Porositäten der Schutzschicht für den Bodenabschnitt
und den Schenkelabschnitt sind auf konstant 5% eingestellt worden.
-
Für
jede der Proben des Gassensorelementes wurden in einem Zustand,
bei dem deren Temperatur auf 600°C eingestellt wurde, Wassertröpfchen
auf den Bodenabschnitt und den Schenkelabschnitt aufgebracht. Die
Menge der Wassertröpfchen wurde erhöht. Wenn das
Element riss, wurde die Menge der Wassertröpfchen überprüft.
Zudem wurde der Durchschnittswert für die Menge der Wassertröpfchen
der jeweiligen Proben berechnet.
-
Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde bestimmt, ob
das Element riss oder nicht, indem durch eine Isolationsbetrachtung überprüft
wurde, ob das Festkörperelektrolytmaterial gerissen war
oder nicht. Im Einzelnen wurde nach dem Test unter Verwendung von
Wasser das Gassensorelement in eine Flüssigkeit eingetaucht,
die eine wässrige Alkohollösung enthielt. Danach
wurde eine Gleichspannung an das Gassensorelement angelegt. Wenn
die Isolation gewahrt wurde, wurde sodann bestimmt, dass das Gassensorelement nicht
gerissen war. Wenn umgekehrt die Isolation nicht gewahrt wurde,
wurde bestimmt, dass das Gassensorelement gerissen war.
-
Danach
wurden für die Proben, deren Schichtdicken für
die Schutzschicht des Schenkelabschnitts dieselben waren, die Mengen
der Wassertröpfchen für den Bodenabschnitt bestimmt.
Die nachstehend aufgeführte Tabelle 1 zeigt die Bewertungsergebnisse.
In Tabelle 1 gibt ein x den Fall an, dass die Menge der Wassertröpfchen
für den Bodenabschnitt geringer als die für den
Schenkelabschnitt war, ein Kreis gibt den Fall an, dass die Menge
der Wassertröpfchen für den Bodenabschnitt äquivalent
zu der für den Schenkelabschnitt war, und ein Doppelkreis
gibt den Fall an, dass die Menge der Wassertröpfchen für
den Bodenabschnitt größer als die für
den Schenkelabschnitt war.
| Probennr. | Schichtdicke
(μm) | Schichtdickenverhältnis | Menge der
Wassertröpfchen, wenn das Element gerissen war (μL) |
| Bodenabschnitt | Teilabschnitt | Bodenabschnitt | Teilabschnitt | Bewertungsergebnis |
| 1 | 100 | 100 | 1 | 3 | 4 | X |
| 2 | 110 | 100 | 1,1 | 4 | 4 | O |
| 3 | 120 | 100 | 1,2 | 5 | 4 | ⌾ |
| 4 | 130 | 100 | 1,3 | 5 | 4 | ⌾ |
| 5 | 100 | 100 | 1,9 | 7 | 4 | ⌾ |
| 6 | 200 | 100 | 2 | 7 | 4 | ⌾ |
| 7 | 200 | 200 | 1 | 7 | 9 | X |
| 8 | 220 | 200 | 1,1 | 9 | 9 | O |
| 9 | 240 | 200 | 1,2 | 10 | 9 | ⌾ |
| 10 | 260 | 200 | 1,3 | 15 | 9 | ⌾ |
| 11 | 380 | 200 | 1,9 | 25 | 9 | ⌾ |
| 12 | 400 | 200 | 2 | 25 | 9 | ⌾ |
| 13 | 300 | 300 | 1 | 15 | 20 | X |
| 14 | 330 | 300 | 1,1 | 20 | 20 | O |
| 15 | 360 | 300 | 1,2 | 25 | 20 | ⌾ |
| 16 | 390 | 300 | 1,3 | 25 | 20 | ⌾ |
| 17 | 420 | 300 | 1,4 | 25 | 20 | ⌾ |
| 18 | 450 | 300 | 1,5 | 30 | 20 | ⌾ |
| 19 | 480 | 300 | 1,6 | 30 | 20 | ⌾ |
| 20 | 510 | 300 | 1,7 | 30 | 20 | ⌾ |
| 21 | 540 | 300 | 1,8 | 35 | 20 | ⌾ |
| 22 | 570 | 300 | 1,9 | 40 | 20 | ⌾ |
| 23 | 600 | 300 | 2 | 40 | 20 | ⌾ |
| 24 | 400 | 400 | 1 | 25 | 30 | X |
| 25 | 440 | 400 | 1,1 | 30 | 30 | O |
| 26 | 480 | 400 | 1,2 | 30 | 30 | ⌾ |
| 27 | 520 | 400 | 1,3 | 40 | 30 | ⌾ |
| 28 | 760 | 400 | 1,9 | 60 | 30 | ⌾ |
| 29 | 800 | 400 | 2 | 60 | 30 | ⌾ |
| 30 | 500 | 500 | 1 | 30 | 40 | X |
| 31 | 550 | 500 | 1,1 | 40 | 40 | O |
| 32 | 600 | 500 | 1,2 | 40 | 40 | ⌾ |
| 33 | 650 | 500 | 1,3 | 60 | 40 | ⌾ |
| 34 | 950 | 500 | 1,9 | 70 | 40 | ⌾ |
| 35 | 1000 | 500 | 2 | 80 | 40 | ⌾ |
Tabelle
1
-
Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist ein Kreis oder ein Doppelkreis
angegeben, wenn die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts
gleich oder größer als die des Schenkelabschnitts
ist (Proben 2 bis 6, 8 bis 12, 14 bis 23, 25 bis 29 und 31 bis 35
der Tabelle 1). Betrachtet man die Schichtdickenverhältnisse (Schichtdicke
des Bodenabschnitts geteilt durch Schichtdicke des Schenkelabschnitts)
dieser Fälle, kann die Wasserbeständigkeit und
Festigkeit des Bodenabschnitts verbessert werden, wenn das Schichtdickenverhältnis
1,1 oder mehr beträgt. Wenn das Schichtdickenverhältnis
im Bereich von 1,2 bis 2 liegt, kann die Wasserbeständigkeit
und Festigkeit des Bodenabschnitts weiter verbessert werden. Zudem
liegen die Schichtdicken für die Schutzschicht der Bodenabschnitte
dieser Fälle im Bereich von 100 bis 500 μm.
-
Wenn
andererseits die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts
kleiner als die des Schenkelabschnitts ist (Proben 1, 7, 13, 24
und 30 aus Tabelle 1), ist die Menge der Wassertröpfchen
für den Bodenabschnitt kleiner als die für den
Schenkelabschnitt, wenn das Element reißt. Dies bedeutet,
dass der Bodenabschnitt durch Wassertröpfchen reißt,
deren Menge kleiner als die der Wassertröpfchen für
den Schenkelabschnitt ist. Daher zeigt sich hieraus, dass der Bodenabschnitt
eine unzureichende Wasserbeständigkeit und Festigkeit aufweist.
-
Wie
aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist, können die
Wasserbeständigkeit und Festigkeit des Bodenabschnitts
verbessert werden, wenn die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts
größer als die des Schenkelabschnitts ist.
-
Wenn
zudem das Schichtdickenverhältnis im Bereich von 1,2 bis
2 liegt, können die Wasserbeständigkeit und Festigkeit
des Bodenabschnitts im Vergleich zu jenen des Schenkelabschnitts
ausreichend erhöht werden.
-
Außerdem
ist ersichtlich, dass es wichtig ist, dass die Schichtdicke der
Schutzschicht des Schenkelabschnitts im Bereich von 100 bis 500 μm
liegt, was die Wasserbeständigkeit und Festigkeit verbessert.
-
(Drittes Ausführungsbeispiel)
-
Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel für ein Gassensorelement
beschrieben, das durch Ändern der Porosität der
Schutzschicht des Bodenabschnitts und der Porosität der
Schutzschicht des Schenkelabschnitts hergestellt wird. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel wurde das Ansprechverhalten des Gassensorelementes
bewertet.
-
Genauer
wurden Proben für das Gassensorelement durch Ändern
der Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts im Bereich
von 120 bis 420 μm, Ändern der Schichtdicke für
die Schutzschicht des Schenkelabschnitts im Bereich von 100 bis
300 μm, Ändern der Porosität der Schutzschicht
für den Bodenabschnitt im Bereich von 2 bis 50% und Ändern
der Porosität der Schutzschicht für den Schenkelabschnitt
im Bereich von 2 bis 20% hergestellt.
-
Dann
wurde das Ansprechverhalten für jede der Proben bewertet.
-
Im
Einzelnen wurde die Sensorausgabe überprüft, während
abwechselnd Gase mit einer fetten Atmosphäre und einer
mageren Atmosphäre zugeführt wurden, die für
ein reales Fahrzeug simuliert wurden. Die Periode der Sensorausgabe
wurde als Ansprechzeit gemessen. Das fette Gas beinhaltete CO, CH4 und C3H8 und wurde gemäß λ =
0,99 zugeführt. Das magere Gas beinhaltete O2 und
NO und wurde gemäß λ = 1,01 zugeführt.
-
Für
jede der Probengruppen (die nachstehend als „Kategorie” in
Bezug genommen sind), deren Schutzschichten für die Bodenabschnitte
eine äquivalente Schichtdicke und deren Schutzschichten
für die Schenkelabschnitte eine äquivalente Schichtdicke
und Porosität aufweisen, wurde die Differenz in der Ansprechzeit
bezüglich einer Probe überprüft, bei
der die Porosität der Schutzschicht des Bodenabschnitts äquivalent
zu der der Schutzschicht für den Schenkelabschnitt war.
Dies bedeutet, dass für jede Kategorie das Ansprechverhalten
unter Bezugnahme auf die Referenzprobe mit äquivalenter
Porosität bewertet wurde. Die nachstehend aufgeführte
Tabelle 2 zeigt die Bewertungsergebnisse. Bei Tabelle 2 gibt ein
Dreieck den Fall an, bei dem die Ansprechzeit der entsprechenden
Probe länger als die der Referenzprobe war (für
die ein Bindestrich eingetragen ist), und ein Kreis gibt den Fall an,
bei dem die Ansprechzeit der entsprechenden Probe kürzer
als die der Referenzprobe ist.
| Kategorie | Probennr. | Bodenabschnitt | Schenkelabschnitt | Ansprechverhalten |
| Schichtdicke
(μm) | Porosität (%) | Schichtdicke (μm) | Porosität (%) | Ansprechzeit
(Min.) | Bewertungsergebnis |
| 1 | 1 | 420 | 4 | 300 | 5 | 1,9 | Δ |
| 2 | 420 | 5 | 300 | 5 | 1,8 | - |
| 3 | 420 | 5,5 | 300 | 5 | 1,7 | O |
| 4 | 420 | 20 | 300 | 5 | 1,2 | O |
| 5 | 420 | 50 | 300 | 5 | 1,0 | O |
| 2 | 6 | 420 | 2 | 300 | 2 | 2,4 | - |
| 7 | 420 | 4 | 300 | 2 | 2,1 | O |
| 3 | 8 | 420 | 8 | 300 | 8 | 1,2 | - |
| 9 | 420 | 16 | 300 | 8 | 0,9 | O |
| 4 | 10 | 420 | 11 | 300 | 11 | 0,9 | - |
| 11 | 420 | 22 | 300 | 11 | 0,7 | O |
| 5 | 12 | 420 | 15 | 300 | 15 | 0,7 | - |
| 13 | 420 | 30 | 300 | 15 | 0,5 | O |
| 6 | 14 | 420 | 20 | 300 | 20 | 0,5 | - |
| 15 | 420 | 40 | 300 | 20 | 0,4 | O |
| 7 | 16 | 280 | 5 | 200 | 5 | 1,3 | - |
| 17 | 280 | 10 | 200 | 5 | 1,0 | O |
| 8 | 18 | 120 | 8 | 100 | 8 | 0,4 | - |
| 19 | 120 | 16 | 100 | 8 | 0,3 | O |
Tabelle
2
-
Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich ist, ist bei allen Kategorien die Ansprechzeit
im Vergleich zu der der Referenzprobe kurz, wenn die Porosität
der Schutzschicht des Bodenabschnitts höher als die der
Schutzschicht des Schenkelabschnitts ist (Proben 3 bis 5, 7, 9,
11, 13, 15 und 19). Daher sind Kreise als Bewertungsergebnisse eingetragen.
-
Wenn
umgekehrt die Porosität der Schutzschicht des Bodenabschnitts
kleiner als die für die Schutzschicht des Schenkelabschnitts
ist, ist die Ansprechzeit im Vergleich zu der der Referenzprobe
lang. Daher ist ein Dreieck als Bewertungsergebnis eingetragen.
-
Wie
aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist, kann die Ansprechzeit
ausreichend verkürzt werden, wenn die Schichtdicke der
Schutzschicht des Bodenabschnitts größer als die
des Schenkelabschnitts ist, und die Porosität der Schutzschicht
des Bodenabschnitts höher als die des Schenkelabschnitts
ist.
-
Zudem
ist ersichtlich, dass es wichtig ist, dass die Porosität
der Schutzschicht des Bodenabschnitts 50% oder weniger beträgt,
die Porosität für die Schutzschicht des Schenkelabschnitts
im Bereich von 2 bis 20% liegt, und das Porositätsverhältnis
im Bereich von 1,1 bis 10 liegt, was auch das Ansprechverhalten
verbessert.
-
Die
Ausgestaltungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
sind nachstehend zusammengefasst.
-
Zur
Lösung der Aufgabe stellen die Ausführungsbeispiele
der Erfindung als eine Ausgestaltung ein Gassensorelement bereit,
mit einem Festkörperelektrolytmaterial mit einer zylindrischen
Form mit Boden und Sauerstoffionenleitfähigkeit, einer
Referenzelektrode, die auf einer inneren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, einer Messelektrode,
die auf einer äußeren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, sowie
einer Schutzschicht, die die äußere Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials zusammen mit der Messelektrode
bedeckt, und die einem zu messenden Gas das Passieren durch die
Schutzschicht ermöglicht, wobei eine Endseite des Gassensorelementes
aus einem Schenkelabschnitt ausgebildet ist, dessen Profillinie
auf einem axialen Querschnitt gerade ist, welches ein Querschnitt
parallel zu einer Achse des Gassensorelementes ist, sowie aus einem
Bodenabschnitt ausgebildet ist, dessen Profillinie gekrümmt
ist, und wobei die Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts
größer als die Schichtdicke der Schutzschicht
des Schenkelabschnitts ist.
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Nachstehend
sind Vorteile der Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Die
Schichtdicke der Schutzschicht des Bodenabschnitts ist größer
als die der Schutzschicht des Schenkelabschnitts. Folglich kann
ein Gassensorelement mit hoher Wasserbeständigkeit erhalten
werden. Dies bedeutet, dass unmittelbar nach dem Motorstart das
auf der das Gassensorelement bedeckenden Elementabdeckung kondensierende
Wasser leicht den Bodenabschnitt des Festkörperelektrolytmaterials
kontaktiert. Daher reißt der Bodenabschnitt viel leichter
aufgrund des Wassers als der Schenkelabschnitt. Wenn zusätzlich
das Wasser in dem zu messenden Gas das Gassensorelement beim Betrieb
kontaktiert, reißt der Bodenabschnitt, in dem sich die
thermische Verspannung leicht konzentriert, viel leichter aufgrund
des Wassers als der Schenkelabschnitt. Dies bedeutet, dass der Bodenabschnitt
des Festkörperelektrolytmaterials eine geringere Wasserbeständigkeit
und Festigkeit als die des Schenkelabschnitts des Festkörperelektrolytmaterials aufweist.
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Zur
Lösung dieser Probleme können gemäß der
Ausführungsbeispiele der mit der Schutzschicht bedeckte
Bodenabschnitt des Festkörperelektrolytmaterials ausreichend
davor bewahrt werden, unmittelbar nass zu werden, da die Schichtdicke
der Schutzschicht für den Bodenabschnitt größer
als die der Schutzschicht für den Schenkelabschnitt ist.
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Folglich
kann ein Gassensorelement mit hoher Wasserbeständigkeit
erhalten werden.
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Wenn
außerdem das Gassensorelement beispielsweise so hergestellt
wird, dass die Schichtdicke der Schutzschicht für den Schenkelabschnitt
so groß wie die im Stand der Technik ist, und die Schichtdicke
der Schutzschicht für den Bodenabschnitt so groß wie
möglich ist, kann das Ansprechverhalten des Gassensorelementes
im Vergleich zu einem Gassensorelement verbessert werden, bei dem
die gesamte Schutzschicht einfach dicker ausgebildet wird. Zudem
kann die zum Ausbilden der Schutzschicht verwendete Materialmenge verringert
werden. Daher kann das vorstehend beschriebene Gassensorelement
mit ausgezeichneter Wasserbeständigkeit und Ansprechverhalten
bei geringen Kosten hergestellt werden.
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Nach
vorstehender Beschreibung kann gemäß den erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispielen ein Gassensorelement bereitgestellt
werden, das bei geringen Kosten hergestellt werden kann, und eine
ausgezeichnete Wasserbeständigkeit und Ansprechverhalten
aufweist.
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Zudem
stellen die Ausführungsbeispiele als eine Ausgestaltung
ein Gassensorelement bereit, das eine Konzentration eines spezifischen
zu messenden Gases erfasst, mit dem Gassensorelement, einem Heizelement,
das in das Festkörperelektrolytmaterial eingefügt
ist, und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, einem Gehäuse,
in dem das Gassensorelement eingefügt ist, und das das
Gassensorelement hält, eine atmosphärenseitige
Abdeckung, die auf einer Basisseite des Gehäuses angeordnet
ist, und die eine Basisseite des Gassensorelementes abdeckt, und
eine Elementabdeckung, die auf einer Endseite des Gehäuses
angeordnet ist, und die eine Endseite des Gassensorelementes bedeckt.
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Das
in dem Gassensor enthaltene Gassensorelement kann bei geringen Kosten
hergestellt werden, und weist eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit
und ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten auf, wie es vorstehend
beschrieben ist. Daher kann ein Gassensorelement erhalten werden,
das bei geringen Kosten hergestellt werden kann, und eine ausgezeichnete
Wasserbeständigkeit und ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten
aufweist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Konfigurationen
beschränkt, sondern alle Abwandlungen, Variationen oder äquivalente,
die dem Fachmann ersichtlich sind, sind im Erfindungsbereich enthalten.
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So
ist vorstehend als eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
ein Gassensorelement beschrieben, mit: einem Festkörperelektrolytmaterial
mit einer zylindrischen Form mit Boden und Sauerstoffionenleitfähigkeit,
einer Referenzelektrode, die auf einer inneren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, einer
Messelektrode, die auf einer äußeren Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials angeordnet ist, und einer
Schutzschicht, die die äußere Seitenoberfläche
des Festkörperelektrolytmaterials zusammen mit der Messelektrode
bedeckt, und die einem zu messenden Gas das Passieren durch die
Schutzschicht erlaubt, wobei eine Endseite des Gassensorelementes
aus einem Schenkelabschnitt ausgebildet ist, dessen Profillinie auf
einem axialen Querschnitt gerade ist, sowie aus einem Bodenabschnitt
ausgebildet ist, dessen Profillinie gekrümmt ist, und die
Schichtdicke der Schutzschicht für den Bodenabschnitt ist
größer als die Schichtdicke der Schutzschicht
für den Schenkelabschnitt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-329086 [0001]
- - JP 2006-38496 A [0003]