DE102010012889A1 - Gassensor - Google Patents

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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Abstract

Ein Gassensor umfasst ein Gassensorelement. Das Gassensorelement umfasst eine erste Detektionskammer; eine erste Sauerstoffpumpzelle, die einen ersten Festelektrolytkörper und ein Paar erster Elektroden umfasst; eine zweite Detektionskammer; eine zweite Sauerstoffpumpzelle, die einen zweiten Festelektrolytkörper und ein Paar zweiter Elektroden umfasst; und eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle, die einen dritten Festelektrolytkörper und ein Paar dritter Elektroden umfasst. Eine Erfassungselektrode der dritten Elektroden ist im Verhältnis zu einer Gasströmungsrichtung stromabwärts jenseits einer ersten Innenelektrode der ersten Elektroden angeordnet. Eine Querschnittfläche eines Raums der ersten Detektionskammer, die der ersten Innenelektrode zugewandt ist, fällt in einen Bereich von 0,03 mmbis 0,22 mm. Eine Mitte der Erfassungselektrode ist stromabwärts jenseits eines stromabwärtigen Endes der ersten Innenelektrode positioniert, um einen Abstand zwischen der Mitte der Erfassungselektrode und dem stromabwärtigen Ende der ersten Innenelektrode größer oder gleich der zehnfachen Größenordnung einer Höhe des Raums werden zu lassen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
  • Bisher gab es einen Gassensor, der dafür ausgelegt ist, eine spezifische Gaskomponente zu detektieren, beispielsweise Stickoxid (NOx) oder Sauerstoff, oder der dafür ausgelegt ist, eine Konzentration der spezifischen Gaskomponente zu messen. Als solchen Gassensor offenbart das US-Patent Nr. 5942190 , das der japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. H9(1997)-288085 entspricht, einen zuvor vorgeschlagenen Gassensor. Bei dieser Technik wird eine Sauerstoffpumpzelle zum Anpassen von Sauerstoffkonzentration in einer Detektionskammer (Gaskammer) mittels Regelung auf der Grundlage von Signalen gesteuert, die von einer Zelle (Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle) zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration in der Detektionskammer erhalten werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein kleineres Auslegen der Detektionskammer erzeugt verschiedene Vorteile. Zum Beispiel kann ein Sauerstoffpumpwirkungsgrad der Sauerstoffpumpzelle verbessert werden. Dadurch kann ein Energieverbrauch, der für das Pumpen aufgewendet wird, verringert werden. Zudem kann ein Gassensorelement kleiner ausgelegt werden. Demgemäß kann eine Temperaturdifferenz zwischen unterschiedlichen Stellen in dem Gassensorelement verringert werden. Eine Gasmenge (Menge pro Zeiteinheit), die in die Detektionskammer strömt, wird aufgrund des kleineren Auslegens der Detektionskammer aber verringert. Aufgrund dieser Verringerung der Gasmenge wird auch eine Menge einer spezifischen Gaskomponente, die von dem Gasdetektor zu detektieren ist, reduziert, und dadurch besteht eine Möglichkeit, dass eine Detektionsgenauigkeit der spezifischen Gaskomponente verringert wird. Im Gegensatz dazu ist es zum Verbessern der Detektionsgenauigkeit einer spezifischen Gaskomponente bevorzugt, dass verschiedene Fehler, die die Detektionsgenauigkeit beeinflussen, kleiner gehalten werden. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben entdeckt, dass eine Verringerung des Detektionsfehlers der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle zum Verbessern der Detektionsgenauigkeit der spezifischen Gaskomponente beiträgt, insbesondere in dem Fall, da die Detektionskammer kleiner ausgelegt wird.
  • Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren vorzusehen, das sowohl ein kleineres Auslegen des Gassensors als auch eine vorteilhafte Detektionsgenauigkeit des Gassensors erreichen kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor vorgesehen, der ein Gassensorelement umfasst, wobei das Gassensorelement umfasst: eine erste Detektionskammer, in die ein zu detektierendes Gas durch einen ersten diffusionsbeständigen Abschnitt eingeleitet wird; eine erste Sauerstoffpumpzelle, die einen ersten Festelektrolytkörper und ein Paar erster Elektroden, die auf dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildet sind, umfasst, wobei das Paar erster Elektroden eine erste Innenelektrode, die in der ersten Detektionskammer angeordnet ist, umfasst, wobei die erste Sauerstoffpumpzelle dafür ausgelegt ist, Sauerstoff von dem Gas/in das Gas zu pumpen, das in die erste Detektionskammer eingeleitet wurde; eine zweite Detektionskammer, in die das Gas, das in der ersten Detektionskammer Sauerstoffpumpen erfuhr, durch einen zweiten diffusionsbeständigen Abschnitt eingeleitet wird; eine zweite Sauerstoffpumpzelle, die einen zweiten Festelektrolytkörper und ein Paar zweiter Elektroden, die auf dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildet sind, umfasst, wobei das Paar zweiter Elektroden eine innere zweite Pumpelektrode umfasst, die in der zweiten Detektionskammer angeordnet ist, wobei die zweite Sauerstoffpumpzelle dafür ausgelegt ist, einen elektrischen Strom gemäß einer Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in der zweiten Detektionskammer durchzulassen; und eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle, die einen dritten Festelektrolytkörper und ein Paar dritter Elektroden, die auf dem dritten Festelektrolytkörper angeordnet sind, umfasst, wobei das Paar dritter Elektroden eine Erfassungselektrode, die in der ersten Detektionskammer angeordnet ist, umfasst, wobei die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle dafür ausgelegt ist, zwischen den dritten Elektroden eine elektrische Spannung gemäß einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer zu erzeugen; wobei die Erfassungselektrode stromabwärts jenseits der ersten Innenelektrode im Verhältnis zu einer Strömungsrichtung des Gases angeordnet ist, wobei eine Querschnittfläche eines Raums der ersten Detektionskammer, durch den das Gas strömt, in einen Bereich von 0,03 mm2 bis 0,22 mm2 fällt, wobei der Raum der ersten Innenelektrode zugewandt ist, wobei eine Mitte der Erfassungselektrode stromabwärts jenseits eines stromabwärtigen Endes der ersten Innenelektrode angeordnet ist, um einen Abstand zwischen der Mitte der Erfassungselektrode und dem stromabwärtigen Ende der ersten Innenelektrode von mehr als oder gleich der zehnfachen Größenordnung einer Höhe des Raums zu bewirken, wobei die Höhe eine Länge ist, die in einer Laminierrichtung zwischen dem ersten Festelektrolytkörper und der ersten Innenelektrode genommen ist.
  • Die anderen Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die Begleitzeichnungen verständlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Querschnittansicht, die eine Gassensor 200 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist eine Querschnittansicht eines NOx-Sensorelements 10.
  • 3 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Steuerung des NOx-Sensorelements 10 zeigt.
  • 4 ist eine schräge perspektivische Ansicht einer ersten Detektionskammer 16.
  • 5 ist eine Querschnittansicht ähnlich der von 2.
  • 6 ist eine Querschnittansicht der ersten Detektionskammer 16.
  • 7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Rate des Abstands d und einer Schwankungsrate des Offsets OI zeigt.
  • 8 ist eine erläuternde Ansicht, die Querschnittgrößen zeigt.
  • 9 ist eine erläuternde Ansicht eines Beurteilungssystems ES.
  • 10 ist ein Beispiel einer Querschnittansicht entlang einer Linie A-A von 3 in einer dritten abgewandelten Ausführungsform.
  • 11 ist ein anderes Beispiel der Querschnittansicht entlang der Linie A-A von 3 in der dritten abgewandelten Ausführungsform.
  • 12 ist ein noch anderes Beispiel der Querschnittansicht entlang der Linie A-A von 3 in der dritten abgewandelten Ausführungsform.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • Nachstehend wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu fördern. Eine Ausführungsform und abgewandelte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden in dem folgenden Abschnitt erläutert.
    • (A) Ausführungsform
    • (B) Abgewandelte Ausführungsformen
  • (A) Ausführungsform
  • 1 ist eine Querschnittansicht, die einen Gassensor 200 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt. Der Gassensor 200 ist an einer Abgasleitung eines (nicht gezeigten) Verbrennungsmotors befestigt und misst eine Konzentration von Stickoxid(en) (NOx). Nachstehend wird der Gassensor 200 auch als „NOx-Sensor 200” bezeichnet. 1 zeigt einen Querschnitt des NOx-Sensors 200 parallel zu einer Längsrichtung D1 des NOx-Sensors 200. Nachstehend wird eine untere Richtung (untere Seite) in 1 als Vorwärtsrichtung (Vorderendseite) FWD des NOx-Sensors 200 bezeichnet, und eine obere Richtung (obere Seite) in 1 wird als Rückwärtsrichtung (Rückendseite) BWD des NOx-Sensors 200 bezeichnet.
  • Der NOx-Sensor 200 umfasst einen Befestigungsmetallkörper 138, der in Form eines zylindrischen Rohrs ausgebildet ist, ein NOx-Sensorelement (Gassensorelement) 10, das in einer Plattenform ausgebildet ist, die sich in der Längsrichtung D1 erstreckt, eine Keramikhülse 106, die in Form eines zylindrischen Rohrs ausgebildet ist, um das NOx-Sensorelement 10 zu umgeben, ein Isolierkontaktelement 166 und sechs Verbindungsanschlüsse 110 (in 1 sind vier Verbindungsanschlüsse 110 gezeigt). Eine Außenfläche des Befestigungsmetallkörpers 138 ist mit einem Gewindeabschnitt 139 zum Befestigen an der Abgasleitung ausgebildet. Die Keramikhülse 106 ist radial um das NOx-Sensorelement 10 gesetzt, d. h. umgibt einen Außenumfang des NOx-Sensorelements 10. Das Isolierkontaktelement 166 ist mit einer Kontakteinführöffnung 168 ausgebildet. Die Kontakteinführöffnung 168 tritt in der Längsrichtung D1 durch das Isolierkontaktelement 166. Das Isolierkontaktelement 166 ist so angeordnet, dass es eine Innenwandfläche der Kontakteinführöffnung 168 um einen hinteren Abschnitt (Rückendabschnitt) des NOX-Sensorelements 10 positioniert, d. h. es ist so angeordnet, dass es die Innenwandfläche der Kontakteinführöffnung 168 einen Außenumfang des hinteren Abschnitts des NOx-Sensorelements 10 umgeben lässt. Die jeweiligen Anschlüsse 110 sind zwischen dem NOx-Sensorelement 10 und dem Isolierkontaktelement 166 angeordnet.
  • Der Befestigungsmetallkörper 138 ist mit einer Durchgangsbohrung 154 ausgebildet. Die Durchgangsbohrung 154 tritt in einer axialen Richtung des Befestigungsmetallkörpers 138 durch denselben. Der Befestigungsmetallkörper 138 ist im Wesentlichen in Form eines zylindrischen Rohrs ausgebildet und umfasst einen gestuften Abschnitt 152, der in einer radial inneren Richtung der Durchgangsbohrung 154 absteht. Der Befestigungsmetallkörper 138 hält das NOx-Sensorelement 10 in der Durchgangsbohrung 154, um in der Vorwärtsrichtung (auf der FWD-Seite) ein vorderes Ende (Frontende) des NOx-Sensorelements 10 außerhalb der Durchgangsbohrung 154 zu platzieren und eine hintere Seite des NOx-Sensorelements 10 in der Rückwärtsrichtung (auf der BWD-Seite) außerhalb der Durchgangsbohrung 154 zu platzieren. Der gestufte Abschnitt 152 weist eine konisch zulaufende Fläche auf, die von einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung D1 geneigt ist. Diese zulaufende Fläche ist so ausgebildet, dass sie einen Durchmesser der vorderen Seite (FWD-Seitenabschnitt) der zulaufenden Fläche kleiner werden lässt als einen Durchmesser der hinteren Seite (BWD-Seitenabschnitt) der zulaufenden Fläche.
  • In der Durchgangsbohrung 154 des Befestigungsmetallkörpers 138 sind ein Keramikhalter 151, pulvergefüllte Schichten 153 und 156 (nachstehend auch als Talkumringe 153 und 156 bezeichnet) und die Keramikhülse 106 in dieser Reihenfolge von der vorderen Seite hin zur hinteren Seite der Durchgangsbohrung 154 angeordnet oder laminiert. Der Keramikhalter 151, die Talkumringe 153 und 156 und die Keramikhülse 160 bilden insgesamt einen Halteabschnitt zum Halten des NOx-Sensorelements 10 aus und werden nachstehend auch als „Halteabschnitt 160” bezeichnet. Dieser Halteabschnitt 160, nämlich jeweils der Keramikhalter 151, die Talkumringe 153 und 156 und die Keramikhülse 106, ist in einer Kranzform ausgebildet, die das NOx-Sensorelement 10 radial umgeben kann, d. h. ist in einer Kranzform ausgebildet, die den Außenumfang des NOx-Sensorelements 10 umgibt (oder darüber passt). Somit wird das NOx-Sensorelement 10 durch den Halteabschnitt 160 gehalten.
  • Zwischen der Keramikhülse 106 und einem Rückendabschnitt 140 des Befestigungsmetallkörpers 138 ist eine Pressdichtung 157 angeordnet. Ein Metallhalter 158 zum Halten des Talkumrings 153 und des Keramikhalters 151 und zum Aufrechterhalten von Luftdichtheit ist zwischen dem Keramikhalter 151 und dem gestuften Abschnitt 152 des Befestigungsmetallkörpers 138 angeordnet. Der Rückendabschnitt 140 des Befestigungsmetallkörpers 138 ist so verpresst, dass er die Keramikhülse 106 durch die Pressdichtung 157 in die Vorwärtsrichtung presst.
  • Wie in 1 gezeigt sind an einem Außenumfang der Vorderseite des Befestigungsmetallkörpers 138 (eine untere Seite des Befestigungsmetallkörpers 138 in 1) durch Schweißen oder dergleichen eine Außenschutzvorrichtung 142 und eine Innenschutzvorrichtung 143 angebracht. Jede dieser Schutzvorrichtungen 142 und 143 ist aus einem Metall, beispielsweise rostfrei, ausgebildet und umfasst mehrere Löcher. Diese Außen- und Innenschutzvorrichtungen 142 und 143 bedecken einen hervorstehenden Abschnitt des NOx-Sensorelements 10.
  • Ein Außenrohr 144 ist an einem Außenumfang der Rückseite des Befestigungsmetallkörpers 138 befestigt. Eine Tülle 150 ist in einem Öffnungsabschnitt der Rückseite (obere Seite in 1) des Außenrohrs 144 vorgesehen. Die Tülle 150 ist mit Anschlussleitungseinführöffnungen 161 ausgebildet. Sechs Anschlussleitungen 146 sind in die Anschlussleitungseinführöffnungen 161 (in 1 sind nur fünf Anschlussleitungen 146 gezeigt) eingeführt. Jeweilige Anschlussleitungen 146 sind mit (nicht gezeigten) Elektrodenflecken elektrisch verbunden, die an einer Außenfläche der Rückseite des NOx-Sensorelements 10 vorgesehen sind.
  • Das Isolierkontaktelement 166 ist an einem Rückendenabschnitt (obere Seite in 1) des NOx-Sensorelements 10 vorgesehen, der von dem Rückendenabschnitt 140 des Befestigungsmetallkörpers 138 ragt. Im Einzelnen ist dieses Isolierkontaktelement 166 um die (nicht gezeigten) Elektrodenflecken angeordnet, die an der Außenfläche der Rückseite des NOx-Sensorelements 10 ausgebildet sind. Das Isolierkontaktelement 166 ist in Form eines zylindrischen Rohrs ausgebildet, das das durch das Isolierkontaktelement 166 in Längsrichtung D1 tretende Kontakteinführloch 168 aufweist. Zudem umfasst das Isolierkontaktelement 166 einen Flanschabschnitt 167, der von einer Außenfläche des Isolierkontaktelements 166 in einer radial äußeren Richtung ragt. Ein Halteelement 169 ist zwischen dem Isolierkontaktelement 166 und dem Außenrohr 144 eingefügt. Das Halteelement 169 platziert das Isolierkontaktelement 166 in dem Außenrohr 144 durch Anliegen an dem Außenrohr 144 und dem Flanschabschnitt 167.
  • 2 ist eine Querschnittansicht des NOx-Sensorelements 10. Dieser Querschnitt ist parallel zur Längsrichtung D1. Die Vorwärtsrichtung (Vorderendseite) FWD ist durch eine Linksrichtung von 2 gezeigt, und die Rückwärtsrichtung (Rückendenseite) BWD ist durch eine Rechtsrichtung von 2 gezeigt. Das NOx-Sensorelement 10 umfasst eine Isolierschicht 14e, eine erste Festelektrolytschicht 11a, eine Isolierschicht 14a, eine dritte Festelektrolytschicht 12a, eine Isolierschicht 14b, eine zweite Festelektrolytschicht 13a und Isolierschichten 14c und 14d, die in dieser Reihenfolge laminiert sind. Diese Schichten sind entlang einer Laminierrichtung D2 senkrecht zur Längsrichtung D1 laminiert.
  • Eine erste Detektionskammer 16 ist zwischen der ersten Festelektrolytschicht 11a und der dritten Festelektrolytschicht 12a ausgebildet. Ein Detektionsgas (d. h. zu detektierendes Gas) GM wird von einem Außenbereich des NOx-Sensorelements 10 durch ein erstes diffusionsbeständiges Element (Diffusionssteuerelement) 15a in die erste Detektionskammer eingeleitet. Das erste diffusionsbeständige Element 15a ist an einem linken Ende (Einlass) der ersten Detektionskammer 16 angeordnet. Ein zweites diffusionsbeständiges Element (Diffusionssteuerelement) 15b ist am anderen Ende (rechtes Ende) der ersten Detektionskammer 16 angeordnet, das gegenüber dem Einlass der ersten Detektionskammer 16 angeordnet ist.
  • Eine zweite Detektionskammer 18 ist zwischen der ersten Festelektrolytschicht 11a und der zweiten Festelektrolytschicht 13a ausgebildet, um durch die dritte Festelektrolytschicht 12a zu treten. Die zweite Detektionskammer 18 ist durch das zweite diffusionsbeständige Element 15b mit der ersten Detektionskammer 16 verbunden und befindet sich von der ersten Detektionskammer 16 in der Rückwärtsrichtung BWD.
  • Ein Heizwiderstandselement 50, das sich in der Längsrichtung D1 erstreckt, ist zwischen den Isolierschichten 14c und 14d eingebettet. Das Heizwiderstandselement 50 wird zum Anheben einer Temperatur eines Gassensorelements 10 auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur und dadurch zum Verbessern einer Sauerstoffionenleitfähigkeit jeder Festelektrolytschicht verwendet, um einen Betrieb des Gassensorelements 10 zu stabilisieren. Das Heizwiderstandelement 50 besteht aus einem Heizabschnitt 51 und einem Heizleitungsabschnitt 52. Der Heizabschnitt 51 ist aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise Wolfram, gebildet und erzeugt durch Aufnehmen von elektrischer Leistung Wärme. Der Heizleitungsabschnitt 52 überträgt eine von den nachstehend erwähnten Anschlussleitungen 146 gelieferte elektrische Leistung auf den Heizabschnitt 51. Das Heizwiderstandselement 50 wird von den beiden Isolierschichten 14c und 14d gelagert. Das Heizwiderstandselement 50 und die beiden Isolierschichten 14c und 14d bilden ein Heizelement 60.
  • Das Gassensorelement 10 umfasst eine erste Sauerstoffpumpzelle 11, eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 und eine zweite Sauerstoffpumpzelle 13.
  • Die erste Sauerstoffpumpzelle 11 umfasst die erste Festelektrolytschicht 11a, eine innere erste Pumpelektrode 11c (nachstehend auch als „erste Innenelektrode 11c” bezeichnet) und eine erste Gegenelektrode 11b (nachstehend auch als „äußere erste Pumpelektrode 11b” bezeichnet), die eine Gegenelektrode zu der ersten Innenelektrode 11c ist. Die innere erste Pumpelektrode 11c und die äußere erste Pumpelektrode 11b sind so angeordnet, dass sie die erste Festelektrolytschicht 11a zwischen der inneren ersten Pumpelektrode 11c und der äußeren ersten Pumpelektrode 11b sandwichartig einschließen. Die erste Innenelektrode 11c ist der ersten Detektionskammer 16 zugewandt. Sowohl die erste Innenelektrode 11c als auch die äußere erste Pumpelektrode 11b sind hauptsächlich aus Platin gebildet. Eine Oberfläche der ersten Innenelektrode 11c ist mit einer Schutzschicht 11e beschichtet, die eine poröse Struktur aufweist. Zudem ist ein Abschnitt 11d der Isolierschicht 14e, der der äußeren ersten Pumpelektrode 11b gegenüberliegt (d. h. ihr zugewandt ist), aus einem porösen Körper gebildet (z. B. Aluminiumoxid), durch den Gas (z. B. Sauerstoff) treten kann.
  • Die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 umfasst die dritte Festelektrolytschicht 12a, eine Erfassungselektrode 12b und eine Referenzelektrode 12c. Die Erfassungselektrode 12b und die Referenzelektrode 12c sind so angeordnet, dass sie die dritte Festelektrolytschicht 12a dazwischen sandwichartig einschließen. Die Erfassungselektrode 12b ist der ersten Detektionskammer 16 in einem stromabwärtigen Bereich jenseits der ersten Innenelektrode 11c zugewandt, ist nämlich einem Abschnitt der ersten Detektionskammer 16 zugewandt, der sich stromabwärts der ersten Innenelektrode 11c befindet. Sowohl die Erfassungselektrode 12b als auch die Referenzelektrode 12c sind hauptsächlich aus Platin gebildet.
  • Die Isolierschicht 14b ist so ausgeschnitten, dass die Referenzelektrode 12c, die an der dritten Festelektrolytschicht 12a anliegt, in der Isolierschicht 14b positioniert ist. Auch ist die Isolierschicht 14b so ausgeschnitten, dass sie eine Referenzsauerstoffkammer 17 in der Isolierschicht 14b bildet. Diese Referenzsauerstoffkammer 17 wird durch Füllen des ausgeschnittenen Abschnitts der Isolierschicht 14b mit einem porösen Körper gebildet. Durch vorab Anlegen eines konstanten Schwachstroms an der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 wird Sauerstoff von der ersten Detektionskammer 16 in die Referenzsauerstoffkammer 17 geliefert. Dann wird eine Sauerstoffkonzentration in der Referenzsauerstoffkammer 17 bei einem vorbestimmten Konzentrationswert gehalten. Somit wird die Referenzsauerstoffkammer 17 als Referenz für die Sauerstoffkonzentration verwendet.
  • Die zweite Sauerstoffpumpzelle 13 umfasst die zweite Festelektrolytschicht 13a, eine innere zweite Pumpelektrode 13b und eine zweite Gegenelektrode 13c (nachstehend auch als „zweite Gegenpumpelektrode 13c” bezeichnet), die eine Gegenelektrode zu der inneren zweiten Pumpelektrode 13b ist. Die innere zweite Pumpelektrode 13b ist an einer Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 13a an einem Abschnitt der zweiten Festelektrolytschicht 13a angeordnet, der der zweiten Detektionskammer 18 zugewandt ist. Sowohl die innere zweite Pumpelektrode 13b als auch die zweite Gegenpumpelektrode 13c sind hauptsächlich aus Platin gebildet. Die zweite Gegenpumpelektrode 13c ist der Referenzsauerstoffkammer 17 zugewandt und ist an der zweiten Festelektrolytschicht 13a angeordnet, liegt nämlich an der zweiten Festelektrolytschicht 13a an. Die innere zweite Pumpelektrode 13b ist der zweiten Detektionskammer 18 zugewandt.
  • In dieser Ausführungsform ist jede der Festelektrolytschichten 11a, 12a und 13a durch Verwenden von Zirkoniumoxid (teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid) mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit als deren Hauptbestandteil ausgebildet. Jede der Isolierschichten 14a bis 14e ist durch Verwenden von Aluminiumoxid als deren Hauptbestandteil ausgebildet. Sowohl das erste diffusionsbeständige Element 15a als auch das zweite diffusionsbeständige Element 15b sind durch ein poröses Material gebildet, das aus Aluminiumoxid oder dergleichen als dessen Hauptbestandteil gebildet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der „Hauptbestandteil” bedeutet, dass ein Anteil (enthaltene Menge) dieses Materials (als „Hauptbestandteil” erwähnt) in der Schicht größer oder gleich 50 Gew.-% der Gesamtmenge ist, zum Beispiel enthält die Festelektrolytschicht Zirkoniumoxid bei einer Rate von größer oder gleich 50 Gew.-%. Jede der sechs Schichten 14e, 11a, 12a, 13a, 14c und 14d von acht der Festelektrolytschichten und den Isolierschichten ist durch Verwenden einer Materialplatte (z. B. Keramikplatte aus Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder dergleichen) gebildet. Jede der jeweiligen Elektroden und zwei Isolierschichten 14a und 14b sind durch Verwenden eines Siebdrucks an einer Oberfläche der Keramikplatte gebildet. Dann wird ein durch Laminieren der jeweiligen Vorbrennschichten erhaltener laminierter Körper gebrannt, so dass das NOx-Sensorelement 10 gebildet ist.
  • 3 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Steuerung des NOx-Sensorelements 10 zeigt. 3 zeigt das NOx-Sensorelement 120, das identisch zu dem von 2 ist. Für eine einfach zu verstehende Erläuterung sind bei 3 einige Zeichen und Schattierungen ausgelassen. 3 zeigt auch einen Steuerungsabschnitt (Steuergerät) CU des NOx-Sensors 100 (des NOx-Sensorelements 10). Der Steuerungsabschnitt CU ist durch die Verbindungsanschlüsse 110 und die Anschlussleitungen 146, die in 1 gezeigt sind, mit dem Heizwiderstandelement 50 und den jeweiligen Elektroden 11b, 11c, 12b, 12c, 13b und 13c verbunden (in dieser Ausführungsform sind einige dieser Elektroden mit einer gemeinsamen Anschlussleitung 146 verbunden). Wie nachstehend erwähnt liefert der Steuerungsabschnitt CU dem Heizwiderstandselement 50 elektrische Leistung. Zudem steuert der Steuerungsabschnitt CU den NOx-Sensor 200 (das NOx-Sensorelement 10) durch Senden oder Empfangen von Signalen zu oder von den jeweiligen Elektroden 11b, 11c, 12b, 12c, 13b und 13c. In dieser Ausführungsform ist der Steuerungsabschnitt CU eine elektronische Schaltung, die durch Verwenden von Operationsverstärkern und dergleichen konstruiert ist. Stattdessen kann der Steuerungsabschnitt CU erfindungsgemäß aber durch Verwenden eines Rechners, der eine CPU und einen Speicher umfasst, konstruiert sein.
  • Als Nächstes wird nun ein Beispiel für den Betrieb des NOx-Sensorelements 10 erläutert. Zuerst wird der Steuerungsabschnitt CU durch einen Start des Motors aktiviert. Der Steuerungsabschnitt CU liefert dem Heizwiderstandselement 50 elektrische Leistung. Das Heizwiderstandselement 50 wärmt die erste Sauerstoffpumpzelle 11, die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 und die zweite Sauerstoffpumpzelle 13 auf deren Aktivierungstemperaturen auf. Dann legt der Steuerungsabschnitt CU an der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 als Reaktion auf einen Zustand, dass jede der Zellen 11 bis 13 erwärmt wurde und die Aktivierungstemperatur erreicht hat, einen elektrischen Strom Ip1 an. Dadurch pumpt die erste Sauerstoffpumpzelle 11 überschüssigen Sauerstoff, der in dem Detektionsgas (in dem zu detektierenden Abgas) GM enthalten ist, das in die erste Detektionskammer 16 geströmt ist, von der ersten Innenelektrode 11c hin zur ersten Gegenelektrode 11b heraus.
  • Der Steuerungsabschnitt CU steuert eine Interelektrodenspannung (Interanschlussspannung) Vp1 der ersten Sauerstoffpumpzelle 11, um eine Interelektrodenspannung (Interanschlussspannung) Vs der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 bei einem konstanten Spannungswert (z. B. 425 mV) zu halten. Die Spannung Vs der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 stellt eine Sauerstoffkonzentration an einem Ort der Erfassungselektrode 12b dar. Durch diese Steuerung wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer 16 soweit angepasst, dass NOx etwas zersetzt wird. Wenn Sauerstoff in der ersten Detektionskammer 16 knapp (wenig) wird, wird Sauerstoff von der äußeren ersten Pumpelektrode 11b zur ersten Innenelektrode 11c geliefert. Ein Betrieb zum Pumpen von Sauerstoff aus der ersten Detektionskammer 16 heraus und ein Betrieb zum Pumpen von Sauerstoff in die erste Detektionskammer 16 kann durch Umschalten einer Polarität der Interelektrodenspannung Vp1 der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 abgewechselt werden.
  • Ein Detektionsgas (d. h. zu detektierendes Gas) GN, dessen Sauerstoffkonzentration angepasst wurde, wird durch das zweite diffusionsbeständige Element 15b in die zweite Detektionskammer 18 eingeleitet. Der Steuerungsabschnitt CU legt eine Interelektrodenspannung (Interanschlussspannung) Vp2 an der zweiten Sauerstoffpumpzelle 13 an. Diese Spannung wird bei einem konstanten Spannungswert festgelegt (einem Spannungswert, der höher als die Steuerspannung Vs der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 ist, zum Beispiel 450 mV), der in dem Detektionsgas GN enthaltenes NOx-Gas zu Sauerstoffgas und Stickstoffgas zersetzen kann. Dadurch wird in dem Detektionsgas GN vorhandenes NOx zu Sauerstoff und Stickstoff zersetzt.
  • Ein zweiter Pumpstrom Ip2 fließt durch die zweite Sauerstoffpumpzelle 13, um einen durch die Zersetzung von NOx erzeugten Sauerstoff aus der zweiten Detektionskammer 18 herauszupumpen. Der zweite Pumpstrom Ip2 nimmt in etwa proportional zu einer Menge (Konzentration) von Sauerstoff zu, die durch die Zersetzung von NOx erzeugt wird. Daher kann die NOx-Konzentration des Detektionsgases (des zu detektierenden Gases) GN durch Detektieren des zweiten Pumpstroms Ip2 detektiert werden.
  • Im Einzelnen wird in dieser Ausführungsform die Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer 16 auf ein Maß angepasst, das, wie vorstehend erwähnt, NOx etwas zersetzen kann. D. h. die Interelektrodenspannung Vp1 der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 wird so gesteuert, dass etwas Sauerstoff (konstanter Konzentration) in dem Detektionsgas GN enthalten ist, das aus der ersten Detektionskammer 16 ausgestoßen wird. Somit enthält das Detektionsgas GN unabhängig von dem Vorhanden sein oder Fehlen von NOx in dem Detektionsgas GN Sauerstoff mit einer konstanten Konzentration. Daher stellt der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle 13 fließende zweite Pumpstrom Ip2 einen Gesamtwert von zwei dar: einem Offset (konstanter Wert), der dieser Sauerstoffkonzentration entspricht, und einem Gain (variabler Faktor), der der NOx-Konzentration des Detektionsgases (des zu detektierenden Gases) GN entspricht.
  • Ein Graph in dem unteren Teil von 3 zeigt eine Beziehung zwischen dem zweiten Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration des Detektionsgases GM. Wie durch den Graph gezeigt nimmt der Offset OI unabhängig von der NOx-Konzentration einen in etwa konstanten Wert an, zudem ist der Gain GI im Wesentlichen proportional zur NOx-Konzentration.
  • Es ist bevorzugt, dass die Sauerstoffkonzentration des Detektionsgases GN niedrig ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sauerstoffkonzentration so eingestellt wird, dass sie einen Schwankungsbereich (ein Änderungsband) des Offset OI hervorruft, der kleiner als 0,1 Prozent eines Änderungsbereichs (Änderungsbands) des Gains GI ist. In einem Fall, da das Gassensorelement 10 (insbesondere die erste Detektionskammer 16) in der Größe reduziert ist, können verschiedene Vorteile erhalten werden. Zum Beispiel kann ein Pumpwirkungsgrad der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 verbessert werden, und dadurch kann ein Energieverbrauch verringert werden. Zudem kann der Gassensor 200 kleiner ausgelegt werden. Weiterhin kann die Temperaturdisparität in dem Gassensorelement 10 verringert werden. Die Gasmenge (pro Zeiteinheit), die in das Gassensorelement 10 (die erste Detektionskammer 16) strömt, wird aber aufgrund des kleineren Auslegens der ersten Detektionskammer 16 verringert. D. h. eine Gasmenge (insbesondere eine NOx-Menge), die von dem Gassensorelement 10 verwendet werden kann, wird ebenfalls verringert. Dadurch wird eine Änderung des Gains GI im Verhältnis zur Änderung der NOx-Konzentration klein. Daher ist es bevorzugt, dass die Schwankung (Änderung) des Offsets OI klein gehalten wird, um beim Schätzen der NOx-Konzentration aus dem zweiten Pumpstrom Ip2 eine Genauigkeit zu verbessern.
  • Es kann verschiedene Faktoren (Gründe) für die Schwankung des Offsets OI geben. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eine neue Erkenntnis gefunden, dass die Schwankung des Offsets OI durch Vergrößern eines Abstands zwischen der ersten Innenelektrode 11c und der Erfassungselektrode 12b unterdrückt werden kann. Diese Erkenntnis findet sich durch kleineres Auslegen des Gassensorelements 10 (insbesondere der ersten Detektionskammer 16). Diese Erkenntnis wird nun erläutert.
  • 4 ist eine schräge perspektivische Ansicht der ersten Detektionskammer 16. 5 und 6 sind Querschnittansichten der ersten Detektionskammer 16. 4 zeigt eine Außenform eines Teils des Gassensorelements 10, welches umfasst: die erste Detektionskammer 16, wobei die erste Detektionskammer 16 in dem Gassensorelement 10 angeordnet ist, die erste Innenelektrode 11c, die Erfassungselektrode 12b, das erste diffusionsbeständige Element 15a und das zweite diffusionsbeständige Element 15b (die anderen Komponenten sind in der Zeichnung ausgelassen). In 4 sind die erste Detektionskammer 16, die erste Innenelektrode 11c und die Erfassungselektrode 12b durch dicke Linien gezeigt. 5 ist eine Querschnittansicht ähnlich zu der von 2 und zeigt nur einen Teil, der die erste Detektionskammer 16 umfasst. 6 ist eine Querschnittansicht, die durch eine Ebene senkrecht zu der Längsrichtung D1 genommen wurde. Dieser Querschnitt ist so genommen, dass er die erste Innenelektrode 11c schneidet oder kreuzt.
  • Wie in 4 gezeigt ist in dieser Ausführungsform die erste Detektionskammer 16 ein Raum, der sich in der Längsrichtung D1 erstreckt, und eine Form dieser ersten Detektionskammer 16 ist ein im Wesentlichen rechteckiges Parallelepiped. Das Detektionsgas (das zu detektierende Gas) strömt in der ersten Detektionskammer 16 in der Längsrichtung D1 von der Vorderseite FWD hin zur Rückseite BWD. Ein in 4 und 5 gezeigter Pfeil GFD stellt eine Strömungsrichtung von Gas (diese Richtung GFD ist parallel zur Längsrichtung D1) dar. Somit dient die erste Detektionskammer 16 auch als Gasströmungskanal, der sich in der Längsrichtung D1 erstreckt. Ein Querschnitt (Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung D1) der ersten Detektionskammer 16 ist ein Rechteck.
  • Wie in 4 und 5 gezeigt ist die erste Innenelektrode 11c an einer oberen Fläche der ersten Detektionskammer 16 laminiert (d. h. liegt an einer Fläche der ersten Festelektrolytschicht 11a an). Die Erfassungselektrode 12b ist an einer unteren Fläche der ersten Detektionskammer 16 laminiert (d. h. liegt an einer Fläche der dritten Festelektrolytschicht 12a an). Diese Erfassungselektrode 12b ist in einem stromabwärtigen Bereich jenseits der ersten Innenelektrode 11c angeordnet.
  • Wie in 4 und 6 gezeigt ist eine Breite W der ersten Detektionskammer 16 in einer seitlichen Richtung (Richtung kürzerer Länge) D3 genommen. Die seitliche Richtung D3 ist senkrecht zu der Gasströmungsrichtung GFD (= Längsrichtung D1) in der ersten Detektionskammer 16 und auch senkrecht zur Laminierrichtung D2 zwischen der ersten Festelektrolytschicht 11a und der ersten Innenelektrode 11c. In dieser Ausführungsform ist in der Laminierrichtung D2 gesehen eine Form der ersten Innenelektrode 11c ein Rechteck, das sich entlang der ersten Detektionskammer 16 (in der Längsrichtung D1) erstreckt. Eine Breite der ersten Innenelektrode 11c ist gleich der Breite W der ersten Detektionskammer 16. Analog ist in Laminierrichtung D2 gesehen eine Form der Erfassungselektrode 12b ein Rechteck, das sich entlang der ersten Detektionskammer 16 (in der Längsrichtung D1 erstreckt). Eine Breite der Erfassungselektrode 12b ist gleich der Breite W der ersten Detektionskammer 16.
  • Wie in 4 bis 6 gezeigt, stellt ein Zeichen t eine Höhe eines Raums 16s dar. Dieser Raum 16s ist durch einen Teil der ersten Detektionskammer 16 festgelegt, durch den das Gas strömt und der der ersten Innenelektrode 11c zugewandt ist. D. h. dieser Raum 16s bedeutet einen Raum, der in einen Positionsbereich (wie folgt erläutert) im Verhältnis zur Gasströmungsrichtung GFD fällt. Dieser Positionsbereich ist als Bereich definiert, über den das Gas die erste Innenelektrode 11c berühren kann, und dieser Positionsbereich entspricht einer Longitudinallänge der ersten Innenelektrode 11c, wie in 5 gezeigt. Die Höhe t des Raums 16s stellt einen innersten Abstand (weitesten Abstand) von der ersten Innenelektrode 11c in dem Raum 16s dar. Zudem ist die Höhe t eine Länge, die durch Subtrahieren einer Dicke 11ct der ersten Innenelektrode 11c von einer Höhe H der ersten Detektionskammer 16 erhalten wird. Jede der Höhen H, t und 11ct ist eine Länge, die zwischen der ersten Festelektrolytschicht 11a und der ersten Innenelektrode 11c entlang der Laminierrichtung D2 genommen oder gemessen wurde.
  • 5 zeigt einen Graph G1, der eine Beziehung zwischen einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC und einem Abstand DD aufzeigt. Die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC ist eine Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen einem Gas Gsn und einem Gas Gsf. Das Gas Gsn strömt nahe der ersten Innenelektrode 11c (nahe der Oberfläche, auf der die erste Innenelektrode 11c laminiert wurde), nämlich nahe der Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 11a. Das Gas Gsf strömt weg von der ersten Innenelektrode 11c. Der Abstand DD stellt einen Abstand von einem stromabwärtigen Ende 11cd der ersten Innenelektrode 11c in der Gasströmungsrichtung GFD (Längsrichtung D1) dar.
  • In dem Raum 16s wird die Konzentration von Sauerstoff, der in dem Gas enthalten ist, mittels des Pumpens (Herauspumpens oder Hereinpumpens) von Sauerstoff durch die erste Innenelektrode 11c angepasst. Die Sauerstoffkonzentration in einem Bereich nahe der ersten Innenelektrode 11c lässt sich verglichen mit einem Bereich weg von der ersten Innenelektrode 11c leicht anpassen. Demgemäß kann die Differenz der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC) zwischen dem Bereich nahe der ersten Innenelektrode 11c (nahe der Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 11a) und dem Bereich weg von der ersten Innenelektrode 11c (weg von der Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 11a) hervorgerufen werden.
  • Das Pumpen von Sauerstoff wird nicht stromabwärts des stromabwärtigen Endes 11cd der ersten Innenelektrode 11c ausgeführt. Das Gas Gsn und das Gas Gsf, die in Wegen strömen, die sich voneinander unterscheiden, werden allmählich miteinander vermischt und vermengt, wenn diese Gase Gsn und Gsf in der Gasströmungsrichtung GFD in der ersten Detektionskammer 16 vorrücken. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC verringert. Somit wird die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC kleiner, wenn der Abstand DD größer wird.
  • Eine Art, wie das Gas Gsn und das Gas Gsf, die in unterschiedlichen Wegen (unterschiedlichen Bereichen) strömen, bewegt und miteinander vermischt werden, wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Zum Beispiel kann sich eine Temperatur des Gassensors 200 gemäß einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das in der Abgasleitung strömt, oder einer Änderung der Temperatur des Abgases ändern. Durch eine solche Temperaturänderung könnte eine Temperaturdifferenz zwischen dem Gas Gsn und dem Gas Gsf hervorgerufen werden, oder diese Temperaturdifferenz zwischen dem Gas Gsn und dem Gas Gsf könnte verändert werden. Durch eine solche Temperaturdifferenz (Änderung der Temperaturdifferenz) kann das Strömen jedes der Gase Gsn und Gsf verändert werden. Zudem ist in dieser Ausführungsform die erste Festelektrolytschicht 11a (Gas Gsn) weit weg von dem Heizwiderstandselement 50, und die dritte Festelektrolytschicht 12a (Gsf) ist nahe dem Heizwiderstandselement 50, wie in 2 und 3 gezeigt ist. Demgemäß könnte aufgrund der Temperaturänderung des Gassensors 200 eine Temperaturdifferenz zwischen den Festelektrolytschichten 11a und 12a, nämlich zwischen dem Gas Gsn und dem Gas Gsf, eintreten (oder sich ändern). Zudem könnte das Strömen jedes der Gase Gsn und Gsf nicht nur als Reaktion auf die vorstehend erwähnte Temperaturänderung des Gassensors 200, sonder auch als Reaktion auf verschiedene Faktoren (Störungen) verändert werden.
  • Ein Heizelementmuster des Heizabschnitts 51 ist so ausgebildet, dass eine Heizmitte des Heizabschnitts 51 zum Zeitpunkt der Zufuhr elektrischer Energie zu dem Heizwiderstandelement 50 (d. h. einem Teil des Heizabschnitts 51, der eine höchste Temperatur erreicht, wenn dem Heizwiderstandselement 50 elektrische Energie zugeführt wird) die erste Innenelektrode 11c in der Gasströmungsrichtung GFD überlappt (d. h. in der Laminierrichtung D2 gesehen).
  • Auch wenn die innere zweite Pumpelektrode 13b daher in dieser Ausführungsform vom Abstand her näher zu dem Heizabschnitt 51 als die erste Innenelektrode 11c ist, ist die erste Innenelektrode 11c näher zur Heizmitte des Heizabschnitts 51 als die innere zweite Pumpelektrode 13b. Demgemäß wird während der Zufuhr elektrischer Energie zu dem Heizabschnitt 51 eine Temperatur in der Nähe der ersten Innenelektrode 11c höher als eine Temperatur in der Nähe der inneren zweiten Pumpelektrode 13b. Dadurch wird die Temperatur der ersten Innenelektrode 11c hoch ausgelegt, während die Temperatur der inneren zweiten Pumpelektrode 13b in einem Temperaturbereich gehalten wird, der keine Aufspaltung von H2O hervorrufen kann. Daher kann in dieser Ausführungsform eine Abnahme der Messgenauigkeit des Detektionsgases (eines zu detektierenden Gases) vermieden werden, während eine Pumpfähigkeit von Sauerstoff verbessert werden kann.
  • Unter der Annahme, dass die Erfassungselektrode 12b an einer Stelle angeordnet ist, an der die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC relativ groß ist (nämlich an einer Stelle nahe der ersten Innenelektrode 11c), ändert sich die Sauerstoffkonzentration des Gases, das die Erfassungselektrode 12b berührt oder kontaktiert, entsprechend der Änderung des Stroms jedes Gases Gsn oder Gsf. Da bei dieser Annahme die Interelektrodenspannung Vs (siehe 3) entsprechend dieser Änderung der Sauerstoffkonzentration geändert wird, wird eine Regelung zum Pumpen, das durch die erste Innenelektrode 11c ausgeführt wird, korrigiert. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration von Detektionsgas (zu detektierendem Gas) GN, das aus der ersten Detektionskammer 16 abgelassen wird, geändert. Eine solche Änderung der Sauerstoffkonzentration des Detektionsgases GN kann auftreten, selbst wenn sich eine Zusammensetzung des Detektionsgases GM, das in die erste Detektionskammer 16 strömt, nicht ändert. In diesem Fall wird der Offset OI (siehe 3) als Reaktion auf die Änderung der Sauerstoffkonzentration des Detektionsgases GN geändert. Diese Änderung des Offsets OI führt zu einem Messfehler der NOx-Konzentration. Somit besteht eine Möglichkeit, dass die Detektionsgenauigkeit der NOx-Konzentration aufgrund der Änderung (des Fehlers) der Interelektrodenspannung Vs verringert wird.
  • Daher ist in dieser Ausführungsform die Erfassungselektrode 12b an einer Stelle angeordnet, an der die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC relativ klein ist (nämlich an einer Stelle weg von der ersten Innenelektrode 11c). 7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Rate (ein Abstand d/die Höhe t) und der Schwankungsrate (Änderung) des Offsets OI zeigt. Der Graph von 7 zeigt vier Arten von Messergebnissen CA bis CD. Bei diesen vier Arten von Messergebnissen CA bis CD ist eine Querschnittgröße der ersten Detektionskammer 16 unterschiedlich. 8 ist eine erläuternde Ansicht, die die Querschnittgrößen der jeweiligen Messergebnisse CA bis CD zeigt. Eine seitliche Achse von 8 stellt die Breite W dar, und eine vertikale Achse von 8 stellt die Höhe t dar (siehe 6). Eine Beziehung zwischen den Messergebnissen und den Größen ist wie folgt.
  • Das erste Ergebnis CA: die Breite W ist gleich 0,98 mm, die Höhe t ist gleich 0,03 mm und eine Fläche (Flächenmaß) ist gleich 0,03 mm2.
  • Das zweite Ergebnis CB: die Breite W ist gleich 2,03 mm, die Höhe t ist gleich 0,03 mm und die Fläche ist gleich 0,06 mm2.
  • Das dritte Ergebnis CC: die Breite W ist gleich 0,98 mm, die Höhe t ist gleich 0,11 mm und die Fläche ist gleich 0,11 mm2.
  • Das vierte Ergebnis CD: die Breite W ist gleich 2,03 mm, die Höhe t ist gleich 0,11 mm und die Fläche ist gleich 0,22 mm2.
  • Jede Fläche (jedes Flächenmaß) ist ein Wert, der durch Abrunden eines ursprünglichen Flächenwerts auf zwei Dezimalstellen erhaltbar ist. Die Dicke 11ct (siehe 6) der ersten Innenelektrode 11c ist bei den Messergebnissen CA bis CD gleich (0,01 mm in dieser Ausführungsform). Zudem ist eine Dicke der Erfassungselektrode 12b (siehe 5) gleich der Dicke 11ct der ersten Innenelektrode 11c.
  • Die in 8 gezeigten vier Querschnittgrößen wurden von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung als Anhaltspunkt (grobe Idee) für die Querschnittgröße einer kleiner ausgelegten ersten Detektionskammer 16 herangezogen. Wenn die Querschnittfläche der ersten Detektionskammer 16 kleiner wird, wird das Pumpen (Herauspumpen und Hereinpumpen) von Sauerstoff durch die erste Sauerstoffpumpzelle 11 einfacher und eine Temperaturdifferenz zwischen in dem Gassensorelement 10 enthaltenen Komponenten wird ebenfalls stärker unterdrückt. In einem Fall, da die Querschnittfläche der ersten Detektionskammer 16 aber übermäßig klein ist, ist es schwierig, die erste Detektionskammer 16 zu bilden. Daher ist bevorzugt, dass die Querschnittfläche des Raums 16s (siehe 4 und 5) in einen durch 8 gezeigten Bereich (0,03 mm2~0,22 mm2) fällt. D. h. wenn die Querschnittfläche durch Berechnung ermittelt wird, ist es bevorzugt, dass ein durch Abrunden eines ursprünglichen Querschnittflächenwerts auf zwei Dezimalstellen erhaltener Wert in den Bereich von 0,03 mm2 bis 0,22 mm2 fällt.
  • In einem Fall, da die Höhe t (siehe 6) des Raums 16s (siehe 4 und 5) klein ist, kann zudem eine Festigkeit des Gassensorelements 10 verbessert werden. In einem Fall, da die Höhe t übermäßig klein ist, ist es aber schwierig, die erste Detektionskammer 16 auszubilden. Daher wird bevorzugt, dass die Höhe t in einen Bereich (0,03 mm2~0,11 mm2) fällt, wie er durch 8 gezeigt ist.
  • In einem Fall, da die Breite W (siehe 6) des Raums 16s (siehe 4 und 5) klein ist, sind zudem auch die Elektroden 11c und 12b klein, so dass der Energieverbrauch verringert werden kann. In einem Fall, da die Breite W übermäßig klein ist, muss aber die Höhe t übermäßig groß sein, um die Querschnittfläche beizubehalten, und dadurch wird die Temperaturdifferenz zwischen den Festelektrolytschichten 11a und 12a, nämlich zwischen dem Gas Gsn und dem Gas Gsf, leicht hervorgerufen oder verändert. Daher ist es bevorzugt, dass die Breite W in einen Bereich (0,98 mm 2,03 mm) fällt, wie er durch 8 gezeigt ist.
  • Es ist bevorzugt, dass die Breite der Erfassungselektrode 12b breit ist. Bevorzugter ist, dass die Breite der Erfassungselektrode 12b gleich der Breite W der ersten Detektionskammer 16 ist. Durch Verbreitern der Breite der Erfassungselektrode 12b kann unterdrückt werden, dass eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz in dem Gas in der Breitenrichtung die Interelektrodenspannung Vs beeinflusst. Somit kann der Einfluss der Breite W verglichen mit dem Einfluss der Höhe t im Verhältnis zum Abstand d, der eingestellt wird, um eine erwünschte Genauigkeit zu erhalten, verringert werden.
  • Als Nächstes wird nun der Graph von 7 erläutert. Wie in 5 gezeigt stellt der Abstand d einen Abstand von dem stromabwärtigen Ende 11cd der ersten Innenelektrode 11c zu einer Mitte 12bc der Erfassungselektrode 12b entlang des Gasstroms dar. D. h. der Abstand d wird in dieser Ausführungsform in der Gasströmungsrichtung GFD (Längsrichtung D1) genommen oder gemessen. Im Einzelnen bedeutet der Abstand d eine Länge zwischen dem stromabwärtigen Ende 11cd und der Mitte 12bc der Erfassungselektrode 12b entlang der Gasströmungsrichtung GFD in der Laminierrichtung D2 der ersten Festelektrolytschicht 11a und der ersten Innenelektrode 11c gesehen. Die Mitte 12bc stellt den Ort eines mittleren Punkts (Mittelpunkts) zwischen einem stromaufwärtigen Ende 12bu und einem stromabwärtigen Ende 12bd der Erfassungselektrode 12b dar (stellt nämlich einen Ort mit einem gleichwertigen Abstand (dL/2) von beiden Enden 12bu und 12bd) dar. In dieser Ausführungsform ist ein Abstand dL zwischen dem stromaufwärtigen Ende 12bu und dem stromabwärtigen Ende 12bd gleich 1,2 mm.
  • In dieser Ausführungsform ist eine Länge der ersten Innenelektrode 11c in der Gasströmungsrichtung GFD, nämlich ein Abstand dS des Raums 16s in der Gasströmungsrichtung GFD gleich 4,4 mm. Da eine Beziehung von 0,05 ≤ dL/dS ≤ 1,20 erfüllt ist, kann eine Verringerung der Ansprechfähigkeit vermieden werden, während eine Verringerung der Detektionsgenauigkeit vermieden wird.
  • Zudem ist, wie aus 5 klar ist, das stromabwärtige Ende 12bd der Erfassungselektrode 12b an der Vorderseite jenseits des zweiten diffusionsbeständigen Elements 15b angeordnet. Demgemäß erhält in dieser Ausführungsform die Erfassungselektrode 12b weniger wahrscheinlich die Konzentration des Detektionsgases der zweiten Detektionskammer 18, so dass die Detektionsgenauigkeit verbessert wird.
  • In 7 ist eine Rate des Abstands d zur Höhe t des Raums 16s (siehe 6) als eine seitliche Achse von 7 gezeigt. Zum Beispiel in dem Fall des ersten Ergebnisses CA (Höhe t: 0,03 mm) wird der Abstand d durch eine Berechnung von „0,03 × 10 = 0,3 mm” erhalten, wenn die seitliche Achse einen Wert gleich 10 annimmt. Zudem wird in dem Fall des dritten Ergebnisses CC (Höhe t: 0,11 mm) der Abstand d durch eine Berechnung von „0,11 × 10 = 1,1 mm” erhalten, wenn die seitliche Achse den Wert gleich 10 einnimmt.
  • Nun wird als Nächstes die Schwankungsrate (vertikale Achse von 7) des Offsets OI erläutert. 9 zeigt ein Beurteilungssystem ES, das verwendet wird, um die Messergebnisse von 7 zu erhalten. Dieses Beurteilungssystem ES umfasst ein Luftgebläse BL, einen mit dem Luftgebläse BL verbundenen Gasströmungskanal FP und die an dem Gasströmungskanal FP befestigten Gassensoren 200. Als Luftgebläse BL wurde ein Gebläse mit einer maximalen Leistung von 3 m3/min. verwendet.
  • Ein Verfahren zum Berechnen der Schwankungsrate des Offsets OI (d. h. einer Rate des Schwankungsbereichs des Offsets OI im Verhältnis zum Änderungsbereich des Gains GI) ist wie folgt. Das Beurteilungssystem ES ist in einer Atmosphäre bei Raumtemperatur (etwa 20 Grad bis 30 Grad Celsius) angeordnet. Eine Steuertemperatur des NOx-Sensorelements ist in etwa gleich 700°C. Der Gassensor 200 wird normal gesteuert, wie durch 3 erläutert ist. Unter dieser Bedingung wird eine Geschwindigkeit des Gasstroms (Luftstroms) des Luftgebläses BL, die in dem Gasströmungskanal FP erreicht wird, bei 0 m/s festgelegt. Dann wird der Offset OI in diesem Zustand gemessen und wird als „erster Offset” bezeichnet. Als Nächstes wird die Geschwindigkeit des Gasstroms bei 30 m/s festgelegt. Dann wird der Offset OI in diesem Zustand gemessen und als „zweiter Offset” bezeichnet. Eine Differenz zwischen diesem ersten und zweiten Offset wird durch den Änderungsbereich des Gains GI dividiert, so dass die Schwankungsrate des Offsets OI berechnet wird (Einheit: %). Es wird darauf hingewiesen, dass ein Wert des Gains GI, der einer praktischen maximalen Konzentration (in etwa 1.000 ppm) von NOx entspricht, bei diesem Verfahren als Änderungsbereich des Gains GI genommen wird. Da zudem die NOx-Konzentration des Gases (Luft), das von dem Luftgebläse BL in der Atmosphäre geliefert wird, in etwa gleich 0 ist, stellt der gemessene zweite Pumpstrom Ip2 den Offset OI (siehe 3) dar. Zudem kann sich sowohl der Offset OI als auch der Gain GI abhängig von der Querschnittfläche der ersten Detektionskammer 16 ändern.
  • Wie in 7 gezeigt wird die Schwankungsrate des Offsets OI kleiner, wenn der Abstand d groß wird. Diese Tendenz ist die gleiche wie eine Tendenz des Graphen G1 von 5. In allen Fällen der vier Arten von Messergebnissen CA bis CD ist die Schwankungsrate des Offsets OI kleiner als 0,1%, wenn der Abstand d größer oder gleich der zehnfachen Größenordnung der Höhe t ist. Durch Festlegen des Abstands d bei einem Wert größer oder gleich der zehnfachen Größenordnung der Höhte t kann daher die Schwankungsrate des Offsets OI verringert werden, um den Fehler bei der NOx-Detektion zu reduzieren. Ferner wird geschätzt, dass die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz dC (siehe 5) in einem Fall, da die Höhe t klein ist, klein ist. Somit wird geschätzt, dass dies der Grund ist, warum die Schwankungsrate des Offsets OI klein wird, selbst wenn der Abstand d in dem Fall klein ist (zehnfache Größenordnung der Höhe t), da die Höhe t klein ist. Durch Anpassen des Abstands d auf der Grundlage der Höhe t kann somit eine vorteilhafte Genauigkeit erhalten werden (siehe 7). Zudem ist bevorzugt, dass der Abstand d kleiner oder gleich der zwanzigfachen Größenordnung der Höhe t ist, um zu verhindern, dass die Größe des Gassensorelements 10 in der Längsrichtung D1 übermäßig groß wird (in dem Graph von 7 ist die Schwankungsrate des Offsets OI kleiner als 0,1%, selbst wenn der Abstand d bei der zwanzigfachen Größenordnung der Höhe t festgelegt ist).
  • Bezüglich einer Positionsbeziehung bei dem Heizabschnitt 51, der ersten Innenelektrode 11c und der inneren zweiten Pumpelektrode 13b in der Gasströmungsrichtung GFD ist der Heizabschnitt 51 so ausgebildet, dass er das stromaufwärtige Ende 11cu der ersten Innenelektrode 11c und ein stromabwärtiges Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b erreicht. Der Heizabschnitt 51 liegt mit anderen Worten in der Laminierrichtung D2 gesehen über einem Gasströmungsrichtungsgesamtbereich zwischen dem stromaufwärtigen Ende 11cu der ersten Innenelektrode 11c und dem stromabwärtigen Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b vor. D. h. es gibt in der Laminierrichtung D2 gesehen keinen Abschnitt, bei dem der Heizabschnitt 51 nicht zwischen dem stromaufwärtigen Ende 11cu und dem stromabwärtigen Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b vorliegt. In dieser Ausführungsform mit diesem Aufbau wird die gesamte erste Sauerstoffpumpzelle 11, die in einem Bereich von dem stromaufwärtigen Ende 11cu der ersten Innenelektrode 11c zu dem stromabwärtigen Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b vorliegt (d. h. der Gesamtheit von einem stromaufwärtigen Ende der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 zu einem stromabwärtigen Ende der ersten Sauerstoffpumpzelle 11), durch den Heizabschnitt 51 zuverlässig aufgewärmt. Somit wird ein aktiver Zustand der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 zuverlässig gewahrt.
  • Zudem liegt ein hinteres (stromabwärtiges) Ende des Heizabschnitts 51 in der Gasströmungsrichtung GFD an einer Stelle vor (stromaufwärts von) einem axial vorderen Ende des Halteabschnitts 160 zum Halten des NOx-Sensorelements 10 vor. In dieser Ausführungsform mit diesem Aufbau wird ein Entweichen der Wärme der ersten Sauerstoffpumpzelle 11, der zweiten Sauerstoffpumpzelle 13 und der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 durch den Halteabschnitt 160 verhindert. Demgemäß erschwert das Gassensorelement 10 das wärmemäßige Beeinflussen durch den Halteabschnitt 160, so dass eine stabile Steuerung des Gassensors in dieser Ausführungsform möglich ist.
  • (B) Abgewandelte Ausführungsformen
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Strukturen mit Ausnahme der baulichen Komponenten, die in dem/den unabhängigen Anspruch/Ansprüchen beansprucht sind, von den in der vorstehenden Ausführungsform erläuterten Strukturen zusätzliche Komponenten sind und bei Ausführen der Erfindung darauf entsprechend verzichtet werden kann. Auch wenn die Erfindung vorstehend unter Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung ferner nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Abwandlungen und Änderungen der Ausführungsform liegen für den Fachmann im Hinblick auf die vorstehenden Lehren nahe. Zum Beispiel sind die folgenden Abwandlungen möglich.
  • Erste abgewandelte Ausführungsform
  • In der vorstehend erläuterten Ausführungsform haben der Gassensor 200 und das NOx-Sensorelement 10 die in 1 bis 6 gezeigten Strukturen. Der Gassensor 200 und das NOx-Sensorelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung müssen aber nicht die in 1 bis 6 gezeigten Strukturen haben und können die anderen verschiedenen Strukturen haben. Zum Beispiel kann das erste diffusionsbeständige Element 15a in der Richtung D3 kürzer Länge der ersten Innenelektrode 11c angeordnet sein. Zudem wird der vorstehend erwähnte Gassensor 200 (Gassensorelement 10) nicht unbedingt für NOx verwendet und kann zum Detektieren des Vorhandenseins/Fehlens oder der Konzentration verschiedener Oxide verwendet werden. Als solche Oxide können zum Beispiel CO2, SO2 oder H2O genannt werden. Zudem können erfindungsgemäß mehrere Zellen durch Verwenden einer gemeinsamen Elektrolytschicht (Elektrolytkörper) ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Elektroden 13b und 13c der zweiten Sauerstoffpumpzelle 13 auf der dritten Festelektrolytschicht 12a ausgebildet sein, die gemeinsam mit der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 verwendet wird. Im Allgemeinen kann der Gassensor einen ersten Elektrolytabschnitt, der mit einer Elektrode der ersten Sauerstoffpumpzelle ausgebildet (verbunden) ist, einen zweiten Elektrolytabschnitt, der mit einer Elektrode der zweiten Sauerstoffpumpzelle ausgebildet (verbunden) ist, und einen dritten Elektrolytabschnitt, der mit einer Elektrode der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle ausgebildet (verbunden) ist, umfassen. Zudem können diese drei Elektrolytabschnitte als voneinander unabhängige (separate) Elektrolytkörper ausgebildet sein.
  • Alternativ können zwei beliebige Elektrolytabschnitte durch einen Elektrolytkörper integral ausgebildet sein. Alternativ können die drei Elektrolytabschnitt durch einen Elektrolytkörper integral ausgebildet sein.
  • Zweite abgewandelte Ausführungsform
  • Die Größen der jeweiligen Elemente, die in dem erfindungsgemäßen Gassensor 200 enthalten sind, sind nicht auf die in der vorstehenden Ausführungsform erwähnten Größen beschränkt und können die anderen Größen nutzen. Zum Beispiel kann die Dicke 11ct (siehe 6) der ersten Innenelektrode 11c dicker oder dünner als 0,01 mm sein. Analog kann die Dicke der Erfassungselektrode 12b dicker oder dünner als 0,01 mm sein. Zudem kann die Breite der Erfassungselektrode 12b schmäler als die Breite W der ersten Detektionskammer 16 sein. Analog kann die Breite der ersten Innenelektrode 11c schmäler als die Breite W der ersten Detektionskammer 16 sein. Zudem kann die Länge dL (siehe 5) der Erfassungselektrode 12b kürzer oder länger als 1,2 mm sein, wenn die Formel: 0,05 ≤ dL/dS ≤ 1,20 erfüllt ist. Zudem muss die Länge der ersten Innenelektrode 11c (d. h. die Länge von dem stromaufwärtigen Ende 11cu zu dem stromabwärtigen Ende 11cd) nur bei einem Längenwert festgelegt werden, der zum Steuern der Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer 16 ausreicht.
  • Dritte abgewandelte Ausführungsform
  • In der zweiten abgewandelten Ausführungsform wurde erwähnt, dass die Dicke und Breite der Erfassungselektrode 12b bei den anderen Größen festgelegt werden können. Es ist aber bevorzugter, dass die Erfassungselektrode 12b aus einem porösen Körper gebildet ist und die Erfassungselektrode 12b einen Abschnitt umfasst, der in dem zweiten Querschnitt gesehen mehr als die Hälfte oder die Hälfte der Gesamtfläche des zweiten Querschnitts der ersten Detektionskammer 16 ausmacht. Dieser zweite Querschnitt ist senkrecht zur Längsrichtung D1 an einem Gaströmungsrichtungspunkt genommen, an dem die Erfassungselektrode 12b vorhanden ist. D. h. es ist bevorzugter, dass die Dicke h der Erfassungselektrode 12b so ausgelegt ist, dass sie eine Beziehung: W × H ≤ 2 × W × h erfüllt, nämlich eine Beziehung: H ≤ 2h erfüllt, wie in 10 gezeigt ist. Diese 10 ist ein Beispiel einer Querschnittansicht der Erfassungselektrode 12b entlang einer Linie A-A von 3.
  • In dem Fall, da die Erfassungselektrode 12b aus einem porösen Körper gebildet ist und die Erfassungselektrode 12b ihren Abschnitt umfasst, der mehr als die Hälfte oder die Hälfte der Gesamtfläche des zweiten Querschnitts der ersten Detektionskammer 16 ausmacht, kann die Erfassungselektrode 12b zudem so ausgebildet sein, dass sie einen peripheren Bereich des zweiten Querschnitts vollständig bedeckt (d. h. in den gesamten Außenumfang eingepasst ist), wie in 11 gezeigt ist. Diese 11 ist ein anderes Beispiel der Querschnittansicht der Erfassungselektrode 12b entlang der Linie A-A von 3.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die Erfassungselektrode 12b aus einem porösen Körper gebildet ist und die Erfassungselektrode 12b so ausgebildet ist, dass ihre Querschnittfläche, senkrecht zur Längsrichtung D1 genommen, gleich der Gesamtfläche des zweiten Querschnitts sein kann, wie in 12 gezeigt ist. Diese 12 ist ein noch anderes Beispiel der Querschnittansicht der Erfassungselektrode 12b entlang der Linie A-A von 3.
  • Vierte abgewandelte Ausführungsform
  • Elektrisch leitendes Material für die Elektroden gemäß der vorliegenden Anmeldung ist nicht auf das in der vorstehenden Ausführungsform erwähnt Platin beschränkt und kann das/die andere(n) elektrisch leitende(n) Material(ein) sein. Zum Beispiel können Gold oder Silber als das elektrisch leitende Material für Elektroden gemäß der vorliegenden Anmeldung verwendet werden. Materialien für die anderen Komponenten des erfindungsgemäßen Gassensors 200 sind ebenfalls nicht auf die in der vorstehenden Ausführungsform erwähnten Materialien beschränkt, und es können stattdessen verschiedene Materialien verwendet werden.
  • Fünfte abgewandelte Ausführungsform
  • Der erfindungsgemäße Gassensor (Gassensorelement) ist nicht auf den in 2 in der vorstehenden Ausführungsform gezeigten NOx-Sensor beschränkt, und jeder der anderen verschiedenen Sensoren (jedes der anderen verschiedenen Elemente) kann als Gassensor (Gassensorelement) gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein Luft-/Kraftstoffverhältnissensor (Sauerstoffsensor), der eine erste Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle umfasst, als erfindungsgemäßer Gassensor eingesetzt werden. Eine Struktur eines solchen Luft-/Kraftstoffverhältnissensors kann durch Weglassen der zweiten Detektionskammer 18 und der zweiten Sauerstoffpumpzelle 13 von dem in 2 gezeigten Gassensorelement 10 erhalten werden.
  • Als Nächstes werden nun einige vorteilhafte Wirkungen gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und den abgewandelten Ausführungsformen erläutert.
    • (1) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst der Gassensor 200 das Gassensorelement 10. Dieses Gassensorelement 10 umfasst die erste Detektionskammer 16, in die das zu detektierende Gas durch den ersten diffusionsbeständigen Abschnitt 15a eingeleitet wird; die erste Sauerstoffpumpzelle 11, die den ersten Festelektrolytkörper 11a und das Paar erster Elektroden 11b und 11c, die auf dem ersten Festelektrolytkörper 11a ausgebildet sind, umfasst; die zweite Detektionskammer 18, in die das Gas, das in der ersten Detektionskammer 16 Sauerstoffpumpen erfuhr, durch den zweiten diffusionsbeständigen Abschnitt 15b eingeleitet wird; die zweite Sauerstoffpumpzelle 13, die den zweiten Festelektrolytkörper 13a und das Paar zweiter Elektroden 13b und 13c, die auf dem zweiten Festelektrolytkörper 13a ausgebildet sind, umfasst; und die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12, die den dritten Festelektrolytkörper 12a und das Paar dritter Elektroden 12b und 12c, die an dem dritten Festelektrolytkörper 12a angeordnet sind, umfasst. Das Paar erster Elektroden 11b und 11c umfasst die erste Innenelektrode 11c, die in der ersten Detektionskammer 16 angeordnet ist, und die erste Sauerstoffpumpzelle 11 ist so ausgelegt, dass sie Sauerstoff von dem/in das Gas pumpt, das in die erste Detektionskammer 16 eingeleitet wird. Das Paar zweiter Elektroden 13b und 13c umfasst die innere zweite Pumpelektrode 13b, die in der zweiten Detektionskammer 18 angeordnet ist, und die zweite Sauerstoffpumpzelle 13 ist so ausgelegt, dass sie einen elektrischen Storm gemäß der Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in der zweiten Detektionskammer 18 leitet. Das Paar dritter Elektroden 12b und 12c umfasst die Erfassungselektrode 12b, die in der ersten Detektionskammer 16 angeordnet ist, und die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 ist dafür ausgelegt, eine Spannung zwischen den dritten Elektroden 12b und 12c gemäß der Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer 16 zu erzeugen. Die Erfassungselektrode 12b ist stromabwärts jenseits der ersten Innenelektrode 11c bezüglich der Gasströmungsrichtung GFD angeordnet. Die Querschnittfläche des Raums 16s der ersten Detektionskammer 16, die der ersten Innenelektrode 11c in der Laminierrichtung D2 zugewandt ist, hat eine Größenordnung, die in einen Bereich von 0,03 mm2 bis 0,22 mm2 fällt. Die Mitte der Erfassungselektrode 12b ist stromabwärts jenseits des stromabwärtigen Endes 11cd der ersten Innenelektrode 11c angeordnet, um den Abstand d zwischen der Mitte der Erfassungselektrode 12b und dem stromabwärtigen Ende 11cd größer oder gleich der zehnfachen Größenordnung der Höhe t des Raums 16s der ersten Detektionskammer 16 werden zu lassen, wobei die Höhe t eine Länge des Raums 16s, in Laminierrichtung D2 genommen, ist.
  • Da der Raum 16s, der in der ersten Detektionskammer 16 enthalten ist und der der ersten Innenelektrode 11c zugewandt ist, so ausgelegt ist, dass er eine Querschnittfläche aufweist, die von 0,03 mm2 bis 0,22 mm2 reicht, kann der Sauerstoffpumpwirkungsgrad der Sauerstoffpumpzelle verbessert werden, und dadurch kann der Stromverbrauch, der für das Pumpen aufgewendet wird, verringert werden. Zudem kann die Temperaturdifferenz zwischen unterschiedlichen Punkten in dem Gassensorelement 10 verringert werden. Es wird erwähnt, dass in einem Fall, da die Querschnittfläche kleiner als 0,03 mm2 ist, eine Möglichkeit besteht, dass die erste Detektionskammer 16 sich schwer ausbilden lässt, so dass der Gassensor 200 nicht seine Funktion erfüllt. In einem Fall, da die Querschnittfläche größer als 0,22 mm2 ist, kann dagegen das kleinere Auslegen der ersten Detektionskammer 16 nicht erreicht werden, so dass die vorstehend erwähnten Wirkungen nicht erhalten werden.
  • Zudem befindet sich die Mitte der Erfassungselektrode 12b in einem stromabwärtigen Bereich jenseits des stromabwärtigen Endes 11cd der ersten Innenelektrode 11c, um den Abstand d zwischen der Mitte der Erfassungselektrode 12b und dem stromabwärtigen Ende 11cd größer oder gleich der zehnfachen Größenordnung der Höhe t des Raums 16s der ersten Detektionskammer 16 werden zu lassen. Der Grund für die Detektionsfehler der Erfassungselektrode 12b ist zum Beispiel ein Phänomen, bei dem ein nahe der ersten Innenelektrode 11c der ersten Sauerstoffpumpzelle 11 in der ersten Detektionskammer 16 strömendes Gas eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die sich von der eines Gases unterscheidet, das weg von der ersten Innenelektrode 11c in der ersten Detektionskammer 16 strömt. Dies liegt daran, dass die Sauerstoffkonzentration von Gas, das nahe der ersten Innenelektrode 11c strömt, verglichen mit dem Gas, das weg von der ersten Innenelektrode 11c strömt, in dem Raum 16s, der der ersten Innenelektrode 11c zugewandt ist, leicht anzupassen ist. In einem Bereich stromabwärts des stromabwärtigen Endes 11cd der ersten Innenelektrode 11c sind dagegen diese Gase, die Sauerstoffkonzentrationswerte aufweisen, die sich voneinander unterscheiden, miteinander vermengt und vermischt, so dass die Differenz der Sauerstoffkonzentration verringert werden kann. Dank des Vorsehens eines solchen Abstands d wird die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz, die in dem zu detektierenden Gas hervorgerufen wird, ausreichend gemindert, bevor das zu detektierende Gas die Erfassungselektrode 12b erreicht. Somit kann der Detektionsfehler der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 12 verringert werden. Dadurch kann die Detektionsgenauigkeit des Gassensors 200 aufrechterhalten werden.
    • (2) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Höhe t auf einen Wert gesetzt, der in einen Bereich von 0,03 mm bis 0,11 mm fällt.
  • Dank dieser Struktur kann das kleinere Auslegen der Detektionskammer ordnungsgemäß erreicht werden, während die Detektionsgenauigkeit des Gassensors 200 aufrechterhalten wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Höhe t auf einen Wert kleiner als 0,03 mm gesetzt wird, eine Möglichkeit besteht, dass die Detektionskammer sich schwer ausbilden lässt. Wenn dagegen die Höhe t auf einen Wert von über 0,11 mm gesetzt wird, wird die Festigkeit des Gassensorelements 10 verringert.
    • (3) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Breite W des Raums 16s in einer Richtung senkrecht sowohl zur Gasströmungsrichtung GFD als auch zur Richtung der Höhe t auf einen Wert gesetzt, der in einen Bereich von 0,98 mm bis 2,03 mm fällt.
  • Dank dieser Struktur kann das kleinere Auslegen der Detektionskammer ordnungsgemäß erreicht werden, während die Detektionsgenauigkeit des Gassensors 200 aufrechterhalten wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Breite W auf einen Wert unter 0,98 mm gesetzt wird, eine Möglichkeit besteht, dass die Detektionskammer schwer auszubilden ist. Wenn dagegen die Breite W bei einem Wert von über 2,03 mm festgelegt wird, muss eine Fläche der Elektrode vergrößert werden, so dass eine Möglichkeit des Steigerns des Stromverbrauchs herbeigeführt wird.
    • (4) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Erfassungselektrode 12b ein poröser Körper und die Erfassungselektrode 12b umfasst einen Abschnitt, dessen Querschnittfläche mehr als die Hälfte oder die Hälfte der Gesamtfläche des zweiten Querschnitts der ersten Detektionskammer 16 ausmacht, der in dem zweiten Querschnitt gesehen senkrecht zur Gasströmungsrichtung GFD an einer Stelle genommen wird, wo die Erfassungselektrode 12b vorhanden ist.
  • Bei dem Gassensor 200 mit einer solchen Struktur tritt das zu detektierende Gas, das in die erste Detektionskammer 16 eingeleitet wird, durch den zweiten Querschnitt, bevor es die innere zweite Pumpelektrode 13b erreicht, die in der zweiten Detektionskammer 18 angeordnet ist. Da die Erfassungselektrode 12b den Abschnitt umfasst, dessen Querschnittfläche in dem zweiten Querschnitt gesehen mehr als die Hälfte oder die Hälfte der Gesamtfläche des zweiten Querschnitts der ersten Detektionskammer 16 ausmacht, tritt eine Hälfte oder mehr als die Hälfte des Detektionsgases (des zu detektierenden Gases) durch die Erfassungselektrode 12b, die durch einen porösen Körper gebildet ist. Dadurch kann in dem Detektionsgas enthaltener Sauerstoff durch einen in dem zweiten Querschnitt enthaltenen großen Bereich erfasst werden. Daher kann bei dem Gassensor 200 mit einer solchen Struktur die Detektionsgenauigkeit der Sauerstoffkonzentration des Detektionsgases (des zu detektierenden Gases) weiter verbessert werden, selbst wenn eine gewisse Differenz der Sauerstoffkonzentration in dem Detektionsgas zwischen einem Bereich nahe der Erfassungselektrode 12b und einem Bereich weg von der Erfassungselektrode 12b vorliegt.
    • (5) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Beziehung: 0,05 ≤ dL/dS ≤ 1,20 erfüllt, wobei dL eine Länge der Erfassungselektrode 12b in der Gasströmungsrichtung GFD bezeichnet und dS eine Länge der ersten Innenelektrode 11c in der Gasströmungsrichtung GFD bezeichnet.
  • Dank dieser Struktur kann die Verringerung des Ansprechverhaltens verhindert werden, während die Abnahme der Detektionsgenauigkeit verhindert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn eine Beziehung: dL/dS < 0,05 erfüllt ist, die Länge der Erfassungselektrode 12b in der Gasströmungsrichtung GFD äußerst kurz ist, so dass eine Kontaktfläche zwischen der Erfassungselektrode 12b und dem Detektionsgas (dem zu detektierenden Gas) verringert wird. Dadurch besteht eine Möglichkeit, dass es schwierig ist, die Konzentration des Detektionsgases zuverlässig zu messen. D. h. es besteht eine Möglichkeit, dass die Detektionsgenauigkeit für das zu detektierende Gas vermindert ist. Wenn dagegen eine Beziehung: 1,20 < dL/dS erfüllt ist, ist die Länge der Erfassungselektrode 12b in der Gasströmungsrichtung GFD äußert lang, und dadurch wird eine Zeitlänge, die für das Bewegen des Detektionsgases von dem stromaufwärtigen Ende 12bu der Erfassungselektrode 12b zu dem stromabwärtigen Ende 12bd der Erfassungselektrode 12b erforderlich ist, verlängert. Dadurch besteht eine Möglichkeit, dass eine Zeitlänge, die erforderlich ist, damit ein an dem stromabwärtigen Ende 12bd der Erfassungselektrode 12b gemessener Konzentrationswert gleich einem Konzentrationswert wird, der am stromaufwärtigen Ende 12bu der Erfassungselektrode 12b gemessen wird, verlängert. Es besteht mit anderen Worten eine Möglichkeit, dass eine Zeit, die zum Messen der Konzentration von Gas erforderlich ist, verlängert wird, d. h. das Ansprechvermögen verringert wird.
    • (6) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen befindet sich das stromabwärtige Ende 12d der Erfassungselektrode 12b in der Gasströmungsrichtung GFD stromaufwärts jenseits des zweiten diffusionsbeständigen Abschnitts 15b (bei einer weiter stromaufwärts befindlichen Stelle als dieser).
  • Dan dieser Struktur kann die Erfassungselektrode 12b eine Konzentration des Detektionsgases erfassen, ohne die Konzentration an Gas zu empfangen, die in der zweiten Detektionskammer 18 vorliegt. Somit wird die Erfassungsgenauigkeit verbessert.
    • (7) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erstreckt sich das Gassensorelement 10 in der Gasströmungsrichtung GFD und umfasst das darin laminierte Heizelement 60, und das Heizelement 60 umfasst den Heizabschnitt 51, der so ausgelegt ist, dass er das Gassensorelement 10 beheizt. Der Heizabschnitt 51 liegt so vor, dass er das stromaufwärtige Ende 11c der ersten Innenelektrode 11c und das stromabwärtige Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b im Verhältnis zur Gasströmungsrichtung GFD erreicht.
  • Dank dieser Struktur kann ein gesamter Bereich der ersten Sauerstoffpumpzelle 11, der sich zwischen dem stromaufwärtigen (vorderen) Ende 11cu der ersten Innenelektrode 11c und dem stromabwärtigen (hinteren) Ende der inneren zweiten Pumpelektrode 13b befindet, zuverlässig beheizt werden. Daher lässt sich die gesamte erste Sauerstoffpumpzelle 11 leicht bei ihrer Aktivierungstemperatur halten.
    • (8) Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erstreckt sich das Gassensorelement 10 in der Gasströmungsrichtung GFD und umfasst das darin laminierte Heizelement 60, und das Heizelement 60 umfasst den Heizabschnitt 51, der dafür ausgelegt ist, das Gassensorelement 10 zu beheizen. Die Heizmitte des Heizabschnitts 51 überlagert die erste Innenelektrode 11c im Verhältnis zur Gasströmungsrichtung GFD.
  • Im Hinblick auf die Verbesserung der Sauerstoffpumpfähigkeit in der ersten Innenelektrode 11c ist es bevorzugt, dass die Temperatur des Gassensorelements 10 bei Messen des Detektionsgases (des zu detektierenden Gases) hoch ist. Wenn aber die Temperatur des Gassensorelements 10 höher oder gleich einem bestimmten vorgeschriebenen Temperaturwert wird, wird an der inneren zweiten Pumpelektrode 13b eine Aufspaltung in H2O, das in dem Detektionsgas enthalten ist, hervorgerufen, so dass die Messung von NOx beeinflusst wird. Somit ist bevorzugt, dass die Temperatur der inneren zweiten Pumpelektrode 13b niedriger als der vorgeschriebene Temperaturwert bleibt.
  • Bei dem Gassensor 200 mit der Struktur von (8) kann die Temperatur der ersten Innenelektrode 11c hoch ausgelegt werden, während die Temperatur der inneren zweiten Pumpelektrode 13b in einem Temperaturbereich gehalten wird, der die Aufspaltung in H2O verhindert. Daher kann die Abnahme der Messgenauigkeit des Detektionsgases vermieden werden, während die Sauerstoffpumpfähigkeit wie vorstehend erwähnt verbessert wird.
    • (9) Nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erstreckt sich das Gassensorelement 10 in der Gasströmungsrichtung GFD und umfasst das darin laminierte Heizelement 60, und das Heizelement 60 umfasst den Heizabschnitt 51, der dafür ausgelegt ist, das Gassensorelement 10 zu beheizen. Der Gassensor 200 umfasst den Halteabschnitt 160, der das Gassensorelement 10 hält, um das Gassensorelement 10 radial zu umgeben, und der Heizabschnitt 51 befindet sich in einem vorderen Bereich (Seite) jenseits des axial vorderen Endes des Halteabschnitts 160.
  • Dank dieser Struktur wird die Temperatur des Gassensorelements 10 durch die Temperatur des Halteabschnitts 160 weniger beeinflusst, da der Heizabschnitt 51 des Gassensorelements 10 an einer weiter vorne befindlichen Stelle als dem Halteabschnitt 160 vorliegt. Daher ist eine stabilere Steuerung des Gassensors 200 möglich.
  • Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Modi (Ausgestaltungen) ausgeführt werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in Form eines Gassensors, in Form eines Gassensorsystems, das einen Gassensor und eine Gassensorsteuervorrichtung umfasst, in Form eines Gaserfassungsverfahrens und dergleichen verwirklicht werden.
  • Diese Anmeldung beruht auf den älteren japanischen Patentanmeldungen Nr. 2009-078169 , eingereicht am 27. März 2009, und Nr. 2010-033137 , eingereicht am 18. Februar 2010. Der gesamte Inhalt dieser japanischen Patentanmeldungen wird hierdurch durch Bezugnahme aufgenommen.
  • Der Schutzumfang der Erfindung ist unter Bezug auf die folgenden Ansprüche festgelegt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5942190 [0002]
    • - JP 9-288085 [0002]
    • - JP 2009-078169 [0100]
    • - JP 2010-033137 [0100]

Claims (9)

  1. Gassensor (200) mit einem Gassensorelement (10, wobei das Gassensorelement (10) umfasst: eine erste Detektionskammer (16), in die ein zu detektierendes Gas durch einen ersten diffusionsbeständigen Abschnitt (15a) eingeleitet wird; eine erste Sauerstoffpumpzelle (11), die einen ersten Festelektrolytkörper (11a) und ein Paar erster Elektroden (11b, 11c), die auf dem ersten Festelektrolytkörper (11a) ausgebildet sind, umfasst, wobei das Paar erster Elektroden (11b, 11c) eine erste Innenelektrode (11c), die in der ersten Detektionskammer (16) angeordnet ist, umfasst, wobei die erste Sauerstoffpumpzelle (11) dafür ausgelegt ist, Sauerstoff von dem Gas/in das Gas zu pumpen, das in die erste Detektionskammer (16) eingeleitet wird; eine zweite Detektionskammer (18), in die das Gas, das in der ersten Detektionskammer (16) Sauerstoffpumpen erfuhr, durch einen zweiten diffusionsbeständigen Abschnitt (15b) eingeleitet wird; eine zweite Sauerstoffpumpzelle (13), die einen zweiten Festelektrolytkörper (13a) und ein Paar zweiter Elektroden (13b, 13c), die auf dem zweiten Festelektrolytkörper (13a) ausgebildet sind, umfasst, wobei das Paar zweiter Elektroden (13b, 13c) eine innere zweite Pumpelektrode (13b) umfasst, die in der zweiten Detektionskammer (18) angeordnet ist, wobei die zweite Sauerstoffpumpzelle (13) dafür ausgelegt ist, einen elektrischen Strom gemäß einer Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in der zweiten Detektionskammer (18) durchzulassen; und eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle (12), die einen dritten Festelektrolytkörper (12a) und ein Paar dritter Elektroden (12b, 12c), die auf dem dritten Festelektrolytkörper (12a) angeordnet sind, umfasst, wobei das Paar dritter Elektroden (12b, 12c) eine Erfassungselektrode (12b), die in der ersten Detektionskammer (16) angeordnet ist, umfasst, wobei die Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle (12) dafür ausgelegt ist, zwischen den dritten Elektroden (12b, 12c) eine elektrische Spannung gemäß einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Detektionskammer (16) zu erzeugen; wobei die Erfassungselektrode (12b) stromabwärts jenseits der ersten Innenelektrode (11c) im Verhältnis zu einer Strömungsrichtung des Gases (GFD) angeordnet ist, wobei eine Querschnittfläche eines Raums (16s) der ersten Detektionskammer (16), durch den das Gas strömt, in einen Bereich von 0,03 mm2 bis 0,22 mm2 fällt, wobei der Raum (16s) der ersten Innenelektrode (11c) zugewandt ist, wobei eine Mitte der Erfassungselektrode (12b) stromabwärts jenseits eines stromabwärtigen Endes (11cd) der ersten Innenelektrode (11c) angeordnet ist, um einen Abstand (d) zwischen der Mitte der Erfassungselektrode (12b) und dem stromabwärtigen Ende (11cd) der ersten Innenelektrode (11c) von mehr als oder gleich der zehnfachen Größenordnung einer Höhe (t) des Raums (16s) zu bewirken, wobei die Höhe (t) eine Länge ist, die in einer Laminierrichtung (D2) zwischen dem ersten Festelektrolytkörper (11a) und der ersten Innenelektrode (11c) genommen ist.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (t) bei einem Wert festgelegt ist, der in einen Bereich von 0,03 mm bis 0,11 mm fällt.
  3. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (W) des Raums (16s) bei einem Wert festgelegt ist, der in einen Bereich von 0,98 mm bis 2,03 mm fällt, wobei die Breite in einer Richtung senkrecht sowohl zur Strömungsrichtung (GFD) als auch einer Richtung der Höhe (t) genommen ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungselektrode (12b) ein poröser Körper ist; und die Erfassungselektrode (12b) einen Abschnitt umfasst, der in einem Querschnitt gesehen mehr als die Hälfte oder die Hälfte der Gesamtfläche des Querschnitts der ersten Detektionskammer (16) ausmacht, wobei der Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung (GFD) an einer Stelle genommen wird, bei der die Erfassungselektrode (12b) vorliegt.
  5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung: 0,05 ≤ dL/dS ≤ 1,20 erfüllt ist, wobei dL eine Länge der Erfassungselektrode (12b) in der Strömungsrichtung (GFD) bezeichnet und dS eine Länge der ersten Innenelektrode (11c) in der Strömungsrichtung (GFD) bezeichnet.
  6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärtiges Ende (12bd) der Erfassungselektrode (12b) in der Strömungsrichtung (GFD) stromaufwärts jenseits des zweiten diffusionsbeständigen Abschnitts (15b) angeordnet ist.
  7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gassensorelement (10) in der Strömungsrichtung (GFD) erstreckt und ein darin laminiertes Heizelement (60) umfasst, wobei das Heizelement (60) einen Heizabschnitt (51) umfasst, der dafür ausgelegt ist, das Gassensorelement (10) zu beheizen; und der Heizabschnitt (51) so vorliegt, dass er ein stromaufwärtiges Ende (11cu) der ersten Innenelektrode (11c) und ein stromabwärtiges Ende der inneren zweiten Pumpelektrode (13b) im Verhältnis zur Strömungsrichtung (GFD) erreicht.
  8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gassensorelement (10) in der Strömungsrichtung (GFD) erstreckt und ein darin laminiertes Heizelement (60) umfasst, wobei das Heizelement (60) einen Heizabschnitt (51) umfasst, der dafür ausgelegt ist, das Gassensorelement (10) zu beheizen; und eine Heizmitte des Heizabschnitts (51) die erste Innenelektrode (11c) im Verhältnis zur Strömungsrichtung (GFD) überlagert.
  9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gassensorelement (10) in der Strömungsrichtung (GFD) erstreckt und ein darin laminiertes Heizelement (60) umfasst, wobei das Heizelement (60) einen Heizabschnitt (51) umfasst, der dafür ausgelegt ist, das Gassensorelement (10) zu beheizen; der Gassensor (200) einen Halteabschnitt (160) umfasst, der das Gassensorelement (10) hält, um das Gassensorelement (10) radial zu umgeben; und der Heizabschnitt (51) in einem Bereich vorne jenseits eines axial vorderen Endes des Halteabschnitts (160) positioniert ist.
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