DE102010043221B4

DE102010043221B4 - Gassensor

Info

Publication number: DE102010043221B4
Application number: DE102010043221.0A
Authority: DE
Inventors: Kentaro Mori
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: US20110100815A1; US9513251B2; JP2011117937A; JP4897912B2; DE102010043221A1

Abstract

Gassensor (1), der umfasst:ein Sensorelement (10), das konfiguriert ist, um eine spezifische Gaskomponente in einem zu messenden Gas zu erfassen, wobei das Sensorelement (10) umfasst:einen plattenförmigen, soliden Elektrolytkörper (140), undein Paar von Elektroden (191, 201, 301), die derart auf den soliden Elektrolytkörper (140) geschichtet sind, dass der solide Elektrolytkörper (140) zwischen denselben angeordnet ist,wobei das Paar von Elektroden (191, 201, 301) einen Messelektrodenteil (191), der dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und einen Standardelektrodenteil (201, 301) umfasst, der in einem inneren Teil des Sensorelements (10) angeordnet ist und aufgrund des durch einen elektrischen Strom verursachten Einfließens von Sauerstoff in dem zu erfassenden Gas über den soliden Elektrolytkörper (140) zu dem Standardelektrodenteil (201, 301) als ein Sauerstoffstandardteil funktioniert,wobei ein Anschlussteil (203, 303), der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytkörpers (140) in den inneren Teil des Sensorelements (10) erstreckt, mit dem Standardelektrodenteil (201, 301) verbunden ist,wobei der Standardelektrodenteil (201, 301) hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und ein keramisches Material enthält,wobei der Anschlussteil (203, 303) hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und einen Anteil eines keramischen Materials enthält, der kleiner als derjenige des Standardelektrodenteils (201, 301) ist, undwobei ein poröser Teil (212, 312), der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytkörpers (140) zu dem inneren Teil des Sensorelements (10) erstreckt, eine Gasdurchlässigkeit aufweist, die größer als diejenige des Anschlussteils (203, 303) ist, hauptsächlich aus einem keramischen Material ausgebildet ist und mit dem Standardelektrodenteil (201, 301) verbunden ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Erfindungsfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der ein Gassensorelement zum Erfassen der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einem zu messenden Gas umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Gassensor des selbsterzeugenden Typs, in dem eine Standardelektrode aufgrund einer Ansammlung von Sauerstoff als ein Sauerstoffstandard funktioniert.
Stand der Technik
Ein Gassensor aus dem Stand der Technik umfasst ein Gassensorelement, in dem verschiedene Größen einer elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von der Konzentration eines spezifischen Gases (zum Beispiel NO_x oder Sauerstoff) in dem Abgas eines Kraftfahrzeugs erzeugt werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Sauerstoffsensor, der eine Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle umfasst und in dem ein Paar von Elektroden dazwischen einen soliden Elektrolytkörper aus Zirkonoxid einschließen. Dabei wird in der Sauerstoffpumpzelle die Größe oder Richtung des zwischen dem Paar von Elektroden fließenden Stroms derart gesteuert, dass die in der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle erzeugte elektromotorische Kraft zu einer Standardspannung wird, wodurch Sauerstoff in oder aus einer Gaserfassungskammer gepumpt wird. Außerdem kann auf der Grundlage des in der Sauerstoffpumpzelle fließenden Stroms die Sauerstoffkonzentration des Abgases und das Luft/KraftstoffVerhältnis des Abgases erfasst werden (siehe z.B. das Patentdokument 1).
[Patentdokument 1] JP-A-2007-33114
Aus der US 6,770,180 B1 ist ein elektrochemischer Sensor zur Analyse von Gasen in Form eines planaren Sensorelements bekannt. Die US 2007/0246358 A1 offenbart einen Gassensor, bei dem ein Referenzgaskanal zumindest teilweise mit einem porösen Material gefüllt ist, um eine Referenzelektrode zu schützen.
Problemstellung der Erfindung
Wenn jedoch in dem oben genannten Gassensor des selbsterzeugenden Typs veranlasst wird, dass ein kleiner Strom in dem Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssensor fließt, bewegen sich Sauerstoffionen von der Erfassungselektrode zu der Standardelektrode, sodass sich Sauerstoff an der Standardelektrode ansammelt. Außerdem wird durch den in der Standardelektrode angesammelten Sauerstoff eine vorbestimmte Menge an Standardsauerstoff in dem Sauerstoffsensor erzeugt. Deshalb wird die Standardelektrode aus einem porösen Material ausgebildet, in dem eine Mischpaste aus Platin und Zirkonoxid gesintert ist, um eine elektrische Leitfähigkeit (für die Elektrodenfunktion) und eine Porosität (für die Ansammlung von Sauerstoff) vorzusehen. Außerdem umfasst ein derartiger Gassensor einen Standardanschluss, der die Standardelektrode nach außen hin elektrisch verbindet und den sich in der Standardelektrode bis zu einer vorbestimmten Menge oder darüber hinaus ansammelnden Sauerstoff nach außen zieht. Weil also im Stand der Technik auch in dem Standardanschluss eine Kombination aus einer elektrischer Leitfähigkeit und einer Sauerstoffdurchlässigkeit erforderlich ist, ist der Standardanschluss ebenso wie die Standardelektrode einstückig aus einem porösen Material ausgebildet.
Wenn jedoch in dem Standardanschluss der Anteil des Edelmetalls erhöht wird, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, werden die Porosität und damit die Sauerstoffdurchlässigkeit vermindert. Und wenn der Anteil des Edelmetalls vermindert wird, um die Sauerstoffdurchlässigkeit zu verbessern und damit die Porosität zu erhöhen, wird die elektrische Leitfähigkeit vermindert. In dem Gassensor aus dem Stand der Technik muss also ein genau abgewogener Kompromiss zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Sauerstoffdurchlässigkeit in dem Standardanschluss gefunden werden, sodass der Entwurf eines Standardanschlusses schwierig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die vorstehend geschilderten Probleme zu beseitigen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, den Entwurf eines Standardanschlusses eines Gassensors zu vereinfachen, für den bisher ein Kompromiss zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Sauerstoffdurchlässigkeit gefunden werden musste.
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst, indem gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Gassensor angegeben wird, der umfasst: ein Sensorelement, das konfiguriert ist, um eine spezifische Gaskomponente in einem zu messenden Gas zu erfassen, wobei das Sensorelement umfasst: einen plattenförmigen, soliden Elektrolytkörper; und ein Paar von Elektroden, die derart auf den soliden Elektrolytkörper geschichtet sind, dass der solide Elektrolytkörper zwischen denselben angeordnet ist; wobei das Paar von Elektroden einen Messelektrodenteil, der dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und einen Standardelektrodenteil umfasst, der in einem inneren Teil des Sensorelements angeordnet ist und aufgrund des durch einen elektrischen Strom verursachten Einfließens von Sauerstoff in dem zu erfassenden Gas über den soliden Elektrolytkörper zu dem Standardelektrodenteil als Sauerstoffstandardteil funktioniert; wobei ein Anschlussteil, der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytteils in den inneren Teil des Sensorelements erstreckt, mit dem Standardelektrodenteil verbunden ist; wobei der Standardelektrodenteil hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und ein keramisches Material enthält; wobei der Anschlussteil hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und einen Anteil eines keramischen Materials enthält, der kleiner als derjenige des Standardelektrodenteils (oder gleich null) ist; und wobei ein poröser Teil, der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytkörpers zu dem inneren Teil des Sensorelements erstreckt, eine Gasdurchlässigkeit aufweist, die größer als diejenige des Anschlussteils ist, hauptsächlich aus einem keramischen Material ausgebildet ist und mit dem Standardelektrodenteil verbunden ist.
Bei dem Gassensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Standardanschluss, für den wie im Stand der Technik ein Kompromiss zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Sauerstoffdurchlässigkeit erforderlich ist, in einen Anschlussteil nur zum Vorsehen der elektrischen Leitfähigkeit und in einen porösen Teil nur zum Vorsehen der Sauerstoffdurchlässigkeit unterteilt. Dadurch wird der Entwurf des Gassensors vereinfacht, weil der Anschlussteil und der poröse Teil jeweils eigens für ihre entsprechenden Funktionen konfiguriert werden können.
Weiterhin ist der die elektrische Leitfähigkeit vorsehende Anschlussteil hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet und weist einen Anteil eines keramischen Materials auf, der kleiner als derjenige des Standardelektrodenteils ist. Deshalb kann der Anschlussteil verdichtet werden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit verbessert wird.
Je weniger keramisches Material in dem Anschlussteil enthalten ist, desto einfacher kann der oben genannte Effekt erzielt werden. Weil der solide Elektrolytkörper und der Anschlussteil jedoch in einem engen Kontakt stehen, sollte der Anschlussteil vorzugweise einen Anteil eines keramischen Materials von 1 Gewichtsprozent oder mehr enthalten.
In der vorliegenden Erfindung ist unter einem hauptsächlichen Bestandteil ein Bestandteil von 50% oder mehr zu verstehen. Wenn also gesagt wird, dass „der Anschlussteil hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist“, bedeutet dies, dass das Edelmetall 50 Gewichtsprozent oder mehr der Bestandteile des Anschlussteils ausmacht.
Weiterhin weist der die Sauerstoffdurchlässigkeit vorstehende poröse Teil eine Gasdurchlässigkeit auf, die größer als diejenige des Anschlussteils ist, und ist hauptsächlich aus einem keramischen Material ausgebildet. Deshalb kann die Porosität des porösen Teils einfach eingestellt werden. Auf diese Weise kann an dem porösen Teil der Innendruck des Sauerstoffs geregelt werden, indem die Flusspfad-Querschnittfläche, die Flusspfadlänge und die Porosität des porösen Teils entsprechend gewählt werden. Die Ausgabe der Sauerstoffflussrate kann also in dem porösen Teil relativ einfach auf der Basis des Sauerstoffteildrucks geregelt werden, sodass die Sauerstoffflussrate stabilisiert werden kann.
Weiterhin ist der poröse Teil hauptsächlich aus einem keramischen Material ausgebildet und kann ein Edelmetall enthalten. Der poröse Teil ist jedoch vorzugsweise ausschließlich aus einem keramischen Material ausgebildet.
Wenn hier gesagt wird, dass „die Gasdurchlässigkeit größer als diejenige des Anschlussteils ist“, bedeutet dies, dass, wenn das zu messende Gas in den Standardanschluss fließt und der poröse Teil dieselbe Länge und dieselbe Querschnittfläche unter denselben Bedingungen aufweist, der Ausflussgasdruck des porösen Teils erhöht ist oder die Ausflussgasgeschwindigkeit des porösen Teils beschleunigt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Gassensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist der poröse Teil eine Gasdurchlässigkeit auf, die größer als diejenige des Standardelektrodenteils ist. Wenn also der in dem Standardelektrodenteil angesammelte Sauerstoff gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert (Teildruck) ist, kann einfach Sauerstoff über den porösen Teil nach außen gezogen werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Gassensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist der poröse Teil entlang der Schichtungsrichtung des Paars von Elektroden auf den Anschlussteil geschichtet. Der Anschlussteil und der poröse Teil können an dem soliden Elektrolytkörper in einer Reihe angeordnet sein (entlang von separaten Linien in einer Richtung senkrecht zu der Schichtungsrichtung), wobei in dieser Ausführungsform der poröse Teil auf den Anschlussteil geschichtet ist. Auf diese Weise können Anschlussteile und poröse Teile, die jeweils für ihre entsprechenden Funktionen konfiguriert sind, einfach und genau ausgebildet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gassensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist der Anschlussteil über einen Durchgangslochleiter elektrisch mit einem auf der Oberfläche des Sensorelements vorgesehenen Elektrodenpad verbunden, wobei ein Teil des porösen Teils über ein in dem Durchgangslochleiter vorgesehenes Durchgangsloch mit der Umgebung außerhalb des Sensorelements in Verbindung steht. Allgemein ist der Standardanschluss in dem Sensor über einen Durchgangslochleiter, der an einem Innenumfang eines Durchgangslochs in dem soliden Elektrolytkörper oder in einem anderen Teil ausgebildet ist, elektrisch mit einem außerhalb des Sensorelements vorgesehen Elektrodenpad verbunden. In der vorliegenden Erfindung steht der poröse Teil über das Durchgangsloch unter Nutzung der elektrischen Verbindung des Durchgangslochleiters mit der Umgebung außerhalb des Sensorelements in Verbindung, wobei ein aus dem Standardelektrodenteil überlaufender Sauerstoff einfach nach außen abgeführt werden kann.
Wenn der mit der Umgebung in Verbindung stehende poröse Teil an dem Durchgangsloch freiliegt und von außen sichtbar ist, kann der oben genannte Effekt zuverlässig erhalten werden. Deshalb ist eine derartige Konfiguration zu bevorzugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gassensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Edelmetall ein elementares Platin oder eine Legierung aus Platin und wenigstens einem Metall, das aus der Gruppe gewählt ist, die Rhodium, Palladium, Ruthenium und Gold umfasst. Durch die Verwendung eines derartigen Materials kann die elektrische Leitfähigkeit des Anschlussteils weiter verbessert werden.
Figurenliste
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine Längsschnittansicht eines Sauerstoffsensors 1.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Sensorelement 10 von außen zeigt.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Sensorelements 10 in einer ersten Ausführungsform.
4 ist eine Draufsicht auf ein Leitermuster 200 von hinten.
5 ist eine Längsschnittansicht des Leitermusters 200 von 4.
6 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements 10 in einer zweiten Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht auf ein Leitermuster 300 von hinten.
8 ist eine Längsschnittansicht des Leitermusters 300 von 7.
9 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements 10 in einem modifizierten Beispiel.
10 ist eine Draufsicht auf das Leitermuster 300 von hinten in einem modifizierten Beispiel.

Ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform eines Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Als Beispiel für den Gassensor wird ein Sauerstoffsensor 1 verwendet, dessen mechanischer Aufbau im Folgenden mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Die vertikale Richtung in 1 entspricht der Achsenrichtung O des Sauerstoffsensors 1. Dabei entspricht die untere Seite von 1 dem vorderen Ende des Sauerstoffsensors 1 und entspricht die obere Seite von 1 dem hinteren Ende des Sauerstoffsensors 1.
Der Sauerstoffsensor 1 von 1 ist nur ein Beispiel für einen Vollbereichs-Sensor zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, der an einem Abgasrohr (nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs angebracht wird und die Konzentration von Sauerstoff (eines spezifischen Gases) in dem durch das Abgasrohr fließenden Abgas (einem zu messenden Gas) und damit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erfasst.
Ein Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 ist ein plattenförmiges Element, das sich in der Axialrichtung O erstreckt, eine schmale Breite aufweist und ein Erfassungselement 2 und einen Heizer 3 wie weiter unten ausführlicher beschrieben umfasst (in 1 entspricht die horizontale Richtung (nach links und rechts) der Dickenrichtung der Platte und entspricht die Tiefenrichtung (nach vorne und nach hinten) der Breitenrichtung der Platte). Unter dem „Gassensorelement“ ist streng genommen nur das Erfassungselement 2 zu verstehen, wobei für die vorliegende Erfindung der Einfachheit halber das Sensorelement 10, in dem das Erfassungselement 2 und der Heizer 3 integriert sind, als „Gassensorelement“ definiert ist. Der Sauerstoffsensor 1 weist einen Aufbau auf, in dem das Sensorelement 10 in einer Metallhülse 50 gehalten wird. Insbesondere ist das Sensorelement 10 in einem Napf 40, der in der Metallschale 50 gehalten wird. Im Folgenden wird der Aufbau des Sensorelements 10 beschrieben.
In dem vorderen Endteil 11 des Sensorelements 10 ist ein Erfassungsteil 14 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration vorgesehen, wobei der Erfassungsteil 14 aus einer Öffnung am vorderen Ende des Napfes 40 vorsteht (d.h. am vorderen Ende der Metallhülse 50). Ein vorderer Umfangsteil 23 einschließlich der Öffnung 25 des Napfes 40 ist konisch ausgebildet. In dem Napf 40 sind ein keramischer Ring 21 aus Aluminiumoxid und ein Talkring 22, der durch das Verdichten von Talkpulver verfestigt wurde, in einem Zustand aufgenommen, in dem das Sensorelement 10 in das Loch eingesteckt ist. Der Talkring 22 wird in den Napf 40 gedrückt, wodurch das Sensorelement 10 in dem Napf 40 positioniert wird.
Die Metallhülse 50 ist aus einem kohlenstoffarmen Stahl wie etwa SUS 430 ausgebildet, wobei an dem Außenumfang des vorderen Endes der Metallhülse 50 ein Befestigungsteil 51 vorgesehen ist, in dem ein Gewindeteil für die Befestigung an einem Abgasrohr ausgebildet ist. An dem vorderen Ende des Befestigungsteils 51 ist ein vorderer Eingreifteil 56 ausgebildet, der in ein weiter unten beschriebenes Schutzglied 8 eingreift. An dem Außenumfang der Metallhülse 50 ist mittig ein Werkzeugeingreifteil 52 ausgebildet, in den ein Werkzeug für die Befestigung an dem Abgasrohr eingreifen kann. Eine Dichtung 55, die ein Lecken von Gas nach dem Anbringen des Gassensors an dem Abgasrohr verhindert, ist zwischen der vorderen Endfläche des Werkzeugeingreifteils 52 und dem hinteren Ende des Befestigungsteils 51 eingepasst. An der hinteren Seite des Werkzeugeingreifteils 52 greift ein hinterer Eingreifteil 57 in ein weiter unten beschriebenes Außengehäuse 65 ein und ist ein Befestigungsteil 53 ausgebildet, der das Sensorelement 10 an dem hinteren Ende der Metallhülse 50 fixiert.
Ein Stufenteil 54 ist in Nachbarschaft zu dem Befestigungsteil 51 in dem Innenumfang der Metallhülse 50 ausgebildet. Ein vorderer Endteil 23 des Napfs 40 mit dem darin gehaltenen Sensorelement 10 wird in dem Stufenteil 54 gesperrt. An dem Innenumfang der Metallhülse 50 ist ein Talkring 26 von dem hinteren Ende des Napfs 40 her in einem Zustand geladen, in dem das Sensorelement 10 eingesteckt ist. Eine rohrförmige Muffe 27 ist in die Metallhülse 50 gepasst, um den Talkring 26 von dem hinteren Ende her zu drücken. An dem Außenumfang des hinteren Endes der Muffe 27 ist ein stufenförmiger Schulterteil 28 ausgebildet. Eine kreisrunde Befestigungsdichtung 29 ist an dem Schulterteil 28 angeordnet. In diesem Zustand wird der Befestigungsteil 53 der Metallhülse 50 angezogen, um den Schulterteil 28 der Hülse 27 über die Befestigungsdichtung 29 zu dem vorderen Ende zu drücken. Der zu der Hülse 27 gedrückte Talkring 26 wird in der Metallhülse 50 geschoben und in die Metallhülse 50 geladen.
Der Eingreifteil 56 am vorderen Ende der Metallhülse 50 weist die Form eines Gehäuses auf, wobei das Schutzglied 8 in den vorderen Eingreifteil 56 gepasst wird und durch Punktschweißen oder Laserschweißen fixiert wird. Das Schutzglied 8 umgibt den Außenumfang des vorderen Endteils 11 des Sensorelements 10, das von dem vorderen Ende der Metallhülse 50 vorsteht, um das Sensorelement 10 vor einer Beschädigung aufgrund von Vibrationen oder Stößen zu schützen. Das Schutzglied 8 weist einen doppelten Aufbau auf und umfasst ein gehäuseförmiges inneres Schutzglied 90 mit einem Boden und ein gehäuseförmiges äußeres Schutzglied 80, das das innere Schutzglied 90 radial derart umgibt, dass ein Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Schutzglied definiert wird.
In dem inneren Schutzglied 90 öffnet sich eine Vielzahl von inneren Einführlöchern 95 zu einem hinteren Ende einer Umfangswand 92, öffnet sich eine Vielzahl von Wasserablasslöchern 96 zu einem vorderen Ende der Umfangswand 92 und öffnet sich ein Abgasloch 97 an einer Bodenwand 93. Außerdem greift ein naher Endteil 81 an einem Öffnungsende (hinterem Ende) in den Außenumfang des vorderen Eingreifteils 56 ein. In dem äußeren Schutzglied 80 öffnet sich eine Vielzahl von äußeren Einführlöchern 85 zu dem vorderen Ende der Umfangswand 82. Ein naher Endteil 81 des Öffnungsendes greift in den Außenumfang des nahen Endteils 91 des inneren Schutzglieds 90 ein. Außerdem ist der vordere Endteil 83 des äußeren Schutzglieds 80 nach innen zu der Umfangswand 92 des inneren Schutzglieds 90 gebogen, um den Zwischenraum zwischen dem äußeren Schutzglied 80 und dem inneren Schutzglied 90 zu schließen.
Der hintere Endteil 12 des Sensorelements 10 steht von dem hinteren Ende (dem Befestigungsteil 53) der Metallhülse 50 vor, wobei an der Rückfläche des hinteren Endteils 12 Elektrodenpads 231 bis 235 (siehe 2 bis 3) ausgebildet sind, die das Erfassungselement 2 oder den Heizer 3 mit entsprechenden Verbindungsanschlüssen 61 verbinden (die Elektrodenpads 233 und 235 sind in 1 gezeigt). Außerdem ist der hintere Endteil 12 durch ein gehäuseförmiges Trennglied 60 bedeckt, das aus einem isolierenden keramischen Material ausgebildet ist. In dem Trennglied 60 sind fünf Verbindungsanschlüsse 61 aufgenommen (drei davon sind in 1 gezeigt), die in einen Kontakt jeweils mit den Elektrodenpads 231 bis 235 gebracht werden (elektrisch mit denselben verbunden werden). Das Trennglied 60 umfasst ein vorderes Trennglied 63 und ein hinteres Trennglied 64, wobei das vordere Ende des hinteren Trennglieds 64 in einen Kantenteil an dem hinteren Ende des vorderen Trennglieds 63 eingreift. Das vordere Trennglied 63 ist in einem Zustand aufgenommen, in dem fünf Verbindungsanschlüsse 61 derart angeordnet sind, dass sie in einen elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden. In dem hinteren Trennglied 64 sind fünf aus dem Sauerstoffsensor 1 herausführende Anschlussdrähte (nicht gezeigt) in einem Zustand aufgenommen, in dem sie nicht miteinander in Kontakt kommen.
Das äußere Gehäuse 65 ist ein gehäuseförmiges Glied aus Edelstahl (z.B. SUS304), das den hinteren Endteil 12 des Sensorelements 10 oder die Umgebung des Trennglieds 60 bedeckt. Der Öffnungsteil 66 an der vorderen Seite des äußeren Gehäuses 65 greift in den Außenumfang des hinteren Eingreifteils 57 der Metallhülse 50 ein, sodass das äußere Gehäuse 65 von der Außenumfangsseite her befestigt und an dem hinteren Eingreifteil 57 über dessen gesamten Umfang hin lasergeschweißt wird.
Eine Halterung 70 ist in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Gehäuse 65 und dem vorderen Trennglied 63 installiert. Die Halterung 70 ist gehäuseförmig aus Metall ausgebildet und weist einen Halteteil 71 auf, dessen hinteres Ende nach innen gebogen ist. Die Halterung 70 sperrt den Kantenteil 62 des eingesteckten vorderen Trennglieds 63 an dem Halteteil 71, um das vordere Trennglied 63 zu halten. Dabei ist die Außenumfangsfläche des äußeren Gehäuses 65 an dem Teil, an dem die Halterung 70 angeordnet ist, befestigt. Und außerdem ist die Halterung 70, die das vordere Trennglied 63 hält, an dem äußeren Gehäuse 65 fixiert.
Eine Gummidichtung 75 aus einem Fluor-basierten Gummi ist in die Öffnung am hinteren Ende des äußeren Gehäuses 65 gepasst. Die Gummidichtung 75 weist fünf Einstecklöcher 76 auf (drei der Löcher sind in 1 gezeigt), wobei fünf aus dem hinteren Trennglied 64 gezogene Anschlussleitungen (nicht gezeigt) jeweils luftdicht in die Einstecklöcher 76 eingesteckt sind.
Im Folgenden wird die Konfiguration des Sensorelements 10 mit Bezug auf 2 beschrieben. Die vertikale Richtung in 2 entspricht der Axialrichtung O des Sensorelements 10. Weiterhin entspricht die untere Seite von 2 der vorderen Seite des Sensorelements 10 und entspricht die obere Seite von 2 der hinteren Seite des Sensorelements 10. In dem Sensorelement 10 von 2 sind das plattenförmig mit einer dünnen Breite in der Axialrichtung O ausgebildete Erfassungselement 2 und der Heizer 3 in der Dickenrichtung aufeinander geschichtet und miteinander integriert. In dem Erfassungsteil 14 an der vorderen Seite des Sensorelements 10 ist eine Gaserfassungskammer 132 vorgesehen (siehe 3), um das Abgas einzuführen und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu erfassen. Und um den Erfassungsteil 14 vor einer Verunreinigung durch eine Ablagerung aus dem Abgas (durch klebrige Bestandteile wie etwa Kraftstoffasche oder Ölkomponenten) zu schützen, ist der Erfassungsteil 14 durch eine poröse Schutzschicht 9 bedeckt.
An dem hinteren Endteil 12 des Sensorelements 10 sind an der auf der Seite des Erfassungselements 2 gelegenen, senkrecht zu der Dickenrichtung ausgerichteten Außenfläche (nachfolgend als „Hauptfläche“ bezeichnet) 16 die Elektrodenpads 231, 232 und 233 ausgebildet. Die Elektrodenpads 231, 232 und 233 kommen in Kontakt mit drei von fünf Verbindungsanschlüssen 61 (siehe 1) des Trennglieds 60 und sind elektrisch mit denselben verbunden. Entsprechend sind an der auf der Seite des Heizers 3 gelegenen, und der Hauptfläche 16 in der Dickenrichtung gegenüberliegenden Außenfläche (nachfolgend als „Rückfläche“ bezeichnet) 17 die Elektrodenpads 234 und 235 ausgebildet. Die Elektrodenpads 234 und 235 kommen jeweils in Kontakt mit den verbleibenden zwei Verbindungsanschlüssen 61 und sind elektrisch mit denselben verbunden.
Im Folgenden wird der innere Aufbau des Sensorelements 10 im Detail mit Bezug auf 3 beschrieben. In 3 entspricht die horizontale Richtung (nach links und rechts) der Axialrichtung O des Sensorelements 10. Außerdem entspricht die linke Seite dem vorderen Ende des Sensorelements 10 und entspricht die rechte Seite dem hinteren Ende des Sensorelements 10. Weiterhin wird die Außenfläche jedes an der Hauptfläche 16 (oberen Fläche in 3) des Sensorelements 10 anzuordnenden Glieds in Entsprechung zu dem Sensorelement 10 als „Hauptfläche“ bezeichnet und wird die Außenfläche jedes an der Rückfläche 17 (unteren Seite von 3) des Sensorelements 10 anzuordnenden Glieds als „Rückfläche“ bezeichnet.
Das Sensorelement 10 ist derart konfiguriert, dass das Erfassungselement 2 und der Heizer 3 übereinander geschichtet sind. Das Erfassungselement 2 weist einen Aufbau auf, in dem die hauptsächlich aus Aluminiumoxid ausgebildeten Isolationsbasiskörper 110 und 130 und die hauptsächlich aus Zirkonoxid ausgebildeten soliden Elektrolytkörper 120 und 140 von der Hauptfläche 16 zu der Rückfläche 17 hin in der folgenden Reihenfolge übereinander geschichtet sind:

Isolationsbasiskörper 110, solider Elektrolytkörper 120, Isolationsbasiskörper 130 und solider Elektrolytkörper 140. Auf den beiden Flächen des soliden Elektrolytkörpers 120 und des soliden Elektrolytkörpers 140 sind jeweils ein Paar von Leitermustern 170 und 180 und ein Paar von Leitermustern 190 und 200 ausgebildet. Die Leitermuster 110 und 130 und die soliden Elektrolytkörper 120 und 140 sind als Plattenkörper mit dünnen Breiten und im wesentlichen derselben Größe ausgebildet.

Die soliden Elektrolytkörper 120 und 140 werden durch einen teilweise stabilisierten, gesinterten Zirkonoxidkörper gebildet, der durch das Zusetzen von Yttriumoxid oder Kalziumoxid als Stabilisierer zu dem Zirkonoxid gebildet wird. Die soliden Elektrolytkörper 120 und 140 enthalten 10 bis 80 Gewichtsprozent Aluminiumoxid in dem Zirkonoxid, zu dem Yttriumoxid als Stabilisierer hinzugefügt wurde.
Die Isolationsbasiskörper 110 und 130 und die nachfolgend beschriebenen Isolationsbasiskörper 150 und 160 sind nicht auf gesinterte Keramikkörper beschränkt, wobei als keramisches Material etwa auch Aluminiumoxid, Spinell, Mullit, Zirkonoxid oder ähnliches verwendet werden kann. Dabei kann nur ein keramisches Material oder können auch zwei verschiedene keramische Materialien in Kombination verwendet werden. In dieser Ausführungsform sind die Isolationsbasiskörper 110, 130, 150 und 160 keramische, gesinterte Körper, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid ausgebildet ist.
Die Leitermuster 170, 180 und 190 und ein Heizwiderstand 220 können aus Elementen der Platingruppe ausgebildet werden. Zu den verwendbaren Elementen der Platingruppe gehören Platin, Rhodium, Palladium usw. Dabei kann nur eines der Elemente oder können auch zwei bzw. mehr der Elemente in einer Kombination verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Leitermuster 170, 180 und 190 und der Heizwiderstand 220 hauptsächlich aus Platin ausgebildet, das eine hervorragende Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bietet.
Weil in dem Leitermuster 200 ein Elektrodenteil 201 wie weiter unten beschrieben als Sauerstoffstandardteil funktioniert, ist wenigstens der Elektrodenteil 201 aus einem porösen Metall ausgebildet, das ein Edelmetall enthält, um sowohl eine elektrische Leitfähigkeit für die Elektrodenfunktion als auch eine Porosität (Sauerstoffdurchlässigkeit) für das Ansammeln von Sauerstoff vorzusehen. Als Edelmetall kann elementares Platin oder eine Legierung aus Platin und wenigstens einem Metall verwendet werden, das aus der Gruppe gewählt ist, die Rhodium, Palladium, Ruthenium und Gold umfasst. Als Edelmetall ist Platin zu bevorzugen, weil es eine hervorragende Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bietet. In dem Leitermuster 200 der vorliegenden Ausführungsform wird eine Konfiguration verwendet, in der wie weiter unten ausführlicher beschrieben ein poröser Teil 212 auf einen Anschlussteil geschichtet ist.
Die Leitermuster 170, 180, 190 und 200 und der Heizwiderstand 220 mit dem darin als Hauptbestandteil enthaltenen Edelmetall können weiterhin einen keramischen Bestandteil enthalten. Der keramische Bestandteil wird vorgesehen, um die Haftungsstärke zwischen den Isolationsbasiskörpern 110, 130, 150 und 160 und den darin eingebetteten Leitermuster 170, 180, 190 und 200 bzw. dem Heizwiderstand 220 zu erhöhen. Der keramische Bestandteil weist vorzugsweise identisch mit demjenigen der Isolationsbasiskörper 110, 130, 150 und 160, in denen die Leitermuster 170, 180, 190 und 200 und der Heizwiderstand 220 eingebettet sind, um die Fixierungsstärke zu verbessern.
Das auf der Hauptfläche des soliden Elektrolytkörpers 120 ausgebildete Leitermuster 170 weist einen Anschlussteil 173 auf, der sich von dem vorderen Ende (der linken Seite in den Zeichnungen) zu dem hinteren Ende (der rechten Seite in den Zeichnungen) des soliden Elektrolytteils 120 erstreckt. Ein Elektrodenteil 171 mit einer breiten Breite ist an dem vorderen Ende des Anschlussteils 173 ausgebildet. Der Isolationsbasiskörper 110 ist auf die Hauptfläche des soliden Elektrolytkörpers 120 geschichtet, wobei dazwischen das Leitermuster 170 eingeschlossen ist. An dem hinteren Ende des Isolationsbasiskörpers 110 ist an einer dem hinteren Endteil 172 des Leitermusters 170 entsprechenden Position ein Durchgangsloch 113 ausgebildet. Auf der Hauptfläche des Isolationsbasiskörpers 110, die zu der Hauptfläche 16 des Sensorelements 10 wird, ist an einer dem Durchgangsloch 113 entsprechenden Position des hinteren Endes ein Elektrodenpad 231 ausgebildet. Das Elektrodenpad 231 ist über einen in dem Durchgangsloch 113 ausgebildeten Durchgangslochleiter elektrisch mit dem hinteren Endteil 172 des Leitermusters 170 verbunden.
An dem vorderen Ende des Isolationsbasiskörpers 110 ist an der Position des Elektrodenteils 171 ein Öffnungsteil 111 vorgesehen, der sich in der Dickenrichtung des Isolationsbasiskörpers 110 erstreckt. In dem Öffnungsteil 111 ist eine poröse Schicht 112 mit einer porösen, hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Struktur vorgesehen. Der Elektrodenteil 171 des Leiterteils 170 ist derart konfiguriert, dass er über die poröse Schicht 112 mit der Luft in Verbindung steht.
Auf der Rückfläche des soliden Elektrolytkörpers 120 ist das Leitermuster 180 ausgebildet, das dem Leitermuster 170 zugewandt ist. Ähnlich wie das Leitermuster 170 weist auch das Leitermuster 180 einen Anschlussteil 183 auf, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende des soliden Elektrolytkörpers 120 erstreckt, wobei ein Elektrodenteil 181 derart ausgebildet ist, dass er an dem vorderen Ende des Anschlussteils 183 breiter ist. Der Elektrodenteil 181 ist an einer dem Elektrodenteil 171 des Leitermusters 170 zugewandten Position angeordnet, wobei dazwischen der solide Elektrolytkörper 120 eingeschlossen ist. Ein Paar von Elektrodenteilen 171 und 181, die dazwischen den soliden Elektrolytteil 120 einschließen, und der solide Elektrolytteil 120 funktionieren als Sauerstoffpumpzelle (nachfolgend auch als „IP-Zelle“ bezeichnet) 240, die Sauerstoff in und aus der Kammer 132 pumpt. An dem hinteren Ende des soliden Elektrolytkörpers 120 und des Isolationsbasiskörpers 110 sind an einer dem hinteren Endteil 182 des Leitermusters 180 entsprechenden Position ein Durchgangsloch 124 und ein Durchgangsloch 114 ausgebildet. An der Hauptfläche des hinteren Endes des Isolationsbasiskörpers 110 ist an einer dem Durchgangsloch 114 entsprechenden Position ein Elektrodenpad 232 ausgebildet. Das Elektrodenpad 232 ist an der Hauptfläche des hinteren Endes des Isolationsbasiskörpers 110 an einer Position parallel zu dem Elektrodenpad 231 in der Breitenrichtung angeordnet. Das Elektrodenpad 232 ist über einen in dem Durchgangsloch 114 ausgebildeten Durchgangslochleiter und einen in dem Durchgangsloch 124 ausgebildeten Durchgangslochleiter elektrisch mit dem hinteren Endteil 182 des Leitermusters 180 verbunden.
Auf die Rückfläche des soliden Elektrolytkörpers 120 ist der Isolationsbasiskörper 130 geschichtet, wobei das Leitermuster 180 zwischen dem Isolationsbasiskörper 130 und dem soliden Elektrolytkörper 120 eingeschlossen ist. An dem vorderen Ende des Isolationsbasiskörpers 130 ist an einer Position, an der auch der Elektrodenteil 181 des Leitermusters 180 angeordnet ist, ein sich in der Dickenrichtung erstreckender Öffnungsteil 131 ausgebildet. Der Öffnungsteil 131 wird durch den soliden Elektrolytteil 120 und den soliden Elektrolytteil 140 geschlossen, die in der Dickenrichtung auf dem Isolationsbasiskörper 130 geschichtet sind. Der innere Teil des Öffnungsteils 131 wird durch die Gaserfassungskammer 132 eingenommen. Der Elektrodenteil 181 des Leitermusters 180 ist in der Gaserfassungskammer 132 angeordnet.
Ein Diffusionsraten-Begrenzungsteil 133 ist in einer Seitenwand des Öffnungsteils 131 in der Breitenrichtung des Isolationsbasiskörpers 130 vorgesehen. Der Diffusionsraten-Begrenzungsteil 133 ist als ein poröser Körper aus Aluminiumoxid ausgebildet und derart konfiguriert, dass das Abgas aus der Umgebung des Sensorelements 10 über den Diffusionsraten-Begrenzungsteil 133 in die Gaserfassungskammer eingeführt wird. Der Diffusionsraten-Begrenzungsteil 133 ist vorgesehen, um die in die Gaserfassungskammer 132 einfließende Menge des Abgases zu begrenzen.
Der solide Elektrolytkörper 140 ist auf die Rückfläche des Isolationsbasiskörpers 130 geschichtet. Auf der Hauptfläche des soliden Elektrolytkörpers 140 ist ein den Leitermustern 170 und 180 ähnliches Leitermuster 190 ausgebildet, das einen Anschlussteil 193, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Teil des soliden Elektrolytteils 140 erstreckt, und einen Elektrodenteil 191 mit einer breiteren Breite an dem vorderen Ende des Anschlussteils 193 aufweist. Der Elektrodenteil 191 des Leitermusters 190 liegt zu der Gaserfassungskammer 132 hin frei. Ein Durchgangsloch 132 ist an dem hinteren Ende des Isolationsbasiskörpers 130 an einer dem hinteren Endteil 192 des Leitermusters 190 entsprechenden Position ausgebildet. Diese Position des Durchgangslochs 134 entspricht weiterhin der Position des hinteren Endteils 182 des Leitermusters 180 auf der Hauptfläche des Isolationsbasiskörpers 130. Der hintere Endteil 182 des Leitermusters 180 und der hintere Endteil 192 des Leitermusters 190 sind über einen in dem Durchgangsloch 134 ausgebildeten Durchgangslochleiter elektrisch miteinander verbunden. Das Leitermuster 180, das Leitermuster 190 und das Elektrodenpad 232 sind also elektrisch miteinander verbunden.
Weiterhin ist das dem Leitermuster 190 zugewandte Leitermuster 200 auf der Rückfläche des soliden Elektrolytkörpers 140 ausgebildet. Ähnlich wie das Leitermuster 190 umfasst das Leitermuster 200 einen Anschlussteil 203, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende des soliden Elektrolytkörpers 140 erstreckt, und einen Elektrodenteil 201 mit einer breiteren Breite an dem vorderen Endteil des Anschlussteils 203. Der Elektrodenteil 201 ist an einer dem Elektrodenteil 191 des Leitermusters 190 zugewandten Position angeordnet, wobei dazwischen der solide Elektrolytkörper 140 eingeschlossen ist. Das Paar der Leitermuster 190 und 200 (insbesondere das Paar der Elektrodenteile 191 und 201), das dazwischen den soliden Elektrolytkörper 140 einschließt, und der solide Elektrolytkörper 140 funktionieren als Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle (nachfolgend auch als „VS-Zelle“ bezeichnet) 245.
Ein Elektrodenpad 233 ist parallel zu dem Elektrodenpad 231 und dem Elektrodenpad 232 auf der Hauptfläche des hinteren Endes des Isolationsbasiskörpers 110 ausgebildet. Die Anordnungsposition des hinteren Endes 202 des Leitermusters 200 entspricht der Ausbildungsposition des Elektrodenpads 233 in der Breitenrichtung. Die Durchgangslöcher 115, 125, 135 und 145, die sich aneinander anschließend in der Dickenrichtung erstrecken, sind jeweils in dem Isolationsbasiskörper 110, dem soliden Elektrolytkörper 120, dem Isolationsbasiskörper 130 und dem soliden Elektrolytkörper 140 ausgebildet, die zwischen dem hinteren Endteil 202 des Leitermusters 200 und dem Elektrodenpad 233 angeordnet sind. Außerdem sind der hintere Endteil 202 des Leitermusters 200 und das Elektrodenpad 233 über in den Durchgangslöchern 115, 125, 135 und 145 ausgebildete Durchgangslochleiter elektrisch miteinander verbunden.
Im Folgenden wird die Konfiguration des Heizers 3 beschrieben. Der Heizer 3 weist einen Aufbau auf, in dem ein Heizwiderstand 220 zwischen der Rückfläche eines Isolationsbasiskörpers 150, der aus einem isolierenden Aluminiumoxid als Hauptbestandteil ausgebildet ist, und der Hauptfläche des Isolationsbasiskörpers 160 eingeschlossen ist. Der Heizwiderstand 220 umfasst ein Leitermuster, das mit dem Heizer 3 verbunden ist, und weist einen Heizteil 221 auf, der ein Muster mit einer kleinen Querschnittfläche aufweist, sodass das Heizen hauptsächlich an dem Heizteil 221 erfolgt. Der Heizteil 221 ist an dem vorderen Endteil 11 (siehe 2, linke Seite von 3) des Sensorelements 10 installiert. Zwei Anschlussteile 223, die jeweils mit den beiden Enden des Heizteils 221 verbunden sind, weisen größere Querschnittflächen auf als der Heizteil 221 und erstrecken sich zu dem hinteren Ende (der rechten Seite in 3) der Isolationsbasiskörper 150 und 160 entlang der Axialrichtung O. Weiterhin sind die zwei Anschlussteile 233 in einer Reihe in der Breitenrichtung angeordnet.
Zwei Elektrodenpads 234 und 235, die in der Breitenrichtung des Isolationsbasiskörpers 160 angeordnet sind, sind an der Rückfläche an dem hinteren Ende des Isolationsbasiskörpers 160 vorgesehen. Die Elektrodenpads 234 und 235 sind jeweils über die in zwei Durchgangslöchern 164 und 165 ausgebildeten Durchgangslochleiter mit den hinteren Endteilen 222 der zwei Anschlussteile 233 des Heizwiderstands 220 verbunden.
Im Folgenden wird der Betrieb zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration eines unter Verwendung des Sauerstoffsensors 1 zu erfassenden Gases (des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Abgases) beschrieben. Zuerst wird ein kleiner Strom von dem Elektrodenteil 201 der VS-Zelle 245 zu dem Elektrodenteil 191 geführt. Durch den elektrische Strom wird Sauerstoff in dem zu erfassenden Gas von dem Elektrodenteil 191 über den soliden Elektrolytkörper 140 zu dem Elektrodenteil 201 geführt, sodass der Elektrodenteil 201 als Sauerstoffstandardteil funktioniert. Dann wird die zwischen den Elektrodenteilen 191 und 201 erzeugte elektromotorische Kraft Vs erfasst und wird die Größe oder die Richtung des zwischen den Elektrodenteilen 171 und 181 der IP-Zelle 240 fließenden Pumpstroms Ip gesteuert, sodass die elektromotorische Kraft Vs zu einer Standardspannung wird. Außerdem werden die in dem Gas enthaltene Sauerstoffkonzentration und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf der Basis der Größe und der Richtung des aus dem Sauerstoffsensor 1 ausgegebenen Pumpstroms Ip spezifiziert.
Im Folgenden wird der Aufbau des Leitermusters 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. Die oberen und unteren Flächen des Leitermusters 200 von 4 und 5 sind in Bezug auf die in 3 gezeigte Konfiguration umgekehrt, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Wie in 4 und 5 gezeigt, weist das Leitermuster 200 der vorliegenden Erfindung einen einschichtigen Aufbau auf, in dem der Elektrodenteil 201 sowohl eine elektrische Leitfähigkeit als auch eine Sauerstoffdurchlässigkeit vorsieht. Weiterhin sind der Anschlussteil 203 zum Vorsehen einer elektrischen Leitfähigkeit und der poröse Teil 212 zum Vorsehen einer Sauerstoffdurchlässigkeit auf den Anschlussteil 203 geschichtet. Das hintere Ende des Elektrodenteils 201 ist mit dem vorderen Ende des Anschlussteils 203 und dem porösen Teil 212 verbunden und zwischen denselben eingeschlossen. In der vorliegenden Ausführungsform liegt die Dicke des Elektrodenteils 201 bei 30 µm. Weiterhin liegen die Dicke des Anschlussteils 203 bei 10 µm und die Dicke des porösen Teils 212 bei 50µm.
Der Elektrodenteil 201 ist aus einem porösen Metall ausgebildet, in dem eine Paste aus einem keramischen Bestandteil und einem damit gemischten Edelmetall gesintert ist. Der Elektrodenteil 201 ist ein gesinterter Körper, in dem ein Aluminiumoxid mit einem Anteil von 14 Gewichtsprozent mit Platin gemischt ist. Das Sintern des Platins in der Paste wird durch das Aluminiumoxid behindert, sodass sich die Porosität erhöht. Der gesinterte Körper weist also sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch eine Porosität auf. Deshalb funktioniert der Elektrodenteil 201 nicht nur als Elektrode, sondern sammelt auch Sauerstoff in dem zu erfassenden Gas an, das über den soliden Elektrolytkörper 140 geführt wird. Der Elektrodenteil 201 funktioniert also auch als Sauerstoffstandardteil.
Der Anschlussteil 203 weist einen elektrischen Widerstand auf, der kleiner als derjenige des Elektrodenteils 201 ist, wobei der elektrische Widerstand in Bezug auf dasselbe Volumen des Elektrodenteils 201 zum Beispiel gleich oder kleiner als 1/5 ist. Der Anschlussteil 203 ist hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet und enthält kaum (oder überhaupt kein) keramisches Bestandteil. Weiterhin ist der Anteil in Gewichtsprozent des keramischen Materials gleich oder kleiner als 1/3 des Elektrodenteils 201. Der Anschlussteil 203 ist ein gesinterter Körper aus einer Paste, in der Aluminiumoxid mit einem Anteil von 3,5 Gewichtsprozent zu Platin gemischt ist. Aufgrund des kleinen Anteils des keramischen Materials schreitet das Sintern des in der Paste enthaltenen Platins ungehindert fort und wird die Porosität vermindert. Deshalb weist der Anschlussteil 203 eine größere elektrische Leitfähigkeit auf als der Elektrodenteil 201, sodass der Elektrodenteil 201 und der hintere Endteil 202 elektrisch miteinander verbunden sind.
Der poröse Teil 212 weist eine größere Porosität auf als der Elektrodenteil 201 und ist als ein keramischer Sinterkörper ausgebildet, in dem eine Paste aus einem Poren bildenden Material mit einem dazu gemischten keramischen Material gesintert ist. Der poröse Teil 212 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Sinterkörper einer Paste, in der Kohlenstoff mit Aluminiumoxid oder Zirkonoxid gemischt ist, und weist eine Porosität von 30 bis 50 Volumenprozent auf. Deshalb weist der poröse Teil 212 eine größere Porosität (d.h. Sauerstoffdurchlässigkeit) auf als der Anschlussteil 203. Weiterhin veranlasst der poröse Teil 212 ein Überlaufen von Sauerstoff von dem Elektrodenteil 201, der sich in einem sauerstoffgesättigten Zustand befindet, zu dem hinteren Endteil 202. Der Sauerstoff würde ansonsten aufgrund seiner isolierenden Eigenschaft die elektrische Verbindung stören.
Weiterhin wird die hintere Seite des Elektrodenteils 201 durch das vordere Ende des porösen Teils 212 bedeckt, während der Elektrodenteil 201 wiederum das vordere Ende des Anschlussteils 203 bedeckt. Der Grund hierfür ist, dass der Anschlussteil 203 die kleinste Porosität aufweist, der Elektrodenteil 201 eine größere Porosität aufweist und der poröse Teil 212 eine noch größere Porosität aufweist. Wenn zum Beispiel der Anschlussteil 203 auf dem porösen Teil 212 ausgebildet wird, erstreckt sich der Anschlussteil 203 in den porösen Teil 212 und wird die Porosität des porösen Teils 212 vermindert, sodass sich auch die Sauerstoffdurchlässigkeit vermindert. Wenn dagegen der Anschlussteil 203, der Elektrodenteil 201 und der poröse Teil 212 in dieser Reihenfolge ausgebildet werden, kann die Sauerstoffdurchlässigkeit des Elektrodenteils 201 und des porösen Teils 212 aufrechterhalten werden.
Weiterhin erstrecken sich der Anschlussteil 203 und der poröse Teil 212 jeweils in den hinteren Endteil 202 des Leitermusters 200. Weiterhin ist der Anschlussteil 203 über einen Durchgangslochverbindungskörper 204 an der Hauptfläche des hinteren Endteils 202 mit einem in dem Durchgangsloch 145 vorgesehenen Durchgangslochleiter verbunden. Auf diese Weise werden der Elektrodenteil 201 und das Elektrodenpad 233 über das Durchgangsloch 145 elektrisch miteinander verbunden. Weiterhin ist der poröse Teil 212 mit dem Durchgangsloch 145 verbunden, sodass der von dem Elektrodenteil 201 überlaufende Sauerstoff über das Durchgangsloch 145 aus dem Sensorelement 10 nach außen austreten kann.
Das Leitermuster 200 kann unter Verwendung eines Produktionsprozesses (siehe z.B. JP-A-2008-14764 ) für ein bekanntes Gassensorelement hergestellt und in dem Sensorelement 10 installiert werden. Zum Beispiel wird in dem Prozess zum Erzeugen einer Elektrode gemäß einer bekannten Siebdrucktechnik an der Rückfläche eines nicht-gebackenen soliden Elektrolytkörpers (nicht gezeigt), der nach dem Backen zu einem soliden Elektrolytkörper 140 wird, zuerst ein nicht-gebackener Anschlussteil (nicht gezeigt), der nach dem Backen zu dem Anschlussteil 203 wird, vorgesehen. Dann werden nichtgebackene Elektroden (nicht gezeigt), die nach dem Backen zu den Elektrodenteilen 201 werden, derart ausgebildet, dass ein Teil derselben das vordere Ende des nicht-gebackenen Anschlussteils, der nach dem Backen zu dem Anschlussteil 203 wird, überlappt. Außerdem wird ein nicht-gebackener poröser Teil (nicht gezeigt), der nach dem Backen zu dem porösen Teil 212 wird, derart ausgebildet, dass er einen nicht-gebackenen Anschlussteil (nicht gezeigt), der nach dem Backen zu dem Anschlussteil 203 wird, bedeckt.
Wie oben beschrieben, wird in dem Sauerstoffsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ein zweischichtiger Aufbau verwendet, in dem ein Anschlussteil 203 zum Vorsehen der elektrischen Verbindung und ein poröser Teil 212 zum Vorsehen einer Sauerstoffdurchlässigkeit übereinander geschichtet sind. Weil ein geschichteter Aufbau verwendet wird, in dem der Anschlussteil 203 und der poröse Teil 212 funktionell voneinander getrennt sind, werden der Entwurf und die Herstellung des Sensorelements 10 vereinfacht.
Weiterhin ist der Anschlussteil 203, der nur eine elektrische Verbindung vorsieht, hauptsächlich aus Platin ausgebildet und weist einen Anteil an Aluminiumoxid (oder allgemein eines keramischen Materials) auf, der kleiner als derjenige des Elektrodenteils 201 ist. Deshalb kann der Anschlussteil 203 verdichtet werden und kann die elektrische Leitfähigkeit verbessert werden.
Im Gegensatz dazu ist der poröse Teil 212, der die Sauerstoffdurchlässigkeit vorsieht, aus Aluminiumoxid ausgebildet und weist eine Gasdurchlässigkeit auf, die größer als diejenige des Anschlussteils 203 ist. Deshalb kann der Innendruck des Sauerstoffs in dem porösen Teil 212 einfach geregelt werden, indem die Flusspfad-Querschnittfläche und die Porosität des porösen Teils 212 geregelt werden. Die Ausgaberegelung der Sauerstoffflussrate wird also auf der Basis des Sauerstoffteildrucks vereinfacht, sodass die Sauerstoffflussrate stabilisiert werden kann.
Weiterhin weist in dem Sauerstoffsensor 1 der ersten Ausführungsform der poröse Teil 212 eine Gasdurchlässigkeit auf, die größer als diejenige des Elektrodenteils 201 ist. Wenn also der sich in dem Elektrodenteil 201 ansammelnde Sauerstoff gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert (Teildruck ist), kann der übermäßige Sauerstoff einfach über den porösen Teil 212 nach außen gezogen werden.
Weiterhin ist in dem Sauerstoffsensor 1 der ersten Ausführungsform der poröse Teil 212 auf den Anschlussteil 203 geschichtet. Deshalb können ein Anschlussteil 203 und ein poröser Teil 212, die jeweils für ihre entsprechenden Aufgaben konfiguriert sind, einfach und genau ausgebildet werden.
Weiterhin ist in dem Sauerstoffsensor 1 der ersten Ausführungsform der Anschlussteil 203 über einen Durchgangslochleiter elektrisch mit dem Elektrodenpad 233 verbunden und steht ein Teil des porösen Teils 212 über die Durchgangslöcher 115, 125, 135 und 145 in dem Durchgangslochleiter in Verbindung mit der Umgebung außerhalb des Sensorelements 10. Deshalb kann übermäßiger Sauerstoff, der aus dem Elektrodenteil 201 überläuft, einfach abgeführt werden.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform des Gassensorelements der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Wie bereits weiter oben erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
In der vorliegenden (zweiten) Ausführungsform wird ähnlich wie in der ersten Ausführungsform als Beispiel für ein Gassensorelement das Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 verwendet, wobei der mechanische Aufbau im wesentlichen identisch mit dem für die erste Ausführungsform beschriebenen ist. Im Folgenden werden identische Komponenten wie in der ersten Ausführungsform durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform näher erläutert werden.
Wie in 6 gezeigt, ist in dem Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ein Paar von Leitermustern 190 und 300 ausgebildet, die dazwischen den soliden Elektrolytkörper 140 einschließen. Das Leitermuster 300 der vorliegenden Ausführungsform ist im wesentlichen identisch mit dem Leitermuster 200 der ersten Ausführungsform, wobei jedoch der Anschlussteil 303 und der poröse Teil 312 parallel zueinander angeordnet sind und ein hinterer Endteil 302 vorgesehen ist. Die Details werden im Folgenden beschrieben.
Das Leitermuster 300 umfasst einen Anschlussteil 303, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende des soliden Elektrolytkörpers 140 erstreckt, einen Elektrodenteil 301, der an dem vorderen Ende des Anschlussteils 303 mit einer breiten Breite ausgebildet ist, und einen hinteren Endteil 302, der an dem hinteren Ende des Anschlussteils 303 mit im wesentlichen derselben Breite ausgebildet ist wie der Elektrodenteil 301. Der Elektrodenteil 301 ist an einer dem Elektrodenteil 191 des Leitermusters 190 zugewandten Position angeordnet, wobei dazwischen der solide Elektrolytkörper 140 eingeschlossen ist. Ein Paar von Leitermustern 190 und 300 (insbesondere ein Paar von Elektrodenteilen 191 und 301), die dazwischen den soliden Elektrolytkörper 140 einschließen, und der solide Elektrolytkörper 140 funktionieren als die Vs-Zelle 245. Weiterhin sind der hintere Endteil 302 des Leitermusters 300 und das Elektrodenpad 233 derart konfiguriert, dass sie über die Durchgangslochleiter in den Durchgangslöchern 115, 125, 135 und 145 elektrisch miteinander verbunden sind.
Im Folgenden wird der spezifische Aufbau des Leitermusters 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben. Dabei sind die obere und die untere Fläche des Leitermusters 300 von 7 und 8 in Bezug auf die Konfiguration von 6 umgekehrt, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Wie in 7 und 8 gezeigt, weisen in dem Leitermuster 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Elektrodenteil 301 und der hintere Endteil 302 einen einschichtigen Aufbau auf, der sowohl eine elektrische Leitfähigkeit als auch eine Sauerstoffdurchlässigkeit vorsieht. Weiterhin bilden der Anschlussteil 303 zum Vorsehen einer elektrischen Leitfähigkeit und der poröse Teil 312 zum Vorsehen einer Sauerstoffdurchlässigkeit einen zweischichtigen Aufbau, der sich in der horizontalen Richtung nach links und rechts (in der vertikalen Richtung 7) erstreckt. Der poröse Teil 312 ist also von dem Anschlussteil 303 getrennt und mit dem hinteren Ende des Elektrodenteils 301 und dem vorderen Ende des hinteren Endteils 302 verbunden. Weiterhin liegen die Dicken des Elektrodenteils 301, des hinteren Endteils 302, des Anschlussteils 303 und des porösen Teils 312 alle im wesentlichen bei 30 µm.
Weiterhin sind wie in 7 gezeigt das vordere Ende und das hintere Ende des Anschlussteils 303 jeweils durch das hintere Ende des Elektrodenteils 301 und den hinteren Endteil 302 bedeckt. Der Grund hierfür ist, dass der Anschlussteil 303 eine kleinere Porosität aufweist als der Elektrodenteil 301 oder der hintere Endteil 302. Wenn zum Beispiel der Anschlussteil 303 an dem Elektrodenteil 301 oder dem hinteren Endteil 302 ausgebildet ist, erstreckt sich der Anschlussteil 303 in den Elektrodenteil 301 oder den hinteren Endteil 302, wodurch die Porosität des Elektrodenteils 301 oder des hinteren Endteils 302 vermindert wird und dementsprechend die Sauerstoffdurchlässigkeit vermindert wird. Im Gegensatz dazu sind der Elektrodenteil 301 und der hintere Endteil 302 an dem Anschlussteil 303 ausgebildet, sodass die Sauerstoffdurchlässigkeit des Elektrodenteils 301 und des hinteren Endteils 302 aufrechterhalten werden können.
Weiterhin bedecken wie in 7 gezeigt das vordere Ende und das hintere Ende des porösen Teils 312 jeweils das hintere Ende des Elektrodenteils 301 und den hinteren Endteil 302. Der Grund hierfür ist, dass der poröse Teil 312 eine größere Porosität aufweist als der Elektrodenteil 301 oder der hintere Endteil 302. Wenn zum Beispiel der Elektrodenteil 301 oder der hintere Endteil 302 an dem porösen Teil 312 ausgebildet ist, erstreckt sich der Elektrodenteil 301 oder der hintere Endteil 302 in den porösen Teil 312, wodurch die Porosität des porösen Teils 312 vermindert wird und dementsprechend die Sauerstoffdurchlässigkeit vermindert wird. Im Gegensatz dazu wird der poröse Teil 312 und dem Elektrodenteil 301 und dem hinteren Endteil 302 ausgebildet, sodass die Sauerstoffdurchlässigkeit des porösen Teils 312 aufrechterhalten werden kann.
In dem Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 der oben beschriebenen Ausführungsform entspricht der solide Elektrolytkörper 140 dem „soliden Elektrolytkörper“ der vorliegenden Erfindung. Die Elektrodenteile 191 und 201 und die Elektrodenteile 191 und 301 entsprechend jeweils einem „Paar von Elektroden“ der vorliegenden Erfindung. Der Elektrodenteil 191 entspricht dem „Messelektrodenteil“ der vorliegenden Erfindung, und die Elektrodenteile 201 und 301 entsprechen dem „Standardelektrodenteil“ der vorliegenden Erfindung. Die Anschlussteile 203 und 303 entsprechen dem „Anschlussteil“ der vorliegenden Erfindung. Die porösen Teile 212 und 312 entsprechen dem „porösen Teil“ der vorliegenden Erfindung. Die Durchgangslöcher 115, 125, 135 und 145 entsprechen dem „Durchgangsloch“ der vorliegenden Erfindung.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, wobei verschiedene Modifikationen an der Form und den Details der Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.
Zum Beispiel steht in der zweiten Ausführungsform der poröse Teil 312 mit den Durchgangslöchern 115, 125, 135 und 145 in Verbindung, in denen die mit dem hinteren Endteil 302 des Leitermusters 300 verbundenen Durchgangslochleiter ausgebildet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Im Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel des Sensorelements 10 des Sauerstoffsensors 1 gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf 9 und 10 beschrieben.
Wie in 9 und 10 gezeigt, sind in dem Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 gemäß dem vorliegenden modifizierten Beispiel in den hinteren Endteilen des Isolationsbasiskörpers 110, des soliden Elektrolytkörpers 120, des Isolationsbasiskörpers 130 und des soliden Elektrolytkörpers 140 jeweils Durchgangslöcher 116, 126, 136 und 146 ausgebildet, die sich aneinander anschließend in der Dickenrichtung durch dieselben erstrecken. Weiterhin sind die Durchgangslöcher 116, 126, 136 und 146 an Positionen vorgesehen, die die Elektrodenpads 231, 232 und 233 nicht überlappen, wobei auch keine Durchgangslochleiter in den Durchgangslöchern ausgebildet sind.
Außerdem ist der hintere Endteil 321 des Leitermusters 300 (insbesondere des Anschlussteils 303) über einen Durchgangslochverbindungsteil 305 mit den Durchgangslöchern 145 verbunden. Das Leitermuster 300 ist also über die in den Durchgangslöchern 115, 125, 135 und 145 ausgebildeten Durchgangslochleiter mit dem Elektrodenpad 233 verbunden. Weiterhin ist der hintere Endteil 322 des porösen Teils 312 über einen Durchgangslochverbindungsteil 306 an der Hauptfläche des hinteren Endteils 322 mit dem Durchgangsloch 146 verbunden. Das heißt, der poröse Teil steht über die Durchgangslöcher 116, 126, 136 und 146 in einer Verbindung mit der Umgebung außerhalb des Sensorelements 10.
Für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde als Gassensor zum Erfassen der Gaskonzentration eines spezifischen Bestandteils in dem zu messenden Gas ein Sauerstoffsensor 1 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas verwendet, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann auch auf einen Gassensor angewendet werden, der einen Standardsauerstoffteil als internen Bezug erzeugt. Zum Beispiel kann in einem NO_x-Sensor zum Erfassen der NO_x-Konzentration in dem zu erfassenden Gas der Anschlussteil des Leitermusters einschließlich des als Sauerstoffstandardteil dienenden Elektrodenteils mit der für die vorstehend erläuterten Ausführungsformen oder das modifizierte Beispiel beschriebenen Konfiguration ausgebildet werden.
Weiterhin sind in der ersten Ausführungsform der Anschlussteil 203 und der poröse Teil 212 direkt über das Durchgangsloch 145 miteinander verbunden, wobei aber auch ein Teil vorgesehen werden kann, in dem der Elektrodenteil 201 und der hintere Endteil 203 aus demselben Material (wie in der zweiten Ausführungsform) ausgebildet sind.
Weiterhin werden in der ersten und in der zweiten Ausführungsform in dem Sauerstoffsensor 10 mit der Gaserfassungskammer 132 und der VS-Zelle 245, die durch den zu der Gaserfassungskammer 132 hin freiliegenden Elektrodenteil 191 und den Elektrodenteil 201 gebildet wird, die Anschlussteile 203 und 303 und die porösen Teile 212 und 312 verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung einschließlich des Anschlussteils und des porösen Teils kann auch auf einen Gassensor (z.B. in einem Lambda-Sensor) angewendet werden, der keine Gaserfassungskammer aufweist und in dem ein Elektrodenteil dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, während der andere Elektrodenteil einen Sauerstoffstandardteil bildet.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität auf der Basis der japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-252003 vom 2. November 2009 und auf der Basis der japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-193353 vom 31. August 2010, die hier beide vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen sind.

Claims

Gassensor (1), der umfasst: ein Sensorelement (10), das konfiguriert ist, um eine spezifische Gaskomponente in einem zu messenden Gas zu erfassen, wobei das Sensorelement (10) umfasst: einen plattenförmigen, soliden Elektrolytkörper (140), und ein Paar von Elektroden (191, 201, 301), die derart auf den soliden Elektrolytkörper (140) geschichtet sind, dass der solide Elektrolytkörper (140) zwischen denselben angeordnet ist, wobei das Paar von Elektroden (191, 201, 301) einen Messelektrodenteil (191), der dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und einen Standardelektrodenteil (201, 301) umfasst, der in einem inneren Teil des Sensorelements (10) angeordnet ist und aufgrund des durch einen elektrischen Strom verursachten Einfließens von Sauerstoff in dem zu erfassenden Gas über den soliden Elektrolytkörper (140) zu dem Standardelektrodenteil (201, 301) als ein Sauerstoffstandardteil funktioniert, wobei ein Anschlussteil (203, 303), der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytkörpers (140) in den inneren Teil des Sensorelements (10) erstreckt, mit dem Standardelektrodenteil (201, 301) verbunden ist, wobei der Standardelektrodenteil (201, 301) hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und ein keramisches Material enthält, wobei der Anschlussteil (203, 303) hauptsächlich aus einem Edelmetall ausgebildet ist und einen Anteil eines keramischen Materials enthält, der kleiner als derjenige des Standardelektrodenteils (201, 301) ist, und wobei ein poröser Teil (212, 312), der sich entlang der Oberfläche des soliden Elektrolytkörpers (140) zu dem inneren Teil des Sensorelements (10) erstreckt, eine Gasdurchlässigkeit aufweist, die größer als diejenige des Anschlussteils (203, 303) ist, hauptsächlich aus einem keramischen Material ausgebildet ist und mit dem Standardelektrodenteil (201, 301) verbunden ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der poröse Teil (212, 312) eine größere Gasdurchlässigkeit aufweist als der Standardelektrodenteil (201, 301).
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der poröse Teil (212, 312) entlang der Schichtungsrichtung des Paares von Elektroden (191, 201, 301) auf den Anschlussteil (203, 303) geschichtet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Anschlussteil (203, 303) elektrisch über einen Durchgangslochleiter mit einem auf der Oberfläche des Sensorelements (10) vorgesehenen Elektrodenpad (233) verbunden ist, und wobei ein Teil des porösen Teils (212) über ein in dem Durchgangslochleiter vorgesehenes Durchgangsloch (115, 125, 135, 145) mit der Umgebung außerhalb des Sensorelements (10) in Verbindung steht.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall ein elementares Platin oder eine Legierung aus Platin und wenigstens einem Metall ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die Rhodium, Palladium, Ruthenium und Gold umfasst.