DE102014107471A1

DE102014107471A1 - Gassensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE102014107471A1
Application number: DE201410107471
Authority: DE
Inventors: c/o NGK SPARK PLUG CO. LTD. Oya Seiji
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2014-12-04
Also published as: US9528960B2; US20140353155A1; JP2015007610A; JP6105507B2

Abstract

Eine Querschnittsform eines Spalts (180), welche durch Schneiden einer laminierten Struktur (190) eines Gassensorelementes (100) entlang einer Ebene (YZ) orthogonal zu der Längsrichtung (X) erhalten wird, weist einen Endpunkt A, welcher einer von den Kontaktpunkten ist, mit welchen die Querschnittsform in Einzelpunktkontakt mit einer virtuellen geraden Linie (VLa) steht, welche zu einer Laminierungsrichtung (Z) mehrerer Keramikschichten (110, 120, 130) parallel ist, wobei der eine Kontaktpunkt am nächsten zu einer Seitenfläche (193) der laminierten Struktur (190) liegt, welche sich in der Längsrichtung (X) und in der Laminierungsrichtung (Z) erstreckt, einen Endpunkt B, welcher einer der Kontaktpunkte ist, welcher am nächsten zu einer anderen Seitenfläche (194) der laminierten Struktur (190) liegt, welche der einen Seitenfläche entgegengesetzt ist, einen Endpunkt C, welcher den größten Abstand von einer geraden Linie AB, in Richtung auf eine Feststoffelektrolyt-Keramikschicht aufweist, und einen Endpunkt D auf, welcher den größten Abstand von der geraden Linie AB in Richtung auf eine andere Keramikschicht aufweist. Der Abstand H1 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt C und der Abstand H2 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt D erfüllen 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00. Die Höhe H, welche die Summe des Abstands H1 und des Abstands H2 ist, liegt innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 100 µm.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor.
Hintergrund der Erfindung
Ein plattenförmiges Gassensorelement, welches mehrere Keramikschichten aufweist, welche zusammen geschichtet sind, ist als ein Gassensorelement bekannt, welches für einen Gassensor verwendet wird (man siehe beispielsweise die Patentschriften 1 bis 3). Ein derartiges Gassensorelement weist eine Feststoffelektrolyt-Keramikschicht als eine der Keramikschichten auf. Elektroden zum Detektieren einer spezifischen Gaskomponente, welche in einem Objektgas (Gas, welches gemessen werden soll) enthalten ist, sind auf den Oberflächen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht ausgebildet. Ein Spalt zum Leiten eines Referenzgases oder des Objektgases an die entsprechende Elektrode ist in dem Gassensorelement ausgebildet. Im Allgemeinen weist ein Gassensor einen Heizapparat auf, und die elektrische Leistung, welche zum Erhitzen des Heizapparates nötig ist, kann durch Reduzieren der Größe des Gassensors vermindert werden.
Patentschriften

Patentschrift 1: Japanische Offenlegungspatentanmeldung (kokai) Nr. 2010-261727
Patentschrift 2: Japanische Offenlegungspatentanmeldung (kokai) Nr. 2003-185622
Patentschrift 3: Japanische Offenlegungspatentanmeldung (kokai) Nr. 2002-340845

Kurzfassung der Erfindung
Um die Nachfrage nach einer Reduktion des Stromverbrauchs zu erfüllen, kann die Größe des Gassensors reduziert werden, indem die Höhe des Spalts des Gassensorelementes vermindert wird, um dadurch die Dicke des Gassensorelementes zu vermindern. Jedoch weisen die Gassensorelemente, welche in Patentschriften 1 bis 3 offenbart sind, dadurch ein Problem auf, dass, wenn die Höhe des Spalts des Gassensorelementes vermindert wird, das Gassensorelement in einer Herstellungsphase bricht und keine ausreichende Festigkeit aufweist. Insbesondere in den Fall, dass ein Gassensorelement in einer Umgebung verwendet wird, bei welcher eine relativ große Temperaturveränderung auftritt (z. B. in dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors), kann das Gassensorelement, auch wenn es in der Herstellungsphase nicht bricht, aufgrund eines thermischen Schocks brechen, welcher durch Wiederholung eines schnellen Temperaturanstiegs und Abkühlung bewirkt wird. Deshalb muss ein derartiges Gassensorelement eine ausreichende Festigkeit gegen einen thermischen Schock aufweisen (thermische Schockfestigkeit).
Die vorliegende Erfindung wurde erzielt, um so die oben stehend beschriebenen Aufgaben zu lösen, und kann in den folgenden Arten realisiert werden.

(1) Gemäß einer Art der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensorelement bereitgestellt, welches eine plattenförmige laminierte Struktur umfasst, bei welcher mehrere Keramikschichten, welche eine Feststoffelektrolyt-Keramikschicht mit einer auf einer Oberfläche davon ausgebildeten Elektrode umfassen, laminiert sind, wobei die laminierte Struktur einen Spalt aufweist, welcher zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht und einer zweiten Keramikschicht ausgebildet ist, sich in einer Längsrichtung der laminierten Struktur erstreckt und zu welchem die Elektrode freiliegend ist. Bei dem Gassensorelement weist eine Querschnittsform des Spalts, welche durch Schneiden der laminierten Struktur entlang einer Ebene orthogonal zu der Längsrichtung erhalten wird, einen Endpunkt A, welcher einer von Kontaktpunkten ist, mit welchen die Querschnittsform in Einzelpunktkontakt mit einer virtuellen geraden Linie steht, welche zu einer Laminierungsrichtung der mehreren Keramikschichten parallel ist, wobei der eine Kontaktpunkt am nächsten zu einer Seitenfläche der laminierten Struktur liegt, welche sich in der Längsrichtung und in der Laminierungsrichtung erstreckt, einen Endpunkt B, welcher einer der Kontaktpunkte ist, welcher am nächsten zu einer anderen Seitenfläche der laminierten Struktur liegt, welche der einen Seitenfläche gegenüber liegt, einen Endpunkt C, welcher den größten Abstand von einer geraden Linie AB aufweist, welche durch den Endpunkt A und den Endpunkt B in Richtung auf die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht geht, und einen Endpunkt D auf, welcher den größten Abstand von der geraden Linie AB in Richtung auf die zweite Keramikschicht aufweist. Ein Abstand H1 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt C und ein Abstand H2 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt D erfüllen eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder eine Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00, und eine Höhe H des Spalts, welche die Summe des Abstands H1 und des Abstands H2 ist, liegt in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm. Es wird angemerkt, dass die Querschnittsform des Spalts durch die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht und eine andere (zweite) Keramikschicht definiert werden. Gemäß dieser Art ist es möglich, eine Ausbildung von Brüchen in dem Gassensorelement während seiner Herstellung zu unterdrücken. Es ist deshalb möglich, das Gassensorelement ausreichend stabil anzufertigen, während die Höhe des Spalts in dem Gassensorelement vermindert wird. Im Ergebnis kann die Dicke des Gassensorelementes reduziert werden. Außerdem liegt gemäß dieser Art die Höhe H des Spalts in dem Bereich von 10 µm bis 100 µm. Es ist deshalb möglich, die thermische Schockfestigkeit des Gassensorelementes zu verbessern, während einer ausreichenden Luftmenge ermöglicht wird, durch den Spalt zu passieren. Wenn die Höhe H des Spalts kleiner als 10 µm ist, kann der Spalt vielleicht keiner ausreichenden Luftmenge ermöglichen, durch den Spalt zu passieren. Wenn die Höhe H des Spalts größer als 100 µm ist, verschlechtert sich die thermische Schockfestigkeit des Gassensorelementes. Es ist deshalb nicht bevorzugt, dass die Höhe H des Spalts kleiner als 10 µm ist oder größer als 100 µm ist.
(2) Bei dem oben stehend beschriebenen Gassensorelement können der Abstand H1 und der Abstand H2 eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 ≤ 0,67 oder eine Relation 1,50 ≤ H1/H2 ≤ 4,00 erfüllen. Gemäß dieser Art kann die Festigkeit des Gassensorelementes weiter erhöht werden.
(3) Bei dem oben stehend beschriebenen Gassensorelement kann die Querschnittsform in Richtung auf den Endpunkt C konvex sein und auch in Richtung auf den Endpunkt D konvex sein. Gemäß dieser Art kann Spannung, welche nahe des Spalts erzeugt wird, verteilt werden. Im Ergebnis kann die Festigkeit des Gassensorelementes erhöht werden.
(4) Bei dem oben stehend beschriebenen Gassensorelement kann der Spalt eine Lufteinführungsöffnung zum Leiten von Luft zur Elektrode sein. Gemäß dieser Art ist es möglich, das Gassensorelement ausreichend stabil anzufertigen, während die Höhe der Lufteinführungsöffnung vermindert wird.
(5) Bei dem oben stehend beschriebenen Gassensorelement kann die Höhe H in einem Bereich von 10 µm bis 40 µm liegen. Gemäß dieser Art ist es deshalb möglich, die thermische Schockfestigkeit des Gassensorelementes weiter zu verbessern, während einer ausreichenden Luftmenge ermöglicht wird, durch den Spalt zu passieren.

Die vorliegende Erfindung kann in verschieden anderen Formen als das Gassensorelement realisiert werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in der Form eines Gassensors realisiert werden, welcher das oben stehend beschriebene Gassensorelement oder ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des oben stehend beschriebenen Gassensorelementes umfasst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines Gassensors.
2 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Gassensorelementes.
3 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Gassensorelementes.
4 ist eine Querschnittsansicht des Gassensorelementes entlang der Linie F4-F4 der 2.
5 ist eine Querschnittsansicht des Gassensorelementes entlang der Linie F5-F5 der 2.
6 ist eine erklärende Ansicht, welche die Querschnittsform eines Spalts schematisch zeigt.
7 ist eine Tabelle, welche die Ergebnisse einer Bewertungsprüfung zeigt, welche für verschiedene Werte der Abstände H1 und H2 durchgeführt wurde.
8 ist eine Querschnittsansicht einer laminierten Struktur der Probe 1.
9 ist eine Querschnittsansicht einer laminierten Struktur der Probe 6.
10 ist eine Querschnittsansicht einer laminierten Struktur der Probe 5.
11 ist eine Querschnittsansicht einer laminierten Struktur der Probe 7.
12 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensorelementes zeigt.
13 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensorelementes gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
Ausführliche Beschreibung
A. Ausführungsform
A-1. Struktur des Gassensors
1 ist eine Querschnittsansicht eines Gassensors 10. Der Querschnitt der 1 ist ein Querschnitt, welcher durch Schneiden des Gassensors 10 entlang einer Ebene erhalten wird, welche durch eine axiale Linie AX geht, welche die Mittenachse des Gassensors 10 ist. Bei der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform wird eine Seite des Gassensors 10, welche unten auf dem Blatt der 1 angeordnet ist, als eine „Vorderseite“ bezeichnet, und eine Seite des Gassensors 10, welche oben auf dem Blatt der 1 angeordnet ist, wird als eine „hintere Endseite" bezeichnet.
Der Gassensor 10 ist ein Sauerstoff-Sensor, welcher in dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors befestigt ist und eingerichtet ist, um im Abgas enthaltenen Sauerstoff (O₂) zu detektieren. Der Gassensor 10 weist ein Gassensorelement 100, eine Schutzvorrichtung 300, eine metallische Ummantelung bzw. metallisches Gehäuse 400, einen Elementhalteabschnitt 500, ein Außenrohr 600, einen Isolator 700 und ein Kabel 800 auf.
Das Gassensorelement 100 des Gassensors 10 ist eine plattenförmig laminierte Keramikvorrichtung, bei welcher mehrere Keramikschichten laminiert sind. Das Gassensorelement 100 bildet eine Sauerstoff-Konzentrationszelle, welche als eine Sensorausgabe eine elektromotorische Kraft ausgibt, welche dem Sauerstoff-Partialdruck entspricht. Die Details des Gassensorelementes 100 sind später beschrieben.
Das Gassensorelement 100 ist durch das Kabel 800 mit einer Verarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) zum Verarbeiten der Sensorausgabe aus dem Gassensorelement 100 elektrisch verbunden. Bei der vorhandenen Ausführungsform umfasst das Kabel 800 vier Anschlussdrähte 810a, 810b, 810c und 810d und Anschlussklemmen 820a, 820b, 820c und 820d, welche mit dem Gassensorelement 100 elektrisch verbunden sind und durch Quetschen an den entsprechenden Anschlussdrähten befestigt sind. Die Anschlussklemmen 820a, 820b, 820c, und 820d sind mechanisch und elektrisch mit Elektrodenkontaktflächen (welche später beschrieben werden) des Gassensorelementes 100 verbunden, während sie gegen die Elektrodenkontaktflächen gedrückt werden.
Die Schutzvorrichtung 300 des Gassensors 10 ist ein metallisches Element mit der Form eines zylindrischen Rohres mit einem Boden. Die Schutzvorrichtung 300 ist an dem Vorderende der metallischen Ummantelung 400 befestigt und deckt das Gassensorelement 100 ab, welches aus dem Vorderende der metallischen Ummantelung 400 hervorsteht. Folglich schützt die Schutzvorrichtung 300 einen Vorderendabschnitt des Gassensorelementes 100. Die Schutzvorrichtung 300 weist durchgehende Öffnungen zum Einführen eines Objektgases in Richtung auf das Gassensorelement 100 auf.
Die metallische Ummantelung 400 des Gassensors 10 ist ein metallisches Element mit der Form eines zylindrischen Rohres. Das Gassensorelement 100 wird innerhalb der metallischen Ummantelung 400 durch den Elementhalteabschnitt 500 festliegend gehalten.
Der Elementhalteabschnitt 500 des Gassensors 10 ist ein Abschnitt zum Halten des Gassensorelementes 100 innerhalb der metallischen Ummantelung 400. Das Gassensorelement 100 erstreckt sich durch die Mitte des Elementhalteabschnitts 500. Bei der vorhandenen Ausführungsform weist der Elementhalteabschnitt 500 einen Keramikhalter 510, einen Talk-Ring 520, einen Talk-Ring 530 und eine Keramikhülse 540 auf, welche in dieser Reihenfolge von der Vorderseite aus angeordnet sind.
Der Keramikhalter 510 des Elementhalteabschnitts 500, welcher ein röhrenförmiges Keramikelement ist, ist in die metallische Ummantelung 400 eingeführt und positioniert das Sensorelement 100 innerhalb der metallischen Ummantelung 400. Der Talk-Ring 520 und der Talk-Ring 530 des Elementhalteabschnitts 500 werden vorher durch Komprimieren von Talk-Pulver zu einem Festkörper ausgebildet. Der Talk-Ring 520 und der Talk-Ring 530 sind zwischen dem Keramikhalter 510 und der Keramikhülse 540 in einem Zustand angeordnet, bei welchem sie von der Keramikhülse 540 nach vorne gedrückt werden. Die Keramikhülse 540 des Elementhalteabschnitts 500 ist ein röhrenförmiges Keramikelement. Die Keramikhülse 540 ist an dem hinteren Ende der metallischen Ummantelung 400 mittels Quetschen in einem Zustand befestigt, bei welchem die Keramikhülse 540 nach vorne gedrückt wird, um dadurch das Gassensorelement 100 innerhalb der metallischen Ummantelung 400 zu positionieren.
Das Außenrohr 600 des Gassensors 10 ist ein metallisches Element mit der Form eines zylindrischen Rohres. Das Außenrohr 600 ist an das hintere Ende der metallischen Ummantelung 400 geschweißt und deckt das Gassensorelement 100 ab, welches aus dem hinteren Ende der metallischen Ummantelung 400 hervorsteht. Folglich schützt das Außenrohr 600 einen hinteren Endabschnitt des Gassensorelementes 100. Das Kabel 800 wird an dem hinteren Ende des Außenrohres 600 gehalten.
Der Isolator 700 des Gassensors 10 ist ein röhrenförmiges Element, welches aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet ist. Der Isolator 700 ist innerhalb des Außenrohres 600 festliegend angeordnet und hält die Anschlussklemmen 820a, 820b, 820c und 820d.
A-2. Struktur des Gassensorelementes
2 ist eine externe perspektivische Ansicht des Gassensorelementes 100. 3 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Gassensorelementes 100. 4 ist eine Querschnittsansicht des Gassensorelementes 100 entlang der Linie F4-F4 der 2. 5 eine Querschnittsansicht des Gassensorelementes 100 entlang der Linie F5-F5 der 2. X-, Y- und Z-Achsen, welche einander senkrecht schneiden, sind in 2 gezeigt. Die X-, Y- und Z-Achse der g entsprechen der X-, Y- und Z-Achse in anderen Zeichnungen.
Von den X-, Y- und Z-Achsen der 2 ist die X-Achse eine Achse entlang der Längsrichtung des Gassensorelementes 100. In einem Zustand, bei welchem das Gassensorelement 100 in den Gassensor 10 eingesetzt ist, erstreckt sich die X-Achse des Gassensorelementes 100 entlang der axialen Linie AX. Von den X-Achsenrichtungen entlang der X-Achse entspricht eine +X-Achsenrichtung einer axialen Richtung von der Vorderseite in Richtung auf die hintere Endseite (entlang der axialen Linie AX), und eine –X-Achsenrichtung ist eine der +X-Achsenrichtung entgegengesetzte Richtung.
Von der X-, Y- und Z-Achse der 2 ist die Y-Achse eine Achse entlang der Breitenrichtung des Gassensorelementes 100. Von den Y-Achsenrichtungen entlang der Y-Achse ist eine +Y-Achsenrichtung eine Richtung von der Blattoberseite der 2 in Richtung auf ihre hintere Endseite, und eine –Y-Achsenrichtung ist eine Richtung, welche der +Y-Achsenrichtung entgegengesetzt ist.
Von der X-, Y- und Z-Achse der 2 ist die Z-Achse eine Achse entlang der Dickenrichtung des Gassensorelementes 100. Von den Z-Achsenrichtungen entlang der Z-Achse ist eine +Z-Achsenrichtung eine Richtung von der Unterseite des Blattes der 2 in Richtung auf seine Oberseite, und eine –Z-Achsenrichtung ist eine Richtung, welche der +Z-Achsenrichtung entgegengesetzt ist.
Das Gassensorelement 100 weist eine plattenförmige laminierte Struktur 190 auf, bei welcher mehrere Keramikschichten zusammen laminiert sind. Die laminierte Struktur 190 ist ein rechteckiges oder rechtwinkeliges Parallelepiped mit Außenflächen 191, 192, 193, 194, 195 und 196.
Die Außenfläche 191 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die +Z-Achsenrichtung zeigt, und die Außenfläche 192 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die –Z-Achsenrichtung zeigt. Die Außenfläche 193 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die –Y-Achsenrichtung zeigt, und die Außenfläche 194 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die +Y-Achsenrichtung zeigt. Die Außenfläche 195 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die +X-Achsenrichtung zeigt, und die Außenfläche 196 der laminierten Struktur 190 ist eine Oberfläche, welche in die –X-Achsenrichtung zeigt.
Das Gassensorelement 100 weist einen Sensorabschnitt 102 zum Detektieren einer spezifischen Gaskomponente (O₂), welche in einem Objektgas (Abgas) enthalten ist, und einen Heizungsabschnitt 104 zum Erhitzen des Sensorabschnitts 102 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Heizungsabschnitt 104 als ein Teil der laminierten Struktur 190 integral mit dem Sensorabschnitt 102 ausgebildet. Bei anderen Ausführungsformen kann der Heizungsabschnitt 104 separat von dem Sensorabschnitt 102 ausgebildet sein.
Das Gassensorelement 100 umfasst als den Sensorabschnitt 102 eine Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110, eine Keramikschicht 120, eine Keramikschicht 130, einen porösen Abschnitt 140, eine Leiterschicht 210, eine Leiterschicht 220, eine Elektrodenkontaktfläche 290a, und eine Elektrodenkontaktfläche 290b.
Ein Spalt 180, welcher sich in der Längsrichtung der laminierten Struktur 190 (in der X-Achsenrichtung) erstreckt, wird zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und der Keramikschicht 120 ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Ende des Spalts 180 auf der Seite der +X-Achsenrichtung nach der Außenseite der Außenfläche 195 hin geöffnet. Ein anderes Ende des Spalts 180 auf der Seite der –X-Achsenrichtung ist an einer Position geschlossen, welche auf dem Inneren der Außenfläche 194 angeordnet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Spalt 180 eine Lufteinführungsöffnung zum Einführen von Luft (Referenzgas) an die Leiterschicht 210, welche eine Elektrode ausbildet.
Die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 des Gassensorelementes 100 ist eine rechteckige plattenförmige Keramikschicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 Yttriumoxid, welches teilweise durch Zirkonoxid (Engl.: zirconia) stabilisiert ist, welches durch Hinzufügen von Yttriumoxid (Y₂O₃) in Zirkonoxid (Zirkoniumdioxid (ZrO₂)) ausgebildet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann das Material der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 teilweise stabilisiertes Zirkonoxid sein, welches durch Hinzufügen eines Oxids oder von Oxiden von mindestens einem aus Calciumoxid (CaO), Scandiumoxid (Sc₂O₃), Ytterbiumoxid (Yb₂O₃), Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), Neodymiumoxid (Nd₂O₃) und Terbiumoxid (Tb₂O₃) zu Zirkonia ausgebildet wird.
Die Leiterschicht 210 wird auf der Oberfläche der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet, welche auf der Seite der –Z-Achsenrichtung angeordnet ist. Die Leiterschicht 220 wird auf der Oberfläche der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet, welche auf der Seite der +Z-Achsenrichtung angeordnet ist. Eine durchgehende Öffnung 281a, welche für einen Leiter zum elektrischen Verbinden der Leiterschicht 210 und der Elektrodenkontaktfläche 290a vorgesehen ist, ist in der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material des Leiters in der durchgehenden Öffnung 281a Platin (Pt).
Eine Oberfläche 118, welche in Richtung auf die Seite der +Z-Achsenrichtung konvex ist, ist auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet. Die Oberfläche 118 definiert die Seite der +Z-Achsenrichtung des Spalts 180.
Die Keramikschicht 120 des Gassensorelementes 100 ist eine rechteckige plattenförmige Keramikschicht, welche die gleiche Größe wie die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 aufweist und auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 laminiert ist. Die Keramikschicht 120 ist aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Keramikschicht 120 Alumina (Englisch: alumina) (Aluminiumoxid (Al₂O₃)).
Eine Oberfläche 128, welche in Richtung auf die Seite der –Z-Achsenrichtung konvex ist, ist auf der Seite der +Z-Achsenrichtung der Keramikschicht 120 ausgebildet. Die Oberfläche 128 definiert die Seite der –Z-Achsenrichtung des Spalts 180.
Die Keramikschicht 130 des Gassensorelementes 100 ist eine rechteckige plattenförmige Keramikschicht, welche die gleiche Größe wie die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 aufweist, und auf der Seite der +Z-Achsenrichtung der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 laminiert ist. Die Keramikschicht 130 ist aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Keramikschicht 130 Alumina.
Die Elektrodenkontaktfläche 290a und die Elektrodenkontaktfläche 290b sind auf der Oberfläche der Keramikschicht 130 ausgebildet, welche auf der Seite der +Z-Achsenrichtung angeordnet ist. In der Keramikschicht 130 sind durchgehende Öffnungen 282a und 282b ausgebildet. Die durchgehende Öffnung 282a ist für einen Leiter, welcher die Leiterschicht 210 und die Elektrodenkontaktfläche 290a elektrisch verbindet, und die durchgehende Öffnung 282b ist für einen Leiter, welcher die Leiterschicht 220 und die Elektrodenkontaktfläche 290b elektrisch verbindet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird Leitpaste in die durchgehenden Öffnungen 282a und 282b gefüllt, um die jeweiligen Leiter auszubilden, und deren Material ist Platin (Pt).
Der poröse Abschnitt 140 des Gassensorelementes 100 ist ein poröser Körper, welcher kontinuierliche Poren aufweist und durch welche das Objektgas diffundiert. Der poröse Abschnitt 140 ist in der Keramikschicht 130 an einer Position nahe ihrem Ende ausgebildet, welches auf der Seite der –X-Achsenrichtung derartig angeordnet ist, sodass sich der poröse Abschnitt 140 von der Seite der +Z-Achsenrichtung der Keramikschicht 130 zu ihrer Seite der –Z-Achsenrichtung erstreckt. Der poröse Abschnitt 140 ist aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material des porösen Abschnitts 140 Alumina.
Die Leiterschicht 210 des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Leiterschicht 210 Platin (Pt). Die Leiterschicht 210 weist einen Elektrodenabschnitt 212, einen Leitungsabschnitt 214 und einen Anschlussabschnitt 216 auf.
Der Elektrodenabschnitt 212 der Leiterschicht 210 ist eine rechteckige Elektrode, welche sich über einen Bereich der Oberfläche 118 der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 erstreckt, bei welcher der poröse Abschnitt 140 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung vorhanden ist. Der Elektrodenabschnitt 212 ist zum Inneren des Spalts 180 freiliegend. Wie in 4 gezeigt, steht bei der vorliegenden Ausführungsform die Oberfläche des Elektrodenabschnitts 212 auf der Seite der –Z-Achsenrichtung in Richtung auf die Seite der –Z-Achsenrichtung aus der Oberfläche 118 der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 vor. Bei anderen Ausführungsformen kann der Elektrodenabschnitt 212 den gesamten Bereich der Oberfläche 118 abdecken, oder er kann mit der Oberfläche 118 glatt verbunden sein.
Der Leitungsabschnitt 214 der Leiterschicht 210 ist gerade und verbindet den Elektrodenabschnitt 212 und den Anschlussabschnitt 216. Der Anschlussabschnitt 216 der Leiterschicht 210 ist breiter als der Leitungsabschnitt 214 und ist der durchgehenden Öffnung 281a der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 benachbart angeordnet.
Die Leiterschicht 220 des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Seite der +Z-Achsenrichtung der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 ausgebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Leiterschicht 220 Platin (Pt). Die Leiterschicht 220 weist einen Elektrodenabschnitt 222, einen Leitungsabschnitt 224 und einen Anschlussabschnitt 226 auf.
Der Elektrodenabschnitt 222 der Leiterschicht 220 ist eine rechteckige Elektrode, welche sich über einen Bereich der +Z-Achsenrichtungsseitigen Grenzfläche der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 erstreckt, bei welcher der poröse Abschnitt 140 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung vorhanden ist. Der Elektrodenabschnitt 222 ist dem porösen Abschnitt 140 benachbart angeordnet. Der Leitungsabschnitt 224 der Leiterschicht 220 ist gerade und verbindet den Elektrodenabschnitt 222 und den Anschlussabschnitt 226. Der Anschlussabschnitt 226 der Leiterschicht 220 ist breiter als der Leitungsabschnitt 224 und ist der durchgehenden Öffnung 282b der Keramikschicht 130 benachbart angeordnet.
Die Elektrodenkontaktfläche 290a des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Oberfläche der Keramikschicht 130 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung ausgebildet ist und der durchgehenden Öffnung 282a benachbart angeordnet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Elektrodenkontaktfläche 290a Platin (Pt). In einem Zustand, bei welchem das Gassensorelement 100 in den Gassensor 10 eingesetzt ist, ist die Elektrodenkontaktfläche 290a mechanisch und elektrisch mit der Anschlussklemme 820a verbunden.
Die Elektrodenkontaktfläche 290b des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Oberfläche der Keramikschicht 130 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung ausgebildet ist und der durchgehenden Öffnung 282b benachbart angeordnet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Elektrodenkontaktfläche 290b Platin (Pt). In einem Zustand, bei welchem das Gassensorelement 100 in den Gassensor 10 eingesetzt ist, ist die Elektrodenkontaktfläche 290b mechanisch und elektrisch mit der Anschlussklemme 820b verbunden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird Luft (Referenzgas) zum Elektrodenabschnitt 212 der Leiterschicht 210 durch den Spalt 180 geliefert, und Abgas (Objektgas) wird zum Elektrodenabschnitt 222 der Leiterschicht 220 durch den porösen Abschnitt 140 geliefert. Die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110, der Elektrodenabschnitt 212, und der Elektrodenabschnitt 222 bilden eine Sauerstoff-Konzentrationszelle. Eine elektromotorische Kraft, welche dem Unterschied des Sauerstoff-Partialdrucks zwischen der Luft und dem Abgas entspricht, wird zwischen dem Elektrodenabschnitt 212 und dem Elektrodenabschnitt 222 erzeugt. Die elektromotorische Kraft, welche zwischen dem Elektrodenabschnitt 212 und dem Elektrodenabschnitt 222 erzeugt wird, wird an eine externe Schaltung oder dergleichen durch die Elektrodenkontaktfläche 290a und die Elektrodenkontaktfläche 290b als ein Ergebnis der Detektion von Sauerstoff ausgegeben, welches in dem Abgas enthalten ist.
6 ist eine erklärende Ansicht, welche die Querschnittsform des Spalts 180 schematisch zeigt. Die Querschnittsform des Spalts 180 in 6 ist eine Querschnittsform, welche durch Schneiden der laminierten Struktur 190 entlang der YZ-Ebene orthogonal zu der Längsrichtung (der X-Achsenrichtung) erhalten wird, und weist Endpunkte A, B, C und D auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Querschnittsform des Spalts 180 durch die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und die Keramikschicht 120 definiert.
Der Endpunkt A in der Querschnittsform des Spalts 180 ist einer der Kontaktpunkte, bei welchen die Querschnittsform des Spalts 180 in Einzelpunktkontakt mit einer virtuellen geraden Linie VLa steht, welche zu der Laminierungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) der mehreren Keramikschichten in der laminierten Struktur 190 parallel ist, wobei der eine Kontaktpunkt der Außenfläche 193 der laminierten Struktur 190 am nächsten ist. Die Außenfläche 193 der laminierten Struktur 190 ist eine der Seitenflächen der laminierten Struktur 190, welche sich in der Längsrichtung (der X-Achsenrichtung) und in der Laminierungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) erstreckt.
Der Endpunkt B in der Querschnittsform des Spalts 180 ist einer der Kontaktpunkte, bei welchen die Querschnittsform des Spalts 180 in Einzelpunktkontakt mit einer virtuellen geraden Linie VLb steht, welche zu der Laminierungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) der mehreren Keramikschichten in der laminierten Struktur 190 parallel ist, wobei der eine Kontaktpunkt der Außenfläche 194 der laminierten Struktur 190 am nächsten ist. Die Außenfläche 194 der laminierten Struktur 190 ist die andere der Seitenflächen der laminierten Struktur 190, welche sich in der Längsrichtung (der X-Achsenrichtung) und in der Laminierungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) erstreckt.
Der Endpunkt C in der Querschnittsform des Spalts 180 weist den größten Abstand von einer geraden Linie AB auf, welche durch den Endpunkt A und den Endpunkt B in Richtung auf die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 geht. Auf der Seite der geraden Linie AB in Richtung auf die Seite der +Z-Achsenrichtung ist die Querschnittsform des Spalts 180 in Richtung auf den Endpunkt C konvex.
Der Endpunkt D in der Querschnittsform des Spalts 180 weist den größten Abstand von der geraden Linie AB auf, welche durch den Endpunkt A und den Endpunkt B in Richtung auf die Keramikschicht 120 (eine andere Keramikschicht) geht. Auf der Seite der geraden Linie AB in Richtung auf die Seite der –Z-Achsenrichtung ist die Querschnittsform des Spalts 180 in Richtung auf den Endpunkt D konvex.
Vorzugsweise erfüllen ein Abstand H1 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt C und ein Abstand H2 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt D eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder eine Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00. Besonders bevorzugt erfüllen der Abstand H1 und der Abstand H2 eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 ≤ 0,67 oder eine Relation 1,50 ≤ H1/H2 ≤ 4,00. Vorzugsweise erfüllt die Querschnittsform des Spalts 180 die oben stehend beschriebene Relation zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2 zumindest in einem Bereich, in welchem der Elektrodenabschnitt 212 und der Elektrodenabschnitt 222 vorhanden sind. Besonders bevorzugt erfüllt die Querschnittsform des Spalts 180 die oben stehend beschriebene Relation in dem gesamten Bereich des Spalts 180. Die Höhe H des Spalts 180, welche die Summe des Abstands H1 und des Abstands H2 ist, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 10 µm (Mikrometer) bis 100 µm und liegt besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Eine Bewertung der Relation zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2 ist später beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform erfüllen der Abstand H1 und der Abstand H2 die Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00 in dem Bereich, in welchem der Elektrodenabschnitt 212 und der Elektrodenabschnitt 222 vorhanden sind, wie in 4 gezeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfüllen der Abstand H1 und der Abstand H2 die Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00 auch in einem Bereich, in welchem der Elektrodenabschnitt 212 und der Elektrodenabschnitt 222 nicht vorhanden sind, wie in 5 gezeigt. Namentlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform, über den gesamten Bereich des Spalts 180 hinweg der Durchschnitt der Krümmungsradien der Querschnittsform des Spalts 180 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung der geraden Linie AB kleiner als der Durchschnitt der Krümmungsradien der Querschnittsform des Spalts 180 auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der geraden Linie AB.
Das Gassensorelement 100 umfasst als den Heizungsabschnitt 104, eine Keramikschicht 160, eine Keramikschicht 170, eine Leiterschicht 260, eine Elektrodenkontaktfläche 290c und eine Elektrodenkontaktfläche 290d.
Die Keramikschicht 160 des Gassensorelementes 100 ist eine rechteckige plattenförmige Keramikschicht, welche die gleiche Größe wie die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 aufweist und welche auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der Keramikschicht 170 laminiert ist. Die Keramikschicht 160 ist aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Keramikschicht 160 Alumina.
Die Leiterschicht 260 wird auf der Oberfläche der Keramikschicht 160 ausgebildet, welche auf der Seite der +Z-Achsenrichtung angeordnet ist. Die Elektrodenkontaktfläche 290c und die Elektrodenkontaktfläche 290d sind auf der Oberfläche der Keramikschicht 160 ausgebildet, welche auf der Seite der –Z-Achsenrichtung angeordnet ist. In der Keramikschicht 160 sind durchgehende Öffnungen 286c und 286d ausgebildet. Die durchgehende Öffnung 286c ist für einen Leiter, welcher die Leiterschicht 260 und die Elektrodenkontaktfläche 290c elektrisch verbindet, und die durchgehende Öffnung 286d ist für einen Leiter, welcher die Leiterschicht 260 und die Elektrodenkontaktfläche 290d elektrisch verbindet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird Leitpaste in die durchgehenden Öffnungen 286c und 286d gefüllt, um die jeweiligen Leiter auszubilden, und deren Material ist Platin (Pt).
Die Keramikschicht 170 des Gassensorelementes 100 ist eine rechteckige plattenförmige Keramikschicht, welche die gleiche Größe wie die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 aufweist und welche auf der Seite der –Z-Achsenrichtung der Keramikschicht 120 laminiert ist. Die Keramikschicht 170 ist aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Keramikschicht 170 Alumina.
Die Leiterschicht 260 des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Seite der +Z-Achsenrichtung der Keramikschicht 160 ausgebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Leiterschicht 260 Platin (Pt). Die Leiterschicht 260 weist einen Wärmeerzeugungsabschnitt 262, einen Leitungsabschnitt 264, einen Leitungsabschnitt 265, einen Anschlussabschnitt 266 und einen Anschlussabschnitt 267 auf.
Der Wärmeerzeugungsabschnitt 262 der Leiterschicht 260, welcher Joulsche Wärme erzeugt, ist in einem Bereich der Oberfläche der Keramikschicht 160 ausgebildet, welche auf der Seite der +Z-Achsenrichtung angeordnet ist, wobei der Elektrodenabschnitt 212 und der Elektrodenabschnitt 222 auf der Seite der +Z-Achsenrichtung vorhanden sind. Der Leitungsabschnitt 264 der Leiterschicht 260 ist ein gerader Abschnitt, welcher den Elektrodenabschnitt 262 und den Anschlussabschnitt 266 verbindet. Der Leitungsabschnitt 265 der Leiterschicht 260 ist ein gerader Abschnitt, welcher den Elektrodenabschnitt 262 und den Anschlussabschnitt 267 verbindet. Der Anschlussabschnitt 266 der Leiterschicht 260 ist breiter als der Leitungsabschnitt 264 und ist der durchgehenden Öffnung 286d der Keramikschicht 160 benachbart angeordnet. Der Anschlussabschnitt 267 der Leiterschicht 260 ist breiter als der Leitungsabschnitt 265 und ist der durchgehenden Öffnung 286c der Keramikschicht 160 benachbart angeordnet.
Die Elektrodenkontaktfläche 290c des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Oberfläche der Keramikschicht 160 auf der Seite der –Z-Achsenrichtung ausgebildet ist und mit dem Leiter in der durchgehenden Öffnung 286c verbunden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Elektrodenkontaktfläche 290c Platin (Pt). In einem Zustand, bei welchem das Gassensorelement 100 in den Gassensor 10 eingesetzt ist, ist die Elektrodenkontaktfläche 290c mechanisch und elektrisch mit der Anschlussklemme 820c verbunden.
Die Elektrodenkontaktfläche 290d des Gassensorelementes 100 ist ein Leitermuster, welches auf der Oberfläche der Keramikschicht 160 auf der Seite der –Z-Achsenrichtung ausgebildet ist und mit dem Leiter in der durchgehenden Öffnung 286d verbunden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Elektrodenkontaktfläche 290d Platin (Pt). In einem Zustand, bei welchem das Gassensorelement 100 in den Gassensor 10 einbezogen ist, ist die Elektrodenkontaktfläche 290d mechanisch und elektrisch mit der Anschlussklemme 820d verbunden.
A-3. Bewertungsprüfung
7 ist eine Tabelle, welche die Ergebnisse einer Bewertungsprüfung zeigt, welche für verschiedene Werte der Abstände H1 und H2 durchgeführt wurde. Bei der Bewertungsprüfung, deren Ergebnisse in 7 gezeigt sind, wurden mehrere Gassensorelemente (Proben), bei welchen das Verhältnis zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2 unterschiedlich war, hergestellt, und die anfänglichen Bruchverhältnisse und thermischen Schockfestigkeiten dieser Proben wurden bewertet. Bei der Bewertungsprüfung, deren Ergebnisse in 7 gezeigt sind, wurden mehrere Proben, bei welchen der Abstand H1 und der Abstand H2 unterschiedlich waren, für jedes der unterschiedlichen Verhältnisse zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2 hergestellt. Das Verhältnis zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2, der Abstand H1 und der Abstand H2 jeder Probe sind in 7 gezeigt.
Das anfängliche Bruchverhältnis ist ein Verhältnis der Anzahl hergestellter unbenutzter Proben (Gassensorelemente) mit Brüchen. Die thermische Schockfestigkeit ist eine Widerstandsfähigkeit jedes Gassensorelementes gegenüber einem thermischen Schock, welcher von einem Wärmezyklus bewirkt wird, welcher später beschrieben ist.

Bei einer Prüfung zum Bewerten des anfänglichen Bruchverhältnisses wurden zehn Proben, welche nach ihrer Herstellung nicht verwendet wurden, für jedes der verschiedenen Verhältnisse zwischen dem Abstand H1 und dem Abstand H2 vorbereitet, und eine Schnittfläche jeder Probe wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) beobachtet. Kriterien zum Bewerten des anfänglichen Bruchverhältnisses sind folgende.

A (ausgezeichnet):	Das anfängliche Bruchverhältnis ist 0 %.
B (mäßig):	Das anfängliche Bruchverhältnis ist größer als 0 % aber nicht größer als 10 %.
x (nicht akzeptabel):	Das anfängliche Bruchverhältnis ist größer als10 %.

Eine Prüfung zum Bewerten der thermischen Schockfestigkeit wurde an jeder Probe durchgeführt, welche als „A (ausgezeichnet)" oder „B (mäßig)" bei der oben stehend beschriebenen anfänglichen Bruchverhältnis-Bewertungsprüfung bewertet wurden. Bei der thermischen Schockfestigkeit-Bewertungsprüfung wurde eine Spannung (21 V), welche 1,5 mal der maximalen Spannung bei gewöhnlicher Verwendung ist, für 10 Sekunden an den Heizungsabschnitt jeder Probe angelegt, um dadurch die Probe auf ungefähr 1000 °C aufzuheizen. Danach wurde die aufgeheizte Probe durch Verwendung von Luft für 30 Sekunden forciert abgekühlt. Ein Zyklus (thermischer Zyklus), welcher sich aus dem Erhitzen und dem Abkühlen zusammensetzt, wurde für jede Probe 1000 mal wiederholt, und dann wurde jede Probe geprüft, um festzustellen, ob sie als ein Gassensorelement normal funktioniert oder nicht. Der thermische Zyklus, welcher sich aus dem Erhitzen und dem Abkühlen zusammensetzt, wurde weiterhin für jede der Proben, welche normal als ein Gassensorelement funktionierten, 9000 mal wiederholt, und dann wurde jede Probe geprüft, um festzustellen, ob sie als ein Gassensorelement normal funktioniert oder nicht. Die Kriterien zum Bewerten der thermischen Schockfestigkeit sind folgende.

A (ausgezeichnet):	Die Ausfallrate nach 1000 Zyklen ist 0 %, und die Ausfallrate nach 10000 Zyklen ist 0 %.
B (mäßig):	Die Ausfallrate nach 1000 Zyklen ist größer als 0 % aber nicht größer als 10 %.
x (nicht akzeptabel):	Die Ausfallrate nach 1000 Zyklen ist größer als 10 %.

Die in 7 gezeigten Ergebnisse der Bewertungsprüfung zeigen, dass aus dem Gesichtspunkt des anfänglichen Bruchverhältnisses der Abstand H1 und der Abstand H2 vorzugsweise die Relation 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00 erfüllen und besonders bevorzugt die Relation 0,25 ≤ H1/H2 ≤ 0,67 oder 1,50 ≤ H1/H2 ≤ 4,00 erfüllen. Die Ergebnisse zeigen auch, dass aus dem Gesichtspunkt der thermischen Schockfestigkeit die Höhe H des Spalts, welche die Summe des Abstands H1 und des Abstands H2 ist, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 100 µm liegt und besonders bevorzugt innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm liegt.
8 ist eine Querschnittsansicht der laminierten Struktur 190A der Probe 11-1. Bei Probe 11-1 ist H1 = 0, und Spannung um den Spalt 180A herum konzentriert sich auf den Endpunkt A und den Endpunkt B. Deshalb wachsen Brüche CkA wahrscheinlich von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B in Richtung auf den porösen Abschnitt 140. Wenn die Brüche CkA, welche von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B wachsen, den porösen Abschnitt 140 erreichen, wird die Probe 11-1 unfähig, normal als ein Gassensorelement zu funktionieren.
Im Gegensatz zu Probe 11-1, bei welcher H1 = 0 ist, ist bei Probe 1-1 H2 = 0, und die Spannung konzentriert sich auf den Endpunkt A und den Endpunkt B des Spalts der laminierten Struktur. Deshalb wachsen Brüche CkA wahrscheinlich von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B in Richtung auf den Heizungsabschnitt 104. Wenn die Brüche CkA, welche von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B wachsen, den Heizungsabschnitt 104 erreichen, wird die Probe 1-1 unfähig, normal als ein Gassensorelement zu funktionieren.
9 ist eine Querschnittsansicht der laminierten Struktur 190B der Probe 6-1. Bei Probe 6-1 ist H1 = H2, und die Spannung um den Spalt 180B herum wird auf die Oberfläche 118 und die Oberfläche 128 verteilt. Jedoch wachsen Brüche CkB wahrscheinlich von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B in Richtung auf das Äußere der laminierten Struktur 190B (die Außenfläche 193 und die Außenfläche 194) entlang der Verbindungsstelle zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und der Keramikschicht 120. Die Festigkeit der laminierten Struktur 190B ist relativ gering an der Verbindungsstelle zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und der Keramikschicht 120. Wenn die Brüche CkB, welche von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B wachsen, das Äußere der laminierten Struktur 190B erreichen, wird die Probe 6-1 unfähig, normal als ein Gassensorelement zu funktionieren.
10 ist eine Querschnittsansicht der laminierten Struktur 190C der Probe 7-1. Bei Probe 7-1 ist H1 < H2, und die Spannung um den Spalt 180C herum wird auf die Oberfläche 118 und die Oberfläche 128 verteilt. Brüche CkC wachsen wahrscheinlich von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B in Richtung auf das Äußere der laminierten Struktur 190C (die Außenfläche 193 und die Außenfläche 194) entlang von Richtungen, welche sich zur Seite der +Z-Achsenrichtung in Bezug auf die Verbindungsstelle zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und der Keramikschicht 120 neigen. Die Abstände, über welche die Brüche CkC von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B an das Äußere der laminierten Struktur 190C bei Probe 7-1 wachsen, sind größer als die Abstände, über welche die Brüche CkB von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B an das Äußere der laminierten Struktur 190B bei Probe 6-1 wachsen. Deshalb wird Probe 7-1 als der Probe 6-1 überlegen angesehen in Bezug auf das anfängliche Bruchverhältnis und die thermische Schockfestigkeit.
Bei der Probe 8-1 und 9-1 ist eine Erzeugung von Brüchen denkbarerweise unterdrückt, weil Spannung auf die Oberfläche 118 und die Oberfläche 128 in einem größeren Maß als im Vergleich zu Probe 7-1 verteilt wird. Deshalb werden die Probe 8-1 und 9-1 als der Probe 7-1 überlegen angesehen in Bezug auf das anfängliche Bruchverhältnis und die thermische Schockfestigkeit.
11 ist eine Querschnittsansicht der laminierten Struktur 190D der Probe 5-1. Bei Probe 5-1 ist H1 > H2, und die Spannung um den Spalt 180D herum wird auf die Oberfläche 118 und die Oberfläche 128 verteilt. Brüche CkD wachsen wahrscheinlich von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B in Richtung auf das Äußere der laminierten Struktur 190D (die Außenfläche 193 und die Außenfläche 194) entlang von Richtungen, welche sich zur Seite der –Z-Achsenrichtung in Bezug auf die Verbindungsstelle zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 und der Keramikschicht 120 neigen. Die Abstände, über welche die Brüche CkD von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B an das Äußere der laminierten Struktur 190D bei Probe 5-1 wachsen, sind größer als die Abstände, über welche die Brüche CkB von dem Endpunkt A und dem Endpunkt B an das Äußere der laminierten Struktur 190B bei Probe 6-1 wachsen. Deshalb wird Probe 5-1 als der Probe 6-1 überlegen angesehen in Bezug auf das anfängliche Bruchverhältnis und die thermische Schockfestigkeit.
Bei der Probe 3-1 und 4-1 ist eine Erzeugung von Brüchen denkbarerweise unterdrückt, weil Spannung auf die Oberfläche 118 und die Oberfläche 128 in einem größeren Maß als im Vergleich zu Probe 5-1 verteilt wird. Deshalb werden die Probe 3-1 und 4-1 als der Probe 5-1 überlegen angesehen in Bezug auf das anfängliche Bruchverhältnis und die thermische Schockfestigkeit.
A-4. Herstellungsverfahren für das Gassensorelement
12 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelementes 100 zeigt. Wenn das Gassensorelement 100 hergestellt wird, werden zuerst die Leiterschicht 210 und die Leiterschicht 220 auf einer Grünschicht 110p ausgebildet, welche die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 (Schritt P110) werden wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Leiterschicht 210 und die Leiterschicht 220 durch Aufbringen von Leitpaste auf die Grünschicht 110p durch Drucken ausgebildet.
Nach Ausbildung der Leiterschicht 210 und der Leiterschicht 220 auf der Grünschicht 110p (Schritt P110), wird Kohlenstoff-Paste 180p durch Drucken auf einen Abschnitt der Grünschicht 110p aufgebracht, in welchem der Spalt 180 ausgebildet werden soll (Schritt P120).
Nach Aufbringen der Paste 180p auf die Grünschicht 110p durch Drucken (Schritt P120), wird die Grünschicht 110p einem Stanzdruck unterzogen, wodurch die Kohlenstoff-Paste 180p in die Grünschicht 110p gedrückt wird (Schritt P130). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Stanzdruck durch Pressen der Grünschicht 110p durch plattenförmige Hohlformen 912 und 914 durchgeführt, welche die Grünschicht 110p dazwischen halten.
Nach dem Stanzdruck (Schritt P130) werden andere Grünschichten auf der Grünschicht 110p laminiert, wodurch eine laminierte Struktur 190p ausgebildet wird (Schritt P140). Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Grünschichten 120p, 130p, 160p und 170p, welche die Keramikschichten 120, 130, 160 und 170 werden, auf der Grünschicht 110p laminiert.
Nach Ausbildung der laminierten Struktur 190p (Schritt P140), wird die laminierte Struktur 190p gebrannt (Schritt P150). Die Kohlenstoff-Paste 180p verbrennt und verschwindet als ein Ergebnis des Brennens, und der Spalt 180 wird an einem Ort ausgebildet, bei welchem die Kohlenstoff-Paste 180p vorhanden war. Durch diese Schritte wird das Gassensorelement 100 vervollständigt.
13 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein anderes Verfahren zum Herstellen des Gassensorelementes 100 zeigt. Wenn das Gassensorelement 100 hergestellt wird, werden zuerst die Leiterschicht 210 und die Leiterschicht 220 auf einer Grünschicht 110p ausgebildet, welche die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht 110 (Schritt P210) werden wird.
Nach Ausbildung der Leiterschicht 210 und der Leiterschicht 220 auf der Grünschicht 110p (Schritt P210), wird Kohlenstoff-Paste 180p durch Drucken auf einen Abschnitt der Grünschicht 110p aufgebracht, in welchem der Spalt 180 ausgebildet werden soll (Schritt P220).
Nach Aufbringen der Paste 180p auf die Grünschicht 110p durch Drucken (Schritt P220), werden andere Grünschichten auf der Grünschicht 110p laminiert, wodurch eine laminierte Struktur 190p ausgebildet wird (Schritt P230). Nachfolgend wird die laminierte Struktur 190p einem Stanzdruck unterzogen, wodurch die Kohlenstoff-Paste 180p in die Grünschicht 110p (Schritt P240) gedrückt wird.
Nach dem Stanzdruck (Schritt P240) wird die laminierte Struktur 190p gebrannt (Schritt P250). Die Kohlenstoff-Paste 180p verbrennt und verschwindet als ein Ergebnis des Brennens, und der Spalt 180 wird an einem Ort ausgebildet, an welchem die Kohlenstoff-Paste 180p vorhanden war. Durch diese Schritte wird das Gassensorelement 100 vervollständigt.
A-5. Wirkungen
Gemäß der oben stehend beschriebenen Ausführungsform ist die Relation 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder die Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4.00 erfüllt. Deshalb ist es möglich, eine Ausbildung von Brüchen in dem Gassensorelement 100 während seiner Herstellung zu unterdrücken. Es ist dementsprechend möglich, das Gassensorelement 100 ausreichend stabil anzufertigen, während die Höhe des Spalts 180 in der laminierten Struktur 190 vermindert wird. Im Ergebnis kann die Dicke des Gassensorelementes 100 reduziert werden. Wenn weiterhin die Relation 0,25 ≤ H1/H2 ≤ 0,67 oder die Relation 1,50 ≤ H1/H2 ≤ 4,00 erfüllt sind, kann das Gassensorelement 100 eine höhere Festigkeit aufweisen. Da die Querschnittsform des Spalts 180 konvex in Richtung auf den Endpunkt C und auch konvex in Richtung auf den Endpunkt D ist, kann außerdem eine Spannung, welche nahe des Spalts 180 erzeugt wird, verteilt werden. Im Ergebnis kann die Festigkeit des Gassensorelementes 100 erhöht werden.
Wenn die Höhe H des Spalts 180 innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 100 µm liegt, ist es außerdem möglich, die thermische Schockfestigkeit des Gassensorelementes 100 zu verbessern, während einer ausreichenden Luftmenge ermöglicht wird, den Spalt 180 zu passieren. Insbesondere kann die thermische Schockfestigkeit des Gassensorelementes 100 weiter verbessert werden, wenn die Höhe H des Spalts 180 innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm liegt. Deshalb ist die Höhe H des Spalts 180, welche innerhalb eines derartigen Bereichs liegt, für den Gassensor 10 bevorzugt, welcher für das Abgassystem eines Verbrennungsmotors verwendet wird, welches eine Umgebung ist, bei welcher eine relativ große Temperaturänderung auftritt.
B. Andere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben stehend beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen begrenzt, und kann in verschiedenen Konfigurationen realisiert werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, Beispielen und Modifikationen, welche den technischen Merkmalen der Arten entsprechen, welche in dem Abschnitt der Kurzfassung der Erfindung beschrieben sind, frei kombiniert werden oder durch andere Merkmale ersetzt werden, um so die oben stehend beschriebenen Aufgaben teilweise oder vollständig zu lösen oder um so die oben stehend beschriebenen Wirkungen teilweise oder vollständig zu erzielen. Auch ein technisches Merkmal (technische Merkmale) kann(können) beliebig weggelassen werden, außer wenn das(die) technische(n) Merkmal(e) in der vorhandenen Beschreibung als ein wesentliches Merkmal (wesentliche Merkmale) beschrieben ist(sind).
Die Konfiguration des Spalts 180 in der oben stehend beschriebenen Ausführungsform kann nicht nur auf einen Sauerstoff-Sensor angewendet werden, sondern auch auf einen NOx-Sensor, welcher Stickstoffoxid (NOx) detektiert. Die Konfiguration des Spalts 180 in der oben stehend beschriebenen Ausführungsform kann nicht nur auf einen Spalt zum Einführen eines Referenzgases angewendet werden. sondern auch auf einen Spalt zum Einführen eines Objektgases.
Bezugszeichenliste

10: Gassensor
100: Gassensorelement
102: Sensorabschnitt
104: Heizungsabschnitt
110: Feststoffelektrolyt-Keramikschicht
110p, 120p, 130p, 160p, 170p: Grünschicht
118, 128: Oberfläche
120, 130, 160, 170: Keramikschicht
140: poröser Abschnitt
180, 180A, 18013, 180C, 180D: Spalt
180p: Kohlenstoff-Paste
190, 190A, 19013, 190C, 190D, 190p: laminierte Struktur
191, 192, 193, 194, 195, 196: Außenfläche
120, 210, 220, 260: Leiterschicht
212, 222: Elektrodenabschnitt
214, 224, 264, 265: Leitungsabschnitt
216, 226, 266, 267: Anschlussabschnitt
262: Wärmeerzeugungsabschnitt
281a, 282a, 282b, 286c, 286d: durchgehende Öffnung
290a, 290b, 290c, 290d: Elektrodenkontaktfläche
300: Schutzvorrichtung
400: metallische Ummantelung
500: Elementhalteabschnitt
510: Keramikhalter
520, 530: Talk-Ring
540: Keramikhülse
600: Außenrohr
700: Isolator
800: Kabel
810a, 810b, 810c, 810d: Leitungsdraht
820a, 820b, 820c, 820d: Anschlussklemme
912: Hohlform
914: Hohlform

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-261727 [0003]
JP 2003-185622 [0003]
JP 2002-340845 [0003]

Claims

Gassensorelement (100), aufweisend: eine plattenförmige laminierte Struktur (190), bei welcher mehrere Keramikschichten (110, 120, 130) laminiert sind, wobei die mehreren Keramikschichten (110, 120, 130) eine Feststoffelektrolyt-Keramikschicht (110) mit einer auf einer Oberfläche (118) davon ausgebildeten Elektrode (212) aufweisen, wobei die laminierte Struktur (190) einen Spalt (180) aufweist, welcher zwischen der Feststoffelektrolyt-Keramikschicht (110) und einer zweiten Keramikschicht (120) ausgebildet ist, welcher sich in einer Längsrichtung (X) der laminierten Struktur (190) erstreckt, und zu welchem die Elektrode (212) freiliegend ist, wobei eine Querschnittsform des Spalts (180), welche durch Schneiden der laminierten Struktur (190) entlang einer Ebene (YZ) orthogonal zu der Längsrichtung (X) erhalten wird, einen Endpunkt A, welcher einer von den Kontaktpunkten ist, mit welchen die Querschnittsform in Einzelpunktkontakt mit einer virtuellen geraden Linie (VLa) steht, welche zu einer Laminierungsrichtung (Z) der mehreren Keramikschichten (110, 120, 130) parallel ist, wobei der eine Kontaktpunkt am nächsten zu einer Seitenfläche (193) der laminierten Struktur (190) liegt, welche sich in der Längsrichtung (X) und in der Laminierungsrichtung (Z) erstreckt, einen Endpunkt B, welcher einer der Kontaktpunkte ist, welcher am nächsten zu einer anderen Seitenfläche (194) der laminierten Struktur (190) liegt, welche der einen Seitenfläche (193) gegenüber liegt, einen Endpunkt C, welcher den größten Abstand von einer geraden Linie AB aufweist, welche durch den Endpunkt A und den Endpunkt B in Richtung auf die Feststoffelektrolyt-Keramikschicht (110) geht, und einen Endpunkt D aufweist, welcher den größten Abstand von der geraden Linie AB in Richtung auf die zweite Keramikschicht (120) aufweist; ein Abstand H1 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt C und ein Abstand H2 zwischen der geraden Linie AB und dem Endpunkt D eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 < 1,00 oder eine Relation 1,00 < H1/H2 ≤ 4,00 erfüllen; und eine Höhe H des Spalts (180), welche die Summe des Abstands H1 und des Abstands H2 ist, innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 100 µm liegt.
Gassensorelement (100) nach Anspruch 1, bei welchem der Abstand H1 und der Abstand H2 eine Relation 0,25 ≤ H1/H2 ≤ 0,67 oder eine Relation 1,50 ≤ H1/H2 ≤ 4,00 erfüllen.
Gassensorelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Querschnittsform in Richtung auf den Endpunkt C konvex ist und auch in Richtung auf den Endpunkt D konvex ist.
Gassensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Spalt (180) eine Lufteinführungsöffnung zum Leiten von Luft an die Elektrode ist.
Gassensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Höhe H innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm liegt.
Gassensor, welches ein Gassensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.