DE102014200034A1 - Gassensorelement und Gassensor - Google Patents

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Kentaro Kamada
Masaki Nakagawa
Koji Shiotani
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Abstract

[Aufgabe] Bereitstellen eines Gassensorelements, das eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode und eine sauerstoffundurchlässige erste Leitung, die mit der ersten Elektrode verbunden ist, aufweist, und das einen Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, in kurzer Zeit ohne Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung der ersten Elektrode herstellt. [Mittel zur Lösung] Eine erste Elektrode 133 weist einen Exponierungsabschnitt 133b, der in eine zweite Messkammer 160 zeigt, und einen Verbindungsabschnitt 133d auf, der an einer nicht in die zweite Messkammer 160 zeigenden Position angeordnet und mit dem ersten Leitung 137 verbunden ist, und der ein Abschnitt der ersten Elektrode 133 ist, der am weitesten von der zweiten Messkammer 160 entfernt liegt. Der gesamte Verbindungsabschnitt 133d ist in einem Abschnitt A1 angeordnet, der sich von der zweiten Messkammer 160 über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor mit dem Gassensorelement.
  • [Stand der Technik]
  • Ein herkömmlich bekannter Gassensor ist an einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeugmotor zum Erfassen einer NOx-Konzentration (Stickstoffoxid) im Abgas (dem zu messenden Gas) (siehe Patentdokumente 1 und 2) befestigt. Patentdokumente 1 und 2 beschreiben ein Gassensorelement, das teilweise den Gassensor bildet und einen plattenförmigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionen-Leitfähigkeit, eine auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehene erste Elektrode, eine mit der ersten Elektrode verbundene erste Leitung, eine auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehene zweite Elektrode, eine Messkammer (zweite Kammer), die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die das zu messende Gas eingeführt wird, und eine gegenüber der zweiten Elektrode angeordnete Referenzsauerstoffkammer umfasst.
  • Das Gassensorelement ist derart ausgebildet, dass als Ergebnis der Bewegung der Sauerstoffionen von dem NOx, das in dem zu messenden Gas, das in die Messkammer eingebracht wird, enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper in die Referenzsauerstoffkammer, ein Strom entsprechend der von dem NOx stammenden Sauerstoffkonzentration zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt.
  • Gemäß den Patentdokumenten 1 und 2 ist zur Gewährleistung der Sauerstoffpumpleistung die erste Elektrode porös ausgebildet. Folglich wird die erste Elektrode sauerstoffdurchlässig. Indes ist zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eine hohe Dichte pro Flächeneinheit erwünscht; somit wird die erste Leitung dicht ausgebildet. Als Ergebnis wird die erste Leitung sauerstoffundurchlässig.
  • [Stand der Technik Dokumente]
  • [Patentdokumente]
    • [Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 4165652
    • [Patentdokument 2] Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2010-122187
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
  • An dieser Stelle sei bemerkt, dass 4 in dem Patentdokument 1 die erste Elektrode zeigt, die innerhalb der Messkammer (zweite Kammer) angeordnet ist. Darüber hinaus zeigt 4 die erste Leitung, die mit der ersten Elektrode innerhalb der Messkammer in einer solchen Weise verbunden ist, dass sie die erste Elektrode überlappt.
  • Jedoch kann bei der Verbindung der sauerstoffdurchlässigen ersten Elektrode mit der sauerstoffundurchlässigen ersten Leitung das folgende Problem auftreten. Die Sauerstoffpumpleistung in dem Abschnitt (im Nachfolgenden als ein Verbindungsabschnitt bezeichnet) der ersten Elektrode, der mit der ersten Leitung überlappt, kann sich verschlechtern, wodurch es möglicherweise zu einer Verschlechterung der Genauigkeit bei der Erfassung der NOx-Konzentration im zu messenden Gas kommt.
  • Angesichts des obigen Problems wurde überlegt, einen Abschnitt der Elektrode bis zu einer Position, die nicht der Messkammer ausgesetzt ist, auszudehnen, um den ersten Verbindungsabschnitt an einer Position, die nicht in die Messkammer zeigt, anzuordnen (eine Position, die außerhalb der Messkammer angeordnet ist). Dadurch kann ”eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Erfassung der NOx-Konzentration im zu messenden Gas, als Ergebnis der Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung aufgrund der Anordnung des Verbindungsabschnitts innerhalb der Messkammer” verringert werden.
  • Selbst wenn jedoch der Verbindungsabschnitt an einer nicht in die Messkammer zeigenden Position vorgesehen ist, trat das folgende Problem auf. Der oben erwähnte Gassensor muss die folgende Steuerung durchführen: Vor dem Beginn der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im Messgas wird ein unveränderlicher Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode für eine festgelegte Zeitdauer angelegt, um im Inneren des Gassensorelements stehenden Sauerstoff durch die Messkammer in die Referenzsauerstoffkammer zu transportieren (abzupumpen). Der Grund für diese Bedingung liegt darin, dass die NOx-Konzentration (die vom NOx stammende Sauerstoffkonzentration) in dem Messgas, das von außen ohne Einfluss des im Inneren des Gassensorelements stehenden Sauerstoffs (insbesondere im Inneren der Messkammer und der ersten Elektrode) zugeführt wird, genau erfasst werden kann.
  • Jedoch besteht aufgrund der Anordnung des Verbindungsabschnitts der ersten Elektrode an einer Position, die nicht in die Messkammer zeigt (einer geschlossenen Position), die Gefahr, dass ein schnelles Abpumpen des im Verbindungsabschnitt stehenden (adsorbierten) Sauerstoffs missglückt. Somit tritt das folgende Phänomen auf: Selbst nach dem Beginn der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im zu messenden Gas verbleibt viel Sauerstoff in dem Verbindungsabschnitt, und während der geregelten Steuerung fließt der Restsauerstoff im Laufe der Zeit nach und nach in die Messkammer. Aufgrund des Einflusses einer solchen Restsauerstoffzufuhr aus dem Verbindungsabschnitt in die Messkammer über einen langen Zeitraum, besteht die Gefahr, dass viel Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabewerte vergeht (Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Bewegung der Sauerstoffionen aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper in die Referenzsauerstoffkammer fließt, und die dem Strom entsprechende NOx-Konzentration). Das heißt, es besteht die Gefahr, dass viel Zeit bis zur Herstellung eines Zustandes, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, vergeht.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese gegenwärtige Situation konzipiert, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gassensorelement, das eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode und eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung aufweist, und das einen Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, in einer kurzen Zeitdauer ohne Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung der ersten Elektrode erlangen kann, sowie ein Gassensor mit dem Gassensorelement bereitzustellen.
  • [Mittel zur Lösung der Probleme]
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensorelement bereitgestellt, umfassend einen plattenförmigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung, eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die ein zu messendes Gas eingebracht wird, und die ausgebildet ist, dass sich die Sauerstoffionen von dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, von der Messkammer durch den Festelektrolytkörper zu einem Bestimmungsort, der außerhalb der Messkammer angeordnet ist, bewegen, wodurch ein Strom, der der von dem NOx stammenden Sauerstoffkonzentration entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode einen exponierten Abschnitt (Exponierungsabschnitt), der in die Messkammer zeigt, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der an einer nicht in die Messkammer zeigenden Position angeordnet und mit der ersten Leitung verbunden ist, und der ein Abschnitt der ersten Elektrode ist, der am weitesten von der Messkammer entfernt angeordnet ist, und wobei der gesamte Verbindungsabschnitt in einem Abschnitt angeordnet ist, der sich von der Messkammer über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt.
  • Das oben erwähnte Gassensorelement umfasst die sauerstoffdurchlässige erste Elektrode und die sauerstoffundurchlässige erste Leitung, die mit der ersten Elektrode verbunden ist. Die erste Elektrode weist den exponierten Abschnitt, der in die Messkammer zeigt, und den Verbindungsabschnitt, der mit der ersten Leitung verbunden und an einer nicht in die Messkammer zeigenden Position (eine Position außerhalb der Messkammer) angeordnet ist, auf. Zur Verbindung mit der ersten Leitung an einer außerhalb der Messkammer angeordneten Position wird der Verbindungsabschnitt durch Verlängerung der ersten Elektrode in einer Richtung weg von der Messkammer gebildet; somit ist der Verbindungsabschnitt ein Abschnitt der ersten Elektrode, der am weitesten von der Messkammer angeordnet ist.
  • Üblicherweise besteht bei einem derart ausgebildeten Gassensorelement die Gefahr, dass ein schnelles Abpumpen des im Verbindungsabschnitt stehenden (adsorbierten) Sauerstoffs missglückt. Somit tritt das folgende Phänomen auf: Selbst nach dem Start der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im Messgas verbleibt viel Sauerstoff im Verbindungsabschnitt, und während der geregelten Steuerung fließt der Restsauerstoff nach und nach in die Messkammer. Aufgrund des Einflusses des Phänomens besteht die Gefahr, dass viel Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe vergeht. Das heißt, es besteht die Gefahr, dass viel Zeit bis zur Herstellung eines Zustandes, bei dem die NOx-Konzentration im zu messenden Gas genau erfasst werden kann, vergeht.
  • Im Gegensatz dazu, ist in dem oben erwähnten Gassensorelement der gesamte Verbindungsabschnitt in einem Abschnitt angeordnet, der sich von der Messkammer über eine Entfernung von 1,0 mm oder weniger erstreckt. Aufgrund dessen kann der im Verbindungsabschnitt stehende Sauerstoff schnell heraus gepumpt werden, wodurch die Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe verkürzt werden kann. Das heißt, dass über einen kurzen Zeitraum ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im zu messenden Gas genau erfasst werden kann, hergestellt werden kann.
  • Ferner ist in dem oben erwähnten Gassensorelement die erste Elektrode mit der ersten Leitung an einer Position, die nicht in die Messkammer zeigt, verbunden. Somit kann im Gegensatz zu der zuvor erwähnten Erfindung des Patentdokument 1 ( japanisches Patent Nr. 4165652 ) ”eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Erfassung der NOx-Konzentration im zu messenden Gas, als Ergebnis der Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung aufgrund der Anordnung des Verbindungsabschnitts innerhalb der Messkammer” verringert werden.
  • Beispiele für ”den Bestimmungsort”, der außerhalb der Messkammer angeordnet ist und zu dem sich die Sauerstoffionen des NOx von der Messkammer bewegen, umfassen einen Innenraum des Gassensorelements, der sich von der Messkammer unterscheidet (z. B., eine Referenzsauerstoffkammer, die später beschrieben wird, oder eine andere Messkammer) und ein Raum außerhalb des Gassensorelements (z. B., ein Raum, mit dem das Gassensorelement in Kontakt ist und in den zu messenden Gas fließt, oder ein Raum, mit dem das Gassensorelement in Kontakt ist und in den die Luft strömt).
  • Zudem umfasst das oben erwähnte Gassensorelement vorzugsweise ferner eine Referenzsauerstoffkammer, die gegenüber der zweiten Elektrode angeordnet und derart ausgebildet ist, dass der außerhalb der Messkammer angeordnete Bestimmungsort die Referenzsauerstoffkammer ist.
  • Das heißt, vorzugsweise umfasst ein Gassensorelement einen plattenförmigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung, eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die ein zu messendes Gas eingebracht wird, und eine Referenzsauerstoffkammer, die gegenüber der zweiten Elektrode angeordnet und derart ausgebildet ist, dass sich Sauerstoffionen aus dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper in die Referenzsauerstoffkammer bewegen, wobei ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration aus dem NOx entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode einen exponierten Abschnitt, der in die Messkammer zeigt, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der an einer nicht in die Messkammer zeigenden Position angeordnet und mit der ersten Leitung verbunden ist, und der ein Abschnitt der ersten Elektrode ist, der am weitesten von der Messkammer entfernt liegt, und wobei der gesamte Verbindungsabschnitt in einem Abschnitt angeordnet ist, der sich von der Messkammer über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt.
  • Durch Verwendung des oben erwähnten Gassensorelements kann die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden.
  • Zudem umfasst vorzugsweise einer der zuvor erwähnten Gassensorelemente eine Isolierschicht, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; in dem Gassensorelement sind die erste Leitung und ein Abschnitt der ersten Elektrode auf die Isolierschicht ausgebildet; der exponierte Abschnitt der ersten Elektrode umfasst einen Kontaktabschnitt, der über ein sich durch die Isolierschicht erstreckendes Durchgangsloch mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist; und der Verbindungsabschnitt der ersten Elektrode ist mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht verbunden.
  • In dem oben erwähnten Gassensorelement weist der exponierte Abschnitt der ersten Elektrode (ein Abschnitt der ersten Elektrode, der in die Messkammer zeigt) den Kontaktabschnitt auf, der über ein Durchgangsloch in der Isolierschicht mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist. Indes ist die erste Leitung auf der Isolierschicht ausgebildet (somit ist die erste Leitung mit dem Festelektrolytkörper nicht in Kontakt). Der Verbindungsabschnitt der ersten Elektrode ist mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht verbunden. Daher ist in dem oben genannten Gassensorelement der Verbindungsabschnitt der ersten Elektrode an einer Position angeordnet, die nicht in die Messkammer zeigt, und mit dem Festelektrolytkörper nicht in Kontakt.
  • Somit kann in dem oben genannten Gassensorelement nur der Kontaktbereich der ersten Elektrode tatsächlich als ein Messabschnitt fungieren, und eine zu detektierende Eigenschaft, d. h., die NOx-Konzentration, kann genau erfasst werden. Die erste Leitung unterscheidet sich hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von der ersten Elektrode; daher kann bei einem Aufbau, bei der die erste Leitung und der mit der ersten Leitung verbundene Verbindungsabschnitt teilweise mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt sind, die Gaskonzentration nicht genau erfasst werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensorelement bereitgestellt, umfassend einen plattenförmigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung, eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die ein zu messendes Gas eingebracht wird, und derart ausgebildet, dass sich Sauerstoffionen aus dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper an einen außerhalb der Messkammer angeordneten Bestimmungsort bewegen, wobei ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration aus dem NOx entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode innerhalb der Messkammer angeordnet ist; das Gassensorelement umfasst ferner eine Isolierschicht, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; die erste Leitung und ein Abschnitt der ersten Elektrode sind auf der Isolierschicht ausgebildet; und die erste Elektrode weist einen Kontaktabschnitt auf, der durch ein sich durch die Isolierschicht erstreckendes Durchgangsloch mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht innerhalb der Messkammer verbunden ist.
  • Das zuvor erwähnte Gassensorelement umfasst die sauerstoffdurchlässige erste Elektrode und die sauerstoffundurchlässige erste Leitung, die mit der ersten Elektrode verbunden ist. Die erste Elektrode als Ganzes ist innerhalb der Messkammer angeordnet (die gesamte Vorder- oder Rückfläche der ersten Elektrode zeigt in die Messkammer). Ferner ist der Verbindungsabschnitt mit der ersten Leitung innerhalb der Messkammer verbunden.
  • Durch Verwendung eines derartigen Aufbaus kann in dem Verbindungsabschnitt stehender Sauerstoff schnell heraus gepumpt werden, wobei die Zeitdauer vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe verkürzt werden kann. Das heißt, dass ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, über einen kurzen Zeitraum hergestellt werden kann.
  • Zudem ist der Verbindungsabschnitt der ersten Elektrode mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht verbunden (und ist somit mit dem Festelektrolytkörper nicht in Kontakt). Obwohl der Verbindungsabschnitt innerhalb der Messkammer angeordnet ist, beeinflusst der Verbindungsabschnitt daher die Sauerstoffpumpleistung der ersten Elektrode nicht (der Verbindungsabschnitt verursacht keine Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung der ersten Elektrode). Somit kann eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Erfassung der NOx-Konzentration im zu messenden Gas verringert werden.
  • Ferner umfasst vorzugsweise das zuvor erwähnte Gassensorelement ferner eine Referenzsauerstoffkammer, die gegenüber der zweiten Elektrode angeordnet und derart ausgebildet ist, dass der außerhalb der Messkammer angeordnete Bestimmungsort die Referenzsauerstoffkammer ist.
  • Das heißt, vorzugsweise umfasst das zuvor erwähnte Gassensorelement einen plattenförmigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine sauerstoffdurchlässige erste Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung, eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die ein zu messendes Gas eingebracht wird, und eine Referenzsauerstoffkammer, die gegenüber der zweiten Elektrode angeordnet ist, und ausgebildet ist, dass sich Sauerstoffionen aus dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper in die Referenzsauerstoffkammer bewegen, wobei ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration aus dem NOx entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode innerhalb der Messkammer angeordnet ist; das Gassensorelement umfasst ferner eine Isolierschicht, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; die erste Leitung und ein Abschnitt der ersten Elektrode sind auf der Isolierschicht ausgebildet; und die erste Elektrode weist einen Kontaktabschnitt auf, der über ein sich durch die Isolierschicht erstreckendes Durchgangsloch mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht innerhalb der Messkammer verbunden ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor bereitgestellt, der eines der oben erwähnten Gassensorelemente umfasst.
  • Der Gassensor weist eines der oben erwähnten Gassensorelemente auf. Somit kann der Gassensor ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, über einen kurzen Zeitraum ohne Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung der ersten Elektrode herstellen.
  • [Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
  • [1] Schnittansicht eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform und einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • [2] Perspektivische Ansicht eines Gassensorelements gemäß der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform.
  • [3] Schnittansicht entlang der Linie B-B der 2.
  • [4] Perspektivische Ansicht, die Komponentenschichten des Gassensorelements darstellt.
  • [5] Vergrößerte Darstellung des Bereichs E der 4.
  • [6] Vergrößerte Darstellung des Bereichs F der 4.
  • [7] Ansicht, die die Position eines Verbindungsabschnitts einer Ip2 negativen Elektrode in Richtung des Pfeils C der 3 darstellt.
  • [8] Diagramm, das die Ergebnisse eines an Gassensorelementen durchgeführten Leistungsbewertungstests darstellt.
  • [9] Weiteres Diagramm, das die Ergebnisse des an Gassensorelementen durchgeführten Leistungsbewertungstests darstellt.
  • [10] Ansicht, die die Position eines Verbindungsabschnitts einer Ip2 negativen Elektrode eines Gassensorelements gemäß einer modifizierten Ausführungsform darstellt.
  • [Ausführungsarten der Erfindung]
  • (Ausführungsform)
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist eine Längsschnittansicht (Schnittansicht, die entlang einer axialen Linie AX geschnitten ist) eines Gassensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gassensorelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der 2, die eine innere Struktur des Gassensorelements 10 darstellt. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die Komponentenschichten des Gassensorelements 10 in der Reihenfolge der Laminierung entlang der Laminierungsrichtung (entlang der vertikalen Richtung in der 4) darstellt. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs E in der 4, und 6 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs F in der 4.
  • Der Gassensor 1 ist ein NOx-Sensor, der das Gassensorelement 10 aufweist, das eine NOx-Konzentration (Stickstoffoxid) erfassen kann, das in einem das Messgas bildenden Abgas enthalten ist und zur Verwendung an einer Abgasleitung (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors (siehe 1) befestigt ist. Der Gassensor 1 umfasst ein rohrförmiges Metallgehäuse 20 mit einem Gewindeabschnitt 21, der an seiner Außenfläche an einer vorbestimmten Position zur Befestigung des Gassensors 1 an die Abgasleitung gebildet ist. Das Gassensorelement 10 weist eine schmale, langgestreckte Plattenform auf, die sich in der Richtung der axialen Linie AX erstreckt und im Inneren des Metallgehäuses 20 gehalten wird (siehe 1 und 2).
  • Insbesondere umfasst der Gassensor 1 ein Halteelement 60 mit einem Einführungsloch 62, in das ein hinterer Endabschnitt 10k (ein oberer Endabschnitt in der 1) des Gassensorelements 10 eingesetzt ist, und sechs Anschlusselemente, die im Inneren des Halteelements 60 gehalten werden. 1 zeigt nur zwei Anschlusselemente (insbesondere Anschlusselemente 75 und 76) der sechs Anschlusselemente.
  • Insgesamt sind sechs Elektrodenanschlüsse, die in der Draufsicht jeweils eine rechteckige Form aufweisen, an dem hinteren Endabschnitt 10k (ein rechter Endabschnitt in 2) des Gassensorelements 10 ausgebildet. Insbesondere sind die Elektrodenanschlüsse 13, 14 und 15 auf einer ersten Oberfläche 10a des Gassensorelements 10 ausgebildet, und die Elektrodenanschlüsse 16, 17 und 18 sind auf einer zweiten Oberfläche 10b ausgebildet. Die Anschlusselemente sind mit den Elektrodenanschlüssen 13 und 18 in elastischem Kontakt und somit jeweils mit diesen elektrisch verbunden (siehe 1). Insbesondere sind Kontaktelementabschnitte, die an vorderen Endabschnitten der Anschlusselemente angeordnet sind, jeweils in elastischem Kontakt mit den Elektrodenanschlüssen 13 und 18. Zum Beispiel ist ein Kontaktelementabschnitt 75b des Anschlusselements 75 in elastischem Kontakt mit dem Elektrodenanschluss 14 und somit mit diesem elektrisch verbunden. Ferner ist ein Kontaktelementabschnitt 76b des Anschlusselements 76 in elastischem Kontakt mit dem Elektrodenanschluss 17 und somit mit diesem elektrisch verbunden (siehe 1).
  • Ferner sind Anschlussdrähte 71 elektrisch mit den sechs Anschlusselementen (Anschlusselemente 75, 76, etc.) verbunden. Insbesondere ist ein Leitungsdrahtcrimpabschnitt, der an einem hinteren Ende eines jeden Anschlusselements angeordnet ist, mit einem Kerndraht des Leitungsdrahtes 71 vercrimpt, wodurch der Leitungsdraht 71 mit dem Anschlusselement elektrisch verbunden ist. Zum Beispiel ist ein Leitungsdrahtcrimpabschnitt 77 des Anschlusselements 75, wie in 1 gezeigt, mit einem Kerndraht des Leitungsdrahtes 71 vercrimpt, wodurch der Leitungsdraht 71 mit dem Anschlusselement 75 elektrisch verbunden ist. Auch ist ein Leitungsdrahtcrimpabschnitt 78 des Anschlusselements 76 mit einem Kerndraht eines anderen Leitungsdrahts 71 vercrimpt, wodurch der Leitungsdraht 71 mit dem Anschlusselement 76 elektrisch verbunden ist.
  • Das Metallgehäuse 20 ist ein rohrförmiges Element mit einem Durchgangsloch 23, das sich durch dieses in der Richtung der axialen Linie AX erstreckt. Das Metallgehäuse 20 weist einen Vorsprung 25 auf, der radial nach innen herausragt und teilweise das Durchgangsloch 23 bildet. Das Metallgehäuse 20 hält das Gassensorelement 10 in dem Durchgangsloch 23, während ein vorderer Endbereich 10s des Gassensorelements 10 von seinem vorderen Ende nach außen herausragen kann (nach unten in der 1) und ein hinterer Endbereich 10k des Gassensorelements 10 von seinem hinteren Ende nach außen vorstehen kann (nach oben in der 1).
  • In dem Durchgangsloch 23 des Metallgehäuses 20 sind ein ringförmiger Keramikhalter 42, zwei Talkringe 43 und 44, die durch ringförmig angefülltes Talkpulver gebildet sind, und eine Keramikhülse 45 angeordnet. Insbesondere sind der Keramikhalter 42, die Talkringe 43 und 44 und die Keramikhülse 45 in dieser Reihenfolge von der axialen Vorderseite (die untere Seite in 1) zu der axialen Hinterseite (die obere Seite in 1) derart geschichtet, dass sie das Gassensorelement 10 umschließen.
  • Auch ist eine Metallschale 41 zwischen dem Keramikhalter 42 und dem Vorsprung 25 des Metallgehäuses 20 angeordnet. Ein Crimpring 46 ist zwischen der Keramikhülse 45 und einem Crimpabschnitt 22 des Metallgehäuses 20 angeordnet. Der Crimpabschnitt 22 des Metallgehäuses 20 ist derart gecrimpt, dass dieser mithilfe des Crimprings 46 die Keramikhülse 45 nach vorne drückt.
  • Ein äußeres Schutzelement 31 und ein inneres Schutzelement 32, die aus Metall (insbesondere Edelstahl) hergestellt sind und eine Vielzahl von Löchern aufweisen, sind an einem vorderen Endabschnitt 20b des Metallgehäuses 20 derartig angeschweißt, dass sie den vorderen Endabschnitt 10s des Gassensorelements 10 abdecken. Indes ist ein rohrförmiges Gehäuse 51 mit einem hinteren Endabschnitt des Metallgehäuses 20 verschweißt. Das rohrförmige Gehäuse 51 erstreckt sich in der Richtung der axialen Linie AX und umgibt das Gassensorelement 10.
  • Das Halteelement 60 ist ein rohrförmiges Element, das aus einem elektrisch isolierenden Material (insbesondere Aluminiumoxid) gebildet ist und das Einführungsloch 62 aufweist, das sich durch dieses in der Richtung der axialen Linie AX erstreckt. Die zuvor erwähnten sechs Anschlusselemente (Anschlusselemente 75, 76, etc.) sind in dem Einführungsloch 62 angeordnet (siehe 1). Das Halteelement 60 weist einen Kragenabschnitt 65 auf, der an seinem hinteren Endabschnitt ausgebildet ist und radial nach außen vorsteht. Das Halteelement 60 wird von einem inneren Stützelement 53 derart gehalten, dass der Kragenabschnitt 65 das innere Stützelement 53 berührt. Das innere Stützelement 53 wird an dem rohrförmigen Gehäuse 51 mittels eines Crimpabschnitts 51g des rohrförmigen Gehäuses 51 gehalten, der radial nach innen gecrimpt ist.
  • Ein isolierendes Element 90 ist an einer hinteren Endfläche 61 des Halteelements 60 angeordnet. Das isolierende Element 90 ist aus einem elektrisch isolierenden Material (insbesondere Aluminiumoxid) gebildet und weist eine zylindrische Form auf. Das isolierende Element 90 weist sechs Durchgangslöcher 91 auf, die sich durch dieses in der Richtung der axialen Linie AX erstrecken. Die Leitungsdrahtcrimpabschnitte (die Leitungsdrahtcrimpabschnitte 77, 78, etc.) der Anschlusselemente sind in den Durchgangslöchern 91 angeordnet.
  • Ein elastisches Dichtungselement 73 aus Fluorelastomer ist von einem hinteren Endöffnungsabschnitt 51c, der an einem axialen hinteren Endabschnitt (einem oberen Endabschnitt in 1) angeordnet ist, radial nach innen des rohrförmigen Gehäuses 51 angeordnet (siehe 1). Das elastische Dichtungselement 73 weist sechs zylindrische Einführungslöcher 73c auf, die sich durch dieses in der Richtung der axialen Linie AX erstrecken. Die Einführungslöcher 73c sind jeweils aus Einführungslochflächen 73b (zylindrische Innenwandflächen) des elastischen Dichtungselements 73 gebildet. Die Leitungsdrähte 71 werden in einer Beziehung vom Typ 1:1 durch die Einführungslöcher 73c eingeführt. Die Leitungsdrähte 71 erstrecken sich durch die Einführungslöcher 73c des elastischen Dichtungselements 73 zur Außenseite des Gassensors 1. Das elastische Dichtungselement 73 ist durch radiales Crimpen des hinteren Endöffnungsabschnitts 51c des rohrförmigen Gehäuses 51 nach innen radial elastisch druckverformt, wodurch die Einführungslochflächen 73b und entsprechende Außenumfangsflächen 71b der Leitungsdrähte 71 in engem Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch eine wasserdichte Abdichtung zwischen den Einführungslochflächen 73b und den entsprechenden Außenumfangsflächen 71b der Leitungsdrähte 71 geschaffen wird.
  • Unterdessen umfasst das Gassensorelement 10, wie in 3 gezeigt, plattenförmige Festelektrolytkörper 111, 121, 131 und Isolatoren 140 und 145, die zwischen den Festelektrolytkörpern 111, 121 und 131 angeordnet sind, und weist eine Struktur auf, in der diese Elemente in der Laminierungsrichtung miteinander laminiert sind (vertikale Richtung in der 3). Ferner umfasst das Gassensorelement 10 eine Heizvorrichtung 161, die auf einer Rückfläche 131c (untere Oberfläche in 3) des Festelektrolytkörpers 131 laminiert ist. Die Heizvorrichtung 161 enthält plattenförmige Isolatoren 162 und 163, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid gebildet sind, und eine Heizungsanordnung 164 (hauptsächlich aus Pt gebildet), die zwischen den Isolatoren 162 und 163 eingebettet ist (siehe 3 und 6). Die Heizungsanordnung 164 umfasst einen Wärmeerzeugungsabschnitt 164d in der Form des Buchstaben W und geradlinigen ersten und zweiten Leitungsabschnitten 164b und 164c, die jeweils mit gegenüberliegenden Enden des Wärmeerzeugungsabschnitts 164d verbunden sind. Der erste Leitungsabschnitt 164b ist mit dem Elektrodenanschluss 16 elektrisch verbunden, und der zweite Leitungsabschnitt 164c ist mit dem Elektrodenanschluss 18 elektrisch verbunden (siehe 6).
  • Die Festelektrolytkörper 111, 121 und 131 sind aus Zirkonoxid, das ein Festelektrolyt ist und eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Eine poröse Ip1 positive Elektrode 112 ist auf einer Vorderfläche 111b (einer oberen Oberfläche in 3) des Festelektrolytkörpers 111 vorgesehen. Eine poröse Ip1 negative Elektrode 113 ist auf einer Rückfläche 111c (einer unteren Fläche in 3) des Festelektrolytkörpers 111 vorgesehen. Die Ip1 positive Elektrode 112 und die Ip1 negative Elektrode 113 sind aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, und weisen eine Sauerstoffdurchlässigkeit auf.
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden die Ip1 positive Elektrode 112 und die Ip1 negative Elektrode 113 wie folgt gebildet. Zunächst werden 100 Gew.-Teile Pt-Pulver, 14 Gew.-Teile Keramikpulver und 10 Gew.-Teile organischer Binder (z. B., Ethylzellulose) gemischt; zu dem erhaltenen Gemisch wird ein Lösungsmittel in einer vorbestimmten Menge zugegeben, sodass eine Elektrodenpaste entsteht. Als nächstes wird die Elektrodenpaste auf der Vorderfläche 111b und der Rückfläche 111c des Festelektrolytkörpers 111 aufgebracht. Anschließend wird das organische Bindemittel durch die Anwendung von Wärme aufgelöst, wodurch die poröse Elektroden 112 und 113 gebildet werden.
  • Wie in 5 gezeigt, ist eine Ip1 positive Leitung 116 mit einem Verbindungsabschnitt 112d der Ip1 positiven Elektrode 112 verbunden. Die Ip1 positive Leitung 116 ist elektrisch mit dem Elektrodenanschluss 13 verbunden. Ein Ip1 negative Leitung 117 ist mit einem Verbindungsabschnitt 113d der Ip1 negativen Elektrode 113 verbunden. Die Ip1 negative Leitung 117 ist mit dem Elektrodenanschluss 15 elektrisch verbunden. Die Ip1 positive Leitung 116 und die Ip1 negative Leitung 117 sind aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, aber im Gegensatz zu der Ip1 positiven Elektrode 112 und der Ip1 negativen Elektrode 113 dicht ausgebildet. Somit sind die Ip1 positive Leitung 116 und die Ip1 negative Leitung 117 sauerstoffundurchlässig.
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden die Ip1 positive Leitung 116 und die Ip1 negative Leitung 117 wie folgt gebildet. Zunächst werden 100 Gew.-Teile Pt-Pulver, 18 Gew.-Teile Keramikpulver und 5 Gew.-Teile organischer Binder (z. B., Ethylzellulose) gemischt; zu dem erhaltenen Gemisch wird das Lösungsmittel in einer vorbestimmten Menge zugegeben, sodass eine Bleipaste entsteht. Als nächstes wird die Bleipaste auf der Vorderfläche 111b und der Rückfläche 111c des Festelektrolytkörpers 111 aufgebracht. Anschließend wird das organische Bindemittel durch die Anwendung von Wärme aufgelöst, wodurch die Leitungen 116 und 117 gebildet werden.
  • Indes wird, verglichen mit obiger Elektrodenpaste, die Zugabemenge des organischen Bindemittels in der Bleipaste reduziert (ungefähr halbiert). Durch Verringern der Zugabemenge an organischem Bindemittel, das innere Poren durch Dissipation als Ergebnis der Wärmeanwendung bildet, werden dichte Leitungen 116 und 117 mit wenigen inneren Poren gebildet.
  • Eine Schutzschicht 115 aus Aluminiumoxid oder dergleichen wird auf die Vorderseite (Oberseite in den 3 bis 5) der Ip1 positiven Elektrode 112 und der Ip1 positiven Leitung 116 laminiert. Ein erster poröser Körper 114 wird in der Schutzschicht 115 an einer solchen Position gebildet, dass dieser der Ip1 positiven Elektrode 112 in der Laminierungsrichtung gegenüber liegt und der Umgebungsluft des Gassensorelements 10 ausgesetzt ist. Der erste poröse Körper 114 weist eine Gasdurchlässigkeit auf und ist mit einem Abschnitt der Ip1 positiven Elektrode 112 in Kontakt. Jener Abschnitt der Ip1 positiven Elektrode 112, der in Kontakt mit dem ersten porösen Körper 114 ist, bildet einen Kontaktabschnitt 112b.
  • Der Festelektrolytkörper 111 und die Elektroden 112 und 113 bilden eine Ip1 Zelle 110 (eine erste Pumpzelle) (siehe 3). Die Ip1 Zelle 110 pumpt Sauerstoff (das sogenannte Sauerstoffpumpen) gemäß dem zwischen den Elektroden 112 und 113 angelegten Pumpstrom Ip1 zwischen eine Atmosphäre, die in Kontakt mit der Elektrode 112 ist (Umgebungsluft des Gassensorelements 10), und eine Atmosphäre, die in Kontakt mit der Elektrode 113 ist (Atmosphäre innerhalb einer ersten Messkammer 150, die später beschrieben wird).
  • Der Festelektrolytkörper 121 ist derart angeordnet, dass er dem Festelektrolytkörper 111 in Laminierungsrichtung gegenüber liegt, wobei der Isolator 140 dazwischen angeordnet ist. Eine poröse Vs negative Elektrode 122 ist auf einer Vorderfläche 121b (einer oberen Fläche in 3) des Festelektrolytkörpers 121 vorgesehen. Eine poröse Vs positive Elektrode 123 ist auf einer Rückfläche 121c (einer unteren Fläche in der 3) des Festelektrolytkörpers 121 vorgesehen. Die Vs negative Elektrode 122 und die Vs positive Elektrode 123 sind aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, und weisen eine Sauerstoffdurchlässigkeit auf.
  • Wie in 5 gezeigt, ist eine Vs negative Leitung 126 mit einem Verbindungsabschnitt 122d der Vs negativen Elektrode 122 verbunden. Die Vs negative Leitung 126 ist mit dem Elektrodenanschluss 15 elektrisch verbunden. Die Vs negative Leitung 126 ist aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, aber im Gegensatz zu der Vs negativen Elektrode 122 dicht ausgebildet. Somit ist die Vs negative Leitung 126 sauerstoffundurchlässig. Indes wird, wie in 5 und 6 gezeigt, eine Vs positive Leitung 127 mit der Vs positiven Elektrode 123 verbunden. Die Vs positive Leitung 127 ist mit einem Elektrodenanschluss 14 elektrisch verbunden. Die Vs positive Leitung 127 ist aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, wird aber porös ausgebildet, da die Vs positive Leitung 127 gleichzeitig mit der Bildung der Vs positiven Elektrode 123 gebildet wird. Somit weist die Vs positive Leitung 127 eine Sauerstoffdurchlässigkeit auf.
  • Die erste Messkammer 150, die ein Innenraum des Gassensorelements ist, ist zwischen dem Festelektrolytkörper 111 und dem Festelektrolytkörper 121 (siehe 3) ausgebildet. Die erste Messkammer 150 ist ein Innenraum des Gassensorelements 10, in den Abgas, das durch einen Abgaspfad fließt, zuerst eingeführt wird, und mit der Umgebungsluft des Gassensorelements 10 durch einen zweiten porösen Körper 151, der eine Gasdurchlässigkeit aufweist, kommuniziert. Der zweite poröse Körper 151 ist seitlich von der ersten Messkammer 150 als Trennwand zwischen der ersten Messkammer 150 und der Umgebungsluft des Gassensorelements 10 vorgesehen und begrenzt die Menge an Zustrom pro Zeiteinheit des Abgases in die erste Messkammer 150 (siehe 2 und 5).
  • Ein dritter poröser Körper 152 ist an der Rückseite (rechte Seite in 3) der ersten Messkammer 150 als Trennwand zwischen der ersten Messkammer 150 und einer zweiten Messkammer 160, die später beschrieben wird, vorgesehen und begrenzt die Durchflussmenge pro Zeiteinheit des Abgases.
  • Der Festelektrolytkörper 121 und die Elektroden 122 und 123 bilden eine Vs Zelle 120 (siehe 3). Die Vs Zelle 120 erzeugt hauptsächlich elektromotorische Kraft entsprechend einer Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen zwei Atmosphären (eine Atmosphäre in der ersten Messkammer 150, die in Kontakt mit der Elektrode 122 ist, und eine Atmosphäre in einer Referenzsauerstoffkammer 170, die in Kontakt mit der Elektrode 123 ist), die durch den Festelektrolytkörper 121 getrennt sind.
  • Der Festelektrolytkörper 131 ist derart angeordnet, dass er dem Festelektrolytkörper 121 in Laminierungsrichtung gegenüber liegt, wobei der Isolator 145 dazwischen angeordnet ist. Eine poröse Ip2 positive Elektrode 132 und eine poröse Ip2 negative Elektrode 133 sind auf einer Vorderfläche 131b (einer oberen Fläche in der 3) des Festelektrolytkörpers 131 vorgesehen. Die Ip2 positive Elektrode 132 und die Ip2 negative Elektrode 133 sind aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält und eine Sauerstoffdurchlässigkeit aufweist.
  • Wie in 6 gezeigt, ist ein Ip2 positive Leitung 136 mit der Ip2 positiven Elektrode 132 verbunden. Die Ip2 positive Leitung 136 ist mit dem Elektrodenanschluss 17 elektrisch verbunden. Die Ip2 positive Leitung 136 ist aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, wird aber porös ausgebildet, da die Ip2 positive Leitung 136 gleichzeitig mit der Bildung der Ip2 positiven Elektrode 132 ausgebildet wird. Somit weist die Ip2 positive Leitung 136 eine Sauerstoffdurchlässigkeit auf. Indes wird eine Ip2 negative Leitung 137 mit einem Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 verbunden. Die Ip2 negative Leitung 137 ist mit dem Elektrodenanschluss 15 elektrisch verbunden. Die Ip2 negative Leitung 137 ist aus Cermet gebildet, das Pt-Pulver und Keramikpulver enthält, wird jedoch im Gegensatz zu der Ip2 negativen Elektrode 133 dicht ausgebildet. Somit ist die Ip2 negative Leitung 137 sauerstoffundurchlässig.
  • Eine Referenzsauerstoffkammer 170, die ein isolierter kleiner Raum ist, ist an einer gegenüber der Ip2 positiven Elektrode 132 liegenden Position ausgebildet; insbesondere zwischen der Ip2 positiven Elektrode 132 und der Vs positiven Elektrode 123 (siehe 3). Mit anderen Worten liegt die Ip2 positive Elektrode 132 (die zweite Elektrode) der in dem Gassensorelement 10 ausgebildeten Referenzsauerstoffkammer 170 gegenüber (steht dieser gegenüber). Die Referenzsauerstoffkammer 170 ist eine Öffnung 145b, die im Isolator 145 ausgebildet ist. In der Referenzsauerstoffkammer 170 wird ein poröser Körper aus Keramik auf einer Seite in Richtung der Ip2 positiven Elektrode 132 angeordnet.
  • Zudem ist eine zweite Messkammer 160, die ein Innenraum des Gassensorelements ist, in einer solchen Position vorgesehen, dass sie der Ip2 negativen Elektrode 133 in Laminierungsrichtung gegenüber liegt. Mit anderen Worten liegt die Ip2 negativen Elektrode 133 (die erste Elektrode) der in dem Gassensorelement 10 ausgebildeten zweiten Messkammer 160 gegenüber (steht dieser gegenüber). Die zweite Messkammer 160 ist aus einer Öffnung 145c, die sich durch den Isolator 145 in Laminierungsrichtung erstreckt, einer Öffnung 125, die sich durch den Festelektrolytkörper 121 in Laminierungsrichtung erstreckt, und einer Öffnung 141, die sich durch den Isolator 140 in Laminierungsrichtung erstreckt, gebildet.
  • Die erste Messkamme 150 und der zweiten Messkammer 160 kommunizieren miteinander durch den dritten porösen Körper 152, der eine Gasdurchlässigkeit aufweist. Daher kommuniziert die zweite Messkammer 160 mit der Umgebungsluft des Gassensorelements 10 durch den zweiten porösen Körper 151, der ersten Messkammer 150 und dem dritten porösen Körper 152.
  • In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Festelektrolytkörper 131 dem in den Ansprüchen erscheinenden ”Festelektrolytkörper”. Die Ip2 negative Elektrode 133 entspricht der ”ersten Elektrode”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die Ip2 negative Leitung 137 entspricht der ”ersten Leitung”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die Ip2 positive Elektrode 132 entspricht der ”zweiten Elektrode”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die zweite Messkammer 160 entspricht der ”Messkammer”, wie in den Ansprüchen angegeben. Der Referenzsauerstoffkammer 170 entspricht dem ”Bestimmungsort außerhalb der Messkammer” und der ”Referenzsauerstoffkammer”, wie in den Ansprüchen angegeben. Der Verbindungsabschnitt 133d entspricht dem ”Verbindungsabschnitt”, wie in den Ansprüchen angegeben.
  • Der Festelektrolytkörper 131 und die Elektroden 132 und 133 bilden eine Ip2 Zelle 130 (eine zweite Pumpzelle) zum Erfassen der NOx-Konzentration. Die Ip2 Zelle 130 befördert Sauerstoff (Sauerstoffionen), der durch Zersetzung von NOx, das in der zweiten Messkammer 160 abgebaut wird, gebildet wird, durch den Festelektrolytkörper 131 zu einem außerhalb der zweiten Messkammer 160 angeordneten Bestimmungsort, d. h., in die Referenzsauerstoffkammer 170. Zu diesem Zeitpunkt fließt elektrischer Strom, entsprechend einer NOx-Konzentration, das in dem Abgas enthalten ist (das Messgas), das in die zweite Messkammer 160 eingeführt wird, durch die mit der Elektrode 132 verbundenen Leitung 136 und durch die mit der Elektrode 133 verbundenen Leitung 137.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 118 auf der Vorderfläche 131b des Festelektrolytkörpers 131 ausgebildet. Ferner sind die Ip2 positive Leitung 136 und ein Abschnitt der Ip2 positiven Elektrode 132 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 ausgebildet. Ferner sind die Ip2 negative Leitung 137 und ein Abschnitt der Ip2 negativen Elektrode 133 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 ausgebildet (und damit nicht mit dem Elektrolytkörper 131 in Kontakt). Zudem ist der Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 mit der Leitung 137 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 verbunden. Der Verbindungsabschnitt 133d ist außerhalb der zweiten Messkammer 160 angeordnet und ist ein Abschnitt der Ip2 negativen Elektrode 133, der am weitesten von der zweiten Messkammer 160 entfernt liegt (siehe 7).
  • Die Elektrode 132 weist einen Kontaktabschnitt 132c auf, der durch ein Durchgangsloch 138b, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 in der Laminierungsrichtung erstreckt, mit dem Festelektrolytkörper 131 in Kontakt ist. Ein Exponierungsabschnitt 133b der Elektrode 133, der in die zweiten Messkammer 160 zeigt, weist einen Kontaktabschnitt 133c auf, der durch eine Durchgangsloch 138c, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 in der Laminierungsrichtung erstreckt, mit dem Festelektrolytkörper 131 in Kontakt ist (siehe 3).
  • Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform der Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 an einer Position angeordnet, die nicht in die zweite Messkammer 160 zeigt, und mit dem Festelektrolytkörper 131 nicht in Kontakt. Somit kann nur der Kontaktabschnitt 133c der Ip2 negativen Elektrode 133 tatsächlich als Messabschnitt fungieren, und eine zu detektierende Eigenschaft, d. h., die NOx-Konzentration, kann genau erfasst werden. Die Leitung 137 unterscheidet sich hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von der Elektrode 133; daher ist ein Aufbau, bei der die Leitung und der mit der Leitung verbundene Verbindungsabschnitt teilweise mit dem Festelektrolyt in Kontakt sind, schlechter hinsichtlich der Genauigkeit beim Erfassen einer Gaskonzentration, verglichen mit der vorliegenden Ausführungsform, bei der kein derartiger Kontakt stattfindet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Exponierungsabschnitt 133b dem ”exponierten Abschnitt”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die Aluminiumoxid-Isolierschicht 138 entspricht der ”Isolierschicht”, wie in den Ansprüchen angegeben. Der Kontaktabschnitt 133c entspricht dem ”Kontaktabschnitt”, wie in den Ansprüchen angegeben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 118 auf der Vorderfläche 111b des Festelektrolytkörpers 111 ausgebildet (siehe 3). Ferner sind die Ip1 positive Leitung 116 und ein Abschnitt der Ip1 positiven Elektrode 112 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 118 ausgebildet. Weiterhin weist der Kontaktabschnitt 112b der Ip1 positiven Elektrode 112 einen Kontaktabschnitt 112c auf, der durch ein Durchgangsloch 118b, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 118 in Laminierungsrichtung erstreckt, in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 111 ist.
  • Weiterhin wird eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 119 auf der Rückfläche 111c des Festelektrolytkörpers 111 ausgebildet. Auch sind die Ip1 negative Leitung 117 und ein Abschnitt der Ip1 negativen Elektrode 113 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 119 ausgebildet. Darüber hinaus weist der Exponierungsabschnitt 113b der Ip1 negativen Elektrode 113, der der ersten Messkammer 150 ausgesetzt ist, einen Kontaktabschnitt 113c auf, der durch ein Durchgangsloch 119b, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 119 in Laminierungsrichtung erstreckt, in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 111 ist.
  • Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 128 auf der Vorderfläche 121b des Festelektrolytkörpers 121 ausgebildet. Auch sind die Vs negative Leitung 126 und ein Abschnitt der Vs negativen Elektrode 122 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 128 ausgebildet. Darüber hinaus weist der Exponierungsabschnitt 122b der Vs negativen Elektrode 122, der in die erste Messkammer 150 zeigt, einen Kontaktabschnitt 122c auf, der durch ein Durchgangsloch 128b, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 128 in Laminierungsrichtung erstreckt, in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 121 ist.
  • Zudem ist eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 129 auf der Rückfläche 121c des Festelektrolytkörpers 121 ausgebildet. Auch sind die Vs positive Leitung 127 und ein Abschnitt der Vs positiven Elektrode 123 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 129 ausgebildet. Ferner weist die Vs positive Elektrode 123 einen Kontaktabschnitt 123c auf, der durch ein Durchgangsloch 129b, das sich durch die Aluminiumoxid-Isolierschicht 129 in Laminierungsrichtung erstreckt, in Kontakt mit dem Festelektrolytkörper 121 ist.
  • Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform der Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 an einer Position angeordnet, die nicht in die zweite Messkammer 160 zeigt, und ist mit der Ip2 negativen Leitung 137 an einer Position außerhalb der zweiten Messkammer 160 verbunden (siehe 7). Somit kann im Gegensatz zu der zuvor erwähnten Erfindung des Patentdokuments 1 ( japanisches Patent Nr. 4165652 ) ”eine Verschlechterung der Genauigkeit bei der Erfassung der NOx-Konzentration im zu messenden Gas, als Ergebnis der Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung aufgrund der Anordnung des Verbindungsabschnitts innerhalb der Messkammer” verringert werden.
  • Die Erfassung der NOx-Konzentration durch den Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird nun kurz beschrieben.
  • Während die Temperatur in der Heizungsanordnung 164 zunimmt, werden die Festelektrolytkörper 111, 121 und 131 des Gassensorelements 10 erwärmt und damit aktiviert. Dies initiiert den Betrieb der Ip1 Zelle 110, der Vs Zelle 120 und der Ip2 Zelle 130.
  • Vor Beginn der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im Abgas (dem zu messenden Gas) wird die folgende Steuerung durchgeführt: Es wird ein bestimmter Strom zwischen der Elektrode 132 und der Elektrode 133 für einen festen Zeitraum (z. B. 20 Sekunden) angelegt, um den im Inneren des Gassensorelements 10 stehenden Sauerstoff durch die zweite Messkammer 160 in die Referenzsauerstoffkammer 170 zu bewegen (abzupumpen). Der Grund für die Durchführung einer solchen Steuerung ist es, die NOx-Konzentration (die Sauerstoffkonzentration aus dem NOx) in einem von außen zugeführten Messgas, ohne Einfluss des im Inneren des Gassensorelements 10 stehenden Sauerstoffs (insbesondere im Inneren der zweiten Messkammer 160 und der Elektrode 133), genau zu erfassen.
  • Das Abgas (das zu messende Gas), das durch einen Abzugskanal (nicht gezeigt) fließt, wird der ersten Messkammer 150 zugeführt, während dessen Strömungsrate durch den zweiten porösen Körper 151 eingeschränkt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein schwacher Strom Icp an die Vs Zelle 120 angelegt und fließt von der Elektrode 123 zur Elektrode 122. Somit kann der im Abgas enthaltene Sauerstoff Elektronen von der Elektrode 122, die eine negative Elektrode ist, in der ersten Messkammer 150 aufnehmen und Sauerstoffionen bilden; und die Sauerstoffionen fließen durch den Festelektrolytkörper 121 und wandern in die Referenzsauerstoffkammer 170. Das heißt, aufgrund der Anwendung des Stroms Icp zwischen den Elektroden 122 und 123, wird der Sauerstoff in der ersten Messkammer 150 in die Referenzsauerstoffkammer 170 transportiert.
  • In dem Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration des in die erste Messkammer 150 eingeführten Abgases niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, wird der Strom Ip1 an die Ip1 Zelle 110 in einer solchen Weise angelegt, dass die Elektrode 112 eine negative Elektrode wird, um Sauerstoff von der Umgebungsluft des Gassensorelements 10 in die erste Messkammer 150 zu pumpen. In dem Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration des in die erste Messkammer 150 eingeführten Abgases dagegen höher als ein vorbestimmter Wert ist, wird der Strom Ip1 an die Ip1 Zelle 110 in einer solchen Weise angelegt, dass die Elektrode 113 eine negative Elektrode wird, um Sauerstoff aus dem Inneren der ersten Messkammer 150 in die Umgebungsluft des Gassensorelements 10 zu pumpen.
  • Das Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration, wie oben erwähnt, in der ersten Messkammer 150 eingestellt worden ist, wird durch den dritten porösen Körper 152 der zweiten Messkammer 160 zugeführt. Das in dem Abgas enthaltene NOx kommt mit der Elektrode 133 in der zweiten Messkammer 160 in Berührung und wird durch Anlegen der festgelegten Spannung Vp2 zwischen den Elektroden 132 und 133 auf der Elektrode 133 in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt (reduziert); und der durch das Trennen erzeugte Sauerstoff fließt in Form von Sauerstoffionen durch den Festelektrolytkörper 131 und bewegt sich in die Referenzsauerstoffkammer 170. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Restsauerstoff, der nicht aus der ersten Messkammer 150 gepumpt worden ist, durch Einsatz der Ip2 Zelle 130 in ähnlicher Weise in die Referenzsauerstoffkammer 170. Somit fließt der Strom von dem NOx und der Strom von dem Restsauerstoff durch die Ip2 Zelle 130.
  • Da, wie zuvor erwähnt, die Konzentration des Restsauerstoffs, der nicht aus der ersten Messkammer 150 gepumpt worden ist, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, kann der vom Restsauerstoff stammende Strom im Wesentlichen als konstant betrachtet werden und weist somit nur einen geringen Einfluss auf eine Stromschwankung aufgrund des NOx auf; somit ist der durch die Ip2 Zelle 130 fließende Strom proportional zur NOx-Konzentration. Daher kann durch Erfassen des Stroms Ip2, der durch die Ip2 Zelle 130 fließt, die NOx-Konzentration im Abgas auf der Grundlage des erfassten Stroms Ip2 erfasst werden.
  • In dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Gassensorelement 10, wie oben erwähnt, die sauerstoffdurchlässige Ip2 negative Elektrode 133 und die sauerstoffundurchlässige Ip2 negative Leitung 137, die mit der Ip2 negativen Elektrode 133 verbunden ist, auf. Die Elektrode 133 weist den exponierten Abschnitt 133b auf, der in die zweite Messkammer 160 zeigt, und der Verbindungsabschnitt 133d ist mit der Leitung 137 verbunden und an einer Position angeordnet, die nicht zur zweiten Messkammer 160 freigelegt ist. Zur Verbindung mit der Leitung 137 an einer außerhalb der zweiten Messkammer 160 angeordneten Position, wird der Verbindungsabschnitt 133d durch Verlängern der Elektrode 133 in einer Richtung weg von der zweiten Messkammer 160 gebildet; somit ist der Verbindungsabschnitt 133d ein Abschnitt der Elektrode 133, der am weitesten von der zweiten Messkammer 160 entfernt angeordnet ist (siehe 7).
  • Herkömmlich besteht in einem derart gebildeten Gassensorelement die Gefahr, dass ein schnelles Abpumpen des im Verbindungsabschnitt der Ip2 negativen Elektrode stehenden Sauerstoffs missglückt. Somit tritt das folgende Phänomen auf: Selbst nach Beginn der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im zu messenden Gas verbleibt viel Sauerstoff in dem Verbindungsabschnitt (wird adsorbiert), und, während der geregelten Steuerung fließt der Restsauerstoff im Laufe der Zeit nach und nach in die Messkammer. Aufgrund des Einflusses einer solchen Restsauerstoffzufuhr aus dem Verbindungsabschnitt in die Messkammer über einen langen Zeitraum, besteht die Gefahr, dass viel Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgaben vergeht (Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund der Bewegung der Sauerstoffionen aus der zweiten Messkammer durch den Festelektrolytkörper in die Referenzsauerstoffkammer fließt, und die dem Strom entsprechende NOx-Konzentration). Das heißt, es besteht die Gefahr, dass viel Zeit bis zur Herstellung eines Zustandes, bei dem die NOx-Konzentration im zu messenden Gas genau erfasst werden kann, vergeht.
  • Im Gegensatz dazu ist in dem Gassensorelement 10 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, der gesamte Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 innerhalb eines Abschnitts A1 (der von der Strich-Punkt-Punkt-Linie K1 in der 7 umgeben ist) angeordnet, der sich von der zweiten Messkammer 160 über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt. Aufgrund dessen kann der in dem Verbindungsabschnitt 133d stehende Sauerstoff schnell heraus gepumpt werden, wobei die Zeit vom Beginn der Steuerung des Gassensors 1 (Gassensorelement 10) bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe verkürzt werden kann. Das heißt, ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, kann in kurzer Zeit hergestellt werden. Dies ist aus den Ergebnissen eines Leistungsbewertungstests, der später beschrieben wird, ersichtlich.
  • (Modifiziertes Ausführungsbeispiel)
  • Als nächstes wird eine modifizierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Gassensor 201 der modifizierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Gassensor 1 der Ausführungsform nur im Gassensorelement und ist gleich in Bezug auf die anderen Merkmale (siehe 1). Insbesondere unterscheidet sich ein Gassensorelement 210 der vorliegenden modifizierten Ausführungsform von dem Gassensorelement 10 der Ausführungsform hinsichtlich der Position der Ip2 negativen Elektrode in Bezug auf die zweite Messkammer und ist hinsichtlich anderer Merkmale im Wesentlichen ähnlich. Daher werden Merkmale, die sich von denen der Ausführungsform unterscheiden, beschrieben, und die Beschreibung ähnlicher Merkmale wird weggelassen oder vereinfacht.
  • In dem Gassensorelement 10 der Ausführungsform ist, wie in 7 gezeigt, der gesamte Verbindungsabschnitt 133d der Ip2 negativen Elektrode 133 innerhalb des Abschnitts A1 (der von der Strich-Punkt-Punkt Linie K1 in 7 umgeben ist), der sich von der zweiten Messkammer 160 über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt, angeordnet.
  • Im Gegensatz dazu, wird in dem Gassensorelement 210 der vorliegenden modifizierten Ausführungsform, wie in 10 gezeigt, eine Ip2 negative Elektrode 233 innerhalb einer zweiten Messkammer 260 angeordnet. Das heißt, die gesamte Ip2 negative Elektrode 233 mit einem Verbindungsabschnitt 233d ist innerhalb der zweiten Messkammer 260 angeordnet. Somit zeigt die gesamte Ip2 negative Elektrode 233 mit dem Verbindungsabschnitt 233d in die zweite Messkammer 260. Zudem ist eine Ip2 negative Leitung 237 mit dem Verbindungsabschnitt 233d der Ip2 negativen Elektrode 233 an einer Position innerhalb der zweiten Messkammer 260 verbunden.
  • Durch die Verwendung eines derartigen Aufbaus, kann der in dem Verbindungsabschnitt 233d der Ip2 negativen Elektrode 233 stehende Sauerstoff schnell heraus gepumpt werden, wobei die Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe verkürzt werden kann. Das heißt, ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, kann in kurzer Zeit hergestellt werden. Dies ist aus den Ergebnissen eines Leistungsbewertungstests, der später beschrieben wird, ersichtlich.
  • Eine Aluminiumoxid-Isolierschicht 238 ist auf der Vorderfläche 131b des Festelektrolytkörpers 131 ausgebildet, und die Ip2 negative Elektrode 233 weist einen Kontaktabschnitt 233c auf, der durch ein Durchgangsloch 238c in der Aluminiumoxid-Isolierschicht 238 mit dem Festelektrolytkörper 131 in Kontakt ist (siehe 10). Indes wird die Ip2 negative Leitung 237 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 238 ausgebildet (und damit nicht mit dem Festelektrolytkörper 131 in Kontakt). Der Verbindungsabschnitt 233d der Ip2 negativen Elektrode 233 ist mit der Ip2 negativen Leitung 237 auf der Aluminiumoxid-Isolierschicht 238 verbunden (und damit nicht mit dem Festelektrolytkörper 131 in Kontakt).
  • Daher beeinflusst der Verbindungsabschnitt 233d, obwohl der Verbindungsabschnitt 233d innerhalb der zweiten Messkammer 260 angeordnet ist, nicht die Sauerstoffpumpleistung der Ip2 negativen Elektrode 233 (der Verbindungsabschnitt 233d verursacht keine Verschlechterung der Sauerstoffpumpleistung der Ip2 negativen Elektrode 233). Somit kann eine Verschlechterung der Genauigkeit beim Erfassen einer NOx-Konzentration im zu messenden Gas verringert werden. Weiterhin kann nur der Kontaktabschnitt 233c der Ip2 negativen Elektrode 233 tatsächlich als Messabschnitt fungieren; somit kann eine zu detektierende Eigenschaft, d. h., eine NOx-Konzentration, genau erfasst werden.
  • In der vorliegenden modifizierten Ausführungsform entspricht die Ip2 negative Elektrode 233 der ”ersten Elektrode”, die in den Ansprüchen angegeben ist. Der Verbindungsabschnitt 233d entspricht dem ”Verbindungsabschnitt”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die Ip2 negative Leitung 237 entspricht der ”ersten Leitung”, wie in den Ansprüchen angegeben. Die Aluminiumoxid-Isolierschicht 238 entspricht der ”Isolierschicht”, wie in den Ansprüchen angegeben. Der Kontaktabschnitt 233c entspricht dem ”Kontaktabschnitt”, wie in den Ansprüchen angegeben.
  • (Leistungsbewertungstest)
  • Als nächstes wird ein an den Gassensorelementen (Gassensoren) durchgeführter Leistungsbewertungstest beschrieben.
  • Zunächst wurden Gassensorelemente hergestellt, die sich im Abstand D1 (siehe 7) zwischen der zweiten Messkammer und jenem Abschnitt des Verbindungsabschnitts der Ip2 negativen Elektrode, der am weitesten von der zweiten Messkammer entfernt angeordnet ist, unterschieden. Der Abstand D1 wurde zwischen 0 mm 2,0 mm in 0,5 mm-Abständen geändert. Anschließend wurden Gassensoren (siehe 1) unter Verwendung der Gassensorelemente hergestellt. Auf diese Weise wurden die sich im Abstand D1 unterscheidenden Gassensoren hergestellt. Das Gassensorelement mit einem Abstand D1 von 0 mm entspricht dem Gassensorelement 210 der modifizierten Ausführungsform und ist derart ausgebildet, dass die Ip2 negative Elektrode 233 als Ganzes einschließlich des Verbindungsabschnitts 233d innerhalb der zweiten Messkammer 260 angeordnet ist.
  • Als nächstes wurde der Leistungsbewertungstest der Gassensoren unter Verwendung der Atmosphäre (Luft) als zu messende Gas durchgeführt. Genauer gesagt, wurden die Gassensoren, nach der Aktivierung der Festelektrolytkörper der Gassensoren, Gassensoren, gesteuert, und die NOx-Konzentration im Messgas gemessen. Zuerst wird die Steuerung durchgeführt, um einen bestimmten Strom zwischen den Elektroden 132 und 133 für eine festgesetzte Zeitspanne (z. B. 20 Sekunden) aufzubringen, wodurch der in den Gassensorelementen stehende Sauerstoff durch die zweiten Messkammern 160 in die Referenzsauerstoffkammern 170 bewegt (abgepumpt) wird. In der vorliegenden Beschreibung wird diese Steuerung als Vorsteuerung bezeichnet.
  • Anschließend wird eine festgelegte Spannung Vp2 zwischen den Elektroden 132 und 133 aufgebracht, wodurch eine geregelte Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im Messgas durchgeführt wird. Durch Verwenden der festgelegten Spannung Vp2 zwischen den Elektroden 132 und 133, wird das NOx, das im Messgas enthalten und in Kontakt mit den Elektroden 133 innerhalb der zweiten Messkammer 160 ist, auf den Elektroden 133 in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt (reduziert), und der durch die Zersetzung erzeugte Sauerstoffströmt in Form von Sauerstoffionen durch die Festelektrolytkörper 131 und bewegt sich in die Referenzsauerstoffkammern 170. Dementsprechend fließt Strom von dem NOx durch die Ip2 Zellen 130.
  • In dem an den Gassensoren durchgeführten, vorliegenden Test wurde der Strom Ip2, der von Beginn der Steuerung (Vorsteuerung) durch die Ip2 Zellen 130 geflossen ist, erfasst, und auf der Grundlage des erfassten Stroms wurde eine NOx-Konzentration (ppm) in dem zu messenden Gas gemessen. 8 zeigt die Ergebnisse des Tests. Da die vorliegende Test die Atmosphäre (Luft) als Messgas verwendet, wenn sich die NOx-Konzentration auf einen Wert in der Nähe von 0 ppm stabilisiert, wird die Stabilisierung der Ausgabe hergestellt; das heißt, es kann bestimmt werden, dass ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration in dem zu messenden Gas genau erfasst werden kann, hergestellt wurde.
  • In 8 stellt die dünne Linie die Daten im Gassensor mit einem Abstand D1 von 0 mm dar. Die gestrichelte Linie stellt die Daten des Gassensors mit einem Abstand D1 von 0,5 mm dar. Die Strich-Punkt-Punkt-Linie stellt die Daten im Gassensor mit einem Abstand D1 von 1,0 mm dar. Die strichpunktierte Linie stellt die Daten im Gassensor mit einem Abstand D1 von 1,5 mm dar. Die dicke Linie stellt die Daten im Gassensor mit einem Abstand D1 von 2,0 mm dar.
  • Die NOx-Konzentration wurde 180 Sekunden nach Beginn der Steuerung für die Gassensoren erfasst. 9 zeigt die Ergebnisse dieser Erfassung. 9 zeigt die NOx-Konzentration mit dem Abstand D1.
  • Wie in 8 gezeigt, war bei einem Abstand D1 von mehr als 1,0 mm, eine lange Zeitdauer erforderlich, bis sich die NOx-Konzentration bei etwa 0 ppm stabilisierte. Genauer gesagt, bei einem Abstand D1 von 1,5 mm, wurde eine Zeit von etwa 400 Sekunden benötigt, bis sich die NOx-Konzentration bei etwa 0 ppm stabilisierte. Die NOx-Konzentration, die 180 Sekunden nach Beginn der Kontrolle erfasst wurde, betrug etwa 1,8 ppm (siehe 9). Bei einem Abstand D1 von 2,0 mm, wurde eine Zeit von etwa 600 Sekunden benötigt, bis sich die NOx-Konzentration bei etwa 0 ppm stabilisierte. Die NOx-Konzentration, die 180 Sekunden nach Beginn der Kontrolle erfasst wurde, betrug etwa 4,0 ppm (siehe 9).
  • Bei einem Abstand D1 von mehr als 1,0 mm war, wie oben erwähnt, eine lange Zeitdauer bis zur Stabilisierung der Ausgabe erforderlich, möglicherweise aus dem folgenden Grund. Bei einem Abstand D1 von mehr als 1,0 mm, kann möglicherweise trotz Durchführung einer Vorsteuerung der im Verbindungsabschnitt der Ip2 negativen Elektrode stehende Sauerstoff nicht schnell herausgepumpt werden. Dementsprechend entsteht möglicherweise, selbst nach Beginn der geregelten Steuerung zum Erfassen der NOx-Konzentration im Messgas, das folgende Phänomen: Es verbleibt viel Sauerstoff (wird adsorbiert) in dem Verbindungsabschnitt, und, während der geregelten Steuerung, strömt der Restsauerstoff nach und nach in die zweite Messkammer. Folglich bedarf es einer langen Zeitspanne von Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Sensorausgabe, d. h., bis zur Herstellung eines Zustandes, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann.
  • Im Gegensatz dazu, stabilisiert sich etwa 180 Sekunden nach Beginn der Steuerung, wie in 8 gezeigt, bei einem Abstand D1 von 1,0 mm oder weniger, die NOx-Konzentration bei etwa 0 ppm. Zudem betrug die NOx-Konzentration, wie in 9 gezeigt, bei einem Abstand D1 von 1,0 mm oder weniger, 180 Sekunden nach Beginn der Steuerung etwa 0 ppm.
  • Wie aus den oben erwähnten Ergebnissen des Tests ersichtlich ist, kann der im Verbindungsabschnitt 133d stehende Sauerstoff durch Verwenden einer Entfernung D1 von 1,0 mm oder weniger schnell herausgepumpt werden, wobei die Zeit vom Beginn der Steuerung bis zur Stabilisierung der Ausgabe verkürzt werden kann. Das heißt, ein Zustand, bei dem die NOx-Konzentration im Messgas genau erfasst werden kann, kann in kurzer Zeit hergestellt werden.
  • Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, modifiziert werden.
  • Zum Beispiel sind die Ausführungsform und die modifizierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf den Gassensor, bei dem die Referenzsauerstoffkammer 170 ein Bestimmungsort für den Sauerstoff (die Sauerstoffionen) ist, die durch die Zersetzung von NOx in der zweiten Messkammer 160 erzeugt werden, beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen derartigen Gassensor beschränkt, sondern ist auf einen Gassensor anwendbar, bei dem ein Bestimmungsort für den Sauerstoff (die Sauerstoffionen), die durch die Zersetzung von NOx in der zweiten Messkammer 160 erzeugt werden, ein Raum ist, der sich von der Referenzsauerstoffkammer 170 unterscheidet und außerhalb der zweiten Messkammer 160 angeordnet ist (d. h., die erste Messkammer 150, ein Raum, der außerhalb des Gassensorelements 10 angeordnet ist und in den zu messendes Gas strömt oder ein Raum, der außerhalb des Gassensorelements 10 angeordnet ist und in den die Luft strömt).
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 201
    Gassensor
    10, 210
    Gassensorelement
    111, 121, 131
    Festelektrolytkörper
    111b, 121b, 131b
    Vorderfläche des Festelektrolytkörpers
    111c, 121c, 131c
    Rückfläche des Festelektrolytkörpers
    132
    Ip2 positive Elektrode (zweite Elektrode)
    133, 233
    Ip2 negative Elektrode (erste Elektrode)
    133b
    Exponierungsabschnitt
    133c, 233c
    Kontaktabschnitt
    133d, 233d
    Verbindungsabschnitt
    136
    Ip2 positive Leitung
    137, 237
    Ip2 negative Leitung (erste Leitung)
    138, 238
    Aluminiumoxid-Isolierschicht (Isolierschicht)
    138c, 238c
    Durchgangsbohrung
    150
    erste Messkammer
    160, 260
    zweite Messkammer (Messkammer)
    170
    Referenzsauerstoffkammer
    A1
    Abschnitt, der sich von der zweiten Messkammer (Messkammer) über eine Entfernung von 1,0 mm oder weniger erstreckt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 2010-122187 [0005]

Claims (6)

  1. Ein Gassensorelement mit: einem plattenartigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit; einer sauerstoffdurchlässigen ersten Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist; eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung; eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die zu messendes Gas eingeführt wird, und derart ausgebildet, dass sich Sauerstoffionen aus dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper zu einem außerhalb der Messkammer angeordneten Bestimmungsort bewegen, wobei ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration aus dem NOx entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode einen exponierten Abschnitt, der in die Messkammer zeigt, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der an einer nicht in die Messkammer zeigenden Position angeordnet und mit der ersten Leitung verbunden ist, und der ein Abschnitt der ersten Elektrode ist, der am weitesten von der Messkammer entfernt liegt, und wobei der gesamte Verbindungsabschnitt in einem Abschnitt angeordnet ist, der sich von der Messkammer über eine Distanz von 1,0 mm oder weniger erstreckt.
  2. Gassensorelement gemäß Anspruch 1, das ferner eine entgegengesetzt zu der zweiten Elektrode angeordnete Referenzsauerstoffkammer aufweist, wobei der außerhalb der Messkammer angeordnete Bestimmungsort die Referenzsauerstoffkammer ist.
  3. Gassensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Isolierschicht, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist, wobei die erste Leitung und ein Abschnitt der ersten Elektrode auf der Isolierschicht ausgebildet sind; der exponierte Abschnitt der ersten Elektrode einen Kontaktabschnitt umfasst, der über ein sich durch die Isolierschicht erstreckendes Durchgangsloch mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist, und der Verbindungsabschnitt der ersten Elektrode mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht verbunden ist.
  4. Gassensorelement mit: einem plattenartigen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit; einer sauerstoffdurchlässigen ersten Elektrode, die auf einer Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist; eine mit der ersten Elektrode verbundene, sauerstoffundurchlässige erste Leitung; eine sauerstoffdurchlässige zweite Elektrode, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und eine Messkammer, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist und in die zu messendes Gas eingeführt wird, und derart ausgebildet, dass sich Sauerstoffionen aus dem NOx, das in dem der Messkammer zugeführten Messgas enthalten ist, aus der Messkammer durch den Festelektrolytkörper zu einem außerhalb der Messkammer angeordneten Bestimmungsort bewegen, wobei ein Strom, der der Sauerstoffkonzentration aus dem NOx entspricht, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, wobei die erste Elektrode innerhalb der Messkammer angeordnet ist; das Gassensorelement ferner eine Isolierschicht, die auf der Vorder- oder Rückfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist, umfasst; der ersten Leitung und ein Abschnitt der ersten Elektrode auf der Isolierschicht ausgebildet sind, und die erste Elektrode einen Kontaktabschnitt, der über ein sich durch die Isolierschicht erstreckendes Durchgangsloch mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt ist, und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der mit der ersten Leitung auf der Isolierschicht innerhalb der Messkammer verbunden ist.
  5. Gassensorelement gemäß Anspruch 4, das ferner eine entgegengesetzt zu der zweiten Elektrode angeordnete Referenzsauerstoffkammer aufweist, wobei der außerhalb der Messkammer angeordnete Bestimmungsort die Referenzsauerstoffkammer ist.
  6. Gassensor umfassend ein Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
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