DE102015219559A1 - Gassensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Gassensor angegeben, der eine Verschlechterung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt, die ansonsten auftreten würde, wenn sich die elektromotorische Kraft einer Zelle aufgrund einer Änderung in der Atmosphäre eines zu messenden Gases abrupt ändert, und die eine Verschlechterung der Eigenschaft einer Festelektrolytschicht unterdrückt. Ein Gassensor 1 weist ein Sensorelement 100 auf, das eine Zelle 140, die eine plattenförmige Festelektrolytschicht 109 und eine auf der Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnete Elektrode 110 enthält, und eine poröse Schicht 113a, die auf die Oberfläche der Elektrode geschichtet ist und durch die ein Gas zwischen der Umgebungsatmosphäre und der Elektrode fließt, umfasst. Aus der Schichtungsrichtung betrachtet ist der Umfangsrand der Elektrode innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht angeordnet. Ein Gasflusswiderstandselement 150 ist auf der Oberfläche der porösen Schicht oder in der porösen Schicht derart angeordnet, dass das Gasflusselement von der Elektrode beabstandet ist und aus der Schichtungsrichtung betrachtet das Gasflusswiderstandselement einen Teil eines Überlappungsbereichs S, in dem die Elektrode und die poröse Schicht einander überlappen, überlappt.

Description

• [Technisches Gebiet]
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der vorzugsweise für das Erfassen der Konzentration eines bestimmten Gases in zum Beispiel einem Verbrennungsgas oder Abgas aus einem Brenner, einem Verbrennungsmotor oder ähnlichem verwendet wird.
• [Stand der Technik]
• Herkömmlicherweise wird ein Gassensor verwendet, um die Konzentration einer bestimmten Komponente (Sauerstoff, NO_x, usw.) in einem Abgas aus einem Verbrennungsmotor zu erfassen (Patentdokumente 1 und 2). Der Gassensor des Patentdokuments 1 enthält wie in 13 gezeigt ein Gassensorelement 1000, wobei das Sensorelement 1000 wiederum zwei Zellen 1300 und 1400 enthält.
• Die Zelle 1400 weist Elektroden 1080 und 11100 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Festelektrolytschicht 1090 angeordnet sind, und funktioniert als eine Pumpzelle, die Sauerstoff aus dem Abgas nach außen pumpt und Sauerstoff von außen in das Abgas pumpt. Die Zelle 1300 dagegen dient als eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle, die einer Messkammer 1070 zugewandt ist und eine Ausgabespannung (elektromotorische Kraft) in Entsprechung zu der Sauerstoffkonzentration des Abgases in der Messkammer 1070 ausgibt. Eine Spannung (Vp-Spannung) wird an der Pumpzelle 1400 angelegt, um zu veranlassen, dass ein Pumpstrom Ip durch die Pumpzelle 1400 fließt, sodass die Ausgabespannung konstant wird und die Sauerstoffkonzentration des Abgases in Entsprechung zu dem Pumpstrom Ip erfasst wird.
• [Dokumente aus dem Stand der Technik]
• [Patentdokumente]
• [Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2012-173146
• [Patentdokument 2] Japanisches Patent Nr. 4966266
• [Zusammenfassung der Erfindung]
• [Problemstellung der Erfindung]
• Wenn sich wie in 14 gezeigt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Abgas in der Messkammer 1070 von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite ändert, ändert sich die Ausgabespannung der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 1300, die ein λ-Sensor ist, abrupt und ändert sich die an der Pumpzelle 1400 angelegte Vp-Spannung dementsprechend abrupt. Daraus resultiert, dass ein übermäßiger pulsierender Strom Ri, der als Überschwingungsstrom (Welligkeit) bezeichnet wird, auf den von der Pumpzelle 1400 ausgegebenen Pumpstrom Ip überlagert wird. Dadurch wird das Problem verursacht, dass der erfasste Wert der Sauerstoffkonzentration ungenau wird.
• Eine mögliche Ursache für dieses Phänomen ist wie folgt. Wie in 15 gezeigt, wird eine Kondensatorschaltung zwischen der Elektrode 1100 und der Festelektrolytschicht 1090 der Pumpzelle 1400 gebildet. Wenn sich die Spannung (Vp-Spannung) zwischen den Elektroden des Kondensators mit der Zeit ändert, ändert sich die Ladung zwischen den Elektroden des Kondensators in der Zeit proportional dazu, sodass ein Strom herausfließen kann. Dies erzeugt einen pulsierenden Strom Ri. Die Kapazität C des Kondensators der Kondensatorschaltung, eine Änderung ΔQ in der Ladung des Kondensators und eine Änderung ΔVp in der Vp-Spannung zwischen den Elektroden des Kondensators weisen eine durch die folgende Gleichung (1) wiedergegebene Beziehung auf: ΔQ = C × ΔVp (1)
• Weil ΔQ = Ri, gilt die folgende Gleichung (2).: Ri = C × ΔVp (2)
• Die Gleichung (2) zeigt: je größer der Verkleinerungsgrad des Werts ΔVp (die Änderung der Vp-Spannung in der Zeit) ist, desto kleiner ist der pulsierende Strom (Überschwingungsstrom) Ri.
• Wenn dagegen wie in 16 gezeigt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Abgas nicht durch den stöchiometrischen Punkt geht, ändert sich die Ausgabespannung der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 1300 (und damit die Vp-Spannung) nicht abrupt. Deshalb wird der pulsierende Strom Ri nicht auf den Pumpstrom Ip überlagert.
• Eine mögliche Maßnahme zum Verkleinern von ΔVp besteht darin, eine Änderung in der elektromotorischen Kraft der Pumpzelle 1400 zu unterdrücken, d. h. (1) den Gasflusswiderstand der porösen Schicht 1130 zu vergrößern oder (2) die Geschwindigkeit der Elektrodenreaktion an der Elektrode 1100 zu verkleinern.
• Von diesen Maßnahmen kann die Maßnahme (1) realisiert werden, indem die Dichte der porösen Schicht 1130 vergrößert wird oder die Größe der porösen Schicht 1130 verkleinert wird. Weil jedoch die poröse Schicht 1130 allgemein hergestellt wird, indem Partikel eines isolierenden Materials gebrannt werden, ist eine Grenze für die Dicke und eine gleichmäßige Verteilung der Poren gegeben. Also auch wenn die Dichte der porösen Schicht 1130 vergrößert wird oder ihre Größe verkleinert wird, variieren die Porosität und die Größe lokal, sodass es schwierig ist, einen stabilen Effekt zu erhalten und die poröse Schicht 1130 herzustellen.
• Die Maßnahme (2) kann realisiert werden, indem die Dichte der Elektrode 1100 vergrößert wird oder deren Dicke vergrößert wird. Wenn jedoch die Dicke der Elektrode 1100 vergrößert wird, wird eine größere Menge eines Edelmetalls (Pt usw.) als das Material für die Elektrode verwendet, was eine Kostenerhöhung der Elektrode zur Folge hat. Und wenn die Dicke der Elektrode 1100 vergrößert wird, wird die Fläche der dreiphasigen Schnittfläche zwischen der Elektrode 1100, der Festelektrolytschicht 1090 und der Gasphase verkleinert, wodurch der Elektrodenwiderstand (der Innenwiderstand des Sensorelements) vergrößert wird und somit die Betätigungsspannung des Sensorelements größer wird. Dadurch ergibt sich das Problem, dass eine weiter unten beschriebene Schwärzung auftritt und eine Beschränkung für eine elektrische Schaltung auferlegt wird. Weiterhin pumpt die Pumpzelle 1400 in einer fetten Atmosphäre Sauerstoff aus der Sauerstoffquelle (H₂O, CO₂ usw. in dem Abgas) in die Messkammer 1070. Wenn die Dichte oder Dicke der Elektrode 1100 vergrößert wird, ergibt sich das Problem, dass die zu der Elektrode 1100 gelangende Menge an Gas kleiner wird und der Messbereich auf der fetten Seite schmäler wird.
• Was die Maßnahme (1) betrifft, haben die vorliegenden Erfinder ein Verfahren untersucht, in dem die Menge einer externen Sauerstoffquelle (Abgas), die ein Gasflusswiderstandselement durch die poröse Schicht 113 erreicht, reduziert wird, indem die Elektrode 1100 derart ausgebildet wird, dass diese einen Teil der porösen Schicht 1130 überlappt, während die Porosität und die Größe der porösen Schicht 1130 gleich denjenigen des herkömmlichen Gassensors vorgesehen werden. In diesem Fall können die Probleme der oben beschriebenen Maßnahmen (1) und (2) unterdrückt werden.
• Es hat sich jedoch herausgestellt, dass in Abhängigkeit von der Position, an welcher das Gasflusswiderstandselement die poröse Schicht 1130 überlappt, eine als Schwärzung bezeichnete Verschlechterung der Eigenschaften der Festelektrolytschicht 1090 auftritt. Eine Schwärzung ist ein Phänomen, das wie folgt auftritt. Wenn ein Mangel an Sauerstoff in der Festelektrolytschicht 1090 in einem Zustand auftritt, in dem eine Elektrodenreaktion durch die Festelektrolytschicht 1090 aufgetreten ist, werden Metalloxide in der Festelektrolytschicht 1090 reduziert, sodass eine Schwärzung auftritt. Wenn eine Schwärzung auftritt, verschlechtern sich die Eigenschaften (Ionenleitfähigkeit) der Festelektrolytschicht 1090 und vermindert sich die Pumpleistung.
• Wenn zum Beispiel wie in 17 gezeigt eine Gasflusswiderstandsschicht 1200 zwischen der porösen Schicht 1130 und der Elektrode 1100 gegeben ist, sodass die Gasflusswiderstandsschicht 1200 in Kontakt mit einem Umfangsteil der porösen Schicht 1130 ist, kann eine Schwärzung an einem Teil Br der Festelektrolytschicht 1090 auftreten, die mit der Gasflusswiderstandsschicht 1200 überlappt. An dem Teil Br wird nämlich die Zufuhr einer Sauerstoffquelle (Abgas G) von der porösen Schicht 1130 durch die Gasflusswiderstandsschicht 1200 verhindert. Es tritt jedoch eine Elektrodenreaktion derart auf, dass die Elektroden 1100 und 1080, die die Festelektrolytschicht 1090 einschließen, die Sauerstoffionen zwingend aus der Festelektrolytschicht 1090 bewegen, sodass ein Mangel an Sauerstoff in der Festelektrolytschicht 1090 auftritt.
• Angesichts des oben beschriebenen Sachverhalts ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor anzugeben, der eine Verminderung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt, die ansonsten auftreten würde, wenn sich die elektromotorische Kraft einer Zelle aufgrund einer Änderung in der Atmosphäre eines zu messenden Gases abrupt ändert, und die eine Verschlechterung der Eigenschaften einer Festelektrolytschicht unterdrückt.
• [Problemlösung]
• Um das oben beschriebene Problem zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung einen Gassensor mit einem Sensorelement vor, das umfasst: eine Zelle, die eine Festelektrolytschicht und eine auf einer Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnete Elektrode enthält; und eine poröse Schicht, die auf eine Oberfläche der Elektrode geschichtet ist und durch die ein Gas zwischen einer Umgebungsatmosphäre und der Elektrode fließt. In dem Gassensor ist aus der Schichtungsrichtung betrachtet ein Umfangsrand der Elektrode innerhalb eines Umfangsrands der porösen Schicht angeordnet und ist ein Gasflusswiderstandselement auf einer Fläche der porösen Schicht oder in der porösen Schicht vorgesehen, sodass das Gasflusswiderstandselement von der Elektrode beabstandet ist und aus der Schichtungsrichtung betrachtet das Gasflusswiderstandselement einen Teil eines Überlappungsbereichs, in dem die Elektrode und die poröse Schicht einander überlappen, überlappt.
• Bei diesem Gassensor wird die Menge (pro Einheitszeit) einer Sauerstoffquelle in dem von außen eingeführten und die Elektrode durch die poröse Schicht erreichenden Gas kleiner, weil das Gasflusswiderstandselement als ein Gasflusswiderstand dient, wodurch die Gasaustauschrate an der Elektrode verkleinert wird. Deshalb wird die Zeitverlaufsänderung der Spannung an der Zelle, die ein Sauerstoffpumpen durchführt, kleiner, sodass der auf den Pumpstrom überlagerte pulsierende Strom (Überschwingungsstrom) reduziert werden kann und eine Verschlechterung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt werden kann. Im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Gasflusswiderstand erzeugt wird, indem die Dichte der porösen Schicht vergrößert wird oder deren Größe reduziert wird, kann der Gasflusswiderstand stabil vergrößert werden und kann das Problem einer schwierigen Herstellung der porösen Schicht vermieden werden. Und weil es unnötig ist, die Dichte der Elektrode oder deren Dicke zu vergrößern, kann eine Kostenerhöhung der Elektrode unterdrückt werden, kann das Auftreten einer Schwärzung aufgrund einer Vergrößerung in dem Elektrodenwiderstand (Innenwiderstand des Sensorelements) unterdrückt werden und kann eine Verschmälerung des Messbereichs auf der fetten Seite verhindert werden.
• Und wenn das Gasflusswiderstandselement durch das Auftragen einer isolierenden Paste mittels Drucken ausgebildet wird, ist die durch das Drucken erzielte dimensionale Genauigkeit hoch, sodass das Gasflusswiderstandselement eine hohe dimensionale Genauigkeit aufweist und das Gasflusswiderstandselement den oben beschriebenen Effekt stabil vorsehen kann.
• Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Gassensor mit einem Sensorelement vor, das umfasst: eine Zelle, die eine plattenförmige Festelektrolytschicht und eine auf einer Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnete Elektrode enthält; und eine poröse Schicht, die auf eine Oberfläche der Elektrode geschichtet ist und durch die ein Gas zwischen einer Umgebungsatmosphäre und der Elektrode fließt. In dem Gassensor ist ein Gasflusswiderstandselement auf einer Oberfläche der porösen Schicht oder in der porösen Schicht vorgesehen, sodass das Gasflusswiderstandselement von der Elektrode beabstandet ist und das Gasflusswiderstandselement in der Schichtungsrichtung betrachtet einen Teil eines Überlappungsbereichs, in dem die Elektrode und die poröse Schicht einander überlappen, überlappt. Weiterhin ist der Maximumwert des Überschwingungsstroms des Gassensors (100 + X/2)% oder kleiner, wenn ein Gassensor mit einem Sensorelement, das die Zelle und die poröse Schicht, aber kein Gasflusswiderstandselement enthält, als ein Bezugsgassensor verwendet wird, wobei ein Ip-Wert des Bezugsgassensors während einer stabilen Ausgabe als 100% genommen wird und der Maximumwert des Überschwingungsstroms des Bezugsgassensors durch (100 + X)% wiedergegeben wird, wobei der Überschwingungsstrom der Maximumwert des pulsierenden Stroms ist, der auf einen Pumpstrom Ip überlagert wird, der von der Zelle ausgegeben wird, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Gas von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite wechselt, wobei die Zelle als eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Messkammer eingeführten Gas oder zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer funktioniert.
• Bei diesem Gassensor wird die Menge (pro Einheitszeit) einer Sauerstoffquelle in dem Gas, das von außen eingeführt wird und die Elektrode durch die poröse Schicht erreicht, kleiner, weil das Gasflusswiderstandselement als ein Gasflusswiderstand dient, sodass die Gasaustauschrate an der Elektrode kleiner wird. Daraus resultiert, dass die Zeitverlaufsänderung der Spannung an der Zelle, die ein Sauerstoffpumpen durchführt, kleiner wird, sodass der auf den Pumpstrom überlagerte pulsierende Strom (Überschwingungsstrom) reduziert werden kann und eine Verschlechterung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt werden kann. Im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Gasflusswiderstand erzeugt wird, indem die Dichte der porösen Schicht vergrößert oder deren Größe reduziert wird, kann der Gasflusswiderstand stabil vergrößert werden und kann das Problem einer schwierigen Herstellung der porösen Schicht vermieden werden. Und weil es unnötig ist, die Dichte der Elektrode oder deren Dicke zu vergrößern, kann eine Kostenerhöhung der Elektrode unterdrückt werden, kann das Auftreten einer Schwärzung aufgrund einer Vergrößerung des Elektrodenwiderstands (des Innenwiderstands des Sensorelements) unterdrückt werden und kann eine Verschmälerung des Messbereichs auf der fetten Seite verhindert werden.
• Und wenn das Gasflusswiderstandselement durch das Auftragen einer isolierenden Paste mittels eines Druckens ausgebildet wird, ist die durch das Drucken erzielte dimensionale Genauigkeit hoch, sodass das Gasflusswiderstandselement eine hohe dimensionale Genauigkeit aufweist und das Gasflusswiderstandselement den oben beschriebenen Effekt stabil vorsehen kann.
• Das Gasflusswiderstandselement kann gasundurchlässig sein.
• Bei diesem Gassensor dient das Gasflusswiderstandselement als ein Gasflusswiderstand zum Vermindern der Menge (pro Einheitszeit) einer Sauerstoffquelle in dem von außen eingeführten und die Elektrode durch die poröse Schicht erreichenden Gas.
• In der Schichtungsrichtung betrachtet kann das Gasflusswiderstandselement einen Teil des Überlappungsbereichs überlappen, dessen Fläche 25,0% bis 97,5% der Gesamtfläche des Überlappungsbereichs ausmacht.
• Bei diesem Gassensor weist das Gasflusswiderstandselement den oben beschriebenen Effekt als ein Gasflusswiderstand auf. Außerdem kann das Problem gelöst werden, dass das Gasflusswiderstandselement den Überlappungsbereich übermäßig überlappt, wodurch der Gasflusswiderstand übermäßig groß wird und der Elektrodenwiderstand (der Innenwiderstand des Sensorelements) groß wird, wodurch das Auftreten einer Schwärzung verursacht wird und kaum ein Fluss des Pumpstroms gegeben ist.
• Das Sensorelement kann ein Sauerstoffsensorelement sein, das als die Zelle eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Messkammer eingeführten Gas oder zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer enthält und weiterhin eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle enthält, die eine Ausgabespannung in Entsprechung zu der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases in der Messkammer ausgibt, wobei ein Pumpstrom zu der Pumpzelle zugeführt wird, sodass die Ausgabespannung konstant wird, und die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases in Entsprechung zu dem Pumpstrom erfasst wird.
• Bei diesem Gassensor kann die vorliegende Erfindung auf ein Sauerstoffsensorelement angewendet werden.
• Das Sensorelement kann ein NO_X-Sensorelement sein, das als die Zelle eine erste Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Messkammer eingeführten Gas und zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer für eine Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer enthält und weiterhin eine zweite Pumpzelle enthält, durch die ein Pumpstrom in Entsprechung zu der NO_X-Konzentration des zu messenden Gases, dessen Sauerstoffkonzentration eingestellt wurde, fließt.
• Gemäß diesem Gassensor kann die vorliegende Erfindung auf ein NO_X-Sensorelement angewendet werden.
• Die Elektrode kann Pt und Au in einer Gesamtmenge von 50 Massenprozent oder mehr enthalten.
• Bei diesem Gassensor kann die Gasreaktion an der Elektrode sanft vorgesehen werden, wodurch ein Überschwingen oder Unterschwingen des Pumpstroms, während λ ungefähr 1 ist, reduziert werden kann und die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden kann.
• Beispiele für die Elektrode, die Pt und Au enthält, sind eine Elektrode aus einer Pt-Au-Legierung, eine Elektrode aus einer Mischung aus Pt und Au (die durch das Brennen einer Paste erhalten wird, die Partikel von Pt und Au enthält, ohne dass diese eine Legierung bilden), eine Elektrode aus Pt, die mit Au plattiert ist, und eine Elektrode aus Pt, die mit Au imprägniert ist. Weiterhin enthält die Elektrode vorzugsweise Au in einer Menge von 0,1 bis 10 Massenprozent. Wenn die Elektrode aus Pt ausgebildet ist und ihre Oberfläche mit Au plattiert ist, wird die gewünschte Funktion auch dann erzielt, wenn die Au-Plattierungsschicht sehr dünn ist und die Menge an Au 0,1 Massenprozent beträgt. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Imprägnieren von Pt mit Au ist das Imprägnieren eines Pt-Substrats mit einem Salz von Au (zum Beispiel HAuCl₄), auf das ein Brennen folgt, wodurch das Salz thermisch abgebaut wird und das Au zurückbleibt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Gassensor erhalten werden, der einen Abfall in der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt, der ansonsten auftreten würde, wenn sich die elektromotorische Kraft der Zeus aufgrund einer Änderung in der Atmosphäre eines zu messenden Gases abrupt ändert, und der eine Verschlechterung der Eigenschaften einer Festelektrolytschicht unterdrückt.
• [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
• 1 ist eine Längsschnittansicht eines Gassensors (Sauerstoffsensors) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
• 2 ist eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements.
• 3 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht eines vorderen Endteils des Sensorelements.
• 4 ist eine Schnittansicht des Sensorelements orthogonal zu der Axialrichtung.
• 5 ist eine Draufsicht in einer Schichtungsrichtung, die die Positionsbeziehung zwischen einer vierten Elektrode und einer porösen Schicht zeigt.
• 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 5.
• 7 ist eine schematische Ansicht, die eine durch das Trennen einer Gasflusswiderstandsschicht von der vierten Elektrode erzielte Wirkung zeigt.
• 8 ist eine schematische Ansicht, die eine durch das Bringen der Gasflusswiderstandsschicht in Kontakt mit der vierten Elektrode erhaltene Wirkung zeigt.
• 9 ist eine Schnittansicht orthogonal zu der Axialrichtung, die eine Modifikation der Gasflusswiderstandsschicht zeigt.
• 10 ist eine Schnittansicht orthogonal zu der Axialrichtung, die eine andere Modifikation der Gasflusswiderstandsschicht zeigt.
• 11 ist eine Schnittansicht eines NO_X-Sensorelements entlang der Längsrichtung.
• 12 ist ein Kurvendiagramm, das eine Änderung des Pumpstroms Ip einer Sauerstoffpumpzelle in der Zeit zeigt, wenn ein Überlappungsverhältnis auf 75% gesetzt ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Gas von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite wechselt.
• 13 ist eine Schnittansicht eines Sensorelements eines herkömmlichen Gassensors orthogonal zu der Axialrichtung.
• 14 ist ein Kurvendiagramm, das eine Änderung des Pumpstroms Ip einer Sauerstoffpumpzelle in der Zeit zeigt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Gas von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite wechselt.
• 15 zeigt die äquivalente Schaltung der Sauerstoffpumpzelle.
• 16 ist ein Kurvendiagramm, das eine Änderung des Pumpstroms Ip der Sauerstoffpumpzelle in der Zeit zeigt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Abgas nicht durch den stöchiometrischen Punkt hindurchgeht.
• 17 ist eine Schnittansicht, die das Auftreten einer Schwärzung zeigt, wenn eine Gasflusswiderstandsschicht zwischen der porösen Schicht und der Elektrode der Sauerstoffpumpzelle vorgesehen ist.
• [Ausführungsformen der Erfindung]
• Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
• 1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors (Sauerstoffsensors) 1 gemäß der Ausführungsform entlang der Längsrichtung (entlang der Achse L); 2 ist eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements 100; 3 ist eine Schnittansicht des Sensorelements 100 entlang der Achse L; und 4 ist eine Schnittansicht des Sensorelements 100 orthogonal zu der Achse L.
• Wie in 1 gezeigt, enthält der Gassensor 1 das Sensorelement 100; eine Metallschale (Gehäuse) 30 zum Halten des Sensorelements 100 usw.; ein Schutzglied 24, das an einem vorderen Endteil der Metallschale 30 befestigt ist; usw. Das Sensorelement 100 ist derart angeordnet, dass es sich entlang der Achse L erstreckt.
• Das Sensorelement 100 umfasst einen Heizerabschnitt 200 und einen Erfassungselementabschnitt 300.
• Wie in 2 gezeigt, umfasst der Heizerabschnitt 200 ein erstes Substrat 101 und ein zweites Substrat 103, die vor allem Aluminiumoxid enthalten, und ein Wärmeerzeugungselement 102, das zwischen dem ersten Substrat 101 und dem zweiten Substrat 103 eingeschlossen ist und vor allem Platin enthält. Das Wärmeerzeugungselement 102 umfasst einen Wärmeerzeugungsteil 102a, der an dem vorderen Ende angeordnet ist, und ein Paar von Heizeranschlussteilen 102b, die sich von dem Wärmeerzeugungsteil 102a entlang der Längsrichtung des ersten Substrats 101 erstrecken. Die Enden der Heizeranschlussteile 102b sind elektrisch mit entsprechenden heizerseitigen Pads 120 über Leiter verbunden, die in heizerseitigen Durchgangslöchern 101a in dem ersten Substrat 101 ausgebildet sind. Ein Laminat aus dem ersten Substrat 101 und dem zweiten Substrat 103 entspricht einem isolierenden Keramikkörper.
• Der Erfassungselementabschnitt 300 umfasst zwei Zellen, nämlich eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 130 und eine Sauerstoffpumpzelle 140. Die Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 130 enthält eine erste Festelektrolytschicht 105 sowie eine erste Elektrode 104 und eine zweite Elektrode 106, die auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Festelektrolytschicht 105 ausgebildet sind. Die erste Elektrode 104 besteht aus einem ersten Elektrodenteil 104a und einem ersten Anschlussteil 104b, der sich von dem ersten Elektrodenteil 104a entlang der Längsrichtung der ersten Festelektrolytschicht 105 erstreckt. Die zweite Elektrode 106a besteht aus einem zweiten Elektrodenteil, 106a und einem zweiten Anschlussteil 106b, der sich von dem zweiten Elektrodenteil 106a entlang der Längsrichtung der ersten Festelektrolytschicht 105 erstreckt.
• Das Ende des ersten Anschlussteils 104b ist elektrisch mit einem entsprechenden erfassungselementseitigen Pad 121 über Leiter verbunden, die jeweils in einem ersten Durchgangsloch 105a in der ersten Festelektrolytschicht 105, einem zweiten Durchgangsloch 107a in einer weiter unten beschriebenen Isolationsschicht 107, in einem vierten Durchgangsloch 109a in einer zweiten Festelektrolytschicht 109 und einem sechsten Durchgangsloch 111a in einer isolierenden Schutzschicht 111 ausgebildet sind. Das Ende des zweiten Anschlussteils 106b ist elektrisch mit einem entsprechenden erfassungselementseitigen Pad 121 über Leiter verbunden, die jeweils in einem dritten Durchgangsloch 107b in der weiter unten beschriebenen Isolationsschicht 107, einem fünften Durchgangsloch 109b in der zweiten Festelektrolytschicht 109 und einem siebten Durchgangsloch 111b in der isolierenden Schutzschicht 111 ausgebildet sind.
• Die Sauerstoffpumpzelle 140 enthält die zweite Festelektrolytschicht 109 sowie eine dritte Elektrode 108 und eine vierte Elektrode 110, die auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Festelektrolytschicht 109 ausgebildet sind. Die dritte Elektrode 108 umfasst einen dritten Elektrodenteil 108a und einen dritten Anschlussteil 108b, der sich von dem dritten Elektrodenteil 108a entlang der Längsrichtung der zweiten Festelektrolytschicht 109 erstreckt. Die vierte Elektrode 110 umfasst einen vierten Elektrodenteil 110a und einen vierten Anschlussteil 110b, der sich von dem vierten Elektrodenteil 110a entlang der Längsrichtung der zweiten Festelektrolytschicht 109 erstreckt.
• Das Ende des dritten Anschlussteils 108b ist elektrisch mit einem entsprechenden erfassungselementseitigen Pad 121 über Leiter verbunden, die jeweils in dem fünften Durchgangsloch 109b in der zweiten Festelektrolytschicht 109 und in dem siebten Durchgangsloch 111b in der isolierenden Schutzschicht 111 ausgebildet sind. Das Ende des vierten Anschlussteils 110b ist elektrisch mit einem entsprechenden erfassungselementseitigen Pad 121 über Leiter verbunden, die in dem achten Durchgangsloch 111c in der weiter unten beschriebenen isolierenden Schutzschicht 111 ausgebildet sind. Der zweite Anschlussteil 106b und der dritte Anschlussteil 108b weisen das gleiche elektrische Potential auf.
• Die erste Festelektrolytschicht 105 und die zweite Festelektrolytschicht 109 sind Sinterkörper aus einem teilweise stabilisierten Zirconiumoxid, die durch das Hinzusetzen von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO) als einem Stabilisator zu einem Zirconiumoxid (ZrO₂) ausgebildet werden.
• Das Wärmeerzeugungselement 102, die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 106, die dritte Elektrode 108, die vierte Elektrode 110, die heizerseitigen Pads 120 und die erfassungselementseitigen Pads 121 können aus einem Platingruppenelement ausgebildet werden. Bevorzugte Platingruppenelemente für das Ausbilden dieser Komponenten sind Pt, Rh und Pd. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
• Was die Wärmebeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit betrifft, wird vorzugsweise vor allem Pt für das Ausbilden des Wärmeerzeugungselements 102, der ersten Elektrode 104, der zweiten Elektrode 106, der dritten Elektrode 108, der vierten Elektrode 110, der heizerseitigen Pads 120 und der erfassungselementseitigen Pads 121 verwendet. Und vorzugsweise enthalten das Wärmeerzeugungselement 102, die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 106, die dritte Elektrode 108, die vierte Elektrode 110, die heizerseitigen Pads 120 und die erfassungselementseitigen Pads 121 eine Keramikkomponente zusätzlich zu der Hauptkomponente eines oder mehrerer Platingruppenelemente. Und was die Befestigung in einem fixen Zustand betrifft, ist die Keramikkomponente vorzugsweise einem Material ähnlich, das vor allem in einem Gegenstück der Schichtung enthalten ist (z. B. der Hauptkomponente der ersten Festelektrolytschicht 105 und der zweiten Festelektrolytschicht 109).
• Die Isolationsschicht 107 ist zwischen der Sauerstoffpumpzelle 140 und der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 130 ausgebildet. Die Isolationsschicht 107 umfasst einen Isolationsteil 114 und Diffusionssteuerteile 115. Der Isolationsteil 114 der Isolationsschicht 107 weist eine hohle Gaserfassungskammer 107c auf, die an einer Position in Entsprechung zu dem zweiten Elektrodenteil 106a und dem dritten Elektrodenteil 108a ausgebildet ist. Die Gaserfassungskammer 107c ist mit der Umgebungsatmosphäre entlang der Lateralrichtung der Isolationsschicht 107 verbunden. In den Verbindungsbereichen sind die Diffusionssteuerteile 115 angeordnet, um eine Gasdiffusion mit einer vorbestimmten Flussrate zwischen der Umgebungsatmosphäre und der Gaserfassungskammer 107c herzustellen.
• Es werden hier keine besonderen Beschränkungen für den Isolationsteil 114 vorgegeben, solange der Isolationsteil aus einem elektrisch isolierenden Keramiksinterkörper ausgebildet ist. Beispiele für einen derartigen Keramiksinterkörper sind Oxidkeramiken wie etwa Aluminiumoxid und Mullit.
• Die Diffusionssteuerteile 115 sind poröse Körper, die aus Aluminiumoxid ausgebildet sind. Die Diffusionssteuerteile 115 steuern die Flussrate des zu erfassenden Gases, wenn das Gas in die Gaserfassungskammer (Messkammer) 107c fließt.
• Die isolierende Schutzschicht 111 ist auf die Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 109 derart geschichtet, dass dazwischen die vierte Elektrode 110 eingeschlossen ist. Ein annähernd rechteckiges Durchgangsloch 112a ist in einem vorderen Endteil der isolierenden Schutzschicht 111 derart angeordnet, dass die Wandfläche des Durchgangslochs 112a den vierten Elektrodenteil 110a umgibt. Eine poröse Schicht 113a ist in dem Durchgangsloch 112a angeordnet. Die poröse Schicht 113a bedeckt den vierten Elektrodenteil 110a, um den vierten Elektrodenteil 110a vor einer Verunreinigung zu schützen. Die poröse Schicht 113a ist der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt, sodass das Gas zwischen dem vierten Elektrodenteil 110a und der Umgebungsatmosphäre durch die poröse Schicht 113a fließen kann.
• Eine Gasflusswiderstandsschicht 150, die eine rechteckig, ringförmige Form aufweist und elektrisch isolierend ist, ist auf die nach außen gewandte Oberfläche der porösen Schicht 113a geschichtet. Die Gasflusswiderstandsschicht 150 bedeckt einen Umfangsteil der porösen Schicht 113a und weist eine Öffnung in einem mittleren Teil der porösen Schicht 113a auf.
• Insbesondere dient das Sensorelement 100 dieser Ausführungsform als ein Sauerstoffsensorelement. Die Flussrichtung und die Größe des zwischen den Elektroden der Sauerstoffpumpzelle 140 fließenden Stroms (Ip-Strom) werden derart eingestellt, dass die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 130 erzeugte Vs-Spannung (elektromotorische Kraft) einen vorbestimmten Wert (z. B. 450 mV) annimmt und die Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas, die dem durch die Sauerstoffpumpzelle 140 fließenden Strom entspricht, linear erfasst wird.
• Weiterhin weist das Sensorelement 100 wie in 3 gezeigt eine poröse Schutzschicht 20 auf, die den gesamten Umfang eines vorderen Endteils des Sensorelements 100 bedeckt.
• Die Sauerstoffpumpzelle 140 entspricht der „Pumpzelle” in den Ansprüchen. Die vierte Elektrode 110 (genauer der vierte Elektrodenteil 110a), die zweite Festelektrolytschicht 109 und die Gasflusswiderstandsschicht 150 entsprechen jeweils der „Elektrode”, der „Festelektrolytschicht” und dem „Gasflusswiderstandselement” in den Ansprüchen.
• Zum Beispiel wird ein elektrisch isolierender Keramiksinterkörper als die isolierende Schutzschicht 111 verwendet. Beispiele für einen derartigen Keramiksinterkörper sind Oxidkeramiken wie etwa Aluminiumoxid und Mullit.
• Ein Beispiel für die poröse Schicht 113a ist ein poröser Körper, der aus einer Keramik wie etwa Aluminiumoxid oder Mullit ausgebildet ist. Zum Beispiel kann die poröse Schicht 113a hergestellt werden, indem eine Mischpaste aus der oben beschriebenen Keramik und Kohlenstoffpartikeln derart gebrannt wird, dass die Kohlenstoffpartikel verbrannt und entfernt werden. Insbesondere ist wie in 3 bis 5 gezeigt und weiter unten beschrieben in dieser Ausführungsform der Umfangsrand der vierten Elektrode 110 (der vierte Elektrodenteil 110a) innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 113a angeordnet. In diesem Fall ist der Umriss der vierten Elektrode 110 auf der Fläche der zweiten Festelektrolytschicht 109 kleiner als der Umriss des Durchgangslochs 112a, sodass die poröse Schicht 113a auch auf der Fläche der zweiten Festelektrolytschicht 109 zwischen der Wandfläche des Durchgangslochs 112a und der vierten Elektrode 110 ausgebildet wird, wenn eine Paste für die Ausbildung der porösen Schicht 113a in das Durchgangsloch 112a geladen wird.
• Die Gasflusswiderstandsschicht 150 kann durch das Auftragen (Drucken) einer Paste einer Oxidkeramik wie etwa Aluminiumoxid oder Mullit ausgebildet werden. Insbesondere wird die Gasflusswiderstandsschicht 150 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die gleiche Zusammensetzung wie die poröse Schicht 113a aufweist, weil dadurch die Haftung zwischen der Gasflusswiderstandsschicht 150 und der porösen Schicht 113a verbessert wird.
• Es wird hier keine Beschränkung bezüglich der Gasflusswiderstandsschicht 150 vorgegeben, solange die Gasflusswiderstandsschicht 150 einen Gasflusswiderstand aufweist, der größer als derjenige der porösen Schicht 113a ist. Weiterhin muss die Gasflusswiderstandsschicht 150 nicht elektrisch isolierend sein, außer wenn die Gasflusswiderstandsschicht 150 in Kontakt mit der vierten Elektrode 110 und der zweiten Festelektrolytschicht 109 ist. Die Gasflusswiderstandsschicht 150, die nicht elektrisch isolierend ist, kann aus einem Metall oder einem teilweise stabilisierten Zirconiumoxid ausgebildet sein, das identisch mit dem Material der zweiten Festelektrolytschicht 109 ist. Wenn jedoch die Gasflusswiderstandsschicht 150 in Kontakt mit der vierten Elektrode 110 oder der zweiten Festelektrolytschicht 109 ist, muss die Gasflusswiderstandsschicht 150 elektrisch isolierend sein.
• Der Gasflusswiderstand der Gasflusswiderstandsschicht 150 wird derart eingestellt, dass die Gasflusswiderstandsschicht 150 einen Effekt zum Reduzieren des auf den Pumpstrom überlagerten pulsierenden Stroms (Überschwingungsstrom) aufweist.
• Wie in 1 gezeigt, besteht die Metallschale 30 aus SUS430 und umfasst einen Außengewindeteil 31, der ausgebildet ist, um den Gassensor an einem Abgasrohr zu montieren, und einen hexagonalen Teil 32, an dem ein Montagewerkzeug für das Montieren des Gassensors angelegt wird. Die Metallschale 30 umfasst weiterhin einen schalenseitigen, gestuften Teil 33, der radial nach innen vorsteht. Der schalenseitige, gestufte Teil 33 hält einen Metallhalter 34 zum Halten des Sensorelements 100. Ein Keramikhalter 35 und Talk 36 sind in dem Metallhalter 34 in dieser Reihenfolge von der vorderen Endseite angeordnet. Der Talk 36 besteht aus einem ersten Talk 37, der in dem Metallhalter 34 angeordnet ist, und einem zweiten Talk 38, der in dem Metallhalter 34 und außerhalb des hinteren Endes des Metallhalters 34 angeordnet ist. Der erste Talk 37 wird komprimiert in den Metallhalter 34 geladen, um das Sensorelement 100 in Bezug auf den Metallhalter 34 zu fixieren. Weiterhin wird der zweite Talk 38 komprimiert in die Metallschale 30 geladen, um eine Dichtung zwischen der Außenfläche des Sensorelements 100 und der Innenfläche der Metallschale 30 sicherzustellen. Eine Hülse 39 aus Aluminiumoxid ist an der Rückseite des zweiten Talks 38 ausgebildet. Die Hülse 39 ist mit einer mehrstufigen zylindrischen Form ausgebildet und weist ein Axialloch 39a auf, das sich entlang der Axiallinie erstreckt. Das Sensorelement 100 erstreckt sich durch das Axialloch 39a. Ein Crimpteil 30a am hinteren Ende der Metallschale 30 wird nach innen gebogen, um die Hülse 39 zu dem vorderen Ende der Metallschale 30 über ein Ringglied 40 aus Edelstahl zu drücken,
• Ein Schutzglied 24 aus Metall, das eine Vielzahl von Gaseinlasslöchern 24a aufweist, ist auf die Außenumfangsfläche eines vorderen Endteils der Metallschale 30 geschweißt und bedeckt einen vorderen Endteil des Sensorelements 100, der von dem vorderen Ende der Metallschale 30 vorsteht. Das Schutzglied 24 weist einen dualen Aufbau auf, der ein äußeres Schutzglied 41 in der Form eines Zylinders mit einem geschlossenen Boden und ein inneres Schutzglied 42 in der Form eines Zylinders mit einem geschlossenen Boden, das in dem äußeren Schutzglied 41 angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass sein hinterer Endteil 42a einen größeren Außendurchmesser aufweist als der vordere Teil 42b, umfasst.
• Weiterhin ist ein vorderer Endteil eines äußeren Rohrs 25 aus SUS430 auf einen hinteren Endteil der Metallschale 30 gepasst. Ein vorderer Teil 25a mit einem erweiterten Durchmesser an einem vorderen Ende des äußeren Rohrs 25 wird durch Laserschweißen oder ähnliches an der Metallschale 30 fixiert. Ein Trennglied 50 ist in einem hinteren Teil des äußeren Rohrs 25 angeordnet. Ein Halteglied 51 ist zwischen dem Trennglied 50 und dem äußeren Rohr 25 angeordnet. Das Halteglied 51 greift in einen Flanschteil 50a des weiter unten beschriebenen Trennglieds 50 ein und wird zwischen dem äußeren Rohr 25 und dem Trennglied 50 fixiert, wenn das äußere Rohr 25 gecrimpt wird.
• Das Trennglied 50 weist ein Durchgangsloch 50b auf, das sich zwischen dem vorderen ende und dem hinteren Ende erstreckt, um das Einstecken von Anschlussdrähten 11 bis 15 für den Erfassungselementabschnitt 300 und den Heizerabschnitt 200 zu gestatten (die Anschlussdrähte 14 und 15 sind nicht gezeigt). Das Durchgangsloch 50b nimmt Verbindungsanschlüsse 16 zum Verbinden der Anschlussdrähte 11 bis 15 mit den erfassungselementseitigen Pads 121 des Erfassungselementabschnitts 300 und mit den heizerseitigen Pads 120 des Heizerabschnitts 200 auf. Die Anschlussdrähte 11 bis 15 sind mit einem nicht gezeigten externen Steckverbinder verbunden. Elektrische Signale werden zwischen den Anschlussdrähten 11 bis 15 und externen Einrichtungen wie etwa einer ECU über den Steckverbinder übertragen. Obwohl nicht im Detail gezeigt, weisen die Anschlussdrähte 11 bis 15 einen Aufbau auf, in dem ein Leiter mit einem Isolationsfilm aus Kunstharz bedeckt ist.
• Weiterhin ist eine annähernd kreisrunde, säulenförmige Gummikappe 52 an der hinteren Seite des Trennglieds 50 angeordnet, um die hintere Endöffnung 25b des äußeren Rohrs 25 zu schließen. Die in das äußere Rohr 25 gepasste Gummikappe 52 wird an dem äußeren Rohr 25 wie folgt fixiert: in einem Zustand, in dem die Gummikappe 52 in das hintere Ende des äußeren Rohrs 25 gepasst ist, wird das äußere Rohr 25 radial nach innen entlang seines Außenumfangs gecrimpt. Die Gummikappe 52 weist auch Durchgangslöcher 52a auf, die sich zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende erstrecken, um zu gestatten, dass sich die Anschlussdrähte 11 bis 15 durch die entsprechenden Durchgangslöcher 52a erstrecken.
• Wie in 3 und 4 gezeigt, ist die Gasflusswiderstandsschicht 150 auf der Fläche der porösen Schicht 113a derart ausgebildet, dass die Gasflusswiderstandsschicht 150 von der vierten Elektrode 110 beabstandet ist und einen Umfangsteil der porösen Schicht 113a bedeckt. Die Gasflusswiderstandsschicht 150 wird weiter unten im Detail mit Bezug auf 5 bis 8 beschrieben.
• Wie in 3 und 4 gezeigt, ist die poröse Schutzschicht 20 ausgebildet, um die vordere Endfläche des Sensorelements 100 zu bedecken, erstreckt sich nach hinten entlang der Achse L und bedeckt die vier Flächen des Sensorelements 100 (Laminat) vollständig, d. h. die vorderen und hinteren Flächen und die gegenüberliegenden Flächen des Sensorelements 100.
• Im Folgenden wird die Gasflusswiderstandsschicht 150 beschrieben.
• 5 ist eine Draufsicht in der Schichtungsrichtung, die die Positionsbeziehung zwischen der vierten Elektrode 110 und der porösen Schicht 113a zeigt. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 5. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine durch das Trennen der Gasflusswiderstandsschicht 150 von der vierten Elektrode 110 erzielte Wirkung zeigt. 8 ist eine schematische Ansicht, die eine durch das Bringen der Gasflusswiderstandsschicht 150 in einen Kontakt mit der vierten Elektrode 110 erzielte Wirkung zeigt.
• Wie in 5 gezeigt, ist in dieser Ausführungsform der Umfangsrand der vierten Elektrode 110 (des vierten Elektrodenteils 110a) innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 113a angeordnet.
• Die vierte Elektrode 110 besteht aus dem vierten Elektrodenteil 110a und dem vierten Anschlussteil 110b, wobei der vierte Elektrodenteil 110a als eine Elektrode dient, die zu einer Elektrodenreaktion beiträgt. Dementsprechend gibt der „Umfangsrand” der vierten Elektrode 110 die Umfangskante des vierten Elektrodenteils 110a wieder, die zu der Elektrodenreaktion beiträgt, und ist wie folgt definiert, um den vierten Anschlussteil 110b auszunehmen. Unter dem „Umfangsrand” der vierten Elektrode 110 ist nämlich der Umfangsrand der vierten Elektrode 110 mit Ausnahme eines Teils der vierten Elektrode 119, der aus der Schichtungsrichtung betrachtet an den vierten Anschlussteil 110b angrenzt, zu verstehen. Weiterhin ist unter dem „Teil der vierten Elektrode 110, der an den vierten Anschlussteil 110b angrenzt” die Grenze zwischen dem vierten Anschlussteil 110b und dem vierten Elektrodenteil 110a zu verstehen, die durch Tangentiallinien M1 und M2 wiedergegeben wird, die durch die Seiten (zwei Seiten in diesem Beispiel) des vierten Elektrodenteils 110a, die mit dem vierten Anschlussteil 110b verbunden sind, hindurchgehen.
• Dementsprechend besteht in dem Beispiel von 5 der „Umfangsrand” der vierten Elektrode 110 aus (1) dem tatsächlichen Umfangsrand des vierten Elektrodenteils 110a in einem Bereich, in dem der vierte Elektrodenteil 110a nicht mit dem vierten Anschlussteil 110b verbunden ist, und (2) aus der Grenze zwischen dem vierten Anschlussteil 110b und dem vierten Elektrodenteil 110a, die durch die Tangentiallinien M1 und M2 wiedergegeben wird. Wenn der Schnittpunkt der Tangentiallinien M1 und M2 außerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 113a angeordnet ist, ist der Schnittpunkt der „Teil der vierten Elektrode 110, der an den vierten Anschlussteil 110b angrenzt” und nicht der „Umfangsrand” der vierten Elektrode 110. Dementsprechend ist auch in diesem Fall, sofern der Umfangsrand der vierten Elektrode 110 mit Ausnahme des Schnittpunkts und der Grenze innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 113a angeordnet ist, der „Umfangsrand der vierten Elektrode 110 (der vierte Elektrodenteil 110a) innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 113a angeordnet”.
• Weiterhin ist ein Bereich S, in dem der vierte Elektrodenteil 110a und die poröse Schicht 113a miteinander überlappen, ein Bereich, der durch den Umfangsrand der vierten Elektrode 110 umgeben ist (schraffierter Bereich in 5).
• Im Folgenden wird die durch die Gasflusswiderstandsschicht 150 vorgesehene Wirkung beschrieben.
• Wie in 6 gezeigt, ist die Gasflusswiderstandsschicht 150 von der vierten Elektrode 110 beabstandet und bedeckt den Umfang der porösen Schicht 113a, wobei die poröse Schicht 113a durch eine Öffnung Op in der Mitte der Gasflusswiderstandsschicht 150 freiliegt. Deshalb ist die Menge (pro Einheitszeit) einer von außen eingeführten und die vierte Elektrode 110 über die poröse Schicht 113a (die Öffnung Op) erreichenden Sauerstoffquelle (Abgas) kleiner, weil die Gasflusswiderstandsschicht 150 als ein Gasflusswiderstand wirkt, wodurch die Gasaustauschrate an der vierten Elektrode 110 vermindert wird. Daraus resultiert, dass die Zeitverlaufsänderung (ΔVp) der Vp-Spannung an der Sauerstoffpumpzelle 140 verkleinert wird, sodass der pulsierende Strom (Überschwingungsstrom) Ri reduziert werden kann und eine Verschlechterung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt werden kann. Und weil es nicht erforderlich ist, die Dichte der porösen Schicht 113a zu vergrößern und/oder die Größe derselben zu reduzieren, kann der Gasflusswiderstand stabil vergrößert werden und kann das Problem einer schwierigen Herstellung der porösen Schicht vermieden werden. Und weil es nicht erforderlich ist, die Dichte der vierten Elektrode 110 zu vergrößern und/oder die Dicke derselben zu vergrößern, kann eine Kostenerhöhung der Elektrode unterdrückt werden, kann das Auftreten einer Schwärzung aufgrund einer Vergrößerung des Elektrodenwiderstands (des Innenwiderstands des Sensorelements) unterdrückt werden und kann dadurch verhindert werden, dass der Messbereich auf der fetten Seite schmäler wird.
• Und wenn die Gasflusswiderstandsschicht 150 durch das Auftragen einer isolierenden Paste mittels Drucken ausgebildet wird, ist die durch das Drucken erzielte dimensionale Genauigkeit groß und weist die Gasflusswiderstandsschicht 150 eine große dimensionale Genauigkeit auf, sodass die Gasflusswiderstandsschicht 150 den oben beschriebenen Effekt stabil vorsieht.
• Insbesondere steht wie in 5 gezeigt der Umfangsrand der vierten Elektrode 110 (der vierte Elektrodenteil 110a) nicht über den Umfangsrand der porösen Schicht 113a hinaus vor und ist aus der Schichtungsrichtung betrachtet innerhalb von diesem angeordnet. Wenn also die Gasflusswiderstandsschicht 150 einen Teil T der porösen Schicht 113a, der außerhalb der vierten Elektrode 110 angeordnet ist, bedeckt, funktioniert die Gasflusswiderstandsschicht 150 nicht als ein Gasflusswiderstand für die Sauerstoffquelle (Abgas), die die vierte Elektrode 110 erreicht. Die Gasflusswiderstandsschicht 150 muss nämlich einen Teil des den vierten Elektrodenteil 110a und die poröse Schicht 113a überlappenden Bereichs S bedecken, in dem der vierte Elektrodenteil 110a tatsächlich als eine Elektrode in der porösen Schicht 113a funktioniert.
• Das Verhältnis, mit dem die Gasflusswiderstandsschicht 150 den Überlappungsbereich S überlappt, kann aus der Gleichung 1 erhalten werden.
  Gleichung 1: Überlappungsverhältnis (%) = [{(Fläche des Überlappungsbereichs S) – (Fläche der Öffnung Op)}/(Fläche des Überlappungsbereichs S)] × 100. Insbesondere entspricht jeder Bereich der Projektion in der Schichtungsrichtung wie in 5 gezeigt. Die Fläche der Öffnung Op entspricht dem Bereich eines Teils des Überlappungsbereichs S, der nicht mit der Gasflusswiderstandsschicht 150 überlappt, d. h. dem Bereich eines Teils, der nicht durch die Gasflusswiderstandsschicht 150 in der Schichtungsrichtung bedeckt ist.
• Vorzugsweise beträgt das Überlappungsverhältnis 25,0% bis 97,5%.
• Wenn das Überlappungsverhältnis kleiner als 25,0% ist, wird der oben beschriebene Effekt der Gasflusswiderstandsschicht 150 als eines Gasflusswiderstands unzureichend und kann eine Reduktion des pulsierenden Stroms Ri schwierig werden. Wenn das Überlappungsverhältnis 97,5% überschreitet, wird der Effekt der Gasflusswiderstandsschicht 150 als eines Gasflusswiderstands übermäßig stark und wird der Elektrodenwiderstand (der Innenwiderstand des Sensorelements) größer. In diesem Fall kann eine Schwärzung auftreten und kann der Ip-Strom kaum fließen.
• Im Folgenden wird die durch das Trennen der Gasflusswiderstandsschicht 150 von der vierten Elektrode 110 erzielte Wirkung beschrieben.
• Wenn die Gasflusswiderstandsschicht 150 von der vierten Elektrode 110 wie in 7 gezeigt beabstandet ist, wird auch in einem Bereich, in dem die Gasflusswiderstandsschicht 150 die vierte Elektrode 110 bedeckt, die Sauerstoffquelle (Abgas) zu der vierten Elektrode 110 und der zweiten Festelektrolytschicht 109 unter der vierten Elektrode 110 durch den Zwischenraum zwischen der Gasflusswiderstandsschicht 150 und der vierten Elektrode 110 zugeführt. Dadurch kann das Auftreten einer Schwärzung unterdrückt werden.
• Wenn dagegen die Gasflusswiderstandsschicht 150 in Kontakt mit der vierten Elektrode 110 wie in 8 gezeigt ist, wird in dem Bereich, in dem die Gasflusswiderstandsschicht 150 die vierte Elektrode 110 bedeckt, die Sauerstoffquelle (Abgas) nicht zu der vierten Elektrode 110 und der zweiten Festelektrolytschicht 109 unter der vierten Elektrode 110 zugeführt. Deshalb kann eine Schwärzung auftreten. Insbesondere wenn wie oben beschrieben der Überlappungsbereich 25,0% oder größer wird, ist die Zufuhr der Sauerstoffquelle (Abgas) von einem Teil der zweiten Festelektrolytschicht 109 in Nachbarschaft zu dem Bereich, in dem die Gasflusswiderstandsschicht 150 die vierte Elektrode 110 bedeckt, zu dem Teil Br der zweiten Festelektrolytschicht 109, der die Gasflusswiderstandschicht 150 überlappt, unzureichend. Deshalb ist die Möglichkeit des Auftretens einer Schwärzung im Gegensatz zu dem Fall von 6 gegeben.
• Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und umfasst verschiedene Modifikationen und Äquivalente, die in den Erfindungsumfang fallen.
• Zum Beispiel ist in der oben beschriebenen Ausführungsform die Öffnung Op in der Mitte der Gasflusswiderstandsschicht 150 derart ausgebildet, dass die Gasflusswiderstandsschicht 150 den Überlappungsbereich S nicht in einem Bereich in Entsprechung zu der Öffnung Op bedeckt. Die Form, die Position, die Anzahl usw. der Gasflusswiderstandsschicht 150 sind jedoch nicht auf diejenigen der Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 9 gezeigt eine Gasflusswiderstandsschicht 152 auf der Fläche der porösen Schicht 113a in einem Bereich in Entsprechung zu einem mittleren Teil des Überlappungsbereichs S vorgesehen sein, sodass die poröse Schicht 113a um die Gasflusswiderstandsschicht 152 herum freiliegt.
• Weiterhin kann wie in 10 gezeigt eine Vielzahl von Gasflusswiderstandsschichten 153 und 154 an einer Vielzahl von Positionen in dem Überlappungsbereich S vorgesehen sein. Insbesondere sind in dem Beispiel von 10 die Vielzahl von Gasflusswiderstandsschichten 153 und 154 in der porösen Schicht 113a derart eingebettet, dass keine Gasflusswiderstandsschicht den Überlappungsbereich S an dem Zwischenraum zwischen den Gasflusswiderstandsschichten 153 und 154 überlappt. Die Positionen der Gasflusswiderstandsschichten 153 und 154 in der Schichtungsrichtung können sich voneinander unterscheiden.
• In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die isolierende Schutzschicht 111 mit dem Durchgangsloch 112a auf die Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht derart laminiert, dass die vierte Elektrode 110 dazwischen eingeschlossen ist und die poröse Schicht 113a in dem Durchgangsloch 112a angeordnet ist. Die poröse Schicht 113a kann aber auch direkt auf die vierte Elektrode 110 geschichtet sein, ohne dass die isolierende Schutzschicht 111 vorgesehen ist.
• Die vorliegende Erfindung kann auf alle Gassensoren angewendet werden, die ein Sensorelement aufweisen, das eine Zelle enthält, die eine auf der Fläche einer Festelektrolytschicht angeordnete Elektrode und eine poröse Schicht, die auf der Fläche der Elektrode angeordnet ist und einen Gasfluss zwischen der Elektrode und der Umgebungsatmosphäre erlaubt, aufweist. Außerdem kann die vorliegende Erfindung auf den Sauerstoffsensor (Sauerstoffsensorelement) dieser Ausführungsform angewendet werden. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt und umfasst weitere Anwendungen, die in den Erfindungsumfang fallen. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auf einen NO_X-Sensor (NO_X-Sensorelement) zum Erfassen der Konzentration von NO_X in einem zu messenden Gas, einen HC-Sensor (HC-Sensorelement) zum Erfassen der Konzentration von HC usw. angewendet werden.
• 11 ist eine Schnittansicht eines NO_X-Sensorelements 100B entlang der Längsrichtung.
• Das NO_X-Sensorelement 100B weist allgemein die Form einer länglichen Platte auf und wird durch das Stapeln von Festelektrolytschichten 2c, 6c und 4c in dieser Reihenfolge gebildet. Eine Isolationsschicht 63 ist zwischen den Festelektrolytschichten 2c und 6c angeordnet, eine Isolationsschicht 65 ist zwischen den Festelektrolytschichten 6c und 4c angeordnet und eine isolierende Schutzschicht 61 ist zwischen der Außenseite (der Seite gegenüber der Isolationsschicht 63) der Festelektrolytschicht 2c laminiert, und Isolationsschichten 68 und 69 sind in dieser Reihenfolge auf die Außenseite (die Seite gegenüber der Isolationsschicht 65) der Festelektrolytschicht 4c laminiert.
• Weil eine erste Gegenelektrode 2b einer weiter unten beschriebenen ersten Pumpzelle 2 durch eine poröse Schicht 79 nach außen freiliegt, entspricht die erste Gegenelektrode 2b der „Elektrode” in den Ansprüchen.
• Weiterhin ist ein Heizer 77 zum Erhöhen der Temperatur des NO_X-Sensors zu einer Aktivierungstemperatur zwischen den Isolationsschichten 68 und 69 derart angeordnet, dass sich der Heizer 77 entlang der Längsrichtung des NO_X-Sensorelements erstreckt.
• Die Isolationsschicht 63 ist derart geschnitten, dass sie eine rechteckige C-Form in einer Draufsicht aufweist, und ist derart angeordnet, dass die Öffnung des rechteckigen C in 11 nach links gewandt ist. Daraus resultiert, dass der ausgeschnittene Teil der Isolationsschicht 63 als ein Hohlraum dient, wodurch ein Innenraum durch die Vorderfläche (die obere Fläche in 11) der Festelektrolytschicht 6c, die Rückfläche (die untere Fläche in 11) der Festelektrolytschicht 2c und die Seitenfläche der Isolationsschicht 63 gebildet wird. Ein Diffusionssteuerteil 70 mit einem Diffusionswiderstand ist an der oben beschriebenen Öffnung (an den linken Enden der Festelektrolytschichten 2c und 6c in 11), durch die das zu messende Gas von außen eingeführt wird, vorgesehen. Weiterhin ist ein Diffusionssteuerteil 71 zum Teilen des Innenraums in der Links-Rechts-Richtung in 11 an einer vorbestimmten Position vorgesehen, die von dem rechten Ende zu der Mitte des Innenraums hin versetzt ist. Der Innenraum zwischen den Diffusionssteuerteilen 70 und 71 dient als eine erste Messkammer S1.
• Eine erste Innenelektrode 2a mit einer annähernd rechteckigen planaren Form ist an der Rückfläche der Festelektrolytschicht 2c, die der ersten Messkammer S1 zugewandt ist, angeordnet. Die erste Gegenelektrode 2b ist an der Vorderfläche der Festelektrolytschicht 2c an einer Position in Entsprechung zu der ersten Innenelektrode 2a angeordnet. Die erste Pumpzelle 2 wird durch die erste Innenelektrode 2a, die erste Gegenelektrode 2b und die Festelektrolytschicht 2c gebildet. Insbesondere weist die isolierende Schutzschicht 61 ein Durchgangsloch 61a auf, das durch das derartige Schneiden der isolierenden Schutzschicht 61, dass das Durchgangsloch 61a eine allgemein rechteckige, planare Form aufweist, ausgebildet wird, wobei die erste Gegenelektrode 2b in Kontakt mit der Festelektrolytschicht 2c in dem Durchgangsloch 61a angeordnet ist. Eine poröse Schicht 79 ist ausgebildet, um das Durchgangsloch 61a zu füllen.
• Weiterhin ist eine elektrisch isolierende Gasflusswiderstandsschicht 156 an der Fläche der porösen Schicht 79 vorgesehen. Die Gasflusswiderstandsschicht 156 überlappt einen Teil des Bereichs, in dem die erste Gegenelektrode 2b und die poröse Schicht 79 einander überlappen.
• Insbesondere ist auch in dem NO_X-Sensorelement 100B der Umfangsrand der ersten Gegenelektrode 2b innerhalb des Umfangsrands der porösen Schicht 79 angeordnet. Die Gasflusswiderstandsschicht 156 ist derart ausgebildet, dass sie die Umfangsteile der porösen Schicht 79 und der ersten Gegenelektrode 2b bedeckt. Die Gasflusswiderstandsschicht 156 weist in ihrer Mitte eine annähernd rechteckige Öffnung auf. Insbesondere ist die erste Gegenelektrode 2b in der gleichen Schicht wie die isolierende Schutzschicht 30b ausgebildet und in einem Durchgangsloch in der isolierenden Schutzschicht 30b angeordnet.
• Weiterhin ist eine Erfassungselektrode 6a, die eine annähernd rechteckige planare Form und eine kleinere Größe als die erste Innenelektrode 2a aufweist, an der Vorderfläche der Festelektrolytschicht 6c, die der ersten Messkammer S1 zugewandt ist, angeordnet, um an einer Position positioniert zu werden, die etwas von dem Diffusionssteuerteil 71 nach links versetzt ist und rechts von dem rechten Endes der ersten Innenelektrode 2a liegt. Weiterhin ist eine Bezugselektrode 6b, deren Größe annährend gleich derjenigen der Erfassungselektrode ist, an der Rückfläche der Festelektrolytschicht 6c an einer Position in Entsprechung zu der Erfassungselektrode 6a angeordnet. Eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 6 wird durch die Erfassungselektrode 6a, die Bezugselektrode 6b und die Festelektrolytschicht 6c gebildet. Insbesondere ist die Bezugselektrode 6b in Kontakt mit der Festelektrolytschicht 6c durch einen Ausschnitt der Isolationsschicht 65 hindurch, wobei der Ausschnitt eine annähernd rechteckige planare Form aufweist und eine Ladungsschicht 75 aus einem porösen Material oder einem isolierenden Material in den Freiraum (Ausschnitt) an der Rückfläche der Bezugselektrode 6b geladen wird, wodurch Sauerstoff mit einem vorbestimmten Teildruck in die Ladungsschicht 75 geladen werden kann. Der Sauerstoff wird insbesondere in die Ladungsschicht 75 auf der Seite der Bezugselektrode 6c geladen, indem zuvor ein schwacher Strom Icp zu der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 6 zugeführt wird.
• Die Festelektrolytschicht 6c und die Isolationsschicht 65 werden auf der rechten Seite des Diffusionssteuerteils 71 derart geschnitten, dass sie entsprechende Ausschnitte mit jeweils einer rechteckigen planaren Form aufweisen, wobei die Ausschnitte das rechte Ende des oben beschriebenen Innenraums überlappen. Daraus resultiert, dass ein Raum gebildet wird, der sich von dem rechten Ende des Innenraums nach unten erstreckt, wobei eine NO_X-Messkammer S2 durch diesen Raum und einen Teil des oben beschriebenen Innenraums auf der rechten Seite des Diffusionssteuerteils 71 definiert wird.
• Das zu messende Gas, das von außen durch den Diffusionssteuerteil 70 eingeführt wird, fließt in die erste Messkammer S1 von der linken Seite zu der rechten Seite in 11 und fließt dann in die NO_X-Messkammer S2 durch den Diffusionssteuerteil 71.
• Eine zweite Innenelektrode 4a mit einer annähernd rechteckigen planaren Form ist an der Vorderfläche der Festelektrolytschicht 4c, die der NO_X-Messkammer S2 zugewandt ist, angeordnet. Weiterhin ist eine zweite Außenelektrode 4b, die als eine Außenelektrode für die zweite Innenelektrode dient, an der Vorderfläche der Festelektrolytschicht 4c, die der Ladungsschicht 75 zugewandt ist, ausgebildet. Eine zweite Pumpzelle 4 wird durch die zweite Innenelektrode 4a, die zweite Außenelektrode 4b und die Festelektrolytschicht 4c gebildet.
• Die isolierenden Schutzschichten 61 bis 69, die poröse Schicht 79, die Festelektrolytschichten 2c, 4c und 6c, die Elektroden 2a bis 6b und der Heizer 77 können unter Verwendung der gleichen Materialien wie in dem oben beschriebenen Sensorelement 100 ausgebildet sein.
• Insbesondere wird vorzugsweise ein Material, das eine niedrige Reduktionswirkung (oder keine Reduktionswirkung) für die NO_X-Komponente in dem zu messenden Gas aufweist, für das Ausbilden der ersten Innenelektrode 2a und der Erfassungselektrode 6a, die in Kontakt mit dem zu messenden Gas kommen, verwendet. Vorzugsweise wird zum Beispiel eine Verbindung mit einem Perowskit-Aufbau wie etwa La₃CuO₄, ein Cermet aus einer Keramik und einem Metall mit einer geringen katalytischen Aktivität wie etwa Au oder ein Cermet aus einer Keramik, einem Platingruppenmetall und einem Metall mit einer geringen katalytischen Aktivität wie etwa Au verwendet. Und wenn eine Legierung aus Au und einem Platingruppenmetall als das Elektrodenmaterial verwendet wird, ist der Au-Anteil der Legierung vorzugsweise auf 0,03 bis 35 Volumenprozent gesetzt. Ein Beispiel für das Material der zweiten Innenelektrode 4a ist ein poröser Cermet aus Rh und ZrO₂.
• Es werden hier keine Beschränkungen hinsichtlich des Diffusionssteuerteils vorgegeben, solange der Diffusionssteuerteil die Flussrate des eingeführten zu messenden Gases steuern kann. Zum Beispiel kann ein Schlitz, ein poröses Glied oder ähnliches verwendet werden. Ein Beispiel für den Diffusionssteuerteil ist ein poröses Glied, das aus Aluminiumoxid oder ähnlichem ausgebildet ist. Während ein direkter Kontakt zwischen dem Inneren des Sensors und der Umgebungsatmosphäre (zwischen den durch den Diffusionssteuerteil getrennten Zwischenräumen) vermieden wird, führt der Diffusionssteuerteil Gas in das Innere des Sensors ein und stabilisiert die Sauerstoffkonzentration um die Elektroden in dem Sensor herum.
• Der NO_X-Sensor (Sensorelement) mit der oben beschriebenen Konfiguration wird wie folgt betrieben. Zuerst wird der Heizer betrieben, um den Sensor zu der Aktivierungstemperatur zu erhitzen. Das zu messende Gas (Abgas) geht durch den Diffusionssteuerteil 70 hindurch und fließt in die erste Messkammer S1. Die erste Pumpzelle 2 pumpt einen übermäßigen Teil des in dem Abgas in der ersten Messkammer S1 enthaltenen Sauerstoffes von der ersten Innenelektrode 2a zu der ersten Gegenelektrode 2c. Das Gas, aus dem der Sauerstoff gepumpt wurde, fließt zu der stromabwärts gelegenen Seite der ersten Messkammer S1 und erreicht die Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 6 (die Elektrode 6a). Dementsprechend kann die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer S1 erfasst werden, indem die Spannung Vs zwischen den gegenüberliegenden Enden der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 6 überwacht wird. Indem die Spannung (Zwischenanschlussspannung) Vp1 zwischen den Elektroden der ersten Pumpzelle 2 derart gesteuert wird, dass die Spannung Vs gleich einer vorbestimmten Spannung wird, wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer S1 zu einer Konzentration gesteuert, bei welcher NO_X nicht abgebaut wird.
• Das Abgas (NO_X-Gas), dessen Sauerstoffkonzentration gesteuert wird, geht durch den Diffusionssteuerteil 71 hindurch und fließt zu der zweiten Pumpzelle 4 (der zweiten Innenelektrode 4a) in der NO_X-Messkammer S2. Dementsprechend kann Sauerstoff, der durch einen Abbau des NO_X-Gases erzeugt wird, aus der NO_X-Messkammer S2 gepumpt werden, indem an der zweiten Pumpzelle 4 eine für den Abbau des NO_X-Gases zu Sauerstoff und N₂-Gas erforderliche Spannung angelegt wird. Weil der zweite Pumpstrom Ip2, der durch die zweite Pumpzelle 4 fließt, proportional zu der Konzentration des NO_X-Gases ist, kann die NO_X-Konzentration des zu messenden Gases erfasst werden, indem der zweite Pumpstrom Ip2 erfasst wird.
• Insbesondere wird der durch die zweite Pumpzelle 4 herausgepumpte Sauerstoff von der zweiten Gegenelektrode 4c in die Ladungsschicht 75 geladen. Wenn eine Elektrode aus einem Material mit einer katalytischen Funktion wie etwa poröses Rhodium als die zweite Innenelektrode 4a verwendet wird, kann ein Abbau des NO_X-Gases gefördert werden.
• Auch in dem NO_X-Sensorelement 100B dient die Gasflusswiderstandsschicht 156 als ein Gasflusswiderstand, wodurch die Gasaustauschrate an der ersten Gegenelektrode 2b vermindert wird. Daraus resultiert, dass die Zeitverlaufsänderung (ΔVp) der Vp-Spannung kleiner wird, wodurch der pulsierende Strom (Überschwingungsstrom) Ri reduziert werden kann und eine Verschlechterung der Gaserfassungsgenauigkeit unterdrückt werden kann.
• [Beispiel]
• Es wurden Proben des Gassensors 1 mit dem darin enthaltenen Sensorelement (Sauerstoffsensorelement) 100 von 1 bis 5 hergestellt. Eine Vielzahl von Proben des Gassensors mit verschiedenen Überlappungsverhältnissen zwischen 0 und 99,0% wurden hergestellt, wobei die Größe der Öffnung Op der Gasflusswiderstandsschicht 150 geändert wurde, während die Größe des Überlappungsbereichs S des vierten Elektrodenteils 110a und der porösen Schicht 113a konstant gehalten wurde. Die Gasflusswiderstandsschicht 150 wurde ausgebildet, indem eine Aluminiumoxidpaste auf die isolierende Schutzschicht 111 und die poröse Schicht 113a in einem Bereich in Entsprechung zu dem Umfangsteil der porösen Schicht 113a aufgetragen (gedruckt) wurde, wobei dann ein Brennen gleichzeitig zu dem Brennen des Sensorelements 100 durchgeführt wurde.
• Insbesondere wird das Überlappungsverhältnis durch die folgende Gleichung wiedergegeben: Überlappungsverhältnis (%) = [{(Fläche des Überlappungsbereichs S) – (Fläche der Öffnung Op)}/(Fläche des Überlappungsbereichs S)] × 100
• Der Effekt zum Unterdrücken des pulsierenden Stroms (Überschwingungsstroms) Ri und des Grenzstroms der Sauerstoffpumpzelle 140 wurden unter Verwendung der wie oben beschrieben erhaltenen Proben des Gassensors gemessen.
• Der Effekt zum Unterdrücken des pulsierenden Stroms (Überschwingungsstroms) Ri wurde wie folgt bewertet. Jede Probe des Gassensors wurde an einem mit einem parallelen Vierzylindermotor (Hubraum: 2000 cm³) verbundenen Abgasrohr angebracht und es wurde eine Sensorsteuerung durchgeführt. Während der Motor mit 300 U/min betrieben wurde, wurde das λ (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) des Abgases von 0,95 zu 1,05 geändert und wurde bestimmt, ob der Pumpstrom Ip der Sauerstoffpumpzelle 140 den in 14 gezeigten pulsierenden Strom Ri aufwies oder nicht. Der Effekt zum Unterdrücken des pulsierenden Stroms (Überschwingungsstrom) Ri wurde auf der Basis des Bestimmungsergebnisses bewertet. Insbesondere wurde ein herkömmlicher Gassensor ohne eine Gasflusswiderstandsschicht 150 als ein Bezugsgassensor (ein Gassensor mit einem Überlappungsverhältnis von 0,0% in der Tabelle 1) verwendet. Der Ip-Wert des Bezugsgassensors bei einer stabilen Ausgabe wurde als 100% genommen. Der Maximumwert des Überschwingungsstroms Ri wurde mit (100 + X)% wiedergegeben, wobei der oben genannte Ip-Wert als Bezug verwendet wurde. Weiterhin wurde jede Probe des Gassensors als gut bewertet, wenn der Maximumwert des Überschwingungsstroms Ri der Probe (100 + X/2)% oder kleiner war, wobei der oben genannte Ip-Wert als ein Bezug verwendet wurde. Wenn zum Beispiel der Maximumwert des Überschwingungsstroms Ri des Bezugsgassensors 110% beträgt und der Maximumwert des Überschwingungsstroms Ri einer Probe 105% oder weniger beträgt, wird die Probe als gut bewertet.
• Was den Grenzstrom betrifft, wurde jede Probe als gut bewertet, wenn die Spannung Vs in einem Zustand, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) eines Modellgases auf 10 gesetzt ist (sehr fette Atmosphäre), zu 450 mV gesteuert werden konnte. Die Tabelle 1 listet die Ergebnisse der Bewertungen auf. [Tabelle 1]

  Überlappungsverhältnis (%)	Effekt der Unterdrückung des pulsierenden Stroms Ri	Grenzstrom
  99,0	gut	schlecht
  97,5	gut	gut
  75,0	gut	gut
  25,0	gut	gut
  20,0	schlecht	gut
  0,0	schlecht	gut

• Aus der Tabelle 1 wird deutlich, dass, wenn das Überlappungsverhältnis auf 25,0% bis 97,5% gesetzt wurde, der pulsierende Strom Ri vermindert wurde und der Ip-Strom ausreichend groß war. Deshalb wurde der Gassensor problemlos betrieben.
• Wenn das Überlappungsverhältnis kleiner als 25,0% war, wurde es schwierig, den pulsierenden Strom Ri zu verkleinern. Wenn das Überlappungsverhältnis 97,5% überschritt, wurde der Elektrodenwiderstand (der Innenwiderstand des Sensorelements) vergrößert und wurde der Ip-Strom verkleinert, wodurch der Betrieb des Gassensors behindert wurde. Deshalb sind Überlappungsverhältnisse von mehr als 97,5% nicht vorteilhaft.
• Insbesondere zeigt 12 eine Änderung in dem Pumpenstrom Ip der Sauerstoffpumpzelle 140 in der Zeit für einen Fall, in dem das Überlappungsverhältnis auf 75% gesetzt war und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) in dem Gas von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite gewechselt wurde. 12 zeigt, dass der pulsierende Strom Ri unterdrückt wurde.
• Bezugszeichenliste

1

Gassensor

100, 100B

Sensorelement

109, 2c

Festelektrolytschicht

110, 2b

Elektrode

113a, 79

poröse Schicht

130, 4

Zelle (Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle, zweite Pumpzelle)

140, 2

Zelle (Pumpzelle, erste Pumpzelle)

150, 152, 153, 154, 156

Gasflusswiderstandselement (Gasflusswiderstandsschicht)

S

Überlappungsbereich der Elektrode und der porösen Schicht

107c, S1

Messkammer

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2012-173146 [0004]
• JP 4966266 [0004]

Claims (7)

1. Gassensor (1) mit einem Sensorelement (100, 100B), das umfasst: eine Zelle (130, 140, 2, 4), die eine plattenförmige Festelektrolytschicht (109, 2c) und eine auf einer Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnete Elektrode (110, 2b) enthält, und eine poröse Schicht (113a, 79), die auf eine Oberfläche der Elektrode geschichtet ist und durch die ein Gas zwischen einer Umgebungsatmosphäre und der Elektrode fließt, wobei: ein Umfangsrand der Elektrode aus einer Schichtungsrichtung betrachtet innerhalb eines Umfangsrands der porösen Schicht angeordnet ist, und ein Gasflusswiderstandselement (150, 152, 153, 156) auf einer Oberfläche der porösen Schicht oder in der porösen Schicht derart vorgesehen ist, dass es von der Elektrode beabstandet ist, wobei aus der Schichtungsrichtung betrachtet das Gasflusswiderstandselement einen Teil eines Überlappungsbereichs (S), in dem die Elektrode und die poröse Schicht einander überlappen, überlappt.
2. Gassensor (1) mit einem Sensorelement (100, 100B), das umfasst: eine Zelle (130, 140, 2, 4), die eine plattenförmige Festelektrolytschicht (109, 2c) und eine Elektrode (110, 2b), die auf einer Fläche der Festelektrolytschicht angeordnet ist, enthält, und eine poröse Schicht (113a, 79), die auf eine Fläche der Elektrode geschichtet ist und durch die ein Gas zwischen einer Umgebungsatmosphäre und der Elektrode fließt, wobei: ein Gasflusswiderstandselement (150, 152, 153, 156) auf einer Fläche der porösen Schicht oder in der porösen Schicht derart vorgesehen ist, dass das Gasflusswiderstandselement von der Elektrode beabstandet ist und aus der Schichtungsrichtung betrachtet das Gasflusswiderstandselement einen Teil eines Überlappungsbereichs überlappt, in dem die Elektrode und die poröse Schicht einander überlappen, der Maximalwert des Überschwingungsstroms des Gassensors (100 + X/2)% oder kleiner ist, wenn ein Gassensor mit einem Sensorelement, das die Zelle und die poröse Schicht, aber kein Gasflusswiderstandselement enthält, als ein Bezugsgassensor verwendet wird, wobei der Ip-Wert des Bezugsgassensors während einer stabilen Ausgabe als 100% genommen wird und der Maximumwert des Überschwingungsstroms des Bezugsgassensors durch (100 + X)% wiedergegeben wird, und der Überschwingungsstrom der Maximumwert des pulsierenden Stroms ist, der auf einen aus der Zelle ausgegebenen Pumpstrom Ip überlagert wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Gas von einem Wert auf der fetten Seite zu einem Wert auf der mageren Seite wechselt, wobei die Zelle als eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Messkammer eingeführten Gas oder zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer funktioniert.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gasflusswiderstandselement gasundurchlässig ist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei aus der Schichtungsrichtung betrachtet das Gasflusswiderstandselement einen Teil des Überlappungsbereichs überlappt, dessen Fläche 25,0% bis 97,5% der Gesamtfläche des Überlappungsbereichs überlappt.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sensorelement (100) ein Sauerstoffsensorelement ist, das als die Zelle eine Pumpzelle (140) zum Pumpen von Sauerstoff aus einem in eine Messkammer (107c) eingeführten zu messenden Gas oder zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer enthält und weiterhin eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle (130) enthält, die eine Ausgabespannung in Entsprechung zu der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases in der Messkammer ausgibt, wobei ein Pumpenstrom zu der Pumpzelle derart zugeführt wird, dass die Ausgabespannung konstant wird, wobei die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases, die dem Pumpenstrom entspricht, erfasst wird.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sensorelement (100B) ein NO_X-Sensorelement ist, das als die Zelle eine erste Pumpzelle (2) zum Pumpen von Sauerstoff aus dem in eine Messkammer (S1) eingeführten zu messenden Gas oder zum Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer für das Einstellen der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer enthält und weiterhin eine zweite Pumpzelle (4), durch die ein Pumpstrom in Entsprechung zu der NO_X-Konzentration des zu messenden Gases, dessen Sauerstoffkonzentration eingestellt wurde, fließt.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektrode Pt und Au mit einem Gesamtanteil von 50 Massenprozent oder mehr enthält.

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