DE102016217166A1

DE102016217166A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102016217166A1
Application number: DE102016217166.6A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Takao Murase; Masashi YASUI
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2036-09-10
Also published as: DE102016217166B4; JP6754559B2; US10775333B2; US20190285563A1; US10900920B2; JP2017067533A; US20170089852A1; US20190293585A1; US10514349B2

Abstract

Ein Gassensor 10 enthält eine rohrförmige Schutzabdeckung 30, in welcher sich eine Elementkammer 37 befindet und die so konfiguriert ist, dass ein Messgas von außen in die Elementkammer 37 strömen kann, und ein langes Sensorelement 20, welches einen Erfassungsteil 23 enthält, der in der Elementkammer 37 angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er eine bestimmte Gaskonzentration in dem Messgas erfasst. Ein Neigungswinkel θ1 einer Achsenrichtung des Sensorelements 20 (d. h. einer Richtung parallel zu einer Elementachse A1) in der Elementkammer 37 ist in Bezug auf eine Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 (d. h. einer Richtung parallel zu einer Abdeckungsachse A2) 1° oder größer.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
Stand der Technik
Bisher sind Gassensoren bekannt, welche die Konzentration eines bestimmten Gases wie etwa NOx in einem zu messenden Gas (nachfolgend als ein Messgas bezeichnet) wie etwa einem Automobilabgas messen. Zum Beispiel beschriebt die Patentliteratur (PTL) 1 einen Gassensor, der ein an einem rohrförmigen Gehäuse befestigtes Sensorelement und eine rohrförmige Abdeckung (Schutzabdeckung) auf der Seite des Messgases aufweist, welche zum Abdecken eines distalen Endes des Sensorelements konfiguriert ist.
Liste der Druckschriften
Patentliteratur

[PTL 1] Japanische Patentanmeldung Nr. 3932881

Offenbarung der Erfindung
Wenn in diesem Gassensor ein Messgas innerhalb der Schutzabdeckung zirkuliert und einen Erfassungsteil des Sensorelements erreicht, erfasst der Erfassungsteil eine bestimmte Gaskonzentration. Aufgrund der Zeitdauer, die das Messgas benötigt, um den Erfassungsteil zu erreichen, kann die Empfindlichkeit beim Erfassen der bestimmten Gaskonzentration niedrig sein.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems vollzogen. Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration zu verbessern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Untersuchungen durchgeführt und vorausgesagt, dass, da der Messgasstrom in einem Innenraum der Schutzabdeckung, in der sich das Sensorelement befindet, laminar war, das Messgas den Erfassungsteil im Inneren oder auf der Oberfläche des distalen Endes des Sensorelements nicht ohne weiteres erreichen konnte und somit die vorstehend beschriebene Empfindlichkeit gesenkt wurde. Als Ergebnis weiterer Untersuchungen fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass das Positionieren des Sensorelements des Gassensors nach dem Stand der Technik auf der Achsenlinie der Schutzabdeckung tendenziell verursachte, dass der Messgasstrom laminar wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckten daraufhin, dass durch das Neigen des Sensorelements aus der Achsenrichtung der Schutzabdeckung die Empfindlichkeit beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration verbessert werden konnte. Dies führte zur Vollendung der vorliegenden Erfindung.
Das heißt, dass die vorliegende Erfindung die folgenden Mittel anwendet, um die vorstehend beschriebene Hauptaufgabe zu lösen.
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine rohrförmige Schutzabdeckung, die eine Elementkammer enthält und so konfiguriert ist, dass ein Messgas von außen in die Elementkammer strömen kann; und
ein in der Elementkammer untergebrachtes langes Sensorelement, das einen Erfassungsteil umfasst und zum Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgas konfiguriert ist,
wobei ein Neigungswinkel θt einer Achsenrichtung des Sensorelements in der Elementkammer in Bezug auf eine Achsenrichtung der Schutzabdeckung 1° oder größer ist.
In diesem Gassensor ist die Achsenrichtung des Sensorelements in der Elementkammer in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung geneigt und der Neigungswinkel θt ist 1° oder größer. Dadurch kann das Sensorelement den Messgasstrom in der Elementkammer stören und dies verursacht, dass der Messgasstrom weniger wahrscheinlich laminar ist (d. h. wahrscheinlicher turbulent). Daher kann das Messgas einfacher den Erfassungsteil erreichen und die Empfindlichkeit des Gassensors beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration kann verbessert werden.
In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Neigungswinkel θt 3° oder größer sein. In diesem Fall kann das Vorkommen eines laminaren Messgasstroms durch die Neigung des Sensorelements wirksamer reduziert werden und die Empfindlichkeit des Gassensors kann weiter verbessert werden. Der Neigungswinkel θt kann 5° oder größer, größer als 7°, oder 9° oder größer sein.
In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Neigungswinkel θt 15° oder weniger sein. In diesem Fall kann eine durch die Neigung des Sensorelements verursachte Zunahme von Druckverlust in der Elementkammer reduziert werden. Es ist daher möglich, das durch den Druckverlust verursachte Verlangsamen des Messgasstroms zu verringern und die Verschlechterung der Empfindlichkeit des Gassensors zu verringern. Der Neigungswinkel θt kann 13° oder weniger, weniger als 13°, oder 11° oder weniger sein.
Der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Schutzschicht enthalten, welche in einem eine Oberfläche des Sensorelements auf einer Neigungsseite in der Elementkammer abdeckenden Teil eine größere Dicke hat, als in einem eine Oberfläche des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite in der Elementkammer abdeckenden Teil. Da diese Ungleichmäßigkeit der Dicke der Schutzschicht den Messgasstrom in der Elementkammer stört und verursacht, dass er weniger wahrscheinlich laminar ist, kann die Empfindlichkeit des Gassensors weiter verbessert werden.
In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schutzabdeckung einen Elementkammereinlass, der zur Elementkammer offen ist und als ein Durchgang für das Messgas dient, und einen Elementkammerauslass enthalten, der zur Elementkammer offen ist, als ein Durchgang für das Messgas dient und näher an einem distalen Ende der Schutzabdeckung angebracht ist als der Elementkammereinlass. Wenn der Elementkammereinlass und der Elementkammerauslass im Allgemeinen diese Lagebeziehung haben, ist der Messgasstrom tendenziell ein laminarer Strom entlang der Achsenrichtung der Schutzabdeckung und dies verringert tendenziell die Empfindlichkeit des Gassensors. Daher ist das Anwenden der vorliegenden Erfindung von großer Bedeutung.
In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement eine plattenähnliche Form haben und ein Teil des Sensorelements, nämlich der in der Elementkammer befindliche Teil, kann in einer Dickenrichtung des Sensorelements in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung geneigt sein. In diesem Fall, verglichen mit beispielsweise dem Fall, in dem das Sensorelement in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung geneigt ist, ist die Fläche einer Oberfläche des Sensorelements groß, welche die Achsenrichtung der Schutzabdeckung schneidet. Dies stört den Messgasstrom in der Elementkammer, verursacht, dass er weniger wahrscheinlich laminar ist und verbessert weiter die Empfindlichkeit des Gassensors.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die darstellt, wie ein Gassensor 10 an einem Rohr 90 befestigt ist.
2 ist eine Querschnittsansicht des Gassensors 10 in Längsrichtung.
3 ist eine Querschnittsansicht, die senkrecht zu einer Breitenrichtung eines Sensorelements 20 ist.
4 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Achsenrichtung des Sensorelements 20 mit einer Biegung in der Elementkammer 37.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung, die darstellt, wie ein Gassensor 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Rohr 90 befestigt ist. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Gassensors 10 in Längsrichtung entlang der Linie A-A aus 1. Ein durch eine Strichzweipunktlinie in dem unteren rechten Teil der 2 angezeigter Rahmen stellt eine schematische perspektivische Ansicht eines Sensorelements 20 bereit. 3 ist eine Querschnittsansicht senkrecht zu einer Breitenrichtung des Sensorelements 20. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Oben-Unten-Richtung und die Rechts-Links-Richtung so, wie in 2 dargestellt.
Der Gassensor 10 ist wie in 1 dargestellt an dem Rohr 90 wie etwa einem Fahrzeug-Abgasrohr befestigt und wird zum Messen einer bestimmten Gaskonzentration verwendet, welche die Konzentration eines bestimmten Gases wie etwa NOx oder O₂ ist, das in einem als ein Messgas dienenden Abgas enthalten ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Gassensor 10 verwendet, um eine NOx-Konzentration als eine bestimme Gaskonzentration zu messen.
Der Gassensor 10 enthält wie in 2 dargestellt das Sensorelement 20; eine Schutzschicht 29, welche zum Abdecken mindestens eines Teils der Oberfläche des Sensorelements 20 konfiguriert ist; eine Schutzabdeckung 30, welche zum Schützen eines eine distale Fläche 20a enthaltenden distalen Teils (unterer Endteil in 2) des Sensorelements 20 konfiguriert ist; eine Element-Dichteinheit 40, welche zum Abdichten und Befestigen des Sensorelements 20 konfiguriert ist; und eine Anschlusseinheit 50, welche zum Schützen eines eine proximale Fläche 20b enthaltenden proximalen Teils (oberer Endteil in 2) des Sensorelements 20 und zum Abnehmen eines elektrischen Signals von dem Sensorelement 20 konfiguriert ist.
Das Sensorelement 20 hat einen laminierten Aufbau mit einer Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten, wie etwa Schichten aus Zirkondioxid (ZrO₂). Das Sensorelement 20 ist ein langes plattenähnliches Element (in der Form eines rechteckigen Parallelepipeds), welches die distale Fläche 20a an seinem unteren Ende, die proximale Fläche 20b an seinem oberen Ende und eine erste bis vierte Fläche 21a bis 21d senkrecht zur distalen Fläche 20a und zur proximalen Fläche 20b hat. In dem Sensorelement 20 wird eine Richtung entlang der längsten der drei Seiten des rechteckigen Parallelepipeds (z. B. einer der ersten Fläche 21a und der vierten Fläche 21d gemeinsamen Seite) als eine Längsrichtung definiert, eine Richtung entlang der kürzesten der drei Seiten des rechteckigen Parallelepipeds (z. B. einer der distalen Fläche 20a und der vierten Fläche 21d gemeinsamen Seite) als eine Dickenrichtung definiert und eine Richtung entlang der verbleibenden der drei Seiten des rechteckigen Parallelepipeds (z. B. einer der distalen Fläche 20a und der ersten Fläche 21a gemeinsamen Seite) als eine Breitenrichtung definiert. Die Achsenrichtung des Sensorelements 20 ist in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 um einen Neigungswinkel θt geneigt. Der Neigungswinkel θ1 wird später detailliert beschrieben. Das Sensorelement 20 kann zum Beispiel 25 mm bis 100 mm lang, 2 mm bis 10 mm breit und 0,5 mm bis 5 mm dick sein. Das Sensorelement 20 hat wie in 2 und 3 dargestellt eine Messgaseinführöffnung 22a, um das Messgas einzuführen, eine Referenzgaseinführöffnung 22a, um ein Referenzgas (Atmosphäre) einzuführen, welches als eine Referenz beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration dient, und einen Erfassungsteil 23, der zum Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgas konfiguriert ist. Die Messgaseinführöffnung 22a öffnet sich in der distalen Fläche 20a des Sensorelements 20 und ist in einer Elementkammer 37 angeordnet, welche ein Raum innerhalb einer inneren Schutzabdeckung 31 ist. Die Referenzgaseinführöffnung 22b öffnet sich wie in 3 dargestellt in der proximalen Fläche 20b des Sensorelements 20 und ist in einem Raum innerhalb einer atmosphärenseitigen Abdeckung 74 angeordnet.
Der Erfassungsteil 23 enthält mindestens eine Elektrode und ist in der Elementkammer 37 angeordnet, um eine bestimmte Gaskonzentration in dem Messgas in der Elementkammer 37 zu Erfassen. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Erfassungsteil 23 eine äußere Elektrode 24, welche auf der ersten Fläche 21a angeordnet ist, und innere Hauptpumpelektroden 25, innere Hilfspumpelektroden 26, eine Messelektrode 27 und eine Referenzelektrode 28, welche in dem Sensorelement 20 angeordnet sind. Das Messgas in der Elementkammer 37 erreicht die äußere Elektrode 24 und die Messgaseinführöffnung 22a. Das durch die Messgaseinführöffnung 22a in das Innere des Sensorelements 20 eingeführte Messgas erreicht die inneren Hauptpumpelektroden 25, die inneren Hilfspumpelektroden 26 und die Messelektrode 27 in dieser Reihenfolge. Das durch die Referenzgaseinführöffnung 22b eingeführte Referenzgas erreicht die Referenzelektrode 28. Das Prinzip, das dem Erfassen des Erfassungsteils 23 einer bestimmten Gaskonzentration zugrunde liegt, wird nicht im Detail beschrieben, da es wohlbekannt ist. Der Erfassungsteil 23 erfasst zum Beispiel folgenderweise eine bestimmte Gaskonzentration. Aufgrund einer zwischen der äußeren Elektrode 24 und den inneren Hauptpumpelektroden 25 angelegten Spannung pumpt der Erfassungsteil 23 Sauerstoff in dem Messgas um den inneren Hauptpumpelektroden 25 in den oder aus dem Erfassungsteil 23 (zur Elementkammer 37). Außerdem pumpt aufgrund einer zwischen der äußeren Elektrode 24 und der inneren Hilfspumpelektroden 26 angelegten Spannung der Erfassungsteil 23 Sauerstoff in dem Messgas um den inneren Hilfspumpelektroden 26 in den oder aus dem Erfassungsteil 23 (zur Elementkammer 37). Daher erreicht Messgas, welches eine an einen vorbestimmten Wert angepasste Sauerstoffkonzentration hat, die Nähe der Messelektrode 37. Die Messelektrode 27 dient als ein NOx-Reduktionskatalysator, um in dem vorliegenden Messgas ein bestimmtes Gas (NOx) zu reduzieren. Daraufhin wird eine zwischen der Messelektrode 27 und der Referenzelektrode 28 gemäß der Sauerstoffkonzentration nach dem Reduzieren erzeugte elektromotorische Kraft oder ein auf der elektromotorischen Kraft basierender Strom von dem Erfassungsteil 23 als ein elektrisches Signal erzeugt. Das von dem Erfassungsteil 23 dadurch erzeugte elektrische Signal ist ein Signal, welches einen einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgas entsprechenden Wert darstellt (d. h. einen Wert, von welchem die bestimmte Gaskonzentration abgeleitet werden kann), und entspricht einem von dem Erfassungsteil 23 erfassten Wert. Das elektrische Signal wird durch eine auf der Oberfläche des proximalen Teils des Sensorelements 20 angeordnete leitende Elektrode (nicht dargestellt) nach außen ausgegeben.
Die Schutzschicht 29 ist eine poröse Schicht, die mindestens einen Teil der Oberfläche des Sensorelements 20 abdeckt. Die Schutzschicht 29 deckt die gesamte distale Fläche 20a des Sensorelements 20 und den Großteil der in der Elementkammer 37 positionierten ersten bis vierten Flächen 21a bis 21d ab. Die Schutzschicht 29 deckt ebenfalls die äußere Elektrode 24 und die Messgaseinführöffnung 22a ab, aber da die Schutzschicht 29 eine poröse Schicht ist, kann das Messgas die Schutzschicht 29 durchdringen, um die äußere Elektrode 24 und die Messgaseinführöffnung 22a zu erreichen. Die Schutzschicht 29 dient zum Schützen des Sensorelements 20 vor zum Beispiel Feuchtigkeit oder Ölanteilen in dem Messgas. Die Schutzschicht 29 ist eine poröse Schicht aus Keramik wie etwa Aluminiumoxid. Die Schutzschicht 29 hat eine größere Dicke in einem die erste Fläche 21a abdeckenden Teil (d. h. einem Teil auf der linken Seite des Sensorelements 20 in 2) als in einem die zweite bis vierte Fläche 21b bis 21d und die distale Fläche 21a abdeckenden Teil. Daher hat die Schutzschicht 29 eine größere Dicke in einem eine Oberfläche (erste Fläche 21a) des Sensorelements 20 auf der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil als in einem eine Oberfläche (zweite Fläche 21b) des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil.
Die Schutzabdeckung 30 ist ein zylindrisches Element aus Metall wie etwa Edelstahl und ist so konfiguriert, dass das Messgas von außen in die Elementkammer 37 strömen kann. Die Schutzabdeckung 30 enthält die innere Schutzabdeckung 31, welche ein zylindrisches Element mit einem Boden ist und zum Abdecken des distalen Teils des Sensorelements 20 konfiguriert ist, und eine äußere Schutzabdeckung 32, welche ein zylindrisches Element mit einem Boden ist und zum Abdecken der inneren Schutzabdeckung 31 konfiguriert ist. Die Elementkammer 37 befindet sich in der inneren Schutzabdeckung 31. Die Elementkammer 37 ist ein von dem inneren Umfang der inneren Schutzabdeckung 31 umfasster Raum. Der distale Teil des Sensorelements 20 einschließlich der distalen Fläche 20a und des Erfassungsteils 23 ist in der Elementkammer 37 angeordnet.
Die innere Schutzabdeckung 31 und die äußere Schutzabdeckung 32 sind mit einer dazwischenliegenden Gaskammer 38 versehen, welche ein von der inneren Schutzabdeckung 31 und der äußeren Schutzabdeckung 32 umfasster Raum ist.
Die innere Schutzabdeckung 31 hat in ihrem Umfang eine Mehrzahl von Elementkammereinlässen 33 und an ihrem Boden einen Elementkammerauslass 34. Die Elementkammereinlässe 33 und der Elementkammerauslass 34 sind zur Elementkammer 37 und zur Gaskammer 38 offen. Die Elementkammereinlässe 33 dienen dem Messgas als Durchgänge von der Gaskammer 38 zur Elementkammer 37. Der Elementkammerauslass 34 dient dem Messgas als ein Durchgang von der Elementkammer 37 zur Gaskammer 38. Die Elementkammereinlässe 33 sind näher an der proximalen Fläche 20b angeordnet, als es die distale Fläche 20a (und die Messgaseinführöffnung 22a) des Sensorelements 20 sind (d. h. über der distalen Fläche 20a angeordnet). Gleichzeitig sind die Elementkammereinlässe 33 über der äußeren Elektrode 24 angeordnet, welche eine Elektrode des Erfassungsteils 23 ist und auf der Oberfläche des Sensorelements 20 angeordnet ist. Der Elementkammerauslass 34 ist unter den Elementkammereinlässen 33 angeordnet, das heißt, näher zum distalen Ende der Schutzabdeckung 30 als es die Elementkammereinlässe 33 sind. Gleichzeitig ist der Elementkammerauslass 34 unter der distalen Fläche 20a des Sensorelements 20 angeordnet. Die Elementkammereinlässe 33 und der Elementkammerauslass 34 sind kreisrunde Löcher. Der innere Umfang der inneren Schutzabdeckung 31 kann zum Beispiel von 5 mm bis 10 mm sein. Der senkrechte Abstand zwischen den Elementkammereinlässen 33 und dem Elementkammerauslass 34 (d. h. der Abstand in Achsenrichtung der inneren Schutzabdeckung 31) kann zum Beispiel von 10 mm bis 20 mm sein.
Die äußere Schutzabdeckung 32 hat in ihrem Umfang eine Mehrzahl von Außeneinlässen 35 und an ihrem Boden einen Außenauslass 36. Die Außeneinlässe 35 und der Außenauslass 36 sind zur Gaskammer 38 und zum Äußeren der äußeren Schutzabdeckung 32 (d. h. innerhalb des Rohres 90) offen. Die Außeneinlässe 35 dienen dem Messgas als Durchgänge von außen in die Gaskammer 38. Der Außenauslass 36 dient dem Messgas als Durchgang von der Gaskammer 38 nach außen. Die Außeneinlässe 35 sind unter den Elementkammereinlässen 33 angeordnet. Der Außenauslass 36 ist unter dem Elementkammerauslass 34 und den Außeneinlässen 35 angeordnet. Die Außeneinlässe 35 und der Außenauslass 36 sind kreisrunde Löcher. Der innere Umfang der äußeren Schutzabdeckung 32 kann zum Beispiel von 7 mm bis 15 mm sein.
Die Element-Dichteinheit 40 enthält ein Gehäuse 41, einen ersten Isolator 45, ein Dichtelement 48 und ein Dichtungsmaterial 49. Das Sensorelement 20 ist um die Mittelachse der Element-Dichteinheit 40 angeordnet und verläuft senkrecht durch die Element-Dichteinheit 40. Das Gehäuse 41 ist ein zylindrisches Metallelement mit einem unteren Ende, an welchem das obere Ende der Schutzabdeckung 30 befestigt ist. Das Gehäuse 41 ist an dem Rohr 90 verschweißt und in ein Befestigungselement 91 eingeführt, welches an seinem inneren Umfang ein Innengewinde hat.
Dadurch ist der Gassensor 10 an dem Rohr 90 befestigt, wobei der distale Teil des Sensorelements 20 und die Schutzabdeckung 30 des Gassensors 10 in das Rohr 90 ragen. Der erste Isolator 45 ist ein in dem Gehäuse 41 angeordnetes säulenförmiges Element. Das Sensorelement 20 durchdringt das Innere des ersten Isolators 45. Der erste Isolator 45 besteht aus einer Isolierkeramik wie etwa Aluminiumoxid, Steatit oder Zirkondioxid. Das Dichtelement 48 ist ein ringförmiges Element, das aus einem Metall wie etwa Edelstahl, Nickel oder Kupfer besteht. Das Dichtelement 48 wird von dem Gehäuse 41 bzw. dem ersten Isolator 45 von unten bzw. von oben beaufschlagt und ist zum hermetischen Abdichten des Spalts zwischen dem Gehäuse 41 und dem ersten Isolator 45 konfiguriert. Das Dichtungsmaterial 49 wird durch das Pressformen eines keramischen Pulvers wie etwa Talk, Aluminiumoxid oder Bornitridpulver erhalten. Das Dichtungsmaterial 49 wird in den Raum zwischen dem inneren Umfang des ersten Isolators 45 und dem Sensorelement 20 gefüllt, wodurch der Raum zwischen dem ersten Isolator 45 und dem Sensorelement 20 hermetisch abgedichtet wird. Der erste Isolator 45 und das Dichtungsmaterial 49 haben jeweils ein geneigtes Durchgangsloch, in welches das Sensorelement 20 eingesetzt und mit einem Neigungswinkel θt ortsfest befestigt wird.
Die Anschlusseinheit 50 enthält einen zweiten Isolator 55, eine Mehrzahl von Kontaktelementen 60, eine Mehrzahl von Verbindungsanschlüssen 71, eine Mehrzahl von Zuleitungsdrähten 72, einen Gummistopfen 73, eine atmosphärenseitige Abdeckung 74, eine äußere Abdeckung 75 und eine Scheibenfeder 77. Der zweite Isolator 55 ist ein zylindrisches Element mit einem Boden und besteht wie im Fall des ersten Isolators 45 aus einer Isolierkeramik. Der zweite Isolator 55 berührt an seiner unteren Fläche die obere Fläche des ersten Isolators 45 und ist derart angeordnet, dass er mit dem ersten Isolator 45 koaxial ist. Die Kontaktelemente 60 sind Metallplatten, welche jeweils an mehreren Stellen gebogen sind und einen nach innen umgebogenen Blattfederbereich haben. Eine Mehrzahl von (z. B. zwei oder drei) Kontaktelementen 60 ist jeweils auf der rechten und der linken Seite des Sensorelements 20 angeordnet und kommt mit entsprechenden, auf der ersten und der zweiten Fläche 21a und 21b des Sensorelements 20 angeordneten leitenden Elektroden (nicht dargestellt) in Kontakt. Die Blattfederbereiche der Kontaktelemente 60 werden durch eine Reaktionskraft gegen ihre Federkraft von dem zweiten Isolator 55 gehalten und sind mit dem Sensorelement 20 elektrisch verbunden, indem sie von der rechten und der linken Seite gegen die leitenden Elektroden auf dem Sensorelement 20 drücken. Ein Endteil jedes der Kontaktelemente 60 durchdringt ein Loch auf der Oberseite des zweiten Isolators 55 und ragt über diesen vor und ist mit dem entsprechenden Zuleitungsdraht 72 elektrisch verbunden, wobei der entsprechende Anschlusskontakt 71 dazwischen angeordnet ist. Die Zuleitungsdrähte 72 dringen senkrecht durch den das obere Ende der atmosphärenseitigen Abdeckung 74 und die äußere Abdeckung 75 abschließenden Gummistopfen 73 und erstrecken sich nach außen (d. h. bis außerhalb des Rohres 90 oder zur Atmosphäre). Die atmosphärenseitige Abdeckung 74 deckt einen Teil des äußeren Umfangs der Elementdichteinheit 40 auf der proximalen Seite (obere Seite) des Sensorelements 20 ab. Gleichzeitig deckt die atmosphärenseitige Abdeckung 74 den zweiten Isolator 55 und den Gummistopfen 73 ab. Die äußere Abdeckung 75 deckt den äußeren Umfang der oberen Seite der atmosphärenseitigen Abdeckung 74 ab. Die atmosphärenseitige Abdeckung 74 und die äußere Abdeckung 75 haben jeweils eine Mehrzahl von Atmosphäreneinführlöchern 76, durch welche das Referenzgas (Atmosphäre) tritt, das durch die Referenzgaseinführöffnung 22b in das Sensorelement 20 eingeführt wird. Die atmosphärenseitige Abdeckung 74 und die äußere Abdeckung 75 haben jeweils nahe ihrem oberen Ende einen verpressten Teil mit einem verringerten Durchmesser. Der Gummistopfen 73 wird mit diesem verpressten Teil ortsfest befestigt. Die Scheibenfeder 77 ist zwischen der atmosphärenseitigen Abdeckung 74 oben und dem zweiten Isolator 55 unten eingeklemmt. Durch Niederdrücken des zweiten Isolators 55 hält die Scheibenfeder 77 den zweiten Isolator 55 und den ersten Isolator 45 ortsfest.
Der Neigungswinkel θt des Sensorelements 20 wird nun im Detail beschrieben. Der Neigungswinkel θt ist der Winkel der Neigung der Achsenrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30. 2 zeigt eine Elementachse A1, welche die Mittelachse des Sensorelements 20 ist. Die Elementachse A1 ist eine Achse, welche parallel zur Längsrichtung des Sensorelements 20 ist, und eine Richtung parallel zur Elementachse A1 ist die Achsenrichtung des Sensorelements 20. In der vorliegenden Ausführungsform hat das Sensorelement 20 keine Biegung und ein in der Elementkammer 37 befindlicher Teil des Sensorelements 20 hat die gleiche Achsenrichtung wie der andere Teil (z. B. der proximale Teil einschließlich der proximalen Fläche 20b), der nicht in der Elementkammer 37 befindlich ist. Daher ist, wie auch die Achsenrichtung des gesamten Sensorelements 20, die Achsenrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 (d. h. die Achsenrichtung des in der Elementkammer 37 befindlichen Teils des Sensorelements 20) parallel zur Elementachse A1. Außerdem stimmt in dieser Ausführungsform die Mittelachse des Gassensors 10 mit der Mittelachse der Schutzabdeckung 30 (d. h. der inneren Schutzabdeckung 31 und der äußeren Schutzabdeckung 32) überein und ist als eine Abdeckungsachse A2 in 2 gekennzeichnet. Die Abdeckungsachse A2 ist parallel zur Oben-Unten-Richtung in 2 und diese Oben-Unten-Richtung ist die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30. Die Achsenrichtung des Sensorelements 20 (d. h. eine Richtung parallel zur Elementachse A1) ist mit Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 (d. h. eine Richtung parallel zur Abdeckungsachse A2) um einen Neigungswinkel θt geneigt. Der Neigungswinkel θt ist 1° oder größer. Der Neigungswinkel θt kann 20° oder weniger sein. Das Sensorelement 20 ist in der Dickenrichtung des Sensorelements 20 geneigt. Das heißt, dass das Sensorelement 20, wie in dem in 2 durch eine Strichzweipunktlinie dargestellten Rahmen gezeigt, in der Dickenrichtung (parallel zu der distalen Fläche 20a, der dritten Fläche 21c und der vierten Fläche 21d) aus einer Position, in welcher die Elementachse A1 parallel zur Abdeckungsachse A2 ist (d. h. der durch eine Strichlinie dargestellten Position des Sensorelements 20), verschwenkt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Sensorelement 20 in der Dickenrichtung geneigt, insbesondere in der Richtung, in welcher der distale Teil des Sensorelements 20 von der Position der zweiten Fläche 21b in Richtung der ersten Fläche 21a bewegt wird. Alternativ kann das Sensorelement 20 in der Dickenrichtung geneigt sein, insbesondere in der Richtung, in welcher der distale Teil des Sensorelements 20 von der Position der ersten Fläche 21a in Richtung der zweiten Fläche 21b bewegt wird. Man beachte, dass die Elementachse A1 und die Abdeckungsachse A2 sich nicht schneiden müssen. Auch wenn sich die Elementachse A1 und die Abdeckungsachse A2 nicht schneiden, kann der Neigungswinkel θt bestimmt werden, so lange die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 (d. h. eine Richtung parallel zur Abdeckungsachse A2) und die Achsenrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 (d. h. eine Richtung parallel zur Elementachse A1) relativ zueinander geneigt sind.
Ein Beispiel für das Verwenden des nach vorstehender Beschreibung konfigurierten Gassensors 10 wird nun beschrieben. Wenn das Messgas in das Rohr 90 strömt, wobei der Gassensor 10 an dem Rohr 90 wie in 1 und 2 dargestellt befestigt ist, zirkuliert das Messgas innerhalb der Schutzabdeckung 30. Genauer ausgedrückt strömt das Messgas in dem Rohr 90 durch die Außeneinlässe 35 in die Gaskammer 38, von welcher es durch die Elementkammereinlässe 33 in die Elementkammer 37 strömt. In der Elementkammer 37 strömt das Messgas von den Elementkammereinlässen 33 in Richtung des Elementkammerauslasses 34, von welchem es durch den Außenauslass 36 nach außen strömt (d. h. in das Innere des Rohres 90). In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Schutzabdeckung 30 einer sogenannten Aspiratorbauart (welche auch als eine Differenzdruck-Aspiratorbauart bezeichnet werden kann). Das heißt, dass die Schutzabdeckung 30 unter Ausnutzung eines Phänomens, bei welchem ein statischer Druck in der Nähe der Mittelachse des Rohres 90 niedriger ist als der in der Nähe des inneren Umfangs des Rohres 90, so konfiguriert ist, dass das Messgas durch die Außeneinlässe 35 in der Nähe des inneren Umfangs des Rohres 90 hereinfließt und durch den Außenauslass 36 in der Nähe der Mittelachse des Rohres 90 herausfließt. Dann, wenn das Messgas während seiner Zirkulation in der Elementkammer 37 den Erfassungsteil 23 erreicht, oder noch spezieller, wenn das Messgas die äußere Elektrode 24 erreicht und auch das Innere des Sensorelements 20 durch die Messgaseinführöffnung 22a erreicht, erzeugt der Erfassungsteil 23 wie vorstehend beschrieben ein elektrisches Signal entsprechend einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgas. Durch Abnehmen des elektrischen Signals durch die Kontaktelemente 60, die Verbindungsanschlüsse 71 und die Zuleitungsdrähte 72 wird die ermittelte Gaskonzentration anhand des elektrischen Signals erfasst.
Falls die Mittelachse des Sensorelements mit der Mittelachse der Schutzabdeckung wie bei dem Gassensor nach dem Stand der Technik zusammenfällt (d. h. wenn der Neigungswinkel et 0° ist), ist der Messgasstrom in der Elementkammer tendenziell laminar. Je laminarer der Messgasstrom, desto länger braucht das um das Sensorelement strömende Messgas, um den Erfassungsteil am distalen Ende des Sensorelements zu erreichen. Wenn das Messgas den Erfassungsteil nicht ohne weiteres erreichen kann, wird die Empfindlichkeit beim Erfassen der bestimmten Gaskonzentration tendenziell verringert. Das heißt, dass zum Beispiel auch dann, wenn sich die bestimmte Gaskonzentration in dem Messgas verändert, das entsprechende von dem Sensorelement erzeugte elektrische Signal nicht sofort verändert werden kann. Allerdings kann in dem Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform, bei welchem der Neigungswinkel θt 1° oder größer ist das Sensorelement 20 in der Elementkammer 37 den Messgasstrom stören (d. h. den Abwärtsstrom von den Elementkammereinlässen 33 in Richtung des Elementkammerauslasses 34 in der vorliegenden Ausführungsform). Dies verursacht, dass der Messgasstrom in der Elementkammer 37 weniger wahrscheinlich laminar ist (d. h. wahrscheinlicher turbulent). Daher kann das um das Sensorelement 20 strömende Messgas den Erfassungsteil 23 an dem distalen Ende des Sensorelements 20 einfacher erreichen und die Empfindlichkeit des Gassensors 10 beim Erfassen der bestimmten Gaskonzentration kann verbessert werden.
Der Neigungswinkel θt ist vorzugsweise 3° oder größer. In diesem Fall kann das Auftreten eines laminaren Messgasstroms durch die Neigung des Sensorelements 20 wirksamer verringert werden und die Empfindlichkeit des Gassensors 10 kann weiter verbessert werden. Der Neigungswinkel θt ist bevorzugt 5° oder größer und noch bevorzugter 9° oder größer. Gleichzeitig ist der Neigungswinkel θt vorzugsweise 15° oder weniger. In diesem Fall kann eine durch die Neigung des Sensorelements 20 verursachte Zunahme des Druckverlusts in der Elementkammer 37 verringert werden. Es ist daher möglich, das durch den Druckverlust verursachte Verlangsamen des Messgasstroms zu verringern und eine Verschlechterung der Empfindlichkeit des Gassensors 10 zu verringern. Der Neigungswinkel θt ist bevorzugt 13° oder weniger und noch bevorzugter 11° oder weniger. Wie in der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Neigungsrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 der Richtung des Messgasstroms entgegengesetzt ist (d. h. von links nach rechts in 2). Außerdem ist es wie in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, dass die Neigungsrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 eine Richtung ist, die in Richtung eines der Elementkammereinlässe 33 weist.
In dem Gassensor 10 der vorstehend im Detail beschriebenen vorliegenden Ausführungsform, in welcher der Neigungswinkel θt 1° oder größer ist, kann das Messgas den Erfassungsteil 23 des Sensorelements 20 leicht erreichen und die Empfindlichkeit des Gassensors 10 beim Erfassen der bestimmten Gaskonzentration ist verbessert. Wenn der Neigungswinkel et 3° oder größer ist, ist die Empfindlichkeit des Gassensors 10 weiter verbessert. Gleichzeitig kann, wenn der Neigungswinkel θt 15° oder weniger ist, die durch eine Zunahme des Druckverlusts verursachte Verschlechterung der Empfindlichkeit des Gassensors 10 verringert werden. Für das Messgas ist es im Allgemeinen besonders schwierig, den Erfassungsteil 23 zu erreichen, wenn das Messgas mindestens eine der Eigenschaften von niedriger Strömungsgeschwindigkeit, niedriger Durchflussmenge und niedrigem Druck aufweist. Daher ist es in einem solchen Fall von großer Bedeutung, dass das Vorkommen einer laminaren Strömung in der Elementkammer 37 durch Einstellen des Neigungswinkels θt auf 1° oder größer verringert wird.
Der Gassensor 10 enthält die Schutzschicht 29, welche an einem die Oberfläche (erste Fläche 21a) des Sensorelements 20 auf der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil eine größere Dicke hat als an einem die Oberfläche (zweite Fläche 21b) des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil. Da diese Ungleichmäßigkeit in der Dicke der Schutzschicht 29 den Messgasstrom in der Elementkammer 37 stört und verursacht, dass er weniger wahrscheinlich laminar ist, kann die Empfindlichkeit des Gassensors 10 weiter verbessert werden.
Außerdem hat die Schutzabdeckung 30 in dem Gassensor 10 die Elementkammereinlässe 33, welche zur Elementkammer 37 offen sind und als Durchgänge für das Messgas dienen, und den Elementkammerauslass 34, welcher zur Elementkammer 37 offen ist, als ein Durchgang für das Messgas dient und näher an dem distalen Ende der Schutzabdeckung 30 angeordnet ist als es die Elementkammereinlässe 33 sind. Im Allgemeinen ist dann, wenn die Elementkammereinlässe und der Elementkammerauslass diese Lagebeziehung haben, der Messgasstrom tendenziell eine laminare Strömung entlang der Achsenrichtung der Schutzabdeckung, und dies kann die Empfindlichkeit des Gassensors verringern. Daher ist es von großer Bedeutung, dass in der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Schutzabdeckung 30 das Auftreten einer laminaren Strömung in der Elementkammer 37 durch Einstellen des Neigungswinkels θt auf 1° oder größer verringert wird.
Außerdem hat das Sensorelement 20 in dem Gassensor 10 eine plattenähnliche Form und ein Teil des in der Elementkammer 37 angeordneten Sensorelements 20 ist in der Dickenrichtung des Sensorelements 20 in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 geneigt. Daher ist zum Beispiel im Vergleich zu dem Fall, in dem das Sensorelement 20 in einer Richtung (Breitenrichtung) senkrecht zur Dickenrichtung geneigt ist, die Fläche einer Oberfläche des Sensorelements 20 groß, welche die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 schneidet. Genauer ausgedrückt schneidet dann, wenn zum Beispiel das Sensorelement 20 in der Breitenrichtung geneigt ist, entweder die dritte Fläche 21c oder die vierte Fläche 21d die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30, wohingegen dann, wenn das Sensorelement 20 in der Dickenrichtung geneigt ist, entweder die erste Fläche 21a (wie in der vorliegenden Ausführungsform) oder die zweite Fläche 21b die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 schneidet, welche eine größere Fläche als die dritte und vierte Fläche 21c und 21d haben. Im letzteren Fall ist, da der Messgasstrom in der Elementkammer 37 gestört und weniger wahrscheinlich laminar ist, die Empfindlichkeit des Gassensors 10 weiter verbessert.
Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf unterschiedliche Weisen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Obwohl beispielsweise das Sensorelement 20 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in der Dickenrichtung geneigt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Das heißt, dass das Sensorelement 20 in einer Richtung (Breitenrichtung) senkrecht zur Dickenrichtung geneigt sein kann oder in sowohl der Dicken- als auch der Breitenrichtung geneigt sein kann.
Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Mittelachse des Gassensors 10 mit der Mittelachse der Schutzabdeckung 30 (d. h. der inneren Schutzabdeckung 31 und der äußeren Schutzabdeckung 32) übereinstimmt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Neigungswinkel θt wird auf der Basis der Richtung der Mittelachse (Elementachse A1) des Sensorelements 20 und der Richtung der Mittelachse (Abdeckungsachse A2) der Schutzabdeckung 30 bestimmt. Zum Beispiel muss die Mittelachse des Gassensors 10 nicht unbedingt mit der Mittelachse der Schutzabdeckung 30 übereinstimmen oder parallel zu dieser sein. Außerdem kann die Mittelachse des Gassensors 10 parallel zu der Mittelachse des Sensorelements 20 sein (oder mit dieser übereinstimmen), solange die Achsenrichtung des Sensorelements 20 und die Achsenrichtung der Schutzabdeckung 30 relativ zueinander geneigt sind. Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Mittelachse der inneren Schutzabdeckung 31 mit der der äußeren Schutzabdeckung 32 übereinstimmt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn sich die Achsenrichtung der inneren Schutzabdeckung 31 von der der äußeren Schutzabdeckung 32 unterscheidet, wird die Achsenrichtung der inneren Schutzabdeckung 31 (oder mit anderen Worten die Achsenrichtung der Elementkammer 37) als „die Achsenrichtung der Schutzabdeckung” definiert.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hat das Sensorelement 20 keine Biegung und ein innerhalb der Elementkammer 37 befindlicher Teil des Sensorelements 20 und der andere, außerhalb der Elementkammer 37 befindliche Teil haben die gleiche Achsenrichtung. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt. Das heißt, dass die vorstehend beschriebenen verschiedenen Teile des Sensorelements 20 verschiedene Achsenrichtungen haben können, solange der Neigungswinkel θt, welcher auf der Grundlage der Achsenrichtung des in der Elementkammer 37 befindlichen Teils des Sensorelements 20 bestimmt wird, 1° oder größer ist. Wenn zum Beispiel das Sensorelement 20 in der Elementkammer 37 eine Biegung hat und die Achsenlinie des Sensorelements 20 an dem Teil in der Elementkammer 37 nicht gerade ist, wird eine Richtung parallel zu einer geraden Linie, welche beide Enden dieser Achsenlinie verbindet, als „die Achsenrichtung des Sensorelements in der Elementkammer” definiert. 4 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Achsenrichtung des Sensorelements 20 mit einer Biegung in der Elementkammer 37. In 4 wird eine die Punkte P1 und P2 an beiden Enden einer Achsenlinie A3 (Strichzweipunktlinie) des in der Elementkammer 37 befindlichen Teils des Sensorelements 20 verbindende gerade Linie (Strichlinie) als die Elementachse A1 definiert und eine zur Elementachse A1 parallele Richtung wird als die Achsenrichtung des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 definiert. Ein zwischen der zur Elementachse A1 parallelen Richtung und einer zur Abdeckungsachse A2 parallelen Richtung gebildeter Winkel wird als der Neigungswinkel θt definiert.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben der erste Isolator 45 und das Dichtungsmaterial 49 jeweils ein geneigtes Durchgangsloch, in welches das Sensorelement 20 eingeführt und mit dem Neigungswinkel θt ortsfest befestigt wird. Allerdings ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. In dem Gassensor 10 kann das Sensorelement 20 auf jede Weise befestigt werden, solange der Neigungswinkel 1° oder größer ist. Das Sensorelement 20 kann zum Beispiel in einem gebogenen Zustand gebildet sein und der erste Isolator 45 und das Dichtungsmaterial 49 können jeweils ein Durchgangsloch haben, welches an diese Biegung angepasst ist. Wenn das Sensorelement 20 keine Biegung hat, kann das Sensorelement 20 durch die Form des Durchgangsloches des ersten Isolators 45 und des Dichtungsmaterials 49 so beaufschlagt werden, dass das Sensorelement 20 verzogen (oder gebogen) wird, um den Neigungswinkel θt auf 1° oder größer einzustellen.
Die Form der Schutzabdeckung 30 ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel kann mindestens eine der inneren Schutzabdeckung 31 und der äußeren Schutzabdeckung 32 einen abgestuften Teil haben, der durch axiales Verbinden eines Teils großen Umfangs auf der proximalen Seite mit einem Teil kleinen Umfangs auf der distalen Seite gebildet wird. Die Anordnung und Anzahl der Elementkammereinlässe 33, des Elementkammerauslasses 34, der Außeneinlässe 35 und des Außenauslasses 36 sind nicht auf die in den Ausführungsformen beschriebenen beschränkt. Obwohl die Elementkammereinlässe 33, der Elementkammerauslass 34, die Außeneinlässe 35 und der Außenauslass 36 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kreisrunde Löcher sind, ist deren Form nicht darauf beschränkt. Das heißt, diese können ellipsenförmige Löcher, polygonale (z. B. rechteckige) Löcher oder schlitzähnliche Öffnungen anstatt Löcher sein. Obwohl die Schutzabdeckung 30 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der sogenannten Aspiratorbauart (welche auch als eine Differenzdruck-Aspiratorbauart bezeichnet werden kann) entspricht, ist die Bauart der Schutzabdeckung 30 nicht speziell darauf beschränkt. Das heißt, das Messgas kann in die und aus der Schutzabdeckung 30 strömen, ohne einen Differenzdruck zwischen der Umgebung des inneren Umfangs des Rohres 90 und der Umgebung der Mittelachse des Rohres 90 zu nutzen. Obwohl die Schutzabdeckung 30 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einen zweischichtigen Aufbau aus der inneren Schutzabdeckung 31 und der äußeren Schutzabdeckung 32 hat, ist der Aufbau der Schutzabdeckung 30 nicht darauf beschränkt. Das heißt, dass die Schutzabdeckung 30 einen Brei- oder mehrschichtigen Aufbau haben kann, oder einen einschichtigen Aufbau haben kann, der entweder durch die innere Schutzabdeckung 31 oder durch die äußere Schutzabdeckung 32 gebildet wird. Obwohl die Schutzabdeckung 30 (d. h. die innere Schutzabdeckung 31 und die äußere Schutzabdeckung 32) in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein zylindrisches Element ist, kann die Schutzabdeckung 30 jegliche Form haben, solange sie rohrförmig ist.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hat die Schutzschicht 29 eine größere Dicke an einem die Oberfläche des Sensorelements 20 auf der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil als an einem die Oberfläche des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht speziell darauf beschränkt. Die Schutzschicht 29, welche verschiedene Flächen des Sensorelements 20 in der Elementkammer 37 abdeckt, kann eine gleichmäßige Dicke haben. Obwohl die Schutzschicht 29 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die distale Fläche 20a und die erste bis vierte Fläche 21a bis 21d abdeckt, muss mindestens eine dieser fünf Flächen nicht unbedingt abgedeckt werden. Der Gassensor 10 muss nicht unbedingt die Schutzschicht 29 enthalten. Man beachte, dass „die Schutzschicht 29 hat eine größere Dicke an einem die Oberfläche des Sensorelements 20 auf der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil, als an einem die Oberfläche des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite in der Elementkammer 37 abdeckenden Teil” bedeutet, dass, solange die Schutzschicht 29 die Oberfläche des Sensorelements 20 auf der Neigungsseite abdeckt, die Schutzschicht 29 nicht unbedingt die Oberfläche des Sensorelements 20 gegenüber von der Neigungsseite abdecken muss.
Obwohl die Messgaseinführöffnung 22a in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in der distalen Fläche 20a des Sensorelements 20 vorgesehen ist, kann die Messgaseinführöffnung 22a in einer anderen Fläche des Sensorelements 20 vorgesehen sein, solange sie in der Elementkammer 37 ist. Die Messgaseinführöffnung 22a kann zum Beispiel in der ersten Fläche 21a vorgesehen sein. Dies hat ebenfalls die Wirkung, dass die Empfindlichkeit des Gassensors 10 verbessert wird, solange der Neigungswinkel θt 1° oder größer ist. Falls die Messgaseinführöffnung 22a in der ersten Fläche 21a vorgesehen ist, können die Elementkammereinlässe 33 in der inneren Schutzabdeckung 31 über der Messgaseinführöffnung 22a angeordnet sein (d. h. näher zur proximalen Fläche 20b des Sensorelements 20 angeordnet sein, als es die Messgaseinführöffnung 22a ist).
Die Zusammenstellung des Erfassungsteils 23 ist nicht auf die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Anzahl und Anordnung der in dem Erfassungsteil 23 enthaltenen Elektroden können sich von den in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unterscheiden. Der Erfassungsteil 23 muss zum Beispiel nicht unbedingt die inneren Hilfspumpelektroden 26 enthalten. Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein Teil des Erfassungsteils 23 (d. h. die inneren Hauptpumpelektroden 25, die inneren Hilfspumpelektroden 26 und die Messelektrode 27) in dem sich von der Messgaseinführöffnung 22a erstreckenden Inneren des Sensorelements 20 angeordnet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel muss das Sensorelement 20 nicht unbedingt die Messgaseinführöffnung 22a enthalten. In diesem Fall kann zum Beispiel der Erfassungsteil 23 mindestens die Messelektrode 27 und die Referenzelektrode 28 enthalten und die Messelektrode 27 kann auf einer Oberfläche (z. B. der ersten Fläche 21a) des Sensorelements 20 angeordnet sein.
Obwohl das Sensorelement 20 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine lange plattenähnliche Form hat, kann das Sensorelement 20 von jeder Form sein, solange es ein längliches Element ist. Das Sensorelement 20 kann zum Beispiel eine säulenartige Form haben.
Beispiele
Speziell hergestellte Gassensoren werden nun als Beispiele beschrieben. Versuchsbeispiele 2 bis 10 entsprechen Beispielen der vorliegenden Erfindung und das Versuchsbeispiel 1 entspricht einem Vergleichsbeispiel. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen Beispiele beschränkt.
(Versuchsbeispiele 1 bis 10)
Die Gassensoren (Versuchsbeispiele 1 bis 10), welche bis auf ihren Neigungswinkel θt (siehe Tabelle 1) und ihre fehlende Schutzschicht 29 die gleiche Anordnung wie der Gassensor 10 aus 2 und 3 haben, wurden hergestellt. Der Innendurchmesser der inneren Schutzabdeckung 31 betrug 8 mm. Die Elementkammereinlässe 33 waren kreisförmig mit einem Durchmesser von 2 mm und sechs Elementkammereinlässe 33 waren in dem äußeren Umfang der inneren Schutzabdeckung 31 in gleichmäßigen Intervallen gebildet. Der Elementkammerauslass 34 war kreisförmig mit einem Durchmesser von 2 mm. Der Innendurchmesser der äußeren Schutzabdeckung 32 betrug 12 mm. Die Außeneinlässe 35 waren kreisförmig mit einem Durchmesser von 3 mm und sechs Außeneinlässe 35 waren in dem äußeren Umfang der äußeren Schutzabdeckung 32 in regelmäßigen Intervallen gebildet. Der Außenauslass 36 war kreisförmig mit einem Durchmesser von 3 mm. Wie in 2 war jedes der Sensorelemente 20 in den Versuchsbeispielen 2 bis 10 in einer Richtung geneigt, in welcher der distale Teil des Sensorelements 20 von der Position der zweiten Fläche 21b zu der ersten Fläche 21a hin bewegt wurde.
(Empfindlichkeitstest)

Bei den Gassensoren aus den Versuchsbeispielen 1 bis 10 wurde die Empfindlichkeit von jedem Sensorelement 20 beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration ausgewertet. Genauer ausgedrückt wurde die Auswertung auf folgende Weise durchgeführt. Zuerst wurde der Gassensor von Versuchsbeispiel 1 wie in 1 an einem Rohr befestigt. Der Durchmesser des Rohres betrug 50 mm. Die Länge eines in das Rohr ragenden Teils der Schutzabdeckung 30 (d. h. Länge in der senkrechten Richtung in 2) betrug 28 mm. Luft konnte in das Rohr mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s strömen und für eine ausreichende Zeit stehen. Das in das Rohr strömende Gas wurde dann von Luft auf das Messgas umgeschaltet. Das Messgas, welches Stickstoff mit 500 ppm NO war, hatte eine Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s. Die Strömungsrichtung der Luft und des Messgases in dem Versuchsbeispiel 1 war von links nach rechts in 2. Die Veränderung des Ausgangssignals des Sensorelements 20 (d. h. eines von dem Erfassungsteil 23 erzeugten elektrischen Signals) über die Zeit wurde in diesem Fall beobachtet. Das Ausgangssignal des Sensorelements 20 während des Luftstroms wurde als 0% angenommen und das maximale Ausgangssignal des Sensorelements 20 während des Messgasstroms wurde als 100% angenommen, und dabei wurde die Zeit, welche zwischen dem Überschreiten des Ausgangssignals von 10% bis zum Überschreiten von 90% verstrich, gemessen und als eine Reaktionszeit (ms) beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration definiert. Eine kürzere Reaktionszeit bedeutet eine höhere Empfindlichkeit beim Erfassen einer bestimmten Gaskonzentration. Für die Versuchsbeispiele 2 bis 10 wurde die Reaktionszeit in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben gemessen. Der Neigungswinkel θt und die in dem Test gemessene Reaktionszeit für jedes der Versuchsbeispiele 1 bis 10 sind in Tabelle 1 aufgeführt. [Tabelle 1]

	Neigungswinkel θt [°]	Reaktionszeit [ms]
Versuchsbeispiel 1	0	400
Versuchsbeispiel 2	1	350
Versuchsbeispiel 3	3	320
Versuchsbeispiel 4	5	300
Versuchsbeispiel 5	7	250
Versuchsbeispiel 6	9	200
Versuchsbeispiel 7	11	200
Versuchsbeispiel 8	13	250
Versuchsbeispiel 9	15	300
Versuchsbeispiel 10	17	350

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, war die Reaktionszeit in dem Versuchsbeispiel 2, in dem der Neigungswinkel θt 1° war, kürzer als in dem Versuchsbeispiel 1, in dem der Neigungswinkel θt 0° war. Die Reaktionszeit hatte eine sinkende Tendenz als der Neigungswinkel θt von 1° erhöht wurde. Daher zeigt das Ergebnis, dass der Neigungswinkel θ1 vorzugsweise 3° oder größer, bevorzugter 5° oder größer und noch bevorzugter 9° oder größer ist. Tabelle 1 zeigt auch, dass die Reaktionszeit eine steigende Tendenz hatte, wenn der Neigungswinkel θt zu groß war. Dies zeigt, dass zum Reduzieren einer Erhöhung der Reaktionszeit der Neigungswinkel θt vorzugsweise 15° oder kleiner, bevorzugter 13° oder kleiner und noch bevorzugter 11° oder kleiner ist. Die Reaktionszeit war am kürzesten, als der Neigungswinkel θt größer als 7° und kleiner als 13° war.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-191249 , welche am 29. September 2015 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines bestimmten Gases wie etwa NOx in einem Messgas wie etwa einem Fahrzeugabgas erfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015-191249 [0054]

Claims

Gassensor, enthaltend: eine rohrförmige Schutzabdeckung, in welcher sich eine Elementkammer befindet und welche so konfiguriert ist, dass ein Messgas von außen in die Elementkammer strömen kann; und ein langes Sensorelement, das einen Erfassungsteil enthält, welcher in der Elementkammer angeordnet ist und dafür konfiguriert ist, eine bestimmte Gaskonzentration in dem Messgas zu erfassen, wobei ein Neigungswinkel θt einer Achsenrichtung des Sensorelements in der Elementkammer bezüglich einer Achsenrichtung der Schutzabdeckung 1° oder größer ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel θt des Sensorelements 3° oder größer ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Neigungswinkel θt des Sensorelements 15° oder weniger ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner enthaltend eine Schutzschicht, die eine größere Dicke in einem Teil hat, der eine Oberfläche des Sensorelements auf einer Neigungsseite in der Elementkammer abdeckt, als in einem Teil, der eine Oberfläche des Sensorelements gegenüber der Neigungsseite in der Elementkammer abdeckt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schutzabdeckung einen Elementkammereinlass, welcher zur Elementkammer offen ist und als ein Durchgang für das Messgas dient, und einen Elementkammerauslass hat, der zur Elementkammer offen ist, als ein Durchgang für das Messgas dient und näher an einem distalen Ende der Schutzabdeckung angeordnet ist als der Elementkammereinlass.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Sensorelement eine plattenähnliche Form hat und ein Teil des Sensorelements, welcher Teil in der Elementkammer angeordnet ist, in Bezug auf die Achsenrichtung der Schutzabdeckung in einer Dickenrichtung des Sensorelements geneigt ist.