DE102017004124A1

DE102017004124A1 - Gassensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE102017004124A1
Application number: DE102017004124.5A
Authority: DE
Inventors: Ai IGARASHI; Kouji TOIDA; Shun Sakuma
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US10481122B2; US20170315081A1

Abstract

Um eine ausreichende Menge eines Referenzgases ohne Verzögerung auf eine Referenzelektrode zu fließen wird ein Gassensorelement (4, 104, 204) bereitgestellt, in welchem mehrere Schichten gestapelt sind, wobei die Schichten umfassen: eine Festelektrolytschicht (430); eine Erfassungselektrode (441), die an einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht vorgesehen ist; eine Referenzelektrode (442), die an der anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht vorgesehen ist; eine erste Schicht (422), die an einer Seite vorgesehen ist, an der die andere Oberfläche der Festelektrolytschicht vorhanden ist und einen Referenzgasströmungspfad (CP) aufweist; und eine Heizerschicht (450), die an einer Seite vorgesehen ist, die einer Seite gegenüberliegt, wo die Festelektrolytschicht in Bezug auf die erste Schicht vorgesehen ist. In dem Gassensorelement ist als Strömungspfad zum Führen des Referenzgases von den Außenflächen des Gassensorelements zum Referenzgasströmungspfad ein Einführungsströmungspfad (IP) ausgebildet, der eine an einer Außenfläche vorgesehene Öffnung aufweist, wobei die Außenfläche senkrecht zu einer Stapelrichtung des Gassensorelements angeordnet ist, wobei die Außenfläche an einer Seite gegenüberliegt, die der Seite gegenüberliegt, in der die Heizerschicht gegenüber der ersten Schicht vorgesehen ist, und wobei der Einführungsströmungspfad sich in Stapelrichtung von der Öffnung zum Referenzgasströmungspfad hin erstreckt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor.
Hintergrund
Herkömmlicherweise ist ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in einem Abgas bekannt, das von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen emittiert wird. Ein Gassensorelement, das in dem Gassensor verwendet wird, umfasst im Allgemeinen eine Festelektrolytschicht, eine Referenzelektrode und eine Erfassungselektrode, die auf den Oberflächen der Festelektrolytschicht vorgesehen sind. Ein Referenzgas (z. B. Luft) wird der Referenzelektrode zugeführt, und ein zu messendes Gas wird der Erfassungselektrode zugeführt. Als Gassensorelement ist beispielsweise ein gestapeltes Gassensorelement bekannt, das einen gestapelten Körper aufweist, in dem zusammen mit der oben beschriebenen Festelektrolytschicht, welche das Paar von Elektroden, eine Isolierschicht, einen Heizer und dergleichen gestapelt sind, und das als Ganzes eine plattenähnliche äußere Form aufweist. Als eine Struktur, bei der in dem gestapelten Gassensorelement ein Referenzgas der Referenzelektrode zugeführt wird, wird eine Struktur vorgeschlagen, bei der in einer der Referenzelektrode benachbarten Schicht ein Durchgangsloch vorgesehen ist, um eine Referenzgaskammer zu bilden, die ein Referenzgas der Referenzelektrode zuführt und ein Durchgangsloch vorgesehen ist, um einen Verbindungsweg zum Führen des Referenzgases von einer Seitenfläche des gestapelten Gassensorelements zu der Referenzgaskammer zu bilden (siehe z. B. Patentdokument 1).
Dokument zum Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 4813729
Patentdokument 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2015-194474
Patentdokument 3: Japanische Offenlegungsschrift (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr. 2007-512511

Zusammenfassung der Erfindung
Zu lösende Probleme der Erfindung
Bei dem oben beschriebenen Gassensor ist es wünschenswert, dass eine ausreichende Menge des Referenzgases ohne Verzögerung zu der Referenzelektrode geflossen wird. Als Maßnahme zur Sicherung eines gleichmäßigen Durchflusses des Referenzgases zu der Referenzelektrode, wird wie oben beschrieben, zum Beispiel eine Maßnahme vorgesehen, um die Länge des Weges von einer Referenzgaseinlassöffnung an der Außenfläche des Gassensorelements zu der Referenzgaskammer weiter zu verkürzen (um die Gesamtlänge des Verbindungsweges weiter zu verkürzen) und eine weitere Maßnahme, zur weiteren Vergrößerung einer Strömungspfad-Querschnittsfläche des Verbindungsweges, berücksichtigt. Bei dem Gassensorelement, bei dem die Referenzgaskammer und der Verbindungspfad in der gleichen Fläche der Schicht, die an die Referenzelektrode angrenzt, vorgesehen sind, wie oben beschrieben, muss jedoch auch dann, wenn die Länge des Verbindungspfades verkürzt wird, der Verbindungspfad in der Regel aufgrund einer durch die gesamte Struktur des Gassensorelements verursachten Einschränkung gebogen werden (z.B. eine Einschränkung, dass ein im Gassensorelement vorgesehenes Durchgangsloch umgangen werden soll), was es schwierig macht, eine große Strömungspfad-Querschnittsfläche davon zu sichern. In dem Gassensor kann das Gassensorelement Presskräfte aus verschiedenen Richtungen aufnehmen und wird insbesondere stark von einer Kraft beeinflusst, die auf eine gestapelte Fläche mit einem großen Bereich gerichtet ist, d.h. eine Druckkraft in Stapelrichtung. Bei dem Gassensorelement entsteht, wenn die Druckkraft in der Stapelrichtung des Gassensorelements angewendet wird, ein Problem, dass der Verbindungsweg wahrscheinlich in einer Position verformt wird, in der der Strömungspfadquerschnitt des Verbindungspfades groß ist. Wenn der Verbindungspfad verformt wird, wird eine stabile Einführung des Referenzgases in die Referenzgaskammer behindert.
Mittel zur Lösung der Probleme
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen und kann in den folgenden Modi ausgeführt werden.

(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensorelement bereitgestellt, in dem eine Mehrzahl von Schichten gestapelt ist, und die Schichten umfassen: eine Festelektrolytschicht; eine Erfassungselektrode, die an einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht vorgesehen ist und einem zu messenden Gas ausgesetzt ist; eine Referenzelektrode, die an der anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht vorgesehen ist und einem Referenzgas ausgesetzt ist; eine erste Schicht, die an einer Seite vorgesehen ist, an der die andere Fläche der Festelektrolytschicht vorhanden ist, und mit einem Referenzgasströmungspfad, der das Referenzgas in die Referenzelektrode einführt; und eine Heizerschicht, die an einer Seite vorgesehen ist, die einer Seite gegenüberliegt, an der die Festelektrolytschicht in Bezug auf die erste Schicht vorgesehen ist, wobei die Heizerschicht einen Heizabschnitt zum Erwärmen der Festelektrolytschicht aufweist. In dem Gassensorelement ist als Strömungspfad zum Führen des Referenzgases von den Außenflächen des Gassensorelements zu dem Referenzgasströmungspfad ein Einführungsströmungspfad ausgebildet, der eine an einer Außenfläche der Außenflächen, die senkrecht zu einer Stapelrichtung des Gassensorelements sind, vorgesehene Öffnung aufweist, wobei die Außenfläche an einer Seite gegenüberliegt, die der Seite gegenüberliegt, in der die Heizerschicht in Bezug auf die erste Schicht vorgesehen ist, wobei sich der Einführungsströmungspfad in Stapelrichtung von der Öffnung zu der Referenzgasströmungspfad hin erstreckt. Gemäß dem Gassensorelement dieses Aspekts ist es innerhalb des Gassensorelements möglich, das Biegen eines Einführungsströmungspfades zum Einführen des Referenzgases von der Außenfläche des Gassensorelements in die Referenzelektrode zu unterdrücken. Daher ist es einfach, eine Strömungspfad-Querschnittsfläche des Einführungsströmungspfades zu sichern und die Strömungspfadlänge des Einführungsströmungspfades zu verkürzen. Selbst wenn eine Druckkraft in der Stapelrichtung des Gassensorelements angelegt wird, ist es möglich, eine Verformung des Einführungsströmungspfades zu unterdrücken. Daher ist es möglich, das Referenzgas zuverlässig in die Referenzelektrode einzuführen.
(2) In dem Gassensorelement gemäß dem obigen Aspekt kann eine Mehrzahl von Öffnungen vorgesehen sein, und der Einführungsströmungspfad kann aus einer Vielzahl von geteilten Strömungspfaden, die sich in der Stapelrichtung von den jeweiligen Öffnungen zu der Referenzgasströmungspfad erstrecken, bestehen. Gemäß dem Gassensorelement dieses Aspekts, da eine Vielzahl von Einführungsströmungspfaden, die sich in der Stapelrichtung erstrecken, vorgesehen ist, ist es möglich, wenn die Menge des Referenzgases, das der Referenzelektrode zugeführt werden soll, gesichert ist, die Größe des Strömungspfadquerschnitts von jedem der Einführungsströmungspfade zu verringern und den Freiheitsgrad der Anordnung der Einführungsströmungspfade zu erhöhen. Daher ist es bei dem Gassensorelement einfach, die Festigkeit gegen die Presskraft in der Stapelrichtung zu sichern.
(3) Bei dem Gassensorelement gemäß dem obigen Aspekt kann die Mehrzahl von Öffnungen an verschiedenen Positionen in Bezug auf eine Längsrichtung des Gassensorelements vorgesehen sein. Gemäß dem Gassensorelement dieses Aspektes ist es möglich, einen längeren Abstand zwischen den einzelnen Öffnungen in der an dem Endabschnitt vorgesehenen Schicht in Stapelrichtung zu sichern und einen längeren Abstand zwischen den einzelnen Einführungsströmungspfaden zu sichern. Daher ist es möglich, eine Verringerung der Festigkeit des Gassensorelements, die durch die Bereitstellung der Einführungsströmungspfade verursacht wird, zu unterdrücken.
(4) Bei dem Gassensorelement gemäß dem obigen Aspekt ist in einem Fall, in dem die Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung des Gassensorelements sind, ein Abstand von einer der Außenflächen, in der die Öffnung vorgesehen ist, zu dem Referenzgasströmungspfad als D_A bezeichnet und ein Abstand von der anderen Außenfläche zu dem Referenzgasströmungspfad als D_B bezeichnet, D_A < D_B kann erfüllt sein. Entsprechend dem Gassensorelement dieses Aspektes ist es einfach, da es möglich ist, den Abstand von der Außenfläche des Gassensorelements zu dem Referenzgasströmungspfad zu verkürzen, das Referenzgas zuverlässig an die Referenzelektrode einzuführen. Infolgedessen ist es möglich, die Gasdetektionsgenauigkeit zu verbessern.
(5) Bei dem Gassensorelement gemäß dem obigen Aspekt ist in einem Fall, in dem die Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung des Gassensorelements ein Abstand von einer der Außenflächen, in der die Öffnung vorgesehen ist, zu dem Referenzgasströmungspfad als D_A bezeichnet und von Endabschnitten in Längsrichtung des Gassensorelements ein Abstand von einem Endabschnitt auf einer Seite, die näher am Einführungsströmungspfad zum Referenzgasströmungspfad liegt, als D_C bezeichnet, D_A < D_C kann erfüllt sein. Gemäß dem Gassensorelement dieses Aspektes wird eine stabile Zuführung des Referenzgases zu der Referenzelektrode erleichtert, da es möglich ist, den Abstand von der Außenfläche des Gassensorelements zu dem Referenzgasströmungspfad zu verkürzen. Infolgedessen ist es möglich, die Gasdetektionsgenauigkeit zu verbessern.
(6) In dem Gassensorelement gemäß dem obigen Aspekt kann die Festelektrolytschicht umfassen: ein isolierendes Substrat, das aus einer isolierenden Keramik gebildet ist; und einen Festelektrolytabschnitt, der aus einem Festelektrolyten gebildet ist und vorgesehen ist, um durch das isolierende Substrat in einem Bereich, der mit der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode in der Stapelrichtung überlappt, zu durchdringen. Gemäß dem Gassensorelement dieses Aspektes ist es möglich, die Festigkeit des gesamten Sensorelements zu erhöhen und dadurch die Festigkeit des gesamten Gassensors zu erhöhen. Zusätzlich ist es möglich, wenn der Gassensor verwendet wird, die Temperatur des Festelektrolytabschnitts schneller auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen anders als oben beschrieben ausgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, die vorliegende Erfindung in Formen wie einem Gassensor mit einem Gassensorelement, einem Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements, einem Verfahren zur Herstellung des Gassensors, einem Verfahren zum Zuführen eines Referenzgases zu einer Referenzelektrode, etc., zu verkörpern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Querschnittsansicht der gesamten Struktur eines Gassensors.
2 Explosionsdarstellung eines Sensorelements.
3 Draufsicht auf das Sensorelement.
4 Schnittansicht des Sensorelements in einem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3.
5 Draufsicht auf das Sensorelement.
6 Schnittansicht des Sensorelements.
7 Explosionsdarstellung des Sensorelements.
8 Schnittansicht des Sensorelements.
Ausführungsformen der Erfindung
A. Erste Ausführungsform:
A-1. Aufbau des Gassensors:
1 ist eine Schnittansicht, die den gesamten Aufbau eines Gassensors 2 als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Gassensor 2 ist an einem Abgasrohr eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors (Motor) befestigt und misst die Konzentration eines spezifischen Gases, das in einem Abgas, das ein zu messendes Gas ist, enthalten ist. Der Gassensor 2 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Sensor, der eine Sauerstoffgaskonzentration misst. 1 zeigt einen Querschnitt, der eine axiale Linie CL des Gassensors 2 aufweist und der parallel zu einer axialen Richtung CD, die eine Richtung parallel zur axialen Linie CL ist, angeordnet ist. Die axiale Linie CL erstreckt sich in einer Mitte des Gassensors 2 in Längsrichtung des Gassensors 2. In der folgenden Beschreibung wird die Unterseite in Bezug auf das Blatt von 1 als „Vorderseite AS" bezeichnet, die Oberseite davon wird als „Rückseite BS" bezeichnet, und eine Richtung, die durch die axiale Linie CL verläuft und senkrecht zu der axialen Linie CL ist, wird als „radiale Richtung" bezeichnet.
Der Gassensor 2 umfasst ein in axialer Richtung CD verlaufendes plattenförmiges Sensorelement 4, einen Vorderseitenseparator 66, in dem die Rückseite BS des Sensorelements 4 eingesetzt ist, einen Rückseitenseparator 63, der an der Rückseite BS des Vorderseitenseparators 66 vorgesehen ist, ein Metallanschlusselement 10, das mit einem Elektrodenanschlussabschnitt 30, der an der Rückseite BS des Sensorelements 4 ausgebildet ist, in Kontakt steht, und eine Metallhülle 38, die den Umfang des Sensorelements 4 an einer Position auf der Vorderseite AS relativ zu dem Vorderseitenseparator 66 umgibt. Es sind vier Elektrodenanschlussabschnitte 30 und vier Metallanschlusselemente 10 vorgesehen. In 1 sind nur zwei Elektrodenanschlussabschnitte 30 und zwei Metallanschlusselemente 10 dargestellt.
Das Sensorelement 4 gibt ein Signal zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas, welches das zu messende Gas ist, aus. In dem plattenförmigen Sensorelement 4 bilden eine erste Plattenoberfläche 21 und eine zweite Plattenoberfläche 23, die eine gegenüberliegende Oberfläche von der ersten Plattenoberfläche 21 ist, eine Hauptfläche, die die größte Oberfläche ist. Wie unten beschrieben, wird das Sensorelement 4 durch Stapeln einer Vielzahl von blattartigen Elementen gebildet. In 1 ist eine Richtung, die senkrecht zur axialen Richtung CD ist und in der die oben beschriebenen blattartigen Elemente gestapelt sind, als Stapelrichtung LD dargestellt. Die erste Plattenoberfläche 21 und die zweite Plattenoberfläche 23 sind die äußeren Flächen senkrecht zur Stapelrichtung LD der Außenflächen des Sensorelements 4.
Das Sensorelement 4 umfasst einen Erfassungsabschnitt 8, der an der Vorderseite AS angeordnet ist und dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, vier Elektrodenanschlussabschnitte 30, die an der Rückseite BS angeordnet sind und mit den entsprechenden Metallanschlusselementen 10 in Kontakt kommen. Zwei der vier Elektrodenanschlussabschnitte 30 sind an der ersten Plattenoberfläche 21 ausgebildet, und die verbleibenden zwei sind an der zweiten Plattenoberfläche 23 ausgebildet. Das Sensorelement 4 ist innerhalb der Metallhülle 38 so befestigt, dass der Erfassungsabschnitt 8 von dem vorderen Ende der Metallhülle 38 vorsteht, wobei die Elektrodenanschlussabschnitte 30 von dem hinteren Ende der Metallhülle 38 vorragen. Einzelheiten des Sensorelements 4 werden nachfolgend beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Erfassungsabschnitt 8 des Sensorelements 4 an der Vorderseite AS mit einer Schutzschicht, die aus einem porösen Material gebildet ist, bedeckt, wodurch die Ansammlung einer Verunreinigung (z. B. Wasser), die in dem zu messenden Gas zu dem Erfassungsabschnitt 8 enthalten ist, unterdrückt wird. In der vorliegenden Ausführungsform dient das "Sensorelement 4" als "Gassensorelement".
Der Vorderseitenseparator 66 und der Rückseitenseparator 63 sind aus einem isolierenden Material wie Aluminiumoxid gebildet. Der Vorderseitenseparator 66 ist im Wesentlichen rohrförmig. Der Vorderseitenseparator 66 ist so vorgesehen, dass er den Umfang eines hinteren Seitenabschnitts des Sensorelements 4, an dem sich der Elektrodenanschlussabschnitt 30 befindet, umgibt. Der Vorderseitenseparator 66 weist einen Einführungsabschnitt 65a zum Einführen des hinteren Seitenabschnitts des Sensorelements 4 durch diesen hindurch und vier Rillenabschnitte 65b (nur zwei sind in 1 dargestellt), die an einer Innenwandfläche des Einführungsabschnitts 65a ausgebildet sind, auf. Die vier Rillenabschnitte 65b erstrecken sich in der axialen Richtung CD und dringen von einer vorderen Endfläche 68 zu der rückseitige Endfläche 62 des Vorderseitenseparators 66 ein. Die entsprechenden Metallanschlusselemente 10 sind in die vier Rillenabschnitte 65b eingesetzt. Der Vorderseitenseparator 66 weist einen Flanschabschnitt 67 auf, der radial nach außen in Richtung der Rückseite BS vorsteht. Der Rückseitenseparator 63 weist durchgehende Durchgangslöcher entlang der axialen Richtung CD auf, wobei hintere Endabschnitte der oben beschriebenen Metallanschlusselemente 10 in die Durchgangslöcher eingesetzt sind.
Jedes Metallanschlusselement 10, das in den entsprechenden Rillenabschnitt 65b eingesetzt ist, befindet sich zwischen dem Sensorelement 4 und dem Vorderseitenseparator 66 in der Stapelrichtung LD. Das Metallanschlusselement 10 wird durch das Sensorelement 4 und den Vorderseitenseparator 66 gehalten. Das Metallanschlusselement 10 bildet einen Strompfad zwischen dem Sensorelement 4 und einer externen Vorrichtung zur Berechnung der Sauerstoffkonzentration. Der hintere Endabschnitt des Metallanschlusselements 10 ist elektrisch mit einem Leitungsdraht 46 verbunden, der in dem Rückseitenseparator 63 von außen nach innen des Gassensors 2 angeordnet ist, und ist elektrisch mit dem entsprechenden Elektrodenanschlussabschnitt 30 des Sensorelements 4 in dem Vorderseitenseparator 66 verbunden. Vier Leitungsdrähte 46 sind entsprechend der Anzahl der Elektrodenanschlussabschnitte 30 vorgesehen und sind elektrisch mit der externen Vorrichtung verbunden (nur zwei sind in 1 dargestellt).
Die Metallhülle 38 ist ein im Wesentlichen rohrförmiges metallisches Element. Die Metallhülle 38 weist ein Durchgangsloch 54 auf, das in der axialen Richtung CD hindurchragt, und einen Ablageabschnitt 52, der radial nach innen von dem Durchgangsloch 54 vorsteht. Die Metallhülle 38 hält das Sensorelement 4 in dem Durchgangsloch 54 so, dass sich der Erfassungsabschnitt 8 an der Vorderseite AS relativ zu der Öffnung des Durchgangslochs 54 an der Vorderseite AS befindet und jeder Elektrodenanschlussabschnitt 30 sich an der Rückseite BS relativ zu der Öffnung des Durchgangslochs 54 an der Rückseite BS befindet. Der Ablageabschnitt 52 ist als eine nach innen verjüngte Oberfläche, die eine Neigung in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur axialen Richtung CD aufweist, ausgebildet. Die Außenfläche der Metallhülle 38 weist einen Schraubenabschnitt 39 auf, zur Befestigung des Gassensors 2 an dem Auspuffrohr.
Innerhalb des Durchgangslochs 54 sind ein ringförmiger keramischer Halter 53, eine pulverförmige Schicht (Talkring) 56 und eine Keramikhülse 6 in der Reihenfolge von der Vorderseite AS zu der Rückseite BS gestapelt, um einen radialen Umfang des Sensorelements 4 zu umgeben. Eine Crimppackung 57 ist zwischen der Keramikhülse 6 und einem hinteren Endabschnitt 40 der Metallhülle 38 vorgesehen. Der hintere Endabschnitt 40 der Metallhülle 38 ist durch die Crimppackung 57 gequetscht, um so die Keramikhülse 6 zur Vorderseite hin zu drücken.
Der Gassensor 2 umfasst ferner eine Schutzkappe 44, die an dem Außenumfang der Metallhülle 38 an der Rückseite BS der Metallhülle 38 befestigt ist, ein Halteelement 69 zum Halten des Vorderseitenseparators 66, eine am hinteren Ende vorgesehene Durchführungshülse 50, die an dem Rückseitenabschnitt der Schutzkappe 44 vorgesehen ist, und eine äußere Schutzeinrichtung 45 und eine innere Schutzeinrichtung 43, die an der äußeren Peripherie der Metallhülle 38 an der Vorderseite AS befestigt sind.
Die Schutzkappe 44 ist ein im Wesentlichen rohrförmiges metallisches Element. Der äußere Umfang der Schutzkappe 44 an der Vorderseite AS ist an der Metallhülle 38 durch Laserschweißen oder dergleichen befestigt. Die Schutzkappe 44 hat einen Außendurchmesser, der an der Rückseite BS abnimmt, und die Durchführungshülse 50 ist in die Öffnung mit einem Durchmesser, der verringert ist, eingelassen. Die Durchführungshülse 50 hat vier Leitungsdraht-Einführungslöcher 61 (nur zwei sind in 1 dargestellt), in die die Leitungsdrähte 46 eingeführt sind.
Die Durchführungshülse 50 weist ferner ein Durchgangsloch 58 auf, das durch einen Mittelabschnitt desselben entlang der axialen Linie CL durchdringt. Das Durchgangsloch 58 ist mit einer Filtereinheit 59 eines Filters und einem zylindrischen metallischen Element zum Fixieren des Filters gefüllt. Durch die Filtereinheit 59 wird Luft in die Schutzkappe 44 eingeführt. Wie oben beschrieben, ist ein Raum innerhalb der Schutzkappe 44 mit Luft gefüllt.
Das Halteelement 69 ist ein zylindrisches metallisches Element. Das Halteelement 69 ist an der Schutzkappe 44 befestigt und ist in der Schutzkappe 44 positioniert. Das Halteelement 69 hält den Vorderseitenseparator 66 durch einen Kontakt mit dem Flanschabschnitt 67 des Vorderseitenseparators 66 an der Rückseite BS.
Die äußere Schutzeinrichtung 45 und die innere Schutzeinrichtung 43 sind jeweils ein metallisches Element mit einer einen Boden aufweisenden Gestalt und einer Vielzahl von Löchern. Die äußere Schutzeinrichtung 45 und die innere Schutzeinrichtung 43 sind an dem äußeren Umfang des Metallhülle 38 an der Vorderseite AS durch Laserschweißen oder dergleichen befestigt. Die äußere Schutzeinrichtung 45 und die innere Schutzeinrichtung 43 schützen das Sensorelement 4 durch Abdecken des Erfassungsabschnitts 8. Das zu messende Gas durchläuft die Vielzahl von Löchern, die in der äußeren Schutzeinrichtung 45 und der inneren Schutzeinrichtung 43 vorgesehen sind, um in die innere Schutzeinrichtung 43 zu strömen.
A-2. Aufbau des Sensorelements:
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Sensorelements 4. Die axiale Richtung CD, die Vorderseite AS, die Rückseite BS und die Stapelrichtung LD, die in 2 gezeigt sind, entsprechen den jeweiligen, in 1 gezeigten Richtungen. Das Sensorelement 4 umfasst eine Isolierschicht 421, eine Erfassungselektrode 441, eine Festelektrolytschicht 430, eine Referenzelektrode 442, eine Gasströmungspfadbildungsschicht 422, eine Isolierschicht 423, einen Heizer 450 und eine Isolierschicht 424. Die Bauteile werden in dieser Reihenfolge entlang der Stapelrichtung LD gestapelt. Die Isolierschicht 421, die Festelektrolytschicht 430, die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 und die Isolierschichten 423, 424 sind jeweils ein rechteckiges blattartiges Element und haben im Wesentlichen die gleiche äußere Form.
In 2 sind auch die vier Elektrodenanschlussabschnitte 30 (insbesondere die Elektrodenanschlussabschnitte 31 bis 34) dargestellt. Jeder der Elektrodenanschlussabschnitte 30 wird für eine elektrische Verbindung mit dem Sensorelement 4 verwendet. Jeder Elektrodenanschlussabschnitt 30 wird durch Verwendung von beispielsweise Platin, Rhodium oder dergleichen gebildet und hat eine im Wesentlichen rechteckige Form. Jeder Elektrodenanschlussabschnitt 30 kann zum Beispiel durch Durchführen eines Siebdruckens mit einer Paste, die Platin oder dergleichen enthält, als Hauptkomponente an der Isolierschicht 421 oder der Isolierschicht 424 ausgebildet sein. An der Rückseite BS des Sensorelements 4 sind die Elektrodenanschlussabschnitte 31, 32 so angeordnet, dass sie nebeneinander in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung CD auf der ersten Plattenoberfläche 21 der Isolierschicht 421 angeordnet sind. An der Rückseite BS des Sensorelements 4 sind die Elektrodenanschlussabschnitte 33, 34 so angeordnet, dass sie nebeneinander in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung CD auf der zweiten Plattenoberfläche 23 der Isolierschicht 424 angeordnet sind. In 2 ist eine Richtung parallel zur ersten Plattenoberfläche 21 und der zweiten Plattenoberfläche 23 und senkrecht zur axialen Richtung CD als Breitenrichtung WD dargestellt.
Die Festelektrolytschicht 430 dient als Sauerstoffkonzentrationszelle, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas im Zusammenwirken mit der Erfassungselektrode 441 und der Referenzelektrode 442 erfasst. Die Festelektrolytschicht 430 ist aus einem Festelektrolyten mit Oxidionenleitfähigkeit (Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit) geformt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Festelektrolytschicht 430 aus Zirkonoxid (ZrO₂) gebildet, zu dem als Stabilisator Yttriumoxid (Y₂O₃) hinzugefügt wird, d.h. aus Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ). Alternativ kann die Festelektrolytschicht 430 aus einer anderen Art eines Festelektrolyten gebildet sein. Insbesondere kann die Festelektrolytschicht 430 aus einem Festelektrolyten auf Zirkonoxidbasis, wie z.B. stabilisiertem Zirkonoxid, hergestellt sein, zu dem ein Oxid, ausgewählt aus Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), (CeO₂), Scandiumoxid (Sc₂O₃) und dergleichen, hinzugefügt wird. Die Festelektrolytschicht 430 weist Durchgangslöcher 30a, 30c auf, die durch die Festelektrolytschicht 430 in der Dickenrichtung (deren Stapelrichtung LD) durchdringen. Das Durchgangsloch 30a ist an einem Endabschnitt der Festelektrolytschicht 430 auf der Rückseite BS vorgesehen, und ein Durchgangsloch 30c ist an der Vorderseite AS relativ zu dem Durchgangsloch 30a vorgesehen.
Die Isolierschichten 421, 423, 424 sind jeweils als eine dichte Schicht ausgebildet, die zwischen den benachbarten Schichten elektrisch isoliert ist. Die Isolierschichten 421, 423, 424 sind aus einer isolierenden Keramik gebildet, beispielsweise eine isolierende Keramik mit Aluminiumoxid als Hauptkomponente. An der Vorderseite AS der Isolierschicht 421 ist ein rechteckiges Loch vorgesehen, das durch die Isolierschicht 421 in der Dickenrichtung (die Stapelrichtung LD) davon durchdringt, und eine poröse Schutzschicht 460 ist in dem Loch ausgebildet. Die poröse Schutzschicht 460 ist eine poröse Schicht, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen gebildet ist, und ist vorgesehen, um das zu messende Gas, das zu der Erfassungselektrode 441 fließt, zu diffundieren. Es wird angemerkt, dass in dem Sensorelement 4 ein Abschnitt, der die poröse Schutzschicht 460 an der Vorderseite AS enthält, in dem oben beschriebenen Erfassungsabschnitt 8 enthalten ist. Zusätzlich weist die Rückseite BS der Isolierschicht 421 drei Durchgangslöcher 21a, 21b, 21c auf, die durch die Isolierschicht 421 in der Stapelrichtung LD durchdringen. Ähnlich weist die Rückseite BS der Isolierschicht 424 zwei Durchgangslöcher 23d, 23e auf, die durch die Isolierschicht 424 in der Dickenrichtung (die Stapelrichtung LD) davon durchdringen.
Die Erfassungselektrode 441 ist beispielsweise durch Verwendung von Platin, Rhodium oder dergleichen gebildet. Die Erfassungselektrode 441 ist auf einer Oberfläche (eine Oberfläche an einer Seite, an der die Isolierschicht 421 vorgesehen ist) in der Stapelrichtung LD der Festelektrolytschicht 430 vorgesehen. Die Erfassungselektrode 441 umfasst einen ersten Elektrodenabschnitt 41a, der an einem Endabschnitt auf der Vorderseite AS vorgesehen ist, und einen ersten Leitungsabschnitt 41b, der sich von dem ersten Elektrodenabschnitt 41a zu der Rückseite BS hin erstreckt. Die Erfassungselektrode 441 ist mit dem Elektrodenanschlussabschnitt 32 von dem Endabschnitt des ersten Leitungsabschnitts 41b auf der Rückseite BS durch ein Durchgangsloch 21b der Isolierschicht 421 elektrisch verbunden.
Die Referenzelektrode 442 ist beispielsweise durch Verwendung von Platin, Rhodium oder dergleichen gebildet. Die Referenzelektrode 442 ist an der anderen Seite (eine Oberfläche auf einer Seite, an der die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 vorgesehen ist) in der Stapelrichtung LD der Festelektrolytschicht 430 vorgesehen. Die Referenzelektrode 442 enthält einen zweiten Elektrodenabschnitt 42a, der an einem Endabschnitt davon an der Vorderseite AS vorgesehen sind, und einen zweiten Leitungsabschnitt 42b, der sich von dem zweiten Elektrodenabschnitt 42a zu der Rückseite BS hin erstreckt. Die Referenzelektrode 442 ist mit dem Elektrodenanschlussabschnitt 31 von dem zweiten Leitungsabschnitt 42b durch das Durchgangsloch 30a der Festelektrolytschicht 430 und das Durchgangsloch 21a der Isolierschicht 421 elektrisch verbunden.
Die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 ist aus einer dichten Keramik gebildet. Die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 weist ein Einführungsloch 70 auf, das ein Durchgangsloch ist, das durch die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 in der Dickenrichtung (die Stapelrichtung LD) desselben durchdringt und das zum Bilden eines Referenzgasströmungspfades CP zum Einführen eines Referenzgases zu der Referenzelektrode 442 vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird Luft als Referenzgas verwendet. Das Einführungsloch 70 umfasst ein Bezugskammerloch 70a, das in einer rechteckigen Form in einer Draufsicht an dem Endabschnitt an der Vorderseite AS ausgebildet ist, und ein Belüftungsloch 70b, das in der Breite kleiner als das Bezugskammerloch 70a ist und das sich von dem Referenzkammerloch 70a zur Rückseite BS hin erstreckt. Zusätzlich ist das Einführungsloch 70 von der Gasströmungspfadbildungsschicht 422, der Festelektrolytschicht 430 mit einer Oberfläche, in der die Bezugselektrode 442 ausgebildet ist, und der Isolierschicht 423 umschlossen, wodurch der Referenzgasströmungspfad CP, der das Referenzgas in die Referenzelektrode 442 einführt, gebildet wird. Das heißt, dass die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 als die "erste Schicht" mit dem Referenzgasströmungspfad zum Einführen des Referenzgases in die Referenzelektrode 442 dient. Einzelheiten des Referenzgasströmungspfad CP werden nachfolgend beschrieben.
Zwischen der Isolierschicht 423 und der Isolierschicht 424 ist einen Heizer 450, der sich entlang der axialen Richtung CD erstreckt, eingebettet. Der Heizer 450 wird verwendet, um die Temperatur des Sensorelements 4 auf eine vorbestimmte aktive Temperatur zu erhöhen, so dass die Sauerstoffionenleitfähigkeit in der Festelektrolytschicht 430 erhöht und der Betrieb des Gassensors 2 stabilisiert wird. Der Heizer 450 ist ein Widerstandsheizelement, das aus einem Leiter wie Platin gebildet ist, und der Wärme durch Verwendung der zugeführten Energie erzeugt.
Der Heizer 450 umfasst einen Heizabschnitt 450a, der mäanderförmig an der Vorderseite AS ausgebildet ist, und Heizleitungsabschnitte 450b, 450c, die mit den gegenüberliegenden Enden des Heizabschnitts 450a verbunden sind und sich linear zur Rückseite BS hin erstrecken. Die Endabschnitte der Heizleitungsabschnitte 450b, 450c auf der Rückseite BS sind elektrisch mit den Elektrodenanschlussabschnitten 33, 34 durch die Durchgangslöcher 23d, 23e, die jeweils in der Isolierschicht 424 ausgebildet sind, verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform dient der Heizer 450 als eine "Heizerschicht", einschließlich des Heizabschnitts 450a zum Erwärmen der Festelektrolytschicht 430.
A-3. Aufbau des Referenzgasflusspfades:
3 eine Draufsicht auf das Sensorelement 4 von der Seite der ersten Plattenoberfläche 21 aus gesehen. Zusätzlich ist 4 eine Schnittansicht des Sensorelements 4 in einem in 3 gezeigten A-A-Querschnitts. In 3 ist ein auf der ersten Plattenoberfläche 21 der Isolierschicht 421 auftretender Aufbau durch eine durchgezogene Linie dargestellt, und ein innerer Aufbau des Sensorelements 4 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Stapelrichtung LD in 3 nicht dargestellt ist, ist die Stapelrichtung LD in 3 eine Richtung, die senkrecht zum Blatt ist. Zusätzlich, obwohl die Breitenrichtung WD in 4 nicht dargestellt ist, ist die Breitenrichtung WD in 4 die Richtung, die senkrecht zum Blatt ist.
Wie oben beschrieben, enthält das Einführungsloch 70, das in der Gasströmungspfadbildungsschicht 422 ausgebildet ist und den Referenzgasströmungspfad CP bildet, das Referenzkammerloch 70a und das Belüftungsloch 70b. Wie in 3 gezeigt ist, ist das Referenzkammerloch 70a, wenn es in der Stapelrichtung LD projiziert wird, an einer Position vorgesehen, die mit der Gesamtheit des ersten Elektrodenabschnitts 41a in der Erfassungselektrode 441 und der Gesamtheit des zweiten Elektrodenabschnitts 42a in der Referenzelektrode 442 überlappt. Das heißt, der zweite Elektrodenabschnitt 42a der Referenzelektrode 442 ist in einem Raum freigelegt, der ein Teil des Referenzgasströmungspfades CP ist und der durch das Referenzkammerloch 70a gebildet wird.
Wie in 3 gezeigt ist, überlappt der Endabschnitt des Belüftungslochs 70b auf der Rückseite BS, wenn er in der Stapelrichtung LD projiziert wird, mit der Gesamtheit des Durchgangslochs 21c, das in der Isolierschicht 421 vorgesehen ist, und der Gesamtheit des Durchgangslochs 30c in der Festelektrolytschicht 430 vorgesehen ist. Wie in 4 gezeigt ist, bilden das Durchgangsloch 21c in der Isolierschicht 421 und das Durchgangsloch 30c in der Festelektrolytschicht 430 einen Einführungsströmungspfad IP, der ein Strömungspfad ist, der sich in der Stapelrichtung LD von der Außenfläche (der ersten Plattenoberfläche 21) des Sensorelements 4 zum Referenzgasströmungspfad CP erstreckt und zum Führen des Referenzgases vorgesehen ist. Daher wird in dem Sensorelement 4 das Referenzgas in dem Referenzgasströmungspfad CP durch den Einführungsströmungspfad IP, der eine Öffnung in der ersten Plattenoberfläche 21 der Isolierschicht 421 aufweist, aufgenommen und der zweite Elektrodenabschnitt 42a der Referenzelektrode 442 ist dem Referenzgas ausgesetzt (siehe 2). Wie in 1 gezeigt ist, ist die Öffnung des Einführungsströmungspfades IP in der ersten Plattenoberfläche 21 (die Öffnung des Durchgangslochs 21c in der Isolierschicht 421) vorgesehen, innerhalb des Gassensors 2 zwischen einem Bereich, in dem das Sensorelement 4 von der Metallhülle 38 umschlossen ist, und einem Bereich, in dem das Sensorelement 4 von dem Vorderseitenseparator 66 umschlossen ist. Dementsprechend ist die oben beschriebene Öffnung der Luft ausgesetzt, wodurch Luft, die das Referenzgas ist, in den Einführungsströmungspfad IP eingeführt werden kann.
Gemäß dem Gassensor 2 der vorliegenden Ausführungsform mit dem oben beschriebenen Aufbau erstreckt sich der Einführungsströmungspfad IP zum Führen des Referenzgases zu dem Referenzgasströmungspfad CP in der Stapelrichtung von der in der ersten Plattenoberfläche 21 vorgesehenen Öffnung, d.h. von der Oberfläche des Sensorelements 4 zum Referenzgasströmungspfad CP. Daher wird der Strömungspfad zum Einführen des Referenzgases von der Außenfläche des Sensorelements 4 in die Referenzelektrode 442 unter Druck gesetzt, beispielsweise aufgrund der Notwendigkeit, die anderen Komponenten in dem Sensorelement 4 zu umgehen. Da das Biegen des Strömungspfades dadurch unterdrückt wird, indem der Strömungspfad parallel zur Stapelrichtung vorgesehen ist, ist es leicht, eine Strömungspfad-Querschnittsfläche des Strömungspfades zu sichern und die Länge des Strömungspfades zu verkürzen. Selbst wenn das Sensorelement 4 die Druckkraft in der Stapelrichtung LD aufnimmt, ist es unwahrscheinlich, dass der Einführungsströmungspfad IP parallel zur Stapelrichtung LD ein Problem verursacht, dass der Gasfluss aufgrund einer Verformung des Einführungsströmungspfades IP behindert wird. Wie oben beschrieben, kann die Strömung des Referenzgases zu der Referenzelektrode 442 stabilisiert werden. Zusätzlich kann die Leistung des Gassensors 2 durch Stabilisierung der Strömung des Referenzgases zu der Referenzelektrode 442 stabilisiert werden.
Ferner ist in dem Sensorelement 4 der vorliegenden Ausführungsform der Heizer 450 auf einer Seite vorgesehen, die der Seite gegenüberliegt, an der die Festelektrolytschicht 430 in Bezug auf die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 vorgesehen ist. Zusätzlich hat der Einführungsströmungspfad IP zum Führen des Referenzgases zu dem Referenzgasströmungspfad CP eine Öffnung in der ersten Plattenoberfläche 21 (die Außenfläche auf einer Seite, die der Seite gegenüberliegt, an der der Heizer 450 in Bezug auf die Festelektrolytschicht 430 vorgesehen ist) der Außenflächen des Sensorelements 4 und erstreckt sich in der Stapelrichtung LD von der Öffnung zum Referenzgasströmungspfad CP. Da der Einführungsströmungspfad IP nicht durch die Schicht, in der der Heizer 450 ausgebildet ist, hindurchtritt, ist die Anordnung des Einführungsströmungspfades IP und der entsprechenden Öffnung nicht durch den Verdrahtungszustand des Heizers 450 beschränkt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Breite Whl von jedem der Heizleitungsabschnitte 450b, 450c des Heizers 450 (in 2 ist die Breite Whl des Heizvorrichtungsabschnittes 450b gezeigt) größer als eine Breite Wl1 des ersten Leitungsabschnitts 41b der Erfassungselektrode 441 und eine Breite Wl2 (siehe 3) des zweiten Leitungsabschnitts 42b der Referenzelektrode 442 geformt. Das heißt, der Einführungsströmungspfad IP kann vorgesehen sein, um den ersten Leitungsabschnitt 41b und den zweiten Leitungsabschnitt 42b mit den kleineren Breiten zu vermeiden und wird nicht durch die Positionen der Heizleiterabschnitte 450b, 450c mit den größeren Breiten beeinflusst. Daher kann durch Bereitstellen des Einführungsströmungspfades IP auf der Seite, die der Seite gegenüberliegt, an der der Heizer 450 in Bezug auf die Festelektrolytschicht 430 vorgesehen ist, der Grad der Gestaltungsfreiheit bezüglich der Anordnung der Einführungsströmungspfad IP erhöht werden. Es wird angemerkt, dass die Breite Whl von jedem der Heizleitungsabschnitte 450b, 450c der Breite des ersten Leitungsabschnitts 41b entspricht und die Breite Wl2 des zweiten Leitungsabschnitts 42b jeweils den Längen der Heizleitungsabschnitte 450b, 450c, des ersten Leitungsabschnitts 41b und des zweiten Leitungsabschnitts 42b in der Breitenrichtung WD entspricht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Einführungsströmungspfad IP so vorgesehen, dass bei gleichzeitiger Projektion mit der Stapelrichtung LD die Gesamtheit des Einführungsströmungspfades IP mit dem Belüftungsloch 70b überlappt. Somit ist es in einem Verbindungsabschnitt des Einführungsströmungspfades IP und dem Referenzgasströmungspfad CP möglich, den Fluss des Referenzgases daran zu hindern, behindert zu werden. Der Einführungsströmungspfad IP kann aber auch so vorgesehen sein, dass bei der Projektion in die Stapelrichtung LD ein Teil des Einführungsströmungspfads IP aus dem Belüftungsloch 70b herausragt, ohne dass er sich mit dem Belüftungsloch 70b überlappt.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform die Strömungspfad-Querschnittsfläche des Einführungsströmungspfades IP kleiner als die Strömungspfad-Querschnittsfläche des Referenzgasströmungspfades CP, der durch das Belüftungsloch 70b gebildet wird. Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Einführungsmenge des Referenzgases auf den Referenzgasströmungspfad genau einzustellen, wenn die Strömung des Referenzgases durch den Einführungsströmungspfad IP auf der stromaufwärtigen Seite des Referenzgasströmungspfades CP durch Verwendung der Querschnittsfläche des Einführungsströmungspfades IP gedrosselt wird. Alternativ kann die Strömungspfad-Querschnittsfläche des Einführungsströmungspfades IP auch größer als die Strömungspfad-Querschnittsfläche des Referenzgasströmungspfades CP in dem Belüftungsloch 70b gemacht werden. Mit diesem Aufbau wird es, da die Strömung des Referenzgases nicht auf der stromaufwärtigen Seite des Referenzgasströmungspfades CP gedrosselt wird, einfach, die Einführungsmenge des Referenzgases an die Referenzelektrode 442 zu sichern.
B. Zweite Ausführungsform:
5 ist eine Draufsicht auf ein Sensorelement 104 der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen von der Seite der ersten Plattenoberfläche 21. In 5, wie in 3, ist ein auf der ersten Plattenoberfläche 21 der Isolierschicht 421 auftretender Aufbau durch eine durchgezogene Linie dargestellt, und ein innerer Aufbau des Sensorelements 104 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Es sei angemerkt, dass, obwohl 5 die Stapelrichtung LD nicht veranschaulicht, die Stapelrichtung LD die Richtung senkrecht zu dem Blatt von 5 ist. Das Sensorelement 104 der zweiten Ausführungsform wird in dem Gassensor 2, wie das Sensorelement 4 der ersten Ausführungsform, verwendet und der Aufbau des Sensorelements 104 ist ähnlich wie das Sensorelement 4 mit Ausnahme des Aufbau bezüglich des Einführungsströmungspfades IP. Nachfolgend sind dieselben Bezugszeichen den gleichen Teilen zugeordnet wie diejenigen des Sensorelements 4, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
In dem Sensorelement 104 besteht der in der Stapelrichtung LD von der Außenfläche des Sensorelements 104 zu dem Referenzgasströmungspfad CP verlaufende Einführungsströmungspfad IP und die Einführung des Referenzgases aus zwei geteilten Strömungspfaden IP1, IP2. Jeder der geteilten Strömungspfade IP1, IP2 enthält, wie bei der ersten Ausführungsform, eine Öffnung in der ersten Plattenoberfläche 21. Bei der zweiten Ausführungsform besteht, da der in der Stapelrichtung LD verlaufende Einführungsströmungspfad IP aus den beiden geteilten Strömungspfaden IP1, IP2 besteht, wenn die Menge des in den Referenzgasströmungspfad CP eingeführten Referenzgases gesichert ist, kann die Querschnittsfläche des einzelnen Strömungspfades im Vergleich zu dem Fall, in dem der Einführungsströmungspfad IP ein einziger Strömungspfad ist, kleiner vorgesehen werden. Daher kann die Festigkeit gegen die Presskraft in der Stapelrichtung LD in dem Sensorelement 104 erhöht werden. Weiterhin kann in der Einführungsströmungspfad IP, da die Querschnittsfläche des einzelnen Strömungspfad klein gemacht werden kann, kann der Freiheitsgrad bei der Anordnung der einzelnen Strömungspfade in Bezug auf die Stapelfläche (Anordnung der einzelnen Strömungspfade bei der Projektion parallel zur Stapelrichtung LD auf der ersten Plattenoberfläche 21) erhöht werden.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die den Einführungsströmungspfad IP bildenden geteilten Strömungspfade IP1, IP2 so vorgesehen, dass die Gesamtheiten der jeweiligen Strömungspfade bei parallelen Projektion mit der Stapelrichtung LD, wie bei der ersten Ausführungsform, mit dem Belüftungsloch 70b überlappen. In diesem Fall ist es möglich, die Einführmenge des Referenzgases in den Referenzgasströmungspfad CP durch die Gesamtheit der Strömungspfad-Querschnittsflächen der beiden geteilten Strömungspfade IP1, IP2 einzustellen.
Weiterhin sind bei der zweiten Ausführungsform die beiden in der Stapelrichtung LD verlaufenden, geteilten Strömungspfade IP1, IP2, wie in 5 gezeigt, wenn sie in der Stapelrichtung LD projiziert werden, an verschiedenen Positionen in Bezug auf die axiale Richtung CD vorgesehen. Das heißt, in der ersten Plattenoberfläche 21 sind die Öffnungen der beiden geteilten Strömungspfade IP1, IP2 an verschiedenen Positionen in Bezug auf eine Längsrichtung des Sensorelements 104 vorgesehen (in axialer Richtung CD verschoben). Obwohl die beiden geteilten Strömungspfade IP1, IP2 an der gleichen Position in Bezug auf die axiale Richtung CD vorgesehen sein können, macht es der Aufbau, wie in 5 gezeigt, einfacher, einen Abstand zwischen den beiden geteilten Strömungspfaden IP1, IP2 sicherzustellen. Daher ist es möglich, den Effekt der Unterdrückung einer Verringerung der Festigkeit des Sensorelements 104, was durch die Bereitstellung des Einführungsströmungspfades IP verursacht wird, zu verstärken. Wenn ferner die beiden geteilten Strömungspfade IP1, IP2 vorgesehen sind, wie in 5 gezeigt, sind die Positionen davon, wenn sie in der Stapelrichtung LD projiziert werden, wünschenswerterweise unterschiedliche Positionen in Bezug auf die Breitenrichtung WD (die in der Breitenrichtung WD voneinander verschoben sind). Wie oben beschrieben, ist es einfacher, einen Abstand zwischen den beiden geteilten Strömungspfaden IP1, IP2 sicherzustellen. Es wird angemerkt, dass die Positionsverschiebung zwischen den jeweiligen geteilten Strömungspfaden in der axialen Richtung CD oder der Breitenrichtung WD eine Verschiebung, in der oben beschriebenen Richtung zwischen den Gravitationsmittelpositionen der äußeren Formen der Strömungspfad-Querschnitte der jeweiligen geteilten Strömungspfade bedeutet, wenn sie in der Stapelrichtung LD projiziert werden.
Obwohl in der zweiten Ausführungsform die Anzahl der geteilten Strömungspfade, die den Einführungsströmungspfad IP bilden, zwei ist, kann die Anzahl mehr als zwei sein. Auch in diesem Fall ist es durch ein Verschieben der Positionen der Vielzahl von geteilten Strömungspfaden bei der Projektion in die Stapelrichtung LD in der axialen Richtung CD oder in der Breitenrichtung WD möglich, eine Verringerung der Festigkeit des erzeugten Sensorelements, die durch Bereitstellung der Einführungsströmungspfad IP verursacht ist, zu unterdrücken.
C. Modifizierte Ausführungsform:
Modifizierte Ausführungsform 1:
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen das Sensorelement aus einer Vielzahl von blattartigen Elementen besteht, die in 2 gezeigt sind, kann das Sensorelement einen anderen Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann das Sensorelement ein gestapelter Körper sein, zu dem auch andere blattartige Elemente hinzugefügt sind. Auch in dem Fall, in dem der Aufbau des gestapelten Körpers, der das Sensorelement bildet, modifiziert ist, ist es wünschenswert, die Länge des Einführungsströmungspfades IP kürzer zu machen. Insbesondere in einem Fall, bei dem ein Abstand von einer der Außenflächen (der ersten Plattenoberfläche 21 und der zweiten Plattenoberfläche 23) senkrecht zu der Stapelrichtung LD in dem Sensorelement ist, wobei die eine Außenfläche (die erste Plattenoberfläche 21 in den Ausführungsformen), auf der Seite liegt, an der die Öffnung des Einführungsströmungspfades IP vorgesehen ist, an den Referenzgasströmungspfad CP als ein Abstand D_A dargestellt ist, und ein Abstand von der anderen Außenfläche (der zweiten Plattenoberfläche 23 in den Ausführungsformen) zu dem Referenzgasströmungspfad CP ist als ein Abstand D_B bezeichnet, wobei ist es wünschenswert, dass D_A < D_B erfüllt ist (siehe 4). Wenn die Länge des Einführungsströmungspfads IP weiter wie oben beschrieben verkürzt wird, kann der Effekt der Stabilisierung der Leistung des Gassensors durch Stabilisierung des Flusses des Referenzgases zu der Referenzelektrode 442 verbessert werden.
Es wird angemerkt, dass der Abstand D_A von einer Außenfläche, in der Öffnungen des Einführungsströmungsweges IP vorgesehen sind, der Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung LD des Sensorelements zum Referenzgasströmungspfad CP sich auf einen folgenden Abstand bezieht. Das heißt, der Abstand D_A bezieht sich auf einen Abstand von der einen Außenfläche zu einer Innenwandfläche an der einen Außenflächenseite, von Innenwandflächen des Referenzgasströmungspfades CP senkrecht zur Stapelrichtung LD (in den Ausführungsformen, Oberfläche der Festelektrolytschicht 430, auf der die Referenzelektrode 442 ausgebildet ist). Zusätzlich bezieht sich der Abstand D_B von der anderen Außenfläche der Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung LD des Sensorelements auf den Referenzgasströmungspfad CP auf einen Abstand wie folgt. Das heißt, der Abstand D_B bezieht sich auf einen Abstand von der anderen Außenfläche zu einer Innenwandfläche an der anderen Außenflächenseite, von Innenwandflächen des Referenzgasströmungspfades CP senkrecht zur Stapelrichtung LD (in den Ausführungsformen, Oberfläche der Isolierschicht 423, mit der die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 in Kontakt kommt).
Unter dem Gesichtspunkt, dass die Länge des Einführungsströmungspfades, der das Referenzgas in den Referenzgasströmungspfad CP einführt, weiter verkürzt wird, ist es wünschenswert, dass D_A < D_C bei dem Sensorelement erfüllt ist. Hier ist, wie oben beschrieben, der Abstand D_A ein Abstand von einer Außenfläche, in der die Öffnung des Einführungsströmungsweges IP vorgesehen ist, von Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung LD des Sensorelements zu dem Referenzgasströmungsweg CP. Zusätzlich ist ein Abstand D_C ein Abstand von einem Endabschnitt auf einer dem Einführungsströmungspfad IP näher liegenden Seite von Endabschnitten des Sensorelements in Längsrichtung zum Referenzgasströmungspfad CP (siehe 4).
Es ist jedoch nicht wesentlich, dass D_A < D_B und dass D_A < D_C erfüllt sind. Auch wenn diese Zusammenhänge nicht erfüllt sind, ist es möglich, die vorgenannte Wirkung zu erzielen, indem als Strömungspfad zum Führen des Referenzgases zu dem Referenzgasströmungspfad CP, der Einführungsströmungspfad IP gebildet ist, der sich in der Stapelrichtung von der in der ersten Plattenoberfläche 21, die die Oberfläche des Sensorelements 4 ist, vorgesehenen Öffnung zu dem Referenzgasströmungspfad CP erstreckt.
Modifizierte Ausführungsform 2:
Obwohl in den obigen Ausführungsformen der Referenzgasströmungspfad CP durch das Einführungsloch 70 gebildet wird, das ein Durchgangsloch ist, das in der Gasströmungspfadbildungsschicht 422 vorgesehen ist, kann der Referenzgasströmungspfad CP einen anderen Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann das Einführungsloch 70, das in der Gasströmungspfadbildungsschicht 422 vorgesehen ist, kein Durchgangsloch sein, sondern eine Vertiefung, die nicht durch die Seite der Isolierschicht 423 hindurchdringt.
6 eine Schnittansicht, wie in 4, die den Aufbau eines Sensorelements 204 als Beispiel einer modifizierten Ausführungsform zeigt, bei der eine Aussparungsform auf das Einführungsloch 70 aufgebracht wird. Das Sensorelement 204 wird in dem Gassensor 2 wie das Sensorelement 4 der ersten Ausführungsform verwendet und der Aufbau des Sensorelements 204 ist ähnlich zu dem des Sensorelements 4, mit Ausnahme der Struktur bezüglich der Gasströmungspfadbildungsschicht 422. Nachstehend werden dieselben Bezugszeichen den gleichen Teilen wie diejenigen des Sensorelements 4 zugewiesen und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
In dem Sensorelement 204 weist die Gasströmungspfadbildungsschicht 422 eine Ausnehmung 270 anstelle des Einführungslochs 70, das ein Durchgangsloch ist, auf. Die Ausnehmung 270 ist die gleiche in ihrer Form wie das Einführungsloch 70, gesehen von der Seite der ersten Plattenoberfläche 21, und enthält eine Referenzkammerausnehmung 270a, die in einer Draufsicht in einer rechteckigen Form ausgebildet ist, und eine Belüftungsnut 270b, die sich von der Referenzraumausnehmung 270a zur Rückseite BS erstreckt. Die Ausnehmung 270 bildet den Referenzgasströmungspfad CP in dem Sensorelement 204 und das Referenzgas wird durch den durch die Durchgangslöcher 21c, 30c gebildeten Einführströmungspfad IP in die Ausnehmung 270 eingeführt. Dieser Aufbau liefert auch die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform. Es wird angemerkt, dass, wenn der Referenzgasströmungspfad CP durch die Aussparung, die in der Gasströmungspfadbildungsschicht 422 vorgesehen ist, gebildet wird, kann die Isolierschicht 423 weggelassen werden.
Modifizierte Ausführungsform 3:
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Gesamtheit der Festelektrolytschicht 430 aus einem Festelektrolyten gebildet ist, kann die Festelektrolytschicht 430 auf eine andere Weise gebildet werden. Die Festelektrolytschicht kann zumindest teilweise einen Festelektrolytabschnitt umfassen, der aus einem Festelektrolyten gebildet ist und der von der Erfassungselektrode 441 (dem ersten Elektrodenabschnitt 41a) und der Referenzelektrode 442 (dem zweiten Elektrodenabschnitt 42a) gehalten wird.
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements 304 gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 2. 8 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau des Sensorelements 304 der modifizierten Ausführungsform zeigt, wie in 4. Das Sensorelement 304 der vorliegenden modifizierten Ausführungsform wird in dem Gassensor 2, wie das Sensorelement 4 der ersten Ausführungsform, verwendet und weist denselben Aufbau wie das Sensorelement 4 auf, mit der Ausnahme, dass anstatt der Festelektrolytschicht 430 eine Festelektrolytschicht 437 enthalten ist. Nachstehend werden dieselben Bezugszeichen den gleichen Teilen wie diejenigen des Sensorelements 4 zugewiesen und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
In dem Sensorelement 304 enthält die Festelektrolytschicht 437 einen Festelektrolytabschnitt 435 und ein isolierendes Substrat 436. Der Festelektrolytabschnitt 435 ist aus einem Festelektrolyten ähnlich dem Festelektrolyten, der die Festelektrolytschicht 430 der ersten Ausführungsform bildet, ausgebildet. Das isolierende Substrat 436 ist eine dichte Schicht, die elektrisch zwischen benachbarten Schichten isoliert. Das isolierende Substrat 436 ist wie die Isolierschichten 421, 423, 424 aus einer isolierenden Keramik, beispielsweise einer isolierenden Keramik, die Aluminiumoxid als Hauptkomponente enthält, gebildet.
Die Vorderseite AS des isolierenden Substrats 436 weist ein rechteckiges Loch auf, das durch das isolierende Substrat 436 in der Dickenrichtung (die Stapelrichtung LD) desselben durchdringt und der Festelektrolytabschnitt 435 in dem Loch ausgebildet ist. Wie in 8 gezeigt ist, wird der Festelektrolytabschnitt 435, wenn er in der Stapelrichtung LD projiziert wird, durch Eindringen des Isoliersubstrats 436 in einen Bereich bereitgestellt, der mit dem ersten Elektrodenabschnitt 41a der Erfassungselektrode 441, dem zweiten Elektrodenabschnitt 42a der Referenzelektrode 442, dem Referenzkammerloch 70a und der porösen Schutzschicht 460 überlappt. Zusätzlich weist das isolierende Substrat 436, wie die Festelektrolytschicht 430, die Durchgangslöcher 30a, 30c auf, die durch das isolierende Substrat 436 in der Dickenrichtung davon (die Stapelrichtung LD) durchdringen.
Der obige Aufbau liefert auch die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform. Weiterhin kann im Vergleich zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform, in der die Gesamtheit der Festelektrolytschicht 430 aus einem Festelektrolyten gebildet wird, die Festigkeit des gesamten Sensorelements 304 verbessert werden, und als Ergebnis kann die Festigkeit des gesamten Gassensor verbessert werden. Dies liegt daran, dass die isolierende Keramik, die das isolierende Substrat 436 bildet, im Allgemeinen eine höhere Festigkeit aufweist als der Festelektrolyt, der den Festelektrolytabschnitt 435 bildet. Zusätzlich kann im Vergleich zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform, bei der die Gesamtheit der Festelektrolytschicht 430 aus einem Festelektrolyten gebildet wird, die Temperatur des Festelektrolytabschnitts schnell auf eine vorbestimmte aktive Temperatur erhöht werden, wenn der Gassensor benutzt wird. Dies liegt daran, dass die isolierende Keramik, die das isolierende Substrat 436 bildet, im Allgemeinen einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist als der Festelektrolyt, der den Festelektrolytabschnitt 435 bildet.
Modifizierte Ausführungsform 4:
Obwohl in den obigen Ausführungsformen die Querschnittsform senkrecht zu der Stapelrichtung LD in dem Einführungsströmungspfad IP eine kreisförmige Gestallt hat, kann die Querschnittsform eine andere Form als die kreisförmige Gestallt sein. Unter dem Gesichtspunkt wird jedoch die Konzentration der Spannung in dem blattartigen Element durch Bereitstellen von Durchgangslöchern (Durchgangslöchern 21c, 30c und dergleichen) zum Bilden des Einführungsströmungspfades IP in einem den Sensor bildenden blattartigen Element verursacht, und als Ergebnis wird eine Verringerung der Biegefestigkeit des Sensorelements unterdrückt, wobei die Querschnittsform wünschenswerterweise eine elliptische Form oder eine kreisförmige Form ist. Eine kreisförmige Form ist wünschenswerter.
Modifizierte Ausführungsform 5:
Obwohl in den obigen Ausführungsformen der Gassensor ein Sauerstoffkonzentrationssensor ist, kann der Gassensor ein anderer Sensor als der Sauerstoffkonzentrationssensor sein. Ein Sensor, der verschiedene Arten von Gasen, wie z. B. NOx, in einem Abgas erfasst, kann angeeignet werden. Solange ein Sensor eine Konzentrationszelle mit dem Paar von Elektroden, die auf beiden Seiten eines Festelektrolyten mit Ionenleitfähigkeit gestapelt sind, enthält und eine elektromotorische Kraft aufgrund einer Konzentrationsdifferenz (Partialdruckdifferenz) einer spezifischen Gaskomponente auf jeder der Elektroden erzeugen, bietet dieser Aufbau auch die gleiche Wirkung wie oben beschrieben durch Anwendung der vorliegenden Erfindung auf den Sensor.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen/Variationen beschränkt und kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist es möglich, irgendwelche der technischen Merkmale der Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in der "Zusammenfassung der Erfindung" beschrieben sind, und die technischen Merkmale der Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen/Variationen der vorliegenden Erfindung in geeigneter Weise zu ersetzen oder zu kombinieren, um einen Teil oder alle der oben erwähnten Probleme zu lösen oder einen Teil oder alle der oben erwähnten Effekte zu erzielen. Jede dieser technischen Merkmale, wenn nicht in der vorliegenden Beschreibung als wesentlich erachtet, kann je nach Bedarf gelöscht werden.
Bezugszeichenliste

2: Gassensor
4, 104, 204, 304: Sensorelement
6: Keramikhülse
8: Erfassungsabschnitt
10: Metallanschlusselemente
21: Erste Plattenoberfläche
21a bis 21c: Durchgangsloch
23: zweite Plattenoberfläche
23d, 23e: Durchgangsloch
30: Elektrodenanschlussabschnitt
30a, 30c: Durchgangsloch
31 bis 34: Elektrodenanschlussabschnitt
38: Metallhülle
39: Schraubenabschnitt
40: hinterer Endabschnitt
41a: erster Elektrodenabschnitt
41b: erster Leitungsabschnitt
42a: zweiter Elektrodenabschnitt
42b: zweiter Leitungsabschnitt
43: innere Schutzeinrichtung
44: Schutzkappe
45: äußere Schutzeinrichtung
46: Leitungsdraht
50: Durchführung
52: Ablageabschnitt
53: keramischer Halter
54: Durchgangsloch
56: pulverförmige Schicht
57: Crimppackung
58: Durchgangsloch
59: Filtereinheit
61: Leitungsdraht-Einführungsloch
62: rückseitige Endfläche
63: Rückseitenseparator
65a: Einführungsabschnitt
65b: Rillenabschnitt
66: Vorderseitenseparator
67: Flanschabschnitt
68: frontseitige Endfläche
69: Halteelement
70: Einführungsloch
70a: Referenzkammerloch
70b: Lüftungsloch
270: Ausnehmung
270a: Referenzkammerausnehmung
270b: Lüftungsrille
421, 423, 424: Isolierschicht
422: Gasströmungspfadbildungsschicht
430, 437: Festelektrolytschicht
435: Festelektrolytabschnitt
436: isolierendes Substrat
441: Erfassungselektrode
442: Referenzelektrode
450: Heizer
450a: Heizabschnitts
450b, 450c: Heizleitungsabschnitt
460: poröse Schutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4813729 [0002]
JP 2015-194474 A [0002]
JP 2007-512511 A [0002]

Claims

Gassensorelement, in dem mehrere Schichten gestapelt sind, wobei die Schichten umfassen: eine Festelektrolytschicht; eine Erfassungselektrode, die an einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht vorgesehen ist und einem zu messenden Gas ausgesetzt ist; eine Referenzelektrode, die an der anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht vorgesehen ist und einem Referenzgas ausgesetzt ist; eine erste Schicht, die an einer Seite vorgesehen ist, an der die andere Oberfläche der Festelektrolytschicht vorhanden ist, und einen Referenzgasströmungspfad aufweist, der das Referenzgas in die Referenzelektrode einführt; und eine Heizerschicht, die an einer Seite vorgesehen ist, die einer Seite, an der die Festelektrolytschicht in Bezug auf die erste Schicht vorgesehen ist, gegenüberliegt, wobei die Heizerschicht einen Heizabschnitt zum Erwärmen der Festelektrolytschicht umfasst, wobei das Gassensorelement als Strömungspfad zum Führen des Referenzgases von Außenflächen des Gassensorelements zu dem Referenzgasströmungspfad einen Einführungsströmungspfad aufweist, der eine an einer Außenfläche von den Außenflächen, die senkrecht zu einer Stapelrichtung des Gassensorelements sind, vorgesehene Öffnung aufweist, wobei die Außenfläche an einer Seite vorgesehen ist, die der Seite, an der die Heizerschicht in Bezug auf die erste Schicht vorgesehen ist, gegenüberliegt, wobei der Einführungsströmungspfad sich in der Stapelrichtung von der Öffnung zu dem Referenzgasströmungspfad hin erstreckt.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Öffnungen vorgesehen ist und der Einführungsströmungspfad aus einer Vielzahl von geteilten Strömungspfaden, die sich in der Stapelrichtung von den jeweiligen Öffnungen zu dem Referenzgasströmungspfad erstrecken, besteht.
Gassensorelement nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl der Öffnungen an verschiedenen Positionen in Bezug auf eine Längsrichtung des Gassensorelements vorgesehen ist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem Fall, in dem die Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung des Gassensorelements sind, ein Abstand von einer der Außenflächen, in der die Öffnung vorgesehen ist, zu dem Referenzgasströmungspfad als D_A bezeichnet ist und ein Abstand von der anderen Außenfläche zum Referenzgasströmungspfad als D_B bezeichnet ist, D_A < D_B erfüllt ist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem Fall, in dem die Außenflächen senkrecht zur Stapelrichtung des Gassensorelements sind, ein Abstand von einer der Außenflächen, in der die Öffnung vorgesehen ist, zu dem Referenzgasströmungspfad als D_A bezeichnet ist, und von Endabschnitten in der Längsrichtung des Gassensorelements ein Abstand von einem Endabschnitt an einer Seite, die näher an dem Einführungsströmungspfad liegt, zu dem Referenzgasströmungspfad als D_C bezeichnet ist, D_A < D_C erfüllt ist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Festelektrolytschicht umfasst: ein isolierendes Substrat, das aus einer isolierenden Keramik gebildet ist; und einen Festelektrolytabschnitt, der aus einem Festelektrolyten gebildet ist und vorgesehen ist, um durch das isolierende Substrat in einem Bereich, der mit der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode in der Stapelrichtung überlappt, zu durchdringen.
Gassensor, welcher das Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.