DE102020005667A1

DE102020005667A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102020005667A1
Application number: DE102020005667.9A
Authority: DE
Inventors: Shotaro NIIZUMA; Yusuke Watanabe; Toshihiro Hirakawa; Hayami Aota
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-03-18
Also published as: JP2021047029A; US11815485B2; US20210080424A1; JP7349300B2

Abstract

Ein Gassensor (10) umfasst: Ein Sensorelement (12); eine Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e), die auf einem hinteren Endabschnitt des Sensorelements (12) ausgebildet sind; und eine Mehrzahl von Kontaktelementen (20a bis 20e), die den hinteren Endabschnitt des Sensorelements (12) halten und jeweils elektrisch mit der Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e) verbunden sind. Die Mehrzahl von Kontaktelementen umfasst Kontaktelemente (20a bis 20d), die jeweils eine äußere Endoberfläche aufweisen, die von einer entsprechenden Endoberfläche der Endoberflächen des Sensorelements (12) vorragt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
Beschreibung des Standes der Technik:

Die in dem japanischen offengelegten Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2001-141689 offenbarte Technik hat die Aufgabe, einen Gassensor bereitzustellen, der weniger zu Kurzschlüssen von Anschlussdrähten, Metallanschlusselementen, usw., neigt und der eine stabile Sensorausgabe bereitstellt.

Zum Lösen der Aufgabe nutzt die Technik, die in dem japanischen offengelegten Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2001-141689 offenbart ist, den folgenden Aufbau. D.h., der Gassensor umfasst erste Führungsabschnitte (531), die an den vorderen Enden von einzelnen ersten Durchgangslöchern in einem elastischen Isolierelement (5) ausgebildet sind, und zweite Führungsabschnitte (331), die an den proximalen Enden von zweiten Durchgangslöchern in einem Isolator (3) ausgebildet sind. Gemäß dem Gassensor beschränken die ersten Führungsabschnitte (531) und die zweiten Führungsabschnitte (331) die Bewegung von Anschlussdrähten (161) und Metallanschlüssen (49).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dem Gassensor, der in dem japanischen offengelegten Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2001-141689 beschrieben ist, weist eine Mehrzahl von Kontaktelementen (weibliche Kontakte), die zur Bereitstellung einer Leitung in einem direkten Kontakt mit dem Sensorelement stehen, dieselben Breiten auf. Demgemäß ist es wahrscheinlich, dass an den Grenzflächen zwischen den Kontaktelementen und Elementkontaktstellen ein Ablösen auftritt, was zu einem Kontaktversagen führt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des vorstehend genannten Problems gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensors, der das Problem lösen kann, wobei das Auftreten eines Ablösens an den Grenzflächen zwischen den Kontaktelementen und Elementkontaktstellen vermindert werden kann und folglich das Auftreten eines Kontaktversagens verhindert wird.
Ein Gassensor gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst:

ein Sensorelement;
eine Mehrzahl von Elementkontaktstellen, die auf einem hinteren Endabschnitt des Sensorelements ausgebildet sind; und
eine Mehrzahl von Kontaktelementen, die zum Halten des hinteren Endabschnitts des Sensorelements und zum jeweiligen elektrischen Verbinden mit der Mehrzahl von Elementkontaktstellen ausgebildet sind,
wobei die Mehrzahl von Kontaktelementen Kontaktelemente umfasst, die jeweils eine äußere Endoberfläche aufweisen, die von einer entsprechenden Endoberfläche von Endoberflächen des Sensorelements vorragt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Auftreten eines Ablösens an den Grenzflächen zwischen den Kontaktelementen und Elementkontaktstellen verhindert werden und das Auftreten eines Kontaktversagens kann vermindert werden. Ferner kann, da die Kontaktelemente derart ausgebildet sind, dass ihre jeweiligen äußeren Endoberflächen auswärts vorragen, die Breite des Sensorelements vermindert werden, während geeignete Abstände zwischen angrenzenden Kontaktelementen beibehalten werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit der Kontakte beibehalten werden, während die Kosten gesenkt werden.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist ein Querschnitt eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch einen beispielhaften Aufbau eines Sensorelements zeigt;
3 ist der Querschnitt entlang der Linie III-III in der 1; und
4 ist eine Tabelle 1, welche die Ergebnisse einer Bewertung der Beispiele 1 bis 7 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen detailliert beschrieben, während auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst ein Gassensor 10 gemäß dieser Ausführungsform ein Sensorelement 12. Das Sensorelement 12 weist eine längliche, rechteckige Parallelepipedform auf. Die Längsrichtung des Sensorelements 12 (die Links-rechts-Richtung in der 2) ist als Vorne-hinten-Richtung festgelegt und die Dickenrichtung des Sensorelements 12 (die Oben-unten-Richtung in der 2) ist als Oben-unten-Richtung festgelegt. Die Breitenrichtung des Sensorelements 12 (eine Richtung vertikal zu der Vorne-hinten- und Oben-unten-Richtung) ist als Links-rechts-Richtung festgelegt.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 10 das Sensorelement 12, eine Schutzabdeckung 14 zum Schützen des vorderen Endes des Sensorelements 12 und eine Sensoranordnung 20, die ein Keramikgehäuse 16 umfasst. Das Keramikgehäuse 16 hält einen hinteren Endabschnitt des Sensorelements 12 und wirkt als Verbinder 24 durch Anschlusselemente 18, die elektrisch mit dem Sensorelement 12 verbunden sind, das daran angebracht ist.
Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist der Gassensor 10 beispielsweise an einer Leitung 26 angebracht, wie z.B. einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, und wird zum Messen von Konzentrationen von spezifischen Gasen, wie z.B. NOx, O₂, usw., verwendet, die in dem Abgas enthalten sind, das ein zu messendes Gas ist (das auch als Messgas bezeichnet wird).
Die Schutzabdeckung 14 umfasst eine mit einem Boden versehene, röhrenförmige innere Schutzabdeckung 14a, die das vordere Ende des Sensorelements 12 bedeckt, und eine mit einem Boden versehene, röhrenförmige äußere Schutzabdeckung 14b, welche die innere Schutzabdeckung 14a bedeckt. In der inneren Schutzabdeckung 14a und der äußeren Schutzabdeckung 14b ist eine Mehrzahl von Löchern ausgebildet, durch die ein zu messendes Gas in das Innere der Schutzabdeckung 14 strömen kann. Eine Sensorelementkammer 22 ist als Raum ausgebildet, der durch die innere Schutzabdeckung 14a umschlossen ist, und das vordere Ende des Sensorelements 12 ist innerhalb der Sensorelementkammer 22 angeordnet.
Die Sensoranordnung 20 umfasst einen Elementabdichtungskörper 30 zum Abdichten und Fixieren des Sensorelements 12 und eine Mutter 32, die an dem Elementabdichtungskörper 30 angebracht ist. Die Sensoranordnung 20 umfasst ein äußeres Rohr 34 und den Verbinder 24, wobei der Verbinder 24 mit Elektroden (nicht gezeigt), die auf den Oberflächen (obere und untere Oberfläche) des hinteren Endes des Sensorelements 12 ausgebildet sind, in Kontakt ist und elektrisch mit diesen verbunden ist.
Der Elementabdichtungskörper 30 umfasst ein rohrförmiges Hauptformteil 40 und ein rohrförmiges Innenrohr 42, das mit dem Hauptformteil 40 verschweißt und koaxial daran angebracht ist. Der Elementabdichtungskörper 30 umfasst Keramikhalter 44a bis 44c, Grünpresskörper (Pulverpresskörper) 46a, 46b und einen Metallring 48, die in einem inneren Durchgangsloch im Inneren des Hauptformteils 40 und des Innenrohrs 42 eingekapselt sind. Das Sensorelement 12 befindet sich auf der Mittelachse des Elementabdichtungskörpers 30 und durchdringt den Elementabdichtungskörper 30 in der Vorne-hinten-Richtung. Das Innenrohr 42 weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 42a und einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 42b auf. Der Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 42a drückt den Grünpresskörper 46b in die Richtung der Mittelachse des Innenrohrs 42. Der Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 42b drückt die Keramikhalter 44a bis 44c und die Grünpresskörper 46a, 46b durch den Metallring 48 nach vorne. Die Druckkräfte von den Abschnitten mit vermindertem Durchmesser 42a, 42b drücken die Grünpresskörper 46a, 46b zwischen dem Hauptformteil 40 und dem Innenrohr 42 und dem Sensorelement 12. Die Grünpresskörper 46a, 46b stellen somit eine Abdichtung zwischen der Sensorelementkammer 22 in der Schutzabdeckung 14 und einem Raum 50 in dem äußeren Rohr 34 bereit und fixieren das Sensorelement 12.
Die Mutter 32 ist koaxial mit dem Hauptformteil 40 fixiert und weist einen Außengewindeabschnitt auf, der auf dessen Außenumfangsoberfläche ausgebildet ist. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 32 ist in ein Fixierelement 52 eingesetzt, das an die Leitung 26 geschweißt ist und ein -Innengewinde aufweist, das auf dessen Innenumfangsoberfläche ausgebildet ist. Der Gassensor 10 ist folglich so an der Leitung 26 fixiert, dass das vordere Ende des Sensorelements 12 und die Schutzabdeckung 14 in die Leitung 26 vorragen.
Das äußere Rohr 34 umschließt das Innenrohr 42, das Sensorelement 12 und den Verbinder 24. Eine Mehrzahl von Anschlussdrähten 54, die mit dem Verbinder 24 verbunden sind, ist aus dem hinteren Ende des äußeren Rohrs 34 herausgeführt. Die Mehrzahl von Anschlussdrähten 54 ist mittels des Verbinders 24 elektrisch leitend mit Elektroden des Sensorelements 12 verbunden (was später beschrieben wird). Die Lücke zwischen dem äußeren Rohr 34 und den Anschlussdrähten 54 ist durch ein elastisches Isolierelement 56 abgedichtet, das aus einer Dichtscheibe oder dergleichen ausgebildet ist. Der Raum 50 in dem äußeren Rohr 34 ist mit einem Referenzgas (Luft in dieser Ausführungsform) gefüllt. Das hintere Ende des Sensorelements 12 ist innerhalb dieses Raums 50 angeordnet.
Andererseits ist, wie es in der 2 gezeigt ist, das Sensorelement 12 eine Vorrichtung, die aus einem Laminat ausgebildet ist, in dem z.B. sechs Schichten in dieser Reihenfolge von unten in der Zeichnung laminiert sind. Die sechs Schichten umfassen eine erste Substratschicht 60, eine zweite Substratschicht 62, eine dritte Substratschicht 64, eine erste Festelektrolytschicht 66, eine Abstandshalterschicht 68 und eine zweite Festelektrolytschicht 70. Die sechs Schichten sind jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), ausgebildet. Darüber hinaus weist der Festelektrolyt, der die sechs Schichten bildet, eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Das Sensorelement 12 wird beispielsweise durch Anwenden einer vorgegebenen Verarbeitung und Drucken von Schaltkreisstrukturen auf Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, miteinander Laminieren dieser Lagen und dann Integrieren der Lagen durch Sintern hergestellt.
Eine Mehrzahl von Diffusionseinstellabschnitten und eine Mehrzahl von inneren Kammern, die als nächstes beschrieben werden, werden zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 auf der Seite von einem Ende des Sensorelements 12 (auf der linken Seite in der 2) ausgebildet. D.h., ein Gaseinlass 80, ein erster Diffusionseinstellabschnitt 82, ein Pufferraum 84, ein zweiter Diffusionseinstellabschnitt 86, ein erster innerer Hohlraum 88, ein dritter Diffusionseinstellabschnitt 90, ein zweiter innerer Hohlraum 92, ein vierter Diffusionseinstellabschnitt 94 und ein dritter innerer Hohlraum 96 werden in einer Weise ausgebildet, dass sie in dieser Reihenfolge in Verbindung stehen und benachbart sind.
Der Gaseinlass 80, der Pufferraum 84, der erste innere Hohlraum 88, der zweite innere Hohlraum 92 und der dritte innere Hohlraum 96 werden durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 68 gebildet. Jeder des Pufferraums 84 und von anderen ist ein Raum in dem Sensorelement 12, der durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 an der Oberseite, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 an der Unterseite und die Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 68 auf den Seiten aufgeteilt wird.
Der erste Diffusionseinstellabschnitt 82, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 86 und der dritte Diffusionseinstellabschnitt 90 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze ausgebildet (die Längsrichtung von deren Öffnungen liegt in der Richtung vertikal zum Zeichnungsblatt vor). Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 94 ist als ein horizontal langer Schlitz ausgebildet, der als eine Lücke unterhalb der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet ist (die Längsrichtung von dessen Öffnungen liegt in der Richtung vertikal zum Zeichnungsblatt vor). Der Abschnitt von dem Gaseinlass 80 zu dem dritten inneren Hohlraum 96 wird auch als Messgasdurchgang bezeichnet.
Ein Referenzgas-Einführungsraum 98 ist in einer Position bereitgestellt, die von dem vorstehend genannten einen Ende weiter entfernt ist als der Messgasdurchgang. Der Referenzgas-Einführungsraum 98 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 68 ausgebildet und ist durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 auf der Seite aufgeteilt. Ein Referenzgas für die Messung der NOx-Konzentration, wie z.B. Luft (die Atmosphäre innerhalb des Raums 50 in der 1), wird in den Referenzgas-Einführungsraum 98 eingeführt.
Eine Atmosphäreneinführungsschicht 100 ist eine Schicht, die aus Keramik, wie z.B. porösem Aluminiumoxid, usw., hergestellt ist, und liegt in dem Referenzgas-Einführungsraum 98 frei. Das Referenzgas wird in die Atmosphäreneinführungsschicht 100 durch den Referenzgas-Einführungsraum 98 eingeführt. Die Atmosphäreneinführungsschicht 100 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 102 bedeckt. Die Atmosphäreneinführungsschicht 100 führt das Referenzgas in den Referenzgas-Einführungsraum 98 zu der Referenzelektrode 102 ein, während auf das Referenzgas ein gegebener Diffusionswiderstand ausgeübt wird. Die Atmosphäreneinführungsschicht 100 ist derart ausgebildet, dass sie zu dem Inneren des Referenzgas-Einführungsraums 98 nur auf einer hinteren Endseite des Sensorelements 12 freiliegt, die hinter der Referenzelektrode 102 vorliegt (auf der rechten Seite in der 2). Mit anderen Worten, der Referenzgas-Einführungsraum 98 ist nicht an einer Position unmittelbar oberhalb der Referenzelektrode 102 ausgebildet. Die Referenzelektrode 102 kann jedoch unmittelbar unterhalb des Referenzgas-Einführungsraums 98 in der 2 ausgebildet sein.
Die Referenzelektrode 102 ist eine Elektrode, die zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 und der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet ist, und, wie es vorstehend erwähnt worden ist, die Atmosphäreneinführungsschicht 100, die mit dem Referenzgas-Einführungsraum 98 verbunden ist, ist um diese herum bereitgestellt. Die Referenzelektrode 102 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 ausgebildet und ist durch die Atmosphäreneinführungsschicht 100 bedeckt, ausgenommen in Abschnitten, welche die obere Oberfläche der dritten Substratschicht 64 kontaktieren. Ferner können, wie es später beschrieben ist, die Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) in dem ersten inneren Hohlraum 88, dem zweiten inneren Hohlraum 92 und dem dritten inneren Hohlraum 96 unter Verwendung der Referenzelektrode 102 gemessen werden. Die Referenzelektrode 102 ist als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Messgasdurchgang ist der Gaseinlass 80 zu dem Außenraum geöffnet und das Messgas wird in das Sensorelement 12 von dem Außenraum durch den Gaseinlass 80 aufgenommen. Der erste Diffusionseinstellabschnitt 82 ist ein Abschnitt, der für das Messgas, das von dem Gaseinlass 80 aufgenommen wird, einen gegebenen Diffusionswiderstand bereitstellt. Der Pufferraum 84 ist ein Raum, der das Messgas, das von dem ersten Diffusionseinstellabschnitt 82 eingeführt worden ist, zu dem zweiten Diffusionseinstellabschnitt 86 leitet.
Der zweite Diffusionseinstellabschnitt 86 ist ein Abschnitt, der für das Messgas, das von dem Pufferraum 84 in den ersten inneren Hohlraum 88 geleitet wird, einen gegebenen Diffusionswiderstand bereitstellt. Nachstehend wird ein Fall beschrieben, bei dem das Messgas von der Außenseite des Sensorelements 12 durch eine Druckfluktuation des Messgases in dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt wird. Die Druckfluktuation kann durch ein Abgasdruckpulsieren verursacht werden, wenn das Messgas ein Kraftfahrzeugabgas ist. Das Messgas, das von dem Gaseinlass 80 aufgrund der Druckfluktuation schnell in das Sensorelement 12 aufgenommen worden ist, wird nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt. Eine Konzentrationsvariation des Messgases wird durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 82, den Pufferraum 84 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 86 aufgehoben, und dann wird das Messgas in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt.
Demgemäß ist die Konzentrationsvariation des Messgases, das in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar geworden. Der erste innere Hohlraum 88 ist ein Raum, der den Sauerstoffpartialdruck in dem Messgas einstellt, das durch den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 86 eingeführt worden ist. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 110 eingestellt, die als nächstes beschrieben wird.
Die Hauptpumpzelle 110 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer inneren Pumpelektrode 112, einer äußeren Pumpelektrode 114 und der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet ist. Die innere Pumpelektrode 112 ist auf den Innenoberflächen des ersten inneren Hohlraums 88 bereitgestellt. Die äußere Pumpelektrode 114 ist auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70, die der inneren Pumpelektrode 112 entspricht, derart ausgebildet, dass sie zu dem Außenraum (der Sensorelementkammer 22 in der 1) freiliegt. Die zweite Festelektrolytschicht 70 ist zwischen der inneren Pumpelektrode 112 und der äußeren Pumpelektrode 114 angeordnet.
Die innere Pumpelektrode 112 ist auf der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 70 und der ersten Festelektrolytschicht 66), die den ersten inneren Hohlraum 88 aufteilen, und auf der Abstandshalterschicht 68, welche die Seitenwände bildet, ausgebildet. Insbesondere ist ein oberer Elektrodenabschnitt 112a der inneren Pumpelektrode 112 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 88 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 112b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 88 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (nicht gezeigt) sind auf den Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 68 ausgebildet, die beide Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 88 bilden, so dass die Seitenelektrodenabschnitte den oberen Elektrodenabschnitt 112a und den unteren Elektrodenabschnitt 112b verbinden. D.h., die innere Pumpelektrode 112 ist als Struktur mit einer Tunnelform ausgebildet.
Die innere Pumpelektrode 112 und die äußere Pumpelektrode 114 sind als poröse Cermetelektroden ausgebildet (z.B. Cermetelektroden aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthalten). Die innere Pumpelektrode 112, die das Messgas kontaktiert, ist aus einem Material mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgas ausgebildet.
In der Hauptpumpzelle 110 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 an die innere Pumpelektrode 112 und die äußere Pumpelektrode 114 angelegt, so dass das Fließen eines Pumpstroms Ip0 in der positiven Richtung oder negativen Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 112 und der äußeren Pumpelektrode 114 verursacht wird. Dadurch kann die Hauptpumpzelle 110 den Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 88 zu dem Außenraum hinauspumpen oder den Sauerstoff in dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 88 hineinpumpen.
Das Sensorelement 12 umfasst ferner eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 120 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 88. Diese Sensorzelle 120 ist eine elektrochemische Sensorzelle, welche die innere Pumpelektrode 112, die zweite Festelektrolytschicht 70, die Abstandshalterschicht 68, die erste Festelektrolytschicht 66 und die Referenzelektrode 102 umfasst.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 88 ist durch Messen einer elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 120 bekannt. Ferner wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 122 so eingestellt, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 88 kann folglich bei einem bestimmten konstanten Wert gehalten werden.
Der dritte Diffusionseinstellabschnitt 90 ist ein Abschnitt, der für das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 110 in dem ersten inneren Hohlraum 88 eingestellt worden ist, einen gegebenen Diffusionswiderstand bereitstellt und der das zu messende Gas in den zweiten inneren Hohlraum 92 leitet.
Der zweite innere Hohlraum 92 ist als Raum bereitgestellt, in dem das Messgas, das einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 88 unterzogen worden ist und dann in den Raum durch den dritten Diffusionseinstellabschnitt 90 eingeführt wird, einer weiteren Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch eine Hilfspumpzelle 124 unterzogen wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 92 kann folglich sehr genau konstant gehalten werden, wodurch der Gassensor 10 eine sehr genaue NOx-Konzentrationsmessung durchführen kann.
Die Hilfspumpzelle 124 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 126, die auf der Innenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bereitgestellt ist, die äußere Pumpelektrode 114 und die zweite Festelektrolytschicht 70 umfasst. Eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 12 reicht als die äußere Pumpelektrode 114 aus.
Die Hilfspumpelektrode 126 weist eine tunnelförmige Struktur ähnlich wie diejenige der inneren Pumpelektrode 112 auf, die in dem ersten inneren Hohlraum 88 bereitgestellt ist, und ist in dem zweiten inneren Hohlraum 92 angeordnet. D.h., ein oberer Elektrodenabschnitt 126a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bildet. Ferner ist ein unterer Elektrodenabschnitt 126b direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bildet. Ferner sind Seitenelektrodenabschnitte (nicht gezeigt), die den oberen Elektrodenabschnitt 126a und den unteren Elektrodenabschnitt 126b verbinden, auf beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 68 ausgebildet, welche die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 92 bilden, wodurch eine tunnelförmige Struktur gebildet wird. Wie die innere Pumpelektrode 112 ist auch die Hilfspumpelektrode 126 aus einem Material mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgas hergestellt.
In der Hilfspumpzelle 124 wird eine gewünschte Spannung Vp1 an die Hilfspumpelektrode 126 und die äußere Pumpelektrode 114 angelegt, so dass Sauerstoff in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 92 zu dem Außenraum hinausgepumpt wird oder Sauerstoff in den zweiten inneren Hohlraum 92 von dem Außenraum hineingepumpt wird.
Um ferner den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 92 einzustellen, ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 130, aus der Hilfspumpelektrode 126, der Referenzelektrode 102, der zweiten Festelektrolytschicht 70, der Abstandshalterschicht 68 und der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet.
Die Hilfspumpzelle 124 führt ein Pumpen mit einer variablen Stromversorgung 132 durch, die auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 130 erfasst wird, spannungsgesteuert wird. Folglich kann der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 92 auf einen so niedrigen Partialdruck eingestellt werden, dass die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst wird.
Darüber hinaus wird ein Pumpstrom Ip1 davon zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 120 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 120 eingespeist, so dass die elektromotorische Kraft V0 gesteuert wird. Daher wird eine Steuerung derart bereitgestellt, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 90 in den zweiten inneren Hohlraum 92 eingeführt wird, stets konstant gehalten werden kann. Wenn der Gassensor als NOx-Sensor verwendet wird, können die Hauptpumpzelle 110 und die Hilfspumpzelle 124 so arbeiten, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 92 bei einem konstanten Wert um etwa 0,001 ppm gehalten wird.
Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 94 ist ein Abschnitt, der für das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem inneren Hohlraum 92 durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 124 eingestellt worden ist, einen gegebenen Diffusionswiderstand bereitstellt, und der das Messgas in den dritten inneren Hohlraum 96 leitet. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 94 dient zur Begrenzung der Menge von NOx, das in den dritten inneren Hohlraum 96 strömt.
Das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 92 eingestellt worden ist, wird durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 94 in den dritten inneren Hohlraum 96 eingeführt. D.h., der dritte innere Hohlraum 96 ist als Raum bereitgestellt, in dem das darin eingeführte Messgas einem Verfahren zum Messen der Konzentration von Stickstoffoxid (NOx) in dem Messgas unterzogen wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend in dem dritten inneren Hohlraum 96 durch den Betrieb einer Messpumpzelle 140 durchgeführt.
Die Messpumpzelle 140 misst die NOx-Konzentration in dem Messgas in dem dritten inneren Hohlraum 96. Die Messpumpzelle 140 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 134, die direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 96 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 114, der zweiten Festelektrolytschicht 70, der Abstandshalterschicht 68 und der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet ist. Die Messelektrode 134 ist eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 134 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das NOx reduziert, das in der Atmosphäre in dem dritten inneren Hohlraum 96 vorliegt.
In der Messpumpzelle 140 wird der Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die Messelektrode 134 erzeugt wird, hinausgepumpt, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
Ferner ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 134 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 142, aus der ersten Festelektrolytschicht 66, der Messelektrode 134 und der Referenzelektrode 102 ausgebildet. Eine variable Stromversorgung 144 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 142 erfasst wird, gesteuert.
Das Messgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 92 geleitet wird, erreicht die Messelektrode 134 in dem dritten inneren Hohlraum 96 durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 94 in einem Zustand, bei dem der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Das Stickstoffoxid in dem Messgas um die Messelektrode 134 wird reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2NO → N₂ + O₂). Dann wird der erzeugte Sauerstoff durch die Messpumpzelle 140 gepumpt. Bei diesem Vorgang wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 144 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 142 erfasst wird, konstant gehalten wird. Die Menge von Sauerstoff, die um die Messelektrode 134 erzeugt wird, ist proportional zur Konzentration des Stickstoffoxids in dem Messgas. Demgemäß wird die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 140 berechnet.
Ferner ist eine elektrochemische Sensorzelle 146 aus der zweiten Festelektrolytschicht 70, der Abstandshalterschicht 68, der ersten Festelektrolytschicht 66, der dritten Substratschicht 64, der äußeren Pumpelektrode 114 und der Referenzelektrode 102 ausgebildet. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgas außerhalb des Sensors kann durch eine elektromotorische Kraft Vref erfasst werden, die durch die Sensorzelle 146 erhalten wird.
Ferner ist eine elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 aus der zweiten Festelektrolytschicht 70, der Abstandshalterschicht 68, der ersten Festelektrolytschicht 66, der dritten Substratschicht 64, der äußeren Pumpelektrode 114 und der Referenzelektrode 102 ausgebildet. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 führt ein Pumpen durch, wenn eine Spannung Vp3, die durch eine variable Stromversorgung 152 angelegt wird, die zwischen der äußeren Pumpelektrode 114 und der Referenzelektrode 102 verbunden ist, das Fließen eines Steuerstroms Ip3 verursacht. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 pumpt folglich Sauerstoff in einen Raum (Atmosphäreneinführungsschicht 100) um die Referenzelektrode 102 von einem anderen Raum (der Sensorelementkammer 22 in der 1) um die äußere Pumpelektrode 114. Die Spannung Vp3 der variablen Stromversorgung 152 wird als eine derartige Gleich (DC)-Spannung vorgegeben, dass der Steuerstrom Ip3 einen gegebenen Wert aufweist (ein Gleichstrom mit einem konstanten Wert).
In dem Gassensor 10, der in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist, werden die Hauptpumpzelle 110 und die Hilfspumpzelle 124 so betrieben, dass der Messpumpzelle 140 das Messgas zugeführt wird, in dem der Sauerstoffpartialdruck stets bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird. Der konstante niedrige Wert des Sauerstoffpartialdrucks steht für einen Wert, der die NOx-Messung nicht wesentlich beeinflusst. Folglich kann die NOx-Konzentration in dem Messgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 ermittelt werden, der im Wesentlichen proportional zur NOx-Konzentration in dem Messgas fließt, wenn der Sauerstoff, der durch die NOx-Reduktion erzeugt wird, durch die Messpumpzelle 140 hinausgepumpt wird.
Das Sensorelement 12 umfasst ferner eine Heizeinrichtungseinheit 160, die durch Erwärmen des Sensorelements 12 und Halten der Temperatur als Temperatursteuereinrichtung dient, so dass die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten erhöht wird. Die Heizeinrichtungseinheit 160 umfasst eine Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 162, eine Heizeinrichtung 164, ein Durchgangsloch 166, eine Heizeinrichtung-Isolierschicht 168, ein Druckablassloch 170 und einen Anschlussdraht 172.
Die Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 162 ist eine Elektrode, die in Kontakt mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 60 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 162 ist mit einer externen Stromversorgung zum Zuführen von Elektrizität zu der Heizeinrichtungseinheit 160 von außen verbunden.
Die Heizeinrichtung 164 ist ein elektrischer Widerstand, der zwischen der zweiten Substratschicht 62 darunter und der dritten Substratschicht 64 darüber angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 164 ist mit der Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 162 durch den Anschlussdraht 172 und das Durchgangsloch 166 verbunden. Die Heizeinrichtung 164 erzeugt dadurch, dass sie durch die Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 162 von außen mit Elektrizität versorgt wird, Wärme, wodurch der Festelektrolyt, der das Sensorelement 12 bildet, erwärmt und heiß oder warm gehalten wird.
Ferner ist die Heizeinrichtung 164 in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 88 zu dem dritten inneren Hohlraum 96 einbezogen, so dass das gesamte Sensorelement 12 auf Temperaturen eingestellt werden kann, bei denen der Festelektrolyt aktiviert ist.
Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 168 ist eine Isolierschicht, die auf der oberen und unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 164 ausgebildet ist und aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist, das aus einem Isolator aus Aluminiumoxid, usw., ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 168 ist zum Zweck des Erhaltens einer elektrischen Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 62 und der Heizeinrichtung 164 und einer elektrischen Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 64 und der Heizeinrichtung 164 ausgebildet.
Das Druckablassloch 170 verläuft durch die dritte Substratschicht 64, so dass es mit dem Referenzgas-Einführungsraum 98 in Verbindung steht, um die Innendruckzunahme zu vermindern, die durch einen Temperaturanstieg in der Heizeinrichtung-Isolierschicht 168 verursacht wird.
Die in der 2 gezeigten variablen Stromversorgungen 122, 132, 144, 152, usw., sind in der Praxis durch Anschlussdrähte (nicht gezeigt), die in dem Sensorelement 12 ausgebildet sind, und den Verbinder 24 und Anschlussdrähte 54 in der 1 mit Elektroden verbunden.
In dieser Ausführungsform sind die Anschlusselemente 18, die sich nach hinten erstrecken, elektrisch mit Elementkontaktstellen 200 verbunden, die an dem hinteren Endabschnitt des Sensorelements 12 freiliegen. Das Keramikgehäuse 16 ist um den hinteren Endabschnitt des Sensorelements 12 bereitgestellt. Die Anschlusselemente 18 sind zwischen den Elementkontaktstellen 200 und dem Keramikgehäuse 16 eingepasst, wodurch die Elementkontaktstellen 200 des Sensorelements 12 und die Anschlusselemente 18 eingepresst (gequetscht) und dann elektrisch miteinander verbunden werden. D.h., das Keramikgehäuse 16 ist mit den Anschlusselementen 18 versehen, die elektrisch mit dem Sensorelement 12 verbunden sind, und hält den hinteren Endabschnitt des Sensorelements 12. Wie es in der 3 gezeigt ist, umfassen die Elementkontaktstellen 200 eine erste Elementkontaktstelle 200a, eine zweite Elementkontaktstelle 200b, eine dritte Elementkontaktstelle 200c, eine vierte Elementkontaktstelle 200d und eine fünfte Elementkontaktstelle 200e. Wie es in der 3 gezeigt ist, umfassen die Anschlusselemente 18 ferner ein erstes Anschlusselement 18a, ein zweites Anschlusselement 18b, ein drittes Anschlusselement 18c und ein viertes Anschlusselement 18d.
Die hinteren Enden der Anschlusselemente 18 erstrecken sich nach hinten über den hinteren Abschnitt des Keramikgehäuses 16 hinaus und werden durch Löten, usw., mit den Anschlussdrähten 54 elektrisch verbunden, die in das elastische Isolierelement 56 eingesetzt sind. In dem elastischen Isolierelement 56 ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 202 entlang der axialen Richtung des Sensorelements 12 ausgebildet. Die Anschlussdrähte 54 werden durch die Durchgangslöcher 202 eingesetzt und die Anschlusselemente 18, die sich von dem Sensorelement 12 erstrecken, und die Anschlussdrähte 54 werden durch Löten, usw., elektrisch verbunden.
Insbesondere umfasst, wie es in der 3 gezeigt ist, der Gassensor 10 dieser Ausführungsform die vier Anschlusselemente 18 (erstes bis viertes Anschlusselement 18a bis 18d) auf der Innenseite des Keramikgehäuses 16, das sich entlang der Vorne-hinten-Richtung innerhalb des äußeren Rohrs 34 erstreckt.
Das Keramikgehäuse 16 umfasst zwei Keramikteile (einen ersten Keramikteil 16a und einen zweiten Keramikteil 16b), die einwärts aufeinander zu gerichtet sind, und weitere zwei Keramikteile (einen dritten Keramikteil 16c und einen vierten Keramikteil 16d), die einwärts aufeinander zu gerichtet sind. Das erste Anschlusselement 18a und das zweite Anschlusselement 18b sind jeweils auf den zwei Keramikteilen bereitgestellt. Ferner sind das dritte Anschlusselement 18c und das vierte Anschlusselement 18d jeweils auf den weiteren zwei Keramikteilen bereitgestellt.
Der erste Keramikteil 16a und der zweite Keramikteil 16b sowie der dritte Keramikteil 16c und der vierte Keramikteil 16d sind derart in dem Gehäuse 16 bereitgestellt, dass sie aufeinander zu gerichtet sind.
Ferner ist ein erstes Kontaktelement 20a auf einer Hauptoberfläche des ersten Anschlusselements 18a bereitgestellt (einer Oberfläche, die auf das dritte Anschlusselement 18c gerichtet ist), wobei eine erste Positionierungsschicht 210a dazwischen angeordnet ist. Insbesondere ist das erste Kontaktelement 20a an einer Position angeordnet, die auf die erste Elementkontaktstelle 200a gerichtet ist, die auf einer Hauptoberfläche des Sensorelements 12 ausgebildet ist. Ein zweites Kontaktelement 20b ist auf einer Hauptoberfläche des zweiten Anschlusselements 18b bereitgestellt (einer Oberfläche, die auf das vierte Anschlusselement 18d gerichtet ist), wobei eine zweite Positionierungsschicht 210b dazwischen angeordnet ist. Insbesondere ist das zweite Kontaktelement 20b an einer Position angeordnet, die auf die zweite Elementkontaktstelle 200b gerichtet ist, die auf der einen Hauptoberfläche des Sensorelements 12 ausgebildet ist.
Entsprechend ist ein drittes Kontaktelement 20c auf einer Hauptoberfläche des dritten Anschlusselements 18c ausgebildet (einer Oberfläche, die auf das erste Anschlusselement 18a gerichtet ist), wobei eine dritte Positionierungsschicht 210c dazwischen angeordnet ist. Insbesondere ist das dritte Kontaktelement 20c an einer Position angeordnet, die auf die dritte Elementkontaktstelle 200c gerichtet ist, die auf der anderen Hauptoberfläche des Sensorelements 12 ausgebildet ist, beispielsweise auf der linken Seite. Ein viertes Kontaktelement 20d ist auf einer Hauptoberfläche des vierten Anschlusselements 18d ausgebildet (einer Oberfläche, die auf das zweite Anschlusselement 18b gerichtet ist), wobei eine vierte Positionierungsschicht 210d dazwischen angeordnet ist. Insbesondere ist das vierte Kontaktelement 20d an einer Position angeordnet, die auf die vierte Elementkontaktstelle 200d gerichtet ist, die auf der anderen Hauptoberfläche des Sensorelements 12 ausgebildet ist.
Ferner ist ein fünftes Kontaktelement 20e zwischen dem ersten Anschlusselement 18a und dem zweiten Anschlusselement 18b bereitgestellt. Eine Breite We des fünften Kontaktelements 20e, ausschließlich eine Breite Wt von dessen Endabschnitt 20t, ist etwa das Doppelte der Breiten Wa bis Wd des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d. Andererseits ist die Breite Wt des Endabschnitts 20t geringer ausgebildet als die Breiten Wa bis Wd des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d. Das fünfte Kontaktelement 20e ist so positioniert, dass der Endabschnitt 20t auf die fünfte Elementkontaktstelle 200e gerichtet ist, die auf der einen Hauptoberfläche des Sensorelements 12 ausgebildet ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Breite Wt des Endabschnitts 20t des fünften Kontaktelements 20e größer als oder gleich 40 % und kleiner als oder gleich 90 % der Breiten Wa bis Wd der äußeren Kontaktelemente (erstes bis viertes Kontaktelement 20a bis 20d) ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Verhältnis der Breite Wt des Endabschnitts 20t des fünften Kontaktelements 20e zu einer Breite W des Sensorelements 12 (Wt/W) größer als oder gleich 10,6 % und kleiner als oder gleich 27,3 % ist.
Ferner ist in dieser Ausführungsform eine äußere Endoberfläche 21a des ersten Kontaktelements 20a so positioniert, dass sie von einer Endoberfläche 12a des Sensorelements 12 um eine erste Distanz ga (Vorwölbungsbreite) verschoben ist. D.h., das erste Kontaktelement 20a ragt über die eine Endoberfläche 12a des Sensorelements 12 um die erste Distanz ga auswärts vor. Ferner ist eine äußere Endoberfläche 21b des zweiten Kontaktelements 20b so positioniert, dass sie von der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 um eine zweite Distanz gb (Vorwölbungsbreite) verschoben ist. D.h., das zweite Kontaktelement 20b ragt über die andere Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 um die zweite Distanz gb auswärts vor.
In der gleichen Weise ist eine äußere Endoberfläche 21c des dritten Kontaktelements 20c so positioniert, dass sie von der einen Endoberfläche 12a des Sensorelements 12 um eine dritte Distanz gc (Vorwölbungsbreite) verschoben ist. D.h., das dritte Kontaktelement 20c ragt über die eine Endoberfläche 12a des Sensorelements 12 um die dritte Distanz gc auswärts vor. Ferner ist eine äußere Endoberfläche 21d des vierten Kontaktelements 20d so positioniert, dass sie von der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 um eine vierte Distanz gd (Vorwölbungsbreite) verschoben ist. D.h., das vierte Kontaktelement 20d ragt über die andere Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 um die vierte Distanz gd auswärts vor.
Nachstehend wird ein Beispiel eines Experiments beschrieben. In dem Beispiel des Experiments wurden Gassensoren der Beispiele 1 bis 7 und Gassensoren der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 hergestellt und jeder Gassensor wurde einem Erwärmungs- und Schwingungstest unterzogen, um das Vorliegen/Fehlen eines Kurzschlusses mittels einer Signalüberwachung und ein Vorliegen/Fehlen von Anomalien der Kontaktelemente zu prüfen.
Der Erwärmungs- und Schwingungstest wurde bei den folgenden Bedingungen durchgeführt, wobei jeder Gassensor an einer Abgasleitung eines Propanbrenners angebracht war, der an einem Schwingungstestgerät angebracht war.
Gastemperatur: 900 °C
Schwingungsbedingung: 30-minütiger Durchlauf von 50 Hz → 100 Hz → 150 Hz → 250 Hz
Beschleunigung: 30 G, 40 G, 50 G
Testzeit: 150 Stunden
[Beurteilungsverfahren]
Beurteilung 1: Das Vorliegen/Fehlen einer Signalvariation aufgrund eines Kontaktversagens während des Erwärmungs- und Schwingungs-Tests wurde geprüft. In diesem Fall wurde die Beurteilung, dass das Sensorsignal aufgrund eines Kontaktversagens gestört war, vorgenommen, wenn das Sensorsignal verglichen mit dem stabilen Zustand des Sensorsignals über 10 % gestört war.
Die Kriterien der Beurteilung 1 wurden wie folgt festgelegt.

A: Während des Erwärmungs- und Schwingungs-Tests wurde keine Störung des Sensorsignals (Ip2) aufgrund eines Kontaktversagens festgestellt
B: Während des Erwärmungs- und Schwingungs-Tests wurde eine Störung des Sensorsignals (Ip2) aufgrund eines Kontaktversagens festgestellt

Beurteilung 2: Das Vorliegen/Fehlen von Anomalien von Kontaktelementen nach dem Erwärmungs- und Schwingungs-Test wurde geprüft. Die Kriterien der Beurteilung 2 wurden wie folgt festgelegt.

A: Keine Kontaktanomalie
B: Eine Kontaktanomalie lag vor

[Beispiel 1]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite (ga, gb, gc, gd) von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite (Wa, Wb, Wc, Wd) des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 5 %.
[Beispiel 2]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 10 %.
[Beispiel 3]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 15 %.
[Beispiel 4]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 20 %.
[Beispiel 5]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 25 %.
[Beispiel 6]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 30 %.
[Beispiel 7]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 35 %.
[Vergleichsbeispiel 1]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 0 %. D.h., das erste bis vierte Kontaktelement 20a bis 20d ragen nicht von dem Sensorelement 12 vor.
[Vergleichsbeispiel 2]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 40 %.
[Vergleichsbeispiel 3]
Das Verhältnis jeder Vorwölbungsbreite von der einen Endoberfläche 12a und der anderen Endoberfläche 12b des Sensorelements 12 zu der entsprechenden Breite des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d beträgt 50 %.
Die Tabelle 1 von 4 zeigt die Bewertungsergebnisse und Details der Beispiele 1 bis 7 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3.
Die Ergebnisse in der Tabelle 1 zeigen folgendes. D.h., es ist bevorzugt, dass die äußeren Endoberflächen des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d von den Endoberflächen des Sensorelements 12 vorragen. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis der Vorwölbungsbreiten (ga, gb, gc, gd) zu den Breiten (Wa, Wb, Wc, Wd) des ersten bis vierten Kontaktelements 20a bis 20d größer als oder gleich 5 % und kleiner als oder gleich 35 % ist.
[Erfindung, die sich aus den Ausführungsformen ergibt]
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können wie folgt zusammengefasst werden.
[1] Ein Gassensor 10 gemäß der Ausführungsform umfasst: Ein Sensorelement 12; eine Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e), die auf einem hinteren Endabschnitt des Sensorelements (12) ausgebildet sind; und eine Mehrzahl von Kontaktelementen (20a bis 20e), die zum Halten des hinteren Endabschnitts des Sensorelements 12 und zum jeweiligen elektrischen Verbinden mit der Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e) ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl von Kontaktelementen Kontaktelemente (20a bis 20d) umfasst, die jeweils eine äußere Endoberfläche aufweisen, die von einer entsprechenden Endoberfläche von Endoberflächen des Sensorelements 12 vorragt.
Gemäß dem vorstehend genannten Aufbau ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Ablösen an den Grenzflächen zwischen der Mehrzahl von Kontaktelementen (20a bis 20e) und der Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e) auftritt, was das Auftreten eines Kontaktversagens vermindert. Da ferner die Mehrzahl von Kontaktelementen (20a bis 20d) so ausgebildet ist, dass deren jeweiligen äußeren Endoberflächen auswärts vorragen, kann die Breite des Sensorelements 12 vermindert werden, während geeignete Distanzen zwischen angrenzenden Kontaktelementen aufrechterhalten werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit der Kontakte beibehalten werden, während die Kosten gesenkt werden.
[2] In der Ausführungsform ist das Verhältnis der Vorwölbungsbreite (ga, gb, gc, gd) jedes der Kontaktelemente (20a bis 20d), die von einer Endoberfläche (12a) und der weiteren Endoberfläche (12b) des Sensorelements (12) vorragen, zu einer Breite (Wa, Wb, Wc, Wd) des entsprechenden Kontaktelements der Kontaktelemente (20a bis 20d) größer als oder gleich 5 % und kleiner als oder gleich 35 %. In diesem Fall ist es weniger wahrscheinlich, dass Kontaktanomalien auftreten.
In diesem Fall tritt eine Störung des Sensorsignals aufgrund eines Kontaktversagens kaum auf und es ist auch weniger wahrscheinlich, dass eine Kontaktanomalie auftritt.
[3] In der Ausführungsform weist bei der Mehrzahl von Kontaktelementen mindestens ein Kontaktelement eine geringere Breite auf.
Der vorstehende Aufbau vergrößert die Abstände (Distanzen) zwischen den angrenzenden Kontaktelementen und trägt folglich dazu bei, das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Ferner vermindert die Verminderung der Breite des Kontaktelements die Menge des Materials, das zur Bildung der Elementkontaktstelle verwendet wird, wie z.B. Pt (Platin), was zu einer Kostensenkung führt.
Implementierungen der vorliegenden Erfindung können mit verschiedenen Einrichtungen versehen werden, um die Zuverlässigkeit als Kraftfahrzeugkomponente zu verbessern, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Gassensor (10), umfassend: ein Sensorelement (12); eine Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e), die auf einem hinteren Endabschnitt des Sensorelements (12) ausgebildet sind; und eine Mehrzahl von Kontaktelementen (20a bis 20e), die zum Halten des hinteren Endabschnitts des Sensorelements (12) und zum jeweiligen elektrischen Verbinden mit der Mehrzahl von Elementkontaktstellen (200a bis 200e) ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl von Kontaktelementen Kontaktelemente (20a bis 20d) umfasst, die jeweils eine äußere Endoberfläche aufweisen, die von einer entsprechenden Endoberfläche von Endoberflächen des Sensorelements (12) vorragt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer Vorwölbungsbreite jedes Kontaktelements der Kontaktelemente, die von einer Endoberfläche und einer weiteren Endoberfläche des Sensorelements vorragen, zu einer Breite eines entsprechenden Kontaktelements der Kontaktelemente größer als oder gleich 5 % und kleiner als oder gleich 35 % ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Kontaktelement der Mehrzahl von Kontaktelementen eine geringere Breite (Wt) aufweist.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei die Breite (Wt) des mindestens einen Kontaktelements (20e) größer als oder gleich 40 % und kleiner als oder gleich 90 % einer Breite (Wa bis Wd) von weiteren Kontaktelementen der Mehrzahl von Kontaktelementen ist.
Gassensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Verhältnis (Wt/W) der Breite (Wt) des mindestens einen Kontaktelements (20e) zu einer Breite (W) des Sensorelements (12) größer als oder gleich 10,6 % und kleiner als oder gleich 27,3 % ist.