DE102020109704A1

DE102020109704A1 - Sensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE102020109704A1
Application number: DE102020109704.2A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Furuta; Kentaro Kamada; Akinori Kojima; Satoshi Yamahara; Akihiro Hara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US11867659B2; US20200340940A1

Abstract

Ein Sensorelement umfasst: Eine Messkammer 150; eine Pumpzelle 110, die ein Festkörperelektrolyt 111, eine innere Elektrode 113, die der Messkammer ausgesetzt ist und eine äußere Elektrode 112 umfasst, wobei die Pumpzelle dazu konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration in der Messkammer anzupassen; einen Diffusionswiderstandsabschnitt 151; und eine Erfassungszelle 120, die dazu konfiguriert ist eine Konzentration eines spezifischen Gases, nach der Anpassung der Sauerstoffkonzentration, in dem Messzielgas zu messen. Die äußere Elektrode ist mit einer porösen Schicht 114 bedeckt und ist in einem Hohlraum 10G angeordnet, umgeben von einer gasundurchlässigen Schicht 115, 118. Der Hohlraum ist mit einem Lufteinführungsloch 10h in Verbindung, das auf einer in Bezug auf den Diffusionswiderstandsabschnitt rückwärtigen Seite geöffnet ist. Die äußere Elektrode ist über die poröse Schicht der durch das Lufteinführungslochs eingeführten Luft ausgesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor, die eine Pumpzelle umfassen, die zum Beispiel in geeigneter Weise dazu genutzt werden, die Konzentration eines spezifischen Gases zu erfassen, das in einem Verbrennungsgas oder Abgas von Brennern oder Verbrennungsmotoren usw. enthalten ist.
Heutzutage hat ein Gassensor zur Erfassung der Konzentration einer spezifischen Komponente (Sauerstoff, NOx usw.) in Abgas eines Verbrennungsmotors weite Verbreitung (Patentdokumente 1, 2). Beispielsweise weist ein gewöhnlicher NOx-Sensor, wie er in 9 gezeigt ist, ein Sensorelement auf, das eine Sauerstoffpumpzelle 1400 umfasst. Die Sauerstoffpumpzelle 1400 weist ein Paar von inneren Elektroden 1080 und eine äußere Elektrode 1100 auf, die auf beiden Oberflächen einer Festkörperelektrolytschicht 1090 ausgebildet sind. Die innere Elektrode 1080 liegt in einer Messkammer 1070 offen, die in einer Stapelrichtung an die Festkörperelektrolytschicht 1090 angrenzt. Derweil zeigt die äußere Elektrode nach außen und pumpt Sauerstoff von außen in das Abgas hinein oder aus dem Abgas heraus nach außen. Eine Spannung (Vp-Spannung) wird an die Sauerstoffpumpzelle 1400 derart angelegt, dass die Ausgangsspannung (elektromotorische Kraft), die der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in der Messkammer 1070 entspricht, konstant wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 1070 in einem Bereich gesteuert wird, dass sich das NOx nicht zersetzt.

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2012-173146
Patentdokument 2: Japanisches Patent Nr. 4966266

Allerdings besteht für den Fall des Sensorelements, wie in 9 gezeigt, ein Problem, dass, wenn sich die Sauerstoffatmosphäre im Messzielgas geändert hat, ein transienter Störstrom in die Sauerstoffpumpzelle 1400 fließt, der Schwierigkeiten bei der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 1070 bewirkt.
Das heißt, wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas zur fetten Seite geändert hat, wird die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 1070 auch fett und normalerweise nimmt der Pumpstrom Ip, der in die Sauerstoffpumpzelle 1400 fließt, auch ab, wie von der durchgezogenen Linie C1 in 10 angezeigt.
Da das Messzielgas in die Messkammer 1070 über einen Diffusionswiderstandsabschnitt 1200 fließt, braucht es allerdings etwas Zeit, bevor das Messzielgas mit der inneren Elektrode 1080 in der Messkammer 1070 in Kontakt kommt, und die Atmosphäre in der Messkammer 1070 bleibt einige Zeit mager. Da die äußere Elektrode 1100 nach außen zeigt, kommt währenddessen fettes Messzielgas in Kontakt mit der äußeren Elektrode 1100, bevor das Messzielgas in Kontakt mit der inneren Elektrode 1080 kommt. Das heißt, die Seite der inneren Elektrode 1080 in der Messkammer 1070 wird in Vergleich mit der Seite der äußeren Elektrode 1100 mager.
Als ein Ergebnis wird eine elektromotorische Kraft Ef, wie durch den Pfeil in 9 angezeigt, in der Sauerstoffpumpzelle 1400 erzeugt, wobei ein transienter Störstrom fließt, wodurch sie eine Störspitze, wie durch die gestrichelte Linie C2 in 10 dargestellt, erzeugt.
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement und einen Gassensor bereitzustellen, in dem ein Störstrom in einer Pumpzelle unterdrückt wird, der erzeugt wird, wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas geändert hat und eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration unterdrückt wird.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, ist ein Sensorelement der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement vom Stapeltyp, das sich in eine Achsenrichtung desselben erstreckt, und umfasst: eine Messkammer; eine Pumpzelle, umfassend ein Festkörperelektrolyt, eine innere Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festkörperelektrolyts ausgebildet ist und der Messkammer ausgesetzt ist, und eine äußere Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festkörperelektrolyts ausgebildet ist und außerhalb der Messkammer angeordnet ist, wobei die Pumpzelle dazu konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Messkammer durch Hineinpumpen und Herauspumpen von Sauerstoff in ein Messzielgas einzustellen, das in die Messkammer eingeführt wird; einen Diffusionswiderstandsabschnitt, der zwischen dem Äußeren und der Messkammer angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, eine Diffusionsrate des Messzielgases, das in die Messkammer eingeführt wird, einzustellen; und eine Erfassungszelle, die dazu konfiguriert ist, eine Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messzielgas nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration zu messen. Die äußere Elektrode ist von einer porösen Schicht bedeckt und ist in einem Hohlraum angeordnet, der von einer dichten Schicht umgeben ist, die eine gasundurchlässige Eigenschaft aufweist und die verhindert, dass die äußere Elektrode mit dem Messzielgas in Berührung kommt. Der Hohlraum steht mit einem Lufteinführungsloch in Verbindung, das auf einer in Bezug auf den Diffusionswiderstandsabschnitt rückwärtigen Seite geöffnet ist. Die äußere Elektrode ist über die poröse Schicht Luft ausgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch eingeführt wird.
In diesem Sensorelement wird verhindert, dass die äußere Elektrode mit dem Messzielgas in Kontakt kommt, indem sie in dem Hohlraum angeordnet ist, der von der dichten Schicht umgeben ist, und sie wird Luft ausgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch eingeführt wird, das auf der in Bezug auf den Diffusionswiderstandsabschnitt rückwärtigen Seite liegt.
Demzufolge nutzt die äußere Elektrode immer Luft als die Referenzatmosphäre. Daher wird, selbst wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas geändert hat, die Atmosphäre an der äußeren Elektrode konstant gehalten, der Störstrom in der Pumpzelle aufgrund der Änderung der Sauerstoffatmosphäre im Messzielgas wird unterdrückt und es fließt ein normaler Pumpstrom, der der Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas entspricht, das durch den Diffusionswiderstandsabschnitt in die Messkammer eingeführt wird. Demzufolge kann eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle unterdrückt werden. Zusätzlich kann das Elektrodenmaterial der äußeren Elektrode, das ein Edelmetall (z. B. Pt) als ein Hauptmaterial aufweist, während des Betriebs des Sensors von einer Sublimation abgehalten werden, da die äußere Elektrode mit der porösen Schicht bedeckt ist.
Bei dem Sensorelement kann, bei Betrachtung in Stapelrichtung, ein Heizelement auf einer der dichten Schicht gegenüberliegenden Seite gestapelt sein.
Bei diesem Sensorelement wird die Wärme des Heizelements, im Gegensatz zu dem Fall, in dem das Heizelement relativ zum Hohlraum auf der Seite der dichten Schicht (z. B. in der dichten Schicht eingebettet) gestapelt ist, nicht durch den Hohlraum isoliert. Somit kann die Wärme des Heizelements effektiver genutzt werden und diese Konfiguration ist auch für schnelles Aufheizen vorteilhaft.
Bei dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann, bei Betrachtung in einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung und im rechten Winkel zur Richtung der Achse und wenn eine Querschnittsfläche des Hohlraums als W1 definiert wird und eine Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs als W2 definiert wird, ein Verhältnis von (1,5×W1) ≥ W2 ≥ (0,3×W1) erfüllt sein.
Bei diesem Sensorelement ist es möglich, eine Reduktion der Stärke des Sensorelements zu unterdrücken, die durch das Überdimensionieren der Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs bewirkt wird, und es ist möglich eine Hinderung der Einführung von Luft in den Hohlraum zu unterdrücken, die durch das Unterdimensionieren der Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs bewirkt wird.
Bei dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann das Lufteinführungsloch die dichte Schicht durchdringen und an einer Vorderseite in Bezug auf ein rückwärtiges Ende des Sensorelements geöffnet sein.
In diesem Sensorelement kann die Länge von dem Hohlraum zu dem Lufteinführungsloch verkürzt werden, und der Luft, die durch das Lufteinführungsloch eingeführt wird, wird ermöglicht schnell mit der äußeren Elektrode in Kontakt zu kommen.
Bei dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann die äußere Elektrode ein Edelmetall und eine Komponente des Festkörperelektrolyts enthalten. Bei Betrachtung eines Querschnitts der äußeren Elektrode, kann die äußere Elektrode einen Edelmetallbereich, der aus dem Edelmetall besteht, einen Festkörperelektrolytbereich, der aus dem Festkörperelektrolyt besteht, und einen Koexistenzbereich, in dem das Edelmetall und das Festkörperelektrolyt koexistieren, umfassen. Der Koexistenzbereich kann entlang einer Grenze zwischen dem Edelmetallbereich und dem Festkörperelektrolytbereich vorliegen.
Bei diesem Sensorelement kann eine Variation im Elektrodenwiderstand der äußeren Elektrode unterdrückt werden und es kann eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle unterdrückt werden.
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst: Das Sensorelement und eine Metallhülle, die dazu konfiguriert ist, das Sensorelement zu halten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Sensorelement und einen Gassensor zu erhalten, in dem ein Störstrom, der in der Pumpzelle erzeugt wird, wenn sich eine Sauerstoffatmosphäre in einem Messzielgas geändert hat, unterdrückt wird und eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration unterdrückt wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen erläutert.

1 ist eine Schnittansicht entlang der Längsachse eines Gassensors (NOx-Sensor)gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in 2;
4 ist eine Explosionszeichnung einer Umgebung einer Ip1-Zelle (Pumpzelle) des Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C in 2;
6 ist eine Schnittansicht entlang der axialen Linie eines Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7 ist eine Explosionszeichnung einer Umgebung einer Ip1-Zelle (Pumpzelle) des Sensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform;
8 ist eine Schnittansicht entlang der axialen Linie eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform;
9 ist eine Schnittansicht eines Sensorelements umfassend eine konventionelle Sauerstoffpumpzelle; und
10 ist ein Diagramm, das eine Störspitze zeigt, die in einer Sauerstoffpumpzelle erzeugt wird, wenn sich eine Sauerstoffatmosphäre in einem Messzielgas zur fetten Seite geändert hat.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung (Schnittansicht in Längsrichtung entlang einer Achse AX) eines Gassensors (Nox-Sensor) 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform. 3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B (Achse AX) in 2. 4 ist eine perspektivische Explosionszeichnung einer Umgebung einer Ip1 -Zelle (Pumpzelle) des Sensorelements 10. 5 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C (Linie orthogonal zur Achse AX) in 2.
Um von einer „Querrichtung“ des Sensorelements zu unterscheiden, wird die Richtung entlang der Achse AX (die Richtung der Achse) zweckmäßig als die „Längsrichtung“ bezeichnet. Die „Querrichtung“ des Sensorelements ist eine Richtung, die im rechten Winkel auf die „Längsrichtung (die Richtung der Achse)“ steht.
Der Gassensor 1 ist ein NOx-Sensor, der das Sensorelement 10 umfasst, das dazu geeignet ist, die Konzentration eines spezifischen Gases (NOx) in einem Abgas als zu messendes Gas zu erfassen, und ist zur Anwendung an einem Abgasrohr (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors angebracht. Der Gassensor 1 umfasst eine röhrenförmigen Metallhülle 20, welche einen Schraubabschnitt 21 zu Befestigung an einem Abgasrohr aufweist, der an einer festgelegten Position auf der äußeren Oberfläche der Metallhülle 20 ausgebildet ist. Das Sensorelement 10 weist eine längliche Plattenform auf, die sich in die Richtung der Achse AX erstreckt und wird in der Metallhülle 20 gehalten.
Genauer umfasst der Gassensor 1: ein Halteteil 60, das ein Einführungsloch 62 aufweist, in welches einen rückwärtigen Endabschnitt 10k (oberer Endabschnitt in 1) des Sensorelements 10 eingefügt wird und sechs Anschlusselemente werden innen im Halteteil 60 gehalten. In 1 werden nur zwei Anschlusselemente (im Speziellen Anschlusselemente 75, 76) unter den sechs Anschlusselementen gezeigt.
Eine Gesamtzahl von sechs Elektrodenbegrenzungsabschnitten 13 bis 18 (nur die Elektrodenbegrenzungsabschnitte 14, 17 werden in 1 gezeigt), die jeweils in einer Draufsicht eine rechteckige Form aufweisen, sind in dem rückwärtigen Endabschnitt 10k des Sensorelements 10 ausgebildet. Die oben beschriebenen Anschlusselemente sind im elastischen Kontakt mit den Elektrodenbegrenzungsabschnitten 13 bis 18 und sind elektrisch mit ihnen verbunden. Zum Beispiel ist ein Elementkontaktabschnitt 75b des Begrenzungsteils 75 in elastischem Kontakt mit dem Elektrodenbegrenzungsabschnitt 14 und mit diesem elektrisch verbunden. Ein Elementkontaktabschnitt 76b des Begrenzungsteils 76 ist in elastischem Kontakt mit dem Elektrodenbegrenzungsabschnitt 17 und mit diesem elektrisch verbunden.
Ferner sind verschiedene Verbindungskabel 71 elektrisch jeweils mit den sechs Anschlusselementen (Anschlusselemente 75, 76 etc.) verbunden. Wie in 1 gezeigt, wird der Kerndraht des Verbindungskabels 71 von einem Verbindungskabel-Greifabschnitt 77 des Begrenzungsteils 75 gecrimpt und gegriffen. Zudem wird der Kerndraht eines weiteren Verbindungskabels 71 von einem Verbindungskabel-Greifabschnitt 78 des Begrenzungsteils 76 gecrimpt und gegriffen.
Auf einer der Hauptoberflächen des Rück-Endabschnitt 10k des Sensorelements 10 ist ein Lufteinführungsloch 10h (siehe 2) in Bezug auf die Elektrodenbegrenzungsabschnitte 13 bis 15 zur Vorderseite hin geöffnet und in Bezug auf eine später beschriebene Keramikhülle 45 zur Rückseite hin geöffnet. Das Lufteinführungsloch 10h ist in dem Einführungsloch 62 des Halteteils 60 angeordnet. Demzufolge wird Referenzluft, die im Inneren eines später beschriebenen äußeren Gehäuses 51 eingeschlossen ist, durch das Lufteinführungsloch 10h in das Innere des Sensorelements 10 eingeführt.
Die Metallhülle 20 ist ein röhrenförmiges Teil, das ein Durchgangsloch 23 aufweist, das die Metallhülle 20 in Richtung der Achse AX durchbricht. Die Metallhülle 20 weist einen Vorsprungabschnitt 25 auf, der einen Teil des Durchgangslochs 23 bildet, während er in das radial Innere hervorragt. Die Metallhülle 20 hält das Sensorelement 10 in dem Durchgangsloch 23 in einem Zustand, in dem ein Vorder-Endabschnitt 10s des Sensorelements 10 auf die Außenseite (untere Seite in 1) in Bezug auf die Vorderseite der Metallhülle 20 herausragt und der Rück-Endabschnitt 10k des Sensorelements 10 auf die Außenseite (obere Seite in 1) in Bezug auf die Rückseite der Metallhülle 20 herausragt.
Ein ringförmiger Keramikhalter 42, zwei Talkumringe 43, 44, die erhalten werden, indem man Talkumpulver in eine ringförmige Form füllt, und die Keramikhülle 45 sind in dem Durchgangsloch 23 der Metallhülle 20 angeordnet. Genauer gesagt werden, in einem Zustand des Umgebens der Peripherie des Sensorelements 10, der Keramikhalter 42, die Talkumringe 43, 44 und die Keramikhülle 45 in dieser Reihenfolge von der Vorderseite (Seite des unteren Endes in 1) in Richtung der Achse der Metallhülle 20 zur Hinterseite (Seite des oberen Endes in 1) hin in Achsrichtung gestapelt.
Eine Metallschale 41 ist zwischen dem Keramikhalter 42 und dem Vorsprungabschnitt 25 der Metallhülle 20 angeordnet. Ein Crimpring 46 ist zwischen der Keramikhülle 45 und einem Crimpabschnitt 22 der Metallhülle 20 angeordnet. Der Crimpabschnitt 22 der Metallhülle 20 ist derart gecrimpt, dass er die Keramikhülle 45 über den Crimpring 46 zur Vorderseite hin presst.
Ein äußerer Schutz 31 und ein innerer Schutz 32, die jeweils aus Metall (genauer gesagt Edelstahl) gefertigt sind und eine Vielzahl von Löchern aufweisen, sind durch Schweißen an einen Vorder-Endabschnitt 20b der Metallhülle 20 derart angebracht, das sie den vorderen Endabschnitt 10s des Sensorelements 10 bedecken. Indes ist das äußere Gehäuse 51 durch Schweißen an einem rückwärtigen Endabschnitt der Metallhülle 20 angebracht. Das äußere Gehäuse 51 hat eine Röhrenform, die sich in Richtung der Achse AX erstreckt, und umgibt das Sensorelement 10.
Das Halteteil 60 ist aus einem isolierenden Material ausgebildet (im Speziellen Aluminiumoxid)und ist ein röhrenförmiges Teil, das das Einführungsloch 62 aufweist, das das Halteteil 60 in die Richtung der Achse AX durchbricht. Die oben beschriebenen sechs Anschlusselemente (Anschlusselemente 75, 76 etc.) sind in dem Einführungsloch 62 angeordnet (siehe 1). Ein Flanschabschnitt 65, der in Richtung des radial Äußeren hervorragt, ist an einem hinteren Endabschnitt des Halteteils 60 ausgebildet. Das Halteteil 60 wird durch ein internes Unterstützungsteil 53 derart gehalten, dass der Flanschabschnitt 65 in Kontakt mit dem internen Unterstützungsteil 53 steht. Das interne Unterstützungsteil 53 wird von dem äußeren Gehäuse 51 durch einen Crimpabschnitt 51g gehalten, der erhalten wird, indem ein Abschnitt des äußeren Gehäuses in Richtung des radialen Inneren gecrimpt wird. Ein Isolationsteil 90 ist an einer rückwärtigen Endoberfläche 61 des Halteteils 60 angeordnet. Das Isolationsteil 90 ist aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet (im Speziellen, Aluminiumoxid) und weist eine zylindrische Form auf. Eine Gesamtzahl von sechs Durchgangslöchern 91, die in Richtung der Achse AX durchdringen, sind in dem Isolationsteil 90 ausgebildet. Die Verbindungskabel-Greifabschnitte (Verbindungskabel-Greifabschnitt 77, 78 etc.) der oben beschriebenen Anschlusselemente sind in den Durchgangslöchern 91 angeordnet.
Ein elastisches Dichtteil 73 , das aus Fluorkautschuk ausgebildet ist, ist auf der radialen Innenseite eines rückwärtigen Endöffnungsabschnitt 51c angeordnet, der an einem Endabschnitt (oberer Endabschnitt in 1) in der Richtung der Achse des äußeren Gehäuses 51 positioniert ist. Eine Gesamtzahl von sechs Einführungslöchern 73c, die sich jeweils in Richtung der Achse AX erstrecken und eine zylindrische Form aufweisen, sind in dem elastischen Dichtteil 73 ausgebildet. Die jeweiligen Einführungslöcher 73c sind durch Einführungslochoberflächen 73b (zylindrische Innenwandoberflächen) des elastischen Dichtteils 73 ausgebildet. Jeweils ein Verbindungskabel 71 ist in ein Einführungsloch 73c eingeführt. Jedes Verbindungskabel 71 erstreckt sich zum Äußeren des Gassensors 1 durch das Einführungsloch 73c des elastischen Dichtteils 73. Das Dichtteil 73 ist elastisch und ist als ein Ergebnis dessen, dass der rückwärtige Endöffnungsabschnitt 51c des äußeren Gehäuses in Richtung des radial Inneren gecrimpt wird, durch Druck in die radiale Richtung verformt. Demnach wird jede Einführungslochoberfläche 73b und eine äußere Umgebung 71b eines entsprechenden Verbindungskabels 71 in engen Kontakt miteinander gebracht, wobei die Einführungslochoberfläche 73b und die äußere Umgebung 71b des Verbindungskabels 71 in einer wasserdichten Art und Weise gedichtet sind.
Wie in 3 gezeigt umfasst das Sensorelement 10 hingegen Festkörperelektrolyte 111, 121, 131, die jeweils eine Plattenform aufweisen und Isolatoren 140, 145, die zwischen den Festkörperelektrolyten 111, 121, 131 angeordnet sind. Das Sensorelement 10 ist derart strukturiert, dass diese in eine Stapelrichtung gestapelt sind. Zudem ist in dem Sensorelement 10 ein Heizelement 161 auf der unteren Oberflächenseite des Festkörperelektrolyts 131 gestapelt. Das Heizelement 161 umfasst: Isolatoren 162, 163, die jeweils eine Plattenform aufweisen und aus Aluminiumoxid als ein Hauptmaterial ausgebildet sind und eine Heizstruktur 164 (aus Pt als Hauptmaterial ausgebildet), die dazwischen eingebettet ist.
Die Festkörperelektrolyte 111, 121, 131 sind aus Zirconium ausgebildet, welches ein Festkörperelektrolyt ist und haben eine Sauerstoffionen-Leitfähigkeit. Eine poröse Ip1+ Elektrode 112 ist auf der oberen Oberflächenseite des Festkörperelektrolyts 111 bereitgestellt. Eine poröse Ip1- Elektrode 113 ist auf der unteren Oberflächenseite des Festkörperelektrolyts 111 bereitgestellt. Ferner ist die Oberfläche der Ip+ Elektrode 112 mit einer porösen Schicht 114 bedeckt.
Eine Ip1+ Verbindung 116 ist mit der Ip1+ Elektrode 112 verbunden (siehe 2, 4). Eine Ip1-Verbindung 117 (4) ist mit der Ip1-Elektrode 113 verbunden.
Wie in 4 gezeigt ist eine gasundurchlässige erste dichte Schicht 118, die aus Aluminiumoxid und dergleichen ausgebildet ist und einen Hohlraum 10G darin aufweist, auf den oberen Oberflächen der Ip+ Elektrode 112 und der Ip1 + Verbindung 116 gestapelt. Die poröse Schicht 114 ist von dem Hohlraum 10G exponiert und die Ip1+ Verbindung ist von einem Rahmenabschnitt auf der äußeren Umgebungsseite der ersten dichten Schicht 118 bedeckt.
Der Hohlraum 10g erstreckt sich gerade von der unmittelbaren Nähe der porösen Schicht 114 zu einer Position, an der der Hohlraum 10G in Verbindung mit dem Lufteinführungsloch 10h steht. Die erste dichte Schicht 118 auf der Rückseite des Hohlraums 10G ist mit Durchgangslöchern bereitgestellt, um eine elektrische Verbindung zu den Elektrodenanschlussabschnitten 13 bis 15 bereitzustellen.
Ferner ist eine gasundurchlässige zweite dichte Schicht 115, die aus Aluminiumoxid und dergleichen ausgebildet ist, auf der oberen Oberfläche der ersten dichten Schicht 118 ausgebildet und schließt den Hohlraum 10G ab. Demzufolge ist die Ip1+ Elektrode 112, die von der porösen Schicht 112 bedeckt ist, in dem Hohlraum 10G angeordnet, der von den dichten Schichten 115, 118 umgeben ist, wobei die Ip1+ Elektrode 112 davon abgehalten wird, mit dem Messzielgas in Kontakt zu kommen.
Ein Abschnitt der zweiten dichten Schicht 115, der einen rückwärtigen Endabschnitt des Hohlraums 10G überlappt, ist in einer rechteckigen Form geöffnet, um das Lufteinführungsloch 10h auszubilden, wobei der Hohlraum 10G in Verbindung mit dem Lufteinführungsloch 10h steht. Das Lufteinführungsloch 10h ist auf der Rückseite in Bezug auf einen ersten porösen Körper 151, der später beschrieben wird, geöffnet und kann Luft, nicht das Abgas, einführen. Demzufolge ist die Ip1 + Elektrode 112 über die poröse Schicht 114 der Luft aufgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch 10h eingeführt wurde.
Hier entsprechen die Elektrolyte 111, die Ip1- Elektrode 113 und die Ip+ Elektrode 112 jeweils „Festkörperelektrolyt“, „innerer Elektrode“ und „äußerer Elektrode“ in den Ansprüchen. Eine erste Messkammer 150, die später beschrieben wird, entspricht der „Messkammer“ in den Ansprüchen.
Das Festkörperelektrolyt 111 und die Elektroden 112, 113 bilden eine Ip1-Zelle (Pumpzelle) aus. In Übereinstimmung mit einem Pumpstrom Ip1, der zwischen den Elektroden 112 und 113 zu fließen bewirkt wird, pumpt die Ip1-Zelle 110 Sauerstoff zwischen der Atmosphäre (Luft, im Hohlraum 10G, welche sich von dem Messzielgas außerhalb des Sensorelements 10 unterscheidet), die sich in Kontakt mit der Elektrode 112 befindet und der Atmosphäre (die Atmosphäre in der später beschriebenen ersten Messkammer 150, das heißt, das Messzielgas außerhalb des Sensorelements 10) die sich in Kontakt mit der Elektrode 113 befindet, hinein und heraus (so genanntes Sauerstoffpumpen).
Das Festkörperelektrolyt 121 ist derart angeordnet, um in der Stapelrichtung dem Festkörperelektrolyt 111 gegenüber zu liegen, mit dem Isolator 140 dazwischen. Eine poröse Vs- Elektrode 122 ist auf der oberen Oberflächenseite (obere Oberflächenseite in 2) des Festkörperelektrolyts 121 bereitgestellt. Eine poröse Vs+ Elektrode 123 ist auf der unteren Oberflächenseite (untere Oberflächenseite in 2) des Festkörperelektrolyts 121 bereitgestellt.
Die erste Messkammer 150 als ein interner Raum des Sensorelements 10 ist zwischen dem Festkörperelektrolyt 111 und dem Festkörperelektrolyt 121 ausgebildet. Die erste Messkammer 150 ist ein interner Raum in welchen das Messzielgas (Abgas), das in einer Abgaspassage fließt, zuerst in das Sensorelement 10 eingeführt wird. Die erste Messkammer 150 ist mit dem Äußeren des Sensorelements 10 durch einen ersten porösen Körper (Diffusionswiderstandsabschnitt) 151 (siehe 2 und 4), der eine Gasdurchlässigkeit und Wasserdurchlässigkeit aufweist, verbunden. Der erste poröse Körper 151 ist auf den lateralen Seiten der ersten Messkammer 150 bereitgestellt, um als eine Trennung in Bezug auf die Außenseite des Sensorelements 10 zu dienen und beschränkt den Flussbetrag pro Zeiteinheit (Diffusionsrate) des Abgases in die erste Messkammer 150.
Auf der Rückseite (rechte Seite in 2) der ersten Messkammer 150 ist ein zweiter poröser Körper 152, der den Flussbetrag pro Zeiteinheit des Abgases beschränkt, als eine Trennung zwischen der ersten Messkammer und einer später beschriebenen zweiten Messkammer 160 bereitgestellt.
Das Festkörperelektrolyt 121 und die Elektroden 122, 123 bilden eine Vs-Zelle (Erfassungszelle) 120. Die Vs-Zelle 120 erzeugt eine elektromotorische Kraft in Übereinstimmung mit einer Differenz des Sauerstoffpartialdrucks hauptsächlich zwischen den Atmosphären (die Atmosphäre in der ersten Messkammer 150, die in Kontakt mit der Elektrode 122 steht, und der Atmosphäre in einer Referenzsauerstoffkammer 170, die in Kontakt mit der Elektrode 123 steht),die durch das Festkörperelektrolyt 121 getrennt sind.
Das Festkörperelektrolyt 131 ist derart angeordnet, um in der Stapelrichtung dem Festkörperelektrolyt 121 gegenüber zu liegen, mit dem Isolator 145 dazwischen. Eine poröse Ip2+ Elektrode 132 und eine poröse Ip2- Elektrode 133 sind auf der oberen Oberflächenseite (obere Oberflächenseite in 2) des Festkörperelektrolyts 131 bereitgestellt.
Die Referenzsauerstoffkammer 170 ist ein isolierter kleiner Raum, der zwischen der Ip2+ Elektrode 132 und der Vs+ Elektrode 123 ausgebildet ist. Die Referenzsauerstoffkammer 170 ist durch eine Öffnung 145b in dem Isolator 145 ausgebildet. Ein keramischer, poröser Körper ist auf der Seite der Ip2+ Elektrode in der Referenzsauerstoffkammer 170 angebracht.
Die zweite Messkammer 160 als ein interner Raum des Sensorelements 10 ist an einer Position ausgebildet, die in der Stapelrichtung der Ip2-Elektrode 133 gegenüberliegt. Die zweite Messkammer 160 ist durch eine Öffnung 145c, die den Isolator 145 in Stapelrichtung durchdringt, eine Öffnung 125, die das Festkörperelektrolyt 121 in Stapelrichtung durchdringt und eine Öffnung 141, die den Isolator 140 in die Stapelrichtung durchdringt, ausgebildet.
Die erste Messkammer 150 und die zweite Messkammer 160 sind miteinander durch den zweiten porösen Körper 152, der eine Gasdurchlässigkeit und eine Wasserdurchlässigkeit aufweist, verbunden. Daher ist die zweite Messkammer 160 mit dem Äußeren des Sensorelements 10 durch den ersten porösen Körper 151, der ersten Messkammer 150 und dem zweiten porösen Körper 152 in Verbindung.
Das Festkörperelektrolyt 131 und die Elektroden 132, 133 bilden eine Ip2-Zelle (zweite Pumpzelle) zur Erfassung der NOx-Konzentration. Die Ip2-Zelle 130 bewegt Sauerstoff (Sauerstoffionen), die von NOx herrühren, das in der zweiten Messkammer zersetzt wird, durch das Festkörperelektrolyt 131 zu der Referenzsauerstoffkammer 170. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Strom, der der Konzentration von NOx, das in dem Abgas (dem zu messenden Gas) enthalten ist, das in die zweite Messkammer 160 eingeführt wurde, entspricht, zwischen der Elektrode 132 und der Elektrode 133.
In der vorliegenden Ausführungsform ist eine isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 119 in einem Abschnitt auf der unteren Oberfläche des Festkörperelektrolyts 111 außer der Ip1- Elektrode 113 ausgebildet. Die Ip1- Elektrode 113 steht mit dem Festkörperelektrolyt 111 durch ein Durchgangsloch 119b (siehe 4), das die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 119 in die Stapelrichtung durchdringt, in Kontakt.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform ist eine isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 128 in einem Abschnitt auf der oberen Oberfläche des Festkörperelektrolyts 121 außer der Vs-Elektrode 122 ausgebildet. Die Vs-Elektrode 122 steht mit dem Festkörperelektrolyt 121 durch ein Durchgangsloch (nicht gezeigt) das die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 128 in die Stapelrichtung durchdringt, in Kontakt.
Des Weiteren ist eine isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 129 in einem Abschnitt auf der unteren Oberfläche des Festkörperelektrolyts 121 außer der Vs+ Elektrode 123 ausgebildet. Die Vs+ Elektrode 123 steht mit dem Festkörperelektrolyt 121 durch ein Durchgangsloch (nicht gezeigt) das die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 129 in die Stapelrichtung durchdringt, in Kontakt.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform eine isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 138 in einem Abschnitt auf der oberen Oberfläche des Festkörperelektrolyts 131 außer der Ip2+ Elektrode 132 ausgebildet. Die Ip2+ Elektrode 132 steht mit dem Festkörperelektrolyt 131 durch ein Durchgangsloch (nicht gezeigt), das die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 138 in die Stapelrichtung durchbricht, in Kontakt. Des Weiteren ist die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 138 auch in einem Abschnitt auf der oberen Oberfläche des Festkörperelektrolyts 131 außer der Ip2- Elektrode 133, ausgebildet. Die Elektrode 133 steht mit dem Festkörperelektrolyt 131 über ein Durchgangsloch (nicht gezeigt) in Kontakt, das die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid 138 in die Stapelrichtung durchbricht.
Hier wird die Erfassung der NOx-Konzentration, die durch den Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, kurz beschrieben.
Die Festkörperelektrolyte 111, 121, 131 des Sensorelements 10 sind in Zusammenhang mit einem Anstieg der Temperatur der Heizstruktur 164 aufgeheizt und sind aktiviert. Demzufolge arbeiten die Ip1-Zelle 110, die Vs-Zelle 120 und die Ip2-Zelle 130.
Das Abgas, das in der Abgaspassage (nicht gezeigt) fließt, wird in die erste Messkammer 150 eingeführt, wobei der Flussbetrag davon durch den ersten porösen Körper 151 beschränkt wird. Zu diesem Zeitpunkt fließt in der Vs-Zelle 120 ein schwacher Strom Icp von der Seite der Elektrode 123 zu der Seite der Elektrode 122. Daher kann Sauerstoff in dem Abgas Elektronen von der Elektrode 122 in der ersten Messkammer 150 erhalten, die als die negative Elektrodenseite dient, fließt in der Form von Sauerstoffionen in das Festkörperelektrolyt 121 und bewegt sich in die Referenzsauerstoffkammer 170. Das heißt, als ein Ergebnis des Stroms Icp, der zwischen den Elektroden 122 und 123 fließt, wird Sauerstoff in der ersten Messkammer 150 in die Referenzsauerstoffkammer 170 gesendet.
Wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases, das in die erste Messkammer 150 eingeführt wird, niedriger als ein eingestellter Wert ist, wird bewirkt, dass ein Strom Ip1 in der Ip1-Zelle 110 derart fließt, dass die Elektrode 112 als die negative Elektrode dient, wodurch Sauerstoff von außerhalb des Sensorelements 10 in die erste Messkammer 150 gepumpt wird. Hingegen, wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases, das in die erste Messkammer 150 eingeführt wird, höher als ein eingestellter Wert ist, wird bewirkt, dass ein Strom Ip1 in der Ip1-Zelle 110 derart fließt, dass die Elektrode 113 als die negative Elektrode dient, wobei Sauerstoff aus der Messkammer 150 zu der Außenseite des Sensorelements 10 gepumpt wird.
Auf diese Weise wird das Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 150 angepasst wurde durch den zweiten porösen Körper 152 in die zweite Messkammer 160 eingeführt. NOx in dem Abgas, das mit der Elektrode 133 in der zweiten Messkammer 160 in Kontakt gekommen ist, wird auf der Elektrode 133 in Stickstoff und Sauerstoff zersetzt (reduziert), wenn eine Spannung Vp2 zwischen den Elektroden 132 und 133 angelegt wird. Der zersetzte Sauerstoff fließt in Form von Sauerstoffionen in das Festkörperelektrolyt 131 und bewegt sich in die Referenzsauerstoffkammer 170. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich verbleibender Sauerstoff in der ersten Messkammer 150, der noch nicht herausgepumpt wurde, auf ähnliche Weise durch die Ip2-Zelle 130 in die Referenzsauerstoffkammer 170. Demzufolge fließt in der Ip2-Zelle 130 ein Strom, der von NOx herrührt und ein Strom, der von dem verbleibenden Sauerstoff herrührt. Der Sauerstoff, der sich in die Referenzsauerstoffkammer 170 bewegt hat, wird nach Außen (Luft) freigesetzt, und zwar über die Vs+ Elektrode 123 und ein Vs-Anschluss und die Ip2+ Elektrode 132 und einen Ip2+ Anschluss, welche in Kontakt mit dem Inneren der Referenzsauerstoffkammer 170 steht. Daher sind der Vs+ Anschluss und der Ip2+ Anschluss porös konfiguriert.
Hier ist die Konzentration des verbleibenden Sauerstoffs, welcher noch nicht in der ersten Messkammer 150 herausgepumpt wurde auf einen eingestellten Wert wie oben beschrieben angepasst. Daher kann der Strom, der von dem verbleibenden Sauerstoff abgeleitet ist, als im Wesentlichen konstant angesehen werden und hat damit weniger wahrscheinlich einen Einfluss auf eine Änderung des Stroms, der von NOx abgeleitet ist. Demzufolge kann die NOx-Konzentration in dem Abgas auf der Basis des Stromwerts erfasst werden, wenn ein Strom Ip2 in der Ip2-Zelle 130 erfasst wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Ip1+ Elektrode davon abgehalten, mit dem Messzielgas in Berührung zu kommen, indem sie in dem Hohlraum 10G angeordnet ist, der von den dichten Schichten 115, 118 umgeben ist, und wird Luft ausgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch 10h eingeführt wird.
Demzufolge nutzt die Ip1+ Elektrode 112 immer Luft als die Referenzatmosphäre. Daher wird die Atmosphäre an der Ip1+ Elektrode konstant gehalten, selbst wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas geändert hat, ein Störstrom (gestrichelte Linie C2 in 10) in der Pumpzelle aufgrund der Änderung der Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas wird unterdrückt und ein normaler Pumpstrom (durchgezogene Linie C1 in 10) fließt, der der Sauerstoffkonzentration in dem Messzielgas entspricht, das durch den ersten porösen Körper 151 in die erste Messkammer 150 eingeführt wird. Daher kann eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle unterdrückt werden.
Da die Ip1+ Elektrode durch die poröse Schicht 114 bedeckt ist, ist das Elektrodenmaterial der Ip1+ Elektrode 112, das ein Edelmetall (z.B. Pt) als ein Hauptmaterial aufweist, zusätzlich davon abgehalten, während des Betriebs des Sensors zu sublimieren.
In der vorliegenden Ausführungsform, bei Betrachtung in Stapelrichtung, ist das Heizelement 161 auf der Seite (der Seite der Pumpzelle 110 relativ zu dem Hohlraum 10G) gegenüber der dichten Schichten 115, 118 gestapelt.
Demzufolge ist im Gegensatz zu dem Fall, dass das Heizelement auf der Seite der dichten Schichten 115, 118 relativ zu dem Hohlraum 10G gestapelt ist (z. B. in die dichte Schicht 115 eingebettet), Wärme von dem Heizelement 161 nicht durch den Hohlraum 10G isoliert. Daher kann die Wärme des Heizelements 161 effektiver genutzt werden und diese Konfiguration ist auch vorteilhaft für schnelles Aufheizen.
In der vorliegenden Ausführungsform durchdringt das Lufteinführungsloch 10h die dichten Schichten 115, 118 und ist auf der Vorderseite relativ zu dem rückwärtigen Ende des Sensorelements 10 geöffnet.
Demzufolge kann die Länge von dem Hohlraum 10G zu dem Lufteinführungsloch 10h verkürzt werden und Luft, die durch das Lufteinführungsloch 10h eingeführt wird, kann schnell mit der Ip1+ Elektrode 112 in Kontakt kommen.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Ip1+ Elektrode 112 ein Edelmetall und eine Komponente des Festkörperelektrolyts 111. Wenn ein Querschnitt der Ip1+ Elektrode 112 betrachtet wird, umfasst die Ip1+ Elektrode 112 einen Edelmetallbereich, der aus dem Edelmetall besteht, einen Festkörperelektrolytbereich, der aus der Komponente des Festkörperelektrolyts 111 besteht und einen Koexistenzbereich, in dem das Edelmetall und die Komponente des Festkörperelektrolyts 111 koexistieren. Der Koexistenzbereich liegt entlang der Grenze zwischen dem Edelmetallbereich und dem Festkörperelektrolytbereich vor.
Demzufolge kann eine Variation in dem Elektrodenwiderstand der Ip1+ Elektrode 112 unterdrückt werden und eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle kann unterdrückt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 5, die das Lufteinführungsloch 10h zeigt, gezeigt, ein Verhältnis von (1,5×W1)≥ W2 ≥ (0,3 × W1 ) erfüllt, wenn die Querschnittsfläche des Hohlraums 10G als W1 definiert ist und die Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs 10h als W2 definiert ist.
Demzufolge ist es möglich eine Reduktion in der Stärke des Sensorelements 10 zu unterdrücken, die durch das Überdimensionieren der Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs 10h bewirkt wird, und es ist möglich, eine Behinderung der Einführung von Luft in den Hohlraum 10G zu unterdrücken, die durch das Unterdimensionieren der Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs 10h bewirkt wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 ein Sensorelement 10B gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Sensorelement 10B gemäß der zweiten Ausführungsform ist dasselbe wie das Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass eine dritte dichte Schicht 118B zwischen der ersten dichten Schicht 118 und einer Kompositschicht bereitgestellt wird, die ein Festkörperelektrolyt 111e (im Speziellen werden das Festkörperelektrolyt 111e und eine isolierende Schicht 111s später beschrieben) umfasst, und Festkörperelektrolyte 111e, 121e, 131e jeweils in isolierende Schichten 111s, 121s, 131s eingebettet sind. Daher werden die Konfigurationen derselben Komponenten nicht beschrieben.
6 ist eine Schnittansicht entlang der Achse AX des Sensorelements 10B gemäß der zweiten Ausführungsform. 7 ist eine Explosionszeichnung einer Umgebung der Ip1-Zelle (Pumpzelle) 110 des Sensorelements 10B.
In der zweiten Ausführungsform ist, wie in 6 und 7 gezeigt, die dritte dichte Schicht 118B zwischen der ersten dichten Schicht 118 und der Kompositschicht bereitgestellt Eine rechteckige Öffnung 118Bh ist auf der Vorderseite der dritten dichten Schicht 118B bereitgestellt.
Eine poröse Schicht 114B ist in die Öffnung 118Bh gefüllt. Die Ip1+ Elektrode 112 ist auf der unteren Oberfläche (die Seite der Ip1+ Elektrode) der porösen Schicht 114B ausgebildet und die Ip1+ Elektrode ragt in Richtung der unteren Seite relativ zu der unteren Oberfläche der dritten dichten Schicht 118B hervor. Der zuvor beschriebene hervorragende Abschnitt der Ip1+ Elektrode 112 ist von dem Festkörperelektrolyt 111e bedeckt.
Daher sind in der zweiten Ausführungsform die Seitenflächen der Ip1+ Elektrode 112 von dem Festkörperelektrolyt 111e umgeben.
Die Festkörperelektrolyte 111e, 121e 131e haben jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form und eine rechteckige Öffnung ist auf der Vorderseite einer jeden der isolierenden Schichten 111s, 121s 131s bereitgestellt. Die Festkörperelektrolyte 111e, 121e 131e sind in den jeweiligen Öffnungen eingebettet.
In der zweiten Ausführungsform wird auch die Ip1+ Elektrode 112 davon abgehalten, mit dem Messzielgas in Kontakt zu kommen, und zwar indem sie in dem Hohlraum 10G angeordnet ist und durch das Festkörperelektrolyt 111e umgeben ist, und wird Luft ausgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch 10h eingeführt wird.
Demzufolge nutzt die Ip1+ Elektrode 112 immer Luft als die Referenzatmosphäre. Daher kann die die Atmosphäre an der Ip1+ Elektrode konstant gehalten werden, selbst wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas geändert hat, ein Störstrom in der Pumpzelle wird unterdrückt und eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle kann unterdrückt werden.
Da die Ip1+ Elektrode 112 von der porösen Schicht 114B bedeckt wird, kann eine Sublimation der Ip1+ Elektrode 112 verhindert werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 8 ein Sensorelement 10C gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Sensorelement 10C gemäß der dritten Ausführungsform ist dasselbe wie das Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass eine poröse Schicht 114C derart ausgebildet ist, dass sie die selbe Dicke aufweist wie die erste dichte Schicht 118. Daher werden die Konfigurationen derselben Komponenten nicht beschrieben.
8 ist eine Schnittansicht entlang der Achse AX des Sensorelements 10C gemäß der dritten Ausführungsform.
In der dritten Ausführungsform gilt für die poröse Schicht 114C, die die Ip1+ Elektrode 112 bedeckt, dass nur die seitliche Oberfläche auf der Rückseite der porösen Schicht 114C zu dem Hohlraum 10G zeigt und Luft ausgesetzt ist (Pfeil in 8).
In der dritten Ausführungsform wird auch die Ip1+ Elektrode 112 davon abgehalten, mit dem Messzielgas in Kontakt zu kommen, und zwar indem sie in dem Hohlraum 10G angeordnet ist und von den dichten Schichten 115, 118 umgeben ist und wird Luft ausgesetzt, die durch das Lufteinführungsloch 10h eingeführt wird.
Demzufolge nutzt die Ip1+ Elektrode 112 immer Luft als die Referenzatmosphäre. Daher kann die Atmosphäre an der Ip1+ Elektrode konstant gehalten werden, selbst wenn sich die Sauerstoffatmosphäre in dem Messzielgas geändert hat, ein Störstrom in der Pumpzelle wird unterdrückt und eine Reduktion in der Genauigkeit der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle kann unterdrückt werden.
Da die Ip1+ Elektrode 112 von der porösen Schicht 114C bedeckt wird, kann eine Sublimation der Ip1+ Elektrode 112 verhindert werden.
Es muss nicht betont werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Equivalente umfasst, die in der Idee und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Der Hohlraum 10G kann von dem rückwärtigen Ende des Sensorelements durchdringen und das Lufteinführungsloch kann an der rückwärtigen Endoberfläche des Sensorelements geöffnet sein.
Die Position des Diffusionswiderstandsabschnitts (erster poröser Körper 151) ist nicht auf die seitlichen Oberflächen des Sensorelements beschränkt und kann an der vorderen Endoberfläche des Sensorelements angeordnet sein.
Jedes Festkörperelektrolyt 111, 121, 131 kann in einer isolierenden Schicht eingebettet sein.
Zusammengefasst kann ein Sensorelement umfassen: eine Messkammer; eine Pumpzelle, die ein Festkörperelektrolyt umfasst, eine innere Elektrode, die der Messkammer ausgesetzt ist und eine äußere Elektrode, wobei die Pumpzelle dazu konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration in der Messkammer anzupassen; einen Diffusionswiderstandsabschnitt und eine Erfassungszelle, die dazu konfiguriert ist, die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messzielgas nach der Anpassung der Sauerstoffkonzentration zu messen. Die äußere Elektrode kann von einer porösen Schicht bedeckt sein. Die äußere Elektrode kann in einem Hohlraum angeordnet sein, der mit einer gasundurchlässigen dichten Schicht umgeben ist. Der Hohlraum kann mit einem Lufteinführungsloch verbunden sein, das auf einer Rückseite relativ zu dem Diffusionswiderstandsabschnitt geöffnet ist. Die äußere Elektrode kann über die poröse Schicht Luft ausgesetzt sein, die durch das Lufteinführungsloch eingeführt wird.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Sensorelement (Gassensor) anwendbar, das eine Pumpzelle und eine Erfassungszelle (zwei oder mehr Zellen) aufweist und ist auf das Nox-Sensorelement (Nox-Sensor) der vorliegenden Erfindung anwendbar. Jedenfalls muss nicht betont werden, dass die vorliegende Erfindung ohne Beschränkung auf diese Anwendungen, auf verschiedene Modifikationen und Equivalente anwendbar ist, die in der Idee und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Sauerstoffsensor (Sauerstoffsensorelement) zu Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einem Messzielgas, einen HC-Sensor (HC-Sensorelement) zur Erfassung der HC-Konzentration und dergleichen angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
10, 10B 10C: Sensorelement
10h: Lufteinführungsloch
10G: Hohlraum
20: Metallhülle
110: Pumpzelle
111, 111e: Festkörperelektrolyt
112: äußere Elektrode
113: innere Elektrode
114, 114B, 114C: poröse Schicht
115, 118, 118B: dichte Schicht
120: Erfassungszelle (Vs-Zelle)
150: Messkammer
151: Diffusionswiderstandsabschnitt (erster poröser Körper)
161: Heizelement
AX: Längsrichtung (Achse)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4966266 [0002]

Claims

Sensorelement vom Stapeltyp, das sich in eine Achse desselben erstreckt, wobei das Sensorelement umfasst: eine Messkammer; eine Pumpzelle mit einem Festkörperelektrolyt, einer innere Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festkörperelektrolyts ausgebildet ist und der Messkammer ausgesetzt ist, und einer äußeren Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festkörperelektrolyts ausgebildet ist und außerhalb der Messkammer angeordnet ist, wobei die Pumpzelle dazu konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Messkammer durch Hineinpumpen und Herauspumpen von Sauerstoff in ein Messzielgas einzustellen, das in die Messkammer eingeführt wird; einen Diffusionswiderstandsabschnitt, der zwischen dem Äußeren und der Messkammer angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, eine Diffusionsrate des Messzielgases, das in die Messkammer eingeführt wird, einzustellen; und eine Erfassungszelle, die dazu konfiguriert ist, eine Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messzielgas nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration zu messen; wobei die äußere Elektrode von einer porösen Schicht bedeckt ist und in einem Hohlraum angeordnet ist, der von einer dichten Schicht umgeben ist, die eine gasundurchlässige Eigenschaft aufweist und die verhindert, dass die äußere Elektrode mit dem Messzielgas in Berührung kommt, und wobei der Hohlraum mit einem Lufteinführungsloch in Verbindung steht, das auf einer in Bezug auf den Diffusionswiderstandsabschnitt rückwärtigen Seite geöffnet ist, und die äußere Elektrode über die poröse Schicht der Luft ausgesetzt ist, die durch das Lufteinführungsloch eingeführt wird.
Sensorelement gemäß Anspruch 1, wobei, bei Betrachtung in Stapelrichtung, ein Heizelement auf einer der dichten Schicht gegenüberliegenden Seite gestapelt ist.
Sensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei, bei Betrachtung in einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung und im rechten Winkel zur Richtung der Achse und wenn eine Querschnittsfläche des Hohlraums als W1 definiert wird und eine Querschnittsfläche des Lufteinführungslochs als W2 definiert wird, ein Verhältnis von (1,5×W1)≥ W2 ≥ (0,3 × W1) erfüllt ist.
Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lufteinführungsloch die dichte Schicht durchdringt und an einer Vorderseite in Bezug auf ein rückwärtiges Ende des Sensorelements geöffnet ist.
Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die äußere Elektrode ein Edelmetall und eine Komponente des Festkörperelektrolyts enthält, wobei, bei Betrachtung eines Querschnitts der äußeren Elektrode, die äußere Elektrode einen Edelmetallbereich, der aus dem Edelmetall besteht, einen Festkörperelektrolytbereich, der aus dem Festkörperelektrolyt besteht, und einen Koexistenzbereich, in dem das Edelmetall und das Festkörperelektrolyt koexistieren, umfasst, und wobei der Koexistenzbereich entlang einer Grenze zwischen dem Edelmetallbereich und dem Festkörperelektrolytbereich vorliegt.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine Metallhülle, die dazu konfiguriert ist, das Sensorelement aufzunehmen.