DE102021123861A1 - Gassensor - Google Patents

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DE102021123861A1
DE102021123861A1 DE102021123861.7A DE102021123861A DE102021123861A1 DE 102021123861 A1 DE102021123861 A1 DE 102021123861A1 DE 102021123861 A DE102021123861 A DE 102021123861A DE 102021123861 A1 DE102021123861 A1 DE 102021123861A1
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gas
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sensor
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Soichiro YOSHIDA
Kosuke Ujihara
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Es wird ein Gassensor bereitgestellt, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass ein Sensorelement bricht, selbst wenn der Gassensor kurz nach dem Anlassen eines Motors gestartet wird. Der Gassensor ist so konfiguriert, dass er eine Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messzielgas misst. Der Gassensor enthält ein Sensorelement. Innerhalb des Sensorelements ist ein innerer Hohlraum ausgebildet, der so konfiguriert ist, dass das Messzielgas aus einem Außenraum eingeführt wird. Das Sensorelement hat in der Draufsicht eine lange Seite und eine kurze Seite. In dem Sensorelement beträgt das Verhältnis der Länge in der Richtung der kurzen Seite eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, zur Länge der kurzen Seite 0,22 oder mehr. Das Sensorelement hat eine Oberseite und eine Unterseite. Das Verhältnis zwischen der Länge des Endabschnitts des inneren Hohlraums nahe der Unterseite zu der Unterseite zu der Dicke des Sensorelements beträgt 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und betrifft insbesondere einen Gassensor, der so konfiguriert ist, dass er die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messgas misst.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Das Japanische Patent Nr. 3860590 offenbart einen Gassensor. Dieser Gassensor ist so konfiguriert, dass er die NOx-Konzentration in einem Messzielgas misst. Dieser Gassensor enthält ein Sensorelement und eine Hauptkomponente des Sensorelements ist ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt.
  • In diesem Sensorelement sind ein erster Hohlraum, der so konfiguriert ist, dass ein Messzielgas aus dem Außenraum eingeführt wird, und ein zweiter Hohlraum, der mit dem ersten Hohlraum verbunden ist, ausgebildet. Innerhalb des zweiten Hohlraums ist eine Erfassungselektrode zur Verwendung bei der Messung der NOx-Konzentration ausgebildet. Im Gassensor wird die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum durch eine Hauptpumpzelle eingestellt, die eine interne Pumpelektrode, die innerhalb des ersten Hohlraums ausgebildet ist, und eine externe Pumpelektrode, die außerhalb des ersten Hohlraums ausgebildet ist, enthält.
  • Das heißt, bei diesem Gassensor wird ein Messzielgas, dessen Sauerstoffpartialdruck niedrig gehalten wird, der Erfassungselektrode zugeführt und die NOx-Konzentration wird auf der Grundlage des Messzielgases gemessen (siehe Japanisches Patent Nr. 3860590 ).
  • Das Japanische Patent Nr. 3860590 ist ein Beispiel für den verwandten Stand der Technik.
  • Gassensoren werden zum Beispiel am Auspuffrohr eines Motors angebracht. In letzter Zeit ist es erforderlich, einen solchen Gassensor bald nach dem Anlassen eines Motors zu starten. Das heißt, es ist erforderlich, die Zeit zur Erhöhung der Temperatur eines Sensorelements vorzuziehen und die Temperatur des Sensorelements nach dem Anlassen eines Motors schnell zu erhöhen.
  • Unmittelbar nach dem Anlassen eines Motors kann sich in einem Auspuffrohr Kondenswasser befinden. Wenn die Zeit zum Erhöhen der Temperatur eines Sensorelements nach dem Anlassen eines Motors vorverlegt wird, kann sich das Kondenswasser mit einer erhöhten Temperatur an dem Sensorelement festsetzen. Wenn beispielsweise die Zeit zur Erhöhung der Temperatur des Sensorelements im Gassensor, der im vorstehend genannten Japanischen Patent Nr. 3860590 offenbart ist, vorverlegt wird, kann die durch die Anlagerung von Kondenswasser an das Sensorelement erzeugte thermische Belastung einen Riss im Sensorelement verursachen.
  • Wenn die Temperatur des Sensorelements im Gassensor, der im vorstehend genannten Japanischen Patent Nr. 3860590 offenbart ist, schnell ansteigt, kann die thermische Belastung, die aus einem schnellen Temperaturanstieg resultiert, einen Riss im Sensorelement verursachen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe davon, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass ein Sensorelement bricht, selbst wenn der Gassensor kurz nach dem Starten eines Motors gestartet wird.
  • Der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass er die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messzielgas misst. Der Gassensor enthält ein Sensorelement. Eine Hauptkomponente des Sensorelements ist ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt. Innerhalb des Sensorelements ist ein innerer Hohlraum ausgebildet, der so konfiguriert ist, dass das Messzielgas aus einem Außenraum eingeführt wird. Das Sensorelement enthält eine Sauerstoffpumpzelle. Die Sauerstoffpumpzelle enthält eine interne Pumpelektrode und eine externe Pumpelektrode. Die interne Pumpelektrode ist innerhalb des inneren Hohlraums ausgebildet. Die externe Pumpelektrode ist in einem anderen Raum als dem inneren Hohlraum ausgebildet. Die Sauerstoffpumpzelle ist so konfiguriert, dass sie durch Anlegen einer Spannung an einem Punkt zwischen der internen Pumpelektrode und der externen Pumpelektrode Sauerstoff aus dem inneren Hohlraum pumpt. Das Sensorelement hat in der Draufsicht eine lange Seite und eine kurze Seite. Das Verhältnis der Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums zur Länge der kurzen Seite beträgt 0,40 oder mehr und 0,55 oder weniger. Das Sensorelement hat eine Oberseite und eine Unterseite. Das Verhältnis der Länge vom Endabschnitt des inneren Hohlraums nahe der Unterseite zur Unterseite zur Dicke des Sensorelements beträgt 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger.
  • Der oder die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich mit der Tatsache befasst, dass ein Riss in Sensorelementen hauptsächlich von dem inneren Hohlraum ausgeht. So haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass ein Riss in einem Sensorelement, der insbesondere aus einem raschen Anstieg der Temperatur resultiert, unterdrückt werden kann, indem in gewissem Umfang eine Länge eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seiten am kürzesten ist, von Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, sichergestellt wird. In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis einer Länge in der Richtung der kurzen Seite eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, zu einer Länge der kurzen Seite 0,22 oder mehr. Da die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, bis zu einem gewissen Grad lang ist, kann bei diesem Gassensor ein Riss im Sensorelement unterdrückt werden, der aus einem sofortigen Anstieg der Temperatur resultiert.
  • Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass ein Riss in einem Sensorelement, der insbesondere aus der Anlagerung von Kondenswasser resultiert, unterdrückt werden kann, indem die Position des inneren Hohlraums nahe der Mitte in Dickenrichtung des Sensorelements angeordnet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Gassensor beträgt das Verhältnis einer Länge vom Endabschnitt des inneren Hohlraums nahe der Unterseite zur Unterseite zur Dicke des Sensorelements 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger. Da die Position des inneren Hohlraums in der Dickenrichtung des Sensorelements bis zu einem gewissen Grad nahe der Mitte liegt, kann bei diesem Gassensor ein Riss im Sensorelement, der durch die Anhaftung von Kondenswasser entsteht, unterdrückt werden. Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass ein Sensorelement reißt, selbst wenn der Gassensor kurz nach dem Anlassen eines Motors gestartet wird.
  • Bei dem Gassensor kann das Verhältnis der Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements 0,40 oder mehr und 0,55 oder weniger betragen.
  • Der oder die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass ein Riss in einem Sensorelement, der insbesondere durch einen raschen Temperaturanstieg entsteht, unterdrückt werden kann, indem die Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums kurz gestaltet wird. Das Verhältnis der Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums zur Länge der kurzen Seite beträgt 0,40 oder mehr und 0,55 oder weniger. Da die Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums bis zu einem gewissen Grad kurz ist, kann bei diesem Gassensor ein Riss im Sensorelement, der durch einen schnellen Temperaturanstieg entsteht, unterdrückt werden.
  • In dem Gassensor kann das Sensorelement weiterhin eine Wärmeerzeugungseinheit enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie Wärme erzeugt, und die Wärmeerzeugungseinheit kann in Richtung der Dicke des Sensorelements näher an der Unterseite als an der Oberseite angeordnet sein.
  • Weiterhin kann in dem Gassensor eine Diffusionssteuereinheit innerhalb des Sensorelements ausgebildet sein, wobei die Diffusionssteuereinheit so konfiguriert sein kann, dass sie einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messzielgas ausübt, das aus dem Außenraum über eine Gaseinführungsöffnung eingeführt wird, wobei die Diffusionssteuereinheit ein Loch enthalten kann, das sich in der Richtung der langen Seite erstreckt und die Gaseinführungsöffnung und den inneren Hohlraum verbindet, und wobei ein Verhältnis einer Länge in der Richtung der kurzen Seite des Lochs zu einer Länge in der Dickenrichtung des Lochs 0,50 oder mehr und 30,00 oder weniger betragen kann.
  • Darüber hinaus kann die Diffusionssteuereinheit in dem Gassensor eine erste Diffusionssteuereinheit und eine zweite Diffusionssteuereinheit enthalten, wobei die erste und die zweite Diffusionssteuereinheit entlang der Richtung der langen Seite angeordnet sein können und eine Querschnittsform in der Dickenrichtung der ersten Diffusionssteuereinheit und eine Querschnittsform in der Dickenrichtung der zweiten Diffusionssteuereinheit voneinander verschieden sein können.
  • Darüber hinaus kann in dem Gassensor eine der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten das Loch enthalten, und die andere der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten kann zwei Schlitze enthalten, die entlang der Dickenrichtung angeordnet sind.
  • Gemäß diesem Gassensor kann die Steifigkeit des Sensorelements erhöht werden, da eine der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten das Loch enthält, und da die andere der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten zwei Schlitze enthält, die entlang der Dickenrichtung angeordnet sind, kann eine Abnahme der Messgenauigkeit bezüglich einer vorbestimmten Gaskomponente, die aus einer Pulsation des Abgasdrucks resultiert, unterdrückt werden. Das heißt, dass es mit diesem Gassensor möglich ist, die Steifigkeit des Sensorelements zu erhöhen und auch eine Abnahme der Messgenauigkeit bezüglich einer vorbestimmten Gaskomponente zu unterdrücken.
  • Darüber hinaus kann in dem Gassensor das Sensorelement ein Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten sein, die externe Pumpelektrode kann von einer beliebigen der Vielzahl von Keramikschichten in dem Sensorelement bedeckt sein, und zwischen der Keramikschicht, die die externe Pumpelektrode bedeckt, und der externen Pumpelektrode kann ein Schlitzabschnitt gebildet werden, der mit dem Außenraum zusammenhängt.
  • Da die externe Pumpelektrode von einer Keramikschicht bedeckt ist, kann bei diesem Gassensor das Eindringen von Flüssigkeit auf die externe Pumpelektrode unterdrückt werden, und da zwischen der Keramikschicht und der externen Pumpelektrode ein Schlitzabschnitt ausgebildet ist, kann Sauerstoff effizient von der externen Pumpelektrode in den Außenraum abgeleitet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass ein Sensorelement bricht, selbst wenn der Gassensor kurz nach dem Anlassen eines Motors gestartet wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors zeigt.
    • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Änderung der Temperaturen eines Sensorelements und dergleichen zeigt.
    • 3 ist eine Ansicht mit einer schematischen Darstellung eines Teils eines Querschnitts des Gassensors gemäß einer Ausführungsform und einer schematischen Darstellung eines Teils eines Querschnitts eines vergleichbaren Gassensors.
    • 4 ist eine Ansicht mit einer schematischen Darstellung eines Teils einer Ebene des Gassensors gemäß der Ausführungsform und einer schematischen Darstellung eines Teils einer Ebene des Vergleichsgassensors.
    • 5 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Querschnitts entlang V-V in 4.
    • 6 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Querschnitts entlang VI-VI in 4.
    • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors zeigt, der ein Sensorelement mit einer Drei-Hohlraum-Struktur enthält.
    • 8 ist eine Ansicht, die schematisch einen Teil eines Querschnitts in Richtung der Dicke eines Sensorelements gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
    • 9 ist eine Ansicht, die einen Teil einer Ebene eines Gassensors gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
    • 10 ist eine Ansicht, die einen Teil einer Ebene eines anderen Gassensors gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
    • 11 ist eine schematische Ansicht eines Geräts zur Verwendung bei einem Wassereindringbeständigkeitstest.
    • 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Änderung des Heizerwiderstands bzw. Heitwiderstands zeigt.
    • 13 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Wassereindringbeständigkeitstests zeigt.
    • 14 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Tests zur schnellen Temperaturerhöhung zeigt.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es ist zu beachten, dass gleiche oder korrespondierende Bestandteilselemente in den Zeichnungen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind und eine Beschreibung derselben nicht wiederholt wird.
  • 1. Schematische Konfiguration des Gassensors
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 100 zeigt. Ein Sensorelement 101 ist ein Element mit einer Struktur, in der sieben Schichten, bestehend aus einer ersten Substratschicht 1, einer zweiten Substratschicht 2, einer dritten Substratschicht 3, einer ersten Festelektrolytschicht 4, einer Abstandshalterschicht 5, einer zweiten Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Abschnittsschicht 7, in dieser Reihenfolge von der unteren Seite in der Zeichnung gestapelt sind, wobei die Schichten jeweils aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) oder dergleichen bestehen. Außerdem ist der Festelektrolyt, der diese sieben Schichten bildet, ein dichtes und luftdichtes Material. Das Sensorelement 101 mit dieser Konfiguration wird zum Beispiel durch eine vorbestimmte Verarbeitung und den Druck von Verdrahtungsmustern auf keramische Grünplatten, die den jeweiligen Schichten entsprechen, hergestellt, wobei die so entstandenen Schichten gestapelt und durch Brennen integriert werden. Das Sensorelement 101 ist zum Beispiel ein Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten.
  • Im Vorderseiten-Endabschnitt des Sensorelements 101 sind eine Gaseinführungsöffnung 10, eine erste Diffusionssteuereinheit 11, ein Pufferraum 12, eine zweite Diffusionssteuereinheit 13, ein erster innerer Hohlraum 20, eine dritte Diffusionssteuereinheit 30 und ein zweiter innerer Hohlraum 40 in dieser Reihenfolge nebeneinander, verbunden zwischen der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet.
  • Die Gaseinführungsöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 sind Räume innerhalb des Sensorelements 101, wobei die Räume jeweils durch Ausschneiden der Abstandshalterschicht 5 gebildet werden und jeweils einen oberen Abschnitt, der durch die Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 definiert ist, einen unteren Abschnitt, der durch die Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert ist, und Seitenabschnitte aufweisen, die durch die Seitenflächen der Abstandshalterschicht 5 definiert sind.
  • Die erste Diffusionssteuereinheit 11 ist als zwei seitlich lange Schlitze ausgebildet (deren Öffnungen die lange Seitenrichtung senkrecht zum Diagrammschnitt haben). Des Weiteren sind die zweite Diffusionssteuereinheit 13 und die dritte Diffusionssteuereinheit 30 jeweils als ein Loch ausgebildet, dessen Länge in der Richtung senkrecht zum Diagrammschnitt kürzer ist als die des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40. Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 und die dritte Diffusionssteuereinheit 30 werden später im Einzelnen beschrieben. Man beachte, dass die Region von der Gaseinführungsöffnung 10 bis zum zweiten inneren Hohlraum 40 auch als Gasströmungsdurchgang bezeichnet wird.
  • Darüber hinaus ist ein Referenzgaseinführungsraum 43 mit Seitenabschnitten, die durch die Seitenflächen der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert sind, zwischen der Oberseite der dritten Substratschicht 3 und der Unterseite der Abstandshalterschicht 5 an einer Position vorgesehen, die von der Vorderseite weiter entfernt ist als der Gasströmungsdurchgang. In den Referenzgaseinführungsraum 43 wird zum Beispiel Luft eingeführt. Es ist auch möglich, dass sich die erste Festelektrolytschicht 4 bis zum hinteren Ende des Sensorelements 101 erstreckt und der Referenzgaseinführungsraum 43 nicht ausgebildet ist. Wenn der Referenzgaseinführungsraum 43 nicht ausgebildet ist, kann sich außerdem eine Lufteinführungsschicht 48 bis zum hinteren Ende des Sensorelements 101 erstrecken (siehe zum Beispiel 7).
  • Die Lufteinführungsschicht 48 ist eine Schicht aus porösem Aluminiumoxid, und Referenzgas wird über den Referenzgaseinführungsraum 43 in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt. Außerdem ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie zwischen der Oberseite der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 gehalten wird und, wie vorstehend beschrieben, von der Lufteinführungsschicht 48 bedeckt ist, die mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 zusammenhängt. Darüber hinaus ist es, wie später beschrieben wird, möglich, die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 oder dem zweiten inneren Hohlraum 40 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 zu messen.
  • In dem Gasströmungsdurchgang ist die Gaseinführungsöffnung 10 eine zum Außenraum hin offene Region und ein Messzielgas wird aus dem Außenraum über die Gaseinführungsöffnung 10 in das Sensorelement 101 eingeführt.
  • Die erste Diffusionssteuereinheit 11 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das durch die Gaseinführungsöffnung 10 eingeführte Messgas ausübt.
  • Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das von der ersten Diffusionssteuereinheit 11 eingeführte Messzielgas zur zweiten Diffusionssteuereinheit 13 zu führen.
  • Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das aus dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführte Messzielgas ausübt.
  • Wenn das Messzielgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messzielgas, das aufgrund einer Änderung des Drucks des Messzielgases im Außenraum (eine Pulsation des Abgasdrucks in dem Fall, in dem das Messzielgas Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) abrupt von der Gaseinführungsöffnung 10 in das Sensorelement 101 eingeführt wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem es die erste Diffusionssteuereinheit 11, den Pufferraum 12 und die zweite Diffusionssteuereinheit 13 passiert hat, wo eine Änderung der Konzentration des Messzielgases aufgehoben wird. Dementsprechend wird eine Änderung der Konzentration des in den ersten inneren Hohlraum eingeführten Messgases so weit vermindert, dass sie nahezu vernachlässigbar ist.
  • Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zur Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in dem über die zweite Diffusionssteuereinheit 13 eingeführten Messzielgas vorgesehen. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer internen Pumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, der im Wesentlichen über die gesamte Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem ersten inneren Hohlraum 20 zugewandt ist, vorgesehen ist, einer externen Pumpelektrode 23, die so vorgesehen ist, dass sie in der Region, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der Oberseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, dem Außenraum ausgesetzt ist, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden gehalten wird, besteht.
  • Die interne Pumpelektrode 22 ist zwischen oberen und unteren Festelektrolytschichten (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 definieren, und der Abstandshalterschicht 5, die die Seitenwände bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a an der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist an der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenfläche bildet, und Seitenelektrodenabschnitte (nicht dargestellt), die den Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b verbinden, sind auf Seitenwandflächen (Innenflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die zwei Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, so dass die gesamte Struktur in Form eines Tunnels in der Region angeordnet ist, in der die Seitenelektrodenabschnitte angeordnet sind.
  • Außerdem ist die obere Abschnittsschicht 7 oberhalb der externen Pumpelektrode 23 angeordnet. Zwischen der externen Pumpelektrode 23 und der oberen Abschnittsschicht 7 befindet sich ein Schlitzabschnitt 24, der mit dem Außenraum durchgängig ist. Der Schlitzabschnitt 24 erstreckt sich von einem Ende zum anderen Ende des Sensorelements 101 in der Richtung senkrecht zum Diagrammschnitt. Der Schlitzabschnitt 24 ist beispielsweise mit einem porösen Material wie porösem Aluminiumoxid gefüllt.
  • Die interne Pumpelektrode 22 und die externe Pumpelektrode 23 sind als poröse Cermet-Elektroden ausgebildet (zum Beispiel Cermet-Elektroden aus Pt und ZrO2 mit 1 % Au). Es ist zu beachten, dass die interne Pumpelektrode 22, mit der das Messzielgas in Kontakt gebracht wird, aus einem Material besteht, das eine verringerte Fähigkeit zur Reduzierung einer Stickoxidkomponente (NOx) im Messzielgas aufweist.
  • Die Hauptpumpzelle 21 kann eine gewünschte Pumpspannung Vp0 an einen Punkt zwischen der internen Pumpelektrode 22 und der externen Pumpelektrode 23 anlegen, wodurch ein Pumpstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der internen Pumpelektrode 22 und der externen Pumpelektrode 23 fließt, so dass Sauerstoff im ersten inneren Hohlraum 20 in den Außenraum gepumpt wird oder Sauerstoff im Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt wird.
  • Um die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre im ersten inneren Hohlraum 20 zu erfassen, bilden die interne Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine hauptpumpensteuernde Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80.
  • Es ist möglich, die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 durch Messung einer elektromotorischen Kraft V0 in der hauptpumpensteuernden Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zu ermitteln. Außerdem wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Rückkopplungssteuerung von Vp0 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Dementsprechend kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten werden.
  • Die dritte Diffusionssteuereinheit 30 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messzielgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch einen Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten inneren Hohlraum 20 gesteuert wurde, wodurch das Messzielgas zum zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet wird.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum für die Durchführung der Verarbeitung hinsichtlich der Messung der Stickoxidkonzentration in dem über die dritte Diffusionssteuereinheit 30 eingeführten Messzielgas vorgesehen. Die NOx-Konzentration wird hauptsächlich in dem zweiten inneren Hohlraum 40 gemessen, dessen Sauerstoffkonzentration durch eine Hilfspumpzelle 50 durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 eingestellt wurde.
  • In dem zweiten inneren Hohlraum 40 wird das Messzielgas, das zuvor in dem ersten inneren Hohlraum 20 einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) unterzogen wurde und dann über die dritte Diffusionssteuereinheit eingeführt wird, einer weiteren Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch die Hilfspumpzelle 50 unterzogen. Dadurch kann die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 präzise auf einem konstanten Wert gehalten werden, so dass der Gassensor 100 die NOx-Konzentration mit hoher Genauigkeit messen kann.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen auf der gesamten Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, die dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist, der externen Pumpelektrode 23 (die nicht auf die externe Pumpelektrode 23 beschränkt ist und jede geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 sein kann) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 besteht.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist bei dieser Konfiguration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 in Form eines Tunnels angeordnet, wie die vorstehend beschriebene interne Pumpelektrode 22, die innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 angeordnet ist. Das heißt, der Deckenelektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 51b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, und Seitenelektrodenabschnitte (nicht dargestellt), die den Deckenelektrodenabschnitt 51a und den Bodenelektrodenabschnitt 51b verbinden, sind auf zwei Wandflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden, so dass die gesamte Struktur in Form eines Tunnels angeordnet ist.
  • Es ist zu beachten, dass die Hilfspumpelektrode 51 ebenfalls aus einem Material besteht, das wie die interne Pumpelektrode 22 eine geringere Fähigkeit zur Reduzierung einer Stickoxidkomponente im Messzielgas aufweist.
  • Die Hilfspumpzelle 50 kann eine gewünschte Spannung Vp1 an einen Punkt zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der externen Pumpelektrode 23 anlegen, so dass Sauerstoff aus der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 in den Außenraum gepumpt wird oder Sauerstoff im Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 gepumpt wird.
  • Um den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 zu steuern, bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine hilfspumpengesteuerte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81.
  • Es ist zu beachten, dass die Hilfspumpzelle 50 den Pumpvorgang unter Verwendung einer variablen Stromquelle 52 durchführt, deren Spannung auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die von der hilfspumpengesteuerten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 erfasst wird. Dementsprechend wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen Partialdruck gesteuert, der niedrig genug ist, um die NOx-Messung nicht wesentlich zu beeinflussen.
  • Darüber hinaus wird ein Pumpstrom Ip1 verwendet, um die elektromotorische Kraft der hauptpumpensteuernden Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die hauptpumpensteuernde Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 eingegeben und die elektromotorische Kraft V0 wird so gesteuert, dass ein Gradient des Sauerstoffpartialdrucks im Messzielgas, das von der dritten Diffusionssteuereinheit 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, immer konstant gehalten wird. Wenn der Sensor als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die Stickoxidkonzentration im Messzielgas im zweiten inneren Hohlraum 40. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer von der dritten Diffusionssteuereinheit 30 beabstandeten Messelektrode 44 auf der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4, die dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist, der externen Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 besteht.
  • Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator zur Reduzierung von NOx, das in der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 vorhanden ist. Außerdem ist die Messelektrode 44 von einer vierten Diffusionssteuereinheit 45 bedeckt.
  • Die vierte Diffusionssteuereinheit 45 ist eine Membran, die aus einem porösen Element besteht, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt ist. Die vierte Diffusionssteuereinheit 45 dient dazu, die in die Messelektrode 44 einströmende NOx-Menge zu begrenzen, und fungiert außerdem als Schutzmembran der Messelektrode 44.
  • Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff abpumpen, der durch den Abbau von Stickoxid in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum entsteht, und die erzeugte Menge als Pumpstrom Ip2 erfassen.
  • Um den Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu erfassen, bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine messpumpengesteuerte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82. Eine variable Stromquelle 46 wird auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft V2 gesteuert, die von der messpumpengesteuerten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird.
  • Das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitete Messzielgas passiert die vierte Diffusionssteuereinheit 45 und erreicht die Messelektrode 44 in einem Zustand, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Das Stickoxid im Messzielgas um die Messelektrode 44 wird reduziert, um Sauerstoff zu erzeugen (2NO → N2 + O2). Der erzeugte Sauerstoff wird durch die Messpumpzelle 41 gepumpt und zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromquelle so gesteuert, dass eine Steuerspannung V2, die von der messpumpengesteuerten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, konstant gehalten wird. Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur Stickoxidkonzentration im Messzielgas und somit ist es möglich, die Stickoxidkonzentration im Messzielgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 zu berechnen.
  • Wenn darüber hinaus die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, um ein Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsmittel als elektrochemische Sensorzelle zu bilden, ist es möglich, eine elektromotorische Kraft zu erfassen, die einer Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, die durch die Reduktion einer NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und der Menge an Sauerstoff, die in der Referenzluft enthalten ist, entspricht, und somit ist es auch möglich, die Konzentration der Stickoxidkomponente in dem Messzielgas zu erhalten.
  • Darüber hinaus bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die externe Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle 83 und es ist möglich, den Sauerstoffpartialdruck im Messzielgas außerhalb des Sensors auf der Grundlage einer von der Sensorzelle 83 erhaltenen elektromotorischen Kraft Vref zu erfassen.
  • In dem Gassensor 100 mit dieser Konfiguration wird, wenn die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 arbeiten, das Messzielgas, dessen Sauerstoffpartialdruck immer auf einem konstant niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der die NOx-Messung nicht wesentlich beeinflusst), der Messpumpzelle 41 zugeführt. Dementsprechend ist es möglich, die Stickoxidkonzentration im Messzielgas zu beobachten, basierend auf dem Pumpstrom Ip2, der fließt, wenn der durch die Reduktion von NOx erzeugte Sauerstoff von der Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zur Stickoxidkonzentration im Messzielgas abgepumpt wird.
  • Um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern, enthält das Sensorelement 101 außerdem eine Heizereinheit 70, die dazu dient, die Temperatur des Sensorelements 101 durch Erwärmung und Wärmerückhaltung einzustellen. Die Heizereinheit 70 enthält eine Heizerelektrode 71, einen Heizer 72, eine Durchgangsbohrung 73, eine Heizerisolierschicht 74 und eine Druckverteilungsbohrung 75. Die Heizereinheit 70 ist in Richtung der Dicke des Sensorelements 101 näher an der Unterseite des Sensorelements 101 angeordnet als an der Oberseite des Sensorelements 101. Man beachte, dass die Oberseite des Sensorelements 101 die Oberseite der oberen Abschnittsschicht 7 und die Unterseite des Sensorelements 101 die Unterseite der ersten Substratschicht 1 ist.
  • Die Heizerelektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie in Kontakt mit der Unterseite der ersten Substratschicht 1 steht. Wenn die Heizerelektrode 71 an eine externe Stromquelle angeschlossen ist, kann der Heizereinheit 70 von außen Elektrizität zugeführt werden.
  • Der Heizer 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 von oben und unten gehalten wird. Der Heizer 72 ist über die Durchgangsbohrung 73 mit der Heizerelektrode 71 verbunden, und wenn von außen über die Heizerelektrode 71 Elektrizität zugeführt wird, erzeugt der Heizer 72 Wärme, wodurch ein Festelektrolyt, der das Sensorelement 101 bildet, erhitzt und auf einer Temperatur gehalten wird.
  • Außerdem ist der Heizer 72 über die gesamte Region vom ersten inneren Hohlraum 20 bis zum zweiten inneren Hohlraum 40 eingebettet und somit kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur eingestellt werden, bei der der vorstehend beschriebene Festelektrolyt aktiviert wird.
  • Die Heizerisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isolierelement aus Aluminiumoxid oder dergleichen auf der Ober- und Unterseite des Heizers 72 besteht. Die Heizerisolierschicht 74 wird gebildet, um die elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und dem Heizer 72 und die elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und dem Heizer 72 zu realisieren.
  • Die Druckverteilungsbohrung 75 ist eine Bohrung, die sich durch die dritte Substratschicht 3 hindurch erstreckt und mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 verbunden ist und gebildet wird, um einen Anstieg des Innendrucks gemäß einem Anstieg der Temperatur in der Heizerisolierschicht 74 zu vermindern.
  • 2. Problem, das durch den sofortigen Start des Gassensors verursacht wird
  • Der Gassensor 100 wird beispielsweise an einem Auspuffrohr eines Fahrzeugmotors angebracht. In letzter Zeit ist es erforderlich, den Gassensor 100 kurz nach dem Anlassen eines Motors zu starten. Das heißt, es ist erforderlich, die Zeit zum Erhöhen der Temperatur des Sensorelements 101 vorzuverlegen und die Temperatur des Sensorelements 101 nach dem Starten eines Motors schnell zu erhöhen.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel dafür zeigt, wie sich die Temperaturen des Sensorelements 101 und dergleichen ändern. In 2 zeigt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Temperatur an. Eine Linie W2 zeigt ein Beispiel für eine Temperaturänderung des Sensorelements 101 und eine Linie W1 zeigt ein Beispiel für eine Temperaturänderung eines Vergleichssensorelements. Die Linie W3 zeigt ein Beispiel für die Änderung der Temperatur des Abgases, das durch ein Auspuffrohr eines Motors strömt.
  • Zum Zeitpunkt t0 wird ein Motor gestartet. Zum Zeitpunkt t0 befindet sich Kondenswasser in dem Auspuffrohr. Nach dem Anlassen des Motors wird das Kondenswasser im Abgasrohr verteilt und gelangt in den Gassensor 100. Entsprechend einem Anstieg der Abgastemperatur, zum Beispiel zum Zeitpunkt t2, gelangt das Innere des Gassensors 100 in einen trockenen Zustand.
  • Ein Anstieg der Temperatur des Vergleichssensorelements beginnt, nachdem das Innere des Gassensors 100 in einen trockenen Zustand übergegangen ist (Zeitpunkt t2). Anschließend erreicht die Temperatur des Vergleichssensorelements zum Zeitpunkt t3 eine Temperatur T2. Die Temperatur T2 ist eine Temperatur, die für das Funktionieren eines Gassensors erforderlich ist. Der Temperaturanstieg des Vergleichssensorelements beginnt, nachdem das Innere des Gassensors 100 einen trockenen Zustand erlangt hat, und der Temperaturanstieg ist langsam und somit ist es unwahrscheinlich, dass das Vergleichssensorelement bricht. Das Vergleichssensorelement kann jedoch bis zum Zeitpunkt t3 nicht funktionieren.
  • Andererseits beginnt ein Anstieg der Temperatur des Sensorelements 101 beispielsweise gleichzeitig mit dem Start des Motors (Zeitpunkt t0). Die Temperatur des Sensorelements 101 erreicht zum Zeitpunkt t1 die Temperatur T2. Die Zeit vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 ist kürzer als die vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3. Das heißt, die Zeit zur Erhöhung der Temperatur des Sensorelements 101 ist früher als die Zeit zur Erhöhung der Temperatur des Vergleichssensorelements und die Temperatur des Sensorelements 101 steigt schneller als die des Vergleichssensorelements.
  • In dem Fall, in dem ein Temperaturanstieg des Sensorelements 101 zum Zeitpunkt t0 beginnt, kann sich Kondenswasser mit erhöhter Temperatur an dem Sensorelement 101 anlagern. Wenn ein Temperaturanstieg eines Sensorelements, dessen Struktur nicht besonders verfeinert wurde, zum Zeitpunkt t0 beginnt, kann die durch die Anlagerung von Kondenswasser an das Sensorelement erzeugte thermische Belastung einen Riss im Sensorelement verursachen.
  • Wenn die Temperatur eines Sensorelements, dessen Struktur nicht besonders verfeinert wurde, in einer kurzen Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t1 schnell auf die Temperatur T2 ansteigt, kann die thermische Belastung, die sich aus dem schnellen Temperaturanstieg ergibt, einen Riss im Sensorelement verursachen.
  • Bei dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform wurde die Struktur des Sensorelements 101 verfeinert. Infolgedessen ist es unwahrscheinlich, dass das Sensorelement 101 bricht, selbst wenn der Gassensor 100 kurz nach dem Anlassen eines Motors gestartet wird. Nachfolgend werden die Verfeinerungen der Struktur des Sensorelements 101 im Einzelnen beschrieben.
  • 3. Charakteristische Struktur des Gassensors
  • 3-1. Positionen der inneren Hohlräume in Dickenrichtung
  • 3 ist eine Ansicht mit einer schematischen Ansicht, die einen Teil eines Querschnitts des Gassensors 100 gemäß dieser Ausführungsform zeigt, und einer schematischen Ansicht, die einen Teil eines Querschnitts eines Vergleichsgassensors 100A zeigt. Bezugnehmend auf 3 ist der Teil des Querschnitts des Gassensors 100 gemäß dieser Ausführungsform auf der rechten Seite dargestellt, und der Teil des Querschnitts des Vergleichsgassensors 100A ist auf der linken Seite dargestellt.
  • Im Gassensor 100A ist ein erster innerer Hohlraum 20A näher an der Oberseite eines Sensorelements 101A angeordnet. Infolgedessen ist eine Länge L1 von der Oberseite des Sensorelements 101A bis zum oberen Ende des ersten inneren Hohlraums 20A kurz. Da die Länge L1 kurz ist, kann ein Riss an einer Stelle in der Nähe der Oberseite des Sensorelements 101A entstehen, wenn während eines Temperaturanstiegs des Sensorelements 101A Kondenswasser an das Sensorelement 101A gelangt.
  • Andererseits ist in dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform der erste innere Hohlraum 20 an einer Position näher an der Mitte des Sensorelements 101 in Richtung der Dicke des Sensorelements 101 ausgebildet als in dem Vergleichsgassensor 100A. Da der erste innere Hohlraum 20 an einer Position nahe der Mitte des Sensorelements 101 ausgebildet ist, sind eine Länge L2 von der Oberseite des Sensorelements 101 zum oberen Ende des ersten inneren Hohlraums 20 und eine Länge L3 vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums 20 zur Unterseite des Sensorelements 101 beide bis zu einem gewissen Grad lang. Da die Länge L2 und die Länge L3 beide bis zu einem gewissen Grad lang sind, ist die Steifigkeit sowohl der Ober- als auch der Unterseite des Sensorelements 101 bis zu einem gewissen Grad hoch. Infolgedessen ist es unwahrscheinlich, dass das Sensorelement 101 reißt, selbst wenn Kondenswasser an dem Sensorelement 101 während eines Temperaturanstiegs des Sensorelements 101 angebracht ist.
  • Das heißt, die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass ein Riss im Sensorelement 101, der insbesondere aus der Anlagerung von Kondenswasser resultiert, unterdrückt werden kann, indem die Position des ersten inneren Hohlraums 20 nahe der Mitte in Dickenrichtung des Sensorelements 101 angeordnet wird. In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform beträgt ein Verhältnis (L3/L4) einer Länge (L3) von dem Endabschnitt des ersten inneren Hohlraums 20 nahe der Unterseite des Sensorelements 101 zu der Unterseite des Sensorelements 101 zu einer Dicke (L4) des Sensorelements 101 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger. Da die Position des ersten inneren Hohlraums 20 in der Dickenrichtung des Sensorelements 101 bis zu einem gewissen Grad nahe der Mitte liegt, kann somit gemäß dem Gassensor 100 ein Riss im Sensorelement 101, der aus der Anhaftung von Kondenswasser resultiert, unterdrückt werden.
  • 3-2. Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite
  • 4 ist eine Ansicht mit einer schematischen Ansicht, die einen Teil einer Ebene des Gassensors 100 gemäß dieser Ausführungsform zeigt, und eine schematische Ansicht, die einen Teil einer Ebene des Vergleichsgassensors 100A zeigt. Bezugnehmend auf 4 ist der Teil der Ebene des Gassensors 100 gemäß dieser Ausführungsform auf der rechten Seite dargestellt, und der Teil der Ebene des Vergleichsgassensors 100A ist auf der linken Seite dargestellt.
  • Das Sensorelement 101 und das Sensorelement 101A haben in der Draufsicht jeweils eine lange Seite und eine kurze Seite. Bei dem Sensorelement 101A ist eine Länge L5 des ersten inneren Hohlraums 20A in Richtung der kurzen Seite vergleichsweise lang. Infolgedessen ist eine Länge L9 eines Abschnitts, der Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20A bildet (ein Abschnitt, der in der Richtung der kurzen Seite von den Abschnitten am kürzesten ist, in denen der erste innere Hohlraum 20A nicht ausgebildet ist), kurz. Da die Länge L9 kurz ist, können bei einem schnellen Anstieg der Temperatur des Sensorelements 101A Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20A Risse entstehen.
  • Andererseits ist in dem Sensorelement 101, das in dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform enthalten ist, die Länge des ersten inneren Hohlraums 20 in der Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 kürzer als die des Vergleichssensorelements 101A. Infolgedessen ist die Länge L8 eines Abschnitts, der die Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20 bildet (ein Abschnitt, der in der Richtung der kurzen Seite von den Abschnitten am kürzesten ist, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht ausgebildet sind), lang. Da die Länge L8 bis zu einem gewissen Grad lang ist, ist die Steifigkeit der Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20 bis zu einem gewissen Grad hoch. Infolgedessen ist es unwahrscheinlich, dass das Sensorelement 101 bricht, selbst wenn die Temperatur des Sensorelements 101 schnell ansteigt.
  • Das heißt, die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass ein Riss im Sensorelement 101, der insbesondere aus einem raschen Temperaturanstieg resultiert, unterdrückt werden kann, indem in gewissem Grad eine Länge (L8) eines Abschnitts, der in Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von Abschnitten, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht im Sensorelement 101 ausgebildet sind, sichergestellt wird. In dem Gassensor 100 beträgt das Verhältnis (L8/L7) der Länge (L8) in der Richtung der kurzen Seite eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von Abschnitten, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht ausgebildet sind, zu einer Länge (L7) der kurzen Seite des Sensorelements 101 0,22 oder mehr. Somit kann gemäß dem Gassensor 100, da die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite von Abschnitten, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht ausgebildet sind, am kürzesten ist, bis zu einem gewissen Grad lang ist, ein Riss in dem Sensorelement 101, der aus einem sofortigen Anstieg der Temperatur resultiert, unterdrückt werden.
  • Mit anderen Worten haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass ein Riss im Sensorelement 101, der insbesondere aus einem raschen Temperaturanstieg resultiert, unterdrückt werden kann, indem die Länge des ersten inneren Hohlraums 20 in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 kurz gestaltet wird. In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform beträgt ein Verhältnis (L6/L7) einer Länge (L6) des ersten inneren Hohlraums 20 in der Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 zu einer Länge (L7) der kurzen Seite des Sensorelements 101 0,40 oder mehr und 0,55 oder weniger. Somit ist gemäß dem Gassensor 100 die Länge des ersten inneren Hohlraums 20 in der Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 bis zu einem gewissen Grad kurz, und somit kann ein Riss in dem Sensorelement 101, der aus einem sofortigen Anstieg der Temperatur resultiert, unterdrückt werden.
  • 3-3. Form der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheit im Querschnitt in Dickenrichtung
  • 5 ist eine Ansicht, die schematisch einen Teil eines Querschnitts entlang V-V in 4 zeigt. Das heißt, 5 ist eine Ansicht, die schematisch einen Teil eines Querschnitts des Sensorelements 101 in der Dickenrichtung zeigt. In dieser Beschreibung bezieht sich der „Querschnitt in Dickenrichtung“ des Sensorelements 101 auf einen Querschnitt, der beim Schneiden des Sensorelements 101 in Dickenrichtung entsteht.
  • Unter Bezugnahme auf 4 und 5 ist die zweite Diffusionssteuereinheit 13 als ein Loch ausgebildet, das sich in der Richtung der langen Seite des Sensorelements 101 erstreckt. Das Verhältnis (L10/L11) zwischen der Länge (L10) der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 in der Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 zu einer Länge (L11) der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 (Loch) in Dickenrichtung des Sensorelements 101 beträgt beispielsweise 0,50 oder mehr und 30,00 oder weniger.
  • 6 ist eine Ansicht, die schematisch einen Teil eines Querschnitts entlang VI-VI in 4 zeigt. Unter Bezugnahme auf 4 und 6 enthält die erste Diffusionssteuereinheit 11 zwei Schlitze SL1 und SL2, die entlang der Dickenrichtung des Sensorelements 101 angeordnet sind. Im Gassensor 100 hat ein Querschnitt in der Dickenrichtung der ersten Diffusionssteuereinheit 11 eine solche Form und somit kann eine Abnahme der Messgenauigkeit bezüglich einer vorbestimmten Gaskomponente, die aus einer Pulsation des Abgasdrucks resultiert, effizienter unterdrückt werden.
  • In der ersten Diffusionssteuereinheit 11 ist die Stärke der Regionen A1 und A3 des Schlitzes SL1 und der Regionen A2 und A4 des Schlitzes SL2 vergleichsweise gering. Wenn die Form eines Querschnitts in Dickenrichtung der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 derjenigen der ersten Diffusionssteuereinheit 11 ähnelt, steigt das Risiko des Auftretens eines Risses im Sensorelement 101.
  • Im Gassensor 100 sind die Form des Querschnitts in Dickenrichtung der ersten Diffusionssteuereinheit 11 und die Form des Querschnitts in Dickenrichtung der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 voneinander verschieden. Die Steifigkeit der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 ist höher als die der ersten Diffusionssteuereinheit 11. Dadurch wird bei dem Gassensor 100 das Risiko des Auftretens eines Risses im Sensorelement 101 verringert.
  • Gemäß dem Gassensor 100 kann die Steifigkeit des Sensorelements 101 erhöht werden, da die zweite Diffusionssteuereinheit 13 wie vorstehend beschrieben als Loch ausgebildet ist, und da die erste Diffusionssteuereinheit 11 außerdem zwei Schlitze SL1 und SL2 enthält, die entlang der Dickenrichtung des Sensorelements 101 angeordnet sind, kann eine Abnahme der Messgenauigkeit bezüglich einer vorbestimmten Gaskomponente, die aus einer Pulsation des Abgasdrucks resultiert, unterdrückt werden. Das heißt, dass es mit dem Gassensor 100 möglich ist, die Steifigkeit des Sensorelements 101 zu erhöhen und auch eine Abnahme der Messgenauigkeit bezüglich einer vorbestimmten Gaskomponente zu unterdrücken. Es ist auch möglich, dass die Form der ersten Diffusionssteuereinheit 11 und die Form der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 getauscht werden. Das heißt, es ist auch möglich, dass die erste Diffusionssteuereinheit 11 wie vorstehend beschrieben als Loch ausgebildet ist und die zweite Diffusionssteuereinheit 13 zwei Schlitze SL1 und SL2 enthält, die entlang der Dickenrichtung angeordnet sind.
  • 4. Merkmale
  • Wie vorstehend beschrieben, beträgt bei dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform das Verhältnis einer Länge in der Richtung der kurzen Seite eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht ausgebildet sind, zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements 101 0,22 oder mehr. Somit ist gemäß dem Gassensor 100 die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten von den Abschnitten ist, in denen der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 nicht ausgebildet sind, bis zu einem gewissen Grad lang, und somit kann ein Riss in dem Sensorelement 101, der aus einem schnellen Anstieg der Temperatur resultiert, unterdrückt werden.
  • Darüber hinaus beträgt bei dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform das Verhältnis der Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums 20 zur Unterseite des Sensorelements 101 zur Dicke des Sensorelements 101 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger. Da die Position des ersten inneren Hohlraums 20 in der Dickenrichtung des Sensorelements 101 bis zu einem gewissen Grad nahe der Mitte liegt, kann gemäß dem Gassensor 100 ein Riss im Sensorelement 101, der aus der Anlagerung von Kondenswasser resultiert, unterdrückt werden. Somit kann gemäß dem Gassensor 100 das Auftreten eines Risses im Sensorelement 101 unterdrückt werden, selbst wenn der Gassensor 100 kurz nach dem Starten eines Motors gestartet wird.
  • 5. Modifizierungsbeispiele
  • Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifizierungen können innerhalb des Umfangs vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Nachfolgend werden Modifizierungsbeispiele beschrieben.
  • 5-1
  • In dem Gassensor 100 gemäß der vorangehenden Ausführungsform sind der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 in dem Sensorelement 101 ausgebildet. Das heißt, dass das Sensorelement 101 eine Zwei-Hohlraum-Struktur aufweist. Das Sensorelement 101 muss jedoch nicht zwingend eine Zwei-Hohlraum-Struktur aufweisen. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass das Sensorelement 101 eine Drei-Hohlraum-Struktur aufweist.
  • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 100X mit einem Sensorelement 101X mit einer Drei-Hohlraum-Struktur zeigt. Es ist auch möglich, dass, wie in 7 gezeigt, der zweite innere Hohlraum 40 (1) durch eine fünfte Diffusionssteuereinheit 60 in zwei Hohlräume unterteilt wird, die aus einem zweiten inneren Hohlraum 40X und einem dritten inneren Hohlraum 61 bestehen. In diesem Fall kann eine Hilfspumpelektrode 51X im zweiten inneren Hohlraum 40X und eine Messelektrode 44X im dritten inneren Hohlraum 61 angeordnet sein. Bei Verwendung einer Drei-Hohlraum-Struktur kann die vierte Diffusionssteuereinheit 45 weggelassen werden.
  • 5-2
  • Auch bei dem Gassensor 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist der Schlitzabschnitt 24 mit einem porösen Material gefüllt. Der Schlitzabschnitt 24 muss jedoch nicht unbedingt mit einem porösen Material gefüllt sein.
  • 8 ist eine Ansicht, die schematisch einen Teil eines Querschnitts eines Sensorelements 101Y in Dickenrichtung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt. Wie in 8 dargestellt, ist die obere Abschnittsschicht 7 über der externen Pumpelektrode 23 angeordnet. Der Schlitzabschnitt 24Y befindet sich zwischen der externen Pumpelektrode 23 und der oberen Abschnittsschicht 7. Gemäß dem Modifizierungsbeispiel ist der Schlitzabschnitt 24Y hohl. Man beachte, dass die Breite des Schlitzabschnitts 24Y die gleiche ist wie die der oberen Abschnittsschicht 7. Auf diese Weise ist es auch möglich, dass der Schlitzabschnitt 24Y hohl ist.
  • 5-3
  • In dem Gassensor 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform enthält das Sensorelement 101 auch die obere Abschnittsschicht 7. Das Sensorelement 101 muss jedoch nicht zwingend die obere Abschnittsschicht 7 enthalten. In diesem Fall ist es auch möglich, dass der Schlitzabschnitt 24 nicht oberhalb der externen Pumpelektrode 23 ausgebildet ist und der obere Abschnitt der externen Pumpelektrode 23 nach außen hin freiliegt.
  • 5-4
  • Außerdem ist bei dem Gassensor 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform der Gasströmungsdurchgang (die Region von der Gaseinführungsöffnung 10 bis zum zweiten inneren Hohlraum 40) in der Mitte in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 angeordnet. Der Gasströmungsdurchgang muss jedoch nicht unbedingt in der Mitte in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 angeordnet sein.
  • 9 ist eine Ansicht, die einen Teil einer Ebene des Gassensors 100Z1 gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt. Wie in 9 gezeigt, ist es auch möglich, dass der Gasströmungsdurchgang an einer Position näher an einer Seite in der Richtung der kurzen Seite eines Sensorelements 101Z1 ausgebildet ist. In diesem Fall ist die Länge eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten von den Abschnitten ist, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, L13. Das heißt, dass in diesem Fall ein Verhältnis (L13/L14) der Länge (L13) in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, zu einer Länge (L14) der kurzen Seite des Sensorelements 101Z1 0,22 oder mehr ist.
  • 5-5
  • Bei dem Gassensor 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist der erste innere Hohlraum 20 ebenfalls rechteckig. Der erste innere Hohlraum 20 muss jedoch nicht unbedingt rechteckig sein. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass der erste innere Hohlraum 20 trapezförmig ist.
  • 10 ist eine Ansicht, die einen Teil einer Ebene eines anderen Gassensors 100Z2 gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt. Wie in 10 gezeigt, ist ein erster innerer Hohlraum 20Z2 trapezförmig. In diesem Fall ist die Länge eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten von den Abschnitten ist, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, L15. Das heißt, dass in diesem Fall ein Verhältnis (L15/L17) der Länge (L15) in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, zu einer Länge (L17) der kurzen Seite eines Sensorelements 101 Z2 0,22 oder mehr beträgt.
  • 6. Beispiele, usw.
  • 6-1. Beispiele und Vergleichsbeispiele
  • Zunächst wurde ein Sensorelement 101, das Beispiel 1 darstellt, mit einem Verfahren hergestellt, das nachstehend beschrieben wird.
  • Sieben ungebrannte Keramikgrünplatten, die jeweils einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wie Zirkoniumdioxid als keramische Komponente enthalten, wurden hergestellt. Jede der Keramikgrünplatten wurde durch Bandgießen eines Gemisches aus Zirkoniumdioxidteilchen, denen 4 Mol-% Yttriumoxid als Stabilisator zugesetzt wurden, einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel hergestellt. Eine Vielzahl von Löchern für die Positionierung während des Drucks oder des Stapelns, notwendige Durchgangsbohrungen und dergleichen wurden durch die Grünplatten geformt.
  • Darüber hinaus wurde ein Raum zur Verwendung als Gasströmungsdurchgang im Voraus durch Stanzen durch eine Grünplatte zur Verwendung als Abstandshalterschicht 5 gebildet. Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 und die dritte Diffusionssteuereinheit 30 wurden ebenfalls durch Stanzen gebildet. Dann wurden Musterdruck und Trocknung zur Bildung verschiedener Muster auf den Keramikgrünplatten durchgeführt, die jeweils der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5, der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Abschnittsschicht 7 entsprechen.
  • Konkret handelte es sich bei den gebildeten Mustern um Muster der vorstehend beschriebenen Elektroden, der mit den Elektroden verbundenen Leitungsdrähte, der Lufteinführungsschicht 48, der Heizereinheit 70 und dergleichen. Der Musterdruck erfolgte durch Auftragen einer Musterbildungspaste, die gemäß den für die jeweiligen zu bildenden Muster erforderlichen Eigenschaften hergestellt wurde, auf Grünplatten unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnik. Die Trocknung erfolgte ebenfalls mit einem bekannten Trocknungsmittel. Nach Beendigung des Musterdrucks und des Trocknens erfolgte das Drucken und Trocknen einer Bondingpaste zum Stapeln und Bonden der den jeweiligen Schichten entsprechenden Grünplatten.
  • Dann wurden die Grünplatten, auf denen die Bondingpaste gebildet wurde, unter Verwendung der Plattenlöcher positioniert und in einer vorbestimmten Reihenfolge gestapelt und einem Druckbonding unterzogen, bei dem die Platten durch Anwendung vorbestimmter Temperatur- und Druckbedingungen druckgebondet wurden, und so ein Stapel gebildet wurde. Der so erhaltene Stapel enthielt eine Vielzahl von Sensorelementen 101. Der Stapel wurde in Abschnitte geschnitten, die jeweils die Größe eines Sensorelements 101 hatten. Dann wurde der geschnittene Stapel bei einer vorbestimmten Brenntemperatur gebrannt, und so wurde ein Sensorelement 101 erhalten.
  • In Beispiel 1 betrug die Dicke des Sensorelements 101 1550 µm. Die Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums 20 bis zur Unterseite des Sensorelements 101 betrug 900 µm. Das heißt, das Verhältnis der Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums 20 zu der Unterseite des Sensorelements 101 zu der Dicke des Sensorelements 101 betrug 0,58. Außerdem betrug die Länge der kurzen Seite des Sensorelements 101 4,25 mm. Die Länge des ersten inneren Hohlraums 20 in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 betrug 2,00 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge des ersten inneren Hohlraums 20 in der Richtung der kurzen Seite des Sensorelements 101 zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements 101 betrug 0,47. Darüber hinaus betrug im Sensorelement 101 die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, 1,125 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements 101 war ungefähr 0,26. Darüber hinaus wurde die zweite Diffusionssteuereinheit 13 durch ein Loch gebildet, das durch Stanzen gebildet wurde.
  • Weiterhin wurde ein Sensorelement des Vergleichsbeispiels 1-3 hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements von Vergleichsbeispiel 1-3 war im Wesentlichen das gleiche wie das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 101 von Beispiel 1. Das Sensorelement 101 von Beispiel 1 und das Sensorelement von Vergleichsbeispiel 1-3 unterschieden sich voneinander hauptsächlich in der Position des ersten inneren Hohlraums in der Dickenrichtung des Sensorelements, der Breite des ersten inneren Hohlraums (die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der erste innere Hohlraum nicht ausgebildet war) und der Form der zweiten Diffusionssteuereinheit.
  • In Vergleichsbeispiel 1 betrug die Dicke des Sensorelements 1550 µm. Die Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums bis zur Unterseite des Sensorelements betrug 1020 µm. Das heißt, das Verhältnis der Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums zu der Unterseite des Sensorelements zu der Dicke des Sensorelements betrug 0,66. Außerdem betrug die Länge der kurzen Seite des Sensorelements 4,25 mm. Die Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements betrug 2,50 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements zu der Länge der kurzen Seite des Sensorelements betrug 0,59. Darüber hinaus betrug im Sensorelement die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, 0,875 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements war etwa 0,21. Außerdem wurde die zweite Diffusionssteuereinheit durch einen Schlitz ähnlich der ersten Diffusionssteuereinheit 11 gebildet.
  • In Vergleichsbeispiel 2 betrug die Dicke des Sensorelements 1550 µm. Die Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums bis zur Unterseite des Sensorelements betrug 1020 µm. Das heißt, das Verhältnis der Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums zu der Unterseite des Sensorelements zu der Dicke des Sensorelements betrug 0,66. Außerdem betrug die Länge der kurzen Seite des Sensorelements 4,25 mm. Die Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements betrug 2,50 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements zu der Länge der kurzen Seite des Sensorelements betrug 0,59. Darüber hinaus betrug im Sensorelement die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, 0,875 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements war etwa 0,21. Darüber hinaus wurde die zweite Diffusionssteuereinheit durch ein durch Stanzen gebildetes Loch gebildet.
  • In Vergleichsbeispiel 3 betrug die Dicke des Sensorelements 1550 µm. Die Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums bis zur Unterseite des Sensorelements betrug 1020 µm. Das heißt, das Verhältnis der Länge vom unteren Ende des ersten inneren Hohlraums zu der Unterseite des Sensorelements zu der Dicke des Sensorelements betrug 0,66. Außerdem betrug die Länge der kurzen Seite des Sensorelements 4,25 mm. Die Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements betrug 2,00 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge des ersten inneren Hohlraums in Richtung der kurzen Seite des Sensorelements zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements betrug 0,47. Darüber hinaus betrug im Sensorelement die Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der von den Abschnitten in der Richtung der kurzen Seite der kürzeste war, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, 1,125 mm. Das heißt, das Verhältnis der Länge in der Richtung der kurzen Seite des Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten war, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet war, zur Länge der kurzen Seite des Sensorelements betrug etwa 0,26. Darüber hinaus wurde die zweite Diffusionssteuereinheit durch ein durch Stanzen gebildetes Loch gebildet.
  • 6-2. Wassereindringbeständigkeitstest
  • 11 ist eine schematische Ansicht eines Geräts zur Verwendung in einem Wassereindringbeständigkeitstest. Wie in 11 dargestellt, enthält ein Spender 500 einen Kopf 510 und eine Düse 520. Das Sensorelement 101 wird von einer Elementklammer 530 gehalten.
  • Bei dem Wassereindringbeständigkeitstest wird der Düse 520 mit einem Innendurchmesser von 3 mm oder weniger eine Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsspeichereinheit zugeführt. Insbesondere wird die Flüssigkeit der Düse 520 durch Beaufschlagung eines Drucks zugeführt, der durch Hinzufügen von 1 bis 10 kPa zum atmosphärischen Druck erreicht wird. Unter Verwendung des Flüssigkeitstropfens wird ein Tropfen in einer gewünschten Tropfenmenge von 3 bis 70 µl aus dem vorderen Ende der Düse 520 auf das Sensorelement 101 getropft. Der Einfluss des Tropfens eines Tröpfchens auf das Sensorelement 101 wird bewertet.
  • Genauer gesagt wird ein Tröpfchen auf eine vorbestimmte Position des Sensorelements 101 getropft, indem die Düse für eine erste vorbestimmte Zeitspanne geöffnet wird. Wenn keine Anomalie im Sensorelement 101 auftritt, wird ein Tröpfchen auf eine vorbestimmte Position des Sensorelements 101 für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne getropft, die länger ist als die erste vorbestimmte Zeitspanne. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis eine Anomalie im Sensorelement 101 auftritt oder bis die Muster aller im Voraus festgelegten Zeiträume abgeschlossen sind.
  • Wenn das Sensorelement 101 durch Tropfen eines Tröpfchens geknackt wird, tritt Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 ein und Ip0 (1) steigt abrupt an. Ob das Sensorelement 101 gerissen ist oder nicht, wird anhand des abrupten Anstiegs von Ip0 bestimmt. Die Anzahl der Proben in Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1-3 betrug jeweils 5. Der Wassereindringbeständigkeitstest wurde mit diesem Verfahren durchgeführt.
  • 6-3. Test zur schnellen Temperaturerhöhung
  • Der Test zur schnellen Temperaturerhöhung wurde durchgeführt, indem die Temperatur des Heizers 72 in 15 Sekunden auf eine vorgegebene Temperatur erhöht wurde, wobei die Zeit, die benötigt wurde, um die Temperatur des Heizers 72 auf die vorbestimmte Temperatur zu erhöhen, typischerweise 50 Sekunden betrug. Die Temperatur des Heizers 72 wird über einen Heizerwiderstand gesteuert. Der Heizerwiderstand bei Betrieb des Gassensors 100 wird durch Multiplikation des Heizerwiderstands bei Raumtemperatur (Probeneigenwert) mit einer Konstanten ermittelt. Bei dem Test zur schnellen Temperaturerhöhung wurde an die Heizereinheit 70 eine Spannung angelegt, so dass der Heizerwiderstand den Heizerwiderstand zum Zeitpunkt der Ansteuerung in 15 Sekunden erreichte.
  • 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Änderung des Heizerwiderstands zeigt. In 12 zeigt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse den Heizerwiderstand an. Wenn das Sensorelement 101 beispielsweise keinen Riss aufweist, steigt der Heizerwiderstand, wie durch die Linie W4 angezeigt. Das heißt, der Heizerwiderstand erreicht einen Heizerwiderstand R1 zum Zeitpunkt des Betriebs zum Zeitpunkt t5 (in 15 Sekunden). Ist das Sensorelement 101 hingegen zum Beispiel gerissen, hat der Heizerwiderstand einen anormalen Wert, der durch die Linie W5 angezeigt wird. Die Eigenschaften bei einem schnellen Temperaturanstieg wurden anhand des Auftretens von Rissen in zehn Sensorelementen bewertet.
  • 6-4. Testergebnis
  • 13 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Wassereindringbeständigkeitstest zeigt. Wie in 13 gezeigt, bildeten in Vergleichsbeispiel 1 alle Proben durch mindestens 7 µl Flüssigkeit Risse. In Vergleichsbeispiel 2 bildeten alle Proben durch mindestens 8 µl Flüssigkeit Risse. In Vergleichsbeispiel 3 bildeten alle Proben durch mindestens 6 µl Flüssigkeit Risse. Andererseits bildeten in Beispiel 1 einige Proben durch 9 µl Flüssigkeit Risse, aber keine Probe durch 8 µl Flüssigkeit.
  • 14 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Tests zur schnellen Temperaturerhöhung zeigt. Wie in 14 gezeigt, waren in Vergleichsbeispiel 1 70 % der Proben gerissen. In Vergleichsbeispiel 2 waren 60 % der Proben gerissen. In Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 1 traten keine Risse auf. Im Gegensatz zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 erreichte Beispiel 1 eine hohe Leistung sowohl bei dem Wassereindringbeständigkeitstest als auch bei dem Test zur schnellen Temperaturerhöhung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Erste Substratschicht
    2
    Zweite Substratschicht
    3
    Dritte Substratschicht
    4
    Erste Festelektrolytschicht
    5
    Abstandshalterschicht
    6
    Zweite Festelektrolytschicht
    7
    Obere Abschnittsschicht
    10
    Gaseinführungsöffnung
    11
    Erste Diffusionssteuereinheit
    12
    Pufferraum
    13
    Zweite Diffusionssteuereinheit
    20, 20A
    Erster innerer Hohlraum
    21
    Hauptpumpzelle
    22
    Interne Pumpelektrode
    22a, 51a, 51aX
    Deckenelektrodenabschnitt
    22b, 51b, 51bX
    Bodenelektrodenabschnitt
    23
    Externe Pumpelektrode
    24, 24Y
    Schlitzabschnitt
    30
    Dritte Diffusionssteuereinheit
    40, 40X
    Zweiter innerer Hohlraum
    41
    Messpumpzelle
    42
    Referenzelektrode
    43
    Referenzgaseinführungsraum
    44, 44X
    Messelektrode
    45
    Vierte Diffusionssteuereinheit
    46, 52
    Variable Stromquelle
    48
    Lufteintragsschicht
    50
    Hilfspumpzelle
    51, 51X
    Hilfspumpelektrode
    60
    Fünfte Diffusionssteuereinheit
    61
    Dritter innerer Hohlraum
    70
    Heizereinheit
    71
    Heizerelektrode
    72
    Heizer
    73
    Durchgangsbohrung
    74
    Heizerisolierschicht
    75
    Druckverteilungsbohrung
    80
    hauptpumpensteuernde Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle
    81
    hilfspumpensteuerde Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle
    82
    messpumpensteuernde Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle
    83
    Sensorzelle
    100, 100A
    Gassensor
    101
    Sensor-Element
    500
    Spender
    510
    Kopf
    520
    Düse
    530
    Element-Klammer
    A1, A2, A3, A4
    Region
    W1, W2, W3, W4, W5
    Linie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 3860590 [0002, 0004, 0005, 0007, 0008]

Claims (7)

  1. Gassensor, der so konfiguriert ist, dass er die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messzielgas misst, umfassend: ein Sensorelement, wobei das Sensorelement einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten enthält, ein innerer Hohlraum, konfiguriert, um das Messzielgas aus einem Außenraum einzuführen, innerhalb des Sensorelements ausgebildet ist, das Sensorelement eine Sauerstoffpumpzelle enthält, die Sauerstoffpumpzelle enthält: eine interne Pumpelektrode, die innerhalb des inneren Hohlraums ausgebildet ist; und eine externe Pumpelektrode, die in einem anderen Raum als dem inneren Hohlraum ausgebildet ist, die Sauerstoffpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff in den inneren Hohlraum pumpt, indem sie eine Spannung an einen Punkt zwischen der internen Pumpelektrode und der externen Pumpelektrode anlegt, das Sensorelement in der Draufsicht eine lange Seite und eine kurze Seite aufweist, in dem Sensorelement das Verhältnis einer Länge in der Richtung der kurzen Seite eines Abschnitts, der in der Richtung der kurzen Seite am kürzesten ist, von den Abschnitten, in denen der innere Hohlraum nicht ausgebildet ist, zu einer Länge der kurzen Seite 0,22 oder mehr beträgt, das Sensorelement eine Oberseite und eine Unterseite aufweist und ein Verhältnis der Länge vom Endabschnitt des inneren Hohlraums nahe der Unterseite zur Unterseite zur Dicke des Sensorelements 0,50 oder mehr und 0,65 oder weniger beträgt.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis einer Länge in Richtung der kurzen Seite des inneren Hohlraums zur Länge der kurzen Seite 0,40 oder mehr und 0,58 oder weniger beträgt.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorelement weiterhin eine Wärmeerzeugungseinheit enthält, die so konfiguriert ist, dass sie Wärme erzeugt, und die Wärmeerzeugungseinheit in Dickenrichtung des Sensorelements näher an der Unterseite als an der Oberseite angeordnet ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei innerhalb des Sensorelements weiterhin eine Diffusionssteuereinheit ausgebildet ist, die Diffusionssteuereinheit so konfiguriert ist, dass sie einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messzielgas ausübt, das aus dem Außenraum über eine Gaseinführungsöffnung eingeführt wird, die Diffusionssteuereinheit ein Loch enthält, das sich in Richtung der langen Seite erstreckt und die Gaseinführungsöffnung und den inneren Hohlraum verbindet, und ein Verhältnis einer Länge in Richtung der kurzen Seite des Lochs zu einer Länge in Richtung der Dicke des Lochs 0,50 oder mehr und 30,00 oder weniger beträgt.
  5. Gassensor nach Anspruch 4, wobei die Diffusionssteuereinheit eine erste Diffusionssteuereinheit und eine zweite Diffusionssteuereinheit enthält, die erste und die zweite Diffusionssteuereinheit entlang der Richtung der langen Seite angeordnet sind, und eine Querschnittsform in der Dickenrichtung der ersten Diffusionssteuereinheit und eine Querschnittsform in der Dickenrichtung der zweiten Diffusionssteuereinheit voneinander verschieden sind.
  6. Gassensor nach Anspruch 5, wobei eine der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten das Loch enthält, und die andere der ersten und zweiten Diffusionssteuereinheiten zwei Schlitze enthält, die entlang der Dickenrichtung angeordnet sind.
  7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sensorelement ein Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten ist, die externe Pumpelektrode von einer beliebigen der Vielzahl von Keramikschichten in dem Sensorelement bedeckt ist, und zwischen der Keramikschicht, die die externe Pumpelektrode bedeckt, und der externen Pumpelektrode ein Schlitzabschnitt gebildet wird, der mit dem Außenraum verbunden ist.
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