DE102023105720A1

DE102023105720A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102023105720A1
Application number: DE102023105720.0A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Taku Okamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2023-09-21
Also published as: US20230296553A1; CN116773634A; JP2023137426A

Abstract

Ein Gehäuse eines Gassensors mit einem Referenzgasraum darin enthält: ein Außenrohr, in das ein Endabschnitt eines Sensorelements hineinragt; und ein Dichtungsbauteil, das in einen Endabschnitt des Außenrohrs passt, um den Referenzgasraum abzudichten, wobei das Sensorelement enthält: einen ersten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine erste Elektrodenleitung zum elektrischen Verbinden einer Außenseite und mindestens eine Außenraum-Pumpelektrode und eine erste Leitungsisolierschicht enthält, die die erste Elektrodenleitung bedeckt; und einen zweiten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine zweite Elektrodenleitung, die die Außenseite und eine Messelektrode elektrisch verbinden kann, und einen zweiten Leitungsisolierschicht enthält, die die zweite Elektrodenleitung bedeckt, und A/B < 1,00, wobei A (cm-1) der Diffusionswiderstand des ersten Elektrodenleitungsabschnitts und B (cm-1) der Diffusionswiderstand des zweiten Elektrodenleitungsabschnitts ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der ein Sensorelement aus Keramik enthält, und insbesondere den Schutz einer Messelektrode und die Unterdrückung von Ausgangsschwankungen beim Einsatz in einer fetten Gasatmosphäre.
Technischer Hintergrund
Als Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in einem Messgas, wie einem Verbrennungsgas und einem Abgas eines Verbrennungsmotors, typischerweise eines Fahrzeugmotors, ist ein Gassensor mit einem Sensorelement aus sauerstoffionenleitender Festelektrolytkeramik hergestellt, wie Zirkoniumdioxid (ZrO₂), herkömmlich bekannt.
Der Gassensor enthält typischerweise einen Hauptkörper mit einer Konfiguration, in der ein längliches planares Sensorelement (Erfassungselement) aus Keramik in (einem hohlen Abschnitt von) einem Einschlussbauteil aus Metall durch einen Keramikträger und einen Pulverpressling aus Keramik, wie Talkum, befestigt ist, und der Pulverpressling einen Abschnitt zwischen einer Seite des einen Endabschnitts, an dem ein Gaseinlass zum Einleiten des Messgases in das Innere des Elements, in dem eine Messelektrode und dergleichen angeordnet sind, vorgesehen ist, und einer Seite des anderen Endabschnitts, an dem ein Referenzgas (Luft) eingeleitet wird, hermetisch abdichtet (siehe z.B. Japanisches Patent Nr. 6401644).
Ein Abschnitt des Einschlussbauteils auf einer Seite des anderen Endabschnitts ist ein zylindrisches Bauteil, das auch als sogenanntes Außenrohr bezeichnet wird, und eine Tülle ist in ein Führungsende davon als Dichtungs(Abdichtungs)bauteil eingepasst. Ein Raum, der von dem Außenrohr und der Tülle umgeben ist, ist ein Referenzgasraum. Die Tülle ist mit Durchgangslöchern versehen, in die einige Leitungskabel, die das Sensorelement elektrisch mit der Außenseite verbinden, eingeführt werden. Luft, die im Außenrohr vorhanden ist, wenn die Tülle bei dem Herstellungsverfahren des Gassensors in das Außenrohr eingesetzt wird, wird üblicherweise als Referenzgas verwendet, aber auch Luft, die durch Lücken zwischen den Durchgangslöchern der Tülle und den Leitungskabeln in das Außenrohr eintritt, kann das Referenzgas sein.
Im anderen Endabschnitt des Sensorelements wird das Referenzgas aus dem Referenzgasraum in das Element eingeleitet und eine Referenzelektrode, die ein Referenzpotenzial bereitstellt, ist so angeordnet, dass sie mit dem Referenzgas in Kontakt gebracht werden kann. Die Referenzelektrode soll mit dem Referenzgas in Kontakt sein, das eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweist, so dass das Referenzpotenzial konstant gehalten wird, um eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und einer anderen Elektrode, wie der Messelektrode, des Sensorelements in Übereinstimmung mit einer Atmosphäre um die Elektrode herum zu verursachen.
Während verschiedene Elektroden des Sensorelements durch Elektrodenleitungen, die in oder an einer Seite des Elements angeordnet sind, elektrisch mit Anschlussklemmen im Endabschnitt des Elements verbunden sind, ist ein Sensorelement mit einer porösen Referenzelektrodenleitung, die die Referenzelektrode und ein Elektrodenpad als eine der Anschlussklemmen verbindet, ebenfalls bereits bekannt (siehe z.B. Japanisches Patent Nr. 5832479).
Ein Gassensor, bei dem eine äußere Elektrode auf einer äußeren Oberfläche eines Sensorelements angeordnet ist und eine Keramikschicht so angeordnet ist, dass ein Schlitz zur Bereitstellung eines vorbestimmten Diffusionswiderstandes um die äußere Elektrode herum gebildet wird, und weiterhin ein Gassensor, bei dem ein poröser Körper eingelassen ist, um die mechanische Festigkeit des Schlitzes zu verbessern, sind bereits bekannt (siehe z.B. Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2021-162465 ).
Darüber hinaus ist ein Gassensor mit einem Sensorelement bekannt, das eine Konfiguration aufweist, bei der eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle und eine Sauerstoffpumpzelle über eine Isolierschicht entlang einer Dickenrichtung des Elements laminiert sind und ein Erfassungsgas in das Element durch ein Diffusionssteuerteil eingeleitet wird, das aus einem porösen Körper gebildet ist, der an einem Abschnitt der Isolierschicht vorgesehen ist (siehe z.B. Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2012-173146).
Darüber hinaus ist bereits ein Gassensorelement bekannt, bei dem die Breite W1 einer Messgaskammer, in die ein Messgas eingeleitet wird, und die Breite W2 einer porösen Diffusionswiderstandsschicht, die an einem Gaseinlass in der Messgaskammer angeordnet ist, die Beziehung W1 < W2 erfüllen (siehe z.B. Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2020-71128).
Ein Gassensor, wie er im japanischen Patent Nr. 6401644 offenbart ist, wird in einer Abgasatmosphäre verwendet, wobei der Hauptkörper entlang eines Abgasweges vom Motor angeordnet ist, und er wird in einer Hochtemperaturumgebung verwendet, wobei das Sensorelement selbst durch einen Heizer erhitzt wird. Wenn also der Hauptkörper zu Beginn der Verwendung auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, kann ein verunreinigtes Gas, das aufgrund der Verflüchtigung eines an der Innenoberfläche des Außenrohrs haftenden Ölgehalts und der Erzeugung eines Gases aus dem Gummistopfen entsteht, das Referenzgas verunreinigen. Als Folge des verunreinigten Gases, das die Referenzelektrode erreicht, könnte sich das konstant zu haltende Referenzpotenzial ändern, wodurch die Messgenauigkeit des Gassensors nicht aufrechterhalten werden kann. Es wird angenommen, dass eine solche Situation eher eintritt, wenn die Referenzelektrodenleitung porös ist, wie im japanischen Patent Nr. 5832479 offenbart.
In dem im japanischen Patent Nr. 6401644 offenbarten Gassensor kann eine elektrochemische Pumpzelle, die eine äußere Elektrode, die Referenzelektrode und einen zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyten enthält, Sauerstoff von außerhalb des Elements in den Referenzgasraum pumpen, indem eine vorbestimmte Spannung an die Elektroden angelegt wird, und durch das Einpumpen kann das Referenzpotenzial konstant gehalten werden, selbst wenn das Referenzgas verunreinigt ist.
Das vorstehend erwähnte verunreinigte Gas erreicht jedoch manchmal nicht nur die Referenzelektrode, sondern auch die Messelektrode und darüber hinaus einen Innenraum, der sich näher am Gaseinlass befindet, über eine Elektrodenleitung, wie eine Messelektrodenleitung. Das Messgas, das die Messelektrode mit einer Sauerstoffkonzentration erreichen soll, die auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist, nachdem es durch den Gaseinlass eingeleitet wurde, kann durch das verunreinigte Gas, das durch die Leitung eintritt, verunreinigt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Gassensors beeinträchtigt werden kann. Selbst wenn die Menge des eintretenden verunreinigten Gases gering ist, ist die Auswirkung nicht zu vernachlässigen, wenn eine zu messende Gaskomponente eine niedrige Konzentration aufweist.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2020-71128 , dass in dem Fall, dass die Breite W1 der Messgaskammer kleiner als eine konventionelle Breite ist und somit die Elektrode des Gassensorelements eine kleinere Breite aufweist, die Elektrodenleitung, die mit jeder Elektrode verbunden ist, so eingestellt ist, dass sie eine relativ große Breite aufweist, so dass ein Elektrodenabschnitt so eingestellt ist, dass er eine vorbestimmte Elektrodenimpedanz aufweist, um keine große Änderung der Impedanz zu verursachen. Wenn die Breite des Leitungsabschnitts wie vorstehend beschrieben vergrößert wird, kann der Diffusionswiderstand des Leitungsabschnitts verringert werden, um die Menge des verunreinigten Gases zu erhöhen, die über den Leitungsabschnitt gelangt.
Die Verwendung der porösen Elektrodenleitung, wie sie im japanischen Patent Nr. 5832479 für eine andere Leitung als die Referenzelektrodenleitung offenbart ist, kann die zu verwendende Platinmenge unterdrücken und zu einer Kostenverminderung führen, aber möglicherweise die Menge des verunreinigten Gases erhöhen, das durch die Elektrodenleitung eintritt.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der ein Sensorelement aus Keramik enthält, und insbesondere den Schutz einer Messelektrode des Sensorelements und die Unterdrückung von Ausgangsschwankungen des Gassensors, wenn der Gassensor unter einer fetten Gasatmosphäre eingesetzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Gassensor, der in der Lage ist, eine vorbestimmte Gaskomponente in einem Messgas zu erfassen: ein Sensorelement, das ein längliches, planares Basisteil enthält, das aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten gebildet ist, und ein Sensorteil an einer Seite seines einen Endabschnitts enthält; und ein Gehäuse, in dem das Sensorelement enthalten und befestigt ist. Das Gehäuse enthält: ein Außenrohr mit einem Referenzgasraum, in dem ein Referenzgas vorhanden ist und in den der andere Endabschnitt des Sensorelements hineinragt; und ein Dichtungsbauteil, das in einen Endabschnitt des Außenrohrs passt, um den Referenzgasraum abzudichten. Das Sensorelement enthält: mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum, der mit einem Einlass für das Messgas in Verbindung steht, der auf einer Seite des einen Endabschnitts unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand angeordnet ist; einen Messinnenraum, der weiterhin mit dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum in Verbindung steht; eine Außenraum-Pumpelektrode, die an einer anderen Stelle als dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum und dem Messinnenraum angeordnet ist; mindestens eine innere Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum gegenüberliegt; eine Messelektrode, die so angeordnet ist, dass sie dem Messinnenraum gegenüberliegt; einen ersten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine erste Elektrodenleitung und eine erste Leitungsisolierschicht enthält, wobei sich die erste Elektrodenleitung von der Außenraum-Pumpelektrode erstreckt, um eine Außenseite des Sensorelements und die Außenraum-Pumpelektrode elektrisch zu verbinden, wobei die erste Leitungsisolierschicht die erste Elektrodenleitung bedeckt; eine Keramikschicht, die zumindest den ersten Elektrodenleitungsabschnitt bedeckt; und einen zweiten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine zweite Elektrodenleitung und eine zweite Leitungsisolierschicht enthält, wobei sich die zweite Elektrodenleitung von der Messelektrode aus erstreckt, um die Außenseite des Sensorelements und die Messelektrode elektrisch zu verbinden, wobei die zweite Leitungsisolierschicht die zweite Elektrodenleitung bedeckt. Eine vorbestimmte Pumpspannung wird über die mindestens eine innere Elektrode und die Außenraum-Pumpelektrode angelegt, um Sauerstoff zwischen dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum, der der mindestens einen inneren Elektrode entspricht, und der Außenseite des Sensorelements ein- oder auszupumpen, eine vorbestimmte Pumpspannung wird über die Messelektrode und die Außenraum-Pumpelektrode angelegt, um Sauerstoff zwischen dem Messinnenraum und der Außenseite des Sensorelements ein- oder auszupumpen, und A/B < 1,00, wobei A (cm^-1) der Diffusionswiderstand des ersten Elektrodenleitungsabschnitts ist, B (cm^-1) der Diffusionswiderstand des zweiten Elektrodenleitungsabschnitts ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Ausmaß vorübergehender Ausgangsschwankungen einer NOx-Konzentration unterdrückt werden, wenn ein verunreinigtes Gas im Referenzgasraum erzeugt wird. Dadurch wird ein Gassensor erreicht, bei dem eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases im Referenzgasraum in geeigneter Weise unterdrückt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der es ermöglicht, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, selbst wenn ein verunreinigtes Gas auf einer Seite eines Referenzgasraums erzeugt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Teilquerschnitt entlang einer Längsrichtung eines Gassensors 100;
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht entlang einer Längsrichtung eines Sensorelements 101, die schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration des Sensorelements 101 zeigt;
3 ist ein Beispiel für ein Diagramm, das eine Änderung des NOx-Stroms lp2 ab Betriebsbeginn zusammen mit einer Temperaturänderung eines Gummistopfens 106 zeigt, wenn der Gassensor unter einer Modellgasatmosphäre mit einer konstanten NOx-Konzentration betrieben wird;
4 ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Elektrodenleitungsabschnitte veranschaulicht, einschließlich der Elektrodenleitungen, die sich von einer Hauptpumpelektrode 22, einer Hilfspumpelektrode 51 und einer Messelektrode 44 erstrecken;
5 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Elektrodenleitungsabschnitts mit einer Elektrodenleitung veranschaulicht, die sich von einer äußeren Pumpelektrode 23 aus erstreckt; und
6 beschreibt, wie man die Menge der Leistungsschwankungen bewertet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Konfiguration des Gassensors>
1 ist eine Teilquerschnittsansicht entlang einer Längsrichtung eines Gassensors 100 (insbesondere eines Hauptkörpers) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform dient der Gassensor 100 zur Erfassung einer vorbestimmten Gaskomponente (z.B. NOx) unter Verwendung eines darin angeordneten Sensorelements 101. In 1 ist eine vertikale Richtung als z-Achsenrichtung dargestellt, und die Längsrichtung des Gassensors 100 entspricht der z-Achsenrichtung (dasselbe gilt für die nachfolgenden Zeichnungen).
Der Gassensor 100 weist hauptsächlich eine Konfiguration auf, in der das Sensorelement 101, eine ringförmig montierte Komponente 120, die ringförmig um das Sensorelement 101 montiert ist, und ein rohrförmiger Körper 130, der weiter ringförmig um die ringförmig montierte Komponente 120 montiert ist, um die ringförmig montierte Komponente 120 zu enthalten, mit einer Schutzabdeckung 102, einem Befestigungsbolzen 103 und einem Außenrohr 104 abgedeckt sind. Mit anderen Worten, der Gassensor 100 weist im Allgemeinen eine Konfiguration auf, in der das Sensorelement 101 den rohrförmigen Körper 130 in einer axialen Richtung an einer Stelle eines axialen Zentrums in dem rohrförmigen Körper 130 durchdringt, und die ringförmig montierte Komponente 120 ist ringförmig um das Sensorelement 101 in dem rohrförmigen Körper 130 montiert. Der rohrförmige Körper 130, die Schutzabdeckung 102 und das Außenrohr 104 bilden im Wesentlichen ein Gehäuse (Einschlussbauteil) für das Sensorelement 101.
Das Sensorelement 101 ist ein längliches, säulenförmiges oder laminares Bauteil, das einen Elementkörper enthält, der aus sauerstoffionenleitender Festelektrolytkeramik, wie Zirkoniumdioxid, als Hauptbestandteilsmaterial aufgebaut ist. Das Sensorelement 101 ist auf einer zentralen Achse entlang einer Längsrichtung des rohrförmigen Körpers 130 angeordnet. Eine Erstreckungsrichtung der zentralen Achse, die mit der Längsrichtung des rohrförmigen Körpers 130 übereinstimmt, wird nachstehend auch als axiale Richtung bezeichnet. In 1 und den nachfolgenden Zeichnungen entspricht die axiale Richtung der z-Achsenrichtung.
Das Sensorelement 101 weist eine Konfiguration auf, bei der ein Sensorteil, das einen Gaseinlass, Innenräume und dergleichen enthält, auf einer Seite eines ersten Führungsendeabschnitts 101a angeordnet ist und verschiedene Elektroden und Verdrahtungsmuster auf einer Oberfläche von und in dem Elementkörper angeordnet sind. In dem Sensorelement 101 wird ein in die Innenräume eingeleitetes Testgas in den Innenräumen reduziert oder zersetzt, um Sauerstoffionen zu erzeugen. Auf der Grundlage der Proportionalität zwischen der Menge der durch das Element strömenden Sauerstoffionen und der Konzentration der Gaskomponente im Testgas bestimmt der Gassensor 100 die Konzentration der Gaskomponente.
Ein Abschnitt auf einer Oberfläche des Sensorelements 101 in einem vorbestimmten Bereich von dem ersten Führungsendeabschnitt bzw. Leitungsendabschnitt 101a entlang der Längsrichtung ist mit einem Schutzfilm 111 bedeckt. Der Schutzfilm 111 ist so angeordnet, dass er einen Abschnitt in der Nähe des ersten Führungsendeabschnitts 101a des Sensorelements 101, in dem die Innenräume, die Elektroden und dergleichen vorgesehen sind, vor einem durch Benetzung und dergleichen verursachten Wärmeschock schützt, und wird auch als eine wärmeschockbeständige Schutzschicht bezeichnet. Der Schutzfilm 111 ist ein poröser Film, der beispielsweise aus Al₂O₃ aufgebaut ist und eine Dicke von etwa 10 µm bis 2000 µm aufweist. Der Schutzfilm 111 ist vorzugsweise so geformt, dass er einer Kraft von bis zu etwa 50 N standhält, was ihrem Zweck entspricht. Ein in 1 und den nachfolgenden Zeichnungen dargestellter Ausführungsbereich des Schutzfilms 111 ist nur ein Beispiel, und der tatsächliche Ausführungsbereich wird entsprechend der speziellen Struktur des Sensorelements 101 festgelegt.
Die Schutzabdeckung 102 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Außenbauteil zum Schutz des ersten Führungsendeabschnitts 101a als ein Abschnitt des Sensorelements 101, der während der Verwendung in direktem Kontakt mit dem Testgas steht. Die Schutzabdeckung 102 ist an einem äußeren Umfangsendabschnitt (einem Außenumfang eines Abschnitts mit verringertem Durchmesser 131, der nachstehend beschrieben wird) auf einer unteren Seite in 1 (einer negativen Seite in Richtung der z-Achse) des rohrförmigen Körpers 130 durch Schweißen befestigt.
In einem in 1 dargestellten Fall weist die Schutzabdeckung 102 eine zweischichtige Struktur aus einer äußeren Abdeckung 102a und einer inneren Abdeckung 102b auf. Die äußere Abdeckung 102a und die innere Abdeckung 102b weisen jeweils eine Vielzahl von Durchgangslöchern H1 und H2 und eine Vielzahl von Durchgangslöchern H3 und H4 auf, die den Durchtritt von Gas ermöglichen. Die Arten, die Anzahl, die Positionen, die Formen und dergleichen der in 1 dargestellten Durchgangslöcher sind nur Beispiele und können im Hinblick auf die Art und Weise, wie das Messgas in die Schutzabdeckung 102 einströmt, entsprechend festgelegt werden.
Der Befestigungsbolzen 103 ist ein ringförmiges Bauteil, das verwendet wird, wenn der Gassensor 100 an einer Messstelle befestigt wird. Der Befestigungsbolzen 103 enthält einen mit einem Gewinde versehenen Bolzenabschnitt 103a und einen Halteabschnitt 103b, der gehalten wird, wenn der Bolzenabschnitt 103a verschraubt wird. Der Bolzenabschnitt 103a ist mit einer Mutter zu verschrauben, die an einer Befestigungsstelle des Gassensors 100 angeordnet ist. Beispielsweise wird der Bolzenabschnitt 103a mit einem Mutterabschnitt verschraubt, der an einem Auspuffrohr des Fahrzeugs vorgesehen ist, so dass der Gassensor 100 an dem Auspuffrohr befestigt wird, wobei eine Seite der Schutzabdeckung 102 in dem Auspuffrohr freiliegt.
Das Außenrohr 104 ist ein zylindrisches Bauteil mit einem Endabschnitt (einem unteren Endabschnitt in 1), das an einem äußeren Umfangsendabschnitt auf einer oberen Seite in 1 (einer positiven Seite in Richtung der z-Achse) des rohrförmigen Körpers 130 durch Schweißen befestigt ist. In dem Außenrohr 104 ist ein Verbindungsstück 105 angeordnet. Ein Gummistopfen 106 wird in den anderen Endabschnitt (ein oberer Endabschnitt in 1) des Außenrohrs 104 als Dichtungsbauteil (Abdichtung) eingepasst. In dem Gassensor 100 ist ein Raum, der von dem Außenrohr 104 zwischen dem rohrförmigen Körper 130 und dem Gummistopfen 106 umgeben ist, ein Referenzgasraum SP. Mit anderen Worten, der Referenzgasraum SP wird durch den Gummistopfen 106 abgedichtet. Ein zweiter Führungsendeabschnitt 101b des Sensorelements 101 ragt in den Referenzgasraum SP hinein. In den Referenzgasraum SP wird Luft als Referenzgas eingeleitet, wenn z.B. die NOx-Konzentration gemessen wird.
Das Verbindungsstück 105 enthält eine Vielzahl von Kontaktbauteilen 151, die mit einer Vielzahl von nicht abgebildeten Anschlusselektroden in Kontakt stehen, die sich im zweiten Führungsendeabschnitt 101b des Sensorelements 101 befinden. Die Kontaktbauteile 151 sind mit Leitungskabeln 107 verbunden, die in den Gummistopfen 106 eingeführt sind. Die Leitungskabel 107 sind außerhalb des Gassensors 100 mit einem Controller 110 und verschiedenen Stromversorgungen verbunden, die in 1 nicht dargestellt sind.
Obwohl in 1 nur zwei Kontaktbauteile 151 und zwei Leitungskabel 107 dargestellt sind, handelt es sich nur um Beispiele.
Der rohrförmige Körper 130 ist ein rohrförmiges Bauteil aus Metall, das auch als Hauptmetall-Fitting bezeichnet wird. Das Sensorelement 101 und die ringförmig montierte Komponente 120 sind in dem rohrförmigen Körper 130 enthalten. Mit anderen Worten, der rohrförmige Körper 130 ist ringförmig um die ringförmig montierte Komponente 120 angeordnet, die wiederum ringförmig um das Sensorelement 101 angeordnet ist.
Der rohrförmige Körper 130 enthält hauptsächlich einen dicken Hauptabschnitt 130M mit einer zylindrischen Innenoberfläche 130a parallel zur axialen Richtung, die einen zylindrischen Innenraum bildet, den Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 131, der in einem unteren Endabschnitt in der axialen Richtung in 1 (auf der negativen Seite in Richtung der z-Achse) angeordnet ist und dicker als der Hauptabschnitt 130M ist, einen dünnen verpressten Abschnitt 132, der sich weiter nach oben von einer Endoberfläche 130c des Hauptabschnitts 130M erstreckt, der an einem oberen Ende in der axialen Richtung in 1 angeordnet und in Richtung der axialen Mitte gebogen ist, und einen Verriegelungsabschnitt 133, der in Umfangsrichtung nach außen vorsteht.
Mit dem gebogenen verpressten Abschnitt 132 wird die innen angeordnete ringförmig montierte Komponente 120 (direkt ein zweiter Keramikträger 123) von der Oberseite in 1 gepresst und fixiert (gezwungen). Der verpresste Abschnitt 132 wird nach ringförmiger Montage der ringförmig montierten Komponente 120 an dem Sensorelement 101 gebogen, wie nachstehend beschrieben wird.
Die ringförmig montierte Komponente 120 enthält einen ersten Keramikträger 121, einen Pulverpressling 122 und den zweiten Keramikträger 123.
Der erste Keramikträger 121 und der zweite Keramikträger 123 sind jeweils ein Isolator aus Keramik. Insbesondere weisen der erste Keramikträger 121 und der zweite Keramikträger 123 jeweils ein rechteckiges Durchgangsloch (nicht abgebildet) auf, das der Querschnittsform des Sensorelements 101 an einer Stelle der axialen Mitte entspricht, und das Sensorelement 101 wird in das Durchgangsloch eingeführt, wodurch der erste Keramikträger 121 und der zweite Keramikträger 123 ringförmig um das Sensorelement 101 herum angebracht werden. Der erste Keramikträger 121 ist an einer konischen Oberfläche 130b des rohrförmigen Körpers 130 in einem unteren Abschnitt in 1 verriegelt.
Andererseits wird der Pulverpressling 122 durch das Formen von Keramikpulver, wie Talkum, gebildet, in dem rohrförmigen Körper 130 in einem Zustand angeordnet, in dem er ringförmig um das Sensorelement 101 herum angebracht ist, wobei das Sensorelement 101 in das Durchgangsloch eingeführt wird, ähnlich wie der erste Keramikträger 121 und der zweite Keramikträger 123, und dann zur Integration komprimiert wird. Insbesondere werden die Keramikteilchen, die den Pulverpressling 122 bilden, dicht in einen Raum gefüllt, der von dem ersten Keramikträger 121, dem zweiten Keramikträger 123 und dem rohrförmigen Körper 130 eingeschlossen wird, durch den das Sensorelement 101 hindurchdringt.
In dem Gassensor 100 wird im Allgemeinen die Fixierung des Sensorelements 101 und der ringförmig montierten Komponente 120 in dem rohrförmigen Körper 130 durch das Verriegeln des ersten Keramikträgers 121 auf der konischen Oberfläche 130b und das Pressen des zweiten Keramikträgers 123 durch den verpressten Abschnitt 132 von vorstehend in 1 realisiert. Darüber hinaus wird durch die Druckfüllung mit dem Pulverpressling 122 eine luftdichte Abdichtung zwischen einer Seite des ersten Führungsendeabschnitts 101a und einer Seite des zweiten Führungsendeabschnitts 101b des Sensorelements 101 erreicht.
<Allgemeine Konfiguration des Sensorelements>
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht entlang der Längsrichtung des Elements, die schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration des Sensorelements 101 zeigt. 2 zeigt zusätzlich den Controller 110, der den Betrieb jedes Teils des Gassensors 100 steuert und die NOx-Konzentration auf der Grundlage eines NOx-Stroms, der durch das Sensorelement 101 fließt, identifiziert, wobei die Darstellung des Schutzfilms 111, der auf einer Seite des ersten Führungsendeabschnitts 101 a des Sensorelements 101 angeordnet ist, weggelassen wird.
Das Sensorelement 101 ist ein planarer (ein länglicher planarer) Elementkörper aus Keramik mit einer Struktur, in der sechs Festelektrolytschichten, nämlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) (z.B. Yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ)) als sauerstoffionenleitender Festelektrolyt ausgebildet, in der in 2 angegebenen Reihenfolge von der Unterseite laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, ist dicht und luftdicht. Eine Oberfläche auf einer Oberseite und eine Oberfläche auf einer Unterseite jeder dieser sechs Schichten in 2 werden nachstehend auch einfach als obere Oberfläche bzw. untere Oberfläche bezeichnet. Ein Teil des Sensorelements 101, das aus dem Festelektrolyten als Ganzes aufgebaut ist, wird allgemein als Basisteil bezeichnet.
Das Sensorelement 101 wird z.B. hergestellt, indem vorbestimmte Bearbeitungen durchgeführt werden, Schaltungsmuster (z.B. Elektroden, Elektrodenleitungen und Leitungsisolierschichten) und dergleichen auf Keramikgrünplatten gedruckt werden, die den jeweiligen Schichten entsprechen, dann laminiert und zur Integration weiter gebrannt werden.
Zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 auf einer Seite des ersten Führungsendeabschnitts 101 a des Sensorelements 101 sind ein erstes Diffusionssteuerteil 11, das als Gaseinlass 10 dient, ein Pufferraum 12, ein zweites Diffusionssteuerteil 13, ein erster Innenraum 20, ein drittes Diffusionssteuerteil 30, ein zweiter Innenraum 40, ein viertes Diffusionssteuerteil 60 und ein dritter Innenraum 61 benachbart zueinander ausgebildet, um in der angegebenen Reihenfolge miteinander zu kommunizieren.
Der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20, der zweite Innenraum 40 und der dritte Innenraum 61 sind Räume (Regionen) innerhalb des Sensorelements 101, die so aussehen, als ob sie durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt wurden, und die einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt und einen Seitenabschnitt aufweisen, die jeweils durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 definiert sind. Der Gaseinlass 10 kann ähnlich aussehen, als ob er durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 in dem ersten Führungsendeabschnitt 101a getrennt von dem ersten Diffusionssteuerteil 11 bereitgestellt würde. In diesem Fall ist das erste Diffusionssteuerteil 11 innerhalb und angrenzend an den Gaseinlass 10 ausgebildet.
Das erste Diffusionssteuerteil 11, das zweite Diffusionssteuerteil 13, das dritte Diffusionssteuerteil 30 und das vierte Diffusionssteuerteil 60 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze vorgesehen (deren Öffnungen Längsrichtungen senkrecht zur Seite von 2 aufweisen). Ein Teil, das sich vom Gaseinlass 10 zum dritten Innenraum 61 als dem am weitesten entfernten Innenraum erstreckt, wird auch als Gasverteilungsteil bezeichnet.
Auf einer Seite des zweiten Führungsendeabschnitts 101b des Sensorelements 101 ist ein Referenzgaseinleitungsraum 43 mit einem Seitenabschnitt, der durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert ist, zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 vorgesehen. Der Referenzgaseinleitungsraum 43 öffnet sich zum Referenzgasraum SP in dem Außenrohr 104 und Luft als das Referenzgas wird aus dem Referenzgasraum SP in den Referenzgaseinleitungsraum 43 eingeführt.
Eine Lufteinleitungsschicht 48 ist eine aus porösem Aluminiumoxid gebildete Schicht und das Referenzgas wird durch den Referenzgaseinleitungsraum 43 in die Lufteinleitungsschicht 48 eingeführt. Die Lufteinleitungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 liegt, und die Lufteinleitungsschicht 48, die zu dem Referenzgaseinleitungsraum 43 führt, ist wie vorstehend beschrieben um die Referenzelektrode 42 herum vorgesehen. Wie nachstehend beschrieben wird, kann die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 und im zweiten Innenraum 40 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 gemessen werden.
In dem Gasverteilungsteil ist der Gaseinlass 10 (erstes Diffusionssteuerteil 11) ein Teil, das sich zu einem Außenraum hin öffnet, und das Messgas wird aus dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 geleitet.
Das erste Diffusionssteuerteil 11 ist ein Teil, das einen vorbestimmten Diffusionswiderstand für das entnommene Messgas bereitstellt.
Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das durch das erste Diffusionssteuerteil 11 eingeleitete Messgas zum zweiten Diffusionssteuerteil 13 zu führen.
Das zweite Diffusionssteuerteil 13 ist ein Teil, das dem Messgas, das aus dem Pufferraum 12 in den ersten Innenraum 20 eingeleitet wird, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bietet.
Beim Einleiten des Messgases von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten Innenraum 20 wird das Messgas, das aufgrund von Druckschwankungen (Pulsation des Abgasdrucks in einem Fall, in dem das Messgas das Abgas des Fahrzeugs ist) des Messgases im Außenraum durch den Gaseinlass 10 abrupt in das Sensorelement 101 aufgenommen wurde, nicht direkt in den ersten Innenraum 20 eingeleitet, sondern wird in den ersten Innenraum 20 eingeleitet, nachdem Konzentrationsschwankungen des Messgases durch das erste Diffusionssteuerteil 11, den Pufferraum 12 und das zweite Diffusionssteuerteil 13 ausgeglichen wurden. Dies macht die Konzentrationsschwankungen des in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgases nahezu vernachlässigbar.
Der erste Innenraum 20 ist als Raum zur Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks des durch das zweite Diffusionssteuerteil 13 eingeleiteten Messgases vorgesehen. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle mit einer inneren Pumpelektrode 22 (auch als Hauptpumpelektrode bezeichnet), einer äußeren Pumpelektrode 23 (außerhalb des Raums) und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden liegt. Die innere Pumpelektrode 22 weist einen Deckenelektrodenabschnitt 22a auf, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche eines Abschnitts der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, der dem ersten Innenraum 20 zugewandt ist, und die äußere Pumpelektrode 23 ist in einer Region auf einer oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 (einer Hauptoberfläche des Sensorelements 101) vorgesehen, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a entspricht.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf oberen und unteren Festelektrolytschichten (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten Innenraum 20 definieren. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a an der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine Deckenoberfläche für den ersten Innenraum 20 bildet, und ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist an der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine Bodenoberfläche für den ersten Innenraum 20 bildet. Der Deckenelektrodenabschnitt 22a und der Bodenelektrodenabschnitt 22b sind durch einen leitenden Abschnitt (nicht dargestellt) verbunden, der auf einer Seitenwandoberfläche (einer Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 vorgesehen ist, die gegenüberliegende Seitenwandabschnitte des ersten Innenraums 20 bildet.
Der Deckenelektrodenabschnitt 22a und der Bodenelektrodenabschnitt 22b sind in der Draufsicht rechteckig. Es kann nur der Deckenelektrodenabschnitt 22a oder nur der Bodenelektrodenabschnitt 22b vorgesehen sein.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet. Insbesondere wird die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgas in Kontakt steht, unter Verwendung eines Materials gebildet, das ein geschwächtes Reduktionsvermögen in Bezug auf eine NOx-Komponente im Messgas aufweist. Beispielsweise wird die innere Pumpelektrode 22 als Cermet-Elektrode aus einer Au-Pt-Legierung mit einem Au-Gehalt von etwa 0,6 bis 1,4 Gew.-% und ZrO₂ mit einer Porosität von 5 bis 40 % und einer Dicke von 5 µm bis 20 µm gebildet. Das Gewichtsverhältnis Pt:ZrO₂ der Au-Pt-Legierung und ZrO₂ muss nur etwa 7,0:3,0 bis 5,0:5,0 betragen.
Die äußere Pumpelektrode 23 ist dagegen z.B. als Cermet-Elektrode aus Pt oder einer Legierung davon und ZrO₂ in der Draufsicht rechteckig ausgebildet.
Die Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff aus dem ersten Innenraum 20 in den Außenraum pumpen oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den ersten Innenraum 20 pumpen, indem eine gewünschte Pumpspannung Vp0 über die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 von einer variablen Stromversorgung 24 angelegt wird, damit ein Hauptpumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in positiver oder negativer Richtung fließen kann. Die Pumpspannung Vp0, die an der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in der Hauptpumpzelle 21 anliegt, wird auch als Hauptpumpspannung Vp0 bezeichnet.
Zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre im ersten Innenraum 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine Hauptsensorzelle 80 als elektrochemische Sensorzelle.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 kann durch Messung der elektromotorischen Kraft V0 als Potenzialdifferenz zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Referenzelektrode 42 in der Hauptsensorzelle 80 ermittelt werden.
Darüber hinaus führt der Controller 110 eine Rückkopplungssteuerung der Hauptpumpspannung Vp0 durch, so dass die elektromotorische Kraft V0 konstant ist, um so den Hauptpumpstrom Ip0 zu steuern. Die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 wird dadurch auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten.
Das dritte Diffusionssteuerteil 30 ist ein Teil, das einen vorbestimmten Diffusionswiderstand für das Messgas mit einer Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) bereitstellt, die durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten Innenraum 20 gesteuert wird, und das Messgas zu dem zweiten Innenraum 40 leitet.
Der zweite Innenraum 40 dient als Raum zur weiteren Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks des durch das dritte Diffusionssteuerteil 30 eingeleiteten Messgases. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hilfspumpzelle 50 eingestellt. Die Sauerstoffkonzentration des Messgases wird mit höherer Genauigkeit in dem zweiten Innenraum 40 eingestellt.
Nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 im Voraus eingestellt wurde, stellt die Hilfspumpzelle 50 den Sauerstoffpartialdruck des Messgases, das durch das dritte Diffusionssteuerteil 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeleitet wird, weiter ein.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51, die äußere Pumpelektrode 23 (die nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt ist und nur eine beliebige geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 sein muss) und die zweite Festelektrolytschicht 6 enthält. Die Hilfspumpelektrode 51 weist einen Deckenelektrodenabschnitt 51a auf, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche eines Abschnitts der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, der dem zweiten Innenraum 40 zugewandt ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten Innenraum 40 in ähnlicher Form wie die innere Pumpelektrode 22 in dem zuvor beschriebenen ersten Innenraum 20 vorgesehen. Das heißt, der Deckenelektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine Deckenoberfläche für den zweiten Innenraum 40 bildet, und ein Bodenelektrodenabschnitt 51 b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine Bodenoberfläche für den zweiten Innenraum 40 bildet. Der Deckenelektrodenabschnitt 51a und der Bodenelektrodenabschnitt 51b sind in der Draufsicht rechteckig und durch einen leitenden Abschnitt (nicht dargestellt) verbunden, der an der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 vorgesehen ist, unter Bildung gegenüberliegender Seitenwandabschnitte des zweiten Innenraums 40.
Wie die innere Pumpelektrode 22 wird auch die Hilfspumpelektrode 51 aus einem Material gebildet, das ein geschwächtes Reduktionsvermögen gegenüber der NOx-Komponente im Messgas aufweist.
Die Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff aus einer Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 in den Außenraum pumpen oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den zweiten Innenraum 40 pumpen, indem sie eine gewünschte Spannung (eine Hilfspumpspannung) Vp1 über die Hilfspumpelektrode 51 und die äußere Pumpelektrode 23 unter Steuerung durch den Controller 110 anlegt.
Zur Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine Hilfssensorzelle 81 als elektrochemische Sensorzelle. In der Hilfssensorzelle 81 wird die elektromotorische Kraft V1 als Potenzialdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im zweiten Innenraum 40 erfasst.
Die Hilfspumpzelle 50 pumpt unter Verwendung einer variablen Stromversorgung 52, deren Spannung auf der Grundlage der in der Hilfssensorzelle 81 erfassten elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird. Der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 wird dadurch rückgekoppelt auf einen niedrigen Partialdruck gesteuert, der im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Messung von NOx ausübt.
Gleichzeitig wird ein resultierender Hilfspumpstrom Ip1 zur Steuerung der elektromotorischen Kraft in der Hauptsensorzelle 80 verwendet. Insbesondere wird der Hilfspumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Hauptsensorzelle 80 eingegeben, und durch die Steuerung der elektromotorischen Kraft V0 darin wird der Sauerstoffpartialdruck des Messgases, das durch das dritte Diffusionssteuerteil 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeführt wird, so gesteuert, dass es einen Gradienten aufweist, der immer konstant ist. Bei Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 durch die Wirkung der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Das vierte Diffusionssteuerteil 60 ist ein Teil, das einen vorbestimmten Diffusionswiderstand für das Messgas mit einer Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) bereitstellt, die durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten Innenraum 40 gesteuert wird, und das Messgas zum dritten Innenraum 61 leitet.
Der dritte Innenraum 61 ist als Raum (Messinnenraum) vorgesehen, um eine Verarbeitung bezüglich der Messung der Stickoxid (NOx)-Konzentration des durch das vierte Diffusionssteuerteil 60 eingeleiteten Messgases durchzuführen. Die NOx-Konzentration wird durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 in dem dritten Innenraum 61 gemessen. Das Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 mit hoher Genauigkeit eingestellt ist, wird in den dritten Innenraum 61 eingeleitet, so dass die NOx-Konzentration im Gassensor 100 mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Die Messpumpzelle 41 dient zur Messung der NOx-Konzentration des in den dritten Innenraum 61 eingeleiteten Messgases. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle mit einer Messelektrode 44, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4. Die Messelektrode 44 befindet sich auf der oberen Oberfläche eines Abschnitts der ersten Festelektrolytschicht 4, die dem dritten Innenraum 61 zugewandt ist, um von dem dritten Diffusionssteuerteil 30 getrennt zu sein.
Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode aus einem Edelmetall und einem Festelektrolyten. Beispielsweise ist die Messelektrode 44 als Cermet-Elektrode aus Pt oder einer Legierung aus Pt und einem anderen Edelmetall, wie Rh, und ZrO₂ als Bestandteilsmaterial für das Sensorelement 101 ausgebildet. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, um NOx zu reduzieren, das in einer Atmosphäre im dritten Innenraum 61 vorhanden ist.
Die Messpumpzelle 41 kann den durch die Zersetzung von NOx in der Atmosphäre erzeugten Sauerstoff in den dritten Innenraum 61 herauspumpen und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom lp2 unter Steuerung durch den Controller 110 erfassen.
Zur Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 44 bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine Messsensorzelle 82 als elektrochemische Sensorzelle. Eine variable Stromversorgung 46 wird rückgekoppelt auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft V2 als Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42, die von der Messsensorzelle 82 in Übereinstimmung mit dem Sauerstoffpartialdruck im dritten Innenraum 61 erfasst wird, gesteuert.
NOx in dem in den dritten Innenraum 61 eingeleiteten Messgas wird durch die Messelektrode 44 reduziert (2NO → N₂ + O₂), um Sauerstoff zu erzeugen. Der erzeugte Sauerstoff wird von der Messpumpzelle 41 gepumpt und in diesem Fall wird eine Spannung (Messpumpspannung) Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der Messsensorzelle 82 erfasste elektromotorische Kraft V2 konstant ist. Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur NOx-Konzentration des Messgases und so ist die NOx-Konzentration des Messgases unter Verwendung des Pumpstroms lp2 in der Messpumpzelle 41 zu berechnen. Der Pumpstrom lp2 wird nachstehend auch als NOx-Strom lp2 bezeichnet.
In dem Fall, dass die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert sind, um ein Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsmittel als elektrochemische Sensorzelle zu bilden, kann die elektromotorische Kraft in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, die durch Reduktion einer NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge an Sauerstoff, die in der Referenzluft enthalten ist, erfasst werden, und die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgas kann dadurch bestimmt werden.
Die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 bilden eine elektrochemische Sensorzelle 83 und der Sauerstoffpartialdruck des Messgases außerhalb des Sensors kann unter Verwendung der von der Sensorzelle 83 bestimmten elektromotorischen Kraft Vref erfasst werden.
In 2 ist zur besseren Veranschaulichung die Verdrahtung zur elektrischen Verbindung der Elektroden verschiedener Pumpzellen und Sensorzellen mit jedem Teil außerhalb des Sensorelements 101 schematisch dargestellt. Elektrodenleitungen, die die Elektroden der Pumpzellen und der Sensorzellen mit den Anschlusselektroden verbinden, sind jedoch in oder auf einer Seite des eigentlichen Sensorelements 101 angeordnet. Die Elektrodenleitungsabschnitte, einschließlich der Elektrodenleitungen, werden nachstehend ausführlich beschrieben.
Das Sensorelement 101 enthält weiterhin ein Heizerteil 70, das eine Rolle bei der Temperatureinstellung zum Erwärmen des Sensorelements 101 und zum Aufrechterhalten der Temperatur desselben spielt, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der das Basisteil bildet, zu verbessern.
Das Heizerteil 70 enthält im Wesentlichen eine Heizerelektrode 71, ein Heizerelement 72, eine Heizerleitung 72a, ein Durchgangsloch 73, eine Heizerisolierschicht 74, ein Druckableitungsloch 75 und eine Heizerwiderstandserkennungsleitung, die in 2 nicht dargestellt ist. Ein Abschnitt des Heizerteils 70 mit Ausnahme der Heizerelektrode 71 ist im Basisteil des Sensorelements 101 eingelassen.
Die Heizerelektrode 71 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass sie in Kontakt mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 (der anderen Hauptoberfläche des Sensorelements 101) steht.
Das Heizerelement 72 ist ein Widerstandsheizelement, das zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Das Heizerelement 72 erzeugt Wärme, indem es von einer Heizerstromversorgung, die in 2 nicht dargestellt ist, außerhalb des Sensorelements 101 durch die Heizerelektrode 71, das Durchgangsloch 73 und die Heizerleitung 72a, die einen stromführenden Pfad bilden, mit Strom versorgt wird. Das Heizerelement 72 ist aus Pt aufgebaut oder enthält Pt als Hauptkomponente. Das Heizerelement 72 ist in einem vorbestimmten Bereich des Sensorelements 101, in dem das Gasverteilungsteil vorgesehen ist, eingelassen, um dem Gasverteilungsteil in der Dickenrichtung des Elements gegenüberzuliegen. Das Heizerelement 72 ist mit einer Dicke von etwa 10 µm bis 30 µm vorgesehen.
Im Sensorelement 101 kann jedes Teil des Sensorelements 101 auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden und die Temperatur kann aufrechterhalten werden, indem man einen Strom durch die Heizerelektrode 71 zum Heizerelement 72 fließen lässt, um dadurch das Heizerelement 72 zu veranlassen, Wärme zu erzeugen. Konkret wird das Sensorelement 101 so aufgeheizt, dass die Temperatur des Festelektrolyten und der Elektroden in der Nähe des Gasverteilungsteils etwa 700°C bis 900°C beträgt. Die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der das Basisteil des Sensorelements 101 bildet, wird durch die Erwärmung erhöht. Die Heiztemperatur des Heizerelements 72 im Betrieb des Gassensors 100 (wenn das Sensorelement 101 betrieben wird) wird als Sensorelement-Betriebstemperatur bezeichnet.
Der Grad der Wärmeerzeugung (Heizertemperatur) des Heizerelements 72 wird durch die Größe eines Widerstandswerts (Heizerwiderstand) des Heizerelements 72 erfasst.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Komponenten enthält das Sensorelement 101 des Gassensors 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weiterhin eine Keramikschicht 7 und eine poröse Körperregion 8 über der zweiten Festelektrolytschicht 6.
Die Keramikschicht 7 ist so über der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet, dass sie fast die gesamte Oberfläche derselben bedeckt. Während die Keramikschicht 7 an einen großen Abschnitt der zweiten Festelektrolytschicht 6 angrenzt, ist die Keramikschicht 7 von der äußeren Pumpelektrode 23 und einer Region (nachstehend eine seitliche Elektrodenregion) auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 beabstandet, der sich an einer Seite der äußeren Pumpelektrode 23 in einer Querrichtung des Elements befindet. Eine Region zwischen der äu-ßeren Pumpelektrode 23 und der Keramikschicht 7 und eine Region zwischen der seitlichen Elektrodenregion der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Keramikschicht 7 bilden die poröse Körperregion 8. Die poröse Körperregion 8 ist vorgesehen, um die äußere Pumpelektrode 23 zu bedecken und in entgegengesetzten Endabschnitten in Querrichtung des Elements freizulegen, was nicht dargestellt ist, und die Keramikschicht 7 ist vorgesehen, um die gesamte obere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 einschließlich der porösen Körperregion 8 und eines äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts 23P zu bedecken, der nachstehend beschrieben wird.
Die Keramikschicht 7 ist insbesondere aus Keramik (z.B. Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid) aufgebaut, die in gleichem Maße wie die zweite Festelektrolytschicht 6 und dergleichen dicht ist.
Andererseits ist die poröse Körperregion 8 aus einem porösen Körper (z.B. Aluminiumoxid) mit einer Porosität von etwa 30% bis 60% gebildet. Die poröse Körperregion 8 ist so ausgebildet, dass die Dicke der porösen Körperregion 8 oberhalb der äußeren Pumpelektrode 23 (d.h. der Abstand zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Keramikschicht 7 in Dickenrichtung des Elements) etwa 25 µm bis 40 µm beträgt.
Die Keramikschicht 7 und die poröse Körperregion 8 werden durch ein bekanntes Verfahren, wie z.B. Drucken, gebildet, nachdem ein anderer Abschnitt des Sensorelements 101 als die Keramikschicht 7 und die poröse Körperregion 8 im Voraus gebildet wurde. Alternativ können die Keramikschicht 7 und die poröse Körperregion 8 durch weiteres Laminieren von Materialien, die schließlich die Keramikschicht 7 und die poröse Körperregion 8 bilden, auf ein Grünplattenlaminat, das die vorstehend erwähnten sechs Festelektrolytschichten bildet, durch ein bekanntes Verfahren, wie Drucken, und Brennen des Laminats zur Integration gebildet werden.
In dem Sensorelement 101, das die Keramikschicht 7 und die poröse Körperregion 8 mit einer solchen Konfiguration enthält, wird ein vorbestimmter Diffusionswiderstand für den durch die poröse Körperregion 8 hindurchtretenden Sauerstoff bereitgestellt, wenn Sauerstoff durch die äußere Pumpelektrode 23 zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Sensorelements 101 ein- und ausgepumpt wird.
Wenn der Gassensor 100 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration die NOx-Konzentration misst, werden die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 so betrieben, dass eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird, um die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 und weiter im zweiten Innenraum 40 konstant zu halten, und das Messgas mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration in den dritten Innenraum 61 eingeleitet wird und die Messelektrode 44 erreicht. Wenn es sich bei dem Messgas beispielsweise um eine magere Atmosphäre handelt, wird das Messgas mit einem Sauerstoffpartialdruck, der ausreichend auf ein Maß vermindert ist (z.B. 0,0001 ppm bis 1 ppm), das im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Messung von NOx ausübt, in den dritten Innenraum 61 eingeleitet.
Die Messelektrode 44 reduziert NOx im ankommenden Messgas, um Sauerstoff zu erzeugen. Während der Sauerstoff durch die Messpumpzelle 41 abgepumpt wird, steht der am Abpumpen fließende NOx-Strom lp2 in einer konstanten funktionalen Beziehung (nachstehend als Empfindlichkeitscharakteristika bezeichnet) mit der NOx-Konzentration des Messgases.
Die Empfindlichkeitscharakteristika werden vor dem praktischen Einsatz des Gassensors 100 unter Verwendung mehrerer Arten von Modellgasen mit bekannten NOx-Konzentrationen im Voraus ermittelt und die entsprechenden Daten werden in dem Controller 110 gespeichert. Bei der praktischen Verwendung des Gassensors 100 wird ein Signal, das einen Wert des NOx-Stroms lp2 darstellt, der in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration des Messgases fließt, dem Controller 110 auf einer Moment-zu-Moment-Basis bereitgestellt. Der Controller 110 berechnet sukzessive die NOx-Konzentrationen auf der Grundlage des Wertes und der identifizierten Empfindlichkeitscharakteristika und gibt diese Werte als NOx-Sensorerkennungswerte aus. Die NOx-Konzentration des Messgases kann so mit dem Gassensor 100 nahezu in Echtzeit erfasst werden.
<Erzeugung von verunreinigtem Gas im Referenzgasraum>
Im Falle eines Gassensors mit einer Konfiguration, bei der das Außenrohr 104 und der Gummistopfen 106 den Referenzgasraum SP umgeben, wie bei dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und der in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird, könnte ein verunreinigtes Gas in dem Referenzgasraum SP aufgrund der Verflüchtigung eines Ölgehalts, der an einer inneren Oberfläche 104a des Außenrohrs 104 haftet, und der Erzeugung eines Gases aus dem Gummistopfen 106 erzeugt werden, und als Ergebnis könnte sich der NOx-Strom lp2 ändern. Das verunreinigte Gas wird mit größerer Wahrscheinlichkeit insbesondere bei einer höheren Gastemperaturbedingung und einer raueren Umgebung erzeugt, in der sich die Wärme um den Hauptkörper staut.
3 ist ein Beispiel für ein Diagramm, das eine Änderung des NOx-Stroms lp2 ab Betriebsbeginn zusammen mit einer Änderung der Temperatur des Gummistopfens 106 zeigt, wenn ein solcher Gassensor unter einer Modellgasatmosphäre mit einer konstanten NOx-Konzentration betrieben wird. In 3 nimmt der konstant zu haltende NOx-Strom lp2 nach einem Temperaturanstieg des Gummistopfens 106 vorübergehend ab. Dann, wenn sich die Temperatur des Gummistopfens 106 stabilisiert hat, steigt der NOx-Strom lp2 in gleichem Maße wie ein anfänglicher Spitzenwert und wird im Wesentlichen konstant.
Es wird angenommen, dass der vorübergehende Rückgang des NOx-Stroms in 3 auf das Eindringen eines verunreinigten Gases zurückzuführen ist, wie vorstehend beschrieben, das in einem Vorgang der Erwärmung des Gassensors in den dritten Innenraum 61 erzeugt wird, in dem die Messelektrode 44 durch den nachstehend beschriebenen Messelektrodenleitungsabschnitt angeordnet ist. Es wird angenommen, dass der Anstieg des NOx-Stroms lp2 nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne auf die Emission des gesamten verunreinigten Gases als Ergebnis einer ausreichenden Erwärmung des Außenrohrs 104 und des Gummistopfens 106 zurückzuführen ist.
Solche Schwankungen des NOx-Stroms lp2 werden natürlich zu einem Faktor für die Verringerung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration des Gassensors, auch vorübergehend. Das verunreinigte Gas entsteht nicht immer erst nach der Inbetriebnahme, wie in 3 dargestellt.
<Konfiguration der Elektrodenleitungsabschnitte>
In dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllen die Elektrodenleitungsabschnitte des Sensorelements 101 eine vorbestimmte Bedingung, um eine Auswirkung von Schwankungen des NOx-Stroms Ip2, wie in 3 gezeigt, aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases im Referenzgasraum SP auf die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration zu unterdrücken.
4 ist eine Draufsicht, die die Anordnung von Elektrodenleitungsabschnitten veranschaulicht, einschließlich Elektrodenleitungen, die sich von der Hauptpumpelektrode 22 (insbesondere dem Bodenelektrodenabschnitt 22b), der Hilfspumpelektrode 51 (insbesondere dem Bodenelektrodenabschnitt 51b) und der Messelektrode 44 erstrecken, als ein Beispiel. 5 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Elektrodenleitungsabschnitts einschließlich einer Elektrodenleitung, die sich von der äußeren Pumpelektrode 23 aus erstreckt, veranschaulicht.
Der Bodenelektrodenabschnitt 22b, der Bodenelektrodenabschnitt 51 b und die Messelektrode 44 sind auf der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet. Eine Hauptpumpelektrodenleitung 22L erstreckt sich von dem Bodenelektrodenabschnitt 22b, eine Hilfspumpelektrodenleitung 51L erstreckt sich von dem Bodenelektrodenabschnitt 51b und eine Messelektrodenleitung 44L erstreckt sich von der Messelektrode 44 in Richtung des zweiten Führungsendeabschnitts 101b. Andererseits ist die äußere Pumpelektrode 23 auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet. Eine äußere Pumpelektrodenleitung 23L erstreckt sich von der äußeren Pumpelektrode 23 in Richtung des zweiten Führungsendeabschnitts 101b.
Die Hauptpumpelektrodenleitung 22L, die Hilfspumpelektrodenleitung 51L, die Messelektrodenleitung 44L und die äußere Pumpelektrodenleitung 23L sind jeweils von einer Hauptpumpelektrodenleitungsisolierschicht 22I, einer Hilfspumpelektrodenleitungsisolierschicht 511, einer Messelektrodenleitungsisolierschicht 44I und einer äußeren Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I umgeben. Dadurch wird eine Isolierung zwischen den Elektrodenleitungen und dem Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, erreicht.
Die äußere Pumpelektrodenleitung 23L ist eine Zwischenschichtverdrahtung, die zu einem großen Abschnitt zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Keramikschicht 7 eingelassen ist. Obwohl die Keramikschicht 7 in 2 so dargestellt ist, dass sie sich bis zum zweiten Führungsendeabschnitt 101b erstreckt, liegt die zweite Festelektrolytschicht 6 in einer vorbestimmten Region ab dem zweiten Führungsendeabschnitt 101b frei, und die äußere Pumpelektrodenleitung 23L ist mit einer Anschlusselektrode 23T verbunden, die in dem freigelegten Abschnitt angeordnet ist. Während die äußere Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I in 5 gerade (linear) entlang der äußeren Pumpelektrodenleitung 23L angeordnet ist, kann die äußere Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I so angeordnet sein, dass sie zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Anschlusselektrode 23T planar (laminar) ist.
Andererseits sind die Hauptpumpelektrodenleitung 22L, die Hilfspumpelektrodenleitung 51L und die Messelektrodenleitung 44L jeweils Zwischenschichtverdrahtungen mit einem großen Abschnitt, der zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5 eingelassen ist, und sind zu den Seiten des Elements in der Nähe des zweiten Führungsendeabschnitts 101b gebogen. Darüber hinaus sind, obwohl nicht dargestellt, die Hauptpumpelektrodenleitung 22L, die Hilfspumpelektrodenleitung 51L und die Messelektrodenleitung 44L über Durchgangslöcher in der Nähe von Seitenendabschnitten des Elements mit einem oberen oder einem unteren Abschnitt in Dickenrichtung verbunden, während sie jeweils von der Hauptpumpelektrodenleitungsisolierschicht 22I, der Hilfspumpelektrodenleitungsisolierschicht 51I und der Messelektrodenleitungsisolierschicht 441 umgeben sind und jeweils mit einer beliebigen aus einer Vielzahl von nicht dargestellten Anschlusselektroden ähnlich der Anschlusselektrode 23T, die in dem zweiten Führungsendeabschnitt 101b angeordnet ist, durch die andere Zwischenschichtverdrahtung verbunden sind. In der vorliegenden Ausführungsform enthält ein Zustand, in dem die Elektrodenleitungen von den Leitungsisolierschichten umgeben sind, einen Zustand, in dem die Elektrodenleitungen mit den Leitungsisolierschichten bedeckt sind, und einen Zustand, in dem die Elektrodenleitungen von den Leitungsisolierschichten eingeschlossen sind.
Die Hauptpumpelektrodenleitung 22L, die Hilfspumpelektrodenleitung 51L, die Messelektrodenleitung 44L und die äußere Pumpelektrodenleitung 23L sind vorzugsweise aus Platin gebildet. Die Hauptpumpelektrodenleitungsisolierschicht 22I, die Hilfspumpelektrodenleitungsisolierschicht 511, die Messelektrodenleitungsisolierschicht 441 und die äußere Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid.
Eine Region, die die äußere Pumpelektrodenleitung 23L und die äußere Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I enthält und von der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Keramikschicht 7 umgeben ist, wird nachstehend allgemein als äu-ßerer Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P bezeichnet. Eine Region, die die Messelektrodenleitung 44L und die Messelektrodenleitungsisolierschicht 44I enthält und von dem Festelektrolyten (hauptsächlich der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5) umgeben ist, wird nachstehend ebenfalls allgemein als Messelektrodenleitungsabschnitt 44P bezeichnet. Eine Region, die die Hauptpumpelektrodenleitung 22L und die Hauptpumpelektrodenleitungsisolierschicht 22I enthält und von dem Festelektrolyten (hauptsächlich der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5) umgeben ist, wird nachstehend allgemein als Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitt 22P bezeichnet. Eine Region, die die Hilfspumpelektrodenleitung 51L und die Hilfspumpelektrodenleitungsisolierschicht 51I enthält und von dem Festelektrolyten (hauptsächlich der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5) umgeben ist, wird nachstehend ebenfalls allgemein als Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitt 51 P bezeichnet.
Mit anderen Worten, die äußere Pumpelektrodenleitung 23L und die äußere Pumpelektrodenleitungsisolierschicht 23I werden in den äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P eingeführt. Die Messelektrodenleitung 44L und die Messelektrodenleitungsisolierschicht 44I werden in den Messelektrodenleitungsabschnitt 44P eingeführt. Die Hauptpumpelektrodenleitung 22L und die Hauptpumpelektrodenleitungsisolierschicht 22I werden in den Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitt 22P eingeführt. Die Hilfspumpelektrodenleitung 51L und die Hilfspumpelektrodenleitungsisolierschicht 51I werden in den Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitt 51P eingefügt.
In dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat von den drei Elektrodenleitungsabschnitten außer dem äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P der Messelektrodenleitungsabschnitt 44P, der mit der Messelektrode 44 verbunden ist, die sich am weitesten vom Gaseinlass 10 im Gasverteilungsteil des Sensorelements 101 befindet, einen höheren Diffusionswiderstand als der äußere Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P, der mit der äußeren Pumpelektrode 23 verbunden ist.
Das heißt, der Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist so ausgebildet, dass ein Verhältnis A/B des Diffusionswiderstandes A des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts 23P zum Diffusionswiderstand B des Messelektrodenleitungsabschnitts 44P mindestens eine Beziehung A/B < 1,00 erfüllt.
Der Diffusionswiderstand (Leitungsdiffusionswiderstand) eines jeden Elektrodenleitungsabschnitts bezieht sich hier auf den Diffusionswiderstand, der nicht nur durch eine innere Struktur der Elektrodenleitung und der Elektrodenleitungsisolierschicht, sondern auch durch einen Raum, der von einem Festelektrolyten umgeben ist, der um den Elektrodenleitungsabschnitt einschließlich der Elektrodenleitung und der Elektrodenleitungsisolierschicht als Ganzes vorhanden ist, gegenüber einem in dem Raum strömenden Gas bereitgestellt wird. Das heißt, dass nicht nur feine Hohlräume in der Elektrodenleitung und der Elektrodenleitungsisolierschicht, sondern auch Lücken zwischen der Elektrodenleitung und der Elektrodenleitungsisolierschicht sowie zwischen der Elektrodenleitungsisolierschicht und dem Festelektrolyten um die Elektrodenleitungsisolierschicht herum zum Diffusionswiderstand beitragen.
Die Größe des Diffusionswiderstandes des Elektrodenleitungsabschnitts wird beispielsweise durch Einstellen der Porosität der Elektrodenleitung und der Isolierschicht, der Gesamtlänge (einer Verdrahtungslänge) des Elektrodenleitungsabschnitts, der Querschnittsfläche des Elektrodenleitungsabschnitts und dergleichen eingestellt.
Wenn die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt ist, bedeutet dies, dass das verunreinigte Gas mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch den Messelektrodenleitungsabschnitt 44P als durch den äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P ausströmt, verglichen mit einem Gassensor mit einer ähnlichen Konfiguration, außer dass die Beziehung nicht erfüllt ist.
In dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, in der das durch den Gaseinlass 10 eingeleitete Messgas den dritten Innenraum 61 erreicht, während Sauerstoff nacheinander in den ersten Innenraum 20 und den zweiten Innenraum 40 gepumpt wird, ist der durch die Hauptpumpzelle 21 fließende Hauptpumpstrom Ip0 typischerweise größer als der durch die Messpumpzelle 41 fließende NOx-Strom Ip2. Daher ist, selbst wenn die Menge des eintretenden verunreinigten Gases gleich ist, eine Rate von Ausgangsschwankungen des Hauptpumpstroms Ip0 aufgrund des Eintritts des verunreinigten Gases in den äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P kleiner als eine Rate von Ausgangsschwankungen des NOx-Stroms lp2 aufgrund des Eintritts des verunreinigten Gases in den Messelektrodenleitungsabschnitt 44P und weiter in den dritten Innenraum 61.
Insbesondere in dem Fall, dass Eindringen des verunreinigten Gases in den Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitt 22P oder den Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitt 51P bevorzugt wird, indem die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt wird, werden Ausgangsschwankungen des NOx-Stroms lp2 aufgrund des Eindringens des verunreinigten Gases noch stärker unterdrückt.
Aus dem vorstehend genannten Grund wird in dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Strömung des verunreinigten Gases in den dritten Innenraum 61, in dem sich die Messelektrode 44 befindet, um die Messelektrode 44 zu verunreinigen, in geeigneter Weise unterdrückt, indem die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt wird, selbst wenn das verunreinigte Gas im Referenzgasraum SP zu Beginn der Verwendung erzeugt wird und dergleichen. Die Menge der vorübergehenden Ausgangsschwankungen der NOx-Konzentration von einem ursprünglichen Wert in dem Gassensor 100 fällt in einen Bereich, der im Hinblick auf die Messgenauigkeit zulässig ist. Zum Beispiel liegt die Menge der Ausgangsschwankungen in Bezug auf eine NOx-Konzentration von 100 ppm innerhalb eines Bereichs von 20 ppm oder weniger.
Die Menge der Ausgangsschwankungen kann im Allgemeinen bestimmt werden, indem die Umwandlungsmenge (ein Differenzwert zwischen einem eventuellen konstanten Wert und einem Wert bei der vorübergehenden Abnahme) des NOx-Stroms Ip2, wie in 3 gezeigt, der erhalten wird, wenn der Betrieb des Gassensors 100 unter einer Modellgasatmosphäre mit einer konstanten NOx-Konzentration aufgenommen wird, in der Änderungsmenge des Wertes der NOx-Konzentration unter Verwendung der vorstehend erwähnten Empfindlichkeitscharakteristika umgerechnet wird.
Andererseits, wenn eine Ungleichung A/B < 0,001 gilt, ist das Ein- und Ausströmen eines anderen Gases (z.B. des Messgases und des Sauerstoffs im Referenzgasraum SP) als des verunreinigten Gases durch den äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitt 23P nicht vernachlässigbar und die Messgenauigkeit wird verschlechtert, so dass vorzugsweise eine Ungleichung A/B ≥ 0,001 gilt.
Außerdem gilt vorzugsweise eine Ungleichung B ≥ 700×10^-3 (cm^-1). Wenn ein Wert von B deutlich unter 700×10^-3 (cm^-1) fällt, wird das verunreinigte Gas wahrscheinlich durch den Messelektrodenleitungsabschnitt 44P in den dritten Innenraum 61 strömen, selbst wenn die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt ist. Eine Konfiguration, in der die Ungleichung B ≥ 700×10^-3 (cm^-1) gilt, ist eine Konfiguration, die im Allgemeinen in dem Gassensor verwendet wird, der eine Konfiguration wie in den 1 und 2 aufweist.
Der Gassensor 100 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Bereich von 0,03 ≤ A/B ≤ 0,29 eingehalten wird. In diesem Fall wird die vorstehend erwähnte Menge an Ausgangsschwankungen besser unterdrückt. Zum Beispiel liegt die Menge der Ausgangsschwankungen bezogen auf eine NOx-Konzentration von 500 ppm in einem Bereich von 10 ppm oder weniger.
Der Diffusionswiderstand des Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitts 22P und des Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitts 51P ist vorzugsweise gleich oder höher als der Diffusionswiderstand B des Messelektrodenleitungsabschnitts 44P. In diesem Fall hat der Diffusionswiderstand von jedem von dem Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitt 22P und dem Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitt 51P einen höheren Wert als der Diffusionswiderstand des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts 23P. Die Strömung des verunreinigten Gases in den ersten Innenraum 20 oder den zweiten Innenraum 40 durch den Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitt 22P oder den Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitt wird dadurch ebenfalls in geeigneter Weise unterdrückt.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Menge der vorübergehenden Ausgangsschwankungen der NOx-Konzentration unterdrückt werden, wenn das verunreinigte Gas im Referenzgasraum erzeugt wird, indem der Gassensor 100 so geformt wird, dass die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt ist, wobei A der Diffusionswiderstand des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts, B der Diffusionswiderstand des Messelektrodenleitungsabschnitts des Gassensors ist. Der Gassensor ist vorzugsweise so geformt, dass der Bereich 0,03 ≤ A/B ≤ 0,29 erfüllt ist, wodurch die Menge der Ausgangsschwankungen besser unterdrückt werden kann.
Dadurch wird ein Gassensor erreicht, bei dem eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases im Referenzgasraum in geeigneter Weise unterdrückt wird.
[Beispiele]
Als Beispiele wurden sieben Typen von Gassensoren 100 (nachstehend Beispiele 1 bis 7) mit verschiedenen Kombinationen einer Größe des Diffusionswiderstandes A des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts 23P und einer Größe des Diffusionswiderstandes B des Messelektrodenleitungsabschnitts 44P in der Menge, dass die Beziehung A/B < 1,00 erfüllt war, hergestellt, und die Menge der Ausgangsschwankungen der NOx-Konzentration zu Beginn der Verwendung wurde bewertet. Der Diffusionswiderstand des Hauptpumpelektrodenleitungsabschnitts 22P und des Hilfspumpelektrodenleitungsabschnitts 51P war jeweils gleich oder höher als der Diffusionswiderstand B des Messelektrodenleitungsabschnitts 44P. Zwei Arten von Gassensoren (nachstehend Vergleichsbeispiele 1 und 2), die ähnlich wie die Beispiele hergestellt wurden, mit der Ausnahme, dass die Beziehung A/B < 1,00 nicht erfüllt war, wurden ebenfalls bewertet.
6 beschreibt, wie die Menge der Ausgangsschwankungen zu bewerten ist. Insbesondere wurde ein Profil Ip2(t), das einer Funktion des NOx-Stroms lp2 in Abhängigkeit von der Zeit entspricht, wie in 6 gezeigt, erhalten, indem jeder der Gassensoren unter einer Modellgasatmosphäre mit einer Temperatur von 1050°C, einem Luftverhältnis A von 1,05 und einer NOx-Konzentration von 100 ppm gestartet und der NOx-Strom lp2 kontinuierlich gemessen wurde, während die Erwärmung des Heizerteils 70 so gesteuert wurde, dass die Temperatur des Gummistopfens 106 schließlich auf einer konstanten Temperatur von 300°C gehalten wurde.
Für jeden der Gassensoren wurde ein ähnliches Profil Ip2(t) wie in dem in 3 dargestellten Beispiel ermittelt, das jedoch mehr oder weniger stark variiert. Das heißt, dass der NOx-Strom lp2 kurz nach der Inbetriebnahme des Gassensors im Wesentlichen konstant wurde, dann aber einmal abnahm, um aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases im Wesentlichen konstant zu werden, und dann nach einer Weile wieder anstieg, um schließlich im Wesentlichen konstant zu werden und im Wesentlichen den gleichen Wert wie zu Beginn des Betriebs aufzuweisen.
Während das Profil Ip2(t) in 6 zum besseren Verständnis in einer durchgezogenen polygonalen Linie dargestellt ist, wies das Profil Ip2(t) tatsächlich einige Schwankungen auf, wie schematisch in gestrichelten Linien dargestellt.
Bei der Bewertung der Menge der angestrebten Ausgangsschwankungen für das vorstehend beschriebene Profil Ip2(t) wurde zunächst ein Durchschnittswert av1 der Werte des NOx-Stroms lp2 während eines vorbestimmten Zeitraums Δt1 (z.B. 10 Minuten) unmittelbar vor dem Anstieg aus einem im Wesentlichen konstanten Zustand nach dem Abfall ermittelt. Der Grund dafür, dass der Durchschnittswert genommen wurde, liegt darin, dass ein Wert, der im Wesentlichen konstant zu sein schien, in Wirklichkeit schwankte.
Als Nächstes wurden ein Differenzwert Δ1(t) des Wertes des NOx-Stroms Ip2, wenn und nachdem der NOx-Strom lp2 nach der Erhöhung vom Durchschnittswert av1 in einen im Wesentlichen konstanten Zustand überging, und ein Differenzwert Δ2(t) zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des NOx-Stroms lp2 im im Wesentlichen konstanten Zustand nach der Erhöhung bestimmt. Der Differenzwert Δ1(t) und der Differenzwert Δ2(t) sind dynamische Werte, die entsprechend den Schwankungen des Wertes des NOx-Stroms lp2 nach der Erhöhung schwanken, und werden daher als Funktionen der Zeit ausgedrückt.
Dann wurde festgestellt, dass Schwankungen aufgrund des verunreinigten Gases eliminiert wurden und der NOx-Strom lp2 im Wesentlichen konstant auf einem ursprünglichen Wert wurde, wenn eine vorbestimmte Beobachtungszeitspanne Δtz (z.B. 60 Minuten) seit dem Differenzwert Δ1(t) und dem Differenzwert Δ2(t), der eine unten dargestellte Ungleichung (1) erfüllt, verstrichen ist. $Differenzwert Δ 1 (t) > 2 \times Differenzwert Δ 2 (t)$
Außerdem wurde ein Durchschnittswert av2 der Werte des NOx-Stroms lp2 während eines vorbestimmten Zeitraums Δt2 (z.B. 10 Minuten) unmittelbar vor der Bestimmung ermittelt, und ein Differenzwert zwischen den Durchschnittswerten wurde wie unten dargestellt berechnet. $\begin{array}{l} Wert der Schwankungen des Pumpstroms = Durchschnittswert av2 - \\ schnittswert av1 \end{array}$
Die Menge der Ausgangsschwankungen wurde schließlich durch Umrechnung des durch die Gleichung (2) ermittelten Wertes der Schwankungen des Pumpstroms in den Wert der NOx-Konzentration bestimmt.

Tabelle 1 zeigt für jeden der Gassensoren gemäß den Beispielen 1 bis 7 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 den Diffusionswiderstand A des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts 23P, den Diffusionswiderstand B des Messelektrodenleitungsabschnitts 44P, ein Verhältnis A/B von Diffusionswiderstand A zu Diffusionswiderstand B, die Menge der Ausgangsschwankungen und ein Ergebnis der Bewertung der Menge der Ausgangsschwankungen (ein Ergebnis der Qualitätsbestimmung) als Liste. [Tabelle 1]

	LEITUNGSDIFFUSIONSWIDERSTAND [10³cm-¹]		A/B	MENGE DER AUS-GANGSSCHWAN-KUNGEN [ppm]	BESTIMMUNG
	ÄUSSERE ELEKTRODENLEITUNG A	MESSELEKTRODENLEITUNG B	A/B	MENGE DER AUS-GANGSSCHWAN-KUNGEN [ppm]	BESTIMMUNG
BEISPIEL 1	30	950	0,03	3	A
BEISPIEL 2	10	1000	0,10	5	A
BEISPIEL 3	2400	5400	0,44	13	B
BEISPIEL 4	700	1000	0,70	16	B
BEISPIEL 5	200	700	0,29	10	A
BEISPIEL 6	800	1000	0,80	20	B
BEISPIEL 7	630	950	0,66	17	B
VERGLEICHSBEISPIEL 1	1000	1000	1,00	23	F
VERGLEICHSBEISPIEL 2	1000	800	1,25	30	F

Bei der Qualitätsbestimmung der Menge der Ausgangsschwankungen wurde für jeden der Gassensoren, bei denen die Menge der erhaltenen Ausgangsschwankungen 10 ppm oder weniger betrug, festgestellt, dass die Ausgangsschwankungen aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases zu Beginn der Verwendung angemessen unterdrückt wurden (Bestimmung A). Für jeden der Gassensoren ist „A“ in der Spalte „BESTIMMUNG“ in Tabelle 1 angegeben.
Für jeden der Gassensoren, bei denen die Menge der erhaltenen Ausgangsschwankungen mehr als 10 ppm und 20 ppm oder weniger betrug, wurde festgestellt, dass die Ausgangsschwankungen, die auf die Erzeugung des verunreinigten Gases zu Beginn der Verwendung zurückzuführen sind, in einem Maß unterdrückt wurden, das im Hinblick auf die Messgenauigkeit zulässig ist (Bestimmung B). Für jeden der Gassensoren ist „B“ in der Spalte „BESTIMMUNG“ in Tabelle 1 angegeben.
Andererseits wurde für jeden der Gassensoren, bei denen die Menge der erhaltenen Ausgangsschwankungen mehr als 20 ppm betrug, festgestellt, dass die Ausgangsschwankungen aufgrund der Erzeugung des verunreinigten Gases zu Beginn der Verwendung nicht unterdrückt wurden (Bestimmung F). Für jeden der Gassensoren ist „F“ in der Spalte „BESTIMMUNG“ in Tabelle 1 angegeben.
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde die Bestimmung A für jeden der Gassensoren gemäß den Beispielen 1, 2 und 5 durchgeführt. Die Bestimmung B wurde für jeden der Gassensoren gemäß den Beispielen 3, 4, 6 und 7 durchgeführt. Andererseits wurde die Bestimmung F für jeden der Gassensoren gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 durchgeführt.
Das vorstehend erwähnte Ergebnis zeigt, dass bei dem Gassensor, bei dem das Verhältnis A/B des Diffusionswiderstands A des äußeren Pumpelektrodenleitungsabschnitts zum Diffusionswiderstand B des Messelektrodenleitungsabschnitts den Bereich A/B < 1,00 erfüllt, die Menge der vorübergehenden Ausgangsschwankungen der NOx-Konzentration vom ursprünglichen Wert in den Bereich fällt, der im Hinblick auf die Messgenauigkeit zulässig ist, selbst wenn das verunreinigte Gas im Referenzgasraum SP zu Beginn der Verwendung erzeugt wird und dergleichen.
Darüber hinaus zeigt das Ergebnis, dass die Menge der Ausgangsschwankungen besser unterdrückt wird, wenn der Bereich 0,03 ≤ A/B ≤ 0,29 erfüllt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2021162465 [0007]
JP 6401644 [0010, 0011]
JP 5832479 [0010]
JP 202071128 [0013]

Claims

Gassensor, der in der Lage ist, eine vorbestimmte Gaskomponente in einem Messgas zu erfassen, wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement, das ein längliches, planares Basisteil enthält, das aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten gebildet ist, und ein Sensorteil an einer Seite eines Endabschnitts davon enthält; und ein Gehäuse, in dem das Sensorelement enthalten und befestigt ist, wobei das Gehäuse enthält: ein Außenrohr mit einem Referenzgasraum, in dem sich ein Referenzgas befindet und in den der andere Endabschnitt des Sensorelements hineinragt; und ein Dichtungsbauteil, das in einen Endabschnitt des Außenrohrs eingepasst ist, um den Referenzgasraum abzudichten, das Sensorelement enthält: mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum, der mit einem Einlass für das Messgas in Verbindung steht, der auf einer Seite des einen Endabschnitts unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand angeordnet ist; einen Messinnenraum, der weiterhin mit dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum in Verbindung steht; eine Außenraum-Pumpelektrode, die an einer anderen Stelle als dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum und dem Messinnenraum angeordnet ist; mindestens eine innere Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum zugewandt ist; eine Messelektrode, die so angeordnet ist, dass sie dem Messinnenraum zugewandt ist; einen ersten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine erste Elektrodenleitung und eine erste Leitungsisolierschicht enthält, wobei sich die erste Elektrodenleitung von der Außenraum-Pumpelektrode erstreckt, um eine Außenseite des Sensorelements und die Außenraum-Pumpelektrode elektrisch zu verbinden, wobei die erste Leitungsisolierschicht die erste Elektrodenleitung bedeckt; eine Keramikschicht, die zumindest den ersten Elektrodenleitungsabschnitt bedeckt; und einen zweiten Elektrodenleitungsabschnitt, der eine zweite Elektrodenleitung und eine zweite Leitungsisolierschicht enthält, wobei sich die zweite Elektrodenleitung von der Messelektrode aus erstreckt, um die Außenseite des Sensorelements und die Messelektrode elektrisch zu verbinden, wobei die zweite Leitungsisolierschicht die zweite Elektrodenleitung bedeckt, eine vorbestimmte Pumpspannung über die mindestens eine innere Elektrode und die Außerraum-Pumpelektrode angelegt ist, um Sauerstoff zwischen dem mindestens einen Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum, der der mindestens einen inneren Elektrode entspricht, und der Außenseite des Sensorelements ein- oder auszupumpen, eine vorbestimmte Pumpspannung über die Messelektrode und die Außerraum-Pumpelektrode angelegt ist, um Sauerstoff zwischen dem Messinnenraum und der Außenseite des Sensorelements ein- oder auszupumpen, und A/B < 1,00, wobei A (cm^-1) der Diffusionswiderstand des ersten Elektrodenleitungsabschnitts ist, B (cm^-1) der Diffusionswiderstand des zweiten Elektrodenleitungsabschnitts ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei $0,03 \leq A/B \leq 0,29.$
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei $B \geq 700 \times 10^{- 3} ({cm}^{- 1}) .$
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sensorelement weiterhin enthält mindestens einen dritten Elektrodenleitungsabschnitt, der mindestens eine dritte Elektrodenleitung und mindestens eine dritte Leitungsisolierschicht enthält, wobei sich die mindestens eine dritte Elektrodenleitung von der mindestens einen inneren Elektrode erstreckt, um die Außenseite des Sensorelements und die mindestens eine innere Elektrode elektrisch zu verbinden, wobei die mindestens eine dritte Leitungsisolierschicht die mindestens eine dritte Elektrodenleitung bedeckt, und der Diffusionswiderstand des mindestens einen dritten Elektrodenleitungsabschnitts gleich oder höher als der Diffusionswiderstand des zweiten Elektrodenleitungsabschnitts ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Außenraum-Pumpelektrode und der erste Elektrodenleitungsabschnitt auf einer Hauptoberfläche des Basisteils angeordnet sind, das Sensorelement weiterhin enthält eine poröse Körperregion, die die Außenraum-Pumpelektrode bedeckt, und der erste Elektrodenleitungsabschnitt und die poröse Körperregion mit der Keramikschicht bedeckt sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Sauerstoffpartialdruckeinstellungsinnenraum einen ersten Innenraum und einen zweiten Innenraum enthält, die nacheinander mit dem Einlass unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand in Verbindung stehen, der Messinnenraum ein dritter Innenraum ist, der mit dem zweiten Innenraum unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in Verbindung steht, und die mindestens eine innere Elektrode eine im ersten Innenraum angeordnete Hauptpumpelektrode und eine im zweiten Innenraum angeordnete Hilfspumpelektrode enthält.