DE10315039A1

DE10315039A1 - Gassensor mit einem mehrschichtigen Gaserfassungselement

Info

Publication number: DE10315039A1
Application number: DE10315039A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Imamura; Susumu Naito; Makoto Nakae; Namitsugu Fujii
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: DE10315039B4; JP4172279B2; US20030188969A1; JP2004003963A; US7160422B2

Abstract

Ein mehrschichtiges Gaserfassungselement (2) ist in einem zylindrischen Gehäuse (10) über einen zylindrischen Isolator (3) positioniert. Das mehrschichtige Gaserfassungselement (2) weist einen schmalen Abschnitt (21) und einen breiten Abschnitt (22) auf. Der breite Abschnitt (22) befindet sich in einem festen Verhältnis zu dem Isolator (3). Der schmale Abschnitt (21) befindet sich in einem schwebenden Verhältnis zu dem Isolator (3). Der schmale Abschnitt (21) weist einen Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines in einem zu messenden Gas enthaltenen spezifischen Gases auf.

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der für die Verbrennungssteuerung einer Brennkraftmaschine für ein Autofahrzeug verwendbar ist.

Beschreibung des Stands der Technik

Ein Gassensor ist allgemein in einem Abgassystem einer Autobrennkraftmaschine zur Verwendung eines Erfassungssignals für die Verbrennungssteuerung eingebaut. Beispielsweise weist, wie es in dem US-Patent Nr. 5 288 389 offenbart ist, diese Art des Gassensors ein mehrschichtiges Gaserfassungselement, das aus keramischen Teilen hergestellt ist, zur Erfassung der Konzentration eines in dem Abgas enthaltenen spezifischen Gases auf.
Im Allgemeinen weist das mehrschichtige Gaserfassungselement eine vorbestimmte Anzahl dünner keramischer Substrate auf, die aufeinander gestapelt oder geschichtet sind. Die keramischen Substrate sind in Bezug auf die mechanische Stärke schwach und können daher zerbrechen, wenn sie Vibrationen oder Erschütterungen ausgesetzt werden.
Insbesondere ist der schwächste Abschnitt des Gassensors ein vorspringender Endabschnitt des mehrschichtigen Gaserfassungselements, das von einem vorderen oder distalen Ende des Isolators vorspringt.
Eine Verkürzung der vorspringenden Länge des mehrschichtigen Gaserfassungselements ist zur Beseitigung einer derartigen Beschädigung effektiv. Jedoch ist der vorspringende Endabschnitt des mehrschichtigen Gaserfassungselements ein Abschnitt, an dem ein Erfassungsabschnitt zur Erfassung der Gaskonzentration vorgesehen ist. Der Gaskonzentrationserfassungsabschnitt muss zu einem zu messenden Gas in einer Abdeckung auf der Seite des zu messenden Gases frei liegen. Zur Gewährleistung einer korrekten Erfassung der Gaskonzentration ist es notwendig, die Temperatur des Gaskonzentrationserfassungsabschnitts beizubehalten. Daher ist eine Heizung einstückig mit dem Gaserfassungselement oder getrennt vorgesehen, um das Gaserfassungselement aufzuheizen.
Falls die vorspringende Länge des mehrschichtigen Gaserfassungselements verkürzt wird, wird die zum Aufwärmen des Gaserfassungselements zu verwendende Wärme über die Isolierung und das Gehäuse austreten. Das heißt, es wird schwierig sein, die Temperatur des Gaskonzentrationserfassungsabschnitts auf einem konstanten Wert zu halten, da er in dem vorspringenden Abschnitt des Gaserfassungselements angeordnet ist. Um dies zu vermeiden, muss eine minimale vorspringende Länge gewährleistet werden. Somit kann die vorspringende Länge des Gaserfassungselements nicht stark verkürzt werden.
Heutzutage müssen die mehrschichtigen Gaserfassungselemente, die in Autobrennkraftmaschinen oder dergleichen verwendet werden, exzellente Aufwärm- oder Aktivierungseigenschaften aufweisen. Im Allgemeinen kann diese Art der mehrschichtigen Gaserfassungselemente nicht normal zur Erfassung der Gaskonzentration arbeiten, solange die Temperatur nicht den Aktivierungspegel erreicht hat. Wenn der Verbrennungssteuerungsmechanismus seinen Betrieb unmittelbar nach dem Start der Autobrennkraftmaschine beginnen muss, ist es unbedingt notwendig, die Gaskonzentration so schnell wie möglich korrekt zu erfassen. Dabei wird das mehrschichtige Gaserfassungselement durch eine Heizung zur unmittelbaren Erhöhung der Temperatur des Elements auf den Aktivierungspegel erhitzt.
Zur Verwirklichung einer derartigen unmittelbaren oder prompten Aktivierung des Gaserfassungselements ist eine Verringerung des mehrschichtigen Gaserfassungselements dahingehend effektiv, dass die Wärmekapazität sich verringert.
Jedoch trifft der Einbau eines kompakten mehrschichtigen Gaserfassungselements in einem Gassensors auf die nachstehenden Beschränkungen.
Unter Bezugnahme auf ein Beispiel (Fig. 1), bei dem es sich nicht um ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung handelt, die jedoch später beschrieben wird, weist diese Art des Gassensors 1 ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 2 auf, das in einem Gehäuse 10 befestigt ist.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 weist elektrische Anschlüsse (265 und 266, wie es in Fig. 2 dargestellt ist) zur Zufuhr elektrischer Leistung zu diesem Element 2 und zur Ausgabe eines Erfassungssignals aus diesem Element 2. Plattenanschlüsse 131 werden elektrisch mit diesen Anschlüssen in Kontakt gebracht (vergl. Fig. 1) Zur Gewährleistung einer Isolierung zwischen den Plattenanschlüssen 131 muss das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 in eine Isolierung 3 eingesetzt werden und sicher an diese Isolierung 3 befestigt werden. Dann muss die Anordnung des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 und der Isolierung 3 in das Gehäuse 10 eingesetzt werden und sicher an dieses Gehäuse 10 befestigt werden.
In diesem Fall wird ein Versiegelungsteil (seal member) 30 zur Befestigung des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 und der Isolierung 3 vorgesehen. Zur Gewährleistung der Festigkeit des Versiegelungsteils 30 kann die Breite des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 nicht stark reduziert werden. Im Allgemeinen beträgt die erforderliche Anzahl der Plattenanschlüsse 131 vier, das heißt zwei an der vorderen Seite und zwei an der Rückseite gemäß der Darstellung in Fig. 2. Zur Gewährleistung der Isolierung zwischen diesen Plattenanschlüssen 131 kann die Breite des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 nicht sehr stark reduziert werden. Demgegenüber gibt es keine spezifischen Einschränkungen in Bezug auf die Verkleinerung des Gaserfassungsabschnitts.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme gemäß dem Stand der Technik weist die vorliegende Erfindung die Aufgabe auf, einen Gassensor zu schaffen, der mit einem mehrschichtigen Gaserfassungselement ausgerüstet ist, das eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen aufweist.
Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe sowie anderer Ziele der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß ein Gassensor geschaffen, der ein zylindrisches Gehäuse sowie ein mehrschichtiges Gaserfassungselement aufweist, das von einer vorbestimmten Position in dem Gehäuse über einem zylindrischen Isolator positioniert ist. Das mehrschichtige Gaserfassungselement weist einen schmalen Abschnitt und einen breiten Abschnitt auf. Die Breite des schmalen Abschnitts ist kleiner als die Breite des breiten Abschnitts. Der breite Abschnitt befindet sich in einem festen Verhältnis in Bezug auf den Isolator. Der schmale Abschnitt befindet sich in einem fließenden Verhältnis in Bezug auf den Isolator. Außerdem weist der schmale Abschnitt einen Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf, das in einem zu messenden Gas enthalten ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung ist nachstehend anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines mehrschichtigen Gaserfassungselements, das an einem Isolator befestigt ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils der Befestigung zwischen dem mehrschichtigen Gaserfassungselement und dem Isolator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Draufsicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 eine Seitenansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8 eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9 eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 10 eine Draufsicht eines mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11 eine Seitenansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 12 eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der entlang einer Linie A-A gemäß Fig. 10 genommen ist,
Fig. 13 eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die entlang einer Linie B-B gemäß Fig. 10 genommen ist,
Fig. 14 eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 15 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die entlang einer Linie C-C gemäß Fig. 14 genommen ist,
Fig. 16 eine Querschnittsansicht zur Beschreibung eines mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 17 eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines mehrschichtigen Vergleichs-Gaserfassungselements, das für Vergleichstests vorbereitet worden ist,
Fig. 18 eine Querschnittsansicht des mehrschichtigen Vergleichs-Gaserfassungselements, die entlang einer Linie D-D gemäß Fig. 17 genommen ist,
Fig. 19 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Breite eines schmalen Abschnitts und der Aktivierungszeit darstellt, die durch einen Auswertungstest erhalten wird,
Fig. 20 eine Graphen, der das Verhältnis zwischen der Elektrodenoberflächentemperatur und der verstrichenen Zeit darstellt, der durch einen Auswertungstest erhalten wird,
Fig. 21 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Fallfestigkeitstests,
Fig. 22 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Breite des schmalen Abschnitts und der Durchbruchswahrscheinlichkeit darstellt, der über einen Auswertungstest erhalten wird, und
Fig. 23 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Länge des schmalen Abschnitts und der Durchbruchswahrscheinlichkeit veranschaulicht, der über einen Auswertungstest erhalten wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Erfindungsgemäß wird ein Gassensor mit einem zylindrischen Gehäuse und einem mehrschichtigen Gaserfassungselement geschaffen, das an einer vorbestimmten Position in dem Gehäuse über einen zylindrischen Isolator positioniert ist. Das mehrschichtige Gaserfassungselement weist einen schmalen Abschnitt und einen breiten Abschnitt auf. Die Breite des schmalen Abschnitts ist kleiner als die Breite des breiten Abschnitts. Der breite Abschnitt befindet sich in einem festen Verhältnis in Bezug auf den Isolator. Der schmale Abschnitt befindet sich in einem freien Verhältnis in Bezug auf den Isolator. Darüber hinaus weist der schmale Abschnitt eine Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf, das in einem zu messenden Gas enthalten ist.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der Erfindung weist den schmalen Abschnitt und den breiten Abschnitt auf. Der breite Abschnitt befindet sich in einem festen Verhältnis in Bezug auf den Isolator. Der schmale Abschnitt befindet sich in einem freienbeweglichen (floating) Verhältnis in Bezug auf den Isolator.
Bei dem Gassensor gemäß der Erfindung wird ein Halten oder Befestigen des mehrschichtigen Gaserfassungselements an dem Isolator durch Anordnen des breiten Abschnitts an eine proximale (körpernahe) Endseite des Gassensors und durch Anordnen des schmalen Abschnitts an einer distalen Endseite (körperferne) des Gassensors bewirkt. Dann wird lediglich der breite Abschnitt an die innere Oberfläche des Isolators unter Verwendung eines Klebemittels oder Versiegelungsungsmittels oder unter Verwendung eines Befestigungsteils befestigt.
Wenn irgendeine Erschütterung oder Vibration auf den Gassensor einwirkt, schwingt oder oszilliert der schmale Abschnitt, wenn er in Hebelweise (d. h. in schwebendem Verhältnis) in Bezug auf den breiten Abschnitt gestützt wird. Das heißt, dass ein signifikantes Ausmaß eines Moments auf den schmalen Abschnitt des mehrschichtigen Gaserfassungselements einwirkt.
Falls die Breite des schwebenden Abschnitts im Wesentlichen die selbe wie diejenige des festen Abschnitts ist, kann das vorstehend beschriebene Moment den schwebenden Abschnitt zerbrechen.
Erfindungsgemäß kann die Wahrscheinlichkeit des Zerbrechens des schwebenden Abschnitts verringert werden, da die Breite des schwebenden Abschnitts im Vergleich zu derjenigen des festen Abschnitts verringert ist. Die Verringerung der Breite des schwebenden Abschnitts ist zur Verringerung des Gewichts des schwebenden Abschnitts effektiv. Das auf den schwebenden Abschnitt wirkende Moment wird klein. Dadurch kann die Festigkeit verbessert werden.
Weiterhin ist der schmale Abschnitt sowohl im Volumen als auch in der Wärmekapazität im Vergleich zu dem breiten Abschnitt klein. Somit ist die Ausbildung des schmalen Abschnitts gemäß der Erfindung vorteilhaft bei der Verwirklichung einer unmittelbaren oder prompten Aktivierung des mehrschichtigen Gaserfassungselements.
Anhand des Vorstehenden kann erfindungsgemäß ein Gassensor geschaffen werden, der mit einem mehrschichtigen Gaserfassungselement ausgerüstet ist, der eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen aufweist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß der Erfindung weist das mehrschichtige Gaserfassungselement eine elektrochemische Zelle auf, die aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytsubstrat, einer messungsgasseitigen Elektrode, die auf dem Festelektrolytsubstrat vorgesehen ist, und einer Referenzelektrode auf, die auf dem Festelektrolytsubstrat vorgesehen ist. Das mehrschichtige Gaserfassungselement misst die Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem zu messenden Gas enthalten ist, auf der Grundlage des über die elektrochemische Zelle fließenden Sauerstoffionenstrom.
Weiterhin besteht das mehrschichtige Gaserfassungselement aus einer adäquaten Anzahl gestapelter oder geschichteter Substrate, die das vorstehend beschriebene Festelektrolytsubstrat und isolierende oder andere Substrate aufweist.
Beispielsweise ist das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der Erfindung ein Sauerstofferfassungselement, das in der Lage ist, die Konzentration von Sauerstoff zu messen, das in dem zu messenden Gas enthalten ist.
Weiterhin ist das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der Erfindung als eine weitere Art eines Gaserfassungselennents verwendbar, das ein spezifisches Gas wie NOx, CO und HC zur Erzeugung von Sauerstoffionen zersetzt und die Konzentration des spezifischen Gases auf der Grundlage der Sauerstoffionen misst.
Weiterhin ist das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der Erfindung in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einbaubar. Die gemessene Sauerstoffkonzentration ist zur Erfassung oder zur Schätzung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F- Verhältnisses) von einem Gasgemisch verwendbar, das in einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine eingeführt wird.
In jedem Fall ist die Rolle des Gassensors in Abhängigkeit von der Bauart des Elements änderbar.
Im weiteren Verlauf der Beschreibung beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen praktische Anordnungen des Gassensors entsprechend der Erfindung. Jedoch können die Wirkungen gemäß der Erfindung selbst in jeder anderen Bauart des Gassensors erhalten werden, wenn das mehrschichtige Gaserfassungselement einen schmalen Abschnitt und den breiten Abschnitt aufweist.
Weiterhin ist das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der Erfindung ein verlängertes Plattenelement mit einer rechteckigen Querschnittsfläche, wenn diese entlang einer zu der Längsachse des Elements senkrechten Ebene genommen wird. In diesem Fall ist die Breite des Elements durch die Länge des Elements definiert, die entlang der zu Längsrichtung des Elements senkrechten sowie zu der Dickenrichtung senkrechten Richtung des Elements gemessen wird (vergl. w1 und w2 gemäß Fig. 4).
Wenn die Grenze zwischen dem breiten Abschnitt und dem schmalen Abschnitt als ein rechter Winkel konfiguriert wird, kann eine konzentrierte Spannung an dieser Ecke einwirken, wenn das mehrschichtige Gaserfassungselement Vibrationen und Erschütterung ausgesetzt wird. Dies kann zu der Erzeugung von Rissen oder einem Bruch führen. Um dies zu vermeiden, ist es vorzuziehen, eine gekrümmte oder kegelförmige (tapered) Oberfläche an der Grenze zwischen dem breiten Abschnitt und dem schmalen Abschnitt zu bilden. Beispielsweise ist die gekrümmte Oberfläche äquivalent zu einem Kreis von 0,3 mm bis 1,0 mm im Radius.
Weiterhin ist es, wenn das mehrschichtige Gaserfassungselement einen Gassensor an den breiten Abschnitt befestigt ist, es wünschenswert, dass die gesamte Oberfläche des breiten Abschnitts in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Isolators gebracht wird.
Alternativ dazu ist es möglich, den breiten Abschnitt an den Isolator an einem oder mehreren lokalen Abschnitten zu befestigen.
Weiterhin ist der Gaserfassungsabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt, der wesentlich zu der Messung einer spezifischen Gaskonzentration in dem zu messenden Gas beiträgt. Beispielsweise dient gemäß einem später beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 der Abschnitt entsprechend den Elektroden, die eine Sensorzelle bilden, als Gaserfassungsabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung.
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Dicke des schmalen Abschnitts größer als die Dicke des breiten Abschnitts ist.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Festigkeit des schmalen Abschnitts zu erhöhen und dementsprechend die Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen zu verbessern.
In diesem Fall sind die Dicke des schmalen und des breiten Abschnitts durch die Länge definiert, die entlang einer Linie parallel zu der Schichtung der Schichten gemessen wird, die das mehrschichtige Gaserfassungselement bilden (vergl. d1 und d2 gemäß Fig. 5).
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass das mehrschichtige Gaserfassungselement einen Eckabschnitt hat, der in eine gekrümmte oder kegelförmige Oberfläche konfiguriert ist (vergl. Fig. 6 und 12).
Jede Ecke des mehrschichtigen Gaserfassungselements tendiert dazu, einer konzentrierten Spannung unterzogen zu werden. Somit bewirkt die Bildung der kegelförmigen oder gekrümmten Oberfläche eine Entspannung oder eine Abschwächung einer derartig konzentrierten Spannung. Dementsprechend wird es möglich, ein mehrschichtiges Gaserfassungselement bereitzustellen, das eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen aufweist.
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Dicke des breiten Abschnitts sich in dem Bereich von 0,7 mm bis 2,0 mm befindet, und dass sich die Breite des breiten Abschnitts sich in dem Bereich von 4,0 mm bis 6,0 mm befindet. Die Dicke des schmalen Abschnitts liegt in dem Bereich von 1,3 mm bis 2,4 mm, und die Breite des schmalen Abschnitts befindet sich in dem Bereich von 2,5 mm bis 4,0 mm. Darüber hinaus weist der schmale Abschnitt eine Länge größer oder gleich als 8,0 mm auf.
Die vorstehend beschriebenen Abmessungen des mehrschichtigen Gaserfassungselements gewährleisten eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber Rissen oder Bruch, die in dem Prozess des Einbaus des mehrschichtigen Gaserfassungselements in dem Gassensor auftreten können. In dem Fall, dass die elektrischen Anschlüsse zur Ausgabe des Gaskonzentrationserfassungssignals und zur Zufuhr elektrischer Leistung vorgesehen sind, ist es leicht, einen Isolationsfreiraum zwischen diesen Anschlüssen zu gewährleisten. Zusätzlich gewährleistet die Anordnung nicht nur die unmittelbare oder prompte Aktivierung, sondern bringt ebenfalls eine hervorragende mechanische Stärke mit sich.
In Bezug auf die Dicke des vorstehend beschriebenen breiten Abschnitts ist es vorzuziehen, dass die Dicke nicht geringer als 0,7 mm ist, um eine ausreichende Stärke bzw. Festigkeit des breiten Abschnitts zu gewährleisten, damit verhindert wird, dass das mehrschichtige Gaserfassungselement reißt oder zerbricht, wenn er mit verschiedenen Bestandteilen des Gassensors zusammengesetzt wird. Dabei ist es zur Gewährleistung einer Isolierung zwischen den vorstehend beschriebenen elektrischen Anschlüssen wünschenswert, dass die Breite des breiten Abschnitts nicht geringer als 4,0 mm ist.
Jedoch steigt die Wärmekapazität des mehrschichtigen Gaserfassungselements mit Erhöhung der Dicke und der Breite an. Es ist von Nachteil, eine übermäßig große Wärmekapazität zu haben, wenn eine unmittelbare oder prompte Aktivierung des mehrschichtigen Gaserfassungselements verwirklicht werden soll. Im Hinblick darauf ist es wünschenswert, dass die Dicke des vorstehend beschriebenen breiten Abschnitts nicht größer als 2,0 mm ist, und dass die Breite des breiten Abschnitts nicht größer als 6,0 mm ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der schmale Abschnitt aufgrund des Vorhandenseins des Gaserfassungsabschnitts dicker wird. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist eine übermäßige Erhöhung der Dicke bei der Verwirklichung der unmittelbaren oder prompten Aktivierung des mehrschichtigen Gaserfassungselements nachteilig. Somit ist es wünschenswert, dass die Dicke des schmalen Abschnitts nicht größer als 2,4 mm ist. Demgegenüber ist es bei Berücksichtigung der Widerstandsfähigkeit des mehrschichtigen Gaserfassungselements, die bei Zusammenbau mit verschiedenen Bestandteilen des Gassensors erforderlich ist, vorzuziehen, dass die Dicke des schmalen Abschnitts nicht kleiner als 1,3 mm ist.
Im Hinblick auf die Breite des schmalen Abschnitts ist es aus dem Grund, dass eine ausreichende Widerstandsfähigkeit bei Zusammenbau des mehrschichtigen Gaserfassungselements mit verschiedenen Bestandteilen des Gassensors erforderlich ist, vorzuziehen, dass die Breite des schmalen Abschnitts nicht größer als 4,0 mm ist.
Obwohl die Größe des mehrschichtigen Gaserfassungselements bei der Verwirklichung der unmittelbaren oder prompten Aktivierung des mehrschichtigen Gaserfassungselements vorteilhaft ist, kann eine übermäßig kleine Fläche nicht effektiv die aus der Heizung zugeführte Wärme aufnehmen. Daher ist es wünschenswert, dass die Breite des schmalen Abschnitts nicht kleiner als 2,5 mm ist.
Weiterhin wird, falls die Länge des schmalen Abschnitts extrem klein ist, die Wärme leicht auf den Isolator oder dergleichen übergreifen. Somit ist es zum Halten des schmalen Abschnitts mit dem Gaserfassungsabschnitt auf einer konstanten Temperatur vorzuziehen, dass die Länge des schmalen Abschnitts nicht kleiner 8,0 mm ist.
Weiterhin ist eine übermäßige Verlängerung des schmalen Abschnitts nicht wünschenswert, da ein großes Moment auf den schmalen Abschnitt einwirken wird, der in einem schwebenden Verhältnis in Bezug auf den Isolator gestützt wird, wenn dieser den vorstehend beschrieben Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt wird. Daher ist es wünschenswert, dass die Länge des schmalen Abschnitts nicht länger als 20,0 mm ist.
Weiterhin ist es wünschenswert, dass das mehrschichtige Gaserfassungselement eine Sensorzelle und eine Heizung aufweist. Die Sensorzelle weist ein Festelektrolytsubstrat, eine erste Elektrode, die auf dem Festelektrolytsubstrat derart vorgesehen ist, dass sie zu dem zu messendem Gas freiliegt, und eine zweite Elektrode auf, die auf dem Festelektrolytsubstrat derart vorgesehen ist, dass sie zu einem Referenzgas freiliegt. Die Heizung weist ein Wärmeerzeugungselement zur Erzeugung von Wärme im Ansprechen auf eine elektrische Energieversorgung zur Erhöhung einer Temperatur der Sensorzelle bis zu einem Aktivierungspegel auf. Außerdem befindet sich ein minimaler Abstand zwischen dem Wärmeerzeugungselement der Heizung und einer nächsten der ersten und zweiten Elektroden der Sensorzelle sich in einem Bereich von 0,4 mm bis 1,8 mm.
Im Hinblick darauf, dass eine ausreichende Festigkeit während des Einbaus des mehrschichtigen Gaserfassungselements notwendig ist, ist eine übermäßige Verkürzung des Freiraums zwischen dem Wärmeerzeugungselement und der Elektrode dahingehend nicht wünschenswert, dass dies Risse auslösen könnte. Ein minimaler Abstand nicht kürzer als 0,4 mm ist erforderlich. Demgegenüber ist eine Verdickung des mehrschichtigen Gaserfassungselements unvorteilhaft dahingehend, dass die unmittelbare oder prompte Aktivierung des mehrschichtigen Gaserfassungselements nicht verwirklicht werden kann. Es ist daher wünschenswert, dass die Dicke nicht größer als 1,8 mm ist. Mit den vorstehend beschriebenen Abmessungen wird es möglich, ein mehrschichtiges Gaserfassungselement zu erhalten, das eine ausreichende Festigkeit aufweist und hervorragend in Bezug auf die Aktivierungseigenschaften ist.
Beispielsweise ist der minimale Abstand im Wesentlichen gleich zu der Dicke eines Abstandhalters, der zwischen dem Wärmeerzeugungselement und der Elektrode angeordnet ist (verg. Fig. 13).

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 bis 6 zeigen einen Gassensor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 10 und ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 2 auf, das an einer vorbestimmten Position in dem Gehäuse 10 über einem zylindrischen Isolator 3 angeordnet ist. Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 besteht aus einem schmalen Abschnitt 21 und einem breiten Abschnitt 22, der eine Breite aufweist, die breiter als diejenige des schmalen Abschnitts 21 ist. Der breite Abschnitt 22 befindet sich in einem festen Verhältnis in Bezug auf den Isolator 3. Der schmale Abschnitt 21 befindet sich in einem schwebenden (floating) Verhältnis in Bezug auf den Isolator 3. Der schmale Abschnitt 21 weist einen Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf, das in einem zu messenden Gas enthalten ist.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Gassensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine umgebungsluftseitige Abdeckung 12 auf, die an einer proximalen (aufbaunahen, körpernahen) Endseite des zylindrischen Gehäuses 10 angebracht ist. Eine Abdeckung 11 auf der Seite des zu messenden Gases ist an einer distalen (aufbaufernen, körperfernen) Endseite des zylindrischen Gehäuses 10 angebracht. Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 ist in dem Isolator 3 platziert, der in dem Gehäuse 10 angeordnet ist.
Ein umgebungsluftseitiger Isolator 125 ist an der proximalen Endseite des Isolators 3 vorgesehen.
Eine proximale Endseite des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 ist in dem umgebungsluftseitigen Isolator 125 angeordnet. Elektrische Anschlüsse 265 uns 266 (vergleiche Fig. 2) die an der proximale Endseite des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 vorgesehen sind, sind mit den Leitern 135 über eine Vielzahl Plattenanschlüssen 131 und Verbindungsteilen 134 verbunden.
Weiterhin ist eine distale Endseite des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 in der Abdeckung 11 auf der Seite des zu messenden Gases zur Messung einer spezifischen Gaskonzentration in dem zu messenden Gas freigelegt.
Der Isolator 3 weist, wie es in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, einen proximalen Endabschnitt auf, der in einem Abschnitt 32 mit großem Durchmesser konfiguriert ist, und einen distalen Endabschnitt auf, der in einem Abschnitt 31 mit kleinem Durchmesser gebildet ist, die insgesamt eine zylindrische Form bilden. Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 ist in den Isolator 3 eingesetzt. Ein Versiegelungsteil 30 dichtet den Freiraum zwischen der äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 und der inneren Oberfläche des Isolators 3 luftdicht ab. Das Versiegelungsteil 30 ist ein Befestigungsteil zur sicheren Befestigung des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 in einer vorbestimmten Position relativ zu dem Isolator 3.
Das Versiegelungsteil 30 ist beispielsweise aus Glasmaterialien, Talk oder Pulverversiegelungsmaterialien oder verschiedenen wärmebeständigen Klebeharzen hergestellt.
Der Abschnitt, an dem das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 durch das Versiegelungsteil 30 befestigt ist, ist auf den breiten Abschnitt 22 beschränkt. Wie es in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist der Freiraum zwischen dem Abschnitt 32 mit großem Durchmesser des Isolators 3 und dem breiten Abschnitt 22 des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 vollständig mit dem Versiegelungsteil 30 gefüllt. Der breite Abschnitt 22 ist fest in dem Isolator 3 befestigt. Jedoch ist zwischen dem schmalen Abschnitt 21 und dem Isolator 3 kein Versiegelungsteil. 30 vorgesehen. Der breite Abschnitt 22 wird in einer Hebeweise gestützt. Das heißt, dass der breite Abschnitt 22 sich in Bezug auf den Isolator 3 in einem schwebenden Verhältnis befindet.
Nachstehend ist das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 ausführlicher beschrieben.
Wie es in Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, weist das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 ein Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytsubstrat 26 auf, das in einem abgeflachten und verlängerten rechteckigen Aufbau konfiguriert ist. Ein paar Elektroden 261 und 262 ist an den gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytsubstrats 26 vorgesehen. Die untere Elektrode 262 ist zu einer Referenzgaskammer 250 freigelegt, die in einem Abstandshalter 25 abgegrenzt ist. Die obere Elektrode 261 ist einer Messgaskammer 270 ausgesetzt, die durch einen Abstandshalter 27 und einer Diffusionswiderstandsschicht 28 gebildet ist. Ein Heizungssubstrat 29, das mit einem Wärmeerzeugungselement 290 bei Zufuhr von elektrischer Leistung ausgerüstet ist, ist an die untere Oberfläche des Abstandshalters 25 angebracht oder geschichtet.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, weist einen distalen Endabschnitt, der mit den Elektroden 261 und 262 versehen und ist und in den schmalen Abschnitt 21 konfiguriert ist, und einen proximalen Endabschnitt auf, der mit den Anschlüssen 265 und 266 versehen ist und in den breiten Abschnitt 25 konfiguriert ist. Das heißt, dass der Gaserfassungsabschnitt 21 (der durch die Elektroden 261 und 262 gebildet wird) in dem schmalen Abschnitt 21 angeordnet ist. Die Breite w1 des schmalen Abschnitts 21 ist gleichförmig. Die Breite w2 des breiten Abschnitts 22 ist ebenfalls gleichförmig. Die Anschlüsse 265 und 266 werden zur Ausgabe des Erfassungssignals des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 verwendet.
Weiterhin ist, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, die Dicke d1 des schmalen Abschnitts 21 größer als die Dicke d2 des breiten Abschnitts 22. Die Dicke d1 des schmalen Abschnitts ist gleichförmig. Die Dicke d2 des breiten Abschnitts 22 ist ebenfalls gleichförmig. Die Querschnittsfläche des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 ist rechteckig. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sind kegelförmige Abschnitte 295 an beiden Ecken des Heizungssubstrats 29 gebildet. Das Vorsehen der kegelförmigen Abschnitte 295 verhindert effektiv, dass konzentrierte Spannung auf die Ecken des Heizungssubstrats 29 einwirken, wodurch die Widerstandsfähigkeit des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 gegenüber Erschütterungen verbessert wird. Fig. 6 zeigt die an dem schmalen Abschnitt 21 genommene Querschnittsansicht.
Der Gassensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die folgenden Funktionen auf und bringt die nachstehenden Effekte.
Bei dem Gassensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Halten oder Befestigen des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 an dem Isolator 3 durch Anordnen des breiten Abschnitts 22 an der proximalen Endseite des Gassensors 1 und durch Anordnen des schmalen Abschnitts 21 an der distalen Endseite des Gassensors 1 sowie durch darauffolgende Befestigung lediglich des breiten Abschnitts 22 an die innere Oberfläche des Isolators 3 unter Verwendung des Versiegelungsteils 30 durchgeführt.
Der schwache Abschnitt, an dem Risse und Brüche auftreten können, wenn er Erschütterungen ausgesetzt wird, ist der schwebende Abschnitt des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2, der nicht direkt an dem Isolator 3 befestigt ist. Im Hinblick auf diese Tatsachen ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Breite des schwebenden Abschnitts des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 im Vergleich zu dem festen Abschnitt des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 verringert. Die Verringerung der Breite des schwebenden Abschnitts des mehrschichtigen Gaserfassungselements 2 ermöglicht, effektiv zu verhindern, dass die konzentrierte Spannung auf den schwebenden Abschnitt einwirkt.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, stellt das erste Ausführungsbeispiel den Gassensor bereit, der das mehrschichtige Gaserfassungselement aufweist, das eine ausreichende Festigkeit gegenüber Erschütterungen aufweist.

Zweites Ausführungsbeispiel

Ein Gassensor 1a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel weist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ein Gehäuse 10 auf, wobei ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 5 in dem Gehäuse 10 über einen Isolator 41, ein Pulverversiegelungsteil 42, einer Verpackung (packaging) 43 und einem Isolator 44 angeordnet ist.
Weiterhin weist der Gassensor 1a gemäß diesem Ausführungsbeispiel umgebungsluftseitige Abdeckungen 451 und 452 auf, die durch Abdichten (caulking) an die obere Seite des Isolators 44 an der proximalen Endseite des Gehäuses 10 befestigt sind. Ein umgebungsluftseitiger Isolator 45 ist innerhalb der umgebungsluftseitigen Abdeckung 452 angeordnet. Weiterhin weist der Gassensor 1a eine messgasseitige Abdeckung 11 auf, die an der distalen Endseite des Gehäuses 10 angebracht ist.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist einen schmalen Abschnitt 51 und einen breiten Abschnitt 52 auf, mit einem an einer oberen (d. h. proximalen) Seite des breiten Abschnitts 52 gebildeten Flanschabschnitt. Der Flanschabschnitt 520 springt in radialer Richtung des mehrschichtigen Gaserfassungselements 5 vor. Die vordere (d. h. distale) Endseite des Flanschabschnitts 520 ist durch das Gehäuse 10 aufgenommen (d. h. in Kontakt damit gebracht).
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist eine Gasabschirmungsschicht 501, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 502, einen Abstandshalter 503, der eine Messgaskammer 531 darin abgrenzt, eine Isolierschicht 509, ein Festelektrolytsubstrat 511, das eine Sensorzelle 53 bildet, einen Abstandshalter 515, der eine Referenzgaskammer 532 darin abgrenzt, und ein Heizungssubstrat 518 auf, die in dieser Reihenfolge wie in Fig. 8 und 9 gezeigt gestapelt oder geschichtet sind. Das Festelektrolytsubstrat 511 ist aus Zirkonkeramik hergestellt. Die andere Gasabschirmungsschicht 501 und der Abstandshalter 503 sind aus Aluminiumoxidkeramik (Aluminiakeramik) hergestellt.
Die Sensorzelle 53 weist eine Elektrode 507, die an der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 511 derart vorgesehen ist, dass sie der Messgaskammer 531 ausgesetzt ist, und eine einer weitere Elektrode 514 auf, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 511 vorgesehen ist, um der Referenzgaskammer 532 ausgesetzt zu sein. Ein Leitungsabschnitt 504 und Anschlussabschnitt 506, die elektrisch mit der Elektrode 507 verbunden sind, sind an der oberen Oberfläche der Isolierschicht 509 vorgesehen. Ein Leitungsabschnitt 513 und ein Zwischenanschlussabschnitt 512, die elektrisch mit der Elektrode 514 verbunden sind, sind an der unteren Oberfläche der Isolierschicht 511 vorgesehen. Eine Durchgangsöffnung 508 und eine Durchgangsöffnung 510 erstrecken sich kontinuierlich senkrecht jeweils über die Isolierschicht 509 und das Festelektrolytsubstrat 511, so dass die den Zwischenanschlussabschnitt 512 mit dem anderen Anschlussabschnitt 505 verbinden, der auf der oberen Oberfläche der Isolierschicht 509 vorgesehen ist. Das Heizungssubstrat 518 ist mit einem Wärmeerzeugungselement 517, Leitungsabschnitten 516, zwei Durchgangsöffnungen 519 und Anschlussabschnitten 520 versehen.
Das vorstehend beschriebene Gaserfassungselement 5 wird in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt.
Zunächst wird eine erforderliche Anzahl von Grünlingplatten (green sheets) für die Gasabschirmungsschicht 501, die poröse Diffusionswiderstandsschicht 502, den Abstandshalter 503, das Festelektrolytsubstrat 511, den Abstandshalter 515 und das Heizungssubstrat 518 entsprechend dem Rakelverfahren (doctor blade method) und dem Extrusionsgussverfahren vorbereitet. Der Abstandshalter 515 wird durch die Schritte Bilden einer Nut in dem Grünlingplatte und Schichten eines u-förmigen Blechs und eines flachen Blechs erhalten. Weiterhin ist die Konfiguration der jeweiligen Grünlingplatten im Wesentlichen identisch zu denjenigen gemäß Fig. 8, die über einen Sintervorgang zu erhalten sind, obwohl die Grünlingplatten während des Sintervorgangs leicht kleiner werden. Danach wird eine Aluminiumpaste auf die Grünlingplatte für das Festelektrolytsubstrat 511 zur Bildung eines Druckbereichs der Isolierschicht 509 geschichtet. Dann wird eine Platinpaste zur Bildung der Druckabschnitte der Elektrode 507, der Elektrode 514, der Leitungsabschnitte 504 und 513 sowie der Anschlussabschnitte 505, 506 und 512 geschichtet. Danach werden Stiftöffnungen für die Durchgangsöffnungen 508 und 510 durch die Isolierschicht 509 und das Festelektrolytsubstrat 511 jeweils geöffnet. Die Stiftöffnungen werden mit leitenden Materialien gefüllt.
Weiterhin wird eine Wolfram- oder Platinpaste auf die Grünlingplatte für das Heizungssubstrat 518 zur Bildung von Druckbereichen für das Wärmeerzeugungselement 517, die Leitungsabschnitte 516 sowie die Anschlussabschnitte 520 geschichtet. Weiterhin werden Stiftöffnungen für die Durchgangsöffnungen 519 durch das Heizungssubstrat 518 geöffnet. Jede Stiftöffnungen wird mit dem leitenden Material gefüllt.
Nachstehend werden jeweilige Grünlingplatten zur Bildung einer mehrschichtigen Struktur, wie sie in Fig. 8 und 9 gezeigt ist, gestapelt oder geschichtet. Dann wird die mehrschichtige Anordnung der Grünlingplatten unter einem vorbestimmten gegebenen Druck bei der Temperatur von 1500°C bis 1600°C gesintert. Durch diesen Sintervorgang wird schließlich das vorstehend beschriebene mehrschichtige Gaserfassungselement 5 erhalten.
Nachstehend sind verschiedenen Verfahren zur Bildung des breiten Abschnitts 52 und des schmalen Abschnitts 51 des vorstehend beschriebenen mehrschichtigen Gaserfassungselements 5 beschrieben.
Eines ist ein Verfahren zur Bildung dieser Abschnitte 51 und 52 vor Sintern der Anordnung der Grünlingplatten. Genauer werden die jeweiligen Grünlingplatten vorab gestanzt oder ausgeschnitten und dann laminiert. Alternativ dazu ist es möglich, die Grünlingplatten zu stanzen oder auszuschneiden, nachdem sie geschichtet worden sind.
Das andere ist ein Verfahren zur Bildung dieser Abschnitte 51 und 52 nach der Sinterung der mehrschichtigen Anordnung der Grünlingplatten. Bei diesem Verfahren wird der schmale Abschnitt durch Schleifen gebildet.
Irgendein Verfahren der vorstehend beschriebenen Verfahren kann zum Erhalt des mehrschichtigen Gaserfassungselements 5 verwendet werden.

Drittes Ausführungsbeispiel

Ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 6 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist durch eine gekrümmte oder abgerundete Grenze zwischen dem breiten Abschnitt und dem schmalen Abschnitt gekennzeichnet.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 6 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist eine Gasabschirmungsschicht 601, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 602, einen Abstandshalter 603, der eine Messgaskammer 633 darin abgrenzt, ein Festelektrolytsubstrat 604, das eine Sensorzelle 63 bildet, eine Isolierschicht 605, einen Abstandshalter 606, der darin eine Referenzgaskammer 634 angrenzt, Isolierschichten 607 und 608 sowie ein Heizungssubstrat 609 auf, die in dieser Reihenfolge geschichtet oder gestapelt sind, wie es in Fig. 10 bis 13 gezeigt ist. Das Festelektrolytsubstrat 604 ist Zirkonkeramik hergestellt. Desweiteren sind die Gasabschirmungsschicht 601 und der Abstandshalter 603 aus Aluminiumoxidkeramik hergestellt.
Die Sensorzelle 63 weist eine Elektrode 631, die an der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 604 derart vorgesehen ist, dass sie zu der Messgaskammer 633 freiliegt, und eine weitere Elektrode 632 auf, die an der gegenüberliegenden Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 604 derart vorgesehen ist, dass sie zur der Referenzgaskammer 634 freiliegt. Ein Leitungsabschnitt 635 und ein Anschlussabschnitt 637 sind derart vorgesehen, dass sie elektrisch mit der Elektrode 631 verbunden sind. Ein Leitungsabschnitt 636 und ein Anschlussabschnitt 638 sind derart vorgesehen, dass sie elektrisch mit der Elektrode 632 verbunden sind. Weiterhin sind ein Wärmeerzeugungselement 647, ein Leitungsabschnitt 648 und (nicht gezeigte) Anschlüsse auf der Isolierschicht 608 und dem Heizungssubstrat 609 vorgesehen.
Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Querebene an einem Abschnitt entsprechend der Sensorzelle 63 genommen ist. Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Querebene an dem Abschnitt entsprechend den Leitungsabschnitten 635 und 636.
Weiterhin sind Eckabschnitte 690 des mehrschichtigen Gaserfassungselements 6 in schräge oder kegelförmige Oberflächen abgerundet.
Wie es in Fig. 10 gezeigt ist, beträgt bei dem mehrschichtigen Gaserfassungselement 6 die Breite t1 des schmalen Abschnitts 61 3,2 mm. Die Breite t2 des breiten Abschnitts beträgt 4,5 mm. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, beträgt die Dicke t3 des schmalen Abschnitts 61 2,1 mm. Die Dicke t4 des breiten Abschnitts 62 beträgt 1,6 mm.
In Bezug der Dicke der anderen Bestandteile des mehrschichtigen Gaserfassungselements 6 beträgt die Dicke der Gasabschirmungsschicht 601 0,16 mm, beträgt die Dicke der porösen Diffusionswiderstandsschicht 602 0,24 mm, beträgt die Dicke des Abstandshalters 603 0,03 mm, beträgt die Dicke des Festelektrolytsubstrats 604 0,16 mm, beträgt die Dicke der Isolierschicht 605 0,03 mm, beträgt die Dicke des Abstandshalter 604 1,2 mm, betragen die Dicken der Isolierschichten 607 und 608 beide 0,03 mm, und beträgt die Dicke des Heizungssubstrats 609 0,16 mm. Die Höhe T1 der Referenzgaskammer 634 beträgt 0,6 mm. Die Breite T2 der Referenzgaskammer 634 beträgt 1,12 mm.
Wie es in Fig. 10 gezeigt ist, ist bei dem mehrschichtigen Gaserfassungselement 6 eine Grenze 620 zwischen dem schmalen Abschnitt 61 und dem breiten Abschnitt 62 gekrümmt oder gerundet. Die Krümmung der Grenze 620 ist äquivalent zu einem Kreis oder Bogen mit einem Durchmesser von 0,65 mm.
Wenn das mehrschichtige Gaserfassungselement 6 in einem Gassensor eingebaut ist, ist das mehrschichtige Gaserfassungselement 6 an den Isolator an dem breiten Abschnitt 62 befestigt. Der schmale Abschnitt 61 ist in einem schwebenden (floating) Zustand gestützt (d. h. in Hebelweise). Die Sensorzelle 63 ist innerhalb des schmalen Abschnitts 61 derart ausgebildet, dass sie als Gaserfassungsabschnitt dient.
Der Gassensor mit dem mehrschichtigen Gaserfassungselement 6 dient in der selben Weise und bringt die selben. Wirkungen wie das erste Ausführungsbeispiel.
Der minimale Abstand zwischen dem Wärmeerzeugungselement 647 und der Elektrode 632 der Sensorzelle 63 ist eine Summe der Dicke des Abstandshalters 606 und der Isolierschicht 607. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt der vorstehend beschriebene minimale Abstand 1,23 mm. Zum Erhalten eines mehrschichtigen Gaserfassungselements, das eine ausreichende Festigkeit und hervorragende Aktivierungseigenschaften aufweist, ist es vorzuziehen, dass der vorstehend beschriebene minimale Abstand sich in dem Bereich von 0,4 mm bis 1,8 mm befindet.
Der Rest dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen identisch zu demjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 14 und 15 zeigen gemeinsam einen Gassensor 7 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine getrennte Heizung 75 unabhängig von einem mehrschichtigen Gaserfassungselement 70 vorgesehen ist.
Wie es in Fig. 19 gezeigt ist, weist der Gassensor 7 das mehrschichtige Gaserfassungselement 70, das in einem Gehäuse 71 eingesetzt und positioniert ist, eine messgasseitige Abdeckung 73, die an einer distalen Endseite des Gehäuses 71 abgebracht ist, sowie umgebungsluftseitige Abdeckungen 721 und 722 auf, die an einer proximalen Endseite des Gehäuses angebracht sind, die innerhalb der umgebungsluftseitigen Abdeckungen 721 und 722 vorgesehenen Teile sind Stecker (Verbinder) 741, die mit dem mehrschichtigen Gaserfassungselement 70 verbunden sind, Leitungen 742, die mit den Steckern 741 verbunden sind und nach außerhalb des Sensoraufbaus verlaufen, ein Isolator 710, der das mehrschichtige Gaserfassungselement 70 in dem Gehäuse 71 hält, und ein elastische Isolierteil 74, das Durchgangsöffnungen zum einstecken der Leitungen 742 aufweist und durch Abdichten (caulking) an das proximale Ende der umgebungsluftseitigen Abdeckung 722 befestigt ist.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 70 weist einen schmalen Abschnitt 72 und einen breiten Abschnitt 71 auf. Der breite Abschnitt 71 ist an der inneren Oberfläche des Isolators 710 über ein Ringteil 711 befestigt. Der schmale Abschnitt 72 in einem schwebenden Zustand (d. h. einer Hebeweise) gestützt.
Weiterhin weist das mehrschichtige Gaserfassungselement 70 einen Hauptaufbau 700 auf, der aus einer Schutzschicht 701, einem Festelektrolytsubstrat 702, einer porösen Schicht 703, und einem Festelektrolytsubstrat 704 besteht, die in dieser Reihenfolge wie in Fig. 15 gezeigt gestapelt oder geschichtet sind. Weiterhin weist das mehrschichtige Gaserfassungselement 70 eine getrennte Heizung 75 auf, die aus drei Isolierschichten 751 bis 753 sowie einem Wärmeerzeugungselement 750 besteht, die in diesen drei Isolierschichten 751 bis 753 eingebettet ist.
Der Hauptaufbau 700 weist eine Sensorzelle 73 und eine Pumpzelle 74 auf. Sowohl die Sensorzelle 73 als auch die Pumpzelle 74 sind innerhalb des Bereichs des schmalen Abschnitts 72 gebildet, um als Gaserfassungsabschnitt zu dienen.
Die Sensorzelle 73 weist eine Elektrode 731, die auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 702 gebildet ist und durch eine dichte und gasundurchlässige Schutzschicht 701 abgedeckt ist, und eine Elektrode 732 auf, die an der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 702 derart vorgesehene ist, dass sie zu einer Messgaskammer 730 freiliegt, in die das zu messende Gas über die poröse Schicht 703 eingeführt wird.
Die Pumpzelle 79 weist eine Elektrode 741, die an der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 704 derart vorgesehen ist, dass sie zu der Messgaskammer 730 freiliegt, und eine Elektrode 742 auf, die an der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 704 vorgesehen ist, die durch eine poröse Schutzschicht 705 abgedeckt ist. Die Elektrode 742 liegt der getrennten Heizung 75 gegenüber.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, wie es in Fig. 14 gezeigt ist, das mehrschichtige Gaserfassungselement 70 an den Isolator 710 an dem unteren Abschnitt (d. h. der distalen Endseite) des breiten Abschnitts 71 befestigt. Der obere Teil (d. h. die proximale Endseite) des mehrschichtigen Gaserfassungselements 70 wird in einem schwebenden Zustand (d. h. in einer Hebeart) gestützt.
Wie es aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, funktioniert der Gassensor 7 mit dem mehrschichtigen Gaserfassungselement 70 in der selben Weise und bringt die selben Wirkungen wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hervor. Der Rest gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 8 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Element der Zweizellenbauart mit eingebauter Heizung.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 8 weist eine Schutzschicht 801, Festelektrolytsubstrate 802 und 803 sowie zusätzliche Substrate 804 und 805 auf, die in dieser Reihenfolge wie in Fig. 16 gezeigt gestapelt oder geschichtet sind. Eine Messgaskammer 808, die mit einer porösen Schicht 807 ausgerüstet ist, ist zwischen den Festelektrolytsubstraten 802 und 808 abgegrenzt. Ein Gaseinlassdurchlass 806 erstreckt sich durch die Schutzschicht 801 und das Festelektrolytsubstrat 803 zum Einlass der zu messenden Gases von außerhalb. Das zu messende Gas gelangt in die Messgaskammer 808 über die poröse Schicht 807.
Eine Heizung 85 mit einem Wärmeerzeugungselement 850, das durch eine Isolierschicht 851 umgeben ist, ist zwischen zwei Substraten 804 und 805 eingebettet.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 8 weist eine Pumpzelle 86 und eine Sensorzelle 84 auf. Die Pumpzelle 83 weist eine Elektrode 831, die auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 802 vorgesehen ist und durch die Schutzschicht 801 abgedeckt ist, und eine Elektrode 832 auf, die an der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 802 derart vorgesehen ist, dass sie zu der Messgaskammer 808 freiliegt. Die Sensorzelle 84 weist eine Elektrode 841, die auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 808 derart vorgesehen ist, dass sie zu der Messgaskammer 808 freiliegt, und eine Elektrode 842 auf, die auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 808 derart vorgesehen ist, dass sie zu einer Referenzgaskammer 810 freiliegt. Die Referenzgaskammer 810 ist zwischen dem Festelektrolytsubstrat 803 und 804 gebildet.
Das mehrschichtige Gaserfassungselement 8 weist einen breiten Abschnitt und einen schmalen Abschnitt auf. Das mehrschichtige Gaserfassungselement 8 ist an dem Isolator des Gassensor an dem breiten Abschnitt befestigt. Sowohl die Pumpzelle 83 als auch die Sensorzelle 84 sind innerhalb des Bereichs des schmalen Abschnitts vorgesehen, um als Gaserfassungsabschnitt zu dienen. Somit funktioniert das mehrschichtige Gaserfassungselement 8 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der selben Weise und bringt die selben Wirkungen wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Rest dieses Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen identisch zu demjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Zur Untersuchung der Elektrodenoberflächentemperatur und der Aktivierungszeit des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß der Erfindung wurde ein mehrschichtigen Vergleichs-Gaserfassungselement vorbereitet.
Fig. 17 und 18 zeigen das vorbereitete mehrschichtige Vergleichs-Gaserfassungselement 2a, das eine gasundurchlässige Schutzschicht 282, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 281, eine Festelektrolytsubstrat 26, einen Abstandshalter 25 und ein Beizungssubstrat 29 aufweist. Eine Durchgangsöffnung erstreckt sich kontinuierlich zu durch die Schutzschicht 282 und die poröse Diffusionswiderstandsschicht 281, um eine Elektrode 261 zu erreichen. Ein Widerstandsthermometer 209, das mit einer Thermokopplung ausgerüstet ist, ist in die Durchgangsöffnung eingeführt, um die Elektrodenoberflächentemperatur zu messen.
Das mehrschichtige Vergleichs-Gaserfassungselement 2a hat keinen breiten Abschnitt und keinen schmalen Abschnitt und unterscheidet sich in diesem Punkt von den vorstehend beschriebenen mehrschichtigen Gaserfassungselementen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das mehrschichtige Vergleichs- Gaserfassungselement 2a weist eine gleichförmige Breite von 4,5 mm auf, wie es in Fig. 17 gezeigt ist.
In dem Untersuchungstest wurde elektrische Leistung der Heizung des mehrschichtigen Gaserfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung und dem mehrschichtigen Vergleichs-Gaserfassungselement 2a zugeführt. Die Elektrodenoberflächentemperatur wurde durch das Widerstandsthermometer 209 gemessen. Fig. 20 zeigt das Testergebnis.
Dabei wurde die der Aktivierungszeit in der nachstehend beschriebenen Weise durchgeführt.
Zunächst wurde bei Raumtemperatur von 20°C die Spannung von 0,4 Volt zwischen der Elektrode 514 (positive Elektrode), die zu der Referenzgaskammer 532 der Sensorzelle 53 freiliegt, und der Elektrode 507 (negative Elektrode) angelegt, die zu der Messgaskammer 531 in der atmosphärischen Umgebung freiliegt. Danach wurde dem Wärmeerzeugungselement 517 und dem Leitungsabschnitt 716 elektrische Leistung zugeführt. In diesem Fall steigt der zwischen den Elekaroden der Sensorzelle 53 fließende Strom mit Anstieg der Temperatur an. Es sei nun angenommen, dass IL₈₀₀ den Stromwert bei der Elementtemperatur von 800°C darstellt. Der Sensor kann als aktiviert angesehen werden, wenn der zwischen den Elektrode der Sensorzelle 53 fließende Strom den Pegel IL₈₀₀ × 0,8 erreicht hat. Damit wurde die für den vorstehend beschriebenen Sensorzellenstrom zum Erreichend des Pegels von IL₈₀₀ × 0,8 erforderliche Zeit nach einschalten der Energieversorgung für die Heizung gemessen.
Das Verhältnis zwischen der Elementtemperatur und dem vorstehend beschriebenen Sensorzellenstrom wurde in der folgenden Weise erhalten.
Vor Messung der Aktivierungszeit wurde die Heizungsleistung in Bezug auf die gemessenen Daten eines Strahlungsthermometers zur Stabilisierung der Elementtemperatur auf einen gewünschten Pegel justiert. Dann wurde, bei Beibehaltung der Sensortemperatur auf diesen Pegel, die Spannung von 0,4 Volt zwischen der Elektrode 514 (positive Elektrode), die zu der Referenzgaskammer 532 der Sensorzelle 53 freiliegt, und der Elektrode 507 (negative Elektrode), die zu der Messgaskammer 531 freiliegt, in der atmosphärischen Umgebung angelegt. Unter dieser Bedingung wurde der Sensorzellenstrom gemessen.
Wie es in Fig. 19 und 20 gezeigt ist, steigt, wenn die Breite des schmalen Abschnitts 3,2 mm beträgt, die Elektrodenoberflächentemperatur prompt an, weshalb die erforderliche Aktivierungszeit kurz ist. Es wird angenommen, dass die in Fig. 19 gezeigte Differenz von der Tatsache herrührt, dass die Wärmekapazität des Erfassungselements mit der Breite von 3,2 mm im Vergleich zu dem Vergleichserfassungselement mit der Breite von 4,5 mm klein ist. Wie aus diesen Testdaten hervorgeht, weist das mehrschichtige Gaserfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung mit sowohl dem breiten Abschnitt als auch dem schmalen Abschnitt die Fähigkeit auf, die Aktivierungszeit zu verkürzen.
Nachstehend wurde das Verhältnis zwischen der Breite des schmalen Abschnitts des mehrschichtigen Gaserfassungselements und die Ausfallstärke untersucht.
Für den Untersuchungstest wurden verschiedene Arten der mehrschichtigen Gaserfassungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitet, die identisch indem breiten Abschnitt. (4,5 mm) sind, jedoch sich in dem schmalen Abschnitt unterscheiden.
Genauer wurde unter Annahme der Situation, dass das mehrschichtige Gaserfassungselement einer starken Last ausgesetzt wird, der Gassensor 1 in einer horizontalen Position derart gehalten, dass die Längsrichtung des Gassensors 1 parallel zu der Oberfläche eines Bodens 109 gemäß Fig. 21 wird. Danach wurde der Gassensor 1 auf den Boden 109 aus der Höhe h von 1 m fallen gelassen. Fig. 22 zeigt die Testdaten, die das Verhältnis zwischen der Bruchwahrscheinlichkeit des mehrschichtigen Gaserfassungselements und der Breite des schmalen Abschnitts zeigen.
Entsprechend den Testdaten gemäß Fig. 22 kann die Fallwiderstandsfähigkeit des Gassensors verbessert werden und treten keine Risse in dem Erfassungselement auf, wenn die Breite des schmalen Abschnitts nicht kürzer als 4 mm ist.
Danach wurde das Verhältnis zwischen der Länge des schmalen Abschnitts des mehrschichtigen Gaserfassungselements und der Fallwiderstandsfähigkeit untersucht.
Für diesen Untersuchungstest unterschieden sich vorbereitete Gaserfassungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung in der Länge in Längsrichtung, wohingegen die Breite des breiten Abschnitts und die des schmalen Abschnitts jeweils auf 4,5 mm und 3,2 mm festgesetzt waren.
Wie in dem vorstehenden Fall wurde unter Annahme der Situation, dass das mehrschichtige Gaserfassungselement einer schweren Last unterzogen wird, der Gassensor 1 in einer horizontalen Position derart gehalten, dass die Längsrichtung des Gassensor 1 parallel zu der Oberfläche des Bodens 109 wird, wie es in Fig. 21 gezeigt ist. Dann wurde der Gassensor 1 auf den Boden 109 aus der Höhe h von 1 m fallen gelassen.
Fig. 23 zeigt die Testdaten, die das Verhältnis zwischen der Bruchwahrscheinlichkeit des mehrschichtigen Gaserfassungselements und der Länge des schmalen Abschnitts zeigen. In diesem Fall ist die Länge des schmalen Abschnitts die Länge eines Abschnitts, der von dem Isolator 3 vorspringt.
Entsprechend den transparenten Substraten gemäß Fig. 23 kann die Fallwiderstandsfähigkeit des Gassensors verbessert werden und treten keine Risse im Erfassungselement auf, wenn die Länge des schmalen Abschnitts nicht kürzer als 20 mm ist.
Obwohl die Erfindung ausführlich gezeigt und beschrieben worden ist, ist die vorstehende Beschreibung wesentlich veranschaulicht und nicht als beschränkend gedacht. Es ist daher klar, dass verschiedene andere Modifikationen und Variationen ohne Verlassen des Umfangs der Erfindung durchgeführt werden können.
Ein mehrschichtiges Gaserfassungselement 2 ist in einem zylindrischen Gehäuse 10 über einen zylindrischen Isolator 3 positioniert. Das mehrschichtige Gaserfassungselement 2 weist einen schmalen Abschnitt 21 und einen breiten Abschnitt 22 auf. Der breite Abschnitt 22 befindet sich in einem festen Verhältnis zu dem Isolator 3. Der schmale Abschnitt 21 befindet sich in einem schwebenden Verhältnis zu dem Isolator 3. Der schmale Abschnitt 21 weist einen Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines in einem zu messenden Gas enthaltenen spezifischen Gases auf.

Claims

1. Gassensor mit
einem zylindrischen Gehäuse (10) und einem mehrschichtigen Gaserfassungselement (2), das an einer vorbestimmten Position in dem Gehäuse über einen zylindrischen Isolator (3) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das mehrschichtige Gaserfassungselement (2) einen schmalen Abschnitt (21) und einen breiten Abschnitt (22) aufweist, wobei die Breite (vi) des schmalen Abschnitts (21) kürzer als die Breite (w2) des breiten Abschnitts (22) ist,
der breite Abschnitt (22) in Bezug auf den Isolator (3) sich in einem festen Verhältnis befindet, und
der schmale Abschnitt (21) sich in Bezug auf den Isolator (3) in einem schwebenden Verhältnis befindet sowie einen Gaserfassungsabschnitt zur Erfassung der Konzentration eines in einem zu messenden Gas enthaltenen spezifischen Gases aufweist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Dicke (d1) des schmalen Abschnitt (21) größer als die Dicke (d2) des breiten Abschnitt (22) ist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mehrschichtige Gaserfassungselement (6) einen Eckabschnitt (620) aufweist, der in eine kegelförmige oder gekrümmte Oberfläche konfiguriert ist.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
der breite Abschnitt (22) eine Dicke im Bereich von 0,7 mm bis 2,0 mm aufweist und eine Breite in dem Bereich von 4,0 mm bis 6,0 mm aufweist,
der schmale Abschnitt (21) eine Dicke in einem Bereich von 1,3 mm bis 2,4 mm und eine Breite in einem Bereich von 2, 5 nun bis 4, 0 mm aufweist, und der schmale Abschnitt (21) eine Länge von größer oder gleich 8, 0 mm aufweist.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
das mehrschichtige Gaserfassungselement eine Sensorzelle (63) und eine Heizung aufweist,
die Sensorzelle ein Festelektrolytsubstrat (604), eine erste Elektrode (631) die auf dem Festelektrolytsubstrat derart vorgesehen ist, dass sie zu dem zu messendem Gas freiliegt, und eine zweite Elektrode (632) aufweist, die auf dem Festelektrolytsubstrat derart vorgesehen ist, dass sie zu einem Referenzgas freiliegt,
die Heizung ein Wärmeerzeugungselement (647) zur Erzeugung von Wärme im Ansprechen auf eine elektrische Energieversorgung zur Erhöhung einer Temperatur der Sensorzelle bis zu einem Aktivierungspegel aufweist, und
ein minimaler Abstand zwischen dem Wärmeerzeugungselement (647) der Heizung und einer nächsten der ersten und zweiten Elektroden (631, 632) der Sensorzelle sich in einem Bereich von 0,4 mm bis 1,8 mm befindet.