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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement zum Erfassen einer spezifischen Gaskonzentration in einem gemessenen Gas (Ziel- bzw. Sollgas) und einen Gassensor, der selbiges nutzt.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine und dergleichen für ein Fahrzeug ist ein Gassensor angeordnet, um eine spezifische Gaskonzentration (beispielsweise die Sauerstoffkonzentration) in einem Zielgas, beispielsweise Abgas, zu erfassen (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung
JP 08-240559 A ). Ein derartiger Gassensor haust ein Gassensorelement, das beispielsweise einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper hat, sowie eine Messelektrode und eine Referenz- bzw. Bezugselektrode, die jeweils an der einen und der anderen Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet sind, und eine Diffusionsschicht, die die Messelektrode abdeckt und zulässt, dass das Zielgas selbige durchdringt.
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Bei herkömmlichen Gassensorelementen ist das Element derart ausgestaltet, dass eine Außenfläche desselben mit dem Abgas in Kontakt gelangt. Jedoch kondensiert im Abgas enthaltener Wasserdampf und bildet Wassertropfen, wenn die Verbrennungskraftmaschine gestartet wird, so dass es vorkommt, dass die Wassertropfen zusammen mit dem Abgas auf das Element „spritzen”. Das Gassensorelement wird dabei in einem aufgeheizten Zustand bei hoher Temperatur verwendet, so dass der Festelektrolytkörper aktiviert ist. Dementsprechend wirkt, aufgrund anhaftender Wassertropfen, ein spürbarer Wärmeschock auf das Element, was zu einem durch das Wasser verursachten Bruch führen kann. Zudem kann eine vergiftende bzw. giftige Substanz, die die Messleistung negativ beeinflusst, in dem Abgas enthalten sein. Daher schlagen die
JP 08-24559 A und die japanische Patentanmeldung
JP 2012-93330 A einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor vor, in welchem eine Oberflächenschutzschicht mit wasserabweisender Eigenschaft an einer Außenseite des Elements ausgebildet ist, und poröse Schichten laminiert sind, um einen Wärmetransfer zu vermeiden und die vergiftende Substanz „einzufangen”.
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Obgleich die Technologien der vorstehend genannten Dokumente die Verwendung der Schutzschicht mit wasserabweisender Eigenschaft vorschlagen, besteht die Möglichkeit, dass die wasserabweisende Eigenschaft nicht in ausreichendem Maße über die Zeit beibehalten werden kann. Anders ausgedrückt wird, wenn die die Oberflächenschutzschicht bildenden Partikel mit der vergiftenden Substanz (beispielsweise einem bestimmten Oxid), die im Abgas enthalten ist, überzogen werden, deren wasserabweisende Eigenschaft möglicherweise verschlechtert. Zudem wird die Funktion der porösen Schichten, die vergiftende Substanz einzufangen, nutzlos hinsichtlich der vergiftenden Substanz, die in einem Liquid bzw. einer Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) gelöst ist.
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Kraftstoff besteht üblicherweise aus Kohlenwasserstoffen, enthält jedoch auch verschiedene Verunreinigungen wie Nitride, Wasser, mineralische Elemente und metallische Elemente, die von einem Additiv stammen. Diese Verunreinigungen verwandeln sich in einen zusammengesetzten/vermischten Stoff (die vergiftende bzw. giftige Substanz), welche die Erfassungsleistung des Gassensors nachteilig beeinflusst, und die grundsätzlich im Abgas vorliegt. Die vorstehende genannte vergiftende Substanz und Wasser bilden aufgrund von Faktoren, wie beispielsweise dem Aufbau, der Verbrennungssteuerung und der Eigenschaft des Kraftstoffs, ein komplexes System in einem Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine. Um dies zu lösen vermelden viele Erfindungen eine Verbesserung der Schutzschicht, indem die Feuchtigkeit und Vergiftung berücksichtigt wird. Gleichwohl wurde noch kein zufriedenstellender Effekt erzielt.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Gassensorelement, das einen überlegenen Giftwiderstand gegen eine vergiftende Substanz hat, die in einer Flüssigkeit gelöst wird und dann in das Gassensorelement gelangt, und das eine anfängliche Sensorleistung beibehält, sowie einen Gassensor, der selbiges nutzt.
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Das Gassensorelement gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Gassensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines Zielgases. Das Gassensorelement weist auf: einen Festelektrolytkörper; eine Zielgaskammer, in die das Zielgas eingebracht wird; eine Referenzgaskammer, in die ein Referenzgas, das als Basis für die Konzentration des Zielgases dient, eingebracht wird; eine erste Elektrode, die derart in der Zielgaskammer angeordnet ist, dass sie mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt gelangt; eine zweite Elektrode, die derart in der Referenzgaskammer angeordnet ist, dass sie mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt gelangt, wobei die zweite Elektrode derart ausgestaltet ist, dass sie den Festelektrolytkörper zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hält; eine Diffusionsschicht, die derart angeordnet ist, dass sie mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt gelangt und das Zielgas in die Zielgaskammer liefert; und eine Abschirmschicht, die derart angeordnet ist, dass sie derart mit der Diffusionsschicht in Kontakt gelangt, dass die Diffusionsschicht zwischen dem Festelektrolytkörper und der Abschirmschicht angeordnet ist. Zumindest der Festelektrolytkörper und/oder die Abschirmschicht ist mit einem konkaven Abschnitt ausgestaltet, der ausgehend von einer Fläche, die mit der Diffusionsschicht in Kontakt steht, vertieft ist.
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Gemäß dem ersten Aspekt ist es möglich, da die lösliche vergiftende Substanz, die im Abgas enthalten ist, im konkaven Abschnitt gefangen werden kann, der in einer Schicht, die mit der Diffusionsschicht an einer oberen Schicht oder einer unteren Schicht derselben in Kontakt steht, ausgebildet ist, den Einfluss des Zielgases, das auf die Elektrode an der Atmosphäre der Elektrode einwirkt, zu entfernen. Dementsprechend kommt es kaum zu einer Verschlechterung über die Zeit bzw. alterungsbedingten Verschlechterung.
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Bei dem ersten Aspekt kann, wenn eine Zielgaseinlassseite, die das Zielgas aufnimmt, von der Zielgaskammer her in Draufsicht betrachtet wird, und eine Länge einer Wandfläche der Zielgaskammer, die der Zielgaseinlassseite zugewandt ist, als Kammerbreite eingestellt ist bzw. genommen wird, ein Bereich des konkaven Abschnitts in eine Richtung der Kammerbreite einen Bereich in Kammerbreite enthalten.
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Gemäß dem vorstehenden Aspekt gelangt die vergiftende Substanz durch einen Diffusionsbereich mit dem konkaven Abschnitt, bevor sie die Zielgaskammer erreicht. Daher kann die Wahrscheinlichkeit, dass die vergiftende Substanz, die durch die Diffusionsschicht gelangt, im konkaven Abschnitt gefangen wird, bevor sie die Zielgaskammer erreicht, erhöht werden.
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Bei dem vorstehenden Aspekt kann eine Wandfläche des konkaven Abschnitts senkrecht zu einer Berührungsfläche bzw. Schnittstelle desselben mit der Diffusionsschicht sein.
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Da bei dem vorstehenden Aspekt eine Dreiphasen-Berührungsfläche bzw. Schnittstelle ausgebildet ist, kann die Wahrscheinlichkeit, die vergiftende Substanz zu fangen, weiter erhöht werden.
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Der Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält das Gassensorelement nach dem ersten Aspekt.
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Gemäß dem zweiten Aspekt ist es möglich, den durch das Gassensorelement gemäß dem ersten Aspekt erzielten Effekt zu erzielen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt/zeigen:
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1A und 1B eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Gassensorelements zeigt und 1B eine Schnittansicht entlang der Linie IB-IB aus 1A zeigt;
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2 die Ausführungsform der Erfindung, die das Ergebnis einer Simulation des Eindring- bzw. Einfließverhaltens von Wasser von einer Diffusionsschicht zu einer Kammer zeigt;
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3A und 3B die Ausführungsform der Erfindung, wobei 3A eine Draufsicht zur Veranschaulichung eines Aufbaus eines Teststückes zeigt und 3B eine Schnittansicht entlang der Linie IIIB-IIIB aus 3A zeigt;
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4A das Ergebnis einer Oberflächenanalyse des Teststücks aus des 3A und 3B durch EPMA und 4B einen Zustand der Ablagerung der vergiftenden Substanz im Teststück der 3A und 3B;
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5A und 5B die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 5A eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des Gassensorelements gemäß einer ersten Abwandlung zeigt und 5B eine Schnittansicht entlang der Linie VB-VB aus 5A zeigt;
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6A einen Graph, der eine Änderung des Gasansprechverhaltens in einem Zyklustest des Gassensorelements aus den 5A und 5B zusammen mit einem Vergleich mit einem herkömmlichen Gassensorelement zeigt und 6B das EPMA-Ergebnis nach dem Zyklustest zeigt;
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7A und 7B die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 7A eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des Gassensorelements gemäß einer zweiten Abwandlung zeigt und 7B eine Schnittansicht entlang der Linie VIIB-VIIB aus 7A zeigt; und
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8A und 8B die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 8A eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des Gassensorelements gemäß einer dritten Abwandlung zeigt und 8B eine Schnittansicht entlang der Linie VIIIB-VIIIB aus 8A zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Bezug nehmen auf die Zeichnung beschrieben.
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Die 1A und 1B zeigen den Aufbau eines Gassensorelements 1, das in einem Gassensor gemäß dieser Ausführungsform enthalten ist. Der Gassensor ist derart ausgestaltet, dass er das Gassensorelement 1 beispielsweise in einem Gehäuse aufnimmt. Das Gas, dessen Konzentration durch den Gassensor gemessen wird, ist beispielsweise Sauerstoff. Jedoch kann das Zielgas, das das zu messende Gas darstellt, auch ein anderes Gas als Sauerstoff sein.
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Das Gassensorelement 1 umfasst eine Schutzschicht 11, einen Festelektrolytkörper 12, eine Zielgaskammer 13, eine Referenz- bzw. Bezugsgaskammer 14, eine Zielgasseitenelektrode (erste Elektrode) 15, eine Referenzgasseitenelektrode (zweite Elektrode) 16, eine Diffusionsschicht 17, ein Heizsubstrat 18, ein Heizgerät 19 sowie eine Abschirmschicht 20.
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Das plattenförmige Heizsubstrat 18, der Festelektrolytkörper 12, die Diffusionsschicht 17 und die Abschirmschicht 20 sind von unten nach oben in dieser Reihenfolge geschichtet bzw. laminiert. Die Zielgaskammer 13 ist ein rechteckiger Raum, der eine Hauptmittelachse an einem Mittelteil einer Berührungsflächenseite der Diffusionsschicht 17 mit dem Festelektrolytkörper 12 in Draufsicht hat, und ist als konkaver Raum ausgestaltet, der von der Berührungsseite mit dem Festelektrolytkörper 12 in Richtung zur Innenseite der Diffusionsschicht 17 hin vertieft ist. Die Referenzgaskammer 14 ist ein rechteckiger Raum, der eine Hauptmittelachse an der gleichen Stelle oder der im wesentlichen gleichen Stelle wie die vorstehend beschriebene Hauptmittelachse in einem Mittelteil einer Berührungsfläche des Heizsubstrats 18 mit dem Festelektrolytkörper 12 in Draufsicht hat, und ist als konkaver Raum ausgestaltet, der von der Berührungsseite mit dem Festelektrolytkörper 12 in Richtung zur Innenseite des Heizsubstrats 18 hin vertieft ist. Die Zielgasseitenelektrode 15 ist derart ausgebildet, dass sie mit einer Fläche des Festelektrolytkörpers 12 in der Zielgaskammer 13 in Kontakt kommt. Die Referenzgasseitenelektrode 16 ist derart ausgebildet, dass sie mit einer Fläche des Festelektrolytkörpers 12 in der Referenzgaskammer 14 in Kontakt kommt. Der Festelektrolytkörper 12 ist zwischen der Zielgasseitenelektrode 15 und der Referenzgasseitenelektrode 16 gehalten. Wie in 1A gezeigt ist, wird die Zielgasseitenelektrode 15 derart aus dem Gassensorelement 1 geführt, dass sie sich linear in Längsrichtung erstreckt, und die Referenzgasseitenelektrode 16 wird ebenfalls derart aus dem Gassensorelement 1 geführt, dass sie sich in Draufsicht in die gleiche Richtung erstreckt.
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Das Heizgerät 19 ist in einen unteren Teil des Heizsubstrats 18 eingebettet. Die Schutzschicht 11 ist derart angeordnet, dass sie einen Umfang des gesamten vorstehend beschriebenen Laminats abdeckt. Obgleich nicht gezeigt sind Fenster zu zwei Seiten der Schutzschicht 11 ausgebildet, die sich nicht mit der Zielgasseitenelektrode 15 und der Refernezgasseitenelektrode 16 schneiden. Diese Fenster sind so angeordnet, um das Gas, welches das Zielgas umfasst, in die Diffusionsschicht 17 einzubringen, wie durch die Pfeile u und v angedeutet. Die Seiten der Schutzschicht 11, die mit den Fenstern und der Diffusionsschicht 17 ausgebildet sind, sind kegelstumpfartig bzw. kegelförmig ausgestaltet, so dass sie einer stromaufwärtigen Seite, von welcher aus das Gas mit dem Zielgas zugeführt wird, zugewandt sind.
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Der Festelektrolytkörper 12 besteht beispielsweise aus dotierter Zirkonerde bzw. dotiertem Zirkonoxid (YSZ), in dem Yttrium (Y2O3) und dergleichen mit Zirkonoxid (ZrO2) vermischt ist. Die Schutzschicht 11, die Diffusionsschicht 17, das Heizsubstrat 18 und die Abschirmschicht 20 bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3). Die Zielgasseitenelektrode 15 und due Referenzgasseitenelektrode 16 bestehen beispielsweise aus Platin (Pt). Die Diffusionsschicht 17 ist als poröser Körper ausgebildet.
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Ein oder mehrere konkave Abschnitt(e) 12a, die von einer Berührungsflächenseite mit der Diffusionsschicht 17 hin zu einer Innenseite des Festelektrolytkörpers 12 vertieft ist/sind, ist/sind im Festelektrolytkörper 12 ausgebildet. Ein oder mehrere konkave Abschnitt(e) 20a, die von einer Berührungsflächenseite mit der Diffusionsschicht 17 hin zu einer Innenseite der Abschirmschicht 20 vertieft ist/sind, ist/sind im Festelektrolytkörper 12 ausgebildet. Beispielsweise ist der konkave Abschnitt 12a derart ausgebildet, dass eine Verbindungsfläche des Festelektrolytkörpers 12 bezüglich der Berührungsfläche mit der Diffusionsschicht 17 orthogonal zur Berührungsfläche ist, während der konkave Abschnitt 20a derart ausgebildet ist, dass eine Verbindungsfläche der Abschirmschicht 20 bezüglich der Berührungsfläche mit der Diffusionsschicht 17 orthogonal zur Berührungsfläche ist. Beispielsweise sind, wie in 1A gezeigt ist, der konkave Abschnitt 12a und der konkave Abschnitt 20a derart ausgebildet, dass sie einander beispielsweise in Draufsicht nicht überlappen.
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Beim Herstellen des wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Gassensorelements 1 werden die konkaven Abschnitte 12a und 20a durch Schneiden von Bahnen für den Festelektrolytkörper 12 und die Abschirmschicht 20 ausgebildet, wenn die Bahnen vor dem Brennen ausgebildet werden. Dann werden die konkaven Abschnitte 12a und 20a durch ein Brennen nach dem normalen Laminierprozess vervollständigt. Beim normalen Laminierprozess wird der Aufbau des gesamten Laminat- bzw. Schichtaufbaus bis auf die Schutzschicht 11 gebrannt und die Schutzschicht 11 wird dann durch Eintauchen auf die Außenseite des gebrannten Schichtaufbaus aufgebracht und bei einer niedrigeren Temperatur als der Brenntemperatur des gesamten Schichtaufbaus gebrannt.
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Nachstehend wird die Funktion des wie vorstehend ausgebildeten Gassensorelements 1 beschrieben.
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Das Gassensorelement 1 ist derart angeordnet, dass es einem Abgas ausgesetzt ist, das beispielsweise durch eine Abgasleitung eines Fahrzeugs strömt. Die Schutzschicht 11 schützt das Innere des Gassensorelements 1 vor dem umgebenden Abgas durch Schutz vor einem Wärmeschock und dem Einfangen unnötiger Partikel in einer Atmosphäre. Das Abgas als ein Gas, welches das Zielgas enthält, wird von den Fenstern der Schutzschicht 11 in die Diffusionsschicht 17 eingebracht. Da die Diffusionsschicht 17 ein poröser Körper ist, fungiert selbige als Widerstandsschicht. Eine Lösung, die eine lösliche vergiftende Komponente enthält, kann im Abgas enthalten sein. Während das Zielgas durch den porösen Körper in Richtung zur Zielgaskammer strömt, wird die Lösung, welche die vergiftende Komponente enthält, durch ein Kapillarphänomen bzw. eine Kapillarwirkung zum konkaven Abschnitt 12a und zum konkaven Anschnitt 20a geleitet, während es die Diffusionsschicht 17 durchströmt.
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Das Heizsubstrat 18 erhöht die Temperatur um die Zielgasseitenelektrode 15 und die Referenzgasseitenelektrode 16 durch ein Aufheizen vermittels des Heizgeräts 19. Wenn das Zielgas mit der Zielgasseitenelektrode 15 in Kontakt gelangt und ein Referenzgas, beispielsweise Umgebungsluft, mit der die Referenzgasseitenelektrode 16 in Kontakt gelangt, fließt ein elektrischer Strom, der einer Differenz hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Zielgas und dem Referenzgas entspricht, zwischen der Zielgasseitenelektrode 15 und der Referenzgasseitenelektrode 16 durch den Festelektrolytkörper 12. Dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentration des Zielgases erfasst.
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Nachfolgend wird ein Zustand beschrieben, bei dem die Lösung mit der vergiftenden Komponente durch die Diffusionsschicht zu einem konkaven Abschnitt geleitet wird. 2 zeigt das Ergebnis einer Simulation des Verhaltens von Wasser, das in die Diffusionsschicht eingespritzt bzw. injiziert wurde, bezüglich einem Kammerraum. Die Simulation wurde durch das Modellieren des Aufbaus, bei dem die Diffusionsschicht an der Spitze eines Aluminiumoxidmassekörpers ausgebildet ist, und die Kammer (ein äußerer horizontaler Raum des Massekörpers in 2 wird als die Kammer bezeichnet) als konkaver Abschnitt im Massekörper ausgebildet ist, durchgeführt. Eine Wandfläche der Kammer ist orthogonal zu einer oberen Fläche des Massekörpers. Dies entspricht einer Tatsache, dass eine Verbindungsfläche des konkaven Abschnitts bezüglich einer Berührungsfläche bzw. Schnittstelle zwischen einer Schicht, die den konkaven Abschnitt hat, und der Diffusionsschicht orthogonal zur Berührungsfläche ist.
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Gepunktete Teile in 2 enthalten eine erhebliche Menge an Wasser und es ist verständlich, dass Wasser den porösen Körper der Diffusionsschicht durchdringt und in ausreichendem Maße die Wandfläche der Kammer erreicht. Eingespritztes Wasser wird durch einen porösen Raum der Diffusionsschicht durch die Kapillarwirkung absorbiert. Da die Wandfläche der Kammer ferner orthogonal zur oberen Fläche des Massekörpers ist, wird eine Vektorkomponente zum Ausgeben von Wasser aus dem porösen Raum zur Kammer als geöffneter Raum extrem groß. Dementsprechend sickert Wasser die Wandfläche hinab und wird von der Diffusionsschicht zur Kammer ausgegeben. Dieser Sickereffekt des Wassers in die Kammer nimmt zu, wenn ein Winkel, der durch die Wandfläche der Kammer (also der Verbindungsfläche des konkaven Abschnitts) zur oberen Fläche (der Berührungsfläche) des Massekörpers gebildet wird, sich 90° nähert. Das Wasser erreicht die Wandfläche der Kammer ohne Einwirkung seiner Schwerkraft. Daher kann das gleiche Simulationsergebnis erreicht werden, selbst wenn die Kammer an einer anderen Stelle als der unter der Diffusionsschicht liegt, beispielsweise über der Diffusionsschicht. Die Wassermenge in der Wandfläche der Kammer nimmt allmählich in Richtung eines Pfeiles ab. Folglich wurde bestätigt, dass das Wasser aus der Diffusionsschicht in den Kammerraum gesickert ist und durch die Wandfläche der Kammer ausgedehnt wurde.
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Nachfolgend wird die Bestätigung eines Effektes bezüglich der Ausbildung des konkaven Abschnitts beschrieben.
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Die 3A und 3B zeigen den Aufbau eines Teststücks 21, das zum Verifizieren des Effekts des konkaven Abschnitts verwendet wurde.
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Das Teststück 21 ist derart ausgebildet, dass eine Aluminiumoxidschicht 22, eine Aluminiumoxidschicht 23, eine Diffusionsschicht 24 und eine Aluminiumoxidschicht 25 von unten nach oben in dieser Reihenfolge aneinandergereiht sind. Eine Kammer 26, die aus einem konkaven Abschnitt gebildet ist, ist in der Aluminiumoxidschicht 23 vorgesehen. Die Kammer 26 steht mit der Aluminiumoxidschicht 22 an einer unteren Schichtseite und der Diffusionsschicht 24 an einer oberen Schichtseite in Kontakt. Dementsprechend wird eine Wandfläche der Kammer 26 durch eine Seitenwand der Aluminiumoxidschicht 23 gebildet, und eine Bodenfläche der Kammer 26 wir durch eine obere Fläche der Aluminiumoxidschicht 22 gebildet.
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Ein Zyklustest (Beschleunigungstest) zum mehrmaligen Wiederholen eines Zyklus, in welchem Wasser mit Ionen des vergiftenden Elements von einer Seitenfläche der Diffusionsschicht 17 auf das Teststück 21 tropft, wie durch einen Pfeil in 3B angedeutet, und dann an der Umgebung trocknet, wurde durchgeführt. 4A zeigt ein Oberflächenanalyseergebnis, das durch ein Elektronenstrahlmikroanalysegerät (EPMA bzw. auch ESMA) erhalten wird, bei dem ein vergiftendes Element 30 mit einer zunehmenden Zahl an Zyklen in der Kammer 26 abgeschieden wurde. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass das vergiftende Element 30 zuerst kaum in einem Bereich am Boden der Kammer 26 abgeschieden wurde, der durch eine strichpunktierte Linie umgeben war; jedoch nahm die Ablagerung des vergiftenden Elements 30 mit einem Anstieg der Zahl der Zyklen zu.
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4B zeigt eine Aufnahme von einem Rasterelektronenmikroskop (SEM bzw. auch REM), die einen Ablagerungszustand des vergiftenden Elements 30 zeigt. Das vergiftende Element 30 wurde erheblich am Ende der Kammer abgeschieden. Zudem wurden die in den 4A und 4B erhaltenen Ergebnisse in einem Fall erhalten, bei dem das Teststück 21 entweder nach oben oder unten gerichtet war, und in einem Fall, bei dem das Teststück 21 in eine vertikale Richtung geneigt war, das bedeutet, unabhängig von der Ausrichtung des Teststücks 21.
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Wie vorstehend beschrieben ist, fängt das Gassensorelement 1 gemäß dieser Ausführungsform eine lösliche vergiftende Substanz, die im Abgas enthalten ist, mit dem konkaven Abschnitt, der in zumindest einer der Schichten ausgebildet ist, die mit der oberen Schicht und der unteren Schicht der Diffusionsschicht in Kontakt gelangen. Anders ausgedrückt, die lösliche vergiftende Substanz kann durch den konkaven Abschnitt gefangen werden, der zumindest in der Abschirmschicht 20 und/oder dem Festelektrolytkörper 12 ausgebildet ist, die mit der Diffusionsschicht 17 in Kontakt kommen und die Diffusionsschicht 17 zwischen sich halten. Dementsprechend ist es möglich, den nachteiligen Einfluss des Zielgases, das auf die Elektrode an der Atmosphäre einwirkt, zu beseitigen. Genauer gesagt löst sich die vergiftende Substanz im Abgas oder die an der Schutzschicht 11 anhaftende vergiftende Substanz in Wasser, das aus der Umgebung des Gassensorelements 1 zugeführt wurde, durchdringt bzw. durchwandert die Diffusionsschicht 17 durch die Kapillarwirkung und wird in den konkaven Abschnitten 12a und 20a als offene Räume eingefangen und gehalten. Die vergiftende Substanz wird somit nicht in einem Bereich von der Oberfläche der Schutzschicht 11 bis zur Innenseite der Diffusionsschicht 17 gehalten oder erreicht die Zielgaskammer 13 nicht, um die Zielgaselektrode zu verschmutzen, so dass die Messumgebung nicht beschädigt wird. Da es daher keine Verschlechterung über die Zeit gibt, die durch die Vergiftung verursacht werden könnte, ist es möglich, das Auftreten einer Anomalie bzw. eines Fehlers, der durch die Regelung eines Abgassystems verursacht werden könnte, zu vermeiden. Da ferner die Häufigkeit eines Teileaustauschs, der durch die verschlechterte Funktion des Gassensorelements bedingt wird, verringert wird, hat dies eine deutlich vorteilhafte Auswirkung auf die Kosten. Da zudem die Ansammlungsmenge der vergiftenden Substanz, die an der Innenfläche des konkaven Abschnitts anhaftet, deutlich geringer ist, als ein Volumen des konkaven Abschnitts, wird ein Lebenszyklus des Gassensors nicht durch die Übermäßige Ansammlung der vergiftenden Substanz verkürzt. Ferner ist es möglich, die Sorgen des Verbrauchs zu verringern und Vertrauen zu gewinnen.
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Es sei angemerkt, dass nur einer der konkaven Abschnitte 12a und 20a im Gassensorelement 1 in 1 vorgesehen sein kann. Zudem können, wie bei der Diffusionsschicht 17, die beispielsweise zwei Pfade, nämlich einen Einbringpfad auf Seiten des Pfeils u und einen Einbringpfad auf Seiten des Pfeils v in 1 hat, mehrere Gasdiffusionspfade separat ausgebildet sein. Wenn beispielsweise zumindest ein konkaver Abschnitt in jedem der Gasdiffusionspfade ausgebildet ist, kann die vergiftende bzw. giftige Substanz, welche die Diffusionsschicht 17 durchwandert, gleichmäßig gehalten werden.
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Die 5A und 5B zeigen den Aufbau eines Gassensorelements 2 gemäß einer ersten Abwandlung. Bestandteile des Gassensorelements 2, die denen des Gassensorelements 1 aus 1 entsprechen, werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht erneut beschrieben.
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Das Gassensorelement 2 ist derart ausgebildet, dass ein streifenförmiger konkaver Abschnitt 12b auf Seiten der Diffusionsschicht 17 im Festelektrolytkörper 12 ausgebildet ist. Der streifenförmige konkave Abschnitt 12b ist in beiden von zwei Abgaseinlassseiten angeordnet und ist zwischen der Zielgaskammer 13 und der Abgaseinlassseite (an Stellen in der Nähe von Abgaseinlasspunkten) angeordnet, die von der Zielgaskammer 13 entfernt bzw. beabstandet sind. Genauer gesagt sind die beiden konkaven Abschnitte 12b ausgebildet, von denen: der eine dem Gasdiffusionspfad entspricht, der von einer Kammerseitenwand 13a, die einer der Abgaseinlassseiten der Zielgaskammer 13 zugewandt ist, zur Zielgaskammer 13 ausgebildet ist (d. h. dem Einbringpfad auf der Seite des Pfeiles u); und der andere dem Gasdiffusionspfad entspricht, der von einer Kammerseitenwand 13b, die der anderen der Abgaseinlassseiten der Zielgaskammer 13 zugewandt ist, zur Zielgaskammer 13 ausgebildet ist (d. h. dem Einbringpfad auf der Seite des Pfeiles v). Das Gassensorelement 2 hat bis auf diesen Punkt den gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1.
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Wie in 5A gezeigt ist, sind die konkaven Abschnitte 12b beispielsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b ausgebildet, die den Abgaseinlassseiten der Zielgaskammer 13 zugewandt sind. Das Gassensorelement 2 hat keinen konkaven Abschnitt an der Außenseite der Seitenwand der Zielgaskammer 13, die orthogonal zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b ist. Wenn die Abgaseinlassseiten jedoch in Draufsicht auf die Zielgaskammer 13 betrachtet werden, entsprechen die Bereiche, die durch die konkaven Abschnitte 12b in parallele Richtung zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b abgedeckt sind, einem Bereich L. Ein Bereich W, der einer Breite einer jeden der Kammerseitenwände 13a und 13b der Zielgaskammer 13 entspricht, ist im Bereich L enthalten. Anders ausgedrückt: Wenn die Zielgaseinlassseite von Seiten der Zielgaskammer 13 her in Draufsicht betrachtet wird, und die Länge der Wandfläche der Zielgaskammer 13, die der Zielgaseinlassseite zugewandt ist, als Kammerbreite genommen wird, ist die Länge des konkaven Abschnitts 12b in eine Richtung der Kammerbreite länger als die Kammerbreite der Zielgaskammer 13. In diesem Fall liegt eine Abgaseinbringrichtung in der gleichen Ebene wie die Betrachtungsebene. Wenn der Bereich W im Bereich L enthalten ist, gibt es kaum eine vergiftende Substanz, die die Zielgaskammer 13 in orthogonale Richtung zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b umgeht und durch diese wandert, und es ist daher schwierig für die vergiftende Substanz, die Zielgaskammer 13 zu erreichen, ohne durch den Diffusionsbereich zu gelangen, in welchem die konkaven Abschnitte 12b angeordnet sind. Daher wird die Wahrscheinlichkeit, dass die vergiftende Substanz, die durch die Diffusionsschicht wandert, im konkaven Abschnitt gefangen wird, bevor sie die Zielgaskammer 13 erreicht, erhöht. Bei dem Gassensorelement 1 aus 1 sind die konkaven Abschnitte 12a und 20a derart angeordnet, dass der Bereich W zwangsläufig im Bereich L enthalten ist. Selbst wenn der Bereich W nicht im Bereich L enthalten ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die konkaven Abschnitte 12b die vergiftende Substanz fangen, erhöht, so lange der Bereich L im Wesentlichen gleich dem Bereich W ist.
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In 5B können zwei oder mehr konkave Abschnitte 12b für jede Einlassleitung, die durch die Pfeile u und v angedeutet sind, vorgesehen sein. In diesem Fall sind, wenn jede der Gaseinlassseiten von der Zielgaskammer 13 aus gesehen wird, die Bereiche der konkaven Abschnitte 12b für jeden der Einlasspfade parallel zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b in Draufsicht in Reihe entlang der parallelen Richtung ausgebildet, wodurch sie einen Gesamtbereich bzw. eine Gesamtlänge L bilden (das gleiche Konzept wie der Gesamtbereich L in den nachfolgend beschriebenen 7A und 8A). In diesem Fall wird, wenn der Bereich W im Bereich L enthalten ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die konkaven Abschnitte 12b die vergiftende Substanz fangen, in ähnlicher Weise erhöht.
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5B zeigt eine Form der Wandfläche des konkaven Abschnitts 12b, die senkrecht zur Berührungsfläche bzw. Schnittstelle mit der Diffusionsschicht 17 ist. Da eine Dreiphasen-Schnittstelle ausgebildet wird, ist es möglich, den Effekt zum Einfangen der vergiftenden Substanz zu verbessern.
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Ein Effekt des Giftwiderstands des Gassensorelements 2, das wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, wurde bestätigt. Ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen Teststück 21 wurde der Zyklustest (Beschleunigungstest) zum Wiederholen eines Zyklus, bei welchem mehrmals eine Lösung mit der aufgelösten vergiftenden Substanz mit einem Abschnitt der Diffusionsschicht 17, der an der Mitte in Längsrichtung der Kammer ausgebildet ist, von außerhalb des Elements durch eine Mikrospritze in Kontakt gebracht wurde (injiziert wurde) und dann getrocknet wurde, zur Bestätigung durchgeführt.
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6A zeigt eine Änderung des Gasansprechverhaltens pro Zyklus, wenn der Zyklustest für fünf Zyklen durchgeführt wurde. Ein oberer Bereich von 6A zeigt die Gasantworteigenschaft M eines herkömmlichen Gassensorelements, das keinen konkaven Abschnitt hat, und ein unterer Bereich von 6A zeigt die Gasantworteigenschaft N des Gassensorelements 2. Eine horizontale Achse stellt die Zeit dar und eine vertikale Achse stellt die erfasste Konzentration des Zielgases dar. Es wird gezeigt, dass sich die Antwortverzögerungen häufen und ein Antwortschwingungsverlauf der Gasantworteigenschaft M mit zunehmender Zahl der Zyklen kollabiert. Dagegen zeigt die Gasantworteigenschaft N unabhängig von der Zahl der Zyklen stabile und scharfe Antworten. Anhand dieses Ergebnisses wurde bestätigt, dass der Aufbau des Gassensorelements 2 ausreichend funktioniert, um die vergiftende Substanz zu fangen und die Sensoreigenschaften effektiv beizubehalten.
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6B zeigt ein Oberflächenanalyseergebnis durch EPMA nach dem Zyklustest. Mit dem Analyseergebnis wird die Ablagerung des vergiftenden Elements 30 klar bestätigt und das Ergebnis stützt daher die Tatsache, dass das Gassensorelement 2 die vergiftende Substanz in einem zufriedenstellenden Maße einfangen kann.
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Die 7A und 7B zeigen den Aufbau eines Gassensorelements 3 gemäß einer zweiten Abwandlung. Elemente des Gassensorelements 3, die denen des Gassensorelements 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen dargestellt und werden nicht erneut beschrieben.
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Das Gassensorelement 3 hat eine Mehrzahl konkaver Abschnitte 12c auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 12, der mit der Diffusionsschicht 17 in Kontakt gelangt. Die konkaven Abschnitte 12c sind, in Draufsicht, um die Zielgaskammer 13 herum angeordnet.
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Jeder der konkaven Abschnitte 12c hat einen Bereich t parallel zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b, die jeweils dem Einlasspfad entsprechen, der durch den Pfeil u veranschaulicht ist, und dem Einlasspfad, der durch den Pfeil v veranschaulicht ist. Wenn jede dieser Gaseinlassseiten aus Sicht der Zielgaskammer 13 betrachtet wird, sind die konkaven Abschnitte 12c in bestimmten Abständen in parallele Richtung angeordnet, und die Bereiche, in denen die konkaven Abschnitte 12c angeordnet sind, entsprechen dem Bereich L. Dieser Bereich L enthält den Bereich W, das bedeutet, die Breite der Kammerseitenwände 13a und 13b.
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7B zeigt ein Beispiel, bei dem ein Winkel der Wandfläche des konkaven Abschnitts 12c zur Berührungsfläche des Festelektrolytkörpers 12 mit der Diffusionsschicht 17 90° oder annähernd 90° ist.
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Die 8A und 8B zeigen den Aufbau eines Gassensorelements 4 gemäß einer dritten Abwandlung. Elemente des Gassensorelements 4, die denen des Gassensorelements 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen dargestellt und werden nicht erneut beschrieben.
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Das Gassensorelement 4 hat eine Mehrzahl konkaver Abschnitte 12d auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 12, der mit der Diffusionsschicht 17 in Kontakt gelangt. Die konkaven Abschnitte 12d sind, in Draufsicht, um die Zielgaskammer 13 herum angeordnet.
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Jeder der konkaven Abschnitte 12d hat einen Bereich t parallel zu den Kammerseitenwänden 13a und 13b, die jeweils dem Einlasspfad entsprechen, der durch den Pfeil u veranschaulicht ist, und dem Einlasspfad, der durch den Pfeil v veranschaulicht ist. Wenn jede dieser Gaseinlassseiten aus Sicht der Zielgaskammer 13 betrachtet wird, sind die konkaven Abschnitte 12d in bestimmten Abständen in parallele Richtung angeordnet, und die Bereiche, in denen die konkaven Abschnitte 12d angeordnet sind, entsprechen dem Bereich L. Dieser Bereich L enthält den Bereich W, das bedeutet, die Breite der Kammerseitenwände 13a und 13b.
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Die vorliegende Erfindung kann auf einen Gassensor oder dergleichen angewandt werden, der zur Verbrennungssteuerung bei einem Abgassystem in einem Fahrzeug verwendet wird.
