DE112021001096T5

DE112021001096T5 - Gassensorelement

Info

Publication number: DE112021001096T5
Application number: DE112021001096.4T
Authority: DE
Inventors: Tomofumi Fujii; Makoto Noguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-12-15
Also published as: JP7294178B2; WO2021166549A1; US20220390410A1; JP2021128108A; CN115087863A

Abstract

Es ist ein Begrenzungsstrom-Gassensorelement (1) offenbart, das eine Vielzahl von gestapelten Keramikschichten aufweist und dazu konfiguriert ist, einen Grenzstromwert auszugeben, der von einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem zu messenden Gas abhängt, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird. Das Gassensorelement (1) umfasst ein Festelektrolytelement (2), das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist; eine Heizvorrichtung (5), die das Festelektrolytelement (2) erwärmt; eine Messelektrode (31) und eine Referenzelektrode (32), die auf dem Festelektrolytelement (2) vorgesehen sind; eine Kammer (4), die der Messelektrode (31) zugewandt ist und in die das zu messende Gas eingeführt wird; einen Gaseinlass (150), der sich an einer Spitzenseite der Kammer (4) in einer Längsrichtung (Y) befindet; und einen Diffusionswiderstandsteil (15), der in dem Gaseinlass (150) vorgesehen ist. Ein Heizzentrum (SC) der Heizvorrichtung (5) befindet sich weiter auf der Spitzenseite als ein Elektrodenzentrum (31C) der Messelektrode (31).

Description

Querverweis auf ähnliche Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der früheren Japanischen Anmeldung mit der Nr. 2020-24017 , eingereicht am 17. Februar 2020, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein laminiertes bzw. geschichtetes Gassensorelement.
Stand der Technik
Eine Art Gassensorelement zum Erfassen der Konzentration eines bestimmten Gases in dem zu messenden Gas ist ausgebildet, um einen Grenzstromwert auszugeben, der der Wert eines Stroms ist, der erzeugt wird, wenn eine bestimmte Spannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode angelegt wird. Bei einem solchen Begrenzungsstrom-Gassensorelement wird eine relationale Kurve zwischen der angelegten Spannung und dem Ausgangsstrom (nachfolgend als VI-Kurve bezeichnet) in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifischen Gases in dem zu messenden Gas bestimmt. In einem bestimmten angelegten Spannungsbereich weist die VI-Kurve einen flachen Teil auf, bei dem sich der Ausgangsstromwert auch bei Änderung der angelegten Spannung kaum ändert. Die Konzentration des spezifischen Gases in dem zu messenden Gas kann anhand des Grenzstromwerts erfasst werden, der der Stromwert in diesem flachen Teil ist. Im Allgemeinen ist der Stromwert in dem flachen Teil vorzugsweise so konstant wie möglich, und es ist ein Zustand erwünscht, in welchem sich der Stromwert in Abhängigkeit von der angelegten Spannung so wenig wie möglich ändert. Ein Maß dafür, wie wenig sich der Ausgangsstrom im flachen Teil in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert, wird als Ebenheit bezeichnet.
Ferner wird in dem Gassensorelement der Teil des Festelektrolytelements bzw. des Festelektrolytkörpers, der eine Sensorzelle bildet, auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, um ihn zu aktivieren und eine Leitung von Sauerstoffionen zu ermöglichen, was es ermöglicht, die Konzentration des spezifischen Gases zu messen. Dazu weist das Gassensorelement eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Festelektrolytkörpers auf.
PTL 1 offenbart ein Beispiel eines laminierten Gassensorelements, das durch Stapeln einer Vielzahl von Keramikschichten gebildet wird. Das Gassensorelement ist dazu ausgebildet, das zu messende Gas von der Spitzenseite in Längsrichtung des Elements in eine Kammer einzuleiten.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
PTL 1: JP 2016-20894 A
[Kurzfassung der Erfindung]
Das Gassensorelement, das zum Einleiten des zu messenden Gases von der Spitzenseite in die Kammer ausgebildet ist, hat das folgende Problem.
Das heißt, nach dem Einleiten von der Spitzenseite her in die Kammer gelangt das zu messende Gas zunächst in die Nähe des Spitzenteils der Messelektrode. Wenn jedoch die Temperatur des Festelektrolytelements in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode nicht hoch genug ist, kann die Sauerstoffionenleitfähigkeit dieses Teils niedrig sein. In einem derartigen Fall kann die Konzentration des spezifischen Gases innerhalb der Kammer variieren, was es schwierig macht, eine gute Ebenheit sicherzustellen. Wenn die Ebenheit niedrig ist, neigt dazu, Unterschiede im Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zu geben, und daher neigt dazu, Messfehler zu geben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Gassensorelement mit guter Ebenheit bereitzustellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht in einem Begrenzungsstrom-Gassensorelement bzw. in einem Gassensorelement vom Typ eins Begrenzungsstromsensors, das eine Vielzahl von gestapelten Keramikschichten beinhaltet und dazu konfiguriert ist, einen Grenzstromwert auszugeben, der von einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Gas abhängt, das gemessen werden soll, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird, wobei das Gassensorelement Folgendes beinhaltet:

ein Festelektrolytelement mit Sauerstoffionenleitfähigkeit;
eine Heizvorrichtung, die das Festelektrolytelement erwärmt;
eine Messelektrode und eine Referenzelektrode, die auf dem Festelektrolytelement bereitgestellt sind;
eine Kammer, die der Messelektrode zugewandt ist und in die das zu messende Gas eingeführt wird;
einen Gaseinlass, der sich an einer Spitzenseite der Kammer in einer Längsrichtung des Gassensorelements befindet, und
einen Diffusionswiderstandsteil, der in dem Gaseinlass vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizzentrum der Heizvorrichtung weiter auf der Spitzenseite angeordnet ist als ein Elektrodenzentrum der Messelektrode.

Bei dem Gassensorelement befindet sich das Heizzentrum der Heizvorrichtung weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenzentrum der Messelektrode. Daher ist es einfacher, die Temperatur des Festelektrolytkörpers bzw. des Festelektrolytelements in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode ausreichend zu erhöhen. Dies bedeutet, dass der Teil des Festelektrolytkörpers bzw. Festelektrolytelements in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode ausreichend aktiviert werden kann. Im Ergebnis kann das von dem spitzenseitigen Gaseinlass über den Diffusionswiderstandsteil in die Kammer eingeleitete zu messende Gas in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode ausreichend behandelt werden. Das heißt, die spezifische Gaskomponente, die in die Nähe des Spitzenteils der Messelektrode gelangt ist, kann ausreichend schnell behandelt und als Sauerstoffionen durch den Festelektrolytkörper zur Referenzelektrodenseite transportiert werden.
Dadurch kann das Gassensorelement auch dann eine gute Ebenheit aufweisen, wenn das zu messende Gas von der Spitzenseite her in die Kammer eingeführt wird.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann gemäß diesem Aspekt ein Gassensorelement mit guter Ebenheit vorgesehen sein.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden. Es zeigt:

1 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 eine Querschnittsansicht, wobei der Querschnitt entlang der Linie II - II, wie in 1 gezeigt, in der durch die Pfeile angegebenen Richtung vorgenommen worden ist;
3A eine Querschnittsansicht entlang der in 1 gezeigten Linie IIIa - IIIa, wobei der Blick in die durch die Pfeile angegebenen Richtungen erfolgt;
3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIb - IIIb, wie in 1 gezeigt, in den durch die Pfeile angegebenen Richtungen;
4 ein Diagramm, welches die Heiztemperaturverteilung in der Längsrichtung zeigt.
5 ein erläuterndes Diagramm von VI-Kurven;
6 ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie sich Sauerstoffionenströme in einem Gassensorelement eines Vergleichsbeispiels bewegen, und ein Diagramm, das die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in einer Kammer zeigt;
7 ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie sich ein Sauerstoffionenstrom in dem Gassensorelement der ersten Ausführungsform bewegt, und ein Diagramm, das die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer zeigt;
8 ein erläuterndes Diagramm des Gassensorelements gemäß dem Vergleichsbeispiel;
9 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX, die in 8 gezeigt ist, in der durch die Pfeile angegebenen Richtung;
10 ein Diagramm, das die VI-Kurve des Gassensorelements gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt.
11 ein Diagramm, das die Messergebnisse der Beziehung zwischen einer Heizzentrumsposition und einer Ebenheit in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
12 ein erläuterndes Diagramm, das die Abmessungen von Komponenten eines Gassensorelements des Versuchsbeispiels 1 zeigt;
13 ein Diagramm, das die VI-Kurve eines Gassensorelements zeigt, dessen Heizzentrum sich in einem Elektrodenzentrum befindet,
14 ein Diagramm, das die VI-Kurve eines Gassensorelements zeigt, dessen Heizzentrum sich weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenzentrum befindet;
15 eine erläuternde Draufsicht auf eine Heizvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, deren Heizbasisendteil ebenfalls weiter an der Spitzenseite der Spitze angeordnet ist als die Messelektrode;
16 eine erläuternde Draufsicht auf ein Heizgerät gemäß der zweiten Ausführungsform, dessen Heizbasisendteil weiter auf näher an der Spitzenseite als die Elektrodenmitte bzw. das Elektrodenzentrum angeordnet ist;
17 eine erläuternde Draufsicht auf eine Heizvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, dessen Heizbasisendteil weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenbodenendteil angeordnet ist;
18 eine erläuternde Draufsicht auf eine Heizvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, deren Heizbasisendteil sich weiter an der Basisendseite befindet als das Elektrodenbasisendteil;
19 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
20 eine erläuternde Draufsicht einer anderen Heizvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform,
21 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
22 eine erläuternde Draufsicht einer weiteren Heizvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform.
23 eine erläuternde Draufsicht auf eine weitere Heizvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform;
24 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform mit einer unterschiedlichen Anzahl von Falten;
25 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform, die so gefaltet ist, dass die gewellte Form in der Breitenrichtung erscheint;
26 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform, bei der der Draht Teile mit einer reduzierten Breite beinhaltet;
27 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform, bei der der Draht Teile mit einer reduzierten Dicke beinhaltet;
28 eine erläuternde Draufsicht einer Heizvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform, die eine Vielzahl von Abzweigdrahtteilen beinhaltet; und
29 ein erläuterndes Netz eines Gassensorelements gemäß einer sechsten Ausführungsform mit einer Vielzahl von Sensorzellen.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Erste Ausführungsform
Eine Ausführungsform in Bezug auf ein Gassensorelement wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben werden.
Das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform wird durch Stapeln mehrerer Keramikschichten gebildet. Ferner ist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform ein Gassensorelement vom Grenzstromtyp. Das heißt, dass das Gassensorelement 1 dazu konfiguriert ist, einen Grenzstromwert auszugeben, der von der Konzentration eines bestimmten Gases in dem zu messenden Gas abhängt, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt wird, beinhaltet das Gassensorelement 1 ein Festelektrolytelement 2, eine Heizvorrichtung 5, eine Messelektrode 31, eine Referenzelektrode 32, eine Kammer 4, einen Gaseinlass 150 und einen Diffusionswiderstandsteil 15.
Der Festelektrolytkörper 2 weist eine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. Die Heizvorrichtung 5 erwärmt das Festelektrolytelement 2. Die Messelektrode 31 und die Referenzelektrode 32 sind auf dem Festelektrolytkörper 2 vorgesehen. Die Kammer 4 ist ein der Messelektrode 31 zugewandter Raum, in den das zu messende Gas eingeführt wird. Der Gaseinlass 150 ist in der Längsrichtung Y des Gassensorelements 1 an der Spitzenseite der Kammer 4 vorgesehen. Der Gaseinlass 150 ist mit einem Diffusionswiderstandsteil 15 versehen.
Wie in den 1 und 3 gezeigt wird, befindet sich ein Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter an der Spitzenseite als ein Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31. Hier kann das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 als das Teil mit der höchsten Temperatur definiert werden, wenn die Heizvorrichtung 5 erregt wird, sodass die Temperatur des Teils mit der höchsten Temperatur bei 700 °C stabilisiert wird.
Das heißt, wie in 4 gezeigt, unterscheidet sich die Temperatur der Heizvorrichtung 5 in Abhängigkeit von der Position Y0 in der Längsrichtung Y und weist eine bestimmte Verteilung auf. Selbst wenn die Temperatur des Teils mit der höchsten Temperatur des Heizgeräts 5 bei 700 °C stabilisiert ist, ist die Temperatur des restlichen Heizgeräts 5 niedriger als 700 °C. Daher wird die Position in der Längsrichtung Y, bei der die Temperatur am höchsten ist, wenn die Heizvorrichtung 5 erwärmt wird, sodass die Temperatur des Teils mit der höchsten Temperatur bei 700 °C stabilisiert wird, als das Heizzentrum 5C definiert.
Die horizontale Achse von 4 gibt einen Abstand Y0 von der Spitze des Gassensorelements 1 in der Längsrichtung Y an und die vertikale Achse gibt die Temperatur T an. Eine Kurve M1 in der Figur zeigt die Temperaturverteilung der Heizvorrichtung 5 des Gassensorelements 1 der vorliegenden Ausführungsform. Eine Kurve M2 in der Figur zeigt die Temperaturverteilung der Heizvorrichtung 5 eines Gassensorelements 9 eines später beschriebenen Vergleichsbeispiels.
Die oben genannte Temperatur von 700 °C des Teils mit der höchsten Temperatur der Heizvorrichtung 5 ist lediglich eine Temperatur zum Definieren des Heizzentrums 5C des Heizgeräts 5 und gibt die Temperatur nicht an, während das Gassensorelement 1 verwendet wird. Bei Verwendung des Gassensorelements 1 kann die Temperatur des Teils mit der höchsten Temperatur entsprechend eingestellt werden. Die Temperatur des Teils mit der höchsten Temperatur während der Verwendung des Gassensorelements 1 kann entsprechend eingestellt werden, zum Beispiel im Bereich von 600°C bis 950°C.
Die Temperatur der Heizvorrichtung 5 wird durch Thermographie erhalten, um die Temperatur der Hauptfläche des Gassensorelements 1 zu messen, die die Fläche auf der Seite der Heizvorrichtung 5 in einer Stapelrichtung Z ist (in dieser Ausführungsform die Hauptfläche einer Heizschicht 14, die später beschrieben wird). In einem Fall, bei welchem das Gassensorelement 1 mit einer porösen Schicht (beispielsweise einer Fallenschicht zum Einfangen einer giftigen Substanz) bedeckt ist, wird die poröse Schicht abgezogen, um die dichte Keramikschicht freizulegen, und danach wird eine Temperaturmessung durchgeführt.
Das Gassensorelement 1 weist eine lange und schmale Form auf, und die Messelektrode 31 und die Referenzelektrode 32 sind nahe einem Ende davon in der Längsrichtung Y ausgebildet. In der Längsrichtung Y wird die Seite, auf der die Messelektrode 31 und die Referenzelektrode 32 vorgesehen sind, als die Spitzenseite und die gegenüberliegende Seite als die Basisendseite bezeichnet. Ferner wird die Richtung orthogonal sowohl zur Längsrichtung Y als auch zur Stapelrichtung Z als eine Breitenrichtung W bezeichnet.
Wie in den 1 und 3 gezeigt wird, befindet sich in dieser Ausführungsform das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter an der Spitzenseite als eine Position 31D ist, die L/4 von der Basisendseite einer Spitze 31A der Messelektrode 31 entfernt liegt. L ist die Gesamtlänge der Messelektrode 31 in der Längsrichtung Y.
Eine Spitze 5A der Heizvorrichtung 5 befindet sich weiter auf der Spitzenseite als die Spitze 31A der Messelektrode 31. Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform die Temperatur der Spitze 5A der Heizvorrichtung 5 600 °C oder höher ist, wenn die Temperatur des Heizzentrums 5C auf 700 °C gehalten wird.
Ein Heizbasisendteil 5B der Heizvorrichtung 5 ist weiter zu der Basisendseite angeordnet als ein Basisende 31B der Messelektrode 31. Der Heizbasisendteil 5B ist der Teil, der sich am weitesten von der Basisendseite in dem Abschnitt der Heizvorrichtung 5 befindet, der eine Temperatur von 600°C oder höher aufweist, wenn die Temperatur des Heizzentrums 5C auf 700°C gehalten wird.
Das heißt, in 4 entspricht der Abstand Y1 des Punktes, an welchem die Kurve M1 die Gerade T = 600 schneidet, dem Abstand des Heizbasisendteils 5B von der Elementspitze.
Bei dem Gassensorelement 1 der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in den 1 und 2 gezeigt wird, eine Kammerbildungsschicht 11 und eine Abschirmschicht 12 nacheinander auf der Fläche des Festelektrolytelements 2 gestapelt, auf der die Messelektrode 31 bereitgestellt wird. Ferner sind eine kanalbildende Schicht 13 und eine Heizschicht 14 nacheinander auf der Fläche des Festelektrolytelements 2 gestapelt, auf der die Referenzelektrode 32 vorgesehen ist.
Die Kammerbildungsschicht 11 ist eine Keramikschicht, die so ausgebildet ist, dass sie die Kammer 4 aus einer Richtung orthogonal zur Stapelrichtung Z umgibt. Der Raum, der von der kammerbildenden Schicht 11, dem Festelektrolytelement 2 und der Abschirmschicht 12 umgeben ist, bildet die Kammer 4. Wie in den 1 und 3(a) gezeigt wird, ist das Diffusionswiderstandsteil 15 in der kammerbildenden Schicht 11 bzw. in der Kammerbildungsschicht vorgesehen. Das Diffusionswiderstandsteil 15 ist ein Teil zum Diffundieren des Gases, das gemessen werden soll, während es in die Kammer 4 eingeführt wird.
Der Spitzenteil des Gassensorelements 1 ist mit dem Gaseinlass 150 ausgebildet. Die Öffnung des Gaseinlasses 150 ist der Spitzenseite des Gassensorelements 1 zugewandt. In dem Gaseinlass 150 ist das Diffusionswiderstandsteil 15 vorgesehen. Das heißt, dass sich das Diffusionswiderstandsteil 15 an der Spitzenseite der Kammer 4 befindet. Das Diffusionswiderstandsteil 15 ist aus einer porösen Keramik hergestellt. Daher kann das zu messende Gas von der Spitze des Elements in die Kammer 4 eingeführt werden.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist die kanalbildende Schicht 13 eine Keramikschicht, die so ausgebildet ist, dass sie einen Kanal 6 aus einer Richtung orthogonal zur Stapelrichtung Z und von der dem Festelektrolytelement 2 gegenüberliegenden Seite umgibt. Die kanalbildende Schicht 13 blockiert jedoch nicht die Basisendseite des Kanals 6. Der Kanal 6 ist mit einer Öffnung im Basisendteil des Gassensorelements 1 verbunden. Auf diese Weise kann das Referenzgas von der Basisendseite des Gassensorelements 1 her in den Kanal 6 eingeleitet werden. Das Referenzgas kommt mit der Referenzelektrode 32 in Kontakt, die dem Kanal 6 zugewandt ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Referenzgas atmosphärische Luft.
Der Festelektrolytkörper 2 ist eine Keramikschicht, deren Hauptbestandteil Zirconiumdioxid ist. Die Kammerbildungsschicht 11, die Abschirmschicht 12, die kanalbildende Schicht 13 und die Heizschicht 14 sind alle Keramikschichten, deren Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist. Die Hauptkomponente des Diffusionswiderstandsteils 15 ist ebenfalls Aluminiumoxid bzw. Aluminia. Sie ist jedoch aus einem porösen Keramikelement hergestellt, um den Durchtritt des zu messenden Gases zu ermöglichen.
Die Heizvorrichtung 5 ist auf der Heizschicht 14 ausgebildet. Das heißt, dass ein Heizmuster auf der Oberfläche der Heizschicht 14 auf der Seite der kanalbildenden Schicht 13 ausgebildet ist. Wie in 3(b) gezeigt wird, weist die Heizvorrichtung 5 einen Heizvorrichtungsheizteil 51 und einen Heizvorrichtungsleitteil 52 auf. Das Heizleiterteil 52 ist mit der Basisendseite des Heizvorrichtungsheizteils 51 verbunden und erstreckt sich zur Basisendseite. Der Leitungswiderstand des Heizvorrichtungsheizteils 51 ist höher als der des Heizvorrichtungsleitteils 52. Daher ist es der Heizvorrichtungsheizteil 51, der hauptsächlich Wärme erzeugt, wenn der Heizer 5 erregt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der Heizvorrichtungsheizteil 51 auf der Spitzenseite zweimal und auf der Basisendseite einmal gefaltet. Das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 befindet sich nahe der Spitze des Heizvorrichtungsheizteils 51. Ein Teil der Wärme des Heizvorrichtungsheizteils 51 wird durch das mit der Basisendseite verbundene Heizleiterteil 52 abgegeben. Ferner weist der Teil des Gassensorelements 1, der sich an der Oberseite des Heizvorrichtungsheizteils 51 befindet, ein relativ kleines Volumen auf. Das heißt, die Wärmekapazität des Teils zur Spitzenseite des Heizvorrichtungsheizteils 51 ist relativ klein. Aufgrund dieser Faktoren befindet sich das Heizzentrum 5C in der Nähe der Spitze des Heizvorrichtungsheizteils 51.
Das Gassensorelement 1 wird durch Stapeln mehrerer keramischer Schichten bzw. Keramikschichten gebildet, wobei jedoch in einigen Fällen keine Grenzen zwischen den keramischen Schichten im fertigen Produkt bestehen können. Zum Beispiel kann die Grenze zwischen der Kammerbildungsschicht 11 und der Abschirmschicht 12 und die Grenze zwischen der kanalbildenden Schicht 13 und der Heizschicht 14 nicht vorhanden sein.
Wie vorstehend beschrieben weist das Gassensorelement 1 den Kanal 6 auf, der der Referenzelektrode 32 zugewandt ist (siehe 1 und 2). Das Gassensorelement 1 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass der Sauerstoff in der Kammer 4 durch eine Sensorzelle 16, die aus dem Festelektrolytelement 2, der Messelektrode 31 und der Referenzelektrode 32 besteht, in den Kanal 6 gepumpt wird.
Das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform ist ein A/F-Sensorelement. Das heißt, das zu messende Gas ist das Abgas eines Verbrennungsmotors, das ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt. Das Mischverhältnis von Luft und Kraftstoff in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch kann auf Grundlage des Grenzstromwerts gemessen werden.
Beispielsweise ist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs vorgesehen. Das Gassensorelement 1 wird in einen Gassensor mit einem Gehäuse und einer (nicht näher dargestellten) Elementabdeckung eingebaut und anschließend in die Abgasanlage eingebaut. Das durch das Abgassystem strömende Abgas wird vom Gaseinlass 150 des Gassensorelements 1 über das Diffusionswiderstandsteil 15 als das zu messende Gas in die Kammer 4 eingeführt. In diesem Zustand wird die Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas durch Messen des Werts des Stroms erfasst, der zwischen der Messelektrode 31 und der Referenzelektrode 32 fließt, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird.
Die in 5 gezeigten VI-Kurven (L1 bis L3) stellen die Beziehung zwischen dem Spannungswert und dem Stromwert dar. Das heißt, obwohl die VI-Kurve (L1 bis L3) in Abhängigkeit von dem Partialdruck der Sauerstoffkonzentration in dem Gas, das gemessen werden soll, unterschiedlich ist, enthält jede VI-Kurve einen flachen Teil F, in dem sich der Stromwert kaum mit zunehmender Spannung ändert. Daher kann ein stabiler Stromwert erhalten werden, indem eine solche Spannung zwischen der Messelektrode 31 und der Referenzelektrode 32 angelegt wird, die es ermöglicht, den Stromwert in dem flachen Teil F (d. h. den Grenzstromwert) zu messen. Aus diesem Stromwert kann die Sauerstoffkonzentration erfasst werden und ferner das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abgeleitet werden.
Eine solche Stromwertmessung und Ableitung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann beispielsweise durch eine im Fahrzeug installierte elektronische Steuereinheit (ECU) auf der Grundlage von vom Gassensorelement 1 erhaltenen Detektionssignalen erfolgen. Die ECU kann auch das Anlegen von Spannung zwischen den Elektroden, die Erregung der Heizvorrichtung 5 und dergleichen steuern.
Als nächstes werden die Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform beschrieben werden.
Bei dem Gassensorelement 1 befindet sich das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter an der Spitze als ein Elektrodenzentrum 3 1 C der Messelektrode 31. Daher ist es einfacher, die Temperatur des Festelektrolytkörpers 2 nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 ausreichend zu erhöhen. Dies bedeutet, dass der spitzennahe Teil des Festelektrolytkörpers 2 der Messelektrode 31 ausreichend aktiviert werden kann. Im Ergebnis kann das von dem spitzenseitigen Gaseinlass 150 über den Diffusionswiderstandsteil 15 in die Kammer 4 eingeleitete zu messende Gas in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode 31 ausreichend behandelt werden. Das heißt, die spezifische Gaskomponente, die in die Nähe des Spitzenteils der Messelektrode 31 gelangt ist, kann mit ausreichender Geschwindigkeit behandelt und als Sauerstoffionen durch den Festelektrolytkörper 2 zur Referenzelektrode 32 transportiert werden.
Dadurch kann das Gassensorelement 1 auch dann eine gute Ebenheit aufweisen, wenn das zu messende Gas von der Spitzenseite her in die Kammer 4 eingeführt wird.
Da sich ferner der Gaseinlass 150 und das Diffusionswiderstandsteil 15 auf der Spitzenseite der Kammer 4 befinden, wird die Ansprechempfindlichkeit des Gassensorelements 1 weniger durch die Stellung beeinflusst, in der der Gassensor (d. h. das Sensormodul mit dem Gassensorelement 1) in Bezug auf den Punkt, an dem die Messung durchgeführt wird, angebracht ist. Das heißt, wie vorstehend beschrieben, kann das Gassensorelement 1 in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein. In einem derartigen Fall ist das Gassensorelement 1 so angebracht, dass seine Längsrichtung Y orthogonal zum Gasstrom ist. Die Orientierung des Gassensorelements 1 in Breitenrichtung W in Bezug auf die Richtung der Gasströmung kann sich je nach Befestigungszustand ändern. Die Orientierung des Spitzenteils in Bezug auf die Richtung der Gasströmung ändert sich jedoch je nach Befestigungszustand nicht wesentlich. Daher wird die Ansprechempfindlichkeit des Gassensorelements 1 mit dem Gaseinlass 150 und dem Diffusionswiderstandsteil 15 am Spitzenteil weniger durch die Haltung beeinflusst, in der es angebracht ist.
Im Gegensatz dazu neigt in einem Fall, in dem der Gaseinlass 150 und der Diffusionswiderstandsteil 15 auf der Außenseite der Kammer 4 in der Breitenrichtung W wie bei dem Gassensorelement 9 des in den 8 und 9 später beschriebenen Vergleichsbeispiels ausgebildet sind, die Ansprechempfindlichkeit dazu, sich in Abhängigkeit von der Stellung zu ändern, in der das Gassensorelement 9 in Bezug auf das Rohr angebracht ist. Das heißt, da sich die Ausrichtung des Gassensorelements 9 in der Breitenrichtung W in Abhängigkeit von der Stellung ändert, in welcher es angebracht ist, ändert sich die Ausrichtung des Gaseinlasses 150 in Bezug auf den Gasstrom in Abhängigkeit von der Stellung, in welcher das Gassensorelement 9 angebracht ist. Wenn der Gaseinlass 150 der stromaufwärtigen Seite des Gasstroms zugewandt ist, wird das Einleiten des zu messenden Gases in die Kammer 4 erleichtert. Andererseits wird dann, wenn es so ausgerichtet ist, dass die Richtung, in der die Öffnung des Gaseinlasses 150 zugewandt ist, orthogonal zu der Gasströmung ist, relativ weniger zu messendes Gas in die Kammer 4 eingeführt. Das heißt, wie leicht das zu messende Gas in die Kammer 4 eintreten kann, variiert in Abhängigkeit von der Stellung, in der das Gassensorelement angebracht ist, und die Ansprechempfindlichkeit variiert entsprechend.
Ein Gassensorelement, bei dem der Gaseinlass 150 der Spitzenseite zugewandt ist, weist weniger wahrscheinlich die oben beschriebene Variation der Ansprechempfindlichkeit auf und ist daher in Bezug auf die Ansprechempfindlichkeit vorteilhaft. Beachten Sie, dass die Ansprechempfindlichkeit eine Qualität ist, die bewertet wird, wie schnell der Gassensor Änderungen in der Konzentration des spezifischen Gases in dem Gas, das gemessen werden soll, an dem Punkt, an dem die Messung durchgeführt wird, erfasst. Je schneller diese Erfassungsgeschwindigkeit, das heißt, je schneller die Antwortgeschwindigkeit, desto besser die Reaktionsfähigkeit.
Im Falle einer Struktur, bei der das Gas von der Spitzenseite in die Kammer 4 eingeführt wird, erreicht das zu messende Gas jedoch die Nähe des Spitzenteils der Messelektrode 31, nachdem es in die Kammer 4 eingeführt wurde. Wenn die Temperatur des Festelektrolytkörpers 2 nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 nicht hoch genug ist, kann dieser Teil möglicherweise nicht ausreichend aktiviert werden. Infolgedessen wird, wie in 6 gezeigt wird, die Bewegungsgeschwindigkeit von Sauerstoffionen pro Flächeneinheit klein, was bewirkt, dass die Konzentration des spezifischen Gases eine bestimmte Verteilung in der Längsrichtung Y in der Kammer 4 aufweist. Die in 6 gezeigten Pfeile O^2- stellen die Bewegung von Sauerstoffionen dar, und die Dicke der Pfeile gibt die Bewegungsgeschwindigkeit von Sauerstoffionen pro Flächeneinheit an. Das gleiche gilt für den später beschriebenen Pfeil O^2- in 7.
Das heißt, dass Sauerstoff nicht mit einer ausreichenden Behandlungsrate in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode 31 gepumpt werden kann. Im Ergebnis kann es in der Kammer 4 zu einer Sauerstoffkonzentrationsneigung kommen. Bei einer solchen Sauerstoffkonzentrationssteigung verschlechtert sich die Ebenheit der oben beschriebenen VI-Kurve. Das heißt, dass der flache Teil der VI-Kurve wahrscheinlich geneigt ist.
In Anbetracht dessen befindet sich bei dem Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31. Daher ist es einfacher, die Temperatur des Festelektrolytkörpers 2 in der Nähe des Spitzenteils der Messelektrode 31 zu erhöhen. Im Ergebnis wird, wie in 7 gezeigt, die Bewegungsgeschwindigkeit von Sauerstoffionen pro Flächeneinheit ausreichend hoch, und Sauerstoff kann mit einer ausreichenden Behandlungsrate nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 gepumpt werden. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 4 weniger geneigt, wie in 7 gezeigt wird. Im Ergebnis kann die Ebenheit verbessert werden.
Es ist zu beachten, dass die 6 und 7 eine Konfiguration zeigen, bei der das Basisende des Diffusionswiderstandsteils 15 und die Spitze 31A der Messelektrode 31 in der Längsrichtung Y der Einfachheit halber an der gleichen Position sind. Jede dieser Figuren enthält auch ein Diagramm, das die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer 4 zeigt, wenn das Gassensorelement einem zu messenden Gas mit einer Sauerstoffkonzentration von 20% ausgesetzt ist. Die 6 und 7 sind schematische Ansichten zur Vereinfachung der Erklärung, und die zusammen mit ihnen gezeigten Graphen sind ebenfalls schematisch.
Beachten Sie, dass es selbst dann, wenn sich das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 an der gleichen Position wie das Elektrodenzentrum 31C befindet oder sich weiter an der Basisendseite befindet als das Elektrodenzentrum 31C, möglich sein kann, die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 ausreichend zu erhöhen, indem die Wärmemenge, die durch den Heizvorrichtungsheizteil 51 erzeugt wird, erhöht wird. Eine derartige Temperaturerhöhung nahe der Spitze der Messelektrode 31 ist jedoch im Hinblick auf die Haltbarkeit und Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung 5 und dergleichen nachteilig. In Anbetracht dessen befindet sich das Heizzentrum 5C in dieser Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenzentrum 31C, um die Ebenheit wirksam zu verbessern.
In dieser Ausführungsform befindet sich, wie in den 1 und 2 gezeigt wird, das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter auf der Spitzenseite als die Position 31D, die sich L/4 von der Basisendseite der Spitze 31A der Messelektrode 31 befindet. Dies macht es einfacher, die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 zu erhöhen. Dies erleichtert eine weitere Verbesserung der Ebenheit.
Die Spitze 5A der Heizvorrichtung 5 befindet sich weiter auf der Spitzenseite als die Spitze 31A der Messelektrode 31. Dies ermöglicht es, die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 zuverlässiger zu erhöhen. Im Ergebnis kann die Ebenheit weiter verbessert werden.
Das Heizbasisendteil 5B der Heizvorrichtung 5 befindet sich weiter an der Basisendseite als das Basisendteil 31B der Messelektrode 31. Dies erleichtert es, die Temperatur des Festelektrolytkörpers 2 entlang der gesamten Messelektrode 31 hoch zu halten. Im Ergebnis kann die Fläche des Bereichs der Sensorzelle 16 mit einer ausreichenden Sauerstoffpumpkapazität vergrößert werden. Im Ergebnis können die Widerstandswerte Ri (d.h. ΔV/ΔI) vor Erreichen des flachen Teils in der VI-Kurve unterdrückt werden. Dies ermöglicht es, den flachen Teil der VI-Kurve zu vergrößern. Wenn das flache Teil groß ist, wird die Haltbarkeit des Gassensorelements 1 verbessert und die Lebensdauer des Gassensorelements 1 kann verlängert werden. Das heißt, dass bei fortgesetzter Verwendung des Gassensorelementes 1 der Widerstandswert Ri allmählich zunimmt und das Flachteil allmählich kleiner wird. Wenn das flache Teil zu klein wird, wird es schwierig, den Grenzstromwert zu messen. Eine möglichst große Ausbildung des flächigen Teils führt daher zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Gassensorelements 1.
Es ist zu beachten, dass sich die Messelektrode 31 bei dieser Ausführungsform weder über die Spitze 5A noch über das Heizbasisendteil 5B der Heizvorrichtung 5 in Längsrichtung Y hinaus erstreckt. Dies macht es möglich, das flache Teil zu vergrößern und die Lebensdauer zu verlängern. In einer Konfiguration, in der sich das Heizzentrum 5C weiter als das Elektrodenzentrum 31C auf der Spitzenseite befindet, kann sich die Spitze 5A der Heizvorrichtung 5 jedoch auf der Basisendseite der Spitze 31A der Messelektrode 31 befinden, oder das Heizbasisendteil 5B kann sich auf der Spitzenseite des Basisendes 31B der Messelektrode 31 befinden (siehe beispielsweise einen Teil der Variationen, die in Bezug auf die zweite, dritte und vierte Ausführungsform beschrieben werden, die später beschrieben werden). Dies macht es möglich, die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 ausreichend zu erhöhen und gleichzeitig den Stromverbrauch zu reduzieren.
Das Gassensorelement 1 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass der Sauerstoff in der Kammer 4 durch die Sensorzelle 16, die aus dem Festelektrolytelement 2, der Messelektrode 31 und der Referenzelektrode 32 besteht, in den Kanal 6 gepumpt werden kann. Bei einem Gassensorelement 1 mit einer solchen Konfiguration neigt im Allgemeinen eine Differenz in der angelegten Spannung dazu, einen Messgenauigkeitsfehler zu beeinflussen. Daher ist die Verbesserung der Ebenheit durch Verbesserung der Position des Heizzentrums 5C, wie oben beschrieben, von besonderer Bedeutung.
Ferner ist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform ein A/F-Sensorelement. Im Allgemeinen ist es wichtig, ein A/F-Sensorelement frühzeitig zu aktivieren, und die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur ansteigt, neigt dazu, hoch zu sein. Zur Erhöhung ihrer thermischen Belastbarkeit wird die Höhe der Kammer 4 in der Stapelrichtung Z verringert. Zum Beispiel ist die Höhe der Kammer 4 so klein wie 50 µm oder kleiner, bevorzugter 30 µm oder kleiner. In einem derartigen Fall neigt man dazu, in der Kammer 4 eine Sauerstoffkonzentrationsschräge wie die oben beschriebene vorzusehen, die hinsichtlich der Ebenheit nachteilig sein dürfte. Daher ist die Verbesserung der Ebenheit durch Verbesserung der Position des Heizzentrums 5C, wie oben beschrieben, von besonderer Bedeutung.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann ein Gassensorelement mit guter Ebenheit vorgesehen sein.
Vergleichsbeispiel
Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist dieses Beispiel ein Beispiel für ein Gassensorelement 9, bei dem der Gaseinlass 150 und der Diffusionswiderstandsteil 15 an der Außenseite der Kammer 4 in der Breitenrichtung W ausgebildet sind.
Das Gassensorelement 9 weist keinen Gaseinlass auf der Spitzenseite der Kammer 4 auf. Das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 befindet sich an einer Position, die der Position des Elektrodenzentrums 31C der Messelektrode 31 in der Längsrichtung Y ähnlich ist (siehe die Kurve M2 in 4).
Eine VI-Kurve für das Gassensorelement 9 dieses Beispiels ist in 10 gezeigt. Diese VI-Kurve wurde erhalten, indem das Gassensorelement in der Atmosphäre platziert wurde und die Änderungen des Ausgangsstroms gemessen wurden, während die angelegte Spannung zwischen den Elektroden allmählich auf eine Spannung in der Nähe von 1 V erhöht und dann die angelegte Spannung allmählich verringert wurde. Der Ausgangsstrom kann sich zwischen dem Ansteigen der Spannung und dem Abfallen der Spannung geringfügig unterschiedlich ändern, und diese Differenz ist in der VI-Kurve von 10 zu sehen. Die 13 und 14, die später beschrieben werden, zeigen auch die VI-Kurven für die jeweiligen Gassensorelemente, die auf ähnliche Weise erhalten wurden.
Abgesehen davon ist die Konfiguration die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass unter den Bezugszeichen, die in diesem Beispiel verwendet werden, Bezugszeichen, die die gleichen sind wie die, die in einer früheren Ausführungsform verwendet werden, Komponenten oder dergleichen bezeichnen, die denen der früheren Ausführungsform ähneln, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist.
In diesem Beispiel wird das zu messende Gas von der Außenseite in der Breitenrichtung W in die Kammer 4 eingeführt. Daher kommt das zu messende Gas unmittelbar nach dem Einführen über den Diffusionswiderstandsteil 15 in die Kammer 4 in der Nähe des zentralen Teils der Messelektrode 31 in der Längsrichtung Y in Kontakt. Da sich dieser Teil ebenfalls in der Nähe des Heizzentrums 5C der Heizvorrichtung 5 befindet, befindet er sich in einem ausreichend aktivierten Zustand. Daher ist, wie in gezeigt wird, die Ebenheit der VI-Kurve gut. Wie vorstehend beschrieben, besteht jedoch das Problem, dass die Ansprechempfindlichkeit tendenziell in Abhängigkeit von der Stellung variiert, in der das Gassensorelement an der Abgasanlage angebracht ist.
Versuchsbeispiel 1
In diesem Beispiel wurde, wie in 11 gezeigt, die Beziehung zwischen der Position des Heizzentrums 5C der Heizvorrichtung 5 und der Ebenheit untersucht.
Das heißt, es wurden verschiedene Gassensorelemente mit der gleichen Konfiguration wie die des Gassensorelements 1 der ersten Ausführungsform bis auf die Position des Heizzentrums 5C als Proben vorbereitet.
Insbesondere weisen die Kammer 4, die Messelektrode 31, der Gaseinlass 150, der Diffusionswiderstandsteil 15 und dergleichen jedes als Probe hergestellten Gassensorelements die in 12 gezeigte Dimensionsbeziehung auf. Die Höhe der Kammer 4 in der Stapelrichtung Z betrug 20 µm. Proben unterschiedlicher Niveaus wurden hergestellt, indem die Position des Heizzentrums 5C verändert wurde, d. h. indem der Abstand Y1 von der Spitze des Elements in der Längsrichtung Y zwischen 1,25 und 2,7 mm verändert wurde. Die Position im Abstand Y1 = 2,7 mm ist auch die Position des Elektrodenzentrums 31C der Messelektrode 31. Die Breite W2 des Heizvorrichtungsheizteils 51 betrug 2,5 mm.
Die Ebenheit wurde für jede der Proben verschiedener Ebenen bewertet. Die Ebenheit wurde durch Erfassen der VI-Kurve für jede Probe bewertet, wie in den und gezeigt wird. Die VI-Kurven wurden auf die gleiche Weise erfasst wie die oben beschriebene VI-Kurve von . 13 zeigt die VI-Kurve für das Gassensorelement mit Y1 = 2,7 mm. zeigt die VI-Kurve für das Gassensorelement mit Y1 = 1,25 mm.
Die Differenz ΔIL (vergleiche 13) zwischen dem Ausgangsstromwert bei einer angelegten Spannung von 0,6 V und dem Ausgangsstromwert bei einer angelegten Spannung von 0,7 V wurde als Maß für die Ebenheit verwendet. Einige VI-Kurven können zwischen dem Zeitpunkt des Anstiegs der Spannung und dem Zeitpunkt des Abfalls der Spannung geringfügig unterschiedlich sein. In diesem Fall wurde ΔIL mit dem Mittelwert der beiden Kurven gemessen. Die obige Messung wurde 5-mal für jede Ebene durchgeführt. Die Bewertungsergebnisse werden in 11 gezeigt. Die abwechselnden lang und kurz gestrichelten Linien 31A, 31D und 31B, die in der Figur gezeigt sind, zeigen die Abstände Y1 an, die den Positionen 31A, 31D bzw. 31B (vergleiche die 1 und 3) der Messelektrode 31 entsprechen.
Je näher die Position des Heizzentrums 5C an dem Spitzenteil des Gassensorelements ist, desto geringer ist das ΔIL, wie in der Figur gezeigt ist. Das heißt, dass je näher die Position des Heizzentrums 5C an dem Spitzenteil des Gassensorelements ist, desto besser ist die Ebenheit. Es ist auch zu sehen, dass die Ebenheit verbessert wird, wenn sich das Heizzentrum 5C weiter an der Spitzenseite befindet als das Elektrodenzentrum 31C, im Vergleich zu dem, wenn sich das Heizzentrum 5C an dem Elektrodenzentrum 31C befindet.
Wenn sich die Position des Heizzentrums 5C weiter auf der Spitzenseite befindet als die Position 31D, die sich 1/4 der Gesamtlänge L der Messelektrode 31 auf der Spitzenseite der Spitze 31A der Messelektrode 31 befindet, kann ΔIL (ein Maß für die Ebenheit) von 0,036 mA oder weniger erhalten werden. ΔI ≤ 0,036 mA entspricht einer Breite von ± 1% eines Grenzstromwertes von 1,8 mA des in diesem Beispiel verwendeten Gassensorelements. Mit anderen Worten kann berücksichtigt werden, dass ein Gassensorelement, das ΔI ≤ 0,036 mA erfüllt, eine solche Messgenauigkeit realisieren kann, dass die Fehler nicht größer als 1% sind.
Zweite Ausführungsform
In dieser Ausführungsform, wie in den 15 bis 18 gezeigt wird, befindet sich das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 weiter auf der Spitzenseite als die Spitze 31A der Messelektrode 31.
Die 15 bis 18 zeigen jeweils eine Variation des Musters der Heizvorrichtung 5 zusammen mit ihrer Positionsbeziehung zur Messelektrode 31.
Die in 15 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass nicht nur das Heizzentrum 5C, sondern auch das Heizbasisendteil 5B weiter spitzenseitig angeordnet ist als die Spitze 31A der Messelektrode 31 ist.
Die in 16 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass das Heizbasisendteil 5B weiter an der Basisendseite angeordnet ist als die Spitze 31A der Messelektrode 31 und weiter an der Spitzenseite als die Elektrodenmitte 31C bzw. das Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31 angeordnet ist.
Die in 17 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass das Heizbasisendteil 5B weiter an der Basisendseite angeordnet ist als die Elektrodenmitte 31C der Messelektrode 31 und weiter an der Spitzenseite als das Basisende 31B der Messelektrode 31 angeordnet ist.
Die in 18 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass das Heizbasisendteil 5B weiter zu der Basisendseite angeordnet ist als das Basisende 31B der Messelektrode 31. Zusätzlich nimmt die Linienbreite des Heizmusters der Heizvorrichtung 5, die in 18 gezeigt ist, zu der Seite des Spitzenteils des Heizvorrichtungsheizteils 51 hin ab. Dies erleichtert die Erzeugung von Joule-Wärme in der Nähe der Spitze des Heizvorrichtungsheizteils 51. Dadurch kann das Heizzentrum 5C weiter an der Spitze angeordnet werden als die Spitze 31A der Messelektrode 31.
Abgesehen davon ist die Konfiguration die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass unter den Bezugszeichen, die in der zweiten und den folgenden Ausführungsformen verwendet werden, Bezugszeichen, die die gleichen sind wie die, die in einer früheren Ausführungsform verwendet werden, Komponenten oder dergleichen bezeichnen, die denen der früheren Ausführungsform ähneln, sofern nichts anderes angegeben ist.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 bei dem Gassensorelement ausreichend erhöht werden. Die Ebenheit kann daher verbessert werden. Es ist besonders einfach, ein breites flaches Teil zu befestigen, wenn die in 18 gezeigte Heizvorrichtung 5 verwendet wird. Dies macht es einfacher, die Lebensdauer zu verlängern.
Die anderen Funktionen und Effekte ähneln denen der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform, wie in den 19 und 20 gezeigt, befindet sich das Heizzentrum SC der Heizvorrichtung 5 zwischen der Spitze 31A der Messelektrode 31 und dem Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31, und das Heizbasisendteil 5B befindet sich weiter auf der Spitzenseite als das Basisende 31B der Messelektrode 31.
Die 19 und 20 zeigen jeweils eine Variation des Musters der Heizvorrichtung 5 zusammen mit ihrer Lagebeziehung zur Messelektrode 31.
Die in 19 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass das Heizbasisendteil 5B weiter an der Spitzenseite angeordnet ist als die Elektrodenmitte 31C bzw. das Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31.
Die in 20 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass sich das Heizbasisendteil 5B weiter an der Basisendseite befindet als sich die Elektrodenmitte 31C der Messelektrode 31 befindet, und weiter an der Spitzenseite als sich das Basisende 31B der Messelektrode 31 befindet.
Abgesehen davon ist die Konfiguration die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 bei dem Gassensorelement ausreichend erhöht werden. Die Ebenheit kann daher verbessert werden.
Die anderen Funktionen und Effekte ähneln denen der ersten Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform, wie in den 21 bis 23 gezeigt, befindet sich die Spitze 5A der Heizvorrichtung 5 weiter an der Basisendseite als die Spitze 31A der Messelektrode 31.
Die 21 bis 23 zeigen jeweils eine Variation des Musters der Heizvorrichtung 5 zusammen mit ihrer Lagebeziehung zur Messelektrode 31.
Die in 21 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass die Spitze 5A und der Heizbasisendteil 5B beide zwischen der Spitze 31A und der Elektrodenmitte 31C der Messelektrode 31 angeordnet sind.
Die in 22 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass sich die Spitze 5A und das Heizzentrum SC zwischen der Spitze 31A und der Elektrodenmitte 31C der Messelektrode 31 befinden und sich das Heizbasisendteil 5B zwischen der Elektrodenmitte 31C und dem Basisende 31B der Messelektrode 31 befindet.
Die in 23 gezeigte Heizvorrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass sich die Spitze 5A und das Heizzentrum SC zwischen der Spitze 31A und dem Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31 befinden und sich das Heizbasisendteil 5B weiter zu der Basisendseite befindet als das Basisende 31B der Messelektrode 31.
Abgesehen davon ist die Konfiguration die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur nahe dem Spitzenteil der Messelektrode 31 bei dem Gassensorelement ausreichend erhöht werden. Die Ebenheit kann daher verbessert werden. Besonders einfach lässt sich ein breites Flachteil befestigen, wenn die in 23 gezeigte Heizvorrichtung 5 verwendet wird. Dies macht es einfacher, die Lebensdauer zu verlängern.
Die anderen Funktionen und Effekte ähneln denen der ersten Ausführungsform.
Fünfte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform, wie in den 24 bis 28 gezeigt wird, sind Variationen des Musters des Heizvorrichtungsheizteils 51 des Heizers 5 gezeigt.
Der in 24 gezeigte Heizvorrichtungsheizteil 51 ist eine Variante, die eine andere Anzahl von Falten in Bezug auf den in Bezug auf die erste Ausführungsform gezeigten Heizvorrichtungsheizteil 51 aufweist (siehe 3). Das heißt, die Heizvorrichtung 5 aus 24 ist dreimal auf der Spitzenseite gefaltet und zweimal auf der Basisendseite gefaltet. Es können Heizvorrichtungen mit verschiedenen anderen Falzzahlen übernommen werden.
Der in 25 gezeigte Heizvorrichtungsheizteil 51 ist so gefaltet, dass die Wellenform in Breitenrichtung W erscheint. Auch hier kann die Anzahl der Falten verändert werden.
Der Draht des in 26 gezeigten Heizvorrichtungsheizteils 51 beinhaltet Teile mit einer besonders reduzierten Breite. Dies ermöglicht es, das Heizzentrum 5C zwischen den Spitzen und den Basisenden von dünnen Drahtteilen 511 mit einer verringerten Drahtbreite zu positionieren.
Der in 27 gezeigte Draht des Heizvorrichtungsheizteils 51 beinhaltet eine reduzierte Dicke. Dies ermöglicht es, das Heizzentrum 5C zwischen den Spitzen und den Basisenden abgeflachter Drahtteile 512 mit einer verringerten Drahtdicke zu positionieren.
Der in 28 gezeigte Heizvorrichtungsheizteil 51 weist eine Vielzahl von Abzweigdrahtteilen 513 auf, die parallel miteinander verbunden sind. 28 zeigt einen Fall, bei dem es zwei Abzweigdrahtteile 513 gibt, es ist jedoch auch möglich, drei oder mehr Abzweigdrahtteile 513 bereitzustellen.
Sechste Ausführungsform
Wie in 29 gezeigt wird, ist das Gassensorelement 1 in dieser Ausführungsform mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen (16, 16N und 16M) versehen.
Bei dieser Ausführungsform sind auf der kammerseitigen Seite des Festelektrolytkörpers 2 des Gassensorelements 1 mehrere Elektroden ausgebildet.
Jede dieser Elektroden bildet zusammen mit der Referenzelektrode 32 und dem Festelektrolytelement 2 eine elektrochemische Zelle. Mit anderen Worten weist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform mehrere elektrochemische Schichten auf. Wenn eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen wie in dieser Ausführungsform bereitgestellt wird, wird das Heizzentrum 5C der Heizvorrichtung 5 in Bezug auf die Messelektrode 31 definiert, die die Sensorzelle (elektrochemische Zelle) 16 bildet, die dem Diffusionswiderstandsteil 15 in der Längsrichtung Y am nächsten liegt.
Bei dieser Ausführungsform ist auch die in Längsrichtung Y am weitesten spitzenseitig angeordnete Sensorzelle 16 eine Pumpzelle zum Pumpen des Sauerstoffs in der Kammer 4 in den Kanal 6. Diese Pumpzelle stellt die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 4 ein. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird gemessen, indem der Wert des während dieses Pumpens fließenden Stroms gemessen wird und der Grenzstromwert gemessen wird. Dann kann basierend auf dieser Sauerstoffkonzentration das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (d. h. A/F) der Maschine mit interner Verbrennung gemessen werden.
Die anderen elektrochemischen Zellen als die Sensorzelle 16 können zum Beispiel eine Zelle für NOx 16N und eine Überwachungszelle 16M sein. Die Zelle für NOx 16N hat eine Elektrode für NOx 31N, die Aktivität für NOx (das heißt, Stickoxide) hat. Die Überwachungszelle 16M weist eine Überwachungselektrode 31M auf, die für Sauerstoff aktiv ist. Die Überwachungszelle 16M erfasst die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 4. Die NOx-Konzentration in dem zu messenden Gas kann auf Grundlage des Sauerstoffionenstroms, der durch die Zelle für NOx 16N fließt, und des Sauerstoffionenstroms, der durch die Überwachungszelle 16M fließt, erfasst werden.
Das heißt, das Gassensorelement dieser Ausführungsform kombiniert die Funktion zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (d. h. A/F) und die Funktion zum Erfassen der NOx-Konzentration.
Wie vorstehend beschrieben, befindet sich das Heizzentrum SC weiter auf der Spitzenseite als das Elektrodenzentrum 31C der Messelektrode 31 der Sensorzelle 16 (die auch eine Pumpzelle ist), die die elektrochemische Zelle ist, die am weitesten auf der Spitzenseite angeordnet ist. Das Heizbasisendteil 5B befindet sich weiter auf der Basisendseite als das Basisende 31B der Messelektrode 31. Das Heizbasisendteil 5B befindet sich weiter an der Basisendseite als das Basisende der Elektrode für NOx 31N. Ferner befindet sich das Heizbasisendteil 5B weiter zu der Basisendseite als das Basisende der Überwachungselektrode 31M.
Abgesehen davon ist die Konfiguration die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Selbst wenn das Gassensorelement 1 eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen wie in dieser Ausführungsform aufweist, kann das Gassensorelement eine gute Ebenheit aufweisen, indem das Heizzentrum 5C auf der Spitzenseite des Elektrodenzentrums 31C der Messelektrode 31 positioniert wird.
Die anderen Funktionen und Effekte ähneln denen der ersten Ausführungsform.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen angewendet werden, ohne sich von dem Kern der vorliegenden Offenbarung zu entfernen.
Obwohl die vorliegende Offenbarung auf Grundlage von Ausführungsformen beschrieben wird, sollte dies nicht dahingehend ausgelegt werden, dass die vorliegende Offenbarung auf die Ausführungsformen und Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Variationen sowie Änderungen innerhalb des Äquivalenzumfangs. Zusätzlich umfassen der Umfang und der Geist der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen und Modi und andere Kombinationen und Modi, die nur ein Element davon beinhalten, und Kombinationen und Modi, die mehr oder weniger Elemente aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 202024017 [0001]
JP 201620894 A [0006]

Claims

Begrenzungsstrom-Gassensorelement (1), das eine Vielzahl von gestapelten Keramikschichten beinhaltet und dazu konfiguriert ist, einen Grenzstromwert auszugeben, der von einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Gas abhängt, das gemessen werden soll, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird, wobei das Gassensorelement Folgendes umfasst: ein Festelektrolytelement (2), das Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist; eine Heizvorrichtung (5), die das Festelektrolytelement erwärmt; eine Messelektrode (31) und eine Referenzelektrode (32), die auf dem Festelektrolytelement bereitgestellt sind; eine Kammer (4), die der Messelektrode zugewandt ist und in die das zu messende Gas eingeführt wird; einen Gaseinlass (150), der sich an einer Spitzenseite der Kammer in einer Längsrichtung (Y) des Gassensorelements befindet; und ein Diffusionswiderstandsteil (15), das in dem Gaseinlass vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizzentrum (SC) der Heizvorrichtung weiter an der Spitzenseite angeordnet ist als ein Elektrodenzentrum (31C) der Messelektrode.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizzentrum der Heizvorrichtung weiter an der Spitzenseite angeordnet ist, als eine Position (31D), die L/4 von einer Basisendseite einer Spitze (31A) der Messelektrode entfernt gelegen ist, wobei L eine Gesamtlänge der Messelektrode in der Längsrichtung ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, eine Spitze (5A) der Heizvorrichtung weiter an der Spitzenseite angeordnet ist als eine Spitze (31A) der Messelektrode.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizbasisendteil (5B) der Heizvorrichtung weiter zu einer Basisendseite angeordnet ist als ein Basisende (31B) der Messelektrode, und das Heizbasisendteil ein Teil ist, der sich am weitesten von der Basisendseite entfernt in einem Abschnitt der Heizvorrichtung befindet, der eine Temperatur von 600°C oder höher aufweist, wenn eine Temperatur des Heizzentrums auf 700°C gehalten wird.
Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Gas ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist, das ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt, und das Gassensorelement ein A/F-Sensorelement ist, das dazu konfiguriert ist, ein Mischungsverhältnis der Luft und des Kraftstoffs in dem Gemisch auf Grundlage des Grenzstromwerts zu messen.
Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: einen Kanal (6), dem die Referenzelektrode zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff in der Kammer durch eine Sensorzelle (16), die aus dem Festelektrolytelement, der Messelektrode und der Referenzelektrode besteht, in den Kanal gepumpt wird.