JP2000180404A - ガス混合気のラムダ値を求めるためのセンサ素子及び該センサ素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス流入孔の作製の際、固体電解質の材料が
拡散バリヤの内部シリンダ壁における孔を塗りつぶして
駄目にしないようにすること。 【解決手段】 固体電解質上に配された内部及び外部ポ
ンプ電極を有し、ここで、内部ポンプ電極は、拡散バリ
ヤにより画された拡散チャネル内に設けられており、こ
こで、ガス流入孔が実質的に固体電解質シートの表面に
対して垂直方向に、固体電解質シートを通って拡散チャ
ネル内へ通じている当該のセンサ素子において、拡散バ
リヤ（３１）は、ガス流入孔（２５）の内壁から後退し
た、引っ込んだところに拡散チャネル（３０）内に配さ
れていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は請求項１の上位概念
によるガス混合物のラムダ値を求めるためのセンサ素子
及び請求項８の上位概念による当該センサ素子の作製方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】限界電流方式で作動するセンサ素子の場
合、拡散限界電流は、センサ素子の両電極に加わる一定
の電圧のもとで測定される。前記の拡散限界電流は、燃
焼過程の際生じる排ガス中で、酸素濃度に依存する−い
わゆるポンプ電極へのガスの拡散が反応の進行速度を規
定する限りは−。簡単化された、そして、コスト上有利
な作製方法に基づき、実際上ここ最近の何年間ではセン
サ素子の作製はセラミックシート、薄膜及びスクリーン
印刷技術が有利であることが判明している。比較的簡単
かつ合理的な手法で、プレーナ形センサ素子が、ディス
ク状又はシート状センサ素子の酸素伝導性の固体電解質
から出発して、例えば、安定化した二酸化ジルコニウム
から作製され得、前記の固体電解質は、両側でそれぞれ
内部及び外部のポンプ電極で被覆される。その際内部ポ
ンプ電極は、拡散チャネルの周辺領域内に位置付けら
れ、該拡散チャネルを通して測定ガスが供給される。拡
散チャネル中には、多孔性の材料で充填された拡散バリ
ヤが形成され、この拡散バリヤはガス拡散抵抗を形成す
る。

【０００３】ＤＥ−ＯＳ３５４３７５９から公知のセン
サ素子は、１つのポンプセルと１つのセンサセルを有
し、それらのセルは、相互に上下に重なり合う層平面内
に配されている。その種のセンサ素子は、ワイドバンド
広帯域センサとも称される、それというのは、そのセン
サは、希薄の燃料／空気混合気から濃厚な燃料／空気混
合気までの酸素濃度を検出し得るからである。ポンプセ
ルの内部電極及びセンサセルの測定抵抗は、対向して１
つの共通の測定空間内に配されており、この１つの共通
の測定空間は、同時に拡散チャネルをも形成する。拡散
方向で、内部ポンプ電極及び及び測定電極の前に、拡散
チャネル中に、拡散バリヤが設けられる。ガス流入孔
は、その上方に位置する固体電解質シート及び拡散バリ
ヤの厚さのところを通って導かれており、その結果拡散
バリヤの内部シリンダ壁は、ガス流入孔の一部となって
いる。

【０００４】前記のセンサ素子における拡散バリヤの作
成は次のようにして行なわれる、即ち、円形のスクリー
ン印刷層膜が、孔形成体と混合した例えばＺｒＯ_２から
成るスクリーン印刷ベーストを以て、電極に前置されて
相応の固体電解質シートへ被着されるようにして拡散バ
リヤの作製は行なわれる。前記のスクリーン印刷層の中
心にはすべての固体電解質シートの積重ね合せの後、ガ
ス流入孔が形成され、ここで、ガス流入孔は、少なくと
も全拡散バリヤを突き抜ける。積み重ね合わされた固体
電解質シートの焼結の際、有孔性多孔性の拡散バリヤ及
び拡散バリヤに前置された中空の測定ガス空間が形成さ
れる。

【０００５】ガス流入孔の作製の際、欠陥のある孔開け
ドリルパラメータ（速度、孔開けドリル工具の磨耗）に
基づき、固体電解質の材料が拡散バリヤの内部シリンダ
壁における孔を塗りつぶし汚損することとなる。それに
より、焼結後のガス流入孔の横断面の低減を来たし、こ
のことは拡散抵抗の大きなばらつきを意味する。さら
に、孔開けされたガス流入孔が、拡散バリヤの円形状の
スクリーン印刷層の中心と偏差を生じ得るという欠点が
生じる。前記の偏差によっては、拡散バリヤの拡散区間
の拡散、ひいては、拡散抵抗のさらなる変化を来す。更
に、特に、拡散バリヤの入口面にて貯留する汚れにより
センサ特性曲線の変化が惹起される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、前述の従来の技術の欠点を回避し、ガス流入孔
の作製の際、固体電解質の材料が拡散バリヤの内部シリ
ンダ壁における孔を塗りつぶして駄目にしないように実
現できるガス混合気のラムダ値を求めるためのセンサ素
子及び該センサ素子の作製方法を創出することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の課題は本発明の請
求項１の特徴事項を成す構成要件により解決される。本
発明により、前述の従来の技術の欠点を回避し、ガス流
入孔の作製の際、固体電解質の材料が拡散バリヤの内部
シリンダ壁における孔を塗りつぶして駄目にしないよう
にすることができるという効果が奏される。それによ
り、拡散バリヤの拡散抵抗が損なわれないようになる。
更に、ガス流入孔のセンタリングの偏差、ずれがあって
も拡散バリヤの拡散抵抗に大して影響を及ぼさないよう
になる−当該のセンタリング状態が孔半径と、拡散バリ
ヤの内部半径との差を越える際にも、拡散バリヤの内壁
が引っ込んでいることにより、当該の拡散バリヤは機関
の連続作動の際汚損に対して保護的に遮蔽される。

【０００８】本発明の方法の利点とするところは、中空
空間形成体により、拡散バリヤの所定の内径が作成可能
になり、その際その形成体物質は、センサ素子の焼結の
際、蒸発し、内部空間を、拡散孔の前に形成することで
ある。

【０００９】引用請求項に特定された手段により、本発
明の有利な発展形態が可能である。拡散バリヤをガス流
入孔の壁からほぼ０．１〜０．３ｍｍ引っ込めて配置す
ると有利であることが判明している。有利な発展形態に
よれば、拡散バリヤの前の内部空間を測定空間の中空空
間と共に印刷形成すると良い。さらに、比較的短い拡散
区間の故に、比較的フラットな拡散バリヤを使用できこ
のフラットな拡散バリヤは、少数のスクリーン印刷ステ
ップで亀裂の生じないように印刷し得るのである。

【００１０】

【実施例】図１には、本発明の１実施例が示してあり、
以降詳述する。単一の図はセンサ素子の一部を横断面で
示す。

【００１１】図１は、セラミックシート及びスクリーン
印刷で作製可能な１つのセンサ素子の著しく拡大した断
面図である。図示のセンサ素子はいわゆるワイドバンド
広帯域センサであり、このワイドバンド広帯域センサ
は、限界電流方式で動作するポンプセル１１と、測定セ
ル１２（ネルンストセル）を有する。さらに、センサ素
子は統合一体化、集積化された抵抗ヒータ（図示せず）
を有する。当該の構成は、その実施形態への限定を意味
するものではない。本発明は、同様に、測定セルとの協
働動作をしないポンプセルにおいても適用可能である。

【００１２】図１中断片的にのみ示すセンサ素子は、実
質的に４つの積み重ね合わされた固定電解質シートから
成り、そのうち、唯、第１の固定電解質シート１４及び
第２の固定電解質シート１６のみが示してある。固定電
解質シート１４には外部のポンプ電極１８及び内部ポン
プ電極１９が設けられている。外部電極１８上方には、
多孔質の保護層２０が設けられている。内部ポンプ電極
１９は、リング状に形成されており、測定ガス空間２１
内に設けられており、この測定ガス空間中では内部ポン
プ電極に対向して第２の固定電解質シート１９上に測定
電極２３が配されている。外部ポンプ電極１８及び内部
ポンプ電極１９は合わさってポンプセル１１を形成す
る。測定電極２３は、図示してない基準電極と協働し、
この基準電極は、同様に図示されてない基準チャネル内
に配されており、例えば、基準雰囲気としての空気と連
通している。

【００１３】内部電極１９と測定電極２３との間で、固
定電解質シート１４，１６間の層平面内に、１つの拡散
チャネル３０が延在する。電極１９，２３の前に拡散チ
ャネル３０中に多孔性の拡散バリヤ３１が設けられてい
る。

【００１４】さらに、センサ素子は、ガス流入孔２５を
有し、このガス流入孔は、拡散チャネル３０へ通じてお
り、例えば第１の固定電解質シート１４及び拡散チャネ
ル３０を通って有底孔として第２の固定電解質シート１
６内にまで達する。それにより、ガス流入孔２５は、第
２の固定電解質１６にて、死容積２７を形成し、この死
容積２７内では、ガス混合気内で連行された粒子が貯留
され得る。拡散バリヤ３１はガス流入孔２５の周りにリ
ング状に形成されている。

【００１５】ガス流入孔２５は、例えば０．４ｍｍの直
径Ｄ１を有する。リング状の拡散バリヤ３１は、内部シ
リンダ壁３３と共に、シリンダ状内壁３４を画定し、こ
のシリンダ状内壁３４は、例えば０．６ｍｍの内径Ｄ２
を有する。もって、拡散バリヤ３１のシリンダ壁３３
は、ガス流入孔２５の内壁から０．１ｍｍだけ後退し
て、引っ込んでいる。ガス流入孔２５の内壁から拡散バ
リヤ２１のシリンダ壁３３までの半径方向間隔は、０．
１０〜０．３ｍｍであり得る。前記の半径方向距離間隔
は、直径Ｄ１とＤ２の比により調整される。

【００１６】本発明のセンサ素子の作製のため、酸素イ
オン伝導性の固定電解質から成る、例えばＹ₂０₃で安定
化された二酸化ジルコニウムから成るセラミックシート
が使用される。その際シートは、０．２５〜０．３０ｍ
ｍの厚さを有する。シートは、電極及び所属の導体路
で、例えばスクリーン印刷で印刷される。電極及び所属
の導体路は、例えばプラチナ（白金）−サーメットから
成る。電極は例えば８〜１５μｍの厚さを有する。電極
は１８，１９，２３及び図示してない層のほかに付加的
に、例えば、第２の固定電解質シート１５上に、例えば
２ｍｍの外径及び例えば０．６ｍｍの内径を有する拡散
バリヤ３１がリングとして印刷される。内部空間３４の
形成のため、拡散バリヤ３１の円形内面へ中空空間ペー
ストが印刷される。拡散バリヤ３１の内面の印刷と同時
に、測定ガス空間２１の事後の中空空間の内面を中空空
間ペーストで印刷し得る。内部空間３４及び測定ガス空
間２１の中空空間に対する中空空間ペーストは、例えば
テオプロビン（Theobromin）から成り、これは、事後の
焼結プロセスにて燃焼し、焼付き、ないし蒸発し、ここ
で内部空間３４及び測定ガス空間２１に対する固定電解
質シート１４，１６間の中空空間を形成する。

【００１７】拡散バリヤ３１における多孔の生成のた
め、同様に中空空間形成物がセラミック材料内に組込ま
れており、このセラミック材料は、同様に、焼結の際、
燃焼し、焼付き、そこで開いた多孔質を生成する。拡散
バリヤ３１の多孔質を介して、就中拡散抵抗が調整され
る。拡散バリヤ３１に対する材料として、例えば固定電
解質シートの材料が得られる。同様に、ＺｒＯ₂材料の
代わりに、拡散バリヤ３１に対するＺｒＯ₂−材料Ａｌ₂
Ｏ₃を使用することもできる。

【００１８】印刷の終わった固定電解質シートは、積み
重ね合せないし積層される。積層の後第１の固定電解質
１４を通して、ガス流入孔２５が、例えば従来の切削ド
リル加工技術を用いて削成される。ここで、内部空間３
４内に存在する中空空間形成体を通って、隣接する第２
の固定電解質１６内にまでドリル削成される。拡散バリ
ヤ３１のシリンダ壁３３は孔直径Ｄ１から後退し、引っ
込んでいるので、ガス流入孔２５の形成に使用されるド
リルが拡散バリヤ３１に接触しない。それにより、固定
電解質１４の材料が、拡散バリヤ３１のシリンダ壁３３
における孔を塗りつぶして駄目にしたり、付加すること
が回避される。それと同時にガス流入孔２５の内壁と、
拡散バリヤ３１のシリンダ壁３３との間の間隔が次のこ
とを保証する、すなわち、拡散孔２５の形成のため、セ
ンタリングトレランスが設けられ、該センタリングトレ
ランスは、０．４ｍｍの直径Ｄ１及び０．６ｍｍの内径
の場合半径方向で０．１ｍｍであることを保証するもの
である。０．１２５ｍｍのセンタリングトレランスは、
０．４ｍｍのＤ１及び０．６５ｍｍのＤ２の場合得られ
る。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、従来の技術の欠点を回
避し、ガス流入孔の作製の際、固体電解質の材料が拡散
バリヤの婦負部シリンダ壁における孔を塗りつぶして駄
目にしないようにすることができるという効果が奏され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサ素子の実施例の横断面図。

【符号の説明】

１１ ポンプセル １２ 測定セル １４ 固定電解質シート １６ 固定電解質シート １８ 電極 １９ 電極 ２１ 測定ガス空間 ２３ 電極 ２５ ガス流入孔 ３１ 拡散バリヤ ３４ 内部空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーラルト ノイマン アメリカ合衆国 ミシガン ファーミント ン ヒルズ ヒルズ テック ドライヴ 38000 (72)発明者 ロタール ディール ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト グ ルーベネッカー 141

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス混合気のラムダ値を求めるためのセ
   ンサ素子であって、固体電解質上に配された内部及び外
   部ポンプ電極を有し、ここで、内部ポンプ電極は、拡散
   バリヤにより画された拡散チャネル内に設けられてお
   り、ここで、ガス流入孔が実質的に固体電解質シートの
   表面に対して垂直方向に、固体電解質シートを通って拡
   散チャネル内へ通じている当該のセンサ素子において、
   拡散バリヤ（３１）は、ガス流入孔（２５）の内壁から
   後退した、引っ込んだところに拡散チャネル（３０）内
   に配されていることを特徴とするガス混合気のラムダ値
   を求めるためのセンサ素子。
2. 【請求項２】 拡散バリヤ（３１）にはガス混合気の拡
   散方向で拡散チャネル（３０）内に空間（３４）が前置
   して設けられており、この空間（３４）にはガス流入孔
   （２５）が通じている請求項１記載のセンサ素子。
3. 【請求項３】 拡散バリヤ（３１）は、ガス流入孔（２
   ５）の壁からほぼ０．１〜０．３ｍｍ引っ込んだところ
   に設けられている請求項１記載のセンサ素子。
4. 【請求項４】 拡散バリヤ（３１）はリング状にガス流
   入孔（２５）の周りに形成されている請求項１から３ま
   でのいずれか１項記載のセンサ素子。
5. 【請求項５】 拡散バリヤ（３１）は、０．５〜０．８
   ｍｍの内径（Ｄ２）を有し、ガス流入孔（２５）は０．
   ３〜０．５ｍｍの直径（Ｄ１）を有する請求項４記載の
   センサ素子。
6. 【請求項６】 リング状の拡散バリヤ（３１）の外径
   は、ほぼ２ｍｍである請求項４記載のセンサ素子。
7. 【請求項７】 拡散バリヤ（３１）は、ガス混合気の拡
   散方向で内部ポンプ電極（１９）の前に配されており、
   ここで、内部ポンプ電極（１９）には拡散チャネル（３
   ０）内に１つの中空空間が測定ガス空間（２１）として
   前置されている請求項１記載のセンサ素子。
8. 【請求項８】 請求項１から７までのいずれか１項記載
   のセンサ素子の作製方法において、センサ素子の焼結の
   前に、拡散バリヤ（３１）に前置された空間（３４）の
   形成のため当該の空間（３４）は中空空間形成体で充填
   され、ここで中空空間形成体は、焼結の際蒸発するよう
   にしたことを特徴とするセンサ素子の作製方法。
9. 【請求項９】 空間（３４）の形成のための中空空間形
   成体は、測定空間（２１）に対するさらなる中空空間の
   形成のためのさらなる中空空間形成体と共に被着される
   ようにした請求項８記載の方法。