JP2003207484A - ガス測定フィーラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多孔質の保護層が第１の固体電解質から電気
的に絶縁されているようにする。 【解決手段】 多孔質の保護層４４ａと第１の固体電解
質２１との間で第１の電極４１ａの側方の領域に絶縁層
５０ａ，５１ａが配置されているようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有利には、測定ガ
ス、特に内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分
の物理的な特性を検出するためのガス測定フィーラであ
って、センサ素子が設けられており、該センサ素子が、
第１の固体電解質を有しており、該第１の固体電解質に
第１の電極が配置されており、該第１の電極が、多孔質
の保護層によってカバーされている形式のものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】このような形式のガス測定フィーラは、
内燃機関の排ガス分析での使用のために、たとえばドイ
ツ連邦共和国特許第１００３５０３６号明細書に記載さ
れている。ガス測定フィーラは自動車機関内の燃焼混合
気の空燃比を調整するために働き、広域酸素センサとし
て知られている。

【０００３】ガス測定フィーラは、濃淡セル（ネルンス
トセル）が電気化学的なポンプセルに組み合わされたセ
ンサ素子を有している。濃淡セルは、測定ガス領域に配
置された測定電極と、基準ガス領域に配置された基準電
極とを有している。両電極は、酸素イオン伝導性の第１
の固体電解質を介して電気的に接続されている。測定ガ
ス領域はガス流入孔と拡散バリヤとを介してセンサ素子
の外部の排ガスに接続されている。基準ガス領域は、セ
ンサ素子の、測定ガス領域とは反対の側に設けられた開
口を介して基準大気に接続されている。測定ガス領域と
基準ガス領域とは、層システムとして形成されたセンサ
素子の同一の層平面に位置していて、分離体によってガ
ス密に分離されている。測定電極と基準電極との間に
は、いわゆる「ネルンスト電圧」が形成される。このネ
ルンスト電圧からは、基準ガス領域内の酸素分圧に対す
る測定ガス領域内の酸素分圧の比率を検出することがで
きる。

【０００４】ポンプセルは、測定ガス領域で第１の固体
電解質に配置された内側ポンプ電極と、第１の固体電解
質の、排ガスに向かい合って位置する面に配置された外
側ポンプ電極とを有している。この場合、内側ポンプ電
極と測定電極とは合致していてよいかまたは電気的に接
続されていてよい。ポンプ電圧を印加することによっ
て、酸素イオンが両ポンプ電極と第１の固体電解質とを
介して測定ガス領域から排ガス中にポンピングされるか
または逆に排ガスから測定ガス領域内にポンピングされ
る。ポンプ電圧は外側の回路によって、予め規定された
酸素分圧が測定ガス領域に生ぜしめられるように調整さ
れる。この酸素分圧は、規定されたネルンスト電圧に相
当している。ポンプ電圧は、ポンプセルに流れたポンプ
電流が、拡散バリヤを通って運動する酸素分子の拡散電
流によって制限されているように調整され、この拡散電
流が排ガスの酸素濃度に比例してるので、ポンプ電流か
ら排ガスの酸素分圧を検出することができる。

【０００５】さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第
１９８５３６０１号明細書に基づき、第２の外側ポンプ
電極を保護層によってカバーすることが公知である。こ
の保護層は多孔質に形成されていて、これによって、外
側ポンプ電極への排ガスの流入を可能にしている。保護
層は固体電解質、たとえばイットリウムによってドーピ
ングされた酸化ジルコニウムを有していて、これによっ
て、酸素イオン伝導性である。

【０００６】公知のガス測定フィーラには、保護層が固
体電解質に電気的に接続されているという欠点がある。
これによって、センサ信号が、特にλ＞１からλ＜１へ
のまたは逆にλ＜１からλ＞１への排ガス組成の変化時
にオーバシュート（いわゆる「λ＝１−リプル」）を示
してしまう。この信号妨害によって、センサ信号の評価
が困難となる。さらに、保護層は、生産技術的に生ぜし
められた製造ばらつきにさらされている。保護層の特性
の変化時には、センサ素子の電位比が変化し得る。これ
によって、測定信号が悪化され得る。

【０００７】

【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許第１００３５０３
６号明細書

【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８
５３６０１号明細書

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、冒頭で述べた形式のガス測定フィーラを改良し
て、多孔質の保護層が第１の固体電解質から電気的に絶
縁されているようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、多孔質の保護層と第１の固体電解
質との間で第１の電極の側方の領域に絶縁層が配置され
ているようにした。

【００１０】

【発明の効果】独立請求項に記載した本発明によるガス
測定フィーラは、多孔質の保護層が、第１の固体電解質
に配置された第１の電極の上方で第１の固体電解質から
少なくとも十分に電気的に分離されているという利点を
有している。このためには、絶縁層が設けられている。
この絶縁層は第１の固体電解質に配置されていて、第１
の電極を側方で取り囲んでいる。これによって、少なく
とも第１の電極の側方の領域で多孔質の保護層が第１の
固体電解質から電気的に絶縁されていることが保証され
ている。

【００１１】従属請求項に記載した手段によって、独立
請求項に記載したガス測定フィーラの有利な構成および
改良形が可能となる。

【００１２】絶縁層が第１の電極に直接隣接している
と、第１の固体電解質への多孔質の保護層の電気的な接
続が特に効果的に減少させられる。なぜならば、第１の
電極のすぐ側方の領域での接続が絶縁層の欠落時には特
に大きいからである。

【００１３】本発明の変化形によれば、多孔質の保護層
が、第１の電極と絶縁層とをカバーしていて、第１の電
極および絶縁層の側方の領域で第１の固体電解質に直接
接触している。多孔質の保護層を第１の固体電解質に直
接接触させることによって、第１の固体電解質に設けら
れた第１の電極と絶縁層との確実な結合が保証されてい
る。さらに、絶縁層によって、多孔質の保護層が第１の
固体電解質に電気的に接続されている領域が減少させら
れる。これによって、センサ信号に与えられる多孔質の
保護層の影響が十分に減少させられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。

【００１５】図１には、公知先行技術による広域酸素セ
ンサのセンサ素子１０が示してある。このセンサ素子１
０は層システムとして形成されていて、第１の固体電解
質２１と、第２の固体電解質２２と、第３の固体電解質
２３とを有している。第１の固体電解質２１にはガス流
入開口３６が加工成形されている。第１の固体電解質２
１と第２の固体電解質２２との間には、測定ガス領域３
１と、基準ガス領域３２と、分離体３３と、拡散バリヤ
３４と、シールフレーム３５とが配置されている。分離
体３３は測定ガス領域３１と基準ガス領域３２との間の
ガス密なバリヤを形成している。中空円筒状の扁平な測
定ガス領域３１の中央には、同じく中空円筒状の拡散バ
リヤ３４が配置されている。この拡散バリヤ３４の中央
にはガス流入開口３６が開口している。測定ガスはガス
流入開口３６を通って拡散バリヤ３４を介して測定ガス
領域３１に到達することができる。通路状の基準ガス領
域３２は多孔質の材料を有していて、センサ素子１０の
測定領域とは反対の側で基準大気に接続されている。測
定ガス領域３１と基準ガス領域３２とはガス密なシール
フレーム３５によって側方で取り囲まれている。

【００１６】第１の固体電解質２１の外面２４には環状
の第１の電極４１（外側ポンプ電極）が配置されてい
る。この第１の電極４１は多孔質の保護層４４によって
カバーされている。第１の固体電解質２１の、外面２４
とは反対の側に位置する大面２５には環状の第２の電極
４２（測定電極、内側ポンプ電極）が設けられている。
この第２の電極４２は測定ガス領域３１に接触してい
る。基準ガス領域３２には、第２の電極４２の層平面で
第３の電極４３（基準電極）が設けられている。第１の
電極４１は第２の電極４２と共にポンプセルを形成して
いる。このポンプセルは外側の回路によって酸素を測定
ガス領域３１の内部にまたは測定ガス領域３１の外部に
ポンピングする。外側の回路によってポンプセルに印加
されたポンプ電圧は、予め規定された酸素分圧が測定ガ
ス領域３１に付与されるように調整される。有利には、
λ（空気過剰率）＝１の酸素分圧が調整される、すなわ
ち、酸素分圧が理論空燃比に相当している。

【００１７】測定ガス領域３１に付与された酸素分圧
は、第２の電極４２と第３の電極４３とによって形成さ
れたネルンストセルによって規定される。このネルンス
トセルによって、測定ガス領域３１内のかつ基準ガス領
域３２内の互いに異なる酸素分圧により生ぜしめられる
ネルンスト電圧が測定される。このネルンスト電圧は、
上述したように、ポンプ電圧を調整するために使用され
る。

【００１８】第２の固体電解質２２と第３の固体電解質
２３との間にはヒータ３７が配置されている。このヒー
タ３７はヒータ絶縁体３８によって、全周にわたって延
びる固体電解質２２，２３から電気的に絶縁されてい
る。

【００１９】図２ａ、図２ｂ、図３および図４に示した
本発明によるセンサ素子の実施例では、互いに相応する
エレメントに図１と同じ符号が付してある。本発明によ
るセンサ素子の実施例は、第１の固体電解質２１に外側
の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁層５１
ａ，５１ｂ，５１ｃとが設けられている点で公知先行技
術による図１に示したセンサ素子と異なっている。外側
の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁層５１
ａ，５１ｂ，５１ｃとは、第１の固体電解質２１に配置
された第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃを側方で取り
囲んでいる。この第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃは
多孔質の保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃによってカバー
されている。また、この多孔質の保護層４４ａ，４４
ｂ，４４ｃは、第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃに直
接接続された外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃも内
側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃも少なくとも部分的
にカバーしている。これによって、保護層４４ａ，４４
ｂ，４４ｃは、少なくとも部分的に第１の電極４１ａ，
４１ｂ，４１ｃならびに外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，
５０ｃおよび内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃによ
って第１の固体電解質２１から分離されている。さら
に、外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁
層５１ａ，５１ｂ，５１ｃとによって、保護層４４ａ，
４４ｂ，４４ｃは第１の固体電解質２１から電気的に絶
縁されている。

【００２０】図２ａおよび図２ｂには、本発明の第１実
施例として、外面２４に被着された環状の第１の電極４
１ａを備えたセンサ素子１０が示してある。第１の電極
４１ａは、この第１の電極４１にまで延びる給電線路４
５を備えている。第１の電極４１ａに内外で隣接して、
同じく環状のそれぞれ１つの外側の絶縁層５０ａと内側
の絶縁層５１ａとが第１の固体電解質２１に被着されて
いる。したがって、外側の絶縁層５０ａと内側の絶縁層
５１ａとは中間室なしに第１の電極４１ａを側方で取り
囲んでいる。内側の絶縁層５１ａはガス流入開口３６に
まで達している。外側の絶縁層５０ａは、第１の電極４
１ａにまで延びる給電線路４５の領域に切欠きを有して
いる。また、給電線路４５が外側の絶縁層５０ａをカバ
ーしていることも可能である。両絶縁層５０ａ，５１ａ
と第１の電極４１ａとには保護層４４ａが被着されてい
る。この保護層４４ａは各箇所で第１の電極４１ａまた
は外側の絶縁層５０ａまたは内側の絶縁層５１ａによっ
て第１の固体電解質２１から分離されていて、第１の電
極４１ａを介してしか第１の固体電解質２１に電気的に
接続されていない。

【００２１】図３に示した本発明の第２実施例は、保護
層４４ｂが、第１の電極４１ｂと、外側の絶縁層５０ｂ
と、内側の絶縁層５１ｂとによってカバーされた領域よ
りも広幅に形成されている点で図２ａおよび図２ｂに示
した第１実施例と異なっている。これによって、保護層
４４ｂは、外側の絶縁層５０ｂの側方の領域でかつ内側
の絶縁層５１ｂとガス流入開口３６との間の領域で第１
の固体電解質２１に直接被着されている。

【００２２】図４には、本発明の第３実施例が示してあ
る。この第３実施例は、第１の電極４１ｃが部分的に外
側の絶縁層５０ｃと内側の絶縁層５１ｃとをカバーして
いる点で図２ａおよび図２ｂに示した第１実施例と異な
っている。すなわち、第１の電極４１ｃは環状の領域で
第１の固体電解質２１に直接被着されていて、この環状
の領域に隣接した外側の絶縁層５０ｃと内側の絶縁層５
１ｃとに少なくとも部分的にオーバラップしている。第
１の電極４１ｃと、外側の絶縁層５０ｃと、内側の絶縁
層５１ｃとは、本発明の第１実施例と同様に保護層４４
ｃによってカバーされている。

【００２３】本発明は、図面に示した実施例に限定され
ていない。したがって、第１の電極４１ａ，４１ｂ，４
１ｃの側方に外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ、５０ｃまた
は内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃしか設けられて
いなくてもよい。また、外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ、
５０ｃおよび／または内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５
１ｃが保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって部分的に
しかカバーされていなくてもよい。

【００２４】第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、両
絶縁層５０ａ，５０ｂ、５０ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１
ｃと、保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃとは、自体公知の
形式で、たとえばスクリーン印刷法によって基体（焼結
されていない状態の第１の固体電解質２１）に被着さ
れ、次いで、焼結される。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知先行技術によるセンサ素子の断面図であ
る。

【図２ａ】図２ｂに示したＩＩａ−ＩＩａ線による、本
発明によるセンサ素子の第１実施例の断面図である。

【図２ｂ】図２ａに示したＩＩｂ−ＩＩｂ線による、本
発明によるセンサ素子の第１実施例の断面図である。

【図３】本発明によるセンサ素子の第２実施例の断面図
である。

【図４】本発明によるセンサ素子の第３実施例の断面図
である。

【符号の説明】

１０ センサ素子、 ２１ 固体電解質、 ２２ 固体
電解質、 ２３ 固体電解質、 ２４ 外面、 ２５
大面、 ３１ 測定ガス領域、 ３２ 基準ガス領域、
３３ 分離体、 ３４ 拡散バリヤ、 ３５ シール
フレーム、 ３６ ガス流入開口、 ３７ ヒータ、
３８ ヒータ絶縁体、 ４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ
電極、 ４２ 電極、 ４３ 電極、 ４４，４４
ａ，４４ｂ，４４ｃ 保護層、 ４５ 給電線路、 ５
０ａ，５０ｂ，５０ｃ 絶縁層、５１ａ，５１ｂ，５１
ｃ 絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ヴァール ドイツ連邦共和国 プフォルツハイム マ クシミリアンシュトラーセ 40／42 (72)発明者 ヨハン リーゲル ドイツ連邦共和国 ビーティヒハイム−ビ ッシンゲン アイヒェンヴェーク 27 (72)発明者 ローター ディール ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン パノラ マシュトラーセ 73／２

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有利には、測定ガス、特に内燃機関の排
   ガスの少なくとも１つのガス成分の物理的な特性を検出
   するためのガス測定フィーラであって、センサ素子（１
   ０）が設けられており、該センサ素子（１０）が、第１
   の固体電解質（２１）を有しており、該第１の固体電解
   質（２１）に第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が
   配置されており、該第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１
   ｃ）が、多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）に
   よってカバーされている形式のものにおいて、多孔質の
   保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）と第１の固体電解質
   （２１）との間で第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１
   ｃ）の側方の領域に絶縁層（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，
   ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）が配置されていることを特徴
   とする、ガス測定フィーラ。
2. 【請求項２】 多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４
   ｃ）が、第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）に隣接
   している、請求項１記載のガス測定フィーラ。
3. 【請求項３】 多孔質の保護層（４４ａ，４４ｃ）が、
   第１の電極（４１ａ，４１ｃ）と絶縁層（５０ａ，５０
   ｃ，５１ａ，５１ｃ）とによって第１の固体電解質（２
   １）から完全に分離されていて、絶縁層（５０ａ，５０
   ｃ，５１ａ，５１ｃ）の領域で第１の固体電解質（２
   １）から電気的に絶縁されている、請求項１または２記
   載のガス測定フィーラ。
4. 【請求項４】 多孔質の保護層（４４ｂ）が、第１の電
   極（４１ｂ）と絶縁層（５０ｂ）とをカバーしていて、
   第１の電極（４１ｂ）および絶縁層（５０ｂ）の側方の
   領域で第１の固体電解質（２１）に直接接触している、
   請求項１または２記載のガス測定フィーラ。
5. 【請求項５】 第１の固体電解質（２１）が、ガス流入
   開口（３６）を有しており、該ガス流入開口（３６）を
   介してガスが、測定ガス領域（３１）に到達できるよう
   になっており、第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）
   が、切欠きを有しており、該切欠き内にガス流入開口
   （３６）が配置されている、請求項１から４までのいず
   れか１項記載のガス測定フィーラ。
6. 【請求項６】 第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）
   とガス流入開口（３６）との間の領域に内側の絶縁層
   （５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）が配置されており、かつ／
   または第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）の外縁部
   が、外側の絶縁層（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）によって
   取り囲まれている、請求項５記載のガス測定フィーラ。
7. 【請求項７】 第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）
   および／または内側の絶縁層（５１ａ，５１ｂ，５１
   ｃ）および／または保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）
   が、ガス流入開口（３６）の縁部にまで達している、請
   求項５または６記載のガス測定フィーラ。
8. 【請求項８】 多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４
   ｃ）が、イオン伝導性の材料、特にイットリウムによっ
   てドーピングされた酸化ジルコニウムを有しており、第
   １の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が、白金とセラミ
   ックス性の材料とを含有しており、絶縁層（５０ａ，５
   ０ｂ，５０ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）が、酸化アル
   ミニウムを有している、請求項１から７までのいずれか
   １項記載のガス測定フィーラ。
9. 【請求項９】 第１の固体電解質（２１）の、環状の第
   １の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が配置された領域
   が、センサ素子（１０）の外面（２４）を形成してお
   り、第１の固体電解質（２１）の、外面（２４）とは反
   対の側に位置する大面（２５）に測定ガス領域（３１）
   で環状の第２の電極（４２）が設けられており、測定ガ
   ス領域（３１）が、拡散バリヤ（３４）と、第１の固体
   電解質（２１）に加工成形されたガス流入開口（３６）
   とを介して、センサ素子（１０）の外部に位置する測定
   ガスに接触している、請求項１から８までのいずれか１
   項記載のガス測定フィーラ。
10. 【請求項１０】 測定ガス領域（３１）の層平面に基準
    ガス領域（３２）が設けられており、該基準ガス領域
    （３２）が、分離体（３３）によって測定ガス領域（３
    １）からガス密に分離されており、基準ガス領域（３
    ２）に第２の電極（４２）の層平面で第３の電極（４
    ３）が設けられており、測定ガス領域（３１）と基準ガ
    ス領域（３２）とが、第１の固体電解質（２１）と第２
    の固体電解質（２２）との間に配置されており、該第２
    の固体電解質（２２）と第３の固体電解質（２３）との
    間にヒータ（３７）が設けられており、該ヒータ（３
    ７）が、ヒータ絶縁体（３８）によって、全周にわたっ
    て延びる固体電解質（２２，２３）から電気的に絶縁さ
    れている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガ
    ス測定フィーラ。