JP2003519382A - ガスセンサー、殊にラムダゾンデ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ラミネートとして形成された本体を有するガスセンサーまたはラムダゾンデの参照空気通路は、相応する構造化された層を隣接層上に、例えばスクリーン印刷によって印刷することにより、印刷技術的に製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 技術分野 本発明は、焼結セラミックラミネートとして形成された本体およびその中でラ
ミネートの層内に配置された参照空気通路を備え、このラミネートの層の片面に
ラミネート中に配置されたかまたは埋設された電気抵抗加熱部が設けられており
、別の面に電極装置が設けられており、この電極装置が参照空気通路の境界壁面
の内側に配置された、少なくとも範囲的にガスに対して透過性の少なくとも１つ
の参照電極および検知することができるガスが衝突しうるネルンスト電極を備え
、このネルンスト電極が同様に少なくとも範囲的にガスに対して透過性に形成さ
れており、イオン、殊に酸素イオンに対して導電性で透過性の固体電解質層によ
って参照電極と別個にされているガスセンサー、殊にラムダゾンデに関する。

【０００２】 現在の内燃機関の排ガス系は、殊に自動車の場合に規則的に有害な排ガスを接
触分解するための触媒を備えている。触媒を良好に機能させるためには、エンジ
ンに空気および燃料を所定の割合で供給することが必要とされる。そのために設
けられたエンジン制御は、入口側で所謂ラムダゾンデと結合し、このラムダゾン
デの信号は、排ガスの組成を記載し、従ってエンジンの制御は、触媒に最適な方
法で燃料と燃焼空気との比を制御することを可能にする。

【０００３】 前記との関連で、２つの概念は、公知である。

【０００４】 １つの概念の場合には、化学量論的な燃焼を達成しようと努力されており、即
ち燃焼空気中の酸素量は、供給された燃料の完全な燃焼のための酸素需要量に正
確に相当する。即ち、エンジンの運転は、酸素過剰量（λ＞１）でも行なわれな
いし、酸素不足量（λ＜１）でも行なわれない。それに応じて、この運転方法は
、λ＝１によって特性決定されることができる。

【０００５】 この化学量論的な燃焼のためには、排ガスを検知する場合、狭いバンドで仕事
をするラムダゾンデで十分であり、この場合ネルンスト電極は、排ガスの直前で
十分に反応作用される。

【０００６】 この場合には、エンジンの制御によって、参照電極とネルンスト電極との間で
測定されうる、酸素イオンの拡散によって発生された電圧は、λ＝１の周囲の値
を極めて強く変動させ、それに応じて酸素不足量を用いての運転形式の方向なら
びに酸素過剰量を用いての運転形式の方向で化学量論的燃焼を用いての望ましい
運転形式からのずれを示す、１つの信号が使用されるという効果が利用される。

【０００７】 この種のセンサーは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０１７４９
号明細書Ａ１に示されている。

【０００８】 別の概念の場合には、燃焼の際に酸素過剰量を有する内燃機関の主要な運転を
達成しようと努力されている。それというのも、それによって燃料消費は明らか
に減少されうるからである。しかし、酸素過剰量を有する燃焼の場合には、有害
な窒素酸化物が生成され、これは、制限された時間間隔でのみ自動車エンジンの
排ガスストランド中での所謂蓄積触媒によって吸収されうる。次に、それぞれ蓄
積触媒の吸収能が使い尽くされる前に、先に触媒中に蓄積された窒素酸化物を今
や排ガスストランド中に到達する不完全に燃焼された燃料成分によって窒素に還
元しうるために、エンジンの運転は、短時間で酸素不足量を有する燃焼に切換運
転される。この場合、エンジンの制御、即ち内燃機関は、λの値が１を上廻る時
間的に主要な運転形式とλの値が１未満である比較的に短時間の運転形式との間
で絶えず時間的に主要な運転形式で中断させて切換運転される。

【０００９】 λが強く変化する値を有するこの種の中断される運転形式には、幅広のバンド
で作業するラムダゾンデが必要である。

【００１０】 この種のラムダゾンデの場合には、ネルンスト電極は特殊な室中に配置されて
おり、この室は、ゾンデの本体内に配置された拡散区間に亘って排ガス流と関連
する。更に、この室内には、内部ポンプ電極が配置されており、この内部ポンプ
電極は、ネルンスト電極と電気的に結合されていてよく、かつその他の点で固体
電解質層によって外部ポンプ電極と共同作業し、この場合この外部ポンプ電極は
、排ガス流に十分に直接に晒されている。２個のポンプ電極が少なくとも範囲的
にガスに対して透過性であるように形成されている２個のポンプ電極の間に外部
電圧が印加される場合には、ポンプ電極間で酸素イオン電流が印加された電圧の
極性に依存する方向および電圧差に依存する強さで発生され、その結果、拡散室
内への排ガスの拡散流は、相応して制御される。更に、ポンプ電極間の外部電圧
またはポンプ電極間で酸素イオン電流に基づいて発生する電流は、制御器により
、参照電極とネルンスト電極との間で常に所定の目標値を有する電圧が維持され
たままであるように調節される。それによれば、ポンプ電極間で発生する電流の
極性および強さは、１つの信号であり、この信号は、排ガスの組成、ひいてはλ
値で補正されている。

【００１１】 この種のゾンデは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３７４４２０６号
明細書Ａ１に記載されている。

【００１２】 全ての前記ゾンデは、評価可能な信号を発生させることができるようにするた
めに、運転の間に加熱されていなければならない。従って、ラムダゾンデおよび
その他のガスセンサーは、規則的に電気抵抗加熱部を有し、この電気抵抗加熱部
は、ラミネートによって形成されたゾンデ本体の場合に層上に配置されているか
またはラミネートの層間に配置されている。

【００１３】 発明の利点 本発明によれば、参照空気通路を圧力技術的に構造化された層または層装置中
に形成させることが設けられている。

【００１４】 これは、参照空気通路のためにこれまでの通常の製造と比較して打抜きによっ
て生のセラミックフィルム中に実際に任意の小さな部分に分かれた形状物を得る
ことが可能になるという利点を提供する。

【００１５】 例えば、参照空気通路の輪郭は、一般に電気抵抗加熱部の蛇行した形の輪郭に
適合していてもよいかまたは層平面上に見て層平面に対して垂直方向にゾンデ本
体を貫通する、排ガスのための入口開口から離れていてもよい。

【００１６】 更に、参照空気の入口に対して設けられた、参照空気通路の開口を平面状に分
割しおよび／または参照空気通路を形成する層または層装置の長手方向の縁部に
移すことも可能であり、この場合層または層装置の層は、互いに無関係の部分に
分解されてもよく、この場合には、それによって完成費が増大することはない。

【００１７】 圧力技術的な製造を用いて可能になる、参照空気通路の僅かな横断面ならびに
層平面に対して垂直方向の参照空気通路の比較的に僅かな高さによって、参照空
気通路を収容している層または層装置の両側でゾンデ本体の部分間での良好な熱
伝導性の結合が得られ、したがって加熱の開始時に発生する熱応力は、ゾンデ本
体内で僅かなままであるかまたはゾンデ本体の特に迅速な加熱が可能になる。

【００１８】 その他の点では、参照空気通路を多孔質材料で充填することが設けられていて
もよく、したがって参照空気通路の両側でラミネート部分間でのなお良好な熱移
動が可能になる。

【００１９】 参照空気通路の圧力技術的な製造は、有利に加熱部を支持するかまたは包囲す
る層の参照空気通路に対向した面上および／または参照電極とネルンスト電極と
の間に配置された固体電解質層の参照電極を支持する面上で、熱時に硬化するペ
ースト状材料、殊に酸化ジルコニウムペーストを用いて参照空気通路のネガ型の
パターンが印刷されるように行なわれる。

【００２０】 付加的に、熱時に焼き払われるかまたは多孔質の構造体の形成下に焼灼される
多孔質の材料を用いて参照空気通路のポジ型の形状物を印刷することが設けられ
ている。こうして、特にラミネートの層平面に対して垂直方向の参照空気通路が
再現可能な高さを有することが確実に保証される。

【００２１】 即ち、総括的に云えば、本発明は、実際に任意の金銀線細工（filigrane）の
構造体を僅かな製造費で良好に再現可能であるように製造することができるよう
にするために、参照空気通路を圧力技術的な手段で製造するという一般的な思想
が実現されることを確認することができる。

【００２２】 本発明によるラムダゾンデの実施例は、図面に示されており、以下に詳説され
ている。

【００２３】 実施例 図１および図３によれば、図示されたラムダゾンデは、セラミックラミネート
として形成されている本体１を有する。ラミネートの複数の層は、生の状態で重
なり合って載置されているかまたは塗布されている。次に、ラミネートの圧縮後
または同時の圧縮下に行なうことができる、次の焼結によって、硬質のセラミッ
ク本体１が製造される。

【００２４】 図１および図３の例において、下部層２は、酸化ジルコニウムからの厚手のフ
ィルムの形で設けられている。この下部層の上には、電気絶縁性二重層３が存在
し、この電気絶縁性二重層中には、電気抵抗加熱部４ならびに電流供給に属する
導体路が埋設されている。更に、スクリーン印刷によって製造されかつパターン
化された、例えば酸化ジルコニウムペーストからなる層５が存在する。この層内
には、参照空気通路６が空けられており、この参照空気通路の輪郭は、例示的に
図２に示されており、さらに下記になお詳説されている。この参照空気通路６は
、図１の切断面の範囲内で互いに関連する２個の端部領域６′を有する。

【００２５】 層５上には、例えば酸化イットリウムが添加されている酸化ジルコニウムから
のフィルムの形の固体電解質層７が存在する。少なくとも参照空気通路６の端部
領域６′の範囲内で、層７の参照空気通路６に対向した面上または層５と７との
間に多孔質の白金材料からなる、ガスに対して透過性の層状参照電極８が配置さ
れており、この層状参照電極は、それに続く層状導体路８′（図２参照）上で本
体１の下記に詳説された他の接点と結合されている。

【００２６】 固体電解質層７上には、圧力技術的に構造化された薄手の層９が存在し、この
層も、例えば酸化ジルコニウムペーストから製造されている。この層９は、大き
な切欠を有し、この切欠は、本体の層に対して垂直方向に本体１を貫通する排ガ
ス入口開口１０に対して同心的に配置されている。記載された切欠内には、環状
空間１１を空けたままで多孔質材料１２が析出されている。

【００２７】 固体電解質層７は、環状空間１１の範囲内で多孔質白金材料からなる、ガスに
対して透過性の層状ネルンスト電極１３を支持している。

【００２８】 層９または多孔質材料１２上には、例えば酸化イットリウムが混合されている
酸化ジルコニウムからなるフィルムの形のもう１つの固体電解質層１４が存在す
る。この層１４は、環状空間１１に対向した面上ならびに環状空間１１から離反
した面上で、少なくとも範囲的に多孔質の白金材料からなる、ガスに対して透過
性の内部ポンプ電極１５および外部ポンプ電極１６を支持しており、この場合こ
れらの電極１５および１６は、本体１の層平面上に見て環状空間１１を少なくと
も本質的に覆うように形成されている。層１４上には、なおガス透過性の保護層
１７が存在する。

【００２９】 抵抗加熱部４ならびに種々の電極８、１３、１５および１６を電気的に外側か
ら得ることができるようにするために、本体１の参照空気側の端部には、接点翼
（Kontaktfahnen）（図示されていない）が配置されており、この接点翼は、１
つ以上の層を貫通するスルーホールめっき部およびそれに続く、隣接した層の間
で延在する、一般に圧力技術的に得られた導体路上で抵抗加熱部４または電極８
、１３、１５および１６と結合している。

【００３０】 図３によれば、下部層２を貫通するスルーホールめっき部１８は、電気抵抗加
熱部４の接続のために設けられている。図示された例において、このスルーホー
ルめっき部１８は、環状または円筒状の形を有する。

【００３１】 更に、参照電極８には、層５の上方の層を貫通するスルーホールめっき部１９
が設けられており、このスルーホールめっき部は、同様に環状または円筒状に形
成されている。この場合、スルーホールめっき部１８および１９は、互いに同軸
に配置されていてもよい。

【００３２】 層５の僅かな層厚およびそれに応じてスルーホールめっき部の互いに対向した
端部とそれと同軸のスルーホールめっき部１８との間の僅かな距離にも拘わらず
、確実な電気絶縁を保証するために、層５の電気絶縁材料は、スルーホールめっ
き部１９中に吸引されており、したがって図３において、スルーホールめっき部
１９の下端部は、電気絶縁材料によって完全に覆われている。

【００３３】 層９、１４および１７を貫通するスルーホールめっき部２０は、ネルンスト電
極１３ならびに内部ポンプ電極１５と電気的に結合されている。外部ポンプ電極
１６は、保護層１７を貫通している（図示されていない）導体路を介して接点２
１と結合されている。

【００３４】 次に、図２につき、層７上の層５の圧力技術的な製造および構造化が詳説され
る。

【００３５】 最初に、フィルム状の層７上に参照電極８ならびに属する導体路８′が印刷さ
れ、典型的には、スクリーン印刷によって印刷される。次に、層５の材料を用い
て参照空気通路６ならびにその端部片６′および場合によっては存在する平面上
の開口６′′のネガ型の画像が塗布される。これは、同様に相応するマスクを使
用しながらスクリーン印刷によって行なわれ、この場合には、極めて金銀線細工
の構造体および場合によってはそれに関連しない構造体を製造することができる
ことは、注目すべきことである。

【００３６】 固体電解質層７の被覆を層５の材料を用いて行なう場合には、層７は、既に図
１および３において層７の上方に存在する層と一緒に積み重ねられている。更に
、また既にスルーホールめっき部１９が配置されている。それに応じて、層５の
材料は、スルーホールめっき部１９でその内部空間内に吸引されることができ、
したがってこの内部空間は、少なくとも図３において材料５′の下部範囲内で被
覆され、ひいては後にスルーホールめっき部１９に対して同軸のスルーホールめ
っき部１８に対して電気的に確実に絶縁される。それによって、殊に汚染により
互いに同軸のスルーホールめっき部１８と１９の間の導電性結合を得ることがで
きないことが保証される。

【００３７】 場合によっては、層７上に付加的に参照空気通路６ならびにその端部片６′お
よび開口６′′のポジ型の画像を、本体１の焼結の際に溶解しているかまたは焼
き去られる材料で印刷することができるかまたは良好にガス透過性の多孔質構造
体を形成する材料で印刷することができる。

【００３８】 原則的には、層３を層７に対する鏡像として層５の材料および場合によっては
参照空気通路６ならびにその部分６′および６′′のポジ型の画像のために設け
られた材料を用いて印刷することも可能である。こうして、層５は、高められた
厚さで得ることができる。

【００３９】 前記ラムダゾンデは、次のような機能を有している： 排ガス入口開口１０を有する、本体１の端部は、排ガス流中に配置されている
かまたは内燃機関の排ガス流と関連する範囲内に配置されており、他方、本体１
の別の端部は、参照空気、一般に大気によって衝突される。

【００４０】 参照空気は、参照空気通路６またはその開口６′′を介して参照空気通路の端
部片６′にまで到達する。排ガスは、排ガス入口開口１０を介して多孔質材料１
２に到達し、この多孔質材料を通して、排ガスは、環状空間１１中に拡散する。

【００４１】 本体１を電気抵抗加熱部４により十分に加熱する場合には、参照電極８とネル
ンスト電極１３との間、ひいてはスルーホールめっき部１９と２０との間に電圧
を印加することができ、この電圧の規模は、参照空気通路の端部片６′内の酸素
分圧ならびに環状空間１１内の酸素分圧に依存する。この場合には、前記電極８
および１３の白金材料が酸素イオンの形成を促進させるかまたは可能にするとい
う効果が利用され、その結果、固体電解質層７内には、電極８および１３での酸
素イオンの濃度に依存するイオン拡散が起こり、このイオン拡散は、電極８と１
３との間で電位差を生じる。

【００４２】 環状空間１１内での酸素分圧は、制御可能な極性を有する外部電圧がポンプ電
極１５と１６との間に印加されることによって制御されることができる。相応す
る電圧源は、スルーホールめっき部２０または接点２１に接続されている。この
場合も、電極１５および１６の白金材料により酸素イオンの形成を生じ、次に電
極１５と１６との間の外部電圧によって、固体電解質層１４により拡散する酸素
イオン流が電圧およびその極性に依存する強さおよび方向で発生されるという効
果が利用されている。この場合には、ポンプ電極１５と１６との間に電流が印加
される。

【００４３】 更に、電圧、ひいては電流は、ポンプ電極１５と１６との間で制御器により、
参照電極８とネルンスト電極１３との間に印加可能な電圧が常に確定された目標
値に相当するように制御される。従って、ポンプ電極１５と１６との間に印加可
能な電流は、参照空気に対する排ガスの酸素含量に対する１つの基準である。

【００４４】 内部ポンプ電極１５と比較して外部ポンプ電極１６が電気的にプラスの電位で
ある場合には、運転比は、λ＞１である。反対の極性の場合には、運転比はλ＜
１であり、この場合電極１５と１６との間に印加可能な電流の大きさは、λの大
きさで補正されている。

【００４５】 λの値は、値の大きな範囲内で検出されることができる。

【００４６】 冒頭に記載された狭いバンドで運転されるラムダゾンデの場合、外部保護層１
７は、ネルンスト電極１３の上方にあり、即ち層９および１４ならびにポンプ電
極１５および１６は、図１および３の場合とは異なり省略されている。この場合
、電極８と１３との間に印加可能な電圧は、排ガスの酸素分圧のための１つの大
きさである。

【００４７】 ラムダゾンデの構造形式とは無関係に、狭いバンドまたは幅広のバンドの測定
に関連して、参照空気通路６ならびにその部分６′および６′′は、上記の方法
で構造化された層５の圧力技術的な析出によって製造されることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ゾンデ本体の排ガス流中に突入している端部の範囲内で幅広のバンドで作業す
るラムダゾンデの図２中の切断線Ｉ−Ｉに相当する横断面を示す略図。

【図２】 参照電極とネルンスト電極との間の固体電解質層上の図１中の矢印ＩＩに相当
し、この場合圧力技術的に前記の層上に塗布された層の輪郭が参照空気通路に関
連して示されている略示平面図。

【図３】 ゾンデ本体の参照空気側の端部を図１の切断面と平行な横断面で示す略図。

【符号の説明】

１ 本体、 ２ 下部層、 ３ 電気絶縁性二重層、 ４ 電気抵抗加熱部、
５ 酸化ジルコニウムペーストからなる層、 ５′ 電気絶縁被覆、 ６ 参
照空気通路、 ６′ 参照空気通路の端部片、 ６′′ 参照空気通路の開口、
７ 固体電解質層、 ８ ガスに対して透過性の層状参照電極、 ８′ 層状
導体路、 ９ 薄手の層、 １０ 排ガス入口開口、 １１ 環状空間、 １２
多孔質材料、 １３ ネルンスト電極、 １４ 固体電解質層、 １５ 内部
ポンプ電極、 １６ 外部ポンプ電極、 １７ 外部保護層、 １８ スルーホ
ールめっき部、 １９ スルーホールめっき部、 ２０ スルーホールめっき部
、 ２１ 接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨーゼフ ヒックル ドイツ連邦共和国 ビーティヒハイム−ビ ッシンゲン ヤーンシュトラーセ 97 (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 ゲルハルト シュナイダー ドイツ連邦共和国 ペットシュタット ボ ーゲンシュトラーセ ２アー (72)発明者 ハンス−ヨエルク レンツ ドイツ連邦共和国 ラインフェルデン−エ ヒターディンゲン ウールベルクシュトラ ーセ ５ (72)発明者 ハラルト ノイマン ドイツ連邦共和国 オーバーリーキシンゲ ン ビルケンヴェーク ４ (72)発明者 ローター ディール ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト グ ルーベンエッカー 141 (72)発明者 ユルゲン カーレ ドイツ連邦共和国 ルーテスハイム ザル ツブルガー シュトラーセ 12 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BE13 BE22 BH15 BJ02 BM07

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結セラミックラミネートとして形成された本体（１）およ
   びその中でラミネートの層（５）内に配置された参照空気通路（６）を備え、こ
   のラミネートの層の片面にラミネート中に電気絶縁されて埋設された電気抵抗加
   熱部（４）が設けられており、別の面に電極装置（８、１３；１５、１６）が設
   けられており、この電極装置が参照空気通路の境界壁面の内側に配置された、少
   なくとも範囲的にガスに対して透過性の少なくとも１つの参照電極および検知す
   ることができるガスが衝突しうるネルンスト電極（１３）を備え、このネルンス
   ト電極が同様に少なくとも範囲的にガスに対して透過性に形成されており、イオ
   ン、殊に酸素イオンに対して導電性で透過性の固体電解質層（７）によって参照
   電極（８）と別個にされているガスセンサー、殊にラムダゾンデにおいて、参照
   空気通路（６）が印刷技術的、殊にスクリーン印刷によってパターン化されて得
   られた層または層装置（５）中に形成されていることを特徴とする、ガスセンサ
   ー、殊にラムダゾンデ。
2. 【請求項２】 電気抵抗加熱部（４）に参照空気通路（６）またはその一部
   分（６′）を包囲するように参照空気通路と比較して印刷技術的にパターン化さ
   れた層（５）の大面積の範囲が抵抗加熱部と参照電極およびネルンスト電極（８
   、１３）の間の電解質層（７）との熱伝導性カップリングのために設けられてい
   る、請求項１記載のガスセンサー。
3. 【請求項３】 参照空気通路（６）が多孔質の良好にガス透過性の材料で充
   填されている、請求項１または２記載のガスセンサー。
4. 【請求項４】 参照空気通路（６）がラミネートの層平面上に見て本体（１
   ）に配置された、層平面に対して垂直方向の入口開口（１０）の外側で検知すべ
   きガスのために配置されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のガ
   スセンサー。
5. 【請求項５】 参照空気通路（６）がラミネートの層平面上に見てスルーホ
   ールめっき部（１８〜２０）の外側に配置されており、このスルーホールめっき
   部は、電極（８、１３、１５、１６）またはそれと電気的に結合された導体路を
   外側で本体（１）に配置された接点と結合するかまたはそれ自体形成されている
   、請求項１から４までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
6. 【請求項６】 参照空気通路（６）が通路を有する層（５）の少なくとも１
   つの長手方向面に外向きに開口している（開口６′′）、請求項１から５までの
   いずれか１項に記載のガスセンサー。
7. 【請求項７】 参照空気通路（６）が参照空気の侵入のために扇状に配置さ
   れた開口（６′′）を有する、請求項１から６までのいずれか１項に記載のガス
   センサー。
8. 【請求項８】 層平面上に見て環状の横断面を有する、１つ以上の層を貫通
   するスルーホールめっき部（１９）に電気絶縁被覆（５′）が設けられている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
9. 【請求項９】 参照空気通路を有する層（５）がスルーホールめっき部（１
   ９）の被覆（５′）と同じ材料からなる、請求項８記載のガスセンサー。
10. 【請求項１０】 請求項１から９までのいずれか１項に記載のガスセンサー
    を製造する方法において、参照空気通路（６）に対向した、抵抗加熱部（４）の
    面上で支持されるかまたは包囲される層（３）上および／または参照電極とネル
    ンスト電極（８、１３）との間に配置された固体電解質層（７）上に参照空気通
    路（６）のネガ型パターンを熱時に硬化される材料、例えば酸化ジルコニウムペ
    ーストを用いて印刷することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項
    に記載のガスセンサーを製造する方法。
11. 【請求項１１】 付加的に参照空気通路（６）のポジ型パターンを、熱時下
    に焼灼されるかまたは良好にガス透過性の多孔質構造体に移行する材料を用いて
    印刷する、請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 材料の塗布をスクリーン印刷によって行なう、請求項１０
    または１１記載の方法。