JP2004004072A - 測定センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、内燃機関の燃焼残留物と排気ガス内に含まれる重金属とによる測定センサの汚染を防止することである。
【解決手段】上記課題は、排気ガスにさらされる外部電極を有するセンサ素子と、排気ガス用の貫通口部を備えた、前記センサ素子を包囲する保護管とを有する形式の、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサにおいて、前記外部電極には前記保護管とは逆に正電位を有する直流電圧が印加されるように構成することにより解決される。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスにさらされる外部電極を有するセンサ素子と、排気ガス用の貫通口部を備えた、センサ素子を包囲する保護管とを有する形式の、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラムダセンサとも呼ばれる、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサでは、車両走行中に、燃焼残留物と排気ガスに含まれている重金属、例えば、鉛、マンガン、亜鉛、カドミウム、マグネシウム、セリウム、ケイ素のような重金属とのゆえに、センサ素子上に堆積物が生じる。なお、排気ガスに含まれている重金属は、燃料内の添加物もしくは残留不純物、潤滑油及びエンジンブロック内のガスケットに由来するものである。このセンサ素子上の堆積物は、長い期間の間にセンサ素子に含まれている保護層及び拡散隔壁ならびに電極をガラス化してしまう。このいわゆる測定センサ汚染によりセンサ素子の機能は損なわれる。とういのも、有利には白金又は白金合金から成る電極が触媒作用を失ってしまうからである。
【０００３】
このいわゆるセンサ汚染に対処するために、公知のこの種の測定センサ（特許文献１）では、センサ素子の外部電極は耐熱性の保護酸化金属層でコーティングされている。なお、この保護層内には鉛を捕らえる安定した金属が均等に分布しており、これらの金属は、白金、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、金、及びこれらの合金のグループから成る。
【０００４】
【特許文献１】
ＥＰ　０　１５９　９０５　Ｂ１
【特許文献２】
ＤＥ　１９９　４１　０５１　Ａ１
【特許文献３】
ＤＥ　１９７　１４　２０３　Ｃ２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、内燃機関の燃焼残留物と排気ガス内に含まれる重金属とによる測定センサの汚染を防止することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、排気ガスにさらされる外部電極を有するセンサ素子と、排気ガス用の貫通口部を備えた、前記センサ素子を包囲する保護管とを有する形式の、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサにおいて、前記外部電極には前記保護管とは逆に正電位を有する直流電圧が印加されるように構成することにより解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の特徴を備えた本発明による測定センサの利点は、少ない追加コストで、保護管とは反対に正電位の電圧を、制御装置により誘導可能なセンサ素子の外部電極に印加するだけで、重金属による電極の汚染に対する信頼できる保護が得られることである。というのも、カソードとして作用する保護管は重金属の正荷電の金属イオン（陽イオン）を結合するからである。これにより、測定センサの寿命を格段に延ばすことができる。適切な電位の選択により、排気ガス内に後置されているさらに別のセンサ、例えば温度センサ、及び排気マニホルド内の触媒を汚染から保護することもできる。
【０００８】
請求項２に記載の特徴を備えた本発明による測定センサも同様に、センサ素子の汚染からの保護、ひいては測定センサの寿命の延長という利点を有している。ただし、製造コストが比較的高い。というのも、少なくとも１つの犠牲陰極を保護管の内壁又は外壁に取り付けるための付加的な製造過程が必要となるからである。通常は白金又は白金合金から成る外部電極の場合、犠牲陰極は、金、レニウム、ロジウムのような電気化学列において白金よりも「貴」な金属又はこれらの混合物が材料内で結合している材料から製造される。これらの金属は、ガルヴァーニ電池において白金とは逆に負の電位を帯びる。
【０００９】
請求項５に記載の特徴を備えた本発明による測定センサの利点は、センサ素子の汚染に対する保護手段がセンサ素子自体に取り付けられており、そのため測定センサへのセンサ素子の取り付け方とは無関係に保護が達成されることである。このためにセンサ本体に外側から取り付けられる捕獲電極は、とりわけプレーナ形のセンサ素子の場合、センサ素子の製造の際に低コストで製造される。その際、捕獲電極の電極面の材料費及びこの電極面のセンサ本体に対する必要な絶縁のための材料費がかかるだけである。付加的な製造ステップは必要ない。というのも、捕獲電極とその導電路は、レイアウトにおいて、抵抗加熱器の端子接点とともにプリントすることができるからである。捕獲電極は、抵抗加熱器に印加される電圧が比較的高いときには、大きな吸込電界ないし遮蔽電界を形成し、こうして排気ガスの汚染物質がセンサ本体に沈殿するのを防ぐ。
【００１０】
請求項９に記載の特徴を備えた本発明による測定センサの利点は、完全なレイアウトがセンサ素子の固体電解質部分にプリントされており、抵抗加熱器を有する担体層が不変であることである。本発明のある有利な実施形態によれば、測定センサは、担体層の外面に配置された請求項５による捕獲電極と、外部電極を環状に包囲する請求項９による捕獲電極とを備えている。
【００１１】
【実施例】
図１及び２に異なる断面図で示されている、例えば広帯域ラムダセンサとして形成された、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサのセンサ素子１０は、その構造及び作動方式の点で公知であり、例えば特許文献２に詳細に記載されている。このセンサ素子は、有利にはセラミック箔として実現された第１の固体電解質層１１を有しており、この固体電解質層上に、有利には白金又は白金合金から成る外部電極１２と内部電極１３がプリントされている。外部電極１２は、固体電解質層１１の表面上に延在する導電路１４を介して、電圧印加に使用されるコンタクト面１５と接続されている。導電路１４とコンタクト面１５との間、及び、導電路１４と固体電解質層１１との間には、絶縁層１６が配置されている。内燃機関の排気マニホルドへの測定センサの取り付け後に排気ガスにさらされる外部電極１２は、保護層１７によって覆われている。図２の断面図から分かるように、内部電極１３は、固体電解質層１１の下面にプリントされた導電路１８を介して、固体電解質層１１の上面にプリントされたコンタクト面１９と接続されている。図２に示されているように、導電路１８とコンタクト面１９との間の接続は、固体電解質層１１内の孔２０の中に設けられた貫通接続部２１を用いて行われる。固体電解質層１１の下面には、ペースト状のセラミック材をスクリーン印刷することにより、第２の固体電解質層２２がプリントされる。この第２の固体電解質層２２内には、公知のように、測定ガスチャンバ２３と基準ガスダクト２５が形成されている。なお、測定ガスチャンバ２３内には、内部電極１３が測定電極２４とともに配置されており、基準ガスダクト２５は、図示されていない導電路と貫通接続部２７とを介して、固体電解質層１１の上面に配置されたコンタクト面２８と電気的に接続されている。基準ガスダクト２５には基準エアが吹き込まれ、その一方で、測定ガスチャンバ２３は、公知のように、拡散隔壁２９と固体電解質層１１内に設けられた孔３０とを介して、内燃機関の排気ガスと接続されている。測定電極２４及び基準電極２６ならびに拡散隔壁２９は、同様にセラミック箔として実現された第３の固体電解質層３１上にプリントされている。
【００１２】
上記の接合された箔は担体層３２と貼り合わされている。なお、担体層３２は同様に固体電解質から成るものであってもよい。第３の固体電解質層３１の側を向いた担体層３２の表面には、抵抗加熱器３４が配置されており、この抵抗加熱器３４は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る絶縁部３９に埋め込まれている。抵抗加熱器３４は、電極１２，１３，２４，２６の領域内に配置されたメアンダー状の電熱線から成っている。なお、メアンダー状の電熱線は、平行な２つの導電路３４１を介して、担体層３２の下面に配置された２つの端子接点３５，３６に接続されている。図１では、一方の導電路３４１と一方の端子接点３５しか見えない。導電路３４１の端子接点３５，３６への接続は、また、担体層３２内の孔３７の中に設けられた貫通接続部３８によりそれぞれ行われる。端子接点３５，３６の下には絶縁層３３が敷かれている。ただし、絶縁層３３は、担体層３２の外面３２１において担体層３２の端部領域にプリントされている。
【００１３】
このようにして形成されたセンサ素子１０は、図３に一部示されているような測定センサのハウジング４０内で気密に使用され、接続ラインを介して制御装置接続用の接続コネクタに接続される。ハウジング４０内で使用されるセンサ素子１０を備えた測定センサの完全な構造は特許文献３に記載されている。センサ素子１０の測定側端部（図１及び２のセンサ素子の左側部分）は、ハウジング４０から突き出ている。測定側端部は、ハウジング４０の下側端部に固定された保護管４１によって包囲されている。保護管４１は複数の開口部４２を有しているため、排気マニホルド内を流れる排気ガスは開口部４２を介してセンサ素子１０と接触することができる。図３では、センサ素子１０において、外部電極１２を覆う保護層１７が除去されており、それゆえセンサ本体の上面に外部電極１２と外部電極１２に至る導電路１４とが見られる。
【００１４】
燃焼残留物と排気ガスに含まれる重金属との付着による、いわゆる測定センサ汚染を防ぐため、ならびに、それにより測定センサの寿命を格段に延ばすために、外部電極と保護管とに付加的な直流電圧が印加されている。この直流電圧は、外部電極１２に保護管４１とは反対に正の電位を与える。図３にスケッチされているように、このために電源４４から取られた直流電圧は正電位で外部電極１２に、負電位で測定センサのハウジング４０に印加される。なお、ハウジング４０は保護管４１と電気的に接続されている。センサ素子１０は、センサ素子１０を包囲するガスケット４３によって、ハウジング４０から絶縁されている。有利には、図３において電源４４により表されている、外部電極１２と保護管４１との間の直流電圧は、測定センサ用の制御装置において降下する。正荷電の金属イオン（陽イオン）は、測定センサの作動時に、外部電極１２とは反対に負電位を有する保護管４１に堆積し、それによりセンサ素子１０から大幅に遠ざかる。外部電極１２における適切な電位によって、排気ガス流内に後置されている排気ガスセンサ、例えば熱電センサ、及び排気ガス内の触媒を汚染から保護することができる。
【００１５】
図４に示されている上記測定センサの変形実施形態では、センサ素子１０の汚染を防ぐという同じ目的で、保護管４１に少なくとも１つの犠牲陰極４５が配置されている。図４の実施例では、複数の犠牲陰極４５が保護管４１の内側ないし内面に取り付けられているが、犠牲陰極４５を保護管４１の外面に取り付けることも可能である。各々の犠牲陰極４５は、外部電極１２の白金材よりも「貴」な金属又はそれらの混合物が材料内で結合している材料から成っている。このような「貴金属」は、金（Ａｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）のような電気化学列において白金よりも下の金属であり、したがって、外部電極１２と犠牲陰極４５との間には電位の降下が生じる。この材料は薄層の形で保護管４１の内面又は外面に蒸着される。保護管４１のこの実施形態においても、排気ガスからの自由金属イオンが「犠牲陰極」として作用する蒸着された薄い金属層に付着し、その結果、センサ素子の汚染が防止される。ただし、犠牲陰極４５は、完全にコーティングされると、電位の均衡が生じるため、保護作用を失ってしまう。
【００１６】
所定の適用ケースにおいて、保護管４１を上記目的のために利用すべき又は利用できるときには、センサ素子の汚染は、図５〜８にさまざまなバリエーションで変形されたセンサ素子構造によって対処される。図５に示されているように、図３の抵抗加熱器３４の側とは反対の方向を向いた、担体層３２の下側の外面３２１には、抵抗加熱器３４の領域に捕獲電極４６が取り付けられており、この捕獲電極４６は、図５の実施例においては、白金もしくは白金合金から成る網又は格子４９として実現されている。捕獲電極４６は薄い導電路４７を介して端子接点３５と接続されており、端子接点３５には加熱電圧の正電位が印加される。外面３２１と捕獲電極４６との間には、端子接点３５，３６の下にある絶縁層３３まで達する絶縁層４８が存在している。捕獲電極４６、端子接点３５，３６を有する導電路４７、及び絶縁層４８は、有利には印刷ステップにおいて製造される。図面上で絶縁層３３及び４８を強調するために、これらは図５及びそれに続く図６〜８においては斜線で表示されている。
【００１７】
格子４９として形成された捕獲電極４６は、図６に示されているように、薄い導電路４７を介して端子接点３６とも接続されており、端子接点３６には加熱電圧の負電位が印加される。
【００１８】
センサ素子１０の代替的実施形態においては、図７に示されているように、抵抗加熱器３４の領域に有利には同じ大きさの２つの捕獲電極４６及び４６’が配置されている。これら２つの捕獲電極４６及び４６’は、それぞれ１つの導電路４７を介して抵抗加熱器３４の端子接点３５ないし端子接点３６と接続されている。
【００１９】
担体層３２の外面３２１が捕獲電極４６の取り付けに使用できない場合には、捕獲電極４６は、固体電解質層１１の表面上で外部電極１２を包囲する白金からなるリング５０によって実現される。この場合、捕獲電極４６は薄い導電路５１を介して内部電極１３（図１及び２）の接触のためのコンタクト面１９に接続される。択一的に、センサ素子１０内の相応する貫通接続部を用いて、抵抗加熱器３４の正の端子接点３５又は負の端子接点３６を固体電解質層１１の表面に形成されたコンタクト面上に配置し、リング５０までの導電路５１をこのコンタクト面に接続してもよい。この場合、捕獲電極４６（リング５０）には加熱電圧の正又は負の電位が印加されている。リング５０として形成された捕獲電極４６と薄い導電路５１は、有利には外部電極１２の導電路１４とコンタクト面１９及び１８とのための絶縁層１６とともに固体電解質層１１にプリントされる絶縁層５２によって覆われている。
【００２０】
【外１】

【００２１】
図５によるセンサ素子１０を備えた測定センサでは、接地電位に置かれたハウジング４０と例えば１３Ｖの加熱電圧の正電位に接続された捕獲電極４６との間に、例えば２．６ｋＶ／ｍの強さの電界が生じる。図６によるセンサ素子１０を備えた測定センサでは、接地電位に置かれたハウジング４０と加熱電圧の負電位に接続された捕獲電極４６との間に、逆の電界が生じる。図６によるセンサ素子１０を備えた測定センサでは、電界は捕獲電極４６と４６’との間に形成され、電界の強さは、例えば加熱電圧が１３Ｖと仮定され且つ捕獲電極４６，４６’が相応の幾何学的構成を有している場合には、例えば１３ｋＶ／ｍとなる。図８によるセンサ素子１０を備えた測定センサでは、電界は外部電極１２とリング５０との間に形成され、例えばリング５０がコンタクト面１９に接続されたごきには、±５ｋＶ／ｍの強さを有し、リング５０が抵抗加熱器３４の端子接点３５又は３６に接続されたコンタクト面に接続されたときには、加熱電圧が比較的高いために、数値的に比較的大きな強さを有する。すべてのケースにおいて、排気ガスからの金属イオンが外部電極１２に堆積するの大幅に防止する吸込電界ないし遮蔽電界が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定センサのセンサ素子の縦断面を示す。
【図２】図１のセンサ素子を図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って部分的に切断した上面図を示す。
【図３】図１及び２によるセンサ素子が組み込まれた測定センサの一部を示す。
【図４】変形された測定センサを図３と同じように示す。
【図５】図１のセンサ素子を変形したセンサ素子の下面図を示す。
【図６】図１のセンサ素子を変形したセンサ素子の下面図を示す。
【図７】図１のセンサ素子を変形したセンサ素子の下面図を示す。
【図８】図１のセンサ素子を変形したさらに別のセンサ素子の上面図を示す。
【符号の説明】
１０　センサ素子
１１　固体電解質層
１２　外部電極
１３　内部電極
１４　導電路
１５　コンタクト面
１６　絶縁層
１７　保護層
１８　導電路
１９　コンタクト面
２０　孔
２１　貫通接続部
２２　固体電解質層
２３　測定ガスチャンバ
２４　測定電極
２５　基準ガスダクト
２６　基準電極
２７　貫通接続部
２８　コンタクト面
２９　拡散隔壁
３０　孔
３１　固体電解質層
３２　担体層
３３　絶縁層
３４　抵抗加熱器
３５　端子接点
３６　端子接点
３７　孔
３８　貫通接続部
３９　絶縁部
４０　ハウジング
４１　保護管
４２　開口部
４３　ガスケット
４４　電源
４５　犠牲陰極
４６　捕獲電極
４７　導電路
４８　絶縁層
４９　格子
５０　リング
５１　導電路
５２　絶縁層
３２１　担体層の外面
３４１　導電路

Claims (16)

1. 内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサであって、排気ガスにさらされる外部電極（１２）を有するセンサ素子（１０）と、排気ガス用の貫通口部（４２）を備えた、前記センサ素子（１０）を包囲する保護管（４１）とを有する形式の測定センサにおいて、
   前記外部電極（１２）には前記保護管（４１）とは逆に正電位を有する直流電圧が印加されている、ことを特徴とする測定センサ。
2. 内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサであって、排気ガスにさらされる外部電極（１２）を有するセンサ素子（１０）と、排気ガス用の貫通口部（４２）を備えた、前記センサ素子（１０）を包囲する保護管（４１）とを有する形式の測定センサにおいて、
   前記保護管（４１）が少なくとも１つの犠牲陰極（４５）を備えている、ことを特徴とする測定センサ。
3. 前記少なくとも１つの犠牲陰極（４５）は前記保護管（４１）の内面又は外面に取り付けられている、請求項２記載の測定センサ。
4. 前記外部電極（１２）は白金又は白金合金から成っており、前記犠牲陰極（４５）は、金、レニウムもしくはロジウムのような電気化学列において白金よりも貴な金属又は前記金属の混合物が材料内で結合している材料から成っている、請求項２又は３記載の測定センサ。
5. 内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサであって、排気ガスにさらされる外部電極（１２）と固体電解質層（１１）上に配置された内部電極（１３）と前記電極（１２，１３）の領域内に配置された抵抗加熱器（３４）とを有するセンサ素子（１０）を有し、前記抵抗加熱器（３４）が、前記固体電解質層（１１）に接合された担体層（３２）に収納されており、且つ、前記固体電解質層（１１）の側とは反対の方向を向いた、前記担体層（３２）の外面（３２１）に配置された２つの端子接点（３５，３６）と接続されている形式の測定センサにおいて、
   前記担体層（３２）の外面（３２１）において、前記抵抗加熱器（３４）の領域に、導電路（４７）を介して前記抵抗加熱器（３４）の端子接点（３５，３６）の一方と接続された少なくとも１つの捕獲電極（４６）が配置されており、
   前記担体層（３２）の外面（３２１）と前記捕獲電極（４６）及び前記導電路（４７）との間に、絶縁層（４８）が配置されている、ことを特徴とする測定センサ。
6. 有利には同じ面積の電極を備えた互いに隣り合って配置された２つの捕獲電極（４６，４６’）が、それぞれ１つの導電路（４７，４７’）を介して、前記抵抗加熱器（３４）の２つの端子接点（３５，３６）のうちのそれぞれ一方と接続されている、請求項５記載の測定センサ。
7. 前記少なくとも１つの捕獲電極（４６，４６’）は平面全面として形成されている、請求項５又は６記載の測定センサ。
8. 前記少なくとも１つの捕獲電極（４６，４６’）は網又は格子（４９）として形成されている、請求項５又は６記載の測定センサ。
9. 内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定するための測定センサであって、排気ガスにさらされる外部電極（１２）と固体電解質層（１１）上に配置された内部電極（１３）と前記電極（１２，１３）の領域内に配置された抵抗加熱器（３４）とを有するセンサ素子（１０）を有し、前記抵抗加熱器（３４）が、前記固体電解質層（１１）に接合された担体層（３２）に収納されており、且つ、前記固体電解質層（１１）の側とは反対の方向を向いた、前記担体層（３２）の外面（３２１）に配置された２つの端子接点（３５，３６）と接続されている、請求項５から８のいずれか１項に記載の測定センサにおいて、
   前記担体層（３２）の側とは反対の方向を向いた、固体電解質層（１１）の外面に、前記外部電極（１２）を環状に包囲する捕獲電極（４６）が配置されており、
   前記捕獲電極（４６）は、導電路（５１）を介して、前記内部電極（１３）を接続するためのコンタクト面（１９）と、又は前記抵抗加熱器（３４）のための端子接点（３５，３６）と接続されており、
   前記固体電解質層（１１）の外面と前記捕獲電極（４６）との間、及び、前記捕獲電極（４６）と前記導電路（５１）との間に、絶縁層（５２）が配置されている、ことを特徴とする測定センサ。
10. 前記内部電極（１３）を接続するための前記コンタクト面（１９）は前記固体電解質層（１１）の外面に配置されており、前記内部電極（１３）へ通じる導電路（１８）へと貫通接続されている、請求項９記載の測定センサ。
11. 前記抵抗加熱器（３４）の端子接点（３５，３６）の少なくとも一方は、前記固体電解質層（１１）の外面に配置されたコンタクト面上で貫通接続されており、前記導電路（５１）は該コンタクト面と接続されている、請求項９又は１０記載の測定センサ。
12. 前記導電路（５１）は絶縁層によって覆われている、請求項９から１１のいずれか１項記載の測定センサ。
13. 前記電極（１２，１３，４６）は、有利には補助成分として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を僅かに含む白金から成っている、請求項５から１２のいずれか１項記載の測定センサ。
14. 前記捕獲電極（４６，４６’）への導電路（４７，４７’，５１）は、補助成分として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を多く含む白金又は白金合金から成っている、請求項５から１３のいずれか１項記載の測定センサ。
15. 前記導電路（４７，４７’，５１）は非常に薄く、有利には５〜２５μｍの厚さで実現されている、請求項１４記載の測定センサ。
16. 前記少なくとも１つの捕獲電極（４６，４６’）及び前記導電路（４７，４７’）は、同一の印刷過程において、前記抵抗加熱器（３４）の端子接点（３５，３６）とともに、絶縁層（４８）が印刷された前記担体層（３２）の外面（３２１）にプリントされている、請求項５から８のいずれか１項記載の測定センサ。

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