JP2005534935A - ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子 - Google Patents

Abstract

ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子、特に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子であって、該センサ素子が、複数の固体電解質層から構成された積層体（１０）を有しており、該積層体（１０）が、それぞれシートとして形成された上側層（１３）および下側層（１１）ならびに中間層（１２）を有している形式のものが提供される。製造を簡単にしかつ製作コストを減少させるために、上側層（１３）のシートと下側層（１１）のシートとが等しい厚さに形成されており、中間層（１２）が少なくとも１つのシートバインダ印刷層により被着されている。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子、特に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子に関する。

このような形式の公知のセンサ素子（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書）では、上側層と下側層と中間層とが、酸素イオン伝導性の固体電解質材料、たとえばイットリウム安定化された酸化ジルコニウム（ジルコニア）から成るセラミックシートとしてキャスティングされる。さらに、上側層と中間層との間に位置する別の固体電解質層が、ペースト状のセラミック材料のスクリーン印刷によって、たとえば上側層に被着されている。この場合、上側層を形成する材料と同じ材料、つまりたとえば酸化ジルコニウムが使用されると有利である。この別の固体電解質層の層平面もしくは層レベルには、機能層、たとえばネルンストセルおよびポンピングセルの電極および基準通路が位置している。下側層と中間層との間には、さらに酸化アルミニウムから成る絶縁層に埋め込まれた電気的な抵抗ヒータが配置されている。プレーナ型のセラミック積層体の統合された形は、前記別の固体電解質層と機能層とを印刷された、上側層、下側層および中間層のセラミックシートを、シートバインダの使用下に貼り合わせ、引き続き焼結させることにより製作される。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明によるセンサ素子には、本発明による積層体の構造に基づき、１つのシートが不要となり、ひいては２つのシートバインダ層が不要となるという利点がある。積層体の貼り合わせ平面もしくは貼り合わせレベルは、公知のセンサ素子における２つの貼り合わせ平面、すなわち上側層と中間層との間に位置する貼り合わせ平面および下側層と中間層との間に位置する貼り合わせ平面の２つの貼り合わせ平面から、下側層と上側層との間にしか位置しない１つの貼り合わせ平面に減じられる。これにより、貼り合わせ範囲におけるガス不密性の生じる確率も減じられ、不良率が低下する。キャスティングされたシートの数がセンサ素子の原価に著しく影響を及ぼすので、１つのシートを不要にすることによって原価も減少する。さらに、中間層のためのシートバインダを被着させるための２つの付加的な印刷ステップも不要となり、このことは製造コストを一層低下させる。

上側層および下側層のためには、単一厚さのシートが使用されるので、製作プロセスにおいては、唯１種のキャスティングチャージが製造されるだけで済み、これによりシートは同じ乾燥・グリーン・焼結収縮を有するようになる。厚めのシートの使用に基づき、スクリーン印刷によって薄いシートに機能層を印刷する場合に生じるハンドリング問題は回避される。公知のセンサ素子のシートに比べて厚めの上側層シートはさらに次のような利点をもたらす。すなわち、たいてい酸化ジルコニウムから成っているシートには、酸化ジルコニウムによる酸素ポンピングが行われるにもかかわらず、厚めのシートに基づき、測定信号を誤らせる導電性のパスの形の貫通孔（スルーホール）が長期間にわたり発生し難くなるので、センサ素子の耐用年数も向上する。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載のセンサ素子の有利な改良および改善が可能となる。

本発明の有利な構成では、上側層シートが、該上側層シートを完全に貫いたガス流入孔を有している。このガス流入孔は、上側層シートを結合して積層体を形成する前に導入されている。まだ下側層シートと結合されていない上側層シートにガス流入孔を設けることにより、ガス流入孔の製作が容易となる。なぜならば、ガス流入孔を上側層シートに一貫して導入することができ、しかも公知のセンサ素子の場合にそうであるように積層体における規定の穿孔深さを維持する必要もないからである。

図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図面は、内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子を示す概略的な縦断面図である。

実施例の説明
図面には、ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するための一般的なセンサ素子のための１実施例として、内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子が概略的に縦断面図の形で図示されている。このセンサ素子は、下側層１１と中間層１２と上側層１３とから構成された積層体１０を有している。下側層１１および上側層１３は、固体電解質材料、有利にはイットリウム安定化された酸化ジルコニウム（ZrO_２）から成る、キャスティングされたセラミックシートであり、中間層１２は、固体電解質材料から成る少なくとも１つのシートバインダ層から成っており、このシートバインダ層は前記両シートのうちの一方のシート、たとえば上側層１３のシートにスクリーン印刷で印刷されている。シートバインダ層のためには、酸化ジルコニウムペースト（Zirkonoxid-Paste）が使用されると有利である。複数のシートバインダ層が連続的な印刷ステップで被着される。

上側層１３および下側層１１のための両シートは等しい厚さに形成されていて、０．３〜１．０ｍｍの厚さを有している。１つまたは複数のシートバインダ層から成る中間層１２は上側層１３および下側層１１よりも著しく薄く形成されており、その厚さは２５〜１００μｍに設定される。有利な実施例では、上側層１３および下側層１１のための両シートの厚さがそれぞれ０．５ｍｍであり、中間層１２の厚さが５０μｍである。上側層１３のシートには、ガス流入孔１４が導入されている。このガス流入孔１４は、たとえば打抜き加工または穿孔加工により形成されていて、シートの全厚さを完全に貫いている。

知られているように、積層体１０にはポンピングセルとネルンストセルとが形成されており、ポンピングセルは固体電解質と内側のポンピング電極と外側のポンピング電極とから成っており、ネルンストセルは固体電解質とネルンスト電極と基準電極とから成っている。ポンピングセルの固体電解質は上側層１３により形成され、ネルンストセルの固体電解質は中間層１２により形成される。ポンピングセルの外側のポンピング電極１５と内側のポンピング電極１６とは、それぞれガス流入孔１４に対して同軸的に上側層１３の上面もしくは下面に印刷されている。ネルンストセルのネルンスト電極１７は内側のポンピング電極１６と共に、中間層１２に埋め込まれている中空室２３内に配置されている。ネルンストセルの参照電極もしくは基準電極１９は、中間層１２に形成された基準ガス通路１８内に配置されている。周知のように参照ガスもしくは基準ガスで負荷可能となる基準ガス通路１８は、多孔質の材料で充填されていてよい。基準電極１９は内側のポンピング電極１６と共に上側層１３の下面に印刷されている。中空室２３は、スクリーン印刷法で中間層１２に被着された気孔形成材層により形成されている。内側のポンピング電極１６および同じくガス流入孔１４に対して同軸的に配置された、内側のポンピング電極１６から軸方向の間隔を置いて配置されたネルンスト電極１７は、中空室２３内で環状の拡散バリヤ２０を介してガス流入孔１４に接続されているので、外側のポンピング電極１５は直接に、そして内側のポンピング電極１６ならびにネルンスト電極１７は拡散バリヤ２０を介して、それぞれ内燃機関の排ガスによって負荷可能となる。すなわち、外側のポンピング電極１５と内側のポンピング電極１６とネルンスト電極１７とには、それぞれ内燃機関の排ガスが供給可能となる。下側層１１と中間層１２との間には、電気的な抵抗ヒータ２１が配置されている。この抵抗ヒータ２１は、たとえば酸化アルミニウム（Al_２O_３）から成る電気的な絶縁層２２内に埋め込まれている。この電気的な絶縁層２２は下側層１１の上面に印刷される。シートバインダ層と機能層とを印刷されたセラミックシートを貼り合わせて積層し、そして積層された構造体を引き続き焼結させることにより、積層体１０が製作される。

内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子を示す概略的な縦断面図である。

Claims (10)

1. ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子、特に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサ素子であって、複数の固体電解質層から構成された積層体（１０）が設けられており、該積層体（１０）が、それぞれセラミックシートとして形成された上側層（１３）および下側層（１１）ならびに中間層（１２）を有している形式のものにおいて、上側層（１３）と下側層（１１）とが等しい厚さに形成されており、中間層（１２）が少なくとも１つのシートバインダ層から成っていることを特徴とする、ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子。
2. 前記少なくとも１つのシートバインダ層が、上側層（１３）のためのシートおよび下側層（１１）のためのシートのいずれか一方のシートに印刷されている、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記少なくとも１つのシートバインダ層が酸化ジルコニウムペーストから成っている、請求項１または２記載のセンサ素子。
4. 上側層（１３）および下側層（１１）の厚さがそれぞれ０．３〜１．０ｍｍに設定されており、中間層（１２）の厚さが２５〜１００μｍに設定されている、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. 上側層（１３）および下側層（１１）の厚さがそれぞれ０．５ｍｍであり、中間層（１２）の厚さが５０μｍである、請求項４記載のセンサ素子。
6. 上側層（１３）が、該上側層（１３）を完全に貫いたガス流入孔（１４）を有しており、該ガス流入孔（１４）が積層体（１０）の貼り合わせの前に導入されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ素子。
7. 積層体（１０）に、固体電解質に配置された外側のポンピング電極（１５）と内側のポンピング電極（１６）とを備えたポンピングセルと、固体電解質に配置されたネルンスト電極（１７）と基準電極（１９）とを備えたネルンストセルとが形成されており、上側層（１３）がポンピングセルの固体電解質を形成しており、中間層（１２）がネルンストセルの固体電解質を形成している、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. 内側のポンピング電極（１６）およびネルンスト電極（１７）が、拡散バリヤ（２０）を介してガス流入孔（１４）に接続されている、請求項６または７記載のセンサ素子。
9. 中間層（１２）に、基準ガスで負荷可能な基準ガス通路（１８）が形成されており、該基準ガス通路（１８）に基準電極（１９）が接続されており、有利には該基準ガス通路（１８）が多孔質の材料で充填されている、請求項７または８記載のセンサ素子。
10. 下側層（１１）と中間層（１２）との間に、絶縁層（２２）内に埋め込まれた電気的な抵抗ヒータ（２１）が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素子。

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