JP2006512592A - 検出器のためのセンサ素子 - Google Patents

Abstract

混合気における気体成分の濃度を検出する検出器のためのセンサ素子は個体電解質と共同してポンプセルを形成する２つの電極（１２，１３）と、個体電解質に配置されており且つ参照ガスに曝されている参照電極（１７）とを有する。２つの電極の内の第１の電極（１２）は多孔性の保護層を介して混合気に曝されている。参照電極（１７）は基準電極および個体電解質を用いて濃度セルまたはネルンストセルを形成する。第２の電極はこの第２の電極における前記個体電解質側の面と背中合わせの電極面において細孔性の拡散層（１９）によって覆われており、細孔性の拡散層（１９）は直接的に混合気に曝されている。第２の電極はネルンストセルの基準電極として使用される。殊に有利には多孔性の保護層が粗孔性の拡散層（１９）として構成されており、２つの電極（１２，１３）は選択的にネルンストセルの基準電極として使用される。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念による、混合気における気体成分の濃度、殊に内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するための検出器のためのセンサ素子に関する。

いわゆる広帯域ラムダセンサのための公知のセンサ素子（DE 199 41 051 A1）は固体電解質層からなるセンサボディを有し、このセンサボディ内には拡散バリアを介して排気ガスと接触している空隙または測定空間と、参照ガスが供給される参照チャネルとが形成されている。酸素を空隙にポンピングする（リッチな排気ガス）か酸素を測定空間からポンピングする（リーンな排気ガス）ポンプセルは、固体電解質ボディ上に配置されており且つ多孔性の保護層でもって覆われている外側ポンプ電極と、空隙内に配置されているポンプ電極とを有する。濃度セルまたはネルンストセルは測定空間内に配置されている測定電極またはネルンスト電極と、参照チャネル内に配置されている参照電極とを有する。ネルンスト電極および参照電極における電圧を一定、例えば４５０ｍＶに調節した際にポンプ電極間を流れる限界電流は排気ガスのラムダ値に対する尺度である。このセンサ素子の感度は拡散バリアによって検出される限界電流を介して調節される。

そのようなセンサ素子は動的な圧力依存性を有する。すなわち、動的な圧力依存性は本来的には気体の組成の変化と関連が無いにもかかわらず、排気ガスにおける圧力ピークがラムダセンサの出力信号として現れる。このことは、排気ガスにおいて圧力が部分的に変動する際に付加的な量の排気ガスが空隙に押し出され、これによって正のポンプ電流または負のポンプ電流の絶対値が短時間上昇することに起因する。殊に酸素濃度が高い（リッチな排気ガス）場合には、流入する排気ガスに基づく空隙内のこの部分圧力変動は非常に顕著であり、またラムダセンサの出力電圧の変動の大きさは酸素濃度ないしポンプ電流に比例する。

発明の利点
請求項１記載の特徴を有する本発明によるセンサ素子は、測定空間を省略することによって、またポンプ電極とネルンスト電極を固体電解質の外面上に配置されている１つの電極に統合することによって、ならびに直接的に電極を覆う細孔性の拡散層として拡散バリアを形成することによって、混合気における圧力上昇の際の付加的な混合気流入は発生しえず、したがって混合気における圧力変動に基づく測定エラーは回避されるという利点を有する。公知のセンサ素子におけるリング上の拡散バリアに比べ、拡散層を非常に簡単に製造することができ、殊に層構造を実現することができる。層構造を用いることにより例えば細孔性の拡散層の流入面においては多孔性が若干粗くてもよく、したがって流入面を例えばオイルの灰などの被毒物に対して耐性があるよう実施することができる。測定空間および空隙が欠落していることによりガス流入孔の穿孔が省略され、また固体電解質における亀裂形成を促す他の既存の熱伝導障害が回避される。固体電解質の外面、すなわちセンサ素子の両方の大きな面における電極の配置は良好な熱補償調整を可能にする。

さらには、第１の電極上の多孔性の層保護が所期のように粗孔性の拡散層として設計される場合には、本発明によるセンサ素子はネルンストセルを選択的に第１の電極か第２の電極を用いて形成することができるという利点を有する。ネルンストセルに対する基準電極をこのように切り換えることによって、すなわち一方では細孔性の拡散層でもって覆われている電極を使用し、他方では粗孔性の拡散層でもって覆われている電極を使用することによって２つの異なる限界電流を実現することができ、その結果センサ素子は２つの異なる測定領域で動作することができる。この際、僅かな静的圧力依存性が要求される測定に対しては粗孔性の拡散層でもって覆われている電極がネルンストセルの基準電極として使用され、僅かな動的圧力依存性および温度依存性が要求される測定に対しては細孔性の拡散層でもって覆われている電極がネルンストセルの基準電極として使用される。これらの測定は例えば基準電極に相対的に４５０ｍＶが供給されることによって行われる。ここで細孔性とは測定ガスにおける酸素濃度が２０％である場合に４ｍＡの範囲の限界電流が流れる拡散層と解される。粗孔性とは同一の条件で２５ｍＡの範囲の限界電流が流れる拡散層と解される。

動作モードを切り換えることによって、２つの測定を補償調整することができる。２つの動作モードで測定が行われることによって、センサ素子のガス種に対する感度またはセンサ素子の静的な圧力依存性または温度依存性を識別して調節することにより補償することができる。

別の請求項に記載されている措置によって請求項１に記載されているセンサ素子の有利な実施形態および改善形態が可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、２つの電極が固体電解質ボディにおける背中合わせの面に配置されている。固体電解質ボディを非常に簡単な構造で２つの厚い固体電解質シートを用いて製造することができる。このために本発明の有利な実施形態によれば、各固体電解質シート上に電極が配置されている。２つの固体電解質シートは電極と背中合わせの面の間において、電気的な抵抗ヒータが統合されている絶縁層を挟んでおり、またこの絶縁層および絶縁層を包囲する固体電解質枠を介して相互に接続されている。ポンプセルとして機能する２つの電極間の内部抵抗を低減するために、２つの固体電解質層の間には絶縁層を貫通している固体電解質ウェブがさらに形成されている。

図面
本発明を図面に示した実施例に基づき以下の記述において詳細に説明する。概略的な図面において、
図１は混合気における気体成分の濃度を検出するための検出器のためのセンサ素子の縦断面を示し、
図２は図１における線分ＩＩ−ＩＩに沿った断面図を示し、
図３は図５における線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った別の実施例によるセンサ素子の縦断面を示し、
図４は図３における線分ＩＶ−ＩＶに沿った断面図を示し、
図５は図３における線分Ｖ−Ｖに沿った断面図を示す。

実施例の説明
図１および図２において縦断面および横断面で概略的に示されている、混合気における気体成分の濃度を検出するためのセンサ素子、殊に内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するための広帯域ラムダセンサのためのセンサ素子は固体電解質ボディ１１を有し、この固体電解質ボディ１１における背中合わせの面にはそれぞれ２つの電極１２および１３のうちのいずれかが配置されている。例えばイットリウムで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から形成されている固体電解質ボディ１１は２つの厚い固体電解質シート１１１，１１２からなり、これらの固体電解質シート１１１，１１２の間には例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁層１４が挟まれており、この絶縁層１４には電気的な抵抗ヒータ１５が埋め込まれている。２つの固定電解質シート１１１，１１２は絶縁層１４およびこの絶縁層を包囲する固体電解質枠１１３を介して相互に接続されている。付加的に、図２に示されているように、絶縁層１４を貫通する固体電解質ウェブを案内して固体電解質シート１１１と１１２を接続することができる。図１における上側の固体電解質シート１１２は参照チャネル１６として構成されており、この参照チャネル１６には参照ガス、例えば空気を供給することができる。参照チャネル１６内には参照電極１７が固体電解質１１上に被着されている。

固体電解質シート１１１，１１２において絶縁層１４と背中合わせになっているそれぞれの外面には、２つの電極１２，１３のうちの一方が取り付けられている。図１の下側の固体電解質シート１１１上に配置されている第１の電極１２は粗孔性の拡散層１８でもって覆われており、他方では図１の上側の固体電解質シート１１２上に配置されている第２の電極１３は細孔性の拡散層１９でもって覆われている。それぞれ拡散層１８，１９でもって覆われている２つの電極１２，１３は混合気、広帯域ラムダセンサの場合には排気ガスに曝されている。２つの電極１２，１３はポンプセルを形成し、このポンプセルを介して気体成分の濃度に依存する限界電流、広帯域ラムダセンサの場合には酸素の濃度に依存する限界電流が流れる。２つの電極１２，１３の内のいずれかの電極が選択的に基準電極として参照電極１７に接続され、この参照電極１７と共にいわゆる濃度セルまたはネルンストセルを形成する。ポンプセルを流れ、気体成分の濃度に比例する限界電流を形成するために、ネルンストセルには例えば４５０ｍＶの一定の直流電圧が印可されている。２つの拡散層１８、１９は異なる多孔性を有しているので、２つの電極１２，１３の内のどちらの電極が基準電極として参照電極１７に接続されているかに応じて異なる限界電流が調節され、その結果センサ素子を用いて２つの異なる測定領域において測定を行うことができる。

図３から図５には、２つの電極１２，１３が固体電解質ボディ２１において背中合わせになっている大きな面に分配されているのではなく、２つの電極１２，１３が固体電解質ボディ２１の一方の面に配置されているセンサ素子が示されている。このことは電極１２，１３の実装上最適な接触の理由から特定の用途においては有利である。

固体電解質ボディ２１はここでもまた固体電解質シートまたは個体電解質層からなる層構造で製造されている。２つの電極１２，１３は第１の固体電解質層２１１において背中合わせになっている面に配置されている。第１の固体電解質層２１１は、同様に固体電解質から形成されている中間層２１２を介して第２の固体電解質層２１３と接続されている。中間層２１２には欠落部２２が設けられており、この欠落部２２内には第２の固体電解質層２１３側とは反対側において拡散層でもって覆われている電極が封入されている。

図３の実施例においては、この電極は細孔性の拡散層１９でもって覆われている第２の電極１３であるが、第１の固体電解質層２１１と第２の固体電解質層２１３との接続は、粗孔性の拡散層１８でもって覆われている第１の電極１２を欠落部２２内に封入するようにして行うこともできる。これらのいずれの場合においても、拡散層１９ないし１８と第２の固体電解質層の表面との間には、第１の固体電解質層２１１に開けられている気体流入孔２４を介して常に混合気ないし排気ガスで充填されている十分に大きい自由空間２３が残されるように配慮される。第２の固体電解質層２１３には参照チャネル１６が挿入されており、また参照チャネル１６内にはやはり参照電極１７が配置されている。第２の固体電解質層２１３は、同様に固体電解質から構成することができる支持層２１４を用いて、抵抗ヒータ１５が埋め込まれている絶縁層１４を挟んでいる。

図１および図２の実施例と同様に、絶縁層１４は固体電解質枠２１５でもって包囲されている。自由空間２１３を機械的に安定させるために、欠落部分２２内部では第１の固体電解質層２１１が第２の固体電解質層２１３の上にしかも拡散層１９ないし１８のセグメント間に収容されている放射状ウェブ２５を介して支えられている。放射状ウェブ２５は同様に固体電解質から構成されており、有利には中間層２２と一体的に実施されている。

このセンサ素子においても、電極１２，１３に供給可能な限界電流を調節するために、拡散層１２，１３は有利には多数の層から構成されている。細孔性の拡散層１９においては、混合気ないし排気ガスに対する細孔性の拡散層１３の流入面を形成する、第２の電極１３側とは反対側にある一番上の層は多孔性が若干粗いものでよく、したがって例えばオイルの灰のような被毒物に対して耐性があるよう製造することができる。

混合気における気体成分の濃度を検出する検出器のためのセンサ素子の縦断面。 図１における線分ＩＩ−ＩＩに沿った断面図。 図５における線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、別の実施例によるセンサ素子の縦断面。 図３における線分ＩＶ−ＩＶに沿った断面図。 図３における線分Ｖ−Ｖに沿った断面図。

Claims (9)

1. 混合気における気体成分の濃度、例えば内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出する検出器のためのセンサ素子であって、
   固体電解質と共同して気体成分に対するポンプセルを形成する２つの電極（１２，１３）を有し、該２つの電極の内の第１の電極（１２）は多孔性の保護層を介して混合気に曝されており、
   前記固体電解質に配置されており且つ参照ガスに曝されている参照電極（１７）を有し、該参照電極（１７）は基準電極および前記固体電解質を用いて濃度セルまたはネルンストセルを形成する、センサ素子において、
   第２の電極は、該第２の電極における前記個体電解質側の面と背中合わせの電極面において細孔性の拡散層（１９）によって覆われており、該細孔性の拡散層（１９）は直接的に混合気に曝されており、前記第２の電極（１３）は前記ネルンストセルの基準電極として使用されていることを特徴とする、センサ素子。
2. 前記多孔性の保護層は粗孔性の拡散層（１８）として構成されており、前記ネルンストセルの基準電極は選択的に前記第１の電極（１２）または前記第２の電極（１３）によって形成されている、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記電極（１２，１３）は固体電解質ボディ（１１）における背中合わせの面に配置されている、請求項１または２記載のセンサ素子。
4. 前記固体電解質ボディ（１１）は２つの固体電解質シート（１１１，１１２）から構成されており、各固体電解質シート（１１１，１１２）には拡散層（１８，１９）を有する電極（１２，１３）が配置されており、前記２つの固体電解質シート（１１１，１１２）は前記電極（１２，１３）に背中合わせの面の間において、電気的な抵抗ヒータ（１５）が統合されている絶縁層（１４）を挟んでおり、前記絶縁層（１４）および該絶縁層（１４）を包囲する固体電解質枠（１１３）を介して相互に接続されている、請求項３記載のセンサ素子。
5. 前記２つの固体電解質シート（１１１，１１２）の間には、前記絶縁層（１４）を貫通している固体電解質ウェブ（１１４）が形成されている、請求項４記載のセンサ素子。
6. それぞれ拡散層（１８，１９）でもって覆われている２つの前記電極（１２，１３）は第１の固体電解質層（２２１）における背中合わせの面に配置されており、前記第１の固体電解質層（２２１）は、第２の固体電解質層（２１３）と該第２の固体電解質層（２１３）に対向している拡散層（１９）との間に自由空間（２３）が残るよう該第２の固体電解質層（２１３）の上に設けられており、前記自由空間（２３）は前記第１の固体電解質層（２１１）を貫通している気体流入孔（２４）を介して混合気に曝されている、請求項１または２記載のセンサ素子。
7. 前記自由空間（２３）の領域内では前記第１の固体電解質層（２１１）は放射状ウェブ（２５）によって前記第２の固体電解質層（２１３）の上に支えられている、請求項６記載のセンサ素子。
8. 前記放射状ウェブ（２５）は固体電解質から構成されている、請求項７記載のセンサ素子。
9. 少なくとも、細孔性の拡散層（１９）は相互に複数重ねられている異なる多孔性の拡散層から構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ素子。

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