JP4314198B2 - センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は測定ガスの特性を求めるためのセンサ素子に関する。

この種のセンサ素子は、例えばＤＥ １００ １３ ８８２ Ａ１から公知である。このセンサ素子はプレーナ技術によって層状に形成されており、向き合う面に２つの環状素子が配置された測定ガス室を有している。この２つの電極はそれぞれ電気化学セルの一部であり、この電気化学セルには、さらに別の１つの電極と、電極間に配置された固体電解質とが属している。測定ガス室内に配置された２つの電極は、中空円筒形の拡散隔壁とガス流入口とを介して、センサ素子の外部にある測定ガスと連通している。ガス流入口は拡散隔壁の中央に通じている。２つの電気化学セルのうちの一方はネルンストセルとして動作する。このネルンストセルでは、測定ガス室内の電極と基準ガスに曝された電極との間に電圧（ネルンスト電圧）が形成され、これが測定ガス室内の電極における酸素分圧と基準ガスに曝された電極における酸素分圧の比の尺度となる。

拡散隔壁は多孔度の低い部分と多孔度の高い部分とに分けられている。多孔度の低い部分は混合ガス内の平衡を調整するために触媒活性のある材料を有している。

測定ガス内の圧力が突然上昇すると、つまり、いわゆる圧力パルスのときには、測定ガス室内の圧力も高くなる。測定ガスの組成がその他の点では同じならば、圧力パルスによって、測定ガス室内の電極における酸素分圧が上昇し、したがってまたネルンスト電圧も上昇する。したがって、センサ素子は、測定ガスの組成が同じならば、特に酸素の割合が同じならば、酸素分圧の変化に反応する。しかしながら、センサ素子の測定信号が、圧力の変動により制約される酸素分圧の変化ではなく、測定ガスの酸素の割合、つまり、測定ガス中の酸素のパーセンテージを表すようにすることが望ましい。
発明の利点
これに対して、独立請求項に記載された特徴を備えた本発明によるセンサ素子は、測定ガスの組成がその他の点では同じならば、センサ素子の測定信号の圧力変動に対する依存性が低下するという利点を有している。

このセンサ素子は、中に拡散隔壁の配置された拡散路を介して測定ガスと連通した電極を有している。測定ガスは拡散路に沿って拡散壁を経て電極に達する。拡散壁を通って電極まで達する酸素の拡散流は拡散壁の形状構成に依存する。

測定ガスの突然の圧力上昇は、拡散路に沿って拡散隔壁を通って電極まで伝搬する圧力パルスの形で現れる。測定ガスは電極とは逆の側では比較的高い速度を有しており、この速度は拡散隔壁を通って電極まで突き抜けるときに低下する。電極に達するまでは、圧力パルスの速度の低下は突然の圧力変動を抑制するように作用するので、測定信号に対する圧力パルスの影響は小さくなる。

圧力パルスは測定ガスが高い速度を有する領域において最も効果的に低下させられることが示されている。それゆえ、電極とは逆側の拡散隔壁の領域に、この電極とは逆側の領域において拡散断面積を減少させる手段が設けられている。

ここでは、また以下でも、拡散断面積とは拡散方向に対して垂直な開平面を意味する。この開平面は測定ガスが通り抜けることのできる平面である。多孔性拡散隔壁の場合には、開平面は孔の２次元横断面に入る平面である。

拡散断面積は拡散方向に対して垂直な平面に関係している。測定ガスないし酸素が内表面から外表面へ拡散する中空円筒形の拡散隔壁では、流れの方向は内表面から半径方向に外側へ向かっている。したがって、拡散断面積は中空円筒形の拡散隔壁の中心軸から一定の距離にある面に関係している。

従属請求項において実施される措置によって、独立請求項に記載された方法の有利な発展形態が可能となる。

有利には、拡散断面積を減少させる手段は、ガス不透過性である又は拡散隔壁よりも低い多孔度を有している。

特に有利には、拡散隔壁は実質的に円筒又は中空円筒の形状を有しており、環状の電極によって包囲されている。測定ガスはガス流入口と拡散隔壁を通って電極に達する。幾何形状に基づき、拡散断面積は拡散隔壁の中心軸までの距離とともに線形に増大する。この断面積増大は圧力パルスをさらに減衰するよう作用する。電極とは逆側の拡散隔壁の領域における拡散断面積を減少させる手段は、有利には、

であるように形成されている。ここで、半径ｒ_１及びｒ_２は拡散隔壁の中心軸に関した半径であり、Ａ_１は前記拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ_１のときの拡散断面積であり、Ａ_２は拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ_２のときの拡散断面積であり、拡散断面積を減少させる手段は、拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ_１ではなくｒ_２である位置にあり、ｒ_１はｒ_２よりも大きい。つまり、拡散抵抗を増大させる手段は、拡散隔壁の領域における拡散断面積が中心軸までの距離とともに線形の場合よりも強く増大するように形成されている。

このために、有利な実施例では、前記手段は拡散隔壁の内表面の領域に及び／又はガス流入口の領域に設けられた環状の素子である。択一的な実施例では、前記手段は拡散隔壁の内表面の領域に及び／又は前記ガス流入口の領域に設けられた１つ又は複数の柱状の素子であり、この柱状素子の高さは拡散隔壁の高さに相当する。
図面
本発明の２つの実施例を図に示し、以下の説明においてより詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施例として、図２における線Ｉ−Ｉによる本発明のセンサ素子の縦断面図を示しており、図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩによる第１の実施例の断面図を示しており、図３は、本発明の第２の実施例として、図４の線ＩＩＩ−ＩＩＩによるセンサ素子の長手軸に対して垂直な断面図を示しており、図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶによる第２の実施例の断面図を示している。
実施例の説明
図１及び図２は、本発明の第１の実施例として、層状に形成されたプレーナセンサ素子１０を示している。プレーナセンサ素子１０はハウジング内に気密に配置されており、内燃機関の排気ガス中の酸素割合の検出に使用される。センサ素子１０の図示されていない部分には給電領域とコンタクト領域とが含まれている。これらの領域の構造は当業者には周知である。

センサ素子１０は第１、第２、及び第３の固体電解質層２１，２２，２３を有している。センサ素子１０において、第１と第２の固体電解質層２１，２２の間には、環状の測定ガス室３１が組み込まれている。測定ガス室の中央領域には、同様に環状の多孔性拡散隔壁５１が設けられている。センサ素子１０の外にある測定ガスは、第１の固体電解質層２１に設けられ、拡散隔壁５１の中央に通じるガス流入口３６を介して、さらに拡散隔壁５１を通って測定ガス室３１に達することができる。測定ガス室３１は側方からガスケットによって密閉されている。

第１と第２の固体電解質層２１，２２の間にはさらに基準ガス室３２が設けられている。基準ガス室３２は、分離部材３３によって測定ガス室３１から気密に分離されており、センサ素子の長手軸の方向に延在している。基準ガス室３は、基準ガスとして、酸素の割合が高いガス、例えば周囲空気を内蔵している。

第２と第３の固体電解質層２２，２３の間には、熱伝導路を有するヒータ３７が設けられている。熱伝導路は周りを囲む固体電解質層２２，２３による絶縁によって分離されている。ヒータ３７はヒータ枠３８によって脇を包囲されており、ヒータ枠３８はヒータ３７を電気的に絶縁し、気密に密閉している。

第１の固体電解質層２１の外側面には環状の第１の電極４１が設けられており、この電極４１の中央にガス流入口３６がある。測定ガス室３１内で、第１の電極４１とは逆側の第１の固体電解質層２１の側面には、環状の第２の電極４２が取り付けられている。第２の固体電解質層２２上の測定ガス室３１内には、（第２の電極とは逆側に）同様に環状の第３の電極４３が配置されている。

第１と第２の電極４１，４２、及び第１と第２の電極４１，４２の間にある固体電解質２１は電気化学セルを形成しており、この電気化学セルはポンプセルとしてセンサ素子１０の外部に配置されている回路を動作させる。同様に、第３と第４の電極４３，４４、及び第３と第４の電極４３，４４の間にある固体電解質２２は、ネルンストセルとして動作する電気化学セルを形成している。ネルンストセルは測定ガス室内の酸素分圧を測定する。ポンプセルは、測定ガス室内の酸素分圧がラムダ＝１となるように、測定ガス室内に又は測定ガス室から酸素をポンピングする。この種のセンサ素子は広帯域ラムダセンサとして当業者には周知である。

拡散隔壁５１は環状の凹部を有しており、この凹部は内表面から半径方向に外側へ延びている。凹部は拡散隔壁５１の高さのおよそ半分を占めている。凹部の中には、拡散隔壁５１の内表面領域における拡散断面積を減少させるために使用されるガス透過性の素子５２が設けられている。素子５２は、第２の固体電解質層２２の側の拡散隔壁５１の側面に配置されている。しかしながら、本発明は素子５２の正確な位置に依存してはいない。それゆえ、素子５２を第１の固体電解質層２１に隣接して配置してもよいし、又は素子５２を第１と第２の固体電解質層２１，２２の間の中央に配置してもよい。素子５２は拡散隔壁５１の内表面を越えてガス流入口３６の中まで延びていてもよく、そのうえ円筒形に形成され、ガス流入口３６の底部を形成するようにしてもよい。

図３及び４に示されている本発明の第２の実施例は、拡散隔壁５１の内表面の領域におけるガス透過性素子の形態の点で第１の実施例とは相違している。相互に対応する素子は第１及び第２の実施例において同じ参照記号で示されている。

第２の実施例では、拡散隔壁１５１内に４つの均等に配置された４つの柱状素子１５２が組み込まれている。この柱状素子１５２はガス不透過であり、したがって第２及び第３の電極４２，４３とは逆側の拡散隔壁１５１の側面における拡散断面積を減少させる。素子１５２は拡散隔壁１５１の全高にわたって延在している。素子１５２の間で、測定ガスは拡散隔壁１５１を通って測定ガス室３１内の第２及び第３の電極４２，４３まで達することができる。

本発明の第１の実施例として、図２における線Ｉ−Ｉによる本発明のセンサ素子の縦断面図を示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩによる第１の実施例の断面図を示す。 本発明の第２の実施例として、図４の線ＩＩＩ−ＩＩＩによるセンサ素子の長手軸に対して垂直な断面図を示す。 図３の線ＩＶ−ＩＶによる第２の実施例の断面図を示す。

Claims (4)

1. 測定ガスの特性を求めるための、有利には測定ガス内のガス成分の濃度を求めるためのセンサ素子であって、固体電解質（２１，２２）上に取り付けられた少なくとも１つの電極（４２，４３）を有しており、該電極は拡散路を介して測定ガスと連通しており、該拡散路の中に拡散隔壁（５１，１５１）が配置されている形式のものにおいて、
   前記電極（４２，４３）とは逆側の拡散隔壁（５１，１５１）の領域に、前記電極（４２，４３）とは逆側の拡散隔壁（５１，１５１）の該領域における拡散断面積を減少させる手段（５２，１５２）が設けられており、該手段（５２，１５２）は前記拡散隔壁（５１，１５１）の内表面の領域に及び／又は前記ガス流入口（３６）の領域に設けられた少なくとも１つの柱状の素子（１５２）であり、該柱状素子（１５２）の高さは前記拡散隔壁（１５１）の高さに相当し、前記拡散隔壁（５１，１５１）は実質的に円筒又は中空円筒の形状を有しており、さらに
   

   

   が成り立ち、ここで、半径ｒ _１ 及びｒ _２ は前記拡散隔壁（５１，１５１）の中心軸に関した半径であり、Ａ _１ は前記拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ _１ のときの拡散断面積であり、Ａ _２ は前記拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ _２ のときの拡散断面積であり、拡散断面積を減少させる前記手段は、前記拡散隔壁の中心軸までの距離がｒ _１ ではなくｒ _２ である位置にあり、ｒ _１ はｒ _２ よりも大きいことを特徴とする、測定ガスの特性を求めるためのセンサ素子。
2. 前記手段（５２，１５２）は拡散隔壁（５１，１５１）よりも低い多孔度を有している及び／又はガス不透過性である、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記電極（４２，４３）は環状で、前記拡散隔壁（５１，１５１）を包囲しており、このため、排気ガスはガス流入口（３６）を通って前記拡散隔壁（５１，１５１）の内部領域に入り、該内部領域から前記拡散隔壁（５１，１５１）を介して前記電極（４２，４３）に達することができる、請求項１又は２記載のセンサ素子。
4. 前記手段は、前記拡散隔壁（５１，１５１）の内表面の領域に及び／又は前記ガス流入口（３６）の領域に設けられた環状の素子（５２）である、請求項１又は２記載のセンサ素子。

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