JP4358734B2 - センサエレメント - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式のセンサエレメントに関する。

このような形式のセンサエレメントは、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９８３４２７６号明細書に基づいて公知である。このようなプレーナ形の縦長のセンサエレメントは、第１の電極及び第２の電極並びに、第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質とを備えた電気化学式のセルを有している。さらにセンサエレメントは、２つの絶縁層の間に配置された蛇行形状のヒータを有している。

ヒータ及びヒータに隣接した層は、運転中に、温度変動及び層の内部において生じる温度勾配に基づいて生じる高い機械的な負荷にさらされる。このような負荷もしくは応力に基づいて例えば絶縁層において亀裂の生じることを回避するために、絶縁層は多孔性に形成されていて、これによって十分な弾性度を有している。

ヒータは２つのヒータ給電路によって、センサエレメントの外側に配置された電気回路に接続されている。センサエレメントは、ヒータにタイミング制御して所定の加熱電圧を印加することによって、所定の温度に加熱される。加熱電圧は、電気化学式のセルの、温度に関連した内部抵抗を規定することによって調整される。

絶縁層は例えば酸化アルミニウムから成っており、例えばナトリウムのような製造に基づく不純物を有している。ヒータの領域における電圧低下による加熱電圧の印加時に、例えばナトリウムイオンのような容易に移動するイオンは、ヒータ絶縁体の内部において移動し、例えばヒータの片側に集まることがある。ヒータ絶縁体のこのような偏極（Polarisierung）によって、ヒータのタイミング制御された運転（ヒータ電圧の急激な接続・遮断）時に、電気化学式のセルへのヒータの容量的な入力結合が引き起こされる。

ヒータ絶縁体の領域における成極は、電気化学式のセルの一方の電極とヒータとの間において高電圧が印加される漏れ流検査時にも生じる。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明によるセンサエレメントには、ヒータに印加された電圧に基づくイオンの移動が回避される、という利点がある。

そのために本発明では、蛇行形状をしたヒータの互いに隣接して延びる２つの区分の間にそれぞれ、少なくとも１つの分離エレメントが設けられていて、該分離エレメントが多孔性のヒータ絶縁体よりも低い多孔率を有しているようにした。

低い多孔率を有するヒータ絶縁体におけるイオンの運動可能性は、多孔性のヒータ絶縁体の内部に比べて著しく低い。これによって分離エレメントはヒータ絶縁体の内部におけるイオン移動を強く制限する。同時にヒータは、多孔性のヒータ絶縁体内に埋め込まれていて、従って完全にヒータ絶縁体によって取り囲まれており、その結果大きな温度勾配時においてもヒータ絶縁体における亀裂が回避される。

請求項１に記載の本発明によるセンサエレメントの別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。

分離エレメントの多孔率が２〜６の体積パーセントの範囲にあると、イオンの移動を特に有利に回避することができる。ヒータを取り囲むヒータ絶縁体の十分な弾性度は、ヒータ絶縁体が１０〜２０の体積パーセントの多孔率を有している場合に、得られる。

ヒータはしばしば電気化学式のセルを加熱するために使用される。電気化学式のセルは、センサエレメントの層構造内に組み込まれていて、第１の電極と第２の電極と該第１及び第２の電極の間に配置された固体電解質シートとを有している。ヒータが電気化学式のセルから間隔をおいて配置されている場合、電気化学式のセルへのヒータの入力結合は、例えば、電気化学式のセルの両電極の間の層平面にヒータが配置されている構造に比べて、著しく僅かである。

分離エレメントとヒータ絶縁体とがほぼ同じ材料、例えば酸化アルミニウムから形成されていると、分離エレメントとヒータ絶縁体との間における良好な結合が保証される。

図面
次に図面を参照しながら本発明の１実施例を説明する。

図１は、本発明によるセンサエレメントの１実施例を図２のＩ−Ｉ線に沿って断面した縦断面図であり、
図２は、本発明によるセンサエレメントの１実施例の長手方向軸線に対して垂直な方向で、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した横断面図である。

実施例の記載
図１及び図２には、本発明の実施例として、第１の固体電解質シート２１と第２の固体電解質シート２２と第３の固体電解質シート２３と第４の固体電解質シート２４とを備えたセンサエレメント１０が示されている。

第３の固体電解質シート２３には、内部に基準ガスを内蔵する基準ガス室３５が設けられている。そのために基準ガス室３５は例えば、センサエレメント１０の長手方向に延在する通路及び接続部側の開口を介して、周囲空気と接続されている。基準ガス室３５内において第４の固体電解質シート２４には第１の電極３１が配置されている。この第１の電極３１とは反対側に位置するように、第４の固体電解質シート２４の外側面には第２の電極３２が設けられている。第１及び第２の電極３１，３２と両電極３１，３２の領域における第４の固体電解質シート２４とは、電気化学式のセルを形成している。第１の固体電解質シート２１と第２の固体電解質シート２２との間には、蛇行形状をしたヒータ４１が配置されている。このヒータ４１は２つのヒータ給電路４２によって、センサエレメント１０の外側に配置された回路（図示せず）と接続されており、この回路によって両ヒータ給電路４２に電圧（加熱電圧）が印加可能である。ヒータ４１及びヒータ給電路４２は、多孔性のヒータ断熱体４３によって完全に取り囲まれている。ヒータ断熱体４３の多孔率は１５体積パーセントである。ヒータ断熱体４３はヒータ４１の層平面において側部を完全にシールフレーム４５によって取り囲まれており、このシールフレーム４５はヒータ断熱体４３を、センサエレメント１０を取り囲むガスに対してシールしている。

蛇行形状を有するヒータ４１は、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して平行に配置されている４つの区分を有している。これら４つの区分は、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して垂直な３つの短い区分によって結合されている。ヒータ４１の互いに隣接する区分の間には、分離エレメント４４が設けられており、これらの分離エレメント４４は４体積パーセントの多孔率を有している。ヒータ給電路４２の間並びに、ヒータ給電路４２と、該ヒータ給電路４２に隣接したヒータ区分との間にも、分離エレメント４４が設けられている。

分離エレメント４４はそれぞれヒータ４１に対して間隔をおいて配置されているので、分離エレメント４４とヒータ４１とは多孔性のヒータ断熱体４３によって隔てられている。分離エレメント４４は、ヒータ４１の種々異なった区分の間におけるイオン移動が阻止されるように、配置されている。分離エレメント４４は特に、ヒータ４１の２つの区分の間において加熱電圧の印加時に高い電圧差が生じる領域に、配置されている。それというのは特にこの領域において激しいイオン移動が発生し得るからである。またイオン移動は高い温度によって促進される。従って、分離エレメント４４をセンサエレメント１０の高温領域に、つまり特にヒータ４１の領域に設けることが、特に重要である。

ヒータ４１及びヒータ給電路４２は、白金とセラミック製の支持フレームとから成っている。多孔性のヒータ絶縁体４３及び分離エレメント４４は主として酸化アルミニウムから成っている。

本発明の図示されていない別の実施例ではヒータは、電気化学式のポンプセルと電気化学式のネルンストセルとを有するいわゆる広帯域ラムダセンサに配置されている。このような広帯域ラムダセンサの構造及び機能形式は、当業者に知られており、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９８５３６０１号明細書又は、「Automotive electronics handbook」第７版、１９９９年発行、編集者Ronald K. Jurgen, McGraw-Hill, 第７章並びにそこに挙げられた文献に記載されている。

本発明はヒータの図示の実施例に制限されるものではなく、ヒータの任意のその他の構成に適応させることも可能である。本発明はまたさらに、ヒータを備えた層状に構成されたセンサエレメントに対しても適応可能である。

本発明によるセンサエレメントの１実施例を図２のＩ−Ｉ線に沿って断面した縦断面図である。 本発明によるセンサエレメントの１実施例の長手方向軸線に対して垂直な方向で、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した横断面図である。

Claims (11)

1. 層状に構成されたセンサエレメント（１０）、特に測定ガスの物理的な特性を検出するため、有利には測定ガスの温度又は測定ガスの特定成分の濃度を測定するためのガス測定センサ内に設けられたセンサエレメント（１０）であって、多孔性のヒータ絶縁体（４３）に埋め込まれたヒータ（４１）が設けられている形式のものにおいて、ヒータ（４１）の隣接した２つの区分の間に、少なくとも１つの分離エレメント（４４）が設けられていて、該分離エレメント（４４）が多孔性のヒータ絶縁体（４３）よりも低い多孔率を有しており、分離エレメント（４４）が、ヒータ（４１）に対して間隔をおいて配置されていることを特徴とするセンサエレメント。
2. ヒータ絶縁体（４３）が、１０〜２０の体積パーセントの範囲の多孔率を有している、請求項１記載のセンサエレメント。
3. 分離エレメント（４４）が、０〜６の体積パーセントの範囲の多孔率を有している、請求項１又は２記載のセンサエレメント。
4. 分離エレメント（４４）及びヒータ絶縁体（４３）が主として、同じ材料から成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
5. 分離エレメント（４４）及びヒータ絶縁体（４３）が主として、酸化アルミニウムから成っている、請求項４記載のセンサエレメント。
6. 分離エレメント（４４）がそれぞれ、センサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して平行に延在する２つのヒータ区分の間に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
7. 分離エレメント（４４）がヒータ（４１）の層平面に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
8. センサエレメント（１０）が、第１の電極（３１）と第２の電極（３２）と該第１及び第２の電極（３１，３２）の間に配置された固体電解質シートとを備えた少なくとも１つの電気化学式のセル（２５）を有しており、該電気化学式のセル（２５）がヒータ（４１）によって加熱可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
9. 第１の電極（３１）が基準ガス室（３５）内に配置されていて、第２の電極（３２）がセンサエレメント（１０）の外側面に配置されている、請求項８記載のセンサエレメント。
10. センサエレメントが、電気化学式のポンプセルと電気化学式のネルンストセルとを有しており、電気化学式のネルンストセルの１つの電極が基準ガス室内に配置されていて、電気化学式のネルンストセルの別の電極が、センサエレメント内に配置されたガス室に配置されており、電気化学式のポンプセルの１つの電極がガス室に配置されていて、電気化学式のポンプセルの別の電極が、センサエレメントの、測定ガスに向けられた外側面に配置されており、ガス室が拡散バリアを介して、センサエレメントの外側に存在する測定ガスと接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
11. ヒータ（４１）が、電気化学式のセル（２５）から間隔をおいて配置されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載のセンサエレメント。

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