JP4436995B2 - センサ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に内燃機関の排ガスの少なくとも１種のガス成分を測定するための、加熱装置を備えたセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなセンサ素子は当業者に知られており、たとえば内燃機関の排ガス中の酸素含量を測定しかつこの内燃機関における燃焼混合物の空燃比を制御するために働くガスセンサにおいて使用される。センサ素子はガスセンサのハウジング内に密なパッケージによって位置固定されている。このガスセンサは排気管に設けられた測定開口に取り付けられている。センサ素子は少なくとも１つの電気化学的なセルを有しており、このセルは第１の電極と第２の電極と、これら両電極の間に配置された固体電解質とを有している。電気化学的なセルは加熱装置を用いて、たとえば５００〜８００℃の温度にまで加熱される。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３４２７６号明細書に基づき、センサ素子を備えた排ガスセンサが公知である。この公知の排ガスセンサのセンサ素子はプレーナ技術で構築されていて、層構造を有している。センサ素子は測定領域に電気化学的なセルを有しており、このセルは、同じく測定領域に配置された加熱装置によって加熱される。電気化学的なセルの電極ならびに加熱装置は、センサ素子の供給線路領域に敷設された供給線路によってコンタクト形成面に電気的に接続されている。これらのコンタクト形成面はセンサ素子の、測定領域とは反対の側の端部に設置されている。加熱装置は第１の固体電解質シートと第２の固体電解質シートとの間に配置されていて、測定領域にヒータを有している。このヒータはヒータ絶縁部によって周囲の固体電解質シートから分離されていてよい。
【０００４】
測定領域ならびに測定領域と供給線路領域との移行領域では、センサ素子の外面に高い温度勾配が生じる恐れがある。このような温度勾配は高い圧縮応力もしくは引張応力を招き、ひいてはセラミックスに亀裂を招く恐れがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、センサ素子の外面で生じる温度勾配が減じられ、ひいてはセラミックスの亀裂が阻止されるようなセンサ素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、センサ素子の少なくとも１つの外面に、少なくとも所定の範囲で、熱伝導性の層が被着されており、該熱伝導性の層が、当該センサ素子の外面の材料よりも高い熱伝導率を有しているようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によるセンサ素子には、公知先行技術のものに比べて次のような利点がある。すなわち、センサ素子の外面における温度勾配が熱伝導性の層により減じられるので、熱による圧縮応力および引張応力に基づいた亀裂が阻止される。このような圧縮応力および引張応力は、加熱装置によるセンサ素子の加熱と、作動時にセンサ素子の外部に存在する温度とに基づき生ぜしめられるセンサ素子の不均一な温度分布が原因で生じる恐れがある。熱伝導性の層は互いに異なる温度を有する範囲の間の温度補償を行い、これにより、温度勾配が減じられ、ひいては機械的な応力も減じられる。
【０００８】
請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載のガスセンサの有利な改良が可能となる。
【０００９】
プレーナ技術で製作されたセンサ素子において熱伝導性の層が、加熱装置の層平面に対して平行な外面に配置されると、熱伝導性の層をパネルに塗布することができるという製作技術的な利点が得られる。加熱装置の比較的近くに位置する外面に熱伝導性の層が設けられると特に有利である。なぜならば、この外面では温度勾配、ひいては機械的な応力が最大となるからである。
【００１０】
センサ素子が測定領域と供給線路領域とを有していて、加熱装置によって主として測定領域が加熱される場合、熱伝導性の層をセンサ素子の外面に沿って測定領域および／または測定領域と供給線路領域との間の移行領域に少なくとも所定の範囲で設けることができるので有利である。なぜならば、これらの範囲では加熱によって高い機械的な応力が生じる危険があるからである。
【００１１】
熱伝導性の層が特にセンサ素子の縁部の範囲に設けられていると有利である。なぜならば、これらの範囲では機械的な応力に基づいた亀裂発生率が最大となるからである。さらに、熱伝導性の層が、１つの外面または複数の外面で温度勾配の方向に沿ってセンサ素子の縁部にまで延びていると有利である。すなわち、プレーナ型のセンサ素子の場合では、熱伝導性の層が、たとえばセンサ素子の１つの外面の層平面に対する加熱装置の中央部の投影図から出発して、この外面を閉じる縁部にまで放射状に延びる熱伝導路パターンを有していてよい。これにより、外面の冷たい縁部と外面の温かい中央部との間の熱補償を著しく制限することなしに、熱伝導性の層の材料を節約することができる。さらに、熱伝導性の層が格子状に構造化されていてもよい。このような手段により、やはり熱伝導性の層の材料を節約することができる。
【００１２】
熱伝導性の層が金属、特に白金を含有していて、５〜５０μｍの範囲の厚さを有していると、熱伝導性の層の良好な熱伝導性が保証されている。安定化のためには、熱伝導性の層がセラミック材料、たとえばＡｌ_２Ｏ_３を有していてよい。
【００１３】
熱伝導性の層がたとえば外部影響により除去されたり、あるいはまた高い温度により蒸発除去されることを阻止するためには、熱伝導性の層が保護層によってカバーされると有利である。この保護層はセラミック材料、たとえばＡｌ_２Ｏ_３および／またはＺｒＯ_２を有している。この保護層は閉じられた多孔質に形成されていて、１０〜１００μｍの厚さを有していると有利である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
図１ならびに図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄ、図２ｅ、図２ｆおよび図２ｇには、本発明の実施例として、測定領域１５と供給線路領域１６とを備えた、いわゆる「ラムダソンデ」、つまり酸素センサのセンサ素子１０が示されている。このセンサ素子１０は層システムとして構築されていて、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３と第４の固体電解質層２４とを有している。第１の固体電解質層２１には、センサ素子１０の外面で測定領域１５において第１の電極３１が被着されており、この第１の電極３１は電極保護層３３によって被覆されている。この電極保護層３３は多孔質に形成されているので、第１の電極３１は、センサ素子１０を取り囲む測定ガスにさらされている。シート状の第１の固体電解質層２１の、第１の電極３１とは反対の側には、第２の電極３２が被着されている。第２の電極３２は、シート状の第２の固体電解質層２２に導入された基準ガス室３４内に配置されている。この基準ガス室３４は多孔質の材料で充填されていてよい。
【００１６】
センサ素子１０の測定領域１５を加熱するためには、第３の固体電解質層２３と第４の固体電解質層２４との間に加熱装置４０が設けられている。この加熱装置４０はヒータ４０を有しており、このヒータ４１はヒータ絶縁部４２によって周囲の固体電解質層２３，２４から電気的に絶縁されている。ヒータ４１とヒータ絶縁部４２とは、側方でシールフレーム４３により取り囲まれる。このシールフレーム４３は、たとえばイオン伝導性の材料から成っている。また、ヒータ４１が周囲の固体電解質層２３，２４から電気的に絶縁されていないか、または少なくとも完全には絶縁されていないような構成、あるいはヒータ絶縁部４２がセンサ素子１０の側面にまで案内されていて、シールフレーム４３が節約され得るような構成も考えられる。
【００１７】
第４の固体電解質層２４の、センサ素子１０の層平面に対して平行な外面には、熱伝導性の層５１が被着されている。この熱伝導性の層５１は当業者によく知られている手段、たとえばスクリーン印刷技術で製作されている。熱伝導性の層５１は、同じくたとえばスクリーン印刷技術で被着された保護層５２により被覆されている。熱伝導性の層５１は白金から成っていて、５〜５０μｍ、有利には１２μｍの厚さを有している。保護層５２はセラミック材料、たとえばＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２との混合物から成っていて、１０〜１００μｍ、有利には３０μｍの厚さを有している。
【００１８】
図２ａ〜図２ｇには、本発明による実施例の複数の構成が図示されている。図２ａ〜図２ｇには、第４の固体電解質層２４および熱伝導性の層５１の平面図が示されており、この場合、熱伝導性の層５１の位置を明瞭にするために、保護層５２は図示されていない。保護層５２は、この保護層５２が熱伝導性の層５１を完全にカバーするように配置されている。センサ素子１０の外面に配置されているのではなく、第３の固体電解質層２３と第４の固体電解質層２４との間で層平面内に配置されているヒータ４１の位置は、図２ａに破線で描かれている。図２ｂ〜図２ｇにおけるヒータ４１の位置は、図２ａにおけるヒータ４１の位置に相当している。
【００１９】
図２ａに示した構成では、熱伝導性の層５１がセンサ素子１０の測定領域１５と、センサ素子１０の測定領域１５と供給線路領域１６との間の移行領域とを完全にカバーしている。図２ｂもしくは図２ｃに示した構成では、測定領域１５もしくは移行領域がカバーされる。
【００２０】
図２ｄに示した構成では、熱伝導性の層５１が、第４の固体電解質層２４の外面の縁部の範囲に設けられている。図２ｅに示した構成では、熱伝導性の層５１が、星形もしくは放射状に配置された熱伝導路を有しており、これらの熱伝導路はセンサ素子１０の外面の測定領域１５の中央部から外面の縁部にまで延びていて、測定領域１５における外面の中央部と縁部との間の温度補償を可能にする。図２ｆに示した構成は、図２ｄの構成と図２ｅの構成との組み合わせである。すなわち、熱伝導性の層５１の放射状に延びる熱伝導路はそれぞれ第４の固体電解質層２４の外面の縁部に設けられた熱伝導路に接続されている。図２ｇに示した構成では、熱伝導性の層５１が格子状の構造を有している。
【００２１】
熱伝導性の層５１はセンサ素子１０の外面の縁部に対して間隔を形成することなしに、この縁部にまで案内されていてよい。また、熱伝導性の層５１が外面の縁部に対して小さな間隔を有しているような構成や、保護層５２が熱伝導性の層５１と縁部との間の間隙を埋めていて、これによって熱伝導性の層５１を側方でもカバーしているような構成も考えられる。縁部に対する熱伝導性の層５１の間隔は、縁部の範囲に著しい温度勾配が生じ得ない程度に小さく維持されていなければならない。このことは、熱伝導性の層５１の間隔が０．５ｍｍよりも大きくない場合に確実に保証されている。
【００２２】
念のため付言しておくと、センサ素子１０の外面における熱伝導性の層５１の本発明による配置は、図１に示したセンサタイプに限定されているわけではなく、一般的に、外面に温度勾配に基づいた機械的な応力が生じるようなセンサ素子のために使用され得る。
【００２３】
図示されていない別の実施例では、センサ素子の複数の外面が熱伝導性の層を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサ素子の１実施例による測定領域の横断面図である。
【図２ａ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層の構成を示す平面図である。
【図２ｂ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層の別の構成を示す平面図である。
【図２ｃ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層のさらに別の構成を示す平面図である。
【図２ｄ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層のさらに別の構成を示す平面図である。
【図２ｅ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層のさらに別の構成を示す平面図である。
【図２ｆ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層のさらに別の構成を示す平面図である。
【図２ｇ】本発明によるセンサ素子の熱伝導性の層のさらに別の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ センサ素子、 １５ 測定領域、 １６ 供給線路領域、 ２１ 第１の固体電解質層、 ２２ 第２の固体電解質層、 ２３ 第３の固体電解質層、２４ 第４の固体電解質層、 ３１ 第１の電極、 ３２ 第２の電極、 ３３ 電極保護層、 ３４ 基準ガス室、 ４０ 加熱装置、 ４１ ヒータ、 ４２ ヒータ絶縁部、 ４３ シールフレーム、 ５１ 熱伝導性の層、 ５２保護層

Claims (20)

1. 内燃機関の排ガスの少なくとも１種のガス成分を測定するための、加熱装置を備えたセンサ素子において、センサ素子（１０）の少なくとも１つの外面に、少なくとも所定の範囲で、熱伝導性の層（５１）が被着されており、該熱伝導性の層（５１）が、当該センサ素子（１０）の外面の材料よりも高い熱伝導率を有しており、熱伝導性の層（５１）が、当該センサ素子（１０）の外面の縁部に少なくとも所定の範囲で設けられているか、または当該センサ素子（１０）の外面の縁部に対する熱伝導性の層（５１）が、０．５ｍｍよりも大きくなく、当該センサ素子（１０）が層構造を有しており、加熱装置（４０）が当該センサ素子（１０）の層平面に配置されており、熱伝導性の層（５１）が、当該センサ素子（１０）の、加熱装置（４０）の層平面に対して平行な外面に被着されていることを特徴とするセンサ素子。
2. 熱伝導性の層（５１）が、当該センサ素子（１０）の、加熱装置（４０）の最も近くに位置する外面に配置されている、請求項１記載のセンサ素子。
3. 当該センサ素子（１０）が、測定領域（１５）と供給線路領域（１６）とを有しており、測定領域（１５）が移行領域で供給線路領域（１６）へ移行しており、加熱装置（４０）が、当該センサ素子（１０）の測定領域（１５）および／または移行領域に設けられている、請求項１または２記載のセンサ素子。
4. 熱伝導性の層（５１）が、少なくとも当該センサ素子（１０）の測定領域（１５）および／または移行領域に配置されている、請求項３記載のセンサ素子。
5. 熱伝導性の層（５１）が、少なくとも測定領域（１５）および／または該測定領域（１５）と供給線路領域（１６）との間の移行領域で、当該センサ素子（１０）の全ての大面をカバーしている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
6. 熱伝導性の層（５１）が、該熱伝導性の層（５１）の層平面に対する加熱装置（４０）の中央の範囲の投影図から出発して、当該センサ素子（１０）の縁部にまで放射状に延びる熱伝導路パターンを有している、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. 熱伝導性の層（５１）が格子体として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. 当該センサ素子（１０）が、測定領域（１５）に少なくとも１つの電気化学的なセルを有しており、該セルが、第１の電極（３１）および第２の電極（３２）ならびに第１の電極（３１）と第２の電極（３２）との間に配置された固体電解質層（２１）を有している、請求項３から７までのいずれか１項記載のセンサ素子。
9. 前記第１の電極（３１）が測定ガスと接触しており、前記第２の電極（５２）が、当該センサ素子（１０）内に導入された基準ガス室（３４）内に存在する基準ガスと接触している、請求項８記載のセンサ素子。
10. 加熱装置（４０）がヒータ（４１）を有しており、該ヒータ（４１）がヒータ絶縁部（４２）内に埋め込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素子。
11. 熱伝導性の層（５１）が、主要成分として少なくとも１種の金属を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ素子。
12. 熱伝導性の層（５１）が白金を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ素子。
13. 熱伝導性の層（５１）が、５〜５０μｍの厚さを有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサ素子。
14. 熱伝導性の層（５１）がＡｌ_２Ｏ_３を有している、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
15. 熱伝導性の層（５１）が保護層（５２）によってカバーされている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
16. 前記保護層（５２）がＡｌ_２Ｏ_３および／またはＺｒＯ _２ を有している、請求項１５項記載のセンサ素子。
17. 前記保護層（５２）が、閉じられた多孔質を有している、請求項１５または１６記載のセンサ素子。
18. 前記保護層（５２）が、１０〜１００μｍの厚さを有する、密に焼結された層である、請求項１５から１７までのいずれか１項記載のセンサ素子。
19. 熱伝導性の層（５１）が、当該センサ素子（１０）の外面の材料よりも高い熱伝導率を有している、請求項１から１８までのいずれか１項記載のセンサ素子。
20. 熱伝導性の層（５１）の熱伝導率が、当該センサ素子（１０）の外面の材料の熱伝導率の少なくとも２倍の大きさを有している、請求項１から１９までのいずれか１項記載のセンサ素子。

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