JP4518349B2 - ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合物、特に内燃機関の排気ガス中のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなセンサは、内燃機関の排気ガス分析で使用するために、例えばAutomotive Electronics Handbook (1994), Kapitel 6, Wiedenmann et al.,“Exhaust Gas Sensors”から公知である。しかしながら、このセンサの場合には、運転中に、特に高い酸素ポンプ出力の場合に、ガス交換プロセスの結果としてステップ応答の際にオーバシュート又はアンダシュートを生じるという問題が起こる。これらのオーバシュート又はアンダシュートは、いわゆるλ＝１リプルとも称される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記形式のセンサにおいて従来の技術による前記欠点を排除したセンサを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、第１の発明によれば、内部ポンプ電極と内部ポンプ電極リード並びに測定電極と測定電極リードを有するガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサであって、測定電極リード及び内部ポンプ電極リードが少なくともセンサの熱い領域内に互いに間隔を置いて位置しかつ電極が測定領域と結合されている形式のものにおいて、電極リードの少なくとも１つが少なくとも熱い領域内で少なくとも１つの酸素貯蔵体と結合されており、該酸素貯蔵体が測定領域から少なくとも十分に気密に分離されていることにより解決される。
【０００５】
前記課題は、第２の発明によれば、内部ポンプ電極と内部ポンプ電極リード及び外部ポンプ電極と外部ポンプ電極リードを有し、これらが第２の固体電解質シートを介して互いに間隔があけられている、ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサにおいて、外部ポンプ電極リードが少なくとも領域的に酸素貯蔵体と結合されていることにより解決される。
【０００６】
前記課題は、第３の発明によれば、内部ポンプ電極と内部ポンプ電極リード、測定電極と測定電極リード並びに外部ポンプ電極と外部ポンプ電極リードを有するガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサであって、測定電極リード及び内部ポンプ電極リードが少なくともセンサの熱い領域内に互いに間隔を置いて位置しかつ電極が測定領域と結合されており、かつ外部ポンプ電極と内部ポンプ電極リードが第２の固体電解質シートを介して互いに間隔があけられている形式のものにおいて、電極リードの少なくとも１つが少なくとも熱い領域内で少なくとも１つの第１の酸素貯蔵体と結合されており、該酸素貯蔵体が測定領域から少なくとも十分に気密に分離されており、かつ外部ポンプ電極リードが少なくとも領域的に第２の酸素貯蔵体と結合されていることにより解決される。
【０００７】
前記特徴を有する本発明によるガスセンサは、従来の技術のものに比して、ガス交換プロセスでステップ応答の際にいわゆるλ＝１リプル、即ちオーバシュートもしくはアンダシュートが減少せしめられるので、センサ信号が迅速かつ精確に生じかつ変動が小さくなるという利点を有する。
【０００８】
測定電極リード及び／又は内部ポンプ電極リードが少なくともセンサの熱い領域内で、常に十分な量の酸素が供給される酸素貯蔵体と結合されていることにより、センサの作動の際に電極リードでポンプ電圧が接続されると酸素不足が生じ得ることが回避され、このことはそれにより生じる濃度差を介してその他の電極リードに関していわゆるネルンスト電圧を生じ、この電圧はまたいわゆるλ＝１リプルに著しく寄与する。
【０００９】
内部ポンプ電極及び測定電極が結合している本来の測定領域が本発明による酸素貯蔵体により好ましく拡大されることを回避するために、この貯蔵体は極めて有利には気密に測定領域から分離される。
【００１０】
さらに、酸素貯蔵体と結合された測定で電極リード及び／又は内部電極リードの代わりに又はそれに加えて、外部電極リードが酸素貯蔵体と結合されていれば、有利である。それにより、外部電極リードでの相応する有害なネルンスト電圧を伴う酸素不足も回避される。
【００１１】
従来の技術から公知のセンサにおいては、それとは反対に測定電極、内部電極及び外部電極の電極リードは焼結されたセンサ素子においてはシートバインダ（ＺｒＯ₂）により又はさもなければプリントされたシートにより気密に密閉されているので、この酸素不足の補償も不可能である。
【００１２】
その他の点で、当業者によっては、センサの熱い領域とは、測定ガスに曝されるもしくはその内部で測定信号が形成されるガスセンサの領域であると理解され、一方冷たい領域とは、明らかに低い温度に曝されかつ測定信号に形成には実質的に関与しない電極リードの領域であると理解されるべきである。
【００１３】
本発明の有利な構成は、請求項２〜９及び１１〜１６の記載から明らかである。
【００１４】
酸素貯蔵体として、内部ポンプ電極リード及び／又は外部ポンプ電極リード及び／又は測定電極リードと結合された中空室が極めて有利である。この場合、内部ポンプ電極リード及び外部ポンプ電極リードの両者が１つの、好ましくは同じ中空室又は酸素貯蔵体と結合されている場合が特に有利である。
【００１５】
さらに極めて有利には、外部ポンプ電極リードは、領域的にこのリードの上には通常のカバー層によって被覆を行わないことにより、酸素貯蔵体と結合させ、それにより外部電極リードをそこで直接周囲空気又はその他の酸素含有ガスと接触させる。
【００１６】
酸素貯蔵体からの測定領域の気密分離は、有利にはバリヤ、特にＺｒＯ₂からなるシートバインダからなるバリヤを介して行われる。
【００１７】
中空室の代わりに又はそれに加えて、酸素貯蔵体はさらに特に有利には多孔質材料の形で構成されていてもよく、又は少なくとも領域的に多孔質層として存在していてもよい。そのためには、多孔質材料は有利には少なくとも領域的に、測定電極リード及び／又は内部ポンプ電極リード及び／又は外部ポンプ電極リードと単数及び／又は複数の多孔質領域の形で結合されている。多孔質領域は、電極リードに互いに間隔を持たせる固体電解質シートの一部である場合が特に有利である。多孔質材料としては、多孔質領域のためには多孔質のＺｒＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃が好適である。
【００１８】
さらに、酸素貯蔵体少なくとも領域的にセンサの熱い領域内で少なくとも１つの電極リードに結合されているだけでなく、これらの結合がセンサの冷たい領域まで延びているのが有利である。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明を図示の実施例により詳細に説明する。
【００２０】
図１は、従来の技術から公知の、プレーナ型センサ素子１の形のガスを分析するためのセンサを分解図で示す。該センサ素子１は、熱い領域２及び冷たい領域３を有する。さらに、電気接続接点１０、ヒータシート１１、絶縁層１２、ヒータ１３、もう１つの絶縁層１４、参照空気通路シート１５及び参照電極１６が設けられている。参照電極１６上に、第１の固体電解質シート１７、測定電極リード１９を有する測定電極１８、拡散バリヤ２０、中間層２８、充填層３０、及び内部ポンプ電極リード２２を有する内部電極２１が設けられている。内部ポンプ電極リード２２及び測定電極リード１９は、センサの冷たい領域３内を一緒に延びている。内部ポンプ電極２１上には、第２の固体電解質シート２３、外部ポンプ電極リード２５を有する外部ポンプ電極２４並びに外部ポンプ電極カバーとしての多孔質保護層２６及び外部ポンプ電極リードカバー２７が配置されている。
【００２１】
図２は、図１に基づく公知のセンサを付加的詳細部と共に断面図で示し、この場合専ら固体電解質シート１７と２３の間の領域及びまた同時に冷たい領域３の一部分のみが示されている。破線は、図１に対する図２における領域の位置を表す。図２には、図１を越えて、熱い領域２内の内部ポンプ電極２１及び測定電極１８は、分析すべきガスと結合された中空室の形の測定領域が形成されるように相互に間隔をおいていることが示されている。中間層２８は、ＺｒＯ₂からなるシートバインダからなりかつ熱い領域２内並びにまた領域的に冷たい領域３内の電極リード２２及び１９を互いに分離する。例えば個々の構成部材及び層、その具体的な製造及び使用される材料のような、図１及び２に基づき説明される公知のセンサ素子のさらなる詳細は、当業者に公知であるので記載しない。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施例を示し、この場合には図２の公知の構成とは異なり中間層２８が無くかつその位置に分離バリヤ３２及び中空室３１が設けられており、該中空室は内部ポンプ電極リード２２及び測定電極リード１９と結合されている。分離バリヤ３２は、ＺｒＯ₂からなるプリントされかつ後で焼結されたシートバインダから製造されかつ中空室３１を少なくとも十分に気密に測定領域２９から分離し、それによって測定領域２９の拡大は生じない。中空室３１は、電極リード１９及び２２での酸素不足を阻止するための酸素貯蔵体として役立つ。中空室３１の実現は、この箇所でプレーナ型センサ素子をプリント法で製造する際、後での焼結のに際の残渣無く分解されかつ中空室３１を後に残すガラスカーボンペーストをプリントすることにより行われる。
【００２３】
図４は、本発明の別の実施例を示し、この場合には図２に基づく公知の構成とは異なり第１の多孔質領域３４及び第２の多孔質領域が設けられており、これらは少なくとも熱い領域２で領域的に内部ポンプ電極リード２２及び測定電極リード１９と結合されている。この際、第１及び第２の多孔質領域３３，３４は第２の固体電解質シート２３及び第１の固体電解質シート１７の部分を形成する。多孔質領域３３，３４は、固体電解質シート１７及び２３に対して明らかに増大されたガス量、ひいては特に酸素を吸収しかつ貯蔵することができ、それによりセンサの作動の際の酸素貯蔵体として作用する。多孔質領域３３及び３４の実現は、例えば、これらの位置にＡｌ₂Ｏ₃又はＺｒＯ₂からなる多孔質層をプリントするか又は固体電解質１７，２３の多孔質領域を形成させることにより行う。例えばこれらの領域にプリントの際に固体電解質シート内の有機結合剤の割合を局所的に変化させることを介して形成することができる多孔質領域３３及び３４を実現するためのさらなる詳細は、当業者には公知である。
【００２４】
ここでさらに強調すべきは、図３と図４の実施例は、中空室３１及び多孔質領域３３及び３４が電極リード２２及び１９と結合するように、組合せることもできることである。さらに、多孔質領域３３及び３４を電極リード２２及び１９の下にもまた上にも設置することができることは自明なことである。さらに、第２の多孔質領域３４のみが実現されておりかつ少なくとも熱い領域２が内部ポンプ電極リードと結合されており、中空室３１が内部ポンプ電極リード２２の上に配置されているか又は第２の固体電解質シート２３の部分であることにより、中空室３１が内部ポンプ電極リード２２とだけ結合されている、又は中空室３１が測定電極リード１９び下に配置されていることにより、測定電極リード１９だけと結合されている本発明による別の実施例が存在する。
【００２５】
特に酸素貯蔵体として役立つ中空室３１及び単数又は複数の多孔質領域３３及び３４の寸法及び数に関する可能な別の組合せ、配置及び変更は、明白である。しかしながら、少なくとも測定電極リード１９が酸素貯蔵体と結合されているのが、特に好ましいことが判明した。さらに、本発明の別の実施例においては、前述の実施例の１つに基づく酸素貯蔵体（中空室又は多孔質領域として実現）は熱い領域２から冷たい領域３内に延びている。このためには、酸素貯蔵体は細長い中空室又は拡大された多孔質領域として構成されていてもよい。
【００２６】
説明した形式での電極リード１９又は２２の少なくとも１つと酸素結合体のと結合の他に、酸素貯蔵体が領域的に専ら外部ポンプ電極リード２４と結合されているように、本発明を実現することもできる。この実施例では、酸素貯蔵体として、上述の実施例に類似してＡｌ₂Ｏ₃又はＺｒＯ₂のような少なくとも１種の多孔質材料からなりかつ少なくとも領域的に多孔質層として実現された第３の多孔質領域が設けられているために意図される。この第３の多孔質領域は、特に外部ポンプ電極リード２５の上又は下に存在することができる。さらに、これは当業者には即座に理解される図１の公知構造の変更でかつその他は前記の実施例に対して類似した方式で、第２の固体電解質シート２３の一部分もしくは領域又は外部ポンプ電極リードカバー２７の一部分もしくは領域として実現されていてもよい。この実施例の特に簡単かつ好ましい実現は、外部ポンプ電極リードがこの領域内では特に周囲空気のような酸素含有ガスに直接曝されるように、外部ポンプ電極リードカバーが領域的に除かれているか又は製造工程で領域的に形成されない場合に生じる。この場合には従って、直接的周囲空気が外部電極リード２５のための酸素貯蔵体である。
【００２７】
その他に、前記の実施例の多種多様な組合せが実施可能である。例えば、また酸素貯蔵体が第３の多孔質領域の形で設けられており、該領域が外部ポンプ電極リード２４と結合されておりかつ同時に酸素貯蔵体が中空室３１の形で構成されており、該中空室が内部ポンプ電極リード２及び測定電極リード１９と結合されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術から公知のセンサの分解図である。
【図２】図１の公知のセンサの部分領域の断面図である。
【図３】付加的な酸素貯蔵体を有する図２の部分領域を示す図である。
【図４】選択的構成における酸素貯蔵体を有する図２のセンサの部分領域を示す図である。
【符号の説明】
１ プレーナ型センサ素子、 ２ 熱い領域、 ３ 冷たい領域、 １０ 接続接点、 １１ ヒータシート、 １２ 絶縁層、 １３ ヒータ、 １４ 絶縁層、 １５ 参照空気通路シート、 １６ 参照電極、 １７ 第１の固体電解質シート、 １８ 測定電極、 １９ 測定電極リード、 ２０ 拡散バリヤ、 ２１ 内部ポンプ電極、 ２２ 内部ポンプ電極リード、 ２３ 第２の固体電極シート、 ２４ 外部電極、 ２５ 外部ポンプ電極リード、 ２６ 外部ポンプ電極カバー、 ２７ 外部ポンプ電極リードカバー、 ２８ 中間層、２９ 測定領域、 ３０ 充填層、 ３１ 中空室、 ３２ 分離バリヤ、 ３３ 第１の多孔質領域、 ３４ 第２の多孔質領域

Claims (15)

1. 第１の固体電解質シート（１７）と、該第１の固体電解質シート（１７）の上方に配置されている第２の固体電解質シート（２３）とを有する、ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサであって、前記第１の固体電解質シート（１７）の下方には参照電極（１６）が配置されており、かつ、前記第１の固体電解質シート（１７）の上方には、測定電極（１８）と、該測定電極（１８）と結合された測定電極リード（１９）とが配置されており、前記第２の固体電解質シート（２３）の下方には、内部ポンプ電極（２１）と、該内部ポンプ電極（２１）と結合された内部ポンプ電極リード（２２）とが配置されており、前記第２の固体電解質シート（２３）の上方には、外部ポンプ電極（２４）と、該外部ポンプ電極（２４）と結合された外部ポンプ電極リード（２５）とが配置されており、前記測定電極（１８）と前記内部ポンプ電極（２１）との間には、測定領域（２９）が、拡散バリヤ（２０）を介して分析すべきガスと結合している中空室の形で構成されているセンサにおいて、測定電極リード（１９）又は内部ポンプ電極リード（２２）が少なくとも１つの酸素貯蔵体と結合されており、該酸素貯蔵体が測定領域（２９）から気密に分離されていることを特徴とする、ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサ。
2. 測定電極リード（１９）と内部ポンプ電極リード（２２）とが、少なくとも、測定ガスに曝されているセンサの領域（２）内に、互いに間隔を置いて位置している、請求項１記載のセンサ。
3. 酸素貯蔵体が中空室（３１）である、請求項１記載のセンサ。
4. 酸素貯蔵体が測定電極リード（１９）及び内部ポンプ電極リード（２２）と結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
5. 気密分離のために分離バリヤ（３２）が設けられている、請求項１記載のセンサ。
6. 酸素貯蔵体が少なくとも１種の多孔質材料からなりかつ少なくとも１つの少なくとも部分的に多孔質の層である、請求項１記載のセンサ。
7. 多孔質材料が部分的に測定電極リード（１９）と結合された第１の多孔質領域（３３）及び／又は部分的に内部ポンプ電極リード（２２）と結合された第２の多孔質領域（３４）である、請求項６記載のセンサ。
8. 多孔質材料又は少なくとも１つの多孔質領域が固体電解質シート（２３，１７）の領域である、請求項６又は７記載のセンサ。
9. 多孔質材料が少なくとも多孔質のＺｒＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃である、請求項６記載のセンサ。
10. 第１の固体電解質シート（１７）と、該第１の固体電解質シート（１７）の上方に配置されている第２の固体電解質シート（２３）とを有する、ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサであって、前記第１の固体電解質シート（１７）の下方には参照電極（１６）が配置されており、かつ、前記第１の固体電解質シート（１７）の上方には、測定電極（１８）と、該測定電極（１８）と結合された測定電極リード（１９）とが配置されており、前記第２の固体電解質シート（２３）の下方には、内部ポンプ電極（２１）と、該内部ポンプ電極（２１）と結合された内部ポンプ電極リード（２２）とが配置されており、前記第２の固体電解質シート（２３）の上方には、外部ポンプ電極（２４）と、該外部ポンプ電極（２４）と結合された外部ポンプ電極リード（２５）とが配置されており、前記測定電極（１８）と前記内部ポンプ電極（２１）との間には、測定領域（２９）が、拡散バリヤ（２０）を介して分析すべきガスと結合している中空室の形で構成されているセンサにおいて、外部ポンプ電極リード（２５）が少なくとも部分的に酸素貯蔵体と結合されていること特徴とする、ガス混合物のガス成分及び／又はガス濃度を測定するセンサ。
11. 酸素貯蔵体が少なくとも１種の多孔質材料からなりかつ少なくとも１つの少なくとも部分的に多孔質の層である、請求項１０記載のセンサ。
12. 多孔質材料が部分的に外部ポンプ電極（２４）と結合された第３の多孔質領域である、請求項１１記載のセンサ。
13. 多孔質材料が少なくとも多孔質のＺｒＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃である、請求項１１記載のセンサ。
14. 外部ポンプ電極リード（２５）が少なくとも部分的に直接酸素含有ガスに曝される、請求項１０記載のセンサ。
15. 外部ポンプ電極リード（２５）が少なくとも部分的に第２の酸素貯蔵体と結合されている、請求項１記載のセンサ。

Images