JP4773036B2 - 電気化学式のセンサ部材 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ガス混合気内のガス成分の濃度の規定のため、殊に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の規定のための、請求項１の上位概念に記載の形式の電気化学的なセンサ部材（センサ素子）に関する。
【０００２】
技術背景
前記形式の電気化学的なセンサ部材は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６４７１４４Ａ１号明細書により公知である。該センサ部材はガス測定フィーラ内に装着され、測定ガスフィーラが自動車エンジンの燃焼混合気の空気／燃料比の調節のために用いられ、広幅テープ形ラムダゾンデ（ワイドバンド・ラムダセンサ）として知られている。該センサ部材内には、電気化学的なポンプセルを備えた濃度セルが組み込まれている。
【０００３】
濃度セルが、測定ガス領域内に配置された測定電極及び基準ガス領域内に配置された基準電極を有している。排気ガスが、ガス流入孔及び拡散バリアを介して測定ガス領域内に到達する。基準ガス領域が、センサ部材の、測定ガス領域と反対の側に設けられた開口を介して基準雰囲気（基準大気）に接続されている。測定ガス領域と基準ガス領域とが、層構造として形成されたセンサ部材の同じ層平面内に位置していて、気密の仕切壁によって互いに分離されている。測定電極と基準電極との間にいわゆるネルンスト電圧が形成されるようになっており、ネルンスト電圧から、測定ガス領域内の酸素分圧と基準ガス領域内の酸素分圧との比が求められる。
【０００４】
ポンプセルが、測定ガス領域内に配置されたポンプ電極及び、センサ部材の、排気ガスに向けられた面に配置されたポンプ電極を有していて、酸素を測定ガス領域から排気ガスへ、若しくは逆に排気ガスから測定ガス領域内へポンピングするようになっている。ポンプセルに作用するポンプ電圧が、測定ガス領域に特定のネルンスト電圧に対応する所定の酸素分圧を生ぜしめるように外部の回路によって調節される。ポンプ電圧は、ポンプセル内を流れるポンプ電流が拡散バリアを通る酸素分子の拡散速度によって制限されているように選ばれ、かつ拡散バリアを通って流れる酸素分子の流れは排気ガスの酸素濃度に比例しているので、ポンプ電流から排気ガスの酸素分圧が求められる。
【０００５】
公知のセンサ部材においては欠点として、センサ部材の１つの層平面内での互いに気密に分離された２つのガス室、即ち測定ガス領域と基準ガス領域との形成が、費用を必要とし、かつ製造技術的に困難である。
【０００６】
発明の利点
独立請求項（請求項１）に記載の本発明に基づく電気化学式のセンサ部材においては利点として、センサ部材の構成が測定ガス領域と基準ガス領域との間に別の拡散抵抗を配置することによって著しく簡単にされている。これによって、基準ガス領域のための切欠きを測定ガス領域に対して気密に分離して形成する必要がなくなる。
【０００７】
従属請求項に記載の手段によって、独立請求項に記載のセンサ部材の有利な構成及び改良が可能である。
【０００８】
ガス成分、一般的に酸素が外部の回路によって基準電極を介して基準ガス領域内に吸い込まれるようになっていることに基づき、基準ガス領域内にガス成分の一様な分圧が生ぜしめられ、その結果、測定ガス領域内のガス成分の分圧が、測定ガス電極と基準電極との間に形成された電圧差（ネルンスト電圧）によって高い精度で規定される。
【０００９】
さらに有利には、基準ガス領域が別の拡散抵抗を介してのみ、センサ部材の外側にあるガス室と接続されている。これによって、例えば基準ガス雰囲気から汚染物質が基準ガス領域内に到達して基準電極の損傷、ひいてはセンサ機能の妨げを生ぜしめるようなことが避けられる。
【００１０】
基準ガス領域及び／又は測定ガス領域が、拡散抵抗及び／又は別の拡散抵抗を形成する多孔性の層によって少なくとも部分的に満たされていることに基づき、センサ部材の構成がさらに簡単になる。
【００１１】
基準ガス領域がガス流入孔から離された溝状（チャンネル状）の領域内に配置されていることに基づき、基準ガス領域内のガス成分の濃度がガス混合気のガス成分の濃度の変動の影響をほとんど受けない。
【００１２】
測定ガス電極と基準電極とがセンサ部材の同じ層平面内に配置されていることに基づき、製造技術的な利点として、測定ガス電極と基準電極とが１つの印刷段階で形成される。
【００１３】
実施例の説明
本発明の実施例を図面に示して詳細に説明する。第１図及び第２図に、本発明の第１の実施例として広幅テープ形ラムダゾンデ（ワイドバンド・ラムダセンサ）のセンサ部材１０を示してあり、センサ部材が層構造として形成されていて、第１、第２、第３及び第４の固体電解質層２１，２２，２３，２４を有している。第１及び第２の固体電解質層２１，２２内にガス流入孔３０が形成されている。第２の固体電解質層２２内に切欠きを設けてあり、該切欠きが拡散抵抗３１、測定ガス領域４０、第２の拡散抵抗３２、及び基準ガス領域４１を含んでいる。切欠きは扁平な円筒形の領域(flacher zylinderfoermiger Bereich)及び溝状の領域(kanalfoermiger Bereich)から成っており、円筒形の領域の中央にガス流入孔３０を設けてあり、ガス流入孔３０が中空円筒形(hohlzylinderfoermig)の拡散抵抗３１及び同じく中空円筒形の測定ガス領域４０によって取り囲まれており、溝状の領域内に円筒形の領域と直接に隣接する別の拡散抵抗３２と基準ガス領域４１が設けられている。
【００１４】
第１の固体電解質層２１上に、測定ガス領域４０内でリード線５０ａ付きのリング状の測定ガス電極５０が設けられ、かつ基準ガス領域４１内でリード線５１ａ付きの基準電極５１が設けられている。第１の固体電解質層２１の外面上に、リング状のポンプ電極５２が取り付けられている。第２の固体電解質層２２に、第３及び第４の固体電解質層２３，２４が接続している。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、ヒータエレメント（発熱体）５７がヒータ絶縁体５８と一緒に設けられている。
【００１５】
ポンプ電極５２が測定ガス電極５０と一緒にポンプセルを形成しており、ポンプセルが外部の回路の操作によって酸素を測定ガス領域４０内へ吸い込み若しくは測定ガス領域から吐出する。外部の回路によってポンプセルに印加されるポンプ電圧が、測定ガス領域４０に所定の酸素分圧を生ぜしめるように調節される。有利にはλ＝１の酸素分圧が生ぜしめられ、即ち該酸素分圧は理論空燃比に相応する。
【００１６】
測定ガス領域４０内に生じる酸素分圧は、測定ガス電極５０と基準電極５１とで形成されたネルンストセルによって規定される。種々の酸素分圧によって測定ガス領域４０及び基準ガス領域４１内に惹起されたネルンスト電圧が、ネルンストセルを用いて測定されて、ポンプ電圧の調節に用いられる。このために、基準ガス領域４１内に十分な一定の酸素分圧を生ぜしめることが必要である。従って、外部の回路によって測定ガス電極５０と基準電極５１との間若しくはポンプ電極５２と基準電極５１との間にわずかなポンプ電流が生ぜしめられる。このような例えば５乃至５０μAのポンプ電流によって、酸素が基準ガス領域４１内に吸い込まれる。排気ガス内の酸素分圧に関連して、基準ガス領域４１内の酸素分圧が例えば、濃い排気ガスの０．０１バール乃至極めて薄い排気ガスの０．３バールの範囲で変動する。しかしながら、このような変動によるネルンスト電圧への影響は無視できるものである。
【００１７】
基準ガス領域４１内に存在するガスは別の拡散抵抗３２を経て測定ガス領域４０内に到達できる。センサ部材の外側に位置するガス室、例えば大気への別の接続は不必要である。測定ガス領域４０内の酸素分圧は、測定ガス領域４０への基準ガス領域４１の通気によってポンプ流のわずかなことに基づき無視できる程度にしか変化しない。
【００１８】
基準ガス室４１内の基準電極５１を第３の固体電解質層２３に設ける実施態様も考えられる。
【００１９】
図３及び図４に、本発明の第２の実施例として広幅テープ形ラムダゾンデのセンサ部材１０を示してあり、該センサ部材がガス流入孔１３０の形成された第１及び第２の固体電解質層１２１，１２２及び、第３及び第４の固体電解質層１２３，１２４を備えており、第３及び第４の固体電解質層間に、ヒータ絶縁体１５８を備えたヒータエレメント１５７が設けられている。第２の固体電解質層１２２に切欠きを設けてあり、切欠きが拡散抵抗１３１、測定ガス電極１５０の備えられた測定ガス領域１４０、別の拡散抵抗１３２及び、基準電極１５１の備えられた基準ガス領域１４１を含んでいる。第１の固体電解質層１２１の外面にポンプ電極１５２が取り付けられている。
【００２０】
第２の実施例と第１の実施例との相違点として、拡散抵抗１３１及び測定ガス領域１４０のほかに、別の拡散抵抗１３２及び基準ガス領域１４１も同心的な中空シリンダーの形で扁平な円筒形の切欠き内に配置されている。さらに、基準電極１５１内に位置する基準ガス領域１４１が完全に、別の拡散抵抗１３２を成形する多孔性の材料によって満たされている。従って、第２の実施例では基準ガス領域１４１を、多孔性の材料の、基準電極１５１に隣接した領域が形成ている。
【００２１】
基準ガス室１４１内の基準電極を第３の固体電解質層１２３に設ける実施態様も考えられる。さらに、別の拡散抵抗が基準電極１５１を被わないように、若しくは部分的にしか被わないようにすることも考えられる。
【００２２】
図５には本発明の第３の実施例を示してあり、第２の実施例に対して相違点として、基準ガス領域１４１内の基準電極１５１が第３の固体電解質層１３２に配置されており、かつ測定ガス領域１４０内に、測定ガス電極１５０に相対して位置して第３の固体電解質層に取り付けられた別の測定ガス電極１５３が設けられている。
【００２３】
第３の実施例において、別の測定ガス電極１５３は例えばリード線領域で測定ガス電極１５０に電気的に接続されていてよい。ネルンストセルを、別の測定ガス電極１５３及び基準電極１５１によって形成しかつ、ポンプセルを測定ガス電極１５０及びポンプ電極１５２によって形成することも考えられる。この場合、ポンプ電流が基準ガス領域１４１内の必要な酸素分圧を保持するために別の測定ガス電極１５３と基準電極１５１との間、及び／又は測定ガス電極１５０と別の基準電極１５３との間、及び／又はポンプ電極１５２と別の基準電極１５３との間に流されてよい。
【００２４】
図６に第４の実施例を示してあり、該実施例と第２の実施例との相違点として、第２の固体電解質層内に形成されていて拡散抵抗１３１、測定ガス領域１４０、別の拡散抵抗１３２及び基準ガス領域１４１を含む切欠きが完全に多孔性の材料によって満たされている。該実施例では、測定ガス領域１４０が多孔性の材料の、測定ガス電極１５０に隣接の領域によって形成されており、基準ガス領域１４１が多孔性の材料の、基準電極１５１に隣接の領域によって形成されている。拡散抵抗１３１がガス流入孔１３０と測定ガス電極１５０との間に位置する多孔性の材料によって形成されており、別の拡散抵抗１３２が測定ガス電極１５０と基準電極１５１との間に位置する多孔性の材料によって形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくセンサ部材の第１の実施例の、図２の線Ｉ−Ｉに沿った断面図。
【図２】 本発明に基づくセンサ部材の第１の実施例の、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図。
【図３】 本発明に基づくセンサ部材の第２の実施例の、図４の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。
【図４】 本発明に基づくセンサ部材の第２の実施例の、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図。
【図５】 本発明に基づくセンサ部材の別の実施例の縦断面図。
【図６】 本発明に基づくセンサ部材のさらに別の実施例の縦断面図。
【符号の説明】
２１，２２，２３，２４ 固体電解質層、 ３０ ガス流入孔、 ３１，３２ 拡散抵抗、 ４０ 測定ガス領域、 ４１ 基準ガス領域、 ５０ 測定ガス電極、 ５０ａ リード線、 ５１ 基準電極、 ５１ａ リード線、 ５２ ポンプ電極、 ５７ ヒータエレメント、 ５８ ヒータ絶縁体

Claims (12)

1. ガス混合気内のガス成分の濃度の規定のためのセンサ部材であって、互いに重ねて配置された第１の固体電解質層（２１）、第２の固体電解質層（２２）及び第３の固体電解質層（２３）の少なくとも３つの固体電解質層を有する層構造として形成されていて、少なくとも１つのポンプセルを備えており、ポンプセルが、ガス混合気に向けられた前記第１の固体電解質層（２１）外面に配置された少なくとも１つのポンプ電極（５２，１５２）及び、前記第１の固体電解質層（２１）と隣接する前記第２の固体電解質層（２２）に設けられた測定ガス領域（４０，１４０）内で前記第１の固体電解質層（２１）の内面に配置された測定ガス電極（５０，１５０）を有しており、この場合、ガス混合気が拡散抵抗（３１，１３１）を介して測定ガス領域（４０，１４０）内に達するようになっており、さらに、前記第２の固体電解質層（２２）に設けられた基準ガス領域（４１，１４１）内で前記第１の固体電解質層（２１）の内面に、若しくは前記第２の固体電解質層（２２）と隣接する前記第３の固体電解質層（２３）の内面に配置された１つの基準電極（５１，１５１）を備えている形式のものにおいて、測定ガス領域（４０，１４０）と基準ガス領域（４１，１４１）との間に別の拡散抵抗（３２，１３２）が設けられており、測定ガス電極（５０，１５０）と基準電極（５１，１５１）とが、第１の固体電解質層（２１）の同じ内面に配置されていることを特徴とする、電気化学式のセンサ部材。
2. ガス混合気内のガス成分が外部の回路によって基準電極（５１，１５１）を介して基準ガス領域（４１，１４１）内に供給されるようになっている請求項１記載のセンサ部材。
3. ガス混合気内のガス成分が外部の回路によって測定ガス領域（４０，１４０）から測定ガス電極（５０，１５０）及び基準電極（５１，１５１）を介して基準ガス領域（４１，１４１）内に供給されるようになっている請求項２記載のセンサ部材。
4. ガス混合気内のガス成分が外部の回路によってポンプ電極（５２，１５２）及び基準電極（５１，１５１）を介して基準ガス領域（４１，１４１）内に供給されるようになっている請求項２記載のセンサ部材
5. 別の測定ガス電極（１５３）が、測定ガス領域（４０，１４０）内で第３の固体電解質層（２３）の内面に設けられている請求項１から４のいずれか１項記載のセンサ部材。
6. 別の測定ガス電極（１５３）が測定ガス電極（５０，１５０）に電気的に接続されている請求項５記載のセンサ部材。
7. 外部の回路によってガス混合気内のガス成分が測定ガス領域（４０，１４０）から測定ガス電極（５０，１５０）及び基準電極（５１，１５１）を介して、及び／又は別の測定ガス電極（１５３）及び基準電極（５１，１５１）を介して基準ガス領域（４１，１４１）内に供給されるようになっている請求項５記載のセンサ部材。
8. 拡散抵抗（３１，１３１）、測定ガス領域（４０，１４０）、別の拡散抵抗（３２，１３２）及び基準ガス領域（４１，１４１）が円筒形の切欠き内に配置されており、かつ測定ガス電極（５０，１５０）及び基準電極（５１，１５１）がリング状に形成されている請求項１記載のセンサ部材。
9. 拡散抵抗（３１，１３１）及び測定ガス領域（４０，１４０）が円筒形の切欠き内に配置されており、測定ガス電極（５０，１５０）がリング状に形成されており、別の拡散抵抗（３２，１３２）及び基準ガス領域（４１，１４１）が、測定ガス領域（４０，１４０）から溝状に延びる別の切欠き内に配置されている請求項１記載のセンサ部材。
10. 拡散抵抗（３１，１３１）及び／又は別の拡散抵抗（３２，１３２）が多孔性の層によって形成されている請求項１記載のセンサ部材。
11. 基準ガス領域（４０，１４０）及び／又は測定ガス領域（４１，１４１）が、拡散抵抗（３１，１３１）及び／又は別の拡散抵抗（３２，１３２）を形成する多孔性の層によって少なくとも部分的に満たされている請求項１記載のセンサ部材。
12. センサ部材は、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の規定のためのセンサ部材として形成されている請求項１から１１のいずれか１項記載のセンサ部材。

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