JP4813729B2 - ガスセンサー、殊にラムダゾンデ - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、焼結セラミックラミネートとして形成された本体およびその中でラミネートの層内に配置された参照空気通路を備え、このラミネートの層の片面にラミネート中に配置されたかまたは埋設された電気抵抗加熱部が設けられており、別の面に電極装置が設けられており、この電極装置が参照空気通路の境界壁面の内側に配置された、少なくとも範囲的にガスに対して透過性の少なくとも１つの参照電極と、検知すべきガスが衝突しうるネルンスト電極とを備え、このネルンスト電極がイオン、殊に酸素イオンに対して導電性で透過性の固体電解質層によって同様に少なくとも範囲的にガスに対して透過性に形成された参照電極と別個にされているガスセンサー、殊にラムダゾンデに関する。
【０００２】
現在の内燃機関の排ガス系は、殊に自動車の場合に規則的に有害な排ガスを接触分解するための触媒を備えている。触媒を良好に機能させるためには、エンジンに空気および燃料を所定の割合で供給することが必要とされる。そのために設けられたエンジン制御は、入口側で所謂ラムダゾンデと結合し、このラムダゾンデの信号は、排ガスの組成を記載し、従ってエンジンの制御は、触媒に最適な方法で燃料と燃焼空気との比を制御することを可能にする。
【０００３】
前記との関連で、２つの概念は、公知である。
【０００４】
１つの概念の場合には、化学量論的な燃焼を達成しようと努力されており、即ち燃焼空気中の酸素量は、供給された燃料の完全な燃焼のための酸素需要量に正確に相当する。即ち、エンジンの運転は、酸素過剰量（λ＞１）でも行なわれないし、酸素不足量（λ＜１）でも行なわれない。それに応じて、この運転方法は、λ＝１によって特性決定されることができる。
【０００５】
この化学量論的な燃焼のためには、排ガスを検知する場合、狭いバンドで仕事をするラムダゾンデで十分であり、この場合ネルンスト電極は、排ガスの直前で十分に反応作用される。
【０００６】
この場合には、エンジンの制御によって、参照電極とネルンスト電極との間で測定されうる、酸素イオンの拡散によって発生された電圧は、λ＝１の周囲の値を極めて強く変動させ、それに応じて酸素不足量を用いての運転形式の方向ならびに酸素過剰量を用いての運転形式の方向で化学量論的燃焼を用いての望ましい運転形式からのずれを示す、１つの信号が使用されるという効果が利用される。
【０００７】
この種のセンサーは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０１７４９号明細書Ａ１に示されている。
【０００８】
別の概念の場合には、燃焼の際に酸素過剰量を有する内燃機関の主要な運転を達成しようと努力されている。それというのも、それによって燃料消費は明らかに減少されうるからである。しかし、酸素過剰量を有する燃焼の場合には、有害な窒素酸化物が生成され、これは、制限された時間間隔でのみ自動車エンジンの排ガスストランド中での所謂蓄積触媒によって吸収されうる。次に、それぞれ蓄積触媒の吸収能が使い尽くされる前に、先に触媒中に蓄積された窒素酸化物を今や排ガスストランド中に到達する不完全に燃焼された燃料成分によって窒素に還元しうるために、エンジンの運転は、短時間で酸素不足量を有する燃焼に切換運転される。この場合、エンジンの制御、即ち内燃機関は、λの値が１を上廻る時間的に主要な運転形式とλの値が１未満である比較的に短時間の運転形式との間で絶えず時間的に主要な運転形式で中断させて切換運転される。
【０００９】
λが強く変化する値を有するこの種の中断される運転形式には、幅広のバンドで作業するラムダゾンデが必要である。
【００１０】
この種のラムダゾンデの場合には、ネルンスト電極は特殊な室中に配置されており、この室は、ゾンデの本体内に配置された拡散区間に亘って排ガス流と関連する。更に、この室内には、内部ポンプ電極が配置されており、この内部ポンプ電極は、ネルンスト電極と電気的に結合されていてよく、かつその他の点で固体電解質層によって外部ポンプ電極と共同作業し、この場合この外部ポンプ電極は、排ガス流に十分に直接に晒されている。２個のポンプ電極が少なくとも範囲的にガスに対して透過性であるように形成されている２個のポンプ電極の間に外部電圧が印加される場合には、ポンプ電極間で酸素イオン電流が印加された電圧の極性に依存する方向および電圧差に依存する強さで発生され、その結果、拡散室内への排ガスの拡散流は、相応して制御される。更に、ポンプ電極間の外部電圧またはポンプ電極間で酸素イオン電流に基づいて発生する電流は、制御器により、参照電極とネルンスト電極との間で常に所定の目標値を有する電圧が維持されたままであるように調節される。それによれば、ポンプ電極間で発生する電流の極性および強さは、１つの信号であり、この信号は、排ガスの組成、ひいてはλ値で補正されている。
【００１１】
この種のゾンデは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３７４４２０６号明細書Ａ１に記載されている。
【００１２】
全ての前記ゾンデは、評価可能な信号を発生させることができるようにするために、運転の間に加熱されていなければならない。従って、ラムダゾンデおよびその他のガスセンサーは、規則的に電気抵抗加熱部を有し、この電気抵抗加熱部は、ラミネートによって形成されたゾンデ本体の場合に層上に配置されているかまたはラミネートの層間に配置されている。
【００１３】
発明の利点
本発明によれば、参照空気通路を印刷技術的にパターン化された層または層装置中に形成おり、参照空気通路（６）が多孔質の良好にガス透過性の材料で充填されていることが設けられている。
【００１４】
これは、参照空気通路のためにこれまでの通常の製造と比較して打抜きによって生のセラミックフィルム中に実際に任意の小さな部分に分かれた形状物を得ることが可能になるという利点を提供する。
【００１５】
例えば、参照空気通路の輪郭は、一般に電気抵抗加熱部の蛇行した形の輪郭に適合していてもよいかまたは層平面上に見て層平面に対して垂直方向にゾンデ本体を貫通する、排ガスのための入口開口から離れていてもよい。
【００１６】
更に、参照空気の入口に対して設けられた、参照空気通路の開口を平面状に分割しおよび／または参照空気通路を形成する層または層装置の長手方向の縁部に移すことも可能であり、この場合層または層装置の層は、互いに無関係の部分に分解されてもよく、この場合には、それによって完成費が増大することはない。
【００１７】
印刷技術的な製造を用いて可能になる、参照空気通路の僅かな横断面ならびに層平面に対して垂直方向の参照空気通路の比較的に僅かな高さによって、参照空気通路を収容している層または層装置の両側でゾンデ本体の部分間での良好な熱伝導性の結合が得られ、したがって加熱の開始時に発生する熱応力は、ゾンデ本体内で僅かなままであるかまたはゾンデ本体の特に迅速な加熱が可能になる。
【００１８】
その他の点では、参照空気通路を多孔質材料で充填することが設けられていてもよく、したがって参照空気通路の両側でラミネート部分間でのなお良好な熱移動が可能になる。
【００１９】
参照空気通路の印刷技術的な製造は、有利に加熱部を支持するかまたは包囲する層の参照空気通路に対向した面上および／または参照電極とネルンスト電極との間に配置された固体電解質層の参照電極を支持する面上で、熱時に硬化するペースト状材料、殊に酸化ジルコニウムペーストを用いて参照空気通路のネガ型のパターンが印刷されるように行なわれる。
【００２０】
付加的に、多孔質の構造体の形成下に焼灼される多孔質の材料を用いて参照空気通路のポジ型の形状物を印刷することが設けられている。こうして、特にラミネートの層平面に対して垂直方向の参照空気通路が再現可能な高さを有することが確実に保証される。
【００２１】
即ち、総括的に云えば、本発明は、実際に任意の金銀線細工（filigrane）の構造体を僅かな製造費で良好に再現可能であるように製造することができるようにするために、参照空気通路を印刷技術的な手段で製造するという一般的な思想が実現されることを確認することができる。
【００２２】
本発明によるラムダゾンデの実施例は、図面に示されており、以下に詳説されている。
【００２３】
実施例
図１および図３によれば、図示されたラムダゾンデは、セラミックラミネートとして形成されている本体１を有する。ラミネートの複数の層は、生の状態で重なり合って載置されているかまたは塗布されている。次に、ラミネートの圧縮後または同時の圧縮下に行なうことができる、次の焼結によって、硬質のセラミック本体１が製造される。
【００２４】
図１および図３の例において、下部層２は、酸化ジルコニウムからの厚手のフィルムの形で設けられている。この下部層の上には、電気絶縁性二重層３が存在し、この電気絶縁性二重層中には、電気抵抗加熱部４ならびに電流供給に属する導体路が埋設されている。更に、スクリーン印刷によって製造されかつパターン化された、例えば酸化ジルコニウムペーストからなる層５が存在する。この層内には、参照空気通路６が空けられており、この参照空気通路の輪郭は、例示的に図２に示されており、さらに下記になお詳説されている。この参照空気通路６は、図１の切断面の範囲内で互いに関連する２個の端部領域６′を有する。
【００２５】
層５上には、例えば酸化イットリウムが添加されている酸化ジルコニウムからのフィルムの形の固体電解質層７が存在する。少なくとも参照空気通路６の端部領域６′の範囲内で、層７の参照空気通路６に対向した面上または層５と７との間に多孔質の白金材料からなる、ガスに対して透過性の層状参照電極８が配置されており、この層状参照電極は、それに続く層状導体路８′（図２参照）上で本体１の下記に詳説された他の接点と結合されている。
【００２６】
固体電解質層７上には、印刷技術的にパターン化された薄手の層９が存在し、この層も、例えば酸化ジルコニウムペーストから製造されている。この層９は、大きな切欠を有し、この切欠は、本体の層に対して垂直方向に本体１を貫通する排ガス入口開口１０に対して同心的に配置されている。記載された切欠内には、環状空間１１を空けたままで多孔質材料１２が析出されている。
【００２７】
固体電解質層７は、環状空間１１の範囲内で多孔質白金材料からなる、ガスに対して透過性の層状ネルンスト電極１３を支持している。
【００２８】
層９または多孔質材料１２上には、例えば酸化イットリウムが混合されている酸化ジルコニウムからなるフィルムの形のもう１つの固体電解質層１４が存在する。この層１４は、環状空間１１に対向した面上ならびに環状空間１１から離反した面上で、少なくとも範囲的に多孔質の白金材料からなる、ガスに対して透過性の内部ポンプ電極１５および外部ポンプ電極１６を支持しており、この場合これらの電極１５および１６は、本体１の層平面上に見て環状空間１１を少なくとも本質的に覆うように形成されている。層１４上には、なおガス透過性の保護層１７が存在する。
【００２９】
抵抗加熱部４ならびに種々の電極８、１３、１５および１６を電気的に外側から得ることができるようにするために、本体１の参照空気側の端部には、接点翼（Kontaktfahnen）（図示されていない）が配置されており、この接点翼は、１つ以上の層を貫通するスルーホールめっき部およびそれに続く、隣接した層の間で延在する、一般に印刷技術的に得られた導体路上で抵抗加熱部４または電極８、１３、１５および１６と結合している。
【００３０】
図３によれば、下部層２を貫通するスルーホールめっき部１８は、電気抵抗加熱部４の接続のために設けられている。図示された例において、このスルーホールめっき部１８は、環状または円筒状の形を有する。
【００３１】
更に、参照電極８には、層５の上方の層を貫通するスルーホールめっき部１９が設けられており、このスルーホールめっき部は、同様に環状または円筒状に形成されている。この場合、スルーホールめっき部１８および１９は、互いに同軸に配置されていてもよい。
【００３２】
層５の僅かな層厚およびそれに応じてスルーホールめっき部の互いに対向した端部とそれと同軸のスルーホールめっき部１８との間の僅かな距離にも拘わらず、確実な電気絶縁を保証するために、層５の電気絶縁材料は、スルーホールめっき部１９中に吸引されており、したがって図３において、スルーホールめっき部１９の下端部は、電気絶縁材料によって完全に覆われている。
【００３３】
層９、１４および１７を貫通するスルーホールめっき部２０は、ネルンスト電極１３ならびに内部ポンプ電極１５と電気的に結合されている。外部ポンプ電極１６は、保護層１７を貫通している（図示されていない）導体路を介して接点２１と結合されている。
【００３４】
次に、図２につき、層７上の層５の印刷技術的な製造およびパターン化が詳説される。
【００３５】
最初に、フィルム状の層７上に参照電極８ならびに属する導体路８′が印刷され、典型的には、スクリーン印刷によって印刷される。次に、層５の材料を用いて参照空気通路６ならびにその端部片６′および場合によっては存在する平面上の開口６′′のネガ型の画像が塗布される。これは、同様に相応するマスクを使用しながらスクリーン印刷によって行なわれ、この場合には、極めて金銀線細工の構造体および場合によってはそれに関連しない構造体を製造することができることは、注目すべきことである。
【００３６】
固体電解質層７の被覆を層５の材料を用いて行なう場合には、層７は、既に図１および３において層７の上方に存在する層と一緒に積み重ねられている。更に、また既にスルーホールめっき部１９が配置されている。それに応じて、層５の材料は、スルーホールめっき部１９でその内部空間内に吸引されることができ、したがってこの内部空間は、少なくとも図３において材料５′の下部範囲内で被覆され、ひいては後にスルーホールめっき部１９に対して同軸のスルーホールめっき部１８に対して電気的に確実に絶縁される。それによって、殊に汚染により互いに同軸のスルーホールめっき部１８と１９の間の導電性結合を得ることができないことが保証される。
【００３７】
場合によっては、層７上に付加的に参照空気通路６ならびにその端部片６′および開口６′′のポジ型の画像を、本体１の焼結の際に溶解しているかまたは焼き去られる材料で印刷することができるかまたは良好にガス透過性の多孔質構造体を形成する材料で印刷することができる。
【００３８】
原則的には、層３を層７に対する鏡像として層５の材料および場合によっては参照空気通路６ならびにその部分６′および６′′のポジ型の画像のために設けられた材料を用いて印刷することも可能である。こうして、層５は、高められた厚さで得ることができる。
【００３９】
前記ラムダゾンデは、次のような機能を有している：
排ガス入口開口１０を有する、本体１の端部は、排ガス流中に配置されているかまたは内燃機関の排ガス流と関連する範囲内に配置されており、他方、本体１の別の端部は、参照空気、一般に大気によって衝突される。
【００４０】
参照空気は、参照空気通路６またはその開口６′′を介して参照空気通路の端部片６′にまで到達する。排ガスは、排ガス入口開口１０を介して多孔質材料１２に到達し、この多孔質材料を通して、排ガスは、環状空間１１中に拡散する。
【００４１】
本体１を電気抵抗加熱部４により十分に加熱する場合には、参照電極８とネルンスト電極１３との間、ひいてはスルーホールめっき部１９と２０との間に電圧を印加することができ、この電圧の規模は、参照空気通路の端部片６′内の酸素分圧ならびに環状空間１１内の酸素分圧に依存する。この場合には、前記電極８および１３の白金材料が酸素イオンの形成を促進させるかまたは可能にするという効果が利用され、その結果、固体電解質層７内には、電極８および１３での酸素イオンの濃度に依存するイオン拡散が起こり、このイオン拡散は、電極８と１３との間で電位差を生じる。
【００４２】
環状空間１１内での酸素分圧は、制御可能な極性を有する外部電圧がポンプ電極１５と１６との間に印加されることによって制御されることができる。相応する電圧源は、スルーホールめっき部２０または接点２１に接続されている。この場合も、電極１５および１６の白金材料により酸素イオンの形成を生じ、次に電極１５と１６との間の外部電圧によって、固体電解質層１４により拡散する酸素イオン流が電圧およびその極性に依存する強さおよび方向で発生されるという効果が利用されている。この場合には、ポンプ電極１５と１６との間に電流が印加される。
【００４３】
更に、電圧、ひいては電流は、ポンプ電極１５と１６との間で制御器により、参照電極８とネルンスト電極１３との間に印加可能な電圧が常に確定された目標値に相当するように制御される。従って、ポンプ電極１５と１６との間に印加可能な電流は、参照空気に対する排ガスの酸素含量に対する１つの基準である。
【００４４】
内部ポンプ電極１５と比較して外部ポンプ電極１６が電気的にプラスの電位である場合には、運転比は、λ＞１である。反対の極性の場合には、運転比はλ＜１であり、この場合電極１５と１６との間に印加可能な電流の大きさは、λの大きさで補正されている。
【００４５】
λの値は、値の大きな範囲内で検出されることができる。
【００４６】
冒頭に記載された狭いバンドで運転されるラムダゾンデの場合、外部保護層１７は、ネルンスト電極１３の上方にあり、即ち層９および１４ならびにポンプ電極１５および１６は、図１および３の場合とは異なり省略されている。この場合、電極８と１３との間に印加可能な電圧は、排ガスの酸素分圧のための１つの大きさである。
【００４７】
ラムダゾンデの構造形式とは無関係に、狭いバンドまたは幅広のバンドの測定に関連して、参照空気通路６ならびにその部分６′および６′′は、上記の方法でパターン化された層５の印刷技術的な析出によって製造されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ゾンデ本体の排ガス流中に突入している端部の範囲内で幅広のバンドで作業するラムダゾンデの図２中の切断線Ｉ−Ｉに相当する横断面を示す略図。
【図２】 参照電極とネルンスト電極との間の固体電解質層上の図１中の矢印ＩＩに相当し、この場合圧力技術的に前記の層上に塗布された層の輪郭が参照空気通路に関連して示されている略示平面図。
【図３】 ゾンデ本体の参照空気側の端部を図１の切断面と平行な横断面で示す略図。
【符号の説明】
１ 本体、 ２ 下部層、 ３ 電気絶縁性二重層、 ４ 電気抵抗加熱部、 ５ 酸化ジルコニウムペーストからなる層、 ５′ 電気絶縁被覆、 ６ 参照空気通路、 ６′ 参照空気通路の端部片、 ６′′ 参照空気通路の開口、 ７ 固体電解質層、 ８ ガスに対して透過性の層状参照電極、 ８′ 層状導体路、 ９ 薄手の層、 １０ 排ガス入口開口、 １１ 環状空間、 １２ 多孔質材料、 １３ ネルンスト電極、 １４ 固体電解質層、 １５ 内部ポンプ電極、 １６ 外部ポンプ電極、 １７ 外部保護層、 １８ スルーホールめっき部、 １９ スルーホールめっき部、 ２０ スルーホールめっき部、 ２１ 接点

Claims (13)

1. 焼結セラミックラミネートとして形成された本体（１）およびその中でラミネートの層（５）内に配置された参照空気通路（６）を備え、このラミネートの層の片面にラミネート中に電気絶縁されて埋設された電気抵抗加熱部（４）が設けられており、別の面に電極装置（８、１３；１５、１６）が設けられており、この電極装置が参照空気通路の境界壁面の内側に配置された、少なくとも範囲的にガスに対して透過性の少なくとも１つの参照電極（８）と、検知すべきガスが衝突しうるネルンスト電極（１３）とを備え、このネルンスト電極が、同様に少なくとも範囲的にガスに対して透過性に形成され、かつイオンに対して導電性で透過性の固体電解質層（７）によって参照電極（８）と別個にされているガスセンサーおいて、
   参照空気通路（６）が印刷技術によりパターン化されて得られた層または層装置（５）中に形成されており、
   参照空気通路（６）が多孔質の良好にガス透過性の材料で充填されており、
   参照空気通路（６）に対向した、抵抗加熱部（４）を支持するかまたは包囲する層（３）の面上および／または参照電極（８）を支持する、参照電極とネルンスト電極（８、１３）との間に配置された固体電解質層（７）の面上に熱時に硬化される材料を用いて印刷された、参照空気通路（６）のネガ型パターンを有し、
   良好にガス透過性の多孔質構造体に移行する材料を用いて付加的に印刷された、参照空気通路（６）のポジ型パターンを有し、
   スクリーン印刷によって材料が塗布されている
   ことを特徴とする、ガスセンサー。
2. イオンが酸素イオンである、請求項１記載のガスセンサー。
3. ガスセンサーがラムダゾンデである、請求項１記載のガスセンサー。
4. 印刷技術がスクリーン印刷である、請求項１記載のガスセンサー。
5. 参照空気通路（６）またはその一部分（６′）の周囲の電気抵抗加熱部（４）で、印刷技術的にパターン化された層（５）の参照空気通路と比較して大面積の範囲が、抵抗加熱部と、参照電極とネルンスト電極（８、１３）との間の電解質層（７）との熱伝導による熱結合のために設けられている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
6. 参照空気通路（６）がラミネートの層平面上に見て本体（１）に配置された、層平面に対して垂直方向の入口開口（１０）の外側で検知すべきガスのために配置されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
7. 参照空気通路（６）がラミネートの層平面上に見てスルーホールめっき部（１８〜２０）の外側に配置されており、このスルーホールめっき部は、電極（８、１３、１５、１６）またはそれと電気的に結合された導体路を本体（１）の外側に配置された接点と結合するかまたはそれ自体形成されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
8. 参照空気通路（６）が通路を有する層（５）の少なくとも１つの長手方向面に外向きに開口している（開口６′′）、請求項１から７までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
9. 参照空気通路（６）が参照空気の侵入のために扇状に配置された開口（６′′）を有する、請求項１から８までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
10. 層平面上に見て環状の横断面を有する、１つ以上の層を貫通するスルーホールめっき部（１９）の内側に電気絶縁被覆（５′）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項に記載のガスセンサー。
11. 参照空気通路を有する層（５）がスルーホールめっき部（１９）の被覆（５′）と同じ材料からなる、請求項１０記載のガスセンサー。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載のガスセンサーを製造する方法において、
    参照空気通路（６）に対向した、抵抗加熱部（４）を支持するかまたは包囲する層（３）の面上および／または参照電極（８）を支持する、参照電極とネルンスト電極（８、１３）との間に配置された固体電解質層（７）の面上に参照空気通路（６）のネガ型パターンを熱時に硬化される材料を用いて印刷し、
    付加的に参照空気通路（６）のポジ型パターンを、良好にガス透過性の多孔質構造体に移行する材料を用いて印刷し、
    材料の塗布をスクリーン印刷によって行なう
    ことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のガスセンサーを製造する方法。
13. 熱時に硬化される材料は、酸化ジルコニウムペーストである、請求項１２記載の方法。

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