JPH07151723A - センサ - Google Patents

センサ

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JPH07151723A
JPH07151723A JP6190161A JP19016194A JPH07151723A JP H07151723 A JPH07151723 A JP H07151723A JP 6190161 A JP6190161 A JP 6190161A JP 19016194 A JP19016194 A JP 19016194A JP H07151723 A JPH07151723 A JP H07151723A
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JP
Japan
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sensor
flow
sensor element
casing
gas
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Withdrawn
Application number
JP6190161A
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English (en)
Inventor
Josef Gerblinger
ゲルプリンガー ヨーゼフ
Uwe Lampe
ランペ ウヴェ
Hans Meixner
マイクスナー ハンス
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of JPH07151723A publication Critical patent/JPH07151723A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ、特にガスセンサのケーシングが、流
れ媒体をセンサエレメントに沿って渦流を発生させるこ
となく貫流させるように構成され、かつ、敏感な範囲に
おける堆積が阻止されるようにすることにある。 【構成】 センサケーシングが笛に類似した構造で構成
され、かつ流入開口と流出開口とを接続するＳ字状に彎
曲した流れ通路を有しており、プラーナなセンサエレメ
ントがほぼ層流で貫流される流れ通路区分内で流入開口
に連通する彎曲部の後方に配置されている。ガス状又は
液状媒体内に連行された重い粒子は通路彎曲部に従って
流れることができないので、重い粒子は通路壁に衝突し
て、そこに付着する。偏向された流れ内に場合によって
連行される軽い粒子はセンサエレメントに前置された金
属から成るウェブによって捕らえられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特許請求の範囲第１項
の上位概念に記載の形式のセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の運転挙動は混合気調整の質に
著しく関連している。従って、機関の有害物質エミッシ
ョン及び燃料消費量は燃料と吸込み空気とをその都度の
運転状態に適合して調量することによって著しく減少さ
れる。このことは特に調整された三元触媒を備えた自動
車内燃機関に該当する。
【０００３】有害物質エミッションを減少させるのに役
立つ触媒はいずれにせよ高い効率を以って極めて小さな
空気過剰率範囲でのみ作業する。従って、最大の変換率
を保証するために、機関のその都度の運転状態で空燃比
はその都度の最良値を表す目標値から数パーセントだけ
異なわせればよい。
【０００４】高温度状態でイオンを伝導する酸化ジルコ
ンをベースとした、空気過剰率λを規定するのに用いら
れるＯ2センサは、比較的緩慢に排ガス内の酸素分圧変
化に応答する。従って、前記Ｏ2センサはシリンダ毎の
空気過剰率λ・調整には不適でありかつ将来的には有利
には数ミリ秒の応答時間を有する酸化金属・センサが代
用される。
【０００５】プレーナ技術で製作された前記ガスセンサ
は通常セラミック材料から成る基体を有し、この基体の
表面には２つのインターディジタル電極及び電極を導電
結合する金属酸化層（例えばＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2又は
Ｇａ2Ｏ3）が塗布されている。
【０００６】基体の背面に設けられた抵抗素子によって
ガスセンサのアクチブな加熱が可能にされる。熱的に活
性化する金属酸化層を介して酸素が流れた場合には、金
属酸化層の抵抗もしくはコンダクタンスが酸化表面にお
ける複雑な吸収プロセスに基づき可逆的に変化する。従
って、排ガス内の酸素濃度は抵抗もしくはコンダクタン
ス測定によって簡単に規定される。
【０００７】数μm厚さの金属酸化層の表面上での堆積
に基づいて金属酸化層のガスに敏感な電気的な特性に著
しい影響が及ぼされる。それ故、内燃機関の排ガス内に
存在する粒子を酸素に敏感な範囲から遠ざけるために、
半導体の金属酸化物をベースとしたセンサがケーシング
内に配置される。
【０００８】センサ機構を損なう粒子は添加物及び運転
燃料（潤滑油、ベンジン等）の汚染によって生ぜしめら
れるかもしくは機関運転中摩耗によって生ぜしめられ
る。前記粒子はほぼ１μm乃至２μmの大きさでありかつ
特に酸化鉄から成る。
【０００９】アメリカ合衆国特許第４９１６９３４号明
細書からプレーナなセンサエレメントと円筒状のケーシ
ングとから構成された酸素検出器が公知である。流れが
酸素に敏感な層に直接流れることを阻止するために、セ
ンサエレメント及びケーシングの周面内に設けられたガ
ス流入開口は種々の平面内に配置されている。ガス流入
開口にそれぞれ配属された案内薄板は排ガス内に存在す
る粒子を捕らえかつケーシング内部で循環ガス流を生ぜ
しめる。
【００１０】ヨーロッパ特許出願公開第０５０３２９５
号明細書から公知の迅速ガスセンサ用の円筒状のケーシ
ングは同様に、縁部で一種の鎧戸のようにオーバーラッ
プする多数のスリット状のガス流入開口を有している。
スリットは粒子落下部として作用するので、敏感なセン
サ層上での堆積が効果的に抑制される。
【００１１】西ドイツ国特許公開第３５０００８８号明
細書から公知の塩素及び塩素含有化合物を検出するため
の装置において堆積を阻止するために、センサエレメン
トとして用いられる固体電解質に、粒子及び液体滴を含
有しないテストガスのみが供給される。
【００１２】シールされてケーシング内に組み込まれた
無孔の固体電解質は２つのそれぞれ円筒状のチャンバを
分割し、この場合、一方のチャンバは測定ガスでかつ他
方のチャンバは基準ガスで充填されている。チャンバ内
には、ガス交換を可能にするそれぞれ２つのケーシング
孔が開口している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、損害
を受けることなしに粒子を含有するガス又は液体流に長
時間さらすことのできるセンサを提供し、かつ、センサ
ケーシングが、センサエレメントによってガスもしくは
液体交換を妨げないように構成され、かつ、敏感な範囲
の耐用寿命が高められることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によれ
ば、特許請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明の
センサによって解決された。
【００１５】
【発明の効果】本発明によって得られる利点は特に、ほ
ぼ粒子を含有しないガスが層流でしかもプラーナなセン
サエレメントの表面に対して平行に流れることができる
ということにある。ケーシングの流れ通路内では内燃機
関によって生ぜしめられる排ガスの渦流発生は生じない
ので、酸素に敏感な鋭敏なエレメントを備えたセンサは
空気過剰率をシリンダ毎調整するＯ2センサとして使用
される。
【００１６】本発明の有利な構成はその他の請求項に記
載されている。
【００１７】
【実施例】第１図では、笛に類似した構造でガスセンサ
の鋼から成るケーシング１を概略的に図示している。こ
のケーシング１は２つの彎曲区分と円筒状の中央部分と
を備えた流れ通路を有していて、この流れ通路はスリッ
ト状のガス流入開口２と同様にスリット状のガス流出開
口３とを接続している。
【００１８】プレーナなセンサエレメント４は流れ方向
でみて金属から成るウェブ５の後方に配置されていてか
つケーシング１の孔（図示せず）内に固定されている。
ウェブ５とセンサエレメント４との間の間隔は数ミリメ
ータであるので、これらの間の空間内で渦流が生ずるこ
とはない。従って、流れ通路の中央部分においては測定
ガスはほぼ層流でしかもガスに敏感な金属酸化層６の表
面に対して平行に流れる。
【００１９】流れ通路の後方範囲でもガス流に渦流が生
じないようにするために、ガス流出開口３に連通する端
部区分は彎曲して形成されている。この場合、ガス流は
ほぼ９０度だけ偏向されるので、ケーシングから流出す
る測定ガス及びケーシング内に流入する測定ガスは同じ
方向に流れる。
【００２０】ガス流入開口２に連通する流れ通路区分は
同様に彎曲して形成されかつガス流をセンサエレメント
４の方向にほぼ９０度だけ偏向する。測定ガス内に存在
する重い粒子はその慣性に基づいて通路彎曲形状に追従
して連行されないので、この重い粒子は通路範囲７にお
いて通路壁に衝突して、そこに付着する。
【００２１】偏向されたガス流内に場合によって連行さ
れる軽い粒子は流れ方向でみてセンサエレメント４の直
前に配置されたウェブ５に衝突するかもしくはウェブ５
の後方で生ずるガス流に基づきセンサエレメント４に沿
って平行に案内される。
【００２２】測定ガス流が渦流を発生させずにセンサエ
レメント４の周囲を流れることができるようにするため
に、センサエレメント４はプレーナ構造を有しかつ第１
図で図示されているようにウェブ５に対して調整されて
いる。特に、ウェブ５及びセンサエレメント４の端面が
ほぼ同じ寸法を有しかつウェブ５が流れ方向でみて先細
に形成された部体として構成されている場合には、測定
ガスはガスに敏感な金属酸化層６に対して平行に流れ
る。
【００２３】第２図では、ヨーロッパ特許出願公開第０
４６４２４３号及び第０４６４２４４号明細書から公知
の検出器に類似した構造で構成された、酸素の分圧を測
定するためのセンサエレメントを概略的に図示してい
る。
【００２４】センサエレメントは例えば酸化マグネシウ
ム、酸化珪素又は酸化アルミニウムから成るサブストレ
ート８を有していて、このサブストレート８の表面には
インターディジタル構造を成す２つの白金電極９，９′
と、これら白金電極を覆うほぼ１μm乃至２μm厚さのチ
タン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウム層１０と、
温度センサ１１とが配置されている。
【００２５】ガラス又は酸化珪素から成る不活性化層１
２は白金電極９，９′と温度センサ１１とにそれぞれ配
属された接続導線１３，１３′及び１４，１４′を測定
ガス内に存在する酸素から遮蔽する。加熱素子としては
サブストレート８の背面に配置された白金から成る抵抗
層が使用され、この抵抗層は例えば第４図又は第５図に
図示の構造を有することができる。
【００２６】第３図では、笛に類似した構造のケーシン
グ１内に組み込むのに特に適したセンサエレメントのヘ
ッドの断面図を図示している。
【００２７】この実施例では加熱素子として第４図及び
第５図で図示された白金層１５，１５′が用いられる。
この白金層１５，１５′はスクリーン印刷法でＡｌ2Ｏ3
から成るサブストレート１６，１７に塗布される。それ
ぞれ白金層１５，１５′とは反対側のサブストレート１
６，１７の面には、酸素に敏感なＳｒＴｉＯ3又はＢａ
ＴｉＯ3・層１８と、インターディジタル電極１９もし
くは同様に白金から成る温度センサ２０と、接続電極２
１，２２とが配置されている。
【００２８】スパッタリングされた金属酸化層１８に接
点接触するインターディジタル電極１９及び温度センサ
２０のための有利な幾何学形状は第６図及び第７図もし
くは第８図及び第９図に図示されていて、この場合、第
６図及び第８図ではセンサヘッド範囲の電極構造が図示
されている。
【００２９】第３図で図示のＡｌ2Ｏ3・層２３，２４は
インターディジタル電極１９及び温度センサ２０にそれ
ぞれ配属された接続導線２１，２２をセンサエレメント
の周囲を流れる測定ガスの酸素から遮蔽している。
【００３０】第１０図で図示のセンサケーシングは２つ
のケーシング部分２５，２６から構成されていて、この
場合、例えばインコネルから製作された、ガス流入開口
２７及びウェブ２８を有するケーシング部分２５、即ち
ケーシングヘッド２５がセンサエレメントを受容する孔
２９を備えたケーシング部分２６、即ち基体２６上に固
定されている。
【００３１】第１１図及び第１２図で断面図で図示され
た両ケーシング部分２５，２６を溶接する前に、外面に
セラミック接着剤を塗布されたセンサエレメントが基体
２６の孔２９内に押し込まれる。この場合、セラミック
接着剤に基づきセンサヘッドの範囲で汚染が生じないよ
うにしかつ接着個所がケーシングヘッドの丸み成形部に
形状を合致させられねばならない。セラミック接着剤の
硬化は２００℃でほぼ２０分間継続する加熱過程中に行
われる。
【００３２】第１３図では組立て済みのガスセンサを図
示している。更に第１３図では、下側のケーシング部分
２６の孔２９を密閉するセラミック・（Ｍａｋｏｒ＝マ
コール）・プレート３０が図示されている（第１４図も
参照）。このプレートは全体として８つの貫通案内部を
有していて、この貫通案内部を介してセンサエレメント
３１に接点接触するために必要な白金線材３２が外部に
案内される。
【００３３】電気的な接続部の数を８個から４個に減少
するために、センサエレメント、温度センサ及び両加熱
素子のアースは接続部４００において統合される（第１
５図参照）。接続部２００と４００との間に加熱電圧が
かけられた場合には、接続部１００と４００との間で酸
素分圧を表すセンサ信号がかつ接続部３００と４００と
の間で温度センサの抵抗が取り出される。
【００３４】白金線材を絶縁するために白金線材は酸化
珪素、酸化マグネシウム又は酸化ほう素から成るガラス
セラミック内に溶融される。
【００３５】本発明は図示の実施例に限定されるもので
はない。従って、有利にはセンサケーシングの縦軸線に
対して対称的に配置された多数のガス流入開口３３，３
３′及びガス流出開口３４，３４′を設けかつこれらガ
ス流入開口及びガス流出開口を彎曲した側部通路を介し
てセンサエレメント３５を受容するメイン通路に接続す
ることもできる（第１６図参照）。
【００３６】更に、ウェブを使用することなしにセンサ
エレメントの堆積が極めて効果的に阻止される。流れ通
路内でほぼ渦流のない流れが得られるため、偏向された
測定ガス内に依然として連行される軽い粒子はガスに敏
感な層の方向で横方向速度成分を持たないか又は極めて
僅かな横方向速度成分を有するに過ぎない。
【００３７】従って軽い粒子は極めて迅速にセンサエレ
メントを通過しかつ測定ガスと共にケーシングから搬出
される。公知のシステムにおいて頻繁に生ずるケーシン
グ内部での粒子の集積は、回避される。
【００３８】当然、ガス流内に連行される粒子からセン
サエレメントを防護する上述の原理は液体の場合にも適
用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサの構造を概略的に示した
図。
【図２】プレーナなセンサエレメントの実施例図。
【図３】プレーナなセンサエレメントの実施例図。
【図４】第３図のガスセンサの加熱素子を示した図。
【図５】第３図のガスセンサの加熱素子を示した図。
【図６】第３図のセンサエレメントのガスに敏感な金属
酸化層に接点接触させるための電極を示した図。
【図７】第３図のセンサエレメントのガスに敏感な金属
酸化層に接点接触させるための電極を示した図。
【図８】温度センサの実施例図。
【図９】温度センサの実施例図。
【図１０】センサケーシングの断面図。
【図１１】第１０図のセンサケーシングのヘッド及び基
体を示した図。
【図１２】第１０図のセンサケーシングのヘッド及び基
体を示した図。
【図１３】センサエレメントを備えたケーシングの断面
図。
【図１４】センサケーシングの下側部分を密閉するセラ
ミックプレートを示した図。
【図１５】センサ構成部材の接続部及び配線形式を示し
た図。
【図１６】多数のガス流入開口及びガス流出開口を有す
るセンサケーシングを示した図。
【符号の説明】
１ ケーシング ２，３３，３３′ ガス流入開口 ３，３４，３４′ ガス流出開口 ４ センサエレメント ５ ウェブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス マイクスナー ドイツ連邦共和国 ハール マックス−プ ランク−シュトラーセ ５

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 センサエレメント（４）とセンサエレメ
    ントを受容するケーシング（１）とを備えたセンサであ
    って、ケーシング（１）がガス状媒体又は液状媒体用の
    流入開口（２）及び流出開口（３）を備えている形式の
    ものにおいて、流入開口（２）が彎曲部を有する流れ通
    路を介して流出開口（３）に接続されており、センサエ
    レメント（４）が流れ通路内で流れ方向でみて彎曲部の
    後方に配置されていることを特徴とする、センサ。
  2. 【請求項２】 流れ通路がS字状に彎曲している、請求
    項1記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 流れ通路が流入開口（２）に連通する第
    １の区分と流出開口（３）に連通する第２の区分とを有
    しており、センサエレメント（４）が、それぞれ彎曲し
    た第１通路区分と第２通路区分とを接続する中央部分内
    に配置されている、請求項１又は２記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 流れ通路の第１の区分および／または第
    ２の区分がそれぞれ、ほぼ９０度の彎曲部を有してい
    る、請求項３記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 第１通路区分と第２通路区分とを接続す
    る中央部分が円形の横断面を有している、請求項３又は
    ４記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 センサエレメント（４）がほぼ層流で貫
    流される流れ通路範囲に配置されている、請求項１から
    ５までのいずれか１項記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 プラーナ構造を有するセンサエレメント
    （４）が、媒体をセンサエレメント表面に対して平行に
    流すように、調整されている、請求項１から６までのい
    ずれか１項記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 流れ方向でみてセンサエレメント（４）
    の直前に遮蔽部材（５）が配置されている、請求項１か
    ら７までのいずれか１項記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 遮蔽部材（５）及びセンサエレメント
    （４）の媒体流にさらされる端面がほぼ同じ大きさであ
    る、請求項８記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 遮蔽部材（５）が流れ方向で先細に形
    成されている、請求項７又は８記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 ケーシング（１）が上側部分及び下側
    部分を有しており、この場合、上側部分が流入開口
    （２）、流れ通路の第１の区分及び場合によっては遮蔽
    部材（５）を有していてかつセンサエレメント（４）が
    ケーシングの下側部分に固定されている、請求項１から
    １０までのいずれか１項記載のセンサ。
  12. 【請求項１２】 流入開口（２）及び流出開口（３）が
    それぞれスリット状に形成されている、請求項１から１
    １までのいずれか１項記載のセンサ。
  13. 【請求項１３】 ケーシング（１）が、それぞれ流れ通
    路に連通する多数の流入開口（３３，３３′）及び流出
    開口（３４，３４′）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。
  14. 【請求項１４】 センサがＯ2センサとして用いられ
    る、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセン
    サ。
JP6190161A 1993-07-22 1994-07-21 センサ Withdrawn JPH07151723A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4324659A DE4324659C1 (de) 1993-07-22 1993-07-22 Sensor mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sensorelement
DE4324659.1 1993-07-22

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ID=6493473

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US (1) US5505073A (ja)
EP (1) EP0635717A3 (ja)
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DE (1) DE4324659C1 (ja)

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