JPS6339852B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属ケーシングを有し、同ケーシン
グの縦孔中に、軸方向に配置されてその中に密閉
的に固定された、酸素イオンを導く固体電解質を
有する、ポーラログラフイー的測定原理に従つて
動作する検出素子が組込まれており、同素子にお
ける前記電解質の一測面上には測定電極として、
酸素分子に対する一定の拡散抵抗を有するおおい
を備えている、測定ガスに暴露される電子伝導層
が配置されており、同電解質の他側面が、測定電
極に対向的に配置されていて一定の酸素分圧の標
準物質に暴露される標準電極を有し、この際測定
電極及び標準電極がそれぞれ導体路を介して固体
電解質の接続側端部に接続されていて電圧印加の
ために用意されている構造の、ガス中の、特に内
燃機関の廃ガス中の酸素含量を測定するための電
気化学的検出器より出発する。このような検出器
は例えば西独公開特許第2504206号公報から公知
である。しかしこの検出器は、底部の設けられた
管として高コストでしか製造され得ない固体電解
質を有し、またこの検出器の場合電極―導体路、
積層、電気的接続及び金属ケーシングの縦孔にお
ける密閉組込みは材料及び賃金がかかりすぎ、そ
の応答感度も改善を要する。西独公開特許第
2504206号公報に記載された検出器は電位差計的
原理のみに従つて動作する。この種のポーラログ
ラフイー的検出器の原理は例えば西独公開特許第
2711880号公報で知られている。この公報に記載
された検出器にも、上記西独公開特許第2504206
号に関して認められる同一欠点が認められる。

ところで冒頭記載の検出器において、固体電解
質が主として平らな板であり、この固体電解質の
標準電極を有する大面が、固体電解質板に密着固
定された蓋によつて、標準電極の設けられた固体
電解質板と蓋との間に、標準物質の存在する空所
が形成されかつ固体電解質板に層状加熱素子が設
けられるようにおおわれていることを特徴とする
電気化学的検出器は、西独公開特許第2504206号
公報及び同第2711880号公報による前記検出器に
対して、標準ガス用に使用される取付け造形され
た空所を有する固体電解質の有利な形成により工
業的に有利にかつ安価に、しかも大量生産に特に
適当な製造方法によつて製造されかつ層状加熱素
子により応答速度が改善されうるという利点を有
する。また本発明による他の有利な構成も可能で
ある： 標準電極の設けられた固体電解質板と前記蓋と
の間に存在する空所は固体電解質板の接続端部に
向つて開かれていて、標準ガス、有利には空気酸
素の出入のために用意されている。この蓋はま
た、固体電解質板に固定された側壁及び底部又は
適当に形成された絶縁部材を有することもでき
る。この際蓋も検出素子を有するか又は酸素イオ
ンを導く固体電解質より成りかつ電極ならびに導
体路を備えていてもよい。

また本発明による検出素子を電位差計的測定原
理に従う検出素子と組合せることもできる。

また特に、本発明による数個の検出素子を同一
固体電解質上に配置することもできる。

次に本発明の実施例を図面で表わし、詳述す
る。

第１図に図示したガス中の、特に内燃機関の廃
ガス中の酸素含量を測定するための電気化学的検
出器１０は、西独公開特許第2206216号及び同第
2711880号公報に記載されているような電位差計
的又はポーラログラフイー的測定原理に従つて動
作する検出素子１１を含む。この検出素子１１
は、その長さの一部分で長手方向に間隔を保つて
金属ケーシング１３の縦孔１２中を通りかつ固定
部材１４によつてこの金属ケーシング１３内に保
持されている。この固定部材１４はつば（符号を
付してない）を備えた中央開口部１５を有する金
属円板より構成されている。検出素子１１はこの
開口部１５においてろう（例えばガラスろう又は
硬質ろう）で密着固定されている。固定部材１４
はまたその外縁にもつば（符号を付してない）を
有し、このつばをもつて固定部材はケーシングの
縦孔１２内の肩１６上に載置され、同様にろうで
ケーシングに接合され、シールされている。ろう
としてはこの場合にもガラスろう又は硬質ろうが
有利に使用されるが、接合剤、接着又は溶接化合
物も適当である。大抵は検出素子１１の保持のた
めには唯１個の固定部材１４の配置で十分である
が、例外の場合には２個又はそれ以上のこのよう
な固定部材も推奨されうる。固定部材１４は金属
の代りにセラミツク製であつてもよいが、有利に
は金属板より製造される。それというのも金属板
は温度変化の際にそれに従つて適用範囲でより一
層弾性的に、ひいてはより一層保持可能的に挙動
するからである。適用範囲で当該セラミツク部分
と金属部分との結合又はセラミツク部分相互の結
合のためにろう化合物の使用される場合には、関
与したセラミツク部分がろう付け前に結合範囲の
表面で有利に金属化されねばならないといえる。
測定ガス管（例えば廃ガス管）（図示してない）
に組込むためにおねじ１７及び六角キー１８を有
する金属ケーシング１３は、材料節約のために比
較的短かくされかつ金属スリーブ１９によつて測
定ガスから遠い末端を越えて延長されている。ケ
ーシング１３及び金属スリーブ１９は有利には溶
接によつて相互に接合されている。金属スリーブ
１９内には封止性差込絶縁体２０が備えられ、金
属スリーブ１９から内部へと押出された数個の出
つ張り２１及び同スリーブ１９から内部へと押さ
れた数個の引張レリーフ突起２２で固定されてい
る。引張レリーフ突起２２と差込絶縁体２０との
間には補助的に差込絶縁体２０を機械的応力から
保護するストツプリング板２３が配置されてい
る。差込絶縁体の組込みを簡易化するためにその
周囲に若干の輪形肩２４の設けられた差込絶縁体
２０は中央孔２５を有し、この中央孔２５はその
中に突出して検出素子１１の補助的固定に役立つ
第一密着肩２６及び検出器の接続ケーブル２９の
接続導線２８に接する第二密着肩２７を有する。
導線２８は、本発明の対象ではない評価回路（図
示してない）又は電圧源（図示してない）に接続
されている。

測定ガス側で有利にほぼコンパクトに金属ケー
シング１３で閉鎖されており、従つて測定ガス中
の衝突粒子に対する補助的保護部材を必ずしも必
要としない検出素子１１は、本実施例の場合二本
の導線２８が電位なしに検出器１０から引出され
ているように導線２８に接続されている。しかし
またこの実施形の代りに測定信号を伝送する二本
の導線２８の一方が検出器のケーシング１３と公
知法で電気的に接続されていてもよい。

第２及び第３図には、測定電極３０と標準電極
３１との間に配置された酸素イオンを導く固体電
解質３２（例えば二酸化ジルコニウム製）を有し
かつ酸素濃度系列の公知原理により酸素イオンを
導く固体電解質で動作する検出素子１１が図示し
てある。固体電解質３２は、幅約５mm、厚さ最大
0.6mmの長目の平板である。

上方を指す大面３３上には、固体電解質板３２
測定ガスに近い範囲に圧着、蒸着等のような公知
法により層状の多孔性標準電極３１が設けられて
いる。この標準電極は例えば白金のような電子伝
導性材料より成り、7μmの厚さを有しかつ例えば
同様に白金金属より成り、好ましくは標準電極３
１に取付けられた導体路３４を介して固体電解質
板３２の測定ガスから遠い端部が設けられてい
る。導体路３４を有する標準電極３１はガス透過
性の蓋３５によつて、蓋３５と標準電極３１との
間に高さ0.5mm及び幅2.5mmの断面を有する空所３
６が形成されるように被封されている。蓋３５は
前記目的のために２個の側壁３７，３７／１及び
底部３７／２をもつて固体電解質板３２の大面３
３上に固定されている。このような蓋３５は有利
には例えば二酸化ジルコニウムのようなセラミツ
ク材料からも製造されていて、焼結によつて固体
電解質板３２に取付けられる。蓋の空所３６を固
体電解質板３２の測定ガスから遠い端部でも封じ
る４番目の側壁（図示してない）は、本例で使用
される空所３６に出入するガス状標準物質（例え
ば空気酸素）の代りに、空所３６に固定的に埋込
まれた標準物質（例えばニツケル／酸化ニツケル
のような金属／金属酸化物の混合物）が使用され
る場合に限り必要である。例えば二酸化ジルコニ
ウムより成る蓋３５は、0.5mmの壁厚さを有し、
標準電極３１の導体路３４が接続ケーブル２９の
相応する導線に良好に接続されうるように固体電
解質板３２の測定ガスから遠い端部をおおわない
でおく。測定ガスの作用に対して標準電極３１上
に多孔性保護層（例えばマグネシウムのスピネル
より成る）を設けることは断念された、それとい
うのもこのような保護層は場合に応じてのみ必要
だからである。また、金属スリーブ１９又は差込
パツキングの密着肩２６に空気孔を作ることも断
念された。このような空気孔は本例の場合一定の
酸素分圧を有する標準物質としての空気酸素が検
出素子の空所３６に出入するために役立つ。

下方を指す大面３８上には、金属ケーシング３
１の反対側に、ガス平衡の調節を触媒する多孔質
白金のような物質より成る測定電極３０が設けら
れている。この測定電極はその構造の点で標準電
極３１に相応し、導体路３９によつて固体電解質
板３２の測定ガスから遠い端部に結合されてい
る。この導体路３９及び／又は標準電極の導体路
３４は、検出器１０の作動中導体路３４と３９と
の間を流れる無効電流のために測定信号の狂いが
惹起されないように電気絶縁層（例えば酸化アル
ミニウム製）４０で固体電解質板３２から隔てら
れている。測定ガスに暴露される側では測定電極
３０及び付属の導体路３９が保護層４１によつて
おおわれている。この保護層は熱測定ガスの作用
に対する測定電極３０及び導体路３９の保護に役
立つが、少なくとも測定電極３０の範囲では多孔
を有している。導体路３９を接続導線２８と結合
することができるために、導体路３９の当該範囲
は、例えばマグネシウムのスピネルから成つてい
てもよい保護層４１によつておおわれずに残され
ている。

第４及び第５図には、第２及び第３図による検
出素子１１と同様に、一方の側に導体路４５を有
する測定電極４４が設けられかつ他方の側に導体
路４７を有する標準電極４６の設けられた板状固
体電解質４３を有するが、ポーラログラフイー的
測定原理に従つて動作する検出素子４２が図示し
てある。この実施例の場合にも導体路４５と固体
電解質板４３との間の電気絶縁層４８によつて測
定信号を狂わす流出無効電流が回避される。しか
し測定電極４４上には多孔性おおい層４９が設け
られていて、測定ガスの酸素分子に関しては一定
の拡散抵抗を成し、同時に測定電極４４に関して
は熱測定ガスに対する保護として役立つ。このお
おい層４９は例えば酸化アルミニウムより成つて
いて、0.5mmの厚さを有しかつ導体路４５をおお
うことによつて導体路についても保護層として働
くことができる。該検出素子４２は、検出素子１
１と同様に、標準電極４６及び付属導体路４７を
支える大面上に空所５１を形成する気密蓋５０を
有する。しかし該検出素子４２には、補助部材と
してなお層状加熱素子５２が追加された。この加
熱素子は、多孔性電気絶縁層５３（例えば酸化ア
ルミニウムより成る）によつて隔てられて標準電
極４６上に配置されており、白金金属より成り、
有利には蛇行状を成し、10μmの厚さを有し、固
体電解質板４３の測定ガスから遠い端部に通じか
つ標準電極―導体路４７に沿つて延びる二本の導
体路５４及び５４／１を有する。加熱素子５２及
び導体路４７，５４，５４／１上に配置されてい
るが、測定ガスから遠い接続部はおおわれないで
いて、少なくとも加熱素子５２の曲折部分のほか
の範囲ではガス透過性である保護層を作ることは
断念された、それというのもこのような保護層は
特定の不利な影響のある場合に必要であるにすぎ
ないからである。

第２及び第３図による検出素子１１の場合には
蓋３５は別個に製造され、後で、電極３０及び３
１、導体３４及び３９ならびに層４０及び４１を
すでに“装備した”固体電解質板３２と結合され
る（前記検出素子４２の場合にも適用されうる方
法）のであるが、本例の場合には、蓋５０は装備
された固体電解質４３上で後で焼結時に再び除去
される空所形成体（例えば炭素製）（図示してな
い）の助けによつて一緒に一様に圧縮され、次に
装備された固体電解質４３と一緒に焼結構成され
ている。しかし空所形成体の代りに又は、少なく
とも空所５１部分の形成のためにはすべり工具を
使用することもできる。

該検出素子４２もその空所５１空気酸素のよう
なガス状標準物質の代りに一定の酸素分圧を有す
る埋込標準物質を含むことができるといつてよ
い。このような場合には蓋５０はその測定ガスか
ら遠い端部ででも側壁によつて閉鎖されなければ
ならないであろう。

第６図には、検出素子組合せ体５５が分解的に
図示してある。この組合せ体５５は、第一構造部
分として電位差計的測定原理に従つて動作する検
出素子５６を有する。この検出素子は第２及び第
３図による検出素子１１にほとんど一致するが蓋
（第２及び第３図の３５の位置）を備えないでむ
しろ該組合せ体５５の蓋部分を形成する。該検出
素子５６は第６図では、標準電極５７が下方を指
すように配置されている。該組合せ体５５の第二
構造部分は、ポーラログラフイー的測定原理に従
つて動作し、かつ第４及び第５図による加熱可能
の検出素子４２にほとんど合致するが蓋（第４及
び５図における位置５０）を有しない検出素子５
８である。この検出素子５８は第６図では、加熱
素子６０を有するその標準電極５９が上方を指す
ように配置されている。該組合せ体５５の第三構
造部分は、Ｕ字状絶縁部材６１（例えば二酸化ジ
ルコニウム又は他のセラミツクより成る）であ
り、この部材は検出素子５６と５８との間に、そ
の両脚６２，６２／１及びＵ字材６２／２が両検
出素子５６及び５８と一緒に、前記の検出素子１
１又は４２の場合に図示したような空所６３を形
成する。しかしまた検出素子組合せ体５５は、二
つの構造部分のみより構成されてもよく、しかも
このようなＵ字状絶縁部材６１の代りにフレーム
状の縁を有する少なくとも１個の固体電解質板の
製作される場合にそれが可能である。

このような組合せ体５５は、電位差計的測定原
理に従つて動作する検出素子５６及びポーラログ
ラフイー的測定原理に従つて動作する検出素子５
８を包含する。しかしポーラログラフイー的測定
原理に従つて動作する２個の検出素子を有する組
合せ体も可能である。更に該組合せ体もその空所
６３中に一定の酸素分圧を有するガス状標準物質
の代りに、すでに上記例で挙げた一定の酸素分圧
を有する埋込標準物質を含むことができる。また
該検出素子組合せ体５５は場合により各検出素子
５６及び５８に加熱素子６０が設けられていても
よい。また検出素子組合せ体５５は構造部分を製
造し、一緒に焼結することによつて組立てられて
もよい。しかしまたそれはすべり工具及び／又は
空所形成体を用いて前記のようにして完全に組立
てられてもよい。この種の検出器の使用目的が測
定ガスの酸素含量の測定のために唯一個の検出素
子５６又は５８しか要求しない限り、検出素子の
平蓋は他の検出器（例えば温度用）を備えてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一定の標準物質で作動する本発明に
よる検出器の縦断面図であり；第２図は第１図に
よる検出器の拡大図示された電位差計的検出素子
の斜視図であり；第３図は第２図による検出素子
の分解斜視図であり；第４図は加熱素子の設けら
れた本発明によるポーラログラフイー的検出素子
の拡大透視図であり；第５図は第４図による検出
素子の分解斜視図であり；第６図は電位差計的検
出素子及び加熱可能のポーラログラフイー的検出
素子より構成される本発明による検出素子組合せ
体の分解斜視図である： １１……検出素子、１２……縦孔、１３……金
属ケーシング、２８……接続導線、３０，４４…
…測定電極、３１；４６；５７，５９……標準電
極、３２，４３……固体電解質、３３……大面、
３４，３９；４５，４７……導体路、３５，５０
……蓋、３６，５１，６３……空所、３７，３
７／１……側壁、３７／２……底部、４１……保
護層、４９……おおい層、５６，５８……検出素
子、６１……絶縁部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属ケーシングを有し、同ケーシングの縦孔
   中に、軸方向に配置されてその中に密閉的に固定
   された、酸素イオンを導く固体電解質を有する、
   ポーラログラフイー的測定原理に従つて動作する
   検出素子が組込まれており、同素子における前記
   電解質の一測面上には測定電極として、酸素分子
   に対する一定の拡散抵抗を有するおおいを備えて
   いる、測定ガスに暴露される電子伝導層が配置さ
   れており、前記電解質の他側面が、測定電極に対
   向的に配置されていて一定の酸素分圧の標準物質
   に暴露される標準電極を有し、この際測定電極及
   び標準電極がそれぞれ導体路を介して固体電解質
   の接続側端部に接続されていて電圧印加のために
   用意されている構造の、ガス中の酸素を測定する
   ための電気化学的検出器において、固体電解質３
   ２，４３が主として平らな板であり、標準電極３
   １，４６を有する前記固体電解質の大面３３が固
   体電解質板３２，４３に密着固定された蓋３５，
   ５０によつて、固体電解質板３２，４３と蓋３
   ５，５０との間に空所３６，５１が形成されかつ
   固体電解質板３２，４３に層状加熱素子５２，６
   ０が設けられるようにおおわれていることを特徴
   とする前記電気化学的検出器。 ２ 標準電極３１，４６，５９の設けられた固体
   電解質板３２，４３と蓋３５，５０との間に存在
   する空所３６，５１，６３が固体電解質板３２，
   ４３の接続側端部に向つて開かれていて、標準ガ
   スとしての空気酸素の出入のために用意されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の電気化学的検出
   器。 ３ 蓋３５が、固体電解質板３２，４３に固定さ
   れている側壁３７，３７／１及び底部３７／２又
   は適当に形成された絶縁部材６１を有する特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の電気化学的検出
   器。 ４ 蓋も検出素子５６を有する特許請求の範囲第
   ３項記載の電気化学的検出器。 ５ 蓋も酸素イオンを導く固体電解質より成りか
   つ電極および導体路を備えている特許請求の範囲
   第４項記載の電気化学的検出器。