(57)【要約】測定ガス内の物理的な値を測定するための、特に燃焼エンジンの排ガス内のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサであって、層状に構成されたセンサエレメント（１０）が設けられている形式のものが提案される。このセンサエレメント（１０）は、固体電解質シート（１２）を有しており、この固体電解質シート（１２）内には基準ガス室（４１，１４１）が設けられている。この基準ガス室（４１，１４１）は、センサエレメント（１０）の層平面に位置する第１の側面（４３，１４３）と、この第１の側面（４３，１４３）に向かい合った第２の側面（４２，１４２）とを有している。基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）は、センサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な平面で見て、基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）よりも短く形成されている。
2005528607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス内の物理的な値を測定するための、特に燃焼エンジンの排ガス内のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサであって、層状に構成されたセンサエレメント（１０）が設けられており、該センサエレメント（１０）が、固体電解質シート（１２）を有しており、該固体電解質シート（１２）内に、基準ガス室（４１，１４１）が設けられており、該基準ガス室（４１，１４１）が、センサエレメント（１０）の層平面に位置する第１の側面（４３，１４３）と、該第１の側面（４３，１４３）に向かい合った第２の側面（４２，１４２）とを有している形式のものにおいて、基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）が、センサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な平面で見て、基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）よりも短く形成されていることを特徴とする、ガス測定センサ。
【請求項２】
基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）の幅が、基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）の幅の高くても９０パーセント、有利には３０〜７０パーセントまでである、請求項１記載のガス測定センサ。
【請求項３】
センサエレメント（１０）が、加熱装置（３１）を有しており、基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）が、前記加熱装置（３１）に向けられている、請求項１又は２記載のガス測定センサ。
【請求項４】
加熱装置（３１）の大部分が、基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）の、前記加熱装置（３１）の層平面への垂直方向の投影図の外側に位置している、請求項３記載のガス測定センサ。
【請求項５】
加熱装置（３１）の、センサ（１０）の長手方向軸線に対して平行に延びる領域が、基準ガス室（４１，１４１）の第１の側面（４３，１４３）の、前記加熱装置（３１）の層平面への垂直方向の投影図の外側に位置している、請求項３又は４記載のガス測定センサ。
【請求項６】
加熱装置（３１）が、加熱装置絶縁体（３２）により取り囲まれており、基準ガス室（４１）の、加熱装置（３１）に向けられた境界が、加熱装置絶縁体（３２）により形成される、請求項３から５までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項７】
基準ガス室（１４１）が、固体電解質シート（１２）内に設けられた切欠き（１４２，１４３，１４４）の形で形成されており、該切欠き（１４２，１４３，１４４）が、前記固定電解質シート（１２）に完全には進入していない、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項８】
基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）に、電極（２２）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項９】
センサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な平面で見て、電極（２２）の幅が、基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）の幅に少なくともほぼ対応しているか、又は基準ガス室（４１，１４１）の第２の側面（４２，１４２）の幅よりも大きく形成されている、請求項８項記載のガス測定センサ。
【請求項１０】
測定ガス室（４１，１４１）を、固体電解質シート（１２）内に、フライス切削により設ける、請求項１記載のガス測定センサを製造するための方法。
【請求項１１】
基準ガス室（４１，１４１）を、焼結の前に固体電解質シート（１２）内に設け、これにより、次いで固体電解質シート（１２）と、機能層（２１，２５，２２，３１，３２）を印刷された別の固体電解質シート（１１，１３）とを複合システムの形に貼り合わせ、次いで該複合システムを焼結する、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、測定ガスの物理的な値を測定するための、特に燃焼エンジンの排ガスのガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサ、及び請求項１０の上位概念部に記載の、前記ガス測定センサを製造する方法に関する。
【０００２】
この形式のガス測定センサが、ドイツ連邦共和国実用新案第２９９０５６０１号明細書につき公知である。このガス測定センサは、４つの固体電解質シートを有する、細長い層状に構成されたセンサエレメントを有している。第２の固体電解質シート内には、基準ガス室が設けられている。この基準ガス室は、センサエレメントの長手方向軸線に対して垂直な平面で見て長方形の形状を有しており、これにより、基準ガス室のそれぞれ向かい合った側面は平行している。さらに、このセンサエレメントはメアンダ状の加熱装置を有している。この加熱装置は加熱装置絶縁体に埋め込まれている。この加熱装置の、センサエレメントの長手方向軸線に対して平行な４つの領域の内の２つの領域が、基準ガス室の下方に、すなわち、基準ガス室の、加熱装置の層平面への垂直方向の投影図の内部に位置しいている。
【０００３】
センサエレメントは次のよう製造される。まず、未焼結の固体電解質シート（グリーンシート）に、１つの機能層又は複数の機能層（例えば電極、加熱装置絶縁体を有する加熱装置、又は印刷された固体電解質層）が印刷され、基準ガス室が、グリーンシートの１つに打抜きにより設けられる。次いでこのグリーンシートは、センサエレメントの層平面に対して垂直方向に作用する押圧力を加えて貼り合わされ、次いで焼結される。
【０００４】
この形式のガス測定センサでは、基準ガス室の、センサエレメントの層平面に対して垂直方向に延びる壁により、積層時に高い圧力が隣接する機能層に加えられ、この圧力が機能層の押しつぶれにつながり得ることが欠点である。
【０００５】
発明の利点
請求項１に記載の特徴を備えた本発明によるガス測定センサ並びにこのガスセンサを製造するための本発明による方法は、機能層のために高い負荷が生じることなしに高い積層圧を加えることができるという利点を有する。これにより、機能層の押しつぶれが阻止される。このためには、センサエレメントは、固体電解質層内に設けられた基準ガス室を有しており、この基準ガス室には、センサエレメントの層平面に位置する第１の側面が設けられており、この第１の側面は、センサエレメント長手方向軸線に対して垂直方向の平面で見て、基準ガス室の、第１の側面に向かい合った第２の側面よりも短く形成されている。
【０００６】
センサエレメントを製造する場合には、まず焼結されていない固体電解質シート（グリーンシート）に、機能層、例えば電極、加熱装置、加熱装置絶縁体及び／又は印刷された固体電解質層が印刷され、かつ基準ガス室が、グリーンシートの１つに設けられる。次いで、前記のように処理されたグリーンシートが、垂直方向の力を加えて貼り合される。
【０００７】
基準ガス室の第１の側面が第２の側面よりも短く形成されている場合には、基準ガス室の両方の別の側面の少なくとも一方は斜めに延びている。すなわち、この側面はセンサエレメントの層平面に対して垂直方向には位置していない。これにより、基準ガス室は、少なくとも１つの、鋭角を有する角隅と鈍角を有する角隅とを有している。これに対応して、測定ガス室が設けられた固体電解質シートは、少なくとも１つの鈍角の縁部と鋭角の縁部とを有しており、これらの縁部により、固定電解質シートは、隣接する固体電解質シート、若しくはこの固体電解質シートに被着された機能層に位置している。
【０００８】
鈍角の縁部の場合には、直角の縁部の場合よりも積層時の機能層の押しつぶれの危険性がよりわずかであることが判明した。鋭角の縁部の場合には、押圧力が層平面に対して垂直に広がらない。なぜならば、押圧力の方向には、中空室、すなわち基準ガス室が配置されているからである。したがって、鋭角の縁部は中空室内に逃れることができ、これにより、積層の間に機能層に作用する力は直角の縁部に比べて低減されている。
【０００９】
鈍角の縁部の場合にも、積層時には隣接する層によりわずかな力が観察された。鈍角の縁部の場合には、垂直方向の押圧力は作用するが、しかしながら、鈍角の場合には鋭い縁部が存在せず、これにより、積層時の機能層の負荷は少なくとも低減される。
【００１０】
これにより、基準ガス室の本発明による形成時には、積層の間には隣接する機能層はよりわずかに負荷され、これにより、機能層の押しつぶれの危険性、ひいてはこれにより生じる機能故障は阻止される。
【００１１】
製造技術的に、有利には基準ガス室は、積層の前にフライス削りにより固体電解質シート内に設けられる。
【００１２】
従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載のガス測定センサ若しくはこのガス測定センサを製造するための方法の有利な構成及び発展形が可能である。
【００１３】
有利には、基準ガス室の第１の（短い）側面は、加熱装置に向けられている。これにより、センサエレメントの内部では良好な熱拡散が保証されている。
【００１４】
熱拡散は次のことによりさらに改良される、すなわち、加熱装置の大部分が、基準ガス室の第１の側面の、加熱装置の層平面への垂直方向の投影図の外側に位置していることにより、若しくは、加熱装置の、センサの長手方向軸線に対して平行に延びる領域が、基準ガス室の第１の側面の、加熱装置の層平面への垂直方向の投影図の外側に位置している場合に、改良される。さらに、このような配置では、加熱装置は積層時には基準ガス室の加熱装置側の縁部を介しては全く負荷されない。
【００１５】
基準ガス室の、加熱装置に向けられていない方の第２の側面には、電極が設けられている。基準ガス室の本発明による形成に基づいて、基準ガス室内には、面の大きい電極が配置されていてよく、これにより、大きいアクティブな電極面の利点も、加熱装置側の機能層のわずかな負荷及び良好な熱拡散の利点も生じる。
【００１６】
特に基準室の第１の側面の幅が、基準室の第２の側面の幅の３０〜７０パーセントまでの幅である基準室の配置が適宜であることが判明した。
【００１７】
本発明の２つの実施例を図面と次の説明で詳しく解説する。
【００１８】
図１及び図２は、本発明の第１実施例としてセンサエレメント１０を示している。このセンサエレメント１０は、第１の固体電解質シート１１と第２の固体電解質シート１２と第３の固体電解質シート１３とを有している。第１の固体電解質シート１１と第３の固体電解質シート１３との間に配置された第２の固体電解質シート１２内には、基準ガス室４１が設けられている。
【００１９】
第１の固体電解質シート１１の外側には、第１の電極２１が取り付けられている。この第１の電極２１は、保護層２５により被覆されている。第１の固体電解質シート１１の、第１の電極２１に向かい合った側には第２の電極２２が設けられている。この第２の電極２２の部分領域（択一的な、図示していない構成では完全に）は基準ガス室４１の内部に配置されている。両方の電極２１，２２並びに第１の固体電解質シート１１は、電気化学的なセル、例えばネルンストセルを形成している。
【００２０】
第２の固体電解質シート１２と第３の固体電解質シート１３との間には、加熱装置絶縁体３２内に埋め込まれた加熱装置３１が設けられている。この加熱装置３１により、センサエレメント１０は、このセンサエレメント１０の外部に配置された評価電子機構（図示しない）により所定の温度に加熱される。
【００２１】
基準ガス室４１は、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して垂直な平面で見て台形のように成形されており、この場合に、第１の側面４３と第２の側面４２とは互いに平行に、かつセンサエレメント１０の層平面に配置されている。第１の側面４３は加熱装置３１に向けられている。基準ガス室４１内の、第１の側面４３に向かい合った第２の側面４２には第２の電極２２が配置されている。第１の側面４３の幅（例えば１ｍｍ）は、第２の側面４２の幅（例えば１．５ｍｍ）の約６５％である。基準ガス室４１は、直接に加熱装置絶縁体３２に接続されており、これにより、基準ガス室４１は、第１の側面４３では加熱装置絶縁体３２により限定されている。
【００２２】
加熱装置３１はメアンダ状に形成されており、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して平行に延びる４つの領域３１ａを有している。これらの領域３１ａは、加熱装置の、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して垂直に延びる３つの領域３１ｂにより結合されている。加熱装置３１は、２つの加熱装置給電線路により評価電子機構に接続されている。
【００２３】
加熱装置３１の大部分は、基準ガス室４１の第１の側面４３の垂直方向の投影図の外側に配置されている。加熱装置３１の、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して平行に延びる、内側に位置する両方の領域３１ａの結合部３１ｂのみが、部分的に前記投影図の内部に延びている。
【００２４】
図３は本発明の第２実施例を示している。この第２実施例は、図１及び図２による第１実施例とは、第２の固体電解質シート１２内に設けられた基準ガス室１４１の配置によってのみ異なっている。互いに対応するエレメントには、第１実施例の場合と等しい符号を付した。基準ガス室１４１は、第２実施例では第２の固体電解質シート１２全体に進入しておらず、第２の電極２２の領域に設けられた切欠き１４２，１４３，１４４の形でのみ形成されている。この場合に切欠き１４２，１４３，１４４は加熱装置３１の方へ向かって閉じられている。これに対応して、基準ガス室１４１は、加熱装置３１に向けられた第１の側面１４３では、第２の固体電解質シート１２により限定されている。
【００２５】
図３に示したセンサエレメント１０では、加熱装置３１の、センサエレメント１０の長手方向軸線に対して平行に延びる領域３１ａが、部分的に、基準ガス室１４１の第１の側面１４３の垂直方向の投影図内に位置している。択一的な構成では、基準ガス室はより狭く形成されており、これにより、加熱装置の、センサエレメントの長手方向軸線に対して平行に延びる領域は、完全に基準ガス室の第１の側面の、垂直方向の投影図の外側に位置している。
【００２６】
本発明は、上に述べた実施例には限定されていない。基準ガス室が台形に成形されていないことも可能である。したがって、基準ガス室の側方の境界は、例えば丸みを付けられているか、又は段付けされた形で構成されていてよい。
【００２７】
本発明の別の１構成では、基準ガス室と加熱装置との間に１つ又は複数の別の固体電解質シート及び／又は固体電解質層が設けられている。
【００２８】
本発明は、基準ガス室を備えた別のセンサタイプ、例えばポンプセルとネルンストセルとが組み合わされた広帯域ラムダセンサにも転用することができる。同様に本発明は、加熱装置なしのセンサエレメント、又はセンサエレメントの外部に配置された加熱装置を備えたセンサエレメントにも転用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例によるガス測定センサのセンサエレメントの長手方向軸線に対して垂直方向の横断面図である。
【００３０】
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った、センサエレメントの部分領域の長手方向横断面図である。
【００３１】
【図３】本発明の第２実施例によるガス測定センサのセンサエレメントの長手方向軸線に対して垂直方向の横断面図である。
【図１】
2005528607.tif 000003
【図２】
2005528607.tif 000004
【図３】
2005528607.tif 000005
【国際調査報告】
2005528607.tif 000006
2005528607.tif 000007
2005528607.tif 000008
2005528607.tif 000009
2005528607.tif 000010
2005528607.tif 000011