(57)【要約】  測定ガスの物理的な特性、例えば混合気中のガス成分の濃度、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するセンサ素子が提供され、このセンサ素子は固体電解質体（１１）と、固体電解質体（１１）に配置されており、測定ガスにさらされている外部電極（１７）と、固体電解質体（１１）内に配置されている内部電極（１８）と、固体電解質体（１１）内に配置されており、電気的な絶縁部（２６）内に埋め込まれており、例えばメアンダ状に構成されている加熱面を備えた電気的な抵抗ヒータ（２５）とを有する。対流および冷たい測定ガス流の放出に起因するセンサ素子の廃熱損失を低減するために、外部電極（１７）は固体電解質体（１１）内に構成されている中空部（１２）内に配置されている。
2007529760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスの物理的な特性、例えば混合気中のガス成分の濃度、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するセンサ素子であって、
固体電解質体（１１）と、前記固体電解質体（１１）に配置されており、前記測定ガスにさらされている外部電極（１７）と、前記固体電解質体（１１）内に配置されている内部電極（１８）と、前記固体電解質体（１１）内に配置されており、電気的な絶縁部（２６）内に埋め込まれており、例えばメアンダ状に構成されている加熱面を有する電気的な抵抗ヒータ（２５）とを有するセンサ素子において、
前記外部電極（１７）は前記固体電解質体（１１）内に構成されている中空部（１２）内に配置されていることを特徴とする、センサ素子。
【請求項２】
前記外部電極（１７）は前記固体電解質体（１１）の外面とは反対側にある前記中空部（１２）の底部に配置されている、請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記中空部（１２）は外方に向かって開かれて構成されており、かつカバー（１３）によって保護されている、請求項１または２記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記カバー（１３）はガス透過性の多孔性の材料から構成されており、かつ前記中空部（１２）を閉じる、請求項３記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記中空部（１２）に少なくとも１つのガス流入孔（２７）が案内されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記少なくとも１つのガス流入孔（２７）は固体電解質体（１１）内に設けられているか、前記中空部（１２）を閉じる前記カバー（１３）内に設けられている、請求項５記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記固体電解質体（１１）は第２の中空部（２２）を有し、該第２の中空部（２２）は、前記第１の中空部（２１）とは反対側にある前記固体電解質体（１１）の外面の近傍に構成されており、かつ加熱面（２５１）の領域にわたり拡張している、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記中空部（２２）は前記外部電極（１７）とは反対側にある前記固体電解質体（１１）の外面に凹設されており、かつ第２のカバー（２３）によって閉じられている、請求項７記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記第２のカバー（２３）に対向する前記第２の中空部（２２）の底部には放射率の低いコーティング部（２４）が設けられている、請求項８記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記コーティング部（２４）は高溶融性の貴金属またはその酸化物、例えばプラチナまたは酸化ルテニウムから構成されている、請求項９記載のセンサ素子。
【請求項１１】
前記中空部（１２，２２）には多孔性の材料、例えば非常に多孔性のセラミックが充填されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記中空部（１２，２２）内には支持部が配置されており、該支持部は前記カバー（１３，２３）を前記中空部（１２，２２）の底部に対して支持する、請求項２から１１までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１３】
前記カバー（１３，２３）は、前記固体電解質体（１１）の材料よりも大きい熱膨張率を有する材料から構成されている、請求項３から１２までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１４】
前記外部電極（１７）および前記内部電極（１８）はポンプセルを形成し、前記固体電解質体（１１）内には参照ガスチャネル（１５）と、拡散バリア（２０）を介して前記第１の中空部（１２）と繋がっている測定ガス室（１４）とが構成されており、前記測定ガス室（１４）内には前記内部電極（１８）と該内部電極（１８）と対向する測定またはネルンスト電極（１９）とが配置されており、前記参照ガスチャネル（１５）内には参照電極（２１）が配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１５】
前記中空部（１２，２２）は、前記電極（１７，１８，１９，２１）の空間的な配置を覆う領域にわたり延在している、請求項１４記載のセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念による測定ガスの物理的な特性、殊に混合気中のガス成分の濃度、殊に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するセンサ素子に関する。
【０００２】
内燃機関またはエンジンの排ガス中の酸素濃度を検出する、いわゆる広域ラムダセンサのための公知のセンサ素子（DE 199 41 051 A1）は酸素イオン伝導性の固体電解質材料、例えば酸化イットリウムで完全にまたは部分的に安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる複数の層またはフィルムを有し、これらは平坦なセラミックボディに積層化され、続けて焼結されている。層またはフィルム結合体内には測定ガス室および参照ガスチャネルが形成されており、また絶縁被覆部が設けられている電気的な抵抗ヒータが埋め込まれている。参照ガスチャネルは参照ガス、例えば空気が供給され、また測定ガス室には拡散バリアを介して排ガスが供給される。センサ素子は測定ガス室に酸素をポンピングするため、もしくは測定空間から酸素をポンピングするためのポンプセルと、酸素濃度を測定するためのネルンストセルまたは濃度セルとを有する。ポンプセルは外部ポンプ電極および内部ポンプ電極を有し、ネルンストセルまたは濃度セルはネルンスト電極または測定電極と参照電極とを有する。参照電極は参照ガスチャネルにおいて固体電解質上に配置されている。内部ポンプ電極およびネルンスト電極または測定電極は測定ガス室内に位置決めされており、また相互に対向してそれぞれ固体電解質層のうちの１つに配置されている。外部ポンプ電極は、内部ポンプ電極を支持している固体電解質層の内部ポンプ電極側とは反対側の外面上に配置されており、有利には多孔性の保護層を介して排ガスに曝されている。電気的な抵抗ヒータは約７５０℃〜８００℃の必要な動作温度までセンサを加熱する。このために電気的な抵抗ヒータに印加可能な電圧は車両の搭載電圧によって制限されている。
【０００３】
冷態始動の際には抵抗ヒータが動作温度までセンサを加熱し、このセンサが排ガス中の酸素濃度の信頼できる測定値を提供できるようになるまで所定の時間が必要となる。これに対して加熱プロセスの間にセンサは酸素濃度を測定することができないので、内燃機関の混合気を最適に調節することができず、高い排ガスエミッションが生じる可能性がある。さらにセンサの加熱時間は、冷たい排ガスおよび熱放射によるセンサの冷却に起因して生じる熱損失によって延長される。
【０００４】
組み込まれた電気的な抵抗ヒータを用いて動作温度まで加熱することができる、エンジンの排ガスの少なくとも１つのガス成分を検出するための、限界電流の原理にしたがい動作するリーンセンサのための公知のセンサ素子（DE 101 14 186 C2）では、センサ素子の少なくとも１つの外面上にプラチナからなる熱伝性の層が被着されており、しかも抵抗ヒータによる加熱および動作時のセンサ素子の外側の温度分布に基づき高い温度勾配を有する外面の領域に取付けられている。熱伝性の層により異なる温度を有する領域間の温度調整が行われ、これによって温度勾配、したがって亀裂を生じさせる可能性があるセンサ素子内の機械的な張力が低減される。熱伝性の層は金属、殊にプラチナを含有し、また５〜５０μｍの厚さを有する。安定化のためにセラミック材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が混合されている。
【０００５】
発明の利点
請求項１の特徴を有する本発明によるセンサ素子は、中空部の底部への外部電極の「埋め込み」によって、センサ素子の熱損失を著しく低減することができる。中空部は熱エネルギを僅かにしか伝導しないので、有利な熱的な分離が達成される。さらには、有利にはプラチナから構成されている外部電極は内部境界面を形成し、また固体電解質の酸化ジルコニウムに比べて放射率が低いことに起因して、放射によっても著しく僅かなエネルギしか放射されないようになる。したがって総じて、動作温度に達するまでのセンサ素子の加熱時間も、測定ガス流が非常に冷たい場合のセンサ素子の動作時の対流熱損失も低減され、したがって加熱出力に対する要求も低減される。
【０００６】
さらなる請求項に記載されている構成によって、請求項１に記載されたセンサ素子の有利な発展形態および改善形態が実現される。
【０００７】
本発明の有利な実施形態によれば、固体電解質体が第２の中空部を有し、この第２の中空部は固体電解質体において、固体電解質体の第１の中空部側とは反対側の外面の近傍に配置されており、抵抗ヒータの加熱面の領域にわたり延在している。有利には第２の中空部が外面側から凹設されており、外方に向かって開かれ、かつ第２のカバーによって閉じられている。ここでもまた中空部は熱伝率が低いものとしてセンサ素子の内部領域をエネルギ損失から保護している。
【０００８】
本発明の有利な実施形態によれば、カバーに対抗する第２の中空部の底部には、放射率が低いコーティング部が設けられており、このコーティング部は例えばプラチナまたは酸化ルテニウムまたは他の貴金属およびその酸化物から構成されている。このコーティング部も放射係数が低い境界面にとなり、したがって放射損失も低くなり、また熱放射を内部に存在するセンサ領域に逆反射させるリフレクタとして機能する。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば２つの中空部が多孔性の材料、例えば非常に多孔性のセラミックで充填されており、このセラミックは中空部に非常に類似する断熱特性を有するが、比較的高い機械的安定性も有する。
【００１０】
中空部を充填することなくより高い安定性を達成しようとする場合、本発明の有利な実施形態によれば中空部に支持部が組み込まれており、この支持部はカバーを中空部の底部に対して支持する。
【００１１】
本発明の有利な実施形態によれば、固体電解質よりも大きい機械的な膨張係数を有する材料からカバーが製造される。これによって、カバーおよび固体電解質における異なる温度に起因して生じる機械的な張力は、殊に両者が同じ膨張係数を有する場合に最小にされる。
【００１２】
図面
以下の記載においては図面に示した実施例に基づき本発明を詳細に説明する。概略的な図面において、
図１は広域ラムダセンサのためのセンサ素子の長手方向の断面図を示し、
図２は図１の線ＩＩ‐ＩＩに沿った断面図を示し、
図３および図４は別の第２の実施例による変更された広域ラムダセンサの図１と同様の断面図をそれぞれ示し、
図５はさらなる実施例による変更された広域ラムダセンサの図２と同様の断面図を示す。
【００１３】
実施例の説明
図１および図２において異なる断面部分で示されているセンサ素子は広域ラムダセンサのために構想されており、内燃機関またはエンジンの排ガス中の酸素濃度を検出するために使用される。センサ素子は固体電解質体１１を有し、この固体電解質体１１は酸素イオン伝導性の固体電解質層１１１〜１１４から構成されており、これらの固体電解質層１１１〜１１４はセラミックフィルムとして実施されている。固体電解質材料として、例えばイットリウムで完全にまたは部分的に安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）が使用される。プレーナ型のセラミック固体電解質体１１の統合された形状は、機能層がプリントされているセラミックフィルムを一緒に積層化し、続いてその積層化された構造体を焼結することにより製造される。
【００１４】
一番上の固体電解質層１１１には外方に向かって開かれている第１の中空部１２が設けられており、この第１の中空部１２は第１のカバー１３によって外部に対して閉じられている。図１および図２の実施例においては第１のカバー１３が多孔性に構成されており、その結果センサ素子の周囲を流れる排ガスは中空部１２に侵入することができる。
【００１５】
第１の固体電解質層１１１の下にある第２の固体電解質層１１２内には測定ガス室１４および参照ガスチャネル１５が構成されている。測定ガス室１４および参照ガスチャネル１５は第１の固体電界質層１１１および第３の固体電界室層１１３によって覆われており、測定ガス室１４は第１の固体電界質層１１１内に設けられているガス開口部１６を介して第１の中空部１２と繋がっている。
【００１６】
第１の中空部１２の底部においては、第１の固体電界質層１１１の上に外部電極１７が配置されている。測定ガス室１４においては第１の固体電界質層１１１の上に内部電極１８が配置されている。２つの電極１７，１８は同じ大きさで円形の環状に構成されており、かつ同心でガス開口部１６を包囲している。有利には固体電界質層１１上にプリントされている２つの電極１７，１８は１つのポンプセルを形成し、このポンプセルを用いることにより酸素イオンが汲み入れポンピングないし汲み出しポンピングされることによって測定ガス室１４内の酸素濃度は一定に維持される。
【００１７】
測定ガス室１４においては、内部電極１８に対向する第３の固体電解質層１１３の上に測定またはネルンスト電極１９が配置されている。ネルンスト電極１９は同様に環状の形状を有し、有利には第３の固体電解質層１１３の上にプリントされている。測定ガス室１４内部ではガスの拡散方向において、内部電極１８およびネルンスト電極１９の手前に多孔性の拡散バリア２０が配置されている。多孔性の拡散バリア２０は電極１８，１９に向かって拡散するガスに関して拡散抵抗を形成する。参照ガス、例えば空気が供給されている参照ガスチャネル１５内には参照電極２１が配置されており、この参照電極２１は第１の中空部１２の延長領域の下方に存在する。参照ガスチャネル１５は第２の固体電解質層１１２内の残存するウェブによって測定ガス室１４とは隔てられている。参照電極２１は測定またはネルンスト電極１９と共にネルンストまたは濃度セルを形成し、このネルンストまたは濃度セルを用いて酸素濃度が測定される。
【００１８】
第４の固体電解質層１１４内には、第１の固体電解質層１１１内と同様に第２の中空部２２が設けられており、この第２の中空部２２は外方に向かって開かれており、またそこにおいて第２のカバー２３によって閉じられる。第２の中空部２２の底部は放射率が低いコーティング部２４でもってコーティングされている。コーティング材料として有利にはプラチナが使用されるが、放射係数の低い他の高溶融性の貴金属またはその酸化物、例えば酸化ルテニウムを使用することもできる。
【００１９】
第３の固体電解質層１１３と第４の固体電解質層１１４との間には電気的な抵抗ヒータ２５が配置されており、この抵抗ヒータ２５は電極１８，１９，２１の領域内に延在する加熱面２５１と、この加熱面２５１への２つの線路２５２とを有する。加熱面２５１および線路２５２は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる絶縁部２６内に埋め込まれている。電気的な抵抗ヒータ２５は通常の場合車両の搭載電圧である直流電圧に接続されており、またセンサ素子を約７５０℃〜８００℃の動作電圧に加熱し、動作温度を維持するために使用される。この動作温度においてのみセンサ素子は最適に動作し、またガス成分、ここでは酸素の濃度に関して信頼できる測定値を出力する。
【００２０】
２つの中空部１２，２２はその低い熱伝導率に基づきセンサ素子の内部領域から表面への熱の移動を低減するので、センサ素子を動作温度に維持するためには僅かな熱エネルギしか必要とされない。第１の中空部１２内のプラチナから製造されている外部電極１７および第２の中空部２２内のプラチナコーティング２４部は放射係数の低い境界面となり、したがって放射損失は僅かなものとなる。付加的に外部電極１７およびプラチナコーティング部２４にそれぞれ対向するプラチナコーティングがリフレクタを形成してもよく、このリフレクタは熱放射をセンサ素子の内部領域へと反射する。これにより総じてセンサ素子の熱損失は著しく低減され、その結果一方では冷たいセンサ素子が迅速に動作温度に加熱され、他方ではセンサ素子が周囲を流れる測定ガスまたは排ガスによって僅かにしか冷却されない。
【００２１】
センサ素子のより高い安定性の理由から、２つの中空部１２，２２を非常に類似する断熱特性を有する多孔性の材料、例えば非常に多孔性のセラミックで充填することもできる。センサ素子の機械的な安定性を高めることは中空部１２および２２内の支持部によっても達成することができ、この支持部は第１ないし第２のカバー１３，２３を第１ないし第２の中空部１２，２２の底部に対して支持する。
【００２２】
図３〜図５に示されているセンサ素子の変更された実施例においては、第１の中空部１２に開口している少なくとも１つのガス流入孔２７が設けられており、このガス流入孔２７を介して排ガスは中空部１２に到達することができる。この場合カバー１３をもはやガス透過性に構成する必要はない。図３においてはガス流入孔２７がカバー１３を貫通する孔２８として実施されている。図４および図５においては、第１の中空部１２に開口しているガス流入孔２７は固体電解質体１１内に設けられており、しかも固体電解質体１１の端面（図４）または固体電解質１１の長手方向の面の内の１つに設けられている。その他の点においては、図３〜図５に示されているセンサ素子は図１および図２の前述のセンサ素子と一致する。しかしながら明瞭にするために、同一の構成部材の対応付けに関して全ての参照番号は付していない。
【００２３】
本発明は内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出する広域ラムダセンサのためのセンサ素子の前述の実施例に制限されるものではない。センサ素子をλ＝１センサまたはジャンプセンサ（Sprungsonde）のためにも、また限界電流の原理によるリーンセンサのためにも実施することができる。後者の例はDE 100 54 828 A1またはDE 101 14 186 C2に記載されている。本発明によるセンサ素子を用いて混合気中の他のガス成分、例えば内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を検出することもできる。センサ素子を相応に適合させることにより測定ガスの他の物理的な特性、例えば測定ガスまたは内燃機関の排ガスにおける圧力を検出することもできる。電極１７，１８および１９を矩形に実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】広域ラムダセンサのためのセンサ素子の長手方向の断面図。
【図２】図１の線ＩＩ‐ＩＩに沿った断面図。
【図３】別の第２の実施例による変更された広域ラムダセンサの図１と同様の断面図。
【図４】別の第２の実施例による変更された広域ラムダセンサの図１と同様の断面図。
【図５】別の実施例による変更された広域ラムダセンサの図２と同様の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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