(57)【要約】  ガス測定センサ（１０）、特に、測定ガスの物理的特性の特定、特に内燃機関の排気系統における排ガス成分の濃度の特定に用いられるガス測定センサ（１０）が提供される。ガス測定センサ（１０）は、ケース（１３）内に配置されたセンサエレメント（１４）を有する。ケース（１３）は、開口部（２３）を有する保護パイプ（２２）を含み、この開口部（２３）を介して測定ガスがセンサエレメント（１４）に到達可能になっている。保護パイプ（２２）は、少なくともセンサエレメント（１４）に対向する保護パイプ（２２）の側面に、内燃機関の排気系統内におけるガス測定センサ（１０）の規定通りの運転の際に単にわずかに変化する吸収率を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス測定センサ（１０）、特に測定ガスの物理的特性を特定するための、殊に内燃機関の排気系統における排ガス成分の濃度を特定するためのガス測定センサ（１０）であって、ケース（１３）に配置されたセンサエレメント（１４）を有し、前記ケース（１３）は開口部（２３）を有する保護パイプ（２２）を含み、該開口部（２３）を介して測定ガスがセンサエレメント（１４）に到達可能になっている形式のものにおいて、保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記保護パイプ（２２）の側面に所定の吸収率を有し、該吸収率は内燃機関の排気系統におけるガス測定センサ（１０）の規定通りの運転において、単にわずかに変えられることを特徴とする、ガス測定センサ（１０）。
【請求項２】
保護パイプ（２２）は、新品状態において及び／又は短い運転時間の後において、少なくともセンサエレメント（１４）に対向する保護パイプ（２２）の側面に、少なくとも０．７の吸収率αを有する、請求項１記載のガス測定センサ。
【請求項３】
保護パイプ（２２）は、新品状態において及び／又は短い運転時間の後において、少なくともセンサエレメント（１４）に対向する保護パイプ（１４）の側面に吸収率αを有し、該吸収率αは、内燃機関の排気系統において保護パイプが少なくとも１００時間運転された後の劣化した保護パイプの吸収率に対して最大３０パーセント、特に最大１５パーセント異なっている、請求項１又は２記載のガス測定センサ。
【請求項４】
保護パイプ（２２）は、内側部分（２２ａ）と外側部分（２２ｂ）とを有する２重壁構造の保護パイプとして形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項５】
センサエレメント（１４）はヒータ（６０）を有し、該ヒータ（６０）によって、少なくとも保護パイプ（２２）内に配置された、センサエレメント（１４）の部分（１４ａ）が加熱可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項６】
保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記保護パイプ（２２）の側面に粗面化された表面を有する、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７】
保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記保護パイプ（２２）の側面にセラミックコーティング（７１）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項８】
保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記センサエレメント（１４）の側面にほうろう（７２）が被覆されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項９】
保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記保護パイプ（２２）の側面が酸洗いされている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項１０】
金属製の保護パイプ（２２）は少なくともセンサエレメント（１４）に対向する前記保護パイプ（２２）の側面に、新品状態において、強く酸化された表面を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項１１】
保護パイプ（２２）はセラミック材料例えば酸化アルミニウムから構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
【請求項１２】
請求項１から６まで又は１０のいずれか１項記載のガス測定センサの製造方法において、保護パイプ（２２）又は該保護パイプ（２２）の部分（２２ａ，２２ｂ）を、内燃機関の排気系統への取り付け前に、酸化性雰囲気において６００℃以上の温度に、特に８００〜１０００℃の範囲の温度に加熱することを特徴とする、ガス測定センサの製造方法。
【請求項１３】
請求項１から１１までのいずれか１項記載のガス測定センサの製造方法において、保護パイプ（２２）又は該保護パイプ（２２）の部分（２２ａ，２２ｂ）の表面を、内燃機関の排気系統への取り付け前に、サンドショットピーニングによって粗面化することを特徴とする、ガス測定センサの製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１１までのいずれか１項記載のガス測定センサの製造方法において、保護パイプ（２２）又は該保護パイプ（２２）の部分（２２ａ，２２ｂ）に、内燃機関の排気系統への取り付け前に、有機材料を塗布し、保護パイプ（２２）又は該保護パイプ（２２）の部分（２２ａ，２２ｂ）を還元雰囲気において所定の温度に加熱して、前記有機材料を保護パイプ（２２）の表面に焼き付けることを特徴とする、ガス測定センサの製造方法。
【請求項１５】
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の製造方法において、保護パイプ（２２）に又は該保護パイプ（２２）の部分（２２ａ，２２ｂ）に、プラズマ噴霧法を用いてセラミック被膜（７１）を塗布することを特徴とする、ガス測定センサの製造方法。
【請求項１６】
請求項１から１１までのいずれか１項記載のガス測定センサの製造方法において、金属製の保護パイプ（２２）に、少なくともセンサエレメントに対向する前記保護パイプ（２２）の表面において熱処理を施して、センサエレメントに対向する保護パイプ（２２）の表面に暗褐色から灰褐色までの変色を発生させることを特徴とする、ガス測定センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、特許請求の範囲の独立請求項の上位概念に係るガス測定センサに関する。
【０００２】
このようなガス測定センサはドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１５１２９１号明細書に開示されている。このガス測定センサは、内燃機関の排ガス内の酸素濃度を特定するために用いられる。ガス測定センサはケースを有しており、このケースには開口部を有する保護パイプが固定されている。この開口部を介して排ガスがセンサエレメントに到達可能となっており、このセンサエレメントはケース内に気密に固定されている。このようなセンサエレメントの構成は一般に開示されており、例えば、Automotive Electronics Handbook、編者：Ronald K. Jurgen、第２版、McGraw-Hill, Inc.、１９９９に記載されている。センサエレメントは１つの又は複数の固体電解質薄片を含んでおり、これらの薄片には複数の電極が配置されている。これらの電極と固体電解質薄片の部分とは、１つの又は複数の電気化学的電池から形成されている。センサエレメントの被膜平面には、ヒータが備えられており、このヒータによってセンサエレメント及び特に電気化学的電池が所定の温度に加熱され、これにより、固体電解質は、センサエレメントの測定機能に必要な酸素イオン伝導性を有するようになる。電気化学的電池を目標温度に設定するために、ヒータは、電気化学的電池の温度に応じて変化する内部抵抗を用いて（又は熱抵抗を用いて）制御される。
【０００３】
このようなガス測定センサの保護パイプは、鋼から成り、内燃機関の排気系統への取り付け前には金属光沢のある表面を有している。この表面は、極めて低い吸収率α（典型的にはα＜０．１）を有する。ガス測定センサの規定通りの運転の間において、保護パイプの吸収率は、例えば煤及び他の微粒子の堆積又は酸化によって変化する。長時間の運転の後、保護パイプの吸収率αは、例えば０．７から０．９５の範囲の値になる。
【０００４】
吸収率αとは、衝突する放射エネルギに対する吸収される放射エネルギの割合、つまり、固体に衝突する放射エネルギに対する固体によって吸収される放射エネルギの割合である。
【０００５】
低い吸収率を有する保護パイプの場合、センサエレメントから放射される熱放射の大部分は吸収されず、再びセンサエレメントに反射される。これに対して、高い吸収率を有する保護パイプは、センサエレメントの熱放射の大部分を吸収して、加熱される。この加熱された保護パイプは、ケースを介した熱伝導によって、排ガスとの接触によって、及び熱放射によって（センサエレメント方向内側に、及び排気系統内から外側に）熱を放出する。
【０００６】
この場合、高い吸収率を有する保護パイプにおいては、センサエレメントを規定の温度に到達させるために、低い吸収率を有する保護パイプの場合より高いヒータ出力が必要であり、この点で不利である。ガス測定センサの運転中に保護パイプの吸収率は変化するので、従って、目標温度への到達に必要なヒータ出力が変化する。
【０００７】
発明の利点
特許請求の範囲の独立請求項の特徴部に記載の特徴を有する本発明に係るガス測定センサは、上述の従来のガス測定センサに比べて、センサエレメントは同じヒータ出力によっておよそ同じ温度に加熱されるという利点を有する。このために、保護パイプの吸収率が、ガス測定センサの運転開始後に、単にわずかに変化するようになっている。保護パイプの吸収率のわずかな変化とは、本発明の範囲においては、最大で３０パーセントの変化のことである。このような保護パイプの吸収率は、ヒータ加熱領域におけるヒータのヒータ出力とセンサエレメントの温度との間の関係に対して、著しく大きい影響力を有するということが証明された。
【０００８】
本発明に係るガス測定センサによれば、センサエレメントの温度は、同一のヒータ出力及び同一の運転条件において、保護パイプの表面の性質から十分に独立している。これにより、センサエレメントは、同様に、ヒータの制御がセンサエレメントの電気化学的電池の内部抵抗によって可能ではない運転状態において、規定の温度に加熱される。特定の使用の際には、内部抵抗によるヒータの制御は完全に断念される。
【０００９】
さらに、本発明に係るガス測定センサにおいては、後述するように、内部抵抗の劣化の修正が可能である。劣化プロセスに基づいて、電気化学的電池の内部抵抗の大きさが、それ以外は同一の条件において、例えばセンサエレメントの温度が同一の場合において、変化する。ヒータの制御のために内部抵抗が考慮されるので、劣化したセンサエレメントが、本来の目標温度から外れた温度に加熱される。本発明に係るガス測定センサによれば、少なくとも特定の運転状態において、ヒータ出力とセンサエレメントの温度との間には明白な関係が存在する。何故ならば、これらの関係に対する保護パイプの影響力は、本発明に係る保護パイプの形状によって最小限に抑えられるからである。このため、上記特定の運転状態において、センサエレメントは、規定されたヒータ出力により、既知の温度に加熱可能であり、内部抵抗が決定される。内部抵抗が、劣化プロセス（同一温度における）に基づいて変化すると、内部抵抗によるヒータの制御において（他の運転状態において）、内部抵抗を修正ファクターとして考慮することができる。
【００１０】
特許請求の範囲の従属請求項に記載された形態により、特許請求の範囲の独立請求項に記載されたガス測定センサの更に有利な形態が可能である。
【００１１】
有利には、保護パイプは、新品状態において、もしくは、１０時間より短い短期の運転時間の後に、少なくともセンサエレメントに対向する保護パイプの内側に、少なくとも０．７の、特に、少なくとも０．９の吸収率を有する。
【００１２】
有利には、保護パイプは、さらに、新品状態において又は短期の運転時間の後に、劣化した保護パイプの吸収率に対して最大３０パーセント、特に最大１５パーセント異なる吸収率を有する。
【００１３】
このために、センサエレメントは、有利には、セラミックコーティング又はほうろうを有する。セラミックコーティングは、例えばプラズマ噴霧法によって塗布可能である。選択的に、保護パイプは、少なくとも、センサエレメントに対向するこの保護パイプの表面が、酸洗いされるか、または、例えばサンドショットピーニングによって粗面化されている。本発明の他の実施の形態によれば、保護パイプに対して、排気系統への取り付けの前において、人工の劣化プロセスが実施される。この劣化プロセスにおいて、保護パイプは、６００℃以上の温度において、特に８００〜１０００℃の範囲内の温度において、数時間の期間に亘って、酸化性雰囲気にさらされる。選択的に、保護パイプは、ガス測定センサの運転開始前に、有機物、例えば鉱油が塗布され、還元雰囲気において加熱されて、この有機物が保護パイプの表面に焼き付けられる。
【００１４】
選択的に、保護パイプは、ガス測定センサの運転中において著しく変化しない吸収率を持つ材料を有する。適切な材料は、例えばセラミックであり、特に酸化アルミニウムを含有するセラミックである。
【００１５】
上述の各実施の形態は、単独でも任意の組み合わせであってもよい。
【００１６】
図面
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１に、本発明の第１の実施例としてガス測定センサの縦断面を示し、図２に、本発明の他の実施例として保護パイプの縦断面及びガス測定センサのケースの一部を示す。
【００１８】
実施例の説明
図１は、ガスセンサ１０、例えば、内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するためのラムダセンサ又は広帯域ラムダセンサを示す。ガスセンサ１０は、測定側部分１５と、接続側部分１６とを持ち、また、金属製のケース１３を有する。このケース１３は、測定側部分において符号１３ａによって、接続側部分１６において符号１３ｂによってしるしが付けられている。ケース１３内において、センサエレメント１４が、セラミック製の成形部分２５，２６によって及びシールエレメントによって気密に固定されている。ガスセンサ１０は、その接続側部分１６内でケーブルカバー１２に連結されている。このケーブルカバー１２内には、センサエレメント１４の接続ケーブル１８が案内されている。
【００１９】
ケース１３の測定側部分１３ａには、保護パイプ２２が固定されている。保護パイプ２２は、２重壁構造であり、内側部分２２ａと外側部分２２ｂとを有する。保護パイプ２２には、複数の開口部２３が設けられており、これらの開口部２３はセンサエレメント１４へのガスの流入を可能にする。保護パイプ２２は、ケース１３の測定側部分１３ａから突出するセンサエレメント１４の測定側端部１４ａを覆う。測定側部分１５には、さらに、ねじ山２４が設けられており、このねじ山２４によってガスセンサ１０が図示しない排ガス管において固定可能にされる。
【００２０】
ケースの接続側部分１３ｂは、半径方向において環状の溶接シーム３１を用いて、ケースの測定側部分１３ａに気密に固定されている。ケースの接続側部分１３ｂはセンサエレメント１４の接続側端部１４ｂを包囲し、且つ内部空間３３を形成する。この内部空間３３は、基準ガス雰囲気、例えば大気を包含し、この基準ガス雰囲気は、図示しない、センサエレメント１４内に設けられた基準ガス溝に到達可能である。
【００２１】
接続側端部１４ｂに、センサエレメント１４は、図示しない接触面を備える。この接触面は、コンタクト部３５に接触している。コンタクト部３５は、例えば２つの部分から成る接続エレメント４０に配置されており、この場合、接続エレメント４０の両部分は、スプリングエレメント４１によって一体に保持される。これにより、コンタクト部３５は、センサエレメント１４の接触面を押圧する。コンタクト部３５のケーブル側部分は、圧着接続部４３を備えている。圧着接続部４３によってコンタクト部３５は、接続ケーブル１８と電気的に接続される。
【００２２】
ケース１３は、接続側端部１３ｂにおいて、テーパ状の円筒形部分４５を備えている。円筒形部分４５は、ケーブルガイド５０によって密閉されている。ケーブルガイド５０は、例えばＰＴＦＥから成り、また、貫通穴５１を有する。
【００２３】
接続側端部１４ａの領域において、センサエレメント１４はヒータ６０を有する。このような加熱可能なセンサエレメント１４の構成は、例えば、Automotive Electronics Handbook、編者：Ronald K. Jurgen、第２版、McGrawHill, Inc.、１９９９に記載されている。
【００２４】
保護パイプ２２の内側部分２２ａは新品の状態において、０．９の吸収率を有する。ガス測定センサ１０は、内燃機関の排気系統に組み込まれ、また、運転の際に使用され、保護パイプの吸収率が単にごくわずか変化し、そして運転条件に応じて０．８５から０．９７の範囲の値に変化する。
【００２５】
第１の実施の形態においては、少なくとも、金属製の保護パイプ２２の内側部分２２ａの、センサエレメント１４に対向する表面は、サンドショットピーニングによって粗面とされ、約０．９の吸収率を有するようになる。
【００２６】
第２の実施の形態においては、保護パイプの内側部分２２ａは、酸洗いされる。このために、内側部分は、例えば、アルカリ性の亜硝酸塩溶液、又はＮａＮＯ３を用いて処理される。
【００２７】
本発明の第３の実施の形態においては、金属製の保護パイプ２２の内側部分２２ａは、酸化性雰囲気において、約９００℃の温度に、数時間に亘って加熱される。これにより、内側部分２２ａの表面は酸化されて、この内側部分は約０．９の吸収率を有するようになる。
【００２８】
本発明の第４の実施の形態によれば、保護パイプ２２の内側部分２２ａにおいて、少なくとも、組み立て状態においてセンサエレメント１４に対向する内側部分２２ａの側面に、鉱油又はその他の有機物が塗布され、そして、還元雰囲気における熱処理によって加熱処理される。これにより、上記他の実施の形態と同様に、約０．９の吸収率が生ずる。
【００２９】
本発明の第５の実施の形態においては、少なくとも、保護パイプ２２の内側部分２２ａは、酸化アルミニウムから、一般的には約０．９の吸収率を有するセラミック材料から製造される。
【００３０】
図２は、本発明の更に別の実施の形態を示し、この場合、保護パイプの内側部分２２ａは、コーティング７１，７２を備える。
【００３１】
本発明の第６の実施の形態においては、保護パイプ２２の内側部分２２ａには、少なくとも、そのセンサエレメント１４に対向する側面に、セラミックコーティング７１、特に酸化アルミニウムを材料とするセラミックコーティング７１が被膜されている。セラミックコーティング７１は、例えばプラズマ噴霧法によって塗布される。
【００３２】
本発明の第７の実施の形態によれば、保護パイプ２２の内側部分２２ａの表面は、少なくとも、そのセンサエレメント１４に対向する側面において、ほうろう７２によって覆われている。
【００３３】
当業者において、上述の異なる実施の形態に対して上記処置を適切に組み合わせることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施例としてガス測定センサの縦断面を示す図である。
【図２】本発明の他の実施例として保護パイプの縦断面及びガス測定センサのケースの一部を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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