(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス混合気中の酸素濃度を決定する測定センサの検査法であって、前記測定センサが、ネルンスト測定セルを有しており、該ネルンスト測定セルが、第１電極と第２電極とを有しており、両電極の間に固体電解質が配置されており、前記測定センサによって、酸素濃度に相当する、ネルンスト測定セルから供給される検出電圧を準備し、該検出電圧を、前記ガス混合気に曝される第１電極と、基準ガスに曝される第２電極との間で取り出して回路ユニットによって評価するようにした形式の、測定センサの検査法において、測定センサ（１０）を動作温度に加熱し、ネルンスト測定セル（１２）を、特定の酸素濃度を有するガス混合気（２４’）に曝し、第１電極（１６）と第２電極（１８）とに一定の検査電圧（ＵＰ）を印加し、ネルンスト測定セル（１２）の測定電流（ＩＭ）を評価することを特徴とする、測定センサの検査法。
【請求項２】
測定電流（ＩＭ）を特定の時点（ｔ２）に検出する、請求項１記載の検査法。
【請求項３】
測定電流（ＩＭ）をある時間間隔（ｔ１〜ｔ２）にわたって検出し、かつ前記測定電流（ＩＭ）の上昇分の積分を求める、請求項１記載の検査法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した通り、ガス混合気中の酸素濃度を決定する測定センサによって、酸素濃度に相当する、ネルンスト測定セルから供給される検出電圧を準備し、該検出電圧を、前記ガス混合気に曝される第１電極と、基準ガスに曝される第２電極との間でタッピングして回路ユニットによって評価するようにした形式の、測定センサの検査法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記形式の測定センサは公知である。この形式の測定センサは、内燃機関の排ガス中の酸素濃度の測定を介して、内燃機関を運転するための燃料−空気混合気の調整値を設定するために使用される。燃料−空気混合気は、いわゆる濃厚範囲内にあることができ、すなわち燃料は化学量論的に過剰に存在し、従って排ガス中の酸素量は、部分的に未燃焼の他成分に対比して微量しか存在しない。空気の酸素が燃料−空気混合気中で圧倒的に上回る、いわゆる希薄範囲では、それに相応して排ガス中の酸素濃度は高くなる。
【０００３】
排ガス中の酸素濃度を測定するためには、いわゆるラムダゾンデが公知であり、該ラムダゾンデは、希薄範囲では空気過剰率λ＞１を、濃厚範囲では空気過剰率λ＜１を、また化学量範囲では空気過剰率λ＝１を検出する。測定センサのネルンスト測定セルはこの場合、公知のように検出電圧を供給し、該検出電圧は回路ユニットに伝送される。
【０００４】
測定センサの公知の構成では、ネルンスト測定セルの第１電極は、監視すべきガス混合気（排ガス）に曝され、第２電極は基準ガスに曝される。両電極はこの場合、１つの固体電解質の対向面に配置されている。被測定ガス混合気中に存在する酸素濃度に基づいて両電極間に酸素濃度差が生じる。ネルンスト測定セルは定電流によって負荷され、その場合両電極における酸素濃度差の存在に基づいて、特定の検出電圧が生じる。被測定ガス混合気中の酸素濃度の増加又は低下に伴って、検出電圧は降下又は上昇する。
【０００５】
前記形式の測定センサを、いわゆる厚膜集積技術でプレーナー形広帯域ラムダゾンデとして製作することは公知である。この場合測定センサの個々の機能素子は層状に上下に集積配置されて構成される。この層構造は例えば膜注型、押抜き、スクリーン印刷、ラミネーション、切断、焼結などによって得られる。測定センサの基準室内の製作上の不純物に基づいて、異なった基準ガス消費量が発生することがある。しかしながら測定センサの測定使用中に正確な検出電圧を得るために基準空気消費量が検出電圧に対して実質的な影響を及ぼすので、元々同一の製作工程で製作された測定センサの出力信号にはばらつきが生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、基準室内における不純物の基準空気消費量を簡単に検出して、製作後の測定センサの正確な等級付けを行なえるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の構成手段は、請求項１の特徴部に記載した通り、測定センサを動作温度に加熱し、ネルンスト測定セルを一定の検査電圧と、特定の酸素濃度を有するガス混合気とで負荷し、かつ前記ネルンスト測定セルの測定電流を評価する点にある。
【０００８】
【発明の効果】
測定センサの基準室内の不純物、例えばグリース被覆層、押抜きオイル、手汗などに起因した不純物を検出することによって、後の加熱時、特に測定センサの目的に即した使用時における前記不純物の酸化が予知される。本発明の検査によって、場合によって存在する基準空気消費体（不純物）に対する製作上の監視、装入回分（バッチ）解放又は材料選択を極めて有利に行なうことが可能になる。検査電圧を一定にし、かつガス混合気を一定の酸素濃度で負荷することによって生じる検査電流に基づいて、場合によって存在する不純物を種々のカテゴリーに分類することが可能になる。これらの不純物は、永続的な消費体と消耗する消費体とに分類される。このような基準空気消費体（不純物）を検出する場合、永続的な消費体に分類されると、検査済みの装入回分は選別されて、不良品と宣告される。消耗する消費体を確認した場合には、例えば消耗する基準空気消費体を、いわゆるベイク・アウトによって除去することができるので、該測定センサは次いで使用に供することが可能である。更にまた、存在する基準空気消費体（不純物）の検査によって、場合によってはこの不純物の発生要因を推定することが可能であり、該発生要因は、その認識によって製造プロセスにおいて除去することができる。
【０００９】
基準空気消費量の検査中に、測定センサは、特定の熱エネルギーで負荷される。これによって、特に排ガス中の酸素濃度を検出するために測定センサを自動車でラムダゾンデ（空気過剰率センサ）として使用する場合、該測定センサの後日の使用条件がシミュレーションされる。また固体電解質のイオン伝導性が調整される。
【００１０】
本発明の更なる有利な構成は、請求項２及び請求項３に記載した手段に基づいて明らかである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１２】
図１には測定センサ１０の測定ヘッドの断面図が図示されている。該測定センサ１０はプレーナー形広帯域測定センサとして構成されており、かつ、図２の分解図から判るように互いに上下に集積配置された特定数の膜層から成っている。但し、図１及び図２における等しい構成要素は、同一の符号を付して示した。測定センサ１０の成膜構造は、順次に続く構造化段階によって、例えば膜層注型、押抜き、スクリーン印刷、ラミネーション、切断、焼結などによって得られる。但し、この成膜構造の製造工程についての詳細は、それ自体公知であるので、本明細書では省いた。
【００１３】
測定センサ１０は、内燃機関を運転する燃料−空気混合気を調整する制御信号を得るために、ガス混合気中、特に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのものである。測定センサ１０はネルンスト測定セル１２とポンピングセル１４を有している。前記ネルンスト測定セル１２は第１電極１６と第２電極１８を有し、両電極間に固体電解質２０が配置されている。第１電極１６は拡散バリア２２を介して、被測定排ガス２４（ガス混合気）に曝されている。測定センサ１０は、排ガス２４で負荷される測定オリフィス２６を有している。該測定オリフィス２６の底に前記拡散バリア２２が延在しており、しかも該拡散バリアには中空室２８が形成され、該中空室の内部に第１電極１６が配置されている。ネルンスト測定セル１２の第２電極１８は基準空気通路３０内に配置されており、該基準空気通路は、基準空気通路膜層３１の、測定ガスから遠い方の端部で開口している。基準空気通路３０の内部で第２電極１８は基準ガス、例えば空気に曝されている。固体電解質２０は例えば酸化イットリウムの安定化された酸化ジルコニウムから成っているのに対して、第１電極１６及び第２電極１８は例えば白金から成っている。
【００１４】
ポンピングセル１４は第１電極３８と第２電極４０、並びに両電極間に配置された固体電解質４２から成っている。該固体電解質４２はやはり例えば酸化イットリウムの安定化された酸化ジルコニウムから成っているのに対して、第１電極３８及び第２電極４０はやはり白金から成ることができる。第１電極３８は同じく中空室２８内に配置されており、従って同じく拡散バリア２２を介して被測定排ガス２４に曝されている。第２電極４０は多孔質の保護層４４によって被覆されているので、第２電極４０は被測定排ガス２４に直接曝されている。
【００１５】
更にまた測定センサ１０は、いわゆる蛇行ヒータによって形成された加熱装置５０を内蔵している。該加熱装置５０は２つの断熱層５１，５３間に配置されておりかつカバー層５５によって被覆される。
【００１６】
図２の分解図から判るように、電極４０は接続接点５６に、電極１６及び３８は共通の接続接点５７に、電極１８は接続接点５９に、加熱装置５０は接続接点６１，６３に接続されている。
【００１７】
測定センサ１０の機能は次の通りである。
【００１８】
被測定排ガス２４は、測定オリフィス２６と中空室２８内の拡散バリア２２とを介して、ネルンスト測定セル１２の第１電極１６とポンピングセル１４の第１電極３８に負荷される。被測定排ガス中に存在する酸素濃度に基づいて、第１電極１６と、基準ガスに曝される第２電極１８との間に酸素濃度差が生じる。ネルンスト測定セル１２は、図示を省いた制御器を介して定電流で負荷される。ネルンスト測定セル１２の第１電極１６と第２電極１８に存在する酸素濃度差に基づいて、所定の検出電圧ＵＤが生じる。ネルンスト測定セル１２はこの場合、被測定排ガス２４中に高い酸素濃度が存在しているか、それとも低い酸素濃度が存在しているかを検出するラムダゾンデとして働く。酸素濃度に基づいて、内燃機関が運転される燃料−空気混合気が濃厚混合気であるのか、希薄混合気であるのか明らかである。濃厚範囲から希薄範囲へ、或いはその逆に変換する際に、検出電圧ＵＤは降下又は上昇する。
【００１９】
図示を省いた制御器によって検出電圧ＵＤはポンピング電圧ＵＰを検出するために使用され、該ポンピング電圧によってポンピングセル１４は該ポンピングセルの第１電極３８と第２電極４０との間で負荷される。燃料−空気混合気が濃厚範囲にあるか、それとも希薄範囲にあるかが検出電圧ＵＤを介して信号化されることに応じて、ポンピング電圧ＵＰは負又は正になるので、第２電極４０は陰極又は陽極として切換わる。それに相応して、制御器の測定装置を介して測定可能なポンピング電流ＩＰが生じる。ポンピング電流ＩＰによって酸素イオンが、第２電極４０から第１電極３８へ、又はその逆にポンピングされる。測定されたポンピング電流ＩＰは、内燃機関を運転する燃料−空気混合気を調整する装置を作動制御するために使用される。
【００２０】
加熱装置５０の回路ユニットはヒーター電圧ＵＨで負荷可能であるので、加熱装置５０はオン又はオフにされる。加熱装置５０によって測定センサ１０は、約３００℃以上の動作温度にすることができる。
【００２１】
次に測定センサ１０を大量生産で製作する場合について説明する。その場合プロセス条件の変動に基づいて、および／または材料特性の変動に基づいて、種々異なった特性曲線をもった測定センサ１０が生じる。測定センサ１０の特性曲線のこのばらつきは特に、測定センサ１０の個々の素子の基準空気消費量の相異によって惹起される。製作された測定センサ１０を、それぞれ特性曲線の最大ばらつきのみを有する選択可能なカテゴリーに分類できるようにするために、該特性曲線が、以下に説明する本発明の検査法によって検査される。
【００２２】
測定センサ１０の検査中、該測定センサは、既知の特定の酸素濃度を有する測定ガス２４′によって負荷される。同時に検査装置７０を介して、ネルンスト測定セル１２の第１電極１６及び第２電極１８に特定の一定の検査電圧ＵＰが印加される。検査電圧は、測定ガス２４′と基準ガス室との間の濃度比によってネルンスト電圧が生じるように選ばれねばならない。このためにネルンスト測定セル１２の第１電極１６及び第２電極１８は、検査装置７０の入力端子７２，７４に接続されている。測定装置７６はこの場合、ネルンスト測定セル１２を介して流れる電流ＩＭを測定する。測定装置７６によって測定された電流ＩＭはタイミング素子７８によって評価される。この評価の場合、測定ガス２４′（原則として空気）中の酸素濃度が既知であることが基礎となる。更に基準ガス通路３０内の基準ガス（測定開始時にはまだ空気）の酸素濃度も同じく既知である。ネルンスト測定セル１２の第１電極１６と第２電極１８における酸素濃度差もやはり既知である。ところで測定ガス２４′が等しく維持されて基準空気通路３０内部で酸素が消費されると、ネルンスト測定セル１２によって酸素が、第１電極１６から固体電解質２０と第２電極１８を介して基準空気通路３０内へ補充ポンピングされる。その結果、一定の検査電圧ＵＰの更なる印加に基づいて電流ＩＭの変化が生じ、これは測定装置７６によって検出される。この電流ＩＭは基準空気通路３０内の酸素消費量に比例している。
【００２３】
この検査法を次に図３に示した特性曲線図に基づいて説明する。この線図では、横軸にとった時間ｔを関数として、左側の縦軸には測定電流ＩＭが、また右側の縦軸には該測定電流ＩＭに比例した酸素消費量がプロットされている。時点ｔ０で電流Ｉの測定が開始される。酸素濃度比が差し当たって既知でかつ一定であることに基づいて、電流Ｉは時点ｔ１までほぼコンスタントである（酸素が消費されなければ電流は零であり、ただ電圧計の測定電流は測定計器の内部抵抗に相応して流れる）。例えば１５分の時点ｔ１を起点として基準空気通路３０内の酸素濃度が低下し始めるので、測定ガス２４′から酸素の相応の補充ポンピングが行なわれる。基準空気通路３０内における酸素ガスのこの低下は、測定センサ１０の個々の素子の酸素受容量に関連している。この場合、相異した測定センサ１０では、基準空気通路３０内における酸素濃度の異なった低下が生じるので、ネルンスト測定セル１２を介して測定ガス２４′から異なった酸素量が補充ポンピングされることになる。この補充ポンピングすべき酸素濃度に相応して、異なった電流ＩＭが生じる。図３では、このことが時点ｔ１を起点として始まる曲線群で示されている。前記曲線群の各曲線はこの場合、別々の測定センサ１０の曲線を表している。ところで時点ｔ２に測定電流ＩＭが検出されて、比例酸素消費量Ａ，Ｂ，Ｃに換算される。求められた基準空気消費量に応じて、基準空気通路３０内に存在する不純物を推定することが可能である。これによって特に、製作に起因した不純物を基準空気通路３０内に生ぜしめることになる製作上の問題点を認識することが可能である。従って殊に、製作の監視を実施することができると同時に、検査済み測定センサ１０の装入回分の解放が行なわれ、或いは基準空気を消費しない不純物を確認した場合には検査済み測定センサは、不良品として等級付けられ（分類され）る。
【００２４】
別の検査法によれば、電流ＩＭは時間間隔ｔ１〜ｔ２にわたって測定され、かつ該時間間隔ｔ１〜ｔ２にわたって生じる電流経過の積分に基づいて、電荷もしくはカテゴリーＡ，Ｂ，Ｃなどの等級付けが行なわれる。
【００２５】
更にまた測定センサ１０は検査中に、固体電解質２０のイオン伝導性を可能にするために動作温度に加熱される。これは例えば加熱装置５０にヒーター電圧ＵＨを印加することによって行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定センサの概略的な断面図である。
【図２】測定センサの概略的な分解斜視図である。
【図３】測定センサの種々の検査特性曲線図である。
【符号の説明】
１０  測定センサ、  １２  ネルンスト測定セル、  １４  ポンピングセル、１６  ネルンスト測定セルの第１電極、  １８  ネルンスト測定セルの第２電極、  ２０  固体電解質、  ２２  拡散バリア、  ２４  被測定排ガス、  ２４′  測定ガス、  ２６  測定オリフィス、  ２８  中空室、  ３０  基準空気通路、  ３１  基準空気通路膜層、  ３８  ポンピングセルの第１電極、  ４０  ポンピングセルの第２電極、  ４２  固体電解質、  ４４  保護層、  ５０  加熱装置、  ５１，５３  断熱層、  ５５  カバー層、  ５６，５７，５９，６１，６３  接続接点、  ７０  検査装置、  ７２，７４  入力端子、  ７６  測定装置、  ７８  タイミング素子、  ＵＤ  検出電圧、  ＵＰ  ポンピング電圧又は一定の検査電圧、  ＩＰ  ポンピング電流、  ＵＨ  ヒーター電圧、  ＩＭ  電流、  ｔ０，ｔ１，ｔ２  時点、  Ａ，Ｂ，Ｃ  比例酸素量
【図１】
0004603645.tif 000002
【図２】
0004603645.tif 000003
【図３】
0004603645.tif 000004