(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガスのガス成分を検出するためのガス測定フィーラであって、センサ素子（１０）が設けられており、該センサ素子（１０）が、第１の固体電解質（２１）を有しており、該第１の固体電解質（２１）に第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が配置されており、該第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が、多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）によってカバーされている形式のものにおいて、多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）と第１の固体電解質（２１）との間で第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）の側方の領域に絶縁層（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）が配置されており、多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）が、イオン伝導性の材料を有していることを特徴とする、ガス測定フィーラ。
【請求項２】
多孔質の保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）が、第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）に隣接している、請求項１記載のガス測定フィーラ。
【請求項３】
多孔質の保護層（４４ａ，４４ｃ）が、第１の電極（４１ａ，４１ｃ）と絶縁層（５０ａ，５０ｃ，５１ａ，５１ｃ）とによって第１の固体電解質（２１）から完全に分離されていて、絶縁層（５０ａ，５０ｃ，５１ａ，５１ｃ）の領域で第１の固体電解質（２１）から電気的に絶縁されている、請求項１または２記載のガス測定フィーラ。
【請求項４】
多孔質の保護層（４４ｂ）が、第１の電極（４１ｂ）と絶縁層（５０ｂ）とをカバーしていて、第１の電極（４１ｂ）および絶縁層（５０ｂ）の側方の領域で第１の固体電解質（２１）に直接接触している、請求項１または２記載のガス測定フィーラ。
【請求項５】
第１の固体電解質（２１）が、ガス流入開口（３６）を有しており、該ガス流入開口（３６）を介してガスが、測定ガス領域（３１）に到達できるようになっており、第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が、切欠きを有しており、該切欠き内にガス流入開口（３６）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項６】
第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）とガス流入開口（３６）との間の領域に内側の絶縁層（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）が配置されており、かつ／または第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）の外縁部が、外側の絶縁層（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）によって取り囲まれている、請求項５記載のガス測定フィーラ。
【請求項７】
第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）および／または内側の絶縁層（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）および／または保護層（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）が、ガス流入開口（３６）の縁部にまで達している、請求項５または６記載のガス測定フィーラ。
【請求項８】
イオン伝導性の材料が、イットリウムによってドーピングされた酸化ジルコニウムである、請求項１記載のガス測定フィーラ。
【請求項９】
第１の固体電解質（２１）の、環状の第１の電極（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が配置された領域が、センサ素子（１０）の外面（２４）を形成しており、第１の固体電解質（２１）の、外面（２４）とは反対の側に位置する面（２５）に測定ガス領域（３１）で環状の第２の電極（４２）が設けられており、測定ガス領域（３１）が、拡散バリヤ（３４）と、第１の固体電解質（２１）に加工成形されたガス流入開口（３６）とを介して、センサ素子（１０）の外部に位置する測定ガスに接触している、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【請求項１０】
測定ガス領域（３１）の層平面に基準ガス領域（３２）が設けられており、該基準ガス領域（３２）が、分離体（３３）によって測定ガス領域（３１）からガス密に分離されており、基準ガス領域（３２）に第２の電極（４２）の層平面で第３の電極（４３）が設けられており、測定ガス領域（３１）と基準ガス領域（３２）とが、第１の固体電解質（２１）と第２の固体電解質（２２）との間に配置されており、該第２の固体電解質（２２）と第３の固体電解質（２３）との間にヒータ（３７）が設けられており、該ヒータ（３７）が、ヒータ絶縁体（３８）によって、全周にわたって延びる固体電解質（２２，２３）から電気的に絶縁されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス測定フィーラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有利には、測定ガス、特に内燃機関の排ガスの少なくとも１つのガス成分の物理的な特性を検出するためのガス測定フィーラであって、センサ素子が設けられており、該センサ素子が、第１の固体電解質を有しており、該第１の固体電解質に第１の電極が配置されており、該第１の電極が、多孔質の保護層によってカバーされている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような形式のガス測定フィーラは、内燃機関の排ガス分析での使用のために、たとえばドイツ連邦共和国特許第１００３５０３６号明細書に記載されている。ガス測定フィーラは自動車機関内の燃焼混合気の空燃比を調整するために働き、広域酸素センサとして知られている。
【０００３】
ガス測定フィーラは、濃淡セル（ネルンストセル）が電気化学的なポンプセルに組み合わされたセンサ素子を有している。濃淡セルは、測定ガス領域に配置された測定電極と、基準ガス領域に配置された基準電極とを有している。両電極は、酸素イオン伝導性の第１の固体電解質を介して電気的に接続されている。測定ガス領域はガス流入孔と拡散バリヤとを介してセンサ素子の外部の排ガスに接続されている。基準ガス領域は、センサ素子の、測定ガス領域とは反対の側に設けられた開口を介して基準大気に接続されている。測定ガス領域と基準ガス領域とは、層システムとして形成されたセンサ素子の同一の層平面に位置していて、分離体によってガス密に分離されている。測定電極と基準電極との間には、いわゆる「ネルンスト電圧」が形成される。このネルンスト電圧からは、基準ガス領域内の酸素分圧に対する測定ガス領域内の酸素分圧の比率を検出することができる。
【０００４】
ポンプセルは、測定ガス領域で第１の固体電解質に配置された内側ポンプ電極と、第１の固体電解質の、排ガスに向かい合って位置する面に配置された外側ポンプ電極とを有している。この場合、内側ポンプ電極と測定電極とは合致していてよいかまたは電気的に接続されていてよい。ポンプ電圧を印加することによって、酸素イオンが両ポンプ電極と第１の固体電解質とを介して測定ガス領域から排ガス中にポンピングされるかまたは逆に排ガスから測定ガス領域内にポンピングされる。ポンプ電圧は外側の回路によって、予め規定された酸素分圧が測定ガス領域に生ぜしめられるように調整される。この酸素分圧は、規定されたネルンスト電圧に相当している。ポンプ電圧は、ポンプセルに流れたポンプ電流が、拡散バリヤを通って運動する酸素分子の拡散電流によって制限されているように調整され、この拡散電流が排ガスの酸素濃度に比例してるので、ポンプ電流から排ガスの酸素分圧を検出することができる。
【０００５】
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５３６０１号明細書に基づき、第２の外側ポンプ電極を保護層によってカバーすることが公知である。この保護層は多孔質に形成されていて、これによって、外側ポンプ電極への排ガスの流入を可能にしている。保護層は固体電解質、たとえばイットリウムによってドーピングされた酸化ジルコニウムを有していて、これによって、酸素イオン伝導性である。
【０００６】
公知のガス測定フィーラには、保護層が固体電解質に電気的に接続されているという欠点がある。これによって、センサ信号が、特にλ＞１からλ＜１へのまたは逆にλ＜１からλ＞１への排ガス組成の変化時にオーバシュート（いわゆる「λ＝１−リプル」）を示してしまう。この信号妨害によって、センサ信号の評価が困難となる。さらに、保護層は、生産技術的に生ぜしめられた製造ばらつきにさらされている。保護層の特性の変化時には、センサ素子の電位比が変化し得る。これによって、測定信号が悪化され得る。
【０００７】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許第１００３５０３６号明細書
【特許文献２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５３６０１号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス測定フィーラを改良して、多孔質の保護層が第１の固体電解質から電気的に絶縁されているようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、多孔質の保護層と第１の固体電解質との間で第１の電極の側方の領域に絶縁層が配置されているようにした。
【００１０】
【発明の効果】
独立請求項に記載した本発明によるガス測定フィーラは、多孔質の保護層が、第１の固体電解質に配置された第１の電極の上方で第１の固体電解質から少なくとも十分に電気的に分離されているという利点を有している。このためには、絶縁層が設けられている。この絶縁層は第１の固体電解質に配置されていて、第１の電極を側方で取り囲んでいる。これによって、少なくとも第１の電極の側方の領域で多孔質の保護層が第１の固体電解質から電気的に絶縁されていることが保証されている。
【００１１】
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載したガス測定フィーラの有利な構成および改良形が可能となる。
【００１２】
絶縁層が第１の電極に直接隣接していると、第１の固体電解質への多孔質の保護層の電気的な接続が特に効果的に減少させられる。なぜならば、第１の電極のすぐ側方の領域での接続が絶縁層の欠落時には特に大きいからである。
【００１３】
本発明の変化形によれば、多孔質の保護層が、第１の電極と絶縁層とをカバーしていて、第１の電極および絶縁層の側方の領域で第１の固体電解質に直接接触している。多孔質の保護層を第１の固体電解質に直接接触させることによって、第１の固体電解質に設けられた第１の電極と絶縁層との確実な結合が保証されている。さらに、絶縁層によって、多孔質の保護層が第１の固体電解質に電気的に接続されている領域が減少させられる。これによって、センサ信号に与えられる多孔質の保護層の影響が十分に減少させられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
図１には、公知先行技術による広域酸素センサのセンサ素子１０が示してある。このセンサ素子１０は層システムとして形成されていて、第１の固体電解質２１と、第２の固体電解質２２と、第３の固体電解質２３とを有している。第１の固体電解質２１にはガス流入開口３６が加工成形されている。第１の固体電解質２１と第２の固体電解質２２との間には、測定ガス領域３１と、基準ガス領域３２と、分離体３３と、拡散バリヤ３４と、シールフレーム３５とが配置されている。分離体３３は測定ガス領域３１と基準ガス領域３２との間のガス密なバリヤを形成している。中空円筒状の扁平な測定ガス領域３１の中央には、同じく中空円筒状の拡散バリヤ３４が配置されている。この拡散バリヤ３４の中央にはガス流入開口３６が開口している。測定ガスはガス流入開口３６を通って拡散バリヤ３４を介して測定ガス領域３１に到達することができる。通路状の基準ガス領域３２は多孔質の材料を有していて、センサ素子１０の測定領域とは反対の側で基準大気に接続されている。測定ガス領域３１と基準ガス領域３２とはガス密なシールフレーム３５によって側方で取り囲まれている。
【００１６】
第１の固体電解質２１の外面２４には環状の第１の電極４１（外側ポンプ電極）が配置されている。この第１の電極４１は多孔質の保護層４４によってカバーされている。第１の固体電解質２１の、外面２４とは反対の側に位置する大面２５には環状の第２の電極４２（測定電極、内側ポンプ電極）が設けられている。この第２の電極４２は測定ガス領域３１に接触している。基準ガス領域３２には、第２の電極４２の層平面で第３の電極４３（基準電極）が設けられている。第１の電極４１は第２の電極４２と共にポンプセルを形成している。このポンプセルは外側の回路によって酸素を測定ガス領域３１の内部にまたは測定ガス領域３１の外部にポンピングする。外側の回路によってポンプセルに印加されたポンプ電圧は、予め規定された酸素分圧が測定ガス領域３１に付与されるように調整される。有利には、λ（空気過剰率）＝１の酸素分圧が調整される、すなわち、酸素分圧が理論空燃比に相当している。
【００１７】
測定ガス領域３１に付与された酸素分圧は、第２の電極４２と第３の電極４３とによって形成されたネルンストセルによって規定される。このネルンストセルによって、測定ガス領域３１内のかつ基準ガス領域３２内の互いに異なる酸素分圧により生ぜしめられるネルンスト電圧が測定される。このネルンスト電圧は、上述したように、ポンプ電圧を調整するために使用される。
【００１８】
第２の固体電解質２２と第３の固体電解質２３との間にはヒータ３７が配置されている。このヒータ３７はヒータ絶縁体３８によって、全周にわたって延びる固体電解質２２，２３から電気的に絶縁されている。
【００１９】
図２ａ、図２ｂ、図３および図４に示した本発明によるセンサ素子の実施例では、互いに相応するエレメントに図１と同じ符号が付してある。本発明によるセンサ素子の実施例は、第１の固体電解質２１に外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃとが設けられている点で公知先行技術による図１に示したセンサ素子と異なっている。外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃとは、第１の固体電解質２１に配置された第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃを側方で取り囲んでいる。この第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃは多孔質の保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃによってカバーされている。また、この多孔質の保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃに直接接続された外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃも内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃも少なくとも部分的にカバーしている。これによって、保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、少なくとも部分的に第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃならびに外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃおよび内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃによって第１の固体電解質２１から分離されている。さらに、外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ，５０ｃと内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃとによって、保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃは第１の固体電解質２１から電気的に絶縁されている。
【００２０】
図２ａおよび図２ｂには、本発明の第１実施例として、外面２４に被着された環状の第１の電極４１ａを備えたセンサ素子１０が示してある。第１の電極４１ａは、この第１の電極４１にまで延びる給電線路４５を備えている。第１の電極４１ａに内外で隣接して、同じく環状のそれぞれ１つの外側の絶縁層５０ａと内側の絶縁層５１ａとが第１の固体電解質２１に被着されている。したがって、外側の絶縁層５０ａと内側の絶縁層５１ａとは中間室なしに第１の電極４１ａを側方で取り囲んでいる。内側の絶縁層５１ａはガス流入開口３６にまで達している。外側の絶縁層５０ａは、第１の電極４１ａにまで延びる給電線路４５の領域に切欠きを有している。また、給電線路４５が外側の絶縁層５０ａをカバーしていることも可能である。両絶縁層５０ａ，５１ａと第１の電極４１ａとには保護層４４ａが被着されている。この保護層４４ａは各箇所で第１の電極４１ａまたは外側の絶縁層５０ａまたは内側の絶縁層５１ａによって第１の固体電解質２１から分離されていて、第１の電極４１ａを介してしか第１の固体電解質２１に電気的に接続されていない。
【００２１】
図３に示した本発明の第２実施例は、保護層４４ｂが、第１の電極４１ｂと、外側の絶縁層５０ｂと、内側の絶縁層５１ｂとによってカバーされた領域よりも広幅に形成されている点で図２ａおよび図２ｂに示した第１実施例と異なっている。これによって、保護層４４ｂは、外側の絶縁層５０ｂの側方の領域でかつ内側の絶縁層５１ｂとガス流入開口３６との間の領域で第１の固体電解質２１に直接被着されている。
【００２２】
図４には、本発明の第３実施例が示してある。この第３実施例は、第１の電極４１ｃが部分的に外側の絶縁層５０ｃと内側の絶縁層５１ｃとをカバーしている点で図２ａおよび図２ｂに示した第１実施例と異なっている。すなわち、第１の電極４１ｃは環状の領域で第１の固体電解質２１に直接被着されていて、この環状の領域に隣接した外側の絶縁層５０ｃと内側の絶縁層５１ｃとに少なくとも部分的にオーバラップしている。第１の電極４１ｃと、外側の絶縁層５０ｃと、内側の絶縁層５１ｃとは、本発明の第１実施例と同様に保護層４４ｃによってカバーされている。
【００２３】
本発明は、図面に示した実施例に限定されていない。したがって、第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃの側方に外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ、５０ｃまたは内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃしか設けられていなくてもよい。また、外側の絶縁層５０ａ，５０ｂ、５０ｃおよび／または内側の絶縁層５１ａ，５１ｂ，５１ｃが保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって部分的にしかカバーされていなくてもよい。
【００２４】
第１の電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、両絶縁層５０ａ，５０ｂ、５０ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃと、保護層４４ａ，４４ｂ，４４ｃとは、自体公知の形式で、たとえばスクリーン印刷法によって基体（焼結されていない状態の第１の固体電解質２１）に被着され、次いで、焼結される。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知先行技術によるセンサ素子の断面図である。
【図２ａ】図２ｂに示したＩＩａ−ＩＩａ線による、本発明によるセンサ素子の第１実施例の断面図である。
【図２ｂ】図２ａに示したＩＩｂ−ＩＩｂ線による、本発明によるセンサ素子の第１実施例の断面図である。
【図３】本発明によるセンサ素子の第２実施例の断面図である。
【図４】本発明によるセンサ素子の第３実施例の断面図である。
【符号の説明】
１０  センサ素子、  ２１  固体電解質、  ２２  固体電解質、  ２３  固体電解質、  ２４  外面、  ２５  大面、  ３１  測定ガス領域、  ３２  基準ガス領域、  ３３  分離体、  ３４  拡散バリヤ、  ３５  シールフレーム、  ３６  ガス流入開口、  ３７  ヒータ、  ３８  ヒータ絶縁体、  ４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  電極、  ４２  電極、  ４３  電極、  ４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ  保護層、  ４５  給電線路、  ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ  絶縁層、  ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ  絶縁層
【図１】
0004314018.tif 000002
【図２ａ】
0004314018.tif 000003
【図２ｂ】
0004314018.tif 000004
【図３】
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【図４】
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