(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガスのラムダ値を規定するための限界電流ゾンデ用のセンサ部材を寸法決めするための方法であって、センサ部材には、セラミック支持体に配置された内側および外側のポンプ電極が設けられており、内側のポンプ電極が、拡散バリヤによって仕切られた拡散通路内に配置されていて、ガス供給穴が、前記セラミック支持体の表面に対してほぼ鉛直方向に、該セラミック支持体と前記拡散バリヤとを貫通して案内されている形式のものにおいて、
センサ部材のポンプ電流を、ガス供給穴の予め規定された直径で、選定されたポンプ電圧で測定し、次いで、測定されたポンプ電流の値を、ガス供給穴の直径と最適なポンプ電流とに関係づけ、センサ部材の製造中に寸法決めを行うために、
ａ）ガス供給穴を有していない、焼結されていない同一なセンサ部材の１回分のチャージをまず製造し、
ｂ）前記チャージから選択された少なくとも１つのセンサ部材に、規定の直径を有するガス供給穴を設け、
ｃ）選択された前記センサ部材を焼結し、
ｄ）選択して焼結された前記センサ部材におけるポンプ電流を、予め選択されたポンプ電圧で測定し、
ｅ）測定されたポンプ電流の値を、最適なポンプ電流と、ガス供給穴の直径とに関係づけてガス供給穴の最適な表面積を求め、求められたガス供給穴の最適な表面積から、ガス供給穴の最適な直径を得て、
ｆ）焼結されていないセンサ部材の残りのチャージにおいて、得られた最適な直径を有するガス供給穴を設け、
ｇ）ガス供給穴を備えたこれらのセンサ部材を焼結する、
ことを特徴とするセンサ部材を寸法決めするための方法。
【請求項２】
拡散バリヤが円環状に形成されており、拡散通路内に、混合ガスの拡散方向で見て前記拡散バリヤの背後に、内側のポンプ電極の少なくとも大部分が配置されており、ガス供給穴の直径を介して、円環状の前記拡散バリヤの半径方向の大きさが変化可能である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ガス供給穴の直径が機械的に、またレーザー穿孔によって変化可能である、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
センサ部材を、ラミネート技術および／またはプリント技術で製造する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガス、特に内燃機関の排ガスのラムダ値を規定するための限界電流ゾンデ用のセンサ部材であって、セラミック支持体に配置された内側および外側のポンプ電極が設けられており、内側のポンプ電極が、拡散バリヤによって仕切られた拡散通路内に配置されていて、ガス供給穴が、前記セラミック支持体の表面に対してほぼ鉛直方向に、該セラミック支持体と前記拡散バリヤとを貫通して案内されている形式のものに関する。
【０００２】
さらに、本発明は、限界電流ゾンデ用のセンサ部材を寸法決めするための方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
拡散限界電流方式に従って作動するセンサ部材では、拡散限界電流が、センサ部材の２つの電極に印加された一定の電圧において測定される。このような拡散限界電流は、燃焼過程で発生した排ガスにおいて、いわゆるポンプ電極へのガスの拡散が反応の経過速度を規定している限りにおいて、酸素濃度に基づいている。ポーラログラフ測定方式に従って作動するこのようなセンサを、アノードもカソードも測定ガスにさらされているような形式で構成することが公知であり、この場合、カソードは、拡散限界電流範囲内での作動を達成するために、拡散バリヤを有している。公知の限界電流センサは、通常は、混合ガスのラムダ（λ）値を規定するために用いられており、このラムダ値とは、例えばシリンダ内で燃焼する燃料空気混合物の、燃料を完全燃焼させるために必要な酸素に対する、全酸素の比率を示している。この場合、センサは、予め規定された範囲内で印加されたポンプ電圧で限界電流を測定することによって、排ガス中の酸素含有量を示している。
【０００４】
簡略化された安価な製造法に基づいて、実際に近年では、センサ部材をセラミックシート技術およびスクリーン印刷技術(Keramikfolien- und Siebdrucktechnik）で製造することが、明らかに有利である。簡単、かつ、効率的な方法で、平板式のセンサ部材を、例えば安定化の二酸化ジルコニウム（安定化ジルコニア）から成る、薄層片状またはシート状の酸素伝導性の固体電解質から製造することができ、これらの固体電解質の両側は、各１つの内側および外側ポンプ電極と、所属の導体路とによって被着されている。この際、内側のポンプ電極は、有利には拡散通路の縁部領域に位置し、この拡散通路を介して測定ガスが供給され、拡散通路はガス拡散抵抗として役立つ。
【０００５】
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３５４３７５９号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第０１４２９９３号明細書ならびにヨーロッパ特許第０１９４０８２号明細書により公知のセンサ部材および検出器(Detektor)に共通であるのは、センサ部材および検出器が各１つのポンプセルおよびセンサセルを有しており、ポンプセルおよびセンサセルが薄層片状またはシート状の酸素伝導性の固体電解質と、同時にこの固体電解質に配置された電極とから成っており、かつ、共通の拡散通路を有している、という点である。
【０００６】
前記形式のセンサ部材における問題点は、これまで、薄層片状またはシート状の部材から構成されているセンサ部材が、プリントされた拡散バリヤを有しており、この拡散バリヤの層厚は、製造技術、特に最終焼結によって生ぜしめられる通常のプロセス不安定の影響を受ける、という点である。これによって、ポンプ電流の不都合な不安定が生じてしまう。安定した特性を有する拡散バリヤを備えたセンサ部材を多量に生産することは、従来、安価で満足のいく方法では不可能であり、従って各プロセスチャージではポンプ電流が変動し、コストをかけて新たに調節しなければならなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、以上のような従来技術の欠点を取り除くことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明のセンサ部材では、ガス供給穴の直径を適当に変化させることによって、拡散バリヤの拡散抵抗がほぼコンスタントに(linear)調節可能であるようにした。
【０００９】
また、前記課題を解決するための、本発明の金属製の容器を製造するための方法では、センサ部材のポンプ電流を、ガス供給穴の予め規定された直径で、選定されたポンプ電圧で測定し、次いで、測定されたポンプ電流の値を、ガス供給穴の直径と最適なポンプ電流とに関係づけ、センサ部材の製造中に寸法決めを行うようにした。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によるセンサ部材は、ガス供給穴の直径を所望に変化させることによって拡散バリヤの拡散抵抗がコンスタントに調節可能である、という利点を有している。後から設けられるガス供給穴を使用することによって、拡散抵抗を要求に応じて簡単に調節することができる。
【００１１】
センサ部材を寸法決めするための方法として、この寸法決めをセンサ部材の製造中に実施すると有利であるので、最終的な焼結を行う前の未完成ボディに簡単に寸法決めを施すことができる。これにより、プロセスステップにほぼ平行して寸法決めが行われるので、完成品は、もはやコストをかけて長々と後処理を行う必要がない。
【００１２】
本発明のさらに有利な構成が、請求項２項以下に記載されている。
【００１３】
本発明の有利な構成では、ガス供給穴の直径が機械的に、またはレーザー穿孔によって変化させられる。この場合、焼結後の最後に、特に簡単かつ巧妙に穿孔することもできる。
【００１４】
ガス供給穴の予め規定された直径で、予め選定されたポンプ電圧で、センサ部材のポンプ電流を測定すると有利である。次いで、測定されたポンプ電流を、ガス供給穴の直径と、最適なポンプ電流とに関係づける。このことが可能であるのは、以下の近似的な関係が成立するからである。
【００１５】
：ｄＢ≒Ｉｐ
この場合、ｄＢはガス供給穴の孔直径であり、Ｉｐはポンプ電流である。
【００１６】
これにより、ポンプ電流の目標値を調節するために、孔直径を変化させることによってセンサ部材をより正確に調節することができる。
【００１７】
有利には、ガス供給穴を有していない焼結されていない同一のセンサ部材のチャージから、少なくとも１つのセンサ部材が選択される。これにより、唯一のセンサ部材を用いて、焼結されていない極めて多数のセンサ部材の全チャージを最終的な焼結前に寸法決めすることができる。
【００１８】
有利には、選択された前記センサ部材から、約４．８ｍＡのポンプ電流に合致する規定の直径を有するガス供給穴が設けられる。
【００１９】
次いで、設けられたガス供給穴の規定の直径を有する選択されたセンサ部材は焼結されるので、これにより、センサ部材の全チャージの理論的な最終的特性を特徴付けることができる。
【００２０】
選択して焼結された前記センサ部材では、次いでポンプ電流が、予め選定された電圧、有利には１０００ｍＶにおいて測定されると、特に有利である。これによって、測定されたポンプ電流の値を、ポンプ電流の目標値と、ガス供給穴の直径とに、上記近似を介して関係づけて補正することができる。測定されたポンプ電流と、得られる目標値との関係は、簡単な三数法から生ぜしめられるので、簡単な数式を用いて、センサ部材の全チャージのガス供給穴の最適な直径を算出することができる。
【００２１】
本発明による有利な方法では、得られた最適な直径を有するガス供給穴を、焼結されていないセンサ部材の残りのチャージにおいて設けるので、このような簡単な方法で、焼結されていないセンサ部材の全チャージを最適なポンプ電流に適合させることができる。
【００２２】
【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。
【００２３】
図面は、セラミックシート技術およびスクリーン印刷技術で製造可能な、センサ部材の多数の有利な実施例のうちの１つを断面した概略的な拡大図を示しており、このセンサ部材は、限界電流方式に従って作動するポンプセルと濃度セル（ネルンスト方式のセル）とを有している。しかしながらこのような構造は、本発明では、図示の実施例のみに限定されるものではない。本発明は、濃度セルとは協働することのないポンプセルでも同様に使用可能である。センサ部材は、実質的に、一緒にまとめられて層を成す４つの固体電解質シートから成っており、このうちの２つの上方の固体電解質シート１，２のみが図示されている。さらにセンサ部材は、中央にガス供給穴５を有している。このガス供給穴５を中心として環状に配置された外側のポンプ電極は、図面には示されていない。拡散通路１０内には、内側のポンプ電極８および濃度セルの測定電極９の前に、拡散バリヤ７が配置されている。測定電極９と一緒に濃度セルを形成する大気基準電極もやはり図示されてはいない。測定電極９はガス供給穴５にまでは達していないので、本発明による拡散バリヤ７によって簡単に調節することが可能である。ポンプ電極８および測定電極９は、ガス供給穴５と排ガス拡散バリヤ７とを中心として環状に配置されている。
【００２４】
本発明によるセンサ部材を製造するために、特にＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＣｅＯ２またはＴｈＯ２をベースとして、酸素イオン伝導性の適当な固体電解質が使用される。安定化剤としてイットリウムを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から成る薄層片およびシートを使用すると、特に有利な構成が得られる。この際、薄層片およびシートが０．２５〜０．３ｍｍの厚さを有していると、有利である。ポンプ電極８は白金族の金属、特に白金から成るか、あるいは白金族の金属どうしの合金、また白金族の金属と別の金属との合金から成っていると、有利である。ポンプ電極８は、例えば４０％の成分含有率を有するセラミック支持枠材料、例えばＹＳＺ粉末を含有していてよい。これらのポンプ電極８は多孔性であり、例えば８〜１５μｍの厚さを有している。ポンプ電極に所属の図示されていない導体路が、同様に、前記形式の白金または白金合金から成っていると有利である。ポンプ電極および導体路は、公知の方法を用いて、例えばスクリーン印刷または他の公知の方法によって固体電解質支持体に被着される。外側のポンプ電極（図示せず）と電圧源（同様に図示せず）とは導体路を介して接続されており、外側のポンプ電極および電圧源と、固体電解質支持体との間に、通常は、例えばＡｌ２Ｏ３から成る絶縁層が設けられている。この絶縁層は例えば、約１５μｍの厚さを有していてよい。センサ部材を形成する個々のシートまたは薄層片は、セラミックシート技術およびスクリーン印刷技術における汎用の方法を用いて結合され、この方法では、シートを組み立て、約１００℃の温度に加熱する。この際、同時にガス供給穴５を準備することができる。有利には、このガス供給穴５は固体電解質シート１内に、例えばテオブロミンスクリーン印刷層(Theobrominsiebdruckschicht)によって形成され、この場合、テオブロミンが後の焼結プロセスで気化する。拡散通路１０を形成するために同様に、焼結プロセス時に燃焼するサーマルブラック粉末(Thermalrusspulver）、または、気化する炭酸アンモニウムが使用可能である。もちろん、本発明によるこのような方法は、１つの平板形式のセンサに限らず、ガス供給穴を有する全ての平板形式のセンサ部材の構成が、前記方法で寸法決め可能である。
【００２５】
以下に、本発明によるセンサ部材を寸法決めするための方法を実施例に基づき詳しく説明する。
【００２６】
センサ部材の完全なチャージを、焼結プロセス前までに製造する。次いで、前記チャージから１つのセンサ部材を選択する。このセンサ部材ではガス供給穴５が設けられる。ガス供給穴５は、例えば約０．５ｍｍの規定の直径を有している。次いで、このセンサ部材を最終焼結する。焼結プロセス後に、前記センサ部材のポンプ電流反応を顧慮して、このセンサ部材を測定する。このような測定に基づき、センサ部材の残りのチャージのための孔直径を計算することができる。選択されたセンサ部材は、例えば、ガス供給穴の孔直径ｄＢ(ｄＢ＝０．４ｍｍ)の場合には、規定のポンプ電圧Ｕｐ(Ｕｐ＝１０００ｍＶ)でポンプ電流Ｉｄ(Ｉｄ＝３．６５ｍＡ)を有している。拡散バリヤの層厚ｈは、例えばｈ＝０．０５ｍｍである。
【００２７】
ガス供給穴の内周面面積は従って、
Ａ０．４＝２・π・ｒＢ・ｈ
Ａ０．４＝２・３．１４・０．２ｍｍ・０．０５ｍｍ
Ａ０．４＝０．０６２５ｍｍ２
Ａ０．４≒Ｉｐ０．４  であるので、
ゆえに、０．０６２５ｍｍ２≒３．６５ｍＡ  である。
【００２８】
有利には、最適なポンプ電流Ｉｐ（ｏｐｔ）は、Ｉｐ（ｏｐｔ）＝４．８ｍＡである。三数法により上記値から、ガス供給穴の最適な表面積Ａ（ｏｐｔ）が得られる：Ａ（ｏｐｔ）＝０．０８１９ｍｍ２
よって：Ａ（ｏｐｔ）＝２・π・ｒｏｐｔ・ｈ
従って：
【００２９】
【数１】
0004309491.tif 000002
【００３０】
ゆえに：  ｒｏｐｔ＝０．２６２ｍｍ  が導かれる。
【００３１】
従ってｒｏｐｔは、算出された最適な孔半径であり、すなわち孔直径ｄｏｐｔは０．５２４ｍｍである。
【００３２】
その結果、チャージの、焼結されていない別のセンサ部材を、算出された半径に修正することができる。なお、この修正は未完成ボディに行われるので、修正を簡単に、かつ、コストをかけずに行うことができ、さらに最終焼結後には、不正確なガス供給穴直径に起因する、誤った拡散限界電流に基づく拡散がもはや生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、センサ部材の部分的な横断面図である。
【符号の説明】
１，２  固体電解質シート、  ５  ガス供給穴、  ７  拡散バリヤ、  ８  ポンプ電極、  ９  測定電極、  １０  拡散通路、  Ｄ  孔直径
【図１】
0004309491.tif 000003