(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学測定センサ用のセンサ素子であって、
測定ガスにさらされる少なくとも１つの測定電極と、基準ガスにさらされる少なくとも１つの基準電極と、少なくとも１つの加熱装置と、基準ガス路とを備え、前記加熱装置は熱伝導器と熱伝導器導線とを有し、前記基準ガスは前記基準ガス路を介して前記基準電極に導かれる形式のセンサ素子において、
前記熱伝導器（２２）は、前記基準ガス路（１６）の垂直射影の外側に少なくとも２つの第１の熱伝導路区間（２３，２４）を有しており、
当該の第１の熱伝導路区間は、結合区間（３３）によって、前記基準ガス路（１６）を横断して結合され、
該結合区間（３３）は、第１の熱伝導路区間（２３，２４）のうちの１つの断面積よりも大きい断面積を有しており、
ここで前記の各断面積は、相応する各伝導路区間の長手方向に対して垂直な面で切った断面積であることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記基準ガス路（１６）は、前記基準電極（１８）の領域において幅が拡げられており、基準ガス室（１６ｂ）を形成しており、
前記結合区間（３３）は、前記基準ガス路（１６ｂ）の垂直射影の外側にて、より幅の狭い前記基準ガス路（１６）を横断して案内される
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記の第１の熱伝導路区間（２３，２４）のうちの少なくとも１つは測定ガス側において進行方向転換部を有しており、該進路方向転換部において延長区間（３５，３６）が形成されている
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記延長区間（３５，３６）はそれぞれ前記２つの第１熱伝導路区間（２３，２４）に形成されており、
前記延長区間（３５，３６）は吊革形状であり、該延長区間（３５，３６）は前記基準ガス路（１６ｂ）の測定ガス側終端部をほぼ囲っている
請求項３に記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記の第１の熱伝導路区間（２３，２４）と前記結合区間（３３）との間にそれぞれ、第２の伝導路区間（３４）が形成されており、
当該の第２の伝導路区間の幅は、結合区間（３３）に向かうにしたがって広がっている
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記の熱伝導器導線（２１）と第１の熱伝導路区間（２３，２４）との間にそれぞれ第３の伝導路区間（３１）が形成されており、
当該の第３伝導路区間（３１）の幅は、第１の熱伝導路区間（２３，２４）に向かうにしたがって狭まっている
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記の第３の伝導路区間（３１）と第２の伝導路区間（３４）とは相互に前記センサ素子の広い方の面の長手方向に見て少なくともほぼ同じ高さに形成されている
請求項５または６に記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記の２つの第１の熱伝導路区間（２３，２４）は、前記センサ素子の広い方の面を長手方向に延在する中心線に関して線対象に前記センサ素子の広い方の面の平面内に設けられている
請求項１に記載のセンサ素子。
【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の上位概念に基づく、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を求めるための電気化学測定センサ用のセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の形態のセンサ素子は、例えば安定化ジルコニアＺｒＯ2製のセラミックシートからなる。これらのセラミックシートには、電極導線を備えた電極と、熱伝導器を備えた加熱装置と、熱伝導器導線とがプリントされる。これらは一体ラミネートされ、焼結されて平板状のセンサ素子が得られる。電気化学測定センサでは、加熱装置は、例えばＡｌ2Ｏ3製の、電気的に絶縁された２つの層の間に挿入される。これら２つの層もまたそれぞれに隣接する、酸素イオン透過性のセラミックシートに配置される。
【０００３】
基準ガスによって動作する電気化学的センサ素子では、基準ガス路内に電極が設けられる。この基準ガス路は、例えばセンサ素子の長手方向に延在し大気と接している。この基準ガス路は、基準電極と加熱装置との間の層平面内に延在している。
【０００４】
熱伝導器が基準ガス路を覆っている領域では、熱出力の放熱が悪いために、この領域では熱伝導器が過熱することがある。またこの基準ガス路のこの領域において熱伝導が悪いということは、センサ素子を動作温度まで加熱するためには、高い熱エネルギーが必要であり、または加熱時間を相応に長くする必要があることを意味する。
【０００５】
熱伝導を向上させるために加熱装置の熱伝導器を基準ガス路の垂直射影（すなわちセンサ面に対して垂直方向から見て）の外側に配置することは、ドイツ連邦共和国特許第１９６０９３２３号から公知である。このために電極の領域および熱伝導器の領域において基準ガス路は２つの部分から構成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、基準ガス路を覆っている領域において熱伝導が良好であり、これにより迅速に加熱可能であり、しかも熱衝撃耐性が改善されたセンサ素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、電気化学測定センサ用のセンサ素子であって、測定ガスにさらされる少なくとも１つの測定電極と、基準ガスにさらされる少なくとも１つの基準電極と、少なくとも１つの加熱装置と、基準ガス路とを備え、前記加熱装置は熱伝導器と熱伝導線とを有し、前記基準ガスは前記基準ガス路を介して前記基準電極に導かれる形式のセンサ素子において、前記熱伝導器は、前記基準ガス路の垂直射影の外側に少なくとも２つの第１の熱伝導路区間を有しており、この第１の熱伝導路区間は、結合区間によって、前記基準ガス路を横切って結合され、該結合区間は、第１の熱伝導路区間の断面積のうちの１つの断面積よりも大きい断面積を有しており、ここで前記の各断面は、相応する各導体路区分の長手方向に対して垂直な面で切った断面であることを特徴とするセンサ素子を構成することによって解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態と効果】
本発明による、請求項１に記載した特徴を備えたセンサ素子はつぎのような利点を有する。すなわち加熱装置から、電極で構成された、センサ素子の感応領域への熱伝導が格段に向上される。基準ガス路領域における熱伝導器の過熱は回避され、これにより加熱装置が長時間安定し、ひいてはセンサ素子も長時間安定する。
【０００９】
従属請求項に記載した手段により、本発明によるセンサ素子の有利な別の実施形態および改善が可能である。
【００１０】
測定ガス側センサ面の短辺側に形成された、吊革形状の延長区間は、熱伝導器導線と熱伝導器との抵抗比を熱伝導器が有利に作用するように変位させるために使用される。このことによりまた同時により迅速にセンサ素子を加熱可能である（クイックスタート型加熱器）。さらに測定ガス側の短辺側がより良好に加熱されるために、センサ素子の熱衝撃耐性が向上される。
【００１１】
また電極導線の加熱によって電極導線の静電容量結合および抵抗結合は上昇し、この結果として測定ガスに濃度変化が起こった場合にはオーバシュートないしはアンダーシュートにより測定信号の誤りが生じるものである。熱伝導器をセンサ素子の先端部に、すなわち電極の感応領域に配置することにより、センサ素子内の導線の静電容量結合および抵抗結合が減少する。
【００１２】
熱伝導器導線から熱伝導路区間への経路と、熱伝導路区間から結合区間への経路とを進行方向に向かって漸次に幅を狭めないしは拡げて形成することによって、局所的に過熱した場合に漏れ電流が発生する危険性が減少する。漏れ電流は、加熱装置と電極との間に電流路が形成されることによって生じるものである。このことから結果的に電極から取り出された測定信号に誤りが生じる。メアンダー路の間の絶縁領域を大きくすることによって、メアンダー路間の高い電位差を有するこれらの領域の関係も和らぐ。
【００１３】
さらに熱伝導器から覆われていない領域において基準ガス路の幅を広げることによって、基準電極を相応に広げることができ、より良好な基準ガスの換気が可能となりさらに有利である。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例を図示し、以下に詳しく説明する。
【００１５】
図１には、詳しく図示していない電気化学測定センサのセンサ素子１０の断面図が示されている。このセンサ素子１０は、図２のように接続部側終端部１１と測定ガス側終端部１２とを有し、複数のセラミックシートから成る、平板状の層構造を有する。この実施例では、センサ素子１０はカバーシート１３、基準ガス路シート１４およびセンサシート１５を有する。セラミックシート１３，１４，１５は矩形状に構成されそれぞれ、互いに対向する２つの面（広い方の面）を有している。セラミックシート１３，１４，１５は酸素イオン透過性であり、例えば安定化ジルコニアＺｒＯ2から成る。
【００１６】
基準ガス路シート１４では、空洞が基準ガス路１６を形成している。基準ガス路１６は、接続部側終端部１１から測定ガス側終端部１２まで延在している。終端部１１において基準ガス路１６は、開口部１６ａを有する短辺前額側から外部に通じている。測定ガス側終端部１２において基準ガス路１６は閉じており、基準ガス室１６ｂを形成している。基準ガス室１６ｂは、基準ガス路１６に比べて幅が広く形成されている（図２）。
【００１７】
センサシート１５は外側の広い方の面に測定電極１７を有しており、対向側の内側の広い方の面には、基準ガス室１６ｂ側を向いた基準電極１８を有している。測定電極１７は多孔性の保護層１９によって覆われており、測定ガスにさらされている。
【００１８】
カバーシート１３と基準ガス路シート１４との間には、電気加熱装置２０が設けられている。図２の平面図から層平面に延在する加熱装置２０の構造と、基準ガス室１６ｂを備えた基準ガス路１６の構造が分かる。加熱装置２０は、セラミックシート１３，１４，１５の広い方の面に平行に延在する２つ熱伝導器導線２１と、センサ素子１０の測定ガス側終端部１２に、左側の熱伝導路区間２３と右側の熱伝導路区間２４とからなるメアンダー状の熱伝導器２２とを有する。２つの熱伝導器導線２１は、接続部側終端部１１に詳しく図示されていない貫通接触接続用の２つのランド個所２９を有する。この貫通接触接続部により熱伝導器導線２１は、センサ素子１０の外側の広い方の面に導かれる。
【００１９】
相互に隣接するセラミックシート１３と１４とを電気的に絶縁するために、図１の加熱装置２０には、例えばＡｌ2Ｏ3から成る２つの絶縁層２５，２６が挿入されている。絶縁層２５，２６をシーリングするために、これらの周りには例えば隣接するセラミックシート１３，１４の材料からなるシールドフレーム２７が配置されている。
【００２０】
測定ガス側終端部１２へ向かって、熱伝導器導線２１の終端部にはそれぞれ伝導路区間３１が設けられている。ここで熱伝導器導線２１の幅は、熱伝導器２２の、より小さく構成された幅にまで連続的に狭められる。長手方向に見ておおよそ導線路区間３１の高さのところに、熱伝導器２２は結合区間３３を有する。この結合区間３３によって熱伝導器２２は、基準ガス室１６ｂの外側で基準ガス路１６を横断して案内される。結合区間３３は、熱伝導路区間２３，２４に比して幅広に構成されており、例えば熱伝導器導線２１と同じ幅を有する。これにより結合区間３３は、熱伝導路区間２３，２４の相応の領域よりも低いオーム抵抗値を有する。幅の狭い熱伝導路区間２３，２４は別の伝導路区間３４を介して、伝導路区間３１の形成方法と類似に、より幅の広い結合区間３３に案内される。伝導路区間３１，３４によってメアンダー路をフック状に構成することによって、高い電位差のある領域においてメアンダー路間の距離が離れ、伝導路断面積が大きくなる。これにより高い電位差を有する領域間の関係は和らぎ、局所的な過熱の場合にも漏れ電流の危険性が低減される。
【００２１】
測定ガス側終端部１２では、２つの熱伝導路区間２３，２４はそれぞれ、左部の吊革形状の伝導路区間３５と、右部の吊革形状の伝導路区間３６とを有する。これら２つの吊革形状の伝導路区間３５，３６によって熱伝導器２２の長さは長くなり、センサ素子１０の前方の測定ガス側終端部１２において高い熱出力が得られる。センサ素子１０の前額部が良好に過熱されることにより、加熱装置２０をスイッチオンした場合に、冷たい表面の引っ張り応力によって発生する熱衝撃亀裂を回避することが可能である。また基準ガス室１６ｂの終端部を熱伝導器２２により十分に囲むことによって、隣接するセラミックシート１４への熱伝導が向上する。
【００２２】
熱伝導器２２の設計に対して重要であるのは、熱伝導路区間２３，２４が、基準ガス室１６ｂの垂直射影の外側にあることである。伝導路区間は結合区間３３によって、幅の狭い基準ガス路１６だけを横断して案内される。この結合区間３３の断面積は、熱伝導器２２の断面積ないしは熱伝導路区間２３，２４のうちの大きい方の断面積よりも大きい。このことによって保証されるのは、熱伝導路区間２３、２４を備えた熱伝導器２２が隣接するシート１３，１４との間にはさまれることである。この結果、特に基準ガス路シート１４を介してセンサシート１５への、より良好な熱伝導が形成される。基準ガス路１６は、実質的な加熱機能を付加的に有しない結合区間３３の領域においてのみ、熱伝導をごくわずか抑制する。
【００２３】
本発明による加熱器の設計は、上記のセンサ素子１０に限定されるものではない。この設計は、加熱装置とセンサ領域との間に空洞のある別のセンサ素子においても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ素子の断面図である。
【図２】図１のセンサ素子を線ＩＩ−ＩＩで切った長手方向の断面図である。
【符号の説明】
１０  センサ素子
１１  接続部側終端部
１２  測定ガス側終端部
１３  カバーシート
１４  基準ガス路シート
１５  センサシート
１６  基準ガス路
１６ａ  基準ガス路開口部
１６ｂ  基準ガス室
１７  測定電極
１８  基準電極
１９  多孔質保護層
２０  加熱装置
２１  熱伝導器導線
２２  熱伝導器
２３，２４，３１，３４  熱伝導路区間
２５，２６  絶縁層
２７  シーリング枠
２９  ランド個所
３３  結合区間
３５，３６  吊革形状熱伝導路区間
【図１】
0004327285.tif 000002
【図２】
0004327285.tif 000003