JP2001050821A - 温度センサ及び温度センサを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に内燃機関の排ガスの温度を監視するため
の温度センサ１であって、セラミック材料より成る担体
２と、該担体の第１の端部区分に配置された、温度に依
存する感応区分１０としての抵抗素子５と、前記担体の
第２の端部区分に配置された、保持区分７としての電気
接点６と、担体２の中央領域８に亘って延びる、前記電
気接点６を抵抗素子５に接続する導体路３，４とを有し
ている形式のものを改良して、測定精度が改善され、そ
の不活性が減少されるようなものを提供する。 【解決手段】 担体の中央領域８が、前記両端部区分
７，１０よりも高い熱抵抗を有するために構造化されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、殊に内燃機関の排
ガスの温度を監視するための温度センサであって、セラ
ミック材料より成る担体(Traeger）と、該担体の第１の
端部区分に配置された、温度に依存する感応区分(sensi
tiver Abschnitt)としての抵抗素子と、前記担体の第２
の端部区分に配置された、保持区分としての電気接点
と、担体の中央領域に亘って延びる、前記電気接点を抵
抗素子に接続する導体路とを有している形式のものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】このような形式の温度センサはドイツ連
邦共和国特許第３７３３１９２号明細書により公知であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べた形式の温度センサを改良して、測定精度が改善
され、その不活性が減少されるようなものを提供するこ
とである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明によれば、担体の中央領域が、前記両端部区分よりも
高い熱抵抗を有するように構造化されている。

【０００５】

【発明の効果】本発明の構造化によって、感応区分と保
持区分との間の熱の流れが減少される。この保持区分
は、温度センサを枠内で固定し、電気的な接触を得るた
めに用いられる。従って、場合によっては存在する、こ
のような枠と第２の端部区分との間の温度差は、測定結
果をわずかしか狂わせることはない。中央領域の構造化
によって、第２の端部区分からの熱の流出は担体によっ
て困難にされるので、感応区分は運転中に大抵は均一な
温度分布を有している。従って、抵抗素子の測定された
抵抗値は、温度を正確に推測することができる。しか
も、前記構造化が設けられていることによって、測定し
ようとする媒体の温度と枠の温度との差が存在する場合
でも、測定しよとする実際の温度に近い、感応区分の定
常の温度が、同様の温度センサで構造化されていないも
のにおけるよりも早く得られるようになっている。

【０００６】構造化は、有利な形式で中央領域内で担体
の横断面を、特に少なくとも１つの貫通孔又は凹部の形
状の終端区分と比較して、減少させることによって得ら
れる。

【０００７】このような凹部又は貫通孔は、担体をフラ
イス切削、穿孔又は研削加工するすることによって形成
することができる。セラミック材料より成る担体におい
ては、貫通孔又は凹部は有利には焼結前に形成される。

【０００８】多数の層より構成された担体においては、
選択的に中央領域の凹部は、貫通孔が設けられた少なく
とも１つの層と、少なくとも１つの閉じられた層とを組
み合わせることによっても形成することができる。

【０００９】温度に敏感な抵抗素子は、例えばメアンダ
状（蛇行状）又はジグザグ状のパターンで、感応区分の
１つ又は多数の平面に配置することができる。このよう
な抵抗素子の比較的長い長さによって、温度に関連した
抵抗変化の形状の、ノイズの少ない強い有効信号を測定
することができる。この場合、運転中に比較的均一な温
度にさらされる抵抗素子の長い長さは、抵抗素子を接点
に接続し、種々異なる温度において保持区分に沿って延
びる、温度に基づく導体路の抵抗変化は、測定結果をわ
ずかしか狂わせることがない、という付加的な利点を有
している。

【００１０】抵抗素子は、有利には白金−酸化アルミニ
ウム混合物又は、一般的には白金で被覆された絶縁体の
セラミック粒子より形成されている。

【００１１】さらに、測定された抵抗値に作用する導線
の影響、つまり抵抗素子を接点に接続する、保持区分の
導体路の影響を小さく維持するために、この導線のため
に、第２の端部領域の抵抗素子のための材料構成とは異
なる材料構成を選択しなければならない。特に導線は金
属製の基板より製造することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明のその他の特徴及び利点
は、以下に記載した図面に基づく本発明の実施例に記載
されている。

【００１３】図１には、本発明による温度センサ１の平
面図が示されている。酸化物セラミック材料より成る担
体２上には、抵抗素子５と電気接点６とが配置されてい
る。電気接点６は、担体２の第１の端部区分７内に配置
されていて、保持区分と称呼されている。この保持区分
は、（図示していない）枠内に差し込むか又は緊締する
ために設けられている。この枠は、接点６に対して相補
的な接点を有していて、この枠を介して温度センサに測
定電圧が供給される。

【００１４】導体路３，４は、担体２の中央領域８を越
えて直線的に、担体の表面に形成された切欠９の周囲に
まで延びている。導体路３，４は、金属性の基板より成
っている。中央領域８の長さは、担体２の長さの半分よ
りも大きい。

【００１５】切欠９には、担体の感応区分１０が続いて
いる。この感応区分１０の長さは、担体２の全長の約１
／４である。この感応区分１０内で、抵抗素子５は、導
体路３，４間の接続を形成する。抵抗素子５の横断面
は、導体路３，４の横断面よりも小さく、しかも抵抗素
子５は、白金によって被覆されたセラミック粒子特に酸
化アルミニウム粒子又は絶縁体のセラミック粒子とＰｔ
との混合物等の、高い面抵抗を有する材料より成ってい
る。抵抗素子５は、感応区分の面の大部分に亙ってジグ
ザグ状に延びているので、その全長は、区分１０の長さ
又は幅よりも著しく大きい。これによって、材料を選択
することによって、また導体路３，４と比較して減少さ
れた横断面によって、抵抗素子５の大部分が温度センサ
のすべての電気抵抗に寄与することが保証される。従っ
てこの抵抗の温度依存性は、実際にはもっぱら感応区分
１０の温度に関連している。温度センサを保持する保持
区分７は、普通の運転条件下では感応区分１０よりも著
しく冷たい。切欠９によって、２つの区分７，１０間の
避けることのできない温度低下が、切欠９の領域（担体
の横断面が減少し、その結果その熱抵抗が上昇せしめら
れている領域）の大部分に集中するようになっている。
その結果、感応区分１０自体は、温度センサの測定され
た電気抵抗から明確にしかも正確に導き出すことでき
る、比較的均一な温度を有している。切欠９を第２の端
部領域のすぐ近くに配置したことによって、測定しよう
とする媒体の温度変化に追従させる必要のある、温度セ
ンサの質量の部分は小さく維持される。従って、センサ
は温度変化に非常に迅速に追従することができる。

【００１６】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った温度
センサの、寸法に忠実な種々異なる可能な横断面を示し
ている。

【００１７】図２のＡに示した第１の変化実施例におい
ては、イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムセ
ラミックより成るキャリアテープ上に絶縁層１３と、ジ
グザグ状又はメアンダ状（若しくは蛇行状）に延びる抵
抗素子５と、その上に第２の絶縁層１４と、最後にいわ
ゆるカバーテープ１５とが被着されている。酸化アルミ
ニウムセラミックより成る絶縁層１３，１４の課題は、
導体路１０をキャリアテープ及びカバーテープ１２，１
５に対して電気的に絶縁することである。その理由は、
センサによって検出しようとする温度つまり内燃機関の
排ガスを監視するための酸素センサの温度において、そ
の良好な熱技術的な特性に基づいて担体２のための材料
として有利である酸化ジルコニウムセラミックは、やや
導電性であって、これに対して酸化アルミニウムセラミ
ックは非導電性だからである。

【００１８】温度センサの周囲からガスが抵抗素子５に
向かって押しやられるのを避けるために、またセンサの
高い作業温度において抵抗素子が損傷を被るのを避ける
ために、絶縁層１３，１４及び抵抗素子５は、側面も酸
化ジルコニウムセラミックより成る気密な壁部１６によ
って取り囲まれている。

【００１９】テープ１２，１５の厚さは、テープが抵抗
素子５のメアンダ状の部分を覆う領域内で減少されてい
る。この厚さの減少は、キャリアテープ１２におけるの
と同様に、結合剤によって結合されたテープを、焼結前
に全面的に研削又はフライス切削することによって行わ
れるが、またカバーテープ１５の実施例で示されている
ように、選択的に、ジグザグ状に延びる導体路５の領域
に亙って切欠１７を設けてもよい。切欠１７の側面に位
置するウエブ１８は、センサの機械的強度を維持するた
めに役立つ。

【００２０】厚さをこのように減少させることは、勿論
テープ１２，１５の一方だけに行ってもよい。

【００２１】温度センサは、キャリアテープ１２、絶縁
層、導体路５、絶縁層１４、壁部１６及びカバーテープ
を順次スクリーン印刷し、それによって得られた複合体
を、１３５０℃〜１３６０℃の範囲内の温度で燒結する
ことによって製造される。この温度は、テープ１２，１
５及び壁部１６の酸化ジルコニウムを気密に燒結するた
めに充分であって、これに対して絶縁層１３，１４の酸
化アルミニウムにおいて所定の残留多孔性が維持され
る。

【００２２】図２のＢにはセンサの層構造が示されてお
り、この層構造によって、センサの特に短い反応時間が
得られる。

【００２３】イットリウムで安定化された酸化ジルコニ
ウムより成る２つのテープ１２，１５は、機械的に充分
な強度の担体を構成するために、互いに重ね合わせて被
着されている。このテープ１２，１５上に第１の絶縁層
１３が設けられており、この絶縁層１３は第２の絶縁層
１４と共にセンサの外側面を形成していて、この第２の
絶縁層１４は導体路５を取り囲んでいる。図２のＡに示
した実施例とは異なり、この実施例では、侵入するガス
によって導体路５が破壊されないように導体路５を保護
するために、絶縁層がセンサの外側面を形成しており、
この絶縁層は気密でなければならないが、センサの使用
温度において非導電性でなければならない。これは、ナ
ノメートル範囲の大きさの粒子を有する超微細な酸化ア
ルミニウム粉末（大きい粒子を有する酸化アルミニウム
よりも低い燒結温度を有している）を使用するか、又は
絶縁層１３，１４を形成する酸化アルミニウムと例えば
酸化マグネシウム或いは二酸化珪素等の燒結助剤とを用
いることによって得られる。

【００２４】感応区分１０の質量及びひいてはその熱的
な不活性は、テープの酸化ジルコニウム材料に切欠１７
を設けることによって減少される。

【００２５】図２のＣに示されているように、センサの
必要な機械的強度に関連して採算が合うのであれば、感
応区分１０内でテープ１２のうちの１つを完全に取り除
くか又は最初から設けておかないようにすることも考え
られる。

【００２６】感応区分１０の質量を少なく維持する別の
可能性は、抵抗素子５を互いに電気的に絶縁された多数
の層に重ね合わせて配置することである。これによっ
て、抵抗素子の長さが同じで、必要な支持面のための質
量及びひいては感応区分１０の必要な質量が減少され
る。

【００２７】図３のＡ乃至図３のＤには、図１の温度セ
ンサをIII−III線の高さで断面した可能な横断面図が示
されている。図３のＡでは、切欠９が、担体２の一方側
から他方側に貫通する孔を形成している。担体の層構造
は、例えば図２のＡに示した層構造に相当しているが、
勿論この実施例では感応区分１０に切欠１７は設けられ
ていないので、感応区分１０の厚さは、保持区分の厚さ
及び中央領域８の大部分の厚さと同じである。図３のＢ
では、切欠９は袋孔であって、この袋孔は、担体の燒結
前に、最も下に位置するテープ１２を除いて担体のすべ
ての層を孔開けすることによって形成されている。この
２つの変化実施例は、図２のＡ乃至図２のＣに示した横
断面と組合せ可能である。袋孔は、担体の下側から同じ
ように正確に穿孔又はフライス切削することができる。

【００２８】図３のＣには、切欠９が最も下側のテープ
１２だけに形成されている変化実施例が示されている。
このような構成は例えば、切欠９を形成するためにまず
テープ１２に孔を開け、次いで第２のテープ１５と、こ
の第２のテープ１５にスクリーン印刷によって形成され
た絶縁層１３及び１４と、抵抗素子５とを積層結合する
ことによって製造することができる。

【００２９】図３のＤには、中央領域８内に多数の切欠
９が設けられている温度センサの別の変化実施例が示さ
れている。この実施例におけるように切欠９が袋孔とし
て構成されている場合には、この切欠９を担体２の異な
る側に交互に形成し、それによってこの切欠の領域内の
温度センサの有効熱伝導横断面を減少させるだけでな
く、付加的に熱の影響の一部のための有効経路長さ(eff
ektive Weglaenge)を増大するようにすれば、有利であ
る。

【００３０】この変化実施例も、担体２の任意の層構造
と組み合わせることができるので、図面には個別の層は
図示されていない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度センサの平面図である。

【図２】Ａ，Ｂ及びＣは、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿っ
た、それぞれ異なる変化実施例の断面図である。

【図３】Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、図１のIII−III線に沿っ
た、それぞれ異なる変化実施例の断面図である。

【符号の説明】

１ 温度センサ、 ２ 担体、 ３，４ 導体路、 ５
抵抗素子、 ６ 電気接点、 ７ 第１の端部区分、
８ 中央領域、 ９ 切欠、 １０ 感応区分、 １
２ キャリアテープ、 １３，１４ 絶縁層、 １５
カバーテープ、１６ 壁部、 １７ 切欠、 １８ ウ
エブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウーヴェ シュナイダー ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ヴ ォルフマーデンシュトラーセ 53 (72)発明者 トーマス シュルテ ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ジ ェイムズ−エフ−バーンズ−シュトラーセ 44 (72)発明者 オーラフ ヤッハ ドイツ連邦共和国 ベープリンゲン メル セデスシュトラーセ 16 (72)発明者 ウーヴェ グランツ ドイツ連邦共和国 アスペルク ヴァイマ ールシュトラーセ ８ (72)発明者 ジークベルト ゲーツ ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン シラー シュトラーセ 22 (72)発明者 カルメン シュミーデル ドイツ連邦共和国 マールバッハ アム ネッカー シュヴァープシュトラーセ 21 (72)発明者 ペトラ クーシェル ドイツ連邦共和国 レンニンゲン ヴァー グナーシュトラーセ ２／１

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 殊に内燃機関の排ガスの温度を監視する
   ための温度センサ（１）であって、セラミック材料より
   成る担体（２）と、該担体（２）の第１の端部区分に配
   置された、温度に依存する感応区分（１０）としての抵
   抗素子（５）と、前記担体の第２の端部区分に配置され
   た、保持区分（７）としての電気接点（６）と、担体
   （２）の中央領域（８）に亘って延びる、前記電気接点
   （６）を抵抗素子（５）に接続する導体路（３，４）と
   を有している形式のものにおいて、 担体の中央領域（８）が、前記両端部区分（７，１０）
   よりも高い熱抵抗を有するように構造化されていること
   を特徴とする、温度センサ。
2. 【請求項２】 中央領域（８）の構造化された部分が少
   なくとも１つの切欠（９）を有している、請求項１記載
   の温度センサ。
3. 【請求項３】 前記切欠（９）が、前記担体（２）をフ
   ライス切削、穿孔又は切削加工することによって形成さ
   れている、請求項２記載の温度センサ。
4. 【請求項４】 前記担体（２）が、多数の層より構成さ
   れており、中央領域（８）の切欠（９）が、少なくとも
   １つの貫通孔開けされた層と少なくとも１つの閉じられ
   た層とから形成されている、請求項２記載の温度セン
   サ。
5. 【請求項５】 前記切欠（９）が、感応区分（１０）に
   直接隣接して配置されている、請求項２から４までのい
   ずれか１項記載の温度センサ。
6. 【請求項６】 前記感応区分（１０）の長さが最大で、
   前記担体（２）の長さの１／４である、請求項１から５
   までのいずれか１項記載の温度センサ。
7. 【請求項７】 抵抗素子（５）が多数の平面に配置され
   ている、請求項１から６までのいずれか１項記載の温度
   センサ。
8. 【請求項８】 抵抗素子（５）が、白金によって被覆さ
   れた絶縁体のセラミック粒子より形成されている、請求
   項１から７までのいずれか１項記載の温度センサ。
9. 【請求項９】 抵抗素子（５）が白金・酸化アルミニウ
   ム混合物より形成されている、請求項１から８までのい
   ずれか１項記載の温度センサ。
10. 【請求項１０】 導体路（３，４）が、抵抗素子（５）
    とは異なる構成を有している、請求項１から９までのい
    ずれか１項記載の温度センサ。
11. 【請求項１１】 導体路（３，４）が金属性の基板より
    成っている、請求項８から１０までのいずれか１項記載
    の温度センサ。
12. 【請求項１２】 感応区分（１０）が、少なくとも部分
    的に保持区分（７）よりも薄い厚さを有している、請求
    項１から１１までのいずれか１項記載の温度センサ。
13. 【請求項１３】 請求項１から１２までのいずれか１項
    記載の、温度センサ（１）を製造するための方法におい
    て、 担体（２）を均一な厚さに成形し、次いで中央領域
    （８）を、この中央領域の面の少なくとも一部で、担体
    （２）の厚さの少なくとも一部を取り除くことによって
    構造化することを特徴とする、温度センサを製造するた
    めの方法。
14. 【請求項１４】 担体（２）の厚さの少なくとも一部を
    取り除いた後で、担体（２）を焼結する、請求項１３記
    載の方法。
15. 【請求項１５】 請求項１から１２のいずれか１項記載
    の温度センサ（１）を製造するための方法において、 多数の層を組み合わせて担体を形成し、中央領域（８）
    内で、少なくとも１つの層に打ち抜きによって貫通孔を
    設けることを特徴とする、温度センサを製造するための
    方法。