JP2001050822A - 温度センサおよび該温度センサの製造法 - Google Patents
温度センサおよび該温度センサの製造法Info
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Abstract
温度センサを提供する。 【解決手段】 セラミック材料から成る支持体2と、感
応区分10と呼ばれる前記支持体2の第1終端区分に配
置された温度従変性の抵抗素子5と、保持区分7と呼ば
れる前記支持体の第2終端区分に配置された電気接点6
と、該電気接点と前記抵抗素子との間に支持体中央域8
を超えて延在する導体路3,4とを備えた形式の、特に
内燃機関の排ガス温度を監視するための温度センサ1に
おいて、感応区分10が少なくとも所々に、保持区分7
および支持体中央域8よりも薄い肉厚を有している。
Description
ら成る支持体と、感応区分とも呼ばれる前記支持体の第
1終端区分に配置された温度従変性の抵抗素子と、保持
区分とも呼ばれる前記支持体の第2終端区分に配置され
た電気接点と、該電気接点と前記抵抗素子との間に支持
体中央域を超えて延在する導体路とを備えた形式の、特
に内燃機関の排ガス温度を監視するための温度センサに
関する。
国特許第3733192号明細書に基づいて公知であ
る。
精度を改善しかつ熱的慣性を低減させた温度センサを提
供することである。
明の構成手段は、明細書冒頭で述べた形式の温度センサ
において、感応区分が少なくとも所々に、保持区分およ
び支持体中央域よりも薄い肉厚を有している点にある。
を低減させるので、この感応区分の温度もしくは該感応
区分に位置する温度従変性の抵抗素子の温度は、周辺温
度の変化に迅速に追従することができる。減少された肉
厚は同時にまた、保持区分を介しての抵抗素子と温度セ
ンサ保持体との間の熱交換を低下させ、従って、測定す
べき温度から変位したセンサ保持体温度によって見せ掛
け上の測定結果を得させることのないようにするために
寄与する。
るために本発明の実施形態では、支持体が複数の層から
構成されており、しかも感応区分では、少なくとも1つ
の層が省かれている。この実施形態とは択一的に、実質
的に均等な肉厚を有する支持体が、感応区分内に少なく
とも1つの孔または凹設部を有していることもできる。
この場合抵抗素子は、このような孔または凹設部の直ぐ
上に配置されているのが有利である。このような支持体
は、同じく複数の層から構成されており、その少なくと
も1つの層が感応区分内に、凹設部を形成する1つの切
欠部を有していることもできる。
端域の単数または複数の平面内に、蛇行状パターンまた
はジグザグ状パターンで配置することができる。このよ
うに第1終端域に配置された比較的大きな長さを有する
蛇行状またはジグザグ状の抵抗素子は、低ノイズの強い
有効信号を、温度に関連した抵抗変化の形で測定できる
ようにするために役立つ。この場合、運転中に比較的均
等な温度に曝されている第1終端域の抵抗素子の長さを
大きくすることによって得られる付加的な利点は、抵抗
素子を電気接点と接続する導体路の、しかも支持体の第
2終端域の保持区分に沿って異なった温度で延びる導体
路の、温度に関連した抵抗変動によって、見せ掛け上の
測定結果が得られる度合も極めて低くなることである。
混合物、或いは一般的には白金で被覆された非導電性セ
ラミック粒子から形成されているのが有利である。フィ
ード線、つまり抵抗素子を電気接点と接続するところの
保持区分の導体路が測定された抵抗値に対して及ぼす影
響を僅かにするために、更にまた第1終端域の抵抗素子
のための材料組成とは異なった材料組成を前記フィード
線のために選択するのが有利である。特にフィード線は
メッキによる白金から成ることができる。
抵抗を有するために表面微細構造を有している。この表
面微細構造は、第1終端域と、温度センサをソケットに
固定するためおよび電気的な接点接続のために使用され
る第2終端域との間の熱流束を減少させる。従って、場
合によって前記のようなソケットと第1終端域との間で
生じる温度偏差に基づく見せ掛け上の測定結果も僅かに
なる。中央域の表面微細構造によって、第1終端域から
支持体を通って熱を流出させることが困難になるので、
運転中第1終端域は概ね、全く均質な温度分布を有して
いる。従って抵抗素子の測定抵抗値から、温度を正確に
逆推定することが可能になる。更にまた、この表面微細
構造に基づいて、被測定媒体の温度とソケット温度との
間に偏差が在る場合でも、測定すべき実際温度に近い第
1終端域の定常温度を、表面微細構造を有していない対
応温度センサの場合よりも迅速に得ることが可能にな
る。
形状を有することができる。
に基づく以下の詳細な説明から明らかである。
例を詳説する。
図示されている。酸化セラミック材料から成る支持体2
の上には、導体路3,4、抵抗素子5および電気接点6
が配置されている。抵抗素子5は、感応区分10と呼ば
れる支持体2の第1終端区分に位置し、また電気接点6
は、保持区分7と呼ばれる支持体2の第2終端区分に位
置しており、該保持区分7は、前記電気接点6に対応し
た接点を有するソケットに差込むためまたはクランプす
るために設けられており、かつ前記ソケットの接点を介
して温度センサに測定電圧が供給される。
えて、該支持体の表面に形成された凹設部9の周辺にま
で直線的に延在している。導体路3,4はメッキによる
白金から成っている。中央域8の長さは、支持体2の長
さの1/2よりも大である。
0が続いている。該感応区分10の長さは、支持体2の
全長の約1/4である。この感応区分10内に抵抗素子
5は両導体路3,4間の接続部を形成している。抵抗素
子5の断面積は、導体路3,4の断面積よりも小であ
り、また該抵抗素子は、例えば白金で被覆されたセラミ
ック粒子、特に酸化アルミニウム粒子、或いは白金と非
導電性セラミック粒子との混合物のような、比較的高い
面抵抗を有する材料から成っている。抵抗素子5は、感
応区分10の面積の大部分にわたってジグザグに延びて
いるので、該抵抗素子の全長は、感応区分10の長さま
たは幅よりも著しく大である。これによって、つまり材
料選択と、導体路3,4に対比して減少された横断面積
とによって、抵抗素子5のかなりの部分を、温度センサ
の全電気抵抗に寄与させることが可能になる。従ってこ
の抵抗の温度従変性は事実上もっぱら感応区分10の温
度に関連している。温度センサを保持している保持区分
7は、通常の運用条件下では、感応区分10よりも著し
く冷たい。凹設部9によって、2つの区分つまり保持区
分7と感応区分10との間の不可避的な温度勾配を凹設
部9の領域に大部分集中させることが得られる。従って
感応区分10自体は比較的均等な温度を有しており、こ
の温度は、温度センサの測定された電気抵抗から、一義
的にかつ正確に推定することができる。凹設部9を第1
終端区分の直ぐ近傍に配置したことに基づいて、被測定
媒体の温度変動に追従せねばならない温度センサの質量
分は小さく保たれる。それ故に温度センサは、温度変動
に極めて迅速に追従することができる。
た温度センサの3種の可能横断面が、尺度には不忠実に
図示されている。
は、イットリウム安定化された酸化ジルコニウムから成
る支持テープ12上に、第1の絶縁層13が、次いでジ
グザグ状または蛇行状に延びる抵抗素子5が被着され、
その上に第2の絶縁層14が、最後にいわゆるカバーテ
ープ15が被着されている。酸化アルミニウムセラミッ
クから成る第1および第2の絶縁層13,14の役目
は、導体路を支持テープ12およびカバーテープ15か
ら電気絶縁することである。その理由は、温度センサに
よって温度を検出する場合、つまり内燃機関の排ガスを
監視するために温度センサによって酸素センサの温度を
検出する場合、優れた熱機械的特性に基づいて支持体2
の素材として賞用される酸化ジルコニウムセラミックが
低導電性であるのに対して、酸化アルミニウムセラミッ
クはそうでは無いからである。
押し寄せて(該温度センサの高い作業温度の場合に)前
記抵抗素子を損傷するのを防止するために、両絶縁層1
3,14および抵抗素子5は両側面でも酸化ジルコニウ
ムセラミックから成る気密壁16によって囲まれてい
る。
肉厚は、両テープが抵抗素子5の蛇行を被覆する領域で
は減少されている。この肉厚の減少化は、支持テープ1
2について図示したように、結合剤によって接合された
テープを焼結前に全面的に研削またはフライス切削する
ことによって行なうことができるが、また選択的に、カ
バーテープ15で例示したように、ジグザグ状に延びる
抵抗素子5の領域の上位に切欠部17を形成することも
可能である。該切欠部17の両側で起立しているウェブ
18は、温度センサの機械的強度を維持するために役立
つ。
方のテープだけに、つまり支持テープ12だけまたはカ
バーテープ15だけに実施することもできる。
の絶縁層13、抵抗素子5並びに導体路3,4、第2の
絶縁層14、気密壁16およびカバーテープ15を順送
り式にスクリーン印刷し、かつそれに続いて、こうして
得られた複合体に1350〜1360℃のオーダー範囲
の温度で焼結処理を施すことによって製造することがで
きる。前記焼結処理温度は、支持テープ12、カバーテ
ープ15および気密壁16の酸化ジルコニウムを気密焼
結させ、これに対して第1および第2の絶縁層13,1
4の酸化アルミニウムには、或る程度の残余気孔を残留
させることができる。
間を得ることのできる温度センサの層構造が図示されて
いる。
ムから成る2層のテープ12,15が、充分な機械的強
度の支持体を構成するために、互いに上下に付着されて
いる。支持体上には第1の絶縁層13が位置し、この第
1の絶縁層は、温度センサの外面を形成する第2の絶縁
層14と相俟って抵抗素子5および導体路を封じ込めて
いる。図2の(A)の実施形態の場合とは異なり、本実
施形態では絶縁層は温度センサの外面を形成している。
侵入するガスによる損壊から抵抗素子5を防護するため
に、前記絶縁層は気密でなければならないが、温度セン
サの運用温度において導電性であってはならない。これ
を達成するために、粗粒の酸化アルミニウムよりも低い
焼結温度を有する、ナノメートル粒度範囲の極微酸化ア
ルミニウム粉末が使用されるか、或いは第1および第2
の絶縁層13,14を形成する酸化アルミニウムに、例
えば酸化マグネシウムまたは二酸化珪素のような焼結助
剤が混加される。
性は、テープの酸化ジルコニウム材料内の切欠部17に
よって低減されている。
0では1層のテープ12を、完全に除去すること、或い
は、温度センサの所要機械的強度の点で許容できるなら
ば最初から設けないことも可能である。
の実施形態では、相互に電気絶縁された複数の層内に抵
抗素子5を上下に配置することも可能である。抵抗素子
の長さが一定である場合、前記構成によって、該抵抗素
子のために必要とされる支持面、ひいては感応区分10
の所要質量が減少される。
II断面線に沿った温度センサの可能横断面図が図示さ
れている。図3の(A)では凹設部9は、支持体2の一
方の側から他方の側へ貫通する1つの孔を形成し、また
図3の(B)では凹設部9は1つの盲穴を形成してい
る。これら2つの実施形態は、図2の(A〜C)に示し
た各横断面と組合せ可能である。
内に2つ以上の凹設部9を設けておくことも可能であ
る。凹設部9が盲穴として形成されている場合には、該
盲穴を交互に支持体2の異なった側に形成し、こうして
凹設部の領域における温度センサの有効熱伝導横断面積
を減少させるばかりでなく、熱流束の一部分のための有
効距離長を付加的に増大させるのが有利である。
成が分解図で示されている。温度センサは、いわゆる中
間膜結合剤を使用して積層された、例えば酸化アルミニ
ウム製の3層のプラスチック−セラミック・センサ膜か
ら成っている。前記3層のプラスチック−セラミック・
センサ膜の最下位センサ膜は、安定化膜19と呼ばれ、
前記実施例の支持テープ12およびカバーテープ15同
様に、温度センサの機械的強度を保証する。安定化膜1
9の上に位置するセンサ膜20は、温度に敏感な抵抗素
子5、フィード線としての導体路3,4および外部ソケ
ットに接続するための電気接点6を支持している。電気
接点6および導体路3,4は純白金から成り、温度に敏
感な抵抗素子5は、約60体積%の白金と40体積%の
Al203との混合物から成っている。Al203の混合は
第1に、焼結状態において下層に対するセンサ膜の粘着
作用を改善し、第2に純白金に対比してセンサ膜の平方
抵抗(Quadratwiderstand)を4倍〜5倍だけ高める。
こうして慣用の厚膜成形技術(導体路幅および導体路間
隔約0.2mm)によって10×6mm2の面上にPt
−100−エレメントが実現される。センサ膜20同様
に安定化膜19に対比して薄いカバー膜21は、電気接
点6を除いてセンサ膜20の面積の大部分を被覆する。
抵抗素子5は、安定化膜19から打ち抜かれた凹設部
(窓)17の内部に完全に位置するように設計されかつ
配置されている。従って抵抗素子5の領域における温度
センサの肉厚は、その残りの面積の大部分の肉厚よりも
著しく小さい。
態(A,B,C)を示した温度センサ断面図である。
施形態(A,B)を示した温度センサ断面図である。
5 抵抗素子、 6電気接点、 7 保持区分、 8
中央域、 9 凹設部、 10 感応区分、12 支持
テープ、 13 第1の絶縁層、 14 第2の絶縁
層、 15カバーテープ、 16 気密壁、 17 切
欠部または凹設部、 18 ウェブ、 19 最下位セ
ンサ膜としての安定化膜、 20 センサ膜、 21
カバー膜
Claims (13)
- 【請求項1】 セラミック材料から成る支持体(2)
と、感応区分(10)と呼ばれる前記支持体(2)の第
1終端区分に配置された温度従変性の抵抗素子(5)
と、保持区分(7)と呼ばれる前記支持体の第2終端区
分に配置された電気接点(6)と、該電気接点と前記抵
抗素子との間に支持体中央域(8)を超えて延在する導
体路(3,4)とを備えた形式の、特に内燃機関の排ガ
ス温度を監視するための温度センサ(1)において、 感応区分(10)が少なくとも所々に、保持区分(7)
および支持体中央域(8)よりも薄い肉厚を有している
ことを特徴とする、温度センサ。 - 【請求項2】 支持体(2)が複数の層から構成されて
おり、しかも感応区分(10)では、少なくとも1つの
層が省かれている、請求項1記載の温度センサ。 - 【請求項3】 支持体(2)が感応区分(10)内に少
なくとも1つの孔または凹設部(17)を有している、
請求項1または2記載の温度センサ。 - 【請求項4】 抵抗素子(5)が孔または凹設部(1
7)の上位に配置されている、請求項3記載の温度セン
サ。 - 【請求項5】 支持体(2)が複数の層から構成されて
おり、その少なくとも1つの層が感応区分(10)内に
1つの切欠部を有している、請求項3または4記載の温
度センサ。 - 【請求項6】 抵抗素子(5)が複数の平面内に配置さ
れている、請求項1から5までのいずれか1項記載の温
度センサ。 - 【請求項7】 抵抗素子(5)が、白金で被覆された非
導電性セラミック粒子から形成されている、請求項1か
ら6までのいずれか1項記載の温度センサ。 - 【請求項8】 抵抗素子(5)が、白金と酸化アルミニ
ウムとの混合物から形成されている、請求項1から7ま
でのいずれか1項記載の温度センサ。 - 【請求項9】 導体路(3,4)が、抵抗素子(5)と
は別の組成を有している、請求項1から8までのいずれ
か1項記載の温度センサ。 - 【請求項10】 導体路(3,4)が、メッキによる白
金から成っている、請求項7から9までのいずれか1項
記載の温度センサ。 - 【請求項11】 請求項1から10までのいずれか1項
記載の温度センサ(1)の製造法において、均等肉厚の
支持体(2)を成形し、次いで支持体(2)の肉厚の少
なくとも一部分を切除することによって、感応区分(1
0)の面積の少なくとも一部分に表面微細構造を形成す
ることを特徴とする、温度センサの製造法。 - 【請求項12】 支持体(2)の切除後に該支持体
(2)に焼結を施す、請求項11記載の製造法。 - 【請求項13】 請求項1から10までのいずれか1項
記載の温度センサ(1)の製造法において、支持体が複
数の層を接合して成り、かつ少なくとも1つの層内には
1つの切欠部(17)が打ち抜かれていることを特徴と
する、温度センサの製造法。
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DE1999134109 DE19934109C1 (de) | 1999-07-21 | 1999-07-21 | Temperaturfühler und Verfahren zu seiner Herstellung |
Publications (1)
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