JP2003504604A - ヒータ回路、殊にセンサ用のヒータ回路及び該ヒータ回路の製造法 - Google Patents
ヒータ回路、殊にセンサ用のヒータ回路及び該ヒータ回路の製造法Info
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Abstract
Description
ンサ用のヒータ回路及び該ヒータ回路の製造法に関するものである。
のために使用されている。かかるセンサは、有利な層状構造によって顕著である
が、この場合、個々の層は、スクリーン印刷、積層、押抜き、焼結等によって得
られる。該センサを、内燃機関の排ガスの酸素濃度の測定のために使用する場合
には、該センサは、本質的に以下の特徴を内容としている: 測定電極が、センサの表面に配置されており、場合により、多孔質保護層によ
って覆われている。測定電極の下には、固形電解質からなる層が存在しており、
該層の後に参照電極が続いている。他方で、該参照電極は、参照ガス通路に接し
ており、該参照ガス通路は、参照ガスで充填されている。センサ素子を予め設定
可能な温度にするために、参照ガス通路の下に、ヒータ回路が配置されており、
該ヒータ回路は、場合により、電気的絶縁体によって被覆されている。電極並び
にヒータ回路は、通常、金属酸化物粉末と金属粉末とからなる混合物の焼結によ
って製造される(サーメット)。
り詳細に取り上げないが、機能性の実現のために十分に大きな3−相境界面が存
在していなければならないので、測定電極及び参照電極が、十分な多孔性を有し
ていることに注意を払わなければならない。従って、測定電極及び参照電極の緻
密な焼結(僅かな多孔性)を阻止するためには、相応して低い焼結温度を選択し
なければならない。
、これは、ヒータ回路の多孔性が少なければ、それだけ一層好都合である。従っ
て、ヒータ回路の製造には、できるだけ高い焼結温度が有利である。
らのサーメットからなる。米国特許第5787866号明細書から、ヒータ回路
を、腐食プロセスに対する耐性を向上させるために、白金Ptと、Rh、Pd、
Ir、Ru及びOsのグループからなる別の貴金属とから製造することは公知で
ある。測定電極及び参照電極は、有利に同様に白金を金属成分として有している
ので、焼結温度は、多孔性に関する2つの目的の間の妥協としてのみ選択するこ
とができる。
ない作動安定性を有しているということが欠点である。かかる老化プロセスに基
づき、センサの総合的故障になることがある。
温度差の影響並びに温度処理の期間が、ヒータ回路の抵抗に対する制御が困難で
あるという欠点がある。
項9の特徴を有する前記ヒータ回路の製造法によって取り除かれる。サーメット
に少なくとも2つの別の貴金属が添加されることによって、一方では、ヒータ回
路が十分に低い多孔性を有するより低い焼結温度を選択することができ、他方で
は、焼結炉中の温度変化の影響が制限される。更に、かかるヒータ回路は、品質
的に低い酸化し易さを示すので、該ヒータ回路は、向上した寿命を有している。
は特に有利であることが判明した。この場合、サーメットは、 (a)金属酸化物0.5〜50質量%、 (b)白金35〜95質量%、 (c)別の貴金属0.5〜30質量% の組成を有していなければならないが、この場合、前記の量は、成分(a)、(
b)及び(c)の全体量に対するものである。殊に、Rh6.6質量%及びAu
3.3質量%並びにPt88.1質量%及びAl2O32質量%又はPt80.
7質量%及びAl2O39.4質量%のサーメットの組成は、ヒータ回路の抵抗
及び製造の点で特に有利であることが判明した。
ーメット中での金属成分の分布に影響を及ぼすことが可能である。従って、白金
と別の貴金属との間の不均一な合金が存在するサーメットを意図的に製造するこ
とが考えられる。こうして、ヒータ回路の抵抗に、付加的に影響を及ぼすことが
できる。
使用に関連して有利に定めることができる。従って、貴金属は、焼結の間のその
高い蒸気圧に基づき、測定電極及び参照電極の領域でも析出することがある。こ
れは、貴金属の高いことの多いCO−親和性の結果、センサの測定値の誤りにつ
ながることがある。一方では、これは、焼結炉中での焼結の際に、十分に大量の
空気交換が、例えば送風機によってもたらされる場合、回避することができる。
この場合、焼結炉中で貴金属のための凝縮領域を組み込むことが有利である。
設計することができる。この場合、センサは、焼結炉中で、ヒータ回路が、最も
低い温度を有する領域の中に存在しているので、貴金属の凝縮は、専らこの領域
で行われるように配置されている。
ある。
図面に基づき詳細に説明される。
24で包囲されている。更に、該センサ12は、測定電極14を有しており、該
測定電極は、場合により多孔性保護層22で覆われている。該測定電極14の下
には、固形電解質からなる層20と、引き続く、参照電極16が存在している。
該参照電極16は、他方で、参照ガスで充填された参照ガス通路18に接してい
る。
に使用されている。このため、測定電極14における排ガスの酸素含量の結果と
して生じる電位を、参照電極16の電位と比較する。参照電極16における電位
は、就中、参照ガス中の酸素濃度及び温度に左右される。こうして、該ヒータ回
路10によって、温度の調節を行うことができる。
、専ら、測定電極及び参照電極14、16が、十分に大きな3−相境界面を有す
るために、十分な多孔性を有していなければならないことについて指摘しておく
。この3−相境界面の領域では、測定電極及び参照電極14、16の電位の調節
が容易に行われる。
きるだけ少ないままにしておくことが必要とされる。この多孔性は、本質的に、
焼結温度の高さによって影響を及ぼされることがある。この場合、高い焼結温度
は、ヒータ回路10あるいはまた電極14、16の緻密な焼結につながる。
の層は、スクリーン印刷、積層、押抜き、焼結等によって得られる。この場合、
スクリーン印刷の際に、ペーストが、セラミックの上に施与され、該ペーストが
、焼結後に、個々の層を形成するのである。電極14、16及びヒータ回路10
は、この場合、サーメットからなる層から形成されるが、この場合、金属酸化物
は、保護骨格として使用され、金属は導体として使用される。このため、層を生
じる金属粉末と金属酸化物粉末とからなるペーストは、支持体の上に施与され、
引き続き焼結される。
属として白金が使用され、セラミック材料としては、ヒータ回路12の場合には
、有利に酸化アルミニウムが使用される。電極14、16においては、セラミッ
ク材料としてZrO2が使用される。
属の混入によって、ヒータ回路10の緻密焼結は、純粋な白金の使用の際よりも
本質的に低い焼結温度で実現することができる。次に、焼結後に、少なくとも三
元の白金−貴金属合金が存在していることがある。
全体として、サーメットは、 (a)金属酸化物0.5〜50質量%、 (b)白金35〜95質量%、 (c)別の貴金属0.5〜30質量% の組成を有していることになるが、この場合、前記の量は、全体量に対するもの
である。例えばこの場合、Pt88.1質量%、Al2O32質量%、Rh6.
6質量%及びAu3.3質量%の組成を有するサーメットは、3.6Ωの抵抗を
示した。Al2O3の割合を9.4質量%に高め、Ptの割合を80.7質量%
に削減した場合、抵抗は9Ωに上昇した。
0質量%である。この場合、ヒータ回路10の抵抗の上昇とは独立に、セラミッ
ク材料の割合の増大によって、付加的に抵抗の上昇が合金によって行われること
が判明した。
粉末としてペーストに直接混入することが可能である。これ以外にも、貴金属で
既に事前に合金した白金粉末を使用することや、貴金属を、例えば化学的プロセ
ス又は微粉砕によって層として白金粉末の粒に施与することが考えられる。後者
の方法は、焼結プロセスの間に、専ら、粒の接触領域において有利に低溶融合金
を形成して、焼結後に、全体として、不均一な少なくとも三元の白金−貴金属合
金が存在するということになりうる。これは、殊に有利である。使用した貴金属
が、温度係数を低下させることになり、ひいては、ヒータ電圧が既に存在する場
合に、より低い線条電力のみがセンサ素子先端部において達成できる場合に特に
有利であることがある。不均一な白金−貴金属合金の使用によって、前記の効果
を十分に回避することもできる。
金−貴金属合金の少なくとも1つの融点に応じて選択される。この焼結温度は、
白金の融点よりも低いので、既に本質的により低い温度で、ヒータ回路10の緻
密焼結が行われる。より低い温度に基づき、同様に、既存の測定電極及び参照電
極14、16が、その多孔性を喪失することも回避される。
ロセスの間の支持体領域における十分に大量の空気交換を行わなければならない
。これは、例えば、適当な送風機を用いて焼結炉において実行することができる
。有利に、前記の場合における焼結炉は、気体状の貴金属を析出できる凝縮領域
を備えている。
度勾配を有し、温度が、ヒータ回路10を形成するペーストの領域において最も
低いように設計してもよい。全体として、この2つの方法によって、測定電極及
び参照電極14、16の領域における気体状の貴金属の凝縮は回避することがで
きる。
18 参照ガス通路 20 固形電解質層、 22 多孔性保護層 24 絶
縁体
Claims (15)
- 【請求項1】 白金及び少なくとも1種の金属酸化物を含有するヒータ回路
がサーメットから形成されており、内燃機関の排ガス中の少なくとも1種のガス
成分の測定のための殊にセンサ用のヒータ回路において、該サーメットに、少な
くとも2種の別の貴金属が添加されていることを特徴とする、ヒータ回路。 - 【請求項2】 金属が、Pd、Rh、Au、Ag及びIrから選択されてい
る、請求項1に記載のヒータ回路。 - 【請求項3】 サーメットが、 (a)金属酸化物0.5〜50質量%、 (b)白金35〜95質量%、 (c)少なくとも2種の別の貴金属0.5〜30質量% の組成を有し、この場合、前記の量が、成分(a)、(b)及び(c)の全体量
に対するものである、請求項1又は2に記載のヒータ回路。 - 【請求項4】 白金及び別の貴金属が、均一合金として存在している、請求
項1から3までのいずれか1項に記載のヒータ回路。 - 【請求項5】 白金及び別の貴金属が不均一合金として存在している、請求
項1から3までのいずれか1項に記載のヒータ回路。 - 【請求項6】 金属酸化物が、酸化アルミニウムである、請求項3に記載の
ヒータ回路。 - 【請求項7】 サーメットが、Rh6.6質量%、Au3.3質量%、Al 2 O32質量%及びPt88.1質量%の組成を有する、請求項3に記載のヒー
タ回路。 - 【請求項8】 サーメットが、Rh6.6質量%、Au3.3質量%、Al 2 O39.4質量%及びPt80.7質量%の組成を有する、請求項3に記載の
ヒータ回路。 - 【請求項9】 白金粉末及び金属酸化物粉末を含み、ヒータ回路を生じるペ
ーストが、セラミックシートの上に施与され、引き続き、焼結させる、殊に内燃
機関の排ガス中の酸素濃度の測定のためのセンサ用のヒータ回路の製造法におい
て、該ペーストが、少なくとも2種の別の貴金属又は少なくとも三元の白金−貴
金属合金を含み、焼結温度を、貴金属又は白金−貴金属合金の少なくとも1つの
溶融温度に応じて選択することを特徴とする、ヒータ回路の製造法。 - 【請求項10】 焼結を焼結炉中で行い、焼結の間に、空気交換をセラミッ
クシートの領域で行う、請求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 焼結炉が、気体状の貴金属を析出させることができる凝縮
領域を有する、請求項10に記載の方法。 - 【請求項12】 焼結炉が、焼結の間に、セラミックシートの領域において
温度勾配を有し、かつ温度が、ヒータ回路(10)を形成するペーストの領域で
最も低くなっている、請求項9に記載の方法。 - 【請求項13】 貴金属を、粉末としてペーストに添加する、請求項9から
12までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項14】 貴金属を、化学的プロセス又は微粉砕によって、白金粉末
の粒の表面上に施与する、請求項9から12までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項15】 白金及び貴金属を、粉砕した三元白金−貴金属合金の形で
、ペーストに添加する、請求項9から12までのいずれか1項に記載の方法。
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