JP2003512619A - プレーナ形のセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 密なカバー層（３，５）の間に配置されたガス含有の層（４）を備えたプレーナ形のセンサ素子において、ガス含有の層（４）が、両カバー層（３，５）の間に延びる平面内でその全周にわたって１つのシールフレーム（８）によって取り囲まれており、ガス含有の層（４）と環境周囲との間での空気（基準ガス）の交換のために、少なくとも一方のカバー層（３）が、少なくとも１つの貫通開口（１０）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、密なカバー層の間に配置されたガス含有の層を備えたプレーナ形（
ｐｌａｎａｒ．）のセンサ素子に関する。

【０００２】 このようなプレーナ形のセンサ素子は酸素センサ（λセンサ）の構成素子とし
て知られていて、広く普及している。このようなプレーナ形のセンサ素子は、汎
用の形式では、焼結されたＺｒＯ_２から成る密なカバー層を有しており、これら
のカバー層の間では、酸化アルミニウムから成る多孔質の絶縁層の間に電気的な
加熱装置が埋め込まれてる。このような絶縁層の使用は次の理由から必要となる
。すなわち、カバー層のために使用されるＺｒＯ_２が、このようなセンサ素子に
とって汎用の作業温度では導電性となり、これにより漏れ電流が生ぜしめられた
り、得られた測定値が正しい値ではなくなったり、あるいはそれどころかセンサ
素子の破壊、ひいては酸素センサの故障が生ぜしめられる恐れがあるからである
。ＺｒＯ_２に比べて、酸化アルミニウムは、数オーダ分だけ小さな導電性しか有
していない。

【０００３】 この多孔質の絶縁層の空気含量は、酸素センサにおいては、ポンピングされた
基準のためのポンピング容量もしくは基準ガス室として働くことができる。この
基準ガス室が層の内部で中空室を形成するような、プレーナ形のセンサ素子の構
造も知られている。この場合、「ガス含有の層」とは、基準ガスを含有すること
のできる中空室を備えた層をも意味する。

【０００４】 ガス含有の層は、汎用の形式ではプレーナ形のセンサ素子の一方の端面側で、
基準ガスに向かって導出されている。こうして、ガス含有の層はこの端面側に小
幅のストリップを形成しており、このストリップを介して、環境周囲との空気交
換もしくは基準ガスとの空気交換を行うことができる。

【０００５】 センサ素子がこの端面側で絶対的にガス密および液密に保持されていないと、
ガス含有の層内部へ湿分または排ガス成分が侵入する危険が生じ、このことは測
定結果を誤めてしまう恐れがある。特に湿分の侵入は、ガス含有の層の通過部の
小幅なストリップ形状により助成されている。

【０００６】 このような通過部が必要となることは、センサ素子の製作時にも種々の不都合
を招いてしまう。通常、このようなセンサ素子はまず複数個で、１つの共通の基
板に製造され、次いで各センサ素子に個別化される。このとき、ガス含有の層の
貫通案内部を備えた方の端面側に沿って基板を切断する際に、基板の縁部の破折
が容易に生じ得るか、または切断時に発生するノッチ作用により、基板縁部にお
ける欠陥個所が生ぜしめられる。このような欠陥個所は、後続の焼結時における
満足し得る品質を有する複合体の形成を妨げる。

【０００７】 発明の利点 冒頭で述べた形式のセンサ素子の改善された機械的強度を得るために、本発明
の構成では、ガス含有の層が、両カバー層の間に延びる平面内で１つのシールフ
レームによって、慣用のセンサ素子の場合にそうであったように３つの側でのみ
取り囲まれるのではなく、全ての側で全周にわたって取り囲まれており、当該セ
ンサ素子のガス含有の層と、当該センサ素子の環境周囲との間で必要となる空気
交換のために、少なくとも一方のカバー層が、少なくとも１つの貫通開口を備え
ているようにした。

【０００８】 このようなセンサ素子を複数個備えている１つの基板を個別化する際には、シ
ールフレームおよびカバー層の材料だけが、つまり通常ではＺｒＯ_２だけが切断
されれば済むので、Ａｌ_２Ｏ_３から成る多孔質の絶縁層が切断されなければなら
ないような場合に比べて、切断工具の摩耗も減少する。

【０００９】 閉じられたシールフレームは、個別化時に各センサの互いに接し合った縁部に
沿って裂け目が形成され、かつ次いで破断される場合に、センサ素子の層構造に
おける損傷の確率をも減少させる。

【００１０】 慣用のセンサ素子はその保持された端部に、しばしばコンタクト面を有してお
り、これらのコンタクト面は加熱素子に電流を供給するために働くか、または測
定電極の電気的な信号を取り出すために働く。また、これらのコンタクト面は、
カバー層に設けられた貫通開口を通じて、センサ素子の層構造の内部に位置する
導体路と接触接続されている。このような貫通開口は本発明によれば、同時に、
ガス含有の層と環境周囲との間での空気交換を可能にするためにも使用されるの
で有利である。この場合、これらの貫通開口は当然ながら、ガスの通過を可能に
するために、貫通案内された導体よりも大きな横断面を有している。

【００１１】 ガス含有の層と環境周囲との間での全空気交換の有効性を強めるためには、前
記貫通開口の自由横断面が、当該センサ素子の長手方向軸線に対して直交する方
向におけるガス含有の層の自由横断面よりも大きく形成されていてよい。センサ
素子の長手方向軸線に対して直交する方向におけるガス含有の層の自由横断面は
、あとで説明するような慣用の構造の、縁部の開いたセンサ素子のガス交換横断
面に相当している。

【００１２】 前記貫通開口を通って案内された導電体は、基準ガス含有の層内に埋め込まれ
た加熱素子（ヒータエレメント）に電流を供給するために働くと有利である。

【００１３】 前記貫通開口の寸法は、もはやガス含有の層の横断面により制限されていない
。したがって、前記貫通開口の自由直径は問題なく、ガス含有の層の厚さよりも
大きく形成されていてよく、これにより、一方ではガス含有の層と環境周囲との
間での有効な空気交換が促進され、他方では、前記貫通開口が、場合によっては
その環境周囲に存在する液体に対して著しい毛管効果を発揮して、この液体をガ
ス含有の層内に吸い込んでしまうことが回避される。このような貫通開口の直径
は少なくとも０．５ｍｍ、有利には約１ｍｍであることが望ましい。

【００１４】 本発明の別の特徴および利点は、以下に図面につき説明する実施例に記載され
ている。

【００１５】 図１に示した汎用のセンサ素子は、焼結された多数のセラミック層から形成さ
れている。図面には、これらのセラミック層のうち、本発明にとって重要となる
３つのセラミック層しか図示されていない。３つのセラミック層とは、酸化ジル
コニウム（ジルコニア）から成る空気密な上側のカバー層３、酸化アルミニウム
（アルミナ）から成る多孔質の絶縁層４およびやはり酸化ジルコニウムから成る
空気密な下側のカバー層５である。

【００１６】 図１の（ａ）に斜視図で見てセンサ素子の、手前側に位置する長手方向端部は
、枠状のホルダ内に空気密に固定されるようになっている。反対の側に位置する
長手方向端部は、図面で見て下側に位置する表面に複数の測定電極を保持してい
る。これらの測定電極は、これらの測定電極を整然とした状態で作動させるため
に、多孔質の絶縁層４を通じてセンサ素子の内部に周辺空気を供給することが必
要となる点でしか、本発明にとって重要とならない。

【００１７】 多孔質の絶縁層４の側方の寸法は、２つのカバー層３，５の側方の寸法よりも
小さく形成されている。すなわち、多孔質の絶縁層４はセンサ素子１の２つの長
辺側６と、図面で見て奥の側の端面側７とにおいて、１つのＵ字形のシールフレ
ーム８によって取り囲まれている。このシールフレーム８は２つのカバー層３，
５と同様に酸化ジルコニウムから密に焼結されている。

【００１８】 一緒に積層された複数のセンサ素子を長辺側６に沿って切断しかつ破断させる
ことにより個別化する際には、両カバー層３，５とシールフレーム８との間の境
界面１４に著しい剪断力が作用し、このような剪断力はセンサ素子を損傷させる
恐れがある。

【００１９】 図１の（ｂ）には、図１の（ａ）に示したｂ−ｂ線により規定された平面に沿
ってセンサ素子を断面した図が示されている。上側のカバー層３の外面には、金
属製の２つのコンタクトストリップ９が被着されている。これらのコンタクトス
トリップ９は、端面側７の近くで絶縁層４内に埋め込まれた抵抗加熱素子に電流
を供給するために働く。上側のカバー層３に設けられた２つの貫通開口１０は金
属で満たされており、これによりコンタクトストリップ９は、加熱素子への電流
供給のための、絶縁層４内に埋め込まれた導体路１１にそれぞれ接続されている
。

【００２０】 実施例 図２に示した本発明によるセンサ素子２は、上で説明したセンサ素子と同様に
、酸化ジルコニウムから成る２つの密なカバー層３，５と、酸化アルミニウムか
ら成る１つの多孔質の絶縁層４とを有している。ただし、絶縁層４は図２の（ａ
）に示した斜視図では見えていない。なぜならば、この絶縁層４は４つの側全て
で、酸化ジルコニウムから成る１つのシールフレーム８によって取り囲まれてい
る。すなわち、シールフレーム８はこの場合、センサ素子２の全周にわたって延
びている。図２の（ｂ）には、図２の（ａ）に示したｂ−ｂ線に沿った断面図が
示されている。図２の（ｂ）に示した断面図から判るように、特にセンサ素子２
の、図面で見て手前側の端面側の端部１２も、シールフレーム８によって空気密
に閉じられている。貫通開口１０は上側のカバー層３の表面で開いている。すな
わち、これらの貫通開口１０はその横断面の一部でしか、カバー層３の表面に設
けられたコンタクトストリップ９と、絶縁層４の内部に設けられた導体路１１と
の間の金属製の接続部１３によって満たされていない。特に、この金属製の接続
部１３は貫通開口１０の壁に沿って環状に延びていてよい。貫通開口１０の自由
横断面は、絶縁層４とセンサ素子２の環境周囲との間での空気交換のために提供
されている。このような構成により、第１には、図１に示したセンサ素子に比べ
て、測定電極と貫通開口との間の距離が短縮されており、これにより、絶縁層４
と環境周囲との間での有効な空気交換が促進される。第２には、貫通開口１０の
直径を大きく設定することにより、貫通開口１０に空気交換のために提供され得
る大きな有効横断面が得られる。約５０μｍの絶縁層４の典型的な層厚さでは、
１ｍｍの貫通開口１０の直径で既に十分となる。

【００２１】 一緒に積層された複数のセンサ素子が長辺側６に沿って互いに破断されかつ切
断されると、両カバー層３，５とシールフレーム８との間に生じた剪断力は、図
面で見て手前側の端面側の端部１２の全幅にわたって分配される。したがって、
損傷の危険は図１に示したセンサ素子の場合よりも著しく低くなる。

【００２２】 さらに、一貫した積層複合体も保証されている。すなわち、焼結時には、さら
に、互いに異なる組成を有する層の間の焼結歪みによる剪断力も発生する。上記
センサ素子では外面全体が同じ材料から成っているので、センサ素子表面に著し
い剪断力は生じない。したがって、このセンサ素子では、酸化アルミニウムから
成る絶縁層４が表面に現れているような、図１につき説明した汎用のセンサ素子
の場合ほど、センサ素子の表面における亀裂形成を心配する必要はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 汎用のセンサ素子を斜視図と部分断面図とで示す図である。

【図２】 本発明によるセンサ素子を斜視図と部分断面図とで示す図である。

【符号の説明】

１，２ センサ素子、 ３ カバー層、 ４ 絶縁層、 ５ カバー層、 ６
長辺側、 ７ 端面側、 ８ シールフレーム、 ９ コンタクトストリップ
、 １０ 貫通開口、 １１ 導体路、 １２ 端部、 １３ 接続部、 １４
境界面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密なカバー層（３，５）の間に配置されたガス含有の層（４
   ）を備えたプレーナ形のセンサ素子（２）において、ガス含有の層（４）が、両
   カバー層（３，５）の間に延びる平面内で、その全周にわたって１つのシールフ
   レーム（８）によって取り囲まれており、ガス含有の層（４）と環境周囲との間
   での空気の交換のために、少なくとも一方のカバー層（３）が、少なくとも１つ
   の貫通開口（１０）を有していることを特徴とする、プレーナ形のセンサ素子。
2. 【請求項２】 前記貫通開口（１０）を通って、導電体（１３）が延びてい
   る、請求項１記載のセンサ素子。
3. 【請求項３】 前記導電体（１３）が、ガス含有の層（４）内に埋め込まれ
   た加熱素子に電流を供給するために働くか、または当該センサ素子に設けられた
   測定電極の電気的な信号を取り出すために働く、請求項２記載のセンサ素子。
4. 【請求項４】 前記貫通開口（１０）の自由直径が、ガス含有の層（４）の
   厚さよりも大きく形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセ
   ンサ素子。
5. 【請求項５】 前記貫通開口の自由横断面が、当該センサ素子（２）の長手
   方向軸線に対して直交する方向におけるガス含有の層（４）の自由横断面よりも
   大きく形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
6. 【請求項６】 前記貫通開口（１０）が、少なくとも０．５ｍｍの直径を有
   している、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ素子。