JP2005515437A - センサー素子 - Google Patents

Abstract

ガスの物理的特性、特に内燃機関の排気ガス中のガス成分濃度を検出するための層構造のセンサー素子（１０）を提案する。センサー素子（１０）は、ガスの物理特性の検出に使用される測定装置（２２）と、加熱装置（２１）とを有する。加熱装置（２１）はヒーター（３０）を含み、そのヒーターは第１加熱リード線（３１）と第２加熱リード線（３２）とに電気的に接続される。第１加熱リード線（３１）は第２加熱リード線（３２）と測定装置（２２）との間の層平面内に設けられている。第１加熱リード線（３１）は、少なくともほぼ一定の電位を有している。

Description

本発明は、請求項１に記載した上位概念のセンサー素子に関する。

そうしたセンサー素子を備えたガス測定センサーは、例えば、DE19857468 A1から、内燃機関の排気ガス分析に使用されることが公知である。細長い平面センサー素子は、当業者に知られたように、ハウジングの中に配置されており、そのハウジングは排気ガス管の測定孔に固定することができる。センサー素子は、排気ガスに曝された測定側の終端に測定装置を有し、その装置は、第１電極及び第２電極並びに第１、第２電極の間に配置された固体電解質を備えた電気化学セルを有している。第１電極は、センサー素子の中に組み込まれた基準ガス領域に配置されている。第２電極は、センサー素子の外表面上に取り付けられ、多孔性シールド層を介して排気ガスと接触している。

測定装置の加熱のために加熱装置が設けられている。その加熱装置は、メアンダー形状をしたヒーター（抵抗ヒーター）を有し、そのヒーターに第１及び第２加熱リード線が導かれている。これら加熱リード線によって、センサー素子の測定側終端に設けられたヒーターは接触面と電気的に接続されている。この接触面は、接続側、即ち、センサー素子の測定側終端とは反対側の端部側に配置されていて、そして、その接触面を介して、ヒーターは、ガス測定器の外部に配置された回路と電気的に接続されている。そのヒーターと双方の加熱リード線は、センサー素子の層平面内に配置されている。双方の加熱リード線は、センサー素子の長手軸と平行に走っている。加熱装置は、絶縁層によって周囲の素子から電気的に絶縁されている。

ヒーターは、電気回路によって双方の加熱リード線の間に電圧が印加されることで通常の方法で駆動される。そこでは、第１の加熱リード線は一定電位、例えばアース電位を有する。例えば、抵抗測定によって測定装置内部の温度を測定すること、及び加熱装置を電気回路によって測定装置内部で予め定められた温度に設定するように制御することは公知である。その制御に結びついて、第２加熱リード線での電位変化により干渉障害が発生することにより、測定装置の機能が妨害されることがある。そのため、加熱装置と測定装置の間には導電性の（例えばプラチナ製）中間層が設けられており、その層は一定電位を有している。

加熱装置が測定装置に及ぼす障害を減少させるための層構造は、生産技術的にコストがかかり、そして追加のプラチナ層は高価であるという欠点がある。

本発明の利点
独立請求項に記載された特徴を備えた本発明のセンサー素子は、先行技術に対して、以下の利点を有する。即ち、それにより省資源で簡単なやり方で、障害による測定装置の妨害が減少され、若しくは完全に回避される層構造であるという利点である。このために、少なくともほぼ一定の電位を有する第１加熱リード線は、第２加熱リード線と測定装置との間に配置される。この第１加熱リード線は、ヒーターの接続リード線として利用され、同時に、作動中発生する、第２加熱リード線の電位変化から結果的に生じる第２加熱リード線の障害に対して測定装置をシールドする。

従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載されたセンサー素子の有利な構成と発展形態が可能になる。

第１加熱リード線が、センサー素子の少なくともリード線領域の平面全体を覆う場合、測定装置は、第２加熱リード線に対して特に効果的にシールドされる。省資源のため第１加熱リード線は格子構造を形成することも可能である。

有利には、第１加熱リード線は以下のように配置される。即ち、第２加熱リード線から第１の加熱リード線の層平面への垂直な射影が少なくとも領域的には第１加熱リード線上にあるように配置される。

特に有利には、シルクスクリーン印刷により、キャリア膜の上に以下に述べる順に層が構成されている。第２絶縁層（この層によって、第２加熱リード線とヒーターはキャリア膜から絶縁される）、ヒーターと第２加熱リード線、第１絶縁層（この絶縁層によって、第１加熱リード線は第２加熱リード線から絶縁される）、そして第１加熱リード線、場合によっては第３絶縁層（この絶縁層は、第１加熱リード線を覆う）の順である。第１加熱リード線は、ヒーターの接点領域に直接印刷され、それによりヒーターと電気的に接続される。ヒーターの接点領域には、第１絶縁層に切り欠き部が設けられている。キャリア膜は、印刷後に測定装置の１つ若しくは複数の固体電解質膜と貼り合わされ、続いて焼結される。

これとは択一的に、第２絶縁層、ヒーター及び第２加熱リード線は、キャリア膜上にシルクスクリーン印刷により塗布され得る。第１加熱リード線、場合によっては第３絶縁層もキャリア膜上にシルクスクリーンにより印刷される。第１加熱リード線は、絶縁膜中のスルーホールによってヒーターと電気的に接続される。キャリア膜、絶縁膜、並びに測定装置の１つ若しくは複数の固体電解質膜は、印刷後に貼り合わされ、続いて焼結される。

図面
本発明は、図面及び以下に続く記述により説明される。図１は、本発明のセンサー素子の第１実施例の部分領域展開図である。図２は、本発明のセンサー素子を図１のII-IIの線に沿った断面図であり、図３は、本発明のセンサー素子の第２実施例の部分領域展開図である。

実施例の説明
図１と図２は本発明のセンサー素子の第１実施例を示している。センサー素子１０は、キャリア膜２０の上に設けられた加熱装置２１と測定装置２２とを有する。図１には、センサー素子１０の測定装置２２は示されていない。

測定装置２２（排気ガスに曝されている、センサー素子１０の測定側終端２６に配置されている）は、第１固体電解質膜６１と第２固体電解質膜６２とを有する。第１固体電解質膜には、基準ガス領域６３が設けられ、基準ガスを含む。更に、基準ガス領域６３はセンサー素子１０のリード線領域２５内の通路を介して、雰囲気と接触している。基準ガス領域６３において、第２固体電解質膜６２に第１電極６４が被着されている。第１電極６４に対向した側には、第２電極６５が第２固定電解質膜６２の外表面上に設けられている。その第２電極は、多孔質シールド層６６で覆われ、排気ガスに曝される。第１、第２電極６４、６５並びに第２固体電界質膜６２はネルンストセルを形成する。電極６４、６５間のネルンストセルの発生電圧から、排気ガス中の酸素分圧を推測することが可能である。

本発明は、必ずしも上述した構造を備えた測定装置を有するセンサー素子に限定されない。測定装置は、同様にポンプセル、ポンプセルとネルンストセルの組み合わせ（広帯域ラムダソンデ）若しくは電気化学セルの別の組み合わせを有することができる。測定装置は、別の測定方法、例えば抵抗測定法を実現する構成を有することもできる。

測定装置２２は、加熱装置２１によって加熱され、一定の温度に保たれる。加熱装置２１の制御は、センサー素子１０の外に配置された電気回路によって、測定装置２２により算出されたセンサー素子１０の温度に基づいてなされる。加熱装置２１はメアンダー形状の抵抗ヒーターとして構成されたヒーター３０、及び、ヒーター３０と電気的に接続されて、センサー素子１０のリード線領域２５に配置されている第１、第２加熱リード線３１、３２を有する。第１、第２加熱リード線３１、３２は、キャリア膜２０内の第１及び第２のスルーホール５１、５２を介して、及び、それぞれ、キャリア膜２０の外表面上に取り付けられた接触面（図示せず）を介して、電気回路と接続する。測定装置２２の加熱のため、電気回路により、第１、第２加熱リード線３１、３２の間に電圧が加えられる。第１加熱リード線３１は、アース電位で一定であり、ヒーター３０は、第２加熱リード線３２の電位変化によって、オン、オフされる。

第２加熱リード線３２の電位切替から生じる障害によって、測定装置２２の測定信号は妨害されることがある。その障害を回避するため、第１加熱リード線３１は、第２加熱リード線３２と測定装置２２との間の層平面内に配置される。第１加熱リード線３１はこれに加えて、センサー素子１０の主表面全体にわたってリード線領域に延在している。反対に、第２加熱リード線３２の幅はセンサー素子１０の対応幅よりも小さい。第１及び第２加熱リード線３１、３２の間には、第１絶縁層４１があり、それによって加熱リード線３１、３２の双方が互いに電気的に絶縁されている。第２加熱リード線３２は、ヒーター３０とつながっている導線路を形成している。第１加熱リード線３１は、接触位置４５においてヒーター３０と電気的に接続している。その領域に第１絶縁層４１は切り欠き部を有する。加熱装置２１は、第２絶縁層４２によってキャリア膜２０から、および第３絶縁層４３によって測定装置２２から電気的に絶縁されている。

センサー素子はシルクスクリーン技術で製造される。これについて、キャリア膜２０の上には、第２絶縁層４２、接触位置４５を備えたヒーター３０、第２加熱リード線３２、第１絶縁層４１、第１加熱リード線３１、第３絶縁層４３が（この順で）印刷される。第１加熱リード線３１の一方の終端をヒーター３０の接触位置４５上に直接印刷することで、ヒーター３０は第１加熱リード線３１と電気的に接続することになる。このために、第１絶縁層４１には、この領域に切り欠き部が設けられている。印刷されたキャリア膜２０は、測定装置２２の固体電解質膜６１、６２と共に貼り合わせられ、続いて焼結される。

第１絶縁層４１は、ヒーター３０と第１加熱リード線３１とを接触接続するための接触位置４５の領域にある切り欠き部を除いて、センサー素子１０の主平面全体にわたって延び、例えばヒーター３０の領域に設けられていても良い。同様に、第１加熱リード線３１はヒーター３０の領域まで延ばすことができる。

図３は、本発明のセンサー素子の第２実施例を示している。そこでは、図１の参照番号と同じ番号は対応する素子を示している。第２実施例は、図１で示される第１実施例と以下の点で相違する。第１加熱リード線３１の第２加熱リード線３２からの絶縁のため、印刷された第１絶縁層４１でなく絶縁膜４４がキャリア膜２０と同じように利用される。それにより第１加熱リード線３１は絶縁膜４４によってヒーター３０と第２加熱リード線３２から分離される。絶縁膜４４はセンサー素子の主平面全体にわたって延びている。ヒーター３０の第１加熱リード線３１との接触は、絶縁膜４４に穿たれた第３スルーホール５３を介してなされる。

第２実施例に係るセンサー素子を製造するため、キャリア膜２０上に第２絶縁層４２、第２加熱リード線３２を備えたヒーター３０が（この順に）印刷される（シルクスクリーン印刷技術）。絶縁膜４４の上には、第１加熱リード線３１と第３絶縁層４３が印刷される。印刷後にキャリア膜２０及び絶縁膜４４が測定装置２２の固体電解質膜６１、６２と貼り合わされ、続いて焼結される。第１加熱リード線３１はヒーター３０の領域において又はセンサー素子１０の主平面全体にわたって延びていてもよい。

別の、図示しない本発明の実施例においては、ヒーターは、一定電位を有する第１加熱リード線と同一層平面内に配置することができ、及び／又は、第１加熱リード線と繋がった導線を形成することができる。一方、第２加熱リード線は、一層平面内で第１加熱リード線の、測定装置とは反対側に設けられている。第２加熱リード線がヒーターと接触するため、図示された実施例と同様に接触位置やスルーホールが設けられている。

ヒーター３０と第１、第２加熱リード線３１、３２は、例えばセラミック成分を備えたプラチナを有する。第１、第２、第３絶縁層４１、４２、４３は主成分として例えば酸化アルミニウムを有する。第１、第２固体電解質膜６１、６２は実質的に、例えば、イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムを有する。キャリア膜２０と絶縁膜４４とは例えばイットリウムで安定化された酸化ジルコニウム及び／又は酸化アルミニウムを有する。キャリア膜２０が酸化アルミニウムからなる場合は、第２絶縁層４２を省くことができる。

本発明にとって本質的なことは、第１加熱リード線３１は、充分に一定な電位（例えばアース電位）を有するということである。ただし、第１加熱リード線３１がもう１つの充分に一定な電位を有することは、当業者の好み次第であり、例えばこのことが回路技術的により有利な場合である。本発明の意味においては、第１加熱リード線３１の充分に一定な電位とは、次のように理解される。すなわち、第２加熱リード線３２の電位と比較して緩慢な及び／又は微少な変化を生じ、そうして全く若しくは僅かだけしか測定装置２２は障害が発生することはない電位である。第１加熱リード線３１での電位変化に基づいて発生する測定装置２２の障害は、少なくともほぼ一定の電位にある第１加熱リード線３１によって第２加熱リード線がシールドされないような場合に、第２加熱リード線３２での電位変化に基づいて発生する障害よりも著しく少なくなるはずである。

図１は本発明の第１実施形態を示す展開図である。

図２は本発明の第１実施形態を示す断面図である。

図３は本発明の第２実施形態を示す展開図である。

Claims (10)

1. ガスの物理的特性、特に内燃機関の排気ガスのガス成分濃度を検出するための層構造のセンサー素子（１０）であって、測定装置（２２）を備え、ガスの物理的特性の検出に使用され、及び加熱装置（２１）を備え、前記加熱装置はヒーター（３０）を有し、前記ヒーターは第１加熱リード線（３１）と第２加熱リード線（３２）とに電気的に接続されている形式のセンサー素子において、
   第２加熱リード線（３２）と測定装置（２２）の間の層平面内に、前記第１加熱リード線（３１）が設けられており、
   前記第１加熱リード線（３１）は少なくともほぼ一定の電位を有することに特徴を有するセンサー素子。
2. 前記第１加熱リード線（３１）は第１絶縁層（４１）によって前記第２加熱リード線（３２）から絶縁されており、前記ヒーター（３０）は接触位置（４５）を有し、ヒーター（３０）は前記接触位置を介して第１又は第２加熱リード線（３１、３２）と電気的に接続されており、前記第１絶縁層（４１）は前記接触位置（４５）の領域で切り欠き部を有する、請求項１記載のセンサー素子。
3. 前記ヒーター（３０）及び／又は前記第２加熱リード線（３２）は第２絶縁層（４２）によってキャリア膜（２０）から電気的に絶縁されており、前記ヒーター（３０）及び／又は前記第１加熱リード線（３１）は第３絶縁層（４３）によって前記測定装置（２２）から電気的に絶縁されている、請求項１又は２記載のセンサー素子。
4. 前記ヒーター（３０）、前記第１及び第２加熱リード線（３１、３２）並びに前記絶縁層（４１、４２、４３）はシルクスクリーン印刷によってキャリア膜（２０）に塗布されている、請求項１ないし３のいずれか１項記載のセンサー素子。
5. 前記第１加熱リード線（３１）及び前記第２加熱リード線（３２）の間に絶縁膜（４４）が配置されており、前記ヒーター（３０）は前記絶縁膜（４４）内に穿たれたスルーホール（５３）によって前記第１加熱リード線（３１）及び／又は前記第２加熱リード線（３２）と電気的に接続されている、請求項１記載のセンサー素子。
6. 前記第１加熱リード線（３１）はリード線領域（２５）で及び／又はヒーター（３０）の領域内において、センサー素子（１０）の平面全体を少なくとも充分に覆う、請求項１ないし３のいずれか１項記載のセンサー素子。
7. 前記第１加熱リード線（３１）は充分に一定の電位（例えばアース電位）を有し、センサー素子（１０）の加熱のために前記第２加熱リード線（３２）の電位は、センサー素子（１０）の外に配置された回路によって変動可能である、請求項１ないし６のいずれか１項記載のセンサー素子。
8. 前記測定装置（２２）は第１電極（６４）、第２電極（６５）及び固体電解質（６２）を備えた少なくとも１つの電気化学セルを有し、前記固体電解質（６２）は第１及び第２電極（６４、６５）を電気的に接続している、請求項１ないし７のいずれか１項記載のセンサー素子。
9. 前記第１及び／又は前記第２加熱リード線（３１、３２）は少なくとも領域的には格子状に構成されている、請求項１ないし８のいずれか１項記載のセンサー素子。
10. 前記第２加熱リード線（３２）から、前記第１加熱リード線（３１）の層平面上へ垂直に光を投射した場合に、少なくとも領域的には前記第１加熱リード線（３１）上に射影される、請求項１ないし９のいずれか１項記載のセンサー素子。

Images