JP2005534936A - センサエレメント - Google Patents

Abstract

層状に構成されたセンサエレメント（１０）、特に測定ガスの物理量を検出する、有利には測定ガスの温度または測定ガスのガス成分の濃度を検出するために役立つセンサエレメントを提案する。センサエレメント（１０）は、該センサエレメント（１０）の層平面内に配置されたヒータ導体路（４１）を有しており、該ヒータ導体路（４１）はヒータ（４１ａ）およびヒータ供給線路（４１ｂ）を有しており、かつ絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）内に埋設されている。絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）はヒータ導体路（４１）の層平面内で少なくとも部分的にシールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）により包囲されている。シールフレーム（４４，４４ｂ）の、センサエレメント（１０）の層平面に対して平行かつセンサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な方向での長さが、少なくとも部分的に、センサエレメント（１０）の、この方向での長さの少なくとも２５パーセント、有利には３０パーセント〜８０パーセントにあるようにした。

Description

背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載された形式のセンサエレメントから出発する。

この種のセンサエレメントは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３４２７６号明細書から公知である。プレーナ形の縦長のセンサエレメントは、第１の電極、第２の電極ならびに第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質を備えた、電気化学的なセルを有している。さらに、供給線路を備えた蛇行状のヒータが設けられている。ヒータは、酸化アルミニウムから成る多孔質の２つの絶縁体層の間に配置されている。絶縁体層を取り巻くように、シールフレームが取り付けられている。シールフレームは主として酸化ジルコニウムから成る。シールフレームはセンサエレメントの外面にまで延在し、絶縁体層およびヒータを気密に封止する。

この種のシールフレームは一般に、センサエレメントの全幅の１０パーセント〜１５パーセントの範囲にある幅を有している。幅とは、ここにおいても以下においても、センサエレメントの層平面に対して平行かつセンサエレメントの長手方向軸線に対して垂直な方向での長さ（例えばシールフレーム、絶縁体またはセンサエレメントの長さ）と理解される。さらに、シールフレームの幅とは、全幅、つまり絶縁体層の両側に配置されているシールエレメントの両区分の幅の合計と理解される。

この種のセンサエレメントを製作するために、固体電解質シートは焼結されていない状態で、機能層、つまり例えば電極、保護層、ヒータ導体路、シールフレーム、絶縁体層または空隙を形成する材料から成る層を印刷される。場合によっては、中空室、例えば基準ガス室が打抜きにより固体電解質シートに穿設される。このように加工された固体電解質シートはその後、積層力の印加の下で一緒に積層され、引き続いて焼結プロセスを受ける。

センサエレメントは有利には一緒に積層され、引き続いて個別化される。センサエレメントを個別化する際の、製造技術に起因する公差に基づいて、機能層は個別化後に必ずしも正確にセンサエレメントの中央に位置している訳ではない。それにより、シールフレームの、ヒータ絶縁体の一方の側に位置する区分の幅が、シールフレームの、他方の側に位置する区分の幅よりも小さくなってしまう場合がある。

シールフレームおよび絶縁体層は種々異なる焼結挙動（Ｓｉｎｔｅｒａｋｔｉｖｉｔａｅｔ）を示す。すなわち、焼結収縮および／または焼結プロセスがもたらす温度は様々である。非対称的なシールフレームの場合、種々異なる焼結挙動に基づいて、センサエレメントの湾曲が焼結時に発生してしまう場合がある。このように湾曲したセンサエレメントは、センサエレメントを包含するガス測定フィーラの所定のホルダ内に収まりきらなくなってしまう。

さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０００５２号明細書に記載されているセンサエレメントの場合、一定の電位にある第１のヒータ供給線路が、第２のヒータ供給線路と測定装置との間の１つの層平面内に配置されている。これにより、測定装置、例えば電気化学的なセルが第１のヒータ供給線路により第２のヒータ供給線路から遮蔽される。両ヒータ供給線路の間には、印刷された絶縁体層が設けられている。

発明の利点
これに対して、本発明による、独立請求項の特徴部に記載された特徴を備えたセンサエレメントは、センサエレメントの個別化時の目標値からのずれがセンサエレメントの湾曲を引き起こす可能性が大幅に減じられるまたは完全に解消されるという利点を有している。シールフレームの全幅がセンサエレメントの幅の少なくとも２５パーセントであるので、（製造公差が同じであるならば）、シールフレームの、ヒータ絶縁体に隣接する一方の区分の幅と、シールフレームの他方の区分の幅との差は、背景技術から公知のセンサエレメントの場合に比べて百分率で見て明らかに小さくなる。これにより、センサエレメントの、シールフレームの両区分の非対称から生じる湾曲も減じられる。

さらに、ヒータ絶縁体の、対称軸線からの間隔が小さければ小さいほど、かつヒータ絶縁体の幅がセンサエレメントの幅に関して小さければ小さいほど、周囲の固体電解質シートの焼結挙動とは異なる焼結挙動を示すヒータ絶縁体の、センサエレメントの湾曲に対する影響は僅かとなる。

従属請求項に記載された手段により、独立請求項に記載されたセンサエレメントの有利な構成が可能である。

センサエレメントは測定領域および供給線路領域を有している。センサエレメントの測定領域は、センサエレメントの、排出ガス側の端部区分に設けられている。測定領域の長さはセンサエレメントの長手方向長さに関して僅かである。測定領域に、例えば電極およびヒータが配置されている。電極およびヒータは、供給線路領域内に配置された供給線路を通してコンタクト面に電気的に接続されている。センサエレメントの、測定領域とは反対側の端部区分に配置されているコンタクト面は導体エレメントに電気的に接続されており、導体エレメントを介して、センサエレメントは、ガス測定フィーラの外側に配置された評価電子機器に接続されている。

電気的なエレメントの、センサエレメントの測定領域における長さを、幅広のシールフレームにより制限してしまわないように、シールフレームの、センサエレメントの測定領域における幅はセンサエレメントの幅の２５パーセントよりも小さくすることができる。測定領域の長手方向長さが供給線路領域の長手方向長さよりも明らかに小さいので、センサエレメントの湾曲は、シールフレームが供給線路領域においてのみセンサエレメントの幅の少なくとも２５パーセントの幅を有しているようにしても効果的に減じられる。

製造技術上特に確実に、シールフレームの幅が少なくとも供給線路領域においてセンサエレメントの幅の３０パーセント〜８０パーセントの範囲にあると、湾曲は回避される。

シールフレームの、供給線路領域における幅はさらに、供給線路が、センサエレメントの、種々異なる層平面内で重ね合わせに配置されており、例えば印刷された絶縁体層により互いに隔離されていると増大されることができる。

センサエレメントは測定領域に少なくとも１つの電気化学的なセルを有しており、電気化学的なセルは２つの電極ならびに両電極間に配置された１つの固体電解質を有している。有利には、シールフレームが固体電解質を有しており、かつシールフレームと、固体電解質層と、電気化学的なセルの固体電解質との間の良好な接続を保証するために、ヒータ導体路および該ヒータ導体路を包囲している絶縁体と共に２つの固体電解質層の間に配置されている。

ヒータの領域では、ヒータの絶縁体における強い機械的なストレスに至りかねない高い温度差が発生する。ヒータ導体路の絶縁体が多孔質に構成されているので、絶縁体は、絶縁体の亀裂が回避される程度の弾性を有している。有害なガスがヒータの絶縁体内に侵入することを回避するために、シールフレームは絶縁体に比べて低い空隙率を有しており、有利には気密である。有利には、シールフレームはセンサエレメントの外面にまで達する。

シールフレームは主成分として、酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムを含有している。シールフレームの焼結挙動を絶縁体層に適合させるために、シールフレームは添加剤として、０．１質量パーセント〜１．０質量パーセント、有利には０．５質量パーセントの酸化ケイ素を含有している。

図面
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。図１は、図２に示した線Ｉ−Ｉに沿った、本発明によるセンサエレメントの第１の実施例の横断面図であり、図２は、図１および図３に示した線ＩＩ−ＩＩに沿った、第１の実施例の縦断面図であり、図３は、図２に示した線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、第１の実施例の横断面図であり、図４は、本発明によるセンサエレメントの第２の実施例の縦断面図である。ただし、図３は、図４に示した線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、第２の実施例の横断面図でもある。図５は、本発明によるセンサエレメントの第３の実施例の供給線路領域の横断面図である。

実施例の説明
図１、図２および図３には、本発明によるセンサエレメント１０の第１の実施例が示されている。センサエレメント１０は層状に構成されており、第１の固体電解質層２１、第２の固体電解質層２２および第３の固体電解質層２３を有している。センサエレメント１０は当業者にとって公知の形式でガス測定フィーラに組み込まれている。

第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間に、絶縁体４３を備えたヒータ導体路４１が設けられている。絶縁体４３は酸化アルミニウムから成る多孔質の層であり、ヒータ導体路４１を完全に包囲する。ヒータ導体路４１の絶縁体４３は側方から、つまりヒータ導体路４１の層平面内で、気密なシールフレーム４４により包囲されている。シールフレーム４４はセンサエレメント１０の外面にまで延在している。

シールフレーム４４は主として酸化ジルコニウムから成る。酸化ジルコニウムは、２．５質量パーセント〜３．５質量パーセントの範囲にある酸化イットリウムの成分により安定化されており、かつ添加剤として０．１質量パーセント〜１．０質量パーセントの範囲にある酸化ケイ素を含有している。さらに、シールフレーム４４には、周囲のエレメントに焼結挙動を適合させるために、酸化アルミニウム、有利には０．１μｍ以下の平均粒径を有する酸化アルミニウムならびに融剤としてバリウムまたはフッ素が添加されている。

第２の固体電解質層２２内に、基準ガス室３５が設けられている。基準ガス室３５は基準ガスを含有する。基準ガス室３５内で、第３の固体電解質層２３に、第１の電極３１が被着されている。第３の固体電解質層２３の、第１の電極３１に対向して位置する面、ひいてはセンサエレメント１０の外面に、第２の電極３２が設けられている。第２の電極３２は排出ガスに曝されており、図示されていない多孔質の保護層により覆われている。第１の電極３１および第２の電極３２は、両電極３１，３２間に配置された固体電解質２３と相俟って、電気化学的なセルを形成する。基準ガス室３５内の第１の電極３１と、排出ガス内の第２の電極３２とでは、異なる酸素分圧が提示されるので、両電極３１，３２間で電圧が形成される。この電圧は排出ガス内の酸素分圧に関する指標である（ネルンストセル）。電気化学的なセル３１，３２，２３はセンサエレメント１０の測定領域１５、つまりセンサエレメント１０の、排出ガス側の端部区分に配置されている。

ヒータ導体路４１は、ヒータ４１ａとして形成された区分を有している。ヒータ導体路４１の、その他の区分は２つの供給線路４１ｂにより形成される。ヒータ４１ａはセンサエレメント１０の測定領域１５内に設けられており、電気化学的なセルを加熱するために役立つ。ヒータ４１ａは両供給線路４１ｂによりコンタクト面（図示せず）に電気的に接続されている。コンタクト面は、センサエレメント１０の、測定領域１０とは反対側の端部区分でセンサエレメント１０の外面に設けられている。やはり、両電極３１，３２のために、その都度１つの、コンタクト面に通じる供給線路３１０，３２０が設けられている。センサエレメント１０の、ヒータ４１ａの供給線路４１ｂおよび電極３１，３２の供給線路３１０，３２０を有する領域はセンサエレメント１０の供給線路領域１６と呼ばれる。供給線路領域１６の長手方向長さ（センサエレメント１０の長手方向軸線に沿った長さ）は測定領域１５の長手方向長さのほぼ２倍から３倍である。

自体公知のコンタクト形成装置により、コンタクト面は導体エレメントに電気的にコンタクト形成されている。導体エレメントを介して、電気的なエレメント（電極３１，３２およびヒータ４１ａ）は、ガス測定フィーラの外部に配置された評価電子機器に接続されている。

センサエレメント１０は縦６ｃｍ、横４ｍｍ、高さ１．１ｍｍの長さを有している。シールフレーム４４の、絶縁体４３を両側で包囲していて、センサエレメント１０の外面にまで延在する両区分の幅は合わせて１．４ｍｍである。絶縁体４３の、センサエレメント１０の外面からの間隔、ひいてはシールフレーム４４の一区分の幅は、センサエレメント１０が対称的にカットされていれば、その都度０．７ｍｍである。これにより、シールフレーム４４の幅は合わせて、センサエレメント１０の幅の３５パーセントである。シールフレーム４４の幅は、第１の実施例では、センサエレメント１０の長手方向軸線に沿って、つまり測定領域１５（図１）および供給線路領域１６（図３）において一定である。

図４には、本発明によるセンサエレメント１０の第２の実施例が示されている。第２の実施例のセンサエレメント１０は第１の実施例とは、測定領域１５におけるシールフレーム４４が供給線路領域１６におけるシールフレーム４４ｂよりも小さな幅を有している点で区別される。これにより、第２の実施例では、測定領域１５における絶縁体４３ａの幅が供給線路領域１６における絶縁体４３ｂの幅よりも広い。互いに相応のエレメントには、第２の実施例でも、第１の実施例と同じ符号を付与した。

測定領域１５におけるシールフレーム４４ａの幅は第２の実施例では合わせて０．８ｍｍであり、供給線路領域１６におけるシールフレーム４４ｂの幅は第１の実施例と同様に合わせて１．４ｍｍである。第１の実施例におけるシールフレーム４４の幅と、第２の実施例の供給線路領域１６におけるシールフレーム４４ｂの幅とに違いがないことから、図３は、センサエレメント１０の第１および第２の実施例の供給線路領域１６の横断面を表している。

図５には、本発明によるセンサエレメント１０の第３の実施例が示されている。互いに相応のエレメントには、第３の実施例においても、第１および第２の実施例と同じ符号を付与した。第３の実施例によるセンサエレメント１０の場合、ヒータ供給線路４１ｂは、重なり合って位置している層平面内に配置されており、印刷された絶縁体層により隔離されている。これにより、供給線路領域１６における絶縁体４３ｂは、先の両実施例に比べてさらに狭幅に構成されることができる。供給線路領域１６における絶縁体４３ｂの幅は１．８ｍｍである。相応に、供給線路領域１６でのシールフレーム４４ｂは合わせて２．２ｍｍの幅、つまりセンサエレメント１０全体の幅の５５パーセントの幅を有している。シールフレーム４４は第２の実施例では測定領域１５において、供給線路領域１６よりも狭幅に構成されている。

本発明は、実施例に記載されたセンサタイプに限定されるものではなく、シールフレームにより包囲された、絶縁体を備えたヒータ導体路を有するその他のセンサタイプに転用される。特に、本発明は広帯域ラムダセンサや、ＮＯ_Ｘ、ＨＣ、ＣＯまたは内燃機関の排出ガスの別のガス成分を検出するためのセンサに転用される。

図２に示した線Ｉ−Ｉに沿った、本発明によるセンサエレメントの第１の実施例の横断面図である 図１および図３に示した線ＩＩ−ＩＩに沿った、第１の実施例の縦断面図である。

図２に示した線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、第１の実施例の横断面図であると共に、図４に示した線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、第２の実施例の横断面図でもある。

本発明によるセンサエレメントの第２の実施例の縦断面図である。

本発明によるセンサエレメントの第３の実施例の供給線路領域の横断面図である。

Claims (11)

1. 層状に構成されたセンサエレメント（１０）、特に測定ガスの物理量を検出する、有利には測定ガスの温度または測定ガスのガス成分の濃度を検出するためのセンサエレメントであって、センサエレメント（１０）の層平面内に配置されたヒータ導体路（４１）が設けられており、該ヒータ導体路（４１）がヒータ（４１ａ）およびヒータ供給線路（４１ｂ）を有していて、かつ絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）内に埋設されており、該絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）がヒータ導体路（４１）の層平面内で少なくとも部分的にシールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）により包囲されている形式のものにおいて、シールフレーム（４４，４４ｂ）の、センサエレメント（１０）の層平面に対して平行かつセンサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な方向での長さが、少なくとも部分的に、センサエレメント（１０）の、この方向での長さの少なくとも２５パーセントにあることを特徴とするセンサエレメント。
2. シールフレーム（４４，４４ｂ）の、センサエレメント（１０）の層平面に対して平行かつセンサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な方向での長さが、センサエレメント（１０）の、この方向での長さの３０パーセント〜８０パーセントの範囲にある、請求項１記載のセンサエレメント。
3. シールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）が固体電解質、有利には酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムを有している、請求項１または２記載のセンサエレメント。
4. シールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）、絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）およびヒータ導体路（４１）が、第１の固体電解質シート（２１）と第２の固体電解質シート（２２）との間に配置されており、かつシールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）が絶縁体（４３，４３ａ，４３ｂ）を包囲し、かつセンサエレメント（１０）の外面にまで達する、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
5. ヒータ導体路（４１）がセンサエレメント（１０）の測定領域（１５）にヒータ（４１ａ）を有しており、かつセンサエレメント（１０）の供給線路領域（１６）に、ヒータ（４１ａ）に通じるヒータ供給線路（４１ｂ）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
6. シールフレーム（４４，４４ｂ）の、センサエレメント（１０）の層平面に対して平行かつセンサエレメント（１０）の長手方向軸線に対して垂直な方向での長さが供給線路領域（１６）で、センサエレメント（１０）の、この方向での長さの、少なくとも２５パーセント、有利には３０パーセント〜８０パーセントにある、請求項５記載のセンサエレメント。
7. 供給線路（４１ｂ）が、センサエレメント（１０）の、種々異なる層平面内に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
8. 絶縁体（４３）がシールフレーム（４４）に比べて高い空隙成分を有しているかつ／またはシールフレーム（４４）が気密である、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
9. シールフレーム（４４）の層厚さおよび絶縁体（４３）を伴うヒータ導体路（４１）の層厚さが５２μｍ〜７４μｍの範囲、特に６０μｍにある、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
10. センサエレメント（１０）が、少なくとも１つの電気化学的なセルを有しており、該電気化学的なセルが、第１の電極（３１）、第２の電極（３２）ならびに第１の電極（３１）と第２の電極（３２）との間に配置された固体電解質（２３）を有しており、センサエレメント（１０）内に、基準ガス室（３５）が設けられており、該基準ガス室（３５）が基準ガスを含有しており、かつ基準ガス室（３５）内に、第１の電極（３１）が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
11. シールフレーム（４４，４４ａ，４４ｂ）が添加剤として、０．１質量パーセント〜１．０質量パーセント、有利には０．５質量パーセントの酸化ケイ素を含有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサエレメント。

Images