JP2006162618A

JP2006162618A - ガス測定センサのためのセンサエレメントを製造する方法

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Publication number: JP2006162618A
Application number: JP2005348260A
Authority: JP
Inventors: Hans-Joerg Renz; ハンス−イェルク　レンツ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2006-06-22
Also published as: US20060159315A1; DE102004058802A1

Abstract

【課題】測定ガスの物理的特性、特に測定ガスの温度又はガス混合物内のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサのためのセンサエレメントを製造するための方法であって、該センサエレメントが、中空の指形の固体電解質体（１１）と、該固体電解質体（１１）の外側に位置する測定電極（１２）と、固体電解質体（１１）の内側に位置する基準電極（１３）と、電極（１２，１３）からコンタクト面（１５，１７）に通じる導体路（１４，１６）とを有している形式の方法において、簡単に製造できるものを提供する。
【解決手段】深絞り可能なセラミックから成る平坦な担体（２１）が、互いに離反した担体面（２１１，２１２）に電気伝導性の材料より成る層（２２，２３）をそれぞれ規定された幾何学形状で印刷し、印刷された担体（２１）を指形に深絞りするようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定ガスの物理的特性、特に測定ガスの温度、又は混合ガス、例えば内燃機関の排ガス中のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサのためのセンサエレメントを製造する方法であって、該センサエレメントが、中空の指形の固体電解質体と、該固体電解質体の外側に位置する測定電極と、固体電解質体の内側に位置する基準電極と、電極からコンタクト面に通じる導体路とを有している形式の方法に関する。

内燃機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための公知の電気化学式の酸素測定センサ（ドイツ連邦共和国特許公開第４２３２０９２号明細書）では、指形のセンサエレメントがセンサハウジング内に固定されており、電極を有する区分によりハウジングから外側へ突出している。機械的な損傷に対して保護するためには、センサエレメントのこの突出区分に、複数のガス流入孔を有する保護キャップが被せられ、この保護キャップはセンサハウジングに固定されている。このセンサハウジングには六角部及び雄ねじ山区分が設けられており、組付け場所で、排ガスを案内する管の開口内へ挿入された接続ピース内へねじ込まれる。この場合に前記保護キャップは管の開口を貫通して排ガス流内へ突入する。

このセンサエレメントは一般に次の形式で製造される、すなわち、酸素イオンを伝導するセラミック材料、有利に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あらかじめ成形された指形の固体電解質体に電極、導体路、コンタクト面が「タンポン印刷法」で塗布される。セラミック体の外側に位置する測定電極と、この測定電極の導体路には多孔性の材料からなる層が焼結される。このように形成され、製造されたセンサエレメントは一般に加熱装置なしの、又は加熱装置を有するλ＝１-センサ又はλ＝１で電圧の急激な変化を示すタイプのセンサの形で使用される。加熱装置を有するこのタイプのセンサの場合には指形のセラミック体の中空室内にピン状ヒータが挿入され、通電される。

同様に公知の、ガスセンサのためのセンサエレメント（ドイツ連邦共和国特許公開第１９９４１０５１号明細書）が、平面的な、積層された固体電解質体を有している。互いに上下に位置する複数のセラミック層には、測定及び基準電極、並びに対応した導体路を有する内側及び外側のポンピング電極、及び平坦な個体電解質体の表面に設けられたコンタクト面が印刷されている。付加的に、２つのセラミック層の間には電気的なヒータのためのもう１つの電気的な抵抗路が挿入され、このヒータは、有利には酸化アルミニウムから成る電気的な絶縁部に埋め込まれている。個々のセラミック層は、有利に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「グリーンシート」の形で、電極材料、有利には白金、並びに電気的な抵抗路及び絶縁部を印刷されており、シート結合剤により貼り合わされ、次いで焼結される。平面的なセンサエレメントは、この場合にもセンサハウジング内に挿入され、電極を有する区分によりセンサハウジングから外側へ突出しており、そこで前記センサエレメントは機械的な損傷から保護するための保護スリーブにより取り囲まれている。このようなセンサエレメントは、有利にはリーンセンサ又は広帯域-ラムダセンサのために使用される。
ドイツ連邦共和国特許公開第４２３２０９２号明細書ドイツ連邦共和国特許公開第１９９４１０５１号明細書

そこで本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス測定センサのためのセンサエレメントにおいて、簡単に製造できるものを提供することである。

この課題を解決した本発明の手段によれば、深絞り可能なセラミックから成る平坦な担体が、互いに離反した担体面に、それぞれ電気伝導性の材料より成る層が規定された幾何学形状で印刷され、印刷された担体が指形に深絞りされる。

請求項１の特徴部に記載の、ガス測定センサ又はガスセンサのためのセンサエレメントを製造するための本発明による方法は次のような利点を有している、すなわち、平面的なセンサエレメントに対して機械的な利点を有するセンサエレメントの望ましい指形にもかかわらず、平面的なセンサエレメントを製造する場合に使用されるように、簡単な積層及び印刷技術を使用することができるという利点を有している。固体電解質体をモノリス又は複数のフィルムから成る積層の形で製造することができ、これにより、指形でλ＝１で急激に電圧の変化を示すタイプのセンサを実施することができるのみならず、リーンセンサ、広帯域-ラムダセンサ、酸化窒素センサ、温度測定器又はこれに類するものに指形のセンサエレメントを設けることもできる。指形の個体電解質体の丸みをつけられた形状に基づき、平面的なセンサエレメントの場合には温度勾配に基づいたエッジ領域の問題を阻止するために行われる必要のある、手間のかかるエッジ研磨は不要である。指形のセンサエレメントは、平面的なセンサエレメントとは異なり、ねじれ及び湾曲に対して耐性がある。

さらなる請求項に記載の手段により、請求項１に記載の方法の有利な発展形及び改良形が可能である。

本発明の有利な構成によれば、深絞りは加熱された深絞り型内で実施され、この場合に、印刷された平坦なセラミック担体が真空により深絞り型内へ引き込まれる。択一的には、セラミック体は、深絞り型に向いていない方の、セラミック担体の表面に載置された深絞りプランジャにより深絞りすることもできる。

本発明による方法により製造されるセンサエレメントが、請求項９に記載されている。

次に本発明によるガスセンサのためのセンサエレメントの実施の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には斜視図で示し、図２には長手方向断面図で示した、ガス測定センサのためのセンサエレメントが、内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するための「λ＝１-センサ」又はλ＝１で急激な電圧の変化を示すセンサ（Ｓｐｒｕｎｇｓｏｎｄｅ）のために設計されている。このセンサエレメントは、イットリウム安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から成る、中空の指形の固体電解質体１１と、排ガスにさらされる測定電極１２と、基準ガス、有利には空気にさらされる基準電極１３とを有している。測定電極１２は、固体電解質体１１の外側の、下側の固体電解質体区分に配置されており、導体路１４を介して、上側の固体電解体区分に配置されたコンタクト面１５に接続されている。同様に基準電極１３は、固体電解質体１１の下側の固体電解質体区分の、中空室を取り囲む表面に配置されており、固体電解質体１１の丸みをつけられた底部領域をも覆っている。基準電極１３は、導体路１６を介して、上側の固体電解質体区分に配置されたコンタクト面１７に接続されている。対応配置された導体路１４，１６を有する測定電極１２，１３及びコンタクト面１５，１７は、電気伝導性の材料、有利には白金又は白金-サーメットから成っている。コンタクト面１５，１７は、測定及び基準電極１２，１３を評価電子機構に接続するために働く。測定電極１２、及び固体電解質体１１の外側に対応配置された導体路１４は、セラミック材料、有利には酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る多孔性の保護層１８により覆われている。図１によるセンサエレメントの斜視図では、測定電極１２、導体路１４及びコンタクト面１５の配置を明確にするために多孔性の保護層１８は省略されている。このように構成されたセンサエレメントは、ドイツ連邦共和国特許公開第４２３２０９２号明細書に記載されているように、センサハウジング（ここには図示していない）内に収容され、この場合に測定及び基準電極１２，１３を有する下側の固体電解質体区分がハウジングから突出しており、保護キャップにより覆われており、この保護キャップ内に設けられたガス貫通孔を介して通過するガスにさられている。

図１及び図２に示されたセンサエレメント１１は次のように製造される。

深絞り可能なセラミックから成る、有利に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ペーストから成る平坦若しくは平面的な担体が、互いに離反した担体面２１１，２１２に、それぞれ電気伝導性の材料、有利には白金又は白金-サーメットより成る層２２若しくは２３を、規定された幾何学形状で印刷されている（図３）。この場合に幾何学形状は次のように規定されている、すなわち、印刷された平面的な担体２１の引き続く深絞りにより、電気伝導性の材料がそれぞれの担体面２１１若しくは２１２を、図１及び図２に示したように電極１２若しくは１３、導体路１４若しくは１６及びコンタクト面１５若しくは１７の望ましいレイアウトで覆うように規定されている。例えば測定電極１２は、固体電解質体１１の外面に設けられたリングの形で形成されているので、それ故、図３に示した、電気伝導性の材料から成る下側の層２３は円形リング状の切欠き２３１を有していなければならない。測定電極１２，導体路１４及びコンタクト面１５を、図１及び図２に見られる構成（レイアウト）で獲得するために下側の担体面２１２に印刷された層２３が図４では斜視図で示されている。深絞り後には、層の円形リング状の部分は測定電極１２を形成し、ほぼ対角に走る長く延びた区分は導体路１４を形成し、この長く延びた区分の端部に設けられた広げられた端部区分は、担体２１により形成される固体電解質体１１に設けられる後のコンタクト面１５を形成する。電気伝導性の材料から成る下側の層２３には、さらに多孔性の材料から成る層２４が印刷され、この場合、有利にはこの材料は、微細孔形成材、例えば焼結プロセスで燃焼するカーボン微粉を有する酸化アルミニウムから成っている。

このように印刷された平面的な担体２１が、図６に部分的に長手方向断面図で示した深絞り型２５内に挿入される。この深絞り型２５は深絞り通路２６を有しており、この深絞り通路２６は、指形のセンサエレメントの形状を規定する。平面的な担体２１を挿入する場合には多孔性の層２４が深絞り通路２６の開口に向けられており、平面的な担体２１は次のように整列されて深絞り型２５内に挿入されている、すなわち、層２３内の切欠き２３１が深絞り通路２６に対して同軸的に位置しているように整列されて挿入されている。いまや深絞り通路２６の、セラミック担体２１に向いていない方の端部には真空（矢印２７）が形成され、これにより、図６に波線で示したように、印刷された担体２１は深絞り通路２６内へ引き込まれる。深絞り工程の終了時には、印刷された担体２１は図１に示した形状を有している。択一的には、図６に波線で示したように、印刷された平面的な担体２１は深絞りプランジャ２８によって深絞り通路２６内へ押し込むこともできる。次いで、深絞りされた、印刷された担体２１は焼結プロセスを受ける。

コールドスタート時にセンサエレメントができるだけ即座に運転温度に達するように、センサエレメントは組み込まれた電気的なヒータを備えていてよい。このためには、担体２１は積層されて構成され、複数のセラミック層又はグリーンシートから、図５の実施例ではセラミック層３１及び３２から構成される。セラミック層３１，３２の間には、酸化アルミニウムから成る２つの絶縁層３３，３４の間に埋め込まれた抵抗路が配置されている。このためには、絶縁層３３，３４が、セラミック層３１，３２の互いに向かい合った側に印刷されており、一方の絶縁層３３には電気伝導性の材料から成る層３５が、次のような幾何学形状で印刷される、すなわち、層３５が深絞り後に望ましい抵抗路の形状をとるように印刷される。このように印刷された両方のセラミック層３１，３２はシート結合剤により絶縁層３３，３４を介してセラミック担体２１の形に構成され、このセラミック担体２１は外側に、上に述べた形式で層２２，２３及び２４を印刷され、次いで深絞りされ、焼結される。

本発明による方法は同じく有利な形式で、リーンセンサ、又はポンピング電極を有する広帯域-ラムダセンサ、又は内燃機関の排ガス中の酸化窒素の濃度を測定するためのガス測定センサに用いられる酸化窒素センサ、又は排ガスのための温度センサに用いられるセンサエレメントの形で使用される、指形のセンサエレメントを製造するためにも使用することができる。

センサエレメントの斜視図である。図１のセンサエレメントの長手方向断面図である。図１及び図２のセンサエレメントを製造するための印刷された平面的な担体の部分横断面図である。多孔性の材料より成る層を取り除いた担体を図３の矢印ＩＶ方向に下方から見た斜視図である。変更された、印刷された平面的な担体の図３に等しい部分横断面図である。印刷された平面的な担体が挿入された深絞り型を概略的に示す長手方向断面図である。

符号の説明

１１個体電解質体、１２測定電極、１３基準電極、１４，１６導体路、１５、１７コンタクト面、１８保護層、２１担体、２２，２３，２４層、２５深絞り型、２６深絞り通路、２７矢印、２８深絞りプランジャ、３１，３２セラミック層、３３，３４絶縁層、３５層、２１１，２１２担体面、２３１切欠き

Claims

測定ガスの物理的特性、特に測定ガスの温度又はガス混合物内のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサのためのセンサエレメントを製造するための方法であって、該センサエレメントが、中空の指形の固体電解質体（１１）と、該固体電解質体（１１）の外側に位置する測定電極（１２）と、固体電解質体（１１）の内側に位置する基準電極（１３）と、電極（１２，１３）からコンタクト面（１５，１７）に通じる導体路（１４，１６）とを有している形式の方法において、深絞り可能なセラミックから成る平坦な担体（２１）の、互いに離反した担体面（２１１，２１２）に、それぞれ電気伝導性の材料より成る層（２２，２３）を規定された幾何学形状で印刷し、印刷された前記担体（２１）を指形に深絞りすることを特徴とする、ガス測定センサのためのセンサエレメントを製造する方法。
電気伝導性の材料から成る層（２２，２３）を幾何学的に次のように形成する、すなわち、深絞りにより、電気伝導性の材料が、それぞれの担体面（２１１，２１２）を、電極（１２若しくは１３）、導体路（１４若しくは１６）及びコンタクト面（１５若しくは１７）の望ましいレイアウトで覆うように形成する、請求項１記載の方法。
深絞り時に外側に位置する、電気伝導性の材料より成る層（２３）に、深絞り可能な多孔性の材料、有利には微小孔形成材と混合された酸化アルミニウムから成る層（２４）を印刷する、請求項１又は２記載の方法。
深絞り後に、印刷された担体（２１）に焼結プロセスを施す、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
平坦な担体（２１）を、少なくとも２つのセラミック層（３１，３２）、有利にはセラミックのグリーンシートから構成し、セラミック層（３１，３２）の、互いに向かい合った側にそれぞれ１つの絶縁層（３３，３４）を印刷し、いずれか一方の絶縁層（３３，３４）に、電気伝導性の材料より成る層（３５）を次のように印刷する、すなわち、深絞りにより、電気的な抵抗路が、望ましい形式でセラミック層（３１，３２）の間に生じるように印刷する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
深絞り可能なセラミックとして、イットリウム安定化された酸化ジルコニウムより成るペーストを使用する、請求項１から５までにいずれか１項記載の方法。
電気伝導性の材料として、白金又は白金-サーメットを使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
深絞りを、加熱された深絞り型（２５）内で実施する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
測定ガスの物理的特性、特に測定ガスの温度又はガス混合物内のガス成分の濃度を測定するためのガス測定センサのためのセンサエレメントであって、中空の指形の固体電解質体（１１）と、該固体電解質体（１１）の外側に位置する測定電極（１２）と、固体電解質体（１１）の内側に位置する基準電極（１３）と、電極（１２，１３）からコンタクト面（１５，１７）に通じる導体路（１４，１６）とが設けられている形式のものにおいて、内面及び外面に配置された、電極（１２若しくは１３）、導体路（１４若しくは１６）及びコンタクト面（１５若しくは１７）のレイアウトを有する固体電解質体（１１）が、互いに離反した担体面（２１１，２１２）に、規定された幾何学的な形状の電気伝導性の材料より成る層をそれぞれ印刷された平坦なセラミック体（２１）から成る深絞り部材であることを特徴とする、測定ガスセンサのためのセンサエレメント。