JP2007101545A - 測定ガスパラメータを測定するためのセンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】測定ガスの物理的なパラメータを測定するための、固体電解質を有するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するための少なくとも１つの電気伝導性の加熱素子とが設けられているセンサユニットを改良して、背景技術に比してより良く、特に経済的により安価に製作することができるようにする。
【解決手段】加熱素子（２）が少なくとも部分的にインジウム−スズ−酸化物から成るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定ガスの物理的なパラメータ、特に内燃機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための、固体電解質を有するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するための少なくとも１つの電気伝導性の加熱素子とが設けられているセンサユニットに関する。さらに本発明は、測定ガスの物理的なパラメータ、特に内燃機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための、固体電解質を有するセンサ素子が設けられているセンサユニットの加熱素子を製作する方法に関する。

これまでラムダセンサのような排ガスセンサでは、大抵の場合プレーナ形のセンサ素子がセラミック多層構造として構成されてきた。このために有利には、二酸化ジルコニウムがセラミック材料もしくは電解質として使用される。

センサ素子の内部に配置されたヒータを用いて、測定セルを含めたセンサ素子もしくは電解質は約６００〜９００℃の運転温度に加熱される。電気伝導性の蛇行加熱部（Ｈｅｉｚｍａｅａｎｄｅｒ）は金属、例えば白金から成る。ただしここでの欠点は、センサ素子の相応の層もしくは基板への蛇行加熱部の被着が、比較的手間のかかるもしくは高価な方法により実現されねばならない点にある。さらに、ヒータのための材料としての白金も比較的高価である。

それに対して本発明の課題は、測定ガスの物理的なパラメータを測定するための、固体電解質を有するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するための少なくとも１つの電気伝導性の加熱素子とが設けられているセンサユニットを改良して、背景技術に比してより良く、特に経済的により安価に製作することができるようにすることである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、加熱素子が少なくとも部分的にインジウム−スズ−酸化物から成るようにした。さらに上記課題を解決した本発明の方法によれば、少なくとも１回のスクリーン印刷方法ステップを行うようにした。従属請求項に挙げた手段により本発明の有利な構成および改変が可能である。

本発明によるセンサユニットは、加熱素子が少なくとも部分的にインジウム−スズ−酸化物から成ることにより特徴付けられている。一方でインジウム−スズ−酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｚｉｎｎ−Ｏｘｉｄ：ＩＴＯ）は材料として、背景技術による白金に比べて明らかに安価である。他方でヒータのためのより安価な製作方法が使用されることができる。その結果、相応のセンサユニットの製作時に経済的な手間は明らかに減じられることができる。

さらに、セラミックＩＴＯは、白金に比して明らかに高められた比電気抵抗を有している。その結果、特に乗用車またはこれに類するもののような車両の、目下議論され、おそらく将来的に４２Ｖの電源電圧を有する搭載電源網において、ヒータの加熱抵抗は約３０Ω〜４０Ωに、背景技術に比して大きな手間なしに高められることができる。

さらに、ＩＴＯは既に酸化した化合物であり、それにより酸化被膜形成を阻止するための付加的な手段を必要としない点で有利である。このことは例えば、センサ素子の製作時の、構造的な、ひいては経済的な手間を減じる。

加えて、ＩＴＯは約８．５×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を有している。この熱膨張係数は二酸化ジルコニウム（１０×１０^−６／Ｋ）またはＡｌ_２Ｏ_３（８×１０^−６／Ｋ）に近い。これにより、蛇行加熱部もしくはヒータが相応の材料もしくはセラミック内に埋設されている運転中に発生する熱応力は比較的僅かである。

有利には、加熱素子が少なくとも部分的に、インジウム−スズ−酸化物と酸化アルミニウムとを有する混合物から成る。この場合、有利には一方で加熱素子の比電気抵抗が例えばインジウム−スズ−酸化物もしくは酸化アルミニウムの割合の変更により実施されることができる。他方でこれにより、周囲の材料に対する加熱素子の熱膨張係数におけるさらなる改善が達成可能である。

本発明の特に有利な構成では、加熱素子がセンサ素子のコーティングとしてかつ／またはセンサ素子の層として形成されている。センサ素子、特にセンサ素子の層のコーティングは特に簡単に製作されることができる。ラムダセンサまたはこれに類するもののための相応のセンサ素子は既に長い間、種々異なる層により製作されてきた。その結果、本発明によるヒータもしくは本発明による加熱素子は極めて良好に、既に一般的な製作方法で設けられることができる。これにより付加的に、本発明の、経済的に安価な製作が改善される。

有利には加熱素子の層厚さが実質的に５〜５０μｍである。加熱素子のこのような層厚さは特に有利であることが判っている。例えばこのような層厚さは特に簡単に製作されることができる。

有利にはコーティングがスクリーン印刷法により被着可能である。この製作法は付加的に本発明の経済的な観点を改善する。例えばスクリーン印刷法は特に良好に、ラムダセンサまたはこれに類するものの相応のセンサ素子の、既に一般的な製作経過で行われる。

さらに、スクリーン印刷可能なペーストはインジウム−スズ−酸化物からもしくはインジウム−スズ−酸化物と酸化アルミニウムとから成る混合物から製作されることができる。これらのペーストはスクリーン印刷法でセンサ素子の１つの層上に被着されることができる。その後、例えば乾燥ステップと引き続いての焼結ステップとが加熱炉またはこれに類するものの中で行われることができる。

本発明の別の有利な構成では、電気抵抗が少なくとも加熱素子の幅により調節可能である。この手段を用いて、特にエレガントな形で、例えば４２Ｖの電源電圧を有する将来的な搭載電源網において有利な、例えば約３０〜４０オームの加熱抵抗の適合が実現されることができる。

例えば層厚さは使用される製作方法、例えばスクリーン印刷法により比較的正確に決定されることができる。加熱素子の幅、とりわけ加熱素子の加熱領域における幅の変更により、抵抗は特に有利には調節可能である。

本発明の一実施例を図面に示し、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１にはセンサ素子１が示されている。センサ素子１はヒータ２により所望の運転温度に加熱可能である。

見通しだけの理由から、センサ素子１は、概略的に示したただ２つの層３，４に分解されている。その際、ヒータ２は下側の層４上にコーティングとして被着されている。最近のセンサ素子１は部分的に数ダースの方法ステップで多数の種々異なる層を備えて実現される。

図２には概略的にセンサ素子１の細部が拡大されて示されている。その際、ヒータ２が層４上に製作時にコーティングとして被着されていることは明らかである。後にヒータ２は次の層により有利には埋入される。

ヒータ２は加熱領域５で幅Ｂおよび高さＨを有している。高さＨは主にコーティング法により調節される。ヒータ２の幅Ｂは有利には、企図される電気抵抗に適合されねばならない。

図面には見通しだけの理由から電気絶縁性の層内でのヒータ２の埋設が示されていない。さらに、測定セルに相当する単数または複数のラムダセンサもしくはセンサ素子１の図示は省略した。

ヒータ２を用いた所望の電気抵抗の調節のために、約０．０１〜０．１ｍｍ^２のオーダの線路横断面が特に有利である。この範囲はスクリーン印刷法によりまさに大量の個数でも経済的に安価に製作されることができる。それにより、高められたシート抵抗を有する機械的かつ熱的に安定な加熱素子２の製作が有利には実現可能である。このことはまさに、乗用車またはこれに類するもののような車両の、将来的に予測され得る４２Ｖの電源電圧を有する搭載電源網において特に有利である。この場合、ヒータ２の加熱抵抗は約３０Ω〜４０Ωに高められるべきである。

一般に、ヒータ２を、例えば約０．２７μｍの平均粒径と約９．１ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積とを有するＩＴＯ粉末を素に、スクリーン印刷ペーストとして実現することは有利である。ＩＴＯ粉末はまず有利には有機媒体内で超音波により細かく分配される。このために特に適しているのは例えばテルピネオールである。それというのもテルピネオールは比較的低い蒸気圧を有しており、それにより溶媒の蒸発による組成の変化が発生しないからである。良好な分散を達成するために、界面活性剤を添加することは特に有利である。引き続いて、レオロジー特性がエチルセルロース溶液の添加により、特に良好に処理可能なスクリーン印刷ペーストが得られるように有利には調節される。均質化のために例えばスリーローラ機構（Ｄｒｅｉｗａｌｚｗｅｒｋ）が使用される。

ペーストは自動式または半自動式のスクリーン印刷機により、例えば複数の基板から成るパネル（Ｍｅｈｒｆａｃｈｎｕｔｚｅｎ）内で酸化アルミニウム基板（９９．６％Ａｌ_２Ｏ_３）またはこれに類するもの上に印刷される。約８０℃で約１０分間の乾燥後、スクリーン印刷層は約１３５０℃で３００分間チャンバ炉またはこれに類するものの中で空気中で焼結される。加熱素子もしくはセンサ素子１の個別化は例えばレーザまたはこれに類するものにより実施される。

例えばヒータ２は加熱領域５で約１ｍｍの幅を有している。加熱領域の外側でかつ／またはコンタクト領域内で、ヒータ２は例えば約３ｍｍの幅を有している。焼結後の導体路の厚さは例えば約１５μｍである。

本発明によるヒータを備えたセンサ素子の構造を示す概略図である。 ヒータを備えたセンサ素子の層の細部の概略図である。

符号の説明

１ センサ素子
２ ヒータ
３ 層
４ 層
５ 加熱領域
Ｂ 幅
Ｈ 高さ

Claims (6)

1. 測定ガスの物理的なパラメータ、特に内燃機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための、固体電解質を有するセンサ素子（１）と、該センサ素子（１）を加熱するための少なくとも１つの電気伝導性の加熱素子（２）とが設けられているセンサユニットにおいて、加熱素子（２）が少なくとも部分的にインジウム−スズ−酸化物から成ることを特徴とする、測定ガスパラメータを測定するためのセンサユニット。
2. 加熱素子（２）が少なくとも部分的に、インジウム−スズ−酸化物とセラミック材料（酸化アルミニウム、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｉＯ_２）とを有する混合物から成る、請求項１記載のセンサユニット。
3. 加熱素子（２）がセンサ素子（１，４）のコーティングとして形成されている、請求項１または２記載のセンサユニット。
4. 加熱素子（２）の層厚さ（Ｈ）が実質的に１〜５０マイクロメートルである、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサユニット。
5. 電気抵抗が少なくとも加熱素子（２）の幅（Ｂ）により調節可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサユニット。
6. 測定ガスの物理的なパラメータ、特に内燃機関の排ガス中の酸素含有量を測定するための、固体電解質を有するセンサ素子（１）が設けられているセンサユニットの加熱素子（２）を製作する方法において、少なくとも１回のスクリーン印刷方法ステップを行うことを特徴とする、センサユニットの加熱素子を製作する方法。

Images