JP2013529366A - 既存の用途で校正せずに置き換えられる排気センサヒータ回路 - Google Patents

Abstract

プレーナ型デバイスは、プレーナ型デバイスのセラミック層相互間に配設され、そのセラミックと同時焼成された加熱回路を具備している。加熱回路の材料及び幾何形状は、温度の関数としての目標とする抵抗特性を与えるように調整されており、これにより、プレーナ型デバイスと同時焼成できない材料系を利用したヒータ回路用に設計されたエンジン管理システムにおいて、互換性が確保できている。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年６月４日に出願された米国仮特許出願第６１／３５１，３４８号に基づいて優先権を主張するものである。この出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。本出願は更に、２０１０年６月４日に出願された米国仮特許出願第６１／３５１，３９６号に基づく優先権主張も行っており、この出願の内容も、参照により本明細書に組み込まれている。

本開示は、同時焼成プレーナ型（換言すれば、平面型）酸素センサの加熱回路に関し、既存用途の酸素センサに置き換えて使用でき、車両の再校正が不要な加熱回路に関する。

現在のプレーナ型酸素センサは、センサ構造体を形成するのに、セラミックテープ及び適切な金属体を使用している。テープ（セラミック基板）は、金属体の他に、絶縁材料（アルミナ又はジルコニア）と、電解質（ジルコニア）とを含んでおり、機能的ネルンストセル排気センサを形成している。かかるプレーナ型デバイスは、多層同時焼成セラミック回路として形成される。この場合、構成要素は全て「グリーン」（未焼成）状態で組み立てられ、連続的構造を形成するように積層され、焼結後のセラミック本体が緻密化し、モノリシックな構造体に仕上がるように、適切な温度で同時焼成される。セラミック基板には高い焼結温度が必要とされるため（１４００〜１６００℃）、金属体は、ＰＧＭ（白金族金属）材料に限定される。排気酸素センサは、典型的には、同時焼成デバイスのヒータ回路に白金を使用している。白金は、約３８５０ｐｐｍ／ＫのＴＣＲ（抵抗温度係数）を有している。これは、Ｐｔヒータ回路に、非常に特異な電気的特性を与えている。

従来の酸素センサ技術は、円錐型（シンブル形状の）エレメントを、アルミナセラミックと同時焼成されたタングステン合金から成る別個の加熱エレメントと一緒に利用していた。ジルコニアとタングステンとは、同時焼成することができない。タングステンには高温で酸化する特性があるため、焼結には、必然的に還元雰囲気が必要となる。しかしながら、酸化物が還元されて金属の形態に変わるのを防止するために、ジルコニアには酸化雰囲気が必要であり、ジルコニアと同時焼成するのに、タングステンは好適な選択ではない。

円錐型排気センサは、正規の生産が行われなくなっているため、置き換えができるセンサの市場が出現してきている。システム制御が動作温度におけるヒータ抵抗に基づいているため、ＥＭＳ（エンジン管理システム）診断及び円錐型センサのヒータ制御が適切に機能するかどうかは、多くの用途においてヒータ回路のＴＣＲにかかっている。センサの性能がばらつかないように、多くの用途で、ヒータ電流測定を、均熱時間が８時間以上経過した後のコールドスタートの間に行っている。そのヒータ電流測定からヒータの抵抗を計算することができる。電流と供給電圧が分かっているからである（オームの法則）。高いヒータ抵抗又は低いヒータ抵抗に対し、所望のエレメント先端温度を維持するように、低温のヒータ抵抗に基づいてヒータのデューティサイクルが制御される。円錐型排気センサ用のヒータに使用されるタングステン合金のＴＣＲは、プレーナ型酸素センサによく使用される白金のＴＣＲよりも遥かに低く、このために、同時焼成プレーナ型センサを円錐型センサの電気的特性に十分に近づけて整合させ、ＥＭＳを再プログラムしないで直接置き換えられるようにすることが、困難となっている。

したがって、センサの分野では、円錐型排気酸素センサの特性を再現できる同時焼成プレーナ型排気酸素センサが必要とされている。

本明細書では、円錐型排気センサの特性に整合する、同時焼成プレーナ型排気センサ用のヒータ回路が開示される。本ヒータ回路の合金及び幾何形状はどちらも、目標の有効基本抵抗及び有効ＴＣＲを実現するように調整されている。本ヒータ回路は、円錐型センサで用いられるタングステン合金ヒータの基本抵抗及びＴＣＲに十分に整合しており、したがって、タングステン合金ヒータの特性に校正されたＥＭＳは、本同時焼成プレーナ型排気センサを使って、再校正なしに動作することができる。

前述の特徴及び他の特徴は、以下の図面及び詳細な説明によって例示される。
ここで、図面について説明する。なお、同様の構成要素には同様の番号を付している。

プレーナ型デバイスのヒータ回路の平面図である。 ヒータ回路上の温度プロファイルを示すプロットである。 ヒータ回路の等価電気回路である。

説明を始めるにあたり、特筆すべきは、本明細書では、「第１」、「第２」、及びそれに類する用語は、いかなる順序、数量、重要度も意味しておらず、あるエレメントと他のエレメントを区別するのに使用されていること、ならびに本明細書の「１の」及び「１つの」という用語は数量の限定を表すものではなく、引用した品目が少なくとも１つ存在することを表していることである。数量と一緒に使用される「約」という修飾語は、記載の数値を含むものであり、文脈によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量を測定することに関連した誤差の程度を含む）。本明細書では、「下端部」及び「上端部」という用語は、別段に記述しない限り、単に便宜上の表現に過ぎず、いかなる１つの位置又は空間的配向にも限定されないことに留意されたい。更に、本明細書に開示の範囲は全て包含的であり、組み合わせることができる（例えば、「最大約２５重量％（ｗｔ．％）、但し約５ｗｔ．％〜約２０ｗｔ．％が望ましく、約１０ｗｔ．％〜約１５ｗｔ．％がより望ましい」という範囲は、上記両端点及び上記範囲に属する全中間値、例えば「約５ｗｔ．％〜約２５ｗｔ．％、約５ｗｔ．％〜約１５ｗｔ．％」等を含んでいる）。最後に、別段に規定しない限り、本明細書で使用している技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者に通常理解されているものと同じ意味を有する。「（１又は複数）」という表記は、本明細書では、それが修飾している用語の単数及び複数の両方を含むものであり、それによって、１又は複数のその用語を含んでいる（例えば、金属（１又は複数）は、１又は複数の金属を含む）。

図１に、プレーナ型酸素検知エレメントに使用される例示のヒータ１０を示す。そのセンサはヒータ回路１２内に、基板１４上に配設された導電性材料を備えている。図１に示すヒータ回路１２は、第１のリード線２２の一端に接続された第１の接触パッド１６を具備している。リード線２２の他端は、蛇行パターン２０の一端につながっている。蛇行パターン２０の他端は、第２のリード線２４の第１の端部につながっている。第２のリード線２４の他端は、第２の接触パッド１８につながっている。第１の接触パッド１６、第１のリード線２２、蛇行パターン２０、第２のリード線２４、及び第２の接触パッド１８は、別個のエレメントである必要はなく、単一の連続エレメントの区分を指してもよいことは理解されるであろう。区分の第１の端部又は第２の端部についての言及は、電気的接続がなされている位置を指しているが、その位置は、区分上で、他方の位置の空間的に反対側にある位置に限定されないことも理解されるであろう。

ヒータ回路１２は、電力源を接触パッド１６及び１８に接続することによって動作させる。導電性材料は対応する電気抵抗を有しており、この抵抗は材料の抵抗率及びヒータ回路の幾何形状の関数であることは、理解されるであろう。ヒータ回路１２に電流が流れると、Ｐ＝Ｉ^２Ｒの関係に従い、抵抗加熱によってヒータ回路で電力が消費される。式中、Ｐは電力、Ｉは電流、Ｒは抵抗である。この電力消費は熱エネルギーになり、ヒータの温度及びヒータと熱的に連通する他のあらゆるエレメントの温度を上昇させる。ヒータ回路１２は、所望の温度分布が得られるように設計される。代表的実施形態では、電気化学電池に近接して、蛇行パターン２０が設置される。本例のヒータ回路１２は、蛇行パターン２０近傍で最大加熱が達成されるように設計されている。このようにして、ヒータを使って、排気酸素センサの電気化学電池を、電気化学電池が有用な出力電圧を生成するのに必要とする温度まで加熱することができる。

電流がヒータ回路１２の各増加（incremental）区分を流れる結果として熱が生成されること、また各増加区分がもたらす熱的効果の総和により基板領域全域にわたる全体的温度プロファイルがもたらされることは理解されるであろう。図２は、ヒータ回路１２の蛇行パターン２０が設置されている基板１４端部における例示の温度プロファイルを示すものであり、特定の雰囲気温度で図１に示すヒータ回路１２に特定レベルの電流を流すことによって得られる、温度を表している。図２において、５１０で示される線沿いに位置する点は、温度が５１０℃である基板１４上の部位を表している。同様に、図２の線５２０は５２０℃の温度を有する点を表し、図２の線５３０は５３０℃の温度を有する点を表し、線５４０は５４０℃の温度を有する点を表し、線５５０は５５０℃の温度を有する点を表し、線５７０ａ及び５７０ｂは５７０℃の温度を有する点を表し、線５８０ａ及び５８０ｂは５８０℃の点を表し、線５９０ａ及び５９０ｂは５９０℃の点を表している。ヒータ回路の実際の熱プロファイルは、多くの要因によって変わる。例として、雰囲気温度、ヒータ回路を形成するのに使用される材料、ヒータ回路に印加される電圧レベル、及びヒータ回路を画成する導体パターンの幾何形状が挙げられる。

導電性材料は、対応する抵抗率を有していることに加え、対応する抵抗温度係数（ＴＣＲ）も有している。材料のＴＣＲは、通常アルファ（α）と呼ばれており、温度Ｔにおける抵抗性エレメントの抵抗は、Ｒ（Ｔ）＝Ｒ_０（１＋α（Ｔ−Ｔ_０））で表すことができる。式中、Ｔは抵抗Ｒ（Ｔ）が測定される温度であり、Ｒ_０は基準温度Ｔ_０におけるその抵抗性エレメントの抵抗である。金属は、典型的には、正のＴＣＲを有している。これは、温度が上昇するのにともなって抵抗が増大することを意味する。前の世代の円錐型酸素センサに使用されるタングステン合金ヒータに置き換えて使用することができ、エンジン管理システムの再校正が不要なヒータ回路を提供するために、パラジウム−ロジウム合金であれば、互換性のあるＴＣＲが得られることを見出した。より詳細には、例示の実施形態において目標とする特性を達成するためには、約９５％のパラジウムと、約５％のロジウムを含む合金が適切であることを見出した。

図３は、図１のヒータ回路の等価電気回路図を簡略化して示している。図３において、ヒータ回路１２は、第１の接触パッド１６と第２の接触パッド１８との間に７個の抵抗性区分、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、ＲＤ、ＲＥ、ＲＦ、及びＲＧが電気的に直列に接続されているものとしてモデル化されている。７個の区分を選択したのは単に便宜的なものであり、限定するものと解すべきではないことに留意されたい。

接触パッド１６及び１８相互間に提示されている全体抵抗は、個々の抵抗の和である。図３に示す例では、

Ｒ全体＝ＲＡ＋ＲＢ＋ＲＣ＋ＲＤ＋ＲＥ＋ＲＦ＋ＲＧ

である。

全体抵抗を構成する各抵抗性区分は、対応するＴＣＲを有しており、且つ、図２に示すように、それ独自の対応する温度で動作していることに留意されたい。ＴＣＲは、各抵抗性区分に対し同じ値αを有するものと仮定すると、各区分の抵抗は、次のように定めることができる。

ＲＡ＝ＲＡ_０（１＋α（Ｔ_Ａ−Ｔ_０））
ＲＢ＝ＲＢ_０（１＋α（Ｔ_Ｂ−Ｔ_０））
ＲＣ＝ＲＣ_０（１＋α（Ｔ_Ｃ−Ｔ_０））
ＲＤ＝ＲＤ_０（１＋α（Ｔ_Ｄ−Ｔ_０））
ＲＥ＝ＲＥ_０（１＋α（Ｔ_Ｅ−Ｔ_０））
ＲＦ＝ＲＦ_０（１＋α（Ｔ_Ｆ−Ｔ_０））
ＲＧ＝ＲＧ_０（１＋α（Ｔ_Ｇ−Ｔ_０））

式中、ＲＡ_０は温度Ｔ_０におけるＲＡの抵抗であり、Ｔ_ＡはＲＡの温度であり、
ＲＢ_０は温度Ｔ_０におけるＲＢの抵抗であり、Ｔ_ＢはＲＢの温度であり、
ＲＣ_０は温度Ｔ_０におけるＲＣの抵抗であり、Ｔ_ＣはＲＣの温度であり、
ＲＤ_０は温度Ｔ_０におけるＲＤの抵抗であり、Ｔ_ＤはＲＤの温度であり、
ＲＥ_０は温度Ｔ_０におけるＲＥの抵抗であり、Ｔ_ＥはＲＥの温度であり、
ＲＦ_０は温度Ｔ_０におけるＲＦの抵抗であり、Ｔ_ＦはＲＦの温度であり、
ＲＧ_０は温度Ｔ_０におけるＲＧの抵抗であり、Ｔ_ＧはＲＧの温度である。

各抵抗性区分が属する位置の温度が分かれば（例えば、図２で例示したような温度プロファイルを知ることによって）、全体抵抗は、上掲の等式で提示した計算を行うことによって求めることができる。実際の分析では、図３の具体例に示す７個の区分よりも少ない抵抗性区分が関与する場合もあれば、多い抵抗性区分が関与する場合もあることは理解されるであろう。

当業者であれば分かるように、抵抗性エレメントの電気抵抗は、関係式Ｒ＝ρＬ／Ａで与えられる。式中、体積抵抗率ρは抵抗性材料の材料特性であり、Ｌはその抵抗性エレメントの、電流が流れる方向の長さであり、Ａはその抵抗性エレメントの、電流が流れる方向に垂直な断面積である。タングステン合金ヒータ回路への置き換えを可能にするヒータ回路特性を実現できるように、ヒータ回路を形成する各区分の抵抗は、各々が独自に別個の温度になっている各抵抗の合計が、接触パッド１６と接触パッド１８との間で測定したときに目標とする全体抵抗を生成するような形で、調整できることは理解されるであろう。抵抗区分の抵抗は、その長さを変えることによって、及び／又はその断面積を変えることによって変更することができる。断面積を変えることは、その抵抗性区分の厚さ及び／又は幅を変えることによって実現することができる。図１に示す本例の実施形態において、所望のヒータ回路特性を実現するために、リード線区分２２及びリード線区分２４の幅がそれぞれテーパ状になされており、蛇行区分２０付近の細い幅から接触パッド１６、１８付近の広い幅に広がっているのが分かるであろう。

熱に変換される電力がＰ＝Ｉ^２Ｒの関係で抵抗と関係しているため、所与の抵抗性区分の温度は、その区分の抵抗の影響を受けることになることも理解されるであろう。式中、Ｐは単位がワットの電力であり、Ｉは単位がアンペアの電流であり、Ｒは単位がオームの抵抗である。抵抗は温度によって変わり（ＴＣＲの作用のため）、温度は電力消費によって変わり（電気エネルギーが熱エネルギーに変わるため）、電力消費は抵抗によって変わる（電力、電流、及び抵抗相互間の関係のため）ことに留意されたい。したがって、所与のレベルのヒータ駆動電圧又は電流において接触パッド１６、１８相互間で測定したときに所望の全体抵抗を有するヒータ回路を作製するには、作業を繰り返す必要があるであろう。

エンジン管理システムは、ヒータ回路の適切な状態の診断を行うようにプログラムすることができる。診断は、ヒータ回路に所定の電圧を与えることと、ヒータ回路を流れる電流を測定してヒータ回路の抵抗を求めることとで構築することが可能である。ヒータ回路の抵抗は、一定値ではなく、ヒータ回路に含まれる抵抗性材料の温度によって変わることは理解されるであろう。エンジン管理システムは、特定のヒータ回路の特性に基づいて校正することができるが、その特性には、特定のヒータ回路材料及び特定のヒータ回路幾何形状が含まれている。エンジン管理システムは、ヒータ回路に所定の電圧を与えるとともに、その所定電圧の印加によって生じる電流が所定の限度に収まらない場合に、ヒータ回路障害を報知することができる。本発明は、プレーナ型センサのヒータ回路の組成（例えばパラジウムロジウム合金）及び幾何形状（例えば、基板上の位置の関数としての断面積）を調整することによって、特定のヒータ回路（例えば円錐型酸素センサのタングステンロッドヒータ）の電気的特性に合わせこみ、それによって、取り換えるだけの代用品としてエンジン管理システムに使用でき、エンジン管理システムの診断特性を再校正する必要がないヒータ回路を提供するものである。

代表的な諸実施形態に沿って本発明について説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の改造を行うことができ、且つこれら実施形態のエレメントの代わりに均等物を用いることができることは、当業者であれば分かるであろう。加えて、材料の特定の状況を本発明の教示に適合させるために、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、多くの改変を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために想到されたベストモードを含むものとして開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、添付した特許請求の範囲に属する実施形態を全て含むものであることが意図されている。

Claims (5)

1. 抵抗率及び抵抗温度係数を有する導電性材料を備えた、同時焼成プレーナ型センサのヒータ回路であって、前記導電性材料は、第１の接触パッドと第２の接触パッドとの間に連続的な導電性経路を形成するように平面基板上に配設され、
   前記導電性経路に電流が流されたときに、抵抗性加熱が前記導電性材料を温度上昇させ、
   前記導電性材料は、前記導電性材料の前記温度上昇が前記基板を温度上昇させるように前記基板に熱的に結合され、前記基板上の点の前記温度上昇は、前記基板上の前記点の位置に依存し、これにより、温度プロファイルが形成され、
   電流が流れる方向に対して垂直な前記導電性経路の断面積は、前記導電性経路の電流が流れる方向の長さに沿って所定の様式で変化し、これにより、前記基板上の位置の関数として形成される前記温度プロファイルは、前記第１の接触パッドと前記第２の接触パッドとの間で測定される前記ヒータ回路の全体抵抗及び抵抗温度係数が前記ヒータ回路の所定の抵抗及び所定の抵抗温度係数に匹敵する効果を有するように、前記導電性経路沿いの各点の温度を上昇させる、ヒータ回路。
2. 前記導電性材料は、パラジウム−ロジウム合金である、請求項１のヒータ回路。
3. 前記所定の抵抗及び前記所定の抵抗温度係数は、タングステン合金を含むヒータの特性に基づく、請求項１のヒータ回路。
4. 前記プレーナ型センサは排気酸素センサであり、前記センサは酸化雰囲気中で同時焼成される、請求項１のヒータ回路。
5. 前記第１の接触パッド及び第２の接触パッドは、前記基板の第１の端部の方に設置され、
   前記導電性経路は、前記第１の接触パッド及び第２の接触パッドに近接する比較的広い幅から、前記第１の接触パッド及び第２の接触パッドから離れた比較的細い幅まで変化するテーパ状となるように構成されている、請求項１のヒータ回路。

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