JP4138741B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

技術水準
本発明は請求項１の上位概念に記載の加熱装置から出発する。

この種の加熱装置は、ガス測定センサー内で内燃機関での排ガス分析のために使用されるセンサー素子を加熱するために、例えばドイツ特許第１９８３４２７６号から公知である。センサー素子は固体電解質層、電極および層状に形成される加熱装置を有する。加熱装置は固体電解質層の上にまたは固体電解質層と他の固体電解質層の間に配置されている。加熱装置は例えば電気的抵抗層からなる加熱素子および前記加熱素子が埋め込まれている絶縁部分を有する。絶縁部分は主に酸化アルミニウムからなる。絶縁部分により加熱素子が固体電解質層および電極に対して電気的に、従って電子伝導およびイオン伝導に関して絶縁され、従って加熱装置の運転によりセンサー素子の機能が損なわれない。

加熱装置はいわゆるグリーンシート、従って未焼結のセラミックシート上に薄膜技術または厚膜技術で絶縁部分の下側層、加熱素子および絶縁部分の上側層を被覆することにより製造する。引き続き加熱装置で印刷されたグリーンシートを例えば電極上に印刷されていてもよい他のグリーンシートと一緒に貼り合わせ、焼結する。

絶縁部分はしばしば多孔質に形成されている。絶縁部分の細孔割合は焼結の前に細孔形成剤の添加により達成される。焼結の際に細孔形成剤が燃焼し、多孔質構造が形成される。添加される細孔形成剤、例えばガラス状炭素の量により細孔割合を調節する。

ドイツ特許第１９８５３６０１号から更に内燃機関の排ガス中の酸素含量を測定するためのいわゆる広帯域ラムダゾンデが公知である。ゾンデのセンサー素子は加熱装置を有し、加熱装置は絶縁部分により固体電解質層から電気的に絶縁されている。漏れ電流を避けるために、絶縁部分は酸化アルミニウム、酸化バリウムおよび／または酸化ストロンチウムからなる混合物を含有する。

この種のセンサー素子において固体電解質層と、隣接するバリウムおよび／またはストロンチウムを有する絶縁部分が焼結特性、特に焼結収縮に関して明らかに異なることが欠点である。同様に絶縁部分と固体電解質層の熱膨張係数が異なる。固体電解質層への絶縁部分の不良な結合から例えば温度が急速に変化した場合に亀裂が生じ、これがセンサー素子の機能を損なう。

発明の利点
これに対して請求項１の特徴部分を有する本発明による加熱装置は、一方で加熱素子から出る漏れ電流を十分に阻止し、他方で加熱装置に隣接する固体電解質フィルムへの不良な結合による加熱素子中の亀裂の不安が著しく減少する利点を有する。

このために加熱素子を第一絶縁部分により包囲し、第一絶縁部分に第二絶縁部分が隣接する。第一絶縁部分は第二絶縁部分よりもバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムの高い割合（質量％で示される）を有する。従って第二絶縁部分は焼結特性および熱膨張係数に関して第一絶縁部分の特性と固体電解質層の特性の間にある。

従属請求項に記載された手段により請求項１に示された加熱装置の有利な構成が可能である。

第一絶縁部分がバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムを３〜１５質量％の割合で含有し、第二絶縁部分がバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムを０〜４質量％の割合で含有することが特に有利であると示された。第一および第二絶縁部分は他の成分として酸化アルミニウムを有する。この明細書ではバリウムおよびストロンチウムの割合はそれぞれ質量％で示されるバリウム割合とストロンチウム割合の合計であると理解すべきである（バリウム、ストロンチウムおよびカルシウムの他の組み合わせの場合に相当して）。

第一絶縁部分の層厚は有利に５〜４０μｍであり、第二絶縁部分の層厚は５〜２０μｍである。その際第一絶縁部分は上側層および下側層を有することができ、これらの間に加熱素子が配置されている。この場合に第一絶縁部分の層厚は第一絶縁部分の上側層および下側層の層厚の合計であると理解すべきである。同様に第二絶縁部分は上側層および下側層を有することができ、これらの間に第一絶縁部分および加熱素子が設けられている。この場合に第二絶縁部分の層厚は第二絶縁部分の上側層または下側層の個々の層厚に関する。記載された層厚が有利であり、それは層厚が５μｍより大きい場合に空格子点により絶縁作用の損傷が広い範囲で回避され、層厚が第一絶縁部分に関して４０μｍより小さく、第二絶縁部分に関して２０μｍより小さい場合に亀裂形成の不安が回避されるからである。

例えば加熱装置の加熱素子に接触により水分が浸入する場合に、絶縁部分に亀裂が生じることがある。第一絶縁部分が第二絶縁部分より高い細孔割合を有する場合に、亀裂形成が特に効果的に阻止される。

図面
本発明の実施例は図面に示され、以下の説明に述べられている。図面は本発明の加熱装置を有するプレーナセンサー素子の実施例の断面図を示す。

実施例の説明
図面は本発明の実施例として酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムからなる酸素イオン伝導性の第一、第二、第三および第四固体電解質層２１，２２、２３，２４を有する層状に形成されたプレーナセンサー素子１０を示す。第一固体電解質層２１上に、センサー素子１０の外面に第一電極３１が配置され、第一電極は測定ガスにさらされる。更に第一固体電解質層２１上に、第一電極３１からそれた面に第二電極３２が配置され、第二電極は参照ガス通路３３内で参照ガスにさらされる。参照ガス通路３３は第二固体電解質層２２に設けられ、センサー素子１０の外部に存在する参照ガス雰囲気と接続されている（図示されていない）。

第一および第二電極３１、３２および第一固体電解質層２１は電気化学的セルを形成し、電気化学的セルは例えば電位差により運転する。測定ガスと参照ガスの酸素分圧が異なる場合は第一電極３１と第二電極３２の間にいわゆるネルンスト電圧をかけて、この電圧により測定ガス内の酸素分圧を測定することができる。

固体電解質のイオン伝導性は温度に依存するので、センサー素子１０を均一な温度に加熱することが必要である。このために第三固体電解質層２３と第四固体電解質層２４の間に加熱装置４０が設けられ、加熱装置は側面で封止フレーム４５により包囲されている。

加熱装置４０は加熱素子４３を有し、加熱素子は白金を含有する抵抗層からなる。加熱素子４３は第一絶縁部分４１の上側層４１ａと下側層４１ｂの間に埋め込まれている。加熱素子４３を有する第一絶縁部分４１は第二絶縁部分４２の上側層４２ａと下側層４２ｂ
の間に配置されている。第一および第二絶縁部分４１、４２は主成分として酸化アルミニウムを含有する。この種の絶縁部分４１．４２の製造は当業者に周知であり、詳細に説明しない。

実施例の第一実施例において第一絶縁部分４１は焼結したセンサー素子１０内に酸化アルミニウムのほかに９質量％の割合のバリウムを有する。第二絶縁部分４２はバリウムを含有しない。第一絶縁部分４１の上側層４１ａと下側層４１ｂの層厚の合計は２５μｍである。第二絶縁部分４２の上側層４２ａまたは下側層４２ｂの層厚はそれぞれ１０μｍである。

実施例の第二実施例においてバリウムは全部または部分的にストロンチウムおよび／またはカルシウムに交換されていてもよい。

本発明の加熱装置は他のセンサータイプ、例えば広帯域ラムダゾンデまたはＮＯ_ｘセンサーに使用することができる。ドイツ特許第１９８５３６０１号またはＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｈａｎｄｂｏｏｋ 第二版、１９９９年、Ｒｏｎａｌｄ Ｋ.Ｊｕｒｇｅｎ、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、第７章、およびここに引用された文献に記載されているように、広帯域ラムダゾンデにおいてセンサー素子は電気化学的ネルンストセルおよび電気化学的ポンプセルを有する。ポンプセルを使用して測定ガス空間内でλ＝１の酸素分圧が存在するように、測定ガス空間に酸素を導入するかまたは測定ガス空間から酸素を排出する。このためにポンプセルをネルンストセルにより調節し、ネルンストセルは測定ガス空間内の酸素分圧を測定する。ポンプセル内を流れるポンプ流から排ガスの酸素分圧を測定することができる。本発明の加熱装置により広帯域ラムダゾンデのネルンストセルおよびポンプセルへの結合および誤電流が減少し、これにより広範囲ラムダゾンデの精度が明らかに高まる。

本発明の加熱装置を有するプレーナセンサー素子の断面図である。

Claims (10)

1. 電気抵抗層を有する加熱素子（４３）を有し、前記加熱素子がバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムを有する層により少なくとも１個の固体電解質層（２３，２４）から電気的に絶縁されている、特に内燃機関の排ガス分析に使用するためのガス測定センサーのセンサー素子（１０）のための加熱装置（４０）において、加熱素子（４３）が第一絶縁部分（４１）に埋め込まれ、第一絶縁部分に第二絶縁部分（４２）が隣接しており、その際質量％で示される第一絶縁部分（４１）のバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムの割合が第二絶縁部分（４２）の相当する割合より高いことを特徴とする加熱装置。
2. 第一および第二絶縁部分（４１，４２）が酸化アルミニウムを含有する請求項１記載の加熱装置。
3. 第一絶縁部分（４１）が３〜１５質量％、有利に７質量％のバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムの割合を有する請求項１または２記載の加熱装置。
4. 第二絶縁部分（４２）が０〜４質量％のバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムの割合を有する請求項１から３までのいずれか１項記載の加熱装置。
5. 第一絶縁部分（４１）の層厚が５〜４０μｍ、有利に２５μｍである請求項１から４までのいずれか１項記載の加熱装置。
6. 第二絶縁部分（４２）の層厚が５〜２０μｍ、有利に１０μｍである請求項１から５までのいずれか１項記載の加熱装置。
7. バリウムを第一および／または第二絶縁部分（４１，４２）に焼結の前に適当なバリウム化合物の形で、特にＢａＣＯ_３、ＢａＳＯ_４，Ｂａ（ＮＯ_３）_２またはＢａＯ_２の形で添加する請求項１から６までのいずれか１項記載の加熱装置。
8. 第一および第二絶縁部分（４１，４２）の間に少なくとも１個の他の絶縁部分が設けられ、前記絶縁部分のバリウムおよび／またはストロンチウムおよび／またはカルシウムの割合が第一絶縁部分（４１）の割合と第二絶縁部分（４２）の割合の間にある請求項１から７までのいずれか１項記載の加熱装置。
9. 第一絶縁部分（４１）が第二絶縁部分（４２）より高い細孔割合を有する請求項１から７までのいずれか１項記載の加熱装置。
10. 加熱装置（４０）が側面でイオン伝導性材料からなる封止フレーム（４５）により包囲されている請求項１から９までのいずれか１項記載の加熱装置。

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