JP4700174B2 - 温度センサ及び温度センサを製造するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、殊に内燃機関の排ガスの温度を監視するための温度センサであって、セラミック材料より成る担体(Traeger）と、該担体の第１の端部区分に配置された、温度に依存する感応区分(sensitiver Abschnitt)としての抵抗素子と、前記担体の第２の端部区分に配置された、保持区分としての電気接点と、担体の中央領域に亘って延びる、前記電気接点を抵抗素子に接続する導体路とを有している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような形式の温度センサはドイツ連邦共和国特許第３７３３１９２号明細書により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の温度センサを改良して、測定精度が改善され、その不活性が減少されるようなものを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明によれば、担体の中央領域が、前記両端部区分よりも高い熱抵抗を有するように構造化されている。
【０００５】
【発明の効果】
本発明の構造化によって、感応区分と保持区分との間の熱の流れが減少される。この保持区分は、温度センサを枠内で固定し、電気的な接触を得るために用いられる。従って、場合によっては存在する、このような枠と第２の端部区分との間の温度差は、測定結果をわずかしか狂わせることはない。中央領域の構造化によって、第２の端部区分からの熱の流出は担体によって困難にされるので、感応区分は運転中に大抵は均一な温度分布を有している。従って、抵抗素子の測定された抵抗値は、温度を正確に推測することができる。しかも、前記構造化が設けられていることによって、測定しようとする媒体の温度と枠の温度との差が存在する場合でも、測定しようとする実際の温度に近い、感応区分の定常の温度が、同様の温度センサで構造化されていないものにおけるよりも早く得られるようになっている。
【０００６】
構造化は、有利な形式で中央領域内で担体の横断面を、特に少なくとも１つの貫通孔又は凹部の形状の終端区分と比較して、減少させることによって得られる。
【０００７】
このような凹部又は貫通孔は、担体をフライス切削、穿孔又は研削加工することによって形成することができる。セラミック材料より成る担体においては、貫通孔又は凹部は有利には焼結前に形成される。
【０００８】
多数の層より構成された担体においては、選択的に中央領域の凹部は、貫通孔が設けられた少なくとも１つの層と、少なくとも１つの閉じられた層とを組み合わせることによっても形成することができる。
【０００９】
温度に敏感な抵抗素子は、例えばメアンダ状（蛇行状）又はジグザグ状のパターンで、感応区分の１つ又は多数の平面に配置することができる。このような抵抗素子の比較的長い長さによって、温度に関連した抵抗変化の形状の、ノイズの少ない強い有効信号を測定することができる。この場合、運転中に比較的均一な温度にさらされる抵抗素子の長い長さは、抵抗素子を接点に接続し、種々異なる温度において保持区分に沿って延びる、温度に基づく導体路の抵抗変化は、測定結果をわずかしか狂わせることがない、という付加的な利点を有している。
【００１０】
抵抗素子は、有利には白金−酸化アルミニウム混合物又は、一般的には白金で被覆された絶縁体のセラミック粒子より形成されている。
【００１１】
さらに、測定された抵抗値に作用する導線の影響、つまり抵抗素子を接点に接続する、保持区分の導体路の影響を小さく維持するために、この導線のために、第２の端部領域の抵抗素子のための材料構成とは異なる材料構成を選択しなければならない。特に導線は金属製の基板より製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下に記載した図面に基づく本発明の実施例に記載されている。
【００１３】
図１には、本発明による温度センサ１の平面図が示されている。酸化物セラミック材料より成る担体２上には、抵抗素子５と電気接点６とが配置されている。電気接点６は、担体２の第１の端部区分７内に配置されていて、保持区分と称呼されている。この保持区分は、（図示していない）枠内に差し込むか又は緊締するために設けられている。この枠は、接点６に対して相補的な接点を有していて、この枠を介して温度センサに測定電圧が供給される。
【００１４】
導体路３，４は、担体２の中央領域８を越えて直線的に、担体の表面に形成された切欠９の周囲にまで延びている。導体路３，４は、金属性の基板より成っている。中央領域８の長さは、担体２の長さの半分よりも大きい。
【００１５】
切欠９には、担体の感応区分１０が続いている。この感応区分１０の長さは、担体２の全長の約１／４である。この感応区分１０内で、抵抗素子５は、導体路３，４間の接続を形成する。抵抗素子５の横断面は、導体路３，４の横断面よりも小さく、しかも抵抗素子５は、白金によって被覆されたセラミック粒子特に酸化アルミニウム粒子又は絶縁体のセラミック粒子とＰｔとの混合物等の、高い面抵抗を有する材料より成っている。抵抗素子５は、感応区分の面の大部分に亙ってジグザグ状に延びているので、その全長は、区分１０の長さ又は幅よりも著しく大きい。これによって、材料を選択することによって、また導体路３，４と比較して減少された横断面によって、抵抗素子５の大部分が温度センサのすべての電気抵抗に寄与することが保証される。従ってこの抵抗の温度依存性は、実際にはもっぱら感応区分１０の温度に関連している。温度センサを保持する保持区分７は、普通の運転条件下では感応区分１０よりも著しく冷たい。切欠９によって、２つの区分７，１０間の避けることのできない温度低下が、切欠９の領域（担体の横断面が減少し、その結果その熱抵抗が上昇せしめられている領域）の大部分に集中するようになっている。その結果、感応区分１０自体は、温度センサの測定された電気抵抗から明確にしかも正確に導き出すことできる、比較的均一な温度を有している。切欠９を第２の端部領域のすぐ近くに配置したことによって、測定しようとする媒体の温度変化に追従させる必要のある、温度センサの質量の部分は小さく維持される。従って、センサは温度変化に非常に迅速に追従することができる。
【００１６】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った温度センサの、寸法に忠実な種々異なる可能な横断面を示している。
【００１７】
図２のＡに示した第１の変化実施例においては、イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムセラミックより成るキャリアテープ上に絶縁層１３と、ジグザグ状又はメアンダ状（若しくは蛇行状）に延びる抵抗素子５と、その上に第２の絶縁層１４と、最後にいわゆるカバーテープ１５とが被着されている。酸化アルミニウムセラミックより成る絶縁層１３，１４の課題は、導体路１０をキャリアテープ及びカバーテープ１２，１５に対して電気的に絶縁することである。その理由は、センサによって検出しようとする温度つまり内燃機関の排ガスを監視するための酸素センサの温度において、その良好な熱技術的な特性に基づいて担体２のための材料として有利である酸化ジルコニウムセラミックは、やや導電性であって、これに対して酸化アルミニウムセラミックは非導電性だからである。
【００１８】
温度センサの周囲からガスが抵抗素子５に向かって押しやられるのを避けるために、またセンサの高い作業温度において抵抗素子が損傷を被るのを避けるために、絶縁層１３，１４及び抵抗素子５は、側面も酸化ジルコニウムセラミックより成る気密な壁部１６によって取り囲まれている。
【００１９】
テープ１２，１５の厚さは、テープが抵抗素子５のメアンダ状の部分を覆う領域内で減少されている。この厚さの減少は、キャリアテープ１２におけるのと同様に、結合剤によって結合されたテープを、焼結前に全面的に研削又はフライス切削することによって行われるが、またカバーテープ１５の実施例で示されているように、選択的に、ジグザグ状に延びる導体路５の領域に亙って切欠１７を設けてもよい。切欠１７の側面に位置するウエブ１８は、センサの機械的強度を維持するために役立つ。
【００２０】
厚さをこのように減少させることは、勿論テープ１２，１５の一方だけに行ってもよい。
【００２１】
温度センサは、キャリアテープ１２、絶縁層、導体路５、絶縁層１４、壁部１６及びカバーテープを順次スクリーン印刷し、それによって得られた複合体を、１３５０℃〜１３６０℃の範囲内の温度で燒結することによって製造される。この温度は、テープ１２，１５及び壁部１６の酸化ジルコニウムを気密に燒結するために充分であって、これに対して絶縁層１３，１４の酸化アルミニウムにおいて所定の残留多孔性が維持される。
【００２２】
図２のＢにはセンサの層構造が示されており、この層構造によって、センサの特に短い反応時間が得られる。
【００２３】
イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムより成る２つのテープ１２，１５は、機械的に充分な強度の担体を構成するために、互いに重ね合わせて被着されている。このテープ１２，１５上に第１の絶縁層１３が設けられており、この絶縁層１３は第２の絶縁層１４と共にセンサの外側面を形成していて、この第２の絶縁層１４は導体路５を取り囲んでいる。図２のＡに示した実施例とは異なり、この実施例では、侵入するガスによって導体路５が破壊されないように導体路５を保護するために、絶縁層がセンサの外側面を形成しており、この絶縁層は気密でなければならないが、センサの使用温度において非導電性でなければならない。これは、ナノメートル範囲の大きさの粒子を有する超微細な酸化アルミニウム粉末（大きい粒子を有する酸化アルミニウムよりも低い燒結温度を有している）を使用するか、又は絶縁層１３，１４を形成する酸化アルミニウムと例えば酸化マグネシウム或いは二酸化珪素等の燒結助剤とを用いることによって得られる。
【００２４】
感応区分１０の質量及びひいてはその熱的な不活性は、テープの酸化ジルコニウム材料に切欠１７を設けることによって減少される。
【００２５】
図２のＣに示されているように、センサの必要な機械的強度に関連して採算が合うのであれば、感応区分１０内でテープ１２のうちの１つを完全に取り除くか又は最初から設けておかないようにすることも考えられる。
【００２６】
感応区分１０の質量を少なく維持する別の可能性は、抵抗素子５を互いに電気的に絶縁された多数の層に重ね合わせて配置することである。これによって、抵抗素子の長さが同じで、必要な支持面のための質量及びひいては感応区分１０の必要な質量が減少される。
【００２７】
図３のＡ乃至図３のＤには、図１の温度センサをIII−III線の高さで断面した可能な横断面図が示されている。図３のＡでは、切欠９が、担体２の一方側から他方側に貫通する孔を形成している。担体の層構造は、例えば図２のＡに示した層構造に相当しているが、勿論この実施例では感応区分１０に切欠１７は設けられていないので、感応区分１０の厚さは、保持区分の厚さ及び中央領域８の大部分の厚さと同じである。図３のＢでは、切欠９は袋孔であって、この袋孔は、担体の燒結前に、最も下に位置するテープ１２を除いて担体のすべての層を孔開けすることによって形成されている。この２つの変化実施例は、図２のＡ乃至図２のＣに示した横断面と組合せ可能である。袋孔は、担体の下側から同じように正確に穿孔又はフライス切削することができる。
【００２８】
図３のＣには、切欠９が最も下側のテープ１２だけに形成されている変化実施例が示されている。このような構成は例えば、切欠９を形成するためにまずテープ１２に孔を開け、次いで第２のテープ１５と、この第２のテープ１５にスクリーン印刷によって形成された絶縁層１３及び１４と、抵抗素子５とを積層結合することによって製造することができる。
【００２９】
図３のＤには、中央領域８内に多数の切欠９が設けられている温度センサの別の変化実施例が示されている。この実施例におけるように切欠９が袋孔として構成されている場合には、この切欠９を担体２の異なる側に交互に形成し、それによってこの切欠の領域内の温度センサの有効熱伝導横断面を減少させるだけでなく、付加的に熱の影響の一部のための有効経路長さ(effektive Weglaenge)を増大するようにすれば、有利である。
【００３０】
この変化実施例も、担体２の任意の層構造と組み合わせることができるので、図面には個別の層は図示されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による温度センサの平面図である。
【図２】Ａ，Ｂ及びＣは、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った、それぞれ異なる変化実施例の断面図である。
【図３】Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、図１のIII−III線に沿った、それぞれ異なる変化実施例の断面図である。
【符号の説明】
１ 温度センサ、 ２ 担体、 ３，４ 導体路、 ５ 抵抗素子、 ６ 電気接点、 ７ 第１の端部区分、 ８ 中央領域、 ９ 切欠、 １０ 感応区分、 １２ キャリアテープ、 １３，１４ 絶縁層、 １５ カバーテープ、１６ 壁部、 １７ 切欠、 １８ ウエブ

Claims (13)

1. 殊に内燃機関の排ガスの温度を監視するための温度センサ（１）であって、セラミック材料より成る担体（２）と、該担体（２）の第１の端部区分に配置された、温度に依存する感応区分（１０）としての抵抗素子（５）と、前記担体の第２の端部区分に配置された、保持区分（７）としての電気接点（６）と、担体（２）の中央領域（８）に亘って延びる、前記電気接点（６）を抵抗素子（５）に接続する導体路（３，４）とを有している形式のものにおいて、
   担体の中央領域（８）が、前記両端部区分（７，１０）よりも高い熱抵抗を有するように構造化されており、中央領域（８）の構造化された部分が、複数の切欠（９）を有しており、該切欠（９）が、袋孔として構成されており、該切欠（９）が、担体（２）の上下の側に、担体（２）の長手方向にみて交互に相前後して形成されていることを特徴とする、温度センサ。
2. 前記切欠（９）が、前記担体（２）をフライス切削、穿孔又は切削加工することによって形成されている、請求項１記載の温度センサ。
3. 前記担体（２）が、多数の層より構成されている、請求項１記載の温度センサ。
4. 前記切欠（９）が、感応区分（１０）に直接隣接して配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の温度センサ。
5. 前記感応区分（１０）の長さが最大で、前記担体（２）の長さの１／４である、請求項１から４までのいずれか１項記載の温度センサ。
6. 抵抗素子（５）が多数の平面に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の温度センサ。
7. 抵抗素子（５）が、白金によって被覆された絶縁体のセラミック粒子より形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の温度センサ。
8. 抵抗素子（５）が白金・酸化アルミニウム混合物より形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の温度センサ。
9. 導体路（３，４）が、抵抗素子（５）とは異なる構成を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の温度センサ。
10. 導体路（３，４）が金属性の基板より成っている、請求項７から９までのいずれか１項記載の温度センサ。
11. 感応区分（１０）が、少なくとも部分的に保持区分（７）よりも薄い厚さを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の温度センサ。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の、温度センサ（１）を製造するための方法において、
    担体（２）を均一な厚さに成形し、次いで中央領域（８）を、この中央領域の面の少なくとも一部で、担体（２）の厚さの少なくとも一部を取り除くことによって構造化することを特徴とする、温度センサを製造するための方法。
13. 担体（２）の厚さの少なくとも一部を取り除いた後で、担体（２）を焼結する、請求項１２記載の方法。

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