JP4902992B2

JP4902992B2 - セラミックの加熱エレメント及び加熱エレメントを製造する方法及び加熱エレメントの使用法

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Publication number: JP4902992B2
Application number: JP2005375923A
Authority: JP
Inventors: ディールローター
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: DE102004063072A1; JP2006190675A

Description

本発明は、特に混合ガス内のガス成分の濃度を測定するためのセンサエレメントを加熱するための、セラミックの加熱エレメントであって、少なくとも１つの抵抗導体路が設けられており、該抵抗導体路が、セラミックの電気的に絶縁性の材料により少なくとも広範囲に取り囲まれている形式のもの、及びこのような加熱エレメントを製造する方法並びに加熱エレメントの使用法に関する。

内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセラミックのセンサエレメントが公知であり、これらのセンサエレメントは平面的な固体電解質体より成っており、電気機械式のポンプ-及び／又はネルンストセルを有していてよい。

セラミックの固体電解質材料は高い温度ではじめて十分なイオン伝導性を有するので、センサエレメントは、さらにセラミックの絶縁層の間に形成された抵抗導体路の形のセラミックの加熱エレメントを有している。この加熱エレメントはセンサエレメントを７５０〜８００℃の運転温度まで加熱するために用いられる。

例えばコールドスタート時にセンサエレメントの急速な運転準備状態を得るためには、短い加熱時間を達成することが求められる。しかしながら、このことには抵抗導体路を貫流する大きい加熱器電流が結びついている。抵抗導体路が製造に基づき狭隘箇所を有している場合には、抵抗導体路のそこで高められた電気的な抵抗に基づきそこに局部的な過熱がもたらされる。抵抗導体路に用いられる材料は通常は正の温度係数を有しているので、この領域の温度は極度に上昇する。このことは、抵抗導体路を取り囲むセラミックの絶縁部に亀裂につながりかねない。しかしながら、セラミックの絶縁部は空気の約５０倍高い電気的な耐絶縁破壊性を有しているので、亀裂形成に基づきセンサエレメントの故障がもたらされる恐れがある。抵抗導体路が局部的な突出部又は尖端を有している場合には類似の作用が生じうる。なぜならば、高い電界の領域が同様に極度に過熱されるからである。

この問題を解決するためには、既にドイツ連邦共和国特許公開第１９９４６３４３号明細書では、セラミックの酸素センサの加熱エレメントを製造する場合に、抵抗導体路を形成する導体層を絶縁性の材料の層に被着したのちに圧延ステップを施し、この圧延ステップにより、導体層が絶縁層の材料内に押し込まれる。このような形式で、抵抗導体路の電気的な抵抗に関して分散が阻止され、酸素センサの内部の漏れ電流が抑制される。

さらにドイツ連邦共和国特許第１９７１６１７３号明細書に見られるように、加熱エレメントの機能適性を点検するために、加熱エレメントを有するセンサエレメントにおいて漏れ電流試験が行われ、これにより、欠陥のある加熱エレメントが取り除かれる。
ドイツ連邦共和国特許公開第１９９４６３４３号明細書ドイツ連邦共和国特許第１９７１６１７３号明細書

そこで本発明の課題は、高い耐用寿命を示し、しかも簡単で安価に製造することのできる加熱エレメントを提供することである。

抵抗導体路が、少なくとも部分的に四角形とは異なる横断面を有している本発明による加熱エレメント、若しくは抵抗導体路を形成するために、基板に、抵抗導体路の前駆材料の、面広がりに関して複数の種々異なった層を被着し、生じた層複合体に熱処理を施す本発明による方法が、有利な形式で本発明の根底にある課題を解決する。

この場合に加熱エレメントは、できるだけ鋭いエッジ、角隅又は尖端を有していない抵抗導体路を有している。なぜならば、これらの箇所ではそこに生じる大きい電界により、局部的な過熱の危険が生じ、これにより周囲の絶縁部に破損が生じかねないからである。抵抗導体路が少なくとも部分的に通常の四角形の横断面とは異なる横断面を有している場合には特に有利である。このような形式で鋭いエッジの形成が効果的に阻止される。

従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載のセンサエレメント若しくは方法の有利な発展形及び改良形が可能である。

これによれば、抵抗導体路が少なくとも部分領域、例えば加熱領域内で広範囲に円形又は楕円形の横断面を有しているか、又は少なくとも部分的に面取り部を有している場合には有利である。なぜならば、このような横断面は簡単に実施可能であり、鋭いエッジを有していないからである。

本発明の特に有利な構成では、加熱エレメントの絶縁部の、少なくとも抵抗導体路の領域に、白金以外のいずれかの白金族金属、例えばロジウムが添加される。この場合に、有利には２〜１０重量パーセントの濃度が選択されるので、これにより、絶縁性の材料の電気伝導性の著しい上昇は認められない。加熱エレメントの製造の枠内で熱処理時に、添加された白金族金属は、特に抵抗導体路の、場合によって生じる尖った突出部の組織内に拡散し、そこで共融点降下により前記突出部が溶け、ひいては平坦化される。

加熱エレメントの製造は、有利には、基板に、抵抗導体路の前駆材料の、面広がりに関して種々異なった複数の層が被着され、生じた層複合体が熱処理を受ける。この場合に、前駆材料の層が、形成しようとする抵抗導体路の延びに対して垂直方向の幅広がりに関して種々異なって形成されている場合には有利である。この製造方法では、既存の装置コンセプトを用いることができる。

製造方法の択一的な形式では、抵抗導体路を形成するためには基板に抵抗導体路の前駆材料の層が被着され、この層が光構造化され、塗布された層の、光構造化されていない領域がエッチング除去され、この場合に残された層のエッジはサイドエッジされ、破壊され、次いで生じた層複合体は熱処理を受ける。

次に本発明の２つの実施の形態を図面につき詳しく説明する。

図１は、例えばドイツ連邦共和国特許第１９９０１９５６号明細書につき公知のセンサエレメント内に組み込まれているような、加熱エレメントの原理的な構成を示している。このセンサエレメント１０は、例えば、酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有している。この場合に固体電解質層１１ａ，１１ｃはセラミックのシートの形で構成されており、平面的なセラミック体を形成している。前記セラミックのシートは、酸素イオン伝導性の固体電解質材料、例えばＹ_２Ｏ_３により安定化された、又は部分安定化されたＺｒＯ_２より成っている。

固体電解質層１１ｂは、有利には、ペースト状のセラミック材料のスクリーン印刷により、例えば固体電解質層１１ａに形成される。この場合にペースト状の材料のセラミックの成分としては、有利には、固体電解質層１１ａ，１１ｃをも構成しているものと同じ固体電解質材料が使用される。

セラミックの加熱エレメント１０の組み込まれた形態が、固体電解質層１１ｂ及び機能層を印刷されたセラミックのシートを積層し、次いで公知の形式で、積層された構造体を焼結することにより製造される。

さらに加熱エレメント１０は抵抗導体路２４を有しており、この抵抗導体路２４は固体電解質層１１ｂ内に組み込まれており、Ａｌ_２Ｏ_３より成る電気的な絶縁部２６により取り囲まれている。

加熱エレメント１０の製造時には、製造に基づき突出部、尖端２８、狭隘箇所又はその他の幾何学的な逸脱が生じ得る。抵抗導体路２４を介して電流が流れた場合には、狭隘箇所で高められた電気的な抵抗に基づき、若しくは尖端及び突出部で生じる高い電界により、局部的な過熱がもたらされる。抵抗導体路２４に使用される材料が通常は正の温度係数を有しているので、この領域の温度は極度に上昇する。このことは、抵抗導体路２４を取り囲むセラミックの絶縁部２６内の亀裂、及び冒頭で述べたネガティブな結果をもたらしかねない。

この問題を阻止するためには、本発明では、抵抗導体路２４はできるだけ鋭いエッジ、角隅又は尖端を有していない。このことは、抵抗導体路２４が少なくとも部分的に、特に加熱エレメントの高い加熱出力の領域では、通常の四角形の横断面とは異なる横断面を有していることを意味する。このような形式で鋭いエッジの形成が効果的に回避される。

この形式の抵抗導体路を有する加熱エレメントの第１実施例が図２に示されている。この場合に等しい符号は図１と等しい構成部分を示している。図２に示した加熱エレメントは抵抗導体路２４を有しており、この抵抗導体路２４は、例えば加熱エレメントの加熱領域内に丸みをつけられた、円形又は楕円形の横断面を有している。この場合に抵抗導体路２４の横断面は特に次のように選択される、すなわち、水平方向の縁部領域では抵抗導体路２４の全ての表面領域が、隣接する固体電解質層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対してできるだけ大きい間隔を有しているように選択される。

一般化していえば、抵抗導体路２４の横断面は次のように選択される、すなわち、１０μｍよりもわずかな間隔をおいて横断面周に位置する２つの点における仮想接線が、点の選択とは無関係にいずれの場合にも９０°よりも大きい角度をなすように、選択される。

加熱エレメント内の抵抗導体路の延びは、通常は次のように選択される、すなわち、抵抗導体路が加熱エレメントの加熱領域内でメアンダ状に延びているように選択される。この場合に、メアンダ状ではあるが、しかしながら角隅又は屈曲箇所を有していない延びが選択される。

上に述べた加熱エレメントの安定性及び耐用寿命は、図３ａに概略的に示したように、電気的な絶縁部２６ａが少なくとも抵抗導体路２４の領域に白金以外の白金族金属、例えばロジウムを添加されている場合にはさらに向上させることができる。この場合には、有利には２〜１０重量パーセントの濃度が選択されるので、絶縁性の材料の電気伝導性の著しい上昇は認められない。加熱エレメントの製造時にはこの加熱エレメントは熱処理を受けるので、添加された白金族金属は、抵抗導体路２４の、場合によっては生じる鋭い突出部の組織内へ拡散し、共融点降下により前記突出部がそこで溶ける。絶縁部２６ａへの白金族金属の添加は、加熱エレメントの製造時に例えば印刷ペーストに添加することにより行われ、このペーストから絶縁部２６ａは複数の印刷ステップにより形成される。この場合に、白金族金属の添加は、有利には、絶縁部２６ａの抵抗導体路近傍の領域を形成するものと同じペーストに対して行われる。択一的には白金族金属を含有する懸濁液が、固体電解質層１１ａ，１１ｃ若しくは絶縁部２６ａに印刷されるか、又は絶縁部２６ａがこのような懸濁液によりしみ込まれるか、若しくは含浸される。

図３ｂ、図３ｃ、図３ｄ及び図３ｅには、図３ａに示した加熱エレメントの変化形態が横断面図で示されている。この場合に図３ｂ，図３ｃは、丸みをつけられた抵抗導体路２４横断面を示しており、図３ｄ，図３ｅは、少なくとも１つの面取り部を有する抵抗導体路２４を示している。

加熱エレメントの製造が、有利には固体電解質層１１ｃ若しくは１１ａに、抵抗導体路２４の前駆材料の、面広がりに関して種々異なった層が互いに上下に被着され、生じた層複合体が熱処理を受けることにより行われる。この処理手順が図３ｅに明確化されている。この場合にまず固体電解質層１１ａには抵抗導体路２４の前駆化合物の第１の層２４ａが被着され、次いで第２の層２４ｂが被着され、この場合に第２の層２４ｂは、抵抗導体路２４の延在方向に対して水平方向の垂直方向に、第１の層２４ａよりも大きい面広がりを有している。次いで第２の層２４ｂには第３の層２４が設けられ、この第３の層２４ｃは再び第２の層２４ｂよりも大きい面広がりを示している。最大の面広がりの１つ又は複数の層（ここでは１１ｃ，１１ｄ）が被着されるとすぐに、さらなる層２４ｅ，２４ｆの層構造はカバー層２４ｆに至るまで先細りしている。この製造方法の場合には既存の装置コンセプトを用いることができる。

この場合に、被着される最初の層２４ａ若しくは最後の層２４ｆと、より大きい面広がりの層２４ｃ，２４ｄとの間の互いに対して相対的な、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ，２４ｅ，２４ｆの面広がりの差は、２５〜７５μｍの範囲で選択される。

製造方法の択一的な形式によれば、固体電解質層１１ａ又は１１ｃにまず少なくとも１つの絶縁層２６が印刷され、次いでこの絶縁層２６内に押し型により抵抗導体路２４の延び及び形状があらかじめ型押しされ、絶縁層２６内に形成された凹部が抵抗導体路２４の材料により充填される。

別の製造択一肢によれば、抵抗導体路を形成するために、固体電解質層１１ｃ若しくは１１ａに抵抗導体路の前駆材料の層が被着され、この層は光構造化され、塗布された層の光構造化されていない領域はエッチング除去され、この場合に残された層のエッジはサイドエッチされ、破壊され、次いで生じた層複合体は熱処理を受ける。

上に述べた製造方法は、本発明の枠内で互いに任意に組合せ可能である。

本発明による加熱エレメント及びこの加熱エレメントを製造する方法は、ガス、例えば酸素、酸化窒素、硫黄酸化物、アンモニア、炭化水素を測定するために用いられる電気化学的なセンサエレメントにおいて使用可能であるが、しかしながら、セラミックの形式のそのほかの加熱可能な装置、例えば、グロープラグ又は微粒子フィルタにも使用することができる。このためには、図２及び図３ａに示した層構造が、別の固体電界質層、絶縁層又は機能層を有していてよい。

従来技術による加熱エレメントの横断面である。本発明の第１実施例によるセンサエレメントの横断面図である。図３ａは本発明の第２実施例によるセンサエレメントの横断面図であり、図３ｂ，図３ｃ，図３ｄ及び図３ｅは、図３ａに示した加熱エレメントの変化形態を示す横断面図である。

符号の説明

１０加熱エレメント、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ固体電解質層、２４抵抗導体路、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ層、２６，２６ａ絶縁部、２８尖端

Claims

特に混合ガス内のガス成分の濃度を測定するためのセンサエレメントを加熱するための、セラミックの加熱エレメントであって、少なくとも１つの抵抗導体路（２４）が設けられており、該抵抗導体路（２４）が、セラミックの電気的に絶縁性の材料（２６，２６ａ）により、少なくとも広範囲に取り囲まれている形式のものにおいて、抵抗導体路（２４）が、少なくとも部分的に四角形とは異なる横断面を有しており、絶縁性の材料（２６ａ）が、少なくとも抵抗導体路（２４）を取り囲む領域に、白金以外の白金族金属を含有していることを特徴とする、セラミックの加熱エレメント。
抵抗導体路（２４）の横断面が、広範囲に円形又は楕円形に構成されているか、又は抵抗導体路（２４）が、少なくとも部分的に面取り部を有している、請求項１記載の加熱エレメント。
抵抗導体路（２４）の横断面が次のように構成されている、すなわち、１０μｍよりもわずかな間隔をおいて横断面周に位置する２つの点における接線が、点の選択とは無関係にいずれの場合にも９０°よりも大きい角度をなしている、請求項１又は２記載の加熱エレメント。
抵抗導体路（２４）が、少なくとも加熱エレメントの加熱領域内でメアンダ状の延びを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の加熱エレメント。
白金族金属の含有率が、２〜１０重量パーセントまでである、請求項１記載の加熱エレメント。
請求項１から５までのいずれか１項記載のセラミックの加熱エレメントを製造する方法であって、該加熱エレメントに少なくとも１つの抵抗導体路（２４）が設けられており、該抵抗導体路（２４）が、セラミックの電気的に絶縁性の材料（２６，２６ａ）により少なくとも広範囲に取り囲まれている形式のセラミックの加熱エレメントを製造する方法において、抵抗導体路（２４）を形成するために、基板（１１ａ，１１ｃ）に、抵抗導体路（２４）の前駆材料の、面広がりに関して種々異なった複数の層（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｆ）を互いに被着し、生じた層複合体に熱処理を受けさせることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のセラミックの加熱エレメントを製造する方法。
前駆材料の前記層（２４ａ〜２４ｆ）を、形成したい抵抗導体路（２４）の延びに対して垂直な幅広がりに関して、異なっているように形成する、請求項６記載の方法。
前駆材料の最初及び最後に被着される層（２４ａ，２４ｆ）が、形成したい層複合体の中間の層（２４ｃ，２４ｄ）よりも、形成したい抵抗導体路（２４）の延びに対して垂直方向に２５〜７５μｍだけ小さい幅広がりを有しているようにする、請求項６又は７記載の方法。
請求項１から５までのいずれか１項記載のセラミックの加熱エレメントを製造する方法であって、該加熱エレメントに少なくとも１つの抵抗導体路（２４）が設けられており、該抵抗導体路（２４）が、セラミックの電気的に絶縁性の材料（２６，２６ａ）により少なくとも広範囲に取り囲まれている形式のセラミックの加熱エレメントを製造する方法において、抵抗導体路（２４）を形成するために、基板（１１ａ，１１ｃ）に、抵抗導体路の前駆材料の層を被着し、該層を光構造化し、塗布された前記層の光構造化されていない領域をエッチング除去し、残された層のエッジをサイドエッチし、破壊し、次いで生じた層複合体に熱処理を受けさせることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のセラミックの加熱エレメントを製造する方法。
請求項１から５までのいずれか１項記載の加熱エレメントの使用法において、内燃機関の排ガス中の酸素を測定するためのセンサ内で用いることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の加熱エレメントの使用法。