JP6498130B2 - レーザー光線を用いた煤煙センサーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は煤煙センサーを製造するための方法、およびかかる方法を用いて製造される煤煙センサーに関する。

煤煙センサーは、エンジン、特にディーゼルエンジンやオイルヒーターの燃焼プロセスを制御または調節するのに使用される。煤煙センサーの品質次第ではあるが、煤煙粒子が少なければ少ないほど燃焼効率が良くなるように、該燃焼を制御できる。

（特許発明１）は、滑らかなＡｌ_２Ｏ_３表面上に導電性の軌道構造体を被着した煤煙センサーを開示している。これは煤煙粒子の吸着を単純化する。

（特許発明２）により、基板上に加熱要素とセンサー要素を設計した煤煙センサーが知られている。煤煙センサーの表面上に煤煙粒子が定着すると、加熱要素と煤煙要素の間の電気抵抗が変化する。従って、該表面上の煤煙粒子の濃度、すなわち排気ガスの流れが測定できる。センサーから煤煙粒子を焼き去るため、加熱要素は十分高温まで加熱される。

追加のセンサー、例えば、ラムダプローブや温度センサーなどを燃焼プロセスの制御に使用してもよい。煤煙排出の削減が絶えず要求されており、ディーゼルエンジンを制御するための煤煙センサーにそれが求められている。例えば、いわゆるＥＵ６ガイドラインは、ディーゼルエンジン搭載車両の煤煙量を極めて低く抑えるように要求している。かかる僅かな煤煙量は、煤煙粒子量が少ないので、すなわち排気ガス流中の煤煙粒子の濃度が極めて低いので、既知の煤煙センサーを用いて検出するのはとても困難である。

独国特許出願公開第１０２００７０３８６８０号明細書 国際公開第２０１１／１０６６２５号

従って、既知の煤煙センサーの欠点は、十分高い感度で反応しないので、益々厳しくなっている要求を満足させられないことである。既知のセンサーの別の欠点は、排気ガスの流れに多数のセンサーを設置しなければならず、従って多くの接続端末が要求されることである。しかし同時に、できる限り単純で低価格のエンジンまたは燃焼システムを製造することも絶えず求められている。センサー自体も、できる限り低価格でなければならない。更に、センサーは、排気ガスシステムに設置される場合、頑丈かつエラーフリーでなければならない。

従って、本発明が対処しようとしている課題は、従来技術の欠陥を乗り越えることである。特に、本発明の目的は、十分高い感度で反応して僅かな量の煤煙を検出するだけでなく、同時に既存のセンサーを単純化することのできるセンサーを提供することである。センサーはコンパクトで、設置に際して頑丈で、低価格で生産できるものでなければならない。ここで記述されなかった他の欠点は、本発明の全体を眺めることにより容易に明らかとなる。

本発明が対処しようとしている課題は、電気絶縁基板上に隣接した金属層を被着する工程、およびレーザー光線を用いて上記金属層のある領域を蒸発させることにより金属コーティングを構造化する工程を含む煤煙センサーの製造方法により解決され、その場合、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した電気導電構造体が製造され、該導電構造体は、該導電構造体の全長のうちの上記領域において互いに隣り合い互いに近い距離で実質的に延在しているように、レーザー光線により空間的に互いに分離され互いに電気的に絶縁されている。

本発明の範囲によれば、「少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した電気導電構造体」という用語は、互いに分離しているが各々隣接し、導電性であり、特に金属性であり、構造体のかなりの領域に亘って互いに近い場所に延在した形状をしている、２つまたはそれ以上の層を意味する。

本発明の範囲によれば、「入り組んだ構造」という用語は、１つの構造体が他の構造体に対して平行、垂直、および／またはある角度を持つように、少なくとも２つの構造体が配置されていることを意味する。その代りに、またはそれに加えて、１つの構造体が他の構造体に対してあらゆる自由な形体、例えば湾曲形、楕円形などの形体で配置されることも可能である。従って、各構造体の少なくとも小領域または全領域がこのように配置され得る。上記の説明に従って、構造体を互いに平面形体（すなわち平板）または空間的（三次元的）に配置することも可能である。例えば、２つの構造体が互いに入り組んだ構造になるような平板状に配置すること、すなわち歯車のように互いに噛み合うように配置することも可能であり、その場合、上記構造体は、特に５０μｍ未満、好ましくは３０μｍ未満の空間距離で互いに離れている。

本発明によれば、隣接した金属層は、好ましくは、厚層プロセスを用いて電気絶縁基板上に被着されることである。好ましくは貴金属厚層の被着であり、白金厚層の被着が特に好ましい。

本発明によれば、導電構造体間の空間距離は５０μｍ未満であるのが好ましく、１０μｍないし３０μｍであるのが特に好ましい。従って、「互いに隣接している」というのは、８０μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満を意味する。

本発明の方法では、金属層は予め構造化された形で電気絶縁基板上に被着されてもよい。少なくとも拡幅導電層が導電構造体の電気的接触のために予め構造化されるのが好ましい。この関連で、すべてのリード線が導電構造体を形成するために予め構造化されるのが特に好ましい。

導電構造体間の狭い分離領域だけをレーザー光線で蒸発させ、粗構造体はアプリケーション中に例えば印刷によって直接作製されるならば、煤煙センサー製造は単純化される。

本発明の開発によれば、レーザー光線は金属層上を線状に、好ましくはメアンダ状の線状に、導電構造体間に作製される間隔部に沿って移動させ、それにより金属層を上記線に沿って蒸発させる。この関連で、最終的に構造化される導電構造体の空間距離は、レーザー光線の焦点スポットの実効断面の直径に対応させるのが好ましい。

この方法により、導電構造体間の空間はできるだけ小さく保たれる。同時に、金属層を２つの導電構造体に分離するため、レーザー光線またはレーザー光線の焦点スポットは、金属層上を極めて迅速かつ比較的容易に移動させることができる。その結果、製造は単純化され、製造原価は下がる。

本発明によれば、導電構造体は、その全長の少なくとも９０％、好ましくはその全長の少なくとも９８％に沿って互いに隣り合って延在させてもよい。

「導電構造体は全長に沿って実質的に互いに隣り合って延在し、この領域において互いに近い距離で延在する」という表現は、導電構造体が全長の少なくとも９０％に沿って互いに隣り合って延在し、この領域で互いに近い距離、すなわち好ましくは互いに５０μｍ未満離れて延在することを意味する。

導電構造体の平行部分が長ければ長いほど、ガス流中の煤煙粒子の濃度決定に使用される煤煙センサーの抵抗測定感度、キャパシタンス測定感度、または電気絶縁低下の感度が上がる。

本発明の方法の開発において、電気絶縁基板として、金属酸化物基板、ガラス基板またはガラスセラミック基板、好ましくはセラミックＡｌ_２Ｏ_３基板、ガラス、ガラスセラミック、またはＡｌ_２Ｏ_３層を用いてもよい。

かかる素材は、高温かつ化学的に過酷な排気ガス流の環境下で使用される煤煙センサーの構築には特に適している。加えて、かかる層に被着される金属層は、レーザー光線を用いて特に良く焼き取ることができ、その場合、レーザー光線が他の箇所に損傷を与えることもない。

加えて、温度センサーは、電気絶縁基板に対して金属コーティングまたは煤煙センサーの反対側に配置されてもよいし、電気絶縁基板上の導電構造体に隣接して配置されてもよい。

煤煙センサーを他のセンサーと組み合わせて排気ガスシステムに設置する場合、両センサーに必要なのはただ１つの接続端末だけである。加えて、温度センサーは、導電構造体が位置する場所で温度を測定する。従って、測定中並びに煤煙センサーの「粒子焼き去り」中に、煤煙センサーの状態をより正確に決定できる。更に、排気ガスの温度と煤煙粒子の濃度を個別にあるいは同時に決定できる。

導電構造体の構造化の後、金属酸化物製、ガラス製またはガラスセラミック製の絶縁層によって、導電構造体のリード線を全体的にコーティングする、あるいは導電構造体のある領域をコーティングするのが好ましく、そして温度センサーは絶縁層上に固定するのが好ましく、ガラス半田によって固定するのが特に好ましい。

絶縁層を保護層として被着することにより、煤煙センサーの金属領域を保護することができる。すなわち、該金属領域が排気ガス流中の化学的に過酷な環境下に強制的に曝されることはない。理想的には、この層は、追加の温度センサーを固定してコンビネーションセンサーを形成するのに利用されてもよい。

更に、まず温度センサーを好ましくは薄層技術を用いてセラミック基板上に形成し、次に電気絶縁基板を温度センサー上に層として被着し、それから隣接金属層を電気絶縁基板上に被着して導電構造体を作製するが、その場合、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスまたはガラスセラミックを電気絶縁基板として温度センサー（７）上に被着するのが好ましい。

この製造方法により、温度センサーを有する煤煙センサーが作製され、温度センサーの構成部品、好ましくは少なくとも１つの金属または金属合金からなる構成部品が、セラミック基板と導電構造体を配置している電気絶縁基板とにより挟持された形で環境から保護される。従って、センサーの安定性を損なうことなく、薄層技術を用いて温度センサーを製造するのに、金属が利用できる。

１つの開発によれば、層構造体は接続端末上に固定され、導電構造体および好ましくは温度センサーも、接続端末の接触要素に電気的に接触する。

接続端末および上記接触により、煤煙センサーは特に容易に設置できる。

本発明の好ましい実施形態によれば、入り組んだ構造の加熱スパイラルまたは電極は導電構造体として形成されてもよい。

本発明が対処しようとしている課題は、かかる方法を用いて製造される煤煙センサーによっても解決される。その場合、煤煙センサーは電気絶縁基板と、構造化された金属層として空間的に互いに分離されインターレース化された、少なくとも２つの隣接した電気導電構造体とから成り、導電構造体間の中間空間はレーザーで焼き取られ、上記中間空間は好ましくは少なくともある領域において５０μｍ未満であり、電気導電構造体は拡幅伝導層に接触している。

少なくとも拡幅伝導層は絶縁層で被覆されており、好ましくは導電構造体の、拡幅伝導層に隣接した領域は絶縁層で被覆されている。

絶縁層を保護層として被着することにより、煤煙センサーの金属領域を保護することができる。すなわち、該金属領域が排気ガス流中の化学的に過酷な環境下に必ずしも曝される必要はない。理想的には、この層は、追加の温度センサーを固定してコンビネーションセンサーを作製するのに利用されてもよい。

更に、本発明によれば、煤煙センサーは接続端末および温度センサーを有しており、導電構造体は、構造化された金属層として電気絶縁基板上に配置され、少なくともある領域は絶縁層で被覆され、温度センサーは構造化された金属層として絶縁層上に配置され、あるいは導電構造体および温度センサーは同じ電気絶縁基板上に配置され、その場合、該温度センサーおよび電気導電構造体は、電気的並びに機械的に接続端末に接続されている。

このようにして設計された煤煙センサーまたはコンビネーションセンサーは、本発明の方法に関して上述された利点を有している。

更なる１つの開発によれば、電気絶縁基板は、特にＡｌ_２Ｏ_３、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムおよび／またはＳｉＯ２から成るセラミック金属酸化物基板、好ましくはセラミックＡｌ_２Ｏ_３基板であることが提案されている。

かかる素材は熱的にも機械的にも安定しており、その絶縁効果のおかげで、本発明の煤煙センサーを構築するのにとても適している。

加えて、導電構造体はレーザーにより構造化された貴金属厚層、好ましくは白金厚層であり、および／または導電構造体は摂氏０度で少なくとも１オーム、せいぜい１０オームの電気抵抗を有している。

かかる厚層や上記のような電気抵抗は、煤煙の加熱、煤煙粒子の焼き取り、並びに導電構造体間の電気抵抗の測定に適している。

導電構造体は、入り組んだ構造の加熱スパイラルまたは電極であるのが特に好ましい。

本発明によれば、煤煙センサーは、２つの入り組んだ構造の隣接した導電構造体を有するように設計するのが好ましい。導電構造体間の中間空間はレーザーで切断されるので、該導電構造体間の間隔は特に小さく設計することができ、その結果、煤煙センサーの感度が向上する。

本発明の１つの開発によれば、センサーは少なくとも１つの第二温度センサーおよび／または少なくとも１つの煤煙センサーから成り、それらは接続端末に接続されているのが好ましく、接触要素に接続されているのが特に好ましい。

温度センサーを含んでなる煤煙センサーにおいて、接続端末は締結手段、特にねじ山および／またはフランジを有しており、セラミック基板は好ましくはガラスを経て機械的に固定するやり方で締結手段に接続されており、接続手段は電気的接触手段、特に少なくとも３つの接触ピンおよび／またはソケット、好ましくは５つまたは６つのピンおよび／またはソケットを持つプラグを有しており、温度センサーおよび煤煙センサーは電気的に該接触手段に接触している。

接続端末への固定接続により、煤煙センサーを排気ガスシステムに設置する際、確実に容易にそれを挿入できる。

本発明によれば、電気絶縁基板は第二基板を通して接続端末に固定的に接続してもよい。従って、電気絶縁基板は接続端末に固定されてもよいし、第二基板を接続端末に固定してもよい（その場合、第二基板は電気絶縁基板に固定される）。従って、第二の場合、電気絶縁基板は第二基板を通して接続端末に固定的に接続される。

本発明の１つの開発によれば、温度センサーはプラチナを含む、またはプラチナから成る薄層または厚層である。更に、本発明によれば、温度センサーは摂氏０度で少なくとも５０オーム、せいぜい２０００オームの電気抵抗を有している。

かかる層または抵抗により、特に適切な温度センサーを抵抗温度センサーとして抵抗器蛇行形状で設計できるようになる。この設計により、温度センサーは比較的正確なものとなる。

加えて、温度センサーまたは煤煙センサーを少なくともある領域被覆する絶縁層は、金属酸化物、ガラスまたはガラスセラミックで構成される。

かかる絶縁層は機械的にも化学的にも特に安定しているので、本発明の煤煙センサーを構築するのに適している。燃焼エンジン、特にディーゼルエンジンのガス流中の環境は化学的に過酷なので、煤煙センサーの化学的安定性は煤煙センサーの安定にとって有利である。

加えて、温度センサーを有する煤煙センサーを提供するにあたり、温度センサーが導電構造体よりも電気抵抗が大きいことを特徴とする。好ましくは、温度センサーの電気抵抗は導電構造体のそれの５倍大きく、特に好ましくは、導電構造体のそれよりも４０倍ないし８０倍大きい電気抵抗である。

かかる抵抗比があれば、温度センサーは極めて正確に測定できるし、導電構造体を有する煤煙センサーも粒子を確実に焼き去ることができる。

本発明によれば、温度センサーを熱電対にすることも提案されており、その場合、熱電対は、セラミック基板上に配置される、少なくとも２つの異なる相互接続された金属および／または合金製の構造化された金属層として設計される。

熱電対は、煤煙センサーの導電構造体とは独立に、極めて正確に温度を測定できる。驚いたことに、熱電性のワイヤはセラミック基板または絶縁層上に薄層または厚層として被着し、温度測定に使用できることが見出された。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、セラミック基板の少なくともある領域、好ましくは完全にセラミック基板上に配置された温度センサーを被覆する絶縁層上に、構造化された金属層として煤煙センサーを配置することが提案されており、その場合、煤煙センサーの導電構造体は温度センサーを被覆しておらず、温度センサーを直接被覆しない絶縁層の領域にのみ配置されており、好ましくは、温度センサーは、絶縁層によって引き離された平面内に導電構造体を枠組みする。

更に、本発明の煤煙センサーにおいて、導電構造体をセラミック基板上に配置し、温度センサーを絶縁コーティングを有する第二金属基板上に被着してもよく、その場合、温度センサーは（第二金属基板）の絶縁コーティング上に配置するか、あるいは第二基板はセラミック製または酸化物製の絶縁基板であり、その上に温度センサーが直接配置される。

かかる多層構造を有する設計は、よりコンパクトに行うことができる。同時に、温度センサーは内部に位置するので、排気ガス中の化学的に過酷な環境からより良く保護される。

本発明が対処しようとしている課題は、かかる煤煙センサーを有するエンジン、特にディーゼルエンジンによっても解決され、その場合、煤煙センサーはエンジンの排気ガス流に配置されるように、排気ガスの開口部に位置する接続末端に固定される。

温度センサーを含む煤煙センサーを製造する本発明の方法は、例えば、次のような工程で達成できる。
セラミック基板上に、構造化された金属層を温度センサーとして被着する。
温度センサーを絶縁層、好ましくはガラスまたはガラスセラミック層で被覆する。
絶縁層の領域に、金属コーティング、好ましくは貴金属厚層を被着する。
次に、レーザー光線を用いて金属コーティングを構造化し、煤煙センサーを形成するために、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した導電構造体を形成する。

あるいは、以下のような工程を実施してもよい。
セラミック基板の第一側に、構造化された金属層を温度センサーとして被着する。
セラミック基板の第二側に、金属コーティングを被着する。
次に、レーザー光線を用いて金属コーティングを構造化し、煤煙センサーを形成するために、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した導電構造体を形成する。

あるいは、以下のような工程を実施してもよい。
セラミック基板上に、金属コーティングを被着する。
レーザー光線を用いて金属コーティングを構造化し、煤煙センサーを形成するために、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した導電構造体を形成する。
次に、セラミック基板上の導電構造体に隣接した場所、あるいは導電構造体の周りに、構造化された第二金属層を温度センサーとして被着する。

あるいは、以下のような工程を実施してもよい。
セラミック基板上に、金属コーティングを被着する。
レーザー光線を用いて金属コーティングを構造化し、煤煙センサーを形成するために、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した導電構造体を形成する。
第二基板上に、構造化された第二金属層を温度センサーとして被着する。
次に、セラミック基板上に、第二基板を固定、好ましくは接着する。

加えて、本発明の全ての方法において、層構造体を接続端末に固定する工程を別の工程として提供でき、その場合、温度センサーおよび煤煙センサーは、接続端末の接触要素に電気的に接触させる。

本発明は、隣接する金属層からレーザー光線を用いて煤煙センサーを製造すれば、排気ガス流中の煤煙粒子の密度を測定する特に高感度の煤煙センサーが提供でき、燃焼プロセス、特にディーゼルエンジンの燃焼を制御または調節するのにそれは使用できる、という驚くべき発見に、基づいている。レーザー光線を用いて迅速かつ低コストで作製できる、導電構造体間の小さい空間距離のおかげで、導電構造体の領域において煤煙センサーの表面に吸着された煤煙粒子は抵抗を大きく変化させ、あるいは誘電率を変化させ、それによりセンサーは高感度に反応する。層状の構成部品に温度センサーを組み合わせることにより、別の追加センサーを設置する手間を省くことができる。加えて、煤煙センサーを製造するのに、同じ基板および導電構造体の一部を共同で利用できる。その結果、２つのセンサーを個々に製造する場合よりも低価格で、温度センサー付き煤煙センサーが製造できる。

煤煙センサーが温度センサー上の保護層の上に製造されるならば、温度センサーはより高感度の薄層で構築できる。それは、無条件に、あるいは何ら追加の保護手段なしに、排気ガス流中の化学的に過酷な環境から上記温度センサーが保護されるからである。導電構造体の構造はレーザーを用いて形成されるので、煤煙センサーと温度センサーを互いに直接重なる位置に配置しないならば特に有利であり、それにより、導電構造体の構造を形成する際に、温度センサーの薄層または厚層に損傷を与える可能性のあるレーザー光線による保護層の切断が確実に生じなくなる。

導電構造体と温度センサーが１つの導電構造体の一部を共有するならば、接続端末用の接触要素の１つまたはピンあるいはソケットが不要となり得る。加えて、リード構造体用の素材がいくらか節約できる。２つのセンサーで測定を行う場合、あるいは煤煙センサーで粒子を焼き去る場合、適切な接触要素、従って２つのセンサー用の適切な接続端末を用いて電圧を印加するだけ、あるいは望ましい接続端末で電圧を測定するだけでよい。

温度センサーと導電構造体をセラミック基板の同じ側に配置しない場合には、セラミック基板上の導電構造体の共通部分が使用できる。好ましくは、本発明に従って、基板の第一側の導電構造体と基板の第二側の導電構造体の共通部分を接続するスルーホールめっきを用いて、これは達成できる。

粘着性が極めて高く抗腐食性の白金厚層は、好ましい空間距離が小さい場合はスクリーン印刷ができない。

レーザーを用いれば、煤煙センサーの導電構造体間の空間距離を特に小さくすることができる。空間距離が小さいので、煤煙センサーは特に感度が高く、僅かな煤煙粒子が定着しただけで、煤煙センサーの直流電気抵抗または誘電率に測定可能な変化が既に生じている。従って、レーザーを用いて作製される煤煙センサー、つまり導電構造体間の空間距離が小さい煤煙センサーは、従来の煤煙センサーと比較して感度が高い。

あるいは、少なくとも１つの液体を調査する分野において、本発明のセンサーを利用することも可能である。この目的のために、センサーは誘電体センサー（インピーダンスセンサーとも呼ばれる）として設計するのが好ましく、その場合、例えば、液体の品質および／または液体中の異物の含有量が該センサーを用いて測定される。液体は、例えば、オイル、油脂、一般的な流体である。オイルまたは油脂、例えば、料理でフライに使われる油脂、または自動車の分野のオイル、例えば乗用車またはトラックのモーターオイルを調査するのが好ましい。少なくとも１つの液体を調査する分野で使用される本発明のセンサーは、請求項１およびその従属請求項によって製造できる。更に、少なくとも１つの液体を調査する分野で使用される本発明のセンサーは、請求項１１および関連の従属請求項の特徴を有している。

本発明の更なる例示的実施態様を７つの概略図を基に、本発明の範囲を制限することなく、以下に示す。

本発明による、温度センサーを含む煤煙センサーの概略的上面図を示す。 本発明による、概略的断面図で示した接続端末を含む別の煤煙センサーの概略的上面図を示す。 本発明による、図２に示した煤煙センサーの概略的側面図を示す。 本発明による第三の煤煙センサーの、側面から見た概略的断面図を示す。 本発明による煤煙センサーの概略的上面図を示す。 本発明による、温度センサーを含む煤煙センサーの概略的上面図を示す。 本発明の方法を説明するための、概略的分解斜視図を示す。

構成部品が僅かに異なっていても、同じ符号が付された構成部品が必ずしも完全に同じでなくても、全図の同じ構成部品に同じ符号が付されている。

図１は、本発明の煤煙センサーの概略的上面図を示す。白金または白金合金製の金属構造体が、酸化アルミニウムまたは他の酸化金属製の電気絶縁基板１上に被着される。該絶縁基板１上に、２つの入り組んだ構造の加熱スパイラル２、３が金属構造体として配置される。加熱スパイラル２、３は、リード線４、５に電気的に接触している。加熱スパイラル２、３およびリード線４、５は、電気絶縁基板１上に既に煤煙センサーを形成している。

リード線５およびリード線６は、電気絶縁基板１上に温度センサー７を形成する蛇行構造体用に、電気接触を形成する。従って、リード線５は、加熱スパイラル３の１つ用と温度センサー用との共通リード線である。温度センサー７は、加熱スパイラル２、３よりも高い（１０倍から１００倍高い）電気抵抗を有する白金抵抗器構造体である。

加熱スパイラル２、３と温度センサー７によって形成されるコンビネーションセンサーは、適切な接合ねじ山を有する排気ガスパイプ（図示しない）の開口部にねじ山１０を通して、あるいは対応する接合ねじ山を有するホールダーを通して、固定できる。設置された状態の温度センサー７と加熱スパイラル２、３は、排気ガスパイプの内部に配置されている。煤煙センサーは、外部に、リード線４、５、６に電気的に接続された５つのプラグ１２を有する。

リード線４、５、６は、リード線４、５、６とプラグ１２の間に配置される拡幅導電層１４に延在している。拡幅であるので、電気抵抗は主に温度センサー７および加熱スパイラル２、３により引き起こされ、従って、電圧は温度センサー７および加熱スパイラル２、３で大幅に低下する。絶縁基板１と拡幅導電層１４の長さ（図１の上から下）は、プラグ１２およびねじ山１０を含む接続端末１６に向けて煤煙センサーを断熱する効果がある。

加熱スパイラル２、３の導電トラック、温度センサー７のリード線４、５、６、並びに加熱スパイラル２、３および温度センサー７のリード線として使用される共通部分８は、図１において線で示してあるに過ぎない。線の幅は、導電トラックの実際の幅に対応するものではない。本発明によれば、加熱スパイラル２、３間の空間距離は、図１の概略全体図で示されている空間距離よりも大幅に小さい。

プラグ１２は接続端末１６を通して延在し、拡幅導電層１４に電気的に接続され、例えばそこでワイヤが半田付けまたは溶接される。接続端末１６は、例えば、ワイヤ用のスルーホールを有するセラミック製プラグ、あるいはプラグ１２を拡幅導電層１４に電気的に接触させるための密閉ワイヤを有するセラミック製プラグである。接続端末１６は、ＳｉＯ２系ガラス製のグレイジング（図示しない）により、機械的に固定された堅固な形で絶縁基板１に接続される。グレイジングは、接続端末１６を絶縁基板１に接続するだけでなく、プラグ１２と拡幅導電層１４間の接続ワイヤを固定・保護し、外部に対して接続端末１６を（プラグ１２の方向に）密閉する機能を有する。

測定を行う場合、最初の工程は、加熱スパイラル２、３間の直流電気抵抗を測定することである。煤煙粒子が加熱スパイラル２、３間の絶縁基板１の表面に定着すると、加熱スパイラル１、３間の電気抵抗が変化する。予め決められた時間の後、あるいは予め決められた抵抗変化の後、加熱スパイラル２、３は電流で摂氏６００度ないし７００度に加熱される。その結果、絶縁基板１の表面上の煤煙粒子は、加熱スパイラル２、３の領域で焼かれる（すなわち表面の粒子が焼き取られる）。次に、排気ガス流中の煤煙粒子濃度およびその経時的変化を測定するため、電気抵抗およびその経時的変化を再び測定してもよい。

その間に、あるいは加熱スパイラル２、３の作動による影響が適切かつ計算的に説明される場合には同時に、排気ガス流の温度を温度センサー７によって測定できる。

加熱スパイラル２、３および温度センサー７は、例えば、まず絶縁基板１上に厚層として白金層または白金合層を被着することによっても製造できる。次に、図示されている構造体をレーザーまたはレーザー光線により作製するが、その場合、該レーザーまたはレーザー光線は、図１に示される加熱スパイラル２、３間の自由域を蒸発させ、必要であれば、温度センサーの導電体および／またはリード線４、５、６間の自由域も蒸発させる。図示されている構造体は、厚層を用いて適切な印刷方法で予め構造化することも可能であり、その場合、煤煙センサーの加熱スパイラル２、３間の僅かな空間距離だけをレーザーで焼き取ればよい。

レーザーを使用することにより、煤煙センサーの加熱スパイラル２、３間に極めて狭い空間を作製することができ、その結果、煤煙センサーの感度が向上する。

図２は、本発明による、概略的断面図で示した接続端末を含む別の煤煙センサーの概略的上面図を示しており、図３は、同じ煤煙センサーの概略的側面図を示すが、接続端末１６は図２で示されたほど詳細には示されていない。従って、図２は、図１で詳細に図示されている接続端末１６を単純化して示したものにすぎない。

図２および図３に示される煤煙センサーはセラミック基板１を有しており、その基板上に２つの煤煙センサー（各々２つの加熱スパイラル２、３を有する）が金属製の隣接した導電性構造体として互いに隣り合わせに配置されている。加熱スパイラル２、３間の空間はレーザーで作製され、該レーザーは今まで隣接していた金属層を２つずつの別々の加熱スパイラル２、３に分離する。

加熱スパイラル２、３は、金属製で低抵抗の拡幅導電構造体１４に電気的に接触させることができる。拡幅導電構造体１４および加熱スパイラル２、３の領域は絶縁層２１で被覆される。絶縁層２１として、例えば、ガラス、ガラスセラミックまたは酸化アルミニウム層が被着できる。煤煙センサーの加熱スパイラル２、３のある部分を被覆することにより、粒子の焼き取りに必要な温度に確実に到達できる。

温度センサーは、ガラス半田により絶縁層２１に固定される。温度センサーはチップを有しているが、該チップはＡｌ_２Ｏ_３基板２２上に配置され、リード線であるワイヤ６に電気的に接触する。ワイヤ６および温度センサーへの接続は絶縁／歪除去２４（例えばガラスセラミックプラグ）で被覆されている。温度センサーは第二基板２２上の抵抗器蛇行であるが、熱電対の形で提供してもよい。かかる歪除去２４は、ワイヤ終端と拡幅導電層１４との接続にも提供される。

Ａｌ_２Ｏ_３基板２２の代わりに、第二基板２２として、ガラス層を有するガラス板または金属板を使用することもできる。第二基板２２と、従って温度センサーとは、第二基板２２の素材の選択とは独立に、ガラス半田により絶縁層２１上に固定される。

図２に断面図が詳細に示してある接続端末１６は、プラグ１２すなわちワイヤ終端１２だけでなく、ワイヤ終端１２用のスルーホールを有する円柱状のセラミックブロック２６も含んでいる。セラミックブロック２６の長さは１０ｍｍないし２０ｍｍで、該スルーホールは細い円柱状の毛細管である。ワイヤ終端１２は該スルーホールにぴったりと接続されており、そこにグレイジングが提供され、ある領域の中間空間を充填している。セラミックブロック２６は、突出縁を有する円柱状のスチールスリーブ２８に固着されている。スチールスリーブ２８はスチールパイプ３０に溶接されている。スチールパイプ３０は外部ねじ山１０およびストップを有しているので、該ねじ山を通して、対応する接合ねじ山を有する排気ガスパイプ（図示しない）の開口部に、スチールパイプ３０を固定的に螺合できる。

あるいは、（すべての実施形態について言えることであるが）内部ねじ山を有するキャップナットも固定手段として好ましく使用でき、その場合、上記内部ねじ山は、排気ガスシステムのパイプ接ぎに使用される外部ねじ山に固定できる。

グレイジング３２は、接続端末１６を密閉しセラミック基板１を固定する目的で提供される。上記グレイジング３２は、セラミックブロック２６、スチールスリーブ２８、ワイヤ１２、温度センサーに接続されるリード線６、およびセラミック基板１または歪除去２４に固定的に接続される。

図４は、本発明による第三の煤煙センサーの、側面から見た概略的断面図を示す。温度センサー７が、薄層としてセラミック基板１上に被着される。温度センサー７は、白金蛇行形の抵抗温度センサーとして、あるいは２つの異なる金属または合金を有する熱電対として設計できる。

温度センサー７は、該温度センサー７をプラグ１２としてのワイヤに接続する、低抵抗の拡幅導電構造体１４に接続される。

絶縁酸化アルミニウム層２０が、温度センサー７および導電層１４上に被着される。この酸化アルミニウム層２０上に白金厚層が被着（例えば、印刷）され、次に、上記白金厚層は、レーザーを用いて、２つの入り組んだ構造の加熱スパイラル４２または入り組んだ構造の櫛形電極４３を有する煤煙センサーを形成するように構造化される。レーザーによる操作中に該白金厚層２０を通して温度センサー７またはリード線１４に損傷を与えるのを避けるため、温度センサー７および任意にリード線１４も、煤煙センサー２から離して配置される。すなわち、煤煙センサーの加熱スパイラル４２または電極４３は、温度センサー７の真上には配置されない。

加熱スパイラル４２または電極４３も、ワイヤまたはプラグ１２を通して電気的に接続される。温度センサー７および加熱スパイラル４２または電極４３を接続するため、プラグ１２またはワイヤは共通の接続端末１６を通して延長され、それにより、煤煙センサーは排気ガスシステムに接続される。

事実、ワイヤまたはプラグ１２およびセラミック基板１は、図４の概略図には描写されていないが、温度センサー７の薄層、温度センサー７の厚層、または加熱スパイラル４２の厚層あるいは電極４３よりも、当然ながら相当に厚い。図４の描写の主な目的は、層構造の幾何学的配置を示すものであり、従って、この図は厚さを正確な比率で示すものではない。

図５は、本発明による煤煙センサーの概略的上面図を示す。煤煙センサーは金属酸化物または金属酸化物セラミック製の基板１を有し、該基板上に、２つの入り組んだ構造の加熱スパイラル２、３が、白金厚層から成る蛇行構造体として配置されている。加熱スパイラル２、３の構造は、レーザー光線を用いて隣接した白金厚層から切り出されたものである。加熱スパイラル２、３は、短いリード線４を通して拡幅導電層１４に接続されている。リード線の断面積は比較的小さいので、抵抗は主に加熱スパイラル２、３で低下し、拡幅導電層１４では低下しない。

基板１は、ガラス半田または温度安定接着剤により円柱状の接続端末１６に固定される。煤煙センサーを排気ガスシステムに固定するための外部ねじ山１０は、接続端末１６の円柱状ジャケット上に配置される。拡幅導電層１４は導電的にプラグ１２に接続されており、該プラグを通して、加熱スパイラル２、３が電圧により作動できる。

レーザー光線を用いて加熱スパイラル２、３を構造化することにより、２つの加熱スパイラル２、３は、１０μｍないし３０μｍの空間距離を有するように作製できる。空間間隔が狭いので、加熱スパイラル間の空間距離が約８０μｍないし１００μｍである従来の方法で製造される煤煙センサーと比較して、煤煙センサーの感度は向上する。

図６は、本発明の別の煤煙センサーの概略的上面図を示す。白金または白金合金製の金属構造体が、金属酸化物製、好ましくは白金酸化物製の電気絶縁基板１上に被着される。電極５２、５３が、金属構造体として該絶縁基板１上に配置される。上記電極は入り組んだ構造の櫛形構造を有しており、それ自体で互いに隣接し合っている。電極５２、５３は、電気的にリード線４、５に接触している。電極５２、５３およびリード線４、５は、電気絶縁基板１上に既に煤煙センサーを形成している。

セラミック基板１の裏側に蛇行構造体が形成され、それが温度センサーを形成している。温度センサーは白金抵抗器構造体であるのが好ましい。

櫛形電極５２、５３と温度センサー７によって形成されるコンビネーションセンサーは、適切な接合ねじ山を有する排気ガスパイプ（図示しない）の開口部にねじ山１０を通して、あるいは対応する接合ねじ山を有するホールダーを通して、固定できる。設置された状態の温度センサーと櫛形電極５２、５３は、排気ガスパイプの内部に配置されている。煤煙センサーは、外部に、電極用のリード線４、５および温度センサー用のリード線に電気的に接続された３つのプラグ１２を有する。セラミック基板１を通したスルーホールめっきにより、リード線５に接続されたプラグ１２は温度センサーの１つの末端の電気接触用にも使用される。

全てのリード線４、５が、該リード線４、５、６とプラグ１２の間に配置された拡幅導電層１４に接続される。拡幅であるので、電気抵抗は主に温度センサーおよび電極５２、５３により引き起こされ、従って、電圧は温度センサーおよび電極５２、５３で大幅に低下する。絶縁基板１と拡幅導電層１４の長さ（図６の上から下）は、プラグ１２およびねじ山１０を含む接続端末１６に向けて煤煙センサーを断熱するように意図されている。又、排気ガスの熱によって絶縁およびプラグ１２が損傷を受けないように、煤煙センサーの長さを選択してもよい。

プラグ１２は接続端末１６を通して延在し、拡幅導電層１４に電気的に接続され、例えばそこでワイヤが半田付けまたは溶接される。接続端末１６は、例えば、ワイヤ用のスルーホールを有するセラミック製プラグ、あるいはプラグ１２を拡幅導電層１４に電気的に接触させるための密閉ワイヤを有するセラミック製プラグである。接続端末１６は、ＳｉＯ２ガラス製のグレイジング（図示しない）により、機械的に固定された堅固な形で絶縁セラミック基板１に接続される。グレイジングは、接続端末１６を絶縁基板１に接続するだけでなく、プラグ１２と拡幅導電層１４間の接続ワイヤを固定・保護し、外部に対して接続端末１６を（プラグ１２の方向に）密閉するのに使用される。

電極５２、５３間の空間距離は図６の概略図では拡大して示されており、実際には約３０μｍないし５０μｍしかない。電極５２、５３はレーザー光線により互いに分離されており、レーザー光線の焦点ポイントの幅が電極５２、５３間の空間距離を決定する。図１とは対照的に、電極５２、５３の導電トラックは図６では表面として描かれている。表面の幅は導電トラックの実際の幅には対応しておらず、特に、本発明の電極５２、５３の空間距離は、図６の全体概念図に描かれている空間距離よりも大幅に小さい。

測定を行う際、櫛形電極５２、５３間の直流電気抵抗および／または２つの櫛形電極５２、５３間のキャパシタンスが測定される。キャパシタンスは、例えば、ＬＣ発振回路で測定できる。煤煙粒子が電極５２、５３間の絶縁基板１の表面に定着すると、電極５２、５３間の電気抵抗または２つの電極５２、５３間の誘電率が変化するが、それはキャパシタンス測定で明らかとなる。

セラミック基板１上に配置し得る個別の加熱装置（図示しない）によって、セラミック基板１を測定と測定の間に摂氏６００度ないし７００度に加熱できる。その結果、セラミック基板１の表面上の煤煙粒子は焼き取られる。すなわち、セラミック基板１の表面は焼かれて、電極５２、５３間で粒子のない状態となる。次に、排気ガス流中の煤煙粒子濃度およびその経時的変化を測定するため、電極５２、５３間の電気抵抗および／またはキャパシタンスおよびその経時的変化を再び測定してもよい。

その間に、あるいは電極５２、５３の作動による影響が適切かつ計算的に説明される場合には同時に、排気ガス流の温度を温度センサー７によって測定できる。

電極５２、５３および温度センサー７は、例えば、まず絶縁基板１上に厚層として白金層または白金合層を被着することによっても製造できる。次に、図６に示されている構造体をレーザーまたはレーザー光線により作製するが、その場合、図６に示されている電極５１、５３間の自由域をレーザー光線で蒸発させる。それを行うため、レーザー光線の焦点を白金層または白金合金層の表面に合わせる。図示されている構造体は、厚層を用いて適切な印刷方法で予め構造化することも可能であり、その場合、煤煙センサーの櫛形電極５２、５３間の僅かな空間距離だけをレーザーで焼き取ればよい。

レーザーを使用することにより、煤煙センサーの電極５２、５３間に極めて狭い空間を作製することができ、その結果、煤煙センサーの感度が向上する。

図７は、本発明の方法を説明するための、概略的分解斜視図を示す。２つの接触パッド６４を有する加熱器６２をＡｌ_２Ｏ_３製の基板６０の下側（図７で底）に被着する。加熱器６２は、例えば厚層技術を用いて金属層として印刷してもよい。

加熱器６２の両側が挟持構造体としてＡｌ_２Ｏ_３基板６０とパシベーション６６によって保護されるように、加熱器６２の加熱スパイラルをパシベーション６６で被覆する。例えば、パシベーション６６としてセラミック板を固着してもよい。

予め構造化された白金厚層６８が基板６０の上側（図７で上）に被着される。その後の工程で、この白金厚層６８はレーザー光線により互いに電気的に絶縁された２つの部分に分けられるが、その際レーザー光線は白金厚層６８上を実線に沿って導かれる。その結果、２つの互いに係合した櫛形電極５２、５３を有する、レーザーで構造化された白金厚層７０が得られる。レーザーを使用することにより、５０μｍ未満という極めて小さい空間距離が電極５２、５３間に得られる。同時に、基板６０の表面が一定であると仮定すると、多数の櫛の歯を有する櫛形電極５２、５３が製造でき、その結果、製造された構造体７０は広い電極表面を有することになる。電極５２、５３の空間距離が小さくて電極表面が広いので、電極５２、５３間の電気絶縁は減少し、従って煤煙センサーの感度は向上する。

このようにして製造された煤煙センサーの表面に煤煙粒子が吸着され定着するならば、上記煤煙粒子は電極５２、５３間の中間空間にも定着し、レーザーにより焼き取られる、あるいは蒸発される。レーザーで作製された電極５２、５３間のラインが長ければ長いほど、煤煙粒子が電極５２、５３間に定着する統計的蓋然性は高くなる。

煤煙粒子が電極５２、５３間のかかる中間空間に定着すると抵抗に変化が生じ、その結果、もし十分数の煤煙粒子が存在するならば、あるいはもし該中間空間の十分な大きさの表面積が煤煙粒子によって覆われるならば、電子絶縁損失の形で測定可能な信号が発生する。空間距離が小さくて電極５２、５３間の中間空間が長いので、煤煙センサーの感度は向上する。

図７は、本発明のセンサーの分解図を間接的に示している。構造化されていない白金層６８が存在しない場合を想像していただければ、本発明の煤煙センサーの分解図が図７に示されているのがお分かりいただけるであろう。

上述の説明、特許請求項の範囲、図面および例示的実施態様で開示した本発明の特徴は、本発明の種々の実施態様を実現するにあたり、個別的にまたはそれらのあらゆる組み合わせにおいて非常に重要であり得る。

１ 電気絶縁基板
２，３ 加熱スパイラル
４ 加熱スパイラルへのリード線
５ 共通リード線
６ 温度センサーへのリード線
７ 温度センサー
８ 共通部分
１０ ねじ山
１２ ピン／ワイヤ
１４ 拡幅導電層
１６ 接続端末
２０ 絶縁層
２１ 絶縁層
２２ 第二基質
２４ 絶縁／歪除去
２６ セラミックブロック
２８ スチールスリーブ
３０ パイプ接ぎ
３２ グレイジング
４２ 加熱スパイラル
４３ 電極
５２ 電極
５３ 電極
６０ 基板
６２ 加熱器
６４ 接続パッド
６６ パシベーション
６８ 白金厚層
７０ レーザー構造化白金厚層

Claims (22)

1. 煤煙センサーの製造方法であって、
   電気絶縁基板（１，２０）上に隣接した金属層を被着する工程と、
   レーザー光線を用いて前記金属層のある領域を蒸発させることにより前記金属層を構造化する工程と、を含み、
   前記金属層を構造化する工程において、少なくとも２つの入り組んだ構造の隣接した導電性の加熱スパイラル（２，３，４２）が形成され、前記加熱スパイラル（２，３，４２）は、前記加熱スパイラル（２，３，４２）全長のうちの前記領域において５０μｍより小さい間隔で互いに隣り合って延在しているように、前記レーザー光線により空間的に互いに分離され互いに電気的に絶縁されており、
   前記加熱スパイラル（２，３，４２）の構造化の後、金属酸化物製、ガラス製またはガラスセラミック製の絶縁層（２１）によって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）のリード線（４，５，１４）を全体的にコーティングし、
   温度センサー（７）を前記絶縁層（２１）上に固定すること、又は温度センサー（７）を前記絶縁層（２１）上にガラス半田によって固定することを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記金属層は前記加熱スパイラル（２，３，４２）以外の構造体が予め構造化された形で前記電気絶縁基板（１，２０）上に被着されることを特徴とする、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、少なくとも拡幅導電層（１４）が前記加熱スパイラル（２，３，４２）の電気的接触のために予め構造化されることを特徴とする、方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法であって、前記レーザー光線が前記金属層上を線状に、作製すべき前記加熱スパイラル（２，３，４２）間の間隔部に沿って移動され、このとき前記金属層は前記線に沿って蒸発し、最終的に構造化される導電性の加熱スパイラル（２，３，４２）の間隔は、前記レーザー光線の焦点スポットの実効断面の直径に対応することを特徴とする、方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法であって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）は、その全長の少なくとも９０％に沿って互いに隣り合って延在することを特徴とする、方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法であって、前記電気絶縁基板（１，２０）として、金属酸化物基板（１，２０）またはガラス基板（２０）が用いられることを特徴とする、方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法であって、前記電気絶縁基板（１，２０）として、セラミックＡｌ_２Ｏ_３基板（６０）、ガラス、ガラスセラミック、またはＡｌ_２Ｏ_３層が用いられることを特徴とする、方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法であって、温度センサー（７）が、前記電気絶縁基板（１）上であって、前記電気絶縁基板（１）に対して前記金属層または煤煙センサーの反対側に配置される、あるいは前記加熱スパイラル（２，３，４２）に隣接して配置されることを特徴とする、方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法であって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）の構造化の後、前記加熱スパイラル（２，３，４２）のある領域を、金属酸化物製、ガラス製またはガラスセラミック製の絶縁層（２１）によってコーティングすることを特徴とする、方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法であって、まず温度センサー（７）をセラミック基板（１）上に形成し、次に前記電気絶縁基板（２０）を前記温度センサー（７）上に層として被着し、それから前記金属層を前記電気絶縁基板（２０）上に被着して前記加熱スパイラル（２，３，４２）を作製することを特徴とする、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記温度センサー（７）を薄層技術を用いて前記セラミック基板（１）上に形成することを特徴とする、方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の方法であって、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスまたはガラスセラミックを前記電気絶縁基板（２０）として前記温度センサー（７）上に被着することを特徴とする、方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法であって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）は、接続端末（１６）の接触要素（１２）に電気的に接触することを特徴とする、方法。
14. 電気絶縁基板（１，２０）を有し、
    電気絶縁基板（１，２０）上に金属層が構造化されており、前記金属層に、少なくとも２つの隣接した導電性の加熱スパイラル（２，３，４２）が形成されており、前記加熱スパイラル（２，３，４２）が５０μｍより小さい間隔で互いに隣り合って延在するように、前記加熱スパイラル（２，３，４２）の間の中間空間がレーザーで焼き取られており、
    金属酸化物製、ガラス製またはガラスセラミック製の絶縁層（２１）によって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）のリード線（４，５，１４）が全体的にコーティングされており、
    温度センサー（７）が前記絶縁層（２１）上に固定されている、又は温度センサー（７）が前記絶縁層（２１）上にガラス半田によって固定されていることを特徴とする、煤煙センサー。
15. 請求項１４に記載の煤煙センサーであって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）は拡幅伝導層（１４）に接触していることを特徴とする、煤煙センサー。
16. 請求項１５に記載の煤煙センサーであって、少なくとも前記拡幅伝導層（１４）は絶縁層（２１）で被覆されていることを特徴とする、煤煙センサー。
17. 請求項１６に記載の煤煙センサーであって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）の、前記拡幅伝導層（１４）に隣接した領域は、絶縁層（２１）で被覆されていることを特徴とする、煤煙センサー。
18. 請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の煤煙センサーであって、前記煤煙センサーは接続端末（１６）を有しており、前記温度センサー（７）および前記加熱スパイラル（２，３，４２）は、電気的並びに機械的に前記接続端末（１６）に接続されていることを特徴とする、煤煙センサー。
19. 請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の煤煙センサーであって、前記電気絶縁基板（１，２０）は、セラミック金属酸化物基板であることを特徴とする、煤煙センサー。
20. 請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の煤煙センサーであって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）はレーザーにより構造化された貴金属厚層であり、および／または前記加熱スパイラル（２，３，４２）は少なくとも１オームの電気抵抗を有していることを特徴とする、煤煙センサー。
21. 請求項２０に記載の煤煙センサーであって、前記加熱スパイラル（２，３，４２）はレーザーにより構造化された白金厚層（６８）であり、および／または前記加熱スパイラル（２，３，４２）は高くても１０オームの電気抵抗を有していることを特徴とする、煤煙センサー。
22. エンジンであって、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の煤煙センサーを含み、前記煤煙センサーは、前記エンジンの排気ガスの流れに配置されるように、排気ガスラインの開口部に接続端末（１６）を経て固定されている、エンジン。

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