JPH08213154A - 低電力消費の厚膜ヒータ - Google Patents
低電力消費の厚膜ヒータInfo
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- JPH08213154A JPH08213154A JP27407695A JP27407695A JPH08213154A JP H08213154 A JPH08213154 A JP H08213154A JP 27407695 A JP27407695 A JP 27407695A JP 27407695 A JP27407695 A JP 27407695A JP H08213154 A JPH08213154 A JP H08213154A
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- JP
- Japan
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- thick film
- ink
- combustion engine
- engine exhaust
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- Prior art date
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- Pending
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低電力消費のインク印刷式厚膜ヒータを有す
る燃焼機関排気センサを提供すること。 【解決手段】 燃焼機関排気センサは、貴金属及び約５
〜２５重量パーセントのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末の
ような非導電性セラミック材料を含む厚膜組成物を用い
て基板１０上に印刷された厚膜ヒータを有する。これに
より、はるかに小さい検出素子、より低い電力消費量、
高速のライトオフ時間、良好な厚膜ヒータ印刷能力、及
び加熱素子の安いインク印刷コストがもたらされる。
る燃焼機関排気センサを提供すること。 【解決手段】 燃焼機関排気センサは、貴金属及び約５
〜２５重量パーセントのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末の
ような非導電性セラミック材料を含む厚膜組成物を用い
て基板１０上に印刷された厚膜ヒータを有する。これに
より、はるかに小さい検出素子、より低い電力消費量、
高速のライトオフ時間、良好な厚膜ヒータ印刷能力、及
び加熱素子の安いインク印刷コストがもたらされる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、燃焼機関排気セ
ンサ、更に詳しくは低電力消費厚膜ヒータを有する排気
センサに関する。
ンサ、更に詳しくは低電力消費厚膜ヒータを有する排気
センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】厚膜ヒータは、基板又は燃焼機関排気セ
ンサに印刷又は埋設された導体膜条片である。通常、こ
の膜は、白金をベースとして他の少量の貴金属添加物を
含むインクで印刷されている。
ンサに印刷又は埋設された導体膜条片である。通常、こ
の膜は、白金をベースとして他の少量の貴金属添加物を
含むインクで印刷されている。
【０００３】厚膜ヒータは、通常、図１に示すように、
基板１０、この基板に形成された空気基準通路１２、蛇
行部分１４を含む印刷されたヒータ及び（時には）リー
ド線１６を備えている。蛇行部分は比較的小さい幅の実
質上平行な脚部を有していて、リード線の単位長当たり
の電気抵抗値よりも高い抵抗値を持っている。一般に、
導体膜材料の電気抵抗値Ｒは温度と共に増大する。電圧
Ｖがヒータに加えられたとき、ヒータにおいて発生され
る電力は、Ｒを抵抗値とした場合
基板１０、この基板に形成された空気基準通路１２、蛇
行部分１４を含む印刷されたヒータ及び（時には）リー
ド線１６を備えている。蛇行部分は比較的小さい幅の実
質上平行な脚部を有していて、リード線の単位長当たり
の電気抵抗値よりも高い抵抗値を持っている。一般に、
導体膜材料の電気抵抗値Ｒは温度と共に増大する。電圧
Ｖがヒータに加えられたとき、ヒータにおいて発生され
る電力は、Ｒを抵抗値とした場合
【数１】Ｐ＝Ｖ２／Ｒ＝Ｉ２Ｒ と表現される。Ｒは基板上に印刷されるインクの幅の減
少と共に増大する。その結果として、電気的な熱の大部
分は、蛇行部分の方が幅が狭く、従って電気抵抗値が高
いために、蛇行部分で発生される。応用例においては、
蛇行部分は、加熱される必要のある領域に配置される。
リード線の主な目的は、蛇行部分に電流を導くことであ
るが、若干の熱がリード線において発生される。
少と共に増大する。その結果として、電気的な熱の大部
分は、蛇行部分の方が幅が狭く、従って電気抵抗値が高
いために、蛇行部分で発生される。応用例においては、
蛇行部分は、加熱される必要のある領域に配置される。
リード線の主な目的は、蛇行部分に電流を導くことであ
るが、若干の熱がリード線において発生される。
【０００４】典型的な酸素センサの理想的動作温度は、
おおよそ３５０〜８５０℃である。この理想的動作温度
を達成するために、必要とされる電力はセンサの設計、
すなわち、大きさ、実装などと共に最適化されるべきで
ある。
おおよそ３５０〜８５０℃である。この理想的動作温度
を達成するために、必要とされる電力はセンサの設計、
すなわち、大きさ、実装などと共に最適化されるべきで
ある。
【０００５】酸素センサの設計においては、センサ寸法
が小さく、電力消費量が低いことが一般に望ましい。小
さいセンサの方がより少量の電力消費量で済むというこ
とは直観的にわかるけれども、外部的な電力調整を伴わ
ない非常に小さいセンサ上の厚膜ヒータの設計は、重大
な技術的障害を呈する。換言すれば、電力が適切に減少
されなければ、小さいセンサは、正しく機能しないか又
は過度の熱的歪みが発生する極限の温度にまで加熱され
ることがある。
が小さく、電力消費量が低いことが一般に望ましい。小
さいセンサの方がより少量の電力消費量で済むというこ
とは直観的にわかるけれども、外部的な電力調整を伴わ
ない非常に小さいセンサ上の厚膜ヒータの設計は、重大
な技術的障害を呈する。換言すれば、電力が適切に減少
されなければ、小さいセンサは、正しく機能しないか又
は過度の熱的歪みが発生する極限の温度にまで加熱され
ることがある。
【０００６】自動車における電気系統は、標準的な１３
ボルトの電池によって給電されている。厚膜ヒータが標
準的な電池に接続されると、印加される電圧は常に約１
３ボルトである。そこで、ヒータへの電力はヒータの全
抵抗値によって決定される。より小さい電力が望まれる
ときには、ヒータの電気抵抗値が増大されなければなら
ない。
ボルトの電池によって給電されている。厚膜ヒータが標
準的な電池に接続されると、印加される電圧は常に約１
３ボルトである。そこで、ヒータへの電力はヒータの全
抵抗値によって決定される。より小さい電力が望まれる
ときには、ヒータの電気抵抗値が増大されなければなら
ない。
【０００７】電気抵抗値を増大するためには、厚膜ヒー
タの印刷高を低減すること、蛇行部分及びリード線の幅
を小さくすること、並びに蛇行部分及びリード線の線長
を増大すること等、幾つかの通常の解決策がある。上記
の解決策のそれぞれには、その限界又は技術的難点があ
る。例えば、印刷高を低減することは抵抗値をある限度
まで増大させることができるにすぎない。蛇行部分の幅
を小さくするといっても、ある点で印刷可能性が無くな
る。リード線の幅を小さくすることはリード線の領域に
おける温度を高めることになるが、これは電気的接続の
ために望ましくない。蛇行部分及びリード線の線長を増
大することは、センサの寸法を低減するという意図と矛
盾する。
タの印刷高を低減すること、蛇行部分及びリード線の幅
を小さくすること、並びに蛇行部分及びリード線の線長
を増大すること等、幾つかの通常の解決策がある。上記
の解決策のそれぞれには、その限界又は技術的難点があ
る。例えば、印刷高を低減することは抵抗値をある限度
まで増大させることができるにすぎない。蛇行部分の幅
を小さくするといっても、ある点で印刷可能性が無くな
る。リード線の幅を小さくすることはリード線の領域に
おける温度を高めることになるが、これは電気的接続の
ために望ましくない。蛇行部分及びリード線の線長を増
大することは、センサの寸法を低減するという意図と矛
盾する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は従来の技術
の諸欠点の多くを克服することを目的とする。
の諸欠点の多くを克服することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、基板上に印
刷された厚膜ヒータを有する燃焼機関排気センサを提供
し、その厚膜のインク組成物は貴金属及び約５〜２５重
量パーセントのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末のような非
導電性セラミック粉末を含んでいる。
刷された厚膜ヒータを有する燃焼機関排気センサを提供
し、その厚膜のインク組成物は貴金属及び約５〜２５重
量パーセントのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末のような非
導電性セラミック粉末を含んでいる。
【００１０】厚膜のインク組成物における非導電性セラ
ミック粉末の使用は、極めて小さい検出素子、より低い
電力消費量、高速のライトオフ（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）
時間、良好な厚膜ヒータ印刷能力、及び加熱素子の安い
インク印刷コストを有する排気センサをもたらすことに
なる。
ミック粉末の使用は、極めて小さい検出素子、より低い
電力消費量、高速のライトオフ（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）
時間、良好な厚膜ヒータ印刷能力、及び加熱素子の安い
インク印刷コストを有する排気センサをもたらすことに
なる。
【００１１】これら及びその他の目的、特徴及び利点
は、図面の簡単な説明、発明の詳細な説明並びに添付の
請求項及び図面から明らかになるであろう。
は、図面の簡単な説明、発明の詳細な説明並びに添付の
請求項及び図面から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】この発明に係る、図１に示すよう
な厚膜ヒータは、全インク組成物の約５〜２５重量パー
セント、望ましくは約７〜１５重量パーセント、最も望
ましくは約９〜１１重量パーセントの範囲の量で存在す
る非導電性セラミック粉末を含むインク組成物を用いて
作られる。適切な非導電性セラミック粉末は、耐火性、
化学的融和性、熱膨張及び動作の安定性の点で基板及び
インク金属と調和するものである。例えば、シリカ、コ
ージライト及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をインクにおけ
る非導電性粉末として使用できる。この発明によれば、
厚膜ヒータ組成物は約５，１０，１２，１５，２０及び
２５重量パーセントのアルミナのようなセラミック材料
を含むことができる。
な厚膜ヒータは、全インク組成物の約５〜２５重量パー
セント、望ましくは約７〜１５重量パーセント、最も望
ましくは約９〜１１重量パーセントの範囲の量で存在す
る非導電性セラミック粉末を含むインク組成物を用いて
作られる。適切な非導電性セラミック粉末は、耐火性、
化学的融和性、熱膨張及び動作の安定性の点で基板及び
インク金属と調和するものである。例えば、シリカ、コ
ージライト及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をインクにおけ
る非導電性粉末として使用できる。この発明によれば、
厚膜ヒータ組成物は約５，１０，１２，１５，２０及び
２５重量パーセントのアルミナのようなセラミック材料
を含むことができる。
【００１３】インクは、約６０〜８５重量パーセント、
望ましくは約６５〜７５重量パーセント、最も有利には
約６８〜７５重量パーセントの範囲の量の貴金属をも含
有している。適切な貴金属としては、白金、ロジウム、
パラジウム及び銀がある。厚膜インクに適した他の金属
としてはタングステン及びモリブデンがある。例えば、
好適なインク組成物は６９重量パーセントの白金、２重
量パーセントのロジウム及び１０重量パーセントのアル
ミナ粉末を含む。インクは結合剤を含んでもよい。その
ような組成物は、非常に小さい平板状の検出素子上に厚
膜ヒータを印刷するのに利用することができる。表１
は、標準的な白金／ロジウムのインクで印刷された検出
素子と、この発明による白金／ロジウム／アルミナのイ
ンクとで印刷された検出素子との寸法、動作温度、ライ
トオフ時間及び電力消費量を比較した表である。表１か
らわかるように、この発明による厚膜ヒータのインク組
成物を用いると、素子寸法の著しい減少、動作温度の上
昇、ライトオフ時間（ヒータが室温から５００℃になる
時間）の著しい短縮及び電力消費量の低減が達成され
る。
望ましくは約６５〜７５重量パーセント、最も有利には
約６８〜７５重量パーセントの範囲の量の貴金属をも含
有している。適切な貴金属としては、白金、ロジウム、
パラジウム及び銀がある。厚膜インクに適した他の金属
としてはタングステン及びモリブデンがある。例えば、
好適なインク組成物は６９重量パーセントの白金、２重
量パーセントのロジウム及び１０重量パーセントのアル
ミナ粉末を含む。インクは結合剤を含んでもよい。その
ような組成物は、非常に小さい平板状の検出素子上に厚
膜ヒータを印刷するのに利用することができる。表１
は、標準的な白金／ロジウムのインクで印刷された検出
素子と、この発明による白金／ロジウム／アルミナのイ
ンクとで印刷された検出素子との寸法、動作温度、ライ
トオフ時間及び電力消費量を比較した表である。表１か
らわかるように、この発明による厚膜ヒータのインク組
成物を用いると、素子寸法の著しい減少、動作温度の上
昇、ライトオフ時間（ヒータが室温から５００℃になる
時間）の著しい短縮及び電力消費量の低減が達成され
る。
【００１４】
【表１】 標準のヒータ及び低電力ヒータの比較 標準のヒータ 低電力ヒータ インク Ｐｔ／Ｒｈ Ｐｔ／Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３ 素子長（ｍｍ） ４５ ３５ 素子幅（ｍｍ） ４．２ ３．５ 素子高（ｍｍ） １．６ １．２ 動作温度（℃） ６５０ ７００ ライトオフ時間（秒） １８ １１ 電力消費量（Ｗ） ８．２ ６．３
【図１】この発明に係る加熱素子を示す図である。
１０：基板 １２：空気基準通路 １４：蛇行部分 １６：リード線
フロントページの続き (72)発明者 シェリー・ホワイテイカー・ボナディーズ アメリカ合衆国ミシガン州48439，グラン ド・ブランク，バーンハード・サークル 6407
Claims (5)
- 【請求項１】 基板と、この基板の面上の厚膜インクで
調製された印刷ヒータとを有する加熱素子を備えてい
て、前記インクが約６０〜８５重量パーセントの貴金属
と、約７〜１５重量パーセントの、酸化アルミニウムと
コージライトとからなる群から選択された少なくとも一
つの成分を含んでいる燃焼機関排気センサ。 - 【請求項２】 前記成分が酸化アルミニウムからなる、
請求項１に記載の燃焼機関排気センサ。 - 【請求項３】 前記成分が前記インクの約９〜１１重量
パーセントの範囲の量で存在している、請求項１に記載
の燃焼機関排気センサ。 - 【請求項４】 前記インクが基板上に曲折図形で印刷さ
れている、請求項１に記載の燃焼機関排気センサ。 - 【請求項５】 前記インクがリード線部分を形成するよ
うに基板上に印刷されている、請求項２に記載の燃焼機
関排気センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US33216594A | 1994-10-31 | 1994-10-31 | |
| US332165 | 1994-10-31 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08213154A true JPH08213154A (ja) | 1996-08-20 |
Family
ID=23297005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27407695A Pending JPH08213154A (ja) | 1994-10-31 | 1995-10-23 | 低電力消費の厚膜ヒータ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0709670A1 (ja) |
| JP (1) | JPH08213154A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10249466B4 (de) * | 2002-10-24 | 2006-03-09 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement |
| DE10359569A1 (de) * | 2003-12-18 | 2005-07-28 | Robert Bosch Gmbh | Keramischer Schichtverbund |
| US7069770B2 (en) | 2004-08-02 | 2006-07-04 | Delphi Technologies, Inc. | Ammonia sensor element, heater, and method for making the same |
| DE102006014248A1 (de) | 2006-03-28 | 2007-10-04 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Bestimmung eines Gasanteils mit verbesserten thermischen Eigenschaften |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57186161A (en) * | 1981-05-12 | 1982-11-16 | Nissan Motor Co Ltd | Manufacture of substrate for gas sensor element with heater |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60259951A (ja) * | 1984-06-06 | 1985-12-23 | Ngk Insulators Ltd | 電気化学的素子 |
| JP2505459B2 (ja) * | 1987-01-27 | 1996-06-12 | 日本碍子株式会社 | 酸素濃度測定装置の調整方法 |
| JP2535372B2 (ja) * | 1988-03-09 | 1996-09-18 | 日本碍子株式会社 | セラミック・ヒ―タ及び電気化学的素子並びに酸素分析装置 |
| DE68923734T2 (de) * | 1988-05-24 | 1996-01-18 | Gte Laboratories Inc | Gasfühlelement. |
| JPH02124456A (ja) * | 1988-11-02 | 1990-05-11 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質素子の接続構造 |
| DE4006085A1 (de) * | 1990-02-27 | 1991-08-29 | Bosch Gmbh Robert | Sensor zur gleichzeitigen bestimmung der zusammensetzung von gasgemischen und der gasgeschwindigkeit |
-
1995
- 1995-09-26 EP EP95202587A patent/EP0709670A1/en not_active Withdrawn
- 1995-10-23 JP JP27407695A patent/JPH08213154A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57186161A (en) * | 1981-05-12 | 1982-11-16 | Nissan Motor Co Ltd | Manufacture of substrate for gas sensor element with heater |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0709670A1 (en) | 1996-05-01 |
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