JPH11194111A - 平坦なセンサエレメント - Google Patents

平坦なセンサエレメント

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JPH11194111A
JPH11194111A JP10296699A JP29669998A JPH11194111A JP H11194111 A JPH11194111 A JP H11194111A JP 10296699 A JP10296699 A JP 10296699A JP 29669998 A JP29669998 A JP 29669998A JP H11194111 A JPH11194111 A JP H11194111A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 層構造を備えており、該層構造内に、層状の
加熱導体を備えた加熱体が埋め込まれている形式の、ガ
ス成分を規定するための平坦なセンサエレメントを改良
して、温度変化時の熱衝撃に対して安定しており、加熱
効率の良好な、すなわち均一に加熱にされる平坦なセン
サエレメントを提供すること。 【解決手段】 加熱導体３０が層構造の層平面内に、加
熱体１４の発熱量が層構造の横断面に亘って少なくとも
ほぼ均一に分布するように、配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス成分を規定す
るための、特に内燃機関からの排ガス中の酸素濃度を規
定するための平坦なセンサエレメントであって、層構造
を備えており、該層構造内に、層状の加熱導体を備えた
加熱体が埋め込まれている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第
４２３１９６６号明細書（米国特許第５５２９６７７号
明細書）により公知の、このような形式のセンサエレメ
ントは、層構造で以て互いに重ねられて配置された個々
のシートの結合体から成っている。これらの個々のシー
ト間には、電極および導体ウェブのような機能層と、電
気的な抵抗加熱体とが配置されている。機能層ならびに
加熱体は、たとえばスクリーン印刷によって未焼結（未
加工）のシート上にプリントされ、これらのシートは互
いに重ねられ、積層され、次いで焼結される。このよう
な形式の平坦なセンサエレメントでは、外側の被覆シー
トと、隣接する層構造との間の層平面内に抵抗加熱体が
配置されている。この際、抵抗加熱体は電気的に絶縁性
の２つの層（例えば、酸化アルミニウム）の間に埋め込
まれているので、加熱導体は、隣接する両シートに対し
て電気的に絶縁されている。被覆シートとは反対側の層
構造は、他方の側に隣接する前記被覆シートより著しく
大きい層厚を有している。層構造の成層状況に関連して
加熱体が極めて非対称的に配置されてしまう点に基づ
き、被覆シートは、機能層を備えた層構造よりも著しく
強く加熱されてしまう。加熱効率のこのような不均一な
分布によって、温度変化させた際に、平坦なセンサエレ
メントの熱衝撃に対する弱さが高められてしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
のセンサエレメントを改良して、温度変化時の熱衝撃に
対して安定しており、加熱効率の良好な、すなわち均一
に加熱にされる平坦なセンサエレメントを提供すること
である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の構成では、加熱導体が層構造の層平面内
に、加熱体の加熱効率が層構造の横断面に亘って少なく
とも均一に分布するように、配置されているようにし
た。
【０００５】
【発明の効果】本発明の利点は、加熱効率がセンサエレ
メントの横断面に亘って均一に分布されている点にあ
る。このことにより、センサエレメントの温度変化安定
性ならびに熱衝撃強さが改善される。さらにこれによっ
て、加熱体の作用効率も高められる。
【０００６】請求項２以下に記載の構成によって、本発
明による平坦なセンサエレメントのさらに有利な構成が
実施可能である。加熱導体の一方の側において被覆性の
層構造を単一のシートから構成すると、特に有利であ
り、このシートは未焼結（未加工）状態では、０．６ｍ
ｍ乃至１ｍｍ、有利には０．８ｍｍの層厚を有してい
る。抵抗加熱体の反対側に隣接した、機能層を有する層
構造（機能層側の層構造）は、シートの数と、例えば外
方の電極上に配置された被覆層のような別の層の数とに
相応した総厚を有しており、この総厚は、ほぼ被覆シー
トの層厚もしくは被覆シート側の層構造の層厚に相当す
る。つまり、機能層側のシートの層厚ｄF は、以下の式
に従って層厚を等分することによって生じる。すなわ
ち； ｄF ＝（ｄF1−ｄD )：ｎ この場合、ｄF1は未加工状態における被覆シートの層厚
であり、ｄD は、外側の電極上に配置された被覆層もし
くは保護層の層厚であり、ｎは機能層側のシートの数で
ある。このような計算によって前提付けられるように、
絶縁層は加熱体の両側で少なくともほぼ等しい層厚であ
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【０００８】図面は平坦なセンサエレメント１０の断面
図を示しており、このセンサエレメント１０は、例えば
自動車の内燃機関または燃焼装置からの排ガス中の酸素
濃度を規定するために役立つ。本発明によるセンサエレ
メントは、いわゆるラムダ−１−センサ（ネルンストセ
ンサ）である。このような形式のセンサの構造および機
能は一般的に公知である。従って、本発明を詳説するの
にふさわしい構造のみを以下に記載する。
【０００９】センサエレメント１０は、焼結された状態
では、長手方向に延びる小板形状の構造を有しており、
この構造は、互いに重ねられた積層によって構成されて
いる。この積層は、未焼結（未加工）状態で、実質的に
は酸素イオン伝導性の固体電解質シートから形成され
る。
【００１０】本実施例に基づきセンサエレメント１０
は、電気化学的な測定セル１２と、加熱体１４とから構
成されている。測定セル１２は、第１のシート１６と第
２のシート１８とを備えた機能層側の層構造１２′を有
している。第２のシート１８には基準通路２０が一体的
に組み込まれている。シート１６の測定ガス側の表面に
は測定電極２２が配置され、かつ、シート１６の、基準
通路２０に対応配設された表面には基準電極２４が配置
されている。測定電極２２上には、例えば０．１ｍｍの
層厚を有する多孔性の被覆層２６が設けられている。
【００１１】加熱体１４は、２つの絶縁層２８，２９内
に埋め込まれた加熱導体３０を有しており、しかも両絶
縁層２８，２９の層厚はほぼ等しい。一方の絶縁層２９
に続いて外方の被覆シート３２が設けられている。多孔
性の両絶縁層２８，２９をガス密に閉鎖するために、こ
れらの絶縁層２８，２９の周囲にシールフレーム３４が
設けられており、このシールフレーム３４は例えば、絶
縁層２８，２９の両側に位置するシート１８，３２に固
体電解質材料をプリントすることによって製作される。
【００１２】加熱導体３４は、両側に延びる層構造の中
央に位置する層平面３６内に設けられている。このよう
な前提に基づき、測定セル１２の両シート１６，１８の
層厚は、被覆層２６の層厚を考慮して、被覆シート３２
の層厚に従って寸法設定または改訂される。本発明によ
る実施例では、被覆シート３２の層厚は未加工状態で
は、０．８ｍｍ±０．１ｍｍである。多孔性の被覆シー
ト２６の層厚は、ほぼ０．１ｍｍに規定されている。従
って、シート１６，１８のためにその都度ほぼ０．３５
ｍｍ±０．０５ｍｍの層厚が算出される。シート１６，
１８，３２の層厚比は実質的には焼結後も層厚比率とし
て維持されたままであり、この場合、約２０％の焼結収
縮が利用される。
【００１３】しかし、相異なる層厚を備えた両シート１
６，１８を使用することも同様に考えられる。肝心なの
は、単に、センサエレメントの、例えば被覆層２６のよ
うな別の層をも含めた機能層側の層厚の和が、少なくと
もほぼ被覆シート３２の層厚となるか、もしくは被覆シ
ート３２の代わりに使用される被覆シート側の層構造の
層厚となる点である。
【００１４】シート１６，１８，３２は、例えば安定化
の二酸化ジルコニウムから成っている。密に焼結して結
合するために、シールフレーム３４は、隣接するシート
１８，３２と同じ材料から成っている。電極２２，２４
ならびに加熱導体３０は例えば白金−サーメットから成
っている。絶縁層２８，２９は、本実施例では酸化アル
ミニウムから構成されており、この場合、まず絶縁層２
９が被覆シート３２にプリントされる。この絶縁層２９
上に加熱導体３０が同様にプリント技術で被着される。
最後に、この絶縁層２９の周囲にシールフレーム３４の
半分が、例えば同様にプリント技術でプリントされる。
【００１５】測定セル１２の層構造を製作するために、
詳しくは図示されていないリード線を備えた両方の電極
２２，２４がシート１６にプリントされる。第２のシー
ト１８には別の絶縁層２８が被着され、さらにシールフ
レーム３４の別の半分が被着される。
【００１６】未加工状態のシートで以て、こうして形成
された機能層側の層構造と加熱体側の層構造とは、これ
らのシート間に被着された両結合層を介して積層してま
とめられ、次いで、例えば１４００℃の温度で焼結され
る。焼結後に、方形の横断面を有する小板形状のセンサ
エレメントが形成される。
【００１７】前記層構造はしかしながら、ネルンスト方
式のセンサエレメント１０を有する本発明の実施例に制
限されない。本発明は、３つ以上のシートから成るセン
サエレメントにおいても使用することができる。このよ
うな形式のセンサとはいわゆる帯材の幅広のセンサ(Bre
itbandsensor）であり、このセンサにおいては、測定セ
ンサ１２の代わりにポンピングセルと濃度セル（ネルン
スト方式のセル）とが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサの断面図である。
【符号の説明】
１０ センサエレメント、 １２ 測定セル、 １２′
層構造、 １４ 加熱体、 １６，１８ シート、
２０ 基準通路、 ２２ 測定電極、 ２４基準電極、
２６ 被覆層、 ２８，２９ 絶縁層、 ３０ 加熱
導体、 ３２被覆シート、 ３４ シールフレーム、
３６ 層平面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハラルト ノイマン ドイツ連邦共和国 ヴァイヒンゲン レー メンシュトラーセ 29／１

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス成分を規定するための平坦なセンサ
    エレメントであって、層構造を備えており、該層構造内
    に、層状の加熱導体を備えた加熱体が埋め込まれている
    形式のものにおいて、 加熱導体（３０）が層構造の層平面内に、加熱体（１
    ４）の加熱効率が層構造の横断面に亘って少なくとも均
    一に分布するように、配置されていることを特徴とす
    る、平坦なセンサエレメント。
  2. 【請求項２】 層平面（３６）が層構造に関して中央に
    位置している、請求項１記載のセンサエレメント。
  3. 【請求項３】 層構造が未焼結の状態で、機能層側の少
    なくとも２つのシート（１６，１８）と、被覆層側の少
    なくとも１つのシート（３２）とを有しており、機能層
    側のシート（１６，１８）に結合された場合によっては
    別の層の層厚をも含めた、機能層側の個々のシート（１
    ６，１８）の層厚から得られる総厚が、少なくとも被覆
    層側の前記シート（３２）の層厚に相当する、請求項１
    または２記載のセンサエレメント。
  4. 【請求項４】 加熱導体（３０）が電気的に絶縁性の層
    （２８，２９）内に埋め込まれており、しかも前記加熱
    導体（３０）の両側に形成されたこれらの層（２８，２
    ９）が、少なくとも等しい層厚を有している、請求項１
    記載のセンサエレメント。
  5. 【請求項５】 電気的に絶縁性の層（２８，２９）が密
    なフレーム（３４）によって包囲されており、密な該フ
    レーム（３４）が少なくとも、絶縁性の両方の層（２
    ８，２９）の層厚を有している、請求項４記載のセンサ
    エレメント。
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