(57)【要約】  測定ガスの物理的特徴、有利にはガス成分の濃度または温度を測定するためのガスセンサ用のセンサ素子に関する。このセンサ素子は、セラミックスのセンサ本体（１１）内に配置された電気加熱素子を有し（１２）、この電気加熱素子は接続導体路（１５，１６）を有する。また、このセンサ素子は、この接続導体路（１５，１６）の接続部（１７，１８）に接続された抵抗ヒータ（１４）を有する。積層複合体（１１）の加熱領域での温度分布を均等にするために、抵抗ヒータ（１４）は、面状に広がる加熱領域にわたって並列に接続された電流路（２１）を有し、この電流路は、接続部（１７，１８）から見て公差域内でオーム抵抗が同じになるように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスの物理的特性、有利にはガス成分の濃度または温度を測定するためのガスセンサ用のセンサ素子であって、セラミックスのセンサ本体（１１）に配置された電気加熱素子（１２）を備えており、
該電気加熱素子は、接続導体路（１５，１６）と、該接続導体路（１５，１６）の接続部（１７，１８）に接続された抵抗ヒータ（１４）とを有し、
該抵抗ヒータは、前記センサ本体（１１）内に面状に広がる加熱領域（２２）にわたって伸長している並列接続された電流路（２１）を有する、センサ素子において、
前記電流路（２１）は、前記接続部（１７，１８）から見て、オーム抵抗が公差域内で同じになるように構成されている、
ことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
請求項１記載のセンサ素子において、前記公差域が約±２％に規定されていることを特徴とするセンサ素子。
【請求項３】
請求項１または２記載のセンサ素子において、
前記電流路（２１）を形成するために、前記抵抗ヒータ（１４）は少なくとも１組の導体路幹部（２６，２７ないし２８，２９）のペアと、該導体路幹部（２６，２７ないし２８，２９）に接続しており、かつ同じオーム抵抗を有する複数の導体路枝部（３０ないし３１）とを有し、
少なくとも１組の前記導体路幹部ペアの前記導体路幹部（２６，２７ないし２８，２９）は、互いに反対側の端部にそれぞれ電流端子を有し、かつ前記導体路枝部（３０ないし３１）のオーム抵抗と比較して格段に小さいオーム抵抗を有することを特徴とするセンサ素子。
【請求項４】
請求項３記載のセンサ素子において、
前記抵抗ヒータ（１４）は、前記導体路幹部（２６，２７，２８，２９；２６，２７，３３，３４，３８，３９，２８，２９）のペアを偶数組有し、
該導体路幹部は、前記導体路枝部（３０，３１；３０，３５，４１，３１）を備え、かつ接続ブリッジ（３２；３６，３７，４０）によって直列に接続されており、
直列接続で最初と最後にある前記ペアでは、一方の前記導体路幹部（２６，２９）の電流端子は前記接続部（１７，１８）によって形成されており、また他方の前記導体路幹部（２７，２８）の電流端子は、隣接した前記導体路幹部のペアに至る前記接続ブリッジ（３２；３６，４０）によって形成されており、
前記最初と最後のペアの間にある前記導体路幹部（３３，３４，３８，３９）のペアでは、隣接するペアに至る前記各接続ブリッジ（３６，３７，４０）の電流端子が形成されており、
該接続ブリッジ（３２；３６，３７，４０）は、前記導体路枝部（３０，３１；３５，４１）と比較して小さいオーム抵抗を有する、ことを特徴とするセンサ素子。
【請求項５】
請求項３または４記載のセンサ素子において、
前記複数の導体路枝部（３０，３１，３５，４１）の長さおよび断面積が同じであることを特徴とするセンサ素子。
【請求項６】
請求項３から５のいずれか一項記載のセンサ素子において、
前記導体路幹部（２６，２７，２８，２９，３３，３４，３８，３９）は、前記導体路枝部（３０，３１，３５，４１）の断面積と比較して非常に大きな断面積を有することを特徴とするセンサ素子。
【請求項７】
請求項１または２記載のセンサ素子において、
前記抵抗ヒータ（１４）の前記電流路（２１）を構成するために、前記抵抗ヒータ（１４）の前記接続部（１７，１８）にそれぞれ接続されている２つの導体路幹部（２３，２４）と、２つの該導体路幹部（２３，２４）に接続されている複数の前記導体路枝部（２５）を有し、
該複数の導体路枝部（２５）は、２つの前記導体路幹部（２３，２４）の給電区間と合わせて同じオーム抵抗を有することを特徴とするセンサ素子。
【請求項８】
請求項７記載のセンサ素子において、
前記複数の導体路枝部（２５）の長さは同じあり、
該導体路枝部の断面積は、前記接続部（１７，１８）から遠ざかるにつれて大きくなる
ことを特徴とするセンサ素子。
【請求項９】
請求項３から８のいずれか一項記載のセンサ素子において、
一方では前記導体路幹部（２３，２４，２６，２７，２８，２９，３３，３４，３８，３９）が、他方では前記導体路枝部（２５；３０，３１，３５，４１）が互いに距離をおいて平行に延在していることを特徴とするセンサ素子。
【請求項１０】
請求項１または２記載のセンサ素子において、
前記抵抗ヒータ（１４）の前記電流路（２１）を形成するために、前記接続部（１７，１８）から分岐している複数の導体路枝部（４２）が同じオーム抵抗を有することを特徴とするセンサ素子。
【請求項１１】
請求項１０記載のセンサ素子において、前記複数の導体路枝部（４２）の長さおよび／または断面積が少なくとも部分的に種々異なることを特徴とするセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念によれば、測定ガスの物理的特性、有利にはガス成分の濃度または温度を測定するためのセンサ用のセンサ素子に関する。
【０００２】
跳躍特性センサまたはλ＝１センサ（DE 103 14 010 A1）として、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するように構成されたガスセンサ、または測定ガスセンサ用の公知のセンサ素子の場合、電気絶縁体の中に埋め込まれた電気加熱素子の抵抗ヒータは、センサ本体内の加熱領域をミアンダ状に覆う抵抗路を有する。この抵抗路は少なくとも部分的に、電気的に並列に接続された導体路幹部に分割されている。有利には、この抵抗路は外側に２つの脚部を有し、その２つの脚部の間にミアンダ状のコイルが延在している。このミアンダ状のコイルは、並列に接続された導体路幹部に分割されており、導体路幹部は、ミアンダ状のコイルに沿って、互いに間隔をおいて相互に平行に延在している。抵抗ヒータのこの構成によって、均等に加熱することができ、同時に抵抗ヒータを埋め込むために必要な絶縁体内のチャネルの断面積を、導体路幹部１つあたりで小さく抑えることができる。これにより、絶縁体内でチャネルとの境界面に発生する引張応力が比較的減少し、この引張応力は、亀裂形成に対する臨界的な引張応力以下に留まる。したがって、比較的大きな加熱抵抗が可能となる。
【０００３】
請求項１記載の特徴的構成を備える本発明のセンサ素子の利点は、抵抗ヒータの個々の電流路に投入される電力（Ｐ＝Ｕ2／Ｒ）が、全ての電流路で等しいことであり、これにより電流路が均等に加熱され、積層複合体で局所的に加熱されること（ホットスポット）なく、広範囲の加熱領域が発生することである。投入される電力は、温度が上昇するにつれて減少する。なぜなら電流路の抵抗は、温度が上昇するにつれて増加するからである。しかし電流路での加熱の均等性は、変化することなく維持されたままである。センサ素子が局所的に送風されれば、当該個所の電流路が冷却され、これにより確かに電流路の電気抵抗は減少する。しかし同時に、投入される電力は増加する。なぜなら各電流路のヒータ電圧は同じだからである。これによりセンサ本体は、送風領域においてもより強力に加熱され、これにより温度は高温に保たれる。送風によるセンサ本体の温度分布の変化が抑制され、急速始動特性、必要加熱電圧、センサ素子の電極特性は悪化しないか、または最小限にしか悪化しない。
【０００４】
別の請求項に記載された手段によって、請求項１記載のセンサ素子の有利な発展および改善が可能である。
【０００５】
本発明を図面に示された実施例に基づいて、以下詳細に説明する。
図１は、電気加熱素子を備えるセンサ素子の部分斜視図である。
図２は、図１の加熱素子のレイアウトを示す図である。
図３から図５は、別の実施例による加熱素子のレイアウトをそれぞれ示す図である。
【０００６】
図１の斜視図に部分的に示されたガスセンサ用または測定ガスセンサ用のセンサ素子は、測定ガスの物理的特性、有利にはガス成分の濃度または温度を検出するために使用される。例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するためのλ＝１センサまたは広帯域のラムダセンサのために設計されている。択一的に、内燃機関の排気ガス温度を測定するための温度センサにも使用できる。このセンサ素子は、センサ本体１１内にセラミックスの積層複合体を有し、この積層複合体は例えば複数の固体電解質層から構成されている。この積層複合体の可能な構成はDE 103 14 010 A1に記載されている。精確に測定するためには、センサ素子が一定した動作温度に保たれる必要がある。このためにセンサ本体１１の中に電気加熱素子１２が組み込まれており、この電気加熱素子はセンサ本体１１の内部で電気絶縁体１３の中に埋め込まれている。このセンサ本体１１内にある電気絶縁体１３は、図１に破線で示されている。電気加熱素子１２は抵抗ヒータ１４を有し、この抵抗ヒータは絶縁体１３内に延在する接続導体路１５，１６に接続されている。この接続部が図１に１７，１８により示されている。図１ではこれ以上は示されていないが、接続導体路１５，１６は、端部側に形成された接触接続面１９，２０を介して直流電圧源に接続されている。この直流電圧源は、一定の直流電圧を抵抗ヒータ１４の接続部１７，１８に印加する。
【０００７】
抵抗ヒータ１４は、並列接続された複数の電流路２１を有する。この複数の電流路は、センサ本体１１内に面状に広がる加熱領域にわたって伸長している。加熱領域での温度分布を均等にするために、電流路２１は、抵抗ヒータ１４の接続部１７，１８から見て、オーム抵抗が公差域内で同じ大きさになるように構成されている。公差域は、電流路２１のオーム抵抗の約±２％に制限されている。同じオーム抵抗を備える並列接続された電流路２１は、図２から図５に示すような種々異なる配置を以て実現することができる。
【０００８】
図２のレイアウトでは、抵抗ヒータ１４は、電流路２１を形成するために２つの導体路幹部２３，２４および複数の、実施例では６つの導体路枝部２５を有する。この導体路枝部の形状は種々異なるため２５１から２５６により示される。２つの導体路幹部２３，２４は、２つの接続部１７，１８のそれぞれ１つで接続導体路１５，１６に接続されている。互いに平行に配向され、かつ相互に間隔をおいて延在する複数の導体路枝部２５は、端部側で導体路幹部２３，２４と一体的に結合されている。導体路枝部２５の寸法は、これらの導体路枝部が導体路幹部２３，２４にある給電区間と合わせて同じオーム抵抗を有するように設計されている。導体路枝部２５の長さは全て同じであるので、その断面積は接続部１７，１８から遠ざかるにつれ大きくなっている。したがって接続部１７，１８から最も離れて位置する導体路枝部２５１は最も大きい断面積を有する。なぜならこの導体路枝部２５１により形成された電流路２１には、２つの導体路幹部２３，２４のオーム抵抗も入り込むからである。接続部１７，１８に最も近くに位置する導体路枝部２５６は最も小さい断面積を有する。なぜならこの導体路枝部２５６は電流路２１の中にあり、この電流路２１のオーム抵抗には２つの導体路幹部２３，２４のわずかな部分しか入らないからである。
【０００９】
図３の実施例では、抵抗ヒータ１４は電流路２１を形成するために、それぞれ第１導体路幹部２６ないし２８、および第２導体路幹部２７ないし２９を備える２組の導体路幹部ペア２６，２７ないし２８，２９と、複数の導体路枝部を有する。これらの導体路枝部のうち実施例では、６つの導体路枝部３０が第１導体路幹部ペアの導体路幹部２６，２７に接続しており、６つの導体路枝部３１が第２導体路幹部ペアの導体路幹部２８，２９に接続している。それぞれの導体路幹部ペア２６，２７ないし２８，２９には、導体路幹部２６，２７ないし２８，２９の互いに背を向ける反対側の端部に電流端子が設けられている。２組のペアを備えるこの実施例において、第１ペアでは、接続部１７により一方の電流端子が、第２ペアに至る接続ブリッジ３２により他方の電流端子が形成されている。第２ペアでは、接続部１８により一方の電流端子が、接続ブリッジ３２により他方の電流端子が形成されている。したがって、第１導体路幹部ペアの第１導体路幹部２６は、一方の端部において、接続導体路１５の接続部１７に接続しており、第2導体路幹部ペアの第２導体路幹部２９は、前記端部とは反対側の端部において、接続導体路１６の接続部１８に接続している。接続ブリッジ３２は、導体路幹部２７，２８の接続部１７，１８とは反対側にある隣接した端部を互いに接続する。この接続ブリッジ３２を介して、２つの導体路幹部ペアは電気的に直列に接続される。個々の導体路幹部ペアにある導体路枝部３０ないし３１は、互いに平行に延在しており、互いに同じ間隔をおいて配置されている。この２つの導体路枝部の長さおよび断面積は同じであるので、全ての導体路枝部３０ないし３１のオーム抵抗は同じである。導体路幹部２６から２９ならびに接続ブリッジ３２の構成は、これらが導体路枝部３０，３１のオーム抵抗と比較して格段に小さいオーム抵抗を有するように選定されている。これによって、ならびに接続部１７と第1導体路幹部ペアにある第1導体路２６の一方の端部とを接続し、接続部１８と第2導体路幹部ペアにある第2導体路２９の反対側の端部とを接続することによって、以下のことが保証される。すなわち、抵抗ヒータ１４のこのレイアウトでも、抵抗ヒータ１４の接続部１７，１８から並列に接続された全ての電流路２１が、公差域内でほぼ同じ大きさのオーム抵抗を有し、同じ電圧で印加されることが保証される。
【００１０】
図４の実施例の抵抗ヒータ１４のレイアウトと図３のレイアウトとの相違は、導体路枝部３０と接続している第1導体路幹部ペア２６，２７と、導体路枝部３１と接続している第２導体路幹部ペア２８，２９との間に、同様に構成されており、かつこの導体路幹部ペア２６，２７および２８，２９と直列に接続されている２つの導体路幹部ペアが配置されており、この２つの導体路幹部ペアは第1導体路幹部３３ないし３８と、第2導体路幹部３４ないし３９とを備えており、さらにこれらに並列に接続された導体路枝部３５ないし４１を備えていることである。第1導体路幹部ペアの第2導体路幹部２７の端部であり、接続部１７と反対側の端部は、接続ブリッジ３６を介して第3導体路幹部ペアの第１導体路幹部３３の隣接する端部と接続している。この端部と反対側の端部であり、第３導体路幹部ペアの第2導体路幹部３４の端部は、接続ブリッジ３７を介して第４導体路幹部ペアの第１導体路幹部３８の隣接する端部と接続している。この端部と反対側の端部であり、第４導体路幹部ペアの第2導体路幹部３９の端部は、接続ブリッジ４０を介して第２導体路幹部ペアの第１導体路幹部２８の隣接する端部と接続している。この端部と反対側の端部であり、第２導体路幹部ペアの第2導体路幹部２９の端部は、前述どおり接続部１８に接続している。導体路枝部３５ないし４１は、互いに平行に形成されており、導体路幹部３３，３４ないし３８，３９と、一体的に結合されている。従ってここでは、導体路幹部２６，２７の第1導体路幹部ペアの電流端子は、接続部１７および接続ブリッジ３６によって形成されており、導体路幹部２８，２９の第2ペアの電流端子は、接続部１８および接続ブリッジ４０によって形成されており、導体路幹部３３，３４の第３導体路幹部ペアの電流端子は、接続ブリッジ３６および３７によって形成されており、導体路幹部３８，３９の第４ペアの電流端子は、接続ブリッジ３７，４０によって形成されている。全ての導体路枝部３０，３１，３５，４１は同じ大きさのオーム抵抗を有する。導体路幹部３３，３４，３８，３９ならびに接続ブリッジ３６，３７，４０は、導体路幹部２６，２７，２８，２９と同様に、導体路枝部３５，４１，３０，３１のオーム抵抗に比べて格段に小さいオーム抵抗を有する。この限りにおいて、導体路幹部３３，３４，３８，３９は、導体路幹部２６，２７，２８，２９と同様に、導体路枝部３５，４１，３０，３１に比べて非常に大きい断面積を有する。この実施例においても、導体路枝部を備える導体路幹部を構成し、配置することによって、また接続部１７，１８と前述のように接続することによって、抵抗ヒータ１４の並列電流路２１は、公差域内でほぼ同じ大きさの抵抗を有し、同じ電圧で印加されることが保証される。
【００１１】
図５で示される抵抗ヒータ１４のレイアウトでは、抵抗ヒータ１４の電流路２１を形成するために、導体路枝部４２が設けられており、この導体路枝部は、接続導体路１５，１６にある抵抗ヒータ１４の２つの接続部１７，１８から分岐している。図５の実施例では、合計３つの導体路枝部４２１，４２２，４２３があり、これらは接続部１７から、面状に広がる積層複合体１１の加熱領域を超えて、接続部１８へ伸長している。オーム抵抗を同じにするために、全ての導体路枝部４２の断面積および長さは同じである。択一的に、例えば導体路枝部４２２を、接続部１７から接続部１８に向かって一直線に伸長するように製作することもできる。この場合、導体路枝部４２２の長さは導体路枝部４２１および４２３のどちらよりも短くなるので、真ん中にある導体路４２２の断面積は相応にして小さくなる。この実施例の利点は、すべての導体路枝部４２が端部側で同じ電圧電位に接続され、たとえ電圧降下が小さいにしても、配電のための導体路幹部が存在しないことである。導体路枝部４２の延び具合は任意に選択でき、例えば弓形に構成することもできる。導体路枝部４２の形状および数は任意であり、温度分布が均等になるべきセンサ本体１１内の加熱領域の大きさに応じて調整される。
【００１２】
抵抗ヒータ１４の別の実施形態によれば、図３および図４に示すように、図５の各導体路枝部４２を、平行な複数の導体路枝部を備える偶数組の平行な導体路幹部ペアで代替することもできる。この場合、最初の導体路幹部ペアの一方の導体路幹部が接続部１７に接続され、最後の導体路幹部ペアの他方の導体路幹部が接続部１８に接続される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電気加熱素子を備えるセンサ素子の部分斜視図である。
【図２】図２は、図１の加熱素子のレイアウトを示す図である。
【図３】図３は、別の実施例による加熱素子のレイアウトを示す図である。
【図４】図４は、別の実施例による加熱素子のレイアウトを示す図である。
【図５】図５は、別の実施例による加熱素子のレイアウトを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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