(57)【要約】【課題】公知の方法の欠点が回避されるセラミックセンサエレメントの製造方法を提供する。【解決手段】複数のセラミックセンサエレメントを含む１つのセラミック層構造体から、前記複数のセラミックセンサエレメントを、少なくとも第１の入射角を有するレーザー光と前記第１の入射角とは異なる第２の入射角を有するレーザー光とを用いたレーザーカットプロセスにより、個別化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミックセンサエレメント（１１０）を含む１つのセラミック層構造体（１１２）から、
前記複数のセラミックセンサエレメントを、少なくとも第１の入射角を有するレーザー光（１２６）と前記第１の入射角とは異なる第２の入射角を有するレーザー光（１２８）とを用いたレーザーカットプロセスにより、個別化する
ことを特徴とするセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項２】
前記２つの入射角は、前記セラミック層構造体の切断面に対し９０゜とは異なる、請求項１記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項３】
前記レーザーカットプロセスをグリーン状態の前記セラミック層構造体に適用する、請求項１または２記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項４】
それぞれ異なる入射角を有する前記レーザー光を前記セラミック層構造体のうち前記レーザーカットプロセスによって切断すべき各位置に適用する、請求項１から３までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項５】
相互に交差する少なくとも２つのレーザー光を用いてそれぞれ異なる入射角を形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項６】
前記セラミック層構造体の角度の向きを前記レーザーカットプロセス中に少なくとも１つのレーザー源に対して相対的に変化させ、それぞれ異なる入射角を形成する、請求項１から５までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項７】
少なくとも１つの揺動するレーザー光を用いて、それぞれ異なる入射角を有する前記レーザー光を形成する、請求項６記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項８】
前記レーザーカットプロセスを少なくとも１つの切断線（１２２）に沿った切断により行い、このとき、少なくとも２つのレーザー光が前記セラミック層構造体のうち前記切断線（１２２）を通る所定の平面に対して垂直な切断面に関して鏡面対称に配向されるようにする、請求項１から７までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項９】
前記レーザーカットプロセス中に前記セラミック層構造体を少なくとも１つのレーザー光に対して運動させ、切断線（１２２）を形成する、請求項１から８までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項１０】
前記入射角を、個別化されたセラミックセンサエレメントの少なくとも１つの稜が切削されるように選定する、請求項１から９までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項１１】
稜の切削およびセラミックセンサエレメントの個別化を１つの作業ステップで行う、請求項１０記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項１２】
前記セラミックセンサエレメントは前記セラミック層構造体の両側に切削された稜を有する、請求項１０または１１記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【請求項１３】
前記セラミックセンサエレメントは、前記セラミック層構造体に対して垂直な平面において、前記レーザーカットプロセスに基づき、六角形の断面を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセラミックセンサエレメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミックセンサエレメントの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術から、測定ガス室内の少なくとも１つのガス特性を検出する多数のセンサエレメントが公知である。当該の少なくとも１つのガス特性は、基本的には、任意の物理的および／または化学的特性である。特に、測定ガス室内の一部のガス成分を、定性的および／または定量的に、例えばパーセンテージおよび／または分圧および／またはいわゆる空気過剰率λの形態で、求めることができる。こうしたセンサエレメントの多くが、セラミック層構造体、すなわち、１つまたは複数のセラミック材料を含む層構造体をベースとしている。セラミック材料は、例えば複数のシートおよび／または厚膜印刷技術を用いた厚膜構造体として被着することができるものであって、１つまたは複数のセラミック層、１つまたは複数のセラミックエレメント、および／または、金属層または金属エレメントなどの１つまたは複数の非セラミックエレメントを含んでいてよい。セラミックエレメントとは、一般に、無機かつ非金属かつ多結晶のセラミック材料のことである。特に、当該のセラミック材料は、ドープ物質を含むセラミック固体電解質、例えば、スカンジウムをドープされた二酸化ジルコニウムＳｃＳＺ、または、イットリウム安定化二酸化ジルコニウムＹＳＺなどを含む。セラミック層構造体を備えたセンサエレメントの例としていわゆるラムダセンサがあるが、これは例えばRobert Bosch GmbH, "Sensoren im Kraftfahrzeug", Ausgabe 2007の154頁〜159頁に説明されている。その他の例として、排気ガス中の窒素酸化物の検出に用いられるセンサも挙げられる。また、他の形態のセンサも基本的に実現可能である。
【０００３】
こうしたセラミックセンサエレメントの製造のために、多くの場合、いわゆる機能層を備えたセラミックシートが、例えばプリンティングまたはスクリーンプリンティングをともなう厚膜プロセスによって、印刷される。測定ガス室内の少なくとも１つのガス特性を検出するセンサエレメントまたはその他のタイプのセンサエレメントを大量生産するために、複数の機能層を備えた複数のセラミックシートが印刷される。大量生産の際にはふつう１つのシートの上に複数のセンサが印刷されるので、複数のセンサエレメントに対して１つの層構造体が形成されて、複数のセンサが製造されるのである。続いて、センサの個別化のために、カッターでシートから各センサが切り出され（ダイシング）、ついで、個々のセンサエレメントが熱処理プロセス（シンタリング）にかけられる。熱処理後、センサエレメントの熱的機械的耐性を高めるため、例えば４５゜の面取り部が生じるように、センサエレメントの稜が研磨される。なお、他の稜ジオメトリ、例えば丸みを帯びた稜なども技術的に有意である。相応に、通常の製造方法では、層構造体の製造後、カット・シンタリング・稜処理（通常は研磨）・加熱・保管・電気的検査の各プロセスが行われる。
【０００４】
従来技術から、シンタリングの前後にセラミックモジュールを適切なレーザープロセスによって処理するプロセスが公知である。独国公開第１９７１３９０４号明細書からは、切削によって面取りされた稜を有するセラミック製のセンサエレメントが公知である。稜の切削はグリーン状態において例えばエキシマレーザーを用いた適切なレーザー処理により行われる。当該の独国公開第１９７１３９０４号明細書に説明されている方法には利点もあるが、その製造ステップは依然として煩雑である。特に、セラミック層構造体の表面に精密に定義された凹部を形成すべくレーザー光をマスキングするためのマスキング技術が複雑なため、当該の方法には手間がかかるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国公開第１９７１３９０４号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Robert Bosch GmbH, "Sensoren im Kraftfahrzeug", Ausgabe 2007, p154-159
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の基礎とする課題は、公知の方法の欠点が回避されるセラミックセンサエレメントの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、複数のセラミックセンサエレメントを含む１つのセラミック層構造体から、前記複数のセラミックセンサエレメントを、少なくとも第１の入射角を有するレーザー光と前記第１の入射角とは異なる第２の入射角を有するレーザー光とを用いたレーザーカットプロセスにより、個別化することによって、解決される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の方法によって形成される、稜の切削されたセンサエレメントの断面図である。
【図２】本発明の２つの交差するレーザー光を用いたレーザーカットプロセスの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
セラミックセンサエレメントは特には測定ガス室内の少なくとも１つの気体の特性を検出するセラミックセンサエレメント、例えば１つまたは複数の前述のセンサエレメントであるが、セラミック層構造体を含むものであれば、他のタイプのセンサエレメントを製造することもできる。
【００１１】
本発明の方法では、複数のセラミックセンサエレメントに対するセラミック層構造体が製造される。当該の層構造体は、例えばＹＳＺまたはＳｃＳＺなどの酸素伝導性のセラミック固体電解質から成る１つまたは複数のセラミックシートを含む。これに代えてまたはこれに加えて、層構造体は、１つまたは複数の印刷された機能層および／または機能エレメントを含むことができ、この場合、印刷された機能層および／または機能エレメントはセラミック材料を含んでいたり、金属などの非セラミック材料を含んでいたりしてもよい。例えば、センサエレメントの電極となる金属セラミック層および／または機能エレメントをこれらの材料から形成することができる。また、層構造体の１つまたは複数の層は適切な方式によってパターニングすることもでき、例えば、導体路、電極、中空室、チャネルまたはその他のセラミックセンサエレメントの素子を定めることができる。
【００１２】
本発明の方法では、セラミックセンサエレメントは層構造体からレーザーカットプロセスによって個別化される。このレーザーカットプロセスは、特に、層構造体がグリーン状態で存在するうちに、つまり、層構造体がまだバインダおよび／または溶剤などの形態の有機成分を含んでいるときに、適用される。続いて、当該の有機成分が１つまたは複数のバインダ除去ステップおよび／またはシンタリングステップにおいて除去される。これらのステップは基本的には当業者に周知である。
【００１３】
レーザーカットプロセスとは、本発明では、少なくとも１つの連続したレーザー光および／または少なくとも１つのパルス状のレーザー光を用いて、少なくとも２つの隣接するセンサエレメントを相互に分離するか、および／または、少なくとも１つのセンサエレメントを層構造体の残りの領域から分離するプロセスのことである。ここで、例えばレーザーにより、セラミック層構造体に、連続的な線または複数の点から成る直線状または網状の切断線を形成することができる。
【００１４】
セラミック層構造体の切断は、上述したように、今日ではよく知られている。現在では、レーザー技術を用いて、セラミックシートをカットすることができる。この場合、切断のエッジはふつう直線状である。有利には、エキシマレーザーまたはＣＯ２レーザーが使用されるが、層構造体の１つまたは複数のセラミック材料によって吸収される波長の放射を形成するレーザーを使用することもできる。こうしたレーザーの例として、ＵＶ固体レーザーなどの固体レーザーが挙げられる。前述した公知のレーザーは基本的には本発明の方法において使用することができ、ここで、レーザーは連続光を発生するタイプまたはパルス状の光を発生するタイプのいずれであってもよい。レーザー光とセラミック材料および／または層構造体の他の材料との相互作用は、種々の様態で、例えば、多重光子吸収効果によってレーザー光がセラミックへ入力されるようにして、行われる。
【００１５】
望ましいのは、従来技術とは異なり、本発明の方法によって、切断ステップと稜処理ステップとが統合されることである。つまり、本発明の方法では、センサエレメントが自動的に切断されて稜が形成され、９０゜とは異なる所定の角度を有する面取り部または所定の丸み部が形成される。
【００１６】
本発明によれば、個別化のために、少なくとも２つのそれぞれ異なる入射角を有するレーザー光が使用される。入射角とは層構造体の層平面に対するレーザー光の入射方向を意味し、特に、極角および方位角によって、また場合により入射方向の符号によって記述される。有利には、切断線ないし切断線の１つまたは複数の点に当たる複数（２つ以上）のレーザー光の方位角が９０゜とは異なるため、少なくとも２つのレーザー光は層構造体に対して垂直には入射しない。
【００１７】
本発明において、種々の入射角で層構造体へ入射する少なくとも２つのレーザー光は、１つのレーザー光を複数回そのつど異なる入射角で切断線の１つの点へ入射させることによって、および／または、種々の入射角を有する複数のレーザー光を使用することによって、実現される。この２つの手段について、以下に詳しく説明する。
【００１８】
種々の入射角を有するレーザー光は、特に、層構造体のうち、レーザーカットプロセスで切断されるすべての点で使用することができる。これは、例えば、切断線の少なくともほぼすべての点に、種々の入射角を有する少なくとも２つのレーザー光が当たることを意味する。これに代えてまたはこれに加えて、後述するような、切断線に沿って相互にずれて層構造体へ当たる種々の入射角のレーザー光を用いてもよい。
【００１９】
特に、相互に交差する少なくとも２つのレーザー光を用いて種々の入射角を形成してもよい。例えば層構造体の層平面および切断線によって切断平面を定義すると、交差するレーザー光は例えば切断線に対して鏡面対称または切断平面に対して鏡面対称に位置し、少なくとも２つのレーザー光が同じ方位角を有し、有利には切断平面に対して垂直な１つの平面内に位置するようになる。これに代えてまたはこれに加えて、レーザーカットプロセス中、少なくとも１つのレーザー源に対する層構造体の角度の向きを変更し、種々の入射角を形成することもできる。このために、例えば、少なくとも１つのレーザー源を運動させる機構および／または相応の可動の鏡システムを用いて、層構造体をレーザー源に対して移動させるか、あるいは、レーザー源の位置または向きまたはこのレーザー源から放射される１つまたは複数のレーザー光の位置または向きを層構造体に対して変化させることができる。種々の実現形態が可能であるが、特に有利には、少なくとも１つの揺動するレーザー光、すなわち、時間によってそれぞれ異なる空間方向から切断線の一点へ入射するレーザー光を用いて、種々の入射角のレーザー光を形成することができる。
【００２０】
また、レーザーカットプロセス中、少なくとも１つの切断線が形成されるように、層構造体を少なくとも１つのレーザー光に対して運動させることもできる。上述したように、ここでの切断線は直線状であっても曲線状であってもよい。各切断線により、センサエレメントまたはグリーン状態のセンサエレメント（以下、本発明ではこれらを区別しない）が層構造体から切り出される。切断線は連続的に形成してもよいし不連続的に形成してもよい。種々の入射角を有するレーザー光は、切断線を形成するあいだ、例えば交差する複数のレーザー光の形態で、同時に入射する。これに代えてまたはこれに加えて、複数のレーザー光が、時間的に前後して、または、複数のレーザー光を切断線に沿って空間的にずらすことによって空間的に前後して、層構造体へ作用するようにしてもよい。
【００２１】
上述したように、入射角は特に個々のセンサエレメントの少なくとも１つの稜が切削されるように構成される。ここで、"稜"とはセンサエレメントの平坦面（例えば層構造体の上面または下面）からセンサエレメントの端面または横面への移行部を意味する。"稜が切削される"とは、当該の移行部が９０゜の唯一の稜線として現れるのではなく、複数の段を有する面取り部として、または、丸みを帯びた部分として現れることを意味する。本発明の方法では、切断線に沿った稜の切削およびセンサエレメントの個別化は、１つの作業ステップで行われる。特に、センサエレメントは層構造体の両側に切削された稜を有することができる。本発明の方法では、特に、センサエレメントが、層構造体に対して垂直な１つの平面で、有利には切断線に対して垂直な１つの平面で、レーザーカットプロセスにより六角形の断面を有するように切断される。特に、稜の面取り部の角度は４５゜である。
【００２２】
本発明の方法では、特に、一般に多かれ少なかれガウス形状に追従する典型的なレーザー光形状が利用される。こうしたガウス形状が利用され、また、光学系が適切に配置されるので、個別化の際のカットプロセスと同時に稜の切削や丸めなどの処理を行うことができる。例えば、ガウスビームのビーム径ｗは、拡散方向の座標ｚの関数として、式
【数１】
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にしたがって得られる。ここで、パラメータＺＲはいわゆるレイリー長である。レーザー光はふつう放射方向ではレイリー長の範囲内に制限される。光学系の焦点距離が小さくなるにつれて、レイリー長ひいては制限半径も小さくなる。典型的な層構造体の層厚さまたは切断深さは通常レイリー長の数倍の大きさとなるので、個別のレーザー光を用いた稜の丸めはふつう不可能である。このため、本発明によれば、複数の入射角を有する複数のレーザー光が利用される。
【００２３】
本発明の方法は公知の方法に比べて多くの利点を有する。まず、簡単かつ確実に、切削された稜を有するセラミック層構造体を形成することができる。また、複数の方法ステップが統合されるので、本発明の方法はきわめて経済的に実行することができる。特に、本発明によれば、切断および稜処理が１つの作業ステップで実行される。ここから、例えば、稜処理を含む切断・シンタリング・電気的検査の各ステップをこの順で含むきわめて簡単な製造方法を実現できる。本発明の方法によれば、研磨・加熱・保管などの後処理ステップを省略できるので、大幅に費用を節約できるうえ、高品質なセンサエレメントを簡単かつ確実に製造することができる。
【実施例】
【００２４】
以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。
【００２５】
本発明の１つまたは複数のセラミックセンサエレメント１１０の製造方法の第１の実施例が図２に示されている。本発明の方法では、まず、複数のセラミックセンサエレメント１１０に対する１つのセラミック層構造体１１２が製造される。例えば、複数のセラミックセンサエレメント１１０は、図２の斜視図では、相互に並列に配置されている。セラミック層構造体１１２は、例えば、二酸化ジルコニウムシートなどの１つまたは複数のセラミックシートを用いることにより、および／または、１つまたは複数の機能層を印刷することにより、実現される。これらの機能エレメントは、図２では、端子コンタクト１１４，導体路１１６およびスルーコンタクト１１８として表されている。ただし、機能エレメントは必ずしも層構造体１１２の表面１２０に配置しなければならないわけではなく、層構造体内の深い位置に配置してもよい。
【００２６】
層構造体１１２は続いてレーザーカットプロセスにより個別化される。このプロセスは図２の切断線１２２に沿って行われ、各センサエレメント１１０のあいだの中間部分１２４が除去される。これは、レーザーカットプロセス後にセンサエレメント１１０のみが残るように、あるいは、センサエレメント１１０が層構造体１１２の残留部分から切り出されるようにして行われる。個別化されたセラミックセンサエレメント１１０は続いてシンタリングプロセスにかけられ、電気的に検査される。
【００２７】
図２に示されているように、レーザーカットプロセスは少なくとも２つのレーザー光１２６，１２８を用いて、層構造体１１２上に切断線１２２を形成することにより行われる。技術的にはビームを交差させるべきでないという先入観が広く信じられているが、本発明の方法では２つのレーザー光１２６，１２８を交差させ、これによって稜ジオメトリ１３０が形成されるようにしている。図２から見て取れるように、面取り部または丸み部１３２を備えた稜ジオメトリ１３０は、レーザービーム１２６，１２８の所定のビームプロフィル、例えば少なくとも近似にガウス状のビームプロフィルによって、形成される。ここで、稜ジオメトリ１３０は、第一義的には、使用される光学系、焦点位置および入射角によって定められる。ビームパラメータ以外の他の制御量は、特に、レーザーカットプロセスにおいて通常用いられる保護ガスの種類、圧力、速度および流入角や、処理部材の厚さによって定められるプロセス領域のエネルギ平衡度、また、レーザー光の出力やレーザー光の処理部材に対する移動速度などである。
【００２８】
２つのレーザー光の光軸１３４は層構造体１１２の表面１２０に垂直には当たらない。それぞれのレーザー光１２６，１２８の入射角は、光軸１３４を表面１２０へ投影した極角、および、当該の投影と光軸１３４とのなす方位角によって定義される。つまり、レーザー光の入射角は２つの角度座標および場合により入射方向の符号によって定義される。図２での入射は上方から下方へ行われるかまたは下方から上方へ行われる。ここで、レーザー光１２６，１２８は異なっていてもよい。
【００２９】
この場合、２つのレーザー光１２６，１２８は同時に一点で交差してもよいし、時間的にずれて異なる入射角で入射するものであってもよい。これに代えて、レーザー光１２６，１２８は空間的に相互にずれて交差するものであってもよい。例えば、或るレーザー光に対して、層構造体１１２の運動方向（押出方向）１３６に沿ってオフセット量Δだけずれた状態で、別のレーザー光が切断線１２２に沿って層構造体１１２へ当たることにより交差が生じる。この場合、少なくとも２つのレーザー光１２６，１２８は同じ切断線１２２に作用するが、空間的に同じ位置で同時に作用してもよいし、空間的に異なる位置で、または、時間的にずれて作用してもよい。切断線１２２を形成するために、層構造体１１２がレーザー光１２６，１２８に対して運動するか、および／または、レーザー光１２６，１２８が層構造体１１２に対して運動する。種々の実施例が可能である。ここではレーザー光１２６，１２８は個別のレーザー源から放射されるが、これに代えてまたはこれに加えて、２つ以上のレーザー光１２６，１２８が例えば１つのレーザー源と相応のビームスプリッタとを使用して形成されてもよいし、および／または、相応の光学系によって時間的にずれて形成されてもよい。図２の装置では、レーザー光がそれぞれ層構造体１１２の対向する２つの面（上面および下面）から入射しているが、１つまたは複数のレーザー光１２６，１２８が揺動を行うものであってもよく、この場合にはそれぞれのレーザー光１２６，１２８は例えば定置の点を中心として回転される。こうした揺動するレーザー光を形成する相応の光学装置はいわゆるトレパン光学系であり、前述した技術文献から公知である。こうした光学系を用いれば、状況に応じて、唯一のレーザー光を連続的に種々の入射角で層構造体１１２へ入射させるのみで充分である。
【００３０】
交差するレーザー光１２６，１２８が使用され、また、場合によりガウスビームプロフィル１３８によって支援されるため、センサエレメントに切削された稜が生じる。こうして、本発明の方法では、従来技術で２つの別個の工程であった個別化工程（切断工程）と稜処理の工程とをまとめることができる。つまり、切断プロセスと同時に稜処理すなわち切削または丸めが行われるのである。このことは、図１の本発明のセラミックセンサエレメント１１０の断面図に示されている。図１からわかるように、センサエレメント１１０は、面取り部１３２を有する稜ジオメトリ１３０によって、ほぼ六角形の断面を有している。実際に得られる稜のバリエーションは、相互に異なる入射角で層構造体１１２へ入射する２つのレーザー光１２６，１２８によって形成される。この場合、レーザー光１２６，１２８の光軸１３４は、切断線１２２を通って層構造体１１２に対して垂直に延在する切断面に対してほぼ対称である。
【符号の説明】
【００３１】
１１０  センサエレメント、  １３０  稜ジオメトリ、  １３２  面取り部、  １１２  層構造体、  １１４  端子コンタクト、  １１６  導体路、  １１８  スルーコンタクト、  １２０  表面、  １２２  切断線、  １２４  中間部分、  １２６，１２８  レーザー光、  １３４  運動方向、１３６  光軸
【図１】
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【図２】
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