(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの物理的な特性を検出するセンサエレメントであって、当該センサエレメント（２０）は、その長手方向において、互いに反対側に位置する第１の端部領域（２０１）と第２の端部領域（２０２）とを有しており、当該センサエレメント（２０）は、前記第１の端部領域（２０１）に機能エレメント（３１，３１１，３１２，３１３）を有していて、該機能エレメントは、前記第２の端部領域（２０２）において当該センサエレメント（２０）の外面に配置された接触面（４３，４４，４５，４６）と導電接続されているセンサエレメントにおいて、
前記接触面（４３）は、前記第１の端部領域（２０１）とは反対の側に丸み部を有しており、
前記接触面（４３，４４，４５）は、ボディ領域（４３１，４４１，４５１）、ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）及びネック領域（４３３，４４３，４５３）を有しており、前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）は、前記接触面（４３，４４，４５）の、前記第１の端部領域（２０１）とは反対の側に配置されていて、前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）は、前記接触面（４３，４４，４５）の、前記第１の端部領域（２０１）に向いた側に配置されていて、前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）と前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）との間に、前記ネック領域（４３３，４４３，４５３）が配置されていて、該ネック領域（４３３，４４３，４５３）において前記接触面（４３，４４，４５）の幅は、前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）及び前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）におけるよりも小さく、
前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）は、両端に円弧を持つ長丸形状であり、
前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）は、円形又は円形リング状であり、
前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）は、貫通部（５０１，５０２，５０３）に接続しており、前記貫通部（５０１，５０２，５０３）は、前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）を起点として前記接触面（４３，４４，４５）に対して垂直にセンサエレメント（２０）の内部に延びていることを特徴とする、センサエレメント。
【請求項２】
前記センサエレメントは、内燃機関の排ガスのガス成分の濃度又は排ガスの温度又は排ガスの固体成分又は液体成分の濃度を検出する、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項３】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、当該センサエレメント（２０）の幅の６％以上である、請求項１又は２記載のセンサエレメント。
【請求項４】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、当該センサエレメント（２０）の幅の１２％以上である、請求項３記載のセンサエレメント。
【請求項５】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、０.３ｍｍ以上である、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項６】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、０.６ｍｍ以上である、請求項５記載のセンサエレメント。
【請求項７】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）の幅の１５％以上である、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項８】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）の幅の３０％以上である、請求項７記載のセンサエレメント。
【請求項９】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）の幅である、請求項７記載のセンサエレメント。
【請求項１０】
前記接触面（４３，４４，４５）の前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）は、第１の対称軸線を有していて、該第１の対称軸線は当該センサエレメント（２０）の長手方向に延びており、前記接触面（４３，４４，４５）の前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）及び前記ネック領域（４３３，４４３，４５３）は、共通の第２の対称軸線を有しており、前記第１の対称軸線と前記第２の対称軸線とは、互いの間に５°〜２５°の角度を成している、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１１】
前記接触面（４３，４４，４５）は、前記センサエレメント（２０）の横方向において中心をずらして配置されていて、前記ヘッド領域（４３２，４４２，４５２）及び前記ネック領域（４３３，４４３，４５３）は、前記ボディ領域（４３１，４４１，４５１）から見て、当該センサエレメント（２０）の横方向における中心に向かって傾けられて配置されている、請求項１０記載のセンサエレメント。
【請求項１２】
当該センサエレメント（２０）の前記第２の端部領域（２０２）には前記接触面（４３，４４，４５，４６）の他に、別の接触面（４３，４４，４５，４６）が配置されており、該別の接触面（４３，４４，４５，４６）は、前記機能エレメント（３１，３１１，３１２，３１３）及び／又は別の機能エレメント（３１，３１１，３１２，３１３）と導電接続されており、前記接触面（４３，４４，４５，４６）と前記別の接触面（４３，４４，４５，４６）との間には、間隔が形成されていて、前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）と前記別の接触面（４３，４４，４５，４６）との間の前記間隔の１０％以上である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１３】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）と前記別の接触面（４３，４４，４５，４６）との間の前記間隔の３０％以上である、請求項１２記載のセンサエレメント。
【請求項１４】
前記丸み部の曲率半径（Ｒ）は、前記接触面（４３，４４，４５，４６）と前記別の接触面（４３，４４，４５，４６）との間の間隔以上である、請求項１２記載のセンサエレメント。
【請求項１５】
前記接触面（４３，４４）と前記別の接触面（４３，４４）とは、当該センサエレメント（２０）の長手方向に延びる軸線に対して鏡面対称である、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１６】
前記機能エレメント（３１，３１１，３１２）は、当該センサエレメント（２０）の内部に配置されており、前記機能エレメント（３１，３１１，３１２）と前記接触面（４３，４４，４５）との間における導電接続部は、当該センサエレメント（２０）の内部においてほぼ長手方向に延びる導体路（３２１，３２２，３２８）を有している、請求項１から１５までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか１項記載のセンサエレメント（２０）と金属製の接触エレメントとを備えたセンサであって、前記金属製の接触エレメントは、前記センサエレメント（２０）を前記接触面（４３，４４，４５，４６）において、摩擦力結合式及び／又は形状結合式に、前記センサエレメント（２０）の外側から電気的に接触接続させていることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば排ガスセンサとして、特に、自動車において極めて広く普及しているラムダセンサとして使用される公知のセンサエレメントを出発点とする。しかしながら、他の形式のセンサエレメントに対しても、例えば排ガスにおける他のガス状の成分を検出するセンサや微粒子センサ又はこれに類したセンサにも、本発明は使用可能である。
【０００２】
本発明は特に、焼結された又は焼結可能なセラミックス製のセンサエレメントであって、例えば、場合によってはプリントされた個々のセラミックス・グリーンシートの集合、特に積重ねによって製造されたセンサエレメントに関する。
【０００３】
センサエレメントは、特に少なくとも１つの電気的な、電気化学的な及び／又は電子的な機能エレメントを、センサエレメントの、通常は排ガスに向けられた第１の端部領域に有している。このときセンサエレメントに対する給電可能性は、通常は排ガスとは反対側に位置する第２の端部領域においてセンサエレメントの外面に設けられた接触面によって与えられている。
【０００４】
導電性の他に、接触面からは、センサエレメントの運転時及び製造時に、高い温度耐性及び化学的な耐性が要求される。従って、例えばプラチナ又はこれに類した金属のような貴金属を使用することが広まっている。このような貴金属は比較的高価であるので、一般的には、接触面を可能な限り小さくすることが望まれている。
【０００５】
他方において接触面を小さくすることは、センサエレメントの製造誤差に基づいて又は、金属製のワイヤ、ピン、ばね又はこれに類したもののような、センサにおいてセンサエレメントと共働する接触エレメントの製造誤差に基づいて、接触接続がもはやどうしても確実に保証されないような場合に、危機的であると見なさねばならない。
【０００６】
独国特許出願公開第１０２０８５３３号明細書、独国特許出願公開第１０２００４０４７７８３号明細書及び独国特許出願公開第１０２００９０５５４１６号明細書に基づいて、既に接触面を備えたセンサエレメントが公知である。これらの接触面は、機能エレメントとは反対側の端部領域において方形に形成されている。
【０００７】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明に係るセンサエレメントには、電気的な接触接続との関係において取付けエラーを増加させることなしに、センサエレメントもしくはセンサエレメントの接触面を、減じられた材料使用で、ひいては安価に製造することができる、という利点がある。
【０００８】
そのために本発明によれば、接触面は、第１の端部領域とは反対の側に丸み部を有している。
【０００９】
特に迅速にタイミング制御された自動化された組立て後における、接触面と所属の接触エレメントとの相対位置の製造ばらつきに関する、出願人の調査によれば、相対位置に関するばらつきは、長手方向及び横方向において発生するので、接触面の長さ及び幅を相応の分散幅以下に減じると、組立てエラーを生ぜしめることになる、ということが判明した。
【００１０】
同じ調査によって、特に自動化された組立て後における接触面と所属の接触エレメントとの、長手方向における相対位置のばらつきは、横方向におけるばらつきと、まったくもしくは無視できるほど僅かしか関係していない、ということも判明した。
【００１１】
従って結局のところ、検査目的のために使用される真っ直ぐでなお十分に大きく寸法設定された方形の接触面には、長手方向における縁部領域においても、横方向における縁部領域においても、ある程度の頻度で、接触エレメントが当接する。しかしながら、実際には消失してしまうほど小さな頻度で、これらの方形の接触面には、排ガスとは反対側に位置する端部領域における接触エレメントが当接する。このことを背景にして、なぜ、この領域における接触面の丸み部が取付けエラーの頻度を高めないかが明らかになる。
【００１２】
従って本発明のように設けられた丸み部はまた、特に、それ自体がまったく又はある程度までしか縮小化されておらず、ゆえに高められた組立て要求が課せられているセンサエレメントにおいても、特に接触面を縮小することを可能にする。結局のところ、センサエレメントの１つの接触面、複数の接触面又はすべての接触面の単位面積は、（センサエレメントへの投影図で見てもしくはセンサエレメントの最大面積への投影図で見て）それぞれ、センサエレメントの最大面積の単位面積の２％以下に、特にそれどころかセンサエレメントの最大面積の単位面積のそれぞれ１.５％以下に減じられていてよい。
【００１３】
追加的に又は択一的に、センサエレメントの１つの接触面、複数の接触面又はすべての接触面の長さは、センサエレメントの長さの９％以下に、特にそれどころかセンサエレメントの長さの８％以下に減じられていてよい。追加的に又は択一的に、センサエレメントの１つの接触面、複数の接触面又はすべての接触面の幅は、センサエレメントの幅の３５％以下に、特にそれどころかセンサエレメントの幅の３１.５％以下に減じられていてよい。
【００１４】
本発明は特に、高さ（焼結された場合）が１.２ｍｍ以上であり、かつ／又はセンサエレメントの長さ（焼結された場合）が５０ｍｍ以上であり、かつ／又はセンサエレメントの幅（焼結された場合）が４.５ｍｍ以上であり、かつ高められた組立て要求が課せられているセンサエレメントにも、好適に適用することができる。焼結されていないセンサエレメントに対する値は、２５％増しである。
【００１５】
「長手方向」、「横方向」及び「高さ方向」という概念は、本出願の枠内においては、基本的に単に、方形の基準系の意味において使用される。しかしながらいずれにせよ、これらの方向は特に、センサエレメントによって際立たされた方向であってよく、例えば特に直方体形状のセンサエレメントでは、長手方向は、センサの最長の側縁が指し示す方向であり、高さ方向はセンサエレメントの最短の側縁が指し示す方向であり、かつ／又は横方向はセンサエレメントの、中間の長さを有する側縁が指し示す方向であってよい。例えば棒状のセンサエレメントでは、長手方向は、それを中心にして棒状のセンサエレメントが回転対称もしくはほぼ回転対称である軸線の方向を指し示すことができる。
【００１６】
１つの方向が主として引き合いに出されるような場合、この記載は、狭義における方向だけではなく、当該方向に対して僅かな偏差、例えば１５°以下の偏差を有する方向、及び／又は当該方向に対して少なくとも直交していない方向をも考慮される。１つの方向は１つの構造体によって追加的に、この構造体が小さな部分領域、例えばこの構造体の１０％以下を含む部分領域においてしか偏差を有していない場合でも、実現されている。
【００１７】
本出願の枠内において「センサエレメントの長さ」というのは、センサエレメントの長手方向における延在長さを意味し、「センサエレメントの幅」というのは、センサエレメントの横方向における延在長さを意味し、「センサエレメントの高さ」というのは、センサエレメントの高さ方向における延在長さを意味する。この方向は、センサエレメントに対する平面図のためにも基準となる。
【００１８】
「センサエレメントの端部領域」という概念は、本出願の枠内では、長手方向に関連して、基本的には単に、センサエレメントの関連する部分領域であって、センサの該当する端部を有していて、センサエレメントの長さの５０％以下を構成する部分領域を意味する。従って１つの端部領域と反対側に位置する端部領域とは、例えば単に１つの面において互いに交わっている。幾分狭められた意味では、センサエレメントの端部領域は、センサエレメントの関連する部分領域であって、センサの該当する端部を有していて、センサエレメントの長さの１／３以下又は１／４以下を構成する部分領域を意味することができる。
【００１９】
「機能エレメント」という概念は、本出願では基本的に狭義に解釈すべきではない。例えば機能エレメントというには、センサエレメントの外側空間に接続する貴金属電極又はサーメット電極、及び／又は、特に２０℃において最大３０オームの電気抵抗を有する電気抵抗ヒータ、及び／又はこれに類したものであってよい。
【００２０】
「１つの側に丸み部を有する接触面」という概念は、本出願の枠内においては単に、接触面が等しい長さと等しい幅の方形の接触面から生じていて、該当する側において少なくとも角隅領域の材料が除去されていることを想起させるものと解釈することができる。
【００２１】
このときに生じる輪郭は、特に狭義の数学的な意味において、完全に又は部分的に円弧状であってよく、かつ特に９０°〜１８０°の円弧中心角を有することができるが、基本的には単に、角隅領域から材料を除去するだけでもよい。従って「丸み部」という概念は、直線的な斜めの面取り部をも含む。
【００２２】
前者の場合、「曲率半径」という概念は自然な形で生じるが、狭義の数学的な意味における円弧状の丸み部ではない場合には、「曲率半径」という概念は、平均的に実際の輪郭から極めて僅かに異なっている、円弧状の丸み部の曲率半径によって与えられている。これについては以下において例を挙げてさらに説明する。
【００２３】
本発明の好適な態様では、曲率半径はある特定の最小値であるか又はそれを上回る値である。このとき本発明の好適な作用が特に顕著になる。焼結されたセンサエレメントにおける、例えば０.３ｍｍ；０.４ｍｍ；０.５ｍｍ又は０.６ｍｍのようなメートル法による最小値の他に、択一的に又は追加的に、センサエレメントの幅における割合として測定される最小値、例えば６％；８％；１０％又は１２％のような最小値、及び／又は接触面の幅における割合として測定される最小値、例えば１５％；２３％；３０％又は４５％のような最小値が考慮される。
【００２４】
好適な極端な場合、丸み部は最大であり、つまり接触面の端部部分は、半円形又は半円形に類似した形状である。このとき曲率半径は、接触面の幅の半分によって与えられている。
【００２５】
本発明の特殊な構成であるセンサエレメントでは、機能エレメントに向かい合って位置する端部領域に、接触面に加えて追加的に、別の接触面が例えば並んで配置されている。
【００２６】
この別の接触面は、例えば電気式のヒータのような、接触面と同じ機能エレメントに接触接続することも、又は例えば別の電極のような、接触面とは異なった機能エレメントに接触接続することも可能である。
【００２７】
基本的には、別の接触面は、同様に、本出願の枠内において接触面に対して記載された特徴又は本出願の枠内において接触面に対して記載された特徴の組合せによって構成されていてよい。特に接触面と別の接触面とは、鏡面対称であっても、又はセンサエレメントの長手方向において延びる軸線、特にセグメントに対して横方向で見て中心において延びる軸線に対してほぼ鏡面対称であってよい。
【００２８】
接触面が２つ設けられている場合、両接触面の間には間隔が形成されており、この間隔は通常、両接触面の間における分路（Nebenschluss）が、製造誤差及び製造欠陥（「Verschmieren」）の枠内においても確実に排除されるように、十分に大きく寸法設定されている。典型的には、室温２０℃においてメガオームのオーダにおける、接触面の間の絶縁抵抗が要求され、かつ例えば４００℃の最高運転温度では１０万オームのオーダにおける、接触面の間の絶縁抵抗が供給される。
【００２９】
出願人の実験によれば、接触面の間における分路抵抗力（Nebenschlussfestigkeit）は、一方又は両方の接触面に、特に接触面の互いに向かい合っている角隅領域に、本発明のように丸み部を形成することによって、著しく高まることが判明している。このことは、接触面の間における間隔（最短接続部）が丸み部の仮想の工程によって減じられていない場合に言えることである。この効果は推測するに、鋭い縁部の領域において発生する電位ピークもしくは最大電界強さ等に起因すると思われる。
【００３０】
これに関連した別の好適な態様では、曲率半径は、ある特定の最小値であるか又はそれを上回る値である。このようになっていると、本発明の好適な作用は特に顕著になる。曲率半径は、好ましくは、センサエレメントに形成された接触面の間における間隔よりも大きい値であるか、又はセンサエレメントに形成された接触面の間における間隔のある特定の割合、例えば１０％；３０％又は５０％よりも大きい値である。
【００３１】
本発明の特別な構成は、センサエレメントの内部に配置された機能エレメント及び／又はセンサエレメントの内部に配置された導体路と共働する、少なくとも１つの接触面を備えたセンサエレメントに関する。センサエレメントの内部に位置する領域への接触面の電気的な接続は、貫通部を介して行われ、この貫通部は、接触面を起点として、例えば該接触面に対して垂直に、センサエレメントの内部に延びており、例えば独国特許出願公開第１０２００９０２８１９４号明細書に開示されているような従来の技術に基づいて公知である。
【００３２】
貫通部が、接触面と機能エレメントとの間における電気的な接続部の、製造技術的に機械的にかつ電気的に敏感な領域である、ということは重要である。この理由から、貫通部が接触面に当接する領域が、センサエレメントを接触面に例えば摩擦力結合式に、センサエレメントの外側から電気的に接触接続させる接触エレメントと、機械的に相互作用しないということが望まれている。
【００３３】
このような理由から特に、接触面は、接触エレメントとの機械的な相互作用のために設けられた第１の領域（以下においてボディ領域と呼ぶ）と、接触エレメントとの機械的な相互作用のために設けられたのではなく、貫通部への接続部である第２の領域（以下においてヘッド領域）とを有している。
【００３４】
ボディ領域が真っ直ぐな側縁を備えた楕円形に形成されているのに対して、ヘッド領域は特に円形又は円形リング状に形成されている。ボディ領域とヘッド領域との間には第３の領域（以下においてはネック領域と呼ぶ）が形成されており、このネック領域の機能は、最小の材料需要で、ボディ領域とヘッド領域とを電気的に接続した状態で互いに間隔をおいて位置させることである。接触面と機能エレメントとの間における接触接続可能性及び電気的な接続を達成しながら材料需要を最小にするために、接触面の幅は、ボディ領域及びヘッド領域における幅よりも小さく、つまりヘッド領域に関して言えば、好ましくは少なくとも５％又はそれどころか２５％も小さく、かつ／又はボディ領域に関して言えば、好ましくはそれぞれ少なくとも１５％又はそれどころか５０％も小さい。
【００３５】
貫通部を、通常高められた温度が、ひいては減じられた耐絶縁性が存在している機能エレメントの方向に過剰に大きく移動させないために、好ましくは、ネック領域の長手方向長さは、例えばボディ領域及び／又はヘッド領域の長手方向長さよりも小さな長さに制限されている。
【００３６】
さらに、貫通部を、センサエレメントの横方向において中心をずらして配置された接触面を起点として、センサ中心に向かって横方向に方向付けると、好適であることが判明している。相応に、接触面のヘッド領域をセンサ中心に向かって横方向に方向付けることも可能である。
【００３７】
このことを実現するために、本発明の特別な態様では、接触面のボディ領域は、第１の対称軸線を有していて、該第１の対称軸線は特にセンサエレメントの長手方向に延びており、接触面のヘッド領域及びネック領域は、共通の第２の対称軸線を有しており、第１の対称軸線と第２の対称軸線とは、互いの間に５°〜２５°の角度を成している。
【００３８】
本発明との関連において、導体路、給電体、貫通部及び接触面のための特殊な材料選択がさらに目標到達のために好適である。このとき基本的には、８３質量％以上の貴金属成分を備えた材料が好適であり、このように構成されていると、最少の貴金属使用によって予め設定されたオーム抵抗を得ることができる。少なくとも加熱装置に通じる給電体のためには、９５質量％以上の貴金属成分が、例えば９８質量％の貴金属成分が好ましい。少なくとも１質量％のＡｌ2Ｏ3 、より良好には１.５質量％のＡｌ2Ｏ3 、好ましくは最大２.５質量％のＡｌ2Ｏ3を成分として含んでいると、この構造体の電気抵抗の正確な調節可能性を得るために有利であることが判明している。少なくとも加熱装置に通じる給電体は、加熱装置と一体にかつ同じ材料から構成されていてよい。
【００３９】
追加的に又は択一的に、サーメット電極に通じる給電体のため及び／又は少なくとも１つの接触面のために、少なくとも加熱装置に通じる給電体のためよりも僅かな貴金属成分が、好ましくは例えば８３質量％〜８７質量％の貴金属成分が設けられており、このとき特にサーメット電極に通じる給電体には、合わせて１２質量％〜１６質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分が設けられている。サーメット電極に通じる給電体をサーメット電極と一緒に１つのプロセスステップにおいてかつ同じ材料から製造することができると好適である。サーメット電極に通じる給電体もしくはサーメット電極のためにも、好ましくは０.２質量％〜１質量％のＡｌ2Ｏ3成分が好適である。
【００４０】
追加的に又は択一的に、少なくとも１つの貫通部のためには、加熱装置に通じる少なくとも１つの給電部のためよりも僅かな貴金属成分、例えば８３質量％〜８７質量％の貴金属成分が設けられており、このとき貫通部には合わせて３質量％〜８質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分と、追加的に６質量％〜１２質量％のＮｂ2Ｏ5の成分とが設けられている。貫通部は製造プロセスにおいてより良好に取扱い可能であることが好ましい。特に相応のペーストは良好な流動特性を有し、センサエレメントの内部における貫通部に対する良好なセラミックスの結合を可能にする。これによってさらに、主としてＹＳＺから成るセンサエレメントとの関連において、貫通部の縁部領域には、減じられた酸素イオン伝導率が形成され、このことはセンサエレメントの機能性を改善する。
【００４１】
上に述べた貴金属成分は、特にプラチナから成っていてよい。択一的に、特に少なくとも１つの貫通部に関して言えば、金属相を安定化させるために、材料の組成全体に対して０.２質量％〜０.８質量％の成分がロジウムから成っており、かつ／又は材料の組成全体に対して０.２質量％〜１質量％の成分がパラジウムから成っていてよい。
【００４２】
別の貴金属成分を設けることも常に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るセンサエレメントを分解して概略的に示す斜視図である。
【図２】第３の固体電解質シートの第２の端部領域における接触面と別の接触面とを拡大して示す図である。
【図３】第１の固体電解質シートの第２の端部領域における接触面と別の接触面とを拡大して示す図である。
【図４】センサエレメントの第２の端部領域における第１の固体電解質シートを、上から見た平面図である。
【図４ａ】センサエレメントの第２の端部領域における第１の固体電解質シートの変化形態を示す図である。
【図５】センサエレメントの第２の端部領域における第３の固体電解質シートを、上から見た平面図である。
【図５ａ】センサエレメントの第２の端部領域における第３の固体電解質シートの変化形態を示す図である。
【図６】貫通部を通りかつセンサエレメントの長手方向に対して垂直な平面において、センサエレメントを断面した図である。
【図７】センサエレメントのほぼ半分の長さの領域でセンサエレメントの長手方向に対して垂直な平面において、センサエレメントを断面した図である。
【００４４】
図１には、本発明の１つの実施の形態として、センサエレメント２０の全体図が示されており、このセンサエレメント２０は、内燃機関（図示せず）の排ガス中における酸素濃度を測定するために働くガス測定センサ（図示せず）のハウジング内に配置されていてよい。相応の機能エレメントを備えていれば、本発明はもちろん、例えば微粒子測定のためのセンサのような他のセンサのためのセンサエレメントにも適している。
【００４５】
センサエレメントは、図１では長手方向において左から右に向かって延びており、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１は右側に示され、センサエレメント２０の第２の端部領域２０２は左側に示されている。規定通りの取付け及び運転において、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１は、排ガスに向けられ、センサエレメント２０の第２の端部領域２０２は、排ガスとは反対側に向けられている。
【００４６】
さらに図１においてセンサエレメント２０は、横方向において前から後ろに向かって、かつ高さ方向において下から上に向かって延びている。
【００４７】
センサエレメント２０は、プリントされたセラミックス層から構成されており、これらのセラミックス層は本実施の形態では、第１、第２及び第３の固体電解質シート２１，２２，２３として形成されていて、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含有している。固体電解質シート２１，２２，２３は、本実施の形態では、焼結工程の前に、７２ｍｍの長さ、５ｍｍの幅及び５４０μｍの高さを有している。焼結されたセンサエレメント２０のシートは、２０％減じられた縁部長さを有する。
【００４８】
第１の固体電解質シート２１は、センサエレメント２０から見て外方を向いた大面積部において、図１では下側に、センサエレメント２０の第２の端部領域２０２に、接触面４３と別の接触面４４を備えており、両接触面４３，４４はここではプリントされている（図３も参照）。
【００４９】
第１の固体電解質シート２１は、センサエレメント２０から見て内方を向いた大面積部において、図１では上側に、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１に、蛇行状の加熱装置３１１を機能エレメント３１として備えており、この機能エレメント３１は、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１を加熱するために働く。蛇行状の加熱装置３１１の延長部において該加熱装置３１１の両端部には、各１つの導体路３２１，３２２が接続されており、このとき加熱装置３１１から導体路３２１，３２２への移行部は、構造体幅及び／又は構造体高さの増大によって、つまり長さ当たりの電気抵抗の減少によって特徴付けられている。
【００５０】
導体路３２１，３２２は、排ガス側に、給電体３２３，３２５と呼ばれる部分を有しており、この部分は、本実施の形態では一定幅を有している。導体路３２１，３２２は、さらに排ガスとは反対側に、カラー３２４，３２６と呼ばれる部分を有しており、この部分は、本実施の形態ではリング状に形成されている（図４も参照）。
【００５１】
第１の固体電解質シート２１は、センサエレメント２０から見て内方を向いた大面積部に、図１では上側に、さらに絶縁層３３０及びシールフレーム３３１並びにシート結合層３３３を備えており、これらはここではプリントされている。
【００５２】
第１の固体電解質シート２１は、第２の端部領域２０２に２つの貫通部５０１，５０２を有しており、両貫通部５０１，５０２は、鉛直方向で第１の固体電解質シート２１を貫いて延びていて、各１つの接触面４３，４４を、導体路３２１，３２２のカラー３２４，３２６と導電接続させている（図６参照）。
【００５３】
第２の固体電解質シート２２は、両側に各１つのシート結合層３３３を備えていて、さらに第２の固体電解質シート２２は、基準ガス通路３５を有しており、この基準ガス通路３５は、長手方向において、排ガスとは反対側に配置された基準ガス開口３５１から、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１内にまで延びていて、このとき横方向においては真ん中を延びている。基準ガス通路３５は、充填されずに形成されていて、特にこの基準ガス通路３５内には多孔性の充填物が設けられていない。
【００５４】
第３の固体電解質シート２３は、センサエレメント２０から見て内方を向いた大面積部に、図１において下側に、基準ガス通路３５に向かい合って、酸素濃度を測定する機能エレメント３１としてのサーメット電極３１２を備えている。サーメット電極３１２の延長部には、該サーメット電極３１２の端部に、導体路３２８が接続されており、このときサーメット電極３１２から導体路３２８への移行部は、構造体幅の減少によって特徴付けられている。
【００５５】
導体路３２８は排ガス側に、給電体３２７と呼ばれる部分を有しており、この部分は、本実施の形態では、一定幅を有している。導体路３２８はさらに、排ガスとは反対側に、カラー３２９と呼ばれる部分を有していて、この部分は、本実施の形態ではリング状に形成されている（図５も参照）。第３の固体電解質シート２３のこの側に、少なくともそれ以外はプリントされずに、シート結合層３３３が設けられている。
【００５６】
第３の固体電解質シート２３は、センサエレメント２０から見て外方を向いた大面積部に、図１において上側に、センサエレメント２０の第２の端部領域２０２において、接触面４５及び別の接触面４６を備えており、両接触面４５，４６はここではプリントされている（図２も参照）。
【００５７】
別の接触面４６には、例えば一定幅を有する導体路３２０が接続されており、この導体路３２０は、センサエレメント２０の第１の端部領域２０１に配置された別のサーメット電極３１３にまで延びている。導体路３２０は、例えばシール性のカバー層３６１によって覆われており、別のサーメット電極３１３は、多孔性の層３６２を備えているので、外室と別のサーメット電極３１３との間における通信（Kommunikation）が保証されている。
【００５８】
第３の固体電解質シート２３は、第２の端部領域２０２に貫通部５０３を有しており、この貫通部５０３は、鉛直方向で第３の固体電解質シート２３を貫いて延びていて、接触面４５をカラー３２９と導電接続させている（図６参照）。
【００５９】
図２において、センサエレメント２０の、排ガスとは反対側に位置する第２の端部領域２０２は、第３の固体電解質シート２３を上から見て示されている。ここでは、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線で、接触面４５は左側に配置されている。
【００６０】
接触面４５は、３つの部分領域から、つまりボディ領域４５１、ヘッド領域４５２及びネック領域４５３から成っている。ボディ領域４５１は、接触面４５の、排ガスとは反対の側に配置されている。ボディ領域４５１は縦長の基本形状を有しており、この基本形状は、等しい長さと幅の方形から、角隅を最大に丸く面取りすることによって、つまりボディ領域４５１もしくは接触面４５の半分の幅に相当する曲率半径Ｒを有する丸み部を設けることによって形成されている。このようにして、ボディ領域４５１もしくは接触面４５の半円形の端部領域が、接触面４５の、排ガスとは反対の側において生ぜしめられる。
【００６１】
焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、ボディ領域４５１の長さは本実施の形態では２.５ｍｍ以上であり、ボディ領域４５１の幅は１.５ｍｍ以上である（焼結された場合：−２０％）。ボディ領域４５１は、センサエレメント２０の左側の外縁部から０.４ｍｍ以下の間隔をおいて位置し、センサエレメント２０の前側の外縁部からは１.３ｍｍ以下の間隔をおいて位置している。
【００６２】
ヘッド領域４５２は、接触面４５の、排ガスに向けられた側に配置されている。ヘッド領域４５２は、例えばリング状に形成されていて、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、０.５ｍｍ以下の内径と１ｍｍ以上の外径を有している（焼結された場合：−２０％）。
【００６３】
ネック領域４５３は、ボディ領域４５１とヘッド領域４５２との間に形成されている。ネック領域４５３は、ボディ領域４５１及びヘッド領域４５２に対して、接触面４５の狭窄部を形成しており、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、例えば０.３ｍｍの最小幅と０.３ｍｍの長さを有している（焼結された場合：−２０％）。
【００６４】
ボディ領域４５１は、本実施の形態では、センサエレメント２０の長手方向に延びる軸線に関して鏡面対称の形状を有している。ヘッド領域４５２及びネック領域４５３も同様に鏡面対称の形状を有しているが、両領域４５２，４５３は、センサエレメント２０の平面図で見て、数学での負の回転方向で、センサエレメント２０の長手方向軸線に対して９°回動させられているので、ヘッド領域４５２及びネック領域４５３は全体として幾分センサ中心に向かって傾いている。
【００６５】
接触面４５のヘッド領域４５２は、第３の固体電解質シート２３を貫く貫通部５０３と導電接続されている。
【００６６】
図２において、さらに、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線方向で見て、別の接触面４６が接触面４５の右隣に配置されている。この別の接触面４６の配置形態及びサイズは、この意味において、つまり左右を交換すると、接触面４５のボディ領域４５１の配置形態及びサイズに相当しており、なおこのとき、接触面４５と別の接触面４６との間には、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、少なくとも０.６ｍｍの間隔が存在する（焼結された場合：−２０％）。
【００６７】
別の接触面４６は、単に、接触面４５のボディ領域４５１に相当する部分から成っており、つまりヘッド領域とネック領域を有していない。また別の接触面４６は、貫通部とも共働せず、その代わりに、別のサーメット電極３１３に通じる導体路３２８に直に接触接続している。このとき長手方向における導体路３２８の中心軸線は、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、長手方向における別の接触面４６の中心軸線に対して、０.１ｍｍ〜０.４ｍｍ、本実施の形態では０.２ｍｍ、横方向で内方に向かってずらされている（焼結された場合：−２０％）。
【００６８】
接触面４５，４６は、８３質量％〜８７質量％の貴金属成分と、合わせて１２質量％〜１６質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分を有している。
【００６９】
図３には、センサエレメント２０の、排ガスとは反対側に位置する第２の端部領域２０２が、図１において下方を向いた第１の固体電解質シート２１を下から見た図で示されている。図３において、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線方向で見て、接触面４３は左側に配置されている。
【００７０】
接触面４３は、３つの部分領域から、つまりボディ領域４３１、ヘッド領域４３２及びネック領域４３３から成っている。ボディ領域４３１は、接触面４３の、排ガスとは反対の側に配置されている。ボディ領域４３１は縦長の基本形状を有しており、この基本形状は、等しい長さと幅の方形から、角隅を最大に丸く面取りすることによって、つまりボディ領域４３１もしくは接触面４３の半分の幅に相当する曲率半径Ｒを有する丸み部によって形成されている。このようにして、ボディ領域４３１もしくは接触面４３の半円形の端部領域が、接触面４３の、排ガスとは反対の側において生ぜしめられる。
【００７１】
焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、ボディ領域４３１の長さは本実施の形態では２.５ｍｍ以上であり、ボディ領域４３１の幅は１.５ｍｍ以上である（焼結された場合：−２０％）。ボディ領域４３１は、センサエレメント２０の左側の外縁部から０.４ｍｍ以下の間隔をおいて位置し、センサエレメント２０の前側の外縁部からは１.３ｍｍ以下の間隔をおいて位置している。
【００７２】
ヘッド領域４３２は、接触面４３の、排ガスに向けられた側に配置されている。ヘッド領域４３２は、例えばリング状に形成されていて、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、０.５ｍｍ以下の内径と１ｍｍ以上の外径を有している（焼結された場合：−２０％）。
【００７３】
ネック領域４３３は、ボディ領域４３１とヘッド領域４３２との間に形成されている。ネック領域４３３は、ボディ領域４３１及びヘッド領域４３２に対して、接触面４３の狭窄部を形成しており、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、例えば０.９ｍｍの最小幅と０.３ｍｍの長さを有している（焼結された場合：−２０％）。
【００７４】
接触面４３のネック領域４３３は、著しく広幅であり、図２における接触面４５のネック領域４５３に比べて２よりも大きな係数だけ広幅である。加熱装置３１１の接触面４３を介して高い電流が供給されるが、これに対して、サーメット電極３１２の接触面４５を介しては比較的僅かな電流しか供給されない。その結果接触面４３は、減じられたオーム抵抗もしくは拡大されたネック領域４３３をもって形成されている。
【００７５】
ボディ領域４３１は、本実施の形態では、センサエレメント２０の長手方向に延びる軸線に関して鏡面対称の形状を有している。ヘッド領域４３２及びネック領域４３３も同様に鏡面対称の形状を有しているが、両領域４３２，４３３は、センサエレメント２０の平面図で見て、数学での負の回転方向で、センサエレメント２０の長手方向軸線に対して９°回動させられているので、ヘッド領域４３２及びネック領域４３３は全体として幾分センサ中心に向かって傾いている。
【００７６】
接触面４３のヘッド領域４３２は、第１の固体電解質シート２１を貫く貫通部５０１と導電接続されている。
【００７７】
図３において、さらに、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線方向で見て、別の接触面４４が接触面４３の右隣に配置されている。この別の接触面４４の配置形態及びサイズは、この意味において、つまり左右を交換して正の回転方向を負の回転方向と交換すると、接触面４３の配置形態及びサイズに相当しており、なおこのとき、接触面４３と別の接触面４４との間には、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、少なくとも０.６ｍｍの間隔が存在する（焼結された場合：−２０％）。
【００７８】
接触面４３，４４は、８３質量％〜８７質量％の貴金属成分と、合わせて１２質量％〜１６質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分を有している。
【００７９】
図４には、センサエレメント２０の、排ガスとは反対側に位置する第２の端部領域２０２が、第１の固体電解質シート２１を図１において上から見た図で示されている。図４において、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線方向で見て、導体路３２２は右側に配置されている。この導体路３２２は、２つの部分領域、つまり給電体３２５とカラー３２６とから成っている。
【００８０】
給電体３２５は、導体路３２２の排ガス側の部分を形成しており、排ガス側における加熱装置３１１から、給電体３２５の、排ガス側とは反対の側に配置されたカラー３２６にまで延びている。本実施の形態では、それぞれ焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、給電体３２５は、１.２ｍｍの幅Ｂを有し、排ガス側においてセンサエレメント２０の長手方向中心軸線に対して横方向に０.２５ｍｍの間隔をおいて延びている（焼結された場合：−２０％）。排ガスとは反対側の端部領域において、給電体３２５は、右に向かって、つまり外方に向かって１８°の角度を成して曲げられている。
【００８１】
カラー３２６は、リング状に形成されていて、本実施の形態では、１８０°の円弧を描いており、この円弧の外径は、給電体３２５の幅Ｂと同じであり、円弧の内径は０.４ｍｍである。従ってカラー３２６の幅ｂは、それぞれ焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、０.３ｍｍである（焼結された場合：−２０％）。カラー幅ｂと給電体幅Ｂとの幅比は、０.３３である。
【００８２】
貫通部５０１の電気抵抗は、センサの運転時に発生し得る、もしくは典型的に発生し得る温度分布に関して、導体路３２２の電気抵抗と同じであるか又はほぼ同じである。例えば２０℃の均一な温度分布の他に、このとき択一的に、不均一な温度分布に合わせることも可能である。例えば加熱装置３１１の領域における１１００℃の温度と、貫通部５０１の領域における２００℃、３００℃又はそれどころか４００℃の温度との間の、長手方向における均一な温度上昇を基礎とすることができる。
【００８３】
機能エレメントの、特に接触面４３との加熱装置３１１の電気接続部の電気抵抗は、例えば２０℃において２.５オームの範囲にある。
【００８４】
図４において、さらに、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線方向で見て、導体路３２１が、長手方向中心軸線に関して、導体路３２２に対して対称に配置されている。導体路３２１の配置形態及びサイズは、この意味において、つまり左右を交換すると、導体路３２２の配置形態及びサイズに相当している。
【００８５】
給電体３２５，３２３は、９５質量％以上の、例えば９８質量％の貴金属成分と、少なくとも１質量％のＡｌ2Ｏ3とを有している。
【００８６】
貫通部５０２の電気抵抗は、センサの運転時に発生し得るもしくは典型的に発生し得る温度分布に関して、導体路３２１の電気抵抗と同じであるか又はほぼ同じである。例えば２０℃の均一な温度分布の他に、このとき択一的に、不均一な温度分布に合わせることも可能である。例えば加熱装置３１１の領域における１１００℃の温度と、貫通部５０１の領域における２００℃、３００℃又はそれどころか４００℃の温度と間の、長手方向における均一な温度上昇を基礎とすることができる。
【００８７】
図４ａには、変化形態として、給電体３２３，３２５を僅かに変えられたセンサエレメント２０が示されており、この変化形態の変更箇所は、単に、給電体３２３，３２５の幅Ｂが、１.２ｍｍの代わりに１.０８ｍｍであること、つまりカラー３２４，３２６に比べて僅かだけ（１０％）減じられていることにある。メートル法による値は、焼結されていないセンサエレメント２０に関するものである（焼結された場合：−２０％）。
【００８８】
図５には、センサエレメント２０の、排ガスとは反対側に位置する第２の端部領域２０２が、第３の固体電解質シート２３の下側を図１の下から見た図で示されている。そこでは、センサエレメント２０の、排ガスに向けられた第１の端部領域２０１への視線で、導体路３２８は右側に配置されている。この導体路３２８は、２つの部分領域、つまり給電体３２７とカラー３２９とから成っている。
【００８９】
給電体３２７は、導体路の排ガス側の部分を形成していて、排ガス側におけるサーメット電極３１２から、給電体３２７の排ガスとは反対の側に配置されたカラー３２９にまで延びている。本実施の形態において給電体３２７は、０.４ｍｍの幅Ｂを有していて（焼結された場合：−２０％）、かつ排ガス側において、センサエレメント２０に給電体３２７を鉛直方向で投影して見た場合に給電体３２７が基準ガス通路３５の内部に配置されているように延びている。このように構成されていると、給電体３２７のこの部分は、製造プロセス中に圧壊に対して十分に保護される。
【００９０】
排ガスとは反対の側に位置する端部領域において給電体３２７は、右に向かって、つまり外方に向かって、２５°未満の角度、ここでは８°の角度を成して曲げられている。排ガスとは反対の側に位置するこの端部領域において、給電体３２７は、センサエレメント２０に給電体３２７を鉛直方向で投影して見た場合に、基準ガス通路３５の縁部と交差している。比較的小さな交差角によって、導体路３２８と基準ガス通路３５の縁部との間において長いオーバラップゾーンが生じ、ひいては製造プロセス中における給電体３２７の圧壊に対する良好な保護が達成される。
【００９１】
カラー３２９はリング状に形成されている。焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、カラー３２９の幅ｂは０.３ｍｍである（焼結された場合：−２０％）。カラー幅ｂと給電体幅Ｂとの幅比は、０.７５である。
【００９２】
給電体３２７は、８３質量％〜８７質量％の貴金属成分と、合わせて１２質量％〜１６質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分を有している。
【００９３】
貫通部５０３の電気抵抗は、センサの運転時に発生し得る、もしくは典型的に発生し得る温度分布に関して、導体路３２８の電気抵抗と同じであるか又はほぼ同じである。例えば２０℃の均一な温度分布の他に、このとき択一的に、不均一な温度分布に合わせることも可能である。例えばサーメット電極３１２の領域における７５０℃の温度と、貫通部５０３の領域における２００℃、３００℃又はそれどころか４００℃の温度との間の、長手方向における均一な温度上昇を基礎とすることができる。
【００９４】
図５ａには、変化形態として、給電体３２８を僅かに変えられたセンサエレメント２０が示されており、この変化形態の変更箇所は、単に、排ガスとは反対側に位置する端部領域における給電体３２８の幅Ｂが、給電体３２８の、排ガスに向けられた領域に対して、５０％高められていて、０.４ｍｍから０.６ｍｍになっていることにある。メートル法による値は、焼結されていないセンサエレメント２０に関するものである（焼結された場合：−２０％）。
【００９５】
貫通部５０１，５０２，５０３を通りかつセンサエレメント２０の長手方向に対して垂直な平面において、図１〜図５に示したセンサエレメント２０を断面した図が、図６に概略的に示されている。
【００９６】
貫通部５０１，５０２，５０３は、センサエレメント２０の貫通接触接続孔６０１，６０２，６０３の半径方向壁の導電性の被覆体として形成されている。これらの貫通接触接続孔６０１，６０２，６０３の直径は、焼結されていないセンサエレメント２０に関して言えば、例えば０.６ｍｍである（焼結された場合：−２０％、つまり０.４８ｍｍ）。
【００９７】
図面から明らかなように、センサエレメント２０への投影図で見て、貫通部５０１，５０２，５０３はそれぞれ基準ガス通路３５と合致しないように形成されている。
【００９８】
貫通部５０１，５０２，５０３は、８３質量％〜８７質量％の貴金属成分と、合わせて３質量％〜８質量％のＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分と、追加的に６質量％〜１２質量％のＮｂ2Ｏ5の成分とを有している。
【００９９】
センサエレメント２０のほぼ半分の長さの領域でセンサエレメント２０の長手方向に対して垂直な平面において、図１〜図５に示したセンサエレメント２０を断面した図が、図７に概略的に示されている。
【０１００】
図面から明らかなように、センサエレメント２０への投影図で見て、サーメット電極３１２に通じる導体路３２８もしくは給電体３２７は、その全幅にわたって基準ガス通路３５と合致７０３している。さらに、抵抗加熱体に通じる導体路３２１，３２２もしくは給電体３２３，３２５は、その幅のそれぞれ約１０％以上が、基準ガス通路３５と合致７０１，７０２している。
【図１】
0006266102.tif 000002
【図２】
0006266102.tif 000003
【図３】
0006266102.tif 000004
【図４】
0006266102.tif 000005
【図４ａ】
0006266102.tif 000006
【図５】
0006266102.tif 000007
【図５ａ】
0006266102.tif 000008
【図６】
0006266102.tif 000009
【図７】
0006266102.tif 000010