(57)【特許請求の範囲】
【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（３６）内に、加熱体（１４）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、配置されており、
層平面（３６）の一方の側に、被覆性の層構造が設けられており、
層平面（３６）の、前記被覆性の層構造とは反対の側に、機能層側の層構造（１２´）が設けられており、
該機能層側の層構造が、当該センサエレメントの全ての電気化学的なセルを有しており、
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）に結合された別の層の層厚をも含めた、機能層側の個々のシート（１６，１８）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
ことを特徴とする、平坦なセンサエレメント。
【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。
【請求項３】
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（２８，２９）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。
【請求項４】
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（２８，２９）の層厚を有している、請求項３記載のセンサエレメント。
【請求項５】
被覆性の層構造が、単一のシートから成っている、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項６】
前記単一のシートが０．６ｍｍ乃至１ｍｍの層厚を有している、請求項５記載のセンサエレメント。
【請求項７】
前記単一のシートが外方の被覆シートである、請求項５または６記載のセンサエレメント。
【請求項８】
前記加熱導体（３０）が、２つの絶縁層（２８，２９）内に埋め込まれており、一方の絶縁層に外方の被覆シートが続いている、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項９】
当該センサエレメントが、正確に１つの電気化学的な測定セル（１２）を有している、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項１０】
測定セルがポンピングセルである、請求項９記載のセンサエレメント。
【請求項１１】
測定セルが濃度セル（ネルンスト方式のセル）である、請求項９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が、ポンプセルと濃度セル（ネルンスト方式のセル）とを有している、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項１３】
当該センサエレメントが、酸素の検出のために働く、請求項１記載のセンサエレメント。
【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、０．６ｍｍ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０．３５ｍｍ±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１６，１８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２９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(Breitbandsensor）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
【図１】
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