JP2000511644A - センサエレメントを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、殊に内燃機関の排ガス内の酸素含有量を規定するためのセンサエレメントを製造するための方法であって、この場合、シート状のセラミック性の少なくとも１つのペースト（未処理シート）を有する複合体がセンサエレメントに焼結されて、センサエレメントのシャープエッジの縁部がセンサエレメントのサーモショック強度を高めるためにブレークされる形式のものに関する。本発明に基づき、センサエレメント（１０）の縁部（３６）を焼結の前にブレークする。

Description

【発明の詳細な説明】 センサエレメントを製造するための方法 本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、殊に内燃機関の排ガス内の酸 素含有量を規定するためのセンサエレメントを製造するための方法に関する。 背景技術 センサエレメントは例えば平面状のセンサエレメントとして形成されており、 該センサエレメントが、シートの形で上下に配置された個別の層の複合体から成 っている。複合体の個別のシートが規定された形式で上下に配置され、従って種 々の機能層が生じる。複合体の個別のシートが例えばスクリーンプリント技術で 未処理シートとしてのペーストの形で重ねられる。センサエレメントは通常は、 固体電解質シート、電極シート、加熱導体シート、絶縁シート及び保護シートを 有している。公知のセンサエレメントは、プリントされた電解質層を備えたサブ ストレート、半導体センサを備えた酸化アルミニウム・サブストレートシート（ Ｔｉｏ₂，ＳｒＴｉｏ₃）をも有している。未処理シートの積み重ねの代わりに、 未処理シートが個別のプリント手段(Druckschritt)によっても得られてよい。異 なるシートの重ね配置によって、ラミネート複合体が生じて、ラミネート複合体 から焼結によってセンサ エレメントが得られる。 焼結されたセンサエレメントの検査中に若しくは所定の使用に際して、センサ エレメントの個別の層が異なる温度にさらされる。急激にかつ異なる強さで生じ る温度変化に基づき、センサエレメントが温度衝撃を受け、温度衝撃が表面領域 、特にセンサ縁部に機械的な応力を生ぜしめる。センサエレメントの温度衝撃強 度を高めるために、例えば米国特許第５１４４２４９号明細書により、センサエ レメントの縁部をブレークすること、即ち、縁部に面取り部を備えることが公知 である。このような面取り部の形成は、センサエレメントの焼結及び分割の後に 研削過程によって行われる。この場合には欠点として、すでに出来上がったセン サエレメントに機械的な加工を施すことであり、該加工が比較的高価で、センサ エレメントの不都合な損傷を生ぜしめる。 本発明の利点 請求項１に記載の特徴を有する本発明に基づく方法においては利点として、セ ンサエレメントの縁部のブレークが簡単に、センサエレメントの損傷のおそれな しに行われる。センサエレメントの縁部を焼結の前にブレークすることによって 、簡単な非切削の手段を用いて、縁部を任意の形状でブレークすることが可能で ある。特に、縁部のブレークが平らな面と異なる形、例えば凸状若しくは凹状の 形で行われ、従って、温度 衝撃に基づき生じる機械的な応力が、ブレークされた縁部に亀裂を生ぜしめるこ とはない。 本発明の有利な手段では、縁部が未処理状態のシート複合体の変形によって、 若しくは型押しによってブレークされる。これによって、簡単な型押し工具を用 いて、未処理シートの複合体の縁部が、焼結の前では軟らかいコンシステンシに 基づき簡単に変形される。型押し工具の相応の構成によって、縁部のブレークが 任意の形で行われる。特に有利には、すでに使用されている型押し工具に型押し シートを挿入して、該型押しシートがもっぱらセンサエレメントの縁部領域の変 形を許すようになっており、かつセンサエレメントの別の領域、特に平面領域(F laechenbereich)は変えられないままである。型押し工具内でのセンサエレメン トの未処理シートの複合体の付着を避けるために、型押しシートが極めて有利に は付着防止層、特にテフロンを備えている。 さらに本発明の有利な手段では、縁部のブレークがレーザ処理装置を用いて行 われる。これによって極めて有利には、未処理状態のセンサエレメントの縁部の 無接触のブレークが行われ、その結果、未処理シートの複合体の機械的な負荷が 排除される。極めて有利には、使用されるエキサイマレーザのマスクを介してセ ンサエレメントのブレークされた縁部の輪郭が調整される。 レーザ処理装置を用いて縁部のブレークが有利には未処理シートの複合体の分 割の前に行われ、従って、縁部のブレークが極めて効果的に行われる。これによ って同時に、個別のセンサエレメントを有するウエハーの切断箇所が規定される 。 特に有利には、レーザ処理装置を用いて同時に縁部のブレーク及び未処理シー トの複合体の分割が行われる。レーザ出力及びレーザビームの形状の調節によっ て、１つの作業工程で縁部ブレーク及び分割が行われる。 本発明の別の有利は手段が残りの従属項に記載してある。 次ぎに本発明を図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。 図１は１つのセンサエレメントの断面図、 図２は複数のセンサエレメントの断面図、 図３はレーザの形状構造を示す図、 図４はレーザの本発明に基づく使用例を示す図、 図５及び図６は型押し技術の本発明に基づく使用例 を示す図である。 実施例の説明 図１は、センサエレメント(Sensorelement)１０の断面を示しており、センサ エレメントは例えば自動車の内燃機関若しくは燃焼装置の排ガス内の酸素含有量 を規定するために用いられる。このようなセンサエレメ ント１０の構造及び機能は一般的に周知であるので、以下においては本発明の理 解にとって重要な構造についてのみ説明する。センサエレメントはほぼ、長尺の プレート状の構造であって、種々の機能の個別の層から成っている。図１に示す 断面から明らかなように、センサエレメント１０は電気化学的なアナライザ(Mes szelle)１２、及び加熱エレメント１４を備えている。アナライザ１２は、第１ の固体電解質シート１６並びに第２の固体電解質シート１８から成っており、第 ２の固体電解質シートが組み込まれた標準ガス通路(Referenzgaskanal)２０を有 している。電解質シート１６の測定ガス側の表面に所属して測定電極(Messelekt rode)２２が配置されており、標準ガス通路２０に向いた表面に所属して基準電 極(Referenzelektrode)２４が配置されている。測定電極２２の上に多孔性のカ バー層(Deckschicht)２６が配置されている。 加熱エレメント１４は、絶縁層２８，３０内に埋め込まれた加熱導体３２を有 している。絶縁層３０に別のカバー層３４が接続してある。 固体電解質層１６，１８並びにカバー層３４が、例えば安定化された酸化ジル コニウム(Zirkoniumoxid)ＺｒＯ₂から成っている。電極２２，２４並びに加熱導 体３２は例えばプラチナ・サーメット(Platin-Cermet)から成っている。絶縁層 ２８，３０は例えば酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃とガラス形成成分との混合物か ら成っている。 個別の層の複合体全体は、横断面で見てほぼ直方体状の構造であり、この場合 、少なくともセンサエレメントの長手方向に延びる縁部３６が面取り部３８を有 している。 センサエレメント１０の製造は、個別の層をカバー層３４上に順次にラミネー ト(Laminieren)することによって行われ、該カバー層が同時に支持体を形成して いる。層の規定は、層のそれぞれの組成を有するペースト材料(Pastenmaterial) のスクリーンプリンティングによって行われる。ラミネートの終了の後に、個別 の層の比較的に軟らかいコンシステンシしか有さない未処理シート(Gruenfolie) の複合体(Verbund)が生じる。次いで周知のように、複合体が焼結され、その際 に温度及び、場合によっては圧力の作用を受けてセンサエレメント１０が形成さ れる。 本発明に基づき、焼結の前に縁部３６の面取り部(Fase)３８が構造化(struktu rieren)される。以下に面取り部３８を得るための個々の可能性について述べる 。 図２は、未処理の複数のセンサエレメント１０の使用例を部分的に示している 。この場合、センサエレメント１０の個別の層が複数のセンサエレメント１０に とって同時にラミネートされ、次いで未処理シートの複合体が各センサエレメン ト１０に分割される。図２には３つのセンサエレメント１０が断面で示してある 。図１と同じ部分には、図１の符号と同じ符号を付けてあるが、繰り返し説明は してなく、図面を見易くするために詳細には示してない。ラミネートの切断縁(S chnittkante)４０が規定され、該切断縁に沿ってセンサエレメント１０の分割が 行われる。センサエレメント１０の分割の前に切断縁４０に、規定された表面凹 所(Oberflaechenvertiefung)４２が形成される。表面凹所４２の形成は例えばエ キサイマレーザ(Eximaer-Laser)４４を用いて行われ、エキサイマレーザは所定 のマスク(Maskierung)を有している。図３には例えば可能な２つのマスクが示し てある。図面左側ではエキサイマレーザ４４が三角形のマスクを有しており、従 って表面凹所４２はへこみに対応して三角形になる。図３の右側に示す実施例で は、マスクは凹状に延びる制限面(Begrenzungsflaeche)を有している。さらに、 異なる角度を成して延びる平面及び／又は凹状の制限面及び／又は凸状の制限面 を組み合わせた別の実施例も考えられる。 図４に示すように、エキサイマレーザ４４が未処理シートの複合体の表面に沿 って運動させられる。このために、エキサイマレーザ４４が運動させられ、及び ／又は未処理シートがエキサイマレーザ４４の近くを運動させられる。エキサイ マレーザ４４の出力の調節に応じて、表面凹所４２が所定の深さ及び送りで構造 化される。 表面凹所４２の構造化によって、面取り部３８を備えるブレーク(brechen)さ れた縁部(Kante)３６が生じる。次いで切断縁４０に沿ってセンサエレメント１ ０の分割が行われ、次いでセンサエレメントに焼結過程が施される。最終的に、 図１に横断面で示すセンサエレメント１０が生じる。センサエレメント１０のシ ートの未処理の状態での面取り部３８の構造化、及びエキサイマレーザ４４を用 いた無接触な構造化によって、センサエレメント１０が機械的な応力を受けず、 従って損傷がほぼ排除される。 センサエレメントの分割が、適当なマスクを有するエキサイマレーザを用いた 別の処理によって行われてよい。エキサイマレーザ４４のマスク及び出力を選ぶ ことによって、表面凹所及び分割を１つの作業工程で行うことが可能である。 図５には、面取り部３８の構造化の別の可能性が示してある。この場合、未処 理シートの複合体を分割して形成されたセンサエレメント１０が、型押し装置(P raegevorrichtung)４５で負荷される。型押し装置４５が輪郭(Kontur)４６を有 しており、該輪郭が縁部３６の変形(Umformen)を許すようになっていて、縁部に 面取り部３８が形成される。輪郭４６の形状付与(Formgebung)に相応して、面取 り部３８が型押しによって同じく種々の輪郭、例えば平らな及び／又は凸状及び ／又は凹状の面を有していてよい。型押し装置４５の輪 郭４６は、型押し装置４５の相応の製造によって、若しくは型押し装置４５内へ の型押しシート(Praegefolie)４８の挿入によって形成されてよい。型押しシー ト４８は有利には、付着防止層、例えばテフロン、窒化チタンを備えていてよい 。このような成形に際しても未処理シートは比較的に軟らかいコンシステンシし か有していないので、面取り部３８の型押し成形は簡単に可能であり、前もって 製造されたセンサエレメント１０の損傷が生じることはない。 図６に別の実施例が示してあり、この場合、センサエレメント１０の型押しが 複合体内で行われる。このために、型押し装置４５の型押し輪郭（Praegekontur ）５０が、凹所４２に相応する突起５２を有している。型押し輪郭５０は同じく 付着防止層を備えていてよい。図６に示す実施例によって簡単な形式で１つの型 押し工程で複数のセンサエレメント１０が型押しされ、続いて分割が切断縁４０ に沿って行われる。 型押し装置４５は有利には上側のラム(Stempel)５４及び下側のラム５６を有 しており、従って１つの作業工程で同時にセンサエレメント１０の上面及び下面 が型押しされる。まだ焼結されていないセンサエレメント１０の比較的に軟らか いコンシステンシに基づき、表面凹所４２が小さい力で型押しされ、従ってセン サエレメント１０の構造の損傷が排除され得る。 もちろん、面取り部３８の構造化に際してエキサイ マレーザ４４若しくは型押し装置４５を用いてセンサエレメント１０の両側の処 理が行われる。このために二重作用の装置が設けられるか、センサエレメント１ ０の未処理シートの複合体の裏返しが行われる。 全体的に明らかなように、簡単に実施可能な手段によって、センサエレメント １０の温度衝撃強度を高めるために所望される面取り部３８の形成が、種々の輪 郭で行われる。必要な工具費用が比較的少なく、工具がほとんど摩耗されず、従 って高い耐用年数が見込まれる。例えば従来技術における焼結されたセンサエレ メントの１０の研削の場合にそうであるような消耗材料の付加的な使用が完全に 避けられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス―イェルク レンツ ドイツ連邦共和国 Ｄ―70771 ラインフ ェルデン―エヒターディンゲン ウールベ ルクシュトラーセ ５ (72)発明者 ハーラルト ノイマン ドイツ連邦共和国 Ｄ―71665 ヴァイヒ ンゲン レーメンシュトラーセ 29／１ (72)発明者 アントン ハンス ドイツ連邦共和国 Ｄ―70435 シュツツ トガルト シュタインハイマー シュトラ ーセ 17アー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 殊に内燃機関の排ガス内の酸素含有量を規定するためのセンサエレメントを 製造するための方法であって、シート状のセラミック性の少なくとも１つのペー スト（未処理シート）を有する複合体がセンサエレメントに焼結されて、センサ エレメントのシャープエッジの縁部がセンサエレメントのサーモショック強度を 高めるためにブレークされる形式のものにおいて、センサエレメント（１０）の 縁部（３６）を焼結の前にブレークすることを特徴とする、センサエレメントを 製造するための方法。 2. 縁部（３６）を変形によってブレークする請求項１記載の方法。 3. 縁部（３６）を型押しによってブレークする請求項１記載の方法。 4. センサエレメント（１０）の未焼結のシートのラミネート複合体のプレスの ための型押し装置（４５）内に成形部（４６）を形成する請求項１から３のいず れか１項記載の方法。 5. 成形部（４６）を型押し装置（４５）内に挿入された成形シート（４８）に よって形成する請求項４記載の方法。 6. 成形シート（４８）に付着防止層を備える請求項５記載の方法。 7. 縁部（３６）をレーザ処理によってブレークする請求項１記載の方法。 8. レーザ処理のために所定のマスクを備えたエキサイマレーザ（４４）を用い る請求項７記載の方法。 9. 未処理シートの複合体の分割されたセンサエレメント（１０）にレーザ処理 を施す請求項１から８のいずれか１項記載の方法。 10．レーザ処理を縁部（３６）のブレークのために、未処理シートの複合体の１ つのウエハーから成るセンサエレメントの分割の前に行う請求項１から９のいず れか１項記載の方法。 11．レーザ処理を同時に、未処理シートの複合体の１つのウエハーから成る個別 のセンサエレメントの分割のため及び縁部（３６）のブレークのために用いる請 求項１から１０のいずれか１項記載の方法。 12．縁部（３６）の面取り部（３８）が凹状及び／又は凸状及び／又は平らな表 面を有している請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。