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Die Erfindung betrifft einen mit einer Heizung ausgestatteten Gasmessfühler.
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Seit einiger Zeit werden in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren oder ähnlichen Vorrichtungen Gassensoren eingesetzt, um einen bestimmten Gasbestandteil wie Oxide oder ähnliche im Abgas enthaltene Gase zu messen. Um die Abgasemissionen unmittelbar nach dem Start des Motors zu reduzieren, muss der Gassensor äußerst früh aktiviert werden. Dies macht es erforderlich, dass der in dem Gassensor eingebaute Gasmessfühler verkleinert wird, damit die Wärmekapazität des Gasmessfühlers abnimmt.
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In einem herkömmlichen becherförmigen Gassensor ist allerdings die Heizung von dem Messkörper des becherförmigen Gassensors getrennt, so dass sich dieser becherförmige Gassensor kaum verkleinern lässt. Deswegen wurden mit einer Heizung ausgestattete Schichtgassensoren entwickelt.
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Ein solcher Schichtgassensor ist zum Beispiel aus der
US 4 067 745 A bekannt und hat eine Vielzahl von übereinander geschichteten Keramikplatten. Und zwar enthält der Schichtgassensor elektrochemische Zellen, die jeweils einen Messkörper aufweisen. Der Messkörper besteht aus einem Paar Elektroden und einem Festelektrolytbauteil, auf dessen zwei Oberflächen die beiden Elektroden befestigt sind. Der Schichtgassensor enthält außerdem eine Heizung, auf der der Messkörper aufgebracht ist, so dass er mit dieser eine Einheit bildet. Die Heizung besteht aus einem Heizungssubstrat, in dem ein Heizelement ausgebildet ist, das bei Strombeaufschlagung Wärme erzeugen kann.
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Um den Motor mit hoher Genauigkeit zu steuern, wird dieser Schichtgassensor am Ausgang eines Katalysators angeordnet, der sich im Auspuffrohr bzw. im Auspufftopf des Motors befindet. Mit anderen Worten befindet sich der Schichtgassensor auf der stromabwärtigen Seite des Auspufftopfs, durch den das durch den Katalysator gehende Abgas strömt.
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Die stromabwärtige Seite des Katalysators stellt jedoch eine der Stellen dar, die für Wasser in dem Auspufftopf anfällig sind, wobei der Schichtgasmessfühler verglichen mit dem becherförmigen Gasmessfühler eine geringe mechanische Festigkeit hat. Wenn Wassertropfen an den Oberflächen des Schichtgasmessfühlers anhaften, kann es daher durch die anhaftenden Wassertropfen zu Wasserrissen in dessen Oberfläche kommen.
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Um Wasserrisse in dem Schichtgassensor zu vermeiden, wird üblicherweise einer der beiden folgenden Maßnahmen ergriffen:
- 1) Aufbringen mindestens einer porösen Schutzschicht auf mindestens einer der Oberflächen des Schichtgasmessfühlers in einem Teil zumindest einer der zwischen den übereinander geschichteten Keramikplatten entblößten Grenzflächen, um sie dadurch zu verstärken.
- 2) Aufbringen einer porösen Schutzschicht auf einer Außenumfangsschicht des Schichtgasmessfühlers, um sie dadurch abzudecken und das Anhaften von schädlichen Materialien auf den Elektroden zu vermeiden, und Aufbringen eines Wasser abweisenden Films auf der porösen Schutzschicht, um die Wassertropfen abzustoßen.
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Die erste Maßnahme ist in der
JP 2001-281210 A und die zweite Maßnahme in der
JP H10-170474 A offenbart.
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Bei der ersten Maßnahme kann es allerdings vorkommen, dass die Wassertropfen an der porösen Schutzschicht anhaften, wobei die anhaftenden Wassertropfen dazu neigen, in die poröse Schutzschicht einzudringen. Sobald die anhaftenden Wassertropfen einmal in die poröse Schutzschicht eingedrungen sind, diffundieren die eingedrungenen Wassertropfen in der porösen Schutzschicht und erreichen somit die Keramikplatten und/oder das Heizungssubstrat.
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Wenn die Wassertropfen die Keramikplatten und/oder das Heizungssubstrat erreichen, können die Teile von ihnen, an denen die Wassertropfen anhaften, abkühlen und dadurch schrumpfen. Durch das Schrumpfen dieser Teile der Keramikplatten und/oder des Heizungssubstrats kann um sie herum zu Zugspannungen kommen. Die Zugspannungen können bei hohen Betriebstemperaturen des Gasmessfühlers erheblich sein, wobei dies insbesondere am Heizungssubstrat der Fall ist, an dem die Betriebstemperatur am höchsten ist.
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Je größer die Flächen der Teile der Keramikplatten und/oder des Heizungssubstrats sind, an denen die Wassertropfen anhaften, um so größer kann die absolute Schrumpfung sein, so dass die Zugspannung um die Flächen herum, an denen die Wassertropfen anhaften, zunimmt und die absolute Schrumpfung erheblich ist. Wenn die Zugspannung die Materialfestigkeit des Heizungssubstrats überschreitet, kann dies zu einer Schädigung des Gasmessfühlers führen.
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Auch bei der zweiten Maßnahme können die anhaftenden Wassertropfen durch den Wasser abweisenden Film und die poröse Schutzschicht hindurch in den Gasmessfühler eindringen, so dass die durch die eingedrungenen Wassertropfen hervorgerufenen Zugspannungen ähnlich wie bei der ersten Maßnahme zu einer Schädigung des Gasmessfühlers führen können.
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Bei beiden Maßnahmen wird die poröse Schutzschicht und/oder der wasserabweisende Film üblicherweise auf im Wesentlichen der gesamten Fläche des Gasmessfühlers ausgebildet, was die Wärmekapazität des Gasmessfühlers erhöhen kann. Diese Erhöhung der Wärmekapazität des Gasmessfühlers kann einen negativen Einfluss auf die frühe Aktivierung des Gasmessfühlers haben und zu einer Verzögerung bei der Steuerung des Gasmessfühlers führen.
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Schließlich wird noch auf die
US 4 067 745 verwiesen, die vorschlägt, eine Zirconiumoxidkeramik mit Calciumoxid zu stabilisieren, um Schädigungen durch Zugspannungen oder dergleichen zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Gasmessfühler zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine hohe Zuverlässigkeit gegen Wasserrisse und eine frühere Aktivierung erreichen lassen.
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Gemäß der Erfindung ist ein geschichteter Gasmessfühler zur Messung der Konzentration eines bestimmten, in einem Zielgas enthaltenen Gasbestandteils vorgesehen, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale hat.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
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1 den typischen Schichtaufbau eines Gasmessfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2A in Perspektivansicht die Seite einer zweiten Oberfläche des Gasmessfühlers bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel;
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2B in Perspektivansicht die Seite einer ersten Oberfläche des Gasmessfühlers bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel;
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3 ein Ablaufdiagramm mit den Arbeitsabläufen eines ersten Beispiels des Herstellungsverfahren für den in den 1, 2A und 2B gezeigten Gasmessfühler;
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4 schematisch in Perspektivansicht einen Sechseckbehälter und eine Vorrichtung zum Polieren des Gasmessfühlers gemäß dem ersten Beispiel des Herstellungsverfahrens;
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5 schematisch in Perspektivansicht einen Brennvorgang bei einem zweiten Beispiel der Erfindung;
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6 ein Ablaufdiagramm mit den Arbeitsabläufen eines zweiten Beispiels des Herstellungsverfahrens für den in den 1, 2A und 2B gezeigten Gasmessfühler;
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7 den Zusammenhang zwischen der über zehn Punkte gemittelten Rauheit und der Risshäufigkeit im ersten und zweiten Beispiel;
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8 eine Darstellung eines Zustands, in dem ein Wassertropfen auf eine erste Zielgaskontaktfläche in dem Ausführungsbeispiel fällt; und
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9 eine Darstellung des Zustands, in dem ein Wassertropfen auf eine Zielgaskontaktfläche eines herkömmlichen Gasmessfühlers fällt.
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1 zeigt in einer Perspektivansicht den typischen Schichtaufbau eines Gasmessfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt ist, hat der Gasmessfühler 1 eine Festelektrolytplatte 11 mit zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen 11a und 11b. Der Gasmessfühler 1 hat außerdem eine auf der ersten Oberfläche 11a der Festelektrolytplatte 11 aufgebrachte zielgasseitige Elektrode 161 und eine auf dessen zweiten Oberfläche 11b aufgebrachte Bezugselektrode 162. Die zielgasseitige Elektrode 161 und die Bezugselektrode 162 sind zueinander entgegengesetzt.
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Der Gasmessfühler 1 hat außerdem eine eine Bezugsgaskammer bildende Platte 12, eine Isolierplatte 13 und ein Heizungssubstrat 150 mit zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen 150a und 150b. Auf der ersten Oberfläche 150a des Heizungssubstrats 150 ist ein Heizelement 151 ausgebildet, das bei Strombeaufschlagung Wärme erzeugen kann.
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Die Isolierplatte 13 ist auf der ersten Oberfläche 150a des Heizungssubstrats 150 aufgebracht, die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 auf der Isolierplatte 13 und die Festelektrolytplatte 11 auf der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12, was einen Schichtaufbau ergibt. Und zwar werden die Plattenbauteile 11, 12, 13 und 150 übereinander geschichtet und zu einer Einheit gebrannt, wodurch die Plattenbauteile 11, 12, 13 und 150 miteinander kombiniert werden.
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Die Festelektrolytplatte 11 und die von der Platte 12 gebildete Bezugsgaskammer bilden eine elektrochemische Zelle 16, während die Heizungsplatte 150 eine Heizung 15 bildet.
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Die zielgasseitige Elektrode 161 befindet sich an dem einen Endabschnitt der ersten Oberfläche 11a der Festelektrolytplatte 11 und die Bezugselektrode 162 an dem einen Endabschnitt der zweiten Oberfläche 11b der Festelektrolytplatte 11. Auf der ersten und zweiten Oberfläche 11a und 11b der Festelektrolytplatte 11 sind Leitungselektroden 163 und 164 ausgebildet.
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Die einen Endabschnitte der Leitungselektroden 163 und 164 sind mit der zielgasseitigen Elektrode 161 bzw. der Bezugselektrode 162 verbunden und laufen von der zielgasseitigen Elektrode 161 und der Bezugselektrode 162 in Längsrichtung der Festelektrolytplatte 11 zu deren anderen Endabschnitt. Der andere Endabschnitt der Leitungselektrode 163 dient als Anschluss 165, während der andere Endabschnitt der Leitungselektrode 164 elektrisch durch ein (nicht gezeigtes) Durchgangsloch zu einem Anschluss 166 geführt wird, der parallel zu dem Anschluss 165 auf dem anderen Endabschnitt der ersten Oberfläche 11a aufgebracht ist.
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Der Gasmessfühler 1 hat außerdem eine auf dem einen Endabschnitt der ersten Oberfläche 11a der Festelektrolytplatte 11 aufgebrachte Schutzschicht 110, die die zielgasseitige Elektrode 161 bedeckt.
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Die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 hat im Querschnitt senkrecht zur Aufschichtungsrichtung des Gasmessfühlers 1 eine im Großen und Ganzen konkave Form, die in Längsrichtung der Platte 12 eine Bezugsgaskammer 120 bildet.
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Der eine Endabschnitt der Bezugsgaskammer 120 liegt der Bezugselektrode 162 gegenüber, so dass die Bezugselektrode 162 zu dem einen Endabschnitt der Bezugsgaskammer 120 hin frei liegt. Der dem einen Endabschnitt 121 der Festelektrolytplatte 11 zugewandte eine Endabschnitt der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12 ist offen und steht mit der Bezugsgaskammer 120 in Verbindung, was der Außenluft erlaubt, in die Bezugsgaskammer 120 einzudringen.
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Das heißt also, dass der Aufbau der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12 erlaubt, dass die Bezugselektrode 162 der Festelektrolytplatte 11 der Luft ausgesetzt wird, die durch den offenen Abschnitt 121 in die Bezugsgaskammer 120 eindringt.
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Andererseits befindet sich das Heizelement 151 an dem einen Endabschnitt der ersten Oberfläche 150a des Heizungssubstrats 150 und ist auf der ersten Oberfläche 150a des Heizungssubstrats 150 ein Paar Leitungselektroden 152 ausgebildet. Die einen Endabschnitte der beiden Leitungselektroden 152 sind mit dem Heizelement 151 verbunden, während die anderen Endabschnitte der beiden Leitungselektroden 152 elektrisch über (nicht gezeigte) Durchgangslöcher mit zwei auf der zweiten Oberfläche 150b des Heizungssubstrat ausgebildeten Anschlüssen 153 verbunden sind, die den anderen Endabschnitten der beiden Leitungselektroden 152 gegenüberliegen.
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Die Schutzschicht 110, die elektrochemische Zelle 16, die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 und die Isolierplatte 13 bilden im Übrigen einen Messabschnitt SP, der auf der Heizung 15 aufgebracht ist und so ausgelegt ist, dass er die Konzentration des im Zielgas enthaltenen Sauerstoff misst.
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2A zeigt in Perspektivansicht die Seite der zweiten Oberfläche des Gasmessfühlers 1 dieses in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels und 2B in Perspektivansicht die Seite der ersten Oberfläche des Gasmessfühler 1 dieses in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels.
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Der Gasmessfühler 1 wird beispielsweise in einen (nicht gezeigten) Gassensor eingebaut, der in einem Kraftfahrzeugsverbrennungsmotor oder ähnlichen Vorrichtungen eingesetzt werden kann und dazu dient, die Konzentration eines bestimmten Gasbestandteils zu messen, etwa Sauerstoff oder ein ähnlicher Gasbestandteil in dem von dem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor abgegebenen Abgas.
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Der Gassensor wird dabei insbesondere an der Ausgangsseite eines in dem Auspuffrohr angeordneten Katalysators bzw. des Auspufftopfes des Motors angeordnet.
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Genauer gesagt wird der Gassensor an einer der Stellen angeordnet, die für Wasser in dem Auspufftopf anfällig sind, etwa an der stromabwärtigen Seite des Auspufftopfs, durch den das durch den Katalysator gehende Abgas herausströmt, so dass der eine Endabschnitt des Gasmessfühlers 1, auf dem die Schutzschicht 110 aufgebracht ist, dem Zielgas ausgesetzt ist.
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Genauer gesagt entspricht die zweite Oberfläche 150b des einen Endabschnitts des Heizungssubstrats 150 einer ersten Zielgaskontaktfläche 171 des einen Endabschnitts des Gasmessfühlers 1. Des Weiteren entsprechen die beiden Seitenflächen des einen Endabschnitts des Gasmessfühlers 1 zweiten Zielgaskontaktflächen 172 des einen Endabschnitts des Gasmessfühlers 1. Außerdem entspricht die Außenfläche der Schutzschicht 110, die zu der Festelektrolytplattenseite des Gasmessfühlers 1 entgegengesetzt ist, einer dritten Zielgaskontaktfläche 173 des einen Endabschnitts des Gasmessfühlers 1 und die erste Oberfläche 11a des einen Endabschnitts der Festelektrolytplatte 11 einer vierten Zielgaskontaktfläche 174 des einen Endabschnitts des Gasmessfühlers 1.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Außenflächen des Gasmessfühlers 1, also auch die ersten bis vierten Zielgaskontaktfläche 171 bis 174 poliert, so dass die über zehn Punkte gemittelte Rauheit jeder dieser Außenflächen des Gasmessfühlers 1, die gemäß JIS 80601 bestimmt wird, nicht mehr als ungefähr 1,71 μm beträgt.
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In dem Gasmessfühler 1 dieses Ausführungsbeispiels wird das Zielgas durch die Schutzschicht 110 zur Zielgaselektrode 161 des Messabschnitts SP geleitet. Andererseits wird das Bezugsgas, etwa die Luft, in die Bezugsgaskammer 120 geleitet. Wenn nun die Festelektrolytplatte 11 mit Hilfe der Heizung 15 über die Isolierplatte 13 und die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 bzw. das Bezugsgas aufgeheizt wird, wird der in dem Zielgas enthaltende Sauerstoff von der Zielgaselektrode 161 aus als Sauerstoffionen durch die Festelektrolytplatte 11 zur Bezugselektrode 162 transportiert. Der Transport der Sauerstoffionen von der Elektrode 161 zur der Elektrode 162 ergibt zwischen den Elektroden 161 und 162 eine Spannung, so dass durch Erfassen der Spannung zwischen den Elektroden 161 und 162 die Konzentration des in dem Zielgas enthaltenen Sauerstoff ermittelt werden kann.
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Als nächstes werden konkrete Beispiele des Herstellungsverfahrens für den wie oben aufgebauten Gasmessfühlers 1 erläutert.
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(Erstes Beispiel)
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Beim ersten Beispiel des Herstellungsverfahrens für den obigen Gasmessfühler 1 wird zunächst ein Beispiel der Herstellung einer Rohlage für die Festelektrolytplatte erläutert.
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Und zwar werden aus 6 Molprozent Yttriumoxid und 94 Molprozent Zirconiumoxid 100 Gewichtsanteile mit Yttriumoxid teilstabilisierten Zirconiumoxids vorbereitet. Der Teilchendurchmesser der 100 Gewichtsanteile mit Yttriumoxid teilstabilisierten Zirconiumoxids beträgt ungefähr 0,5 μm.
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Außerdem werden 1 Gewichtsanteil α-Aluminiumoxid, 5 Gewichtsanteile Polyvinylbutyral, 10 Gewichtsanteile Dibutylphthalat, 10 Gewichtsanteile Ethanolamin und 10 Gewichtsanteile Toluol vorbereitet.
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Dann werden die vorbereiteten 100 Gewichtsanteile mit Yttriumoxid stabilisierten Zirconiumoxids, der 1 Gewichtsanteil α-Aluminiumoxid, die 5 Gewichtsanteile Polyvinylbutyral, die 10 Gewichtsanteile Dibutylphthalat, die 10 Gewichtsanteile Ethanolamin und die 10 Gewichtsanteile Toluol konfektioniert, um Keramikmischungen anzufertigen.
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Die Keramikmischungen werden in einer Medienumwälzmühle zu einer Schlämme gemischt. Die Schlämme wird durch Rakeln zu einer vorbestimmten Rohlage geformt, so dass die Trockendicke der Rohlage ungefähr 0,2 mm beträgt. Die Rohlage wird getrocknet, um so eine trockene Rohlage zu erhalten. Die trockene Rohlage wird in ein 5 × 70 mm großes Rechteck geschnitten, wobei durch die rechteckige Lage hindurch die Durchgangslöcher zur elektrischen Verbindung der Leitungselektrode 164 und des Anschlusses 166 geformt werden.
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Dann werden die zielgasseitige Elektrode 161, die Bezugselektrode 162, die Leitungselektroden 163 und 164 und die Anschlüsse 165 und 166 ausgebildet, in dem auf den zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen der rechteckigen Lage an vorbestimmten Positionen eine Platinpaste aufgedruckt wird, wodurch sich eine der Festelektrolytplatte 11 entsprechende Rohlage ergibt. Die beim Drucken verwendete Platinpaste enthält im übrigen 10 Gewichtsanteile des gleichen Materials wie die Schlämme.
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Als nächstes wird ein Beispiel der Herstellung einer Rohlage für die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 erläutert.
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Es werden 98 Gewichtsanteile α-Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von ungefähr 0,3 μm und aus 6 Molprozent Yttriumoxid und 94 Molprozent Zirconiumoxid 3 Gewichtsanteile mit Yttriumoxid teilstabilisierten Zirconiumoxids vorbereitet.
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Außerdem werden 10 Gewichtsanteile Polyvinylbutyral, 10 Gewichtsanteile Dibutylphthalat, 30 Gewichtsanteile Ethanolamin und 30 Gewichtsanteile Toluol vorbereitet.
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Dann werden die vorbereiteten 98 Gewichtsanteile α-Aluminiumoxid, die 3 Gewichtsanteile mit Yttriumoxid teilstabilisierten Zirconiumoxids, die 10 Gewichtsanteile Polyvinylbutyral, die 10 Gewichtsanteile Dibutylphthalat, die 30 Gewichtsanteile Ethanolamin und die 30 Gewichtsanteile Toluol konfektioniert, um Keramikmischungen anzufertigen.
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Anschließend werden die Keramikmischungen in einer Medienumwälzmühle zu einer Schlämme gemischt. Diese Schlämme wird durch Rakeln in eine vorbestimmte Rohlage geformt, so dass die Trockendicke der Rohlage ungefähr 1,0 mm beträgt, was 5-mal so groß wie die Trockendicke der der Festelektrolytplatte 11 entsprechenden Rohlage ist.
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Die Rohlage wird getrocknet, so dass eine trockene Rohlage erzielt wird. Die trockene Rohlage wird in ein 5 × 70 mm großes Rechteck geschnitten, wobei in der rechteckigen Lage eine 2 × 67 mm große, der Bezugsgaskammer 120 entsprechende Nut ausgebildet wird, wodurch sich eine Rohlage ergibt, die eine im wesentlichen konkave Form hat und die der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12 entspricht.
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Als nächstes wird mit den gleichen Materialien und den gleichen Arbeitsabläufen wie bei der Rohlage für die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 eine Rohlage für die Isolierplatte 13 hergestellt. Die Größe der der Isolierplatte 13 entsprechenden Lage beträgt 5 × 70 mm und deren Dicke 1 mm.
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Als nächstes wird mit den gleichen Materialien und mit den gleichen Arbeitsabläufen wie bei der Rohlage für die die Bezugsgaskammer bildende Platte 12 eine Rohlage für das Heizungssubstrat 150 hergestellt. Die Größe der dem Heizungssubstrat 150 entsprechenden Lage beträgt 5 × 70 mm und deren Dicke 1 mm.
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Durch die Lage für das Heizungssubstrat 150 hindurch werden die Durchgangslöcher für die elektrische Leitung der Leitungselektroden 152 und der Anschlüsse 163 geformt.
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Dann werden dem Heizelement 151, den Leitungselektroden 152, den Anschlüssen 153, der Elektrode 161 und der Bezugselektrode 162 entsprechende Siebdruckabschnitte ausgebildet, indem auf den zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen der Lage für das Heizungssubstrat 150 an vorbestimmten Stellen durch Siebdruck eine Platinpaste aufgedruckt wird, wodurch eine dem Heizungssubstrat 150 entsprechende Rohlage hergestellt wird. Die beim Siebdruck verwendete Platinpaste enthält übrigens 10 Gewichtsanteile des gleichen Materials wie die Schlämme.
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Als nächstes wird ein Beispiel zur Herstellung einer Lage für die Schutzschicht 110 erläutert.
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In einer Topfmühle werden eine bestimmte Zeit lang Aluminiumoxidteilchen gemischt, deren Teilchendurchmesser größer als der des Materials für die Lage des Heizungssubstrats 150 ist.
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Zu dem Aluminiumoxidgemisch wird ein Lösungsgemisch, etwa ein organisches Lösungsmittel, in das Ethanolamin und Toluol eingemischt sind, sowie als Bindemittel Polyvinylbutyral und als Weichmacher Dibutylphthalat hinzugegeben, so dass eine Schlämme entsteht.
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Diese Schlämme wird durch Rakeln in die Form einer vorbestimmten, ungebrannten Aluminiumoxidlage gebracht, wobei die Dicke der ungebrannten Aluminiumoxidlage etwa 0,2 mm beträgt.
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Die ungebrannte Aluminiumoxidlage wird in ein 5 × 23 mm großes und 0,12 mm dickes Rechteck geschnitten, wodurch sich eine der Schutzschicht 110 entsprechende Lage ergibt.
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Als nächstes werden die hergestellten Lagen, die der Festelektrolytplatte 11, der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12, der Isolierplatte 13, dem Heizungssubstrat 150 und der Schutzschicht 110 entsprechen, in der in 1 dargestellten Reihenfolge übereinander geschichtet und durch Druck miteinander in Haftung gebracht, wodurch ein Schichtaufbau erhalten wird (Schritt S1 in 3).
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Der Schichtaufbau wird zwei Stunden lang in einem Bereich von 1300°C bis 1600°C gebrannt, während die Brenntemperatur mit einer Geschwindigkeit von 150°C pro Stunde angehoben wird (Schritt S2 in 3).
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Nach dem Brennen wird der gebrannte Schichtaufbau auf ungefähr Zimmertemperatur abgekühlt, während die Abkühltemperatur mit einer Geschwindigkeit von 150°C pro Stunde fällt, wodurch der Schichtgasmessfühler 1 erzielt wird (Schritt S3 in 3).
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Als nächstes wird der Vorgang erläutert, wie die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz sämtlicher Außenflächen des Gasmessfühlers 1 auf 1,71 μm oder weniger gebracht wird.
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Mit Hilfe des obigen Verfahrens werden mehrere Gasmessfühler 1 angefertigt, die dann in eine innen hohle zylinderförmige Vorrichtung 32 gesetzt werden (siehe 4). Die Vorrichtung 32 wird in einem innen hohlen sechseckigen Behälterkörper 33 eines einem im Großen und Ganzen sechseckigen Querschnitt aufweisenden Behälters 30 befestigt, der Bestandteil eines Tonnenpolierers ist.
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Durch einen offenen Endabschnitt des Behälterkörpers 33 werden in seinen innen hohlen Abschnitt (zylinderförmige Vorrichtung 32) 50 Volumenprozent Poliermittel, deren Durchmesser jeweils 1 mm beträgt, 30 cm3 Präparate, 60 g Additive und 2 l Wasser eingespeist, um dann an dem offenen Endabschnitt des Behälterkörpers 33 ein Kappenbauteil 31 des Behälters 30 anzubringen.
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Dann wird der Behälter 30 (Behälterkörper 33), in dem sich die die Gasmessfühler 1 enthaltene Vorrichtung 32 befindet und an dem das Kappenbauteil 31 angebracht ist, durch den Tonnenpolierer 30 Minuten lang bei 200 U/min normal um seine Mittelachse gedreht und anschließend 30 Minuten lang bei 200 U/min im Gegensinn gedreht, wodurch durch die Poliermittel und dergleichen in dem Behälterkörper 33 sämtliche Außenflächen der Gasmessfühler 1 nasspoliert werden (Schritt S4 in 3).
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Aufgrund dessen werden sämtliche Außenflächen der Gasmessfühler 1, also auch die Zielgaskontaktflächen 171– 174 so behandelt, dass die über zehn Punkte gemittelte Rauheit sämtlicher Außenflächen der Gasmessfühler 1 nicht mehr als ungefähr 1,71 μm beträgt.
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Falls nur die Zielgaskontaktflächen 171–174 der Gasmessfühler 1 poliert werden sollen, werden die Außenflächen der Gasmessfühler 1 übrigens mit Ausnahme der Zielgaskontaktflächen 171–174 mit Harzkappenbauteilen abgedeckt und die Gasmessfühler 1 erst danach in die Vorrichtung 32 gesetzt. Nach dem Einsetzen wird der obige Tonnenpoliervorgang durchgeführt.
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(Zweites Beispiel)
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Bei einem zweiten Beispiel des Herstellungsverfahrens für den obigen Gasmessfühler 1 werden wie im ersten Beispiel die ungebrannten Lagen hergestellt, die der Festelektrolytplatte 11, der die Bezugsgaskammer bildenden Platte 12, der Isolierplatte 13, dem Heizungsdraht 150 und der Schutzschicht 110 entsprechen. Die hergestellten Lagen werden dann in der in 1 dargestellten Reihenfolge übereinander geschichtet und durch Druck aneinander zum Haften gebracht, wodurch ein ungebrannter Schichtaufbau 50 gebildet wird, der dem des ersten Beispiels ähnelt.
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Dabei ist zu beachten, dass beim Brennen einer ungebrannten Keramiklage, die auf einer Aufbringungsfläche einer Trägerplatte aufgebracht ist, die gemäß JIS B0601 ermittelten Oberflächenrauheiten Rz der Aufbringungsfläche der Trägerplatte und der Kontaktfläche der ungebrannten Keramiklage, die die Aufbringungsfläche der Trägerplatte berührt, untereinander eine Korrelation zeigen.
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Anhand von Untersuchungen bezüglich dieser Korrelation ergab sich, dass nach dem Brennen der mit ihrer Kontaktfläche auf der Aufbringungsfläche der Trägerplatte aufgebrachten Keramiklage die Oberflächenrauheit der Kontaktfläche der Keramiklage ungefähr ein Zehntel bis ein Fünftel der Oberflächenrauheit der Aufbringungsfläche der Trägerplatte beträgt.
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Es wurde daher eine wie in 5 gezeigte Aluminiumoxidträgerplatte 43 angefertigt, deren eine Oberfläche (Aufbringungsfläche) 43a eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von ungefähr 8 μm hatte (Schritt S10 in 6).
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Der wie oben hergestellte ungebrannte Schichtaufbau 50 hat also eine Oberseite 50a, die nach dem Brennen der vierten Zielgaskontaktfläche 174 des Gasmessfühlers 1 entspricht, und eine Unterseite 50b (Kontaktfläche), die nach dem Brennen der ersten Zielgaskontaktfläche 171 des Gasmessfühlers 1 entspricht, wobei der ungebrannte Schichtaufbau 50 an der Kontaktfläche 50b auf der Aufbringungsfläche 43a der Trägerplatte 43 aufgebracht wird (Schritt S11 in 6).
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Dann wird ähnlich wie im ersten Beispiel der auf der Trägerplatte 43 aufgebrachte Schichtaufbau 50 zwei Stunden lang als eine Einheit innerhalb des Bereichs von 1300°C bis 1600°C gebrannt, während die Brenntemperatur mit einer Geschwindigkeit von 150°C pro Stunde erhöht wird (Schritt S12 von 6).
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Nach dem Brennen wird der auf der Trägerplatte 43 aufgebrachte gebrannte Schichtaufbau 50 als Einheit ungefähr auf Zimmertemperatur abgekühlt, während die Kühltemperatur mit einer Geschwindigkeit von 150°C pro Stunde fällt (Schritt S13 von 6).
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Nach dem Abkühlen wird der Schichtaufbau 50 von der Trägerplatte 43 getrennt, um so den Schichtgasmessfühler 1 zu erhalten, dessen erste Zielgaskontaktfläche 171 eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als ungefähr 1,71 μm hat (Schritt S14 in 6).
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Wenn der Schichtaufbau 50 gebrannt wird, während sämtliche Außenflächen auf den entsprechenden Trägerplatten aufgebracht sind und abgekühlt werden, können übrigens sämtliche Außenflächen des Schichtaufbaus 50 eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von 1,71 μm oder weniger haben.
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Als nächstes wird die Leistungsfähigkeit der Gasmessfühler 1, deren erste Zielgaskontaktflächen jeweils eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 1,71 μm oder weniger haben und die durch eines der Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Beispiel hergestellt wurden, im Vergleich zu Gasmessfühlern diskutiert, deren erste Zielgaskontaktflächen jeweils eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von mehr als 1,71 μm haben.
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Und zwar wurden wie ähnlich wie im zweiten Beispiel zwei Arten von Trägerplatten angefertigt, wobei die erste Art Aufbringungsflächen hatte, deren über zehn Punkte gemittelte Rauheit ungefähr 12 μm betrug, und die andere Art Aufbringungsflächen hatte, deren über zehn Punkte gemittelte Rauheit ungefähr 8 μm betrug. Um die über zehn Punkte gemittelte Rauheit der ersten und zweiten Trägerplattenart gemäß JIS B0601 zu messen, wurden übrigens Messgeräte der Firma ”TOKYO SEIMITSU CO, LTD.” verwendet, die unter dem Produktnamen ”SURFCOM” und der Modellnummer ”E-MD-S39A” bekannt sind.
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Mit Hilfe der zweiten Trägerplattenart, deren Aufbringungsfläche eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 8 μm hatte, wurden drei Gasmessfühler 1a1–1a3 hergestellt. Da die zweite Trägerplattenart verwendet wurde, die eine Aufbringungsfläche mit einer über zehn Punkte gemittelten Rauheit von 8 μm hatte, betrugen die mit dem obigen Messgerät ermittelten, über zehn Punkte gemittelten Rauheiten Rz der ersten Zielgaskontaktflächen 171 der drei Gasmessfühler 1a1–1a3 ohne Polieren der ersten Zielgaskontaktflächen nicht mehr als 1,71 μm und genauer gesagt nicht mehr als 1,27 μm (siehe Tabelle 1).
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Außerdem wurden mit Hilfe der ersten Trägerplattenart, deren Aufbringungsfläche eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 12,6 μm hatte, zehn Gasmessfühler 1a4–1a13 hergestellt. Als nächstes wurden die Zielgaskontaktflächen 171 der drei Gasmessfühler 1a4–1a13 wie im ersten Beispiel poliert, wobei die mit dem obigen Messgerät ermittelten, über zehn Punkte gemittelten Rauheiten Rz der ersten Zielgaskontaktflächen 171 der zehn Gasmessfühler 1a4–1a13 nicht mehr als 1,71 μm betrugen (siehe die Tabelle 1).
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Darüber hinaus wurden unter Verwendung der ersten Trägerplattenart, deren Aufbringungsfläche eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 12,6 μm hatte, fünf Gasmessfühler 1b1–1b5 hergestellt. Da die ersten Zielgaskontaktflächen
171 der fünf Gasmessfühler 1b1–1b5 keinem Poliervorgang unterzogen wurden, betrugen die mit dem obigen Messgerät ermittelten, über zehn Punkte gemittelten Rauheiten Rz der ersten Zielgaskontaktflächen
171 der fünf Gasmessfühler 1b1–1b5 mehr als 1,71 μm und genauer gesagt nicht weniger als 2,13 μm (siehe Tabelle 1). [Tabelle 1]
| Messfühler | Rz Bodenfläche (μm) | polieren | Rz (μm) | Wasserriss |
| 1a4 | 12,6 | poliert | 1,71 | 0 |
| 1a5 | 1,39 | 0 |
| 1a6 | 1,49 | 0 |
| 1a7 | 1,24 | 0 |
| 1a8 | 1,22 | 0 |
| 1a9 | 1,33 | 0 |
| 1a10 | 1,28 | 0 |
| 1a11 | 1,37 | 0 |
| 1a12 | 1,19 | 0 |
| 1a13 | 1,49 | 0 |
| 1b1 | unpoliert | 2,24 | x |
| 1b2 | 2,13 | x |
| 1b3 | 3,66 | x |
| 1b4 | 2,26 | x |
| 1b5 | 2,31 | x |
| 1a1 | 8 | unpoliert | 1,15 | 0 |
| 1a2 | 1,25 | 0 |
| 1a3 | 1,27 | 0 |
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Wie in Tabelle 1 angegeben ist, betrug selbst nach dem Brennen des Schichtaufbaus auf der ersten Trägerplattenart, deren Aufbringungsflächen eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 12,6 μm hatte, die maximale über zehn Punkte gemittelte Rauheit der Gasmessfühler 1a1–1a13 nur 1,71 μm, da die Kontaktflächen des Schichtaufbaus poliert wurden.
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Dagegen betrug bei Verwendung der ersten Trägerplattenart, deren Aufbringungsfläche eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 12,6 um hatte, selbst die minimale über zehn Punkte gemittelte Rauheit der Gasmessfühler 1b1–1b5 nach dem Brennen des auf den Trägerplatten aufgebrachten Schichtaufbaus 2,13 μm, wenn die Kontaktflächen des Schichtaufbaus nicht poliert wurden.
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Schließlich betrug bei Verwendung der zweiten Trägerplattenart, deren Aufbringungsfläche eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von 8 μm hatte, die maximale über zehn Punkte gemittelte Rauheit der Gasmessfühler 1a1–1a3 nach dem Brennen des auf den Trägerplatten aufgebrachten Schichtaufbaus auch dann nur 1,27 μm, wenn die Kontaktflächen des Schichtaufbaus nicht poliert wurden.
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Als nächstes wurde ermittelt, ob beim Einbringen von Wassertropfen in die ersten Zielgaskontaktflächen 171 der Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 in den ersten Zielgaskontaktflächen 171 der Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 durch die Wassertropfen Risse auftraten.
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Und zwar wurden die Heizelemente 151 mit Strom beaufschlagt und die Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b15 jeweils so aufgeheizt, dass die Temperatur direkt oberhalb der Heizelemente 151 ungefähr 600°C betrug. Nach dem Aufheizen wurden beispielsweise 1 μl große Wassertropfen in die ersten Zielgaskontaktflächen 171 der Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 gegeben und die Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 danach allmählich auf ungefähr Zimmertemperatur abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurden die Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 eine Minute lang in ein rot gefärbtes Fluid eingetaucht und danach mit laufendem Wasser abgewaschen.
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Nach dem Abwaschen wurde mit dem bloßen Auge untersucht, ob das rot gefärbte Fluid in die Gasmessfühler 1a1–1a13 und 1b1–1b5 eingedrungen war.
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Das Untersuchungsergebnis ist in 7 und Tabelle 1 angegeben.
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Wie aus Tabelle 1 und 7 hervorgeht, traten in den Gasmessfühlern 1a1–1a13, deren erste Zielgaskontaktflächen 171 eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm hatten, keine Wasserrisse auf. Das heißt, die Wasserrisshäufigkeit (%) der Gasmessfühler 1a1–1a13 betrug jeweils null.
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Im Gegensatz dazu traten in den Gasmessfühlern 1b1–1b5, deren erste Zielgaskontaktflächen 171 eine über zehn Punkte gemittelte Rauheit von mehr als 1,71 μm hatten, Wasserrisse auf. Und zwar betrug die Wasserrisshäufigkeit (%) der Gasmessfühler 1b1–1b5 100(%).
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Da zumindest die erste Zielgaskontaktfläche 171 des Gasmessfühlers 1 wie oben beschrieben eine geringe über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von 1,71 μm oder weniger hat, ist zumindest die erste Zielgaskontaktfläche 171 glatt, weswegen zumindest die erste Zielgaskontaktfläche 171 dazu imstande ist, die Wassertropfen abzuweisen, und sich die Benetzungseigenschaften zumindest der ersten Zielgaskontaktfläche 171 des Gasmessfühlers 1 für Wassertropfen verschlechtern.
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Wie in 8 gezeigt ist, fuhrt dies dazu, dass ein Wassertropfen 179, der auf die erste Zielgaskontaktfläche 171 fällt, von der ersten Zielgaskontaktfläche 171 abgewiesen wird. Er bleibt daher rund, wodurch sich der Kontaktbereich der ersten Zielgaskontaktfläche 171 mit dem Wassertropfen 179 verkleinert. Der Kontaktabschnitt der Zielgaskontaktfläche 171 mit dem Wassertropfen 179 kühlt ab und schrumpft, was um den Kontaktabschnitt herum zu einer Zugspannung 181 führt. Da aber der Kontaktbereich der ersten Zielgaskontaktfläche 171 mit dem Wassertropfen 179 in dem Gasmessfühler 1 klein ist, nimmt auch die Zugspannung 181 ab.
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Wie in 9 gezeigt ist, ist bei dem Gasmessfühler 1 mit der hohen über zehn Punkte gemittelten Rauheit Rz von mehr als 1,71 μm an zumindest der ersten Zielgaskontaktfläche 271 die Oberflächenspannung geringer, so dass der Wassertropfen 179, der in die erste Zielgaskontaktfläche 271 fällt und die gleiche Wassermenge wie der Wassertropfen in 8 hat, weit auf der ersten Zielgaskontaktfläche 271 verteilt wird. Der Kontaktbereich der Zielgaskontaktfläche 271 mit dem Wassertropfen 179 ist entsprechend breit, so dass die Zugspannung 181 um den Kontaktabschnitt herum größer ist, was die Risswahrscheinlichkeit erhöht.
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Wie oben beschrieben wurde, hat der Gasmessfühler 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel zumindest eine erste Zielgaskontaktfläche 171, deren über zehn Punkte gemittelte Rauheit nicht mehr als 1,71 μm beträgt, was die Zuverlässigkeit des Gasmessfühlers 1 gegenüber Wasserrissen verbessert und dafür sorgt, dass der Gasmessfühler 1 früh aktiviert werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel enthält der erfindungsgemäße Gasmessfühler zwar nur eine elektrochemische Zelle (Messabschnitt 16), die von der Zielgaselektrode 161 in der Bezugselektrode 162 sowie der Festelektrolytplatte 11 gebildet wird, doch ist die Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt. So kann die Erfindung auch bei einem Gasmessfühler mit mehreren elektrochemischen Zellen Anwendung finden.
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Bei dem obigen Ausführungsbeispiel findet die Erfindung zwar bei einem Gasmessfühler Anwendung, der zur Messung der Sauerstoffkonzentration dient, doch ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. So kann die Erfindung auch bei Gasmessfühlern Anwendung finden, die die Konzentrationen von anderen Gasen wie NOx, HC und CO messen.
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Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei einem Element Anwendung finden, das auf Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors misst.
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Die Erfindung kann bei Schichtgasmessfühlern mit Heizung und beliebigen Messverfahren Anwendung finden, was ein Verfahren einschließt, bei dem die Sauerstoffkonzentration unter Messung einer elektromagnetischen Kraft ermittelt wird, und ein Verfahren, bei dem der auf der Sauerstoffdiffusion basierende Grenzstrom gemessen wird.
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Der erfindungsgemäße Gasmessfühler hat eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Wasserrissen, so dass der Gasmessfühler vorzugsweise im Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung verwendet wird. Der Gasmessfühler wird besser noch so verwendet, dass er an einer der Stellen angeordnet wird, die gegenüber Wasser anfällig sind, etwa an der stromabwärtigen Seite eines Katalysators im Auspuffrohrs des Motors.
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Darüber hinaus weist in dem obigen Ausführungsbeispiel zwar der gesamte Bereich der ersten Zielgaskontaktfläche 171 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm auf, doch kann auch nur ein Teil der ersten Zielgaskontaktfläche 171 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit von Rz von nicht mehr als 1,71 μm aufweisen. Vorzugsweise weist nicht weniger als 90% der Gesamtfläche der ersten Zielgaskontaktfläche 171 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm auf.
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Darüber hinaus weist bei dem zweiten Beispiel für das Herstellungsverfahren zwar nur die erste Zielgaskontaktfläche 171 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm auf, doch kann auch jede der ersten bis vierten Zielgaskontaktflächen 171 bis 174 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm aufweisen. Mit diesem Aufbau lässt sich verhindern, dass es an der ersten bis vierten Zielgaskontaktfläche 171–174 zu Wasserrissen kommt.
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Darüber hinaus können sämtliche Außenflächen einschließlich der Flächen 171 bis 174 die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz von nicht mehr als 1,71 μm haben. Mit diesen Aufbau lässt sich verhindern, dass es an irgendeiner der Außenflächen des Gasmessfühlers 1 zu Wasserrissen kommt.
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Da über die zweite Oberfläche 150b des Heizungssubstrats 150 leicht die Temperatur in der ersten Zielgaskontaktfläche 171 erhöht wird, neigen die Wasserrisse dazu, in der zweiten Oberfläche 150b aufzutreten, wenn die Wassertropfen daran anhaften. Wenn der Gasmessfühler 1 daher so verwendet wird, dass die Temperatur der Außenflächen außer der ersten Zielgaskontaktfläche 171 nicht so stark erhöht wird, erlaubt die Einstellung der über zehn Punkte gemittelten Rauheit Rz auf lediglich der ersten Zielgaskontaktfläche 171, die Wirkungen des Gasmessfühlers gegenüber den Wasserrissen zu verbessern.
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Des Weiteren beträgt zwar die über zehn Punkte gemittelte Rauheit der Aufbringungsfläche 43a der Trägerplatte 43 in dem zweiten Beispiel ungefähr 8 μm, doch ist die Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
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Da die Oberflächenrauheit der Kontaktfläche der Keramiklage ungefähr ein Zehntel bis ein Fünftel der Oberflächenrauheit der Aufbringungsfläche der Trägerplatte beträgt, wird die Aufbringungsfläche 43a der Trägerplatte 43 so behandelt, dass die über zehn Punkte gemittelte Rauheit einen Wert von ungefähr 8,55 μm einnimmt, der durch Multiplikation von 1,71 μm und 5 erzielt wird.
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Wenn die über zehn Punkte gemittelte Rauheit der Aufbringungsfläche 43a der Trägerplatte 43 mehr als die oben beschriebenen ungefähr 8,55 μm beträgt, kann, nachdem der Schichtaufbau 50 von der Trägerplatte 43 entfernt wurde, zumindest die erste Zielgaskontaktfläche 171 poliert werden, so dass die über zehn Punkte gemittelte Rauheit Rz der Oberfläche 171 nicht mehr als 1,71 μm beträgt.
