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Anwendungsgebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor.
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Beschreibung
des Standes der Technik:
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Verschiedene
Typen von Sauerstoffsensoren sind entwickelt worden. Eine (offengelegte)
japanische Patentanmeldung (tokkai) Nr. 8-114571, veröffentlicht
am 07. Mai 1996, erläutert
einen früher entwickelten
Sauerstoffsensor.
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In
dem in der oben bezeichneten japanischen Patentanmeldung offenbarten
Sauerstoffsensor wird eine Heizelementanordnung, die auf einem Basiskörper ausgebildet
ist, mit Strom versorgt und aufgeheizt, so dass eine feste Elektrolytschicht
mit einer Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit
aktiviert und eine Sauerstoffkonzentration von einer Potentialdifferenz zwischen
einem Paar Elektroden, die einander gegenüberstehend über der festen Elektrolytschicht
angeordnet sind, erfasst wird.
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Bei
dieser Art oben beschriebener Sauerstoffsensoren wird ein Erfassungselement üblicherweise
in einer mehrschichtigen Form von Funktionsschichten, wie z.B. die
feste Elektrolytschicht, Elektrodenschichten, eine Isolierschicht
und Schutzschichten laminiert bzw. geschichtet und durch Beheizen
(auch Brennen genannt) der laminierten Funktionsschichten gebildet.
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Jedoch
tritt bei dem im Hintergrund der Erfindung beschriebenen, bekannten
Sauerstoffsensor gemäß der Festlegung
eines Materials von jeder in den Funktionsschichten enthaltenen
Schicht während
des Beheizens oft der Fall auf, dass das Sintern von einer Außenschicht
(äußere Fläche des
Erfassungselements) während
des Beheizens fortschreitet.
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In
diesem Fall wird eine Beanspruchung bzw. Spannung in dem oben beschriebenen,
früher
entwickelten Sauerstoffsensor innerhalb der Schichten) an einer
Innenseite (eine Basiskörperseite)
verbleiben, wobei ein Kopplungszustand zwischen jeder Schicht instabil
wird und wahrscheinlich Bruchstellen bzw. Risse innerhalb jeder
Schicht der Funktionsschichten ausgebildet werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sauerstoffsensor und
dessen Herstellungsverfahren dafür
zu schaffen, die die Entstehung einer inneren Restspannung des Erfassungselements
zusammen mit dem Beheizen unterdrücken können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches
1 oder 17. Die Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Um
die oben beschriebene Aufgabe gemäß eines Aspekts der vorliegenden
Erfindung zu lösen, wird
ein Sauerstoffsensor geschaffen: mit einem Basiskörper; und
mit einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des
Basiskörpers laminiert
sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht
mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit
und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht
eingefügt ist,
aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten
auf die Oberfläche des
Basiskörpers
laminiert sind, und während
des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten
sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten
vom Basiskörper aus
fortschreitet.
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Um
die oben beschriebene Aufgabe gemäß eines weiteren Aspekts der
vorliegenden Erfindung zu lösen,
wird ein Herstellverfahren für
einen Sauerstoffsensor geschaffen, das Fol gendes aufweist: Vorsehen
eines Basiskörpers;
und Vorsehen einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine
Oberfläche des
Basiskörpers
laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste
Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten,
zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, und Ausführen eines Beheizens,
nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert
sind, wobei während
des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten
sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten
vom Basiskörper
aus fortschreitet.
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Diese
Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle notwendigen
Merkmale, so dass die vorliegende Erfindung auch eine Unter-Kombination
dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
beigefügten
Zeichnung. Darin zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht, die entlang einer Axialrichtung eines Sauerstoffsensors
in einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschnitten ist.
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2 eine
Querschnittsansicht eines Erfassungselements des in 1 dargestellten
Sauerstoffsensors, die entlang einer Linie A-A in 1 geschnitten
ist.
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3 ein
charakteristisches Schaubild, das eine Korrelation zwischen einer
Temperatur (°C: waagerechte
Achse) und einer volumetrischen Schrumpfung bzw. Volumenminderung
(%: senkrechte Achse) zwischen einem Kernstab, einer festen Elektrolytschicht,
und einer dichten Schicht bzw. Abdichtungs schicht während des
Beheizens des Erfassungselements des Sauerstoffsensors in der in
den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
darstellt.
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Nachstehend
wird Bezug auf die Zeichnung genommen, um ein besseres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
Eine Ausführungsform
eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist auf einen Sauerstoffsensor anwendbar, die für eine Erfassung
eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
verwendet wird, und innerhalb eines Auspuffrohres eines Kraftfahrzeugs,
das mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet ist, angeordnet ist.
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Eine
ungefähre
Konfiguration des Sauerstoffsensors in der bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend erläutert. 1 stellt
eine Querschnittsansicht des Sauerstoffsensors in der bevorzugten
Ausführungsform
dar (Querschnittsansicht, die entlang einer Axialrichtung des Sauerstoffsensors
geschnitten ist).
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Eine
zylindrische Elementeinsatzöffnung 3 ist
in einer Halterung 4 ausgebildet und ein zylindrisches
stangenförmiges
Erfassungselement 2 ist in diese Elementeinsatzöffnung 3 eingepasst
und eingesetzt. Das Erfassungselement 2 durchdringt die Elementeinsatzöffnung 3 und
ist an beiden Endflächen
der Axialrichtung der Halterung 4 exponiert. Ein Sauerstoff-Messbereich 2b ist
an einer Endseite der Axialrichtung der Halterung 4 und
eine Elektrode 2a ist an der anderen Endseite der Axialrichtung
der Halterung 4 ausgebildet.
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Der
Sauerstoff-Messbereich 2b ist innerhalb doppelter (innerer
und äußerer) Schutzeinrichtungen 9A, 9B einer
Doppelrohr-Anordnung und einer zylindrischen Anordnung, die an der
Halterung mittels Verschweißung
oder Verstemmen befestigt ist, eingesetzt. Die Zirkulationsöffnungen 9a, 9b (kreisförmige Öffnungen)
für die
Gaszirkulation sind auf der Innenseite oder Außenseite der Schutzeinrichtungen 9A, 9B ausgebildet.
Das Erfassungsgas wird innerhalb der doppelten Schutzeinrichtung 9A, 9B über die
Zirkulationsöffnungen 9a, 9b eingeleitet
und gelangt in die Umgebung des Sauerstoff-Messbereichs 2b.
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Andererseits
wird ein im Durchmesser erweiterter Bereich 10 in der Nähe der Elektrode 2a der Elementeinsatzöffnung 3 gebildet.
Somit dient ein auf den im Durchmesser erweiterten Bereich 10 angeordneter
Abdichtungsbereich 5 zum Aufrechterhalten einer Luftdichtigkeit
an einem Zwischenraum zwischen der Elementeinsatzöffnung 3 und
dem Erfassungselement 2. Speziell wird keramisches Pulver 12 (z.B.
ein ungesintertes (nicht gesintertes) Kalk- bzw. Talkum usw.) in
den im Durchmesser erweiterten Bereich 10 gefüllt und
in Richtung der Tiefenseite des Abdichtungsbereichs 5 unter
Verwendung eines Abstandsstückes
bzw. einer Distanzscheibe 13 (z.B. eine Dichtungsscheibe)
gedrückt,
um einen Zwischenraum zwischen der Elementeinsatzöffnung 3 und
dem aufzufüllenden
Erfassungselement 2 zu schaffen.
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Eine
Isolierung bzw. ein Isolierstück 7 in
einer glockenförmigen
(bottomed) zylindrischen Form für
eine abschließende
Wartung ist an der Elektrode 2a des Erfassungselements 2 befestigt.
Ein zylindrisches Gehäuse 8 ist
eingebaut, um einen äußeren Umfang
der Isolierung 7 mit einem vorbestimmten Abstand abzudecken.
Dieses Gehäuse 8 ist
an einem äußeren Umfang
der Halterung 4 mittels eines Gesamtumfangs-Laserschweißen befestigt.
Dieses Laserschweißen
bewirkt die zu gewährleistende
Luftdichtigkeit im Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 8 und der Halterung 4.
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Zusätzlich wird
eine ungefähr
zylindrische Gummidichtung 16 an einem abschließenden Bereich,
der dem Sauerstoffmessbereich 2b des Gehäuses 8 gegenüberliegt,
angeordnet. Eine Mehrzahl von (z.B. vier) Zuleitungsdrähten 17 geht
durch diese Gummidichtung 16 hindurch und verläuft nach
außen.
Diese Gummidichtung 16 ist am Gehäuse 8 mittels eines
verstemmten Bereichs 8a zwischen dem Gehäuse 8 und
dieser Gummidichtung 16 befestigt. Die Luftdichtigkeit
zwischen der Gummidichtung 16 und den Zuleitungsdrähten 17 und
zwischen der Gummidichtung 16 und dem Gehäuse 8 kann
sichergestellt werden. Es ist zu beachten, dass z.B. die Verwendung
von Fluor enthaltendem Gummi oder Material mit einer hohen thermischen
Widerstandseigenschaft für
die Gummidichtung vorteilhaft ist.
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Die
Anschlüsse 6 sind
mit einem inneren Seitenanschluss von jedem Zuleitungsdraht 17 verbunden.
Diese Anschlüsse 6 werden
auf der den Anschluss haltenden Isolierung 7 gehalten.
Jeder dieser Anschlüsse 6 wird
aus einem elastischen Körper
gebildet. Ein hoher Elastizitätsgrad
von jedem der Anschlüsse 6 bewirkt
sichere Kontakte der entsprechenden Anschlüsse 6 mit den entsprechenden
Elektroden 2a, die auf der Oberfläche des Erfassungselementes 2 ausgebildet
sind, und erreicht an dieser Stelle eine sehr sichere elektrische
Leitfähigkeit.
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Die
Anordnung des gesamten Sauerstoffsensors 1 ist oben beschrieben
worden. Der Sauerstoffsensor 1 ist an einem Auspuffrohr 30 durch
Einsetzen des Schraubbereiches 4b der Halterung 4 in die
Schraubenlöcher 31 des
Auspuffrohres 30 befestigt und mit einem Bereich angeordnet,
der durch die doppelten Schutzeinrichtungen 9A, 9B,
die innerhalb des Auspuffrohres 30 hervorragen, abgeschlossen ist.
Eine Dichtung 19 wird zum Abdichten des Sauerstoffsensors 1 und
des Auspuffrohrs 30 verwendet.
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Ein
Innenraum 15, der an einer Innenseite des Sauerstoffsensors 1 ausgebildet
ist, ist am Auspuffrohr 30 durch Einsetzen von Verbindungsteilen zwischen
dem Abdichtungsbereich 5, der Gummidichtung 16,
und einem Verbindungsteil zwi schen der Halterung 4 und
dem Gehäuse 8 befestigt.
Die Luftdichtigkeit ist gegenüber
einem Außenbereich
des Sauerstoffsensors 1 sichergestellt. Es ist zu beachten,
dass ein extrem kleiner Zwischenraum, (z.B. ein Abstand zwischen
einem Kerndraht und einer Beschichtung) im Inneren der Zuleitungsdrähte 17 eine Verbindung
zwischen einer Außenseite
des Sauerstoffsensors herstellt.
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Wenn
das innerhalb des Auspuffrohres 30 strömende Erfassungsgas bei dem
oben beschriebenen Sauerstoffsensor 1 in das Innere des
Sauerstoffsensors 1 durch die Zirkulationsöffnungen 9a, 9b der doppelten
Schutzeinrichtungen 9A, 9B einströmt, führt das
dazu, dass der Sauerstoff im Erfassungsgas in den Sauerstoffmessbereich 2b strömt. Zu diesem
Zeitpunkt wird eine Sauerstoffkonzentration des Erfassungsgases
mittels des Sauerstoffmessbereiches 2b erfasst und die
Sauerstoffkonzentration in ein die Sauerstoffkonzentration darstellendes
elektrisches Signal umgewandelt. Danach wird eine Information von
diesem elektrischen Signal extern über die Elektroden 2a,
Anschlüsse 6,
und Zuleitungsdrähte 17 ausgesandt.
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Als
Nächstes
wird nachstehend eine Anordnung des Sauerstoffmessbereiches 2b beschrieben. 2 stellt
eine seitliche Querschnittsansicht des Erfassungselements 2 dar
(eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 1 geschnitten
ist).
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Das
Erfassungselement 2 umfasst in etwa: einen Kernstab 22 als
Basiskörper;
eine Heizelementanordnung 23 als eine Heizelementschicht,
die auf einem vorbestimmten Bereich (einem Bereich über ungefähr dem halben
Umfang) einer äußeren Umfangsfläche dieses
Kernstabes 22 ausgebildet ist; eine Heizelement-Isolierschicht 24,
die diese Heizelementanordnung 23 bedeckt; eine feste Elektrolytschicht 25 mit
einer Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit,
die an einer Position gebildet wird, die der Heizelementanordnung 23 auf
der äußeren Umfangsfläche 22a des
Kernstabes 22 gegenüberliegt;
eine Innenelektrode 26 (Referenzelektrode) als Elektrodenschicht, die
an einer Innenfläche
der festen Elektrolytschicht 25 ausgebildet ist; eine Außenelektrode 26 (Erfassungselektrode)
als Elektrodenschicht, die auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht 25 ausgebildet
ist; eine Entspannungsschicht 28, die zwischen einer Innenfläche der
festen Elektrolytschicht 25 und einer Außenfläche der
Außenelektrode 27 angeordnet
ist; eine Abdichtungsschicht 29, die auf den Außenflächen der
festen Elektrolytschicht 25 und der Außenelektrode 27 ausgebildet
ist; eine gedruckte Schutzschicht 20A, die die Außenfläche der
Heizelement-Isolierschicht 24 gänzlich bedeckt, und eine Spinell-Schutzschicht 20B,
die einen Bereich der gesamten Außenfläche der gedruckten Schutzschicht 20A bedeckt.
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Das
Erfassungselement 2 wird durch Laminieren jeder Schicht
der Funktionsschichten (Heizelementanordnung 23, Heizelement-Isolierschicht 24, feste
Elektrolytschicht 25, Innenelektrode 26 (die eine),
Außenelektrode 27 (die
andere), Entspannungsschicht 28, Abdichtungsschicht 29,
einer gedruckten Schutzschicht 20A, und einer Spinell-Schutzschicht 20B auf
einem Kernstab 22), und danach durch Beheizen (Brennen)
dieser Funktionsschichten und des Kernstabes 22 gebildet.
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Der
Kernstab 22 wird in einer zylindrischen Form mit einem
festen oder hohlen Bereich mittels keramischen Materials, wie z.B.
Aluminium, das ein Isoliermaterial ist, gebildet.
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Die
Heizelementanordnung 23 wird aus einem Hitzeerzeugungsfähigen, leitfähigen Material, wie
z.B. Wolfram oder Platin, gebildet. Diese Heizelementanordnung 23 ist
elektrisch mit zwei der vier Zuleitungsdrähte 17 (s. 1)
verbunden. Eine externe Stromversorgung führt einen elektrischen Strom für eine Heizelementanordnung 23 über diese Zuleitungsdrähte 17 so
zu, dass insbesondere ein Heizbereich 23a die Hitze der
Heizelementanordnung 23 erzeugt, so dass eine Temperatur
der festen Elektrolytschicht 25 erhöht und aktiviert wird.
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Die
Heizelement-Isolierschicht 24 wird aus einem Isoliermaterial
gebildet und stellt die elektrische Isolierung der Heizelementanordnung 23 sicher.
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Die
feste Elektrolytschicht 25 wird z.B. aus einem Pulver von
Yttria mit vorbestimmten Gewichts-% mit einem Zirkonerde- bzw. Zirkoniumdioxid-Pulver
gemischt, um eine Pastenform herzustellen, und wird durch Gestalten
der aus dem Pulver gebildeten Paste und ihres Beheizens gebildet.
Die feste Elektrolytschicht 25 erzeugt eine elektromotorische
Kraft gemäß einer
umgebenden Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Innenelektrode 26 und
der Außenelektrode 27 und
fördert
die Sauerstoffionen in ihrer Dickenrichtung der festen Elektrolytschicht 25.
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Anschließend bilden
die feste Elektrolytschicht 25, die Innenelektrode 26,
und die Außenelektrode 27 einen
Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich 32, um die Sauerstoffkonzentration
in Form eines elektrischen Signals zu erzeugen. Es ist zu beachten,
dass sowohl der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich 32 als auch
die Heizelementanordnung 23 mit einer Positionsabweichung
in Umfangsrichtung des Kernstabes 22 voneinander beabstandet
sind. In dieser Ausführungsform
sind diese an Positionen angeordnet, die sich einander über den Kernstab 22 gegenüberliegen.
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Jede
der Innenelektroden 26 und Außenelektroden 27 weist
eine elektrische Leitfähigkeit
auf und ist aus einem metallischen Material (z.B. Platin), durch
das der Sauerstoff weitergeleitet wird, ausgebildet. Zwei der vier
Zuleitungs drähte 17 (s. 1) sind
jeweils mit der Innenelektrode 26 und der Außenelektrode 27 verbunden.
Eine Ausgangsspannung, die zwischen der Innenelektrode 26 und
der Außenelektrode 27 erzeugt
wird, kann als Spannung über
diese Zuleitungsdrähte 17 erfasst
werden.
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Außerdem wird
die Innenelektrode 26 in der Ausführungsform mit einer Mischung
und einem Zusatz eines Lochformbildners, wie z.B. einem Theobromin,
mit einem Edelmetall (z.B. Platin), die zusammengemischt. werden,
gestaltet und durch Beheizen der gestalteten Mischung gebildet.
Wie oben beschrieben, wenn der Lochformbildner auf diese Weise gemischt
und gebildet wird, wird der Lochformbildner (Dissipationsmittel)
geglüht
und abgeblasen, so dass das Loch innerhalb jeder der Elektroden gebildet
wird, so dass jede Elektrode (Schicht) einen porösen Aufbau aufweisen kann.
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Zusätzlich wird
die Entspannungsschicht 28 durch Gestalten eines Mischmaterials
zwischen Zirkoniumoxid und Aluminium mit dem Zusatz eines Lochformbildners
(Dissipationsmittel), wie z.B. Karbon, und durch Beheizen der oben
beschriebenen gestalteten Mischung gebildet, um eine poröse Anordnung
vorzusehen. Daher kann der zur Innenelektrode 26 durch
die feste Elektrolytschicht 25 geleitete Sauerstoff in
die Entspannungsschicht 28 einströmen.
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Die
Abdichtungsschicht 29 wird aus keramischem Material, wie
z.B. Aluminium, gebildet, wobei der Sauerstoff im Erfassungsgas
durch dieses Material nicht weitergeleitet werden kann. Die Abdichtungsschicht 29 bedeckt
die Außenfläche der
festen Elektrolytschicht 25 bis auf einen Elektroden-Öffnungs- bzw. Fensterteil
(nicht dargestellt).
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Die
gedruckte Schutzschicht 20A bedeckt die Abdichtungsschicht 29 und
die Gesamtfläche
außerhalb
der Heizele ment-Isolierschicht 24. Zusätzlich leitet die gedruckte
Schutzschicht 20A giftiges Gas und Staub in einem Erfassungsgas
nicht weiter. Jedoch wird die gedruckte Schutzschicht 20A aus
einer Materialqualität,
durch die Sauerstoff im Erfassungsgas weitergeleitet werden kann,
z.B. von einem porösen
Material einer Mischung aus Aluminium und Magnesiumoxid, gebildet.
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Die
Spinell-Schutzschicht 20B bedeckt die gesamte Fläche der
Außenseite
des Erfassungselementes 2, kann den Sauerstoff im Erfassungsgas weiterleiten,
und wird aus dem porösen
Material gebildet, das gröber
als die gedruckte Schutzschicht 20A ist.
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Der
Sauerstoffsensor 1 in dieser Ausführungsform wird ausgestaltet,
um das Sintern des Kernstabes 22 als Basiskörper und
der Funktionsschichten in Richtung der Außenfläche (nämlich der Spinell-Schutzschicht)
der Funktionsschichten vom Kernstab 22 sequentiell durchzuführen. Zusammen mit
einer Volumenminderung während
des Beheizens kann der Sauerstoffsensor 1 ein Entstehen
der inneren Restspannung unterdrücken.
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3 stellt
ein Beispiel einer Sintereigenschaft von jedem Teil des Erfassungselementes 2 dar,
nämlich
ein gezeichnetes Schaubild, das eine Korrelation zwischen der Temperatur
(°C: waagerechte
Achse) und einer Volumenminderung (%: senkrechte Achse) auf den
Kernstab 22, der festen Elektrolytschicht 25 und
der Abdichtungsschicht 29 während des Beheizens darstellt.
Wie in 3 in dieser Ausführungsform dargestellt, wird
ein sequentielles Sintern in einer Aufeinanderfolge des Kernstabes 22,
der festen Elektrolytschicht 25 und der Abdichtungsschicht 29 begonnen
und beendet und es versteht sich, wie oben beschrieben, dass der
Kernstab 22 am innersten Teil positioniert wird und auf
dem die feste Elektrolytschicht 25 und die Abdichtungsschicht 29 in
dieser Aufeinanderfolge in Richtung einer Außenseite des Erfassungselements 2 (nämlich einer Außenseite
der Funktionsschichten und, detaillierter, in Richtung der Spinell-Schutzschicht 20B)
angeordnet sind. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform
wird eine Sintergeschwindigkeit schneller gemacht, wenn die Position
die Innenseite wird, und langsamer gemacht, wenn die Position die
Außenseite
wird, so dass das sequentielle Sintern von der Innenseite zur Außenseite
durchgeführt
wird. Somit wird die Entstehung der inneren Restspannung im Erfassungselement 2 unterdrückt. Es
ist zu beachten, dass die Sintereigenschaft in 3 nur
für die drei
Schichtpositionen angezeigt wird. Jedoch kann dasselbe auf die anderen
Schichtpositionen angewendet werden. Es ist wünschenswert, dass das sequentielle
Sintern von der Innenseite zur Außenseite durchgeführt wird.
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In
diesem Fall wird eine Temperatur, durch die der Kernstab 22 und
jede Schicht innerhalb der Funktionsschichten während des Beheizens auf die Volumenminderung
(im Beispiel von 3 ungefähr 8%), die ungefähr die Hälfte von
der in einem Sinter-Vollendungszustand beträgt (in dem Beispiel von 3 ein
Zustand, bei dem die Volumenänderung ungefähr 15 bis
ungefähr
16% beträgt)
geschrumpft werden (im Beispiel von 3 ungefähr 8%),
eingestellt bzw. festgelegt, um die Temperatur vom Kernstab 22 (Innenseite)
bis zur Oberflächenseite
(Außenseite)
der Funktionsschichten sequentiell voranzubringen bzw. fortzuschreiten.
Da ein Bereich, in dem die Temperatur der Innenschicht entsprechend der
Volumenänderung
niedriger als die Temperatur der Außenschicht entsprechend der
oben beschriebenen Schrumpfung (ein Bereich von ungefähr 3% bis
14% bei der Volumenänderung)
ist, breiter wird, wird eine günstigere
Eigenschaft angezeigt. Jedoch ist es für den gesamten Ablauf vom Beginn
des Beheizens bis zur Beendigung des Sinterns für die Temperatur der Innenschicht
nicht erforderlich, klein zu werden.
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Auf
diese Weise kann dann für
das Erfassungselement 2 eine Eigenschaft, so dass die Sintergeschwindigkeit
des Kernstabes 22 (Innenseite) für das Erfassungselement 2 schneller
als die Sintergeschwindigkeit an der Oberflächenseite (Außenseite) der
Funktionsschichten gemacht wird, durch geeignetes Einstellen für jeden
Kernstab 22 und die Funktionsschichten, die Komponenten
des Materialspulvers hierfür
(jeden Kernstab 22 und die Funktionsschichten), ein Teilchendurchmesser
des Materialpulvers hierfür,
und ein spezifischer Oberflächenbereich
(ein Oberflächenbereich
pro Gewichtseinheit) des Materialpulvers hierfür, oder die Füllmengen
des Sinteradditivs (Sinterhilfsmittel) hierfür, erreicht werden.
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Das
heißt,
für Komponenten
des Materialpulvers ist es offensichtlich, dass die Sintergeschwindigkeit
für jede
Schicht unter Verwendung der Materialpulver, die im Wesentlichen
in ihren Sintereigenschaften gegenseitig unterschiedlich sind, variiert werden
kann. Zusätzlich
kann die Sintergeschwindigkeit für
den spezifischen Oberflächenbereich
des Materialpulvers, wenn der spezifische Oberflächenbereich größer wird,
beschleunigt werden. Für
den Teilchendurchmesser des Materialpulvers kann die Sintergeschwindigkeit,
wenn der Teilchendurchmesser größer wird,
verlangsamt werden. Zusätzlich
wird das Sintern für
die Füllmengen
eines Sinteradditivs begünstigt,
da die Füllmengen
erhöht
werden. Die Sintergeschwindigkeit kann schneller werden.
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In
dieser Ausführungsform
kann das Sintern des Kernstabes 22 und der Funktionsschichten
zusätzlich
bei einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1600°C beendet werden, wobei diese
Temperaturwerte höher
als die des herkömmlichen
Sinterns sind. Somit kann jede Schicht der Funktionsschichten mehr
stabilisiert und die genauere Fixierung von einer jeden der Funktionsschichten
zu den anderen Schichten erreicht werden.
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Zusätzlich ist
gemäß der detaillierten
Erörterung
und der Versuche bestimmt worden, dass ein Unterschied, wenn eine Überzugs-,
Schicht- bzw. Filmdicke der Funktionsschichten 10% beträgt oder dünner als
der Durchmesser des Kernstabes 22 war, zwischen einer Schrumpfung
der Funktionsschichten auf dem Kernstab 22 (Innenseite)
und der Schrumpfung von irgendeiner der Funktionsschichten auf der äußeren Oberflächenseite
geeignet unterdrückt
und die Entstehung eines Abblätterns
auf einem Grenzbereich zwischen dem Kernstab 22 und der
Funktionsschichten unterdrückt
werden könnte.
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In
der oben beschriebenen Weise wird in dieser Ausführungsform das Sintern des
Kernstabes 22 (Innenseite) als Basiskörper und der Funktionsschichten
sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der Funktionsschichten
durchgeführt.
Daher kann die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit
der thermischen Schrumpfung während
des Beheizens unterdrückt
werden.
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Daher
wird in dieser Ausführungsform
die Temperatur, bei der der Kernstab 22 und jede der Funktionsschichten
auf die entsprechend vorbestimmten Schrumpfungen, die ungefähr die Hälfte von
denen in ihren Sinter-Vollendungszuständen betragen, geschrumpft
werden, sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der
Funktionsschichten erhöht.
Das Sintern des Kernstabes 22 und der Funktionsschichten
wird sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der
Funktionsschichten durchgeführt.
Daher kann die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit
der thermischen Schrumpfung während
des Beheizens unterdrückt
werden.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform schreitet
die Temperatur, bei der der Kernstab 22 und die Funktionsschichten
bis zu den vorbestimmten Schrumpfungen, die ungefähr die Hälfte von
denen im Sinter-Vollendungszustand betragen, ge schrumpft werden,
sequentiell zur Oberflächenseite der
Funktionsschichten vom Kernstab 22 voran, wobei die Entstehung
der inneren Restspannung zusammen mit der thermischen Beanspruchung
bzw. Wärmespannung
während
des Beheizens unterdrückt
werden kann.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird zusätzlich
für den
Kernstab 22 und jede der Funktionsschichten mindestens
eine der Komponenten des Materialspulvers, der Partikeldurchmesser
des Materialpulvers, der spezifische Oberflächenbereich des Materialspulvers
unterschiedlich gemacht, um die Sintergeschwindigkeit vom Kernstab 22 und
jeder Schicht innerhalb der Funktionsschichten einzustellen. Somit
kann ein Restbetrag der inneren Spannung zusammen mit der Wärmespannung
während des
Beheizens unterdrückt
werden.
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Zusätzlich wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung der Kernstab 22 in einer Stabform ausgebildet.
Somit kann die Sauerstoffsensor 1 kompakter werden.
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Zusätzlich können gemäß dieser
Ausführungsform
der Kernstab 22 als Basiskörper und die Funktionsschichten
bei einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1600°C, der höher ist als ein konventioneller
Temperaturwert, gesintert werden, da die innere Restspannung unterdrückt werden
kann. Daher kann jede Schicht stabiler einander mit dem Kernstab 22 fixiert
werden.
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Zusätzlich ist
die Filmdicke der Funktionsschichten gemäß der bevorzugten Ausführungsform gleich
10% oder unterhalb des Durchmessers des Kernstabes 22.
Daher kann dieses die Entstehung des Abblätterns an der Grenze zwischen
dem Kernstab 22 und der Funktionsschichten infolge einer
erhöhten
Differenz beim Schrumpfen (Schrumpfungsmenge) der Funktionsschichten
zwischen dem Kernstab 22 und der Oberflächenseite der Funktionsschichten
unterdrücken.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform werden
die feste Elektrolytschicht 25 und die Heizelementanordnung 23 zusätzlich in
einer Umfangsrichtung des Kernstabes 22 verschoben und
voneinander beabstandet. Somit kann ein plötzlicher Anstieg bei der Temperatur
der festen Elektrolytschicht 25 infolge der Wärme der
Heizelementanordnung 23 und der überhöhten Wärme der festen Elektrolytschicht 25 unterdrückt werden.
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Obwohl
die Erfindung gemäß der bestimmten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist sie nicht
auf die oben beschriebene Ausführungsform
begrenzt. Abänderungen
und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den
Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Z.B.
können die
keramische Schicht des Erfassungselements oder die anderen Schichten
des Erfassungselements unter Verwendung der Materialien, Komponenten, oder
Herstellverfahren, mit Ausnahme derjenigen in der obigen Ausführungsform
Beschriebenen, gebildet werden. Zusätzlich können die Form, die Materialqualität, und das
Herstellverfahren, mit Ausnahme des Erfassungselements, andere Ausführungsformen
angemessen annehmen. Weil ein Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung Folgendes umfasst: einen Basiskörper; und eine Mehrzahl von
Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert
sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht
mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit
und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht
eingefügt
ist, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf
die Oberfläche
des Basiskörpers
laminiert sind, und während
des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten
sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom
Basiskörper
aus fortschreitet, wobei die Entstehung der inneren Restspannung
zusammen mit der Wärmespannung
während
des Beheizens unterdrückt
werden kann.
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Diese
Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-332860,
die am 17. November 2005 eingereicht wurde, deren Offenbarungsgehalt
hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung
gemacht wird.
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Der
Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Zusammenfassend
kann Folgendes festgehalten werden:
In einem Sauerstoffsensor 1 wird
ein Basiskörper vorgesehen
und eine Mehrzahl von Funktionsschichten auf einer Oberfläche des
Basiskörpers
laminiert, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht 25 mit
einer Sauerstoffionenleitfähigkeit
und ein Paar Elektrodenschichten 26, 27, die zwischen
der festen Elektrolytschicht 25 eingefügt sind, aufweisen, wobei ein
Beheizen ausgeführt
wird, nachdem die Funktionsschichten auf der Oberfläche des
Basiskörpers
laminiert sind, und während
des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten
sequentiell in Richtung einer äußeren Oberfläche der
Funktionsschichten vom Basiskörper
durchgeführt
wird.
-
- 1
- Sauerstoffsensor
- 2
- Erfassungselement
- 2a
- Elektrode
- 2b
- Sauerstoff-Messbereich
- 3
- Elementeinsatzöffnung
- 4
- Halterung
- 4b
- Schraubbereich
- 5
- Abdichtungsbereich
- 6
- Anschluss
- 7
- Isolierung
bzw. Isolierstück
- 8
- zylindrisches
Gehäuse
- 8a
- verstemmter
Bereich
- 9A,
9B
- doppelte
Schutzeinrichtung
- 9a,
9b
- Zirkulationsöffnung
- 10
- im
Durchmesser erweiterter Bereich
- 12
- keramisches
Pulver
- 13
- Abstandsstück bzw.
Distanzscheibe
- 15
- Innenraum
- 16
- zylindrische
Gummidichtung
- 17
- Zuleitungsdraht
- 19
- Dichtung
- 20A
- gedruckte
Schutzschicht
- 20B
- Spinell-Schutzschicht
- 22
- Kernstab
- 22a
- äußere Umfangsfläche
- 23
- Heizelement-
bzw. Heizermodell
- 23a
- Heizelementbereich
- 24
- Heizelement-Isolierschicht
- 25
- feste
Elektrolytschicht
- 26
- Innenelektrode
(Referenzelektrode)
- 27
- Außenelektrode
(Erfassungselektrode)
- 28
- Entspannungsschicht
- 29
- Abdichtungsschicht
- 30
- Auspuffrohr(Abgasrohr)
- 31
- Schraubenloch
- 32
- Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich