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Diese
Anmeldung basiert auf, und beansprucht die Priorität der früheren
japanischen Patentanmeldung Nr.
2006-164238 , eingereicht am 14. Juni 2006, deren Beschreibung
hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Herstellen
eines Keramik-Stapels, der beispielsweise als Gas-Messfühler verwendet
wird, und der erzeugt wird durch Stapeln mehrerer Arten von keramischen
Schichten, gefolgt von einem Backen bzw. Brennen zur Vereinigung
bzw. zum Zusammenschluss.
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Wie
in der offengelegten
japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 2002-181764 offenbart, wurde beispielsweise ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Fühler oder
ein Stickstoffoxid (NOx)-Fühler als
Gasfühler entwickelt,
der für
das Messen von Gasbestandteilen im Abgas eines Verbrennungsmotors
eines Fahrzeugs verwendet wird. Ein Gas-Messfühler, der in einem solchen
Gasfühler
eingegliedert ist, weist im Allgemeinen einen Stapel mehrerer keramischer Schichten
auf, wobei jede von diesen verschiedene keramische Bestandteile
hat und unterschiedliche erforderliche Porositätsgrade besitzt.
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Ein
Keramik-Stapel, der einen Gas-Messfühler aufbaut, wird beispielsweise
hergestellt durch Stapeln von keramischen Schichten, die die entsprechenden
Schichten bilden, und thermischem Komprimieren oder Binden des Stapels
mit einem Haftmittel bzw. Klebemittel, gefolgt von einem Backen
bzw. Brennen für
den Zusammenschluss, wie beschrieben in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2002-340843. -
Allerdings
kann ein Unterschied in der Schrumpfung beim Backen zwischen den
einzelnen keramischen Schichten im obigen Verfahren dahingehend
ein Problem verursachen, dass eine Verzerrung oder Abtrennung in
den keramischen Schichten nach dem Backen bzw. Brennen verursacht
werden kann. Dies kann zu einer Verschlechterung der Abmessungsgenauigkeit
oder zu einer Verschlechterung der Qualität des Keramik-Stapels führen.
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Um
die Verzerrung oder Abtrennung der keramischen Schichten, die von
einem Backen herrührt,
abzuschwächen,
wurde ein Verfahren bereitgestellt, bei dem das Backen durch Anwenden
eines Gewichts bei den gestapelten keramischen Schichten durchgeführt wird.
Allerdings kann dieses Verfahren des gewaltsamen Abschwächens der
Verzerrung oder der Abtrennung durch Anwenden eines Gewichts dazu
führen,
dass die keramischen Schichten eine Restspannung bzw. Eigenspannung
erleiden, die einen Bruch in den keramischen Schichten induzieren
kann.
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Die
offengelegte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2002-286680 schlägt
die Verwendung gleicher Arten von keramischen Bestandteilen für das Aufbauen
einzelner Schichten eines Gas-Messfühlers vor, um im Wesentlichen
die gleiche Schrumpfung beim Backen und das gleiche Sinterverhalten
in den einzelnen Schichten zu erhalten, um auf diese Weise Verzerrung
oder Abtrennung, die von dem Backen herrührt, zu unterdrücken. Dieses Verfahren
kann allerdings nicht verwendet werden, wenn die keramischen Bestandteile
oder die erforderlichen Porositäten
zwischen den einzelnen Schichten unterschiedlich sind.
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Unter
derartigen Umständen
besteht ein Bedarf nach einem Verfahren für das Herstellen eines Keramik-Stapels,
der solche Defekte wie eine Verzerrung und Abtrennung mehrerer Arten
von keramischen Schichten unterdrücken kann, welche keramische
Schichten beispielsweise verschiedene keramische Bestandteile und
verschiedene Porositäten
besitzen, wie nach dem Backen erforderlich, und die den Keramik-Stapel
aufbauen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Lichte des oben beschriebenen Problems
bewerkstelligt und hat als Aufgabe das Bereitstellen eines Verfahrens
für das
Herstellen eines Keramik-Stapels, das beispielsweise Verzerrung,
Abtrennung oder Bruch unterdrücken
kann, was durch Stapeln und Backen für den Zusammenschluss mehrerer
Arten von keramischen Schichten verursacht werden kann.
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Für das Erreichen
der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung als einen Aspekt
bereit ein Verfahren des Herstellens eines einstückigen bzw. vereinigten Keramik-Stapels, der mehrere
Arten keramischer Schichten enthält.
Dieses Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt des Erhaltens,
einen Schritt des Auswählens,
einen Schritt des Bildens einer Schicht und einen Schritt des Backens.
Darunter wird im Schritt des Erhaltens eine Beziehung zwischen einer
Volumenmenge bzw. Volumenrate eines organischen Materials, das in
jeder der keramischen Schichten enthalten ist, und einer Schrumpfung
jeder der keramischen Schichten während eines Back-Vorganges
hiervon erhalten, wobei die Beziehung auf einem Fall basiert, bei
dem jede der keramischen Schichten hergestellt ist als ein Schichtmaterial,
in dem ein keramisches Material mit dem organischen Material in
einer bestimmten Menge vermischt ist, das Schichtmaterial geformt
wird, und danach das geformte Schichtmaterial bei einer bestimmten
Temperatur gebacken wird. Danach wird im Schritt des Auswählens die
Volumenmenge des organischen Materials, das in jeder der keramischen
Schichten enthalten ist, unter Verwendung der erhaltenen Beziehung
so ausgewählt,
dass alle der keramischen Schichten gewünschte Schrumpfungen besitzen,
die in einen bestimmten Bereich der Schrumpfung fallen, wenn die
mehreren Arten der keramischen Schichten gebacken werden. Im Schritt
des Bildens einer Schicht wird jedes der Schichtmaterialien hergestellt durch
Vermischen des organischen Materials mit dem keramischen Material
auf Grundlage der ausgewählten
Volumenmenge des organischen Materials, und die hergestellten Schichtmaterialien
werden zu den mehreren Arten von keramischen Schichten geformt.
Und im Schritt des Backens werden die mehreren Arten von keramischen
Schichten eine nach der anderen gestapelt, und die gestapelten keramischen
Schichten werden gebacken, um den einstückigen bzw. vereinigten Keramik-Stapel
herzustellen.
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Der
Keramik-Stapel, der in der vorliegenden Erfindung hergestellt wird,
wird beispielsweise erhalten durch Stapeln mehrerer keramischer
Schichten mit jeweils verschiedenen keramischen Bestandteilen und
unterschiedlicher Porosität,
die nach dem Backen erforderlich ist, und durch Backen dieser zur Vereinigung.
Beim Stapeln und vereinigenden Backen solcher mehrerer Arten keramischer
Schichten sollte eine Verzerrung oder Abtrennung, die durch das
Backen verursacht wird, unterdrückt
werden, und eine Eigenspannung bzw. Restspannung sollte verringert
werden, um keinen Bruch im Inneren zu verursachen. Zu diesem Zweck
ist es wichtig, so gut es geht die Back-Schrumpfung bzw. Schrumpfung
beim Backen zwischen den jeweiligen keramischen Schichten abzugleichen
bzw. abzustimmen.
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Die
keramischen Schichten vor dem Backen werden jeweils erhalten durch
Mischen von organischen Materialien wie Bindemitteln, Dispergiermitteln und
Weichmachern, in ein keramisches Material, und durch Formen der
Schichtmaterialien zu jeweiligen Schichten. Jede dieser keramischen
Schichten ist somit hauptsächlich
hergestellt aus anorganischen Materialien (keramische Materialien)
und organischen Materialien (beispielsweise Bindemittel, Dispergiermittel
und Weichmacher). Ein Backen solcher keramischer Schichten kann
verursachen, dass die organischen Materialien verbrennen, um Hohlräume bzw.
Poren zu hinterlassen, und andererseits kann verursacht werden,
dass die anorganischen Materialien umgebildet bzw. rekonstruiert
werden, wenn die Temperatur ansteigt, um die durch das Verbrennen der
organischen Materialien hinterlassenen Hohlräume zu verringern. Schließlich können die
keramischen Schichten im Verhältnis
zur Anzahl der Hohlräume
schrumpfen.
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Somit
ist die Back-Schrumpfung der keramischen Schichten verknüpft mit
dem Volumen der organischen Materialien, die vor dem Backen in den
jeweiligen keramischen Schichten enthalten sind, und die während des
Backens verbrannt werden, um Hohlräume zu hinterlassen.
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Für das Steuern
der Back-Schrumpfung der keramischen Schichten stellt die vorliegende
Erfindung die Volumenmenge der organischen Materialien (auch bezeichnet
als „organische
Volumenmenge"),
die in jeder keramischen Schicht enthalten sind, vor dem Backen
ein. Insbesondere wird die organische Volumenmenge der keramischen
Schichten vor dem Backen eingestellt in Anbetracht des Ermöglichens,
dass die einzelnen keramischen Schichten eine im Wesentlichen gleiche
gewünschte Back-Schrumpfung
besitzen, um Verzerrung, Abtrennung, Bruch und dergleichen der einzelnen
keramischen Schichten zu unterdrücken,
was ansonsten aus einem Backen resultieren würde.
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Weiter
im Besonderen wird im Schritt des Messens der Schrumpfung eine Beziehung
erhalten zwischen einer organischen Volumenmenge vor dem Backen
und einer Back-Schrumpfung
von jeder der keramischen Schichten nach Backen. Insbesondere wird
eine Schwankung in der Back-Schrumpfung
untersucht in Abhängigkeit
von der organischen Volumenmenge der keramischen Schicht. Im Schritt
des Auswählens
der organischen Volumenmenge wird die organische Volumenmenge jeder
der keramischen Schichten im Voraus ausgewählt auf Grundlage der Beziehung
zwischen der organischen Volumenmenge und der Back-Schrumpfung,
die im vorangehenden Schritt erhalten wurde, so dass alle keramischen
Schichten im Wesentlichen die gleiche gewünschte Back-Schrumpfung besitzen
können.
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Danach,
im Schritt des Formens der Schichten, werden mehrere Arten keramischer
Schichten hergestellt auf Grundlage der entsprechenden organischen
Volumenmengen, die vorangehend ausgewählt wurden. Die hergestellten,
mehrere Arten keramischer Schichten werden danach zur Vereinigung im
Schritt des Backens gestapelt und gebacken, um einen Keramik-Stapel
herzustellen.
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Wie
obenstehend beschrieben, wird gewährleistet, dass die im Schritt
des Formens von Schichten hergestellten Keramik-Schichten im Wesentlichen die gleiche
Schrumpfung beim Backen besitzen. Auf diese Weise können alle
der mehreren Arten von keramischen Schichten, nachdem sie im Schritt des
Backens zur Vereinigung gebacken und gestapelt wurden, im Wesentlichen
die gleiche Back-Schrumpfung besitzen, um Verzerrung, Abtrennung,
Bruch und dergleichen der keramischen Schichten zu unterdrücken, was
ansonsten aus einem Backen resultieren würde. Zusätzlich kann der zu erhaltende
Keramik-Stapel eine hohe Abmessungsgenauigkeit und eine hohe Qualität besitzen.
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Es
wird bevorzugt, dass die mehreren Arten von keramischen Schichten
eine die Porosität
einstellende Schicht aufweisen, bei der das keramische Material
gegeben ist als ein keramisches einstellendes Material, zusammengesetzt
aus einem Gemisch zweier Arten von Einstellungsmaterialien für das Einstellen
der Porosität,
wobei die beiden Arten von Einstellungsmaterialien unterschiedlich
sind bezüglich Partikeldurchmesser
und/oder Klopfdichte (tap density), und das Verfahren weiter umfasst:
einen weiteren Schritt des Erhaltens, in dem eine Beziehung zwischen
einem Mischungsverhältnis
der beiden Arten von Einstellungsmaterialien im keramischen einstellenden
Material und der Porosität
der die Porosität einstellenden
Schicht erhalten wird, wobei die Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis und
der Porosität
auf einem Fall basiert, bei dem die Porosität-einstellende Schicht, in
der das organische Material mit dem keramischen Einstellungsmaterial
in einer ausgewählten
Volumenmenge vermischt ist, gebacken bzw. gebrannt ist; einen weiteren
Schritt des Auswählens,
in dem das Mischungsverhältnis
der Einstellungsmaterialien gewählt
wird unter Verwendung der erhaltenen Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis und
der Porosität,
so dass die Porosität-einstellende
Schicht nach dem Backen eine gewünschte
Porosität
besitzt; und einen Schritt des Herstellens, in dem die beiden Arten
der Einstellungsmaterialen miteinander vermischt werden auf Grundlage
des ausgewählten
Mischungsverhältnisses,
um das keramische einstellende Material herzustellen, wobei der
herstellende Schritt für
das Herstellen des keramischen einstellenden Materials gefolgt wird
vom Schritt des Erhaltens für
das Erhalten der Beziehung zwischen der Volumenrate und der Schrumpfung,
wobei der Schritt des Auswählens
für das
Auswählen
der Volumenmenge so konfiguriert ist, um das Volumenverhältnis des
organischen Materials, das in jeder der keramischen Schichten enthalten
ist, auszuwählen
unter Verwendung der erhaltenen Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis und
der Schrumpfung, so dass alle der keramischen Schichten Schrumpfungen
besitzen, die in einen bestimmten Bereich fallen, in den die Schrumpfung
der Porosität-einstellenden
Schicht fällt,
wenn die mehreren Arten der keramischen Schichten gebacken werden.
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Insbesondere
verwendet die vorliegende Erfindung für das Steuern der Porosität-nach-Backen der
oben erwähnten
besonderen Porosität-einzustellenden
keramischen Schicht (auch bezeichnet als „Porosität-Einstellungs-Schicht") verschiedene eingestellte
keramische Materialien, die erhalten werden durch Vermischen zweier
Arten von Einstellungsmaterialien mit verschiedenen Partikelgrößen oder/und
verschiedenen Klopfdichten zu einem keramischen Material in verschiedenen
Verhältnissen, um
ein geeignetes Mischungsverhältnis
dieser beiden Arten von Einstellungsmaterialien auszuwählen.
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Weiter
im Besonderen werden der Schritt des Messens der Porosität-nach-Backen
und der Schritt des Auswählens
des Mischungsverhältnisses durchgeführt, um
im Voraus das Mischungsverhältnis der
Einstellungs-Materialien, die in dem eingestellten keramischen Material
enthalten sein sollen, das für die
Porosität-Einstellungs-Schicht
verwendet werden soll, auszuwählen,
so dass die Porosität-Einstellungs-Schicht
eine gewünschte
Porosität-nach-Backen
besitzen kann. Im nachfolgenden Schritt wird das eingestellte keramische
Material hergestellt auf Grundlage des ausgewählten Mischungsverhältnisses,
um als ein keramisches Material für die Porosität-Einstellungs-Schicht
verwendet zu werden.
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Auf
diese Weise kann die Porosität-Einstellungs-Schicht
nach dem Durchführen
des Schritts des Backens eine gewünschte Porosität besitzen.
Mit Bezug auf die Porosität-Einstellungs-Schicht
kann gewährleistet
werden, dass alle der keramischen Schichten im Wesentlichen die
gleiche Back-Schrumpfung
besitzen.
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Es
sollte verstanden werden, dass im Schritt des Auswählens der
organischen Volumenmenge die organische Volumenmenge für jede der
keramischen Schichten gewählt
wird unter Verwendung der Porosität-Einstellungs-Schicht als
Referenzschicht, die so hergestellt worden ist, dass sie die optional
ausgewählte
organische Volumenmenge besitzt, durch Verwenden des eingestellten
keramischen Materials, erhalten im Schritt des Herstellens eines
eingestellten keramischen Materials. Der Grund für das Verwenden der Porosität-Einstellungs-Schicht
als Referenzschicht ist der, dass die Porosität-nach-Backen der Porosität-Einstellungs-Schicht vorher eingestellt worden
ist, und dass die Back-Schrumpfung
der jeweiligen Schichten auf die der Porosität-Einstellungs-Schicht eingestellt ist.
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Es
wird bevorzugt, dass die mehreren Arten von keramischen Schichten
aufweisen eine Profil-Einstellungs-Schicht für das Einstellen eines Profils,
das ein Verhalten der Schrumpfung beim Backen anzeigt, und das ausgedrückt wird
durch eine Beziehung zwischen einer Back-Temperatur und der Schrumpfung,
wobei die Profil-Einstellungs-Schicht ein zersetztes keramisches
Material verwendet, hergestellt durch Zersetzen von granulierten
keramischen Pulvern über
eine bestimmte Zeitdauer, die granulierten keramischen Pulver erzeugt
werden durch Granulieren des keramischen Materials, und das Verfahren
weiter umfasst: einen weiteren Schritt des Erhaltens, der dem Schritt
des Auswählens
für das
Auswählen
der Volumenmenge des organischen Materials folgt, in dem, wenn die
Profil-Einstellungs-Schicht gebacken wird, das Profil erhalten wird für jede Zersetzungs-Zeit,
während
der die granulierten keramischen Pulver der Zersetzung ausgesetzt werden;
einen weiteren Schritt des Auswählens,
in dem auf Grundlage einer Beziehung zwischen dem erhaltenen Profil
und der Zersetzungsdauer eine Zersetzungsdauer für die granulierten keramischen
Pulver so ausgewählt
wird, dass sich das Profil der Profil-Einstellungs-Schicht sich
am besten an ein Profil der Schrumpfung einer keramischen Schicht
annähert,
die anders als die Profil-Einstellungs-Schicht gewählt ist;
und einen Schritt des Herstellens, in dem auf Grundlage der gewählten Zersetzungsdauer
die granulierten keramischen Pulver zersetzt werden, um das zersetzte
keramische Material herzustellen, wobei der Schicht-bildende Schritt,
der dem Schritt des Herstellens für das Herstellen eines zersetzten keramischen
Materials folgt, so konfiguriert ist, dass die keramischen Schichten
so geformt werden, dass die Profil-Einstellungs-Schicht als das
keramische Material hierfür
das zersetzte keramische Material verwendet, hergestellt im herstellenden
Schritt für das
Herstellen des zersetzten keramischen Materials.
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Insbesondere,
für das
Steuern des Profils der Schrumpfung beim Backen (auch bezeichnet
als „Back-Schrumpfungs-Profil") der oben erwähnten besonderen
keramischen Schichten, die im Profil eingestellt werden sollen (auch
bezeichnet als „Profil-Einstellungs-Schicht(en)"), verwendet die
vorliegende Erfindung zersetzte keramische Materialien, erhalten durch
Zersetzen granulierter keramischer Pulver. Die Zeitdauer des Zersetzens
der einzelnen granulierten keramischen Materialien wird eingestellt.
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Weiter
im Besonderen werden der Schritt des Messens des Profils für jede Zersetzungs-Zeitdauer
und der Schritt des Auswählens
der Zersetzungs-Zeitdauer durchgeführt, um im Voraus eine Zersetzungs-Zeitdauer
für jedes
der granulierten keramischen Pulver so auszuwählen, dass das Back-Schrumpfungs-Profil
jeder Profil-Einstellungs-Schicht sich maximal dem Back-Schrumpfungs-Profil
der optional ausgewählten
keramischen Schicht annähern
kann (die der oben beschriebenen Porosität-Einstellungs-Schicht entspricht).
Im Schritt des Herstellens eines zersetzten keramischen Materials
werden eingestellte keramische Materialien hergestellt auf Grundlage
der ausgewählten
Zersetzungs-Zeitdauern, zur Verwendung als keramische Materialien
für die
jeweiligen Profil-Einstellungs-Schichten.
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Die
Granulierung jedes der keramischen Materialien kann das granulierte
keramische Pulver erzeugen, das aus agglomeriertem Pulver besteht,
in dem feine Partikel aus keramischem Material mit kleiner Partikelgröße agglomeriert
sind. Das agglomerierte Pulver wird danach zersetzt, und der Grad
der Zersetzung kann die Back-Schrumpfung jeder der Profil-Einstellungs-Schichten
einstellen. Insbesondere kann der Grad der Zersetzung Wirkungen
ergeben, wenn die Schichten bei geringer Temperatur gebacken werden
(um 1200 °C),
und kann die Schrumpfung beim Backen verändern.
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Auf
diese Weise können
die Back-Schrumpfungs-Profile aller keramischen Schichten, einschließlich der
Profil-Einstellungs-Schicht,
weiter angenähert
werden. Zur gleichen Zeit kann gewährleistet werden, dass die
Back-Schrumpfung
aller keramischen Schichten im Wesentlichen die gleiche ist. Auf diese
Weise können
Verzerrung, Abtrennung, Bruch und dergleichen, die aus einem Backen
resultieren können,
weiter unterdrückt
werden. Ebenso kann der Keramik- Stapel,
der erhalten werden soll, eine höhere
Abmessungsgenauigkeit und eine höhere
Qualität aufweisen.
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Es
sollte verstanden werden, dass die Zersetzung jedes granulierten
keramischen Pulvers durchgeführt
werden kann durch Verwenden von beispielsweise einer Kugelmühle. In
diesem Fall braucht nur ein Lösungsmittel
in das granulierte keramische Pulver gemischt werden, oder organische
Materialien wie Bindemittel können
zusätzlich
vermischt werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die mehreren Arten keramischer Schichten einschließen eine
Profil-Einstellungs-Schicht für
das Einstellen eines Profils, das das Verhalten der Schrumpfung
während
des Backens anzeigt und ausgedrückt
wird durch eine Beziehung zwischen einer Back-Temperatur und der Schrumpfung,
wobei die Profil-Einstellungs-Schicht ein zersetztes keramisches
Material verwendet, hergestellt durch Zersetzen von granulierten
keramischen Pulvern über
eine bestimmte Zeitdauer, wobei die granulierten keramischen Pulver
erzeugt werden durch Granulieren des keramischen Materials, und das
Verfahren weiter umfasst: einen weiteren Schritt des Erhaltens,
der dem Schritt des Auswählens
für das
Auswählen
der Volumenmenge des organischen Materials folgt, in dem, wenn die
Profil-Einstellungs-Schicht
gebacken wird, das Profil für
jede Zersetzungszeit erhalten wird, während der die granulierten
keramischen Pulver der Zersetzung ausgesetzt werden; einen weiteren
Schritt des Auswählens,
in dem auf Basis einer Beziehung zwischen dem erhaltenen Profil
und der Zersetzungsdauer eine Zersetzungsdauer für die granulierten keramischen
Pulver so ausgewählt
wird, dass sich das Profil der Profil-Einstellungs-Schicht am besten
einem Profil der Schrumpfung der Porosität-Einstellungs-Schicht annähert; und
einen Schritt des Herstellens, in dem auf Basis der ausgewählten Zersetzungsdauer
die granulierten keramischen Pulver zersetzt werden, um das zersetzte
keramische Material herzustellen, wobei der Schicht-bildende Schritt,
der dem Schritt des Herstellens für das Herstellen von zersetztem
keramischen Material folgt, so konfiguriert ist, dass er die keramischen
Schichten so bildet, dass die Profil-Einstellungs-Schicht als das
keramische Material hierfür
das zersetzte keramische Material verwendet, das im herstellenden
Schritt für
das Herstellen des zersetzten keramischen Materials hergestellt
wurde.
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Insbesondere, ähnlich der
oben beschriebenen Art und Weise, verwendet die vorliegende Erfindung
für das
Steuern des Back-Schrumpfungs-Profils der Profil-Einstellungs-Schichten
zersetzte keramische Materialien, erhalten durch Zersetzen von granulierten
keramischen Pulvern. Die Zeitdauer des Zersetzens der einzelnen
granulierten keramischen Materialien wird eingestellt.
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Weiter
im Besonderen werden der Schritt des Messens des Profils für jede Zersetzungs-Zeitdauer
und der Schritt des Auswählens
der Zersetzungs-Zeitdauer durchgeführt, um im Voraus eine Zersetzungs-Zeitdauer
für jedes
der granulierten keramischen Pulver auszuwählen, so dass sich das Back-Schrumpfungs-Profil
jeder Profil-Einstellungs-Schicht
maximal dem Back-Schrumpfungs-Profil der Porositäts-Einstellungs-Schicht annähern kann.
Im Schritt des Herstellens von zersetztem keramischen Material werden
eingestellte keramische Materialien hergestellt auf Basis der ausgewählten Zersetzungs-Zeitdauern,
zur Verwendung als keramische Materialien für die jeweiligen Profil-Einstellungs-Schichten.
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Auf
diese Weise können
die Back-Schrumpfungs-Profile von allen keramischen Schichten, einschließlich der
Profil-Einstellungs-Schicht,
weiter angenähert
werden. Zur gleichen Zeit kann gewährleistet werden, dass die
Back-Schrumpfung
von allen keramischen Schichten im Wesentlichen die gleiche ist. Auf
diese Weise kann eine Verzerrung, eine Abtrennung und ein Bruch
und dergleichen, der aus einem Backen resultieren kann, weiter unterdrückt werden. Ebenso
kann der zu erhaltende Keramik-Stapel eine höhere Abmessungsgenauigkeit
und eine höhere Qualität aufweisen.
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Es
sollte verstanden werden, dass im Schritt des Auswählens der
Zersetzungs-Zeitdauer das Back-Schrumpfungs-Profil der Porosität-Einstellungs-Schicht
verwendet wird als Referenzprofil, um die Zersetzungs-Zeitdauern
der granulierten keramischen Pulver für die jeweiligen Profil-Einstellungs-Schichten
auszuwählen.
Der Grund für
das Verwenden des Back-Schrumpfungs-Profils der Porosität-Einstellungs-Schicht
als ein Referenzprofil ist der, dass die Porosität-nach-Backen der Porosität-Einstellungs-Schicht vorher eingestellt
worden ist, und dass die Back-Schrumpfung
der jeweiligen Schichten auf die der Porosität-Einstellungs-Schicht eingestellt wird.
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Vorzugsweise
werden die granulierten keramischen Pulver hergestellt durch Granulieren
des keramischen Materials auf Grundlage der Sprüh-Trocknungs-Technik.
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Die
Verwendung der Sprüh-Trocknungs-Technik
kann die Granulierung jedes der keramischen Materialien erleichtern
und kann die Einstellung des Agglomerationsgrades des keramischen Materials
im granulierten keramischen Pulver ermöglichen. Auf diese Weise kann
eine Genauigkeit erreicht werden in der Einstellung des Back-Schrumpfungs-Profils
der keramischen Schicht.
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Es
sollte verstanden werden, dass jedes Verfahren verwendet werden
kann für
das Herstellen der granulierten keramischen Pulver, solange das
Verfahren den Agglomerationsgrad der keramischen Materialien steuern
kann.
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Vorzugsweise
ist der Schicht-formende Schritt so konfiguriert, dass die keramischen
Schichten hergestellt werden durch Formen der Sitzmaterialien (seat
materials) auf Basis einer Rakeltechnik (doctor-blade technique).
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Die
Verwendung der Rakeltechnik kann Defekte wie Hohlräume in den
keramischen Schichten nach Backen verringern, was zu einer Verstärkung der
Festigkeit der keramischen Schichten nach Backen führen kann,
und weiter kann eine Verbesserung der Stabilität des zu erhaltenden Keramik-Stapels
erhalten werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die Schrumpfungen der mehreren Arten keramischer
Schichten, die dem Back-Schritt ausgesetzt werden, eine maximale Schrumpfung
und eine minimale Schrumpfung besitzen, wobei ein Unterschied zwischen
der maximalen und der minimalen Schrumpfung innerhalb von 1 % liegt.
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Dies
kann eine ausreichende Unterdrückung von
Verzerrung, Abtrennung und Bruch und dergleichen der keramischen
Schichten, was aus einem Backen resultieren kann, unterdrücken. Auf
diese Weise kann der zu erhaltende Keramik-Stapel eine höhere Abmessungsgenauigkeit
und eine höhere
Qualität besitzen.
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Vorzugsweise
wird der Keramik-Stapel als ein Element für das Abfühlen eines Gases verwendet.
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Die
Verwendung des Keramik-Stapels als Gas-Messfühler kann auf markantere Weise
die Ausübung
der hervorragenden Eigenschaften des Keramik-Stapels ermöglichen,
d.h. höhere
Abmessungsgenauigkeit und höhere
Qualität,
wie obenstehend erwähnt.
Insbesondere im Licht der Tatsache, dass die Miniaturisierung in
letzter Zeit zunehmend vorangeschritten ist und dass die Gasfühler in
letzter Zeit unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden, ist
es bei den Gasfühlern
nun erforderlich, dass sie eine höhere Abmessungsgenauigkeit
und Beständigkeit
aufweisen. Die Anwendung des Keramik-Stapels von hoher Qualität bei einem
Gas-Messfühler
kann eine Miniaturisierung des Gasfühlers realisieren, und zur
gleichen Zeit kann ein Gasfühler
mit exzellenter Beständigkeit
bereitgestellt werden.
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Kurzbeschreibung der beigefügten Zeichnungen:
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1 ist
eine bildliche Darstellung, die die Prozesse für das Herstellen eines Keramik-Stapels gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 ist
eine graphische Auftragung, die ein Mischungsverhältnis von
Aluminiumoxidpulvern „a" und „b" in einem gemischten
Aluminiumoxid-Pulver relativ zur Porosität einer Diffusionsschicht veranschaulicht,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine graphische Auftragung, die eine organische Volumenmenge in
jeder keramischen Schicht relativ zur Back-Schrumpfung veranschaulicht, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine graphische Auftragung, die ein Profil der Back-Schrumpfung
einer Fühlerschicht
veranschaulicht, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine graphische Auftragung, die ein Profil der Back-Schrumpfung
einer Führungsschicht (duct
sheet) veranschaulicht, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine graphische Auftragung, die Profile der Back-Schrumpfung einzelner
keramischer Schichten veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein Entwicklungsdiagramm, das eine Struktur eines Gas-Messfühlers darstellt,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Struktur eines Gas-Messfühlers darstellt,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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9A bis 9D sind
Darstellungen, die jeweils beschreibende Schritte des Erzeugens
eines Keramik-Stapels darstellen, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen wird nun ein Verfahren für das Herstellen eines Keramik-Stapels
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die
vorliegende Ausführungsform
ist ein Beispiel, in dem das Verfahren für das Herstellen eines Keramik-Stapels
angewandt wurde bei einem Verfahren für das Herstellen eines Gas-Messfühlers, der in
einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Fühler eingefügt ist,
verwendet für
das Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Motors von beispielsweise
einem Fahrzeug.
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Zunächst folgt
eine Kurzbeschreibung bezüglich
eines Gas-Messfühlers (Keramik-Stapel) 1, der
in der vorliegenden Ausführungsform
hergestellt wird.
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Wie
in 8 gezeigt, wird der Gas-Messfühler 1 aufgebaut durch
Stapeln mehrerer keramischer Schichten in der Reihenfolge einer
Schild-Schicht 11, einer Diffusionsschicht 12,
einer Fühlerschicht 13,
einer Führungsschicht 14 und
einer Erwärmungsschicht 15.
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Wie
in 7 und 8 gezeigt, ist die Fühlerschicht 13 auf
ihrer Oberfläche,
die der Diffusionsschicht 12 gegenüberliegt, mit einer Elektrode 16 auf der
Seite eines zu messenden Gases, einem Führungsteil 161, verbunden
mit der Elektrode 16, und einem Anschlussteil 162 versehen.
Die Fühlerschicht 13 ist
auch auf ihrer Oberfläche,
die der Führungsschicht 14 gegenüberliegt,
mit einer Elektrode 17 auf der Seite eines Referenzgases,
einem Führungsteil 171,
verbunden mit der Elektrode 17, und einem Anschlussteil 172 versehen.
Der Anschlussteil 172 ist elektrisch leitfähig mit
einem Anschlussteil 173 über einen Leiter, der in einem
Durchgangsloch 130 gefüllt ist,
wobei der Anschlussteil 173 auf der Oberfläche, die
der Diffusionsschicht 12 gegenüberliegt, bereitgestellt ist.
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Ebenso,
wie in 7 und 8 gezeigt, ist ein Furchenteil 141 in
der Führungsschicht 14 erzeugt,
um als eine Referenzgas-Kammer 140 zu funktionieren. Die
Referenzgas-Kammer 140 ist konfiguriert, um Außenluft
einzuführen,
beispielsweise als Referenzgas.
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Die
Erwärmungsschicht 15 ist
auf ihrer Oberfläche,
die der Führungsschicht 14 gegenüberliegt, mit
einem Erwärmungselement 19,
das bei Zuführung
von elektrischer Energie Wärme
erzeugt, und einem Führungsteil 191 für das Zuführen von
elektrischer Energie zu dem Erwärmungselement 19 versehen.
Des Weiteren ist ein Anschlussteil 192 bereitgestellt auf
einer Oberfläche,
die eine hintere Fläche
der Oberfläche
ist, die mit dem Erwärmungselement 19 und
dem Führungsteil 191 versehen
ist. Der Anschlussteil 192 und der Führungsteil 191 sind
miteinander elektrisch leitfähig über einen
Leiter, der in einem Durchgangsloch 150 gefüllt ist.
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Die
Diffusionsschicht 12 besitzt eine Permeabilität gegenüber Gasen
und ist hergestellt aus einer Aluminiumoxidkeramik mit einer Porosität von 14,6 ± 0,6 %.
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Die
Fühlerschicht 13 ist
ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionen-Leitfähigkeit und ist hergestellt
aus dichter Zirkoniumoxidkeramik mit einer Porosität von 2
% oder weniger.
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Die
Führungsschicht 14 ist
hergestellt aus dichter Aluminiumoxidkeramik mit einer Porosität von 2
% oder weniger.
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Die
Schild-Schicht 11 und die Erwärmungsschicht 15 sind
im Wesentlichen hergestellt aus dem gleichen Material wie die Führungsschicht 14.
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Nachstehend
wird ein Verfahren für
das Herstellen des Gas-Messfühlers (Keramik-Stapel) 1 beschrieben.
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Beim
Herstellen des Gas-Messfühlers 1 werden
zunächst
Schichtmaterialien bereitgestellt durch Mischen von organischen
Materialien wie Bindemittel, Dispergiermittel und Weichmacher, in
ein keramisches Material. Die Schichtmaterialien werden danach jeweils
zu den keramischen Schichten 11 bis 15 geformt,
die die jeweiligen Schichten strukturieren. Insbesondere stellt
die vorliegende Ausführungsform die
Schild-Schicht 11 bereit, die als eine Schild-Schicht dient,
die Diffusionsschicht 12, die als Diffusionsschicht dient,
die Fühlerschicht 13,
die als eine Fühlerschicht
dient, und die Führungsschicht 14,
die als eine Führungsschicht
dient.
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Diese
mehreren Arten von keramischen Schichten 11 bis 15 mit
unterschiedlichen keramischen Bestandteilen und verschiedenen Porositäten, wie
nach dem Backen erforderlich, werden zur Vereinigung gestapelt und
gebacken, um den Gas-Messfühler 1 herzustellen.
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Insbesondere,
wie in 1 gezeigt, werden durchgeführt mindestens ein Teilschritt
S21 des Messens der Schrumpfung, ein Teilschritt S22 des Auswählens der
organischen Volumenmenge, ein Teilschritt S41 des Erzeugens von
Schichten und ein Teilschritt S42 des Backens.
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Im
Teilschritt S21 wird eine Beziehung erhalten zwischen den organischen
Volumenmengen der keramischen Schichten 11 bis 15 vor
dem Backen und den Back-Schrumpfungen der keramischen Schichten 11 bis 15,
die aus dem Gebackenwerden bei einer bestimmten Temperatur im Schritt
des Backens resultieren.
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Im
Teilschritt S22 werden die organischen Volumenmengen der keramischen
Schichten 11 bis 15 so ausgewählt, dass alle keramischen
Schichten 11 bis 15 im Wesentlichen die gleiche Schrumpfung beim
Backen, wie gewünscht,
aufweisen, auf Grundlage der Beziehung zwischen den organischen
Volumenmengen und den Back-Schrumpfungen, die im Teilschritt S21
erhalten worden ist.
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Im
Teilschritt S41 werden die organischen Materialien in ein keramisches
Material gemischt auf Grundlage der organischen Volumenmenge, die
im Teilschritt S22 ausgewählt
wurden, um Schichtmaterialien für
die entsprechenden keramischen Materialien 11 bis 15 bereitzustellen.
Diese Schichtmaterialien werden dann jeweils zu den keramischen
Schichten 11 bis 15 geformt.
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Im
Teilschritt S42 werden die keramischen Schichten 11 bis 15 zur
Vereinigung gestapelt und gebacken, um den Keramik-Stapel 1 herzustellen.
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Weitere
Einzelheiten finden sich nachstehend.
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Unter
den herzustellenden keramischen Schichten 11 bis 15 wird
gewährleistet,
dass die Diffusionsschicht 12 oder eine Diffusionsschicht
eine Porosität
nach Backen besitzt, die innerhalb des Bereiches von 14,6 ± 0,6 %
fällt.
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Zu
diesem Zweck, wie in 1 gezeigt, wird ein Schritt
S1 durchgeführt,
um die Porosität-nach-Backen
bei der Diffusionsschicht 12 einzustellen. Schritt S1 enthält einen
Teilschritt S11 des Messens der Porosität, einen Teilschritt S12 des
Auswählens
eines Mischungsverhältnisses
und einen Teilschritt S13 des Erzeugens eines eingestellten keramischen
Materials, und diese Teilschritte werden in dieser Reihenfolge durchgeführt. Auf
diese Weise wird das keramische Material für die Diffusionsschicht 12 im
Voraus in Anbetracht dessen eingestellt, dass die Porosität-nach- Backen bei der Diffusionsschicht 12 auf
einen gewünschten
Wert eingestellt wird.
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<Teilschritt
S11 des Messens der Porosität>
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Ein
keramisches Material wird hergestellt für die Diffusionsschicht 12,
deren Porosität-nach-Backen
eingestellt werden soll.
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In
diesem Teilschritt wird ein gemischtes Aluminiumoxidpulver (eingestelltes
keramisches Material) als das keramische Material für die Diffusionsschicht 12 verwendet.
Das gemischte Aluminiumoxidpulver wird erhalten durch Vermischen
zweier Arten von Aluminiumoxidpulvern „a" und „b" (Einstellungsmaterialien) mit unterschiedlichen
Partikelgrößen und
Klopfdichten. In der vorliegenden Ausführungsform hat das Aluminiumoxidpulver „a" einen mittleren
Partikeldurchmesser von 0,3 μm
und eine Klopfdichte von 1,40 g/cc, und das Aluminiumoxidpulver „b" hat einen mittleren
Partikeldurchmesser von 0,4 μm
und eine Klopfdichte von 0,81 g/cc.
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Die
vorliegende Ausführungsform
verwendet die beiden Einstellungsmaterialien, die unterschiedlich
sind sowohl im Partikeldurchmesser, als auch in der Klopfdichte.
Allerdings können
die beiden Einstellungsmaterialien auch allein im mittleren Partikeldurchmesser,
oder allein in der Klopfdichte unterschiedlich sein.
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Danach
werden verschiedene Diffusionsschichten 12 mit organischen
Materialien bei einer Volumenmenge von 50 % hergestellt unter Verwendung
der gemischten Aluminiumoxidpulver mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen
der Aluminiumoxidpulver „a" und „b". Danach werden Porositäten dieser
Diffusionsschichten 12, erhalten nach dem Gebackenwerden
im Schritt des Backens, gemessen. Es sollte verstanden werden, dass
die organischen Volumenmengen der Diffusionsschichten 12 optional
ausgewählt
werden.
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Auf
diese Weise, wie in 2 gezeigt, wird eine Beziehung
erhalten zwischen dem Mischungsverhältnis der Aluminiumoxidpulver „a" und „b" und der Porosität nach Backen.
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<Teilschritt
S12 des Auswählens
des Mischungsverhältnisses>
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Nachfolgend,
basierend auf der Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis und
der Porosität nach
Backen (siehe 2), erhalten im Teilschritt S11,
wird das Mischungsverhältnis
der Aluminiumoxidpulver „a" und „b" so ausgewählt, dass
die Porosität-nach-Backen
der Diffusionsschicht 12 innerhalb des Bereiches von 14,6 ± 0,6 %
fallen kann.
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Wie
aus 2 ersichtlich, gewährleistet das Mischungsverhältnis 2:8,
dass die Porosität-nach-Backen
innerhalb des obigen Bereiches fällt.
Auf diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform das Mischungsverhältnis der
Aluminiumoxidpulver „a" und „b" so gewählt, dass
es 2:8 ist.
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<Teilschritt
S13 des Herstellens eines eingestellten keramischen Materials>
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Nachfolgend,
basierend auf dem im Schritt S12 gewählten Mischungsverhältnis, werden
die Aluminiumoxidpulver „a" und „b" im Verhältnis 2:8
gemischt, um ein gemischtes Aluminiumoxidpulver M12 herzustellen
(eingestelltes keramisches Material).
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Es
sollte verstanden werden, dass in einem späteren Schritt dieses gemischte
Aluminiumoxidpulver M12, das in diesem Teilschritt hergestellt wurde, als
das keramische Material für
die Diffusionsschicht 12 verwendet wird.
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Danach,
wie in 1 gezeigt, wird ein Schritt S2 durchgeführt, um
die Back-Schrumpfung der keramischen Schichten 11 bis 15 einzustellen.
Schritt S2 enthält
den Teilschritt S21 des Messens der Back-Schrumpfung und den Teilschritt
S22 des Auswählens
einer organischen Volumenmenge, und diese Teilschritte werden in
dieser Reihenfolge durchgeführt.
Auf diese Weise, der Einstellung der Porosität-nach-Backen der Diffusionsschicht 12 nachfolgend,
wird die organische Volumenmenge für jede der keramischen Schichten 11 bis 15 im
Voraus ausgewählt,
in Anbetracht des Abstimmens der Back-Schrumpfung zwischen den keramischen Schichten 11 bis 15.
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Es
sollte verstanden werden, dass die Schild-Schicht 11 und
die Erwärmungsschicht 15 im Wesentlichen
aus dem gleichen keramischen Material wie die Führungsschicht 14 hergestellt
sind. Schritt S2 der vorliegenden Ausführungsform wird daher durchgeführt, um
die Back-Schrumpfung der Diffusionsschicht 12, der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 abzustimmen.
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<Teilschritt
S21 des Messens der Schrumpfung>
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Keramische
Materialien für
die keramischen Schichten 12 bis 14 werden zuerst
hergestellt.
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In
diesem Teilschritt wird das gemischte Aluminiumoxidpulver M12, hergestellt
im Teilschritt S13, als das keramische Material für die Diffusionsschicht 12 verwendet.
Ein Zirkoniumoxidpulver mit fester Yttriumoxidlösung wird beispielsweise als
das keramische Material für
die Fühlerschicht 13 verwendet. Ebenso
wird ein Aluminiumoxidpulver „c" mit einem kleinen
mittleren Partikeldurchmesser und einer hohen Klopfdichte als das
keramische Material für
die Führungsschicht 14 verwendet.
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Unter
Verwendung der oben erwähnten
keramischen Materialien werden verschiedene keramische Schichten
mit unterschiedlichen organischen Volumenmengen hergestellt für jede der
keramischen Schichten 12 bis 14. Die Back-Schrumpfung jeder
dieser keramischen Schichten 12 bis 14 wird unter
der Bedingung gemessen, dass ein Backen bei einer bestimmten Temperatur
im Schritt des Backens durchgeführt
wird. In der vorliegenden Ausführungsform
beträgt
die Temperatur beim Backen 1460 °C.
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Wie
in 3 gezeigt, wird eine Beziehung erhalten zwischen
der organischen Volumenmenge und der Back-Schrumpfung für jede der keramischen Schichten 12 bis 14. 3 zeigt
ungefähre
Linien der gemessenen Werte für
die jeweiligen keramischen Schichten.
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<Teilschritt
S22 des Auswählens
der organischen Volumenmenge>
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Nachfolgend,
basierend auf der Beziehung zwischen der organischen Volumenmenge
und der Back-Schrumpfung (siehe 3), erhalten
für jede der
keramischen Schichten im Teilschritt S21, wird eine organische Volumenmenge
von jeder der keramischen Schichten 12 bis 14 so
ausgewählt,
dass die keramischen Schichten 12 bis 14 alle
im Wesentlichen die gleiche Back-Schrumpfung, wie gewünscht, besitzen
können.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Diffusionsschicht 12 mit organischen Materialen in
einer Volumenmenge von 50 % die unter Verwendung des gemischten
Aluminiumoxidpulvers M12 hergestellt worden ist, als eine Referenzschicht
verwendet, und die Back-Schrumpfung jeder der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 wird
auf die Referenzschicht eingestellt. Der Grund für das Verwenden der Diffusionsschicht 12 als
Referenzschicht ist der, dass die Porosität-nach-Backen der Diffusionsschicht 12 vorher
eingestellt worden ist, und dass die Back-Schrumpfung der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 auf
die der Diffusionsschicht 12 eingestellt wird.
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Wie
aus 3 ersichtlich, beträgt die Back-Schrumpfung der
Referenzdiffusionsschicht 12 18 %. Demgemäß wird in
der vorliegenden Ausführungsform
die organische Volumenmenge der Fühlerschicht 13 so
ausgewählt,
dass sie 38,5 % beträgt, und
die der Führungsschicht 14 wird
so ausgewählt, dass
sie 39 % beträgt,
so dass die Back-Schrumpfung von 18 % gewährleistet werden kann. Natürlich beträgt die Rate
des organischen Volumens der Diffusionsschicht 12 50 %.
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Danach
wird ein Schritt S3 von 1 durchgeführt, um die Back-Schrumpfungs-Profile
der keramischen Schichten 11 bis 15 einzustellen.
Schritt S3 enthält
einen Teilschritt S31 des Messens eines Profils für jede Zeitdauer
der Zersetzung, einen Teilschritt S32 des Auswählens einer Zersetzungs-Zeitdauer
und einen Teilschritt S33 des Herstellens eines zersetzten keramischen
Materials, und diese Teilschritte werden in dieser Reihenfolge durchgeführt. Auf
diese Weise, nachfolgend der Einstellung der Porosität-nach-Backen
der Diffusionsschicht 12, und dem Anpassen der Back-Schrumpfung
der keramischen Schichten 11 bis 15, werden die
keramischen Materialien für
die keramischen Schichten im Voraus eingestellt, in Anbetracht des
Angleichens der Back-Schrumpfungs-Profile.
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Es
sollte verstanden werden, dass wie im Schritt S2 des Einstellens
der Back-Schrumpfung der Schritt S3 des Angleichens der Profile
durchgeführt wird
unter Aussetzen der Diffusionsschicht 12, der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 (die Schild-Schicht
und die Erwärmungsschicht 11 und 15 sind
im Wesentlichen hergestellt aus dem gleichen keramischen Material
wie die Führungsschicht 14). Es
sollte verstanden werden, dass die Diffusionsschicht 12,
die mit dem gemischten Aluminiumoxidpulver M12 hergestellt worden
ist und die organischen Materialien in einer Volumenmenge von 50
% besitzt, verwendet wird als Referenzschicht für das Abstimmen der Back-Schrumpfungs-Profile
der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14.
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<Teilschritt
S31 des Messens eines Profils für
jede Zeitdauer>
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Die
keramischen Materialien für
die Fühlerschicht 13 und
die Führungsschicht 14 werden
zuerst hergestellt.
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In
diesem Teilschritt ist das keramische Material, verwendet für die Fühlerschicht 13,
ein zersetztes Zirkoniumoxidpulver (zersetztes keramisches Pulver),
erhalten durch Granulieren von Zirkoniumoxidpulver unter Verwendung
einer Sprüh-Trocknungs-Technik,
einem Entfetten (degreasing) des granulierten Zirkoniumoxidpulvers
(granuliertes keramisches Pulver), gefolgt von einem Vermischen
eines Lösungsmittels,
und Zersetzen des resultierenden Stoffes unter Verwendung einer
Kugelmühle. Das
keramische Material, das für
die Führungsschicht 14 verwendet
wird, ist ein zersetztes Aluminiumoxidpulver (zersetztes keramisches
Pulver), erhalten durch Granulieren eines Aluminiumoxidpulvers „c" unter Verwendung
einer Sprüh-Trocknungs-Technik,
einem Entfetten des granulierten Aluminiumoxidpulvers (granuliertes
keramisches Pulver), gefolgt von einem Vermischen eines Lösungsmittels,
und Zersetzen des resultierenden Stoffes unter Verwendung einer
Kugelmühle.
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Nachfolgend
wird jedes des granulierten Zirkoniumoxidpulvers und des granulierten
Aluminiumoxidpulvers über
verschiedene Zeitdauern zersetzt. Die verschiedenen zersetzten Zirkoniumoxid-
und Aluminiumoxidpulver, die auf diese Weise unter Verwendung von
verschiedenen Zersetzungs-Zeitdauern erhalten wurden, werden jeweils
zu verschiedenen Fühlerschichten 13 und
Führungsschichten 14 geformt.
In diesem Fall wird gewährleistet,
dass die organischen Volumenmengen der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 jeweils
38,5 % und 39 % sind, wie ausgewählt
im Teilschritt S22. Danach werden die Back-Schrumpfungs-Profile
für die
Fühlerschichten 13 und
die Führungsschichten 14 unter
der Bedingung gemessen, dass diese Schichten 13 und 14 im
Schritt des Backens gebacken werden.
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Auf
diese Weise, wie in 4 gezeigt, wird eine Beziehung
erhalten zwischen den Back-Schrumpfungs-Profilen und den Zersetzungs-Zeitdauern
(24 und 48 h) des granulierten Zirkoniumoxidpulvers, das in den
Fühlerschichten 13 einbezogen
ist. Ebenso, wie in 5 gezeigt, wird eine Beziehung
erhalten zwischen den Back-Schrumpfungs-Profilen und den Zersetzungs-Zeitdauern
(8 h und 48 h) des granulierten Aluminiumoxidpulvers, einbezogen
in den Führungsschichten 14.
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<Teilschritt
S32 des Auswählens
der Zersetzungs-Zeitdauer>
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Danach,
basierend auf den Beziehungen zwischen den Back-Schrumpfungs-Profilen und den Zersetzungs-Zeitdauern
(siehe 4 und 5), erhalten im Teilschritt
S31, werden die Zersetzungs-Zeitdauern des jeweiligen granulierten
Zirkoniumoxidpulvers und granulierten Aluminiumoxidpulvers so ausgewählt, dass
sich die Back-Schrumpfungs-Profile der Fühlerschicht 13 und
der Führungsschicht 14 jeweils
an das der Referenzdiffusionsschicht 12 annähern.
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Wie
aus 4 und 5 ersichtlich, beträgt die für das granulierte
Zirkoniumoxidpulver in der vorliegenden Ausführungsform ausgewählte Zeitdauer 24
h, und die für
das granulierte Aluminiumoxidpulver beträgt 8 h.
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<Teilschritt
S33 des Herstellens eines zersetzten keramischen Materials>
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Nachfolgend,
basierend auf der im Teilschritt S32 ausgewählten Zersetzungs-Zeitdauer,
wird das granulierte Zirkoniumoxidpulver, erhalten durch Granulieren
des Zirkoniumoxidpulvers, für
24 h zersetzt, um ein zersetztes Zirkoniumoxidpulver M13 herzustellen
(zersetztes keramisches Material). Auf ähnliche Weise wird auf Grundlage
der im Teilschritt S32 ausgewählten
Zersetzungs-Zeitdauer
das granulierte Aluminiumoxidpulver, erhalten durch Granulieren
des Aluminiumoxidpulvers „c", für 8 h zersetzt,
um ein zersetztes Aluminiumoxidpulver M14 herzustellen (zersetztes
keramisches Material).
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In
einem späteren
Schritt werden dieses zersetzte Zirkoniumoxidpulver M13 und das
zersetzte Aluminiumoxidpulver M14 jeweils als keramische Materialien
für die
Fühlerschicht 13 und
die Führungsschicht 14 verwendet.
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Der
nächste
Schritt ist ein Schritt S4 des Herstellens eines Keramik-Stapels 1.
Schritt S4 enthält einen
Teilschritt S41 des Erzeugens von Schichten und einen Teilschritt
S42 des Backens.
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<Teilschritt
S41 des Erzeugens von Schichten>
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Die
keramischen Schichten 11 bis 15 (siehe 7)
werden zuerst hergestellt.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, wird beim Herstellen der
Diffusionsschicht 12 das gemischte Aluminiumoxidpulver
M12 hergestellt durch Mischen der Aluminiumoxidpulver „a" und „b" bei einem Verhältnis von
2:8, und danach werden die organischen Materialien, wie ein Bindemittel,
ein Dispergiermittel und ein Weichmacher, in das gemischte Aluminiumoxidpulver
M12 gemischt, so dass die Rate des organischen Volumens 50 % betragen kann,
wie im Voraus ausgewählt
worden ist. Dieses Diffusionsschicht-Material wird danach durch Verwenden
der Rakeltechnik zu der Diffusionsschicht 12 geformt.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, wird beim Herstellen der
Fühlerschicht 13 das zersetzte
Zirkoniumoxidpulver M13 hergestellt durch Granulieren des Zirkoniumoxidpulvers
und Zersetzen des granulierten Zirkoniumoxidpulvers für 24 h,
und danach werden die organischen Materialien, wie ein Bindemittel,
ein Dispergiermittel und ein Weichmacher, so in das zersetzte Zirkoniumoxidpulver
M13 gemischt, dass die organische Volumenmenge 38,5 % betragen kann,
wie im Voraus ausgewählt
worden ist. Dieses Fühlerschichtmaterial
wird danach durch Verwenden der Rakeltechnik zu der Fühlerschicht 13 geformt.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, wird beim Herstellen der
Führungsschicht 14 das zersetzte
Aluminiumoxidpulver M14 hergestellt durch Granulieren des Aluminiumoxidpulvers „c" und Zersetzen des
granulierten Aluminiumoxidpulvers für 8 h, und danach werden organischen
Materialien, wie ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und ein Weichmacher,
so in das zersetzte Aluminiumoxidpulver M14 gemischt, dass die Rate
des organischen Volumens 39 % betragen kann, wie im Voraus ausgewählt worden
ist. Dieses Führungsschicht-Material
wird danach durch Verwenden der Rakeltechnik zu der Führungsschicht 14 geformt.
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Die
Schild-Schicht 11 und die Erwärmungsschicht 15 werden
hergestellt in der gleichen Weise wie die Führungsschicht 14 durch
Verwenden der gleichen Materialien wie die Führungsschicht 14.
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Mehrere
Führungsschichten 14 werden
gestapelt und der Furchenteil 141 wird darin erzeugt, wie
in 7 gezeigt, um die Führungsschicht 14 bereitzustellen,
die als eine Referenzgas-Kammer 14 funktioniert. Ebenso
wird die Fühlerschicht 13 bereitgestellt
mit der Elektrode 16 auf der Seite eines zu messenden Gases,
der Elektrode 17 auf der Seite eines Referenzgases, den
Führungsteilen 161 und 171,
und den Anschlussteilen 162, 172 und 173.
Des Weiteren wird ein Durchgangsloch 130 erzeugt und mit
einem Leiter gefüllt.
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Des
Weiteren wird die Erwärmungsschicht 15 bereitgestellt
mit dem Erwärmungselement 19, dem
Führungsteil 191 und
dem Anschlussteil 192. Danach wird das Durchgangsloch 150 erzeugt
und mit einem Leiter gefüllt.
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<Teilschritt
S42 des Backens>
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Wie
in 7 gezeigt, werden die erzeugten keramischen Schichten 11 bis 15 in
der Reihenfolge der Schild-Schicht 11, der Diffusionsschicht 12,
der Fühlerschicht 13,
der Führungsschicht 14 und
der Erwärmungsschicht 15 gestapelt.
Diese keramischen Schichten werden danach zusammengebunden, z.B. durch
thermische Kompression. Der auf diese Weise erhaltene Stapel wird
danach zur Vereinigung bei einer maximalen Temperatur von 1460 °C gebacken.
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6 zeigt
die Back-Schrumpfungs-Profile der Diffusionsschicht 12,
der Fühlerschicht 13 und der
Führungsschicht 14 (Schild-Schicht 11 und
die Erwärmungsschicht 15).
Wie aus 6 ersichtlich, sind die endgültigen Back-Schrumpfungen
18,02 % für
die Diffusionsschicht 12, 17,65 % für die Fühlerschicht 13, und
17,87 % für
die Führungsschicht 14. Der
Unterschied zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert beträgt 1 % oder
weniger.
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Auf
diese Weise kann der Gas-Messfühler (Keramik-Stapel) 1 erhalten
werden, in dem mehrere keramische Schichten gestapelt sind in der
Reihenfolge der Schild-Schicht 11, der Diffusionsschicht 12, der
Fühlerschicht 13,
der Führungsschicht 14 und
der Erwärmungsschicht 15.
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Die
vorteilhaften Effekte des Verfahrens für das Herstellen des Keramik-Stapels 1 der
vorliegenden Ausführungsform
sind nachstehend beschrieben.
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Im
Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wird Schritt S2 durchgeführt,
um die Back-Schrumpfung
der keramischen Schichten 11 bis 15 anzugleichen.
Insbesondere wird im Teilschritt S21 des Messens einer Back-Schrumpfung
eine Beziehung zwischen den organischen Volumenmengen und den Back-Schrumpfungen
nach dem Gebackenwerden für
die keramischen Schichten 11 bis 15 erhalten.
Weiter im Besonderen wird eine Untersuchung durchgeführt, wie
die Back-Schrumpfung in Abhängigkeit
von der organischen Volumenmenge jeder der keramischen Schichten 11 bis 15 schwankt.
Danach, im Teilschritt S22, wird die organische Volumenmenge jeder
der keramischen Schichten 11 bis 15 ausgewählt auf
Basis der Beziehung zwischen der organischen Volumenmenge und der
Back-Schrumpfung,
erhalten im früheren
Teilschritt, so dass alle der keramischen Schichten 11 bis 15 im
Wesentlichen die gleiche gewünschte
Back-Schrumpfung besitzen können.
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Auf
diese Weise sollten die keramischen Schichten 11 bis 15,
erhalten im Teilschritt S41, als im Wesentlichen mit der gleichen
Back-Schrumpfung hergestellt sein. Demgemäß können die mehreren Arten der
keramischen Schichten 11 bis 15, wenn sie im Teilschritt
S42 zur Vereinigung gestapelt und gebacken werden, alle im Wesentlichen
die gleiche Back-Schrumpfung
aufweisen. Auf diese Weise kann eine Verzerrung, Abtrennung, Bruch
und dergleichen der keramischen Schichten 11 bis 15,
was aus einem Backen resultieren kann, unterdrückt werden, und somit kann
der zu erhaltende Keramik-Stapel 1 eine hohe Abmessungsgenauigkeit
und eine hohe Qualität
besitzen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Porosität-nach-Backen der Diffusionsschicht 12 eingestellt
im Schritt S1. Auf diese Weise kann eine gewünschte Porosität-nach-Backen für die Diffusionsschicht 12 bestimmt
werden.
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Des
Weiteren wird das Back-Schrumpfungs-Profil jeder der keramischen
Schichten 11 bis 15 im Schritt S3 eingestellt.
Demgemäß können die Back-Schrumpfungs-Profile
von allen der keramischen Schichten 11 bis 15 weiter
angeglichen werden. Auf diese Weise kann eine Verzerrung, Abtrennung,
Bruch und dergleichen der keramischen Schichten 11 bis 15,
was aus einem Backen resultieren kann, weiter unterdrückt werden,
und somit kann der zu erhaltende Keramik-Stapel 1 eine
höhere
Abmessungsgenauigkeit und eine höhere
Qualität
besitzen.
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Wie
oben beschrieben, werden das granulierte Zirkoniumoxidpulver und
das granulierte Aluminiumoxidpulver hergestellt unter Verwendung
der Sprüh-Trocknungs-Technik.
Die Verwendung dieser Sprüh-Trocknungs-Technik
kann die Granulierung des Zirkoniumoxidpulvers und des Aluminiumoxidpulvers
erleichtern. Ebenso kann die Sprüh-Trocknungs-Technik
die Einstellung des Grades der Agglomeration des Zirkoniumoxidpulvers
und des Aluminiumoxidpulvers ermöglichen.
Als Ergebnis kann eine akkuratere Einstellung in vorteilhafter Weise
gewährleistet
werden in den Back-Schrumpfungs-Profilen der keramischen Schichten 11 bis 15.
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Im
Teilschritt S41 werden die Schichtmaterialien unter Verwendung der
Rakeltechnik zu den keramischen Schichten 11 bis 15 geformt.
Dies kann solche Defekte wie Hohlräume in den keramischen Schichten 11 bis 15 nach
dem Backen verringern. Auf diese Weise kann die Festigkeit der keramischen Schichten 11 bis 15 nach
dem Backen erhöht
werden, was die Beständigkeit
des zu erhaltenden Keramik-Stapels 1 verstärken kann.
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In
vorteilhafter Weise beträgt
der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Back-Schrumpfung 1 oder
weniger in den mehreren Arten der keramischen Schichten 11 bis 15,
die zur Vereinigung im Teilschritt S42 gebacken wurden. Auf diese
Weise können
Verzerrung, Abtrennung, Bruch und dergleichen der keramischen Schichten 11 bis 15,
was aus einem Backen resultieren kann, ausreichend unterdrückt werden,
und der zu erhaltende Keramik-Stapel 1 kann eine höhere Abmessungsgenauigkeit
und eine höhere
Qualität
besitzen.
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Wie
obenstehend erwähnt,
kann der Keramik-Stapel 1 angewandt werden bei einem Gas-Messfühler. Die
ausgezeichneten Eigenschaften des Keramik-Stapels 1, d.h.
Abmessungsgenauigkeit und hohe Qualität, können in markanter Weise bei
der Anwendung auf einen solchen Gas-Messfühler ausgeübt werden. Insbesondere im
Licht der Tatsache, dass in letzter Zeit eine Miniaturisierung zunehmend
in Gasfühlern
vorangeschritten ist, und dass die Gasfühler immer mehr unter Hochtemperaturbedingungen
verwendet werden, ist es bei den Gasfühlern nun erforderlich, dass
sie eine höhere
Abmessungsgenauigkeit und Stabilität besitzen. Die Anwendung des
Keramik-Stapels 1 von hoher Qualität bei einem Gas-Messfühler kann
eine Miniaturisierung des Gasfühlers
realisieren, und kann zur gleichen Zeit einen Gasfühler mit
ausgezeichneter Stabilität
bereitstellen.
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Wie
obenstehend beschrieben, können
gemäß dem Verfahren
des Herstellens eines Keramik-Stapels der vorliegenden Ausführungsform
Verzerrung, Abtrennung, Bruch und dergleichen unterdrückt werden
im Stapeln und Backen zur Vereinigung der mehreren Arten von keramischen
Schichten.
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In
der obigen Beschreibung haben die mehreren Arten von keramischen
Schichten der vorliegenden Ausführungsform
eine keramische Schicht aufgewiesen, deren Porosität-nach-Backen
eingestellt werden soll. Des Weiteren wurden alle der keramischen
Schichten in der vorliegenden Ausführungsform angepasst hinsichtlich
der Back-Schrumpfung und des Back-Schrumpfungs-Profils durch Durchführen verschiedener
Schritte, wie in 9D gezeigt, welches der Schritt
S1 des Einstellens der Porosität, der
Schritt S2 des Einstellens der Back-Schrumpfung, Schritt S3 des
Einstellens des Profils und Schritt S4 des Erzeugens eines Stapels
sind.
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In
alternativer Weise können
beispielsweise, wenn die mehreren Arten der keramischen Schichten allein
hinsichtlich der Back-Schrumpfung angeglichen werden sollen, Schritte
S2 und S4 allein durchgeführt
werden, wie in 9A gezeigt.
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Ebenso,
wie in 9B gezeigt, wenn die mehreren
Arten von keramischen Schichten hinsichtlich der Back-Schrumpfung
und des Back-Schrumpfungs-Profils angeglichen werden sollen, können Schritte
S2, S3 und S4 in dieser Reihenfolge durchgeführt werden.
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Des
Weiteren, wie in 9C gezeigt, wenn die mehreren
Arten von keramischen Schichten eine keramische Schicht enthalten,
deren Porosität-nach-Backen
eingestellt werden soll, und wenn diese mehreren Arten von keramischen
Schichten hinsichtlich der Back-Schrumpfung abgeglichen werden sollen,
können
Schritte S1, S2 und S4 in dieser Reihenfolge durchgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann in mehreren anderen Ausgestaltungen verkörpert werden,
ohne den Geist hiervon zu verlassen. Die Ausführungsformen und Abänderungen,
welche bislang beschrieben worden sind, sind daher allein illustrativ
und nicht restriktiv beabsichtigt, da der Umfang der Erfindung eher
durch die beigefügten
Ansprüche,
als durch die vorangehende Beschreibung definiert wird. Alle Veränderungen,
die innerhalb des Umfangs der Ansprüche fallen, oder Äquivalente
eines solchen Umfangs sind daher als durch die Ansprüche umfasst
zu verstehen.
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Ein
Verfahren für
das Herstellen eines Keramik-Stapels wird bereitgestellt, das Verzerrung,
Abtrennung, Bruch und dergleichen unterdrücken kann, was in mehreren
Arten von keramischen Schichten nach dem Gestapeltwerden und Gebackenwerden zur
Vereinigung verursacht wird. Das Verfahren enthält einen Schritt des Erhaltens
einer Beziehung zwischen den Volumenmengen der organischen Materialien,
die in den keramischen Schichten enthalten sind, und den Back-Schrumpfungen
der Schichten, die aus dem Backen der Schichten bei einer bestimmten
Temperatur resultieren, einen Schritt des Auswählens einer Volumenmenge der
organischen Materialien für
jede der keramischen Schichten auf Grundlage der Beziehung, erhalten
im vorangehenden Schritt, so dass alle Schichten im Wesentlichen die
gleiche gewünschte
Back-Schrumpfung besitzen können,
einen Schritt des Formens der mehreren Arten von keramischen Schichten
auf Grundlage der Volumenmenge, die im vorangehenden Schritt ausgewählt wurde,
und einen Schritt des Stapelns und Backens zur Vereinigung der mehreren
Arten von keramischen Schichten, um einen Keramik-Stapel herzustellen.