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Die
folgende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor zum Erfassen
der Sauerstoffkonzentration und sein Herstellungsverfahren.
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Die
japanische veröffentlichte
Patentanmeldung Nr. 2004-239688 offenbart einen zuvor entwickelten
Sauerstoffsensor. In dem in dieser Anmeldung offenbarten Sauerstoffsensor
werden ein Heizelement und eine feste, Sauerstoffionenleitende Elektrolytschicht
auf einem Basiskörperbereich
des Sauerstoffsensors gebildet. Die feste Elektrolytschicht, die
durch einen Elementdruck gebildet wird, wird durch Aufheizen des
Heizelementes durch den angelegten Strom aktiviert. Somit wird die
Sauerstoffkonzentration auf der Basis einer Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden erfasst, die durch die feste Elektrolytschicht zueinander
entgegengesetzt angeordnet sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
der obigen Technik werden Funktionsschichten mit einer Heizschicht
und die feste Elektrolytschicht durch Laminieren ungleichartiger
Werkstoffe und anschließendem
Sintern dieser laminierten Werkstoffe gebildet. Auf der Seite einer
Referenzelektrodenschicht wird eine Gasdiffusionsschicht zum Einleiten
des Referenzgases, wie z.B. atmosphärische Luft, ebenfalls durch
Elementdruck gebildet. Jedoch ist eine Porosität der Gasdiffusionsschicht,
die durch Elementdruck gebildet wird, gering, die einen Grenzstromwert
im Bereich von ungefähr
0,5 μA und 50 μA anzeigt,
wenn die Porosität
unter Verwendung des Grenzstromwertes ausgedrückt wird. Folglich kann das
Referenzgas (atmosphärische
Luft) innerhalb eines Sensorkörpers nicht
ausreichend der Referenzelektrode zugeführt oder durch sie eindiffundiert
werden, so dass ein Sauerstoff-Partialdruck auf der Referenzelektrodenseite
nicht aufrechterhalten werden kann. Um daher den Sauerstoff-Partialdruck auf
der Referenzelektrodenseite aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich,
der Referenzelektrode mittels eines durch einen externen Schaltkreis
erzeugten Injektionsstroms Sauerstoff zuzuführen oder zu diffundieren.
Der externe Schaltkreis zum Anlegen des Injektionsstroms ist nicht
mit einem Schaltkreis für
einen so genannten Sauerstoffsensor vom Cup-Typ kompatibel, die
früher
vor der Sauerstoffsensor vom Elementdrucktyp verwendet worden ist.
Daher ist für den
Sauerstoffsensor vom Elementdrucktyp ein neuer Schaltkreis erforderlich
geworden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sauerstoffsensor
zu schaffen, der zur Erfassung mit einem einfachen Schaltkreis entwickelt wird,
auch wenn die Funktionsschichten durch Elementdrucken gebildet werden,
und nicht entwickelt wird, um eine Leistung eines Sensorelements
zu reduzieren.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Sauerstoffsensor vorgesehen,
der Folgendes aufweist: einen Basiskörperbereich; und eine Mehrzahl
von Funktionsschichten, die auf einer Oberfläche des Basiskörperbereichs
laminiert sind, wobei die Funktionsschichten eine feste Elektrolytschicht,
die Sauerstoffionen weiterleitet, eine Referenzelektrodenschicht,
die auf einer Basiskörperbereichsseite
der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, eine Erfassungselektrodenschicht,
die auf der entgegengesetzten Seite der festen Elektrolytschicht zur
Referenzelektrodenschicht angeordnet ist, einen Heizerbereich, der
die feste Elektrolytschicht durch Aufheizen aktiviert, und eine
Gasdiffusionsschicht umfassen, die zwischen der Referenzelektrodenschicht
und dem Basiskörperbereich
ausgebildet ist, und ein Referenzgas inner halb der Gasdiffusionsschicht
eindiffundiert wird, wobei die Gasdiffusionsschicht ausgebildet
wird, um eine Porosität
aufzuweisen, die einen Grenzstromwert im Bereich zwischen 60 μA und 200 μA darstellt,
wobei der Grenzstromwert ein Wert von einem Strom ist, der zwischen
der Referenzelektrodenschicht und der Erfassungselektrodenschicht
fließt,
wenn der dazwischen fließende Strom
im Wesentlichen beim Übertragungsvorgang konstant
ist, bei dem eine zwischen der Referenzelektrodenschicht und der
Erfassungselektrodenschicht angelegte Spannung höher gesetzt wird.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Sauerstoffsensor
vorgesehen, der Folgendes aufweist: einen Basiskörperbereich; und eine Mehrzahl
von Funktionsschichten, die auf einer Oberfläche des Basiskörperbereichs
laminiert sind, wobei die Funktionsschichten eine feste Elektrolytschicht,
die Sauerstoffionen weiterleitet, eine Referenzelektrodenschicht,
die auf einer Basiskörperbereichsseite
der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, eine Erfassungselektrodenschicht,
die auf der entgegengesetzten Seite der festen Elektrolytschicht
zur Referenzelektrodenschicht angeordnet ist, einen Heizerbereich,
der die feste Elektrolytschicht durch Aufheizen aktiviert, und eine
Gasdiffusionsschicht umfassen, die zwischen der Referenzelektrodenschicht
und dem Basiskörperbereich
ausgebildet ist, und ein Referenzgas innerhalb der Gasdiffusionsschicht
eindiffundiert wird, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einem keramischen
Werkstoff und einem Lücken
bildenden Werkstoff mit einem Betrag ausgebildet ist, der ein Verhältnis zwischen
10% und 60% eines Gesamtbetrags des keramischen Werkstoffs und des
Lücken
bildenden Werkstoffs beim Gewicht aufweist, wobei der Lücken bildende Werkstoff
verschwindet, wenn er einem Sintern unterzogen wird, um die Gasdiffusionsschicht
als porösen
keramischen Werkstoff auszubilden.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Sauerstoffsensor
geschaffen, der Folgendes aufweist: einen Basiskörperbereich; und eine Mehrzahl
von Funktionsschichten, die auf einer Oberfläche des Basiskörperbereichs
laminiert sind, wobei die Funktionsschichten eine feste Elektrolytschicht,
die Sauerstoffionen weiterleitet, eine Referenzelektrodenschicht,
die auf einer Basiskörperbereichsseite
der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, eine Erfassungselektrodenschicht,
die auf der entgegengesetzten Seite der festen Elektrolytschicht
zur Referenzelektrodenschicht angeordnet ist, einen Heizerbereich,
der die feste Elektrolytschicht durch Aufheizen aktiviert, und eine
Gasdiffusionsschicht umfassen, die zwischen der Referenzelektrodenschicht
und dem Basiskörperbereich
ausgebildet ist, und ein Referenzgas innerhalb der Gasdiffusionsschicht
eindiffundiert wird, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einem keramischen
Werkstoff und einem Lücken
bildenden Werkstoff mit einem Betrag ausgebildet ist, der ein Verhältnis zwischen
20% und 80% eines Gesamtbetrags des keramischen Werkstoffs und des
Lücken
bildenden Werkstoffs beim Volumen aufweist, wobei der Lücken bildende Werkstoff
verschwindet, wenn er einem Sintern unterzogen wird, um die Gasdiffusionsschicht
als porösen
keramischen Werkstoff auszubilden.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren
für einen
Sauerstoffsensor vorgesehen, der Folgendes umfasst: einen Basiskörperbereich;
und eine Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf einer Oberfläche des
Basiskörperbereichs
laminiert sind, wobei die Funktionsschichten eine feste Elektrolytschicht, die
Sauerstoffionen weiterleitet, eine Referenzelektrodenschicht, die
auf einer Basiskörperbereichsseite der
festen Elektrolytschicht angeordnet ist, eine Erfassungselektrodenschicht,
die auf der entgegen gesetzten Seite der festen Elektrolytschicht
zur Referenzelektrodenschicht angeordnet ist, einen Heizerbereich,
der die feste Elektrolytschicht durch Aufheizen aktiviert, und eine
Gasdiffusionsschicht umfassen, die zwischen der Referenzelektrodenschicht und
dem Basiskörperbereich
ausgebildet ist, und ein Referenzgas innerhalb der Gasdiffusionsschicht
eindiffundiert wird, wobei das Herstellverfahren Folgendes aufweist:
einen ersten Schritt zum Mischen eines keramischen Werkstoffs mit
einem Lücken
bildenden Werkstoff mit einem Betrag, der ein Verhältnis zwischen
10 Gew.-% und 60 Gew.-% oder zwischen 20 Vol.-% und 80 Vol.-% bezüglich eines
Gesamtbetrags von keramischem Werkstoff und Lücken bildendem Werkstoff aufweist;
und einen zweiten Schritt zum Sintern der Mischung, um zu bewirken,
dass der Lücken
bildende Werkstoff verschwindet, um dadurch die Gasdiffusionsschicht
als poröse
keramische Schicht zu bilden.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale dieser Erfindung werden aus nachfolgender
Beschreibung bezüglich
der beigefügten
Zeichnung verständlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine Teilansicht eines Sauerstoffsensors gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte abgewickelte
Ansicht eines Erfassungsbereichs in einem Sensorelement der Sauerstoffsensor.
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3A ist
eine Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IIIa-IIIa
aufgenommen wurde. 3B ist eine Teilansicht von 2,
die entlang einer Linie IIIb-IIIb aufgenommen wurde.
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4A ist
eine Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IVa-IVa
aufgenommen wurde. 4B ist eine Teil ansicht von 2,
die entlang einer Linie IVb-IVb aufgenommen wurde. 4C ist eine
Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IVc-IVc
aufgenommen wurde.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
des Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun detailliert bezüglich der beigefügten Zeichnung
erläutert.
Der Sauerstoffsensor in dieser Ausführungsform ist an einem Abgasrohr
eines Automobils, das mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet ist,
befestigt und wird zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
verwendet. 1 ist eine Teilansicht des Sauerstoffsensors
gemäß dieser
Ausführungsform.
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Eine
Halterung 4 ist mit einer zylinderförmigen Elementeinsatzöffnung (Bohrung) 3 ausgebildet. In
die zylinderförmige
Elementeinsatzöffnung 3 wird ein
Erfassungselement 2, das wie eine zylindrische Stange geformt
ist, durch Einsetzen eingefügt.
Das Sensorelement 2 erstreckt sich durch die Elementeinsatzöffnung 3,
und ragt von den entgegengesetzten axialen Endflächen der Halterung 4 nach
außen
hervor. Und zwar geht das Sensorelement 2 durch die Halterung 4 in
axialer Richtung der Elementeinsatzöffnung 3 hindurch.
Das Sensorelement 2 umfasst einen Sauerstoff-Messbereich 2b,
der an einem axialen Endbereich des Sensorelements 2 ausgebildet
ist, und eine Elektrode(n) 2a am anderen axialen Endbereich
des Sensorelements 2. Der Sauerstoff-Messbereich 2b des
Sensorelements 2 wird durch eine Schutzeinrichtung 9 abgedeckt
oder in diese eingesetzt. Die Schutzeinrichtung 9 weist
eine Rohrform mit einem geschlossenen Ende auf, und wird mit einem
axialen Endbereich der Halterung 4 durch ein geeignetes
Verfahren, wie zum Beispiel Schweißen, Dichtstemmen oder dergleichen,
fixiert. Die Schutzeinrichtung 9 weist eine Doppelrohr-(doppelwandige)
Anordnung auf, die aus einer inneren und einer äuße ren Schutzeinrichtung gebildet
wird. Die innere Schutzeinrichtung und äußere Schutzeinrichtung der
Schutzeinrichtung 9 werden jeweils durch eine Mehrzahl
von Einlassöffnungen 9a (Umlauföffnungen)
und einer Mehrzahl von Einlassöffnungen 9b (Umlauföffnungen)
für die
Gasströmung gebildet.
Ein zu erfassendes Gas wird an der Innenfläche der Schutzeinrichtung 9 durch
diese Einlassöffnungen 9a und 9b eingeleitet,
und erstreckt sich sich um den Sauerstoff-Messbereich 2b des
Sensorelements 2 aus.
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Die
Elementeinsatzöffnung 3 weist
einen erweiterten Durchmesserbereich 10 auf der Elektrodenseite 2a der
Elementeinsatzöffnung 3 auf.
Ein Abdichtungsbereich 5, der innerhalb dieses erweiterten Durchmesserbereichs 10 angeordnet
ist, hält
die Luftdichtigkeit an einem Zwischenraum zwischen der Elementeinsatzöffnung 3 und
dem Sensorelement 2 aufrecht. Der Abdichtungsbereich 5 füllt nämlich den Zwischenraum
zwischen einer Umfangsfläche
des erweiterten Durchmesserbereichs 10 und einer äußeren Umfangsfläche des
Sensorelements 2 aus, um dadurch den Zwischenraum luftdicht
abzudichten. Konkret umfasst der Abdichtungsbereich 5 keramisches
Pulver 12 (zum Beispiel ungesintertes Talkum) und eine
Distanzscheibe 13 (zum Beispiel eine Dichtungsscheibe).
Um den Zwischenraum zu füllen,
wird das keramische Pulver 12 im erweiterten Durchmesserbereich 10 der
Elementeinsatzöffnung 3 angefüllt, und
danach unter Verwendung der Distanzscheibe 13 verdichtet
oder in die Tiefe gedrückt.
Eine Anschlussabstützung 7 zum
Halten der Anschlüsse
ist mit dem anderen axialen Endbereich der Halterung 4 fixiert,
der auf der Seite der Elektrode 2a des Sensorelements 2 angeordnet
ist. Die Anschlussabstützung 7 wird
aus Glas hergestellt und in einer zylindrischen Form mit einem geschlossenen
Ende ausgebildet. Diese Anschlussabstützung 7 bedeckt die Elektrode 2a und
dergleichen des Sensorelements 2. Außerdem ist ein rohrförmiges Gehäuse 8 angeordnet,
um somit die Anschlussabstützung 7 mit
einem vorbestimmten Abstand zwischen einer inneren Umfangsfläche des
rohrförmigen
Gehäuses 8 und
einer äußeren Umfangsfläche der
Anschlussabstützung 7 abzudecken.
Ein axialer Endbereich des rohrförmigen
Gehäuses 8 wird
an der äußeren Umfangsfläche des
anderen axialen Endbereichs der Halterung 4 durch ein geeignetes
Verfahren, wie zum Beispiel das Laserschweißen (so genanntes Laser-Welding-all-around)
befestigt. Durch dieses Laserschweißen werden das Gehäuse 8 und
die Halterung 4 zusammen in einem luftdicht abgeschlossenen Verhältnis miteinander
verbunden.
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Der
andere axiale Endbereich des Gehäuses 8,
der auf der entgegengesetzten Seite des Sauerstoff-Messbereichs 2b angeordnet
ist, wird mit einer im Wesentlichen zylindrischen Gummidichtung 16 gefüllt. Die
Gummidichtung 16 ist mit dem anderen axialen Endbereich
des Gehäuses 8 durch
einen dicht gestemmten Bereich 8a des Gehäuses 8 befestigt.
Eine Mehrzahl von Zuleitungsdrähten 17 (zum Beispiel
vier Zuleitungsdrähte)
wird zur Außenseite des
Gehäuses 8 gezogen,
um somit durch die Gummidichtung 16 hindurchzugehen. Die
Gummidichtung 16 gewährleistet
eine luftdichte Abdichtung zwischen den Zuleitungsdrähten und
der Gummidichtung 16, und eine hermetische Abdichtung zwischen
dem Gehäuse 8 und
der Gummidichtung 16. Vorzugsweise wird die Gummidichtung 16 aus
einem hoch wärmebeständigem Werkstoff,
wie zum Beispiel Fluorgummi, hergestellt. Jeder der Zuleitungsdrähte 17 weist ein
Ende auf, das mit einem Anschluss 6 (Anschlüssen) verbunden
ist, der dadurch innerhalb der Anschlussabstützung 7 angeordnet
wird. Der Anschluss 6 wird aus einem nachgiebigen Körper (elastischem Körper) gebildet,
und ist sehr sicher mit der Elektrode 2a in Kontakt, die
auf einer äußeren Umfangsfläche des
Sensorelements 2 mittels der Federkraft ausgebildet ist.
Dies kann die Kontinuität
zwischen der Elektrode 2a und dem Anschluss 6 gewährleisten.
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Der
so ausgebildete Sauerstoffsensor 1 ist fest am Abgasrohr 30 durch
Verschrauben eines Schraubbereichs 4b der Halterung 4 in
ein Gewindeloch 31, das in einer Umfangswand des Abgasrohrs 30 ausgebildet
ist, befestigt. Im befestigten Zustand des Sauerstoffsensors 1 ragt
ein Bereich des Sauerstoffsensors 1, der mit der Schutzeinrichtung 9 bedeckt
ist, in einen Abgaskanal innerhalb des Abgasrohres 30 hinein.
Eine Dichtung 19 ist zwischen einem Flansch der Halterung 4 und
einer Außenfläche des
Abgasrohres 30 angeordnet, und dichtet einen Zwischenraum
zwischen dem Sauerstoffsensor 1 und dem Abgasrohr 30 ab.
Ein Innenraum 15 des Sauerstoffsensors 1, der
innerhalb des Sauerstoffsensors 1 ausgebildet ist, wird
davon abgehalten, sich mit einer Außenseite des Sauerstoffsensors 1 in Verbindung
mit dem Abdichtungsbereich 5, der Gummidichtung 16,
und der luftdichten Verbindung zwischen der Halterung 4 und
dem Gehäuse 8 zu
verbinden. Der Innenraum 15 gewährleistet nämlich die Luftdichtigkeit gegenüber der
Außenseite
des Sauerstoffsensors 1 an den Bereichen des Abdichtungsbereichs 5,
der Gummidichtung 16, und der Verbindung zwischen der Halterung 4 und
dem Gehäuse 8.
Jedoch ist der Zwischenraum 15 etwas mit der Außenseite
des Sauerstoffsensors 1 durch einen extrem genauen Raum
innerhalb des Zuleitungsdrahtes 17 (zum Beispiel ein Zwischenraum
zwischen einem Kern und einem Überzug
des Zuleitungsdrahtes 17) in Verbindung. Dadurch wird der
Innenraum 15 mit atmosphärischer Luft, die als Referenzgas
dient, gefüllt.
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Wenn
ein Abgas, das innerhalb des Abgasrohres 30 durchströmt, in den
Innenraum des Sauerstoffsensors 1 durch die Einlassöffnungen 9a und Einlassöffnungen 9b der
Schutzeinrichtung 9 strömt, tritt
der Sauerstoff im Abgas in den Sauerstoff-Messbereich 2b des
Sensorelements 2 ein. Die Sauerstoffkonzentration des Abgases
wird durch den Sauerstoff-Messbereich 2b erfasst
und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Sauerstoffkonzentration
anzeigt. Das elektrische Signal wird dann an die Außenseite
des Sauerstoffsensors 1 über die Elektroden 2a,
Anschlüsse 6 und
Zuleitungsdrähte 17 ausgegeben.
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Das
Sensorelement 2 umfasst einen Basiskörperbereich 100, der
wie ein zylindrischer Stab geformt ist, und Funktionsschichten,
die auf einer Umfangsfläche
des Basiskörperbereichs 100 ausgebildet
sind. Die Funktionsschichten umfassen eine Heizvorrichtung, einen
Erfassungsbereich und dergleichen. Der Basiskörperbereich 100 wird
aus einem keramischen Werkstoff, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt,
der ein Isolierwerkstoff ist, und in einer festen oder hohlen zylindrischen
Form ausgebildet wird. Diese Funktionsschichten werden durch Brennen
jeder Schicht hergestellt, die aufeinanderfolgend durch Siebdruck
gebildet werden. Nun wird jede Schicht bezüglich der Reihenfolge des Druckens
auf der Staboberfläche
(d.h. gebogener Flachdruck) erläutert.
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Zuerst
wird eine Elektroden-Heizschicht mit zwei Paar Elektroden 2a und
einem Heizelement zum Aktivieren der zuvor erwähnten festen Elektrolytschicht
durch Aufheizen gedruckt. Auf dem Heizelement wird eine erste Schutzschicht,
die aus einem Isolierwerkstoff hergestellt ist, zum Schutz dieses Heizerbereichs
gedruckt. Ein Paar von Elektroden 2a wird mit dem Heizelement
verbunden, und ein weiteres Paar Elektroden 2a wird mit
dem in 2 dargestellten Sauerstofferfassungsbereich verbunden. Nach
dem Drucken des Heizerbereichs wird ein Druck dieses Sauerstofferfassungsbereichs
wie folgt ausgeführt.
Und zwar wird eine Gasdiffusionsschicht 103 (Entspannungsschicht)
gedruckt, um zu ermöglichen,
dass ein Ende der Gasdiffusionsschicht 103 eines von dem
anderen Paar von Elektroden 2a erreicht. Wie nachstehend
erwähnt,
werden die Funktionsschichten mit der Gasdiffusionsschicht 103 letztendlich
gesintert. Daher enthält
die Gasdiffusionsschicht 103 eine Lücke (Hohlraum), die der Werkstoff zum
Zeitpunkt des Druckens ausbildet, um somit zu bewirken, dass die
Gasdiffusionsschicht 103 nach dem Sintern ein poröser Körper wird.
In dieser Aus führungsform
werden die Karbonpartikel als Lücken bildender
Werkstoff verwendet. Jedoch ist der Lücken bildende Werkstoff nicht
auf die Karbonpartikel begrenzt, und der andere Werkstoff, der zum
Zeitpunkt des Sinterns entweicht, kann verwendet werden. Und zwar
kann der andere Werkstoff, der geeignet ist, durch Beheizen zerstört zu werden,
verwendet werden.
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In
dieser Ausführungsform
wird ein keramischer Werkstoff, der die Gasdiffusionsschicht 103 bildet,
gezwungen, den Lücken
bildenden Werkstoff zu enthalten, und anschließend gedruckt. Ein durchschnittlicher
Partikeldurchmesser des Lücken
bildenden Werkstoffs liegt im Bereich von 1 μm bis 20 μm. Wenn der durchschnittliche
Partikeldurchmesser kleiner als 1 μm ist, kann der Lücken bildende
Werkstoff einen Poren-(Gashohlraum-)Bereich
(Bereiche) mit einer effektiven Größe für die Gasdiffusion bilden. Wenn
der durchschnittliche Partikeldurchmesser größer als 20 μm ist, wird der Porenbereich
zu sehr ausgeweitet und dadurch wird die Gasdiffusionsschicht 103 in
sich selbst zerbrechlich.
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Ein
prozentualer Inhaltsanteil des Lücken
bildenden Werkstoffs gegenüber
dem keramischen Werkstoff liegt im Bereich von 10 Gew.-% bis 60 Gew.-%
eines Summenbetrags des Lücken
bildenden Werkstoffs und des keramischen Werkstoffs beim Gewichtsverhältnis vor
dem Sintern. Und zwar wird der Lücken
bildende Werkstoff mit dem keramischen Werkstoff bei dem Verhältnis (des
Lücken
bildenden Werkstoffs) im Bereich zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-%
bezüglich
des Gesamtgewichts des keramischen Werkstoffs und des Lücken bildenden Werkstoffs
gemischt. Auf diese Weise kann angemessene Porosität erreicht
werden, die einen Grenzstromwert im Bereich zwischen 60 μA und 200 μA darstellt.
Wenn der prozentuale Inhaltsanteil kleiner als 10 Gew.-% ist, zeigt
die Porosität
einen Grenzstromwert kleiner als 60 μA an. Wenn der prozentuale Inhaltsanteil
größer als
60 Gew.-% ist, zeigt die Porosität
einen Grenzstrom wert größer als
200 μA an. Insbesondere
ist eine Festlegung zwischen 30 Gew.-% und 50 Gew.-% geeigneter
als innerhalb eines Bereichs zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-%. In
diesem Bereich von 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% können sowohl der geeignete Grenzstromwert
als auch die geeignete Schichtbeanspruchbarkeit in einem angemessenen
Gleichgewicht erhalten werden.
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Andererseits
ist es in dem Fall, bei dem der prozentuale Inhaltsanteil durch
das Volumenverhältnis
anstatt des Gewichtsverhältnisses
dargestellt wird, wünschenswert,
dass der Lücken
bildende Werkstoff mit dem keramischen Werkstoff bei einem Verhältnis im
Bereich zwischen 20 Vol.-% und 80 Vol.-% des Lücken bildenden Werkstoffs bezüglich des
Gesamtvolumens des keramischen Werkstoffs und des Lücken bildenden
Werkstoffs zum Zeitpunkt vor dem Sintern gemischt wird. Auf diese
Weise kann die angemessene Porosität erreicht werden, die den Grenzstromwert
im Bereich zwischen 60 μA
und 200 μA
darstellt. Wenn der prozentuale Inhaltsanteil kleiner als 20 Vol.-%
ist, stellt die Porosität
einen Grenzstromwert kleiner als 60 μA dar. Wenn der prozentuale
Inhaltsanteil größer als
80 Vol.-% ist, stellt die Porosität einen Grenzstromwert größer als
200 μA dar. Insbesondere
ist eine Festlegung zwischen 50 vol.-% und 70 Vol.-% geeigneter
als innerhalb des Bereichs zwischen 20 Vol.-% und 80 Vol.-%. In
diesem Bereich von 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% können sowohl der geeignete Grenzstromwert
als auch die geeignete Schichtbeanspruchbarkeit in einem angemessenen Gleichgewicht
erhalten werden.
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Wie
oben erwähnt,
wird die Gasdiffusionsschicht 103 nach dem Sintern der
poröse
Körper.
Die Gasdiffusionsschicht 103 dient zum Diffundieren der atmosphärischen
Luft, die als Referenzgas vom oben erwähnten Innenraum 15 (sh. 1)
fungiert, in Richtung eines unteren Bereichs einer festen Elektrolytschicht 105.
Als Nächstes
wird eine innere Elektrodenschicht 104 (erste oder Referenzelektrodenschicht)
auf der Gasdiffusionsschicht 103 gedruckt. Ein Ende (Spitze
eines Bereichs des Zuleitungsdrahts) dieser inneren Elektrodenschicht 104 erreicht die
Elektrode 2a. Ein anderes Ende (ein innerer Elektrodenbereich)
der inneren Elektrodenschicht 104, die feste Elektrodenschicht 105,
wird gedruckt. In einem Druckvorgang für die feste Elektrodenschicht 105 werden
drei Schichten sequentiell in Schichten gedruckt. Und zwar umfasst
die feste Elektrolytschicht 105 drei (Unter-)Schichten.
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Die
feste Elektrolytschicht 105 wird zum Beispiel durch Mischen
eines vorgeschriebenen Prozentanteils (Gew.-%) von Yttriumoxidpulver
mit Zirkondioxidpulver, anschließend durch Weiterverarbeitung der
Mischung zu einer Paste, und durch Ausführen einer Gestaltung der Mischungspaste
gebildet. Zu diesem Zeitpunkt werden die drei Schichten der festen
Elektrolytschicht 105 gebildet, um somit zu bewirken, dass
eine Schicht der festen Elektrolytschicht 105, die nahe
des Basiskörperbereichs 100 ist,
dicker als die andere Schicht ist, die relativ weit vom Basiskörperbereich 100 entfernt
ist. Und zwar sind die Schichtdicken der drei Schichten der festen
Elektrolytschicht 105 voneinander verschieden, so dass
die Schichtdicke zur Seite des Basiskörperbereichs 100 größer wird.
Außerdem
werden auf einer Elektrodenseite 2a der festen Elektrolytschicht 105 die
Endbereiche der entsprechenden Schichten der festen Elektrolytschicht 105 voneinander
verschoben oder versetzt. Daher umfasst die feste Elektrolytschicht 105 einen
stufenförmigen
Bereich, der durch die Endbereiche der drei Schichten gebildet wird.
Die feste Elektrolytschicht 105 wird gedruckt, um somit
die Gasdiffusionsschicht 103 innerhalb eines Druckbereichs
der festen Elektrolytschicht 105 abzudichten.
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Außerdem wird
eine Außenelektrodenschicht 106 (zweite
oder Erfassungselektrodenschicht) auf einer Fläche der oberen Schicht der
festen Elektrolytschicht 105 gedruckt. Zu diesem Zeitpunkt
erreicht ein Ende (Spitze eines Bereichs des Zuleitungsdrahts) der
Außenelektrodenschicht 106 die
Elektrode 2a. Außerdem
wird der Bereich des Zuleitungsdrahts der Außenelektrodenschicht 106 auf einer
oberen Fläche
des oben erwähnten
stufenförmigen
Bereichs der festen Elektrolytschicht 105 gedruckt. Die
Innenelektrodenschicht 104 und Außenelektrodenschicht 106 werden
jeweils aus einem metallischen Werkstoff (z.B. Platin) mit einer
elektrischen Leitfähigkeit
und auch einer Sauerstoffpermeabilität gebildet. Die feste Elektrolytschicht 105 erzeugt
einen elektromotorische Kraft zwischen der Innenelektrodenschicht 104 und
der Außenelektrodenschicht 106 gemäß einer
Differenz der Sauerstoffkonzentrationen im Umgebungsbereich. Danach überträgt die feste
Elektrolytschicht 105 Sauerstoffionen in Dickenrichtung
der festen Elektrolytschicht 105. Die Innenelektrodenschicht 105 wird
elektrisch mit einem der beiden Zuleitungsdrähte von den vier Zuleitungsdrähten 17 (sh. 1),
und die Außenelektrodenschicht 106 elektrisch
mit den anderen der beiden Zuleitungsdrähte verbunden. Die Ausgangsspannung,
die zwischen der Innenelektrodenschicht 104 und der Außenelektrodenschicht 106 erzeugt wird,
kann als eine Spannung zwischen diesen Zuleitungsdrähten 17 erfasst
werden.
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Als
Nächstes
wird eine Schutzschicht 107 (Dichtschicht) auf einem Gesamtbereich
einer oberen Fläche
der Funktionsschichten gedruckt, mit Ausnahme der festen Elektrolytschicht 105 und
der Elektroden 2a (jedoch erreicht die zweite Schutzschicht 107 den
stufenförmigen
Bereich in der festen Elektrolytschicht 105). Die zweite
Schutzschicht 107 schützt das
Heizelement und eine Verdrahtung des Erfassungsbereichs (die Leiterbereiche
der Innenelektrodenschicht 104 und Außenelektrodenschicht 106), und
dichtet die Gasdiffusionsschicht 103 ab. Weil die zweite
Schutzschicht 107 die Gasdiffusionsschicht 103 abdichtet,
kann eine Luftundichtigkeit von der Gasdiffusionsschicht 103 zuverlässig verhindert
werden. Zuletzt wird eine (zweite) Diffusionsschicht auf einem Gesamtbereich
einer oberen Fläche
der Funktionsschichten einschließlich der festen Elektrolytschicht 105 gedruckt.
Diese Diffusionsschicht dient zum Schutz des (Sauerstoff-)Erfassungsbereichs, und
dient dazu, das Abgas innerhalb des Abgasrohres des Verbrennungsmotors
bis zur Außenelektrodenschicht 106 zu
diffundieren. Diese Diffusionsschicht wird ein poröser Körper nach
dem Sintern.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Gasdiffusionsschicht 103 durch Mischen des Lücken bildenden
Werkstoffs, wie zum Beispiel Karbon (Zerfallmittel), zuzüglich mit
einem gemischten Werkstoff von Zirkonoxid und Aluminium, danach
durch Ausführen
der Gestaltung dieser Mischung, und anschließend durch Brennen dieser gestalteten
Mischung gebildet. Daher weist die Gasdiffusionsschicht 103 eine
poröse
Anordnung, wie oben erwähnt,
auf. Dadurch kann der Sauerstoff (atmosphärische Luft), der zur Seite
der Innenelektrodenschicht 104 durch die feste Elektrolytschicht 105 eingeleitet wird,
in die Gasdiffusionsschicht 103 eintreten. Die Innenelektrodenschicht 104 wird
durch Mischen eines Lücken
bildenden Werkstoffs, wie z.B. Theobromin, zuzüglich mit einem Edelmetall,
wie zum Beispiel Platin, ferner durch Ausführen einer Gestaltung dieser
Mischung, und weiter durch Brennen dieser gestalteten Mischung gebildet.
Weil die Innenelektrodenschicht 104 ursprünglich hergestellt
wurde, um den Lücken
bildenden Werkstoff zu enthalten, verschwindet somit der Lücken bildende
Werkstoff (Zerfallmittel) zum Zeitpunkt des Brennens, und Hohlräume (Lücken) werden
innerhalb der Innenelektrodenschicht 104 gebildet. Dadurch
kann die Elektrode(-Schicht) eine poröse Anordnung aufweisen.
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Die
zweite Schutzschicht 107 wird aus einem Werkstoff gebildet,
der keinen Sauerstoff einschließlich
des zu erfassenden Gases überträgt. Zum
Beispiel wird die zweite Schutzschicht 107 aus einem keramischen
Werkstoff, wie z.B. Aluminium, gebildet. Die (zweite) Diffusionsschicht
wird aus einem Werkstoff gebildet, der Sauerstoff einschließlich des
zu erfassenden Gases überträgt, und
kein schädliches Gas,
Staub, und dergleichen einschließlich des zu erfassenden Gases überträgt. Zum
Beispiel wird die Diffusionsschicht aus einem porösen Strukturkörper, wie
zum Beispiel einer Mischung aus Aluminium und Magnesiumoxid, gebildet.
Zu beachten ist, dass eine Spinellschutzschicht (nicht dargestellt)
ferner auf der (zweiten) Diffusionsschicht gebildet wird. Die Spinellschutzschicht
deckt den gesamten Bereich einer Außenfläche des Sensorelements ab,
und ist dazu geeignet, Sauerstoff einschließlich des zu erfassenden Gases
dadurch zu übertragen.
Die Spinellschutzschicht wird auf einem porösen Körper gebildet, der gröber als
die Diffusionsschicht ist (d.h. ein grobkörnigerer poröser Körper als
zweite Diffusionsschicht).
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2 ist
eine vergrößerte abgewickelte
Ansicht des Erfassungsbereichs. In 2 werden
die Formen der Gasdiffusionsschicht 103 und Innenelektrodenschicht 104,
die (radial) innerhalb der festen Elektrolytschicht 105 angeordnet
sind, jeweils durch eine abwechselnd lange und kurze gestrichelte
Linie und eine gepunktete Linie ebenfalls dargestellt. 3A ist
eine Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IIIa-IIIa, und 3B eine
Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IIIb-IIIb
aufgenommen wurde. Außerdem
ist 4A eine Teilansicht von 2, die entlang
einer Linie IVa-IVa, 4B eine Teilansicht von 2,
die entlang einer Linie IVb, IVb, und 4C eine
Teilansicht von 2, die entlang einer Linie IVc-IVc
aufgenommen wurde. Zu beachten ist, dass die Fläche des Basiskörperbereichs 100 als
eine ebene Fläche
in den 4A bis 4C zur
Vereinfachung dargestellt ist, obwohl sie tatsächlich eine gerundete Fläche ist.
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Wie
in den 2 bis 4C dargestellt, wird die feste
Elektrolytschicht 105 (105a bis 105c)
in laminierter Weise durch dreimaliges Siebdrucken gebildet. Daher
kann eine Span nung, die innerhalb der festen Elektrolytschicht 105 auftritt,
wenn die Elektrolytschicht 105 gesintert wird, auf die
entsprechenden Schichten 105a bis 105c verteilt
werden. Dadurch kann das Auftreten eines Risses infolge der inneren Spannung
verhindert werden. Weil die Schichtdicke ta bis tc von jeder Schicht 105a bis 105c größer als die
Schicht entwickelt wurde, die näher
zur Seite des Basiskörperbereichs 100 angeordnet
ist (ta > tb > tc); wird die Spannung
zum Zeitpunkt des Sinterns abgebaut, und das Auftreten von Rissen
kann effizienter verhindert werden. Wie weiterhin in 3A dargestellt,
wird der Endbereich der festen Elektrolytschicht 105 in
stufenförmiger
Weise gebildet, wenn die feste Elektrolytschicht 105 in
mehreren Stufen (3 Stufen) gedruckt wird. Danach wird der Leiterbereich der
Außenelektrodenschicht
auf dem stufenförmigen Endbereich
der festen Elektrolytschicht 105 gedruckt, und dadurch
eine Entspannung der Druckfläche
des Leiterbereichs gemäßigt. Dadurch
wird eine Verdrahtungstrennung oder ein Drucknachziehen des Leiterbereichs
(Schicht) verhindert.
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Obwohl
der Basiskörperbereich 100 mit
der Form des kreisförmigen
Zylinders in dieser Ausführungsform
erstellt wurde, kann der Basiskörperbereich 100 in
der Form eines Stabes mit einem rechteckigen Querschnitt entwickelt,
und die Funktionsschichten auf einer Oberfläche des rechteckigen stabförmigen Basiskörperbereichs 100 durch
Sintern nach dem Siebdruck entwickelt werden. Außerdem wird in dieser Ausführungsform
eine Länge
zwischen den Stufen des stufenweisen Bereichs (Wa oder Wb, dargestellt
in 3A) länger
als oder gleich 300 μm ausgeführt. Entsprechende
Schichten der festen Elektrolytschicht 105 werden nämlich während des Druckvorganges
der festen Elektrolytschicht gedruckt, um somit zu bewirken, dass
jede Länge
zwischen den drei Stufen (Länge
zwischen den axialen Enden der benachbarten zwei Schichten) größer oder
gleich 300 μm
werden. Dadurch wird ein Kontaktbereich zwischen dem Leiterbereich
der Außenelektrodenschicht 106 und
der entspre chenden Schichten 105a bis 105c der
festen Elektrolytschicht 105 ausreichend lang, und die
Delaminierung des Leiterbereichs kann zuverlässig verhindert werden.
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Nun
werden repräsentative
Anordnungen und Wirkungen gemäß dieser
Ausführungsform
zusammengefasst und beschrieben.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst der Sauerstoffsensor 1 den Basiskörperbereich 100;
und eine Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf der Oberfläche des
Basiskörperbereichs 100 laminiert sind.
Diese Funktionsschichten umfassen die feste Elektrolytschicht 100,
die Sauerstoffionen weiterleitet, die Referenzelektronenschicht 104,
die auf der Basiskörperbereichseite
der festen Elektrolytschicht 105 angeordnet ist, die Erfassungselektrodenschicht 106,
die auf der entgegengesetzten Seite der festen Elektrolytschicht 105 zur
Referenzelektrodenschicht 104 angeordnet ist, den Heizerbereich,
der die feste Elektrolytschicht 105 durch Aufheizen aktiviert,
und die Gasdiffusionsschicht 103, die zwischen der Referenzelektrodenschicht 104 und
dem Basiskörperbereich 100 ausgebildet
ist, und vorgesehen ist, das Referenzgas innerhalb der Gasdiffusionsschicht 103 einzudiffundieren.
Diese Gasdiffusionsschicht 103 ist ausgebildet, um eine
Porosität
aufzuweisen, die einen Grenzstromwert im Bereich zwischen 60 μA und 200 μA darstellt.
Dieser Grenzstromwert ist ein Wert eines Stroms, der zwischen der
Referenzelektrodenschicht 104 und der Erfassungselektrodenschicht 106 fließt, wenn
der dazwischen fließende
Strom im Wesentlichen während
des Übertragungsvorgangs konstant
wird, bei dem eine dazwischen angelegte Spannung höher wird.
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Wenn
hier eine zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode
angelegte Lastspannung aufgebracht oder höher gesetzt wird, wird ein
Wert des zwischen den beiden Elektroden fließenden Stroms ein konstanter
Wert. Dieses Phänomen tritt
auf, weil der Sauerstoffgehalt, der der Referenzelektrode durch
die Gasdiffusionsschicht zugeführt
wird, seine obere Grenze erreicht. Dieser (konstante) obere Grenzstromwert
wird „Grenzstromwert" genannt. Weil die
obere Grenze des Sauerstoffzuführbetrags
in der Gasdiffusionsschicht mit der Porosität der Gasdiffusionsschicht
korreliert, kann die Porosität
der Gasdiffusionsschicht durch den Grenzstromwert ausgedrückt werden.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst der Sauerstoffsensor 1 die Gasdiffusionsschicht 103,
die aus dem keramischen Werkstoff und dem Lücken bildenden Werkstoff mit
einem Betrag, der ein Verhältnis
zwischen 10% und 60% des Gesamtbetrages des keramischen Werkstoffes
und des Lücken
bildenden Werkstoffes beim Gewicht aufweist, gebildet wird. Der
Lücken
bildende Werkstoff verschwindet, wenn er dem Sintern unterzogen
wird, um die Gasdiffusionsschicht 103 als poröse keramische
Schicht zu bilden.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst der Sauerstoffsensor 1 die Gasdiffusionsschicht 103,
die aus dem keramischen Werkstoff und dem Lücken bildenden Werkstoff mit
einem Betrag, der ein Verhältnis
zwischen 20% und 80% des Gesamtbetrages des keramischen Werkstoffs
und des Lücken
bildenden Werkstoffs beim Volumen aufweist, gebildet wird. Dieser
Lücken
bildende Werkstoff verschwindet, wenn er dem Sintern unterzogen
wird, um die Gasdiffusionsschicht 103 als poröse keramische
Schicht zu bilden.
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Als
Nächstes
folgen repräsentative
Wirkungen. Im Sauerstoffsensor gemäß dieser Ausführungsform
wird die Gasdiffusionsschicht gebildet, um die Porosität zwischen
60 μA und
200 μA auszuführen, wenn
die Porosität
unter Verwendung des Grenzstromwerts ausgedrückt wird. Folglich kann ein ausreichender
Sauerstoff der Referenzelektrode zugeführt werden, und der Sauerstoffsensor
kann den Sauerstoff ohne die Notwendigkeit, einen externen Schaltkreis
zum Zuführen
eines Injektionsstroms (der dazu dient, zusätzlichen Sauerstoff der Referenzelektrode
zuzuführen)
oder dergleichen vorzusehen, genau erfassen. Wenn die Porosität der Gasdiffusionsschicht
entwickelt wird, um einen Wert anzuzeigen, der kleiner als 60 μA des Grenzstromwerts
ist, wird die Diffusion des Referenzgases innerhalb der Gasdiffusionsschicht
(d.h. auf der Referenzelektrodenseite) unzureichend, so dass die
Ausgangsleistung reduziert wird. Um dieses zu kompensieren, ist der
externe Schaltkreis zum Anlegen des Injektionsstroms oder dergleichen
notwendig. Andererseits, wenn die Porosität der Gasdiffusionsschicht
entwickelt wird, um einen Wert anzuzeigen, der größer als 200 μA des Grenzstromwerts
ist, wird die Schichtdicke zu dick, und der Riss infolge der Innenspannung wird
unschwer zum Zeitpunkt des Sinterns auftreten. Zum Beispiel in dem
Fall, wo die Pore (Lücke)
durch Hinzufügen
des Lücken
bildenden Werkstoffs, wie zum Beispiel Karbonpartikeln, gebildet
wird; wird außerdem
der Betrag des Lücken
bildenden Werkstoffs erhöht,
und die Ergiebigkeit des Sensorelements verschlechtert.
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Diese
Anmeldung basiert auf einer früheren japanischen
Patentanmeldung Nr. 2006-052627, die am 28. Februar 2006 eingereicht
wurde. Der gesamte Inhalt dieser japanischen Patentanmeldung wird hiermit
durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung.
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Obwohl
die Erfindung gemäß den bestimmten
Ausführungsformen
der Erfindung oben beschrieben worden ist, ist sie nicht auf die
oben beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt. Abänderungen und
Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den
Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Der Schutzumfang der
Erfindung wird bezüglich
der folgenden Ansprüche
definiert.