DE102014206814B4

DE102014206814B4 - A/F-Sensorelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014206814B4
Application number: DE102014206814.2A
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Saitou Masami; c/o DENSO CORPORATION Fujii Namitsugu; c/o DENSO CORPORATION Kajiyama Norikazu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN104101636A; JP2014206427A; JP5892105B2; CN104101636B; US20140305798A1; DE102014206814A1; US20170138892A1; US9594050B2; US9804119B2

Abstract

A/F-Sensorelement (1) mit:einem Substrat (10, 40, 50, 60), das aus einer isolierenden Keramik besteht, die eine mit Boden versehene, zylindrische Form mit einer Seitenwand (104, 404, 504, 604), einem geschlossenen fernen Ende (101, 401, 501, 601) und einem offenen hinteren Ende (102, 402, 502, 602) hat;einem Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603), der aus einem Festelektrolyt besteht; undeinem Paar Elektroden (11, 12), wobeidie isolierende Keramik aus einem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Festelektrolyt hat,der Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) in zumindest einem Abschnitt der Seitenwand (104, 404, 504, 604) des Substrats (10, 40, 50, 60) eingebettet ist, um einen Teil der Seitenwand (104, 404, 504, 604) zu bilden, unddie Elektroden (11, 12) jeweils auf einer Innenfläche (106, 406, 506, 606) und einer Außenfläche (107, 407, 507, 607) der Seitenwand (104, 404, 504, 604) und an Positionen ausgebildet sind, die den Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) in die Mitte nehmen,dadurch gekennzeichnet, dassin das Substrat (10, 40, 50, 60), das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, eine stabförmige Heizung (3) eingeführt ist,die Heizung (3) das aus der isolierenden Keramik bestehende Substrat (10, 40, 50, 60) an einer Kontaktposition (109, 409, 509, 609) innerhalb des Substrats (10, 40, 50, 60) berührt undein Niveauunterschied an einem Grenzabschnitt (105, 405a, 405b, 505, 605) zwischen dem Substrat (10, 40, 50, 60) und dem Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) 30 µm oder weniger beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Boden versehenes, zylinderförmiges A/F-Sensorelement zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F), das darin eine Heizung eingeführt hat, und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Ein A/F-Sensor für Fahrzeuge wird verwendet, um eine Verbrennungsbedingung in einer Brennkraftmaschine zu erfassen, indem er in einem Messgas (Abgas) eine Sauerstoffkonzentration erfasst.
Als ein Beispiel für Kraftfahrzeuge ist ein A/F-Sensor ein Produkt, das eine Sauerstoffkonzentration in einem Messgas (Abgas) erfasst, indem er als ein Ausgangssignal eine elektromotorische Kraft als Grenzstrom verwendet, der in einem Festelektrolyt des A/F-Sensorelements aufgrund einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen einem Bezugsgas und dem Messgas (Abgas) erzeugt wird.
Für das A/F-Sensorelement wird weitgehend ein Sauerstoffsensorelement der Bauart mit einer Zelle verwendet.
Das A/F-Sensorelement setzt sich im Allgemeinen aus einem Festelektrolyt wie mit Yttriumoxid teilstabilisierten Zirconiumoxid und einem Paar auf beiden Oberflächen des Festelektrolyten vorgesehener Platinelektroden zusammen.
Unter dem Paar Elektroden des A/F-Sensorelements ist eine Oberfläche der Elektrode, die dem Abgas ausgesetzt ist, mit einer Diffusionswiderstandsschicht versehen, die aus einer porösen Keramik besteht.
Die Diffusionswiderstandsschicht kann dem Messgas, etwa dem Abgas, erlauben, durch sie durchzudringen, sodass das Messgas über Durchgangslöcher der Diffusionswiderstandsschicht in das Element eingeleitet wird und die auf dem Festelektrolyt ausgebildete Elektrode erreicht.
Da es notwendig ist, im A/F-Sensorelement durch den Festelektrolyt das Abgas und die Atmosphäre, die eine Bezugssauerstoffkonzentration ist, räumlich zu trennen, wird ein A/F-Sensorelement verwendet, das eine mit Boden versehene, zylindrische Form oder eine Plattenform hat.
Da die plattenförmige A/F-Sensorelementplatte durch Aufeinanderschichten von Lagen aus Festelektrolytschichten oder Isolierschichten hergestellt werden kann, lässt sie sich leicht herstellen. Da es zudem möglich ist, zum Erhitzen des Elements eine Heizung als eine Einheit mit den Festelektrolytschichten in Schichtform auszubilden, ist es zudem einfach, die Festelektrolytschicht zu erhitzen.
Aufgrund ihrer plattenförmigen Gesamtform werden jedoch an den Enden Ecken gebildet, und das Element kann in einer Nutzungsumgebung, oder wenn es in einem Auspuffrohr von Wasser bedeckt ist, schlecht mit Temperaturschocks umgehen, sodass die Möglichkeit besteht, dass das Element beschädigt werden kann.
Da in dem mit Boden versehenen, zylinderförmigen A/F-Sensorelement andererseits ein Boden in einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet werden kann, wird Temperaturschock verteilt, was insofern vorteilhaft ist, als dass verhindert werden kann, dass aufgrund von Wasser oder dergleichen Risse auftreten.
Als das A/F-Sensorelement, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, ist zum Beispiel ein vollständig aus einem Festelektrolyt bestehendes Element wie eine Zirconiumoxidvorrichtung entwickelt worden (siehe JP S53 - 139 595 A ).
Allerdings hat Zirconiumoxid geringe Wärmeleitfähigkeit.
Wenn das ganze A/F-Sensorelement durch Zirconiumoxid ausgebildet ist, wird daher die Zeit, die es braucht, um das Element ausreichend zu erhitzen, länger, wenn das Element durch eine Heizung erhitzt wird, die in dem Element, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, eingeführt und angeordnet ist. Infolgedessen besteht das Problem, dass keine rasche Aktivierung des A/F-Sensorelements erfolgen kann.
In den letzten Jahren wird zudem als Festelektrolyt teilstabilisiertes Zirconiumoxid verwendet, in dem zu Zirconiumoxid teure seltene Erden wie Yttriumoxid zugegeben werden.
Allerdings nimmt die Menge an seltenen Erden zu, wenn das gesamte Element wie im Stand der Technik durch den aus teilstabilisiertem Zirconiumoxid bestehenden Festelektrolyt ausgebildet ist, was die Herstellungskosten erhöht.
Die DE 37 29 164 A1 offenbart ein A/F-Sensorelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1, bei dem in einem Abschnitt einer Seitenwand eines Substrats, das eine mit Boden versehene, zylindrische Form mit einem geschlossenen fernen Ende und einem offenen hinteren Ende hat, ein Elektrolytteil eingebettet ist, um einen Teil der Seitenwand zu bilden, und das mit einer Heizung versehen ist, die außen um das Substrat gewickelt ist.
Aus der DE 197 02 096 B4 ist ein andererseits A/F-Sensorelement mit einer stabförmigen Heizung bekannt, die in ein Substrat eingeführt ist, das eine mit Boden versehene, zylindrische Form mit einer Seitenwand, einem geschlossenen fernen Ende und einem offenen hinteren Ende hat, und die das Substrat an einer Kontaktposition innerhalb des Substrats berührt.
Weitere A/F-Sensorelemente sind aus der JP S63 - 165 752 A und der JP 2010 - 145 214 A bekannt
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung erfolgte angesichts der oben angegebenen Probleme und hat die Aufgabe, ein A/F-Sensorelement, das zu geringen Kosten hergestellt werden kann und zu einer raschen Aktivierung imstande ist, ohne dass Risse auftreten, und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen.
Die obige Aufgabe wird durch ein A/F-Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 5 betreffen Weiterbildungen des A/F-Sensorelements.
Bei dem erfindungsgemäßen A/F-Sensorelement ist der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil in zumindest dem Abschnitt der Seitenwand des aus der isolierenden Keramik bestehenden Substrats eingebettet, um den Teil der Seitenwand zu bilden.
Daher wird es möglich, die zu verwendende Menge des Festelektrolyten zu verringern. Selbst wenn für den Festelektrolyt zum Beispiel das teilstabilisierte Zirconiumoxid verwendet wird, in dem zum Zirconiumoxid die teuren seltenen Erden wie Yttriumoxid zugegeben werden, kann infolgedessen die zu verwendende Menge verringert werden.
Daher kann das A/F-Sensorelement zu geringen Kosten hergestellt werden.
Indem der Teil der Seitenwand mit dem Elektrolyten gebildet wird, wird es zudem möglich, die Größe des A/F-Sensorelements zu verringern.
Dadurch wird es möglich, das A/F-Sensorelement rasch zu erhitzen, sodass sich die rasche Aktivierung verbessert.
Das A/F-Sensorelement wird zudem verwendet, indem in das Substrat, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, eine stabförmige Heizung eingeführt wird, und das Substrat besteht an der Kontaktposition mit der Heizung innerhalb des Substrats aus einer isolierenden Keramik, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Festelektrolyt hat.
Und zwar ist der Elektrolytteil, der aus dem Festelektrolyt besteht, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, nicht an der Kontaktposition mit der Heizung in dem Substrat vorhanden, sondern dort ist die isolierende Keramik mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vorhanden.
Daher wird Wärme von der Heizung unmittelbar zu dem Substrat übertragen, das aus der isolierenden Keramik besteht, die die hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
Daher wird es möglich, dass die zum Erhitzen erforderliche Zeit verkürzt wird, sodass das A/F-Sensorelement rascher aktiviert werden kann.
Zudem hat das A/F-Sensorelement das Substrat, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat.
Daher wird es möglich, die Ausbildung von Ecken oder Niveauunterschieden zu vermeiden, an denen sich wie zum Beispiel bei einem geschichteten, plattenartigen A/F-Sensorelement leicht Wärmespannung konzentriert, wenn es von Wasser bedeckt ist.
Daher wird es möglich, das Auftreten von Rissen aufgrund von Spannungskonzentration weiter zu vermeiden.
Da es wie oben beschrieben möglich wird, die Ausbildung der Ecken zu vermeiden, wird es zudem möglich zu verhindern, dass das Element durch die Kollision der Ecken beschädigt wird, wenn es mit einem anderen Bauteil zusammengebaut wird. Daher wird der Zusammenbau mit dem anderen Bauteil leicht.
Außerdem beträgt bei dem erfindungsgemäßen A/F-Sensorelement ein Niveauunterschied an einem Grenzabschnitt zwischen dem Substrat und dem Elektrolytteil 30 µm oder weniger.
Dadurch kann in dem Niveauunterschied eine Spannungskonzentration, die während eines Temperaturschocks erzeugt wird, verringert werden, weswegen verhindert wird, dass Risse auftreten.
In dem ersten Formschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Substrat bildender Ton, der das isolierende Keramikmaterial enthält, in die Form des Substrats geformt, das an einer Position, an der der Elektrolytteil ausgebildet wird, mit einem Raum ausgebildet ist.
In dem ersten Formschritt ist es möglich, die Größe des Raums zum Ausbilden des Elektrolytteils passend einzustellen, und die Größe des Raums kann bei Bedarf verringert werden.
Daher ist es möglich, die Menge des Elektrolyt bildenden Tons zu verringern, der in dem zweiten Formschritt eingefüllt wird, der nach dem ersten Formschritt erfolgt.
Infolgedessen wird es möglich, die Herstellungskosten des A/F-Sensorelements zu verringern.
Indem die Ausbildungsposition des Raums eingestellt wird, ist es zudem möglich, im ersten Formschritt die Ausbildungsposition des Elektrolytteils zu steuern.
Dann ist es möglich, in dem Abschnitt der Seitenwand des Substrats, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, den Raum für die Ausbildungsposition des Elektrolytteils auszubilden.
Dementsprechend kann die Kontaktposition mit der Heizung so eingestellt werden, dass die Kontaktposition durch die isolierende Keramik ausgebildet werden kann.
Infolgedessen kann das A/F-Sensorelement hergestellt werden, das rasch aktiviert werden kann.
Indem der erste Formschritt und der zweite Formschritt durchgeführt werden, können der Substrat bildende Ton und der Elektrolyt bildende Ton als Einheit in die mit Boden versehene, zylindrische Form geformt werden.
Indem der Brennschritt durchgeführt wird, kann infolgedessen das Substrat der mit Boden versehenen, zylindrischen Form erzielt werden, das den aus einem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteil in zumindest dem Teil der Seitenwand eingebettet hat.
In dem zweiten Formschritt wird der Elektrolyt bildende Ton in den Raum gefüllt, der zuvor im ersten Formschritt ausgebildet wurde, und er wird wie oben beschrieben als Einheit ausgebildet, weswegen es möglich wird, nach dem Brennen den Niveauunterschied an dem Grenzabschnitt zwischen dem Substrat und der Elektrode beinahe zu beseitigen.
Es wird daher möglich, das Auftreten der Spannungskonzentration an dem Niveauunterschied zwischen dem Substrat und der Elektrode während des Temperaturschocks, etwa beim Brennen des A/F-Sensorelements oder wenn es von Wasser bedeckt ist, zu unterdrücken, und es wird möglich, das A/F-Sensorelement herzustellen, das verhindert, dass Risse auftreten.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des A/F-Sensorelements werden der Substrat bildende Ton und der Elektrolyt bildende Ton in dem ersten Formschritt und dem zweiten Formschritt unter Verwendung einer Metallform durch Einspritzen geformt.
Dadurch kann leicht ein A/F-Sensorelement mit einem geringen Niveauunterschied an der Grenze zwischen dem Substrat und dem Elektrolytteil hergestellt werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des A/F-Sensorelements wird der Substrat bildende Ton in dem ersten Formschritt durch Einspritzen in einen Hohlraum der Metallform in einem Zustand geformt, in dem eine Ausbildungsposition des Elektrolytteils in dem Hohlraum der Metallform von einem beweglichen Formteil verschlossen ist, und der Elektrolyt bildende Ton wird in dem zweiten Formschritt durch Einspritzen in den Raum geformt, der ausgebildet wird, indem die von dem beweglichen Formteil verschlossene Ausbildungsposition des Elektrolytteils geöffnet wird.
Dadurch können leicht das aus der isolierenden Keramik bestehende Substrat, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, bei der ein Ende geschlossen und das andere Ende offen ist, und der Elektrolytteil ausgebildet werden, der in zumindest einem Abschnitt der Seitenwand des Substrats eingebettet ist, um einen Teil der Seitenwand zu bilden.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen zeigen Folgendes:

1 zeigt eine Seitenansicht eines A/F-Sensorelements in einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1;
3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1;
4 zeigt eine Seitenansicht eines Substrats im ersten Ausführungsbeispiel, bei dem in einem Teil einer Seitenwand ein Elektrolytteil ausgebildet ist;
5 ist eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel einen Schnittaufbau einer Mteallform zeigt, in der ein Teil eines Hohlraums von einem beweglichen Formteil verschlossen ist;
6 ist eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel einen Schnittaufbau der Metallform in einem Zustand zeigt, in dem der Hohlraum mit Ton zum Ausbilden eines Substrats gefüllt ist;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel einen Schnittaufbau der Metallform in einem Zustand zeigt, in dem das bewegliche Formteil zum Verschließen entfernt ist;
8 ist eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel einen Schnittaufbau der Metallform zeigt, die unter Platzierung des beweglichen Formteils zum Ausbilden des Elektrolytteils mit dem Hohlraum zum Ausbilden des Elektrolytteils ausgebildet ist;
9 ist eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel eine Schnittansicht der Metallform in einem Zustand zeigt, in dem der Hohlraum mit Ton zum Formen eines Elektrolyten gefüllt ist;
10 zeigt eine erläuternde Ansicht, die im ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt eine Weise zeigt, einen Formkörper aus der Metallform zu entfernen;
11 zeigt eine Seitenansicht eines Substrats bei einer ersten Abwandlung, das mit einem Paar an einer Seitenwand gegenüberliegen Elektrolytteilen ausgebildet ist;
12 zeigt eine Schnittansicht des Substrats in einer Richtung parallel zu einer Ebene in 11;
13 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII in 11;
14 zeigt eine Seitenansicht eines Substrats bei einer zweiten Abwandlung, das auf dem gesamten Umfang einer Seitenwand mit einem Elektrolytteil ausgebildet ist;
15 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie XV-XV in 14;
16 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie XVI-XVI in 14;
17 zeigt eine Seitenansicht eines Substrats bei einer dritten Abwandlung, in dem in einem Teil einer Seitenwand ein Elektrolytteil eingebettet ist, wobei es senkrecht zur Seitenwand eine flache Bodenfläche hat;
18 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie XVIII-XVIII in 17; und
19 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie XIX-XIX in 17.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines A/F-Sensorelements beschrieben.
In dem A/F-Sensorelement hat ein Substrat eine mit Boden versehene, röhrenförmige, hohle Form mit einer Seitenwand, einem geschlossenen fernen Ende und einem offenen hinteren Ende, und das A/F-Sensorelement wird als eine sogenannte becherförmige Bauart, zylindrische Bauart oder Bauart mit befüllter distaler Form bezeichnet.
In dieser Beschreibung wird ein Ende, das in einen Abgaskrümmer und/oder ein Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine einzuführen ist, als ein fernes Ende bezeichnet, und ein entgegengesetztes Ende, das von dem Abgaskrümmer und/oder dem Auspuffrohr frei liegt, wird als ein hinteres Ende bezeichnet.
Das A/F-Sensorelement kann die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erfassen, indem es anhand der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Bezugsgas und dem Abgas den Grenzstrom zwischen den Festelektrolyten der Elemente erfasst.
Somit ist das A/F-Sensorelement dazu imstande, das Luft-KraftstoffVerhältnis (A/F) zu erfassen.
Das A/F-Sensorelement hat einen mit Boden versehenen, zylindrischen Formkörper, der aus einer isolierenden Keramik besteht, und ein Elektrolytteil, der aus einem Festelektrolyt besteht, der als eine Einheit mit dem Substrat ausgebildet ist.
Der Elektrolytteil ist in zumindest einem Teil einer Seitenwand des mit Boden versehenen, zylinderförmigen Substrats eingebettet und bildet einen Teil der Seitenwand.
Der Elektrolytteil kann durch gemeinsames Brennen als Einheit mit dem Substrat ausgebildet werden.
Der Elektrolytteil wird in dem A/F-Sensorelement ausgebildet, indem ein Abschnitt oder eine Vielzahl von Abschnitten der Seitenwand des Substrats durch den Festelektrolyt ersetzt wird.
Das A/F-Sensorelement wird verwendet, indem in das Substrat eine stabförmige Heizung (ein Heizungsstab) eingeführt wird.
Es wird möglich, die Zeit zu verringern, die es braucht, damit Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten auftritt, indem das A/F-Sensorelement mit der im Substrat eingeführten und angeordneten Heizung erhitzt wird.
Das Substrat besteht, wie oben beschrieben wurde, an einer Kontaktposition mit der Heizung innerhalb des Substrats aus isolierender Keramik.
Falls der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil an der Kontaktposition ausgebildet ist, wird die Wärme von der Heizung über das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Elektrolytteil zum Substrat übertragen, sodass die Zeit, die erforderlich ist, um die Temperatur des A/F-Sensorelements auf eine vorbestimmte Temperatur anzuheben, die benötigt wird, damit es als Sensor fungiert, lang wird.
Mit anderen Worten ist eine rasche Aktivierung des A/F-Sensorelements schwierig.
In dem A/F-Sensorelement kann die Kontaktposition mit der Heizung innerhalb des Substrats eingestellt werden, indem ein Außendurchmesser der stabförmigen (zylindrischen) Heizung oder ein Innendurchmesser des Substrats eingestellt wird oder indem die Seitenwand des Substrats mit einer Neigung ausgebildet wird, sodass der Innendurchmesser zum fernen Ende hin kleiner wird.
Die Kontaktposition des Substrats mit der Heizung kann sich vorzugsweise an einer Position weiter zur fernen Endseite hin als der Elektrolytteil befinden.
Genauer gesagt befindet sich die Kontaktposition an der Seitenwand oder einem Bodenabschnitt des Substrats an der Position weiter zur fernen Endseite hin als der Elektrolytteil.
Besser noch wird die Heizung zum Beispiel so eingeführt, dass ein Ende in Axialrichtung der stabförmigen Heizung den Bodenabschnitt des Substrats berührt.
Vorzugsweise besteht ein Teil der Seitenwand des Substrats aus dem Elektrolytteil, und eine ferne Endseite und eine hintere Endseite des Elektrolytteils des Substrats bestehen aus der isolierenden Keramik.
In diesem Fall ist es möglich, leicht die obige Gestaltung zu erreichen, dass die Kontaktposition des Substrats mit der Heizung die isolierende Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist, indem die stabförmige Heizung durch Einführen in dem Substrat angeordnet wird und man das eine Ende der Heizung zum Beispiel den Bodenabschnitt des Substrats oder die Seitenwand an der Position weiter zur fernen Endseite als der Elektrolytteil hin berühren lässt.
Da es in diesem Fall möglich wird, die Größe des aus einem teueren Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteils zu verringern, wird es zudem möglich, die Herstellungskosten des A/F-Sensorelements zu verringern.
Zudem beträgt in dem A/F-Sensorelement ein Niveauunterschied an einem Grenzabschnitt zwischen dem Substrat und dem Elektrolytteil 30 µm oder weniger.
Dadurch kann in dem Niveauunterschied eine Spannungskonzentration, die während eines Temperaturschocks erzeugt wird, verringert werden, weswegen verhindert wird, dass Risse auftreten.
Um die Rissbildung weiter zu vermeiden, beträgt der Niveauunterschied am Grenzabschnitt vorzugsweise 10 µm oder weniger und besser noch 5 µm oder weniger.
Falls in den A/F-Sensorelementen auf einer Außenfläche des Substrats eine Ecke, etwa ein Teil, der von der Umgebung vorsteht, oder eine scharfe Kante, oder ein Niveauunterschied vorhanden ist, besteht die Möglichkeit, dass in der Ecke oder dem Niveauunterschied während eines Temperaturschocks Spannungskonzentration auftritt, und es können Risse hervorgerufen werden.
Um zu verhindern, dass die Risse auftreten, ist das Substrat in einer mit Boden versehenen, zylindrischen Form ausgebildet.
Unter dem gleichen Gesichtspunkt ist in dem Substrat, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, die Grenze zwischen der Seitenwand und dem Bodenabschnitt vorzugsweise als eine gekrümmte Oberfläche ausgebildet.
Das Substrat kann aus verschiedenen isolierenden Keramiken bestehen.
Die isolierende Keramik kann ein einzelnes Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Materialien einsetzen, das/die zum Beispiel aus Materialien wie Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid und dergleichen ausgewählt ist/sind.
Die isolierende Keramik ist vorzugsweise Aluminiumoxid.
In diesem Fall wird es möglich, die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung des Substrats zu verbessern.
Es sollte beachtet werden, dass Aluminiumoxid für ein Material steht, dessen Hauptbestandteil Al₂O₃ ist.
Der Gehalt an Al₂O₃ in der isolierenden Keramik beträgt vorzugsweise 90 Gew.-% oder mehr.
Neben Aluminiumoxid kann die isolierende Keramik ein einzelnes Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Materialien enthalten, das/die zum Beispiel aus Materialien wie Zirconiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid und dergleichen ausgewählt ist/sind.
Der Festelektrolyt ist zudem vorzugsweise ein teilstabilisiertes Zirconiumoxid.
In diesem Fall wird es möglich, die Erfassungsempfindlichkeit des A/F-Sensorelements zu verbessern.
Das teilstabilisierte Zirconiumoxid besteht aus Zirconiumoxid (Zirconiumdioxid, ZrO₂) als Hauptbestandteil, und bezogen auf Zirconiumoxid werden zum Beispiel 4-8 mol% Yttriumoxid (Y₂O₃) zugegeben.
Neben Yttriumoxid und Zirconiumoxid kann das teilstabilisierte Zirconiumoxid zudem ein einzelnes Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Materialien enthalten, das/die aus Materialien wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid und dergleichen ausgewählt ist/sind.
In dem A/F-Sensorelement ist der Elektrolytteil zudem vorzugsweise in einer Größe von 1/2 oder weniger des Volumens des Substrats ausgebildet.
Da es in diesem Fall möglich wird, die Größe des aus verhältnismäßig teuerem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteils zuverlässig zu verringern, wird es möglich, die Herstellungskosten des A/F-Sensorelements zu verringern.
Da es in diesem Fall möglich wird, die Größe des Elektrolytteils zu verringern, der aus dem Festelektrolyt besteht, der verglichen mit der isolierenden Keramik eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, wird es zudem leicht fallen, das A/F-Sensorelement während des Erhitzens zu erwärmen, und die rasche Aktivierung des A/F-Sensorelements kann weiter verbessert werden.
Unter dem gleichen Gesichtspunkt ist der Elektrolytteil vorzugsweise in einer Größe von 1/5 oder weniger des Volumens des Substrats und besser noch in einer Größe von 1/10 oder weniger ausgebildet.
Falls ein Innendurchmesser des Substrats zu klein ist, wird es zudem schwer fallen, in dem Substrat eine ausreichende Menge des für die Messung benötigten Bezugsgases sicherzustellen, und es besteht die Möglichkeit, dass sich das Sensorverhalten verschlechtert.
Falls der Innendurchmesser des Substrats zu groß ist, nimmt andererseits die Größe des A/F-Sensorelements zu, und es besteht die Möglichkeit, dass die Zeit zunimmt, die es braucht, das Element beim Erhitzen zu aktivieren.
Unter diesen Gesichtspunkten beträgt der Innendurchmesser des Substrats vorzugsweise 1-10 mm und besser noch 1-4 mm.
Es ist auch möglich, ein Substrat einzusetzen, dessen Innendurchmesser sich ändert, indem eine Seitenwand des Substrats mit einer Neigung ausgebildet wird.
Und zwar kann die Seitenwand so mit der Neigung ausgebildet werden, dass der Innendurchmesser des Substrats vom hinteren Ende aus zum fernen Ende hin kleiner wird.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass zumindest ein Innendurchmesser einer Öffnung des Substrats innerhalb des obigen Bereichs liegt.
Das A/F-Sensorelement kann zudem mit einer Elementabdeckung versehen werden, um eine Außenfläche von ihm zu bedecken.
Die Festigkeit des A/F-Sensorelements kann durch die Elementabdeckung verstärkt werden, doch wird die Festigkeit des A/F-Sensorelements geschwächt, wenn die Dicke des Substrats zu gering ist, und es besteht die Möglichkeit, dass das Element zerbrechlich wird.
Somit beträgt die Dicke des Substrats vorzugsweise mindestens 0,1 mm oder mehr und besser noch 0,3 mm oder mehr.
Wenn die Dicke des Substrats zu dick ist, besteht andererseits die Möglichkeit, dass die Zeit zunimmt, die es braucht, um das Element beim Erhitzen zu aktivieren.
Somit beträgt die Dicke des Elements vorzugsweise 5 mm oder weniger und besser noch 3 mm oder weniger.
Das A/F-Sensorelement hat zudem ein Paar Elektroden, die jeweils auf Innen- und Außenflächen der Seitenwand ausgebildet sind.
Die beiden Elektroden sind an Positionen ausgebildet, die den Elektrolytteil, der in der Seitenwand des Substrats eingebettet ist, in die Mitte nehmen.
Zum Beispiel kann auf der Außenfläche des Substrats eine messgasseitige Elektrode ausgebildet sein, und auf der Innenfläche des Substrats kann eine bezugsgasseitige Elektrode ausgebildet sein.
Die beiden Elektroden können durch ein Edelmetall wie Platin ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Elektroden aus Platin ausgebildet.
Wenn die Dicke der Elektrode zu dick ist, verkleinert sich zudem insbesondere in der Elektrode, die als die messgasseitige Elektrode dient, ein Teil, an dem sich die drei Bestandteile des Elektrolytteils (Festelektrolyt), der Elektrode (Edelmetall) und des Abgases überlappen, sodass die Möglichkeit besteht, dass sich das Sensorverhalten verschlechtert.
Daher beträgt die Dicke der Elektrode vorzugsweise 5 µm oder weniger und besser noch 3 µm oder weniger.
Wenn die Dicke der Elektrode zu gering ist und wenn die Elektrode aus einem Metallbestandteil wie Pt besteht, nimmt andererseits eine Unterbrechung des Metallbestandteils zu, sodass die Möglichkeit besteht, dass sich die Leitfähigkeit der Elektrode verschlechtert.
Somit beträgt die Dicke der Elektrode vorzugsweise 0,3 µm oder mehr. Die Elektrode ist zudem vorzugsweise eine Galvanoelektrode.
In diesem Fall wird es möglich, eine Elektrode mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auszubilden, und es besteht insbesondere in der Elektrode, die als die messgasseitige Elektrode dient, die Tendenz, dass sich leicht der Teil vergrößert, an dem sich die drei Bestandteile des Elektrolytteils, der Elektrode und des Abgases überlappen.
Wenn die Elektrode dagegen durch zum Beispiel Aufdrucken eines leitenden Pastenmaterials oder Sputtern ausgebildet wird, tritt während des Backens ein Teilchenwachstum der leitenden Metallbestandteile auf, weswegen die Möglichkeit besteht, dass sich der Metallbestandteil in einer inselartigen Form aggregiert.
Um das Teilchenwachstum zu vermeiden, ist es daher notwendig, zu dem Elektrodenmaterial ein anderes Metall oder Keramikteilchen zuzugeben, die von den leitenden Metallteilchen wie Pt verschieden sind.
Infolgedessen wird die Dicke der Elektrode, die erforderlich ist, um die Leitfähigkeit zu erzielen, zwangsläufig dick und es besteht die Tendenz, dass sich die Reaktivität in der Elektrode verringert.
Auf der Außenfläche des Substrats kann die Elektrode (die messgasseitige Elektrode) zudem auf dem Elektrolytteil zum Beispiel mit der gleichen Größe wie der Elektrolytteil ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann auf der Außenfläche des Substrats ein Elektrodenleitungsabschnitt ausgebildet sein, der sich von der messgasseitigen Elektrode aus zur hinteren Endseite des Substrats erstreckt.
Der Elektrodenleitungsabschnitt ist elektrisch mit der auf dem Elektrolytteil ausgebildeten messgasseitigen Elektrode verbunden und dient dazu, eine von dem Elektrolytteil und der Elektrode gebildete elektrochemische Zelle auszugeben.
Der Elektrodenleitungsabschnitt kann durch zum Beispiel ein ähnliches Edelmetall wie die Elektrode ausgebildet sein.
Der Elektrodenleitungsteil ist zudem vorzugsweise so angeordnet, dass er nicht auf dem Elektrolytteil ausgebildet ist.
Mit anderen Worten ist es vorzuziehen, dass der Elektrolytteil auf der Außenfläche des Substrats vollständig von der Elektrode (der messgasseitigen Elektrode) bedeckt ist.
In diesem Fall wird es möglich, die Erfassungsgenauigkeit des A/F-Sensorelements zu verbessern.
Falls der Elektrodenleitungsabschnitt auf dem Elektrolytteil ausgebildet ist, findet auch auf dem Elektrodenleitungsteil eine Sauerstoffionenleitungsreaktion statt, sodass die Möglichkeit besteht, dass die Erfassungsgenauigkeit als A/F-Sensor abnimmt.
Andererseits kann auf der Innenfläche des Substrats die Elektrode (die bezugsgasseitige Elektrode) ausgebildet sein, die zumindest den Elektrolytteil bedeckt.
Die bezugsgasseitige Elektrode kann auch auf der gesamten Innenfläche des Substrats ausgebildet sein.
Eine Ausbildungsfläche der Elektrode (der messgasseitigen Elektrode) auf der Außenfläche des Substrats beträgt vorzugsweise 1/5 oder weniger der Fläche der Außenfläche des Substrats.
In diesem Fall wird es möglich, einen Ausbildungsbereich einer Diffusionswiderstandsschicht oder einer Schutzschicht zu verkleinern, wenn wie unten beschrieben die Diffusionswiderstandsschicht oder die Schutzschicht ausgebildet wird, die die Elektrode bedeckt, wodurch die Produktivität des A/F-Sensorelements verbessert wird.
Wenn die Diffusionswiderstandsschicht oder die Schutzschicht durch thermisches Spritzen ausgebildet wird, verringert sich zudem mit abnehmender Bearbeitungsfläche die Zeit, die es zum Spritzen braucht, wodurch sich die Produktivität stark verbessert.
Die Verkleinerung des Ausbildungsbereichs der Diffusionswiderstandsschicht oder der Schutzschicht führt zudem zu einer Verringerung der Größe des A/F-Sensorelements.
Infolgedessen wird es möglich, die rasche Aktivierung der Elemente während des Erhitzens weiter zu verbessern.
Das A/F-Sensorelement hat zudem vorzugsweise die Diffusionswiderstandsschicht, die aus einer porösen Keramik besteht, die zumindest die Elektrode bedeckt, die auf einer Außenfläche des Substrats ausgebildet ist.
In diesem Fall ist es möglich, die Diffusion von Gas zur Oberfläche der auf der Außenfläche des Substrats ausgebildeten Elektrode (der messgasseitigen Elektrode) zu unterdrücken.
Daher ist es möglich, die Erfassungsgenauigkeit des Sensors zu erhöhen.
Die Diffusionswiderstandsschicht kann aus einem porösen Körper von hochschmelzenden Metalloxiden wie MgO·Al₂O₃-Spinell bestehen.
Falls die Dicke der Diffusionswiderstandsschicht zu dünn ist, ist es unmöglich, einen ausreichenden Grenzstrom zu erreichen, weshalb die Möglichkeit besteht, dass das Erfassungsvermögen des Sensors abnimmt.
Falls die Dicke zu dick ist, nimmt die Körpergröße des Elements zu und kann die rasche Aktivierung des Elements beeinträchtigen.
Daher beträgt die Dicke der Diffusionswiderstandsschicht vorzugsweise größer oder gleich 50 µm und 500 µm oder weniger und besser noch größer oder gleich 50 µm und 300 µm oder weniger.
Zudem kann in dem A/F-Sensorelement die Schutzschicht ausgebildet sein, die zumindest einen Abschnitt der Diffusionswiderstandsschicht bedeckt.
Die Schutzschicht kann durch die Keramik wie MgO·Al₂O₃-Spinell ausgebildet sein, die ähnlich wie beim Diffusionswiderstand eine hervorragende Wärmebeständigkeit hat.
Die Schutzschicht kann entweder poröses oder dichtes Körpermaterial sein.
Wenn die Schutzschicht verwendet wird, die aus porösem Körpermaterial besteht, ist es möglich, eine Schutzschicht auszubilden, die eine Diffusionswiderstandsschicht vollständig bedeckt.
Zusätzlich zur Diffusionswiderstandsschicht kann die aus porösem Material bestehende Schutzschicht die gesamte Oberfläche des Substrats bedecken oder vom fernen Ende bis zumindest einer Fläche, die in das Auspuffrohr oder den Abgaskrümmer eingeführt wird, ausgebildet sein.
Wenn die Schutzschicht verwendet wird, die aus dichtem Körpermaterial besteht, ist es zudem vorzuziehen, dass zumindest ein Abschnitt der Diffusionswiderstandsschicht auf der Außenfläche des A/F-Sensorelements frei liegt, sodass ein Bereich ausgebildet ist, in dem die Diffusionswiderstandsschicht nicht von der Schutzschicht bedeckt ist.
Darüber hinaus wird der Schutz der Elektroden unzureichend, wenn die Dicke der Schutzschicht zu dünn ist, und die Körpergröße des Elements nimmt zu, wenn die Dicke zu groß ist, und das kann die rasche Aktivierung des Elements beeinträchtigen.
Daher beträgt die Dicke der Schutzschicht vorzugsweise größer oder gleich 50 µm und 500 µm oder weniger und besser noch größer oder gleich 50 µm und 300 µm oder weniger.
Die Diffusionswiderstandsschicht und die Schutzschicht können ausgebildet werden, indem zum Beispiel Keramikpulver aus MgO·Al₂O₃-Spinell oder dergleichen durch Spritzen aufgeblasen wird.
Das A/F-Sensorelement kann hergestellt werden, indem ein erster Formschritt, ein zweiter Formschritt, ein Brennschritt und ein Elektrodenformschritt durchgeführt werden.
In dem ersten Formschritt wird Substrat bildender Ton, der das isolierende Keramikmaterial enthält, in die Form des Substrats geformt, das an einer Position, an der der Elektrolytteil ausgebildet wird, mit einem Raum ausgebildet ist.
Als das isolierende Keramikmaterial kann zum Beispiel Aluminiumoxidpulver verwendet werden.
Aluminiumoxid kann als Hauptbestandteil des isolierenden Keramikmaterials verwendet werden, und außerdem kann ein einzelnes Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Materialien verwendet werden, das/die zum Beispiel aus Materialien wie Zirconiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid und dergleichen ausgewählt ist/sind.
Der Substrat bildende Ton kann erzielt werden, indem das isolierende Keramikmaterial, ein organisches Bindemittel, ein Dispergiermittel, Wasser und dergleichen gemischt werden.
In dem zweiten Formschritt wird Elektrolyt bildender Ton, der ein Festelektrolytmaterial enthält, geformt, indem er in den oben genannten Raum gefüllt wird.
Als das Festelektrolytmaterial kann ein Ausgangsmaterial verwendet werden, das nach dem Brennen einen Festelektrolyt erzeugt.
Und zwar kann als das Festelektrolytmaterial Zirconiumoxidpulver, Yttriumoxidpulver oder dergleichen verwendet werden.
Daneben kann als das Festelektrolytmaterial ein Material verwendet werden, das ein einzelnes Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Materialien enthält, das/die aus Materialien wie Aluminiumoxidpulver, Siliciumoxidpulver, Magnesiumoxidpulver, Calciumoxidpulver und dergleichen ausgewählt ist/sind.
Der Elektrolyt bildende Ton kann erzielt werden, indem das Festelektrolytmaterial, das organische Bindemittel, das Dispersionsmittel, Wasser und dergleichen gemischt werden.
Der erste Formschritt und der zweite Formschritt können durch ein Spritzgussverfahren, das eine Metallform verwendet, oder ein Formgussverfahren, das eine Gips-/Harzform verwendet, erfolgen.
Erfindungsgemäß wird der jeweilige Substrat bildende Ton und Elektrolyt bildende Ton in dem ersten Formschritt und dem zweiten Formschritt unter Verwendung der Metallform durch Einspritzen geformt.
In diesem Fall kann leicht ein A/F-Sensorelement mit einem geringen Niveauunterschied an der Grenze zwischen dem Substrat und dem Elektrolytteil hergestellt werden.
Erfindungsgemäß wird der Substrat bildende Ton in dem ersten Formschritt durch Einspritzen in einen Hohlraum der Metallform in einem Zustand geformt, in dem die Ausbildungsposition des Elektrolytteils in dem Hohlraum der Metallform von einem beweglichen Formteil verschlossen ist, und der Elektrolyt bildende Ton wird in dem zweiten Formschritt durch Einspritzen in den Raum geformt, der ausgebildet wird, indem die von dem beweglichen Formteil verschlossene Formposition des Elektrolytteils geöffnet wird.
In diesem Fall können leicht das aus der isolierenden Keramik bestehende Substrat, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, bei der ein Ende geschlossen und das andere Ende offen ist, und der Elektrolytteil ausgebildet werden, der in zumindest einem Abschnitt der Seitenwand des Substrats eingebettet ist, um einen Teil der Seitenwand zu bilden.
In dem Brennschritt wird ein Formkörper, der durch Durchführen des ersten Formschritts und des zweiten Formschritts erzielt wird, gebrannt.
Die Brenntemperatur kann abhängig von der Zusammensetzung der isolierenden Keramik und des Festelektrolyten passend festgelegt werden.
Außerdem ist es vorzuziehen, dass vor der Durchführung des Brennschritts ein Entfettungsschritt durchgeführt wird, der den Formkörper entfettet.
Die in dem Formkörper enthaltenen organischen Bestandteile wie das Bindemittel können vor dem Brennen entfernt werden, indem der Entfettungsschritt durchgeführt wird.
In dem Elektrodenformschritt wird jeweils auf der Innenfläche und der Außenfläche des Substrats ein Paar Elektroden ausgebildet.
Die beiden Elektroden werden an Positionen ausgebildet, die zumindest den Elektrolytteil in der Seitenwand des Substrats in die Mitte nehmen.
In dem Elektrodenformschritt ist es vorzuziehen, die Elektrode durch Galvanisieren auszubilden.
Die Heiztemperatur zum Ausbilden der Elektrode beträgt vorzugsweise 1200 °C oder weniger.
[Ausführungsbeispiele]
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines A/F-Sensorelements beschrieben.
Wie in 1 - 4 gezeigt ist, hat ein A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels ein Substrat 10, das aus einer isolierenden Keramik besteht, die eine mit Boden versehene, zylindrische Form hat, bei der ein fernes Ende 101 geschlossen ist und ein hinteres Ende 102 offen ist, einen Elektrolytteil 103, der aus einem Festelektrolyt besteht, und ein Paar Elektroden 11, 12.
Der Elektrolytteil 103 ist in zumindest einem Abschnitt einer Seitenwand 104 des Substrats 10 eingebettet, um einen Teil der Seitenwand 104 des Substrats 10 zu bilden (siehe 2 - 4).
Die beiden Elektroden 11, 12 sind jeweils auf einer Innenfläche 106 und einer Außenfläche 107 der Seitenwand 104 und an Positionen ausgebildet, die den Elektrolytteil 103 in die Mitte nehmen.
In 1 ist aus Gründen der Erläuterung eine äußere Form des Körpers 10, des auf der Außenfläche 107 ausgebildeten Elektrodenabschnitts 12, eines Elektrodenleitungsabschnitts 121, der später erläutert wird, und der Diffusionswiderstandsschicht 14 durch Strichellinien angegeben, während ein Elektrodenentnahmeabschnitt 122, der später erläutert wird, ein Teil des Elektrodenleitungsabschnitts 121 und die Schutzschicht 13 durch Punkt- oder Schraffurschattierungen angegeben sind.
Im Folgenden wird das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels ausführlich unter Bezugnahme auf 1 - 4 beschrieben.
Wie in 1 - 4 gezeigt ist, hat das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels das Substrat 10, das aus der isolierenden Keramik besteht, die die mit Boden versehene, zylindrische Form hat.
Wie in 2 gezeigt ist, hat eine Grenze zwischen der Seitenwand 104 und einem Bodenabschnitt 108 des Substrats 10 eine gekrümmte Oberfläche, und die gesamte Bodenfläche ist eine gekrümmte Oberfläche. Das Substrat 10 hat eine gleichmäßige Dicke von 1 mm.
Wie in 2 - 4 gezeigt ist, hat das Substrat 10 einen Aufbau, dass ein Teil der Seitenwand 104 durch einen Festelektrolyt ersetzt ist, und der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 103 ist auf der Seitenwand 104 des Substrats 10 ausgebildet.
Und zwar ist der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 103 in dem A/F-Sensorelement 1 in zumindest einem Abschnitt der Seitenwand 104 des aus der isolierenden Keramik bestehenden Substrats 10 eingebettet, um einen Teil der Seitenwand 104 des Substrats 10 zu bilden.
Der Elektrolytteil 103 ist an einem Ende der geschlossenen Seite der Seitenwand 104 des Substrats 10 ausgebildet, d. h. näher am fernen Ende 101.
Ein Teil der Seitenwand 104 des Substrats 10 ist durch den aus dem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteil 103 ausgebildet, und die Seite des fernen Endes 101 und die Seite des hinteren Endes 102 des Elektrolytteils 103 des Substrats 10 bestehen alle aus der isolierenden Keramik.
Der Elektrolytteil 103 ist bezüglich des Substrats 10 ausreichend klein, und der Elektrolytteil 103 ist in einer Größe von 1/30 des Gesamtvolumens des Substrats 10 ausgebildet.
An einem Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 gibt es beinahe keinen Niveauunterschied, und in diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Niveauunterschied am Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 sogar in jeder der Innenfläche 106 und der Außenfläche 107 des Substrats 10 nicht mehr als 3 µm (siehe 2 - 4).
In diesem Ausführungsbeispiel besteht die isolierende Keramik aus Aluminiumoxid, das eine Wärmeleitfähigkeit von 40 W/m.K hat. Der Festelektrolyt besteht aus teilstabilisiertem Zirconiumoxid, das eine Wärmeleitfähigkeit von 15 W/m.K hat. Das teilstabilisierte Zirconiumoxid hat Zirconiumoxid als Hauptbestandteil und enthält 4-8 mol% Yttriumoxid.
Wie in 1 - 3 gezeigt ist, wird das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels zudem verwendet, indem in das Substrat 10 eine stabförmige Heizung 3 eingeführt wird.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, besteht das Substrat 10 an einer Kontaktposition 109 der Heizung 3 innerhalb des Substrats 10 aus der isolierenden Keramik, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Festelektrolyt hat.
Und zwar ist an der Kontaktposition 109 mit der Heizung 3 in dem Substrat nicht der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 103, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, sondern die isolierende Keramik vorhanden, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
In diesem Ausführungsbeispiel beträgt ein Innendurchmesser des hinteren Endes 102 des Substrats 10, d. h. der Innendurchmesser eines offenen Endabschnitts, 3 mm, und ein Durchmesser der in das Substrat 10 eingeführten Heizung 3 beträgt 1,5 mm.
Wenn die Heizung 3 in das Substrat 10 eingeführt wird, berührt ein Ende 31 in Axialrichtung der Heizung 3 dann den Bodenabschnitt 108 des Substrats, und der Bodenabschnitt 108 besteht aus der isolierenden Keramik.
Wie in 1 - 3 gezeigt ist, sind auf der Innenfläche 106 und der Außenfläche 107 des Substrats 10 zudem die beiden Elektroden 11, 12 ausgebildet, die den Elektrolytteil 103 in die Mitte nehmen.
Die beiden Elektroden 11, 12 bestehen aus Platin und sind mit 1 µm Dicke ausgebildet. Die Elektroden 11, 12 sind Galvanoelektroden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind als die Elektroden 11, 12 eine bezugsgasseitige Elektrode 11 und eine messgasseitige Elektrode 12 ausgebildet.
Und zwar ist die bezugsgasseitige Elektrode 11 auf der Innenfläche 106 des Substrats 10 ausgebildet und die messgasseitige Elektrode 12 ist auf der Außenfläche 107 des Substrats 10 ausgebildet.
In dem A/F-Sensorelement 1 wird durch den Elektrolytteil 103 und die beiden Elektroden 11, 12, die den Elektrolytteil 103 in die Mitte nehmen, eine elektrochemische Zelle ausgebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die bezugsgasseitige Elektrode 11 so ausgebildet, dass sie die gesamte Oberfläche der Innenfläche 106 des Substrats 10 bedeckt.
Andererseits ist die messgasseitige Elektrode 12 in einem Bereich ausgebildet, der sich mit dem Elektrolytteil 103 auf der Außenfläche 107 des Substrats 10 überlappt.
Auf der Außenfläche 107 des Substrats 10 ist zudem der Elektrodenleitungsabschnitt 121 ausgebildet, der sich von der messgasseitigen Elektrode 12 aus zur Seite des hinteren Endes 102 des Substrats 10 hin erstreckt.
Der Elektrodenleitungsabschnitt 121 ist auf der Außenfläche 107 des Substrats 10, das aus der isolierenden Keramik besteht, und nicht auf dem Elektrolytteil 103 ausgebildet, das aus dem Festelektrolyt besteht.
Auf der Seite des hinteren Endes 102 des Substrats 10 ist zudem der ringförmige Elektrodenentnahmeabschnitt 122 ausgebildet, der einen Außenumfang des Substrats 10 umgibt, und der Elektrodenentnahmeabschnitt 122 ist mit dem Elektrodenleitungsabschnitt 121 verbunden und leitet elektrisch.
Ähnlich wie die Elektroden 11, 12 bestehen der Elektrodenleitungsabschnitt 121 und der Elektrodenentnahmeabschnitt 122 aus Platin (Pt), und sie sind mit der gleichen Dicke wie die Elektrode ausgebildet.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist in dem A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels eine Diffusionswiderstandsschicht 14 ausgebildet, die aus einer porösen Keramik besteht, die die messgasseitige Elektrode 12 bedeckt, um eine Diffusion des Messgases (Abgases) auf eine Oberfläche der messgasseitigen Elektrode 12 zu unterdrücken.
Die Diffusionswiderstandsschicht 14 ist eine Schicht aus porösem MgO·Al₂O₃-Spinell, und sie ist mit einer Dicke von 200 µm (Maximaldicke) ausgebildet.
Zudem ist darauf eine Schutzschicht ausgebildet, die die Außenfläche des Substrats 10 bedeckt.
Die Schutzschicht 13 besteht aus einem nicht porösen Material (dichter Körper) aus MgO·Al₂O₃-Spinell mit einer Dicke (Maximaldicke) von 300 µm.
Die Schutzschicht 13 bedeckt die Diffusionswiderstandsschicht 14 nicht vollständig, und die Diffusionswiderstandsschicht 14 liegt auf der Außenfläche des A/F-Sensorelements zumindest teilweise frei.
Die Schutzschicht 13 lässt das Abgas in diesem Ausführungsbeispiel kaum durch.
Somit ist das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels so gestaltet, dass das Abgas die messgasseitige Elektrode 12 von einem Bereich aus erreicht, in dem auf der Diffusionswiderstandsschicht 14 keine Schutzschicht 13 ausgebildet ist, d. h. von einer Öffnung 141 aus, an der die Diffusionswiderstandsschicht 14 durch die Diffusionswiderstandsschicht 33 frei liegt.
Dabei ist zu beachten, dass die Schutzschicht 13 die gesamte Außenfläche 107 des Substrats mit Ausnahme der Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Seite des hinteren Endes 102 des Substrats 10 bedeckt.
Zumindest die Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Elektrodenentnahmeabschnitt 122 sind nicht von der Schutzschicht 13 bedeckt und liegen frei.
Das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels wird verwendet, indem die Seite des fernen Endes 101 in ein Auspuffrohr oder einen Abgaskrümmer eingeführt wird (siehe 1 - 4).
In dem A/F-Sensorelement 1 wird die Außenfläche 107 der Seite des fernen Endes 101 dem Messgas (Abgas) ausgesetzt.
Andererseits wird die Innenfläche 106 einem Bezugsgas (Luft) ausgesetzt.
In dem A/F-Sensorelement 1 bilden der Elektrolytteil 103 und die bezugsgasseitige Elektrode 11 und die messgasseitige Elektrode 12, die jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektrolytteils 103 ausgebildet sind, die elektrochemische Zelle aus, und wenn die beiden Elektroden 11, 12 jeweils dem Bezugsgas und dem Messgas ausgesetzt werden, wird zwischen den Elektroden 11, 12 durch eine Differenz der Sauerstoffkonzentration dieser Gase ein Grenzstrom erzeugt, und anhand eines Werts des Grenzstroms kann ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfasst werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des A/F-Sensorelements 1 dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird das A/F-Sensorelement 1 hergestellt, indem ein erster Formschritt, ein zweiter Formschritt, ein Entfettungsschritt, ein Brennschritt und ein Elektrodenformschritt durchgeführt werden.
In dem ersten Formschritt wird Substrat bildender Ton 18, der das isolierende Keramikmaterial enthält, in die Form des Substrats 10 (eine mit Boden versehene, zylindrische Form) geformt, in der an einer Position, an der der Elektrolytteil ausgebildet wird, ein Raum 201 ausgebildet ist (siehe 6 - 8).
In dem zweiten Formschritt wird Elektrolyt bildender Ton 19, der ein Festelektrolytmaterial enthält, geformt, indem er in den oben genannten Raum 201 gefüllt wird (siehe 8 und 9).
In dem Entfettungsschritt wird ein Formkörper 100 (siehe 10), der nach dem ersten Formschritt und dem zweiten Formschritt erzielt wird, entfettet.
In dem Brennschritt wird der Formkörper 100 gebrannt.
In dem Elektrodenformschritt werden auf dem Substrat 10, das nach dem Brennen erzielt wird, zudem die Elektroden 11, 12, der Elektrodenleitungsabschnitt 121 und der Elektrodenentnahmeabschnitt 122 ausgebildet (siehe 1 - 3).
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des A/F-Sensorelements 1 dieses Ausführungsbeispiels ausführlicher erläutert.
Zunächst wird Substrat bildender Ton erzielt, indem Aluminiumoxidpulver, Paraffinharze, Styrol-Butadien-Copolymerharz und Stearinsäure vermischt werden und nach der Zugabe von reinem Wasser zu der Mischung gemischt wird und diese erhitzt wird.
Dann wird, wie in 5 gezeigt ist, eine Form 2 (Metallform) angefertigt, in der ein Hohlraum 20 mit der Form des Substrats (einer mit Boden versehenen, zylindrischen Form) ausgebildet ist.
Wie in 5 gezeigt ist, besteht die Metallform 2 in diesem Ausführungsbeispiel aus drei Hauptbestandteilen, und zwar einer oberen Form 21, einer zentralen Form 22 und einer unteren Form 23. Die obere Form 21, die zentrale Form 22 und die untere Form 23 sind voneinander trennbar.
In der oberen Form 21 ist ein Toneinlass 211 ausgebildet, um das Material in den von der oberen Form 21, der zentralen Form 22 und der unteren Form 23 ausgebildeten Hohlraum 20 einzuspeisen.
In der unteren Form 23 ist zudem ein bewegliches Formteil 231 vorgesehen, das einen Abschnitt des Hohlraums 20 verschließt.
Das bewegliche Formteil 231 ist so vorgesehen, dass es in dem Hohlraum 20 eine Ausbildungsposition des Elektrolytteils 103 verschließt (siehe 2).
Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, wird über den Toneinlass 211 als Nächstes der Substrat bildende Ton 18 in den Hohlraum 20 der Metallform 2 eingefüllt, um ein Spritzgießen durchzuführen (erster Formschritt).
Das Spritzgießen erfolgt unter einer Bedingung, dass die Ausbildungsposition des Elektrolyten in dem Hohlraum 20 der Metallform 2 durc das bewegliche Formteil 231 verschlossen ist.
Als Nächstes wird Elektrolyt bildender Ton erzielt, indem Zirconiumoxidpulver, Yttriumoxidpulver, Paraffinharze, Styrol-Butadien-Copolymerharz und Stearinsäure vermischt werden und nach der Zugabe von reinem Wasser zu der Mischung gemischt wird und diese erhitzt wird.
Wie in 7 - 9 gezeigt ist, wird der Elektrolyt bildende Ton 19 dann in den Raum 201 gefüllt, der ausgebildet wird, indem die von dem beweglichen Formteil 231 verschlossene Ausbildungsposition des Elektrolytteils geöffnet wird, um das Spritzgießen durchzuführen.
Und zwar wird das bewegliche Formteil 231, das die Ausbildungsposition des Elektrolytteils verschließt, wie in 7 gezeigt ist, nach dem Spritzgießen des Substrat bildenden Tons 18 (siehe 6) entfernt, und dann wird es, wie in 8 gezeigt ist, durch ein anderes bewegliches Formteil 232 ersetzt, in dem an der Ausbildungsposition des Elektrolytteils ein anderer Hohlraum (Raum 201) ausgebildet ist.
In dem beweglichen Formteil 232 ist ein Toneinlass 233 ausgebildet, um das Material in den Raum 201 einzuspeisen.
Wie in 9 gezeigt ist, wird dann durch den in dem beweglichen Formteil 232 vorgesehenen Toneinlass 233 der Elektrolyt bildende Ton 19 in den Raum 201 gefüllt, um das Spritzgießen durchzuführen (zweiter Formschritt).
Wie in 10 gezeigt ist, werden nach dem Spritzgießen als Nächstes die obere Form 21, die zentrale Form 22 und die untere Form 23 nacheinander vom Formkörper 100 entfernt, und es wird der Formkörper 100 erzielt, der die mit Boden versehene, zylindrische Form hat.
Ein Teil der Seitenwand des Formkörpers 100 besteht aus dem Elektrolyt bildenden Ton 19, und der Rest besteht aus dem Substrat bildenden Ton 18.
Nach dem Entfetten des Formkörpers 100 (Entfettungsschritt) wird der Formkörper 100 als Nächstes gebrannt (Brennschritt).
Dadurch wird, wie in 4 gezeigt ist, das Substrat 10 erzielt, das aus der isolierenden Keramik besteht, die die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, in der der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 103 in dem Teil der Seitenwand 104 eingebettet ist.
Wie in 1 - 3 gezeigt ist, wird auf der Innenfläche 106 und der Außenfläche 107 des Substrats 10 durch stromloses Galvanisieren Platin abgeschieden, und indem das Substrat 10 bei einer Temperatur von 1000°C wärmebehandelt wird, werden die bezugsgasseitige Elektrode 11 und die messgasseitige Elektrode 12 ausgebildet (Elektrodenformschritt).
In diesem Ausführungsbeispiel wird die bezugsgasseitige Elektrode 11 über der gesamten Innenfläche 106 des Substrats 10 ausgebildet, und die messgasseitige Elektrode 12 wird in der gleichen Größe wie der Elektrolytteil 103 ausgebildet.
Auf der Außenfläche 107 des Substrats werden zudem die Elektrodenleitung 121, die sich von der messgasseitigen Elektrode 12 aus zur Seite des hinteren Endes 102 des Substrats 10 hin erstreckt, und der ringförmige Elektrodenentnahmeabschnitt 122 ausgebildet, der den Außenumfang des Substrats 10 auf der Seite des hinteren Endes 102 des Substrats 10 umgibt (siehe 1 - 3).
Der Elektrodenleitungsabschnitt 121 und der Elektrodenentnahmeabschnitt 122 werden ähnlich wie die bezugsgasseitige Elektrode 11 und die messgasseitige Elektrode 12 auch durch stromloses Galvanisieren unter Verwendung von Platin ausgebildet.
Dann wird die aus MgO·Al₂O₃-Spinell bestehende, poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 so ausgebildet, dass sie zumindest die messgasseitige Elektrode 12 vollständig bedeckt. Die Diffusionswiderstandsschicht 14 wird durch Plasmaspritzen ausgebildet.
Auf der Außenfläche des Substrats 10 mit Ausnahme der Diffusionswiderstandsschicht 14 und des hinteren Endes 102 des Substrats 10 wird zudem durch Plasmaspritzen die Schutzschicht 13 ausgebildet, die aus dem dichten Körper aus MgO·Al₂O₃-Spinell besteht.
Wie in 1 - 3 gezeigt ist, wird auf die oben beschriebene Weise das A/F-Sensorelement 1 erzielt, das das aus der isolierenden Keramik bestehende Substrat 10 mit der mit Boden versehenen, zylindrischen Form, den aus dem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteil 103 und das Paar Elektroden 11, 12 hat.
In dem A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels ist der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 103, wie in 2 - 4 gezeigt ist, in zumindest dem Abschnitt der Seitenwand 104 des aus der isolierenden Keramik bestehenden Substrats 10 eingebettet, um den Teil der Seitenwand 104 zu bilden.
Daher wird es möglich, die zu verwendende Menge des Festelektrolyten zu verringern. Infolgedessen kann die zu verwendende Menge sogar dann verringert werden, wenn zum teilstabilisierten Zirconiumoxid zum Beispiel eine teuere seltene Erde wie Yttriumoxid zugegeben wird.
Daher kann das A/F-Sensorelement 1 zu geringen Kosten hergestellt werden.
Indem der Teil der Seitenwand 104 mit dem Elektrolytteil 103 gebildet wird, wird es zudem möglich, die Größe des A/F-Sensorelements 1 zu verringern.
Dadurch wird es möglich, das A/F-Sensorelement 1 rasch zu erhitzen, sodass die rasche Aktivierung verbessert wird.
Wie in 1 - 3 gezeigt ist, wird das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels zudem verwendet, indem in das Substrat 10, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, eine stabförmige Heizung 3 eingeführt wird.
Die Kontaktposition 109 mit der Heizung 3 innerhalb des Substrats 10 wird von der isolierenden Keramik gebildet, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Festelektrolyt hat.
Und zwar ist in dem Substrat 10 an der Kontaktposition 109 mit der Heizung 3 nicht der aus dem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 3, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, sondern die isolierende Keramik vorhanden, die die hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
Daher wird Wärme von der Heizung 3 unmittelbar zu dem Substrat 10 übertragen, das aus der isolierenden Keramik besteht, die die hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
Daher wird es möglich, die zum Erhitzen erforderliche Zeit zu verkürzen, sodass das A/F-Sensorelement 1 rascher aktiviert werden kann.
Zudem besteht der Teil der Seitenwand 104 des Substrats 10 aus dem Elektrolytteil 103, und die Seite des fernen Endes 101 und die Seite des hinteren Endes 102 vom Elektrolytteil 103 der Seitenwand 104 aus ist durch die isolierende Keramik ausgebildet.
Daher wird in dem A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels die Heizung 3 in das Substrat 10 eingeführt, das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, und mit der Bodenfläche des Substrats 10 befindet sich ein Ende 31 der Heizung 3 in Kontakt.
Somit wird es möglich, leicht die obige Gestaltung zu erreichen, dass die Kontaktposition 109 des Substrats 10 mit der Heizung 3 die isolierende Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zudem ein Niveauunterschied am Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und dem Elektrolytteil 103 auf der Seite der Innenfläche 106 und der Seite der Außenfläche 107 des Substrats 10 mit einem Laserabstandsmesser gemessen.
Die Messung erfolgt auf eine berührungsfreie Messweise. Der Niveauunterschied beträgt als Ergebnis dessen höchstens etwa 3 µm. Somit ist in dem A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels der Niveauunterschied am Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 sehr klein.
Daher wird es möglich, am Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 das Auftreten der Spannungskonzentration am Niveauunterschied während eines Temperaturschocks, etwa wenn das Substrat 10 gebrannt wird oder das A/F-Sensorelement 1 von Wasser bedeckt ist, zu unterdrücken.
Infolgedessen wird es möglich, zu verhindern, dass in dem A/F-Sensorelement 1 Risse auftreten.
Darüber hinaus hat das A/F-Sensorelement 1 das mit Boden versehene zylinderförmige Substrat 10.
Daher ist es möglich, die Ausbildung von Ecken oder Niveauunterschieden zu vermeiden, an denen sich Wärmespannung wie bei zum Beispiel einem plattenförmigen A/F-Sensorelement leicht konzentriert, wenn es von Wasser bedeckt ist.
Es wird daher möglich, das Auftreten von Rissen aufgrund der Spannungskonzentration weiter zu vermeiden.
Da es wie oben beschrieben möglich wird, die Ausbildung der Ecken zu vermeiden, wird es zudem möglich, zu verhindern, dass das Element durch die Kollision der Ecken beschädigt wird, wenn es mit einem andern Bauteil zusammengebaut wird. Daher fällt der Zusammenbau mit anderen Bauteilen leicht.
Darüber hinaus hat in dem A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels die Grenze zwischen der Seitenwand 104 und dem Bodenabschnitt 108 des Substrats 10 die gekrümmte Oberfläche.
Daher wird es möglich zu verhindern, dass sich die Wärmespannung in dem Grenzabschnitt zwischen der Seitenwand 104 und dem Bodenabschnitt 108 konzentriert. Daher wird es noch zuverlässiger möglich, das Auftreten von Rissen zu verhindern.
In diesem Ausführungsbeispiel ist Aluminiumoxid Hauptbestandteil der isolierenden Keramik des Substrats 10. Daher wird es möglich, die elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit des Substrats 10 zu verbessern.
Zudem ist teilstabilisiertes Zirconiumoxid ein Hauptbestandteil des Festelektrolyten des Elektrolytteils 103. Daher ist das A/F-Sensorelement 1 dazu imstande, eine hervorragende Empfindlichkeit zu zeigen.
Darüber hinaus hat das A/F-Sensorelement 1 dieses Ausführungsbeispiels die Diffusionswiderstandsschicht 14, die aus der porösen Keramik besteht, die zumindest die messgasseitige Elektrode 12 bedeckt.
Daher ist es möglich, die Diffusion von Gas auf die Oberfläche der messgasseitigen Elektrode 12 zu unterdrücken, sodass die Erfassungsgenauigkeit des Sensors erhöht wird.
In dem ersten Formschritt wird Substrat bildender Ton 18 in die Form des Substrats 10 geformt, in der an der Position, an der der Elektrolytteil ausgebildet wird, der Raum 201 ausgebildet ist, und in dem zweiten Formschritt wird Elektrolyt bildender Ton 19 geformt, indem er in den Raum 201 gefüllt wird (siehe 5 - 10).
Dadurch können der Substrat bildende Ton 18 und der Elektrolyt bildende Ton 19 als eine Einheit in die mit Boden versehene, zylindrische Form geformt werden (siehe 10).
Indem der Brennschritt durchgeführt wird, kann infolgedessen das Substrat 10 der mit Boden versehenen, zylindrischen Form erzielt werden, das das aus einem Festelektrolyt bestehende Elektrolytteil 13 in zumindest dem Teil der Seitenwand 104 eingebettet hat.
In dem zweiten Formschritt wird der Elektrolyt bildende Ton 19 in den Raum 201 gefüllt, der zuvor im ersten Formschritt ausgebildet wurde, und er wird wie oben beschrieben als Einheit ausgebildet.
Daher wird es wie oben beschrieben möglich, nach dem Brennen den Niveauunterschied an dem Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 beinahe zu beseitigen.
In dem ersten Formschritt und dem zweiten Formschritt dieses Ausführungsbeispiels werden der Elektrolyt bildende Ton 18 und der Substrat bildende Ton 19 unter Verwendung der Metallform 2 durch Einspritzen geformt (siehe 5 - 10).
Insbesondere wird der Substrat bildende Ton 18 in dem ersten Formschritt durch Einspritzen in den Hohlraum 20 der Metallform 2 in dem Zustand geformt, in dem die Ausbildungsposition des Elektrolytteils in dem Hohlraum 20 der Metallform 2 von dem beweglichen Formteil 231 verschlossen ist, und der Elektrolyt bildende Ton 19 wird in dem zweiten Formschritt durch Einspritzen in den Raum 201 geformt, der ausgebildet wird, indem die von dem beweglichen Formteil 231 verschlossene Ausbildungsposition des Elektrolytteils geöffnet wird.
Daher kann wie oben beschrieben leicht das A/F-Sensorelement 1 mit beinahe keinem Niveauunterschied an dem Grenzabschnitt 105 zwischen dem Substrat 10 und der Elektrode 103 hergestellt werden (siehe 1 - 3).
(Erstes Vergleichsbeispiel)
Dieses Vergleichsbeispiel ist ein Beispiel eines A/F-Sensorelements, in dem ein Substrat, das eine mit Boden versehene, zylindrische Form hat, vollständig mit dem Festelektrolyt ausgebildet ist.
Und zwar ist als ein solches A/F-Sensorelement in dem Beispiel in 3 der JP S53 - 139 595 A ein Sauerstoffkonzentrationssensor offenbart.
Selbst wenn ein Substrat in der gleichen Größe wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet wird, erfordert das A/F-Sensorelement mit dem vollständig von dem Festelektrolyt (teilstabilisierten Zirconiumoxid) gebildeten Substrat in dem Vergleichsbeispiel 20-mal mehr vom teueren Zirconiumoxid als das erste Ausführungsbeispiel.
Da das gesamte Substrat aus dem Festelektrolyt besteht, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, braucht ein typisches Vergleichsbeispiel, selbst wenn es durch die Heizung erhitzt wird, verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel zudem als Sensor viermal länger, um eine messbare vorbestimmte Temperatur zu erreichen.
(Zweites Vergleichsbeispiel)
Dieses Vergleichsbeispiel ist ein Beispiel eines A/F-Sensorelements, in dem um einen stabartigen Kern aus Aluminiumoxid eine Festelektrolytschicht mit einem Paar Elektroden auf ihrer Vorder- und Rückseite herumgewickelt ist.
Und zwar ist als ein solches A/F-Sensorelement in zum Beispiel dem ersten Ausführungsbeispiel (1 - 3) der JP S61 - 272 649 A ein Sauerstoffsensor offenbart.
Das A/F-Sensorelement dieses Vergleichsbeispiels erfordert während seiner Herstellung einen Schritt, in dem eine Grünlage, die zu der Festelektrolytschicht wird, um den Kern herumgewickelt wird.
Daher ist für den Kern und die Grünlage ein gewisser Grad an Festigkeit erforderlich, sodass es notwendig ist, die Dicke der Grünlage zu erhöhen.
Infolgedessen nimmt die Größe der Festelektrolytschicht, die geringe Wärmeleitfähigkeit hat, zu, und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie von der Heizung erhitzt wird.
Im Gegensatz dazu kann bei dem A/F-Sensorelement des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels die Größe des Elements 1 verringert werden, da der Festelektrolytteil 103 in dem Teil der Seitenwand 104 eingebettet ist (siehe 1 - 4).
In dem A/F-Sensorelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels besteht zudem die Kontaktposition 105 mit der Heizung 3 in dem Substrat 10 aus der isolierenden Keramik, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat (siehe 1 - 3).
Verglichen mit einem Element, das den Aufbau des zweiten Vergleichsbeispiels hat, kann daher das A/F-Sensorelement 1 des ersten Ausführungsbeispiels rasch aktiviert werden.
Tatsächlich braucht das A/F-Sensorelement mit dem Aufbau des zweiten Vergleichsbeispiels verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel als Sensor zweimal länger, um die messbare vorbestimmte Temperatur zu erreichen.
(Abwandlungen)
Der aus dem Festelektrolyt besehende Elektrolytteil ist zwar in dem oben genannten ersten Ausführungsbeispiel in zumindest dem Teil der Seitenwand des aus der isolierenden Keramik bestehenden, mit Boden versehenen, zylinderförmigen Substrats ausgebildet, doch kann der Elektrolytteil auch in einer Vielzahl von Teilen der Seitenwand des Substrats ausgebildet sein.
Beispiele eines Substrats, in dem das Ausbildungsmuster des Elektrolytteils des Substrats und die Form des Substrats gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel geändert sind, werden in den folgenden Abwandlungen erläutert.
Die 11 - 19, auf die sich die folgenden Abwandlungen 1 - 3 beziehen, zeigen die Form des Substrats und die Ausbildungsposition des Elektrolytteils auf dem Substrat, und die Gestaltung der anderen Bestandteile des A/F-Sensorelements wie die Elektrode, die poröse Schutzschicht und die Heizung sind weggelassen.
Allerdings ist in den Schnittansichten von 12, 15 und 18 die Heizung, die in das Substrat eingeführt wird, aus Gründen der Erläuterung des Lagezusammenhangs zwischen dem Substrat und der Heizung, der später beschrieben wird, durch eine Strichellinie angegeben.
(Erste Abwandlung)
Diese Abwandlung ist ein Beispiel eines Substrats, in dem auf der Seite eines fernen Endes einer Seitenwand ein Paar Elektrolytteile, die einander gegenüberliegen, ausgebildet ist.
Wie in den 11 - 13 gezeigt ist, hat ein Substrat 40 bei dieser Abwandlung eine mit Boden versehene, zylindrische Form und an einander gegenüber liegenden Positionen in einer Seitenwand 404 ein Paar Elektrolytteile 403a, 403b.
Die Elektrolytteile 403a, 403b sind nahe an einem fernen Ende 401 der Seitenwand 404 ausgebildet und in der Seitenwand 404 eingebettet, um Teile der Seitenwand 404 zu bilden.
Die Teile der Seitenwand 404 des Substrats 40 sind durch die aus dem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteile 403a, 403b ausgebildet, und die gesamte übrige Oberfläche auf der Seite des fernen Endes 401 und der Seite eines hinteren Endes 402 von den Elektrolytteilen 403a, 403b aus ist durch die isolierende Keramik ausgebildet.
Dementsprechend sind auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf der Innenfläche 406 und der Außenfläche 407 des Substrats 40 dieser Abwandlung auch die Elektrode (nicht gezeigt) ausgebildet, und das A/F-Sensorelement wird angefertigt, indem auf der Außenfläche 407 die Schutzschicht (nicht gezeigt) ausgebildet wird.
Wenn die Heizung 3 (durch die Strichellinien in 12 gezeigt) in das Substrat 40 zum Beispiel bis zu einem Bodenabschnitt 408 eingeführt und angeordnet wird, wird die Kontaktposition 409 mit der Heizung 3 innerhalb des Substrats 40 von der isolierenden Keramik gebildet (siehe 12).
(Zweite Abwandlung)
Diese Abwandlung ist ein Beispiel eines Substrats, in dem ein zylinderförmiges Elektrolytteil um den gesamten Umfang einer fernen Endseite einer Seitenwand herum ausgebildet ist.
Wie in den 14 - 16 gezeigt ist, hat ein Substrat 50 bei dieser Abwandlung eine mit Boden versehene, zylindrische Form und einen zylinderförmigen Elektrolytteil 503, der auf der Seite eines fernen Endes 501 einer Seitenwand 504 um den gesamten Umfang herum ausgebildet ist.
Der Elektrolytteil 503 ist in der Seitenwand 504 eingebettet, um einen Teil der Seitenwand 504 zu bilden.
Der Teil der Seitenwand 504 des Substrats 50 ist durch den aus dem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteil 503 ausgebildet, und die gesamte übrige Oberfläche auf der Seite des fernen Endes 501 und der Seite eines hinteren Endes 502 vom Elektrolytteil 503 aus ist durch die isolierende Keramik ausgebildet.
Dementsprechend sind auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf der Innenfläche 506 und der Außenfläche 507 des Substrats 50 dieser Abwandlung auch die Elektroden (nicht gezeigt) ausgebildet, und das A/F-Sensorelement wird angefertigt, indem auf der Außenfläche 507 die Schutzschicht (nicht gezeigt) ausgebildet wird.
Wenn die Heizung 3 (durch die Strichellinie in 15 gezeigt) in das Substrat 450 zum Beispiel bis zu einem Bodenabschnitt 508 eingeführt und angeordnet wird, wird die Kontaktposition 509 mit der Heizung 3 innerhalb des Substrats 50 von der isolierenden Keramik gebildet (siehe 15).
(Dritte Abwandlung)
Diese Abwandlung ist ein Beispiel eines Substrats, in dem eine Grenze zwischen einer Seitenwand und einem Bodenabschnitt nicht von einer gekrümmten Oberfläche gebildet wird, sondern der Bodenabschnitt bezüglich der Seitenwand unter einem rechten Winkel ausgebildet ist.
Wie in den 17 - 19 gezeigt ist, hat ein Substrat 60 bei dieser Abwandlung eine mit Boden versehene, zylindrische Form und wie das erste Ausführungsbeispiel einen Elektrolytteil 603, der auf der Seite eines fernen Endes 601 einer Seitenwand 604 ausgebildet ist.
Die Seitenwand 604 hat eine zylindrische Form, und in einer Richtung senkrecht zur Seitenwand 604 ist ein Bodenabschnitt 608 vorgesehen. Der Winkel zwischen der Seitenwand 604 und dem Bodenabschnitt 608 ist ein rechter Winkel.
Ein Teil der Seitenwand 604 des Substrats 60 dieser Abwandlung ist durch den aus dem Festelektrolyt bestehenden Elektrolytteil 603 ausgebildet, und die gesamte übrige Oberfläche auf der Seite des fernen Endes 601 und der Seite eines hinteren Endes 602 von dem Elektrolytteil 603 aus ist durch die isolierende Keramik ausgebildet.
Dementsprechend sind auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf der Innenfläche 606 und der Außenfläche 607 des Substrats 60 dieser Abwandlung auch die Elektroden (nicht gezeigt) ausgebildet, und das A/F-Sensorelement wird angefertigt, indem auf der Außenfläche 607 die Schutzschicht (nicht gezeigt) ausgebildet wird.
Wenn die Heizung 3 (durch die Strichellinie in 18 gezeigt) in das Substrat 650 zum Beispiel bis zu einem Bodenabschnitt 608 eingeführt und angeordnet wird, wird die Kontaktposition 609 mit der Heizung 3 innerhalb des Substrats 60 von der isolierenden Keramik gebildet (siehe 18).
Die Substrate 40, 50 bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Abwandlung können auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden, d. h. indem der erste Formschritt, der zweite Formschritt und der Brennschritt durchgeführt werden, ausgenommen dass die Form des Raums, in dem der Elektrolyt bildende Ton eingefüllt wird, entsprechend der Form des Elektrolytteils 403a, 403b, 503 geändert werden muss (siehe 11 - 16).
Zudem kann das Substrat 60 der dritten Abwandlung auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden, d. h. indem der erste Formschritt, der zweite Formschritt und der Brennschritt durchgeführt werden, ausgenommen dass eine Form mit einem Hohlraum verwendet wird, der derart ausgebildet ist, dass der Bodenabschnitt 608 bezüglich der Seitenwand 604 im rechten Winkel ausgebildet ist (siehe 17 - 19).
Daher wird es sogar bei dem Substrat 40, 50, 60 jeder Abwandlung wie im ersten Ausführungsbeispiel möglich, in dem Grenzabschnitt 405a, 405b, 505, 605 zwischen dem aus der isolierenden Keramik bestehenden Substrat 40, 50, 60 und dem Elektrolytteil 403a, 403b, 503, 603 im Wesentlichen jeden Niveauunterschied zu beseitigen.
Wenn ein A/F-Sensorelement unter Verwendung des Substrats 40, 50, 60 der ersten bis dritten Abwandlung ausgebildet wird, können die Elektroden zudem passend abhängig von der Ausbildungsposition und Form des Elektrolytteils 403a, 403b, 503, 603 ausgebildet werden, sodass die elektrochemische Zelle aufgebaut wird.
Die Diffusionswiderstandsschicht und die Schutzschicht können auf der Außenfläche des Substrats 40, 50, 60 so ausgebildet werden, dass sie zumindest den auf dem Elektrolytteil 403a, 403b, 503, 603 ausgebildeten Elektrodenabschnitt (die messgasseitige Elektrode) bedecken.
Indem die Elektrode, die Diffusionswiderstandsschicht und die Schutzschicht ausgebildet werden, wird es auch bei jeder Abwandlung möglich, das A/F-Sensorelement in der gleichen Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel zu gestalten, und das A/F-Sensorelement hat bei jeder Abwandlung die gleiche Funktionsweise und Wirkungen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Man sollte sich dessen bewusst sein, dass in den Abwandlungen Bestandteile, die mit denen im ersten Ausführungsbeispiel identisch oder zu ihnen ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind, und ihr Aufbau und ihre Merkmale nicht beschrieben werden, um überflüssige Erläuterungen zu vermeiden.

Claims

A/F-Sensorelement (1) mit: einem Substrat (10, 40, 50, 60), das aus einer isolierenden Keramik besteht, die eine mit Boden versehene, zylindrische Form mit einer Seitenwand (104, 404, 504, 604), einem geschlossenen fernen Ende (101, 401, 501, 601) und einem offenen hinteren Ende (102, 402, 502, 602) hat; einem Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603), der aus einem Festelektrolyt besteht; und einem Paar Elektroden (11, 12), wobei die isolierende Keramik aus einem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Festelektrolyt hat, der Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) in zumindest einem Abschnitt der Seitenwand (104, 404, 504, 604) des Substrats (10, 40, 50, 60) eingebettet ist, um einen Teil der Seitenwand (104, 404, 504, 604) zu bilden, und die Elektroden (11, 12) jeweils auf einer Innenfläche (106, 406, 506, 606) und einer Außenfläche (107, 407, 507, 607) der Seitenwand (104, 404, 504, 604) und an Positionen ausgebildet sind, die den Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) in die Mitte nehmen, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat (10, 40, 50, 60), das die mit Boden versehene, zylindrische Form hat, eine stabförmige Heizung (3) eingeführt ist, die Heizung (3) das aus der isolierenden Keramik bestehende Substrat (10, 40, 50, 60) an einer Kontaktposition (109, 409, 509, 609) innerhalb des Substrats (10, 40, 50, 60) berührt und ein Niveauunterschied an einem Grenzabschnitt (105, 405a, 405b, 505, 605) zwischen dem Substrat (10, 40, 50, 60) und dem Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) 30 µm oder weniger beträgt.
A/F-Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei die isolierende Keramik Aluminiumoxid ist.
A/F-Sensorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Festelektrolyt ein teilstabilisiertes Zirconiumoxid ist.
A/F-Sensorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) in einer Größe von 1/2 oder weniger des Volumens des Substrats (10, 40, 50, 60) ausgebildet ist.
A/F-Sensorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Diffusionswiderstandsschicht vorgesehen ist, die aus einer porösen Keramik besteht, die zumindest die Elektrode (12) bedeckt, die auf einer Außenfläche des Substrats (10, 40, 50, 60) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung des A/F-Sensorelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit: einem ersten Formschritt zum Formen Substrat bildenden Tons (18), der das isolierende Keramikmaterial enthält, in die Form des Substrats (10, 40, 50, 60), das an einer Position, an der der Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) ausgebildet wird, mit einem Raum (201) ausgebildet ist; einem zweiten Formschritt zum Formen Elektrolyt bildenden Tons (19), der das Festelektrolytmaterial enthält, indem er in den Raum (201) gefüllt wird; einem Brennschritt zum Herstellen des Substrats (10, 40, 50, 60), das den Elektrolytteil (103, 403a, 403b, 503, 603) hat, durch Brennen; und einem Elektrodenformschritt zum Ausbilden der Elektroden (11, 12), wobei der Substrat bildende Ton (18) in dem ersten Formschritt durch Einspritzen in einen Hohlraum (20) einer Metallform (2) in einem Zustand geformt wird, in dem eine Ausbildungsposition des Elektrolytteils (103, 403a, 403b, 503, 603) in dem Hohlraum (20) der Metallform (2) von einem beweglichen Formteil (231) verschlossen ist, und der Elektrolyt bildende Ton (19) in dem zweiten Formschritt durch Einspritzen in den Raum (201) geformt wird, der ausgebildet wird, indem die von dem beweglichen Formteil (231) verschlossene Ausbildungsposition des Elektrolytteils (103, 403a, 403b, 503, 603) geöffnet wird.