DE102015218461A1 - Gassensorelement, Gassensor und Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements - Google Patents

Gassensorelement, Gassensor und Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements Download PDF

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Satoshi Okazaki
Akinori Kojima
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

Ein Gassensorelement (10) enthält eine erste Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten umgebenden Teil (112), der aus einer isolierenden Keramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 enthält, die ein Durchgangsloch 112h bildet, und mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist, in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) in Kontakt mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) aufweist. Die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) ist in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt bei dessen Annäherung an eine Seite DT1. Die Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) sind entlang des gesamten Umfangs in engem Kontakt miteinander.

Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement zur Erfassung von zu messendem Gas, einen Gassensor, der das Gassensorelement aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements.
  • 2. Stand der Technik
  • Patentdokument 1 offenbart beispielsweise ein Gassensorelement mit einer Schicht (eine Keramikverbundschicht, die später beschrieben ist), die so ausgebildet ist, dass ein fester Elektrolyt-Körper (ein Elektrolytteil, der nachfolgend beschrieben ist) in einem Durchgangsloch angeordnet ist, das in einem isolierenden Element gebildet ist (ein umgebender Teil, der nachfolgend beschrieben ist).
    • [Patentdokument 1] japanische Patentoffenlegungsschrift (kokai) Nummer 2007-278941
  • 3. Probleme, die durch die Erfindung zu lösen sind
  • In dem Gassensorelement aus Patentdokument 1 ist jedoch die äußere Umfangsfläche (eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche, die später beschrieben wird) des festen Elektrolyt-Körpers (Elektrolytteil) mit der inneren Umfangsfläche (eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche, die nachfolgend beschrieben ist) des Durchgangslochs in Kontakt, das im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des isolierenden Elements (umgebender Teile) ist. Da folglich die Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des umgebenden Teils klein ist, kann während der Herstellung des Gassensorelements eine ausreichende Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des umgebenden Teils nicht gewährleistet werden, woraus sich potenziell das Problem ergibt, dass die gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Elektrolytteils miteinander über einen Spalt in Verbindung stehen, der zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche gebildet ist.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das zuvor genannte Problem erdacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gassensorelement, das eine hohe Zuverlässigkeit durch Reduzierung einer Problematik erreicht, die sich aus der Bildung eines Spalt zwischen dem Elektrolytteil und dem umgebenden Teil ergibt, sowie einen Gassensor, der das Gassensorelement aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements bereitzustellen.
  • Die vorhergehende Aufgabe ist in einem Aspekt gelöst worden durch Bereitstellen (1) eines Gassensorelements, das eine erste zusammengesetzte Keramikschicht bzw. eine erste Keramikverbundschicht aufweist. Die erste Keramikverbundschicht hat einen plattenartigen ersten Elektrolytteil, der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche aufweist, und einen plattenartigen ersten umgebenden Teil, der aus einer isolierenden Keramik oder einer Mischung einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik aufgebaut ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche aufweist, die ein Durchgangsloch bildet, das sich in einer Dickenrichtung des Gassensorelementes hindurch erstreckt. Der erste Elektrolytteil ist in dem Durchgangsloch angeordnet, und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils ist mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils in Kontakt. Einander zugewandte Kontaktflächen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils sind entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils geneigt bzw. angeschrägt, während sie sich auf eine Seite bezogen auf die Dickenrichtung zu bewegen, und diese vollständig in engem Kontakt miteinander sind.
  • Da in dem zuvor beschriebenen Gassensorelement (1) die Kontaktfläche der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und die Kontaktfläche der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils so geneigt sind, dass die Positionen der Kontaktflächen sich nach außen ändern bzw. wandern, während man sich auf eine Seite in Bezug auf die Dickenrichtung bewegt, kann die Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Kontaktfläche des ersten Elektrolytteils und der Kontaktfläche des ersten umgebenden Teils vergrößert werden. Ferner sind die Kontaktflächen der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche vollständig in engem Kontakt miteinander. Somit kann die Ausbildung eines Verbindungsspalts zwischen gegenüberliegenden Hauptoberflächen des ersten Elektrolytteils zwischen dem Elektrolytteil und dem ersten umgebenden Teil vermieden werden, wodurch das Gassensorelement von einer Beeinträchtigung der Genauigkeit ausgespart ist, die ansonsten sich aus dem Gasfluss durch den Spalt ergeben könnte. Daher kann das Gassensorelement eine hohe Zuverlässigkeit bereitstellen.
  • Zu beachten ist, dass in einem Modus der ersten Keramikverbundschicht die gesamte Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und die gesamte Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils als die entsprechenden Kontaktflächen dienen können. In einem weiteren Modus der ersten Keramikverbundschicht können aufgrund einer Differenzen der Dicke oder der Anordnung zwischen dem ersten Elektrolytteil und dem ersten umgebenden Teil die Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils oder die Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils eine nicht zum Kontakt vorgesehene Oberfläche auf einer Seite und/oder auf der anderen Seite entlang der Dickenrichtung in Bezug auf die Kontaktfläche aufweisen.
  • Vorzugsweise ist die Elektrolyt-Außenumfangsfläche derart „geneigt bzw. angeschrägt”, dass in einem vertikalen Schnitt des ersten Elektrolytteils entlang der Dickenrichtung ein Winkel θ (spitzer Winkel (0° bis 90°)) zwischen der Hautoberfläche auf einer Seite des ersten Elektrolytteils und der Kontaktfläche (Neigung) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche der Beziehung genügt 45° ≤ θ ≤ 80° und noch bevorzugter 55° ≤ θ ≤ 75°. Wenn der Winkel θ zwischen der Hautoberfläche auf einer Seite des ersten Elektrolytteils und der Kontaktfläche (Neigung) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 80° übersteigt, ist die Kontaktfläche zwar geneigt, ist aber nahezu eine vertikale Oberfläche, wodurch es als Resultat misslingt, eine ausreichende Kontaktlänge sicherzustellen. Wenn der Winkel θ zwischen der Hautoberfläche auf einer Seite des ersten Elektrolytteils und der Kontaktfläche (Neigung) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche kleiner als 45° ist, wird es schwierig, einen ausreichenden Bereich der Hautoberfläche auf der anderen Seite des ersten Elektrolytteils beizubehalten, so dass die Größe einer Elektrode, die auf der Hautoberfläche auf der anderen Seite bereitgestellt ist, reduziert ist, woraus sich eine Verringerung des Sensorausgangssignals ergibt.
  • Zusätzlich zu einer isolierenden Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) kann eine Mischung aus einer isolierenden Keramik und einer festen Elektrolytkeramik (beispielsweise eine Keramikmischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid) verwendet werden, um den ersten umgebenden Teil der ersten Keramikverbundschicht zu bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform (2) des Gassensorelements wird der erste Elektrolytteil gebildet, indem ein Elektrolytschichtelement, das die feste Elektrolytkeramik enthält und deren Schichtelement-Außenumfangsfläche in Richtung des Äußeren des Schichtelementes geneigt ist, während es sich in Richtung der einen Seite in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung bewegt, mit Wärme beaufschlagt wird, und der erste umgebende Teil wird gebildet, indem eine Schicht aus Keramikpaste mit Wärme beaufschlagt wird, die mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche des Elektrolytschichtelements in Kontakt ist und die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält.
  • Bei der Herstellung des zuvor erwähnten Gassensorelements wird der erste Elektrolytteil hergestellt, indem das Elektrolytschichtelement mit Wärme beaufschlagt wird, und der erste umgebende Teil wird hergestellt, indem eine Schicht aus isolierender Paste mit Wärme beaufschlagt wird. Vor der Wärmebehandlung ist ferner die Schicht aus isolierender Paste mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche des Elektrolytschichtelements in Kontakt. Da somit die Wärmebeaufschlagung ausgeführt wird, während die Neigung der Schichtelement-Außenumfangsfläche beibehalten wird, kann eine Kontaktfläche der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils zuverlässig geneigt werden, wie zuvor erwähnt ist. Des Weiteren ist die Schicht aus isolierender Paste in unmittelbarem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche, die zu der Elektrolyt-Außenumfangsfläche wird. Daher kann das Gassensorelement so konfiguriert werden, dass die Kontaktfläche der Elektrolyt-Außenumfangsfläche und die Kontaktfläche der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche direkt in zuverlässiger Weise in engem Kontakt miteinander sein können.
  • Auch kann zusätzlich zu einer isolierenden Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) eine Mischung einer isolierenden Keramik und einer festen Elektrolytkeramik (beispielsweise eine gemischte Keramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid) zur Herstellung der Keramikpaste verwendet werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (3) umfasst das zuvor erwähnte Gassensorelement (1) oder (2) ferner eine Heizeinheit, die auf der einen Seite in Bezug auf die Dickenrichtung in Beziehung mit der ersten Keramikverbundschicht angeordnet und ausgebildet ist, den ersten Elektrolytteil zu erwärmen.
  • In dem Gassensorelement (3) ist die Heizeinheit auf der einen Seite in Bezug auf den ersten Elektrolytteil, der die Kontaktfläche (Neigung) aufweist, angeordnet, die so geneigt ist, dass ihre Position nach außen wandert, wenn man sich in Bezug auf die Dickenrichtung in Richtung der einen Seite bewegt. D. h., da der erste Elektrolytteil, dessen Schnittfläche in Richtung zu der einen Seite zunimmt, durch die Heizeinheit von der einen Seite in Bezug auf den ersten Elektrolytteil erwärmt werden kann, wird die Erwärmung des ersten Elektrolytteils erleichtert, wodurch der erste Elektrolytteil schneller eine höhere Temperatur erreichen und aktiviert werden kann.
  • In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform (4) umfasst das oben erwähnte Gassensorelement (3) eine zweite Keramikverbundschicht, die zwischen der ersten Keramikverbundschicht und der Heizeinheit angeordnet ist, und diese ist wie folgt ausgebildet. Die zweite Keramikverbundschicht hat einen plattenartigen zweiten Elektrolytteil, der aus der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche aufweist, und hat einen plattenähnlichen zweiten umgebenden Teil, der aus der isolierenden Keramik oder einer Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist, mit einer zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche, die ein zweites Durchgangsloch bildet, das sich in der Dickenrichtung des Gassensorelementes hindurch erstreckt, und eine höhere thermische Leitfähigkeit als der zweite Elektrolytteil aufweist. Der zweite Elektrolytteil ist in dem zweiten Durchgangsloch angeordnet, und die zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche des zweiten Elektrolytteils ist mit der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des zweiten umgebenden Teils in Kontakt. Der zweite Elektrolytteils ist von dem ersten Elektrolytteil der ersten Verbundkeramikschicht beabstandet, um dazwischen eine Messkammer zu bilden, in der zu messendes Gas einzuführen ist. Einander zugewandt zweite Kontaktflächen der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche des zweiten Elektrolytteils und der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des zweiten umgebenden Teils sind jeweils in Richtung des Inneren des zweiten Elektrolytteils geneigt, während sie sich in Bezug auf die Dickenrichtung auf eine Seite zu bewegen, und sind vollständig in engem Kontakt miteinander.
  • Das Gassensorelement (4) umfasst ferner die zweite Keramikverbundschicht zusätzlich zu der ersten Keramikverbundschicht. Die Messkammer ist zwischen dem zweiten Elektrolytteil der zweiten Keramikverbundschicht und dem ersten Elektrolytteil der ersten Keramikverbundschicht gebildet. Auch hat der zweite umgebende Teil eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zweite Elektrolytteil. Im Gegensatz zu der Kontaktfläche der ersten Keramikverbundschicht ist ferner die zweite Kontaktfläche der zweiten Keramikverbundschicht so geneigt, dass ihre Position bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite zu nach innen wandert. D. h., in der zweiten Verbundschicht hat der zweite umgebende Teil, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zweite Elektrolytteil hat, eine größere Fläche auf der einen Seite (d. h. auf der Seite der Heizeinheit) als auf der anderen Seite.
  • Da in dem Gassensorelement (4) die zweite Keramikverbundschicht zwischen der ersten Keramikverbundschicht und der Heizeinheit liegt, und die Messkammer dazwischen besteht, ist es weniger wahrscheinlich, dass durch die Heizeinheit erzeugte Wärme den ersten Elektrolytteil der ersten Keramikverbundschicht im Vergleich zu dem zweiten Elektrolytteil der zweiten Keramikverbundschicht erreicht; daher ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Temperatur des ersten Elektrolytteils der ersten Keramikverbundschicht erhöht. Jedoch kann in diesem Gassensorelement der zweite umgebende Teil Wärme, die von dem Heizelement erzeugt wird, in größerer Menge von der Oberfläche empfangen, die der einen Seite zugewandt ist und die eine relativ große Fläche des zweiten umgebenden Teils mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit hat, wodurch die Wärme effizient auf die erste Keramikverbundschicht übertragen werden kann. Im Vergleich zu einem Fall, in welchem die zweite Kontaktfläche parallel zu der Dickenrichtung ist oder so geneigt ist, dass ihre Position nach außen wandert, wenn man sich in Richtung auf die eine Seite bewegt, kann der erste Elektrolytteil der ersten Keramikverbundschicht geeigneter aufgewärmt und dessen Temperatur erhöht werden.
  • In einem zweiten Aspekt (5) stellt die vorliegende Erfindung einen Gassensor bereit, der ein beliebiges der zuvor genannten Gassensorelemente (1) bis (4) umfasst.
  • Da der zuvor genannte Gassensor (5) das zuvor genannte Gassensorelement umfasst, kann der Gassensor eine hohe Zuverlässigkeit durch Reduzierung einer Problematik bereitstellen, die sich aus der Bildung eines Spalts zwischen dem ersten Elektrolytteil und dem ersten umgebenden Teil ergibt.
  • In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements bereit, das eine erste Keramikverbundschicht mit einem plattenartigen ersten Elektrolytteil, der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche aufweist, und einen plattenartigen ersten umgebenden Teil aufweist, der aus einer isolierenden Keramik oder eine Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche aufweist, die ein Durchgangsloch bildet, das sich in einer Dickenrichtung des Gassensorelementes hindurch erstreckt, und wobei der erste Elektrolytteil in dem Durchgangsloch angeordnet ist, die Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils in Kontakt ist und wobei einander zugewandte Kontaktflächen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils jeweils so geneigt sind, dass die Positionen der einander zugewandten Kontaktflächen nach außen wandern mit zunehmender Bewegung in Richtung auf eine Seite in Bezug auf die Dickenrichtung, und die miteinander vollständig in engem Kontakt sind. Das Verfahren umfasst einen Schritt zur Herstellung einer Verbundschicht, wobei eine grüne bzw. vorläufige Keramikverbundschicht gebildet wird, indem eine Schicht aus Keramikpaste, die die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält, um ein Elektrolytschichtelement herum angeordnet wird, das aus einer dünnen Schicht gebildet ist, die die feste Elektrolytkeramik enthält und eine Schichtelement-Außenumfangsfläche besitzt, derart, dass die Schicht aus Keramikpaste mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche in Kontakt kommt, wann sich ein Trocknen anschließt, wobei die Schichtelement-Außenumfangsfläche in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils geneigt ist, während sie sich auf eine Seite in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung zu bewegt; und einen Schritt zu einer Wärmebeaufschlagung, um die vorläufige Keramikverbundschicht mit Wärme zu Beaufschlagen, um die erste Keramikverbundschicht zu bilden, die den ersten Elektrolytteil und den ersten umgebenden Teil aufweist.
  • Gemäß dem oben genannten Verfahren (6) zur Herstellung eines Gassensorelements wird in dem Schritt zur Herstellung einer Verbundschicht eine Schicht aus isolierender Paste um das Elektrolyt-Schichtelement herum in Kontakt mit der geneigten Schichtelement-Außenumfangsfläche angeordnet. Folglich kann die Schicht aus isolierender Paste zuverlässig in engem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche mit großer Kontaktfläche gebracht werden. Daher kann ein Gassensorelement hergestellt werden, das eine hohe Zuverlässigkeit durch Verhinderung der Ausbildung eines Spalts nach der Wärmebeaufschlagung zwischen den Kontaktflächen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils bereitstellt.
  • Das Elektrolytschichtelement wird beispielsweise aus einer Elektrolytschicht unter Anwendung eines Stanzwerkzeugs ausgeschnitten, oder wird aus der Elektrolytschicht unter Verwendung eines Energiestrahls, etwa eines Laserstrahls, oder einer Schneideklinge ausgeschnitten.
  • Vorzugsweise wird die Schichtelement-Außenumfangsfläche so geneigt bzw. angeschrägt, dass ihre Position sich nach außen ändert bzw. nach außen wandert bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung” derart, dass in einem vertikalen Schnitt des Elektrolytschichtelements entlang der Schichtdickenrichtung ein Winkel θs zwischen der Hauptoberfläche des Elektrolytschichtelements und der Schichtelement-Außenumfangsfläche (Neigung) der Beziehung genügt 45° ≤ θs ≤ 80° und noch bevorzugter 55° ≤ θs ≤ 75°. Wenn der Winkel θs zwischen der Hauptoberfläche des Elektrolytschichtelements und der Schichtelement-Außenumfangsfläche 80° übersteigt, ist die Schichtelement-Außenumfangsfläche geneigt, aber dies entspricht nahezu einer vertikalen Oberfläche, woraus sich ergibt, dass eine zuverlässige Festlegung einer ausreichenden Kontaktlänge in Relation zu der umgebenden Schicht der Keramikpaste nicht erfolgt. Wenn der Winkel θs zwischen der Hautoberfläche des Elektrolytschichtelements und der Schichtelement-Außenumfangsfläche kleiner als 45° nach der Wärmebeaufschlagung ist, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Sicherstellung einer ausreichenden Fläche der Hautoberfläche an der anderen Seite des ersten Elektrolytteils, so dass die Größe einer Elektrode, die auf der Hautoberfläche auf der anderen Seite bereitgestellt wird, reduziert ist, woraus sich eine Verringerung eines Sensorausgangssignals ergibt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform (7) umfasst das zuvor genannte Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements (6) ferner einen Ausschneideschritt zum Ausschneiden, vor dem Schritt zur Herstellung einer Verbundschicht, des Elektrolytschichtelements aus der vorläufigen Schicht durch Lenken eines kegelförmig konvergierenden Laserstrahls von einem CW-Laser auf die vorläufige Schicht und durch Bewegen des Laserstrahls in einer Ebenenrichtungen der vorläufigen Schicht.
  • Da das zuvor genannte Verfahren (7) zur Herstellung eines Gassensorelements ferner den Ausschneideschritt umfasst, kann das Elektrolytschichtelement zuverlässig gebildet werden, dessen Schnittoberfläche (Schichtelement-Außenumfangsfläche) geneigt ist. Daher kann das Gassensorelement hergestellt werden, indem das Elektrolytschichtelement zuverlässig verwendet wird, dessen Schichtelement-Außenumfangsfläche geneigt ist, wie dies zuvor erwähnt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung eines Gassensors, der ein Gassensorelement gemäß einer Ausführungsform oder gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 2 ist eine Draufsicht des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform oder der modifizierten Ausführungsform.
  • 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung (schematische Ansicht) des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform oder der modifizierten Ausführungsform.
  • 4 ist eine erläuternde Ansicht im Längsschnitt, die den Aufbau des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform zeigt.
  • 5A ist eine erläuternde perspektivische Ansicht zur Erläuterung eines Ausschneideschrittes bei der Herstellung des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform.
  • 5B ist eine erläuternde Schnittansicht zur Erläuterung des Ausschneideschrittes.
  • 6 ist eine erläuternde Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform.
  • 7 ist eine erläuternde Ansicht zur Erläuterung eines Schritts zur Herstellung einer Verbundschicht bei der Herstellung des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform.
  • 8 ist eine erläuternde Ansicht zur Erklärung des Verfahrens zur Herstellung des Gassensorelements gemäß der Ausführungsform.
  • 9 ist eine erläuternde Schnittansicht, die den Aufbau des Gassensorelements gemäß der modifizierten Ausführungsform zeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 301
    Gassensor
    10, 310
    Gassensorelement
    111
    erste Verbundschicht (Keramikverbundschicht)
    112
    erster umgebender Teil (umgebender Teile)
    112h
    Durchgangsloch
    115
    Durchgangsloch-Innenumfangsfläche
    115k
    Kontaktfläche (der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche)
    121
    erster Elektrolytteil (Elektrolytteil)
    125
    Elektrolyt-Außenumfangsfläche
    125k
    Kontaktfläche (der Elektrolyt-Außenumfangsfläche)
    131, 331
    zweite Verbundschicht (zweite Keramikverbundschicht)
    132, 332
    zweiter umgebender Teil
    132h, 332h
    Durchgangsloch
    332s
    die eine Oberfläche (des zweiten umgebenden Teils) (Oberfläche des zweiten umgebenden Teils, die der einen Seite in Bezug auf die Dickenrichtung zugewandt ist)
    332r
    die andere Oberfläche (des zweiten umgebenden Teils)
    135, 335
    zweite Durchgangsloch-Innenumfangsfläche
    135k, 325k
    zweite Kontaktfläche (Kontaktfläche) (der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche)
    141, 341
    zweiter Elektrolytteil
    145, 345
    zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche
    145k, 345k
    zweite Kontaktfläche (Kontaktfläche) (der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche)
    181
    Heizeinheit
    SP
    Messkammer
    221
    vorläufige erste Verbundschicht (vorläufige Keramikverbundschicht)
    212
    isolierende Pastenschicht (Schicht aus isolierender Paste)
    221
    Elektrolytschichtelement
    221B
    Elektrolytschicht (vorläufige Schicht)
    225
    Schichtelement-Außenumfangsfläche
    DT
    Dickenrichtung
    DT1
    eine Seite (in Bezug auf die Dickenrichtung)
    DX
    erste Richtung (Ebenenrichtung der Elektrolytschicht)
    DY
    zweite Richtung (Ebenenrichtung der Elektrolytschicht)
    DZ
    Schichtdickenrichtung
    DZ1
    eine Seite (in Bezug auf die Schichtdickenrichtung)
    LB
    Laserstrahl
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden ist die vorliegende Erfindung detaillierter mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
  • (Ausführungsform)
  • Zunächst wird ein Gassensor 1 mit einem Gassensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung des Gassensors 1 gemäß der Ausführungsform, entlang einer axialen Linie AX. 2 ist eine Draufsicht des Gassensorelements 10 gemäß der Ausführungsform. 3 ist eine perspektivische Aufrissansicht des Gassensorelements 10. 4 ist eine erläuternde Schnittansicht in Längsrichtung, die einer Schnittansicht entspricht, die entlang der Linie B-B aus 2 genommen ist und den inneren Aufbau des Gassensorelements 10 zeigt.
  • Der Gassensor 1 ist ein Sauerstoffsensor (siehe 1), der zum Gebrauch an einer Abgasleitung (nicht gezeigt) einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Der Gassensor 1 enthält das rechteckige plattenähnliche Gassensorelement 10 zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration von Abgas, welches ein zu messendes Gas ist, und enthält eine rohrförmige metallische Hülse 20, um darin das Gassensorelement 10 zu halten. Ein äußeres Schutzelement 31 und ein inneres Schutzelement 32 sind in der vorderen Seite (in 1 untere Seite) der metallischen Hülse 20 in Bezug auf eine axiale Richtung DA entlang der axialen Linie AX angeordnet, und eine äußere Röhre 51 ist an der hinteren Seite (in 1 obere Seite) in Bezug auf die axiale Richtung DA angeordnet. Der Gassensor 1 umfasst ferner einen Separator 60, der in der äußeren Röhre 51 angeordnet und ausgebildet ist, das Gassensorelement 10 zu halten, und enthält ferner fünf Anschlusselemente 75, 75, 76, 76 und 76, die zwischen dem Separator 60 und dem Gassensorelement 10 angeordnet sind (siehe 1). Die fünf Anschlusselemente 75, 75, 76, 76 und 76 sind mit entsprechenden Auflagen bzw. Anschlussflächen 14, 15, 16, 17 und 18, die elektrisch zu verbinden sind, elastisch in Kontakt.
  • Die metallische Hülse 20 hält das Gassensorelement 10 derart, dass ein vorderer Endteil 10s des Gassensorelements 10 vom vorderen Ende der metallischen Hülse 20 (in 1 nach unten) entlang der axialen Richtung DA hervorsteht, und ein hinterer Endteil 10k des Gassensorelements 10 vom hinteren Ende der metallischen Hülse 20 (in 1 nach oben) entlang der axialen Richtung DA hervorsteht. Das äußere Schutzelement 31 und das innere Schutzelement 32, die aus Metall hergestellt sind, bedecken den vorderen Endteil 10s des Gassensorelements 10. Das äußere Schutzelement 31 und das innere Schutzelement 32 haben entsprechend mehrere Löcher 31h und 32h. Durch diese Löcher 31h und 32h kann von außerhalb des äußeren Schutzelements 31 zu messendes Gas in einen umgebenden Raumbereich um den vorderen Endteil 10s des Gassensorelements 10 eingeführt werden, der innerhalb des inneren Schutzelements 32 angeordnet ist.
  • Die äußere Röhre 51 ist an einem hinteren Endteil der metallischen Hülse 20 von der Rückseite in Bezug auf die axiale Richtung DA befestigt. Die äußere Röhre 51 hält darin den Separator 60 mittels eines Halteelements 79, und der Separator 60 hält die fünf Anschlusselemente 75 und 76, die entsprechend an vorderen Enden der fünf Anschlussleitungen 74 derart vorgesehen sind, dass die Anschlusselemente 75 und 76 voneinander getrennt sind. Der Separator 60 hat ein Einführloch 62, das sich durch ihn hindurch erstreckt und ausgebildet ist, den hinteren Endteil 10k des Gassensorelements 10 aufzunehmen (siehe 1).
  • Ein Öffnungsteil am hinteren Ende (Öffnungsteil am oberen Ende in 1) 51c der äußeren Röhre 51 ist mit einer Durchführung 73 verschlossen, durch die sich die fünf Anschlussleitungen 74 erstrecken.
  • Das Gassensorelement 10 nimmt eine rechteckige plattenähnliche Form an und ist in dem Gassensor 1 so angeordnet, dass seine Mittellinie mit der axialen Linie AX übereinstimmt (siehe 1). Eine Längsrichtung DL des Gassensorelements 10 ist parallel zu der axialen Richtung DA entlang der axialen Linie AX, und eine Vorderseiten-DL1 der Längsrichtung DL entspricht der zuvor genannten vorderen Seite in Bezug auf die axiale Richtung DA, und eine Rückseiten-DL2 in Bezug auf die Längsrichtung DL entspricht der zuvor genannten Hinterseite in Bezug auf die axiale Richtung DA.
  • Das Gassensorelement 10 besitzt drei Sensoranschlussflächen 16, 17, und 18, die auf einer ersten Elementhauptoberfläche 10a gebildet sind, die der anderen Seite DP2 (in 3 und 4 obere Seite) in Bezug auf eine Dickenrichtung DT an dem hinteren Endteil 10k zugewandt ist. Ferner hat das Gassensorelement 10 zwei Heizanschlussflächen 14 und 15, die auf einer zweiten Elementhauptoberfläche 10b ausgebildet sind, die einer Seite DT1 (in 3 und 4 untere Seite) in Bezug auf die Dickenrichtung DT an dem hinteren Endteil 10k zugewandt ist. Die Heizanschlussflächen 14 und 15 sind elektrisch mit einer Heizeinheit 181, die später beschrieben ist, innerhalb des Gassensorelements 10 verbunden. Ferner ist in dem Gassensorelement 10 die Sensoranschlussfläche 16 elektrisch mit einer vierten Leiterschicht 195 verbunden, die später beschrieben wird; die Sensoranschlussfläche 17 ist elektrisch mit einer ersten Leiterschicht 150 verbunden, die später beschrieben ist; und die Sensoranschlussfläche 18 ist elektrisch mit einer zweiten Leiterschicht 155 und einer dritten Leiterschicht 190 verbunden, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Das Gassensorelement 10 ist aus mehreren Keramikschichten und Leiterschichten, die als Schichten in der Dickenrichtung DT zusammengefügt sind, zusammengesetzt. Insbesondere werden, wie in 3 und 4 gezeigt ist, eine Heizschicht 180, die vierte Leiterschicht 195, eine zweite Verbundschicht 131, die dritte Leiterschicht 190, eine isolierende Schicht 170, die zweite Leiterschicht 155, eine erste Verbundschicht 111, die erste Leiterschicht 150 und eine Schutzschicht 160 der Reihe nach von der einen Seite DT1 laminiert.
  • Von diesen Schichten enthält die zweite Verbundschicht 131 einen plattenähnlichen zweiten umgebenden Teil 132, der aus einer isolierenden Keramik (Aluminiumoxid-Keramik) aufgebaut ist und ein Durchgangsloch 132h aufweist, das sich in der Dickenrichtung DT hindurch erstreckt und eine rechteckige Form aufweist, wenn sie in der Draufsicht betrachtet wird, und mit einem plattenähnlichen zweiten Elektrolytteil 141, der aus Zirkonoxid-Keramik aufgebaut und in dem Durchgangsloch 132h des zweiten umgebenden Teils 132 angeordnet ist (siehe 2). Der zweite Elektrolytteil 141 hat eine Elektrolytteiloberfläche 143, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist, und eine Elektrolythauptoberfläche 144, die der einen Seite DT1 zugewandt ist (siehe 4). Die dritte Leiterschicht 190, die auf der anderen Seite DT2 (in 4 obere Seite) der zweiten Verbundschicht 131 angeordnet ist, ist aus einer rechteckigen dritten Elektrodenschicht 191, die auf der Elektrolythauptoberfläche 143 des zweiten Elektrolytteils 141 und innerhalb des Durchgangslochs 132h angeordnet ist, und aus einer bandartigen dritten Erweiterungsschicht 192 zusammengesetzt, die sich von der dritten Elektrodenschicht 191 in Richtung zu der in Längsrichtung hinteren Seite DL2 (in 3 und 4 rechte Seite) erstreckt. Die vierte Leiterschicht 195, die auf der einen Seite DT1 (in 4 untere Seite) der zweiten Verbundschicht 131 in Bezug auf die Dickenrichtung DT angeordnet ist, ist aus einer rechteckigen vierten Elektrodenschicht 196, die auf der Elektrodenhautoberfläche 144 des zweiten Elektrolytteils 141 und innerhalb des Durchgangslochs 132h angeordnet ist, und einer bandartigen vierten Erweiterungsschicht 197 zusammengesetzt, die sich von der vierten Elektrodenschicht 196 in Richtung zu der hinteren Seite in Längsrichtung DL2 erstreckt. Bei der Verwendung des Gassensorelements 10 dient die vierte Elektrodenschicht 196 auch als eine Referenzsauerstoffkammer, in die Sauerstoff aus einer Messkammer SP gepumpt wird, die nachfolgend beschrieben ist.
  • Die erste Verbundschicht 111 enthält einen plattenähnlichen ersten umgebenden Teil 112, der aus einer isolierenden Keramik (Aluminiumoxid-Keramik) gebildet ist und ein Durchgangsloch 112h aufweist, das sich in der Dickenrichtung DT hindurch erstreckt und eine rechteckige Form bei Betrachtung auf die Ebene aufweist, und enthält einen plattenähnlichen ersten Elektrolytteil 121, der aus Zirkonoxid-Keramik gebildet ist und in dem Durchgangsloch 112h des ersten umgebenden Teils 112 angeordnet ist, um das Durchgangsloch 112h luftdicht zu verschließen (siehe 3). Der erste umgebende Teil 112 hat eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115, die das Durchgangsloch 112h bildet (siehe 4).
  • Der erste Elektrolytteil 121 hat eine Elektrolytteiloberfläche 123, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist, eine Elektrolytteiloberfläche 124, die der einen Seite DT1 zugewandt ist, und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 in Kontakt mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 (siehe 4).
  • Eine Kontaktfläche 115k der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 und eine Kontaktfläche 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 sind einander zugewandt und sind vollständig miteinander in engen Kontakt.
  • Die erste Leiterschicht 150, die auf der anderen Seite DT2 der ersten Verbindungsschicht 111 angeordnet ist, ist aus einer rechteckigen ersten Elektrodenschicht 151, die auf der Elektrolythautoberfläche 123 des ersten Elektrolytteils 121 und innerhalb des Durchgangslochs 112h des ersten umgebenden Teils 112 angeordnet ist, und einer bandartigen ersten Erweiterungsschicht 152 zusammengesetzt, die sich von der ersten Elektrodenschicht 151 in Richtung zu der hinteren Seite in Längsrichtung DL2 (in 3 und 4 rechte Seite) erstreckt.
  • Die zweite Leiterschicht 155, die auf der einen Seite DT1 der ersten Verbundschicht 111 angeordnet ist, ist aus einer rechteckigen zweiten Elektrodenschicht 156, die auf der Elektrolythautoberfläche 124 des ersten Elektrolytteils 121 und innerhalb des Durchgangslochs 112h angeordnet ist, und einer bandartigen zweiten Erweiterungsschicht 157, die sich von der zweiten Elektrodenschicht 156 in Richtung zu der hinteren Seite in Längsrichtung DL2 erstreckt, zusammengesetzt.
  • Die isolierende Schicht 170 hat ein rechteckiges Durchgangsloch 170h, das sich hindurch erstreckt und zwischen dem Durchgangsloch 112h der ersten Verbundschicht 111 und dem Durchgangsloch 132h der zweiten Verbundschicht 131 angeordnet ist. Das Durchgangsloch 170h ist von der ersten Verbundschicht 111 (erster Elektrolytteil 121) und der zweiten Verbundschicht 131 (zweiter Elektrolytteil 141) zusätzlich zu der isolierenden Schicht 170 umgeben, wodurch die hohle Messkammer SP (siehe 4) festgelegt ist. Die isolierende Schicht 170 ist aus einem Körperteil 171, der aus dichtem Aluminiumoxid gebildet ist, und zwei porösen Teilen 172, die aus poröser Keramik gebildet sind, zusammengesetzt, die an jeweiligen Seiten des Durchgangslochs 170h angeordnet sind, das sich entlang der Längsrichtung BL erstreckt und zum Äußeren hin des Gassensorelements 10 frei gelegt ist (siehe 3). Die porösen Teile 172 sind Diffusionssteuerschichten zum Steuern der Einführung von zu messendem Gas in die Messkammer von außerhalb des Gassensorelements 10 mit vorbestimmter Durchflussrate.
  • Die Schutzschicht 160 ist auf der anderen Seite DT2 der ersten Verbundschicht 111 aufgebracht und bedeckt die erste Leiterschicht 150. Die Schutzschicht 160 ist aus einem porösen Teil 162, der die erste Elektrodenschicht 151 und den ersten Elektrolytteil 121 bedeckt, und einem Schutzteil 161 aufgebaut, der den porösen Teil 162 umgibt und über dem ersten umgebenden Teil 112 liegt, um den ersten umgebenden Teil 112 zu schützen (siehe 3).
  • Wie in 3 gezeigt ist, hat der Schutzteil 161 die drei Sensoranschlussflächen 16, 17, und 18, die auf einer ersten Hautoberfläche 160a (die zuvor genannte erste Elementhauptoberfläche 10a) angeordnet sind und der anderen Seite DT2 zugewandt und in Richtung der hinteren Seite in Längsrichtung DL2 angeordnet sind. Die Sensoranschlussfläche 16 sind mit einem hinteren Endteil 197e, der in Richtung zu der Hinterseite DL2 der vierten Erweiterungsschicht 197 angeordnet ist, über Durchgangslochleiter BC, die in Durchgangslöchern 161m, 112m, 171m und 132m gebildet sind und sich durch die Schutzschicht 160, die erste Verbundschicht 111, die isolierende Schicht 170 und die zweite Verbundschicht 131 erstrecken, in elektrischer Verbindung. Die Sensoranschlussfläche 17 ist mit einem hinteren Endteil 152e, der in Richtung zu der hinteren Seite DL2 der ersten Erweiterungsschicht 152 angeordnet ist, durch den Durchgangslochleiter BC elektrisch verbunden, der in einem Durchgangsloch 161n ausgebildet ist, das sich durch die Schutzschicht 160 erstreckt (siehe 3). Ferner ist die Sensoranschlussfläche 18 mit einem hinteren Endteil 157e der zweiten Erweiterungsschicht 157 und einem hinteren Endteil 192e der dritten Erweiterungsschicht 192 durch die Durchgangslochleiter BC elektrisch verbunden, die in Durchgangslöchern 161p, 112p und 171p gebildet sind, die sich durch die Schutzschicht 160, die erste Verbundschicht 111 und die isolierende Schicht 170 erstrecken (siehe 3).
  • Die Heizschicht 180 enthält zwei plattenartige isolierenden Schichten 182 und 183, die aus Aluminiumoxid gebildet und auf der einen Seite DT1 in Bezug auf die erste Verbundschicht 111 angeordnet sind, wobei die Heizeinheit 181 im Wesentlichen aus Pt ausgebildet ist und zwischen den isolierenden Schichten 182 und 183 eingebettet ist (siehe 3 und 4). Die Heizeinheit 181 ist aus einem meanderförmigen Wärmeerzeugungsteil 181d und einem ersten Anschlussteil 181b und einem zweiten Anschlussteil 181c zusammengesetzt, die mit den entsprechenden gegenüberliegenden Enden des Wärmeerzeugungsteils 181d verbunden sind und sich geradlinig erstrecken. Ein hinterer Endteil 181e des ersten Anschlussteils 181b ist mit der Heizanschlussfläche 14 über den Durchgangslochleiter BC, der in einem Durchgangsloch 183m gebildet ist, das sich durch die isolierende Schicht 183 erstreckt, elektrisch verbunden, und ein hinterer Endteil 181f des zweiten Anschlussteils 181c ist mit der Heizanschlussfläche 15 über den Durchgangslochleiter BC, der in einem Durchgangsloch 183n ausgebildet ist, das sich durch die isolierende Schicht 183 erstreckt (siehe 3), elektrisch verbunden. Beim Anlegen elektrischer Spannung an die Heizeinheit 181 werden der erste Elektrolytteil 121 der ersten Verbundschicht 111 und der zweite Elektrolytteil 141 der zweiten Verbundschicht 131 erwärmt und aktiviert, wodurch das Gassensorelement 10 aktiv arbeitet.
  • In dem Gassensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Sauerstoff im Voraus der vierten Elektrodenschicht 196 zugeführt, um eine Referenzsauerstoffkammer zu bilden. Unter dieser Bedingung sind Richtung und Größe des Stroms, der zwischen der ersten Elektrodenschicht 151 und der zweiten Elektrodenschicht 156 fließt, zwischen denen der erste Elektrolytteil 121 eingeschlossen ist, derart eingestellt, dass der erste Elektrolytteil 121 Sauerstoff aus der Messkammer SP zu den porösen Teil 162 pumpt, oder Sauerstoff in die Messkammer SP aus dem porösen Teil 162 hinein pumpt, um eine vorbestimmte Potenzialdifferenz zwischen der dritten Elektrodenschicht 191 und der vierten Elektrodenschicht 196 zu erzeugen, zwischen denen der zweite Elektrolytteil 141 eingeschlossen ist (um eine festgelegte Sauerstoffkonzentration in der Messkammer SP einzurichten). Da die Größe des Stroms, der zwischen der ersten Elektrodenschicht 151 und der zweiten Elektrodenschicht 156 fließt, proportional zu der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases ist, das über die porösen Teile 172 in die Messkammer SP strömt, kann die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases durch die Größe des Stroms erfasst werden.
  • Indessen hat das Gassensorelement 10 der vorliegenden Ausführungsform die folgenden Eigenschaften in Bezug auf die erste Verbundschicht 111. Die einander zugewandten Kontaktflächen 115k und 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 sind entsprechend in Richtung zur Außenseite hin des ersten Elektrolytteils 121 geneigt bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1 (untere Seite in 4). Wie ferner in 4 gezeigt ist, beträgt in dem ersten Elektrolytteil 121 der vorliegenden Ausführungsform ein Winkel θ zwischen einer Elektrolythauptoberfläche 124, die in Richtung zu der einen Seite DT1 angeordnet ist, und der Kontaktfläche (Neigung) 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 70°.
  • Wie ferner zuvor erwähnt ist, sind die Kontaktfläche 115k der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 und die Kontaktfläche 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 einander zugewandt und sind vollständig in engem Kontakt miteinander, wobei kein Spalt dazwischen ausgebildet ist (siehe 3).
  • Der erste Elektrolytteil 121 wird gebildet, indem ein Elektrolytschichtelement 221 (das nachfolgend beschrieben ist) mit Wärme beaufschlagt wird, dessen Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 (die nachfolgend beschrieben ist) in ähnlicher Weise geneigt ist wie die zuvor genannte Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125. Der erste umgebende Teil 112 wird hergestellt, indem eine isolierende Pastenschicht 212 (die nachfolgend beschrieben wird) in nassen Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 des Elektrolytschichtelements 221 mit Wärme beaufschlagt wird.
  • Wie zuvor erwähnt ist, ist das Gassensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so aufgebaut, dass die Kontaktflächen 125k und 115k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 in Richtung zum Äußeren des ersten Elektrolytteils 121 bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1 geneigt. Daher kann die Länge des Kontakts in der Dickenrichtung DT zwischen der Kontaktfläche 125k des ersten Elektrolytteils 121 und der Kontaktfläche 115k des ersten umgebenden Teils 112 vergrößert werden. Ferner sind die Kontaktflächen 115k und 125k der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 und der Elektroden-Außenumfangsfläche 125 vollständig in engem Kontakt miteinander. Somit kann die Ausbildung eines Verbindungspalts zwischen den gegenüberliegenden Hauptoberflächen 123 und 124 des ersten Elektrolytteils 121 zwischen dem ersten Elektrolytteil 121 und dem ersten umgebenden Teil 112 vermieden werden, wodurch das Gassensorelement 10 frei ist von einer Beeinträchtigung der Genauigkeit, die ansonsten durch Strömen von Gas durch den Spalt hervorgerufen würde. Daher kann das Gassensorelement 10 mit hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.
  • Der erste Elektrolytteil 121 wird gebildet, indem das Elektrolytschichtelement 221 mit Wärme beaufschlagt wird, und der erste umgebende Teil 112 wird gebildet, indem die isolierende Pastenschicht 212 mit Wärme beaufschlagt wird. Ferner ist vor der Beaufschlagung mit Wärme die isolierende Pastenschicht 212 mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 des Elektrolytschichtelements 221 in Kontakt. Da somit die Wärmebehandlung ausgeführt wird, während die Neigung der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 beibehalten wird, kann die Kontaktfläche 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 zuverlässig geneigt werden, wie dies zuvor beschrieben ist. Des Weiteren ist die isolierende Pastenschicht 212 in engem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225, die die Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 werden soll. Daher kann das Gassensorelement 10 so konfiguriert sein, dass die Kontaktflächen 125k und 115k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 vollständig in zuverlässiger Weise in engem Kontakt miteinander sind.
  • Durch die Verwendung des oben genannten Gassensorelements 10 kann der Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Zuverlässigkeit durch Vermeidung eines Problems, das sich aus der Bildung eines Spalts zwischen dem ersten Elektrolytteil 121 und dem ersten umgebenden Teil 112 ergibt, bereitgestellt werden.
  • Ferner ist in diesem Gassensorelement 10 die Heizeinheit 181 auf der einen Seite DT1 (untere Seite in 3) in Bezug auf den ersten Elektrolytteil 121 angeordnet, der die Kontaktfläche 125k (Neigung) aufweist, die so geneigt ist, dass ihre Position sich außen wandert bei Bewegung in Richtung der einen Seite DT1. D. h., der erste Elektrolytteil 121, dessen Schnittfläche bei zunehmender Bewegung zu der einen Seite DT1 anwächst, kann durch die Heizeinheit 181 von der einen Seite DT1 in Bezug auf den ersten Elektrolytteil 121 erwärmt werden. Somit wird die Erwärmung des ersten Elektrolytteils 121 erleichtert, wodurch der erste Elektrolytteil 121 rascher an Temperatur gewinnen und aktiviert werden kann im Vergleich zu einem Fall, in welchem die Kontaktfläche entgegengesetzt geneigt ist.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 10 des Gassensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug zu 5 bis 8 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet eine Schichtdickenrichtung DZ die Dickenrichtung des Elektrolytschichtelements 221, usw., die nachfolgend beschrieben sind.
  • Zunächst wird ein Ausschneideschritt zum Ausschneiden des Elektrolytschichtelements 221 mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225, die in ähnlicher Weise geneigt ist wie die zuvor genannte Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125, aus einer Elektrolytschicht (vorläufige bzw. frische Schicht) 221B, die aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist, ausgeführt.
  • In diesem Ausschneideschritt wird unter Verwendung eines Laserstrahls LB aus einem CW-Laser (insbesondere ein YAG-Laser) das Elektrolytschichtelement 221 aus der Elektrolytschicht 221B ausgeschnitten. Insbesondere wird der Laserstrahl LB senkrecht auf eine Hautoberfläche 221X gerichtet. Anschließend wird unter Bewegung in einer Ebenenrichtung (beispielsweise eine erste Richtung DX oder eine zweite Richtung DY in 5A) der Elektrolytschicht 221B der Laserstrahl LB kontinuierlich ausgesendet.
  • Da in der vorliegenden Ausführungsform der Laserstrahl LB kegelförmig gebündelt ist, wie in 5B gezeigt ist, ist die Schneidefläche (Schichtelement-Außenumfangsfläche 225) des ausgeschnittenen Elektrolytschichtelements 221 unter einem Winkel θs von 70° geneigt bzw. angeschrägt. Bei der Bildung einer vorläufigen ersten Verbundschicht 221 unter Verwendung des Elektrolytschichtelements 221 wird das Elektrolytschichtelement 221 (das umgekehrt platziert ist) ausgehend von dem Zustand aus 5B invertiert. In 5B wird die Hautoberfläche des Elektrolytschichtelements 221, das der anderen Seite (obere Seite) zugewandt ist, als eine Elektrolytschichthautoberfläche 223 genommen, und die Hautoberfläche, die der einen Seite (untere Seite) zugewandt ist und flächenmäßig größer als die Elektrolytschichthautoberfläche 223 ist, wird als eine Elektrolytschichthautoberfläche 224 verwendet.
  • Als nächstes wird eine vorläufige Schutzschicht 260 hergestellt. Die vorläufige Schutzschicht 260 enthält einen vorläufigen porösen Teil 262, der der poröse Teil 162 nach der Wärmebeaufschlagung werden soll, und einen vorläufigen Schutzteil 261, der den vorläufigen porösen Teil 262 umgibt und der Schutzteil 161 nach der Wärmebeaufschlagung werden soll. Die vorläufige Schutzschicht 260 hat die zuvor genannten Durchgangslöcher 161m, 161n, und 161p, die an der hinteren Seite DL2 (rechte Seite in 6) des vorläufigen Schutzteils 261 vorgesehen sind.
  • Es wurde eine vorläufige erste Leiterschicht 250 auf eine Hauptoberfläche der vorläufigen Schutzschicht 260 (siehe 6) gebildet. Insbesondere wurde die vorläufige erste Leiterschicht 250 durch einen bekannten Siebdruckprozess so hergestellt, dass eine vorläufige erste Elektrodenschicht 251 auf dem vorläufigen porösen Teil 262 (siehe 6) angeordnet war. Anschließend wurde eine Elektrolyt-Pastenschicht CP, die eine feste Elektrolytkeramik enthielt, so aufgebracht, dass sie die vorläufige erste Elektrodenschicht 251 der vorläufigen ersten Leiterschicht 250 und den vorläufigen porösen Teil 262 der vorläufigen Schutzschicht 260 abdeckt; anschließend wurde darauf das Elektrolytschichtelement 221 laminiert Die Elektrolyt-Pastenschicht CP enthält die gleiche feste Elektrolytkeramik, wie sie in dem Elektrolytschichtelement 221 enthalten ist, und ist geeignet, das Elektrolytschichtelement 221 mit der vorläufigen ersten Elektrodenschicht 251 und dem vorläufigen porösen Teil 262 zu verbinden. Bei der Laminierung des Elektrolytschichtelements 221 auf den vorläufigen porösen Teil 262, usw., wurde die Elektrolytschichthautoberfläche 223 des Elektrolytschichtelements 221 in Richtung auf die Elektrolyt-Pastenschicht CP angeordnet (abwärts angeordnet) (siehe 6).
  • Daraufhin wurde, wie in 7 gezeigt ist, die isolierende Pastenschicht 212 um das Elektrolytschichtelement 221 herum angeordnet, um einen Herstellungsschritt für eine Verbundschicht auszuführen, um damit eine vorläufige erste Verbundschicht 211 zu bilden.
  • Insbesondere wird eine isolierende Paste, die eine isolierende Keramik enthält, so aufgebracht, dass sie die vorläufige Schutzschicht 260 und die vorläufige erste Leiterschicht 250 abdeckt und in nassem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 des Elektrolytschichtelements 221 ist, woran sich ein Trocknen anschließt, um die isolierende Pastenschicht 212 zu bilden (siehe 7). Beim Aufbringen der isolierenden Paste kann die isolierende Pastenschicht 212 zuverlässig in engem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 mit einer großen Kontaktfläche in Kontakt gebracht werden, da die flüssige isolierende Paste in nassem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 ist, die geneigt ist, wie zuvor erwähnt ist, wobei dies auch nach dem Trocknen der Fall ist.
  • Auf diese Weise wurde die vorläufige erste Verbundschicht 211, die aus dem Elektrolytschichtelement 221 und der isolierenden Pastenschicht 212 zusammengesetzt ist, auf der vorläufigen Schutzschicht 260 gebildet (siehe 7).
  • Ferner wurde eine vorläufige zweite Leiterschicht 255 auf der vorläufigen ersten Verbundschicht 211, die auf der vorläufigen Schutzschicht 260 ausgebildet ist, hergestellt. Insbesondere wurde die vorläufige zweite Leiterschicht 255 durch einen Siebdruckprozess derart hergestellt, dass eine vorläufige zweite Elektrodenschicht 256 auf der Elektrolytschichthautoberfläche 224 des Elektrolytschichtelements 221 angeordnet wird, und eine vorläufige zweite Erweiterungsschicht 257 wurde auf der isolierenden Pastenschicht 212 (siehe 8) angeordnet. In 8 sind die vorläufige Schutzschicht 260, die vorläufige erste Verbundschicht 211, die vorläufige zweite Leiterschicht 255, usw., im Vergleich zu dem Zustand aus 7 invertiert (umgekehrt platziert). Ferner entspricht in 8 die vertikale Richtung der Schichtdickenrichtung DZ; eine Seite, die nach oben gerichtet ist, entspricht der anderen Seite DZ2 in Bezug auf die Schichtdickenrichtung DZ; und eine Seite, die nach unten gerichtet ist, entspricht der einen Seite DZ1 in Bezug auf die Schichtdickenrichtung DZ. Im Gegensatz dazu entspricht in 6 und 7 eine Seite, die nach oben gerichtet ist, der einen Seite DZ1 in Bezug auf die Schichtdickenrichtung DZ, und eine Seite, die nach unten gerichtet ist, entspricht der anderen Seite DZ2 in Bezug auf die Schichtdickenrichtung DZ. Daher hat in der 6 bis 8 die vorläufige erste Verbundschicht 211 die Schichtelement-Außenumfangsfläche 225, die zum Äußeren hin des Elektrolytschichtelements 221 bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DZ1 in Bezug auf die vorläufige erste Verbundschicht 211 geneigt ist.
  • Anschließend wurde durch ein Fachleuten dieses technischen Gebietes bekanntes Verfahren eine vorläufige zweite Verbundschicht 231 gebildet, die so gestaltet ist, dass ein rechteckiger plattenähnlicher vorläufiger Elektrolytteil 241, der auf der zuvor genannten Elektrolytschicht 221B gebildet ist, in einem Schichtdurchgangsloch 232h eines vorläufigen umgebenden Teils 232 angeordnet wurde, der auf einer isolierenden vorläufigen Schicht (nicht gezeigt) gebildet ist. Der vorläufige umgebende Teil 232 soll der zweite umgebende Teil 132 nach der Wärmebeaufschlagung werden, und der vorläufige Elektrolytteil 241 soll der zweite Elektrolytteil 141 nach der Wärmebehandlung werden.
  • Anschließend wurde das Durchgangsloch 132m in dem vorläufigen umgebenden Teil 232 gebildet; und dann wurden eine vorläufige dritte Leiterschicht 290 und eine vorläufige vierte Leiterschicht 295 durch einen Siebdruckprozess auf den jeweiligen gegenüberliegenden Hauptoberflächen der vorläufigen zweiten Verbundschicht 231 (siehe 8) gebildet. Insbesondere wurde die vorläufige dritte Leiterschicht 290 auf einer ersten Hautoberfläche 231a, die der anderen Seite DZ2 der vorläufigen zweiten Verbundschicht 231 zugewandt ist, derart gebildet, dass eine vorläufige dritte Elektrodenschicht 291 davon auf einer Elektrolythautoberfläche 243, die der anderen Seite DZ2 des vorläufigen Elektrolytteils 241 der zuvor genannten vorläufigen zweiten Verbundschicht 231 zugewandt ist, angeordnet war und eine vorläufige dritte Erweiterungsschicht 292 davon auf den vorläufigen umgebenden Teil 232 angeordnet war. Die vorläufige vierte Leiterschicht 295 wurde auf einer zweiten Hautoberfläche 231b, die der einen Seite DZ1 der vorläufigen zweiten Verbundschicht 231 zugewandt ist, derart gebildet, dass eine vorläufige vierte Elektrodenschicht 296 davon auf einer Elektrolythautoberfläche 244 angeordnet war, die der einen Seite DZ1 des vorläufigen Elektrolytteils 241 zugewandt ist, und eine vorläufige vierte Erweiterungsschicht 297 davon wurde auf dem vorläufigen umgebenden Teil 232 angeordnet.
  • Ferner werden die Durchgangslocher 183m und 183n in einer vorläufigen isolierenden Schicht 283 gebildet, und die Durchgangslöcher 171m und 171n werden in einem vorläufigen Körperteil 271 einer vorläufigen isolierenden Schicht 270 gebildet. Ferner wird die vorläufige isolierende Schicht 270 mit einem rechteckigen Durchgangsloch 270h, die aus dem vorläufigen Körperteil 271, der der dichte Körperteil 171 durch Wärmebeaufschlagung werden soll, und vorläufigen porösen Teilen 272, die die porösem Teile 172 durch Wärmebeaufschlagung werden sollen, gebildet. Die vorläufigen porösen Teile 272 bilden teilweise die jeweiligen Seiten des Durchgangslochs 270h, die sich entlang der Längsrichtung DL erstrecken und seitlich (in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung DL und zu der Schichtdickenrichtung DZ) freigelegt sind. Indessen können die vorläufige isolierende Schicht 270 (der vorläufige Körperteil 271 und die vorläufigen porösen Teile 272) ebenfalls durch einen Siebdruckprozess auf der vorläufigen ersten Verbundschicht 211 oder der vorläufigen zweiten Verbundschicht 231 gebildet werden.
  • Anschließend werden, wie in 8 gezeigt, die vorläufige isolierende Schicht 283, die vorläufige Heizeinheit 281, die vorläufige isolierende Schicht 282, die vorläufige zweite Verbundschicht 231, die vorläufige isolierende Schicht 270 und die vorläufige erste Verbundschicht 211, die mit der vorläufigen Schutzschicht 260 beschichtet ist, nacheinander laminiert, um ein vorläufiges Element 210 zu bilden.
  • Daraufhin werden vorläufige Durchgangslochleiter (nicht gezeigt) in den entsprechenden Durchgangslöchern des vorläufigen Elements 210 angeordnet; ferner wurden vorläufige Anschlussflächen (nicht gezeigt) auf dem vorläufigen Element 210 durch einen Siebdruckprozess derart gebildet, dass sie die Durchgangslöcher nach außen des vorläufigen Elements 210 verschließen.
  • Anschließend wurde ein Wärmebeaufschlagungsschritt zur Beaufschlagung des vorläufigen Elements 210, das die vorläufige erste Verbundschicht 211 (das Elektrolytschichtelement 221 und die isolierende Pastenschicht 212) enthält, ausgeführt.
  • Das Elektrolytschichtelement 221 wird ausgeheizt, während die Neigung der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 beibehalten wird. Auf diese Weise wurde das Gassensorelement 10 hergestellt, das die erste Verbundschicht 111 enthielt, die aus dem ersten Elektrolytteil 121 und dem ersten umgebenden Teil 112 mit entsprechenden Neigungen (die einander zugewandten Kontaktflächen 125k und 115k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115) zusammengesetzt sind (siehe 2 und 3).
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 10 der vorliegenden Ausführungsform wird in dem Verbundschicht-Herstellungsschritt die isolierende Pastenschicht 212 um das Elektrolytschichtelement 221 herum derart angeordnet, dass sie mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 in Kontakt ist, die in Dickenrichtung zum Äußeren des Elektrolytschichtelements 221 hin geneigt ist, während man sich in Richtung auf die eine Seite DZ1 (aufwärts in 6 und 7 oder abwärts in 8) in Bezug auf die Schichtdickenrichtung der Elektrolytschicht 221B bewegt. Aufgrund dessen kann die isolierende Pastenschicht 212 zuverlässig in unmittelbaren Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 mit einer großen Kontaktfläche in Kontakt gebracht werden. Daher kann das Gassensorelement 10, das eine hohe Zuverlässigkeit durch Verhinderung der Ausbildung, nach Wärmebeaufschlagung, eines Spalts zwischen den Kontaktflächen 125 und 115k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 bietet, hergestellt werden.
  • Ferner kann in dem Ausschneideschritt, der vor dem Verbundschicht-Herstellungsschritt erfolgt, das Elektrolytschichtelement 221 zuverlässig gebildet werden, dessen Schnittfläche (Schichtelement-Außenumfangsfläche 225) geneigt bzw. angeschrägt ist, wie zuvor erwähnt ist. Daher kann das Gassensorelement 10 zuverlässig unter Anwendung des Elektrolytschichtelements 221 hergestellt werden, dessen Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 geneigt ist, wie zuvor erwähnt ist.
  • (Modifizierte Ausführungsform)
  • Bei dem Gassensor 1 der zuvor genannten Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, ist von zwei Verbundschichten 111 und 131 lediglich die erste Verbundschicht 111 so gestaltet, dass die Kontaktflächen 115k und 125k des ersten Elektrolytteils 121 und des ersten umgebenden Teils 112 so geneigt sind, dass ihre Positionen nach außen wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1 zu. D. h., in der zweiten Verbundschicht 131 sind die Kontaktflächen 135k und 145k des zweiten Elektrolytteils 141 und des zweiten umgebenden Teils 132 entsprechend parallel zu der Dickenrichtung DT.
  • Im Gegensatz dazu ist in einem Gassensorelement 310 eines Gassensors 301 gemäß der vorliegenden modifizierten Ausführungsform, wie in 9 gezeigt, nicht nur die erste Verbundschicht 111 sondern auch eine zweite Verbundschicht 331 so gestaltet, das zweite Kontaktflächen 335k und 345k eines zweiten Elektrolytteils 341 und eines zweiten umgebenden Teils 332 entsprechend geneigt sind. Des Weiteren sind im Gegensatz zu der ersten Verbundschicht 111 die zweiten Kontaktflächen 335k und 345k so geneigt, dass ihre Positionen sich nach innen ändern bzw. nach innen wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1. Es wird daher die vorliegende modifizierte Ausführungsform beschrieben, wobei auf Merkmale Augenmerk gelegt wird, die sich von jenen der Ausführungsform unterscheiden. Komponenten, die ähnlich zu jenen der Ausführungsform sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen belegt, und deren Beschreibung wird weggelassen oder ist abgekürzt.
  • Wie zuvor beschrieben ist, ist das Gassensorelement 310 des Gassensors 301 der vorliegenden modifizierten Ausführungsform so gestaltet, dass die Heizschicht 180, die vierte Leiterschicht 195, die zweite Verbundschicht 331, die dritte Leiterschicht 190, die isolierende Schicht 170, die zweite Leiterschicht 155, die erste Verbundschicht 111, die erste Leiterschicht 150 und die Schutzschicht 160 der Reihe nach als Laminat aus der einen Seite DT1 zusammengefügt werden. Diese Schichten mit Ausnahme der zweiten Verbundschicht 331 sind in ähnlicher Weise gestaltet wie jene des Gassensorelements 10 der Ausführungsform.
  • Ähnlich zu der zweiten Verbundschicht 131 der Ausführungsform enthält die zweite Verbundschicht 331 einen plattenartigen zweiten umgebenden Teil 332, der aus einer isolierenden Keramik (Aluminiumoxid-Keramik) gebildet ist und ein Durchgangsloch 332h aufweist, das sich in der Dickenrichtung DT hindurch erstreckt und eine rechteckige Form hat, wenn sie in der Draufsicht betrachtet wird, und einen plattenähnlichen zweiten Elektrolytteil 341 aufweist, der aus Zirkonoxid-Keramik gebildet ist und in dem Durchgangsloch 332h des zweiten umgebenden Teils 332 angeordnet ist (siehe 3). Der zweite Elektrolytteil 341 ist in dem Durchgangsloch 332h des zweiten umgebenden Teils 332 angeordnet, und eine zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche 345 des zweiten Elektrolytteils 341 ist mit einer zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 325 des zweiten umgebenden Teils 332 in Kontakt. Wie man leicht aus 3 und 9 erkennt, ist die zweite Verbundschicht 331 zwischen der ersten Verbundschicht 111 und der Heizeinheit 181 angeordnet. Die erste Verbundschicht 111 und die zweite Verbundschicht 331 sind durch die isolierende Schicht 170 voneinander getrennt. Somit ist der zweite Elektrolytteil 341 der zweiten Verbundschicht 131 von dem ersten Elektrolytteil 121 der ersten Verbundschicht 111 mit Abstand angeordnet, um die Messkammer SP zu bilden, in die das zu messende Gas eingeführt wird.
  • In der ersten Verbundschicht 111 des Gassensorelements 10 sind die einander zugewandten Kontaktflächen 115k und 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 entsprechend so geneigt, dass ihre Positionen „nach außen” wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1, und sie sind vollständig in engem Kontakt miteinander.
  • In der zweiten Verbundschicht 331 sind ferner die einander zugewandten zweiten Kontaktflächen 335k und 345k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 345 des zweiten Elektrolytteils 341 und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 335 des zweiten umgebenden Teils 332 entsprechend so geneigt, dass ihre Positionen „nach innen” wandern bei Bewegung in Richtung zu der einen Seite DT1. D. h., in der zweiten Verbundschicht 331 ist der zweite umgebende Teil 332, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zweite Elektrolytteil 341 hat, flächenmäßig größer auf der einen Seite DT1 (d. h. auf Seite der Heizeinheit 181) als auf der anderen Seite DT2 in Bezug auf die Dickenrichtung DT.
  • Wie in 9 gezeigt, beträgt ein Winkel θ2 (spitzer Winkel) zwischen einer Elektrolythauptoberfläche 344, die in Richtung zu der einen Seite DT1 angeordnet ist, und der zweiten Kontaktfläche (Neigung) 345k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 345 70°.
  • Aluminiumoxid-Keramik (Wärmeleitfähigkeit σs = 20 bis 30 (W/mK)), das zur Bildung des ersten umgebenden Teils 112 und des zweiten umgebenden Teils 332 verwendet wird, hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Zirkonoxid-Keramik (Wärmeleitfähigkeit σp = 3 (W/mK)), das zur Bildung des ersten Elektrolytteils 121 und des zweiten Elektrolytteils 241 verwendet wird. D. h., in der zweiten Verbundschicht 331 hat der zweite umgebende Teil 332 mit einer relativ höheren Wärmeleitfähigkeit eine größere Fläche auf der einen Seite DT1 (d. h. auf Seite des Heizelements 181) als auf der anderen Seite DT2.
  • In den Gassensorelementen 10 und 310 (siehe 4 und 9) der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform, die zuvor beschrieben sind, liegt die zweite Verbundschicht 131 (331) zwischen der ersten Verbundschicht 111 und der Heizeinheit 181; ferner liegt die Messkammer SP, die ein Spalt ist, ebenfalls dazwischen. Somit ist es weniger wahrscheinlich, dass Wärme aus der Heizeinheit 181 den ersten Elektrolytteil 121 der ersten Verbundschicht 111 im Vergleich zu dem zweiten Elektrolytteil 141 (341) der zweiten Verbundschicht 131 (331) erreicht; folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass die Temperatur des ersten Elektrolytteils 121 der ersten Verbundschicht 111 ansteigt.
  • Daher sind in den Gassensorelementen 10 und 310 der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform, wie zuvor beschrieben ist, die Kontaktflächen 115k und 125k derart geneigt, dass ihre Positionen bzw. Endpositionen nach außen” wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1, so dass mehr Wärme zu dem ersten Elektrolytteil 121 geleitet wird.
  • Ferner sind in dem Gassensorelement 310 der vorliegenden modifizierten Ausführungsform in der zweiten Verbundschicht 331 die Kontaktflächen 335k und 345k so geneigt, dass ihre Positionen bzw. Endpositionen „nach innen” wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1. Aufgrund dessen kann der zweite umgebende Teil 332 Wärme, die von der Heizeinheit 181 erzeugt ist, in größerem Umfang von einer Oberfläche 332s davon, die der einen Seite DT1 zugewandt ist und eine relativ große Fläche im Vergleich mit der anderen Oberfläche 332r hat, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist, aufnehmen und kann wirksam die Wärme von der anderen Oberfläche 332r in Richtung auf die erste Verbundschicht 111 über die isolierende Schicht 170 übertragen. Im Vergleich mit dem Fall, in welchem die zweiten Kontaktflächen 135k und 145k parallel zu der Dickenrichtung sind, wie im Falle der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, oder wenn diese so geneigt sind, dass ihre Positionen „nach außen” wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1, kann der erste Elektrolytteil 121 der ersten Verbundschicht 111 effizienter erwärmt werden um seine Temperatur zu erhöhen.
  • Da der zweite Elektrolytteil 341 in der Nähe des Heizelements 181 liegt, kann der zweite Elektrolytteil 341 leicht erwärmt werden um dessen Temperatur zu erhöhen.
  • Die zweite Kontaktfläche 335k der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 325 des zweiten umgebenden Teils 332 und die zweite Kontaktfläche 345k der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche 345 des zweiten Elektrolytteils 341 sind einander zugewandt und geneigt und sind vollständig in engem Kontakt miteinander, ohne dass dazwischen ein Spalt gebildet ist (siehe 3). Somit kann der Gassensor 301 eine hohe Zuverlässigkeit bieten, da die Problematik vermieden ist, die sich aus der Bildung eines Spalts zwischen dem zweiten Elektrolytteil 341 und dem zweiten umgebenden Teil 332 ergibt.
  • Da die zweite Verbundschicht 331 durch ein Verfahren hergestellt werden kann, das ähnlich zu jenem ist, mit dem die erste Verbundschicht 111 in der Ausführungsform hergestellt wird, wird das Verfahren nachfolgend nur kurz beschrieben. Zunächst wird eine Elektrolytschicht (vorläufige Schicht), die aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist, mit dem kegelförmig gebündelten Laserstrahl LB bestrahlt, um ein zweites Elektrolytschichtelement auszuschneiden, dessen Schnittfläche mit einem Winkel θs von 70° angeschrägt bzw. geneigt ist. Nachfolgend wird eine isolierende Paste, die eine isolierende Keramik enthält, um das zweite Elektrolytschichtelement herum so aufgebracht, dass es in nassem Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche des zweiten Elektrolytschichtelements ist, woran sich ein Trocknen anschließt, um die isolierende Pastenschicht zu bilden (siehe 7). Durch die Verwendung einer derartigen Auftragung der isolierenden Paste kann selbst nach dem Trocknen die isolierende Pastenschicht zuverlässig in engem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche des Elektrolytschichtelements mit großer Kontaktfläche in Kontakt gebracht werden, da die flüssige isolierende Paste in nassem Kontakt mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche 225 ist, die geneigt bzw. angeschrägt ist, wie zuvor beschrieben ist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern sie kann in geeigneter Weise ohne Abweichung von dem Grundgedanken der Erfindung modifiziert werden.
  • In dem Gassensorelement 10 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist von den zwei Keramikverbundschichten (die erste Verbundschicht 111 und die zweite Verbundschicht 131) die erste Verbundschicht 111 so gestaltet, dass die Kontaktfläche 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 1252 so geneigt ist, dass ihre Position nach außen” wandert bei Bewegung in Richtung der einen Seite DT1. In der modifizierten Ausführungsform ist von den zwei Keramikverbundschichten (die erste Verbundschicht 111 und die zweite Verbundschicht 331) die erste Verbundschicht 111 so gestaltet, dass die Kontaktfläche 125k der Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 so angeschrägt ist, dass sich Position „nach außen” wandert bei Bewegung in Richtung der einen Seite DT1, und die zweite Verbundschicht 331 ist so gestaltet, dass die zweite Kontaktfläche 345k der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche 345 so angeschrägt ist, dass ihre Position „nach innen” wandert bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite DT1.
  • Jedoch kann das Gassensorelement die folgende Eigenschaft im Aufbau haben: die erste Verbundschicht und die zweite Verbundschicht sind so gestaltet, dass die Elektrolyt-Außenumfangsfläche und die zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche so angeschrägt sind, dass ihre Positionen „nach außen” wandern bei Bewegung in Richtung auf die eine Seite, oder so angeschrägt sind, dass ihre Positionen „nach innen” bei Bewegung zu der einen Seite wandern. Gemäß diesem Sensorelement kann die Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen den Kontaktflächen der Elektrolytteile (der erste Elektrolytteil und der zweite Elektrolytteil) und die Kontaktflächen der umgebenden Teile (der erste umgebende Teil und der zweite umgebende Teil) vergrößert werden. Da ferner die Kontaktflächen der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche und der Elektrolyt-Außenumfangsfläche vollständig in engem Kontakt miteinander sind, kann die Ausbildung von Spalten, welche eine Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Elektrolytteile zwischen den Elektrolytteilen und den umgebenden Teilen erlauben würde, verhindert werden.
  • In der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform, die zuvor beschrieben sind, wird die vorliegende Erfindung auf das Gassensorelement angewendet, das zwei Keramikverbundschichten aufweist; jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf ein Gassensorelement angewendet werden, das eine einzige Keramikverbundschicht hat, oder auf ein Gassensorelement, das drei Keramikverbundschichten hat. In dem Fall, dass ein Gassensorelement drei Keramikverbundschichten hat, ist mindestens eine Keramikverbundschicht so gestaltet, dass ihr Elektrolytteil angeschrägt ist, wie dies zuvor angegeben ist.
  • Ferner wird in der Ausführungsform und der modifizierten Ausführungsform, die zuvor beschrieben sind, eine isolierende Keramik (Aluminiumoxid-Keramik) verwendet, um den ersten und den zweiten umgebenden Teil der ersten und der zweiten Verbundschicht zu bilden; jedoch kann eine gemischte Keramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid verwendet werden.
  • Ferner haben in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der erste Elektrolytteil (Elektrolytteil) 121 und der erste umgebende Teil (umgebender Teil) 112, die die erste Verbundschicht (Keramikverbundschicht) 111 bilden, die gleiche Dicke; die gesamte Elektrolyt-Außenumfangsfläche 125 des ersten Elektrolytteils 121 dient als die Kontaktfläche 125k; und die gesamte Durchgangsloch-Innenumfangsfläche 115 des ersten umgebenden Teils 112 dient als die Kontaktfläche 115k. Jedoch kann es auch die folgende Möglichkeit geben: aufgrund einer Differenz in der Dicke zwischen dem Elektrolytteil und dem umgebenden Teil oder einer Differenz in der Position entlang der Dickenrichtung zwischen dem Elektrolytteil und dem umgebenden Teil dient ein Teil der Elektrolyt Außenumfangsfläche als eine Kontaktfläche, und ein Teil der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche dient als eine Kontaktfläche.
  • Die Erfindung ist detailliert mit Bezug zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht als darauf beschränkt erachtet werden. Es sollte ferner für den Fachmann klar sein, dass diverse Änderungen in Form und Detail der Erfindung, wie sie gezeigt und beschrieben ist, vorgenommen werden können. Es ist beabsichtigt, dass derartige Änderungen im Grundgedanken und Schutzbereich der angefügten Ansprüche mit eingeschlossen sind.
  • Die Erfindung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2014-195520 , die am 25. September 2014 eingereicht wurde, der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2015-123522 , die am 19. Juni 2015 eingereicht wurde, und der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2015-1 23853 , die am 19. Juni 2015 eingereicht wurde; die zuvor genannten Anmeldungen sind durch Bezugnahme vollständig hierin mit aufgenommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (7)

  1. Ein Gassensorelement (10, 310) mit einer ersten Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) aufweist, und einem plattenartigen ersten umgebenden Teil (112), der aus einer isolierenden Keramik oder einer Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) aufweist, die ein Durchgangsloch (112h) bildet, das sich in einer Dickenrichtung (DT) hindurch erstreckt, wobei der Elektrolytteil (121) in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist und die Elektrolyt Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) in Kontakt ist, wobei einander zugewandte Kontaktflächen (115k, 125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt sind, während sie sich auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) zu bewegen und vollständig in engem Kontakt miteinander sind.
  2. Gassensorelement (10, 310) nach Anspruch 1, wobei der Elektrolytteil (121) durch Wärmebeaufschlagung eines Elektrolytschichtelements (221) gebildet ist, das die feste Elektrolytkeramik enthält und dessen Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Richtung des Äußeren des Schichtelements geneigt ist, während sie sich auf die eine Seite (DZ1) in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung (DZ) zu bewegt, und der erste umgebende Teil (112) durch Wärmebeaufschlagung einer Schicht aus Keramikpaste gebildet ist, die mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) des Elektrolytschichtelements (221) in Kontakt ist und die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält.
  3. Gassensorelement (10, 310) nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine Heizeinheit (181) aufweist, die auf der einen Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) in Relation zu der ersten Keramikverbundschicht (111) angeordnet und ausgebildet ist, den ersten Elektrolytteil (121) zu erwärmen.
  4. Gassensorelement (310) nach Anspruch 3, das ferner eine zweite Keramikverbundschicht aufweist, die zwischen der ersten Keramikverbundschicht (111) und der Heizeinheit (181) angeordnet ist, wobei die zweite Keramikverbundschicht einen plattenähnlichen zweiten Elektrolytteil (341), der aus der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) enthält, und einen plattenartigen zweiten umgebenden Teil (332) hat, der aus der isolierenden Keramik oder einer Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist, mit einer zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335), die ein zweites Durchgangsloch (332h) bildet, das sich in der Dickenrichtung (DT) des Gassensorelements (310) hindurch erstreckt, und eine Wärmeleitfähigkeit hat, die größer ist als jene des zweiten Elektrolytteils (341), wobei der zweite Elektrolytteil (341) in dem zweiten Durchgangsloch (332h) angeordnet ist, und die zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) des zweiten Elektrolytteils (341) in Kontakt mit der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335) des zweiten umgebenden Teils (332) ist; der zweite Elektrolytteil (341) von dem ersten Elektrolytteil (121) der ersten Keramikverbundschicht (111) zur Ausbildung einer Messkammer (SP) dazwischen mit Abstand angeordnet ist, in die zu messendes Gas einzuführen ist; und einander zugewandte zweite Kontaktflächen (335k, 345k) der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) des zweiten Elektrolytteils (341) und der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335) des zweiten umgebenden Teils (332) entsprechend in Richtung des inneren des zweiten Elektrolytteils (341) geneigt sind, während sie sich auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) zu bewegen und vollständig miteinander in engem Kontakt sind.
  5. Gassensor (1, 301) mit einem Gassensorelement (10, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements (10, 310), das eine erste Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) enthält, und mit einem plattenartigen ersten umgebenden Teile (112), der aus isolierender Keramik oder einer Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) enthält, die ein Durchgangsloch (112h) bildet, das sich in einer Dickenrichtung (DT) des Gassensorelements hindurch erstreckt, umfasst, wobei der erste Elektrolytteil (121) in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet wird, die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des Elektrolytteils (121) mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) in Kontakt ist, und einander zugewandte Kontaktflächen (115k, 125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des umgebenden Teils (112) entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt sind, während sie sich in Richtung auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung zu bewegen (DT) und vollständig miteinander in engem Kontakt sind, wobei das Verfahren umfasst: einen Verbundschicht-Herstellungsschritt zur Bildung einer vorläufigen Keramikverbundschicht (211) durch Anordnen einer Schicht (212) aus Keramikpaste, die die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält, um ein Elektrolytschichtelement (221) herum, das aus einer vorläufigen Schicht (221B) gebildet wird, die die feste Elektrolytkeramik enthält und eine Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) aufweist, derart, dass die Schicht (212) aus Keramikpaste mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Kontakt tritt, gefolgt von einem Trockenen, wobei die Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Richtung des Äußeren eines Schichtelementes geneigt ist, während sie sich auf eine Seite (DZ1) in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung (DZ) zu bewegt; und einen Wärmebeaufschlagungsschritt zur Beaufschlagung der vorläufigen Keramikverbundschicht (211) mit Wärme, um die erste Keramikverbundschicht (111) mit dem ersten Elektrolytteil (121) und dem ersten umgebenden Teil (112) zu bilden.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelement (10, 310) nach Anspruch 6, das ferner einen Ausschneideschritt umfasst, um vor dem Verbundschicht-Herstellungsschritt das Elektrolytschichtelement (221) aus der vorläufigen Schicht (221B) auszuschneiden, indem ein kegelförmig gebündelter Laserstrahl (LB) aus einem CW-Laser auf die vorläufige Schicht (221B) gerichtet und der Laserstrahl (LB) in einer Ebenenrichtung (DX, DY) der vorläufigen Schicht (221B) bewegt wird.
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