DE19514643A1 - Verfahren zum Herstellen eines Keramikheizers für Sauerstoffsensoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren zum Herstellen von Keramikheizern, und insbeson­ dere auf Verfahren zum Herstellen von Keramikheizern von einem Typ, der als ein Heizer für einen Sauerstoffsensor ge­ eignet ist, der die Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Motors mit innerer Verbrennung erfaßt.

Bei Automobilmotoren mit innerer Verbrennung, die mit einem Turbolader ausgerüstet sind, wird der Betrieb des Motors im allgemeinen bei einem fetteren Luft/Kraftstoff-Gemisch durchgeführt, und das Abgas aus dem Motor hat eine Tempera­ tur von etwa 280°C. Im allgemeinen zeigen Sauerstoffsenso­ ren dieses herkömmlichen Typs jedoch ihr normales Verhalten bei der Temperatur von etwa 350°C. Folglich sind die Sauer­ stoffsensoren, die in dem Abgassystem von Motoren, die mit einem Turbolader versehen sind, mit Heizern, wie z. B. Kera­ mikheizern, zu deren Heizung ausgerüstet. Für die Herstel­ lung solcher Keramikheizer wurden die folgenden zwei Verfah­ ren verbreitet angewendet.

Bei dem ersten Verfahren wird ein stangenartiges, grünes Objekt aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid oder ähnliches, mittels eines Strangpreßverfahrens geformt, und das stangenartige, grüne Objekt wird in Stücke mit vor­ bestimmter Länge geschnitten. Jedes Stück wird getrocknet, um ausgehärtet zu werden, um einen grünen Heizerkern zu bil­ den. Dann wird eine grüne, keramische Schutzschicht mit einer Heizerstruktur, die auf dieser aufgedruckt ist, um den Heizerkern angeordnet, um eine grüne Einheit zu schaffen, die den grünen Heizerkern und die Schutzschicht aus einer grünen Keramik, die um den Heizerkern angeordnet ist, ein­ schließt. Die grüne Einheit wird dann gebrannt, und ein elektrisch leitfähiges Material wird auf Abschnitten der ge­ brannten Einheit plattiert. Dann werden Anschlußabschnitte auf der Einheit vorgesehen, die die gedruckte Heizerstruktur mit den plattierten Abschnitten verbinden.

Bei dem zweiten Verfahren wird ähnlich wie dem bei dem er­ sten Verfahren das stangenartige, grüne Objekt in Stücke ge­ schnitten, und jedes Stück wird getrocknet, um ausgehärtet zu sein, um einen Heizerkern zu bilden. Dann wird eine Hei­ zerstruktur auf dem Heizerkern aufgedruckt. Der bedruckte Heizerkern wird in einen keramischen Schlicker eingetaucht, wie z. B. Aluminiumoxidschlicker oder ähnliches, und einem Schlickergußprozeß ausgesetzt, um eine grüne Einheit zu schaffen, die den bedruckten Heizerkern und eine Schicht des Schlickers, die auf der Heizerstruktur angeordnet ist, ein­ schließt. Die grüne Einheit wird gebrannt und ein elektrisch leitfähiges Material wird an freiliegenden Oberflächen des Heizerkerns plattiert. Dann werden Anschlußabschnitte auf der Einheit geschaffen, die die gedruckte Heizerstruktur mit den plattierten Oberflächen verbinden. Dieses zweite Verfah­ ren ist in der ersten vorläufigen japanischen Patentveröf­ fentlichung 63-146381 offenbart.

Diese zwei herkömmlichen Verfahren erfordern jedoch nicht nur aufwendige produktionsschritte, sondern ebenfalls sehr harte Produktionsbedingungen, insbesondere Bedingungen be­ züglich der Temperatur und Feuchtigkeit.

In Anbetracht dieser Nachteile hat der Anmelder ein drittes Verfahren durch die japanische Patentanmeldung Nr. 5-40573 vorgeschlagen.

Bei diesem dritten Verfahren wird ein stangenartiges, grünes Objekt (Heizerkern) durch Spritzgießen aus einem Keramikma­ terial geformt. Dann wird, während der Heizerkern gedreht wird, eine Heizerstruktur auf den Heizerkern aufgedruckt, und eine dickere Schutzschicht wird auf der gedruckten Hei­ zerstruktur aufgebracht, um eine grüne Einheit zu schaffen, die die Heizerstruktur - den gedruckten Heizerkern und die dickere Schutzschicht, die den Heizerkern bedeckt - ein­ schließt. Dann wird die grüne Einheit gebrannt.

Aufgrund der Verwendung der Spritzgußtechnik zur Herstellung des stangenartigen, grünen Objekts wurde es einfach, einen grünen Heizerkern zu erzeugen, der eine Härte aufweist, die für das nachfolgende Drucken darauf geeignet ist. Tatsäch­ lich können die Heizerstruktur und die Schutzschicht leicht auf dem sich drehenden Heizerkern aufgedruckt und aufge­ bracht werden.

Aber auch dieses dritte Verfahren schafft für den Anwender keine vollständig befriedigenden Produkte. Aufgrund der un­ vermeidbaren Gaserzeugung während des Brennprozesses ergibt sich die Tendenz, daß die Schutzschicht mit unerwünschten feinen Löchern gebildet ist. Ferner ist es für das Aufbrin­ gen der dickeren Schutzschicht auf dem Heizerkern notwendig, den Schichtbedeckungsprozeß zumindest dreimal auf demselben Bereich des Heizerkerns zu wiederholen, was die Produktivi­ tät erniedrigt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikheizers zu schaffen, bei dem keine harten Produktionsbedingungen erforderlich sind, bei dem sich während der Herstellung der Schutzschicht keine un­ erwünschten feinen Löcher in dieser bilden, und das eine gu­ te Produktivität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ge­ löst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Her­ stellen eines Keramikheizers geschaffen. Das Verfahren um­ faßt die folgenden Schritte:

• a) Formen eines grünen, zylindrischen Objekts aus einem ke­ ramischen Material, das einen Binder enthält;
• b) provisorisches Brennen des grünen, zylindrischen Objekts bei einer relativ niedrigeren Temperatur, wodurch ein nicht ausreichend gebranntes zylindrisches Objekt erzeugt wird, wobei die niedrigere Temperatur ausreichend ist, um den Binder aus dem zylindrischen Objekt zu entfernen;
• c) Drucken einer Heizerstruktur auf eine zylindrische Ober­ fläche des nicht ausreichend gebrannten, zylindrischen Objekts, wobei die Heizerstruktur aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist;
• d) Bedecken der bedruckten zylindrischen Oberfläche des nicht ausreichend gebrannten, zylindrischen Objekts mit einer grünen Schutzschicht, um dadurch ein schichtbe­ decktes, zylindrisches Objekt herzustellen; und
• e) Brennen des schichtbedeckten, zylindrischen Objekts bei einer relativ höheren Temperatur, die ausreichend ist, um das nicht ausreichend gebrannte, zylindrische Objekt, die Heizerstruktur und die grüne Schutzschicht zu brennen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Sauerstoffsensors, der mit einem Keramikheizer ausgerüstet ist, der durch das Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines wesentli­ chen Abschnitts des Keramikheizers, der bei dem Sau­ erstoffsensor aus Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Seitendarstellung entlang der Rich­ tung des Pfeils "IV" in Fig. 2;

Fig. 5a bis 5f Zeichnungen, die die Schritte zum Herstellen des Keramikheizers aus Fig. 2 zeigen;

Fig. 6 eine schematische Darstellung, die einen Schritt zum Drucken einer Heizerstruktur auf einer äußeren Ober­ fläche des Heizerkerns darstellt;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Aufbringvor­ richtung, um eine grüne Schutzschicht auf einer äußeren Oberfläche des Heizerkerns aufzubringen;

Fig. 8 eine vergrößerte Seitendarstellung der Aufbringvor­ richtung entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7; und

Fig. 9a bis 9e Zeichnungen ähnlich denen der Fig. 5a bis 5f, die aber ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.

Anhand der Fig. 1 bis 4, insbesondere anhand von Fig. 1, ist ein Sauerstoffsensor 1 gezeigt, in dem ein Keramikheizer in­ stalliert ist, der dem gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der Sauerstoffsensor 1 einen stufenförmigen, zylindrischen Halter 2, der an seinem rechten Ende einen Abschnitt 2a mit äußerem Gewinde auf­ weist. Der Halter 2 hat an seinem linken Ende eine zylind­ rische Abdeckung 3, die mit diesem koaxial verbunden ist. Der Halter 2 und die Abdeckung 3 sind aus einem Material, wie z. B. Edelstahl oder ähnlichem, hergestellt. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, nimmt der Abschnitt 2a mit Gewinde des Halters 2 eng mit einer Gewindebohrung, die in einer Abgasröhre gebildet ist, Eingriff, so daß eine röh­ renförmige Sonde 6 im Inneren der Abgasröhre auf die nach­ folgend beschriebene Art freigelegt ist. Der freigelegte Ab­ schnitt der Sonde 6 ist in einem röhrenförmigen Schutzglied 23 gehäust, das mit einer Mehrzahl von Öffnungen 23a gebil­ det ist. Das röhrenförmige Schutzglied 23 ist an seinem Ba­ sisabschnitt an dem Halter 2 befestigt.

Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein zylindrisches Mittelbauglied bezeichnet, das aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. einer Keramik oder ähnlichem, aufgebaut ist, daß einen rechten Hauptabschnitt aufweist, der eng in dem Halter 2 aufgenommen ist, und einen gestuften linken Endabschnitt 4A aufweist, der mit einer zylindrischen, isolierenden Ab­ deckung 5 verbunden ist.

Wie es dargestellt ist, sind die zylindrisch isolierende Ab­ deckung 5 und das zylindrische, isolierende Mittelbauglied 4 koaxial verbunden. Das heißt, daß die zylindrische, isolie­ rende Abdeckung 5 ein offenes rechtes Ende 5a hat, das auf einer ringförmigen Ausnehmung eng aufgenommen ist, die durch den gestuften Endabschnitt 4a des Mittelbaugliedes 4 defi­ niert ist. Ähnlich wie das Mittelbauglied 4 ist die isolie­ rende Abdeckung 5 aus einer Keramik oder ähnlichem aufge­ baut. Die isolierende Abdeckung 5 hat ein geschlossenes lin­ kes Ende 5B, das in Richtung eines linken Endabschnitts der zylindrischen Abdeckung 3 gerichtet ist. Das geschlossene linke Ende 5B ist mit einem gestuften äußeren Abschnitt 5C gebildet, auf den eine Tellerfeder 15 auf die nachfolgend beschriebene Art angeordnet ist. Das naheste linke Ende 5B ist mit einem Mittelvorsprung 5D gebildet, der nach rechts hervorsteht, d. h. in Richtung eines linken Endes eines Kera­ mikheizers 7, der nachfolgend detailliert beschrieben wird.

Die röhrenförmige Sonde 6 ist durch den Halter 2 durch eine Unterlegscheibe eng und koaxial gehalten. Die röhrenförmige Sonde 6 hat einen rechten Halbabschnitt, der über den Halter 2 hervorsteht, wie dies gezeigt ist. Die röhrenförmige Sonde 6 ist aus Zirkonoxid aufgebaut. Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, sind die innere und äußere Oberfläche der röhrenförmigen Sonde 6 jeweils mit einer inneren und einer äußeren Elektrode ausgerüstet. Die innere Elektrode grenzt in einer nachfolgend beschriebenen Art an eine leit­ fähige Einfassung 12, um eine elektrische Verbindung zwi­ schen diesen zu erreichen, und die äußere Elektrode ist über die oben erwähnte Unterlegscheibe mit dem Halter 2 zur elek­ trischen Verbindung zwischen diesen verbunden. Die röhren­ förmige Sonde 6 erzeugt eine elektromotorische Kraft gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der umgebenden Luft, wenn sie dem Abgas ausgesetzt ist, das in einer Abgasröhre des Motors läuft. Folglich kann die elektromotorische Kraft als ein Informationssignal verwendet werden, das die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas angibt.

Wie es dargestellt ist, ist der Keramikheizer 7 ein längli­ ches, zylindrisches Bauglied, das durch die leitfähige Ein­ fassung 12 gehalten ist, und das einen rechten Halbabschnitt aufweist, der eng in der röhrenförmigen Sonde 6 aufgenommen ist, und das einen linken Halbabschnitt aufweist, der beab­ standet in dem Mittelbauglied 4 aufgenommen ist.

Wie es aus Fig. 2 zu entnehmen ist, umfaßt der Keramikheizer 7 einen länglichen, zylindrischen Heizerkern 8, der aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid oder ähn­ lichem, aufgebaut ist. Wie es aus den Fig. 2 und 3 zu sehen ist, hat der Heizerkern 8 auf seiner linken zylindrischen, äußeren Oberfläche zwei flache Abschnitte 8A und 8A, die je­ weils mit einem Anschlußabschnitt 9 versehen sind. Wie aus Fig. 5c und 6 gesehen werden kann, weist der Heizerkern 8 eine Heizerstruktur 10 auf, die auf dessen zylindrischer, äußerer Oberfläche aufgedruckt ist, wobei sich die Struktur von dem Anschlußabschnitt 9 zu einem vorderen Ende (nämlich dem rechten Ende, wenn man Fig. 2 betrachtet) des Heizer­ kerns 8 erstreckt. Wie es nachfolgend detaillierter be­ schrieben wird, wird das Drucken durch Drehen des Heizer­ kerns 8 um dessen Achse ausgeführt. Der bedruckte Heizerkern 8 ist mit einer Schutzschicht 11 bedeckt, die die Heizer­ struktur 10 schützt.

Der Heizerkern 8 ist durch Spritzguß aus einem Keramikmate­ rial, wie z. B. Aluminiumoxid oder ähnlichem geformt. Bei dem offenbarten Heizerkern 8 beträgt der äußere Durchmesser etwa 3,8 mm, die Länge beträgt etwa 57 mm, die axiale Länge jedes flachen Abschnitts 8A beträgt etwa 6 mm, und die Breite die­ ses beträgt etwa 1,5 mm. Die zwei flachen Abschnitte 8A und 8A sind um etwa 120 Grad winkelmäßig beabstandet.

Der längliche Heizerkern 8 ist an seinen beiden Enden je­ weils mit Ausnehmungen 8B und 8C gebildet, die sich in Rich­ tung zueinander erstrecken, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jede Ausnehmung 8B oder 8C hat einen quadratischen Quer­ schnitt. Die linke Ausnehmung 8B hat eine Tiefe von etwa 3 mm und die rechte Ausnehmung hat eine Tiefe von etwa 15 mm. Die Herstellung dieser Ausnehmungen 8B und 8C kann die ther­ mische Kapazität des Heizerkerns reduzieren.

Wie es aus Fig. 7 offensichtlich ist, sind die Ausnehmung 8B und 8C entlang der longitudinalen Achse "0-0" des Heizer­ kerns 8 angeordnet, um die der Heizerkern 8 gedreht wird, wenn dieser mit der nachfolgend beschriebenen Aluminiumoxid­ paste 30 bedeckt wird. Genauer gesagt sind zwei koaxial an­ geordnete, quadratische Stangen (nicht dargestellt) auf die Ausnehmungen 8B und 8C angepaßt, um eine freie Drehung des Heizerkerns 8 um die Achse zu ermöglichen.

Wiederum bezugnehmend auf Fig. 3 ist jeder Anschlußabschnitt 9 durch Plattieren eines leitfähigen Materials, wie z. B. Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder ähnliches, auf einem End­ abschnitt 10A der Heizerstruktur 10 vorgesehen, deren Ab­ schnitt auf den flachen Abschnitt 8A gedruckt wurde. Bei elektrischer Anregung wird die Heizerstruktur 10 auf etwa 500°C bis 700°C zusammen mit dem Heizerkern 8 erhitzt.

Wie es aus Fig. 1 und 2 offensichtlich ist, ist der vordere (oder rechte) Endabschnitt des Heizerkerns 8 in die röhren­ förmige Sonde 6 eingeführt, so daß beim Aktivieren der Heizerstruktur 10 die röhrenförmige Sonde 6 auf den Pegel von etwa 350°C erhitzt werden kann, bei dem die Sonde 6 ihr normales Verhalten zeigt.

In Fig. 1 ist die leitfähige Einfassung 12 nicht nur wirk­ sam, um den Keramikheizer 7 zu halten, sondern ebenfalls, um die erfaßten Signale von der Sonde 6 an die Außenseite zu übertragen. Wie es dargestellt ist, verjüngt sich die leit­ fähige Einfassung 12 etwas und weist einen ringförmigen Flansch 12A auf. Aufgrund der sich verjüngenden Konstruktion der Einfassung 12 ist der Keramikheizer 7 in einer radialen Richtung in dem isolierenden Mittelbauglied 4 angeordnet. Der ringförmige Flansch 12A der leitfähigen Einfassung 12 ist eng zwischen dem rechten Ende des Mittelbauglieds 4 und der Basis (oder dem linken Ende) der röhrenförmigen Sonde 6 angeordnet und ist mit der inneren Elektrode der Sonde 6 verbunden. Eine längliche Kontaktplatte 14 erstreckt sich von der leitfähigen Einfassung 12 auf die nachfolgend be­ schriebene Art nach außen.

Mit dem Bezugszeichen 13 ist eine der länglichen Kontaktfe­ dern bezeichnet, die in der isolierenden Abdeckung 5 ange­ ordnet sind, von denen jede einen Abschnitt aufweist, der sich durch das geschlossene linke Ende 5B der Abdeckung 5 nach außen erstreckt. Das heißt, daß die zwei Kontaktfedern 13 und die Kontaktplatte 14 gleichmäßig beabstandet sind und angeordnet sind, um den Mittelabschnitt 5D der Abdeckung 5 zu umgeben. Die Kontaktfedern 13 haben im allgemeinen U- förmig zurückgebogene Abschnitte 13A, die elastisch an die jeweiligen Anschlußabschnitte 9 des Keramikheizers 7 angren­ zen. Das heißt, daß die Aktivierung des Keramikheizers 7 durch einen elektrischen Strom bewirkt wird, der durch die zwei Kontaktfedern 13 fließt.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, hat die längliche Kontakt­ platte 14 einen gebogenen Mittelabschnitt 14A, der elastisch an den linken Endabschnitt des Keramikheizers 7 angrenzt. Aufgrund der Vorspannungskräfte, die durch die zwei U-förmig zurückgebogenen Abschnitte 13A der Kontaktfedern 13 und des gebogenen Mittelabschnitts 14A der länglichen Kontaktplatte 14 erzeugt wird, ist der linke Endabschnitt des Keramikhei­ zers 7 in einer radialen Richtung angeordnet.

Ein zylindrisches Schwanzbauglied 17 aus einem isolierenden Material ist mit dem linken Ende der zylindrischen, isolie­ renden Abdeckung 5 verbunden. Bevorzugterweise ist das Schwanzbauglied 17 aus einem Fluor-enthaltenden Harz, wie z. B. Polytetrafluorethylen oder ähnlichem, aufgebaut. Das zylindrische Schwanzbauglied 17 ist an seinem rechten Endab­ schnitt mit einer kreisförmigen Ausnehmung gebildet, in die der gestufte äußere Abschnitt 5C der Abdeckung 5 eingefügt ist, wobei ein bestimmter ringförmiger Freiraum dazwischen belassen ist. In den Freiraum sind eine ringförmige Wand, die auf dem linken Ende der zylindrischen Abdeckung 3 gebil­ det ist, und die oben erwähnte Tellerfeder 15 eingefügt. Aufgrund des Laufs der Tellerfeder 15 ist die isolierte Ab­ deckung 5 und folglich das Mittelbauglied 4 nach rechts vor­ gespannt, wodurch der ringförmige Flansch 12A der leitfä­ higen Einfassung 12 gegen die innere Elektrode der röhren­ förmigen Sonde 6 eng gepreßt ist. Ferner sind aufgrund der Tellerfeder 15 die isolierende Abdeckung 5, das Mittelbau­ glied 4 und die röhrenförmige Sonde 6 in der Anordnung des Sauerstoffsensors 1 angeordnet.

Mit dem Bezugszeichen 16 ist eine äußere Abdeckung bezeich­ net, die das zylindrische Schwanzbauglied 17 bedeckt. Die äußere Abdeckung 16 hat ein vergrößertes rechtes Ende, das an dem linken Ende der Abdeckung 3 durch Verstemmung befe­ stigt ist. Ein O-Ring 22, der um das rechte Ende des Schwanzbauglieds 17 angeordnet ist, ist in dem vergrößerten rechten Ende der Abdeckung 16 aufgenommen.

Das zylindrische Schwanzbauglied 17 ist mit drei Durchgängen 17A gebildet, in denen die linken Endabschnitte der zwei länglichen Kontaktfedern 13 und der linke Endabschnitt der länglichen Kontaktplatte 14 mit jeweiligen Anschlußdrähten 18A, 18B, 19 durch Verbinder (keine Bezugszeichen) oder Ver­ stemmung verbunden sind.

Die drei Anschlußleitungsdrähte 18A, 18B, 19 erstrecken sich durch das Schwanzbauglied 17 durch jeweilige Abdichtungen 21, die im Paßsitz in den Durchgängen 17A sind, nach außen. Die drei Anschlußleitungsdrähte 18A, 18B und 19 von dem Schwanzbauglied 17 sind zusammengenommen, um einen Drahtka­ belbaum 20 zu bilden.

Während der Verwendung ist der Sauerstoffsensor 1 an einer Abgasröhre eines Motors mit innerer Verbrennung derart befe­ stigt, daß die röhrenförmige Sonde 6 (genauer gesagt das röhrenförmige Schutzglied 23) in das Innere der Abgasröhre hervorsteht. Während des Betriebs wird der Sauerstoffsensor 1, genauer gesagt die röhrenförmige Sonde 6, durch den Kera­ mikheizer 7 geheizt, der durch eine elektrische Leistung ak­ tiviert ist, die an diesen durch die Anschlußleitungsdrähte 18A und 18B angelegt ist. Die elektromotorische Kraft, näm­ lich das Sauerstoffkonzentrationsdarstellungssignal, das durch die röhrenförmige Sonde 6 erzeugt wird, wird an eine bekannte Signalverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) durch den Anschlußleitungsdraht 19 und den Fahrzeugkörper geleitet.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Keramik­ heizers 7 anhand der Fig. 5A-5F und anhand der Fig. 6 bis 8 beschrieben, wobei das Verfahren ein erstes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung ist. Zur Vereinfachung des Verständnisses wird ein Bauglied oder eine Struktur, die in einem grünen Zustand ist, mit einem entsprechenden Bezugs­ zeichen versehen, das in Klammern gesetzt ist. Zuerst wird ein keramisches Puder, wie z. B. Aluminiumoxidpuder oder ähn­ liches, mit einem organischen Binder gemischt und erhitzt. Nach der Abkühlung wird die Mischung behandelt, um Tabletten der Mischung herzustellen.

Die Tabletten werden einer Spritzgußmaschine (nicht darge­ stellt) zugeführt und erwärmt, um den organischen Binder zu verwirbeln. Dadurch werden die Tabletten in ein fluidisier­ tes Keramikmaterial umgewandelt. Das fluidisierte Keramikma­ terial wird in eine Gußform (nicht dargestellt) eingebracht. Dadurch wird ein zylindrischer, grüner Heizerkern (8) er­ zeugt, der in Fig. 5A gezeigt ist. Der grüne Heizerkern (8) hat z. B. einen Durchmesser von 3,8 mm und eine Länge von etwa 57 mm. Der grüne Heizerkern (8) hatte zwei flache Ab­ schnitte (8A) und (8A) an einem Ende die den flachen Ab­ schnitten 8A und 8A entsprechen, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind. Die axiale Länge jedes flachen Abschnitts (8A) beträgt etwa 6 mm, und die Breite dieses beträgt etwa 1,5 mm. Diese flachen Abschnitte (8A) und (8A) sind um etwa 120 Grad win­ kelmäßig beabstandet. Ferner ist der grüne Heizerkern (8) an seinen beiden Enden mit quadratischen Ausnehmungen (8B) und (8C) gebildet, die den Ausnehmungen 8B und 8C entsprechen, die in Fig. 2 gezeigt sind. Eine Ausnehmung (8B) hat eine Tiefe von etwa 3 mm, und die andere Ausnehmung (8c) hat eine Tiefe von etwa 15 mm. Selbstverständlich kann die Größe je­ der Ausnehmung (8B) oder (8C) gemäß den Anforderungen eines Anwenders verändert werden. Die Verwendung der Spritzguß­ technik vereinfacht das Formen des grünen Heizerkerns (8), der den oben beschriebenen Aufbau aufweist.

Wie es aus Fig. 5B gesehen werden kann, wird der grüne Hei­ zerkern (8) dann einem provisorischen Brennprozeß ausge­ setzt. Bei diesem Prozeß wird der grüne Heizerkern (8) nach dem Entfernen eines Teils des Binders durch Einbringen die­ ses in einen Entfettungsofen (nicht dargestellt), in einen Heizofen (nicht dargestellt) eingebracht und provisorisch in einer Atmosphäre der umgebenden Luft bei einer Temperatur von etwa 800°C bis etwa 1400°C, bevorzugterweise bei einer Temperatur von etwa 1000°C bis etwa 1200°C, gebrannt. Durch dieses provisorische Brennen erhält der grüne Heizer­ kern (8) eine bestimmte Härte, die für einen nachfolgenden Druckprozeß ausreichend ist. Der organische Binder, der in dem Heizerkern 8 noch vorhanden ist, wird pyrolisiert und das dadurch erzeugte Spaltgas wird aus dem Heizerkern 8 ent­ fernt. Folglich ist der organische Binder fast vollständig aus dem Heizerkern 8 entfernt. Der Heizerkern 8 wird dann in der Atmosphäre für eine bestimmte Zeitdauer zurückgelassen, um langsam auszukühlen. Aufgrund dieser sanften Auskühlung reduziert sich die Größe des Heizerkerns 8 um etwa 1% bis 2%.

Dann wird, wie es aus Fig. 5C gesehen werden kann, der ge­ härtete Heizerkern 8 einem Druckprozeß ausgesetzt. Bei die­ sem Prozeß wird ein Drucker 25 verwendet, wie er schematisch in Fig. 6 gezeigt ist. Der Siebdrucker 25 umfaßt im allge­ meinen einen rechteckigen Rahmen 27, der in die Richtung des Pfeils "A" bewegbar ist, eine Siebmaske 28, die durch den Rahmen 27 gehalten ist, einen Gummischrubber 29 mit einer unteren Kante, die auf der Siebmaske 28 gleitbar ist. Die Siebmaske 28 hat eine Struktur, die der Heizerstruktur 10, die auf den Heizerkern aufgedruckt wird, entspricht. Ein Paar von parallelen Walzen 24 und 24 sind unterhalb der Siebmaske 28 angeordnet.

Beim Drucken wird der Heizerkern 8 auf die Walzen 24 und 24 gelegt und durch die quadratischen Stangen (nicht darge­ stellt), die mit den Ausnehmungen 8B und 8C Eingriff nehmen, drehbar gehalten. Die Siebmaske 28 ist oberhalb des Heizer­ kerns 8 angeordnet und eine vorgegebene Menge von Lötmittel­ paste 26 wird auf die Siebmaske 28 aufgebracht. Die Löt­ mittelpaste 28 schließt ein leitfähiges Material, wie z. B. Wolfram (W) ein, das eine ausgeprägte Wärme erzeugt, wenn es elektrisch angeregt wird. Die untere Kante des Gummischrub­ bers 29 wird dann mit der Siebmaske 28 in Kontakt gebracht, auf eine Art, um die Siebmaske 28 gegen den Heizerkern 8 mit einer gegebenen Kraft zu drücken. Dann wird der Rahmen 27 in die Richtung des Pfeils "A" bewegt. Durch diese Bewegung wird der Heizerkern 8 auf den Walzen 24 in die Richtung des Pfeils "B" bewegt, und die Heizerstruktur (10) wird auf die zylindrische äußere Oberfläche des Heizerkerns 8 mit der Lötmittelpaste 26 aufgedruckt. Wie es aus Fig. 2 hervorgeht, hat die Heizerstruktur (10), die auf dem Heizerkern 8 aufge­ druckt ist, Endabschnitte (10A) und (10A), die auf den fla­ chen Abschnitten 8A und 8A des Heizerkerns 8 angeordnet sind. Da das Drucken auf dem sich drehenden Heizerkern 8 ausgeführt wird, weist die gedruckte Heizerstruktur (10) eine vollständige gleichmäßige Dicke auf.

Dann wird, wie es aus Fig. 5D zu sehen ist, der bedruckte Heizerkern 8 einem Schutzschichtbedeckungsprozeß ausgesetzt. Bei diesem Prozeß wird eine Aufbringvorrichtung 31 verwen­ det, wie sie in Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Die Aufbringvor­ richtung 31 umfaßt einen Behälter 31C mit einer flachen Düse 31A, und einer Pastenzuführungsröhre 31B, die mit einem obe­ ren Abschnitt des Behälters 31C verbunden ist. Eine Alumi­ niumoxidpaste 30 mit einer Viskosität, die höher als etwa 100 Pa·s (Pascalsekunden) ist, wird dem Behälter 31C über die Pastenzuführungsröhre 31B zugeführt. Die Aluminiumoxid­ paste 30 umfaßt ein Aluminiumoxidpuder, einen organischen Binder (wie z. B. Ethylzelluloseharz oder ähnliches) und ein Lösungsmittel.

Beim Bedecken ist der bedruckte Heizerkern 8 durch die qua­ dratischen Stangen (nicht dargestellt), die mit den Ausneh­ mungen 8B und 8C Eingriff nehmen, drehbar gehalten. Die Auf­ bringvorrichtung 31 ist oberhalb des bedruckten Heizerkerns 8 derart angeordnet, daß die flache Düse 31A sich entlang der longitudinalen Achse "0-0" des länglichen Heizerkerns 8 erstreckt. Wie es aus Fig. 8 zu sehen ist, ist die flache Düse von der zylindrischen äußeren Oberfläche des grünen Heizerkerns 8 um "S" beabstandet, was etwa 400 µm bis etwa 500 µm sind. Beim Antreiben der quadratischen Stangen wird der Heizerkern 8 mit einer niedrigen Geschwindigkeit um die Achse "0-0" in die Richtung des Pfeils "C" gedreht. Bevor­ zugterweise beträgt die Drehgeschwindigkeit etwa eine Um­ drehung pro Sekunde. Durch diese Drehung wird die zylin­ drische äußere Oberfläche des bedruckten Heizerkerns 8 mit einer Schicht (11) der Aluminiumoxidpaste 30 bedeckt. Die Dicke der Schicht (11) beträgt etwa 400 µm bis etwa 500 µm. Durch Einstellen der Menge der Aluminiumoxidpaste 30, die von der flachen Düse 31A zugeführt wird, sowie der Drehge­ schwindigkeit des Heizerkerns 8, kann die Pastenbedeckung innerhalb einer Drehung des Heizerkerns 8 beendet werden. Der Heizerkern 8, der so mit der grünen Schutzschicht (11) versehen ist, wird dann für mehrere Stunden in einen Trock­ nungsofen eingebracht, um die Schicht (11) zu trocknen.

Dann wird, wie es aus Fig. 5F zu sehen ist, der bedeckte Heizerkern 8 einem Brennprozeß ausgesetzt. Bei diesem Prozeß wird der Heizerkern 8 in einen Brennofen eingebracht und für etwa 2 Stunden in einer Atmosphäre eines reduzierenden Gases (d. h. Argongas mit Wasserstoffgas, Stickstoffgas mit Wasser­ stoffgas etc.) bei einer Temperatur von etwa 1400°C bis 1700°C, bevorzugterweise bei einer Temperatur von etwa 1500°C bis etwa 1650°C gebrannt. Durch diesen Brennprozeß wird nicht nur die Schicht (11) aus Aluminiumoxidpaste 30, sondern ebenfalls die gedruckte Heizerstruktur 10 ausrei­ chend gebrannt und folglich verfestigt. Ferner wir der Hei­ zerkern 8 vollständig gebrannt. Durch diesen Brennprozeß wird die Dicke der Schutzschicht 11 auf etwa 200 µm redu­ ziert. Aufgrund der Verwendung der reduzierenden Atmosphäre wird vermieden, daß die Heizerstruktur 10 während des Brenn­ prozesses oxidiert.

Dann wird, wie es der Fig. 5G zu entnehmen ist, der voll­ ständig gebrannte Heizerkern 8 einem Metallplattierungspro­ zeß ausgesetzt. Bei diesem Prozeß wird ein leitfähiges Mate­ rial, wie z. B. Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder ähnliches, auf den Endabschnitten 10A der Heizerstruktur 10 plattiert. Damit werden die Anschlußabschnitte 9 und 9 der Heizerstruk­ tur 10 gebildet.

Mit den oben beschriebenen Schritten wird der Keramikheizer 7, wie er in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, hergestellt. Der Keramikheizer 7, der so hergestellt ist, wird in einen Sau­ erstoffsensor 1 (siehe Fig. 1) auf die oben beschriebene Art eingebaut.

Im folgenden werden Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben.

Aufgrund der Verwendung des provisorischen Brennprozesses aus Fig. 5B wird der organische Binder, der in dem Heizer­ kern 8 zurückbleibt, pyrolisiert. Das so produzierte Spalt­ gas wird ohne weiteres aus dem Heizerkern 8 an die Umgebung entfernt. Folglich kann der organische Binder bei diesem provisorischen Brennprozeß fast vollständig aus dem Heizer­ kern 8 entfernt werden. Folglich tritt das unerwünschte Phä­ nomen der feinen Löcher bei dem echten Brennprozeß nicht auf. Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren be­ wirkt das beim echten Brennprozeß erzeugte Spaltgas die Bil­ dung der unerwünschten feinen Löcher in der Schutzschicht. Aufgrund der Schutzschicht 11 kann die Heizerstruktur 10 ge­ schützt werden und folglich eine längere Lebensdauer haben.

Wenn das Brennen einer Keramik allgemein in einer reduzie­ renden Atmosphäre ausgeführt wird, tendiert die thermische Zersetzung des Binders dazu, bei einer höheren Temperatur stattzufinden, und wird folglich mit dem Brennen wechselwir­ ken. Folglich ist ein Binder mit einer ausreichenden thermi­ schen Zersetzungscharakteristika bei einer niedrigeren Tem­ peratur notwendig, der jedoch teuer ist. Bei der vorliegen­ den Erfindung wird jedoch bei der Verwendung des provisori­ schen Brennprozesses kein solcher teuerer Binder verwendet.

Aufgrund der Verwendung des Siebdruckprozesses aus Fig. 5C und 6 kann die Heizerstruktur 10 ohne weiteres und genau auf die äußere Oberfläche des Heizerkerns 8 aufgedruckt werden.

Aufgrund der Verwendung der Aufbringvorrichtung 31 aus Fig. 7 und 8 kann die Schutzschicht 11 leicht auf den Heizerkern 8 aufgebracht werden. Tatsächlich ist eine solche Aufbring­ vorrichtung zum Aufbringen einer Pastenschicht mit einer gleichen Dicke auf einer zylindrischen Oberfläche geeignet.

Da die Anschlußabschnitte 9 der Heizerstruktur 10 flach ge­ bildet sind, ist der Kontakt (siehe Fig. 1) zwischen den Anschlußabschnitten 9 und den U-förmig zurückgebogenen Ab­ schnitten 13A der Kontaktfedern 13 stabil und wird sicher hergestellt.

Da der Heizerkern 8 mit den Ausnehmungen 8B und 8C gebildet ist, ist die thermische Kapazität des Heizerkerns 8 redu­ ziert, was das Erwärmen dieses beschleunigen kann und folg­ lich das der röhrenförmigen Sonde 6 des Sauerstoffsensors 1 beim Aktivieren der Heizerstruktur 10.

Aufgrund der Verwendung der Aufbringvorrichtung 31, wie sie in Fig. 7 und 8 gezeigt ist, kann die Bedeckung des Heizer­ kerns 8 mit der Paste 30 bei nur einer Drehung des Heizer­ kerns 8 beendet werden, was die Pastenbedeckungszeit vergli­ chen mit dem oben erwähnten dritten herkömmlichen Verfahren verkürzt.

Anhand der Fig. 9A bis 9E ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Keramikheizers gezeigt, das ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.

Zuerst wird ein stangenartiges, grünes Bauglied durch ein Strangpreßverfahren aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Alu­ miniumoxid oder ähnlichem, geformt und das stangenartige, grüne Bauglied wird in längliche Stücke 41 mit einer vorbe­ stimmten Länge geschnitten. Jedes Stück 41 wird dann bis zu einem solchen Grad getrocknet, um eine Härte aufzuweisen, die für einen nachfolgenden Druckprozeß ausreichend ist. Das getrocknete Stück 41 ist ein gehärteter Heizerkern 41, wie er in Fig. 9A gezeigt ist.

Dann wird, wie es in Fig. 9B zu sehen ist, der gehärtete Heizerkern 41 einem Druckprozeß ausgesetzt. Bei diesem Pro­ zeß wird eine Heizerstruktur (42) auf die zylindrische, äußere Oberfläche des Heizerkerns 41 im wesentlichen auf dieselbe Art wie beim Druckprozeß (siehe 5C und 6) des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels aufgedruckt. Die Heizerstruktur (42), die auf den Heizerkern 41 gedruckt ist, hat Endabschnitte (42A) und (42A), die den Endabschnitten (10A) und (10A) des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen.

Dann wird, wie es aus Fig. 9C zu sehen ist, der bedruckte Heizerkern 41 einem Schutzschichtbedeckungsprozeß ausge­ setzt, der im wesentlichen derselbe ist, wie der Schutz­ schichtbedeckungsprozeß (siehe Fig. 5C) des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels.

Dann wird, wie es aus Fig. 9D zu sehen ist, der bedeckte Heizerkern 41 einem Brennprozeß ausgesetzt, der im wesentli­ chen derselbe ist, wie der Brennprozeß (siehe Fig. 5E) des ersten Ausführungsbeispiels.

Dann wird, wie es aus Fig. 9E zu sehen ist, der vollständig gebrannte Heizerkern 41 einem Metallplattierungsprozeß aus­ gesetzt) der im wesentlichen derselbe ist, wie der Metall­ plattierungsprozeß (siehe Fig. 5F) des ersten Ausführungs­ beispiels. Durch diesen werden die Anschlußabschnitte 9 und 9 der Heizerstruktur 42 gebildet.

Mit den oben ausgeführten Schritten des zweiten Ausführungs­ beispiels wird ein Keramikheizer 7′ (siehe Fig. 9E) herge­ stellt, der im wesentlichen derselbe ist, wie der Keramik­ heizer 7, der durch das Verfahren des ersten Ausführungsbei­ spiels hergestellt wurde.

Die Vorteile, die dieses zweite Ausführungsbeispiel auf­ weist, sind im wesentlichen dieselben, wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Im nachfolgenden werden Modifikationen der vorliegenden Er­ findung beschrieben.

Eine Durchgangsausnehmung kann in dem Heizerkern 8 oder 41 anstelle der Ausnehmungen 8B und 8C gebildet sein. Bei die­ ser Modifikation kann die thermische Kapazität des Heizer­ kerns erheblich reduziert werden, und das Erwärmen der röh­ renförmigen Sonde 6 des Sauerstoffsensors 1 kann folglich beschleunigt werden.

Wenn es erwünscht ist, kann das Material für die Heizer­ struktur 10 oder 42 Platin (Pt) und Molybdän (Mo) verwendet werden. Wenn Platin (Pt) verwendet wird, kann das Brennen in der Atmosphäre ausgeführt werden.

Wenn es erwünscht ist, kann für die Bildung der Anschlußab­ schnitt 9 und 9 der Heizerstrukturen 10 oder 42 eine Dampf­ abscheidungstechnik verwendet werden. Wenn die Heizerstruk­ tur 10 oder 42 aus Platin (Pt) aufgebaut ist, können die nackten Endabschnitte der Heizerstruktur als Anschlußab­ schnitte verwendet werden. Das heißt, daß in diesem Fall der Metallplattierungsprozeß nicht notwendig ist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramikheizers (7), ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Formen eines grünen, zylindrischen Objekts (8) aus einem Keramikmaterial, das einen Binder enthält;
• b) provisorisches Brennen des grünen, zylindrischen Objekts (8) bei einer relativ niedrigeren Tempera­ tur, wodurch ein nicht ausreichend gebranntes, zy­ lindrisches Objekt (8) erzeugt wird, wobei die niedrigere Temperatur ausreichend ist, um den Binder aus dem zylindrischen Objekt (8) zu entfernen;
• c) Drucken einer Heizerstruktur (10) auf eine zylind­ rische Oberfläche des nicht ausreichend gebrannten, zylindrischen Objekts (8), wobei die Heizerstruktur (10) aus einem elektrisch leitfähigen Material her­ gestellt ist;
• d) Bedecken der bedruckten, zylindrischen Oberfläche des nicht ausreichend gebrannten, zylindrischen Ob­ jekts (8) mit einer grünen Schutzschicht (11), um dadurch ein schichtbedecktes, zylindrisches Objekt (8) zu schaffen; und
• e) Brennen des schichtbedeckten, zylindrischen Objekts bei einer relativ höheren Temperatur, die ausrei­ chend ist, um das nicht ausreichend gebrannte, zy­ lindrische Objekt, die Heizerstruktur und die grüne Schutzschicht zu brennen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das provisorische Brennen des Schritts (b) in der atmosphärischen Luft ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die relativ niedrigere Temperatur des Schrittes (b) von etwa 800°C bis etwa 1400°C reicht; und
daß die relativ höhere Temperatur des Schrittes (e) von etwa 1400°C bis etwa 1700°C reicht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (11), die auf dem nicht ausrei­ chend gebrannten, zylindrischen Objekt (8) beim Schritt (d) aufgebracht ist, eine einzelne Schicht hat.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das grüne, zylindrische Objekt, das beim Schritt (a) bereitgestellt wird, durch Spritzgußformung herge­ stellt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das grüne, zylindrische Objekt, das bei Schritt (a) bereitgestellt wird, durch ein Strangpreßverfahren her­ gestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausführen des Schrittes (d) das grüne, zy­ lindrische Objekt in einen Entfettungsofen eingebracht wird, um einen Teil des Binders aus dem Objekt zu ent­ fernen.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die relativ niedrigere Temperatur des Schrittes (d) von etwa 1000°C bis etwa 1200°C reicht; und
daß die relativ höhere Temperatur des Schrittes (e) von etwa 1500°C bis etwa 1650°C reicht.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizerstrukturdrucken durch Drehen des nicht ausreichend gebrannten, zylindrischen Objekts (8) um dessen Achse ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grüne Schutzschicht, die das nicht ausreichend gebrannte, zylindrische Objekt beim Schritt (d) be­ deckt, eine Dicke im Bereich von etwa 400 µm bis 500 µm hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die grüne Schutzschicht (11) eine Viskosität hat, die höher als etwa 100 Pa·s (Pascalsekunden) ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen beim Schritt (e) für etwa 2 Stunden in einer Atmosphäre mit reduzierendem Gas ausgeführt wird.