DE4401793C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Keramikheizers - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Keramikheizers und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Keramikheizers, der zur Verwendung mit einem Sauerstoffsensor geeignet ist, der angepaßt ist, um die Sauerstoffkonzentration eines Abgas­ gases, das von einem Motor mit innerer Verbrennung ausge­ stoßen wird, zu erfassen.

Normalerweise ist ein Sauerstoffsensor angeordnet, um den Sauerstoffgehalt des Abgases eines Motors zur Luft-/Kraft­ stoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung zu überwachen. Es wird bevorzugt, einen Motor, der mit einem Turbolader ausge­ rüstet ist, mit einem angereicherten Luft-/Kraftstoff-Ver­ hältnis zu starten. In diesem Fall beträgt die Temperatur des Motorabgases etwa 280 Grad Celsius und ist nicht ausrei­ chend, damit der Sauerstoffsensor ordnungsgemäß arbeitet. Es ist die derzeitige Praxis, den Sauerstoffsensor auf seine Aktivierungstemperatur (etwa 350 Grad Celsius) unter Verwen­ dung eines Keramikheizers aufzuheizen.

Das japanische Patent Kokai Nr. 63-146381 offenbart einen herkömmlichen Sauerstoffsensor, der mit einem Keramikheizer versehen ist. Der Keramikheizer schließt einen Keramikhei­ zerkern ein, der durch ein Spritzgußverfahren in einer Stangenform gebildet ist. Eine Heizerstruktur ist auf der äußeren peripheren Oberfläche des Heizerkerns aufgedruckt. Der Heizerkern wird zusammen mit der Heizerstruktur in einen keramischen Schlicker eingetaucht und gebrannt, um eine Schutzschicht auf der Heizerstruktur zu bilden. Ein leitfä­ higes Material wird auf der äußeren peripheren Oberfläche des Heizerkerns, die nicht durch die Schutzschicht bedeckt ist, plattiert, um Anschlüsse zur Verbindung mit einer Leistungsquelle zu bilden.

Eine der Schwierigkeiten, die bei einem solchen herkömmli­ chen Keramikheizer angetroffen wird, ist die Tendenz zu einem fehlerhaften Kontakt, nachdem die Anschlüsse gekrümmte Oberflächen haben. Zusätzlich hat ein herkömmlicher Keramik­ heizer eine große termische Kapazität, die für die Heizer­ struktur eine lange Zeit erfordert, um den Sauerstoffsensor auf seine Aktivierungstemperatur aufzuheizen. Weiterhin ist es sehr schwierig, die Dicke der Schutzschicht, die auf dem Heizerkern gebildet ist, auf dem die Heizerstruktur aufge­ druckt wurde, gleichmäßig zu bilden, ohne komplizierte Tem­ peratur- und Feuchtigkeitssteuerung für den keramischen Schlicker.

Die DE 38 43 863 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines rechteckförmigen Hochtemperatur-Heizelementes, bei dem auf einem Substrat aus Aluminiumnitrit in Dickschichttechnik ein Heizleiter aufgedruckt wird, und bei dem auf das bedruckte Substrat ein weiteres Substrat aus Aluminiumnitrit aufgebracht wird, und bei dem die zu einem Sandwich zusammengefügten Substrate mit dem eingebetteten Heizleiter gesintert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen Keramikheizer zu schaffen, das die Herstellung des Keramikheizers mit einer höheren Effizienz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein gleichmäßiges Aufbringen der leitfähigen Heizerstruktur und der Schutzschicht erreicht, wodurch auf eine komplizierte Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung während der Herstellung verzichtet werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung, die einen Sauerstoff­ sensor zeigt, der ein Ausführungsbeispiel eines Ke­ ramikheizers, das in Übereinstimmung mit der Erfin­ dung hergestellt wurde, verwendet;

Fig. 2 eine vergrößerte Seitendarstellung des Keramikhei­ zers;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittdarstellung entlang der Linien III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Endes des Keramikheizers aus Fig. 2;

Fig. 5A bis 5E Seitendarstellungen, die verwendet werden, um die Abfolge, in der der Keramikheizer hergestellt wird, zu erklären; und

Fig. 6 eine Längsschnittdarstellung, die eine modifizierte Form des Keramikheizers zeigt.

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist ein Sauerstoffsensor gezeigt, der ein Ausführungsbei­ spiel eines Keramikheizers, der in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde, verwendet. Der Sauerstoffsen­ sor, im wesentlichen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet, schließt einen zylindrischen Halter 12 ein, der in der Nähe seines vorderen Endes mit einem Abschnitt 13 mit äußerem Ge­ winde zur Befestigung an der Abgaspassage (nicht gezeigt) eines Motors mit innerer Verbrennung versehen ist. Ein Sensorfühler 14 ist durch eine Unterlegscheibe in den zylin­ drischen Halter 12 eingepaßt, und erstreckt sich von dem zylindrischen Halter 12. Der Sensorfühler 14, der aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Zirkoniumoxid oder ähnli­ chem hergestellt sein kann, hat innere und äußere Elektroden (nicht gezeigt), die jeweils auf dessen innerer und äußerer Oberfläche gebildet sind. Die innere Elektrode ist mit einer leitfähigen Hülle 22, die später beschrieben wird, verbun­ den, wohingegen die äußere Elektrode durch den zylindrischen Halter 12 geerdet ist. Der Sensorfühler 14 ist mit einer Schutzabdeckung 16 bedeckt, die auf der vorderen Oberfläche des zylindrischen Halters 12 befestigt ist. Die Schutzab­ deckung 16, die aus einem Metallmaterial, wie z. B. rost­ freiem Stahl oder ähnlichem hergestellt sein kann, ist auf ihrer peripheren Oberfläche mit länglichen Fenstern 17 ge­ bildet, um den Sensorfühler 14 den Abgasgasen, die durch die Abgaspassage von dem Motor an die Atmosphäre abgegeben wer­ den, auszusetzen. Beim Vorhandensein einer Sauerstoffkonzen­ trationsdifferenz zwischen den Abgasgasen und der Atmosphäre erzeugt der Sensorfühler 14 eine entsprechende elektromoto­ rische Kraft zwischen seiner inneren und äußeren Elektrode.

Der zylindrische Halter 12 hat ebenfalls einen isolierenden Zylinder 18, der in diesen eingepaßt ist. Der isolierende Zylinder 18 kann aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder ähnlichem hergestellt sein. Ein Keramik­ heizer 20 erstreckt sich durch den isolierenden Zylinder 18 in den Sensorfühler 14 zum Aufheizen des Sensorfühlers 14 auf eine erwünschte Temperatur. Der Keramikheizer 24 ist durch eine abgeschrägte, leitfähige Hülle 22 festgehalten, die an ihrem vorderen Ende mit einem ringförmigen Flansch 23 gebildet ist, der zwischen dem hinteren Ende des Sensorfüh­ lers 14 und dem vorderen Ende des isolierenden Zylinders 18 befestigt ist. Der Keramikheizer schließt einen Heizerkern 202, Anschlüsse 206, eine Heizerstruktur 208 und eine Schutzschicht 210 ein, die später in größerem Detail be­ schrieben werden. Der isolierende Zylinder 18 ist an seinem hinteren Ende mit einem Abschnitt 19 mit kleinem Durchmesser gebildet, auf dem eine isolierende zylindrische Abdeckung 24 befestigt ist. Die isolierende, zylindrische Abdeckung 24 kann aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminium­ oxid oder ähnlichem hergestellt sein. Die isolierende, zy­ lindrische Abdeckung 24 ist an ihrem vorderen Ende 25, das auf dem isolierenden Zylinder 18 befestigt ist, offen, und ist an ihrem hinteren Ende 26 mit einem Abschnitt 27 mit kleinem Durchmesser gebildet, der in eine zylindrische End­ abdichtung 28 eingepaßt, die mit einer äußeren Kappe 30 be­ deckt ist. Eine zylindrische Kappe 32 ist an ihrem vorderen Ende auf der peripheren Oberfläche des hinteren Abschnitts des zylindrischen Halters 12 befestigt, und an ihrem hinte­ ren Ende auf der peripheren Oberfläche des Abschnitts 27 mit kleinem Durchmesser der isolierenden zylindrischen Abdeckung 24. Eine Scheibenfeder 34 ist auf dem Abschnitt 27 mit klei­ nem Durchmesser der isolierenden, zylindrischen Abdeckung 24 zwischen der zylindrischen Kappe 32 und der isolierenden, zylindrischen Abdeckung 24 angeordnet, um den isolierenden Zylinder 18 durch die isolierende Abdeckung 24 axial in eine Vorwärtsrichtung zu zwingen, um den isolierenden Zylinder 18, die isolierende, zylindrische Abdeckung 24 und den Sen­ sorfühler 14 an Ort und Stelle zu halten. Die zylindrische Endabdichtung 28 ist aus einem Fluorharz, wie zum Beispiel Polytetrafloräthylen hergestellt. Die zylindrische Endab­ dichtung 28 hat drei Durchgangslöcher 29, die um 120 Grad gleichmäßig beabstandet sind.

Ein Paar von Kontaktfedern, von denen eine bei 36 gezeigt ist, haben gedrehte Abschnitte 37, die in der isolierenden Abdeckung 24 angeordnet sind. Der gedrehte Abschnitt 37 hat eine breite Fläche, die mit dem Anschluß 206 des Heizerkerns 202 in Kontakt gehalten ist. Die Kontaktfedern 36 erstrecken sich in die entsprechenden Durchgangslöcher 29 durch den Endabschnitt 26 der isolierenden Abdeckung 24 und sie sind mit einer Leistungsquelle durch Anschlußdrähte 41 und 42 verbunden. Eine Kontaktplatte 38 erstreckt sich durch den isolierenden Zylinder 18 in Kontakt mit der leitfähigen Hül­ le 22 und erstreckt sich durch das hintere Ende 26 der iso­ lierenden Abdeckung 24 in die entsprechenden Durchgangs­ löcher 29. Die Kontaktplatte 38 hat einen gekrümmten Ab­ schnitt 39, der mit der peripheren Oberfläche des Keramik­ heizers 20 in Druckkontakt gehalten ist, um den Keramikhei­ zer 20 zusammen mit der Kontaktfeder 36 an Ort und Stelle zu halten. Die Kontaktplatte 38 ist durch einen Anschlußdraht 42 mit einer Steuerungsschaltung (nicht gezeigt) verbunden. Der Anschlußdraht 43 ist zusammen mit den Anschlußdrähten 41 und 42 gebunden, um einen Kabelbaum 40 zu bilden. Das Be­ zugszeichen 44 bezeichnet ein Abdichtungsbauglied, das in den jeweiligen Durchgangslöchern 29 vorgesehen ist.

Bezugnehmend auf Fig. 2, 3 und 4, schließt der Keramikheizer 20 einen Heizerkern 202, der aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid oder ähnlichem, in Stangenform hergestel­ lt ist, Anschlüsse 206, die auf den jeweiligen Abschnitten 203, die in der Nähe des hinteren Endes des Heizerkerns 202 abgeflacht sind, gebildet sind, eine Heizstruktur 208, die auf der äußeren peripheren Oberfläche des Heizerkerns 202 über dem Bereich, der sich von den Anschlüssen 206 zu dem vorderen Ende des Heizerkerns 202 erstreckt, aufgedruckt sind, und eine Schutzschicht 210, die auf die äußere peri­ phere Oberfläche des Heizerkerns 202 aufgedruckt ist, um die Heizerstruktur 208 zu bedecken, ein. Der Heizerkern 202 ist aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder ähnlichem, durch ein Spritzgußverfahren hergestellt. Der Heizerkern 202 kann zum Beispiel in einer zylindrischen Stangenform hergestellt sein, die einen Durchmesser von etwa 3,8 mm und eine Länge von etwa 57 mm hat. Der Heizerkern 202 ist in der Nähe seines hinteren Endes mit zwei abgeflachten Abschnitten 203, die um 120 Grad beabstandet sind, gebildet. Die abgeflachten Abschnitte 203 haben zum Beispiel eine Breite von etwa 1,5 mm und eine Länge von etwa 6 mm. Der Heizerkern 202 ist mit einem ersten länglichen, axialen Hohlraum 204, der sich axial entlang dem Heizerkern 202 er­ streckt, und sich an dem hinteren Endes des Heizerkerns 202 öffnet, und mit einem zweiten, länglichen axialen Hohlraum 205 gebildet, der sich axial entlang dem Heizerkern 202 er­ streckt, und sich an dem vorderen Ende des Heizerkerns 202 öffnet. Der erste axiale Hohlraum 204 kann eine Länge von etwa 3 mm haben, und der zweite axiale Hohlraum 205 kann eine Länge von etwa 15 mm haben. Der erste und der zweite axiale Hohlraum 204 und 205 dienen dazu, die termische Kapa­ zität des Heizerkerns 202 zu reduzieren. Die Anschlüsse 206 sind aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder ähnlichem, durch ein Metallab­ scheidungsverfahren auf den jeweiligen Endabschnitten 209 der aufgedruckten Heizerstruktur 208 hergestellt. Die An­ schlüsse 206 sind mit einer Leistungsquelle derart verbun­ den, daß eine Heizerstruktur 208 zusammen mit dem Heizerkern 202 auf eine Temperatur, die im Bereich von etwa 500 Grad Celsius bis etwa 700 Grad Celsius ist, aufgeheizt werden kann. Nachdem sich der Keramikheizer 20 in den Sensorfühler 14 erstreckt, wird der Sensorfühler 14 auf eine Temperatur von zum Beispiel etwa 350 Grad Celsius aufgeheizt, auf der der Sensorfühler 14 aktiviert wird.

Bezugnehmend auf Fig. 5A bis 5E ist die Folge gezeigt, in der der Keramikheizer 20 hergestellt wird. Zuerst wird der Heizerkern 202 aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder ähnlichem, durch ein Spritzgußverfahren hergestellt, wie in Fig. 5A gezeigt ist. Der Heizerkern 202 kann zum Beispiel in einer zylindrischen Stangenform herge­ stellt werden, die einen Durchmesser von etwa 3,8 mm und eine Länge von etwa 57 mm hat. Der Heizerkern 202 ist in der Nähe seines hinteren Endes mit zwei abgeflachten Abschnitten 203, die um 120 Grad beabstandet sind, gebildet. Die abge­ flachten Abschnitte 203 haben zum Beispiel eine Breite von etwa 1,5 mm und eine Länge von etwa 6 mm. Der Heizerkern 202 ist mit einem ersten länglichen, axialen Hohlraum 204 gebil­ det, der sich axial entlang dem Heizerkern 202 erstreckt, und sich an dem hinteren Ende des Heizerkerns 202 öffnet, und mit einem zweiten länglichen, axialen Hohlraum 205, der sich axial entlang dem Heizerkern 202 erstreckt und sich an dem vorderen Ende des Heizerkerns 202 öffnet. Der erste axiale Hohlraum 204 kann eine Länge von etwa 3 mm haben und der zweite axiale Hohlraum 205 kann eine Länge von etwa 15 mm haben. Der erste und der zweite axiale Hohlraum 204 und 205 dienen dazu, die termische Kapazität des Heizerkerns 202 zu reduzieren. Die abgeflachten Abschnitte 203 und die axia­ len Hohlräume 204 und 205 können durch ein solches Spritz­ gußverfahren leicht einstückig gebildet sein. Fig. 5B zeigt ein strukturaufdruckverfahren, bei dem ein leitfähiges Material, wie zum Beispiel Wolfram oder ähnliches, aufge­ druckt wird, um eine Heizerstruktur 208 über der äußeren pe­ ripheren Oberfläche des Heizerkerns 202 zu bilden, während der Heizerkern 202 um die axiale Linie 0-0 mittels zwei Tra­ gewellen (nicht gezeigt), die in die jeweiligen Hohlräume 204 und 205 eingeführt sind, gedreht wird. Das Strukturauf­ druckverfahren, das während des Drehens des Heizerkerns 202 durchgeführt wird, kann die Aufdruckeffizienz und die Ein­ heitlichkeit der Heizerstruktur 208 verbessern. Das aufge­ druckte Muster 208 schließt Endabschnitte 209 ein, die auf den jeweiligen abgeflachten Abschnitten 203 gebildet sind. Fig. 5C zeigt ein Schutzschichtaufdruckverfahren, bei dem eine dicke Schicht aus einem Keramikmaterial, wie zum Bei­ spiel Aluminiumoxid oder ähnlichem, auf die äußere periphere Oberfläche des Heizerkerns 202 aufgedruckt wird, um eine Schutzschicht 210 zu bilden. Bevorzugterweise wird das Ke­ ramikmaterial auf der äußeren peripheren Oberfläche des Hei­ zerkerns 202 zweimal bedeckt, während der Heizerkern 202 sich dreht. Das Abdeckverfahren, das durchgeführt wird, wäh­ rend sich der Heizerkern 202 dreht, kann die Einheitlichkeit der Schutzschicht 210 verbessern. Fig. 5D zeigt ein Brenn­ verfahren, bei dem die Schutzschicht 210 zusammen mit dem Heizerkern 202 in der reduzierenden Wasserstoffatmosphäre, die Argongase, Stickstoffgase oder ähnliches enthält, ge­ brannt wird. Das Brennverfahren kann zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 1600 Grad Celsius durchgeführt werden, um die Schutzschicht 210 auf die äußere, periphere Ober­ fläche des Heizerkerns 202 zu integrieren. Die reduzierende Atmosphäre ist wirksam, um eine Oxidation des hinteren Endes der Heizerstruktur 208, die sich während des Brennverfahrens aus der Schutzschicht 210 erstreckt, zu verhindern. Fig. 5E zeigt ein Metallplattierungsverfahren, bei den ein leitfähi­ ges Material, wie zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder ähnliches, aufgedruckt wird, um die Anschlüsse 206 auf den jeweiligen Endabschnitten 209 der aufgedruckten Heizer­ struktur 208 zu bilden. Nachdem die Anschlüsse 206 auf den jeweiligen abgeflachten Abschnitten 203 des Heizerkerns 202 hergestellt sind, können sie abgeflacht werden. Dies ist wirksam, um die Fläche zu erhöhen, auf der die Kontaktfedern 36 Kontakt mit den jeweiligen Anschlüssen 206 halten, um da­ durch einen guten Kontakt der Kontaktfedern 36 mit den je­ weiligen Anschlüssen sicherzustellen.

Der Betrieb des Sauerstoffsensors 10, der mit dem Keramik­ heizer 20 versehen ist, wird nun beschrieben. Der Sauer­ stoffsensor 10 ist durch den Abschnitt 13 mit externem Ge­ winde an der Motorabgaspassage befestigt, wobei der Sensor­ fühler 14 angeordnet ist, um den Abgasgasen, die durch die Abgaspassage ausgestoßen werden, ausgesetzt zu sein. Beim Vorhandensein einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwi­ schen den Abgasgasen und der Atmosphäre erzeugt der Sensor­ fühler 14 eine entsprechende elektromotorische Kraft zwi­ schen seiner inneren und äußeren Elektrode. Diese elektro­ motorische Kraft wird durch die leitfähige Hülle 22, die Kontaktplatte 38 und die Anschlußdrähte 43 an eine Steue­ rungsschaltung (nicht gezeigt) ausgegeben, die sie für die Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung verwen­ det. Wenn der Keramikheizer 20 mit einer Leistungsquelle durch die Anschlußdrähte 41 und 42 und die Kontaktfedern 36 verbunden ist, heizt er den Sensorfühler 14 auf eine Tem­ peratur von etwa 350 Grad Celsius auf, bei der die Sensor­ probe 14 aktiviert wird. Als ein Ergebnis kann die Sensor­ probe 14 in einer kurzen Zeit aktiviert sein. Dies ist wirk­ sam, um ein genaues Sauerstoffkonzentrationsanzeigendes Si­ gnal sicherzustellen.

Bezugnehmend auf Fig. 6 wird eine modifizierte Form des Ke­ ramikheizers 20 gezeigt. Bei dieser Modifikation ist der erste und der zweite axiale Hohlraum 204 und 205 entfernt und durch eine axiale Bohrung 220 ersetzt, die sich axial durch den Heizerkern 202 erstreckt. Diese Struktur kann die termische Kapazität des Heizerkerns 202 weiter reduzieren und die Zeit, die für den Keramikheizer 20 erforderlich ist, um den Sensorfühler 14 auf seine Aktivierungstemperatur auf­ zuheizen, kann folglich weiter reduziert werden.

Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben, es wird jedoch darauf hin­ gewiesen, daß Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung durchgeführt werden können. Die An­ schnitte 206 können zum Beispiel durch ein Vakuumabschei­ dungsverfahren anstelle des Metallplattierungsverfahrens ge­ bildet werden. Die Heizerstruktur 208 kann aus Platin her­ gestellt werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Schutzschicht in der reduzierenden Atmosphäre gebrannt wird. Ferner kann das Metallplattierungsverfahren, das er­ forderlich ist, um die Abschnitte 206 zu bilden, ausge­ schlossen werden, wenn die Heizerstruktur 208 aus Platin hergestellt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Keramik­ heizers (20), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Gießen eines Keramikheizerkerns (202) in einer Stangenform mit einem ersten und einem zweiten Hohlraum (204, 205), die sich entlang dessen axial erstrecken, wobei sich der erste Hohlraum (204) an dem hinteren Ende des Heizerkerns (202) öffnet, wobei sich der zweite Hohlraum (205) an dessen vorderem Ende öffnet, wobei der Heizerkern (202) ein Paar von abgeflachten Abschnitten (203) in der Nähe des hinteren Endes des Heizerkerns (202) hat;
• - Aufdrucken einer leitfähigen Heizerstruktur (208) auf die äußere periphere Oberfläche des Heizerkerns (202), während sich der Heizerkern (202) um seine Längsachse dreht, wobei die Heizerstruktur (208) Endabschnitte (209) einschließt, die auf den jeweiligen abgeflachten Abschnitten (203) gebildet sind;
• - Aufdrucken einer Schutzschicht (210) auf die Heizer­ struktur unter Ausnahme der Endabschnitte (209), während sich der Heizerkern (202) um seine Längsachse dreht; und
• - Brennen des Heizerkerns (202) zusammen mit der aufge­ druckten Schutzschicht (210).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Hohlraum (204, 205) derart verbunden sind, daß sich eine axial durch den Kera­ mikheizerkern erstreckende Ausnehmung (220) bildet.