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Dokumentenidentifikation DE102006054141A1 31.05.2007
Titel Sauerstoffsensor
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokyo, JP
Erfinder Ichiyanagi, Futoshi, Isesaki, Gunma, JP;
Mori, Keiji, Isesaki, Gunma, JP;
Kawashima, Masami, Isesaki, Gunma, JP;
Uchikawa, Akira, Iseaki, Gunma, JP;
Sakai, Shoichi, Isesaki, Gunma, JP;
Tsukada, Masao, Isesaki, Gunma, JP
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 15.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006054141
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/406(2006.01)A, F, I, 20061115, B, H, DE
Zusammenfassung In einem Sauerstoffsensor (1) wird ein Basiskörper vorgesehen und eine Mehrzahl von Funktionsschichten auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht (25) mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten (26, 27), die zwischen der festen Elektrolytschicht (25) eingefügt sind, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, und während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer äußeren Oberfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper durchgeführt wird.

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor.

Beschreibung des Standes der Technik:

Verschiedene Typen von Sauerstoffsensoren sind entwickelt worden. Eine (offengelegte) japanische Patentanmeldung (tokkai) Nr. 8-114571, veröffentlicht am 07. Mai 1996, erläutert einen früher entwickelten Sauerstoffsensor.

In dem in der oben bezeichneten japanischen Patentanmeldung offenbarten Sauerstoffsensor wird eine Heizelementanordnung, die auf einem Basiskörper ausgebildet ist, mit Strom versorgt und aufgeheizt, so dass eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit aktiviert und eine Sauerstoffkonzentration von einer Potentialdifferenz zwischen einem Paar Elektroden, die einander gegenüberstehend über der festen Elektrolytschicht angeordnet sind, erfasst wird.

Bei dieser Art oben beschriebener Sauerstoffsensoren wird ein Erfassungselement üblicherweise in einer mehrschichtigen Form von Funktionsschichten, wie z.B. die feste Elektrolytschicht, Elektrodenschichten, eine Isolierschicht und Schutzschichten laminiert bzw. geschichtet und durch Beheizen (auch Brennen genannt) der laminierten Funktionsschichten gebildet.

Jedoch tritt bei dem im Hintergrund der Erfindung beschriebenen, bekannten Sauerstoffsensor gemäß der Festlegung eines Materials von jeder in den Funktionsschichten enthaltenen Schicht während des Beheizens oft der Fall auf, dass das Sintern von einer Außenschicht (äußere Fläche des Erfassungselements) während des Beheizens fortschreitet.

In diesem Fall wird eine Beanspruchung bzw. Spannung in dem oben beschriebenen, früher entwickelten Sauerstoffsensor innerhalb der Schichten) an einer Innenseite (eine Basiskörperseite) verbleiben, wobei ein Kopplungszustand zwischen jeder Schicht instabil wird und wahrscheinlich Bruchstellen bzw. Risse innerhalb jeder Schicht der Funktionsschichten ausgebildet werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sauerstoffsensor und dessen Herstellungsverfahren dafür zu schaffen, die die Entstehung einer inneren Restspannung des Erfassungselements zusammen mit dem Beheizen unterdrücken können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 oder 17. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Um die oben beschriebene Aufgabe gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein Sauerstoffsensor geschaffen: mit einem Basiskörper; und mit einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, und während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper aus fortschreitet.

Um die oben beschriebene Aufgabe gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein Herstellverfahren für einen Sauerstoffsensor geschaffen, das Folgendes aufweist: Vorsehen eines Basiskörpers; und Vorsehen einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, und Ausführen eines Beheizens, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper aus fortschreitet.

Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle notwendigen Merkmale, so dass die vorliegende Erfindung auch eine Unter-Kombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:

1 eine Querschnittsansicht, die entlang einer Axialrichtung eines Sauerstoffsensors in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung geschnitten ist.

2 eine Querschnittsansicht eines Erfassungselements des in 1 dargestellten Sauerstoffsensors, die entlang einer Linie A-A in 1 geschnitten ist.

3 ein charakteristisches Schaubild, das eine Korrelation zwischen einer Temperatur (°C: waagerechte Achse) und einer volumetrischen Schrumpfung bzw. Volumenminderung (%: senkrechte Achse) zwischen einem Kernstab, einer festen Elektrolytschicht, und einer dichten Schicht bzw. Abdichtungsschicht während des Beheizens des Erfassungselements des Sauerstoffsensors in der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform darstellt.

Nachstehend wird Bezug auf die Zeichnung genommen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Eine Ausführungsform eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf einen Sauerstoffsensor anwendbar, die für eine Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wird, und innerhalb eines Auspuffrohres eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet ist, angeordnet ist.

Eine ungefähre Konfiguration des Sauerstoffsensors in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend erläutert. 1 stellt eine Querschnittsansicht des Sauerstoffsensors in der bevorzugten Ausführungsform dar (Querschnittsansicht, die entlang einer Axialrichtung des Sauerstoffsensors geschnitten ist).

Eine zylindrische Elementeinsatzöffnung 3 ist in einer Halterung 4 ausgebildet und ein zylindrisches stangenförmiges Erfassungselement 2 ist in diese Elementeinsatzöffnung 3 eingepasst und eingesetzt. Das Erfassungselement 2 durchdringt die Elementeinsatzöffnung 3 und ist an beiden Endflächen der Axialrichtung der Halterung 4 exponiert. Ein Sauerstoff-Messbereich 2b ist an einer Endseite der Axialrichtung der Halterung 4 und eine Elektrode 2a ist an der anderen Endseite der Axialrichtung der Halterung 4 ausgebildet.

Der Sauerstoff-Messbereich 2b ist innerhalb doppelter (innerer und äußerer) Schutzeinrichtungen 9A, 9B einer Doppelrohr-Anordnung und einer zylindrischen Anordnung, die an der Halterung mittels Verschweißung oder Verstemmen befestigt ist, eingesetzt. Die Zirkulationsöffnungen 9a, 9b (kreisförmige Öffnungen) für die Gaszirkulation sind auf der Innenseite oder Außenseite der Schutzeinrichtungen 9A, 9B ausgebildet. Das Erfassungsgas wird innerhalb der doppelten Schutzeinrichtung 9A, 9B über die Zirkulationsöffnungen 9a, 9b eingeleitet und gelangt in die Umgebung des Sauerstoff-Messbereichs 2b.

Andererseits wird ein im Durchmesser erweiterter Bereich 10 in der Nähe der Elektrode 2a der Elementeinsatzöffnung 3 gebildet. Somit dient ein auf den im Durchmesser erweiterten Bereich 10 angeordneter Abdichtungsbereich 5 zum Aufrechterhalten einer Luftdichtigkeit an einem Zwischenraum zwischen der Elementeinsatzöffnung 3 und dem Erfassungselement 2. Speziell wird keramisches Pulver 12 (z.B. ein ungesintertes (nicht gesintertes) Kalk- bzw. Talkum usw.) in den im Durchmesser erweiterten Bereich 10 gefüllt und in Richtung der Tiefenseite des Abdichtungsbereichs 5 unter Verwendung eines Abstandsstückes bzw. einer Distanzscheibe 13 (z.B. eine Dichtungsscheibe) gedrückt, um einen Zwischenraum zwischen der Elementeinsatzöffnung 3 und dem aufzufüllenden Erfassungselement 2 zu schaffen.

Eine Isolierung bzw. ein Isolierstück 7 in einer glockenförmigen (bottomed) zylindrischen Form für eine abschließende Wartung ist an der Elektrode 2a des Erfassungselements 2 befestigt. Ein zylindrisches Gehäuse 8 ist eingebaut, um einen äußeren Umfang der Isolierung 7 mit einem vorbestimmten Abstand abzudecken. Dieses Gehäuse 8 ist an einem äußeren Umfang der Halterung 4 mittels eines Gesamtumfangs-Laserschweißen befestigt. Dieses Laserschweißen bewirkt die zu gewährleistende Luftdichtigkeit im Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 8 und der Halterung 4.

Zusätzlich wird eine ungefähr zylindrische Gummidichtung 16 an einem abschließenden Bereich, der dem Sauerstoffmessbereich 2b des Gehäuses 8 gegenüberliegt, angeordnet. Eine Mehrzahl von (z.B. vier) Zuleitungsdrähten 17 geht durch diese Gummidichtung 16 hindurch und verläuft nach außen. Diese Gummidichtung 16 ist am Gehäuse 8 mittels eines verstemmten Bereichs 8a zwischen dem Gehäuse 8 und dieser Gummidichtung 16 befestigt. Die Luftdichtigkeit zwischen der Gummidichtung 16 und den Zuleitungsdrähten 17 und zwischen der Gummidichtung 16 und dem Gehäuse 8 kann sichergestellt werden. Es ist zu beachten, dass z.B. die Verwendung von Fluor enthaltendem Gummi oder Material mit einer hohen thermischen Widerstandseigenschaft für die Gummidichtung vorteilhaft ist.

Die Anschlüsse 6 sind mit einem inneren Seitenanschluss von jedem Zuleitungsdraht 17 verbunden. Diese Anschlüsse 6 werden auf der den Anschluss haltenden Isolierung 7 gehalten. Jeder dieser Anschlüsse 6 wird aus einem elastischen Körper gebildet. Ein hoher Elastizitätsgrad von jedem der Anschlüsse 6 bewirkt sichere Kontakte der entsprechenden Anschlüsse 6 mit den entsprechenden Elektroden 2a, die auf der Oberfläche des Erfassungselementes 2 ausgebildet sind, und erreicht an dieser Stelle eine sehr sichere elektrische Leitfähigkeit.

Die Anordnung des gesamten Sauerstoffsensors 1 ist oben beschrieben worden. Der Sauerstoffsensor 1 ist an einem Auspuffrohr 30 durch Einsetzen des Schraubbereiches 4b der Halterung 4 in die Schraubenlöcher 31 des Auspuffrohres 30 befestigt und mit einem Bereich angeordnet, der durch die doppelten Schutzeinrichtungen 9A, 9B, die innerhalb des Auspuffrohres 30 hervorragen, abgeschlossen ist. Eine Dichtung 19 wird zum Abdichten des Sauerstoffsensors 1 und des Auspuffrohrs 30 verwendet.

Ein Innenraum 15, der an einer Innenseite des Sauerstoffsensors 1 ausgebildet ist, ist am Auspuffrohr 30 durch Einsetzen von Verbindungsteilen zwischen dem Abdichtungsbereich 5, der Gummidichtung 16, und einem Verbindungsteil zwischen der Halterung 4 und dem Gehäuse 8 befestigt. Die Luftdichtigkeit ist gegenüber einem Außenbereich des Sauerstoffsensors 1 sichergestellt. Es ist zu beachten, dass ein extrem kleiner Zwischenraum, (z.B. ein Abstand zwischen einem Kerndraht und einer Beschichtung) im Inneren der Zuleitungsdrähte 17 eine Verbindung zwischen einer Außenseite des Sauerstoffsensors herstellt.

Wenn das innerhalb des Auspuffrohres 30 strömende Erfassungsgas bei dem oben beschriebenen Sauerstoffsensor 1 in das Innere des Sauerstoffsensors 1 durch die Zirkulationsöffnungen 9a, 9b der doppelten Schutzeinrichtungen 9A, 9B einströmt, führt das dazu, dass der Sauerstoff im Erfassungsgas in den Sauerstoffmessbereich 2b strömt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Sauerstoffkonzentration des Erfassungsgases mittels des Sauerstoffmessbereiches 2b erfasst und die Sauerstoffkonzentration in ein die Sauerstoffkonzentration darstellendes elektrisches Signal umgewandelt. Danach wird eine Information von diesem elektrischen Signal extern über die Elektroden 2a, Anschlüsse 6, und Zuleitungsdrähte 17 ausgesandt.

Als Nächstes wird nachstehend eine Anordnung des Sauerstoffmessbereiches 2b beschrieben. 2 stellt eine seitliche Querschnittsansicht des Erfassungselements 2 dar (eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 1 geschnitten ist).

Das Erfassungselement 2 umfasst in etwa: einen Kernstab 22 als Basiskörper; eine Heizelementanordnung 23 als eine Heizelementschicht, die auf einem vorbestimmten Bereich (einem Bereich über ungefähr dem halben Umfang) einer äußeren Umfangsfläche dieses Kernstabes 22 ausgebildet ist; eine Heizelement-Isolierschicht 24, die diese Heizelementanordnung 23 bedeckt; eine feste Elektrolytschicht 25 mit einer Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit, die an einer Position gebildet wird, die der Heizelementanordnung 23 auf der äußeren Umfangsfläche 22a des Kernstabes 22 gegenüberliegt; eine Innenelektrode 26 (Referenzelektrode) als Elektrodenschicht, die an einer Innenfläche der festen Elektrolytschicht 25 ausgebildet ist; eine Außenelektrode 26 (Erfassungselektrode) als Elektrodenschicht, die auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht 25 ausgebildet ist; eine Entspannungsschicht 28, die zwischen einer Innenfläche der festen Elektrolytschicht 25 und einer Außenfläche der Außenelektrode 27 angeordnet ist; eine Abdichtungsschicht 29, die auf den Außenflächen der festen Elektrolytschicht 25 und der Außenelektrode 27 ausgebildet ist; eine gedruckte Schutzschicht 20A, die die Außenfläche der Heizelement-Isolierschicht 24 gänzlich bedeckt, und eine Spinell-Schutzschicht 20B, die einen Bereich der gesamten Außenfläche der gedruckten Schutzschicht 20A bedeckt.

Das Erfassungselement 2 wird durch Laminieren jeder Schicht der Funktionsschichten (Heizelementanordnung 23, Heizelement-Isolierschicht 24, feste Elektrolytschicht 25, Innenelektrode 26 (die eine), Außenelektrode 27 (die andere), Entspannungsschicht 28, Abdichtungsschicht 29, einer gedruckten Schutzschicht 20A, und einer Spinell-Schutzschicht 20B auf einem Kernstab 22), und danach durch Beheizen (Brennen) dieser Funktionsschichten und des Kernstabes 22 gebildet.

Der Kernstab 22 wird in einer zylindrischen Form mit einem festen oder hohlen Bereich mittels keramischen Materials, wie z.B. Aluminium, das ein Isoliermaterial ist, gebildet.

Die Heizelementanordnung 23 wird aus einem Hitzeerzeugungsfähigen, leitfähigen Material, wie z.B. Wolfram oder Platin, gebildet. Diese Heizelementanordnung 23 ist elektrisch mit zwei der vier Zuleitungsdrähte 17 (s. 1) verbunden. Eine externe Stromversorgung führt einen elektrischen Strom für eine Heizelementanordnung 23 über diese Zuleitungsdrähte 17 so zu, dass insbesondere ein Heizbereich 23a die Hitze der Heizelementanordnung 23 erzeugt, so dass eine Temperatur der festen Elektrolytschicht 25 erhöht und aktiviert wird.

Die Heizelement-Isolierschicht 24 wird aus einem Isoliermaterial gebildet und stellt die elektrische Isolierung der Heizelementanordnung 23 sicher.

Die feste Elektrolytschicht 25 wird z.B. aus einem Pulver von Yttria mit vorbestimmten Gewichts-% mit einem Zirkonerde- bzw. Zirkoniumdioxid-Pulver gemischt, um eine Pastenform herzustellen, und wird durch Gestalten der aus dem Pulver gebildeten Paste und ihres Beheizens gebildet. Die feste Elektrolytschicht 25 erzeugt eine elektromotorische Kraft gemäß einer umgebenden Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Innenelektrode 26 und der Außenelektrode 27 und fördert die Sauerstoffionen in ihrer Dickenrichtung der festen Elektrolytschicht 25.

Anschließend bilden die feste Elektrolytschicht 25, die Innenelektrode 26, und die Außenelektrode 27 einen Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich 32, um die Sauerstoffkonzentration in Form eines elektrischen Signals zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass sowohl der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich 32 als auch die Heizelementanordnung 23 mit einer Positionsabweichung in Umfangsrichtung des Kernstabes 22 voneinander beabstandet sind. In dieser Ausführungsform sind diese an Positionen angeordnet, die sich einander über den Kernstab 22 gegenüberliegen.

Jede der Innenelektroden 26 und Außenelektroden 27 weist eine elektrische Leitfähigkeit auf und ist aus einem metallischen Material (z.B. Platin), durch das der Sauerstoff weitergeleitet wird, ausgebildet. Zwei der vier Zuleitungsdrähte 17 (s. 1) sind jeweils mit der Innenelektrode 26 und der Außenelektrode 27 verbunden. Eine Ausgangsspannung, die zwischen der Innenelektrode 26 und der Außenelektrode 27 erzeugt wird, kann als Spannung über diese Zuleitungsdrähte 17 erfasst werden.

Außerdem wird die Innenelektrode 26 in der Ausführungsform mit einer Mischung und einem Zusatz eines Lochformbildners, wie z.B. einem Theobromin, mit einem Edelmetall (z.B. Platin), die zusammengemischt. werden, gestaltet und durch Beheizen der gestalteten Mischung gebildet. Wie oben beschrieben, wenn der Lochformbildner auf diese Weise gemischt und gebildet wird, wird der Lochformbildner (Dissipationsmittel) geglüht und abgeblasen, so dass das Loch innerhalb jeder der Elektroden gebildet wird, so dass jede Elektrode (Schicht) einen porösen Aufbau aufweisen kann.

Zusätzlich wird die Entspannungsschicht 28 durch Gestalten eines Mischmaterials zwischen Zirkoniumoxid und Aluminium mit dem Zusatz eines Lochformbildners (Dissipationsmittel), wie z.B. Karbon, und durch Beheizen der oben beschriebenen gestalteten Mischung gebildet, um eine poröse Anordnung vorzusehen. Daher kann der zur Innenelektrode 26 durch die feste Elektrolytschicht 25 geleitete Sauerstoff in die Entspannungsschicht 28 einströmen.

Die Abdichtungsschicht 29 wird aus keramischem Material, wie z.B. Aluminium, gebildet, wobei der Sauerstoff im Erfassungsgas durch dieses Material nicht weitergeleitet werden kann. Die Abdichtungsschicht 29 bedeckt die Außenfläche der festen Elektrolytschicht 25 bis auf einen Elektroden-Öffnungs- bzw. Fensterteil (nicht dargestellt).

Die gedruckte Schutzschicht 20A bedeckt die Abdichtungsschicht 29 und die Gesamtfläche außerhalb der Heizelement-Isolierschicht 24. Zusätzlich leitet die gedruckte Schutzschicht 20A giftiges Gas und Staub in einem Erfassungsgas nicht weiter. Jedoch wird die gedruckte Schutzschicht 20A aus einer Materialqualität, durch die Sauerstoff im Erfassungsgas weitergeleitet werden kann, z.B. von einem porösen Material einer Mischung aus Aluminium und Magnesiumoxid, gebildet.

Die Spinell-Schutzschicht 20B bedeckt die gesamte Fläche der Außenseite des Erfassungselementes 2, kann den Sauerstoff im Erfassungsgas weiterleiten, und wird aus dem porösen Material gebildet, das gröber als die gedruckte Schutzschicht 20A ist.

Der Sauerstoffsensor 1 in dieser Ausführungsform wird ausgestaltet, um das Sintern des Kernstabes 22 als Basiskörper und der Funktionsschichten in Richtung der Außenfläche (nämlich der Spinell-Schutzschicht) der Funktionsschichten vom Kernstab 22 sequentiell durchzuführen. Zusammen mit einer Volumenminderung während des Beheizens kann der Sauerstoffsensor 1 ein Entstehen der inneren Restspannung unterdrücken.

3 stellt ein Beispiel einer Sintereigenschaft von jedem Teil des Erfassungselementes 2 dar, nämlich ein gezeichnetes Schaubild, das eine Korrelation zwischen der Temperatur (°C: waagerechte Achse) und einer Volumenminderung (%: senkrechte Achse) auf den Kernstab 22, der festen Elektrolytschicht 25 und der Abdichtungsschicht 29 während des Beheizens darstellt. Wie in 3 in dieser Ausführungsform dargestellt, wird ein sequentielles Sintern in einer Aufeinanderfolge des Kernstabes 22, der festen Elektrolytschicht 25 und der Abdichtungsschicht 29 begonnen und beendet und es versteht sich, wie oben beschrieben, dass der Kernstab 22 am innersten Teil positioniert wird und auf dem die feste Elektrolytschicht 25 und die Abdichtungsschicht 29 in dieser Aufeinanderfolge in Richtung einer Außenseite des Erfassungselements 2 (nämlich einer Außenseite der Funktionsschichten und, detaillierter, in Richtung der Spinell-Schutzschicht 20B) angeordnet sind. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform wird eine Sintergeschwindigkeit schneller gemacht, wenn die Position die Innenseite wird, und langsamer gemacht, wenn die Position die Außenseite wird, so dass das sequentielle Sintern von der Innenseite zur Außenseite durchgeführt wird. Somit wird die Entstehung der inneren Restspannung im Erfassungselement 2 unterdrückt. Es ist zu beachten, dass die Sintereigenschaft in 3 nur für die drei Schichtpositionen angezeigt wird. Jedoch kann dasselbe auf die anderen Schichtpositionen angewendet werden. Es ist wünschenswert, dass das sequentielle Sintern von der Innenseite zur Außenseite durchgeführt wird.

In diesem Fall wird eine Temperatur, durch die der Kernstab 22 und jede Schicht innerhalb der Funktionsschichten während des Beheizens auf die Volumenminderung (im Beispiel von 3 ungefähr 8%), die ungefähr die Hälfte von der in einem Sinter-Vollendungszustand beträgt (in dem Beispiel von 3 ein Zustand, bei dem die Volumenänderung ungefähr 15 bis ungefähr 16% beträgt) geschrumpft werden (im Beispiel von 3 ungefähr 8%), eingestellt bzw. festgelegt, um die Temperatur vom Kernstab 22 (Innenseite) bis zur Oberflächenseite (Außenseite) der Funktionsschichten sequentiell voranzubringen bzw. fortzuschreiten. Da ein Bereich, in dem die Temperatur der Innenschicht entsprechend der Volumenänderung niedriger als die Temperatur der Außenschicht entsprechend der oben beschriebenen Schrumpfung (ein Bereich von ungefähr 3% bis 14% bei der Volumenänderung) ist, breiter wird, wird eine günstigere Eigenschaft angezeigt. Jedoch ist es für den gesamten Ablauf vom Beginn des Beheizens bis zur Beendigung des Sinterns für die Temperatur der Innenschicht nicht erforderlich, klein zu werden.

Auf diese Weise kann dann für das Erfassungselement 2 eine Eigenschaft, so dass die Sintergeschwindigkeit des Kernstabes 22 (Innenseite) für das Erfassungselement 2 schneller als die Sintergeschwindigkeit an der Oberflächenseite (Außenseite) der Funktionsschichten gemacht wird, durch geeignetes Einstellen für jeden Kernstab 22 und die Funktionsschichten, die Komponenten des Materialspulvers hierfür (jeden Kernstab 22 und die Funktionsschichten), ein Teilchendurchmesser des Materialpulvers hierfür, und ein spezifischer Oberflächenbereich (ein Oberflächenbereich pro Gewichtseinheit) des Materialpulvers hierfür, oder die Füllmengen des Sinteradditivs (Sinterhilfsmittel) hierfür, erreicht werden.

Das heißt, für Komponenten des Materialpulvers ist es offensichtlich, dass die Sintergeschwindigkeit für jede Schicht unter Verwendung der Materialpulver, die im Wesentlichen in ihren Sintereigenschaften gegenseitig unterschiedlich sind, variiert werden kann. Zusätzlich kann die Sintergeschwindigkeit für den spezifischen Oberflächenbereich des Materialpulvers, wenn der spezifische Oberflächenbereich größer wird, beschleunigt werden. Für den Teilchendurchmesser des Materialpulvers kann die Sintergeschwindigkeit, wenn der Teilchendurchmesser größer wird, verlangsamt werden. Zusätzlich wird das Sintern für die Füllmengen eines Sinteradditivs begünstigt, da die Füllmengen erhöht werden. Die Sintergeschwindigkeit kann schneller werden.

In dieser Ausführungsform kann das Sintern des Kernstabes 22 und der Funktionsschichten zusätzlich bei einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1600°C beendet werden, wobei diese Temperaturwerte höher als die des herkömmlichen Sinterns sind. Somit kann jede Schicht der Funktionsschichten mehr stabilisiert und die genauere Fixierung von einer jeden der Funktionsschichten zu den anderen Schichten erreicht werden.

Zusätzlich ist gemäß der detaillierten Erörterung und der Versuche bestimmt worden, dass ein Unterschied, wenn eine Überzugs-, Schicht- bzw. Filmdicke der Funktionsschichten 10% beträgt oder dünner als der Durchmesser des Kernstabes 22 war, zwischen einer Schrumpfung der Funktionsschichten auf dem Kernstab 22 (Innenseite) und der Schrumpfung von irgendeiner der Funktionsschichten auf der äußeren Oberflächenseite geeignet unterdrückt und die Entstehung eines Abblätterns auf einem Grenzbereich zwischen dem Kernstab 22 und der Funktionsschichten unterdrückt werden könnte.

In der oben beschriebenen Weise wird in dieser Ausführungsform das Sintern des Kernstabes 22 (Innenseite) als Basiskörper und der Funktionsschichten sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der Funktionsschichten durchgeführt. Daher kann die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit der thermischen Schrumpfung während des Beheizens unterdrückt werden.

Daher wird in dieser Ausführungsform die Temperatur, bei der der Kernstab 22 und jede der Funktionsschichten auf die entsprechend vorbestimmten Schrumpfungen, die ungefähr die Hälfte von denen in ihren Sinter-Vollendungszuständen betragen, geschrumpft werden, sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der Funktionsschichten erhöht. Das Sintern des Kernstabes 22 und der Funktionsschichten wird sequentiell vom Kernstab 22 bis zur Außenfläche der Funktionsschichten durchgeführt. Daher kann die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit der thermischen Schrumpfung während des Beheizens unterdrückt werden.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform schreitet die Temperatur, bei der der Kernstab 22 und die Funktionsschichten bis zu den vorbestimmten Schrumpfungen, die ungefähr die Hälfte von denen im Sinter-Vollendungszustand betragen, geschrumpft werden, sequentiell zur Oberflächenseite der Funktionsschichten vom Kernstab 22 voran, wobei die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit der thermischen Beanspruchung bzw. Wärmespannung während des Beheizens unterdrückt werden kann.

Gemäß dieser Ausführungsform wird zusätzlich für den Kernstab 22 und jede der Funktionsschichten mindestens eine der Komponenten des Materialspulvers, der Partikeldurchmesser des Materialpulvers, der spezifische Oberflächenbereich des Materialspulvers unterschiedlich gemacht, um die Sintergeschwindigkeit vom Kernstab 22 und jeder Schicht innerhalb der Funktionsschichten einzustellen. Somit kann ein Restbetrag der inneren Spannung zusammen mit der Wärmespannung während des Beheizens unterdrückt werden.

Zusätzlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Kernstab 22 in einer Stabform ausgebildet. Somit kann die Sauerstoffsensor 1 kompakter werden.

Zusätzlich können gemäß dieser Ausführungsform der Kernstab 22 als Basiskörper und die Funktionsschichten bei einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1600°C, der höher ist als ein konventioneller Temperaturwert, gesintert werden, da die innere Restspannung unterdrückt werden kann. Daher kann jede Schicht stabiler einander mit dem Kernstab 22 fixiert werden.

Zusätzlich ist die Filmdicke der Funktionsschichten gemäß der bevorzugten Ausführungsform gleich 10% oder unterhalb des Durchmessers des Kernstabes 22. Daher kann dieses die Entstehung des Abblätterns an der Grenze zwischen dem Kernstab 22 und der Funktionsschichten infolge einer erhöhten Differenz beim Schrumpfen (Schrumpfungsmenge) der Funktionsschichten zwischen dem Kernstab 22 und der Oberflächenseite der Funktionsschichten unterdrücken.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden die feste Elektrolytschicht 25 und die Heizelementanordnung 23 zusätzlich in einer Umfangsrichtung des Kernstabes 22 verschoben und voneinander beabstandet. Somit kann ein plötzlicher Anstieg bei der Temperatur der festen Elektrolytschicht 25 infolge der Wärme der Heizelementanordnung 23 und der überhöhten Wärme der festen Elektrolytschicht 25 unterdrückt werden.

Obwohl die Erfindung gemäß der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist sie nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Z.B. können die keramische Schicht des Erfassungselements oder die anderen Schichten des Erfassungselements unter Verwendung der Materialien, Komponenten, oder Herstellverfahren, mit Ausnahme derjenigen in der obigen Ausführungsform Beschriebenen, gebildet werden. Zusätzlich können die Form, die Materialqualität, und das Herstellverfahren, mit Ausnahme des Erfassungselements, andere Ausführungsformen angemessen annehmen. Weil ein Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes umfasst: einen Basiskörper; und eine Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, und während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper aus fortschreitet, wobei die Entstehung der inneren Restspannung zusammen mit der Wärmespannung während des Beheizens unterdrückt werden kann.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-332860, die am 17. November 2005 eingereicht wurde, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird.

Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Zusammenfassend kann Folgendes festgehalten werden:

In einem Sauerstoffsensor 1 wird ein Basiskörper vorgesehen und eine Mehrzahl von Funktionsschichten auf einer Oberfläche des Basiskörpers laminiert, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht 25 mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten 26, 27, die zwischen der festen Elektrolytschicht 25 eingefügt sind, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf der Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, und während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer äußeren Oberfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper durchgeführt wird.

1
Sauerstoffsensor
2
Erfassungselement
2a
Elektrode
2b
Sauerstoff-Messbereich
3
Elementeinsatzöffnung
4
Halterung
4b
Schraubbereich
5
Abdichtungsbereich
6
Anschluss
7
Isolierung bzw. Isolierstück
8
zylindrisches Gehäuse
8a
verstemmter Bereich
9A, 9B
doppelte Schutzeinrichtung
9a, 9b
Zirkulationsöffnung
10
im Durchmesser erweiterter Bereich
12
keramisches Pulver
13
Abstandsstück bzw. Distanzscheibe
15
Innenraum
16
zylindrische Gummidichtung
17
Zuleitungsdraht
19
Dichtung
20A
gedruckte Schutzschicht
20B
Spinell-Schutzschicht
22
Kernstab
22a
äußere Umfangsfläche
23
Heizelement- bzw. Heizermodell
23a
Heizelementbereich
24
Heizelement-Isolierschicht
25
feste Elektrolytschicht
26
Innenelektrode (Referenzelektrode)
27
Außenelektrode (Erfassungselektrode)
28
Entspannungsschicht
29
Abdichtungsschicht
30
Auspuffrohr(Abgasrohr)
31
Schraubenloch
32
Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsbereich


Anspruch[de]
Sauerstoffsensor (1):

– mit einem Basiskörper; und

– mit einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, wobei ein Beheizen ausgeführt wird, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, und während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper aus fortschreitet.
Sauerstoffsensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Temperatur, bei der der Basiskörper und jede der Funktionsschichten auf vorbestimmte Schrumpfungen, die jeweils ungefähr die Hälfte von denen in ihren Sintervollendungszuständen betragen, geschrumpft werden, sequentiell vom Basiskörper in Richtung der Außenfläche der Funktionsschichten höher wird. Sauerstoffsensor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der Komponenten eines Materialpulvers für sowohl den Basiskörper als auch die Funktionsschichten, eines Teilchendurchmessers des Materialpulvers hierfür, und eines spezifischen Oberflächenbereiches des Materialpulvers hierfür, und Füllmengen eines Sinteradditivs zum Materialpulver hierfür unterschiedlich gemacht werden, um das Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten vom Basiskörper aus in Richtung der Außenfläche der Funktionsschichten sequentiell fortzuschreiten. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Basiskörper in einer Stabform ausgebildet ist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Funktionsschicht ferner eine Heizelement-Schicht, eine Isolierschicht, und eine Abdichtungsschicht, die zum Abdecken jeder Schicht der Funktionsschichten erstellt wird, aufweist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Basiskörper und die Funktionsschichten bei einer Temperatur im Bereich von 1300°C bis 1600°C gesintert werden. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Filmdicke der gesamten Funktionsschichten 10% beträgt oder dünner als ein Durchmesser des Basiskörpers ist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sowohl die feste Elektrolytschicht als auch die Heizelementschicht voneinander beabstandet sind. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Basiskörper ein Kernstab mit einer festen zylindrischen Form und aus einem Isoliermaterial hergestellt ist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kernstab aus Aluminium hergestellt ist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Funktionsschichten Folgendes aufweisen: eine Heizelementschicht, die auf einem vorbestimmten Bereich einer äußeren Umfangsfläche des Kernstabes ausgebildet ist; eine Heizelement-Isolierschicht, die zum Abdecken der Heizelementschicht ausgebildet ist; die feste Elektrolytschicht, die an einer Position der äußeren Umfangsfläche des Kernstabes gegenüberliegend der Heizelementschicht ausgebildet ist; das Paar Elektrodenschichten, wobei eine von dem Paar Elektrodenschichten auf einer Innenfläche der festen Elektrolytschicht und die andere Elektrodenschicht auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist; eine Entspannungsschicht, die zwischen einer Innenfläche der einen Elektrode und einer Außenfläche der Elektrodenschicht angeordnet ist; eine Abdichtungsschicht, die auf der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist; eine Abdichtungsschicht, die auf der festen Elektrolytschicht und einer Außenfläche der anderen Elektrodenschicht ausgebildet ist; eine gedruckte Schutzschicht, die zum Abdecken der Außenflächen der gesamten Abdichtungsschicht und der Heizelement-Isolierschicht ausgebildet ist; und eine Spinell-Schutzschicht, um einen gesamten Bereich der Außenfläche der gedruckten Schutzschicht abzudecken. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kernstab und die Funktionsschichten ein Erfassungselement des Sauerstoffsensors bildet, wobei das Erfassungselement durch eine Laminierung von jeder Schicht der Funktionsschichten auf dem Kernstab gebildet und danach das Beheizen ausgeführt wird, und in einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erfassen. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Heizelementschicht aus einem Hitze erzeugenden leitfähigen Material, das entweder aus Wolfram oder Platin ausgewählt wird, hergestellt ist. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die feste Elektrolytschicht durch Mischen eines Pulvers von Yttria mit vorbestimmten Gewichts-% im Pulver von Zirkoniumdioxid, um eine pastenförmige Mischung zu erzeugen, durch Gestalten der Pastenmischung, und durch Beheizen der gestalteten Mischung gebildet wird, wobei die feste Elektrolytschicht eine elektromotorische Kraft gemäß einer umgebenden Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Paar Elektrodenschichten erzeugt und die Sauerstoffionen in ihrer Dickenrichtung befördert. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die andere Elektrode durch Hinzufügen eines Lochformbildners zu einem Edelmetall, durch Gestalten einer Mischung des Edelmetalls innerhalb des Lochformbildners, und durch Beheizen der gestalteten Mischung gebildet wird. Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Abdichtungsschicht aus einem Material, durch das der Sauerstoff nicht weitergeleitet werden kann, hergestellt ist. Herstellverfahren für einen Sauerstoffsensor (1), der Folgendes aufweist:

– Vorsehen eines Basiskörpers; und

– Vorsehen einer Mehrzahl von Funktionsschichten, die auf eine Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei die Funktionsschichten mindestens eine feste Elektrolytschicht mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar Elektrodenschichten, zwischen dem die feste Elektrolytschicht eingefügt ist, aufweisen, und

– Ausführen eines Beheizens, nachdem die Funktionsschichten auf die Oberfläche des Basiskörpers laminiert sind, wobei während des Beheizens ein Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten sequentiell in Richtung einer Außenfläche der Funktionsschichten vom Basiskörper aus fortschreitet.
Herstellverfahren des Sauerstoffsensors (1) gemäß Anspruch 17, wobei eine Temperatur, bei der der Basiskörper und jede der Funktionsschichten auf vorbestimmte Schrumpfungen, die jeweils ungefähr die Hälfte von denen in ihren Sintervollendungszuständen betragen, geschrumpft werden, sequentiell vom Basiskörper in Richtung der Außenfläche der Funktionsschichten höher wird. Herstellverfahren für den Sauerstoffsensor (1) gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei mindestens eine der Komponenten eines Materialpulvers für sowohl den Basiskörper als auch die Funktionsschichten, eines Teilchendurchmessers des Materialpulvers hierfür, und eines spezifischen Oberflächenbereiches des Materialpulvers hierfür, und Füllmengen eines Sinteradditivs zum Materialpulver hierfür unterschiedlich gemacht werden, um das Sintern des Basiskörpers und der Funktionsschichten vom Basiskörper aus in Richtung der Außenfläche der Funktionsschichten sequentiell fortzuschreiten. Herstellverfahren für den Sauerstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Basiskörper und die Funktionsschichten bei einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1600°C gesintert werden.






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