DE102016200244B4 - Gassensorelement, Gassensor und Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements - Google Patents

Abstract

Gassensorelement (10), umfassend:
eine Verbundkeramikschicht (111), die einen plattenförmigen Isolationsteil (112), der eine isolierende Keramik enthält und durch den sich ein Durchgangsloch (112h) in der Richtung der Dicke des Isolationsteils (112) erstreckt, und einen Elektrolytteil (131), der eine solide Elektrolytkeramik enthält und wenigstens teilweise in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist, umfasst,
eine erste Leiterschicht (150), die über einer ersten Isolationsfläche (113) als eine Oberfläche auf einer Seite des Isolationsteils (112) und einer ersten Elektrolytfläche (133) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Elektrolytteils (131) ausgebildet ist,
wobei:
die Dicke (T1) des Elektrolytteils (131) größer ist als die Dicke (T2) des Isolationsteils (112),
der Elektrolytteil (131) auf der Seite der ersten Elektrolytfläche (133) einen Erstreckungsteil (135) aufweist, der auf die erste Isolationsfläche (113) gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch (112h) heraus erstreckt,
eine Dicke des Erstreckungsteils (115) zu einem Außenumfang des Erstreckungsteils (135) hin kleiner wird und der Außenumfang des Erstreckungsteils (135) kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche (113) verbunden ist, und
eine erste Erstreckungsfläche (136) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Erstreckungsteils (135) die erste Isolationsfläche (113) und die erste Elektrolytfläche (133) kontinuierlich verbindet.

Description

• [Technisches Gebiet]
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement, einen Gassensor und ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements.
• [Stand der Technik]
• Gassensoren werden für eine Verbrennungssteuerung in Verbrennungsmotoren verwendet. Ein Gassensor umfasst ein Gassensorelement, das ein die Konzentration einer spezifischen Komponente (z.B. Sauerstoff) in einem Abgas aus einem Verbrennungsmotor angebendes Erfassungssignal ausgibt. Zum Beispiel enthält ein in dem Patentdokument 1 angegebenes Gassensorelement eine Aluminiumoxidschicht mit einem sich in der Dickenrichtung durch diese erstreckenden Durchgangsloch, wobei das Durchgangsloch mit einem Zirkondioxid-Füllteil gefüllt ist, der eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist. Ein Paar von Elektroden ist auf beiden Flächen des Zirkondioxid-Füllteils vorgesehen. Das Patentdokument 1 gibt einen Aufbau an, in dem die Dicke des Zirkondioxid-Füllteils größer als die Tiefe des Durchgangslochs (d.h. die Dicke der Aluminiumoxidschicht) ist, sodass der Zirkondioxid-Füllteil von dem Durchgangsloch vorsteht, wobei die Größe des vorstehenden Teils des Zirkondioxid-Füllteils größer als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs ist.
• Weiterer relevanter Stand der Technik ist in folgenden Dokumenten offenbart: DE 10 2012 213 690 A1 und DE 10 2006 014 892 A1 .
• [Dokument aus dem Stand der Technik]
• [Patentdokument]
• [Patentdokument 1] Offen gelegtes japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer JP 2010 - 145 214 A
• [Zusammenfassung der Erfindung]
• [Problemstellung der Erfindung]
• Allgemein ist eine Verdrahtung (eine Leiterschicht) zum Führen eines elektrischen Signals von der Elektrode an dem Zirkondioxid-Füllteil nach außen, auf der Aluminiumoxidschicht vorgesehen. Das Patentdokument 1 gibt jedoch nicht an, dass eine derartige Verdrahtung vorgesehen ist. Wenn also eine sich von der Elektrode an dem Zirkondioxid-Füllteil zu einem Endteil der Aluminiumoxidschicht erstreckende Verdrahtung vorgesehen werden soll, kann der Aufbau des Zirkondioxid-Füllteils des Patentdokuments 1 Risse oder einen Bruch der Verdrahtung an einer Ecke des von dem Durchgangsloch vorstehenden Zirkondioxid-Füllteils verursachen. Deshalb ist eine Technik wünschenswert, die das Auftreten von Rissen oder einem Bruch in einer Leiterschicht einschließlich einer Elektrode und einer Verdrahtung in einem Gassensorelement verhindern kann, in dem die Dicke eines Isolationsteils mit einem Durchgangsloch verschieden von der Dicke eines in das Durchgangsloch gefüllten Elektrolytteils ist.
• [Problemlösung]
• Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Probleme Bezug und kann wie folgt ausgeführt werden.
• (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensorelement vorgesehen. Dieses Gassensorelement umfasst: eine Verbundkeramikschicht, die einen plattenförmigen Isolationsteil, der eine isolierende Keramik enthält und durch den sich ein Durchgangsloch in der Richtung der Dicke des Isolationsteils erstreckt, und einen Elektrolytteil, der eine solide Elektrolytkeramik enthält und wenigstens teilweise in dem Durchgangsloch angeordnet ist, umfasst; und eine erste Leiterschicht, die über einer ersten Isolationsfläche als eine Oberfläche auf einer Seite des Isolationsteils und einer ersten Elektrolytfläche als eine Oberfläche auf der einen Seite des Elektrolytteils ausgebildet ist. Die Dicke des Elektrolytteils ist größer als die Dicke des Isolationsteils. Der Elektrolytteil weist auf der Seite der ersten Elektrolytfläche einen Erstreckungsteil auf, der auf die erste Isolationsfläche gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch heraus erstreckt. Die Dicke des Erstreckungsteils wird zu einem Außenumfang des Erstreckungsteils hin kleiner. Der Außenumfang des Erstreckungsteils ist kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche verbunden. Eine erste Erstreckungsfläche als eine Oberfläche auf der einen Seite des Erstreckungsteils verbindet die erste Isolationsfläche kontinuierlich mit der ersten Elektrolytfläche. In dem Gassensorelement gemäß dem oben beschriebenen Aspekt ist der in dem Durchgangsloch des Isolationsteils angeordnete Elektrolytteil mit dem Erstreckungsteil versehen, der auf die erste Isolationsfläche auf der einen Seite des Isolationsteils gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch nach außen erstreckt, wobei der Außenumfang des Erstreckungsteils kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche verbunden ist und weiterhin die erste Erstreckungsfläche als eine Oberfläche auf der einen Seite des Erstreckungsteils die erste Isolationsfläche kontinuierlich mit der ersten Elektrolytfläche verbindet. Deshalb kann das Auftreten von Rissen oder einem Bruch in der ersten Leiterschicht, die über der ersten Isolationsfläche und der ersten Elektrolytfläche ausgebildet ist, unterdrückt werden.
• (2) In dem Gassensorelement gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann ein Seitenendteil auf der Seite der ersten Isolationsfläche des in dem Isolationsteil ausgebildeten Durchgangslochs eine Bogenform aufweisen, die konvex von einer Innenseite zu einer Außenseite in der Dickenrichtung des Isolationsteils ist. Bei dem Gassensorelement des oben beschriebenen Aspekts ist ein winkeliger Eckteil nicht an dem Teil ausgebildet, wo der Elektrolytteil und der Isolationsteil auf der Seite der ersten Isolationsfläche des Isolationsteils übereinander gelegt sind. Deshalb kann die Konzentration der mechanischen Spannung an der Grenze zwischen dem Elektrolytteil und dem Isolationsteil auf der Seite der ersten Isolationsfläche reduziert werden. Auf diese Weise kann das Auftreten von Rissen oder eines Bruchs in dem Erstreckungsteil, die von einem Punkt an der Grenze zwischen dem Elektrolytteil und dem Isolationsteil ausgehen, unterdrückt werden, wodurch die Beständigkeit des Gassensorelements vergrößert werden kann.
• Die vorliegende Erfindung kann auch auf verschiedene andere Weise als dem Gassensorelement verkörpert werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung als ein das Gassensorelement enthaltender Gassensor und als ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements oder des Gassensors verkörpert werden.
• [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
• 1 ist eine vertikale Querschnittansicht eines Gassensors entlang einer Achse.
• 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Gassensorselements gemäß einer ersten Ausführungsform.
• 3 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen gestapelten Zustand von Gliedern des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils um einen in 3 gezeigten Schnittteil AR1 herum.
• 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements zeigt.
• 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Vorgang zum Herstellen einer Verbundkeramikschicht zeigt.
• 7 ist eine Ansicht, die einen Vorgang zum Ausbilden eines Durchgangslochs in einer Schicht für einen nicht-gesinterten Isolationsteil erläutert.
• 8 ist eine Ansicht, die einen Vorgang zum Einstecken eines nicht-gesinterten Elektrolytteils in das Durchgangsloch zeigt.
• 9 ist eine Ansicht, die einen Vorgang zum Komprimieren eines Erfassungs-Isolationsteils und eines Erfassungs-Elektrolytteils zeigt.
• 10 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Gassensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
• 11 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen gestapelten Zustand von Gliedern des Gassensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
• 12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils um einen in 11 gezeigten Schnittteil AR2 herum.
• A. Erste Ausführungsform:
• 1 ist eine vertikale Querschnittansicht eines Gassensors 1 entlang einer Achse AX gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 1 ist zum Beispiel an einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors montiert und wird als ein Sauerstoffsensor verwendet. In der folgenden Beschreibung wird die untere Seite des Gassensors 1 von 1 als eine vordere Seite DL1 bezeichnet und wird die obere Seite als eine hintere Seite DL2 bezeichnet.
• Der Gassensor 1 enthält ein Gassensorelement 10 und eine Metallschale 20 als Hauptkomponenten. Das Gassensorelement 10 ist ein plattenförmiges Element, das sich in einer Längsrichtung DL erstreckt und konfiguriert ist, um die Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas, das ein Zielmessgas ist, zu erfassen. Das Gassensorelement 10 ist derart in dem Gassensor 1 angeordnet, dass eine Mittenlinie entlang seiner Längsrichtung DL der Achse AX entspricht.
• Die Metallschale 20 ist ein rohrförmiges Metallglied, in dem das Gassensorelement 20 gehalten wird. Die Metallschale 20 hält das Gassensorelement 10 derart, dass ein vorderer Endteil 10s des Gassensorelements 10 zu der vorderen Seite relativ zu der Metallschale 20 vorsteht und ein hinterer Endteil 10k des Gassensorelements 10 zu der hinteren Seite relativ zu der Metallschale 20 vorsteht. An der vorderen Seite der Metallschale 20 sind ein äußeres Schutzglied 31 und ein inneres Schutzglied 32, die aus Metall ausgebildet sind, derart angeordnet, dass sie den vorderen Endteil 10s des Gassensorelements 10 bedecken. Das äußere Schutzglied 31 und das innere Schutzglied 32 weisen eine Vielzahl von Gaseinführlöchern 31h, 32h auf. Durch die Gaseinführlöcher 31h, 32h wird das Messzielgas von außerhalb des äußeren Schutzglieds 31 in einen Raum um den vorderen Endteil 10s des in dem inneren Schutzglied 32 angeordneten Gassensorelements 10 herum eingeführt.
• In der Metallschale 20 sind ein ringförmiger Keramikhalter 21, Pulverfüllerschichten 22, 23 (nachfolgend auch als Talkringe 22, 23 bezeichnet) und eine Keramikhülse 24 in dieser Reihenfolge von der vorderen Seite DL1 zu der hinteren Seite DL2 derart angeordnet, dass sie den Außenumfang des Sensorelements 10 umgeben. Ein Metallhalter 25 ist an den Außenumfängen des Keramikhalters 21 und des Talkrings 22 angeordnet. Außerdem ist eine Crimppackung 26 an der hinteren Seite der Keramikhülse 24 angeordnet. Ein hinterer Endteil 27 der Metallschale 20 wird über die Crimppackung 26 gecrimpt, um die Keramikhülse 24 zu der vorderen Seite zu drücken.
• An der hinteren Seite der Metallschale 20 ist ein rohrförmiges äußeres Gehäuse 51 derart angeordnet, dass es den hinteren Endteil 10k des Gassensorelements 10 umgibt. Weiterhin ist ein Trennglied 60 in dem äußeren Gehäuse 51 angeordnet. Das Trennglied 60 umgibt den Umfang des hinteren Endteils 10k des Gassensorelements 10 und trennt fünf Anschlussglieder 75, 76 (nur zwei derselben sind in 1 gezeigt), die an den vorderen Enden der fünf Anschlussdrähte 78, 79 (nur zwei derselben sind in 1 gezeigt) montiert sind, voneinander und hält die Anschlussglieder. Durch das Trennglied 60 erstreckt sich ein Einsteckloch 62 in der Richtung der Achse AX. Der hintere Endteil 10k des Gassensorelements 10 ist in das Einsteckloch 62 eingesteckt. In dem Einsteckloch 62 sind die fünf Anschlussglieder 75, 76 derart angeordnet, dass sie voneinander getrennt sind und jeweils elastisch in Kontakt mit weiter unten beschriebenen Blockteilen 14 bis 18 des Gassensorelements 10 sind und elektrisch mit diesen verbunden sind. An der hinteren Seite des äußeren Gehäuses 51 ist eine Dichtung 73 angebracht, die eine hintere Endöffnung des äußeren Gehäuses 51 schließt. Die fünf Anschlussdrähte 78, 79 erstrecken sich durch die Dichtung 73.
• 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Gassensorelements 10. 3 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen gestapelten Zustand der Glieder des Gassensorelements 10 zeigt. In 2 und 3 entspricht die linke Seite der vorderen Seite DL1 des Gassensors 1 und entspricht die rechte Seite der hinteren Seite DL2 desselben.
• Das Gassensorelement 10 besteht aus einer Vielzahl von Keramikschichten und Leiterschichten, die in der Dickenrichtung DT gestapelt sind. Insbesondere umfasst das Gassensorelement 10: eine Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111, die für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration in dem Messzielgas verwendet wird; und eine Pumpen-Verbundkeramikschicht 211, die auf der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung relativ zu der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 angeordnet ist und für das Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem Messzielgas in einer Messkammer SP (siehe 3) verwendet wird. Weiterhin ist eine Isolationsschicht 170 zwischen der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 und der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 angeordnet. Eine erste Leiterschicht 150 und eine zweite Leiterschicht 155 sind jeweils auf der anderen Seite DT2 und der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 ausgebildet. Eine erste Leiterschicht 250 und eine zweite Leiterschicht 255 sind jeweils auf der einen Seite DT1 und der anderen Seite DT2 der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 ausgebildet. Weiterhin ist eine Heizerschicht 180 auf der anderen Seite DT2 der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 und der ersten Leiterschicht 150 gestapelt und ist eine Schutzschicht 160 auf der einen Seite DT1 der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 und der ersten Leiterschicht 250 gestapelt.
• Die Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 umfasst: einen Erfassungs-Isolationsteil 112, der eine rechteckige Plattenform aufweist, aus einer isolierenden Keramik (Aluminiumoxid) ausgebildet ist und ein Durchgangsloch 112h aufweist, das sich in der Dickenrichtung DT durch diesen erstreckt und eine rechteckige Form in einer Draufsicht aufweist; und einen Erfassungs-Elektrolytteil 131, der eine Plattenform aufweist, aus einer soliden Elektrolytkeramik (Zirkondioxid) ausgebildet ist und in dem Durchgangsloch 112h des Erfassungs-Isolationsteils 112 angeordnet ist. Der Erfassungsisolationsteil 112 umfasst eine erste Isolationsfläche 113, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist, und eine zweite Isolationsfläche 114, die der einen Seite DT1 zugewandt ist. Der Erfassungs-Elektrolytteil 131 umfasst eine erste Elektrolytfläche 133, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist, und eine zweite Elektrolytfläche 134, die der einen Seite DT1 zugewandt ist.
• Die erste Leiterschicht 150 umfasst: eine rechteckige erste Elektrodenschicht 151, die an der ersten Elektrolytfläche 133 des Erfassungs-Elektrolytteils 131 derart ausgebildet ist, dass sie kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 112h ist; und eine streifenförmige erste Anschlussschicht 152, sich von der ersten Elektrodenschicht 151 zu der hinteren Seite DL2 in der Längsrichtung erstreckt. Die erste Anschlussschicht 152 erstreckt sich von einer Position an der ersten Elektrolytfläche 133 zu einer Position an der ersten Isolationsfläche 113 über die erste Elektrolytfläche 133 und die erste Isolationsfläche 113. Wie die erste Leiterschicht 150 umfasst die zweite Leiterschicht 155: eine rechteckige zweite Elektrodenschicht 156, die auf der zweiten Elektrolytfläche 134 des Erfassungs-Elektrolytteils 131 derart ausgebildet ist, dass sie kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 112h ist; und eine streifenförmige zweite Anschlussschicht 157, die sich von der zweiten Elektrodenschicht 156 zu der hinteren Seite DL2 erstreckt. Die zweite Anschlussschicht 157 erstreckt sich von einer Position an der zweiten Elektrolytfläche 134 zu einer Position an der zweiten Isolationsfläche 114 über die zweite Elektrolytfläche 134 und die zweite Isolationsfläche 114.
• Die Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 umfasst: einen Pumpen-Isolationsteil 212, der eine rechteckige Plattenform aufweist, aus einer isolierenden Keramik (Aluminiumoxid) ausgebildet ist und ein Durchgangsloch 212h aufweist, das sich in der Dickenrichtung DT erstreckt und eine rechteckige Form in einer Draufsicht aufweist; und einen Pumpen-Elektrolytteil 231, der eine Plattenform aufweist, aus einem soliden Elektrolytkeramik (Zirkondioxid) ausgebildet ist und in dem Durchgangsloch 212h des Pumpen-Isolationsteils 212 angeordnet ist. Der Pumpen-Isolationsteil 212 umfasst eine erste Isolationsfläche 213, die der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung zugewandt ist, und eine zweite Isolationsfläche 214, die der anderen Seite DT2 in der Dickenrichtung zugewandt ist. Der Pumpen-Elektrolytteil 231 umfasst eine erste Elektrolytfläche 233, die der einen Seite DT1 zugewandt ist, und eine zweite Elektrolytfläche 234, die der anderen Seite DT2 zugewandt ist.
• Die erste Leiterschicht 250 umfasst: eine rechteckige erste Elektrodenschicht 251, die auf der ersten Elektrolytfläche 233 des Pumpen-Elektrolytteils 231 derart ausgebildet ist, dass sie kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 212h ist; und eine streifenförmige erste Anschlussschicht 252, die sich von der ersten Elektrodenschicht 251 zu der hinteren Seite DL2 erstreckt. Die erste Anschlussschicht 252 erstreckt sich von einer Position an der ersten Elektrolytfläche 233 zu einer Position an der ersten Isolationsfläche 213 über die erste Elektrolytfläche 233 und die erste Isolationsfläche 213. Wie die erste Leiterschicht 250 umfasst die zweite Leiterschicht 255: eine rechteckige zweite Elektrodenschicht 256, die an der zweiten Elektrolytfläche 234 des Pumpen-Elektrolytteils 231 derart ausgebildet ist, dass sie kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 212h ist; und eine streifenförmige zweite Anschlussschicht 257, die sich von der zweiten Elektrodenschicht 256 zu der hinteren Seite DL2 erstreckt. Die zweite Anschlussschicht 257 erstreckt sich von einer Position an der zweiten Elektrolytfläche 234 zu einer Position an der zweiten Isolationsfläche 214 über die zweite Elektrolytfläche 234 und die zweite Isolationsfläche 214.
• Die Isolationsschicht 170 weist ein rechteckiges Durchgangsloch 170h auf, das sich durch diese erstreckt und die Durchgangslöcher 112h, 212h überlappt. Das Durchgangsloch 170h wird durch die Isolationsschicht 170, die Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 (den Erfassungs-Elektrolytteil 131) und die Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 (den Pumpen-Elektrolytteil 231) umgeben, um eine hohle Messkammer SP zu bilden. Die Isolationsschicht 170 umfasst einen Körperteil 171, der aus dichtem Aluminiumoxid besteht, und zwei poröse Teile 172. Die zwei porösen Teile 172 sind aus einer porösen Keramik ausgebildet. Die zwei porösen Teile 172 bilden Teile auf zwei Seiten des Durchgangslochs 170h, erstrecken sich entlang der lateralen Seiten (in der Richtung orthogonal zu der Längsrichtung DL und der Dickenrichtung DT). Jeder poröse Teil 172 ist eine Diffusionsraten-Begrenzungsschicht, die das Zielmessgas von außerhalb des Gassensorelements 10 in die Messkammer SP unter einer vorbestimmten Bedingung zur Begrenzung der Rate einführt.
• Auf der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 ist die Schutzschicht 160 derart gestapelt, dass sie die erste Leiterschicht 250 bedeckt. Die Schutzschicht 160 besteht aus einem porösen Teil 162, der die erste Elektrodenschicht 251 und den Pumpen-Elektrolytteil 231 bedeckt, und einem Schutzteil 161. Der Schutzteil 161 besteht aus einer dichten Keramik, weist ein Durchgangsloch 161h auf, das sich durch den Schutzteil 161 erstreckt und den porösen Teil 162 umgibt und aufnimmt, und ist auf den Pumpen-Isolationsteil 212 gelegt, um diesen zu schützen.
• An dem Schutzteil 161 sind drei Sensorblockteile 16, 17 und 18 ausgebildet, mit denen drei Anschlussglieder 75 (siehe 1) in Kontakt gebracht werden. Der Sensorblockteil 16 ist elektrisch mit einem Endteil 152e auf der hinteren Seite DL2 der ersten Leiterschicht 150 (der ersten Anschlussschicht 152) über Durchgangslöcher 161m, 212m, 171m und 112m verbunden. Der Sensorblockteil 17 ist elektrisch mit einem Endteil 252e auf der hinteren Seite DL2 der ersten Leiterschicht 250 (der ersten Anschlussschicht 252) über das Durchgangsloch 161n verbunden. Weiterhin ist der Sensorblockteil 18 elektrisch mit einem Endteil 157e der zweiten Leiterschicht 155 (der zweiten Anschlussschicht 157) und einem Endteil 257e der zweiten Leiterschicht 255 (der zweiten Anschlussschicht 257) über die Durchgangslöcher 161p, 212p und 171p verbunden.
• Die Heizerschicht 180 umfasst zwei plattenförmige Isolationsschichten 182, 183, die aus Aluminiumoxid ausgebildet sind, und ein zwischen diesen eingebettetes Heizermuster 181. Das Heizermuster 181 umfasst einen mäandernden Wärmeerzeugungsteil 181d sowie einen ersten Anschlussteil 181b und einen zweiten Anschlussteil 181c, die mit den beiden Enden des Wärmeerzeugungsteils 181d verbunden sind und sich linear erstrecken. Auf der anderen Seite DT2 der Isolationsschicht 183 sind zwei Heizerblockteile 14, 15 ausgebildet, mit denen zwei Anschlussglieder 76 (siehe 1) in Kontakt gebracht werden. Der Heizerblockteil 14 ist elektrisch mit einem Endteil 181 e auf der hinteren Seite DL2 des ersten Anschlussteils 181b über ein Durchgangsloch 183m verbunden. Der Heizerblockteil 15 ist elektrisch mit einem Endteil 181f auf der hinteren Seite DL2 des zweiten Anschlussteils 181c über ein Durchgangsloch 183n verbunden.
• In dem Gassensorelement 10 gemäß dieser Ausführungsform wird zuvor ein Bezugsgas in der porösen ersten Elektrodenschicht 151 erzeugt, indem Sauerstoff zugeführt wird. Die Richtung und die Größe eines Stroms, der zwischen der ersten Elektrodenschicht 251 und der zweiten Elektrodenschicht 256, die dazwischen den Pumpen-Elektrolytteil 231 einschließen, fließt, wird dann unter Verwendung der drei Anschlussdrähte 78, die elektrisch mit den Sensorblockteilen 16 bis 18 verbunden sind, eingestellt, um Sauerstoff aus der Messkammer SP in den porösen Teil 162 oder umgekehrt Sauerstoff in die Messkammer SP unter Verwendung des Pumpen-Elektrolytteils 231 zu pumpen, sodass eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrodenschicht 151 und der zweiten Elektrodenschicht 156, die dazwischen den Erfassungs-Elektrolytteil 131 einschließen, einen vorbestimmten Wert aufweist (die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer SP konstant ist). Weil die Größe des zwischen der ersten Elektrodenschicht 251 und der zweiten Elektrodenschicht 256 fließenden Stroms einen Wert in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration in dem über den porösen Teil 172 in die Messkammer SP fließenden Messzielgas aufweist, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Messzielgas auf der Basis der Größe des Stroms erfasst werden. Wenn die Sauerstoffkonzentration gemessen wird, wird veranlasst, dass das Heizermuster 181 Wärme erzeugt, indem ein Strom über die zwei Anschlussdrähte 79, die elektrisch mit den Heizerblockteilen 14, 15 verbunden sind, zugeführt wird, sodass der Erfassungs-Elektrolytteil 131 und der Pumpen-Elektrolytteil 231 erhitzt und aktiviert werden.
• 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 3 gezeigten Aufbaus um einen Schnittteil AR1 herum. 4 zeigt den Aufbau eines Teils der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 des Gassensorelements 10 gemäß dieser Ausführungsform um die Grenze zwischen dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 und dem Erfassungs-Isolationsteil 112 herum. Wie in 4 gezeigt, ist in dieser Ausführungsform die Dicke T1 des Erfassungs-Elektrolytteils 131 größer als die Dicke T2 des Erfassungs-Isolationsteils 112. Der Elektrolytteil 131 steht zu der ersten Elektrolytfläche 133 vor. Außerdem weist der Erfassungs-Elektrolytteil 131 auf der Seite der ersten Elektrolytfläche 133 einen Erstreckungsteil 135 auf, der über der ersten Isolationsfläche 113 liegt und sich aus dem Durchgangsloch 112h heraus erstreckt. Die Dicke des Erstreckungsteils 135 wird zu dem äußeren Umfang des Erstreckungsteils 135 hin kleiner. Der Außenumfang des Erstreckungsteils 135 ist kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche 113 verbunden. Weiterhin verbindet eine erste Erstreckungsfläche 136, die eine Oberfläche des Erstreckungsteils 135 auf der anderen Seite DT2 ist, die erste Isolationsfläche 113 kontinuierlich mit der ersten Elektrolytfläche 133. Die erste Isolationsfläche 113, die erste Erstreckungsfläche 136 und die erste Elektrolytfläche 133 sind also miteinander verbunden, um eine einzelne Ebene ohne Stufen zu bilden. Ein Seitenendteil 137 auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 des Durchgangslochs 112h in dem Erfassungs-Isolationsteil 112 weist eine Bogenform auf, die konvex von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung des Erfassungs-Isolationsteils 112 ist. Das heißt, dass die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 112h auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung größer wird. Der in 4 gezeigte Aufbau ist über den gesamten Außenumfang des Erfassungs-Elektrolytteils 131 hinweg gleich. Die Dicke T1 des Erfassungs-Elektrolytteils 131 ist die maximale Dicke des Erfassungs-Elektrolytteils 131. Entsprechend ist die Dicke T2 des Erfassungs-Isolationsteils 112 die maximale Dicke des Erfassungs-Isolationsteils 112.
• 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements 10 zeigt. Im Folgenden werden die gesinterten Glieder und die entsprechenden nicht-gesinterten Glieder der Einfachheit halber durch gleiche Bezugszeichen angegeben. In dem Herstellungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird zuerst ein nicht-gesintertes Glied für jede der Komponenten des Gassensorelements 10 vorbereitet (Schritt S10). Insbesondere werden eine nicht-gesinterte Schutzschicht 160, eine nicht-gesinterte Pumpen-Verbundkeramikschicht 211, eine nicht-gesinterte Isolationsschicht 170, eine nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 und nicht-gesinterte Isolationsschichten 182, 183 vorbereitet. Eine Methode zum Herstellen der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 und der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 werden weiter unten beschrieben.
• Nachdem die nicht-gesinterten Glieder vorbereitet wurden, werden die vorbereiteten nicht-gesinterten Glieder in der in 2 gezeigten Reihenfolge gestapelt, um ein nicht-gesintertes Gassensorelement 10 zu erzeugen (Schritt S20). Vor dem Schritt S20 wird ein nicht-gesintertes Heizermuster 181 durch Siebdrucken auf der nicht-gesinterten Isolationsschicht 183 auf der einen Seite DT1 oder der nicht-gesinterten Isolationsschicht 182 auf der anderen Seite DT2 ausgebildet.
• Nachdem das nicht-gesinterte Gassensorelement 10 in Schritt S20 erzeugt wurde, wird das nicht-gesinterte Gassensorelement 10 unter Verwendung einer bekannten Technik gesintert (Schritt S30). Durch die oben genannten Schritte wird das Gassensorelement 10 hergestellt.
• 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der nicht-gesinterten Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 und der nicht-gesinterten Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 zeigt, die in Schritt S10 von 5 vorbereitet wurden. Weil das Herstellungsverfahren für die nicht-gesinterte Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 identisch mit demjenigen für die nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 ist, wird hier das Herstellungsverfahren für die nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 geschrieben und wird auf eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens für die nicht-gesinterte Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 verzichtet.
• Zuerst werden eine nicht-gesinterte Isolationsteilschicht (Isolationsgrünschicht) 112s mit einer Dicke von 155 ± 20 µm und eine nicht-gesinterte Elektrolytteilschicht (Elektrolytgrünschicht) 131s mit einer Dicke von 200 ± 20 µm, die also größer als die oben genannte Dicke ist, mittels einer Rakelmethode zuvor vorbereitet. Dann wird ein Durchgangsloch 112h in der nicht-gesinterten Isolationsteilschicht 113s ausgebildet (Schritt S100). Wenn die Dicke der nicht-gesinterten Isolationsteilschicht 112s 155 ± 20 µm beträgt und die Dicke der nicht-gesinterten Elektrolytteilschicht 131s 200 ± 20 µm beträgt, kann die Dicke der nicht-gesinterten Elektrolytteilschicht 131s wenigstens 5 µm größer als die Dicke der nicht-gesinterten Isolationsteilschicht 112s ausgebildet werden.
• 7 ist ein Diagramm, das eine Methode zum Ausbilden des Durchgangslochs 112h in der nicht-gesinterten Isolationsteilschicht 112s erläutert. In 7 bis 9 ist die Richtung zu der unteren Seite jeder Figur hin die vertikal nach unten gerichtete Richtung. In dieser Ausführungsform werden zuerst wie in 7(a) gezeigt eine untere Form 301 und eine obere Form 303, die jeweils ein Loch mit einer Form und einer Größe in Übereinstimmung mit dem Durchgangsloch 112h aufweisen, vorbereitet und wird die nicht-gesinterte Isolationsteilschicht 112s zwischen der unteren Form 301 und der oberen Form 303 platziert. Dann wird wie in 7(b) gezeigt ein Stößel 305 durch die in der unteren Form 301 und in der oberen Form 303 ausgebildeten Löcher eingeführt, wodurch das Durchgangsloch 112h in der nicht-gesinterten Isolationsteilschicht 112s ausgebildet wird. Auf diese Weise wird der nicht-gesinterte Isolationsteil 112 ausgebildet.
• Anschließend wird der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 in das Durchgangsloch 112h eingeführt, das in dem nicht-gesinterten Isolationsteil 112 ausgebildet ist (Schritt S110 in 6).
• 8 ist ein Diagramm, das eine Methode zum Einstecken des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 in das Durchgangsloch 112h erläutert. In dieser Ausführungsform werden zuerst wie in 8(a) gezeigt der nicht-gesinterte Isolationsteil 112 mit dem Durchgangsloch 112h und die nicht-gesinterte Elektrolytteilschicht 131s übereinander gelegt und zwischen der unteren Form 301 und der oberen Form 303 platziert. Dabei wird die nicht-gesinterte Elektrolytteilschicht 131s auf der Seite näher zu dem Stößel 305 angeordnet. Dann wird wie in 8(b) gezeigt unter Verwendung des Stößels 305 der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 aus der nicht-gesinterten Elektrolytteilschicht 131s gestanzt und wird der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 in das Durchgangsloch 112h des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 eingesteckt. Dabei wird der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 in das Durchgangsloch 112h des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 derart eingesteckt, dass die untere Fläche des Erfassungs-Elektrolytteils 131 an einer Position zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Erfassungs-Isolationsteils 112 angeordnet wird. Deshalb steht ein Teil des Erfassungs-Elektrolytteils 131 von dem Durchgangsloch 112h des Erfassungs-Isolationsteils 112 vor.
• Anschließend werden der nicht-gesinterte Isolationsteil 112 und der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 gleichzeitig in der Dickenrichtung komprimiert (Schritt S120 in 6). In Schritt S120 wird die Kompression wie folgt durchgeführt. Ein nicht-gesinterter Erstreckungsteil 135, der auf eine erste nicht-gesinterte Isolationsfläche 113 gelegt ist und sich von dem Durchgangsloch 112h nach außen erstreckt, wird auf einer ersten nicht-gesinterten Elektrolytfläche 133 des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 ausgebildet, sodass die Dicke des nicht-gesinterten Erstreckungsteils 135 zu dem Außenumfang des nicht-gesinterten Erstreckungsteils 135 hin kleiner wird. Und der Außenumfang des nicht-gesinterten Erstreckungsteils 135 und die erste nicht-gesinterte Isolationsfläche 113 werden kontinuierlich miteinander verbunden, wobei eine erste nicht-gesinterte Erstreckungsfläche 136, die eine Oberfläche ist, auf einer Seite des nicht-gesinterten Erstreckungsteils 135 die erste nicht-gesinterte Isolationsfläche 113 und die erste nicht-gesinterte Elektrolytfläche 133 miteinander verbindet.
• 9 ist ein Diagramm, das eine Methode zum gleichzeitigen Komprimieren des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 und des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 erläutert. In dieser Ausführungsform wird wie in 9(a) gezeigt zuerst der nicht-gesinterte Isolationsteil 112, in den der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 eingesteckt wird, auf einer unteren Eisenplatte 312 angeordnet, sodass die Richtung, in welcher der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 vorsteht, die vertikal nach oben gerichtete Richtung ist. Dann wird eine obere Eisenplatte 313, die dünner als die untere Eisenplatte 312 ist, gegen den nicht-gesinterten Isolationsteil 112 und den nicht-gesinterten Elektrolytteil 131 gleichzeitig von der vertikal oberen Seite gedrückt und wird ein Druck (z.B. 40 kg/cm³) gleichmäßig auf die obere Eisenplatte 313 ausgeübt. Aufgrund der Differenz in der Dicke zwischen dem nicht-gesinterten Isolationsteil 112 und dem nicht-gesinterten Elektrolytteil 131 krümmt sich die dünnere obere Eisenplatte 313. Weil jedoch die obere Eisenplatte 313 den nicht-gesinterten Isolationsteil 112 und den nicht-gesinterten Elektrolytteil 131 gleichzeitig drückt, werden die obere Fläche (die erste Elektrolytfläche 133) des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 und die obere Fläche (die erste Isolationsfläche 113) des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 kontinuierlich verbunden, wobei der Erstreckungsteil 135 von 4 an der Grenze zwischen dem nicht-gesinterten Elektrolytteil 131 und dem nicht-gesinterten Isolationsteil 112 ausgebildet wird und der obere Eckteil des Durchgangslochs 112h eine Bogenform aufweist. Durch die vorstehend beschriebenen Schritte wird die nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 einschließlich des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 und des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 hergestellt. Die nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111, die durch die Methode von 9 komprimiert wurde, wird auf den Kopf gestellt und in der in 4 gezeigten Reihenfolge gestapelt.
• Der oben beschriebene Kompressionsvorgang von Schritt S120 in 6 wird vorzugsweise bei einer Temperatur, die nicht niedriger als 60°C ist, und vorzugsweise bei einer Temperatur, die nicht niedriger als 80°C und nicht höher als 100°C ist, durchgeführt. Durch das Durchführen der Kompression in einer derartigen Temperaturumgebung werden der nicht-gesinterte Isolationsteil 112 und der nicht-gesinterte Elektrolytteil 131 weich gemacht, wodurch die obere Fläche des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 und die obere Fläche des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 glatt verbunden werden, sodass der Erstreckungsteil 135 einfach ausgebildet werden kann.
• Wenn der Kompressionsvorgang abgeschlossen wurde, wird die Bildung der Leiterschichten durchgeführt (Schritt S130 in 6). Insbesondere werden eine nicht-gesinterte erste Leiterschicht 150 (ein nicht-gesinterter erster Elektrodenteil 151 und ein nicht-gesinterter erster Anschlussteil 152) durch Siebdrucken derart ausgebildet, dass sie sich über die erste Elektrolytfläche 133 (siehe 4) des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 und die erste Isolationsfläche 113 des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 erstrecken. Weiterhin wird eine nicht-gesinterte zweite Leiterschicht 155 (ein nicht-gesinterter zweiter Elektrodenteil 156 und ein nicht-gesinterter zweiter Anschlussteil 157) durch Siebdrucken derart ausgebildet, dass er sich über die zweite Isolationsfläche 114 des nicht-gesinterten Isolationsteils 112 und die zweite Elektrolytfläche 134 des nicht-gesinterten Elektrolytteils 131 erstreckt. Durch die oben genannten Schritte wird die nicht-gesinterte Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 ausgebildet. Die nicht-gesinterte Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 wird ebenfalls durch gleiche Schritte wie oben beschrieben ausgebildet.
• In dem Gassensorelement 10 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist wie in 4 gezeigt der Erstreckungsteil 135, der auf die erste Isolationsfläche 113 als eine Oberfläche des Erfassungs-Isolationsteils 112 gelegt ist und sich von dem Durchgangsloch 112h heraus erstreckt, an dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 vorgesehen, der in dem Durchgangsloch 112h des Erfassungs-Isolationsteils 112 angeordnet ist. Dann ist der Außenumfang des Erstreckungsteils 135 kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche 113 verbunden und verbindet die erste Erstreckungsfläche 136 als eine Oberfläche auf einer Seite des Erstreckungsteils 135 kontinuierlich die erste Isolationsfläche 113 mit der ersten Elektrolytfläche 133. Deshalb kann das Auftreten von Rissen und eines Bruchs in der ersten Leiterschicht 150, die über der ersten Isolationsfläche 113 und der ersten Elektrolytfläche 133 ausgebildet ist, unterdrückt werden. Weiterhin ist die Schrumpfungsrate beim Aushärten vor und nach dem Sintern in dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 größer als in dem Erfassungs-Isolationsteil 112. Indem also die Dicke des Erfassungs-Elektrolytteils 131 groß gesetzt wird, kann das Auftreten eines Zwischenraums zwischen der ersten Leiterschicht 150, dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 und dem Erfassungs-Isolationsteil 112 effektiv unterdrückt werden.
• Und weil in dieser Ausführungsform der Erstreckungsteil 135 ausgebildet ist, ist die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 112h auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung vergrößert. Deshalb kann verhindert werden, dass der in dem Durchgangsloch 112h angeordnete Erfassungs-Elektrolytteil 131 während der Herstellung des Gassensorelements 10 einfach aus dem Durchgangsloch 112h herausfällt.
• Weiterhin weist in dieser Ausführungsform der Seitenendteil 137 (siehe 4) auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 des Durchgangslochs 112h in dem Erfassungs-Isolationsteil 112 eine Bogenform auf, die konvex von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung des Erfassungs-Isolationsteils 112 ist. Deshalb wird auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 kein winkeliger Eckteil an dem Teil gebildet, an dem der Erfassungs-Elektrolytteil 131 und der Erfassungs-Isolationsteil 112 übereinander liegen. Deshalb kann eine mechanische Spannungskonzentration an der Grenze zwischen dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 und dem Erfassungs-Isolationsteil 112 auf der Seite der ersten Isolationsfläche 113 reduziert werden. Es kann also das Auftreten von Rissen in dem Erstreckungsteil 135, die von einem Punkt an der Grenze zwischen dem Erfassungs-Elektrolytteil 131 und dem Erfassungs-Isolationsteil ausgehen, verhindert werden, wodurch die Beständigkeit des Gassensorelements 10 vergrößert werden kann.
• Und wenn in dieser Ausführungsform der Erfassungs-Isolationsteil 112 und der Erfassungs-Elektrolytteil 131 kontinuierlich verbunden sind, variiert die effektive Fläche des Durchgangslochs 112h in dem Erfassungs-Isolationsteil 112 kaum, obwohl der Erstreckungsteil 135 an dem Umfang des Erfassungs-Elektrolytteils 131 ausgebildet ist. Deshalb kann eine Variation der Gaserfassungsleistung des Gassensorelements 10 aufgrund der Herstellungsumgebung oder ähnlichem unterdrückt werden.
• Weil in dieser Ausführungsform die Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 durch das gleiche Herstellungsverfahren wie für die Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 hergestellt wird, wird der gleiche Aufbau wie in 4 für die Oberfläche auf der Seite DT1 der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 hergestellt. Deshalb sind die erste Isolationsfläche 213 der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 und der ersten Elektrolytfläche 233 kontinuierlich verbunden, wodurch das Auftreten von Rissen oder eines Bruchs in der ersten Leiterschicht 250 der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211, die auf der einen Seite DT1 angeordnet ist, unterdrückt werden kann. Der Aufbau von 4 kann auch nur auf die Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 oder die Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 angewendet werden. Mit anderen Worten kann die Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 oder die Pumpen-Verbundkeramikschicht 211 einen Aufbau aufweisen, in dem der Elektrolytteil und der Isolationsteil die gleiche Dicke aufweisen und in dem kein Erstreckungsteil ausgebildet ist.
• Weiterhin ist in dieser Ausführungsform der Erstreckungsteil 135 auf der Oberfläche auf der anderen Seite DT2 der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 ausgebildet. Der Erstreckungsteil 135 kann aber auch auf der Oberfläche auf der einen Seite DT1 der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann der Erstreckungsteil 135 auf den Flächen der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 sowohl auf der einen Seite DT1 als auch auf der anderen Seite DT2 ausgebildet sein.
• B. Zweite Ausführungsform:
• In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wurde ein Gassensorelement 10 des so genannten Doppelzellentyps mit zwei Verbundkeramikschichten (der Erfassungs-Verbundkeramikschicht 111 und der Pumpen-Verbundkeramikschicht 211) beschrieben. Der Aufbau des in 4 gezeigten Gassensorelements kann aber auch auf ein Gassensorelement des so genannten Einfachzellentyps mit nur einer Verbundkeramikschicht angewendet werden.
• 10 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Gassensorelements 410 des Einfachzellentyps. 11 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen gestapelten Zustand von Gliedern des Gassensorelements 410 zeigt. Im Folgenden werden vor allem die Unterschiede im Aufbau zwischen dem Gassensorelement 410 und dem Gassensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. In 10 und 11 werden gleiche Glider und Teile wie in dem Gassensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch gleiche Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform angegeben.
• Das Gassensorelement 410 weist eine Verbundkeramikschicht 411 auf. Auf der einen Seite DT1 der Verbundkeramikschicht 411 in der Dickenrichtung sind eine zweite Leiterschicht 455 und eine Schutzschicht 460 in einer Reihenfolge gestapelt. Auf der anderen Seite DT2 in der Dickenrichtung der Verbundkeramikschicht 411 sind eine erste Leiterschicht 450, eine Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470 und eine Heizerschicht 180 in einer Reihenfolge gestapelt.
• Die Verbundkeramikschicht 411 umfasst einen Isolationsteil 412, der ein Durchgangsloch 412h aufweist, und einen Elektrolytteil 431. Der Elektrolytteil 431 ist in das Durchgangsloch 412h gefüllt. Der Isolationsteil 412 umfasst eine erste Isolationsfläche 413, die der anderen Seite DT2 in der Dickenrichtung zugewandt ist, und eine zweite Isolationsfläche 414, die der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung zugewandt ist. Der Elektrolytteil 431 umfasst eine erste Elektrolytfläche 433, die der anderen Seite DT2 in der Dickenrichtung zugewandt ist, und eine zweite Elektrolytfläche 434, die der einen Seite DT1 in der Dickenrichtung zugewandt ist.
• Die erste Leiterschicht 450 besteht aus einem rechteckigen ersten Elektrodenteil 451, der kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 412h ausgebildet ist, und aus einem streifenförmigen ersten Anschlussteil 452, der sich von dem ersten Elektrodenteil 451 zu der hinteren Seite DL2 in der Längsrichtung erstreckt, wobei beide Teile auf der ersten Elektrolytfläche 433 des Elektrolytteils 431 ausgebildet sind. Die erste Leiterschicht 450 ist derart ausgebildet, dass sie sich über die erste Elektrolytfläche 433 und die erste Isolationsfläche 413 erstreckt.
• Die zweite Leiterschicht 455 umfasst einen im Wesentlichen rechteckigen zweiten Elektrodenteil 456, der kleiner als die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 412h ausgebildet ist, und einen streifenförmigen zweiten Anschlussteil 457, der sich von dem zweiten Elektrodenteil 456 zu der hinteren Seite DL2 in der Längsrichtung erstreckt, wobei beide Teile auf der zweiten Elektrolytfläche 434 des Elektrolytteils 431 ausgebildet sind.
• Auf der einen Seite DT1 der Verbundkeramikschicht 411 in der Dickenrichtung ist die Schutzschicht 460 derart gestapelt, dass sie die zweite Leiterschicht 455 bedeckt. Die Schutzschicht 460 umfasst einen porösen Teil 462 und einen Schutzteil 461. Der poröse Teil 462 ist aus einer porösen Keramik ausgebildet, die auf dem zweiten Elektrodenteil 456 und dem Elektrolytteil 431 der Verbundkeramikschicht 411 angeordnet ist. Der Schutzteil 461 ist aus einer dichten Keramik ausgebildet, weist ein Durchgangsloch 461h auf, das sich durch diesen erstreckt, um den porösen Teil 462 zu umgeben und aufzunehmen, und ist auf den Isolationsteil 412 der Verbundkeramikschicht 411 gelegt, um diesen zu schützen. Das Durchgangsloch 461h dient als ein Gaseinführdurchgang GD, der das externe Messzielgas in den zweiten Elektrodenteil 456 einführt.
• Auf dem Schutzteil 461 sind Sensorblockteile 416, 417 vorgesehen. Der Sensorblockteil 416 ist elektrisch mit einem Endteil 452e auf der hinteren Seite DL2 der ersten Leiterschicht 450 über Durchgangslöcher 461m, 412m verbunden. Der Sensorblockteil 417 ist elektrisch mit einem Endteil 457e auf der hinteren Seite DL2 der zweiten Leiterschicht 455 über ein Durchgangsloch 461 n verbunden.
• Die Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470 besteht aus einer dichten Keramik und weist eine Einführnut 475 auf, die sich durch die Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470 in der Dickenrichtung DT erstreckt. Die Einführnut 475 ist durch die Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470, die Verbundkeramikschicht 411 und die Heizerschicht 180 (Isolationsschicht 182) umgeben, um einen Lufteinführdurchgang AD zu bilden, der Luft in den ersten Elektrodenteil 451 einführt. Insbesondere besteht die Einführnut 475 aus einer Bezugskammernut 476 mit einer rechteckigen Form in einer Draufsicht und einer Lüftungsnut 477, die eine kleinere Breite aufweist als die Bezugskammernut 476, sich von der Bezugskammernut 476 zu der hinteren Seite DL2 erstreckt und an einem hinteren Ende (rechten Ende in 10) der Einführdurchgang-Bildungsschicht 470 geöffnet ist. Die Bezugskammernut 476 wird durch die Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470, den Elektrolytteil 431 der Verbundkeramikschicht 411 und die Heizerschicht 180 umgeben, um eine Bezugskammer KS zu bilden. Die Lüftungsnut 477 wird durch die Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470, den Isolationsteil 412 der Verbundkeramikschicht 411 und die Heizerschicht 180 umgeben, um einen Lüftungsdurchgang TR zu bilden. In der Bezugskammer KS liegt der an dem Elektrolytteil 431 ausgebildete erste Elektrodenteil 451 frei.
• Das Gassensorelement 410 dieser Ausführungsform ist an dem Gassensor 1 von 1 wie das Gassensorelement 10 der ersten Ausführungsform angeordnet. In der zweiten Ausführungsform ist jedoch die Dichtung 73 an dem hinteren Endteil des Gassensors 1 mit einem Filter versehen, das mit der Atmosphäre kommuniziert. Luft wird zu der Lüftungsnut 477 der Einführdurchgangs-Bildungsschicht 470 über das Filter eingeführt. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform die Anzahl der Heizerblockteile 14, 15 gleich derjenigen in der ersten Ausführungsform, während die Anzahl der Sensorblockteile 416, 417 gleich zwei ist, d.h. eins weniger als in der ersten Ausführungsform. Deshalb ist die Anzahl der Anschlussglieder 75, 76 in 1 gleich vier, d.h. eins weniger als in der ersten Ausführungsform, und ist auch die Anzahl der Anschlussdrähte 78, 79 vier, d.h. eins weniger als in der ersten Ausführungsform.
• In dem Gassensorelement 410 dieser Ausführungsform erreicht die Luft um den hinteren Endteil des Gassensorelements 410 herum den ersten Elektrodenteil 451 durch den oben genannten Lufteinführdurchgang AD. Weiterhin erreicht das Messzielgas um den vorderen Endteil des Gassensorelements 410 herum den zweiten Elektrodenteil 456 über den porösen Teil 462, der in dem Durchgangsloch 461 h der Schutzschicht 460 angeordnet ist. Weil der Elektrolytteil 431 zwischen dem ersten Elektrodenteil 451 und dem zweiten Elektrodenteil 456 angeordnet ist, wird, wenn die Sauerstoffkonzentration des den zweiten Elektrodenteil 456 kontaktierenden Messzielgases verschieden von der Sauerstoffkonzentration der den ersten Elektrodenteil 451 kontaktierenden Luft ist, eine Sauerstoffkonzentrationszelle durch den ersten Elektrodenteil 451, den Elektrolytteil 431 und den zweiten Elektrodenteil 456 gebildet und wird eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Elektrodenteil 451 und dem zweiten Elektrodenteil 456 gebildet. Deshalb kann die Sauerstoffkonzentration in dem Messzielgas erfasst werden, indem ein Signal, das diese Potentialdifferenz wiedergibt, über die zwei Anschlussdrähte 78, die elektrisch mit den Sensorblockteilen 416, 417 verbunden sind, erhalten wird. Wenn die Sauerstoffkonzentration gemessen wird, wird veranlasst, dass das Heizermuster 181 Wärme erzeugt, indem ein Strom zu dem Heizermuster 181 über die zwei Anschlussdrähte 79, die elektrisch mit den Heizerblockteilen 14, 15 verbunden sind, zugeführt wird, wodurch der Elektrolytteil 431 erhitzt und aktiviert wird.
• 12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 11 gezeigten Aufbaus um einen Schnittteil AR2 herum. Wie in 12 gezeigt, ist der Aufbau der Verbundkeramikschicht 411 an der Position um die Grenze zwischen dem Elektrolytteil 431 und dem Isolationsteil 412 herum identisch mit demjenigen der ersten Ausführungsform von 4. Das heißt, dass die Dicke T1 des Elektrolytteils 431 größer als die Dicke T2 des Isolationsteils 412 ist. Der Elektrolytteil 431 steht zu der ersten Elektrolytfläche 433 vor. Außerdem weist der Elektrolytteil 431 auf der Seite der ersten Elektrolytfläche 433 einen Erstreckungsteil 435 auf, der auf die erste Isolationsfläche 413 gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch 412h heraus erstreckt. Die Dicke des Erstreckungsteils 435 wird zu dem Außenumfang des Erstreckungsteils 435 hin kleiner. Der Außenumfang des Erstreckungsteils 435 ist kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche 413 verbunden. Weiterhin verbindet eine erste Erstreckungsfläche 436, die eine Oberfläche des Erstreckungsteils 435 auf der anderen Seite DT2 ist, kontinuierlich die erste Isolationsfläche 413 und die erste Elektrolytfläche 433. Deshalb sind die erste Isolationsfläche 413, die erste Erstreckungsfläche 436 und die erste Elektrolytfläche 433 derart verbunden, dass sie eine einzelne Ebene ohne Stufen bilden. Ein Seitenendteil 437 auf der Seite der ersten Isolationsfläche 413 des Durchgangslochs 412h in dem Isolationsteil 412 weist eine Bogenform auf, die konvex von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung des Isolationsteils 412 ist. Das heißt, dass die Öffnungsfläche des Durchgangslochs 412h auf der Seite der ersten Isolationsfläche 413 von der Innenseite zu der Außenseite in der Dickenrichtung größer wird. Der in 12 gezeigte Aufbau ist über den gesamten Außenumfang des Elektrolytteils 431 hinweg gleich. Auch in dieser Ausführungsform ist die Dicke T1 des Elektrolytteils 431 die maximale Dicke des Elektrolytteils 431. Entsprechend ist die Dicke T2 des Isolationsteils 412 die maximale Dicke des Isolationsteils 412.
• In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform kann das Auftreten von Rissen oder eines Bruchs in der ersten Leiterschicht 450, die über der ersten Isolationsfläche 413 und der ersten Elektrolytfläche 433 ausgebildet ist, unterdrückt werden. Außerdem werden die gleichen Funktionseffekte wie in der ersten Ausführungsform erzielt. In der zweiten Ausführungsform ist der Erstreckungsteil 435 auf der Fläche auf der anderen Seite DT2 der Verbundkeramikschicht 411 ausgebildet. Der Erstreckungsteil 435 kann jedoch auch auf der Oberfläche auf der einen Seite DT1 der Verbundkeramikschicht 411 ausgebildet sein. Alternativ dazu kann der Erstreckungsteil 435 auf beiden Oberflächen auf der einen Seite DT1 und auf der anderen Seite DT2 der Verbundkeramikschicht 411 ausgebildet sein.
• C. Modifikation
• <Modifikation 1>
• In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Erstreckungsteil über dem gesamten Umfang des Elektrolytteils der Verbundkeramikschicht ausgebildet. Der Erstreckungsteil kann jedoch auch nur auf einem Teil des Außenumfangs des Elektrolytteils, mit dem die Leiterschicht in Kontakt ist, ausgebildet sein. Bei diesem Aufbau kann das Auftreten von Rissen oder eines Bruchs in der Leiterschicht unterdrückt werden.
• <Modifikation 2>
• Das Gassensorelement kann nicht nur durch das Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen, sondern auch durch verschiedene andere Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel werden in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Isolationsteil und der Elektrolytteil kontinuierlich verbunden, indem eine dünne Eisenplatte gleichzeitig gegen einen nicht-gesinterten Isolationsteil und einen nicht-gesinterten Elektrolytteil gedrückt wird. Andererseits kann zum Beispiel nach dem Einstecken eines Elektrolytteils, der dicker als ein Isolationsteil ist, in das Durchgangsloch des Isolationsteils ein dem Elektrolytteil gleiches Material aufgetragen werden, sodass der Elektrolytteil und der Isolationsteil kontinuierlich verbunden werden. Auch in diesem Fall können der Elektrolytteil und der Isolationsteil kontinuierlich verbunden werden, wodurch das Auftreten von Rissen oder eines Bruchs in der Leiterschicht unterdrückt werden kann.
• <Modifikation 3>
• In den oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Seitenendteil auf der Seite der ersten Isolationsfläche des Durchgangslochs in dem Isolationsteil eine Bogenform auf. Der Seitenendteil kann jedoch auch eine schräge Form aufweisen oder mit einem rechten Winkel ausgebildet sein.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen/Variationen beschränkt und kann auf verschiedene Weise verkörpert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Zum Beispiel können einige der technischen Merkmale der Aspekte der unter „Zusammenfassung der Erfindung“ beschriebenen Erfindung und der technischen Merkmale der Ausführungsformen und Modifikationen/Variationen der vorliegenden Erfindung ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben genannten Probleme zu lösen oder einen Teil oder aller der oben genannten Effekte zu erzielen. Einige der technischen Merkmale können weggelassen werden, sofern diese nicht hier als wesentliche Merkmale beschrieben werden.
• [Liste der Bezugszeichen]

1

Gassensor

10, 410

Gassensorelement

10s

vorderer Endteil

10k

hinterer Endteil

14 bis 18

Blockteil

20

Metallschale

21

Keramikhalter

22, 23

Pulverfüllerschicht

24

Keramikhülse

25

Metallhalter

26

Crimppackung

27

hinterer Endteil

31

äußeres Schutzglied

32

inneres Schutzglied

31h, 32h

Gaseinführloch

51

äußeres Gehäuse

60

Trennglied

62

Einsteckloch

73

Dichtung

75, 76

Anschlussglied

78, 79

Anschlussdraht

111

Erfassungs-Verbundkeramikschicht

112

Erfassungs-Isolationsteil

112h

Durchgangsloch

112m

Durchgangsloch

112s

nicht-gesinterte Isolationsteilschicht

113

erste Isolationsfläche

114

zweite Isolationsfläche

131

Erfassungs-Elektrolytteil

131s

nicht-gesinterte Elektrolytteilschicht

133

erste Elektrolytfläche

134

zweite Elektrolytfläche

135

Erstreckungsteil

136

erste Erstreckungsfläche

137

Seitenendteil

150

erste Leiterschicht

151

erste Elektrodenschicht

152

erste Anschlussschicht

152e

Endteil

155

zweite Leiterschicht

156

zweite Elektrodenschicht

157

zweite Anschlussschicht

157e

Endteil

160

Schutzschicht

161

Schutzteil

161h

Durchgangsloch

161m, 161n, 161p

Durchgangsloch

162

poröser Teil

170

Isolationsschicht

170h

Durchgangsloch

171

Körperteil

171m, 171p

Durchgangsloch

172

poröser Teil

180

Heizerschicht

181

Heizermuster

181b

erster Anschlussteil

181c

zweiter Anschlussteil

181d

Wärmeerzeugungsteil

181e

Endteil

181f

Endteil

182, 183

Isolationsschicht

183m, 183n

Durchgangsloch

211

Pumpen-Verbundkeramikschicht

212

Pumpen-Isolationsteil

212h

Durchgangsloch

212m, 212p

Durchgangsloch

213

erste Isolationsfläche

214

zweite Isolationsfläche

231

Pumpen-Elektrolytteil

233

erste Elektrolytfläche

234

zweite Elektrolytfläche

250

erste Leiterschicht

251

erste Elektrodenschicht

252

erste Anschlussschicht

252e

Endteil

255

zweite Leiterschicht

256

zweite Elektrodenschicht

257

zweite Anschlussschicht

257e

Endteil

301

untere Form

303

obere Form

305

Stößel

312

untere Eisenplatte

313

obere Eisenplatte

411

Verbundkeramikschicht

412

Isolationsteil

412h

Durchgangsloch

412m, 461m, 461n

Durchgangsloch

413

erste Isolationsfläche

414

zweite Isolationsfläche

416, 417

Sensorblockteile

431

Elektrolytteil

433

erste Elektrolytfläche

434

zweite Elektrolytfläche

435

Erstreckungsteil

436

erste Erstreckungsfläche

437

Seitenendteil

450

erste Leiterschicht

451

erster Elektrodenteil

452

erster Anschlussteil

452e

Endteil

455

zweite Leiterschicht

456

zweiter Elektrodenteil

457

zweiter Anschlussteil

457e

Endteil

460

Schutzschicht

461

Schutzteil

461h

Durchgangsloch

462

poröser Teil

470

Einführdurchgangs-Bildungsschicht

475

Einführnut

476

Bezugskammernut

477

Lüftungsnut

AX

Achse

AR1, AR2

Schnittteil

GD

Gaseinführdurchgang

AD

Lufteinführdurchgang

SP

Messkammer

TR

Lüftungsdurchgang

KS

Bezugskammer

DL

Längsrichtung

DL1

vordere Seite in der Längsrichtung

DL2

hintere Seite in der Längsrichtung

DT

Dickenrichtung

DT1

eine Seite in der Dickenrichtung

DT2

andere Seite in der Dickenrichtung

Claims (4)

1. Gassensorelement (10), umfassend: eine Verbundkeramikschicht (111), die einen plattenförmigen Isolationsteil (112), der eine isolierende Keramik enthält und durch den sich ein Durchgangsloch (112h) in der Richtung der Dicke des Isolationsteils (112) erstreckt, und einen Elektrolytteil (131), der eine solide Elektrolytkeramik enthält und wenigstens teilweise in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist, umfasst, eine erste Leiterschicht (150), die über einer ersten Isolationsfläche (113) als eine Oberfläche auf einer Seite des Isolationsteils (112) und einer ersten Elektrolytfläche (133) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Elektrolytteils (131) ausgebildet ist, wobei: die Dicke (T1) des Elektrolytteils (131) größer ist als die Dicke (T2) des Isolationsteils (112), der Elektrolytteil (131) auf der Seite der ersten Elektrolytfläche (133) einen Erstreckungsteil (135) aufweist, der auf die erste Isolationsfläche (113) gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch (112h) heraus erstreckt, eine Dicke des Erstreckungsteils (115) zu einem Außenumfang des Erstreckungsteils (135) hin kleiner wird und der Außenumfang des Erstreckungsteils (135) kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche (113) verbunden ist, und eine erste Erstreckungsfläche (136) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Erstreckungsteils (135) die erste Isolationsfläche (113) und die erste Elektrolytfläche (133) kontinuierlich verbindet.
2. Gassensorelement (10) nach Anspruch 1, wobei ein Seitenendteil (137) auf der Seite der ersten Isolationsfläche (113) des Durchgangslochs (112h) in dem Isolationsteil (112) eine Bogenform aufweist, die konvex von einer Innenseite zu einer Außenseite in der Dickenrichtung des Isolationsteils (112) ist.
3. Gassensor (1), der das Gassensorelement (10) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 enthält.
4. Verfahren zum Herstellen eines Gassensorelements (10), umfassend: eine Verbundkeramikschicht (111), die einen plattenförmigen Isolationsteil (112), der eine isolierende Keramik enthält und durch den sich ein Durchgangsloch (112h) in der Richtung der Dicke des Isolationsteils (112) erstreckt, und einen Elektrolytteil (131), der eine solide Elektrolytkeramik enthält und wenigstens teilweise in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist, umfasst, und eine erste Leiterschicht (150), die über einer ersten Isolationsfläche (113) als eine Oberfläche auf einer Seite des Isolationsteils (112) und einer ersten Elektrolytfläche (133) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Elektrolytteils (131) ausgebildet ist, wobei: die Dicke (T1) des Elektrolytteils (131) größer ist als die Dicke (T2) des Isolationsteils (112), der Elektrolytteil (131) auf der Seite der ersten Elektrolytfläche (133) einen Erstreckungsteil (135) aufweist, der auf die erste Isolationsfläche (113) gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch (112h) heraus erstreckt, eine Dicke des Erstreckungsteils (135) zu einem Außenumfang des Erstreckungsteils (135) hin kleiner wird und der Außenumfang des Erstreckungsteils (135) kontinuierlich mit der ersten Isolationsfläche (113) verbunden ist, und eine erste Erstreckungsfläche (136) als eine Oberfläche auf der einen Seite des Erstreckungsteils (135) die erste Isolationsfläche (113) und die erste Elektrolytfläche (133) kontinuierlich verbindet, wobei das Verfahren umfasst: (A) einen Schritt (S110) zum Einstecken, in ein Durchgangsloch (112h) in einem plattenförmigen, nicht-gesinterten Isolationsteil (112), der die isolierende Keramik enthält und durch den sich das Durchgangsloch (112h) in der Dickenrichtung des Isolationsteils (112) erstreckt, eines nicht-gesinterten Elektrolytteils (131), der die solide Elektrolytkeramik enthält und dicker als der nicht-gesinterte Isolationsteil (112) ist, (B) einen Schritt (S120) zum gleichzeitigen Komprimieren des nicht-gesinterten Isolationsteils (112) und des nicht-gesinterten Elektrolytteils (131) in der Dickenrichtung, (C) einen Schritt (S130) zum Ausbilden einer nicht-gesinterten ersten Leiterschicht (150) über einer ersten nicht-gesinterten Isolationsfläche (113) als eine Oberfläche auf einer Seite des nicht-gesinterten Isolationsteils (112) und einer ersten nicht-gesinterten Elektrolytfläche (133) als eine Oberfläche auf der einen Seite des nicht-gesinterten Elektrolytteils (131), und (D) einen Schritt (S30) zum Sintern des nicht-gesinterten Isolationsteils (112), des nicht-gesinterten Elektrolytteils (131) und des nicht-gesinterten ersten Leiterteils (150), um die Verbundkeramikschicht (111) einschließlich des Isolationsteils (112) und des Elektrolytteils (131) sowie die erste Leiterschicht (150) auszubilden, wobei: in dem Schritt (B), auf der Seite der ersten nicht-gesinterten Elektrolytfläche (133) des ersten nicht-gesinterten Elektrolytteils (131), ein nicht-gesinterter Erstreckungsteil (135), der auf die erste nicht-gesinterte Isolationsfläche (113) gelegt ist und sich aus dem Durchgangsloch (112h) heraus erstreckt, derart ausgebildet wird, dass er eine zu einem Außenumfang des nicht-gesinterten Erstreckungsteils (135) hin kleiner werdende Dicke aufweist, wobei eine Kompression derart durchgeführt wird, dass der Außenumfang des nicht-gesinterten Erstreckungsteils (135) und die erste nicht-gesinterte Isolationsfläche (113) kontinuierlich miteinander verbunden werden und eine erste nicht-gesinterte Erstreckungsfläche (136) als eine Oberfläche auf der einen Seite des nicht-gesinterten Erstreckungsteils (135) die erste nicht-gesinterte Isolationsfläche (113) kontinuierlich mit der ersten nicht-gesinterten Elektrolytfläche (133) verbindet.

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