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【発明の名称】 プレ―ト状のセラミックス体を製造するための方法ならびに該方法を実施するための装置
【発明者】 【氏名】ローベルト シュミット−ヘッベル

【氏名】カール−ハインツ ザックス

【氏名】ゲールハルト シュナイダー

【氏名】ハーラルト ノイマン

【氏名】フランク ヴェストファール

【氏名】クルト バイハ
【要約】 【課題】セラミックス体を製造する方法および該方法を実施するための装置において、プレート状のセラミックス体の耐熱衝撃性を高めるとともに大量生産プロセスに簡単に組み込み可能にする。

【解決手段】面取り部３８を焼結の前に、切削工具４６によって未加工体１９に形成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 プレート状のセラミックス体を製造するための方法であって、少なくとも１つの機能層が被着されている少なくとも１つのセラミックスシートの複合体から成るセラミックス体を、未加工体を焼結することにより製造し、セラミックス体の長手方向エッジに、セラミックス体の耐熱衝撃性を高めるために面取り部を形成する方法において、面取り部（３８）を焼結の前に、切削工具（４６）によって未加工体（１９）に形成することを特徴とする、プレート状のセラミックス体を製造する方法。
【請求項２】 面取り部（３８）をほぼ直線状の切削運動により形成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】 未加工体（１９）を５０℃〜２００℃の温度に加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項４】 面取り部（３８）を、未加工体（１９）の側面またはカバー面に対して約４５°の角度を成すように形成する、請求項１記載の方法。
【請求項５】 面取り部（３８）の幅を、最大幅を有する個所で０．１〜０．３ｍｍにする、請求項１記載の方法。
【請求項６】 面取り部（３８）を、セラミックス体の全長にわたって徐々に増大するかまたは徐々に減小する幅を有するように形成する、請求項１記載の方法。
【請求項７】 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、未加工体（１９）のための受容部（４４）が設けられており、切刃（４７）を備えた少なくとも１つの切削工具（４６）が配置されており、切刃（４７）の輪郭が面取り部（３８）の角度に相応しており、未加工体（１９）と切削工具（４６）との間でほぼ直線状の相対運動が行なわれて、切刃（４７）が、未加工体（１９）の少なくとも１つの長手方向エッジ（３６）に少なくとも部分的に沿って面取り部（３８）を形成するようになっていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置。
【請求項８】 受容部（４４）が直線的に運動可能なキャリッジ（４２）の部分であり、切削工具（４６）がキャリッジ（４２）に対して定置に配置されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】 切削工具（４６）が約１５°の切削楔体（４９）を有しており、該切削楔体（４９）によって形成された切削面が、切削運動平面に対して約３０°の削り角βを有している、請求項７記載の装置。
【請求項１０】 受容部（４４）および／または切削工具（４６）が加熱可能である、請求項７記載の装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プレート状のセラミックス体、特に、ガス混合物中のガス成分の濃度を測定するためのセンサエレメントを製造するための方法であって、少なくとも１つの機能層が被着されている少なくとも１つのセラミックスシートの複合体から成るセラミックス体を、グリーン体(Gruenkoerper)つまり未加工体を焼結することにより製造し、セラミックス体の長手方向エッジに、セラミックス体の耐熱衝撃性を高めるために面取り部を形成する方法に関する。
【０００２】さらに本発明は、この方法を実施するための装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】機能層を備えた少なくとも１つのセラミックス固体電解質シートを焼結することによって製造されたプレート状のセラミックス体は、例えば、ガス混合物中のガス成分のガス濃度を測定するための電気化学的なセンサエレメントとして形成されている。このようなセンサエレメントは例えば内燃機関の排ガス中の酸素含有率を測定するためのラムダセンサとして使用される。このようなセンサエレメントの固体電解質シートは酸素イオン伝導性を有していて、スクリーン印刷で印刷された機能層（電極、導体路、熱伝導体等）を備えた複合体として、まだ焼結されていない状態で積層することにより纏められて、まだ完全には加工終了していない１つの未加工体が形成され、次いで例えば１４００℃の温度で焼結される。互いに上下に位置するセラミックスシートの複合体の代わりに、これらのセラミックスシートは個々の印刷工程により得ることもできる。この場合には、固体電解質も機能層も支持基板上で互いに上下に重なった状態で印刷される。
【０００４】ガス成分の濃度を測定するための前記センサエレメントは、内燃機関の種々異なる温度を有する高温の排ガス流に晒されている。排ガス中において温度変動が種々異なる強度を持って突然発生することに基づき、センサエレメントはサーモショックつまり熱衝撃を受ける。この熱衝撃はセンサエレメントの表面領域、特にエッジにおいて、機械的な応力の発生を招く。
【０００５】センサエレメントの耐温度衝撃性を高めるために、米国特許第５１４４２４９号明細書に基づき、センサエレメントの長手方向エッジを破断すること、すなわちこれらの長手方向エッジにそれぞれ１つの面取り部を施すことが公知である。面取り部の加工成形は、焼結完了したセンサエレメントにおいて研削動作によって行なわれる。この場合の欠点は、既に焼結完了したセンサエレメントが機械的に加工され、この加工が比較的大きな手間がかかるものであり、しかも例えばセンサエレメントの湾曲によりセンサエレメントの不所望な損傷が生ぜしめられることである。さらにセンサエレメントは研削後に、研削時に発生した研削ダストおよび砥石車の摩耗片を取り除くように清浄化されなければならない。
【０００６】さらに、既にドイツ連邦共和国特許出願第１９７１３９０４．１号明細書において、面取り部を焼結前に、つまり未加工体に変形加工、例えば圧刻またはレーザ加工により形成することが既に提案されている。このような方法は、大量生産プロセスに組み込まれた場合に、取り扱い時の不都合および再生可能な使用時の不都合を孕んでいる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭で述べた方法および冒頭で述べた形式の装置を改良して、プレート状のセラミックス体の耐熱衝撃性を高めるとともに、上述の欠点を取り除くことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するために本発明の方法では、面取り部を焼結の前に、切削工具(spanabhebendes Schneidwerkzeug)によって未加工体に形成するようにした。
【０００９】さらに上記解題を解決するために本発明の構成では、未加工体のための受容部が設けられており、切刃を備えた少なくとも１つの切削工具が配置されており、切刃の輪郭が面取り部の角度に相応しており、未加工体と切削工具との間でほぼ直線状の相対運動が行なわれて、切刃が、未加工体の少なくとも１つの長手方向エッジに少なくとも部分的に沿って面取り部を形成するようにした。
【００１０】
【発明の効果】本発明による方法は、この方法を簡単な手段で大量生産プロセスに組み入れることができるという利点を有している。さらに研削プロセスに比べて、僅かなプロセス工程しか必要でない。それというのは、面取り部の製造後に、セラミックス体の清浄化が必要とならないからである。切削法をシートのグリーン状態つまり未加工状態において適用するという事実に基づき、切削力は僅かにしか発生しない。さらに研削プロセスにおいて焼結完了したセラミックス体に損傷を生ぜしめるおそれのある摩耗片は生じない。面取り部の圧刻時に著しい変形力を発生する変形加工法に比べて、材料移動が僅かである。この材料移動に結びついた、積層複合体の損傷による形状不安定性のおそれが充分に取り除かれる。面取り部とプレート状体の側面およびカバー面との間の、熱衝撃に対する鋭敏性に関して品質上重要な移行部は、切削法においてグリーンシートつまり未加工シートに最適に形成される。面取り部と側面およびカバー面との間のシャープなエッジはやはり熱衝撃に対する鋭敏性に不都合に作用する。驚くべきことに、真直ぐな切刃を備えた切削工具を使用した場合でもシャープなエッジに丸みが生じることが判っている。
【００１１】請求項２以下に記載した特徴により本発明の方法の別の有利な手段が可能である。特に有利なのは、直線的な主運動を行なう、例えば鉋のような切削工具を使用することである。この場合、互いに対向して位置する２つのエッジにそれぞれ２つの定置の切削工具を配置し、セラミックス体の相対運動による切削運動を生ぜしめると有利である。切削力の発生を出来るだけ小さくしようという観点から、有機バインダの選択に応じて５０℃〜２００℃、有利には８０℃の温度においてセラミックス体を切削加工することが特に有利である。さらに、センサエレメントの加工時には、切削法の加工方向をセンサエレメントの測定ガス側の端面から接続部側の端面に向かうように設定すると有利であることが判っている。さらに、面取り部を長手方向エッジ全体にわたって徐々に拡大もしくは先細にすると有利である。好適な切削力および面取り部の最適な加工面が、約３０°の削り角で達成される。切削工具の楔角は約１５°である。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に本発明を図面に示した実施の形態について説明する。
【００１３】図１はセンサエレメント１０の横断面図である。このセンサエレメントは、自動車の内燃機関の排ガスまたは燃焼施設の排ガス中の酸素含有率を測定するためのいわゆるラムダセンサとして働く。センサエレメント１０は主として、測定ガス側の端区分１２と接続部側の端区分１３とを備えた細長いプレート状体１１を有している（図２）。このプレート状体は個々の固体電解質シートと機能層との複合体から成っている。図１の断面図から明らかなように、センサエレメント１０は測定セル１４と熱エレメント１５とを有するように構成されている。この測定セル１４は、第１の固体電解質シート１６ならびに第２の固体電解質シート１８から成っている。第２の固体電解質シート１８には基準ガス通路２０が一体的に組み込まれている。この基準ガス通路２０は、測定ガス側の端区分１２では閉じられており、接続部側の端区分１３では、センサエレメント１０のプレート状体１１から案内されている。測定ガス側の端区分１２でセンサエレメント１０は測定電極２２と、基準ガス通路２０に向いた基準電極２４とを有している。測定電極２２は有孔性のカバー層２６でカバーされている。
【００１４】熱エレメント１４は２つの電気的な絶縁層２８，３０に埋め込まれた複数の熱伝導体３２を有している。絶縁層３０に続いて、別の固体電解質シート３４が設けられている。この固体電解質シートはカバー層として熱エレメント１５をカバーしている。
【００１５】プレート状体として形成されたセラミックス体１１は、長手側の４つのエッジに、例えば４５°の角度を成すそれぞれ１つの面取り部３８を有している。これらの面取り部３８は長手方向延在長さにわたって徐々に先細になっているので、接続部側の端区分１３ではこれらの面取り部３８はそれぞれのエッジに向かって終わっている。これらの面取り部３８は、測定ガス側の端区分１２の測定ガス側の端部では０．１〜０．３ｍｍ、有利には０．２ｍｍの幅を有している。しかしながら面取り部３８を測定ガス側の端部で円錐状に終わらせることもやはり可能である。さらにこれらの面取り部３８はその長手方向延在長さ全体にわたって一定の幅を有するように構成されてもよい。
【００１６】これらの面取り部３８を本発明による方法に基づき製造すると、驚くべきことに、真直ぐな切刃を備えた切削工具を用いてでさえ、面取り部３８のエッジは、側方の仕切り面（カバー面および側面）に向かってシャープなエッジを形成せず、僅かに丸く面取りされることが判った。このような形状は、熱衝撃に対する鋭敏性をなおさらに改善する。
【００１７】固体電解質シート１６，１８，３４は酸素イオン伝導性を有しており、例えば安定化された酸化ジルコニウムから成っている。電極（測定電極２２および基準電極２４）ならびに熱伝導体３２は例えば白金−サーメットから成っている。絶縁層２８，３０は例えばＡｌ２Ｏ３から構成されている。測定電極２２、基準電極２４および熱伝導体３２を形成するための白金−サーメットはペースト状に、対応する固体電解質シート１６ならびに絶縁層２８，３０のうちの一方にスクリーン印刷法によりプリントされる。個々の固体電解質シートおよび機能層の複合体全体は、固体電解質シート１６，１８，３４が積層されて纏められたあとに、細長いプレート状の、ほぼ直方体形状を有する、つまりほぼ方形横断面を有するまだ完全には加工されていない未加工体１９を形成する。横断面が方形であることに基づき、未加工体１９に、長手方向に延びる４つの長手方向エッジ３６が形成されている。これらのエッジは、後に焼結されるプレート状体１１に４つのシャープなエッジを生ぜしめる。方形横断面を有する未加工体１９に形成されたエッジは、未加工体１９に面取り部３８が切削工具４６によって加工成形されることによって破断される。切削工具４６の切削運動はほぼ直線状に延びる。
【００１８】図３には、面取り部３８を形成するための装置の概略図が示されている。この装置は支持体４０を有している。この支持体に沿って、直線運動を行なうキャリッジ４２が案内される。キャリッジ４２には受容部４４が形成されている。この受容部には後のセンサエレメント１０の未加工体１９が保持される。面取り部３８を形成するために、それぞれ１つの切刃４７を備えた２つの切削工具４６が支持体４０に対して固定的に配置されている。これらの切削工具４６は図４に示した切削楔体４９を有している。この切削楔体４９は例えば約１５°の楔角αと約３０°の削り角βとを有している。両切削工具４６の切刃４７はそれぞれ、未加工体１９のカバー面に形成された、互いに対向して位置する長手方向エッジ３６に作用する。この実施例においては、切削工具４６による加工は、測定ガス側の端区分１２で始まる。キャリッジ４２によって直線運動が実現されることにより、未加工体１９は切削工具４６の切削面に対して、図４に示された矢印の方向に運動させられる。この際、各切削工具４６は長手方向エッジ３６から切り屑つまりチップ５０を剥ぎ取る。これにより先ず、未加工体１９の上側のカバー面に２つの面取り部３８が生じる。未加工体１９が受容部４４内で送り運動方向で傾斜して配置されていることにより、図２に示したように面取り部３８の幅が徐々に先細になる。この場合、面取り部３８は測定ガス側の端区分１２において、接続部側の端区分１３におけるよりも幅広である。反対側のカバー面に別の２つの面取り部３８を形成するためには、未加工体１９が受容部４４において１８０°だけ長手方向軸線を中心にして回動させられる。これらの別の両面取り部３８は前述の動作形式に従って形成される。未加工体１９を面取り部３８の形成に必要な温度にもたらすために、受容部４４ならびに切削工具４６は加熱可能である。
【００１９】本発明はガス混合物中のガス成分濃度を測定するためのセンサエレメント１０の製造に限定されるものではない。例えば、セラミックス体が高い温度変動に晒されているような使用事例が考えられる。このようなセラミックス体は例えばプレート状のヒータ、プレート状のセラミックス温度フィーラ、または、集積回路（例えばピン・グリッドアレー）のためのセラミックス基板であってよい。
【出願人】 【識別番号】３９００２３７１１
【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ
【出願日】 平成１１年４月５日（１９９９．４．５）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外３名）
【公開番号】 特開２０００−２５０２５（Ｐ２０００−２５０２５Ａ）
【公開日】 平成１２年１月２５日（２０００．１．２５）
【出願番号】 特願平１１−９８１１５