JP2000206080A - ヒ―タ付き酸素センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼成時にヒータと酸素濃淡電池素子との間に
応力が残留しにくく、反りや剥離等の発生が防止される
ヒータ付き酸素センサを提供する。 【解決手段】 ヒータ付き酸素センサの検出素子２は、
そのセラミックヒータ２２が、板厚方向中間位置に形成
された第一絶縁層２４と、その第一絶縁層２４中に埋設
される形でセラミックヒータの板面方向に沿って形成さ
れる抵抗発熱体パターン２３とを有し、さらにその第一
絶縁層２４がジルコニア固体電解質からなる第一ヒータ
本体層２８及び第二ヒータ本体層２９により挟まれた構
造を有する。そして、セラミックヒータ２２は酸素濃淡
電池素子２０に対し、第一ヒータ本体層２８側において
第二絶縁層２７を介して接合される。これにより、焼成
時にヒータ２２と酸素濃淡電池素子２０との間に応力が
残留しにくく、反りや剥離等が発生しにくくなり、ひい
てはヒータ２２と酸素濃淡電池素子２０との一体焼成を
可能として、検出素子２の製造能率及び歩留まりを大幅
に向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータ付きの酸素
センサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車エンジン等の内燃機関にお
いて、その空燃比制御等に使用するための各種酸素セン
サが開発されている。このような酸素センサの検出素子
は種々の形態のものが使用されているが、ジルコニアグ
リーンシートを用いて厚膜印刷法により安価に製造でき
ることから、積層型ジルコニア検出素子と呼ばれるもの
が多く製造されている。この場合、電極パターン等の板
状のジルコニア固体電解質層の片側に検出側多孔質電極
を配し、他方の側に基準側多孔質電極を配した酸素濃淡
電池素子を備えるとともに、酸素濃淡電池素子を加熱す
るための板型セラミックヒータが、その基準側多孔質電
極の形成されている側に積層配置される。

【０００３】セラミックヒータは、絶縁性のセラミック
基体中に抵抗発熱線パターンを埋設した構造のものが一
般的であり、そのセラミック基体材質としては高温耐久
性に優れたアルミナが多く用いられている。このような
アルミナ製のヒータを含む検出素子は、ジルコニア固体
電解質で構成された酸素濃淡電池素子とヒータとを別体
焼成し、組立工程において両者をガラス等により貼り合
わせて積層・一体化する工程により製造されてきた。し
かしながら、これではヒータと酸素濃淡電池素子とを個
別に焼成しなければならず、さらに貼合わせ工程が別途
必要となるので能率が非常に悪い欠点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、アルミナ製の
ヒータと、ジルコニア固体電解質製の酸素濃淡電池素子
とを未焼成状態にて積層し、これを同時焼成により一体
化する方式を採用すれば焼成が１回で済み、貼合わせ工
程も不要となるので大幅な工数削減が可能となる。とこ
ろが、ジルコニア固体電解質とアルミナとは熱膨張係数
が大幅に異なることから、例えば焼成後の冷却時におけ
る熱収縮量の差により残留応力が発生し、図６に示すよ
うに、それによって素子２０３に反りや曲がりが生じた
り、ヒータ２０２と酸素濃淡電池素子２０１との間に層
間剥離等の欠陥が生じやすく、製造歩留まりが低下する
問題がある。

【０００５】この場合、抵抗発熱体を埋設するアルミナ
セラミック基体の厚さを減じることにより、応力発生を
抑制する方法が考えられる。ところが、セラミック基体
の厚さを小さくし過ぎると、抵抗発熱体と酸素濃淡電池
素子との間の絶縁が不十分となり、新たな問題が生ず
る。すなわち、酸素濃淡電池素子を構成するジルコニア
固体電解質は、６５０〜８００℃程度の動作温度域では
当然のことながら導電性となり、絶縁不足によりヒータ
電流がリークすると、そのリーク電圧がセンサ出力に重
畳され、正確なセンサ出力が得られなくなる。

【０００６】そして、本発明者らの検討によれば、例え
ば自動車用酸素センサの場合、車載バッテリーによるヒ
ータの通電電圧が１２Ｖ程度であり、酸素濃淡電池素子
の出力電圧レベルが１Ｖ程度である場合、ヒータからの
漏洩電流の影響を防止するには、抵抗発熱体と酸素濃淡
電池素子との間にアルミナセラミック基体による絶縁層
厚さを最低数十μｍ程度は確保しなければならないこと
が判明している。しかしながら、セラミック基体厚さを
この程度まで増大させると、前記した焼成時の素子の曲
がりや反り、あるいは剥離等の発生は必至となり、これ
が一体焼成される積層型ジルコニア素子作製のネックに
なっている。

【０００７】そこで、実公平６−１８２９２に開示され
ているように、反り防止層を形成して上記問題を解決す
るヒータ付き酸素センサが考案されている。しかしなが
ら、この構造においては、酸素濃度検出部とヒータ部と
が完全に絶縁されていないために、ヒータからのリーク
電流を完全に抑えることができない上、積層方向のシー
トのバランス（対称性）も悪く、依然として焼成時の素
子の曲がりや反りの問題が十分に解決されているとは言
い難い。

【０００８】本発明の課題は、焼成時にヒータと酸素濃
淡電池素子との間に応力が残留しにくく、反りや剥離等
の発生が防止され、ひいてはヒータと酸素濃淡電池素子
との一体焼成を可能として、製造能率及び歩留まりを大
幅に向上させることができるとともに、ヒータと酸素濃
淡電池素子との間を完全に絶縁することが可能なヒータ
付き酸素センサと、その製造方法とを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のヒータ付き酸素センサは、
主体金具の内側に測定対象となるガス中の被検出成分を
検出する検出素子が配置されるとともに、該検出素子
は、ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電
解質（以下、ジルコニア固体電解質とも称する）で構成
された素子本体層の一方の面に測定電極を、他方の面に
基準電極を形成した板状の酸素濃淡電池素子と、その酸
素濃淡電池素子の基準電極側に積層一体化される板状の
セラミックヒータとを備え、セラミックヒータは、絶縁
性セラミックにより板厚方向中間位置に形成された第一
絶縁層と、その第一絶縁層中に埋設される形でセラミッ
クヒータの板面方向に沿って形成される抵抗発熱体パタ
ーンと、第一絶縁層を厚さ方向両側から挟む形で形成さ
れるとともに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素
イオン伝導性固体電解質で構成された第一ヒータ本体層
及び第二ヒータ本体層とを備え、セラミックヒータは酸
素濃淡電池素子に対し、第一ヒータ本体層側において、
絶縁性セラミックにより構成される第二絶縁層を介して
接合されていることを特徴とする。

【００１０】また、上記ヒータ付き酸素センサを製造す
るための本発明の方法は、酸素イオン伝導性固体電解質
の原料粉末により、素子本体層となるべき未焼成素子本
体成形体を板状に形成し、その両面に測定電極及び基準
電極となるべき未焼成電極パターンを、それら電極の原
料粉末を用いて形成することにより得られる酸素濃淡電
池素子の未焼成体と、酸素イオン伝導性固体電解質の原
料粉末により、第一ヒータ本体層及び第二ヒータ本体層
となるべき未焼成ヒータ本体成形体をそれぞれ板状に形
成し、第一絶縁層となるべき未焼成第一絶縁層を絶縁性
セラミックの原料粉末により、また抵抗発熱体パターン
となるべき未焼成発熱体パターンを該発熱体の原料粉末
により、未焼成ヒータ本体成形体の間に挟み込む形で形
成して得られるセラミックヒータの未焼成体とを、絶縁
性セラミックの原料粉末により形成される第二絶縁層と
なるべき未焼成第二絶縁層を介して積層・一体化するこ
とにより未焼成積層組立体となし、その未焼成積層組立
体を焼成することにより検出素子を得ることを特徴とす
る。

【００１１】上記本発明のヒータ付き酸素センサ及びそ
の製造方法によれば、積層・一体化されるセラミックヒ
ータと酸素濃淡電池素子との間に焼成後の冷却時等にお
いて残留応力が発生しにくくなり、素子に反りや曲がり
が生じたりすること、あるいはヒータと酸素濃淡電池素
子との間に層間剥離等の欠陥が生じること等の不具合が
極めて起こりにくくなり、製造歩留まりが劇的に向上す
る。そして、セラミックヒータと、ジルコニア固体電解
質製の酸素濃淡電池素子とを未焼成状態にて積層し、こ
れを同時焼成により一体化する方式を採用することが可
能となるので、焼成が１回で済み、貼合わせ工程も不要
となるので大幅な工数削減が可能となる。

【００１２】上記のような効果が得られる理由として
は、次のようなことが考えられる。 絶縁性セラミックとジルコニア固体電解質との線膨張
係数に顕著な差が存在していても、セラミックヒータの
一部を酸素濃淡電池素子と同じジルコニア固体電解質で
構成することで、セラミックヒータと酸素濃淡電池素子
との平均的な線膨張係数の差が縮小され、残留応力によ
る反り等の発生が緩和される。また、抵抗発熱体は第一
絶縁層によりジルコニア固体電解質製の第一ヒータ本体
層と絶縁され、さらにその第一ヒータ本体層は第二絶縁
層により素子本体層と絶縁されている。すなわち、抵抗
発熱体と素子本体層との間は２つの絶縁層により電気的
に隔絶されているので、ヒータ電流の酸素濃淡電池素子
側へのリークも生じにくい。

【００１３】検出素子の全体で見ると、厚さ方向中央
に位置する第一ヒータ本体層を中心にして、第一及び第
二の絶縁層と第二ヒータ本体層及び素子本体層、すなわ
ち絶縁性セラミックの層とジルコニア固体電解質の層と
が対称的に配列する。これにより、各層間の熱膨張差に
基づく応力が打ち消し合い、反り等が生じにくくなる。

【００１４】なお、第一絶縁層及び第二絶縁層は、アル
ミナを主体とするアルミナ系セラミックにより構成する
ことができる。これにより、素子の高温耐久性が向上す
る。

【００１５】他方、第一絶縁層と第二絶縁層との合計厚
さをｔ1として、素子本体層と第一及び第二ヒータ本体
層との合計厚さをｔ2とした場合に、ｔ2＞ｔ1となって
いることが望ましい。すなわち、絶縁性セラミックによ
る構成層の合計厚さｔ1をジルコニア固体電解質による
構成層の合計厚さｔ2よりも小さく設定することで、両
材質間の線膨張係数差に基づく残留応力の発生がさらに
緩和され、素子の反りや曲がりあるいは層間剥離等がさ
らに生じにくくなる。この場合、第一絶縁層の厚さＬ4
と第二絶縁層の厚さＬ5とはいずれも、素子本体層の厚
さＬ1、第一ヒータ本体層の厚さＬ3及び第二ヒータ本体
層の厚さＬ5のいずれよりも小さいことが、上記効果を
高める上でさらに望ましい。

【００１６】また、素子本体層と第二ヒータ本体層と
は、ほぼ同じ厚さで形成されていることが望ましい（こ
の場合、未焼成素子本体層と未焼成ヒータ本体成形体と
をほぼ同じ厚さで形成する必要がある）。これにより、
各層間の応力打ち消し合いの効果がさらに高められ、残
留応力による反り等を生ずる不具合が一層起こりにくく
なる。また、第一絶縁層と第二絶縁層との厚さは、反り
等の不具合が発生しないよう、適宜に厚さを定めるよう
にする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図１には、この発
明のヒータ付き酸素センサの一実施例として、自動車等
の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示し
ている。この酸素センサ１はλ型酸素センサと通称され
るもので、細長い板状の検出素子２が主体金具３の内側
に固定された構造を有している。そして、該主体金具３
の外周面に形成された取付ねじ部３ａにより、先端側の
検出部Ｄが排気管内に位置するように取り付けられ、該
排気管内を流れる被測定ガスとしての高温の排気ガスに
晒される。なお、３６は、センサ１を取り付ける際にレ
ンチ等の工具を係合させるための六角部である。

【００１８】検出素子２は方形状の軸断面を有し、図２
（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸
素濃淡電池素子２０と、該酸素濃淡電池素子２０を所定
の活性化温度に加熱するセラミックヒータ２２とが積層
されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２
０は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア固体電解質
により構成された素子本体層２１を有する。そのような
固体電解質としては、イットリアないしカルシアを固溶
させた部分安定化ジルコニアセラミックが代表的なもの
であるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金
属の酸化物とジルコニアとの固溶体を使用してもよい。

【００１９】一方、セラミックヒータ（以下、単にヒー
タともいう）２２は、高融点金属あるいは導電性セラミ
ックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック
基体中に埋設した構成を有する。具体的には、ヒータ２
２は、絶縁性セラミックとしてのアルミナを主体とする
アルミナ系セラミックにより、ヒータ２２の板厚方向中
間位置に形成された第一絶縁層２４と、その第一絶縁層
２４中に埋設される形でセラミックヒータ２２の板面方
向に沿って形成される抵抗発熱体パターン２３と、第一
絶縁層２４を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとと
もに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝
導性固体電解質で構成された第一ヒータ本体層２８及び
第二ヒータ本体層２９とを備えた多層構造となってい
る。

【００２０】酸素濃淡電池素子２０において多孔質電極
２５，２６には、素子本体層２１の長手方向に沿って酸
素センサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部２
５ａ，２６ａがそれぞれ一体化されている。このうち、
ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード
部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用され
る。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リ
ード部２６ａは、図２（ｃ）に示すように、素子本体層
２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子
面に形成された電極端子部７と接続されている。すなわ
ち、酸素濃淡電池素子２０は、両多孔質電極２５，２６
の電極端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成さ
れる形となっている。上記各電極２５，２６、電極端子
部７及びビア２６ｂは、Ｐｔ又はＰｔ合金など、酸素分
子解離反応の触媒活性を有した金属粉末のペーストを用
いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼
成することにより得られるものである。

【００２１】一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２
３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２
（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２
０と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部
７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されてい
る。

【００２２】図２（ｂ）に示すように、ヒータ２２は、
第一ヒータ本体層２８側において、アルミナ系セラミッ
クにより構成される第二絶縁層２７を介して、酸素濃淡
電池素子２０の多孔質電極２６側に接合されている。そ
して、その接合側の多孔質電極（基準電極）２６には、
電極リード部２６ａ（これも多孔質である）の一端が接
続されるとともに、反対側の多孔質電極（測定電極）２
５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる
方向に微小なポンピング電流が印加される。ここで、電
極リード部２６ａは接合された酸素濃淡電池素子２０と
ヒータ２２との間に挟まれる形で、検出素子２の内部に
位置し、その末端面は該検出素子２の取付基端側の端面
に露出して、ガス放出口を形成している。そして、上記
ポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経てガス
放出口から大気中に放出される。これにより、多孔質電
極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持さ
れ、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反
対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する測定電極と
なる。

【００２３】検出素子２は、主体金具３の内側に配置さ
れた絶縁体４の挿通孔３０に挿通され、先端の検出部Ｄ
が、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した
状態で絶縁体４内に固定される。絶縁体４には、その軸
線方向において挿通孔３０の後端に一端が連通し、他端
が絶縁体４の後端面に開口するとともに軸断面が該挿通
孔３０よりも大径の空隙部３１が形成されている。そし
て、その空隙部３１の内面と検出素子２の外面との間
は、ガラス（例えば結晶化亜鉛シリカホウ酸系ガラス）
を主体に構成される封着材層３２により封着されてい
る。

【００２４】図１に示すように、絶縁体４と主体金具３
との間には、それらに軸線方向に隣接してタルクリング
３６と加締めリング３７とがはめ込まれ、主体金具３の
後端側外周部を加締めリング３７を介して絶縁体４側に
加締めることにより、絶縁体４と主体金具３とが固定さ
れている。また、主体金具３の先端外周には、検出素子
２の突出部分を覆う金属製の２重のプロテクトカバー６
ａ，６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポ
ット溶接）等によって固着されている。これらカバー６
ａ，６ｂはキャップ状を呈するもので、その先端や周囲
に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６ａ，６
ｂ内に導く開口６ｃ，６ｄが形成されている。一方、主
体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、
その重なり部において周方向に環状に形成された結合部
としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により互
いに気密状態で接合されている。

【００２５】また、外筒１８の末端部（図面上部）内側
にはゴム製のグロメット１５が嵌め込まれ、これらに続
いてそのさらに内方側にコネクタ部１３が設けられてい
る。リード線１４の後端側はセラミックセパレータ１６
を貫通して外部に延びている。一方、リード線１４の先
端側は、コネクタ部１３を介して図２に示す検出素子２
の各電極端子部７（４極を総称する）に電気的に接続さ
れている。

【００２６】一方、図２に示す検出素子２の各電極端子
部７（４極を総称する）には、図１に示すようにコネク
タ部１３を介してリード線１４が電気的に接続されてい
る。都合４本のリード線１４は、外筒１８の末端内側に
嵌め込まれたグロメット１５を貫通して外部に延び、そ
れらの先端にコネクタプラグ１６が連結され、各リード
線１４の外部に延びる部分には、これらを収束して保護
する保護チューブ１７が被せられている。

【００２７】ここで、図２の検出素子２の各構成要素の
寸法を図３を参照して示す（なお、本発明にて好適に採
用できる寸法を範囲にて示し、括弧内に具体的な数値例
を示している）。 ・検出素子２の幅Ｌ35：１〜１５ｍｍ（３ｍｍ）。 ・素子本体層２１の厚さＬ1：０．２〜０．８ｍｍ
（０．４ｍｍ）。 ・第二絶縁層２７の厚さＬ2：０．０１〜０．１０ｍｍ
（０．０３ｍｍ）。 ・第一ヒータ本体層２８の厚さＬ3：０．２〜０．８ｍ
ｍ（０．４ｍｍ）。 ・第一絶縁層２４の厚さＬ4：０．０３〜０．１ｍｍ
（０．０６ｍｍ）。 ・第二ヒータ本体層２９の厚さＬ5：０．２〜０．８ｍ
ｍ（０．４ｍｍ）。 ・第一絶縁層２４の、抵抗発熱体パターン２３の両側に
存する各部の厚さＬ6：０．０２〜０．０９ｍｍ（０．
０４ｍｍ）。 ・抵抗発熱体パターン２３の厚さＬ7：０．０１〜０．
０３ｍｍ（０．０２ｍｍ）。

【００２８】また、第一絶縁層２４と第二絶縁層２７と
の合計厚さをｔ1（＝Ｌ4＋Ｌ2）、素子本体層２１と第
一及び第二ヒータ本体層２８，２９との合計厚さをｔ2
（＝Ｌ1＋Ｌ3＋Ｌ5）とした場合に、ｔ2＞ｔ1である
（ｔ1＝０．０９ｍｍ、ｔ2＝１．２ｍｍ）。

【００２９】以下、ヒータ付き酸素センサ１の検出素子
２の製造方法について説明する。検出素子２を製造する
ために、図４に示すような未焼成組立体３００（未焼成
積層組立体）を作製する。該未焼成組立体３００は、酸
素濃淡電池素子２０を形成するための第一部分２１０
（酸素濃淡電池素子の未焼成体）、第一絶縁層２４を形
成するための第二部分２１１、その第二部分２１１を未
焼成ヒータ本体成形体としての２つのジルコニアグリー
ンシート２２７，２３１で挟んだ、ヒータ２２を形成す
るための第三部分２１２から成り立っている。

【００３０】まず、第一部分２１０は、ジルコニア粉末
を有機バインダとともに混練した生素地を用いて形成さ
れた、素子本体層２１となるべきジルコニアグリーンシ
ート（未焼成素子本体成形体）２２０を含んでいる。そ
のジルコニアグリーンシート２２０の両面の、電極２
５，２６（図２）の形成が予定された部分を除く領域
に、リード部２５ａ，２６ａと素子本体層２１との間を
絶縁するための絶縁コート２２１及び２２２がＡｌ_２Ｏ
_３ペースト等を用いて形成される。それら絶縁コート２
２１及び２２２を形成した後、電極２５，２６及びリー
ド部２５ａ，２６ａを形成するための電極パターン２２
３及び２２４がＰｔペースト等により印刷形成される。
また、外側電極２５となる側の電極パターン２２３の上
には保護用のオーバーコート２２５がＡｌ_２Ｏ_３ペース
ト等により形成される。また、ジルコニアグリーンシー
ト２２０には貫通孔２２０ａが孔設されており、ここに
充填されたペーストに基づく導通部により、端子７とリ
ード部２５ａ，２６ａとが導通するようになっている。

【００３１】一方、第二部分２１１は、Ｐｔペーストに
より形成されたヒータパターン（未焼成発熱体パター
ン）２２９と、アルミナコート（未焼成第一絶縁層）２
２８，２３０とがアルミナペーストにより、そのヒータ
パターン２２９を挟む形で形成される。なお、アルミナ
コート２２８，２３０の厚さは、その印刷塗布回数によ
り調整できる。

【００３２】第二部分２１１の積層方向両側には第一ヒ
ータ本体層２８、第二ヒータ本体層２９となるべき、ジ
ルコニアグリーンシート２２７及びジルコニアグリーン
シート２３１（未焼成ヒータ本体成形体）が形成されて
いる。ここで、ジルコニアグリーンシート２２７と第二
部分２１１との間には、電極端子部７となる端子２４４
ａ，２４４ｂが挟み込まれ、第三部分２１２となる。

【００３３】以上のように形成された第一部分２１０と
第三部分２１２との間に、端子２４３ａ，２４３ｂを挟
み込んだ形で、これらをアルミナペーストからなるアル
ミナコート２２６（未焼成第二絶縁層）を介して張り合
わせることで、未焼成組立体３００が完成する。そし
て、これを焼成することで検出素子２が得られる。

【００３４】以下、本発明の酸素センサ１の作用につい
て説明する。すなわち、図１の酸素センサ１は、取付ね
じ部３ａにおいて車両の排気管に固定され、リード線１
４を介して図示しないコントローラに接続されて使用に
供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒される
と、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５（図２）が
排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２１には該排気ガ
ス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。
この起電力がセンサ出力として取り出される。この種の
λ型酸素センサは、排気ガス組成が理論空燃比となる近
傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことか
ら、空燃比検出用に広く使用されるものである。

【００３５】そして、図４に示すその検出素子２の製造
時において、次の効果を奏する。まず、図３に示すよう
に、検出素子２においては、セラミックヒータ２２の一
部が酸素濃淡電池素子２０と同じジルコニア固体電解質
で構成された形となっいる。より詳しく述べれば、素子
２の厚さ方向中央に位置する第一ヒータ本体層２８を中
心にして、第一及び第二の絶縁層２４，２７と第二ヒー
タ本体層２９及び素子本体層２１、すなわち絶縁性セラ
ミックの層とジルコニア固体電解質の層とが対称的に配
列している。その結果、図４の未焼成組立体３００を焼
成後、冷却する際に、絶縁性セラミックの層とジルコニ
ア固体電解質の層との熱膨張差に基づく応力が打ち消し
合い、素子２の反りや曲がり、あるいは層間剥離等が生
じにくくなる。また、図３に示すように、抵抗発熱体パ
ターン２３は第一絶縁層２４によりジルコニア固体電解
質製の第一ヒータ本体層２８と絶縁され、さらにその第
一ヒータ本体層２８は第二絶縁層２７により素子本体層
２１と絶縁されている。すなわち、抵抗発熱体パターン
２３と素子本体層２１との間は２つの絶縁層２４，２７
により電気的に隔絶されているので、ヒータ電流の酸素
濃淡電池素子２０側へのリークも生じにくい。

【００３６】

【実施例】本発明のヒータ付き酸素センサの効果を確認
するために、以下の実験を行った。まず、図２に示す形
状の検出素子２を、図４に示す方法で一体焼成して作製
した。また、比較のために、第二絶縁層２７をジルコニ
ア固体電解質で構成した検出素子も合わせて作製した。
なお、検出素子２の各構成要素の寸法は以下の通りであ
る（図３参照）。 ・検出素子２の幅Ｌ35：３ｍｍ。 ・素子本体層２１の厚さＬ1：０．３ｍｍ、０．５ｍｍ
（２種類）。 ・第二絶縁層２７の厚さＬ2：０．０３ｍｍ。 ・第一ヒータ本体層２８の厚さＬ3：０．５ｍｍ。 ・第一絶縁層２４の厚さＬ4：０．０６ｍｍ。 ・第二ヒータ本体層２９の厚さＬ5：０．５ｍｍ。 ・第一絶縁層２４の、抵抗発熱体パターン２３の両側に
存する各部の厚さＬ6：０．０４ｍｍ。 ・抵抗発熱体パターン２３の厚さＬ7：０．０２ｍｍ。 また、検出素子２は、素子本体層２１の厚さＬ1の各値
と、第二絶縁層２７の各材質毎に２０個ずつ作製してい
る。

【００３７】こうして得られた検出素子２に対し、クラ
ック発生の有無、及び反り量について調べた。クラック
発生の有無については、得られた検出素子２を欠陥検査
液（赤色顔料を灯油に懸濁させたもの）に浸漬して引き
上げ、着色したクラックを１０倍の拡大鏡にて目視検査
することで判定した。また、反り量については、図５に
示すように、検出素子２の厚さＹと、反り曲がりした検
出素子２を凹となる側を下側にして基準平面ａ上に置
き、その凸となる部分の最大高さＸを測定するととも
に、（Ｘ−Ｙ）の値を反り量として算出した。そして、
目視によりクラック発生が認められたもの又は反り量が
０．１０ｍｍ以上のものを不良、そうでなかったものを
良として判定を行い、不良品の発生比率を求めた。以上
の結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】すなわち、実施例の検出素子は、比較例の
検出素子と比べて不良発生率が小さいことがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒータ付き酸素センサの一例を示す酸
素センサの断面図。

【図２】その検出素子の構造を示す説明図。

【図３】同じくその検出素子の寸法を示す説明図。

【図４】図２の検出素子の製造方法を示す分解斜視図。

【図５】本発明の実施例における反り量を定義する説明
図。

【図６】従来の検出素子の焼成時における反り曲がりの
様子を示す模式図。

【符号の説明】

１ 酸素センサ（ヒータ付き酸素センサ） ２ 検出素子 ３ 主体金具 ２０ 酸素濃淡電池素子 ２１ 素子本体層 ２２ セラミックヒータ ２３ 抵抗発熱体パターン ２４ 第一絶縁層 ２５ 多孔質電極（測定電極） ２６ 多孔質電極（基準電極） ２７ 第二絶縁層 ２８ 第一ヒータ本体層 ２９ 第二ヒータ本体層 ２１０ 第一部分（酸素濃淡電池素子の未焼成体） ２１１ 第二部分（セラミックヒータの未焼成体） ２２６ アルミナコート（未焼成第二絶縁層） ２２７，２３１ ジルコニアグリーンシート（未焼成ヒ
ータ本体成形体） ２２８，２３０ アルミナコート（未焼成第一絶縁層） ２２９ ヒータパターン（未焼成発熱体パターン） ３００ 未焼成組立体（未焼成積層組立体） Ｄ 検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 圭祐 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BJ03 BM07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主体金具の内側に測定対象となるガス中
   の被検出成分を検出する検出素子が配置されるととも
   に、該検出素子は、ジルコニアを主成分とする酸素イオ
   ン伝導性固体電解質で構成された素子本体層の一方の面
   に測定電極を、他方の面に基準電極を形成した板状の酸
   素濃淡電池素子と、その酸素濃淡電池素子の基準電極側
   に積層一体化される板状のセラミックヒータとを備え、 前記セラミックヒータは、絶縁性セラミックにより板厚
   方向中間位置に形成された第一絶縁層と、その第一絶縁
   層中に埋設される形で前記セラミックヒータの板面方向
   に沿って形成される抵抗発熱体パターンと、前記第一絶
   縁層を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとともに、
   それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固
   体電解質で構成された第一ヒータ本体層及び第二ヒータ
   本体層とを備え、 前記セラミックヒータは前記酸素濃淡電池素子に対し、
   前記第一ヒータ本体層側において、絶縁性セラミックに
   より構成される第二絶縁層を介して接合されていること
   を特徴とするヒータ付き酸素センサ。
2. 【請求項２】 前記第一絶縁層及び前記第二絶縁層がア
   ルミナを主体とするアルミナ系セラミックにより構成さ
   れている請求項１記載のヒータ付き酸素センサ。
3. 【請求項３】 前記素子本体層と前記第二ヒータ本体層
   とがほぼ同じ厚さで形成されている請求項１又は２に記
   載のヒータ付き酸素センサ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のヒ
   ータ付き酸素センサの製造方法であって、 前記酸素イオン伝導性固体電解質の原料粉末により、前
   記素子本体層となるべき未焼成素子本体成形体を板状に
   形成し、その両面に前記測定電極及び前記基準電極とな
   るべき未焼成電極パターンを、それら電極の原料粉末を
   用いて形成することにより得られる酸素濃淡電池素子の
   未焼成体と、 前記酸素イオン伝導性固体電解質の原料粉末により、前
   記第一ヒータ本体層及び前記第二ヒータ本体層となるべ
   き未焼成ヒータ本体成形体をそれぞれ板状に形成し、前
   記第一絶縁層となるべき未焼成第一絶縁層を前記絶縁性
   セラミックの原料粉末により、また前記抵抗発熱体パタ
   ーンとなるべき未焼成発熱体パターンを該発熱体の原料
   粉末により、前記未焼成ヒータ本体成形体の間に挟み込
   む形で形成して得られる前記セラミックヒータの未焼成
   体とを、 前記絶縁性セラミックの原料粉末により形成される前記
   第二絶縁層となるべき未焼成第二絶縁層を介して積層・
   一体化することにより未焼成積層組立体となし、 その未焼成積層組立体を焼成することにより前記検出素
   子を得ることを特徴とするヒータ付き酸素センサの製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記素子本体層となるべき未焼成素子本
   体成形体と前記第二ヒータ本体層となるべき未焼成ヒー
   タ本体成形体とがほぼ同じ厚さで形成されている請求項
   ４記載のヒータ付き酸素センサの製造方法。