JPH03170044A

JPH03170044A - センサの組付構造

Info

Publication number: JPH03170044A
Application number: JP30830489A
Authority: JP
Inventors: Keizo Furusaki; 圭三古崎; Koichi Takahashi; 浩一高橋; Hiroaki Morii; 森井　洋明; Toshitaka Matsuura; 松浦　利孝
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1991-07-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、センサの組付構造に関し、詳しくはセンサの
電極線の周囲の組付構造に関するものである。

［従来の技術］従来より、例えば酸素センサとしてはセラミックスを使
用した各種のセンサが知られており、通常、第１０図に
示すように、センサ素子が形成されたセラミックス基板
Ｐ１が、金属製のハウジング（内筒）Ｐ２内に格納され
ている。そして、このセラミックス基板Ｐ１上に、金又
は白金族の貴金属を主体とした貴金属ペーストを用い、
パターンを形成して焼結することによって、電子回路の
小型化及び軽量化が図られている。

この様なセンサのセラミックス基板Ｐ１やリード線Ｐ３
，Ｐ４等の構造を形成する場合に｛社　下記のよう１二
して行う。

まず、セラミックス基板Ｐ１に貴金属ペーストを用いて
パターンを形成し、そのパターン上に白金リード線Ｐ３
を接続し、その上から他のセラミックス板を密着して一
体焼結する。次に、白金リード線Ｐ３を銅などの金属リ
ード線Ｐ４に接続し、センサの内部構造を形成する。更
に、このセンサの内部構造を金属製のハウジングＰ２内
に格納した後に、上記セラミックス基板ＰＩ，　　白金
リード線Ｐ３及び金属リード線Ｐ４の周囲を覆うように
耐熱性ガラスＰ５を充填する。この様にして、センサの
組付構造が形成される。

即ち、従来のセンサの組付構造１上　セラミックス基板
ＰＩ，　　白金リード線Ｐ３及び金属リード線Ｐ４の周
囲を耐熱性ガラスＰ５が覆い、更にそのガラスＰ５と接
触して金属製のハウジングＰ２が覆うという構造となっ
ている（特開昭６０−２１１３４５号公報）。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来技術では下記のような問題があ
り末だ十分ではなかつら即ち、この様な技術で｛戴　センサが高温で熱サイクル
を受けた場合に（友　ガラスＰ５が直接に金属製のハウ
ジングＰ２に接しているために、またそのハウジングＰ
２の金属（例えばステンレス）とガラスＰ５の熱膨張率
が異なるために、大きな熱応力を受けてガラスＰ５にク
．ラックが発生することがあり、そのため、白金リード
線Ｐ３が切断してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を解決して、基板から伸びるリード
線を切断することのないセンサの組付構造を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］かかる問題点を解決するための本発明の構成は、センサ
素子が形成されたセラミックス基板と、上記センサ素子
に接続されて上記セラミックス基板から伸びる電極線と
を、金属製のハウジング内に格納したセンサの組付構造
において、上記セラミックス基板から伸びる電極線の周
囲近傍を耐熱性ガラスで覆うとともに、該耐熱性ガラス
と上記ハウジング側との間に上記電極線の周囲を覆って
セラミックス部材を配置したことを特徴とするセンサの
組付構造を要旨とする。

ここで、上記セラミックス部材としては金属製のハウジ
ングの内周面に密接する様に配置されたセラミックスリ
ングを用いると、熱応力の発生が少ないので好適である
。また、このセラミックスリングは、電極線の周囲だけ
でなく、電極線に接続されるセラミックス基板や他の金
属リード線と覆う程度の幅を有しているとクラックが一
層生じ難く好適である。

上記電極線として｛友　白色　イリジウム　パラジウム
，ルテニウム，ロジウム　オスミウム等の白金族のもの
が好適であり、特に耐熱性とコストの点から白金を使用
することが望ましい。

更に、上記耐熱性ガラスとして（よ　ホウケイ酸ガラス
，リン酸ガラス，ホウ酸鉛ガラス等を使用でき、その内
でも特に低温でシールでき、金属の酸化消耗の少ないホ
ウ酸鉛ガラスを用いることが望ましい。

尚、上記白金等からなる電極線に（よ　センサから出力
を取り出すために他の金属リード線が接続されるが、こ
の金属リード線として（上飢観ニッケル又はそれらの合
金を使用できる。このうちニッケルやニッケル合金は耐
熱性に優れており、銅は大電流を流す場合に適している
。

［作用］本発明のセンサの組付構造１社金属製のハウジング内に
外界の状態、例えば周囲ガスの濃度を検出するセンサ素
子が形成されたセラミックス基板が格納されており、そ
のセラミックス基板から電極線が伸びている。そして、
この電極線の周囲近傍は耐熱性ガラスで覆われており、
更に耐熱性ガラスと金属製のハウジングとの間に（よ電
極線の周囲を覆うようにセラミックス部材が配置されて
いる。

従って、センサが高温の熱サイクルを受けた場合、例え
ば排気温の上昇によってセンサが高温になりその状態か
ら急冷されたり、また急加熱された様な場合に１社　セ
ラミックス部材の熱膨張率とガラスの熱膨張率とがほぼ
同一であるので、ハウジングとガラスの熱膨張率が異な
っていても、セラミックス部材とガラスが同様に伸縮し
て、ガラスにクラックが生じることを防止する。

つまり、ハウジングの熱膨張率が大きく高温の熱サイク
ルによって大きく伸縮しても、それによる熱応力はセラ
ミックス部材とハウジングとの間の摺動等によって緩和
される。更に、セラミックス部材とガラスとの熱膨張率
はほぼ等しく、熱サイクルを受けても同様に伸縮するの
で熱応力はわずかである。この結果、熱応力によるクラ
ックが電極線の周囲のガラスに発生しないので、クラッ
クによって生ずる電極線の切断が効果的に防止される。

［実施例］以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

本実施例は、セラミックス基板をガス成分又はその濃度
を検出する検出部として、内燃機関の排気中の酸素濃度
を検出する酸素センサに適用したものであり、第１図は
酸素センサの要部を示し、第２図は酸素センサの全体を
一部破断して示している。

第２図において、酸素センサ１１社　　セラミックス基
板上１二設けられた検出素子２によって酸素濃度を検出
する検出部４と、検出部４を把持するとともに酸素セン
サ１を内燃機関に取り付ける筒状の主体金具６と、主体
金具６の先端に取り付けられて検出部４を保護するプロ
テクタ８と、主体金具６とともに検出部４を把持する内
筒１０とを備えている。

上記検出部４は、スペーサ１２，充填粉末１４，セラミ
ックスリング］６及びガラスシール２０を介して主体金
具６及び内筒１０に把持されている。

また主体金具６の外周には、内燃機関取り付け用のねじ
部２２が刻設されており、内燃機関壁面当接部分には排
気が漏れないように、ガスケット２４が設けられている
。

上記充填粉末１４は、滑石及びガラスの１＝１の混合粉
末からなり、第１図に示すように、検出部４を内筒］Ｏ
内に固定するために検出部４と主体金具６との間に充填
されている。

ガラスシール２０は高融点ガラスからなり、検出ガスの
漏れを防止するとともに各金属端子２６ａ，２６ｂ，２
６ｃ　（２６と総称する）を保護するように、検出部４
の一部及び後述する白金リード線２８ａ，２８ｂ，２８
ｃ　（２８と総称する）と金属端子２６との接続部を覆
い内筒］Ｏ内に充填されている。

セラミックスリング１６は、上記ガラスシール２０と内
筒１０との間に配置されるものであり、内筒１０の内周
面に密接するとともに白金リード線２８の周囲近傍を覆
っている。

また、上記内筒１０の外側には、外筒３０（第２図）が
主体金具６に取り付けられており、外筒３０の上部内側
に（よ　シリコンゴムからなるシール材３２が充填され
ている。このシール材３２（ヨシール材３２を貫いて配
置され一部が湾曲したリード線３４ａ，３４ｂ，３４ｃ
　（３４と総称する）と、第３図に示すガラスシール２
０より突出した金属端子２６との接続部分を絶縁保護す
るためのものである。

更に、このリード線３４と金属端子２６との接続｛よ　
第４図に示すように、予め外筒３０内にシール材３２及
びリード線３４を納めるとともに各リード線３４の先端
に加締金具３　６　ａ，　　３　６　ｂ，３６ｃ　（３
６と総称する）を接続し、その加締金具３６によってリ
ード線３４と金属端子２６とを加締めて接続することに
よって行われる。

次に、検出部４の製造方５五　白金リード線２８及び金
属端子２６の接続方法等について、第５図ないし第９図
に基づいて説明する。

第５図ないし第８図に示すように、第１及び第２のグリ
ーンシ一ト４０．４２は、平均粒径］．５μｍのＡＱ２
０３９２重量％，Ｓｉ０２４重量％，Ｃａ０２重量％及
びＭｇ○２重量％からなる混合粉末１００重量部に対し
て、ブチラール樹脂１２重量部及びジブチルフタレート
（ＤＢＰ）６重量部を添加し、有機溶剤中で混合してス
ラリーとし、ドクタープレートを用いて形成されたもの
であり、第１のグリーンシ一ト４０は厚さ１ｒｒｍ，第
２のグリーンシ一ト４２は厚さ０．　　２ｍｍである。

また、各パターン４４，　　４６，　　４８，　　５０
，　　５２．　　５４は、Ｐｔに対して７％のＡＱ２０
３を添加した白金ペーストで厚膜印刷して形成したもの
であり、そのうち、パターン４４．４６は検出素子２の
電極となる電極パターン４４，４６，　パターン４８は
検出素子２を加熱するためのヒータとなる抵抗発熱体パ
ターン４８．パターン５０，５２．５４は発熱抵抗体パ
ターン４８に電源を印加したり検出素子２から検出信号
を抽出するための端子電極パターン５０，５２，５４で
ある。

上記検出部４の形成（よ　まず第５図に示すように、第
１のグリーンシ一ト４０上に上記各パターン４４〜５４
を白金ペーストで厚膜印刷する。次いで、第６図に示す
ように、端子電極パターン５０〜５２上に直径０．　　
２ｍｍの白金リード線２８をそれぞれ配設する。更に、
第７図に示すように、第２のグリーンシ一ト４２に電極
パターン４４，４６の先端部が露出する様に、打ち抜き
によって開口部５６を形成し、この第２のグリーンシ一
ト４２を、電極パターン４４．４６の先端部を除く全て
のパターン４４〜５４を覆うよう１こして、第１のグリ
ーンシー｝４０上に積層熱圧着する。

これによって、白金リード線２８は両グリーンシ一ト４
０．４２に挟まれるとともに　その一部が外部に突出す
る。そして、この積層板を１５００℃の大気中に２時間
放置することによって、セラミックス基板を焼成する。

次いで、焼成されたセラミックス基板の開口部５６に検
出素子２を設けることになるのであるが、まず、平均粒
径１．２μｍのＴｉＯ２粉末１００モル部に対し１モル
部の白金ブラックを添加し、更に全粉末に対して３重量
％のエチルセルロースを添加し、プチルカルビトール（
２−（２−プトキシエトキシ）エタノールの商品名）中
で混合して、３００ポイズに粘度調整したＴｉ０２ペー
ストを製造する。そして、このＴ　ｉ　０２ペーストを
開口部５６に充填し、かつ電極パターン４４．４６の先
端に被着するように厚膜印刷した後、１　２００℃の大
気中に１時間放置して焼き付けることによって検出素子
２を形成する。

更に、第９図に示すように、予め金属端子２６を厚さ０
．３ｍｍのニッケル板にエッチング加工して一体成形し
、この各金属端子２６を検出部４の外部に突出した白金
リード線２８に各々配設し、その部分をスポット溶接す
ることにより金属端子２６の接続を行う。

次に、この様にして白金リード線２８及び金属端子２６
を接続した検出部４を、主体金具６及び内筒１０の内側
に配置する。そして、第１図に示すように、内筒１０の
内側の主体金具６の上部に１ｉＡｌ２２０３を焼成して
形成した例えば内径７鴫厚さ１．２蝋　幅（軸方向の長
さ）１０ｍｎ，　熱膨張係数（体膨張係数）α（７．　
　５Ｘ１　０−６１／’Ｃ）のセラミックスリング１６
を密着して配置する。

尚、このセラミックスリング１６｛ヱ　白金リード線２
８周囲近仇即ち金属端子２６や検出部４の一部も覆うよ
うに配置される。

その後、充填粉末１４を主体金具６と検出部４との間に
詰め込み、更に白金リード線２８周囲近傍を覆うように
内筒１０内に、例えば体膨張係数α（８．４Ｘ１０−６
１／’Ｃ）の耐熱性ガラスであるホウ酸鉛ガラスを充填
する。尚、内筒１０内に固定されたニッケル板は所定の
長さに切断されて、各金属端子２６が分離される。

次いで、露出した各金属端子２６にリード線３４と接続
された加締金具３６が取り付けら札内筒１０の外側に外
筒３０がかぶせられて、本実施例のセンサの組付構造を
備えた酸素センサ１が完成する。

そして、この酸素センサ１のリード線３４ａ，３４ｃ間
（即ち金属端子２　６　ａ，　　２　６　ｃ間）に、加
熱用の電源電圧を印加することによって発熱体抵抗パタ
ーン４８を加熱して検出素子２を活性化し、リード線３
　４　ｂ，　　３　４　ｃ間（即ち金属端子２８ｂ，２
８ｃ間）の抵抗値の変化を検出することによって、酸素
濃度を検出する。

上述した本実施例の構成によって、下記のような効果を
奏する。

このセンサの組付構造において（九　白金リード線２８
の周囲近傍を耐熱性ガラスから・なるガラスシール２０
が覆い、更にガラスシール２０の外側にはセラミックス
リング１６が配置さ札　かつセラミックスリング１６の
外側に金属製の内筒１０が密接している。従って、高温
の熱サイクルを何度も受けた場合でも、白金リード線２
８の周囲のガラスシール２０にクラックが入ることがな
いので、白金リード線２８が切断されることがない。

つまり、セラミックスリング１６と金属製の内筒１０と
の体膨張率には大きな差があるが、ガラスシール２０の
体膨張率とセラミックスリング１６との体膨張率とはほ
ぼ等しいので、高温の熱サイクルを受けてもセラミック
スリング］６とガラスシール２０は同じように伸縮する
。よってガラスシール２０に過度の熱応力が加わること
がないので、ガラスシール２０にクラックが発生するこ
とがない。また、金属製の内筒１０の体膨張率はセラミ
ックスリング］６と犬き〈異なるが、内筒１０の内周面
とセラミックスリング１６との外周面は熱サイクルを受
けた場合に摺動するので、セラミックスリング１６に大
きな熱応力が発生することがない。

従って、高温の熱サイクルを受けて内筒１０が大きく伸
縮しても、ガラスシール２０にクラックが発生すること
がない。

この様に本実施例のセンサの組付構造により、頻繁に高
温の熱サイクルを受けるような過酷な条件で酸素センサ
１を使用しても、ガラスシール２０にクラックが生じる
ことがなく、それによって白金リード線２８が切断され
ることがないので、常に正確な出力を取り出すことがで
きるという顕著な効果がある。

尚、ガラスシール２０，　　セラミックスリング］６及
び内筒］Ｏは、酸素センサ１の内部構造の上部で接し、
ガラスシール２０によって気密性を保っている。更に、
酸素センサ１の内部構造の下部は、耐熱性の高い充填粉
末１４により保護されており、内筒１０，セラミックス
リング］６及びセラミックス基板間の熱応力を緩和して
いる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこの
様な実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内１こおいて種々なる態様で実施で
きることは勿論である。

例えば、上記実施例の様にチタニアを検出素子２として
使用した酸素センサ１以外にも、ジルコニア差使用した
酸素センサ，温度センサ，振動センサ等、種々の検出素
子が形成されたセラミックス基板の組み付けに適用でき
る。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれ｛Ｌ　セラミックス
基板から伸びる電極線の周囲近傍を耐熱性ガラスで覆う
とともに、耐熱性ガラスと金属製ハウジング側との間に
セラミックス部材を配置したので、高温の熱サイクルを
受けても耐熱性ガラスにクラックが発生することがなく
、よって、電極線がそのクラックに切断されることがな
い。つまり、高温の熱サイクルを受けるような過酷な条
件でセンサを使用しても、センサが故障することを好適
に防止できるという優れた特長を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の要部を示す断面図、第２図は
酸素センサを一部破断して示す正面図、第３図は酸素セ
ンサの下部を一部破断して示す正面図、第４図は酸素セ
ンサの上部を一部破断して示す正面図、第５図ないし第
８図は検出部の製造手順を示す説明図、第９図は白金リ
ード線の接続を示す説明図、第１０図は従来の酸素セン
サヲ一部破断して示す説明図である。１・・・酸素センサ２・・・検出素子４・・・検出部Ｏ・・・内筒６・・・セラミックスリング ○・・・ガラスシール

Claims

【特許請求の範囲】

１　センサ素子が形成されたセラミックス基板と、上記
センサ素子に接続されて上記セラミックス基板から伸び
る電極線とを、金属製のハウジング内に格納したセンサ
の組付構造において、上記セラミックス基板から伸びる
電極線の周囲近傍を耐熱性ガラスで覆うとともに、該耐
熱性ガラスと上記ハウジングとの間に上記電極線の周囲
を覆ってセラミックス部材を配置したことを特徴とする
センサの組付構造。