JPH0367160A - 酸素センサの製造方法 - Google Patents

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〕 本発明は酸素センサのｙｉｌ造方法に係り、特に温度補
償用サーミスタ素子を有する酸化物半導体タイプの酸素
センサの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

一般にガス浄化装置として三元触媒を用いた車輌では、
三元触媒が有効に機能するよう空燃比を理論空燃比付近
の一定範囲内にｆｌＩＪ卯する必要がある。このため排
気管中に酸素センサ（以下、０２センサという）を設け
、０２センサからの検出信号に基づき空燃比を制御する
ことが行なわれている。

この排出ガスセンサとして用いられる０２センリ゛には
種々の構造のものが提供されているが、その一種として
チタニア（Ｔ！Ｏｚ）センサが知られている。チタニア
を用いた０２センサは、チタニアが周囲の酸素分圧に対
応して酸化或は還元され、これにより電気抵抗が変化す
る性質を利用して酸素濃度を検出するものである。また
、チタニアは温度変化によってもその抵抗値を大きく変
化させることが知られており、このため例えば実間＠　
６２−１１４３５５号公報に示されるように、温度補償
用サーミスタ素子としてのチタニアを酸素検出用のチタ
ニアと直列に配設することにより、温度の影響を受ける
ことなく正確に酸素濃度を検出することができるよう構
成した０２センサーも提供されている。

また、温度補償用サーミスタ素子を有する０２センサー
の製造方法としては、特開昭５８−９２９４６号公報、
特Ｒ昭５８−１９５１４６号公報、実開昭６２−１１４
３５５号公報に示されるように、複数のセラミックグリ
ーンシート上に酸素検出用の第１のチタニアペースト、
温度補償用の第２のチタニアペースト、ｐｔ電極ペース
ト等をスクリーン印刷し、このチタニアペースト等が印
刷されたセラミックグリーンシートを積層した上で圧着
し、続いてこれを焼成することにより製造していた。

特に温度補償用サーミスタ素子となるチタニアに注目す
ると、温度補償用サーミスタ素子は基準抵抗として機能
するものであるため、排気ガスにより抵抗値が変化しな
いよう構成Δ−る必要がある。

このため、温度補償用サーミスタ素子ｔ、ｔセラミック
基材内に埋設され外界と隔離されるよう構成されている
。

従来行なわれていたサーミスタ素子をセラミック基材内
に埋設する方法としては、例えば第１０図に示すように
、平板状のセラミックグリーンシート１上にサーミスタ
素子となるチタニア２を印刷すると共に、チタニア２を
覆うセラミックグリーンシート５に凹部６を形成してお
き、各セラミックグリーンシート１．５を積層した際、
チタニア２が凹部６内に位置するように構成し、これを
焼成することによりセラミック基材内にチタニア２を埋
設する方法が行なわれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上記した製造方法では、セラミックグリーン
シート５に形成された凹部６の配設位置に対応するよう
チタニア２を精度良クイ立置決めしてセラミックグリー
ンシート１上に配設する必要があり、仮に第１１図に示
すように位置ずれが生じた場合には、チタニア２は凹部
６よりはみ出し、各シート１，５の平面部分間に介在す
ることになる。よって、これを加「焼結した場合には歪
が発生しセンサー素子及びセラミック基材に割れが生ず
る虞れがあり、またセラミック基材に間隙が発生し正確
な酸素濃度検出が行なえなくなる虞れがある。

更にチタニア２の配設鈷に対し凹部６のＢ積が大きい場
合には、第１２図に示すようにチタニア２と凹ｉ！ｆｌ
ｓ６との間に隙間が生じてしまいよってチタニア２は凹
部６の内壁には保持されず、単にセラミックグリーンシ
ート１とチタニア２の接触部分（図中矢印しで示す部分
）における結合力によってのみ保持されることとなる。

よってセラミック基材によるサーミスタ素子の保持力は
小さく、サーミスタ素子が弱れやすいという課題があっ
た。

本発明は上記の点に鑑みて創作されたものであり、歪の
発生及びこれに起因する別れの発生を防止することによ
り信頼性の高い酸素センサを製造し得る酸素センサの製
造方法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〕

上記課題を解決するために、本発明では、第１の平板状
絶縁基板に酸素検出素子となる第１のチタニアを配設す
ると共に、第２の平板状絶縁基板上に温度補償用サーミ
スタ素子となる第２のチタニアを配設し、 この第２のチタニアを覆うよう上記第２の平板状絶縁基
板上に第３の平板状絶縁基板を積層しつつ、少なくとも
該第１乃至第３の平板状絶縁基板を含む複数の平板状絶
縁基板を積層し、これを焼成して酸素センサーを形成す
る酸素センサーの製造方法において、 上記第２の平板状絶縁基板に第２のチタニアを収納する
収納凹部を形成し、この収納凹部に第２のチタニアを配
設収納した後、上記第３の平板状絶縁基板を第２の平板
状絶縁基板に積層するようにしたことを特徴とするもの
である。

〔作用〕

上記製造方法によれば、第１図及び第２図に示すように
、第２のチタニア８は第２の平板状絶縁基板９に形成さ
れた収納凹部１０内に配設収納されるため、第２の平板
状絶縁基板９の上面９ａ上に第２のチタニア８が突出す
ることはない。これにより、第２のチタニア８．第２及
び第３の平板状１８縁基板９，１１における歪の発生を
防止することができ、かつ、積層時に第２の平板状絶縁
基板９と第３の平板状絶縁基板１１との固に間隙が生ｆ
ることもない。史に第２のチタニア８は収納凹ＦＡＩＯ
の内壁面と広く接している。このように接触面積が広く
なることにより焼成後筒２のチタニア８は収納凹部１０
に強く保持されるため、第２のチタニア８の剥れを防止
することができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面と共に説明する。第３
図は本発明の一実施例である製造方法により製造される
酸素センサ（０２センサ）７０分解！ｌ視図である。同
図に示される０２センサ７は、大略するｔ４枚のセラミ
ックグリーンシートよりなる平板状絶縁基板９．１１．
１２．１３　（以下、単に絶縁基板という）により構成
されている。以下、各基板の構成及びその製造方法につ
いて述べる。尚、同図に示す状態は、まだ焼成工程を経
ていない状態である。

第１の絶縁基板１２・はその上面に電極１４ａ。

１４ｂと第１のチタニア１５が設けられている。

ＩＪｉｌ　４ａ　、１４ｂは白金（Ｐｔ）を極であり、
夫々第１のチタニア１５と電気的に接続されるものであ
り、また第１のチタニア１５はｍ県検出素子となるもの
である。電極１４ａ、１４ｂ及び第１のチタニア１５を
第１の絶縁基板１２上に形成するには、先ず電極１４ａ
、１４ｂをスクリーン印刷等を用いて印刷形成し、続い
て同じくスクリーン印晒等を用い゛（第１のチタニア１
５を印刷形成する。この時、第１のチタニア１５は既に
配設されている＠極１４ａ、１４ｂの上部に一部重畳す
るように配設される。よって後述する焼成後、各電極１
４ａ、１４ｂと第１のチタニア１５は電気的に接続され
、電極１４ａ、１４ｂから酸素検出信号が取り出される
。

第２の絶縁基板９は本発明の特徴となる基板である。こ
の第２の絶縁基板９には収納ｌ！１部１０が形成されて
おり、この収納凹部１ｏには温度補償用サーミスタ素子
となる第２のチタニア８が収納されている。

まず、収納四部１０の形成方法について述べる。

第２の絶縁基板９は第４図に示すように２枚の基板半体
１６ａ、１６ｂを積層し、仮焼成したものである。基板
半体１６ａには矩形の貫通孔１７が形成されており、ま
た他方の基板半休１６ｂは平板形状εされている。よっ
て両基板半体１６ａ。

１６ｂを積層し仮焼成して接合し第２の絶Ｒ基板９を形
成することにより、収納凹部１０が形成される。この収
納凹部１０の形成位置は、前記した第１の絶縁基板１２
に配設される第１のチタニア１５の配設位置と対向する
位置に選定されている。

第２のチタニア８は、この基板上面９ａより凹んだ収納
凹部１０内に塗布される。この第２のチタニア８の塗布
作業は、予め形成されている収納凹部１０内にチタニア
８を塗布するだけの作業であり、従来のように平板状の
基板上に配設するのと異なりチタニアの配設位置に注意
を払う必要がなくなるため作業が容易となり、かつ配設
位置に位置ずれが生ずることもなくなる。

また、第２のチタニア８は基板上面９ａより凹んだ収納
凹部１０内に配設されるため、配設後筒２のチタニア８
が基板上面９ａより突出するようなことＧ、ｔなく、ま
た収納凹部１０より第２のチタニア８がはみ出すことも
ない。

更に第２のチタニア８と収納凹部１０との接触面積に注
目すると、配設状態において第２のチタニア８は、収納
凹部１０の上部開口を除く内壁５面の全てと接触してい
る。従って焼成後、第２のチタニア８は接触する収納口
ｔＳ１０の内壁５面金てと結合するため、第２のチタニ
ア８は収納凹部１０に強固に保持される。これにより焼
成後チタニア８が収納凹部１０からｉｕａすることはな
くなり、０２センサ７としての信頼性を向上させること
ができる。

第３の絶縁基板１１は、第１のＩ８縁Ｍ板１２と第２の
絶縁基板９の間に配設される基板である。

Ｍ３の絶縁基板１１の第１の絶縁基板１２と対向する面
には白金等で構成されたヒータ１８が設けられており、
また第２の絶縁基板９と対向する面には電極１９ａ、１
９ｂが設けられている。このヒータ１８及び電極１９ａ
、１９ｂは共にスクリーン印朝等により印刷形成される
。またヒータ１８は第１のチタニア１５及び第２のチタ
ニア８と対向する部分においては対向面積が広くなるよ
うパターン形状が選定されている。更に電極１９ａ。

１９ｂ＆ｉ第２のチタニア８と対向する位置まで延出す
るよう形成されており、従って第２のＭＡＲ基板９上に
第３の絶縁基板１１を積層した状態で、電極１９ａ、１
９ｂＬｔ第２のチタニア８と接触し電気的に接続される
よう構成されている。また、第３の絶縁基板１１の厚さ
寸法Ｈ＋は、第１の絶縁基板１１の厚さ寸法Ｈ２と略等
しくなるよう構成されている（Ｈ＋　＝Ｈｚ　）。

第４の絶縁基板１３には特に構造物は配設されていない
が、その長手方向の長さが他の絶縁基板９．１１．１２
に比べて短くなっている。これにより、第１の絶縁基板
１２上に第４の絶縁基板１２を積層した時、第１のチタ
ニア１５は外部に対し露出するよう構成されている。

尚、上記してきた各絶縁基板９．１１．１２゜１３の製
遁順序は、どれを最初に製造しなければならないという
ものではなく、どの絶縁基板から製造し始めても良く、
更には各絶縁基板９．１１゜１２．１３を平行処理によ
り同時に製造しても良い。また各絶縁基板９．１１，１
２．１３は平板状であるためその製造は容易である。

各絶縁基板９．１１．１２．１３が製造されると、続い
て各絶縁基板９，１１．１２．１３を第３図に示す順に
重ね合わせて積怨する。各絶縁基板９．１１．１２．１
３を＠居した際、特に第２及び第３の絶縁基板９，１１
に着目すると、第２のチタニア８Ｌｔ前記のように第２
の絶縁基板９に形成された収納（！１部１０内に配設さ
れているため基板上面９ａ上に突出していない。このた
め第３の絶縁基板１１を第２の絶縁基板９上に積怨して
も第２のチタニア８及び各絶縁基板９，１１に歪が発生
することはない。従って焼成時、また焼成後に何らかの
衝撃が印加されたような場合においても第２のチタニア
８及び各絶縁基板９．１１に割れが発生ずることはなく
、０２センサ７としての信頼性を向上させることができ
る。

また同ｌ！な理由により、積層した際、各絶縁基板９，
１１は密着して積層され両基板９，１０情に１！！隙は
生じない。よって焼成後にサーミスタ素子（焼成された
第２のチタニア８を以下こう呼ぶ）と外部とを連通する
ｎ！ａが形成されることはなく、サーミスタ素Ｆは外部
と確実に隔離される。これによりサーミスタ素子が排気
ガスにより影響を受けることはなくなり、正確な酸素濃
度の検出を行なうこｔができる。

積層された各絶縁基板９．１１，１２．１３は電気炉内
で加圧されつつ加熱され、各絶縁基板９゜１１．１２．
１３は焼結して一体化しセラミック基材２０が形成され
る。続いて焼成された第１のチタニア１５に触ｉｎ金或
は白金とＤジウムの混合体等）を溶ｉｆ！滴下等により
担持させて酸素センサー素子２１を形成する。かくして
０２センサアは完成する。

尚、電極１４ａ、１９ｂｌＪ：第１及び第３の絶縁基板
１１，１２に形成された小孔２２．２３に予め白金ペー
ストを配設しておくことにより焼成後電気的に接続され
る。また、各電極１４ａ、１４ｈ。

１９ａ、１９ｂ及びヒータ１８の各端部には図示されな
いｌ！ａ子ビンが接続され、この端子ビンにより各電極
１４ａ、１４ｂ、１９ａ、１９ｂ及びヒータ１８は０２
センサ７の外部に引き出されている。

第５図及び第６図は上記の製造方法によりＶ：造された
０２センサ７を示している。ここで、ヒータ１８に対す
るサーミスタ素子８及び酸素センサ素Ｆ２１の配設位ａ
ｒｍ係について注目し、以下説明する。各図に示される
ようにヒータ１８は各索子８，２１の間に介装されてお
り、また第３図を用いて説明したように第１の絶縁基板
１２の厚さ寸法Ｈｌは第３の絶縁基板１１の厚さ寸法Ｈ
２と轄等しくされている。ヒータ１８からサーミスタ素
子８までの距離は第３の絶縁基板１１の厚さ寸法Ｈ＋に
該当し、ヒータ１８から酸素センサ２１までの距離は第
１の絶縁基板１２の厚さ寸法Ｈ２に該当するため、よっ
てヒータ１８から各素子８゜２１までの距離は略同じ距
離となる。

この構成とすることによりヒータ１８の発する熱は各素
子８．２１に略等しくＥｌｌ加され、これにより各素子
８，２１を常に同一温度にて作動させることができる。

これにより、温度差による抵抗変化分を考慮しなくて済
むため酸素センザ素子２１のリッヂ抵抗（酸素濃度が薄
い時の電気抵抗値）とリーンを抗（酸素２１度が濃い時
の電気抵抗値）の中間値に容易にサーミスタ素子８の抵
抗艙を設定することができる。サーミスタ素子８の抵抗
値は基準抵抗値となるものであり、この基準抵抗値を適
当な値に容易に設定できることによりセン勺特性を向上
させるごとができる。

また、ヒータ１８から各素子８．２１までの距離は第１
及び第２の絶縁基板１１．１２の厚さ寸法を変更するこ
とにより容易に設定することができる。よって、各絶縁
基板１１．１２の厚さ寸法を調整することによりヒータ
１８の熱が各素子８゜２１に印加される度合いを調整す
ることが可能となり、これによってもサーミスタ素子８
の抵抗値を調整することができる。

更に、チタニアよりなるサーミスタ素子８及びｓｌ索セ
ンサー素子２１では、主な作動部位Ｌｉ電極の近傍部分
であることが知られている。よフて、ヒータ１８により
熱すべき部分も電極の近傍部分である。本実施例で示し
た。２センザ７は第６図に示されるように、各素子８，
２１にｄ５いて電極１４ａ　、１４ｂ　、１９ａ　、１
９ｂ　Ｇ；ｉｔ：一夕１８に近い位置に配設されている
ため、ヒータ１８の熱を各素子８．２１の作動に直接寄
与する位置に有効に付与することができる。

尚、上記実施例では酸素センサー素子２１を形成するの
に、第１のチタニア１５を焼成した後これ（触媒を溶液
滴下することにより形成したが、これに限るものではな
く、予め触媒を混入したチタニアを第１のチタニアとし
て配設する構成としてもよい。

また本実施例では、第２のチタニア８に接続される電極
１９ａ、１９ｂを第３の絶縁基板１１の裏面に形成し、
第２の絶縁基板９と第３の絶縁基板１１を！ａ層する時
各電極１９ａ、１９ｂと第２のチタニア８が接続される
構成としたが、これに限るものではない。例えば第７図
に示すように、第２の絶縁基板９を形成する際、予め基
板半体１６ｂに電極２２ａ、２２ｂを形成しておき、こ
の電極２２ａ　、２２ｂと対向する位置に貫通孔１７を
形成してなる基板半体１６ａと上記基板半体１６ｂを仮
焼結した構成の第２の絶縁基板９に第２のチタニア８を
塗布する構成としてもよい。

この構成どすることにより、各電極２２ａ。

２２ｂと第２のチタニア８の電気的接続をより確実に行
なうことができる。

更に本実施例では収納凹部１０の形状としで矩形で所定
深さを有する凹部としたが、これに限るものではなく、
第８図に示すように円形状の収納［！１部２３ｔして接
触面を広く取る構成としてもよく、また第９図に示すよ
うに深さ方向にテーバを設けた収納１′！！１部２４と
しても良い。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、第２のチタニアは収納凹
部内に収納され第２の絶縁基板上に突出しないため、第
３の絶縁基板をｗ１腑しても第２のチタニア及び各絶縁
基板に歪が発生することｔまなく、焼ＩＲｖｊ及び焼成
後に歪に起因してサーミスタ素子やセラミック球材に割
れが発生づ−ることｔよな（なり０２センサの信頼性を
向上することができると共に、第２のチタニアは収納凹
部と広い面積で接触するため焼成後における収納凹部が
サーミスタ素Ｆを保持する力は大きくサーミスタ素子の
剥離の発生を防止することができ、更にはセラミック基
材に連層が発生することもなくなるためサーミスタ素子
を排気ガスより完全に隔離することができるため、サー
ミスタ素子が排気ガスにより影響を受けることはなく精
度の高い酸素濃度測定を行なうことができる等の特長を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴となる第２のチタニアの配設方法
を説明するための斜視図、第２図は第１図に３−３ける
■−■線に沿う断面図、第３図は本発明の一実施例であ
る製造方法を用いて製造される０２センサの分解斜？Ｒ
図、第４図は第２の絶縁基板の製造方法を説明するため
の分解斜視図、第５図は完成した０２センサの縦断面図
、第６図は第５図における■−■線に沿う断面図、第７
図は第２のチタニアと接続される電極を予定形成した第
２の絶縁基板を示す分解斜視図、第８図及び第９図は収
納凹部の変形例を説明するための図、第１０図乃至第１
２図は従来の０２センサの製造方法及びその欠点を説明
するための図である。 ７・・・０２センサ、８・・・第２のチタニア（サーミ
スタ素子）、９・・・第２の平板状絶縁基板、１０゜２
３．２４−・・収納凹部、１１　・・・第３の平板状絶
縁基板、１２・・−第１の平板状絶縁基板、１５・・・
第１のチタニア、１６ａ、１６ｂ・・・基板半休、１８
・・・ヒータ、２０・・・セラミック基材、２１−・・
酸素センサ素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の平板状絶縁基板に酸素検出素子となる第１のチタ
   ニアを配設すると共に、第２の平板状絶縁基板上に温度
   補償用サーミスタ素子となる第２のチタニアを配設し、 該第２のチタニアを覆うよう該第２の平板状絶縁基板上
   に第３の平板状絶縁基板を積層しつつ、少なくとも該第
   １乃至第３の平板状絶縁基板を含む複数の平板状絶縁基
   板を積層し、これを焼成して酸素センサーを形成する酸
   素センサーの製造方法において、 該第２の平板状絶縁基板に該第２のチタニアを収納する
   収納凹部を形成し、該収納凹部に該第２のチタニアを配
   設収納した後、該第３の平板状絶縁基板を該第２の平板
   状絶縁基板に積層することを特徴とする酸素センサの製
   造方法。