JPH0367161A - 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製造方法に係り、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
サの製造方法に閏する。

〔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ＩＩＪｔｉｌ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センザからの検出信ｇ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センザには種
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（Ｔｉ０ｚ）センサが知られている。チタニアを
用いた０２セン勺は、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１１１度を検出するものである。ま
た、チタニアｑ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、このため例えば実開昭
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Ｏｚセンサー
の￥Ｊ造方法としては、特ｒＦｊＡ昭５８−９２９４６
号公報、特開昭５８−１９５１４６号公報、実開昭６２
−１１４３５５ｇ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Ｉｌｌ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
＠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
いよう構成する必要がある。

このため温度補償用サーミスタ素子はセラミック基材内
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、第１０図に示されるように、
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３に凹部５４を形成してお
き、各セラミックグリーンシート１．３を積層した際、
チタニア２が凹部４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る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、第１０図を用いて説明した製造方法では、セ
ラミックグリーンシート３に形成された凹部４の配役位
置に対応するようチタニア２を精度良く位置決めしてセ
ラミックグリーンシート１上に配設する必要がある。仮
に第１１図に示すように位ｆｉｆれが生じた場合には、
チタニア２は凹部４よりはみ出し、各シート１．３の平
面部分間に介在することになる。よって、これを加圧焼
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。

また、チタニア２の配設邑に対し凹部４の容積が大きい
場合には、第１２図に示すようにチタニア２ど凹部４と
の間に隙間が生じてしまいよってチタニア２は凹部４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（図中矢印りで示す部分）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
、サーミスタ素子が剥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割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、本発明になる酸素センサー
の製造方法では、 内壁に電極を設けると共に、中心部に形成された空間を
画成部により画成して第１及び第２の素子収納室を設け
た円筒状絶Ｒ基材を形成し、上記第１の素子収納室に酸
素センサ素子となる第１のチタニアを配設し、 上記第２の素子収納室に湿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た後、第１及び第２のチタニ
アが配設された円筒状絶縁基材を焼成して酸素センサを
形成する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閃に示すように、第１のチ
タニア７及び第２のチタニア８は円筒状絶縁基材９に形
成された有底円筒形状の第１及び第２の素子収納室１０
．１１内に配設収納されるため、平板状のセラミックグ
リーンシートを積層する平板状０２センサと異なり各チ
タニア７．８は他の構成部材により押圧されることはな
い。よって、各チタニア７．８及び円筒状絶縁基材９に
歪が発生することはなく、焼成時及び焼成後にチタニ７
７，８、円筒状絶縁基材９に歪に起因した割れは発生せ
ず、酸素センサ１２の信頼性を向上させることができる
。

更に、第１のチタニア７は第１の素子収納室１０の内壁
と、また第２のチタニア８は第２の素子収納室１１の内
壁と広い面積において接触している。このように各チタ
ニア７．８と各素子収納室ｉｏ、ｉｉの接触面積が広く
なることにより、第２図に示す焼成後において、酸素セ
ンサ素子１３（第１のチタニア７は焼成されることによ
り酸素センリ素子となる）と素子収納室１ｏの結合力、
及びサーミスタ素子１４（第２のチタニア８は焼成され
ることによりサーミスタ素子となる）と素子収納室１１
の結合力は大となる。よって酸素センサ素子１３及びサ
ーミスタ素子１４は素子収納室１０．１１に強く保持さ
れ、各素子収納室１０．１１から離脱するようなことは
ない。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例である酸素センサ（０２セン＋ｊ
′）の製造方法について図面と共に説明する。

第３図に示す、１５は平板状セラミックグリーンシート
であり、後に円筒状絶縁基材９の胴部分どなるものであ
る。このセラミックグリーンシート１５上には、先ずス
クリーン印刷等により３木の電極１６〜１８（例えば白
金よりなる）が設けられる。この３本の電極１６〜１８
の内、左右の電極１６．１８はセラミックグリーンシー
ト１５の縁部１５ａ近傍まで延出するよう形成されてｄ
５す、また中央の電極１７は電！４ｉ１６．１８より短
く形成されている。

各電極１６〜１８が形成されたセラミックグリーンシー
ト１５上には、続いて第４図に示すように画成部材１９
及びマスキングシート２０を配設する。画成部材１９及
びマスキングシート２０は共にセラミックグリーンシー
ト１５と同じ材質の部材であり、画成部材１９は円柱形
状を、またマスキングシート２０は平板形状とされてい
る。この画成部材１９は後述するようにセラミックグリ
ーンシート２０を円筒状に巻回した際、中心部分に形成
される空間をふたつの部屋に画成するものである。また
マスキングシート２０は電極１６の上部に配設され、電
極１６の一部分を残しこれを被覆するものである。

画成部材１９及びマスキングシート２ｏが設けられたセ
ラミックグリーンシート１５は、第５図にホすように巻
回され円筒形状に成形される。この際、正確かつ容易に
円筒形状とするため心棒を用い、この心棒を中心にマス
キングシート２ｏを巻回６で円筒形状とした後、心棒を
引き抜く方法を用いても良い。

第６図は上記のようにセラミックグリーンシート１５を
巻回することにより形成された円筒状絶縁基材９の断面
を示している。セラミックグリーンシート１５を円筒状
に巻回することにより円筒状絶縁基材９の中心部分には
空ｉｎが形成されるが、この空間は画成部材１９により
画成され円筒状絶縁基材９内には有底筒状のふたつの素
子収納室１０．１１が形成される。

図中、下方に位置する第１の素子収納室１ｏは、後に酸
素センサ素子１３が形成される部屋であり、この第１の
素子収納室１ｏには電極１６．１８が露出状態で延在し
ている。また、画成部材１９の上部に位置する第２の素
子収納室１１は、後にサーミスタ素子１４が形成される
部屋であり、この第２の素子収納室１１にｔｉｔ電極１
７．１８が露出状態で延在している。しかるに電極１６
は７スｔングシート２０により被覆されているため、第
２の素子収納室１１には露出していない。

上記の如く形成された円筒絶縁基材９は、電気炉内で約
１５００℃程度で焼成される。この際、焼成される円筒
絶縁基材９の粒形が小さく緻密となるようにすることが
重要である。これは、例えば焼成温度を高くすることに
より実現でき、よって本実施例では比較的高い焼成温度
にて焼成している。

円筒状絶縁基材９の粒形が小さくなることにより、０２
センサ１２を排気管中に配設した時、排気ガスが円筒状
絶縁部材９を透過することはなく、排気ガスにより後述
するサーミスタ素子１４が影響を受けることはない。こ
れにより酸素濃度の検出精度を向上させることができる
。

尚、円筒絶縁部材９が焼成されることにより、セラミッ
クグリーンシート１５９画成部材１９゜マスキングシー
１−２０は焼結一体化し、画成部１ｇａ、ｖスキング部
２０ａが形成される。

続いて焼成された円筒状紙ＲＭ材９には、第７図に示す
ように第１のチタニア７が配設される。

この第１のチタニア７は、後に酸素センサ素子１３とな
るものであり、第１の素子収納室１０内に配設される。

前記したように第１の素子収納室１０には電極１６．１
８が露出状態で設けられており、よって第１のチタニア
７は各＠極１６゜１８と電気的に接続される。

第１のチタニア７が配設されると、次に第１図に示すよ
うに第２のチタニア８が配設される。この第２のチタニ
ア８は、後にサーミスタ素子１４となるものであり、第
２の素子収納室１１内に配設される。第２の素子収納室
１１には電極１７゜１８が露出状態で設けられており、
よって第２のチタニア８は各電極１７．１８と電気的に
接続され、る。

ここで各チタニア７．８の円筒状絶縁基材９への配設状
態に注目すると、各チタニア７．８は共に有底筒形状の
第１及び第２の素子収納室１０゜１１内に例えば塗布さ
れることにより配設されている。従って平板状の０２セ
ンサと異なり、各チタニア７．８は配設状態において他
の構成部材により押圧されるようなことはなく、チタニ
ア７゜８及び円筒状絶縁基材９に歪が発生することはな
い。また、各チタニア７．８は第１及び第２の素子収納
室１０．１１内に収納された状態となっているため、各
素子収納室１０．１１の内壁と広い面積において接触し
ている。

第１及び第２のチタニ７７，８が配設された円筒状絶縁
基材９は、続いて電気炉にて１１００℃程度で焼成され
る。これにより第１及び第２のチタニア７．８も焼成さ
れ第１及び第２の素子収納室１ｏ、ｉｉの内壁に焼結し
、また１′！２のチタニア８は焼成されることにより温
度補償用勺−ミスタ素Ｆ１４となる。更に焼成された第
１のチタニア７には触媒（白金或は白金とＤジウムの混
合体等）が溶液滴下等により担持され酸素セン勺素子１
３が形成される。かくして第２図に示す０２センサ１２
が形成される。

同図に示ず０２ｔ？ンサ１２は、前記のように歪を有し
ていない各チタニア７．８及び円筒状絶縁基材９を焼成
したものであり、焼成時にｔに起因ｊノだ割れが発生ず
るようなことはない。また、焼成後においても、Ｍ素セ
ン勺素子１３．サーミスタ素子１４２円筒状絶縁基材９
に歪は残留しておらず、よって何らかの衝撃の印加があ
ったような場合にも、各素子１３．１４及び円筒状絶縁
基材９に割れが発生４るようなことはなく、０２センサ
１２の信頼性を向上させることができる。

また、前記したように第１及び第２のチタニア７．８は
第１及び第２の素子収納室１０．１１の内壁と広い面積
において接触している。よって焼成後における酸素セン
サ素子１３と第１の素子収納室１０との結合力及びサー
ミスタ素子１４と第２の素子収納室１１との結合力は共
に大きく、よって各素子１３．１４が各素子収納室１０
．１１より離脱してしまうようなことはなく、これにょ
９ても０２センサ１２の信頼性を向上させることができ
る。また、サーミスタ素子１４は円筒状絶縁基材９に設
けられた画成部１９ａにより外界に対し完全に画成され
ているＩこめ、排気ガスが第２の素子収納室１１内に侵
入することはない。よってサーミスタ素子１４が排気ガ
スにより影響を受けることはなく、高Ｍ度の酸素濃度検
出を行なうことができる。

また、円筒形状を有したＯＺセンサ１２では、酸素濃度
の検出位置が下端部に設置Ｊられている。

よって、平板状の０２センサと異なり検出における方向
性を有しないため排出管への取付けを容易に行なうこと
ができる。更に電極１８は酸素センサ゛素子１３のリー
ド線とサーミスタ素子１４のリード線を兼ねているため
、電極の総数は３本で足り、電極数の低減を図っている
。尚、第８図は０２センサ１２の回路図を示している。

第９図は第２図に示すＯｚｔ？ンサ１２の変形例である
０２センサ２１を示している。尚、同図において第２図
に示した構成と同−構成賃素については同一符号を付す
。

同図に示す０２センサ２１は、ヒータ２２を設けたこと
を特徴とするものである。このヒータ２２を形成する方
法どしては、第３図に示した電極１６〜１８の形成工程
の前工程として、２枚のセラミックグリーンシート半休
を用意し、その内一方のセラミックグリーンシート半休
に白金等によりヒータ２２をスクリーン印刷等を用いて
配設し、続いてヒータ２２が形成されたセラミックグリ
ーンシート半体上に他方のセラミックグリーンシート半
休を積層した上で、上記した第３図以後の工程を行なえ
ば良い。

周知のようにチタ二７（ＴｉＯｚ）よりなる検出素子は
、温度変化によっても大きくその電気抵抗値が変化する
ことが知られている。よってヒータ２２を設は比較的特
性の安定した高温下で酸素センサ素子１３及びサーミス
タ素子１４を作動させることにより正確で安定した！！
素素度度検出行なうことが可能となる。

尚、上記実施例では酸素センサー素子１３を形成するの
に、第１のチタニア７を焼成した後これに触媒を溶液滴
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。

また上記実施例では第２の素子収納室１１に単にサーミ
スタ素子１４のみが配設される構成としたが、第１図に
おいて第２の素子収納室１１に第２のチタニア８を配設
した後、更に第２のチタニア８の上部に充填材〈例えば
セラミック粒等）を入れ、この充填材と共に焼成を行な
うことによりサーミスタ素子１４を第２の素子収納室１
１内に埋設する構成としても良い。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、第２のチタニア虹第２の
素ｆ収納室内に配設されるため他の構成部材に押圧され
ることはなく、よって円筒状絶縁基材及び第２のチタニ
アに歪が発生することはなく、焼成時及び焼成後に歪に
起因してサーミスタ素子や円筒状絶縁基材に割れが発生
することはなくなり０２センザの信頼性を向上すること
ができると共に、第２のチタニアは第２の素子収納室と
広い面積で接触するため焼結による第２の素子収納室が
サーミスタ素子を保持する力は大きく、サーミスタ素子
の離脱を確実に防止することができ、更にサーミスタ素
子は画成部により外界に対し完全に隔ｔ１されでいるた
め、排気ガスがサーミスタ素−ｆに影響を与えるような
ことはなく精度の高い酸素濃度検出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図乃至第７図は本発明の一実施例である０クセンサ
の製造方法を順を追って説明するための図、第８図は０
２センサの回路図、第９図は第２図に示す０２センサの
変形例を示す断面図、第１０図乃至第１２図は従来の０
２センサの製造方法及びその問題点を説明するための図
である。 ７・・・第１のチタニア、８・・・第２のチタニア、９
・・・円筒状絶縁基材、１０・・・第１の素子収納室、
１１・・・第２の素子収納室、１２．２１・・・酸素セ
ンサ（Ｏｚセンサ）、１３・・・酸素センサ素子、１４
・・・サーミスタ素子、１６〜１８・・・電極、１９・
・・画成部材、１９ａ・・・画成部、２０・・−マスキ
ングシート、２０ａ・・・マストング部、２２・・・ヒ
ータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内壁に電極を設けると共に、中心部に形成された空間を
   画成部により画成して第１及び第２の素子収納室を設け
   た円筒状絶縁基材を形成し、該第１の素子収納室に酸素
   センサ素子となる第１のチタニアを配設し、 該第２の素子収納室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た後、 該第１及び第２のチタニアが配設された該円筒状絶縁基
   材を焼成して酸素センサを形成することを特徴とする酸
   素センサの製造方法。