JPH06347441A

JPH06347441A - 酸素センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06347441A
Application number: JP5164262A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 克明中村; Naoji Yadori; 尚次宿利; Atsunari Ishibashi; 功成石橋; Yoshinori Kato; 嘉則加藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1994-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、固体電解質としてジルコニアなど
を用いた酸素センサを提供することを目的とするもので
ある。【構成】本発明は、片面に導通部１１が形成されたセ
ンサチップ１０と、当該センサチップ１０の前記導通部
１１と接合されるパターン導通路２１が片面に形成され
た多孔質のベースプレート２０とからなる酸素センサで
あって、ベースプレート２０に多孔質のものを用いてあ
るため、当該ベースプレート２０の膨張係数が見掛け上
増加して、センサチップ２０の主素材のそれと近似する
ようになるので、経時的に良好な熱安定性が確保され
る。また、この多孔質化によりベースプレート２０の熱
伝導性が小さくなり、ヒータ放熱性が低下するため、消
費電力の低減が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質としてジル
コニアなどを用いた酸素センサ及びその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、固体電解質としてジルコニア
などを用いた酸素センサとして、種々の構造のものが提
案され、その一つに、センサチップをパターン導通路が
形成されたベースプレートに一体的に接合させて、当該
パターン導通路の接続部とセンサチップの導通部とを電
気的かつ物理的に接続し、取り扱い性の便宜を図ったも
のがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ことろが、従来の上記
構造の酸素センサの場合、センサチップ側とベースプレ
ート側との膨張係数などの特性が上手く適合しないた
め、熱的安定性が悪くなったり、あるいはベースプレー
ト側の熱伝導性が良すぎて、加熱用ヒータ部分からの放
熱性が大きくなって、消費電力が大きくなるなどの問題
があった。かといって、上記条件を満たす特殊な材質の
ベースプレートを用いた場合、プレート自体の材料コス
トや製造コストが嵩むなどの問題があった。

【０００４】本発明は、このような従来の実情に鑑みて
なされたもので、センサチップが接合されるベースプレ
ートに多孔質のものを用いて、上記従来の問題点を解消
した酸素センサ及びその製造方法を提供せんとするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かゝる本発明の一つは、
片面に導通部が形成されたセンサチップと、当該センサ
チップの前記導通部と接合されるパターン導通路が片面
に形成された多孔質のベースプレートとからなることを
特徴とする酸素センサにある。

【０００６】本発明のもう一つは、片面にパターン導通
路が形成された多孔質のベースプレートの前記パターン
導通路の接続部の所定部分に接続用ペーストを被覆し、
しかる後、同じく片面に導通部が形成されたセンサチッ
プを、当該導通部が前記パターン導通路接続部の所定の
部分と当接するようにして、前記ベースプレートに載
せ、この状態で焼成することにより、前記ベースプレー
ト及びセンサチップを一体接合することを特徴とする酸
素センサの製造方法にある。

【０００７】

【作用】上記本発明の酸素センサでは、ベースプレート
に多孔質のものを用いてあるため、当該ベースプレート
の膨張係数が見掛け上増加して、センサチップの主素材
であるジルコニアの値に近似するようになるので、ベー
スプレートとセンサチップとの整合性が改善され、経時
的に良好な熱安定性が確保される。また、上記多孔質化
によりベースプレートの熱伝導性が低下するため、ヒー
タ放熱性が小さくなり、消費電力が低減される。

【０００８】上記酸素センサの製造方法では、やはりベ
ースプレートの多孔質化により、上述のように、ベース
プレートの膨張係数が見掛け上センサチップ主素材のジ
ルコニアの値に近似するようになるため、焼成による一
体接合時において、大きなストレスの発生がなく、安定
して接合された酸素センサが得られる。

【０００９】図１〜図２は、本発明に係る酸素センサの
一実施例を示したものである。この酸素センサＣにおい
て、１０は片面に電極などの導通部１１が形成された小
片のセンサチップ、２０は当該センサチップ１０の導通
部１１と接合されるパターン導通路２１が片面に形成さ
れた多孔質のベースプレートである。

【００１０】上記センサチップ１０の構造は、固体電解
質としてジルコニアなどを用い、片面に導通部１１が形
成されている構造であれば、特に限定されないが、本セ
ンサチップ１０の場合、ジルコニアまたは当該ジルコニ
アと近似した膨張特性などを有する素材からなるケース
体１２、ジルコニアの板固体電解質板１３、ガス拡散孔
１４、各電極１５，１６を有してなる。

【００１１】上記多孔質のベースプレート２０のパター
ン導通路２１としては、本例の場合、２本の上記センサ
チップ１０の電極用のパターン導通路２１１，２１２
と、ヒータ電極用のパターン導通路２１３，２１４とが
形成され、丁度上記センサチップ１０の導通部１１側が
載置される部分の先端には、それぞれの接続部２１１ａ
〜２１４ａが設けてある。そして、さらに、ヒータ電極
用のパターン導通路接続部２１３ａ，２１４ａ間には、
印刷法などにより形成された加熱用ヒータ２２が設けて
ある。なお、このような加熱用ヒータ２２は、必要によ
り上記センサチップ１０側に設けたり、あるいは両方に
設けたりすることも可能である。

【００１２】また、この多孔質のベースプレート２０の
素材としては、例えば汎用絶縁性セラミックとして良く
用いられる、アルミナ板やステアタイト板などの多孔質
体が挙げられる。ここで、多孔質とは、微細な孔のある
ポーラス構造のことをいい、このポーラス構造は、通
常、アルミナやステアタイトの材料に有機バインダなど
の加熱時に分解揮散する材料を添加してプレスした後、
焼成すれば、当該焼成時の加熱によって上記分解揮散材
料が除去されるため、簡単に得られる。そして、そのポ
ーラス度も、添加する分解揮散材料の量によって調整で
きる。本発明では、後述するように、多孔質化後のアル
ミナ板やステアタイト板の膨張係数がジルコニア板のそ
れと近似する値となるように調整すればよい。

【００１３】通常、アルミナの線膨張係数は７０×１０
^-7／℃程度、ステアタイトの線膨張係数は７３〜７６×
１０^-7／℃程度であるのに対して、ジルコニアのそれは
９０〜１００×１０^-7／℃程度で、両者の間にはかなり
の差があるものの、上記したポーラス構造とすると、見
掛け上アルミナでは９０×１０^-7／℃程度となり、ま
た、ステアタイトでは９３×１０^-7／℃程度となるた
め、見掛け上の膨張係数は、ジルコニアにかなり近似し
たものとなる。

【００１４】そして、本酸素センサの製造時には、この
ようにしてなる多孔質のベースプレート２０上の上記パ
ターン導通路接続部２１１ａ〜２１４ａの所定の部分に
接続用ペースト（例えばＰｔペーストなど）を印刷法な
どにより盛り込んで被覆し、この上に、上記センサチッ
プ１０を載せ、その導通部１１をそれぞれの対応するパ
ターン導通路接続部２１１ａ〜２１４ａに当接させた
後、焼成する。この焼成により、センサチップ１０の導
通部１１とベースプレート２０のパターン導通路接続部
２１１ａ〜２１４ａとは一体接合され、本発明の目的と
する酸素センサＣが得られる。

【００１５】この焼成の際には、約１０００℃（約１０
分間）にも加熱されるため、センサチップ１０及びベー
スプレート２０の各素材には、焼成前の常温（２５℃）
〜焼成時の１０００℃〜焼成後の常温（２５℃）という
ように、強烈な熱ストレスが掛かるわけであるが、上記
のように多孔質のアルミナやステアタイトなどの熱膨張
特性がジルコニアのそれとほぼ近似させてあるため、両
接合素材間の整合性がよくなり、いずれか一方の素材に
大きなストレスが残留することもなく、極めて良好な接
合状態が得られる。

【００１６】また、このようにして得られた本酸素セン
サは、その使用時、付設の加熱用ヒータ２２によって、
約４００℃程度まで加熱されるため、使用の都度、使用
前の常温（２５℃）〜センサ作動時の４００℃〜使用後
の常温（２５℃）というような熱的サイクルによるスト
レスがやはり掛かるが、この場合にあっても、上記のよ
うな両接合素材間の熱膨張特性の整合性により、極めて
安定した作動性能が得られる。

【００１７】さらにまた、本発明の酸素センサの場合、
ベースプレート２０の多孔質化により、熱伝導性が小さ
くなるため、加熱用ヒータ２２部分からの放熱性も小さ
くなって、消費電力の大幅な低減が可能となった。つま
り、従来の多孔質でない通常のアルミナやステアタイト
からなるベースプレートと、上記センサチップ１０と全
く同一構造のセンサチップを接合した酸素センサを比較
すると、従来のものの消費電力が１〜１．５Ｗであった
のに対して、多孔質のアルミナやステアタイトのベース
プレート２０を用いた酸素センサでは、その消費電力が
０．５〜１．０Ｗであった。この結果を、例えば単一の
乾電池が６個からなる電源での連続使用時間で比較する
と、従来の酸素センサでは２時間程度であったものが、
本発明の酸素センサでは連続使用時間が５倍程度も伸び
て、約１０時間であった。

【００１８】因みに、本発明の酸素センサにより得られ
た限界電流値特性曲線３０を示すと、図３の如くで、極
めて明瞭な特性曲線が示されていることが分かる。

【００１９】なお、上記実施例では、固体電解質がジル
コニアである酸素センサＣであったが、本発明は、これ
に限定されない。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る酸素センサは、ベースプレートに多孔質のものを
用いているため、当該ベースプレートの膨張係数が見掛
け上増大して、センサチップの主素材であるジルコニア
などの値に近似するようになるので、経時的にも良好な
熱安定性が確保される。また、この多孔質化によりベー
スプレートの熱伝導性が小さくなるため、ヒータ放熱性
も小さくなり、消費電力の大幅な低減が可能となる。さ
らに、使用するベースプレートを汎用絶縁性セラミック
として良く用いられる、アルミナ板やステアタイト板な
どの多孔質体を利用した場合、素材自体が安価で、か
つ、特別な加工などの必要もないことから、経済性に優
れたセンサを得ことができる。

【００２１】また、本発明に係る酸素センサの製造方法
によると、ベースプレートを多孔質化することにより、
上述のようにベースプレートの熱膨張係数が見掛け上セ
ンサチップ主素材のジルコニアなどの値に近似するよう
になるため、焼成などによる一体接合時において、大き
なストレスの発生もなく、安定して接合された酸素セン
サが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る酸素センサの一実施例を示した縦
断面図である。

【図２】図１の酸素センサにおけるセンサチップとベー
スプレートとの接合前の状態を示した部分縦断斜視図で
ある。

【図３】本発明に係る酸素センサにおける限界電流値特
性曲線を示したグラフである。

【符号の説明】

Ｃ酸素センサ１０センサチップ１１導通部２０ベースプレート２１パターン導通路２１１ａ〜２１４ａパターン導通路接続部２２加熱用ヒータ

フロントページの続き (72)発明者石橋功成東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者加藤嘉則東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】片面に導通部が形成されたセンサチップ
と、当該センサチップの前記導通部と接合されるパター
ン導通路が片面に形成された多孔質のベースプレートと
からなることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】片面にパターン導通路が形成された多孔
質のベースプレートの前記パターン導通路の接続部の所
定部分に接続用ペーストを被覆し、しかる後、同じく片
面に導通部が形成されたセンサチップを、当該導通部が
前記パターン導通路接続部の所定の部分と当接するよう
にして、前記ベースプレートに載せ、この状態で焼成す
ることにより、前記ベースプレート及びセンサチップを
一体接合することを特徴とする酸素センサの製造方法。