JPS6239701B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、酸素センサ等のガスセンサ用基板
として好適なガスセンサ用ヒータ内蔵基板の製造
方法に関する。

上記酸素センサは、流体中の酸素濃度を測定す
るのに使用され、たとえば、自動車用内燃機関の
排ガス中の酸素濃度を測定して空燃比制御を実現
しようとするのに使用され、その他各種燃焼機器
の燃焼制御や炉内雰囲気制御をおこなうのに使用
される。

このような酸素センサは、酸素濃度検知部をヒ
ータ内蔵の基板で支持されるものが多く、前記基
板を製造するに際しては、例えば第１図ａ〜ｆに
示す工程が採用されていた。すなわち、まず第１
図ａ，ｄに示すように、アルミナ等を主成分とす
るセラミツク生シートを適当な大きさ（たとえば
９×５×0.7mm）に切出した２枚の基板素材１
ａ，１ｂを準備し、一方の基板素材１ａ上に、白
金粉末を用いた導電体ペーストを用いて第１図ｂ
に示すパターンでスクリーン印刷し、乾燥して未
焼成状態のヒータ層３を積層する。次いで、第１
図ｃに示すように、前記ヒータ層３に形成した端
子部３ａ，３ｂを超えた位置まで白金等の直径
0.2mm、長さ10mmのリード線４ａ，４ｂを接続載
置する。また、他方の基板素材１ｂには、第１図
ｅに示すように、前記端子部３ａ，３ｂに対応し
た位置に貫通孔２ａ，２ｂを形成する。次いで、
前記一方の基板素材１ａ上に他方の基板素材１ｂ
を積層し、加熱圧着して第１図ｆに示すようなヒ
ータ内蔵基板１を製作するようにしていた。そし
て、この後酸素濃度検知部の製造工程に応じた段
階で焼成して構造基体としての強度を保持させる
ようにしていた。

しかしながら、このような従来のヒータ内蔵基
板の製造方法にあつては、リード線４ａ，４ｂを
接続する際に、貫通孔２ａ，２ｂを超えた深さで
載置し、第１図ｆに示すように、貫通孔２ａ，２
ｂを超えた部分２ｃ，２ｄと、貫通孔２ａ，２ｂ
と一辺との間の部分２ｅ，２ｆとの両方で各リー
ド線４ａ，４ｂを固定するようにしていたため、
第１図ｂに示すヒータ層３の端子部３ａ，３ｂ
が、前記両基板素材１ａ，１ｂの加熱圧着後に各
リード線４ａ，４ｂに押し込まれ、破損する不具
合が多発していた。この様子をさらに詳しく説明
する。

第２図は、加熱圧着された後の基板１の貫通孔
２ａ，２ｂ部分（貫通孔２ｂ部分は省略）の拡大
説明図であつて、基板１の貫通孔２ａ内に、印刷
されたヒータ層３の端子部３ａの一部と、リード
線４ａの一部とが表われる。また、基板１の内部
に埋設された部分は破線で示してあるが、リード
線４ａは貫通孔２ａを超えた位置まで入つて固定
されている。なお、貫通孔２ｂにおいても同様で
ある。

また、第３図は第２図のＡ−A′線断面図であ
つて、リード線４ａの先端部は貫通孔２ａを超え
て入つているため、ヒータ層３はリード線４ａの
先端部で極めて急激に折曲され、非常に薄い膜と
なつている。また、リード線４ａの先端部分でヒ
ータ層３が強い剪断力を受けやすい。

さらに、第４図は第２図のＢ−B′線断面図であ
つて、ヒータ層３の端子部３ａはリード線４ａの
載置されている部分で膜厚がかなり薄くなつてお
り、リード線４ａによつてヒータ層３が左右に押
しやられたような形になつている。このため、従
来の場合にはリード線４ａとヒータ層３との電気
的な接触部は、左右のごくわずかな部分にすぎな
いものであつた。また、第５図に示す前記第２図
のＣ−C′線断面では、ヒータ層３の膜厚が約0.3
mmであり、リード線４ａの直径が約0.2mmである
ため、ヒータ層３がリード線４ａによつて左右に
押しやられた場合には、左右のきわめて少ない部
分でしか接触していない状態であつた。

このように、従来の場合には、ヒータ層３がリ
ード線４ａ，４ｂによつて破壊される度合が大き
いため、焼成後にヒータ層３とリード線４ａ，４
ｂとの間で断線を生じやすく、また断線しないま
でもヒータ層３の抵抗値に大きなばらつきを伴な
いやすく、この基板１上に形成した酸素センサ等
のガス濃度検知部の温度特性や応答性に悪影響を
及ぼす問題を有し、ガスセンサ製造上の歩留りが
極めて低く、大きな問題となつていた。

この発明の目的は、上述した従来技術の欠点を
解消し、二枚の未焼成基板素材のうちの一方の基
板素材の表面にヒータ層を形成し、前記ヒータ層
の端子部にリード線を接続したのち、他方の基板
素材を積層して前記ヒータ層を内蔵したガスセン
サ用基板を製造するにあたり、前記ヒータ層とリ
ード線との間における断線の発生を防止し、加え
てヒータ層の電気抵抗値のばらつきを小さくする
ことができるガスセンサ用ヒータ内蔵基板の製造
方法を提供することにあり、その特徴とするとこ
ろは、前記他方の基板素材の前記ヒータ層端子部
に相当する位置に貫通孔を設け、両基板素材の積
層時に前記ヒータ層に接続したリード線の先端を
前記貫通孔内で終端可能に前記リード線を位置決
めしたのち、前記一方の基板素材に他方の基板素
材を積層して未焼成基板を作成し、その後ガスセ
ンサ検知部の製造工程にあわせて焼成して基板と
しての強度を保持させるようにした点にある。

以下、この発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。

第６図はこの発明に基づくガスセンサ用ヒータ
内蔵基板の製造工程の一例を示しており、約72重
量％のアルミナと、残りタルク、ポリビニルブチ
ラール、ジブチルフタレート、分散剤等を含むセ
ラミツク生シートを適当な大きさ（９×５×0.7
mm）に切出した第６図ａ，ｄに示す如き２枚の基
板素材１１ａ，１１ｂを準備し、一方の基板素材
１１ａ上に、約55重量％の白金粉末と、残りエチ
ルセルロース、テルピネオール、ジブチルフタレ
ート、界面活性剤等を含む導電体ペーストを用い
て第６図ｂに示すパターンでスクリーン印刷し、
乾燥して未焼成状態のヒータ層１３を積層する。
乾燥後に得られたヒータ層１３の膜厚は約10μｍ
であり、膜幅は約0.3mmであり、端子部１３ａ，
１３ｂの直径は約1.0mmである。次いで、約６図
ｃに示すように、前記端子部１３ａ，１３ｂおよ
びこれらのほぼ中央部に直径0.2mm、長さ10mmの
白金等の導電性リード線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ
を接続載置するが、このときの各リード線１４
ａ，１４ｂ，１４ｃの詳細な位置決めについては
後述する。また、他方の基板素材１１ｂには、第
６図ｅに示すように、前記端子部１３ａ，１３ｂ
およびリード線１４ｂの位置にあわせて３個の貫
通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する。このと
き、貫通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃの直径は約
0.8mmである。その後、前記一方の基板素材１１
ａ上に他方の基板素材１１ｂを積層し、加熱圧着
して第６図ｆに示すようなヒータ内蔵基板１１を
製作するようにしている。この際、前記積層時に
両端子部１３ａ，１３ｂの中心と貫通孔１２ａ，
１２ｃの中心とがほぼ一致するように各々位置決
めする。また、第６図ｃに示す如く、３本のリー
ド線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを一方の基板素材１
１ａ上に載置するにあたり、それらのうち２本の
リード線１４ａ，１４ｃについては、前記ヒータ
層の１３の端子部１３ａ，１３ｂのほぼ中心に前
記リード線１４ａ，１４ｃの先端が位置するよう
に位置決めする。このとき、他の１本のリード線
１４ｂを、第６図ｃに示す如く、ヒータ層１３と
接触しないように、リード線１４ａ，１４ｃのほ
ぼ中間の位置に配設する。

続いて、第６図ｃに示す一方の基板素材１１ａ
上に、第６図ｅに示す貫通孔１２ａ，１２ｂ，１
２ｃを設けた他方の基板素材１１ｂを積層し、そ
の後加熱圧着をおこなう。この状態では、第６図
ｆに示す如く、リード線１４ａ，１４ｃについて
は、貫通孔１２ａ，１２ｃのほぼ中心部にリード
線１４ａ，１４ｃの先端がくるように位置決め
し、下部のヒータ層１３の端子部１３ａ，１３ｂ
の上部が表われるようにする。

他方、リード線１４ｂについては、第６図ｆの
例では、これもリード線１４ｂの先端が貫通孔１
２ｂのほぼ中心にくるようにしているが、このリ
ード線１４ｂについては、前記ヒータ層１３と無
関係であるため、従来のように、先端が貫通孔１
２ｂを超えたところまで前記基板素材１１ａ，１
１ｂ内に入つていても差支えない。その後の加熱
圧着については、100℃、３分間、４Kg／cm²の条
件にておこなつた。次いで、上記加熱圧着された
未焼成基板１１を大気中にて1500℃×２時間の条
件で焼成した。なお、基板１１に装着するガス濃
度検知部の製造工程によつては、基板１１の焼成
がガス濃度検知部の製造の際におこなわれること
も当然おりうる。

次に、上記焼成したのちの本発明によるヒータ
内蔵基板１１を100個選び、そのヒータ層１３の
抵抗をリード線１４ａ，１４ｃ間で測定したとこ
ろ、第７図に示す結果を得た。すなわち、抵抗値
が5.0Ω±0.1Ωの中に入つたものは91％であり、
5.0Ω±0.2Ωの中に入つたものは98％である。

続いて、前記5.0Ω±0.1Ωの中に入つたヒータ
内蔵基板１１のうち、任意に10個を選んで10Vの
直流電圧を印加し、通電２分−停電２分のサイク
ルで通電耐久試験を5000サイクルおこなつたとこ
ろ、断線等の不具合は全く発生しなかつた。

比較例として、従来の製造方法によるヒータ内
蔵基板１の測定例を第８図に示す。ここでも、ヒ
ータ内蔵基板１を100個選び、そのヒータ層３の
抵抗をリード線４ａ，４ｂ間で測定したもので、
目標値の5.0Ω±1.0Ωの中に入つたものは46％で
しかなく、また、5.0Ω±0.2Ωの中にも72％しか
入らなかつた。

続いて、前記5.0Ω±0.1Ωの中に入つたヒータ
内蔵基板１のうち、任意に10個を選んで10Vの直
流電圧を印加し、通電２分−停電２分のサイクル
で通電耐久試験をおこなつたところ、第９図に示
す結果を得た。すなわち、はじめの1000サイクル
で３個が断線し、以下図に示すように次第に脱落
して5000サイクル後では５個と半数であつた。

以上の比較からもわかるように、本発明におい
ては、ヒータ内蔵基板１１のヒータ層１３の抵抗
のばらつき（リード線１４ａ，１４ｃ間で測定し
た抵抗のばらつき）をヒータ層１３そのものの抵
抗のばらつきとほぼ同じくらいにおさえることが
でき、なおかつ通電耐久性も大幅に向上させるこ
とができた。

この理由は次のように説明できる。すなわち、
ヒータ層１３の端子部１３ａ，１３ｂと電気的な
接続をとるために載置したリード線１４ａ，１４
ｃの先端を、貫通孔１２ａ，１２ｃ内で終端する
ように位置決めし、リード線１４ａ，１４ｃの先
端部分でヒータ層１３が破損されることのないよ
うにしたためである。

第１０図は前記第６図ｆの貫通孔１２ａ部分の
拡大説明図であつて、他方の貫通孔１２ｃにおい
ても同様である。図に示すように、基板１１の貫
通孔１２ａ内には、印刷されたヒータ層１３の端
子部１３ａの一部と、リード線１４ａの一部とが
見える。このとき、リード線１４ａ（１４ｃ）
は、第６図ｆに示す貫通孔１２ａ（１２ｃ）と一
辺との間の部分１２ｄ（１２ｆ）で、すなわち、
第１０図に示す部分１２ｄでのみ固定され、リー
ド線１４ａの先端は貫通孔１２ａのほぼ中央で終
端している。

また、第１１図は前記第１０図のＤ−D′線断
面を示しており、リード線１４ａの先端は貫通孔
１２ａ内で終端しているので、リード線１４ａが
両基板素材１１ａ，１１ｂの間にはさまれた状態
では、その先端が若干浮き上がつた形となる。し
たがつて、リード線１４ａがヒータ層１３を押し
つぶす程度が相当小さくなり、ヒータ層１３の端
子部１３ａ上にリード線１４ａの先端が乗つた形
となるため、ヒータ層１３とリード線１４ａとの
間の電気的な接続をかなり良好なものにすること
ができる。

このように、本発明に基くヒータ内蔵基板１１
では、リード線１４ａ，１４ｃがヒータ層１３を
破損する度合が非常に小さいため、ヒータ層１３
とリード線１４ａ，１４ｃとの間の電気的な接続
をかなり良好なものとすることができ、ヒータ層
１３にリード線１４ａ，１４ｃを接続したのち両
基板素材１１ａ，１１ｂを加熱圧着したときで
も、ヒータ層１３それ自体の抵抗をそのまま両リ
ード線１４ａ，１４ｃ間における抵抗とすること
ができるので、両リード線１４ａ，１４ｃ間で測
定したヒータ層１３の抵抗値のばらつきをかなり
小さくすることができ、ヒータ層１３とリード線
１４ａ，１４ｃとの接触度合に基づく抵抗値のば
らつきをほとんど無視することができ、加えて通
電耐久性を大幅に改善することが可能となる。

さらに、前記本発明に基づくヒータ内蔵未焼成
基板１１の貫通孔１２ａ，１２ｃ内に、白金ペー
スト等の導電性物質１５（１５ａ，１５ｂ）を落
し込み、その後製造工程にあわせて焼成するよう
にすれば、第１３図および第１４図に示す如く、
リード線１４ａ（１４ｃ）を前記ヒータ層１３お
よび導電性物質１５ａ（１５ｂ）で取り囲む形と
なるため、ヒータ層１３とリード線１４ａ（１４
ｃ）との間における電気的な接続をより一層確実
なものにすることができる。このようにすれば、
上記ヒータ内蔵基板１１上に、たとえば積層型酸
素センサ検知部を形成して自動車用内燃機関の排
ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサとして用
いる場合など、高温かつ高振動の苛酷な条件下に
置かれたときでも、ヒータ層１３とリード線１４
ａ，１４ｃとの間の電気的な接続をかなり確実な
ものにすることができ、発熱特性の良好なヒータ
層１３をそなえた酸素センサを得ることができ
る。なお、必要に応じて貫通孔１２ｂ内にも白金
ペースト等の導電性物質１５を落し込めば、同様
の効果を得ることができる。

次に、本発明に基づくヒータ内蔵基板１１の応
用例として、酸素イオン伝導性固体電解質を用い
た酸素センサ検知部を積層した場合を示す。そこ
で、第６図ｆに示す未焼成状態のヒータ内蔵基板
１１上に、第１５図ａに示すように、白金ペース
トを印刷し次いで乾燥して未焼成状態の基準側電
極層１６を形成した。このとき、基準側電極層１
６の膜厚は約20μｍであつた。続いて、第１５図
ｂに示すように、基準側電極層１６上に、５モル
％Y₂O₃−95モル％ZrO₂固体電解質粉末を用いた
固体電解質ペーストを印刷し次いで乾燥して未焼
成状態の固体電解質層１７を形成した。印刷に際
しては、乾燥後の膜厚が20〜22μｍとなるように
した。さらに、第１５図ｃに示すように、固体電
解質層１７上に、白金ペーストを印刷し次いで乾
燥して未焼成状態の測定側電極層１８を形成し
た。このとき、乾燥後の測定側電極層１８の膜厚
は約20μｍであつた。また、同時に貫通孔１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ内にも前記白金ペーストを落
し込んで導通部１５ａ，１５ｂ，１５ｃを形成し
た。なお、導通部１５ａ，１５ｃについては、前
記ヒータ層１３とリード線１４ａ，１４ｃとの間
での電気的な接続を良好なものにし、接続部にお
ける耐久性を十分に確保できるようにするために
設けており、導通部１５ｂ，１５ｃについては、
各電極層１６，１８とリード線１４ｂ，１４ｃと
の間での電気的な接続を良好なものにするために
設けている。この場合、リード線１４ｃはヒータ
層１３用と電極層１８用の両方の電気的導通部を
兼用しているが、もちろん、区別して４本のリー
ド線としてもよい。

次に、上述のようにして作製した未焼成状態の
積層体（基板１１を含む）を大気中にて1500℃×
２時間の条件で同時焼成した。次い、第１５図ｄ
に示すように、表面の全体にわたつてカルシウム
ジルコネート（CaO−ZrO₂）をプラズマ溶射して
多孔性保護層１９を形成した。

このようにして製造した酸素センサ２０をプロ
パンガス燃焼器の排気管に取り付け、その排ガス
を400℃に保持した状態で空気に対するプロパン
ガスの比率（空気透剰率）を変えて出力電圧を測
定した。その結果を第１６図に示す。上記400℃
ではヒータ層のない酸素センサの場合にほとんど
出力電圧が発生しない温度であるが、本応用例の
場合には第１６図に示すように、排ガス温度が
400℃と低い場合であつても良好な出力電圧特性
を示しており、ヒータ層１３による発熱が良好に
おこなわれていることが確認された。

なお、酸素センサとしては、上記酸素イオン伝
導性固体電解質のほか、CoO、TiO₂等の酸化物
半導体を用いた酸素センサもあり、この酸素セン
サ用基板としても適用することができる。あるい
は、酸素以外の水素、一酸化炭素、炭化水素、メ
タン、エタン等のガス濃度を検出するガスセンサ
用基板として適用することも可能である。

上記実施例では、基板１１の素材としてアルミ
ナを使用しているが、そのほか、ムライト、スピ
ネル、フオルステライト、ステアタイト、ベリリ
ア、チタニア等の既知のセラミツクス材料あるい
はサーメツト材料などを使用することができる。
そのとき、一方の基板素材１１ａの熱伝導率を他
方の基板素材１１ｂの熱伝導率よりも小さくする
ことによつて、ヒータ層１３の発熱量のより多く
を他方の基板素材１１ｂ側すなわちガス濃度検知
部側に伝達させうるようになすこともできる。

また、ヒータ層１３の素材としては、白金等の
白金族元素の単体もしくは合金、あるいはタング
ステンやモリブデンなどの電気抵抗材料を用いる
ことができる。さらに、リード線１４ａ，１４
ｂ，１４ｃの素材としても白金のほかニツケルそ
の他既知の導電性材料を使用することができる。

以上のように、この発明によれば、ヒータ層を
内蔵した基板を製造するにあたり、他方の基板素
材に、一方の基板素材のヒータ層端子部に相当す
る位置に貫通孔を設け、両基板素材の積層時に前
記ヒータ層に接続したリード線の先端を前記貫通
孔内で終端可能に前記リード線を位置決めしたの
ち、前記一方の基板素材に他方の基板素材を積層
して未焼成基板を作成し、その後ガスセンサ検知
部の製造工程にあわせて焼成するようにしたか
ら、両基板素材の積層後にヒータ層がリード線に
よつて大きく破損を受けるのを防止することがで
き、焼成後の状態において前記ヒータ層とリード
線との間での良好な電気的接続を確保することが
可能であり、リード線間で測定したヒータ層の抵
抗値のばらつきをヒータ層自体の抵抗値のばらつ
きにほぼ一致させることができて前記抵抗値のば
らつきを大幅に減少させることができ、通電耐久
性も格段に向上させることが可能であるという非
常にすぐれた効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｆは従来のガスセンサ用ヒータ内蔵
基板の製造工程の一例を示す説明図、第２図は第
１図ｆに示す基板の一方の貫通孔部分の拡大説明
図、第３図、第４図および第５図はそれぞれ第２
図Ａ−A′線断面図、Ｂ−B′線断面図およびＣ−
C′線断面図、第６図ａ〜ｆは本発明に基づくガ
スセンサ用ヒータ内蔵基板の製造工程の一例を示
す説明図、第７図および第８図はそれぞれ本発明
および従来例における基板のヒータ層の抵抗値を
測定した結果を示すグラフ、第９図は通電−停電
サイクルと残存数量との関係を示すグラフ、第１
０図は第６図ｆに示す基板の一方の貫通孔部分の
拡大説明図、第１１図および第１２図はそれぞれ
第１０図Ｄ−D′線断面図およびＥ−E′線断面
図、第１３図および第１４図は貫通孔内に導電性
物質を落し込んだ後のそれぞれ第１０図Ｄ−
D′線断面図およびＥ−E′線断面図、第１５図ａ
〜ｄは本発明の一応用例における酸素センサ検知
部の製造工程の説明図、第１６図は第１５図の酸
素センサの空気過剰率と出力電圧との関係を示す
グラフである。 １１……基板、１１ａ，１１ｂ……基板素材、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ……貫通孔、１３……ヒ
ータ層、１３ａ，１３ｂ……端子部、１４ａ，１
４ｂ，１４ｃ……リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二枚の未焼成基板素材のうちの一方の基板素
   材の表面にヒータ層を形成し、前記ヒータ層の端
   子部にリード線を接続したのち、他方の基板素材
   を積層して前記ヒータ層を内蔵したガスセンサ用
   基板を製造するにあたり、前記他方の基板素材の
   前記ヒータ層端子部に相当する位置に貫通孔を設
   け、両基板素材の積層時に前記ヒータ層に接続し
   たリード線の先端を前記貫通孔内で終端可能に前
   記リード線を位置決めしたのち、前記一方の基板
   素材に他方の基板素材を積層して未焼成基板を作
   成し、その後焼成することを特徴とするガスセン
   サ用ヒータ内蔵基板の製造方法。 ２ 貫通孔内に導電性物質を落し込むようにした
   特許請求の範囲第１項記載のガスセンサ用ヒータ
   内蔵基板の製造方法。