JP2000206080A - Oxygen sensor fitted with heater and its production - Google Patents
Oxygen sensor fitted with heater and its productionInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータ付きの酸素
センサ及びその製造方法に関する。The present invention relates to an oxygen sensor with a heater and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、自動車エンジン等の内燃機関にお
いて、その空燃比制御等に使用するための各種酸素セン
サが開発されている。このような酸素センサの検出素子
は種々の形態のものが使用されているが、ジルコニアグ
リーンシートを用いて厚膜印刷法により安価に製造でき
ることから、積層型ジルコニア検出素子と呼ばれるもの
が多く製造されている。この場合、電極パターン等の板
状のジルコニア固体電解質層の片側に検出側多孔質電極
を配し、他方の側に基準側多孔質電極を配した酸素濃淡
電池素子を備えるとともに、酸素濃淡電池素子を加熱す
るための板型セラミックヒータが、その基準側多孔質電
極の形成されている側に積層配置される。2. Description of the Related Art In recent years, various oxygen sensors have been developed for use in controlling the air-fuel ratio of an internal combustion engine such as an automobile engine. Various types of detection elements of such an oxygen sensor are used, but since they can be manufactured at low cost by a thick film printing method using a zirconia green sheet, many elements called laminated zirconia detection elements are manufactured. ing. In this case, an oxygen concentration cell element in which a detection-side porous electrode is disposed on one side of a plate-shaped zirconia solid electrolyte layer such as an electrode pattern and a reference-side porous electrode is disposed on the other side, and the oxygen concentration cell element is provided. A plate-type ceramic heater for heating the heater is disposed on the side where the reference-side porous electrode is formed.
【０００３】セラミックヒータは、絶縁性のセラミック
基体中に抵抗発熱線パターンを埋設した構造のものが一
般的であり、そのセラミック基体材質としては高温耐久
性に優れたアルミナが多く用いられている。このような
アルミナ製のヒータを含む検出素子は、ジルコニア固体
電解質で構成された酸素濃淡電池素子とヒータとを別体
焼成し、組立工程において両者をガラス等により貼り合
わせて積層・一体化する工程により製造されてきた。し
かしながら、これではヒータと酸素濃淡電池素子とを個
別に焼成しなければならず、さらに貼合わせ工程が別途
必要となるので能率が非常に悪い欠点がある。A ceramic heater generally has a structure in which a resistance heating wire pattern is buried in an insulating ceramic substrate, and alumina having excellent high-temperature durability is often used as the material of the ceramic substrate. A detection element including such an alumina heater is formed by separately firing an oxygen concentration cell element made of a zirconia solid electrolyte and a heater, and bonding and laminating and integrating the two with glass or the like in an assembly process. Has been manufactured by However, in this case, the heater and the oxygen concentration cell element must be individually fired, and a separate bonding step is required.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】そこで、アルミナ製の
ヒータと、ジルコニア固体電解質製の酸素濃淡電池素子
とを未焼成状態にて積層し、これを同時焼成により一体
化する方式を採用すれば焼成が１回で済み、貼合わせ工
程も不要となるので大幅な工数削減が可能となる。とこ
ろが、ジルコニア固体電解質とアルミナとは熱膨張係数
が大幅に異なることから、例えば焼成後の冷却時におけ
る熱収縮量の差により残留応力が発生し、図６に示すよ
うに、それによって素子２０３に反りや曲がりが生じた
り、ヒータ２０２と酸素濃淡電池素子２０１との間に層
間剥離等の欠陥が生じやすく、製造歩留まりが低下する
問題がある。Therefore, a method of laminating a heater made of alumina and an oxygen concentration cell element made of a zirconia solid electrolyte in an unfired state and integrating them by simultaneous firing is adopted. Is required only once, and the laminating process is not required, so that the number of man-hours can be greatly reduced. However, since the zirconia solid electrolyte and alumina have significantly different coefficients of thermal expansion, residual stress occurs due to, for example, a difference in the amount of thermal contraction during cooling after firing, and as shown in FIG. There is a problem that warpage or bending is likely to occur, or a defect such as delamination between the heater 202 and the oxygen concentration cell element 201 is likely to occur, thereby lowering the production yield.
【０００５】この場合、抵抗発熱体を埋設するアルミナ
セラミック基体の厚さを減じることにより、応力発生を
抑制する方法が考えられる。ところが、セラミック基体
の厚さを小さくし過ぎると、抵抗発熱体と酸素濃淡電池
素子との間の絶縁が不十分となり、新たな問題が生ず
る。すなわち、酸素濃淡電池素子を構成するジルコニア
固体電解質は、６５０〜８００℃程度の動作温度域では
当然のことながら導電性となり、絶縁不足によりヒータ
電流がリークすると、そのリーク電圧がセンサ出力に重
畳され、正確なセンサ出力が得られなくなる。In this case, a method of suppressing the generation of stress by reducing the thickness of the alumina ceramic substrate in which the resistance heating element is embedded can be considered. However, if the thickness of the ceramic base is too small, insulation between the resistance heating element and the oxygen concentration cell element becomes insufficient, and a new problem occurs. That is, the zirconia solid electrolyte constituting the oxygen concentration cell element naturally becomes conductive in the operating temperature range of about 650 to 800 ° C., and when the heater current leaks due to insufficient insulation, the leak voltage is superimposed on the sensor output. , An accurate sensor output cannot be obtained.
【０００６】そして、本発明者らの検討によれば、例え
ば自動車用酸素センサの場合、車載バッテリーによるヒ
ータの通電電圧が１２Ｖ程度であり、酸素濃淡電池素子
の出力電圧レベルが１Ｖ程度である場合、ヒータからの
漏洩電流の影響を防止するには、抵抗発熱体と酸素濃淡
電池素子との間にアルミナセラミック基体による絶縁層
厚さを最低数十μｍ程度は確保しなければならないこと
が判明している。しかしながら、セラミック基体厚さを
この程度まで増大させると、前記した焼成時の素子の曲
がりや反り、あるいは剥離等の発生は必至となり、これ
が一体焼成される積層型ジルコニア素子作製のネックに
なっている。According to the study of the present inventors, for example, in the case of an oxygen sensor for an automobile, when the energizing voltage of the heater by the vehicle-mounted battery is about 12 V, and the output voltage level of the oxygen concentration cell element is about 1 V, In order to prevent the influence of the leakage current from the heater, it has been found that the thickness of the insulating layer of the alumina ceramic base must be at least several tens μm between the resistance heating element and the oxygen concentration cell element. ing. However, if the thickness of the ceramic substrate is increased to this extent, the bending or warpage of the element during firing described above or the occurrence of peeling or the like is inevitable, which is a bottleneck in producing a laminated zirconia element that is integrally fired. .
【０００７】そこで、実公平６−１８２９２に開示され
ているように、反り防止層を形成して上記問題を解決す
るヒータ付き酸素センサが考案されている。しかしなが
ら、この構造においては、酸素濃度検出部とヒータ部と
が完全に絶縁されていないために、ヒータからのリーク
電流を完全に抑えることができない上、積層方向のシー
トのバランス（対称性）も悪く、依然として焼成時の素
子の曲がりや反りの問題が十分に解決されているとは言
い難い。Accordingly, as disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 6-18292, an oxygen sensor with a heater has been devised which solves the above problem by forming a warpage preventing layer. However, in this structure, since the oxygen concentration detecting section and the heater section are not completely insulated, the leak current from the heater cannot be completely suppressed, and the balance (symmetry) of the sheet in the stacking direction cannot be improved. Unfortunately, it is still difficult to say that the problem of bending and warping of the element during firing has been sufficiently solved.
【０００８】本発明の課題は、焼成時にヒータと酸素濃
淡電池素子との間に応力が残留しにくく、反りや剥離等
の発生が防止され、ひいてはヒータと酸素濃淡電池素子
との一体焼成を可能として、製造能率及び歩留まりを大
幅に向上させることができるとともに、ヒータと酸素濃
淡電池素子との間を完全に絶縁することが可能なヒータ
付き酸素センサと、その製造方法とを提供することにあ
る。[0008] An object of the present invention is to prevent stress from remaining between a heater and an oxygen concentration cell element during firing, to prevent warpage or peeling, and to enable the heater and the oxygen concentration cell element to be integrally fired. It is an object of the present invention to provide a heater-equipped oxygen sensor that can significantly improve the production efficiency and yield and can completely insulate between the heater and the oxygen concentration cell element, and a method for producing the same. .
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のヒータ付き酸素センサは、
主体金具の内側に測定対象となるガス中の被検出成分を
検出する検出素子が配置されるとともに、該検出素子
は、ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固体電
解質（以下、ジルコニア固体電解質とも称する）で構成
された素子本体層の一方の面に測定電極を、他方の面に
基準電極を形成した板状の酸素濃淡電池素子と、その酸
素濃淡電池素子の基準電極側に積層一体化される板状の
セラミックヒータとを備え、セラミックヒータは、絶縁
性セラミックにより板厚方向中間位置に形成された第一
絶縁層と、その第一絶縁層中に埋設される形でセラミッ
クヒータの板面方向に沿って形成される抵抗発熱体パタ
ーンと、第一絶縁層を厚さ方向両側から挟む形で形成さ
れるとともに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素
イオン伝導性固体電解質で構成された第一ヒータ本体層
及び第二ヒータ本体層とを備え、セラミックヒータは酸
素濃淡電池素子に対し、第一ヒータ本体層側において、
絶縁性セラミックにより構成される第二絶縁層を介して
接合されていることを特徴とする。In order to solve the above problems, an oxygen sensor with a heater according to the present invention comprises:
A detection element for detecting a component to be detected in a gas to be measured is disposed inside the metal shell, and the detection element is an oxygen ion conductive solid electrolyte containing zirconia as a main component (hereinafter, referred to as a zirconia solid electrolyte). A plate-shaped oxygen concentration cell element having a measurement electrode formed on one surface and a reference electrode formed on the other surface of the element body layer composed of A ceramic heater having a first insulating layer formed of insulating ceramic at an intermediate position in a thickness direction of the ceramic heater, and a plate surface of the ceramic heater embedded in the first insulating layer. A resistance heating element pattern is formed along the direction, and the first insulation layer is sandwiched from both sides in the thickness direction. And a first heater body layer and a second heater body layer made of a quality, a ceramic heater to oxygen concentration cell element, in a first heater body layer side,
It is characterized by being joined via a second insulating layer made of an insulating ceramic.
【００１０】また、上記ヒータ付き酸素センサを製造す
るための本発明の方法は、酸素イオン伝導性固体電解質
の原料粉末により、素子本体層となるべき未焼成素子本
体成形体を板状に形成し、その両面に測定電極及び基準
電極となるべき未焼成電極パターンを、それら電極の原
料粉末を用いて形成することにより得られる酸素濃淡電
池素子の未焼成体と、酸素イオン伝導性固体電解質の原
料粉末により、第一ヒータ本体層及び第二ヒータ本体層
となるべき未焼成ヒータ本体成形体をそれぞれ板状に形
成し、第一絶縁層となるべき未焼成第一絶縁層を絶縁性
セラミックの原料粉末により、また抵抗発熱体パターン
となるべき未焼成発熱体パターンを該発熱体の原料粉末
により、未焼成ヒータ本体成形体の間に挟み込む形で形
成して得られるセラミックヒータの未焼成体とを、絶縁
性セラミックの原料粉末により形成される第二絶縁層と
なるべき未焼成第二絶縁層を介して積層・一体化するこ
とにより未焼成積層組立体となし、その未焼成積層組立
体を焼成することにより検出素子を得ることを特徴とす
る。Further, the method of the present invention for producing the above-described oxygen sensor with a heater comprises forming an unsintered element body molded body to be an element body layer into a plate shape from raw material powder of an oxygen ion conductive solid electrolyte. A green body of an oxygen concentration battery element obtained by forming a green electrode pattern to be a measurement electrode and a reference electrode on both surfaces thereof using raw material powders for those electrodes, and a raw material for an oxygen ion conductive solid electrolyte The unfired heater body molded bodies to be the first heater body layer and the second heater body layer are each formed into a plate shape by powder, and the unfired first insulation layer to be the first insulation layer is used as a raw material of the insulating ceramic. An element obtained by forming an unfired heating element pattern to be a resistive heating element pattern with the raw material powder of the heating element in such a manner as to be sandwiched between the unfired heater body moldings. The unfired body of the Mick heater is formed into an unfired laminated assembly by laminating and integrating the unfired second insulating layer to be the second insulating layer formed by the raw material powder of the insulating ceramic, The detection element is obtained by firing the unfired laminated assembly.
【００１１】上記本発明のヒータ付き酸素センサ及びそ
の製造方法によれば、積層・一体化されるセラミックヒ
ータと酸素濃淡電池素子との間に焼成後の冷却時等にお
いて残留応力が発生しにくくなり、素子に反りや曲がり
が生じたりすること、あるいはヒータと酸素濃淡電池素
子との間に層間剥離等の欠陥が生じること等の不具合が
極めて起こりにくくなり、製造歩留まりが劇的に向上す
る。そして、セラミックヒータと、ジルコニア固体電解
質製の酸素濃淡電池素子とを未焼成状態にて積層し、こ
れを同時焼成により一体化する方式を採用することが可
能となるので、焼成が１回で済み、貼合わせ工程も不要
となるので大幅な工数削減が可能となる。According to the oxygen sensor with heater and the method of manufacturing the same according to the present invention, residual stress is less likely to be generated between the laminated and integrated ceramic heater and the oxygen concentration cell element during cooling after firing or the like. In addition, defects such as warpage or bending of the element or occurrence of defects such as delamination between the heater and the oxygen concentration cell element are extremely unlikely to occur, and the production yield is dramatically improved. Then, it is possible to adopt a method in which the ceramic heater and the oxygen concentration cell element made of a zirconia solid electrolyte are stacked in an unfired state and integrated by simultaneous firing, so that firing is performed only once. In addition, since the laminating process is not required, the number of man-hours can be greatly reduced.
【００１２】上記のような効果が得られる理由として
は、次のようなことが考えられる。 絶縁性セラミックとジルコニア固体電解質との線膨張
係数に顕著な差が存在していても、セラミックヒータの
一部を酸素濃淡電池素子と同じジルコニア固体電解質で
構成することで、セラミックヒータと酸素濃淡電池素子
との平均的な線膨張係数の差が縮小され、残留応力によ
る反り等の発生が緩和される。また、抵抗発熱体は第一
絶縁層によりジルコニア固体電解質製の第一ヒータ本体
層と絶縁され、さらにその第一ヒータ本体層は第二絶縁
層により素子本体層と絶縁されている。すなわち、抵抗
発熱体と素子本体層との間は２つの絶縁層により電気的
に隔絶されているので、ヒータ電流の酸素濃淡電池素子
側へのリークも生じにくい。The following are conceivable reasons for obtaining the above effects. Even if there is a remarkable difference in the linear expansion coefficient between the insulating ceramic and the zirconia solid electrolyte, the ceramic heater and the oxygen concentration battery can be formed by configuring a part of the ceramic heater with the same zirconia solid electrolyte as the oxygen concentration cell element. The difference between the average linear expansion coefficient and the element is reduced, and the occurrence of warpage or the like due to residual stress is reduced. Further, the resistance heating element is insulated from the first heater main body layer made of zirconia solid electrolyte by the first insulating layer, and the first heater main body layer is insulated from the element main body layer by the second insulating layer. That is, since the resistance heating element and the element body layer are electrically isolated from each other by the two insulating layers, leakage of the heater current to the oxygen concentration cell element side hardly occurs.
【００１３】検出素子の全体で見ると、厚さ方向中央
に位置する第一ヒータ本体層を中心にして、第一及び第
二の絶縁層と第二ヒータ本体層及び素子本体層、すなわ
ち絶縁性セラミックの層とジルコニア固体電解質の層と
が対称的に配列する。これにより、各層間の熱膨張差に
基づく応力が打ち消し合い、反り等が生じにくくなる。When viewed as a whole of the detecting element, the first and second insulating layers, the second heater main layer, and the element main layer, ie, the insulating layer, are arranged around the first heater main layer located at the center in the thickness direction. The ceramic layer and the zirconia solid electrolyte layer are arranged symmetrically. Thereby, the stress based on the difference in thermal expansion between the layers cancels each other out, and warpage or the like hardly occurs.
【００１４】なお、第一絶縁層及び第二絶縁層は、アル
ミナを主体とするアルミナ系セラミックにより構成する
ことができる。これにより、素子の高温耐久性が向上す
る。The first insulating layer and the second insulating layer can be made of an alumina-based ceramic mainly composed of alumina. Thereby, the high-temperature durability of the element is improved.
【００１５】他方、第一絶縁層と第二絶縁層との合計厚
さをｔ1として、素子本体層と第一及び第二ヒータ本体
層との合計厚さをｔ2とした場合に、ｔ2＞ｔ1となって
いることが望ましい。すなわち、絶縁性セラミックによ
る構成層の合計厚さｔ1をジルコニア固体電解質による
構成層の合計厚さｔ2よりも小さく設定することで、両
材質間の線膨張係数差に基づく残留応力の発生がさらに
緩和され、素子の反りや曲がりあるいは層間剥離等がさ
らに生じにくくなる。この場合、第一絶縁層の厚さＬ4
と第二絶縁層の厚さＬ5とはいずれも、素子本体層の厚
さＬ1、第一ヒータ本体層の厚さＬ3及び第二ヒータ本体
層の厚さＬ5のいずれよりも小さいことが、上記効果を
高める上でさらに望ましい。On the other hand, if the total thickness of the first insulating layer and the second insulating layer is t1, and the total thickness of the element body layer and the first and second heater body layers is t2, t2> t1 It is desirable that That is, by setting the total thickness t1 of the constituent layers made of the insulating ceramic to be smaller than the total thickness t2 of the constituent layers made of the zirconia solid electrolyte, the generation of residual stress based on the difference in linear expansion coefficient between the two materials is further reduced. As a result, warpage, bending, delamination, and the like of the element are less likely to occur. In this case, the thickness L4 of the first insulating layer
And the thickness L5 of the second insulating layer is smaller than any of the thickness L1 of the element body layer, the thickness L3 of the first heater body layer, and the thickness L5 of the second heater body layer. It is more desirable to enhance the effect.
【００１６】また、素子本体層と第二ヒータ本体層と
は、ほぼ同じ厚さで形成されていることが望ましい（こ
の場合、未焼成素子本体層と未焼成ヒータ本体成形体と
をほぼ同じ厚さで形成する必要がある）。これにより、
各層間の応力打ち消し合いの効果がさらに高められ、残
留応力による反り等を生ずる不具合が一層起こりにくく
なる。また、第一絶縁層と第二絶縁層との厚さは、反り
等の不具合が発生しないよう、適宜に厚さを定めるよう
にする。It is desirable that the element main body layer and the second heater main body layer are formed with substantially the same thickness (in this case, the unsintered element main body layer and the unsintered heater main body molded body have substantially the same thickness). It is necessary to form by the way). This allows
The effect of canceling the stress between the layers is further enhanced, and the problem of warpage due to residual stress is further reduced. Further, the thickness of the first insulating layer and the thickness of the second insulating layer are appropriately determined so that a problem such as warpage does not occur.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図１には、この発
明のヒータ付き酸素センサの一実施例として、自動車等
の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１を示し
ている。この酸素センサ１はλ型酸素センサと通称され
るもので、細長い板状の検出素子２が主体金具３の内側
に固定された構造を有している。そして、該主体金具３
の外周面に形成された取付ねじ部３ａにより、先端側の
検出部Ｄが排気管内に位置するように取り付けられ、該
排気管内を流れる被測定ガスとしての高温の排気ガスに
晒される。なお、３６は、センサ１を取り付ける際にレ
ンチ等の工具を係合させるための六角部である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 shows an oxygen sensor 1 for detecting an oxygen concentration in exhaust gas of an automobile or the like as one embodiment of an oxygen sensor with a heater according to the present invention. The oxygen sensor 1 is generally called a λ-type oxygen sensor, and has a structure in which an elongated plate-like detection element 2 is fixed inside a metal shell 3. And the metal shell 3
The detection portion D on the distal end side is mounted so as to be located in the exhaust pipe by a mounting screw portion 3a formed on the outer peripheral surface of the exhaust pipe, and is exposed to high-temperature exhaust gas as a gas to be measured flowing in the exhaust pipe. Reference numeral 36 denotes a hexagon for engaging a tool such as a wrench when the sensor 1 is mounted.
【００１８】検出素子２は方形状の軸断面を有し、図２
（ａ）に示すように、それぞれ横長板状に形成された酸
素濃淡電池素子２０と、該酸素濃淡電池素子２０を所定
の活性化温度に加熱するセラミックヒータ２２とが積層
されたものとして構成されている。酸素濃淡電池素子２
０は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア固体電解質
により構成された素子本体層２１を有する。そのような
固体電解質としては、イットリアないしカルシアを固溶
させた部分安定化ジルコニアセラミックが代表的なもの
であるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金
属の酸化物とジルコニアとの固溶体を使用してもよい。The detecting element 2 has a square axial cross section.
As shown in FIG. 1A, an oxygen concentration cell element 20 formed in a horizontally long plate shape and a ceramic heater 22 for heating the oxygen concentration cell element 20 to a predetermined activation temperature are stacked. ing. Oxygen concentration cell element 2
No. 0 has an element main body layer 21 composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity. A typical example of such a solid electrolyte is a partially stabilized zirconia ceramic in which yttria or calcia is dissolved, but a solid solution of an oxide of an alkaline earth metal or a rare earth metal and zirconia is used. May be.
【００１９】一方、セラミックヒータ（以下、単にヒー
タともいう）２２は、高融点金属あるいは導電性セラミ
ックで構成された抵抗発熱体パターン２３をセラミック
基体中に埋設した構成を有する。具体的には、ヒータ２
２は、絶縁性セラミックとしてのアルミナを主体とする
アルミナ系セラミックにより、ヒータ２２の板厚方向中
間位置に形成された第一絶縁層２４と、その第一絶縁層
２４中に埋設される形でセラミックヒータ２２の板面方
向に沿って形成される抵抗発熱体パターン２３と、第一
絶縁層２４を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとと
もに、それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝
導性固体電解質で構成された第一ヒータ本体層２８及び
第二ヒータ本体層２９とを備えた多層構造となってい
る。On the other hand, a ceramic heater (hereinafter, also simply referred to as a heater) 22 has a configuration in which a resistance heating element pattern 23 made of a high melting point metal or a conductive ceramic is embedded in a ceramic base. Specifically, the heater 2
Reference numeral 2 denotes a first insulating layer 24 formed at an intermediate position in the thickness direction of the heater 22 with an alumina-based ceramic mainly composed of alumina as an insulating ceramic, and embedded in the first insulating layer 24. The resistance heating element pattern 23 is formed along the plate surface direction of the ceramic heater 22 and the first insulation layer 24 is formed so as to sandwich the first insulation layer 24 from both sides in the thickness direction. It has a multilayer structure including a first heater body layer 28 and a second heater body layer 29 made of a solid electrolyte.
【００２０】酸素濃淡電池素子２０において多孔質電極
２５，２６には、素子本体層２１の長手方向に沿って酸
素センサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部２
５ａ，２６ａがそれぞれ一体化されている。このうち、
ヒータ２２と対向しない側の電極２５からの電極リード
部２５ａは、その末端が電極端子部７として使用され
る。一方、ヒータ２２に対向する側の電極２６の電極リ
ード部２６ａは、図２（ｃ）に示すように、素子本体層
２１を厚さ方向に横切るビア２６ｂにより反対側の素子
面に形成された電極端子部７と接続されている。すなわ
ち、酸素濃淡電池素子２０は、両多孔質電極２５，２６
の電極端子部７が電極２５側の板面末端に並んで形成さ
れる形となっている。上記各電極２５，２６、電極端子
部７及びビア２６ｂは、Ｐｔ又はＰｔ合金など、酸素分
子解離反応の触媒活性を有した金属粉末のペーストを用
いてスクリーン印刷等によりパターン形成し、これを焼
成することにより得られるものである。In the oxygen concentration cell element 20, the porous electrodes 25 and 26 have electrode lead portions 2 extending toward the mounting base end side of the oxygen sensor 1 along the longitudinal direction of the element body layer 21.
5a and 26a are respectively integrated. this house,
The end of the electrode lead portion 25 a from the electrode 25 on the side not facing the heater 22 is used as the electrode terminal portion 7. On the other hand, the electrode lead portion 26a of the electrode 26 on the side facing the heater 22 is formed on the opposite element surface by a via 26b crossing the element body layer 21 in the thickness direction, as shown in FIG. It is connected to the electrode terminal 7. That is, the oxygen concentration cell element 20 includes the porous electrodes 25 and 26.
Are formed side by side at the end of the plate surface on the electrode 25 side. The electrodes 25 and 26, the electrode terminal portions 7, and the vias 26b are patterned by screen printing or the like using a paste of a metal powder such as Pt or a Pt alloy having a catalytic activity of an oxygen molecule dissociation reaction, and then firing. It is obtained by doing.
【００２１】一方、ヒータ２２の抵抗発熱体パターン２
３に通電するためのリード部２３ａ，２３ａも、図２
（ｄ）に示すように、ヒータ２２の酸素濃淡電池素子２
０と対向しない側の板面末端に形成された電極端子部
７，７に、それぞれビア２３ｂを介して接続されてい
る。On the other hand, the resistance heating element pattern 2 of the heater 22
The lead portions 23a, 23a for supplying current to
As shown in (d), the oxygen concentration cell element 2 of the heater 22
Electrode terminal portions 7, 7 formed at the end of the plate surface on the side not facing 0 are connected via vias 23b, respectively.
【００２２】図２（ｂ）に示すように、ヒータ２２は、
第一ヒータ本体層２８側において、アルミナ系セラミッ
クにより構成される第二絶縁層２７を介して、酸素濃淡
電池素子２０の多孔質電極２６側に接合されている。そ
して、その接合側の多孔質電極（基準電極）２６には、
電極リード部２６ａ（これも多孔質である）の一端が接
続されるとともに、反対側の多孔質電極（測定電極）２
５との間には、多孔質電極２６側に酸素が汲み込まれる
方向に微小なポンピング電流が印加される。ここで、電
極リード部２６ａは接合された酸素濃淡電池素子２０と
ヒータ２２との間に挟まれる形で、検出素子２の内部に
位置し、その末端面は該検出素子２の取付基端側の端面
に露出して、ガス放出口を形成している。そして、上記
ポンピングされた酸素は電極リード部２６ａを経てガス
放出口から大気中に放出される。これにより、多孔質電
極２６内の酸素濃度は大気よりも若干高い値に保持さ
れ、酸素基準電極として機能することとなる。一方、反
対側の多孔質電極２５は排気ガスと接触する測定電極と
なる。As shown in FIG. 2B, the heater 22
On the first heater main body layer 28 side, it is joined to the porous electrode 26 side of the oxygen concentration cell element 20 via a second insulating layer 27 made of alumina-based ceramic. Then, the porous electrode (reference electrode) 26 on the joining side includes
One end of the electrode lead portion 26a (which is also porous) is connected, and a porous electrode (measurement electrode) 2 on the opposite side is connected.
5, a very small pumping current is applied in the direction in which oxygen is pumped into the porous electrode 26 side. Here, the electrode lead portion 26a is located inside the detection element 2 so as to be sandwiched between the joined oxygen concentration cell element 20 and the heater 22, and the terminal surface thereof is on the mounting base end side of the detection element 2. To form a gas discharge port. The pumped oxygen is released into the atmosphere from the gas outlet through the electrode lead 26a. As a result, the oxygen concentration in the porous electrode 26 is maintained at a value slightly higher than that in the atmosphere, and functions as an oxygen reference electrode. On the other hand, the porous electrode 25 on the opposite side becomes a measurement electrode that comes into contact with the exhaust gas.
【００２３】検出素子２は、主体金具３の内側に配置さ
れた絶縁体４の挿通孔３０に挿通され、先端の検出部Ｄ
が、排気管に固定される主体金具３の先端より突出した
状態で絶縁体４内に固定される。絶縁体４には、その軸
線方向において挿通孔３０の後端に一端が連通し、他端
が絶縁体４の後端面に開口するとともに軸断面が該挿通
孔３０よりも大径の空隙部３１が形成されている。そし
て、その空隙部３１の内面と検出素子２の外面との間
は、ガラス（例えば結晶化亜鉛シリカホウ酸系ガラス）
を主体に構成される封着材層３２により封着されてい
る。The detecting element 2 is inserted through the insertion hole 30 of the insulator 4 arranged inside the metal shell 3 and has a detecting portion D at the tip.
Is fixed in the insulator 4 in a state protruding from the tip of the metal shell 3 fixed to the exhaust pipe. One end of the insulator 4 communicates with the rear end of the insertion hole 30 in the axial direction, and the other end is open to the rear end surface of the insulator 4 and has a shaft section 31 whose axial cross section is larger in diameter than the insertion hole 30. Are formed. Then, a glass (for example, crystallized zinc silica borate glass) is provided between the inner surface of the gap portion 31 and the outer surface of the detection element 2.
Is sealed by a sealing material layer 32 mainly composed of
【００２４】図１に示すように、絶縁体４と主体金具３
との間には、それらに軸線方向に隣接してタルクリング
３６と加締めリング３７とがはめ込まれ、主体金具３の
後端側外周部を加締めリング３７を介して絶縁体４側に
加締めることにより、絶縁体４と主体金具３とが固定さ
れている。また、主体金具３の先端外周には、検出素子
２の突出部分を覆う金属製の２重のプロテクトカバー６
ａ，６ｂがレーザー溶接あるいは抵抗溶接（例えばスポ
ット溶接）等によって固着されている。これらカバー６
ａ，６ｂはキャップ状を呈するもので、その先端や周囲
に、排気管内を流れる高温の排気ガスをカバー６ａ，６
ｂ内に導く開口６ｃ，６ｄが形成されている。一方、主
体金具３の後端部は外筒１８の先端部内側に挿入され、
その重なり部において周方向に環状に形成された結合部
としての溶接部（例えばレーザー溶接部）３５により互
いに気密状態で接合されている。As shown in FIG. 1, the insulator 4 and the metal shell 3
Between them, a talc ring 36 and a caulking ring 37 are fitted adjacent to each other in the axial direction, and the outer peripheral portion on the rear end side of the metal shell 3 is caulked to the insulator 4 side via the caulking ring 37. By tightening, the insulator 4 and the metal shell 3 are fixed. A double metal cover 6 covering the protruding portion of the detection element 2 is provided on the outer periphery of the distal end of the metal shell 3.
a and 6b are fixed by laser welding or resistance welding (for example, spot welding). These covers 6
Reference numerals a and 6b denote caps, and cover the ends and surroundings of high-temperature exhaust gas flowing through the exhaust pipe with the covers 6a and 6b.
Openings 6c and 6d leading to the inside of b are formed. On the other hand, the rear end of the metal shell 3 is inserted inside the front end of the outer cylinder 18,
The overlapping portions are joined in a hermetically sealed state by a welded portion (for example, a laser welded portion) 35 as a connecting portion formed in a circumferential direction in a circular shape.
【００２５】また、外筒１８の末端部（図面上部）内側
にはゴム製のグロメット１５が嵌め込まれ、これらに続
いてそのさらに内方側にコネクタ部１３が設けられてい
る。リード線１４の後端側はセラミックセパレータ１６
を貫通して外部に延びている。一方、リード線１４の先
端側は、コネクタ部１３を介して図２に示す検出素子２
の各電極端子部７（４極を総称する）に電気的に接続さ
れている。A rubber grommet 15 is fitted inside the end of the outer cylinder 18 (upper part in the drawing), and a connector 13 is further provided on the inner side of the grommet 15 following these. The rear end side of the lead wire 14 is a ceramic separator 16
And extends to the outside. On the other hand, the distal end of the lead wire 14 is connected to the detecting element 2 shown in FIG.
Are electrically connected to the respective electrode terminal portions 7 (collectively referred to as four poles).
【００２６】一方、図２に示す検出素子２の各電極端子
部７（４極を総称する）には、図１に示すようにコネク
タ部１３を介してリード線１４が電気的に接続されてい
る。都合４本のリード線１４は、外筒１８の末端内側に
嵌め込まれたグロメット１５を貫通して外部に延び、そ
れらの先端にコネクタプラグ１６が連結され、各リード
線１４の外部に延びる部分には、これらを収束して保護
する保護チューブ１７が被せられている。On the other hand, as shown in FIG. 1, a lead wire 14 is electrically connected to each electrode terminal portion 7 (collectively referred to as four poles) of the detecting element 2 shown in FIG. I have. The four lead wires 14 extend through the grommet 15 fitted inside the end of the outer cylinder 18 to the outside, and a connector plug 16 is connected to the tip thereof, and the four lead wires 14 extend to the outside of each lead wire 14. Are covered with a protective tube 17 that converges and protects them.
【００２７】ここで、図２の検出素子２の各構成要素の
寸法を図３を参照して示す（なお、本発明にて好適に採
用できる寸法を範囲にて示し、括弧内に具体的な数値例
を示している）。 ・検出素子２の幅Ｌ35：１〜１５ｍｍ（３ｍｍ）。 ・素子本体層２１の厚さＬ1：０．２〜０．８ｍｍ
（０．４ｍｍ）。 ・第二絶縁層２７の厚さＬ2：０．０１〜０．１０ｍｍ
（０．０３ｍｍ）。 ・第一ヒータ本体層２８の厚さＬ3：０．２〜０．８ｍ
ｍ（０．４ｍｍ）。 ・第一絶縁層２４の厚さＬ4：０．０３〜０．１ｍｍ
（０．０６ｍｍ）。 ・第二ヒータ本体層２９の厚さＬ5：０．２〜０．８ｍ
ｍ（０．４ｍｍ）。 ・第一絶縁層２４の、抵抗発熱体パターン２３の両側に
存する各部の厚さＬ6：０．０２〜０．０９ｍｍ（０．
０４ｍｍ）。 ・抵抗発熱体パターン２３の厚さＬ7：０．０１〜０．
０３ｍｍ（０．０２ｍｍ）。Here, the dimensions of each component of the detection element 2 in FIG. 2 are shown with reference to FIG. 3 (note that dimensions which can be suitably employed in the present invention are shown in a range, and specific Numerical examples are shown). The width L35 of the detection element 2 is 1 to 15 mm (3 mm). -Thickness L1 of element body layer 21: 0.2 to 0.8 mm
(0.4 mm). -Thickness L2 of second insulating layer 27: 0.01 to 0.10 mm
(0.03 mm).・ Thickness L3 of first heater main body layer 28: 0.2 to 0.8 m
m (0.4 mm). -Thickness L4 of first insulating layer 24: 0.03 to 0.1 mm
(0.06 mm).・ Thickness L5 of second heater body layer 29: 0.2 to 0.8 m
m (0.4 mm). The thickness L6 of each portion of the first insulating layer 24 on both sides of the resistance heating element pattern 23: 0.02 to 0.09 mm (0.
04 mm). -Thickness L7 of resistance heating element pattern 23: 0.01-0.
03 mm (0.02 mm).
【００２８】また、第一絶縁層２４と第二絶縁層２７と
の合計厚さをｔ1（＝Ｌ4＋Ｌ2）、素子本体層２１と第
一及び第二ヒータ本体層２８，２９との合計厚さをｔ2
（＝Ｌ1＋Ｌ3＋Ｌ5）とした場合に、ｔ2＞ｔ1である
（ｔ1＝０．０９ｍｍ、ｔ2＝１．２ｍｍ）。The total thickness of the first insulating layer 24 and the second insulating layer 27 is t1 (= L4 + L2), and the total thickness of the element body layer 21 and the first and second heater body layers 28 and 29 is t2
When (= L1 + L3 + L5), t2> t1 (t1 = 0.09 mm, t2 = 1.2 mm).
【００２９】以下、ヒータ付き酸素センサ１の検出素子
２の製造方法について説明する。検出素子２を製造する
ために、図４に示すような未焼成組立体３００（未焼成
積層組立体）を作製する。該未焼成組立体３００は、酸
素濃淡電池素子２０を形成するための第一部分２１０
（酸素濃淡電池素子の未焼成体）、第一絶縁層２４を形
成するための第二部分２１１、その第二部分２１１を未
焼成ヒータ本体成形体としての２つのジルコニアグリー
ンシート２２７，２３１で挟んだ、ヒータ２２を形成す
るための第三部分２１２から成り立っている。Hereinafter, a method of manufacturing the detection element 2 of the oxygen sensor 1 with a heater will be described. In order to manufacture the detection element 2, an unfired assembly 300 (unfired laminated assembly) as shown in FIG. 4 is manufactured. The green assembly 300 includes a first portion 210 for forming the oxygen concentration cell device 20.
(The green body of the oxygen concentration cell element), the second portion 211 for forming the first insulating layer 24, and the second portion 211 are sandwiched between two zirconia green sheets 227 and 231 as the green body for the heater body. However, it is composed of a third portion 212 for forming the heater 22.
【００３０】まず、第一部分２１０は、ジルコニア粉末
を有機バインダとともに混練した生素地を用いて形成さ
れた、素子本体層２１となるべきジルコニアグリーンシ
ート（未焼成素子本体成形体）２２０を含んでいる。そ
のジルコニアグリーンシート２２０の両面の、電極２
５，２６（図２）の形成が予定された部分を除く領域
に、リード部２５ａ，２６ａと素子本体層２１との間を
絶縁するための絶縁コート２２１及び２２２がＡｌ２Ｏ
３ペースト等を用いて形成される。それら絶縁コート２
２１及び２２２を形成した後、電極２５，２６及びリー
ド部２５ａ，２６ａを形成するための電極パターン２２
３及び２２４がＰｔペースト等により印刷形成される。
また、外側電極２５となる側の電極パターン２２３の上
には保護用のオーバーコート２２５がＡｌ２Ｏ３ペース
ト等により形成される。また、ジルコニアグリーンシー
ト２２０には貫通孔２２０ａが孔設されており、ここに
充填されたペーストに基づく導通部により、端子７とリ
ード部２５ａ，２６ａとが導通するようになっている。First, the first portion 210 includes a zirconia green sheet (unfired element body molded body) 220 to be the element body layer 21 formed using a green body obtained by kneading zirconia powder with an organic binder. . The electrodes 2 on both sides of the zirconia green sheet 220
The insulating coats 221 and 222 for insulating between the lead portions 25a and 26a and the element main body layer 21 are formed of Al 2 O in a region excluding a portion where the formation of the elements 5 and 26 (FIG. 2) is planned.
It is formed using three pastes or the like. Those insulating coats 2
After forming the electrodes 21 and 222, the electrode patterns 22 for forming the electrodes 25 and 26 and the lead portions 25a and 26a are formed.
3 and 224 are formed by printing using a Pt paste or the like.
An overcoat 225 for protection is formed on the electrode pattern 223 on the side to be the outer electrode 25 by using an Al 2 O 3 paste or the like. The zirconia green sheet 220 is provided with a through hole 220a, and the terminal 7 is electrically connected to the lead portions 25a and 26a by a conductive portion based on the paste filled therein.
【００３１】一方、第二部分２１１は、Ｐｔペーストに
より形成されたヒータパターン（未焼成発熱体パター
ン）２２９と、アルミナコート（未焼成第一絶縁層）２
２８，２３０とがアルミナペーストにより、そのヒータ
パターン２２９を挟む形で形成される。なお、アルミナ
コート２２８，２３０の厚さは、その印刷塗布回数によ
り調整できる。On the other hand, the second portion 211 includes a heater pattern (unfired heating element pattern) 229 formed of Pt paste and an alumina coat (unfired first insulating layer) 2.
28 and 230 are formed of alumina paste with the heater pattern 229 interposed therebetween. The thickness of the alumina coats 228 and 230 can be adjusted by the number of times of printing.
【００３２】第二部分２１１の積層方向両側には第一ヒ
ータ本体層２８、第二ヒータ本体層２９となるべき、ジ
ルコニアグリーンシート２２７及びジルコニアグリーン
シート２３１（未焼成ヒータ本体成形体）が形成されて
いる。ここで、ジルコニアグリーンシート２２７と第二
部分２１１との間には、電極端子部７となる端子２４４
ａ，２４４ｂが挟み込まれ、第三部分２１２となる。On both sides in the stacking direction of the second portion 211, zirconia green sheets 227 and zirconia green sheets 231 (unfired heater main body formed bodies) to be the first heater main layer 28 and the second heater main layer 29 are formed. ing. Here, between the zirconia green sheet 227 and the second portion 211, a terminal 244 serving as the electrode terminal portion 7 is provided.
a, 244b are sandwiched between them to form the third portion 212.
【００３３】以上のように形成された第一部分２１０と
第三部分２１２との間に、端子２４３ａ，２４３ｂを挟
み込んだ形で、これらをアルミナペーストからなるアル
ミナコート２２６（未焼成第二絶縁層）を介して張り合
わせることで、未焼成組立体３００が完成する。そし
て、これを焼成することで検出素子２が得られる。The terminals 243a and 243b are sandwiched between the first part 210 and the third part 212 formed as described above, and these are coated with an alumina coat 226 made of an alumina paste (unfired second insulating layer). The green assembly 300 is completed. Then, by firing this, the detection element 2 is obtained.
【００３４】以下、本発明の酸素センサ１の作用につい
て説明する。すなわち、図１の酸素センサ１は、取付ね
じ部３ａにおいて車両の排気管に固定され、リード線１
４を介して図示しないコントローラに接続されて使用に
供される。そして、その検出部Ｄが排気ガスに晒される
と、酸素濃淡電池素子２１の多孔質電極２５（図２）が
排気ガスと接触し、酸素濃淡電池素子２１には該排気ガ
ス中の酸素濃度に応じた酸素濃淡電池起電力が生じる。
この起電力がセンサ出力として取り出される。この種の
λ型酸素センサは、排気ガス組成が理論空燃比となる近
傍で濃淡電池起電力が急激に変化する特性を示すことか
ら、空燃比検出用に広く使用されるものである。Hereinafter, the operation of the oxygen sensor 1 according to the present invention will be described. That is, the oxygen sensor 1 of FIG. 1 is fixed to the exhaust pipe of the vehicle at the mounting screw portion 3a, and the lead wire 1
4 and connected to a controller (not shown) for use. When the detecting section D is exposed to the exhaust gas, the porous electrode 25 (FIG. 2) of the oxygen concentration cell element 21 comes into contact with the exhaust gas, and the oxygen concentration cell element 21 detects the oxygen concentration in the exhaust gas. The corresponding oxygen concentration cell electromotive force is generated.
This electromotive force is extracted as a sensor output. This type of λ-type oxygen sensor is widely used for air-fuel ratio detection because it exhibits characteristics in which the concentration cell electromotive force changes abruptly in the vicinity where the exhaust gas composition reaches the stoichiometric air-fuel ratio.
【００３５】そして、図４に示すその検出素子２の製造
時において、次の効果を奏する。まず、図３に示すよう
に、検出素子２においては、セラミックヒータ２２の一
部が酸素濃淡電池素子２０と同じジルコニア固体電解質
で構成された形となっいる。より詳しく述べれば、素子
２の厚さ方向中央に位置する第一ヒータ本体層２８を中
心にして、第一及び第二の絶縁層２４，２７と第二ヒー
タ本体層２９及び素子本体層２１、すなわち絶縁性セラ
ミックの層とジルコニア固体電解質の層とが対称的に配
列している。その結果、図４の未焼成組立体３００を焼
成後、冷却する際に、絶縁性セラミックの層とジルコニ
ア固体電解質の層との熱膨張差に基づく応力が打ち消し
合い、素子２の反りや曲がり、あるいは層間剥離等が生
じにくくなる。また、図３に示すように、抵抗発熱体パ
ターン２３は第一絶縁層２４によりジルコニア固体電解
質製の第一ヒータ本体層２８と絶縁され、さらにその第
一ヒータ本体層２８は第二絶縁層２７により素子本体層
２１と絶縁されている。すなわち、抵抗発熱体パターン
２３と素子本体層２１との間は２つの絶縁層２４，２７
により電気的に隔絶されているので、ヒータ電流の酸素
濃淡電池素子２０側へのリークも生じにくい。Then, the following effects are obtained at the time of manufacturing the detecting element 2 shown in FIG. First, as shown in FIG. 3, in the detection element 2, a part of the ceramic heater 22 is formed of the same zirconia solid electrolyte as the oxygen concentration cell element 20. More specifically, the first and second insulating layers 24 and 27, the second heater main layer 29, and the element main body layer 21 are arranged around the first heater main layer 28 located at the center in the thickness direction of the element 2. That is, the insulating ceramic layer and the zirconia solid electrolyte layer are symmetrically arranged. As a result, when the unsintered assembly 300 in FIG. 4 is fired and then cooled, the stress based on the difference in thermal expansion between the insulating ceramic layer and the zirconia solid electrolyte layer cancels out, and the element 2 warps and bends. Alternatively, delamination or the like hardly occurs. As shown in FIG. 3, the resistance heating element pattern 23 is insulated from a first heater main layer 28 made of a zirconia solid electrolyte by a first insulating layer 24, and the first heater main layer 28 further includes a second insulating layer 27. Is insulated from the element body layer 21. That is, the two insulating layers 24 and 27 are provided between the resistance heating element pattern 23 and the element body layer 21.
Therefore, the heater current hardly leaks to the oxygen concentration cell element 20 side.
【００３６】[0036]
【実施例】本発明のヒータ付き酸素センサの効果を確認
するために、以下の実験を行った。まず、図２に示す形
状の検出素子２を、図４に示す方法で一体焼成して作製
した。また、比較のために、第二絶縁層２７をジルコニ
ア固体電解質で構成した検出素子も合わせて作製した。
なお、検出素子２の各構成要素の寸法は以下の通りであ
る（図３参照）。 ・検出素子２の幅Ｌ35：３ｍｍ。 ・素子本体層２１の厚さＬ1：０．３ｍｍ、０．５ｍｍ
（２種類）。 ・第二絶縁層２７の厚さＬ2：０．０３ｍｍ。 ・第一ヒータ本体層２８の厚さＬ3：０．５ｍｍ。 ・第一絶縁層２４の厚さＬ4：０．０６ｍｍ。 ・第二ヒータ本体層２９の厚さＬ5：０．５ｍｍ。 ・第一絶縁層２４の、抵抗発熱体パターン２３の両側に
存する各部の厚さＬ6：０．０４ｍｍ。 ・抵抗発熱体パターン２３の厚さＬ7：０．０２ｍｍ。 また、検出素子２は、素子本体層２１の厚さＬ1の各値
と、第二絶縁層２７の各材質毎に２０個ずつ作製してい
る。EXAMPLES The following experiments were conducted to confirm the effects of the oxygen sensor with heater of the present invention. First, the detection element 2 having the shape shown in FIG. 2 was manufactured by integrally firing by the method shown in FIG. For comparison, a detection element in which the second insulating layer 27 was made of a zirconia solid electrolyte was also manufactured.
The dimensions of each component of the detection element 2 are as follows (see FIG. 3). The width L35 of the detection element 2 is 3 mm. -Thickness L1 of element body layer 21: 0.3 mm, 0.5 mm
(2 types). The thickness L2 of the second insulating layer 27: 0.03 mm; The thickness L3 of the first heater main body layer 28: 0.5 mm; The thickness L4 of the first insulating layer 24: 0.06 mm; The thickness L5 of the second heater body layer 29: 0.5 mm; The thickness L6 of each part of the first insulating layer 24 on both sides of the resistance heating element pattern 23: 0.04 mm. The thickness L7 of the resistance heating element pattern 23: 0.02 mm. The number of the detecting elements 2 is 20 for each value of the thickness L1 of the element main body layer 21 and each material of the second insulating layer 27.
【００３７】こうして得られた検出素子２に対し、クラ
ック発生の有無、及び反り量について調べた。クラック
発生の有無については、得られた検出素子２を欠陥検査
液（赤色顔料を灯油に懸濁させたもの）に浸漬して引き
上げ、着色したクラックを１０倍の拡大鏡にて目視検査
することで判定した。また、反り量については、図５に
示すように、検出素子２の厚さＹと、反り曲がりした検
出素子２を凹となる側を下側にして基準平面ａ上に置
き、その凸となる部分の最大高さＸを測定するととも
に、（Ｘ−Ｙ）の値を反り量として算出した。そして、
目視によりクラック発生が認められたもの又は反り量が
０．１０ｍｍ以上のものを不良、そうでなかったものを
良として判定を行い、不良品の発生比率を求めた。以上
の結果を表１に示す。The detection element 2 thus obtained was examined for the presence or absence of cracks and the amount of warpage. For the presence or absence of cracks, the obtained detection element 2 is immersed in a defect inspection solution (a red pigment suspended in kerosene), pulled up, and the colored cracks are visually inspected with a magnifier of 10 times. Was determined. As for the amount of warpage, as shown in FIG. 5, the thickness Y of the detecting element 2 and the warped and bent detecting element 2 are placed on the reference plane a with the concave side as the lower side and become convex. The maximum height X of the portion was measured, and the value of (XY) was calculated as the amount of warpage. And
Those having cracks visually observed or those having a warpage of 0.10 mm or more were judged to be defective, and those which did not were judged to be good, and the occurrence ratio of defective products was determined. Table 1 shows the above results.
【００３８】[0038]
【表１】 [Table 1]
【００３９】すなわち、実施例の検出素子は、比較例の
検出素子と比べて不良発生率が小さいことがわかる。That is, it can be seen that the detection rate of the detection element of the example is smaller than that of the detection element of the comparative example.
【図１】本発明のヒータ付き酸素センサの一例を示す酸
素センサの断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of an oxygen sensor showing an example of an oxygen sensor with a heater according to the present invention.
【図２】その検出素子の構造を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory view showing the structure of the detection element.
【図３】同じくその検出素子の寸法を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing dimensions of the detection element.
【図４】図２の検出素子の製造方法を示す分解斜視図。FIG. 4 is an exploded perspective view showing a method for manufacturing the detection element of FIG.
【図５】本発明の実施例における反り量を定義する説明
図。FIG. 5 is an explanatory diagram that defines an amount of warpage in the embodiment of the present invention.
【図６】従来の検出素子の焼成時における反り曲がりの
様子を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of warpage when a conventional detection element is fired.
１ 酸素センサ（ヒータ付き酸素センサ） ２ 検出素子 ３ 主体金具 ２０ 酸素濃淡電池素子 ２１ 素子本体層 ２２ セラミックヒータ ２３ 抵抗発熱体パターン ２４ 第一絶縁層 ２５ 多孔質電極（測定電極） ２６ 多孔質電極（基準電極） ２７ 第二絶縁層 ２８ 第一ヒータ本体層 ２９ 第二ヒータ本体層 ２１０ 第一部分（酸素濃淡電池素子の未焼成体） ２１１ 第二部分（セラミックヒータの未焼成体） ２２６ アルミナコート（未焼成第二絶縁層） ２２７，２３１ ジルコニアグリーンシート（未焼成ヒ
ータ本体成形体） ２２８，２３０ アルミナコート（未焼成第一絶縁層） ２２９ ヒータパターン（未焼成発熱体パターン） ３００ 未焼成組立体（未焼成積層組立体） Ｄ 検出部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen sensor (oxygen sensor with a heater) 2 Detecting element 3 Metal shell 20 Oxygen concentration cell element 21 Element main body layer 22 Ceramic heater 23 Resistance heating element pattern 24 First insulating layer 25 Porous electrode (measuring electrode) 26 Porous electrode ( (Reference electrode) 27 Second insulating layer 28 First heater main body layer 29 Second heater main body layer 210 First part (unfired body of oxygen concentration cell element) 211 Second part (unfired body of ceramic heater) 226 Alumina coat (not yet Baked second insulating layer) 227,231 zirconia green sheet (unfired heater body molded body) 228,230 alumina coat (unfired first insulating layer) 229 heater pattern (unfired heating element pattern) 300 unfired assembly (not fired) Firing assembly) D Detector
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 圭祐 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BJ03 BM07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Keisuke Makino 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi F-term in Japan Special Ceramics Co., Ltd. 2G004 BB04 BJ03 BM07
Claims (5)
の被検出成分を検出する検出素子が配置されるととも
に、該検出素子は、ジルコニアを主成分とする酸素イオ
ン伝導性固体電解質で構成された素子本体層の一方の面
に測定電極を、他方の面に基準電極を形成した板状の酸
素濃淡電池素子と、その酸素濃淡電池素子の基準電極側
に積層一体化される板状のセラミックヒータとを備え、 前記セラミックヒータは、絶縁性セラミックにより板厚
方向中間位置に形成された第一絶縁層と、その第一絶縁
層中に埋設される形で前記セラミックヒータの板面方向
に沿って形成される抵抗発熱体パターンと、前記第一絶
縁層を厚さ方向両側から挟む形で形成されるとともに、
それぞれジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性固
体電解質で構成された第一ヒータ本体層及び第二ヒータ
本体層とを備え、 前記セラミックヒータは前記酸素濃淡電池素子に対し、
前記第一ヒータ本体層側において、絶縁性セラミックに
より構成される第二絶縁層を介して接合されていること
を特徴とするヒータ付き酸素センサ。1. A detection element for detecting a component to be detected in a gas to be measured is disposed inside a metal shell, and the detection element is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte containing zirconia as a main component. A plate-shaped oxygen concentration cell element having a measurement electrode formed on one surface of the element body layer and a reference electrode formed on the other surface, and a plate-shaped oxygen concentration cell element laminated and integrated on the reference electrode side of the oxygen concentration cell element. A ceramic heater, wherein the ceramic heater is a first insulating layer formed at an intermediate position in the thickness direction of insulating ceramic, and embedded in the first insulating layer in a plate surface direction of the ceramic heater. Along with a resistance heating element pattern formed along, formed in a manner sandwiching the first insulating layer from both sides in the thickness direction,
A first heater body layer and a second heater body layer each composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte containing zirconia as a main component, wherein the ceramic heater is provided for the oxygen concentration cell element.
The oxygen sensor with a heater, wherein the first heater body layer is joined via a second insulating layer made of insulating ceramic.
ルミナを主体とするアルミナ系セラミックにより構成さ
れている請求項１記載のヒータ付き酸素センサ。2. The oxygen sensor with a heater according to claim 1, wherein the first insulating layer and the second insulating layer are made of an alumina-based ceramic mainly composed of alumina.
とがほぼ同じ厚さで形成されている請求項１又は２に記
載のヒータ付き酸素センサ。3. The oxygen sensor with a heater according to claim 1, wherein the element main body layer and the second heater main body layer have substantially the same thickness.
ータ付き酸素センサの製造方法であって、 前記酸素イオン伝導性固体電解質の原料粉末により、前
記素子本体層となるべき未焼成素子本体成形体を板状に
形成し、その両面に前記測定電極及び前記基準電極とな
るべき未焼成電極パターンを、それら電極の原料粉末を
用いて形成することにより得られる酸素濃淡電池素子の
未焼成体と、 前記酸素イオン伝導性固体電解質の原料粉末により、前
記第一ヒータ本体層及び前記第二ヒータ本体層となるべ
き未焼成ヒータ本体成形体をそれぞれ板状に形成し、前
記第一絶縁層となるべき未焼成第一絶縁層を前記絶縁性
セラミックの原料粉末により、また前記抵抗発熱体パタ
ーンとなるべき未焼成発熱体パターンを該発熱体の原料
粉末により、前記未焼成ヒータ本体成形体の間に挟み込
む形で形成して得られる前記セラミックヒータの未焼成
体とを、 前記絶縁性セラミックの原料粉末により形成される前記
第二絶縁層となるべき未焼成第二絶縁層を介して積層・
一体化することにより未焼成積層組立体となし、 その未焼成積層組立体を焼成することにより前記検出素
子を得ることを特徴とするヒータ付き酸素センサの製造
方法。4. The method of manufacturing an oxygen sensor with a heater according to claim 1, wherein the unsintered element main body to be the element main body layer using the raw material powder of the oxygen ion conductive solid electrolyte. A green body of an oxygen concentration cell element obtained by forming a molded body into a plate shape and forming a green electrode pattern to be the measurement electrode and the reference electrode on both surfaces thereof by using raw material powder for the electrodes With the raw material powder of the oxygen ion conductive solid electrolyte, the unsintered heater body molded body to be the first heater body layer and the second heater body layer are each formed into a plate shape, and the first insulating layer and The unfired first insulating layer to be formed by the raw material powder of the insulating ceramic, and the unfired heating element pattern to be the resistance heating element pattern by the raw material powder of the heating element, An unfired body of the ceramic heater obtained by being sandwiched between molded bodies of the fired heater main body and an unfired second insulation to be the second insulation layer formed by the raw material powder of the insulating ceramic. Lamination through layers
A method for producing an oxygen sensor with a heater, comprising: forming an unfired laminated assembly by integrating them; and obtaining the detection element by firing the unfired laminated assembly.
体成形体と前記第二ヒータ本体層となるべき未焼成ヒー
タ本体成形体とがほぼ同じ厚さで形成されている請求項
４記載のヒータ付き酸素センサの製造方法。5. The green body of the unfired element to be the element body layer and the green body of the unheated heater to be the second heater body layer are formed to have substantially the same thickness. Manufacturing method of oxygen sensor with heater.
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