JP2002195979A

JP2002195979A - ヒータ一体型酸素センサ

Info

Publication number: JP2002195979A
Application number: JP2000396298A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hamada; 修浜田; Hitoshi Matsunosako; 等松之迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】センシング部の周囲に発熱抵抗体を埋設するこ
とによって、従来の間接加熱方式よりも急速昇温が可能
ではあるが、センシング部内で温度分布が発生し、起電
力等の出力が安定しない。【解決手段】セラミック固体電解質からなり一端が封止
された円筒管２の内面に基準電極３を、該基準電極３と
対向する円筒管２の外面位置に測定電極４を形成すると
ともに、測定電極４の少なくとも円筒管長手方向に沿っ
て発熱抵抗体８を配設したセラミック絶縁層６を積層し
てなるヒータ一体型酸素センサであって、発熱抵抗体８
の長手方向の中央部における発熱量を他の領域よりも小
さくする。特に前記発熱抵抗体を長手方向に３分割した
時、中央部に位置する部分の発熱抵抗体の総面積をａ、
両端部に位置する部分の総面積をｂとした時、ａ＞ｂ／
２とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関における空気と燃料の比率を制御するための酸素セン
サに関し、具体的にはヒータ部とセンサ部とが一体化さ
れてなり、熱衝撃性に優れた活性化時間の短いヒータ一
体型酸素センサに関する。

【０００２】

【従来技術】現在、自動車等の内燃機関においては、排
出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて
内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御するこ
とにより、内燃機関からの有害物質、例えばＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘを低減させる方法が採用されている。

【０００３】この検出素子として、主として酸素イオン
伝導性を有するジルコニアを主分とする固体電解質から
なり、一端が封止された円筒管の外面および内面にそれ
ぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素セン
サが用いられている。この酸素センサの代表的なものと
しては、図６に示すように、ＺｒＯ₂固体電解質からな
り、先端が封止された円筒管４１の内面には、センサ部
として白金からなり空気などの基準ガスと接触する基準
電極４２が、また円筒管４１の外面には排気ガスなどの
被測定ガスと接触される測定電極４３が形成されてい
る。また、測定電極４３の表面には、セラミック多孔質
層４４が形成されている。

【０００４】このような酸素センサにおいて、一般に、
空気と燃料の比率が１付近の制御に用いられている、い
わゆる理論空燃比センサ（λセンサ）としては、測定電
極４３の表面に、保護層としてセラミック多孔質層４４
が設けられており、所定温度で円筒管両側に発生する酸
素濃度差を検出し、エンジン吸気系の空燃比の制御が行
われている。

【０００５】一方、広範囲の空燃比を制御するために用
いられている、いわゆる広域空燃比センサ（Ａ／Ｆセン
サ）は、測定電極４３の表面に微細な細孔を有するガス
拡散律速層としてセラミック多孔質層４４を設け、固体
電解質からなる円筒管４１に一対の電極４２、４３を通
じて印加電圧を加え、その際得られる限界電流値を測定
して希薄燃焼領域の空燃比を制御するものである。

【０００６】上記理論空燃比センサおよび広域空燃比セ
ンサともセンサ部を約７００℃付近の作動温度までに加
熱する必要があり、そのために、円筒管４１の内側に
は、センサ部を作動温度まで加熱するため棒状ヒータ４
５が挿入されている。

【０００７】しかしながら、近年排気ガス規制の強化傾
向が強まり、エンジン始動直後からのＣＯ、ＨＣ、ＮＯ
ｘの検出が必要になってきた。このような要求に対し
て、上述のように、ヒータ４５を円筒管４１内に挿入し
てなる間接加熱方式の円筒型酸素センサでは、センサ部
が活性化温度に達するまでに要する時間（以下、活性化
時間という。）が遅いために排気ガス規制に充分対応で
きないという問題があった。

【０００８】その問題を回避する方法として、固体電解
質からなる円筒管の内面および外面に基準電極、測定電
極が設けられ、測定電極の表面に、ガス透過性の多孔性
の絶縁層を設け、さらにその中のガス透過性の低いガス
非透過層中に白金発熱抵抗体を設けた円筒型のヒータ一
体型酸素センサも特開平１０−２０６３８０号公報に記
載されている。

【０００９】一方、本出願人は、先にセラミック固体電
解質からなり一端が封止された円筒管の内面および外面
に基準電極および測定電極を形成してなるセンサと、測
定電極が露出するように前記円筒管の外面に測定電極形
成部に開口を設けたセラミック絶縁層を積層形成し、測
定電極がその開口部から露出するようにし、その少なく
とも露出している前記測定電極の周囲のセラミック絶縁
層内に発熱抵抗体を埋設してなる急速昇温性に優れたヒ
ータ一体型酸素センサを提案した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなヒータ一体型酸素センサは、従来の間接加熱方式と
異なり、直接加熱方式であるために急速昇温が可能では
あるが、センシング部の周囲に発熱抵抗体が埋設されて
いるため、センシング部内で温度分布が発生し、起電力
等の出力が安定しないという問題があった。

【００１１】従って、本発明は、円筒型酸素センサに対
してヒータが一体化されてなるとともに、センシング部
を均一に加熱できるばかりでなく急速昇温などの熱衝撃
性に優れたヒータ一体型酸素センサを提供することを目
的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題について検討した結果、セラミック固体電解質からな
り一端が封止された円筒管の内面に基準電極を、該基準
電極と対向する円筒管の外面位置に測定電極を形成する
とともに、前記測定電極の少なくとも円筒管長手方向に
沿って発熱抵抗体を配設したセラミック絶縁層を積層し
てなるヒータ一体型酸素センサにおいて、前記発熱抵抗
体の円筒管長手方向の中央部における発熱量をその他の
領域よりも小さくしたことを特徴とするものである。

【００１３】発熱量を上記のように制御するためには、
前記発熱抵抗体を長手方向に３分割した時、中央部に位
置する部分の発熱抵抗体の総面積をａ、両端部に位置す
る部分の総面積をｂとした時、ａ＞ｂ／２であること、
特にａ×２／ｂが１．１〜１．５であることを特徴とす
るものである。

【００１４】本発明のヒータ一体型酸素センサは、セラ
ミック固体電解質からなり一端が封止された円筒管の内
面に基準電極を、該基準電極と対向する円筒管の外面位
置に測定電極を形成するとともに、前記測定電極の少な
くとも円筒管長手方向に沿って発熱抵抗体を配設したセ
ラミック絶縁層を積層してなるもので、この発熱抵抗体
により基準電極および測定電極等のセンシング部を加熱
する仕組みとなっている。

【００１５】この際、センシング部に長手方向に平行に
配設した発熱抵抗体の線幅をすべて同じ線幅とすると、
発熱量が中心部付近で高くなり、センシング部の中央部
の温度が周辺領域よりも高くなる傾向がある。そこで、
本発明によれば、前記発熱抵抗体の円筒管長手方向にお
ける中央部における発熱量をその他の領域よりも小さく
することによって、センシング部を均一に加熱すること
ができる。その結果、センシング部の電極の全ての面積
が、ガス応答に対して有効に働くため、素子の昇温時や
あるいはガス濃度の変化に対するガス応答時間を早くす
ることができる。

【００１６】また、本発明のヒータ一体型酸素センサ
は、製造にあたって、固体電解質からなる円筒管を具備
するセンサ素体の表面に、セラミック絶縁層内に発熱抵
抗体を埋設したヒータ素体を巻き付け、ヒータ素体とセ
ンサ素体とを同時焼成して作製できるため、従来のよう
に、酸素センサとヒータとをそれぞれ個別に作製した
後、酸素センサ内にヒータを勘合して使用する酸素セン
サに比べて製造コストが極めて安価になり、経済性の観
点からも優れている。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の酸素センサの一例を示す
図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、ガスセ
ンサの一例を示す概略斜視図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面
図（ｂ）である。但し、（ａ）では説明の便宜上、セラ
ミック保護層１３を省略した。

【００１８】図１のガスセンサ１は、酸素イオン伝導性
を有するジルコニア等のセラミック固体電解質からな
り、先端が封止された円筒管２の内面に、第１の電極と
して、空気などの基準ガスと接触される基準電極３が被
着形成され、また、円筒管２を挟んで基準電極３と対向
する位置に第２の電極として、排気ガスなどの被測定ガ
スと接触する測定電極４が被着形成されている。そし
て、基準電極３、ジルコニア固体電解質からなる円筒管
２および測定電極４によって検知部を形成している。

【００１９】そして、先端が封止された円筒管２の外面
には、Ａｌ₂Ｏ₃などのセラミック絶縁層６が被着形成さ
れており、そのセラミック絶縁層６には、測定電極４の
一部または全部が露出するように開口部７が形成されて
いる。

【００２０】また、上記開口部７の周囲のセラミック絶
縁層６中には検知部を加熱するためのＰｔ等からなる発
熱抵抗体８が埋設されている。また、セラミック絶縁層
６の表面には、さらに発熱抵抗体８による加熱効率を高
めるために、Ａｌ₂Ｏ₃等からなるセラミック保温層９が
積層形成されている。

【００２１】円筒管２の内面に形成された基準電極３
は、円筒管２の内面および開口側の端面を経由して円筒
管２の外表面に設けたセンサ用端子部１１ａに接続され
ている。一方、円筒管２の外面に形成された測定電極４
は、セラミック絶縁層６およびセラミック保温層９に形
成された開口部７の端面を経由してセラミック保温層９
の表面に形成されたリード部１０に接続され、さらにセ
ラミック保温層９の表面に形成された端子部１１ｂと接
続されている。なお、円筒管２において上記端面に存在
するエッジ部は、Ｃ面取りされ、エッジ部で生じる電気
的接続の不良を回避している。

【００２２】また、セラミック保温層９の表面に形成さ
れたリード部１０の表面にはさらにＺｒＯ₂等からなる
保護層１２が形成されている。この保護層１２によっ
て、リード部１０を、例えば素子のアッセンブル時の引
っかき、あるいは素子の落下時の異物との衝突等の物理
的な破壊から保護することができる。この保護層１２は
固体電解質と同じＺｒＯ₂で構成することが固体電解質
との熱膨張差による応力の発生を防止する上で好まし
い。さらに、図１（ｂ）に示すように、少なくとも検知
部の表面も、多孔質のセラミック保護層１３によって被
覆されている。

【００２３】また、センサ用端子部１１には、外部回路
との接続のための金属部材１４がそれぞれロウ材１５に
よってロウ付け固定されている。これによって、検知部
において発生した検知データをリード部１０、センサ用
端子部１１および金属部材１４を経由して外部回路に接
続される。

【００２４】一方、セラミック絶縁層６内に形成された
発熱抵抗体８は、同じくセラミック絶縁層６内に形成さ
れたリード部１６と、セラミック絶縁層６およびセラミ
ック保温層９を貫通して形成された貫通導体（図示せ
ず）によって、セラミック保温層９の外表面に形成され
たヒータ用端子部１８と電気的に接続されている。そし
て、端子部１８上には発熱用外部電源と接続するための
金属部材１９がロウ材等により固定され、これらを通じ
て発熱抵抗体８に電流を通ずることにより、発熱抵抗体
８が加熱され、測定電極４、円筒管２および基準電極３
からなる検知部を所定の温度に急速昇温される。

【００２５】上記の測定電極４の周囲の発熱抵抗体８
は、図１に示すように開口部７の長手方向の両側に、対
照的にパターン化して配置されているが、本発明によれ
ば、図２（ａ）の発熱抵抗体８のパターンの断面図に示
すように、開口部７内の測定電極４に沿ってセンサの長
手方向にミアンダ状に形成されている。本発明によれ
ば、この発熱抵抗体８からの発熱量が長手方向の中央部
がそれ以外の部分に比較して小さくなるように設定され
ている。より具体的には、前記発熱抵抗体８を長手方向
に３分割した時、中央部に位置する部分の発熱抵抗体８
の総面積が、両端部に位置する部分の総面積をｂとした
時、ａ＞ｂ／２であることが望ましく、ａ×２／ｂが
１．１〜１．５であることが望ましい。

【００２６】なお、この発熱抵抗体８の厚さは、発熱抵
抗体を形成する抵抗材料や加熱温度、電流値等によって
適宜変わるが、抵抗体を白金によって形成し、導体ペー
ストの印刷塗布、焼成によって形成した場合には、最大
厚みで５〜２５μｍ、特に１０〜２０μｍが最適であ
る。

【００２７】かかる発熱抵抗体のパターン形成によっ
て、測定電極４表面における加熱温度の温度差を５０℃
以下、特に３０℃以下に抑制することによって、測定電
極４の全面における検知性能を高めることができ、その
結果、センシング部の電極の全ての部分をガス応答に対
して有効に機能させることができ、素子の昇温時やある
いはガス濃度の変化に対するガス応答時間を早くするこ
とができる。

【００２８】なお、センシング部を加熱する発熱抵抗体
のパターンとしては、図２（ａ）に示したようなミアン
ダ状以外に、図２（ｂ）に示すように、測定電極４の長
手方向の辺に平行に形成したものであってもよい。この
ようなパターンにおいても、中央部、両端部の発熱抵抗
体パターンの総面積の関係が上述の関係にあることが望
ましい。

【００２９】本発明では、発熱抵抗体８は、リード部１
６を経由してヒータ用端子部１８と接続されており、こ
れらを通じて発熱抵抗体８に電流を流すことにより発熱
抵抗体８が加熱され、円筒管２、基準電極３および測定
電極４からなるセンサ部を加熱する仕組みとなっている
が、この際、発熱抵抗体８のリード部１６は、幅広い１
本のラインで形成することも可能であるが、２本以上の
ラインで形成することによって、リード部１６を挟む上
下のセラミック絶縁層６同時の結合性を高め、素子の強
度を高めることができる。

【００３０】さらに、ガスセンサの全体の大きさとして
は、外径が３〜６ｍｍ、特に３〜４ｍｍの円筒体によっ
て形成することが、消費電力を低減するとともに、セン
シング性能を高めることができる。

【００３１】（固体電解質）本発明において、円筒管２
を形成するのに用いられるセラミック固体電解質は、Ｚ
ｒＯ₂を含有するセラミックスからなり、具体的には、
Ｙ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｎｄ
₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物を酸化物換算で１〜３
０モル％、好ましくは３〜１５モル％含有する部分安定
化ＺｒＯ₂あるいは安定化ＺｒＯ₂が用いられている。ま
た、ＺｒＯ₂中のＺｒを１〜２０原子％をＣｅで置換し
たＺｒＯ₂を用いることにより、電子伝導性が大きくな
り、応答性がさらに改善されるといった効果がある。

【００３２】さらに、焼結性を改善する目的で、上記Ｚ
ｒＯ₂に対して、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂を添加含有させるこ
とができるが、多量に含有させると、高温におけるクリ
ープ特性が悪くなることから、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂
の添加量は総量で５重量％以下、特に３重量％以下であ
ることが望ましい。

【００３３】また、固体電解質中のＮａの含有量として
は、固体電解質からセラミック絶縁層への拡散進入を防
止する観点からは２００ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ
が望ましい。

【００３４】（セラミック絶縁層）一方、発熱抵抗体８
を埋設するセラミック絶縁層６としては、アルミナおよ
び／またはマグネシアを含有する酸化物、特に、アルミ
ナ材料、スピネル材料、あるいはアルミナとスピネルと
の複合化合物材料が好適に用いられる。この際、セラミ
ック絶縁層６の焼結性を改善する目的で、少量Ｓｉ成分
を添加することが望ましいが、その含有率としては酸化
物換算で０．１重量％以上でその効果が見られるが、Ｓ
ｉの含有量が、５重量％を越えるとセラミック絶縁層６
中のＮａの拡散と偏析が促進され、白金等からなる発熱
抵抗体の寿命が低下しやすいため、Ｓｉ含有量は０．１
〜５重量％の範囲が望ましい。Ｓｉ含有量としては、
０．５〜３重量％が望ましい。特に、０．５〜２重量％
がＮａの拡散を防止する観点から望ましい。

【００３５】また、このセラミック絶縁層６は、相対密
度が８０％以上、開気孔率が５％以下の緻密質なセラミ
ックスによって構成されていることが望ましい。これ
は、セラミック絶縁層６が緻密質であることにより絶縁
層の強度が高くなる結果、酸素センサ自体の機械的な強
度を高めることができるためである。さらに、セラミッ
ク絶縁層６中のＮａの含有量は、５０ｐｐｍ、特に３０
ｐｐｍ以下とすることがヒータの寿命を延ばすために望
ましい。

【００３６】（発熱抵抗体）また、上記セラミック絶縁
層６の内部に埋設される発熱抵抗体８としては、白金、
ロジウム、パラジウム、ルテニウムの群から選ばれる１
種の金属、または２種以上の合金からなることが望まし
く、特に、セラミック絶縁層６との同時焼結性の点で、
そのセラミック絶縁層６の焼成温度よりも融点の高い金
属または合金を選択することが望ましい。

【００３７】また、発熱抵抗体８中には上記の金属の他
に焼結防止と絶縁層との接着力を高める観点からアルミ
ナ、スピネル、アルミナ／シリカの化合物、フォルステ
ライトあるいは上述の電解質となり得るジルコニア等を
体積比率で１０〜８０％、特に３０〜５０％の範囲で混
合することが望ましい。

【００３８】発熱抵抗体８を埋設したセラミック絶縁層
６の表面に形成されるセラミック保温層９は、ジルコニ
アセラミックスからなることが望ましい。このジルコニ
アからなるセラミック保温層９は、固体電解質とセラミ
ック絶縁層６間の熱膨張差や焼成収縮差等に起因する応
力を緩和させ、熱応力をできる限り小さくすることがで
きる。この際、円筒管２と発熱抵抗体８の間とセラミッ
ク保温層９と発熱抵抗体８の間の距離はそれぞれ２μｍ
以上であることが望ましい。

【００３９】（電極）円筒管２の内面および外面に被着
形成される基準電極３、測定電極４は、いずれも白金、
ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選
ばれる１種、または２種以上の合金が用いられる。ま
た、センサ動作時の電極中の金属の粒成長を防止する目
的と、応答性に係わる金属粒子と固体電解質と気体と
の、いわゆる３相界面の接点を増大する目的で、上述の
セラミック固体電解質成分を１〜５０体積％、特に１０
〜３０体積％の割合で上記電極中に混合してもよい。

【００４０】また、本発明においては、この開口部７に
露出している測定電極４の形状は特に限定するものでは
なく、また、開口部７は、円筒管２における対照な位置
となる２箇所に設けると熱衝撃性を改善することができ
る。開口部７の広がりとしては、円筒管２の断面の中心
に対して３０〜９０度の範囲とすることにより、開口部
７の周囲への熱応力の発生を抑制し、また、発熱抵抗体
８による加熱効率を高めることができる。この開口部７
は４０〜８０度の範囲が特に優れる。

【００４１】一方、固体電解質からなる円筒管２の内面
に形成される基準電極３は、測定電極４の前記開口部７
より露出する部分に対向する内面部分に形成されていれ
ばよく、測定電極４の露出部面積よりも大きい面積、例
えば、円筒管２の内面全面に成されていてもよい。

【００４２】（多孔質層）本発明の酸素センサにおいて
は、図１（ｂ）の要部拡大断面図に示すように、開口部
７内にて露出している測定電極４の表面に、多孔質のセ
ラミック保護層１３が形成されるが、このセラミック保
護層１３は、以下の２つの目的で形成される。

【００４３】第１に、排気ガスによって測定電極４が被
毒して出力電圧が低下するのを防止することを目的とし
て設けるものであり、露出した測定電極４の表面にジル
コニア、アルミナ、マグネシアあるいはスピネル等のポ
ーラスな保護層として形成される。このような保護層を
設けた酸素センサは、一般的には理論空燃比センサ（λ
センサ）素子として用いることができる。この場合に、
セラミック保護層１３としては開気孔率が１０〜４０％
の多孔質体からなることが望ましい。

【００４４】第２に、露出した測定電極４の表面に微細
な細孔を有するジルコニア、アルミナ、スピネル、マグ
ネシアまたはγ−アルミナの群から選ばれる少なくとも
１種のガス拡散律速層として機能させる。このようなガ
ス拡散律速層となるセラミック保護層１３としては、開
気孔率が５〜３０％の多孔質体が望ましい。

【００４５】また、このガス拡散律速層となるセラミッ
ク保護層１３の表面には、さらに排気ガスの被毒を防止
する観点から、前述したアルミナあるいはスピネルから
なる前記セラミック保護層を設けることもできる。この
様なヒーター体化酸素センサは、後で述べる広域空燃比
センサ（Ａ／Ｆセンサ）として応用することが可能であ
る。

【００４６】次に、本発明のヒータ一体型酸素センサの
作製方法について詳述する。本発明の酸素センサの製造
方法について、図１のヒータ一体型酸素センサの製造方
法を例にして図３をもとに説明する。

【００４７】（１）まず図３（ａ）に示すような両端が
開放された中空の円筒管２０を作製する。この円筒管２
０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性を有するセラミ
ック固体電解質粉末に対して、成形用有機バインダーを
添加して押出成形や、静水圧成形（ラバープレス）ある
いはプレス形成などの周知の方法により作製される。

【００４８】（２）そして、上記固体電解質からなる円
筒管２０の内面および外面に、基準電極および測定電極
となるパターン２１、２２を例えば、白金を含有する導
電性ペーストを用いてスラリーデッィプ法、スクリーン
印刷、パット印刷、ロール転写等で形成する。この時、
円筒管２０内面への基準電極２２の印刷は、導体ペース
トを充填して排出して、内面全面に塗布形成することが
効率がよい。

【００４９】その後、ジルコニア材料を石油系溶媒に分
散したスラリーを円筒管２０の先端側の端部より約３ｍ
ｍの深さまで注入し乾燥する。石油系溶媒を用いる理由
は、ジルコニア粉末が分散し易く、内径の小さな円筒管
２０に注入しやすいことに加えて、スラリーの乾燥が早
いことである。この際、石油系溶媒の量としては、ジル
コニア材料１００重量％に対して、石油系溶媒を５〜２
５重量％含有するスラリーが好ましい。この際、アクリ
ル系のバインダーをスラリーに１〜５重量％添加する
と、この先端封止材と円筒管２０内壁との接着力が増加
する。この後、円筒管先端を円弧などの所定の形状に加
工する。このようにしてセンサ素体Ａを作製する。

【００５０】（３）次に、図３（ｂ）に示すようなヒー
タ素体Ｂを形成する。まず、上述のジルコニア粉末を含
有するスラリーを用いて５０〜５００μｍ、特に１００
〜３００μｍの厚さのセラミック絶縁層を形成するため
のセラミックグリーンシートを作製する。その後、この
グリーンシート表面に、アルミナ、スピネル、フォルス
テライト、ジルコニア、ガラス等のセラミック粉末を用
いて、適宜成形用有機バインダーを添加してスラリーを
調製し、このスラリーを用いてスクリーン印刷法、パッ
ト印刷法、ロール転写法等により印刷した後、その表面
に白金などの金属粉末を含む導電性ペーストをスクリー
ン印刷法、パット印刷法、ロール転写法等により印刷し
て、本発明のリードパターンを含む発熱抵抗体パターン
２４を塗布する。そして、再度、絶縁性スラリーを塗布
する。その後、開口部２５をパンチングなどによって形
成することにより、セラミック保温層９となるジルコニ
ア層２３と発熱抵抗体２４を埋設したセラミック絶縁層
２６との未焼成の積層体からなるヒータ素体Ｂが得られ
る。

【００５１】（４）次に、図３（ｃ）に示すように、上
記円筒状のセンサ素体Ａの表面に、ヒータ素体Ｂを巻き
付けて円筒状積層体を作製する。この際、ヒータ素体Ｂ
をセンサ素体Ａに巻き付けるには、ヒータ素体Ｂとセン
サ素体Ａとの間にアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤
を介在させて接着させたり、あるいはローラ等で圧力を
加えながら機械的に接着することができる。この時、巻
き付けされたヒータ素体Ｂの合わせ目は、焼成時の収縮
を考慮し、シート端部同志を重ねるか、あるいは所定の
間隔をおいて接着してもよい。また、円筒管の先端とヒ
ータ素体Ｂの巻き付け位置は、焼成後０．５〜２ｍｍに
なるように調整する。

【００５２】（５）そして、上記の円筒状積層体を、ア
ルゴンガス等の不活性雰囲気中あるいは大気中１３００
〜１７００℃で１〜１０時間程度焼成することによりセ
ンサ素体Ａとヒータ素体Ｂとを同時焼成することができ
る。

【００５３】なお、上記の製造方法では、基準電極２２
および測定電極２１を円筒管２０形成時に塗布したが、
これらの電極の形成は、電極を有しない円筒管２０の表
面にヒータ素体Ｂを巻き付けて円筒状積層体を作製した
後、円筒状積層体に対して、電極ペーストをスクリーン
印刷、パット印刷、ロール転写法あるいは浸漬法によっ
て円筒管２０の内面およびヒータ素体Ｂにおける開口部
２５内の円筒管２０表面に塗布するか、またはスパッタ
法やメッキ法にて形成することもできる。

【００５４】さらに、図１のセラミック保護層１３を形
成するには、焼成後に、アルミナ、スピネル、ジルコニ
ア等の粉末をゾルゲル法、スラリーディップ法、印刷法
などによって印刷塗布し、焼き付け処理したり、上記セ
ラミックスをスパッタ法あるいはプラズマ溶射法により
被覆して形成するか、または、円筒状積層体を作製する
際に予めセラミック保護層１３を形成するスラリーを塗
布した後に、同時に焼成し形成することも可能である。

【００５５】上記の製造方法によれば、１回の焼成工程
でセンサ、ヒータ、セラミック部材の一体物を作製する
ことができ、別途接合工程を必要としないことから、製
造歩留りや製造コストの低減を図ることができるために
非常に好ましい。

【００５６】（他のセンサ構造）本発明のヒータ一体型
酸素センサは、図１の構造のものに限定されるものでな
く、種々の酸素センサに適用することができる。そこ
で、図４には、いわゆるＡ／Ｆセンサの例についてその
（ａ）概略斜視図と、（ｂ）縦断面図を示した。

【００５７】このヒータ一体型空燃比センサは、固体電
解質からなり一端が封止された円筒管３０の外側に、空
間３１を介して、さらに拡散孔３２ａを有する固体電解
質層３２を設け、前記円筒管３０の内外面に基準電極３
３および測定電極３４からなる第１の電極対を形成する
と同時に、空間３１を介して形成した固体電解質層３２
の内外面に内側電極３５、外側電極３６からなる第２の
電極対を形成したものである。そして、これらの検知部
の周囲に発熱抵抗体３７を埋設したセラミック絶縁層３
８を配置した構造からなる。この空燃比センサにおいて
は、第２の電極３５、３６間に電流を流し、空間３１内
の酸素濃度が一定になるように第１の電極３３、３４で
検知しながら空間３１内に酸素ガスを流入させたり、あ
るいは排出させたりして、排気ガス中の空燃比を測定す
るものである。

【００５８】本発明によれば、この図４の酸素センサに
おいても、発熱抵抗体３７の断面における平均線幅を
０．１〜０．３ｍｍ、その平均最大厚みを１０〜２５μ
ｍとすることによってマイグレーションの発生による抵
抗増大などの現象を防止することができ、酸素センサの
長寿命化を図ることができる。

【００５９】

【実施例】（実施例１）市販のアルミナ粉末と、５モル
％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末と、白金粉末をそれぞれ
準備した。まず、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末
にポリビニルアルコール溶液を添加して坏土を作製し、
押出成形により焼結後の外径が約４ｍｍ、内径が２ｍｍ
になるように両端が開放された円筒状成形体を作製し、
その表面に、白金ペーストを用いて長方形状の測定電極
パターンおよびリードパターンを印刷塗布するととも
に、成形体の内部全面にも白金ペーストを塗布して基準
電極を形成した。また、円筒管の先端部をジルコニア粉
末１００重量％に対して石油系溶媒を２０重量％添加し
たスラリー中に浸漬した後、乾燥して一端を封止した。
なお、測定電極および基準電極の厚みは焼成後に約５μ
ｍとなるように調整した。

【００６０】また、５モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉
末にポリビニルアルコール溶液を加えてスラリーを作製
し、厚みが約２００μｍのグリーンシートを作製した。
このグリーンシートに前記測定電極の形状と一致する長
方形状の種々の大きさを有する開口部をパンチングによ
って開けた。

【００６１】その後、開口部以外の部分にアルミナ粉末
を約２０μｍの厚みに塗布した後、白金粉末を含む導体
ペーストを用いて、種々のパターンの発熱抵抗体を印刷
塗布した。そして、その上に再度アルミナ粉末を約２０
μｍとなるように塗布し発熱抵抗体をアルミナのセラミ
ック絶縁層中に埋設してなる図３（ｂ）に示す構造のヒ
ータ素体Ｂを作製した。なお、この時の発熱抵抗体パタ
ーンの面積比率を表１に示した。この面積の比率は、焼
成時の収縮後も同一であった。

【００６２】次に、上記の円筒状のセンサ素体Ａの表面
に、接着剤としてアクリル系樹脂を用いて上記ヒータ素
体Ｂを巻き付け円筒状積層体を作製した。その後、この
円筒状積層体を大気中にて、１５００℃で２時間焼成
し、焼成一体化した。

【００６３】その後、開口部内の測定電極の表面に、プ
ラズマ溶射によりスピネルからなる気孔率が約３０％の
セラミック保護層を２００μｍの厚みで形成して図１に
示すような理論空燃比センサを作製した。

【００６４】性能評価に関しては、作製した酸素センサ
について、開口部の中心線に沿って、最上部（Ａ）、最
下部（Ｂ）および中心部（Ｃ）の温度を測定すると同時
に、その最大温度差を求めた。

【００６５】

【表１】

【００６６】結果を表１に示す。発熱抵抗体の面積比率
がすべて同じである場合には、センシング部内における
温度分布が５０℃よりも大きいのに対して、中央部の面
積を両端部分よりも大きくして発熱量を抑えることによ
って温度分布を５０℃以下に小さくすることができた。
なお、ａ×ｂ／２比が１．５を越える試料Ｎｏ．７は、
温度分布は５０℃以下と良好であった。但し、センシン
グ部の加熱効率が低下し、到達温度が６００℃以下と低
くなった。

【００６７】（実施例２）実施例１の試料Ｎｏ．１と試
料Ｎｏ．４を用いて、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂から
なる混合ガスを用いて、空燃比を１４と１５の間で変化
させたときの７００℃における出力（起電力）の変化を
図に示した。これより、本発明の試料は、従来品に比較
して空燃比の変化に対してガス応答性に優れることがわ
かる。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のヒータ一体
型酸素センサによれば、センシング部を均一に加熱で
き、素子の急速昇温を行うことができるだけでなく、少
ない消費電力でセンサを活性化させることができるため
に、正確に酸素濃度を検出することができる。しかも、
本発明のセンサは発熱抵抗体を内蔵するセラミック絶縁
層とを同時焼成して作製できるため、製造コストが極め
て安価になり、経済性の観点からも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒータ一体型酸素センサの一例を説明
するための（ａ）概略斜視図と、（ｂ）Ａ−Ａ断面図で
ある。

【図２】（ａ）図１の酸素センサにおける発熱抵抗体の
パターンを説明するための図と、（ｂ）他の発熱抵抗体
の他のパターンを説明するための図である。

【図３】本発明のガスセンサを製造する方法の一例を説
明するための工程図である。

【図４】本発明のヒータ一体型酸素センサの他の例を説
明するための（ａ）概略斜視図と、（ｂ）Ｘ−Ｘ断面図
である。

【図５】本発明のヒータ一体型酸素センサと従来品によ
る起電力の変化を示した図である。

【図６】従来のヒータ一体型の円筒型酸素センサの概略
図である。

【符号の説明】

１センサ２円筒管（固体電解質基体）３基準電極４測定電極６セラミック絶縁層７開口部８発熱抵抗体９セラミック保温層１３セラミック保護層２１セラミック部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック固体電解質からなり一端が封止
された円筒管の内面に基準電極を、該基準電極と対向す
る円筒管の外面位置に測定電極を形成するとともに、前
記測定電極の少なくとも円筒管長手方向に沿って発熱抵
抗体を配設したセラミック絶縁層を積層してなるヒータ
一体型酸素センサであって、前記発熱抵抗体の円筒管長
手方向における中央部における発熱量を他の領域よりも
小さくしたことを特徴とするヒータ一体型酸素センサ。
【請求項２】前記発熱抵抗体を長手方向に３分割した
時、中央部に位置する部分の発熱抵抗体の総面積をａ、
両端部に位置する部分の総面積をｂとした時、ａ＞ｂ／
２であることを特徴とする請求項１記載のヒータ一体型
酸素センサ。
【請求項３】前記発熱抵抗体を長手方向に３分割した
時、中央部に位置する部分の発熱抵抗体の総面積をａ、
両端部に位置する部分の総面積をｂとした時、ａ×２／
ｂが１．１〜１．５であることを特徴とする請求項２記
載のヒータ一体型酸素センサ。