JP2003107035A

JP2003107035A - 酸素センサ

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Publication number: JP2003107035A
Application number: JP2001298542A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hamada; 修浜田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP4721593B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータ基板からセンサ基板に効率よく熱を伝達
して、センサ基板の温度の均一にすることにより、ガス
応答性の優れ、さらには所定の温度到達までの時間や活
性化までの時間を短縮した酸素センサを提供する。【解決手段】一端が封止された大気導入孔３ａを有する
長尺状の固体電解質基板２と、基板３の一端側近傍にお
ける一方の外表面に測定電極５を、測定電極５と対向す
る大気導入孔側３ａ内面に基準電極４を有するセンサ部
Ａを形成してなるセンサ基板１と、長尺状のセラミック
絶縁基板７の一端側近傍に発熱体８を埋設した発熱部Ｂ
を形成してなるヒータ基板２とを具備し、ヒータ基板２
をセンサ基板１の測定電極５が形成された外表面と反対
側の外表面に積層、固定してなり、センサ基板１とヒー
タ基板２のセンサ部Ａおよび発熱部Ｂとを互いに押圧付
勢した状態とし、センサ部Ａ及び発熱部Ｂ以外の部分で
両基板１、２を接合固定する。

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
ンサに関するものであり、具体的にはセンサ基板とヒー
タ基板を接合、固定した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】このような酸素濃度を検出する酸素センサ
として、図６に示すように酸素イオン導電性を有するジ
ルコニアを主分とする固体電解質４１に白金電極４２を
形成し、固体電解質４１内部にＰｔ等の発熱体４３を埋
設した薄いセラミック絶縁層４４からなるヒータ４５を
一体化した酸素センサが提案されている。（特開平２−
２７６８５７号公報等）一方、図７に示すように、酸
素イオン導電性を有するジルコニアを主分とする固体電
解質５１に白金電極５２が形成されたセンサ基板５３
と、発熱体５４を有するアルミナからなるヒータ基板５
５とをセラミック多孔質層５６を介して接合したものも
提案されている。このような酸素センサにおいては発熱
体５４による熱がセラミック多孔質層５６を伝わりセン
サ基板５３が加熱される仕組みとなっている。

【０００４】このセラミック多孔質層５６は、センサ基
板５３とヒータ基板５５の隙間にグリーンシートで挿入
するか、またはペーストを充填した後、センサ基板５３
とヒータ基板５５とセラミック多孔質層５６とを同時に
焼成して作製される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述
のようなヒータ４５を焼成一体化した図６の酸素センサ
では、セラミック絶縁層４４の絶縁性が低いため、漏れ
電流の影響により検出精度が悪くなると云う問題があっ
た。

【０００６】また、センサ基板５３とヒータ基板５５と
をセラミック多孔質層５６で接合した図７の酸素センサ
では、電気絶縁はすぐれるものの、ヒータ基板５５から
センサ基板５３への熱伝達が悪く、その結果、センサ基
板５３に形成されたセンサ部の温度分布が不均一になり
ガス応答性が悪いという欠点があった（特開昭６０−１
２９６６１号公報等）。

【０００７】さらに、ヒータ基板とセンサ基板とを積層
一体化した酸素センサにおいては、ヒータ基板によって
高温に加熱されることによって、各基板の熱膨張の不均
衡等によって基板に反りが発生し、このヒータ基板とセ
ンサ基板との間に隙間が発生し、ヒータ基板によるセン
サ基板の加熱効率が低下するという問題があった。

【０００８】従って、本発明は、センサ基板とヒータ基
板とを積層、固定された酸素センサにおいて、高温下に
おいてもヒータ基板からセンサ基板に効率よく熱を伝達
して、センサ基板の温度のバラツキを抑え、均一な温度
分布にすることが可能となり、ガス応答性の優れ、さら
には所定の温度到達までの時間や活性化までの時間を短
縮した酸素センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題
について検討した結果、一端が封止された大気導入孔を
有する長尺状の固体電解質基板と、該基板の一端側近傍
における一方の外表面に測定電極を、該測定電極と対向
する前記大気導入孔側内面に基準電極を有するセンサ部
を形成してなるセンサ基板と、長尺状のセラミック絶縁
基板の一端側近傍に発熱体を埋設した発熱部を形成して
なるヒータ基板とを具備し、前記ヒータ基板を前記セン
サ基板の測定電極が形成された外表面と反対側の外表面
に積層、固定してなる酸素センサにおいて、前記センサ
基板と前記ヒータ基板のセンサ部および発熱部とを互い
に押圧付勢した状態とし、前記センサ部及び発熱部以外
の部分で両基板を接合固定したことによって、各基板が
高温下で反り等が発生した場合においても、ヒータ基板
とセンサ基板とが押圧した状態であることから、その反
りを押圧が吸収し、ヒータ基板とセンサ基板との間に隙
間が発生するのを防止することができ、その結果、上記
目的が達成できることを見出した。

【００１０】また、かかる酸素センサにおいては、前記
測定電極表面に、絶縁体によって閉塞された空間部を形
成するとともに、該空間部に排気ガスを導入するために
前記絶縁体に小さな孔を形成してなるものであってもよ
い。

【００１１】また、前記センサ基板および前記ヒータ基
板を他端側から全長の０．８倍以下の領域内でガラスに
よって接合固定すること、前記ガラスによる接合層の他
端側厚みが０．５ｍｍ以下であることが耐久性を高める
上で好適である。

【００１２】また、前記固体電解質がジルコニアを主成
分とするセラミックスからなり、前記ヒータ基板のセラ
ミック絶縁基板が、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするセラミック
スからなり、前記発熱体が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの少なくと
も１種の導体からなることが好適であり、かかる場合、
ガラスの室温〜６００℃の熱膨張係数が８〜１１×１０
^-6／℃であることによって、前記ヒータ基板と前記セン
サ基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力による破壊
を回避することができる。

【００１３】また、前記ヒータ基板内のセラミック絶縁
基板内のの発熱体から前記センサ基板が固定される側の
ヒータ基板表面までの距離が２００〜６００μｍである
ことによって、ヒータ基板の耐熱衝撃性を高め、センサ
部に対する加熱効率を高めることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサの基本
構造の一例を図１に示す。この酸素センサは、センサ基
板１とヒータ基板２とから構成されている。

【００１５】センサ基板１は、一端が封止された大気導
入孔３ａを有する長尺状の固体電解質基板３と、該基板
３の一端側近傍における一方の外表面に測定電極５を、
該測定電極５と対向する前記大気導入孔３ａ側内面に基
準電極４を有するセンサ部Ａとが形成されている。

【００１６】即ち、固体電解質基板３は先端が封止され
た平板状の中空形状からなり、この中空部が大気導入孔
３ａを形成している。そして、この大気導入孔３ａ内壁
に、空気などの基準ガスと接触する基準電極４が被着形
成され、この基準電極４と対向する固体電解質基板３の
外面に、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極
５が形成されている。

【００１７】基準電極４および測定電極５はいずれも多
孔質の白金電極からなり、排気ガスによる電極の被毒を
防止する観点から、測定電極５表面には電極保護層とし
て、または拡散律速層として、セラミック多孔質層６が
形成されている。

【００１８】一方、ヒータ基板２は、上記のセンサ基板
１と同様に、平板形状を有しており、セラミック絶縁基
板７中には、発熱体８が埋設され、発熱部Ｂを形成して
いる。また、セラミック絶縁基板７内には、発熱体８に
接続するリード部（図示せず）が埋設、形成されてい
る。

【００１９】本発明によれば、図１に示すように、セン
サ基板１とヒータ基板２のセンサ部Ａおよび発熱部Ｂと
を互いに押圧付勢した状態とし、センサ部Ａ及び発熱部
Ｂ以外の部分で両基板を接合固定することが大きな特徴
である。具体的には、ヒータ基板２の発熱部Ｂとセンサ
基板１のセンサ部Ａとを互いに押圧し、このセンサ部
Ａ、発熱部Ｂ以外の部分で両基板をガラス接合層９を介
して接合固定されている。

【００２０】このようにセンサ基板１とヒータ基板２の
センサ部Ａおよび発熱部Ｂとを互いに押圧付勢した状態
で接合固定することによって、高温下で基板１、２に反
りが発生した場合においても、押圧力が反りによる応力
を緩和し、基板１、２の反りによって、センサ基板１と
ヒータ基板２とのセンサ部Ａと発熱部Ｂとが離間し、加
熱効率が低下するのを防止することができる。

【００２１】また、センサ基板１とヒータ基板２とを接
合する領域は、センサ部Ａおよび発熱部Ｂが形成された
一端側ｘとは反対側の他端側ｙからの距離Ｗが全長Ｌの
０．８倍以下、特に０．７倍以下の領域内で接合されて
いることが望ましい。この接合領域が他端側から全長の
０．８倍を超えると、発熱部Ｂによってガラス接合層９
が高温となるために、センサ基板１とヒータ基板２との
熱膨張差等によって発生する応力が大きくなりその応力
によって、ガラス接合層９やセンサ基板１、あるいはヒ
ータ基板２にクラックが発生したり、基板が割れる等の
問題が発生する恐れがある。

【００２２】また、センサ基板１およびヒータ基板２を
接合しているガラス接合層９の両基板の他端側の厚みｖ
が０．０５〜０．５ｍｍ、特に０．１〜０．４ｍｍであ
ることが望ましく、厚みｖが０．０５ｍｍよりも小さい
と、接合力が小さく、また、０．５ｍｍよりも大きい
と、センサ部Ａと発熱部Ｂを形成した部分での両基板の
隙間が大きくなり加熱効率が低下し、また、センサ基板
１とヒータ基板２との熱膨張差によってガラス接合層９
にクラックが発生する。

【００２３】また、ガラス接合層９の長手方向の長さｍ
は、センサ基板１、ヒータ基板２の全長Ｌの０．２〜
０．８倍、特に０．３〜０．７倍であることが望まし
い。このｍが０．２倍よりも小さいと、接合固定力が不
十分となり外れやすく、０．８倍よりも長いと、熱膨張
差に起因する応力が大きくなり、クラック等が発生しや
すくなる。

【００２４】特に、固体電解質基板３がジルコニアを主
成分とするセラミックスからなり、ヒータ基板２のセラ
ミック絶縁基板７が、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするセラミッ
クスからなり、前記発熱体８が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの少な
くとも１種の導体からなる場合において、この構造体の
熱膨張差に起因する応力を低減し、繰り返し熱サイクル
に対する耐久性を高める上で接合層を形成するガラスの
室温〜６００℃の熱膨張係数が８〜１１×１０^-6／℃、
特に８．２〜１０．５×１０^-6／℃であることが望まし
い。特に、このようなガラスとしては、ＢａＯを４５〜
５６質量％、ＳｉＯ₂を３６〜４５質量％、Ａｌ₂Ｏ₃お
よびＺｒＯ₂を０．１〜２０質量％の割合で含有するバ
リウム珪酸系ガラスであることが好適であり、ガラスは
特にＢａＯ・２ＳｉＯ₂の結晶を析出する結晶化ガラス
であることがガラスの強度を高める上で望ましい。ま
た、Ａｌ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂の組成比および添加量を調
整することにより、熱膨張率を９〜１１×１０^-6／℃の
範囲に調整することができる。

【００２５】また、本発明においては、センサ部Ａを効
率良く過熱するために、発熱体８からセンサ基板１に接
するヒータ基板２表面までの厚さＳが２００〜６００μ
ｍであることが好ましい。この厚さＳが２００μｍより
薄いとヒータ基板２の耐熱性、耐熱衝撃性が悪くなり、
また、厚さＳが６００μｍを超えるとヒータ基板２から
センサ部Ａへの熱の伝達が悪くなり、その結果、酸素セ
ンサのガス応答性が低下する傾向があるからである。発
熱体８からヒータ基板２表面までの厚さＳとしては、特
に３００〜４００μｍが望ましい。

【００２６】また、センサ基板１の全体厚さｔ１として
は、素子強度と熱伝達の観点から０．６〜１．５ｍｍ、
特に０．８〜１．２ｍｍの大きさが好ましい。また、ヒ
ータ基板２の全体厚さｔ２としては０．７〜２ｍｍ、特
に１〜１．５ｍｍが強度の観点から好ましい。ヒータ基
板２の厚さｔ２が０．７ｍｍより薄くなると基板２の強
度が低くなり、２ｍｍを超えるとヒータ基板２およびそ
れに隣接するセンサ基板１を加熱するため大きな電気量
が必要になるためである。

【００２７】また、本発明の酸素センサは、図２に示す
ような構造の広域空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）に対し
ても適用される。図２は、その代表的な構造を説明する
ための概略断面図である。なお、図１の酸素センサと同
じ機能を有する部分には、同じ符号を付した。この図２
の酸素センサによれば、図１のセンサ基板１の固体電解
質基板３における測定電極５の上面に、固体電解質基板
１１によって空間部１２が形成されており、この固体電
解質基板１１には排気ガスを取り込みための０．１〜
０．５ｍｍの大きさの拡散孔１３と呼ばれる小さな孔が
開けられており、その両面に一対の電極１４、１４が形
成されている。

【００２８】かかる酸素センサにおいては、固体電解質
基板３と測定電極５、基準電極４によってセンシングセ
ルが形成され、固体電解質基板１１と一対の電極１４、
１４によってポンピングセルが形成されている。かかる
構造の酸素センサによって、Ａ／Ｆセンサを形成してい
る。なお、上記空間部１２内には素子の強度を持たせる
ため多孔質のセラミックスを充填することもできる。

【００２９】かかる酸素センサにおいても、センシング
セルにおける測定電極５が形成された面とは反対側の外
表面において、センサ基板１とヒータ基板２とを互いに
押圧付勢した状態とすることによって、上記と同様の効
果が発揮される。

【００３０】なお、この酸素センサにおいては、電極１
４、１４は必ずしも必要ではなく、固体電解質基板３と
拡散孔１３によってガスの拡散律速を行うことによって
Ａ／Ｆセンサを構成することもできる。

【００３１】本発明の酸素センサにおいて用いられる固
体電解質基板３は、ＺｒＯ₂を含有するセラミックスか
らなり、安定化剤として、Ｙ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃、Ｓｃ
₂Ｏ₃ 、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物
を酸化物換算で１〜３０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、
イオン導電性が大きくなり、応答性がさらに改善される
といった効果がある。さらに、焼結性を改善する目的
で、上記ＺｒＯ₂ 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質量％以下、特に２質量
％以下であることが望ましい。

【００３２】固体電解質基板３や固体電解質基板１１の
表面に被着形成される基準電極４、測定電極５、さらに
は電極１４は、いずれも白金、あるいは白金と、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種と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。また、電極形状としては、四
角形でも楕円形でもよい。また、電極の厚さは、３〜２
０μｍ、特に５〜１０μｍが好ましい。

【００３３】一方、発熱体８を埋設するセラミック絶縁
基板７としては、アルミナセラミックスからなる相対密
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く、焼結性
を改善する目的でＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを総和で１〜１０質
量％含有していてもよいが、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属
は、マイグレーションしてヒータ基板２の電気絶縁性を
悪くするため酸化物換算で０．１質量％以下に制御する
ことが望ましい。また、相対密度を上記の範囲とするこ
とによって、基板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。

【００３４】また、測定電極５の表面に形成されるセラ
ミック多孔質層６は、厚さ１０〜８００μｍで、気孔率
が１０〜５０％のジルコニア、アルミナ、γ−アルミナ
およびスピネルの群から選ばれる少なくとも１種によっ
て形成されていることが望ましい。この多孔質層６の厚
さが１０μｍより薄いか、あるいは気孔率が５０％を超
えると、電極被毒物質Ｐ、Ｓｉ等が容易に電極に達して
電極性能が低下する。それに対して、多孔質層６の厚さ
が８００μｍを超えるか、あるいは気孔率が１０％より
小さくなるとガスの多孔質層６中の拡散速度が遅くな
り、電極のガス応答性が悪くなる。特に、多孔質層６の
厚さとしては気孔率にもよるが１００〜５００μｍが適
当である。

【００３５】ヒータ基板２に埋設された発熱体８は、耐
熱性と製造コストの関係からＷ、Ｍｏ、Ｒｅの群から選
ばれる少なくとも１種から構成されることが望ましい。
発熱体８の組成は、発熱容量と昇温速度により好適に選
択すればよい。この場合、発熱体８とリード部の抵抗比
率は室温において、９：１〜７：３の範囲に制御するこ
とが好ましい。発熱体８の構造としては、左右で折り返
す構造と長手方向で折り返す構造のいずれも用いること
が可能である。

【００３６】なお、ヒータ基板２における発熱体８の発
熱パターンとしては、後述する図３に示されるように、
長手方向に伸び、長手方向の端部で折り返した構造のみ
ならず、図５に示すようなミアンダ構造であってもよ
い。

【００３７】次に、本発明の酸素センサの製造方法につ
いて、図１の酸素センサの製造方法を図３の分解斜視図
をもとに説明する。

【００３８】まず、センサ基板１の作成方法について説
明する。まず、ジルコニアのグリーンシート２０を作成
する。このグリーンシート２０は、ジルコニアの酸素イ
オン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対し
て、適宜、成型用有機バインダーを添加してドクターブ
レード法や、押出成形、静水圧成形（ラバープレス）あ
るいはプレス成型などの周知の方法により作成される。
次にグリーンシート２０の両面に、それぞれ測定電極５
および基準電極４となるパターン２１やリードパターン
２２などを例えば、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、あるいはスクリーン印刷、パ
ット印刷、ロール転写で印刷形成する。なお、この時に
測定電極５となるパターンの表面に、多孔質層６を形成
するための多孔質スラリーを印刷塗布形成してもよい。

【００３９】次に、上記パターン２１、２２を印刷した
グリーンシート２０に対して、大気導入孔２３を形成し
たグリーンシート２４、さらにグリーンシート２５をア
クリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、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
とによりセンサ基板の積層体を作製する。その後、この
センサ基板用の積層体を焼成する。この焼成は、大気中
または不活性ガス雰囲気中、１３００℃〜１５００℃の
温度範囲で１〜１０時間行う。

【００４０】次に、ヒータ基板２の作製法について説明
する。アルミナ組成物に、適宜、成形用有機バインダー
を添加してドクターブレード法や、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
方法によりアルミナグリーンシート２６、２７を作製す
る。そして、グリーンシート２７の表面に、Ｗ、Ｍｏ、
Ｒｅの群から選ばれる少なくとも１種を含有する導電性
ペーストを用いてスラリーデッィプ法、あるいはスクリ
ーン印刷、パット印刷、ロール転写で発熱体８のパター
ン２８や、リードパターン２９に印刷塗布した後、アク
リル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させてグリ−ン
シート２６、２７を接着させるか、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によりヒータ基
板の積層体を作製し、これを焼成する。

【００４１】ヒータ基板２の焼成は、発熱体８の酸化を
防止する観点から水素等と含有するフォーミング等の還
元ガス雰囲気中、１４００℃〜１６００℃の温度範囲で
５〜１０時間行う。

【００４２】この後、別体で作製した上記センサ基板と
ヒータ基板とを位置合わせして積層し、ガラスによって
接合固定するが、本発明によれば、この時、図４に示す
ように、センサ基板１およびヒータ基板２の所定箇所に
接合用のガラス３４を配置し、センサ部Ａおよび発熱部
Ｂの部分に重り等によって荷重を印加した状態で、ガラ
ス３４の溶融温度まで昇温し接合を行うことによって、
センサ基板をヒータ基板とのセンサ部および発熱部とを
互いに押圧付勢した状態で接合固定することができる。
なお、ガラス接合部において、所定の隙間を確保するた
めにスペーサ３５を介在させておくことが望ましい。な
お、この時の荷重は２〜２５Ｎとすることが適当であ
る。

【００４３】また図２の酸素センサを作製する場合に
は、図５に示すように、図３のパターン２１、２２が形
成されたグリーンシート２０の上面に、空間部１２を形
成したグリーンシート３０、拡散孔１３、および両面に
ポンピング電極１４用のパターン３１やリードパターン
３２が形成されたグリーンシート３３を積層して、グリ
ーンシート２４、２５とともに上記と同様な条件で焼成
することによってセンサ基板を作製することができる。
なお、排気ガスを導入するための拡散孔１３は、焼成前
の積層体を作製する時点で作製してもよいし、焼成後に
超音波加工やレーザ加工により形成してもよい。

【００４４】その後、図４と同様に、センサ基板１およ
びヒータ基板２の所定箇所に接合用のガラス３４を配置
し、センサ部および発熱部の部分に重り等によって荷重
を印加しながら、ガラスによって接合することによっ
て、センサ基板およびヒータ基板とを互いに押圧付勢し
た状態で接合固定することができる。

【００４５】

【実施例】実施例１図１に示す酸素センサを図３、図４に基づき、以下のよ
うにして作製した。まず、市販のＳｉ、Ｍｇ、Ｃａを５
質量％含むアルミナ粉末と、Ｓｉを０．１質量％含む５
モル％Ｙ₂Ｏ₃含有のジルコニア粉末と、８モル％のイッ
トリアからなるジルコニア粉末を３０体積％含有する白
金粉末と、Ｗ粉末をそれぞれ準備した。（センサ基板の
作製）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
成形により焼結後厚さが０．４ｍｍになるようなジルコ
ニアのグリーンシート２０を作製した。その後、グリー
ンシート２０の両面にジルコニア粉末を含有する白金を
スクリーン印刷して、測定電極と基準電極のパターン２
１、リードパターン２２を印刷形成した後、大気導入孔
２３を形成したグリーンシート２４、およびグリーンシ
ート２５をアクリル樹脂の密着剤により積層した。その
後、この積層体を大気中１５００℃で１時間焼成して、
全長が７０ｍｍのセンサ基板を作製した。

【００４６】なお、測定電極５と発熱体８については、
基板先端から１ｍｍのブランクを設け、長手方向に８ｍ
ｍの長さの測定電極、１３ｍｍの長さの発熱体８をそれ
ぞれ形成した。また、長手方向の長さ基準電極は、測定
電極と同じ大きさとした。（ヒータ基板の作製）一方、
アルミナ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、厚さが焼成後０．５ｍｍの厚さに成るよう
に押出し成形で種々アルミナのグリーンシート２６、２
７を作製した。この後、グリーンシート２７に発熱体８
の長さｂの異なるＷ発熱体を約４０μｍの厚さになるよ
うスクリーン印刷で印刷した後、さらにアクリル樹脂の
密着剤を用いてアルミナのグリーンシート２６を重ねて
積層体を形成した後、１５００℃で１０時間水素を１０
％含む窒素ガス中で焼結し、ヒータ基板２を作製した。
この時ヒータの抵抗は、室温で約３オームであった。

【００４７】この後、センサ基板１およびヒータ基板２
の間に、長さＭが２０ｍｍで、ＳｉＯ₂４０質量％、Ｂ
ａＯ５１質量％、Ａｌ₂Ｏ₃３．５質量％、ＺｒＯ₂５．
５質量％の組成からなる室温〜６００℃の熱膨張係数が
８．５×１０^-6／℃のバリウム珪酸ガラスを配置し、セ
ンサ部および発熱部の部分に表１の荷重で表面が平滑な
アルミナ基板を載せて、１０００℃で加熱することによ
って、センサ基板とヒータ基板とのセンサ部および発熱
部とを互いに押圧付勢した状態で接合固定した。なお、
ガラス接合層の端部の厚さは０．２〜０．７ｍｍとし
た。

【００４８】各酸素センサにおける発熱体に１２Ｖを印
加した時のセンサ基板表面の測定電極の４コーナーと電
極中央部の温度測定を赤外感熱温度計を用いて行い、電
極内の温度分布を求め、その最低温度と最高温度との温
度差を温度分布として表１に示した。また、素子を７０
０℃になるようにして、水素、メタン、窒素、酸素の混
合ガスを用いて空燃比（Ａ／Ｆ）を、１４から１５に変
化させた時の素子の起電力変化に対して、起電力が初期
値の６３％になるまでの時間をガス応答性の時間として
求め、結果を表１に示した。なお、本実験では比較のた
め、市販の平板型のヒータが一体化された酸素センサに
ついても温度分布とガス応答性の評価を行った。

【００４９】

【表１】

【００５０】表１の結果から、押圧付勢していない試料
Ｎｏ．１では、センサ基板およびヒータ基板それぞれに
反りが見られ、センサ部および発熱部付近でセンサ基板
とヒータ基板とが離間しているのが確認された。そのた
めに、測定電極内の温度分布が悪く、その結果、ガス応
答性が遅いものであった。

【００５１】これに対して、本発明に押圧付勢した試料
Ｎｏ．２〜７の酸素センサは、７００℃に加熱した状態
でもセンサ基板とヒータ基板との離間は認められず、測
定電極内の温度分布も均一化しており、ガス応答性も高
いものであった。実施例２実施例１のＮｏ．４のλセン
サにおいて、ガラス接合層の端部ｙからの距離ｗの全長
Ｌに対する比率、ガラス接合層の他端側の厚みＴ、さら
に熱膨張係数の異なるガラスを用いる以外は、全く同様
な酸素センサである。

【００５２】かかる酸素センサに対して、８００℃まで
３０秒で昇温し、８００℃で1分間保持した後、室温ま
で空冷する温度サイクルを1サイクルとして、これを１
万回繰り返したヒータ基板またはセンサ基板の耐久評価
を行った。耐久評価では、各試料につき５０個のサンプ
ルについてクラックまたはセンサ基板とヒータ基板の剥
離等の発生数を示した。

【００５３】

【表２】

【００５４】表２の結果からガラス接合層を形成した領
域が、全長Ｌの０．８倍を超える酸素センサ、ガラス他
端部の厚みが０．５ｍｍを越える酸素センサは、サイク
ル耐久評価後に多数のクラックの発生や剥離が見られた
が、接合領域が全長Ｌの０．８倍以下、ガラス他端部の
厚みが０．５ｍｍ以下の酸素センサは、試験後において
もクラックや剥離の発生は大きく減少した。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、セ
ンサ基板とヒータ基板のセンサ部および発熱部とを互い
に押圧付勢した状態でセンサ部及び発熱部が形成された
部分以外の部分で両基板を接合固定したことによって、
測定電極内での温度分布を均一化できることによってガ
ス応答性に優れた酸素センサを提供することができる。
また、ガラス接合層の位置、ガラス接合層の他端部にお
ける厚み、およびガラスの熱膨張係数を制御することに
よって、耐久性に優れた酸素センサを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサの一例を説明するための概
略断面図である。

【図２】本発明の酸素センサの他の例を説明するための
概略断面図である。

【図３】図１の酸素センサを製造する方法を説明するた
めの分解斜視図である。

【図４】センサ基板とヒータ基板との接合方法を説明す
るための図である。

【図５】図２の酸素センサを製造する方法を説明するた
めの分解斜視図である。

【図６】従来の酸素センサの一例を示す概略断面図を示
す。

【図７】従来の酸素センサの他の例を示す概略断面図を
示す。

【符号の説明】

１センサ基板２ヒータ基板３固体電解質基板４基準電極５測定電極７アルミナ絶縁基板８発熱体９ガラス接合層Ａセンサ部Ｂ発熱部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が封止された大気導入孔を有する長尺
状の固体電解質基板と、該基板の一端側近傍における一
方の外表面に測定電極を、該測定電極と対向する前記大
気導入孔側内面に基準電極を有するセンサ部を形成して
なるセンサ基板と、長尺状のセラミック絶縁基板の一端
側近傍に発熱体を埋設した発熱部を形成してなるヒータ
基板とを具備し、前記ヒータ基板を前記センサ基板の測
定電極が形成された外表面と反対側の外表面に積層、固
定してなる酸素センサにおいて、前記センサ基板と前記ヒータ基板のセンサ部および発熱
部とを互いに押圧付勢した状態とし、前記センサ部及び
発熱部以外の部分で両基板を接合固定したことを特徴と
する酸素センサ。
【請求項２】前記測定電極表面に、絶縁体によって閉塞
された空間部を形成するとともに、該空間部に排気ガス
を導入するために前記絶縁体に小さな孔を形成してなる
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】前記センサ基板および前記ヒータ基板を他
端側から全長Ｌの０．８倍以下の領域内でガラスによっ
て接合固定したことを特徴とする請求項１または請求項
２記載の酸素センサ。
【請求項４】前記ガラスによる接合層の他端側厚みが
０．５ｍｍ以下である請求項１乃至請求項３のいずれか
記載の酸素センサ。
【請求項５】前記固体電解質がジルコニアを主成分とす
るセラミックスからなり、前記ヒータ基板のセラミック
絶縁基板が、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするセラミックスから
なり、前記発熱体が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの少なくとも１種
の導体からなる請求項１乃至請求項４のいずれか記載の
酸素センサ。
【請求項６】前記ガラスの室温〜６００℃の熱膨張係数
が８〜１１×１０^-6／℃であることを特徴とする請求項
５記載の酸素センサ。
【請求項７】前記ヒータ基板の前記発熱体から前記セン
サ基板が固定される側のヒータ基板表面までの距離が２
００〜６００μｍであることを特徴とする請求項１乃至
請求項６のいずれか記載の酸素センサ。