JP2938754B2 - セラミックスヒータの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば排気ガス中の酸
素濃度を検出するためのヒータ付き酸素センサ等に好適
に用いられるセラミックスヒータの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ターボチャージャ等を搭載した
自動車用エンジンでは、空燃比をリッチ傾向にしてエン
ジンを作動させており、その排気ガスの温度は２８０℃
程度となっている。しかし、酸素センサは通常３５０℃
程度の温度下で正常に動作するから、ターボチャージャ
付の自動車用エンジン等ではヒータ付き酸素センサを用
い、該酸素センサの検出素子をセラミックスヒータによ
って加熱するようにしている。

【０００３】そして、この種の従来技術によるヒータ付
き酸素センサに用いられるセラミックスヒータとして
は、例えばアルミナ等のセラミックス材料から押出し成
形された棒状体を、所要長さに切断して乾燥固化するこ
とによりロッド状のヒータコア（ヒータ本体）を形成
し、ヒータパターンを印刷したセラミックスシート（保
護層）をヒータコアに巻付けて積層化した状態で、これ
を焼成した後にこの上から導電性材料をメッキ処理し、
前記ヒータパターンに外部から通電を行うためのターミ
ナル部を形成するようにしたものが知られている（以
下、第１の従来技術という）。

【０００４】また、第２の従来技術として、例えばアル
ミナ等のセラミックス材料から押出し成形された棒状体
を、所要長さに切断して乾燥固化することによりロッド
状のヒータコア（ヒータ本体）を形成し、該ヒータコア
の外周面にヒータパターンを印刷した後に、これをアル
ミナ等の泥漿セラミック中に浸漬し、前記ヒータパター
ン上に保護層を泥漿鋳込み成形等の手段で形成した状態
で、これを焼成した後に前記保護層から露出したヒータ
コアの外周面上に導電性材料をメッキ処理し、前記ヒー
タパターンに外部から通電を行うためのターミナル部を
形成するようにしたものが、例えば特開昭６３−１４６
３８１公報等によって知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した第
１の従来技術では、ヒータパターンを保護層となるセラ
ミックスシートに印刷した後に、このセラミックシート
をヒータコアに巻付けて積層化するようにしているか
ら、この巻付け作業が複雑な作業となる上に、ヒータコ
アとセラミックスシートとの熱収縮率に僅かでも差があ
ると、焼成条件を厳しく管理しない限り、剥離やクラッ
ク等が発生してしまうという問題がある。

【０００６】さらに、第２の従来技術では、ヒータパタ
ーンを印刷したヒータコア上に保護層を泥漿鋳込み成形
するときに、この保護層を均一な膜厚に形成するのが難
しくなるばかりか、アルミナ等の泥漿セラミックに厳し
い温度や湿度の管理が要求されるという問題がある。

【０００７】そこで、上記問題を解決すべく本発明者等
は先に、特願平５−４０５７３号において、ロッド状の
ヒータ本体（ヒータコア）をセラミックス材料から射出
成形し、この射出成形したヒータ本体を回転させつつ、
該ヒータ本体の外周面にヒータパターンを曲面印刷する
と共に、該ヒータパターンを径方向外側から覆うように
前記ヒータ本体の外周側に保護層を厚膜印刷した後に、
該保護層をヒータ本体と共に焼成するようにしたセラミ
ックスヒータの製造方法（以下、先行技術という）を提
案した。

【０００８】そして、この先行技術では、ヒータ本体を
射出成形することにより、ヒータ本体を予め印刷に必要
な硬度をもって形成でき、ヒータパターンを簡単に曲面
印刷できる上に、該ヒータパターンを径方向外側から覆
うようにヒータ本体の外周側に保護層を厚膜印刷でき、
セラミックスヒータの製造工程全体を効率化し得るとい
う利点がある。

【０００９】しかし、この先行技術では、バインダーを
含むセラミックス材料からヒータ本体をロッド状に射出
成形し、パターン印刷工程と保護層形成工程とを実行し
た後に、保護層と共に前記ヒータ本体を比較的低温での
脱バインダー後に焼成するようにしているから、焼成工
程でヒータ本体を加熱したときに、前記セラミックス材
料の残留バインダーから分解ガスが発生し、この分解ガ
スが保護層を通過して該保護層にピンホールを生じさせ
ることがあり、保護層によるヒータパターンの保護が不
十分となって、ヒータパターンの断線原因になるという
未解決な問題がある。

【００１０】また、上記先行技術では、保護層を印刷に
よって形成しているから、該保護層を２００μｍ以上の
膜厚に確保するためには少なくとも３〜６回以上の保護
層印刷を繰り返す必要が生じ、印刷回数が増えて必ずし
も作業性を向上できないという未解決な問題がある。

【００１１】本発明は上述した先行技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は保護層にピンホールが生じるの
を確実に防止でき、ヒータの耐久性を大幅に向上させる
ことができるようにしたセラミックスヒータの製造方法
を提供することを目的としている。 また、本発明の他の
目的は、所望の膜厚をもった保護層を一回の塗布作業に
より簡単に形成でき、製造時の作業性を効果的に高める
ことができるようにしたセラミックスヒータの製造方法
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明では、バインダーを含む
セラミックス材料からヒータ本体をロッド状に成形する
成形工程と、ロッド状に成形した該ヒータ本体を仮焼成
し、前記セラミックス材料のバインダーを除去する仮焼
成工程と、仮焼成した前記ヒータ本体の外周面にヒータ
パターンを曲面印刷するパターン印刷工程と、該ヒータ
パターンを径方向外側から覆うように前記ヒータ本体の
外周側に保護層を形成する保護層形成工程と、該保護層
と共に前記ヒータ本体を焼成する焼成工程とを有してい
る。

【００１３】この場合、請求項２に記載の発明のよう
に、前記仮焼成工程はヒータ本体を大気中で８００〜１
４００℃に加熱することにより行い、前記焼成工程で
は、前記ヒータ本体を保護層と共に１４００〜１７００
℃に加熱して焼結させるのが好ましい。

【００１４】また、請求項３に記載の発明の如く、前記
保護層形成工程では、前記ヒータパターンを径方向外側
から覆うように前記ヒータ本体の外周側に、ディスペン
サーからの保護層ペーストをシート状に塗布するように
すればよい。

【００１５】さらに、請求項４に記載の発明では、セラ
ミックス材料からロッド状に形成されたヒータ本体の外
周面にヒータパターンを曲面印刷するパターン印刷工程
と、該ヒータパターンを径方向外側から覆うように前記
ヒータ本体の外周側に、ディスペンサーからの保護層ペ
ーストをシート状に塗布し保護層を形成する保護層形成
工程と、該保護層と共に前記ヒータ本体を焼成する焼成
工程とを有している。

【００１６】

【作用】上記構成により、請求項１に記載の発明では、
ヒータ本体の成形工程とパターン印刷工程との間で前記
ヒータ本体を仮焼成するようにしたから、該ヒータ本体
を構成するセラミックス材料のバインダーから発生する
分解ガスを、仮焼成時に外部に放散させて、前記セラミ
ックス材料のバインダーをほぼ完全に除去することがで
き、保護層を形成した後に行う焼成工程においてヒータ
本体から分解ガス等が発生するのを防止できる。

【００１７】この場合、請求項２に記載の発明では、前
記ヒータ本体を大気中で８００〜１４００℃に加熱する
ことにより仮焼成を行うようにしたから、セラミックス
材料のバインダーから発生する分解ガスを大気中に放散
させつつ、仮焼成を実行することができ、セラミックス
材料のバインダーをより確実に除去できる。そして、保
護層形成工程の後に行う焼成工程では、前記ヒータ本体
を保護層と共に１４００〜１７００℃に加熱して焼結さ
せることができ、このときに発生するガス量等を確実に
減少させ、歩留りを向上できる。

【００１８】また、請求項３に記載の発明では、ヒータ
パターンを径方向外側から覆うように前記ヒータ本体の
外周側に、ディスペンサーからの保護層ペーストをシー
ト状に塗布することによって保護層を形成しているか
ら、例えば２００〜５００μｍ程度の膜厚をもった保護
層を一回の塗布作業で簡単に形成できる。

【００１９】さらに、請求項４に記載の発明でも、所望
の膜厚をもった保護層を一回の塗布作業で簡単に形成で
き、先行技術で述べた如く、ヒータパターンを径方向外
側から覆うようにヒータ本体の外周側に保護層を多数回
に亘って印刷する必要がなくなる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図９に基
づき、ヒータ付き酸素センサに用るセラミックスヒータ
およびその製造方法を例に挙げて説明する。

【００２１】図１ないし図８に本発明の第１の実施例を
示す。

【００２２】図において、１は酸素センサの本体を構成
するセンサ本体を示し、該センサ本体１は、先端部外周
側に取付部としてのおねじ部２Ａが形成された段付筒状
のホルダ２と、該ホルダ２の基端側に一体的に固着され
た有底筒状のキャップ３とからなり、これらはステンレ
ス鋼等の金属材料によって形成されている。そして、該
センサ本体１は後述の検出素子６を自動車用エンジンの
排気管（図示せず）内に突出させるべく、ホルダ２のお
ねじ部２Ａが排気管に螺着されるようになっている。

【００２３】４はセンサ本体１内に配設された絶縁筒体
を示し、該絶縁筒体４はアルミナ等のセラミックス材料
によって段付筒状に形成され、その先端側はホルダ２内
へと延び、基端側は後述の絶縁カバー５に嵌合する嵌合
段部４Ａとなっている。

【００２４】５は該絶縁筒体４と共にセンサ本体１内に
配設された絶縁カバーを示し、該絶縁カバー５は絶縁筒
体４と同様にアルミナ等のセラミックス材料によって段
付の有底筒状に形成され、その先端側は開口部５Ａとな
って絶縁筒体４の嵌合段部４Ａに嵌合している。また、
該絶縁カバー５の基端側は底部５Ｂとなってキャップ３
の底部側に挿通され、該底部５Ｂの外周側には後述のデ
ィスクスプリング１５に係合する環状段部５Ｃが形成さ
れている。そして、該底部５Ｂの中央部には後述のセラ
ミックスヒータ７を軸方向に位置決めすべく、セラミッ
クスヒータ７の基端側端面に向けて突出したストッパ突
起５Ｄが一体形成されている。

【００２５】６は基端側がホルダ２内にリング状のワッ
シャ等を介して取付けられ、先端側がホルダ２外へと突
出した酸素濃度検出素子を示し、該検出素子６は酸化ジ
ルコニウム等のセラミックス材料によって有底筒状のジ
ルコニアチューブとして形成されている。ここで、該検
出素子６の内、外面には内側電極と外側電極（いずれも
図示せず）が設けられ、内側電極は後述する導電性筒体
１２の先端側に接続され、外側電極は前記ワッシャを介
してホルダ２等によりアースされている。そして、該検
出素子６は外側の排気ガスと内側の大気との間で酸素濃
度に差が生じると、この酸素濃度差に基づき前記内側電
極、外側電極間に起電力を発生させ、この起電力を検出
信号として出力する。

【００２６】７は導電性筒体１２によって絶縁筒体４内
に位置決めされ、先端側が検出素子６内を軸方向に延び
たセラミックスヒータを示し、該セラミックスヒータ７
は図２ないし図５に示す如く、例えばアルミナ等のセラ
ミックス材料により小径のロッド状に形成されたヒータ
本体としてのヒータコア８と、該ヒータコア８の基端側
に位置して該ヒータコア８の各平坦面部８Ａ上に形成さ
れたターミナル部９，９と、該各ターミナル部９の位置
からヒータコア８の先端側に亘ってヒータコア８の外周
面に曲面印刷等の手段で形成されたヒータパターン１０
（図５および図６参照）と、該ヒータパターン１０を径
方向外側から保護する保護層１１とから大略構成されて
いる。

【００２７】ここで、ヒータコア８はアルミナ等のセラ
ミックス材料を射出成形することにより、例えば外形寸
法３．８mm、長さ寸法５７mm前，後の円柱状ロッドとし
て形成され、その基端側外周には図２、図３に示す如く
６mm前，後の長さ寸法、１．５mm前，後の幅寸法を有す
る平坦面部８Ａ，８Ａが、例えば１２０度程度の角度間
隔をもって形成されている。

【００２８】また、該ヒータコア８には両端側端面に開
口し軸方向に延びる空洞部８Ｂ，８Ｃが形成され、基端
側の空洞部８Ｂは３mm前，後の長さ寸法を有し、先端側
の空洞部８Ｃは１５mm前，後の長さ寸法を有している。
そして、該空洞部８Ｂ，８Ｃはヒータコア８の容積を減
少させることによって、ヒータコア８の熱容量を小さく
する熱容量低減穴を構成している。

【００２９】さらに、該空洞部８Ｂ，８Ｃは、図７に示
すヒータコア８の回転中心Ｏ−Ｏ上に位置し、例えば保
護層１１の素材となる後述のアルミナペースト３０をヒ
ータコア８の外周面に塗布するとき等に、チャック等の
支持軸（図示せず）を空洞部８Ｂ，８Ｃに係合させてヒ
ータコア８を適宜に回転させる回転用の位置決め穴を構
成するものである。

【００３０】また、各ターミナル部９はヒータコア８の
各平坦面部８Ａにヒータパターン１０の各端部１０Ａを
印刷した状態で、この上から例えば金、銀、銅またはニ
ッケル等の導電性材料をメッキ処理することにより形成
される。そして、外部からヒータパターン１０に通電を
行うときには、該ヒータパターン１０がヒータコア８と
共に５００〜７００℃前，後の温度で発熱する。さら
に、セラミックスヒータ７はヒータコア８の先端側が検
出素子６内へと伸長し、該検出素子６を内部から加熱す
ることにより、例えば３５０℃程度の温度まで検出素子
６を昇温させて活性化させる。

【００３１】１２は検出素子６からの検出信号を外部に
導出すべく、該検出素子６の基端側端面と絶縁筒体４と
の間に配設された導電性筒体を示し、該導電性筒体１２
は導電性の金属材料によって環状部１２Ａを有するテー
パ状の筒体として形成され、絶縁筒体４内でセラミック
スヒータ７を径方向に位置決めしている。また、該導電
性筒体１２の環状部１２Ａは検出素子６の基端側端面と
絶縁筒体４の先端側端面との間に挟持され、検出素子６
の内側電極に接続されている。そして、該導電性筒体１
２は絶縁筒体４内で後述のコンタクトプレート１４に接
続され、検出素子６からの検出信号を外部に出力させ
る。

【００３２】１３，１３は絶縁カバー５内に底部５Ｂ側
を介して挿通された一対のコンタクトスプリング（一方
のみ図示）を示し、該各コンタクトスプリング１３は一
端側がコンタクトプレート１４と共に絶縁カバー５の底
部５Ｂ内に、例えば１２０度程度の角度間隔をもって配
設され、その先端は後述のシール筒１７内へと突出して
いる。また、該各コンタクトスプリング１３の他端側は
絶縁カバー５内で略Ｖ字状に折曲げられた平板状の折曲
げ部１３Ａとなり、該各折曲げ部１３Ａはセラミックス
ヒータ７の各ターミナル部９に比較的大きな接触面積を
もって平坦に当接している。そして、該各コンタクトス
プリング１３は折曲げ部１３Ａを介してセラミックスヒ
ータ７のヒータパターン１０に外部から通電を行い、セ
ラミックスヒータ７を検出素子６内で発熱させるように
なっている。

【００３３】１４は絶縁筒体４および絶縁カバー５内に
挿通されたコンタクトプレートを示し、該コンタクトプ
レート１４は一端側が絶縁カバー５の底部５Ｂからシー
ル筒１７内へと突出し、他端側が導電性筒体１２に接続
されている。また、該コンタクトプレート１４の長さ方
向中間部は略く字状の屈曲部１４Ａとなり、該屈曲部１
４Ａは各コンタクトスプリング１３の折曲げ部１３Ａと
共に１２０度程度の角度間隔をもってセラミックスヒー
タ７を径方向から挟持している。そして、該コンタクト
プレート１４は検出素子６からの検出信号を導電性筒体
１２を介して後述のリード線１９側から外部に出力させ
る。

【００３４】１５はキャップ３の底部側と絶縁カバー５
の環状段部５Ｃとの間に配設されたディスクスプリング
を示し、該ディスクスプリング１５は絶縁カバー５を介
して絶縁筒体４を軸方向に押圧することによって、導電
性筒体１２の環状部１２Ａを検出素子６の内側電極に強
く接触させると共に、センサ本体１内で絶縁筒体４、絶
縁カバー５および検出素子６等を位置決めしている。

【００３５】１６はキャップ３の底部側にカシメ固定さ
れたアウタキャップ、１７は該アウタキャップ１６内に
配設されたシール筒を示し、該シール筒１７はポリテト
ラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂材料により段付筒
状に形成され、例えば１２０度程度の角度間隔をもって
３個のリード線挿通穴１７Ａ，１７Ａ，…が穿設されて
いる。そして、該シール筒１７は一端側がアウタキャッ
プ１６から軸方向に突出し、他端側は絶縁カバー５の底
部５Ｂ外周側に嵌合してキャップ３の底面に当接してい
る。

【００３６】１８Ａ，１８Ｂはセラミックスヒータ７に
外部から給電を行うプラス側、マイナス側の給電用リー
ド線（全体としてリード線１８という）を示し、該各リ
ード線１８はシール筒１７の各リード線挿通穴１７Ａ内
に挿入され、その先端側は各コンタクトスプリング１３
の一端側にカシメ等の手段を用いて接続されている。１
９は検出素子６からの検出信号を外部に導出する出力用
リード線を示し、該リード線１９はその先端側がリード
線挿通穴１７Ａ内でコンタクトプレート１４の一端側に
カシメ等の手段を用いて接続され、基端側はシール筒１
７から外部に取出されて他のリード線１８と共にハーネ
ス２０として束ねられている。

【００３７】２１，２１，…はシール筒１７の各リード
線挿通穴１７Ａ内に設けられたシール部材を示し、該各
シール部材２１は各リード線１８，１９とシール筒１７
との間をシールし、Ｏリング２２と共に外部の雨水等が
センサ本体１内に浸入するのを防止している。

【００３８】さらに、２３はホルダ２から突出する検出
素子６の先端部分を保護すべくホルダ２に取付けられた
有蓋筒状のプロテクタを示し、該プロテクタ２３には長
孔状の窓部２３Ａ，２３Ａ，…が形成され、該各窓部２
３Ａは排気管内を流れる排気ガスを検出素子６の周囲に
導くようになっている。

【００３９】本実施例によるヒータ付き酸素センサは上
述の如き構成を有するもので、次にセラミックスヒータ
７の製造方法について図５ないし図８を参照して説明す
る。

【００４０】まず、アルミナ等のセラミックス材料から
なる粉体を、有機材料からなるバインダー等と共に加熱
混練した後、これを冷却してペレット状または粉末状の
コア素材（図示せず）を調製する。

【００４１】そして、ヒータ本体となるヒータコア８の
成形工程では、前記コア素材を射出成形機（図示せず）
に入れて加熱し、バインダーの有機材料等を溶融可塑化
した状態で金型（図示せず）内に充填することにより、
例えば外形寸法３．８mm、長さ寸法５７mm程度の円柱状
ロッドとしてヒータコア８を射出成形する。また、この
ときに該ヒータコア８の基端側外周に図２、図３に示す
如く６mm前，後の長さ寸法、１．５mm前，後の幅寸法を
有する平坦面部８Ａ，８Ａを、例えば１２０度程度の角
度間隔をもって一体形成すると共に、該ヒータコア８の
両端側には軸方向に延びて端面に開口する空洞部８Ｂ，
８Ｃを一体形成する。

【００４２】この場合、基端側の空洞部８Ｂは３mm前，
後の長さ寸法をもって形成し、先端側の空洞部８Ｃはホ
ルダ２からの検出素子６の突出寸法に対応させて、例え
ば１５mm前，後の長さ寸法をもって形成するのがよい。
そして、射出成形手段を用いることにより、ヒータコア
８に各平坦面部８Ａおよび空洞部８Ｂ，８Ｃを容易に一
体形成することが可能となる。

【００４３】次に、仮焼成工程では、前述のように射出
成形され冷却固化した状態のヒータコア８を脱脂炉（図
示せず）で脱バインダー後、加熱炉（図示せず）内に入
れ、このヒータコア８を大気中で、例えば８００〜１４
００℃、好ましくは１０００〜１２００℃程度に加熱す
ることにより仮焼成を行う。もちろん、この温度条件以
外にも、使用する材料に応じて適切な温度範囲が選ばれ
る。そして、この仮焼成によってヒータコア８のコア素
材中に含有されたバインダー（有機材料）を熱分解さ
せ、このときにバインダーから発生する分解ガスをヒー
タコア８内から外部に放散させてバインダーを除去す
る。この結果、ヒータコア８は脱脂等がこの仮焼成でほ
ぼ完全に行われるようになり、その後にヒータコア８を
空気中で冷却することによって該ヒータコア８は１〜２
パーセント程度縮み、強度的にも印刷に耐え得る強度に
なる。

【００４４】次に、パターン印刷工程では、図６に示す
ように一対の回転ローラ２４，２４上にヒータコア８を
載置しつつ、スクリーン印刷機２５を用いてヒータパタ
ーン１０をヒータコア８の外周面に曲面印刷する。この
場合、チャック等の支持軸をヒータコア８の空洞部８
Ｂ，８Ｃに係合させ、これを中心にしてヒータコア８を
回転させつつ、例えばタングステン（Ｗ）等の発熱性導
体材料からなる導体ペースト２６をヒータコア８の外周
面に曲面印刷することによってヒータパターン１０を形
成してもよい。

【００４５】ここで、スクリーン印刷機２５は、四角形
状をなすマスク枠２７に保持されたメッシュ状のマスク
２８と、先端側が該マスク２８に接触するように該マス
ク２８上に配設されたスキージ２９とから構成され、マ
スク２８には乳剤等によってヒータパターン１０に対応
する印刷パターンが予め形成されている。そして、印刷
時にはマスク２８をマスク枠２７と共に図６中の矢示Ａ
方向に移動させ、マスク２８上に供給された導体ペース
ト２６をスキージ２９で掻き込むようにして、ヒータコ
ア８の外周面にヒータパターン１０を曲面印刷する。

【００４６】このとき、各回転ローラ２４とマスク２８
との間に配置されたヒータコア８はマスク２８が矢示Ａ
方向に移動するに応じて矢示Ｂ方向に回転し、スキージ
２９で掻き込まれた導体ペースト２６の一部がマスク２
８を介してヒータコア８の外周面に全周に亘って転写さ
れる。そして、ヒータパターン１０は図２に示す各平坦
面部８Ａの位置からヒータコア８の先端側に亘ってヒー
タコア８の外周面に均一の膜厚で形成され、各平坦面部
８Ａ上にはヒータパターン１０の各端部１０Ａが形成さ
れる。

【００４７】次に、保護層形成工程では、例えばアルミ
ナ等のセラミックス材料にエチルセルロース樹脂等のバ
インダーと溶剤を加えた保護層ペーストとしてのアルミ
ナペースト３０を、図７に示すディスペンサー３１を用
いてヒータコア８の外周面にシート状に塗布することに
より、該ヒータコア８の外周側にヒータパターン１０を
径方向外側から覆うように保護層１１を形成する。この
場合、チャック等の支持軸をヒータコア８の空洞部８
Ｂ，８Ｃに係合させ、該ヒータコア８を図７に示す矢示
Ｃ方向に回転中心Ｏ−Ｏを中心にして１秒間に１回転
前，後の速度で回転させつつ、ヒータコア８の外周側に
アルミナペースト３０を例えば４００〜５００μｍ程度
の膜厚をもって一回で塗布する。なお、保護層１１の膜
厚は塗布後の乾燥工程とその後の焼成によって２００μ
ｍ程度まで減少する。

【００４８】ここで、ディスペンサー３１はヒータコア
８の軸方向に延びる平ノズル３１Ａを下端側に有し、該
平ノズル３１Ａは図８に示すように、例えば４００〜５
００μｍ程度の隙間Ｓを介してヒータコア８の外周側に
配設される。そして、ディスペンサー３１は供給口３１
Ｂから供給されたアルミナペースト３０を平ノズル３１
Ａから吐出させることにより、矢示Ｃ方向に回転してい
るヒータコア８の外周側にアルミナペースト３０をシー
ト状に塗布し保護層１１を形成する。なお、ディスペン
サー３１内に供給されるアルミナペースト３０は１００
Ｐa・ｓ（パスカル秒）以上の高粘度に調製され、ディス
ペンサー３１の平ノズル３１Ａから吐出されるアルミナ
ペースト３０の吐出量とヒータコア８の回転速度とを同
調させることにより、ヒータコア８の１回転で塗布作業
を終了させる。

【００４９】そして、次なる焼成工程では、例えば水素
を含むアルゴンガスまたは窒素ガス等の還元性ガス雰囲
気中で前記保護層１１をヒータコア８等と共に、例えば
１４００〜１７００℃、好ましくは１５００〜１６５０
℃前，後の温度をもって２時間程度に亘り焼成し、保護
層１１をヒータコア８の外周に焼結させ一体化する。も
ちろん、この温度条件以外にも、使用する材料に応じて
適切な温度範囲が選ばれる。また、焼成工程を還元性ガ
スの雰囲気中で行うことによって、ヒータパターン１０
のが焼成工程で酸化されるのを防止する。

【００５０】次に、メッキ処理工程では、例えば金、
銀、銅またはニッケル等の導電性材料をヒータコア８の
各平坦面部８Ａにヒータパターン１０の各端部１０Ａ上
でメッキ処理することにより、ヒータコア８の各平坦面
部８Ａ上に各ターミナル部９を形成し、該各ターミナル
部９の表面を図３に示す如く平坦面とする。

【００５１】かくして、セラミックスヒータ７を製造し
た後、該セラミックスヒータ７を酸素センサのセンサ本
体１および検出素子６内に図１に示す如く収納し、各タ
ーミナル部９に各コンタクトスプリング１３の折曲げ部
１３Ａをばね性をもって当接させることによりヒータ付
酸素センサを完成させる。

【００５２】次に、当該ヒータ付き酸素センサを車両に
実装した場合の酸素濃度検出動作について説明する。

【００５３】まず、当該ヒータ付き酸素センサのセンサ
本体１はホルダ２のおねじ部２Ａを介して車両の排気管
等に螺着され、検出素子６の先端側を排気管内へと突出
させた状態で固定される。そして、エンジンの駆動時に
排気管内を排気ガスが流れ検出素子６の周囲に導入され
ると、この排気ガスの酸素濃度は検出素子６内の大気と
の間に大きな濃度差が生じるから、該検出素子６には起
電力が発生し、この起電力は検出信号として、導電性筒
体１２、コンタクトプレート１４およびリード線１９を
介して外部のコントロールユニット（図示せず）に出力
され、空燃比をフィードバック制御するのに用いられ
る。

【００５４】また、セラミックスヒータ７は各リード線
１８、各コンタクトスプリング１３等を介して外部から
通電されることにより、ヒータコア８がヒータパターン
１０と共に発熱源となって検出素子６を内側から加熱
し、該検出素子６を例えば３５０℃程度の温度まで昇温
させて活性化させ、正規の検出信号が検出素子６から出
力されるのを補償する。

【００５５】而して、本実施例によれば、セラミックス
ヒータ７のヒータコア８をセラミックス材料によりロッ
ド状に射出成形し、該ヒータコア８の基端側外周には各
平坦面部８Ａを形成すると共に、軸方向両端側には空洞
部８Ｂ，８Ｃを形成した状態で、例えば１０００〜１２
００℃前，後の温度をもってヒータコア８を大気中にて
仮焼成するようにしたから、この仮焼成によってヒータ
コア８のコア素材中に含有されたバインダー（有機材
料）を熱分解でき、このときにバインダーから発生する
分解ガスをヒータコア８内から外部に放散させてバイン
ダーをほぼ完全に除去することができる。

【００５６】この結果、仮焼成工程に続いてパターン印
刷工程と保護層形成工程とを実行した後に、焼成工程で
保護層１１と共にヒータコア８を還元性ガスの雰囲気中
で１５００〜１６５０℃前，後の温度をもって焼成する
ときに、前記先行技術で述べたように、バインダーから
発生する分解ガスが保護層１１を通過して該保護層１１
にピンホールを生じさせる等の問題を解消でき、保護層
１１によってヒータパターン１０を確実に保護すること
ができると共に、タングステン等の材料からなるヒータ
パターン１０に断線が生じることもなくなり、セラミッ
クスヒータ７の耐久性を大幅に向上できる。

【００５７】特に、還元性ガスの雰囲気中で焼成作業を
行う場合には、一般にバインダーの分解が高温域にずれ
込み、セラミックスの焼結を阻害することがあるため
に、バインダーには低温域でも十分な分解特性を有した
高価な材料が求められる。しかし、本実施例では、予め
仮焼成を行うことによってバインダーの分解ガスをヒー
タコア８内から外部にほぼ完全に放散させた後に、焼成
工程で保護層１１と共にヒータコア８を還元性ガスの雰
囲気中で焼成しているから、低温域での分解特性を有し
た高価なバインダーを用いる必要がなくなり、安価なバ
インダーを使用することが可能となる。

【００５８】さらに、本実施例では、パターン印刷工程
で図６に示すように一対の回転ローラ２４，２４上にヒ
ータコア８を載置しつつ、スクリーン印刷機２５を用い
てヒータパターン１０をヒータコア８の外周面に曲面印
刷し、その後の保護層形成工程では、ヒータコア８の空
洞部８Ｂ，８Ｃを回転中心Ｏ−Ｏとしてヒータコア８を
回転させつつ、ディスペンサー３１の平ノズル３１Ａか
らアルミナペースト３０をシート状に吐出させてヒータ
コア８に塗布し、ヒータパターン１０を径方向外側から
覆うようにヒータコア８の外周側に保護層１１を形成す
る共に、還元性ガス雰囲気中での焼成後に導電性材料か
らなる各ターミナル部９を各平坦面部８Ａにメッキ処理
により形成する構成としたから、下記のような作用効果
を得ることができる。

【００５９】まず、ヒータコア８の外周面にヒータパタ
ーン１０を曲面印刷するときには、スクリーン印刷機２
５のマスク２８を図６中の矢示Ａ方向に移動させるのに
応じて各回転ローラ２４上でヒータコア８を矢示Ｂ方向
に回転させつつ、マスク２８上に供給された導体ペース
ト２６をスキージ２９で掻き込むことによって、ヒータ
コア８の外周面にヒータパターン１０を簡単に曲面印刷
でき、印刷時の作業性を確実に向上できる。

【００６０】そして、保護層１１をこの上から形成する
ときには、ヒータコア８の空洞部８Ｂ，８Ｃを回転中心
Ｏ−Ｏとしてヒータコア８を回転させつつ、ディスペン
サー３１の平ノズル３１Ａからアルミナペースト３０を
シート状に吐出させることにより、ヒータコア８の外周
側にアルミナペースト３０を４００〜５００μｍ程度の
膜厚をもって一回で塗布することができるから、先行技
術のように印刷によって保護層を形成する場合に比較
し、保護層１１を短時間で効率的に形成でき、作業性を
大幅に向上させることができる。また、その後に保護層
１１を焼成したときでも該保護層１１の膜厚を２００μ
ｍ以上に確保することができる。

【００６１】さらに、焼成工程後のメッキ処理工程で
は、前記ヒータパターン１０に外部から通電を行うため
の各ターミナル部９を、ヒータコア８の各平坦面部８Ａ
にヒータパターン１０の各端部１０Ａを介して導電性材
料をメッキ処理することにより形成しているから、この
ターミナル部９を平坦に形成でき、該ターミナル部９を
相手方の接続端子となるコンタクトスプリング１３と接
続するときに、該コンタクトスプリング１３の折曲げ部
１３Ａとターミナル部９との接触面積を確実に大きくで
き、接触不良等の問題が発生するのを効果的に防止でき
る。

【００６２】さらにまた、、ヒータコア８には両端側に
空洞部８Ｂ，８Ｃを形成し、熱容量を小さくするように
したから、ヒータパターン１０に通電を行って所要温度
まで発熱させるときの昇温時間を短くでき、例えば３５
０℃程度の温度まで検出素子６を早期に昇温させて活性
化することができる。

【００６３】従って、本実施例よれば、セラミックスヒ
ータ７の昇温時間を確実に短くすることができ、各ター
ミナル部９で接触不良等の問題が発生するのを効果的に
防止し、信頼性を大幅に向上させることができる。

【００６４】また、ヒータコア８を射出成形し脱バイン
ダーした後に仮焼成を行い、ヒータコア８のコア素材中
に含有されたバインダー（有機材料）をほぼ完全に除去
して、パターン印刷工程と保護層形成工程とを実行した
後に、保護層１１と共にヒータコア８を焼成するように
したから、焼成時のガス制御が容易となり、保護層１１
にピンホールが生じる等の問題を解消でき、歩留りを向
上させることができると共に、ヒータパターン１０に断
線が生じることもなくなり、セラミックスヒータ７の耐
久性を大幅に延ばすことができる。

【００６５】さらに、保護層形成工程では、ディスペン
サー３１の平ノズル３１Ａからアルミナペースト３０を
シート状に吐出させることにより、ヒータコア８の外周
側にアルミナペースト３０を大きな膜厚をもって一回で
塗布することができるから、先行技術のように印刷によ
って保護層を形成する場合に比較して保護層１１を短時
間で形成でき、製造時の作業性を大幅に向上させること
ができる等、種々の効果を奏する。

【００６６】次に、図９は本発明の第２の実施例を示
し、本実施例では前記第１の実施例と同一の構成要素に
同一の符号を付し、その説明を省略するものとするに、
本実施例の特徴は、ヒータ本体を構成するヒータコア４
１を予め押出し成形等の手段を用いて形成した後に、そ
の後にパターン印刷工程、保護層形成工程、焼成工程お
よびメッキ処理工程を順次行うようにしたことにある。

【００６７】ここで、ヒータコア４１は押出し成形によ
って棒状に形成された後、所望長さに切断される。そし
て、ヒータコア４１は十分に乾燥固化された状態で、そ
の外周面にヒータパターン４２が曲面印刷される。この
場合、該ヒータパターン４２は前記第１の実施例で述べ
たヒータパターン１０と同様に形成され、各端部４２Ａ
がヒータコア４１の各平坦面部の位置まで延びている。

【００６８】次に、保護層形成工程では、前記第１の実
施例で述べた保護層１１と同様に保護層４３が図７、図
８に例示したディスペンサー３１等を用いてアルミナペ
ースト３０をシート状に塗布することにより形成され
る。そして、焼成工程では前記第１の実施例と同様に保
護層４３をヒータコア４１と共に、例えば還元性ガスの
雰囲気中で焼成し、その後のメッキ処理工程では、ヒー
タパターン４２に外部から通電を行うための各ターミナ
ル部９を、ヒータコア４１の各平坦面部にヒータパター
ン４２の各端部４２Ａを介して導電性材料をメッキ処理
する。

【００６９】かくして、このように構成される本実施例
でも、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を得るこ
とができ、押出し成形等の手段でヒータコア４１を形成
した場合でも、該ヒータコア４１の外周側にアルミナペ
ースト３０を４００〜５００μｍ程度の膜厚をもって一
回で塗布することができる。従って、印刷によって保護
層を形成する場合に比較し、保護層４３を短時間で効率
的に形成でき、作業性を大幅に向上させることができ
る。

【００７０】なお、前記第１の実施例では、ヒータ本体
を構成するヒータコア８に軸方向両端側に位置して空洞
部８Ｂ，８Ｃを形成するものとして述べたが、これに替
えて、例えばヒータコアの軸方向全長に亘って貫通穴を
形成し、この貫通穴によって空洞部を構成するようにし
てもよい。そしてこの場合には、前記貫通穴によってヒ
ータコアの熱容量をさらに減少でき、各ターミナル部９
からヒータパターン１０に通電を行ってセラミックスヒ
ータ７を所要温度まで発熱させるときの昇温時間を効果
的に短くできる。

【００７１】また、前記各実施例では、ヒータパターン
１０（４２）をタングステン（Ｗ）等の発熱性導体材料
によって形成するものとして述べたが、これに替えて、
例えば白金（Ｐt ）またはモリブデン（Ｍo ）等の材料
でヒータパターン１０を形成してもよく、白金の場合に
は、大気雰囲気中で焼成工程を行う。

【００７２】さらに、ターミナル部９は必ずしもメッキ
処理により形成する必要はなく、例えば蒸着等の手段を
用いてターミナル部９を平坦面部８Ａ上に形成してもよ
い。また、例えば白金等でヒータパターン１０を形成す
る場合には、平坦面部８Ａ上に形成したヒータパターン
１０の部分をターミナル部としてそのまま使用でき、こ
の場合には前記実施例のように、ターミナル部を別工程
でさらに形成する必要はない。

【００７３】一方、前記第２の実施例では、ヒータ本体
を構成するヒータコア４１を押出し成形等の手段で形成
するものとして述べたが、これに替えて、前記第１の実
施例と同様に射出成形等の手段を用いてヒータコアを形
成してもよいものである。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１に記載の発
明によれば、ヒータ本体の成形工程とパターン印刷工程
との間で前記ヒータ本体を仮焼成するようにしたから、
該ヒータ本体を構成するセラミックス材料のバインダー
から発生する分解ガスを、仮焼成時に外部に放散させ
て、前記セラミックス材料のバインダーをほぼ完全に除
去することができ、保護層を形成した後に行う焼成工程
においてヒータ本体から分解ガス等が発生するのを防止
できる。また、ヒータ本体の外周面にはヒータパターン
を曲面印刷により直接形成でき、セラミックスヒータの
製造工程全体を効率化し、作業性を向上できる。従っ
て、ヒータパターンに断線が生じたり、保護層にピンホ
ールが生じる等の問題を解消でき、製造時の作業性を高
めることができると共に、当該セラミックスヒータの耐
久性や信頼性を大幅に向上させることができる。

【００７５】この場合、請求項２に記載の発明では、ヒ
ータ本体を大気中で８００〜１４００℃に加熱して仮焼
成を行うことにより、セラミックス材料のバインダーか
ら発生する分解ガスを大気中に放散させつつ、仮焼成を
実行することができ、セラミックス材料のバインダーを
より確実に除去することができる。そして、保護層形成
工程の後に行う焼成工程では、前記ヒータ本体を保護層
と共に１４００〜１７００℃に加熱して焼結でき、この
ときに発生するガス量等を確実に減少できると共に、歩
留りを向上させることができ、ヒータとしての耐久性を
効果的に高めることができる。

【００７６】また、請求項３に記載の発明では、ヒータ
パターンを径方向外側から覆うように前記ヒータ本体の
外周側に、ディスペンサーからの保護層ペーストをシー
ト状に塗布することによって保護層を形成しているか
ら、例えば２００〜５００μｍ程度の膜厚をもった保護
層を一回の塗布作業で簡単に形成でき、製造時の作業性
を効果的に高めることができる。

【００７７】さらに、請求項４に記載の発明でも、ヒー
タ本体の外周面にヒータパターンを曲面印刷により直接
形成でき、セラミックスヒータの製造工程全体を効率化
することができると共に、所望の膜厚をもった保護層を
一回の塗布作業で簡単に形成でき、先行技術で述べた如
く、ヒータパターンを径方向外側から覆うようにヒータ
本体の外周側に保護層を多数回に亘って印刷する必要が
なくなり、製造時の作業性を大幅に向上できる等、種々
の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるセラミックスヒー
タが設けられたヒータ付き酸素センサを示す縦断面図で
ある。

【図２】図１に示すセラミックスヒータの要部拡大図で
ある。

【図３】図２中の矢示 III−III 方向拡大断面図であ
る。

【図４】図２に示すセラミックスヒータの拡大右側面図
である。

【図５】図２に示すセラミックスヒータの製造工程図で
ある。

【図６】ヒータコアの外周面にヒータパターンを印刷す
るスクリーン印刷機等を示す縦断面図である。

【図７】ヒータコアの外周面に保護層を形成するための
ディスペンサー等を示す斜視図である。

【図８】図７中の矢示VIII−VIII方向拡大断面図であ
る。

【図９】第２の実施例によるセラミックスヒータの製造
工程図である。

【符号の説明】

１ センサ本体 ４ 絶縁筒体 ５ 絶縁カバー ６ 検出素子 ７ セラミックスヒータ ８，４１ ヒータコア（ヒータ本体） ８Ａ 平坦面部 ８Ｂ，８Ｃ 空洞部 ９ ターミナル部 １０，４２ ヒータパターン １１，４３ 保護層 １２ 導電性筒体 １３ コンタクトスプリング １４ コンタクトプレート １７ シール筒 １８，１９ リード線 ２５ スクリーン印刷機 ２６ 導体ペースト ３０ アルミナペースト（保護層ペースト） ３１ ディスペンサー

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−235716（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−263780（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−315055（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−249089（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−329291（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05B 3/02 - 3/82

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バインダーを含むセラミックス材料から
   ヒータ本体をロッド状に成形する成形工程と、 ロ ッド状に成形した該ヒータ本体を仮焼成し、前記セラ
   ミックス材料のバインダーを除去する仮焼成工程と、 仮 焼成した前記ヒータ本体の外周面にヒータパターンを
   曲面印刷するパターン印刷工程と、 該 ヒータパターンを径方向外側から覆うように前記ヒー
   タ本体の外周側に保護層を形成する保護層形成工程と、 該 保護層と共に前記ヒータ本体を焼成する焼成工程とを
   有してなるセラミックスヒータの製造方法。
2. 【請求項２】 前記仮焼成工程はヒータ本体を大気中で
   ８００〜１４００℃に加熱することにより行い、前記焼
   成工程では前記ヒータ本体を保護層と共に１４００〜１
   ７００℃に加熱し焼結させてなる請求項１に記載のセラ
   ミックスヒータの製造方法。
3. 【請求項３】 前記保護層形成工程では、前記ヒータパ
   ターンを径方向外側から覆うように、前記ヒータ本体の
   外周側にディスペンサーからの保護層ペーストをシート
   状に塗布してなる請求項１または２に記載のセラミック
   スヒータの製造方法。
4. 【請求項４】 セラミックス材料からロッド状に形成さ
   れたヒータ本体の外周面にヒータパターンを曲面印刷す
   るパターン印刷工程と、 該 ヒータパターンを径方向外側から覆うように、前記ヒ
   ータ本体の外周側にディスペンサーからの保護層ペース
   トをシート状に塗布し保護層を形成する保護層形成工程
   と、 該 保護層と共に前記ヒータ本体を焼成する焼成工程とを
   有してなるセラミックスヒータの製造方法。