JPH03183942A - センサのヒータ構造 - Google Patents

センサのヒータ構造

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JPH03183942A
JPH03183942A JP1324238A JP32423889A JPH03183942A JP H03183942 A JPH03183942 A JP H03183942A JP 1324238 A JP1324238 A JP 1324238A JP 32423889 A JP32423889 A JP 32423889A JP H03183942 A JPH03183942 A JP H03183942A
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JP
Japan
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pattern
heater
ceramic substrate
heating
patterns
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JP1324238A
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English (en)
Inventor
Yoshiaki Kuroki
義昭 黒木
Akira Nakano
中野 昭
Toshitaka Matsuura
松浦 利孝
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、センサのヒータ構造に関し、詳しくはセラミ
ックス基板上に形成されたセンサのヒタ構造に関するも
のである。
[従来の技術] 従来より、周囲ガスの濃度等を測定するセンサとしては
、セラミックスを使用した各種のセンサ1 が知られており、例えば、第8図に示すように、チタニ
ア等からなるセンサ素子P]が積層されるセラミックス
基板P2と、センサ素子P1を加熱するヒータパターン
P3が形成されたセラミックス基板P4とを、積層して
柱状に形成した検出部P5を使用した酸素センサが提案
されている。
この種の酸素センサのヒータパターンP3は、通常一対
の端子P6を備えた1本のパターンから構成されており
、上記センサ素子P]を十分に加熱するために、センサ
素子P1と対応する位置で蛇行する様に形成されていた
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来技術では下記のような問題があ
り未だ十分ではなかつノL 即ち、この様な技術では、蛇行したヒータパタンP3が
直列のパターン(直列回路)であるので、ヒータパター
ンP3の高電位側と低電位側との電位差が大きく、その
上 ヒータパターンP3が蛇行していることによって、
隣接するヒータパター713間の電位差が大きなものと
なっていた2 その結果、いわゆるマイグレーションの問題が発生する
ことがあった。
このマイグレーションとは、セラミックス基板P2.P
4上に形成されたパターンに大きな電位差があると、そ
れ1こよって、セラミックス基板P2、P4内のM g
 2◆やCa2+等が移動して、セラミックス基板P2
..P4に微少な空隙が生じることであり、このマイグ
レーションのために、セラミックス基板P2.P4が劣
化してしまうという問題が生じていた また、ヒータパターンP3が従来のような直列回路では
、検出部P5の形状に応じてセンサ素子P1を好適に加
熱することが難しい場合があるので、その時日よ加熱状
態1こムラが生じ、的確な検出信号が得られないという
問題もあった。
本発明は、上記課題を解決して、マイグレーションを防
止するとともに、好適な加熱を行うことができるセンサ
のヒータ構造を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 3− かかる問題点を解決するための本発明の構成は、センサ
素子がセラミックス基板上に形成された検知部と、上記
センサ素子を加熱するヒータがセラミックス基板上に形
成された加熱部と、を積層して検出部を形成したセンサ
のヒータ構造において、 上記加熱部のセラミックス基板上のヒータを並列回路と
したことを特徴とするセンサのヒータ構造を要旨とする
ここで、上記並列回路のヒータとしては、梯子状に多数
に分岐する並列回路が形成されていると、各々の位置に
おける加熱の程度を調節でき、容易にセンサ素子の均一
加熱ができるので好適である。
また、その並列回路のパターンとしては、例えば扇状や
放射状等の各種の形状が考えられる。
また、センサ素子としては、例えばZrO2等のイオン
伝導体、TiO2や5n02等の電子伝導体を使用でき
る。
[作用] 本発明のセンサのヒータ構造は、セラミックス4 基板が積層されたものであり、一方のセラミックス基板
上にセンサ素子が形成され他方のセラミックス基板上1
こセンサ素子を加熱するヒータが形成されている。そし
て、このセンサ環子を加熱するヒータが並列回路となっ
ている。
この様に、ヒータが並列回路となっていることにより、
印加電圧を低く設定できるとともに、ヒータの隣合う回
路間等の電位差を低く設定することができるので、マイ
グレーションの発生を低減でき、それよって、セラミッ
クス基板の劣化を防止することが可能となる。
また、ヒータが並列回路となっているので、並列になっ
ている回路の位置を適宜設定でき、それによってヒータ
の加熱状態を調節して、センサ素子の温度が均一になる
様に設定することが可能となる。
[実施例] 以下本発明の実施例を図面に従って説明する。
本第1実施例は、セラミックス基板をガス濃度等を検出
する検出部として、内燃機関の排気中の− 酸素濃度を検出する酸素センサ(こ適用したものであり
、第1図は検出部のヒータパターンを示し、第2図は検
出部全体を一部破断して示し、更に第3図は検出部を分
解して示している。
第2図及び第3図において、酸素濃度を検出する検出部
1は、ヒータパターン2が形成された第1のセラミック
ス基板4と、出力を取り出す一対の電極パターン6が形
成された第2のセラミックス基板8と、電極パターン6
の絶縁を行う絶縁層10と、検出部1を補強する第3及
び第4のセラミックス基板12.14と、検出部1を図
示しない酸素センサハウジングに固定する際のずれを防
止する固定部材16とが各々積層されて形成されたもの
であり、この電極パターン8の表面にはTiO2からな
る検出素子18が積層されている。
上記ヒータパターン2は、第1図に示すように、実際に
発熱する幅の狭い発熱体パターン2aと、一対の幅の広
いリードパターン2b、、2b2とから構成されう発熱
体パターン2aは、梯子状に6つに分岐した並列回路と
されている。そして、図q− の横方向に並列に分岐した各パターン(以下並列パター
ンと称す)2a、〜2a6の抵抗値r、〜r6は、並列
パターン2a、〜2a6の長さと幅が同一であるので同
一であり、先端側(図の上方)の発熱体パターン2aよ
りも根本側(図の下方)の発熱体パターン2aの方が密
に形成されている。
尚、発熱体パターン2aの図の縦方向のバタン(縦方向
パターン)2arにも所定の抵抗があり発熱するので、
各並列パターン2a、〜2a6における電圧V、〜v6
は、下記0式の様になる。従って、根本側の方が電圧が
高いので、根本側の方の発熱量が多くなる。
V+>V2>Va>V4>V5>Va−0次に、ヒータ
パターン2を備えた検出部1の製造方法について、第3
図に基づいて説明する。
まず、第1及び第2のセラミックス基板4,8となるグ
リーンシートを、平均粒径]、5μmのAQ20392
重量%、5i024重量%、Ca○2重量%及びMg0
2重量%からなる混合粉末100重量部に対して、ブチ
ラール樹脂12重量部及一 びジブチルフタレート(DBP)6重量部を添加し、有
機溶剤中で混合してスラリーとし、ドクダブレードを用
いて、厚さ0.4mmに形成する。
次に、ヒータパターン2及び電極パターン6を、Ptに
対して20wt%のAg2O3を添加した白金ペースト
を用い、上記各グリーンシート1こ厚膜印刷して形成す
る。
また、厚膜印刷した各パターン2,6の端部1こ、直径
0. 2mmの白金リード線20a〜20dをそれぞれ
配設する。
′引こ、この各パターン2,6や白金リード線2()〜
20dを設けたグリーンシートと、別途形成したAg2
O3からなる厚さ0.26mmの絶縁層10の生シート
、Ag2O3からなる厚さ0. 8mmの第3及び第4
のセラミックス基板12.14のグリーンシート、Ag
2O3からなる厚さ0.26mmの固定部材16の生シ
ートを、各々積層熱圧着する。
そして、この検出部1となる積層体を1500℃の大気
中に2時間放置することによって焼成す一8= 次いで、焼成された積層体の先端部で露出している電極
パターン6上に、T i 02ペーストを塗布し、12
00°Cで焼き付けて検出素子18を備えた検出部1を
完成する。
そして、この検出部1のヒータパターン2に接続された
白金リード線20a、20blこ、加熱用の電源電圧を
印加することによって、発熱体パターン2aを加熱して
検出素子18を活性化し、電極パターン6に接続された
白金リード線20C22Od間の抵抗値の変化を検出す
ることによって、酸素濃度を検出する。
上述した本実施例の構成によって、下記のような効果を
奏する。
本実施例のヒータパターン2は、梯子状に多数に分岐し
た並列回路となっているので、従来の直列回路のヒータ
パターンの様に、検出素子18を加熱するためにヒータ
パターン2を長くして何度も蛇行させる必要がない。従
って、隣合うパターン間の電位差を極めて低く設定でき
、かつ1本の− 並列パターンにおける電位差も低く設定のできるので、
いわゆるマイグレーションの発生を効果的に防止するこ
とができる。つまり、ヒーターパタン2によって検出素
子]8を十分に加熱できるとともに、パターン同志の電
位差が少ないので、セラミックス基板4,8中のMg2
”、  Ca2”等の移動が防止でき、それによって基
板の劣化を防ぐことができる。
また、ヒータパターン2を並列回路にすることにより、
直列回路よりも電源電圧を低く設定できるので、その点
からもパターン間の電位差を低く抑えることができ、マ
イグレーションの発生を抑止することができる。
更に、検出部1ば、応答性を良好にするために先端部側
が薄く、−大強度を得るために根本部側が厚くなってい
るので、熱容量にばらつきがあり、その上根本側はハウ
ジングに近いので放熱しやすいという傾向がある。しか
しながら、本実施例では、熱容量の小さな先端部側の並
列パターン2a、〜2a6が疎であり、熱容量が大きく
放熱しやn− すい根本部側が密に形成されているので、安定した検出
素子2の均一加熱が可能であ°る。つまり、根本部側を
十分に加熱して、熱飽和安定の状態にすることが容易な
ので、酸素センサの特性バラツキを少なくすることがで
きる。その上 上記0式に示したように、各並列パター
ン2a1〜2a6の電圧は根本部側の方が大きいので、
この点からも根本部側の発熱量が大きく、熱飽和安定を
十分にかつ容易に達成できる。
また、並列パターン2al〜2a6の分岐位置や本数を
変えるだけで、加熱部位や加熱の程度を変更できるので
、検出部1の形状に応じて最適なヒータパターン2の設
定が可能である。
更に、ヒータパターン2が並列回路であるので、その並
列パターン2a、〜2a6の一部が断線したとしても、
全く加熱ができなくなるということがなく、高い精度で
ガス濃度の検出を引き続いて行うことができるという効
果がある。
次に、第2実施例について、第4図に基づいて説明する
1− 本実施例の酸素センサの検出部30は、電極パターン3
2の形成された第1のセラミックス基板34の上に、ヒ
ータパターン36が形成された第2のセラミックス基板
38が積層されたものである。このヒータパターン36
は環状になっており、その中央部には検出素子40を充
填するための窓部42が形成されている。
よって、検出素子2の極めて近傍にヒータパターン36
を配置する構成なので、検出素子40の加熱が容易であ
るという効果がある。
次に、第3ないし第5実施例について、第5図に基づい
て説明する。尚、これらは第1実施例とはヒータパター
ン2が異なるのみで他の構成は同である。
第5図(a)に示す第3実施例のヒータパターン50は
、4本の並列パターンがセラミックス基板52上にほぼ
平行に形成されており、構成が簡単である。また、第5
図(b)に示す第4実施例のヒータパターン60は、4
本の並列パターンがセラミックス基板62上に形成され
ており、それ2− らの並列パターンは左右のリードパターン64の同一位
置から年輪状に伸びている。従って: 1本の並列パタ
ーンがどの位置で断線した場合でも、他の3本は完全に
機能する。更に、第5図(C)に示す第5実施例のヒー
タパターン70は、2本の並列パターンがセラミックス
基板72上に、上下の方向にほぼ対称に形成されている
次に、上記実施例の効果を確認するために行った実験例
について、第6図及び第7図に基づいて説明する。
(実験例) この実験例に使用する検出部として、第1実施例とほぼ
同様であるが、全抵抗3,2Ωのヒータパターン上に検
出素子を形成しない検出部を製造した。また、比較例と
して、第6図に示す従来のヒータパターンを備え、検出
素子を形成しない3種の検出部A、  B、  Cを製
造したそして、実験例や比較例の各検出部A−Cのヒー
タパターンに電圧を印加して発熱させて、第7図の(ロ
)の位置の温度が700℃になるように調節し、その状
態における(イ)、(ハ)の位置の温度を、非接触式の
赤外線温度計で測定したその結果を下記第1表に示す。
尚、本実験において、比較例A、  B、  Cの常温
における抵抗値は、各々6Ω、6Ω、5Ωであり、また
(口)の位置の温度を700℃にするために印加する電
圧は、実験例 比較例A、  B、  Cテ各々7V、
12V。
13V、16Vであった。
この様に実験例では低電圧の印加で所定の温度に設定す
ることができるという効果があり、更に第1表に示すよ
うに、実験例の検出部のヒータパターンの温度のばらつ
きは、17℃と極めて少な14− 〈好適な均一加熱が実現できるという効果がある。
一方、比較例の検出部A−Cのヒータパターンは、温度
のばらつき大きく十分な均一加熱ができていない。この
実験から明かな様に、上記実験例のヒタパターンにより
低電圧で均一な加熱が実現でき、良好なセンサ特性を得
ることができるということが分かる。
また、上記実験に際して、マイグレーションの発生を観
察したが、本実験例のヒータパターンにおいては、殆ど
基板の劣化が見られなかつl″。
以上本発明の各実施例について説明したが、本発明はこ
の様な実施例に何等限定されるものではなく、本発明の
要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施で
きることは勿論である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明のセンサのヒータ構造によ
れば、センサ素子が形成された検知部と、センサ素子を
加熱する加熱部とを積層し、この加熱部のヒータを並列
回路としたので、印加する電圧を低く設定できるととも
(二、隣合うヒータ間の15− 電位差や1本の並列のパターンにおける電位差が小さく
なり、マイグレーションの発生を抑制して基板の劣化を
防止することができる。また、並列回路であるので、加
熱部位や加熱温度の設定が容易であり、検出部の熱飽和
安定を容易(二達成でき、それによってセンサ特性を向
上できるという効果がある。更に、並列回路の一部が断
線しても、他の並列回路でヒータの加熱を行うことが可
能であるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例のヒータパターンを示す平面図
、第2図は酸素センサの検出部を一部破断して示す斜視
図、第3図は検出部を示す分触斜視図、第4図は第2実
施例の検出部を示す分解斜視図、第5図は第3ないし第
5実施例のヒータパターンを示す平面図、第6図は実験
に使用する比較例のヒータパターンの平面図、第7図は
温度の測定位置を示す説明図、第8図は従来の酸素セン
サの検出部の分解斜視図である。 6− 1、 30.  A、  B、  C・・・検出部2、
 36. 50. 60,70・・セータパタ4、 8
. 12. 14. 34. 38. 52゜62.7
2・・・セラミックス基板 6.32・・・電極パターン 18.40・・・検出素子

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 センサ素子がセラミックス基板上に形成された検知
    部と、上記センサ素子を加熱するヒータがセラミックス
    基板上に形成された加熱部と、を積層して検出部を形成
    したセンサのヒータ構造において、 上記加熱部のセラミックス基板上のヒータを並列回路と
    したことを特徴とするセンサのヒータ構造。
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