JPH03246458A - センサの組付構造 - Google Patents

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、センサの組付構造に関し、詳しくはセンサ内
部の組付構造に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、例えば酸素センサとしてはセラミックスを使
用した各種のセンサが知られており、通常、第１１図に
示すように、感ガス素子（センサ素子）が形成されたセ
ラミックス基板Ｐ］が、充填粉末Ｐ２やガラスＰ３等に
固定されて、金属製のハウジング（内筒）Ｐ４内に格納
されている。

この様なセンサの内部構造を形成する場合には、下記の
様にして行う。

まず、セラミックス基板Ｐ］に電極等のパターンを形成
し、そのパターン上に白金リード線Ｐ５を接続し、その
上から他のセラミックス板を密着して一体焼結する。次
に、白金リード線Ｐ５を銅又は耐熱鋼などの金属リード
線Ｐ６に接続し、センサの内部構造を形成する。そして
、このセンサの内部構造を金属製のハウジング内４内に
格納する際には、セラミックス基板Ｐ１とハウジングＰ
４と隙間に充填粉末Ｐ２を詰め、更に上記セラミックス
基板ＰＩ、　　白金リード線Ｐ５及び金属リード線Ｐ６
の周囲を覆うように耐熱性のガラスＰ３を充填する。こ
の様にして、センサの組付構造が形成される。

即ち、従来のセンサの組付構造は、セラミックス基板Ｐ
Ｉ、　　白金リード線Ｐ５及び金属リード線Ｐ６の周囲
を耐熱性のガラスＰ３が覆い、更にそのガラスＰ３と接
触して金属製のハウジングＰ４が覆うという構造となっ
ている（特開昭６０−２１１３４５号公報）。

［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
り末だ十分ではなかった。

即ち、この様な技術では、センサが高温で熱サイクルを
受けた場合には、ガラスＰ３が直接に金属製のハウジン
グＰ４に接しているために、またそのハウジングＰ４の
金属（例えばステンレス）とガラスＰ３の熱膨張率が異
なるために、大きな熱応力を受けてガラスＰ３にクラッ
クが発生することがあり、そのため、白金リード線Ｐ５
が切断してしまうという問題があった 本発明（ｃｔ、上記課題を解決して、基板から伸びるリ
ード線を切断することのないセンサの組付構造を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ かかる問題点を解決するための請求項１の発明は、 センサ素子が形成されたセラミックス基板と、上記セン
サ素子に接続されて上記セラミックス基板から伸びる電
極線とを、金属製のハウジング内に格納したセンサの組
付構造において、上記セラミックス基板が挿通されると
ともに上記ハウジングの下端から上記セラミックス基板
の上部近傍に達するセラミックス部材を、上記ハウジン
グの内側に配置し、更に上記セラミックス部材の内部及
び電極線の周囲近傍に耐熱性ガラスを充填したことを特
徴とするセンサの組付構造を要旨とする。

また、請求項２記載の発明は、 上記センサの組付構造であって、上記セラミックス部材
の上端が、上記電極線の周囲を覆う位置まで達している
こと特徴とする請求項］記載のセンサの組付構造を要旨
とする。

ここで、上記セラミックス部材としては、例えば金属製
のハウジングの内周面に接して、或はわずかの間隔をあ
けて配置されたセラミックスリングを用いると、熱応力
の発生が少ないので好適である。

上記電極線としては、白金、イリジウム、パラジウム、
ルテニウム、ロジウム、オスミウム等の白金族のものが
好適であり、特に耐熱性とコストの点から白金を使用す
ることが望ましい。

更に、上記耐熱性ガラスとして１良　ホウケイ酸ガラス
、リン酸ガラス、ホウ酸鉛ガラス等を使用でき、その内
でも特に低温でシールでき、金属の酸化消耗の少ないホ
ウ酸鉛ガラスを用いることが望ましい。

尚、上記白金等からなる電極線には、センサがら出力を
取り出すために他の金属リード線が接続されるが、この
金属リード線としては、飢　鉄。

ニッケルもしくはそれらの合金、又はそれらを組み合わ
せたものを使用できる。このうちニッケルやニッケル合
金は耐熱性に優れており、銅は大電流を流す場合に適し
ている。

［作用］ 請求項１の発明のセンサの組付構造は、金属製のハウジ
ング内に、外界の状態、例えば周囲ガスの濃度を検出す
るセンサ素子が形成されたセラミックス基板が格納され
ており、そのセラミックス基板から電極線が伸びている
。そして、ハウジングの内側にセラミックス部材が配置
さ札　このセラミックス部材をセラミックス基板が貫い
ており、更にセラミックス部材の内側には、セラミック
ス基板を固定する耐熱性ガラスが充填されている。

従って、センサが高温の熱サイクルを受けた場合、例え
ば排気温の上昇によってセンサが高温になりその状態か
ら急冷されたり、また急加熱された様な場合には、セラ
ミックス部材と金属のハウジングの熱膨張率が大きく異
なっていても、ハウジングとセラミックス部材とが各々
に伸縮するので、セラミックス部材に大きな熱応力がか
かることが防止できる。それによって、セラミックス部
材と接触する耐熱性ガラスにも大きな熱応力がかからな
いので、クラックの発生を防止して、断線を防ぐことが
可能となる。

また、請求項２の発明では、上記セラミックス部材が、
電極線の周囲を覆う位置にまで伸びている。

従って、セラミックス部材とハウジングとの隣あう面積
が大きくなり、更に、電極線の周囲のクラックが生じや
すいガラスの部分をセラミックス部材が覆っているので
、高温の熱サイクルを受けた場合でも、効果的にクラッ
クの発生を防止して、電極線の断線を防ぐことが可能と
なる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

本実施例は、ガス成分又はその濃度を検出する検出部を
、内燃機関の排気中の酸素濃度を検出する酸素センサに
用いたものであり、第１図は酸素センサの要部を示し、
第２図は酸素センサの全体を一部破断して示している。

第２図において、酸素センサ］は、セラミックス基板上
の感ガス素子２によって酸素濃度を検出する検出部４と
、検出部４を把持するセラミックスリーブ５と、セラミ
ックスリーブ５を把持するとともに酸素センサ］を内燃
機関に取り付ける筒状の主体金具６と、主体金具６の先
端に取り付けられて検出部４を保護するプロテクタ８と
、主体金具６の上端に取り付けられた内筒１０及び外筒
］］と、センサ内を気密するシール材］２とを備え、更
に上記セラミックスリーブ５内には耐熱性ガラス１３が
充填されている。

上記検出部４は、第１図に示すように、セラミックス基
板上に、例えばＴｌＯ２等のような周囲の雰囲気に応じ
て電気抵抗が変化する感ガス素子２や、感ガス素子２に
接続されたパターン］４．］６．１８等（第５図）を設
けたものであり、このパターン１４，１６．１８等に、
白金リード線２０ａ、２０ｂ、２０ｃ　（２０と総称す
る）が接続さね　更に白金リード線２０に金属端子２２
ａ。

２２ｂ、２２ｃ　（２２と総称する）が接続されている
。

上記セラミックスリーブ５は、第１図及び第３図に示す
ように、下部（先端側）に行くほど段階的に内径が小さ
くなる貫通孔２４を備えている。

つまり、この貫通孔２４の下部は、４角柱の検出部４を
保持することができるように断面が長方形であり、中央
部は後述する耐熱性ガラス２６を詰めることができるよ
うに検出部４より少し大きな円形であり、更に上部は金
属端子２２等が配置し易いように更に大きな円形となっ
ている。

このセラミックスリーブ５の中央部及び下部の外周面は
、主体金具６の内周面に摺動可能に接している。更にセ
ラミックスリーブ５の上部の外径は、中央部より大きく
なっており、その外周面は上記内筒１０と接している。

また、セラミックスリーブ５の下端は主体金具６の下端
に達しており、主体金具６の断面り字状の係止部２８に
よって係止されている。

上記耐熱性ガラス］３は、セラミックスリーブ５の貫通
孔２４の内部と、セラミックスリーブ５の上端を越えて
内筒１０に至るまで充填されている。このガラス１３は
耐熱性の高融点ガラスからなり、検出部４．白金り〜ド
線２０及び金属端子２２を覆って、検出ガスの漏れを防
止するとともに、白金リード線２０及び金属端子２２の
絶縁や、セラミックスリーブ５等の固定を行っている。

上記主体金具６は、セラミックスリーブ５を保持すると
ともに、酸素センサ］を例えば内燃機関に取り付けるた
めのもので、その外周の一部には螺子部２９が形成され
ている。

上記シール材］２はシリコンゴムからなり、第４図に示
すように、リード線３０ａ、３０ｂ、３０ｃ　（３０と
総称する）と、金属端子２２との接続部分を絶縁保護し
ている。このリード線３０と金属端子２２との接続は、
予め外筒］］内にシール材１２及びリード線３０を納め
るとともに、各リード線３０の先端に加締金具３２　ａ
、　　３２　ｂ。

３２ｃ　（３２と総称する）を加締めて接続し、更に加
締金具３２と金属端子２２とをスポット溶接して行われ
る。

次に、検出部４の製造方法、白金リード線２０及び金属
端子２２の接続方法、及びセンサの組付方法等について
、第５図ないし第９図に基づいて説明する。

まず、第５図ないし第８図に示すように、第１及び第２
のグリーンシート４０．４２は、平均粒径１，５μｍの
ＡＱ２ｏ３９２重量％、Ｓ　１０２４重量％、ＣａＯ２
重量％及びＭｇＯ２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、ドクターブレードを用いて形成さ
れたものである。また、各パターン１４．　１６．　１
８゜５０．５２，５４［山　Ｐｔに対して７重量％のＡ
Ｑ２０３を添加した白金ペーストで厚膜印刷して形成し
たものであり、そのうち、パターン１４，１６は感ガス
素子２の電極となる電極パターン１４゜１６であり、パ
ターン１８は感ガス素子２を加熱するためのヒータとな
る抵抗発熱体パターン］８であり、またパターン５０，
５２．５４は発熱抵抗体パターン］８に電源を印加した
り感ガス素子２から検出信号を抽出するための端子電極
パターン５０，５２．５４である。

上記検出部４の形成は、まず第５図に示すように、第１
のグリーンシート４０上に上記各パターン１４〜１８．
５０〜５４を白金ペーストで厚膜印刷する。次いで、第
６図に示すように、端子電極パターン５０〜５４上に白
金、リード線２０をそれぞれ配設する。更に、第７図に
示すように、第２のグリーンシート４２に電極パターン
１４，１６の先端部が露出する様に、打ち抜きによって
開口部５６を形成し、この第２のグリーンシート４２を
、電極パターン１４．１６の先端部を除く全てのパター
ン１４〜１８．５０〜５４を覆うようにして、第１のグ
リーンシート４０上に積層熱圧着する。

これによって、白金リード線２０は両グリーンシート４
０．４２に挟まれるとともに、その一部が外部に突出す
る。そして、この積層板を１０００℃の大気中に２時間
放置することによって、セラミックス基板を焼成する。

次いで、焼成されたセラミックス基板の開口部５６に感
ガス素子２を設けることになるのであるが、まず、平均
粒径１．２μｍのＴｌＯ２粉末１００モル部に対し１モ
ル部の白金ブラックを添加し、更に全粉末に対して３重
量％のエチルセルロースを添加し、ブチルカルピトール
（２−（２−ブトキシエトキシ）エタノールの商品名）
中で混合して、３００ポイズに粘度調整したＴｌＯ２ペ
ーストを製造する。そして、このＴｉＯ２ペーストを開
口部５６に充填し、かつ電極パターン１４．１６の先端
に被着するように厚膜印刷した後、１２００°Ｃの大気
中に１時間放置して焼き付けることによって感ガス素子
２を形成する。

更に、第９図に示すように、予め金属端子２２をニッケ
ル板にエツチング加工して一体成形し、この各金属端子
２２を検出部４の外部に突出した白金リード線２０に各
々配設し、その部分をスポット溶接することにより金属
端子２２の接続を行一方、セラミックスリーブ５（飄　
ＡＱ２０３９２重量％、残部５ｉ０２．ＭｇＯからなる
材料を、１５００℃で２時間焼成して製造したものであ
る。

そして、その形状は、第１図及び第３図に示す様に、全
長３５ｍｍの筒状体であり、その先端の長方形の貫通孔
２４は縦２．５ｍｎ、横３，５血、中央部は内径５ｎｍ
、厚さ１．２面、上部は内径り町厚さ１．　２ｍｍであ
り、熱膨張係数αは、７．５×１０−６１／’Ｃである
。

この様に、検出部４及びセラミックスリーブ５を形成し
た後に主体金具６の上端に内筒］Ｏを取り付ける。そし
て、内筒１０及び主体金具６の内部にセラミックスリー
ブ５を内嵌し、主体金具６のＬ字状の係止部２８に達す
るまで押し込む。

次に、このセラミックスリーブ５の貫通孔２４内に検出
部４を挿入し、更に検出部４の周囲及び白金リード線２
０・及び金属端子２２の周囲に、例えば熱膨張係数α（
８，４Ｘ１０−６１／’Ｃ）の耐熱性ガラス１３である
ホウ酸鉛ガラスを充填する。

尚、内筒］０内に耐熱性ガラス１３にて固定されたニッ
ケル板は所定の長さに切断されて、各金属端子２２が分
離される。

次いで、リード線３０と加締金具３２とが加締めによっ
て接続さね　この加締金具３２と露出した金属端子２２
とがスポット溶接によって接続さね更に内筒１０の外側
に外筒１］がかぶせられて、本実施例のセンサの組付構
造を備えた酸素センサ］が完成する。

そして、この酸素センサ］のリード線３０ａ。

３０ｃ間（即ち金属端子２２ａ、２２ｃ問）に、加熱用
の電源電圧を印加することによって発熱体抵抗パターン
］８を加熱して感ガス素子２を活性化し、リード線３０
　ａ、　　３０　ｂ間（即ち金属端子２２　ａ、　　２
２　ｂ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。

このセンサの組付構造においては、白金リード線２０の
周囲近傍を耐熱性ガラス１３が覆い、ガラス１３の外側
にはセラミックスリーブ５が配置さね更にセラミックス
リーブ５の外側に金属製の内筒］Ｏ及び主体金具６が配
置されている。従って、高温の熱サイクルを何度も受け
た場合でも、白金リード線２０の周囲のガラス］３にク
ラックが入ることがないので、白金リード線２０が切断
されることがない。

つまり、金属製の内筒］０及び主体金具６の熱膨張率は
セラミックスリーブ５の熱膨張率と犬きく異なるが、内
筒］０及び主体金具６とセラミックスリーブ５とは接着
されていないので、熱サイクルを受けた場合に各々部材
の熱による伸縮は妨げられず、セラミックスリーブ５に
大きな熱応力が発生することがない。更に、セラミック
スリーブ５の熱膨張率とガラス１３の熱膨張率とはほぼ
等しいので、高温の熱サイクルを受けてもセラミックス
リーブ５とガラス］３は同じように伸縮する。よってガ
ラス１３にセラミックスリーブ５から過度の熱応力が加
わることがない。従って、高温の熱サイクルを受けて内
筒１０及び主体金具６が大きく伸縮しても、ガラス１３
にクラックが発生することがない。

この様に本実施例のセンサの組付構造により、頻繁に高
温の熱サイクルを受けるような過酷な条件で酸素センサ
１を使用しても、ガラス］３にクラックが生じることが
なく、それによって白金リド線２０が切断されることが
ないので、常に正確な高力を取り出すことができるとい
う顕著な効果がある。

以上本発明の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。

例え（瓜上記実施例では、セラミックスリーブ５として
、白金リード線２０の接続部分を越えて上方に伸びる長
いスリーブを使用したが、それ以外にも第１０図に示す
ように、セラミックスリーブ６０の上端が白金リード線
６２の接続部分に達しない短いスリーブを使用してもよ
い。この場合も、主体金具６４の熱膨張等により発生す
る熱応力を、上記実施例と同様に各部材の各々の伸縮に
よって編和するので、クラックの発生を防止して、白金
リード線６２の切断を防ぐことができる。

また、セラミックスリーブ５，６０は、その外側に配置
された主体金具６，６４等と、摺動可能に接していても
よいが、所定間隔をあけて配置されていてもよい。

更に、本考案は、上記実施例の様にチタニアを感ガス素
子２として使用した酸素センサ］以外にも、酸化スズ、
ジルコニアを使用したガスセンサ。

温度センサ、振動センサ等、種々のセンサ素子が形成さ
れたセラミックス基板の組み付けに適用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、請求項１又は請求項２の発明によ
れば、セラミックス基板が挿通されたセラミックス部材
が、ハウジングの内側に配置されている。従って、高温
の熱サイクルを受けた場合、両部材が各々伸縮して熱応
力を縁和するので、耐熱性ガラスにクラックが発生する
ことがなく、電極線がそのクラックにより切断されるこ
とがない。

つまり、高温の熱サイクルを受けるような過酷な条件で
センサを使用しても、センサが故障することを好適に防
止できるという優れた特長を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の要部を示す断面図、第２図は
酸素センサを一部破断して示す正面図、第３図（イ）は
セラミックスリーブの平面図、第３図（ロ）はその底面
図、第４図は酸素センサを分解して示す説明図、第５図
ないし第８図は検出部の製造手順を示す説明図、第９図
は白金リード線の接続を示す説明図、第１０図は他の実
施例の要部を示す断面図、第１１図は従来の酸素センサ
を一部破断して示す説明図である。 １・・・酸素センサ ４・・・検出部 ５．６０・・・セラミックスリーブ ６．６４・・・主体金具 ０・・・内筒 ３・・・ガラス ０．２０ａ、２０ｂ。 ・・・白金リード線 ２．２２ａ、２２ｂ。 ２０ｃ。 ２ ２２ｃ・・・金属端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　センサ素子が形成されたセラミックス基板と、上記
   センサ素子に接続されて上記セラミックス基板から伸び
   る電極線とを、金属製のハウジング内に格納したセンサ
   の組付構造において、上記セラミックス基板が挿通され
   るとともに上記ハウジングの下端から上記セラミックス
   基板の上部近傍に達するセラミックス部材を、上記ハウ
   ジングの内側に配置し、更に上記セラミックス部材の内
   部及び電極線の周囲近傍に耐熱性ガラスを充填したこと
   を特徴とするセンサの組付構造。 ２　上記センサの組付構造であつて、上記セラミックス
   部材の上端が、上記電極線の周囲を覆う位置まで達して
   いること特徴とする請求項１記載のセンサの組付構造。