JPH03257357A - 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、詳しくはセラミッ
クス基板の周囲に充填材を備えたセンサの組付構造に関
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、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８図に示
すように、センサ素子が形成されたセラミックス基板Ｐ
１が、金属製のハウジングＰ２内に格納されている。

そして、このセラミックス基板Ｐ１をハウジングＰ２内
に固定するために、センサの先端側にパツキンＰ３が配
置さ札　そのパツキンＰ３の上部にセラミックス基板Ｐ
１の側面を覆うように、滑石等の充填粉末からなる充填
層Ｐ４が形成されている。更に、この充填層Ｐ４の上部
に、電極線Ｐ５の接続部分を覆って耐熱性ガラスからな
るガラス層Ｐ６が形成されている。

上記充填層Ｐ４としては、充填粉末がパツキンＰ３の隙
間からこぼれ落ちない様に、通常、充填粉末に粘着性の
あるバインダを混ぜて海綿状としている（特開昭６０−
２１１３４５号公報参照）。

［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
り未だ十分ではながっら 即ち、この様な技術では、粘着性のあるバインダによっ
て海綿状となった充填層Ｐ４は、しっかりとセラミック
ス基板ｐＨ二接着しているので、高温の熱サイクルを受
けると、熱応力のためにガラス層Ｐ６にクラックが生じ
て電極線Ｐ５が断線することがあった。

つまり、ハウジングＰ２が熱サイクルによって膨張する
と、ハウジングＰ２に密着したガラス層Ｐ６も、図の上
方に引っ張られてしまう。ところが、金属とガラスとで
は熱膨張率に差があり、かつセラミックス基板Ｐ１は充
填層Ｐ４１こよって、ハウジングＰ２の下部に固定され
て移動しないので、引っ張り応力が大きくなり、強度的
に一番弱い電極線Ｐ５の接続部分のガラス層Ｐ６にクラ
ックが入り、断線に至るという問題があつら本発明は、
上記課題を解決して、基板から伸びる電極線を切断する
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本発明の構成は、センサ
素子が形成されたセラミックス基板と、該セラミックス
基板から伸びる電極線と、該電極線及びセラミックス基
板上部を覆う耐熱性ガラスと、上記セラミックス基板の
周囲に設けられた充填層とを、金属製のハウジング内に
備えたセンサの組付構造において、 上記充填層がセンサの先端側及び後端側の少なくとも二
層からなり、この両層のうち上記先端側の層の接着性が
後端側の層の接着性より高いことを特徴とするセンサの
組付構造を要旨とする。

ここで、上記充填層を形成する充填材としては、主とし
て、滑石、マグネシア等を使用することが望ましい。

また、上記両充填層のうち、先端側の層の接着性を、後
端側の層の接着性より高める手段として、例えば接着性
の異なる各種のバインダを用いることが考えられる。

上記バインダとしては、例えばガラス材を、適宜組み合
わせて使用することができるが、先端側の層のみにバイ
ンダを含有し、後端側の層にはバ３− インダを含有しない構成にしてもよい。

また、上記両充填層の接着性を異なるようにするために
、含有するバインダ量を違えてもよい。

例えば、後端側の層に含有するバインダの量と、先端側
の層に含有するバインダの量との比が、１：１２〜１：
３の範囲のものは、適度な接着性の差があるので好適で
ある。

更に、後端側の層と先端側の層とは、その厚さの比が、
例えば１０：　１〜２：　１の範囲のものが、熱応力を
適切に緩和できるので好適である。

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、上記ガラス層の材料としては、ホウケイ酸ガラス
、リン酸ガラス、ホウ酸ガラス等の耐熱性ガラスを使用
でき、その内でも特に低温でシルでき、金属の酸化消耗
の少ないホウ酸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、センサか４ 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、ステンレス、鋺　銑　
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。このうちステンレス、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］ 本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の周囲には、二層の充填層が積層
形成さ札　更にセラミックス基板の上部はガラスに覆わ
れている。そして、この両充填層のうち、先端側の層の
接着性が後端側の層の接着性より高いものとなっている
。

従って、先端側の層によって、セラミックス基板とハウ
ジングとがしっかりと密着して、後端側の層を構成する
充填材が漏れないようにシールし、方、後端側の層によ
って、セラミックス基板がハウジングの内部で摺動可能
に保持される。

この様な構成のセンサが、例えば、高温の熱サイクルを
受けた場合、その熱サイクルによって金属性のハウジン
グが伸縮すると、それに連れて、ハウジングと接着して
いるガラスも上下方向に伸縮する。一方、セラミックス
基板の上部はガラスで固定されているので、ハウジング
の伸縮にともなって、セラミックス基板も上下方向に移
動しようとする。

この様な上下方向に移動させる応力をセラミックス基板
が受けると、先端側の層の接着力は大きいが後端側の層
の接着力が弱いので、上記セラミックス基板は充填層全
体の接着力に打ち勝ち、ガラスと同様に上下方向に摺動
することになる。それによって、ガラスにかかる応力が
低減されるので、クラックや断線の発生が防止される。

［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、セラミックス基板をガス成分又はその濃度
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に適用したものであり、第１図は
酸素センサの全体を一部破断して示している。

図において、酸素センサ１は、セラミックス基板上にセ
ンサ素子２を設けた検出部４と、酸素センサ１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
側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の後端側に取り付けられた内筒１０及び外
筒１１と、酸素センサ１上部に詰められた防水用のシー
ル材１２とを備えている。

上記検出部４の周囲には、主体金具６の下端に形成され
た断面り時状の係止部１３より、セラミック製のパツキ
ン１４．接着性の強い第１の充填層］６．第１の充填層
１６より接着性の弱い第２の充填層１８．耐熱性ガラス
からなるガラス層１９が積層形成されている。

更に、上記検出部４の上端から白金リード線２０が伸び
、この白金リード線２０に金属端子２２が接続さ札　金
属端子２２は加締金具２４を介し８− て外部リード線２５に接続されている。そして、上記検
出部４の上部と、白金リード線２０及び金属端子２２の
接続部分とは、検出ガスの漏れを防止するとともに各部
材を絶縁固定するために上記ガラス層１９で覆われてい
る。

上記第１の充填層１６は、後述する接着性の高い海綿状
の充填材からなり、その厚さは、３〜９ｍｍである。ま
た、第２の充填層１８は、接着性の低い粉末からなる充
填材であり、その厚さは１５〜２５ｍｍである。

また、上記シール材１２は、第２図に示す様に、シール
材１２を貫いて配置された外部リード線２５　（２５ａ
、２５ｂ、２５ｃ）と、ガラス層１９より突出した金属
端子２２　（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）との接続部分を
絶縁保護するためのものである。

この外部リード線２５と金属端子２２との接続は、予め
外筒１］内にシール材１２及び外部リード線２５を納め
るとともに、各リード線２５の先端に加締金具２４ａ、
２４ｂ、２４ｃ　（２４と総称する）を加締めて接続し
、更に加締金具２４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の製造方法や第１及び第２の充填層１６
．１８の形成方法等について、第３図ないし第７図に基
づいて説明する。

第３図ないし第６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ＡＱ２
０３９２重量％、５ｉ０２４重量％。

Ｃａ０２重量％及びＭｇ０２重量％からなる混合粉末１
００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４４．　４６．　４８．　５０．　５
２゜５４は、Ｐｔに対して７％のＡｇ２Ｏ３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４４．４６はセンサ素子２の電極パター
ン４４．　４６．　　パターン４８はセンサ素子２を加
熱するヒータとなる発熱抵抗体パターン４８．パターン
５０，５２．５４は発熱抵抗体パターン４８に電源を印
加したリセンサ素子２から検出信号を抽出するものであ
る。

上記検出部４の形成は、まず第３図（二示すように、第
１のグリーンシート４０上に上記各パタン４４〜５４を
白金ペーストで厚膜印刷する。次いで、第４図に示すよ
うに、端子電極パターン５０〜５２上に白金リード線２
０をそれぞれ配設する。更に、第５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４４．４６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
４４．４６の先端部を除く全てのパターン４４〜５４を
覆うようにして、第１のグリーンシト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１５０の℃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５６１こ
センサ素子２を設けることになるのであるが、まず、平
均粒径］、２μｍのＴｉ○２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Ｔｉ○２
ペーストを製造する。そして、第６図に示すように、こ
のＴ　ｉ　０２ペーストを開口部５６に充填し、かつ電
極パターン４４．４６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
けることによってセンサ素子２を形成する。

更に、第７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の接続を行フ。

次に、主体金具６の内部の先端にパツキン１４＝１１ を配置し、第１図に示すように、そのパツキン１４の貫
通孔１４ａに検出部４を通して、検出部４を主体金具６
及び内筒１０の内側に配置する。

そして、パツキン１４の上部に、滑石８８重量％、バイ
ンダ１２重量％からなる充填材を詰めて接着力に富む第
１の充填層１６を形成する。更に、この第１の充填層１
６の上層に、滑石９８重量％。

バインダ２重量％からなる充填材を詰めて、第１の充填
層１６より接着力の弱い第２の充填層１８を形成する。

更に白金リード線２０周囲近傍を覆うように内筒１０内
に、例えば熱膨張係数α（８，４Ｘ１０６１／°Ｃ）の
耐熱性ガラスであるホウ酸ガラスを充填する。尚、内筒
１０内に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、外部リード線２５と加締金具２４とが加締めに
よって接続さ札　この加締金具２４と露出した金属端子
２２とがスポット溶接によって接続ｅｋ　更に内筒１０
の外側に外筒１１がかぶせ２ 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１が完成する。

そして、この酸素センサ１の外部リード線２５ａ、２５
ｃ間（即ち金属端子２２ａ、２２ｃ間）１こ、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４
８を加熱してセンサ素子２を活性化し、外部リード線２
５ａ、２５ｂ間（即ち金属端子２２　ａ、　　２２　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、検出部４の周囲に配
置された第１の充填層１６が接着性の高い充填材からな
り、第２の充填層１８が接着性の低い混合粉末から形成
さね更に、白金リード線２０の周囲近傍を耐熱性ガラス
からなるガラス層１９が覆っている。従って、高温の熱
サイクルを受けた場合でも、熱応力が緩和され白金リー
ド線２０の周囲のガラス層１９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、検出部４の上部や白金リード線２０の接続部分
は、ガラス層１９によって内筒１０や主体金具６に密着
しているので、高温の熱サイクルを受けた場合には、第
１図の上下方向に伸縮する。

このとき、検出部４が従来のように充填層と強く接着し
ていると、ガラス層１９（こ大きな熱応力がかかるが、
本実施例では、検出部４は第１及び第２の充填層１６．
１８に固着しているのではなく摺動可能であるので、検
出部４はガラス層１９とともに、主体金具６等の熱１こ
よる伸縮に伴って上下に伸縮する。それによって、ガラ
ス層１９に過度の熱応力がかかることが防止されるので
、ガラス層１つにクラックが発生することがなく、白金
フード線２０の断線が防止される。

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、ガラス層］９にクラックが生じること
がなく、それによって白金ノード線２０が切断されるこ
とがないので、常に正確な出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
様な実施例に何隻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。

例えば、上記実施例の様にチタニアをセンサ素子２とし
て使用した酸素センサ１以外にも、酸化ズス、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、本発明によれば、検出部の周囲に
、その先端側から、接着性の高い第１の充填層と接着性
の低い第２の充填層とを設けたので、高温の熱サイクル
を受けても耐熱性ガラスにクラックが発生することがな
く、よって、電極線がそのクラックに切断されることが
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５− 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酸素センサを一部破断して示
す正面図、第２図（イ）は酸素センサの下部を一部破断
して示す正面図、第２図（ロ）は酸素センサの上部を一
部破断して示す正面図、第３図ないし第６図は検出部の
製造手順を示す説明図、第７図は白金リード線の接続を
示す説明図、第８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 ６・・・主体金具 １６・・・第１の充填層 １９・・・ガラス層 ２０、　２０　ａ、　　２０　ｂ。 ４・・・検出部 １０・・・内筒 １８・・・第２の充填層 ２０Ｃ・・・白金リ ド線 ６−

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、該セ
   ラミックス基板から伸びる電極線と、該電極線及びセラ
   ミックス基板上部を覆う耐熱性ガラスと、上記セラミッ
   クス基板の周囲に設けられた充填層と、を金属製のハウ
   ジング内に備えたセンサの組付構造において、 上記充填層がセンサの先端側及び後端側の少なくとも二
   層からなり、この両層のうち上記先端側の層の接着性が
   後端側の層の接着性より高いことを特徴とするセンサの
   組付構造。