JPH052848Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、ガス成分又はその濃度を検出するた
めのガス検出器に関するものであつて、特にヒー
タからの漏れ電流の影響をなくしたガス検出器に
関する。

［従来の技術］ 従来より大気中のガスの存在、あるいはその濃
度を検出するためのガス検出器として、酸素ガス
検出器、可燃性ガス検出器、温度検出器等が実用
化されている。

これらは、ガスが接続した場合に、その電気抵
抗が変化する特性をもつたセンサー素子を使用す
るものが多い。上述のセンサー素子としては、
C₀Ｏ、TiO₂、SnO₂、Cr₂O₃、LaCrO₃、Fe₂O₃、
ZnO、MgCr₂O₄、Fe₂O₃−K₂Ｏ等が使用されて
いる。そして近年この種のガス検出器において
は、その構造を簡単にし、生産性の向上を図るた
めに絶縁性材料からなる基板上にセンサー素子、
その電極及びそのリード線を厚膜印刷するといつ
た、ハイブリツド技術を応用したものが開発され
つつある。

さらに、上述のようなガス検出器は使用時に動
作を安定するためにヒータを設けたものが多く用
いられ、このヒータもまた厚膜印刷によつてセン
サー素子等と同一の基板上に設けられ、回路を容
易にするためにセンサー素子に接続される一方の
電極とヒータに接続される一方の電極を接続した
ものがある。

［考案が解決しようとする問題点］ ガス検出器のヒータは、センサー素子を加熱し
て、測定時の温度変動による測定誤差の減少のた
め、あるいは温度検出器ではセンサー素子表面の
水を蒸発させてセンサー素子を活性化するために
設けられている。そのため、ヒータはセンサー素
子近傍に設けられる。

しかし、ガス検出器が高温となつたり、絶縁体表
面に汚れ、水分が付着すると、絶縁体表面の抵抗
が低下し、ヒータからセンサー素子の電極あるい
はそのリード線に漏れ電流が流れてしまう。

センサー素子の電極のうち、ヒータに接続され
ていない電極にヒータから漏れ電流が流れると、
その電流によつて生じた電圧がセンサー素子から
の出力電圧に重なつて測定されるようになる。そ
のために正しい測定ができなくなる。

［問題点を解決するための手段］ 本考案は、考案の構成として上記の問題点を解
決するために次の様な技術的手段を採用した。

即ち、本考案のガス検出器は、 セラミツク絶縁体基板上に、センサー素子と、
それぞれ一端部が該センサー素子に接続された第
１及び第２電極パターンと、上記センサー素子に
近接して設けられたヒータパターンと、該ヒータ
パターンの一端と上記第２電極パターンの他端と
に接続されるとともに電源に対してはそのマイナ
ス極側に接続される共通端子と、上記第１電極パ
ターンの他端に接続されたセンサー出力端子と、
上記ヒータパターンの他端に接続されたヒータ電
源端子と、 を備えたガス検出器において、 上記第２電極パターンに接続する中間パターン
を、上記ヒータパターンと上記第１電極パターン
の一端部との間に、該第１電極パターンの一端部
を囲んで配置したことを特徴とする。

絶縁体基板に用いられる絶縁体は、有機物とし
て、ポリイミド、ガラスエポキシとして用いるエ
ポキシ、フエノール樹脂、シリコン樹脂、ポリエ
チレン等があり、無機物として、アルミナ、結晶
化ガラス、フオルステライト、ステアタイト、ム
ライト、コーデイエライト、ベリリア、窒化珪素
等のセラミツクをあげることができる。耐熱性及
び強度について要求される場合には、セラミツク
を絶縁体基板として用いると好適である。尚、絶
縁体基板として有機物が用いられた場合には、セ
ンサー素子と、ヒータ、電極及びリード線を設け
た絶縁体基板とを別々に成形後、導電性接着剤等
により接着してガス検出器とされ、又、絶縁体基
板として無機物が用いられる場合には、ドクター
ブレード法等で成形された絶縁体基板生シート上
に、厚膜印刷でヒータ、電極、リード線及びセン
サー素子を形成後、焼成することによつてガス検
出器とされる。

センサー素子としては、種々のものを使用でき
る。例えば酸素ガス検出器とするならば、C₀Ｏ、
TiO₂、ZnO等が、可燃性ガス検出器とするなら
ば、ZnO、Fe₂O₃等が又、温度検出器とするなら
ば、Cr₂O₃、Fe₂O₃、MgCr₂O₄、Fe₂O₃−K₂Ｏ等
を用いることができる。

ヒータ、電極及びリード線の材料としては、通
常用いられるものが使用できるが、絶縁体基板を
セラミツクとした場合には焼成過程があるため
に、タングステン、モリブデン、タンタル、白
金、ロジウム等の高融点金属を使用することが好
ましい。

本考案は例えば第１図イ〜ハの正面図に示すよ
うな電極パターンによつて実現される。尚、各図
の縮尺は任意である。

本図において、１はガス検出器、２は絶縁体基
板、３はセンサー素子、４はヒータ、５はセンサ
ー素子の第２電極パターンとヒータの一端とにリ
ード線を介して接続される共通端子、６はセンサ
ー素子の上記第２電極パターン、７はセンサー素
子の第１電極パターン、８はセンサー素子の第１
電極パターン７に接続されるセンサー出力端子、
９は上記ヒータの他端に接続されるヒータ電源端
子である。尚、第１、２電極パターン６，７は、
各々その先端部分（電極Ａ６，Ｂ７）とリード線
とから構成されている。

第１図イは、ヒータ４をＵ字形にし、その凹部
内にセンサー素子３を設けたものであり、電極Ａ
６につながるリード線が環状となつており、つま
り、中間パターン６ａは、センサー素子３の周囲
に環状に配置されており、電極Ｂ７はスルーホー
ル及び絶縁体の下面に設けられたリード線を介し
てセンサー出力端子８に接続される。

第１図ロは、ヒータ４及び電極Ａ６につながる
リード線を共に環状としたもので、センサー素子
３は、これらの環状の内部に設けられる。つま
り、中間パターン６ａは、第１図イと同様に、セ
ンサー素子３の周囲に環状に配置されている。

この場合、電極Ｂ７は第１図イと同じくスルーホ
ール等を介してセンサー出力端子８に接続され
る。

第１図ハは、ヒータ４と電極Ａ６及びそれにつ
ながるリード線が共にＵ字形であり、電極Ａ６及
びそれにつながるリード線の凹部内に電極Ｂ７が
設けられている。つまり、第２電極パターン６と
中間パターン６ａとが一体となつている。この場
合には、第１図イ，ロの場合と異なり、スルーホ
ール処理を行なう必要がないため製造が容易にな
る。

又、これらの場合には、電極Ａ６／又はそのリ
ード線が、中間パターン６ａとしてヒータ４に並
設されているので、電極Ａ６を低電位側にする
と、高温時にヒータ材料中に含まれたイオン化成
分がイオン化して移動することを抑制することに
より、ヒータ４が断線することも併せ防止するこ
とができる。

さらに絶縁体基板表面のセンサー素子部分以外
を保護層で覆うことによつて絶縁体表面が汚れる
ことを防ぐことができ、電極間あるいは、リード
線間等の絶縁性が低下することを防ぐことができ
て好ましい。保護層の材料は、ガス検出器の使用
環境によつて選ぶ必要があり、高温では、アルミ
ナ等のセラミツクが好適である。

［作用］ センサー素子３の第１電極パターン７の先端部
分（電極Ｂ７）とヒータ４との間に、第１電極パ
ターン７の先端部分（電極Ｂ７）を囲む様に、第
２電極パターン６と接続される中間パターン６ａ
が形成されているので、ヒータ４からの漏れ電流
は第２電極パターン６に流れる。しかし、第２電
極パターン６は、ヒータ４に接続される共通端子
５に接続されているために、上記漏れ電流はセン
サー出力端子８と共通端子５との間に出力される
センサー出力に影響を与えない。

［実施例］ 以下、本考案のガス検出器を内燃機関排気中の
酸素濃度を検出する酸素センサに適用した場合を
本考案の実施例として図面と共に説明する。

第２図は酸素センサの部分断面図である。図に
おいて１０はセラミツク製の絶縁体基板上にセン
サー素子３を備え、酸素濃度を検出するためのガ
ス検出器、１２はガス検出器１０を把持すると共
に本センサを内燃機関に取り付けるための筒状に
形成された主体金具、１３は主体金具１２の内燃
機関側先端部１２ａに取り付けられ、ガス検出器
１０を保護するためのプロテクタ、１４は主体金
具１２と共にガス検出器１０を把持するための内
筒であり、ガス検出器１０はスペーサ１５、充填
粉末１６及びガラスシール１７を介して主体金具
１２及び内筒１４にて把持されている。また主体
金具１２の外周には内燃機関取付用のねじ部１２
ｂが刻設されており、内燃機関壁面当接部分には
排気が漏れないようガスケツト１８が設けられて
いる。

ここで充填粉末１６は滑石及びガラスの１：１
の混合粉末からなり、ガス検出器１０を内筒１４
内に固定するためのもの、ガラスシール１７は低
融点ガラスからなり、検出ガス漏れを防止すると
共にガス検出器１０の端子を保護するためのもの
である。

１９は内筒１４を覆うように主体金具１２に取
り付けられる外筒、２０はシリコンゴムからなる
シール材であつて、リード線２１ないし２３と、
第３図に示すガラスシール１７より突出されたガ
ス検出器１０からの端子３１ないし３３との接続
部を絶縁保護するためのものである。またこのリ
ード線２１ないし２３と端子３１ないし３３との
接続は、第４図に示す如く、予め外筒１９内にシ
ール材２０及びリード線２１ないし２３を納める
と共に、各リード線２１ないし２３の先端に加締
金具２４ないし２６を接続し、その後加締金具２
４ないし２６を端子３１ないし３３と加締接続す
ることによつて行なわれる。

次に本実施例のガス検出器１０は第５図ないし
第１０図に示す如き手順に従つて作成される。尚
第５図ないし第１０図において、イは本ガス検出
器１０の組立て工程における正面図、ロはそのＡ
−Ａ線断面図を夫々示している。またこの第５図
ないし第１０図はガス検出器１０の製造工程を説
明するためのものであることから、解り易くする
ために各部の寸法は第２図に示すガス検出器と対
応させておらず、後述の第１１図ないし第１３図
についても同様である。

ここで上記第５図ないし第１０図の各図におい
て、４０ないし４３は平均粒径1.5μmのAl₂O₃92
重量％、SiO₂４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、ドクタープレートを用いて形成
されたグリーンシートであり、グリーンシート４
０は厚さ１mm、グリーンシート４１は厚さ0.2mm、
グリーンシート４２及び４３は厚さ0.8mmに予め
作成されたものである。また４４ないし４９は
Ptに対し７％のAl₂O₃を添加した白金ペーストで
厚膜印刷したパターンであつて前述の導電部に相
当し、４４及び４５はセンサー素子１１の電極及
びリード線となる電極パターン（４４は第１電極
パターンで４５が第２電極パターン）、４６はセ
ンサー素子１１を加熱するためのヒータとなるヒ
ータパターン、４７ないし４９はヒータパターン
４６やセンサー素子１１に電源を印加あるいは検
出信号を抽出するための端子パターンである。

電極パターン４５は、センサー素子１１に接続
される電極４５Ａ近傍で第４図に示すごとくＵ字
形部４５′を有し、Ｕ字形部４５′の凹部内４４′
にセンサー素子に接続されるもう１つの電極４４
Ａが設けられている。

本ガス検出器１０の製造は、第５図に示す如
く、まずグリーンシート４０上に上記４４ないし
４９の各パターンを白金ペーストで厚膜印刷する
ことにより始められ、次いで第６図に示す如く、
端子パターン４７ないし４９上に直径0.2mmの白
金リード線５１ないし５３が夫々配設される。

次に第７図から明らかな如く、グリーンシート
４１には電極パターン４４及び４５の先端部４４
Ａ及び４５Ａが露出するよう打ち抜きによつて開
口５５が形成され、電極パターン４４及び４５の
先端部４４Ａ及び４５Ａを除く全てのパターンを
覆い保護層とするために、グリーンシート４０上
にグリーンシート４１が積層熱圧着される。

続いて第８図に示す如く、上記作成された積層
体のグリーンシート４１上にグリーンシート４２
が積層熱圧着され、更に第９図に示す如くグリー
ンシート４２上にグリーンシート４３が段階状に
積層熱圧着される。

このようにして、白金リード線５１ないし５３
の一部が突出され、電極パターン４４及び４５の
先端部が露出された段階状の積層板が作成される
と、今度はこの積層板を1500℃の大気中に２時間
放置することによつて焼成される。

その後第１０図に示す如く、上記焼成されたセ
ラミツク基板の開口５５にセンサー素子１１を設
けることとなるのであるが、このセンサー素子１
１は平均粒径1.2μmのTiO₂粉末100モル部に対し
１モル部の白金ブラツクを添加し、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
ルカルビトール（２−（２−ブトキシエトキシ）
エタノールの商品名）中で混合し300ボイズに粘
度調整したTiO₂ペーストを、開口５５を充塞し
かつ電極パターン４４及び４５の先端に被着する
よう厚膜印刷した後、1200℃の大気中に１時間放
置して焼き付けることによつて形成される。尚、
このセンサー素子１１の基板から突出部分は前記
積層焼結されたグリーンシート４２より薄くされ
ており0.3mm以下となつている。

このようにして作成されたガス検出器の１０の
外部に突出された白金リード線５１ないし５３と
端子３１ないし３３との接続は、第１１図に示す
如く、厚さ0.3mmのニツケル板にエツチング加工
によつて一体形成された端子３１ないし３３を、
白金リード線５１ないし５３に夫々配設し、溶接
することによつて行なわれる。尚、この端子３１
ないし３３が一体形成されたニツケル板はガス検
出器１０が主体金具１２に固定され、その後ガス
検出器１０の基板の一部及び白金リード線５１な
いし５３と端子３１ないし３３との接合部分がガ
ラスシール１７によつて保護され、内筒１４内に
固定された後に所定の長さに切断される。また、
第１１図におけるイは本ガス検出器１０の正面
図、ロはその右側面図を示している。

第５図の絶縁体上に電極パターンを形成し焼成
したのを本実施例の試料として端子パターン４９
を接地し、端子パターン４７に14Vの電圧を加え
た状態で端子パターン４８と４９との間に
100KΩの抵抗をつなぎ、この抵抗に表われる電
圧を漏れ電流として測定した、又、比較例として
第１２図のようにセンサー素子に接続される電極
４４Ｓが他の電極４５Ｓに取りかこまれていない
電極パターンをもつものを成形焼成した。尚、比
較例の端子パターン４７Ｓ，４８Ｓ及び４９Ｓ
は、各々実施例の端子パターン４７，４８及び４
９に対応する。又、４６Ｓはヒータである。比較
例も実施例と同様にして漏れ電流を測定した。

350℃で漏れ電流を測定した所、比較例の漏れ
電流は52mVであるのに対して、本実施例のそれ
は35mVであり、900℃で同じく漏れ電流を測定
した所、比較例の漏れ電流は602mVであるのに
対して、実施例のそれは250mVと比較例の半分
以下であり、本実施例はより正確に端子パターン
４８，４９に生じるセンサー素子の出力を取り出
すことができる。

さらに、本実施例の酸素センサーにおいては、
ヒータパターン４６は、通常２〜10Ω程度の抵抗
値に作られるので、マイグレーシヨンによつて局
部的に1Ωでも抵抗値が増加すると、その部分に
大きな電圧がかかり、局部発熱してヒータが溶け
て、断線に到るが、本実施例では、高温となるヒ
ータパターン４６と（第１）電極パターン４４の
先端部分との間に、中間パターンとして機能する
（第２）電極パターン４５があるので、この電極
パターン４５がマイグレーシヨンすることによつ
て、ヒータパターン４６のマイグレーシヨンが防
止されるという顕著な効果がある。即ち、この場
合、電極パターン４５にマイグレーシヨンが発生
しても、通常検出素子１１の抵抗値は低い時でも
100Ω以上であるために、1Ω程度電極パターン４
５の抵抗が上昇しても、センサ特性に影響を及ぼ
さない。

また、ガス検出器１０の検出素子１１側基板面
が段階状に形成されていることから、第１３図に
示すようにスペーサ１５を本ガス検出器１０に取
り付ける際にはグリーンシート４２で形成された
セラミツク層とグリーンシート４３で形成された
セラミツク層との段差部分にて確実に位置決めが
行なえるようになる。また本ガス検出器１０のス
ペーサ１５嵌合部分は、検出素子１１部分以上の
厚みを有するので、当然スペーサ１５の嵌合孔は
検出素子１１部分より大きくなり、検出素子１１
を傷つけることなく取付けることができるように
なる。従つて本ガス検出器１０の主体金具１２取
付作業の作業効率は向上され、検出素子１１の損
傷も防止できることとなる。

［考案の効果］ 本考案のガス検出器を用いることにより、高温
下や、汚れ、水分の多い悪循環の下でも、ヒータ
からの漏れ電流の影響を低減して、ガスの種類や
量について正しい測定を行なうことができる。ま
た、マイグレーシヨンによるヒータの断線を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ハは本考案のガス検出器の構成例を
示す正面図、第２図ないし第１１図及び第１３図
は本考案のガス検出器が内燃機関排気中の酸素濃
度を検出する酸素センサに適用された実施例を示
しており、第２図は本酸素センサの構造全体を、
第３図は内筒内に固定されたガス検出器の端子部
分を、第４図はその端子に接続されるリード線の
外筒取付構造を夫々表わす部分断面図、第５図な
いし第１０図はガス検出器１０の組立て手順を示
し、各図において夫々イは正面図、ロはＡ−Ａ線
端面図、第１１図はガス検出器１０の端子の接続
を示し、イは正面図、ロは右側面図、第１２図は
比較例の正面図、第１３図は実施例のガス検出器
１０にスペーサ１５を取付けた斜視図である。 １，１０……ガス検出器、２……絶縁体基板、
３，１１……センサー素子、４，４６……ヒー
タ、６，７，４４，４５……電極、７……リード
線。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ セラミツク絶縁体基板上に、センサー素子
   と、それぞれ一端部が該センサー素子に接続さ
   れた第１及び第２電極パターンと、上記センサ
   ー素子に近接して設けられたヒータパターン
   と、該ヒータパターンの一端と上記第２電極パ
   ターンの他端とに接続されるとともに電源に対
   してはそのマイナス極側に接続される共通端子
   と、上記第１電極パターンの他端に接続された
   センサー出力端子と、上記ヒータパターンの他
   端に接続されたヒータ電源端子と、 を備えたガス検出器において、 上記第２電極パターンに接続する中間パター
   ンを、上記ヒータパターンと上記第１電極パタ
   ーンの一端部との間に、該第１電極パターンの
   一端部を囲んで配置したことを特徴とするガス
   検出器。 ２ 第２電極パターンと中間パターンとを接続し
   て一体化したことを特徴とする実用新案登録請
   求の範囲第１項記載のガス検出器。 ３ センサー素子以外が保護層で覆われている実
   用新案登録請求の範囲第１項又は第２項に記載
   のガス検出器。