JPH08241785A - 厚膜ヒータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで製造できる排気センサ及びその製
造方法を提供する。 【解決手段】 内燃機関の排気センサは、基板１０に印
刷された厚膜ヒータを備える。厚膜ヒータは、高い抵抗
率を有するインクで印刷された蛇行部分２４と、低い抵
抗率を有するインクで印刷された導線部分２６とを有す
る。厚膜ヒータの蛇行部分２４及び導線部分２６に対し
て複数のインクを使用することにより、蛇行部分の温度
が高く、コネクタ接点の温度が低い、低コストの排気セ
ンサを製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気セ
ンサに関し、より詳細には、蛇行部分及び導線部分用の
マルティプルインクを有する厚膜ヒータを備えた排気セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】厚膜ヒータは、内燃機関の排気センサの
基板に印刷されたあるいは埋め込まれた、導電性フィル
ムの縞すなわちストライプである。従来、そのようなフ
ィルムは、主として白金を含み、また、少量の他の貴金
属添加物を含むインクを用いて、印刷されている。

【０００３】通常、板状のセンサ要素は、図１に示すよ
うに、基板１０と、該基板に形成された空気参照通路１
２と、蛇行部分１４及び導線部分１６を含む印刷された
厚膜ヒータとを備えている。蛇行部分は、幅が狭く実質
的に平行な脚部を備えており、蛇行部分の単位長さ当た
りの抵抗は、導線部分の単位長さ当たりの抵抗よりも大
きい。一般に、導電性フィルム材料の電気抵抗Ｒは、温
度の上昇と共に増大する。上記ヒータに電圧Ｖを印加し
た時に、該ヒータに発生する電力Ｐは、以下の式で表す
ことができる。

【０００４】Ｐ＝（Ｖ²／Ｒ）＝Ｉ²Ｒ 上式において、Ｒは、印刷されたインクの断面積に反比
例する。従って、Ｒは、基板に印刷されたインクの幅の
減少に伴って、増大する。その結果、電熱の大部分は、
上記蛇行部分で発生する。その理由は、蛇行部分は幅が
狭く、従って、電気抵抗が大きいからである。実際の用
途においては、蛇行部分は、センサ基板の加熱が必要と
される領域に設けられる。導線部分を設ける主要な目的
は、上記蛇行部分へ電流を搬送することであるが、その
ような導線部分においては、多少の熱が発生する。

【０００５】上述の厚膜ヒータの設計における１つの主
要な関心事は、温度分布である。代表的な排気センサの
理想的な動作温度は、概ね、３５０°Ｃ乃至８５０°Ｃ
である。一方、コネクタの接触領域の温度は、電気接点
の耐久性を考慮して、極力低くしなければならない。上
述の温度分布を達成するためには、センサの設計（すな
わち、寸法、実装率等）と共に、必要とされる電力及び
電力分布が、最適化されなければならない。

【０００６】ヒータを設計する際の別の主要な関心事
は、コストである。ヒータのコストの最も大きな部分
は、インクである。その理由は、インクの貴金属含有量
が高いからである。

【０００７】蛇行部分及び導線部分用の１つのインク材
料を有する厚膜ヒータが、少ないインク量で所望の温度
分布をもたらすように、そのような厚膜ヒータを設計す
ることは困難である。例えば、幅の広いあるいは高さの
ある（従って、抵抗が小さい）導線部分を印刷すること
により、導線部分における熱の発生を少なくし、これに
より、コネクタ端部における温度を極力低くしてその耐
久性を高めることが望ましい。しかしながら、そのよう
にすると、ヒータのインクの量が増大することになる。
また、ヒータ要素のサイズが非常に小さい場合には、導
線部分の幅は、そのような要素のサイズによって限定さ
れる。一方、インクの量は、幅の狭いあるいは高さのな
い導線部分を印刷することにより、減少させることがで
きる。この手法は、導線部分の抵抗を増大させて、該導
線部分における電力の発生量を増大させると共に、蛇行
部分を通って流れる電流を少なくしてしまう。その結
果、コネクタの接点温度が上昇し、蛇行部分の領域にお
ける温度が低下してしまうことになる。

【０００８】本発明者の別の発明が、「低電力消費型の
厚膜ヒータ（”Ｌｏｗ ＰｏｗｅｒＣｏｍｓｕｍｐｔｉ
ｏｎ Ｔｈｉｃｋ Ｆｉｌｍ Ｈｅａｔｅｒ”）と題し
て、１９９４年１０月３１日に出願された、米国特許出
願シリアルＮｏ．０８／３３２，１６５に開示されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
の如き従来技術の種々の欠点の多くを解決することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板に印刷さ
れた厚膜ヒータを有する内燃機関の排気センサを含み、
上記厚膜ヒータは、より大きな抵抗率を有する第１のイ
ンクで印刷された蛇行部分と、より小さな抵抗率を有す
る第２のインクで印刷された導線部分とを含んでいる。
厚膜ヒータの蛇行部分及び導線部分用の複数のインクす
なわちマルティプルインクを用いることにより、温度の
高い蛇行部分、及び、温度の低いコネクタ接点を有する
と共に、コストの低い、排気センサがもたらされる。

【００１１】上記及び他の目的、特徴並びに効果は、図
面の簡単な説明、発明の実施の形態、請求の範囲、及
び、図面から明らかとなろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の厚膜ヒータは、抵抗率が
より大きな、蛇行部分用の第１のインクと、抵抗率がよ
り小さい、導線部分用の第２のインクとを用いて形成さ
れている。蛇行部分は、室温において６００ｎΩ・ｍ
（ナノオーム・メートル）から２，０００ｎΩ・ｍの範
囲の抵抗率を有するインクで印刷されており、このイン
クの抵抗率は、８００から１，６００ｎΩ・ｍであるの
が好ましく、更に、９００から１，４００ｎΩ・ｍであ
るのが最も好ましい。導線部分は、２００から８００ｎ
Ω・ｍの範囲の抵抗率を有するインクで印刷されてお
り、このインクの抵抗率は、３００から６００ｎΩ・ｍ
であるのが好ましく、更に、３００から５００ｎΩ・ｍ
であるのが最も好ましい。適正なインク成分は、白金、
ロジウム、パラジウム、銀の如き貴金属、アルミナ、シ
リカ、コージェライト、及び、結合剤を含んでいる。

【００１３】１９９４年１０月３１日付けの米国特許出
願シリアルＮｏ．０８／３３２，１６５に開示されてい
る、本発明者の別の発明においては、蛇行部分１４及び
導線部分１６は、１つのインク（インクＡとする）で印
刷されている（図１）。図２は、本発明の燃焼排気セン
サ用の加熱要素を示しており、この加熱要素は、シング
ルインク型の加熱要素の設計に比較して、かなり少ない
量のインクを用いている。本発明（図２及び図３）にお
いては、蛇行部分２４は、インクＡで印刷されており、
また、導線部分２６及び電気的な接触パッド２８は、別
のインク（インクＢとする）で印刷されている。本発明
の導線部分２６の幅は、図１の導線部分１６の幅の３分
の１である。インクＡの抵抗率は、インクＢの抵抗率の
３倍である。従って、これら２つのヒータ構造の導線部
分の抵抗は同じであり、その電気的及び熱的な性能は同
じである。大きな節約は、本発明のヒータの導線部分に
使用されるインクの量に起因している。図１において
は、インクの約８０％が、導線部分１６を印刷するため
に使用されている。図２の導線部分２６は、図１の構造
における全インク量の８０％の中の３分の２を節約して
いる。これは、蛇行部分及び導線部分に使用される全イ
ンク量の５０％以上の節約である。

【００１４】図３は、本発明の燃焼排気センサ用の加熱
要素を示しており、この加熱要素は、従来技術の加熱要
素に比較して、蛇行部分の温度をより高くし、また、コ
ネクタ接点の温度をより低くする。この構造の蛇行部分
３４及び導線部分３６のパターンは、図１のパターンと
同じである。しかしながら、導線部分３６に使用される
インクは、図１の導線部分１６のインクとは異なってい
る。この発明においては、蛇行部分３４は、インクＡで
印刷されており、また、導線部分３６はインクＢで印刷
されている。従って、図３の導線部分３６の電気抵抗は
図１の導線部分の電気抵抗よりも低い。これにより、導
線部分に発生する電力は減少し、一方、蛇行部分を通っ
て流れる電流は増大する。その結果、蛇行部分の温度は
高くなり、コネクタ接点の温度は低くなる。図４は、本
発明のセンサ要素及び本発明者の別の発明（図１）のセ
ンサ要素の温度の比較を示している。

【００１５】図１乃至図４に関して、インクＡは、６９
重量％の白金と、１０重量％のアルミナと、残余の有機
結合剤とから成る組成を有しており、また、インクＢ
は、約７５重量％の白金と、残余の有機結合剤とから成
る組成を有している。本発明によれば、ヒータの蛇行部
分は、約５０−７５重量％の貴金属（白金、パラジウ
ム、ロジウム及び銀の中の少なくとも１つとすることが
できる）と、５−２５重量％（例えば、６、８、１０、
１２、１５、２０重量％とすることができる）の絶縁体
（例えば、アルミナ、シリカ、コージェライト及び無機
酸化物の中の少なくとも１つとすることができる）と、
残余の有機結合剤とから成る組成を有するインクＡとす
ることができ、また、導線部分は、７０−８５重量％の
金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム及び銀の中
の少なくとも１つとすることができる）と、０−５重量
％、０−４重量％、あるいは、０−１重量％の酸化物
（アルミナ、シリカ及びコージェライトの中の少なくと
も１つとすることができる）と、残余の有機結合剤とか
ら成る組成を有するインクＢとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シングルインク型の加熱要素を示している。

【図２】インク量が少ない本発明の排気ガスセンサ用の
マルティプルインク型の加熱要素を示している。

【図３】蛇行部分の温度が高く、コネクタ接点の温度が
低い、本発明の排気ガスセンサ用のマルティプルインク
型の加熱要素を示している。

【図４】シングルインク型のヒータ（図１）を有するセ
ンサ、及び、マルティプルインク型のヒータ（図３）を
有するセンサの温度分布を比較するグラフである。

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 空気参照通路 ２４、３４ 蛇行部分 ２６、３６ 導線部分 ２８ 接触パッド

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板の面に形成された加熱要
   素とを有する内燃機関の排気センサ用の厚膜ヒータを備
   える製品であって、前記加熱要素は、第１のインク及び
   第２のインクから準備され、前記第１のインクは、白
   金、パラジウム、ロジウム及び銀から成る群から選択さ
   れる、５０−７５重量％の少なくとも１つの金属と、ア
   ルミナ、シリカ、コージェライト及び無機酸化物から成
   る群から選択される、５−２５重量％の少なくとも１つ
   の絶縁体とを含む組成を有しており、前記第２のインク
   は、白金、パラジウム、ロジウム及び銀から成る群から
   選択される、７０−８５重量％の少なくとも１つの金属
   と、アルミナ、シリカ及びコージェライトから成る群か
   ら選択される、０−５重量％の少なくとも１つの物質と
   を含み、前記第１のインクは、前記基板上で、蛇行した
   形状として設けられ、また、前記第２のインクは、前記
   基板上で、前記蛇行した形状に接続される導線部分の形
   状として設けられることを特徴とする製品。
2. 【請求項２】 請求項１の製品において、前記絶縁体
   は、アルミナ及びコージェライトから成る群から選択さ
   れる、少なくとも１つの物質であることを特徴とする製
   品。
3. 【請求項３】 内燃機関の排気センサ用のヒータを製造
   するための製造方法であって、 第１のインクを蛇行した形状として基板の面に設ける工
   程と、 第２のインクを前記蛇行した形状に接続される導線部分
   の形状として設ける工程とを備え、 前記第１のインクは、白金、パラジウム、ロジウム及び
   銀から成る群から選択される、５０−７５重量％の少な
   くとも１つの金属と、アルミナ、シリカ、コージェライ
   ト及び無機酸化物から成る群から選択される、５−２５
   重量％の少なくとも１つの物質とを含み、 前記第２のインクは、白金、パラジウム、ロジウム及び
   銀から成る群から選択される、７５−８５重量％の少な
   くとも１つの金属と、アルミナ、シリカ及びコージェラ
   イトから成る群から選択される、０−５重量％の少なく
   とも１つの物質とを含むことを特徴とする製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３の製造方法において、前記物質
   が、アルミナ及びコージェライトから成る群から選択さ
   れる、少なくとも１つの絶縁体であることを特徴とする
   製造方法。