JPH09257745A - センサーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミックス製ホルダーとセラミック基板に
設けた検出素子との間を充填する充填層が、冷熱サイク
ル時の熱応力、あるいは振動・衝撃により加わる繰り返
しの荷重に対し十分な耐久性を有し、検出素子を保持力
を長期間に渡って維持できるセンサーの提供。 【解決手段】 センサー１００は、板状を呈する検出素
子２と同一形状のヒーター素子３と接着してヒーター付
き検出素子２０に形成し、円筒状の耐熱セラミックス製
ホルダー４内に固着してなる。ヒーター付き検出素子２
０とホルダー４との隙間４０には、その外周とホルダー
４の内周との間に、一端側から、ガラスとセラミックス
との混合物からなる一端側充填層４５およびガラスの多
い他端側充填層４６、並びに電極線３２の少なくとも一
部およびヒーター付き検出素子２０の他端部を封着する
ガラス層４７が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、中空のセラミッ
クス製ホルダーの内部に、セラミック基板に設けた検出
素子を固着したセンサーの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば酸素センサーとして、
セラミックス基板技術を利用してセラミック基板に検出
素子を形成し、この検出素子を、熱膨張差による応力を
緩和するためセラミックス部材に固定した上で、このセ
ラミックス部材を金属製ハウジング内に格納する手法が
知られている（特開昭３−２４６４５８号公報）。

【０００３】また、セラミックス基板を金属製ハウジン
グに固定する方法としては、とくに耐熱性と気密性とを
要求される排気ガス用酸素センサー（例えば、特開昭６
２−１４８８４９号公報に記載の空燃比センサー）にお
いて、熱膨張差を緩和するために充填層による保持と耐
熱ガラスによるガラスシール（封着）とを組み合わせた
手法が公知である（特開平３−２５７３５７号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の手法で
は、セラミックス製部材と検出素子を形成するセラミッ
クス基体との材質が異なる場合、あるいは耐熱衝撃、耐
振動ならびに耐衝撃を要する場合においては、つぎの問
題が生じる。すなわち、熱膨張率の違いにより冷熱サイ
クル時に検出素子に熱応力が生じたり、あるいは振動・
衝撃により頻繁に荷重が加わるような使用条件では、充
填層による検出素子の固着に緩みが生じて、徐々に固着
が弱くなり検出素子が振動したりする。この結果、クラ
ックが発生したり、あるいは電線が破断したりする不具
合が生じ易い。

【０００５】この発明の目的は、セラミックス製ホルダ
ーとセラミック基板に設けた検出素子との間を充填する
充填層が、冷熱サイクル時の熱応力、あるいは振動・衝
撃により加わる繰り返しの荷重に対し十分な耐久性を有
し、検出素子の保持力を長期間に渡って維持できるセン
サーの提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、中空のセラミックス製ホルダーの内部に、セラミッ
ク基板の一端に検出部を設けた検出素子と、該検出素子
の他端から伸びる電極線と、該電極線の少なくとも一部
および検出素子の他端部と前記ホルダーとの間を封着す
るガラス層と、前記ホルダーと前記検出素子との間を充
填する充填層とを備えたセンサーにおいて、前記充填層
は、ガラスとセラミックスとの混合物からなり、かつ、
検出素子の一端側に配される一端側充填層のガラス含有
率を、検出素子の他端側充填層のガラス含有率よりも小
さくしたことを特徴とする。

【０００７】ここで充填層は、検出素子の検出部側の一
端側充填層と、電極線の取り出し側の他端側充填層との
２層から形成されてもよく、これらの間に中間層を設け
た３層以上から形成されてもよい。また、ガラス含有率
が検出素子の一端側に向かうにつれて漸次少なくなるよ
うにガラス濃度に勾配を設けてもよい。なお、ガラス
は、ガラスシール時に結晶化の進む、いわゆる結晶化ガ
ラスであっても、それ以外の非晶質ガラスであってもよ
い。

【０００８】請求項２に記載の発明は、検出素子の検出
部側に充填される一端側充填層のガラス含有率を３０重
量％以上、７０重量％未満としてことを要旨としてい
る。これは、ガラス含有率が３０重量％未満であると充
填層の固着強度が弱く、冷熱サイクル時にセンサーが反
り、あるいは振動・衝撃により充填層が緩んで検出素子
が破損したり、電極線に荷重がかかり断線し易いためで
ある。また、７０重量％未満とするのは、これ以上であ
ると充填層の保持力が強すぎて、１００％封着ガラスを
用いたときと同様に充填層あるいは検出素子にクラック
が生じ易くなるという理由による。

【０００９】請求項３に記載の発明は、充填層を形成す
るセラミックスの材質は、滑石を主成分とする。これ
は、充填層に十分な耐熱性と柔軟性を兼ね備えた保持を
実現することを目的としており、他にマグネシア等も適
用できる。また、充填層の熱膨張率を、通常、アルミ
ナ、ジルコニアまたはこれらの混合物で形成されるホル
ダーおよび検出素子の熱膨張に近づけることを主眼とし
て、滑石、マグネシアまたはこれらの混合物等の柔らか
い鉱物と、アルミナ、ジルコニアまたはこれらの混合物
等を添加した材質も好適に用いられる。

【００１０】請求項４に記載の発明では、前記検出素子
は、セラミック基板に発熱パターンを形成したヒーター
素子に接着したヒーター付き検出素子であることを特徴
とする。

【００１１】請求項５に記載のセンサーの製造方法は、
中空のセラミックス製ホルダー内部に、セラミック基板
の一端に検出部を設けた検出素子を同軸的に遊嵌させ、
前記検出素子と前記ホルダーとの隙間に、ガラス含有率
の低いガラスとセラミックスとの混合粉末、ガラス含有
率の高いガラスとセラミックスとの混合粉末およびガラ
ス粉末を、少なくとも３層以上、順次に充填した後に、
該ガラス粉末のガラス軟化点以上の温度で温度処理し
て、一端側充填層、他端側充填層およびガラス層を同時
に形成させることを特徴とする。

【００１２】

【発明の作用および効果】請求項１の構成では、充填層
はガラスとセラミックスとの混合物からなり、適当な混
合割合を選択することによりホルダーによる検出素子の
保持力を適性に設定できる。このため、熱応力による検
出素子の反りや振動・衝撃による検出素子の振れによ
り、ガラス層あるいは検出素子にクラックが発生するこ
とを有効に防止できる。これに対し、ガラス層で検出素
子をホルダーに固着した場合には、ガラス層による固着
力が強すぎ、またガラス層はもろいため、熱応力による
検出素子の反りや振動・衝撃による検出素子の振れによ
り、ガラス層あるいは検出素子にクラックが発生し易
い。

【００１３】また、検出素子の一端側に配される一端側
充填層のガラス含有率を、検出素子の前記電極線の取り
出し側、すなわち他端側充填層のガラス含有率よりも小
さくしているので、充填層の保持力を検出素子の一端側
部へ行くほど弱くなるように設定できる。このため、検
出素子に発生する特有の振れを減衰して振動・衝撃に対
する耐久性を向上させる効果が得られる。

【００１４】請求項２の構成では、検出素子を良好に保
持するとともに、充填材による応力緩和をより好適に発
現できる。請求項３の構成では、充填材として耐熱性に
優れ、かつ、モース硬度１の極めて軟らかい鉱物である
滑石を用いることにより、熱衝撃、振動・衝撃に対する
緩衝効果をより良好に得られる。

【００１５】請求項４の構成では、ヒーターに通電して
センサーを活性化温度に迅速に昇温できる。請求項５の
構成では、請求項１〜４のいずれかに記載のセンサーの
製造が容易にできる。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を図１、図２に従って説明す
る。この実施例では、センサー１００は、ガス成分また
はその濃度を検出するための板状を呈する検出素子２
を、該検出素子２と同一形状のヒーター素子３と接着し
てヒーター付き検出素子２０に形成し、円筒状の耐熱セ
ラミックス製ホルダー４内に固着してなる。このセンサ
ー１００は、図３に示す如く、内燃機関の排出ガス中の
酸素濃度を検出するための酸素センサープラグとして組
み付けられる。

【００１７】検出素子２は、例えばジルコニア（ＺｒＯ
2 ）製の帯板状セラミックス基板２１の一端に、酸素濃
度基準極と酸素濃度検出極を白金ペーストを厚膜印刷に
より付着させ、酸素の濃淡により両極間のジルコニアに
電流が流れることを利用する構成を有する。セラミック
ス基板２１には、同様にリードパターンが印刷され、該
リードパターンには白金の電極線２２が接続され、電極
線２２には金属端子２３がスポット溶接されている。

【００１８】ヒーター素子３は、例えばアルミナ製のセ
ラミックス基板３１に白金ペーストを厚膜印刷すること
により、ヒーター発熱パターンおよびこれに接続するリ
ードパターンを形成し、その上に別のセラミックス基板
を積層し、一体焼成する。このリードパターンに白金の
電極線３２を接続させ、さらに該電極線３２に金属端子
３３をスポット溶接してなる。

【００１９】検出素子２およびヒーター素子３は重ねて
接着されて、四角柱状の前記ヒーター付き検出素子２０
に成形されるとともに、該ヒーター付検出素子２０の中
間より幾分一端側部には四角軸穴を有する円柱状のアル
ミナ製セラミックス碍管２４が外嵌され、嵌合面が耐熱
接着剤で接着されている。

【００２０】ホルダー４は、外周は一端側部４１に径大
の鍔部４２が設けられた円筒状を有し、内周は一端に内
周縁４３が形成され他端にテーパー部４４が設けられて
いる。ヒーター付き検出素子２０は、一端側からホルダ
ー４内に差し込まれ、セラミックス碍管２４が内周縁４
３に係合して同軸的に配されている。

【００２１】ヒーター付き検出素子２０とホルダー４と
の隙間４０には、その外周とホルダー４の内周との間
に、一端側から、ガラスとセラミックスとの混合物から
なりホルダー４とヒーター付き検出素子２０との間を充
填する一端側充填層４５および該一端側充填層４５につ
づく他端側充填層４６、並びに電極線３２の少なくとも
一部およびヒーター付き検出素子２０の他端部と前記ホ
ルダー４との間を封着するガラス層４７が設けられてい
る。

【００２２】一端側充填層４５、他端側充填層４６およ
びガラス層４７に使用されるガラスは、ホウケイ酸ガラ
ス、ホウ酸亜鉛ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、ホウ
ケイ酸亜鉛ガラス等が好適であり、充填層４５、４６に
使用されるセラミックス主材料としては、滑石が好適で
ある。一端側充填層４５は、他端側充填層４６よりガラ
ス含有率が低く設定してあり、ガラス含有率は３０重量
％以上、７０重量％未満であることが望ましい。なお、
セラミックス材料としては、カリオン系滑石が最も優れ
る。

【００２３】ホルダー４へのヒーター付き検出素子２０
の固着はつぎのようになされる。縦に保持したホルダー
４内にヒーター付き検出素子２０を挿入し、セラミック
ス碍管２４を内周縁４３に係合させ同軸的に保持する。
つぎに、隙間４０に所定の割合でガラス粉末とセラミッ
クス粉末とを混合した充填層材料を詰め、つづいて、所
定の割合でガラス粉末とセラミックス粉末とを混合した
封着層材料を詰める。これを、加熱炉内で８００℃、１
時間、加熱してガラスを溶融または軟化させ、ガラスシ
ールを行なう。

【００２４】表１は、一端側充填層４５、他端側充填層
４６およびガラス層４７に使用したガラスと、その含有
重量％とをパラメータとした冷熱サイクル（７００℃ま
で昇温１００秒→１２０℃まで降温２００秒の１００サ
イクル繰り返し）による耐久試験、および加速度５００
０Ｇの衝撃を毎分４００回×３０分間の衝撃試験の結果
を示し、表２は、この酸素センサーに使用されるガラス
Ａ，Ｂ，Ｃ（表２に示す）の性質を示す。このデータ
は、耐久テスト品をテスト後に解体して、検出素子、ヒ
ーター素子、封着ガラスのクラックの発生状況から耐振
動性・耐衝撃性を評価したものである。

【表１】

【表２】

【００２５】このデータから判るように、検出素子を直
接に１００％ガラスでセラミックス製ホルダーに固着さ
せた場合は、ガラスシールをしただけで検出素子または
ヒーター素子にクラックが入っている。また、検出素子
の周辺をすべて滑石のみで充填した場合は、衝撃試験を
行なうことにより電極線の破断またはヒーター素子が碍
管の近傍で破損するものがあった。

【００２６】これは、衝撃試験後にセンサーを解体して
調べると充填層が全てなくなっており、空隙中で検出素
子が振動したため固着点である碍管の近傍で破損に到っ
たものと推察される。とくに、上部他端側充填層が、ガ
ラスの含有率３０重量％以上、７０重量％未満としたセ
ンサーは、衝撃試験においても検出素子に破損は見られ
ず良好な耐久性を示した。

【００２７】この酸素センサーは、内燃機関への装着の
ため、図３に示す構造のセンサープラグに組み付けられ
る。主体金具１は、一端に後記するプロテクター１５が
嵌着される径小筒部１１、中間に排気路に設けたネジ穴
に螺着するためのネジ部１２および六角部１３、後端に
熱かしめによりホルダー４を主体金具１内に保持すると
ともに、袖管５を主体金具１に同軸的に連結するための
連結筒部６を有する。連結筒部６は、六角部１３に連な
る基筒部６１、肉薄の縮み筒部６２、中間筒部６３、お
よび肉薄のかしめ部６４からなる。

【００２８】主体金具のネジ部１２と六角部１３との間
は径小に形成され、シールリング１４が外嵌され、径小
筒部１１には、二重構造で通気穴が設けられた円筒キャ
ップ状プロテクター１５が嵌着されている。主体金具１
の内周は、ネジ部１２の内周に位置し、前記ホルダー４
の先端部が遊嵌された小径部１６、前記鍔部４２が嵌め
込まれた中径部１７、および前記連結筒部６の内周を形
成する大径部１８となっており、小径部１６と中径部１
７との間は、前記ホルダーの鍔部４２の一端面に係合す
る係合段１０が設けられている。

【００２９】袖管５は、一端部５１に薄肉の金属パイプ
の端部を拡開して設けたフランジ部５２を有し、他端５
３に複数の矩形凹み５４が周設されている。袖管５の他
端部５３には、コネクター７が嵌着されている。コネク
ター７は、前記複数の矩形凹み５４に係合する内側膨出
部７１が周設された一端部７２を有する外筒７３と、該
外筒７３の他端側内部に嵌着されたゴム製のコネクター
本体７４とからなる。

【００３０】ホルダー４の中間部の外周と、主体金具１
の連結筒部６との間には、ステンレス（ＳＵＳ４０３）
製の支持筒８が嵌め込まれている。支持筒８は、一端側
に、ホルダー４と基筒部６１との間に介装され、ホルダ
ー４の軸心を主体金具１の軸心に一致させるための介装
筒部８１を有する。支持筒８の他端側には、ホルダー４
と中間筒部６３との間に設定された径大部８２が設けら
れている。径大部８２の外周側部は環状当接面８３とな
っている。

【００３１】この酸素センサの組み付けは、つぎのよう
になされる。プロテクター１５を嵌着し溶接した主体金
具１に、ヒーター付き検出素子２０を組み込んだホルダ
ー４を差し込に、係合段１０に鍔部４２の一端面を係合
させる。つぎに、主体金具１の内周とホルダー４の外周
との隙間に滑石２５を充填し、つづいて支持筒８を嵌め
込む。つぎに、フランジ部５２に袖管５の一端部を支持
筒８の他端部に突き合わせ、連結筒部６を内側に熱かし
めする。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のセンサーの斜視図である。

【図２】この発明のセンサーの組み付け図である。

【図３】この発明のセンサーを組み込んだセンサープラ
グの断面図である。

【符号の説明】

１ 主体金具 ２ 検出素子 ３ ヒーター素子 ４ セラミック製ホルダー ２０ ヒーター付き検出素子 ２１ セラミックス基板 ２２ 電極線 ２５ 滑石 ３２ 電極線 ４０ 隙間 ４５ 一端側充填層 ４６ 他端側充填層 ４７ ガラス層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 都築 正詞 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 寺本 諭司 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空のセラミックス製ホルダーの内部
   に、セラミック基板の一端に検出部を設けた検出素子
   と、該検出素子の他端から伸びる電極線と、該電極線の
   少なくとも一部および検出素子の他端部と前記ホルダー
   との間を封着するガラス層と、前記ホルダーと前記検出
   素子との間を充填する充填層とを備えたセンサーにおい
   て、 前記充填層は、ガラスとセラミックスとの混合物からな
   り、かつ、検出素子の一端側に配される一端側充填層の
   ガラス含有率を、検出素子の他端側充填層のガラス含有
   率よりも小さくしたことを特徴とするセンサー。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記一端側充填層の
   ガラス含有率は３０重量％以上、７０重量％未満である
   ことを特徴とするセンサー。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記充填層
   を形成するセラミックスの材質は、滑石を主成分とする
   ことを特徴とするセンサー。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記
   検出素子は、セラミック基板に発熱パターンを形成した
   ヒーター素子に接着した、ヒーター付き検出素子である
   ことを特徴とするセンサー。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ
   ーの製造方法であって、中空のセラミックス製ホルダー
   内部に、セラミック基板の一端に検出部を設けた検出素
   子を同軸的に遊嵌させ、前記検出素子と前記ホルダーと
   の隙間に、ガラス含有率の低い、ガラスとセラミックス
   との混合粉末、ガラス含有率の高い、ガラスとセラミッ
   クスとの混合粉末、および、ガラス粉末を、少なくとも
   ３層以上、順次に充填した後に、該ガラス粉末のガラス
   軟化点以上の温度で熱処理して、一端側充填層、他端側
   充填層およびガラス層を同時に形成させることを特徴と
   するセンサーの製造方法。