JPH10104184A - ヒータ内蔵型セラミックセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ内蔵部近傍においてセラミック基板の
表面を平滑に形成することにより、その熱応力等に対す
る耐久性を高めたセラミックセンサを提供する。 【解決手段】 セラミックセンサ５０は、セラミック基
板３６の板面に、酸化物半導体により構成された検出素
子部４１が一体形成されるとともに、該セラミック基板
３６中にその検出素子部４１を加熱するためのヒータ３
８を内蔵した構造を有し、かつそのセラミック基板３６
が、少なくともその側面３６ｃの表面粗度が３０μmＲm
ax以下とされる。なお、検出素子部４１とセラミック基
板３６との接合面には、多数のセラミック小粒状物２１
が分散固定されるとともに、セラミック基板３６の板面
のうち、上記側面３６ｃ側の縁を含む所定幅ｗの部分
に、そのセラミック小粒状物２１が固定されていない領
域が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサ等のヒ
ータ内蔵型セラミックセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、チタニア等の酸化物半導体を検
出素子とする酸素センサ等のガスセンサは、抵抗発熱ヒ
ータを埋設したセラミック基板に検出素子を接合・一体
化した構造を有している。このような検出素子にセラミ
ックを用いたガスセンサ（以下、セラミックセンサとも
いう）は、未焼成のセラミック製のシート（セラミック
グリーンシートともいう）の表面に抵抗発熱体粉末のペ
ーストを用いて所定のヒータパターンを複数形成した
後、これに別のセラミックグリーンシートを積層し、各
々上記ヒータパターンが含まれるように、そのセラミッ
クグリーンシートの積層体を切断により分割してグリー
ン基板成形体を作り、さらにその基板成形体を焼成する
ことにより製造されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なヒータ内蔵型セラミックセンサにおいては、基板がセ
ラミックスで構成されている関係上、熱応力等に対する
耐久性には十分考慮を払う必要がある。この場合、特に
問題となるのは、熱応力を生じやすいヒータ近傍部分の
基板の表面状態であり、例えばセラミックグリーンシー
トの積層体を切断した際に、その切断面に傷が生じてい
たりすると、その傷が焼成後のセラミック基板にも残留
し、これが破壊の起点となって基板強度が低下してしま
う問題があった。

【０００４】本発明の課題は、特にヒータが内蔵された
セラミック基板がヒータによる過度の加熱によってもク
ラックが生じにくいヒータ内蔵型セラミックセンサを提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明のセラミックセンサは、セ
ラミック基板の板面に、酸化物半導体により構成された
検出素子部が一体形成されるとともに、該セラミック基
板中にその検出素子部を加熱するためのヒータを内蔵し
た構造を有し、かつそのセラミック基板が、少なくとも
その側面の、ヒータ内蔵部に対応する領域の表面粗度が
３０μmＲmax以下とされたことを特徴とする。本発明者
らは、ヒータ内蔵型セラミックセンサにおいて熱応力等
に対する基板強度を高める上で、該セラミック基板の側
面の表面粗度を、少なくともヒータ内蔵部に対応する領
域において３０μmＲmax以下とすることが特に有効であ
ることを見い出し、それによって耐久性に優れたセラミ
ックセンサを実現することに成功したのである。なお、
ここでいう表面粗度は、日本工業規格Ｂ−０６０１によ
り測定された表面粗度の最大高さＲmaxを意味する。

【０００６】セラミック基板の側面の表面粗度が３０μ
mＲmax以上になると、ヒータによるセラミック基板の通
電加熱時等において、基板に割れやクラック等の不具合
が生じやすくなる。その理由は次のように推測される。
ヒータを内蔵したセラミック基板は加熱開始直後におい
て、そのヒータ近傍の基板表面で放熱条件に差が生じ
る。特に表面粗度が大きいと熱が集中しやすくなる場所
が発生し、その場所を中心にクラックが生じると考えら
れる。特に積層界面が外部に露出する側面においては、
熱集中によるクラックの発生が起きやすい。なお、該表
面粗度は、より望ましくは２６μmＲmax以下とするのが
よい。また、上記表面粗度は、その中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）を１５μmＲa以下、望ましくは１３．３μmＲa以下
とするのがよい。

【０００７】上記セラミックセンサは、具体的には、セ
ラミックグリーンシートの表面に、抵抗発熱体粉末のペ
ーストを用いて所定のヒータパターンを複数形成し、セ
ラミックグリーンシートの前記ヒータパターンの形成側
に別のセラミックグリーンシートを積層し、各々上記ヒ
ータパターンが含まれるように、該セラミックグリーン
シートの積層体を切断により分割して基板成形体を作
り、さらにその基板成形体を焼成することにより製造す
ることができる。この場合、セラミックグリーンシート
に基づく部分がセラミック基板となり、またヒータパタ
ーンに基づく部分がヒータとなる。積層体を切断した切
断面はセラミック基板の上下面に比べて表面粗度が大き
く、熱の集中が起きてクラックが生じやすいが、本発明
においてはその表面粗度を３０μmＲmax以下とすること
でクラックの発生を防止することができる。

【０００８】上述のような構成のセラミックセンサにお
いて、セラミック基板の側面の表面粗度を３０μmＲmax
以下とするためには、焼成後のセラミック基板の側面を
研磨により平滑化することも考えられるが、焼成前、す
なわちグリーン成形体の段階で対応する端面部を平滑に
仕上げておくほうが経済的には有効である。この場合、
該端面部が、セラミックグリーンシート積層体（以下、
単に積層体ともいう）の切断により形成されることか
ら、その切断精度の向上を図ることが肝要となる。

【０００９】例えば、その切断の具体的な方法として
は、打抜きダイと打抜きパンチとの間に積層体を配置
し、その状態で打抜きパンチを打抜きダイのダイ孔に対
し相対的に進入させて、積層体から所定の部分を打ち抜
く方法、あるいは回転刃等の切断刃を用いて切断する方
法が挙げられる。そして、前者の方法では、グリーンシ
ートを形成しているコンパウンドの硬度、打抜速度及び
打抜荷重の調整により、また後者の方法では、同じくコ
ンパウンドの硬度と切断速度との調整により、その切断
面を平滑化して、焼成後の対応面（すなわち、基板の側
面）の表面粗度を上記範囲のものとなるように調整する
ことが可能となる。

【００１０】ところで、酸化物半導体で構成された検出
素子部をセラミック基板に接合した上記セラミックセン
サにおいては、該検出素子部とセラミック基板との間の
接合力を高めるために、その接合面において両者にまた
がるように、多数のアルミナ小球等のセラミック小粒状
物を分散した状態で埋設することが行われている。この
場合はセラミックセンサは、セラミック基板の所定の領
域に多数のセラミック小粒状物が分散固定され、そのセ
ラミック小粒状物が固定された領域においてセラミック
基板の板面に対し検出素子部が接合された構造を有する
ものとなるが、特にこのようなセラミックセンサにおい
ては、該セラミック基板の板面のうち、上記側面側の縁
を含む所定幅の部分に、セラミック小粒状物が固定され
ていない領域を形成するようにすることが、その側面の
表面粗度を小さくするためには重要である。

【００１１】まず、図１１（ａ）に示すように、セラミ
ックグリーンシートの積層体（Ｓ）に対し、各々グリー
ン成形体となるべき複数の積層体部分（Ｇ）を、検出素
子部の接合が予定された領域（素子接合領域：Ａ）が互
いに隣接するように複数設定し、次いで、それら素子接
合領域Ａにまたがるように有機溶剤を塗布し、セラミッ
クグリーンシートに含まれる樹脂バインダを部分的に溶
解ないし膨潤させて、その塗布面を粘着層とする。

【００１２】次に、隣接する複数の素子接合領域Ａを一
体的に覆う大きさのシリコンゴムシート（Ｒ）にセラミ
ック小粒状物を分散・保持させ、これを積層体（Ｓ）に
重ね合わせて圧着することにより、図１１（ｂ）に示す
ように、保持されたセラミック小粒状物（Ｐ）が各素子
接合領域Ａに転写される。その後、該セラミックグリー
ンシート（Ｓ）は切断ないし打ち抜きにより、複数のグ
リーン成形体（Ｇ）に分割される。そして、得られたグ
リーン成形体（Ｇ）を焼成することにより、素子接合領
域にセラミック小粒状物（Ｐ）が分散固定されたセラミ
ック基板が形成される。そして、そのセラミック基板の
板面の該素子接合領域（Ａ）に、酸化物半導体粉末を含
有したペーストを盛り、その後これを二次焼成すること
により、上記ペースト部分が焼結されてセラミック基板
にセラミック小粒状物を介して接合され、検出素子部と
なる。

【００１３】ところで、上記方法においては、図１１
（ｂ）に示すように、セラミック小粒状物（Ｐ）の転写
領域が、互いに隣接する素子接合領域（Ａ）にまたがっ
て一体的に形成され、グリーン成形体（Ｇ）に分割する
ための切断線（Ｃ）は、該転写領域を横切って形成され
ることとなる。このとき、図１２（ａ）に示すように、
切断線（Ｃ）上に位置するセラミック小粒状物（Ｐ）
が、切断刃（あるいは打抜きパンチ）により押し下げら
れ、これがグリーン成形体（Ｇ）の側面（切断面）に多
数の溝状の傷（Ｙ）を作るので、焼成後のセラミック基
板の対応する側面の表面粗度が大きくなってしまう問題
がある。また、これとは別に次のような問題が生ずるこ
ともある。すなわち、検出素子部としての酸化物半導体
層は、焼成後の上記セラミック基板の素子接合領域に相
当する位置に、該酸化物半導体の粉末を含有するペース
トを盛り、これを二次焼成することにより形成されるの
であるが、図１２（ｃ）に示すように、セラミック基板
（Ｈ）の側面に傷（Ｙ’）が形成されていると、上記ペ
ースト（Ｌ）が該溝（Ｙ’）を伝って液だれを起こしや
すくなる。

【００１４】そこで、積層体の上記切断線に沿って、セ
ラミック小粒状物を付着させない領域を形成すれば、セ
ラミック小粒状物の押し下げによる切断面への傷の形成
が防止され、結果としてセラミック基板の対応する側面
に傷が形成されにくくなり、その表面粗度を小さくする
ことができる。そして、このようにして製造されたセラ
ミックセンサにおいては、上記側面側の縁を含む所定幅
の部分に、セラミック小粒状物が固定されていない。

【００１５】セラミック小粒状物が固定されない上記領
域（以下、粒状物非固定領域という）の幅は、グリーン
成形体の段階において、少なくとも切断刃（あるいは打
抜きパンチ）の通過を許容する程度の幅を確保しておく
必要がある。従って、切断刃又は打抜きパンチの寸法に
より、接合阻止層の最適の幅は変化することとなるが、
一つの目安としては前述のセラミック小粒状物の平均粒
子径よりも大きく設定することが望ましいといえる。接
合阻止層の幅がこれよりも小さくなると、切断時におい
てセラミック小粒状物と切断刃あるいは打抜きパンチと
の干渉が生じやすくなり、該粒状物の押し下げによる傷
発生を防止する効果が不十分となる。

【００１６】また、粒状物非固定領域を形成する具体的
な方法としては、例えば以下の手法を採用することがで
きる。すなわちセラミックグリーンシートあるいはその
積層体（以下、両者を総称してセラミックグリーンシー
トという）の表面に、セラミック小粒状物を固着したい
領域に、グリーンシートに含有されるバインダを溶解又
は膨潤させる性質を有した粘着誘起液体を塗布すること
により粘着層を形成し、その状態で該表面にセラミック
小粒状物を接触させることにより、セラミックグリーン
シートとセラミック小粒状物とを上記粘着層を介して接
合するとともに、粘着誘起液体の塗布に先立って、セラ
ミックグリーンシートの表面のうち、粒状物非固定領域
に予定された部分には、粘着誘起液体に対して不溶性又
は難溶性の材料で構成された接合阻止層を予め形成する
ようにする。これにより、グリーン成形体表面の接合阻
止層の形成部分においては、バインダと粘着誘起液体と
の接触が該接合阻止層により阻止されるので粘着層が形
成されず、結果としてセラミック小粒状物は該領域には
付着しないこととなり、粒状物非固定領域を能率よくか
つ確実に形成することができる。

【００１７】上記接合阻止層は、その形成材料を所定の
溶媒に溶解又は分散させた塗料を用いて、グリーンシー
トの表面に、例えばスクリーン印刷等によりパターン印
刷することにより、極めて能率よくしかも高精度で形成
することができる。また、接合阻止層を形成する材料
は、前述の通り粘着誘起液体に対して不溶性又は難溶性
の材料とする必要がある。この場合、「難溶性」とは、
前記粘着誘起液体に対する溶解度が、被接合体に対する
粘着・保持能力を生じない程度のものであることをい
う。なお、接合阻止層を形成する材料の粘着誘起液体に
対する溶解度は、少なくとも上記バインダ成分に比べて
小さなものでなければならない。例えばセラミックグリ
ーンシートは、一般に親油性のバインダを用いて製造さ
れるが、この場合は粘着誘起液体は、そのバインダを溶
解又は膨潤させる性質を有した有機溶剤を主体とするも
のが使用される。また、接合阻止層は、親水性の材料に
より形成される。なお、接合阻止層は、焼成工程におけ
る焼成温度において分解又は蒸発する材料により形成し
ておけば、最終的な焼成体に接合阻止層の成分が残留し
なくなるので都合がよい。

【００１８】なお、接合阻止層を構成する上記親水性の
材料としては、例えばアラビアゴムを主体とするものが
使用できる。また、アラビアゴム以外にも、セロゲン
（商品名：第一工業製薬（株））、ポリビニルアルコー
ル、ポリビニルピロリドン、デキストリン、澱粉等、水
に可溶で、有機溶剤には溶解しにくい性質を有した各種
有機物質を使用することができる。また、粘着誘起液体
として使用される有機溶剤に溶解しないものであれば、
特に親水性を有さない材質を使用することもできる。

【００１９】一方、粒状物非固定領域は、例えば金属等
で構成されたマスク部材を用いてセラミックグリーンシ
ートの所望の表面部分をマスキングし、次いでセラミッ
ク小粒状物を転写することで、該マスキング部分におけ
るセラミック小粒状物の付着を阻止する方法によっても
形成できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明の
一実施例としてのヒータ内蔵型セラミックセンサ（以
下、単にセラミックセンサという）５０の構造を模式的
に示したものである。すなわち、セラミックセンサ５０
は、例えば酸素検出用のものであり、アルミナ等により
横長方形に形成されたセラミック基板３６の上面の、そ
の一方の端部側に切欠き状の段付部３６ａを形成し、そ
の段付部３６ａにおいて該セラミック基板３６の板面に
凹部３４を形成するとともに、該凹部３４を包含する領
域にチタニア等の酸化物半導体により構成された検出素
子部４１が接合・一体化されている。また、セラミック
基板３６の厚さ方向中間部には、その検出素子部４１か
らの出力を取り出すためのリード部３７が、その板面長
手方向に沿って埋設形成されている。また、このリード
部３７の末端部は、セラミック基板３６の上記検出素子
部４１が形成されているのとは反対側の端面部に一端が
埋設され、かつ該端面から突出する端子部９に接続され
ている。

【００２１】一方、セラミック基板３６には、上記検出
素子部４１の直下位置に対応してこれを取り囲む形状に
形成されたヒータ３８が、その板厚方向中間部において
埋設されており、これに通電するためのリード部３９
が、同じく該セラミック基板３６に埋設されてその板面
長手方向に延びるとともに、その末端部が、前述のリー
ド部３７に対応するものと同様の端子部１２に接続して
いる。

【００２２】次に、セラミック基板３６の板面３６ｂに
は、その縁部を除く所定の領域に、セラミック小粒状物
としての多数のアルミナ小球２１が分散固定され、その
アルミナ小球２１が固定された領域（以下、素子接合領
域という）Ａに検出素子部４１が接合されている。この
アルミナ小球２１は、セラミック基板３６と検出素子部
４１との接合面において、両者にまたがって食込みを生
ずるように固定されており、その接合強度を向上させる
役割を果たしている。

【００２３】そして、このセラミック基板３６の幅方向
両側の側面３６ｃは、その表面粗度が３０μmＲmax以
下、望ましくは２６μmＲmax以下に調整されている。そ
して、その板面３６ｂにおいて、素子接合領域Ａの側面
３６ｃ側の縁を含む所定幅（例えば０．０９〜０．２０
mm）ｗの部分に、アルミナ小球２１の固定されていない
領域、すなわち粒状物非固定領域６０が形成されてい
る。

【００２４】上記セラミックセンサ５０は、ヒータ３８
に通電することにより検出素子部４１を所定の温度に加
熱し、その状態で検出素子部４１を検出対象となる雰囲
気に暴露することにより、雰囲気中の酸素をその表面に
吸着させ、該吸着に伴う検出素子部４１の電気抵抗変化
を例えば電圧変化の形で出力させる。検出素子部４１の
電気抵抗は、その表面への酸素の吸着量、すなわち雰囲
気中の酸素濃度に応じて変化することから、センサの出
力電圧は雰囲気中の酸素濃度を反映したものとなる。

【００２５】ここで、ヒータ３８の通電発熱に伴い急激
な温度上昇がセラミック基板３６中に生じても、セラミ
ック基板３６の側面３６ｃの表面粗度が３０μmＲmax以
下とされていることから、局部的な加熱による熱応力の
集中が起きにくく、ひいてはクラック等も生じにくい。

【００２６】図２〜図８は、上記セラミックセンサ５０
の製造方法の一例を示す工程説明図である。該センサ５
０は、そのセラミック基板が、複数のセラミックグリー
ンシート（以下、単にグリーンシートという）を積層し
てこれを焼成することにより製造されるいわゆる積層形
セラミックセンサとして構成されるのであるが、図２は
その製造に用いられるグリーンシートの一例を平面図に
より示している。すなわち、該グリーンシート１は、ア
ルミナ粉末とポリビニルブチラール樹脂、エチルセルロ
ース、ポリエチレングリコール等の親油性バインダとを
混練して方形シート状に成形したものであり、１枚のグ
リーンシート１から多数のセンサ５０を製造するため
に、切断線２によって複数の横長方形のシート部分３に
分割されることが予定されている。

【００２７】また、各シート部分３は、そのシート面の
一端側が検出素子の接合領域（以下、素子接合領域とい
う）２３（図４等）として使用されるようになってお
り、そこには後述するように、検出素子の原料となる酸
化物半導体粉末ペーストの保持用凹部４’（図４等）を
形成するための、貫通窓部４が形成されている。そし
て、長方形状のグリーンシート１の中心線Ｏ（図２）を
挟んでその両側に、それぞれ複数の上記シート部分３
が、その幅方向に互いに隣接するように、かつ貫通窓部
４の形成側が中心線Ｏに関して外側となるように配列し
ている。さらに、グリーンシート１の中央には、上記中
心線Ｏに沿う方形の貫通窓部５が形成されている。

【００２８】図３に示すように、グリーンシート１の一
方のシート面には、アラビアゴム水溶液をスクリーン印
刷することにより、接合阻止層６が形成されている。該
接合阻止層６は、各シート部分３の貫通窓部４の形成側
端部において、縦横の切断線２に沿う所定幅、例えば後
述する被接合体としてのアルミナ小球の平均直径値より
も大きな幅となるように形成されており、その厚さは１
〜１０μmの範囲で設定されている。

【００２９】また、上記グリーンシート１とは別に、こ
れとほぼ同様の大きさ及び形状を有するグリーンシート
７及び１０を作製し、前者には検出素子のリード部とな
る金属ペーストパターン層８を、後者には内蔵ヒータ及
びそのリード部となる金属ペーストパターン層１１を、
それぞれスクリーン印刷等により形成する。そして、各
金属ペーストパターン層８及び１１の端部に対応する位
置に通電用の端子部９及び１２をそれぞれ配置して、上
記グリーンシート１，７，１０を上側からこの順序で積
層する。このとき、グリーンシート１の貫通窓部４は下
面側がグリーンシート７により塞がれて凹部４’（図４
等）を形成する。また、グリーンシート７の金属ペース
トパターン層８は、その端子部９と反対側の端部が上記
凹部４’内に位置するものとされる。さらに、グリーン
シート７，１０には、グリーンシート１の窓部５と同じ
大きさ及び形状の窓部１３及び１４が、それぞれ対応す
る位置に形成されており、上記積層状態において端子部
９及び１２を、それら窓部５，１３，１４内においてシ
ートの板面方向に突出させるようになっている。

【００３０】なお、グリーンシート１，７，１０を積層
する際には、これに先立ってシート７の上面及びシート
１０の上面に、前記バインダを溶解する性質を有したｎ
ブチルアルコール、フタル酸ｎブチル、ヒマシ油等の有
機溶剤（粘着誘起液体）が塗布され、図３（ｃ）に示す
ように、それによって該バインダが溶解・軟化して粘着
層１５，１６がそれぞれ形成される。グリーンシート
１，７，１０は、この粘着層１５及び１６により互いに
接合されることとなる。

【００３１】また、グリーンシート１の上面全面にも有
機溶剤が塗布されて粘着層１７が形成されるが、接合阻
止層６の形成部分においては上記有機溶剤へのバインダ
の溶解が阻止されて、粘着層１７は形成されない。この
状態において、グリーンシート１の上面には、その中央
部と、凹部４’に対応する両端位置とにそれぞれ窓部１
９及び１８ａが形成された別のグリーンシート１８（図
４（ａ）、（ｂ））が積層される。この状態で、その積
層体２２が、例えば加熱式プレス機等により、温度４０
℃〜６０℃でその積層方向に加圧されて一体化される。
その後、図４に示すように、グリーンシート１の、凹部
４’が形成されている両端部分、すなわち窓部１８ａに
囲まれた素子接合領域２３には、図４（ａ）に示すよう
な、一方のシート面全面にアルミナ小球（例えば平均粒
径１４０〜１８０μmのもの）２１を圧着等により分散
・保持させたシリコンゴムシート２０が、図５に示すよ
うに、その保持面側がグリーンシート１の上面と対向す
るように加圧して重ね合わされる。

【００３２】このとき、図５（図４（ａ）のＡ−Ａ断面
に対応）に示すように、シリコンゴムシート２０は柔軟
であるため、上記加圧に伴いそのシート面が凹部４’を
含めた素子接合領域２３（グリーンシート１）の面形状
に追従して変形し、これに保持されたアルミナ小球２１
は素子接合領域２３（グリーンシート７により形成され
る凹部４’の底面を含む）の全面に押し付けられる。こ
こで、素子接合領域２３のうち、接合阻止層６の形成さ
れていない部分には前述の粘着層１７（図３（ｃ））が
形成されているため、アルミナ小球２１はシリコンゴム
シート２０側から素子接合領域２３に転写され、該粘着
層１７によってグリーンシート１及び７の表面に接合さ
れる。一方、図６に示すように、接合阻止層６の形成部
には粘着層１７が形成されていないことから、アルミナ
小球２１は転写されない。

【００３３】次に、上記積層体２２からシリコンゴムシ
ート２０を取り除くことにより、図７（ａ）に示す積層
体２２’が得られる。すなわち、同図（ｂ）に示すよう
に、各シート部分３に一対一に対応して、グリーンシー
ト１及び７の各凹部４’及びその周辺部には、アルミナ
小球２１の転写領域２５が接合阻止層６により隔てられ
た状態で形成される。そして、その積層体２２’を、隣
接する転写領域２５同士を互いに隔てる接合阻止層６に
おいて、図示しない打抜きパンチにより長穴状の貫通孔
３０が形成されるように打ち抜き、次いで切断線２に沿
って切断することにより、図７（ｃ）に示すように、そ
れぞれセラミックセンサとなるべき基板成形体３１に分
離する。このとき、隣接する転写領域２５同士は、アル
ミナ小球２１が固着されていない接合阻止層６内におい
て打抜きにより切断・分離されることから、アルミナ小
球２１が打抜きパンチにより押し下げられることが回避
され、ひいては得られる基板成形体３１の、アルミナ小
球２１の転写領域２５に対応する側面部分に傷等がほと
んど生じず、セラミック基板３６の側面３６ｃの表面粗
度を３０μmＲmax以下とすることができる。

【００３４】上述のような基板成形体３１は、所定の温
度で脱バインダ処理後、温度１５００〜１６００℃で焼
成することにより、図８に示す焼成体３５となる。すな
わち、グリーンシート１，７，１０及び１８で構成され
た部分は一体化して、前述の凹部４’に対応する凹部３
４を有するセラミック基板３６となり、転写領域２５の
アルミナ小球２１は、セラミック基板３６の上面側にそ
の下側部を食い込ませた状態で一体化され、前述の素子
接合領域Ａを形成する。また、接合阻止層６はアラビア
ゴムで構成されているため、焼成によりほぼ完全に分解
・蒸発する。一方、前述の金属ペーストパターン層８及
び１１は、それぞれ焼結されてリード部３７、ならびに
ヒータ及びそのリード部３８，３９となる。

【００３５】そして、図８に示すように、この焼成体３
５に対しその素子接合領域Ａに、酸化物半導体粉末、例
えばチタニア粉末を溶剤及びバインダとともに混練した
ペーストを盛り、ペースト層４０を、凹部３４内に入り
込むように形成する。その状態で、これを温度１０５０
〜１２００℃で二次焼成することにより、図１（ａ）に
示すように、ペースト層４０のチタニア粉末が焼結され
て検出素子部４１となり、該検出素子部４１がセラミッ
ク基板３６と一体化されたセラミックセンサ５０が得ら
れる。

【００３６】なお、上記製造方法において粒状物非固定
領域６０は、例えば図９に示すように、セラミックグリ
ーンシート１の表面のうち、該粒状物非固定領域６０に
予定された部分を金属等で構成されたマスク部材６１に
よりマスキングし、次いでセラミック小粒状物を転写す
ることにより、該領域へのセラミック小粒状物の接合を
阻止する方法によっても形成できる。

【００３７】またセラミック基板３６の側面部の表面粗
度が３０μmＲmax以下となるように、これを平坦に仕上
げるためには、上記粒状物非固定領域６０を形成するこ
とのほか、セラミックグリーンシート積層体を切断して
基板成形体３１（図７（ｃ））を得る際の、その切断精
度の向上を図ることも有効である。例えば、図１０に示
すように、打抜きダイ７０で積層体Ｑを挟み、その状態
で打抜きパンチ７２を打抜きダイ７０のダイ孔７１に対
し相対的に進入させて、積層体Ｑから所定の部分Ｄを打
ち抜く方法を用いる場合、平滑な打抜き面（切断面）が
得られるように、グリーンシートを形成しているコンパ
ウンドの硬度あるいは打抜き速度を調整することが望ま
しい。例えば、打抜き速度を一定以上に大きくし過ぎる
と、打抜き面が荒れて基板の表面粗度を前述の範囲に維
持できなくなることがある。一方、打抜きパンチ７２に
ヒータ７２ａを設け、該パンチ７２を介してグリーンシ
ートを加熱することにより、これを部分的に軟化させた
状態で打抜きを行えば、グリーンシートの変形抵抗が減
少して打抜きを行いやすくすることができ、ひいてはそ
の打抜き面をさらに平滑化できる場合がある。また、打
抜き時においてシートそのものを暖めておき、シートを
十分に軟化させてから打ち抜くことによっても打抜断面
の平滑化を図ることができる。

【００３８】

【実施例】アルミナ粉末と、バインダとしてのポリビニ
ルブチラール樹脂と所定量の溶媒とを混練することによ
り得られたスラリーを用いてセラミックグリーンシート
を作り、これを用いて図１に示すセラミックセンサ５０
を各種作製した。なお、アルミナ小球２１は、その平均
粒子径が１６０μmのものを使用した。また、得られた
センサの段付部３６ａにおける厚さは１．２５mm、幅は
３．８mmであり、その側面３６ｃに沿う粒状物非固定領
域６０の幅ｗを０．０９〜０．２０mmの範囲で各種設定
した。なお、ヒータ３８は、白金ペーストをスクリーン
印刷することにより形成されたものであり、電圧１２Ｖ
での消費電力は約１０Ｗである。

【００３９】以上の各センサを各ｗの値毎に１０ずつ用
意し、日本工業規格Ｂ０６０１に示された方法により表
面粗度を測定して、そのＲmax及びＲａの平均値を算出
した。次いで、各センサを１６〜２９Ｖの各種電圧で１
分間通電し、セラミック基体３６に割れが生じてヒータ
３８が断線したときの電圧の最小値（Min）及び平均値
（F）により、その耐久性を評価した。結果を表１に示
す。

【００４０】

【表１】

【００４１】すなわち、粒状物非固定領域６０の幅ｗを
０．０７mm以下とした試料番号７及び８のセンサは、表
面粗度が本発明の範囲である３０μmＲmaxを超えてお
り、断線時の電圧値が低く耐久性に問題があるのに対
し、ｗを０．０９〜０．２mmとした試料番号１〜６のセ
ンサでは、その側面３６ｃの表面粗度が３０μmＲmax以
下となり、断線時の電圧値も２６Ｖ以上と、良好な耐久
性を示していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒータ内蔵型セラミックセンサの一例
を示す側面断面図及び部分平面図。

【図２】本発明のセラミックセンサの製造方法の一例を
示す工程説明図。

【図３】図２に続く工程説明図。

【図４】図３に続く工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】図５に続く工程説明図。

【図７】図６に続く工程説明図。

【図８】図７に続く工程説明図。

【図９】粒状物非固定領域を形成するための別の方法を
示す説明図。

【図１０】グリーンシートの積層体を打ち抜きにより分
割する方法を示す説明図。

【図１１】従来のセラミックセンサの製造方法を示す説
明図。

【図１２】その問題点の説明図。

【符号の説明】

１，７，１０，１８ セラミックグリーンシート ２１ アルミナ小球（セラミック小粒状物） ２３ 素子接合領域 ３６ セラミック基板 ３６ｃ 側面 ４１ 検出素子部 ５０ ヒータ内蔵型セラミックセンサ ６０ 粒状体非固定領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板の板面に、酸化物半導体
   により構成された検出素子部が一体形成されるととも
   に、該セラミック基板中にその検出素子部を加熱するた
   めのヒータを内蔵した構造を有し、 前記セラミック基板は、少なくともその側面の、ヒータ
   内蔵部に対応する領域の表面粗度が２５μmＲmax以下と
   されたことを特徴とするヒータ内蔵型セラミックセン
   サ。
2. 【請求項２】 前記セラミックセンサは、 セラミックグリーンシートの表面に、抵抗発熱体粉末の
   ペーストを用いて所定のヒータパターンを複数形成し、 前記セラミックグリーンシートの前記ヒータパターンの
   形成側に別のセラミックグリーンシートを前記ヒータパ
   ターンを覆うように積層し、 該セラミックグリーンシートの積層体を切断により分割
   して、各々前記ヒータパターンが含まれるように基板成
   形体を作り、 その基板成形体を焼成することにより製造した前記セラ
   ミック基板の、前記切断によって形成された側面の表面
   粗度が２５μmＲmax以下とされた請求項１記載のセラミ
   ックセンサ。
3. 【請求項３】 前記セラミック基板の板面には、その所
   定の領域に多数のセラミック小粒状物が分散した状態で
   固定され、 そのセラミック小粒状物が固定された領域において前記
   セラミック基板の板面に対し、前記検出素子部が接合さ
   れるとともに、 前記セラミック基板の板面のうち、前記側面側の縁を含
   む所定幅の部分に、前記セラミック小粒状物が固定され
   ていない領域が形成されている請求項１又は２に記載の
   セラミックセンサ。