JPH11132993A - Oxygen sensor with heater - Google Patents

Oxygen sensor with heater

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Publication number
JPH11132993A
JPH11132993A JP9297149A JP29714997A JPH11132993A JP H11132993 A JPH11132993 A JP H11132993A JP 9297149 A JP9297149 A JP 9297149A JP 29714997 A JP29714997 A JP 29714997A JP H11132993 A JPH11132993 A JP H11132993A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heater
pattern
detection element
ceramic heater
oxygen sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP9297149A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiro Noda
芳朗 野田
Yoshinori Kawaguchi
義則 川口
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11132993A publication Critical patent/JPH11132993A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve heating machine characteristics for a detection element without reducing the brazing strength of the lead terminal brazing part of a heater in an oxygen sensor with the heater being provided with a closed-end cylindrical detection element and a ceramic heater being arranged in the internal space. SOLUTION: A ratio Rs/L5 of an internal diameter Rs of a detection element to length L5 from the heat generation pattern part to brazing part of a heater is set to 0.3 or less, and at the same time a ratio L4/L5 of distance L4 from the tip of the heater to the blockade part of a detection element S to length L5 is set to 0.2 or less. Also, a ratio L1/L2 of length L1 of the heat generation pattern part of the heater to entire length L2 of the heater is set to 0.04-0.5, and a ratio L5/L2 of the length L5 to the entire length L2 is set to 0.3-0.9. As a result, the detection element S can be sufficiently heated by heat being generated at the heat generation pattern part, and at the same time heat being transmitted from the heat generation pattern part to the brazing part is suppressed, thus preventing the reduction of brazing strength due to long-term usage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の内燃機関
やボイラ等の各種燃焼機器において、排気中の酸素濃度
を測定するのに用いられる酸素センサに関し、特に有底
筒状の検出素子の内部空間に加熱用のセラミックヒータ
を配置したヒータ付酸素センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor used for measuring oxygen concentration in exhaust gas of various combustion devices such as an internal combustion engine of an automobile and a boiler, and more particularly, to an oxygen sensor inside a bottomed cylindrical detection element. The present invention relates to an oxygen sensor with a heater in which a ceramic heater for heating is arranged in a space.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、ジルコニア等の酸素イオン伝
導性固体電解質を用いて、酸素濃淡電池の原理により、
内燃機関等の排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと
して、例えば、図1に示す如く、ジルコニア等により、
一端が閉塞し他端が開口した有底筒状に形成されると共
に、外側中央に鍔部3aが形成された検出素子本体3
と、検出素子本体3の内面側及び外面側に夫々形成され
た、例えば白金等からなる耐熱性の内側電極5及び外側
電極7と、からなる検出素子Sを備えたものが知られて
いる。そして、この種の酸素センサでは、検出素子Sの
開口部の内面側及び外面側に、夫々、内側電極5及び外
側電極7から信号を取り出すための(被服保護された)
リード線13,14が、接続端子9,10を介して接続
される。
2. Description of the Related Art Conventionally, an oxygen ion-conducting solid electrolyte such as zirconia has been used in accordance with the principle of an oxygen concentration cell.
As an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas of an internal combustion engine or the like, for example, as shown in FIG.
A detection element main body 3 formed in a bottomed cylindrical shape having one end closed and the other end opened, and a flange 3a formed in the center of the outside.
And a detection element S including a heat-resistant inner electrode 5 and a heat-resistant outer electrode 7 made of, for example, platinum, which are formed on the inner surface and the outer surface of the detection element body 3, respectively. In this type of oxygen sensor, signals are taken out from the inner electrode 5 and the outer electrode 7 on the inner surface side and the outer surface side of the opening of the detection element S, respectively (the clothing is protected).
Lead wires 13 and 14 are connected via connection terminals 9 and 10.

【0003】また、検出素子Sの内部空間には、検出素
子Sを加熱して活性化させるために、棒状のセラミック
ヒータ17が収納されている。そして、このセラミック
ヒータ17には、その表面に形成された一対の電極パタ
ーン(ロー付け部)に夫々ロー付けされた一対のリード
端子18を介して、ヒータ通電用のリード線15,16
が接続される。
Further, a rod-shaped ceramic heater 17 is housed in the internal space of the detecting element S to heat and activate the detecting element S. The ceramic heater 17 has lead wires 15 and 16 for energizing the heater through a pair of lead terminals 18 respectively brazed to a pair of electrode patterns (brazing portions) formed on the surface thereof.
Is connected.

【0004】また、検出素子Sは、セラミック性の筒状
の保持部材21,23,タルク粉末25,パッキン27
等を介して、耐熱金属製の主体金具29内に、主体金具
29を貫いて図の上下に延びるように、その軸中心をあ
わせて配置される。そして、主体金具29の下部には、
検出素子Sの先端部(筒の一端を閉塞した側)の周囲を
被うように、被測定ガスを導入する孔部31aを有する
保護キャップ31が装着され、主体金具29の上部に
は、検出素子S及びセラミックヒータ17の上部の周囲
を覆うように、例えばステンレスからなる耐熱金属製の
内筒33がOリング35を介して加締めによって取り付
けられ、更に、内筒33の上部には、例えばステンレス
からなる耐熱金属製の外筒39が外嵌される。
The detecting element S comprises a ceramic cylindrical holding member 21, 23, talc powder 25, and packing 27.
And so on, are arranged in the metal shell 29 made of heat-resistant metal so as to extend vertically through the metal shell 29 so as to extend in the vertical direction in the figure. And in the lower part of the metal shell 29,
A protective cap 31 having a hole 31a for introducing a gas to be measured is attached so as to cover the tip of the detection element S (the side where one end of the cylinder is closed). An inner cylinder 33 made of, for example, a heat-resistant metal made of stainless steel is attached by caulking via an O-ring 35 so as to cover the periphery of the upper part of the element S and the ceramic heater 17. An outer cylinder 39 made of a heat-resistant metal made of stainless steel is externally fitted.

【0005】なお、内筒33の上部と外筒39との間の
空間(即ち、検出素子S上方の空間)41には、リード
線13〜16が貫通する貫通孔43が形成された略円柱
状のセラミックセパレータ45及びグロメットゴム47
が、図の下側より順に配置され、これによって、内部に
水等が侵入するのを防止している。
In a space 41 between the upper part of the inner cylinder 33 and the outer cylinder 39 (ie, a space above the detecting element S), a substantially circular hole having a through hole 43 through which the lead wires 13 to 16 penetrate is formed. Columnar ceramic separator 45 and grommet rubber 47
Are arranged in order from the lower side of the figure, thereby preventing water or the like from entering the inside.

【0006】そして、この種の酸素センサは、保護キャ
ップ31にて保護された検出素子Sの先端部が排気管内
部に突出して、被測定ガスである排気に晒されるよう、
主体金具29を介して、内燃機関等の排気管に取り付け
られる。この結果、検出素子Sの内側電極5と外側電極
7との間には、リード線13〜16の捩り芯線の隙間等
を介して検出素子Sの内側に導入される大気を酸素濃度
の基準として、その酸素濃度と被測定ガス中の酸素濃度
との比に応じた電圧が発生し、その電圧が検出信号とし
て外部に出力されることになる。
In this type of oxygen sensor, the tip of the detection element S protected by the protective cap 31 projects into the exhaust pipe and is exposed to the exhaust gas as the gas to be measured.
It is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine or the like via a metal shell 29. As a result, between the inner electrode 5 and the outer electrode 7 of the detection element S, the air introduced into the detection element S via the gap between the torsion core wires of the lead wires 13 to 16 is used as a reference of the oxygen concentration. Then, a voltage corresponding to the ratio between the oxygen concentration and the oxygen concentration in the gas to be measured is generated, and the voltage is output to the outside as a detection signal.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の酸
素センサにおいて、検出素子Sを加熱するために用いら
れるセラミックヒータ17には、ヒータ通電用のリード
線15,16を接続するための一対のリード端子18が
ロー付けされることから、通電によりセラミックヒータ
17内部に埋設された発熱パターンが発熱した際、その
熱が、検出素子Sだけでなく、リード端子18のロー付
け部にも伝わり、その熱によって、ロー付け部でのリー
ド端子18のロー付け強度が低下するといった問題があ
った。
In this type of oxygen sensor, a ceramic heater 17 used for heating the detecting element S is connected to a pair of lead wires 15 and 16 for energizing the heater. Since the lead terminal 18 is soldered, when the heat generation pattern embedded in the ceramic heater 17 generates heat by energization, the heat is transmitted not only to the detection element S but also to the soldered portion of the lead terminal 18. There is a problem that the heat lowers the brazing strength of the lead terminal 18 at the brazing portion.

【0008】また、ロー付け部でのロー付け強度を高め
るためには、セラミックヒータ17において、通電によ
り発熱する部分(つまり発熱パターン)を、検出素子S
の内部空間の閉塞部側に位置する先端部のみに形成し、
発熱パターンからの熱が、発熱パターンとは反対側に形
成されるロー付け部に伝わり難くすればよいが、発熱パ
ターンをセラミックヒータ17の先端部のみに小さく形
成すると、セラミックヒータ17からの熱が、検出素子
S全体に伝わり難くなり、検出素子Sに対する暖機性能
が低下して、酸素センサの酸素検出特性が劣化してしま
う。
In order to increase the brazing strength at the brazing portion, a portion (ie, a heat generation pattern) of the ceramic heater 17 that generates heat when energized is detected by the detecting element S.
Formed only at the tip located on the closed side of the internal space,
It is sufficient that the heat from the heat generating pattern is not easily transmitted to the brazing portion formed on the opposite side to the heat generating pattern. However, if the heat generating pattern is formed only at the tip of the ceramic heater 17, the heat from the ceramic heater 17 is reduced. It becomes difficult to transmit to the entire detection element S, and the warm-up performance for the detection element S is reduced, and the oxygen detection characteristic of the oxygen sensor is deteriorated.

【0009】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、有底筒状の検出素子とその内部空間に配置さ
れたセラミックヒータとを備えたヒータ付酸素センサに
おいて、セラミックヒータにおけるリード端子ロー付け
部のロー付け強度を低下させることなく、セラミックヒ
ータにより検出素子全体を加熱して、低温時でも充分な
酸素検出特性が得られるようにすることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heater-equipped oxygen sensor having a bottomed cylindrical detection element and a ceramic heater disposed in the internal space thereof. It is an object of the present invention to heat the entire detection element with a ceramic heater without lowering the brazing strength of the attachment portion, so that sufficient oxygen detection characteristics can be obtained even at low temperatures.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項1に記載の発明は、酸素イオン伝導
性固体電解質を一端が閉塞し他端が開口した有底円筒状
に形成し、該固体電解質の内外表面に多孔質電極を形成
してなる検出素子と、長尺状のセラミック焼結体からな
り、該セラミック焼結体の長手方向一端側に通電により
発熱する発熱パターンが埋設されると共に、該発熱パタ
ーンから前記セラミック焼結体の長手方向他端側に向か
って該発熱パターン通電用の導電パターンが埋設され、
更に、前記セラミック焼結体の長手方向他端側表面に
は、前記導電パターンに接続され、外部から該導電パタ
ーンに電源供給を行うためのリード端子がロー付けされ
るロー付け部が形成されたセラミックヒータとを備え、
該セラミックヒータを、前記発熱パターンが形成された
一端側が前記検出素子の閉塞部側となるよう、前記検出
素子の内部空間に配置してなるヒータ付酸素センサにお
いて、前記検出素子の内径Rsと、前記セラミックヒー
タの長手方向に沿った前記発熱パターンから前記ロー付
け部までの長さL5との比Rs/L5を、0.3以下に
設定してなることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen ion conductive solid electrolyte formed into a bottomed cylindrical shape having one end closed and the other end open. A detection element formed by forming a porous electrode on the inner and outer surfaces of the solid electrolyte; and a long ceramic sintered body, and a heat generating pattern that generates heat by energization is buried at one longitudinal end of the ceramic sintered body. A conductive pattern for energizing the heat generation pattern is buried from the heat generation pattern toward the other end in the longitudinal direction of the ceramic sintered body,
Furthermore, on the other end surface in the longitudinal direction of the ceramic sintered body, a brazing portion is formed, which is connected to the conductive pattern and to which a lead terminal for supplying power to the conductive pattern from the outside is brazed. And a ceramic heater,
The ceramic heater, in a heater-equipped oxygen sensor arranged in the internal space of the detection element so that one end side on which the heat generation pattern is formed is closer to the closed part of the detection element, an inner diameter Rs of the detection element; A ratio Rs / L5 of a length L5 from the heating pattern along the longitudinal direction of the ceramic heater to the brazing portion is set to 0.3 or less.

【0011】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
と同様、検出素子とセラミックヒータとを備えたヒータ
付酸素センサにおいて、前記セラミックヒータの前記発
熱パターン側先端部から前記検出素子の閉塞部内壁まで
の距離L4と、前記セラミックヒータの長手方向に沿っ
た前記発熱パターンから前記ロー付け部までの長さL5
との比L4/L5を、0.2以下に設定してなることを
特徴とする。
The invention described in claim 2 is the first invention.
Similarly to the above, in a heater-equipped oxygen sensor including a detection element and a ceramic heater, a distance L4 from a tip end of the ceramic heater on the heat generation pattern side to an inner wall of a closed portion of the detection element and a longitudinal direction of the ceramic heater Length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion
The ratio L4 / L5 is set to 0.2 or less.

【0012】また次に、請求項3に記載の発明は、請求
項1又は請求項2に記載のヒータ付酸素センサにおい
て、前記セラミックヒータの長手方向に沿った前記発熱
パターンの長さL1と、前記セラミックヒータの長手方
向に沿った全長L2との比L1/L2を、0.04〜
0.5の範囲内に設定してなることを特徴とし、請求項
4に記載の発明は、請求項1〜請求項3いずれか記載の
ヒータ付酸素センサにおいて、前記セラミックヒータの
長手方向に沿った前記発熱パターンから前記ロー付け部
までの長さL5と、前記セラミックヒータの長手方向に
沿った全長L2との比L5/L2を、0.3〜0.9の
範囲内に設定してなることを特徴とする。
Next, according to a third aspect of the present invention, in the oxygen sensor with a heater according to the first or second aspect, a length L1 of the heat generation pattern along a longitudinal direction of the ceramic heater is provided. The ratio L1 / L2 to the total length L2 along the longitudinal direction of the ceramic heater is 0.04 to
According to a fourth aspect of the present invention, in the oxygen sensor with heater according to any one of the first to third aspects, the oxygen sensor is arranged along a longitudinal direction of the ceramic heater. The ratio L5 / L2 of the length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion and the total length L2 along the longitudinal direction of the ceramic heater is set in the range of 0.3 to 0.9. It is characterized by the following.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明(請求項1〜請求項4)の
ヒータ付酸素センサは、セラミックヒータへの通電によ
り発熱パターンで発生した熱が、検出素子側には伝達し
易く、ロー付け部側には伝達し難くなるように、セラミ
ックヒータ及び検出素子の各部の寸法(図3参照)を規
定することにより、ロー付け部におけるリード端子のロ
ー付け強度を低下させることなく、セラミックヒータに
よる検出素子の暖機特性を向上できるようにしたもので
ある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the oxygen sensor with a heater according to the present invention (claims 1 to 4), the heat generated in the heat generation pattern by energizing the ceramic heater is easily transmitted to the detection element side, and the brazing is performed. By stipulating the dimensions (see FIG. 3) of each part of the ceramic heater and the detection element so as to make it difficult to transmit to the part side, the ceramic heater can be used without lowering the brazing strength of the lead terminals in the brazing part. The warm-up characteristic of the detection element can be improved.

【0014】即ち、まず請求項1に記載のヒータ付酸素
センサでは、検出素子の内径Rsと、セラミックヒータ
における発熱パターンからロー付け部までの長さL5と
の比Rs/L5を所定値C1(=0.3)以下に規定
し、請求項2に記載のヒータ付酸素センサでは、セラミ
ックヒータの発熱パターン側先端部から検出素子の閉塞
部内壁までの距離L4と、セラミックヒータにおける発
熱パターンからロー付け部までの長さL5との比L4/
L5を、所定値C2(=0.2)以下に設定するが、こ
れは以下の理由による。
That is, in the oxygen sensor with heater according to the first aspect, the ratio Rs / L5 of the inner diameter Rs of the detection element to the length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion of the ceramic heater is set to a predetermined value C1 ( = 0.3) or less, and in the oxygen sensor with a heater according to claim 2, the distance L4 from the tip of the heating pattern side of the ceramic heater to the inner wall of the closing portion of the detection element and the heating pattern of the ceramic heater indicate a low value. Ratio L4 / Length to attachment length L5
L5 is set to a predetermined value C2 (= 0.2) or less for the following reason.

【0015】まず、ロー付け部におけるリード端子のロ
ー付け強度を低下させることなく、セラミックヒータに
よる検出素子の暖機特性を向上できるようにするには、
発熱パターンからロー付け部への熱引きHrをできるだ
け抑え、セラミックヒータから検出素子への熱引きHs
をできるだけ増大させればよい。そして、酸素センサの
実際の使用条件下で最低必要な暖機特性とロー付け強度
の劣化特性とから、各熱引きHr,Hsの関係を次式
(1) Hr/Hs≦C (但し、Cは定数) …(1) のように定め、この条件を満足するためのセラミックヒ
ータと検出素子との形状を設定すれば上記目的を達する
ことができる。
First, in order to improve the warm-up characteristic of the detecting element by the ceramic heater without lowering the brazing strength of the lead terminal at the brazing portion,
The heat removal Hr from the heat generation pattern to the brazing portion is suppressed as much as possible, and the heat removal Hs from the ceramic heater to the detection element.
Should be increased as much as possible. Then, based on the minimum required warm-up characteristics and the deterioration characteristics of the brazing strength under the actual use conditions of the oxygen sensor, the relationship between each heat removal Hr and Hs is expressed by the following equation.
(1) Hr / Hs ≦ C (where C is a constant) (1) The above object can be attained by defining as follows and setting the shapes of the ceramic heater and the detecting element to satisfy this condition. .

【0016】しかし、実際には、ロー付け部及び検出素
子への熱引きHr,Hsを測定してそれらの条件を(1)
式の如く定めるのは非常に困難であり、またできたとし
ても、その結果から、セラミックヒータと検出素子との
形状を設定するのも難しい。そこで、請求項1,請求項
2に記載の発明では、上記各熱引きHr,Hsと酸素セ
ンサの実際の形状とから、上記(1) 式を実際に設定し得
るパラメータを設定し、そのパラメータを変化させて、
酸素センサの暖機特性及びロー付け強度の劣化特性を測
定することにより、これら各特性が酸素センサを使用す
る上で充分満足できる特性となるパラメータを規定して
いる。
However, actually, the heat removal Hr and Hs to the brazing portion and the detecting element are measured, and these conditions are set as (1)
It is very difficult to determine such a formula, and even if it is possible, it is also difficult to set the shapes of the ceramic heater and the detecting element based on the result. Therefore, according to the first and second aspects of the present invention, a parameter capable of actually setting the above equation (1) is set from each of the heat drawing Hr, Hs and the actual shape of the oxygen sensor, and the parameter is set. To change
By measuring the warm-up characteristics and the deterioration characteristics of the brazing strength of the oxygen sensor, the parameters are defined so that these characteristics are sufficiently satisfactory when the oxygen sensor is used.

【0017】即ち、発熱パターンからロー付け部への熱
引きHrは、セラミックヒータの外径Rhが大きい程大
きく、発熱パターンからロー付け部までの長さL5が小
さい程大きくなることから、その熱引きHrは、「Rh
/L5」に比例することになる。また、セラミックヒー
タから検出素子への熱引きHsは、セラミックヒータの
外径Rhが大きい程大きく、検出素子の内径Rsが小さ
い程大きくなることから、その熱引きHsは、「Rh/
Rs」に比例することになる。
That is, the heat drawing Hr from the heating pattern to the brazing portion increases as the outer diameter Rh of the ceramic heater increases, and increases as the length L5 from the heating pattern to the brazing portion decreases. Pull Hr is “Rh
/ L5 ”. Further, the heat removal Hs from the ceramic heater to the detection element is larger as the outer diameter Rh of the ceramic heater is larger and is larger as the inner diameter Rs of the detection element is smaller.
Rs ”.

【0018】このため、請求項1では、酸素センサの暖
機特性とロー付け強度の劣化特性とを共に満足するため
の形状を規定するパラメータとして、下記の関係式(2)
から、発熱パターンからロー付け部までの長さL5と、
検出素子の内径Rsとを設定し、酸素センサの暖機特性
とロー付け強度の劣化特性とを共に満足し得るこれら各
パラメータL5及びRsの関係Rs/L5を、後述実施
例に説明するように実験的に定め、発明を完成したので
ある。
For this reason, in the first aspect, the following relational expression (2) is used as a parameter defining a shape for satisfying both the warm-up characteristic of the oxygen sensor and the deterioration characteristic of the brazing strength.
, A length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion,
The relationship Rs / L5 between these parameters L5 and Rs, which can set both the inner diameter Rs of the detection element and satisfy both the warm-up characteristics of the oxygen sensor and the deterioration characteristics of the brazing strength, will be described in the following embodiments. He decided experimentally and completed the invention.

【0019】 Hr/Hs=(Rh/L5)/(Rh/Rs)=Rs/L5≦C1 …(2) 一方、発熱パターンからロー付け部への熱引きHrは、
発熱パターンからロー付け部までの長さL5が小さい程
大きくなり、セラミックヒータから検出素子への熱引き
Hsは、セラミックヒータの発熱パターン側(つまり、
検出素子の閉塞部側)の先端と、検出素子の閉塞部側の
内壁との距離L4が小さい程大きくなることから、上記
(1) 式は、これらパラメータを用いて、次式(3) のよう
に置き換えることもできる。
Hr / Hs = (Rh / L5) / (Rh / Rs) = Rs / L5 ≦ C1 (2) On the other hand, the heat removal Hr from the heat generation pattern to the brazing portion is:
The smaller the length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion, the larger the length, and the larger the heat removal Hs from the ceramic heater to the detection element, the higher the heat generation side of the ceramic heater (that is,
The smaller the distance L4 between the front end of the detection element (closed portion side) and the inner wall of the detection element on the closed portion side, the larger the distance L4 becomes.
Equation (1) can be replaced with the following equation (3) using these parameters.

【0020】Hr/Hs=L4/L5≦C2 …(3) そこで、請求項2では、酸素センサの暖機特性とロー付
け強度の劣化特性とを共に満足するための形状を規定す
るパラメータとして、発熱パターンからロー付け部まで
の長さL5と、セラミックヒータの先端と検出素子の閉
塞部内壁との距離L4とを設定し、これらの関係L4/
L5を、上記両特性を酸素センサにおいて実用上共に満
足し得るように実験的に求め(後述実施例参照)、発明
を完成したのである。
Hr / Hs = L4 / L5 ≦ C2 (3) Therefore, in claim 2, as a parameter defining a shape for satisfying both the warm-up characteristic of the oxygen sensor and the deterioration characteristic of the brazing strength, The length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion and the distance L4 between the tip of the ceramic heater and the inner wall of the closing portion of the detection element are set, and the relationship L4 /
L5 was experimentally determined so as to satisfy both of the above characteristics practically in an oxygen sensor (see Examples described later), and the invention was completed.

【0021】従って、請求項1及び請求項2に記載の酸
素センサによれば、酸素センサの暖機特性とロー付け強
度の劣化特性とを実用上充分に満足しうる酸素センサを
実現でき、ロー付け部のロー付け強度を低下させること
なく、セラミックヒータにより検出素子全体を加熱し
て、低温時でも充分な酸素検出特性が得られる酸素セン
サを提供できることになる。
Therefore, according to the oxygen sensor of the first and second aspects, it is possible to realize an oxygen sensor which can sufficiently satisfy the warm-up characteristics and the deterioration characteristics of the brazing strength of the oxygen sensor in practical use. It is possible to provide an oxygen sensor in which the entire detection element is heated by the ceramic heater without lowering the brazing strength of the attachment portion and sufficient oxygen detection characteristics can be obtained even at low temperatures.

【0022】尚、請求項1及び請求項2で夫々規定し
た、各部の寸法関係は、一つの酸素センサに同時に適用
し得るものであり、これら両発明を適用した酸素センサ
によれば、より良好な特性が得られるのはいうまでもな
い。また次に、請求項3に記載のヒータ付酸素センサに
おいては、更に、セラミックヒータの長手方向に沿った
発熱パターンの長さL1と、セラミックヒータの長手方
向に沿った全長L2との比L1/L2を、所定範囲C3
(0.04〜0.5)内に設定しているが、これは、こ
の比L1/L2が0.04よりも小さいと、発熱パター
ンが小さくなるので、検出素子を充分加熱できず、検出
素子の活性が悪くなり、逆に、比L1/L2が0.5を
越えると、セラミックヒータにおける発熱パターンとロ
ー付け部との間の長さL5が短くなりすぎ、ロー付け部
への熱引きが多くなって、ロー付け強度が低下するため
である。
Incidentally, the dimensional relationships of the respective parts defined in claim 1 and claim 2 can be applied to one oxygen sensor at the same time. According to the oxygen sensor to which these two inventions are applied, more favorable. Needless to say, excellent characteristics can be obtained. Next, in the oxygen sensor with a heater according to the third aspect, the ratio L1 / L1 of the length L1 of the heat generation pattern along the longitudinal direction of the ceramic heater to the total length L2 along the longitudinal direction of the ceramic heater is further provided. L2 is a predetermined range C3
If the ratio L1 / L2 is smaller than 0.04, the heat generation pattern becomes small, and the detection element cannot be sufficiently heated. If the ratio L1 / L2 exceeds 0.5, on the contrary, if the ratio L1 / L2 exceeds 0.5, the length L5 between the heat generation pattern and the brazing portion of the ceramic heater becomes too short, and heat is drawn to the brazing portion. Is increased, and the brazing strength is reduced.

【0023】また、請求項4に記載のヒータ付酸素セン
サにおいては、更に、セラミックヒータの長手方向に沿
った発熱パターンからロー付け部までの長さL5と、セ
ラミックヒータの長手方向に沿った全長L2との比L5
/L2を、所定範囲C4(0.3〜0.9)内に設定し
ているが、これは、比L5/L2が0.3よりも小さい
と、ロー付け部への熱引きが多くなって、ロー付け強度
が低下し、逆に、比L5/L2が0.9を越えると、発
熱パターンが小さくなるので、検出素子を充分加熱でき
ず、検出素子の活性が悪くなるためである。
Further, in the oxygen sensor with a heater according to the fourth aspect, the length L5 from the heat generation pattern along the longitudinal direction of the ceramic heater to the brazing portion, and the total length along the longitudinal direction of the ceramic heater. Ratio L5 with L2
/ L2 is set within the predetermined range C4 (0.3 to 0.9). This is because if the ratio L5 / L2 is smaller than 0.3, the heat extraction to the brazing portion increases. When the ratio L5 / L2 exceeds 0.9, on the contrary, when the ratio L5 / L2 exceeds 0.9, the heat generation pattern becomes small, so that the detection element cannot be sufficiently heated and the activity of the detection element deteriorates.

【0024】従って、請求項3及び請求項4に記載のヒ
ータ付酸素センサによれば、上記請求項1或いは請求項
2に記載のヒータ付酸素センサに比べ、酸素センサの暖
機特性とロー付け強度の劣化特性と共に満足し得る酸素
センサをより確実に実現できることになり、請求項1〜
請求項4に記載の技術を全て適用すれば、より良好な特
性が得られるヒータ付酸素センサを実現できることにな
る。
Therefore, according to the oxygen sensor with a heater according to the third and fourth aspects, the warm-up characteristics and the brazing of the oxygen sensor are different from those of the oxygen sensor with a heater according to the first or second aspect. It is possible to more reliably realize a satisfactory oxygen sensor together with the strength deterioration characteristics.
If all the techniques described in claim 4 are applied, an oxygen sensor with a heater that can obtain better characteristics can be realized.

【0025】[0025]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。本実施例のヒータ付酸素センサ(以下、単に酸素セ
ンサという)は、図1に示した従来の酸素センサと同様
に構成される。そして、本実施例の酸素センサにおい
て、検出素子Sの内部に配置されるセラミックヒータ1
7は、図2に示す如く、通電により発熱する発熱パター
ン部52、発熱パターン部52の両端に延設された一対
の導電パターン部54a,54b、及び、これら各導電
パターン部54a,54bの他端に形成された電極パタ
ーン部56a,56bからなるヒータパターン50を、
アルミナを主成分とする二枚のグリーンシート(第1グ
リーンシート62,第2グリーンシート64)の間に挟
むと共に、導電パターン部54a,54bを、第1グリ
ーンシート62の表面に形成したリード端子ロー付け用
の電極パターン(ロー付け部)66a,66bにスルー
ホールにて接続することにより、グリーンシートの積層
体を形成し、更に、この積層体を、第1グリーンシート
62を表側にして、アルミナを主成分とする棒状の基材
(碍管)68に巻き付け、焼成することにより作製され
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The oxygen sensor with heater of this embodiment (hereinafter simply referred to as oxygen sensor) is configured in the same manner as the conventional oxygen sensor shown in FIG. In the oxygen sensor of the present embodiment, the ceramic heater 1 disposed inside the detection element S
As shown in FIG. 2, reference numeral 7 denotes a heat generating pattern portion 52 which generates heat by energization, a pair of conductive pattern portions 54a and 54b extending at both ends of the heat generating pattern portion 52, and a pair of conductive pattern portions 54a and 54b. The heater pattern 50 including the electrode pattern portions 56a and 56b formed at the ends is
A lead terminal sandwiched between two green sheets (a first green sheet 62 and a second green sheet 64) mainly composed of alumina and having conductive pattern portions 54a and 54b formed on the surface of the first green sheet 62. By connecting to the electrode patterns (brazing portions) 66a and 66b for brazing with through holes, a laminate of green sheets is formed. Further, the laminate is placed with the first green sheet 62 facing up. It is produced by winding around a rod-shaped base material (porcelain tube) 68 mainly composed of alumina, followed by firing.

【0026】以下、この製造手順を説明する。 ・手順1:原料粉末の混合 平均粒径1.5μm,純度99.9%のアルミナ粉末
と、焼結促進剤としての平均粒径2μm,純度99.9
%のシリカ粉末と、平均粒径2μm,純度99.9%の
マグネシア粉末と、平均粒径2μm,純度99.9%の
カルシア粉末とを、夫々、93.5:5.0:1.0:
1.5の割合で配合し、ボールミルで20〜60時間湿
式混合した後、脱水乾燥する。尚、アルミナ粉末中のN
a量は、0.1%以下が耐久性の点で望ましい。またア
ルミナ粉末の粒径は、シートの形成性の点で、0.8〜
3.5μmが良く、更に望ましくは、1〜2.5μmが
よい。 ・手順2:基材(碍管)68の作製 上記手順1で得た配合粉末に、メチルセルロース1%,
マクセロン(商品名)15%,水10%を添加し、混練
する。そして、押出成形法で円筒形に成形し、所定寸法
に切断後、1200℃で仮焼して、外径約2.3mmの
基材68を作製する。 ・手順3:第1グリーンシート62,第2グリーンシー
ト64,及びヒータパターン50の作製 上記手順1で得た配合粉末に、ポリビニルブチラール8
%,DBP4%,メチルエチルケトン,トルエン70%
を添加し、ボールミルで混合してスラリー状とする。そ
して、これを減圧脱泡した後、ドクターブレード法によ
り、厚さ0.2〜0.4mmの第1グリーンシート62
を作製する。
Hereinafter, this manufacturing procedure will be described. Procedure 1: Mixing of raw material powder Alumina powder having an average particle size of 1.5 μm and a purity of 99.9%, and an average particle size of 2 μm and a purity of 99.9 as a sintering accelerator
% Silica powder, magnesia powder having an average particle diameter of 2 μm and a purity of 99.9%, and calcia powder having an average particle diameter of 2 μm and a purity of 99.9%, respectively, at 93.5: 5.0: 1.0. :
After mixing at a ratio of 1.5 and wet mixing with a ball mill for 20 to 60 hours, the mixture is dehydrated and dried. In addition, N in alumina powder
The amount a is preferably 0.1% or less from the viewpoint of durability. The particle size of the alumina powder is 0.8 to 0.8 in terms of sheet formability.
The thickness is preferably 3.5 μm, more preferably 1 to 2.5 μm. Step 2: Preparation of a base material (insulator tube) 68 The mixed powder obtained in the above step 1 was mixed with 1% methylcellulose,
15% of Maxelon (trade name) and 10% of water are added and kneaded. Then, it is formed into a cylindrical shape by an extrusion molding method, cut into a predetermined size, and calcined at 1200 ° C. to produce a base material 68 having an outer diameter of about 2.3 mm. Step 3: Preparation of First Green Sheet 62, Second Green Sheet 64, and Heater Pattern 50 Polyvinyl butyral 8 was added to the compounded powder obtained in Step 1 above.
%, DBP4%, methyl ethyl ketone, toluene 70%
Is added and mixed with a ball mill to form a slurry. After defoaming under reduced pressure, the first green sheet 62 having a thickness of 0.2 to 0.4 mm is formed by a doctor blade method.
Is prepared.

【0027】次に、このシート12の表面に、タングス
テンと有機バインダ(エトセル)とブチルカルビドール
で調整したペーストを、厚膜印刷法により10〜30μ
mにスクリーン印刷して、上記発熱パターン部52、導
電パターン部54a,54b、及び電極パターン部56
a,56bからなるヒータパターン50を形成する。
Next, a paste adjusted with tungsten, an organic binder (ethocell) and butyl carbidol was applied to the surface of the sheet 12 by a thick film printing method for 10 to 30 μm.
m, and the heat generating pattern portion 52, the conductive pattern portions 54a and 54b, and the electrode pattern portion 56
A heater pattern 50 composed of a and 56b is formed.

【0028】そして、更に、この印刷表面に、第1グリ
ーンシート62と同様の方法にて形成した厚さ0.05
mmの第2グリーンシート64を圧着し、上記グリーン
シートの積層体を作製する。尚、第1グリーンシート6
2のヒータパターン50とは反対側の面(表面)におい
て、ヒータパターン50の導電パターン部54a,54
bとの対応する位置には、予め、ロー付け部66a,6
6bと、各ロー付け部66a,66bと導通してヒータ
パターン50が積層される裏面側に貫通するスルーホー
ル(図示せず)とを、上記ペーストの充填或いは印刷
(タングステン或いはタングステンを主成分としたメタ
ライズインク)により形成しておく。 ・手順4:基材68とグリーンシートの積層体との一体
化 上記手順3で得られた積層体の第2グリーンシート64
側表面に、手順1でで得た配合粉末にポリビニルブチラ
ール25%,DBP8%,ブチルカルビドール30%を
添加してなるペーストを塗布する。そして、この塗布面
を基材68との接合に供するようにして、基材68の周
囲に積層体を巻き付け、加圧密着させる。尚、このと
き、基材68は、シートの端面が折れ等を生じないよう
に、シートより上下0.3〜3mm出ていることが望ま
しい。
Further, a thickness of 0.05 formed on the printing surface by the same method as that of the first green sheet 62.
mm second green sheet 64 is pressed to form a laminate of the green sheets. In addition, the first green sheet 6
On the surface (front surface) opposite to the second heater pattern 50, the conductive pattern portions 54 a and 54
b, the brazing parts 66a, 6
6b and a through-hole (not shown) penetrating through the back surface side on which the heater pattern 50 is laminated by conducting with each of the brazing portions 66a and 66b is filled or printed with the above-mentioned paste (tungsten or tungsten as a main component). Metallized ink). Procedure 4: Integration of base material 68 and laminate of green sheets The second green sheet 64 of the laminate obtained in Procedure 3 above
A paste formed by adding 25% of polyvinyl butyral, 8% of DBP, and 30% of butyl carbidol to the blended powder obtained in Procedure 1 is applied to the side surface. Then, the laminated body is wound around the base material 68 so as to be bonded to the base material 68 so as to be used for bonding the coated surface to the base material 68. At this time, it is desirable that the base material 68 protrude 0.3 to 3 mm above and below the sheet so that the end face of the sheet does not break.

【0029】そして、250℃で樹脂抜きした後、水素
炉雰囲気中にて、1500〜1600℃で焼成して、上
記各部が一体化焼結された本実施例のセラミックヒータ
17を得る。但し、このとき、シートと基材68との収
縮差が0.01〜0.1になるように、基材68の仮焼
温度を調整してある。
Then, after the resin is removed at 250 ° C., it is fired at 1500 to 1600 ° C. in a hydrogen furnace atmosphere to obtain the ceramic heater 17 of the present embodiment in which the above-described parts are integrally sintered. However, at this time, the calcination temperature of the base material 68 is adjusted so that the difference in shrinkage between the sheet and the base material 68 becomes 0.01 to 0.1.

【0030】このように作製されたセラミックヒータ1
7においては、その表面に形成されたロー付け部66
a,66bに、リード線接続用のリード端子18がロー
付けされ、このリード端子18を介してヒータパターン
50に通電すれば、発熱パターン部52が発熱する。従
って、例えば、図1に示すように、検出素子Sの開口部
より嵌入されて内側電極5に接続される接続端子9にヒ
ータ保持部9aを形成し、このヒータ保持部9aを介し
てセラミックヒータ17を検出素子Sの内部空間に配置
すれば、検出素子Sを加熱し、活性化させることができ
る。
The ceramic heater 1 manufactured as described above
7, the brazing portion 66 formed on the surface
A lead terminal 18 for connecting a lead wire is soldered to a and 66b, and when the heater pattern 50 is energized through the lead terminal 18, the heat generating pattern portion 52 generates heat. Therefore, for example, as shown in FIG. 1, a heater holding portion 9a is formed at the connection terminal 9 which is fitted through the opening of the detection element S and is connected to the inner electrode 5, and a ceramic heater is provided via the heater holding portion 9a. By arranging 17 in the internal space of the detection element S, the detection element S can be heated and activated.

【0031】しかし、酸素センサを動作させる度に、発
熱パターン部52で発生した熱によってロー付け部66
a,66bが高温になるような場合には、ロー付け部6
6a,66bでのリード端子18のロー付け強度が短期
間で低下し、酸素センサの寿命が短くなる。また、発熱
パターン部52からロー付け部66a,66bに伝わる
熱を抑えるために、発熱パターン部52を小さくする
と、セラミックヒータ17の検出素子Sに対する暖機特
性が低下して、検出素子Sを充分加熱することができな
くなる。
However, every time the oxygen sensor is operated, the brazing portion 66
a, 66b may be heated to a high temperature.
The brazing strength of the lead terminals 18 at 6a and 66b is reduced in a short time, and the life of the oxygen sensor is shortened. Further, if the size of the heat generating pattern portion 52 is reduced in order to suppress the heat transmitted from the heat generating pattern portion 52 to the brazing portions 66a and 66b, the warm-up characteristic of the ceramic heater 17 with respect to the detecting element S is reduced, and the detecting element S is sufficiently provided. It can no longer be heated.

【0032】そこで、本願発明者らは、ロー付け部66
a,66bにおけるリード端子18のロー付け強度を低
下させることなく、セラミックヒータ17による検出素
子Sの暖機特性を確保できるようにするためには、セラ
ミックヒータ17及び検出素子Sの形状をどのように設
定すればよいかを種々検討し、下記の実験1〜実験3に
より、セラミックヒータ17及び検出素子Sの各部の寸
法関係を決定した。
Therefore, the inventors of the present application set the brazing portion 66
In order to ensure the warm-up characteristic of the detection element S by the ceramic heater 17 without lowering the brazing strength of the lead terminals 18 at a and 66b, the shape of the ceramic heater 17 and the detection element S must be adjusted. Were examined in various ways, and the dimensional relationship between the ceramic heater 17 and each part of the detection element S was determined by the following Experiments 1 to 3.

【0033】以下、その実験及び実験結果について説明
する。尚、この実験では、上記のように作製したセラミ
ックヒータ17のロー付け部66a,66bをNiメッ
キし、ロー材(共晶ロー)を用いて、Ni基金属(Fe
基金属でもよいが本実施例ではNi基金属とした)から
なるリード端子18を接合し、更に、その上にNiメッ
キを施した。また、ロー付け部66a,66b及びロー
付け後のNiメッキ厚は、ロー材の酸化を防止する上
で、0.5〜10μmが好ましいことから、以下の実験
でも、ロー付け部66a,66bのNiメッキ厚をこの
範囲に設定した。
Hereinafter, the experiment and the experimental result will be described. In this experiment, the brazing portions 66a and 66b of the ceramic heater 17 manufactured as described above were plated with Ni, and a Ni-based metal (Fe) was formed using a brazing material (eutectic brazing).
A lead terminal 18 made of a base metal (although the base terminal may be a Ni base metal in this embodiment) was joined, and Ni plating was further applied thereon. In addition, the Ni plating thickness of the brazed portions 66a and 66b and the Ni plating after brazing is preferably 0.5 to 10 μm in order to prevent oxidation of the brazing material. The Ni plating thickness was set in this range.

【0034】また、ロー付け部66a,66bの大きさ
は、セラミックヒータ17の長手方向に沿った長さa1
が4mm、これと直交する幅方向の長さa2が2mm、
セラミックヒータ17の外側端部からロー付け部66
a,66bまでの間の長さL3が0.2mmであり、セ
ラミックヒータ17の直径Rhは、2.8mmである。
The size of the brazing portions 66a, 66b is the length a1 along the longitudinal direction of the ceramic heater 17.
Is 4 mm, the length a2 in the width direction orthogonal to this is 2 mm,
From the outer end of the ceramic heater 17 to the brazing portion 66
The length L3 between a and 66b is 0.2 mm, and the diameter Rh of the ceramic heater 17 is 2.8 mm.

【0035】そして、下記の実験1〜実験3では、図3
に示す各部の寸法関係、即ち、 検出素子Sの内径Rsと、セラミックヒータ17に
おける発熱パターン部52のロー付け部66a,66b
側先端からロー付け部66a,66bまでの長さL5
(セラミックヒータ17の長手方向に沿った長さ)との
比Rs/L5、 セラミックヒータ17の発熱パターン部52側先端
部から検出素子Sの閉塞部内壁までの距離L4と、セラ
ミックヒータ17における発熱パターン部52からロー
付け部66a,66bまでの長さL5との比L4/L
5、 セラミックヒータ17の長手方向に沿った発熱パタ
ーン部52の長さL1と、セラミックヒータ17の長手
方向に沿った全長L2との比L1/L2、 セラミックヒータ17における発熱パターン部52
からロー付け部66a,66bまでの長さL5と、セラ
ミックヒータ17の長手方向に沿った全長L2との比L
5/L2、 の最適範囲C1,C2,C3,C4を夫々得るために、
これら各部の比Rs/L5,L4/L5,L1/L2,
L5/L2が異なる酸素センサ(構造は図1に示したも
のと同じである)を多数作製し、各酸素センサにおける
ライトオフ時間及びロー付け強度を測定した。但し、検
出素子Sの内部空間の全長(セラミックヒータ17の長
手方向に沿った長さ)L0は、40mmである。
In the following Experiments 1 to 3, FIG.
, The inner diameter Rs of the detecting element S and the brazing portions 66a, 66b of the heat generating pattern portion 52 in the ceramic heater 17.
Length L5 from side tip to brazing parts 66a, 66b
(Length along the longitudinal direction of the ceramic heater 17) Rs / L5, a distance L4 from the tip of the ceramic heater 17 on the side of the heating pattern portion 52 to the inner wall of the closed portion of the detection element S, and heat generation in the ceramic heater 17 Ratio L4 / L to length L5 from pattern portion 52 to brazing portions 66a and 66b
5. The ratio L1 / L2 of the length L1 of the heat generating pattern portion 52 along the longitudinal direction of the ceramic heater 17 to the total length L2 along the longitudinal direction of the ceramic heater 17, and the heat generating pattern portion 52 of the ceramic heater 17
L5 from the length L5 to the brazing portions 66a and 66b and the total length L2 along the longitudinal direction of the ceramic heater 17
In order to obtain the optimal ranges C1, C2, C3 and C4 of 5 / L2, respectively,
The ratio Rs / L5, L4 / L5, L1 / L2 of these parts
A number of oxygen sensors having different L5 / L2 (the structure is the same as that shown in FIG. 1) were manufactured, and the light-off time and the brazing strength of each oxygen sensor were measured. However, the total length L0 (length along the longitudinal direction of the ceramic heater 17) of the internal space of the detection element S is 40 mm.

【0036】尚、ライトオフ時間とは、セラミックヒー
タ17の通電後、酸素センサが活性化するまでの時間を
表し、本実験では、上記のように作製した各種酸素セン
サを、酸素が少ないリッチ雰囲気の常温のモデルガスを
流した配管に装着し、セラミックヒータ17に通電し
て、酸素センサの出力が450mVに達するまでの時間
を測定する、といった手順でライトオフ時間を測定し
た。
The light-off time represents the time from the energization of the ceramic heater 17 to the activation of the oxygen sensor. In this experiment, the various oxygen sensors manufactured as described above were used in an oxygen-rich atmosphere containing little oxygen. And the ceramic heater 17 was energized, and the time until the output of the oxygen sensor reached 450 mV was measured to measure the light-off time.

【0037】また、ロー付け強度の測定は、上記のよう
に作製した各種酸素センサを、500℃のモデルガスを
流した配管に装着し、ヒータに5分間通電し、その後、
5分間通電を停止(無通電)する、といった手順で、通
電・無通電のサイクルを10000サイクル繰り返すこ
とにより、酸素センサの耐久試験を行い、その後、更
に、酸素センサを分解して、セラミックヒータ17を取
り出し、セラミックヒータ17にロー付けされたリード
端子18の接合強度を引っ張り試験で測定する、といっ
た手順で行い、その引っ張り試験の結果(引っ張り強
度)を、ロー付け強度とした。 [実験1]まず、上記,の比Rs/L5,L4/L
5の最適範囲C1,C2を規定するために、発熱パター
ン部52の長さL1を10mm、セラミックヒータ17
の全長L2を70mmとし、検出素子Sの内径Rs、発
熱パターン部52からロー付け部66a,66bまでの
長さL5、及び、セラミックヒータ17の先端から検出
素子Sの閉塞部内壁までの距離L4を、夫々、異なる値
に設定した酸素センサを作製し、上記ライトオフ時間及
びロー付け強度を測定した。この測定結果の一例を表1
に示す。
In order to measure the brazing strength, various oxygen sensors prepared as described above were attached to a pipe through which a model gas at 500 ° C. was flowed, and a heater was energized for 5 minutes.
The endurance test of the oxygen sensor is performed by repeating the energization / non-energization cycle for 10,000 cycles in such a procedure that the energization is stopped (non-energization) for 5 minutes. Was taken out and the bonding strength of the lead terminal 18 brazed to the ceramic heater 17 was measured by a tensile test, and the result of the tensile test (tensile strength) was taken as the brazing strength. [Experiment 1] First, the above ratios Rs / L5, L4 / L
In order to define the optimum ranges C1 and C2, the length L1 of the heating pattern portion 52 is set to 10 mm,
Is 70 mm, the inner diameter Rs of the detecting element S, the length L5 from the heating pattern portion 52 to the brazing portions 66a and 66b, and the distance L4 from the tip of the ceramic heater 17 to the inner wall of the closing portion of the detecting element S. Were set to different values, respectively, and the light-off time and the brazing strength were measured. Table 1 shows an example of this measurement result.
Shown in

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】そして、この表1からも判るように、ライ
トオフ時間を短くし(例えば、40sec.以下にする)、
且つ、大きなロー付け強度を得る(例えば、5kg・f以上
にする)には、上記各比Rs/L5,L4/L5をでき
るだけ小さくすればよく、好ましくは、検出素子Sの内
径Rsと、発熱パターン部52からロー付け部66a,
66bまでの長さL5との比Rs/L5の最適範囲C1
は、0.3以下(C1≦0.3)に設定し、セラミック
ヒータ17の先端部から検出素子Sの閉塞部内壁までの
距離L4と、発熱パターン部52からロー付け部66
a,66bまでの長さL5との比L4/L5の最適範囲
C2は、0.2以下(C2≦0.2)に設定すればよい
ことが判る。 [実験2]次に、上記の比L1/L2の最適範囲C3
を規定するために、検出素子Sの内径Rsを3.8m
m、発熱パターン部52からロー付け部66a,66b
までの長さL5を40mm、セラミックヒータ17の先
端から検出素子Sの閉塞部内壁までの距離L4を5mm
とし、発熱パターン部52の長さL1、及び、セラミッ
クヒータ17の全長L2を、夫々、異なる値に設定した
酸素センサを作製し、上記ライトオフ時間及びロー付け
強度を測定した。この測定結果の一例を表2に示す。
As can be seen from Table 1, the light-off time is shortened (for example, 40 sec. Or less),
In addition, in order to obtain a large brazing strength (for example, 5 kg · f or more), the ratios Rs / L5 and L4 / L5 should be as small as possible. From the pattern section 52 to the brazing section 66a,
Optimum range C1 of ratio Rs / L5 to length L5 up to 66b
Is set to 0.3 or less (C1 ≦ 0.3), the distance L4 from the tip of the ceramic heater 17 to the inner wall of the closed portion of the detection element S, and the distance from the heating pattern portion 52 to the brazing portion 66 are set.
It can be seen that the optimum range C2 of the ratio L4 / L5 to the length L5 up to a and 66b may be set to 0.2 or less (C2 ≦ 0.2). [Experiment 2] Next, the optimum range C3 of the above ratio L1 / L2
In order to define the inner diameter Rs of the detection element S to 3.8 m
m, from the heating pattern portion 52 to the brazing portions 66a, 66b
The distance L4 from the tip of the ceramic heater 17 to the inner wall of the closed portion of the detection element S is 5 mm.
An oxygen sensor was prepared in which the length L1 of the heat generating pattern portion 52 and the total length L2 of the ceramic heater 17 were set to different values, respectively, and the light-off time and the brazing strength were measured. Table 2 shows an example of the measurement results.

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】そして、この表2からは、比L1/L2を
小さくし過ぎると、ライトオフ時間が長くなり、逆に比
L1/L2を大きくし過ぎると、ロー付け強度が小さく
なるので、 ライトオフ時間を短くし(例えば、40se
c.以下にする)、且つ、大きなロー付け強度を得る(例
えば、5kg・f以上にする)には、上記比L1/L2の最
適範囲C3を、0.04〜0.5の範囲内(換言すれ
ば、0.04≦C3≦0.5)に設定すればよいことが
判る。 [実験3]また次に、上記の比L5/L2の最適範囲
C4を規定するために、検出素子Sの内径Rsを3.8
mm、発熱パターン部52の長さL1を5mm、セラミ
ックヒータ17の先端から検出素子Sの閉塞部内壁まで
の距離L4を5mmとし、発熱パターン部52からロー
付け部66a,66bまでの長さL5、及び、セラミッ
クヒータ17の全長L2を、夫々、異なる値に設定した
酸素センサを作製し、上記ライトオフ時間及びロー付け
強度を測定した。この測定結果の一例を表3に示す。
From Table 2, it can be seen that if the ratio L1 / L2 is too small, the write-off time is prolonged. Conversely, if the ratio L1 / L2 is too large, the brazing strength is reduced. Shorten the time (for example, 40se
c.) and to obtain a large brazing strength (for example, 5 kg · f or more), the optimum range C3 of the ratio L1 / L2 is set within the range of 0.04 to 0.5 ( In other words, it can be seen that it is sufficient to set 0.04 ≦ C3 ≦ 0.5). [Experiment 3] Next, in order to define the optimum range C4 of the ratio L5 / L2, the inner diameter Rs of the detection element S was set to 3.8.
mm, the length L1 of the heating pattern portion 52 is 5 mm, the distance L4 from the tip of the ceramic heater 17 to the inner wall of the closed portion of the detection element S is 5 mm, and the length L5 from the heating pattern portion 52 to the brazing portions 66a, 66b is L5. An oxygen sensor in which the total length L2 of the ceramic heater 17 was set to different values was manufactured, and the light-off time and the brazing strength were measured. Table 3 shows an example of the measurement results.

【0042】[0042]

【表3】 [Table 3]

【0043】そして、この表3からは、比L5/L2を
小さくし過ぎると、ロー付け強度が小さくなり、逆に比
L5/L2を大きくし過ぎると、ライトオフ時間が長く
なるので、ライトオフ時間を短くし(例えば、40sec.
以下にする)、且つ、大きなロー付け強度を得る(例え
ば、5kg・f以上にする)には、上記比L5/L2の最適
範囲C4を、0.3〜0.9の範囲内(換言すれば、
0.3≦C4≦0.9)に設定すればよいことが判る。
It can be seen from Table 3 that if the ratio L5 / L2 is too small, the brazing strength will be small, and if the ratio L5 / L2 is too large, the light-off time will be long. Shorten the time (for example, 40 sec.
In order to obtain a large brazing strength (for example, 5 kg · f or more), the optimum range C4 of the ratio L5 / L2 is set within the range of 0.3 to 0.9 (in other words, If
0.3 ≦ C4 ≦ 0.9).

【0044】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、
種々の態様を採ることができる。例えば、上記実施例で
は、セラミックヒータ17は、その元となるグリーンシ
ートの積層体を、押出成形法で円筒形に成形した基材6
8の周囲に巻き付けることにより作製するものとして説
明したが、セラミックヒータ17は、例えば、角柱状に
形成した基材の周囲に巻き付けることにより、角柱状に
形成してもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
Various embodiments can be adopted. For example, in the above-described embodiment, the ceramic heater 17 is formed by forming the base green sheet laminate into a cylindrical shape by extrusion molding.
Although the ceramic heater 17 has been described as being manufactured by winding around the periphery of the base material 8, the ceramic heater 17 may be formed into a prism shape by winding around a base material formed into a prism shape, for example.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 従来及び実施例の酸素センサの全体構成を表
す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an overall configuration of an oxygen sensor according to a related art and an example.

【図2】 セラミックヒータの構成及び製造手順を説明
する説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration and a manufacturing procedure of a ceramic heater.

【図3】 セラミックヒータ及び検出素子の各部の寸法
を説明する説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating dimensions of each part of a ceramic heater and a detection element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

S…検出素子 17…セラミックヒータ 18…リ
ード端子 50…ヒータパターン 52…発熱パターン部 54a,54b…導電パターン部 56a,56b…
電極パターン部 62…第1グリーンシート 64…第2グリーンシー
ト 66a,66b…ロー付け部 68…基材
S: detecting element 17: ceramic heater 18: lead terminal 50: heater pattern 52: heating pattern 54a, 54b: conductive pattern 56a, 56b ...
Electrode pattern portion 62 first green sheet 64 second green sheet 66a, 66b brazing portion 68 base material

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン伝導性固体電解質を一端が閉
塞し他端が開口した有底円筒状に形成し、該固体電解質
の内外表面に多孔質電極を形成してなる検出素子と、 長尺状のセラミック焼結体からなり、該セラミック焼結
体の長手方向一端側に通電により発熱する発熱パターン
が埋設されると共に、該発熱パターンから前記セラミッ
ク焼結体の長手方向他端側に向かって該発熱パターン通
電用の導電パターンが埋設され、更に、前記セラミック
焼結体の長手方向他端側表面には、前記導電パターンに
接続され、外部から該導電パターンに電源供給を行うた
めのリード端子がロー付けされるロー付け部が形成され
たセラミックヒータと、 を備え、該セラミックヒータを、前記発熱パターンが形
成された一端側が前記検出素子の閉塞部側となるよう、
前記検出素子の内部空間に配置してなるヒータ付酸素セ
ンサにおいて、 前記検出素子の内径Rsと、前記セラミックヒータの長
手方向に沿った前記発熱パターンから前記ロー付け部ま
での長さL5との比Rs/L5を、0.3以下に設定し
てなることを特徴とするヒータ付酸素センサ。
1. A detection element in which an oxygen ion conductive solid electrolyte is formed in a closed-end cylindrical shape having one end closed and the other end opened, and a porous electrode formed on inner and outer surfaces of the solid electrolyte. A heat generating pattern that generates heat by energization is embedded at one longitudinal end of the ceramic sintered body, and extends from the heat generating pattern toward the other longitudinal end of the ceramic sintered body. A conductive pattern for energizing the heat generation pattern is buried, and further, a lead terminal connected to the conductive pattern on the other end surface in the longitudinal direction of the ceramic sintered body to supply power to the conductive pattern from outside. And a ceramic heater having a brazing portion to which the heat generating pattern is formed. ,
An oxygen sensor with a heater disposed in an internal space of the detection element, wherein a ratio of an inner diameter Rs of the detection element to a length L5 from the heating pattern to the brazing portion along a longitudinal direction of the ceramic heater. An oxygen sensor with a heater, wherein Rs / L5 is set to 0.3 or less.
【請求項2】 酸素イオン伝導性固体電解質を一端が閉
塞し他端が開口した有底円筒状に形成し、該固体電解質
の内外表面に多孔質電極を形成してなる検出素子と、 長尺状のセラミック焼結体からなり、該セラミック焼結
体の長手方向一端側に通電により発熱する発熱パターン
が埋設されると共に、該発熱パターンから前記セラミッ
ク焼結体の長手方向他端側に向かって該発熱パターン通
電用の導電パターンが埋設され、更に、前記セラミック
焼結体の長手方向他端側表面には、前記導電パターンに
接続され、外部から該導電パターンに電源供給を行うた
めのリード端子がロー付けされるロー付け部が形成され
たセラミックヒータと、 を備え、該セラミックヒータを、前記発熱パターンが形
成された一端側が前記検出素子の閉塞部側となるよう、
前記検出素子の内部空間に配置してなるヒータ付酸素セ
ンサにおいて、 前記セラミックヒータの前記発熱パターン側先端部から
前記検出素子の閉塞部内壁までの距離L4と、前記セラ
ミックヒータの長手方向に沿った前記発熱パターンから
前記ロー付け部までの長さL5との比L4/L5を、
0.2以下に設定してなることを特徴とするヒータ付酸
素センサ。
2. A detection element in which an oxygen ion conductive solid electrolyte is formed in a closed-end cylindrical shape having one end closed and the other end opened, and a porous electrode formed on inner and outer surfaces of the solid electrolyte. A heat generating pattern that generates heat by energization is embedded at one longitudinal end of the ceramic sintered body, and extends from the heat generating pattern toward the other longitudinal end of the ceramic sintered body. A conductive pattern for energizing the heat generation pattern is buried, and further, a lead terminal connected to the conductive pattern on the other end surface in the longitudinal direction of the ceramic sintered body to supply power to the conductive pattern from outside. And a ceramic heater having a brazing portion to which the heat generating pattern is formed. ,
In the oxygen sensor with a heater disposed in the internal space of the detection element, a distance L4 from a tip end of the ceramic heater on the heat generation pattern side to an inner wall of the closed part of the detection element and a lengthwise direction of the ceramic heater. The ratio L4 / L5 to the length L5 from the heat generation pattern to the brazing portion is:
An oxygen sensor with a heater, which is set to 0.2 or less.
【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載のヒータ付
酸素センサにおいて、前記セラミックヒータの長手方向
に沿った前記発熱パターンの長さL1と、前記セラミッ
クヒータの長手方向に沿った全長L2との比L1/L2
を、0.04〜0.5の範囲内に設定してなることを特
徴とするヒータ付酸素センサ。
3. The oxygen sensor with a heater according to claim 1, wherein a length L1 of the heat generation pattern along a longitudinal direction of the ceramic heater and a total length L2 of the ceramic heater along the longitudinal direction. Ratio L1 / L2 with
Is set in the range of 0.04 to 0.5.
【請求項4】 請求項1〜請求項3いずれか記載のヒー
タ付酸素センサにおいて、前記セラミックヒータの長手
方向に沿った前記発熱パターンから前記ロー付け部まで
の長さL5と、前記セラミックヒータの長手方向に沿っ
た全長L2との比L5/L2を、0.3〜0.9の範囲
内に設定してなることを特徴とするヒータ付酸素セン
サ。
4. The oxygen sensor with a heater according to claim 1, wherein a length L5 from the heat generation pattern along the longitudinal direction of the ceramic heater to the brazing portion, and a length of the ceramic heater. An oxygen sensor with a heater, wherein a ratio L5 / L2 with respect to an overall length L2 along a longitudinal direction is set in a range of 0.3 to 0.9.
JP9297149A 1997-10-29 1997-10-29 Oxygen sensor with heater Pending JPH11132993A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013257191A (en) * 2012-06-12 2013-12-26 Ngk Spark Plug Co Ltd Ceramic heater and gas sensor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013257191A (en) * 2012-06-12 2013-12-26 Ngk Spark Plug Co Ltd Ceramic heater and gas sensor

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