JP2000106266A

JP2000106266A - セラミックヒ―タ

Info

Publication number: JP2000106266A
Application number: JP11201588A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kobayashi; 正幸小林; Makoto Shirai; 白井　　誠; Zenji Sakamoto; 善次坂本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2000-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】平面状側面へのリード線の接合部分の耐久性
に優れた，積層型角板形状のセラミックヒータを提供す
ること。【解決手段】セラミック製の本体部１０と，本体部１
０の中に形成した発熱部及びリード部１２と，本体部１
０の平面状側面１５に設けられリード部１２と電気的に
接続された金属端子部２とよりなると共に，金属端子部
２にはリード線８を接合層３により接合してなる。接合
層３はブリネル硬度が８０以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，例えば内燃機関用の酸素センサ
等に用いられるセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来技術】例えば，自動車の内燃機関には，燃焼制御
を行うために酸素センサが用いられている。この酸素セ
ンサには，通常，測定値のばらつきを防止するために，
センサ素子を加熱するセラミックヒータが内蔵されてい
る。従来のセラミックヒータは，図８，図９に示すごと
く，概ね，外形が円柱状の丸棒ヒータ９１と，立方体状
の角板ヒータ（積層型角形ヒータ）９２とに大別され
る。

【０００３】丸棒ヒータ９１は，図８に示すごとく，セ
ラミック製の本体部１０と，本体部１０の中に形成した
発熱部及びリード部１２と，本体部１０の曲面状側面９
１０に設けられ上記リード部１２と電気的に接続した金
属端子部２とよりなる。そして，金属端子部２には断面
円形の丸棒リード線８をろう材９０によって接合してあ
る。

【０００４】また，角板ヒータ９２も同様に，図９に示
すごとく，セラミック製の本体部１０と，本体部１０の
中に形成した発熱部及びリード部１２と，上記リード部
１２と電気的に接続した金属端子部２とよりなる。そし
て，金属端子部２には断面円形の丸棒リード線８をろう
材９０によって接合してある。ここで，角板ヒータ９２
が丸棒ヒータ９１と大きく異なる点は，金属端子部２を
設けた側面が平面状の平面状側面９２０である点であ
る。

【０００５】

【解決しようとする課題】ところで，従来の丸棒ヒータ
９１と角板ヒータ９２とを比べると，繰り返し使用の結
果，角板ヒータ９２の方が本体部１０のセラミック（例
えばアルミナ）や金属端子部２にクラック等が生じやす
い傾向にある。この現象は，図８（Ｂ），図９（Ｂ）に
示すごとく，角板ヒータ９２の金属端子部２に対するろ
う材９０の接触角度βが，丸棒ヒータ９１における接触
角度αよりも大きいことに起因していると考えられる。
しかしながら，この接触角度α，βの違いは丸形状と平
面形状という側面の形状差によって生ずるものであり，
この差を無くすことは困難である。

【０００６】一方，一般的に用いられているろう材とし
ては，銀銅ろう，金銅ろう等が考えられるが，銀系のろ
う材はマイグレーションが発生し易く適用することはで
きない。また，金銅ろうについては金の含有率３５〜９
０％にてマイグレーションの防止と接合強度の向上が達
成されたとの報告（実公平７−４３９８８号）がある。
しかしながら，このろう材では，上記のごとく，応力的
に不利な構造の角板ヒータにおける耐久性は十分ではな
い。この理由は，次のように考えられる。

【０００７】即ち，金銅ろうはその比率により硬さが大
きく変化し，熱荷重によって生じる応力も異なる。また
この応カは上記ろう材層の厚みが厚いほど，即ち，上記
接触角度が大きいほど大きくなると考えられる。それ
故，上記のごとく接触角度βが大きい角板ヒータにおい
ては，ろう材の硬度が高い比率のろう材を使用した場
合，上記クラックの発生率が高くなる。

【０００８】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，平面状側面へのリード線の接合部分の耐
久性に優れた，セラミックヒータを提供しようとするも
のである。

【０００９】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，セラミッ
ク製の本体部と，該本体部の中に形成した発熱部及びリ
ード部と，上記本体部の平面状側面に設けられ上記リー
ド部と電気的に接続された金属端子部とよりなると共
に，該金属端子部にはリード線を接合層により接合して
なる積層型角板形状のセラミックヒータであって，上記
接合層のブリネル硬度が８０以下であることを特徴とす
るセラミックヒータにある。

【００１０】本発明において最も注目すべきことは，上
記接合層のブリネル硬度が８０以下（単位は無次元）で
あり，比較的軟らかいことである。上記接合層のブリネ
ル硬度が８０を越える場合には，熱荷重による金属端子
部へのクラックの発生率が高くなるおそれがある。

【００１１】また，上記硬度を有する接合層としては，
例えば，Ｃｕ−Ｚｎ合金，Ａｇ，Ａｇ−Ｃｕ合金，Ａｌ
−Ｃｕ合金等，種々の合金においてその成分を調整する
ことにより得ることができる。

【００１２】次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明のセラミックヒータにおいては，上記リード線の
接合に上記ブリネル硬度が８０以下の上記接合層を用い
ている。即ち，この接合層は，従来よりも硬度が低い。
そのため，上記セラミックヒータを温度変化の激しい環
境下で使用しても，接合層自体が熱応力を吸収すること
ができ，これにより本体部及び金属端子部への応力付与
を軽減させることができる。

【００１３】それ故，本発明のセラミックヒータは，上
記リード線を接合する側面が平面状側面であっても，そ
の接合部分における金属端子部及び本体部のクラック発
生を抑制することができ，優れた耐久性を発揮すること
ができる。したがって，本発明によれば，平面状側面へ
のリード線の接合部分の耐久性に優れた，セラミックヒ
ー夕を提供することができる。

【００１４】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記接合層はＣｕを４０重量％以上含有していることが好
ましい。これにより，接合層の適度な軟らかさを容易に
得ることができ，上記のごとく，接合部分における金属
端子部及び本体部のクラック発生を抑制することができ
る。一方，Ｃｕの含有率が４０重量％未満の場合には，
その他の添加成分の作用により接合層の硬度が高くな
り，熱荷重によるクラックの発生率が高くなるおそれが
ある。

【００１５】また，請求項３に記載の発明のように，上
記接合層は，Ｃｕ４０重量％以上かつＡｕ６０重量％以
下を含有するよう構成することもできる。銅と金の成分
系では，図７に示すごとく，その比率により硬度が大き
く変化しており，Ａｕ６０〜９０重量％付近では硬度が
極端に大きくなっている。これにより，熱応力によるク
ラックが発生しやすくなるおそれがある。

【００１６】また，Ａｕ９０重量％以上では，硬度は低
い値を示しているものの，コスト高となるために採用す
ることはできない。本発明のセラミックヒータは，金と
銅を硬度の低い所定の比率に設定することにより，請求
項１の発明と同様の作用効果を得ることができる。

【００１７】次に，請求項４に記載の発明のように，上
記金属端子部表面に３μｍ以下のＮｉメッキ膜を形成
し，該Ｎｉメッキ膜上に上記リード線を上記接合層によ
り接合することが好ましい。

【００１８】この場合には，上記接合層については，上
記と同様の作用効果を得ることができる。さらに，上記
金属端子部表面に３μｍ以下のＮｉメッキ膜を施すこと
により，接合層の濡れ性が向上し，角板ヒータ特有の問
題点である金属端子部とろう材との接触角を小さくする
ことができ，熱応力によるクラックの発生をさらに抑制
することができる。一方，Ｎｉメッキの厚さが３μｍを
越える場合は，金属端子部との間で生成する金属化合物
が接合強度を低下させるおそれがある。

【００１９】次に，請求項５に記載の発明のように，上
記接合層はＮｉを２〜２０重量％含有していることが好
ましい。接合層にＮｉを含有させた場合には，上記金属
端子部に対する接合層の濡れ性を向上させることができ
る。そのため，金属端子部に対して接合層を直接形成す
ることが容易にできる。

【００２０】この効果を発揮させるためには，接合層に
Ｎｉを２重量％以上含有させることが望ましい。上記接
合層のＮｉ含有率が２重量％未満である場合には，濡れ
性が悪くなり優れた接合状態を得ることができず，接合
強度が低下するおそれがある。一方，Ｎｉを２０重量％
を超えて含有させた場合には，金属端子部を構成する金
属元素とＮｉとが金属間化合物を生成しやすくなり，接
合強度の低下を招きやすいという問題がある。

【００２１】また，請求項６に記載の発明のように，上
記接合層には，上記金属端子部を構成する元素が含有さ
れていることが好ましい。この場合には，接合層と金属
端子部との接合強度を高めることができる。なお，上記
接合層には，上記金属端子部の構成元素の他に，不可避
不純物も含有されることは言うまでもない。

【００２２】また，請求項７に記載の発明のように，上
記金属端子部はＷを７０重量％以上含有していることが
好ましい。Ｗは，セラミック製の本体部とのなじみがよ
く，また，耐熱性に優れているため，上記金属端子部と
して適している。Ｗの含有量が７０重量％未満の場合に
はその効果があまり発揮されない。一方，上記金属端子
部は，セラミック製の本体部及び該本体部の中に形成さ
れたリード部との接合が良好であればＷ１００重量％で
構成してもよい。

【００２３】また，請求項８に記載の発明のように，上
記金属端子部は上記本体部の平面状側面のエッジ部まで
形成されていることが好ましい。即ち，金属端子部は，
上記平面状側面の一端から他端までの表面を覆うよう形
成することが好ましい。この場合には，金属端子部の平
面状側面への接着強度を向上させることができる。

【００２４】また，請求項９に記載の発明のように，上
記金属端子部は上記本体部の平面状側面のエッジ部を覆
っていることがさらに好ましい。この場合には，金属端
子部と本体部との接着面積がさらに大きくなり，一層接
着強度を向上させることができる。

【００２５】また，請求項１０に記載の発明のように，
上記接合層は，上記金属端子部とリード部との接合位置
の上方を覆うように，上記金属端子部の上部に設けてあ
ることが好ましい。この場合には，上記リード部と金属
端子部との接合部を上記接合層によって覆うことができ
るため，上記リード部の酸化抑制効果を向上させること
ができる。

【００２６】また，請求項１１に記載の発明のように，
上記接合層は，リード線及び金属端子部の最外表面はＮ
ｉメツキにより被覆されていることが好ましい。この場
合には，Ｎｉの優れた耐食性及び耐熱性によって，上記
リード線の接合部分全体の耐久性を向上させることがで
きる。

【００２７】

【発明の実施の形態】実施形態例１本発明の実施形態例にかかるセラミックヒータにつき，
図１〜図４を用いて説明する。本例のセラミックヒータ
１は，図１，図２に示すごとく，積層型角形ヒータであ
って，セラミック製の本体部１０と，該本体部１０の中
に形成した発熱部１１（図４）及びリード部１２と，上
記本体部１０の平面状側面１５に設けられ上記リード部
１２と電気的に接続された金属端子部２とよりなると共
に，該金属端子部２には断面円形の丸棒リード線８を銅
ろう接合層３により接合してなる。そして，上記銅ろう
接合層３はＣｕを４０重量％以上含有しており，かつ，
そのブリネル硬度は８０以下である。

【００２８】以下，これを詳説する。まず，上記本体部
１０は，後述するごとく，アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主
体とするセラミックシートを３枚積層してなり，内部に
発熱部１１及びリード部１２を有してなる。このリード
部１２は，図１，図３に示すごとく，左右一対で２層形
成されており，それぞれ平面状側面１５に露出させて設
けてある。

【００２９】平面状側面１５には，図１〜図３に示すご
とく，上記リード部１２を覆い，これらと電気的に導通
するように金属端子部２を設けてある。また，この金属
端子部２は，図１，図３に示すごとく，本体部１０の平
面状側面１５のエッジ部１５１まで形成されている。た
だし，エッジ１５１を覆うようには設けていない。ま
た，金属端子部２はＷを７０重量％以上含有した金属を
用いている。

【００３０】また，上記銅ろう接合層３はＮｉを２〜２
０重量％含有している。即ち，本例の銅ろう接合層３
は，Ｃｕを４０重量％以上含有すると共にＮｉを２〜２
０重量％含有する合金よりなる。また，図１，図３に示
すごとく，銅ろう接合層３は金属端子部２に直接接合さ
れている。即ち，銅ろう接合層３と金属端子部２との間
には何ら介在層を設けていない。また，同図に示すごと
く，銅ろう接合層３は，金属端子部２とリード部１２と
の接合位置の上方を覆うように，金属端子部２の上部に
設けてある。

【００３１】また，図１，図３に示すごとく，丸棒リー
ド線８の接合部分全体，即ち，銅ろう接合層３，丸棒リ
ード線８及び金属端子部２の最外表面はＮｉメッキ６に
より被覆されている。このＮｉメッキ６は，図３に示す
ごとく，金属端子部２のエッジ部２１まで設けてある。

【００３２】次に，上記セラミックヒータ１の製造手順
について，図４を用いて，簡単に説明する。セラミック
ヒータ１を製造するに当たっては，まず，Ａｌ_２Ｏ_３を
約９２重量％と，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ等を合計約
８重量％含有する原料粉末を準備し，そのスラリーを作
製する。

【００３３】次いで，上記スラリーをドクターブレード
法によって処理し，厚み０．１〜２．０ｍｍのセラミッ
クシートを成形した。次いで，該セラミックシートに打
ち抜きプレスを施し，１２０ｍｍ×１２０ｍｍの，ヒー
タ基板用グリーンシート１０１と，被覆基板用グリーン
シート１０２を作製した。なお，これらのグリーンシー
ト１０１，１０２の作製は，押出成形法等により行うこ
ともできる。

【００３４】次に，Ｗ，Ｍｏ等の金属を含有した導電性
ペーストを準備した。そして，図４（Ａ）に示すごと
く，この導電性ペーストを２枚のヒータ基板用グリーン
シート１０１上にヒータパターンに応じて印刷し，発熱
部１１及びリード部１２を形成した。次に，２枚のヒー
タ基板用グリーンシート１０１の上記リード部１２等の
形成面を互いに向かい合わせると共に，これらの間に被
覆基板用グリーンシート１０２に挟んで，３層積層体を
得る。

【００３５】次いで，図４（Ｂ）に示すごとく，上記３
層積層体を切断して個片化すると共に平面状側面１５を
形成して中間体を得る。次いで，この平面状側面１５に
金属端子部２を形成する。この金属端子部２は，Ｗを７
０重量％以上含有すると共にＭｏ等を含む金属を含有し
た導電性ペーストを作製し，これを塗布することにより
形成した。この金属端子部２用の導電性ペーストは，上
記発熱部１１及びリード部１２と同じ成分でもよいし，
異なる成分でもよい。

【００３６】次に，上記中間体をＮ_２及びＨ_２ガスより
なる還元雰囲気において，１４００〜１６００℃の温度
に加熱して焼成し，焼結体を得る。次いで，焼結体の先
端部を研磨装置を使用して所望形状に研磨する。なお，
この研磨工程は省略することもできる。

【００３７】次いで，Ｃｕを４０重量％以上含有すると
共にＮｉを２〜２０重量％含有する銅ろう接合層３によ
り，丸棒リード線８を金属端子部２上に接合する。接合
は，銅ろう接合層３と丸棒リード線８を金属端子部２上
に配置して，Ｎ_２雰囲気中もしくは真空中において１０
００〜１２００℃の温度に加熱することにより行った。
なお，上記接合層中のＮｉは，Ｎｉを含有した丸棒リー
ド線８から加熱処理中に供給されてもよい。次に，図
１，図３に示すごとく，丸棒リード線８の接合部分全
体，即ち，銅ろう接合層３，丸棒リード線８及び金属端
子部２の最外表面はＮｉメッキ６により被覆した。これ
により，本例のセラミックヒータ１が得られた。

【００３８】次に，本例のセラミックヒータ１の作用効
果につき説明する。本例のセラミックヒータ１において
は丸棒リード線８の接合に上記銅ろう接合層３を用いて
いる。この銅ろう接合層３は，上記のごとく，Ｃｕを４
０重量％以上含有する銅主体のろう材である。そして，
この銅ろう接合層は，そのブリネル硬度が８０以下であ
り，従来のＣｕ−Ａｕろう材よりも軟らかい。

【００３９】そのため，セラミックヒータ１を温度変化
の激しい環境で使用しても，銅ろう接合層３自体が熱応
力を吸収することができ，これにより本体部１０及び金
属端子部２への応力付与を軽減させることができる。そ
れ故，本例のセラミックヒータ１は，丸棒リード線８を
接合する側面が平面状側面１５であっても，その接合部
分における金属端子部２及び本体部１０のクラック発生
を抑制することができ，優れた耐久性を発揮することが
できる。

【００４０】さらに，銅ろう接合層３はＮｉを２〜２０
重量％含有しているので，Ｗを主体とする上記金属端子
部２に対する濡れ性に優れている。そのため，銅ろう接
合層３と金属端子部２との接合力を強固にすることがで
きる。また，金属端子部２はＷを７０重量％以上含有し
ているので，セラミック製の本体部１０とのなじみもよ
く，これらの間の接合力も強固にすることができる。そ
れ故，本例のセラミックヒータ１は，本体部１０，金属
端子部２，銅ろう接合層３のそれぞれの間の接合力の強
化により，丸棒リード線８の接続強度を向上させること
ができる。

【００４１】また，銅ろう接合層３，丸棒リード線８及
び金属端子部２の最外表面はＮｉメッキ６により被覆し
てあるので，Ｎｉの優れた耐食性及び耐熱性によって，
丸棒リード線８の接合部分全体の耐久性をさらに向上さ
せることができる。

【００４２】このように，本例のセラミックヒータ１に
おいては，丸棒リード線８の接続強度を向上させること
ができると共に，上記銅を主体とした銅ろう接合層３に
よる本体部１０及び金属端子部２のクラック抑制効果を
得ることができる。それ故，本例のセラミックヒータ１
は，積層型角形ヒータであっても，その平面状側面１５
への丸棒リード線８の接合部分の耐久性に優れたものと
なる。

【００４３】実施形態例２本例は，図５に示すごとく，実施形態例１におけるＮｉ
メッキ６を，金属端子部２のエッジ部２１を十分に覆う
ように設けた例である。また，本例においては，セラミ
ックヒータの寸法関係の具体例についても示す。即ち，
同図に示すごとく，本体部１０の厚みｔ_１は１．６ｍ
ｍ，表裏面からのリード部１２の埋設深さｔ_２はそれぞ
れ０．２５ｍｍ，丸棒リード線８の直径ｄは０．６ｍ
ｍ，丸棒リード線８と本体部１０の表裏面との垂直距離
ｔ_３は０．５ｍｍである。その他は実施形態例１と同様
である。この場合には，金属よりなる金属端子部２全体
を耐食性及び耐熱性に優れたＮｉメッキ６により被覆す
ることができ，さらに耐久性を向上させることができ
る。その他は実施形態例１と同様の作用効果が得られ
る。

【００４４】実施形態例３本例は，図６に示すごとく，実施形態例１における金属
端子部２を本体部１０の平面状側面１５のエッジ部１５
１を覆うように設けた例である。その他は実施形態例１
と同様である。この場合には，金属端子部２と本体部１
０との接合強度をさらに向上させることができる。その
他は実施形態例１と同様の作用効果が得られる。

【００４５】なお，実施形態例２と同様に，エッジ部１
５１を覆う金属端子部２をさらにＮｉメッキ６により覆
うこともできる。また，上記各実施形態例においては，
積層型角形ヒータ（角板ヒータ）について示したが，従
来の丸棒ヒータの側面を平面状に成形してこれを上記平
面状側面にした場合であっても，上記と同様の効果が得
られる。

【００４６】なお，上記各実施形態例においては，上記
接合層３としてＣｕを４０重量％以上含有すると共にＮ
ｉを２〜２０重量％含有する合金を適用した。これに代
えて，例えば，Ｃｕ−Ｚｎ合金，Ａｇ，Ａｇ−Ｃｕ合
金，Ａｌ−Ｃｕ合金等においてその組成を調整し，ブリ
ネル硬度を８０以下にした合金を適用することもでき
る。この場合にも，上記と同様の作用効果を得ることが
できる。

【００４７】さらに，上記各実施形態例における接合層
３に，Ｗを含有させることもできる。この場合には，上
記金属端子部２が７０重量％以上のＷを含有しているの
で，該金属端子部２と接合層３との両者がＷを有するこ
ととなる。それ故，両者の接合性をさらに向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，丸棒リード線の接続部
の構造を図２のＣ−Ｃ線矢視断面から見た説明図。

【図２】実施形態例１における，セラミックヒータの斜
視図。

【図３】実施形態例１における，丸棒リード線の接続部
の構造を示す詳細説明図。

【図４】実施形態例１における，セラミックヒータの製
造工程を示す説明図。

【図５】実施形態例２における，丸棒リード線の接続部
の構造を示す詳細説明図。

【図６】実施形態例３における，丸棒リード線の接続部
の構造を示す詳細説明図。

【図７】Ａｕ−Ｃｕ成分比とろう材の硬度との関係を示
す説明図。

【図８】従来例における，（Ａ）丸棒ヒータの斜視図，
（Ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図。

【図９】従来例における，（Ａ）角板ヒータの斜視図，
（Ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図。

【符号の説明】

１．．．セラミックヒータ，１０．．．本体部，１１．．．発熱部，１２．．．リード部，１５．．．平面状側面，１５１．．．エッジ部，２．．．金属端子部，３．．．銅ろう接合層，６．．．Ｎｉメッキ，８．．．丸棒リード線，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック製の本体部と，該本体部の中
に形成した発熱部及びリード部と，上記本体部の平面状
側面に設けられ上記リード部と電気的に接続された金属
端子部とよりなると共に，該金属端子部にはリード線を
接合層により接合してなる積層型角板形状のセラミック
ヒータであって，上記接合層のブリネル硬度が８０以下
であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】請求項１において，上記接合層はＣｕを
４０重量％以上含有していることを特徴とするセラミッ
クヒータ。
【請求項３】請求項１において，上記接合層は，Ｃｕ
４０重量％以上かつＡｕ６０重量％以下を含有すること
を特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項において，
上記金属端子部表面に３μｍ以下のＮｉメッキ膜を形成
し，該Ｎｉメッキ膜上に上記リード線を上記接合層によ
り接合することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項において，
上記接合層はＮｉを２〜２０重量％含有していることを
特徴とするセラミックヒータ。
【請求項６】請求項５において，上記接合層には，上
記金属端子部を構成する元素が含有されていることを特
徴とするセラミックヒータ。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項において，
上記金属端子部はＷを７０重量％以上含有していること
を特徴とするセラミックヒータ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項において，
上記金属端子部は上記本体部の平面状側面のエッジ部ま
で形成されていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項において，
上記金属端子部は上記本体部の平面状側面のエッジ部を
覆っていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項におい
て，上記接合層は，上記金属端子部とリード部との接合
位置の上方を覆うように，上記金属端子部の上部に設け
てあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか１項におい
て，上記接合層は，リード線及び金属端子部の最外表面
はＮｉメツキにより被覆されていることを特徴とするセ
ラミックヒータ。