JP2006208140A

JP2006208140A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2006208140A
Application number: JP2005019498A
Authority: JP
Inventors: Kozo Takamura; 鋼三高村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】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。
【解決手段】排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータ１。セラミックヒータ１は、セラミック製のヒータ基材２と、ヒータ基材２の内部に形成された発熱体に接続されると共にヒータ基材２の外表面に設けられた外部端子３と、外部端子３に接合されたリード線４とを有する。リード線４は、コア層４１とコア層４１の外表面を被覆する被覆層４２とを有するクラッド材からなる。被覆層４２は、排ガス中の腐食成分に対する耐食性を有する金属材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータに関する。

図６に示すごとく、排ガス中の特定ガス濃度（酸素濃度等）を検出するガスセンサ８には、ガスセンサ素子８５を加熱するためのセラミックヒータ９が内蔵されている。
該セラミックヒータ９は、図７、図８に示すごとく、セラミック製のヒータ基材９２と、該ヒータ基材９２の内部に形成された発熱体に接続されると共に該ヒータ基材９２の外表面に設けられた外部端子９３と、該外部端子９３にろう材９１によって接合されたリード線９４とを有する（特許文献１参照）。

また、上記ガスセンサ８は、図６に示すごとく、有底筒型のガスセンサ素子８５をハウジング８６内に配設してなると共に、ガスセンサ素子８５の内部に上記セラミックヒータ９を配設してなる。
上記ガスセンサ素子８５の先端外周面は排ガスが導入される被測定ガス室８１に曝され、内周面は大気が導入される大気室８２に曝される。また、セラミックヒータ９の外部端子９３は、大気室８２に曝される。そして、上記被測定ガス室８１と大気室８２とは、ガスセンサ素子８５とハウジング８６との間に配されたシール材８３によって、気密性が確保されている。
これにより、大気室８２に排ガスが侵入することを防いでいる。

しかしながら、近年、排ガス規制の強化により、排ガス温度が上昇している。そのため、上記シール材８３に熱負荷がかかり、気密性が低下するおそれがある。
これにより、大気室８２に排ガスが侵入し、排ガス中の腐食成分（窒素酸化物等）が上記セラミックヒータ９のリード線９４に達するおそれがある。また、リード線９４には、排ガス中の水蒸気が付着したり、停車時に結露するおそれもある。これらの水分に上記腐食成分が溶出することにより、硝酸等の強酸性溶液が生成され、リード線９４の腐食の原因となる。
その結果、リード線９４が腐食し、場合によっては断線するおそれがある。

特に、Ｎｉ（ニッケル）やＮｉ合金等を用いたリード線９４は、腐食成分が吸着しやすく、耐食性も充分に高くないため、腐食のおそれがある。
そこで、リード線９４の外表面に、耐食性に優れた金属によって、めっきを施すことにより、リード線９４の腐食を防ぐことが考えられる。

しかしながら、リード線９４の表面に形成しためっき層には、ピンホールや、クラックが生じることがある。この場合、ピンホールやクラックから、腐食成分が侵入して、リード線９４を腐食させるおそれがある。
それ故、めっきによる保護によっては、充分にリード線９４の腐食を防ぐことが困難となるおそれがある。
このように、セラミックヒータ９の耐久性を充分に確保することが困難となるおそれがある。

特開平１１−２９２６４９号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、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。

本発明は、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、セラミック製のヒータ基材と、該ヒータ基材の内部に形成された発熱体に接続されると共に該ヒータ基材の外表面に設けられた外部端子と、該外部端子に接合されたリード線とを有し、
該リード線は、コア層と該コア層の外表面を被覆する被覆層とを有するクラッド材からなり、
上記被覆層は、上記排ガス中の腐食成分に対する耐食性を有する金属材料からなることを特徴とするセラミックヒータにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータにおいては、リード線がクラッド材からなる。そして、その被覆層は、耐食性に優れた金属材料からなる。そのため、腐食成分がリード線に達しても、該リード線はその表層を上記被覆層によって保護されているため、腐食を防ぐことができる。

そして、クラッド材の被覆層には、めっきのようにピンホールやクラックが形成されることがないため、腐食成分がコア層にまで侵入することを防ぐことができる。
それ故、リード線の腐食を防ぎ、セラミックヒータの耐久性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記被覆層を構成する、上記排ガス中の腐食成分に対する耐食性を有する金属材料としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、又はこれらの合金等の貴金属、或いは、インコネル、ステンレス鋼等の高クロム材等がある。
これらの場合の金属材料は、腐食成分を吸着し難く、かつ耐酸性に優れている。そのため、これらの金属材料によって上記被覆層を構成することにより、腐食成分によるリード線の腐食を効果的に防止することができる。
上記腐食成分としては、例えば、排ガス中に含まれる窒素酸化物やこれに起因して生成される硝酸等の強酸性溶液等がある。

上記外部端子と上記リード線とは、例えばろう材によるろう付け、或いは溶接等により接合することができる。
上記リード線のコア層は、融点１１００℃以上、比抵抗０．８μΩ・ｍ以下の金属材料からなることが好ましく、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、又は、コバール、４２アロイ等のＮｉ合金等によって構成することができる。

また、上記リード線の直径は、例えば０．５〜１．０ｍｍとすることができる。該直径が０．５ｍｍ未満の場合には、リード線の強度、耐久性を確保することが困難となるおそれがある。一方、上記直径が１．０ｍｍを超える場合には、上記ヒータ基材との間に大きな応力が生じやすくなり、リード線が脱落しやすくなるおそれがある。

また、上記リード線の上記被覆層は、Ｐｔ又はＰｔ合金からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、排ガス中の腐食成分に対する耐食性に特に優れた被覆層を得ることができる。そのため、リード線の腐食を一層効果的に防ぎ、セラミックヒータの耐久性を向上させることができる。

また、上記リード線の上記被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有することが好ましい（請求項３）。
この場合には、リード線の腐食をより確実に防ぐことができる。
上記被覆層の厚みが１０μｍ未満の場合には、被覆層の耐食性が低下するおそれがある。即ち、セラミックヒータの製造過程における熱処理時やリード線のろう付け時等に、コア層と被覆層との間において拡散が生じたとき、その拡散が被覆層の外表面付近まで達するおそれがある。これにより、被覆層の耐食性が低下し、リード線の耐食性が低下するおそれがある。
また、上記被覆層が貴金属からなる場合には、コストの観点から、被覆層の厚みは２０μｍ以下であることが好ましい。また、上記被覆層が高クロム材からなる場合には、リード線の導電性等の観点から１００μｍ以下であることが好ましい。

また、上記リード線の上記被覆層は、高クロム材からなり、上記リード線は、上記外部端子に接合された接合層に溶接されることにより、上記外部端子に接合されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、耐久性に優れた安価なセラミックヒータを得ることができる。即ち、上記被覆層に貴金属を用いる場合に比べ、セラミックヒータのコスト低減を図ることができる。
また、高クロム材は、ろう材の濡れ性が低く、ろう付けが困難であるが、上記リード線を上記接合層へ溶接することによって、上記外部端子に接合することができる。
なお、上記高クロム材とは、クロム（Ｃｒ）を例えば５０重量％以上含有する金属材料をいい、例えばインコネル、ステンレス鋼等がある。
また、溶接方法としては、抵抗溶接を用いることができる。

また、上記リード線の上記被覆層は、１０〜１００μｍの厚みを有することが好ましい（請求項５）。
この場合には、リード線の導電性及び耐食性を充分に確保することができる。
上記被覆層の厚みが１０μｍ未満の場合には、上述したごとく、リード線の耐食性が低下するおそれがある。一方、上記被覆層の厚みが１００μｍを超える場合には、比抵抗が比較的大きい高クロム材からなる上記被覆層の割合が大きくなり、リード線の導電性が低下するおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるセラミックヒータにつき、図１〜図３を用いて説明する。
本例のセラミックヒータ１は、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵される（図６参照）。
該セラミックヒータ１は、図３に示すごとく、セラミック製のヒータ基材２と、該ヒータ基材２の外表面に設けられた外部端子３と、該外部端子３に接合されたリード線４とを有する。リード線４は、ヒータ基材２の内部に形成された発熱体（図示略）に接続されている。

図１、図２に示すごとく、該リード線４は、コア層４１と該コア層４１の外表面を被覆する被覆層４２とを有するクラッド材からなる。
上記被覆層４２は、排ガス中の腐食成分に対する耐食性を有する金属材料である、Ｐｔ又はＰｔ合金からなる。
また、被覆層４２の厚みｔは、１０μｍ以上であり、本例においては、約２０μｍである。

外部端子３とリード線４とは、ろう材１１によるろう付けによって接合されている。ろう材１１としては、例えば、Ａｕ−Ｎｉ合金等を用いる。
リード線４のコア層４１は、Ｎｉ、又は、コバールや４２アロイ等のＮｉ合金からなる。
また、リード線４の直径ｄは、０．５〜１．０ｍｍである。

セラミックヒータ１は、図３に示すごとく、円柱形状のヒータ基材２を有し、その一端に形成された一対の外部端子３にリード線３が接続されている。
また、ヒータ基材２は、アルミナ（Al₂O₃）又は窒化珪素（Si₃N₄）からなり、外部端子３は、タングステン（Ｗ）からなる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータ１においては、リード線４がクラッド材からなる。そして、その被覆層４２は、耐食性に優れた金属材料からなる。そのため、腐食成分がリード線４に達しても、該リード線４はその表層を上記被覆層４２によって保護されているため、腐食を防ぐことができる。

そして、クラッド材の被覆層４２には、めっきのようにピンホールやクラックが形成されることがないため、腐食成分がコア層４１にまで侵入することを防ぐことができる。
それ故、リード線４の腐食を防ぎ、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。

特に、被覆層４２は貴金属によって構成されているため、腐食成分を吸着し難く、かつ耐酸性に優れている。それ故、腐食成分によるリード線４の腐食をより効果的に防止することができる。そして、本例においては、特に被覆層４２をＰｔ又はＰｔ合金によって構成しているため、排ガス中の腐食成分に対する耐食性に特に優れた被覆層４２を得ることができる。そのため、リード線４の腐食を一層効果的に防ぎ、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。

また、被覆層４２の厚みｔが１０μｍ以上であるため、リード線４の腐食をより確実に防ぐことができる。即ち、厚みｔを１０μｍ以上とすることにより、セラミックヒータ１の製造過程における熱処理時やリード線４のろう付け時等に、コア層４１と被覆層４２との間において拡散が生じても、その拡散が被覆層４２の外表面付近まで達するおそれがない。それ故、被覆層４２の耐食性を確保し、リード線４の耐食性を確保することができる。

以上のごとく、本例によれば、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図４、図５に示すごとく、リード線４の被覆層４２は、高クロム材からなり、リード線４は、外部端子３に接合された接合層５に溶接されたセラミックヒータ１の例である。即ち、リード線４は接合層５を介して外部端子３に接合されている。
上記高クロム材としては、例えばインコネル、ステンレス鋼等がある。

また、接合層５は、コバールによって構成することができる。
そして、リード線４は、接合層５に対して、抵抗溶接によって接合される。図４、図５において、符号１２が溶接部である。また、接合層５は、外部端子３にろう付け接合される。
また、上記リード線４の被覆層４２の厚みｔ（図４）は１０〜１００μｍである。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、耐久性に優れた安価なセラミックヒータ１を得ることができる。即ち、実施例１のように被覆層４２に貴金属を用いる場合に比べ、セラミックヒータ１のコスト低減を図ることができる。また、上記被覆層４２を構成する、インコネル、ステンレス鋼等の高クロム材は、貴金属と同様、腐食成分を吸着し難く、かつ耐酸性に優れている。そのため、腐食成分によるリード線４の腐食を効果的に防止することができる。

また、高クロム材は、ろう材の濡れ性が低く、ろう付けが困難であるが、リード線４を接合層５へ溶接することによって、外部端子３に接合することができる。
また、被覆層４２の厚みｔは１０〜１００μｍであるため、リード線４の導電性及び耐食性を充分に確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

上記実施例においては、円柱形状のセラミックヒータについて説明したが、本発明は、積層型ガスセンサ等に積層する板状のセラミックヒータにも適用することができる。

実施例１における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の軸方向断面図。実施例１における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の径方向断面図。実施例１における、セラミックヒータの正面図。実施例２における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の軸方向断面図。実施例２における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の径方向断面図。従来例における、セラミックヒータを内蔵したガスセンサの軸方向断面図。従来例における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の軸方向断面図。従来例における、セラミックヒータのリード線の接合部付近の径方向断面図。

符号の説明

１セラミックヒータ
１１ろう材
２ヒータ基材
３外部端子
４リード線
４１コア層
４２被覆層
５接合層

Claims

排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、セラミック製のヒータ基材と、該ヒータ基材の内部に形成された発熱体に接続されると共に該ヒータ基材の外表面に設けられた外部端子と、該外部端子に接合されたリード線とを有し、
該リード線は、コア層と該コア層の外表面を被覆する被覆層とを有するクラッド材からなり、
上記被覆層は、上記排ガス中の腐食成分に対する耐食性を有する金属材料からなることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１において、上記リード線の上記被覆層は、Ｐｔ又はＰｔ合金からなることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１又は２において、上記リード線の上記被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有することを特徴とするセラミックヒータ。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記リード線の上記被覆層は、高クロム材からなり、上記リード線は、上記外部端子に接合された接合層に溶接されることにより、上記外部端子に接合されていることを特徴とするセラミックヒータ。
請求項４において、上記リード線の上記被覆層は、１０〜１００μｍの厚みを有することを特徴とするセラミックヒータ。