JP2017228368A - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極パッドと接続端子とをろう付けする際の両者の位置合わせを確実かつ短時間で行い、生産性を向上させたセラミックヒータの製造方法を提供する。【解決手段】発熱抵抗体１４１が内部に埋設され、表面に金属製の電極パッド１２１を有する円筒状のセラミック基体１０２における電極パッドに、外部回路と電気的に接続する接続端子を、ろう付け接合するセラミックヒータの製造方法であって、セラミック基体の重心Ｇが軸心Ｃとずれており、セラミック基体の少なくとも一部を収容可能な溝５０ｒに該セラミック基体を設置した後、溝とセラミック基体との間に空気を吹き出してセラミック基体を溝から浮上させ、重心が軸心の下側に安定して位置するようセラミック基体の電極パッドを位置決めする位置決め工程と、位置決め工程で位置決めされた電極パッドに、接続端子をろう付け接合する接合工程と、を有する。【選択図】図４
Description
本発明は、セラミックヒータに関する。
従来から、酸素センサ等の固体電解質体を用いるガスセンサにおいて、固体電解質体を加熱するためにセラミックヒータが配置されている（特許文献１）。
図１に示すように、このセラミックヒータ１００としては、軸線ＢＸ方向に延びるアルミナ等の円筒状のセラミック基体１０２中にタングステンやモリブデン等の金属からなる発熱抵抗体１４１を埋設したものが広く用いられている。さらに、セラミック基体１０２の外表面には、発熱抵抗体１４１と電気的に接続された１対の電極パッド１２１が設けられている。この電極パッド１２１には、発熱抵抗体１４１に外部から電圧を印加するための金属製の接続端子１３０が、ろう付け接合されている。
図１に示すように、このセラミックヒータ１００としては、軸線ＢＸ方向に延びるアルミナ等の円筒状のセラミック基体１０２中にタングステンやモリブデン等の金属からなる発熱抵抗体１４１を埋設したものが広く用いられている。さらに、セラミック基体１０２の外表面には、発熱抵抗体１４１と電気的に接続された１対の電極パッド１２１が設けられている。この電極パッド１２１には、発熱抵抗体１４１に外部から電圧を印加するための金属製の接続端子１３０が、ろう付け接合されている。
図２に示すように、セラミック基体１０２は、丸棒状（円柱形状）のアルミナセラミック製の碍管１０１の外周にアルミナセラミック製のグリーンシート１４０，１４６が、碍管１０１とグリーンシート１４０の間にグリーンシート１４６を挟んで巻き付けられ、これらを焼成することにより製造される。ここで、グリーンシート１４０，１４６の周長は碍管１０１の周長より短いので、図６に示すように、グリーンシート１４０，１４６の両端の間に、軸線ＢＸ方向に延びる切れ目１０２ｈが形成される。
グリーンシート１４０上には、発熱抵抗体１４１が形成されている。発熱抵抗体１４１は、発熱部１４２と、発熱部１４２の両端に接続される一対のリード部１４３とを備える。グリーンシート１４０の後端側にはスルーホール１４４が設けられ、スルーホール１４４に充填された導電性ペーストを介して、電極パッド１２１とリード部１４３とが電気的に接続される。
一方、接続端子１３０は、接続部１３４と、接続部１３４の一端に設けられた接合端部１３３と、接続部１３４の他端に設けられた加締部１３５と、を有している。接合端部１３３は、電極パッド１２１のほぼ中央に配置されて、ろう付け接合により電気的に接続される。２つの加締部１３５は、ヒータリード線（図示せず）の芯線を加締めて把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線とを電気的に接続する。
グリーンシート１４０上には、発熱抵抗体１４１が形成されている。発熱抵抗体１４１は、発熱部１４２と、発熱部１４２の両端に接続される一対のリード部１４３とを備える。グリーンシート１４０の後端側にはスルーホール１４４が設けられ、スルーホール１４４に充填された導電性ペーストを介して、電極パッド１２１とリード部１４３とが電気的に接続される。
一方、接続端子１３０は、接続部１３４と、接続部１３４の一端に設けられた接合端部１３３と、接続部１３４の他端に設けられた加締部１３５と、を有している。接合端部１３３は、電極パッド１２１のほぼ中央に配置されて、ろう付け接合により電気的に接続される。２つの加締部１３５は、ヒータリード線（図示せず）の芯線を加締めて把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線とを電気的に接続する。
従来、このセラミックヒータ１００の製造に当たっては、図５に示すように、セラミック基体１０２の電極パッド１２１と、接続端子１３０との位置を合わせた上で、両者をろう付けする。
まず、軸方向に並び互いに逆回転する２つの回転ローラ５０１、５０２の間に、セラミック基体１０２の軸方向を回転ローラ５０１、５０２の軸方向に揃えてセラミック基体１０２を載置する。セラミック基体１０２は回転ローラ５０１、５０２に接触しながら回転する。そして、回転ローラ５０１、５０２の上方の画像センサにて切れ目１０２ｈを検出した時点で回転ローラ５０１、５０２の回転を止める。これにより、セラミック基体１０２の各電極パッド１２１を所定の位置（図５の例では、各電極パッド１２１が互いに水平に並ぶ向き）に位置決めする。
そして、図６に示すように、各電極パッド１２１の向きを保つようにして所定の治具５４０でセラミック基体１０２を保持しながら、別の治具５２０に所定の向きで保持された一対の接続端子１３０の間にセラミック基体１０２を配置する。このとき、各電極パッド１２１と各接続端子１３０とが対向するように位置が決められており、接続端子１３０側に予め配置されている固化したろう材１５０ｘが電極パッド１２１に接する。
次に、セラミック基体１０２と各接続端子１３０とろう材１５０ｘとをこの配置状態で所定の加熱炉に装入し、ろう材１５０ｘを溶融させて電極パッド１２１へ接続端子１３０をろう付けする。
まず、軸方向に並び互いに逆回転する２つの回転ローラ５０１、５０２の間に、セラミック基体１０２の軸方向を回転ローラ５０１、５０２の軸方向に揃えてセラミック基体１０２を載置する。セラミック基体１０２は回転ローラ５０１、５０２に接触しながら回転する。そして、回転ローラ５０１、５０２の上方の画像センサにて切れ目１０２ｈを検出した時点で回転ローラ５０１、５０２の回転を止める。これにより、セラミック基体１０２の各電極パッド１２１を所定の位置（図５の例では、各電極パッド１２１が互いに水平に並ぶ向き）に位置決めする。
そして、図６に示すように、各電極パッド１２１の向きを保つようにして所定の治具５４０でセラミック基体１０２を保持しながら、別の治具５２０に所定の向きで保持された一対の接続端子１３０の間にセラミック基体１０２を配置する。このとき、各電極パッド１２１と各接続端子１３０とが対向するように位置が決められており、接続端子１３０側に予め配置されている固化したろう材１５０ｘが電極パッド１２１に接する。
次に、セラミック基体１０２と各接続端子１３０とろう材１５０ｘとをこの配置状態で所定の加熱炉に装入し、ろう材１５０ｘを溶融させて電極パッド１２１へ接続端子１３０をろう付けする。
しかしながら、従来のセラミックヒータ１００の製造の場合、回転するセラミック基体１０２の切れ目１０２ｈを画像センサで検出しているため、位置決めに時間がかかったり、位置を誤認するという問題がある。又、回転ローラ５０１、５０２にセラミック基体１０２が接触しながら回転するため、セラミック基体１０２にキズや汚れが付着するおそれがある。
そこで、本発明は、電極パッドと接続端子とをろう付けする際の両者の位置合わせを確実かつ短時間で行い、生産性を向上させたセラミックヒータの製造方法の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のセラミックヒータの製造方法は、発熱抵抗体が内部に埋設され、表面に金属製の電極パッドを有する円筒状のセラミック基体における前記電極パッドに、外部回路と電気的に接続する接続端子を、ろう付け接合するセラミックヒータの製造方法であって、前記セラミック基体の重心が軸心とずれており、前記セラミック基体の少なくとも一部を収容可能な溝に該セラミック基体を設置した後、前記溝と前記セラミック基体との間に空気を吹き出して前記セラミック基体を前記溝から浮上させ、前記重心が前記軸心の下側に安定して位置するよう前記セラミック基体の前記電極パッドを位置決めする位置決め工程と、前記位置決め工程で位置決めされた前記電極パッドに、前記接続端子をろう付け接合する接合工程と、を有する。
このセラミックヒータの製造方法によれば、溝とセラミック基体との間に空気を吹き出して、セラミック基体を溝から浮上させて電極パッドを位置決めするので、セラミック基体が位置決め治具に非接触となり、セラミック基体にキズや汚れが付着することを抑制できる。
又、セラミック基体の重心と軸心のずれを利用して、位置決めを重力により自律的に行うので、位置決めを誤認することがなく位置決めを正確に行えると共に、位置決めを短時間で行うことができる。
又、セラミック基体の重心と軸心のずれを利用して、位置決めを重力により自律的に行うので、位置決めを誤認することがなく位置決めを正確に行えると共に、位置決めを短時間で行うことができる。
前記溝の曲率半径が前記セラミック基体の曲率半径よりも大きくてもよい。
このセラミックヒータの製造方法によれば、溝とセラミック基体との接触面積が小さくなるので、セラミック基体にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体が溝から浮上し易くなる。
なお、セラミック基体の曲率半径は、電極パッドを除くセラミック基体の外表面の曲率半径とする。
このセラミックヒータの製造方法によれば、溝とセラミック基体との接触面積が小さくなるので、セラミック基体にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体が溝から浮上し易くなる。
なお、セラミック基体の曲率半径は、電極パッドを除くセラミック基体の外表面の曲率半径とする。
前記位置決め工程の後、前記溝と前記セラミック基体との間に吹き出す空気の流量を徐々に低下させるとよい。
このセラミックヒータの製造方法によれば、セラミック基体が溝にゆっくりと着地するので、セラミック基体にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体が急激に着地して位置決め状態が振れる（位置ずれが生じる）ことを抑制できる。
このセラミックヒータの製造方法によれば、セラミック基体が溝にゆっくりと着地するので、セラミック基体にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体が急激に着地して位置決め状態が振れる（位置ずれが生じる）ことを抑制できる。
この発明によれば、電極パッドと接続端子とをろう付けする際の両者の位置合わせを確実かつ短時間で行い、セラミックヒータの生産性を向上させることができる。
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図３は本発明の実施形態に係るセラミックヒータ１００の製造方法に用いることができる位置決め治具５０の斜視図、図４はセラミックヒータ１００の位置決め方法を示す工程図である。なお、図４は、図３の側面（Ａ方向）から見た図である。セラミックヒータ１００自身の構成は従来と同様であるので、図１、図２を引用し、セラミックヒータ１００についての説明を省略する。
セラミックヒータ１００の長手方向の両端側のうち、発熱部分を備える側（図１下側）を「先端側」とし、これと反対側を「後端側」として説明する。
図３は本発明の実施形態に係るセラミックヒータ１００の製造方法に用いることができる位置決め治具５０の斜視図、図４はセラミックヒータ１００の位置決め方法を示す工程図である。なお、図４は、図３の側面（Ａ方向）から見た図である。セラミックヒータ１００自身の構成は従来と同様であるので、図１、図２を引用し、セラミックヒータ１００についての説明を省略する。
セラミックヒータ１００の長手方向の両端側のうち、発熱部分を備える側（図１下側）を「先端側」とし、これと反対側を「後端側」として説明する。
本実施形態では、セラミックヒータ１００のセラミック基体１０２は、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍの丸棒状である。又、接続端子１３０は、ニッケルを用いた合金、銅や鉄やそれらの合金等の種々の導体材料を採用可能である。ろう付け用のロウ材としては、例えばＡｕ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金や、種々の導体材料（例えば、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀））を採用可能である。電極パッド１２１としては、タングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とする組成が挙げられる。
図３に示すように、位置決め治具５０は、断面が略半円形の溝５０ｒを表面に複数設け、各溝５０ｒには、セラミック基体１０２の軸方向を溝５０ｒの軸方向に揃えて１個のセラミック基体１０２の下半分を収容可能になっている。又、各溝５０ｒの底面には、軸方向に沿って複数の吹出し孔５０ｈが開口している。各吹出し孔５０ｈは、空気配管系６０にそれぞれ接続され、コンプレッサ６５により供給される空気を、空気配管系６０を介して各吹出し孔５０ｈから吹き出すようになっている。
位置決め治具５０は、各種金属、樹脂、セラミック等から形成することができる。
位置決め治具５０は、各種金属、樹脂、セラミック等から形成することができる。
なお、空気配管系６０は、複数（図３では３つ）の副配管６２、６４、６６からなる。一方、各吹出し孔５０ｈには、それぞれ吹き出し配管６０Ｌ１、６０Ｌ２・・・が接続され、各吹き出し配管６０Ｌ１、６０Ｌ２・・・に各副配管６２、６４、６６が接続されている。各副配管６２、６４、６６とコンプレッサ６５との間には、流量調整バルブＶが配置されており、各副配管６２、６４、６６を流れる空気の流量を調整可能になっている。
又、本実施形態では、各溝５０ｒの後端側に、セラミック基体１０２の電極パッド１２１がはみ出している。これにより、セラミック基体１０２の外表面から突出する電極パッド１２１が各溝５０ｒに接触することがなく、電極パッド１２１が擦れることを防止できる。
又、本実施形態では、各溝５０ｒの後端側に、セラミック基体１０２の電極パッド１２１がはみ出している。これにより、セラミック基体１０２の外表面から突出する電極パッド１２１が各溝５０ｒに接触することがなく、電極パッド１２１が擦れることを防止できる。
そして、図４に示すようにして、セラミックヒータ１００の電極パッド１２１を位置決めする。
まず、位置決め治具５０の溝５０ｒにセラミック基体１０２を設置する（図４（ａ））。このとき、セラミック基体１０２（電極パッド１２１）の向きはランダムである。
次に、吹出し孔５０ｈから空気を吹出すと、溝５０ｒとセラミック基体１０２との間に空気が吹き出し、セラミック基体１０２が溝５０ｒから浮上する。ここで、発熱抵抗体１４１は、セラミック基体１０２中の一方向に偏って埋設されており、金属からなる発熱抵抗体１４１の方がセラミック基体１０２よりも比重が大きい。このため、セラミック基体１０２の重心Ｇが軸心Ｃとずれている。
従って、空気を吹き出してセラミック基体１０２を溝５０ｒから浮上させると、重心Ｇが軸心Ｃの下側に安定して位置するまでセラミック基体１０２が軸回りに回転する（図４（ｂ）：位置決め工程）。これにより、セラミック基体１０２の各電極パッド１２１を所定の位置（図４（ｂの例では、各電極パッド１２１が互いに水平に並ぶ向き）に位置決めすることができる。
まず、位置決め治具５０の溝５０ｒにセラミック基体１０２を設置する（図４（ａ））。このとき、セラミック基体１０２（電極パッド１２１）の向きはランダムである。
次に、吹出し孔５０ｈから空気を吹出すと、溝５０ｒとセラミック基体１０２との間に空気が吹き出し、セラミック基体１０２が溝５０ｒから浮上する。ここで、発熱抵抗体１４１は、セラミック基体１０２中の一方向に偏って埋設されており、金属からなる発熱抵抗体１４１の方がセラミック基体１０２よりも比重が大きい。このため、セラミック基体１０２の重心Ｇが軸心Ｃとずれている。
従って、空気を吹き出してセラミック基体１０２を溝５０ｒから浮上させると、重心Ｇが軸心Ｃの下側に安定して位置するまでセラミック基体１０２が軸回りに回転する（図４（ｂ）：位置決め工程）。これにより、セラミック基体１０２の各電極パッド１２１を所定の位置（図４（ｂの例では、各電極パッド１２１が互いに水平に並ぶ向き）に位置決めすることができる。
次に、吹出し孔５０ｈから空気の吹出し流量を低下させる（止める）と、各電極パッド１２１が位置決めされた状態で、セラミック基体１０２が溝５０ｒに着地する（図４（ｃ））。
そして、図６で述べたのと同様にして、電極パッド１２１へ接続端子１３０をろう付けする（接合工程）。
なお、位置決め治具５０の各溝５０ｒにそれぞれセラミック基体１０２を設置して一度に複数のセラミック基体１０２（の電極パッド１２１）の位置決めをした後、治具５４０で複数のセラミック基体１０２をまとめて保持し、別の治具５２０に同様に複数組保持された各組の接続端子１３０の間に各セラミック基体１０２を配置すれば、一度に複数のセラミック基体１０２にろう付けすることができる。
そして、図６で述べたのと同様にして、電極パッド１２１へ接続端子１３０をろう付けする（接合工程）。
なお、位置決め治具５０の各溝５０ｒにそれぞれセラミック基体１０２を設置して一度に複数のセラミック基体１０２（の電極パッド１２１）の位置決めをした後、治具５４０で複数のセラミック基体１０２をまとめて保持し、別の治具５２０に同様に複数組保持された各組の接続端子１３０の間に各セラミック基体１０２を配置すれば、一度に複数のセラミック基体１０２にろう付けすることができる。
以上のように、溝５０ｒとセラミック基体１０２との間に空気を吹き出して、セラミック基体１０２を溝５０ｒから浮上させて電極パッド１２１を位置決めするので、セラミック基体１０２が位置決め治具５０に非接触となり、セラミック基体１０２にキズや汚れが付着することを抑制できる。
又、セラミック基体１０２の重心Ｇと軸心Ｃのずれを利用して、位置決めを重力により自律的に行うので、位置決めを誤認することがなく位置決めを正確に行えると共に、位置決めを短時間で行うことができる。
又、セラミック基体１０２の重心Ｇと軸心Ｃのずれを利用して、位置決めを重力により自律的に行うので、位置決めを誤認することがなく位置決めを正確に行えると共に、位置決めを短時間で行うことができる。
また、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、溝５０ｒの曲率半径Ｒ１がセラミック基体１０２の曲率半径Ｒ２よりも大きい。このようにすると、溝５０ｒとセラミック基体１０２との接触面積が小さくなるので、セラミック基体１０２にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体１０２が溝５０ｒから浮上し易くなる。
なお、セラミック基体１０２の曲率半径Ｒ２は、電極パッド１２１を除くセラミック基体１０２の外表面の曲率半径とする。
なお、セラミック基体１０２の曲率半径Ｒ２は、電極パッド１２１を除くセラミック基体１０２の外表面の曲率半径とする。
また、位置決め工程の後、図４（ｃ）でセラミック基体１０２を溝５０ｒに着地させる際、溝５０ｒから吹き出す空気の流量を徐々に低下させるとよい。このようにすると、セラミック基体１０２が溝５０ｒにゆっくりと着地するので、セラミック基体１０２にキズや汚れが付着することをさらに抑制できると共に、セラミック基体１０２が急激に着地して位置決め状態が振れる（位置ずれが生じる）ことを抑制できる。
なお、溝５０ｒから吹き出す空気の流量を徐々に低下させる方法としては、図３の各副配管６２、６４、６６のうち、まず１つ（例えば副配管６６）を止めることで流量を低下させ、その後、副配管６４、６２を順に止めることで、流量を徐々に低下させることができる。
又、所定の絞り弁で流量を徐々に低下させてもよい。
なお、溝５０ｒから吹き出す空気の流量を徐々に低下させる方法としては、図３の各副配管６２、６４、６６のうち、まず１つ（例えば副配管６６）を止めることで流量を低下させ、その後、副配管６４、６２を順に止めることで、流量を徐々に低下させることができる。
又、所定の絞り弁で流量を徐々に低下させてもよい。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
上記実施形態では、発熱抵抗体１４１によってセラミック基体１０２の重心Ｇが軸心Ｃとずれていたが、これに限らず、例えば所定のウェイトを設けて重心Ｇが軸心Ｃとずれるようにしてもよい。
溝５０ｒとセラミック基体１０２との間に空気を吹き出してセラミック基体１０２を溝５０ｒから浮上させる手段は、上記位置決め治具５０に限定されない。
上記実施形態では、発熱抵抗体１４１によってセラミック基体１０２の重心Ｇが軸心Ｃとずれていたが、これに限らず、例えば所定のウェイトを設けて重心Ｇが軸心Ｃとずれるようにしてもよい。
溝５０ｒとセラミック基体１０２との間に空気を吹き出してセラミック基体１０２を溝５０ｒから浮上させる手段は、上記位置決め治具５０に限定されない。
セラミックヒータ１００は、例えばガスセンサに配置されるが、その他の装置に配置されても良い。又、ガスセンサとしては、特性のガス成分又はガス成分の濃度を検知する種々のガスセンサ（酸素センサ、ＮＯｘセンサ等）を例示できる。
５０ｒ 溝
１００ セラミックヒータ
１０２ セラミック基体
１０６ 外側電極
１０８ 内側電極
１２１ 電極パッド
１３０ 接続端子
１４１ 発熱抵抗体
Ｃ セラミック基体の軸心
Ｇ セラミック基体の重心
Ｒ１ 溝の曲率半径
Ｒ２ セラミック基体の曲率半径
１００ セラミックヒータ
１０２ セラミック基体
１０６ 外側電極
１０８ 内側電極
１２１ 電極パッド
１３０ 接続端子
１４１ 発熱抵抗体
Ｃ セラミック基体の軸心
Ｇ セラミック基体の重心
Ｒ１ 溝の曲率半径
Ｒ２ セラミック基体の曲率半径
Claims (3)
- 発熱抵抗体が内部に埋設され、表面に金属製の電極パッドを有する円筒状のセラミック基体における前記電極パッドに、外部回路と電気的に接続する接続端子を、ろう付け接合するセラミックヒータの製造方法であって、
前記セラミック基体の重心が軸心とずれており、
前記セラミック基体の少なくとも一部を収容可能な溝に該セラミック基体を設置した後、前記溝と前記セラミック基体との間に空気を吹き出して前記セラミック基体を前記溝から浮上させ、前記重心が前記軸心の下側に安定して位置するよう前記セラミック基体の前記電極パッドを位置決めする位置決め工程と、
前記位置決め工程で位置決めされた前記電極パッドに、前記接続端子をろう付け接合する接合工程と、
を有するセラミックヒータの製造方法。 - 前記溝の曲率半径が前記セラミック基体の曲率半径よりも大きい請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
- 前記位置決め工程の後、前記溝と前記セラミック基体との間に吹き出す空気の流量を徐々に低下させ、前記セラミック基体を前記溝に着地させる請求項１又は２に記載のセラミックヒータの製造方法。
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-
2016
- 2016-06-20 JP JP2016121871A patent/JP6710590B2/ja active Active
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