JP4445891B2 - セラミックヒータ及びガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータ、及び、セラミックヒータを有するガスセンサに関し、特に、セラミック体の表面に電極パッドを有し、これに端子部材が接続されたセラミックヒータ、及び、このようなセラミックヒータを有するガスセンサに関する。

従来より、円柱や角柱など棒状のセラミック体に発熱抵抗体が埋設され、セラミック体の表面に電極パッドが設けられたセラミックヒータが知られている。電極パッドには、外部との接続に利用される端子部材が接続される。電極パッドと端子部材の接続方法としては、２つの方法が公知である。
第１の接続方法は、例えばＡｇロウやＡｕロウ、Ｃｕロウなどのロウ材により、電極パッドと端子部材を固着して接続するものである。例えば特許文献１に、このように接続されたセラミックヒータが開示されている。
第２の接続方法は、端子部材にバネ部を設け、そのバネ弾性を利用して、電極パッドと端子部材を接触させて接続するものである。例えば特許文献２に、このように接続されたセラミックヒータ（センサ素子）を有するガスセンサが開示されている。

特開２００１−２９７８５６号公報 特開２００３−４３００４号公報

第１の接続方法によれば、電極パッドと端子部材がロウ材により固着されるため、その接続部分が酸化や腐食の影響を受けにくく、接続信頼性が高いという利点がある。しかし、使用するロウ材によって様々な問題が生じる。例えば、Ａｇロウを利用した場合には、セラミックヒータを高温下で使用したときに、正極電極パッドと負極電極パッドとの間に生じる電位差によりＡｇのマイグレーションが発生し、短絡する恐れがある。また、ＡｕロウやＣｕロウは、電極パッドと端子部材を接続する際、作業温度を高くしなければならないため、セラミックヒータに大きな残留応力が生じやすく、また、作業性も悪い。
一方、第２の接続方法によれば、特別な加工が不要なためコスト面で有利であり、ロウ付けする場合に生じる問題点もない。しかし、端子部材のバネ部のバネ弾性のみを利用して電極パッドと端子部材とを接続させる構成では、電極パッドと端子部材との接続部分が酸化や腐食の影響を受けやすく、接続信頼性が劣る。また、端子部材のバネ部のへたりにより端子部材と電極パッドとの間で接触抵抗が大きくなったり、これらの接続不良が生じることもあり、この点においても接続信頼性が低い。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、電極パッドと端子部材をロウ付けする必要がなく、且つ、これらの接続信頼性が高いセラミックヒータ、及び、このようなセラミックヒータを有するガスセンサを提供することを目的とする。

その解決手段は、発熱抵抗体が配設されたセラミック体と、前記セラミック体の表面に設けられた電極パッドと、前記電極パッドに接続する端子接続部を有する端子部材と、を備えるセラミックヒータであって、前記端子接続部が前記電極パッドに接触した状態でこれらを覆う被覆部材であって、自身が変形可能で耐熱性を有する被覆部材と、前記被覆部材の上から前記セラミック体側に加締められてなり、前記被覆部材を変形させ、この被覆部材を介して前記端子接続部を前記電極パッドに接触させつつ前記セラミック体に押圧して固定する加締部材と、を備えるセラミックヒータである。

前述したように、電極パッドと端子部材をロウ付け接続すると様々な問題が生じるため、電極パッドと端子部材は接触接続させたい。しかし、端子部材にバネ部を設けてバネ弾性を利用して接触接続する方法では、前述のように接続信頼性に劣る。
そこで、本発明者らは、加締めを利用して電極パッドと端子部材を接続する方法を検討した。しかしながら、端子接続部を電極パッドに接触させ、この上から直接加締部材により加締めると、セラミック体は文字通りセラミックからなるので、加締めによってセラミック体が割れるなど破損しやすい。一方、加締めを弱くしてセラミック体の破損を防止しようとすると、今度は端子部材を電極パッドに確実に固定できなくなる恐れがある。本発明者らは、鋭意検討した結果、このような問題点を解決できる加締接続を考案し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のセラミックヒータは、端子接続部が電極パッドに接触した状態でこれらを覆う被覆部材であって、自身が変形可能で耐熱性を有する被覆部材と、この被覆部材の上からセラミック体側に加締められてなり、被覆部材を変形させ、被覆部材を介して端子接続部を電極パッドに接触させつつ押圧して固定する加締部材とを備える。
このようなセラミックヒータでは、電極パッドを含むセラミック体及び端子接続部と加締部材との間に、自身が変形可能な被覆部材を介在させているので、加締部材によって加締接続を行っているにも拘わらず、セラミック体に破損が生じにくい。しかも、加締接続しているため、端子接続部を電極パッドに確実に固定できるので、バネ弾性のみを利用した従来のものに比べ、端子接続部（端子部材）と電極パッドとの接続信頼性が高い。加えて、被覆部材は耐熱性を有するので、高温に加熱されるセラミックヒータに用いても問題ない。

ここで、「セラミック体」は、セラミックヒータを加熱するための発熱抵抗体が配設され、セラミックからなるものであればよい。発熱抵抗体はセラミック体内に埋設されていても、セラミック体表面に設けられていてもよい。また、セラミック体の形状は、適宜変更できる。また、セラミック体は、ヒータとしての機能を有するだけでなく、ガスセンサとしての機能を有するなど、他の機能を有するものであっても構わない。

また、本発明が適用される「電極パッド」は、セラミック体の表面に設けられたものであればよく、その数は単数でも複数でも構わない。また、電極パッドには、発熱抵抗体に電気的に接続されたヒータ用電極パッドの他、その他の目的で設けられた電極パッドも含まれる。例えば、セラミック体がガス検出機能を発揮するセンサ部を有する場合に、そのセンサ部に電気的に接続される電極パッドや、セラミック体に発熱抵抗体に対してのマイグレーション防止用の電極パターンを設けたときに、これに電気的に接続される電極パッドなどが挙げられる。なお、この電極パッドには、メッキ層が形成されていてもよい。
また、一対のヒータ用電極パッドのうち、＋電位となる一方の電極パッドは、本発明により端子部材の端子接続部と接触させて導通させ、−電位となる他方の電極パッドは、ロウ材により端子部材の端子接続部とロウ付け固定してもよい。

「端子部材」は、電極パッドに接続する端子接続部を有するものであればよく、その形状や材質は適宜変更できる。例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ等の１種ないし２種以上の合金からなる金属製の端子部材が挙げられる。なお、加締めによるセラミック体の破損をより一層生じにくくし、加締部材の加締外径や加締め力などの作業条件の許容範囲を広くする観点から、端子部材自身はインコネル等のバネ性に優れる材質にて形成されることが好ましい。

「被覆部材」は、自身が変形可能で耐熱性を有するものであればよく、その材質や形状は適宜変更できる。本発明においては、必ずしも絶縁性を有する必要はない。「変形可能」とは、加締部材によって加締められたときに変形可能であることを意味し、また、「耐熱性を有する」とは、セラミックヒータの使用環境下においても耐えられることを意味する。具体的には、例えば、ガラス繊維やセラミック繊維、金属繊維を用いた織布あるいは不織布が挙げられる。なお、被覆部材の耐熱性としては、３５０℃以上の耐熱温度を有することが、セラミックヒータの使用環境等を考慮した場合に好ましい。
「加締部材」は、被覆部材を変形させた状態で端子接続部をセラミック体に対して固定できるものであればよく、その形状や材質は適宜変更できる。

更に、上記のセラミックヒータであって、前記電極パッドを複数有すると共に、これらに対応する前記端子部材を複数有し、前記被覆部材は、絶縁体からなり、複数の前記電極パッドと複数の前記端子部材の前記端子接続部のいずれをも、各々の前記端子接続部が対応する各々の前記電極パッドに接触した状態で覆ってなり、前記加締部材は、前記被覆部材を介して各々の前記端子接続部のいずれをも対応する前記電極パッドに接触させつつ、前記セラミック体に固定してなるセラミックヒータとすると良い。

本発明によれば、複数の電極パッドがセラミック体に設けられ、これらに対応する端子部材も複数有する。そして、被覆部材は、複数の電極パッドと複数の端子部材の端子接続部のいずれをも覆い、加締部材は、被覆部材を介して各々の端子接続部のいずれをも対応する電極パッドに接触させつつセラミック体に押圧して固定している。そして、本発明の被覆部材は絶縁体であるので、電極パッド同士や端子部材同士の短絡を防止しつつ、複数箇所の導通を並行して維持できる。
しかも、このように加締接続することで、被覆部材や加締部材を、電極パッド及び端子部材別にその数だけ複数用意する必要がなくなり、セラミックヒータの製造コストを低減でき、組付け等の作業性を向上させることができる。

また、他の解決手段は、発熱抵抗体が配設された棒状のセラミック体と、前記セラミック体の表面にその周方向に並んで設けられた複数の電極パッドと、各々の前記電極パッドに接続する端子接続部を有する複数の端子部材と、を備えるセラミックヒータであって、複数の前記電極パッドと複数の前記端子部材の前記端子接続部のいずれをも、各々の前記端子接続部が対応する各々の前記電極パッドに接触した状態で、前記セラミック体の径方向外側から覆う被覆部材であって、絶縁体からなり、自身が変形可能で耐熱性を有する被覆部材と、前記被覆部材よりも径方向外側に配置されて径方向内側に向かって加締められてなり、前記被覆部材を変形させ、この被覆部材を介して各々の前記端子接続部のいずれをも対応する前記電極パッドに接触させつつ前記セラミック体に押圧して固定する加締部材と、を備えるセラミックヒータである。

本発明のセラミックヒータも、電極パッド及び端子接続部と加締部材との間に、自身が変形可能な被覆部材を介在させているので、加締部材によって加締接続を行っているにも拘わらず、セラミック体に破損が生じにくい。しかも、加締接続しているため、端子接続部を電極パッドに確実に固定できるので、バネ弾性を利用した従来のものに比べ、端子接続部（端子部材）と電極パッドとの接続信頼性が高い。加えて、被覆部材は耐熱性を有するので、高温に加熱されるセラミックヒータに用いても問題ない。

更に、本発明では、被覆部材は、複数の電極パッドと複数の端子部材の端子接続部のいずれをも覆い、加締部材は、被覆部材を介して各々の端子接続部のいずれをも対応する電極パッドに押圧して固定している。しかし、本発明の被覆部材は絶縁体であるので、電極パッド同士や端子部材同士の短絡を防止しつつ、複数箇所の導通を並行して維持できる。
しかも、このように加締接続することで、被覆部材や加締部材を、電極パッド及び端子部材別にその数だけ複数用意する必要がなくなり、セラミックヒータの製造コストを低減でき、組付け等の作業性を向上させることができる。

また、本発明では、セラミック体が棒状で、電極パッドがその表面に周方向に並んで複数設けられており、被覆部材は、電極パッド及び端子部材をセラミック体の径方向外側から覆い、加締部材は、この被覆部材よりも径方向外側に配置されて径方向内側に向かって加締められている。このようにすることで、複数の電極パッドと端子部材との接続が容易となり、この点でもセラミックヒータの製造コストを低減できる。
ここで、本発明のセラミック体は棒状であるが、「棒状」には、略円柱で棒状（いわゆる丸棒状）をなすものの他、略角柱状で棒状をなすものなども含まれる。なお、セラミック体は丸棒状に形成されるのが好ましい。加締部材をセラミック体に向かって加締めた際に、略均一な加締め力が径方向内側に掛かり易く、端子接続部のいずれもが対応する電極パッドに対して良好に押圧されることになるからである。また、セラミック体が丸棒状をなす場合、加締部材をセラミック体に向けて八方丸加締めやローリング加締め等の丸加締めすることが好ましい。より一層均一な加締め力を丸棒状のセラミック体に向けて付与させることができるからである。

被覆部材は、複数の電極パッド及び端子部材のいずれをも覆うものであればよく、セラミック体の外周全周を覆うものでもよいし、セラミック体の外周の一部を覆うものでもよい。
また、加締部材も、複数の端子部材のいずれをも電極パッドに接触させた状態でセラミック体に固定するものであればよく、セラミック体の外周全周を覆うリング状のものでもよいし、セラミック体の外周の一部を覆うＣ字状のものなどでもよい。

更に、上記のいずれかに記載のセラミックヒータであって、前記被覆部材は、無機繊維のシートからなるセラミックヒータとすると良い。

本発明によれば、被覆部材は、無機繊維のシートからなる。無機繊維のシートは、高い絶縁性を有すると共に、自身が変形可能で耐熱性を有するものが多いので、被覆部材として特に好適である。なお、「無機繊維」とは、無機質を主成分とする繊維を意味し、金属繊維は含まれない。具体的には、ガラス繊維やセラミック繊維を用いた織布あるいは不織布などが挙げられる。

更に、前記端子接続部は、前記電極パッドの両側縁を跨ぐようにして前記セラミック体の周方向の一部を包囲する形態をなし、自身の両端部が前記セラミック体の表面に接触していると良い。

本発明によれば、端子接続部は、電極パッドに接触する箇所（部位）以外に、自身の両端部がセラミック体の表面に接触した状態で、加締部材によってセラミック体に押圧され固定されている。これにより、端子接続部と、電極パッドを含めたセラミック体表面との接触領域が増すため、端子部材が引っ張られることがあっても加締部材の内側から抜けにくくなる。従って、端子接続部（端子部材）と電極パッドとの接続信頼性をより一層高めることができる。

また、上記のセラミックヒータであって、前記端子接続部は、前記加締部材が前記セラミック体側に加締められる際に前記両端部の間隔が弾性的に拡がり可能に構成されており、さらに前記セラミック体に向けて突出すると共に、前記電極パッドに弾性的に接触する電極パッド当接部を有すると良い。

本発明によれば、端子接続部の両端部の間隔が弾性的に拡がり可能に構成されると共に、前記電極パッドに弾性的に接触する電極パッド当接部を有している。これにより、加締部材がセラミック体側に加締められる際に、被覆部材の変形に加えて、端子接続部自身も電極パッドに接触した状態を維持しながら弾性変形することができるため、加締部材によって加締接続を行っているにも拘わらず、セラミック体の破損を確実に防止することができる。また、被覆部材自身が変形可能であるのに加えて、端子接続部も電極パッドに接触した状態を維持しながら弾性変形可能であることから、加締部材の加締外径や加締め力などの作業条件の許容範囲を広く設定することができ、加締接続の自由度を確保することができる。

また、他の解決手段は、上記のいずれかに記載のセラミックヒータを備えるガスセンサである。

前述したように、セラミックヒータは、電極パッドと端子部材とをロウ付けする必要がなく、且つ、これらの接続信頼性が高いので、このセラミックヒータをガスセンサに適用することにより、信頼性の高いガスセンサとすることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態に係るセラミックヒータ１００について説明する。図１にセラミックヒータ１００を示す。なお、セラミックヒータ１００のうち、図１中、下方を先端側とし、上方を後端側とする。
このセラミックヒータ１００は、後述する酸素センサ２００に組み込まれるものであり、酸素濃度を測定する際、酸素センサ素子を加熱するために利用される。セラミックヒータ１００は、円柱で棒状（いわゆる丸棒状）をなすセラミック体１０１と、一対のヒータ端子金具（端子部材）１２１，１２１と、絶縁被覆シート（被覆部材）１３１と、加締リング（加締部材）１４１から構成されている。

セラミック体１０１は、アルミナ製の碍管１０３に、２層のアルミナ製セラミック層（第１セラミック層１０５及び第２セラミック層１０６）が積層されてなる（図３も参照）。第１，第２セラミック層１０５，１０６の層間には、先端側に位置する発熱部１０８と、これに接続し後端側へ延びる一対のリード部１０９，１０９とからなり、タングステンを主体とする発熱抵抗体１０７が埋設されている。また、セラミック体１０１の後端側の表面（詳細には、図３に示すように、第２セラミック層１０６のうち発熱抵抗体１０７が形成された面とは反対側の表面）には、一対の電極パッド１１１，１１１が周方向に並んで設けられている。一対のリード部１０９，１０９と一対の電極パッド１１１，１１１は、第２セラミック層１０６の後端側にこれを貫通して形成された一対のスルーホール導体１１３，１１３によって接続されている。

ヒータ端子金具１２１，１２１は、インコネル７１８からなる厚さ０．２ｍｍの略平板の金属板を２箇所で屈曲加工されたものである（図４も参照）。ヒータ端子金具１２１，１２１は、端子接続部１２３と、端子接続部１２３から屈曲しセラミック体１０１の径方向外側へ延びる端子中間部１２５と、端子中間部１２５から屈曲し後端側へ延びる端子リード部１２７から構成されている。そして、各々の端子接続部１２３，１２３が各々の電極パッド１１１，１１１に、ロウ材を使用することなく接触して、電気的に接続されている。また、各々のヒータ端子金具１２１の端子リード部１２７は、後述するヒータリード線２１８，２１９の金属芯線と接続されている。

絶縁被覆シート１３１は、無機繊維であるセラミック繊維のシートからなる、厚さ１．０ｍｍのセラミックシート（日本無機株式会社製ＭＣペーパー）である（図４も参照）。この絶縁被覆シート１３１は、自身が変形可能で緩衝材としての柔軟性に優れ、常用４５０℃以上の温度条件下にも耐え得る耐熱性を有し、絶縁性にも優れる。また、高温下でもガスを発生しない。なお、絶縁被覆シート１３１として、無機繊維であるガラス繊維からなるガラスシートを利用してもよい。このようなものも、自身が変形可能で柔軟性に優れ、高い耐熱性を有し、絶縁性にも優れ、更に、高温下でもガスを発生しない。絶縁被覆シート１３１は、各々の端子接続部１２３，１２３が各々の電極パッド１１１，１１１に接触した状態で、これらを含め、セラミック体１０１の後端側の外周を、一部を除きほぼ全周にわたって覆っている。セラミックヒータ１００の完成状態において、絶縁被覆シート１３１は、加締リング１４１の加締めによって、変形している。

加締リング１４１は、ＳＵＳ３０４の環状体からなる。加締リング１４１は、絶縁被覆シート１３１の径方向外側に配置されており、径方向内側（セラミック体１０１側）に向かって加締められている。なお、本実施形態において、この加締めは八方丸締めにより行っている。そして、この加締リング１４１によって、絶縁被覆シート１３１が変形された状態で、各々の端子接続部１２３，１２３のいずれもが対応する電極パッド１１１，１１１に固定されている。

このようなセラミックヒータ１００は、各々の電極パッド１１１，１１１及び各々の端子接続部１２３，１２３と加締リング１４１との間に、自身が変形可能な絶縁被覆シート１３１が介在しており、さらにヒータ端子金具１２１がインコネル７１８といったバネ性に優れる材質形成されているので、加締リング１４１により加締接続を行っているにも拘わらず、セラミック体１０１に破損が生じにくい。しかも、加締接続を行っているため、端子接続部１２３，１２３を電極パッド１１１，１１１に確実に固定でき、ヒータ端子金具のバネ弾性のみを利用して端子接続部と電極パッドとを接続させた従来のものに比べ、端子接続部１２３，１２３と電極パッド１１１，１１１との接続信頼性が高い。

更に、絶縁被覆シート１３１は、複数の電極パッド１１１，１１１と複数の端子接続部１２３，１２３のいずれをも覆い、加締リング１４１は、絶縁被覆シートを介して各々の端子接続部１２３，１２３のいずれをも対応する電極パッド１１１，１１１に固定している。しかし、この絶縁被覆シート１３１は絶縁体であるので、電極パッド１１１，１１１同士や端子部材１２１，１２１同士の短絡を防止しつつ、複数箇所（２カ所）の導通を並行して維持できる。
しかも、このように加締接続することで、絶縁被覆シート１３１や加締リング１４１を、電極パッド１１１，１１１及び端子部材１２１，１２１別にその数だけ複数用意する必要がなくなり、これらの部品単価やセラミックヒータ１００の製造コストを低減できる。

また、セラミック体１０１が棒状（本実施形態では丸棒状）で、電極パッド１１１，１１１がその表面に周方向に並んで複数設けられており、絶縁被覆シート１３１は、電極パッド１１１，１１１及び端子部材１２１，１２１をセラミック体１０１の径方向外側から覆い、加締リング１４１は、この絶縁被覆シート１３１よりも径方向外側に配置されて径方向内側に向かって加締められている。このようにすることで、複数の電極パッド１１１，１１１と端子部材１２１，１２１との接続が容易となり、この点でもセラミックヒータ１００の製造コストを低減できる。

次いで、本実施形態に係る酸素センサ２００（ガスセンサ）について説明する。図２に酸素センサ２００の内部構造を示す。なお、酸素センサ２００のうち、図２中、下方を先端側とし、上方を後端側とする。
この酸素センサ２００は、内燃機関の排ガス管に取り付けて、排気ガス中の酸素濃度を測定するものである。酸素センサ２００は、軸方向に延びる酸素センサ素子２０２、酸素センサ素子２０２の内側に挿入された上記のセラミックヒータ１００、酸素センサ素子２０２の周囲を取り囲む主体金具２０３、主体金具２０３の先端側に取り付けられたプロテクタ２０４、主体金具２０３の後端側に取り付けられた金属外筒２２１等から構成されている。

酸素センサ素子２０２は、先端が閉じた中空軸状をなす。酸素センサ素子２０２は、Ｙ_２Ｏ_３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２等からなり、先端が閉じた中空軸状をなし、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２０２ａを有する。
固体電解質体２０２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、Ｐｔ、Ｐｔ合金等からなる多孔質の基準電極２０２ｂが設けられている。一方、固体電解質２０２ａの外面のうち先端部にも、同様な多孔質の測定電極２０２ｃが設けられている。更に、少なくともこの測定電極２０２ｃの表面には、スピネル等の耐熱性物質からなる多孔質の電極保護層２０２ｄが被覆されている。
また、酸素センサ素子２０２には、第１センサ端子金具２１１が内側から当接して、基準電極２０２ｂと電気的に接続し、また、第２センサ端子金具２１２が外側から当接して、測定電極２０２ｃと電気的に接続している。第１，第２センサ端子金具２１１，２１２は、他方でセンサ出力リード線２１３，２１４と接続している。

この酸素センサ素子２０２の有底孔２０２ｅには、上記のセラミックヒータ１００が挿入されている。セラミックヒータ１００の後端側は、セパレータ２３１内に挿入され、そこでセラミックヒータ１００に設けられたヒータ用端子金具１２１，１２１が、外部に延びるヒータリード線２１８，２１９と接続している。
酸素センサ素子２０２の軸方向の中間部には、径方向外側に突出する係合フランジ部２０２ｆが設けられている。そして、この係合フランジ部２０２ｆが、絶縁性セラミックからなるインシュレータ２０５，２０７、金属製パッキン２０８ａ，２０８ｂ、及びタルクからなるセラミック粉末２０６により係合保持されることで、酸素センサ素子２０２は、中心に挿通孔を有する筒状の主体金具２０３に気密に保持されている。

このような酸素センサ素子２０２は、基準電極２０２ｂが設けられた固体電解質体２０２ａの内側を大気に晒し、測定電極２０２ｃが設けられた固体電解質体２０２ａの外側（即ち、電極保護層２０２ｄ側）を排ガス（例えば、自動車の排気ガス）に晒すように配置される。そして、使用時にはセラミックヒータ１００が加熱される。そうすると、セラミックヒータ１００の加熱に伴い固体電解質体２０２ａが活性化して酸素イオン伝導性を帯び、大気の方が排ガスよりも酸素濃度が高いことから、大気と排ガスとの間に生じる酸素濃度差に従って酸素イオンが固体電解質体２０２ａ中を排ガス側に拡散し、これに伴って起電力が発生する。この起電力を検出信号として外部に取り出せば、例えば、自動車エンジンの空燃比の調整に利用可能となる。

主体金具２０３は、酸素センサ２００を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部２０３ｂや六角部２０３ｃを有し、プロテクタ接続部２０３ａにプロテクタ２０４（詳細は外側プロテクタ２０４ａ）が溶接されている。このプロテクタ２０４は、外側プロテクタ２０４ａと内側プロテクタ２０４ｂの二重構造をなしており、主体金具２０３の先端側開口部から突出する酸素センサ素子２０２の先端部を覆うように取り付けられている。この酸素センサ２００は、ねじ部２０３ｂより先端側が排気管等の中に位置し、それより後端側は外部の大気中に位置して使用される。プロテクタ２０４を構成する外側プロテクタ２０４ａ、内側プロテクタ２０４ｂには、排気ガスを透過させる複数のガス透過口が形成されている。
一方、主体金具２０３の後端部２０３ｅは、インシュレータ２０７との間にリングパッキン２０９を介して加締められている。また、六角部２０３ｃの後端側の接続部２０３ｄには、肉薄な筒状の金属外筒２２１の先端部２２１ａが全周レーザ溶接されている。

金属外筒２２１の後端側開口部には、フッ素ゴムで構成されたグロメット２５１が嵌入され加締められている。グロメット２５１の中心部には、大気を金属外筒２２１内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ部材２５２が配置されている。このグロメット２５１の先端側には、絶縁性のアルミナセラミックからなるセパレータ２３１が配置されている。そして、セパレータ２３１及びグロメット２５１を貫通した状態で、センサ出力リード線２１３，２１４及びヒータリード線２１８，２１９が配置されている。また、セパレータ２３１には、各リード線２１３，２１４，２１８，２１９と接続する、第１，第２センサ端子金具２１１，２１２のコネクタ部２１１ａ，２１２ａ、及び、ヒータ用端子金具１２１，１２１が、互いに絶縁されつつ内部に保持されている。

このようなガスセンサ２００は、本発明を適用したセラミックヒータ１００を備える。セラミックヒータ１００は、前述したように、電極パッド１１１，１１１とヒータ用端子金具１２１，１２１とをロウ付けする必要がなく、且つ、これらの接続信頼性が高いので、信頼性の高いガスセンサ２００とすることができる。

次いで、上記セラミックヒータ１００及び上記酸素センサ２００の製造方法について説明する。
セラミックヒータ１００の製造方法について説明する。図３にセラミック体１０１の形成方法について模式的に示す。また、図４にセラミック体１０１からセラミックヒータ１００を形成するまでの工程を示す。

まず、第１セラミック層１０５及び第２セラミック層１０６となる第１未焼成セラミック層（第１グリーンシート）１０５及び第２未焼成セラミック層（第２グリーンシート）１０６を作成する。具体的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末９３ｗｔ％と、ＳｉＯ_２粉末、酸化カルシウム（ＣａＯ）となる炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）粉末、及び、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）となる炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）粉末からなる焼結助剤７ｗｔ％とを配合し、原料粉末を調製する。次に、この原料粉末１００重量部に対し、ポリブチルビニラール１０重量部と、ジブツルフタレート５重量部と、メチルエチルケトン及びトルエンを合計で７０重量部とを添加し、ボールミールでスラリー状に混合する。その後、減圧脱泡し、ドクターブレード法によって厚さ０．０５ｍｍの第１グリーンシート１０５、及び、厚さ０．２ｍｍの第２グリーンシート１０６を作成する。第２グリーンシート１０６には、一対のスルーホール導体１１３を形成するための一対のスルーホールを所定の位置に穿設しておく。なお、第１グリーンシート１０５は厚みが薄く非常に破れやすいため、第２グリーンシート１０６への圧着が終わるまでは搬送テープに張り付けた状態で取り扱う。

次に、第２グリーンシート１０６上に発熱抵抗体１０７及び電極パッド１１１を形成するための金属抵抗体インク（メタライズインク）を、以下の方法で作成する。即ち、タングステン（Ｗ）粉末９７ｗｔ％と、アルミナ粉末３ｗｔ％とを配合した原料粉末１００重量部に対し、樹脂系バインダ６重量部と、アセトン１００重量部と、ブチルカルビドール７０重量部とを添加し、ポットでスラリー状に混合する。その後、減圧脱泡し、アセトンを蒸発させることにより、メタライズインクを得る。

次に、厚膜印刷法により、第２グリーンシート１０６の一方の面に、上記のメタライズインクを２５μｍの厚さで印刷し、発熱抵抗体１０７を構成する発熱部１０８及びリード部１０９となる未焼成メタライズ層を形成する。また、第２グリーンシート１０６の他方の面にも、メタライズインクを所定位置に印刷し、一対の電極パッド１１１となる未焼成メタライズ層を形成する。また、一対のスルーホールの内壁にもメタライズインクを印刷し、スルーホール導体１１３となる未焼成スルーホール導体を形成する。

次に、第２グリーンシート１０６のうち、発熱抵抗体１０７の未焼成メタライズ層が形成された側の面上に、第１グリーンシート１０５のうち、搬送テープが張り付けられていない側の面を圧着する。その後、搬送テープを剥がし、その面にアルミナペースト（共素地）を塗布する。次に、この塗布面を別途作成しておいたアルミナ製の碍管１０３側として、互いに圧着された第１，第２グリーンシート１０５，１０６を碍管１０３に巻き付け、外周を押圧することによりセラミックヒータ成形体を作成する。

次に、セラミックヒータ成形体を２５０℃で６時間加熱して樹脂抜きを行い、その後、セラミックヒータ成形体を還元雰囲気下において、１５５０℃で５時間焼成する。これにより、心棒としての碍管１０３とその外周を取り巻く層としての第１グリーンシート１０５と、更にその外周を取り巻く層としての第２グリーンシート１０６が一体として焼成される。その後、電極パッド１１１，１１１上にニッケルメッキ層を形成して、電極パッド１１１，１１１を完成させる。かくして、セラミック体１０１が得られる（図４の最上図を参照）。

次に、公知の手法により形成されたヒータ用端子金具１２１，１２１を用意する。そして、図４に示すように、ヒータ用端子金具１２１，１２１の端子接続部１２３，１２３を、セラミック体１０１の電極パッド１１１，１１１にそれぞれ接触させる。
次に、所定形状に切断した絶縁被覆シート１３１を用意し、各々の端子接続部１２３，１２３が各々の電極パッド１１１，１１１に接触した状態で、これらの上からセラミック体１０１の後端側部分の外周を僅かな隙間をあけてほぼ全周にわたってＣ字状に取り巻く。

次に、公知の手法によって形成された加締リング１４１を用意し、絶縁被覆シート１３１の径方向外側に配置する。
次に、加締リング１４１を八方丸締めによって径方向内側に加締め、絶縁被覆シート１３１を変形させた状態で、各々の端子接続部１２３，１２３を各々の電極パッド１１１，１１１に接触させつつセラミック体１０１に押圧して固定する。
かくして、セラミックヒータ１００が完成する。

次いで、酸素センサ２００の製造方法について説明する。
この酸素センサ２００は、公知の方法により製造できる。即ち、公知の手法により製造した酸素センサ素子２０２を用意し、これを主体金具２０３に挿入すると共に、インシュレータ２０５，２０７、金属製パッキン２０８ａ，２０８ｂ、セラミック粉末２０６及びリングパッキン２０９も、主体金具２０３に挿入し、主体金具２０３の後端部２０３ｅを加締めて、酸素センサ素子２０２を主体金具２０３に固定する。また、プロテクタ２０４を主体金具２０３に固定する。

次に、センサ出力リード２１３，２１４が接続された第１，第２センサ端子金具２１１，２１２、及び、ヒータリード線２１８，２１９が接続された上記セラミックヒータ１００のヒータ用端子金具１２１，１２１をセパレータ２３１内に配置する。更に、このセパレータ２３１及びグロメット２５１を金属外筒２２１に取り付ける。そして、この金属外筒２２１を主体金具２０３に全周レーザ溶接し、グロメット２５１を金属外筒２２１と共に加締める。
かくして、酸素センサ２００が完成する。

（実施形態２）
次いで、本発明の第２の実施形態に係るセラミックヒータ３００について、図５〜図８を参照しつつ説明する。第２の実施形態に係るセラミックヒータ３００は、第１の実施形態のセラミックヒータ１００におけるヒータ端子金具１２１を、ヒータ端子金具３２１に代えた点でのみ相異するものである。そこで、ヒータ端子金具３２１についての相異部分を中心に説明し、同様な部分については説明を省略あるいは簡略化すると共に、同一部位には同一の符号を付すに止める。

セラミックヒータ３００は、図７に示すように、円柱で棒状（いわゆる丸棒状）をなすセラミック体１０１と、一対のヒータ端子金具（端子部材）３２１と、絶縁被覆シート（被覆部材）１３１と、加締リング（加締部材）１４１とから構成されている。このセラミックヒータ３００についても、第１の実施形態に係るセラミックヒータ１００と同様に、前述した酸素センサ２００に組み込まれるものであり、酸素濃度を測定する際、酸素センサ素子２０２を加熱するために利用される。なお、図７に示したセラミックヒータ３００のうち、ヒータ端子金具３２１が、加締リング１４１を用いて電極パッド１１１に加締接続された構造の要部の断面図を図８に示し、図７に示したセラミックヒータ３００のＡ−Ａ断面図を図９に示す。

ヒータ端子金具３２１は、インコネル７１８からなる金属板を屈曲加工されたものであり、図５に示すように、端子接続部３２３と、端子接続部３２３の後端側（図５中、上方）に連結され、後方に向かってストレート状に延びる端子中間部３２５と、この端子中間部３２５の後端側に連結されるヒータコネクタ部３２７とを有する。このうち、ヒータコネクタ部３２７は、酸素センサ２００に組み込む際に、ヒータリード線２１８（または２１８）の金属芯線を内側に配置した状態で加締められることで当該金属芯線を把持する部位にあたる。

ヒータ端子金具３２１の端子接続部３２３は、図６に示すように、軸線の直交方向断面が略椀形状に屈曲されており、セラミック体１０１の表面に設けられた１つの電極パッド１１１と向かい合う対向壁３３１と、この対向壁３３１の両側縁にそれぞれ連結され、側壁３３３，３３３とを有する。そして、セラミックヒータ３００の完成状態において、この端子接続部３２３は、電極パッド１１１の両側縁を跨ぐようにしてセラミック体１０１の周方向の一部を包囲しつつ、自身の両端部（換言すれば、側壁３３３，３３３の対向壁３３１に連結する側とは反対側に位置する端部）３３５，３３５がセラミック体１０１の表面に接触するように構成されている（図９参照）。また、端子接続部３２３の両端部３３５，３３５の間隔は、加締部材１４１がセラミック体１０１側に加締められる際に弾性的に拡がることが可能なように、セラミック体１０１の直径よりも小さく設定されている。

この端子接続部３２３のうち、対向壁３３１には電極パッド当接部３３７が設けられている。電極パッド当接部３３７は、端子接続部３２３の先端側（図５中、下方）が開いたコ字状の切れ目を設けることによって形成されている。この電極パッド当接部３３７は、後端側が自由端で、先端側で対向壁３３１に繋がる片持ち構造を有している。また、電極パッド当接部３３７は、先端側と自由端側との間にストレート状の接触壁３３９が形成されるように屈曲した形状をなすと共に、セラミック体１０１に向けて突出する形状をなしている。

そして、各々のヒータ端子金具３２１，３２１は、図８及び図９に示すように、絶縁被覆シート１３１に覆われた状態で、加締部材１４１によりセラミック体１０１に押圧されて固定されている。各々の端子接続部３２３，３２３は、各々の電極パッド１１１の両側縁を跨ぐようにしてセラミック体１０１の周方向の一部を包囲しつつ、電極パッド当接部３３７（より詳細には、接触壁３３９）が各々の電極パッド１１１，１１１に、ロウ材を使用することなく、弾性的に接触している。

このセラミックヒータ３００においても、ヒータ端子金具３２１，３２１と加締リング１４１との間に、自身が変形可能な絶縁被覆シート１３１を介在させているので、加締リング１４１により加締接続を行っているにも拘わらず、セラミック体１０１に破損が生じにくく、端子接続部３２３，３２３（詳細には、電極パッド当接部３３７，３３７）と電極パッド１１１，１１１との接続信頼性が高い。

また、個々の端子接続部３２３は、電極パッド１１１に接触する箇所（部位）以外に、自身の両端部３３５，３３５がセラミック体１０１の表面に接触した状態で、加締リング１４１によってセラミック体１０１に押圧され固定されている。これにより、端子接続部３３７と、電極パッド１１１を含めたセラミック体１０１表面との接触領域が増すため、ヒータ端子金具３２１が、例えばヒータ用リード線２１８（２１９）の引っ張りによって後端側に引っ張られることがあっても加締リング１４１の内側から抜けにくくなる。

なお、上記セラミックヒータ３００の製造方法についても、基本的には前述したセラミックヒータ１００の製造方法と同じであるが、ヒータ端子金具３２１の端子接続部３２３が、前述したように、両端部３２５，３２５の間隔が弾性的に拡がり可能に構成されると共に、電極パッド１１１に弾性的に接触する電極パッド当接部３３７を有している。このため、加締リング１４１を八方丸加締めによって径方向内側（セラミック体１０１側）に加締める際に、絶縁被覆シート１３１の変形に加えて、端子接続部３２３自身も電極パッド１１１に接触した状態を維持しながら弾性変形することができる。従って、本実施形態のセラミックヒータ３００の製造方法では、絶縁被覆シート１３１自身が変形可能であるのに加えて、端子接続部３２３も弾性変形可能であるが故に、加締リング１４１の加締外径や加締め力などの作業条件の許容範囲を広く設定することができ、前述したセラミックヒータ１００と比較して加締接続の自由度を確保することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１,２に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、本発明を酸素センサ２００に適用した場合について説明したが、ＮＯｘセンサやＨＣセンサなど他のガスセンサに適用することも可能である。
また、上記実施形態１，２では、セラミックヒータ１００が丸棒であるが、角棒でもよいし、その他の形態とすることもできる。

更に、上記実施形態１，２では、加締部材１４１が、リングであるが、Ｃ字状としてもよい。また、複数の加締部材１４１を利用してもよい。
また、上記実施形態１，２では、１つの被覆部材１３１が、各々の電極パッド１１１，１１１と各々の端子接続部１２３，１２３を覆っているが、電極パッド１１１及び端子接続部１２３毎に、複数の被覆部材を利用してもよい。

更に、セラミック体１０１には、発熱抵抗体１０７が埋設されている部位とは異なる部位にマイグレーション防止電極を設けることもできる。このようにマイグレーション防止電極を設けることで、セラミック体１０１内にアルカリ金属成分やアルカリ土類金属が含有される場合（不可避的に含有される場合も含む）にも、それらのイオンをマイグレーション防止電極に引き寄せることができ、発熱抵抗体１０７に不具合が生じるのを効果的に防ぐことができる。

また、発熱抵抗体１０７の材質は、タングステンを主体としたものに限定されず、貴金属やモリブテンを主体にして構成してもよい。なお、貴金属としては、Ｐｔ，Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ等が挙げられ、これらの１種のみを使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

さらに、上記実施形態２では、端子接続部３２３のうち電極パッド１１１に弾性的に接触するフレーム当接部３２３を片持ち状に形成したが、端子接続部３２３の対向壁３３１に軸線方向に平行な切れ目を２つ設け、セラミック体１０１側に向けて円弧状に膨らむように外方に膨出させた両持ち構造に形成しても良い。

第１の実施形態に係るセラミックヒータ１００を示す説明図である。 第１の実施形態に係るセラミックヒータ１００を組み付けた状態の酸素センサ２００の縦断面図である。 第１の実施形態に係るセラミックヒータ１００の製造方法のうち、セラミック体１０１の形成を示す説明図である。 第１の実施形態に係るセラミックヒータ１００の製造方法のうち、セラミック体１０１からセラミックヒータ１００を製造するまでを示す説明図である。 第２の実施形態に係るセラミックヒータ３００への組み付け前の状態を示すヒータ端子金具３２１の斜視図である。 図５に示したヒータ端子金具３２１のうち、点線で示した部分の断面図である。 第２の実施形態に係るセラミックヒータ３００を示す説明図である。 図７に示したセラミックヒータ３００のうち、ヒータ端子金具３２１が、加締リング１４１を用いて電極パッド１１１に加締接続された構造の要部を示す断面図である。 図７に示したセラミックヒータ３００のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１００，３００ セラミックヒータ
１０１ セラミック体
１１１ 電極パッド
１２１，３２１ ヒータ端子部材（端子部材）
１２３，３２３ 端子接続部
１３１ 絶縁被覆シート（被覆部材）
１４１ 加締リング（加締部材）
２００ 酸素センサ（ガスセンサ）
３３５ 両端部（端子接続部の両端部）
３３７ フレーム当接部

Claims (7)

1. 発熱抵抗体が配設されたセラミック体と、
   前記セラミック体の表面に設けられた電極パッドと、
   前記電極パッドに接続する端子接続部を有する端子部材と、
   を備えるセラミックヒータであって、
   前記端子接続部が前記電極パッドに接触した状態でこれらを覆う被覆部材であって、自身が変形可能で耐熱性を有する被覆部材と、
   前記被覆部材の上から前記セラミック体側に加締められてなり、前記被覆部材を変形させ、この被覆部材を介して前記端子接続部を前記電極パッドに接触させつつ前記セラミック体に押圧して固定する加締部材と、
   を備えるセラミックヒータ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータであって、
   前記電極パッドを複数有すると共に、これらに対応する前記端子部材を複数有し、
   前記被覆部材は、絶縁体からなり、複数の前記電極パッドと複数の前記端子部材の前記端子接続部のいずれをも、各々の前記端子接続部が対応する各々の前記電極パッドに接触した状態で覆ってなり、
   前記加締部材は、前記被覆部材を介して各々の前記端子接続部のいずれをも対応する前記電極パッドに接触させつつ、前記セラミック体に固定してなる
   セラミックヒータ。
3. 発熱抵抗体が配設された棒状のセラミック体と、
   前記セラミック体の表面にその周方向に並んで設けられた複数の電極パッドと、
   各々の前記電極パッドに接続する端子接続部を有する複数の端子部材と、
   を備えるセラミックヒータであって、
   複数の前記電極パッドと複数の前記端子部材の前記端子接続部のいずれをも、各々の前記端子接続部が対応する各々の前記電極パッドに接触した状態で、前記セラミック体の径方向外側から覆う被覆部材であって、絶縁体からなり、自身が変形可能で耐熱性を有する被覆部材と、
   前記被覆部材よりも径方向外側に配置されて径方向内側に向かって加締められてなり、前記被覆部材を変形させ、この被覆部材を介して各々の前記端子接続部のいずれをも対応する前記電極パッドに接触させつつ前記セラミック体に押圧して固定する加締部材と、
   を備えるセラミックヒータ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のセラミックヒータであって、
   前記被覆部材は、無機繊維のシートからなる
   セラミックヒータ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のセラミックヒータであって、
   前記端子接続部は、前記電極パッドの両側縁を跨ぐようにして前記セラミック体の周方向の一部を包囲する形態をなし、自身の両端部が前記セラミック体の表面に接触している
   セラミックヒータ。
6. 請求項５に記載のセラミックヒータであって、
   前記端子接続部は、前記加締部材が前記セラミック体側に加締められる際に前記両端部の間隔が弾性的に拡がり可能に構成されており、さらに前記セラミック体に向けて突出すると共に、前記電極パッドに弾性的に接触する電極パッド当接部を有する
   セラミックヒータ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のセラミックヒータを備えるガスセンサ。