JP5345914B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、ろう材によって、電極パッドに端子部材を接合したセラミックヒータに関するものである。

従来より、自動車などの排気ガス中の特定ガス成分を検出するセンサとして、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサ等のガスセンサが知られている。このガスセンサとして代表的な酸素センサは、ジルコニア等の固体電解質を用いたセンサ素子を備えており、排気ガス中の酸素の濃度を検出して、混合気の空燃比を制御するために使用される。

このようなセンサ素子は、温度が低いと活性化しないため、センサ素子の近傍には、センサ素子加熱用のセラミックヒータが設けられている。
このセラミックヒータとしては、アルミナ等からなる絶縁性セラミック基体中に、タングステン、モリブデン等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。例えば有底筒状をなすセンサ素子に内挿される丸棒状のセラミックヒータは、発熱抵抗体（発熱体）が形成されたセラミックのグリーンシートをセラミック製の碍管（セラミック中軸）に巻き付け、一体に焼成することによって形成される。

また、セラミックヒータの外周面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッド（取出電極）が設けられており、この電極パッドには、発熱抵抗体に外部からの電圧を印加するための端子部材（リード線のリード端子）がろう付けにより接合されている（特許文献１参照）。

この端子部材を電極パッドにろう付けする技術としては、図１０（ａ）に例示する様に、端子部材（Ｐ１）として線材を用い、この線材の先端面を電極パッド（Ｐ２）に垂直に向けて接合する、点状のろう付けの技術が知られている（特許文献１参照）。この点状のろう付けの技術は、端子部材の周りに形成されるろう材が略均一に広がるために、ろう材にかかる応力が均等に分散するので、冷熱の繰り返しによる金属の熱膨張と収縮があっても、ろう付け強度及び冷熱の耐久性が高いという利点がある。

また、図１０（ｂ）に示す様に、端子部材（Ｐ３）として、幅（図１０（ｂ）の表裏方向）のある板材を用い、この板材の主面（Ｐ４）を電極パッド（Ｐ５）に向けて接合する、面状のろう付けの技術も知られている（特許文献１参照）。この面状のろう付けの技術は、端子部材が広い面積で電極パッドに接合しているので、腐食が生じても端子部材と電極パッドとがはがれにくいという利点がある。

特開２００６−２９４４７９号公報

しかしながら、前記点状のろう付けの場合には、ろう付け面積が少ないので、腐食よる電極パッドと端子部材との耐剥離性が低く、早期に端子脱落等の不具合が発生することがあった。

特に、セラミックヒータが使用される酸素センサ等は、排気ガスなどに晒されるので、排気ガス中の成分等によって、ろう材の腐食が促進されることがあった。
また、前記面状のろう付けの場合には、広い接触面積を有する端子部材は、その周囲等に配置されたろう材によって強固に電極パッドに接合するので、例えば、端子部材の位置がずれて、電極パッドの端部まで多量のろう材が付着した場合には、冷熱による影響で、電極パッドの外周近傍のセラミックにクラックが発生し、端子脱落等の不具合が発生することがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、冷熱が繰り返される環境で使用された場合でも、端子部材と電極パッドとの接合強度が高く、且つ、腐食に対する耐久性も高いセラミックヒータを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためになされた本発明は、内部に発熱抵抗体を埋設してなるセラミック基体と、前記セラミック基体の外部に露出し、前記発熱抵抗体と電気的な接続を行う電極パッドと、ろう材によって、前記電極パッドに接合された端子部材と、を備えた長手方向に延びる棒状のセラミックヒータであって、前記電極パッドは、前記長手方向の寸法が該長手方向に対する垂直方向の寸法より長い形状であり、前記電極パッドの外周縁部における前記ろう材の厚みは６０μｍ以下であり、且つ、前記端子部材は、前記電極パッドに対して立設された立設部を有するとともに、該立設部によって前記電極パッドにろう付けされており、更に、前記立設部は、その高さ方向の寸法よりも前記垂直方向の寸法が少なく、且つ、前記高さ方向全体にわたって、前記長手方向の寸法が前記垂直方向の寸法より長い板形状であり、更に、前記立設部の前記電極パッドに対する対向面は、前記長手方向の寸法が前記垂直方向の寸法より長い形状であることを特徴とする。

本発明では、端子部材はその板状の立設部によって電極パッドにろう付けされており、立設部の電極パッドに対する対向面は、セラミックヒータの長手方向の寸法が垂直方向の寸法より長い形状である。しかも、電極パッドの外周縁部におけるろう材の厚みは６０μｍ以下である。従って、冷熱が繰り返される環境で使用された場合でも、端子部材と電極パッドとの接合強度が高く、且つ、腐食よる電極パッドと端子部材との耐剥離性も高いという効果がある。

つまり、本発明では、端子部材は、長手方向（以下、軸方向とも言う）に長い対向面を有する板状の立設部によって電極パッドにろう付けされているので、従来の点状のろう付けに比べて、ろう付け面積が多く、よって、排気ガス等に晒されるような過酷な環境であっても、腐食よる電極パッドと端子部材との耐剥離性が高いという利点がある。
しかも、本発明では、長手方向の寸法が垂直方向の寸法よりも長い電極パッドに対して、長手方向の寸法が垂直方向の寸法よりも長い対向面とすると共に、垂直方向の寸法よりも高さ方向の寸法を長く、且つ、高さ方向全体にわたって、長手方向の寸法を垂直方向の寸法より長くした立設部とすることで、ろう材が略均一に広がりやすい。それゆえ、電極パッドの外周縁部におけるろう材の厚みが６０μｍ以下と薄くすることができ、この点からも、電極パッドの外周縁部の近傍のセラミックにクラックが発生しにくいという効果がある。
その上、垂直方向の寸法よりも高さ方向の寸法を長く、且つ、高さ方向全体にわたって、長手方向の寸法を垂直方向の寸法より長くした立設部とすることで、端子部材自身の強度も向上するため、端子部材が折損することも防止できる。

この様に、本発明のセラミックヒータは、腐食による電極パッドと端子部材との耐剥離性が高く、且つ、冷熱が繰り返される環境で使用された場合でも、端子部材と電極パッドとの接合強度が高く、よって、端子脱落等の不具合が発生しにくいという効果がある。

なお、「前記長手方向の寸法が該長手方向に対する垂直方向の寸法より長い形状」とは、電極パッドの表面における形状を示している。また、「垂直方向における寸法」とは、前記高さ方向に沿って見た場合の長さのことである。

更に、「電極パッドの外周縁部におけるろう材の厚み」とは、電極パッドの外周縁部から外周縁部の垂直方向に延ばした方向に形成されるろう材の厚みのことをさす。
（２）上述したセラミックヒータにおいては、請求項２の発明のように、前記端子部材は、前記立設部から伸びる屈曲部を備えるとともに、少なくとも前記屈曲部には、該屈曲部の剛性を強化する剛性強化部を備えてもよい。

本発明では、端子部材の少なくとも屈曲部には、屈曲部の剛性を強化する剛性強化部を備えているので、端子部材の強度が高いという利点がある。
例えば板状の屈曲部を用い、その伸び方向に沿って剛性強化部を設ける場合には、屈曲部に（その板厚方向に凹んだ）凹部及び凹んだ分反対側に突出した凸部からなる剛性強化部を設けることにより、端子部材の強度を高めることができる。

なお、剛性強化部は屈曲部だけなく、屈曲部から立設部に到るように設けることによって、一層端子部材の強度を高めることができる。
なお、屈曲部としては、立設部の（セラミックヒータの径方向における）先端側から、立設部の立設方向に対して直角に伸びる構成を採用できる。

（３）上述したセラミックヒータにおいては、請求項３の発明のように、前記電極パッドから前記屈曲部までの高さをt（例えば図７のｔ２）とした場合に、前記電極パッドを前記高さ方向に沿って見たときに、前記立設部の外周から前記電極パッドの外周に到る距離をｔ以上としてもよい。

通常では、平面とその平面に垂直に配置された部材とをろう付けする場合には、ろう材は、その高さと同程度まで平面上に広がることが知られている。
本発明のように、電極パッドと端子部材の立設部とをろう付けする場合には、ろう材が屈曲部までの高さｔに到ることが考えられるが、その場合でも、本発明の場合には、立設部の外周から電極パッドの外周に到る距離がｔ以上であるので、電極パッドの外周にろう材が多量に到達することはない。

よって、冷熱による影響があった場合でも、電極パッドの外周近傍のセラミックにクラックが発生にくいという利点がある。
（４）上述したセラミックヒータにおいては、請求項４の発明のように、前記電極パッドから前記立設部におけるろう材の到達高さをｈとした場合に、前記電極パッドを前記高さ方向に沿って見たときに、前記立設部の外周から前記電極パッドの外周に到る距離をｈ以上としてもよい。

本発明では、立設部におけるろう材の（電極パッドからの）到達高さｈよりも、立設部の外周から電極パッドの外周に到る距離が大きいので、電極パッドの外周にろう材が到達していない。

よって、冷熱による影響があった場合でも、電極パッドの外周近傍のセラミックにクラックが発生にくいという利点がある。
なお、上述したセラミックヒータにおいては、例えば、立設部の厚みを、０．２〜１ｍｍ、立設部のセラミックヒータにおける長手方向の長さを、１〜４ｍｍとすることが好ましい。

つまり、立設部の寸法がこの範囲の場合には、一層、腐食に対する耐久性が高く、且つ、冷熱が繰り返される環境で使用された場合でも、端子部材と電極パッドとの接合強度が高く、よって、端子脱落等の不具合が発生しにくいという効果が得られる。

実施例１のセラミックヒータが用いられる酸素センサの概略説明図である。 実施例１のセラミックヒータの斜視図である。 セラミック基体を分解して示す斜視図である。 セラミックヒータの平面図である。 セラミックヒータの正面図である。 セラミックヒータの図５におけるＢ−Ｂ断面を拡大して示す説明図である。 セラミックヒータの図４におけるＡ−Ａ断面を拡大して示す説明図である。 実施例２のセラミックヒータの図９におけるＣ−Ｃ断面を拡大して示す説明図である。 実施例２のセラミックヒータの軸方向における断面を拡大して示す説明図である。 従来技術の説明図である。

次に、本発明を実施するための好適な形態について説明する。

以下、本発明を具体化したセラミックヒータの実施例について、図面を参照して説明する。
ａ）まず、本実施例のセラミックヒータの概略構成について説明する。

図１に示すように、本実施例のセラミックヒータ１は、例えば酸素センサ３の内部に配置されて、有底筒状の酸素検出素子（センサ素子）５の加熱を行うものである。
つまり、セラミックヒータ１は、ジルコニア等からなる固体電解質管７の内外面に電極層９、１１が形成されたセンサ素子５に内挿されて、そのセンサ素子５を加熱するために用いられる長尺のヒータである。

図２に示す様に、前記セラミックヒータ１は、丸棒状のセラミック基体１３を備えており、このセラミック基体１３には、発熱抵抗体１５が埋設されるとともに、その後端側（図２右側）には、発熱抵抗体１３と電気的に接続された一対の端子部材１７、１９が固定されている。

以下、セラミックヒータ１の各構成について詳細に説明する。
図３にセラミック基体１３を展開して示すように、セラミック基体１３は、丸棒状のアルミナからなるセラミック管２１の外周側を、アルミナからなるセラミック層２３で覆ったものである。

前記セラミック層２３は、内側の第１セラミック層２５と外側の第２セラミック層２７とが積層されたものであり、第１セラミック層２５と第２セラミック層２７との間（詳しくは第２セラミック層２７の内側表面上）に、タングスタン系の発熱抵抗体１５が配置されている。

この発熱抵抗体１５は、その先端側（図３左側）に幅の狭い蛇行形状の発熱部２９を有するとともに、発熱部２９から後端側に向かって一対のリード部３１、３３を有している。

そして、一対のリード部３１、３３は、それぞれビア３５、３７を介して、第２セラミック層２７の外周側に形成された一対の電極パッド３９、４１と電気的に接続されている。

図４及び図５に示す様に、各電極パッド３９、４１は、縦（ｙ）５ｍｍ×横（ｘ）２ｍｍの長方形（図４の紙面に垂直に見た場合）であり、セラミック基体１３上にて、セラミック基体１３を挟んで対向するように形成されている。そして、これらの電極パッド３９、４１に、それぞれ端子部材１７、１９が接合されて固定されている。

前記端子部材１７、１９は、セラミックヒータ１に外部から電圧を印加するため部材であり、ニッケル系合金からなる、長さ（ｌ）１５ｍｍ×厚み（ｚ）０．３ｍｍの長尺の板材によって構成されている。

具体的には、端子部材１７、１９は、先端側（図４、図５の下方）の立設部４３、４５と、立設部４３、４５から後端側に伸びる屈曲部４７、４９と、屈曲部４７、４９の後端側に形成された接続部５１、５３とから一体に構成されている。

このうち、立設部４３、４５は、後に詳述する様に、各電極パッド３９、４１に対して垂直に立設された板状部分であり、この立設部４３、４５が、銀系のろう材からなるろう付け部５５、５７によって、各電極パッド３９、４１に接合されている。

また、前記屈曲部４７、４９は、立設部４３、４５の（セラミックヒータ１における）径方向の先端部分（図５の左右端）から軸方向（図５の上下方向）の後端側に伸びるように、即ち、立設部４３、４５から直角に屈曲するように構成された長尺の板状部分である。

更に、前記接続部５１、５３は、屈曲部４７、４９の後端側にて、屈曲部４７、４９の幅方向の両端部（図５における左右端部）から直角に、即ち、屈曲部４７、４９の板材の平面から直角に折り曲げられた一対の板状部分である。なお、この接続部５１、５３によって、セラミックヒータ１に電圧を印加するリード線５９、６１が挟持されて接続される。

ｂ）次に、本実施例の要部である端子部材１７、１９の接合部分について詳細に説明する。
ここでは、一対の電極パッド３９、４１と一対の端子部材１７、１９とのそれぞれの接合部分は、同様な構造であるので、一方の端子部材１７を例に挙げて説明する。

図６及び図７に示す様に、本実施例のセラミックヒータ１では、電極パッド３９はビア３５を介して、セラミック基体１３に埋設された抵抗発熱体１５のリード部３１と電気的に接続されている。

そして、端子部材１７は、高さ（ｔ１）３．５ｍｍ×幅（ｗ１）２ｍｍ×厚み（ｚ）０．３ｍｍの立設部４３にて、電極パッド３９に対して直角にろう付けされている。
詳しくは、高さ方向の寸法ｔ１よりも厚みの寸法ｚが少ない板状の立設部４３は、セラミックヒータ１の中心軸を含む平面に沿って配置されている。しかも、この立設部４３は、立設部４３の電極パッド３９側の先端面（対向面）６３が電極パッド３９に当接する位置において、その位置における接線を含む平面に対して垂直となるように配置され、ろう材によってろう付けされている。

なお、立設部４３の対向面６３は、そのセラミックヒータ１の長手方向の寸法が、長手方向に対する垂直方向の寸法より長い長方形形状である。
また、電極パッド３９から屈曲部４７までの高さをｔ２とした場合に、電極パッド３９を高さ方向に沿って見たときに（図６及び図７の上下方向に見たときに）、立設部４３の外周から電極パッド３９の外周に到る距離（最短距離ｓ１〜ｓ４）はｔ２以上である。

つまり、電極パッド３９は、立設部４３の外周から電極パッド３９の外周までの最短距離が、電極パッド３９から屈曲部４７までの高さをｔ２よりも長い距離まで広がっているように設定されている。なお、屈曲部４７の幅Ｗ２は１ｍｍである。

また、本実施例では、前記図７に示す様に、電極パッド３９から立設部４３におけるろう材の到達高さをｈとした場合に、電極パッド３９を高さ方向に沿って見たときに、立設部４３の外周から電極パッド３９の外周に到る距離（最短距離ｓ１〜ｓ４）は、ｈ以上である。

しかも、前記ろう材は、電極パッド３９上において、立設部４３の周囲から電極パッド３９の外周縁部に向けて（急速に厚みが少なくなるように）広がっており、特に、電極パッド３９の外周縁部におけるろう材の厚みは６０μｍ以下である。

なお、ろう付け部５５は、立設部４３の外表面の全周から電極パッド３９に対してほぼ均一に、滑らかに末広がり状のフィレット形状をなしている。
ｃ）次に、本実施例のセラミックヒータ１の製造方法について簡単に説明する。

なお、ここでは、前記図２を用いて説明するが、同図には、焼成後の部材の番号に焼成前の部材の番号を併記する。
前記図２に示す様に、まず、周知のアルミナを主成分とする材料を用いてスラリーを作成し、ドクターブレード法によって、第１セラミック層２５用の第１グリーンシート７１と第２セラミック層２７用の第２グリーンシート７３とを作製した。なお、第２グリーンシート７３には、ビア３５、３７用のスルーホール７５、７７を開ける。

次に、第２グリーンシート７３の一方の表面に、タングステンを主成分とするペーストを用いて、印刷によって発熱抵抗体１５用のパターン７９を形成した。同様に、第２グリーンシート７３の他方の表面に、例えばタングステン等の導電材料を主成分とするペーストを用いて、印刷によって電極パッド３９、４１用のパターン８１、８３を形成した。なお、電極パッド３９、４１用のパターン８１、８３の形成時に、スルーホール７５、７７に同様なペーストが充填される。

次に、第２グリーンシート７３の発熱抵抗体１５用のパターン７９の形成面に、第２グリーンシート７３を積層して、積層体８５を形成した。
次に、アルミナ製のセラミック管２１の外周に、前記積層体８５を巻き付けた。

次に、積層体８５を巻き付けたセラミック管２１を、１５５０℃にて４時間焼成して、セラミック基体１３を作製した。
次に、セラミック基体１３の表面の電極パッド３９、４１に、端子金具１７、１９をろう付けし、セラミックヒータ１を完成した。

詳しくは、電極パッド３９、４１に対して垂直に端子部材１７、１９の立設部４３、４５を配置し、その立設部４３、４５の周囲に、銀系（例えばＡｕーＣｕ合金）のろう材を配置し、所定温度（例えば８４０℃）に加熱してろう材を溶融させた後に冷却することにより、端子部材１７、１９を電極パッド３９、４１にろう付けした。

ｄ）このように、本実施例では、端子部材１７、１９は、軸方向に長い対向面６３を有する板状の立設部４３、４５によって電極パッド３９、４１にろう付けされているので、従来の点状のろう付けに比べて、ろう付け面積が多く、よって、排気ガス等に晒されるような過酷な環境であっても、腐食による電極パッド３９、４１と端子部材１７、１９との耐剥離性が高いという利点がある。

しかも、本実施例では、長手方向の寸法が垂直方向の寸法よりも長い電極パッド３９、４１に対して、長手方向の寸法が垂直方向の寸法よりも長い対向面６３とすると共に、垂直方向の寸法よりも高さ方向の寸法を長くした立設部４３、４５とすることで、ろう材が略均一に広がりやすい。それゆえ、電極パッド３９、４１の外周縁部におけるろう材の厚みは６０μｍ以下と薄くすることができ、電極パッド３９、４１の外周縁部の近傍のセラミックにクラックが発生にくいという効果がある。
その上、垂直方向の寸法よりも高さ方向の寸法を長くした立設部４３、４５とすることで、端子部材１７、１９自身の強度も向上するため、端子部材１７、１９が折損することも防止できる。
この様に、本実施例のセラミックヒータ１は、腐食による電極パッド３９、４１と端子部材１７、１９との耐剥離性が高く、且つ、冷熱が繰り返される環境で使用された場合でも、端子部材１７、１９と電極パッド３９、４１との接合強度が高く、よって、端子脱落等の不具合が発生しにくいという効果がある。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図８及び図９に示す様に、本実施例２のセラミックヒータ９１は、前記実施例１と同様に、セラミック基体９３の後端側（図９右側）に設けられた電極パッド９５に、端子部材９７がろう付けされたものである。

即ち、端子部材９７は、立設部９９と、立設部９９から軸方向に沿って後端側（図９右方向）に直角に伸びる屈曲部１０１等を備えており、このうち、立設部９９は電極パッド９５に対して直角に配置されて、ろう材によってろう付けされている。

特に本実施例では、屈曲部１０１及び立設部９９の上部の一部に、屈曲部１０１の伸長方法（図９の左右方向）に伸びるように、屈曲部１０１等の剛性を強化する剛性強化部１０３が形成されている。

この剛性強化部１０３とは、屈曲部１０１及び立設部９９の上部の一部を、板厚方向に押し曲げて形成した変形部である。つまり、図８に示すように、端子部材９７を同図の矢印方向（板厚方向）に押し曲げて、同図の右側が凹となり左側が凸となるように変形させたものである。

本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、端子部材９７に剛性強化部１０３を備えているので、端子部材９７の強度が向上するという利点がある。
なお、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

（１）例えば、端子部材は、ニッケル系合金に限らず、銅、ニッケル、鉄などの金属、あるいはそれらの合金から作製してもよい。また、接続部材は、板材の曲げ加工、金属部材の削り出しやプレス加工、鋳造などにより作製してもよい。

（２）電極パッドとしては、タングステンに限らず、モリブデン等の導電材料を採用できる。また、電極パッドの形状としては、長方形に限らず、長円形、円形、多角形など、各種の形状を採用できる。

（３）ろう材としては、Ａｇ系のロー材に限らず、銅や金、ニッケル等を用いてもよい。
（４）セラミックヒータの形状は丸棒状に限定されず、板状であってもよい。
（５）剛性強化部としては、板材の一方の側から押圧して変形させた形状に限らず、板圧の両方から押圧して変形させた形状（断面Ｓ字状）としてもよい。或いは、屈曲部の上端又は下端側を巻いてパイプ状に形成してもよい。また、屈曲部に他の部材を接合して強度を強化させてもよい。

[産業上の利用可能性]
例えば本発明は、内部回路との電気的な接続を行う電極パッドに外部回路との電気的な接続を行う端子部材をろう付けした構成を有するろう付け接合体に適用でき、特に、加熱により活性化されるセンサ素子を加熱するためのセラミックヒータや、ディーゼル機関の始動補助用グロープラグのセラミックヒータに適用できる。

１、９１…セラミックヒータ
１３、９３…セラミック基体
１５…発熱抵抗体
１７、１９、９７…端子部材
３９、４１、９５…電極パッド
４３、４５、９９…立設部
４７、４９、１０１…屈曲部
６３…対抗面
１０３…剛性強化部

Claims (4)

1. 内部に発熱抵抗体を埋設してなるセラミック基体と、
   前記セラミック基体の外部に露出し、前記発熱抵抗体と電気的な接続を行う電極パッドと、
   ろう材によって、前記電極パッドに接合された端子部材と、
   を備えた長手方向に延びる棒状のセラミックヒータであって、
   前記電極パッドは、前記長手方向の寸法が該長手方向に対する垂直方向の寸法より長い形状であり、
   前記電極パッドの外周縁部における前記ろう材の厚みは６０μｍ以下であり、
   且つ、前記端子部材は、前記電極パッドに対して立設された立設部を有するとともに、該立設部によって前記電極パッドにろう付けされており、
   更に、前記立設部は、その高さ方向の寸法よりも前記垂直方向の寸法が少なく、且つ、前記高さ方向全体にわたって、前記長手方向の寸法が前記垂直方向の寸法より長い板形状であり、
   更に、前記立設部の前記電極パッドに対する対向面は、前記長手方向の寸法が前記垂直方向の寸法より長い形状であることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記端子部材は、前記立設部から伸びる屈曲部を備えるとともに、
   少なくとも前記屈曲部には、該屈曲部の剛性を強化する剛性強化部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記電極パッドから前記屈曲部までの高さをｔとした場合に、前記電極パッドを前記高さ方向に沿って見たときに、前記立設部の外周から前記電極パッドの外周に到る距離がｔ以上であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記電極パッドから前記立設部におけるろう材の到達高さをｈとした場合に、前記電極パッドを前記高さ方向に沿って見たときに、前記立設部の外周から前記電極パッドの外周に到る距離がｈ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。