JP6532779B2 - セラミックヒータ及びセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、ヒータ本体部と接続端子とをロウ付け接合してなるセラミックヒータ、及びこのセラミックヒータを備えたセンサに関する。
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。このセラミックヒータとしては、アルミナ等の円筒状のセラミック基体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を埋設したものが広く用いられている（特許文献１、２参照）。セラミック基体の外表面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられ、電極パッドには、発熱抵抗体に外部から電圧を印加するための金属製の接続端子が、ロウ付け接合されている。
ところで、上述のセラミックヒータを備えたガスセンサが車両のエンジンルーム等に搭載された場合には、氷点下から数百度までの使用環境にセラミックヒータが繰返し曝されることになる。ここで、セラミック基体の熱膨張係数に比べ、その上のロウ付け接合部及び接続端子の熱膨張係数が大きいため、セラミックヒータのロウ付け接合部近傍の部位が上記温度の冷熱サイクルに曝されると、ロウ付け接合部及び接続端子側が大きく熱膨張して熱応力が加わる。そして、その結果として、セラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落する恐れがある。
特に、特許文献２に記載された丸棒状の接合部材（接続端子）の場合、接合部材はセラミック基体上の電極パッドの一部（セラミックヒータの径方向に電極パッドの中央部）にのみ被さるので、接続端子とロウ付け接合部が熱膨張しても、セラミック基体に加わる熱応力は比較的小さい。これに対し、特許文献１に記載された板状の接続端子を用いた場合、接続端子が電極パッドのほぼ全面に被さるので、上述の熱膨張に伴う熱応力がセラミック基体により多く加わることになる。
なお、一般には、電極パッドとしてはタングステンやモリブデンが用いられ、接続端子としてはニッケルやニッケル合金が用いられ、ロウ付けとしてはＡｇ−Ｃｕ系ロウ材が用いられることが多い。従って、接続端子よりは、ロウ付け接合部の方が熱膨張係数が小さい。
特に、特許文献２に記載された丸棒状の接合部材（接続端子）の場合、接合部材はセラミック基体上の電極パッドの一部（セラミックヒータの径方向に電極パッドの中央部）にのみ被さるので、接続端子とロウ付け接合部が熱膨張しても、セラミック基体に加わる熱応力は比較的小さい。これに対し、特許文献１に記載された板状の接続端子を用いた場合、接続端子が電極パッドのほぼ全面に被さるので、上述の熱膨張に伴う熱応力がセラミック基体により多く加わることになる。
なお、一般には、電極パッドとしてはタングステンやモリブデンが用いられ、接続端子としてはニッケルやニッケル合金が用いられ、ロウ付けとしてはＡｇ−Ｃｕ系ロウ材が用いられることが多い。従って、接続端子よりは、ロウ付け接合部の方が熱膨張係数が小さい。
そこで、本発明は、ロウ付け接合部及び接続端子の熱膨張により、ロウ付け接合部近傍のセラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落することを抑制したセラミックヒータ及びセンサ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は、セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の外表面に設けられ、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電極パッドとを有するヒータ本体部と、前記電極パッドと外部回路とを電気的に接続する金属製で板状の接続端子と、前記電極パッドと前記接続端子とを、ロウ付け接合にて連結するロウ付け接合部であって、前記電極パッドと前記接続端子との間に介在するロウ付け接合部と、を備えるセラミックヒータにおいて、前記ロウ付け接合部は、前記接続端子より熱膨張係数が小さく、前記ロウ付け接合部のうち、前記電極パッドと前記接続端子との間の最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ以上であることを特徴とする。
ここで、ロウ付け接合部の熱膨張係数は、接続端子の熱膨張係数よりも小さくされている。このため、電極パッドと接続端子との間に介在するロウ付け接合部の最小厚みを厚くするほど、接続端子よりも熱膨張係数の小さなロウ付け接合部の割合が多くなるので、加成則によりロウ付け接合部と接続端子の合計の熱膨張係数も小さくなり、セラミック基体と、その上のロウ付け接合部及び接続端子との熱膨張係数の差も小さくなる。その結果として、セラミックヒータが低温や高温に繰返し曝されることに起因した接続端子とロウ付け接合部の熱膨張により、セラミック基体に加わる熱応力も小さくなり、ロウ付け接合部近傍のセラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落することを抑制できる。
そして、ロウ付け接合部の厚みとして、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上にすると、上記したロウ付け接合部と接続端子の合計の熱膨張係数を低減する効果が実際に生じ、セラミック基体に加わる熱応力を緩和することができる。
又、本発明のセラミックヒータは、セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の外表面に設けられ、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電極パッドとを有するヒータ本体部と、前記電極パッドと外部回路とを電気的に接続する金属製で平面を有する接続端子と、前記電極パッドと前記接続端子とを、前記平面が前記電極パッドに対向した状態でロウ付け接合にて連結するロウ付け接合部であって、前記電極パッドと前記接続端子との間に介在するロウ付け接合部と、を備えるセラミックヒータにおいて、前記ロウ付け接合部は、前記接続端子より熱膨張係数が小さく、前記ロウ付け接合部のうち、前記電極パッドと前記接続端子の前記平面との間の最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ以上であることを特徴とする。
そして、ロウ付け接合部の厚みとして、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上にすると、上記したロウ付け接合部と接続端子の合計の熱膨張係数を低減する効果が実際に生じ、セラミック基体に加わる熱応力を緩和することができる。
又、本発明のセラミックヒータは、セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の外表面に設けられ、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電極パッドとを有するヒータ本体部と、前記電極パッドと外部回路とを電気的に接続する金属製で平面を有する接続端子と、前記電極パッドと前記接続端子とを、前記平面が前記電極パッドに対向した状態でロウ付け接合にて連結するロウ付け接合部であって、前記電極パッドと前記接続端子との間に介在するロウ付け接合部と、を備えるセラミックヒータにおいて、前記ロウ付け接合部は、前記接続端子より熱膨張係数が小さく、前記ロウ付け接合部のうち、前記電極パッドと前記接続端子の前記平面との間の最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ以上であることを特徴とする。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記ロウ付け接合部の最小厚みΔｄは、前記接続端子の最大厚みｔに対してΔｄ≦２ｔであるとよい。
このセラミックヒータによれば、接続端子の両端から電極パッドの両端へ繋がるロウ付け接合部の裾野がなだらかなフィレット形状となり、上述の熱応力が加わったときにロウ付け接合部が電極パッドからより剥離し難くなる。
このセラミックヒータによれば、接続端子の両端から電極パッドの両端へ繋がるロウ付け接合部の裾野がなだらかなフィレット形状となり、上述の熱応力が加わったときにロウ付け接合部が電極パッドからより剥離し難くなる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記ロウ付け接合部の最小厚みΔｄは、前記接続端子の最大厚みｔに対してｔ≦Δｄであるとよい。
このセラミックヒータによれば、上記したロウ付け接合部と接続端子の合計の熱膨張係数を低減する効果がより確実に生じ、セラミック基体に加わる熱応力を確実に緩和することができる。
このセラミックヒータによれば、上記したロウ付け接合部と接続端子の合計の熱膨張係数を低減する効果がより確実に生じ、セラミック基体に加わる熱応力を確実に緩和することができる。
さらに、上記課題を解決するため、本発明のセンサは、先端が閉じた有底筒状の固体電解質体、該固体電解質体の外表面に配置された外側電極、及び当該固体電解質体の内周面に配置された内側電極を備えるセンサ素子と、前記センサ素子の内側に配置されるセラミックヒータと、を備えるセンサであって、セラミックヒータは上述のセラミックヒータである。
このように、上述のような有底筒状のセンサ素子を有するセンサであっても、セラミックヒータのロウ付け接合部及び接続端子の熱膨張により、ロウ付け接合部近傍のセラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落することを抑制することができる。
このように、上述のような有底筒状のセンサ素子を有するセンサであっても、セラミックヒータのロウ付け接合部及び接続端子の熱膨張により、ロウ付け接合部近傍のセラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落することを抑制することができる。
この発明によれば、セラミックヒータのロウ付け接合部及び接続端子の熱膨張により、ロウ付け接合部近傍のセラミック基体にクラックが生じたり、ロウ付け接合部が剥離して接続端子が脱落することを抑制できる。
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はガスセンサ１０の断面図、図２はセラミックヒータ１００の斜視図、図３はセラミックヒータ１００の分解斜視図を示す。セラミックヒータ１００は特許請求の範囲の「セラミックヒータ」に相当する。
まず、ガスセンサ１０の構成について説明する。
図１はガスセンサ１０の断面図、図２はセラミックヒータ１００の斜視図、図３はセラミックヒータ１００の分解斜視図を示す。セラミックヒータ１００は特許請求の範囲の「セラミックヒータ」に相当する。
まず、ガスセンサ１０の構成について説明する。
図１に示すガスセンサ１０は、内燃機関の排気ガス中の酸素を検出する。ガスセンサ１０は、酸素検出素子（センサ素子）２０と、主体金具１１と、内側端子部材３０と、外側端子部材４０と、セラミックヒータ１００と、を主に備える。
なお、図１において、ガスセンサ１０の軸線ＡＸに沿って延びる部材の両端のうちの、固体電解質体２１が配置された端部（図１の下側）を先端と呼び、グロメット１７が配置された端部（図１の上側）を後端と呼ぶ。また、図中の長手方向ＦＤは、軸線ＡＸと平行な方向を示している（図１中の上下方向）。
なお、図１において、ガスセンサ１０の軸線ＡＸに沿って延びる部材の両端のうちの、固体電解質体２１が配置された端部（図１の下側）を先端と呼び、グロメット１７が配置された端部（図１の上側）を後端と呼ぶ。また、図中の長手方向ＦＤは、軸線ＡＸと平行な方向を示している（図１中の上下方向）。
酸素検出素子２０は、軸線ＡＸ方向（図１中の上下方向）に延び、先端２０ｓ（図１下側）が閉じ、後端２０ｋ（図１上側）が開口する有底筒状をなす。酸素検出素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の外周面の一部にメッキ等によって形成された外側電極１０６と、固体電解質体２１の内周面の一部にメッキ等によって形成された内側電極１０８とを備える。また、酸素検出素子２０の外周面において、軸線ＡＸ方向の中間部には、外側に突出する係合フランジ部２０ｆが設けられている。係合フランジ部２０ｆは、後述する主体金具１１と係合する。
主体金具１１は、酸素検出素子２０の外周の一部を包囲する筒状に形成されている。主体金具１１の内側には、金属製パッキン８１を介してセラミックホルダ１３が配置されている。このセラミックホルダ１３には、金属製パッキン８２を介して係合フランジ部２０ｆが係合している。さらに、セラミックホルダ１３の後端側にはタルク１４、スリーブ１３ｂおよび金属製パッキン８３が配置され、主体金具１１の後端側にて加締められることで、酸素検出素子２０を主体金具１１の内側において、気密状態で保持している。
主体金具１１の先端側（図１の下側）には、プロテクタ１５が取り付けられている。プロテクタ１５は、主体金具１１の先端側開口部から突出する酸素検出素子２０の先端部を覆っている。プロテクタ１５は、外側プロテクタ１５ａと内側プロテクタ１５ｂの二重構造を備える。外側プロテクタ１５ａおよび内側プロテクタ１５ｂ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（図示省略）。酸素検出素子２０の外側電極１０６には、プロテクタ１５のガス透過口を通して、排気ガスが供給される。
主体金具１１の先端側（図１の下側）には、プロテクタ１５が取り付けられている。プロテクタ１５は、主体金具１１の先端側開口部から突出する酸素検出素子２０の先端部を覆っている。プロテクタ１５は、外側プロテクタ１５ａと内側プロテクタ１５ｂの二重構造を備える。外側プロテクタ１５ａおよび内側プロテクタ１５ｂ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（図示省略）。酸素検出素子２０の外側電極１０６には、プロテクタ１５のガス透過口を通して、排気ガスが供給される。
主体金具１１は、外周面に形成された六角部１１ｃの後端側（図１の上側）に、接続部１１ｄを備える。接続部１１ｄには、筒状の金属外筒１６の先端が、外側から全周レーザ溶接により、固定されている。金属外筒１６の後端側の開口には、フッ素ゴムで構成されたグロメット１７が、挿入されている。このグロメット１７は、金属外筒１６の後端の加締によって、固定されている。グロメット１７は、金属外筒１６のこの開口を、封止する。グロメット１７よりも先端側には、絶縁性のアルミナセラミックで形成されたセパレータ１８が配置されている。そして、グロメット１７およびセパレータ１８を貫通してセンサ出力リード線１９、１９ｂおよびヒータリード線１２ｂ、１２ｃが配置されている。なお、グロメット１７の中央には、軸線ＡＸに沿って貫通口が形成されており、この貫通口に金属パイプ８６が嵌め込まれている。金属パイプ８６には、撥水性および通気性を兼ね備えるシート状のフィルタ８５が被せられている。これにより、ガスセンサ１０の外部の大気は、フィルタ８５を介して金属外筒１６内に導入され、ひいては酸素検出素子２０の内部空間Ｇ内に導入される。
外側端子部材４０は、ステンレス鋼板からなる外嵌部４１とセパレータ挿入部４２とコネクタ部４３とを備える。セパレータ挿入部４２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部４２からは、セパレータ当接部４２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部４２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、外側端子部材４０は、セパレータ１８内に保持される。
セパレータ挿入部４２の後端には、コネクタ部４３が設けられている。コネクタ部４３は、センサ出力リード線１９ｂの芯線を加締により把持し、外側端子部材４０とセンサ出力リード線１９ｂとを電気的に接続する。
セパレータ挿入部４２の先端には、外嵌部４１が設けられている。外嵌部４１は、酸素検出素子２０の後端付近の外周を把持して、外側端子部材４０と酸素検出素子２０の外側電極１０６とを電気的に接続する。
セパレータ挿入部４２の後端には、コネクタ部４３が設けられている。コネクタ部４３は、センサ出力リード線１９ｂの芯線を加締により把持し、外側端子部材４０とセンサ出力リード線１９ｂとを電気的に接続する。
セパレータ挿入部４２の先端には、外嵌部４１が設けられている。外嵌部４１は、酸素検出素子２０の後端付近の外周を把持して、外側端子部材４０と酸素検出素子２０の外側電極１０６とを電気的に接続する。
内側端子部材３０は、ステンレス鋼板からなる挿入部３３とセパレータ挿入部３２とコネクタ部３１とを備える。セパレータ挿入部３２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部３２からは、セパレータ当接部３２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部３２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、内側端子部材３０は、セパレータ１８内に保持される。
セパレータ挿入部３２の後端には、コネクタ部３１が設けられている。コネクタ部３１は、センサ出力リード線１９の芯線を加締により把持し、内側端子部材３０とセンサ出力リード線１９とを電気的に接続する。
セパレータ挿入部３２の先端には、挿入部３３が設けられている。挿入部３３は、酸素検出素子２０の内部に挿入される。挿入部３３は、自身の弾性力により、酸素検出素子２０の内周面に形成された内側電極１０８に押圧力を伴って接触する。これにより、挿入部３３は、酸素検出素子２０の内側電極１０８との電気的導通を保持している。
挿入部３３の先端には、ヒータ押圧部３６が設けられている。ヒータ押圧部３６は、セラミックヒータ１００の側面を、酸素検出素子２０の内周面に押しつける。
セパレータ挿入部３２の後端には、コネクタ部３１が設けられている。コネクタ部３１は、センサ出力リード線１９の芯線を加締により把持し、内側端子部材３０とセンサ出力リード線１９とを電気的に接続する。
セパレータ挿入部３２の先端には、挿入部３３が設けられている。挿入部３３は、酸素検出素子２０の内部に挿入される。挿入部３３は、自身の弾性力により、酸素検出素子２０の内周面に形成された内側電極１０８に押圧力を伴って接触する。これにより、挿入部３３は、酸素検出素子２０の内側電極１０８との電気的導通を保持している。
挿入部３３の先端には、ヒータ押圧部３６が設けられている。ヒータ押圧部３６は、セラミックヒータ１００の側面を、酸素検出素子２０の内周面に押しつける。
次に、セラミックヒータ１００の構成について説明する。
図１に示すように、セラミックヒータ１００は、内部空間Ｇ内に配置され、内側端子部材３０によって保持されることにより姿勢を維持している。そして、セラミックヒータ１００は、酸素検出素子２０に内挿されて、後述する接続端子１３０がヒータリード線１２ｂ、１２ｃと接続され、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃからの電力の供給により、酸素検出素子２０（固体電解質体２１）を加熱する。
図１に示すように、セラミックヒータ１００は、内部空間Ｇ内に配置され、内側端子部材３０によって保持されることにより姿勢を維持している。そして、セラミックヒータ１００は、酸素検出素子２０に内挿されて、後述する接続端子１３０がヒータリード線１２ｂ、１２ｃと接続され、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃからの電力の供給により、酸素検出素子２０（固体電解質体２１）を加熱する。
図２に示すように、セラミックヒータ１００は軸線ＢＸ方向に延びる略円筒状をなしている。なお、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２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。
セラミックヒータ１００は、丸棒状（本実施例では、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍ）のセラミック基体１０２と、略矩形状の電極パッド１２１と、接続端子１３０と、ロウ付け接合部１５０と、を主に備える。セラミック基体１０２は、発熱抵抗体１４１を内包している。電極パッド１２１は、セラミック基体１０２のうち軸線ＢＸ方向後端側の表面１０２ｄに設けられ、スルーホール１４４（充填ビア導体）を通じて、発熱抵抗体１４１に導通している（図３参照）。又、図２には片方（陽極側）の電極パッド１２１のみが見えているが、他方（陰極側）の電極パッド１２１が対向してセラミック基体１０２の表面に形成されており、この陰極側の電極パッド１２１にも接続端子１３０が接続されている。
セラミックヒータ１００は、丸棒状（本実施例では、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍ）のセラミック基体１０２と、略矩形状の電極パッド１２１と、接続端子１３０と、ロウ付け接合部１５０と、を主に備える。セラミック基体１０２は、発熱抵抗体１４１を内包している。電極パッド１２１は、セラミック基体１０２のうち軸線ＢＸ方向後端側の表面１０２ｄに設けられ、スルーホール１４４（充填ビア導体）を通じて、発熱抵抗体１４１に導通している（図３参照）。又、図２には片方（陽極側）の電極パッド１２１のみが見えているが、他方（陰極側）の電極パッド１２１が対向してセラミック基体１０２の表面に形成されており、この陰極側の電極パッド１２１にも接続端子１３０が接続されている。
接続端子１３０は、ニッケルを用いた合金で形成され、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、板状に形成されており、電極パッド１２１のほぼ中央に配置されて、ロウ付け接合によるロウ付け接合部１５０に包囲されて電気的に接続される。また、接合端部１３３の長手方向の長さ、幅、及び厚みｔは、本実施例ではそれぞれ、２．０ｍｍ、１．０ｍｍ、０．３ｍｍである。
加締部１３５は、接続部１３４よりも幅の広い平板を用いて形成されている。接続部１３４と加締部１３５との接続部分は、接続部１３４の長手方向を軸として略直角にひねるようにねじまげられている。加締部１３５の両端は、同じ側に折り曲げられている。２つの加締部１３５は、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃ（図１参照）の芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
なお、接続端子１３０の材料としては、ニッケルを用いた合金に限らず、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。
加締部１３５は、接続部１３４よりも幅の広い平板を用いて形成されている。接続部１３４と加締部１３５との接続部分は、接続部１３４の長手方向を軸として略直角にひねるようにねじまげられている。加締部１３５の両端は、同じ側に折り曲げられている。２つの加締部１３５は、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃ（図１参照）の芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
なお、接続端子１３０の材料としては、ニッケルを用いた合金に限らず、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。
一方、図３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の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０，１４６が巻き付けられ、これらを焼成することにより製造される。
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の両端にそれぞれ接続される一対のリード部１４３（陽極と陰極）とを備える。発熱抵抗体１４１の材料としては、タングステンやモリブデン等の種々の導電材料を採用可能である。グリーンシート１４０の後端側には、各リード部１４３毎に２個のスルーホール１４４が設けられている。スルーホール１４４を介して、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される電極パッド１２１は、リード部１４３と、電気的に接続される。
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の両端にそれぞれ接続される一対のリード部１４３（陽極と陰極）とを備える。発熱抵抗体１４１の材料としては、タングステンやモリブデン等の種々の導電材料を採用可能である。グリーンシート１４０の後端側には、各リード部１４３毎に２個のスルーホール１４４が設けられている。スルーホール１４４を介して、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される電極パッド１２１は、リード部１４３と、電気的に接続される。
グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される面に圧着されている。グリーンシート１４６の、この圧着面と反対側の面には、アルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０，１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周から内向きに押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミック基体１０２が形成される。
なお、各電極パッド１２１は、グリーンシート１４０の外面におけるスルーホール１４４の形成された位置に、それぞれ設けられている。
又、陽極側と陰極側とのそれぞれにおけるリード部１４３と電極パッド１２１間の導通は、スルーホール１４４の内部に充填されている導電性ペーストを介して行われる。
なお、各電極パッド１２１は、グリーンシート１４０の外面におけるスルーホール１４４の形成された位置に、それぞれ設けられている。
又、陽極側と陰極側とのそれぞれにおけるリード部１４３と電極パッド１２１間の導通は、スルーホール１４４の内部に充填されている導電性ペーストを介して行われる。
次に、図４を参照し、ロウ付け接合部１５０近傍の構成について説明する。図４は図２のＢ−Ｂ線（軸線ＢＸに垂直な方向）に沿う、ロウ付け接合部１５０近傍の断面図である。
図４に示すように、セラミックヒータ１００の電極パッド１２１と、接続端子１３０の接合端部１３３との間に、ロウ付け接合部１５０が介在することで、電極パッド１２１と接続端子１３０とが接合（連結）されている。
ロウ付け接合部１５０は、電極パッド１２１と接合端部１３３との間に流れて冷却したロウ材が凝固することで形成され、接合端部１３３を電極パッド１２１に固定すると共に、両者間を電気的に接続する。接合端部１３３は、ロウ付け接合部１５０に包囲されているが、接合端部１３３の一部がロウ付け接合部１５０で包囲されずに露出していてもよく、接合端部１３３がロウ付け接合部１５０に完全に埋め込まれていても良い。
但し、接合端部１３３の一部がロウ付け接合部１５０で包囲されずに露出している部位は、ロウ付け接合にて連結されていない部位であるから、後述するロウ付け接合部の厚みの対象としない。
図４に示すように、セラミックヒータ１００の電極パッド１２１と、接続端子１３０の接合端部１３３との間に、ロウ付け接合部１５０が介在することで、電極パッド１２１と接続端子１３０とが接合（連結）されている。
ロウ付け接合部１５０は、電極パッド１２１と接合端部１３３との間に流れて冷却したロウ材が凝固することで形成され、接合端部１３３を電極パッド１２１に固定すると共に、両者間を電気的に接続する。接合端部１３３は、ロウ付け接合部１５０に包囲されているが、接合端部１３３の一部がロウ付け接合部１５０で包囲されずに露出していてもよく、接合端部１３３がロウ付け接合部１５０に完全に埋め込まれていても良い。
但し、接合端部１３３の一部がロウ付け接合部１５０で包囲されずに露出している部位は、ロウ付け接合にて連結されていない部位であるから、後述するロウ付け接合部の厚みの対象としない。
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。なお、「主成分」とはその構成に含まれる材料が５０ｗｔ％以上の材料のことをさす。又、電極パッド１２１がセラミッ ク基体１０２の主成分のセラミック材料であるアルミナ（酸化アルミニウム）を含んでいると、セラミック基体１０２との密着性が向上するので好ましい。
ロウ付け接合部１５０に利用されるロウ材としては、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。
なお、電極パッド１２１の表面の所定部位に予め薄いＮｉめっき等を施すと、ロウ付け接合部１５０となる溶融したロウ材がＮｉめっきの形成部位に流れるので、電極パッド１２１上の所望の部位にロウ付け接合部１５０を形成できる。
ロウ付け接合部１５０に利用されるロウ材としては、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。
なお、電極パッド１２１の表面の所定部位に予め薄いＮｉめっき等を施すと、ロウ付け接合部１５０となる溶融したロウ材がＮｉめっきの形成部位に流れるので、電極パッド１２１上の所望の部位にロウ付け接合部１５０を形成できる。
次に、ロウ付け接合部の最小厚みΔｄについて説明する。
図４に示すように、電極パッド１２１と、接合端部１３３（接続端子１３０）とを接合するロウ付け接合部１５０の最小厚みをΔｄとする。電極パッド１２１は円筒状のセラミック基体１０２の外表面に設けられているため、電極パッド１２１の表面も円弧状に湾曲している。一方、接合端部１３３は板状の平面になっている。従って、電極パッド１２１と接合端部１３３との間でロウ付け接合部１５０の厚みは一定でないため、「最小厚みΔｄ」を規定する。
図４に示すように、電極パッド１２１と、接合端部１３３（接続端子１３０）とを接合するロウ付け接合部１５０の最小厚みをΔｄとする。電極パッド１２１は円筒状のセラミック基体１０２の外表面に設けられているため、電極パッド１２１の表面も円弧状に湾曲している。一方、接合端部１３３は板状の平面になっている。従って、電極パッド１２１と接合端部１３３との間でロウ付け接合部１５０の厚みは一定でないため、「最小厚みΔｄ」を規定する。
ここで、ロウ付け接合部１５０の熱膨張係数は、接合端部１３３（接続端子１３０）の熱膨張係数よりも小さくされている。このため、ロウ付け接合部１５０の厚みを厚くするほど、接合端部１３３よりも熱膨張係数の小さなロウ付け接合部１５０の割合が多くなるので、加成則によりロウ付け接合部１５０と接続端子１３０の合計の熱膨張係数も小さくなり、セラミック基体１０２と、その上のロウ付け接合部１５０及び接続端子１３０との熱膨張係数の差も小さくなる。
その結果として、セラミックヒータ１００が低温や高温に繰返し曝されることに起因した接続端子１３０とロウ付け接合部１５０の熱膨張により、セラミック基体１０２に加わる熱応力Ｆも小さくなり、ロウ付け接合部１５０近傍のセラミック基体１０２にクラックが生じたり、ロウ付け接合部１５０が剥離して接続端子１３０が脱落することを抑制できる。
そして、ロウ付け接合部１５０の厚みとして、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上にすると、上記したロウ付け接合部１５０と接続端子１３０の合計の熱膨張係数を低減する効果が実際に生じ、セラミック基体１０２に加わる熱応力を緩和することができる。
なお、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上に調整する方法としては、ロウ付け接合の際、電極パッド１２１と、接合端部１３３（接続端子１３０）との最小間隔を０．０３ｍｍ以上の所定の値にして接続端子１３０を保持し、この状態で電極パッド１２１と接合端部１３３との間に溶けたロウ材を流した後、冷却する方法が挙げられる。
その結果として、セラミックヒータ１００が低温や高温に繰返し曝されることに起因した接続端子１３０とロウ付け接合部１５０の熱膨張により、セラミック基体１０２に加わる熱応力Ｆも小さくなり、ロウ付け接合部１５０近傍のセラミック基体１０２にクラックが生じたり、ロウ付け接合部１５０が剥離して接続端子１３０が脱落することを抑制できる。
そして、ロウ付け接合部１５０の厚みとして、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上にすると、上記したロウ付け接合部１５０と接続端子１３０の合計の熱膨張係数を低減する効果が実際に生じ、セラミック基体１０２に加わる熱応力を緩和することができる。
なお、最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上に調整する方法としては、ロウ付け接合の際、電極パッド１２１と、接合端部１３３（接続端子１３０）との最小間隔を０．０３ｍｍ以上の所定の値にして接続端子１３０を保持し、この状態で電極パッド１２１と接合端部１３３との間に溶けたロウ材を流した後、冷却する方法が挙げられる。
さらに、ロウ付け接合部１５０の最小厚みΔｄは、接合端部１３３（接続端子１３０）の最大厚みｔに対してΔｄ≦２ｔであることが好ましく、ｔ≦Δｄであることが好ましい。
Δｄ≦２ｔであると、接続端子１３０の両端から電極パッド１２１の両端へ繋がるロウ付け接合部１５０の裾野がなだらかなフィレット形状となり、上述の熱応力が加わったときにロウ付け接合部１５０が電極パッド１２１からより剥離し難くなる。
ｔ≦Δｄであると、上記したロウ付け接合部１５０と接続端子１３０の合計の熱膨張係数を低減する効果がより確実に生じ、セラミック基体１０２に加わる熱応力を確実に緩和することができる。
Δｄ≦２ｔであると、接続端子１３０の両端から電極パッド１２１の両端へ繋がるロウ付け接合部１５０の裾野がなだらかなフィレット形状となり、上述の熱応力が加わったときにロウ付け接合部１５０が電極パッド１２１からより剥離し難くなる。
ｔ≦Δｄであると、上記したロウ付け接合部１５０と接続端子１３０の合計の熱膨張係数を低減する効果がより確実に生じ、セラミック基体１０２に加わる熱応力を確実に緩和することができる。
さらに、図４に示すように、本実施形態では、ロウ付け接合部１５０の表面には、下地層１５２が被覆され、下地層１５２の表面に被覆層１５４が被覆されている。
下地層１５２はＮｉ及びＰｄの群から選ばれる１種以上を主成分とし、ロウ付け接合部１５０と被覆層１５４との密着性を高める。下地層１５２の厚みは３〜１５μｍが好ましい。なお、本実施形態では、下地層１５２は無電解Ｎｉめっき、及び／又は電解Ｎｉめっきで形成されたＮｉめっき層である。又、下地層１５２をめっきで形成する場合、導電性のロウ付け接合部１５０の表面（及びロウ付け接合部１５０が形成されないで露出した電極パッド１２１の表面）が確実にめっきされる。
被覆層１５４は、Ｃｒ，Ａｕ及びＰｔの群から選ばれる１種以上を主成分とする。被覆層１５４は高温及び硝酸に対する耐食性に優れており、ロウ付け接合部１５０の断線を抑制して耐食性を向上させる。被覆層１５４としては、純Ｃｒ、純Ａｕ、純Ｐｔ、Ｃｒ合金、Ａｕ合金、Ｐｔ合金等が挙げられる。上記合金としては、Ｃｒ，Ａｕ又はＰｔに対し、ロジウム、パラジウム及びコバルトの群から選ばれる１種以上を含有した合金が挙げられる。
被覆層１５４の厚みは０．５〜３．０μｍが好ましい。なお、本実施形態では、被覆層１５４は電気ＣｒめっきによるＣｒ層である。
下地層１５２はＮｉ及びＰｄの群から選ばれる１種以上を主成分とし、ロウ付け接合部１５０と被覆層１５４との密着性を高める。下地層１５２の厚みは３〜１５μｍが好ましい。なお、本実施形態では、下地層１５２は無電解Ｎｉめっき、及び／又は電解Ｎｉめっきで形成されたＮｉめっき層である。又、下地層１５２をめっきで形成する場合、導電性のロウ付け接合部１５０の表面（及びロウ付け接合部１５０が形成されないで露出した電極パッド１２１の表面）が確実にめっきされる。
被覆層１５４は、Ｃｒ，Ａｕ及びＰｔの群から選ばれる１種以上を主成分とする。被覆層１５４は高温及び硝酸に対する耐食性に優れており、ロウ付け接合部１５０の断線を抑制して耐食性を向上させる。被覆層１５４としては、純Ｃｒ、純Ａｕ、純Ｐｔ、Ｃｒ合金、Ａｕ合金、Ｐｔ合金等が挙げられる。上記合金としては、Ｃｒ，Ａｕ又はＰｔに対し、ロジウム、パラジウム及びコバルトの群から選ばれる１種以上を含有した合金が挙げられる。
被覆層１５４の厚みは０．５〜３．０μｍが好ましい。なお、本実施形態では、被覆層１５４は電気ＣｒめっきによるＣｒ層である。
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。例えば、ロウ付け接合部１５０は、電極パッド１２１と接続端子１３０との間の少なくとも一部に形成されていればよい。なお、この場合、ロウ付け接合部１５０が形成されなかった電極パッド１２１の表面にも下地層１５２及び被覆層１５４が被覆されるので、耐食性は確保される。
図２、図３に示すセラミックヒータ１００を作製し、以下の冷熱サイクルに曝した後のロウ付け接合部１５０の引張強度（破壊強度）を測定した。セラミック基体１０２はアルミナとし、電極パッド１２１はタングステンとした。接続端子１３０はニッケルとし、接合端部１３３の長手方向の長さ、幅、及び厚みｔを、それぞれ２．０ｍｍ、１．０ｍｍ、０．３ｍｍとした。ロウ付けするロウ材はＡｇ−Ｃｕとした。
まず、図２のセラミックヒータ１００の右側の電極パッド１２１と接合端部１３３の最小間隔が０．０３ｍｍ以上の所定の値となるように接続端子１３０を保持した。この状態で電極パッド１２１と接合端部１３３との間に溶けたロウ材を流した後、放冷し、実施例１〜６のロウ付け接合部１５０を形成した。最小厚みΔｄは、上記最小間隔に応じた０．０３ｍｍ以上の所定の値となった（表１参照）。
同様に、図２のセラミックヒータ１００の左側の電極パッド１２１と接合端部１３３との間に、丸棒状の上記ロウ材を横倒しに挟み込んだ。この状態で加熱してロウ材を溶融させ、電極パッド１２１と接合端部１３３との間にロウ材を流した後、放冷し、比較例１〜６のロウ付け接合部１５０を形成した。このとき、電極パッド１２１と接合端部１３３との間隔は調整されず、最小厚みΔｄは上記ロウ材の直径未満（０．０３ｍｍ未満）の範囲でばらついた（表１参照）。
なお、Δｄは、以下の方法により測定した。まず、セラミックヒータ１００のロウ付け接合部近傍の断面（図４に示す断面）を取得する。この断面をＳＥＭにて画像を取得し、電極パッド１２１と接合端部１３３との間隔を測定した。
同様に、図２のセラミックヒータ１００の左側の電極パッド１２１と接合端部１３３との間に、丸棒状の上記ロウ材を横倒しに挟み込んだ。この状態で加熱してロウ材を溶融させ、電極パッド１２１と接合端部１３３との間にロウ材を流した後、放冷し、比較例１〜６のロウ付け接合部１５０を形成した。このとき、電極パッド１２１と接合端部１３３との間隔は調整されず、最小厚みΔｄは上記ロウ材の直径未満（０．０３ｍｍ未満）の範囲でばらついた（表１参照）。
なお、Δｄは、以下の方法により測定した。まず、セラミックヒータ１００のロウ付け接合部近傍の断面（図４に示す断面）を取得する。この断面をＳＥＭにて画像を取得し、電極パッド１２１と接合端部１３３との間隔を測定した。
次に、セラミックヒータ１００を大気加熱雰囲気に設置し、(i)ロウ付け接合部１５０が１００℃以下のスタート時から５分以内に３５０℃を超えるように昇温し、(ii)スタート時から５分までは３５０℃以上に維持し、(iii)その後、セラミックヒータ１００を加熱雰囲気から取り出して、スタート時から１０分までにロウ付け接合部１５０を１００℃以下になるように空冷し、(iv) スタート時から１０分までは１００℃以下を維持する、冷熱サイクルを９００サイクル繰り返した。
そして、冷熱サイクル終了後のセラミックヒータ１００について、セラミック基体１０２と加締部１３５をそれぞれ引張試験機のチャックに取付け、加締部１３５を径方向外側に引き離す方向に引っ張り、破壊強度を測定した。破壊はロウ付け接合部１５０で生じたので、引張試験機の引張強度（破壊強度）は、ロウ付け接合部１５０の破壊強度を示すことになる。そして、ロウ付け接合部１５０の破壊強度が高いものは、冷熱サイクルに曝されたときにロウ付け接合部１５０近傍に加わった熱応力が緩和された（小さくなった）ためであると考えられる。
なお、両加締部１３５につき、それぞれ別個に引張試験を行った。又、表１の同じ番号の実施例と比較例（実施例１と比較例１など）が同一のセラミックヒータ１００の両加締部１３５についての対となる結果を表す。
得られた結果を表１に示す。
そして、冷熱サイクル終了後のセラミックヒータ１００について、セラミック基体１０２と加締部１３５をそれぞれ引張試験機のチャックに取付け、加締部１３５を径方向外側に引き離す方向に引っ張り、破壊強度を測定した。破壊はロウ付け接合部１５０で生じたので、引張試験機の引張強度（破壊強度）は、ロウ付け接合部１５０の破壊強度を示すことになる。そして、ロウ付け接合部１５０の破壊強度が高いものは、冷熱サイクルに曝されたときにロウ付け接合部１５０近傍に加わった熱応力が緩和された（小さくなった）ためであると考えられる。
なお、両加締部１３５につき、それぞれ別個に引張試験を行った。又、表１の同じ番号の実施例と比較例（実施例１と比較例１など）が同一のセラミックヒータ１００の両加締部１３５についての対となる結果を表す。
得られた結果を表１に示す。
表１から明らかなように、ロウ付け接合部１５０の最小厚みΔｄを０．０３ｍｍ以上とした実施例１〜６の場合、最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ未満の比較例１〜６に比べ、ロウ付け接合部１５０の破壊強度が平均で約３０％も向上し、冷熱サイクルに曝されたときにロウ付け接合部１５０近傍に加わる熱応力が緩和されたことが示唆される。
１０ ガスセンサ（センサ）
２０ 酸素検出素子（センサ素子）
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
１３３ 接合端部（接続端子）
１４１ 発熱抵抗体（ヒータ）
１５０ ロウ付け接合部
Δｄ ロウ付け接合部の最小厚み
ｔ 接続端子の最大厚み
２０ 酸素検出素子（センサ素子）
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
１３３ 接合端部（接続端子）
１４１ 発熱抵抗体（ヒータ）
１５０ ロウ付け接合部
Δｄ ロウ付け接合部の最小厚み
ｔ 接続端子の最大厚み
Claims (5)
- セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の外表面に設けられ、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電極パッドとを有するヒータ本体部と、
前記電極パッドと外部回路とを電気的に接続する金属製で板状の接続端子と、
前記電極パッドと前記接続端子とを、ロウ付け接合にて連結するロウ付け接合部であって、前記電極パッドと前記接続端子との間に介在するロウ付け接合部と、
を備えるセラミックヒータにおいて、
前記ロウ付け接合部は、前記接続端子より熱膨張係数が小さく、
前記ロウ付け接合部のうち、前記電極パッドと前記接続端子との間の最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ以上であることを特徴とするセラミックヒータ。 - セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の外表面に設けられ、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電極パッドとを有するヒータ本体部と、
前記電極パッドと外部回路とを電気的に接続する金属製で平面を有する接続端子と、
前記電極パッドと前記接続端子とを、前記平面が前記電極パッドに対向した状態でロウ付け接合にて連結するロウ付け接合部であって、前記電極パッドと前記接続端子との間に介在するロウ付け接合部と、
を備えるセラミックヒータにおいて、
前記ロウ付け接合部は、前記接続端子より熱膨張係数が小さく、
前記ロウ付け接合部のうち、前記電極パッドと前記接続端子の前記平面との間の最小厚みΔｄが０．０３ｍｍ以上であることを特徴とするセラミックヒータ。 - 前記ロウ付け接合部の最小厚みΔｄは、前記接続端子の最大厚みｔに対してΔｄ≦２ｔである請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
- 前記ロウ付け接合部の最小厚みΔｄは、前記接続端子の最大厚みｔに対してｔ≦Δｄである請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
- 先端が閉じた有底筒状の固体電解質体、該固体電解質体の外周面に配置された外側電極、及び当該固体電解質体の内周面に配置された内側電極を備えるセンサ素子と、
前記センサ素子の内側に配置されるセラミックヒータと、
を備えるセンサであって、
前記セラミックヒータは、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックヒータである、センサ。
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