JP6580969B2 - Ceramic heater, gas sensor, and method of manufacturing ceramic heater - Google Patents
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Description
本発明は、ヒータ本体部と金属端子部とロウ材部とを備えるセラミックヒータ、セラミックヒータを備えるガスセンサ、およびセラミックヒータの製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic heater including a heater body, a metal terminal, and a brazing material, a gas sensor including the ceramic heater, and a method for manufacturing the ceramic heater.
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た電極パッドとを有するヒータ本体部と、電極パッドと外部機器とを繋ぐ通電経路となる長尺形状の金属端子部と、電極パッドと金属端子部とを電気的に接合するロウ材部と、を備えるセラミックヒータが知られている。 A heater body having a heating resistor embedded therein and an electrode pad electrically connected to the heating resistor, and a long metal terminal portion serving as a current-carrying path connecting the electrode pad and an external device; There is known a ceramic heater including a brazing material portion that electrically joins an electrode pad and a metal terminal portion.
このセラミックヒータは、ヒータ本体部の電極パッドと金属端子部とがロウ材部によって接合されているが、使用環境などの影響によっては、ロウ材部を腐食・劣化させる成分を含んだ環境下で使用される場合があり、ロウ材部の腐食・劣化に伴い金属端子部と電極パッドとが断線する虞がある。これに対して、ロウ材部の腐食・劣化を抑制するためにロウ材部を覆う被覆膜(メッキ層)を備えるものがある。 In this ceramic heater, the electrode pad of the heater body and the metal terminal part are joined by the brazing material part, but depending on the influence of the usage environment, etc., in an environment containing components that corrode and deteriorate the brazing material part. In some cases, the metal terminal portion and the electrode pad may be disconnected due to corrosion / deterioration of the brazing material portion. On the other hand, some have a coating film (plating layer) that covers the brazing material portion in order to suppress corrosion and deterioration of the brazing material portion.
そして、被覆膜としては、Niを主成分としたものが知られているが、耐腐食性に優れたセラミックヒータを実現するために、被覆膜としてCrを主成分とする被覆膜を用いる技術が提案されている(特許文献1)。 A coating film containing Ni as a main component is known, but in order to realize a ceramic heater having excellent corrosion resistance, a coating film containing Cr as a main component is used as a coating film. A technique to be used has been proposed (Patent Document 1).
他方、検出素子を加熱するためのヒータ部としてセラミックヒータを備えるガスセンサが知られている(特許文献1)。 On the other hand, a gas sensor including a ceramic heater is known as a heater unit for heating a detection element (Patent Document 1).
しかし、Crを主成分とする被覆膜は、柔軟性に乏しく硬質であるため、マイクロクラック(微細亀裂)が発生することがあり、このマイクロクラックが被覆膜の内面(下地との境界面)にまで到達していると、被覆膜のうちマイクロクラックが到達した内面部分から腐食が進行し易くなる虞がある。 However, since the coating film containing Cr as a main component is inflexible and hard, micro cracks (fine cracks) may occur. The micro cracks are formed on the inner surface of the coating film (the boundary surface with the base). ), The corrosion tends to proceed from the inner surface of the coating film where the microcracks have reached.
ところで、通常Crを主体とする被覆膜は、ロウ材部との密着性が悪く、被覆膜の下地として、Niを主体とする下地膜を形成する場合がある。Niを主体とする下地膜は、Crを主体とする被覆膜との密着性に優れると共に、ロウ材部や金属端子部との密着性にも優れるため、被覆膜をロウ材部に直接接触させる形態に比べて、被覆膜とロウ材部との密着性が向上する。 By the way, the coating film mainly composed of Cr usually has poor adhesion to the brazing material portion, and there is a case where a base film mainly composed of Ni is formed as a base of the coating film. The base film mainly composed of Ni has excellent adhesion to the coating film mainly composed of Cr and also has excellent adhesion to the brazing material part and the metal terminal part, so that the coating film is directly applied to the brazing material part. Compared with the form to contact, the adhesiveness of a coating film and a brazing | wax material part improves.
ところが、Niを主体とする下地膜の表面にCrを主体とする被覆膜を設けた場合には、被覆膜が下地膜に比べてイオン化しにくいことから、腐食電位の影響によってマイクロクラックが形成された被覆膜の腐食が加速してしまう虞がある。 However, when a coating film mainly composed of Cr is provided on the surface of the base film mainly composed of Ni, since the coating film is less ionized than the base film, microcracks are caused by the influence of the corrosion potential. There is a possibility that the corrosion of the formed coating film is accelerated.
このとき、被覆膜でのマイクロクラックが少ないほど、被覆膜の内面からの腐食が発生しがたくなるとも考えられるが、被覆膜でのマイクロクラックが少ない場合には、減少した一部のマイクロクラックに腐食電位が集中して、却って、被覆膜の内面からの腐食・劣化が加速してしまい、短時間で被覆膜による耐腐食性を発揮できなくなる虞がある。 At this time, it is considered that the smaller the number of microcracks in the coating film, the less likely the corrosion from the inner surface of the coating film occurs. Corrosion potential concentrates on the microcracks, and on the contrary, corrosion / deterioration from the inner surface of the coating film is accelerated, and the corrosion resistance by the coating film may not be exhibited in a short time.
そこで、本発明は、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなるセラミックヒータを提供すること、そのようなセラミックヒータを備えるガスセンサを提供すること、そのようなセラミックヒータの製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a ceramic heater that facilitates maintaining the corrosion resistance of the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component, and such a ceramic heater. An object of the present invention is to provide a gas sensor including the above and a method for manufacturing such a ceramic heater.
本発明の1つの局面におけるセラミックヒータは、ヒータ本体部と、金属端子部と、ロウ材部と、被覆膜と、下地膜と、を備える。
ヒータ本体部は、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、自身の外表面に設けられた電極パッドと、を有する。金属端子部は、電極パッドと外部機器とを繋ぐ通電経路の一部を形成する長尺形状に構成されている。ロウ材部は、電極パッドと金属端子部の接合部とを電気的に接合する。被覆膜は、金属端子部の少なくとも一部およびロウ材部のうち少なくとも一部を直接または他部材を介して覆う。
A ceramic heater according to one aspect of the present invention includes a heater main body portion, a metal terminal portion, a brazing material portion, a coating film, and a base film.
The heater body has a heating resistor embedded therein and an electrode pad electrically connected to the heating resistor and provided on the outer surface of the heater body. The metal terminal portion is configured in a long shape that forms a part of a current-carrying path that connects the electrode pad and the external device. The brazing material portion electrically joins the electrode pad and the joint portion of the metal terminal portion. The coating film covers at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part directly or via another member.
このうち、被覆膜は、Crを主体として形成されるとともに、自身の表面から内部に至るマイクロクラックを複数有している。また、下地膜は、被覆膜の下地としてNiを主体として形成される。そして、被覆膜の表面において仮想直線と交差するマイクロクラックの本数をクラック形成密度と定義した場合に、このセラミックヒータにおいては、被覆膜のうち金属端子部の接合部およびロウ材部を覆う領域におけるクラック形成密度が400[本/cm]以上である。 Among these, the coating film is formed mainly of Cr and has a plurality of microcracks extending from its own surface to the inside. The base film is formed mainly of Ni as the base of the coating film. When the number of microcracks intersecting the virtual line on the surface of the coating film is defined as the crack formation density, the ceramic heater covers the joint portion of the metal terminal portion and the brazing material portion of the coating film. The crack formation density in the region is 400 [lines / cm] or more.
このようなクラック形成密度の被覆膜は、マイクロクラックが一部に集中して存在するのではなく、マイクロクラックが分散して形成されるため、一部のマイクロクラックに腐食電位が集中することを抑制できる。これにより、被覆膜の内面からの腐食・劣化が加速するのを抑制でき、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなる。 A coating film having such a crack formation density does not have microcracks concentrated in part, but microcracks are formed in a dispersed manner, so that the corrosion potential is concentrated in some microcracks. Can be suppressed. Thereby, acceleration of corrosion / deterioration from the inner surface of the coating film can be suppressed, and the corrosion resistance by the coating film can be easily maintained.
よって、このセラミックヒータは、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなる。
なお、クラック形成密度の下限値は、上記のとおりであり、クラック形成密度の上限値は、被覆膜を形成可能な範囲であれば、特に数値は限定されない。
Therefore, this ceramic heater can easily maintain the corrosion resistance of the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component.
In addition, the lower limit value of the crack formation density is as described above, and the upper limit value of the crack formation density is not particularly limited as long as the coating film can be formed.
また、上述のセラミックヒータにおいては、被覆膜の下地としてNiを主体とする下地膜を備えている。
このように、Niを主体とする下地膜を備えることで、Crを主体とする被覆膜は金属端子部やロウ材部から剥がれ難くなる。
The ceramic heater described above includes a base film mainly composed of Ni as the base of the coating film.
Thus, by providing the base film mainly composed of Ni, the coating film mainly composed of Cr is hardly peeled off from the metal terminal portion or the brazing material portion.
つまり、Niを主体とする下地膜は、Crを主体とする被覆膜との密着性に優れると共に、ロウ材部や金属端子部との密着性にも優れることから、Niを主体とする下地膜を備えることで、被覆膜を金属端子部(または、ロウ材部)に直接接触させる形態に比べて、被覆膜と金属端子部(またはロウ材部)との密着性が向上する。 In other words, the base film mainly composed of Ni is excellent in adhesion to the coating film mainly composed of Cr and also excellent in adhesion to the brazing material portion and the metal terminal portion. By providing the base film, the adhesion between the coating film and the metal terminal part (or brazing material part) is improved as compared with a mode in which the coating film is in direct contact with the metal terminal part (or brazing material part).
よって、このセラミックヒータによれば、Crを主体とする被覆膜が金属端子部やロウ材部から剥がれ難くなるため、ロウ材部および金属端子部の腐食・劣化を抑制できる。
次に、本発明の他の局面におけるガスセンサは、検出素子と、セラミックヒータと、を備えており、セラミックヒータとして、上述のセラミックヒータを備えている。
Therefore, according to this ceramic heater, since the coating film mainly composed of Cr is hardly peeled off from the metal terminal portion or the brazing material portion, corrosion / deterioration of the brazing material portion and the metal terminal portion can be suppressed.
Next, a gas sensor according to another aspect of the present invention includes a detection element and a ceramic heater, and includes the above-described ceramic heater as the ceramic heater.
なお、検出素子は、軸線方向に延びる筒状に形成されると共に先端が閉塞され、被測定成分を検出する。セラミックヒータは、検出素子の筒孔内に配置され、検出素子を加熱する。 The detection element is formed in a cylindrical shape extending in the axial direction and has a closed end to detect a component to be measured. The ceramic heater is disposed in the cylindrical hole of the detection element and heats the detection element.
このガスセンサは、上記のセラミックヒータを備えることで、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなるため、ガスセンサとしても耐腐食性を維持しやすくなる。 Since this gas sensor is equipped with the ceramic heater described above, it is easy to maintain the corrosion resistance due to the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component. It becomes easy to maintain the corrosion resistance.
次に、本発明の他の局面におけるセラミックヒータの製造方法は、ヒータ本体部と、金属端子部と、ロウ材部と、被覆膜と、を備えるセラミックヒータの製造方法であり、被覆膜を形成する被覆膜形成工程と、下地膜を形成する下地膜形成工程と、を有している。 Next, a method for manufacturing a ceramic heater according to another aspect of the present invention is a method for manufacturing a ceramic heater including a heater main body portion, a metal terminal portion, a brazing material portion, and a coating film. A coating film forming step for forming the base film, and a base film forming step for forming the base film.
ヒータ本体部は、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、自身の外表面に設けられた電極パッドと、を有する。金属端子部は、電極パッドと外部機器とを繋ぐ通電経路の一部を形成する長尺形状に構成されている。ロウ材部は、電極パッドと金属端子部の接合部とを電気的に接合する。被覆膜は、金属端子部の少なくとも一部およびロウ材部のうち少なくとも一部を直接または他部材を介して覆う。 The heater body has a heating resistor embedded therein and an electrode pad electrically connected to the heating resistor and provided on the outer surface of the heater body. The metal terminal portion is configured in a long shape that forms a part of a current-carrying path that connects the electrode pad and the external device. The brazing material portion electrically joins the electrode pad and the joint portion of the metal terminal portion. The coating film covers at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part directly or via another member.
このうち、被覆膜は、Crを主体に形成されている。
被覆膜形成工程では、金属端子部の少なくとも一部およびロウ材部の少なくとも一部をCrを主体とする電解メッキ液に浸して電解メッキ処理を行い被覆膜を形成する。
Among these, the coating film is formed mainly of Cr.
In the coating film forming step, at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part are immersed in an electrolytic plating solution mainly composed of Cr to perform an electrolytic plating process to form a coating film.
また、下地膜形成工程は、被覆膜形成工程の前に実行される工程である。下地膜形成工程では、被覆膜の下地として、金属端子部およびロウ材部を覆うNiを主体とする下地膜を形成する。 In addition, the base film forming process is a process executed before the coating film forming process. In the base film forming step, a base film mainly composed of Ni covering the metal terminal portion and the brazing material portion is formed as the base of the coating film.
電解メッキ液は、無水クロム酸を主体とするとともに、硫酸およびケイフッ化Naが添加されている。電解メッキ液における硫酸の濃度は、1.2±0.4g/Lであり、電解メッキ液におけるケイフッ化Naの濃度は、6.0±2.0g/Lである。 The electrolytic plating solution is mainly composed of chromic anhydride, and sulfuric acid and sodium fluorosilicate are added. The concentration of sulfuric acid in the electrolytic plating solution is 1.2 ± 0.4 g / L, and the concentration of sodium fluorosilicate in the electrolytic plating solution is 6.0 ± 2.0 g / L.
このセラミックヒータの製造方法によれば、被覆膜におけるマイクロクラックの数を所定範囲に調整することができる。
このようにマイクロクラックの数が調整された被覆膜は、マイクロクラックが一部に集中して存在するのではなく、マイクロクラックが分散して形成されるため、腐食電位が一部のマイクロクラックに集中することを抑制できる。これにより、被覆膜の内面からの腐食・劣化が加速するのを抑制でき、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなる。
According to this method for manufacturing a ceramic heater, the number of microcracks in the coating film can be adjusted within a predetermined range.
In this way, the coating film in which the number of microcracks is adjusted does not have microcracks concentrated in a part, but is formed by dispersion of microcracks. Concentrating on can be suppressed. Thereby, acceleration of corrosion / deterioration from the inner surface of the coating film can be suppressed, and the corrosion resistance by the coating film can be easily maintained.
よって、このセラミックヒータの製造方法によれば、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすいセラミックヒータを製造できる。 Therefore, according to this method for manufacturing a ceramic heater, it is possible to manufacture a ceramic heater that easily maintains the corrosion resistance of the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component.
なお、「無水クロム酸を主体とする」とは、電解メッキ液に含まれる成分のうち無水クロム酸が最も多いことを意味している。また、電解メッキ液における無水クロム酸の濃度は、例えば、250±50g/Lである。 Note that “mainly containing chromic anhydride” means that chromic anhydride is the most among the components contained in the electrolytic plating solution. The concentration of chromic anhydride in the electrolytic plating solution is, for example, 250 ± 50 g / L.
また、上述のセラミックヒータの製造方法においては、被覆膜形成工程の前に、被覆膜の下地として、金属端子部およびロウ材部を覆うNiを主体とする下地膜を形成する下地膜形成工程を行っている。 Also, in the above-described ceramic heater manufacturing method, before the coating film forming step, as a base of the coating film, a base film is formed by forming a base film mainly composed of Ni covering the metal terminal portion and the brazing material portion. The process is performed.
これにより、被覆膜の下地として、Niを主体とする下地膜を備えるセラミックヒータを製造でき、Crを主体とする被覆膜は金属端子部やロウ材部から剥がれ難くなる。
つまり、Niを主体とする下地膜は、Crを主体とする被覆膜との密着性に優れると共に、ロウ材部や金属端子部との密着性にも優れることから、Niを主体とする下地膜を備えることで、被覆膜を金属端子部(または、ロウ材部)に直接接触させる形態に比べて、被覆膜と金属端子部(またはロウ材部)との密着性が向上する。
As a result, a ceramic heater having a base film mainly composed of Ni can be manufactured as the base of the coating film, and the coating film mainly composed of Cr is hardly peeled off from the metal terminal portion or the brazing material portion.
In other words, the base film mainly composed of Ni is excellent in adhesion to the coating film mainly composed of Cr and also excellent in adhesion to the brazing material portion and the metal terminal portion. By providing the base film, the adhesion between the coating film and the metal terminal part (or brazing material part) is improved as compared with a mode in which the coating film is in direct contact with the metal terminal part (or brazing material part).
よって、このセラミックヒータの製造方法によれば、Crを主体とする被覆膜が金属端子部やロウ材部から剥がれ難くなるセラミックヒータを製造でき、ロウ材部および金属端子部の腐食・劣化を抑制できるセラミックヒータを製造できる。 Therefore, according to this method for manufacturing a ceramic heater, it is possible to manufacture a ceramic heater in which a coating film mainly composed of Cr is hardly peeled off from the metal terminal portion or the brazing material portion, and corrosion and deterioration of the brazing material portion and the metal terminal portion are prevented. A ceramic heater that can be suppressed can be manufactured.
本発明のセラミックヒータによれば、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなる。
本発明のガスセンサによれば、セラミックヒータにおけるCrを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすくなるため、ガスセンサとしても耐腐食性を維持しやすくなる。
According to the ceramic heater of the present invention, it is easy to maintain the corrosion resistance of the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component.
According to the gas sensor of the present invention, even when micro cracks are formed in the coating film containing Cr as a main component in the ceramic heater, the corrosion resistance due to the coating film can be easily maintained. It becomes easy to maintain sex.
本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、Crを主成分とする被覆膜にマイクロクラックが形成される場合においても、被覆膜による耐腐食性を維持しやすいセラミックヒータを製造できる。 According to the method for manufacturing a ceramic heater of the present invention, it is possible to manufacture a ceramic heater that easily maintains the corrosion resistance of the coating film even when microcracks are formed in the coating film containing Cr as a main component.
以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、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。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
In addition, this invention is not limited to the following embodiment at all, and it cannot be overemphasized that various forms may be taken as long as it belongs to the technical scope of this invention.
[1.第1実施形態]
[1−1.全体構成]
本発明を適用したセラミックヒータおよびセラミックヒータ製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
[1. First Embodiment]
[1-1. overall structure]
An embodiment of a ceramic heater and a ceramic heater manufacturing method to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
なお、本実施形態のセラミックヒータは、センサ素子を活性化温度まで加熱する用途などに用いることができる。また、加熱対象のセンサ素子としては、自動車や各種内燃機関における各種制御(例えば、空燃比フィードバック制御など)に使用するために、測定対象ガス(排ガス)中の特定ガス(酸素)を検出するガスセンサ素子などが挙げられる。 In addition, the ceramic heater of this embodiment can be used for the use etc. which heat a sensor element to activation temperature. In addition, as a sensor element to be heated, a gas sensor that detects a specific gas (oxygen) in a measurement target gas (exhaust gas) for use in various controls (for example, air-fuel ratio feedback control) in an automobile or various internal combustion engines. An element etc. are mentioned.
まず、図1,図2を参照して、セラミックヒータ100の構造について説明する。
図1は、セラミックヒータ100の外観を表した斜視図である。図2は、セラミックヒータ100の内部構成を表した分解斜視図である。
First, the structure of the ceramic heater 100 will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the ceramic heater 100. FIG. 2 is an exploded perspective view showing the internal configuration of the ceramic heater 100.
なお、本実施形態のセラミックヒータ100においては、長手方向の両端部のうち、発熱部分を備える側(後述する発熱部142が形成される側)を「先端側」とし、これと反対側の端部を「後端側」として説明する。 In the ceramic heater 100 of the present embodiment, of the both ends in the longitudinal direction, the side provided with the heat generating portion (the side where the heat generating portion 142 described later is formed) is referred to as the “tip side”, and the opposite end The part is described as “rear end side”.
セラミックヒータ100は、発熱抵抗体141を有する丸棒状(略円柱形状)のセラミック基体102と、セラミック基体102の外表面に設けられるとともに発熱抵抗体141と電気的に接続する電極パッド121と、融点が900℃以上である導電性のロウ材部により電極パッド121に接合される金属端子部130と、を備えている。 The ceramic heater 100 includes a round bar (substantially cylindrical) ceramic base 102 having a heating resistor 141, an electrode pad 121 provided on the outer surface of the ceramic base 102 and electrically connected to the heating resistor 141, and a melting point. And a metal terminal portion 130 joined to the electrode pad 121 by a conductive brazing material portion having a temperature of 900 ° C. or higher.
セラミックヒータ100は、セラミック基体102の後端側に設けられた電極パッド121を介して外部装置(電源装置)から発熱抵抗体141に対して通電されることで、発熱抵抗体141が発熱する構成である。なお、発熱抵抗体141のうち発熱部142(図2参照)は、セラミック基体102の先端側に配置されている。つまり、セラミックヒータ100は、セラミック基体102のうち先端側が発熱することで、センサ素子を加熱するよう構成されている。 The ceramic heater 100 is configured such that the heat generating resistor 141 generates heat by energizing the heat generating resistor 141 from an external device (power supply device) via an electrode pad 121 provided on the rear end side of the ceramic base 102. It is. Note that the heat generating portion 142 (see FIG. 2) of the heat generating resistor 141 is disposed on the tip side of the ceramic substrate 102. That is, the ceramic heater 100 is configured to heat the sensor element when the tip side of the ceramic base 102 generates heat.
図2に示すように、セラミックヒータ100は、丸棒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、これが焼成されることによって製造される。 As shown in FIG. 2, the ceramic heater 100 is manufactured by winding green sheets 140 and 146 made of alumina ceramic with high insulating properties around the outer periphery of a round rod-like alumina ceramic tube 101 and firing them. .
グリーンシート140の上には、ヒートパターンとしてのタングステン系の材料を主体とする発熱抵抗体141が形成されている。発熱抵抗体141は、先端側に形成される発熱部142と、発熱部142の両端のそれぞれに接続される一対のリード部143と、を備えて構成される。 On the green sheet 140, a heating resistor 141 mainly composed of a tungsten-based material as a heat pattern is formed. The heat generating resistor 141 includes a heat generating part 142 formed on the front end side, and a pair of lead parts 143 connected to both ends of the heat generating part 142.
また、グリーンシート140の後端側には、2個のスルーホール144が設けられている。一対のリード部143は、2個のスルーホール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2つの電極パッド121と電気的に接続される。 In addition, two through holes 144 are provided on the rear end side of the green sheet 140. The pair of lead portions 143 are electrically connected to the two electrode pads 121 formed on the outer surface of the ceramic heater 100 through the two through holes 144.
また、グリーンシート146は、グリーンシート140のうち発熱抵抗体141が形成される側の面に圧着されるシートである。
グリーンシート146のうちグリーンシート140に接する圧着面とは反対側の表面に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、セラミックヒータ100として形成される。
The green sheet 146 is a sheet that is pressure-bonded to the surface of the green sheet 140 on which the heat generating resistor 141 is formed.
Alumina paste is applied to the surface of the green sheet 146 opposite to the pressure contact surface in contact with the green sheet 140, and the green sheets 140 and 146 are wound around the tub tube 101 and pressed inward from the outer periphery with the applied surface facing inside. As a result, a ceramic heater molded body is formed. Thereafter, the ceramic heater molded body is fired to form the ceramic heater 100.
次に、図1および図2に示すように、セラミックヒータ100には、陽極側および陰極側となる2つの電極パッド121が形成されている。この電極パッド121は、上記した2つのスルーホール144(図2参照)に対応するグリーンシート140の外面の位置に2ヶ所、それぞれ設けられている。発熱抵抗体141のリード部143との導通は、スルーホール144の内部に充填される導電性ペーストを介して行われる。なお、電極パッド121の表面には、後述するメッキによる金属層(図3に示すパッド用メッキ膜122)が形成される。 Next, as shown in FIGS. 1 and 2, the ceramic heater 100 is formed with two electrode pads 121 on the anode side and the cathode side. The electrode pads 121 are provided at two positions on the outer surface of the green sheet 140 corresponding to the two through holes 144 (see FIG. 2). The conduction between the heat generating resistor 141 and the lead portion 143 is performed through a conductive paste filled in the through hole 144. Note that a metal layer (a plating film 122 for pads shown in FIG. 3) by plating described later is formed on the surface of the electrode pad 121.
金属端子部130は、長尺形状のニッケル部材で構成されており、ロウ材部により電極パッド121と接合される接合部133と、平板状に切り出された加締め部135と、接合部133と加締め部135とをつなぐ連結部134と、を備えて構成される。 The metal terminal portion 130 is made of a long nickel member, and includes a bonding portion 133 bonded to the electrode pad 121 by a brazing material portion, a crimped portion 135 cut out in a flat plate shape, and a bonding portion 133. And a connecting portion 134 that connects the caulking portion 135.
連結部134の先端部分は、厚み方向に段状に屈曲しており、接合部133に繋がるよう形成されている。また、金属端子部130は、連結部134のうち加締め部135との連結領域が、連結部134の長手方向の中心軸を回転中心として回転するようにねじ曲げられている。 The distal end portion of the connecting portion 134 is bent stepwise in the thickness direction, and is formed so as to be connected to the joint portion 133. In addition, the metal terminal portion 130 is twisted so that a connection region of the connecting portion 134 with the caulking portion 135 rotates around the central axis in the longitudinal direction of the connecting portion 134.
そして、金属端子部130は、図示しない外部回路接続用のリード線などが加締め部135にカシメ固定されることで、リード線などを介して外部回路(外部電源装置)との導通が図られる。 The metal terminal portion 130 is connected to an external circuit (external power supply device) via a lead wire or the like by caulking and fixing a lead wire or the like for connecting an external circuit (not shown) to the caulking portion 135. .
このように構成される2つの金属端子部130は、2つの電極パッド121のそれぞれに接合されて、セラミックヒータ100に電圧を印加する際の陽極側端子および陰極側端子として機能する。 The two metal terminal portions 130 configured as described above are joined to the two electrode pads 121 and function as an anode side terminal and a cathode side terminal when a voltage is applied to the ceramic heater 100.
図3は、図1に示すセラミックヒータ100のうち、一点鎖線A−A’にて矢視方向からみた周囲部分における部分断面図である。なお、図3において、金属端子部130からセラミックヒータ100の中心軸に向かう方向(図中紙面下方向)を下方向として、また、中心軸より離れる方向(図中紙面上方向)を上方向として説明する。 FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the surrounding portion of the ceramic heater 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow along the one-dot chain line A-A ′. In FIG. 3, a direction from the metal terminal portion 130 toward the central axis of the ceramic heater 100 (downward in the drawing in the drawing) is a downward direction, and a direction away from the central axis (upward in the drawing in the drawing) is an upward direction. explain.
図3に示すように、電極パッド121は、碍管101の外周に巻かれたグリーンシート140の外面(図3における上側の面)に形成され、スルーホール144を介してグリーンシート140の内面(図3における下側の面)に形成されている発熱抵抗体141のリード部143と導通されている。 As shown in FIG. 3, the electrode pad 121 is formed on the outer surface (upper surface in FIG. 3) of the green sheet 140 wound around the outer periphery of the soot tube 101, and the inner surface (see FIG. 3) through the through hole 144. 3 is connected to the lead portion 143 of the heating resistor 141 formed on the lower surface).
この電極パッド121は、タングステン、モリブデンから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含んだ主体材料を80重量%以上含むパッド状の金属層である。タングステンやモリブデンは、銅系のロウ材部124との接合性がよく、また、融点が高く耐熱性に優れているので、電極パッド121の組成として好適である。 The electrode pad 121 is a pad-like metal layer containing 80% by weight or more of a main material containing at least one element selected from tungsten and molybdenum. Tungsten and molybdenum are suitable for the composition of the electrode pad 121 because they have good bonding properties to the copper-based brazing material portion 124 and have a high melting point and excellent heat resistance.
金属端子部130は、ニッケルを90重量%以上含むニッケル部材で構成されている。金属端子部130は、図3に示したように、ロウ材部124によって、パッド用メッキ膜122に覆われた電極パッド121に接合されている。そして、ロウ材部124により互いに接合された金属端子部130および電極パッド121の上に、さらに、ニッケル(Ni)を主体とするニッケルメッキ膜125と、クロム(Cr)を主体とするクロムメッキ膜126と、が形成されている。なお、ニッケルメッキ膜125の上側にクロムメッキ膜126が形成されており、ニッケルメッキ膜125およびクロムメッキ膜126を備えることで、ロウ材部124及び金属端子部130の酸化による腐食が防止される。 The metal terminal part 130 is comprised with the nickel member which contains nickel 90weight% or more. As shown in FIG. 3, the metal terminal portion 130 is joined to the electrode pad 121 covered with the pad plating film 122 by the brazing material portion 124. A nickel plating film 125 mainly composed of nickel (Ni) and a chromium plating film mainly composed of chromium (Cr) are further formed on the metal terminal portion 130 and the electrode pad 121 joined together by the brazing material portion 124. 126 is formed. A chromium plating film 126 is formed on the upper side of the nickel plating film 125, and the nickel plating film 125 and the chromium plating film 126 are provided to prevent corrosion of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 due to oxidation. .
そして、電極パッド121と金属端子部130とを接合するロウ材部124は、50重量%を上回る量の銅が含有されている。なお、本実施形態では、銅100重量%のロウ材部124を用いて、電極パッド121と金属端子部130とをロウ付けしている。 And the brazing material part 124 which joins the electrode pad 121 and the metal terminal part 130 contains the quantity of copper exceeding 50 weight%. In the present embodiment, the electrode pad 121 and the metal terminal portion 130 are brazed using a brazing material portion 124 of 100% by weight of copper.
なお、ロウ付け時には、電極パッド121の上に設けたパッド用メッキ膜122のニッケル成分が、ロウ材部124へ拡散することになる。
つまり、本実施形態のセラミックヒータ100においては、図3に示すように、ロウ付け前におけるパッド用メッキ膜122は、ロウ材部124との境界部分が一点鎖線123で示す輪郭形状を示す。そして、ロウ付け後においては、パッド用メッキ膜122の一部がロウ材部124へ拡散して溶け込んだ形態となり、パッド用メッキ膜122およびロウ材部124は、一体化した状態で形成される。
During brazing, the nickel component of the pad plating film 122 provided on the electrode pad 121 diffuses into the brazing material portion 124.
That is, in the ceramic heater 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the pad plating film 122 before brazing has a contour shape indicated by a dashed line 123 at the boundary portion with the brazing material portion 124. After the brazing, a part of the pad plating film 122 is diffused and melted into the brazing material portion 124, and the pad plating film 122 and the brazing material portion 124 are formed in an integrated state. .
[1−2.製造方法]
次に、本実施形態のセラミックヒータの製造方法について説明する。
図4は、セラミックヒータ100の製造方法で実行する各工程の順序を表すフローチャートである。
[1-2. Production method]
Next, the manufacturing method of the ceramic heater of this embodiment is demonstrated.
FIG. 4 is a flowchart showing the order of each process executed in the method for manufacturing the ceramic heater 100.
S110(Sはステップを表す)のセラミック基体形成工程では、まず、グリーンシート140に対して、発熱抵抗体141および電極パッド121となる金属抵抗体インク(メタライズインク)を所定のパターン形状に塗布(印刷)し、且つ、スルーホール144の内部にメタライズインク(または、導電性ペースト)を充填する処理を実行する。次に、グリーンシート140にグリーンシート146を圧着し、グリーンシート140およびグリーンシート146を碍管101に巻き付けて、セラミックヒータ成形体を形成する処理を実行する。続いて、このセラミックヒータ成形体を焼成することで、グリーンシート140,146および碍管101が一体となったセラミック基体102を形成する処理を実行する。 In the ceramic substrate forming process of S110 (S represents a step), first, metal resistor ink (metallized ink) to be the heating resistor 141 and the electrode pad 121 is applied to the green sheet 140 in a predetermined pattern shape ( Printing) and filling the through hole 144 with metallized ink (or conductive paste). Next, the green sheet 146 is pressure-bonded to the green sheet 140, and the green sheet 140 and the green sheet 146 are wound around the soot tube 101 to form a ceramic heater molded body. Subsequently, the ceramic heater molded body is fired to execute a process of forming the ceramic base body 102 in which the green sheets 140 and 146 and the soot tube 101 are integrated.
ここまでの処理がセラミック基体形成工程であり、発熱抵抗体141を有するセラミック基体102を製造しつつ、セラミック基体102に対して金属抵抗体インク(メタライズインク)を塗布して電極パッド121を形成する処理である。 The processing so far is the ceramic substrate forming step, and the electrode pad 121 is formed by applying metal resistor ink (metallized ink) to the ceramic substrate 102 while manufacturing the ceramic substrate 102 having the heating resistor 141. It is processing.
続いて、S120の電極パッドメッキ形成工程では、電極パッド121を覆うパッド用メッキ膜122を形成する電極パッドメッキ形成処理を実施する。
次に、S130の接合工程では、パッド用メッキ膜122の上に、ロウ材部および金属端子部130を互いに接触するように配置する。そして、この状態で900℃以上に加熱してロウ材部を溶融させることで、金属端子部130と電極パッド121とをロウ付けにより接合しロウ材部124を形成する処理を実行する。
Subsequently, in the electrode pad plating forming step of S120, an electrode pad plating forming process for forming a pad plating film 122 covering the electrode pad 121 is performed.
Next, in the bonding step of S130, the brazing material portion and the metal terminal portion 130 are arranged on the pad plating film 122 so as to contact each other. Then, in this state, the brazing material portion is melted by heating to 900 ° C. or more, thereby performing a process of joining the metal terminal portion 130 and the electrode pad 121 by brazing to form the brazing material portion 124.
この接合工程では、ロウ材部124とパッド用メッキ膜122のうち一点鎖線123で囲んだ領域とが固溶化して、パッド用メッキ膜122のうち一点鎖線123で囲んだ領域がロウ材部124の中に溶け込む現象が生じる。 In this bonding step, the brazing material portion 124 and the region surrounded by the alternate long and short dash line 123 in the pad plating film 122 are solidified, and the region surrounded by the alternate long and short dash line 123 in the pad plating film 122 is solidified. The phenomenon that melts into.
そして、S140のニッケルメッキ形成工程では、ロウ材部124および金属端子部130の接合部133を覆うように、無電解メッキ法によりニッケルメッキ処理を施して、ニッケルメッキ膜125を形成する処理を実行する。 Then, in the nickel plating forming step of S140, a process for forming a nickel plating film 125 is performed by performing a nickel plating process by an electroless plating method so as to cover the joint part 133 of the brazing material part 124 and the metal terminal part 130. To do.
このあと、S150のクロムメッキ形成工程では、電解メッキ法によりクロムメッキ処理を施して、Crを主体とするクロムメッキ膜126を形成する処理を実行する。
ここで、電解メッキ法を用いたクロムメッキ形成工程について説明する。なお、図5に、電解メッキ処理時の接続状態を表した説明図を示す。
Thereafter, in the chrome plating formation step of S150, a chrome plating process is performed by an electrolytic plating method to form a chrome plating film 126 mainly composed of Cr.
Here, the chromium plating formation process using the electrolytic plating method will be described. In addition, in FIG. 5, the explanatory view showing the connection state at the time of an electrolytic plating process is shown.
クロムメッキ形成工程では、まず、ニッケルメッキ形成工程が完了した後のセラミックヒータ100(セラミック基体102および金属端子部130)のうち、金属端子部130の加締め部135に対して電解メッキ用導電部としての陰極205を接続する。 In the chromium plating forming process, first, in the ceramic heater 100 (the ceramic base body 102 and the metal terminal part 130) after the nickel plating forming process is completed, the electroconductive part for electrolytic plating with respect to the caulking part 135 of the metal terminal part 130. The cathode 205 is connected.
次に、セラミックヒータ100(セラミック基体102および金属端子部130)の全体をCrメッキ液207(電解メッキ液)に浸漬した状態で、電源201からニッケルメッキ膜125(ロウ材部124および金属端子部130を覆うニッケルメッキ膜125)に対して通電を行い、電解メッキ処理を行う。 Next, in a state where the entire ceramic heater 100 (the ceramic base body 102 and the metal terminal portion 130) is immersed in the Cr plating solution 207 (electrolytic plating solution), the nickel plating film 125 (the brazing material portion 124 and the metal terminal portion) is supplied from the power source 201. The nickel plating film 125) covering 130 is energized to perform electrolytic plating.
このとき、Crメッキ液207は、無水クロム酸をベースとして、所定の添加剤(硫酸、ケイフッ化Na、三価クロム)が添加されて構成されている。なお、本実施形態では、図6に示すような各条件を満たすCrメッキ液207を用いて、電解メッキ処理を実施する。 At this time, the Cr plating solution 207 is configured by adding predetermined additives (sulfuric acid, sodium fluorosilicate, trivalent chromium) based on chromic anhydride. In the present embodiment, the electrolytic plating process is performed using a Cr plating solution 207 that satisfies the conditions shown in FIG.
なお、電源201からの通電経路は、陽極203,Crメッキ液207,ニッケルメッキ膜125(ロウ材部124および金属端子部130の接合部133を覆うニッケルメッキ膜125),陰極205という経路であり、このような経路で通電を行うことで、ロウ材部124、接合部133を覆うニッケルメッキ膜125および金属端子部130に対して電解メッキ処理を行う。このときに通電する電流の電流密度は、12.0[A/dm2]である。 The energization path from the power source 201 is the path of the anode 203, the Cr plating solution 207, the nickel plating film 125 (the nickel plating film 125 covering the joint portion 133 of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130), and the cathode 205. By performing energization in such a path, the electroplating process is performed on the nickel plating film 125 and the metal terminal portion 130 covering the brazing material portion 124, the joint portion 133. The current density of the current that is energized at this time is 12.0 [A / dm2].
これにより、ロウ材部124および金属端子部130を覆うニッケルメッキ膜125に、クロムメッキ膜126が形成される。
このようにして形成されたクロムメッキ膜126には、その表面から内部(ニッケルメッキ膜125)に至るマイクロクラック(微細亀裂ともいう)が複数形成される。このマイクロクラックは、クロムメッキ膜126のうち一部領域に集中して形成されるのではなく、クロムメッキ膜126の全体に分散して形成される。
Thereby, the chromium plating film 126 is formed on the nickel plating film 125 covering the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130.
A plurality of microcracks (also referred to as microcracks) extending from the surface to the inside (nickel plating film 125) are formed in the chromium plating film 126 formed in this way. The micro cracks are not formed concentrated on a part of the chrome plating film 126 but distributed throughout the chrome plating film 126.
なお、クロムメッキ膜126の表面において仮想直線と交差するマイクロクラックの本数をクラック形成密度と定義した場合、本実施形態では、クロムメッキ膜126のうち金属端子部130の接合部133およびロウ材部124(換言すれば、ニッケルメッキ膜125)を覆う領域におけるクラック形成密度は、400〜1000[本/cm]に調整されている。このとき、無水クロム酸濃度、硫酸濃度、ケイフッ化Na濃度、三価クロム濃度をそれぞれ調整することで、クラック形成密度を調整することができる。 When the number of microcracks that intersect the virtual straight line on the surface of the chrome plating film 126 is defined as the crack formation density, in this embodiment, the joint portion 133 and the brazing material portion of the metal terminal portion 130 in the chrome plating film 126 are used. The crack formation density in the region covering 124 (in other words, the nickel plating film 125) is adjusted to 400 to 1000 [lines / cm]. At this time, the crack formation density can be adjusted by adjusting the chromic anhydride concentration, sulfuric acid concentration, sodium fluorosilicate concentration, and trivalent chromium concentration, respectively.
以上のような各工程を含む製造方法を実行することにより、クラック形成密度が所定範囲に調整されたクロムメッキ膜126を備えるセラミックヒータ100を製造することができる。 By performing the manufacturing method including the steps as described above, the ceramic heater 100 including the chromium plating film 126 in which the crack formation density is adjusted to a predetermined range can be manufactured.
[1−3.測定結果]
ここで、セラミックヒータのクロムメッキ膜におけるクラック形成密度と耐食性(耐腐食性)との相関関係を調査した測定結果について説明する。
[1-3. Measurement result]
Here, the measurement result which investigated the correlation with the crack formation density and corrosion resistance (corrosion resistance) in the chromium plating film | membrane of a ceramic heater is demonstrated.
調査測定は、図7に示すような測定装置を用いて実施した。
具体的には、0.1%硝酸溶液を満たした水槽211にセラミックヒータ100を浸漬し、エアー供給管223を用いて0.2[L/min]のエアーバブリングで撹拌した状態で、金属端子部130をプラス電位とし、対極としてのNi板213をマイナス電位とする試験電圧(40[V])を印加した。試験電圧は、電源装置215から抵抗素子217を介して、セラミックヒータ100(金属端子部130)、硝酸溶液、Ni板213に対して印加した。このとき、印加電圧を検出するための第1電圧計219を用いて、セラミックヒータ100(金属端子部130)、硝酸溶液、Ni板213の直列回路への印加電圧を検出しつつ、印加電圧が適正値となるように調整した。また、第2電圧計221を用いて抵抗素子217の両端電圧を検出し、抵抗素子217の抵抗値および両端電圧から通電電流値を検出しつつ、通電電流値が適正値となるように調整した。
The survey measurement was performed using a measuring apparatus as shown in FIG.
Specifically, the ceramic terminal 100 is immersed in a water tank 211 filled with a 0.1% nitric acid solution, and is stirred with 0.2 [L / min] air bubbling using an air supply pipe 223. A test voltage (40 [V]) in which the portion 130 was set to a positive potential and the Ni plate 213 as a counter electrode was set to a negative potential was applied. The test voltage was applied from the power supply device 215 to the ceramic heater 100 (metal terminal portion 130), the nitric acid solution, and the Ni plate 213 via the resistance element 217. At this time, using the first voltmeter 219 for detecting the applied voltage, the applied voltage is detected while detecting the applied voltage to the series circuit of the ceramic heater 100 (metal terminal portion 130), the nitric acid solution, and the Ni plate 213. It adjusted so that it might become an appropriate value. Further, the voltage at both ends of the resistance element 217 was detected using the second voltmeter 221, and the current value was adjusted from the resistance value of the resistance element 217 and the voltage across the resistance element so that the current value became an appropriate value. .
そして、クロムメッキ膜のクラック形成密度が異なる複数種類のセラミックヒータを用いて、試験電圧の印加開始時点からセラミックヒータ100において金属端子部130からセラミック基体102が脱落するまでの経過時間を測定することで、クロムメッキ膜におけるクラック形成密度と耐食性(耐腐食性)との相関関係を調査した。 Then, using a plurality of types of ceramic heaters with different crack formation densities of the chrome plating film, the elapsed time from when the test voltage is applied to when the ceramic base 102 is removed from the metal terminal portion 130 in the ceramic heater 100 is measured. Then, the correlation between the crack formation density and the corrosion resistance (corrosion resistance) in the chromium plating film was investigated.
ここで、図8に、クラック形成密度が異なる2種類のクロムメッキ膜の表面状態を撮影したSEM写真を示す。
図8では、1000倍のSEM写真を示すとともに、仮想直線を1本設定し、仮想直線と交差するマイクロクラックの本数を数字で示している。
Here, FIG. 8 shows SEM photographs of the surface states of two types of chromium plating films having different crack formation densities.
FIG. 8 shows a 1000 times SEM photograph, one virtual straight line is set, and the number of microcracks that intersect the virtual straight line is indicated by a number.
図8のうちSEM写真1およびSEM写真2は、クロムメッキ形成工程で用いたCrメッキ液の条件が異なるクロムメッキ膜をそれぞれ表している。SEM写真1およびSEM写真2に示すクロムメッキ膜に関するCrメッキ液の条件およびクラック形成密度は、それぞれ図8に記載の通りである。 In FIG. 8, SEM photograph 1 and SEM photograph 2 represent chromium plating films having different conditions of the Cr plating solution used in the chromium plating forming step. The conditions of the Cr plating solution and the crack formation density for the chromium plating films shown in SEM photograph 1 and SEM photograph 2 are as shown in FIG.
なお、クラック形成密度は、SEM写真において、ランダムに仮想直線を4本設定し、4本の仮想直線それぞれについて、仮想直線と交差するマイクロクラック(微細亀裂)の本数をカウントし、1cmあたりの交差箇所の個数の平均値を算出した。図8のSEM写真1では、交差箇所が3カ所であり、SEM写真2では、交差箇所が9カ所である。 In addition, the crack formation density is set to four virtual straight lines at random in the SEM photograph, and for each of the four virtual straight lines, the number of micro cracks (fine cracks) intersecting the virtual straight line is counted, and the cross per cm The average value of the number of locations was calculated. In the SEM photograph 1 of FIG. 8, there are three intersections, and in the SEM photograph 2, there are nine intersections.
調査測定は、7段階のクラック形成密度(100,200,300,400,500,600,1000[本/cm])のクロムメッキ膜のそれぞれについて、5本のセラミックヒータを用いて調査測定を実施した。試験電圧の印加開始時点から20時間が経過した時点で、金属端子部130からセラミック基体102が脱落していないセラミックヒータ100を合格と判定し、他方、金属端子部130からセラミック基体102が脱落したセラミックヒータ100を不合格と判定した。 The survey measurement was conducted using five ceramic heaters for each of the chromium plating films of seven levels of crack formation density (100, 200, 300, 400, 500, 600, 1000 [lines / cm]). did. When 20 hours have elapsed from the start of application of the test voltage, it is determined that the ceramic heater 100 from which the ceramic base 102 has not dropped from the metal terminal portion 130 is acceptable, while the ceramic base 102 has dropped from the metal terminal portion 130. The ceramic heater 100 was determined to be unacceptable.
図9に示す測定結果によれば、クラック形成密度が300[本/cm]以下のクロムメッキ膜を有するセラミックヒータは、不合格と判定されるケースが存在するのに対して、クラック形成密度が400[本/cm]以上のクロムメッキ膜を有するセラミックヒータは、全数が合格と判定されている。 According to the measurement results shown in FIG. 9, the ceramic heater having a chromium plating film with a crack formation density of 300 [lines / cm] or less has a case where the crack formation density is determined while there is a case where it is determined to be rejected. The total number of ceramic heaters having a chromium plating film of 400 [lines / cm] or more is determined to be acceptable.
このことから、クラック形成密度が400[本/cm]以上のクロムメッキ膜を有するセラミックヒータは、耐食性(耐腐食性)に優れたものとなる。
[1−4.効果]
以上説明したように、本実施形態のセラミックヒータ100においては、クロムメッキ膜126は、Crを主体として形成されるとともに、自身の表面から内部に至るマイクロクラックを複数有している。そして、クロムメッキ膜126の表面において仮想直線と交差するマイクロクラックの本数をクラック形成密度と定義した場合に、セラミックヒータ100においては、クロムメッキ膜126のうち金属端子部130の接合部133およびロウ材部124を覆う領域におけるクラック形成密度が400[本/cm]以上である。
For this reason, the ceramic heater having a chromium plating film with a crack formation density of 400 [lines / cm] or more has excellent corrosion resistance (corrosion resistance).
[1-4. effect]
As described above, in the ceramic heater 100 of the present embodiment, the chromium plating film 126 is formed mainly of Cr and has a plurality of micro cracks extending from its own surface to the inside. When the number of microcracks that intersect the virtual straight line on the surface of the chrome plating film 126 is defined as the crack formation density, in the ceramic heater 100, the joint portion 133 of the metal terminal portion 130 and the soldering portion of the chrome plating film 126 are used. The crack formation density in the region covering the material part 124 is 400 [lines / cm] or more.
このようなクラック形成密度のクロムメッキ膜126は、マイクロクラックが一部に集中して存在するのではなく、マイクロクラックが分散して形成されるため、腐食電位が一部のマイクロクラックに集中することを抑制できる。これにより、クロムメッキ膜126の内面からの腐食・劣化が加速するのを抑制でき、クロムメッキ膜126による耐腐食性を維持しやすくなる。このことは、上述の図9に示す測定結果からも裏付けられている。 In the chromium plating film 126 having such a crack formation density, the microcracks are not concentrated and partly formed, but the microcracks are formed in a dispersed manner, so that the corrosion potential is concentrated on a part of the microcracks. This can be suppressed. Thereby, acceleration of corrosion / deterioration from the inner surface of the chromium plating film 126 can be suppressed, and the corrosion resistance by the chromium plating film 126 can be easily maintained. This is supported by the measurement results shown in FIG.
よって、セラミックヒータ100は、Crを主成分とするクロムメッキ膜126にマイクロクラックが形成される場合においても、クロムメッキ膜126による耐腐食性を維持しやすくなる。 Therefore, the ceramic heater 100 can easily maintain the corrosion resistance due to the chromium plating film 126 even when microcracks are formed in the chromium plating film 126 containing Cr as a main component.
なお、クラック形成密度の下限値は、上記のとおり(400[本/cm])であり、クラック形成密度の上限値は、被覆膜を形成可能な範囲であれば、特に数値は限定されない。 Note that the lower limit value of the crack formation density is (400 [lines / cm]) as described above, and the upper limit value of the crack formation density is not particularly limited as long as the coating film can be formed.
また、セラミックヒータ100においては、クロムメッキ膜126の下地としてNiを主体とする下地膜としてのニッケルメッキ膜125を備えている。
このように、Niを主体とする下地膜としてのニッケルメッキ膜125を備えることで、Crを主体とするクロムメッキ膜126は金属端子部130やロウ材部124から剥がれ難くなる。
Further, the ceramic heater 100 includes a nickel plating film 125 as a base film mainly composed of Ni as a base of the chromium plating film 126.
Thus, by providing the nickel plating film 125 as a base film mainly composed of Ni, the chromium plating film 126 mainly composed of Cr is hardly peeled off from the metal terminal portion 130 and the brazing material portion 124.
つまり、ニッケルメッキ膜125は、クロムメッキ膜126との密着性に優れると共に、ロウ材部124や金属端子部130との密着性にも優れることから、ニッケルメッキ膜125を備えることで、クロムメッキ膜126を金属端子部130(または、ロウ材部124)に直接接触させる形態に比べて、クロムメッキ膜126と金属端子部130(またはロウ材部124)との密着性が向上する。 In other words, the nickel plating film 125 is excellent in adhesion to the chromium plating film 126 and also excellent in adhesion to the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130. Compared with the embodiment in which the film 126 is in direct contact with the metal terminal portion 130 (or brazing material portion 124), the adhesion between the chromium plating film 126 and the metal terminal portion 130 (or brazing material portion 124) is improved.
よって、セラミックヒータ100によれば、Crを主体とするクロムメッキ膜126が金属端子部130やロウ材部124から剥がれ難くなるため、ロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制できる。 Therefore, according to the ceramic heater 100, the chromium plating film 126 mainly composed of Cr is difficult to peel off from the metal terminal portion 130 and the brazing material portion 124, so that corrosion and deterioration of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 can be suppressed. .
次に、セラミックヒータ100の製造方法は、図4に示すような各工程を有しており、このうちS150として、クロムメッキ膜126を形成するクロムメッキ形成工程(被覆膜形成工程)を有している。 Next, the manufacturing method of the ceramic heater 100 includes each process as shown in FIG. 4, and among these, as S150, there is a chrome plating forming process (coating film forming process) for forming the chrome plating film 126. is doing.
クロムメッキ膜126は、上述のようにCrを主体に形成されている。
クロムメッキ形成工程では、金属端子部130の少なくとも一部およびロウ材部124の少なくとも一部をCrを主体とするCrメッキ液207(電解メッキ液)に浸して電解メッキ処理を行いクロムメッキ膜126を形成する。
The chromium plating film 126 is formed mainly of Cr as described above.
In the chrome plating forming step, at least a part of the metal terminal portion 130 and at least a part of the brazing material portion 124 are immersed in a Cr plating solution 207 (electrolytic plating solution) mainly composed of Cr, and an electrolytic plating process is performed to perform the chromium plating film 126 Form.
Crメッキ液207は、無水クロム酸を主体とするとともに、硫酸およびケイフッ化Naが添加されている。Crメッキ液207における硫酸の濃度は、1.2±0.4g/Lであり、Crメッキ液207におけるケイフッ化Naの濃度は、6.0±2.0g/Lである。 The Cr plating solution 207 is mainly composed of chromic anhydride and is added with sulfuric acid and sodium fluorosilicate. The concentration of sulfuric acid in the Cr plating solution 207 is 1.2 ± 0.4 g / L, and the concentration of sodium fluorosilicate in the Cr plating solution 207 is 6.0 ± 2.0 g / L.
このようなセラミックヒータ100の製造方法によれば、クロムメッキ膜126におけるマイクロクラックの数を所定範囲に調整することができる。
このようにマイクロクラックの数が調整されたクロムメッキ膜126は、マイクロクラックが一部に集中して存在するのではなく、マイクロクラックが分散して形成されるため、腐食電位が一部のマイクロクラックに集中することを抑制できる。これにより、クロムメッキ膜126の内面からの腐食・劣化が加速するのを抑制でき、クロムメッキ膜126による耐腐食性を維持しやすくなる。
According to such a manufacturing method of the ceramic heater 100, the number of microcracks in the chromium plating film 126 can be adjusted to a predetermined range.
In this way, the chromium plating film 126 in which the number of microcracks is adjusted does not have microcracks concentrated in a part, but is formed by dispersion of microcracks. Concentration on cracks can be suppressed. Thereby, acceleration of corrosion / deterioration from the inner surface of the chromium plating film 126 can be suppressed, and the corrosion resistance by the chromium plating film 126 can be easily maintained.
よって、セラミックヒータ100の製造方法によれば、Crを主成分とするクロムメッキ膜126にマイクロクラックが形成される場合においても、クロムメッキ膜126による耐腐食性を維持しやすいセラミックヒータを製造できる。 Therefore, according to the manufacturing method of the ceramic heater 100, even when micro cracks are formed in the chromium plating film 126 containing Cr as a main component, it is possible to manufacture a ceramic heater that can easily maintain the corrosion resistance due to the chromium plating film 126. .
なお、「無水クロム酸を主体とする」とは、Crメッキ液207に含まれる成分のうち無水クロム酸が最も多いことを意味している。また、Crメッキ液207における無水クロム酸の濃度は、例えば、250±50g/Lである。 Note that “mainly composed of chromic anhydride” means that chromic anhydride is the most among the components contained in the Cr plating solution 207. The concentration of chromic anhydride in the Cr plating solution 207 is, for example, 250 ± 50 g / L.
また、セラミックヒータ100の製造方法においては、クロムメッキ形成工程(被覆膜形成工程)の前に、クロムメッキ膜126の下地として、金属端子部130およびロウ材部124を覆うNiを主体とするニッケルメッキ膜125を形成するニッケルメッキ形成工程(下地膜形成工程、S140)を行う。 Further, in the manufacturing method of the ceramic heater 100, Ni covering the metal terminal portion 130 and the brazing material portion 124 is mainly used as a base of the chromium plating film 126 before the chromium plating forming step (coating film forming step). A nickel plating formation step (underlayer formation step, S140) for forming the nickel plating film 125 is performed.
これにより、クロムメッキ膜126の下地として、Niを主体とする下地膜としてのニッケルメッキ膜125を備えるセラミックヒータ100を製造でき、Crを主体とするクロムメッキ膜126は金属端子部130やロウ材部124から剥がれ難くなる。 As a result, the ceramic heater 100 including the nickel plating film 125 as a base film mainly composed of Ni can be manufactured as the base of the chromium plating film 126, and the chromium plating film 126 mainly composed of Cr is used for the metal terminal portion 130 and the brazing material. It becomes difficult to peel off from the portion 124.
つまり、ニッケルメッキ膜125は、クロムメッキ膜126との密着性に優れると共に、ロウ材部124や金属端子部130との密着性にも優れることから、下地膜としてのニッケルメッキ膜125を備えることで、クロムメッキ膜126を金属端子部130(または、ロウ材部124)に直接接触させる形態に比べて、クロムメッキ膜126と金属端子部130(またはロウ材部124)との密着性が向上する。 In other words, the nickel plating film 125 is excellent in adhesion to the chromium plating film 126 and also excellent in adhesion to the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130, and therefore includes the nickel plating film 125 as a base film. Thus, the adhesion between the chrome plating film 126 and the metal terminal portion 130 (or brazing material portion 124) is improved as compared with the embodiment in which the chrome plating film 126 is in direct contact with the metal terminal portion 130 (or brazing material portion 124). To do.
よって、セラミックヒータ100の製造方法によれば、クロムメッキ膜126が金属端子部130やロウ材部124から剥がれ難くなるセラミックヒータ100を製造でき、ロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制できるセラミックヒータを製造できる。 Therefore, according to the manufacturing method of the ceramic heater 100, the ceramic heater 100 in which the chromium plating film 126 is hardly peeled off from the metal terminal portion 130 or the brazing material portion 124 can be manufactured, and the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 are corroded and deteriorated. Can be manufactured.
[1−5.特許請求の範囲との対応関係]
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
電極パッド121を有するセラミック基体102がヒータ本体部の一例に相当し、金属端子部130が金属端子部の一例に相当し、クロムメッキ膜126が被覆膜の一例に相当し、ニッケルメッキ膜125が下地膜の一例に相当する。
[1-5. Correspondence with Claims]
Here, the correspondence of the words in the claims and the present embodiment will be described.
The ceramic substrate 102 having the electrode pads 121 corresponds to an example of a heater main body, the metal terminal portion 130 corresponds to an example of a metal terminal portion, the chromium plating film 126 corresponds to an example of a coating film, and the nickel plating film 125. Corresponds to an example of the base film.
S150のクロムメッキ形成工程が被覆膜形成工程の一例に相当し、S140のニッケルメッキ形成工程が下地膜形成工程の一例に相当する。
[2.第2実施形態]
第2実施形態として、セラミックヒータ100を備えて構成されるガスセンサ1について説明する。
The chromium plating forming process of S150 corresponds to an example of a coating film forming process, and the nickel plating forming process of S140 corresponds to an example of a base film forming process.
[2. Second Embodiment]
As a second embodiment, a gas sensor 1 including a ceramic heater 100 will be described.
なお、以下の説明では、第2実施形態の構成のうち第1実施形態と同様の構成については、第1実施形態と同一符号を付して説明を省略する。
図10は、第2実施形態に係るガスセンサ1の全体構成を説明する断面視図である。
In the following description, the same configurations as those of the first embodiment among the configurations of the second embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the overall configuration of the gas sensor 1 according to the second embodiment.
本発明を適用したガスセンサ1は、乗用車等の車両に搭載された内燃機関の排気流路に締結され、排気流路の内部に自身の先端部分が配置されるガスセンサであり、排気ガス中の酸素濃度を計測する酸素センサである。 A gas sensor 1 to which the present invention is applied is a gas sensor that is fastened to an exhaust passage of an internal combustion engine mounted on a vehicle such as a passenger car and has its tip portion disposed inside the exhaust passage. It is an oxygen sensor that measures the concentration.
なお、以下の説明では、図10に示す軸線Oに沿う方向のうち、主体金具60に対してプロテクタ80の取り付けられる側(図の下側)を先端側とし、この逆側(図の上側)を後端側として説明する。 In the following description, in the direction along the axis O shown in FIG. 10, the side on which the protector 80 is attached to the metal shell 60 (the lower side in the figure) is the tip side, and the opposite side (the upper side in the figure). Is described as the rear end side.
ガスセンサ1は、後述するガス検出素子10を加熱するためのセラミックヒータ100を備えたセンサであり、セラミックヒータ100の熱によってガス検出素子10を加熱して活性化し、排気ガス中の酸素濃度を計測するものである。このセラミックヒータ100は、第1実施形態のセラミックヒータ100と同様の構成である。 The gas sensor 1 is a sensor including a ceramic heater 100 for heating a gas detection element 10 to be described later. The gas detection element 10 is heated and activated by the heat of the ceramic heater 100 to measure the oxygen concentration in the exhaust gas. To do. This ceramic heater 100 has the same configuration as the ceramic heater 100 of the first embodiment.
ガスセンサ1には、図10に示すように、ガス検出素子10(検出素子10)と、セラミックヒータ100と、セパレータ30と、シール部材40(弾性部材40)と、複数の端子金具50と、リード線55(リード部材55)と、それらの周囲を覆う主体金具60と、プロテクタ80と、外筒90(外筒部材90)等が、主に備えられている。 As shown in FIG. 10, the gas sensor 1 includes a gas detection element 10 (detection element 10), a ceramic heater 100, a separator 30, a seal member 40 (elastic member 40), a plurality of terminal fittings 50, leads. A wire 55 (lead member 55), a metal shell 60 covering the periphery thereof, a protector 80, an outer cylinder 90 (outer cylinder member 90), and the like are mainly provided.
図11は、図10のガス検出素子10の構成を示す説明図である。
ガス検出素子10は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質から形成されたものである。ガス検出素子10は、軸線O方向に延びる円筒状に形成され、先端側の端部(図11の下側の端部)が閉塞された素子本体11と、素子本体11の外周面に設けられた外側電極16と、素子本体11の内周面に設けられた内側電極19と、を主に備えて構成されている。素子本体11の中央部の外周には、径方向外向きに突出する鍔部14が周方向にわたって設けられている。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration of the gas detection element 10 of FIG.
The gas detection element 10 is formed from a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. The gas detection element 10 is formed in a cylindrical shape extending in the direction of the axis O, and is provided on the element main body 11 with the end on the front end side (the lower end in FIG. 11) closed, and on the outer peripheral surface of the element main body 11. The outer electrode 16 and the inner electrode 19 provided on the inner peripheral surface of the element body 11 are mainly provided. On the outer periphery of the central portion of the element body 11, a flange portion 14 that protrudes radially outward is provided in the circumferential direction.
素子本体11を構成する固体電解質としては、例えば、Y2O3又はCaOを固溶させたZrO2が代表的なものである。この固体電解質以外にも、アルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とZrO2との固溶体である固体電解質を使用しても良い。また、アルカリ土類金属または希土類金属の酸化物とZrO2との固溶体に、さらにHfO2が含有された固体電解質を使用しても良い。 A typical example of the solid electrolyte constituting the element body 11 is ZrO 2 in which Y 2 O 3 or CaO is dissolved. In addition to this solid electrolyte, a solid electrolyte which is a solid solution of an alkaline earth metal or rare earth metal oxide and ZrO 2 may be used. Further, a solid electrolyte containing HfO 2 in a solid solution of an alkaline earth metal or rare earth metal oxide and ZrO 2 may be used.
素子本体11の外周面には、外側電極16と、縦リード部17と、接触リード部18(外側リード電極18)とが形成されている。外側電極16は、ガス検出素子10の先端側に、PtあるいはPt合金(以下、「Pt等」と表記する。)を多孔質に形成した電極である。縦リード部17は、外側電極16から軸線方向に延びる導電部であり、Pt等から形成されたものである。接触リード部18は、縦リード部17の後端側の端部に設けられた縦リード部17と導電可能に接続される導電部であり、Pt等から形成されたものである。本実施形態では、接触リード部18は、素子本体11の外周面における周方向の一部分を覆う矩形状に形成され、後述する第2センサ端子金具52と電気的に接触する部分である。なお、接触リード部18の形状は矩形状であってもよいし、その他の多角形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよく、特に限定するものではない。素子本体11の内周面には、Pt等を多孔質に形成した内側電極19が形成されている。 An outer electrode 16, a longitudinal lead portion 17, and a contact lead portion 18 (outer lead electrode 18) are formed on the outer peripheral surface of the element body 11. The outer electrode 16 is an electrode in which Pt or a Pt alloy (hereinafter referred to as “Pt or the like”) is formed porous on the tip side of the gas detection element 10. The vertical lead portion 17 is a conductive portion extending in the axial direction from the outer electrode 16 and is formed of Pt or the like. The contact lead portion 18 is a conductive portion that is conductively connected to the vertical lead portion 17 provided at the end portion on the rear end side of the vertical lead portion 17 and is formed of Pt or the like. In the present embodiment, the contact lead portion 18 is a portion that is formed in a rectangular shape that covers a part of the outer peripheral surface of the element body 11 in the circumferential direction, and is in electrical contact with a second sensor terminal fitting 52 described later. Note that the shape of the contact lead portion 18 may be rectangular, may be other polygonal shapes, may be circular or elliptical, and is not particularly limited. An inner electrode 19 in which Pt or the like is formed in a porous shape is formed on the inner peripheral surface of the element body 11.
複数の端子金具50には、第1センサ端子金具51、第2センサ端子金具52(外側端子部材52)が含まれる。複数の端子金具50は、ニッケル合金(例えばインコネル750。英インコネル社製、登録商標)から形成された金具である。 The plurality of terminal fittings 50 include a first sensor terminal fitting 51 and a second sensor terminal fitting 52 (outer terminal member 52). The plurality of terminal fittings 50 are fittings formed from a nickel alloy (for example, Inconel 750, manufactured by Inconel, UK, registered trademark).
第1センサ端子金具51は、ガス検出素子10の内側電極19と電気的に接触し、第2センサ端子金具52と共に、ガス検出素子10の検出信号を外部に出力するものである。また、第1センサ端子金具51は、セラミックヒータ100を把持するとともに、セラミックヒータ100の先端側を、ガス検出素子10の内面に押し付けるものである。その一方で、第2センサ端子金具52は、素子本体11の外側電極16と電気的に接続されるものである。 The first sensor terminal fitting 51 is in electrical contact with the inner electrode 19 of the gas detection element 10 and outputs a detection signal of the gas detection element 10 together with the second sensor terminal fitting 52. The first sensor terminal fitting 51 holds the ceramic heater 100 and presses the tip side of the ceramic heater 100 against the inner surface of the gas detection element 10. On the other hand, the second sensor terminal fitting 52 is electrically connected to the outer electrode 16 of the element body 11.
複数の端子金具50には、それぞれ、リード線55の芯線が加締め接続されて電気的に接続されている。図10では、4本のリード線55のうち3本のリード線55が図示されている。 The core wires of the lead wires 55 are caulked and connected to the plurality of terminal fittings 50, respectively. In FIG. 10, three lead wires 55 among the four lead wires 55 are illustrated.
セパレータ30は、図10に示すように、ガス検出素子10とシール部材40との間に配置される部材であり、電気絶縁性を有する材料、例えばアルミナから形成された円筒形状の部材である。セパレータ30には、複数の端子金具50などを収納する収容部31が設けられている。収容部31は、セパレータ30を軸線O方向に貫通して形成された貫通孔であり、セパレータ30よりも先端側の空間と、後端側の空間との間で大気の流通を可能とするものである。 As shown in FIG. 10, the separator 30 is a member disposed between the gas detection element 10 and the seal member 40, and is a cylindrical member formed of an electrically insulating material such as alumina. The separator 30 is provided with an accommodating portion 31 for accommodating a plurality of terminal fittings 50 and the like. The accommodating portion 31 is a through hole formed so as to penetrate the separator 30 in the direction of the axis O, and allows air to flow between the space on the front end side and the space on the rear end side with respect to the separator 30. It is.
さらに、セパレータ30の外周面には、径方向外側に突出するフランジ部32が設けられている。セパレータ30におけるフランジ部32よりも先端側の外周面には、略円筒状に形成された保持金具33が配置されている。このとき、セパレータ30は、保持金具33の内部に挿入されるように配置されている。 Furthermore, a flange portion 32 that protrudes radially outward is provided on the outer peripheral surface of the separator 30. A holding metal fitting 33 formed in a substantially cylindrical shape is disposed on the outer peripheral surface of the separator 30 on the tip side of the flange portion 32. At this time, the separator 30 is disposed so as to be inserted into the holding metal fitting 33.
シール部材40は、例えばフッ素ゴムなどの弾性材料からなる栓部材であり、ガスセンサ1の後端に配置される部材である。シール部材40は、軸線O方向を高さ方向とする略円柱状に形成された、外筒90の後端を塞ぐ部材である。シール部材40は、セパレータ30の後端側の面に当接するように外筒90の後端側の開口に嵌め込まれている。 The seal member 40 is a plug member made of an elastic material such as fluorine rubber, and is a member disposed at the rear end of the gas sensor 1. The seal member 40 is a member that closes the rear end of the outer cylinder 90 and is formed in a substantially cylindrical shape with the axis O direction as the height direction. The seal member 40 is fitted into the opening on the rear end side of the outer cylinder 90 so as to contact the surface on the rear end side of the separator 30.
主体金具60は、図10に示すように、ステンレス合金(例えば、JIS規格のSUS310S)から形成された部材であり、概ね円筒状に形成された部材である。主体金具60には、ガス検出素子10の鍔部14を支持する段部61が、内周面から径方向内側に向かって、周方向にわたって突出して設けられている。 As shown in FIG. 10, the metal shell 60 is a member formed from a stainless alloy (for example, SUS310S of JIS standard), and is a member formed in a substantially cylindrical shape. The metal shell 60 is provided with a step portion 61 that supports the flange portion 14 of the gas detection element 10 so as to protrude in the circumferential direction from the inner circumferential surface toward the radially inner side.
主体金具60の先端側の外周面には、ガスセンサ1を内燃機関の排気流路(図示せず。)に取付けるネジ部62と、ネジ部62を排気流路にネジ込むための取付工具を係合させる六角部63と、が周方向にわたって設けられている。ネジ部62と六角部63との間には、環状のガスケット64が配置されている。ガスケット64は、ガスセンサ1と排気流路との間の隙間からのガス抜けを防止するものである。 A screw part 62 for attaching the gas sensor 1 to an exhaust passage (not shown) of the internal combustion engine and an attachment tool for screwing the screw part 62 into the exhaust passage are associated with the outer peripheral surface on the front end side of the metal shell 60. A hexagonal portion 63 to be joined is provided in the circumferential direction. An annular gasket 64 is disposed between the screw portion 62 and the hexagonal portion 63. The gasket 64 prevents gas from being released from the gap between the gas sensor 1 and the exhaust passage.
主体金具60におけるネジ部62よりも先端側には、後述するプロテクタ80が係合される先端係合部65が形成されている。先端係合部65は、ネジ部62よりも外周面の径が小さく形成された部分である。また、主体金具60における六角部63よりも後端側には、六角部63から後端側に向かって順に、外筒90と係合される後端係合部66と、ガス検出素子10を加締め固定する加締固定部67と、が形成されている。 A front end engaging portion 65 to which a protector 80 described later is engaged is formed on the front end side of the metal shell 60 with respect to the screw portion 62. The tip engaging portion 65 is a portion formed with a smaller diameter on the outer peripheral surface than the screw portion 62. Further, the rear end engaging portion 66 engaged with the outer cylinder 90 and the gas detection element 10 are arranged on the metal shell 60 on the rear end side of the hexagonal portion 63 from the hexagonal portion 63 toward the rear end side. A caulking fixing portion 67 for caulking and fixing is formed.
主体金具60の内部には、段部61から後端側に向かって順に、金属製の先端側パッキン71、アルミナからなる筒状の支持部材72、金属製の後端側パッキン73、滑石の粉末からなる充填部材74、アルミナ製のスリーブ75、および、環状のリング76が配置されている。支持部材72の内周面には段部が形成されており、当該段部により素子本体11の鍔部14が支持されている。なお、支持部材72と鍔部14との間に後端側パッキン73が挟まれて配置されている。 Inside the metal shell 60, in order from the step portion 61 toward the rear end side, a metal front end side packing 71, a cylindrical support member 72 made of alumina, a metal rear end side packing 73, talc powder A filling member 74, an alumina sleeve 75, and an annular ring 76 are disposed. A step portion is formed on the inner peripheral surface of the support member 72, and the flange portion 14 of the element body 11 is supported by the step portion. The rear end side packing 73 is sandwiched between the support member 72 and the flange 14.
リング76は、スリーブ75と加締固定部67との間に配置されるものであり、加締固定部67が、径方向内側かつ先端側に変形されることにより加わる先端方向への力を、充填部材74、後端側パッキン73、支持部材72、先端側パッキン71に伝えるものである。この押し付ける力により、充填部材74は軸線O方向に圧縮充填され、かつ、主体金具60の内周面および素子本体11の外周面との隙間を気密に埋める。 The ring 76 is disposed between the sleeve 75 and the caulking and fixing portion 67, and a force in the distal direction applied by the caulking and fixing portion 67 being deformed radially inward and on the distal end side, This is transmitted to the filling member 74, the rear end side packing 73, the support member 72, and the front end side packing 71. By this pressing force, the filling member 74 is compressed and filled in the direction of the axis O, and airtightly fills the gap between the inner peripheral surface of the metal shell 60 and the outer peripheral surface of the element body 11.
プロテクタ80は、ガスセンサ1が排気流路に取り付けられた際に、流路内に突出するガス検出素子10を、流路内を流れるガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ80は、ステンレス鋼(例えば、JIS規格のSUS310S)から形成された部材であり、ガス検出素子10の先端を覆う保護部材である。プロテクタ80は、軸線方向に延びる筒状の部材であって、先端が閉塞された形状に形成されている。プロテクタ80の後端縁は、主体金具60の先端係合部65に溶接によって固定されている。 The protector 80 protects the gas detection element 10 protruding into the flow path from collision of water droplets or foreign matters contained in the gas flowing in the flow path when the gas sensor 1 is attached to the exhaust flow path. is there. The protector 80 is a member formed from stainless steel (for example, JIS standard SUS310S), and is a protective member that covers the tip of the gas detection element 10. The protector 80 is a cylindrical member extending in the axial direction, and is formed in a shape with a closed end. The rear end edge of the protector 80 is fixed to the front end engaging portion 65 of the metal shell 60 by welding.
プロテクタ80には、有底筒状に形成され開放された側の周縁部が先端係合部65に嵌め合わされる外側プロテクタ81と、外側プロテクタ81の内部に固定された有底筒状に形成された内側プロテクタ82と、が設けられている。言い換えると、プロテクタ80は、外側プロテクタ81および内側プロテクタ82からなる2重構造を有している。 The protector 80 is formed in a bottomed cylindrical shape that is fixed to the inside of the outer protector 81 and an outer protector 81 in which a peripheral edge portion on the open side that is formed in a bottomed cylindrical shape is fitted to the tip engaging portion 65. An inner protector 82 is provided. In other words, the protector 80 has a double structure composed of the outer protector 81 and the inner protector 82.
外側プロテクタ81および内側プロテクタ82の円筒面には、内部にガスを導入する導入口83が設けられている。図10では、外側プロテクタ81の導入口83のみが図示されており、内側プロテクタ82の導入口83は配置の関係上、図示されていない。さらに、外側プロテクタ81および内側プロテクタ82の底面には、内部に入り込んだ水滴や、ガスを排出する外側排出口84、内側排出口85がそれぞれ設けられている。 The cylindrical surface of the outer protector 81 and the inner protector 82 is provided with an inlet 83 for introducing gas into the inside. In FIG. 10, only the introduction port 83 of the outer protector 81 is shown, and the introduction port 83 of the inner protector 82 is not shown because of the arrangement. Furthermore, the bottom surface of the outer protector 81 and the inner protector 82 is provided with an outer discharge port 84 and an inner discharge port 85 for discharging water droplets and gas that have entered inside.
外筒90は、主体金具60とは異なるステンレス鋼(例えば、JIS規格のSUS304L)から形成された部材であり、外筒90の内部に主体金具60の後端係合部66が差し込まれて、主体金具60に固定されるものである。外筒90の内部には、主体金具60の後端から突出したガス検出素子10の後端や、セパレータ30や、シール部材40が配置されている。 The outer cylinder 90 is a member made of stainless steel (for example, JIS standard SUS304L) different from the metal shell 60, and the rear end engaging portion 66 of the metal shell 60 is inserted into the outer cylinder 90. It is fixed to the metal shell 60. Inside the outer cylinder 90, the rear end of the gas detection element 10 protruding from the rear end of the metal shell 60, the separator 30, and the seal member 40 are disposed.
以上説明したように、第2実施形態のガスセンサ1は、ガス検出素子10を加熱するためのヒータとして第1実施形態のセラミックヒータ100を備えている。
前述したように、セラミックヒータ100は、Crを主成分とするクロムメッキ膜126にマイクロクラックが形成される場合においても、クロムメッキ膜126による耐腐食性を維持しやすくなる。このようなセラミックヒータ100を備えることで、ロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制できるため、ガスセンサ1としても耐腐食性を維持しやすくなる。
As described above, the gas sensor 1 of the second embodiment includes the ceramic heater 100 of the first embodiment as a heater for heating the gas detection element 10.
As described above, the ceramic heater 100 can easily maintain the corrosion resistance of the chromium plating film 126 even when microcracks are formed in the chromium plating film 126 containing Cr as a main component. By providing such a ceramic heater 100, corrosion / deterioration of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 can be suppressed, so that the gas sensor 1 can easily maintain corrosion resistance.
よって、第2実施形態のガスセンサ1によれば、セラミックヒータ100におけるロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制できるガスセンサを実現できる。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。ガス検出素子10が検出素子の一例に相当する。
Therefore, according to the gas sensor 1 of 2nd Embodiment, the gas sensor which can suppress the corrosion and deterioration of the brazing material part 124 and the metal terminal part 130 in the ceramic heater 100 is realizable.
Here, the correspondence of the words in the claims and the present embodiment will be described. The gas detection element 10 corresponds to an example of a detection element.
[3.その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
[3. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.
例えば、被覆膜(クロムメッキ膜126)のクラック形成密度は、上述のように400[本/cm]以上であれば、ロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制でき、さらに、500[本/cm]以上であることで、より一層、ロウ材部124および金属端子部130の腐食・劣化を抑制できる。 For example, if the crack formation density of the coating film (chrome plating film 126) is 400 [lines / cm] or more as described above, corrosion / deterioration of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 can be suppressed. , 500 [lines / cm] or more, the corrosion / deterioration of the brazing material portion 124 and the metal terminal portion 130 can be further suppressed.
また、上述したS140のニッケルメッキ形成工程では、無電解メッキ法によりニッケルメッキ膜125を形成する実施形態について説明したが、電解メッキ法によりニッケルメッキ膜125を形成しても良い。 Further, in the above-described nickel plating formation step of S140, the embodiment in which the nickel plating film 125 is formed by the electroless plating method has been described, but the nickel plating film 125 may be formed by the electrolytic plating method.
1…ガスセンサ、10…ガス検出素子、55…リード線(リード部材)、100…セラミックヒータ、102…セラミック基体、121…電極パッド、124…ロウ材部、125…ニッケルメッキ膜、126…クロムメッキ膜、130…金属端子部、133…接合部、134…連結部、135…加締め部、201…電源、203…陽極、205…陰極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas sensor, 10 ... Gas detection element, 55 ... Lead wire (lead member), 100 ... Ceramic heater, 102 ... Ceramic base | substrate, 121 ... Electrode pad, 124 ... Brazing material part, 125 ... Nickel plating film, 126 ... Chrome plating Membrane, 130 ... metal terminal part, 133 ... joint part, 134 ... connecting part, 135 ... caulking part, 201 ... power source, 203 ... anode, 205 ... cathode.
Claims (3)
前記電極パッドと外部機器とを繋ぐ通電経路の一部を形成する長尺形状の金属端子部と、
前記電極パッドと前記金属端子部の接合部とを電気的に接合するロウ材部と、
前記金属端子部の少なくとも一部および前記ロウ材部のうち少なくとも一部を直接または他部材を介して覆う被覆膜と、
を備えるセラミックヒータであって、
前記被覆膜は、Crを主体として形成されるとともに、自身の表面から内部に至るマイクロクラックを複数有しており、
前記被覆膜の下地としてNiを主体とする下地膜を備え、
前記被覆膜の表面において仮想直線と交差する前記マイクロクラックの本数をクラック形成密度と定義した場合に、前記被覆膜のうち前記金属端子部の前記接合部および前記ロウ材部を覆う領域における前記クラック形成密度は、400[本/cm]以上である、
セラミックヒータ。 A heater body having a heating resistor embedded therein, and an electrode pad electrically connected to the heating resistor and provided on its outer surface;
An elongated metal terminal portion that forms part of a current-carrying path connecting the electrode pad and an external device;
A brazing material part for electrically joining the electrode pad and the joint part of the metal terminal part;
A coating film covering at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part directly or via another member;
A ceramic heater comprising:
The coating film is formed mainly of Cr and has a plurality of microcracks extending from its surface to the inside.
As a base of the coating film, comprising a base film mainly composed of Ni,
When the number of the microcracks that intersect the virtual line on the surface of the coating film is defined as a crack formation density, in the region of the coating film that covers the joint portion of the metal terminal portion and the brazing material portion The crack formation density is 400 [lines / cm] or more.
Ceramic heater.
前記検出素子の筒孔内に配置され、前記検出素子を加熱するセラミックヒータと、
を備えるガスセンサであって、
前記セラミックヒータは、請求項1に記載のセラミックヒータである、
ガスセンサ。 A detection element that is formed in a cylindrical shape extending in the axial direction and whose tip is closed and detects a component to be measured;
A ceramic heater that is disposed in the cylindrical hole of the detection element and heats the detection element;
A gas sensor comprising:
The ceramic heater is the ceramic heater according to claim 1,
Gas sensor.
前記電極パッドと外部機器とを繋ぐ通電経路の一部を形成する長尺形状の金属端子部と、
前記電極パッドと前記金属端子部の接合部とを電気的に接合するロウ材部と、
前記金属端子部の少なくとも一部および前記ロウ材部のうち少なくとも一部を直接または他部材を介して覆う被覆膜と、
を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
前記被覆膜は、Crを主体に形成されており、
前記金属端子部の少なくとも一部および前記ロウ材部の少なくとも一部をCrを主体とする電解メッキ液に浸して電解メッキ処理を行い前記被覆膜を形成する被覆膜形成工程を有し、
前記被覆膜形成工程の前に、前記被覆膜の下地として、前記金属端子部および前記ロウ材部を覆うNiを主体とする下地膜を形成する下地膜形成工程を有しており、
前記電解メッキ液は、無水クロム酸を主体とするとともに、硫酸、三価クロムおよびケイフッ化Naが添加されており、
前記電解メッキ液における前記無水クロム酸の濃度は、250±50g/Lであり、
前記電解メッキ液における前記硫酸の濃度は、1.2±0.4g/Lであり、
前記電解メッキ液における前記三価クロムの濃度は、1.5±0.5g/Lであり、
前記電解メッキ液における前記ケイフッ化Naの濃度は、6.0±2.0g/Lである、
セラミックヒータの製造方法。 A heater body having a heating resistor embedded therein, and an electrode pad electrically connected to the heating resistor and provided on its outer surface;
An elongated metal terminal portion that forms part of a current-carrying path connecting the electrode pad and an external device;
A brazing material part for electrically joining the electrode pad and the joint part of the metal terminal part;
A coating film covering at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part directly or via another member;
A method of manufacturing a ceramic heater comprising:
The coating film is formed mainly of Cr,
A coating film forming step of forming the coating film by performing electrolytic plating by immersing at least a part of the metal terminal part and at least a part of the brazing material part in an electrolytic plating solution mainly containing Cr;
Before the coating film forming step, as a base of the coating film, has a base film forming step of forming a base film mainly composed of Ni covering the metal terminal portion and the brazing material portion,
The electrolytic plating solution is mainly composed of chromic anhydride, and sulfuric acid , trivalent chromium and sodium fluorosilicate are added,
The concentration of the chromic anhydride in the electrolytic plating solution is 250 ± 50 g / L,
The concentration of the sulfuric acid in the electrolytic plating solution is 1.2 ± 0.4 g / L,
The concentration of the trivalent chromium in the electrolytic plating solution is 1.5 ± 0.5 g / L,
The concentration of the sodium fluorosilicate in the electrolytic plating solution is 6.0 ± 2.0 g / L.
Manufacturing method of ceramic heater.
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