JPWO2009069579A1 - セラミックヒータ、並びにこのセラミックヒータを備えた酸素センサおよびヘアアイロン - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来のリード部材は、長手方向に平行な断面におけるリード部材の厚みが一定であったため、ロウ材との接合面積を大きくすることが困難であった。そのため、リード部材とロウ材との接合性に寄与するこれらの接触面積を増大させるためにはリード部材自体を大きくしなければならなかった。【解決手段】 リード部材11の長手方向に平行でリード部材11の中心軸Ａを含む断面において、リード部材11の外周のうちのロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離よりも、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙから中心軸Ａまでの距離を大きくすることにより、リード部材11とロウ材の接触面積を増大させることが可能となる。【選択図】 図２
Description
本発明は、酸素センサ，空燃比センサ，グロープラグ，ヘアアイロン等に用いられるセラミックヒータに関する。
従来、エンジンを始動させるための熱源や室内暖房の補助熱源などの熱源，空燃比センサ加熱用ヒータ等にセラミックヒータが用いられている。これらの用途に用いられるセラミックヒータとしては、例えば特許文献１に示すように、セラミック基体中に発熱抵抗体が埋設され、この発熱抵抗体の端部と電気的に接続された外部電極（電極パッド）にロウ材を介してリード部材が接続された構成のものが知られている。
特開2005-332502号公報
上記用途に代表されるセラミックヒータには、その使用時に、熱履歴が繰り返し加わることや振動などによる引っ張りやねじれといったストレスが加わる。強いストレスがセラミックヒータに繰り返し加わった場合、特に、ロウ材を介して接合される外部電極とリード部材との接合面に上記ストレスによる影響が強く表れることから、ロウ材とリード部材の接合信頼性が低下する可能性がある。しかしながら、近年、セラミックヒータには、より急速での、あるいは、より高温での昇降温を繰り返すような過酷な使用環境下においても十分な耐久性を備えることが求められている。
従来、セラミックヒータにおけるリード部材は、特許文献１に記載されているように、軸方向に平行な断面における厚みが一定であった。このようなリード部材を用いた場合、ロウ材との接合強度を向上させるためには、リード部材を大きくすることにより接合面積を大きくしなければならなかった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リード部材とロウ材との接合性を高めることにより、高い耐久性を有するセラミックヒータを提供することを目的とする。
本発明の第１のセラミックヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備え、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材の外周のうちのロウ付けされた部分の一点から前記リード部材の中心軸までの距離よりも、前記ロウ付けされた部分の他の一点から前記中心軸までの距離が大きいことを特徴とする。
また、前記リード部材が前記セラミック基体の一方の端部側に引き出され、前記ロウ付けされた部分の一点が前記他の一点よりも前記一方の端部側に位置することが好ましい。また、前記ロウ付けされた部分に凹部を有していること好ましい。さらには、前記凹部にロウ材が充填されていることがより好ましい。また、前記凹部が、前記セラミック基体側に開口していることが好ましい。
また、前記リード部材が、複数の前記凹部を有していることが好ましい。さらに、前記リード部材が、１つの前記長手方向に平行で中心軸を含む断面において、複数の前記凹部を有していることがより好ましい。また、前記リード部材の端部が前記ロウ材に被覆されていることがさらにより好ましい。
本発明の第２のセラミックヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備え、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材は、ロウ材と接する部分に凹部を有していることを特徴とする。
また、本発明の第３のセラミックヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備え、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材は、ロウ材と接する部分に凸部を有していることを特徴とする。
また、本発明の酸素センサおよびヘアアイロンは、上記のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことを特徴とする。
本発明の第１のセラミックヒータによれば、リード部材の長手方向に平行でこのリード部材の中心軸を含む断面において、リード部材の外周のうちのロウ付けされた部分の一点からリード部材の中心軸までの距離よりも、ロウ付けされた部分の他の一点から中心軸までの距離が大きい。このように、断面におけるリード部材の厚みが一定でないことから、リード部材とロウ材との接触面積を増大させることができる。その結果、リード部材とロウ材との接合強度、具体的には引張強度やねじれ強度を向上させることができる。これにより、急速な昇降温を繰り返すような環境下や高温での昇降温を繰り返すような環境下においても高い耐久性を備えることが可能となる。
本発明の第２のセラミックヒータによれば、リード部材の長手方向に平行でこのリード部材の中心軸を含む断面において、リード部材が、ロウ材と接する部分に凹部を有している。リード部材が凹部を有していることにより、リード部材の中心軸方向の一方側および／または他方側へのリード部材の引っ張り応力に対しても、ロウ材のうちリード部材の凹部と接する部分がリード部材に引っかかるので、中心軸方向の一方側および／または他方側へのリード部材の動きが阻害される。これにより、リード部材とロウ材との接合信頼性をより向上させることができる。
本発明の第３のセラミックヒータによれば、リード部材の長手方向に平行でこのリード部材の中心軸を含む断面において、リード部材が、ロウ材と接する部分に凸部を有している。リード部材が凸部を有していることにより、リード部材の中心軸方向の一方側および／または他方側へのリード部材の引っ張り応力に対しても、凸部がロウ材に引っかかるので、リード部材の中心軸方向の一方側および／または他方側へのリード部材の動きが阻害される。これにより、リード部材とロウ材の接合の信頼性をより向上させることができる。
本発明の酸素センサは、上記のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことにより、より高い温度で使用した場合にも、安定して発熱抵抗体に通電することができる。これは、リード部材とロウ材との接合強度を向上させることができるので、高温での使用時に熱膨張に起因するより大きな応力に対しても、高い耐久性を維持することができるからである。
また本発明のヘアアイロンは、上記のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことにより、リード部材とロウ材との接合強度を向上させることができるので、安定して発熱抵抗体に通電することができる。そのため、急速に昇降温させた場合にも、高い耐久性を維持することができる。
以下、本発明のセラミックヒータの実施形態を、図面を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明のセラミックヒータの実施の形態にかかる一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す実施の形態のセラミックヒータの外部電極（電極パッド）周辺の拡大斜視図である。また、図２（ａ）は、図１に示すセラミックヒータの実施の形態にかかるリード部材の長手方向に平行な断面での拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す実施の形態のリード部材を拡大した拡大断面図である。
図１、２に示すように、本例のセラミックヒータ１は、セラミック基体３と、セラミック基体３に埋設された発熱抵抗体５と、セラミック基体３の外側面に配設されるとともに発熱抵抗体５と電気的に接続された電極パッド７と、ロウ材９を介して電極パッド７に接続されたリード部材11と、を備えている。
なお、発熱抵抗体５は、セラミック基体３に埋設された引き出しパターン13と接続されている。また、引き出しパターン13はセラミック基体３に形成されたスルーホール３ａの内側面に配設されたスルーホール導体15を介して電極パッド７と接続されている。このようにして、発熱抵抗体５と電極パッド７とは電気的に接続されている。
図２に示すように、本例のセラミックヒータ１は、リード部材11の長手方向に平行なリード部材11の中心軸Ａを含む断面において、リード部材11の外周のうちのロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離Ｌ１よりも、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙから中心軸Ａまでの距離Ｌ２が大きい。このように本例のセラミックヒータ１におけるリード部材11は、その長手方向に平行な中心軸Ａを含む断面において、互いに厚みの異なる部位を有している。そのため、従来のリード部材と比較して、大型化することなく表面積（長手方向に平行でリード部材の中心軸を含む断面における外周）を大きくすることができる。これにより、リード部材11とロウ材９との接触面積を増大させることができるので、リード部材11とロウ材９の接合強度を向上させることができる。
ここでリード部材11の中心軸Ａとは、リード部材11をその端面側から見たときに、その輪郭で形成される図形の中心を通るリード部材11の長手方向に平行な軸であり、輪郭で形成される図形が円の場合にはその中心を通る軸である。なお、輪郭で形成される図形が正方形や長方形，平行四辺形の場合にはそれらの対角線の交点を通る軸であり、また、台形の場合は上底および下底から等距離にある線上で上底および下底以外の２辺間の中間を通る軸であり、楕円の場合は焦点間の中間を通る軸である。
また、ロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離Ｌ１とは、長手方向に平行でリード部材11の中心軸Ａを含む断面を見たときに、一点Ｘから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さをいう。同様に、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙからリード部材11の中心軸Ａまでの距離Ｌ２とは、他の一点Ｙから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さをいう。
従来のリード部材のように、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面においてリード部材の厚みが一定である場合は、リード部材が中心軸方向に動きやすいが、それに対して、本実施形態にかかるリード部材11は、ロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離Ｌ１よりも、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙから中心軸Ａまでの距離Ｌ２が大きいことから、リード部材11の表面の一点Ｘと他の一点Ｙとの間に段差部分が形成される。そして、この段差部分がリード部材11の引っ張り応力に対しても機械的にロウ材９に引っかかるので、中心軸Ａ方向へのリード部材11の動きが阻害される。このように、リード部材11とロウ材９との接合強度を機械的に向上させることができるので、リード部材11とロウ材９との接合の信頼性を向上させることができる。
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明のセラミックヒータ１の実施の形態にかかる他の一例を示す拡大断面図である。リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面における好ましい形状としては、図３（ａ）に示すように、リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、リード部材11の端部の厚みが薄い形状が挙げられる。このようにリード部材11の端部の厚みが薄い形状である場合には、リード部材11が単純な形状であることから容易に加工することができるとともに表面積を大きくすることができる。また、段差部分が形成されているので、たとえロウ材９とリード部材11との間でクラックにより剥離が生じたとしても、この段差部分がクラックの直進を有効に阻止するので、剥離の進行を抑えることが可能となる。
また、同様に、図３（ｂ）に示すように、リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、リード部材11の端部の厚みが厚い形状が挙げられる。このようにリード部材11の端部の厚みが厚い形状である場合には、表面積を大きくすることができるだけでなく、機械的な強度を向上させることができる。この理由は、リード部材11がロウ材９より引き出されている側（図３（ｂ）では、右側）に引っ張られたとしても、端部の厚みが厚いので、この端部にロウ材９が引っかかるからである。
また、図３（ｃ）に示すように、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、リード部材11がロウ材９との接合部分に凸部21を有していることが好ましい。図３（ａ），（ｂ）に示す例と比較して、表面積をさらに大きくすることができる。また、凸部21を有することにより、中心軸Ａ方向の一方側および／または他方側へのリード部材11の引っ張り応力に対しても、凸部21がロウ材９に引っかかるので、中心軸Ａと平行な方向へのリード部材11の動きが阻害される。これにより、リード部材11とロウ材９との接合信頼性をより向上させることができる。
また、リード部材11の凸部21を除く部分での中心軸Ａまでの距離の平均をＲ１として、凸部21の頂部から中心軸Ａまでの距離をＲ２としたとき、Ｒ２／Ｒ１が1.1以上であることが好ましい。このような高さの凸部21を有することにより、凸部21による引っかかりの効果をより確実に得ることができる。リード部材11の凸部21を除く部分での中心軸Ａまでの距離の平均は、例えば、リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面における表面での凸部21を除く部分から無作為に10点選択して、その平均値とすればよい。
図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明のセラミックヒータの実施形態にかかる他の一例を示す断面図である。図４に示すように、リード部材11が、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、ロウ材９と接合する部分に凹部17を有していることが好ましい。このようにリード部材11が凹部17を有していることにより、ロウ材９とリード部材11の接合面積をさらに大きくすることができる。
また、リード部材11が凹部17を有していることにより、リード部材11のロウ材９からの完全な剥離を抑制することができる。これは、リード部材11とロウ材９との接合面に応力が加わり、この接合面の一部でクラックにより剥離が生じたとしても、リード部材11の表面のうち凹部17の表面の曲率半径が小さいため、この凹部17がクラックの直進を有効に阻止するので、剥離の進行を抑えることが可能となるためである。このため、リード部材11のロウ材９からの完全な剥離が抑制され、安定して発熱抵抗体５に通電することができるようになる。
さらに、このとき、凹部17内にはリード部材11およびロウ材９の双方と高い接合性を有する充填材19が配設されていることが好ましい。このような充填材19が配設されていることにより、リード部材11とロウ材９との接合性をより向上させることができる。このような充填材19としては、例えば、ホウ珪酸ガラス，鉛ガラス，金，銀，白金，銅，酸化ルテニウム，アルミニウム，ニッケル，タングステン，コバール，インコネル，タンタルなどを用いることができる。
また、充填材19としては、導電性の高いものが好ましい。ロウ材９とリード部材11とが、凹部17において接合性が高いことから、この凹部17に導電性の高い充填材19を配設することにより、ロウ材９とリード部材11との間で安定して通電することができる。このような充填材19としては、例えば上記のうち金，銀，白金，銅，酸化ルテニウム，アルミニウム，ニッケル，タングステン，タンタルである。
また、充填材19としては、熱膨張率がロウ材９およびリード部材11の熱膨張率の間の値であるものが好ましい。ロウ材９およびリード部材11の熱膨張率は一般的に異なるため、セラミックヒータ１の昇温時に、熱膨張に起因する両者の界面に応力が発生する。しかしながら、このような充填材19を用いることにより、凹部17における熱膨張に起因する応力を緩和させることができる。これにより、凹部17におけるロウ材９とリード部材11との接合性をさらに高めることができる。このような充填材19としては、例えば上記のうちコバール，インコネルである。
また、図４（ｂ）に示すように、凹部17にロウ材９が充填されていることがより好ましい。リード部材11とロウ材９との接合面積をより増大させることができるからである。また、リード部材11の凹部17にロウ材９が充填されることにより、ロウ材９が楔として作用するので、より高いアンカー効果を得ることができる。
また、リード部材11の凹部17を除く部分での中心軸Ａまでの距離の平均をＲ１として、凹部17の底部から中心軸Ａまでの距離をＲ２としたとき、Ｒ２／Ｒ１が0.9以下であることが好ましい。このように大きく窪んだ凹部17を有することにより、凹部17による引っかかりの効果をより確実に得ることができる。リード部材11の凸部21を除く部分での中心軸Ａまでの距離の平均は、例えば、リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面における表面での凹部17を除く部分から無作為に10点選択して、その平均値とすればよい。
また、図４に示すように、凹部17の表面が曲面形状であることが好ましい。凹部17の表面の形状が曲面であって鋭角な部分が形成されないことにより、応力の集中を抑制することができるからである。特に、凹部17が半球状であることがより好ましい。
また、図４（ｂ）に示すように、リード部材11が、セラミック基体３側に開口する凹部17を有していることが好ましい。ロウ材９が凹部17に入り込み易くなるので、より確実に凹部17にロウ材９を充填することができる。これにより、必要以上に多くのロウ材９を用いることなく、リード部材11をロウ材９に安定して充填させることができる。その結果、耐久性に優れたセラミックヒータをより安価に提供することができる。
また、リード部材11が、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面においてロウ付けされた部分に凹部17を有し、この凹部17が、リード部材11の長手方向に垂直なリード部材11の断面において凹形状であることがさらに好ましい。中心軸Ａを軸としてリード部材11を回転させようとする応力がリード部材11にかかるが、上記の形状の凹部17を有することにより、この回転方向にかかる応力に対する耐久性を向上させることができる。
特に、このような凹部17に、ロウ材９が充填されている場合には、ロウ材９をリード部材11の長手方向に平行な方向の応力に対する楔として作用させることができると同時に、リード部材11の回転方向にかかる応力に対する楔としても作用させることができる。これにより、リード部材11とロウ材９との接合の信頼性を非常に大きく向上させることができる。
図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明のセラミックヒータ１の実施の形態にかかる他の一例を示す拡大断面図である。図５（ａ），（ｂ）に示すように、リード部材11が、複数の凹部17を有していることが好ましい。リード部材11が複数の凹部17を有していることにより、リード部材11とロウ材９との接合面積をより大きくすることができるからである。また、複数の凹部17を有していることにより、楔となるロウ材９の凸部が複数形成されるので、より高いアンカー効果を得ることができる。また、リード部材11とロウ材９との接合面にかかる応力を各々の凹部17に分散させることができるので、耐久性をより向上させることができる。
さらに、図５（ａ），（ｂ）に示すように、リード部材11が、１つの長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、複数の凹部17を有していることがより好ましい。リード部材11の長手方向に平行な方向に大きな応力が加わった場合に、それぞれの凹部17を一体的に作用させることができるからである。
また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、リード部材11の端面が、ロウ材９と接していることが好ましい。リード部材11の端面がロウ材９と接している場合には、ロウ材９の中でリード部材11の端面と接する部分が障壁となるので、セラミック基体３の他方の端部側へのリード部材11の動きを抑制することができる。これにより、リード部材11を機械的に固定する力が大きくなるので、リード部材11とロウ材９との接合信頼性をより向上させることができる。
さらに、図２（ａ），図５（ｂ）に示すように、リード部材11の端部がロウ材９で被覆されていることが好ましい。リード部材11がこのようにロウ材９で被覆されていることにより、セラミック基体３側とは反対側の方向へリード部材11がロウ材９から剥離することを抑制することができるからである。
次に、本発明のセラミックヒータ１の製造方法について説明する。
セラミック基体３としては、絶縁性を備えたセラミックスを用いることができる。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックスを用いることができる。より具体的には、アルミナ質セラミックス，窒化珪素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックスを用いることができる。特に、耐酸化性の点からアルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。
これらのセラミックス成分に、ＳｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ２などの焼結助剤を合計量で４〜12質量％含有するセラミックスラリーをシート状に成形してセラミックシートを作製する。セラミックスラリーは、例えば、Ａｌ２Ｏ３を88〜95質量％，ＳｉＯ２を２〜７質量％，ＣａＯを0.5〜３質量％，ＭｇＯを0.5〜３質量％，ＺｒＯ２を１〜３質量％とすればよい。
このとき、上に示したように、Ａｌ２Ｏ３の含有量は88〜95質量％であることが好ましい。これは、88質量％以上とすることにより、ガラス質の含有量を抑えることができるので、通電時におけるマイグレーションの発生を抑制することができるからである。また、95質量％以下とすることにより、発熱抵抗体５中に十分な量のガラス成分を拡散させることができる。
また、セラミック基体３としては、例えば、外径が２〜20ｍｍ程度、長さが40〜60ｍｍ程度の円柱状のものが例示できる。特に、自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒータとしては、リード部材11の接合部分における異常高温を抑制する観点からは、外径を２〜４ｍｍ，長さを40〜65ｍｍとすることが好ましい。
そしてセラミック基体３となるセラミックシートの一方の主面に、発熱抵抗体５となる導電性ペーストおよび引き出しパターン13を印刷等の手法を用いて形成する。発熱抵抗体５としては導電性を備えたものを用いることができる。具体的には、Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものを用いることが好ましい。導電性ペーストは、例えば、上記の高融点金属にセラミック原料，バインダー，有機溶剤等を調合し、混練することで作製できる。またこのとき、セラミックヒータの用途に応じて、発熱抵抗体５となる導電性ペーストの折り返しパターンの距離や導電性ペーストの線幅を変更することにより、発熱位置や抵抗値を所望の値に設定することが可能である。
次に、セラミックシートにスルーホール３ａを形成し、導電材料をスルーホール導体15としてスルーホール３ａに充填する。この導電材料としては、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅの少なくとも１種類を主成分とするものを用いることができる。さらに、セラミックシートの一方の主面に、電極パッド７を印刷もしくは転写等の手法を用いて形成する。電極パッド７としては、ＷやＮｉなどの金属を用いることができる。
そして、このセラミックシートをセラミック芯材23の周囲に密着液を用いて巻き付けて密着させることにより柱状の成形体が得られる。さらに、この成形体を1500〜1650℃程度の還元雰囲気中で焼成する。
ここで、酸化による劣化を抑制するため、図２に示すように、電極パッド７の表面にはＮｉ，Ｃｒ等の金属からなる金属めっき25が形成されることが好ましい。この金属めっき25は、例えば、電解めっき法，無電解めっき法，スパッタ，溶射またはサブミクロンの貴金属粒子を含む用材を塗布乾燥させる方法により形成することができる。金属めっき25は電極パッド７の酸化を抑制するため１μｍ以上であることが好ましい。また、金属めっき25内でのクラックの発生を抑制するため５μｍ以下であることが好ましい。
次に、電極パッド７または金属めっき25上にロウ材９を介してリード部材11を接合する。このとき、水蒸気を含有した還元雰囲気中でリード部材11を接合することが好ましい。ロウ材９としては、例えば、Ａｕ−Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ−Ｃｕを主成分とするものを用いることができる。また、リード部材11としては、Ｎｉ，Ｎｉ合金，白金，銅等の低抵抗の金属を用いることができる。
ここで、本実施形態のセラミックヒータ１は、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面において、リード部材11の外周のうちのロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離Ｌ１よりも、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙから中心軸Ａまでの距離Ｌ２が大きいリード部材11を用いている。このようなリード部材11を用いることにより、リード部材11とロウ材９の接触面積を大きくすることができる。そのため、リード部材11を引っ張るあるいは回転させる方向に加わる応力に対する強度を向上させることができる。
上記のような形状のリード部材11は、例えば、多角柱の形状のもの、円柱状のリード部材11であってロウ付けされる部分にプレス加工や凹部加工をすることにより形成することができる。
また、電極パッド７，ロウ材９およびリード部材11の表面に、さらにＡｕ，Ｃｒ，Ｎｉ等のめっき層を形成することが好ましい。電極パッド７，ロウ材９およびリード部材11の酸化による劣化を抑制することができるからである。また、このめっき層は、１〜10μｍであることが好ましい。
なお、本発明のセラミックヒータは、上述の実施形態の例に限定されるものではなく、ロウ材９を介してリード部材11が電極パッド７に接合されるものであればよい。そのため、円柱状，板状等の種々の形状のセラミックヒータに適用することができる。
次に、本実施形態にかかる酸素センサについて説明する。本実施形態にかかる酸素センサは、固体電解質層とこの固体電解質層の一方の主面に配設された測定電極と固体電解質層の他方の主面に配設された基準電極とを備えたセンサ部と、このセンサ部と接合した上記実施形態の例に代表されるセラミックスヒータ１と、を備えている。そして、本実施形態の酸素センサにおけるセラミックヒータ１は、上記のように高い耐久性を有している。そのため、本実施形態の酸素センサは、安定して被測定ガスの濃度を測定することができる。結果として、高い信頼性を有する酸素センサを提供することができる。
次に、本実施形態にかかるヘアアイロンについて説明する。本実施形態にかかるヘアアイロンは、上記実施形態の例に代表されるセラミックスヒータ１が金属製のこて先に固定され、温度制御装置などの電気回路とリード部材11により接続されている。本実施形態のヘアアイロンは上記実施形態に代表されるセラミックスヒータ１を備えているため、ヘアアイロンを急速に昇温させたり急速に降温させたりした場合であっても、高い耐久性を維持することができる。このようにして作製されたヘアアイロンは、半田作業用こて等に利用することができる。
本発明のセラミックヒータを以下のようにして作製した。まず、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ２が合計10質量％以内になるように調整したセラミックグリーンシートを作製した。さらに、このセラミックグリーンシートにスルーホール３ａを形成し、Ｗを主成分とする導電性ペーストをスルーホール導体15としてスルーホール３ａに充填した。そして、このセラミックグリーンシート表面に、Ｗ−Ｒｅを主成分とする導電性ペーストを発熱抵抗体５としてスクリーン印刷法にて印刷した。なお、導電性ペーストは、焼成後の発熱抵抗体５が、長さが５ｍｍであって、かつ、抵抗値が12〜13Ωとなるように印刷されている。
次に、Ｗを主成分とする導電性ペーストを用いて、スルーホール３ａ上に電極パッド７をスクリーン印刷法にて形成した。そして、このシートに上記のセラミックグリーンシートと略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布した。さらに、この密着液が塗布されたセラミックグリーンシートをセラミック芯材23の周囲に密着させ、1500〜1600℃の還元雰囲気中で焼成した。
次に、電極パッド７上に電解めっきにて厚み２〜４μｍのＮｉめっき25を設けた。さらに、ロウ材９としてＡｇ−Ｃｕロウを用いて電極パッド７とリード部材11とを接合した。ここで、リード部材11はφ0.8ｍｍ×長さ20ｍｍの円柱形状のものを用いた。各試料番号のセラミックヒータ１のリード部材11には、あらかじめ、プレス加工を施し、表１に示すような形状に加工した。なお、各セラミックヒータ１の試料の寸法は、φ３ｍｍ×長さ55ｍｍであった。また、電極パッド７は５ｍｍ×４ｍｍであり、スルーホール径は500μｍであった。
以上のようにして作製されたセラミックヒータ１の冷熱サイクルによる耐久試験を行った。
まず、ロウ材９の融点の１／２の温度（Ａｇ−Ｃｕロウの場合、約400℃）に設定した恒温槽に各試料を10分間保持して25℃の空気にて強制空冷するという冷熱サイクルを4000サイクル行った。そして、この冷熱サイクルを加えた後、引張強度試験としてリード部材11の引張強度を測定した。また、ねじれ強度試験としてリード部材11のねじれに対する強度を測定した。引張強度は、ヒータを固定し、リード部材11を垂直方向にロードセルで32ｍｍ／分の速度で引っ張り、切断した際の加重を測定することで評価した。また、ねじれに対する強度は、モーターにリード部材11を固定し、５Ｎの加重でリード部材11を引っ張りながら、２回転／分でリード部材11が破壊されるまでモーターを回転させることにより評価した。結果は表１に示す通りである。
表１に示すように、試料番号１のセラミックヒータ１は、引張強度が12Ｎと弱く、特に、リード部材11とロウ材９との接合部分での耐久性が低かった。これは、試料番号１のセラミックヒータ１では、リード部材11の長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面においてリード部材11の厚みが一定であったため、リード部材11とロウ材９との接触面積が小さく十分なアンカー効果が得られなかったためである。そのため、熱サイクルで生じるリード部材11とロウ材９との熱膨張差により、ロウ材９とリード部材11との間に隙間ができ、そこからロウ材９が酸化して接合が劣化した。
これに対し、リード部材11を変形させることにより、長手方向に平行で中心軸Ａを含む断面におけるリード部材11の外周のうちロウ付けされた部分の一点Ｘからリード部材11の中心軸Ａまでの距離よりも、ロウ付けされた部分の他の一点Ｙから中心軸Ａまでの距離が大きくした試料番号２−６のセラミックヒータ１では、引張強度が22Ｎ以上と、いずれの試料も耐久性が向上していることが確認された。
各試料における試験結果を詳細に確認すると、断面形状が端部凸形状であり、セラミック基体３側に開口している試料番号２のセラミックヒータ１は、引張強度が22Ｎであり、リード接合部の耐久性が向上していることが確認された。また、ねじれに対する強度も２回転まで耐久性が向上していることが確認された。
セラミック基体３側に開口しており、リード部材11の側面に凹部17が設けられるとともに、凹部17にはロウ材９が充填されていない試料番号３のセラミックヒータ１は、引張強度が38Ｎであり、リード接合部の耐久性がさらに向上していることが確認された。また、ねじれに対する強度も３回転まで耐久性が向上していることが確認された。なお、試料番号３のセラミックヒータ１は凹部17内にガラスビーズを充填材19として入れることにより、凹部17にロウ材９が完全には充填されていない形状としている。
セラミック基体３側に開口しており、リード部材11の側面に凹部17が設けられ、凹部17内にロウ材９が充填された試料番号４のセラミックヒータ１は、凹部17内にロウ材９が充填されることにより、リード部材11とロウ材９の接合性が向上したため、引張強度が44Ｎとなり、リード接合部の耐久性がさらに向上していることが確認された。また、ねじれに対する強度も４回転まで耐久性が向上していることが確認された。
また、試料番号５のセラミックヒータ１は、図５（ａ）に示すように、リード部材11が、複数の凹部17を有するリード部材11を備えている。これにより、引張強度が83Ｎであってリード接合部の耐久性がさらに向上していることが確認された。また、ねじれに対する強度も５回転と耐久性が向上していることが確認された。
また、試料番号６のセラミックヒータ１は、図５（ｂ）に示すように、リード部材11が、複数の凹部17を有するリード部材11を備えている。さらに、試料番号６のセラミックヒータにおいては、リード部材11の端部がロウ材９で被覆されている。そのため、引張強度が108Ｎであってリード接合部の耐久性がさらに向上していた。また、ねじれに対する強度も８回転と耐久性が向上していた。
１・・・セラミックヒータ
３・・・セラミック基体
３ａ・・・スルーホール
５・・・発熱抵抗体
７・・・電極パッド（外部電極）
９・・・ロウ材
１１・・・リード部材
１３・・・引き出しパターン
１５・・・スルーホール導体
１７・・・凹部
１９・・・充填材
２１・・・凸部
２３・・・セラミック芯材
２５・・・金属めっき
Ａ・・・・中心軸
Ｘ・・・・ロウ付けされた部分の一点
Ｙ・・・・ロウ付けされた部分の他の一点
Ｌ１・・・一点Ｘから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さ
Ｌ２・・・他の一点Ｙから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さ
３・・・セラミック基体
３ａ・・・スルーホール
５・・・発熱抵抗体
７・・・電極パッド（外部電極）
９・・・ロウ材
１１・・・リード部材
１３・・・引き出しパターン
１５・・・スルーホール導体
１７・・・凹部
１９・・・充填材
２１・・・凸部
２３・・・セラミック芯材
２５・・・金属めっき
Ａ・・・・中心軸
Ｘ・・・・ロウ付けされた部分の一点
Ｙ・・・・ロウ付けされた部分の他の一点
Ｌ１・・・一点Ｘから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さ
Ｌ２・・・他の一点Ｙから中心軸Ａに垂線を引いたときの垂線の長さ
Claims (12)
- セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備えたセラミックヒータであって、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材の外周のうちのロウ付けされた部分の一点から前記リード部材の中心軸までの距離よりも、前記ロウ付けされた部分の他の一点から前記中心軸までの距離が大きいことを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記リード部材が前記セラミック基体の一方の端部側に引き出され、前記ロウ付けされた部分の一点が前記他の一点よりも前記一方の端部側に位置することを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
- 前記リード部材は、前記長手方向に平行で中心軸を含む断面において、前記ロウ付けされた部分に凹部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
- 前記凹部にロウ材が充填されていることを特徴とする請求項３に記載のセラミックヒータ。
- 前記凹部は、前記セラミック基体側に開口していること特徴とする請求項３または４に記載のセラミックヒータ。
- 前記リード部材は、複数の前記凹部を有していることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 前記リード部材は、１つの前記長手方向に平行で中心軸を含む断面において、複数の前記凹部を有していることを特徴とする請求項６に記載のセラミックヒータ。
- 前記リード部材は、端部が前記ロウ材に被覆されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備えたセラミックヒータであって、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材は、ロウ材と接する部分に凹部を有していることを特徴とするセラミックヒータ。
- セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック基体の外側面に配設され、前記発熱抵抗体と電気的に接続された外部電極と、該外部電極にロウ付けされたリード部材と、を備えたセラミックヒータであって、前記リード部材の長手方向に平行で該リード部材の中心軸を含む断面において、前記リード部材は、ロウ材と接する部分に凸部を有していることを特徴とするセラミックヒータ。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことを特徴とする酸素センサ。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことを特徴とするヘアアイロン。
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