(57)【要約】【課題】耐久性に優れたセラミックヒータを提供すること。【解決手段】排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータ１。セラミックヒータ１は、セラミック製のヒータ基材２に、一対のヒータ端子部３１を有するヒータパターンを形成してなると共に、ヒータ端子部３１にはヒータパターンへ電力を供給するためのリード線４１が接合されている。ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３は、封止材５によって封止されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、セラミック製のヒータ基材に、一対のヒータ端子部を有するヒータパターンを形成してなると共に、上記ヒータ端子部には上記ヒータパターンへ電力を供給するためのリード線が接合されており、
かつ、上記ヒータ端子部と上記リード線との接合部は、封止材によって封止されていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
請求項１において、上記封止材は、上記ヒータ端子部の全体を覆うように封止していることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記封止材はガラスからなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項３において、上記封止材は、熱膨張係数が上記ヒータ基材に対して±１５×１０-7／℃の範囲にあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】
請求項３又は４において、上記封止材は、ガラス転移点が４００℃以上であり、溶着温度が９００℃以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項において、上記封止材は、熱膨張係数が上記リード線に対して±１５×１０-7／℃の範囲にあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか一項において、上記リード線は、４２アロイ又はコバールからなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、上記封止材は、外形を保持する保持部材により囲まれていることを特徴とするセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示すごとく、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ６０には、該ガスセンサ素子６５を加熱するためのセラミックヒータ９が内蔵されている。
該セラミックヒータ９は、図８、図９に示すごとく、セラミック製のヒータ基材９２に、一対のヒータ端子部９３１を有するヒータパターン９３を形成してなると共に、上記ヒータ端子部９３１には上記ヒータパターン９へ電力を供給するためのリード線９４１がろう材９１によって接合されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、上記ガスセンサは、図７に示すごとく、有底筒型のガスセンサ素子６５をハウジング６８内に配設してなると共に、ガスセンサ素子６５の内部に上記セラミックヒータ９を配設してなる。
上記ガスセンサ素子６５の先端外周面は排ガスが導入される被測定ガス室６１０に曝され、内周面は大気が導入される大気室６２０に曝される。また、セラミックヒータ９のヒータ端子部９３１は、大気室６２０に曝される。そして、上記被測定ガス室６１０と大気室６２０とは、ガスセンサ素子６５とハウジング６８との間に配されたシール材６３１によって、気密性が確保されている。
これにより、大気室６２０に排ガスが侵入することを防いでいる。
【０００４】
しかしながら、近年、排ガス規制の強化により、排ガス温度が上昇している。そのため、上記シール材６３１に熱負荷がかかり、気密性が低下するおそれがある。
これにより、大気室６２０に排ガスが侵入し、排ガス中の腐食物質（窒素酸化物等）が上記セラミックヒータ９のヒータ端子部９３１に達するおそれがある。また、上記セラミックヒータ９のヒータ端子部９３１には、排ガス中の水蒸気が付着したり、停車時に結露するおそれもある。その結果、ヒータ端子部９３１とリード線９４１との接合部９１３が腐食し、断線するおそれがある。
このように、セラミックヒータ９の耐久性を充分に確保することが困難となるおそれがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９２６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐久性に優れたセラミックヒータを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに内蔵されるセラミックヒータであって、
該セラミックヒータは、セラミック製のヒータ基材に、一対のヒータ端子部を有するヒータパターンを形成してなると共に、上記ヒータ端子部には上記ヒータパターンへ電力を供給するためのリード線が接合されており、
かつ、上記ヒータ端子部と上記リード線との接合部は、封止材によって封止されていることを特徴とするセラミックヒータにある（請求項１）。
【０００８】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータは、上記ヒータ端子部とリード線との接合部が、封止材によって封止されている。
そのため、排ガス中の腐食原因物質や水分が、上記接合部に直接接触することを防ぐことができる。また、セラミックヒータの製造時に腐食原因物質が上記接合部に付着して残存しても電解質になることを防ぐことができる。
これにより、上記接合部の腐食を防ぎ、リード線の脱落を防ぐことができる。
それ故、耐久性に優れたセラミックヒータを得ることができる。
【０００９】
以上のごとく、本発明によれば、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明（請求項１）において、上記ヒータ端子部と上記リード線とは、例えばろう材によるろう付け、或いは溶接等により接合することができる。
また、上記封止材は、上記ヒータ端子部の全体を覆うように封止していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、より確実に接合部の腐食を防ぎ、セラミックヒータの耐久性を一層向上させることができる。
【００１１】
また、上記封止材はガラスからなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、ガスセンサの作動温度や使用環境温度が高い場合にも、上記封止材の耐熱性を向上させることによって、セラミックヒータの耐久性を確保することができる。
上記ガラスとしては、非晶質ガラス、結晶化ガラスのいずれを用いることもできる。
また、上記封止材としては、樹脂を用いることもできる。この場合は、作動温度や使用環境温度が比較的低いガスセンサの加熱に用いるセラミックヒータに適用することができる。
【００１２】
また、上記封止材は、熱膨張係数が上記ヒータ基材に対して±１５×１０-7／℃の範囲にあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、セラミックヒータの使用時におけるヒータ基材と封止材との熱膨張差を抑制し、封止材に亀裂が入ることを防ぐことができる。
上記封止材の熱膨張係数が、上記ヒータ基材に対して−１５×１０-7／℃未満の場合、或いは＋１５×１０-7／℃を超える場合には、ヒータ基材と封止材との熱膨張差に起因して、製造過程や使用時の冷熱繰り返しによって、封止材に亀裂が生じるおそれがある。
また、より好ましくは、上記封止材の熱膨張係数を上記ヒータ基材に対して±１０×１０-7／℃とする。
【００１３】
例えば、アルミナ（Al2O3）により形成した上記ヒータ基材の熱膨張係数が６０×１０-7／℃である場合には、封止材５の熱膨張係数を４５〜７５×１０-7／℃とすることが好ましく、５０〜７０×１０-7／℃とすることが更に好ましい。
また、窒化珪素（Si3N4）により形成した上記ヒータ基材の熱膨張係数が２５×１０-7／℃である場合には、封止材の熱膨張係数を１０〜４０×１０-7／℃とすることが好ましく、１５〜３５×１０-7／℃とすることが更に好ましい。
【００１４】
また、上記封止材は、ガラス転移点が４００℃以上であり、溶着温度が９００℃以下であることが好ましい（請求項５）。
この場合には、封止材の耐久性を確保すると共に、上記ヒータ端子部と上記リード線との接合部に悪影響を与えることなく、上記封止材による封止を行うことができる。
上記ガラス転移点が４００℃未満の場合には、ガスセンサの使用時において、ガラスからなる封止材が軟化するおそれがある。一方、上記溶着温度が９００℃を超える場合には、上記ヒータ端子部と上記リード線との接合部を溶融させる、また、ヒータ端子部とヒータ基材との接合強度を低下させるなどの悪影響を与えるおそれがある。
【００１５】
また、上記封止材は、熱膨張係数が上記リード線に対して±１５×１０-7／℃の範囲にあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、セラミックヒータの使用時におけるリード線と封止材との熱膨張差を抑制し、封止材に亀裂が入ることを防ぐことができる。
上記封止材の熱膨張係数が、上記リード線に対して−１５×１０-7／℃未満の場合、或いは＋１５×１０-7／℃を超える場合には、リード線と封止材との熱膨張差により、封止材に亀裂が生じるおそれがある。
また、より好ましくは、上記封止材の熱膨張係数を上記リード線に対して±１０×１０-7／℃とする。
【００１６】
また、上記リード線は、４２アロイ又はコバールからなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記リード線の熱膨張係数を、ガラスからなる上記封止材の熱膨張係数に近似させることができるため、封止材の亀裂の発生をより確実に防ぐことができる。
上記４２アロイは、Ｎｉ（ニッケル）とＦｅ（鉄）との合金であり、その熱膨張係数は、例えば４５〜６５×１０-7／℃である。
また、上記コバールは、ＮｉとＣｏ（コバルト）とＦｅとの合金であり、その熱膨張係数は、例えば４５〜６５×１０-7／℃である。
【００１７】
また、上記封止材は、外形を保持する保持部材により囲まれていることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記封止材の外形を所望の形に整えることが容易となる。
上記保持部材は、例えばアルミナ、ムライト等の絶縁材料を用いることができる。
【実施例】
【００１８】
（実施例１）
本発明の実施例にかかるセラミックヒータにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例のセラミックヒータ１は、図４に示すごとく、排ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ６に内蔵される。
図１〜図３に示すごとく、上記セラミックヒータ１は、セラミック製のヒータ基材２に、一対のヒータ端子部３１を有するヒータパターン３を形成してなる。ヒータ端子部３１にはヒータパターン３へ電力を供給するためのリード線４１が接合されている。
そして、ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３は、ガラスからなる封止材５によって封止されている。
【００１９】
上記封止材５は、図１〜図３に示すごとく、ヒータ端子部３１の全体を覆うように封止している。
封止材５は、熱膨張係数がヒータ基材２に対して±１５×１０-7／℃の範囲にある。また、上記封止材５の熱膨張係数をヒータ基材２に対して±１０×１０-7／℃とすることがより好ましい。
例えば、アルミナ（Al2O3）により形成した上記ヒータ基材２の熱膨張係数が６０×１０-7／℃である場合には、封止材５の熱膨張係数を４５〜７５×１０-7／℃とし、より好ましくは５０〜７０×１０-7／℃とする。
また、窒化珪素（Si3N4）により形成した上記ヒータ基材２の熱膨張係数が２５×１０-7／℃である場合には、封止材５の熱膨張係数を１０〜４０×１０-7／℃とし、より好ましくは１５〜３５×１０-7／℃とする。
【００２０】
上記封止材５は、ガラス転移点が４００℃以上であり、溶着温度が９００℃以下である。
また、図２に示すごとく、リード線４１は、ろう材１１によるろう付けによりヒータ端子部３１に接合されている。そして、封止材５は、ろう材１１の全体をも封止している。これにより、ろう材１１とリード線４１との接合界面１１１、及びろう材１１とヒータ端子部３１との接合界面１１２が、封止材５によって封止される。
【００２１】
上記ヒータ基材２は、略円柱形状を有しており、セラミックからなる心棒２１の外周に、セラミックからなるシート状体２２を巻回してなる。該シート状体２２には、図３に示すごとく、発熱部３４と、ヒータ端子部３１と、両者の間に形成されたリード部３２及びスルーホール３３とからなるヒータパターン３が形成されている。発熱部３４及びリード部３２と、ヒータ端子部３１とは、互いにシート状体２２の反対側の面に形成されている。そして、シート状体２２は、発熱部３４及びリード部３２が内側になるように、心棒２１に巻回されている。
【００２２】
また、ヒータ端子部３１は、セラミックヒータ１の基端部１２において、対角上に一対形成されている。そして、各ヒータ端子部３１に、上述のごとくリード線４１がろう材１１によって接合されている。このヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３を封止するように、セラミックヒータ１の基端部１２の全周にわたって封止材５が配設されている。
【００２３】
接合部１３を封止材５によって封止するに当っては、ガラスペーストからなる封止材５を接合部１３に塗布し、または仮焼成形したガラスからなる封止材５を所定の型内に収めて、例えば７５０℃に達するトンネル炉もしくはバッチ炉に通して溶着させる。また、接合部１３が形成されたセラミックヒータ１の基端部１２を、型内に配置しておき、該型内に、封止材５を配設した後、冷却固化し、脱型することにより、封止を行うこともできる。
【００２４】
図４に示すごとく、上記セラミックヒータ１を内蔵したガスセンサ６は、筒型のハウジング６８と該ハウジング６８に挿通したコップ型のガスセンサ素子６５と、上記ハウジング６８の先端側に設けた被測定ガス側カバー６１と、ハウジング６８の基端側に設けた大気側カバー６２とを有する。
【００２５】
上記被測定ガス側カバー６１の内部は被測定ガス雰囲気の被測定ガス室６１０を構成し、ここに導入された排ガスに基づいて、上記ガスセンサ素子６５が酸素濃度測定を行う。
大気側カバー６２の内部は大気雰囲気の大気室６２０を構成し、ガスセンサ素子６５の内部もこれに連通し、大気室６２０の一部を構成する。
【００２６】
上記ハウジング６８の内部には上記ガスセンサ素子６５が挿通されるが、両者の間には粉末シール材６３１、絶縁部材６３２が配置され、気密性、液密性が確保されている。
上記絶縁部材６３２の基端側はリング状部材６３４を介して、上記ハウジング６８の基端側が内側に曲げられて、かしめられている。
【００２７】
上記ガスセンサ素子６５は、有底筒型の固体電解質体６９の外側面と内側面にそれぞれ外側電極と内側電極とを設けてなる（図示略）。固体電解質体６９の内部に上記セラミックヒータ１が配置される。
【００２８】
また、ガスセンサ素子６５には、外側電極、内側電極とそれぞれ電気的に導通する接触端子６７１、６７２が設けてあり、該接触端子６７１、６７２は外部リード線６０３、６０４に接続される。
また、上記セラミックヒータ１のヒータ端子部３１に接続されたリード線４１は、外部リード線６０１に接続される。
【００２９】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記セラミックヒータ１は、上記ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３が、封止材５によって封止されている。
そのため、排ガス中の腐食原因物質や水分が、上記接合部１３に接触することを防ぐことができる。
【００３０】
即ち、ガスセンサ６においては、撥水フィルタ６２２を介して大気側カバー６２の内側に外気が導入される。
そして、エンジン起動に伴い、ガスセンサ６による被測定ガス中の特定ガス（酸素）濃度の測定が開始される。このとき、エンジンからの排ガスは、ガスセンサ６の被測定ガス側カバー６１内に入ると共に、その一部が粉末シール材６３１及び絶縁部材６３２をすり抜け、セラミックヒータ１のヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３に達することがある。粉末シール材６３１及び絶縁部材６３２は、被測定ガス側と大気側との間の気密性を確保するものの、若干の漏れが生じることもあるからである。
【００３１】
しかし、上述のごとく、ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３は、封止材５によって封止されているため、排ガスが上記接合部１３に接触することを防ぎ、接合部１３の腐食を防止することができる。
【００３２】
また、セラミックヒータ１の製造時に腐食原因物質が上記接合部１３に付着して残存することによる悪影響を防ぐことができる。例えば、セラミックヒータ１の製造時に行われるニッケルめっき工程において、塩素が上記接合部１３に付着して残存することがあるが、ここに水分が付着しないため電解質となることを防ぐことができる。
これにより、上記接合部１３の腐食を防ぎ、リード線４１の脱落を防ぐことができる。
それ故、耐久性に優れたセラミックヒータ１を得ることができる。
【００３３】
また、上記封止材５は、ヒータ端子部３１の全体を覆うように封止しているため、より確実に接合部１３の腐食を防ぎ、セラミックヒータ１の耐久性を一層向上させることができる。
また、上記封止材５はガラスからなるため、封止材５の耐熱性を向上させることができ、ガスセンサ６の作動温度が高い場合にも、セラミックヒータ１の耐久性を確保することができる。
【００３４】
また、封止材５は、熱膨張係数がヒータ基材２に対して±１５×１０-7／℃の範囲にあるため、セラミックヒータ１の使用時におけるヒータ基材２と封止材５との熱膨張差を抑制し、封止材５に亀裂が入ることを防ぐことができる。
【００３５】
また、封止材５は、ガラス転移点が４００℃以上であり、溶着温度が９００℃以下であるため、封止材５の耐久性を確保すると共に、ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３に悪影響を与えることなく、上記封止材５による封止を行うことができる。
即ち、ろう材１１の融点が約９５０〜９７０℃であるため、封止材５の溶着温度が９００℃以下であれば、封止材５の溶着時においてろう材１１が溶融するおそれがない。また、ガスセンサ６の作動温度は最高４００℃であるため、封止材５のガラス転移点が４００℃以上とすることにより、使用時に封止材５が軟化してしまうことを防ぐことができる。
【００３６】
以上のごとく、本例によれば、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することができる。
【００３７】
（実施例２）
本例は、図５、図６に示すごとく、封止材５が、外形を保持する保持部材５１により囲まれているセラミックヒータ１の例である。
即ち、ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３の周囲に、上記保持部材５１を配設し、保持部材５１と接合部１３との間に、封止材５を配設する。これにより、封止材５が保持部材５１に囲まれた状態で、接合部１３を封止する。
上記保持部材５１は、アルミナ、ムライト等により形成することができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００３８】
本例の場合には、上記封止材５の外形を所望の形に整えることが容易となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３９】
（実施例３）
本例は、リード線４１を、４２アロイ又はコバールによって構成した例である。
上記４２アロイは、ＮｉとＦｅとの合金であり、その熱膨張係数は４５〜６５×１０-7／℃である。また、上記コバールは、ＮｉとＣｏとＦｅとの合金であり、その熱膨張係数は４５〜６５×１０-7／℃である。
また、ヒータ基材２はアルミナからなり、封止材５はガラスからなる。
その他は、実施例１と同様である。
【００４０】
本例の場合には、封止材５は、熱膨張係数がリード線４１に対して±１５×１０-7／℃の範囲、更には±１０×１０-7／℃の範囲に近似させることができる。
即ち、上述のごとく、アルミナからなるヒータ基材２の熱膨張係数が６０×１０-7／℃である場合には、ガラスからなる封止材５の熱膨張係数を４５〜７５×１０-7／℃、更には５０〜７０×１０-7／℃とすることが好ましい。この場合、リード線４１を４２アロイ又はコバールによって構成することにより、リード線４１の熱膨張係数を封止材５の熱膨張係数に近似させることができる。
【００４１】
その結果、セラミックヒータ１の使用時におけるリード線４１と封止材５との熱膨張差を抑制し、封止材に亀裂が入ることを防ぐことができる。
即ち、封止材５におけるリード線４１との界面から亀裂が生じることを防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４２】
上記実施例においては、封止材としてガラスを用いる例を示したが、封止材として、樹脂を用いることもできる。この場合は、作動温度が例えば３００〜３５０℃と比較的低いガスセンサの加熱に用いるセラミックヒータに適用することができる。
また、上記樹脂としては、ガスセンサの作動温度に耐えうる耐熱樹脂を用いる必要がある。封止材として用いる樹脂は、例えばポリイミド系の樹脂等がある。
【００４３】
また、封止材５は、必ずしもヒータ端子部３１の全体を覆う必要はなく、ヒータ端子部３１とリード線４１との接合部１３を覆っていればよい。そして、実施例１の形態の場合、少なくとも、ろう材１１とリード線４１との接合部（接合界面１１１）を覆っていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１にかかる、セラミックヒータの正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面相当の説明図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線矢視断面相当の説明図。
【図４】実施例１にかかる、セラミックヒータを内蔵したガスセンサの断面図。
【図５】実施例２にかかる、セラミックヒータの軸方向に直交する断面図。
【図６】実施例２にかかる、セラミックヒータの軸方向と平行な断面図。
【図７】従来例にかかる、セラミックヒータを内蔵したガスセンサの断面図。
【図８】従来例にかかる、セラミックヒータの正面図。
【図９】従来例にかかる、セラミックヒータの軸方向に直交する断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１  セラミックヒータ
１１  ろう材
１３  接合部
２  ヒータ基材
３  ヒータパターン
３１  ヒータ端子部
４１  リード線
５  封止材
６  ガスセンサ
【図１】
2006059794.tif 000003
【図２】
2006059794.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006059794.tif 000009
【図８】
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【図９】
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