ガスセンサ用のセラミックヒータ
【課題】基材とリード部との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用のセラミックヒータを提供する。
【解決手段】被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子２を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータ１。Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材３と、基材３の表面に設けられた端子部４と、端子部４に対してその接合端５０が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部５と、リード部５を端子部４に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材６とを備える。ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしている。
【解決手段】被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子２を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータ１。Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材３と、基材３の表面に設けられた端子部４と、端子部４に対してその接合端５０が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部５と、リード部５を端子部４に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材６とを備える。ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子等を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関には、燃焼制御を行うために、排ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサが用いられている。ガスセンサは、ジルコニア等の固体電解質を用いたガスセンサ素子を備えており、排気ガス中の酸素の濃度を検出して、混合気の空燃比を制御するのに使用される。このようなガスセンサ素子は、温度が低いと活性化しないため、ガスセンサには、通常、測定値のばらつきを防止するために、ガスセンサ素子を加熱するセラミックヒータが内蔵されている。
【０００３】
上記セラミックヒータ９は、図１３に示すごとく、通常、ガスセンサ素子を加熱する発熱部９１と、該発熱部９１に電力を供給するための一対の端子部９４と、上記発熱部９１と上記端子部９４とを電気的に接続するリード９３とからなるヒータパターン９６を、ヒータ基板９７上に形成してなる（特許文献１参照）。
【０００４】
かかるセラミックヒータとしては、例えば、図１４に示すような丸棒状のものがある。このセラミックヒータ９は、セラミックの心棒９８の表面に上記ヒータ基板９７を巻き付けるように配置してなる。該ヒータ基板９７は、図１３に示すごとく、一方面９７１に発熱部９１及びリード９３を設け、他方面９７２に端子部９４を設けてなる。そして、図１５に示すごとく、上記リード９３と上記端子部９４とは上記ヒータ基板９７を貫通するスルーホール９７３を介して接続されている。
また、図１５に示すごとく、上記端子部９４が外側になるように、上記ヒータ基板９７を心棒９８の表面に巻き付けてあり、上記端子部９４には、リード部９５がろう材９５１により接合されている。
【０００５】
ここで、図１５、図１６に示すごとく、上記端子部９４と上記リード部９５との接合は、上記リード部９５が、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材９９の軸方向に沿って、ろう材９５１を介して接合される。そして、上記端子部９４を含む上記基材９９と、ろう材９５１及びリード部９５とが、基材９９の軸方向に平行に熱膨張し、上記基材９９と上記リード部９５との接合部分において、両者の熱膨張差に起因する熱応力を生じさせる。
【０００６】
特に、Ｎｉを主成分として形成される上記リード部９５及び上記ろう材９５１の熱膨張率は、上記基材９９及び上記端子部９４よりも大きいため、リード部９５及びろう材９５１と基材９９及び端子部９４との間には大きい熱膨張差が生じてしまい、上記基材９９には、上記端子部９４を介して上記熱膨張差に起因する熱応力（熱ストレス）が生じやすい。その結果、上記端子部９４、上記基材９９に亀裂、剥離等が生じやすくなるおそれがある。
【０００７】
この問題に対しては、端子部とリード部とを、端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に立設させることで、リード部及びろう材の熱膨張に起因する熱応力を、上記端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に向かわせて、端子部を介する基材とリード部及びろう材との接合部分における熱膨張差に起因する熱応力を低減することで、上記の課題を解消することが考えられる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９２６４９号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２のごとく、端子部とリード部とを、単に端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に立設する構造のみでは、上記端子部を介する上記基材と上記リード部及びろう材との間の熱膨張差に起因する熱応力を充分には低減できない。すなわち、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分において、ろう材の形状、使用量及び材質等の最適化によっても、上記の課題をさらに効果的に解決できる余地があり、特許文献２には、ろう材の形状、使用量、材質の含有率等の各種条件については、特に言及がない。また、ろう材の使用量の低減によるコスト低減の観点からも充分ではない。したがって、上記の課題の解決に対しては、依然として改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、基材とろう材との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用の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】
【００１１】
本発明は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータであって、
Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材と、
該基材の表面に設けられた端子部と、
該端子部に対して、その接合端が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部と、
該リード部を上記端子部に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材とを備え、
該ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ（請求項１）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明におけるセラミックヒータにおいては、上記リード部が、上記端子部に対してその接合端を立設した状態で接合されている。これにより、上記リード部の熱膨張の方向を、上記端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に向かわせることができ、さらに、上記リード部と上記端子部との接合範囲を縮小することもできる。そのため、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分における、熱膨張差に起因する熱応力を低減させることができ、その結果、上記ろう材、端子部、基材の亀裂、剥離等の発生を防止することができる。
【００１３】
また、上記ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。これにより、上述した熱応力を効果的に低減することができ、上記ろう材、端子部、基材の亀裂、剥離等の発生を確実に防止することができると共に、上記ろう材の使用量も低減できる。そのため、セラミックヒータの製造コストを低減することもできる。
【００１４】
以上のごとく、本発明によれば、基材とリード部との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用のセラミックヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における、セラミックヒータを組み込んだガスセンサの断面説明図。
【図２】実施例１における、セラミックヒータの正面図。
【図３】実施例１における、端子部とリード部との接合部分の拡大図。
【図４】実施例１における、端子部を含む基材の軸方向に対して、リード部を垂直方向に接合した接合部分の拡大断面図。
【図５】比較例１における、端子部を含む基材の軸方向に対して、リード部を平行方向に接合した接合部分の拡大断面図。
【図６】実験例１における、ろう材破断強度と長さｈとの関係図。
【図７】実験例２における、ろう材の熱歪と冷熱ストレス回数との関係図。
【図８】実験例２における、ろう材の熱歪とろう材のフィレット形状との関係図。
【図９】実施例２における、端子部とリード部との接合部分の拡大断面図。
【図１０】実施例３における、セラミックヒータの正面図。
【図１１】実施例３における、セラミックヒータの側面図。
【図１２】図１０のＣ−Ｃ線矢視断面図。
【図１３】背景技術における、セラミックヒータの展開図。
【図１４】背景技術における、セラミックヒータの正面図。
【図１５】背景技術における、端子部とリード部との接合部分の軸方向に直交する断面図。
【図１６】背景技術における、端子部とリード部との接合部分の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記ろう材のなすフィレット形状における、上記高さＨと上記径方向距離Ｍとの関係、すなわち、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係における臨界意義につき説明する。
すなわち、Ｈ／Ｍ＞１．０の場合には、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分における熱応力を低減することが困難となり、上記ろう材及び上記基材に亀裂、剥離等が生じやすくなるおそれがある。一方、Ｈ＜０．４ｍｍの場合には、上記基材と上記リード部及び上記ろう材との接合強度の低下を招くおそれがある。
【００１７】
上記端子部は、少なくともその表面にＮｉ（ニッケル）を主成分とするＮｉ層を備えていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記端子部の耐熱性、耐久性を向上させることができる。
【００１８】
また、上記ろう材の表面には、ろう材を保護するための保護メッキ層が形成されており、該保護メッキ層は、少なくともＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記ろう材の表面の耐熱性を向上させることができる。
【００１９】
また、上記保護メッキ層は、Ｃｒ（クロム）を主成分とするＣｒ層を備えていることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記ろう材の表面における耐硝酸性を向上させることができる。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
本発明の実施例にかかるガスセンサ用のセラミックヒータにつき、図１〜図４を用いて説明する。
ガスセンサ用のセラミックヒータ１は、図１に示すごとく、被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子２を加熱するためのものである。
また、図２、図３に示すごとく、セラミックヒータ１は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）を主成分とする基材３と、基材３の表面に設けられた端子部４と、端子部４に対して、その接合端５０が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部５と、リード部５を端子部４に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ（金−銅）合金からなるろう材６とを備えている。
【００２１】
また、図４に示すごとく、ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。
【００２２】
また、端子部４は、Ｗ（タングステン）を主成分として含む金属層によって構成されており、端子部４の表面には、図４に示すごとく、Ｎｉを主成分とするＮｉ層４０が形成されている。
なお、本例では、図３、図４に示すごとく、リード部５の接合端５０は、端面５１を端子部４の表面には当接させずに所定間隔を保持した状態で、ろう材６を介して端子部４に接合されているが、リード部５の接合端５０の端面５１と端子部４の表面とを当接させて形成してもよい。
【００２３】
また、ろう材６は、Ｃｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金から形成されてなる。例えば、ろう材６の組成は、Ａｕの含有率を４５重量％以下とし、Ｃｕの含有率を５５重量％以上とすることができる。
【００２４】
また、基材３は、軸方向に直交する断面が略円形の丸棒形状を有する。基材３は、セラミックの心棒の表面にヒータ基板を巻き付けるように配置してなる。ヒータ基板は、内側面に発熱部及びリードを設け、外側面に端子部４を設けてなる（図１３参照）。
【００２５】
発熱部は、基材３の先端部において内部に形成され、図２に示すごとく、一対の端子部４は、基材３の基端部の側面に形成されている。
これらの端子部４に対して、リード部５が略垂直に立設した状態で、ろう付けされている。リード部５は、長手方向に直交する断面が円形をなすように形成されると共に、基材３の軸方向に伸びる伸長部５１と、その先端側において略直角に屈曲した接合端５０とからなり、その接合端５０が、端子部４に対して立設された状態で接合される。
そして、一対のリード部５は、基材３の側面に互いに１８０°反対側に接合端５０を立設している。
【００２６】
端子部４とリード部５とを接合するろう材６のフィレット形状は、図４に示すごとく、リード部５の接合端５０の中心部を中心に接合端５０の周囲から外側に向かって広がり、その裾が略円形状を描くように端子部４と接触している。そして、フィレット形状は接合端５０の中心軸を通る平面による断面形状において、凹状の曲線状の輪郭を有する。
【００２７】
セラミックヒータ１は、図１に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ７に組み込まれている。
ガスセンサ７について以下に説明する。
ここで、ガスセンサ７を、排ガス管等、測定部分へ挿入する側（図１の下方）を「先端側」とし、その反対側を「基端側」として説明する。
まず、ガスセンサ７は、筒型のハウジング７１とハウジング７１に挿通したコップ型（有底筒状）のガスセンサ素子２と、ハウジング７１の先端側に設けた外側カバー７２１と内側カバー７２２とからなる被測定ガス側カバー７２と、ハウジング７１の基端側に設けた大気側カバー７３とを有する。
【００２８】
被測定ガス側カバー７２の内部は被測定ガス雰囲気７２０を構成し、ここに導入された排ガス等の被測定ガス中の酸素等の特定ガス濃度を、ガスセンサ素子２によって測定する。
大気側カバー７３の基端側は撥水フィルタ７３２を介して外側カバー７３１がかしめ固定されている。大気側カバー７３の最も基端側の内部には弾性絶縁部材７４３がかしめ固定されている。大気側カバー７３の内部は大気雰囲気７３０を構成し、後述するガスセンサ素子２の大気室２１０に対しては、ここから大気が導入される。大気雰囲気７３０には、撥水フィルタ７３２を介して外気が導入される。
【００２９】
ハウジング７１の内部にはガスセンサ素子２が挿通されるが、両者の間には粉末シール材７５１、絶縁部材７５２が配置され、気密性、液密性が確保されている。絶縁部材７５２の基端側はリング状部材７５３を介して、ハウジング７１の基端側が内側に曲げられて、かしめられている。大気側カバー７３の内部であって、弾性絶縁部材７４３の下方には、大気側絶縁碍子７４２が皿バネ７４１によって支承されている。
【００３０】
また、ガスセンサ素子２は、有底筒型の固体電解質体２１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２１の内部は大気室２１０として使用され、大気室２１０の内部に、ガスセンサ素子２と別体として構成したセラミックヒータ１が配置される。
【００３１】
また、ガスセンサ素子２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２２１、２２２が設けてあり、接触端子２２１、２２２は大気側絶縁碍子７４２内部において、接続端子２３１、２３２を介して外部リード線２０１、２０２に接続される。なお、接触端子２２２は、セラミックヒータ１を保持するヒータホルダ２４を設けてなる。
【００３２】
次に本例のセラミックヒータ１の作用効果につき説明する。
セラミックヒータ１は、リード部５が、端子部４に対してその接合端５０を立設した状態で接合されている。これにより、リード部５の熱膨張の方向を、端子部４を含む基材３の軸方向に対して垂直方向に向かわせることができ、さらに、リード部５と端子部４との接合範囲を縮小することもできる。そのため、端子部４を介する基材３とリード部５との接合部分における、熱膨張差に起因する熱応力を低減させることができ、その結果、ろう材６、端子部４、基材３の亀裂、剥離等の発生を防止することができる。
【００３３】
また、ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。これにより、上述した熱応力をさらに効果的に低減することができ、ろう材６、端子部４、基材３の亀裂、剥離等の発生を確実に防止することができると共に、ろう材６の使用量も低減できる。そのため、セラミックヒータの製造コストを低減することもできる。
【００３４】
なお、具体的には、後記する実験例１から得られた、ろう材６のなすフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの関係、すなわち、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たさない場合においては、以下の問題を生じ易い。
すなわち、Ｈ／Ｍ＞１．０の場合には、端子部４を介する基材３とリード部５との接合部分における熱応力を低減することが困難となり、ろう材６、端子部４、基材３に亀裂、剥離等が生じやすくなってしまうおそれがある。一方、Ｈ＜０．４ｍｍの場合には、基材３とリード部５及びろう材６との接合強度の低下を招くおそれがある。
【００３５】
また、端子部４の表面にはＮｉを主成分とするＮｉ層４０が形成されている。これにより、端子部４の耐熱性、耐久性を向上させることができる。
【００３６】
以上のごとく、本発明によれば、基材とリード部との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用のセラミックヒータを提供することができる。
【００３７】
（比較例１）
本例は、図５に示すごとく、基材３に設けた端子部９４に対して、リード部９５をその接合端９５０が基材３の軸方向に平行となる状態で接合したセラミックヒータ９０の例である。なお、リード部９５の形状等、主な構成は、図１４〜図１６に示すセラミックヒータ９と同様である。
【００３８】
本例のセラミックヒータ９０においても、リード部９５の接合端９５０は、端子部９４に対して、ろう材９５１によって接合されている。
なお、接合端９５０の長さ（基材３の軸方向と略平行となる部分の長さ）は０．５〜１．５ｍｍに設定されており、リード部９５の直径は０．６ｍｍに設定されている。
【００３９】
そして、本例のセラミックヒータ９０について、実際の使用環境において最も高温となる温度（４００℃）まで加熱したときに、リード部９５と端子部９４との接合部付近のセラミック（基材３）にかかる応力分布をＦＥＭ解析によって解析した。その結果、ろう材９５１と端子部９４との接合部のうちの、軸方向両端部付近（図５の矢印に示すＡ部分、Ｂ部分）において、特に大きい応力がかかることがわかった。そして、この中でも、特に接合部のうちの基端側の端部付近（Ｂ部分）において、最大の応力が発生することがわかった。
【００４０】
（実験例１）
本例においては、図６に示すごとく、上記実施例１のセラミックヒータ１のろう材６のなすフィレット形状の高さＨと、ろう材６の破断強度（以下、これを適宜にろう材破断強度という）との関係を調べた。
セラミックヒータ１のろう材６は、リード部５の破断強度以上の破断強度を確保することが望まれる。ここで、一般的なリード部５として、直径０．６ｍｍのＮｉリードの破断強度を測定した結果、リード部５の破断強度は２２０Ｎであった。そのため、ろう材破断強度は２２０Ｎ以上確保することが望まれる。
そこで、本例においては、ろう材破断強度を２２０Ｎ以上得ることができるろう材６のフィレット高さＨの条件を導くべく、以下の試験を行った。
【００４１】
具体的には、ろう材６のフィレット形状の高さＨを種々変更し、それぞれの場合のろう材６とリード部５との接合面積及びろう材６の機械的特性からろう材破断強度を算出した。
以下、その詳細を説明する。
【００４２】
評価対象として、図４に示すろう材６における、ろう材６とリード部５の接合端５０の外周面及び端面５１との総接合面積を基に、図６のグラフの横軸に示すろう材６とリード部５との密着面の長さｈ（図４参照）を０ｍｍ〜１．０ｍｍの間で、０．１ｍｍ刻みで種々設定した１０種類のセラミックヒータ１を用意した（以下、これを試料１〜１０という）。また、リード部５の直径は０．６ｍｍである。
そして、上記試料１〜試料１０のセラミックヒータ１のそれぞれにおける、ろう材破断強度の算出を行った。その結果を図６に示す。なお、図６における符号Ｄで示した直線は、基準となるろう材破断強度２２０Ｎを示す。
【００４３】
試料１〜１０について、ろう材破断強度の測定を行ったところ、図６からわかるように、試料３（長さｈ＝０．３ｍｍ）〜試料１０（長さｈ＝１．０ｍｍ）は、ろう材破断強度２２０Ｎ以上を得ることができている。すなわち、ろう材６のフィレット形状において、ろう材６とリード部５との密着面の長さｈがｈ≧０．３ｍｍの関係を満たすことで、ろう材破断強度２２０Ｎ以上確保できることがわかる。
【００４４】
ここで、実施例１で示したごとく、通常、リード部５の接合端５０は、端面５１を端子部４の表面には当接させずに所定間隔（以下、ギャップＧという）を保持した状態で、ろう材６を介して端子部４に接合されている（図３、図４参照）。それゆえ、ろう材６のフィレット形状における高さＨは、上記長さｈと上記ギャップＧを含んだ関係、つまり、Ｈ＝ｈ＋Ｇの関係となる。このギャップＧは通常０．１ｍｍ以下とされる。そのため、上記の高さＨがＨ≧０．４ｍｍの関係を満たせば、ろう材破断強度を２２０Ｎ以上確保すること充分に可能であることがわかる。
【００４５】
以上のごとく、本例によれば、Ｈ≧０．４ｍｍとすることにより、ろう材６におけるろう材破断強度を充分に確保することができることがわかる。
【００４６】
（実験例２）
本例においては、図７、図８に示すごとく、上記実施例１のセラミックヒータ１における、ろう材６のフィレット形状による、ろう材６に生じる下記に示す熱歪の低減効果を調べた。
まず、ろう材６に生じる熱歪が、ろう材６の耐久性に与える影響を調べ、ろう材６に生じる熱歪の大きさの許容範囲を確保する試験を行った。すなわち、同材料のろう材６を異なるフィレット形状に形成した試料を試料Ｅ１〜Ｅ３として用意し、これらを室温から４００℃に加熱した後、室温に戻すことにより、この１回の冷熱ストレスによって生じた歪（本例においては、これを「熱歪」という）を測定した。この熱歪の大きさが、図７のグラフにおいて、Ｅ１〜Ｅ３のプロットの縦軸方向の位置として示されている。
そして、これらの試料について上記の冷熱ストレスを、各試料が破断するまで繰り返し行う。そして、各試料が破断したときの冷熱ストレス回数が、図７のグラフにおいて、Ｅ１〜Ｅ３のプロットの横軸方向の位置として示されている。
【００４７】
同図のグラフの直線Ｉに示されるとおり、上記熱歪の値が小さいほど上記冷熱ストレスに対する耐久性が向上することがわかり、上記熱歪と冷熱ストレス回数とは、直線的な関係にあることがわかる。このグラフから、実施例１のセラミックヒータ１に要求される耐冷熱ストレス回数である４５００回（図中に示す直線Ｆ）においても、ろう材６が破断しないための条件は、上記熱歪の値が、４．３２×１０−３％以下であると判断できる（図中に示す直線Ｊ）。つまり、直線Ｆと直線Ｊで囲まれた符号Ｋを付した領域が、実施例１で示されるセラミックヒータ１の目標領域となる。
【００４８】
そこで、ろう材６の熱歪として、４．３２×１０−３％以下を満たすような、ろう材６のフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの関係（Ｈ／Ｍ）について、解析を行った。つまり、Ｈ／Ｍと熱歪との関係を調べ、図８のグラフにプロットした。なお、ここで、径方向距離Ｍは、セラミックヒータ１の軸方向に沿った方向の距離である。
【００４９】
図８のグラフにおいて、プロット「◆」は、ろう材６の使用量を比較例１と同程度（片側使用量が４ｍｇ）とした場合の値であり、プロット「●」は、ろう材６の使用量を比較例１の７０％としたの場合の値であり、プロット「○」は、ろう材６の使用量を比較例１の５０％としたの場合の値である。なお、同図のグラフに示す符号Ｌを付した曲線は、上記プロット「◆」の近似曲線である。
また、同図のグラフにおいて、上記熱歪の値、４．３２×１０−３％を直線Ｊで示し、比較例１の上記熱歪の値、５．６６×１０−３％を直線Ｎで示す。
【００５０】
図８のグラフから、ろう材６のフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの比（Ｈ／Ｍ）が小さいほど、上記熱歪の値が小さいことがわかる。また、ろう材６の使用量が比較例１と同等である場合（◆）については、Ｈ／Ｍ≦１．０であれば、充分に熱歪を４．３２×１０−３％（直線Ｊ）以下とすることができている。
また、ろう材６の使用量を少なくすると、熱歪が大きくなる傾向にあるが、ろう材６の使用量が比較例１の７０％である場合（●）、ろう材６の使用量が比較例１の５０％である場合（○）についても、Ｈ／Ｍ≦１．０とすれば、少なくとも、比較例１の５．６６×１０−３％（直線Ｎ）よりも熱歪を小さくできることがわかる。
なお、ろう材６の使用量（ｍｇ）については、ろう材６の片側使用量、すなわち、一対のリード部５（端子部４）のうちの一方のリード部５の接合部分におけるろう材６の使用量である。
【００５１】
（実施例２）
本例は、図９に示すごとく、ろう材６の表面にろう材６を保護するための保護メッキ層８を形成した例である。
保護メッキ層８は、Ｎｉを主成分とするＮｉ層８１を備えていると共に、Ｃｒを主成分とするＣｒ層８２を備えている。また、具体的には、図９に示すごとく、保護メッキ層８は、下層となるＮｉ層８１と上層となるＣｒ層８２との二層構造を有する。なお、図９に示すごとく、保護メッキ層８は、ろう材６の表面を含んだ状態で、端子部４とリード部５の接合端５０との接合部分を覆うように形成されている。すなわち、リード部５の表面にも保護メッキ層８が形成されている。
【００５２】
本例においては、ろう材６の表面において、下層にＮｉ層８１を形成することにより、ろう材６の耐熱性を向上させることができる。また、上層にＣｒ層８２を形成することにより、ろう材６の表面における耐硝酸性を向上させることができる。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
（実施例３）
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、基材３を、軸方向に直交する断面が長方形をなす四角柱形状に構成したセラミックヒータ１の例である。
基材３は、基端部における互いに反対側の平坦な両主面にそれぞれ端子部４を設けてなる。そして、各端子部４に対して、それぞれリード部５がろう材６によって接合されている。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５４】
また、上記実施例１及び実施例３においては、軸方向に直交する断面が略円形をなす丸棒状或いは軸方向に直交する断面が長方形をなす四角柱状に形成された基材３を示したが、これらに限定するものではない。すなわち、例えば、基材３を、上記の形状以外にも、軸方向に直交する断面が六角形や八角形をなす多角柱状とするなど、種々の形状とすることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ セラミックヒータ
２ ガスセンサ素子
３ 基材
４ 端子部
５ リード部
５０ 接合端
６ ろう材
６０ 外周端
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ素子等を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関には、燃焼制御を行うために、排ガス中の酸素濃度等を測定するガスセンサが用いられている。ガスセンサは、ジルコニア等の固体電解質を用いたガスセンサ素子を備えており、排気ガス中の酸素の濃度を検出して、混合気の空燃比を制御するのに使用される。このようなガスセンサ素子は、温度が低いと活性化しないため、ガスセンサには、通常、測定値のばらつきを防止するために、ガスセンサ素子を加熱するセラミックヒータが内蔵されている。
【０００３】
上記セラミックヒータ９は、図１３に示すごとく、通常、ガスセンサ素子を加熱する発熱部９１と、該発熱部９１に電力を供給するための一対の端子部９４と、上記発熱部９１と上記端子部９４とを電気的に接続するリード９３とからなるヒータパターン９６を、ヒータ基板９７上に形成してなる（特許文献１参照）。
【０００４】
かかるセラミックヒータとしては、例えば、図１４に示すような丸棒状のものがある。このセラミックヒータ９は、セラミックの心棒９８の表面に上記ヒータ基板９７を巻き付けるように配置してなる。該ヒータ基板９７は、図１３に示すごとく、一方面９７１に発熱部９１及びリード９３を設け、他方面９７２に端子部９４を設けてなる。そして、図１５に示すごとく、上記リード９３と上記端子部９４とは上記ヒータ基板９７を貫通するスルーホール９７３を介して接続されている。
また、図１５に示すごとく、上記端子部９４が外側になるように、上記ヒータ基板９７を心棒９８の表面に巻き付けてあり、上記端子部９４には、リード部９５がろう材９５１により接合されている。
【０００５】
ここで、図１５、図１６に示すごとく、上記端子部９４と上記リード部９５との接合は、上記リード部９５が、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材９９の軸方向に沿って、ろう材９５１を介して接合される。そして、上記端子部９４を含む上記基材９９と、ろう材９５１及びリード部９５とが、基材９９の軸方向に平行に熱膨張し、上記基材９９と上記リード部９５との接合部分において、両者の熱膨張差に起因する熱応力を生じさせる。
【０００６】
特に、Ｎｉを主成分として形成される上記リード部９５及び上記ろう材９５１の熱膨張率は、上記基材９９及び上記端子部９４よりも大きいため、リード部９５及びろう材９５１と基材９９及び端子部９４との間には大きい熱膨張差が生じてしまい、上記基材９９には、上記端子部９４を介して上記熱膨張差に起因する熱応力（熱ストレス）が生じやすい。その結果、上記端子部９４、上記基材９９に亀裂、剥離等が生じやすくなるおそれがある。
【０００７】
この問題に対しては、端子部とリード部とを、端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に立設させることで、リード部及びろう材の熱膨張に起因する熱応力を、上記端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に向かわせて、端子部を介する基材とリード部及びろう材との接合部分における熱膨張差に起因する熱応力を低減することで、上記の課題を解消することが考えられる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９２６４９号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２のごとく、端子部とリード部とを、単に端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に立設する構造のみでは、上記端子部を介する上記基材と上記リード部及びろう材との間の熱膨張差に起因する熱応力を充分には低減できない。すなわち、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分において、ろう材の形状、使用量及び材質等の最適化によっても、上記の課題をさらに効果的に解決できる余地があり、特許文献２には、ろう材の形状、使用量、材質の含有率等の各種条件については、特に言及がない。また、ろう材の使用量の低減によるコスト低減の観点からも充分ではない。したがって、上記の課題の解決に対しては、依然として改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、基材とろう材との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用の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】
【００１１】
本発明は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータであって、
Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材と、
該基材の表面に設けられた端子部と、
該端子部に対して、その接合端が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部と、
該リード部を上記端子部に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材とを備え、
該ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ（請求項１）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明におけるセラミックヒータにおいては、上記リード部が、上記端子部に対してその接合端を立設した状態で接合されている。これにより、上記リード部の熱膨張の方向を、上記端子部を含む基材の軸方向に対して垂直方向に向かわせることができ、さらに、上記リード部と上記端子部との接合範囲を縮小することもできる。そのため、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分における、熱膨張差に起因する熱応力を低減させることができ、その結果、上記ろう材、端子部、基材の亀裂、剥離等の発生を防止することができる。
【００１３】
また、上記ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。これにより、上述した熱応力を効果的に低減することができ、上記ろう材、端子部、基材の亀裂、剥離等の発生を確実に防止することができると共に、上記ろう材の使用量も低減できる。そのため、セラミックヒータの製造コストを低減することもできる。
【００１４】
以上のごとく、本発明によれば、基材とリード部との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用のセラミックヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における、セラミックヒータを組み込んだガスセンサの断面説明図。
【図２】実施例１における、セラミックヒータの正面図。
【図３】実施例１における、端子部とリード部との接合部分の拡大図。
【図４】実施例１における、端子部を含む基材の軸方向に対して、リード部を垂直方向に接合した接合部分の拡大断面図。
【図５】比較例１における、端子部を含む基材の軸方向に対して、リード部を平行方向に接合した接合部分の拡大断面図。
【図６】実験例１における、ろう材破断強度と長さｈとの関係図。
【図７】実験例２における、ろう材の熱歪と冷熱ストレス回数との関係図。
【図８】実験例２における、ろう材の熱歪とろう材のフィレット形状との関係図。
【図９】実施例２における、端子部とリード部との接合部分の拡大断面図。
【図１０】実施例３における、セラミックヒータの正面図。
【図１１】実施例３における、セラミックヒータの側面図。
【図１２】図１０のＣ−Ｃ線矢視断面図。
【図１３】背景技術における、セラミックヒータの展開図。
【図１４】背景技術における、セラミックヒータの正面図。
【図１５】背景技術における、端子部とリード部との接合部分の軸方向に直交する断面図。
【図１６】背景技術における、端子部とリード部との接合部分の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記ろう材のなすフィレット形状における、上記高さＨと上記径方向距離Ｍとの関係、すなわち、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係における臨界意義につき説明する。
すなわち、Ｈ／Ｍ＞１．０の場合には、上記端子部を介する上記基材と上記リード部との接合部分における熱応力を低減することが困難となり、上記ろう材及び上記基材に亀裂、剥離等が生じやすくなるおそれがある。一方、Ｈ＜０．４ｍｍの場合には、上記基材と上記リード部及び上記ろう材との接合強度の低下を招くおそれがある。
【００１７】
上記端子部は、少なくともその表面にＮｉ（ニッケル）を主成分とするＮｉ層を備えていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記端子部の耐熱性、耐久性を向上させることができる。
【００１８】
また、上記ろう材の表面には、ろう材を保護するための保護メッキ層が形成されており、該保護メッキ層は、少なくともＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記ろう材の表面の耐熱性を向上させることができる。
【００１９】
また、上記保護メッキ層は、Ｃｒ（クロム）を主成分とするＣｒ層を備えていることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記ろう材の表面における耐硝酸性を向上させることができる。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
本発明の実施例にかかるガスセンサ用のセラミックヒータにつき、図１〜図４を用いて説明する。
ガスセンサ用のセラミックヒータ１は、図１に示すごとく、被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子２を加熱するためのものである。
また、図２、図３に示すごとく、セラミックヒータ１は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）を主成分とする基材３と、基材３の表面に設けられた端子部４と、端子部４に対して、その接合端５０が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部５と、リード部５を端子部４に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ（金−銅）合金からなるろう材６とを備えている。
【００２１】
また、図４に示すごとく、ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。
【００２２】
また、端子部４は、Ｗ（タングステン）を主成分として含む金属層によって構成されており、端子部４の表面には、図４に示すごとく、Ｎｉを主成分とするＮｉ層４０が形成されている。
なお、本例では、図３、図４に示すごとく、リード部５の接合端５０は、端面５１を端子部４の表面には当接させずに所定間隔を保持した状態で、ろう材６を介して端子部４に接合されているが、リード部５の接合端５０の端面５１と端子部４の表面とを当接させて形成してもよい。
【００２３】
また、ろう材６は、Ｃｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金から形成されてなる。例えば、ろう材６の組成は、Ａｕの含有率を４５重量％以下とし、Ｃｕの含有率を５５重量％以上とすることができる。
【００２４】
また、基材３は、軸方向に直交する断面が略円形の丸棒形状を有する。基材３は、セラミックの心棒の表面にヒータ基板を巻き付けるように配置してなる。ヒータ基板は、内側面に発熱部及びリードを設け、外側面に端子部４を設けてなる（図１３参照）。
【００２５】
発熱部は、基材３の先端部において内部に形成され、図２に示すごとく、一対の端子部４は、基材３の基端部の側面に形成されている。
これらの端子部４に対して、リード部５が略垂直に立設した状態で、ろう付けされている。リード部５は、長手方向に直交する断面が円形をなすように形成されると共に、基材３の軸方向に伸びる伸長部５１と、その先端側において略直角に屈曲した接合端５０とからなり、その接合端５０が、端子部４に対して立設された状態で接合される。
そして、一対のリード部５は、基材３の側面に互いに１８０°反対側に接合端５０を立設している。
【００２６】
端子部４とリード部５とを接合するろう材６のフィレット形状は、図４に示すごとく、リード部５の接合端５０の中心部を中心に接合端５０の周囲から外側に向かって広がり、その裾が略円形状を描くように端子部４と接触している。そして、フィレット形状は接合端５０の中心軸を通る平面による断面形状において、凹状の曲線状の輪郭を有する。
【００２７】
セラミックヒータ１は、図１に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのガスセンサ７に組み込まれている。
ガスセンサ７について以下に説明する。
ここで、ガスセンサ７を、排ガス管等、測定部分へ挿入する側（図１の下方）を「先端側」とし、その反対側を「基端側」として説明する。
まず、ガスセンサ７は、筒型のハウジング７１とハウジング７１に挿通したコップ型（有底筒状）のガスセンサ素子２と、ハウジング７１の先端側に設けた外側カバー７２１と内側カバー７２２とからなる被測定ガス側カバー７２と、ハウジング７１の基端側に設けた大気側カバー７３とを有する。
【００２８】
被測定ガス側カバー７２の内部は被測定ガス雰囲気７２０を構成し、ここに導入された排ガス等の被測定ガス中の酸素等の特定ガス濃度を、ガスセンサ素子２によって測定する。
大気側カバー７３の基端側は撥水フィルタ７３２を介して外側カバー７３１がかしめ固定されている。大気側カバー７３の最も基端側の内部には弾性絶縁部材７４３がかしめ固定されている。大気側カバー７３の内部は大気雰囲気７３０を構成し、後述するガスセンサ素子２の大気室２１０に対しては、ここから大気が導入される。大気雰囲気７３０には、撥水フィルタ７３２を介して外気が導入される。
【００２９】
ハウジング７１の内部にはガスセンサ素子２が挿通されるが、両者の間には粉末シール材７５１、絶縁部材７５２が配置され、気密性、液密性が確保されている。絶縁部材７５２の基端側はリング状部材７５３を介して、ハウジング７１の基端側が内側に曲げられて、かしめられている。大気側カバー７３の内部であって、弾性絶縁部材７４３の下方には、大気側絶縁碍子７４２が皿バネ７４１によって支承されている。
【００３０】
また、ガスセンサ素子２は、有底筒型の固体電解質体２１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２１の内部は大気室２１０として使用され、大気室２１０の内部に、ガスセンサ素子２と別体として構成したセラミックヒータ１が配置される。
【００３１】
また、ガスセンサ素子２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２２１、２２２が設けてあり、接触端子２２１、２２２は大気側絶縁碍子７４２内部において、接続端子２３１、２３２を介して外部リード線２０１、２０２に接続される。なお、接触端子２２２は、セラミックヒータ１を保持するヒータホルダ２４を設けてなる。
【００３２】
次に本例のセラミックヒータ１の作用効果につき説明する。
セラミックヒータ１は、リード部５が、端子部４に対してその接合端５０を立設した状態で接合されている。これにより、リード部５の熱膨張の方向を、端子部４を含む基材３の軸方向に対して垂直方向に向かわせることができ、さらに、リード部５と端子部４との接合範囲を縮小することもできる。そのため、端子部４を介する基材３とリード部５との接合部分における、熱膨張差に起因する熱応力を低減させることができ、その結果、ろう材６、端子部４、基材３の亀裂、剥離等の発生を防止することができる。
【００３３】
また、ろう材６のなすフィレット形状は、端子部４からの高さＨと、リード部５の接合端５０の外周からろう材６の外周端６０までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たすように形成されている。これにより、上述した熱応力をさらに効果的に低減することができ、ろう材６、端子部４、基材３の亀裂、剥離等の発生を確実に防止することができると共に、ろう材６の使用量も低減できる。そのため、セラミックヒータの製造コストを低減することもできる。
【００３４】
なお、具体的には、後記する実験例１から得られた、ろう材６のなすフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの関係、すなわち、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍの関係を満たさない場合においては、以下の問題を生じ易い。
すなわち、Ｈ／Ｍ＞１．０の場合には、端子部４を介する基材３とリード部５との接合部分における熱応力を低減することが困難となり、ろう材６、端子部４、基材３に亀裂、剥離等が生じやすくなってしまうおそれがある。一方、Ｈ＜０．４ｍｍの場合には、基材３とリード部５及びろう材６との接合強度の低下を招くおそれがある。
【００３５】
また、端子部４の表面にはＮｉを主成分とするＮｉ層４０が形成されている。これにより、端子部４の耐熱性、耐久性を向上させることができる。
【００３６】
以上のごとく、本発明によれば、基材とリード部との間に生じる熱応力を低減すると共に、ろう材の使用量を少なくすることができるガスセンサ用のセラミックヒータを提供することができる。
【００３７】
（比較例１）
本例は、図５に示すごとく、基材３に設けた端子部９４に対して、リード部９５をその接合端９５０が基材３の軸方向に平行となる状態で接合したセラミックヒータ９０の例である。なお、リード部９５の形状等、主な構成は、図１４〜図１６に示すセラミックヒータ９と同様である。
【００３８】
本例のセラミックヒータ９０においても、リード部９５の接合端９５０は、端子部９４に対して、ろう材９５１によって接合されている。
なお、接合端９５０の長さ（基材３の軸方向と略平行となる部分の長さ）は０．５〜１．５ｍｍに設定されており、リード部９５の直径は０．６ｍｍに設定されている。
【００３９】
そして、本例のセラミックヒータ９０について、実際の使用環境において最も高温となる温度（４００℃）まで加熱したときに、リード部９５と端子部９４との接合部付近のセラミック（基材３）にかかる応力分布をＦＥＭ解析によって解析した。その結果、ろう材９５１と端子部９４との接合部のうちの、軸方向両端部付近（図５の矢印に示すＡ部分、Ｂ部分）において、特に大きい応力がかかることがわかった。そして、この中でも、特に接合部のうちの基端側の端部付近（Ｂ部分）において、最大の応力が発生することがわかった。
【００４０】
（実験例１）
本例においては、図６に示すごとく、上記実施例１のセラミックヒータ１のろう材６のなすフィレット形状の高さＨと、ろう材６の破断強度（以下、これを適宜にろう材破断強度という）との関係を調べた。
セラミックヒータ１のろう材６は、リード部５の破断強度以上の破断強度を確保することが望まれる。ここで、一般的なリード部５として、直径０．６ｍｍのＮｉリードの破断強度を測定した結果、リード部５の破断強度は２２０Ｎであった。そのため、ろう材破断強度は２２０Ｎ以上確保することが望まれる。
そこで、本例においては、ろう材破断強度を２２０Ｎ以上得ることができるろう材６のフィレット高さＨの条件を導くべく、以下の試験を行った。
【００４１】
具体的には、ろう材６のフィレット形状の高さＨを種々変更し、それぞれの場合のろう材６とリード部５との接合面積及びろう材６の機械的特性からろう材破断強度を算出した。
以下、その詳細を説明する。
【００４２】
評価対象として、図４に示すろう材６における、ろう材６とリード部５の接合端５０の外周面及び端面５１との総接合面積を基に、図６のグラフの横軸に示すろう材６とリード部５との密着面の長さｈ（図４参照）を０ｍｍ〜１．０ｍｍの間で、０．１ｍｍ刻みで種々設定した１０種類のセラミックヒータ１を用意した（以下、これを試料１〜１０という）。また、リード部５の直径は０．６ｍｍである。
そして、上記試料１〜試料１０のセラミックヒータ１のそれぞれにおける、ろう材破断強度の算出を行った。その結果を図６に示す。なお、図６における符号Ｄで示した直線は、基準となるろう材破断強度２２０Ｎを示す。
【００４３】
試料１〜１０について、ろう材破断強度の測定を行ったところ、図６からわかるように、試料３（長さｈ＝０．３ｍｍ）〜試料１０（長さｈ＝１．０ｍｍ）は、ろう材破断強度２２０Ｎ以上を得ることができている。すなわち、ろう材６のフィレット形状において、ろう材６とリード部５との密着面の長さｈがｈ≧０．３ｍｍの関係を満たすことで、ろう材破断強度２２０Ｎ以上確保できることがわかる。
【００４４】
ここで、実施例１で示したごとく、通常、リード部５の接合端５０は、端面５１を端子部４の表面には当接させずに所定間隔（以下、ギャップＧという）を保持した状態で、ろう材６を介して端子部４に接合されている（図３、図４参照）。それゆえ、ろう材６のフィレット形状における高さＨは、上記長さｈと上記ギャップＧを含んだ関係、つまり、Ｈ＝ｈ＋Ｇの関係となる。このギャップＧは通常０．１ｍｍ以下とされる。そのため、上記の高さＨがＨ≧０．４ｍｍの関係を満たせば、ろう材破断強度を２２０Ｎ以上確保すること充分に可能であることがわかる。
【００４５】
以上のごとく、本例によれば、Ｈ≧０．４ｍｍとすることにより、ろう材６におけるろう材破断強度を充分に確保することができることがわかる。
【００４６】
（実験例２）
本例においては、図７、図８に示すごとく、上記実施例１のセラミックヒータ１における、ろう材６のフィレット形状による、ろう材６に生じる下記に示す熱歪の低減効果を調べた。
まず、ろう材６に生じる熱歪が、ろう材６の耐久性に与える影響を調べ、ろう材６に生じる熱歪の大きさの許容範囲を確保する試験を行った。すなわち、同材料のろう材６を異なるフィレット形状に形成した試料を試料Ｅ１〜Ｅ３として用意し、これらを室温から４００℃に加熱した後、室温に戻すことにより、この１回の冷熱ストレスによって生じた歪（本例においては、これを「熱歪」という）を測定した。この熱歪の大きさが、図７のグラフにおいて、Ｅ１〜Ｅ３のプロットの縦軸方向の位置として示されている。
そして、これらの試料について上記の冷熱ストレスを、各試料が破断するまで繰り返し行う。そして、各試料が破断したときの冷熱ストレス回数が、図７のグラフにおいて、Ｅ１〜Ｅ３のプロットの横軸方向の位置として示されている。
【００４７】
同図のグラフの直線Ｉに示されるとおり、上記熱歪の値が小さいほど上記冷熱ストレスに対する耐久性が向上することがわかり、上記熱歪と冷熱ストレス回数とは、直線的な関係にあることがわかる。このグラフから、実施例１のセラミックヒータ１に要求される耐冷熱ストレス回数である４５００回（図中に示す直線Ｆ）においても、ろう材６が破断しないための条件は、上記熱歪の値が、４．３２×１０−３％以下であると判断できる（図中に示す直線Ｊ）。つまり、直線Ｆと直線Ｊで囲まれた符号Ｋを付した領域が、実施例１で示されるセラミックヒータ１の目標領域となる。
【００４８】
そこで、ろう材６の熱歪として、４．３２×１０−３％以下を満たすような、ろう材６のフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの関係（Ｈ／Ｍ）について、解析を行った。つまり、Ｈ／Ｍと熱歪との関係を調べ、図８のグラフにプロットした。なお、ここで、径方向距離Ｍは、セラミックヒータ１の軸方向に沿った方向の距離である。
【００４９】
図８のグラフにおいて、プロット「◆」は、ろう材６の使用量を比較例１と同程度（片側使用量が４ｍｇ）とした場合の値であり、プロット「●」は、ろう材６の使用量を比較例１の７０％としたの場合の値であり、プロット「○」は、ろう材６の使用量を比較例１の５０％としたの場合の値である。なお、同図のグラフに示す符号Ｌを付した曲線は、上記プロット「◆」の近似曲線である。
また、同図のグラフにおいて、上記熱歪の値、４．３２×１０−３％を直線Ｊで示し、比較例１の上記熱歪の値、５．６６×１０−３％を直線Ｎで示す。
【００５０】
図８のグラフから、ろう材６のフィレット形状における高さＨと径方向距離Ｍとの比（Ｈ／Ｍ）が小さいほど、上記熱歪の値が小さいことがわかる。また、ろう材６の使用量が比較例１と同等である場合（◆）については、Ｈ／Ｍ≦１．０であれば、充分に熱歪を４．３２×１０−３％（直線Ｊ）以下とすることができている。
また、ろう材６の使用量を少なくすると、熱歪が大きくなる傾向にあるが、ろう材６の使用量が比較例１の７０％である場合（●）、ろう材６の使用量が比較例１の５０％である場合（○）についても、Ｈ／Ｍ≦１．０とすれば、少なくとも、比較例１の５．６６×１０−３％（直線Ｎ）よりも熱歪を小さくできることがわかる。
なお、ろう材６の使用量（ｍｇ）については、ろう材６の片側使用量、すなわち、一対のリード部５（端子部４）のうちの一方のリード部５の接合部分におけるろう材６の使用量である。
【００５１】
（実施例２）
本例は、図９に示すごとく、ろう材６の表面にろう材６を保護するための保護メッキ層８を形成した例である。
保護メッキ層８は、Ｎｉを主成分とするＮｉ層８１を備えていると共に、Ｃｒを主成分とするＣｒ層８２を備えている。また、具体的には、図９に示すごとく、保護メッキ層８は、下層となるＮｉ層８１と上層となるＣｒ層８２との二層構造を有する。なお、図９に示すごとく、保護メッキ層８は、ろう材６の表面を含んだ状態で、端子部４とリード部５の接合端５０との接合部分を覆うように形成されている。すなわち、リード部５の表面にも保護メッキ層８が形成されている。
【００５２】
本例においては、ろう材６の表面において、下層にＮｉ層８１を形成することにより、ろう材６の耐熱性を向上させることができる。また、上層にＣｒ層８２を形成することにより、ろう材６の表面における耐硝酸性を向上させることができる。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
（実施例３）
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、基材３を、軸方向に直交する断面が長方形をなす四角柱形状に構成したセラミックヒータ１の例である。
基材３は、基端部における互いに反対側の平坦な両主面にそれぞれ端子部４を設けてなる。そして、各端子部４に対して、それぞれリード部５がろう材６によって接合されている。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５４】
また、上記実施例１及び実施例３においては、軸方向に直交する断面が略円形をなす丸棒状或いは軸方向に直交する断面が長方形をなす四角柱状に形成された基材３を示したが、これらに限定するものではない。すなわち、例えば、基材３を、上記の形状以外にも、軸方向に直交する断面が六角形や八角形をなす多角柱状とするなど、種々の形状とすることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ セラミックヒータ
２ ガスセンサ素子
３ 基材
４ 端子部
５ リード部
５０ 接合端
６ ろう材
６０ 外周端
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータであって、
Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材と、
該基材の表面に設けられた端子部と、
該端子部に対して、その接合端が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部と、
該リード部を上記端子部に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材とを備え、
該ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記端子部は、少なくともその表面にＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記ろう材の表面には、ろう材を保護するための保護メッキ層が形成されており、該保護メッキ層は、少なくともＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項３に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記保護メッキ層は、Ｃｒを主成分とするＣｒ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するためのガスセンサ素子を加熱するためのガスセンサ用のセラミックヒータであって、
Ａｌ２Ｏ３を主成分とする基材と、
該基材の表面に設けられた端子部と、
該端子部に対して、その接合端が立設した状態で接合されたＮｉを主成分とするリード部と、
該リード部を上記端子部に接合するＣｕを主成分とするＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材とを備え、
該ろう材のなすフィレット形状は、上記端子部からの高さＨと、上記リード部の上記接合端の外周から上記ろう材の外周端までの径方向距離Ｍとが、Ｈ／Ｍ≦１．０且つ、Ｈ≧０．４ｍｍを満たしていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記端子部は、少なくともその表面にＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記ろう材の表面には、ろう材を保護するための保護メッキ層が形成されており、該保護メッキ層は、少なくともＮｉを主成分とするＮｉ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項３に記載のガスセンサ用のセラミックヒータにおいて、上記保護メッキ層は、Ｃｒを主成分とするＣｒ層を備えていることを特徴とするガスセンサ用のセラミックヒータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１４１２７９（Ｐ２０１２−１４１２７９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８００８１（Ｐ２０１１−１８００８１）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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