セラミック接合体、セラミックヒータおよびガスセンサ
【課題】セラミック基体と接続端子との分離を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】長手方向に延びるセラミック基体と、セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部回路と電気的に接続する接続端子と、電極パッドと接続端子とを接合する接合部と、を備えるセラミック接合体を利用する。ここで、電極パッドは、セラミック基体と接する第１層と、第１層上に積層されるとともに接合部と接する第２層と、を含む。第１層は、前記第１層に含有される前記セラミック基体のセラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多い。第１層の輪郭は、全周において、第２層の輪郭の外側にある。
【解決手段】長手方向に延びるセラミック基体と、セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、外部回路と電気的に接続する接続端子と、電極パッドと接続端子とを接合する接合部と、を備えるセラミック接合体を利用する。ここで、電極パッドは、セラミック基体と接する第１層と、第１層上に積層されるとともに接合部と接する第２層と、を含む。第１層は、前記第１層に含有される前記セラミック基体のセラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多い。第１層の輪郭は、全周において、第２層の輪郭の外側にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック接合体、セラミックヒータおよびガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸素センサ等の固体電解質体を用いるガスセンサにおいて、固体電解質体を加熱するためにセラミックヒータが配置されている。このセラミックヒータとしては、アルミナ等のセラミック基体中にタングステンやモリブデン等の金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。さらに、セラミック基体の外表面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられている。この電極パッドには発熱抵抗体に外部から電圧を印加するための金属製の接続端子がろう付けを介して接合されている。
【０００３】
そして、セラミック基体、電極パッド、ろう材といった異種材料を接合するために、セラミック基体の主成分であるセラミック材料を相対的に多く含む第１層と、セラミック材料を相対的に少なくすると共に、電極パッドと接続端子とを接合するろう材の成分を含浸させる第２層とを、含む２層の電極パッド用いる技術も利用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、第１層上に第２層を形成する際、第１層と第２層とが略同一の大きさであれば、第２層が第１層からずらされて形成される（つまり、第２層が第１層の輪郭からはみ出して形成される）ことがある。すると、ずらされた第２層の部位は第１層上に設けられず、直接セラミック基体上に設けられることになる。すると、第１層及びろう材との密着性を考慮した第２層は、セラミック基体との密着性が第１層に比べて低いため、セラミック基体から剥離し、更には、その剥離した第２層の部位を起点に第２層全体が剥離してしまう虞がある。つまり、セラミック基体と接続端子とが分離してしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、セラミック基体と接続端子との分離を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［適用例１］長手方向に延びるセラミック基体と、前記セラミック基体の表面に設けられたタングステン又はモリブデンを主成分とする電極パッドと、外部回路と電気的に接続する接続端子と、前記電極パッドと前記接続端子とをろう付け接合にて連結する接合部と、を備えるセラミック接合体において、前記電極パッドは、前記セラミック基体と接する第１層と、前記第１層の表面上に積層されるとともに前記接合部と接する第２層と、を含み、前記第１層及び前記第２層には、前記セラミック基体に用いられるセラミック材料のうち、主成分となるセラミック材料を含有し、且つ前記第１層に含有される前記セラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多く、前記第１層の輪郭は、全周において、前記第２層の輪郭の外側にある、ことを特徴とする、セラミック接合体。
【０００８】
この構成によれば、第１層の輪郭が、全周において、第２層の輪郭の外側にあるように第２層が設けられることで、第２層が第１層の輪郭からはみ出して形成されることがない。よって、第２層が直接セラミック基体上に設けられることが無く、第２層の縁の全体を第１層と強固に接合させることができ、剥離を抑制できる。よって、セラミック基体と接続端子との分離を防止することができる。
なお、第１層の輪郭が、全周において、第２層の輪郭の外側にあるように第２層を第１層上に設けるためには、電極パッドの積層方向に沿って見たときに、第１層の面積よりも第２層の面積を小さくすることにより実現可能である。また、輪郭の位置関係を確認する場合には、電極パッドの積層方向に沿って、第１層と第２層とを見ればよい。具体的には、輪郭の各部分を、その部分における電極パッドの積層方向に沿って観察すればよい。
また、「主成分」とはその構成に含まれる材料が５０ｗｔ％以上の材料のことをさす。つまり、「タングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とする電極パッド」とは、電極パッドに含まれる材料のうち、タングステン及びモリブデンの合計含有量（一方が含まれない場合には他方の含有量）が５０ｗｔ％以上含有することをさす。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載のセラミック接合体であって、前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さよりも厚い、セラミック接合体。
【００１０】
第２層は、金属を主成分とするろう材や、金属を主成分とする第１層と接合するのに対し、第１層は、セラミックからなるセラミック基体と接合することになる。その結果、主成分が異種材料となる第１層とセラミック基体との密着性が他の接合箇所に比べて最も弱くなる。また、第１層は、第２層や接合部からの応力を受けることになり、接合部のみの応力を受ける第２層に対してより多くの応力を受けることになる。これに対し、第１層を第２層よりも厚くすることで、第１層とセラミック基体との密着性を十分に維持できる。なお、第１層は２０μｍ以上であることが好ましい。一方、第２層を第１層よりも薄くすることで、自身の応力が削減でき、第２層と第１層との密着性、及び第２層と接合部との密着性をより向上できる。
【００１１】
[適用例３]適用例１または適用例２に記載のセラミック接合体であって、前記接合部は、前記第２層を超えて前記第１層の表面上まで設けられている、セラミック接合体。
【００１２】
この構成によれば、接合部が第１層まで広がるため、接合部と電極パッド（第１層と第２層とを含めた）とを強固に接合させることができ、セラミック基体と接続端子との分離をより防止することができる。
さらに、接合部が第２層を覆うように設けられることが好ましい。これにより、第２層が外部に露出することがなくなるため、外部からの衝撃等が第２層に直接加わることを抑制でき、第２層が第１層から分離することを防止できる。
【００１３】
[適用例４]適用例３に記載のセラミック接合体であって、前記第１層の表面上に設けられる接合部の体積は、前記第２層の表面上に設けられる接合部の体積よりも少ない、セラミック接合体。
【００１４】
第１層にはセラミック基体との密着性を向上させるために、第２層よりも多くのセラミック材料が含有されている。これに対し、接合部が第１層まで広がることで、接合部と電極パッド（第１層と第２層とを含めた）とを強固に接合させることができるものの、第１層中のセラミック材料が接合部中に含侵することとなり、セラミック基体と第１層との密着性が低下することがある。そこで、適用例３の構成とすることで、第１層中のセラミック材料が接合部中に含侵することを抑制することができ、セラミック基体と第１層との密着性を維持できる。一方、第１層よりもセラミック材料が少ない第２層の表面上には、より多くの接合部を設けることで電極パッドと接合部との密着性を向上することができる。
なお、「第２層の表面上に設けられる接合部の体積」は、第２層の輪郭から第２層に対して垂直方向に延ばした範囲内に位置する接合部の体積のことを指し、「第１層の表面上に設けられる接合部の体積」は、上記範囲外に位置する接合部の体積のことをさす。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし適用例４に記載のセラミック接合体であって、前記電極パッドの積層方向に沿って見たときに、前記第２層の輪郭は、全周において、前記接続端子の表面のうちの前記接合部と接する接触表面部分の輪郭の外側にあり、前記長手方向に垂直な短手方向における前記第２層の輪郭と前記接触表面部分の輪郭との間の最短距離は、前記接触表面部分の前記短手方向の最大長さ以上である、セラミック接合体。
【００１６】
この構成によれば、積層方向に沿って見たときに、第２層の輪郭が、全周において、接触表面部分の輪郭の外側にあり、そして、第２層の輪郭と接触表面部分の輪郭との間の最短距離が、接触表面部分の短手方向の最大長さ（最大幅）以上であるので、接合部を第２層の表面上に過剰に厚くせずに広げることができ、接続端子と電極パッド（第２層）とを接合することができる。その結果、接合部の応力で第２層が剥離することを抑制でき、セラミック基体と接続端子との分離を抑制することができる。
【００１７】
さらに、第２層の輪郭と接触表面部分の輪郭との間の最短距離が、接触表面部分の短手方向の最大長さ（最大幅）の２倍の長さ以上であることが好ましい。こうすれば、ロウ材が広がるためのより広いスペースを、第２層上に確保することができる。その結果、接合部と第２層との密着性をさらに高めることができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載のセラミック接合体と、前記セラミック基体の先端側内部に設けられるとともに、前記電極パッドに接続された発熱部と、を備えるセラミックヒータ。
【００１９】
適用例１から適用例５までのセラミック接合体をセラミックヒータとして実現することが可能となる。
【００２０】
[適用例７]適用例６に記載のセラミックヒータであって、前記第２層の重心は、前記第１層の重心よりも後端側に設けられている、セラミックヒータ。
【００２１】
この構成によれば、第２層が第１層の後端側に形成されるので、接合部及び接続端子を先端側の発熱部からより離すことができ、熱による劣化を抑制することができる。
なお、第２層の重心を、第１層の重心よりも後端側に設けるためには、第２層を第１層に対して後端側にずらすことにより実現可能である。
【００２２】
［適用例８］先端が閉じた有底筒状の固体電解質、該固体電解質の外周面に配置された外側電極、及び該固体電解質の内周面に配置された内側電極を備えるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子内に挿入配置されるヒータと、を有するガスセンサであって、前記ヒータが、適用例６または適用例７に記載のセラミックヒータであるガスセンサ。
【００２３】
適用例６または適用例７のセラミックヒータとガスセンサ素子とを備えるガスセンサとして実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ガスセンサの構成を示す断面図である。
【図２】セラミックヒータを示す斜視図である。
【図３】セラミックヒータの内部構成を示す分解斜視図である。
【図４】セラミック基体１０２の正面図である。
【図５】セラミックヒータ１００の正面図である。
【図６】セラミックヒータ１００の側面図である。
【図７】Ａ−Ａ断面図である。
【図８】Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】セラミックヒータ１００ａの正面図である。
【図１０】セラミックヒータ１００ａの側面図である。
【図１１】Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１２】Ｄ−Ｄ断面図である。
【図１３】接合の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．ガスセンサの構成：
図１は、本発明の一実施例としてのガスセンサの構成を示す断面図である。ガスセンサ１０は、内燃機関の排気ガス中の酸素を検出する。ガスセンサ１０は、酸素検出素子２０と、主体金具１１と、内側端子部材３０と、外側端子部材４０と、セラミックヒータ１００と、を主に備える。
【００２７】
図１には、ガスセンサ１０の軸線ＡＸが示されている。以下、軸線ＡＸに沿って延びる部材の両端のうちの、固体電解質体２１が配置された端部（図１の下側）を先端と呼び、グロメット１７が配置された端部（図１の上側）を後端と呼ぶ。また、図中の長手方向ＦＤは、軸線ＡＸと平行な方向を示している（図１中の上下方向）。
【００２８】
酸素検出素子２０の形状は、軸線ＡＸに沿った軸線方向（図１中の上下方向）に延び、先端２０ｓ（図１下側）は閉じ、後端２０ｋ（図１上側）は開口する有底筒状である。酸素検出素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の外周面の一部にメッキ等によって形成された外側電極１０６（図示せず）と、固体電解質体２１の内周面の一部にメッキ等によって形成された内側電極１０８（図示せず）とを備える。また、酸素検出素子２０の外周面において、軸線ＡＸ方向の中間部には、外側に突出する係合フランジ部２０ｆが設けられている。係合フランジ部２０ｆは、後述する主体金具１１と係合する。
【００２９】
主体金具１１は、酸素検出素子２０の外周の一部を包囲する筒状に形成されている。主体金具１１の内側には、金属製パッキン８１（図示せず）を介してインシュレータ１３が配置されている。このインシュレータ１３には、金属製パッキン８２（図示せず）を介して係合フランジ部２０ｆが係合している。さらに、インシュレータ１３の後端側にはタルク１４、インシュレータ１３ｂおよび金属製パッキン８３が配置され、主体金具１１の後端側にて加締められることで、酸素検出素子２０を主体金具１１の内側において、気密状態で保持している。
【００３０】
主体金具１１の先端側（図１の下側）には、プロテクタ１５が取り付けられている。プロテクタ１５は、主体金具１１の先端側開口部から突出する酸素検出素子２０の先端部を覆っている。プロテクタ１５は、外側プロテクタ１５ａと内側プロテクタ１５ｂの二重構造を備える。外側プロテクタ１５ａおよび内側プロテクタ１５ｂには、排気ガスを透過させる複数のガス透過口が形成されている（図示省略）。酸素検出素子２０の外側電極１０６には、プロテクタ１５のガス透過口を通して、排気ガスが供給される。
【００３１】
主体金具１１は、外周面に形成された六角部１１ｃの後端側（図１の上側）に、接続部１１ｄを備える。接続部１１ｄには、筒状の金属外筒１６の先端が、外側から全周レーザ溶接により、固定されている。金属外筒１６の後端側の開口には、フッ素ゴムで構成されたグロメット１７が、挿入されている。このグロメット１７は、金属外筒１６の後端の加締によって、固定されている。グロメット１７は、金属外筒１６のこの開口を、封止する。グロメット１７よりも先端側には、絶縁性のアルミナセラミックで形成されたセパレータ１８が配置されている。そして、グロメット１７およびセパレータ１８を貫通してセンサ出力リード線１９、１９ｂおよびヒータリード線１２ｂ、１２ｃが配置されている。なお、グロメット１７の中央には、軸線ＡＸに沿って貫通口が形成されており、この貫通口に金属パイプ８６が嵌め込まれている。金属パイプ８６には、撥水性および通気性を兼ね備えるシート状のフィルタ８５が被せられている。これにより、ガスセンサ１０の外部の大気は、フィルタ８５を介して金属外筒１６内に導入され、ひいては酸素検出素子２０の内部空間Ｇ内に導入される。
【００３２】
外側端子部材４０は、ステンレス鋼板からなる外嵌部４１とセパレータ挿入部４２とコネクタ部４３とを備える。セパレータ挿入部４２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部４２からは、セパレータ当接部４２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部４２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、外側端子部材４０は、セパレータ１８内に保持される。
【００３３】
セパレータ挿入部４２の後端には、コネクタ部４３が設けられている。コネクタ部４３は、センサ出力リード線１９ｂの芯線を加締により把持し、外側端子部材４０とセンサ出力リード線１９ｂとを電気的に接続する。
【００３４】
セパレータ挿入部４２の先端には、外嵌部４１が設けられている。外嵌部４１は、酸素検出素子２０の後端付近の外周を把持して、外側端子部材４０と酸素検出素子２０の外側電極１０６とを電気的に接続する。
【００３５】
内側端子部材３０は、ステンレス鋼板からなる挿入部３３とセパレータ挿入部３２とコネクタ部３１とを備える。セパレータ挿入部３２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部３２からは、セパレータ当接部３２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部３２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、内側端子部材３０は、セパレータ１８内に保持される。
【００３６】
セパレータ挿入部３２の後端には、コネクタ部３１が設けられている。コネクタ部３１は、センサ出力リード線１９の芯線を加締により把持し、内側端子部材３０とセンサ出力リード線１９とを電気的に接続する。
【００３７】
セパレータ挿入部３２の先端には、挿入部３３が設けられている。挿入部３３は、酸素検出素子２０の内部に挿入される。挿入部３３は、自身の弾性力により、酸素検出素子２０の内周面に形成された内側電極１０８に押圧力を伴って接触する。これにより、挿入部３３は、酸素検出素子２０の内側電極１０８との電気的導通を保持している。
【００３８】
挿入部３３の先端には、ヒータ押圧部３６が設けられている。ヒータ押圧部３６は、セラミックヒータ１００の側面を、酸素検出素子２０の内周面に押しつける。
【００３９】
セラミックヒータ１００は、内部空間Ｇ内に配置され、内側端子部材３０によって保持されることにより姿勢を維持している。セラミックヒータ１００は、後述する接続端子１３０がヒータリード線１２ｂ、１２ｃと接続され、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃからの電力の供給により、固体電解質体２１を加熱する。
【００４０】
Ａ２．セラミックヒータの構成：
図２はセラミックヒータを示す斜視図である。図３はセラミックヒータの内部構成を示す分解斜視図である。図２に示すように、丸棒状（本実施例では、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍ）のセラミック基体１０２に、接続端子１３０を固定することによって、セラミックヒータ１００が形成されている。図１に示すように、セラミックヒータ１００は、酸素検出素子２０に内挿されて、酸素検出素子２０を加熱する。なお、セラミックヒータ１００の長手方向の両端側のうち、発熱部分を備える側（図２左側）を「先端側」とし、これと反対側を「後端側」として説明する。
【００４１】
セラミックヒータ１００は、セラミック基体１０２と、電極パッド１２１と、接続端子１３０とを備える。図３に示すように、セラミック基体１０２は、丸棒状（円柱形状）のアルミナセラミック製の碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０，１４６が巻き付けられ、これらを焼成することにより製造される。
【００４２】
グリーンシート１４０上には、発熱抵抗体１４１（ヒータパターン）が形成されている。発熱抵抗体１４１は、発熱部１４２と、発熱部１４２の両端にそれぞれ接続される一対のリード部１４３（陽極と陰極）とを備える。発熱抵抗体１４１の材料としては、タングステンやモリブデン等の種々の導電材料を採用可能である。グリーンシート１４０の後端側には、各リード部１４３毎に２個のスルーホール１４４が設けられている。スルーホール１４４を介して、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される電極パッド１２１は、リード部１４３と、電気的に接続される。
【００４３】
グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される面に圧着されている。グリーンシート１４６の、この圧着面と反対側の面には、アルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０，１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周から内向きに押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミック基体１０２が形成される。
【００４４】
図２、図３に示すように、陽極側の電極パッド１２１と陰極側の電極パッド１２１との２つの電極パッド１２１が、セラミック基体１０２の表面に形成されている。これらの電極パッド１２１は、グリーンシート１４０の外面におけるスルーホール１４４の形成された位置に、それぞれ設けられている。陽極側と陰極側とのそれぞれにおけるリード部１４３−電極パッド１２１間の導通は、スルーホール１４４の内部に充填されている導電性ペーストを介して行われる。
【００４５】
図４は、セラミック基体１０２の正面図である。この正面図は、セラミック基体１０２の中心軸ＣＸとは垂直な方向（以下、積層方向ＮＤとも言う（後述の図６参照））に沿ってセラミック基体１０２を見た図を示している。長手方向ＦＤは、中心軸ＣＸと平行な方向である。短手方向ＴＤは、長手方向ＦＤと積層方向ＮＤとの両方と垂直な方向を示している。なお、この正面図は、セラミックヒータに配置される２つの電極パッド１２１のうち、１つの電極パッド１２１の正面図を示している。
【００４６】
図５は、セラミックヒータ１００の正面図である。この正面図は、図４に示すセラミック基体１０２に接続端子１３０が固定された状態を示している。接続端子１３０は、中心軸ＣＸと平行に延びるように配置されて、接合端部１３３が、ロウ付けによって、電極パッド１２１に固定されている。
【００４７】
図６は、セラミックヒータ１００の側面図である。この側面図は、図４、図５に示す正面図とは中心軸ＣＸに対して９０度回転させた方向から見た図である（短手方向ＴＤに沿って見た図）。
【００４８】
図７は、図５に示すＡ−Ａ断面（中心軸ＣＸを含む断面）を示し、図８は、図５に示すＢ−Ｂ断面（中心軸ＣＸと垂直な断面）を示している。図７、図８は、いずれも、１つの電極パッド１２１の近傍を示している。図示するように、電極パッド１２１は、セラミック基体１０２の表面上に形成されている。また、電極パッド１２１は、スルーホール１４４を介して、リード部１４３と接続されている。
【００４９】
図４、図７、図８に示すように、電極パッド１２１は、セラミック基体１０２に接する第１層１２１ａと、第１層１２１ａ上に積層される第２層１２１ｂとを含んでいる。
【００５０】
第１層１２１ａの主成分は、タングステンである。また、第１層１２１ａは、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料であるアルミナ（酸化アルミニウム）を含んでいる。第１層１２１ａに含まれるアルミナの含有量は、２〜２０ｗｔ％の範囲内に設定されることが好ましい。こうすれば、第１層１２１ａの導電性を過剰に下げることなく、第１層１２１ａとセラミック基体１０２との密着性を向上させることができる。その結果、第１層１２１ａがセラミック基体１０２から剥がれることを抑制できる。本実施例では、第１層１２１ａは、９０ｗｔ％Ｗ（タングステン）−１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３を用いている。
【００５１】
同様に、第２層１２１ｂの主成分は、タングステンである。そして、第２層１２１ｂにも、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料であるアルミナを含んでいる。ただし、第２層１２１ｂに含まれるアルミナの含有量は、第１層１２１ａに含まれるアルミナの含有量よりも小さい値に設定される。アルミナの含有量が小さいと、ロウ材が第２層１２１ｂに含浸しやすくなる。その結果、第２層１２１ｂと、ロウ材との密着性を向上させることができる。なお、第２層１２１ｂにおけるアルミナの含有量は、０〜１０ｗｔ％の範囲内に設定されることが好ましい。このように、第２層１２１ｂには、アルミナが含まれていなくてもよい。この場合も、第１層１２１ａに含有されるセラミック材料の含有量が第２層１２１ｂでの含有量よりも多い、ということができる。本実施例では、第２層１２１ａは、１００ｗｔ％Ｗ（タングステン）を用いている。
【００５２】
以上のように、本実施例では、セラミック基体１０２から遠いほど、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料の含有量が小さくなるような、多層構造の電極パッド１２１を採用している。これにより、電極パッド１２１とセラミック基体１０２との密着性が向上し、また、電極パッド１２１と接合部１２４との密着性も向上する。
【００５３】
次に、各層１２１ａ、１２１ｂの形状について説明する。図４に示すように、本実施例では、積層方向ＮＤに沿って見た第１層１２１ａの形状は、高さｔ１が５．０ｍｍで、幅ｗ１が２．４ｍｍの略矩形状である（高さは長手方向ＦＤ方向の長さを示し、幅は短手方向ＴＤの長さを示している。また、４隅は丸められている）。また、積層方向に沿って見た第２層１２１ｂの形状は、高さｔ２が３．２ｍｍで、幅ｗ２が２．２ｍｍの略矩形状である（４隅は丸められている）。
【００５４】
図４に示すように、電極パッド１２１の積層方向に沿って見たときに、第１層１２１ａの輪郭は、全周において、第２層１２１ｂの輪郭の外側にある。すなわち、第２層１２１ｂの輪郭の全体は、第１層１２１ａの輪郭よりも内側に含まれている。その結果、第２層１２１ｂの面積は、第１層１２１ａの面積よりも小さく、第２層１２１ｂの周りには、全周において、第１層１２１ａが露出している。これにより、第２層１２１ｂが直接セラミック基体１０２上に設けられることが無く、第２層１２１ｂの縁の全体を第１層１２１ａと強固に接合させることができるので、第２層１２１ｂが第１層１２１ａから剥がれることを抑制できる。
【００５５】
また、図４に示すように、第２層１２１ｂの重心ＣＧが、第１層１２１ａの重心ＰＰよりも後端側に設けられている。すなわち、第２層１２１ｂが第１層１２１ａに対して後端側にずらして配置されている。これにより、接合部１４２及び接続端子１３０を発熱部１４２からより離すことができ、熱による劣化を抑制することができる。
【００５６】
図５、図６には、接続端子１３０が示されている。接続端子１３０は、ニッケルを用いた合金で形成されている。接続端子１３０は、接続部１３４と、接続部１３４の一端に設けられた接合端部１３３と、接続部１３４の他端に設けられた加締部１３５と、を有している。図６に示すように、接続部１３４の一端は、積層方向にステップ状に折り曲げられ、そして、接合端部１３３に接続されている。図５に示すように、接合端部１３３は、第２層１２１ｂのほぼ中央に配置されて、ロウ付けされる。また、接合端部１３３の長さＬ１（図７）は、本実施例では、２．０ｍｍである。
【００５７】
加締部１３５は、接続部１３４よりも幅の広い平板を用いて形成されている。接続部１３４と加締部１３５との接続部分は、接続部１３４の長手方向を軸として略直角にひねるようにねじまげられている。加締部１３５の両端は、同じ側に折り曲げられている。２つの加締部１３５は、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃの芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
【００５８】
さらに、図５、図６、図７、図８に示すように、第２層１２１ｂ及び第１層１２１ａには、接続端子１３０が、ロウ付けによって、固定されている。ロウ付けによって、接続端子１３０と第２層１２１ｂとを接合する接合部１２４が形成される。接合部１２４は、ロウ材が固化したものである。本実施例では、ロウ材として、Ａｕ−Ｃｕ合金（金と銅との合金）が利用されている。
【００５９】
図７、図８には、ロウ付けの詳細図が示されている。接合端部１３３は、電極パッド１２１（第２層１２１ｂ）に対してほぼ平行となるように、配置される。接合端部１３３は、第２層１２１ｂと接触してもよく、また、これらの部材１３３、１２１ｂの間に隙間があいていてもよい（本実施例では、隙間Ｌ２は０〜０．５ｍｍの範囲内に設定される）。
【００６０】
図７、８に示すように、接合端部１３３の表面のうちの、第２層１２１ｂと対向する表面ＦＳと、表面ＦＳと隣接する表面Ｓ１〜Ｓ４とが、接合部１２４と接触している。そして、接合部１２４は、接合端部１３３から第２層１２１ｂ及び第１層１２１ａに向かって、フィレット形状にてロウ材が広がっている。
【００６１】
このように、接合部１２４が、第２層１２１ｂを超えて第１層１２１ａの表面上まで設けられていることで、接合部１２４と電極パッド１２１との接合面積が増え、接合部１２４と電極パッド１２１とを強固に接合することができる。さらに、接合部１２４は、第２層１２１ｂを覆うように設けられている。これにより、外部からの衝撃等が第２層１２１ｂに直接加わることを抑制でき、第２層１２１ｂが第１層１２１ａから分離することを防止できる。
【００６２】
なお、図５、図６に示すように、接合部１２４は第１層１２１ａの表面上の少なくとも一部を外部に露出するように設けられている。つまり、第１層１２１ａの一部の表面上に接合部１２４が設けられていない。
【００６３】
また、図７、図８に示すように、第１層１２１ａの表面上に設けられる接合部１２４の体積を、第２層１２１ｂの表面上に設けられる接合部１２４の体積よりも少なくしている。これにより、第１層１２１ａ中のセラミック材が接合部１２４に含侵することを抑制でき、セラミック基体１０２と第１層１２１ａの密着性を維持しつつ、接合部１２４と電極パッド１２１との密着性も向上できる。
【００６４】
なお、本実施例では、第１層１２１ａの厚さＬ３は３０μｍであり、第２層１２１ｂの厚さＬ４は２５μｍである（図７）。このように、第１層１２１ａの厚さは、第２層１２１ｂの厚さよりも、厚い。これにより、全く異なる異種材料である第１層１２１ａとセラミック基体１０２との密着性を十分に維持でき、第１層１２１ａがセラミック基体１０２から剥がれることも抑制される。一方、第２層１２１ｂを第１層１２１ａよりも薄くすることで、自身の応力が削減でき、第２層１２１ｂと第１層１２１ａとの密着性、及び第２層１２１ｂと接合部１２４との密着性をより向上できる。
【００６５】
なお、セラミックヒータ１００には、２組（陽極と陰極）の電極パッド１２１と接続端子１３０とが設けられている。電極パッド１２１の構成と、電極パッド１２１と接続端子１３０との接合状態とは、各組の間で同じである。接続端子１３０の構成は、加締部１３５の向きを除いて、各組の間で同じである。
【００６６】
以上のように、第１実施例によれば、セラミック基体１０２と第１層１２１ａとの分離と、第１層１２１ａと第２層１２１ｂとの分離と、第２層１２１ｂと接合部１２４との分離と、第２層１２１ｂと接続端子１３０との分離と、がそれぞれ抑制されている。これらにより、接続端子１３０とセラミック基体１０２との分離を抑制することができる。
【００６７】
なお、本実施例では、セラミック基体１０２と電極パッド１２１と接合部１２４と接続端子１３０との全体が、特許請求の範囲における「セラミック接合体」に相当する。
【００６８】
なお、セラミックヒータ１００の製造方法としては、周知の種々の方法を採用可能である。例えば、以下の方法を採用可能である。先ず、図３の発熱抵抗体１４１と電極パッド１２１とを、導電材料を含むインクをグリーンシート１４０の表面に塗布することによって、形成する。インク塗布の技術としては、スクリーン印刷といった種々の技術を採用可能である。ここで、第１層１２１ａをグリーンシート１４０上に形成し、その後で、第２層１２１ｂを第１層１２１ａ上に形成してよい。スルーホール１４４の内部には、導電性のペーストを充填する。次に、グリーンシート１４０にグリーンシート１４６を積層する。次に、積層されたシート１４０、１４６を、碍管１０１に巻き付けることによって、焼成前のセラミック基体１０２を形成する。次に、焼成によって、セラミック基体１０２を形成する。次に、電極パッド１２１に、ロウ付けによって、接続端子１３０を固定する。ロウ付けの方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、まず、接合端部１３３を第２層１２１ｂと対向する位置に配置する。次に、接合端部１３３と第２層１２１ｂとを覆うように、加熱によって溶融したロウ材を流す。そして、冷却によってロウ材を固化させることによって、接続端子１３０を電極パッド１２１に固定する。なお、ロウ付けの前に、第２層１２１ｂの表面をニッケル等の金属でメッキしてもよい。こうすれば、ロウ材が第２層１２１ｂに含浸することを促進することができる。
【００６９】
また、ガスセンサ１０の製造方法としても、周知の種々の方法を採用可能である。
【００７０】
Ｂ．第２実施例：
図９、図１０は、セラミックヒータの別の実施例を示す説明図である。図５、図６に示す第１実施例との差違は、３点ある。第１の差違は、接続端子１３０ａの形状が、第１実施例の接続端子１３０の形状とは異なっている点である。第２の差違は、第２層１２１ｃの形状が、第１実施例の第２層１２１ｂの形状と異なっている点である（以下、第１層１２１ａと第２層１２１ｃとを有する電極パッドを、電極パッド１２１Ｘと呼ぶ）。第３の差違は、接続端子１３０ａと電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）との接合部１２４ａの形状が、第１実施例での接合部１２４の形状と、異なっている点である。他の構成は、第１実施例の構成と同じである。なお、図９は、図５と同様の正面図を示し、図１０は、図６と同様の側面図を示している。
【００７１】
セラミック基体１０２と電極パッド１２１Ｘとの構成は、図２〜図４に示す第１実施例のセラミック基体１０２と電極パッド１２１の構成と、それぞれ、同様である。従って、第２実施例のセラミックヒータ１００ａは、第１実施例のセラミックヒータ１００と同様の種々の利点を有する。
【００７２】
接続端子１３０ａは、中心軸ＣＸと平行に延びるように配置されて、接合端部１３３ａが、ロウ付けによって、電極パッド１２１Ｘに固定される。このセラミックヒータ１００ａは、第１実施例のセラミックヒータ１００の代わりに利用可能である。
【００７３】
第２実施例では、接続端子１３０ａは、接続部１３４ａと、接続部１３４ａの一端に設けられた接合端部１３３ａと、接続部１３４ａの他端に設けられた加締部１３５ａと、を有している。接合端部１３３ａと接続部１３４ａとは、厚さＬ６（図９）が０．３ｍｍの平板を用いて、形成されている。図１０に示すように、接合端部１３３ａと接続部１３４ａとの全体の形状は、Ｌ字状である。接合端部１３３ａは、長さＬ５（図１１）が２．０ｍｍの矩形平板である。接続部１３４ａの１つの長辺と、接合端部１３３ａの１つの長辺とは、共通のラインＬＳ上にある。そして、接合端部１３３ａのラインＬＳとは反対側の端部１３３ａｐは、接続部１３４ａから見て突出している。
【００７４】
この突出した部分１３３ａｐが、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）と向かい合うように、接続端子１３０ａが配置される（図１０）。接合端部１３３ａは、第２層１２１ｃのほぼ中央に配置される（図９）。後述するように、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ垂直となるように、配置される。この状態で、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に、ロウ付けされる。
【００７５】
接続部１３４ａの他端には、加締部１３５ａが接続されている。加締部１３５ａの構成は、図５、図６に示す加締部１３５と同じである。２つの加締部１３５ａは、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃの芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１（図３）とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
【００７６】
図１１、図１２には、ロウ付けの詳細が示されている。図１１は、図９のＣ−Ｃ断面（中心軸ＣＸを通る断面）を示し、図１２は、図９のＤ−Ｄ断面（中心軸ＣＸと垂直な断面）を示している。図１１、図１２は、いずれも、１つの電極パッド１２１Ｘの近傍を示している。
【００７７】
第２層１２１ｃには、接続端子１３０ａが、ロウ付けによって、固定されている。ロウ付けによって、接続端子１３０ａと第２層１２１ｃとを接合する接合部１２４ａが形成される。この接合部１２４ａは、ロウ材が固化したものである。
【００７８】
図１１、図１２に示すように、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ垂直となるように、配置される（すなわち、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘの積層方向と、ほぼ平行である）。接合端部１３３ａの表面のうちの第２層１２１ｃと対向する面は、端部１３３ａｐの表面ＦＳａである。表面ＦＳａは、接合端部１３３ａの長辺と、接合端部１３３ａの厚さ方向と、の両方と平行な面である。この表面ＦＳａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ平行である。接合端部１３３ａは、第２層１２１ｃと接触してもよく、また、これらの部材１３３ａ、１２１ｃの間に隙間があいていてもよい（本実施例では、隙間Ｌ２は０〜０．２ｍｍの範囲内に設定される）。
【００７９】
図示するように、接合端部１３３ａの表面のうちの、表面ＦＳａと、表面ＦＳａと隣接する表面Ｓ１ａ〜Ｓ４ａとが、接合部１２４ａと接触している。そして、接合部１２４ａは、接合端部１３３ａから第２層１２１ｃの周縁に向かって、フィレット形状にてロウ材が広がっている。
【００８０】
図１３は、接合端部１３３ａと電極パッド１２１Ｘとの接合の様子を示す説明図である。図１３には、図９における電極パッド１２１Ｘの近傍の拡大図が示されている。図中には、接続端子１３０ａの一部と電極パッド１２１Ｘとの正面図が示されている。
【００８１】
ハッチングが付された領域ＣＡは、接触表面部分ＣＡを示している。接触表面部分ＣＡは、接続端子１３０ａの表面のうちの接合部１２４ａ（図１１、図１２）と接触する部分を意味している。本実施例では、図１１、図１２に示す表面ＦＳａ、Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａの全体のうちの接合部１２４ａと接触している部分が、接触表面部分ＣＡに相当する。
【００８２】
本実施例では、電極パッド１２１Ｘの積層方向ＮＤに沿って見たときには、接触表面部分ＣＡは、矩形領域である。接触表面部分ＣＡの幅（短手方向ＴＤの長さ）Ｌ６は０．３ｍｍであり、高さＬ５（先端方向ＦＤの長さ）は２．０ｍｍである。また、第２層１２１ｃの幅ｗ３は１．５ｍｍであり、高さｔ３は３．２ｍｍである。この接触表面部分ＣＡは、第２層１２１ｃのほぼ中央に配置されている。その結果、第２層１２１ｃは、接触表面部分ＣＡの全周において、外に向かって０．６ｍｍ突出している。
【００８３】
つまり、電極パッド１２１Ｘの積層方向ＮＤに沿って見たときに、第２層１２１ｃの輪郭は、全周において、接触表面部分ＣＡの輪郭の外側にあり、長手方向ＦＤに垂直な短手方向ＴＤにおける第２層１２１ｃの輪郭と接触表面部分ＣＡの輪郭との間の最短距離（本実施例では０．６ｍｍ）が、接触表面部分ＣＡの短手方向ＴＤの最大長さ（本実施例では０．３ｍｍ）以上である。これらの結果、接触表面部分ＣＡの全周に亘って、ロウ材が広がるための十分なスペースを、第２層１２１ｃ上に確保できる。従って、接合部１２４ａ（図１１、図１２）と第２層１２１ｃとの密着性を高めることができる。また、接合部１２４ａを第２層１２１ｃ上に過剰に厚く設ける必要が無く、接合端子１３０ａと電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）とを接合することができる。その結果、接合部１２４ａの応力で第２層１２１ｃが剥離することを抑制できる。なお、短手方向ＴＤにおける第２層１２１ｃの輪郭と接触表面部分ＣＡの輪郭との間の距離は、長手方向ＦＤの位置に応じて変化してもよい。同様に、接触表面部分ＣＡの短手方向ＴＤの長さも、長手方向ＦＤの位置に応じて変化してもよい。
【００８４】
なお、セラミックヒータ１００ａには、２組（陽極と陰極）の電極パッド１２１Ｘと接続端子１３０ａとが設けられている。電極パッド１２１Ｘの構成と、電極パッド１２１Ｘと接続端子１３０ａとの接合状態とは、各組の間で同じである。接続端子１３０ａの構成は、加締部１３５ａの向きを除いて、各組の間で同じである。
【００８５】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８６】
上述の各実施例において、セラミック基体の構成としては、図２〜４に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、形状としては、円柱形状に限らず、任意の形状を採用可能である。例えば、平板形状を採用してもよい。また、セラミック基体の材料としては、アルミナに限らず、種々のセラミック材料を採用可能である。例えば、ムライトやスピネルを採用してもよい。
【００８７】
上述の各実施例において、電極パッドの構成としては、種々の構成を採用可能である。例えば、第１層１２１ａの形状としては、矩形に限らず、楕円や多角形等の任意の形状を採用可能である。第２層１２１ｂ、１２１ｃの形状としても、同様に、任意の形状を採用可能である。また、第１層の厚さと第２層の厚さとのそれぞれとしては、図７で説明した値とは異なる値を採用可能である。また、第１層の厚さが、第２層の厚さよりも、薄くてもよい。
【００８８】
また、電極パッドの第１層の主成分としては、タングステンに限らず、モリブデン等の種々の導体材料を採用可能である。第２層の主成分についても、同様である。
【００８９】
上述の各実施例において、接続端子の構成としては、図５〜図８に示す構成や、図９〜図１３に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、部材１３３、１３４（図５、図６）や部材１３３ａ、１３４ａ（図９、図１０）の形成に、平板の代わりに丸棒を用いてもよい。また、図６に示す実施例において、ステップ状の屈曲を省略してもよい。また、図１０に示す実施例において、接続部１３４ａが、厚み方向にステップ状に折り曲げられてもよい。また、加締部１３５、１３５ａが省略されてもよい。また、接続端子が、セラミック基体の表面と平行な方向に延びる代わりに、セラミック基体の表面と垂直な方向に延びてもよい。
【００９０】
また、接続端子の材料としては、ニッケルを用いた合金に限らず、銅や鉄やそれらの合金等の種々の導体材料を採用可能である。
【００９１】
上述の各実施例において、接続端子と電極パッド（第２層）との接合の構成としては、図５〜図８に示す構成や、図９〜図１３に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、図５、図６に示す接続端子１３０を利用する場合に、接合端部１３３を、電極パッド１２１（第２層１２１ｂ）とほぼ垂直となるように、配置してもよい。また、図９〜図１２において、接合部１２４ａが、第２層１２１ｃを超えて第１層１２１ａまで広がってもよい。
【００９２】
なお、接合に利用されるロウ材としては、Ａｕ−Ｃｕ合金に限らず、種々の導体材料（例えば、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀））を採用可能である。
【００９３】
上述の各実施例において、セラミックヒータを有するガスセンサとしては、図１に示す酸素センサに限らず、特定のガス成分の検知、あるいは、特定のガス成分の濃度の測定を行う種々のガスセンサを採用可能である。例えば、空燃比センサを採用してもよく、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するセンサを採用してもよい。また、セラミックヒータを有する装置としては、ガスセンサに限らず、種々の装置を採用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…ガスセンサ
１１…主体金具
１１ｃ…六角部
１１ｄ…接続部
１２ｂ…ヒータリード線
１３…インシュレータ
１４…セラミック粉末
１５…プロテクタ
１５ａ…外側プロテクタ
１５ｂ…内側プロテクタ
１６…金属外筒
１７…グロメット
１８…セパレータ
１９…センサ出力リード線
１９ｂ…センサ出力リード線
２０…酸素検出素子
２０ｆ…係合フランジ部
２０ｋ…後端
２０ｓ…先端
２１…固体電解質
３０…内側端子部材
３１…コネクタ部
３２…セパレータ挿入部
３２ｄ…セパレータ当接部
３３…挿入部
３６…ヒータ押圧部
４０…外側端子部材
４１…外嵌部
４２…セパレータ挿入部
４２ｄ…セパレータ当接部
４３…コネクタ部
８１…金属製パッキン
８５…フィルタ
８６…金属パイプ
１００、１００ａ…セラミックヒータ
１０１…碍管
１０２…セラミック基体
１０６…外側電極
１０８…内側電極
１２１、１２１Ｘ…電極パッド
１２１ａ…第１層
１２１ｂ、１２１ｃ…第２層
１２４、１２４ａ…接合部
１３０、１３０ａ…接続端子
１３３、１３３ａ…接合端部
１３３ａｐ…端部
１３４、１３４ａ…接続部
１３５、１３５ａ…加締部
１４０…グリーンシート
１４１…発熱抵抗体
１４２…発熱部
１４３…リード部
１４４…スルーホール
１４６…グリーンシート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック接合体、セラミックヒータおよびガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸素センサ等の固体電解質体を用いるガスセンサにおいて、固体電解質体を加熱するためにセラミックヒータが配置されている。このセラミックヒータとしては、アルミナ等のセラミック基体中にタングステンやモリブデン等の金属からなる発熱抵抗体を埋設したものが広く用いられている。さらに、セラミック基体の外表面には、発熱抵抗体と電気的に接続された電極パッドが設けられている。この電極パッドには発熱抵抗体に外部から電圧を印加するための金属製の接続端子がろう付けを介して接合されている。
【０００３】
そして、セラミック基体、電極パッド、ろう材といった異種材料を接合するために、セラミック基体の主成分であるセラミック材料を相対的に多く含む第１層と、セラミック材料を相対的に少なくすると共に、電極パッドと接続端子とを接合するろう材の成分を含浸させる第２層とを、含む２層の電極パッド用いる技術も利用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、第１層上に第２層を形成する際、第１層と第２層とが略同一の大きさであれば、第２層が第１層からずらされて形成される（つまり、第２層が第１層の輪郭からはみ出して形成される）ことがある。すると、ずらされた第２層の部位は第１層上に設けられず、直接セラミック基体上に設けられることになる。すると、第１層及びろう材との密着性を考慮した第２層は、セラミック基体との密着性が第１層に比べて低いため、セラミック基体から剥離し、更には、その剥離した第２層の部位を起点に第２層全体が剥離してしまう虞がある。つまり、セラミック基体と接続端子とが分離してしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、セラミック基体と接続端子との分離を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［適用例１］長手方向に延びるセラミック基体と、前記セラミック基体の表面に設けられたタングステン又はモリブデンを主成分とする電極パッドと、外部回路と電気的に接続する接続端子と、前記電極パッドと前記接続端子とをろう付け接合にて連結する接合部と、を備えるセラミック接合体において、前記電極パッドは、前記セラミック基体と接する第１層と、前記第１層の表面上に積層されるとともに前記接合部と接する第２層と、を含み、前記第１層及び前記第２層には、前記セラミック基体に用いられるセラミック材料のうち、主成分となるセラミック材料を含有し、且つ前記第１層に含有される前記セラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多く、前記第１層の輪郭は、全周において、前記第２層の輪郭の外側にある、ことを特徴とする、セラミック接合体。
【０００８】
この構成によれば、第１層の輪郭が、全周において、第２層の輪郭の外側にあるように第２層が設けられることで、第２層が第１層の輪郭からはみ出して形成されることがない。よって、第２層が直接セラミック基体上に設けられることが無く、第２層の縁の全体を第１層と強固に接合させることができ、剥離を抑制できる。よって、セラミック基体と接続端子との分離を防止することができる。
なお、第１層の輪郭が、全周において、第２層の輪郭の外側にあるように第２層を第１層上に設けるためには、電極パッドの積層方向に沿って見たときに、第１層の面積よりも第２層の面積を小さくすることにより実現可能である。また、輪郭の位置関係を確認する場合には、電極パッドの積層方向に沿って、第１層と第２層とを見ればよい。具体的には、輪郭の各部分を、その部分における電極パッドの積層方向に沿って観察すればよい。
また、「主成分」とはその構成に含まれる材料が５０ｗｔ％以上の材料のことをさす。つまり、「タングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とする電極パッド」とは、電極パッドに含まれる材料のうち、タングステン及びモリブデンの合計含有量（一方が含まれない場合には他方の含有量）が５０ｗｔ％以上含有することをさす。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載のセラミック接合体であって、前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さよりも厚い、セラミック接合体。
【００１０】
第２層は、金属を主成分とするろう材や、金属を主成分とする第１層と接合するのに対し、第１層は、セラミックからなるセラミック基体と接合することになる。その結果、主成分が異種材料となる第１層とセラミック基体との密着性が他の接合箇所に比べて最も弱くなる。また、第１層は、第２層や接合部からの応力を受けることになり、接合部のみの応力を受ける第２層に対してより多くの応力を受けることになる。これに対し、第１層を第２層よりも厚くすることで、第１層とセラミック基体との密着性を十分に維持できる。なお、第１層は２０μｍ以上であることが好ましい。一方、第２層を第１層よりも薄くすることで、自身の応力が削減でき、第２層と第１層との密着性、及び第２層と接合部との密着性をより向上できる。
【００１１】
[適用例３]適用例１または適用例２に記載のセラミック接合体であって、前記接合部は、前記第２層を超えて前記第１層の表面上まで設けられている、セラミック接合体。
【００１２】
この構成によれば、接合部が第１層まで広がるため、接合部と電極パッド（第１層と第２層とを含めた）とを強固に接合させることができ、セラミック基体と接続端子との分離をより防止することができる。
さらに、接合部が第２層を覆うように設けられることが好ましい。これにより、第２層が外部に露出することがなくなるため、外部からの衝撃等が第２層に直接加わることを抑制でき、第２層が第１層から分離することを防止できる。
【００１３】
[適用例４]適用例３に記載のセラミック接合体であって、前記第１層の表面上に設けられる接合部の体積は、前記第２層の表面上に設けられる接合部の体積よりも少ない、セラミック接合体。
【００１４】
第１層にはセラミック基体との密着性を向上させるために、第２層よりも多くのセラミック材料が含有されている。これに対し、接合部が第１層まで広がることで、接合部と電極パッド（第１層と第２層とを含めた）とを強固に接合させることができるものの、第１層中のセラミック材料が接合部中に含侵することとなり、セラミック基体と第１層との密着性が低下することがある。そこで、適用例３の構成とすることで、第１層中のセラミック材料が接合部中に含侵することを抑制することができ、セラミック基体と第１層との密着性を維持できる。一方、第１層よりもセラミック材料が少ない第２層の表面上には、より多くの接合部を設けることで電極パッドと接合部との密着性を向上することができる。
なお、「第２層の表面上に設けられる接合部の体積」は、第２層の輪郭から第２層に対して垂直方向に延ばした範囲内に位置する接合部の体積のことを指し、「第１層の表面上に設けられる接合部の体積」は、上記範囲外に位置する接合部の体積のことをさす。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし適用例４に記載のセラミック接合体であって、前記電極パッドの積層方向に沿って見たときに、前記第２層の輪郭は、全周において、前記接続端子の表面のうちの前記接合部と接する接触表面部分の輪郭の外側にあり、前記長手方向に垂直な短手方向における前記第２層の輪郭と前記接触表面部分の輪郭との間の最短距離は、前記接触表面部分の前記短手方向の最大長さ以上である、セラミック接合体。
【００１６】
この構成によれば、積層方向に沿って見たときに、第２層の輪郭が、全周において、接触表面部分の輪郭の外側にあり、そして、第２層の輪郭と接触表面部分の輪郭との間の最短距離が、接触表面部分の短手方向の最大長さ（最大幅）以上であるので、接合部を第２層の表面上に過剰に厚くせずに広げることができ、接続端子と電極パッド（第２層）とを接合することができる。その結果、接合部の応力で第２層が剥離することを抑制でき、セラミック基体と接続端子との分離を抑制することができる。
【００１７】
さらに、第２層の輪郭と接触表面部分の輪郭との間の最短距離が、接触表面部分の短手方向の最大長さ（最大幅）の２倍の長さ以上であることが好ましい。こうすれば、ロウ材が広がるためのより広いスペースを、第２層上に確保することができる。その結果、接合部と第２層との密着性をさらに高めることができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載のセラミック接合体と、前記セラミック基体の先端側内部に設けられるとともに、前記電極パッドに接続された発熱部と、を備えるセラミックヒータ。
【００１９】
適用例１から適用例５までのセラミック接合体をセラミックヒータとして実現することが可能となる。
【００２０】
[適用例７]適用例６に記載のセラミックヒータであって、前記第２層の重心は、前記第１層の重心よりも後端側に設けられている、セラミックヒータ。
【００２１】
この構成によれば、第２層が第１層の後端側に形成されるので、接合部及び接続端子を先端側の発熱部からより離すことができ、熱による劣化を抑制することができる。
なお、第２層の重心を、第１層の重心よりも後端側に設けるためには、第２層を第１層に対して後端側にずらすことにより実現可能である。
【００２２】
［適用例８］先端が閉じた有底筒状の固体電解質、該固体電解質の外周面に配置された外側電極、及び該固体電解質の内周面に配置された内側電極を備えるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子内に挿入配置されるヒータと、を有するガスセンサであって、前記ヒータが、適用例６または適用例７に記載のセラミックヒータであるガスセンサ。
【００２３】
適用例６または適用例７のセラミックヒータとガスセンサ素子とを備えるガスセンサとして実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ガスセンサの構成を示す断面図である。
【図２】セラミックヒータを示す斜視図である。
【図３】セラミックヒータの内部構成を示す分解斜視図である。
【図４】セラミック基体１０２の正面図である。
【図５】セラミックヒータ１００の正面図である。
【図６】セラミックヒータ１００の側面図である。
【図７】Ａ−Ａ断面図である。
【図８】Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】セラミックヒータ１００ａの正面図である。
【図１０】セラミックヒータ１００ａの側面図である。
【図１１】Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１２】Ｄ−Ｄ断面図である。
【図１３】接合の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．ガスセンサの構成：
図１は、本発明の一実施例としてのガスセンサの構成を示す断面図である。ガスセンサ１０は、内燃機関の排気ガス中の酸素を検出する。ガスセンサ１０は、酸素検出素子２０と、主体金具１１と、内側端子部材３０と、外側端子部材４０と、セラミックヒータ１００と、を主に備える。
【００２７】
図１には、ガスセンサ１０の軸線ＡＸが示されている。以下、軸線ＡＸに沿って延びる部材の両端のうちの、固体電解質体２１が配置された端部（図１の下側）を先端と呼び、グロメット１７が配置された端部（図１の上側）を後端と呼ぶ。また、図中の長手方向ＦＤは、軸線ＡＸと平行な方向を示している（図１中の上下方向）。
【００２８】
酸素検出素子２０の形状は、軸線ＡＸに沿った軸線方向（図１中の上下方向）に延び、先端２０ｓ（図１下側）は閉じ、後端２０ｋ（図１上側）は開口する有底筒状である。酸素検出素子２０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の外周面の一部にメッキ等によって形成された外側電極１０６（図示せず）と、固体電解質体２１の内周面の一部にメッキ等によって形成された内側電極１０８（図示せず）とを備える。また、酸素検出素子２０の外周面において、軸線ＡＸ方向の中間部には、外側に突出する係合フランジ部２０ｆが設けられている。係合フランジ部２０ｆは、後述する主体金具１１と係合する。
【００２９】
主体金具１１は、酸素検出素子２０の外周の一部を包囲する筒状に形成されている。主体金具１１の内側には、金属製パッキン８１（図示せず）を介してインシュレータ１３が配置されている。このインシュレータ１３には、金属製パッキン８２（図示せず）を介して係合フランジ部２０ｆが係合している。さらに、インシュレータ１３の後端側にはタルク１４、インシュレータ１３ｂおよび金属製パッキン８３が配置され、主体金具１１の後端側にて加締められることで、酸素検出素子２０を主体金具１１の内側において、気密状態で保持している。
【００３０】
主体金具１１の先端側（図１の下側）には、プロテクタ１５が取り付けられている。プロテクタ１５は、主体金具１１の先端側開口部から突出する酸素検出素子２０の先端部を覆っている。プロテクタ１５は、外側プロテクタ１５ａと内側プロテクタ１５ｂの二重構造を備える。外側プロテクタ１５ａおよび内側プロテクタ１５ｂには、排気ガスを透過させる複数のガス透過口が形成されている（図示省略）。酸素検出素子２０の外側電極１０６には、プロテクタ１５のガス透過口を通して、排気ガスが供給される。
【００３１】
主体金具１１は、外周面に形成された六角部１１ｃの後端側（図１の上側）に、接続部１１ｄを備える。接続部１１ｄには、筒状の金属外筒１６の先端が、外側から全周レーザ溶接により、固定されている。金属外筒１６の後端側の開口には、フッ素ゴムで構成されたグロメット１７が、挿入されている。このグロメット１７は、金属外筒１６の後端の加締によって、固定されている。グロメット１７は、金属外筒１６のこの開口を、封止する。グロメット１７よりも先端側には、絶縁性のアルミナセラミックで形成されたセパレータ１８が配置されている。そして、グロメット１７およびセパレータ１８を貫通してセンサ出力リード線１９、１９ｂおよびヒータリード線１２ｂ、１２ｃが配置されている。なお、グロメット１７の中央には、軸線ＡＸに沿って貫通口が形成されており、この貫通口に金属パイプ８６が嵌め込まれている。金属パイプ８６には、撥水性および通気性を兼ね備えるシート状のフィルタ８５が被せられている。これにより、ガスセンサ１０の外部の大気は、フィルタ８５を介して金属外筒１６内に導入され、ひいては酸素検出素子２０の内部空間Ｇ内に導入される。
【００３２】
外側端子部材４０は、ステンレス鋼板からなる外嵌部４１とセパレータ挿入部４２とコネクタ部４３とを備える。セパレータ挿入部４２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部４２からは、セパレータ当接部４２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部４２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、外側端子部材４０は、セパレータ１８内に保持される。
【００３３】
セパレータ挿入部４２の後端には、コネクタ部４３が設けられている。コネクタ部４３は、センサ出力リード線１９ｂの芯線を加締により把持し、外側端子部材４０とセンサ出力リード線１９ｂとを電気的に接続する。
【００３４】
セパレータ挿入部４２の先端には、外嵌部４１が設けられている。外嵌部４１は、酸素検出素子２０の後端付近の外周を把持して、外側端子部材４０と酸素検出素子２０の外側電極１０６とを電気的に接続する。
【００３５】
内側端子部材３０は、ステンレス鋼板からなる挿入部３３とセパレータ挿入部３２とコネクタ部３１とを備える。セパレータ挿入部３２は、セパレータ１８内に挿入されている。このセパレータ挿入部３２からは、セパレータ当接部３２ｄが、分岐して突出する。セパレータ当接部３２ｄがセパレータ１８の内壁に弾性的に接触することによって、内側端子部材３０は、セパレータ１８内に保持される。
【００３６】
セパレータ挿入部３２の後端には、コネクタ部３１が設けられている。コネクタ部３１は、センサ出力リード線１９の芯線を加締により把持し、内側端子部材３０とセンサ出力リード線１９とを電気的に接続する。
【００３７】
セパレータ挿入部３２の先端には、挿入部３３が設けられている。挿入部３３は、酸素検出素子２０の内部に挿入される。挿入部３３は、自身の弾性力により、酸素検出素子２０の内周面に形成された内側電極１０８に押圧力を伴って接触する。これにより、挿入部３３は、酸素検出素子２０の内側電極１０８との電気的導通を保持している。
【００３８】
挿入部３３の先端には、ヒータ押圧部３６が設けられている。ヒータ押圧部３６は、セラミックヒータ１００の側面を、酸素検出素子２０の内周面に押しつける。
【００３９】
セラミックヒータ１００は、内部空間Ｇ内に配置され、内側端子部材３０によって保持されることにより姿勢を維持している。セラミックヒータ１００は、後述する接続端子１３０がヒータリード線１２ｂ、１２ｃと接続され、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃからの電力の供給により、固体電解質体２１を加熱する。
【００４０】
Ａ２．セラミックヒータの構成：
図２はセラミックヒータを示す斜視図である。図３はセラミックヒータの内部構成を示す分解斜視図である。図２に示すように、丸棒状（本実施例では、φ３ｍｍ、全長５０ｍｍ）のセラミック基体１０２に、接続端子１３０を固定することによって、セラミックヒータ１００が形成されている。図１に示すように、セラミックヒータ１００は、酸素検出素子２０に内挿されて、酸素検出素子２０を加熱する。なお、セラミックヒータ１００の長手方向の両端側のうち、発熱部分を備える側（図２左側）を「先端側」とし、これと反対側を「後端側」として説明する。
【００４１】
セラミックヒータ１００は、セラミック基体１０２と、電極パッド１２１と、接続端子１３０とを備える。図３に示すように、セラミック基体１０２は、丸棒状（円柱形状）のアルミナセラミック製の碍管１０１の外周に絶縁性の高いアルミナセラミック製のグリーンシート１４０，１４６が巻き付けられ、これらを焼成することにより製造される。
【００４２】
グリーンシート１４０上には、発熱抵抗体１４１（ヒータパターン）が形成されている。発熱抵抗体１４１は、発熱部１４２と、発熱部１４２の両端にそれぞれ接続される一対のリード部１４３（陽極と陰極）とを備える。発熱抵抗体１４１の材料としては、タングステンやモリブデン等の種々の導電材料を採用可能である。グリーンシート１４０の後端側には、各リード部１４３毎に２個のスルーホール１４４が設けられている。スルーホール１４４を介して、セラミックヒータ１００の外表面上に形成される電極パッド１２１は、リード部１４３と、電気的に接続される。
【００４３】
グリーンシート１４６は、グリーンシート１４０の発熱抵抗体１４１が形成される面に圧着されている。グリーンシート１４６の、この圧着面と反対側の面には、アルミナペーストが塗布され、この塗布面を内側にしてグリーンシート１４０，１４６が碍管１０１に巻き付けられて外周から内向きに押圧されることにより、セラミックヒータ成形体が形成される。その後、セラミックヒータ成形体が焼成されることにより、セラミック基体１０２が形成される。
【００４４】
図２、図３に示すように、陽極側の電極パッド１２１と陰極側の電極パッド１２１との２つの電極パッド１２１が、セラミック基体１０２の表面に形成されている。これらの電極パッド１２１は、グリーンシート１４０の外面におけるスルーホール１４４の形成された位置に、それぞれ設けられている。陽極側と陰極側とのそれぞれにおけるリード部１４３−電極パッド１２１間の導通は、スルーホール１４４の内部に充填されている導電性ペーストを介して行われる。
【００４５】
図４は、セラミック基体１０２の正面図である。この正面図は、セラミック基体１０２の中心軸ＣＸとは垂直な方向（以下、積層方向ＮＤとも言う（後述の図６参照））に沿ってセラミック基体１０２を見た図を示している。長手方向ＦＤは、中心軸ＣＸと平行な方向である。短手方向ＴＤは、長手方向ＦＤと積層方向ＮＤとの両方と垂直な方向を示している。なお、この正面図は、セラミックヒータに配置される２つの電極パッド１２１のうち、１つの電極パッド１２１の正面図を示している。
【００４６】
図５は、セラミックヒータ１００の正面図である。この正面図は、図４に示すセラミック基体１０２に接続端子１３０が固定された状態を示している。接続端子１３０は、中心軸ＣＸと平行に延びるように配置されて、接合端部１３３が、ロウ付けによって、電極パッド１２１に固定されている。
【００４７】
図６は、セラミックヒータ１００の側面図である。この側面図は、図４、図５に示す正面図とは中心軸ＣＸに対して９０度回転させた方向から見た図である（短手方向ＴＤに沿って見た図）。
【００４８】
図７は、図５に示すＡ−Ａ断面（中心軸ＣＸを含む断面）を示し、図８は、図５に示すＢ−Ｂ断面（中心軸ＣＸと垂直な断面）を示している。図７、図８は、いずれも、１つの電極パッド１２１の近傍を示している。図示するように、電極パッド１２１は、セラミック基体１０２の表面上に形成されている。また、電極パッド１２１は、スルーホール１４４を介して、リード部１４３と接続されている。
【００４９】
図４、図７、図８に示すように、電極パッド１２１は、セラミック基体１０２に接する第１層１２１ａと、第１層１２１ａ上に積層される第２層１２１ｂとを含んでいる。
【００５０】
第１層１２１ａの主成分は、タングステンである。また、第１層１２１ａは、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料であるアルミナ（酸化アルミニウム）を含んでいる。第１層１２１ａに含まれるアルミナの含有量は、２〜２０ｗｔ％の範囲内に設定されることが好ましい。こうすれば、第１層１２１ａの導電性を過剰に下げることなく、第１層１２１ａとセラミック基体１０２との密着性を向上させることができる。その結果、第１層１２１ａがセラミック基体１０２から剥がれることを抑制できる。本実施例では、第１層１２１ａは、９０ｗｔ％Ｗ（タングステン）−１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３を用いている。
【００５１】
同様に、第２層１２１ｂの主成分は、タングステンである。そして、第２層１２１ｂにも、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料であるアルミナを含んでいる。ただし、第２層１２１ｂに含まれるアルミナの含有量は、第１層１２１ａに含まれるアルミナの含有量よりも小さい値に設定される。アルミナの含有量が小さいと、ロウ材が第２層１２１ｂに含浸しやすくなる。その結果、第２層１２１ｂと、ロウ材との密着性を向上させることができる。なお、第２層１２１ｂにおけるアルミナの含有量は、０〜１０ｗｔ％の範囲内に設定されることが好ましい。このように、第２層１２１ｂには、アルミナが含まれていなくてもよい。この場合も、第１層１２１ａに含有されるセラミック材料の含有量が第２層１２１ｂでの含有量よりも多い、ということができる。本実施例では、第２層１２１ａは、１００ｗｔ％Ｗ（タングステン）を用いている。
【００５２】
以上のように、本実施例では、セラミック基体１０２から遠いほど、セラミック基体１０２の主成分のセラミック材料の含有量が小さくなるような、多層構造の電極パッド１２１を採用している。これにより、電極パッド１２１とセラミック基体１０２との密着性が向上し、また、電極パッド１２１と接合部１２４との密着性も向上する。
【００５３】
次に、各層１２１ａ、１２１ｂの形状について説明する。図４に示すように、本実施例では、積層方向ＮＤに沿って見た第１層１２１ａの形状は、高さｔ１が５．０ｍｍで、幅ｗ１が２．４ｍｍの略矩形状である（高さは長手方向ＦＤ方向の長さを示し、幅は短手方向ＴＤの長さを示している。また、４隅は丸められている）。また、積層方向に沿って見た第２層１２１ｂの形状は、高さｔ２が３．２ｍｍで、幅ｗ２が２．２ｍｍの略矩形状である（４隅は丸められている）。
【００５４】
図４に示すように、電極パッド１２１の積層方向に沿って見たときに、第１層１２１ａの輪郭は、全周において、第２層１２１ｂの輪郭の外側にある。すなわち、第２層１２１ｂの輪郭の全体は、第１層１２１ａの輪郭よりも内側に含まれている。その結果、第２層１２１ｂの面積は、第１層１２１ａの面積よりも小さく、第２層１２１ｂの周りには、全周において、第１層１２１ａが露出している。これにより、第２層１２１ｂが直接セラミック基体１０２上に設けられることが無く、第２層１２１ｂの縁の全体を第１層１２１ａと強固に接合させることができるので、第２層１２１ｂが第１層１２１ａから剥がれることを抑制できる。
【００５５】
また、図４に示すように、第２層１２１ｂの重心ＣＧが、第１層１２１ａの重心ＰＰよりも後端側に設けられている。すなわち、第２層１２１ｂが第１層１２１ａに対して後端側にずらして配置されている。これにより、接合部１４２及び接続端子１３０を発熱部１４２からより離すことができ、熱による劣化を抑制することができる。
【００５６】
図５、図６には、接続端子１３０が示されている。接続端子１３０は、ニッケルを用いた合金で形成されている。接続端子１３０は、接続部１３４と、接続部１３４の一端に設けられた接合端部１３３と、接続部１３４の他端に設けられた加締部１３５と、を有している。図６に示すように、接続部１３４の一端は、積層方向にステップ状に折り曲げられ、そして、接合端部１３３に接続されている。図５に示すように、接合端部１３３は、第２層１２１ｂのほぼ中央に配置されて、ロウ付けされる。また、接合端部１３３の長さＬ１（図７）は、本実施例では、２．０ｍｍである。
【００５７】
加締部１３５は、接続部１３４よりも幅の広い平板を用いて形成されている。接続部１３４と加締部１３５との接続部分は、接続部１３４の長手方向を軸として略直角にひねるようにねじまげられている。加締部１３５の両端は、同じ側に折り曲げられている。２つの加締部１３５は、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃの芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
【００５８】
さらに、図５、図６、図７、図８に示すように、第２層１２１ｂ及び第１層１２１ａには、接続端子１３０が、ロウ付けによって、固定されている。ロウ付けによって、接続端子１３０と第２層１２１ｂとを接合する接合部１２４が形成される。接合部１２４は、ロウ材が固化したものである。本実施例では、ロウ材として、Ａｕ−Ｃｕ合金（金と銅との合金）が利用されている。
【００５９】
図７、図８には、ロウ付けの詳細図が示されている。接合端部１３３は、電極パッド１２１（第２層１２１ｂ）に対してほぼ平行となるように、配置される。接合端部１３３は、第２層１２１ｂと接触してもよく、また、これらの部材１３３、１２１ｂの間に隙間があいていてもよい（本実施例では、隙間Ｌ２は０〜０．５ｍｍの範囲内に設定される）。
【００６０】
図７、８に示すように、接合端部１３３の表面のうちの、第２層１２１ｂと対向する表面ＦＳと、表面ＦＳと隣接する表面Ｓ１〜Ｓ４とが、接合部１２４と接触している。そして、接合部１２４は、接合端部１３３から第２層１２１ｂ及び第１層１２１ａに向かって、フィレット形状にてロウ材が広がっている。
【００６１】
このように、接合部１２４が、第２層１２１ｂを超えて第１層１２１ａの表面上まで設けられていることで、接合部１２４と電極パッド１２１との接合面積が増え、接合部１２４と電極パッド１２１とを強固に接合することができる。さらに、接合部１２４は、第２層１２１ｂを覆うように設けられている。これにより、外部からの衝撃等が第２層１２１ｂに直接加わることを抑制でき、第２層１２１ｂが第１層１２１ａから分離することを防止できる。
【００６２】
なお、図５、図６に示すように、接合部１２４は第１層１２１ａの表面上の少なくとも一部を外部に露出するように設けられている。つまり、第１層１２１ａの一部の表面上に接合部１２４が設けられていない。
【００６３】
また、図７、図８に示すように、第１層１２１ａの表面上に設けられる接合部１２４の体積を、第２層１２１ｂの表面上に設けられる接合部１２４の体積よりも少なくしている。これにより、第１層１２１ａ中のセラミック材が接合部１２４に含侵することを抑制でき、セラミック基体１０２と第１層１２１ａの密着性を維持しつつ、接合部１２４と電極パッド１２１との密着性も向上できる。
【００６４】
なお、本実施例では、第１層１２１ａの厚さＬ３は３０μｍであり、第２層１２１ｂの厚さＬ４は２５μｍである（図７）。このように、第１層１２１ａの厚さは、第２層１２１ｂの厚さよりも、厚い。これにより、全く異なる異種材料である第１層１２１ａとセラミック基体１０２との密着性を十分に維持でき、第１層１２１ａがセラミック基体１０２から剥がれることも抑制される。一方、第２層１２１ｂを第１層１２１ａよりも薄くすることで、自身の応力が削減でき、第２層１２１ｂと第１層１２１ａとの密着性、及び第２層１２１ｂと接合部１２４との密着性をより向上できる。
【００６５】
なお、セラミックヒータ１００には、２組（陽極と陰極）の電極パッド１２１と接続端子１３０とが設けられている。電極パッド１２１の構成と、電極パッド１２１と接続端子１３０との接合状態とは、各組の間で同じである。接続端子１３０の構成は、加締部１３５の向きを除いて、各組の間で同じである。
【００６６】
以上のように、第１実施例によれば、セラミック基体１０２と第１層１２１ａとの分離と、第１層１２１ａと第２層１２１ｂとの分離と、第２層１２１ｂと接合部１２４との分離と、第２層１２１ｂと接続端子１３０との分離と、がそれぞれ抑制されている。これらにより、接続端子１３０とセラミック基体１０２との分離を抑制することができる。
【００６７】
なお、本実施例では、セラミック基体１０２と電極パッド１２１と接合部１２４と接続端子１３０との全体が、特許請求の範囲における「セラミック接合体」に相当する。
【００６８】
なお、セラミックヒータ１００の製造方法としては、周知の種々の方法を採用可能である。例えば、以下の方法を採用可能である。先ず、図３の発熱抵抗体１４１と電極パッド１２１とを、導電材料を含むインクをグリーンシート１４０の表面に塗布することによって、形成する。インク塗布の技術としては、スクリーン印刷といった種々の技術を採用可能である。ここで、第１層１２１ａをグリーンシート１４０上に形成し、その後で、第２層１２１ｂを第１層１２１ａ上に形成してよい。スルーホール１４４の内部には、導電性のペーストを充填する。次に、グリーンシート１４０にグリーンシート１４６を積層する。次に、積層されたシート１４０、１４６を、碍管１０１に巻き付けることによって、焼成前のセラミック基体１０２を形成する。次に、焼成によって、セラミック基体１０２を形成する。次に、電極パッド１２１に、ロウ付けによって、接続端子１３０を固定する。ロウ付けの方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、まず、接合端部１３３を第２層１２１ｂと対向する位置に配置する。次に、接合端部１３３と第２層１２１ｂとを覆うように、加熱によって溶融したロウ材を流す。そして、冷却によってロウ材を固化させることによって、接続端子１３０を電極パッド１２１に固定する。なお、ロウ付けの前に、第２層１２１ｂの表面をニッケル等の金属でメッキしてもよい。こうすれば、ロウ材が第２層１２１ｂに含浸することを促進することができる。
【００６９】
また、ガスセンサ１０の製造方法としても、周知の種々の方法を採用可能である。
【００７０】
Ｂ．第２実施例：
図９、図１０は、セラミックヒータの別の実施例を示す説明図である。図５、図６に示す第１実施例との差違は、３点ある。第１の差違は、接続端子１３０ａの形状が、第１実施例の接続端子１３０の形状とは異なっている点である。第２の差違は、第２層１２１ｃの形状が、第１実施例の第２層１２１ｂの形状と異なっている点である（以下、第１層１２１ａと第２層１２１ｃとを有する電極パッドを、電極パッド１２１Ｘと呼ぶ）。第３の差違は、接続端子１３０ａと電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）との接合部１２４ａの形状が、第１実施例での接合部１２４の形状と、異なっている点である。他の構成は、第１実施例の構成と同じである。なお、図９は、図５と同様の正面図を示し、図１０は、図６と同様の側面図を示している。
【００７１】
セラミック基体１０２と電極パッド１２１Ｘとの構成は、図２〜図４に示す第１実施例のセラミック基体１０２と電極パッド１２１の構成と、それぞれ、同様である。従って、第２実施例のセラミックヒータ１００ａは、第１実施例のセラミックヒータ１００と同様の種々の利点を有する。
【００７２】
接続端子１３０ａは、中心軸ＣＸと平行に延びるように配置されて、接合端部１３３ａが、ロウ付けによって、電極パッド１２１Ｘに固定される。このセラミックヒータ１００ａは、第１実施例のセラミックヒータ１００の代わりに利用可能である。
【００７３】
第２実施例では、接続端子１３０ａは、接続部１３４ａと、接続部１３４ａの一端に設けられた接合端部１３３ａと、接続部１３４ａの他端に設けられた加締部１３５ａと、を有している。接合端部１３３ａと接続部１３４ａとは、厚さＬ６（図９）が０．３ｍｍの平板を用いて、形成されている。図１０に示すように、接合端部１３３ａと接続部１３４ａとの全体の形状は、Ｌ字状である。接合端部１３３ａは、長さＬ５（図１１）が２．０ｍｍの矩形平板である。接続部１３４ａの１つの長辺と、接合端部１３３ａの１つの長辺とは、共通のラインＬＳ上にある。そして、接合端部１３３ａのラインＬＳとは反対側の端部１３３ａｐは、接続部１３４ａから見て突出している。
【００７４】
この突出した部分１３３ａｐが、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）と向かい合うように、接続端子１３０ａが配置される（図１０）。接合端部１３３ａは、第２層１２１ｃのほぼ中央に配置される（図９）。後述するように、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ垂直となるように、配置される。この状態で、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に、ロウ付けされる。
【００７５】
接続部１３４ａの他端には、加締部１３５ａが接続されている。加締部１３５ａの構成は、図５、図６に示す加締部１３５と同じである。２つの加締部１３５ａは、ヒータリード線１２ｂ、１２ｃの芯線を、それぞれ、加締によって把持し、発熱抵抗体１４１（図３）とヒータリード線１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続する。
【００７６】
図１１、図１２には、ロウ付けの詳細が示されている。図１１は、図９のＣ−Ｃ断面（中心軸ＣＸを通る断面）を示し、図１２は、図９のＤ−Ｄ断面（中心軸ＣＸと垂直な断面）を示している。図１１、図１２は、いずれも、１つの電極パッド１２１Ｘの近傍を示している。
【００７７】
第２層１２１ｃには、接続端子１３０ａが、ロウ付けによって、固定されている。ロウ付けによって、接続端子１３０ａと第２層１２１ｃとを接合する接合部１２４ａが形成される。この接合部１２４ａは、ロウ材が固化したものである。
【００７８】
図１１、図１２に示すように、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ垂直となるように、配置される（すなわち、接合端部１３３ａは、電極パッド１２１Ｘの積層方向と、ほぼ平行である）。接合端部１３３ａの表面のうちの第２層１２１ｃと対向する面は、端部１３３ａｐの表面ＦＳａである。表面ＦＳａは、接合端部１３３ａの長辺と、接合端部１３３ａの厚さ方向と、の両方と平行な面である。この表面ＦＳａは、電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）に対してほぼ平行である。接合端部１３３ａは、第２層１２１ｃと接触してもよく、また、これらの部材１３３ａ、１２１ｃの間に隙間があいていてもよい（本実施例では、隙間Ｌ２は０〜０．２ｍｍの範囲内に設定される）。
【００７９】
図示するように、接合端部１３３ａの表面のうちの、表面ＦＳａと、表面ＦＳａと隣接する表面Ｓ１ａ〜Ｓ４ａとが、接合部１２４ａと接触している。そして、接合部１２４ａは、接合端部１３３ａから第２層１２１ｃの周縁に向かって、フィレット形状にてロウ材が広がっている。
【００８０】
図１３は、接合端部１３３ａと電極パッド１２１Ｘとの接合の様子を示す説明図である。図１３には、図９における電極パッド１２１Ｘの近傍の拡大図が示されている。図中には、接続端子１３０ａの一部と電極パッド１２１Ｘとの正面図が示されている。
【００８１】
ハッチングが付された領域ＣＡは、接触表面部分ＣＡを示している。接触表面部分ＣＡは、接続端子１３０ａの表面のうちの接合部１２４ａ（図１１、図１２）と接触する部分を意味している。本実施例では、図１１、図１２に示す表面ＦＳａ、Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａの全体のうちの接合部１２４ａと接触している部分が、接触表面部分ＣＡに相当する。
【００８２】
本実施例では、電極パッド１２１Ｘの積層方向ＮＤに沿って見たときには、接触表面部分ＣＡは、矩形領域である。接触表面部分ＣＡの幅（短手方向ＴＤの長さ）Ｌ６は０．３ｍｍであり、高さＬ５（先端方向ＦＤの長さ）は２．０ｍｍである。また、第２層１２１ｃの幅ｗ３は１．５ｍｍであり、高さｔ３は３．２ｍｍである。この接触表面部分ＣＡは、第２層１２１ｃのほぼ中央に配置されている。その結果、第２層１２１ｃは、接触表面部分ＣＡの全周において、外に向かって０．６ｍｍ突出している。
【００８３】
つまり、電極パッド１２１Ｘの積層方向ＮＤに沿って見たときに、第２層１２１ｃの輪郭は、全周において、接触表面部分ＣＡの輪郭の外側にあり、長手方向ＦＤに垂直な短手方向ＴＤにおける第２層１２１ｃの輪郭と接触表面部分ＣＡの輪郭との間の最短距離（本実施例では０．６ｍｍ）が、接触表面部分ＣＡの短手方向ＴＤの最大長さ（本実施例では０．３ｍｍ）以上である。これらの結果、接触表面部分ＣＡの全周に亘って、ロウ材が広がるための十分なスペースを、第２層１２１ｃ上に確保できる。従って、接合部１２４ａ（図１１、図１２）と第２層１２１ｃとの密着性を高めることができる。また、接合部１２４ａを第２層１２１ｃ上に過剰に厚く設ける必要が無く、接合端子１３０ａと電極パッド１２１Ｘ（第２層１２１ｃ）とを接合することができる。その結果、接合部１２４ａの応力で第２層１２１ｃが剥離することを抑制できる。なお、短手方向ＴＤにおける第２層１２１ｃの輪郭と接触表面部分ＣＡの輪郭との間の距離は、長手方向ＦＤの位置に応じて変化してもよい。同様に、接触表面部分ＣＡの短手方向ＴＤの長さも、長手方向ＦＤの位置に応じて変化してもよい。
【００８４】
なお、セラミックヒータ１００ａには、２組（陽極と陰極）の電極パッド１２１Ｘと接続端子１３０ａとが設けられている。電極パッド１２１Ｘの構成と、電極パッド１２１Ｘと接続端子１３０ａとの接合状態とは、各組の間で同じである。接続端子１３０ａの構成は、加締部１３５ａの向きを除いて、各組の間で同じである。
【００８５】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８６】
上述の各実施例において、セラミック基体の構成としては、図２〜４に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、形状としては、円柱形状に限らず、任意の形状を採用可能である。例えば、平板形状を採用してもよい。また、セラミック基体の材料としては、アルミナに限らず、種々のセラミック材料を採用可能である。例えば、ムライトやスピネルを採用してもよい。
【００８７】
上述の各実施例において、電極パッドの構成としては、種々の構成を採用可能である。例えば、第１層１２１ａの形状としては、矩形に限らず、楕円や多角形等の任意の形状を採用可能である。第２層１２１ｂ、１２１ｃの形状としても、同様に、任意の形状を採用可能である。また、第１層の厚さと第２層の厚さとのそれぞれとしては、図７で説明した値とは異なる値を採用可能である。また、第１層の厚さが、第２層の厚さよりも、薄くてもよい。
【００８８】
また、電極パッドの第１層の主成分としては、タングステンに限らず、モリブデン等の種々の導体材料を採用可能である。第２層の主成分についても、同様である。
【００８９】
上述の各実施例において、接続端子の構成としては、図５〜図８に示す構成や、図９〜図１３に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、部材１３３、１３４（図５、図６）や部材１３３ａ、１３４ａ（図９、図１０）の形成に、平板の代わりに丸棒を用いてもよい。また、図６に示す実施例において、ステップ状の屈曲を省略してもよい。また、図１０に示す実施例において、接続部１３４ａが、厚み方向にステップ状に折り曲げられてもよい。また、加締部１３５、１３５ａが省略されてもよい。また、接続端子が、セラミック基体の表面と平行な方向に延びる代わりに、セラミック基体の表面と垂直な方向に延びてもよい。
【００９０】
また、接続端子の材料としては、ニッケルを用いた合金に限らず、銅や鉄やそれらの合金等の種々の導体材料を採用可能である。
【００９１】
上述の各実施例において、接続端子と電極パッド（第２層）との接合の構成としては、図５〜図８に示す構成や、図９〜図１３に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、図５、図６に示す接続端子１３０を利用する場合に、接合端部１３３を、電極パッド１２１（第２層１２１ｂ）とほぼ垂直となるように、配置してもよい。また、図９〜図１２において、接合部１２４ａが、第２層１２１ｃを超えて第１層１２１ａまで広がってもよい。
【００９２】
なお、接合に利用されるロウ材としては、Ａｕ−Ｃｕ合金に限らず、種々の導体材料（例えば、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀））を採用可能である。
【００９３】
上述の各実施例において、セラミックヒータを有するガスセンサとしては、図１に示す酸素センサに限らず、特定のガス成分の検知、あるいは、特定のガス成分の濃度の測定を行う種々のガスセンサを採用可能である。例えば、空燃比センサを採用してもよく、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するセンサを採用してもよい。また、セラミックヒータを有する装置としては、ガスセンサに限らず、種々の装置を採用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…ガスセンサ
１１…主体金具
１１ｃ…六角部
１１ｄ…接続部
１２ｂ…ヒータリード線
１３…インシュレータ
１４…セラミック粉末
１５…プロテクタ
１５ａ…外側プロテクタ
１５ｂ…内側プロテクタ
１６…金属外筒
１７…グロメット
１８…セパレータ
１９…センサ出力リード線
１９ｂ…センサ出力リード線
２０…酸素検出素子
２０ｆ…係合フランジ部
２０ｋ…後端
２０ｓ…先端
２１…固体電解質
３０…内側端子部材
３１…コネクタ部
３２…セパレータ挿入部
３２ｄ…セパレータ当接部
３３…挿入部
３６…ヒータ押圧部
４０…外側端子部材
４１…外嵌部
４２…セパレータ挿入部
４２ｄ…セパレータ当接部
４３…コネクタ部
８１…金属製パッキン
８５…フィルタ
８６…金属パイプ
１００、１００ａ…セラミックヒータ
１０１…碍管
１０２…セラミック基体
１０６…外側電極
１０８…内側電極
１２１、１２１Ｘ…電極パッド
１２１ａ…第１層
１２１ｂ、１２１ｃ…第２層
１２４、１２４ａ…接合部
１３０、１３０ａ…接続端子
１３３、１３３ａ…接合端部
１３３ａｐ…端部
１３４、１３４ａ…接続部
１３５、１３５ａ…加締部
１４０…グリーンシート
１４１…発熱抵抗体
１４２…発熱部
１４３…リード部
１４４…スルーホール
１４６…グリーンシート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びるセラミック基体と、
前記セラミック基体の表面に設けられたタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とする電極パッドと、
外部回路と電気的に接続する接続端子と、
前記電極パッドと前記接続端子とをろう付け接合にて連結する接合部と、
を備えるセラミック接合体において、
前記電極パッドは、前記セラミック基体と接する第１層と、前記第１層の表面上に積層されるとともに前記接合部と接する第２層と、を含み、
前記第１層及び前記第２層には、前記セラミック基体に用いられるセラミック材料のうち、主成分となるセラミック材料を含有し、且つ前記第１層に含有される前記セラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多く、
前記第１層の輪郭は、全周において、前記第２層の輪郭の外側にある、
ことを特徴とする、セラミック接合体。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック接合体であって、
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さよりも厚い、
セラミック接合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセラミック接合体において、
前記接合部は、前記第２層を超えて前記第１層の表面上まで設けられている、
セラミック接合体。
【請求項４】
請求項３に記載のセラミック接合体において、
前記第１層の表面上に設けられる接合部の体積は、前記第２層の表面上に設けられる接合部の体積よりも少ない、
セラミック接合体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセラミック接合体であって、
前記電極パッドの積層方向に沿って見たときに、前記第２層の輪郭は、全周において、前記接続端子の表面のうちの前記接合部と接する接触表面部分の輪郭の外側にあり、前記長手方向に垂直な短手方向における前記第２層の輪郭と前記接触表面部分の輪郭との間の最短距離は、前記接触表面部分の前記短手方向の最大長さ以上である、
セラミック接合体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセラミック接合体と、
前記セラミック基体の先端側内部に設けられるとともに、前記電極パッドに接続された発熱部と、
を備えるセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項６に記載のセラミックヒータであって、
前記第２層の重心は、前記第１層の重心よりも後端側に設けられている、
セラミックヒータ。
【請求項８】
先端が閉じた有底筒状の固体電解質体、該固体電解質体の外周面に配置された外側電極、及び該固体電解質体の内周面に配置された内側電極を備えるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子内に挿入配置されるヒータと、を有するガスセンサであって、
前記ヒータが、請求項６または請求項７に記載のセラミックヒータであるガスセンサ。
【請求項１】
長手方向に延びるセラミック基体と、
前記セラミック基体の表面に設けられたタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とする電極パッドと、
外部回路と電気的に接続する接続端子と、
前記電極パッドと前記接続端子とをろう付け接合にて連結する接合部と、
を備えるセラミック接合体において、
前記電極パッドは、前記セラミック基体と接する第１層と、前記第１層の表面上に積層されるとともに前記接合部と接する第２層と、を含み、
前記第１層及び前記第２層には、前記セラミック基体に用いられるセラミック材料のうち、主成分となるセラミック材料を含有し、且つ前記第１層に含有される前記セラミック材料の含有量（ｗｔ％）は、前記第２層での含有量よりも多く、
前記第１層の輪郭は、全周において、前記第２層の輪郭の外側にある、
ことを特徴とする、セラミック接合体。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック接合体であって、
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さよりも厚い、
セラミック接合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセラミック接合体において、
前記接合部は、前記第２層を超えて前記第１層の表面上まで設けられている、
セラミック接合体。
【請求項４】
請求項３に記載のセラミック接合体において、
前記第１層の表面上に設けられる接合部の体積は、前記第２層の表面上に設けられる接合部の体積よりも少ない、
セラミック接合体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセラミック接合体であって、
前記電極パッドの積層方向に沿って見たときに、前記第２層の輪郭は、全周において、前記接続端子の表面のうちの前記接合部と接する接触表面部分の輪郭の外側にあり、前記長手方向に垂直な短手方向における前記第２層の輪郭と前記接触表面部分の輪郭との間の最短距離は、前記接触表面部分の前記短手方向の最大長さ以上である、
セラミック接合体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセラミック接合体と、
前記セラミック基体の先端側内部に設けられるとともに、前記電極パッドに接続された発熱部と、
を備えるセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項６に記載のセラミックヒータであって、
前記第２層の重心は、前記第１層の重心よりも後端側に設けられている、
セラミックヒータ。
【請求項８】
先端が閉じた有底筒状の固体電解質体、該固体電解質体の外周面に配置された外側電極、及び該固体電解質体の内周面に配置された内側電極を備えるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子内に挿入配置されるヒータと、を有するガスセンサであって、
前記ヒータが、請求項６または請求項７に記載のセラミックヒータであるガスセンサ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１２０８４０（Ｐ２０１０−１２０８４０Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２５７９４（Ｐ２００９−２２５７９４）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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