JP2001203063A

JP2001203063A - セラミックヒータ及びセラミックヒータ付きガスセンサ

Info

Publication number: JP2001203063A
Application number: JP2000007496A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Suematsu; 義朗末松; Yoshiro Noda; 芳朗野田; Akio Mizutani; 昭夫水谷; Nobuhiro Hayakawa; 暢博早川; Masato Matsushita; 正人松下
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックヒータに対して電力を供給する接
続端子をセラミックヒータの接続電極にロー付けする際
に、高温でもマイグレーションの起き難いロー材を用い
て、セラミックヒータの小型化を実現する。【解決手段】本発明は、セラミックヒータを構成する
セラミック焼結体と接続端子を接合するロー材としてイ
ンジウムを５〜２５％、金を１５〜３５％、銅を４０〜
８０％それぞれ含有するものを用いることで、セラミッ
クヒータの接続端子部分のロー材が高温でマイグレーシ
ョンを発生しないので、セラミックヒータやガスセンサ
を小型化することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックヒータ
及びそのセラミックヒータを用いたガスセンサに関す
る。

【０００２】

【従来技術】セラミックヒータとしては、実公平７−４
３９８８や特開平１１−１６６６４に開示されているよ
うに、セラミック焼結体中に発熱体を埋設し、更にその
印刷パターンをセラミック焼結体表面まで延長させて接
続端子を形成して外部電源と接続を図るようにしたもの
が知られている。また、特開昭５９−２３１３２３に開
示されているようにセラミック焼結体中にワイヤー状の
発熱体を埋設して、ワイヤーの一端をセラミック表面に
露出させて外部電源との接続を図るようにしたものが知
られている。或いはセラミックヒータを用いて検出素子
を加熱して、検出素子を活性状態にして用いるガスセン
サとしては、特開平１０−５４８２２に開示されている
ように、検出素子がセラミックヒータを構成するセラミ
ック焼結体と別体であるものが知られている。また、特
開平９−２８１０７５で開示されてるように、検出素子
がセラミックヒータを構成するセラミック焼結体に一体
化しているものも知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これらセラ
ミックヒータを用いる環境においては、特に検出素子と
組み合せてガスセンサとして利用する場合において、小
型化の要求が強まっている。セラミックヒータを小型化
した場合には、発熱体に電力を供給するための接続端子
をセラミック焼結体に接合する部位が高温部に近づくこ
とになり、それらを接合している接合金属の耐熱性が問
題となっている。

【０００４】接合金属として銀を主成分とする銀ローを
用いた場合には、比較的安価にロー付けが可能である
が、銀ローはＣｕを多く含んでいるので耐熱性が低く、
また、銀は高温でマイグレーションという現象を生じて
電力が供給されている接続端子間を短絡するという問題
が有った。一方、実公平７−４３９８８で開示されてい
る様に金を主成分とする金ローを用いるとマイグレーシ
ョンは発生せず、耐熱性も比較的良好だが、金ローのロ
ー付け温度は高いので、セラミックヒータのセラミック
焼結体とロー材との熱膨張率の違いにより、接合金属部
分にクラックが入るなどの問題が有った。本発明は前記
の問題を解決する為の手段を提供することを目的とした
ものであり、耐熱性が高く、マイグレーションやクラッ
クの発生しないセラミックヒータを提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段、および発明の効果】本発
明は、セラミックヒータを構成するセラミック焼結体と
接続端子を接合している接合金属にインジウムと金と銅
の各金属を含むようにすることで、前記の課題を解決し
た。接合金属は熱処理によって融点以上に加熱されるこ
とで溶融し接続電極と接続端子の間を充填して再度凝固
することで、接続端子と接続電極を接続する。この接合
金属がインジウム、金、銅を含有することで、接続端子
の接続電極への接合強度を高くする事が出来る。また、
マイグレーションを効果的に防止できる。接合金属を、
インジウム、金、銅の合計を１００ｗｔ％として、イン
ジウムが５〜４５ｗｔ％である金−銅系合金を主成分と
することで、金ローに比較して低い熱処理温度で接続電
極と接続端子を接合することができる。また、セラミッ
ク焼結体にクラックの発生が無くなり、良好な接合が実
現できる。更に接合金属中にインジウムを５〜２５％含
有させる様に接合前の出発材料の成分を調整すると、出
発材料の加工性が良くなり、出発材料を線状や棒状など
の熱処理しやすい形状に加工することが出来るので、製
造工程上好ましい。本発明の接続電極は表層部を金属メ
ッキによって構成する事で、接合金属が溶融した際に接
続電極上を流れやすくなるので、接合金属が接続電極と
接続端子の間を良好に充填する。また、接続電極がセラ
ミックと接合する側のセラミック接合部はタングステン
又はモリブデンで形成することが出来る。これらの金属
は融点が高いので接合金属を熱処理する際に変質しない
ので好ましい。

【０００６】本発明のセラミックヒータは、ガスセンサ
に用いると高温耐久性の高いガスセンサとすることが出
来る。ガスセンサとしてはセラミックヒータと別体で検
出素子を備えたものと、セラミックヒータを構成するセ
ラミック焼結体と検出素子が一体に接合、若しくは一体
焼成されたものが有る。いずれにしてもガスセンサ全体
を小型化する上で、セラミックヒータの接続端子の温度
は高温になるが、接合金属として上記の組成のものを用
いることで、セラミックヒータの耐熱性を向上できるの
で、従来よりもセンサを小型化することが出来る。ま
た、センサを従来よりも高温となる排気管の上流側に配
置できる様になるので、排ガスをこれまでより応答性良
く検出できる。また、センサの配置の自由度が高まる。

【０００７】

【発明の実施の形態】セラミックヒータと別体で検出素
子を備えたガスセンサとしては、図１に示すように筒型
中空の素子２の中に丸棒状のセラミックヒータ１を挿入
配置したものがある。セラミックヒータ１は図２に示す
ように丸棒状のセラミック焼結体１０４が基体であり、
先端に主としてタングステンからなる発熱体１０５がセ
ラミック焼結体１０４中に埋設されている。セラミック
焼結体１０４の後端側には外部から発熱体に電力を供給
する接続端子１０３が接続電極１０２に接合金属１０１
を介して接合されている。接合金属１０１の組成は、イ
ンジウム１０ｗｔ％、金２０ｗｔ％、銅７０ｗｔ％であ
る。接続電極はセラミック接合部１０２１がタングステ
ンペーストをセラミック焼結体と同時焼結したメタライ
ズにより形成されており、表層部１０２２はニッケルメ
ッキによって形成されている。

【０００８】セラミックヒータは図３の様に製造され
る。まず、セラミック焼結体１０４の主材料にアルミナ
を用い、発熱体１０５と接続電極１０２及びそれらを接
続するリード部１０６の主材料にタングステンを用いて
作成したセラミック焼結体を作成する。発熱体１０５と
リード部１０６は被覆層１０８（アルミナ）によって被
覆されている。リード部１０６と接続電極１０２はスル
ーホール１０７を介して電気的に導通している。このセ
ラミック焼結体の製造方法の詳細は特開平１１−１３２
９９３に記載されている。セラミック焼結体の表面には
タングステンによって面積が約１２ｍｍ^２、厚みが約２
０μｍの接続電極１０２のセラミック接合部１０２１が
形成される。このセラミック焼結体表面に形成されたセ
ラミック接合部１０２１に厚みが約２μｍのニッケルメ
ッキを施し表層部１０２２を形成する。その後、接続端
子１０３を接合金属１０１を介して接続電極に接合す
る。接合後、接合金属１０１の表面に更に厚さ約５μｍ
のニッケルメッキ１０９を施して、接合金属１０１の酸
化を防止する。

【０００９】接合金属１０１の熱処理は９００℃を１０
分間維持する条件で行った。熱処理雰囲気は水素９０
％、窒素１０％の非酸化性雰囲気中にて行った。

【００１０】表1に接合金属中のインジウム、金、銅の
重量比率を前記実施例から変化させた場合の接続端子と
接続電極の接合強度と、このセラミックヒータを図1に
示すガスセンサに組付けて耐久試験を行った際にマイグ
レーションが発生したか否かのテスト結果を示す。な
お、接合金属の熱処理時のの雰囲気及び加熱処理条件は
段落０００９に示した実施例と同一とした。

【００１１】

【表1】

【００１２】この表から接合金属中にインジウム、金、
銅を含ませることで従来の金ロウを用いた場合よりも接
続端子が強固に接続電極に接合したセラミックヒータが
得られる。更に、従来の銀ロウの様にマイグレーション
を発生しないセラミックヒータが得られる。なお、上記
接合金属中のインジウム、金、銅の重量比の測定は、セ
ラミックヒータの接続電極近傍を図２のＡ断面拡大図の
様に断面が露出するように切断後、切断面を鏡面研磨し
て、接合金属の断面にスポット径５０μｍでＥＰＭＡ分
析を行い、インジウム、金、銅、銀のそれぞれの特性Ｘ
線の強度を測定し、その強度比を、数種類の既知の重量
比の合金試料で測定した特性Ｘ線の強度比と比較するこ
とで、算出する事が出来る。本実施例では。鏡面研磨し
た試料を日本電子製ＪＸＡ−８８００を用いて、ＥＰＭ
Ａ分析を行い、自動プログラムによってそれぞれの重量
比を測定した。また、接合強度の測定は、図６に示すよ
うに、接続電極と接続端子を接合金属で接合した状態
で、接続端子を接合面に対してほぼ垂直に曲げてその方
向に引っ張り、その引っ張り力が最大となった時点の引
っ張り力を引っ張り強度とする。本実施例では引っ張り
圧縮試験機ＳＶ−１００（今田製作所製）を用いて引っ
張り強度を測定した。

【００１３】セラミックヒータと一体で検出素子を備え
たガスセンサとしては、図５に示すように板状のセラミ
ックヒータ３の先端に検出素子４を配置したものを作成
した。この板状セラミックヒータは図６に示す様に板状
のセラミック焼結体３０４を基体として、先端に主とし
て白金等からなる発熱体３０５が埋設されている。検出
素子４はこの発熱体３０５の近傍のセラミック焼結体３
０４表面に膜状に形成され、セラミック焼結体３０４と
一体で焼結されている。このセラミック焼結体３０４の
詳細な製造方法は特願平１１−１７５３９０に記載され
ている。セラミックヒータ３の後端側表面には接続電極
３０２が形成され、スルーホール部３０７とリード部３
０６を介して発熱体３０５に接続され、外部から発熱体
３０５に供給される電力を伝える。接続電極３０２には
ニッケルからなる接続端子３０３が接合金属３０１を介
して接合されている。接続端子３０３が接合される接続
電極３０２は、セラミック接合部が白金で出来ており耐
熱性が高い電極である。接続電極３０２の表層部はニッ
ケルメッキによって形成されている。ニッケルメッキ厚
みは約２μｍである。そして、接合金属３０１によって
接続電極と接続端子を接合した後、接合金属３０１の表
面に更に厚さ約５μｍのニッケルメッキを施して、接合
金属３０１の酸化を防止する。

【００１４】前記のいずれのガスセンサにおいても、接
続端子と接続電極を接合する接合金属にはインジウム、
金、銅を含有しているので、耐熱性が高くマイグレーシ
ョンを起こさない。その為、接続電極と接続端子をセ検
出素子に近い位置で接合することが出来るので、ガスセ
ンサ全体を小型化することが出来る。また、ガスセンサ
を従来よりも高温側に配置することが出来るので、セン
サ配置に関する自由度を高める事が出来る。そして、セ
ンサを排ガスの上流側に配置することでこれまでよりも
応答性良く正確な測定が出来るようになる。セラミック
ヒータ単体としては接続電極と発熱体を接続するリード
部の長さを短く出来るので、このリード部に用いられて
いる金属の使用量を少なく出来る。また、発熱体に供給
する電力の内リード部で消費される電力が少なく出来る
ので、発熱量が多くなり早く昇温するという効果を有す
る。

【００１５】なお、前記実施例にて例示したガスセンサ
は酸素センサであるが、どんなガスセンサに対しても、
本発明のセラミックヒータは応用することが出来る。ま
た、前記実施例にて例示したセラミックヒータの材質は
アルミナであるが、他にも窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ムを始め、様々な材質のセラミックヒータの接続電極と
接続端子の接合において、本発明で記載された接合金属
を用いることは有用である。また、セラミックヒータと
してはガスセンサに用いるヒータの他の自動車用用途と
して、ディーゼルエンジンの始動に用いられるグロープ
ラグや、触媒上流に設けられ、エンジン始動直後の排気
ガスを加熱する為の触媒加熱用ヒータ、エンジン冷却水
の加熱用ヒータ等にも用いることが出来る。更に、自動
車以外の用途として、洗浄シャワー付き便座の洗浄水の
加熱用ヒータや、石油ファンヒータの点火用セラミック
ヒータ、２４時間風呂の加熱用ヒータ、半導体ウエハの
吸着固定に用いるプレート加熱用のヒータ、半田ごて等
を始め、あらゆるセラミックヒータに本発明は用いるこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の筒型ガスセンサの全体図

【図２】本発明の丸棒状セラミックヒータの全体図

【図３】本発明のセラミックヒータの製造工程説明図

【図４】本発明の板状セラミックヒータのガスセンサの
全体図

【図５】本発明の板状セラミックヒータの全体図

【図６】引っ張り試験の方法

【符号の説明】

１、３、…セラミックヒータ２、４、…検出素子１０１、３０１、…接合金属１０２、３０２、…接続電極１０３、３０３、…接続端子１０４、３０４、…セラミック焼結体１０５、３０５、…発熱体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早川暢博愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者松下正人愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 BB01 BC02 BE16 BE22 BF18 BG05 BH09 BJ02 3K092 PP20 QB02 QC02 QC19 QC43 QC52 RF03 RF11 RF27 TT25 VV08 VV34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱体を備えるセラミック焼結体と、前記
セラミック焼結体に形成され、前記発熱体に電気的に接
続された接続電極と、前記接続電極に接合金属を介して
接合された接続端子と、を有するセラミックヒータであ
って、前記接合金属が少なくとも、インジウム、金、銅
を含有する、ことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】前記接合金属は、インジウム、金、銅の合
計を１００ｗｔ％として、インジウムが５〜４５ｗｔ％
である金−銅系合金を主成分とする事を特徴とする請求
項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】前記接合金属は、インジウム、金、銅の合
計を１００ｗｔ％として、インジウムが５〜２５ｗｔ％
である金−銅系合金を主成分とする事を特徴とする請求
項１記載のセラミックヒータ。
【請求項４】前記接続電極は、前記セラミック焼結体表
面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３記
載のセラミックヒータ。
【請求項５】前記接続電極は、表層部が金属メッキから
なることを特徴とする請求項１乃至４記載のセラミック
ヒータ。
【請求項６】前記金属メッキは、ニッケルメッキである
ことを特徴とする請求項５記載のセラミックヒータ。
【請求項７】前記接続電極は、セラミック接合部がタン
グステン又はモリブデンからなることを特徴とする請求
項１乃至６記載のセラミックヒータ。
【請求項８】請求項１乃至７に記載されたセラミックヒ
ータと、前記セラミックヒータによって加熱される検出
素子と、を備えたガスセンサ。
【請求項９】前記検出素子は、セラミックヒータを構成
するセラミック焼結体とは別体であることを特徴とする
請求項８記載のガスセンサ
【請求項１０】前記検出素子は、セラミックヒータを構
成するセラミック焼結体と一体であることを特徴とする
請求項８記載のガスセンサ