JP5336426B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、検出対象ガス中の酸素の濃度を検出する検出素子と、検出素子を加熱して活性化するヒータとを備えるガスセンサに関する。

従来、自動車などの排気ガス中の特定成分を検出する酸素センサやＮＯＸセンサ、ＨＣセンサ等のガスセンサが知られている。ガスセンサとして代表的な酸素センサは、ジルコニア等のセラミックスからなる固体電解質体を有底筒状に形成し、その表面上に、固体電解質体を挟む一対の電極を形成した検出素子を備える。ガスセンサの使用時に、固体電解質体の外側表面上に形成される検出電極は、排気ガス中に晒され、内側表面上に形成される基準電極は、基準となるガス（通常は大気）中に晒される。検出素子は、固体電解質体に隔てられた２つの雰囲気間、すなわち排気ガスと基準ガスとの間における酸素分圧の差に応じ、両電極間に生ずる起電力によって、排気ガス中の酸素の検出を行う。

このような検出素子は温度が低いと活性化しないため、検出素子の近傍には、検出素子加熱用のヒータが設けられている。ヒータとしては、アルミナ等の絶縁性セラミック基体中に、タングステン、モリブデン等の高融点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。ヒータは、検出素子の筒穴内に挿入して使用されるため、丸棒状に形成され、発熱抵抗体は、ヒータの先端側に埋設される。また、発熱抵抗体に通電するための電極パッドは、ヒータの後端側の外表面上に露出されて配置される。電極パッドには、通電のための接続端子が、例えば銀を主成分とするろう材でろう付けされている（例えば特許文献１参照。）。

一方、検出素子の基準電極からの出力を取り出す出力端子は、ヒータの外表面と、検出素子の内周面（すなわち基準電極）との間に配置されるため、電気的な接触を確保できるように筒状に形成される場合がある。上記したように、ヒータの基体には絶縁性のセラミックが用いられるため、出力端子は、ヒータの外表面上に接触した状態で使用される。そして、出力端子は、ヒータによって内側から外側へ向けて押圧されて基準電極との接触状態を維持したり、あるいは、基準電極との接触状態を付勢により確保しつつ、筒穴内で、ヒータの位置決め保持を担ったりする場合があった。

特開２００６−２９４４７９号公報

しかしながら、電極パッドにおいて接続端子をろう付けするろう材は、特に銀を主成分とする場合、湿気や結露により水分が付着した状態で発熱抵抗体に電圧が印加された場合に、銀イオンが＋電極から−電極へイオン移動するマイグレーションを生ずる場合がある。上記のように、出力端子がヒータの外表面上に接触した状態で使用した場合、マイグレーションによって電極パッドの上のみに存在していたろう材がヒータの外表面上に移動し、電極パッドと出力端子との間で短絡等を生ずる虞がある。この短絡を防止するために出力端子を電極パッドから遠ざける（出力端子を先端側にずらす）と、ヒータの全長、つまりはガスセンサの全長を伸ばさない限り、ヒータの発熱部と出力端子が近づくこととなる。すると発熱部からの熱により出力端子が酸化されやすくなり、結果としてガスセンサの寿命を短くする虞が生ずる。このように、マイグレーションの発生しやすいろう材を用いる際には、ガスセンサの耐用寿命を延ばすことが難しかった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、耐用寿命を延ばすことができるガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の実施態様によれば、軸線方向に延び先端側が閉じた有底筒状の検出素子であって、先端側に検出対象ガス中の特定成分の検出を行うための検出部を有し、後端側の内周面上に、前記検出部から出力が伝わる電極部が形成された検出素子と、前記検出素子の筒穴内に挿入された棒状のヒータであって、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を埋設してなるセラミック基体と、前記セラミック基体の外表面に配置され、前記発熱抵抗体と電気的な接続を行う電極パッドと、前記電極パッドにろう材によって接合され、外部回路との電気的な接続を行う端子部材と、を備えたヒータと、少なくとも前記検出素子の筒穴内に挿入されると共に、前記ヒータを取り囲む筒状の出力端子であって、前記検出素子の前記電極部に電気的に接続すると共に、前記電極パッドよりも先端側で前記ヒータと接触する出力端子と、を備えたガスセンサにおいて、前記電極パッドと前記発熱抵抗体とを電気的に接続する、前記電極パッドの軸線方向中央よりも先端側および後端側に形成される２以上のスルーホールをさらに備え、前記軸線方向における前記電極パッドの長さをＬとすると、３ｍｍ≦Ｌ≦５ｍｍであり、前記電極パッドの前記端子部材と対向する接合面に対して、前記２以上のスルーホールのうち、後端側に形成されたスルーホールの形成位置のみに前記端子部材が存在するように、前記端子部材は前記接合面の軸線方向中央よりも後端側にずらして接合され、前記ろう材は、前記電極パッドの先端部に存在しないガスセンサが提供される。

電極パッドの先端部は、棒状のヒータの発熱抵抗体に、より近い位置にある。先端部にろう材が存在しなければ、発熱抵抗体への通電に伴い発生する熱がろう材に与える負荷を、先端部にろう材が存在する場合と比べ、低減することができる。ろう材に加わる熱負荷が低減することにより、端子部材と、ヒータの外周面に接する出力端子との間で、ろう材のマイグレーションの発生をより抑制することができ、電極パッドと出力端子との間で短絡を生じにくくするため、耐用寿命を延ばすことができる。

なお、本発明の実施態様において、前記ろう材は、Ａｇを主成分とするものであってもよい。ろう材の主成分として、比較的マイグレーションを生じやすい銀（Ａｇ）であっても、電極パッドの先端部にろう材が存在しなければ、マイグレーションの発生を効果的に抑制することができる。

酸素センサ１の縦断面図である。 ヒータ１００の斜視図である。 ヒータ１００の後端部１２０を側方から見た図である。 図３の二点鎖線Ａ−Ａにおけるヒータ１００の断面を矢視方向から見た図である。 図３の二点鎖線Ｂ−Ｂにおけるヒータ１００の断面を矢視方向から見た図である。 変形例としてのヒータ２００の後端部を側方から見た図である。 変形例としてのヒータ３００の後端部を側方から見た図である。

以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、ガスセンサの一例としての酸素センサ１の構造について説明する。図１に示す酸素センサ１は自動車等の内燃機関のエンジンから排出される排気ガスの排気管（図示外）に取り付けられて使用されるものである。以下では、酸素センサ１の軸線Ｏ方向において、排気管内に挿入される検出素子６の先端に向かう側（閉じている側であり図中下側）を先端側とし、これと反対方向に向かう側（図中上側）を後端側として説明するものとする。

図１に示す酸素センサ１は、排気管内を流通する排気ガス中の酸素の有無を検出するためのセンサである。酸素センサ１は、細長で先が閉じられた筒状の検出素子６を主体金具５で取り囲んで保持した構造を有する。酸素センサ１からは、検出素子６の出力する信号を取り出す２本のリード線１８が引き出されている。また、検出素子６内に挿入されるヒータ１００へ通電するための２本のリード線１９（図１ではそのうちの１本を示す。）も、酸素センサ１から引き出されている。各リード線１８，１９は、酸素センサ１とは離れた位置に設けられる図示外のセンサ制御装置あるいは自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に、電気的に接続されている。

酸素センサ１の検出素子６は、ジルコニアを主成分とする固体電解質体６１を、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉じた筒状に形成し、内周側に基準電極６２を設け、外周側に検出電極６３を設けたものである。基準電極６２はＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の内面のほぼ全面を覆うように多孔質状に形成されている。検出電極６３も同様にＰｔまたはＰｔ合金からなり、固体電解質体６１の外面に多孔質状に形成されている。これにより、検出素子６の先端側（閉じた側）が検出部６４として機能し、この検出部６４を、排気管（図示外）内を流通する排気ガス中に晒すことで、ガス濃度検出を行う。図示しないが、検出電極６３は耐熱性セラミックスよりなる多孔質状の電極保護層により被覆されており、排気ガスによる被毒から保護されている。また、検出素子６の軸線Ｏ方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する鍔状のフランジ部６５が設けられている。そして、検出素子６の筒穴６９内には、固体電解質体６１を加熱して活性化させるための棒状のヒータ１００が挿入されている。ヒータ１００については後述する。なお、基準電極６２が、本発明の「電極部」に相当する。

検出素子６は、自身の径方向周囲を筒状の主体金具５に取り囲まれた状態で、主体金具５の筒孔５５内に保持されている。主体金具５はＳＵＳ４３０等のステンレス鋼からなる筒状の部材であり、先端側に、排気管の取付部（図示外）に螺合する雄ねじ部５２が形成されている。雄ねじ部５２よりも先端側には、その外周に、後述するプロテクタ４をはめ込み取り付ける先端取付部５６が形成されている。検出素子６の検出部６４は、先端取付部５６よりも先端側に突出されている。

主体金具５の雄ねじ部５２の後端側には径方向に拡径された工具係合部５３が形成されており、酸素センサ１を排気管の取付部（図示外）に取り付ける際に使用される取り付け工具が係合される。この工具係合部５３と雄ねじ部５２との間の部位には、排気管の取付部を介したガス抜けを防止するための環状のガスケット１１が嵌挿されている。そして主体金具５の後端側には、筒孔５５内で保持する検出素子６を後述するリング１７，スリーブ１６，充填部材１５，パッキン１４，支持部材１３等を通じて固定するための加締部５７が設けられている。検出素子６の後端部６６は、この加締部５７よりも後端側に突出されている。また、工具係合部５３と加締部５７との間には、その外周に、後述する外筒３の先端部３１が係合される後端係合部５８が形成されている。

次に、主体金具５の筒孔５５内の先端側には、その内周を径方向内側に向けて突出させた段部５９が設けられている。この段部５９に、金属製のパッキン１２を介し、アルミナからなる筒状の支持部材１３が係止されている。支持部材１３の内周も段状に形成されており、その段状の部位に配置される金属製のパッキン１４を介し、検出素子６のフランジ部６５が支持部材１３により支持されている。さらに筒孔５５内には、支持部材１３の後端側に滑石粉末からなる充填部材１５が充填されている。充填部材１５を支持部材１３との間で挟むように、充填部材１５の後端側に、アルミナ製で筒状のスリーブ１６が配置されている。

スリーブ１６の後端側には環状のリング１７が配置されている。主体金具５の加締部５７を内側先端方向に加締めることで、リング１７を介し、スリーブ１６が充填部材１５に対して押しつけられている。加締部５７の加締めによって、主体金具５の段部５９に係止された支持部材１３に向けて検出素子６のフランジ部６５を押圧するよう、充填部材１５が主体金具５の筒孔５５内に圧縮充填される。筒孔５５の内周面と検出素子６の外周面との間の間隙は、充填部材１５によって、気密に埋められる。このように、検出素子６は、主体金具５の加締部５７と段部５９との間において挟持された各部材を介し、主体金具５の筒孔５５内で保持されている。

また、上記したように、検出素子６の検出部６４は、主体金具５の先端取付部５６から軸線Ｏ方向の先端側に向け突出されており、先端取付部５６に溶接によって組みつけられたプロテクタ４によって覆われている。プロテクタ４は、酸素センサ１が排気管（図示外）に取り付けられた際に排気管内に突き出される検出素子６の検出部６４を、排気ガス中に含まれる水滴や異物等の衝突から保護するものである。プロテクタ４は、外側プロテクタ４１と内側プロテクタ４５とからなる２重構造を有する。外側プロテクタ４１は有底筒状をなし、開放された側の周縁部が先端取付部５６に接合される。内側プロテクタ４５も同様に有底筒状をなし、外側プロテクタ４１の内部に固定される。外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の外周面には、内部に排気ガスを導入し、検出素子６の検出部６４へと導く導入口４２が、それぞれ開口されている（内側プロテクタ４５のガス導入口は図示せず。）。また、外側プロテクタ４１および内側プロテクタ４５の底面には、内部に入り込んだ水滴や排気ガスを排出するための排出口４３，４８が、それぞれ開口されている。

次に、主体金具５の後端側には、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる筒状の外筒３が組み付けられている。外筒３は、ステンレス鋼を軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状に形成し、さらに略中央より先端側（図１において下側）を、後端側よりも大径に形成したものである。外筒３の先端部３１は、主体金具５の後端係合部５８にはめ込まれ、外周側から後端係合部５８に加締められている。さらに、先端部３１の外周を一周して、レーザ溶接が施されている。外筒３は、軸線Ｏ方向に沿って後端側へ向けて延びており、検出素子６の後端部６６や、それよりも後端側に配置されるセパレータ８およびグロメット９（後述）の外周を、径方向に取り囲んでいる。

外筒３に取り囲まれた検出素子６の後端部６６には、外周側に、検出電極６３との電気的な接続を行う外側端子７５の先端部７６がはめ込まれている。外側端子７５の先端部７６は筒状に形成されており、切れ目を有して径方向に弾性的に撓むことができ、付勢力によって検出電極６３との電気的な接続が確保されている。外側端子７５は、先端部７６から後方へ向けて棒状に延びる後端部７７を有する。同様に、検出素子６の後端部６６の内周側（筒穴６９内）には、基準電極６２との電気的な接続を行う内側端子７０の先端部７１が挿入されている。内側端子７０の先端部７１も同様に筒状に形成されており、切れ目を有して径方向に弾性的に撓むことができ、付勢力によって基準電極６２との電気的な接続が確保されている。そして同様に、内側端子７０も、先端部７１から後方へ向けて棒状に延びる後端部７２を有する。なお、内側端子７０が、本発明の「出力端子」に相当する。

また、検出素子６の筒穴６９内には、固体電解質体６１を加熱して活性化させる棒状のヒータ１００が挿入されている。内側端子７０の先端部７１は、検出素子６とヒータ１００との間に挟まれる位置に配置され、ヒータ１００の外周面に接している。ヒータ１００の後端側には、ヒータ１００に通電する一対の電極端子１３０（図１では一方の電極端子１３０のみを示す。）が設けられている。なお、ヒータ１００および電極端子１３０については後述する。内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７とには、上記したリード線１８の芯線が加締め接合されている。また、電極端子１３０には、リード線１９の芯線が加締め接合されている。なお、電極端子１３０が、本発明の「端子部材」に相当する。

検出素子６の後端部６６よりも軸線Ｏ方向の後端側には、絶縁性セラミックスからなる筒状のセパレータ８が配置されている。セパレータ８は絶縁性セラミックスを筒状に形成したものであり、上記の内側端子７０の後端部７２と、外側端子７５の後端部７７と、２つの電極端子１３０とが互いに接触しないよう分離するため、それらを独立に収容する収容部８２を有する。各収容部８２はセパレータ８を軸線Ｏ方向に貫通しており、セパレータ８を挟んで先端側と後端側との間で大気連通が可能となるように構成されている。内側端子７０の後端部７２、および外側端子７５の後端部７７に接続された２本のリード線１８と、２つの電極端子１３０に接続された２本のリード線１９は、後述するグロメット９の挿通孔９２を介して酸素センサ１の外部に引き出されている。

また、セパレータ８の外周面には径方向外側に突出するフランジ部８１が設けられている。フランジ部８１の配置位置の後端に相当する外筒３の外周面には、周方向の３カ所以上において凹みが設けられており、この凹みによって、外筒３内において内向きに突出する係合部３２が形成されている。セパレータ８は、フランジ部８１の後端向きの面が係合部３２に当接し、軸線Ｏ方向後方への移動が規制されている。

さらに、フランジ部８１よりも先端側で、外筒３とセパレータ８との間の間隙には、保持金具８５が配設されている。保持金具８５は筒状に形成された金属製の部材で、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部を有する。保持金具８５は、自身の内部に挿通されるセパレータ８のフランジ部８１の先端向きの面を支持部に係止させて、セパレータ８を支持している。この状態で、保持金具８５が配置された部分の外筒３の外周面が加締められ、セパレータ８を支持した保持金具８５が外筒３に固定されている。

セパレータ８の後端側にはフッ素系ゴムからなるグロメット９が配置されている。グロメット９は、外筒３の後端側の開口３３に嵌められて、開口３３付近の外周が加締められることにより、外筒３に保持されている。グロメット９には、外筒３内に大気を導入するための連通孔９１が、軸線Ｏ方向に貫通して形成されている。酸素センサ１では、この連通孔９１およびセパレータ８の収容部８２を介し、外筒３内に大気を導入し、検出素子６の筒穴６９内に形成された基準電極６２が大気に晒されるように構成されている。連通孔９１内には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂から形成された薄膜状のフィルタ部材８７およびその留め金具８８が挿入されており、水滴等の進入が防止されている。また、グロメット９には、リード線１８，１９を挿通するための４つの挿通孔９２も、それぞれ独立に形成されている（図１ではそのうちの２つの挿通孔９２を示す）。

次に、ヒータ１００について説明する。図１に示すように、ヒータ１００は、酸素センサ１の軸線Ｏ方向に延びる丸棒状を有する。ヒータ１００の先端部１１０は、検出素子６の筒穴６９内で検出部６４側に配置される。ヒータ１００の後端部１２０は、筒穴６９から露出されて、セパレータ８の収容部８２内に配置される。

図２に示すように、ヒータ１００は、アルミナセラミック製で丸棒状の碍管１０１を芯棒とし、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を巻き付けた状態で焼成したものを基体１０５とする。基体１０５内には、タングステン系の発熱抵抗体１４１が埋設されている。グリーンシート１４０は２枚のシートからなり、発熱抵抗体１４１は２枚のシート間に、ヒートパターンとして形成され、焼成によって埋設される。具体的に、発熱抵抗体１４１は、タングステン（モリブデンでもよい）を溶剤に溶かしたペースト状のインク（メタライズインク）を一方のグリーンシート１４０に印刷し、他方のグリーンシート１４０で挟み、碍管１０１に巻き付け、焼成することによって形成される。発熱抵抗体１４１のヒートパターンは、ヒータ１００の先端部１１０に配置される発熱部１４２と、発熱部１４２の両端それぞれに接続され、後端部１２０へ向けて延びる一対のリード部１４３とからなる。発熱部１４２のパターンはリード部１４３のパターンよりも通電抵抗が大きくなるよう断面積が小さく形成されており、一対のリード部１４３間に通電されると、主に発熱部１４２において発熱する。なお、発熱部１４２とリード部１４３の組成を異ならせ、主に発熱部１４２において発熱するようにしてもよい。

ヒータ１００の基体１０５の後端部１２０には、外表面上に２つの電極パッド１５０が形成されている。また、発熱抵抗体１４１の一対のリード部１４３は、それぞれ、グリーンシート１４０内で電極パッド１５０の形成位置まで延びている。グリーンシート１４０には、２つの電極パッド１５０の形成位置それぞれに、軸線Ｏ方向に並ぶ２つのスルーホール１４４がそれぞれ形成されている。各スルーホール１４４には、メタライズインクが充填されている。電極パッド１５０とリード部１４３とは、スルーホール１４４を介し、電気的に接続されている。電極パッド１５０も発熱抵抗体１４１と共に、タングステン系のメタライズインクの印刷により形成され、焼成によって、基体１０５と一体になる。

２つの電極パッド１５０には、ヒータ１００に通電するための電極端子１３０がろう付けにより接合されている。電極端子１３０は板棒状のニッケル系合金からなり、真っ直ぐ延びる胴部１３３の一端を厚み方向に段状に折り曲げて、接続部１３２および対向部１３１が形成されている。電極端子１３０は、対向部１３１が電極パッド１５０上に配置された状態で、主に対向部１３１の部分が、銀を主成分とするろう材１６０によってろう付けされている。また、電極端子１３０の胴部１３３の対向部１３１とは反対側の端部には、外部回路接続用のリード線１９（図１参照）が加締め固定される加締部１３４が形成されている。加締部１３４は、幅広に形成した胴部１３３の他端を、胴部１３３の長手方向に対して略直角にひねるようにねじ曲げ、両側の縁部分を一方の面側に折り返すことで、リード線１９を加締める部分が形成されている。

このような構成の酸素センサ１において、上記したように、ヒータ１００の電極端子１３０は、電極パッド１５０にろう付けされている。前述したように、電極パッド１５０は、２つのスルーホール１４４によって、グリーンシート１４０内に埋設された発熱抵抗体１４１のリード部１４３と電気的に接続されている。ここで、図３、図４に示すように、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向における長さをＬとする。本実施の形態では、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向の長さＬが３ｍｍ≦Ｌ≦５ｍｍを満たすことを、後述するろう材１６０による電極端子１３０と電極パッド１５０との接合における前提条件として規定している。

２つのスルーホール１４４の大きさや互いの位置関係は、スルーホール１４４を覆ってグリーンシート１４０上に形成される電極パッド１５０の強度を確保する点が考慮されて、決められる。電極パッド１５０の強度を考慮したとき、２つのスルーホール１４４間の軸線Ｏ方向の長さとして、１．５ｍｍ以上を確保することが望まれる。スルーホール１４４間の長さが１．５ｍｍ未満の場合、スルーホール１４４間において電極パッド１５０が十分な長さを確保しにくくなり、電極パッド１５０に、スルーホール１４４を起点とするクラックや割れを生ずる虞がある。２つのスルーホール１４４は間の距離が離れるほどよく、１．５ｍｍ以上確保すれば、スルーホール１４４を起点とした電極パッド１５０のクラックや割れの発生を抑制できることが、設計時の試験よりわかっている。なお、本実施の形態では、２つのスルーホール１４４間の長さを２ｍｍとしている。

また、スルーホール１４４間の長さが大きくなるほど、スルーホール１４４は、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向の縁端に近づくこととなる。すなわち電極パッド１５０においては、自身の縁端とスルーホール１４４との距離を確保しにくくなり、上記同様、スルーホール１４４を起点とするクラックや割れを生ずる虞がある。スルーホール１４４と電極パッド１５０の縁端との距離を１ｍｍ以上確保すれば、スルーホール１４４を起点とした電極パッド１５０のクラックや割れの発生を抑制できることが、設計時の試験よりわかっている。

一方で、電極パッド１５０を軸線Ｏ方向に長くなるように大きさを確保しようとすることは、難しい。後述する評価試験１によれば、電極パッド１５０の長さＬが５ｍｍを超えると、電極パッド１５０の形成時の収縮に起因したクラックや割れを生ずる虞があり、ヒータ１００の設計変更を行う必要が生ずる。こうしたことから、本実施の形態では、電極パッド１５０の長さＬを５ｍｍ以下に規定している。

したがって、２つのスルーホール１４４間に１．５ｍｍ以上の距離を確保し、かつ、各スルーホール１４４と電極パッド１５０の縁端との間にそれぞれ１ｍｍ以上の距離を確保するには、電極パッド１５０の長さＬを３．５ｍｍ以上とすればよい。もっとも、スルーホール１４４の数は２つに限定するものではなく、１つであっても、３つ以上であってもよい。スルーホール１４４が１つの場合、上記によれば、電極パッド１５０の長さＬとして２ｍｍ以上を確保できれば足りる。ここで、電極端子１３０と電極パッド１５０との接合強度を確保するため、電極端子１３０の対向部１３１の長さとして、２．５ｍｍを確保している。対向部１３１に対するろう付けに必要な大きさを考慮すると、電極パッド１５０の長さＬとして、３ｍｍ以上を確保することが望ましい。以上より、本実施の形態では、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向の長さＬが３ｍｍ≦Ｌ≦５ｍｍを満たすことを規定し、ろう材１６０による電極端子１３０と電極パッド１５０との接合における前提条件としている。

このように大きさが規定された電極パッド１５０の表面（接合面）に電極端子１３０をろう付けする際には、電極端子１３０の対向部１３１を、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向の中央の位置（図中、矢印Ｍで示す。）を基準に、後端側にずらして配置している。換言すると、軸線Ｏ方向において、電極端子１３０の対向部１３１を、電極パッド１５０の中央部１５２から後端部１５３にかけて配置し、先端部１５１には配置されないようにしている。この状態でろう材１６０によるろう付けがなされることで、電極端子１３０の対向部１３１は、電極パッド１５０の後端部１５３寄りの位置で電極パッド１５０に接合される。そして、ろう材１６０は、電極パッド１５０の先端部１５１に存在しない。

電極パッド１５０の先端部１５１は、中央部１５２や後端部１５３よりも発熱抵抗体１４１の発熱部１４２に、より近い位置にある。電極パッド１５０の先端部１５１にろう材１６０が存在しなければ、発熱抵抗体１４１への通電に伴い発生する熱がろう材１６０に与える負荷を、先端部１５１にろう材１６０が存在する場合と比べ、低減することができる。ろう材１６０に加わる熱負荷が低減することにより、電極端子１３０と、ヒータ１００の外周面に接する内側端子７０の先端部７１との間で、ろう材１６０によるマイグレーションの発生を、より抑制することができる。特に、本実施の形態では、ろう材１６０の主成分が比較的マイグレーションを生じやすい銀であるので、電極パッド１５０の先端部１５１にろう材１６０が存在しないことによるマイグレーションの発生に対する抑制効果が大きい。

なお、図４、図５に示すように、ろう材１６０が、対向部１３１の側面から電極パッド１５０の表面にかけて末広がりとなった、いわゆるフィレット形状を形成するように、ろう材１６０の使用量を調整するとよい。電極端子１３０の対向部１３１を電極パッド１５０の表面にろう付けする上で、ろう材１６０がフィレット形状を形成することで、接合強度を得ることができる。さらに、対向部１３１を電極パッド１５０の後端側にずらした状態で、ろう材１６０がろう付けによってフィレット形状となれば、ろう材１６０の使用量を減らし、確実に、先端部１５１にろう材１６０が存在することがない。そして、フィレット形状に広がるろう材１６０の裾野の端部（際（キワ））が、電極パッド１５０の縁端に到達するとよい。こうすることにより、ろう材１６０の裾野が広がる面積を確保し、ろう材１６０が、確実なフィレット形状を形成することができるので、電極端子１３０と電極パッド１５０との接合強度をより高めることができる。なお、本実施の形態では、ろう材１６０によるフィレット形状が確実に形成されるように、図５に示す、電極パッド１５０の軸線Ｏと直交する方向（基体１０５の周方向）において、電極端子１３０の幅を１ｍｍとし、電極パッド１５０の幅を２．４ｍｍとしている。

なお、本実施の形態は、各種変更が可能である。例えば、図６に示す、ヒータ２００のように、電極端子１３０の対向部１３１を電極パッド１５０にろう付けする際に、ろう材２６０のキワが、電極パッド１５０の縁端には到達しないようにしてもよい。銀を主成分とするろう材２６０に、銀のマイグレーションを抑制するため、例えば銅を含有することがある。このようなろう材２６０を用いる場合、銅の腐食防止のため、例えばニッケルめっき２６５で、ろう付けした対向部１３１をろう材２６０ごと覆って保護するとよい。その際に、電極パッド１５０の縁端からろう材２６０のキワを離すことで、ろう材２６０をニッケルめっき２６５により完全に覆って電極パッド１５０との間に封じることができる。これにより、ろう材２６０が外部に露出することを防止できるので、腐食を防止することができる。

そして本実施の形態と同様に、電極パッド１５０の先端部１５１にろう材２６０が存在しないことで、ニッケルめっき２６５も、先端部１５１には存在しないようにすることができる。よって、発熱抵抗体１４１への通電に伴う熱がニッケルめっき２６５に与える負荷を低減できるので、ニッケルめっき２６５の耐久性を高めることができる。そして、ニッケルめっき２６５によるろう材２６０の保護を、より確実なものとすることができ、銅の腐食を防止するだけでなく、銀のマイグレーションも抑制することができる。

また、図７に示す、ヒータ３００のように、電極パッド１５０の軸線Ｏ方向の中央の位置Ｍよりも後端側に、電極端子３３０の対向部３３１を配置してもよい。そして、ろう材３６０の先端側のキワの位置が、電極パッド１５０の中央の位置Ｍよりも後端側に配置されるようにするとよい。このようにすることで、電極パッド１５０の先端部１５１に、確実に、ろう材２６０が存在しないようにすることができるので、銀のマイグレーションの発生をさらに抑制することができる。

また、ろう材１６０の主成分を銀としたが、銀でなくともよく、例えば銅であってもよい。なお、本実施の形態において、主成分とは、含有される全成分のうち５０％以上の含有量を占める成分をいう。

［評価試験１］ ヒータ１００の電極パッド１５０について、軸線Ｏ方向の長さＬを５ｍｍ以下に規定したのは、以下の評価試験の結果に基づく。評価試験では、ヒータ１００の後端部１２０に、軸線Ｏ方向の長さの異なる電極パッド１５０を形成した４種類のヒータのサンプルを、各１００本ずつ、４００本用意した。具体的に、従来品と同等の大きさで、２つのスルーホール間の距離が２ｍｍのグリーンシートを用意し、メタライズインクの印刷により、発熱抵抗体および電極パッドのパターンを形成した。また、スルーホール内にもメタライズインクを充填した。

このとき、最初の１００本には、各スルーホールから電極パッドの縁端までの軸線Ｏ方向の距離をそれぞれ１．５ｍｍとなるように、長さＬが５．０ｍｍの電極パッドを印刷した。次の１００本は、各スルーホールから縁端までの距離をそれぞれ１．６ｍｍとした、長さＬが５．２ｍｍの電極パッドを印刷した。次の１００本は、各スルーホールから縁端までの距離をそれぞれ１．７５ｍｍとした、長さＬが５．５ｍｍの電極パッドを印刷した。残る１００本は、各スルーホールから縁端までの距離をそれぞれ２ｍｍとした、長さＬが６．０ｍｍの電極パッドを印刷した。発熱抵抗体および電極パッドが印刷されたグリーンシートを対となるグリーンシートと合わせ、それぞれ碍管に巻き付けて焼成した。焼成後、各サンプルの電極パッドを観察し、クラックの発生の有無を確認した。サンプルの種類ごとに、クラックが発生したサンプルの本数を数え、サンプル数で割ってクラック発生率を求めた。この評価試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、電極パッドの長さＬが５．０ｍｍの場合にはクラックは発生しなかったが（０％）、長さＬが長くなるにつれ、クラックの発生率が高くなっていった。電極パッドの長さＬが５．２ｍｍのサンプルでは、１００本中３本（３％）のサンプルにクラックが生じた。電極パッドの長さＬが５．５ｍｍのサンプルでは、１００本中２３本（２３％）のサンプルにクラックが生じた。電極パッドの長さＬが６．０ｍｍのサンプルでは、１００本中５０本（５０％）のサンプルにクラックが生じた。このように、電極パッドの長さＬが５．０ｍｍを超えると、焼成後にクラックを生ずる虞があることが確認された。

もっとも、モリブデン系のメタライズインクを用いたり、タングステン系でも溶剤の添加量を変更したりすれば、電極パッドの長さＬが５．０ｍｍより長くてもクラックを生じない場合もある。しかしながら、電極パッドの長さＬを５．０ｍｍより長くできるように、メタライズインクの組成を変更すれば、同一のメタライズインクを用いて形成される発熱抵抗体についても、焼成条件や特性などに影響を生ずる虞がある。ゆえに、ろう材１６０による電極端子１３０と電極パッド１５０との接合における前提条件として、電極パッドの長さＬを５．０ｍｍ以下とすることが望ましい。

１ 酸素センサ
６ 検出素子
６２ 基準電極
６４ 検出部
６９ 筒穴
７０ 内側端子
１００ ヒータ
１０５ 基体
１３０ 電極端子
１４１ 発熱抵抗体
１５０ 電極パッド
１５１ 先端部
１６０ ろう材

Claims (2)

1. 軸線方向に延び先端側が閉じた有底筒状の検出素子であって、先端側に検出対象ガス中の特定成分の検出を行うための検出部を有し、後端側の内周面上に、前記検出部から出力が伝わる電極部が形成された検出素子と、
   前記検出素子の筒穴内に挿入された棒状のヒータであって、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を埋設してなるセラミック基体と、前記セラミック基体の外表面に配置され、前記発熱抵抗体と電気的な接続を行う電極パッドと、前記電極パッドにろう材によって接合され、外部回路との電気的な接続を行う端子部材と、を備えたヒータと、
   少なくとも前記検出素子の筒穴内に挿入されると共に、前記ヒータを取り囲む筒状の出力端子であって、前記検出素子の前記電極部に電気的に接続すると共に、前記電極パッドよりも先端側で前記ヒータと接触する出力端子と、
   を備えたガスセンサにおいて、
   前記電極パッドと前記発熱抵抗体とを電気的に接続する、前記電極パッドの軸線方向中央よりも先端側および後端側に形成される２以上のスルーホールをさらに備え、
   前記軸線方向における前記電極パッドの長さをＬとすると、３ｍｍ≦Ｌ≦５ｍｍであり、
   前記電極パッドの前記端子部材と対向する接合面に対して、前記２以上のスルーホールのうち、後端側に形成されたスルーホールの形成位置のみに前記端子部材が存在するように、前記端子部材は前記接合面の軸線方向中央よりも後端側にずらして接合され、
   前記ろう材は、前記電極パッドの先端部に存在しないことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ろう材は、Ａｇを主成分とするものであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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