CN2731892Y - 陶瓷加热器 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷加热器，在陶瓷片的表面上，进行发热电阻和与该发热电阻连接的电极引出部的网板印刷，进而，在与该电极引出部相对的背面，进行用于与上述电极引出部导通的电极焊盘的网板印刷，在把上述表面作为内侧而将上述陶瓷片密贴于陶瓷芯材的圆周上、形成陶瓷加热器，在该陶瓷加热器上的上述陶瓷芯材和上述陶瓷片的各平均气孔径为1～10μm。这种陶瓷加热器，防止陶瓷中的粘合料成分CaO、MgO、SiO₂的离子移动和迁移，可防止由此引起的发热电阻断线和提高耐久性。

Description

陶瓷加热器

技术领域

本实用新型涉及一种可用于汽车用氧传感器加热用加热器、烙铁、煤油取暖器的气化器用加热器、热水加热器等工业机器用、一般家庭用、电子零件用、工业机器用等各种加热用加热器的陶瓷加热器。

背景技术

以前，作为陶瓷加热器，有平板形、棒形和管形等各种形状，以适应各种用途。其中，在汽车用排气传感器上所使用的棒形陶瓷加热器，联动了世界性地球环境保护运动，其使用量有增加的趋势。

图1(a)～(c)是一般使用的棒形陶瓷加热器1的概略图。该陶瓷加热器1，内置有发热电阻4和电极引出部5，在其表面3a上形成电极焊盘8，把用于供给内部的发热电阻4电力的导线部件9焊接在上述电极焊盘8上。

而且，上述陶瓷体6的结构，如图1(b)、(c)所示，是在陶瓷芯材2上将进行了网板印刷发热电阻4的陶瓷片3、沿圆周密贴而成。在陶瓷片3的背面，设置有用于连接上述发热电阻4和由金属构成的导线部件9的电极焊盘8。上述电极焊盘8，通过在与电极引出部5之间的陶瓷片3上设置充填了导体的通孔7，使两者构成电连接。

另外，作为陶瓷加热器1的陶瓷芯材2以及陶瓷片3的材料，以前特别是在用于汽车用陶瓷加热器时，一般平均气孔径为10～30μm，气孔率为5～8％。

为了加热测定汽车废气中氧浓度的氧传感器至工作温度而使用了多个陶瓷加热器1，但因这种用途而使用的陶瓷加热器1，大多是外加直流电压并在600～800℃的高温条件下连续使用。因此，在提高外加直流电压的条件下提高耐久性，对于延长陶瓷加热器1的寿命是非常必要的。

因此，以前，为了难以引起成为陶瓷加热器1断线原因的迁移，尽管所提出的在和发热电阻4相连的电极引出部5上添加不容易出现迁移的成分是有效的(参照专利文献1)，但还存在烧结性差的问题。

专利文献：特开平1997-245946

近年来，陶瓷加热器1，特别是在使用汽车用氧传感器的加热用加热器时，不仅要求用于提高废气检测能力快速升温性、伴随车辆小型化的耐振动性，而且还强烈要求耐强度以及延长保用时期的长寿命性。例如，通过将车辆电源设为42V、减小流过配线的电流，可减小配线部件的线径，减少零件数量并实现轻型化。

目前的现状是，由电场引起离子迁移这一重大问题。如图4所示，在外加直流电压的条件下，会发生在陶瓷体6基体材料中所含有的阳离子、在该电压的作用下自阳极侧4a向阴极侧4b移动的迁移，通过该迁移，阳离子会随着时间而聚集在阴极侧4b，相反地在阳极侧4a随着时间阳离子就变成稀少的状态，其结果是空气中的氧气在阳极侧4a的发热电阻4附近扩散，氧化发热电阻4，出现断线。特别是，根据本实用新型者的想法，一旦在高温条件下使用陶瓷加热器1，则在电场的作用下陶瓷体中的Ca、Mg、Si等成分和作为杂质的Na及K等碱金属会出现移动。这种离子移动，外加给陶瓷加热器1的电压越高，就越促进其移动速度，从而增加移动量，由此，现发热电阻4的电阻增大，发热电阻4的耐久性降低、继而出现发热电阻4断线的问题。

实用新型内容

考虑到上述问题，本实用新型的陶瓷加热器，是把陶瓷片的表面作为内侧而密贴于陶瓷芯材外周上的陶瓷加热器，其特征是，上述陶瓷芯材2的平均气孔径为1～10μm，同时缠绕在该芯材外周的陶瓷片的平均气孔径为1～10μm，对该薄片内侧面3a上的发热电阻4和连接在该发热电阻上的电极引出部5进行网板印刷，在与该电极引出部5相对的外表面上，具有介由通孔7与上述电极引出部5导通的电极焊盘8。

另外，上述陶瓷芯材的气孔率优选低于上述陶瓷片的气孔率。

另外，当把上述陶瓷芯材的气孔率设为A、上述陶瓷片的气孔率设为B时，优选0.3≤A/B≤0.95。

附图说明

图1(a)是一般陶瓷加热器的立体图，(b)是其展开图，(c)是其电极焊盘的剖视图。

图2是本实用新型的陶瓷加热器的剖视图。

图3是本实用新型的陶瓷加热器的总体简图。

图4是以前的陶瓷加热器的迁移的剖视图。

图中：1-陶瓷加热器，2-陶瓷芯材，3-陶瓷片，3a-表面，4-发热电阻，4a-阳极侧，4b-阴极侧，5-电极引出部，6-陶瓷体，7-通孔，8-电极焊盘，9-导线部件，10、12-镀层，11-焊料，13-气孔，d-陶瓷加热器外径，l-陶瓷加热器全长，f-发热长度。

具体实施方式

根据本实用新型，在陶瓷片的表面上，进行发热电阻、与该发热电阻连接的电极引出部的网板印刷，进而在与该电极引出部相对的背面，进行用于与上述电极引出部导通的电极焊盘的网板印刷，在把上述表面作为内侧而将上述陶瓷片密贴于陶瓷芯材的圆周上，形成陶瓷加热器，在该陶瓷加热器上，把上述陶瓷芯材和上述陶瓷片的各平均气孔径设为1～10μm，能够确保阳离子的俘获容积。

上述陶瓷芯材的气孔率，优选低于上述陶瓷片的气孔率，当把上述陶瓷芯材的气孔率设为A、把上述陶瓷片的气孔率设为B时，以0.3≤A/B≤0.95，则能够提高针对阳离子迁移引起的发热电阻断线的耐久性。

下面，使用附图1说明本实用新型的陶瓷加热器的实施例。

图1(a)是陶瓷加热器1的局部剖的立体图，图1(b)是其陶瓷体6a部分的展开图，图1(c)是电极焊盘8附近的剖视图。

陶瓷片3的表面3a上，形成发热电阻4和电极引出部5，而且在与其背面形成的电极焊盘8之间用通孔7接合。在陶瓷芯材2的表面3a上，以使上述的表面3a成为内侧的方式密贴并烧结这样准备的陶瓷片3，从而形成陶瓷体6。而且，使用焊料把导线部件9接合到电极焊盘8上，由此形成陶瓷加热器1。

为减小陶瓷芯材2、陶瓷片3的平均气孔径和气孔率，可以采用①减小原料的粒径，②将原料加压增大体积密度，③进行细密充填而使原料粒度适当的方法。

如果减小原料的粒径，就难以进行成形时的充填，陶瓷芯材2的烧结收缩率就会大于陶瓷片3的烧结收缩率，陶瓷芯材2的收缩变大。这时，首先对陶瓷芯材2进行预制烧结，以预选一定的比率进行收缩之后，在陶瓷芯材2的表面缠绕陶瓷片3并进行烧结，则能够使两者的烧结收缩一致。

另外，为了提高原料的加压体积密度，优选把原料加工成近球形。如果原料呈有角形状，则加压时粉末相互成块而妨碍充填，所以不能提高成形时的粉体充填率。为此，会增大陶瓷中的气孔。因此，在制造原料时把原料加工成球形，或者用球磨机等方法磨碎原料，除去原料有角的部分，则能够提高分体的加压体积密度，减少气孔率。通过上述磨碎生成的微细原料，对于精确充填原料用的粒度配合也是有效的。

这里的加压体积密度，是指向金属模具中充填粉体并通过对其进行一定加压成形时的密度。

如果平均气孔径低于1μm，则在由上述迁移而引起阳离子集中在阴极侧4b时，因为吸收阳离子的气孔的容积较小，所以会出现陶瓷体6破裂，断线的情况。而且，反过来，当大于10μm时，则会出现阳极侧4a的密度过于稀疏而使耐久性快速劣化的情况。

另外，当把该陶瓷芯材2的气孔率设为A，该陶瓷片3的气孔率设为B、A/B不到0.3和大于0.95时，可知耐久性约为1/2。

另外，因为当气孔率A、B分别为1～10％时在制造上比较稳定，所以作为优选。

由迁移而引起的阳离子的移动，发热电阻4内侧的陶瓷芯材2多于陶瓷片3。因此，通过减少陶瓷芯材2的气孔率来防止阳极侧的密度过稀，改善耐久性。

这里说明对于平均气孔径和气孔率的评价方法。

首先，在树脂中埋入陶瓷加热器1并进行截面，用金相显微镜对其拍摄1000倍的照片。然后，用图像处理装置(装置名称：ニレコ制，LUZEX-FS)在陶瓷芯材2和陶瓷片3的各8处、在1可视区＝240μm×160μm的范围内测量1μm以上的气孔的数量和直径，测定平均气孔径和陶瓷芯材2的气孔率A、陶瓷片3的气孔率B，接着计算出A/B。

接着，对于耐久性的测定方法进行说明。

外加电压、使作为评价样品的陶瓷加热器1的最高发热部(未图示)达到1200℃，测定200小时后断线的数量和样品全部断线时平均所需时间。

接着，用图1进一步详细说明本实用新型的陶瓷加热器1。

作为本实用新型的陶瓷加热器1的陶瓷芯材2和陶瓷片3的材料，优选使用Al₂O₃ 88～95重量％、SiO₂ 2～7重量％、CaO 0.5～3重量％、MgO0.5～3重量％、ZrO₂ 1～3重量％。

如果Al₂O₃少于上述含量，则玻璃质就会增多，所以通电时的迁移会增大，所以不作为优选。而且，如果反过来若Al₂O₃多于上述含量，则向内置的发热电阻4的、向金属层内扩散的玻璃量会减少，陶瓷加热器1的耐久性劣化，所以不作为优选。

另外，发热电阻4，是把从由W、Re和Mo构成的组中选出的至少一种作为主要成分，由有机粘合剂和适当添加的陶瓷成分构成。根据对陶瓷加热器1的使用要求，适当选择发热电阻4的材料。

而且，使用烧结后以Ni为主要成分的电镀层、非电解硼类镀层和非电解磷类镀层中的任何一种，在电极焊盘8上实施镀层10。该镀层10可在将导线部件9焊接到电极焊盘8的表面时，改善焊料的流动性，增强焊接强度，因此形成厚度通常为1～5μm的镀层10。

作为固定导线部件9的焊料11，可使用Au、Cu、Au-Cu、Au-Ni、Ag、Ag-Cu类焊料。作为Au-Cu焊料，优选Au含量为25～95重量％，作为Au-Ni焊料，优选Au含量为50～95重量％，则能够把焊接温度设定在1000℃左右，并可降低焊接后的残留应力，所以良好。另外，当在湿度较高的环境中使用时，使用Au类、Cu类焊料难以出现迁移，所以优选。

另外，从焊料11氧化等腐蚀的观点来看，通过进一步形成镀层12进行保护。

在图3中，说明陶瓷加热器1的尺寸。

例如，可将外径d设为2～20mm，将长度l设为40～200mm左右。作为汽车空燃比传感器的加热用陶瓷加热器1，优选外径d为2～4mm，长度l为40～65mm。

而且，作为汽车用陶瓷加热器1使用时，上述发热电阻4的发热长度f优选3～15mm。如果发热长度f短于3mm，则能使通电时的升温迅速，但降低陶瓷加热器1的耐久性。另一方面，如果长于15mm，则升温速度减慢，若要加快升温速度就会增大陶瓷加热器1的耗电量。

而且，上述发热长度f，是表示发热电阻4上除去电极引出部5的往返图形部分的长度，该发热长度f，根据用途可以有各种选择。

而且，在上述发热电阻4的两端形成电极引出部5，如图1(c)所示，在陶瓷片3上，形成介由通孔7在发热电阻4上通电的电极焊盘8。

另外，在上述通孔7的内周面上，形成平均厚度20μm以上的、由高熔点金属构成的镀层，并充填由铜焊料、银焊料、金铜焊料等焊料、钨、钼、铼等高熔点金属构成的通孔导体，为和电极引出部5构成电连接而设置电极焊盘8。

实施例

接着，出示本实用新型的实施例。

在此，对于陶瓷芯材2和陶瓷片3的气孔13的平均气孔径及气孔率、陶瓷加热器1的耐久性进行了研究。

以Al₂O₃为主要成分，把组成调节至92重量％的Al₂O₃、4.5重量％的SiO₂、1.5重量％的CaO、1.5重量％的MgO、0.5重量％的ZrO₂，并添加有机粘合剂等有机溶剂，形成料浆之后，用刮刀法准备陶瓷片3。

如图1(a)～(c)所示，在该表面3a上，印刷由W-Re构成的发热部4和电极引出部5，为了在背面形成电极焊盘8而网板印刷W形成金属镀层9。然后，在电极引出部5的末端形成通孔7，并通过向内注入糊料而与电极焊盘8接通。

接着，调节材料和上述的陶瓷片3相同，在形成添加了成形用粘合剂等有机溶剂的料浆后，通过挤出成形和加压成形，制成陶瓷芯材2。然后实施在按规定的大小切断陶瓷片3之后、用自动机进行把陶瓷片3设置在规定位置的工序，以及在其上放置陶瓷芯材2的工序，转动陶瓷芯材2并在其表面3a密贴陶瓷片3的工序，在3根以同一方向旋转的轧辊之间旋转如上述制成的陶瓷体6的工序；使陶瓷芯材2和陶瓷片3沿圆周密贴。而且，作为用来将陶瓷芯材2和陶瓷片3粘合的粘合剂，在陶瓷片3上网板印刷有机类粘合剂。

这一次，为了评价陶瓷芯材2的陶瓷片3的气孔13的平均气孔径和气孔率、和该陶瓷加热器1的耐久性，改变原料Al₂O₃的粒径和粘合料成分比，对6级样品各10根进行了测定。

关于本样品的形状，外径d为3mm，长度l为60mm。

关于平均气孔径和气孔率的测定评价方法，首先，把陶瓷加热器1埋入到树脂中并进行截面，用金相显微镜拍摄1000倍的照片。然后，用图像处理装置(装置名称：ニレコ制，LUZEX-FS)在陶瓷芯材2和陶瓷片3各8处、在1可视区面积＝240μm×160μm的范围内测定、计算气孔的平均气孔径和陶瓷芯材2的气孔率A、陶瓷片3的气孔率B，算出A/B。

这里作为对象的气孔的直径在0.1μm以上。

关于耐久性的测定方法，外加电压，使作为评价样品的陶瓷加热器1的最高发热部(未图示)的温度达到1200℃，测定200小时后断线的数量和样品全部断线的平均所需时间。

表1陶瓷芯材和陶瓷片的平均气孔径和耐久性

编号	平均气孔径(μm)	1200℃-200小时后的断线数
			1*	0.6	3根
2	1.0	0根
			3	3.2	0根
4	5.4	0根
			5	7.4	0根
6	10.4	0根
			7*	12.5	4根

^*在本实用新型的特征范围之外                (10根中的断线数)

从表1可知，气孔的平均气孔径为1～10μm，可以说比较好。

当平均气孔径低于1μm时，由上述迁移引起的阳离子集中于阴极侧4b，由于阳离子进入的气孔容积较小，所以出现陶瓷体6破裂、断线的情况。另外，反过来在高于10μm时，阳极侧4a过于稀疏，会出现耐久性迅速劣化的情况。

表2陶瓷芯材的气孔率A和陶瓷片的气孔率B的关系A/B以及耐久性

编号	陶瓷芯材气孔率：A％	陶瓷片气孔率：B％	A/B	1200℃的平均断线时间(H)
					1*	5.1	5.1	1.00	102
2	4.9	5.1	0.95	210
					3	4.5	5.5	0.82	228
4	3.2	4.5	0.71	254
					5	1.3	3.2	0.41	260
6	1.3	4.4	0.30	205
					7*	1.3	4.9	0.27	110

                                                                  (N＝10)

根据表2可知，在陶瓷芯材2的气孔率A和陶瓷片3的气孔率B的关系A/B中，只要是0.3≤A/B≤0.95，则可提高陶瓷加热器的耐久性。

(实用新型效果)

根据如上所述的本实用新型，在陶瓷片的表面上，进行发热电阻、与该发热电阻连接的电极引出部的网板印刷，进而在与该电极引出部相对的背面，进行用于与上述电极引出部导通的电极焊盘的网板印刷，在把上述表面作为内侧而将上述陶瓷片密贴于陶瓷芯材的圆周上，形成陶瓷加热器，在该陶瓷加热器上，把上述陶瓷芯材和上述陶瓷片的各平均气孔径设为1～10μm，能够确保阳离子的俘获容积，并能够提高针对由阳离子迁移而引起的发热电阻断线的耐久性，得到提高了耐久性的陶瓷加热器。

Claims (5)

1.一种陶瓷加热器，以陶瓷片一方的表面作为内侧而将其密贴于陶瓷芯材的外周面上，其特征在于，包括：

平均气孔径为1～10μm的陶瓷芯材(2)，和

被缠绕于所述陶瓷芯材的外周上，平均气孔径为1～10μm的陶瓷片(3)，和

被网板印刷于所述陶瓷片内侧表面(3a)上的发热电阻(4)，和

与所述发热电阻连接的电极引出部(5)，和

用于和所述电极引出部(5)相接通、并位于与所述电极引出部(5)相对的外表面上的电极焊盘(8)。

2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于：所述陶瓷芯材和陶瓷片，以AL₂O₃为主要成分，其气孔率为所述陶瓷片的气孔率以下。

3.根据权利要求2所述的陶瓷加热器，其特征在于：在将所述陶瓷芯材的气孔率设为(A)、所述陶瓷片的气孔率设为(B)时，则0.3≤A/B≤0.95。

4.一种陶瓷加热器，以陶瓷片一方的表面作为内侧而将其密贴于陶瓷芯材的外周面上，其特征在于，包括：

平均气孔径为1～10μm的陶瓷芯材(2)，和

被缠绕于所述陶瓷芯材的外周上，平均气孔径为1～10μm的陶瓷片(3)，和

被网板印刷于所述陶瓷片内侧表面(3a)上的发热电阻(4)，和

与所述发热电阻连接的电极引出部(5)，和

用于和所述电极引出部(5)相接通、并位于与所述电极引出部(5)相对的外表面上的电极焊盘(8)；

在将所述陶瓷芯材的气孔率设为(A)、所述陶瓷片的气孔率设为(B)时，则0.3≤A/B≤0.95；

在所述电极焊盘(8)上具有镀层(10)，使用焊料(11)将导线部件(9)连接在镀层(10)上。

5.根据权利要求4所述的陶瓷加热器，其特征在于：所述陶瓷芯材和陶瓷片，以AL₂O₃为主要成分。

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