DE3628495A1

DE3628495A1 - Auf einem keramischen substrat aufgebrachter heizer

Info

Publication number: DE3628495A1
Application number: DE19863628495
Authority: DE
Inventors: Takao Kojima; Hiroyuki Ishiguro
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1987-03-05
Anticipated expiration: 2006-08-23
Also published as: JPS6244971A; GB2179530A; US4733056A; GB2179530B; DE3628495C2; GB8620329D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen auf einem keramischen Substrat aufgebrachten Heizer (nachfolgend mit "Keramikplatten- Heizer" bezeichnet), insbesondere auf einen Keramikplatten- Heizer mit einer außerordentlich hohen Lebensdauer.

Im allgemeinen wird ein Keramikplatten-Heizer hergestellt, indem man mittels Dickfilm-Drucks auf einem keramischen Substrat eine Heizelement-Struktur aufprägt, wobei man eine ein Widerstandsmetall, wie etwa Platin, Platin-Rhodium, Molybdän, Wolfram od. dgl., enthaltende Paste verwendet, und indem man das keramische Substrat mit der gedruckten Struktur unter Wärmeeinwirkung zusammenbäckt. In diesem Fall ist das keramische Substrat ein keramisches Material, das mit konventionellen Mitteln, wie etwa Flächenverformung und/oder Extrusionsformgebung, in die gewünschte Form, zum Beispiel in eine Platte, einen Zylinder od. dgl. verformbar ist. Im Falle der Verwendung eines Keramikplatten-Heizers dieser Art in einem Gleichstromkreis, wie etwa bei einem Auspuffgas-Sensor eines Automobils, wird die Wärme durch elektrischen Strom unter einer auf das Heizelement wirkenden Gleichstromspannung erzeugt. Dies hatte jedoch den Nachteil, daß das Heizelement wegen der Unterbrechungen, die in einer Hochtemperatur-Atmosphäre wie etwa in einem Auspuffgas leicht vorkommen können, nur eine kurze Lebensdauer hat.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen Keramikplatten- Heizer der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Lebensdauer größer ist, als die der bekannten Keramikplattenheizer.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen, der von der Minusseite eines mit dem an elektrischen Strom angeschlossenen Heizelements verbundenen Anschlußleiterteils abgezweigt ist und an der Rückseite der Basisplatte entlang zumindest eines Teils der Struktur des Heizelements verläuft.

Nach der Untersuchung der vorliegenden Erfindung beruht die Hauptursache der Unterbrechungen darin, daß der örtliche Widerstand wächst und Leerräume entstehen. Eine der Ursachen besteht darin, daß leicht ionisierbare Elemente in einem Heizelement zu einer Seite mit niedrigem elektrischen Potential hinwandern, und zwar wegen eines Gleichstromfeldes bei hoher Temperatur, um eine örtlich hohe Konzentration hervorzurufen. Die ionisierten Elemente, die gewandert sind, haben die Schwierigkeit, am Teil niedriger Temperatur an der Seite niedrigen Potentials zu wandern, um so als Oxide und/oder Carbide angesammelt zu werden. Folglich gehen manchmal auftretende Unterbrechungen infolge der Zunahme des Wärmewerts einher mit der Vergrößerung des Widerstands in diesem Teil.

Die Erfindung sieht die Möglichkeit vor, die Unterbrechung ohne Wanderung ionisierter Elemente im Falle der Anwendung von Gleichstromspannung bei Heizelementen zu verhindern, indem man einen Leiter schafft, der ein gleiches oder schwächeres elektrisches Potential aufweist in Bezug auf das Endteil der Seite des oben erwähnten Heizelements mit niedrigem Potential (dieser Leiter wird nachfolgend bezeichnet als "Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen"). Dieser Leiter zweigt ab vom Leiteranschlußteil der Minus-Seite unter angelegtem elektrischen Strom und verläuft an der Rückseite des Heizer-Substrats entlang wenigstens eines Teils der Struktur des vorstehend erwähnten Heizelements in einem keramischen Platten-Heizer, welcher das Heizelement auf dem Keramik-Substrat als Basisplatte trägt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Zwischenprodukts eines keramischen Platten-Heizers;

Fig. 2 eine schematische (Explosions-)Ansicht des Platten- Heizers nach Fig. 1;

Fig. 3 bis 6 Beispiele für Strukturformen eines Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen
(a): Die Position, wenn Wanderung auftritt, bei Nichtvorhandensein eines Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen;
(b): Die Position bei häufigem Auftreten von Wanderung bei vorhandenem Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen.

Zunächst ist der Minus-Pol einer Gleichstromquelle an der Seite (dem Leiterteil 3) angeschlossen, die/das mit einem Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen zwischen den Leiterteilen 3 und 3′ verbunden ist. Der Plus-Pol ist mit dem anderen Leiterteil 3′ verbunden. Dann, wenn zwischen diesen Leiterteilen 3 und 3′ eine Gleichstromspannung angelegt wird, erzeugt ein Heizelement 2 durch Elektronenfluß Wärme. In diesem Falle wandern die ionisierten Elemente durch das Heizelement nicht zur Seite niedrigen elektrischen Potentials, da an der Rückseite des keramischen Substrats der Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen angeordnet ist, was bei den herkömmlichen Keramik-Heizern sonst nicht der Fall ist. Dies kommt daher, weil der Leiter 5 mit dem Leiterteil 3 der negativen Anschlußseite verbunden ist und selbst ein niedrigeres elektrisches Potential aufweist, als irgendein anderes Teil des elektrischen Heizelements 2. Demzufolge hindert der Leiter 5 die positiv geladenen ionisierten Elemente daran, durch das Heizelement 2 unter Anlage einer Gleichstromspannung zur Seite niedrigen elektrischen Potentials hinzuwandern.

In diesem Falle ist es nicht erforderlich, den Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen an der rechten rückseiten Position an der dem Heizelement 2 entgegengesetzten Fläche der keramischen grüne Platte vorzusehen, noch ist es erforderlich, ihn entlang der gesamten Struktur oder des Musters des Heizelements 2 anzuordnen.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen Beispiele für die Konfiguration des Leiters 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen. An der Oberfläche des Leiters 5 kann ferner eine Schutzschicht angebracht werden.

Mit Bezugsziffer 1 ist eine grüne Platte (Rohplatte) bezeichnet. Die Hauptbestandteile der grünen Platte sind Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit, Forsterit, Berylliumoxid, Siliciumnitrid etc. Das Heizelement 2, dessen Hauptbestandteile Metallpulver mit einem hohen Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molybdän, Tantal, Platin, Rhodium etc. sind, ist auf der Oberfläche der grünen Platte 1 in Dickfilm-Technik aufgedruckt, und zwar gegebenenfalls in pastöser Form, wobei dem Metallpulver oder der Metallpaste keramisches Pulver von (bezüglich des Materias der grünen Platte 1) gleicher oder unterschiedlicher Qualität zur Erzielung des (gewünschten) Widerstands beigemengt wird. Die Leiterteile 3 und 3′ verbinden das Heizelement 2 mit der elektrischen Gleichstromquelle elektrisch miteinander, sie bestehen aus dem gleichen Material, wie das Heizelement, und werden gleich dick oder unterschiedlich dick in gleicher Manier, wie das Heizelement auf die grüne Platte 1 mittels Dick-Film-Beschichtungsverfahren aufgebracht. Die Leiterteile 3 und 3′ werden jedoch breiter ausgebildet, als das Heizelement 2, wodurch eine unerwünschte Wärmeerzeugung in diesen Teilen verringert bzw. unterdrückt wird. Am Leiterteil 3 des negativen Anschlußpols ist ein Durchgangsloch 4 vorgesehen. Der Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen besteht aus dem gleichen Material, wie das Heizelement 2 und ist gleich dick oder unterschiedlich dick wie dieses und auf die gleiche Weise wie dieses in Dick- Film-Technik auf die grüne Platte 1 aufgetragen, so daß ein Ende (Teil) mit dem Leiterteil 3 elektrisch verbunden werden kann. Zum Anschluß an die elektrische Stromquelle dienen Platindrähte 6 und 6′. Eine keramische grüne Platte (Rohplatte) 7 dient zur Anbringung der Platindrähte 6 und 6′. Durchgangslöcher 8 und 8′ verbinden die Leiterteile 3 und 3′ mit den Platindrähten 6 und 6′, wobei eines der beiden Durchgangslöcher 4 und 8 zu zwei Zwecken verwendet werden kann.

Auf diese Weise bildet die grüne Platte (Rohplatte) 1, auf deren Oberfläche das Heizelement 2, die Leiterteile 3 und 3′ und deren Leiter 5 aufgedruckt werden, einen keramischen Platten-Heizer selbst durch Brennen als solches, aber es ist wünschenswert, eine weitere laminierte grüne Schicht (Rohschicht) auf die bedruckte Oberfläche der grünen Platte 1 zu pressen oder diese mit einer Schutzpaste zu überziehen und einzubrennen, um die gedruckten Drähte zu schützen. Die endgültige (fertige) Form des keramischen Platten- Heizers kann die Form einer ebenen Platte haben oder die Form einer Röhre aufweisen, die man durch Herumlegen einer grünen Platte um einen geeigneten zylinderförmigen Kernkörper und anschließendes Brennen erhält. Es ist wesentlich, daß eine gewünschte gedruckte Struktur nach dem Brennvorgang vorhanden ist. Somit ist ein keramischer Platten-Heizer für eine angelegte Gleichstromspannung gemäß der Erfindung geschaffen.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand einiger Proben bzw. Beispiele erläutert. Diese Beispiele sind jedoch nur zur Illustration der Erfindung und daher nicht dazu bestimmt, den Rahmen der Erfindung in irgendeiner Weise einzuengen.

Beispiel:

(1) 92 Gewichtsprozente Al₂O₃ (90% davon liegen unter 2,5 µm), 3 Gewichtsprozente MgO (99% davon liegen unter 2,5 µm) und eine kleine Menge von CaO und SiO₂ werden abgewogen und gemischt.

(2) Toluol und Methyläthylketon werden zugegeben und mit den anderen Komponenten 10 Stunden lang mittels Al₂O₃-Kugeln vermischt.

(3) Organische Binder, wie Polyvinyl-Butyral, werden hinzugefügt und 20 Stunden lang gemischt.

(4) Grüne Platten (Rohplatten) mit einer Dicke von 0,8 mm und 0,3 mm (grüne Größe, Rohgröße) werden mittels der Rakel-Methode hergestellt.

(5) Die durch Verfahrensschritt (4) erzeugten grünen Platten werden in Stücke mit einer Größe von 60 mm × 90 mm geschnitten.

(6) Pt von 25 µm Dicke wird auf die grüne Platte von 0,8 mm Dicke, entstanden durch Verfahrensschritt (5), mittels Siebdrucks aufgebracht, um Heizer- und Leiterteile herzustellen.

(7) Ein Durchgangsloch von 0,5 mm Durchmesser wird im/am untersten Teil des Heizer-Leiterteils gebohrt und mit einer Platin-Lösung unter Verwendung einer Nadel und einer Bürste gefüllt.

(8) Eine kleine Menge der durch Verfahrensschritt (2) erzeugten Aufschlämmung wird entnommen und getrocknet. Sodann wird unter Hinzufügen von Butylcarbitol eine Paste hergestellt.

(9) Die durch Verfahrensschritt (8) erhaltene Paste wird auf die Platte nach Verfahrensschritt (6) mittels Siebdrucks in 50 µm Dicke (grünes Maß) aufgebracht.

(10) Die durch Verfahrensschritt (8) erhaltene Paste wird auf der Rückseite der bedruckten Oberfläche (wobei die gleiche aufrechte Positur beibehalten wird, das heißt ihre Oberseite wird nicht nach unten gekehrt) in 0,3 mm Breite und etwa 20 µm Dicke mittels Siebdrucks aufgebracht, wie in den Fig. 3-6 gezeigt ist, um den Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen und die Leiterteile herzustellen.

(11) Auf der nach Verfahrensschritt (10) hergestellten Oberfläche wird am Leiterteil Platindraht angebracht, und die nach Verfahrensschritt (5) hergestellte grüne Platte von 0,3 mm Dicke (grünes Maß) wird daran angebracht.

(12) Nach dem Entfernen des Harzes bei 250°C während 6 Stunden wird das nach Verfahrensschritt (11) enthaltene Produkt 4 Stunden lang bei 1.520°C in normaler Atmosphäre gebrannt.

(13) An den Platindraht wird zur Erzeugung eines Heizers mittels des Widerstandsschweißverfahrens Nickeldraht angeschweißt.

Vergleichsbeispiel:

Der Heizer des Vergleichsbeispiels wurde in der gleichen Weise hergestellt, wie der in dem vorstehenden Beispiel (Verfahrensschritte (1) bis (13)) beschriebene Heizer, mit Ausnahme des Verfahrensschritts (10) zur Herstellung des Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen.

Eine Gleichspannung (15 V) wurde an den in oben genannter Weise erhaltenen Heizer gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel angelegt. Das Auftreten einer Ionenwanderung der Heizer-Elemente wurde überprüft und in Tabelle 1 wiedergegeben.

Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, ist es beim Heizer gemäß der Erfindung schwierig, eine solche Ionenwanderung auszulösen. Weiterhin ergab sich eine Leitungsunterbrechung, wenn in einem Vergleichsversuch ein elektrischer Strom an die Pole Nr. 2 unter Umkehrung von "plus" und "minus" angelegt wurde.

Tabelle 1

Es sei ausdrücklich betont, daß Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der hierin offenbarte und vorstehend beanspruchte Kern der Erfindung verändert wird.

Claims

1. Heizer mit einem keramischen Substrat als Basisplatte und einem an dieser angeordneten Heizelement, gekennzeichnet durch einen Leiter (5) zum Zurückschalten von ionisierten Elementen, der von der Minus-Seite eines mit dem an elektrischen Strom angeschlossenen Heizelement (2) verbundenen Anschlußleiterteils (3) abzweigt und an der Rückseite der Basisplatte (1) entlang zumindest eines Teils der Struktur des Heizelements (2) verläuft.

2. Heizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Leiters (5) mit einer Schutzschicht versehen ist.

3. Heizer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) mit dem Anschlußleiterteil (3) durch ein leitendes Durchgangsloch (4) verbunden ist.

4. Heizer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) zum Heizelement (2) im wesentlichen parallel verläuft.

5. Heizer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) wenigstens entlang des Bereichs der Rückseite der Basisplatte (1) verläuft, der dem Anschlußpunkt zwischen dem Heizelement (2) und dem Anschlußleiterteil (3) entspricht.