JP2000150116A

JP2000150116A - セラミックヒ―タ

Info

Publication number: JP2000150116A
Application number: JP22717599A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shirai; 白井　　誠; Masayuki Kobayashi; 正幸小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐久性を維持しつつ，高い発熱特性が
得られるセラミックヒータを提供すること。【解決手段】アルミナを主成分とするセラミック基板
１１〜１３と，セラミック基板１１〜１３上に設けら
れ，タングステン又はモリブデンの少なくとも１種と，
７μｍ以下の平均粒径を有するアルミナとを含有する原
料成分を焼成してなる発熱体２とを有する。発熱体２の
原料成分は，電気伝導性を有する導体成分全体を１００
重量％とした場合に，１〜５０重量％のアルミナを含有
していることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，例えば内燃機関用のガスセンサ
の加熱用に用いられるセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来技術】内燃機関用のガスセンサ８は，後述する図
４に示すごとく，例えばコップ状の固体電解質素子８０
を用い，測定ガスに曝される外側には測定電極８０１
を，その内側には基準電極８０２をそれぞれ設けてガス
感知部８００を構成してなる。このガス感知部８００
は，高温で活性化することによりガス感知能が生じる。
そのため，通常，早期にガス感知能を得るために，ガス
感知部８００の加熱用としてセラミックヒータ１を上記
固体電界質素子８０内に挿入している。

【０００３】また，このとき，セラミックヒータ１は，
ガス感知性能の観点から，加熱すべき位置は，固体電界
質に設けられた測定電極の測定位置のみでよい。例え
ば，図４に示すごとき形式のガスセンサ８においては，
固体電界質素子８１の先端部のみを加熱すれば，効率よ
くガス感知をすることができる。そのため，セラミック
ヒータ１には，所望位置，例えば先端部のみを重点的に
加熱する（発熱密度を高くする）ことが求められる。ま
た，セラミックヒータは，ガスセンサに要求される特
性，固体電界質の大きさ，流通するガス量等により決定
される必要発熱量や，通電回路，電流供給源の容量等を
考慮して，ヒータ抵抗値が設計される。

【０００４】ここで，従来用いられていたセラミックヒ
ータは，発熱体を設けたシートを丸棒に巻き付けた丸棒
タイプである。そのため，発熱体を設けるシートの表面
積を広くすることができ，所望のヒータ抵抗値を有する
発熱密度の高い発熱体のパターン設計を比較的自由に行
うことができる。ところが，特開平７−３５７２３号公
報等に示される角板タイプのヒータは，発熱体を形成す
る面積が狭いため，特にヒータ抵抗値を高くすることが
要求された場合，発熱体の設計自由度が非常に狭くな
る。

【０００５】ヒータ抵抗値を高くする方法としては，以
下の〜の方法がある。発熱体のパターン線幅・膜厚を小さくする。発熱長さを長くする。発熱体材料の比抵抗又は抵抗率を増加させる。

【０００６】の場合，通常，発熱体はマイグレーショ
ン等高温条件下において生じる消耗により消耗するが，
この消耗によるダメージが大きくなり，耐久性が低下す
る。の場合，発熱密度の高い部分が広がった発熱分布
となるので，ガスセンサの固体電界質の先端を有効に加
熱することができず，所望のヒータ供給電力で固体電界
質先端部の温度を上げることができない。また，仮に供
給電力を増加させて固体電界質先端部の温度を上げよう
とした場合，発熱部からの伝熱によりヒータ電極部の温
度が上昇するので，電極部の耐久性の観点より好ましく
ない。

【０００７】また，上記の場合の例としては，発熱体
の成分としてセラミック基材と同組成か，あるいはＳｉ
Ｏ₂，ＭｇＯ等の焼成助材を添加することが知られてい
る。しかしながら，多少なりともイオン化の原因となる
成分を含有するため，高温時には発熱体中のイオン化し
易い成分が電界により低電位方向へ移動する。すなわ
ち，マイグレーションが発生することにより低電位側の
低温部で酸化物等が蓄積し，この部分の抵抗値が増加す
ることによって発熱体の断線が生じるという問題があ
る。このように，従来の積層型のヒータにおいては，所
望の耐久性を維持しながら高い発熱特性を得ることは困
難であった。

【０００８】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，優れた耐久性を維持しつつ，高い発熱特
性が得られるセラミックヒータを提供しようとするもの
である。

【０００９】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，アルミナ
を主成分とするセラミック基板と，該セラミック基板上
に設けられ，タングステン又はモリブデンの少なくとも
１種と，７μｍ以下の平均粒径を有するアルミナとを含
有する原料成分を焼成してなる発熱体とを有することを
特徴とするセラミックヒータにある。

【００１０】本発明において最も注目すべきことは，上
記発熱体は，平均粒径が７μｍ以下という特定の平均粒
径を有するアルミナを原料成分に加えていることであ
る。上記アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の平均粒径が７μｍを
超える場合には，局部的に非常に高い抵抗値を有する部
分が生じ，局部発熱により断線するおそれがある。一
方，上記平均粒径が小さすぎる場合には，アルミナが発
熱体中において凝集して均一に分散しにくくなり，局部
的な高抵抗値部分を生ずるおそれがある。そのため，上
記平均粒径の下限値は，０．２μｍであることが好まし
い。

【００１１】次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，上記のごとく，発熱体の原材料とし
て上記特定の平均粒径を有するアルミナを含有してい
る。そのため，上記原材料を焼成して得られる発熱体
は，アルミナを含有していない場合よりも電気的な抵抗
値を上昇させることができる。

【００１２】一方，従来においてアルミナを添加した問
題であった局部的な高抵抗値部分の形成であるが，この
原因は発熱体に添加したアルミナ粒子自体が絶縁体とな
ることによりこの粒子付近のパス抵抗が増加する現象で
ある。一般的なセラミックヒータでは発熱体パターン形
成時の欠陥，高温での使用時に凝集により発生する欠陥
を防止するために発熱体の膜厚を１０μｍ以上，好まし
くは２０μｍ程度が必要なことが知られている。本発明
では上記特定の範囲（７μｍ以下）に限定しているので
上述の範囲のセラミックヒータでは局部的な高抵抗の発
生を充分防止することができる。

【００１３】それ故，本発明において得られる発熱体
は，優れた耐久性を維持したまま高い抵抗値を得ること
ができる。また，このような高抵抗の発熱体を用いるこ
とにより，面積の狭いセラミック基板上における発熱体
の形成パターンの自由度（設計の自由度）を大幅に向上
させることもできる。

【００１４】このように，本発明によれば，優れた耐久
性を維持しつつ，高い発熱特性が得られるセラミックヒ
ータを提供することができる。

【００１５】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記発熱体の上記原料成分は，電気伝導性を有する導体成
分全体を１００重量％とした場合に，１〜５０重量％の
アルミナを含有していることが好ましい。アルミナの添
加量が１重量％未満の場合には，アルミナ添加による抵
抗値上昇の効果があまり得られないという問題がある
他，発熱体とセラミック基材との界面の焼結性が低下す
るため密着性が悪化し，セラミック基材と発熱体との界
面に隙間が発生し易くなる。一体焼成後に発生した隙間
部にメッキ・洗浄液が侵入すると隙間部が破損し易くな
る。その他にも，発熱体の大気への暴露により発熱時に
酸化断線，また，セラミック基材への熱拡散が妨げられ
ることにより発熱体温度が上昇し，著しいヒータ寿命の
低下が発生する。一方，アルミナの添加量が５０重量％
を超える場合には，発熱体中に占める絶縁体の体積割合
が非常に大きくなるため，局部的な高抵抗値部分の形成
の確率が増加して局部発熱により著しくヒータ寿命が低
下するという問題がある。

【００１６】また，請求項３に記載の発明のように，上
記発熱体の導体成分には，レニウムが３０重量％以下含
有されていることが好ましい。レニウムの添加は，発熱
体の耐酸化性を向上させる効果が得られるので添加する
ことが好ましい。一方，３０重量％以上のレニウムの添
加は，タングステン又はモリブデンを中心として構成さ
れる導体成分へのレニウムの固溶限の関係から，レニウ
ムが十分に固溶せずに組織的に不安定となるという問題
がある。なお，レニウムによる耐酸化性向上のために
は，０．５重量％以上の添加が好ましい。

【００１７】それ故，本発明において得られる発熱体
は，優れた耐久性を維持したまま高い抵抗値を得ること
ができる。このように，本発明によれば，優れた耐久性
を維持しつつ，高い発熱特性が得られるセラミックヒー
タを提供することができる。

【００１８】次に，請求項４に記載の発明のように，上
記セラミック基板は，アルミナの含有量が９２重量％以
下であることが好ましい。セラミック基板のアルミナ含
有量が９２重量％を超える場合には，金属端子部のセラ
ミック基板との接合強度を確保するにあたり金属成分以
外にセラミック材料を添加することが必要となるので，
外部リード線とのろう付接合性が悪くなるという問題が
ある。なお，アルミナ含有量の下限値は，ヒータ寿命の
観点より９０重量％であることが好ましい。

【００１９】また，請求項５に記載の発明のように，上
記セラミックヒータは，ガスセンサ素子の加熱用に使用
することができる。この場合には，特に，上記作用効果
を有効に発揮させることができる。また，請求項６に記
載の発明のように，上記セラミックヒータは，コップ状
の固体電解質素子内に挿入配置することもできる。即
ち，コップ状の固体電解質素子を有するタイプのガスセ
ンサにおいても上記構成のセラミックヒータを用いるこ
とにより，優れた耐久性等を得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施形態例１本発明の実施形態例にかかるセラミックヒータにつき，
図１〜図３を用いて説明する。本例のセラミックヒータ
１は，アルミナを主成分とするセラミック基板１１と，
該セラミック基板１１上に設けられ，タングステン又は
モリブデンの少なくとも１種と，７μｍ以下の平均粒径
を有するアルミナとを含有する原料成分を焼成してなる
発熱体２とを有する。

【００２１】以下，これを詳説する。本例のセラミック
ヒータ１は，図１，図２に示すごとく，積層型の角板タ
イプであって，第１〜第３の３枚のセラミック基板１１
〜１３を積層すると共に各セラミック基板の間に発熱体
２を配設してなる本体部１０を有する。また，各発熱体
２は，図３に示すごとく，電圧の印加により発熱する発
熱部２１と，これに電力を供給するリード部２２とより
構成されている。そして，この発熱体２としては，上記
のごとく，その出発原料の原料成分に平均粒径７μｍ以
下のアルミナを用いた。

【００２２】また，各リード部への電気的導通は，図１
（ｂ），図２に示すごとく，セラミック基板１１〜１３
に設けたスルーホール４１〜４４に充填したスルーホー
ル導体５を介して行う。また，スルーホール４１〜４４
の開口部には，金属端子部６を設け，これにろう材７５
を用いて外部リード線７を接続してある。そのため，発
熱体２の発熱部２１への電流導入経路は，外部リード線
７，金属端子部６，スルーホール導体５，リード部２
２，発熱部２１という順に形成される。なお，図１
（ｂ）に示すごとく，外部リード線７の接続部分には，
Ｎｉメッキ７８を施してある。

【００２３】次に，上記セラミックヒータ１の製造手順
について，図３を用いて説明する。セラミックヒータ１
を製造するに当たっては，まず，上記セラミック基板の
成分組成となるように，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，Ｃａ
Ｏ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２の原料粉末を準備し，これを用い
てスラリーを作製する。また，これら原料の配合は，得
られるセラミック基板１１〜１３が，Ａｌ_２Ｏ_３：９
０．７重量％，ＳｉＯ_２：６．１重量％，ＣａＯ：１．
０．５重量％，ＭｇＯ：０．６重量％，ＺｒＯ_２：１．
１重量％の成分組成となる割合で行った。

【００２４】次いで，上記スラリーをドクターブレード
法によって処理し，グリーンシートを成形した。次い
で，該セラミックシートに打ち抜きプレスを施し，厚み
０．３１ｍｍの第１，第３セラミック基板１１，１３用
のグリーンシート１０１と，厚み１．３８ｍｍの第２セ
ラミック基板１２用のグリーンシート１０２を作製し
た。また，各グリーンシート１０１，１０２には，スル
ーホール４１〜４４を設けた。なお，これらのグリーン
シート１０１，１０２の作製は，押出成形法等により行
うこともできる。

【００２５】次いで，各スルーホール４１〜４４には，
スルーホール導体５を圧入した。具体的には，上記成分
組成となるように調整したスルーホール用ペーストを作
製し，これを各スルーホール４１〜４４に圧入した。

【００２６】次に，発熱体２の原料成分を用いて発熱体
用ペーストを作製した。具体的な成分としては，タング
ステン（Ｗ）７５重量％とレニウム（Ｒｅ）２５重量％
よりなる導体成分と，これらを１００重量％とした場
合，その外に５重量％のアルミナを添加して発熱体用ペ
ーストを作製した。また，添加したアルミナの平均粒径
は１．２μｍとした。

【００２７】そして，図３（ａ）に示すごとく，この発
熱体用ペーストを第１，第３のセラミック基板１１，１
３となるグリーンシート１０１の一方の面にそれぞれ印
刷し，発熱部２１及びリード部２２よりなる発熱体２を
複数形成した。また，上記第１，第３のセラミック基板
１１，１３となるグリーンシート１０１には，図３
（ａ）に示すごとく，上記発熱体２を設けた面の反対面
に，金属端子部形成用の端子部用ペーストを印刷し，金
属端子部６を複数設けた。この金属端子部形成用の端子
部用ペーストとしては，Ｗを主成分とした導電性ペース
トを用いた。なお，この導電性ペーストは，上記発熱体
２の場合と同じ成分でもよいし，異なる成分でもよい。

【００２８】次に，２枚のグリーンシート１０１の金属
端子部６をそれぞれ外方にして向かい合わせ，これらの
間にグリーンシート１０２を挟んで積層した。その後，
この積層体を焼成して中間体を作製した。また上記焼成
は，上記積層体をＮ_２及びＨ _２ガスよりなる還元雰囲気
において，１４００〜１６００℃の温度に加熱すること
により行った。

【００２９】次いで，図３（ｂ）に示すごとく，上記中
間体の複数の金属端子部６に外部リード線７をろう材７
５により接合した。接合は，ろう材７５と外部リード線
７を金属端子部６上に配置して，１０００〜１２００℃
の温度に加熱することにより行った。次に，外部リード
線７の接合部分の最外表面はＮｉメッキ８により被覆し
た（図１（ｂ）参照）。

【００３０】次いで，図３（ｃ）に示すごとく，上記中
間体を切断してセラミックヒータ１を個片化した。その
後，セラミックヒータ１の先端部を研磨装置を使用して
所望形状に研磨した。これにより，図１に示すごときセ
ラミックヒータ１が得られた。

【００３１】次に，本例の作用効果につき説明する。本
例のセラミックヒータ１においては，上記のごとく，発
熱体２の原材料として上記特定の平均粒径を有するアル
ミナを含有している。そのため，得られる発熱体２は，
アルミナを含有していない場合よりも電気的な抵抗値を
適度に上昇させることができる。一方，添加したアルミ
ナの平均粒径は１．２μｍ（７μｍ以下）である。その
ため，従来問題であった局部的な高抵抗値部分の形成を
十分に防止することができ，アルミナ添加による耐久性
の劣化を回避することができる。

【００３２】それ故，本例において得られる発熱体２
は，優れた耐久性を維持したまま高い抵抗値を得ること
ができる。したがって，本例のセラミックヒータ１は，
優れた耐久性を維持しつつ，高い発熱特性を有するもの
となる。

【００３３】なお，上記実施形態例においては，アルミ
ナの平均粒径が１．２μｍのものを例としてあげたが，
本願発明はこれに限定されるものではない。本願発明
は，後述するごとく，アルミナの平均粒径が７μｍ以下
であれば，アルミナ粒子を十分に発熱体中において均一
に分散させることができ，耐久性に優れたセラミックヒ
ータを提供することができる。

【００３４】なお，本実施形態例においては，アルミナ
添加量を１０重量％以下の例を示したが，本願発明は，
これに限定されるものではない。本願発明は，後述する
ごとく，アルミナの添加量が５０重量％以下であれば，
耐久性に優れたセラミックヒータを提供できるものであ
る。

【００３５】実施形態例２本例においては，実施形態例１におけるセラミックヒー
タの耐久性試験を行った。即ち，表１に示すごとく，上
記アルミナの粒径，添加量を変更した本発明品Ｅ１１〜
Ｅ５３と，比較のための従来品Ｃ２を準備し，通電試験
を行った。本発明品は，いずれも７μｍ以下の平均粒径
を有するアルミナを含有している。一方，従来品Ｃ２は
アルミナを含有するがその粒径が７μｍを超える１０μ
ｍのものである。その他は実施形態例１と同様である。

【００３６】通電試験は，試験による抵抗値変化が生じ
ても設定した試験温度を保持できるように投入電圧を自
動的に変更できる装置を使用し，試験温度を一定に保つ
という条件により行った。そして，試験開始直後の初期
抵抗値を基準として，抵抗値変化が±１０％以上となる
までの時間を耐久時間とした。また，試験温度は，１２
００℃，１１５０℃，１１００℃という３種類の温度と
した。

【００３７】試験結果を表１に示す。表１より知られる
ごとく，本発明品Ｅ１１〜Ｅ５３は，いずれも従来品Ｃ
２よりも優れた耐久性を示した。以上の結果から，アル
ミナ粒径が７μｍ以下であれば，アルミナ粒子を十分に
発熱体中において均一に分散させることができ，耐久性
に優れたセラミックヒータを提供することができるとい
うことがわかる。また，アルミナの添加量についても，
これが５０重量％以下であれば，耐久性に優れたセラミ
ックヒータを提供することができるということもわか
る。

【００３８】

【表１】

【００３９】実施形態例３本例は，図４に示すごとく，スルーホールを有していな
い積層型のセラミックヒータ１００における例である。
即ち，図４（ｂ）に示すごとく，リード部２２を本体部
１０の側面１５側に露出させ，これに直接金属端子部６
及び外部リード線７を設けた例である。したがって，本
例のセラミックヒータ１００は，スルーホール及びスル
ーホール導体を有していない。その他は実施形態例１と
同様である。

【００４０】この場合においても，発熱体２の原料成分
を実施形態例１と同様にして，上記特定の平均粒径を有
するアルミナを添加してある。そのため，実施形態例１
と同様の作用効果が得られる。

【００４１】実施形態例４本例は，図５に示すごとく，実施形態例１におけるセラ
ミックヒータ１をガスセンサ（酸素センサ）８における
ガスセンサ素子の加熱用に使用した例である。ガスセン
サ８は，ハウジング８１内に内蔵された酸素センサ素子
としての固体電界質素子８０を有している。この固体電
界質素子８０はコップ状の形状を有しており，その内部
に上記セラミックヒータ１が挿入配置されている。

【００４２】なお，図５における，符号８２は被測定ガ
ス室であり，これを加工用に２重のカバー８３，８４を
設けてある。また，ハウジング８１の上方には，大気側
カバー８５が配設されており，その上端からはリード線
８８が突出している。また，リード線８８と大気側カバ
ー８５との間の間隙には，弾性絶縁部材８７が充填され
ている。本例のガスセンサ８においては，上記セラミッ
クヒータの優れた加熱性能および耐久性によって，正確
なガス検出性能を長期にわたり維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，（ａ）セラミックヒー
タの斜視図，（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図。

【図２】実施形態例１における，セラミックヒータの展
開斜視図。

【図３】実施形態例１における，セラミックヒータの製
造手順を示す説明図。

【図４】実施形態例３における，（ａ）セラミックヒー
タの斜視図，（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図。

【図５】実施形態例３における，ガスセンサの構成を示
す説明図。

【符号の説明】

１．．．セラミックヒータ，２．．．発熱体，２１．．．発熱部，２２．．．リード部，４１〜４４．．．スルーホール，５．．．スルーホール導体，６．．．金属端子部，７．．．外部リード線，８．．．ガスセンサ，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナを主成分とするセラミック基板
と，該セラミック基板上に設けられ，タングステン又は
モリブデンの少なくとも１種と，７μｍ以下の平均粒径
を有するアルミナとを含有する原料成分を焼成してなる
発熱体とを有することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】請求項１において，上記発熱体の上記原
料成分は，電気伝導性を有する導体成分全体を１００重
量％とした場合に，１〜５０重量％のアルミナを含有し
ていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項３】請求項１又は２において，上記発熱体の
導体成分には，レニウムが３０重量％以下含有されてい
ることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項において，
上記セラミック基板は，アルミナの含有量が９２重量％
以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項において，
上記セラミックヒータは，ガスセンサ素子の加熱用に使
用することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項６】請求項５において，上記セラミックヒー
タは，コップ状の固体電解質素子内に挿入配置されるこ
とを特徴とするセラミックヒータ。