JP2001015252A

JP2001015252A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2001015252A
Application number: JP11186759A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tanaka; 智田中; Makoto Sandou; 誠三堂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックヒータを急速加熱すると、発熱抵抗
体近傍に大きな温度傾斜が発生し、この温度差による熱
応力で、セラミックヒータにクラックが発生たり、発熱
抵抗体４の抵抗が増加するという問題があった。【解決手段】セラミック体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融
点金属を主成分とする発熱抵抗体を埋設した円筒もしく
は円柱状のセラミックヒータにおいて、急速昇温時の周
方向の温度差を１００℃以内とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用の空燃比
検知センサ加熱用ヒータや気化器用ヒータ、半田ごて用
ヒータなどに使用するセラミックヒータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、酸化アルミニウムを主成分と
するセラミックス中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属
からなる発熱抵抗体を埋設してなるアルミナセラミック
ヒータが、一般的に用いられている（特開昭６３−９８
６０号、６３−５８４７９号公報等参照）。

【０００３】例えば、円柱状のセラミックヒータを製造
する場合は、図９および図１０に示すようにセラミック
ロッド２とセラミックグリーンシート３を用意し、セラ
ミックグリーンシート３の一方面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の
高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体４とリード
引出部６を形成した後、これらを形成した面が内側とな
るようにセラミックグリーンシート３を上記セラミック
ロッド２の周囲に巻付け、全体を焼成一体化することに
よりセラミックヒータ１を得ることができる。

【０００４】図１１に上記のセラミックヒータに内蔵さ
れた発熱抵抗体４のパターンを示すように、発熱抵抗体
４のパターン幅は均一に形成されていた。また、セラミ
ックグリーンシート３上には、発熱抵抗体４に直接リー
ド引出部６が接続され、該リード引出部６の末端にスル
ーホール７が形成され裏面の電極パッド８と該リード引
出部６がスルーホール７で接続されている。スルーホー
ル７には、必要に応じて導体ペーストが注入される。

【０００５】なお、セラミックグリーンシート３に形成
する発熱抵抗体４は、蛇行状のパターンとし、その後端
部にはリード引出部６が接続される。この発熱抵抗体４
の厚みはスクリーン印刷を行い易くするために１０〜３
０μｍ程度としていた。また、セラミックグリーンシー
ト３の裏側には電極パッド８を形成し、リード引出部６
と電極パッド８間はスルーホール７を形成して導通させ
る構造となっている。そして、最終的なセラミックヒー
タ１では側面に露出した電極パッド８にリード線１０を
ロウ付けしたり圧接して接合し、このリード線１０から
通電発熱するようになっている。

【０００６】また、１０００℃以上の高温用のヒータと
して窒化珪素質セラミックヒータも用いられている。こ
のヒータの構造は、高融点金属線等からなる発熱体を窒
化珪素質セラミック中に埋設し、これに接続したリード
部の末端を表面に露出させてリード取り出し部とし、銀
等のロウ材によってこのリード取り出し部にリード線を
接合したものである（特公昭６２−１９０３４号、特公
昭６３−５１３５６号公報参照）。

【０００７】これらのセラミックヒータは、耐食性、耐
久性に優れ、急速昇温が可能であることから、石油ファ
ンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータや燃料気化器
用ヒータ、水等の流体を加熱するための流体加熱用ヒー
タ、酸素センサ等の各種センサや測定機器の加熱用ヒー
タに使用されている。

【０００８】自動車用酸素センサにおいては、コールド
スタート時に酸素センサを作動温度まで急速に加熱させ
るために、セラミックヒータで酸素センサを加熱するシ
ステムが使用されている。近年、排ガス規制の強化に伴
ってコールドスタート時の立上り特性を向上させる必要
があり、８００℃以上の高温でも使用可能な耐久性の高
いセラミックヒータが求められている。ところが、セラ
ミックヒータの発熱量を大きくし、昇温時間を短くする
と、コールドスタート時の温度のオーバーシフトが発生
し、センサの電極を傷めたり、セラミックヒータの耐久
性が低下したり、また、電極パッドの温度が上昇してこ
の部分の抵抗が増加して断線したりするような問題が発
生した。

【０００９】このような課題に対応するために、特開平
８−２７３８８１３号公報に示されるように、「窒化ア
ルミニウムを主成分とするセラミックシート上に、電極
取出部と一体に発熱体となる任意形状及び厚さを有する
ヒートパターンを印刷すると共に、この発熱体となるヒ
ートパターンにおいて、前記発熱体と直列に発熱体より
温度抵抗係数の大きい導電物質を接続してなるセラミッ
クヒータ」が提案されている。また、特開平５−３４３
１３号公報には、「第一の発熱体にニッケルクロム合
金、第二の発熱体にタングステンを用いた酸化アルミニ
ウム製のセラミックヒータ」の例も示してある。

【００１０】このようなブレーキング部を内蔵したセラ
ミックヒータの展開図を図１２に示した。セラミックグ
リーンシート３上に、発熱抵抗体４とブレーキング部５
とリード引出部６が直列接続するように形成され、これ
らが内側となるようにセラミックロッド２の周囲に密着
した後、１５００〜１６００℃で焼成してセラミックヒ
ータ１を得る。このセラミックヒータ１を急速昇温させ
るには、発熱抵抗体４の長さを５ｍｍ程度に短くする必
要がある。そして、この発熱抵抗体４にブレーキング部
５が直列に、発熱抵抗体４近傍から電極パッド部８の近
傍まで延長して設置されていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９、１０に
示すような従来のセラミックヒータでは、急速昇温のた
め発熱抵抗体４の長さを５ｍｍ程度にし、セラミックヒ
ータ１を９００℃まで３秒程度で急速加熱すると、発熱
抵抗体４の周方向に大きな温度傾斜が発生する。この温
度傾斜は、加熱後４〜５秒時に発熱抵抗体４の中央部が
最高発熱部Ａとなり、その周方向で反対側にあたる部分
が最小発熱部Ｂとなって、両者間では１２０℃以上の温
度差となる。そのため、急速昇温時には、この温度差に
よる熱応力で、セラミックヒータの表面にクラックが発
生したり、発熱抵抗体４の抵抗が増加するという問題が
あった。

【００１２】上記セラミックヒータの昇温時、冷始動後
３秒で最高発熱部Ａが９００℃となった際に、周方向反
対側の最小発熱部Ｂの温度が７８０℃程度であり、この
ような急昇温を繰り返すと、図１３に示すように最高発
熱部のセラミックヒータ１表面に周方向にクラック１２
が発生するという問題があった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
した結果、セラミック体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点
金属を主成分とする発熱抵抗体を埋設した円筒もしくは
円柱状のセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体を
３秒で９００℃に急速昇温した時の周方向の温度差が１
００℃以下となるセラミックヒータとすることにより、
発熱部の熱応力を緩和し、熱衝撃および耐久性に優れた
セラミックヒータを供給することが可能となることを見
出した。

【００１４】これにより、セラミックヒータの発熱を周
方向に平均化し、発熱体表面に対する熱応力を低減する
ことにより、セラミックヒータ表面へのクラックの発生
を防止し耐久性良好なセラミックヒータを供給できるよ
うになった。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明のセラミックヒータの
実施の形態を図１を用いて説明する。これは、セラミッ
クヒータ１の展開図を示した図である。

【００１６】セラミックグリーンシート３の表面には、
発熱抵抗体４とリード引出部６が形成され、さらに、そ
の裏面側に形成される電極パッド８との間をスルーホー
ル７で接合した構造となっている。こうして準備された
セラミックグリーンシート３をセラミックロッド２の表
面に、前記発熱抵抗体４が内側になるように密着焼成す
ることによりセラミックヒータ１とする。

【００１７】本発明のセラミックヒータ１の発熱抵抗体
４のパターンは、図２に示すように、周方向における中
央部のパターン幅ａに対し、外周部のパターン幅ｂが７
５〜９５％となるようにパターン幅を調整することで、
中央部の抵抗値Ｒ１を外周部の抵抗値Ｒ２の７５〜９５
％としてある。この図では、４往復のパターンを示した
が、パターンの往復数を増やす場合、中心部から外側に
いくにつれて徐々にパターン幅が狭くなるように調整す
る。

【００１８】抵抗値の比を上記範囲としたのは、発熱抵
抗体４の中央部の抵抗値Ｒ１が外周部の抵抗値Ｒ２の９
５％を越えると、発熱抵抗体４の中央部にクラックが発
生し、前記抵抗値Ｒ１がＲ２の７５％未満になると、反
対側にクラックが発生するためである。これに対し、前
記抵抗値Ｒ１がＲ２の７５〜９５％にあるようにする
と、周方向の温度差が１００℃以下となり、周方向に発
生するクラックを防止することができる。

【００１９】また、このセラミックヒータ１は、セラミ
ックグリーンシート３をセラミックロッド２上に周回積
層させるため、図５に示すようにどうしても周面に継目
１２が残ってしまう。また、発熱抵抗体４は、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｒｅ等の高融点金属により形成するため、酸化防止
のため密着部に積層シロ１３を形成する必要がある。そ
して、継目１２と積層シロ１３を合わせた部分、即ち発
熱抵抗体４の隣接する端部間の発熱抵抗体４が形成され
ていない部分は、中心角θで９０度以下としておくこと
が好ましい。

【００２０】これは、中心角θが９０度を越えると、周
方向の温度分布を１００℃以下に調整することが難しく
なりクラックの発生を防止できなくなるためである。こ
れに対し、前記発熱抵抗体４を形成しない部分を、中心
角θ９０度以下に調整すれば、急昇温時のクラックの発
生を防止することができる。

【００２１】なお、上記積層シロ１３の幅は０．２ｍｍ
×２の両側で０．４ｍｍ以上とする事が好ましい。ま
た、密着シロ１３部分は、端部の剥離を防止するため
に、段差を埋めるようにコーティングを形成しても構わ
ない。

【００２２】また、前記発熱抵抗体４の軸方向の長さｃ
は２．５〜１０ｍｍの範囲が好ましい。これは、２．５
ｍｍ未満であると、発熱部が全長方向で短くなり過ぎ、
発熱が集中し過ぎて最高発熱部に周方向にクラックが発
生し、一方長さｃが１０ｍｍ以上になると、冷始動時の
突入電流および消費電力が大きくなり過ぎて好ましくな
いためである。

【００２３】また、発熱抵抗体４の軸方向の温度分布に
ついても、中央部に消費電力が集中しないようにするの
が好ましい。図３に示すように、発熱抵抗体４のパター
ンの軸方向については、中央部の４０％長さ部分の平均
幅ｄに対し、両端部のパターン幅ｅを０．２≦ｅ／ｄ≦
０．９とすることが好ましい。これは、上記比がｅ／ｄ
＜０．２であると、９００℃まで３秒で昇温するように
加熱した際に、両端部に消費電力が集中して、片方もし
くは両方の端部にクラックが発生する。そして、前記パ
ターン幅の関係がｅ／ｄ＞０．９以上となると、発熱が
中央に集中するので中央部にクラックが発生する。これ
に対し、０．２≦ｅ／ｄ≦０．９であれば、周方向の温
度分布を緩和し、クラックを防止する効果がある。

【００２４】また、発熱抵抗体４の抵抗温度係数を１０
００〜１５００ｐｐｍ／℃とすると、冷始動時の突入電
流を小さくできるので、昇温時の熱衝撃を緩和すること
ができる。

【００２５】さらに、図４に示すように、発熱抵抗体４
の往復パターンを周方向に設けることも可能である。

【００２６】次に本発明の他の実施形態を説明する。

【００２７】図６に示すように、発熱抵抗体４とリード
引出部６の間にブレーキング部５を形成し、発熱抵抗体
部４とブレーキング部５の抵抗温度係数を調整すること
により、急速昇温が可能で且つ過昇温しないセラミック
ヒータ１を得ることが可能となる。

【００２８】即ち、低抵抗に調整された発熱抵抗体４に
よりセラミックヒータ１を急速昇温させると、抵抗温度
係数の大きなブレーキング部５の抵抗が発熱抵抗体４の
抵抗より早く大きくなるために、発熱抵抗体４に印加さ
れる電圧が減少する。この効果により、セラミックヒー
タ１を急速昇温でき、且つ、過昇温しない優れたセラミ
ックヒータ１とする事が可能となる。

【００２９】しかも、上記発熱抵抗体４とブレーキング
部５の抵抗比が、１０：１〜１．５：１の範囲であり、
発熱抵抗体４とブレーキング部５の間隔ｇを２０ｍｍ以
内とすることにより、急速昇温が可能であり、且つ過昇
温しない優れたセラミックヒータ１とすることが可能と
なる。

【００３０】このタイプのセラミックヒータ１について
も、本発明のように、発熱抵抗体４の最高温度部の周方
向の温度差を１００℃以下とすることにより、９００℃
まで３秒間で昇温するように加熱した場合でも、クラッ
クの発生しない耐久性良好なセラミックヒータ１とする
ことが可能となる。

【００３１】なお、接続部９は、発熱抵抗体４とブレー
キング部５の細い配線を有効に接続するためのものであ
る。組成の異なる配線を別々にプリントし接続させる場
合、図６に示したように、大きな面積を持つ接続部９を
形成すると、接続の信頼性が増し、接続部の接触不良に
よる発熱および断線といった不具合を防止する事が可能
となる。

【００３２】接続部９の位置について、図６では、発熱
抵抗体４とブレーキング部５の間に形成しているが、発
熱抵抗体４およびブレーキング部５の端部に設けても構
わない。また、接続部９を介せず直接両者を接合しても
構わない。その意味では、発熱部４とブレーキング部５
の間隔ｇは、配線間の絶縁を保つ最小値である０．２ｍ
ｍが前記間隔ｇの最小値となる。なお、間隔ｇとは、発
熱抵抗体４をなす櫛歯部または蛇行部の最後端部とブレ
ーキング部５をなす櫛歯部または蛇行部の最先端部との
間の距離である。

【００３３】また、図７に示すように、電極パッド８と
ブレーキング部５の櫛歯部もしくは蛇行部の最後端部の
距離を間隔ｆとする。もし、ブレーキング部５に櫛歯部
もしくは蛇行部がない場合は、当該パターンと判断され
る部分の最後端部と電極パッド８の距離を間隔ｆとす
る。この間隔ｆは２０ｍｍ以上に調整されていることが
好ましい。これを２０ｍｍ以下にすると、電極パッド８
の温度が４００℃以上に上昇し、電極パッド８のメタラ
イズが酸化するので好ましくない。

【００３４】このブレーキング部５を有するセラミック
ヒータ１においては、発熱抵抗体４として用いる材料と
しては、Ｗ−Ｒｅ、Ｗ−Ｍｏ、Ｍｏ−Ｒｅ等の合金を使
用すればよい。通常、加熱による金属抵抗体の抵抗増加
要因はフォノン散乱によるものである。金属単体を発熱
抵抗体４に使用すると、昇温時に熱によるフォノン散乱
により電子の移動が抑制されるようになり抵抗が急増す
るので、温度抵抗係数が大きくなる。これに対し、合金
化すると、合金化した部分および金属間結合部分で構造
的にフォノンが散乱されるので、室温時から抵抗値が高
くなり、抵抗値の温度依存性が小さくなる。

【００３５】これに対し、ブレーキング部５の材料とし
ては、高融点金属であるＷ、Ｍｏの金属単体を利用する
と良い。中でも、Ｗが一番抵抗温度係数が大きいので最
適である。

【００３６】また、リード引出部６および電極パッド８
の材質については、特に制限はないがブレーキング部５
と同じ材質にした方が、工程を増やさずに済むので好ま
しい。

【００３７】さらに、セラミックヒータ１の材質として
は、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム
等を用いることが可能である。

【００３８】

【実施例】実施例１酸化アルミニウムを主成分とし、酸化珪素、酸化カルシ
ウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを合計１０
重量％以内になるように調整したセラミックグリーンシ
ート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱抵
抗体４とＷからなるリード引出部６をプリントした。ま
た、裏面には電極パッド８をプリントした。発熱抵抗体
４は、発熱長さ５ｍｍで４往復のパターンとし、両端部
のパターン幅を細くし中央部に向かうにつれ、パターン
幅が太くなるように作製した。そして、中央部のパター
ン幅に対する両端部のパターン幅が、６０〜１００％に
なるように調整した。また、発熱抵抗体４の抵抗値は、
２．４Ωとなるように調整した。

【００３９】そして、Ｗからなるリード引出部６の末端
には、スルーホール７が形成され、ここにペーストを注
入する事により電極パッド８とリード引出部６間の導通
をとった。こうして準備したセラミックグリーンシート
３をセラミックロッド２の周囲に密着し、１５００〜１
６００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１と
した。

【００４０】各々１０本のサンプルを作製し、１５Ｖの
電圧を印加して最高温度部の昇温時の周方向の温度分布
を、８点測定し、温度分布を測定した。温度測定には、
サーモビュア（日本電子データム株式会社製、ＪＴＧ−
５２００型）で、各測定点１点毎に昇温特性を測定し、
各々の点毎に測定を繰り返すことにより、周方向の温度
分布を確認した。また、５秒通電／ｏｆｆのサイクルを
１０回繰り返し、クラックの発生の有無を２０倍の双眼
顕微鏡を用いて確認した。その結果を、表１に示した。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１から判るように、最高発熱部の周方向
の温度差が１００℃を越えるＮｏ．１、７〜９は、クラ
ックが発生した。これに対し、最高発熱部の周方向の温
度差が１００℃以下である２〜６はクラックが発生しな
かった。

【００４３】また、温度分布を変えるには、周方向の発
熱分布を変えることが重要であるが、簡便な方法として
は発熱抵抗体４の抵抗分布を調整すれば良い。具体的に
は、セラミックヒータ１を発熱させた場合、熱収支の関
係から熱の出が比較的少ない発熱パターンの中心部の温
度が高くなるので、発熱中心付近の抵抗を下げ、逆に周
回密着させる発熱抵抗体４の外側のパターンの抵抗を、
前記発熱中心付近の抵抗に比べ高く設定する必要があ
る。抵抗値を調節するには、発熱抵抗体４の断面積を調
整すれば良いが、パターン中で簡便なプリント法で段々
に厚みを調節するのは難しいので、簡便な手法として発
熱抵抗体４のパターン幅を調整することにより、最高温
度部を含む周方向の温度差を確認し、また、熱サイクル
をかけた場合の破壊状況を表１に示した。

【００４４】表１に示すように、発熱抵抗体４の中心部
幅ａに対する最外周幅ｂが１００％つまり同一である従
来のパターンは、発熱抵抗体４の中心部にクラックが発
生した。また、発熱抵抗体４の中心部幅ａに対する最外
周幅ｂが７０％以下である７〜９は、発熱抵抗体４が形
成されていないテープ継目１２部分に、周方向にクラッ
クが発生した。これに対し、発熱抵抗体４の中央部の幅
ａに対する最外周部の幅ｂの比が本発明の請求範囲内で
ある２〜６にはクラックが発生しなかった。

【００４５】実施例２実施例１と同様にして、セラミックロッド２にセラミッ
クグリーンシート３を周回密着したときの、継目１２側
の発熱抵抗体４を形成しない部分の中心角θを５０〜１
００度の間で変量した試料を作製して、３秒で最高温度
部が９００℃まで昇温する条件で１０回昇温させた時の
最高温度部を含む部分の周方向の温度差とクラックの発
生の有無を調査した。サンプルの作製方法は，上記以外
実施例１と同様である。結果を表２に示した。

【００４６】

【表２】

【００４７】表２に示したように、継目１２側の発熱抵
抗体４を敷設しない部分の中心角θを１００度としたＮ
ｏ．１６は、周方向の温度差が１１０℃となり、最高温
度部にクラックが発生したが、継目１２側の発熱抵抗体
４を敷設しない部分の中心角θを５０〜９０度にしたＮ
ｏ．１１〜１５は、周方向の温度差が９０℃以下となり
クラックは発生しなかった。

【００４８】実施例３発熱抵抗体４の軸方向の長さｃを２〜１２ｍｍの間で変
量してセラミックヒータ１を作製し、各々３秒間で９０
０℃まで最高温度部が昇温する電圧を３秒間づつ１０回
印加した後のクラックの発生状況を２０倍の双眼顕微鏡
で確認した。

【００４９】その他のサンプル作製工程は、実施例１と
同様である。結果を表３に示した。

【００５０】

【表３】

【００５１】表３に示したように、発熱抵抗体４の軸方
向の長さｃを２ｍｍにしたＮｏ．２１は、周方向の温度
差が１２０℃と大きくなり、最高発熱部にクラックが発
生した。これに対し、発熱部４の軸方向の長さｃを２．
５ｍｍ以上としたＮｏ．２２〜２７は温度差が１００℃
以下となり、クラックは発生しなかった。しかし、Ｎ
ｏ．２７は、突入時の消費電力が８０Ｗ以上となり、消
費電力が大きくなるため、昇温時の温度のオーバーシフ
トが大きくなるので、好ましくない。

【００５２】実施例４発熱抵抗体４の幅を、全長方向中心付近４０％長さの平
均幅０．６１ｍｍが直方体であり、その両端部が徐々に
細くなるようにし、その端部の寸法が中心付近の寸法に
し、４０〜１００％になるように調整してサンプルを各
５本作製し、最高温度部を含む周方向の温度分布と、各
々３秒間で１１００℃まで最高温度部が昇温する電圧の
印加時間を１秒〜５秒と変えながらまで各３回づつ印加
して、各印加後のクラックの発生状況を２０倍の双眼顕
微鏡で確認した。そして、そのクラックの発生した時間
を各サンプルについて確認した。クラックの発生時間が
３秒以上となるものをＯＫとし、２秒以下でクラックが
発生するものをＮＧとした。ここで、両端部の幅とは、
図３に示した幅ｅであり、中心付近４０％の平均幅は図
３に示した幅ｄである。結果は表４に示した。

【００５３】

【表４】

【００５４】表４に示したように、発熱抵抗体４の中心
付近４０％長さの平均幅ｄに対し、全長方向両端部の幅
ｅを１００％即ち同一としたＮｏ．３１は、２秒で１回
目のテストでクラックが発生した。また、全長方向両端
部の幅ｅを前記平均幅ｄに対し４０％としたＮｏ．３７
は、印加２秒の１〜３回目のテストで、全長方向両端部
のいずれかもしくは両方にクラックが発生した。これに
対し、前記全長方向両端部の幅ｅを中心付近の平均幅ｄ
に対し５０〜９０％としたＮｏ．３２〜３６は、３秒以
上でクラックが発生した。

【００５５】実施例５酸化アルミニウムを主成分とし、酸化珪素、酸化カルシ
ウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを合計１０
重量％以内になるように調整したセラミックグリーンシ
ート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱部
４とＷからなるブレーキング部５とリード引出部６をプ
リントした。また、裏面には電極パッド８をプリントし
た。この時、発熱抵抗体４は、発熱長さ５ｍｍで４往復
のパターンとし、周回密着させるパターンの両端部のパ
ターン幅ｂを細くし、中央部に向かうにつれパターン幅
が太くなるように作製した。その比率は、内周部のパタ
ーン幅ａに対し外周部のパターン幅ｂが、８５％となる
ように調整した。また、比較用に、パターン幅を一定に
したサンプルを作製した。

【００５６】Ｗからなるリード引出部６の末端にはスル
ーホール７を形成し、ここにペーストを注入する事によ
り、電極パッド８とリード引出部６間の導通をとった。
こうして準備したセラミックグリーンシート３をセラミ
ックロッド２の周囲に密着し、１５００〜１６００℃で
焼成することにより、セラミックヒータ１とした。この
時、セラミックヒータ１の発熱抵抗体４の長さは５ｍｍ
とし、発熱抵抗体４とブレーキング部５の間隔ｇを３〜
２５ｍｍまで変量したサンプルを作製した。また、別途
発熱抵抗体４とブレーキング部５の抵抗比を１５：１〜
２：１まで変量したサンプルを作製した。

【００５７】各々１０本のサンプルを準備し、これらの
サンプルの昇温特性と耐久性を評価した。昇温特性は発
熱抵抗体４の最高温度が１０００℃となる電圧を印加し
た場合の冷始動時９００℃までの時間を測定した。ま
た、耐久性の評価については、発熱部４の最高温度部が
１２００℃になる電圧を２分間印加し２分間強制空冷す
るサイクルを５０００サイクル繰り返し、セラミックヒ
ータ１の抵抗変化とクラックの発生の有無を評価した。
最高温度部の調査は、赤外線温度分布測定装置（サーモ
ビュア）で最高温度部を確認し、その部分に線径０．１
ｍｍφの熱電対を固定し昇温特性を確認した。また、別
途各３本のサンプルを用意し、３秒で９００℃まで昇温
できる電圧を１秒、２秒と時間を変えながら印加し、ク
ラックの発生する印加時間を評価した。

【００５８】結果を表５に示した。

【００５９】

【表５】

【００６０】ブレーキング部を設けなかった従来品Ｎ
ｏ．５６と、発熱抵抗体４とブレーキング部５の抵抗比
を請求範囲外の１５：１に調整したＮｏ．４１、４６
は、サイクルテスト５０００サイクルで１０本中２〜４
本のサンプルにクラックが発生した。また、上記抵抗比
を１：１にしたＮｏ．４５、５０は、１０本中５本のサ
ンプルが電極パッド８の部分で断線した。また、間隔ｇ
を請求範囲外の２５ｍｍにしたサンプルＮｏ．５５は、
耐久性評価で１０本中２本にクラックが発生した。これ
に対し、抵抗比および間隔ｇが本発明の範囲内のサンプ
ルは、クラックの発生もなく、セラミックヒータ１の抵
抗変化も、３％以内で良好な結果を示した。

【００６１】図８は、Ｎｏ．５６に示したブレーキング
部５を内蔵しない従来のセラミックヒータ１の昇温特性
（Ａ）と、本発明のＮｏ．１０のセラミックヒータの昇
温特性（Ｂ）と、該セラミックヒータに内蔵されたブレ
ーキング部の昇温特性（Ｃ）を示した図である。本図の
昇温条件としては、室温から５００℃まで３．４秒で昇
温させたときのそれぞれの飽和温度を示している。図か
ら判るように（Ａ）と（Ｂ）の昇温特性はほぼ同一であ
る。これに対し、これらのセラミックヒータの飽和温度
は、従来のセラミックヒータの昇温曲線（Ａ）の飽和温
度が１０９０℃程度であるのに対し、本発明のセラミッ
クヒータの昇温曲線（Ｂ）の飽和温度は９４０℃程度
と、約１５０℃の差があることが判る。また、ブレーキ
ング部５の昇温曲線（Ｃ）の飽和温度は、８２０℃程度
となっている。

【００６２】このように、ブレーキング部５を内蔵する
事により、昇温特性を改善しながらセラミックヒータ１
の飽和温度を低下させる事ができるので、セラミックヒ
ータ１の寿命を向上させる事ができると同時に、セラミ
ックヒータの電源側に過昇温防止用の機構を設ける必要
が無くなるので、大きな効果を上げる事ができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、コールドスタート時の
セラミックヒータ温度のオーバーシフトを低減し、セン
サの電極を傷めたり、セラミックヒータの耐久性が低下
したり、また、リード取り出し部の温度が上昇してこの
部分の抵抗が増加して断線したりするような問題を防止
することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータの展開図である。

【図２】本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーン図である。

【図３】本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーン図である。

【図４】本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーン図である。

【図５】本発明のセラミックヒータの断面図である。

【図６】本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示
す展開図である。

【図７】本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示
す側面図である。

【図８】本発明及び比較例のセラミックヒータにおける
昇温度特性を示すグラフである。

【図９】従来のセラミックヒータの展開図である。

【図１０】従来のセラミックヒータの斜視図である。

【図１１】従来のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーン図である。

【図１２】従来のセラミックヒータの展開図である。

【図１３】従来のセラミックヒータに発生したクラック
を示す拡大図である。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ２：セラミックロッド３：セラミックグリーンシート４：発熱抵抗体５：ブレーキング部６：リード引出部７：スルーホール８：電極パッド９：接続部１２：継目１３：積層シロ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒もしくは円柱状のセラミック体中に
Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とする発熱抵抗
体を埋設したセラミックヒータにおいて、急速昇温時に
おける側面の周方向の温度差が１００℃以下であること
を特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】上記発熱抵抗体が、円筒もしくは円柱状の
セラミック基体とこれを覆うセラミックシートの間に形
成され、周方向における発熱抵抗体の隣接する端部間の
間隔が中心角θで９０度以内であり、かつ発熱抵抗体の
中央部の抵抗値が外周部の抵抗値の７５〜９５％である
こと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】上記発熱抵抗体の軸方向の発熱部長さｃが
２．５〜１０ｍｍであること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】前記発熱抵抗体の軸方向における中央部の
幅ｄに対し、両端部の幅ｅが０．２≦ｅ／ｄ≦０．９で
あることを特徴とする請求項３記載のセラミックヒー
タ。
【請求項５】上記発熱抵抗体に、これよりも大きい抵抗
温度係数を有するブレーキング部を直列に接続し、上記
発熱抵抗体とブレーキング部の抵抗比が１０：１〜１．
５：１の範囲であり、かつ発熱抵抗体とブレーキング部
の間隔が２０ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１
記載のセラミックヒータ。
【請求項６】上記発熱抵抗体の後端部に備えた電極パッ
ドとブレーキング部の間隔が２０ｍｍ以上であることを
特徴とする請求項５記載のセラミックヒータ。