JP2001257062A

JP2001257062A - セラミックヒーター

Info

Publication number: JP2001257062A
Application number: JP2000069017A
Authority: JP
Inventors: Keizo Sugimoto; 圭三杉本; Takuya Takahashi; 卓也高橋
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックヒーターを使用中に振動が発生し
ても、該セラミックヒーターが回転せず、接続部材と外
部端子との接続信頼性に優れたセラミックヒーターをを
提供する。【解決手段】セラミックからなる芯材と、上記芯材を
巻包するセラミックからなる絶縁層との間に抵抗発熱体
が埋設され、一端に外部端子が形成されたセラミックヒ
ーターにおいて、少なくとも上記絶縁層の上記外部端子
が形成された部分の近傍には、上記芯材の長さ方向に平
行な電極固定用の溝部が形成されていることを特徴とす
るセラミックヒーター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック中に抵
抗発熱体が埋設された棒状のセラミックヒーターに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】芯材とこの芯材を巻包する絶縁層との間
に、高融点金属からなる抵抗発熱体が埋設されたセラミ
ックヒーターは、自動車用の酸素センサーやグローシス
テム等における発熱源として、また、半導体加熱用ヒー
ター及び石油ファンヒーター等の石油気化器用熱源等と
して、広範囲に使用されている。特に、自動車用酸素セ
ンサーの検出素子部分を測定可能な温度に保つための発
熱源として、汎用されている。

【０００３】図８（ａ）は、この種のセラミックヒータ
ーの一例を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図９
（ａ）は、このセラミックヒーターを酸素センサーの接
続部材に接続した際の外部端子近傍を模式的に示した部
分拡大正面図であり、（ｂ）は、（ａ）図におけるＡ−
Ａ線断面図である。

【０００４】このセラミックヒーター３０は、芯材１１
とこの芯材１１を被覆する絶縁層３２との間に、抵抗発
熱体１３が埋設された構造となっている。すなわち、こ
のセラミックヒーター３０は、円柱形状の芯材１１の表
面に高融点金属からなる抵抗発熱体１３が設けられてい
る。また、絶縁層３２は、抵抗発熱体１３の全体を被覆
するように形成されているが、この絶縁層３２は、芯材
１１の全周にわたって形成されているわけではなく、芯
材１１の周方向に絶縁層３２が形成されていない切れ目
部３７が存在している。

【０００５】また、図８（ａ）に示すように、絶縁層３
２の一端部には、絶縁層３２の外周に沿って湾曲した板
状の一対の外部端子１４が、絶縁層３２および芯材１１
を挟んで対向するように設けられており、この外部端子
１４と抵抗発熱体１３とは、図８（ｂ）に示すように、
絶縁層３２に設けられたスルーホール１６を介して接続
されている。

【０００６】一方、図９に示したように、この酸素セン
サーの接続部材１８は、板バネ式になっており、図中、
水平方向には、互いに対向する略矩形状の一対のヒータ
ー用端子１８ａが設けられており、一方、これらヒータ
ー用端子１８ａと直交するように、お互いに対向する棒
状の一対のセンサー用端子１８ｂが、図中、垂直方向に
設けられている。これらヒーター用端子１８ａとセンサ
ー用端子１８ｂとは、挿入されたセラミックヒーター３
０を締め付けることにより、支持、固定することができ
るようになっている。

【０００７】このセンサー用端子１８ｂは、酸素センサ
ーの有底円筒形状の検出素子に形成された白金電極（図
示せず）と接続するための端子であり、セラミックヒー
ター３０を接続部材１８にセットした後、上記検出素子
をセラミックヒーター３０が検出素子の内部に納まるよ
うにセットすると、センサー用端子１８ｂと上記白金電
極とが接続するようになっている。

【０００８】従って、このセラミックヒーター３０を、
酸素センサー用のヒーターとして使用する場合、まず、
セラミックヒーター３０を一対の外部端子１４が接続部
材１８のヒーター用端子１８ａと接続されるように押し
込む。すると、一対のヒーター用端子１８ａは、押し込
まれたセラミックヒーター３０を挟み込むように、両側
から締めつけ、セラミックヒーター３０を支持、固定す
るとともに、セラミックヒーター３０を電源部と接続す
る。また、センサー用端子１８ｂも、直交した位置で、
同様にセラミックヒーター３０を挟み込むように、両側
から締めつける。このとき、センサー用端子１８ｂの一
方は、丁度、絶縁層３２の切れ目部３７の部分に当接す
る。

【０００９】この後、検出素子を上述の状態になるよう
に接続部材にセットすると、白金電極とセンサー用端子
１８ｂとが接続されることにより、白金電極の電位差を
測定することが可能になる。この後、セラミックヒータ
ー３０および酸素センサーに通電すると、セラミックヒ
ーター３０が所定の温度まで昇温して、白金電極が形成
された検出素子を加熱し、例えば、自動車の排気ガス中
の酸素濃度を測定することが可能になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造のセラミックヒーター３０を上記した構造の接
続部材を備えた酸素センサーに用いる場合には、以下の
ような問題点があった。すなわち、切れ目部３７は、絶
縁層３２の原料となるグリーンシートを芯材１１となる
生成形体に巻き付ける際に長さの誤差等があっても絶縁
層が重ならないように形成されるものであるが、セラミ
ックヒーター３０を昇温させた際に、切れ目部３７の幅
が大きすぎると、この部分は、抵抗発熱体１３が存在し
ないために温度が低くなる。この場合には、周囲の加熱
対象物を均一な温度に加熱することが困難となるので、
上記切れ目部３７の幅は、可能な限り小さくなるように
形成されている。

【００１１】このように、絶縁層３２の切れ目部３７に
ついては、抵抗発熱体１３の発熱部付近での不都合を考
慮して形成されており、外部端子１４付近の切れ目部３
７に関しては、特に意識されることはなく、上記発熱部
付近の形状がそのまま延長されて形成されており、上記
外部端子１４付近の切れ目部３７の幅も、可能な限り小
さくなるように形成されていた。

【００１２】上述のように、外部端子１４近傍の切れ目
部３７には、センサー用端子１８ｂの一方が当接する
が、この切れ目部３７の幅は、センサー用端子１８ｂの
直径に比べてかなり小さいため、切れ目部３７にセンサ
ー用端子１８ｂが食い込むことはない。

【００１３】従って、この酸素センサーを長期に渡って
使用し、ヒーター用端子１８ａの締めつけ力が弱くなる
と、セラミックヒーター３０が振動等により回転しやす
くなり、ヒーター用端子１８ａと外部端子１４との接続
が図れなくなり、セラミックヒーター３０が機能しなく
なってしまうという問題があった。

【００１４】本発明は、上記課題に鑑み、使用により振
動等が発生しても、セラミックヒーターが回転せず、接
続部材と外部端子との接続信頼性に優れたセラミックヒ
ーターを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックか
らなる芯材と、上記芯材を巻包するセラミックからなる
絶縁層との間に抵抗発熱体が埋設され、一端に外部端子
が形成されたセラミックヒーターにおいて、少なくとも
上記絶縁層の上記外部端子が形成された部分の近傍に
は、上記芯材の長さ方向に平行な電極固定用の溝部が形
成されていることを特徴とするセラミックヒーターであ
る。以下、本発明を詳細に説明する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は、本発明のセラミッ
クヒーターを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図２
は、芯材の上に形成された抵抗発熱体を平面に展開して
示した展開図である。さらに、図３（ａ）は、図１に示
したセラミックヒーターを酸素センサー用の接続部材に
接続した際のセラミックヒーターの外部端子近傍を模式
的に示した部分拡大正面図であり、（ｂ）は、（ａ）図
におけるＡ−Ａ線断面図である。

【００１７】図１に示したように、本発明のセラミック
ヒーター１０は、絶縁層１２に芯材１１の長さ方向に平
行な電極固定用の溝部１７が形成されている以外は、上
述したセラミックヒーター３０と略同様に構成されてお
り、芯材１１とこの芯材１１を被覆する絶縁層１２との
間に、抵抗発熱体１３が埋設され、一端に一対の外部端
子１４が形成された構造となっている。

【００１８】溝部１７は、上述した従来のセラミックヒ
ーター３０の切れ目部３７と略同じ箇所に設けられてお
り、この溝部１７の断面は、この切れ目部３７の外周の
尖った端部を削り取って、滑らかな曲面にしたような形
状をしている。そのため、図３（ｂ）に示したように、
このセラミックヒーター１０を外部端子１４がヒーター
用端子１８ａと接続されるように接続部材１８に挿入す
ると、ヒーター用端子１８ａと直交するセンサー用の端
子１８ａは溝部１７に食い込み、しっかりと固定され
る。

【００１９】この溝部１７は、上述したセンサー用端子
１８ｂを固定することができる大きさであれば、その形
状や大きさは特に限定されず、例えば、断面がＶ字型や
Ｕ字型等の形状であってもよい。しかし、溝部１７の形
状が長さ方向の全体に同一の場合には、溝部１７の芯材
１１と接する底の部分は、なるべく間隔が狭くなってい
ることが望ましい。底の部分の間隔を大きくすると、抵
抗発熱体同士の距離が遠くなって、その部分で温度が低
下し、周囲を均一に加熱することが困難となるからであ
る。

【００２０】また、溝部１７の形状は、少なくとも外部
端子１４の近傍で、上述した形状となっておればよく、
他の部分では、連続して形成されていてもよいが、製造
工程が複雑になるため、同じ形状になるように、形成す
ることが望ましい。

【００２１】本発明のセラミックヒーターにおいて、セ
ラミックヒーターの抵抗発熱体の形状は特に限定され
ず、従来と同様に形成されていてもよい。その一例を図
２に示すが、発熱部１３ａは、軸方向に平行な軸方向成
分１３０と軸方向に垂直な円周方向成分１３１とが順次
端部で結合して円周方向に繰り返しパターンを形成して
おり、この繰り返しパターンは、加熱対象物を均一な温
度に加熱するために、芯材１１の周囲に概ね等間隔で配
列されている。さらに、上記繰り返しパターンは、発熱
領域を広くする、および、発熱量を多くする等の目的
で、軸方向成分１３０の方が円周方向成分１３１よりも
長くなるように形成されている。

【００２２】一方、抵抗発熱体１３の非発熱部１３ｂ
は、抵抗を低くして発熱を防止するために、並列に形成
された複数のラインから構成されている。また、発熱部
１３ａの非発熱部１３ｂを介した反対側には、端子部１
３ｃが形成されている。この端子部１３ｃは、外部端子
１４がスルーホール１６を介して接続される。

【００２３】なお、軸方向成分１３０の長さは、円周方
向成分１３１の長さと同じに設定されていてもよい。し
かし、軸方向成分１３０の長さを、円周方向成分１３１
の長さより短くすると、発熱領域の幅（面積）が狭くな
り、また、円周方向成分１３１が存在する部分が主に加
熱され、しかも、全体の長さも短くなるため、発熱量が
少なくなり、加熱対象物を充分に加熱することが困難と
なる。

【００２４】上記セラミックヒーター１０における芯材
１１及び絶縁層１２は、セラミックにより構成されてい
る。芯材１１及び絶縁層１２を構成するセラミックとし
ては特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、
ムライト等の酸化物セラミック、窒化ケイ素、窒化アル
ミニウム等の窒化物セラミック、炭化ケイ素等の炭化物
セラミック等が挙げられる。

【００２５】これらのなかでは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ムライ
ト、窒化ケイ素が好ましく、特に、Ａｌ ₂ Ｏ₃ を主成分
とし、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ を４重量％以下、Ｍｇ
Ｏを０．５重量％以下、ＣａＯを１．２重量％以下含有
する密度率が９６％以上のアルミナセラミックが好まし
い。

【００２６】芯材１１及び絶縁層１２の密度率が９６％
未満であったり、上記焼結助剤の量が上記範囲より大き
いと、開孔が存在する可能性が高くなり、また、これら
を構成するアルミナセラミックの粒界がマイグレーショ
ン等により劣化して、空孔が形成されやすくなるため、
長期間使用した場合に抵抗発熱体１３が酸化されやすく
なる。なお、密度率とは、セラミックの理論密度に対す
る実際の焼結体の密度の比の百分率をいう。

【００２７】また、マイグレーションを防止するため
に、抵抗発熱体１３の周囲の部分に１０〜１５μｍ程度
の厚さで、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等の多価のイオンとなる不純
物の含有量が少ない高純度の層を設けてもよい。この層
は、抵抗発熱体１３と絶縁層１２との間に設けてもよ
く、抵抗発熱体１３と芯材１１との間に設けてもよく、
抵抗発熱体１３を挟むように、その両側に設けてもよ
い。この中間層は、少なくとも高温発熱部１３ａが存在
する領域に設ければよいが、非発熱部１３ｂや端子部１
３ｃが存在する領域にも、設けてもよい。

【００２８】抵抗発熱体１３は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔ
ｉ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属により構成されているこ
とが望ましい。これらの高融点金属は、単独で用いられ
たものであってもよく、２種以上が併用されたものであ
ってもよい。また、抵抗発熱体１３は、これらにアルミ
ナ等のセラミックが添加されたものであってもよい。

【００２９】本発明のセラミックヒーター１０を、図３
に示したような構成の酸素センサーの接続部材１８に押
し込むと、溝部１７にセンサー用端子１８ｂが食い込む
ことにより固定される。従って、このような構成からな
るセラミックヒーター１０を上記構成の酸素センサーに
使用すると、振動によりセラミックヒーター１０が回転
しそうになっても、溝部１７にセンサー用端子１８ｂが
食い込み、セラミックヒーター１０は、しっかりと固定
されて回転しない。その結果、外部端子１４とヒーター
用端子１８ａとが接続不良となることはなく、接続信頼
性に優れたセラミックヒーターとなる。

【００３０】次に、本発明のセラミックヒーターの製造
方法について説明する。図４〜７は、このセラミックヒ
ーター１０を製造する工程の一部を模式的に示した断面
であり、いずれの図においても、（ａ）は断面図、
（ｂ）は正面図である。

【００３１】まず、図４に示したように、離型性を有す
るプラスチックフィルム２１上に、印刷により抵抗発熱
体１３となる導体ペースト層２３を形成し、この導体ペ
ースト層２３を乾燥させる。なお、この導体ペースト層
２３は、焼成後に、発熱部１３ａとなる導体ペースト層
２３ａ、非発熱部１３ｂとなる導体ペースト層２３ｂ及
び端子部１３ｃとなる導体ペースト層２３ｃとからな
る。

【００３２】導体ペースト層２３は、Ｗ、Ｒｅ及びＭｏ
の高融点金属からなる群から選ばれる少なくとも１種と
アルミナ等のセラミック成分とバインダー樹脂と溶剤と
を含んでいる。また、図４では、導体ペースト層２３を
かなり厚く示しているが、実際の厚さは、２０〜８０μ
ｍ程度であり、プラスチックフィルム２１よりかなり薄
い。

【００３３】次に、図５に示したように、上記導体ペー
スト印刷工程で印刷された導体ペースト層２３を含む領
域に、導体ペースト層２３を覆うように、アルミナ粉末
とバインダー樹脂と溶剤とを含む絶縁層用のペーストを
重ねて印刷してグリーンシート２２の層を形成し、この
グリーンシート２２の乾燥を行う。このグリーンシート
２２は側面方向から見ると、略台形状に形成されてお
り、導体ペースト層２３と接する面が面積の大きい方の
面である。グリーンシート２２中のアルミナ粒子の平均
粒子径は１〜１０μｍが好ましい。また、グリーンシー
ト２２の厚さは、１００〜５００μｍ程度が好ましい。

【００３４】このとき、グリーンシート２２の導体ペー
スト層２３ｃと接する箇所にスルーホール用貫通孔２６
を形成し、導体ペースト層２３ｃを露出させ、このスル
ーホール用貫通孔２６に上記導体ペースト印刷工程で使
用した導体ペーストを充填する。次に、導体ペーストが
充填されたスルーホール用貫通孔２６の上に、タングス
テンペーストを用いてスクリーン印刷法により印刷を行
い、焼成後に、図１、３に示した外部端子１４となる外
部端子用ペースト層２４を形成し、焼成後に形成された
スルーホール１６を介して、外部端子１４と端子部１３
ｃとが接続されるようにする。印刷によりスルーホール
用貫通孔２６が形成されるように印刷を行ってもよい。

【００３５】次に、図６に示したように、グリーンシー
ト２２が下側にくるように図５に示した積層体２０を反
転し、所定の台２５の上に載置した後、例えば、台２５
に形成された貫通孔（図示せず）を介した空気の吸引力
等を利用して台２５に固定し、プラスチックフィルム２
１を剥離する。このとき、略台形状のグリーンシート２
２は、小さい方の面を台２５に接している。なお、
（ｂ）は、プラスチックフィルム２１を剥離した後の積
層体２０を表している。

【００３６】続いて、巻き付け工程として、図７に示し
たように、積層体２０の上に円柱形状の芯材１１となる
生成形体２８を載置し、生成形体２８の周囲に積層体２
０を巻き付けることにより、焼成用の原料成形体を作製
する。また、略台形状のグリーンシート２２は、面積の
小さい方の面が生成形体２８の外側に向いた状態で巻き
付けられているので、巻き付けられたグリーンシート２
２は、図１（ｂ）に示した絶縁層１２と略同様の形状と
なっている。なお、生成形体２８を構成するアルミナや
焼結助剤の割合は、グリーンシートと同様であることが
望ましい。

【００３７】その後、酸素の存在下、４００〜６００℃
の温度で脱脂を行い、生成形体２８、導体ペースト層２
３、グリーンシート２２、外部端子用ペースト層２４、
スルーホール用貫通孔２６中の有機物を除去し、続い
て、焼成を行ってアルミナ等や高融点金属等を焼結させ
る。そして、焼成された外部端子１４を構成するタング
ステン上にニッケルメッキを施し、さらに、このニッケ
ルメッキ上に金メッキを施して外部端子１４を形成し、
セラミックヒーター１０（図１参照）を製造する。

【００３８】焼成温度は、１４５０〜１６５０℃が好ま
しく、焼成時間は、２〜４時間が好ましい。また、上記
ニッケルメッキ及び金メッキは、電解メッキ法によって
形成してもよく、無電解メッキ法により形成してもよ
い。上記方法により、溝部１７の断面の形状が略Ｖ字形
状のセラミックヒーターを製造することができる。

【００３９】なお、生成形体２８を中空状とすることに
より、脱脂工程や焼成工程において、発生する気体の抜
けが良好になり、効率よく脱脂、焼成を行うことができ
る。

【００４０】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００４１】実施例１上記実施の形態において説明した方法を用い、図１に示
した構成のセラミックヒーター１０を製造した。このと
きの焼成温度は、１６００℃であった。また、製造され
たセラミックヒーター１０の抵抗発熱体１３は、Ｗを８
０重量％、Ｒｅを１７重量％、Ａｌ₂ Ｏ₃を３重量％含
有し、絶縁層１２は、その厚さが２００μｍで、Ａｌ₂
Ｏ₃ を９２．５重量％、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ を
５．８重量％、ＭｇＯを０．５重量％、ＣａＯを１．２
重量％含有し、その密度は３．７０であった。

【００４２】得られたセラミックヒーター１０を、酸素
センサーに設けられた板バネ式の接続部材１８に挿入
し、ヒーター用端子１８ａと外部端子１４とを接続し
た。このとき、センサー用端子１８ｂは、セラミックヒ
ーター１０の溝部１７に食い込んでいた。

【００４３】次に、台を振動させることができるように
構成された台に、この酸素センサーを載置し、１０００
時間振動させる振動加速試験を行った後、上記酸素セン
サーを取り出し、セラミックヒーター１０の外部端子１
４とヒーター用端子１８ａとの接続状態を確認した。そ
の結果、特に異常は見られず、外部端子１４とヒーター
用端子１８ａとは、良好に接続していた。

【００４４】比較例１絶縁層の断面形状を図８に示した絶縁層３２と略同様に
形成したほかは、実施例１と同様にセラミックヒーター
を製造し、実施例１の場合と同様に板バネ式の接続部材
１８に挿入し、実施例１の場合と同様に振動試験を行っ
た。その結果、セラミックヒーターが回転しており、外
部端子１４とヒーター用端子１８ａとの接続が外れ、セ
ンサー用端子１８ｂが外部端子１４に接触していた。

【００４５】上記試験結果より明らかなように、実施例
１に係るセラミックヒーターには、図１に示した断面形
状の溝部が形成されているため、酸素センサーの接続部
材に挿入すると、セラミックヒーターは、接続部材にし
っかりと固定され、使用の際の振動等によりセラミック
ヒーターが回転することはなく、外部端子と接続部材の
接続信頼性の高いセラミックヒーターとなる。

【００４６】

【発明の効果】本発明のセラミックヒーターは、上記の
ように構成されているので、使用の際に振動等が発生し
ても、セラミックヒーターが回転することはなく、接続
部材と外部端子との接続信頼性に優れたセラミックヒー
ターを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの構造
の一例を示した斜視図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線
断面図である。

【図２】図１に示したセラミックヒーターを構成する抵
抗発熱体及び端子の一例を平面状に展開して示した展開
図である。

【図３】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを構成
する外部端子付近の一実施形態を模式的に示した部分拡
大正面図であり、（ｂ）は、その平面図である。

【図４】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図５】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図６】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図７】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図８】（ａ）は、従来のセラミックヒーターの構造の
一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図であ
る。

【図９】（ａ）は、従来のセラミックヒーターを構成す
る外部端子付近の一実施形態を模式的に示した部分拡大
正面図であり、（ｂ）は、その平面図である。

【符号の説明】

１０セラミックヒーター１１芯材１２絶縁層１３抵抗発熱体１４外部端子１５センサー用端子１６スルーホール１７溝部１８接続部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K092 PP15 PP16 QA01 QB02 QB20 QB33 QB45 QC02 QC13 QC38 QC42 QC43 QC49 RA02 RB02 RB05 RB22 RD09 RD34 VV22 VV28 VV31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックからなる芯材と、前記芯材を
巻包するセラミックからなる絶縁層との間に抵抗発熱体
が埋設され、一端に外部端子が形成されたセラミックヒ
ーターにおいて、少なくとも前記絶縁層の前記外部端子
が形成された部分の近傍には、前記芯材の長さ方向に平
行な電極固定用の溝部が形成されていることを特徴とす
るセラミックヒーター。