JP2004006216A

JP2004006216A - Ceramic heater and its testing process

Info

Publication number: JP2004006216A
Application number: JP2002316779A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tanaka; 田中　智
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-01-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic heater which can prevent poor insulation resulting from a ceramic sheet being separated from a ceramic core member when adhering the ceramic sheet around the periphery of of the ceramic core material. <P>SOLUTION: A groove with a width of 0.2 to 2.0mm is formed in an adhering part of the ceramic sheet, and an angle formed by both side surfaces of the groove is made to be ≥ 40°. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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、アルミナ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。
【０００３】
例えば、円柱状のセラミックヒータを製造する場合は、特許文献１や特許文献２に示されているように、図１のセラミック芯材２とセラミックシート３を用意し、セラミックシート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と電極引出部５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シート３を上記セラミック芯材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としていた。
【０００４】
セラミックシート３上には、発熱抵抗体４に電極引出部５が接続され、該電極引出部５の末端にスルーホールが形成され裏面の電極パッド８と該電極引出部５がスルーホールで接続されている。スルーホールには、必要に応じて導体ペーストが注入される。
【０００５】
そして、セラミックヒータ１は、側面に露出した電極パッド８にリード部材７をロウ材によりロウ付けして接合し、このリード部材７から通電することにより発熱抵抗体４が発熱するようになっていた。
【特許文献１】
特開２０００−１２３９５９号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１３９６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に周回密着する際に、セラミックシート３がセラミック芯材２から剥がれて両者の界面に隙間が発生し、絶縁不良が発生するものがあった。特に、セラミックシート３の硬さが硬い場合に、セラミック芯材２とセラミックシート３の間に隙間が発生しやすいという問題があった。このような不良は通常は発生しないが、セラミックシート３をセラミック芯材に密着する密着力が不充分な場合に突発的に発生する。例えばこのような不良が酸素センサ加熱用のセラミックヒータにおいて発生すると、センサ始動時の立ち上がり特性に悪影響を及ぼすことになる。
【０００７】
このような密着不良は、初期はあまり目立たなくとも、前記隙間を介した酸素の拡散により使用中に発熱抵抗体が酸化し、セラミックヒータの耐久性が低下するという問題があった。
【０００８】
また、このような密着不良の発生は、セラミックシート３をセラミック芯材２に密着した溝部に発生するので、非破壊の外観検査で確実に識別することは難しいという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、未着不良をセラミックシートとセラミック芯材との密着不良を完全に防止するとともに、耐久性を向上させることができるセラミックヒータを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、セラミックシートをセラミック芯材に密着した際、溝部を形成しても、不良品を簡単に見いだすことができ、上述のような耐久性が上がった良品を大量に製造することができるセラミックヒータの試験方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、上述の課題に鑑み、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材に周回密着して一体的に焼成してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度が４０°以上であることを特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させたことを特徴とする。
そして、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出していることを特徴とする。
さらに、前記溝部の角部に面取りを備えたこと特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、上記電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬した時に、該電解質溶液中に形成した電極と前記セラミックヒータの電極パッド間の耐電圧が１０００Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１２】
一方、セラミックヒータの試験方法は、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、セラミックヒータの電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して電気絶縁性を確認することを特徴とする。
【００１３】
このような改良を実施することにより、セラミック芯材とセラミックシートの間に隙間が生成することを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることが出来るようになった。
【００１４】
また、本発明の試験方法を利用することにより、セラミック芯材２とセラミックシート３の間の密着不良を容易に検知することが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。図１（ａ）は、セラミックヒータ１の部分切り欠き斜視図であり、（ｂ）は、そのセラミック体６部分の展開図である。
【００１６】
セラミックシート３の表面には、発熱抵抗体４と電極引出部５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シート３をセラミック芯材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体６を形成する。そしてさらに、電極パッド８にリード部材７をロウ材を用いて接合することにより、セラミックヒータ１とする。
【００１７】
また、図２は前記セラミック体６の径方向の断面を示す図である。セラミック芯材２の周囲に周回密着したセラミックシート３の端部の間に形成される溝部１５の両側面のなす角ｄは、４０°以上となるように形成している。この角度が４０°より小さいと、密着後にセラミックシート３の弾性によりセラミックシート３の端部が剥がれてしまう。この剥がれが大きくなると、発熱抵抗体４に達するようになり、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。さらに好ましくは、角度ｄを６０°以上とすることが良い。
【００１８】
また、前記溝部１５の幅ｗは、０．２〜２ｍｍとする。幅ｗは、図２（ａ）に示すようにセラミック芯材２との接合部におけるセラミックシート３端部の距離を意味する。この幅ｗが０．２ｍｍより小さくなると、セラミックシート３は弾性を有するのでセラミックシート３を密着する時に、その端部がぶつかり、セラミックシート３の端部に剥がれが発生しやすくなるので好ましくない。また、隙間が２．０ｍｍを越えると、セラミックシート３とセラミック芯材２の焼成収縮差によりセラミックヒータ１の反りの原因となるので好ましくない。
【００１９】
なお、幅ｗは、セラミック芯材２の外周長さと密着するセラミックシート３の幅の差によって決まる。このため、前記隙間が２ｍｍを越えないように、セラミックシート３の幅を管理する。
【００２０】
また、溝部１５を成すテープの角部に面取り１７を施すことも密着性向上に有効である。角部に面取り１７を施すことにより、ローラ密着した際のローラの引っ掛かりを防止することができるので、これにより発生する密着不良を防止し、セラミックシート３端部の密着不良を防止することができる。溝部１５の両端面全面を面取り１７により形成しても構わないし、図２（ｂ）に示すように、角部が二段になっても構わない。
【００２１】
セラミックシート３の密着には、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着することが好ましい。セラミック芯材２にセラミックシート３を密着する際は、セラミックシート３もしくはセラミック芯材２の表面を可塑化し融着させる必要があるが、上記のようにセラミックシート３もしくはセラミック芯材２の接着面にセラミックス粉末を分散させた密着液を塗布してこれらを密着することにより、接着面に隙間ができることを防止し、密着の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、密着液の塗布に際し、発熱抵抗体４の表面に直接密着材を塗布すると、密着時に発熱抵抗体４パターンが可塑化し、発熱抵抗体４パターンが短絡したり断線したりする場合があるので、発熱抵抗体４パターンの上には、別のセラミックシート３を密着させるかもしくはコート層を形成して、発熱抵抗体４を保護することが好ましい。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示すように、密着液のはみ出し１６が、溝部１５に０．１〜１．０ｍｍの幅ｈで生成していることが好ましい。セラミックシート３の端面には、セラミック芯材２からセラミックシート３を剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３の端面に密着液が食み出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート３端面の剥離を防止することが可能となる。
【００２４】
なお、この場合、外径が２．５〜１５ｍｍの円筒状または円柱状のセラミック芯材２にセラミックシート３が形成される。
【００２５】
以上のような効果は、セラミックシート３のＳ−Ｓ（応力−伸び）カーブの傾きが大きい、つまり応力に対し変形し難いセラミックシート３を使用した場合に有効である。この場合、０．３ｍｍ程度の厚みのセラミックシート３を評価部の幅が１３ｍｍ、長さが３０ｍｍのダンベル型に加工して、破断までのＳ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合、その傾きは１〜８Ｎ／ｃｍ程度となる応力に対して変形し難いものが用いられる。なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。
【００２６】
また、セラミックシート３として、上記のようなセラミックシート３を使用すると、セラミックシート３の取扱時の応力により、発熱抵抗体４が断線したり、セラミックシート３が伸びて発熱抵抗体４の抵抗値がばらつくことも防止する。
【００２７】
次に、これまでセラミックシート３の引張試験によるＳ−Ｓカーブの傾きが１〜８Ｎ／ｃｍと大きい場合に、溝部１５の幅ｗ及び溝部１５の両側面のなす角度ｄ等を規定して密着性を向上させようとしたが、この幅ｗ及び角度ｄの規定を行わない場合でも、セラミックシート３の端面の密着力を向上させることができる。即ち、Ｓ−Ｓカーブの傾きが１Ｎ／ｃｍ未満の場合、即ち、柔らかいセラミックシート３が外部応力により容易に変形するのでセラミック芯材２の周囲に巻き付けるセラミックシート３の内周面がセラミック芯材２に密着すできるとともに、セラミックシート３の外周面がその弾性により伸びた状態で密着することでき、セラミックシート３の端面を剥がそうとする応力が小さくなるので、密着不良が発生し難くなるのである。
【００２８】
なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは、破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。さらに好ましくは、０．６Ｎ／ｃｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
この場合、セラミックシート３の表面に形成する電極パッド８が一緒に伸びるようにすることが好ましい。このためには、ガラス転移点が−２０℃以下の室温で変形しやすいバインダを使用すれば良い。これにより、焼成前の電極パッド８が変形してもクラックが発生することなしに、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着することができるようになる。
【００３０】
電極パッド８は、発熱抵抗体４のように抵抗値を管理する必要はないので、上記のようにクラックの発生による断線を防止することを優先して考えれば良い。
【００３１】
上記のような電極パッド８に用いるガラス転移点の低いバインダとしては、例えば、アクリル系のバインダを用いる場合、モノマーとして２−エチルヘキシルアクリレート、ブチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルエタクリレート、ブチルエタクリレート、イソブチルメタクリレート等の比率をそれぞれ変化させて重合することにより、任意のガラス転移点を有するバインダを作製することができる。バインダの種類としては、アクリル系のものを使用することが好ましい。
【００３２】
ちなみに、各モノポリマーのガラス転移点は概ね、２−エチルヘキシルアクリレート（−７５℃）、ブチルアクリレート（−５６℃）、エチルアクリレート（−２７℃）、ブチルメタクリレート（２０℃）、イソブチルメタクリレート（４８℃）、エチルメタクリレート（４２℃）、メチルメタクリレート（１０３℃）であり、これらの組成比を種々選択することにより、色々なガラス転移点のバインダを作製することができる。
【００３３】
また、バインダの分子量は、上記重合の温度と時間を調整することにより調整することが可能である。
【００３４】
また、ポリビニルブチラールやエチルセルロースのようにガラス転移点が高いバインダを用いる場合は、ペーストの粘度調整のために添加する溶剤としてＤＢＰやＤＯＰのような可塑剤を多めに添加することにより、生の電極パッド８が変形しやすくすることができる。
【００３５】
セラミックヒータ１の耐久性を判断する試験方法として、図３に示すように電解質溶液１２中にセラミックヒータ１の電極パッド８以外のセラミック体を浸漬し、この電解質溶液１２中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８の間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して、電気絶縁性を評価することができる。３０Ｖ以上の電気器具については電気用品取締法があり、耐電圧についての規定があるが、３０Ｖ未満の電圧を印加するヒータについては規定がない。
【００３６】
上記のようなセラミックヒータ１において、電解質溶液中で電極パッド８と電解質溶液中の電極間の電気絶縁性が１０００Ｖ以上となるようにセラミック芯材２に確実に密着させることで、耐久性良好なセラミックヒータ１とすることができる。
【００３７】
セラミックヒータ１のセラミック芯材２とセラミックシート３の密着信頼性の評価方法として、上記のような試験方法を採用するのは、非常に有用である。さらに密着界面への浸透性を向上させるために、アルコール等の表面張力の小さい溶剤を添加すれば、さらに信頼性を向上させることができる。この試験方法については、円筒型や円柱型にこだわることなく、板状積層型のセラミックヒータについても応用できる。
【００３８】
また、耐久性を判断する電解質溶液の種類としては、色々なものを使用できるが、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム等の強酸と強塩基の塩を用いた溶液を用いることが好ましい。また、その濃度としては、電気を流せる程度であれば問題ないが使い易さの観点からは０．５〜１０％程度とすることが好ましい。また、アルコールのように水に分散して浸透性の高い溶媒を少量添加すると、小さな欠陥にも溶液が浸透するのでさらに好ましい。
【００３９】
そして、本発明のセラミックヒータ１は、上記試験方法において、電解質溶液中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８間の耐電圧が１０００Ｖ以上、好ましくは、耐電圧を１５００Ｖ、理想的には２０００Ｖ以上とすることが好ましい。セラミックシート３の密着性がないと耐電圧が１０００Ｖより小さくなり、最高発熱部の温度が１１００℃となる加速条件で耐久テストが１０００時間程度で抵抗値が初期値より１０％以上増加したり、断線したりするものが発生するので好ましくない。
【００４０】
さらに、本発明のセラミックヒータ１の詳細について説明する。
【００４１】
本発明のセラミックヒータ１の電極パッド８には、焼成後メッキ層を形成する。このメッキ層は、リード部材７を電極パッド８の表面にロウ付けする際に、ロウ材の流れを良くし、ロウ付け強度を増すためである。通常１〜５μｍ厚みのメッキ層を形成する。メッキ層の材質としては、Ｎｉ、Ｃｒ、もしくはこれらを主成分とする複合材料を使用することができる。
【００４２】
リード部７を固定するロウ材層としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ系のロウ材が使用される。好ましくは、Ａｕ−Ｃｕロウとしては、Ａｕ含有量が２５〜９５重量％としＡｕ−ＮｉロウとしてはＡｕ含有量が５０〜９５重量％とすると、ロウ付け温度を１０００℃程度に設定でき、ロウ付け後の残留応力を低減できるので良い。また、湿度が高い雰囲気中で使用する場合、Ａｕ系、Ｃｕ系のロウ材を用いた方がマイグレーションの発生が抑えられるので好ましい。
【００４３】
また、ロウ材層の表面には、メッキ層を形成することが腐食からロウ材層を保護するために好ましい。
【００４４】
また、電極パッド８に形成されるスルーホールの位置とロウ材層の端部との距離を少なくとも０．２ｍｍ以上にすると、良好なロウ付け強度を維持することができる。これにより、メッキ層の表面に形成したロウ材層が固化する際に大きく収縮し、電極パッド８を剥がしてしまうというような不具合を防止できるからである。
【００４５】
次にリード部材７の材質としては、耐熱性良好なＮｉ系やＦｅ−Ｎｉ系合金等を使用することが好ましい。発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード部材７の温度が上昇し、劣化する可能性があるからである。
【００４６】
中でも、リード部材７の材質としてＮｉやＦｅ−Ｎｉ合金を使用する場合、その平均結晶粒径を４００μｍ以下とすることが好ましい。前記平均粒径が４００μｍを越えると、使用時の振動および熱サイクルにより、ロウ付け部近傍のリード部材７が疲労し、クラックが発生するので好ましくない。他の材質についても、例えばリード部材７の粒径がリード部材７の厚みより大きくなると、ロウ材層とリード部材７の境界付近の粒界に応力が集中してクラックが発生するので好ましくない。
【００４７】
なお、ロウ付けの際の熱処理は、試料間のバラツキを小さくするためには、ロウ材の融点より十分余裕をとった高めの温度で熱処理する必要があるが、リード部材７の平均結晶粒径を４００μｍ以下と小さくするためには、ロウ付けの際の温度をできるだけ下げ処理時間を短くすればよい。
【００４８】
また、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４を埋設したセラミックヒータ１において、発熱抵抗体４のパターン欠陥の幅がパターン幅の１／２以下とすることが好ましい。これは、前記欠陥の幅がパターン幅の１／２を越えると、この部分で局部発熱し、発熱抵抗体４の抵抗値が大きくなり、耐久性が劣化するので、好ましくない。
【００４９】
このような欠陥が発生する原因は、発熱抵抗体４をプリント形成する時に、プリント製版にゴミが付着したためパターンが欠けてしまったり、異物が混入し焼成時に焼失したりすることにより発生するものと思われる。プリントや密着工程で、生のセラミックグリーンシート３を取り扱う工程があるが、この工程の清浄度を向上させるとともに、万一の欠陥の発生に関して、上記寸法以上の欠陥を取り除くための検査工程の整備が重要である。
【００５０】
また、セラミック体６の材質としては、Ａｌ_２Ｏ_３８８〜９５重量％、ＳｉＯ_２２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ_２１〜３重量％からなるアルミナを使用することが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３含有量をこれより少なくすると、ガラス質が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるので好ましくない。また、逆にＡｌ_２Ｏ_３含有量をこれより増やすと、内蔵する発熱抵抗体４の金属層内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。ここで、セラミックスとしてアルミナの例を示したが、本発明で示したことは、アルミナ質セラミックスに限定されることではなく、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等、また、セラミックヒータのみならず、Ａｕ系のロウ付けを実施する全てのものに当てはまる現象である。
【００５１】
また、セラミックヒータ１の寸法については、例えば外径が２〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度にすることが可能である。自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒータ１としては、外径が２〜４ｍｍ、長さが４０〜６５ｍｍとすることが好ましい。
【００５２】
さらに、自動車用の用途では、発熱抵抗体４の発熱長さが３〜１５ｍｍとなるようにすることが好ましい。発熱長さが３ｍｍより短くなると、通電時の昇温を早くすることができるが、セラミックヒータ１の耐久性を低下させる。また、発熱長さを１５ｍｍより長くすると昇温速度が遅くなり、昇温速度を早くしようとするとセラミックヒータ１の消費電力が大きくなるので好ましくない。ここで、発熱長さというのは、図１（ｂ）で示す発熱抵抗体４の往復パターンの部分である。この発熱長さは、その目的とする用途により、選択されるものである。
【００５３】
【実施例】
実施例　１
Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックシート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱抵抗体４とＷからなる電極引出部５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往復のパターンとなるように作製した。
【００５４】
そして、Ｗからなる電極引出部５の末端には、スルーホールを形成し、ここにペーストを注入する事により電極パッド８と電極引出部５間の導通をとった。スルーホールの位置は、ロウ付けを実施した場合にロウ付け部の内側に入るように形成した。そして、発熱抵抗体の表面にセラミックシート３と略同一の成分からなるコート層を形成して充分乾燥した後、さらに前記セラミックシート３と略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布して、こうして準備したセラミックシート３（Ｓ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合の傾きが５Ｎ／ｃｍ）をセラミック芯材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。
【００５５】
この時、セラミックヒータ１に形成される溝部１５の幅ｗが０．１ｍｍ以下、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとし、さらにセラミックシート３の端面を斜めに削ることにより溝部１５の端面のなす角度ｄを３０°、４０°、４０〜６０°、１００°と変えて、密着性への影響を耐電圧特性により評価した。各条件、試料を１０００本作製し、焼成後耐電圧の評価を実施し、絶縁破壊するものの本数を確認した。尚、溝部１５の幅ｗは、図２に示すようにセラミックシート３の両端面の幅ｗを意味する。電解質溶液としては、塩化ナトリウムの１％溶液を用いて、溶液中に設置された電極とセラミックヒータの間に、１０００Ｖの電圧を１０秒間印加して絶縁破壊しないことを確認した。
【００５６】
また、絶縁破壊した試料については、図２に示すような発熱抵抗体４埋設部の周方向断面を観察して、セラミックシート３とセラミック芯材２の密着状況を４０倍の双眼顕微鏡で調査した。
【００５７】
これらの結果を、表１に示した。
【００５８】
【表１】

【００５９】
表１から判るように、セラミックヒータ１のセラミックシート３両端部に形成される溝部１５の幅ｗを０．１ｍｍ以下にしたＮｏ．１は、１０００本中４本に絶縁不良が発生した。また、前記幅ｗを０．２ｍｍとし、前記溝１５両側面のなす角度ｄを３０°にしたＮｏ．２、幅ｗを０．５ｍｍとし、角度ｄを３０°にしたＮｏ．７にはそれぞれ１０００本中３本の不良が発生した。これに対して、前記溝部１５の幅ｗを０．２ｍｍ以上とし前記角度ｄを４０°以上としたＮｏ．３〜１１は、絶縁不良の発生は１本もなく良好な耐絶縁性能を示した。
【００６０】
セラミックシート３密着時にセラミック芯材２の周囲に周回密着させたセラミックシート３の端面が接するようになると、セラミックシート３にたるみが発生し、密着不良が発生するものがあった。溝部１５の幅ｗとして、０．２ｍｍ程度の隙間を形成することがセラミックヒータ１の耐電圧性を向上させるために好ましいことが判った。また、セラミックシート２の端面を加工することにより、セラミックシート３の密着面に形成される溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°以上に大きくすることにより、セラミックシート３の端部への剥離応力を低減し、セラミックヒータ１の耐電圧を向上させることができた。
【００６１】
不良の発生数はさほど多くはないが、この程度の発生件数でも、自動車部品としては問題となる。上記の改善により、セラミックヒータ１の耐久性とその信頼性を改善できる事がわかった。
【００６２】
なお、表には記載しないが、セラミックシート３のＳ−Ｓカーブの傾きが１０Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°で溝幅ｗが１．０ｍｍとなるようなセラミックヒータ１を作製したものについて上述と同様の実験をおこなうと１００本中、１８本の不良が発生した。しかし、Ｓ−Ｓカーブの傾きが０．５Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄ、溝幅ｗを同様にしたセラミックヒータ１を作製しても不良の発生は無かった。これは溝部の形状に関係なくＳ−Ｓカーブの傾きによって密着性が変わることが理解できる。
【００６３】
実施例　２
ここでは、セラミックヒータ１のセラミックシート３密着部に形成される溝部１５の端面のなす角度ｄと密着性の関係を調査した。セラミックシート３の端面を斜めに加工して角度を形成し、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着した際の溝部１５の端面のなす角度ｄを４０〜６０°とし、密着液の塗布量を調整して、密着面からの密着液の食み出しｈを調整した。なお、密着については、一旦セラミック芯材２の表面にセラミックシート３を密着させた後、さらに３本のロールを同一方向に回転させるロールの間にセラミックシート３を密着したセラミック体６を装着して回転させることにより密着した。この時、上から抑えるロールの半径をセラミックヒータ１の外径の３倍程度と小さくし、さらに弾性のある材質とすることにより、セラミックシート３への加圧を均等にするようにした。また、セラミック芯材２の外径は４ｍｍとし、溝部１５の幅ｗは１．０ｍｍとした。
【００６４】
評価方法としては、焼成後、まず実施例１と同様な方法で耐電圧を確認し、その後、セラミックヒータ１を輪切り状に切断し、その溝部１５を観察してセラミックシート３端部の密着状況を各条件５０本づつ確認した。
【００６５】
結果を表２に示した。
【００６６】
【表２】

【００６７】
表２から判るように、密着液のはみ出しｈがないＮｏ．１は、耐電圧に異常はなかったが、溝部１にあるセラミック芯材２とセラミックシートの密着面の端部に、小さな剥離がみられるものがあった。これに対し前記はみ出しｈを０．１〜０．３ｍｍとしたＮｏ．２〜４については、密着面の端部に隙間が発生するものはなく、密着性が良好であることを確認できた。従来は、前記はみ出し量を管理していなかったが、前記はみ出し量を管理することにより、セラミクヒータ１の耐久性とその信頼性を向上できる事がわかった。
【００６８】
実施例　３
ここでは、セラミックヒータ１の耐電圧特性と耐久性の関係について調査した。セラミックシート２に実施例１と同様にして発熱抵抗体４および電極引出部５、スルーホール、電極パッド８を形成し、前記溝部１５のなす角度ｄが３０°以内となるように調整してセラミック芯材２の周囲に密着したセラミック体６を１６００℃で焼成し、５００本の試料を準備した。この試料を、まず、実施例１と同様にして１０００Ｖで１０秒間の耐電圧を確認したのち、セラミックヒータ１の最高発熱部の温度が１１００℃となるような電圧をＯＮ−ＯＦＦして、２分間通電−２分間強制冷却のサイクル試験を５０００サイクル掛けて、テスト後のセラミックヒータ１の抵抗変化率が初期抵抗の１０％を越えたものの耐電圧をさらに測定した。評価は、５００Ｖで１０秒間耐電圧を評価し、ＯＫであれば２５０Ｖ置きに電圧を上げて１０秒間保持して絶縁破壊しないことを確認した。また、耐久テスト後の良品については、各ロット１０本づつ耐電圧を評価した。
【００６９】
また、同時に、実施例１のＮｏ．６のサンプルを比較用に同様に評価した。
【００７０】
結果を表３に示した。
【００７１】
【表３】

【００７２】
表３から判るように、まず、初期の試料は、両者とも１０００Ｖの耐電圧試験でＯＫであった。しかしながら、上記サイクル試験後は、本実施例で使用した従来仕様のセラミクヒータ１は、セラミックヒータ１の抵抗値が初期に較べて１０％以上増加するものが３本あった。これらのサンプルを、５００Ｖから２５０Ｖ置きに電圧を上げながら耐電圧試験を実施したところ、サイクル試験の抵抗変化が１０％と１３％であった試料は、１０００Ｖで絶縁破壊し、前記抵抗変化が１８％であった試料は５００Ｖで絶縁破壊した。
【００７３】
これに対して、実施例１で作製したＮｏ．６に示す本発明のセラミックヒータ１は、初期の耐電圧は、１０００ＶでＯＫであり、耐久試験後は３０００ＶまでＯＫであった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材の周回密着してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度を４０°以上とすることにより、セラミックシートをセラミック芯材に周回密着する際のセラミックシート端面の剥離やセラミックシートのたわみを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることができるようになった。
【００７５】
また、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させることで、さらに密着性を向上させることが可能となる。
【００７６】
さらに、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出しているために、セラミックシートの端面には、セラミック芯材からセラミックシートを剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３端面に密着液がはみ出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート端面の剥離を防止することが可能となる。
【００７７】
また、前記溝部の角部に面取りを備えたことによっても密着性を向上させることができる。
【００７８】
さらに、セラミックシートの密着して作製したセラミックヒータにおいて、その密着の信頼性を判断する手法として、電解質溶液中にセラミックヒータの発熱抵抗体形成部を浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加してセラミックヒータの電気絶縁性を試験することにより、非破壊の外観検査で確実に密着不良を識別することが可能となった。
【００７９】
これらの改善により、セラミックヒータの電気絶縁性を向上させ、耐久性良好なセラミクヒータを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの斜視図であり、（ｂ）はその展開斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの断面図であり、（ｂ）はその溝部の拡大図である。
【図３】本発明の電気絶縁性を確認する試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック芯材
３：セラミックシート
４：発熱抵抗体
５：電極引出部
７：リード部材
８：電極パッド
１２：電解質溶液
１３：電源
１４：電極
１５：溝部
１６：食み出し
１７：面取り
ｄ：角度[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater used for a heater for an air-fuel ratio detection sensor for an automobile, a heater for a vaporizer, a heater for a soldering iron, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an alumina ceramic heater in which a heating resistor made of a high melting point metal such as W, Re, or Mo is buried in ceramics containing alumina as a main component has been generally used.
[0003]
For example, when manufacturing a cylindrical ceramic heater, as shown in Patent Documents 1 and 2, a ceramic core material 2 and a ceramic sheet 3 of FIG. After a paste of a refractory metal such as W, Re, Mo or the like is printed to form the heating resistor 4 and the electrode lead portion 5, the ceramic sheet 3 is placed on the ceramic core material 2 so that the surface on which these are formed is on the inside. And the whole was fired and integrated to form a ceramic heater 1.
[0004]
An electrode lead portion 5 is connected to the heating resistor 4 on the ceramic sheet 3, a through hole is formed at an end of the electrode lead portion 5, and an electrode pad 8 on the back surface and the electrode lead portion 5 are connected by a through hole. ing. Conductive paste is injected into the through holes as needed.
[0005]
In the ceramic heater 1, the lead member 7 is joined to the electrode pad 8 exposed on the side surface by brazing with a brazing material, and when the lead member 7 is energized, the heating resistor 4 generates heat. .
[Patent Document 1]
JP-A-2000-123959
[Patent Document 2]
JP 2000-113965 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the ceramic sheet 3 is brought into close contact with the periphery of the ceramic core material 2, the ceramic sheet 3 is peeled off from the ceramic core material 2, and a gap is generated at the interface between the two, causing insulation failure. In particular, when the hardness of the ceramic sheet 3 is high, there is a problem that a gap is easily generated between the ceramic core material 2 and the ceramic sheet 3. Such a defect does not usually occur, but suddenly occurs when the adhesion force for adhering the ceramic sheet 3 to the ceramic core material is insufficient. For example, if such a defect occurs in the ceramic heater for heating the oxygen sensor, the start-up characteristic at the time of starting the sensor is adversely affected.
[0007]
Even if such poor adhesion is not so noticeable in the beginning, there is a problem that the heat generating resistor is oxidized during use due to diffusion of oxygen through the gap, thereby lowering the durability of the ceramic heater.
[0008]
In addition, since such poor adhesion occurs in the groove portion where the ceramic sheet 3 is in close contact with the ceramic core material 2, there is a problem that it is difficult to reliably identify the non-destructive appearance inspection.
[0009]
An object of the present invention is to provide a ceramic heater capable of completely preventing non-attachment failure and poor adhesion between a ceramic sheet and a ceramic core material and improving durability.
[0010]
Another object of the present invention is to make it possible to easily find a defective product even when a groove is formed when a ceramic sheet is brought into close contact with a ceramic core material, and to produce a large number of non-defective products having improved durability as described above. It is an object of the present invention to provide a method for testing a ceramic heater which can be manufactured in a wide range.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above-mentioned problems, the ceramic heater of the present invention is formed by integrally forming a ceramic sheet having a heating resistor formed on one main surface around a ceramic core material such that the heating resistor is on the inside. In the ceramic heater, the groove having a width of 0.2 to 2.0 mm is formed between both ends of the ceramic sheet, and an angle between both side surfaces of the groove is 40 ° or more. It is characterized by.
Further, the ceramic heater according to the present invention is characterized in that an adhesion liquid in which ceramic powder is dispersed is applied between the ceramic sheet and the ceramic core material to make them adhere.
The contact liquid protrudes into the groove with a width of 0.1 to 1.0 mm.
Furthermore, the corner of the groove is provided with a chamfer.
Further, the ceramic heater of the present invention is a ceramic heater in which a heating resistor and an electrode lead connected thereto are built in a ceramic body, and an electrode pad connected to the electrode lead is provided on a surface of the ceramic body. When a ceramic body other than the electrode pad is immersed in an electrolyte solution, the withstand voltage between the electrode formed in the electrolyte solution and the electrode pad of the ceramic heater is 1000 V or more.
[0012]
On the other hand, a method for testing a ceramic heater is based on a ceramic heater having a heating resistor and an electrode lead connected thereto connected to a ceramic body, and having an electrode pad connected to the electrode lead on the surface of the ceramic body. Then, a ceramic body other than the electrode pad of the ceramic heater is immersed in the electrolyte solution, and a voltage of 100 to 3500 V is applied between the electrode formed in the electrolyte solution and the electrode pad of the ceramic heater to check the electrical insulation. It is characterized by the following.
[0013]
By performing such an improvement, it is possible to prevent a gap from being formed between the ceramic core material and the ceramic sheet, and to obtain a ceramic heater having good durability.
[0014]
Further, the use of the test method of the present invention makes it possible to easily detect a poor adhesion between the ceramic core material 2 and the ceramic sheet 3.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the ceramic heater of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a partially cutaway perspective view of the ceramic heater 1, and FIG. 1B is a developed view of the ceramic body 6.
[0016]
A heating resistor 4 and an electrode lead-out portion 5 are formed on the surface of the ceramic sheet 3, and furthermore, a structure is formed in which a through-hole 7 is formed between the heating resistor 4 and an electrode pad 8 formed on the back surface thereof. The ceramic body 6 is formed by sintering the ceramic sheet 3 thus prepared on the surface of the ceramic core material 2 so that the heating resistor 4 is located inside. Further, the lead member 7 is joined to the electrode pad 8 by using a brazing material, whereby the ceramic heater 1 is obtained.
[0017]
FIG. 2 is a diagram showing a radial cross section of the ceramic body 6. The angle d formed by both side surfaces of the groove 15 formed between the ends of the ceramic sheet 3 that is in close contact with the periphery of the ceramic core 2 is formed to be 40 ° or more. If this angle is smaller than 40 °, the end of the ceramic sheet 3 will peel off due to the elasticity of the ceramic sheet 3 after the close contact. If the peeling becomes large, it reaches the heating resistor 4 and the durability of the ceramic heater 1 deteriorates, which is not preferable. More preferably, the angle d is more than 60 °.
[0018]
The width w of the groove 15 is set to 0.2 to 2 mm. The width w means the distance between the ends of the ceramic sheet 3 at the joint with the ceramic core 2 as shown in FIG. If the width w is smaller than 0.2 mm, the ceramic sheet 3 has elasticity, so that when the ceramic sheet 3 is brought into close contact with the ceramic sheet 3, the end of the ceramic sheet 3 collides and the end of the ceramic sheet 3 tends to peel off, which is not preferable. On the other hand, if the gap exceeds 2.0 mm, the difference in firing shrinkage between the ceramic sheet 3 and the ceramic core 2 may cause the ceramic heater 1 to warp, which is not preferable.
[0019]
Note that the width w is determined by the difference between the outer peripheral length of the ceramic core material 2 and the width of the ceramic sheet 3 that is in close contact. Therefore, the width of the ceramic sheet 3 is controlled so that the gap does not exceed 2 mm.
[0020]
It is also effective to improve the adhesion by chamfering 17 at the corners of the tape forming the groove 15. By applying the chamfering 17 to the corners, it is possible to prevent the rollers from being caught when the rollers are in close contact with each other, thereby preventing poor adhesion that occurs and preventing poor adhesion at the end of the ceramic sheet 3. . The entire end faces of the groove 15 may be formed by chamfering 17, or the corners may be formed in two steps as shown in FIG.
[0021]
For the adhesion of the ceramic sheet 3, it is preferable to apply an adhesion liquid in which ceramic powder is dispersed and to adhere the ceramic sheet 3. When the ceramic sheet 3 is brought into close contact with the ceramic core 2, it is necessary to plasticize and fuse the surface of the ceramic sheet 3 or the ceramic core 2, as described above. By applying an adhesion liquid in which ceramic powder is dispersed and applying them, it is possible to prevent a gap from being formed on the adhesion surface and improve the reliability of adhesion.
[0022]
In addition, when an adhesive is applied directly to the surface of the heating resistor 4 when applying the contact liquid, the pattern of the heating resistor 4 is plasticized at the time of adhesion, and the pattern of the heating resistor 4 may be short-circuited or disconnected. Preferably, another ceramic sheet 3 is adhered on the pattern of the heating resistor 4 or a coat layer is formed to protect the heating resistor 4.
[0023]
Further, as shown in FIG. 2B, it is preferable that the protrusion 16 of the contact liquid is formed in the groove 15 with a width h of 0.1 to 1.0 mm. Since the stress that tends to separate the ceramic sheet 3 from the ceramic core material 2 is concentrated on the end face of the ceramic sheet 3, the adhesion liquid is protruded to the end face of the ceramic sheet 3 to improve the adhesion of the end face. This makes it possible to prevent the end face of the ceramic sheet 3 from peeling.
[0024]
In this case, the ceramic sheet 3 is formed on a cylindrical or cylindrical ceramic core material 2 having an outer diameter of 2.5 to 15 mm.
[0025]
The above-described effects are effective when the ceramic sheet 3 has a large slope of the SS (stress-elongation) curve, that is, when the ceramic sheet 3 that is not easily deformed by stress is used. In this case, the ceramic sheet 3 having a thickness of about 0.3 mm is processed into a dumbbell shape having a width of the evaluation portion of 13 mm and a length of 30 mm, and the SS curve up to breakage at room temperature (20 ° C. ± 1 ° C.). When measured, a material that is hardly deformed by a stress whose inclination is about 1 to 8 N / cm is used. The slope of the SS curve is a value obtained by dividing the tensile stress at break by the elongation at break.
[0026]
Further, when the ceramic sheet 3 as described above is used as the ceramic sheet 3, the heating resistor 4 is disconnected or the ceramic sheet 3 expands due to the stress at the time of handling the ceramic sheet 3, and the resistance value of the heating resistor 4 is increased. Prevents variation.
[0027]
Next, in the case where the slope of the SS curve in the tensile test of the ceramic sheet 3 is as large as 1 to 8 N / cm, the width w of the groove 15 and the angle d between both side surfaces of the groove 15 and the like are defined to make close contact. However, even when the width w and the angle d are not specified, the adhesion of the end face of the ceramic sheet 3 can be improved. That is, when the slope of the SS curve is less than 1 N / cm, that is, since the soft ceramic sheet 3 is easily deformed by the external stress, the inner peripheral surface of the ceramic sheet 3 wound around the ceramic core material 2 has a ceramic core material. 2 and the outer peripheral surface of the ceramic sheet 3 can be adhered in a stretched state due to its elasticity, and the stress for peeling off the end face of the ceramic sheet 3 is reduced, so that poor adhesion hardly occurs. is there.
[0028]
Note that the slope of the SS curve is a value obtained by dividing the tensile stress at break by the elongation at break. More preferably, it is preferably set to 0.6 N / cm or less.
[0029]
In this case, it is preferable that the electrode pads 8 formed on the surface of the ceramic sheet 3 extend together. For this purpose, a binder that easily deforms at room temperature with a glass transition point of −20 ° C. or less may be used. Accordingly, even if the electrode pad 8 before firing is deformed, the ceramic sheet 3 can be brought into close contact with the periphery of the ceramic core material 2 without cracking.
[0030]
Since it is not necessary to control the resistance value of the electrode pad 8 unlike the heating resistor 4, priority should be given to preventing disconnection due to the occurrence of cracks as described above.
[0031]
As the binder having a low glass transition point used for the electrode pad 8 as described above, for example, when an acrylic binder is used, 2-ethylhexyl acrylate, butyl acrylate, ethyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl A binder having an arbitrary glass transition point can be produced by changing the ratio of ethacrylate, isobutyl methacrylate, or the like, respectively, to perform polymerization. It is preferable to use an acrylic binder.
[0032]
Incidentally, the glass transition point of each monopolymer is generally about 2-ethylhexyl acrylate (-75 ° C), butyl acrylate (-56 ° C), ethyl acrylate (-27 ° C), butyl methacrylate (20 ° C), and isobutyl methacrylate (48 ° C). ), Ethyl methacrylate (42 ° C.), and methyl methacrylate (103 ° C.). By variously selecting these composition ratios, binders having various glass transition points can be produced.
[0033]
Further, the molecular weight of the binder can be adjusted by adjusting the temperature and time of the polymerization.
[0034]
When a binder having a high glass transition point such as polyvinyl butyral or ethyl cellulose is used, a large amount of a plasticizer, such as DBP or DOP, is added as a solvent to adjust the viscosity of the paste. The pad 8 can be easily deformed.
[0035]
As a test method for determining the durability of the ceramic heater 1, as shown in FIG. 3, a ceramic body other than the electrode pads 8 of the ceramic heater 1 is immersed in an electrolyte solution 12, and an electrode 14 formed in the electrolyte solution 12 is formed. A voltage of 100 to 3500 V is applied between the electrode pads 8 of the ceramic heater 1 to evaluate the electrical insulation. There is an Electrical Appliance and Material Control Law for electric appliances of 30 V or more, and there is a regulation on withstand voltage, but there is no regulation on a heater to which a voltage of less than 30 V is applied.
[0036]
In the above-described ceramic heater 1, good durability can be obtained by securely adhering to the ceramic core material 2 so that the electrical insulation between the electrode pad 8 and the electrode in the electrolyte solution becomes 1000 V or more in the electrolyte solution. The ceramic heater 1 can be used.
[0037]
It is very useful to adopt the above-described test method as a method for evaluating the adhesion reliability between the ceramic core material 2 of the ceramic heater 1 and the ceramic sheet 3. If a solvent having a small surface tension, such as alcohol, is added in order to further improve the permeability to the adhesive interface, the reliability can be further improved. This test method can be applied to a plate-type laminated ceramic heater without being limited to a cylindrical type or a cylindrical type.
[0038]
Although various types of electrolyte solutions can be used to determine the durability, it is preferable to use a solution using a salt of a strong acid and a strong base such as sodium chloride, potassium chloride, and calcium chloride. There is no problem with the concentration as long as electricity can flow, but from the viewpoint of ease of use, it is preferably about 0.5 to 10%. It is more preferable to add a small amount of a highly permeable solvent dispersed in water, such as alcohol, because the solution can penetrate even small defects.
[0039]
In the above-described test method, the ceramic heater 1 of the present invention has an withstand voltage between the electrode 14 formed in the electrolyte solution and the electrode pad 8 of the ceramic heater 1 of 1000 V or more, preferably 1500 V, ideally. Is preferably 2000 V or more. If there is no adhesion of the ceramic sheet 3, the withstand voltage becomes less than 1000 V, and the resistance value increases by 10% or more from the initial value in about 1000 hours in a durability test under accelerated conditions in which the temperature of the highest heat generating portion becomes 1100 ° C. Undesirably, wire breakage occurs.
[0040]
Further, details of the ceramic heater 1 of the present invention will be described.
[0041]
A plating layer is formed on the electrode pad 8 of the ceramic heater 1 of the present invention after firing. This plating layer improves the flow of the brazing material when brazing the lead member 7 to the surface of the electrode pad 8 and increases the brazing strength. Usually, a plating layer having a thickness of 1 to 5 μm is formed. As a material of the plating layer, Ni, Cr, or a composite material containing these as a main component can be used.
[0042]
Au, Cu, Au-Cu, Au-Ni, Ag, Ag-Cu-based brazing material is used as the brazing material layer for fixing the lead portion 7. Preferably, when the Au content is 25 to 95% by weight as the Au-Cu brazing and the Au content is 50 to 95% by weight as the Au-Ni brazing, the brazing temperature can be set to about 1000 ° C. This is because the residual stress after the attachment can be reduced. In addition, when used in an atmosphere with high humidity, it is preferable to use an Au-based or Cu-based brazing material because migration is suppressed.
[0043]
It is preferable to form a plating layer on the surface of the brazing material layer in order to protect the brazing material layer from corrosion.
[0044]
If the distance between the position of the through hole formed in the electrode pad 8 and the end of the brazing material layer is at least 0.2 mm or more, good brazing strength can be maintained. Thereby, it is possible to prevent a problem that the brazing material layer formed on the surface of the plating layer is significantly shrunk when solidified and the electrode pad 8 is peeled off.
[0045]
Next, as the material of the lead member 7, it is preferable to use a Ni-based or Fe-Ni-based alloy having good heat resistance. This is because the temperature of the lead member 7 may increase during use and deteriorate due to heat transfer from the heating resistor 4.
[0046]
In particular, when Ni or an Fe—Ni alloy is used as the material of the lead member 7, it is preferable that the average crystal grain size be 400 μm or less. If the average particle diameter exceeds 400 μm, the lead member 7 near the brazing portion is fatigued due to vibration and thermal cycles during use, and cracks are generated, which is not preferable. With respect to other materials, for example, if the particle size of the lead member 7 is larger than the thickness of the lead member 7, it is not preferable because stress concentrates on the grain boundary near the boundary between the brazing material layer and the lead member 7 and cracks occur.
[0047]
In the heat treatment at the time of brazing, it is necessary to perform the heat treatment at a temperature sufficiently higher than the melting point of the brazing material in order to reduce the variation between samples. Can be reduced to 400 μm or less by lowering the temperature at the time of brazing as much as possible to shorten the processing time.
[0048]
Further, in the ceramic heater 1 in which the heating resistor 4 mainly composed of a high melting point metal such as W, Mo, and Re is embedded in the ceramic body, the width of the pattern defect of the heating resistor 4 is 以下 or less of the pattern width. It is preferable that If the width of the defect exceeds パターン of the pattern width, local heat is generated in this portion, the resistance value of the heating resistor 4 increases, and the durability deteriorates.
[0049]
The cause of such a defect is that when the heating resistor 4 is formed by printing, the pattern is chipped due to dust adhering to the printing plate making, or foreign matter is mixed and burned out during firing. Seem. There is a process of handling the raw ceramic green sheet 3 in the printing and adhesion process, but in addition to improving the cleanliness of this process, in the event of a defect, the maintenance of an inspection process to remove defects larger than the above dimensions is important.
[0050]
The material of the ceramic body 6 is Al ₂ O ₃ 88-95% by weight, SiO ₂ 2-7% by weight, CaO 0.5-3% by weight, MgO 0.5-3% by weight, ZrO ₂ It is preferred to use from 1 to 3% by weight of alumina. Al ₂ O ₃ If the content is less than this, the glassiness increases, and the migration during energization increases, which is not preferable. Conversely, Al ₂ O ₃ If the content is increased beyond this range, the amount of glass diffused into the metal layer of the built-in heating resistor 4 decreases, and the durability of the ceramic heater 1 deteriorates, which is not preferable. Here, although an example of alumina was shown as ceramics, what was shown in the present invention is not limited to alumina ceramics, but silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, silicon carbide ceramics, and the like, This phenomenon is applicable not only to ceramic heaters but also to anything that performs Au-based brazing.
[0051]
The dimensions of the ceramic heater 1 can be, for example, about 2 to 20 mm in outer diameter and about 40 to 200 mm in length. The ceramic heater 1 for heating the air-fuel ratio sensor of an automobile preferably has an outer diameter of 2 to 4 mm and a length of 40 to 65 mm.
[0052]
Furthermore, for automotive applications, it is preferable that the heating length of the heating resistor 4 be 3 to 15 mm. When the heat generation length is shorter than 3 mm, the temperature rise during energization can be accelerated, but the durability of the ceramic heater 1 is reduced. On the other hand, if the heating length is longer than 15 mm, the heating rate becomes slow, and if the heating rate is increased, the power consumption of the ceramic heater 1 increases. Here, the heating length is a part of the reciprocating pattern of the heating resistor 4 shown in FIG. The length of heat generation is selected depending on the intended use.
[0053]
【Example】
Example 1
Al ₂ O ₃ With SiO as the main component ₂ , CaO, MgO, ZrO ₂ Was prepared so as to be within 10% by weight in total, and a heating resistor 4 made of W-Re and an electrode lead portion 5 made of W were printed on the surface. Further, an electrode pad 8 was printed on the back surface. The heating resistor 4 was manufactured so as to have a pattern of four reciprocations with a heating length of 5 mm.
[0054]
Then, a through hole was formed at the end of the electrode lead portion 5 made of W, and a paste was injected into the through hole to establish conduction between the electrode pad 8 and the electrode lead portion 5. The position of the through hole was formed so as to be inside the brazed portion when brazing was performed. Then, after forming a coat layer composed of substantially the same components as the ceramic sheet 3 on the surface of the heating resistor and drying it sufficiently, an adhesion liquid in which ceramics having substantially the same composition as the ceramic sheet 3 is dispersed is applied. Then, the ceramic sheet 3 prepared as described above (inclination of 5 N / cm when the SS curve is measured at room temperature (20 ° C. ± 1 ° C.)) is closely adhered to the periphery of the ceramic core material 2 and fired at 1500 to 1600 ° C. Thereby, the ceramic heater 1 was obtained.
[0055]
At this time, the width w of the groove 15 formed in the ceramic heater 1 is 0.1 mm or less, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, and the ceramic sheet 3 The angle d formed by the end face of the groove 15 was changed to 30 °, 40 °, 40-60 °, and 100 ° by cutting the end face obliquely, and the influence on the adhesion was evaluated by the withstand voltage characteristics. Each condition and 1,000 samples were prepared, and the withstand voltage was evaluated after firing, and the number of samples that caused dielectric breakdown was confirmed. Note that the width w of the groove 15 means the width w of both end surfaces of the ceramic sheet 3 as shown in FIG. Using a 1% solution of sodium chloride as an electrolyte solution, it was confirmed that a voltage of 1000 V was applied for 10 seconds between an electrode provided in the solution and the ceramic heater to prevent dielectric breakdown.
[0056]
Further, for the sample in which the dielectric breakdown occurred, the circumferential cross section of the embedded portion of the heating resistor 4 as shown in FIG. 2 was observed, and the state of adhesion between the ceramic sheet 3 and the ceramic core material 2 was examined with a 40 × binocular microscope. .
[0057]
The results are shown in Table 1.
[0058]
[Table 1]

[0059]
As can be seen from Table 1, the width w of the groove 15 formed at both ends of the ceramic sheet 3 of the ceramic heater 1 was set to 0.1 mm or less. In No. 1, insulation failure occurred in four out of 1,000 pieces. In addition, the width w was set to 0.2 mm, and the angle d between both side surfaces of the groove 15 was set to 30 °. No. 2, the width w was 0.5 mm and the angle d was 30 °. No. 7 had three defects out of 1,000 each. On the other hand, the width w of the groove 15 was 0.2 mm or more and the angle d was 40 ° or more. Nos. 3 to 11 exhibited good insulation resistance without any insulation failure.
[0060]
When the end face of the ceramic sheet 3 that is circumferentially adhered to the periphery of the ceramic core member 2 comes into contact with the ceramic sheet 3 when it comes into contact, the ceramic sheet 3 may be sagged and poor adhesion may occur. It has been found that it is preferable to form a gap of about 0.2 mm as the width w of the groove 15 in order to improve the withstand voltage of the ceramic heater 1. Further, by processing the end face of the ceramic sheet 2 to increase the angle d between both end faces of the groove 15 formed on the close contact surface of the ceramic sheet 3 to 40 ° or more, the end face of the ceramic sheet 3 can be formed. The peeling stress was reduced, and the withstand voltage of the ceramic heater 1 was improved.
[0061]
Although the number of occurrences of defects is not so large, even this number of occurrences is a problem for automobile parts. It has been found that the durability and reliability of the ceramic heater 1 can be improved by the above improvement.
[0062]
Although not shown in the table, a ceramic sheet 3 having an S-S curve inclination of 10 N / cm was used, the angle d between both end faces of the groove 15 was 40 °, and the groove width w was 1.0 mm. When an experiment similar to the above was performed on the ceramic heater 1 manufactured as described above, 18 out of 100 defects occurred. However, even if the ceramic heater 1 having an SS curve having a slope of 0.5 N / cm and having the same angle d between both end faces of the groove portion 15 and the same groove width w is produced, no failure occurs. Was. This indicates that the adhesion changes depending on the slope of the SS curve regardless of the shape of the groove.
[0063]
Example 2
Here, the relationship between the angle d formed by the end face of the groove 15 formed in the ceramic sheet 3 in the ceramic heater 3 and the adhesiveness was investigated. The end face of the ceramic sheet 3 is processed obliquely to form an angle, and the angle d formed by the end face of the groove 15 when the ceramic sheet 3 is closely attached to the periphery of the ceramic core material 2 is set to 40 to 60 °, and the application of the adhesion liquid is performed. By adjusting the amount, the protrusion h of the contact liquid from the contact surface was adjusted. As for the close contact, after the ceramic sheet 3 is once brought into close contact with the surface of the ceramic core material 2, the ceramic body 6 with the ceramic sheet 3 closely attached is mounted between the rolls for rotating three rolls in the same direction. It was brought into close contact by rotating. At this time, the radius of the roll to be suppressed from the top is reduced to about three times the outer diameter of the ceramic heater 1 and a more elastic material is used to evenly apply pressure to the ceramic sheet 3. The outer diameter of the ceramic core 2 was 4 mm, and the width w of the groove 15 was 1.0 mm.
[0064]
As an evaluation method, after firing, the withstand voltage was first checked in the same manner as in Example 1, then the ceramic heater 1 was cut into a ring shape, the groove 15 was observed, and the state of adhesion of the end of the ceramic sheet 3 was observed. Was checked for each of the 50 conditions.
[0065]
The results are shown in Table 2.
[0066]
[Table 2]

[0067]
As can be seen from Table 2, there is no no. In No. 1, there was no abnormality in the withstand voltage, but in some cases, small exfoliation was observed at the end of the contact surface between the ceramic core material 2 and the ceramic sheet in the groove 1. On the other hand, in the case of No. 3 in which the protrusion h was 0.1 to 0.3 mm. As for Nos. 2 to 4, there was no gap at the end of the contact surface, and it was confirmed that the adhesion was good. Conventionally, the protrusion amount has not been controlled, but it has been found that by controlling the protrusion amount, the durability and reliability of the ceramic heater 1 can be improved.
[0068]
Example 3
Here, the relationship between the withstand voltage characteristics and the durability of the ceramic heater 1 was investigated. A heating resistor 4 and an electrode lead portion 5, a through hole, and an electrode pad 8 are formed on the ceramic sheet 2 in the same manner as in the first embodiment, and the angle d formed by the groove 15 is adjusted so as to be within 30 °. The ceramic body 6 adhered to the periphery of the core material 2 was fired at 1600 ° C. to prepare 500 samples. First, the withstand voltage of this sample was checked at 1000 V for 10 seconds in the same manner as in Example 1. Then, the voltage at which the temperature of the highest heat generating portion of the ceramic heater 1 became 1100 ° C. was turned on and off to obtain a sample. After 5,000 cycles of a cycle test of energization for 2 minutes and forced cooling for 2 minutes, the withstand voltage of the ceramic heater 1 after the test exceeded 10% of the initial resistance was further measured. For the evaluation, the withstand voltage was evaluated at 500 V for 10 seconds, and if OK, the voltage was raised every 250 V and held for 10 seconds to confirm that the dielectric breakdown did not occur. With respect to the non-defective products after the durability test, the withstand voltage was evaluated for each ten lots.
[0069]
In addition, at the same time, No. Six samples were similarly evaluated for comparison.
[0070]
The results are shown in Table 3.
[0071]
[Table 3]

[0072]
As can be seen from Table 3, the initial samples were both OK in the withstand voltage test of 1000 V. However, after the above-described cycle test, there were three ceramic heaters 1 of the conventional specification used in the present embodiment in which the resistance value of the ceramic heater 1 was increased by 10% or more compared to the initial stage. When a withstand voltage test was performed on these samples while increasing the voltage from 500 V to 250 V everywhere, the samples having a resistance change of 10% and 13% in the cycle test were broken down at 1000 V and the resistance change was 18%. % Of the sample was broken down at 500V.
[0073]
On the other hand, in the case of No. 1 manufactured in Example 1, The initial withstand voltage of the ceramic heater 1 of the present invention shown in FIG. 6 was OK at 1000 V, and was OK up to 3000 V after the durability test.
[0074]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a ceramic heater in which a ceramic sheet having a heating resistor formed on one main surface is closely adhered around a ceramic core so that the heating resistor is on the inside, By forming a groove of 0.2 to 2.0 mm between both end portions and forming an angle between both side surfaces of the groove portion of 40 ° or more, the ceramic sheet when the ceramic sheet is brought into close contact with the ceramic core material is formed. The peeling of the sheet end surface and the bending of the ceramic sheet are prevented, and a ceramic heater having good durability can be obtained.
[0075]
Further, by applying a close contact liquid in which a ceramic powder is dispersed between the ceramic sheet and the ceramic core material and bringing the ceramic sheet into close contact, it is possible to further improve the adhesion.
[0076]
Further, since the adhesive liquid protrudes into the groove with a width of 0.1 to 1.0 mm, stress that tends to separate the ceramic sheet from the ceramic core material is concentrated on the end face of the ceramic sheet. By causing the contact liquid to protrude to the end face of the ceramic sheet 3, the adhesion force of the end face can be improved, and peeling of the end face of the ceramic sheet can be prevented.
[0077]
Further, the provision of chamfers at the corners of the groove also improves the adhesion.
[0078]
Furthermore, in a ceramic heater manufactured by closely attaching a ceramic sheet, as a method of determining the reliability of the adhesion, a heating resistor forming portion of the ceramic heater is immersed in an electrolyte solution, and an electrode formed in the electrolyte solution is formed. By applying a voltage of 100 to 3500 V between the electrode pads of the ceramic heater and testing the electrical insulation of the ceramic heater, it is possible to reliably identify adhesion failure by nondestructive appearance inspection.
[0079]
These improvements have made it possible to improve the electrical insulation of the ceramic heater and provide a ceramic heater with good durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of a ceramic heater according to the present invention, and FIG. 1B is an exploded perspective view thereof.
FIG. 2A is a sectional view of a ceramic heater according to the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a groove portion thereof.
FIG. 3 is a schematic view of a test apparatus for confirming electrical insulation according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic heater
2: Ceramic core material
3: Ceramic sheet
4: Heating resistor
5: Electrode extraction part
7: Lead member
8: Electrode pad
12: Electrolyte solution
13: Power supply
14: Electrode
15: Groove
16: Extrude
17: Chamfer
d: angle

Claims

In a ceramic heater, a ceramic sheet having a heating resistor formed on one main surface is circumferentially adhered to and baked integrally with a ceramic core material such that the heating resistor is on the inside. A ceramic heater, wherein a groove having a width of 0.2 to 2.0 mm is formed between both ends, and an angle formed between both side surfaces of the groove is 40 ° or more.

2. The ceramic heater according to claim 1, wherein an adhesion liquid in which a ceramic powder is dispersed is applied between the ceramic sheet and the ceramic core material so as to be adhered to each other.

The ceramic heater according to claim 2, wherein the contact liquid protrudes into the groove with a width of 0.1 to 1.0 mm.

2. The ceramic heater according to claim 1, wherein a chamfer is provided at a corner of the groove.

In a ceramic heater having a heating resistor and an electrode lead portion connected thereto connected to a ceramic body and having an electrode pad connected to the electrode lead portion on a surface of the ceramic body, a ceramic body other than the electrode pad is used. A ceramic heater, wherein a withstand voltage between an electrode formed in the electrolyte solution and an electrode pad of the ceramic heater when immersed in the electrolyte solution is 1000 V or more.

In a ceramic heater having a heating resistor and an electrode lead connected thereto connected to a ceramic body, and having an electrode pad connected to the electrode lead on the surface of the ceramic body, a ceramic other than the electrode pad of the ceramic heater is used. A test of a ceramic heater characterized in that a body is immersed in an electrolyte solution, and a voltage of 100 to 3500 V is applied between an electrode formed in the electrolyte solution and an electrode pad of the ceramic heater to confirm electrical insulation. Method.