JP2004319459A

JP2004319459A - セラミックヒータおよびそれを用いた酸素センサ用ヒータ

Info

Publication number: JP2004319459A
Application number: JP2004093889A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Nagaseko; 竜一長迫; Satoshi Tanaka; 智田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】従来のセラミックヒータは、発熱抵抗体の線幅が全体均一に形成されているため、急速昇温性の観点でみると問題があった。
【解決手段】前記セラミックシートに形成した発熱抵抗体をパターンの長さ方向に３等分し、その中央部の線幅の平均をＰｓとし、その外側の線幅の平均Ｐｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏであること，さらには，本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体形成部の最高温度部が酸素センサの内壁に接触もしくは０．５ｍｍ以内に近接するように設置することで，耐久性が良好でかつ昇温性能の良好な酸素センサを提供できる。
【選択図】図３

Description

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。

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。

例えば、通常の円柱状のセラミックヒータを製造する場合は、図１、２に示すようにセラミック芯材２とセラミックシート３を用意し、セラミックシート３の一方の主面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属を含有するペーストを印刷して発熱抵抗体４と電極引ｋ出部５を形成した後、前記主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を得ることができる。

また、図１に示すようにセラミックシート３上には、発熱抵抗体４に直接電極引き出し部５が接続され、該電極引出部５の末端にスルーホール６が形成され裏面の電極パッド７と該電極引出部５がスルーホール６で接続されている。スルーホール６には、必要に応じて導体ペーストが注入される。

なお、図２に示すように、セラミックシート３に形成する発熱抵抗体４は、蛇行状のパターンとし、その後端部には電極引出部５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１０〜３０μｍ程度としていた。また、セラミックシート３の裏側には電極パッド７を形成し、電極引き出し部５と電極パッド７間はスルーホール６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７にリード線８をロウ付けしたり圧接したりして接合し、このリード線８から通電するようになっている。

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１も用いられており，この構造は、高融点金属線等からなる発熱抵抗体４を窒化珪素質セラミック中に埋設し、これに接続した電極引き出し部５の末端を表面に露出させて電極パッド７とし、銀等のロウ材によってこの電極パッド７にリード線８を接合したものである。

図７に示すように、従来のセラミックヒータ１は内蔵された発熱抵抗体４の線幅pが均一に形成されていた。

これらのセラミックヒータ１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。

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１４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１で酸素センサ１４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１が求められている。ところが、セラミックヒータ１の発熱量を大きくして昇温時間を短くすると、特にエンジンが冷えている冷始動時には、電圧印加後の時間が長くなるため温度のオーバーシフトが発生し、酸素センサ１４の電極を傷めたり、セラミックヒータ１の耐久性が低下したり、また、電極パッド７の温度が上昇して断線したりするような問題が発生した。

このような課題に対応するために、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックシート３上に、電極取出部５と一体に発熱抵抗体４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、前記発熱抵抗体４と直列に発熱抵抗体４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１が提案されている（特許文献１参照）。

また，このような酸素センサをセラミックヒータ１で加熱する際に、これまではセラミックヒータ１の中央部４ａに設置し、酸素センサ１４を周方向に均一に加熱するようにしていた。しかしながら、エンジン冷始動時の酸素センサ１４の早期作動を目指すためには、周方向全体を均一に加熱する必要はなく、酸素センサ１４の一部を加熱すれば十分に作動することが示されている（特許文献２参照）。

また、セラミックヒータ１を急速昇温させると、最高温度部にクラックが発生することが示されており、急速昇温時の熱衝撃を緩和しセラミックヒータ１の表面へのクラックの発生を防止するために、発熱抵抗体４の外側の線幅を中央部４ａより狭くして発熱部の周方向の温度分布を小さくすることが提案されている（特許文献３参照）。
特開平８−２７３８１３号公報特開２０００−１９３６３３号公報特開２００１−１５２５２号公報

ところが、特許文献２に示されているセラミックヒータ１は、発熱抵抗体４の線幅Ｐが全体均一に形成されているため、急速昇温性の観点でみると、問題があった。

一方，特許文献３では，セラミック体表面にクラックが発生することを防止することはできるものの、発熱抵抗体４の外側４ｂの線幅ｐを細くするためセラミックヒータ１の耐久性に問題があった。

本発明のセラミックヒータは、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、前記主面を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に形成した発熱抵抗体をパターンの長さ方向に３等分し、該発熱抵抗体の中央部の線幅の平均をＰｓ、両端部の線幅の平均をＰｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏ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に形成した発熱抵抗体の中央部の線幅をＰ１とし、外側に向かって順に線幅をＰ２、・・・、Ｐｎとしたときに、Ｐ１≦Ｐ２≦・・・≦Ｐｎであり、且つＰ１＜Ｐｎ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、前記発熱抵抗体の線幅Ｐ１がＰｎに対して５０〜９５％であることを特徴とする。

さらに、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体形成部の最高温度部が酸素センサの内壁に接触もしくは０．５ｍｍ以内に近接するように設置したことを特徴とする。

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、前記主面を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に形成した発熱抵抗体を３分割し、該発熱抵抗体の中央部の線幅の平均をＰｓ、両端部の線幅の平均をＰｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏとすることにより、耐久性が良好でかつ昇温特性良好な酸素センサを提供できる。

また、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、前記主面を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中央部の前記発熱抵抗体の線幅をＰ１とし、外側に向かって順にＰ２、・・・、Ｐｎとしたときに、Ｐ１≦Ｐ２≦・・・≦Ｐｎであり、且つＰ１＜Ｐｎであること，および前記発熱抵抗体の線幅Ｐ１がＰｎに対して５０〜９５％であること，さらには，本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体形成部の最高温度部が酸素センサの内壁に接触もしくは０．５ｍｍ以内に近接するように設置することで，耐久性が良好でかつ昇温性能の良好な酸素センサを提供できる。

以下本発明のセラミックヒータの実施の形態を、図を用いて説明する。

図１は、通常のセラミックヒータ１の斜視図であり、図２はその展開図を示した図である。

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７との間をスルーホール６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周回密着焼成することによりセラミックヒータ１とする。

このときに図３の断面図に示すようにセラミックシート３が芯材２を覆っていない隙間の部分を溝部９と呼ぶ。

本発明のセラミックヒータ１は、発熱抵抗体４を一方の主面に形成してなるセラミックシート３を、前記主面をセラミック芯材２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１において、例えば図４に示した発熱抵抗体４の展開図において、該発熱抵抗体４の中央部４ａの線幅の平均をＰｓ、両端部４ｂの線幅の平均をＰｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏであることを特徴とする。

例えば、この線幅の平均Ｐｏ、Ｐｎは、例えば図４に示すように発熱抵抗体４の往復する直線部分の数が６本の場合、中央部の２本とその両側の４本に分けることができ、均等に分割してそれぞれの平均を求めれば良い。

発熱抵抗体４の中央部４ａの線幅の平均Ｐｓをその外側４ｂの線幅の平均Ｐｏとすることにより、中央部４ａの線の抵抗値が外側線の抵抗値より高くなるので、中央部４ａの温度が外側より高くすることが可能となる。

これにより、セラミックヒータ１を早く昇温させることが可能となる。

特に、最外周のパターンの線幅を広くすると、周方向の発熱部が狭くなるので、セラミックヒータ１を局部的に加熱することが可能となり、この局部的な加熱部分を酸素センサの内壁に近接させることにより、酸素センサの昇温性能を向上させることが可能となる。

一般的に広く使用されている理論空燃比を検知するための酸素センサは、酸素センサの検知部の一部を作動温度以上に加熱すれば酸素濃度を検知するようになるので、本発明により酸素センサの作動性能を向上させることが可能となる。

最近の酸素センサは、低温作動性が良好で、３００℃以上に加熱すれば、酸素センサが作動し始めるとされている。

また、本発明のセラミックヒータ１の発熱抵抗体４の中央部４ａにあるパターンの線幅をＰ１として順に外側４ｂの溝部９に向かってＰ２、Ｐ３，・・・，Ｐｎと位置づけた時にＰ１≦Ｐ２≦・・・≦Ｐｎ且つＰ１＜Ｐｎの関係になるように線幅Ｐを調整する。このとき、線幅Ｐ１を線幅Ｐｎの５０％〜９５％にすることが好ましい。さらに好ましくは、５０％〜８０％とすることが好ましい。

線幅Ｐの比を上記範囲としたのは、発熱抵抗体４の中央部４ａの線幅Ｐ１が外側４ｂの線幅Ｐｎの９５％を越えると、セラミックヒータ１の表面の温度分布が小さくなるので、温度上昇に時間がかかり、被加熱対象物である酸素センサ１４を作動温度まで上昇させるのが遅くなってしまう。

また逆に、前記線幅Ｐ１が線幅Ｐｎの５０％未満になると、発熱抵抗体４の中央部４ａに発熱が集中するので、該中央部４ａにクラックが発生しやすくなる。これに対し、前記線幅Ｐ１が線幅Ｐｎの５０〜９５％になるようにすると、被加熱体である酸素センサ１４を早く作動温度まで加熱できると共に、セラミックヒータ１の表面に発生するクラックを防止することができる。

また、図３に示すように、発熱抵抗体４のパターンを形成しない角度Ｃを大きくして、発熱部を局部加熱する方法もある。その場合、角度Ｃを６０°以上にするか、もしくは発熱抵抗体４の両端の線幅Ｐｎを中央部の線幅の平均Ｐｏに対し、１０％以上広くして両端部の発熱を抑制することにより、その内側の発熱を促進して局部加熱しやすくすることも可能である。

またさらに、発熱抵抗体４の両端の線幅Ｐｎを中央部４ａの平均的な線幅Ｐｏより広くして両端の発熱を抑制すれば、見掛けの角度Ｃよりも発熱面積を小さくして、局部加熱を促進することが可能となる。

図５に示すように、発熱抵抗体４のパターン断面に対し溝部９を基準とし、例えば９０°から２７０°の範囲に限定してパターンを配置させる事も可能である。溝部９を基準とし温度分布を設ける設計とするのは、セラミックヒータ１を酸素センサ１４にセットする際にセラミックヒータ１の最高温度部ｍを酸素センサ１４に接触させて熱効率を高めるためである。最高温度部ｍを外観から判断するために溝部９を基準とし１８０°の位置に最高温度部ｍが存在するように設計することも可能である。

また、図６に示すように、本発明のセラミックヒータ１の最高温度部ｍを酸素センサ１４の内周面の一部に接触もしくは近接させることにより、効率的に酸素センサ１４を作動させることが可能となる。この時、発熱抵抗体４の最高温度部ｍを酸素センサ１４の内周面側に近づけるように設置する。この時、セラミックヒータ１と酸素センサ１４の内壁１４ａの間隔ｇは、０．５ｍｍ以下、さらに好ましくは、２００μｍ以下とすることが好ましい。

酸素センサ１４は、３５０〜４００℃で作動する。また、酸素センサ１４全体を加熱する必要はなく、酸素センサ１４の一部分をこの温度域に加熱できれば作動するようになる。そこで、図６に示すように、酸素センサ１４の内壁１４ａにセラミックヒータ１の発熱形成部１２側を近づけて加熱することにより、セラミックヒータ１により生成した熱を効率的に酸素センサ１４に伝達することが可能となる。同じ消費電力で、加熱時間を１０〜２０％短縮することが可能となる。

このように、発熱抵抗体４の線幅Ｐを調整することにより、セラミックヒータ１の周方向の一部を局部的に発熱させ、酸素センサ１４の加熱時間を短縮することができるようになる。

上記セラミックヒータ１の基材としては、アルミナ質セラミックス、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等の各種セラミックスからなり、特に、アルミナセラミックスからなることが好ましく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を８８〜９５重量％、ＳｉＯ_２を２〜７重量％、ＣａＯを０．５〜３重量％、ＭｇＯを０．５〜３重量％、ＺｒＯ_２を１〜３重量％からなるアルミナセラミックスを用いることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３含有量は８８重量％未満となると、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恐れがある。一方、Ａｌ_２Ｏ_３含有量を９５重量％を超えると、セラミック体１中に埋設された発熱抵抗体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恐れがある。

また、上記セラミックヒータ１は、例えば外径が２〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度の円柱状で、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。

また、自動車用のセラミックヒータ１として用いる場合には、上記発熱抵抗体４の発熱長さｆが３〜１５ｍｍとなるようにすることが好ましい。この発熱長さｆ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。一方、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。

なお、上記発熱長さｆとは、発熱抵抗体４における電極引き出し部５を除いた往復パターンの部分の長さを示すものである。

前記セラミックシート３に形成した発熱抵抗体４のパターンの長さ方向に３等分し、発熱抵抗体４の中央部４ａの線幅の平均をＰｓとし、その外側４ｂの線幅の平均をＰｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏであることを特徴とするものである。

また、この発熱長さｆは、用途により種々選択されるものである。

また、上記スルーホール６には、その内周面に平均厚み２０μｍ以上の高融点金属からなるメッキ層を形成し、銅ロウ、銀ロウ、金銅ロウ等のロウ材や、タングステン、モリブデン、レニウム等の高融点金属からなるスルーホール導体が充填され、発熱抵抗体４の電極引き出し部５と電気的に接続するように電極パッド７が取着される。

また、上記スルーホール６に取着される電極パッド７は、その厚みが１０〜５０μｍとすることが好ましく、長期間の使用においても電極パッド７に取着するリード線８の接合強度を高いものとできる。

さらに、上記電極パッド７には、にＮｉ、Ｃｒ、もしくはこれらを主成分とする複合材料からなるメッキ層が厚み１〜５μｍ程度に形成されるとともに、該メッキ層にＡｕ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ系等のロウ材を介してリード線８が接合される。

上記ロウ材は、Ａｕ−Ｃｕロウとして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％含有してなるロウ材を用いることが好ましく、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。また、湿度が高い雰囲気中で使用する場合には、Ａｕ系、Ｃｕ系のロウ材１１を用いた方がマイグレーションが発生しにくくなる。また、使用雰囲気中の湿度を調整し、ロウ材１１表面に水が生成することを防止してマイグレーションを抑制すれば、ロウ材１１としてＡｇ−Ｃｕロウを使用することも可能である。

上記ロウ材１１によって接合されるリード線８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く、発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード線８の温度が上昇し、劣化する可能性があるからである。

特に、リード線８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。上記平均粒径が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線８が疲労し、クラックが発生するので好ましくない。

なお、上記リード線８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。

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シート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅ等からなる発熱抵抗体４とＷ等からなる電極引き出し部５をプリントした。また、裏面には電極パッド７をプリントした。

発熱抵抗体４は、発熱長さｆ５ｍｍで４往復のパターンとし、中央部４ａのパターン幅ｐを細くし外側４ｂに向かうにつれ、パターン幅ｐが太くなるように作製した。そして、外側４ｂのパターン幅ｐに対する中央部４ａのパターン幅ｐ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。

そして、Ｗ等からなる電極引き出し部５の末端には、スルーホール６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７と電極引き出し部５間の導通をとった。こうして準備したセラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着し、１５００〜１６００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１とした。

パターン幅ｐの設計仕様の異なる各々１０本のサンプルを作製し、これらサンプルを酸素センサ１４の表面にセットし、図６に示すようにその表面に熱電対２１をセットし、その点の温度が３００℃に到達するまでの時間を評価した。

またこれらサンプルに１分間で１１００℃に到達する初期電力を与え室温とのＯＮ，ＯＦＦサイクルを実施した。抵抗変化率が初期の抵抗値の１１０％以上となるサイクル数を表１に記した。

表１に示すように、発熱抵抗体４の中央部４ａの線幅Ｐ１、Ｐ２の平均Ｐｓと、両端部Ｐ３〜Ｐ６の線幅の平均Ｐｏの関係が、Ｐｓ＞ＰｏとなるＮｏ．２〜１１は、全て良好な昇温特性を示した。

また、パターン幅ｐの差が外側４ｂに向かって大きくなる程、被加熱体の表面温度の到達時間が短くなることを確認できた。またセラミックヒータ１の耐久性能と言った観点からはサンプル１〜６及びサンプル８，９において効果があることが確認できた。

これら結果よりサンプル２〜６及びサンプル８，９の範囲でのパターン調整がセラミックヒータ１への熱衝撃性、及び被加熱体への熱効率が効果的であることを確認できた。

また表２に示すように酸素センサ１４に効率良く熱を伝えるためには,セラミックヒータ１と酸素センサ１４の内壁１４ａの間隔ｇは、０．５ｍｍ以下、さらに好ましくは、２００μｍ以下とすることが好ましいことが確認できた。

また、実施例１と同様にして、溝部９を基準として周方向の発熱抵抗体４の占める長さｆについて確認するために１５°〜３４５°、４５°〜３１５°、９０°〜２７０°、１３５°〜２２５°、１５０°〜２１０°の範囲に発熱抵抗体４が配置されるようにサンプルを作製した。上記と同様に酸素センサ１４の表面に熱電対２１をセットし３００℃までの到達温度を評価した。

結果から分かるように、発熱パターンを局部的に配置させる事で被加熱体表面の目的温度への到達時間は短く出来ることが確認出来た。

通常のセラミックヒータの斜視図である。通常のセラミックヒータの展開図である。本発明のセラミックヒータ図１のＸ−Ｘに相当する断面図である。本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体のパターンを示す概念図である。本発明のセラミックヒータの別の実施形態を示す断面図である。本発明の酸素センサの一実施形態を示す断面図である。従来のセラミックヒータの断面図である。

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
４ａ：中央部
４ｂ：外側
５：電極引き出し部
６：スルーホール
７：電極パッド
８：リード線
９：溝部
１０：セラミックシート
１１：ロウ材
１２：発熱抵抗体形成部
１４：酸素センサ
１４ａ：内壁
２１：熱電対
Ｐ：パターン幅
ｆ：発熱長さ
ｇ：隙間
ｍ：最高温度部

Claims

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、前記主面を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に形成した発熱抵抗体をパターンの長さ方向に３等分し、該発熱抵抗体の中央部の線幅の平均をＰｓ、両端部の線幅の平均をＰｏとしたときに、Ｐｓ＜Ｐｏであることを特徴とするセラミックヒータ。
前記セラミックシートに形成した発熱抵抗体の中央部の線幅をＰ１とし、外側に向かって順に線幅をＰ２、・・・、Ｐｎとしたときに、Ｐ１≦Ｐ２≦・・・≦Ｐｎであり、且つＰ１＜Ｐｎ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。
前記発熱抵抗体の線幅Ｐ１がＰｎに対して５０〜９５％であることを特徴とする請求項２記載のセラミックヒータ。
請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータを、発熱抵抗体形成部の最高温度部が酸素センサの内壁に接触もしくは０．５ｍｍ以内に近接するように設置したことを特徴とする酸素センサ用ヒータ。