JP2541950Y2 - Ceramic heater - Google Patents
Ceramic heaterInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本考案は、特に耐久性にすぐれた
セラミックヒータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention particularly relates to a ceramic heater having excellent durability.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般にセラミックヒータは、プレス成
形、シート成形等により成形され得る平板状のセラミッ
クス成形体に、白金、白金−ロジウム、モリブデン、タ
ングステン等の高融点金属を含有するペーストを用いて
発熱抵抗体パターンを厚膜印刷し、これを同時焼成して
製造される。2. Description of the Related Art Generally, a ceramic heater generates heat by using a paste containing a high melting point metal such as platinum, platinum-rhodium, molybdenum, and tungsten on a flat ceramic molded body which can be formed by press molding, sheet molding or the like. It is manufactured by printing a resistor pattern in a thick film and firing it simultaneously.
【０００３】[0003]
【考案が解決しようとする問題点】従来のセラミックヒ
ータは、図２に示したように、加熱領域全体に亘って一
様に発熱抵抗体パターンが形成されており、発熱抵抗体
に通電して発熱させると、加熱領域内の中央部と周辺部
との間に大きな温度差が生じ、加熱・冷却の繰返しによ
り、周辺部から中央部に向かってクラックが発生し、そ
の結果、発熱抵抗体パターンの断線を引き起こして使用
不能になるという問題がある。また、中央部にキャビテ
ィーを有する構造の酸素センサ等に、この従来のセラミ
ックヒータを組み込んだものもあるが、この場合も、加
熱・冷却の繰返しによりキャビティー下部のところでク
ラックが発生し、同様に発熱抵抗体パターンの断線を引
き起こして使用不能になるという問題がある。特に、酸
素センサにおいては、チタニア等の感ガス層の剥離防止
を目的として、感ガス層形成部の表面に凹凸部を設ける
ことが行なわれるが、この凹凸部が熱応力によるクラッ
ク発生の起点となり易く、発熱抵抗体パターンの断線が
頻発するという問題がある。本考案の目的は、上記課題
を解決し、耐久性にすぐれたセラミックヒータを提供す
ることにある。In the conventional ceramic heater, as shown in FIG. 2, the heating resistor pattern is formed uniformly over the entire heating area. When heat is generated, a large temperature difference occurs between the central portion and the peripheral portion of the heating area, and cracks occur from the peripheral portion toward the central portion due to repeated heating and cooling, and as a result, the heating resistor pattern There is a problem that it becomes unusable due to disconnection. In addition, there is an oxygen sensor having a structure having a cavity in the center, which incorporates the conventional ceramic heater, but also in this case, cracks occur at the lower portion of the cavity due to repeated heating and cooling, and similarly, In addition, there is a problem that the heating resistor pattern is disconnected and cannot be used. Particularly, in the oxygen sensor, an uneven portion is provided on the surface of the gas-sensitive layer forming portion for the purpose of preventing peeling of the gas-sensitive layer such as titania, and the uneven portion becomes a starting point of crack generation due to thermal stress. There is a problem that the heat-generating resistor pattern is frequently broken. An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a ceramic heater having excellent durability.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、本考案は、 （イ）平板状のセラミックスよりなる基体に発熱抵抗体
を備えたセラミックヒータにおいて、該基体の先端加熱
領域から中央部加熱領域にかけて発熱抵抗体パターンの
形成されていない領域を有し、前記発熱抵抗体パターン
の形成されていない領域が、発熱抵抗体パターンが形成
されている面の全幅の３０％以上の幅を有することを特
徴とするセラミックヒータ、を要旨とする。さらに、特
に好ましい実施態様として、本考案は、 （ロ）センサの加熱用として用いることを特徴とする上
記セラミックヒータ、および、 （ハ）加熱領域の上にキャビティーを有する絶縁層を設
けたことを特徴とする上記セラミックヒータ、 （ニ）加熱領域の上に絶縁層を形成し、前記絶縁層の表
面に凹凸部を設けたことを特徴とする上記セラミックヒ
ータ、を各々要旨とする。ここで、基体の先端加熱領域
とは、該基体において電極端子リード部３のある側とは
反対側の加熱領域を指す。Means for Solving the Problems As means for achieving the above object, the present invention provides: (a) a ceramic heater having a flat plate-shaped ceramic base provided with a heating resistor; From the center heating region to the central heating region, where the heating resistor pattern is not formed, and the region where the heating resistor pattern is not formed is 30% or more of the entire width of the surface on which the heating resistor pattern is formed. A gist is a ceramic heater having a width. Further, as particularly preferred embodiments, the present invention provides: (b) the ceramic heater described above, which is used for heating a sensor; and (c) providing an insulating layer having a cavity on a heating area. (D) The ceramic heater, wherein an insulating layer is formed on a heating region and irregularities are provided on the surface of the insulating layer. Here, the front end heating region of the base refers to a heating region on the opposite side of the base from the side where the electrode terminal lead portion 3 is located.
【０００５】[0005]
【作用】上記のように構成されたセラミックヒータによ
り、発熱抵抗体パターンの断線発生を防止することがで
きる理由は次のとおりである。本考案のセラミックヒー
タでは、従来のセラミックヒータに比べ加熱領域内にお
ける温度分布が均一となり、熱応力によるひずみが低減
することによりクラックの発生が抑えられ、その結果、
発熱抵抗体パターンの断線を防ぐことができると考えら
れる。The reason why the ceramic heater configured as described above can prevent disconnection of the heating resistor pattern is as follows. In the ceramic heater of the present invention, the temperature distribution in the heating area becomes more uniform than the conventional ceramic heater, and the occurrence of cracks is suppressed by reducing the strain due to the thermal stress. As a result,
It is considered that disconnection of the heating resistor pattern can be prevented.
【０００６】本考案のセラミックヒータに用いられるセ
ラミックス支持体の成分は、特に限定されず、例えば、
アルミナ、ムライト、スピネル、コージェライト、フォ
ルステライト、ベリリア、窒化珪素等が用いられるが、
α−Ａｌ２Ｏ３を９０％以上含有するセラミックスはよ
り好ましい。[0006] The components of the ceramic support used in the ceramic heater of the present invention are not particularly limited.
Alumina, mullite, spinel, cordierite, forsterite, beryllia, silicon nitride, etc. are used,
Ceramics containing 90% or more of α-Al 2 O 3 are more preferable.
【０００７】発熱抵抗体は、白金、ロジウム、モリブデ
ン、タングステン、タンタル等の高融点金属を主成分と
し、抵抗値調整のために、またはセラミックス支持体と
の結合力向上のために上記セラミックス支持体と同質又
は異質のセラミックスから成る。本考案のセラミックヒ
ータは、直流電源または交流電源を用いることができ
る。また、本考案のセラミックヒータの耐久性をさらに
増加させるために、直流電源の正・負を定期的に交換す
ること及びそのような働きを持つ装置と組み合わせるこ
ともできる。以下、図１、図３に基づいて説明する。The heating resistor is mainly composed of a high melting point metal such as platinum, rhodium, molybdenum, tungsten, tantalum or the like. The ceramic support is used for adjusting the resistance value or for improving the bonding strength with the ceramic support. It is made of the same or different ceramics. The ceramic heater of the present invention can use a DC power supply or an AC power supply. Further, in order to further increase the durability of the ceramic heater of the present invention, it is possible to periodically exchange the positive and negative of the DC power supply and combine it with a device having such a function. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS.
【０００８】[0008]
【実施例】（１）α−Ａｌ２Ｏ３を主成分（９２％）と
し、他に副成分としてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ２等を加
え、また、溶剤としてＭＥＫ、トルエン等を加えて混合
する。 （２）２０時間混合後、有機バインダーを加え、更に１
５時間程混合する。 （３）（２）の工程で得たスラリーを真空脱泡した後、
ドクターブレード法にてキャスティングし、厚さがそれ
ぞれ０．２６ｍｍ、０．４０ｍｍの２種類のグリーンシ
ートを得た。 （４）これらのグリーンシートを所定の寸法に切断す
る。EXAMPLES (1) α-Al 2 O 3 as a main component (92%), MgO, CaO, SiO 2 etc. are added as accessory components, and MEK, toluene, etc. are added as solvents and mixed. . (2) After mixing for 20 hours, an organic binder was added,
Mix for about 5 hours. (3) After vacuum defoaming the slurry obtained in the step (2),
Casting was performed by a doctor blade method to obtain two types of green sheets each having a thickness of 0.26 mm and 0.40 mm. (4) These green sheets are cut into predetermined dimensions.
【０００９】（５）次に白金黒粉末と白金スポンジ粉末
とを重量比で２：１に混合し、さらにこの混合物にＡｌ
２Ｏ３を約１０ｗｔ％添加し、ブチルカルビドールを溶
剤として加えて白金ペーストを作製し、この白金ペース
トを用いて、図１に示すように厚さ０．４０ｍｍの第１
のグリーンシート１に発熱抵抗体パターン２（幅０．３
ｍｍ、厚み１５〜３０μｍ）をスクリーン印刷した。こ
の時、発熱抵抗体パターンの形成されていない領域の幅
Ａを、セラミックス支持体の全輻Ｂに対して８．７〜３
５％の範囲内で数種類作製した。 （６）乾燥後、温度５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上
で、３５〜４０ｋｇ／ｃｍ２の面圧で面押しをした。 （７）さらに、上記グリーンシートに、低抵抗導体ペー
ストを用いて、電極端子リード部３をその一端が発熱抵
抗体パターンに重なるようにスクリーン印刷（幅１．４
ｍｍ、厚さ３０±１０μｍ）を行なった後、 （８）（６）で行なったのと同じ面押し工程を行なっ
た。(5) Next, platinum black powder and platinum sponge powder are mixed at a weight ratio of 2: 1.
About 10 wt% of 2 O 3 was added, and butyl carbidol was added as a solvent to prepare a platinum paste. Using this platinum paste, a first 0.40 mm thick first paste was used as shown in FIG.
Heating resistor pattern 2 (width 0.3)
mm, and a thickness of 15 to 30 μm) was screen-printed. At this time, the width A of the area where the heating resistor pattern is not formed is set to 8.7 to 3 with respect to the total radiation B of the ceramic support.
Several types were produced within the range of 5%. (6) After drying, surface pressing was performed at a temperature of 50 ° C. and a degree of vacuum of 70 cmHg or more at a surface pressure of 35 to 40 kg / cm 2 . (7) Further, using a low-resistance conductor paste, the electrode terminal lead portion 3 is screen-printed on the green sheet so that one end thereof overlaps the heating resistor pattern (width 1.4).
mm, and a thickness of 30 ± 10 μm), and then the same surface pressing step as in (8) and (6) was performed.
【００１０】（９）次にφ０．２ｍｍの白金線４をその
一端が電極端子リード部に重なるように並べた後、厚さ
０．２６ｍｍの第２のグリーンシート５を積層し、温度
５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上で、３５〜４０ｋｇ／
ｃｍ２の面圧で２分間の熱圧着を行なった。 （１０）得られた積層体を温度２６０℃で６時間保持し
て樹脂抜きをし、さらに、 （１１）温度１５４０℃で２時間保持し、幅４ｍｍ、長
さ４０ｍｍのセラミックヒータを製作した。(9) Next, a platinum wire 4 having a diameter of 0.2 mm is arranged so that one end thereof is overlapped with the electrode terminal lead portion, and a second green sheet 5 having a thickness of 0.26 mm is laminated. At a vacuum degree of 70 cmHg or more, 35 to 40 kg /
It was performed thermocompression bonding for two minutes at a surface pressure of cm 2. (10) The obtained laminate was held at a temperature of 260 ° C for 6 hours to remove the resin, and (11) a temperature of 1540 ° C was held for 2 hours to produce a ceramic heater having a width of 4 mm and a length of 40 mm.
【００１１】得られたセラミックヒータに対して次のよ
うな過電圧試験を行ない、クラック発生による断線の有
無についての確認を行なった。加熱領域の中心部が、電
圧印加後３０秒で室温から１０００℃になる直流電圧を
予め設定し、この電圧印加・冷却の繰り返しを２０回行
なって、発熱抵抗体パターンの断線が発生する通電回数
を調べた。異なる発熱抵抗体パターンのセラミックヒー
タ各５個における結果を図５に示す。この図より明らか
なように、従来の発熱抵抗体パターンのセラミックヒー
タは２〜７回の電圧印加によりすべてのセラミックヒー
タにクラックによる断線が発生したが、本考案範囲のも
の、すなわち、幅Ａが全幅Ｂに対して３０％以上のもの
は２０回の繰り返し電圧印加後においてもすべてのセラ
ミックヒータに断線は発生しなかった。The obtained ceramic heater was subjected to the following overvoltage test to confirm the presence or absence of disconnection due to cracks. A DC voltage at which the temperature in the center of the heating area changes from room temperature to 1000 ° C. in 30 seconds after voltage application is set in advance, and this voltage application / cooling is repeated 20 times, and the number of times of energization at which disconnection of the heating resistor pattern occurs Was examined. FIG. 5 shows the results for five ceramic heaters having different heating resistor patterns. As is clear from this figure, in the conventional ceramic heater of the heating resistor pattern, breakage occurred due to cracks in all the ceramic heaters when the voltage was applied two to seven times. For those having 30% or more of the total width B, no disconnection occurred in all the ceramic heaters even after applying the voltage repeatedly 20 times.
【００１２】次に、中心部にキャビティーを有する構造
の酸素センサに本考案のセラミックヒータを組込んだ第
２の実施例について図４に基づいて説明する。 （１２）第１の実施例に記載の（１）から（９）の工程
と同様にして得たグリーンシートの積層体上に、白金ペ
ーストを用いて一対の白金電極６をスクリーン印刷した
（厚さ１５〜３０μｍ）。 （１３）乾燥後、φ０．２ｍｍの白金線７を、その一端
が白金電極のリード部に重なるように並べ、さらに、キ
ャビティー８（１．５×２．９ｍｍ）を形成するために
孔明けされた第３のグリーンシート９（厚さ０．２６ｍ
ｍ）、補強用の第４、第５のグリーンシート１０、１１
（共に厚さ０．８ｍｍ、第１実施例に記載の（１）から
（３）の工程と同様にして作製）、及び、センサ組付時
の位置決め用の第６のグリーンシート１２（厚さ０．５
６ｍｍ）を順次積層し、温度５０℃、真空度７０ｃｍＨ
ｇ以上で、３５〜４０ｋｇ／ｃｍ２の面圧で２分間の熱
圧着を行なった。Next, a second embodiment in which the ceramic heater of the present invention is incorporated in an oxygen sensor having a structure having a cavity in the center will be described with reference to FIG. (12) A pair of platinum electrodes 6 was screen-printed using a platinum paste on the green sheet laminate obtained in the same manner as in the steps (1) to (9) described in the first embodiment (thickness). 15 to 30 μm). (13) After drying, a 0.2 mm platinum wire 7 is arranged so that one end thereof overlaps the lead of the platinum electrode, and a hole is formed in order to form a cavity 8 (1.5 × 2.9 mm). Third green sheet 9 (0.26 m thick)
m), fourth and fifth green sheets 10 and 11 for reinforcement
(Both have a thickness of 0.8 mm and are manufactured in the same manner as the steps (1) to (3) described in the first embodiment), and a sixth green sheet 12 (thickness) for positioning when assembling the sensor. 0.5
6 mm) in sequence, at a temperature of 50 ° C. and a degree of vacuum of 70 cmH.
g or more and thermocompression bonding was performed at a surface pressure of 35 to 40 kg / cm 2 for 2 minutes.
【００１３】（１４）その後、キャビティー部分に粒径
１００〜１５０μｍの球状アルミナ１３を温度５０℃、
真空度７０ｃｍＨｇ以上で、３〜８ｋｇ／ｃｍ２の面圧
で２分間熱圧着させ、キャビティー部分に凹凸部を形成
した。 （１５）これを温度２６０℃で６時間保持して樹脂抜き
をし、 （１６）温度１５４０℃で２時間保持し、支持体及び導
体、抵抗体を焼結させた。 （１７）さらに、キャビティー部分に、チタニア微粒子
よりなるペーストを塗布したのち、温度１１００℃で２
時間の熱処理を行なってチタニア層１４を形成し、 （１８）このチタニア層１４に白金または白金−ロジウ
ム触媒を担持させて、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍのチタニ
ア酸素センサを得た。(14) Then, spherical alumina 13 having a particle size of 100 to 150 μm is placed in the cavity at a temperature of 50 ° C.
Thermocompression bonding was performed at a degree of vacuum of 70 cmHg or more at a surface pressure of 3 to 8 kg / cm 2 for 2 minutes to form an uneven portion in the cavity portion. (15) This was held at a temperature of 260 ° C. for 6 hours to remove the resin. (16) The temperature was held at a temperature of 1540 ° C. for 2 hours to sinter the support, the conductor, and the resistor. (17) Further, after applying a paste composed of titania fine particles to the cavity portion, the paste is applied at a temperature of 1100 ° C. for 2 hours.
The titania layer 14 was formed by performing heat treatment for a long time. (18) A platinum or platinum-rhodium catalyst was supported on the titania layer 14 to obtain a titania oxygen sensor having a width of 4 mm and a length of 40 mm.
【００１４】得られたチタニア酸素センサに対しても、
第１の実施例と同様の過電圧試験を行なって、クラック
発生による発熱抵抗体パターンの断線の有無について確
認したところ、図６に示したとおり本考案範囲のものに
は２０回の繰り返し電圧印加後においても断線は発生せ
ず、良好な結果であった。For the obtained titania oxygen sensor,
The same overvoltage test as in the first embodiment was performed to check whether or not the heating resistor pattern was broken due to cracks. As shown in FIG. Also, no disconnection occurred and the result was good.
【００１５】[0015]
【考案の効果】本考案のセラミックヒータは、加熱領域
の特定の部分にのみ発熱抵抗体パターンの形成を行なう
ことによって加熱領域内の温度分布が均一になり、加熱
時の熱応力によるひずみが低減されるので、繰り返し加
熱操作を行なってもクラック発生による発熱抵抗体パタ
ーンの断線を引き起こさず、安定した耐久性が得られ
た。また、本考案のセラミックヒータは、特に、加熱領
域の中央部にキャビティーを有するセンサと組み合わせ
て、その加熱用として用いることにより、耐久性を一層
向上させることができた。[Effect of the Invention] In the ceramic heater of the present invention, by forming a heating resistor pattern only in a specific portion of a heating area, the temperature distribution in the heating area becomes uniform, and distortion due to thermal stress during heating is reduced. Therefore, even if the heating operation was repeatedly performed, the heating resistor pattern did not break due to cracks, and stable durability was obtained. In addition, the durability of the ceramic heater of the present invention could be further improved by using it in combination with a sensor having a cavity in the center of the heating area, particularly for heating.
【図１】 本考案のセラミックヒータの発熱抵抗体のパ
ターンを示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a pattern of a heating resistor of a ceramic heater according to the present invention.
【図２】 従来のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーンを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a pattern of a heating resistor of a conventional ceramic heater.
【図３】 第１実施例のセラミックヒータを分解して示
す斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing the ceramic heater of the first embodiment.
【図４】 第２実施例の酸素センサを分解して示す斜視
図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing an oxygen sensor of a second embodiment.
【図５】 第１実施例のセラミックヒータの過電圧試験
の結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a result of an overvoltage test of the ceramic heater of the first embodiment.
【図６】 第２実施例の酸素センサの過電圧試験の結果
を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a result of an overvoltage test of the oxygen sensor of the second embodiment.
１ セラミックス支持体 ２ 発熱抵抗体パターン ３ 電極端子リード部 ４ 白金線 Ａ 発熱抵抗体パターンの形成されていない領域の幅 Reference Signs List 1 ceramic support 2 heating resistor pattern 3 electrode terminal lead 4 platinum wire A width of area where heating resistor pattern is not formed
Claims (4)
熱抵抗体を備えたセラミックヒータにおいて、該基体の
先端加熱領域から中央部加熱領域にかけて発熱抵抗体パ
ターンの形成されていない領域を有し、前記発熱抵抗体
パターンの形成されていない領域が、発熱抵抗体パター
ンが形成されている面の全幅の３０％以上の幅を有する
ことを特徴とするセラミックヒータ。1. A cell Ramikkuhita having a heating resistor on a flat ceramics by Li Cheng substrate, the said substrate
There is a region where the heating resistor pattern is not formed from the front end heating region to the central heating region, and the region where the heating resistor pattern is not formed is 30% of the entire width of the surface on which the heating resistor pattern is formed. % Of a ceramic heater.
とする請求項１に記載のセラミックヒータ。2. The ceramic heater according to claim 1, wherein the ceramic heater is used for heating a sensor.
縁層を設けたことを特徴とする請求項２に記載のセラミ
ックヒータ。3. The ceramic heater according to claim 2, wherein an insulating layer having a cavity is provided on the heating area.
縁層の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする請求項２
に記載のセラミックヒータ。4. An insulating layer is formed on a heating area, and an uneven portion is provided on a surface of the insulating layer.
3. The ceramic heater according to item 1.
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|---|---|---|---|
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