JP2971167B2 - Ceramic heater - Google Patents

Ceramic heater

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JP2971167B2
JP2971167B2 JP3100151A JP10015191A JP2971167B2 JP 2971167 B2 JP2971167 B2 JP 2971167B2 JP 3100151 A JP3100151 A JP 3100151A JP 10015191 A JP10015191 A JP 10015191A JP 2971167 B2 JP2971167 B2 JP 2971167B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、センサ等に取り付けら
れるセラミックスヒータに関し、詳しくは、例えば内燃
機関の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサの加熱
用セラミックスヒータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic heater mounted on a sensor or the like, and more particularly, to a ceramic heater for heating an oxygen sensor for detecting, for example, an oxygen concentration in exhaust gas of an internal combustion engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、例えば酸素センサは、内燃機関の
排気管に装着されて排ガス中の酸素濃度を検出するため
に使用されており、特に低温時に酸素センサを良好に機
能させるために、センサの素子部を加熱するセラミック
スヒータが用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, an oxygen sensor is mounted on an exhaust pipe of an internal combustion engine and used to detect the oxygen concentration in exhaust gas. A ceramic heater for heating the element portion is used.

【0003】このセラミックスヒータとしては、センサ
の形状に合わせて例えば板状や円筒形のヒータが使用さ
れている。このうち、円筒形のセラミックスヒータは、
例えばアルミナ(Al23)からなる円筒形のセラミッ
クス基材の表面に、発熱パターンが形成されたグリーン
シートを積層し、一体焼成して形成されている。
As the ceramic heater, for example, a plate-like or cylindrical heater is used in accordance with the shape of the sensor. Among them, the cylindrical ceramic heater is
For example, a green sheet on which a heat generation pattern is formed is laminated on a surface of a cylindrical ceramic base made of alumina (Al 2 O 3 ), and is formed by integrally firing.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の様なセ
ラミックスヒータを、高温に長期間晒される酸素センサ
の加熱用として使用した場合には、下記の問題が発生す
ることがあった。
However, when the above-described ceramic heater is used for heating an oxygen sensor which is exposed to a high temperature for a long time, the following problems may occur.

【0005】つまり、酸素センサが高温に長期間晒され
ると、使用しているうちに発熱パターンが劣化してその
抵抗が増大することがあり、それによって、発熱パター
ンが断線したり、或は保護層にクラックが発生すること
があった。更に、最悪の場合には保護層が崩壊してしま
い、それによって、ヒータ寿命が低下することがあっ
た。この場合、外観的には陰極に近い発熱パターン付近
が黒ずみ、いわゆる黒色化現象を生じている。
That is, if the oxygen sensor is exposed to a high temperature for a long period of time, the heat generation pattern may deteriorate during use and its resistance may increase, thereby breaking the heat generation pattern or protecting the heat generation pattern. Cracks sometimes occurred in the layer. Further, in the worst case, the protective layer may collapse, thereby shortening the heater life. In this case, the vicinity of the heat generation pattern, which is close to the cathode in appearance, is darkened, causing a so-called blackening phenomenon.

【0006】このため、ヒータの使用条件を検知し、必
要な時だけ通電することによって、ヒータの耐久寿命を
維持することが行なわれているが、その場合には、検知
手段や通電制御手段が別途必要となって装置が複雑化す
るという問題があり、また、検知手段等の故障によっ
て、新たな寿命低下の原因を生じることがあるので、根
本的な解決策とはなり得ないという問題があった。
For this reason, it has been practiced to maintain the durable life of the heater by detecting the use condition of the heater and energizing only when necessary. In this case, the detecting means and the energizing control means are used. There is a problem that the device is separately required and the device becomes complicated, and a failure of the detection means may cause a new cause of shortening the service life, so that it cannot be a fundamental solution. there were.

【0007】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れ、検知手段等の別途の手段を必要とすることなく、高
温の環境においてもヒータの寿命が長いセラミックスヒ
ータを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has as its object to provide a ceramic heater having a long service life even in a high-temperature environment without requiring any additional means such as a detecting means. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明は、第1セラミックス層と、該第1セラミック
ス層の表面に積層された第2セラミックス層と、前記第
1及び第2セラミックス層の境界面に配置された発熱部
及び導通部からなる発熱パターンと、を備えたセラミッ
クスヒータにおいて、前記発熱パターンの発熱部は、線
抵抗値が高く高温となる高発熱部と、該高発熱部よりも
線抵抗値が低く該高発熱部より低温となる低発熱部とを
備えるとともに、前記高発熱部は前記セラミックヒータ
の高温となる部分に配置され、前記低発熱部は前記高温
となる部分よりも低温となる部分に配置されたことを特
徴とするセラミックスヒータを要旨とする。
In order to achieve this object, the present invention provides a first ceramic layer, a second ceramic layer laminated on the surface of the first ceramic layer, and the first and second ceramic layers. in the ceramic heater having a heating pattern consisting of heating unit arranged on the boundary surface of the layer and the conductive portion, a heating portion of the heating pattern is a line
A high heat generating portion having a high resistance value and a high temperature;
A low heat generating portion having a lower wire resistance value and a lower temperature than the high heat generating portion;
And the high heat generating portion is provided with the ceramic heater.
Is disposed in a portion where the temperature is high, and the low heat generation portion is the high temperature portion.
The gist of the present invention is a ceramic heater characterized in that the ceramic heater is disposed in a portion where the temperature is lower than a portion where the temperature becomes lower .

【0009】尚、本発明のセラミックスヒータに、前記
以外の構成として、例えばセンサ素子や絶縁層等が形成
されていてもよい。前記第1及び第2セラミックス層を
形成する材料としては、Al23が好適であるが、特に
熱伝導特性に優れた高温強度材料とするために、Al2
3は平均結晶粒径10μm以下、相対理論密度94%以
上であることが好ましい。
Incidentally, the ceramic heater of the present invention may have, for example, a sensor element, an insulating layer, or the like as a configuration other than the above. As the first and the material for forming the second ceramic layer, for although Al 2 O 3 is preferred, for high-temperature strength material particularly excellent in thermal conductivity, Al 2
O 3 preferably has an average crystal grain size of 10 μm or less and a relative theoretical density of 94% or more.

【0010】また、前記第1セラミックス層としては、
加熱すべきセンサ形状に応じて、筒状,棒状,板状等種
々の形状に形成されたセラミックス基材、或はそのセラ
ミックス基材の表面を覆う様にグリーンシートを焼成し
て形成されたものを採用することができる。また、第2
セラミックス層としては、グリーンシートを焼成して形
成されたものを採用することができる。
[0010] The first ceramics layer may include:
Ceramic substrate formed in various shapes such as cylindrical, rod, plate, etc., depending on the shape of the sensor to be heated, or formed by firing a green sheet so as to cover the surface of the ceramic substrate Can be adopted. Also, the second
As the ceramic layer, a layer formed by firing a green sheet can be employed.

【0011】前記セラミックス基材は、Al23以外に
も、ムライトやスピネル等のアルミナ類似のセラミック
スなど、高温高強度セラミックスを使用しても良い。ま
た、グリーンシートから形成されるセラミックス層は、
発熱パターンを高温環境下において保護し、しかもセラ
ミックス基材と発熱パターンの接合性を向上させるもの
であり、少なくとも発熱パターンを包含する様に位置さ
せると良い。
The ceramic substrate may be a high-temperature, high-strength ceramic such as alumina-like ceramic such as mullite or spinel, in addition to Al 2 O 3 . Also, the ceramic layer formed from the green sheet is
The heating pattern is protected in a high-temperature environment, and the bonding property between the ceramic substrate and the heating pattern is improved. The heating pattern is preferably positioned so as to include at least the heating pattern.

【0012】発熱パターンの材料としては、主にタング
ステン(W)やモリブデン(Mo)を用い、更にこれら
の成分に、白金(Pt)やロジウム(Rh)等の高融点
金属成分を混合して用いるとよい。また、抵抗特性の向
上のために、PtやRhを単独に用いてもよい。尚、悪
影響を与えない限りにおいて、セラミックス層と同材よ
りなる酸化物等が若干存在していてもよい。
As a material of the heat generation pattern, tungsten (W) or molybdenum (Mo) is mainly used, and further, a high melting point metal component such as platinum (Pt) or rhodium (Rh) is mixed with these components. Good. Further, Pt or Rh may be used alone to improve resistance characteristics. In addition, as long as it does not adversely affect, an oxide or the like made of the same material as the ceramic layer may be slightly present.

【0013】前記発熱パターンは、通電により発熱する
発熱部と、発熱部に通電を行うためのリード部及び端子
部からなる導通部とから構成されている。特に発熱部に
は、高抵抗性を有する高発熱部と、高発熱部の線抵抗値
より例えば1/5倍程度低い線抵抗値の低発熱部が形成
されている。例えば20℃で発熱部の線抵抗値が0.
1〜0.2Ω/mmの場合には、低発熱部の線抵抗値は0.
02〜0.04Ω/mmに設定されている。この低発熱部
の線抵抗値を減少させるために、例えば低発熱部は
熱部より約5倍ほど幅が広くされている。
The heat generation pattern generates heat when energized.
It is composed of a heating section and a conducting section including a lead section and a terminal section for supplying electricity to the heating section. In particular, the heat generating portion includes a high heat generating portion having high resistance, and a low heat generating portion having a line resistance value lower than the line resistance value of the high heat generating portion by, for example, about 1/5. For example, at 20 ° C., the wire resistance value of the high heat generating part is 0.2.
In the case of 1 to 0.2 Ω / mm, the wire resistance of the low heat generating portion is 0.2.
It is set to 02 to 0.04 Ω / mm. In order to reduce the line resistance value of the low heat generation part, for example, the width of the low heat generation part is about five times wider than that of the high heat generation part.

【0014】前記セラミックスヒータの製造方法の概要
は、次の通りである。原料として、例えば主成分Al2
3からなる粉末を湿式混合してなるものを用意する。
尚、稠密な高温高強度とするために、使用する原料粉末
としては、純度90%以上の高純度粉末を用い、その粒
径は2μm以下にすると良い。
The outline of the method for manufacturing the ceramic heater is as follows. As a raw material, for example, the main component Al 2
A powder obtained by wet mixing powder of O 3 is prepared.
In order to obtain a dense, high-temperature, high-strength material, a high-purity powder having a purity of 90% or more is used as the raw material powder, and the particle size is preferably 2 μm or less.

【0015】但し、焼成促進成分であるSiO2,Mg
O,CaO,B23は、焼成過程において酸化物、ひい
ては所定の網目構造となりえるもの、例えば水酸化物、
塩(例えば炭酸塩等)として配合していもよい。
However, the firing promoting components SiO 2 and Mg
O, CaO, and B 2 O 3 are oxides in the sintering process, and thus those having a predetermined network structure, for example, hydroxides,
You may mix | blend as a salt (for example, carbonate etc.).

【0016】配合粉末の成形は、加圧成形(例えば静水
圧成形やドクターブレード成形)、或は押出成形など種
々の方法で行うことができる。尚、この成形に当り、所
定の溶剤および結合剤等を適時配合することは勿論であ
る。
The molding of the compounded powder can be performed by various methods such as pressure molding (for example, hydrostatic molding or doctor blade molding) or extrusion molding. In this molding, of course, a predetermined solvent, a binder and the like are appropriately blended.

【0017】発熱パターンの形成は、メッキ、気相析出
法(例えばスパッタリングや蒸着等)の種々の手段を採
用できる。特に、金属ペーストによって発熱パターンを
形成する場合には、成形されたグリーンシートに例えば
スクリーン印刷によって所定パターンを形成し、このパ
ターン印刷面側をグリーンシートで被覆し、その上に所
定パターンを形成した後、更にグリーンシートで被覆し
てセラミックス基材との接合に供するとよい。これは、
金属パターンを直接に基材に接合すると、相互密着性が
不十分となり、気孔発生に基づく発熱パターン成分の酸
化原因(断線原因)を発生するおそれがあるからであ
る。
For the formation of the heat generation pattern, various means such as plating and vapor deposition (for example, sputtering and vapor deposition) can be adopted. In particular, when a heat generation pattern is formed by a metal paste, a predetermined pattern is formed on the formed green sheet by, for example, screen printing, the pattern printing surface side is covered with a green sheet, and a predetermined pattern is formed thereon. Thereafter, it is preferable to further cover the sheet with a green sheet and to provide the sheet with a ceramic substrate. this is,
This is because if the metal pattern is directly joined to the base material, mutual adhesion becomes insufficient, and there is a possibility that a cause of oxidation (a cause of disconnection) of the heat generation pattern component due to pore generation may occur.

【0018】焼成は、セラミックス基材および各セラミ
ックス層の相互密着性を高めるために、同時焼成するこ
とが好ましい。焼成方法としては、型加圧(HP,HI
P)焼結,雰囲気加圧焼結,反応焼結など種々のものを
採用でき、その焼結温度は1450〜1600℃の範囲
から選択するとよい。雰囲気は不活性ガス(例えばA
r,N2),酸化性雰囲気(例えば大気中),還元雰囲
気(例えばH2ガス)のいずれであってもよい。
In the firing, it is preferable to simultaneously fire the ceramic substrate and each ceramic layer in order to enhance the mutual adhesion. As a firing method, a mold pressing (HP, HI
P) Various types such as sintering, atmospheric pressure sintering, and reaction sintering can be adopted, and the sintering temperature is preferably selected from the range of 1450 to 1600 ° C. The atmosphere is an inert gas (for example, A
r, N 2 ), an oxidizing atmosphere (for example, in the air), or a reducing atmosphere (for example, H 2 gas).

【0019】こうして得られたセラミックスヒータは、
その発熱パターンの端子部をメタライズ処理し、電源か
らのリードをろう付けにて接続される。本発明のセラミ
ックスヒータは、特に高温下で長時間使用される内燃機
関の空燃比制御用の酸素センサを加熱するためのヒータ
ーとして好適である。この場合セラミックスヒータは、
試験管型固体電解質酸素センサ素子の内部に挿入しても
良いし、酸素センサ素子に付設しても良い。
The ceramic heater thus obtained is
The terminals of the heat generation pattern are metallized, and leads from the power supply are connected by brazing. The ceramic heater according to the present invention is particularly suitable as a heater for heating an oxygen sensor for controlling the air-fuel ratio of an internal combustion engine that is used for a long time at a high temperature. In this case, the ceramic heater
It may be inserted into the test tube type solid electrolyte oxygen sensor element or may be attached to the oxygen sensor element.

【0020】[0020]

【作用】本発明者らは、高温下で使用されるときのセン
サ劣化要因を分析し、それに基づいて本発明を完成した
ものである。以下その分析及び考察等について詳細に説
明する。
The present inventors have analyzed the causes of sensor deterioration when used at high temperatures and completed the present invention based on the analysis. Hereinafter, the analysis and consideration will be described in detail.

【0021】ヒータの断線現象のメカニズムは、既に特
願昭63−48721号にて開示された如く、下記の通
りである。従来のヒータにおける断線後の外観状態につ
いてのEPMA(元素分析)の結果を、模式的に図5
(A)及びそのB−B断面図である図5(B)に示す。
その結果から、次の事実(イ),(ロ)が判明した。 (イ) 発熱パターンP1のうち、陰極側の発熱部P2
の周辺が局部的に白色(Al23の通常色)から黒色に
変化していること。 (ロ) 発熱パタ−ンP1のうち、陽極側の発熱部P2
の周辺が局部的にクラックを生じていること。
The mechanism of the disconnection phenomenon of the heater is as follows, as already disclosed in Japanese Patent Application No. 63-48721. FIG. 5 schematically shows the result of EPMA (elemental analysis) on the appearance after disconnection of a conventional heater.
FIG. 5A is a cross-sectional view of FIG.
The results revealed the following facts (a) and (b). (A) Heat generation part P2 on the cathode side in heat generation pattern P1
Is locally changed from white (the normal color of Al 2 O 3 ) to black. (B) Of the heat generation pattern P1, the heat generation part P2 on the anode side
The area around has cracks locally.

【0022】又、ヒータを1000℃の大気雰囲気中に
おき、直流17Vで連続印加することにより通電し、発
熱部の抵抗値の変化を調べた結果から、次の事実(ハ)
が判明した。 (ハ) 一番陽極側に近い発熱部P2である第1パター
ン部位P3(図5(A))の抵抗が、図6に示す様に、
その他のパターン部位等に比して著しく増大しているこ
と。尚、この図6は、発熱パターンP1の全抵抗,第1
パターン部位P3の抵抗,その他のパターン部位の抵抗
の経時変化を示している。
The heater was placed in an air atmosphere at 1000 ° C., a current was applied by continuously applying a DC voltage of 17 V, and the change in the resistance value of the heat generating portion was examined.
There was found. (C) As shown in FIG. 6, the resistance of the first pattern portion P3 (FIG. 5A), which is the heat generating portion P2 closest to the anode side,
Significant increase compared to other pattern parts. FIG. 6 shows the total resistance of the heat generation pattern P1 and the first resistance.
The resistance of the pattern portion P3 and the resistance of the other pattern portions are changed over time.

【0023】前記事実を解明するために行った理論的考
察は、次の通りである。 (イ)の考察 アルミナヒータを構成するアルミナ基材は主成分として
Al23と共に焼結促進成分として種々の金属酸化物が
含有されて焼結されているので、焼結体においてはAl
23粒界のガラス相としてこれらの金属酸化物が存在す
る。
The theoretical considerations made to elucidate the above facts are as follows. (A) Consideration Since the alumina base material constituting the alumina heater contains various metal oxides as a sintering promoting component together with Al 2 O 3 as a main component and is sintered, the sintered body is made of Al.
These metal oxides exist as a glass phase at the 2 O 3 grain boundary.

【0024】こうしたアルミナヒータを高温下にて直流
通電すると、ガラス相中に存在するマグネシウム(M
g)やカルシウム(Ca)原子が陽イオンとなって陰極
側に移動する。一方、該成分の近傍に存在する酸素
(O)原子が電気的中性を維持するために、酸素イオン
となり陽極側に移動する。そのため、Mg、Ca成分が
単体又は酸化物等として陰極側端子付近に堆積し、その
部位の黒色化をもたらす。即ち、直流電流の印加によ
り、Al23粒界のガラス相中のフラックス成分が電気
分解を受ける。
When a direct current is applied to such an alumina heater at a high temperature, magnesium (M
g) and calcium (Ca) atoms become cations and move to the cathode side. On the other hand, oxygen (O) atoms existing in the vicinity of the component become oxygen ions and move to the anode side in order to maintain electrical neutrality. For this reason, the Mg and Ca components are deposited near the cathode side terminal as a simple substance or an oxide, and the portion is blackened. That is, the application of the direct current causes the flux components in the glass phase at the Al 2 O 3 grain boundary to undergo electrolysis.

【0025】(ロ)の考察 また、陽極側に移動した酸素イオンにより、発熱パター
ンP1の材料、例えばタングステン(W)が酸化され、
その部位の抵抗値を増大させる。
Consideration (b) Further, the material of the heat generating pattern P1, for example, tungsten (W) is oxidized by the oxygen ions moved to the anode side,
Increase the resistance value at that location.

【0026】(ハ)の考察 前記(ロ)の酸化反応によって、発熱パターンP1は体
積膨脹を起こし、発熱パターンP1に断線を生ずると共
に、保護層P4に応力が加わり、クラックを生ずる。
尚、酸化した発熱パターンP1材料は、その一部が拡散
により保護層P4、更には外界へ移動し、この意味でも
抵抗値を増大させる。
Consideration of (c) Due to the oxidation reaction of (b), the heat generation pattern P1 expands in volume, causing a break in the heat generation pattern P1 and a stress being applied to the protective layer P4 to cause cracks.
Note that a part of the oxidized heat generating pattern P1 material moves to the protective layer P4 and further to the outside by diffusion, and in this sense also increases the resistance value.

【0027】従って、こうしたアルミナヒータが高温に
晒され続けると、保護層P4のクラックから侵入した外
気酸素により、爆発的に発熱パターンP1材料が酸化さ
れ、より一層の体積膨脹を起こし、保護層P4の剥離・
崩壊に至ると見なされる。
Therefore, when such an alumina heater is continuously exposed to a high temperature, the material of the heat generating pattern P1 is explosively oxidized by external air oxygen that has entered from cracks in the protective layer P4, causing further volume expansion, and the protective layer P4 Peeling off
It is considered to lead to collapse.

【0028】つまり、発熱パターンP1の断線メカニズ
ムの根本原因は、Mg2+、Ca2+の低電位側への移動
(マイグレーション)およびO2-の高電位側への移動と
考えられる。
That is, the root causes of the disconnection mechanism of the heat generation pattern P1 are considered to be the movement (migration) of Mg 2+ and Ca 2+ to the lower potential side and the movement of O 2− to the higher potential side.

【0029】そこで、本発明者らは前記メカニズムによ
るヒータの断線を防止するために、発熱パターンの発熱
部の一部に高発熱部より低温となる低発熱部を形成し
た。それによって、Mg2+,Ca2+の低電位側への移動
による発熱部の陰極側部分へのMg2+,Ca2+の蓄積を
防止でき、しかもO2-の高電位側への移動による発熱部
の陽極側部位での発熱パターン材料(W)の酸化を低減
することが実現された。
In order to prevent disconnection of the heater due to the mechanism described above, the present inventors have formed a low heat generating part which is lower in temperature than the high heat generating part in a part of the heat generating part of the heat generating pattern. As a result, accumulation of Mg 2+ and Ca 2+ in the cathode portion of the heat generating portion due to the movement of Mg 2+ and Ca 2+ to the lower potential side can be prevented, and the movement of O 2− to the higher potential side can be prevented. Heating part by
The oxidation of the heat generation pattern material (W) at the anode side portion was reduced.

【0030】つまり、本発明の低発熱部は、発熱部よ
り温度が低いので、Mg2+,Ca2+の移動が困難にな
り、その結果、陽極側から発熱パターンに沿って陰極側
へ移動するMg2+,Ca2+の障壁として働くと考えられ
る。即ち、発熱部の一部に設けられた低発熱部は、イオ
ンの移動をその両側に分断する効果を発揮し、従来発熱
パターンで一極集中的に発生していた前記劣化を分散さ
せるので、ヒータの断線を大幅に低減することになる。
That is, since the temperature of the low heat generating portion of the present invention is lower than that of the high heat generating portion, the movement of Mg 2+ and Ca 2+ becomes difficult, and as a result, the anode moves from the anode side to the cathode side along the heat generation pattern. It is considered that it works as a barrier for moving Mg 2+ and Ca 2+ . In other words, the low heat generating portion provided in a part of the heat generating portion has an effect of dividing the movement of ions to both sides thereof, and disperses the deterioration which has conventionally been concentrated in the heat generating pattern. The disconnection of the heater will be greatly reduced.

【0031】[0031]

【実施例】以下、本発明のセラミックスヒータ及びその
製造方法の実施例について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the ceramic heater and the method of manufacturing the same according to the present invention will be described below.

【0032】図1に示す様に、本実施例のセラミックス
ヒータ1は、円筒状のセラミックス基材2の表面に、2
層のセラミックス層3,4が形成されており、該第1セ
ラミックス層3と第2セラミックス層4との間の境界面
5には、発熱パターン7が形成されている。
As shown in FIG. 1, a ceramic heater 1 according to the present embodiment has a
Ceramic layers 3 and 4 are formed, and a heat generating pattern 7 is formed on a boundary surface 5 between the first ceramic layer 3 and the second ceramic layer 4.

【0033】この発熱パターン7は、分解斜視図の図2
に示す様に、セラミックスヒータ1の先端側で何度も蛇
行する発熱部6と、その発熱部6のうちの幅の細い高発
熱部8と、発熱部6の中央部にコの字状に形成された低
発熱部(劣化防止パターン)10と、セラミックスヒー
タ1の後端側に配置されて電源に接続される陽極側端子
9a及び陰極側端子9b(端子部9と総称する)と、発
熱部8及び端子部9を接続するリード部11a,11b
とから構成されている。
The heating pattern 7 is shown in an exploded perspective view of FIG.
As shown in the figure, a heating portion 6 meandering many times on the tip side of the ceramic heater 1 and a narrow high-frequency portion of the heating portion 6 are generated.
A heating portion 8; a low heating portion (deterioration prevention pattern) 10 formed in a U-shape at the center of the heating portion 6 ; and an anode-side terminal disposed at the rear end of the ceramic heater 1 and connected to a power source 9a and a cathode side terminal 9b (collectively referred to as a terminal portion 9), and lead portions 11a and 11b connecting the heating portion 8 and the terminal portion 9 to each other.
It is composed of

【0034】前記低発熱部10は、高発熱部8の幅より
約5倍広く形成されており、線抵抗値は発熱部の約1/
5倍に設定されている。
The low heat generating portion 10 is formed to be about 5 times wider than the high heat generating portion 8 and has a line resistance of about 1/1 / the width of the heat generating portion.
It is set to 5 times.

【0035】次に、この第2グリーンシート4aの表面
に、予め調整されたWペーストを、厚膜印刷法により1
0〜30μmにスクリーン印刷して、発熱パターン7と
なる印刷パターン7aを形成する。
Next, a W paste prepared in advance is applied to the surface of the second green sheet 4a by a thick film printing method.
Screen printing is performed to a size of 0 to 30 μm to form a print pattern 7 a to be the heat generation pattern 7.

【0036】更に、この印刷表面に、第2グリーンシー
ト4aと同様の方法にて成形した、第1セラミックス層
3となる厚さ0.05〜0.10mmの第1グリーンシート
3aを圧着し、積層シートを形成する。 (d)基材,第1〜第2グリーンシート及び発熱パター
ンの一体化 前記(a)で製造した配合粉末に、ポリビニルブチラー
ル25%,DBP8%,ブチルカルビドール30%を添
加して、ペースト状物を製造し、このペースト状物を、
前記(c)で得られた積層シートの第1グリーンシート
3aの表面に塗布する。
Further, a first green sheet 3a having a thickness of 0.05 to 0.10 mm to be the first ceramic layer 3 and formed by the same method as that for the second green sheet 4a is pressed onto the printed surface, Form a laminated sheet. (D) Integration of base material, first and second green sheets and heat generation pattern To the blended powder produced in (a) above, 25% of polyvinyl butyral, 8% of DBP, and 30% of butyl carbidol were added to form a paste. Product, and paste this material into
It is applied to the surface of the first green sheet 3a of the laminated sheet obtained in the above (c).

【0037】次に、この塗布面を基材2との接合に供す
る様にして、基材2の周囲に積層シートを巻き付け、加
圧密着させる。次に、250℃で樹脂抜きした後、水素
炉雰囲気中1500〜1600℃で焼成して、一体化さ
れたセラミックスヒータ1を形成する。その後、このセ
ラミックスヒータ1は、その端子部10,11の先端が
Niメッキされ、ろう材を用いてリード線引出用端子
(図示せず)と接合される。
Next, the laminated sheet is wound around the base material 2 so as to be used for bonding the coated surface to the base material 2 and pressed and adhered. Next, after the resin is removed at 250 ° C., it is baked at 1500 to 1600 ° C. in a hydrogen furnace atmosphere to form the integrated ceramic heater 1. Thereafter, the ends of the terminal portions 10 and 11 of the ceramic heater 1 are plated with Ni, and are joined to a lead wire lead-out terminal (not shown) using a brazing material.

【0038】次に、この様にして製造されたセラミック
スヒータ1の効果を確認するために行った実験例につい
て説明する。 (実験例1)本実施例のセラミックスヒータ1を用い
て、高温耐久試験を行った。
Next, an experimental example performed to confirm the effect of the ceramic heater 1 manufactured as described above will be described. (Experimental Example 1) A high-temperature durability test was performed using the ceramic heater 1 of this embodiment.

【0039】実験は、1000℃の加熱雰囲気下で、3
Ωの抵抗値を有する発熱パターン7に直流17Vの通電
を行ない、その抵抗値の経時変化を測定した。また、比
較例として、従来の低発熱部のない発熱パターンを形成
したヒータ(図4(B))についても、同様に高温耐久
試験を行った。その結果を図3に示すが、縦軸は抵抗変
化率(%)であり、横軸は耐久時間(Hr)を示してい
る。尚、実験では、本実施例及び比較例として、各々5
個の試料について実験を行なった。
The experiment was performed under a heating atmosphere of 1000 ° C. for 3 hours.
A current of 17 V DC was applied to the heat generating pattern 7 having a resistance value of Ω, and a change with time of the resistance value was measured. As a comparative example, a high-temperature durability test was similarly performed on a conventional heater (FIG. 4B) having a heat generation pattern without a low heat generation portion. The results are shown in FIG. 3, where the vertical axis represents the rate of resistance change (%) and the horizontal axis represents the endurance time (Hr). Incidentally, in the experiment, as the present example and the comparative example, 5
Experiments were performed on the individual samples.

【0040】図3から明らかな様に、本実施例のセラミ
ックスヒータ1は、比較例のものに比べて、抵抗値の経
時変化が著しく少なく優れた高温耐久性能を有してい
る。それに対して、比較例のものは100時間未満で断
線し、高温耐久性に劣るものであり、不適なものであ
る。
As is apparent from FIG. 3, the ceramic heater 1 of this embodiment has excellent high-temperature durability with little change in resistance over time as compared with that of the comparative example. On the other hand, the wire of the comparative example is disconnected in less than 100 hours, is inferior in high-temperature durability, and is unsuitable.

【0041】(実験例2)次に、本実施例のセラミック
スセンサ1(図4(A))及び前記比較例のセラミック
スセンサ(図4(B))の200時間耐久後の状態を調
べた。つまり、センサの発熱部におけるMgやCaの蓄
積状況やWの酸化状態等を調べた。尚、他の条件は前記
実験例1と同様とした。
(Experimental Example 2) Next, the state of the ceramic sensor 1 of this embodiment (FIG. 4A) and the ceramic sensor of the comparative example (FIG. 4B) after 200 hours of durability were examined. That is, the accumulation state of Mg and Ca in the heat generating portion of the sensor, the oxidation state of W, and the like were examined. The other conditions were the same as those in Experimental Example 1.

【0042】その結果、図4に示す様に、本実施例のセ
ラミックスセンサ1では、図の左側の高発熱部8xの陰
極側と右側の高発熱部8yの低発熱部10側に、軽微な
MgとCaの蓄積が見られただけであったが、比較例の
セラミックスセンサでは、発熱部の陰極側に多量のM
g,Caの蓄積があり、しかも発熱部の陽極側にはWの
酸化が見られるとともにその周囲に崩壊現象が見られ
た。
As a result, as shown in FIG. 4, in the ceramic sensor 1 according to the present embodiment, the slight heat generation portion 8x on the left side of the drawing and the low heat generation portion 10 side of the high heat generation portion 8y on the right side are slightly affected. Although only accumulation of Mg and Ca was observed, in the ceramic sensor of the comparative example, a large amount of M
g and Ca were accumulated, and W was oxidized on the anode side of the heat generating portion, and a collapse phenomenon was observed around it.

【0043】この様に、本実施例のセラミックスヒータ
1は、発熱部の中央部に線抵抗値の小さな低発熱部1
0を設けてあるので、この低発熱部10によって、Mg
2+,Ca2+の低電位側への移動やO2-の高電位側への移
動が阻止される。その結果、発熱パターン7の劣化によ
る抵抗値の増加が防止できるので、セラミックスヒータ
1の寿命を向上することができる。
As described above, the ceramic heater 1 of the present embodiment has a low heat generating portion 1 having a small wire resistance at the center of the heat generating portion 6.
0, the low heat generating portion 10 allows Mg
The movement of 2+ and Ca 2+ to the lower potential side and the movement of O 2− to the higher potential side are prevented. As a result, an increase in the resistance value due to the deterioration of the heating pattern 7 can be prevented, so that the life of the ceramic heater 1 can be improved.

【0044】従って、このセラミックスヒータ1を、例
えば高温に長期間晒される空燃比制御用の酸素センサに
適用した場合には、発熱パターン7が劣化しにくく、そ
の抵抗の増大を防ぐことができるので、発熱パターン7
が断線したり、或は保護層にクラックが発生することを
防止できる。その結果、酸素センサを高温で使用した場
合でも、長い期間に亘ってセラミックスヒータ1を好適
に使用できるという顕著な効果を奏する。
Therefore, when the ceramic heater 1 is applied to, for example, an oxygen sensor for controlling the air-fuel ratio which is exposed to a high temperature for a long period of time, the heat generation pattern 7 is hardly deteriorated and the resistance thereof can be prevented from increasing. , Heat generation pattern 7
Can be prevented from being broken or cracks can be generated in the protective layer. As a result, even when the oxygen sensor is used at a high temperature, there is a remarkable effect that the ceramic heater 1 can be suitably used for a long period.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上の如く本発明のセラミックスヒータ
は、発熱部の一部に低発熱部を設けてあるので、M
2+,Ca2+,O2-の移動を阻止して、発熱パターンの
劣化を防ぐことができるものである。特に本発明のもの
は、高温下に晒される条件下においても抵抗値の変化が
少なく、安定な加熱特性を長時間維持でき、耐久性に優
れている。しかも検知手段等がいらずその構造が簡単で
あり、製造も容易である。従って、各種のセンサの加熱
用ヒータとして好適に適用でき、極めて有用なものであ
る。
As described above, in the ceramic heater according to the present invention, since a low heat generating portion is provided in a part of the heat generating portion, M
This prevents movement of g 2+ , Ca 2+ , and O 2− , thereby preventing deterioration of the heat generation pattern. In particular, the composition of the present invention has a small change in resistance value even under conditions exposed to high temperatures, can maintain stable heating characteristics for a long time, and is excellent in durability. Moreover, the structure is simple without the need for detecting means and the like, and the manufacture is easy. Therefore, it can be suitably applied as a heater for various sensors, and is extremely useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例のセラミックスヒータを一部破
断して示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a ceramic heater according to an embodiment of the present invention, partially cut away.

【図2】実施例のセラミックスヒータを分解して示す斜
視図である。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the ceramic heater of the embodiment.

【図3】実施例及び比較例のセラミックスヒータの耐久
試験の結果を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the results of a durability test of the ceramic heaters of the example and the comparative example.

【図4】実施例及び比較例のセラミックスヒータの耐久
後の状態を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a state after endurance of the ceramic heaters of an example and a comparative example.

【図5】従来のセラミックスヒータの問題点を示す説明
図である。
FIG. 5 is an explanatory view showing a problem of a conventional ceramic heater.

【図6】従来のセラミックスヒータの抵抗値の変化を示
すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a change in resistance value of a conventional ceramic heater.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…セラミックスヒータ 2…セラミック
ス基材 3,4…セラミックス層 5…境界面 7…発熱パターン 6…発熱部 8…高発熱部 10…低発熱部(劣化防止パターン)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ceramic heater 2 ... Ceramic base material 3, 4 ... Ceramic layer 5 ... Boundary surface 7 ... Heat generation pattern 6 ... Heat generation part 8 ... High heat generation part 10 ... Low heat generation part (deterioration prevention pattern)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 3/10 - 3/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H05B 3/10-3/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1セラミックス層と、該第1セラミッ
クス層の表面に積層された第2セラミックス層と、前記
第1及び第2セラミックス層の境界面に配置された発熱
部及び導通部からなる発熱パターンと、を備えたセラミ
ックスヒータにおいて、 前記発熱パターンの発熱部は、線抵抗値が高く高温とな
る高発熱部と、該高発熱部よりも線抵抗値が低く該高発
熱部より低温となる低発熱部とを備えるとともに、 前記高発熱部は前記セラミックヒータの高温となる部分
に配置され、前記低発熱部は前記高温となる部分よりも
低温となる部分に配置された ことを特徴とするセラミッ
クスヒータ。
A first ceramic layer, a second ceramic layer laminated on a surface of the first ceramic layer, and a heat generating portion and a conductive portion disposed at an interface between the first and second ceramic layers. And a heating portion of the heating pattern, wherein a heating portion of the heating pattern has a high wire resistance and a high temperature.
A high heat generating portion, and a wire resistance lower than the high heat generating portion.
A low-heat-generating portion that is lower in temperature than the hot portion, and the high-heat-generating portion is a high-temperature portion of the ceramic heater.
And the low heat generating portion is higher than the high temperature portion.
A ceramic heater, wherein the ceramic heater is arranged in a portion where the temperature becomes low .
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