JP3493247B2

JP3493247B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3493247B2
Application number: JP15462095A
Authority: JP
Inventors: 智田中; 英治蔵原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: JPH097739A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石油ファンヒータ等の
各種燃焼機器の点火用ヒータ、酸素センサ等の各種セン
サや測定機器の加熱用ヒータ等に利用されるセラミック
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，Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱体
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（特開昭６３−９８６０号、６３−５８４
７９号公報等参照）。

【０００３】例えば円柱状のセラミックヒータを製造す
る場合は、図１（ｂ）に示すようにセラミックスの円柱
状成形体１０ａとシート状成形体１０ｂを用意し、シー
ト状成形体１０ｂの一方面にＷ，Ｍｏ等の高融点金属の
ペーストを印刷して発熱抵抗体２０を形成した後、この
発熱抵抗体２０を形成した面が内側となるようにシート
状成形体１０ｂを上記円柱状成形体１０ａの周囲に巻付
けて、全体を焼成し一体化することによって、図１
（ａ）に示すセラミックヒータ１を得ることができる。

【０００４】なお、シート状成形体１０ｂに形成する発
熱抵抗体２０は、先端側は線幅を細くして蛇行状の発熱
部２１とし、後端側は線幅を太くして引き出し部２２と
してあり、この発熱抵抗体２０の厚みはスクリーン印刷
を行いやすくするために１０μｍ程度であった。また、
シート状成形体１０ｂの裏面側にはリードパッド３０を
形成し、発熱抵抗体２０の引き出し部２２とリードパッ
ド３０間はスルーホールを形成して導通させた構造とな
っている。そして、最終的なセラミックヒータ１では側
面に露出したリードパッド３０にリード線４０をロウ付
けしたり圧接して接合し、このリード線４０から通電す
るようになっている。

【０００５】また、より高温用のヒータとして窒化珪素
質セラミックスヒータも用いられている。この構造は、
高融点金属線などからなる発熱体を窒化珪素質セラミッ
クス中に埋設し、発熱体の両端を表面に露出させてリー
ド取り出し部とし、銀等のロウ材によってこのリード取
り出し部にリード線を接合したものである（特公昭６２
−１９０３４号、特公昭６３−５１３５６号公報等参
照）。

【０００６】これらのセラミックヒータは、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
タ等に利用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】自動車用酸素センサに
おいて、コールドスタート時に酸素センサを作動温度ま
で急速に加熱させるために、セラミックヒータで加熱す
ることが行われている。近年、排ガス規制の強化にとも
なってコールドスタート時の立ち上がり特性を向上させ
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が求められている。ところ
が、上記のアルミナセラミックヒータでは、このような
高温での充分な耐久性が得られず、寿命が短いという問
題点があった。これは、セラミックス体１０と発熱抵抗
体２０との熱膨張に差がある点や、使用時にセラミック
ス体１０中の酸素が発熱抵抗体２０中に拡散し、部分的
に酸化して抵抗値が変化し、局部的に温度が高くなって
断線してしまう等の理由によるものであった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、セラミ
ックス体中に、５０〜９５体積％の金属成分と残部がセ
ラミックス成分からなる発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵
抗体の発熱部における横断面が中央部に１０μｍ以上の
厚みを有する肉厚部と次第に厚みが小さくなる端部とか
ら形成されており、上記肉厚部の幅Ｘ’が全体の線幅Ｘ
の５０％以上となっているセラミックヒータを構成した
ものである。

【０００９】即ち、発熱抵抗体として金属成分とセラミ
ック成分の混合体を用いることにより、セラミック体と
の熱膨張差が小さくなり結合力が強固になるため、高温
で使用した場合の耐久性が向上する。

【００１０】また、発熱抵抗体の使用時の酸化による劣
化について種々実験を行ったところ、上記酸化は発熱抵
抗体においてヒータ表面側から内部側に向かって、発熱
抵抗体の厚み方向に進行することがわかった。従来より
発熱抵抗体の厚みについては、１０μｍ程度と薄くする
ことにより、スクリーン印刷による形成を容易にして応
力緩和が図れると考えられてきたが、このように発熱抵
抗体の厚みが小さいため、上記の酸化による劣化が生じ
ることを見出したのである。

【００１１】したがって、本発明では発熱抵抗体の厚み
を１０μｍ以上と大きくすることにより酸化による劣化
を防止し、寿命を長くするようにした。ただし、最終的
なセラミックヒータ中の発熱抵抗体は必ずしも均一な厚
みとはならないことから、１０μｍ以上、好ましくは１
５μｍ以上の厚みを有する肉厚部の幅Ｘ’が全体の線幅
Ｘの５０％以上となっていれば良い。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する（従
来例と同一部分は同一符合を用いる）。

【００１３】図１（ａ）（ｂ）に示すセラミックヒータ
１は、円柱状のセラミックス体１０の内部に発熱部２１
と引き出し部２２からなる発熱抵抗体２０を埋設し、こ
の発熱抵抗体２０の両端に導通した２つのリードパッド
３０を表面に備えたものであり、両方のリードパッド３
０に接続したリード線４０間に通電することによって発
熱させるようになっている。

【００１４】このセラミックヒータ１の製造方法は以下
の通りである。

【００１５】図１（ｂ）に示すように、まずセラミック
ス原料を所定の方法にて成形し、円柱状成形体１０ａと
シート状成形体１０ｂを用意する。次に、シート状成形
体１０ｂの一方面に高融点金属からなるペーストを用い
て発熱抵抗体２０を印刷するが、この発熱抵抗体２０は
線幅が細く蛇行状の発熱部２１と線幅が太い引き出し部
２２からなっている。また、図示していないがシート状
成形体１０ｂの他方面には同じペーストを用いてリード
パッド３０を形成し、発熱抵抗体２０の引き出し部２２
との間をスルーホールで導通している。

【００１６】そして、上記発熱抵抗体２０が内側となる
ようにシート状成形体１０ｂを円柱状成形体１０ａの側
面に巻き付けて密着させた後、全体を所定の条件で焼成
し一体化すれば、図１（ａ）に示すセラミックヒータ１
を得ることができる。

【００１７】また、図１では円柱状のセラミックヒータ
１を示したが、円筒状、角柱状、角筒状、平板状等さま
ざまな形状とすることもできる。

【００１８】上記セラミックス体１０を成す材質として
は、アルミナ、ムライト、窒化珪素等を用いるが、８５
〜９５重量％のＡｌ₂Ｏ₃を主成分とし残部がＳｉ
Ｏ₂、ＭｇＯ等からなるアルミナセラミックスが一般的
である。

【００１９】そして、上記発熱抵抗体２０は、高融点金
属からなる金属成分が５０〜９５体積％と、残部がセラ
ミックス体１０と同種のセラミックス成分からなってい
る。このように、発熱抵抗体２０が金属成分とセラミッ
クス成分の混合体からなるため、セラミックス体１０と
の熱膨張率の差が小さく、かつセラミックス体１０との
結合力が大きくなることにより、高温での耐久性を向上
することができるのである。なお、金属成分の比率を上
記範囲としたのは、５０体積％未満であると抵抗値が高
くなりすぎ、９５体積％を超えると耐久性を向上させる
効果が乏しいためであり、好ましくは６０〜９２％の範
囲が良い。

【００２０】また、上記金属成分としては、Ｗ，Ｍｏ，
Ｒｅ等の高融点金属、あるいは焼成時に分解、還元され
て金属化するような材料を用いる。一方セラミックス成
分としては、セラミックス体１０と同種のものとし、具
体的にはアルミナ、ムライト、窒化珪素等を用いる。

【００２１】さらに、上記発熱抵抗体２０中にセラミッ
クス成分を混合させるには、予め高融点金属のペースト
中にセラミックス粉末を添加したり、あるいは焼成時に
セラミックス体１０より発熱抵抗体２０中に拡散させれ
ば良い。焼成中に拡散させる場合は、金属成分の粒径と
種類が重要であり、これらを調整することで、自由にセ
ラミックス成分の拡散量を調整することができる。

【００２２】また、発熱抵抗体２０中の金属成分とセラ
ミックス成分の体積比は、最終的なセラミックヒータ１
の発熱抵抗体２０を露出させ、その表面をダイヤモンド
ペーストで研摩した後、画像解析によって１０×１０μ
ｍの範囲を分析して白い金属部分と黒いセラミックス部
分の面積比を求め、これを２０箇所測定して平均したも
のを体積比とする。

【００２３】さらに、最終的なセラミックヒータ１にお
いて、発熱抵抗体２０の発熱部２１における長さ方向と
垂直な断面（横断面）を図２に示す。このように、発熱
部２１の横断面形状は、中央部にほぼ均一な厚みで、こ
の厚みＹが１０μｍ以上、好ましくは１５μｍ以上であ
るような厚肉部２１ａと、次第に厚みが小さくなる端部
２１ｂを有している。そして、上記厚みＹが１０μｍ以
上である厚肉部２１ａの幅Ｘ’が全体の線幅Ｘに対して
５０％以上、好ましくは７０％以上となっていることを
特徴とする。

【００２４】なお、本発明における発熱抵抗体２０の厚
みＹとは、横断面におけるセラミックヒータ１の半径方
向の長さのことであり、線幅Ｘとは円周方向の長さのこ
とをいう。

【００２５】このように、発熱抵抗体２０の発熱部２１
は、大部分の厚みが１０μｍ以上と厚くなっていること
から、高温での使用時に厚み方向への酸化の進行を遅く
し、寿命を長くすることができる。

【００２６】なお、上記厚肉部２１ａの厚みＹは、スク
リーン印刷による製造上６５μｍ以下とする。

【００２７】また、発熱部２１の断面積は、所定の抵抗
値を得られるように予め定められていることから、上記
厚みＹを大きくするためには線幅Ｘを小さくしなければ
ならない。そして、種々実験の結果、両者の比Ｘ／Ｙを
１００以下とすれば、酸化の進行を遅らせて長寿命とで
きることを見出した。

【００２８】さらに、図３に示すように、本発明のセラ
ミックヒータ１は発熱抵抗体２０の発熱部２１が蛇行状
となっているが、この部分における線幅Ｘと間隔Ｚの比
Ｚ／Ｘを０．２５〜１．１２の範囲内としてある。これ
は、Ｚ／Ｘが０．２５未満であると間隔が狭すぎるため
にマイグレーションが生じやすくなって寿命が短くなる
ためであり、一方Ｚ／Ｘが１．１２を超えると間隔が広
すぎるためにセラミックヒータ１の表面に温度差が生
じ、マイクロクラック等が発生して寿命が短くなるため
である。

【００２９】なお、スクリーン印刷で形成する場合、線
幅Ｘ、間隔Ｚはいずれも０．２ｍｍ以上必要である。

【００３０】また、本発明の他の実施例として、図４
（ａ）に示すようにセラミックス体１０の両端面の周囲
に段部１１を形成することもできる。このようにすれ
ば、セラミックヒータ１の搬送時や機器への装着時等に
セラミックヒータ１が他部材と衝突しても、この段部１
１が衝撃を吸収緩和して欠けの発生を防止することがで
きる。しかも仮に欠けが発生した場合でも段部１１をな
す２箇所のエッジ近傍のみが欠けることから、大きな欠
けとはならず、発熱抵抗体２０が露出したり断線したり
することを防止できる。

【００３１】しかも、このセラミックヒータ１を酸素セ
ンサ加熱用に用いる場合、先端の閉じた筒状の酸素セン
サ素子中にセラミックヒータ１を挿入するが、セラミッ
クヒータ１の先端側端面が中央部が突出した形状である
ため、酸素センサ素子の内面形状と一致して加熱効率を
高めることができる。

【００３２】さらに、他の実施例を図４（ｂ）に示すよ
うに、セラミックス体１０の端面周囲に面取部１２を形
成しても良い。なお、図４（ｂ）ではＣ面の面取部１２
を示したがＲ面であっても良く、図４（ａ）のような段
部１１のエッジに面取部を形成したものであっても良
い。

【００３３】また、上記段部１１や面取部１２は、セラ
ミックス体１０の両方の端面または一方の端面に形成す
れば良く、一方の端面側のみに形成する場合はリードパ
ッド３０と反対側（先端側）の端面周囲に段部１１や面
取部１２を形成することが好ましい。

【００３４】なお、上記段部１１または面取部１２の高
さｂは０．３〜１ｍｍの範囲とするが、これは０．３ｍ
ｍ未満であると欠けを防止する効果に乏しく、一方１ｍ
ｍを超えると端部まで均一に加熱しにくくなるためであ
り、好ましくは高さｂは０．５〜１ｍｍの範囲が良い。

【００３５】また、段部１１または面取部１２の幅ｃと
発熱抵抗体２０までの距離ｄについては、両者の比ｄ／
ｃが２〜５の範囲内とする。これはｄ／ｃが２未満であ
ると、欠けが発生した時に発熱抵抗体２０が露出しやす
く、一方ｄ／ｃが５を超えると端部まで均一に加熱しに
くくなるためであり、好ましくはｄ／ｃが３〜５の範囲
が良い。

【００３６】なお、図４（ａ）に示す段部１１を有する
セラミックヒータ１を製造するためには、予め用意する
シート状成形体１０ｂよりも円柱状成形体１０ａの方を
長くしておいて、シート状成形体１０ｂを円柱状成形体
１０ａの側面に巻き付ける際に円柱状成形体１０ａの両
端が突出するようにすれば良い。このとき、セラミック
ヒータ１の段部１１の高さｂは円柱状成形体１０ａとシ
ート状成形体１０ｂの長さの差によって調整することが
でき、段部１１の幅ｃはシート状成形体１０ｂの厚みに
よって調整することができる。

【００３７】次に、本発明のセラミックヒータ１におけ
るリードパッド３０部分の断面を図５に示すように、発
熱抵抗体２０の引き出し部２２とリードパッド３０との
間にはスルーホール２５が備えられ、このスルーホール
２５中には、導電体として発熱抵抗体２０と同じ高融点
金属からなるペーストを充填し、完全に導通させるよう
になっている。

【００３８】また、リードパッド３０の表面の平坦度は
０．２ｍｍ以下、即ち表面に存在する凸部の最大高さが
０．２ｍｍ以下となっている。そのため、このリードパ
ッド３０上にＮｉ等のメッキを施した後リード線４０を
圧接させれば、リード線４０がリードパッド３０に面接
触して確実に接続させることができる。したがって、リ
ード線４０をロウ付けする必要がなく、簡単な構造とす
ることが可能となる。

【００３９】なお、このスルーホール２５部分の製造方
法は以下の通りである。

【００４０】まず、セラミックスのシート状成形体１０
ｂにスルーホール２５を形成し、このスルーホール２５
にＷ，ＭｏＲｅ等の高融点金属からなるペーストを充填
する。次に、シート状成形体１０ｂの一方面に発熱抵抗
体２０の引き出し部２２を、他方面にリードパッド３０
をそれぞれ同じペーストを用いてスクリーン印刷によっ
て形成すれば良い。このようにすれば、リードパッド３
０の表面に凸部が生じることを防止でき、平坦度を０．
２ｍｍ以下とすることができる。

【００４１】以上説明した本発明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
の加熱用ヒータ等に利用することができ、特に酸素セン
サ加熱用ヒータとして最適である。

【００４２】実験例１セラミックス原料としてＡｌ₂Ｏ₃９０重量％、残部が
ＳｉＯ₂、ＭｇＯ等からなるものを用い、円柱状成形体
１０ａとシート状成形体１０ｂを得た。一方、表１に示
すような組成、粒径の金属粉末に必要に応じてアルミナ
粉末を添加し、バインダーとしてエチルセルロース、溶
剤としてα−ＴＰＯ、ＤＢＰ等を適宜加えてペーストを
調整し、このペーストをシート状成形体１０ｂ上に印刷
して発熱抵抗体２０を形成した。次に、円柱状成形体１
０ａにシート状成形体１０ｂを巻き付けた後、１５００
〜１６００℃で焼成してセラミックヒータ１を得た。

【００４３】得られたセラミックヒータ１について、そ
れぞれ２０本ずつ１２００℃で連続使用試験を行い、断
線までの時間をワイブルプロットし、破壊確率が１％と
なる時間を耐久時間とした。

【００４４】結果は表１及び図６に示すように、金属成
分の比率を５０〜９５体積％としたもの（Ｎｏ．２〜
９、１１〜１６）は耐久時間が１００時間以上と優れて
いた。また、金属粉末の粒径を小さくすると焼成時のセ
ラミック成分の拡散が少なくなってセラミック成分の体
積比が小さくなり、金属成分の種類によってもセラミッ
ク成分の拡散量が異なることがわかる。

【００４５】

【表１】

【００４６】実験例２表１中のＮｏ．５のペーストを用いて、発熱抵抗体２０
の発熱部２１における線幅Ｘと厚みＹを種々に変化させ
たセラミックヒータ１を作製し、それぞれ上記実験例１
と同じ実験を行って耐久時間を求めた。なお、発熱部２
１における厚肉部２１ａの幅Ｘ’は、全体の線幅Ｘに対
して約９％とし、この厚肉部２１ａの厚みＹを変化させ
た。

【００４７】結果は表２及び図７に示すように、発熱抵
抗体２０の厚みＹが１０μｍ以上であれば耐久時間を１
００時間以上と長くできることがわかった。また、好ま
しくは厚みＹが１５μｍ以上で線幅Ｘと厚みＹの比Ｘ／
Ｙが１００以下、さらに好ましくはＸ／Ｙが６０以下と
すれば良い。

【００４８】

【表２】

【００４９】実験例３次に、図４（ａ）に示すセラミックヒータ１を試作して
欠けの発生量を調べる実験を行った。

【００５０】上記実験例と同様にしてセラミックヒータ
１を製造し、端面突出部の径ａ、段部１１の高さｂ、幅
ｃ、発熱抵抗体２０までの距離ｄを種々に変化させたも
のを作製した。

【００５１】得られたセラミックヒータ１を、長さ１ｍ
のステンレス製ケース中に５本ずつ入れ、このケースを
中央を支点として水平から上下４５°の範囲で揺動さ
せ、１０秒間に１回のサイクルで１００サイクル繰り返
した後、セラミックヒータ１を取り出して、発熱抵抗体
２０が露出するような欠けの発生率を調べた。

【００５２】結果を表４に示すように、段部１１のない
もの（Ｎｏ．１）に比べて段部１１を形成したもの（Ｎ
ｏ．２〜）は欠け発生率が小さいことがわかる。また、
段部１１の高さｂを大きくし、ｄ／ｃを大きくするほど
欠けの発生率が低くなり、特に高さｂを０．３ｍｍ以上
とし、ｄ／ｃを２以上としたものは、欠け発生率が０％
と優れていた。

【００５３】

【表３】

【００５４】実験例４上記実験例と同様にして本発明のセラミックヒータ１を
製造し、リードパッド３０表面の平坦度の異なるものを
作製した。それぞれ、リードパッド２０表面にのＮｉメ
ッキを施した後、リード線４０を圧接した。

【００５５】これらのセラミックヒータ１に対して、酸
素センサ用ヒータとして通常の突入電流である直流４Ａ
の電流を３０秒間流した後、切断するサイクルを繰り返
す実験を行った。

【００５６】その結果を表５に示すように、リードパッ
ド３０表面の平坦度が０．３ｍｍのものでは、１０サイ
クルでスパークが生じた。これは、リード線４０との接
合が点接触であるためである。これに対し、リードパッ
ド３０表面の平坦度を０．２ｍｍ以下とすれば、１００
０サイクル後もスパークが生じることはなかった。

【００５７】

【表４】

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、セラミ
ックス体中に、５０〜９５体積％の金属成分と残部がセ
ラミックス成分からなる発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵
抗体の発熱部における横断面が中央部に１０μｍ以上の
厚みを有する肉厚部と次第に厚みが小さくなる端部とか
ら形成されており、上記肉厚部の幅Ｘ’が全体の線幅Ｘ
の５０％以上となるようにセラミックヒータを構成した
ことによって、高温で使用した場合の発熱抵抗体の酸化
の進行を遅くして寿命を長くすることができる。したが
って、酸素センサ加熱用ヒータ等の高温での使用時にも
優れた耐久性を持ったセラミックヒータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを示しており、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は製造工程を示す図である。

【図２】本発明のセラミックヒータにおける発熱抵抗体
の横断面図である。

【図３】本発明のセラミックヒータにおける発熱抵抗体
の発熱部を示す平面図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は本発明のセラミックヒータの他
の実施例を示す縦断面図である。

【図５】本発明のセラミックヒータのリードパッド部を
示す縦断面図である。

【図６】セラミックヒータにおける発熱抵抗体中の金属
成分の体積比と耐久時間との関係を示すグラフである。

【図７】セラミックヒータにおける発熱抵抗体の線幅Ｘ
と厚みＹの比Ｘ／Ｙと耐久時間との関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ１０：セラミックス体１１：段部１２：面取部２０：発熱抵抗体２１：発熱部２１ａ：厚肉部２１ｂ：端部２２：引き出し部２５：スルーホール３０：リードパッド４０：リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 3/14 H05B 3/10 H05B 3/18 H05B 3/48 H05B 3/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス体中に、５０〜９５体積％の
金属成分と残部がセラミックス成分からなる発熱抵抗体
を埋設し、該発熱抵抗体の発熱部における横断面が中央
部に１０μｍ以上の厚みを有する肉厚部と次第に厚みが
小さくなる端部とから形成されており、上記肉厚部の幅
Ｘ’が全体の線幅Ｘの５０％以上となっていることを特
徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】上記肉厚部の厚みＹを１５μｍ以上とする
とともに、上記全体の線幅Ｘと上記厚みＹの比Ｘ／Ｙを
１００以下としたことを特徴とする請求項１記載のセラ
ミックヒータ。
【請求項３】上記セラミック体を円柱状に形成するとと
もに、該セラミック体の端面周囲に段部又は面取部を形
成し、かつ、段部又は面取部の幅ｃと該段部又は面取部
から上記発熱抵抗体までの距離ｄの比ｄ／ｃを３〜５と
したことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミッ
クヒータ。