JP3616245B2

JP3616245B2 - セラミックヒータの製造方法

Info

Publication number: JP3616245B2
Application number: JP07450298A
Authority: JP
Inventors: 義朗末松; 芳朗野田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2018-03-23
Also published as: JPH11273840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用酸素センサ、グローシステム、半導体加熱用、石油ファンヒータ等に使用されるセラミックヒータの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば酸素センサには、その検出素子の加熱のために、平板状や円筒状のセラミックヒータが使用されている。
例えば円筒状のセラミックヒータは、例えばアルミナからなる円筒状のセラミック基材（セラミック碍管）の表面に、ヒータパターンが形成されたグリーンシートが巻きつけられて、一体焼成されたものである。
【０００３】
この種のセラミックヒータは、通常、下記▲１▼〜▲５▼の手順にて製造される（特開平１−２２５０８７号公報及び特開平４−３２９２９１号公報参照）。
▲１▼まず、ドクターブレード法により、例えばアルミナを主成分とするスラリーを原料として、帯状のグリーンシートを連続して形成する。
【０００４】
▲２▼次に、このグリーンシートを所定寸法にカットした後に、グリーンシートの一方の面に、例えばタングステン等の高融点金属を有する金属ペーストを用いて、スクリーン印刷等のペースト印刷法により、ヒータパターンを厚膜印刷する。
▲３▼次に、グリーンシートの他方の面に（リード線が接続される）端子パターンを形成する。
【０００５】
▲４▼次に、前記グリーンシートのヒータパターンを覆って、他のグリーンシートを積層するとともに、この積層したグリーンシートを、セラミック基材の表面に積層し、一体焼成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した方法でセラミックヒータを製造する場合には、下記の問題が生じることがあった。
つまり、従来では、ヒータパターンを覆う様に他のグリーンシートを積層するので、端子パターンが外側に露出する構成となっていた。
【０００７】
そのため、両パターンが印刷されたグリーンシートを他のグリーンシートと圧着する時、或はその圧着したグリーンシートを切断する時、更には、切断されたグリーンシートをセラミック基材と一体成形する時などに、端子パターンが治具等に触れて、端子パターンに欠陥が生じることがあった。
【０００８】
また、その治具が、次に作製するグリーンシートやパターンに触れて、グリーンシートやパターンが汚れて、不良品が発生することがあった。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、パターンの欠陥の発生を防止できるとともに、他のグリーンシートやパターンの汚れの発生を防止できるセラミックヒータの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）前記目的を達成するための請求項１の発明は、グリーンシート上に導電パターンを印刷し、その後焼成するセラミックヒータの製造方法において、前記導電パターンを印刷した後に、前記導電パターンの表面を、可燃性物質を主成分とし前記焼成により消失する材料で覆い、その後前記焼成を行うことを特徴とするセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
【００１０】
本発明では、グリーンシート上に導電パターンを印刷した後に、導電パターンの表面を、可燃性物質を主成分とし焼成により消失する材料で覆っている。従って、その後の工程にて、各種の装置や道具（以下治具等と記す）が導電パターンの形成位置に接触したとしても、治具等には可燃性物質等が接触するだけであり、導電パターンは直接には治具等に触れることはない。そのため、導電パターンに欠陥が生じることはない。
【００１１】
また、治具等は導電パターンに付着により汚れることがないので、従来の様に、治具等に付着した導電パターンが、他のグリーンシートや他の導電パターンに付着し、その結果、他のグリーンシートや導電パターンが汚れて不良品となることを防止できる。
【００１２】
また、導電パターンを覆う材料は、可燃性物質を主成分とする材料であるので、焼成後には燃えて消失してしまい、例えばリード線の接続等に邪魔になることはない。
（２）請求項２の発明は、導電パターンが、ヒータパターン及び／又はヒータパターンと電気的に接続される端子パターンであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
【００１３】
本発明は、導電パターンを例示したものであり、導電パターンとしては、ヒータパターンや端子パターンが挙げられる。
このヒータパターンとしては、主として発熱を行う（例えば蛇行する）発熱パターンと、発熱パターンから伸びて発熱パターンに通電するためのリードパターンと、リードパターンの端部に形成されて端子パターンに接続される端部パターンとからなるものが挙げられる。尚、焼成後には、後述する様に、ヒータパターンはヒータ部となり、発熱パターンはヒータ発熱部となり、リードパターンはヒータリード部となり、端部パターンはヒータ端部となる。また、端子パターンは、焼成後に端子部となる。
【００１４】
（３）請求項３の発明は、グリーンシートの一方の面にヒータパターンを形成し、グリーンシートの他方の面に端子パターンを形成することを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
本発明は、各パターンの形成位置を例示したものであり、グリーンシートの両側に各々のパターンが形成されている。
【００１５】
つまり、通常、グリーンシート上のヒータパターンは、他のグリーンシートに積層されて覆われるので、端子パターンが外側に露出することになる。従って、この端子パターンを可燃性物質を主成分とする材料で覆うことにより、前記請求項１に示した様に、端子パターンが治具等の直接触れないという利点がある。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、可燃性物質を主成分とする材料が、可燃性樹脂を主成分とするペースト状の材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
本発明は、可燃性物質を主成分とする材料を例示したものであり、その材料として、可燃性樹脂を主成分とするペースト状の材料を使用することにより、例えばスクリーン印刷等のペースト印刷により、端子パターン等の導電パターンの表面を、容易に覆うことができる。
【００１７】
尚、可燃性樹脂としては、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等を採用できる。
（５）請求項５の発明は、可燃性物質の構成成分中に、可燃性粒子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
【００１８】
本発明では、導電パターンを覆う材料として、例えばペースト状の可燃性樹脂だけでなく、更に可燃性粒子を含んでいる。そのため、導電パターンを覆う材料からなる層（以下保護コートとも記す）の表面は、可燃性粒子により、平坦でなく、多少凹凸がある。
【００１９】
つまり、可燃性粒子が、保護コート中に適度に分散していることにより、保護コートの表面に適度が凹凸があるので、例えばグリーンシートの圧着を行なう際や、切断、セラミックス基材への一体成形の際などに、保護コートが治具等に付着しにくくなる。
【００２０】
また、通常、グリーンシートを積層した後に切断し、その切断した積層体を吸引により吸着して作業トレイ上に移送する作業が行われるが、この際にも、保護コートには可燃性粒子による適度な凹凸があることにより、吸着後の分離を好適に行なうことができる。つまり、吸引を停止すれば、積層体は確実に吸引治具より分離して、作業トレイ上に残置される。
【００２１】
（６）請求項６の発明は、可燃性物質中に、可燃性粒子を１０〜６０重量％含むことを特徴とする請求項５に記載のセラミックヒータの製造方法を要旨とする。
つまり、可燃性粒子が１０〜６０重量％の範囲であれば、適度な凹凸が実現されるので、保護コートの治具等への付着の防止や、吸引後の分離を確実に行なうことができる。
【００２２】
尚、前記グリーンシートとしては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする材料からなるものが挙げられる。
前記導電パターンの材料として、高融点材料である、白金（Ｐｔ）、白金−ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータの製造方法の例（実施例）を説明する。
（実施例）
（１）まず、本実施例の方法によって製造されるセラミックヒータの構造について説明する。
【００２４】
図１に示す様に、本実施例のセラミックヒータ１は、丸棒状であり、円筒状のセラミック基材（アルミナ碍管）２の周囲に、アルミナを主成分とする第１セラミック層３及び第２セラミック層４が積層されており、この第１セラミック層３及び第２セラミック層４の間に、タングステンを主成分とするヒータ部５が配置されている。
【００２５】
このヒータ部５は、図２に分解して示す様に、セラミックヒータ１の先端側で何度も蛇行するヒータ発熱部６と、セラミックヒータ１の後端側に配置されて電源側と接続される陽極側のヒータ端部７ａ及び陰極側のヒータ端部７ｂと、ヒータ発熱部６及び各ヒータ端部７ａ，７ｂを接続する一対のヒータリード部８ａ，８ｂとから構成されている。
【００２６】
また、第１セラミック層３には、各ヒータリード部８ａ，８ｂと対応して、導通部９ａ，９ｂが形成されている。この導通部９ａ，９ｂとは、第１セラミック層３のスルーホールの内表面に導電層が形成されたものである。
更に、第１セラミック層３のヒータ部５と反対側（図の上方）には、各導通部９ａ，９ｂと接続するように、陽極側の端子部１０ａ及び陰極側の端子部１０ｂが形成されている。
【００２７】
つまり、第１セラミック層３の反対側の面に設けられたヒータ部５の各ヒータ端部７ａ，７ｂと各端子部１０ａ，１０ｂとは、各導通部９ａ，９ｂにより各々電気的に接続されている。
（２）次に、セラミックヒータ１の製造方法について説明する。
【００２８】
尚、前記第１セラミック層３、第２セラミック層４、ヒータ部５、ヒータ発熱部６、陽極側のヒータ端部７ａ、陰極側のヒータ端部７ｂ、ヒータリード部８ａ，８ｂ、陽極側の端子部１０ａ、陰極側の端子部１０ｂは、各々、第１グリーンシート１３、第２グリーンシート１４、ヒータパターン１５、発熱パターン１６、陽極側の端部パターン１７ａ、陰極側の端部パターン１７ｂ、リードパターン１８ａ，１８ｂ、陽極側の端子パターン２０ａ、陰極側の端子パターン２０ｂが焼成されて形成されたものであるので、以下の説明では前記図２、図３及び図４を用いて説明する。
【００２９】
ａ）グリーンシートの作製
まず、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（純度９９．９％、平均粒径１．８μｍ）と、焼結助剤であるＳｉＯ_２粉末（純度９９．９％、平均粒径１．４μｍ）と、ＣａＯとなるＣａＣＯ_３粉末（純度９９．９％、平均粒径３．２μｍ）と、ＭｇＯとなるＭｇＣＯ_３粉末（純度９９．９％、平均粒径３．２μｍ）と、必要に応じて添加されるＹ_２Ｏ_３等の微量粉末とを、所定割合（例えばＡｌ_２Ｏ_３粉末９０重量部、ＳｉＯ_２粉末５重量部、ＣａＣＯ_３粉末３重量部、ＭｇＣＯ_３粉末２重量部）で配合して、配合物を調製した。
【００３０】
そして、この配合物１００重量部に対し、ポリブチルビニラール８重量部、ジブチルフタレート４重量部、メチルエチルケトン及びトルエン７０重量部を添加し、ボールミルで混合してスラリー状とした。
その後、減圧脱泡して、ドクターブレード法により、厚さ０．３ｍｍの第１グリーンシート１３と、厚さ０．２０ｍｍの第２グリーンシート１４を作製した。
【００３１】
ｂ）タングステンペーストの作製
Ｗ粉末（平均粒径１．５μｍ）、また必要に応じてＡｌ_２Ｏ_３粉末（平均粒径１．５μｍ）、及びＲｅ粉末（平均粒径１．５μｍ）を、所定の割合（例えばＷ粉末９０重量部、Ａｌ_２Ｏ_３粉末１０重量部）で配合された配合物１００に対して、ポリビニルブチラール５重量部、ブチルカルビドールアセテート２０重量部、アセトン７０重量部を添加し、ボールミルで混合し、スラリー状とした。その後。アセトンを乾燥して除去しタングステンペーストを得た。
【００３２】
ｃ）保護コートペーストの作製
可燃性物質として、可燃性樹脂のエチルセルロースと可燃性粒子の馬鈴薯デンプンとを、可燃性粒子が可燃性物質の１０〜６０重量％の範囲内で使用した。そして、可燃性物質とエチルセルロースの溶媒（例えばプチルカルビドール）とを、１；１の割合（重量比）で配合し、温度５０℃で混合して、ペースト状とし、保護コートペーストを得た。
【００３３】
前記可燃性粒子の粒径は、保護コート２２ａ，２２ｂの形成時に、適度な凹凸ができればよい。例えば今回用いた馬鈴薯デンプンの粒径は、、９０％粒径が６５μｍ、５０％粒径が３５μｍ、１０％粒径が１５μｍである。
ｄ）グリーンシートの切断
ドクターブレード法により形成された第１グリーンシート１３を、図３（ａ）に示す様に、一度に複数のヒータパターン１５を形成できる大きさの略正方形状に、例えばプレスにより切断した。尚、この切断の際に、同時に、導通部９ａ，９ｂとなるスルーホール２１ａ，２１ｂを打ち抜いて開けておく。
【００３４】
ｅ）発熱パターンの印刷
図３（ｂ）に示す様に、第１グリーンシート１３の一方の面１３ａ（図２では下面側）に、前記ｂ）にて作製されたタングステンペーストを用いて、ペースト印刷を行った。それにより、発熱パターン１６、リードパターン１８ａ，１８ｂ、及び端部パターン１７ａ，１７ｂからなる厚さ２５μｍのヒータパターン１５を形成した。
【００３５】
即ち、第１グリーンシート１３の一方の面１３ａを上にして、その面１３ａ上にヒータパターン１５を形成した。具体的には、ヒータパターン１５の形状に透孔が設けられた金属製のマスク（図示せず）を使用して、厚膜印刷（スクリーン印刷）し、その後乾燥した。
【００３６】
ｆ）端子パターンの印刷
図３（ｃ）に示す様に、第１グリーンシート１３を裏返し、その他方の面１３ｂ（図２では上方側）の所定位置、即ちスルーホール２１ａ，２１ｂに対応する位置に、前記と同様のタングステンペーストを使用してスクリーン印刷を行い、陽極側の端子パターン２０ａ及び陰極側の端子パターン２０ｂを厚膜印刷した。
【００３７】
ｇ）保護コートの印刷
図３（ｄ）に示す様に、前記ｃ）にて作製された保護コートペーストを用いて、両端子パターン２０ａ，２０ｂの上から、両端子パターン２０ａ，２０ｂを覆う様にペースト印刷した。
【００３８】
これにより、図４に一部を示す様に、両端子パターン２０ａ，２０ｂ上に、該両端子パターン２０ａ，２０ｂの周囲をも覆う様に、両端子パターン２０ａ，２０ｂよりも大きな径の保護コート２２ａ，２２ｂが形成される。
ｈ）グリーンシートの積層
図３（ｅ）に示す様に、この第１グリーンシート１３のヒータパターン１５が印刷された一方の面１３ａ側に、ヒータパターン１５を覆うように、第２グリーンシート１４を積層して圧着した。尚、圧着は、第２グリーンシート１４上に第１グリーンシート１３を載置し、積層する様にして行なった。
【００３９】
ｉ）積層体の切断
図３（ｆ）に示す様に、第２グリーンシート１４及び第１グリーンシート１３からなる積層体２３を、個々のヒータパターン１５等を分離する様に切断した。
そして、この切断された積層体２３は、図示しないが、吸引治具を用いて吸着され、次の作業のために作業トレイ上に移動され、その後吸引を停止され、吸引治具から分離されて作業トレイ上に載置される。
【００４０】
ｊ）セラミックヒータ成形体の作製
次いで、積層体２３において第２グリーンシート１４の積層側とは反対の表面（図２の下面側）に、アルミナペ−スト（共素地）を塗布し、この塗布面をアルミナ製碍管２に向けて、積層体２３をアルミナ碍管２に巻き付け、外周を押圧して、セラミックヒータ成形体を得た。
【００４１】
ｋ）セラミックヒータ成形体の焼成
上記の様にして得られたセラミックヒータ成形体を、２５０℃で樹脂抜きし、その後、水素炉中で、１５５０℃で１時間３０分間保持して焼成し、第１及び第２セラミック層３，４、ヒータ部５、両端子部２０ａ，２０ｂ、アルミナ碍管２が一体化した、前記図１に示すセラミックヒータ１を得た。
【００４２】
この様に、本実施例のセラミックヒータ１の製造方法では、端子パターン２０ａ，２０ｂを覆う様に、保護コート２２ａ，２２ｂを形成するので、治具等に端子パターン２０ａ，２０ｂが直接に接触しない。そのため、端子パターン２０ａ，２０ｂに欠陥が生じることを防止できる。
【００４３】
また、治具等の表面に端子パターン２０ａ，２０ｂを構成する金属ペーストが付着しないので、治具等が汚れることがない。それにより、治具等の表面に付着した金属ペーストが、従来の様に、他のグリーンシート等に付着しないので、他のグリーンシート等が汚れることがない。よって、不良品の発生を抑制できる。
【００４４】
また、本実施例では、保護コート２２ａ，２２ｂ中に、可燃性粒子が含まれているので、前記圧着を行なう際や、切断、セラミックス基材への一体成形の際などに、保護コート２２ａ，２２ｂが治具等に付着しにくくなる。よって、作業中における保護コート２２ａ，２２ｂの剥離等を防止できる。更に、積層体２３を吸引して移動させる際に、吸引治具から容易に分離できるという利点がある。
【００４５】
その上、本実施例では、保護コート２２ａ，２２ｂは可燃性であるため、焼成の工程で全て燃えてしまい、焼成されたセラミックヒータ１には、悪影響を及ぼさない。
（実験例）
次に、本実施例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。
【００４６】
まず、上述した実施例の製造方法（但し比較例は保護コートなし）にて、セラミックヒータを作製する際に、下記表１に示す様に、保護コートの有無及び可燃性粒子の可燃性物質に対する割合を変更し、各試料Ｎｏ．１〜６毎に、各々１００本づつのセラミックヒータを作製した。
【００４７】
そして、各試料毎に、汚れ不良、治具吸着不良、保護コート剥がれ不良を調べた。
・汚れ不良は、端子パターン以外に何等かの汚れ（金属ペーストの付着）が発生したセラミックヒータの本数を計数し、その割合で示した。
【００４８】
・治具吸着不良は、分離した積層体を吸引して移動させ、その後吸引を停止して離す際に、スムーズに離れずに、配置場所からずれたりした本数を計数し、その割合で示した。
・保護コート剥がれ不良は、形成した保護コートが、作業工程にて、めくれたり剥離した本数を計数し、その割合で示した。
【００４９】
【表１】

【００５０】
この表１から明かなように、本発明の範囲の実施例の製造方法の場合（試料Ｎｏ．１〜５）は、端子パターンを覆う様に保護コートを設けるので、汚れ不良が５％以下と少なく好適である。
特に、可燃性粒子の割合が１０〜６０重量％の範囲の場合（試料Ｎｏ．２〜４）は、治具吸着不良が１０％以下と少なく、しかも、保護コート剥がれ不良が５％以下と少なく、一層好適である。
【００５１】
それに対して、比較例の場合（試料Ｎｏ．６）は、保護コートがないので、汚れ不良が３０％と多く好ましくない。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００５２】
（１）例えば、前記実施例では、セラミックヒータの形状として、円筒状のものを形成したが、板状のセラミックヒータとしてもよい。
（２）また、セラミック基材としては、両端に通じる孔の開いた筒状（例えば円筒状）のもの、一端が閉塞された筒状（例えば円筒状）のもの、あるいは孔の開いていない柱状（例えば円柱状）のもの等を採用できる。
【００５３】
（３）前記実施例では、端子パターンを保護コートで覆ったが、ヒータパターン等の他のパターンを保護コートで覆ってもよい。特に、パターンが露出する場合には、保護コートで覆う効果が大きい。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述した様に、本発明では、グリーンシート上に導電パターンを印刷した後に、導電パターンの表面を、可燃性物質を主成分とし焼成により消失する材料で覆っている。従って、その後の工程にて、治具等が導電パターンの形成位置に接触したとしても、導電パターンに欠陥が生じない。
【００５５】
また、治具等は導電パターンに付着により汚れることがないので、従来の様に、治具等に付着した導電パターンが、他のグリーンシートや他の導電パターンに付着し、その結果、他のグリーンシートや導電パターンが汚れて不良品となることを防止できる。
【００５６】
特に、可燃性物質を主成分とする材料中に、可燃性粒子が含まれている場合には、例えばグリーンシートの圧着を行なう際や、切断、セラミックス基材への一体成形の際などに、保護コートが治具等に付着しにくくなる。また、例えばグリーンシートを吸引して移動する場合には、移動後にグリーンシートを確実に分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータの一部を破断して示す斜視図である。
【図２】セラミックヒータを分解して示す斜視図である。
【図３】セラミックヒータの製造方法を示す説明図である。
【図４】保護コートの形成位置を示す説明図である。
【符号の説明】
１…セラミックヒータ
３…第１セラミック層
４…第２セラミック層
５…ヒータ部
６…発熱部
１０ａ，１０ｂ…端子部
１３…第１グリーンシート
１４…第２グリーンシート
１５…ヒータパターン
１６…発熱パターン
２０ａ，２０ｂ…端子パターン
２２ａ，２２ｂ…保護コート
２３…積層体

Claims

グリーンシート上に導電パターンを印刷し、その後焼成するセラミックヒータの製造方法において、
前記導電パターンを印刷した後に、前記導電パターンの表面を、可燃性物質を主成分とし前記焼成により消失する材料で覆い、その後前記焼成を行うことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
前記導電パターンが、ヒータパターン及び／又は該ヒータパターンと電気的に接続される端子パターンであることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
前記グリーンシートの一方の面に前記ヒータパターンを形成し、前記グリーンシートの他方の面に前記端子パターンを形成することを特徴とする前記請求項２に記載のセラミックヒータの製造方法。
前記可燃性物質を主成分とする材料が、可燃性樹脂を主成分とするペースト状の材料であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
前記可燃性物質の構成成分中に、可燃性粒子を含むことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
前記可燃性物質中に、前記可燃性粒子を１０〜６０重量％含むことを特徴とする前記請求項５に記載のセラミックヒータの製造方法。