JP3906136B2 - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス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、各種センサの加熱、グローシステム、半導体の加熱、石油ファンヒータの点火などの用途で、セラミックスヒータが広く使用されている。例えば、内燃機関の排気管中に装着されて排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサでは、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必要があり、その加熱用にセラミックスヒータが使用されている。
【0003】
この種のセラミックスヒータとして、図6に示すように、円筒形のセラミックス芯材23の表面に、密着のためのセラミックス層28、第1のセラミックスシート22a、発熱抵抗体24と電極引出部25、第2のセラミックスシート22bをこの順番で積層巻回した構造のものが、特許文献1や特許文献2、特許文献3に種々提案されている。セラミックスシート22bの上には、さらに電極パッド27が形成され、電極引出部25と電極パッド27は、スルーホール26により接続されている。
【0004】
このような構造のセラミックスヒータ21は以下の工程を経て製造される。
【0005】
工程A:第1および第2のセラミックス層を形成するための原料粉末(アルミナ粉末など)を混合してスラリー状とし、それを薄板状に成形して第1および第2の2枚の矩形状のセラミックスシートを作製する。
【0006】
工程B:第2のセラミックスシート22bの表面に、高融点金属ペースト(タングステンペーストなど)から成る複数組の発熱抵抗体24および電極引出部25を、ペースト印刷法を用いて形成する。このとき、発熱抵抗体24および電極引出部25の各組が第2のセラミックスシート22bの長手方向に配置されるようにする。
【0007】
工程C:第2のセラミックスシート22bにおける発熱抵抗体24および電極引出部25が形成された面の上に第1のセラミックスシート22aを重ね合わせ、第1および第2のセラミックスシート22a、22bを圧着する。
【0008】
工程D:発熱抵抗体24および電極引出部25が1組ずつ独立するように、積層した第1および第2のセラミックスシート22を長手方向に対して垂直に切断分離して、短冊状のセラミックスシート22を作製する。
【0009】
工程E:密着のためのセラミックス層28を形成するための原料粉末(アルミナ粉末など)を混合してスラリー状としたセラミックスペーストを作製する。そして、当該セラミックスペーストを各セラミックスシート22の表面に塗布する。
【0010】
工程F:各セラミックスシート22の上に形成された密着のためのセラミックス層28の上に、予め作製しておいたセラミックス芯材23を載置する。このとき、各セラミックスシート22の長手方向に対して平行な所定位置にセラミックス芯材23が配置されるように、各セラミックスシート22に対してセラミックス芯材23を1本ずつ載置する。
【0011】
工程G:セラミックスシート22をセラミックス芯材23の外周に巻き付け、セラミックスペーストの塗布面をセラミックス芯材23に密着させる。工程H:セラミックス芯材23,密着のためのセラミックス層28,第1のセラミックスシート22a,発熱抵抗体24および電極引出部25,第2のセラミックスシート22bを一体焼成して相互に密着固定させる。その結果、図6に示したような丸棒状のセラミックスヒータが完成する。
【0012】
【特許文献1】
特開平1−225087号公報
【特許文献2】
特開平4−329291号公報
【特許文献3】
特開2000−123959号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記セラミックスシート22bにスルーホール26を形成し、該スルーホール26にインクを充填する際に、インクが十分充填されず、スルーホール26の部分で断線が発生したり、スルーホール26部分の抵抗値が増加して発熱し、この部分の耐久性が低下したりするという問題があった。
【0014】
また、セラミックスシート22bの表面に形成した発熱抵抗体24に欠陥があるものの除去がうまくできず、これが発熱抵抗体24に欠陥のない良品中に混入してしまうという問題があった。
【0015】
また、セラミックスシート22に発熱抵抗体24を形成する際に、製版やW、Mo、Re等の高融点金属を分散させたペースト中に異物が付着したり混入したりすることにより、発熱抵抗体24パターンに欠陥が生成することがあると、作製したセラミックヒータ21の耐久性が低下してしまうという問題があった。
【0016】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、発熱抵抗体24をスクリーン印刷したセラミックスシート22をセラミックス芯材23に巻き付ける工程を自動化するにあたり、再現性良く均質なセラミックヒータ21を作製することができるような製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明のセラミックヒータの製造方法は、発熱抵抗体を内蔵してなるセラミックヒータの製造方法において、セラミックス原料粉末に溶剤および結合材を添加した後にシート状に形成したセラミックスシート表面に複数の発熱抵抗体を形成する工程と、各発熱抵抗体が独立するように前記セラミックシートを複数のセラミックスシートに切断する工程と、切断された各セラミックスシートを、紙を介して定盤上に一定間隔をあけて整列させ、前記紙を介して前記定盤上に吸着固着する工程と、各セラミックスシートの表面にセラミックスペーストを塗布し、各セラミックスシートのセラミックスペーストが塗布された面の上にセラミック芯材を載置し、各セラミックスシートを前記芯材の外周に巻きつける工程と、を含むことを特徴とする。
【0018】
また、本発明のセラミックヒータの製造方法は、セラミックスシートの表面に前記発熱抵抗体を形成する工程の後に、前記発熱抵抗体の欠陥を検査し、該欠陥が観察された前記発熱抵抗体にマーキングを形成し、該マーキングが施された前記発熱抵抗体を以降の工程から除去するための発熱抵抗体の検査工程を備えることを特徴とする。
【0021】
これらの改良により、耐久性良好なセラミックヒータを不良品を混入させることなく作製することが可能となった。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面と共に説明する。図1(a)は、本実施形態により作製されたセラミックヒータ1を示す斜視図であり、図1(b)は、その展開斜視である。
【0023】
セラミックスシート2には、発熱抵抗体4、電極引出部5、スルーホール6、電極パッド7が形成されている。発熱抵抗体4は、セラミックヒータ1の先端側に配置され、セラミックヒータ1の長手方向に対して垂直方向に複数回蛇行するように形成されている。尚、発熱抵抗体4の形状および寸法は、セラミックヒータ1の使用目的に応じて、加熱対象に合わせて設定されている。また、電極パッド7はセラミックヒータ1の後端側外周部に配置されている。そして、電極パッド7はスルーホール6を介して電極引出部5に接続され、さらに電極引出部5が発熱抵抗体4の両端部とそれぞれ接続されている。また、電極パッド7には、メッキ層8が形成されその表面に必要に応じてリード部材9がロウ材10により接合されている。
【0024】
そのため、ふたつの電極パッド7間に電圧を印加すると、電極パッド7から各スルーホール6および電極引出部5を介して発熱抵抗体4に通電がなされ、発熱抵抗体4が発熱する。
【0025】
次に、本発明のセラミックヒータ1の製造方法について説明する。
【0026】
本発明のセラミックヒータ1の製造方法は、図2に示すようにセラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシート2にスルーホール6を複数組み形成し、該セラミックスシート2を紙12の上に設置し、前記スルーホール6にインクを圧入したのち、前記紙12への着色により前記スルーホール6へのインクの充填を確認し、その後前記セラミックスシート2の一方の主面に通電されることにより発熱する発熱抵抗体4を複数組形成し、その後セラミックスシート2の他方の主面の前記スルーホール6形成位置に電極パッド7を形成することを特徴とする。
【0027】
前記インクがスルーホール6を通して前記紙12の表面に到達し、スルーホール6の形状と同じ形状の着色が見られたら充填良好、着色が見られなかったら充填不良というように簡便にインクの充填の状態を評価することができる。
【0028】
このように、スルーホール6へのインクの充填を確認してセラミックヒータ1を作製することにより、使用中の電極パッド7付近における発熱を防止し、耐久性良好なセラミックヒータ1とすることが可能となる。
【0029】
また、本発明のセラミックヒータ1の製造方法は、円筒状もしくは円柱状のセラミックヒータ1の製造方法において、セラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシート2の表面に発熱抵抗体4を形成した後、図1(c)に示したような発熱抵抗体4の欠陥bを図3に示したようにCCDカメラ10を用いて検査し、欠陥bが観察された発熱抵抗体4には図4に示したようにマーキング11を形成し、該マーキング11が施された発熱抵抗体4はセラミックス芯材3に周回密着する工程から除去する。
【0030】
このように、発熱抵抗体4のパターンに生成した欠陥bの有無をCCDカメラ等を用いて画像解析することにより確認し、欠陥bがある場合は発熱抵抗体4付近にマーキング11を施し、図5に示したように分割したセラミックスシート2にセラミックス芯材3を設置する際に、このマーキング11を施したものにはセラミックス芯材3を設置しないようにすることにより、発熱抵抗体4に欠陥があるものが良品中に混入することを防止することができる。
【0031】
なお、上記発熱抵抗体4の欠陥の大きさについては、図1(c)に示すように欠陥の大きさtが発熱抵抗体4の幅Tの1/2以上の大きさのものを不良として識別した。
【0032】
上記のように、CCDカメラを用いて発熱抵抗体4の欠陥bを確認し、画像解析することにより欠陥の大きさを判断して良品不良品を判断することにより、人による検査における欠陥bの見逃しを防止することができる。また、発熱抵抗体4および電極引出部5を形成したセラミックスシート2をセラミック芯材3に密着する工程を自動化するために、このような不良検出工程を取り入れることにより不良の混入を防止すれば、加工するセラミックヒータ1の信頼性を向上させることができる。
【0033】
また、セラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシート2の表面に発熱抵抗体4および電極引出部5を形成した後、各発熱抵抗体4および電極引出部5が独立するようにセラミックスシート2を複数のセラミックスシート2に切断し、図5に示したように、各セラミックスシート2を、通気性を有する紙12を介して不図示の定盤上に一定の間隔を介して整列させ、前記紙12を介して定盤上に吸着固定し、その後、各セラミックスシート2の表面に密着用のセラミックスペーストを塗布し、各セラミックスシート2のセラミックスペーストが塗布された面の上にセラミックス芯材3を載置し、そのセラミックス芯材3が各セラミックスシート2に載置された状態で各セラミックスシート2を移動させる第1の工程と、各セラミックスシート2をセラミックス芯材3の外周に巻き付け、セラミックスペーストの塗布面をセラミックス芯材3に密着させる第2の工程と、セラミックスシート2と、発熱抵抗体4および電極引出部5と、セラミックスペーストとを、セラミックス芯材3に密着した成形体を一体焼成する第3の工程とを備えた製造方法とするとよい。
【0034】
上記のように、個々のセラミックヒータ1用に分割されたセラミックスシート2を一定の間隔を取って配置することにより、セラミックスシート2上にセラミックス芯材3を配置する際に、隣のセラミックスシート2にセラミックス芯材3が触れてセラミックスシート2の位置が変わり、次のセラミックスシート2にセラミックス芯材3を設置する際に位置ずれによる不良の発生を防止することができる。
【0035】
また、上記のように個々のセラミックヒータ1用に分割されたセラミックスシート2の表面に密着液を塗布する際、セラミックスシート2の下に紙12を敷いて密着液を塗布し、セラミックスシート2を除去したあと紙12を除去し、次に新しい紙12をセットした後その上に新たなセラミックスシート2を設置して密着液を塗布するようにすれば、セラミックスシート2から食み出た密着液が次の作業に影響しないようにすることができる。
【0036】
また、上記紙12をロール紙として、分割したセラミックスシート2を載せた後の運搬用媒体としても構わない。
【0037】
また、セラミックスシート2を設置する部分の紙の一部に穴を形成し、その穴の下の定盤に吸着穴を形成すれば、密着液塗布時にセラミックスシート2が製版にくっ付いたり、位置ずれが発生したりすることを防止し、密着不良が発生することを防止することができる。また、紙として通気性のある紙12を使用すれば、紙12に穴を形成することなくセラミックスシート2を吸着固定することができる。
【0038】
上記のような発明を実施することにより、不良が良品に混入することなく耐久性良好なセラミックヒータを製造することが可能となる。
【0039】
また、このような製造方法とすることにより、セラミックスシート2に発熱抵抗体4を形成し、その上にセラミックス芯材3を密着する工程を容易に自動化することが可能となる。理想的には、セラミックスシート2にスルーホールを形成する工程から、セラミックスシート2にセラミック芯材3を密着する工程まで連続加工できる自動化ラインを構築することが望ましい。
【0040】
さらに、発熱抵抗体4を形成した前記セラミックスシート2を加圧処理したのち発熱抵抗体4を形成した一方の主面上に、前記セラミックスシート2と略同一の組成からなる、少なくとも発熱抵抗体4を被覆する保護層を形成することを特徴とする。
【0041】
この保護層は、セラミックスシート2をセラミックス芯材3に密着する際に、セラミックスシート2に塗布する密着液により、発熱抵抗体4や電極引出部5が密着液に含有されている溶剤に溶解して変形したり断線したりすることを防止するために有用である。また、セラミックスシート2に加圧処理を施すことにより、発熱抵抗体4の形成により発生した段差を小さくすることができ、保護層の形成が容易になる。
【0042】
次に、セラミックスシート2の製造方法の一例について説明する。まず、Al2O3を主成分として、Al2O3、SiO2、CaO、MgO、ZrO2を適宜混合したセラミック粉末を準備し、さらに、有機バインダー、有機溶剤を適宜混合してスラリーとし、これをドクターブレード法でシート状に成形する。
【0043】
その後、セラミックヒータ1の電極パッド7と電極引出部5の導通を取るためのスルーホール6を形成し、該スルーホール6にW、Mo、Re等の高融点金属粉末とセラミックスシート2と同様の組成のセラミック粉末を分散させたインクを充填し、セラミックスシート2の表面に発熱抵抗体4および電極引出部5、電極パッド7を、さらにその裏面に電極パッド7を、Wを主成分とするペーストを用いてプリント印刷する。また、必要に応じて発熱抵抗体4および電極引出部5の上にセラミックスからなる保護層を形成しても構わない。このセラミックスシート2を適当な大きさに切断した後、セラミックスシート2の表面に密着液を塗布して、前記セラミックス芯材3に密着させ、還元雰囲気中1500〜1650℃の温度で焼成して棒状のセラミックヒータ1を得る。
【0044】
また、セラミックス原料粉末の主材料としては、高温高強度セラミックスであればどのようなもの(例えば、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)を用いてもよい。そして、焼成促進剤としては、SiO2、MgO、CaO以外に酸化ホウ素(B2O3)を配合してもよく、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、炭酸塩などの各種塩や水酸化物として配合してもよい。
【0045】
まず、セラミックスシート2の表面に、厚さ10〜30μmのW、Mo、Reの内1種以上の金属からなる高融点金属ペーストから成る複数組の発熱抵抗体4、及び電極引出部5、電極部7をスクリーン印刷法等を用いて形成する。このとき、各発熱抵抗体4、および電極引出部5、電極部6がセラミックスシート2の長手方向に配置されるようにする。
【0046】
また、セラミックス芯材3の製造法について、以下に説明する。セラミックス原料粉末に、溶剤および結合剤としてメチルセルロース1%,マイクロクリスタリンワックス(商品名)15%,水10%を添加して混練する。そして、押出成形法で円筒状に成形し、所定寸法に切断後、1000〜1250℃で仮焼することにより、セラミックス芯材3を作製する。
【0047】
また、図4に示したように、枠14にセラミックスシート2を枠貼りして上記のようなスルーホール6の穴加工、インク埋め込み、発熱抵抗体4および電極引出部5の形成、電極パッド7の形成、および発熱抵抗体4の欠陥bの確認、セラミックスシート2の切断の作業を実施すれば、加工時の位置ずれを防止することができる。また、枠14に番号を付けて取り扱うようにすれば、セラミックスシート2の取り違いを防止することができる。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱抵抗体をセラミックス体に内蔵してなるセラミックヒータの製造方法において、セラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシートにスルーホールを形成し、該セラミックスシートを紙の上に載置し、前記スルーホールにインクを圧入したのち前記紙への着色により前記スルーホールへのインクの充填を確認し、その後前記セラミックスシートの一方の主面に発熱抵抗体を他方の主面に電極パッドをそれぞれ形成することにより、電極パッド付近が発熱し耐久性が劣化することを防止することができる。
【0049】
また、発熱抵抗体をセラミックス体に内蔵してなるセラミックヒータの製造方法において、セラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシートの表面に発熱抵抗体を形成した後、発熱抵抗体の欠陥を検査し、欠陥が観察された発熱抵抗体にはマーキングを形成し、該マーキングが施された発熱抵抗体は以降の工程から除去することにより、発熱抵抗体に欠陥があるものが良品に混入することを防止することが可能となる。
【0050】
また、発熱抵抗体をセラミックス体に内蔵してなる円筒状もしくは円柱状のセラミックヒータの製造方法において、セラミックス原料粉末に溶剤および結合剤を添加した後にシート状に成形したセラミックスシートの表面に発熱抵抗体を形成した後、各発熱抵抗体が独立するようにセラミックスシートを複数のセラミックスシートに切断し、各セラミックスシートを、通気性を有する紙を介して定盤上に一定の間隔を介して整列させ、前記紙を介して定盤上に吸着固定し、その後、各セラミックスシートの表面にセラミックスペーストを塗布し、各セラミックスシートのセラミックスペーストが塗布された面の上にセラミックス芯材を載置し、そのセラミックス芯材が各セラミックスシートに載置された状態で各セラミックスシートを移動させる工程と、各セラミックスシートをセラミックス芯材の外周に巻き付け、セラミックスペーストの塗布面をセラミックス芯材に密着させる工程と、得られた成形体を一体焼成する工程とを備えることにより、セラミックシートにセラミック芯材を設置する際に他のセラミックシートにセラミック芯材が触れることを防止し、セラミックヒータの製造を容易に自動化することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明のセラミックヒータの斜視図であり、(b)はそのセラミックヒータの展開斜視図であり、(c)はその部分拡大図である。
【図2】本発明のセラミックヒータの製造方法の一例を示す説明図である。
【図3】本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体の欠陥の検出方法の一例を示す斜視図である。
【図4】本発明のセラミックヒータの製造方法の一例を示す平面図である。
【図5】本発明のセラミックヒータの製造方法の一例を示す斜視図である。
【図6】従来のセラミックヒータの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 セラミックヒータ
2 セラミックスシート
3 セラミックス芯材
4 発熱抵抗体
5 電極引出部
6 スルーホール
7 電極パッド
8 リード部材
10 カメラ
11 マーキング
12 枠
14 紙
Claims (2)
- 発熱抵抗体を内蔵してなるセラミックヒータの製造方法において、
セラミックス原料粉末に溶剤および結合材を添加した後にシート状に形成したセラミックスシート表面に複数の発熱抵抗体を形成する工程と、
各発熱抵抗体が独立するように前記セラミックシートを複数のセラミックスシートに切断する工程と、
切断された各セラミックスシートを、紙を介して定盤上に一定間隔をあけて整列させ、前記紙を介して前記定盤上に吸着固着する工程と、
各セラミックスシートの表面にセラミックスペーストを塗布し、各セラミックスシートのセラミックスペーストが塗布された面の上にセラミック芯材を載置し、各セラミックスシートを前記芯材の外周に巻きつける工程と、を含むセラミックヒータの製造方法。 - セラミックスシートの表面に前記発熱抵抗体を形成する工程の後に、前記発熱抵抗体の欠陥を検査し、該欠陥が観察された前記発熱抵抗体にマーキング形成し、該マーキングが施された前記発熱抵抗体を以降の工程から除去するための発熱抵抗体の検査工程を備え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。
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