JP4198845B2

JP4198845B2 - セラミックヒータの製造方法

Info

Publication number: JP4198845B2
Application number: JP30463999A
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: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: JP2001126852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータの製造方法に関し、耐久性の高いセラミックヒータを製造する方法に関する。本発明によると、自動車用酸素センサ、グローシステム、半導体加熱用セラミックヒータ及び石油ファンヒータ等に使用される石油気化用熱源等として使用されるセラミックヒータを製造することができる。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックヒータは、一般にグリーンシート（セラミックグリーンシート）の表面にヒータパターンを印刷し、このヒータパターンを覆うように他のグリーンシートを積層し、その後、一体に焼成して得ることができる。従来、このグリーンシートの積層工程においては、グリーンシートの所定の部位、通常、その全面に溶剤を塗布し、その後、余剰の溶剤を拭き取り、次いで、グリーンシートを重ね合わせ、圧着装置等により加圧して圧着している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような方法によりグリーンシートを積層する場合、布等による溶剤の拭き取りの際に、グリーンシート上に塵埃が残留し易く、焼成により塵芥の存在した部位は微細な空隙となる。この空隙は、時に連通することもあり、十分に発熱抵抗体を密封し、酸化を防ぐことができないことがあった。そのため、発熱抵抗体の抵抗値の上昇や、発熱抵抗体の断線を招くことがあった。
本発明は、上記の問題点を解決するものであり、塵芥をグリーンシート上に残留させることなく、積層することができ、発熱抵抗体の耐久性を長期にわたり保持することの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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１発明のセラミックヒータの製造方法は、一面に形成されるヒータパターンを備える一のセラミックグリーンシートの、該一面に、他のセラミックグリーンシートを圧着し、これらを一体に焼成するセラミックヒータの製造方法において、該圧着する際に、該一のセラミックグリーンシート及び該他のセラミックグリーンシートのうちの少なくとも一方を、該セラミックグリーンシートに含まれるバインダの融点のうちの最も低い融点を有する低融点バインダの融点を上回る温度に加熱して圧着し、圧着後、温度を低下させて上記低融点バインダを固化し、上記低融点バインダを含有するセラミックグリーンシートには、更に、該融点を上回る融点又は分解温度を有する高融点バインダが含有され、上記高融点バインダが分解する温度にて焼成することを特徴とする。
尚、上記「セラミックグリーンシート」という用語は、以下、「グリーンシート」と略記する。
【０００５】
上記「一のグリーンシート及び他のグリーンシート」には、少なくとも１種のバインダが含有されている。ヒータパターンを備える一のグリーンシート及びこのグリーンシートに積層される他のグリーンシートの少なくとも一方に含有されたバインダのうち、最も融点の低い低融点バインダの融点を上回る温度に、この低融点バインダを含有するグリーンシートを加熱後圧着することにより、少なくとも一部の低融点バインダは、加熱によりグリーンシート外に滲みだし、圧着時に両グリーンシートを接着する役目をはたす。圧着後、温度が低下すると共に低融点バインダは固化し、２枚のグリーンシートは十分に密着される。従って、溶剤の塗布及び拭き取りの工程は必要とせず、塵埃の残留を防止することができる。
【０００６】
この低融点バインダは、通常、圧着される２枚のグリーンシートのうちの一方に含有されれば、その効果は発揮されるが、両方に含有されてもよい。また、この低融点バインダの融点は、所期の効果が得られる限り特に限定はされない。しかし、この融点が低すぎる場合はグリーンシートの保管、並びに室温においても低融点バインダが滲出する場合があること等のように圧着時の作業等において、取り扱い難くなるため好ましくない。一方、この融点が高すぎる場合は、圧着の温度を高くする必要があり、必要以上のエネルギーを消費することとなる。
従って、低融点バインダの融点は第２発明のように、３０〜８０℃（より好ましくは５０〜７０℃）であることが好ましい。この温度が、５０℃、特に３０℃未満であると、室温が高い場合は圧着時以外にも低融点バインダが滲出することがあり、７０℃、特に８０℃を超えると耐熱性の高い治具を必要とする。
【０００７】
このような低融点バインダとしては、１−トリデカノール（融点；３０．６℃）、１−テトラデカノール（融点；３６．４℃）、１−ヘキサデカノール（融点；４９．５℃）及び１−オクタデカノール（融点；５７℃）等の高級アルコールを使用することができる。また、カプリン酸（融点；３１．４℃）、ラウリン酸（融点；４４℃）、ミリスチン酸（融点；５３．８℃及び５７．５〜５８℃）、パルミチン酸（融点；６３〜６４℃）、ステアリン酸（融点；６４〜７０℃）及びイコサン酸（融点；７５．５℃）等の高級カルボン酸、並びにノナデカン（３２℃）、イコサン（融点；３６〜３７℃）等の高級炭化水素等を挙げることができる。これらは２種以上を同時に使用することができる。
【０００８】
更に、低融点バインダを含有するグリーンシートには、更に、この融点を上回る融点又は分解温度を有する高融点バインダが含有される。即ち、主にグリーンシート同士の接着を行う低融点バインダと、これとは別に、グリーンシートの形状維持を主に担う高融点バインダを含有する。これにより、グリーンシートの形状は十分に保持し、且つ十分なグリーンシート同士の接着も行われる。この高融点バインダの融点又は分解温度は、低融点バインダの融点よりも、５℃以上高い温度であることが好ましい。この温度差が小さいと圧着不良を生じることがあり好ましくない。
【０００９】
このような高融点バインダとしては、ポリビニルブチラール、各種のセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、各種の石油樹脂等を挙げることができる。これらは２種以上を同時に使用することができる。高融点バインダが融解せず、且つ低融点バインダが融解し、流動し得る温度範囲においてグリンシートを積層し、圧着することにより、圧着後のグリーンシートにおける膨れ、圧着むら等が防止される。
【００１０】
また、低融点バインダは第３発明のように、セラミック原料及び焼結助剤の合計量を１００重量部とした場合に、１〜１０重量部（より好ましくは２〜５重量部）含有されることが好ましい。低融点バインダの含有量が１重量部未満であると、加熱時に低融点バインダが十分に滲出せず、グリーンシートを密着させ難い。一方、この含有量が１０重量部を越えると、低融点バインダの滲出が過剰となり、圧着装置、使用する治具等が汚損され易い。また、圧着後のグリーンシートに膨れ等が発生することもあり好ましくない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を詳しく説明する。
［１］セラミックヒータの構造
図１は、丸棒状セラミックヒータを分解し、展開した状態を示す斜視図である。このセラミックヒータＡは、グリーンシートが焼成されてなるセラミック基板１ａ、１ｂ、これらのセラミック基板の間に配設される発熱抵抗体２、及びセラミック基板１ａ、１ｂ及び発熱抵抗体２が一体に巻き付けられている碍管３を備える。
【００１２】
［２］セラミックヒータの製造方法
（１）低融点バインダを含有しないグリーンシートａの作製
９０重量部のＡｌ₂Ｏ₃粉末（純度；９９．９％、平均粒径；１．８μｍ）、５重量部のＳｉＯ₂（純度；９９．９％、平均粒径；１．４μｍ）、３重量部のＣａＣＯ₃（純度；９９．９％、平均粒径；３．２μｍ）及び２重量部のＭｇＣＯ₃（純度；９９．９％、平均粒径；４．１μｍ）のセラミック原料並びに焼結助剤に、８重量部のポリビニルブチラール（加温後分解）、４重量部の軟化剤であるジブチルフタレート及び７０重量部のメチルエチルケトンとトルエンとの混合溶剤を配合し、ボールミルによって混合し、スラリー状の混合物を調製した。その後、これを減圧脱泡し、ドクターブレード法によって厚さ０．３ｍｍのグリーンシートａを作製した。
【００１３】
（２）発熱抵抗体パターン及び配線パターンの印刷
タングステン粉末とアルミナ粉末を用いて調製したタングステンペーストを、厚膜印刷法によりグリーンシートａの一表面に印刷し、ヒータパターンを形成した。
【００１４】
（３）低融点バインダを含有するグリーンシートｂの作製
（１）と同様な組成であり、その合計量が１００重量部であるセラミック原料並びに焼結助剤に、表１に示す量比の１−オクタデカノール（低融点バインダ、融点；５７℃）、１３重量部のポリビニルブチラール及び７重量部の軟化剤ジブチルフタレートを配合した。
【００１５】
また、メチルエチルケトン及びトルエンにエタノールを、上記セラミック原料及び焼結助剤の合計量１００重量部に対して、７８重量部加えた。その後、（１）と同様にしてセラミック基板１ｂを構成することとなる厚さ０．２ｍｍのグリーンシートｂを、１−オクタデカノールの含有量毎に１００枚ずつ作製した。
上記エタノールは、１−オクタデカノールを溶解させ、グリーンシート中における１−オクタデカノールの分散性を向上させることができる。
【００１６】
【表１】

尚、実験例１は本発明の範囲外であり、低融点バインダを含有させず、溶剤を塗布して圧着した。
【００１７】
（４）セラミックヒータ成形体の作製及び焼成
グリーンシートａのヒータパターンが形成された面に、グリーンシートｂの一表面を重ね合わせ、これらを圧着装置によって、温度６５℃、圧力４ＭＰａで１分間加熱及び加圧して圧着した。その後、グリーンシートｂの他表面にアルミナペーストを塗布し、この塗布面を内側として碍管に巻き付け、その外周を押圧してセラミックヒータ成形体を作製した。得られたセラミックヒータ成形体を、１５３０〜１５５０℃で１〜２時間焼成して、７種類７００個のセラミックヒータを得た。
【００１８】
（５）評価
（４）で得られたセラミックヒータの表面状態を目視にて観察し、その状態を評価した。更に、これらのセラミックヒータに１４Ｖの直流電圧を印加し、常温常圧で大気中において２０００時間の連続通電試験を行った。その結果を表１に併記する。
【００１９】
表１の結果によると、実験例１では、接着状態はセラミックヒータ１００本中７本に膨れが認められた。また、連続通電試験においては一部に断線が生じた。実験例２〜５では特に良好な接着状態であり、連続通電試験による断線も生じなかった。実験例６では、１００本中５本の接着状態に膨れが認められたが、連続通電試験においては断線は生じず、十分に実用的であることが分かる。実験例７においては１００本中１０本の接着状態に膨れが認められたが、連続通電試験においては断線は生じず、十分に実用的であることが分かる。しかし、生産性の面からは膨れの発生率が高く低融点バインダは１０重量部以下の含有量とすることが好ましいことが分かる。
【００２０】
尚、本発明においては、上記の具体的な実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、低融点バインダは、前記に例示のものに限られず、バインダの機能を有し、且つ融点の低い化合物であれば、他のものも使用することができる。更に、低融点バインダとして１−オクタデカノールを使用する場合、これを溶解させ、グリーンシート中における分散性を向上させることができるエタノールは、メチルエチルケトン及びトルエンの合計量を１００重量部とした場合に、１０〜２０重量部とすることが好ましい。
【００２１】
【発明の効果】
第１発明によれば、長期にわたる使用においても発熱抵抗体の劣化を防止することのできるセラミックヒータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータの分解斜視図である。
【符号の説明】
Ａ；セラミックヒータ、１ａ、１ｂ；グリーンシート、２；発熱抵抗体、３；碍管。

Claims

一面に形成されるヒータパターンを備える一のセラミックグリーンシートの、該一面に、他のセラミックグリーンシートを圧着し、これらを一体に焼成するセラミックヒータの製造方法において、該圧着する際に、該一のセラミックグリーンシート及び該他のセラミックグリーンシートのうちの少なくとも一方を、該セラミックグリーンシートに含まれるバインダの融点のうちの最も低い融点を有する低融点バインダの融点を上回る温度に加熱して圧着し、
圧着後、温度を低下させて上記低融点バインダを固化し、
上記低融点バインダを含有するセラミックグリーンシートには、更に、該融点を上回る融点又は分解温度を有する高融点バインダが含有され、
上記高融点バインダが分解する温度にて焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
上記低融点バインダの融点は３０〜８０℃である請求項１記載のセラミックヒータの製造方法。
上記低融点バインダを含有するセラミックグリーンシートに含有される該低融点バインダは、セラミック原料及び焼結助剤の合計量を１００重量部とした場合に、１〜１０重量部である請求項１記載のセラミックヒータの製造方法。