JPH02221856A - Ceramics heater and oxygen sensor element having the same - Google Patents
Ceramics heater and oxygen sensor element having the sameInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野〕
本発明は例えば酸素センサのヒータ等の電子機器や汎用
機器に適用され、セラミック基板上に形成されたヒータ
によって、加熱を要する部材や素子等を加熱するための
セラミックヒータ及び該ヒータを有する酸素センサエレ
メントに関する。Detailed Description of the Invention [Industrial Field of Application] The present invention is applied to electronic equipment and general-purpose equipment, such as heaters for oxygen sensors, and is used to heat components and elements that require heating using a heater formed on a ceramic substrate. The present invention relates to a ceramic heater for heating an oxygen sensor element having the heater.
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来、
この種のセラミックヒータを保護するためには、電気的
絶縁性に優れているアルミナをプラズマ溶射やスクリー
ン印刷等の手段を用いて保護層を形成するが、この場合
、いずれもアルミナを使用しているために、通常140
0℃以上の高温で焼成しなければならない。このため、
ヒータ材料として一般に用いられている白金はセラミッ
ク基板から拡散してしまい、基板材料であるセラミック
スの性質を変えてしまうという問題点があった。[Problems to be solved by conventional techniques and inventions] Conventionally,
In order to protect this type of ceramic heater, a protective layer is formed using alumina, which has excellent electrical insulation, by means such as plasma spraying or screen printing. Usually 140
It must be fired at a high temperature of 0°C or higher. For this reason,
Platinum, which is commonly used as a heater material, has the problem of diffusing from the ceramic substrate and changing the properties of the ceramic substrate material.
また、上記のような保護層をコーティングしない場合に
は、作成工程中におけるハンドリングによりヒータの断
線が生じたり、空気に直接晒されているため白金の蒸発
が生じ、使用しているうちにヒータの抵抗値が変化して
しまう問題点があった。In addition, if the protective layer described above is not coated, the heater may break due to handling during the manufacturing process, or the platinum may evaporate due to direct exposure to air, causing the heater to break during use. There was a problem that the resistance value changed.
さらに、上記のようなセラミックヒータを酸素センサエ
レメントに適用した場合には、温度特性及び応答性にバ
ラツキが生じ、信頼性を大幅に低・下させてしまうとい
う問題点があった。Furthermore, when a ceramic heater such as the one described above is applied to an oxygen sensor element, there is a problem that variations occur in temperature characteristics and responsiveness, resulting in a significant decrease in reliability.
そこで、本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
ハンドリングによりヒータが断線することなく、且つヒ
ータ回路に用いた白金の拡散・蒸発を防止するようにヒ
ータ自体を保護し、印刷工程で作業を行うことができる
ようにしたセラミックヒータを提供することを目的とし
ており、該ヒータを例えば酸素センサエレメントに用い
ることで、酸素センサエレメントの信頼性を向上させる
ことを目的とする。Therefore, the present invention has been made in consideration of the above circumstances.
To provide a ceramic heater which can be used in a printing process by protecting the heater itself so that it does not break due to handling and preventing diffusion and evaporation of platinum used in the heater circuit. The purpose of this invention is to improve the reliability of the oxygen sensor element by using the heater in the oxygen sensor element, for example.
上記の目的を達成するために本発明のセラミックヒータ
にあっては、セラミック基板上に形成された加熱用ヒー
タ上にガラス製の保護層をコーティングしたことを特徴
とする。In order to achieve the above object, the ceramic heater of the present invention is characterized in that a glass protective layer is coated on the heater formed on the ceramic substrate.
また、上記保護層は結晶化ガラス材料からなることが望
ましい。Further, it is desirable that the protective layer is made of a crystallized glass material.
さらに、上記セラミックヒータを酸素センサエレメント
に適用してもよい。Furthermore, the ceramic heater described above may be applied to an oxygen sensor element.
上記の構成を有する本発明においては、セラミック基板
上に形成された加熱用ヒータ上にガラス製の保護層をコ
ーティングしたことにより、この保護層の焼成温度10
00〜1400℃未満で焼成できるようになる。したが
って、この焼成時にヒータ材料である白金が拡散するこ
とがなくなった。このため白金の蒸発によって抵抗値が
変化することもなく、またハンドリング等によるリード
線の断線も防止できた。In the present invention having the above configuration, a glass protective layer is coated on the heating heater formed on the ceramic substrate, so that the firing temperature of this protective layer is 10.
It becomes possible to perform firing at temperatures below 00 to 1400°C. Therefore, platinum, which is the heater material, does not diffuse during this firing. Therefore, the resistance value did not change due to evaporation of platinum, and breakage of the lead wire due to handling or the like could be prevented.
また、上記保護層を結晶化ガラス材料とすれば、この結
晶化ガラス材料の性質から軟化点がシャープで、且つ使
用温度領域で機械的、電気的特性が安定で優れているの
で好適である。Further, it is preferable to use a crystallized glass material for the protective layer because the softening point is sharp due to the properties of this crystallized glass material, and the mechanical and electrical properties are stable and excellent in the operating temperature range.
さらに、上記セラミックヒータを酸素センサエレメント
に適用すれば、温度特性及び応答性が安定に保持される
こととなり、大幅に信頼性を向上させることができる。Furthermore, if the ceramic heater described above is applied to an oxygen sensor element, temperature characteristics and responsiveness can be stably maintained, and reliability can be significantly improved.
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第1
図は本発明に係るセラミックヒータの一実施例を示す断
面図であり、同図において、1はセラミック基板で、電
気的絶縁性に優れたアルミナ(A1203)やムライト
(3A12032 S iO2)が用いられ、このセラ
ミック基板1上には加熱用ヒータ2が形成されている。Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. 1st
The figure is a cross-sectional view showing one embodiment of the ceramic heater according to the present invention. In the figure, 1 is a ceramic substrate made of alumina (A1203) or mullite (3A12032 SiO2), which have excellent electrical insulation properties. A heating heater 2 is formed on this ceramic substrate 1 .
加熱用ヒータ2は白金(pt)や白金−パラジウム (
Pd)などを1000〜1400℃未満でペースト印刷
を施すことにより焼成する。この加熱用ヒータ2から外
周方向に第2図に示すようにリード線取付部3が延びて
おり、リード線取付部3に各々リード線4,4が接続さ
れている。The heating heater 2 is made of platinum (PT) or platinum-palladium (
Pd) etc. are baked by applying paste printing at a temperature below 1000 to 1400°C. As shown in FIG. 2, a lead wire attachment portion 3 extends in the outer circumferential direction from the heater 2, and lead wires 4, 4 are connected to the lead wire attachment portion 3, respectively.
また、加熱用ヒータ2上にはガラス製の保護層5がコー
ティングされ、特に、保護層5はBa系アルカリガラス
等の結晶化ガラス材料を印刷法にて形成する。この場合
に、アルミナペーストを保護層として用いると、印刷工
程で、塗料中のアルミナに分散不良が生じたり、印刷ム
ラが多く発生することになる。Further, a protective layer 5 made of glass is coated on the heater 2, and in particular, the protective layer 5 is formed of a crystallized glass material such as Ba-based alkali glass by a printing method. In this case, if alumina paste is used as a protective layer, poor dispersion of alumina in the paint will occur during the printing process, and printing unevenness will occur frequently.
ここで、保護層5のガラスとして結晶化ガラス材料を使
用するのは次の理由による。すなわち、一般の非晶質の
ガラスは温度を上げて焼成しても焼結が起こらずガラス
特有の軟化点を有するが、結晶化ガラスの場合は、焼成
によって焼結が起こり、ガラス相とガラスから析出した
結晶相から構成されるようになり、非晶質ガラスと異な
リシャーブな軟化点を持ち、機械的、電気的特性も優れ
ていることによる。Here, the reason why a crystallized glass material is used as the glass of the protective layer 5 is as follows. In other words, ordinary amorphous glass does not sinter even when fired at elevated temperatures and has a softening point unique to glass, but in the case of crystallized glass, sintering occurs during firing, and the glass phase and glass This is because it is composed of a crystalline phase precipitated from glass, has a resharpening softening point different from amorphous glass, and has excellent mechanical and electrical properties.
そして、保護層5の結晶化ガラス材料の焼成温度は10
00℃前後で、さほど高くないためヒータパターンの焼
成による熱拡散等の損傷がすくなくなる。すなわち、加
熱用ヒータ2の材料である白金(pt)は、1400℃
以上で徐々に拡散が起こる。このため焼成温度は100
0〜1400℃未満で行うのが良く、望ましくは100
0〜1°100℃程度が良い。この温度領域では白金の
熱拡散は認められない。The firing temperature of the crystallized glass material of the protective layer 5 is 10
Since the temperature is around 00°C, which is not so high, damage caused by heat diffusion and the like due to firing of the heater pattern is reduced. That is, platinum (PT), which is the material of the heating heater 2, has a temperature of 1400°C.
Diffusion occurs gradually. Therefore, the firing temperature is 100
It is best to carry out at a temperature of 0 to less than 1400°C, preferably 100°C.
A temperature of about 0 to 1°100°C is good. No thermal diffusion of platinum is observed in this temperature range.
さらに、加熱用ヒータ2がセラミック基板1から剥離す
るのを防止するためには、結晶化ガラスの線膨張係数は
白金の100×10 7℃に比較的近いものを用いるこ
とが望ましい。したがって、保護層5の結晶化ガラスの
線膨張係数は50〜120X10 /’Cが望まし
く、この範囲のものであれば実験的にもアルミナ基板上
に形成した白金パターンに対して全く問題のないことが
判明している。Furthermore, in order to prevent the heater 2 from peeling off from the ceramic substrate 1, it is desirable to use a crystallized glass whose linear expansion coefficient is relatively close to that of platinum, 100×10 7°C. Therefore, it is desirable that the linear expansion coefficient of the crystallized glass of the protective layer 5 is 50 to 120X10/'C, and if it is within this range, it has been experimentally shown that there is no problem at all with platinum patterns formed on alumina substrates. It is clear that
また、保護層5の結晶化ガラスとしては、アルカリ金属
が0.1重量%以下であることが望ましい。因みに、ア
ルカリ金属が0.1重量%以下では、加熱用ヒータ2が
高温に加熱された場合、ガラス中のアルカリイオンに移
動が生じてヒータ電流の漏洩を防止するが、アルカリ金
属の含有率が0.1重量%を越える場合にはそれが避け
られなくなるためである。Further, it is desirable that the alkali metal content of the crystallized glass of the protective layer 5 is 0.1% by weight or less. Incidentally, if the alkali metal content is 0.1% by weight or less, when the heater 2 is heated to a high temperature, alkali ions in the glass will move and prevent heater current leakage, but if the alkali metal content is This is because if it exceeds 0.1% by weight, this will become unavoidable.
さらに、本来、加熱用ヒータ2は200℃以上の高温で
用いられるのが通常であるため、ある程度以上の耐熱性
が要求され、小型のセンサ素子の加熱のためには、50
0℃以上の耐熱性を有することが望ましい。Furthermore, since the heating heater 2 is normally used at a high temperature of 200°C or higher, it is required to have a certain level of heat resistance.
It is desirable to have heat resistance of 0°C or higher.
上記の構成において本実施例の作用を説明する。The operation of this embodiment in the above configuration will be explained.
セラミック基板1上に形成された加熱用ヒータ2上にガ
ラス製の保護層5をコーティング印刷したことにより、
保護層5を1000〜1400℃未満で焼成できるよう
になる。したがって、この焼成時にヒータ材料である白
金が拡散することなく、また製造工程中でハンドリング
等によるヒータの断線を防止し、且つ白金の蒸発によっ
て抵抗値が変化することもない。By coating and printing a glass protective layer 5 on the heater 2 formed on the ceramic substrate 1,
The protective layer 5 can now be fired at a temperature below 1000 to 1400°C. Therefore, platinum, which is the heater material, does not diffuse during firing, prevents disconnection of the heater due to handling, etc. during the manufacturing process, and does not change the resistance value due to evaporation of platinum.
特に、上記保護層5を結晶化ガラス材料とすれば、この
結晶化ガラス材料の性質から軟化点がシャープで、且つ
使用温度領域で機械的、電気的特性が安定で優れている
ので好適である。In particular, it is preferable to use a crystallized glass material for the protective layer 5 because the softening point is sharp due to the properties of this crystallized glass material, and the mechanical and electrical properties are stable and excellent in the operating temperature range. .
第3図は本発明に係るセラミックヒータを適用した酸素
センサエレメントの一実施例を示し、前記第1図と同一
部分には同一符号を付して説明する。第3図において、
酸素センサエレメント10は、固体電解質のペレット〔
例えば酸化ジルコニウム(ZrO:ジルコニア)に金属
酸化物(例えばYO,CaOなど)を固溶させた安定化
ジルコニアよりなる〕 11の両面に白金電極12を形
成するとともに、ガス拡散孔13を穿設し、その片側に
セラミックスからなるキャップ14を接合している。こ
のキャップ14は第1図のセラミック基板1に対応して
いる。さらにキャップ14上には第1図と同様に加熱用
ヒータ2を形成し、この加熱用ヒータ2上にはガラス製
の保護層5がコーティングされている。FIG. 3 shows an embodiment of an oxygen sensor element to which a ceramic heater according to the present invention is applied, and the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals and will be described. In Figure 3,
The oxygen sensor element 10 is made of solid electrolyte pellets [
For example, it is made of stabilized zirconia in which a metal oxide (for example, YO, CaO, etc.) is dissolved in zirconium oxide (ZrO: zirconia).] Platinum electrodes 12 are formed on both sides of 11, and gas diffusion holes 13 are formed. A cap 14 made of ceramic is bonded to one side of the cap. This cap 14 corresponds to the ceramic substrate 1 shown in FIG. Furthermore, a heater 2 is formed on the cap 14 as in FIG. 1, and a protective layer 5 made of glass is coated on the heater 2.
そして、両白金電極12間に電圧を印加することにより
、加熱下のペレット11の酸素ボンピング作用によって
酸素イオンをキャリアとする電流が流れ、ガス拡散孔1
3を通ってキャップ14内のガス反応室に入った酸素分
子をペレット11を介して排出する。Then, by applying a voltage between both platinum electrodes 12, a current using oxygen ions as carriers flows due to the oxygen bombing effect of the pellet 11 under heating, and the gas diffusion hole 1
Oxygen molecules that have entered the gas reaction chamber in the cap 14 through the pellet 11 are discharged through the pellet 11.
したがって、このときの電圧−電流特性の電圧の成る領
域で現れる電流のフラット域、すなわち限界電流値と酸
素濃度とが一対一の関係(対数でとった場合にリニアな
関係)にあることから、電極に一定電圧をかけて、その
ときの限界電流値から酸素濃度を検出するものである。Therefore, since the flat region of the current that appears in the voltage region of the voltage-current characteristic at this time, that is, the limiting current value and the oxygen concentration have a one-to-one relationship (a linear relationship when taken logarithmically), A constant voltage is applied to the electrode, and the oxygen concentration is detected from the limiting current value at that time.
ところで、酸素センサは限界電流特性が温度によって大
きく変化し、センサの温度が低くなり過ぎると上記フラ
ット域が観71!1されなくなり、センサとして機能し
なくなる。他方、センサの応答性は温度に依存し、セン
サの温度が高くなるほど応答時間が早くなることが判明
している。By the way, the limiting current characteristics of the oxygen sensor vary greatly depending on the temperature, and if the temperature of the sensor becomes too low, the flat area will no longer be observed and the sensor will no longer function. On the other hand, it has been found that the responsiveness of the sensor is temperature dependent, with the higher the temperature of the sensor, the faster the response time.
しかして、第3図に示す酸素センサエレメント10は、
加熱用ヒータ2がガラス製の保護層5によってコーティ
ングされていることから、ヒータの抵抗値が変化してし
まうことなく、温度特性及び応答性を安定に保持するこ
とができる。Therefore, the oxygen sensor element 10 shown in FIG.
Since the heater 2 is coated with the protective layer 5 made of glass, the resistance value of the heater does not change, and the temperature characteristics and responsiveness can be stably maintained.
本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications are possible.
上記実施例では本発明を酸素センサエレメントに適用し
た例について説明したが、例えばその他の電子機器や汎
用機器にも適用することができる。Although the above embodiment describes an example in which the present invention is applied to an oxygen sensor element, it can also be applied to other electronic equipment or general-purpose equipment, for example.
以上の通り本発明のセラミックヒータによれば、加熱用
ヒータをガラス製の保護層でコーティングしたことによ
り、ハンドリングによりヒータが断線することなく、且
つヒータの白金の熱による拡散・蒸発を防止することが
でき、その結果ヒータの抵抗値が変化してしまうことも
なく、常に一定の値に保持することができる。As described above, according to the ceramic heater of the present invention, the heater is coated with a protective layer made of glass, so that the heater does not break due to handling, and the platinum of the heater is prevented from diffusing and evaporating due to heat. As a result, the resistance value of the heater does not change and can always be maintained at a constant value.
また、アルミナに代えガラスを保護層として用いたこと
により、印刷工程での作業がスムーズになり、作業効率
を大幅に向上させることができた。Additionally, by using glass instead of alumina as a protective layer, the printing process became smoother and work efficiency was significantly improved.
さらに、上記保護層を結晶化ガラス材料としたので、こ
の結晶化ガラス材料の性質から軟化点がシャープで、且
つ使用温度領域で機械的、電気的特性が安定で優れてい
る。Furthermore, since the protective layer is made of a crystallized glass material, the softening point is sharp due to the properties of this crystallized glass material, and the mechanical and electrical properties are stable and excellent in the operating temperature range.
さらにまた、酸素センサエレメントが上記セラミックヒ
ータを有するので、温度特性及び応答性が安定に保持さ
れることとなり、酸素センサエレメントととしての信頼
性を著しく向上させることができるという効果を奏する
。Furthermore, since the oxygen sensor element includes the ceramic heater, the temperature characteristics and responsiveness are stably maintained, and the reliability of the oxygen sensor element can be significantly improved.
施例を示す断面図、
第2図は第1図に示すセラミックヒータを保護層を除い
て示す平面図である。2 is a plan view showing the ceramic heater shown in FIG. 1 with the protective layer removed. FIG.
第3図は第1図に示すセラミックヒータを適用した酸素
センサエレメントの一実施例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an embodiment of an oxygen sensor element to which the ceramic heater shown in FIG. 1 is applied.
1・・・セラミック基板、 2・・・加熱用ヒータ3
・・・リード線取付部、 5・・・保護層10・・・
酸素センサエレメント。1... Ceramic substrate, 2... Heating heater 3
...Lead wire attachment part, 5...Protective layer 10...
Oxygen sensor element.
Claims (1)
ラス製の保護層をコーティングしたことを特徴とするセ
ラミックヒータ。 2、前記保護層は結晶化ガラス材料からなる請求項1記
載のセラミックヒータ。 3、前記請求項1記載のセラミックヒータを有すること
を特徴とする酸素センサエレメント。[Scope of Claims] 1. A ceramic heater characterized in that a glass protective layer is coated on a heater formed on a ceramic substrate. 2. The ceramic heater according to claim 1, wherein the protective layer is made of a crystallized glass material. 3. An oxygen sensor element comprising the ceramic heater according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1040279A JPH02221856A (en) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Ceramics heater and oxygen sensor element having the same |
Applications Claiming Priority (1)
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JP1040279A JPH02221856A (en) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Ceramics heater and oxygen sensor element having the same |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH02221856A true JPH02221856A (en) | 1990-09-04 |
Family
ID=12576180
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1040279A Pending JPH02221856A (en) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Ceramics heater and oxygen sensor element having the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02221856A (en) |
-
1989
- 1989-02-22 JP JP1040279A patent/JPH02221856A/en active Pending
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