JPH04312785A - セラミックスヒータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、センサ、特に酸素セン
サ等を加熱するために利用されるセラミックスヒータ及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、例えば酸素センサの素子部を加熱す
るヒータとして、耐熱性に優れたセラミックスヒータが
使用されており、このセラミックスヒータとしては、円
筒状或は平板状のものが知られている。

【０００３】上記セラミックスヒータは、例えばアルミ
ナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミック基材の表面に、白
金の発熱パターンと、保護層となるセラミックス材料を
含んだグリーンシートとを積層し、一体焼成して形成さ
れていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のセラミックスヒータを、空燃比制御用の酸素センサの
加熱のために使用した場合には、下記の問題が生ずるこ
とがあった。

【０００５】つまり、空燃比制御用の酸素センサは、高
温に長期間晒されるので、使用しているうちに発熱パタ
ーンが劣化して発熱パターンの抵抗が増大することがあ
り、それによって、発熱パターンが断線したり、或は保
護層にクラックが発生することがあった。更に、最悪の
場合には保護層等が崩壊してしまい、それによって、ヒ
ータの寿命が低下することがあった。

【０００６】このヒータの寿命の低下は、発熱パターン
の単位断面積当りの発熱負荷が大きい程激しいため、ヒ
ータの寿命の向上のためには発熱パターンを太くするこ
とが考えられる。

【０００７】しかしながら、実際のセラミックスヒータ
においては、セラミックスヒータを構成する積層体の表
面積に一定の限界があるので、発熱パターンの幅を一定
以上に広げることはできず、また、発熱パターンの厚さ
を増加しようとしても、極端に厚さを増加させるとグリ
ーンシートに過大なひずみを与えるために、クラックが
生じ易くなるという問題があった。

【０００８】即ち、従来のセラミックスヒータでは、発
熱パターンを太くすることに限界があるため、発熱負荷
密度を高くすると、どうしてもヒータの寿命に一定の限
界があるという問題があった。

【０００９】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れ、高温の環境においてもヒータの寿命が長いセラミッ
クスヒータ及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的達成するための
請求項１の発明は、発熱パターンと３以上のセラミック
ス層とが積層され、一体焼成されてなるセラミックスヒ
ータにおいて、上記複数のセラミックス層によって形成
される少なくとも２以上の境界面に、上記発熱パターン
が各々配置されたことを特徴とするセラミックスヒータ
を要旨とする。

【００１１】また、請求項２の発明は、グリーンシート
の表面に発熱パターンを形成するととともに、該発熱パ
ターンの表面を他のグリーンシートで覆うことによって
、複数の発熱パターンと複数のグリーンシートとが各々
異なる面に配置された積層体を形成し、該積層体をセラ
ミックス基材に貼り付けて一体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を要旨とする。

【００１２】尚、本発明のセラミックスヒータに、上記
以外の構成として、例えばセンサ素子や絶縁層等が形成
されていてもよい。上記セラミックス層を形成する材料
としてはＡｌ２Ｏ３が好適であるが、特に熱伝導特性に
優れた高温強度材料とするために、Ａｌ２Ｏ３は平均結
晶粒径１０μｍｍ以下、相対理論密度９４％以上である
ことが好ましい。

【００１３】また、上記セラミックス層の１つとしては
、加熱すべきセンサ形状に応じて棒状，板状，管状等種
々の形状に形成されたセラミックス基材を採用すること
ができ、また他のセラミックス層としては、グリーンシ
ートを焼成して形成されたものを採用することができる
。

【００１４】上記セラミックス基材は、Ａｌ２Ｏ３以外
にも、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、高温高強度セラミックを使用しても良い。ま
た、グリーンシートから形成されるセラミックス層は、
発熱パターンを高温環境下において保護し、またセラミ
ックス基材と発熱パターンの接合性を向上させるもので
あり、少なくとも発熱パターンを包含する様に位置させ
ると良い。発熱パターンの材料としては、主にタングス
テン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用い、更にこれらの
成分に、白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）等の高融点金
属成分を混合して用いるとよい。また、抵抗特性の向上
のために、ＰｔやＲｈを単独に用いてもよい。尚、悪影
響を与えない限りにおいて、セラミックス層と同材より
なる酸化物等が若干存在していてもよい。

【００１５】上記発熱パターンは、高抵抗性を有する発
熱部と、電源との接続に供される低抵抗性を有する端子
部とからなり、発熱部はセンサを加熱すべき目的に応じ
て所定の大きさ及び形状に形成される。尚、異なる境界
面に形成される各発熱パターンは、必ずしも同じ形状で
ある必要はない。

【００１６】上記セラミックスヒータの製造方法の概要
は、次の通りである。原料として、例えば主成分Ａｌ２
Ｏ３からなる粉末を湿式混合してなるものを用意する。 尚、稠密な高温高強度とするために、使用する原料粉末
としては、純度９０％以上の高純度粉末を用い、その粒
径は２μｍ以下にすると良い。

【００１７】但し、焼成促進成分であるＳｉＯ２，Ｍｇ
Ｏ，ＣａＯ，Ｂ２Ｏ３は、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、例えば水酸化物
、塩（例えば炭酸塩等）として配合していもよい。

【００１８】配合粉末の成形は、加圧成形（例えば静水
圧成形やドクターブレード成形）、或は押出成形など種
々の方法で行うことができる。尚、この成形に当り、所
定の溶剤および結合剤等を適時配合することは勿論であ
る。

【００１９】発熱パターンの形成は、メッキ、気相析出
法（例えばスパッタリングや蒸着等）の種々の手段を採
用できる。特に、金属ペーストによって発熱パターンを
形成する場合には、成形されたグリーンシートに例えば
スクリーン印刷によって所定パターンを形成し、このパ
ターン印刷面側をグリーンシートで被覆し、その上に所
定パターンを形成した後、更にグリーンシートで被覆し
てセラミックス基体材料との接合に供するとよい。これ
は、金属パターンを直接に基材に接合すると、相互密着
性が不十分となり、気孔発生に基づく発熱パターン成分
の酸化原因（断線原因）を発生するおそれがあるからで
ある。

【００２０】焼成は、セラミックス基材および各セラミ
ックス層の相互密着性を高めるために、同時焼成するこ
とが好ましい。焼成方法としては、型加圧（ＨＰ，ＨＩ
Ｐ）焼結，雰囲気加圧焼結，反応焼結など種々のものを
採用でき、その焼結温度は１４５０〜１６００℃の範囲
から選択するとよい。雰囲気は不活性ガス（例えばＡｒ
，Ｎ２），酸化性雰囲気（例えば大気中），還元雰囲気
（例えばＨ２ガス）のいずれであってもよい。

【００２１】こうして得られたセラミックスヒータは、
その発熱パターンの端子部をメタライズ処理し、電源か
らのリードをろう付けにて接続される。本発明のセラミ
ックスヒータは、特に高温下で長時間使用される内燃機
関の空燃比制御用の酸素センサを加熱するためのヒータ
ーとして好適である。この場合セラミックスヒータは、
試験管型固体電解質酸素センサ素子の内部に挿入しても
良いし、酸素センサ素子に付設しても良い。

【００２２】

【作用】請求項１の発明では、発熱パターンが異なる境
界面に形成されて、発熱が２層以上の発熱パターンに分
散する結果、発熱パターンの単位断面積当りの発熱負荷
が大巾に低減するので、ヒータの寿命が向上する。

【００２３】また、請求項２の発明では、グリーンシー
トの表面に発熱パターンを形成して、グリーンシートで
覆うので、発熱パターンを異なる面に配置することが簡
易化され、しかもセラミックス基材への接合性が向上す
る。

【００２４】

【実施例】以下、本発明のセラミックスヒータ及びその
製造方法の実施例について説明する。

【００２５】図１に示す様に、本実施例のセラミックス
ヒータ１は、円筒状のセラミックス基材２の表面に、３
層のセラミックス層３，４，５が形成されており、第１
セラミックス層３と第２セラミックス層４との間の境界
面６には、第１発熱パターン８が形成され、第２セラミ
ックス層４と第３セラミックス層５との間の境界面７に
は、第２発熱パターン９が形成されている。

【００２６】この発熱パターン８，９は、分解斜視図の
図２に示す様に、電源に接続される端子部１０，１１と
端子部１０，１１から伸びる幅の細い発熱部１２，１３
とから構成されている。発熱部１２，１３は、セラミッ
クスヒータ１の先端側で何度も蛇行しており、図３（図
１のＡ−Ａ断面図）に示す様に、セラミックスヒータ１
の軸を中心にして、中心角がほぼ等しくなる様に配置さ
れている。

【００２７】次に、上記構成のセラミックスヒータ１の
製造方法について、図２に基づいて説明する。 （ａ）原料粉末の混合 平均粒径１．５μｍ，純度９９．９％のＡｌ２Ｏ３粉末
と、焼結促進剤として平均粒径２μｍ，純度９８％のＳ
ｉＯ２粉末と、平均粒径２μｍ，純度９０％のＭｇＯ粉
末と、平均粒径２μｍ，純度９３％のＣａＯ粉末とを、
９７．２：２．５：０．１：０．１の割合で配合し、ボ
ールミルで２０〜６０時間湿式混合した後、脱水乾燥す
る。 （ｂ）基材の作成 上記（ａ）で製造した配合粉末に、メチルセルロース１
％，マクセロン（商品名）１５％，水１０％を添加し、
混練する。次に、押出成形法で円筒状に成形し、所定寸
法に切断後、１２００℃で仮焼して基材２とする。 （ｃ）第１〜第３グリーンシート及び発熱パターンの作
成 上記（ａ）で製造した配合粉末に、ポリビニルブチラー
ル８％，ＤＢＰ４％，メチルエチルケトン，トルエン７
０％を添加し、ボールミルで混合してスラリー状とする
。減圧脱泡後、ドクターブレード法により、第３セラミ
ックス層５となる厚さ０．２〜０．４ｍｍの第３グリー
ンシート５ａを作成する。

【００２８】次に、この第３グリーンシート５ａの表面
に、予め調整されたＷペーストを、厚膜印刷法により１
０〜３０μｍにスクリーン印刷して、第２発熱パターン
９となる第２印刷パターン９ａを形成する。

【００２９】更に、この印刷表面に、第３グリーンシー
ト５ａと同様の方法にて成形した、第２セラミックス層
４となる厚さ０．０５〜０．１０ｍｍの第２グリーンシ
ート４ａを圧着する。

【００３０】そして、この第２グリーンシート４ａの表
面にも、上記と同様に、Ｗペーストを厚膜印刷法により
厚さ１０〜３０μｍにスクリーン印刷し、第１発熱パタ
ーン８となる第１印刷パターン８ａを形成する。尚、こ
の第１印刷パターン８ａの厚膜印刷の際には、スルーホ
ール１５を介して、上記第１及び第２印刷パターン８ａ
，９ａの電力印加用の端子部１０，１１が共通になる様
にしておく。

【００３１】次に、この印刷表面に、第２グリーンシー
ト４ａと同じく、第１セラミックス層３となる第１グリ
ーンシート３ａを圧着し、積層シートを形成する。 （ｄ）基材，第１〜第３グリーンシート及び発熱パター
ンの一体化 上記（ａ）で製造した配合粉末に、ポリビニルブチラー
ル２５％，ＤＢＰ８％，ブチルカルビドール３０％を添
加して、ペースト状物を製造し、このペースト状物を、
上記（ｃ）で得られた積層シートの第１グリーンシート
１ａの表面に塗布する。

【００３２】次に、この塗布面を基材２との接合に供す
る様にして、基材２の周囲に積層シートを巻き付け、加
圧密着させる。次に、２５０℃で樹脂抜きした後、水素
炉雰囲気中１５００〜１６００℃で焼成して、一体化さ
れたセラミックスヒータ１を形成する。その後、このセ
ラミックスヒータ１は、その端子部１０，１１の先端が
Ｎｉメッキされ、ろう材を用いてリード線引出用端子（
図示せず）と接合される。

【００３３】次に、この様にして製造されたセラミック
スヒータ１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。 （実験例） 本実施例のセラミックスヒータ１を用いて、高温耐久試
験を行った。実験は、１０００℃の加熱雰囲気下で、３
Ωの抵抗値を有する発熱パターン８，９に直流１７Ｖの
通電を行ない、その抵抗値の経時変化を測定した。また
、比較例として、従来の発熱パターンが一層しかないヒ
ータについても、同様に高温耐久試験を行った。その結
果を図４に示すが、縦軸は抵抗変化率（％）であり、横
軸は耐久時間（Ｈｒ）を示している。

【００３４】図４から明らかな様に、本実施例のセラミ
ックスヒータ１は、比較例のものに比べて、抵抗値の経
時変化が著しく少なく優れた高温耐久性能を有している
。それに対して、比較例のものは１３０時間程度で断線
してしまい不適なものである。尚、他の温度条件でも同
様な耐久試験を行ったところ、５００〜１０００℃で使
用する場合、特に寿命が伸びることも判った。

【００３５】この様に、本実施例のセラミックスヒータ
１は、異なるグリーンシートの表面に、各々発熱パター
ン８，９を形成しているので、セラミックスヒータ１の
表面積に一定の限界があるにもかかわらず、各発熱パタ
ーン８，９の幅を広げることが可能である。それによっ
て、発熱パターン８，９の単位断面積当りの発熱負荷を
低減できるので、セラミックスヒータ１の寿命を向上す
ることができる。

【００３６】従って、このセラミックスヒータ１を、例
えば高温に長期間晒される空燃比制御用の酸素センサに
適用した場合には、発熱パターン８，９が劣化しにくく
、その抵抗の増大を防ぐことができる。よって、発熱パ
ターン８，９が断線したり、或は保護層にクラックが発
生することを防止できる。その結果、酸素センサを高温
で使用した場合でも、長い期間に亘ってセラミックスヒ
ータ１を好適に使用できるという顕著な効果を奏する。

【００３７】また、本実施例では、発熱パターン８，９
の厚さを増加するのではなく、幅を増加させるのである
から、グリーンシートに過大なひずみを与えることもな
く、この点からもクラックが生じにくいという利点があ
る。

【００３８】次に、他の実施例について、図５及び図６
に基づいて説明する。図５に示す様に、本実施例のセラ
ミックスヒータ２０は平板状であり、その材料は上記実
施例と同様であるので説明は省略する。

【００３９】上記セラミックスヒータ２０は、平板状の
セラミックス基材２１の表面に、第１ないし第３セラミ
ックス層２２，２３，２４が積層され、これらのセラミ
ックス層２２，２３，２４の間の境界面２５，２６には
、各々発熱パターン２７，２８が形成されている。

【００４０】この発熱パターン２７，２８の先端側の発
熱部３０，３１は、数回蛇行しており、図６（図５のＢ
−Ｂ断面図）に示す様に、この発熱部３０，３１は、ほ
ぼ等間隔で配置されている。

【００４１】本実施例のセラミックスヒータ２０は、上
記実施例と同様な効果を奏するが、特に形状が平板状で
あるので、平板状のセンサに適用すると好適である。

【００４２】

【発明の効果】以上の如く本発明のセラミックスヒータ
は、発熱パターンの単位断面積当りの発熱負荷を低減す
ることができる。よって、特に高温下に晒される条件下
においても抵抗値変化が少なく、安定な加熱特性を長時
間維持できる耐久性に優れたものであり、その製造も容
易である。従って、各種のセンサの加熱用ヒータとして
好適に適用でき、極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のセラミックスヒータを一部破
断して示す斜視図である。

【図２】実施例のセラミックスヒータを分解して示す斜
視図である。

【図３】実施例のセラミックスヒータの図１におけるＡ
−Ａ断面図である。

【図４】実施例及び比較例のセラミックスヒータの耐久
試験の結果を示すグラフである。

【図５】他の実施例のセラミックスヒータを一部破断し
て示す斜視図である。

【図６】他の実施例のセラミックスヒータの図５におけ
るＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１，２０…セラミックスヒータ ２，２１…セラミックス基材 ３，４，５，２２，２３，２４…セラミックス層６，７
，２５，２６…境界面 ８，９，２７，２８…発熱パターン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発熱パターンと３以上のセラミックス
   層とが積層され、一体焼成されてなるセラミックスヒー
   タにおいて、上記複数のセラミックス層によって形成さ
   れる少なくとも２以上の境界面に、上記発熱パターンが
   各々配置されたことを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 【請求項２】グリーンシートの表面に発熱パターンを形
   成するととともに、該発熱パターンの表面を他のグリー
   ンシートで覆うことによって、複数の発熱パターンと複
   数のグリーンシートとが各々異なる面に配置された積層
   体を形成し、該積層体をセラミックス基材に貼り付けて
   一体焼成することを特徴とするセラミックスヒータの製
   造方法。