JPH0543495U

JPH0543495U - セラミツクヒータ

Info

Publication number: JPH0543495U
Application number: JP10101491U
Authority: JP
Inventors: 峰次那須; 真横井; 邦夫柳
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】主に酸素センサ用の基板や汎用加熱器等に使
用するセラミックヒータにおいて、耐久性にすぐれたセ
ラミックヒータを得る。【構成】アルミナ等のセラミックス支持体１に白金ペ
ーストよりなる発熱抵抗体を備えたセラミックヒータに
おいて、加熱領域の中央部を除いた部分に発熱抵抗体パ
ターン２の形成を行ない、さらに、前記発熱抵抗体パタ
ーンの形成領域内にマイグレーション防止用導体パター
ン７を形成する。これにより、通電時における加熱領域
でのクラック発生による断線または局部発熱による溶断
を防ぐ。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、酸素センサ用の基板や汎用加熱器等に使用するセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般にセラミックヒータは、プレス成形、シート成形等により成形され得る平板状のセラミックス成形体に、白金、白金−ロジウム、モリブデン、タングステン等の高融点金属を含有するペーストを用いて発熱抵抗体パターンを厚膜印刷し、これを同時焼成して製造される。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

従来から用いられているセラミックヒータは、加熱領域全体に亘って一様に発熱抵抗体パターンが形成されているので、該発熱抵抗体パターンに通電して発熱させると、加熱領域内の中央部と周辺部との間に大きな温度差が生じる。また、発熱抵抗体パターンへの通電により、発熱抵抗体として用いている白金やタングステン等の金属元素、あるいはセラミックス支持体中に含まれるＮａ，Ｍｇ，Ｋ，Ｃａ等の不純物元素や酸素イオン等がマイグレーションを起こし、このマイグレーションにより発熱抵抗体パターンの電気抵抗が増大し、異常発熱を生じて加熱領域内に大きな温度分布が生じる。このようなセラミックヒータを繰り返し使用すると規定の発熱温度より低い温度になり、目的とする温度が得られなくなったり、セラミックス支持体にクラックが発生し、または局部的発熱により発熱抵抗体パターンが溶け、その結果、発熱抵抗体パターンの断線を引き起こして使用不能になるという問題がある。

【０００４】また、中央部にキャビティーを有する構造の酸素センサ等にこの従来のセラミックヒータを組み込んだものもあるが、この場合も同様に、繰り返し使用によりキャビティー下部のところでクラックが発生し、発熱抵抗体パターンの断線を引き起こして使用不能になるという問題がある。特に、酸素センサにおいては、チタニア等の感ガス層の剥離防止を目的として、感ガス層形成部の表面に凹凸部を設けることが行なわれるが、この凹凸部が熱応力によるクラック発生の起点となり易く、発熱抵抗体パターンの断線が頻発するという問題がある。本考案の目的は、上記課題を解決し、耐久性にすぐれたセラミックヒータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するための手段として、本考案の請求項１は、セラミックス支持体よりなる基体に発熱抵抗体パターンとマイグレーション防止用導体パターンとを形成した平板状のセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体パターンが、その加熱領域の少なくとも中央部を含む部分にて前記セラミックス支持体の全幅の３０％以上の幅の発熱抵抗体パターン未形成領域を有し、前記マイグレーション防止用導体パターンが、発熱抵抗体パターンの正極及び負極のうち少なくとも一方の電極端子リード部から分岐して延び、前記発熱抵抗体パターンの形成領域内に設けられていることを特徴とするセラミックヒータを要旨とする。さらに、本考案の請求項２は、センサの加熱用として用い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を要旨とする。さらに、本考案の請求項３は、加熱領域の上にキャビティーを有する絶縁層を設けたことを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータを要旨とする。さらに、本考案の請求項４は、加熱領域の上に絶縁層を形成し、前記絶縁層の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータを要旨とする。

【０００６】

【作用】

上記のように構成されたセラミックヒータにより、発熱抵抗体パターンの断線発生を防止し長期間使用することができる理由は次のとおりである。第１の理由として、本考案のセラミックヒータでは、発熱抵抗体パターンの形成領域を加熱領域の中央部以外の部分に限定したことによって、加熱領域内における温度分布が均一となり、熱応力によるひずみが低減するためクラックの発生が抑えられるものと考えられる。さらに、第２の理由として、本考案のセラミックヒータは、発熱中に発熱抵抗体パターンの近傍にマイグレートしようとするＮａ，Ｍｇ，Ｋ，Ｃａ等の不純物元素や酸素イオンがマイグレーション防止用導体パターンに捕らえられることにより発熱抵抗体の電気抵抗値の変化が小さく抑えられ、異常発熱を起こすことがなくなる。その結果、加熱領域内における温度分布が均一となり、熱応力によるひずみが低減するためクラックの発生が抑えられ、または、局部発熱による発熱抵抗体パターンの溶断による断線が抑えられるものと考えられる。

【０００７】ここで、発熱抵抗体パターンが、その加熱領域の少なくとも中央部を含む部分にて前記セラミックス支持体の全幅の３０％に満たないの幅の発熱抵抗体パターン未形成領域を有している場合、または、マイグレーション防止用導体パターンが発熱抵抗体パターンの形成領域外に形成されている場合は、上記の作用が十分に得られないので好ましくない。

【０００８】本考案のセラミックヒータに用いられるセラミックス支持体の成分は特に限定されず、例えば、アルミナ、ムライト、スピネル、コージェライト、フォルステライト、ベリリア、窒化珪素等が用いられるが、α−Ａｌ₂ Ｏ₃ を９０％以上含有するセラミックスはより好ましい。

【０００９】発熱抵抗体パターンは、白金、ロジウム、モリブデン、タングステン、タンタル等の高融点金属を主成分とし、抵抗値調整のために、またはセラミックス支持体との結合力向上のために上記セラミックス支持体と同質または異質のセラミックスから成る。また、発熱抵抗体パターンの形状は、蛇行線状、らせん線状等の既知の形状を採り得る。

【００１０】マイグレーション防止用導体パターンは、発熱抵抗体パターンの材質と同様であればよいが、それのみに限定されず、用いられる発熱抵抗体パターンの材質に応じ発熱抵抗体パターンにマイグレーションを起こさせないものを適宜選択すれば良い。また、マイグレーション防止用導体パターンは、発熱抵抗体パターンの形成領域内に形成するが、たとえば発熱抵抗体パターンとの間に絶縁層を介してその上層または下層に形成したり、発熱抵抗体パターンの形成面と同一面上に形成するのが好ましい。また、マイグレーション防止用導体パターンは、発熱抵抗体パターンが白金の場合は負極側に、発熱抵抗体パターンが白金以外の金属（たとえばタングステン）の場合には正極側に形成するのが望ましい。

【００１１】本考案のセラミックヒータは、直流電源または交流電源を用いることができる。また、本考案のセラミックヒータの耐久性をさらに増加させるために、直流電源の正極・負極を定期的に交換することまたはそのような働きを持つ装置と組み合わせることもできる。また、マイグレーション防止用導体パターンの部分を容易に着脱自在にして交換したりすることもできる。

【００１２】マイグレーション防止用導体パターンが電極端子リード部と分岐する分岐点の位置は、非発熱部である電極端子リード部（発熱抵抗体と同材質であってもよく、また異なる材質の導体でも良い）ならどこでも良く、発熱抵抗体パターンと電極端子リード部との接点であっても構わない。以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

【００１３】

【実施例】

次に示す手順でセラミックヒータを作製した。（１）α−Ａｌ₂ Ｏ₃ を主成分（９２％）とし、他に副成分としてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂ 等を加え、また、溶剤としてＭＥＫ、トルエン等を加えて混合する。（２）２０時間混合後、有機バインダーを加え、更に１５時間程混合する。（３）（２）の工程で得たスラリーを真空脱泡した後、ドクターブレード法にてキャスティングし、厚さがそれぞれ０．２６ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．８０ｍｍの３種類のグリーンシートを得た。（４）これらのグリーンシートを所定の寸法に切断する。

【００１４】（５）次にタングステン粉末にＡｌ₂ Ｏ₃ を約１０ｗｔ％添加し、有機バインダーとブチルカルビドールを溶剤として加えてタングステンペーストを作製し、このタングステンペーストを用いて、図１に示すように、厚さ０．４０ｍｍの第１のグリーンシート１に発熱抵抗体パターン２（幅０．３ｍｍ、厚さ１５〜３０ μｍ）をスクリーン印刷した。この時、発熱抵抗体パターン未形成領域の幅Ａを、セラミックス支持体の全幅Ｂに対して８．７〜３５％の範囲内で数種類作製した。幅Ａ及び全幅Ｂの測定の例を図２に示す。（６）乾燥後、温度５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上で、３５〜４０ｋｇ／ｃｍ² の面圧で面押しをした。（７）さらに、上記グリーンシートに、低抵抗導体ペーストを用いて、電極端子リード部３，３’（幅１．４ｍｍ、厚さ３０±１０μｍ）をその一端が発熱抵抗体パターン２に重なるようにスクリーン印刷を行なった後、（８）（６）で行なったのと同じ面押し工程を行なった。

【００１５】（９）次に、直径０．２ｍｍの白金線４をその一端が前記電極端子リード部３，３’に重なるように並べた後、厚さ０．２６ｍｍの第２のグリーンシート５を積層し、温度５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上で、３５〜４０ｋｇ／ｃｍ² の面圧で２分間の熱圧着を行なった。この時の第２のグリーンシート５には、マイグレーション防止用導体パターン７と、発熱抵抗体パターン２の電極端子（正極側）３とを導通させるための孔６がパンチングにより打ち抜かれている。

【００１６】（１０）その上にマイグレーション防止用導体パターン７（幅０．４ｍｍ、厚さ２５μｍ）を前記タングステンペーストを用いてスクリーン印刷した。この時、第２のグリーンシート５に形成した孔６によって、第１のグリーンシート１上の電極端子リード部（正極側）３と導通をとった。（１１）これを温度２６０℃で６時間保持して樹脂抜きをし、さらに、（１２）還元雰囲気中で温度１５４０℃で２時間保持し、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍのセラミックヒータを作製した。

【００１７】得られたセラミックヒータに対して次のような過電圧試験を行ない、クラック発生による断線の有無についての確認を行なった。加熱領域の中心部が、通電後３０秒で室温から１０００℃になる直流電圧を予め設定し、この電圧印加・冷却の繰り返しを２０回行なって、発熱抵抗体パターンの断線が発生する通電回数を調べた。その結果、従来の発熱抵抗体パターンのセラミックヒータは２〜７回の電圧印加によりクラックによる断線が発生したが、幅Ａが全幅Ｂに対して３０％以上のものは２０回の繰り返し電圧印加後においても断線は発生しなかった。以上の結果より、発熱抵抗体パターン未形成領域の幅Ａは、セラミックス支持体の全幅Ｂに対して３０％以上とするのが良いことが判明した。

【００１８】次に、中心部にキャビティーを有する構造の酸素センサに本考案のセラミックヒータを組込んだ第２の実施例について図３に基づいて説明する。ここでは発熱抵抗体パターン未形成領域の幅Ａをセラミックス支持体の全幅Ｂに対して３０％とし、次の手順で作製した。（１３）第１の実施例に記載の（１）から（９）の工程と同様にして得たグリーンシートの積層体上に、マイグレーション防止用導体パターン７（幅０．４ｍｍ、厚さ２５μｍ）を前記タングステンペーストを用いてスクリーン印刷した。この時、第２のグリーンシート５に形成した孔６によって、第１のグリーンシート１上の電極端子リード部（正極側）３と導通をとった。このマイグレーション防止用導体パターン７の形成位置を比較するために、図４の（ａ）に示すように発熱抵抗体パターンの形成領域の上層に設けたものと、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように発熱抵抗体パターンの形成領域外に設けたものと、図４の（ｄ）に示すようにマイグレーション防止用導体パターンを設けないものとの計４種類を作製した。さらに、絶縁のための第３のグリーンシート８（厚さ０．２６ｍｍ）を熱圧着にて積層した後、その上に白金ペーストを用いて一対の白金電極９（厚さ１５〜３０μｍ）をスクリーン印刷した。

【００１９】（１４）乾燥後、直径０．２ｍｍの白金線１０を、その一端が白金電極のリード部に重なるように並べ、さらに、キャビティー１１（幅２．０、長さ３．０ｍｍ）を形成するために孔明けされた第４のグリーンシート１２（厚さ０．２６ｍｍ）、補強用の第５、第６のグリーンシート１３、１４（共に厚さ０．８０ｍｍ）及び、センサ組付時の位置決め用の第７のグリーンシート１５（厚さ０．４０ｍｍ）を順次積層し、温度５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上で３５〜４０ｋｇ／ｃｍ² の面圧で２分間の熱圧着を行なった。

【００２０】（１５）その後、キャビティー部分に適当量の球状アルミナ１６（粒径１００〜１５０μｍ）を温度５０℃、真空度７０ｃｍＨｇ以上で、３〜８ｋｇ／ｃｍ² の面圧で２分間熱圧着させ、キャビティー部分に凹凸部を形成した。（１６）これを温度２６０℃で６時間保持して樹脂抜きをし、（１７）還元雰囲気中で温度１５４０℃で２時間保持し、支持体、導体、及び抵抗体を焼結させた。（１８）さらに、キャビティー部分に、チタニア微粒子よりなるペーストを塗布したのち、温度１１００℃で２時間の熱処理を行なってチタニア層１７を形成し、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍのチタニア酸素センサを得た。

【００２１】得られたチタニア酸素センサに対して次のようなエンジン耐久試験を行ない、クラック発生による断線の有無についての確認を行なった。排気温度８５０℃、還元雰囲気中、印加電圧ＤＣ１８Ｖ、発熱部温度１０００℃の条件下で１０００時間の連続使用を行ない、２００時間毎に発熱抵抗体パターンの電気抵抗値の変化及び断線の有無の確認を行なった。電気抵抗値の変化は、電気抵抗値の変化量をもとの電気抵抗値で除して算出した比率（％）で表わした。その結果を図５に示す。この図より明らかなように、本考案範囲外のセラミックヒータは発熱抵抗体パターンの電気抵抗値の変化が大きく、６００〜１０００時間の使用ですべてのセラミックヒータにクラックによる断線が発生したが、本考案のもの、すなわち、マイグレーション防止用導体パターンが発熱抵抗体パターンの形成領域の上層に設けられているセラミックヒータは、１０００時間の使用後においても発熱抵抗体パターンの電気抵抗値の変化は小さく、断線の発生したものはなかった。

【００２２】

【考案の効果】

本考案のセラミックヒータは、発熱抵抗体パターンの形成領域を特定することとともに、マイグレーション防止用導体パターンを前記発熱抵抗体パターン形成領域内に設けることによって、加熱領域内の温度分布を均一にし、また発熱抵抗体パターンの長期間安定化を果たし、その結果、加熱時の熱応力によるひずみが低減されるので、長時間の連続使用を行なっても発熱抵抗体パターンの断線を引き起こさず、安定した耐久性が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のセラミックヒータを分解して示
す斜視図である。

【図２】発熱抵抗体パターンの形成領域を示す平面図
である。

【図３】第２実施例の酸素センサを分解して示す斜視
図である。

【図４】第２実施例のマイグレーション防止用導体パ
ターンの形成位置を示す平面透視図である。

【図５】第２実施例の酸素センサの耐久性を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１‥‥‥第１グリーンシート２‥‥‥発熱抵抗
体パターン３，３’‥‥‥電極端子リード部４‥‥‥白金線５‥‥‥第２グリーンシート６‥‥‥孔７‥‥‥マイグレーション防止用導体パターン８‥‥‥第３グリーンシート９‥‥‥白金電極１０‥‥‥白金線１１‥‥‥キャビ
ティー１２‥‥‥第４グリーンシート１３‥‥‥第５グ
リーンシート１４‥‥‥第６グリーンシート１５‥‥‥第７グ
リーンシート１６‥‥‥球状アルミナ１７‥‥‥チタニ
ア層

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】セラミックス支持体よりなる基体に発熱
抵抗体パターンとマイグレーション防止用導体パターン
とを形成した平板状のセラミックヒータにおいて、前記
発熱抵抗体パターンが、その加熱領域の少なくとも中央
部を含む部分にて前記セラミックス支持体の全幅の３０
％以上の幅の発熱抵抗体パターン未形成領域を有し、前
記マイグレーション防止用導体パターンが、発熱抵抗体
パターンの正極及び負極のうち少なくとも一方の電極端
子リード部から分岐して延び、前記発熱抵抗体パターン
の形成領域内に設けられていることを特徴とするセラミ
ックヒータ。
【請求項２】センサの加熱用として用いることを特徴
とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項３】加熱領域の上にキャビティーを有する絶
縁層を設けたことを特徴とする請求項２に記載のセラミ
ックヒータ。
【請求項４】加熱領域の上に絶縁層を形成し、前記絶
縁層の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする請求項２
に記載のセラミックヒータ。