JPH0551275A - セラミツクスヒータ - Google Patents

セラミツクスヒータ

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JPH0551275A
JPH0551275A JP20948991A JP20948991A JPH0551275A JP H0551275 A JPH0551275 A JP H0551275A JP 20948991 A JP20948991 A JP 20948991A JP 20948991 A JP20948991 A JP 20948991A JP H0551275 A JPH0551275 A JP H0551275A
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heater
ceramic
electrode
ceramics
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Takashi Kawai
尊 川合
Nobuhiro Hayakawa
暢博 早川
Yutaka Nakayama
豊 中山
Kazuo Watanabe
一夫 渡辺
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NGK Insulators Ltd
Niterra Co Ltd
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NGK Insulators Ltd
NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイグレーションの発生を防止して、ヒータ
電極の断線や抵抗変化を防止するセラミックスヒータを
提供すること。 【構成】 ヒータ基板1のセラミックスとして、アルカ
リ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が0.1重
量%以下の高純度アルミナを用い、また、導電材料及び
セラミックス添加剤からなるヒータ電極2のセラミック
ス添加剤として、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類
金属の含有量が0.07重量%以下の酸化物を用い、そ
れらを同時焼成して形成したセラミックスヒータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス製のヒー
タ基板にヒータ電極が形成されたセラミックスヒータに
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、セラミックスヒータは、高温での
安定性に優れているので、例えば自動車用の酸素センサ
やグローシステム等に使用されている。この種のセラミ
ックスヒータとしては、セラミックス製のヒータ基板上
に、導電材料とセラミックス添加剤との混合材料からな
るヒータ電極が形成されたものが知られている。
【0003】そして、このセラミックスヒータのヒータ
基板としては、例えば低ソーダアルミナに焼結助剤を添
加したセラミックスを原材料とするアルミナ焼結体が多
用されており、また最近になって、高純度アルミナから
なるヒータ基板も提案されている。
【0004】一方、ヒータ電極としては、近年では昇温
速度をより速くするために、低抵抗ヒータの需要が増え
ており、このヒータ電極の材料には、例えば導電材料の
白金にセラミックス添加剤(例えば低ソーダアルミナ)
を共素地として加えた材料が使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記材料か
らなるヒータ電極をヒータ基板上に形成したセラミック
スヒータでは、次の様な問題があり、必ずしも好適では
なかった。つまり、従来のセラミックスヒータを、高温
かつ直流高電位(例えばバッテリ電圧の10〜16V)
下で使用すると、例えば高純度アルミナで形成されたヒ
ータ基板におけるマイグレーションはかなり防止できる
が、白金に低ソーダアルミナ等を添加して形成したヒー
タ電極を使用すると、マイグレーションは十分に防止で
きなかった。その結果、セラミックスヒータを使用して
いるうちに、ヒータ電極の断線や抵抗変化を引き起こす
という問題があった。
【0006】ここで、マイグレーションとは、例えばセ
ラミックスヒータを、高温にて直流高電圧下で使用する
と、不純物としてアルミナ中に含有されるアルカリ金
属,アルカリ土類金属等のイオンが移動する現象を示
し、このマイグレーションが発生すると、アルカリ金属
やアルカリ土類金属の陽イオンがマイナス端子側に偏析
して、前記の様な種々の障害を発生する。
【0007】本発明は上記課題を解決するためになさ
れ、マイグレーションの発生を防止して、ヒータ電極の
断線や抵抗変化を防止するセラミックスヒータを提供す
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの、請求項1の発明は、セラミックスからなるヒータ
基板と、導電材料及びセラミックス添加剤からなるヒー
タ電極と、を同時に焼成するセラミックスヒータにおい
て、前記ヒータ電極のセラミックス添加剤として、アル
カリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が0.0
7重量%以下の酸化物を用いたことを特徴とするセラミ
ックスヒータを要旨とする。
【0009】請求項2の発明は、前記ヒータ基板のセラ
ミックスとして、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類
金属の含有量が0.1重量%以下の高純度アルミナを用
いたことを特徴とする請求項1記載のセラミックスヒー
タを要旨とする。
【0010】請求項3の発明は、前記ヒータ電極のセラ
ミックス添加剤として、前記ヒータ基板のセラミックス
と同種の材料からなる共素地を用いたことを特徴とする
請求項1又は請求項2記載のセラミックスヒータを要旨
とする。
【0011】請求項4の発明は、前記ヒータ電極のセラ
ミックス添加剤として、前記ヒータ基板のセラミックス
の焼結活性より高い焼結活性の材料を用いたことを特徴
とする請求項1ないし請求項3記載のセラミックスヒー
タを要旨とする。
【0012】ここで、前記セラミックス添加物の酸化物
としては、α−アルミナや、5〜5.5mol%Y23
分安定化ジルコニア(PSZ)等を使用することができ
る。また、その添加量は添加物の種類によって異なる
が、例えば3.5〜10重量%の範囲であれば、導電性
を損なうことなく密着強度を高めることができるので好
適である。
【0013】前記ヒータ電極のセラミックス添加剤中に
含まれるアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属と
は、主としてNa,Mg,Caである。前記ヒータ電極
の導電材料としては、Pt,W,Mo等を使用できる。
前記ヒータ基板の材料の高純度アルミナとしては、例え
ば0.1重量%以下のアルカリ金属及び/又はアルカリ
土類金属と1.0重量%以下のSiO2とを含有するア
ルミナに、Y23,Sc23,ランタン系列金属酸化物
から選ばれた少なくとも一種以上の酸化物を2〜6モル
%固溶した部分安定化ジルコニアを、2〜18重量%添
加した材料を使用すると、マイグレーションを効果的に
防止できるので好適である。
【0014】前記焼結活性を高める手段としては、同種
材料を用いる場合には、ヒータ電極に添加する共素地材
料の比表面積(SSA)を、ヒータ基板の材料の比表面
積より高める方法を採用でき、例えば、ヒータ電極にア
ルミナ粉末を添加する場合には、ヒータ基板より2〜3
倍の比表面積のものを使用すると、密着強度が向上する
ので好適である。
【0015】
【作用】上記構成を有する本発明のセラミックスヒータ
は、ヒータ電極のセラミックス添加剤として、アルカリ
金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が0.07重
量%以下の酸化物を用いるので、高温・直流高電位下で
使用した場合でのマイグレーションの発生を防止するこ
とが可能となる。つまり、ヒータ電極中には、移動する
アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の陽イオンの
数が制限されているので、マイグレーションが発生しに
くい。
【0016】ここで特に、ヒータ基板のセラミックスと
して、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有
量が0.1重量%以下の高純度アルミナを用いた場合に
は、ヒータ電極とともにヒータ基板も十分にマイグレー
ションを防止できるので好適である。
【0017】また、ヒータ電極のセラミックス添加剤と
して、ヒータ基板のセラミックスと同種の材料からなる
共素地を用いた場合には、ヒータ基板とヒータ電極との
密着強度が一層向上する。更に、ヒータ電極のセラミッ
クス添加剤として、ヒータ基板のセラミックスの焼結活
性より高い焼結活性の材料を用いる場合には、ヒータ電
極の焼結温度がヒータ基板の焼結温度より低下するの
で、ヒータ電極がヒータ基板に入り込む様に焼結し、こ
の点からも密着強度が一層向上する。
【0018】
【実施例】次に、本発明に係るセラミックスヒータとし
て、酸素センサ用のヒータに使用した実施例について説
明する。本実施例のセラミックスヒータは、図1に示す
様に、高純度アルミナを主成分とするヒータ基板1と、
ヒータ基板1の下面に形成されたヒータ電極2と、ヒー
タ基板1の上面に形成されたマイグレーション防止パタ
ーン3と、ヒータ基板1の両側を被うラミネート用セラ
ミックス基板4,5とから構成されている。
【0019】この様なセラミックスヒータは、次の工程
によって製造される。 まず、ヒータ基板1となるグリーンシートを製造す
る。つまり、微量の不純物として10ppm以下のアルカ
リ金属及び/又はアルカリ土類金属と約14ppmのSi
2と約3ppmのMgOとを含有する高純度アルミナ(A
23含有量:99.99%,平均粒径0.4μm,比
表面積:7.0m2/g)に、5.5モル%Y23部分安
定化ジルコニア(以下、PSZと略称する)を焼結助剤
として2重量%添加し、更にPVB系のバインダーを配
合して、周知のドクターブレード法により4.5mm×5
7mm×0.45mmのグリーンシートを成形する。
【0020】次に、ヒータ電極2及びマイグレーショ
ン防止パターン3となるペーストを製造する。つまり、
主成分の導電材料として白金を使用し、共素地としてア
ルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属がヒータ電極1
全体の0.01重量%含まれているα−アルミナを4重
量%使用し、更にPVB系のバインダーを加えてペース
トを製造する。そしてこのペーストを用いて、前記グリ
ーンシートの下面にヒータ電極層をスクリーン印刷し、
また上面にはマイグレーション防止パターン層をスクリ
ーン印刷する。
【0021】更に、グリーンシートの上下面に、それ
ぞれヒータ電極層,マイグレーション防止パターン層を
挟んで、4.5mm×57mm×0.27mmのラミネート用
グリーンシートをラミネートする。尚、ラミネート用グ
リーンシートは、前記グリーンシートと同一組成であ
り、ドクターブレード法により成形されている。
【0022】そして、これらの積層体を高温焼結炉に
て、例えば1520℃を下回る焼結温度で焼結して、本
実施例のセラミックスヒータを完成する。次に、本発明
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)この実験に使用するセラミックスヒータとし
て、上述した実施例とほぼ同様な製造方法で、下記表1
に示す試料No1〜4のセラミックスヒータを各々複数個
製造した。ここで、共素地及び焼結温度は、表1のもの
を採用し、室温でのヒータ電極の抵抗値が約2.8Ωと
なる様に設定した。尚、試料No1〜3が実施例であり、
試料No4は比較例である。
【0023】
【表1】
【0024】そして、1000℃の雰囲気にて、ヒータ
電極に13.3Vを印加し、各々のセラミックスセンサ
の断線を検出することによって、セラミックスヒータの
耐久時間を調べた。その結果を表2及び図2に記す。
【0025】
【表2】
【0026】この表2及び図2から明かな様に、本実施
例の試料No1〜3セラミックスヒータは、マイグレーシ
ョンが発生しにくいので、耐久時間が平均300時間以
上と長く、高温耐久性に優れていることが分かる。特
に、試料No1のものは、共素地がヒータ基板の材料と異
なるが、アルカリ類やアルカリ土類の含有率が小さくし
かも焼結温度が低いので、耐久時間が平均300時間と
長い。また、試料No2のものは、焼結温度は高いが共素
地がヒータ基板と同種であり、しかもアルカリ類やアル
カリ土類の含有率が極めて小さいので、耐久時間が35
0時間と長い。更に、試料3のものは、共素地がヒータ
基板と同種であり、アルカリ類やアルカリ土類の含有率
も極めて小さく、しかも比表面積が大きく焼結温度が低
いので、耐久時間が平均540時間と極めて長く好まし
いものである。
【0027】それに対して比較例の試料No4は、ヒータ
基板と同種の共素地を使用しているが、アルカリ類やア
ルカリ土類の含有率が大きいのでマイグレーションが発
生し易く、耐久時間が平均180時間と短いので好まし
くない。尚、本発明は、上記実施例に何等限定されず、
本発明の要旨の範囲内において各種の態様で実施できる
ことは勿論である。
【0028】例えば、マイグレーション防止パターンを
省略したものでも、一定の効果は得られる。
【0029】
【発明の効果】以上詳述した様に、本発明のセラミック
スヒータによれば、ヒータ電極のセラミックス添加剤と
して、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有
量が0.07重量%以下の酸化物を用いたので、高温・
直流高電位での使用時におけるマイグレーションを効果
的に防止できる。それによって、ヒータ電極の断線や抵
抗変化の発生を防ぐことができるので、セラミックスヒ
ータの耐久性が向上する。
【0030】特に、ヒータ基板に高純度アルミナを用い
た場合には、セラミックスヒータ全体のマイグレーショ
ンを効果的に防止できる。また、ヒータ電極のセラミッ
クス添加剤として、ヒータ基板のセラミックスと同種の
材料からなる共素地を用いた場合、或はヒータ基板のセ
ラミックスの焼結活性より高い焼結活性の材料を用いた
場合には、ヒータ基板とヒータ電極との密着強度を大き
く向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施例のセラミックスヒータを示す分解斜
視図である。
【図2】 実験例の耐久試験の結果を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
1…ヒータ基板 2…ヒータ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 豊 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 渡辺 一夫 岐阜県岐阜市水海道2丁目4番26号

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックスからなるヒータ基板と、導
    電材料及びセラミックス添加剤からなるヒータ電極と、
    を同時に焼成するセラミックスヒータにおいて、 前記ヒータ電極のセラミックス添加剤として、アルカリ
    金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が0.07重
    量%以下の酸化物を用いたことを特徴とするセラミック
    スヒータ。
  2. 【請求項2】 前記ヒータ基板のセラミックスとして、
    アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が
    0.1重量%以下の高純度アルミナを用いたことを特徴
    とする請求項1記載のセラミックスヒータ。
  3. 【請求項3】 前記ヒータ電極のセラミックス添加剤と
    して、前記ヒータ基板のセラミックスと同種の材料から
    なる共素地を用いたことを特徴とする請求項1又は請求
    項2記載のセラミックスヒータ。
  4. 【請求項4】 前記ヒータ電極のセラミックス添加剤と
    して、前記ヒータ基板のセラミックスの焼結活性より高
    い焼結活性の材料を用いたことを特徴とする請求項1な
    いし請求項3記載のセラミックスヒータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0701979A1 (en) 1994-08-18 1996-03-20 Ngk Spark Plug Co., Ltd Alumina-based sintered material for ceramic heater and ceramic heater
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KR100943933B1 (ko) * 2004-05-27 2010-02-24 쿄세라 코포레이션 세라믹 히터와 그것을 이용한 헤어 아이롱

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