JPH11238571A - セラミックヒータの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製品不良を低減して製造歩留りが向上可能な
セラミックヒータの製造方法および製造装置を提供す
る。 【解決手段】 上金型でアルミナ成形体１０を下金型に
向かって押込み、グリーンシート積層体２０を下金型で
受けることにより、アルミナ成形体１０にグリーンシー
ト積層体２０を巻付けるので、アルミナ成形体１０とグ
リーンシート積層体２０との間の空気が抜け易く、界面
に空隙が形成されるのを防止することができる。また、
グリーンシート積層体２０の両端部２６および２７を横
金型で挟込むことにより、アルミナ成形体１０に両端部
２６および２７を密着させるので、アルミナ成形体１０
と両端部２６および２７との接着が良好となり、両端部
２６および２７がアルミナ成形体１０から剥がれるのを
防止することができる。したがって、製品不良を低減し
て製造歩留りを向上することが可能であり、自動化が容
易で製造工数を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサ等の各
種センサや流体を加熱するための加熱用ヒータ等に利用
されるセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車用酸素センサにおい
て、コールドスタート時に酸素センサを作動温度まで急
速に加熱させるため、セラミックヒータで加熱すること
が行われている。近年、排ガス規制の強化にともなって
コールドスタート時の立ち上がり特性を向上させる必要
があり、８００℃以上の高温でも使用可能な耐久性の高
いセラミックヒータが求められている。

【０００３】上記のセラミックヒータとして、アルミナ
を主成分とするセラミックス中に、Ｗ、Ｍｏ等の高融点
金属からなる発熱体を埋設してなるアルミナ製のセラミ
ックヒータが一般的に用いられている。このようなアル
ミナ製のセラミックヒータとして、例えば図１０に示す
ように、円柱状の芯部材１と、この芯部材１の外周に設
けられ、図示しない発熱抵抗体を有するヒータ部２とを
備えたセラミックヒータ３が知られている。

【０００４】上記のような構成のセラミックヒータを製
造する場合、例えば図１１に示すように、セラミックス
の円柱状成形体１１とシート状成形体１２とを用意し、
シート状成形体１２の一方の面にＷ、Ｍｏ等の高融点金
属のペーストを印刷して発熱抵抗体１３を形成した後、
この発熱抵抗体１３を形成した面に接着剤を塗布し、そ
の上に円柱状成形体１１を載置し、円柱状成形体１１を
図１１に示す矢印方向に回転することにより、発熱抵抗
体１３が内側となるようにシート状成形体１２を円柱状
成形体１１の周囲に巻付ける。その後、全体を焼成し一
体化することによって、図１０に示すセラミックヒータ
３を得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法で製造されたセラミックヒータは、例えば図１２に
示すように、円柱状成形体１１の周囲にシート状成形体
１２を巻付けるとき、円柱状成形体１１とシート状成形
体１２との密着性が悪く、円柱状成形体１１とシート状
成形体１２との界面に空隙１９が形成される場合があ
る。また、円柱状成形体１１とシート状成形体１２との
間に接着不良が発生し、シート状成形体１２の端部１２
ａが円柱状成形体１１から剥がれる場合がある。

【０００６】図１２に示すように、円柱状成形体１１と
シート状成形体１２との界面に空隙１９が形成された
り、シート状成形体１２の端部１２ａが円柱状成形体１
１から剥がれた場合、焼成後のセラミックヒータは、機
械的強度が低下して使用中に破壊したり、発熱抵抗体が
部分的に酸化して抵抗値が変化し、局部的に温度が高く
なって発熱抵抗体が断線するという問題があった。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、製品不良を低減して製造歩留り
が向上可能なセラミックヒータの製造方法および製造装
置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、
自動化が容易で製造工数が低減可能なセラミックヒータ
の製造方法および製造装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
セラミックヒータの製造方法によると、発熱抵抗体を有
するセラミックグリーンシートの上面に接着剤を塗布
し、セラミックグリーンシートの下部に凹凸部を有する
下金型を配置し、セラミックグリーンシートの上面の下
金型に対向する位置に筒状あるいは柱状のセラミック成
形体を載置し、セラミック成形体の上部に凹凸部を有す
る上金型を配置する。その後、上金型の凹凸部でセラミ
ック成形体を下金型に向かって押込み、セラミックグリ
ーンシートを下金型の凹凸部で受けることにより、セラ
ミック成形体にセラミックグリーンシートを巻付ける。
このとき、セラミック成形体とセラミックグリーンシー
トとの間の空気が抜け易く、密着性が良好となるので、
セラミック成形体とセラミックグリーンシートとの界面
に空隙が形成されるのを防止することができる。また、
セラミック成形体から上金型を離間させ、セラミック成
形体に巻付けたセラミックグリーンシートの両端部を中
心に凹凸部を有する一対の横金型を対向させ、セラミッ
クグリーンシートの両端部を横金型の凹凸部で挟込むこ
とにより、セラミック成形体にセラミックグリーンシー
トの両端部を密着させる。このとき、セラミックグリー
ンシートの両端部はセラミック成形体に向かって押さ
れ、セラミック成形体とセラミックグリーンシートの両
端部との接着が良好となるので、セラミックグリーンシ
ートの端部がセラミック成形体から剥がれるのを防止す
ることができる。したがって、製品不良を低減して製造
歩留りを向上することができる。

【０００９】さらに、下金型、上金型および横金型を用
いることにより、セラミック成形体とセラミックグリー
ンシートとの界面に空隙がなく、セラミックグリーンシ
ートの両端部がセラミック成形体から剥がれないセラミ
ック体を得ることができるので、製造装置を容易に自動
化することが可能であり、製造工数を低減することがで
きる。

【００１０】上記のセラミックス体を構成する材質とし
て、例えばアルミナ、ムライト、窒化珪素等を用いるこ
とができるが、９０〜９６重量％のアルミナを主成分と
し、残部がシリカ、マグネシア、カルシア等のガラス成
分からなるアルミナセラミックスが一般的である。セラ
ミックグリーンシートに発熱抵抗体を形成するには、セ
ラミックグリーンシートにスクリーン印刷等により発熱
抵抗体ペーストを塗布する厚膜法を採用することができ
る。

【００１１】上記の発熱抵抗体は、高融点金属からなる
金属成分を主成分とする。金属成分としては、例えば
Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属、あるいは焼成時に分
解、還元されて金属化するような材料を用いることがで
きる。また、セラミックス体と同様なセラミックス成分
を高融点金属からなる金属成分に混合することも可能で
ある。金属成分とセラミックス成分とを混合することに
より、高温における発熱抵抗体の耐久性を向上すること
ができる。

【００１２】上記の金属成分、あるいは金属成分とセラ
ミックス成分との混合物を溶剤等の液状成分を含有する
有機ビヒクル中に分散させて発熱抵抗体ぺーストを作製
することができる。発熱抵抗体ペーストの調整は、３本
ロールを使用する方法等で調整することができる。本発
明の請求項２記載のセラミックヒータの製造方法による
と、セラミックグリーンシートは、発熱抵抗体を有する
第１のセラミックグリーンシートと、ビアあるいはスル
ーホールを有する第２のセラミックグリーンシートとを
積層したグリーンシート積層体である。このため、発熱
抵抗体が内側となるように第１のセラミックグリーンシ
ートと第２のセラミックグリーンシートとを積層するこ
とにより、セラミック成形体とグリーンシート積層体と
の密着性がさらに良好となり、セラミック成形体とグリ
ーンシート積層体との界面に空隙が形成されたり、グリ
ーンシート積層体の端部がセラミック成形体から剥がれ
るのをさらに防止することができる。したがって、製品
不良をさらに低減し、製造歩留りをさらに向上すること
ができる。

【００１３】また、第１のセラミックグリーンシートに
形成した発熱抵抗体の引出し部と、第２のセラミックグ
リーンシートに形成したビアあるいはスルーホールとを
対向させることにより、両者を電気的に接続することが
可能である。さらに、第２のセラミックグリーンシート
の反第１のセラミックグリーンシート側の面のビアある
いはスルーホールにＮｉ等のめっきを施し、このめっき
層上にリード線をろう付けすることにより、外部から発
熱抵抗体に通電することが可能となる。

【００１４】本発明の請求項３記載のセラミックヒータ
の製造装置によると、下金型、上金型および横金型の凹
凸部の合わせ面の形状は、セラミック成形体、あるいは
セラミック成形体にセラミックグリーンシートを密着さ
せたセラミック体の外周面の形状に合わせた形状となっ
ている。したがって、セラミック成形体とセラミックグ
リーンシートとの密着性がさらに良好となり、セラミッ
ク成形体とセラミックグリーンシートとの界面に空隙が
形成されたり、セラミックグリーンシートの端部がセラ
ミック成形体から剥がれるのを確実に防止することがで
きる。

【００１５】さらに、セラミック成形体の形状が円柱
状、円筒状、角柱状、角筒状等さまざまな形状であって
も対応が可能であるので、さまざまな形状ならびに用途
のセラミックヒータ用の製造装置として用いることがで
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。本発明をアルミナ製のセラミックヒー
タの製造方法に適用した一実施例について、図１〜図９
を用いて説明する。まず、アルミナ製のグリーンシート
積層体の作製方法について述べる。

【００１７】(1) アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、
チタニア等の焼結助剤を少量加えた粉体に、ジオキシル
フタレート等の可塑剤、アクリル樹脂等のバインダおよ
びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、
十分に混練して粘度２０００〜４０００ｃｐｓのスラリ
を作製し、ドクターブレード法によって例えば０．５ｍ
ｍ厚の２枚のアルミナ製のセラミックグリーンシートを
形成する。

【００１８】(2) 図２（Ａ）に示すように、打抜き型や
パンチングマシーン等を用いて所望の形状に打抜いた第
１のアルミナグリーンシート２０ａの一方の面に、例え
ばＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属からなる発熱抵抗体ペ
ーストを用いて発熱抵抗体２３をスクリーン印刷等によ
り印刷する。この発熱抵抗体２３は、線幅が狭く屈曲パ
ターン形状の発熱部２１と、抵抗値が低くなるように幅
広形状の引出し部２２とからなる。

【００１９】(3) 図２（Ｂ）に示すように、打抜き型や
パンチングマシーン等を用いて図２（Ａ）に示す第１の
アルミナグリーンシート２０ａと同様の形状に打抜いた
第２のアルミナグリーンシート２０ｂに、打抜き型やパ
ンチングマシーン等を用いて一対のビアホールを打抜き
加工し、(2) の工程で用いたのと同じ発熱抵抗体ペース
トを各ビアホールに充填し、ビア３０を形成する。

【００２０】(4) 図３に示すように、発熱抵抗体２３が
内側となるように第１のアルミナグリーンシート２０ａ
と第２のアルミナグリーンシート２０ｂとを積層し、こ
のグリーンシート積層体２０を例えば８０〜１５０℃、
５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ² の条件で熱圧着して一体化す
る。このとき、第１のアルミナグリーンシート２０ａに
形成された引出し部２２と、第２のアルミナグリーンシ
ート２０ｂに形成されたビア３０とは、対面し、電気的
に接続される。

【００２１】次に、上記の(1) 〜(4) で作製したグリー
ンシート積層体と、別途用意したアルミナの水溶性スラ
リから製造されるアルミナ製の円柱状の押出し成形体と
を用い、このアルミナ成形体にグリーンシート積層体を
巻付ける方法について説明する。 (5) 図４に示すように、熱圧着されたグリーンシート積
層体２０の上面２５に有機系の接着剤を塗布し、グリー
ンシート積層体２０の下部に凹凸部４１を有する下金型
４０を配置する。ここで、第１のアルミナグリーンシー
ト２０ａの反発熱抵抗体側の面が上面２５であり、第２
のアルミナグリーンシート２０ｂの反第１のアルミナグ
リーンシート側の面が下面２４である。

【００２２】(6) 図５に示すように、グリーンシート積
層体２０の上面２５の下金型４０に対向する位置に円柱
状のアルミナ成形体１０を載置し、このアルミナ成形体
１０の上部に凹凸部５１を有する上金型５０を配置す
る。 (7) 図６に示すように、上金型５０を矢印−Ｚ方向に移
動し、上金型５０の凹凸部５１でアルミナ成形体１０を
下金型４０に向かって押込み、グリーンシート積層体２
０を下金型４０の凹凸部４１で受けることにより、アル
ミナ成形体１０にグリーンシート積層体２０を巻付け
る。ここで、上金型５０の凹凸部５１の合わせ面の形状
は、アルミナ成形体１０の外周面に合わせた半円状の形
状となっており、下金型４０の凹凸部４１の合わせ面の
形状は、アルミナ成形体１０にグリーンシート積層体２
０を密着させたセラミック体の外周面に合わせた半円状
の形状となっている。したがって、アルミナ成形体１０
にグリーンシート積層体２０を巻付けるとき、アルミナ
成形体１０とグリーンシート積層体２０との間の空気が
抜け易く、密着性が良好となるので、アルミナ成形体１
０とグリーンシート積層体２０との界面に空隙が形成さ
れるのを防止することができる。

【００２３】次に、アルミナ成形体に巻付けたグリーン
シート積層体の両端部をアルミナ成形体に密着させる方
法について説明する。 (8) 図７に示すように、上金型５０を矢印Ｚ方向に移動
し、アルミナ成形体１０から上金型５０を離間させ、ア
ルミナ成形体１０に巻付けたグリーンシート積層体２０
の両端部２６および２７を中心に凹凸部６１および７１
を有する一対の横金型６０および７０を対向させる。

【００２４】(9) 図８に示すように、横金型６０を矢印
−Ｘ方向に移動するとともに横金型７０を矢印Ｘ方向に
移動し、グリーンシート積層体２０の両端部２６および
２７を横金型６０および７０の凹凸部６１および７１で
挟込むことにより、アルミナ成形体１０にグリーンシー
ト積層体２０の両端部２６および２７を密着させる。こ
こで、横金型６０および７０の凹凸部６１および７１の
合わせ面の形状は、アルミナ成形体１０にグリーンシー
ト積層体２０を密着させたセラミック体の外周面に合わ
せた半円状の形状となっている。したがって、アルミナ
成形体１０にグリーンシート積層体２０の両端部２６お
よび２７を密着させるとき、この両端部２６および２７
はアルミナ成形体１０に向かって押され、アルミナ成形
体１０と両端部２６および２７との接着が良好となるの
で、両端部２６および２７がアルミナ成形体１０から剥
がれるのを防止することができる。

【００２５】次に、図９に示すように、横金型６０を矢
印Ｘ方向に移動するとともに横金型７０を矢印−Ｘ方向
に移動し、アルミナ成形体１０にグリーンシート積層体
２０の両端部２６および２７を密着させたセラミック体
１００から横金型６０および７０を離間させ、下金型４
０を矢印Ｚ方向に移動し、下金型４０によりセラミック
体１００を上方に押出す。

【００２６】そして、図１に示すように、下金型からセ
ラミック体１００を取出すことにより、アルミナ成形体
１０とグリーンシート積層体２０との界面に空隙がな
く、両端部２６および２７がアルミナ成形体１０から剥
がれない円柱状のセラミック体１００を得ることができ
る。このとき、ビア３０は発熱抵抗体２３に電気的に接
続されている。

【００２７】次に、上記で得られたセラミック体を窒素
−水素混合ガス雰囲気中で１５００〜１６００℃で焼成
し、一体化することにより、アルミナ製のセラミックヒ
ータが得られる。最後に、焼成後のセラミックヒータの
ビアにＮｉ等のめっきを施し、このめっき層上にリード
線をろう付けすることにより、外部から発熱抵抗体に通
電することが可能となる。

【００２８】本実施例においては、上金型５０の凹凸部
５１でアルミナ成形体１０を下金型４０に向かって押込
み、グリーンシート積層体２０を下金型４０の凹凸部４
１で受けることにより、アルミナ成形体１０にグリーン
シート積層体２０を巻付けるので、アルミナ成形体１０
とグリーンシート積層体２０との間の空気が抜け易く密
着性が良好となり、界面に空隙が形成されるのを防止す
ることができる。また、グリーンシート積層体２０の両
端部２６および２７を横金型６０および７０の凹凸部６
１および７１で挟込むことにより、アルミナ成形体１０
に両端部２６および２７を密着させるので、両端部２６
および２７はアルミナ成形体１０に向かって押され、ア
ルミナ成形体１０と両端部２６および２７との接着が良
好となり、両端部２６および２７がアルミナ成形体１０
から剥がれるのを防止することができる。したがって、
アルミナ成形体１０とグリーンシート積層体２０との界
面に空隙がなく、両端部２６および２７がアルミナ成形
体１０から剥がれないセラミック体１００を得ることが
でき、製品不良を低減することが可能であり、製造歩留
りを向上することができる。また、このセラミック体１
００を焼成することにより、耐久性および耐熱性に優れ
たセラミックヒータが得られる。

【００２９】以上説明した本実施例により得られるセラ
ミックヒータは、耐食性、耐久性に優れ、急速昇温が可
能であることから、酸素センサ等の各種センサや流体を
加熱するための加熱用ヒータ等に利用することができ、
特に酸素センサ加熱用ヒータとして最適である。本実施
例では、発熱抵抗体２３を有する第１のアルミナグリー
ンシート２０ａと、ビア３０を有する第２のアルミナグ
リーンシート２０ｂとを積層したグリーンシート積層体
２０をアルミナ成形体１０に巻付け、密着させることに
より、セラミックヒータを製造したが、本発明では、一
方の面側に発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体の引出し
部にビアあるいはスルーホールを有するアルミナグリー
ンシートの発熱抵抗体側の面が内側となるように、この
アルミナグリーンシートをアルミナ成形体の周囲に巻付
け、密着させることによりセラミックヒータを製造して
もよい。

【００３０】また本実施例では、円柱状のアルミナ成形
体１０を用いて円柱状のセラミックヒータを製造した
が、本発明では、円筒状、角柱状、角筒状等さまざまな
形状のセラミック成形体を用いてさまざまな形状のセラ
ミックヒータを製造することが可能である。本発明で
は、アルミナ製のセラミックヒータに限らず、ムライ
ト、窒化珪素等のセラミックヒータに適用することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するためのものであって、セラミック体を
示す斜視図である。

【図２】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するためのものであって、（Ａ）は第１の
アルミナグリーンシートを示す平面図であり、（Ｂ）は
第２のアルミナグリーンシートを示す平面図である。

【図３】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するためのものであって、グリーンシート
積層体を示す斜視図である。

【図４】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図５】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図６】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図７】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図８】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図９】本発明の一実施例によるセラミックヒータの製
造方法を説明するための模式的正面図である。

【図１０】従来のセラミックヒータを示す斜視図であ
る。

【図１１】従来のセラミックヒータの製造方法を説明す
るための模式的正面図である。

【図１２】従来のセラミックヒータの製造方法を説明す
るためのものであって、セラミック体を示す模式的正面
図である。

【符号の説明】

１０ アルミナ成形体（セラミック成形体） ２０ グリーンシート積層（セラミックグリーンシー
ト） ２０ａ 第１のアルミナグリーンシート（第１のセラミ
ックグリーンシート） ２０ｂ 第２のアルミナグリーンシート（第２のセラミ
ックグリーンシート） ２１ 発熱体 ２２ 引出し部 ２３ 発熱抵抗体 ２４ 下面 ２５ 上面 ２６、２７ 端部 ３０ ビア ４０ 下金型 ４１、５１、６１、７１ 凹凸部 ５０ 上金型 ６０、７０ 横金型 １００ セラミック体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱抵抗体を有するセラミックグリーン
   シートの上面に接着剤を塗布し、前記セラミックグリー
   ンシートの下部に凹凸部を有する下金型を配置する工程
   と、 前記セラミックグリーンシートの上面の前記下金型に対
   向する位置に筒状あるいは柱状のセラミック成形体を載
   置し、前記セラミック成形体の上部に凹凸部を有する上
   金型を配置する工程と、 前記上金型の凹凸部で前記セラミック成形体を前記下金
   型に向かって押込み、前記セラミックグリーンシートを
   前記下金型の凹凸部で受けることにより、前記セラミッ
   ク成形体に前記セラミックグリーンシートを巻付ける工
   程と、 前記セラミック成形体から前記上金型を離間させ、前記
   セラミック成形体に巻付けた前記セラミックグリーンシ
   ートの両端部を中心に凹凸部を有する一対の横金型を対
   向させる工程と、 前記セラミックグリーンシートの両端部を前記横金型の
   凹凸部で挟込むことにより、前記セラミック成形体に前
   記セラミックグリーンシートの両端部を密着させる工程
   と、 前記セラミック成形体に前記セラミックグリーンシート
   の両端部を密着させたセラミック体から前記横金型を離
   間させ、前記下金型から前記セラミック体を取出す工程
   と、 前記セラミック体を焼成する工程と、 を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
2. 【請求項２】 前記セラミックグリーンシートは、発熱
   抵抗体を有する第１のセラミックグリーンシートと、ビ
   アあるいはスルーホールを有する第２のセラミックグリ
   ーンシートとを積層したグリーンシート積層体であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータの製造
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の製造方法を実
   施するための装置であって、 前記下金型、前記上金型および前記横金型の凹凸部の合
   わせ面の形状は、前記セラミック成形体あるいは前記セ
   ラミック体の外周面の形状に合わせた形状となっている
   ことを特徴とするセラミックヒータの製造装置。