JPS6127084A - セラミツクヒ−タ - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば酸素濃度検出装置を構成する固体電
解質素子のようなセンサ類の検出部分を所定温度状態に
設定する等のように、特定される箇所の加熱制御のため
に利用されるようなセラミックヒータに関する。

［従来の技術］ 例えば、エンジン排気ガス中の酸素濃度の状態を検出す
る装置にあっては、その検出素子として酸素イオンの伝
導特性を有する固体電解質素子が利用されている。この
ような固体電解質素子にあっては、その温度を特定され
る温度以上の状態に保つように設定しないと、所定の特
性を発揮しないものであり、したがってこの固体電解質
素子に対しては、この素子を加熱設定するヒータが組み
合せ設定されている。

このような特定される箇所を加熱する手段としては、例
えば実開昭５１−９１８４３号公報にも示されるように
セラミックヒータを利用することが知られている。ここ
で使用されているセラミックヒータは、アルミナ等のセ
ラミックシー１〜からなる基体の表面上に、セラミック
材料粉末に金属材料粉末を混合してなる金属ペーストを
印刷して発熱抵抗体パターンを形成し、このようなシー
ト状に構成されるヒータ本体を板あるいは棒状の生セラ
ミツク基材に対して接着設定する。そして、このヒータ
本体とセラミック基材を焼結一体化するものである。

しかし、このように構成されるセラミックヒータにおい
て、上記発熱抵抗体パターンはセラミック基体とのなじ
みが悪いものであり、したがって発熱抵抗体パターンが
上記基体から剥離し易い状態にある。このため、このセ
ラミックヒータの耐久性は劣る状態にあるものであり、
充分な信頼性をもって使用することができない。

このような点を改善しようとして、特開昭５５−６８０
７８号公報に示されるようなことが考えられている。す
なわち、セラミック基体に対して、通電によって発熱す
る金属発熱層を設定するものであるが、この発熱層と上
記セラミック基体との間にモリブデン、タングステン等
の高社点の金属からなる中間層を設けるようにする。そ
して、この中間層によって、上記セラミック基体と発熱
層との間を強固に接着させるようにしているものである
。

しかし、このように中間層を設けるようにする構造のも
のでは、発熱層と中間層とが異なる金属によって構成さ
れるようになるものであるため、このヒータを高温状態
とした場合に、上記発熱層と中間層との間に熱膨張率の
差によって剥離が生ずるようになる。したがって、この
ように構成してもその信頼性を充分なものとすることが
てきないものである。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、シー
ト状に構成されるセラミック基体に対して導電性発熱層
を形成する場合に、この導電性発熱層と上記セラミック
基体との間の接着強度が充分な状態に設定されると共に
、高温状態となった場合であっても上記両者間に剥離が
発生することなく、長期間に亙って信頼性の高い状態で
使用することができるようにするセラミックヒータを提
供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係るセラミックヒータにあっては
、シート状のセラミック基体の表面に対して、この基体
を構成する材料と同じセラミック粉末と電気導電性材料
の粉末とを混合した材料によって導電性発熱層を形成す
るようにする。

［作用］ したがって、上記のようにセラミック材料を含む状態で
導電性発熱層を形成することによって、この両者を一体
化するために焼結した場合に、セラミック基体と導電性
発熱層のセラミック材料とが同一〇料でなるものである
ため、良好に一体化するようになり、基体と発熱層との
剥離の発生が効果的に防止され信頼性が向上されるよう
になるものである。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はその断面構造を示すもので、シー］・状の第１
のセラミック基体１１の表面上に導電性発熱層１２を抵
抗体パターンとして形成し、この発熱層１２を被覆する
状態で上記基体１１と同様の第２のセラミック１３を積
層設定して構成されているものである。

ここで、上記第１および第２のセラミック基体１１およ
び１３は、耐熱性が良好で且つ電気絶縁性の良好なアル
ミナ、ベリリア等のセラミック原料を調合粉砕し、これ
に有機質バインダーを添加してこれを混練した後加熱圧
延してシート状に構成される。

また、この第１および第２の基体１１と１３との間に設
定される導電性発熱層１２は、白金、タングステン等の
高融点金属材料の粉末と上記基体１１．１３を構成する
セラミック材料と同一のセラミック粉　　　。

末を混合したペーストによって構成されるもので、この
抵抗体となるペーストは例えば特開昭５５−１４１０８
５号公報に示されるようにして構成される。そして、こ
の金属ペーストは上記第１のセラミック基体１１の表面
に対して、所定の抵抗値が得られるように厚さ、形状等
を調節設定して印刷、＝　　　塗布等の手段で抵抗体パ
ターンとして形成する。

このように抵抗体パターンの形成された第１のセラミッ
ク基体１１のパターン面には、上記発熱抵抗体パターン
が露出されないように第２のセラミック基体１３を積層
設定し、加熱圧着または有機バインダーを用いて接着し
た後、一体焼成して上記セラミックヒータが構成される
ものである。

第２図乃至第５図は、上記のように構成されるセラミッ
クヒータを、その製造過程にしたがってより詳細に説明
するもので、まず第２図に示す第１のセラミック基体１
１は、α−Ａ１２０３を主成分として数％の５ｉ０２お
よびＭｇＯを含有したセラミック材料を、有様バインダ
ーや可塑剤と共に混合してシート状に成型して構成した
ものである。

このように構成される第１のセラミック基体１１の表面
上に対しては、第３図にも断面して示すように導電性発
熱層１２を形成するものであるが、この発熱層１２を構
成する材料は、白金粉末９０％（重量比）に対してα−
Ａ１２０３の粉末１０％を混合し、この混合粉末を有機
バインダーおよび溶媒と混ぜてペースト状にされるもの
である。そして、このペースト状材料をスクリーン印刷
手段によって上記第１の基体１１の表面上に塗布設定し
てパターン形成するもので、このパターンにあっては折
曲した発熱部１２ａおよび基体１１の１つの縁部分に並
べて設定される導出端子部１２ｂおよび１２Ｃが設定さ
れるようになっている。

このように導電性発熱層１２の形成された第１のセラミ
ック基体１１に対しては、第４図に示すように、上記第
１のセラミック基体１１と同材質の第２のセラミック基
体１３を積層設定するもので、この第１および第２のセ
ラミック基体１１および１３は加熱圧着によって一体に
接着する。そして、このサンドインチ状に接着設定され
た第１および第２のセラミック基体１１および１３は、
大気雰囲気中において１６００’Ｃの温度で焼成し、一
体に焼結させる。この場合、第２のセラミック基体１３
は第１のセラミック基体１１よりも少し小さい状態に構
成し、互いに積層設定したときに第１のセラミック基体
１１に対して形成した導電性発熱層１２の端子部１２ｂ
および１２ｃが、重ねられた第２のセラミック基体１３
の縁部分から露出設定されるようにする。

第５図はこの第１および第２のセラミック基体１１およ
び１３が一体に焼結された状態を示しているもので、発
熱層１２の端子部１２ｂおよび１２Ｃに対してニッケル
によるリード線１４ａ　、　１４ｉを銀ローによって取
り付は設定してなる。

すなわち、このように構成されるセラミックヒータにあ
っては、第１図で示されているように導電性発熱層１２
の中のセラミック材料が第１および第２のセラミック基
体１１および１３と焼結一体化する状態となるものであ
り、互いに噛み合うような状態で強固に接着される状態
となる。したがって、セラミック基体１１．１３から導
電性発熱層１２が剥離するようなことがないものであり
、長期間に亙るｉ湿状態での使用に耐えることができる
ようになるものである。

第６図は上記のように構成されるセラミックヒータの耐
久テストの結果を示しているもので、このテストにあっ
ては第２図乃至第５図で示したような方法で１．０Ωの
抵抗値のヒータを製造して、このヒータに対して１０■
の直流電圧を印加設定して、その抵抗値の経時変化状態
をみたものである。すなわち、この図において実線は上
記実施例のようにして製造されたセラミックヒータであ
り、破線は導電性発熱層に対してセラミック材料を混合
しないで製作した従来型のヒータの場合を示している。

すなわち、従来がたのセラミックヒータにあっては、通
電後６００時間程度で断線しているものであり、この場
合の発熱層の状態を観察すると、発熱抵抗層がセラミッ
ク基体から剥離してしまっていた。これに対して、上記
実施例に係る製品は１０００時間通電した状態であって
も、実質的な抵抗値の変化はなく、導電性発熱層１２の
剥離も発生していないものである。

［第２の実施例］ 上記実施例にあっては、シート状に形成されるセラミッ
クヒータに係るものであったが、例えば酸素濃度検出装
置を構成するコツプ状に形成される固体電解質素子を加
熱制御させるためのセラミックヒータは、細長い棒状に
構成する必要がある。

第７図はこのような棒状のセラミックヒータを（６成す
る実施例を示しているもので、まず（Ａ）図に示すよう
にシート状のセラミック基体２１に対して導電性発熱層
２２を形成する。この場合、セラミック基体２１は前記
実施例と同様に構成されるものであり、また発熱層２２
も前実施例と同様に基体２１を構成するセラミック材料
を混合設定した抵抗金属材料によって、第２図で説明し
たと同様にして発熱部２２ａ、端子部２２ｂおよび２２
ｃを備えるパターン状に形成されるものである。

また、このように構成されるヒータ本体部に対して同図
の（Ｂ）に示すようなセラミックパイプ２３が組み合せ
使用される。このパイプ２３は、上記セラミック基体２
１と同じ材質となるＡｌ２Ｏ３を主成分として数％の５
ｉ０２およびＭｇＯを含有したセラミック原料を、有機
バインダーおよび溶媒と共に混合して、押し出し成型に
よってパイプ状に成型し乾燥した生セラミツクパイプで
構成されている。

この生セラミツクパイプに対しては、その基端部分に対
応して一対の溝２４ａおよび２４ｂが形成されているも
ので、この溝２４ａおよび２４ｂは端子取出し部として
使用されるようになる。

そして、このように構成されるセラミックパイプ２３の
外周に対して（Ａ）図に示した発熱層２２を形成したセ
ラミック基体２１を（Ｃ）図に示すように巻付は設定す
るもので、この場合、上記セラミック基体２１は、セラ
ミックパイプ２３に対して有機バインダーを溶媒に溶か
した溶液を用いて接着するものである。そして、このよ
うに生セラミツクパイプ２３に対してセラミック基体２
１を巻付は接着、した状態で、大気雰囲気中で１６００
’Ｃで焼成し一体に焼結させるようにする。セラミック
パイプ２３の一対の溝２４ａおよび２４ｂに対しては、
例えばニッケル等で構成される端子用リード＠　２５ａ
および２５ｂを嵌め込み設定しておく。そして、巻付け
られたセラミック基体２１の発熱層２２の端子部２２ｂ
および２２ｃが、上記リード線２５ａおよび２５ｂに対
して対接設定され、相互に接触設定されるようにするも
のであり、このリード線２５ａおよび２５ｂと端子部２
２ｂおよび２２ｃとは適宜銅でロー付は設定されるもの
である。

第８図は第６図の場合と同様に棒状に構成される従来品
と、上記実施例に示したセラミックヒータとを耐久テス
トした結果を対比して示すもので、破線で示す従来品に
あっては、約８００時間でヒータが断線する状態となり
、また発熱層とセラミック基体との間に剥離がみられた
。

［その他の実施例］ これまでの第１および第２の実施例にあっては、導電性
発熱層をセラミック粉末を混合した金属材料によって構
成するようにしたが、このセラミック混合材料はセラミ
ック基体との結合状態を強固にするために効果を発揮す
るものであり、特にセラミック基体と接触する面を上記
のようなセラミック粉末との混合材料によって構成すれ
ばよいものである。

例えば、第９図に示すようにセラミック基体３１と接触
する面に対してセラミック粉末を混合した第１の発熱層
３２を形成し、さらにこの第１の発熱層３２に対してセ
ラミック粉末を混合しない金属層で構成される第２の発
熱層３３を重ねるように形成した２重構造で導電性発熱
層を構成させるようにする。

この場合、第１の発熱層３２は、セラミック粉末を混合
しない第２の発熱層３３に比較して抵抗が高い状態にあ
り、したがって発熱動作は第２の発熱層３３において主
として起きるようになる。そして、この第２の発熱層３
３の面を他のセラミックシート３４によって保護するよ
うに構成するものである。

また、第１０図に示すものは、セラミック粉末を含まな
い金属層からなる第１の発熱層４１の両面に、それぞれ
セラミック粉末を混合した材料にょって構成した第２お
よび第３の発熱層４２および４３を重ねる状態の、３重
構造の導電性発熱層を構成した例を示しているもので、
この第２および第３の発熱層４２および４３の面に対し
て、それぞれシート状のセラミック基体４４および４５
を接合設定するものである。

すなわち、上記第９図および第１０図に示したように導
電性発熱層を、セラミック粉末を混合しない金属層を含
む２重あるいは３重構造で構成することによって、発熱
動作の主体となる金属層はセラミック粉末を含む発熱層
によって酸化等の劣化から効果的に保護されるようにな
り、またセラミック基体に対する接着強度も充分に強く
且つ耐久性に富む状態にされるものである。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、発熱体となる導電性発
熱層がこれを支えるセラミック基体に対して非常に強固
な状態で接着設定されるようになるものであり、特に長
時間高熱状態に設定されるような状態であっても、発熱
層とセラミック基体との間に剥離の発生しない状態とさ
れる。すなわち、非常に信頼性の高いセラミックヒータ
が提供されるものであり、例えばエンジン制御システム
等において使用される酸素濃度検出装置の固体電解質の
加熱手段として、充分に信頼性の高い状態で使用できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るセラミックヒータの
断面構造を示す図、第２図乃至第５図は上記第１図で示
したヒータを製造過程にしたがって説明する図、第６図
は上記ヒータの耐久性を従来と対比して説明する図、第
７図はこの発明の第２の実施例を説明する図、第８図は
上記実施例の耐久性を従来と対比して説明する図、第９
図および第１０図はそれぞれさらに他の実施例を説明す
る断面構成図である。 １１．１３．２１．２３．３１．４４．４５・・・セラ
ミック基体、１２．２２．３２．４２．４３・・・導電
性発熱層（セラミック粉末を含む）、３３．４１・・・
発熱層（セラミック粉末を含まない）。 第６図 第８図 第９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐熱電気絶縁性のセラミックによって構成された
   シート状の基体と、少なくとも上記基体と接触する面に
   対応する部分をこの基体と同じセラミック材料の粉末と
   電気導電性材料の粉末とを混合した材料によって構成し
   た導電性発熱層とを備え、上記基体の少なくとも１つの
   面に上記導電性発熱層を積層形成するようにしたことを
   特徴とするセラミックヒータ。
2. （２）上記導電性発熱層は、上記基体の面に対して積層
   形成した上記セラミック材料と導電性材料との混合層と
   、発熱抵抗金属薄膜との積層構造によって構成した特許
   請求の範囲第１項記載のセラミッヒータ。
3. （３）上記導電性発熱層は、発熱抵抗金属薄膜の両面に
   対して、上記基体と同じセラミック材料と導電性材料と
   を積層して構成されるようにした特許請求の範囲第１項
   記載のセラミックヒータ。