JPWO2005117493A1 - セラミックヒータとそれを用いた酸素センサ及びヘアアイロン - Google Patents
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Abstract
Description
近年、自動車の排気ガスに関する規制が厳しくなり、空燃比制御用に使用する酸素センサでは立ち上がり速度を早くする必要が生じ、これに使用されるセラミックヒータの立ち上がり特性も早いことが求められる。これらの状況下では、上述の問題がより重要な課題となってきている。
すなわち、立ち上がり作動性が要求される装置に用いられるセラミックヒータは、使用条件が厳しく、取出電極付近の温度が上昇する傾向にある。これによりロウ材とセラミック基体との熱膨張差によりこのロウ付け部に応力が集中することからより高い耐久性が要求されることになる。特に、自動車用に使用されるセラミックヒータについては、高い信頼性が要求されるため、極めて高い耐久性が要求される。
そこで、本発明の第1の目的は、耐久性の高いセラミックヒータを提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、耐久性の高い酸素センサを提供することにある。
さらに、本発明の第3の目的は、耐久性の高いヘアアイロンを提供することにある。
なお、本発明において、「C面」とは、面と面が交わってできる角の部分が斜面になるように面取りされた状態をいい、「R面」とは、面と面が交わってできる角の部分が曲面状に面取りされた状態をいう。
したがって、本発明に係る第1〜第4のセラミックヒータによれば、耐久性の高いセラミックヒータを提供できる。
2,22:セラミック基体
3,23:発熱抵抗体
3a:電極引き出し部
4:外部電極
5:メッキ層
6,25:ロウ材
7,24:リード部材
8,22a,22b:セラミックシート
9:スルーホール
10:セラミック芯材
20:ペースト
21c:C面
22s:壁面
26:凹部
26e:凹部における壁面の角部
27:取出電極
28:開口部
28e:開口部における壁面の角部
29:メッキ層
30e:外周上端部
実施の形態1.
図1Aは、本発明に係る実施の形態1のセラミックヒータの構成を示す一部破断斜視図であり、図1Bは、そのセラミック基体2部分の展開図である。
まず、セラミック芯材10とセラミックシート8を用意して、セラミックシート8の一方の面にW、Re、Mo等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体3と電極引出部3aを形成する。
そして、発熱抵抗体3と電極引出部3aが形成された面が内側となるようにセラミックシート8をセラミック芯材10の周囲に巻付け、全体を焼成一体化する。
このように、セラミックシート8を発熱抵抗体3が内側になるようにセラミック芯材10に密着させて焼成することによって、発熱抵抗体3を内蔵するセラミック基体2が製造される。
まず、アルミナを主成分とし、焼結助剤としてSiO2、CaO、MgO、ZrO2を合計量で4〜12重量%含有するセラミックスラリーを成形したセラミックシート8を準備する。
セラミックシート8の一方の主面に発熱抵抗体3および電極引出部3aをプリントもしくは転写等の手法を用いて形成し、電極引出部3aの裏面にあたるセラミックシート8の他方の主面に外部電極4を同じくプリントもしくは転写等の手法により形成する。
その後、発熱抵抗体3および電極引出部3aの上にセラミックシート8とほぼ同等の組成からなるコート層を形成した後、セラミックシート8をセラミック芯材10の周囲に周回密着して筒状の生成形体を成形する。こうして得られた生成形体を1500〜1650℃の還元雰囲気中で焼成してセラミック基体2とする。
その後、外部電極4の表面に電界メッキ法や無電界メッキ法によりNi、Cr等の金属からなるメッキ層5を形成する。
次に、Au−Cuを主成分とするロウ材を用い、外部電極4とリード部材7とを水蒸気を含有した還元雰囲気中で接合する。
次に、本発明に係る実施の形態2のセラミックヒータについて、図3A〜Cを参照しながら説明する。
図4に示すセラミックヒータの場合、開口部28における壁面の角部28eに半径0.05mm以上のR面が施されている。これにより、電極部の耐久性を向上させている。また、凹部26における壁面の角部26eにも半径0.05mm以上のR面が施されている。
このC面またはR面加工が0.05mm未満では、ロウ材と磁器との熱膨張差による応力が角部28eに集中し、電極部の耐久性を効果的に向上させることは困難である。尚、電極部の耐久性をより向上させるために、より好ましくは、C面またはR面加工は0.1mm以上、さらに好ましくは0.2mm以上とする。
さらに、開口部28(または凹部26)の壁面22sとセラミック基体2の上面との境界である外周上端部30e(図5B参照)にも、面取寸法0.05mm以上のC面21cを施すのが好ましい(図5C参照)。また、外周上端部30eには、半径0.05mm以上のR面を施してもよい。また、外周上端部30eのC面またはR面加工は、開口部28及び凹部26の外周全体にわたって施すことが好ましいが、外周上端部30eにおいてロウ材と磁器との熱膨張差による応力が集中しやすい一部にC面またはR面加工を施すようにしてもよい。
次に、本発明に係る実施の形態3のセラミックヒータについて図面を参照しながら説明する。
このような構造を形成するには、取出電極27の表面にメッキ層を施し、リード部材24をAg−Cuロウ(BAg−8)などのロウ材を用いてロウ付けする。このとき、ロウ材およびメッキ層を構成する材料に応じて、ロウ材の溶解温度(ロウ付け温度)および溶解時間(保持時間)を所定の条件に調整することにより、取出電極27中の導電材料およびロウ材中の成分をメッキ層中に拡散させる。これにより、取出電極27と共晶の部分35dとの間に、第1層35a、第2層35b、第3層35cの3層が形成される。
第2層35bと第3層35cは、上記のように組成が異なるので、例えばSEM(走査型電子顕微鏡)写真により、色調の差から識別することができる。
第1層35a、第2層35b、第3層35cの厚みは、ロウ材の溶解温度(ロウ付け温度)および溶解時間(保持時間)に影響される。ロウ材のロウ付け温度および保持時間は、ロウ材を構成する材料、メッキ層を構成する材料に応じて適宜決定され、特に限定されるものではない。例えばAg−CuロウとしてBAg−8(JIS規格)を用いて、ロウ付け温度を800〜900℃程度に設定した場合、その保持時間は0.5〜5時間程度、好ましくは1〜5時間程度、より好ましくは1〜2時間程度に調整するのがよい。
実施例1では、実施の形態1に係る発明の有効性を確認するためにテスト品を作製し、下記試験を実施した。
先ず、図1に示すようなセラミックヒータ試料を得るため、セラミック基体2としてAl2O3を主成分とし、SiO2、CaO、MgO、ZrO2を合計10重量%以内になるように調整したセラミックシート8に、W−Reからなる発熱抵抗体3とWからなる電極引出部3aをプリントした。また、セラミックシート8の裏面には外部電極4をプリントした。
そして、上記同様、セラミックヒータ試料の初期接合強度と耐久試験3000サイクル実施後のリード部材7の接合強度を調査した。これらの結果を表2に示す。
次に説明する実施例2〜5は、本発明に係る実施の形態2に関係した実施例である。
Al2O3を主成分とし、SiO2、CaO、MgO、ZrO2を合計10重量%以内になるように調整したセラミックシート22aを準備し、該セラミックシート22aの表面に図3Bに示したようにWからなるペーストをプリントして発熱抵抗体23と取出電極27を形成した。
ここでは、セラミックヒータ21の開口部28において、セラミック基体22中に埋設される取出電極27の外周の割合を30%、50%、70%、90%と変更して、セラミックヒータ21単体で、400℃の恒温槽にセラミックヒータ21を10分間入れて温度を安定させ、取り出した後、5分間空気を吹き付けて40℃以下まで冷却する熱サイクル試験を2000サイクル実施し、リード部材24の引張強度を測定した。
ここでは、セラミックヒータ21の開口部28の壁面22sと取出電極27のなす角度θと熱サイクル耐久試験後のリード部材24の引張強度を測定した。
ここでは、取出電極27の厚みと耐久試験後の引張強度との関係を調査した。
本発明に係る実施例6は、実施の形態3に関係した実施例である。
Al2O3を主成分とし、SiO2、CaO、MgO、ZrO2を合計10重量%以内になるように調整したセラミックシート22aを準備し、該セラミックシート22aの表面にWからなるペースト10を図3Bに示すようにプリントして発熱抵抗体23と取出電極27を形成した。
本発明に係る実施例7も、実施の形態3に関係した実施例であり、ここでは、メッキ層の厚みを1,2、4、8、12μmと調整して、その影響を耐久試験により確認した。
Claims (18)
- セラミック基体と、
前記セラミック基体中に埋設された発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の表面に設けられた厚み5〜200μmの外部電極と、
前記外部電極にロウ付けされたリード部材とを有するセラミックヒータ。 - 前記外部電極の幅が、前記リード部材の幅よりも大きい請求項1記載のセラミックヒータ。
- 前記外部電極に前記セラミック基体の主成分と同一成分からなる添加物が含有されてなる請求項1または2記載のセラミックヒータ。
- 前記外部電極における前記添加物の配合比率が1〜30重量%である請求項3記載のセラミックヒータ。
- セラミック基体と、
前記セラミック基体中に埋設された発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続され、前記セラミック基体の表面に設けられ、厚みが5〜50μmであり、前記セラミック基体の主成分と同一成分からなる添加物が1〜10重量%の配合比率で含有されている外部電極と、
前記外部電極にロウ付けされたリード部材とを有するセラミックヒータ。 - 前記セラミック基体が円柱状または円筒状であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 前記セラミック基体の主成分がアルミナまたは窒化珪素である請求項1乃至6のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 前記外部電極は、タングステンまたはタングステン化合物を主成分として含む請求項1乃至7のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載のセラミックヒータを備えたことを特徴とする酸素センサ。
- セラミック基体と、
前記セラミック基体中に内蔵された発熱抵抗体と、
前記セラミック基体に設けられた開口部から露出し、前記発熱抵抗体に電気的に接続された取出電極とを備え、
前記開口部における壁面の角部の少なくとも一部および/または前記開口部における外周上端部の少なくとも一部が、面取寸法0.05mm以上のC面または半径0.05mm以上のR面からなる群から選択された少なくとも1つであるセラミックヒータ。 - 前記開口部における前記取出電極の外周の50%以上をセラミック基体中に埋設した請求項10記載のセラミックヒータ。
- 前記開口部の壁面と前記セラミック基体中に埋設された取出電極の表面とのなす角度θを60〜110°とした請求項11記載のセラミックヒータ。
- 前記取出電極の厚みを10μm以上とした請求項10乃至12のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- 前記取出電極の上に、メッキ層が設けられた請求項10乃至13のいずれかに記載のセラミックヒータ。
- セラミック基体と、
前記セラミック基体中に内蔵された発熱抵抗体と、
前記セラミック基体に設けられた開口部から露出し、前記発熱抵抗体に電気的に接続された取出電極と、
前記取出電極の表面にロウ材によりロウ付けされたリード部材とを備え、
前記ロウ材が3層以上の金属層からなる層構造を有するセラミックヒータ。 - 前記金属層が、前記取出電極側から順に第1金属層、第2金属層及び第3金属層を含み、
前記第1金属層はNiを主成分とするNiWCu層であり、前記第2金属層はNiを主成分とするNiCu層であり、前記第3金属層はCuを主成分とするCuNi層である請求項15記載のセラミックヒータ。 - 前記第1金属層、前記第2金属層及び前記第3金属層の平均厚みをそれぞれ2〜30μmの範囲に設定した請求項15または16記載のセラミックヒータ。
- 請求項1〜8および請求項10〜17のいずれかに記載のセラミックヒータを発熱手段として用いたことを特徴とするヘアアイロン。
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