JP2000223247A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミックヒータ１を急速加熱すると，発熱部
４近傍に大きな温度傾斜が発生し，この温度差による熱
応力で，セラミックヒータ１にクラックが発生したり，
発熱部４の抵抗が増加するという問題があった。 【解決手段】発熱抵抗体１１が，発熱部４と、これより
も大きい抵抗温度係数を有するブレーキング部５を有
し、両者がともに直列に配線され、前記発熱部４とブレ
ーキング部５の抵抗比が、１０：１〜３：１の範囲であ
り、発熱部４とブレーキング部５の間隔ａが２０ｍｍ以
内であるセラミックヒータとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用の空燃比
検知センサ加熱用ヒータや気化器用ヒータ、温水加熱用
ヒータなどに使用するセラミックヒータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、酸化アルミニウムを主成分と
するセラミックス中に、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属からな
るアルミナセラミックヒータが一般的に用いられている
（特開昭６３−９８６０号、６３−５８４７９号公報等
参照）。

【０００３】例えば、円柱状のセラミックヒータを製造
する場合は、図６および図７に示すようにセラミックス
のセラミックロッド２とセラミックグリーンシート３を
用意し、セラミックグリーンシート３の一方面にＷ、Ｍ
ｏ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱部４とリー
ド引出部６を形成した後、これらを形成した面が内側と
なるようにセラミックグリーンシート３を上記円セラミ
ックロッド２の周囲に巻付け，全体を焼成一体化するこ
とによりセラミックヒータ１を得ることができる。

【０００４】図５は，上記のセラミックヒータに内蔵さ
れた発熱抵抗体１１のパターン図を示したものである。
セラミックグリーンシート３上に，発熱部４に直接リー
ド引出部６が接続され，該リード引出部６の末端にスル
ーホール７が形成され裏面の電極パッド８と該リード引
出部６がスルーホール７で接続されている。スルーホー
ル７には，必要に応じて導体ペーストが注入される。

【０００５】なお、セラミックグリーンシート３に形成
する発熱抵抗体１１は、先端側の線幅を細くして蛇行状
の発熱部４とし、後端部は線幅を太くしてリード引出部
６としてあり、この発熱部４の厚みはスクリーン印刷を
行い易くするために１０μｍ程度としていた。また、セ
ラミックグリーンシート３の裏側には電極パッド８を形
成し、リード引出部６と電極パッド８間はスルーホール
を形成して導通させた構造となっている。そして、最終
的なセラミックヒータ１では側面に露出した電極パッド
８にリード線１０をロウ付けしたり圧接して接合し、こ
のリード線１０から通電するようになっている。

【０００６】また、１０００℃以上の高温用のヒータと
して窒化珪素質セラミックヒータも用いられている。こ
のヒータの構造は、高融点金属線等からなる発熱体を窒
化珪素質セラミック中に埋設し、発熱体の両端を表面に
露出させてリード取り出し部とし、銀等のロウ材によっ
てこのリード取り出し部にリード線を接合したものであ
る（特公昭６２−１９０３４号、特公昭６３−５１３５
６号公報参照）。

【０００７】これらの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、石油ファ
ンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータや燃料気化器
用ヒータ、水等の流体を加熱するための流体加熱用ヒー
タ、酸素センサ等の各種センサや測定機器の加熱用ヒー
タに使用されている。

【０００８】自動車用酸素センサにおいては、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
るために、セラミックヒータで酸素センサを加熱するシ
ステムが使用されている。近年、排ガス規制の強化に伴
ってコールドスタート時の立上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。ところが、セラ
ミックヒータの発熱量を大きくし、昇温時間を短くする
と、コールドスタート時の温度のオーバーシフトが発生
し、センサの電極を傷めたり、セラミックヒータの耐久
性が低下したり、また、電極パッドの温度が上昇してこ
の部分の抵抗が増加して断線したりするような問題が発
生した。

【０００９】このような課題に対応するために、特開平
８−２７３８８１３号公報に示されるように、「窒化ア
ルミニウムを主成分とするセラミックシート上に、電極
取出部と一体に発熱体となる任意形状及び厚さを有する
ヒートパターンを印刷すると共に、この発熱体となるヒ
ートパターンにおいて、前記発熱体と直列に発熱体より
温度抵抗係数の大きい導電物質を接続してなるセラミッ
クヒータ」が提案されている。また、特開平５−３４３
１３号公報には、「第一の発熱体にニッケルクロム合
金、第二の発熱体にタングステンを用いた酸化アルミニ
ウム製のセラミックヒータ」の例も示してある。

【００１０】このようなブレーキング部５を内蔵したセ
ラミックヒータ１の展開図を図８に示した。セラミック
グリーンシート３上に発熱抵抗体１１を形成する発熱部
４とブレーキング部５とリード引出部６が，直列接続す
るように形成され，これらが内側となるようにセラミッ
クロッド２の周囲に密着した後，１５００〜１６００℃
で焼成してセラミックヒータ１を得る。この，セラミッ
クヒータ１を５秒程度で９００℃まで昇温させるには，
発熱部４の長さを５ｍｍ程度に短くする必要がある。そ
して，この発熱部４にブレーキング部５が直列になるよ
うに，発熱部４近傍から電極パッド部８の近傍まで延長
して設置されていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし，図６，７に示
すようなブレーキング部を内蔵しない従来のセラミック
ヒータでは，急速昇温のため発熱部４の長さを５ｍｍ程
度にし，セラミックヒータ１を９００℃まで５秒程度で
急速加熱すると，発熱部４の近傍に大きな温度傾斜が発
生する。この温度傾斜は，加熱後４〜５秒時に最高発熱
部と最高発熱部から１０ｍｍ離れた部分の温度差で８０
０℃もの大きさに達する。この温度差による熱応力で，
セラミックヒータ１にクラックが発生したり，発熱部４
の抵抗が増加するという問題があった。また，９００℃
まで５秒で急速昇温すると，発熱のオーバーシフトで発
熱部４の最高温度部が１２００℃程度まで昇温するた
め，さらに発熱部４の抵抗値が増加するという課題があ
った。

【００１２】上記セラミックヒータの昇温特性を図９に
示す。図から判るように，最高温度部が５秒間で９００
℃に昇温した時の，最高発熱部Ａから１０ｍｍの点Ｂの
温度が１００℃程度であり，わずか１０ｍｍの間に８０
０℃の温度差が生じていることが判る。

【００１３】これに対し，図８に示すセラミックヒータ
１ではブレーキング部により発熱部４の昇温が制限さ
れ，前記オーバーシフトの問題は解決できるが，ブレー
キング部５が発熱部４の近傍から電極パッド部８近傍ま
で長く形成されているため，ブレーキング部５の発熱中
心が発熱部４から離れてしまっており，また，発熱部４
とブレーキング部５の抵抗値の比について全く考慮して
いないため，発熱部４の最高温度部付近に発生する温度
傾斜の緩和に寄与できないという課題があった。また，
従来のブレーキング部を内蔵したセラミックヒータで
は，電極パッド部８の近傍までブレーキング部５が取り
付けられていたため，ブレーキング部５が作動した際
に，ブレーキング部５の発熱により電極パッド部８が４
００℃以上に加熱されるので，電極パッド８のメタライ
ズが酸化され，断線してしまうという問題があった。こ
の傾向は，発熱部４に対するブレーキング部５の抵抗比
が大きくなればなるほどこの傾向が大きくなる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
した結果、セラミックス基体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高
融点金属を主成分とする発熱抵抗体を埋設したセラミッ
クヒータにおいて、前記発熱抵抗体が発熱部と、これよ
りも大きい抵抗温度係数を有するブレーキング部とから
なり、ともに直列に配線してなり、前記発熱部とブレー
キング部の抵抗比が、１０：１〜１．５：１の範囲であ
り、発熱部とブレーキング部の間隔が２０ｍｍ以内とな
るように形成することにより、発熱部の温度分布を緩和
し、熱衝撃および耐久性に優れたセラミックヒータを供
給することが可能となることを見出した。

【００１５】これにより、コールドスタート時は、抵抗
温度係数（以下ＴＣＲと略す）の小さな発熱部に大きな
印加電圧が掛かり発熱部の昇温に寄与し、この発熱によ
りレーキング部の抵抗値が先端部より大きく増大するこ
とにより、次第に先端部の印加電圧が低下するため、コ
ールドスタート時の昇温時間を短縮すると同時に過昇温
を防止することが可能となった。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１を用い
て説明する。図１は，本発明のセラミックヒータ１の展
開図を示したものである。セラミックグリーンシート３
上に発熱部４が形成され，さらに接続部９を経てブレー
キング部５が直列接続されるように形成されている。発
熱部４としては，抵抗温度係数が１０００〜２０００ｐ
ｐｍ／℃のペーストがプリント形成され，ブレーキング
部５としては，抵抗温度係数が３０００〜４５００ｐｐ
ｍ／℃のペーストがプリント形成されている。

【００１７】本発明では，発熱部４とブレーキング部の
間隔ａは２０ｍｍ以下にすることによってブレーキング
部５の発熱により前記温度差を緩和し６００℃以下に低
減することが可能となる。これにより，セラミックヒー
タ１に発生するクラックや発熱部４の抵抗増加という問
題を防止する事ができる。この間隔が２０ｍｍ以上にな
ると、発熱部４が発熱した際に発熱部４付近の温度傾斜
が大きくなるので、繰り返し発熱によりセラミックスに
クラックが発生したり、発熱体が劣化し抵抗が高くなっ
てしまう。この間隔を２０ｍｍ以内に保持すれば、ブレ
ーキング部５の発熱により発熱抵抗体付近の温度傾斜が
緩和されるのでクラックや発熱部４の抵抗増加を防止で
きる。

【００１８】図６，７に示す従来のセラミックヒータ１
には，ブレーキング部５は形成されておらず，発熱部４
とリード引出部６がＷもしくはＭｏ等の同一の抵抗温度
係数の材料で構成されていた。このようなセラミックヒ
ータ１は，前述のように，急速昇温させようとすると，
セラミックヒータ１が過昇温してしまうという問題があ
った。また，急速昇温時に発熱部付近に，最高温度部と
そこから１０ｍｍ離れた点との間で８００℃以上の温度
差が生じ，この熱応力によりセラミックヒータ１を劣化
させるという問題があった。

【００１９】これに対し，前述のように発熱部４とブレ
ーキング部５の抵抗温度係数を調整することにより，急
速昇温が可能で且つ過昇温しないセラミックヒータ１を
得ることが可能となる。この作用を具体的に説明すると
以下の通りである。まず，低抵抗に調整された発熱部４
によりセラミックヒータ１を急速昇温させる。すると，
この発熱により，抵抗温度係数の大きなブレーキング部
５の抵抗が発熱部４の抵抗より早く大きくなるために，
発熱部４に印加される電圧が減少する。この効果によ
り，セラミックヒータ１を急速昇温でき，且つ，過昇温
しない優れたセラミックヒータ１とする事が可能とな
る。

【００２０】しかしながら，図８に示すようにブレーキ
ング部５を内蔵するセラミックヒータ１としても，発熱
部４とブレーキング部５の抵抗比を考慮していなかった
ため，ブレーキング部５の抵抗値が発熱部４に対し小さ
すぎると，ブレーキング効果が不十分となったり，逆に
ブレーキング部５の抵抗値が発熱部４に対し大きくなり
すぎると，発熱部よりブレーキング部５の方が高温とな
り，ブレーキング部５の劣化により寿命が短くなってし
まうという問題があった。また，ブレーキング部５の位
置について，ブレーキング５部が発熱部４の近傍から電
極パッド８の近傍まで形成されると，その発熱中心が発
熱部４より大きく離れてしまうため，ブレーキング効果
を充分発揮できないという課題があった。さらに，ブレ
ーキング部５が電極パッド８の近傍まで形成され高温に
発熱すると，電極パッド８の温度が４００℃以上にな
り，電極パッド８のメタライズが酸化して断線するとい
う問題があった。

【００２１】そこで，本発明では，図１に示すように発
熱部４と、これよりも大きい抵抗温度係数を有するブレ
ーキング部５を有し、ともに直列に配線してなり、前記
発熱部４とブレーキング部５の抵抗比が、１０：１〜
１．５：１の範囲であり、発熱部４とブレーキング部５
の間隔が２０ｍｍ以内であるセラミックヒータとするこ
とにより，急速昇温が可能であり，且つ過昇温しない優
れたセラミックヒータ１とすることが可能となる。

【００２２】なお、接続部９は、発熱部４とブレーキン
グ部５の細い配線を有効に接続するためのものである。
組成の異なる配線を別々にプリントし接続させる場合，
図１に示したように，大きな面積を持つ接続部９を形成
すると，接続の信頼性が増し，接続部の接触不良による
発熱および断線といった不具合を防止する事が可能とな
る。接続部９の位置について，図１では，発熱部４とブ
レーキング部５の間に形成しているが，発熱抵抗体４お
よびブレーキング部５の端部に設けても構わない。ま
た，接続部９を介せず直接両者を接合しても構わない。
その意味では，発熱部４とブレーキング部５の間隔ａ
は，配線間の絶縁を保つ最小値である０．３ｍｍが前記
間隔ａの最小値となる。なお，間隔ａとは，発熱部４を
なす櫛歯部または蛇行部の最後端部とブレーキング部５
をなす櫛歯部または蛇行部の最先端部との距離である。

【００２３】また，発熱部４とブレーキング部５の抵抗
比は１０：１〜１．５：１に調整する。この範囲より発
熱部４の抵抗値が大きいとブレーキング部５を形成した
効果がなくなってしまい，また，逆にこの温度範囲より
発熱抵抗体４の抵抗値が小さくなると，昇温時にブレー
キング部５の発熱が大きくなりすぎて好ましくない。こ
の場合，酸素センサの根本部分を加熱する事になるので
保熱効果でセラミックヒータの電極パッド８部分の温度
が上昇し，４００℃以上になるとメタライズ部が酸化す
る。

【００２４】また，図２に示すように，電極パッド８と
ブレーキング部５の櫛歯部もしくは蛇行部の最後端部の
距離を間隔ｂと定義する。もし，ブレーキング部５に櫛
歯部もしくは蛇行部がない場合は当該パターンと判断さ
れる部分の最後端部と電極パッド部の距離を意味する。
この間隔ｂは２０ｍｍ以上に調整されていることが好ま
しい。これを２０ｍｍ以下にすると，電極パッド８の温
度が４００℃以上に上昇し，電極パッド８のメタライズ
が酸化するので，好ましくない。

【００２５】図３は，本発明のセラミックヒータの別の
パターン図を示したものである。セラミックグリーンシ
ート３上に発熱部４とブレーキング部５が直接接続する
ように形成されている。また，ブレーキング部５は，さ
らにリード引出部６に接続され，その末端で，裏側に形
成された電極パッド８とスルーホール７により接続され
ている。

【００２６】また、発熱部４として用いる材料として
は、Ｗ−Ｒｅ、Ｗ−Ｍｏ、Ｍｏ−Ｒｅ等の合金を使用す
ればよい。通常、加熱による金属抵抗体の抵抗増加要因
はフォノン散乱によるものである。金属単体を発熱抵抗
体４に使用すると、昇温時に熱によるフォノン散乱によ
り電子の移動が抑制されるようになり抵抗が急増するの
で，温度抵抗係数が大きくなる。これに対し、合金化す
ると、合金化した部分および金属間結合部分で構造的に
フォノンが散乱されるので、室温時から抵抗値が高くな
り、抵抗値の温度依存性が小さくなる。これに対し、ブ
レーキング部５の材料としては、高融点金属であるＷ、
Ｍｏの金属単体を利用すると良い。中でも、Ｗが一番抵
抗温度係数が大きいので最適である。

【００２７】また，リード引出部６および電極パッド８
の材質については，特に制限はないがブレーキング部５
と同じ材質にした方が，工程を増やさずに済むので好ま
しい。

【００２８】セラミックヒータ１の材質としては，アル
ミナ，ムライト，窒化珪素，窒化アルミニウム等を用い
ることが可能である。

【００２９】

【実施例】実施例１ 酸化アルミニウムを主成分とし、酸化珪素、酸化カルシ
ウム、酸化マグネシウムを合計１０重量％以内になるよ
うに調整したセラミックグリーンシート３を準備し、こ
の表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱部４とＷからなるブレ
ーキング部５とリード引出部６をプリントした。また、
裏面には電極パッド８をプリントした。そして、Ｗから
なるリード引出部６の末端には、スルーホール７が形成
され、ここにペーストを注入する事により、電極パッド
８とリード引出部６間の導通をとった。こうして準備し
たセラミックグリーンシート３をセラミックロッド２の
周囲に密着し、１５００〜１６００℃で焼成することに
より、セラミックヒータ１とした。この時、セラミック
ヒータ１の発熱部４の長さは５ｍｍとし、発熱部４とブ
レーキング部５の間隔ａを３〜２５ｍｍまで変量したサ
ンプルを作製した。また，別途発熱部４とブレーキング
部５の抵抗比を１５：１〜２：１まで変量したサンプル
を作製した。

【００３０】各々１０本のサンプルを準備し，これらの
サンプルの昇温特性と耐久性を評価した。昇温特性は発
熱部４の最高温度が１０００℃となる電圧を印加した場
合の冷始動時９００℃までの時間を測定した。また，耐
久性の評価については、発熱部４の最高温度部が１２０
０℃になる電圧を２分間印加し２分間強制空冷するサイ
クルを５０００サイクル繰り返し，セラミックヒータ１
の抵抗変化とクラックの発生の有無を評価した。最高温
度部の調査は，赤外線温度分布測定装置（サーモビュ
ア）で最高温度部を確認し，その部分に線径０．２ｍｍ
φの熱電対を固定し昇温特性を確認した。

【００３１】結果を表１に示した。ブレーキング部を設
けなかった従来品（Ｎｏ．１３）と，発熱部４とブレー
キング部５の抵抗比を請求範囲外の１５：１に調整した
Ｎｏ．６は，サイクルテスト５０００サイクルで１０本
中２〜４本のサンプルにクラックが発生した。また，上
記抵抗比を１：１にしたＮｏ．１２は，１０本中５本の
サンプルが電極パッド８の部分で断線した。また，間隔
ａを請求範囲外の２５ｍｍにしたサンプル（Ｎｏ．５）
は，耐久性評価で１０本中２本にクラックが発生した。
これに対し，本発明の範囲内のサンプルは，クラックの
発生もなく，セラミックヒータ１の抵抗変化も，３％以
内で良好な結果を示した。

【００３２】図４は，ブレーキング部を内蔵しない従来
のセラミックヒータの昇温特性（Ａ）と，本発明のＮ
ｏ．１０のセラミックヒータの昇温特性（Ｂ）と，該セ
ラミックヒータに内蔵されたブレーキング部の昇温特性
（Ｃ）を示した図である。本図の昇温条件としては，室
温から５００℃まで３．４秒で昇温させたときのそれぞ
れの飽和温度を示している。図から判るように（Ａ）と
（Ｂ）の昇温特性はほぼ同一である。これに対し，これ
らのセラミックヒータの飽和温度は，従来のセラミック
ヒータの昇温曲線（Ａ）の飽和温度が１０９０℃程度で
あるのに対し，本発明のセラミックヒータの昇温曲線
（Ｂ）の飽和温度は９４０℃程度と，約１５０℃の差が
あることが判る。また，ブレーキング部５の昇温曲線
（Ｃ）の飽和温度は，８２０℃程度となっている。

【００３３】このように，ブレーキング部５を内蔵する
事により，昇温特性を改善しながらセラミックヒータ１
の飽和温度を低下させる事ができるので，セラミックヒ
ータ１の寿命を向上させる事ができると同時に，セラミ
ックヒータの電源側に過昇温防止用の機構を設ける必要
が無くなるので，大きな効果を上げる事ができる。

【００３４】

【表１】

【００３５】実施例２ 実施例１と同様の方法でサンプルを作製した。ここで
は，電極パッド８とブレーキング部５の蛇行部の間隔ｂ
を１５〜４０ｍｍに変量したサンプルを各１０本作製し
て，耐久性と発熱抵抗体を１２００℃で１０分間保持時
の電極パッド８の温度を評価した。なお，間隔ｂについ
ては，図２も用いて具体的に場所を定義した。耐久性の
評価は，発熱部４の最高温度部を１２００℃に保持する
電圧を５分間印加し，５分間放冷するサイクルを１００
０サイクル繰り返し，抵抗変化と外観変化を確認した。
結果を表２に示した。

【００３６】間隔ｂを本発明の請求範囲外の１５ｍｍに
したＮｏ．１は，電極パッド８の温度が５００℃に達
し，耐久テスト１０００サイクル後１０本中２本が断線
し，他のサンプルもＮｉメッキ部が黒く変色した。これ
に対し，本発明の範囲内であるＮｏ．２〜５は，電極パ
ッド８の温度が４００℃以下であり，断線の発生は全く
認められなかった。また，電極パッド８の変色について
は灰色に変色した程度で，黒い変色は認められなかっ
た。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】本発明により、発熱抵抗体パターンが発
熱部と、これより大きい抵抗温度係数を有するブレーキ
ング部分とからなり、両者がともに直列に配線され、前
記発熱部とブレーキング部の抵抗比が、１０：１〜１．
５：１の範囲であり、発熱部とブレーキング部間の間隔
を２０ｍｍ以内とすることにより，コールドスタート時
のセラミックヒータ温度のオーバーシフトを低減し、セ
ンサの電極を傷めたり、セラミックヒータの耐久性が低
下したり、また、リード取り出し部の温度が上昇してこ
の部分の抵抗が増加して断線したりするような問題を防
止することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを示す展開図であ
る。

【図２】本発明のセラミックヒータの一部切り欠き側面
図である。

【図３】本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体のパタ
ーン図である。

【図４】本発明のセラミックヒータの昇温特性を示す図
である。

【図５】従来のセラミックヒータの発熱抵抗体のパター
ン図である。

【図６】従来のセラミックヒータの展開図である。

【図７】従来のセラミックヒータの斜視図である。

【図８】従来のセラミックヒータの展開図である。

【図９】従来のセラミックヒータの昇温特性を示す図で
ある。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ ２：セラミックロッド ３：セラミックグリーンシート ４：発熱部 ５：ブレーキング部 ６：リード引出部 ７：スルーホール ８：電極パッド ９：接続部 １０：リード線（Ｎｉ） １１：発熱抵抗体 ａ：発熱部とブレーキング部の間隔 ｂ：ブレーキング部と電極パッドの間隔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA04 AA06 AA14 AA22 AA37 BB06 BB13 BB14 BC12 BC28 CA18 CA22 CA27

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス基体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の
   高融点金属を主成分とする発熱抵抗体を埋設したセラミ
   ックヒータにおいて、前記発熱抵抗体が発熱部と、これ
   よりも大きい抵抗温度係数を有するブレーキング部を直
   列に有し、前記発熱部とブレーキング部の抵抗比が１
   ０：１〜１．５：１の範囲であり、かつ発熱部とブレー
   キング部の間隔が２０ｍｍ以内であることを特徴とする
   セラミックヒータ。
2. 【請求項２】上記発熱抵抗体の後端部に備えた電極パッ
   ドとブレーキング部の間隔が２０ｍｍ以上であることを
   特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。