JP2000286045A

JP2000286045A - セラミックヒーター

Info

Publication number: JP2000286045A
Application number: JP11086688A
Authority: JP
Inventors: Fumishige Miyata; 文茂宮田; Tatsuya Kamiyama; 達也神山; Shigeko Okuda; 誠子奥田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-13
Also published as: US6218648B1; EP1041858A2; EP1041858A3

Abstract

(57)【要約】【課題】長期間にわたって直流電流を流した場合で
も、抵抗発熱体が酸化されにくく、この酸化に起因する
抵抗発熱体の抵抗の変化や経時的な劣化等を防止するこ
とができるセラミックヒーターを提供する。【解決手段】Ａｌ₂ Ｏ₃ を８８〜９５重量％、焼結助
剤として、ＳｉＯ₂ を３〜１０重量％、ＭｇＯを０．４
〜１．０重量％、ＣａＯを１．０〜２．５重量％含有す
る絶縁性シートと、この絶縁性シートにより被覆された
芯材と、前記絶縁性シートと前記芯材との間に設けられ
た高融点金属からなる抵抗発熱体とを含んで構成され、
前記抵抗発熱体の少なくとも一部と前記芯材との間等
に、その厚さが５〜５０μｍで、ＳｉＯ₂ を０．０５〜
４重量％、ＭｇＯを０．０１〜０．５重量％、ＣａＯを
０．０１〜１．２重量％含有するアルミナセラミックの
中間層が設けられているセラミックヒーター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック中に抵
抗発熱体を埋設したセラミックヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】芯材とこの芯材を被覆する絶縁性シート
との間に、高融点金属からなる抵抗発熱体が埋設された
セラミックヒーターは、自動車用の酸素センサーやグロ
ーシステム等における発熱源として、また、半導体加熱
用ヒーター及び石油ファンヒーター等の石油気化器用熱
源等として、広範囲に使用されている。

【０００３】図５（ａ）は、この種のセラミックヒータ
ーの一例を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。このセラミッ
クヒーターは、円柱形状の芯材３１とこの芯材３１に接
着層３７を介して巻き付けられた絶縁性シート３２との
間に抵抗発熱体３３が埋設され、この抵抗発熱体３３の
端部が絶縁性シート３２の外側に設けられた外部端子３
４と接続され、外部端子３４にリード線３６が固定され
て構成されている。

【０００４】この抵抗発熱体３３の端部と外部端子３４
とは、図５（ｂ）に示すように、絶縁性シート３２の外
部端子３４下に設けられたスルーホール３５を介して接
続されている。そして、外部端子３４にリード線３６を
介して通電することによって、抵抗発熱体３３が発熱す
る結果、ヒーターとして機能する仕組みとなっている。

【０００５】上記セラミックヒーターを構成する絶縁性
シート３２は、通常、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＣａＯ等を焼
結助剤として含むＡｌ₂ Ｏ₃ により形成されており、こ
れらＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ等は、アルミナセラミックの粒界
にガラス相等として偏析している。

【０００６】この種のセラミックヒーターを、例えば、
自動車の酸素センサー等における発熱源として使用した
場合、このセラミックヒーターの端子３４には、１２Ｖ
の直流電圧が印加され、また、発熱抵抗体３３部分は、
最高で１０００〜１１００℃程度の高温まで達する。

【０００７】上記したように、絶縁性シート３２中のＭ
ｇ、Ｃａは、主に粒界にガラス相としてして存在するた
め、このような高温の直流環境下において、ヒーターを
長時間使用していると、ガラス相中のＭｇ²⁺、Ｃａ²⁺が
陰極に引きつけられ、陰極端子側に移動する、いわゆる
マイグレーションが発生する。このマイグレーションが
発生すると、アルミナセラミックの粒界には空孔が形成
されてしまう。

【０００８】アルミナセラミックに空孔が多くなると、
絶縁性シートの下に埋設された抵抗発熱体は空孔内に進
入する空気と接触するようになり、そのために、抵抗発
熱体の酸化が進行し、抵抗値が段々と増加するとともに
抵抗発熱体自体が酸化により膨張する。このため、抵抗
発熱体の発熱温度が変化するとともに、抵抗発熱体が破
壊されやすくなり、極端な場合には、断線が発生してし
まうという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題に
鑑み、セラミックヒーターに長期間にわたって直流電流
を流した場合でも、抵抗発熱体が酸化されにくく、この
酸化に起因する抵抗発熱体の抵抗の変化や経時的な劣化
等を防止することができるセラミックヒーターを提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ａｌ₂ Ｏ₃ を
８８〜９５重量％、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ を３〜１
０重量％、ＭｇＯを０．４〜１．０重量％、ＣａＯを
１．０〜２．５重量％含有する絶縁性シートと、この絶
縁性シートにより被覆された芯材と、上記絶縁性シート
と上記芯材との間に設けられた高融点金属からなる抵抗
発熱体とを含んで構成されたセラミックヒーターであっ
て、上記抵抗発熱体の少なくとも一部と上記芯材との
間、及び／又は、上記抵抗発熱体の少なくとも一部と上
記絶縁性シートとの間に、その厚さが５〜５０μｍで、
ＳｉＯ₂ を０．０５〜４重量％、ＭｇＯを０．０１〜
０．５重量％、ＣａＯを０．０１〜１．２重量％含有す
るアルミナセラミックの中間層が設けられていることを
特徴とするセラミックヒーターである。以下、本発明を
詳細に説明する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は、本発明のセラミッ
クヒーターを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。図１に示した
ように、本発明のセラミックヒーター１０では、円柱形
状の芯材１１の表面に抵抗発熱体１３及び端子１４が設
けられ、この抵抗発熱体１３及び端子１４の一部を被覆
するように中間層１７が形成され、さらにその上に、こ
れら全体を被覆するように絶縁性シート１２が形成され
ている。

【００１２】また、この端子１４は、絶縁性シート１２
の切り欠き部１５において外側に露出しており、この露
出した端子１４にろう材を介してリード線１６が接続、
固定されている。

【００１３】絶縁性シート１２は、その厚さが５０〜２
５０μｍであり、Ａｌ₂ Ｏ₃ を８８〜９５重量％、焼結
助剤として、ＳｉＯ₂ を３〜１０重量％、ＭｇＯを０．
４〜１．０重量％、ＣａＯを１．０〜２．５重量％を含
有するアルミナセラミックからなる。芯材１１もほぼ同
様の材質からなる。

【００１４】絶縁性シート１２中に焼結助剤として、上
記ＳｉＯ₂ 等が含有されているのは、アルミナセラミッ
クの焼結温度を余り上げずに緻密な焼結体を形成するた
めに、上記した量のＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ等の焼結助剤が必
要となるからである。

【００１５】また、抵抗発熱体１３を機械的に保護する
とともに、酸化等の防止のために、絶縁性シート１２の
厚さを５０〜２５０μｍとしているが、中間層１７を有
さない従来のセラミックヒーターと比べると、絶縁性シ
ート１２の厚さをかなり薄くすることができる。

【００１６】一方、直接、抵抗発熱体１３を被覆するよ
うに形成された中間層１７は、その厚さが５〜５０μｍ
で、ＳｉＯ₂ を０．０５〜４重量％、ＭｇＯを０．０１
〜０．５重量％、ＣａＯを０．０１〜１．２重量％含有
するアルミナセラミックからなる。

【００１７】中間層１７の厚さが５μｍ未満であると、
その厚さが薄すぎるために、空気中の酸素が抵抗発熱体
１３と接触して酸化されてしまうおそれがある。また、
中間層１７の厚さは、５０μｍで充分に抵抗発熱体１３
が空気中の酸素と接触するのを防止することができるた
め、５０μｍを超えた厚さとしてもその効果は変わら
ず、却ってアルミナセラミックの層により断熱されるた
め好ましくない。中間層１７の厚さは、１０〜１５μｍ
がより好ましい。

【００１８】また、中間層１７中のＳｉＯ₂ が０．０５
重量％未満であるか、ＭｇＯが０．０１重量％未満であ
るか又はＣａＯが０．０１重量％未満である場合には、
焼結助剤とトータル量が少なくなるために、焼結が進行
しにくく、抵抗発熱体の酸化を防止するための緻密な層
を形成することが困難となり、一方、ＭｇＯが０．５重
量％を超えるか又はＣａＯが１．２重量％を超えると、
これらの量が多くなりすぎるため、マイグレーションが
発生しやすくなる。また、ＭｇＯ及びＣａＯの量が上記
範囲では、ＳｉＯ₂ は４重量％以下の量で充分である。

【００１９】中間層１７は、抵抗発熱体１３の全体を覆
うように設けられていてもよく、抵抗発熱体１３の一部
を覆うように設けられていてもよい。中間層１７を抵抗
発熱体１３の一部を覆うように設ける場合には、抵抗発
熱体１３の使用温度が３００℃以上となる高温部に設け
ることが好ましい。低温部分では、マイグレーションも
進行しにくく、抵抗発熱体の酸化も進行しにくいからで
ある。

【００２０】また、図１では、抵抗発熱体１３と絶縁性
シート１２との間に中間層１７が設けられているが、抵
抗発熱体１３と芯材１１との間に中間層１７が設けられ
ていてもよく、抵抗発熱体１３と絶縁性シート１２との
間及び抵抗発熱体１３と芯材１１との間の両方に中間層
１７が設けられ、抵抗発熱体１３が中間層１７により挟
まれていてもよい。

【００２１】抵抗発熱体１３を構成する高融点金属とし
ては、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ等が挙げられる。
これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用しても
よい。これらのなかでは、Ｗが好ましい。また、これら
の金属にＲｅが添加されたものであってもよい。さら
に、上記以外の成分として、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等のセラミック
が少量含まれていてもよい。

【００２２】次に、上記セラミックヒーターの製造方法
について説明する。図２〜４は、このセラミックヒータ
ー１０を製造する工程の一部を模式的に示した断面であ
り、いずれの図においても、（ａ）は断面図、（ｂ）は
正面図である。

【００２３】図２に示したように、まず、離型性を有す
るプラスチックフィルム２１上に、接着剤層２２を形成
し、続いて、抵抗発熱体１３となる導体ペースト層２３
ａと端子１４となる導体ペースト層２３ｂとを形成す
る。接着剤層２２を形成するのは、ヒーターを製造した
際、切り欠き部１５から露出する部分の端子１４を芯材
１１にしっかりと接着させるためである。また、導体ペ
ースト層２３ａと導体ペースト層２３ｂとは、しっかり
と接続されるようにお互いに接触させた状態で形成す
る。

【００２４】次に、図３に示したように、導体ペースト
層２３ａと導体ペースト層２３ｂとの大部分を覆うよう
に、中間層１７となるグリーンシート２４の層を形成
し、その上からさらに全体を覆うように絶縁性シート１
２となるグリーンシート２５の層を形成する。

【００２５】このとき、焼成後に切り欠き部が形成され
る部分の導体ペースト層２３ｂは、グリーンシート２５
に覆われておらず、露出している。中間層１７となるグ
リーンシート２４は、導体ペースト層２３ａのみを覆う
ように形成されていてもよく、さらにヒーターとして使
用する際に３００℃以上となる部分のみを覆うように形
成されていてもよい。

【００２６】この後、図４に示したように、絶縁性シー
ト２５が下側にくるように図３に示した積層体２０をひ
っくり返し、所定の台２６の上に載置した後、吸引力等
を利用して固定し、プラスチックフィルム２１を剥離す
る。続いて、図４には示していないが、積層体２０の上
に芯材１１を載置し、芯材１１の周囲に積層体２０を巻
き付けることにより、焼成用の原料成形体を作製し、そ
の後、所定の温度で焼成することにより、セラミックヒ
ーター１０を製造する。

【００２７】製造されたセラミックヒーターは、抵抗発
熱体の周囲にＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ等の含有量の少なく、Ｍ
ｇＯ等のマイグレーションが発生しにくい中間層が形成
されているため、セラミックヒーターに長期間にわたっ
て直流電流を流した場合でも、抵抗発熱体が酸化されに
くく、この酸化に起因する抵抗発熱体の抵抗の変化や経
時的な劣化等を防止することができる。

【００２８】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００２９】実施例１上記実施の形態において説明した方法を用い、図１に示
した構成のセラミックヒーター１０を製造した。このと
きの焼成温度は、１６００℃であった。また、製造され
たセラミックヒーター１０の抵抗発熱体１３は、Ｗを８
０重量％、Ｒｅを１７重量％、Ａｌ₂ Ｏ₃ を３重量％含
有し、中間層１７は、その厚さが１５μｍで、ＳｉＯ₂
を０．１重量％、ＭｇＯを０．０５重量％、ＣａＯを
０．０５重量％含有するアルミナセラミックからなり、
絶縁性シート１２は、その厚さが２００μｍで、Ａｌ₂
Ｏ₃ を９２．５重量％、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ を
５．８重量％、ＭｇＯを０．５重量％、ＣａＯを１．２
重量％含有していた。

【００３０】得られたセラミックヒーター１０を直流電
源に接続して電流を流して１０００℃に発熱させ、抵抗
変化率が１０％になるまでの時間を測定したところ、１
００００時間であった。

【００３１】なお、抵抗変化率とは、下記の（１）式で
表される値である。抵抗変化率（％）＝（試験後の抵抗値−試験前の抵抗値）×１００／（試験前の抵抗値）・・・（１）

【００３２】比較例１図５に示した構成の従来のセラミ
ックヒーターを製造した。このときの焼成温度は、１６
００℃であった。また、製造されたセラミックヒーター
３０の抵抗発熱体１３の材質は実施例１の場合と同様で
あり、絶縁性シート１２は、その厚さが２５０μｍで、
Ａｌ₂ Ｏ₃ を８５重量％、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ を
１２重量％、ＭｇＯを１．０重量％、ＣａＯを２．０重
量％含有していた。なお、中間層は設けなかった。

【００３３】得られたセラミックヒーター３０を直流電
源に接続して電流を流し、実施例１の場合と同様に、抵
抗変化率が１０％になるまでの時間を測定したところ、
６０００時間であった。

【００３４】上記実施例１及び比較例１において示した
抵抗変化に関する結果より明らかなように、セラミック
ヒーターに中間層を形成することにより、Ｍｇ²⁺等のマ
イグレーションに起因する抵抗発熱体の抵抗変化を効果
的に抑制することができた。

【００３５】

【発明の効果】本発明のセラミックヒーターによれば、
抵抗発熱体の周囲にＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ等の含有量の少な
く、Ｍｇ²⁺等のマイグレーションの発生しにくい中間層
が形成されているため、セラミックヒーターに長期間に
わたって直流電流を流した場合でも、抵抗発熱体が酸化
されにくく、この酸化に起因する抵抗発熱体の抵抗の変
化や経時的な劣化等を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの構造
を示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図３】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図４】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図５】（ａ）は、従来のセラミックヒーターの構造を
示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【符号の説明】

１１芯材１２絶縁性シート１３抵抗発熱体１４端子１５切り欠き部１６リード線１７中間層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥田誠子岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１−１イビデン株式会社大垣北工場内Ｆターム(参考） 3K092 PP15 PP16 QA01 QB02 QB30 QB43 QB62 QB70 QB76 QC02 QC19 QC49 RA04 RC10 RC17 RC26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ₂ Ｏ₃ を８８〜９５重量％、焼結助
剤として、ＳｉＯ₂ を３〜１０重量％、ＭｇＯを０．４
〜１．０重量％、ＣａＯを１．０〜２．５重量％含有す
る絶縁性シートと、この絶縁性シートにより被覆された
芯材と、前記絶縁性シートと前記芯材との間に設けられ
た高融点金属からなる抵抗発熱体とを含んで構成された
セラミックヒーターであって、前記抵抗発熱体の少なく
とも一部と前記芯材との間、及び／又は、前記抵抗発熱
体の少なくとも一部と前記絶縁性シートとの間に、その
厚さが５〜５０μｍで、ＳｉＯ₂ を０．０５〜４重量
％、ＭｇＯを０．０１〜０．５重量％、ＣａＯを０．０
１〜１．２重量％含有するアルミナセラミックの中間層
が設けられていることを特徴とするセラミックヒータ
ー。
【請求項２】抵抗発熱体の少なくとも一部と絶縁性シ
ートとの間に、中間層が設けられている請求項１記載の
セラミックヒーター。
【請求項３】抵抗発熱体の少なくとも一部と芯材との
間、及び、抵抗発熱体の少なくとも一部と絶縁性シート
との間に、中間層が設けられている請求項１記載のセラ
ミックヒーター。
【請求項４】中間層が設けられている部分は、抵抗発
熱体の使用温度が３００℃以上となる高温部である請求
項１、２又は３記載のセラミックヒーター。
【請求項５】前記中間層の厚さは、１０〜１５μｍで
ある請求項１、２、３又は４記載のセラミックヒータ
ー。