JPH04249089A - セラミックスヒーター - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，加熱型ガスセンサーの
ヒーター部，赤外線乾燥用ヒーター等に使用する，耐久
性に優れたセラミックスヒーターに関する。

【０００２】

【従来技術】従来，セラミックヒーターは，アルミナを
主体とするセラミックス原料が用いられている。そして
，このアルミナ原料は板状のグリーンシートに成形した
後，高温で焼成してアルミナセラミックス基板とする。 また，該基板表面又は基板内部に，白金粒子を含有する
金属抵抗体を厚膜印刷により形成後，一体的に焼成して
セラミックスヒーターとする。そして，このセラミック
スヒーターは，例えばその上にＯ２　センサーを貼り付
け，例えば自動車の排気ガスセンサーにおけるヒーター
部として用いる（図２参照）。このように，セラミック
スヒーターはＯ２　検出素子として用いる場合，自動車
排ガスにより７００〜８００℃以上という高温雰囲気に
曝される。また，上記金属抵抗体には，ヒーター発熱の
ために，１０ボルト以上，時には１５ボルト以上の高い
電圧が負荷される。

【０００３】

【解決しようとする課題】ところで，上記セラミックス
ヒーターを，上記のごとく高温下，高電圧負荷の下で長
時間使用とすると，上記セラミックスヒーターには，ク
ラック，ふくれ，盛り上がりを生ずる。そのため，上記
セラミックスヒーターは使用が不可能となることがある
。発明者らは，上記クラックや盛り上がりの発生理由に
ついて種々検討した結果，次のことを見出した。まず，
上記クラックは，金属抵抗体の負極側にアルカ土類等の
イオンが移動集積し，そのため体積が増大し，或いは熱
膨張係数の変化による応力歪みの発生により，クラック
が発生することが判明した。

【０００４】一方，正極側には，Ｏ２　ガスが発生し，
これによりセラミックスヒーター中に空洞が生じて盛り
上がりができることが判明した（図３参照）。これらは
，セラミックスヒーター中における一種の電気分解によ
り生ずるものと考えられる。そこで，発明者らは，上記
クラック及び盛り上がりの発生を解消すべく，更に検討
を進めた結果，セラミックスヒーターにおけるアルミナ
の純度と焼結助剤の配合割合に問題があることを突き止
めた。本発明は，上記問題点に鑑み，負極側のふくらみ
，クラック及び正極側の盛り上がり等の欠陥を生ずるこ
とがなく，耐久性に優れたセラミックスヒーターを提供
しようとするものである。

【０００５】

【課題の解決手段】本発明は，アルミナセラミックスの
焼結体の内部に金属抵抗体を埋め込んでなり，該金属抵
抗体に直流電圧を印加して焼結体全体を加熱するよう構
成したセラミックスヒーターであって，上記焼結体はア
ルミナが９８重量％以上，焼結助剤が２重量％以下であ
ることを特徴とするセラミックスヒーターにある。本発
明において最も注目すべきことは，アルミナセラミック
ス中のアルミナを９８重量％以上としたことにある。こ
のように，アルミナを９８重量％以上とする理由は，ア
ルミナセラミックス焼結体中のアルミナを９８重量％以
上とすることにより，セラミックスヒーターの使用中に
おける負極側のクラック，ふくらみ，正極側に盛り上が
りが急激に減少することによる（図８参照）。

【０００６】上記アルミナとしては，好ましくは，α型
のものを用いる。また，該アルミナは９９重量％以上で
あることが特に好ましい。また，金属抵抗体としては，
例えば白金粒子を含有する白金ペーストの抵抗発熱体を
，厚膜印刷法により形成する。直流電圧は，例えば自動
車における通常１０ボルト以上で使用されるバッテリ（
電源）と，上記金属抵抗体とを電気的に接続することに
より，印加する。また，焼結助剤は，ＳｉＯ２　とＣａ
Ｏ，ＢａＯ，ＭｇＯ，ＳｒＯのいずれか１種以上とから
なることが好ましい。

【０００７】

【作用及び効果】本発明のセラミックスヒーターにおい
ては，焼結体はアルミナが９８重量％以上含有されてい
る。そのため，該セラミックスヒーターの金属抵抗体に
，直流電圧を印加し，長時間用いる場合においても，負
極側に焼結助剤に由来するアルカリ土類等のカチオンが
移動集積することが少ない。それ故，上記セラミックス
ヒーターの負極側に，クラックを生ずることがない。 また，負極側近傍において，金属抵抗体の断線を生ずる
こともない。また，上記セラミックスヒーターの正極側
においては，焼結助剤等の酸化物の電気分解に起因して
，酸素ガスの発生を生ずることが少ない。そのため，上
記正極側に盛り上がり又はクラックを生じない。また，
正極側近傍においても，上記断線を生じない。したがっ
て，本発明によれば，ふくらみ，クラック又は盛り上が
り等の欠陥を生ずることがなく，耐久性に優れたセラミ
ックスヒーターを提供することができる。

【０００８】

【実施例】実施例１ 本発明の実施例にかかるセラミックスヒーターにつき，
図１及び図２を用いて説明する。即ち，本例のセラミッ
クスヒーターは，図１に示すごとく，アルミナセラミッ
クス焼結体の内部に金属抵抗体１１を埋め込んでなり，
該金属抵抗体１１に直流電圧を印加して，該焼結体全体
を加熱するよう構成してなる。そして，ここで注目すべ
きことは，上記焼結体は，アルミナが９８重量％以上で
，焼結助剤が２重量％以下にしたことである。

【０００９】上記セラミックスヒーターは，図２に示す
ごとく，アルミナセラミックス焼結体からなる基板１と
，該基板１上に形成した金属抵抗体１１のパターンと，
上記基板１１を覆うアルミナセラミックス焼結体からな
るカバー２とよりなる。そして，このセラミックスヒー
ター上にＯ２　センサー３を貼着して，Ｏ２　検出素子
とする。即ち，上記セラミックスヒーターは，自動車の
排気ガス中の酸素ガスを検出するためのＯ２　検出用素
子におけるヒーター部として用いられる。上記アルミナ
セラミックス焼結体は，アルミナが９８重量％以上と，
アルカリ土類等の焼結助剤２重量％以下とからなる。上
記基板１は，焼成後の厚みが０．７ｍｍの板状のアルミ
ナセラミックス焼結体よりなる。また，上記カバー２は
，焼成後の厚みが０．３ｍｍの板状のアルミナセラミッ
クス焼結体よりなる。これらの両アルミナセラミックス
焼結体は，仮焼原料を，予めドクターブレード法によっ
て板厚さが異なるグリーンシートを形成する。

【００１０】上記金属抵抗体１１は，白金ペーストをス
クリーン印刷法により，上記基板１のグリーンシート上
に印刷して形成する。その後，該基板１上にカバー２を
重ねる。そして，熱圧着により，これらのグリーンシー
トを一体的に焼成して，図２に示すごとく，基板１と金
属抵抗体１１とカバー２とよりなるセラミックヒータを
得る。上記セラミックヒータには，その上にＯ２　セン
サー３を貼り付けることにより，Ｏ２　検出素子とする
。上記直流電圧は，自動車におけるバッテリ電源４に接
続して印加する。即ち，図１に示すごとく，上記金属抵
抗体１１の一端１１１に，負極側のリード線４１を接続
する。また，該金属抵抗体１１の他端１１２には，正極
側のリード線４２を接続する。

【００１１】次に，作用効果につき説明する。本例のセ
ラミックスヒーターにおいては，アルミナが９８重量％
以上含有されている。そのため，該セラミックスヒータ
ーの金属抵抗体１１に電源４を接続して，直流電圧を印
加し長時間使用する場合，負極側１２に焼結助剤に由来
するアルカリ土類等のイオンが移動集積することが少な
い。それ故，上記セラミックスヒーターの負極側１２に
，ふくらみ，クラックを生じない。また，負極側１２に
おいては，上記金属抵抗体１１の断線を生じない。また
，上記セラミックスヒーターの正極側１３においては，
焼結助剤等の酸化物の電気分解に起因して，酸素ガスの
発生を生ずることが少ない。そのため，上記正極側１３
には，盛り上がり及びクラックを生じない。また，正極
側１３近傍においても，上記金属抵抗体１１の断線を生
じない。したがって，本例によれば，ふくらみ，クラッ
ク及び盛り上がり等の欠陥を生ずることがなく，耐久性
に優れたセラミックスヒーターを得ることができる。

【００１２】実施例２ 本例は，上記実施例１に示したセラミックスヒーターに
つき，図８に示すごとく，アルミナと焼結助剤との配合
割合を種々に変えて，そのふくらみ，クラックの発生の
状況，盛り上がりの発生状況につき，測定したものであ
る。まず，本発明のセラミックスヒーターの代表例とし
て，アルミナが９８重量％のもの１種類と，アルミナが
９９重量％以上のものを３種類それぞれ準備する。また
，比較例として，従来のセラミックスヒーターの組成の
ものを２種類準備する。次に，本発明及び比較例のセラ
ミックスヒーターの試料の製造法につき概要を説明する
。ナトリウム化合物が低含有量（ローソーダ）の平均粒
径が３μｍのアルミナを主原料とし，これに焼結助剤の
仮焼成原料を特定割合で混合する。そして，表１に示す
ごとく，アルミナの純度が９４重量％（Ｃ１）及び９６
重量％（Ｃ２）の比較例と，アルミナの純度が９８重量
％（試料１），９９重量％（試料２），９９．５重量％
（試料３）９９．９重量％以上（試料４）のアルミナセ
ラミックス原料を準備する。上記仮焼原料としては，工
業用炭酸カルシウム，工業用炭酸マグネシウム，純度９
９．５重量％以上の珪砂を、アルミナ製ポットミルによ
り混合粉砕し，電気炉にて，１１００℃で仮焼したもの
を用いる。

【００１３】次に，ドクターブレード法により基板用及
びカバー用のグリーンシートを，上記アルミナの純度の
異なる原料を用いてそれぞれ作成する。次いで，上記基
板用のグリーンーシート上に，白金ペーストを用いてス
クリーン印刷法により，金属抵抗体（図１，図２）を印
刷する。次いで，上記基板用グリーンシート上に，カバ
ー用のグリーンシートを重ねて置く。そして，これらの
グリーンシートを積層した状態で電気炉にて，アルミナ
の純度に応じて１５５０〜１６４０℃で一体的に焼成す
る。これにより，図３，図４に示すごとく，カバーあり
のセラミックスヒーター及びカバーなしの試料１〜４及
び比較例Ｃ１，Ｃ２のセラミックスヒーターを，それぞ
れ作成する。

【００１４】次に，上記セラミックスヒーターの金属抵
抗体１１に１３ボルトの直流電圧を印加し，その表面温
度が約１１００℃となった後２時間経過後に，負極側の
ふくらみ，クラックの有無，正極側の盛り上がりの状況
について測定し，観察した。なお，上記ふくらみの大小
については，表面粗さ測定器を用いて測定した。その結
果を，図３〜図８及び表１に示す。まず，図３〜図６は
，比較例におけるふくらみ，クラック，盛り上がりの発
生の状況を示すもので，以下これを詳述する。図３は，
カバーなしのセラミックスヒーターにつき，ふくらみ１
２１及び盛り上がり１３１の発生状況を示すものである
。即ち，負極側１２においては，金属抵抗体１１の下方
にふくらみ１２１を生じていた。該ふくらみ１２１の厚
みＮは，表１より知られるごとく，試料Ｃ１については
６６μｍ，試料Ｃ２については５５μｍである。これに
対し，本発明の試料１のふくらみの厚みＮは，４０μｍ
，試料２〜３のふくらみの厚みＮは１８〜２３μｍと低
かった。以上の結果を図８に示す。同グラフにおいて，
○印が負極側に生じたふくらみを示すものである。 また，×印が正極側に生じた盛り上がりを示す。

【００１５】即ち，比較例の試料Ｃ１，Ｃ２は，金属抵
抗体の厚み（ｔ）の２０μｍを差し引くと，実質上４６
μｍ，３５μｍのふくらみを生じていることになる。こ
れに対し，本発明の試料１のふくらみの厚みＮは，実質
上２０μｍ（４０−２０）である。また，試料２のふく
らみは，実質上３μｍ，試料３のふくらみは実質上０（
−２μｍ），試料３のふくらみは，実質上１μｍである
ことがわかる。一方，図３に示すごとく正極側１３にお
いては，空洞部１３３に起因して，盛り上がり１３１を
生じていた。該盛り上がり１３１の厚みＭは，表１より
知られるごとく，試料Ｃ１については７０μｍ，試料Ｃ
２については４５μｍである。これに対し，図６に示す
ごとく，本発明の試料１のふくらみ１２４の厚みＳは１
０μｍである。また，試料２〜４については，図７に示
すごとく，ふくらみは生じていなかった。また，図４は
カバーありのセラミックスヒーターにつき，イオンの移
動集積１２２の状況を示すものである。また，図５〜図
７はカバーなしのセラミックスヒーターにつき，ふくら
み１２３，１２４及び盛り上がり１３２の有無の状況を
示すものである。即ち，負極側１２においては，比較例
の試料Ｃ１及びＣ２の金属抵抗体１１の周囲には，図５
に示すごとく，厚さＬの大きなふくらみ１２３を生じて
いた。これは，Ｃａイオンの集積１２３が顕著に生じた
からである。これに対し，試料１〜４については，Ｃａ
イオンの集積は殆ど認められなかった。一方，正極側に
おいては，上記図３〜図５より知られるごとく，試料Ｃ
１については厚みＲが大きな凸レンズ状のふくらみ１３
２を有し，内部に空洞を生じていた。また，試料Ｃ２に
ついては，ふくらみの程度はわずかな厚みＭであるが，
大きなクラック１３３を生じていた。これに対し，本発
明の試料１については，図６に示すごとく，わずかなふ
くらみが認められたに過ぎなかった。また，図７に示す
ごとく，試料２〜４については，クラックは全く認めら
れなかった。

【００１６】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のセラミックスヒーターの透視斜視図
。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図。

【図３】比較例のセラミックスヒーター（カバーなし）
の断面図。

【図４】比較例のセラミックスヒーター（カバーあり）
の断面図。

【図５】比較例のセラミックスヒーターに生じたふくれ
，盛り上がりの模式断面図。

【図６】実施例（試料１）のセラミックスヒーターに生
じたふくれ，盛り上がりの模式断面図。

【図７】実施例（試料２〜４）のセラミックスヒーター
に生じたふくれ，盛り上がりの模式断面図。

【図８】実施例２のアルミナ含有量とふくらみ・盛り上
がりの状況との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１．．．基板，１１．．．金属抵抗体，１２．．．負極
側，１３．．．正極側，２．．．カバー，３．．．Ｏ２
　センサー，４．．．バッテリ電源，

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミナセラミックスの焼結体の内部
   に金属抵抗体を埋め込んでなり，該金属抵抗体に直流電
   圧を印加して焼結体全体を加熱するよう構成したセラミ
   ックスヒーターであって，上記焼結体はアルミナが９８
   重量％以上，焼結助剤が２重量％以下であることを特徴
   とするセラミックスヒーター。
2. 【請求項２】　　請求項１において，焼結体はアルミナ
   が９９重量％以上であることを特徴とするセラミックス
   ヒーター。
3. 【請求項３】　　請求項１において，焼結助剤はＳｉＯ
   ２　と，ＣａＯ，ＢａＯ，ＭｇＯ，ＳｒＯのいずれか１
   種以上とよりなることを特徴とするセラミックスヒータ
   ー。
4. 【請求項４】　　請求項１において，直流電圧が１０ボ
   ルト以上であることを特徴とするセラミックスヒーター
   。