JPH08335492A - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐久性に優れるセラミックヒータの製造方法
を提供する。 【構成】 第１基板２となる第１グリーンシート２ａの
表面上にＰｔ（白金）ペーストをスクリーン印刷して一
対の導通部４，５を形成する。第１グリーンシート２ａ
の表面全体にＳｉＯ₂ 粉末７を付着させる。ＰｔにＡｌ
₂ Ｏ₃ 粒子を分散させた金属箔を所定形状に切断加工し
たものを第１グリーンシート２ａの表面上に配置し、こ
れを発熱部６とする。このとき、発熱部６の両端部６
ａ，６ｂを各導通部４，５の他端部分におけるＰｔペー
ストに接触するようにして重ね合わせ、発熱部６と導通
部４，５とを接続する。第２基板３となる第２グリーン
シート３ａの表面にＳｉＯ₂ 粉末８を付着させ、その表
面を導通部４，５及び発熱部６が配置された第１グリー
ンシート３ａの表面に加圧密着させた後、両グリーンシ
ート２ａ，３ａを所定の焼成温度パターンにて焼成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックヒータの製
造方法に係り、詳しくは、例えば内燃機関の排ガス中の
酸素濃度を計測する酸素センサの加熱用ヒータとして好
適なセラミックヒータの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車等の排ガス中における
酸素濃度を計測するために酸素センサが使用されてい
る。この酸素センサには、同センサの素子部を加熱する
セラミックヒータが設けられ、このセラミックヒータに
より低温時における酸素センサの出力特性変化が防止さ
れている。

【０００３】この種のセラミックヒータは、従来、以下
のようにして製造されている。まず、基板となるセラミ
ック材料（Ａｌ₂ Ｏ₃ 等）のグリーンシート表面に、発
熱体となるパターン（以下、発熱部という）と、発熱部
と電源とを接続する導通部とを金属ペースト（Ｐｔ等）
をスクリーン印刷することによって一体的に形成する。
次に、グリーンシートを所定温度にて焼成するととも
に、金属ペーストを燒結させて発熱部及び導通部をグリ
ーンシートの表面に焼き付けていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
にして製造されたセラミックヒータは以下に示す問題が
あった。

【０００５】すなわち、セラミックヒータの発熱部及び
導通部を、金属ペーストにて印刷した際、例えば、発熱
部においてパターン幅が狭い印刷不良部分が生じること
がある。そのような印刷不良部分はセラミックヒータの
通電時において高い抵抗値を示すため局所的に高温の状
態となり、長時間使用するとその部分が焼損して発熱部
が断線する虞があった。

【０００６】また、従来のセラミックヒータは、使用時
において焼成温度と同程度まで温度上昇するため、金属
ペーストに含有されていた金属粒子が徐々に凝集し、こ
れにより発熱部に断線が生じる虞があった。さらに、急
激にセラミックヒータが加熱され、基板に割れが生じる
と、その基板上に印刷されている発熱部が断線すること
があった。

【０００７】このように従来の製造方法により製造され
たセラミックヒータは、高温で長時間使用される際に発
熱部に断線が生じるおそれがあり、耐久性に問題のある
ものであった。本発明は上記問題点を解消するためにな
されたものであって、その目的とするところは耐久性に
優れるセラミックヒータの製造方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は、セラミック材料からなる基板と、該基
板上に配置される導通部と、該導通部と接触した状態で
前記基板上に配置される発熱部とを備えてなるセラミッ
クヒータの製造方法において、基板となるグリーンシー
トの表面上に、発熱部となる予め所定形状に加工された
金属箔を配置する工程と、金属箔が配置されたグリーン
シートを焼成するとともに、その焼成温度より低い融点
を有した接着材料により前記金属箔とグリーンシートと
を接着する工程とを備えたことをその要旨とするもので
ある。

【０００９】

【作用】本発明によれば、基板となるグリーンシートの
表面上に、予め所定形状に加工された金属箔が配置され
る。この金属箔はセラミックヒータの発熱部となるもの
である。次に、金属箔が配置されたグリーンシートが焼
成される。焼成の際、焼成温度より低い融点を有した接
着材料は融解し、冷却時において接着層を形成する。こ
の接着層が形成されることにより金属箔とグリーンシー
トとが接着される。

【００１０】このように、本発明では、予め所定形状に
加工された金属箔をグリーンシートの表面上に配置し、
同シート上にこれを接着することにより発熱部を形成し
ている。したがって、本発明では、従来の印刷による方
法によらず、所定形状を有する発熱部をグリーンシート
上に形成することが可能となる。したがって、印刷不良
に起因した、あるいは、金属ペーストに含有されていた
金属粒子の凝集に起因した発熱部の断線が未然に回避さ
れる。また、金属箔により形成された発熱部は、金属ペ
ーストを燒結して得られる従来の発熱部より強度的に優
れ、例えば基板に割れが生じた場合でも同発熱部に断線
することが少ない。その結果、本発明により製造される
セラミックヒータは耐久性に優れたものとなる。

【００１１】

【実施例】本発明を具体化した実施例について図１〜図
５を参照して詳細に説明する。図４は本実施例により製
造されるセラミックヒータ１を示している。同セラミッ
クヒータ１は短冊状の第１基板２と、同じく短冊状で長
手方向において前記第１基板２より僅かに短い第２基板
３とを備えている。そして、第１基板２の表面に第２基
板３が重ね合わされた状態で接着されている。この両基
板２，３は所定の厚さを有したＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）
のグリーンシートが焼成されてなるものである。両基板
２，３間には一対の導通部４，５と発熱部６とが配置さ
れている。両導通部４，５はいずれも基板２，３の長手
方向に延びる帯状をなし、その一端側（図４の右端側）
には電源（図示しない）に接続される接続端子４ａ，５
ａがそれぞれ設けられている。

【００１２】以下、このセラミックヒータの製造方法に
ついて説明する。まず、この第１基板２となる第１グリ
ーンシート２ａの一方の表面上に図１（ａ）及び図２に
示すように、白金（以下、Ｐｔという）ペーストをスク
リーン印刷し、接続部４ａ，５ａとなる部分を含めて一
対の導通部４，５を形成する。尚、図１及び図２では図
４において発熱部６が配置される側（図４の左側）の近
傍を図示している。

【００１３】次に、導通部４，５が形成された第１グリ
ーンシート２ａの表面全体に、図１（ｂ）に示すよう
に、接着材料であるＳｉＯ₂ 粉末７を塗布する。そし
て、図１（ｃ）及び図３に示すようにＳｉＯ₂ 粉末７を
付着させた第１グリーンシート２ａの表面に金属箔を載
置し、これを発熱部６とする。

【００１４】この金属箔は、ＰｔにＡｌ₂ Ｏ₃ （あるい
は、Ｚｒ₂ Ｏ₃ ）粒子を体積分率で３０〜６０％分散さ
せたものを多段ロール、又は製箔機にて３０〜５０μｍ
の厚さを有した箔状にし、さらにこれを図３又は図４に
示すように全体が略Ｗ字形状となるように予めウォータ
ジェット加工、あるいはレーザ加工等によって切断加工
したものである。また、金属箔は、Ｐｔに分散されるＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 粒子の量、及び金属箔の幅及び厚さを適宜調整
することにより、所定の抵抗値を有したものとなってい
る。なお、金属箔は、セラミックヒータ１の使用時にお
ける発熱部６の溶融を防止するため、同発熱部６の発熱
温度より高い融点を有している。

【００１５】また、発熱部６（金属箔）を第１グリーン
シート２ａ上に載置する際には、図１（ｃ）及び図３に
示す発熱部６の両端部６ａ，６ｂ（図１の右側の端部）
を各導通部４，５のＰｔペーストに接触するようにして
重ね合わせて、発熱部６と導通部４，５とを接続してい
る。

【００１６】次に、第２基板３となる第２グリーンシー
ト３ａを用意し、この第２グリーンシート３ａの表面に
ＳｉＯ₂ 粉末８を塗布する。そして、ＳｉＯ₂ 粉末８を
付着させた第２グリーンシート３ａの表面を、導通部
４，５及び発熱部６を配置した第１グリーンシート２ａ
の表面に加圧密着させる。したがって、第１グリーンシ
ート２ａの表面は、各導通部４，５の接続端子４ａ，５
ａが配置された同シート２ａの一端側（図４において右
端側）を除き、第２グリーンシート３ａにより覆われた
状態となる。

【００１７】次に、このようにして重ね合わされて一体
となった両グリーンシート２ａ，３ａを図５に示す焼成
温度パターンに従って焼成する。すなわち、両グリーン
シート２ａ，３ａはまず、常温（約２０℃）の状態から
２００℃／Ｈｒ．の温度勾配で温度上昇する加熱工程で
１６００℃まで加熱され、次に、１６００℃の温度にて
１時間保持される。さらにその後、１６００℃の温度か
ら２００℃／Ｈｒ．の温度勾配で温度降下する冷却工程
で常温となるまで冷却される。このようにして両グリー
ンシート２ａ，３ａが焼成されると、両グリーンシート
２ａ，３ａ間にある両導通部４，５のＰｔペーストは燒
結して第１グリーンシート２ａに焼き付けられる。この
とき、両導通部４，５の他端側（図１において左側）に
あるＰｔペーストは燒結するとともに同部分に接触して
いる発熱部６の両端部６ａ，６ｂと一体的に結合する。

【００１８】また、両グリーンシート２ａ，３ａ間に介
在されているＳｉＯ₂ 粉末７，８の融点は１６００℃で
あるため、同ＳｉＯ₂ 粉末７，８は焼成時において一旦
融解し、発熱部６のＡｌ₂ Ｏ₃ 粒子及び同じくＡｌ₂ Ｏ
₃ からなる両グリーンシート２ａ，３ａと化学的に結合
する。さらに、前記冷却工程において両グリーンシート
２ａ，３ａが冷却されると、融解したＳｉＯ₂ 粉末７は
再び凝固して接着層９を形成する。この接着層９の形成
により、発熱部６は第１及び第２グリーンシート２ａ，
３ａの表面に接着されるとともに、両グリーンシート２
ａ，３ａ同士が接着される。

【００１９】以上の工程によってセラミックヒータ１が
製造される。セラミックヒータ１は、前記両接続端子４
ａ，５ａにＮｉメッキが施され、その接続端子４ａ，５
ａに電源リード線用の端子（図示せず）がロウ付けされ
る。

【００２０】次に、以上説明した本実施例の作用につい
て説明する。本実施例におけるセラミックヒータ１の製
造方法では、予め所定形状をなすように加工された金属
箔により発熱部６を形成するようにしている。このた
め、従来のセラミックヒータ１の製造方法において生じ
ていた発熱部６における印刷不良がなくなり、発熱部６
は所定形状を備えたものとなる。その結果、セラミック
ヒータ１の使用時において印刷不良部分が局所的に高温
の状態となり、同部分が焼損して発熱部６が断線すると
いった従来のセラミックヒータにおいてみられた不具合
が回避されることとなる。

【００２１】また、本実施例におけるセラミックヒータ
１の製造方法は、金属ペーストを基板上に印刷し、これ
を燒結することにより発熱部６を形成していた従来の方
法に換え、金属箔を同基板上に配置し接着することによ
り同発熱部６を形成するものである。したがって、製造
されたセラミックヒータ１は、通電時において発熱部６
が高温状態となった場合でも、金属ペーストの含有され
ていた粒子の凝集が生じて発熱部６が断線するといった
問題が生じることがない。

【００２２】以上のように本実施例により製造されたセ
ラミックヒータ１は、従来のセラミックヒータ１に比
べ、特に高温で使用される際の耐久性に優れるものであ
る。したがって、同セラミックヒータ１は、例えば内燃
機関の排ガス中における酸素濃度を計測する酸素センサ
の加熱用ヒータ等に好適なものとなる。

【００２３】さらに、本実施例では、発熱部６を形成す
る金属箔とグリーンシート２ａ，３ａとを接着し、ま
た、グリーンシート２ａ，３ａ同士を接着する接着材料
としてＳｉＯ₂ 粉末７，８を用いている。このＳｉＯ₂
粉末７，８は、両グリーンシート２ａ，３ａを焼成する
際に融解して、発熱部６のＡｌ₂ Ｏ₃ 粒子及び同じくＡ
ｌ₂ Ｏ₃ からなる両グリーンシート２ａ，３ａと化学的
に結合した状態で接着層９を形成する。この接着層９の
形成により発熱部６と両グリーンシート２ａ，３ａ、及
び両グリーンシート２ａ，３ａ同士を容易且つ確実に接
着することができる。

【００２４】また、本実施例によって製造されたセラミ
ックヒータ１の耐熱衝撃性を確認するために以下のよう
な試験を行った。セラミックヒータ１を通電制御し、発
熱部６を約４００℃で加熱した後、これを２０℃の水中
に投入し冷却した。その結果、第１及び第２基板２，３
には熱衝撃による割れが生じたが、発熱部６に断線等の
破損が生じることはなく、正常な通電状態を保持した。
この結果より、本実施例により製造されたセラミックヒ
ータ１は熱衝撃性においても優れるものであり、また、
基板２，３に割れが生じても容易に発熱部６の断線を生
じないものであることが確認された。

【００２５】尚、上記実施例は以下のようにして実施す
ることができる。 （１）上記実施例では基板となるグリーンシートをアル
ミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）により形成したが、窒化珪素（Ｓｉ
₃ Ｎ₄ ）のグリーンシートを用いてもよい。

【００２６】（２）発熱部６となる金属箔は白金（Ｐ
ｔ）以外にも例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル
（Ｔａ）等を主成分としたものを用いることができる。 （３）上記実施例では第１グリーンシート２ａの表面に
スクリーン印刷により導通部４，５を形成したが、例え
ば、蒸着等の手段により導通部４，５を形成するように
してもよい。

【００２７】（４）発熱部６を形成する金属箔の形状は
上記実施例に示したＷ字形状に限られず、種々の形状を
採用することができ、また、その厚さ及び幅も同様に種
々変化させることができる。すなわち、本実施例では発
熱部６を予め所定形状に加工された金属箔により形成し
ているため、同発熱部６の形状、厚さ、及び幅を容易に
変化させることが可能である。

【００２８】（５）セラミックヒータの形状は上記実施
例に示した短冊状に限定されず、同ヒータの使用条件に
応じた種々の形状（例えば、円筒状）を採用することが
可能である。

【００２９】上記実施例から把握される技術的思想につ
いてその効果とともに記載する。 （ａ）セラミック材料からなる基板と、該基板上に配置
される導通部と、該導通部と接触した状態で前記基板上
に配置され、導通部を介して電源に接続される発熱部と
を備えてなるセラミックヒータの製造方法であって、基
板となるグリーンシートの表面上に、予め所定形状に加
工され、セラミック材料の粒子を分散させた発熱部とな
る金属箔を配置する工程と、該金属箔が配置されたグリ
ーンシートを焼成するとともに、その焼成温度より低い
融点を有したガラス材を融解させて、同ガラス材を前記
金属箔に分散されたセラミック材料の粒子、及びセラミ
ック材料からなるグリーンシートと化学的に結合させ、
これにより金属箔とグリーンシートとを接着する工程と
を備えたセラミックヒータの製造方法。

【００３０】このようなセラミックヒータの製造方法に
よれば、耐久性に優れるセラミックヒータを製造するこ
とができ、その製造時において、発熱部と基板とを容易
に且つ確実に接着することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、耐久性に優れるセラミ
ックヒータを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例における製造工程を説明するためのセ
ラミックヒータの部分側面図。

【図２】グリーンシートの表面に配置された導通部を示
す要部斜視図。

【図３】導通部と発熱部の接続状態を示す要部斜視図。

【図４】一実施例により製造されたセラミックヒータの
一部を破断して示す斜視図。

【図５】一実施例における焼成工程の焼成温度パターン
を示すグラフ。

【符号の説明】

１…セラミックヒータ、２…第１基板（基板）、２ａ…
第１グリーンシート（グリーンシート）、３…第２基
板、３ａ…第２グリーンシート（グリーンシート）、
４，５…導通部、６…発熱部、７，８…ＳｉＯ₂ 粉末
（接着材料）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック材料からなる基板と、該基板
   上に配置される導通部と、該導通部と接触した状態で前
   記基板上に配置される発熱部とを備えてなるセラミック
   ヒータの製造方法であって、 基板となるグリーンシートの表面上に、発熱部となる予
   め所定形状に加工された金属箔を配置する工程と、 金属箔が配置されたグリーンシートを焼成するととも
   に、その焼成温度より低い融点を有した接着材料により
   前記金属箔とグリーンシートとを接着する工程とを備え
   たセラミックヒータの製造方法。