JP2005005057A

JP2005005057A - セラミックヒータ、並びにセラミックヒータ構造体

Info

Publication number: JP2005005057A
Application number: JP2003165476A
Authority: JP
Inventors: Masahide Akiyama; 雅英秋山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】高温度におけるヒータの耐久性や急速昇温の際の熱衝撃による破壊等の問題を解決し、ヒータ寿命を長期化した急速昇温が可能なセラミックヒータを提供する。
【解決手段】アルミナを主成分とするセラミック絶縁層１中に、白金を主成分とする発熱体２と、発熱体２と接続され発熱体２に電流を供給するためのリード部３を埋設してなるセラミックヒータであって、発熱体２の厚みをｔ１（μｍ）、リード部３の導体厚みをｔ２（μｍ）とすると、１３≦ｔ１≦３０、１．１≦ｔ１／ｔ２≦３．０を満足することを特徴とする。また、発熱体２が、２７〜４５体積％のアルミナを含有すること、またリード部３が、５〜２６体積％のアルミナを含有することが望ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐久性に優れ、半導体基板の加熱用ヒータや、石油ファンヒータ、および車両用のガスセンサの加熱用として好適に用いられるセラミックヒータとそれを具備したセラミックヒータ構造体に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、アルミナなどの絶縁性セラミックスからなる絶縁基板の内部に発熱体を埋設したセラミックヒータが知られており（特許文献１参照）、半導体基板の加熱ヒータの他、温水ヒータや、石油ファンヒータとして用いられている。
【０００３】
一方、自動車等の内燃機関においては、排出ガス中の酸素濃度を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に供給する空気および燃料供給量を制御することにより、内燃機関からの有害物質、例えばＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを低減させる方法が採用されている。
【０００４】
この検出素子として、主として酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする固体電解質基板の外面および内面にそれぞれ一対の電極層が形成された固体電解質型の酸素センサが用いられている。
【０００５】
この酸素センサの代表的なものとしては、平板状の固体電解質基板の外面および内面に基準電極と測定電極をそれぞれ設けると同時に、セラミック絶縁体の内部に白金からなる発熱体を埋設したセラミックヒータを一体型した酸素センサが提案されている（例えば、特許文献２、３）。このセラミックヒータを一体化した酸素センサは、セラミックヒータによって直接加熱されることによって検知部は８００〜１０００℃の高温まで急速昇温されるメリットを有する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１４９７９１号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−５４０３９９号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−２３６１０４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１〜３に記載されるようなこれらセラミックヒータに対しては、上記の用途に対してそれぞれの機能を発現するに至る、いわゆる作動時間を短縮したり、高温度で使用することにより性能の安定化を図るため、セラミックヒータ自身に対して、耐久性と同時に、急速昇温性や、加熱温度の高温化等の要求が高まってきた。
【００１０】
しかしながら、セラミックヒータを上記の用途に使用する場合、１０００℃を超えるような高温度の環境で使用される場合や、急速にヒータを加熱する場合、ヒータが破損したり、あるいは発熱体の抵抗が急激に増加するという問題があった。そのため、これらのセラミックヒータは、現在１０００℃以下、多くの場合７００℃以下で、且つ急激な急速昇温を避けて用いられている。
【００１１】
そのため、本発明では耐久性に優れると同時に、急速昇温性を有する低コストのセラミックヒータとそれを具備するセラミックヒータ構造体を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題について検討した結果、白金発熱体および発熱体に電流を供給するためのリード部が埋設されたセラミックヒータにおいて、発熱体を所定の厚みに制御すると同時に、発熱体の厚みとリード部導体の厚みの比率を一定の範囲に保持することにより、耐久性と急速昇温性に優れたセラミックヒータが製造できることを見出した。
【００１３】
即ち、本発明は、アルミナを主成分とするセラミック絶縁層中に、白金を主成分とする発熱体と、該発熱体と接続され該発熱体に電流を供給するためのリード部を埋設してなるセラミックヒータであって、前記発熱体の厚みをｔ１（μｍ）、前記リード部の導体厚みをｔ２（μｍ）とすると、１３≦ｔ１≦３０、１．１≦ｔ１／ｔ２≦３．０を満足することを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記白金を主成分とする発熱体は、２７〜４５体積％のアルミナを含有することが、また前記白金を主成分とするリード部は、５〜２６体積％のアルミナを含有することがそれぞれ望ましい。これによって、急速昇温が可能な耐久性に優れた低コストのセラミックヒータを提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミックヒータの基本構造を図面をもとに説明する。本発明のセラミックヒータにおいては、図１の分解斜視図に示すようにアルミナを主成分とするセラミック絶縁層１中には、白金を主成分とする発熱体２と、発熱体２に電気的に接続され発熱体２に電流を供給するための白金を主成分とするリード部３がそれぞれ埋設されている。また、セラミック絶縁層１の外面には、電極パッド４が設けられており、スルーホール導体５によって接続されている。
【００１６】
図２に、図１のセラミックヒータにおける発熱体２形成部分の断面図を（ａ）に、リード部３形成部の断面図を（ｂ）に示した。本発明によれば、かかるセラミックヒータにおいて、図２（ａ）に示すように、発熱体２の厚みをｔ１（μｍ）、またリード部３の厚みをｔ２（μｍ）とすると、１３≦ｔ１≦３０、１．１≦ｔ１／ｔ２≦３．０であることが重要であり、この厚みを上記のように設定することによって、白金を主成分とする発熱体を具備するセラミックヒータの耐久性と急速昇温性を大きく向上させることができる。
【００１７】
ここで、発熱体２の厚みｔ１が１３μｍより小さいと、発熱体２の耐久性の悪くなり、熱サイクルを繰り返すと発熱体２の抵抗が徐々に増加する。また、それに伴いセラミックの破損率も高くなる傾向を示す。それに対して、ｔ１が３０μｍを越えると、発熱体２の抵抗が小さくなるため、通電により発熱体２が急速に加熱されセラミック絶縁層１が熱衝撃により破壊する。
【００１８】
また、ｔ１／ｔ２の比率に関しては、ｔ１／ｔ２が１．１より小さくなるとリード部３の抵抗が小さくなるため、通電により発熱体２が急速に加熱され発熱体２を埋設しているセラミック絶縁層１が熱衝撃により破壊しやすくなる。逆に、ｔ１／ｔ２が３を越えると、リード部３の抵抗が大きくなり、急速昇温性が失われる。また、セラミック絶縁層１も破損されやすくなる。
【００１９】
このような理由により、上記の範囲が設定された。発熱体２の厚みｔ１としては特に１８〜２７μｍで、かつｔ１／ｔ２の比率として１．３〜２．５の範囲が特に優れる。
【００２０】
また、発熱体２およびリード部３は、いずれも白金を主成分とするものであるが、またアルミナを適量含有することが望ましい。具体的には、発熱体２は２７〜４５体積％、およびリード部３は５〜２６体積％のアルミナを含有することがそれぞれ望ましい。発熱体２中のアルミナ含有率を上記範囲とすることによって、ヒータの耐久性を向上するとともに、ヒータの抵抗を安定に保ち、ヒータの急速昇温性を高めることができる。発熱体２のアルミナ含有率としては、３０〜４０体積％が特に優れる。
【００２１】
一方、リード部３に関しては、アルミナの含有率を上記範囲とすることいによって、リード部とアルミナセラミックスとの接合性を高め、温度サイクルに対する耐久性を高めるとともに、リード部３の抵抗を適正に保ち、急速昇温性を向上させることができる。リード部３中のアルミナの含有率としては、１０〜２０体積％が特に好ましい。
【００２２】
本発明におけるセラミック絶縁層１を形成するアルミナセラミックスは、アルミナを９７質量％以上含有するものであり、必要に応じてＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯなどの焼結助剤を３質量％以下、特に０．５〜１．５質量％含有するもので相対密度８０％以上、開気孔率が５％以下の緻密質なセラミックスによって構成されていることによってセラミックヒータの強度を高め耐久性を高めることができる。
【００２３】
また、Ｎａなどのアルカリ金属のマイナス極側への移動と抵抗増加を防止する観点から、アルミナを主成分とするセラミック絶縁層１中のアルカリ金属（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）の含有量がそれぞれ５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下にすることが望ましい。
【００２４】
本発明では、発熱体２およびリード部３は、白金を主成分とし、具体的には、白金単体の他、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウムの群から選ばれる１種との合金が用いられる。また、発熱体２およびリード部３中のアルミナの平均結晶粒子径は０．２〜１．０μｍ、特に０．３〜０．８μｍとすることが望ましい。これによって、発熱体２の平坦性を高め、また、Ａｌ_２Ｏ_３の凝集に伴う２次粒子径のばらつきによって、発熱体２中に抵抗の温度ばらつきが生じるのを防止できる。
【００２５】
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。図１の分解斜視図に基づくと、白金等の金属とアルミナとの混合粉末からなる発熱体２とリード部２の印刷用のペーストをそれぞれ調製する。そして、それぞれのペーストを用いて、未焼成のセラミック絶縁層１ａ（グリーンシート１ａ）表面に、発熱体２のパターンを所定の幅および厚みで印刷した後、さらにリード部３のパターンを所定の幅および厚みで、互いの端部が重なり合うように印刷する。
【００２６】
また、同様に、未焼成のセラミック絶縁層１ｂ（グリーンシート１ｂ）に、貫通穴を形成して白金ペーストを充填してビア導体５を形成するとともに、白金ペーストを用いて電極パッド４を印刷形成した後、この未焼成のセラミック絶縁層１ｂを前記発熱体２のパターンやリード３のパターンの上に積層圧着した後、１２００〜１７００℃の温度で酸化性、または中性の雰囲気で焼成することによって作製される。
【００２７】
ここで、セラミックグリーンシート１ａ、１ｂは、平均粒径が０．２〜１．０μｍのアルミナ粉末に、焼結助剤として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯなどの焼結助剤を０〜３質量％，特に０．１〜１質量％添加混合し、これに有機バインダを添加混合して、スラリーを調製する。そしてこのスラリーをドクターブレード法などのシート成形法によって厚さ５０〜５００μｍの厚さに成形する。また、ここで用いるグリーンシートのうち、発熱体２のパターン上に積層圧着されるセラミックグリーンシート１ｂのヤング率は、７００ＭＰａ、特に５００ＭＰａ以下であることが望ましい。即ち、このヤング率は、グリーンシートの変形のしやすさを示すもので、このヤング率を上記範囲に設定することによって発熱体２のパターンやリード部３のパターンの厚みによる凸部に対してグリーンシート１ｂが追従することができる結果、密着性を高めることができるとともに、発熱体２の端部でのセラミックの開き６を小さく制御することができる。
【００２８】
なお、この積層圧着時の圧力は、３０〜５０ＭＰａの範囲とすることによって、セラミックの開きの発生を抑制することができる。このセラミックグリーンシートのヤング率は有機バインダー量をセラミック粉末１００質量部に対して、固形分量として５〜２０質量部の割合で、また溶媒量を原料１００質量部に対して５０〜１００質量部の範囲で変化させることによって容易に制御できる。
【００２９】
また、発熱体２のパターン、リード部３のパターンを印刷形成する導体ペーストは、平均粒径１〜３μｍの白金粉末に、平均粒径が０．２〜１．０μｍのアルミナ粉末を前述した所定比率でそれぞれ添加混合して、これに、アクリル樹脂などの有機バインダおよびトルエンなどの有機溶媒を添加し、混合することによって調製される。
【００３０】
なお、この導体ペーストは、グラインドゲージによる測定値で２０μｍ以下、特に１５μｍ以下に制御することが発熱体の耐久性の観点から重要である。このグラインドゲージとは、ペーストの粒径測定用装置であり、最大粒径を表すパラメータである。即ち、このグラインドゲージが２０μｍよりも大きいと、発熱体２表面に凹凸ができたり、特性の信頼性を低下させる原因となる。なお、このグラインドゲージは、ペースト中のアルミナ粒子径や白金粒子径を調整すること制御できる。
【００３１】
なお、本発明においては、発熱体２のパターンは、図１に示すように、ヒータの長手方向に伸び、長手方向の端部で折り返した構造でも、あるいは長手方向と直交する方向の端部で折り返した波形（ミアンダ）構造のいずれでもよいが、特に、発熱体２の耐久性の観点からは、図１に示すような長手方向の端部で折り返したパターンが望ましい。この際、発熱体２の線幅としては印刷の精度から０．１５ｍｍ以上、特に０．２ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
また、本発明のセラミックヒータは、図１、２のような外形形状が平板状のもの他、円筒形状、円柱形状であっても問題は無い。
【００３３】
さらに、本発明のセラミックヒータは、種々の構造部品における加熱手段の他、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＣＯセンサ等の各種素子を高温に加熱するために、他の部材と一体化したセラミックヒータ構造体を形成できる。
【００３４】
このようなセラミックヒータ構造体の具体例として、図３に本発明のセラミックヒータを酸素センサ素子の加熱に応用した構造体を示した。図４（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は、Ｙ_１−Ｙ_１断面図である。これは、一般的に理論空撚比センサ素子と呼ばれるものであり、図４の例ではセンサ部２０とヒータ部２１とが一体的に形成されている。
【００３５】
図３の酸素センサ素子においては、ジルコニアからなる酸素イオン導電性を有する固体電解質基板２２と、この固体電解質基板２２の対向する両面には、空気に接する基準電極２３ａと、排気ガスと接する測定電極２４ａとが形成されており、酸素濃度を検知する機能を有するセンサ部２０を形成している。
【００３６】
一方、発熱体２７ａを埋設する絶縁性セラミック基体２６から構成されるヒータ部２１は先端が封止された平板状の中空形状からなり、この中空部が大気導入孔２２ａを形成している。そして、この中空内壁に、空気などの基準ガスと接触する基準電極２３ａが被着形成され、この基準電極２３ａと対向する固体電解質基板２２の外面に、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極２４ａが形成されている。
【００３７】
また、排気ガスによる電極の被毒を防止する観点から、測定電極２４ａ表面には電極保護層としてセラミック多孔質層２５が形成されている。
【００３８】
本発明の酸素センサ素子において用いられる固体電解質は、ＺｒＯ_２を含有するセラミックスからなり、安定化剤として、Ｙ_２Ｏ_３およびＹｂ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３等の希土類酸化物を酸化物換算で１〜３０モル％、好ましくは３〜１５モル％含有する部分安定化ＺｒＯ_２あるいは安定化ＺｒＯ_２が用いられている。
【００３９】
また、ＺｒＯ_２中のＺｒを１〜２０原子％をＣｅで置換したＺｒＯ_２を用いることにより、イオン導電性が大きくなり、応答性がさらに改善されるといった効果がある。
【００４０】
さらに、焼結性を改善する目的で、上記ＺｒＯ_２に対して、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２を添加含有させることができるが、多量に含有させると、高温におけるクリープ特性が悪くなることから、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の添加量は総量で５質量％以下、特に２質量％以下であることが望ましい。
【００４１】
固体電解質基板２２の表面に被着形成される基準電極２３ａ、測定電極２４ａは、いずれも白金、あるいは白金と、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよび金の群から選ばれる１種との合金が用いられる。
【００４２】
また、動作時に、電極中の金属の粒成長を防止する目的と、応答性に係わる白金粒子と固体電解質と気体との、いわゆる３相界面の接点を増大する目的で、上述のセラミック固体電解質成分を１〜５０体積％、特に１０〜３０体積％の割合で上記電極中に混合してもよい。
【００４３】
また、電極２３ａ，２４ａの形状としては、四角形でも楕円形でもよい。また、電極の厚さは、３〜２０μｍ、特に５〜１０μｍが好ましい。
【００４４】
一方、ヒータ部２１は、図１〜図２にて説明したような、発熱体２の厚みやリード部の厚み等を制御した本発明のセラミックヒータによって形成する。
【００４５】
なお、発熱体２７ａを埋設するセラミック絶縁層２６としては、アルミナセラミックスからなる相対密度８０％以上、開気孔率が５％以下の緻密質なセラミックスによって構成されていることによってガスセンサの強度を高め耐久性を高めることができる。
【００４６】
また、測定電極２４ａの表面に形成されるセラミック多孔質層２５は、厚さ１０〜８００μｍで、気孔率が１０〜５０％のジルコニア、アルミナ、γ−アルミナおよびスピネルの群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましい。
【００４７】
また、本発明のセラミックヒータまたは酸素センサなどの検出素子は、素子全体の厚さとしては、０．８〜１．５ｍｍ、特に１．０〜１．２ｍｍ、素子の長さとしては４５〜５５ｍｍ、特に４５〜５０ｍｍが急速昇温性と素子のエンジン中への取付け具合との関係から好ましい。
【００４８】
次に、本発明のセラミックヒータ構造体の製造方法について、図３の酸素センサ素子の製造方法を図４の分解斜視図をもとに説明する。
【００４９】
まず、固体電解質のグリーンシート４１を作製する。このグリーンシート４１は、例えば、ジルコニアの酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質粉末に対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形（ラバープレス）あるいはプレス形成などの周知の方法により作製される。
【００５０】
次に、上記のグリーンシート４１の両面に、それぞれ測定電極２４および基準電極２３となるパターン４２ａ、４２ｃやリードパターン４２ｂ、４２ｄ、パット４３ａ、スルーホール４３ｂなどを例えば、白金を含有する導電性ペーストを用いてスラリーディップ法、あるいはスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷形成することにより、センサ部Ａを作製する。
【００５１】
さらに、この時に使用する白金を含有する導電性ペーストとしては、上述のセラミック固体電解質成分からなるジルコニアを１〜５０体積％、特に１０〜３０体積％の割合で包含する白金粒子を用いて、その他に、エチルセルロース等の有機樹脂成分を含有するものが望ましい。
【００５２】
次に、絶縁性セラミック基体からなるグリーンシート４７の表面に、平均粒径が１〜３μｍの白金と、平均粒径が０．２〜１．０μｍのアルミナとの混合粉末とアクリル樹脂などの有機バインダおよびトルエンなどの有機溶媒を添加して混合して発熱体およびリード部形成用の印刷用ペーストを調製し、これを用いて、発熱体パターン４９やリードパターン５０、電極パターン５１、スルーホール５２などをスクリーン印刷、パット印刷、ロール転写で印刷して、前述したような所定の厚みにそれぞれ印刷形成する。
【００５３】
そして、さらにアルミナのグリーンシートをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら、大気導入孔４４を形成した絶縁性セラミック基体からなるグリーンシート４５、４６と機械的に接着することにより、ヒータ部２１用の積層体Ｂを作製する。
【００５４】
この後、センサ部２０の積層体Ａとヒータ部２１の積層体Ｂをアクリル樹脂や有機溶媒などの接着剤を介在させるか、あるいはローラ等で圧力を加えながら両者を機械的に接着することにより接着一体化した後、これらを焼成する。焼成は、大気中または不活性ガス雰囲気中、１３００℃〜１７００℃の温度範囲で１〜１０時間焼成する。
【００５５】
その後、必要に応じ、測定電極４２ａの上に、プラズマ溶射法等により，アルミナ、ジルコニア、スピネルの群から選ばれる少なくとも１種のセラミック多孔質層２５を形成することによってヒータ部が一体化された酸素センサ素子を形成することができる。
【００５６】
なお、上記の方法では、ヒータ部Ａはセンサ部Ｂと同時焼成して形成した場合について説明したが、センサ部Ａとヒータ部Ｂとはそれぞれ別体で焼成した後、ガラスなどの適当な無機接合材によって接合することによって一体化することも可能である。
【００５７】
【実施例】
市販の純度が９９．９％で平均粒子径が０．５μｍのアルミナ粉末（シリカ０．１質量％含有）に、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ，ＣａＯを合計で０．５重量％添加したセラミック粉末に、アクリル系の有機バインダーとトルエンを溶媒として添加してスラリーを作製し、ドクターブレード法により、シートの厚さが０．３ｍｍになるようなアルミナのグリーンシートを作製した。このグリーンシートのヤング率は、約４００ＭＰａであった。
【００５８】
発熱体として、平均粒子径が０．３μｍのアルミナ粉末を、２７〜４５体積％含有する平均粒子径が２μｍの白金粉末と、リード部の導体として、アルミナ粉末を５〜２６体積％含有する平均粒子径が２μｍの白金粉末からなるペーストをそれぞれ準備した。この際、グラインドゲージによる粒子の最大径はいずれも１５μｍであった。
【００５９】
この２種類の白金ペーストを用いて、まず発熱体のパターンを印刷し、さらにリード部のパターンを端部同士が重ねるように電気的に接続するように印刷した。この際、発熱体とリード部の厚みは、焼成後の厚みが表１に示す厚みになるように変化させた。
【００６０】
そして、これらのパターンの上面にアクリル系の有機接着材を用いて前記アルミナグリーンシートを室温で１０ＭＰａの圧力で積層圧着してヒータの積層体を作製した。
【００６１】
その後、この積層体を１５００℃で２時間、大気中で焼成した。なお、この条件下でのセラミック絶縁層の相対密度は９８％以上、気孔率は２％以内である。また、アルミナ絶縁層中のアルカリ金属の含有量は３０ｐｐｍ以下であった。
【００６２】
この後、セラミックヒータの外形において、幅が４ｍｍ、長さ５０ｍｍになるように外周を加工した後、さらにエッジ部については、０．２ｍｍのＣ面取りを施した。
【００６３】
（特性および性能評価）
表１に示す特性に関しては、下記の方法により測定した。
【００６４】
・発熱体およびリード部の導体厚みと組成
作製したセラミックヒータについて、発熱体およびリード部の断面をそれぞれ５箇所鏡面出しして、１０００倍の走査型電子顕微鏡写真を撮影し、各写真から発熱体の最大厚みｔ１およびリード部の厚みｔ２を測定し、ｔ１、ｔ２の平均値と厚みの比率ｔ１／ｔ２を求めた。
【００６５】
また、発熱体とリード部導体の白金とアルミナの組成比率（体積％）は、上記の試料を使って検量線を用いたＥＰＭＡ法により決定した。この際、検量線を作成するに用いた標準試料の組成の計算にはジルコニアおよびアルミナの密度（ｇ／ｃｍ^３）をそれぞれ５．７９と３．９７を用いた。また、測定点はそれぞれ５点とした。
【００６６】
・発熱体抵抗
発熱体抵抗は、２５℃の恒温室の中で一対の電極パッド間で測定した。表１の値は、５個の試料の平均値でその際抵抗値のバラツキは±５％であった。
【００６７】
・到達時間
上記のセラミックヒータに１２Ｖ印加した時、ヒータの最高表面温度が室温から４００℃まで達するに必要な時間を示す。
【００６８】
・抵抗の増加率および破損率
上記の作製したセラミックヒータに約２５Ｖ前後の電圧を印加し、室温から１１００℃まで約２０秒で昇温し、さらに１１００℃で１分保持した後、印加電圧を切ってセラミックヒータを室温まで空冷した。この温度サイクルを１サイクルとして、これを１０万回繰り返した時のヒータの破損率を求めた。この際、試料は、それぞれ１０個とし、その平均値を求めた。
【００６９】
・抵抗の増加率
上記の作製直後の抵抗に対して、上記の温度サイクルと２万回行なった後の抵抗値を求め、両者の値から抵抗増加率を計算した。
【００７０】
【表１】

【００７１】
表１より、発熱体の厚みｔ１が、１３μｍより薄い試料Ｎｏ．１ではヒータ抵抗が高く、ヒータの急速昇温性が悪く、また温度サイクルによる抵抗の増加率も高いことが分かる。それに対して、厚みｔ１が３０μｍを越える試料Ｎｏ．６ではヒータの抵抗が低くなり、アルミナセラミックの破損率が高いことが分かる。
【００７２】
また、発熱体とリード部導体の厚みの比率ｔ１／ｔ２に関しては、厚みの比率が３を超える試料Ｎｏ．７および試料Ｎｏ．１６では、ヒータ抵抗が高く、その結果温度サイクルにおけるヒータの抵抗増加率および破損率が高くなった。また、ヒータの急速昇温性も悪いことが分かる。逆に、厚みの比率が１．１より小さい試料Ｎｏ．１１ではヒータ抵抗が低くなり、その結果温度サイクルによるセラミックの破損率が高かった。
【００７３】
また、発熱体およびリード部おけるアルミナ含有率に関しては、発熱体のアルミナ含有率としては、３０〜４０体積％、リード部のアルミナ含有率としては１０〜２０体積％の範囲がヒータの急速昇温性や温度サイクルに対する耐熱性，耐久性に優れた性能を有する。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、白金発熱体および発熱体に電流を供給するためのリード部が埋設されたセラミックヒータにおいて、発熱体を所定の厚みに制御すると同時に、発熱体の厚みとリード部導体の厚みの比率を一定の範囲に保持することにより、発熱体の高温度におけるヒータの耐久性や急速昇温の際の熱衝撃による破壊等の問題を解決し、ヒータ寿命を長期化した急速昇温が可能なセラミックヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータの一例の分解斜視図を示す。
【図２】図１のセラミックヒータにおける（ａ）発熱体形成部のＸ_１−Ｘ_１断面図、（ｂ）リード部形成部のＸ_２−Ｘ_２断面図を示す。
【図３】本発明のセラミックヒータ構造体の一例である酸素センサ素子の（ａ）概略斜視図、（ｂ）Ｙ_１−Ｙ_１断面図である。
【図４】図３の酸素センサ素子の製造方法を説明するための分解斜視図である。
【符号の説明】
１，２６セラミック絶縁層
２，２７ａ発熱体
３リード部
４電極パッド
５ビア導体
２２固体電解質基板
２２ａ大気導入孔
２３ａ基準電極
２４ａ測定電極
２５セラミック多孔質層
２０センサ部
２１ヒータ部

Claims

アルミナを主成分とするセラミック絶縁層中に、白金を主成分とする発熱体と、該発熱体と接続され該発熱体に電流を供給するためのリード部を埋設してなるセラミックヒータであって、前記発熱体の厚みをｔ１（μｍ）、前記リード部の導体厚みをｔ２（μｍ）とすると、
１３≦ｔ１≦３０
１．１≦ｔ１／ｔ２≦３．０
を満足することを特徴とするセラミックヒータ。
前記白金を主成分とする発熱体が、２７〜４５体積％のアルミナを含有することを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記白金を主成分とするリード部が、５〜２６体積％のアルミナを含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミックヒータ。
請求項１乃至請求項３のいずれか記載のセラミックヒータを具備するセラミックヒータ構造体。