JP3685623B2 - Ceramic heater - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱抵抗体が介装された基材が碍管に巻回された棒状のセラミックヒータに関する。本発明のセラミックヒータは、自動車用酸素センサ用熱源、内燃機関用グロープラグ、石油ファンヒータ等の石油気化器用熱源、又は半導体加熱用セラミックヒータ等に利用される。
【0002】
【従来の技術】
セラミックヒータは、一般に加圧成形、押出成形等によって得られる平板或いは円筒等、所望の形状のグリーンシート(焼成されてセラミック基材となる)の表面に、白金、モリブデン、タングステン等の、融点の高い金属を含むペーストを厚膜印刷して発熱抵抗体パターンを形成し、これらを一体に焼成することにより製造されている。セラミック基材を構成する主成分としてアルミナ、高融点金属としてタングステンを用い、一体に焼成して得られるセラミックヒータがその代表例である。このセラミックヒータは高温において安定であるため、従来より、例えば自動車用酸素センサ或いはグロープラグ等の高温に晒される用途に使用されることが多い。
また、上記発熱抵抗体は、外気に晒したままで使用すると空気中の酸素等によって酸化し、劣化してしまうため、2枚のセラミック基材間に挟む等の方法によって外気と接触しないような構造を採ることが多い。このため、セラミック基材の内部に導電性を持たせたスルーホールを設ける等、何らかの手段によって、基材表面に設けられた端子部からセラミックヒータ内部の発熱抵抗体への導通路を設ける必要がある。
そして、端子部にヒータ端子を接続し、給電することで発熱抵抗体を外気と接触させることなく発熱させることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記発熱抵抗体パターンを形成したグリーシート等を円筒形状の碍管に巻回する際に、上記導通路となるスルーホールより亀裂や割れ等の破損を生じやすい。また、セラミック基材はヒータ端子とセラミックヒータとの間に異なる方向の力がかかると、上記導通路に応力が集中して亀裂や割れ等の破損を生じやすい。特に、図5に示すように小径の導通路3、3’を基材の長手方向に直線上に複数設けた場合は、導通路3、3’間に亀裂が入りやすくなる。このような亀裂やスルーホールから外気が基材間に浸入し、発熱抵抗体が外気と接触して酸化・劣化されて破損を起こすこととなる。
【0004】
本発明は、上記の問題点を解決するものであり、セラミック基材が導通路から破損を起こすことを防止することによって、発熱抵抗体の破損を防止するセラミックヒータを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本第1発明のセラミックヒータは、碍管、該碍管に巻回され、接合される第1基材、該第1基材に接合される第2基材、該第1基材と該第2基材の間に介装される発熱抵抗体、上記第2基材の表面に設けられる端子部、該端子部と上記発熱抵抗体の端末部とを導通させるため、上記第2基材を貫通して設けられる複数の導通路、を備えるセラミックヒータにおいて、上記導通路は、上記第2基材の長手方向において直線状に配列されていないことを特徴とする。
【0006】
本第2発明のセラミックヒータは、上記端子部に接合されるヒータ端子の直下に上記導通路が存在しないように作製するものである。
【0007】
上記「第1基材」及び上記「第2基材」は材質としてセラミックスを用いることができ、アルミナ(Al2O3)や、ムライト又はスピネル等のアルミナ類似のセラミックス等の、高温高強度セラミックスを主成分とすることができる。また、これら例示の中ではアルミナを好適とする。このような材質を用いることによって、発熱抵抗体を高温環境下において保護することができる。
【0008】
また、上記各基材の作製方法としては任意の方法を用いることができ、例として所定形状のグリーンシートを焼結することによって作製することを挙げることができる。
上記「碍管」の形状は任意であって、筒状、棒状等種々の形状を挙げることができる。また、断面形状においても円形、楕円形、四角形、六角形等の任意の形状とすることができる。この碍管も、アルミナや、ムライト又はスピネル等のアルミナ類似のセラミックス等の、高温高強度セラミックスを主成分としたセラミックスによって形成することができる。
【0009】
上記「発熱抵抗体」の材料としては、主にタングステンやモリブデン等を例として挙げることができる。また、これらの成分に白金やロジウム等の高融点金属成分を混合して用いることもできるし、抵抗特性の向上のためにこれらを単独で用いることもできる。尚、悪影響を与えない限りにおいて、各基材と同様の酸化物等が若干混在していてもよい。
【0010】
上記「導通路」としては、スルーホールの内面に導電性被膜を設けたり、導電材を充填したもの等を例に挙げることができる。
上記「第2基材の長手方向」とは、上記碍管の軸長方向と平行な方向であり、第2基材の巻回方向(上記碍管の周方向)に対して直交する方向であることを意味する。また、第2発明に示すヒータ端子の配設方向と平行でもある。
【0011】
【作用】
碍管に巻回された基材には、通常巻回方向と直交する方向に亀裂が発生しやすい。また、基材に設けられた溝やスルーホール等から亀裂が発生しやすい。このため、第1発明に示すように、上記導通路を上記方向に直線状に配列しないことによって、亀裂の発生を防ぐことができる。
また、上記溝や上記スルーホールに局部的に力が加わることによっても亀裂が生じやすくなる。このため、第2発明に示すように、ヒータ端子の直下に上記導電路を設けないことによって、上記導電路にヒータ端子の折り曲げ等による力が加わることを防ぎ、亀裂の発生を防ぐことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜4に示すように、本発明のセラミックヒータを実施例によって詳細に説明する。
(1)セラミックヒータの構造
本セラミックヒータは、図1、図2及び図4に示すように、アルミナを主成分としたセラミックス製の第1基材11及び第2基材12と、発熱抵抗体2とを備える。
第1基材11は、碍管4に巻回される側の基材である。また、第2基材12は、本セラミックヒータの最外周(最表面)となる部材であり、外周面に端子部13a、13bを備える。この端子部13a、13bは図1〜図3に示すように、角板状にメタライズして導電性を持たせた部位であり、発熱抵抗体2に給電するためのヒータ端子5a、5bと、発熱抵抗体2に接続する導通路3、3’とを互いに接続する。
【0013】
上記発熱抵抗体2は図1に示すように形成されており、タングステンを焼成して作製されたものである。そして、その先端側の発熱部21と、後端側の陽極側端末部22a及び陰極側端末部22bと、発熱部21と両端末部22a、22bとを結ぶリード部23a、23bにより構成される。
【0014】
上記導通路3、3’は図1〜図4に示すように、端子部13a、13b上に2ヶ所ずつ設けられている導電性を持たせたスルーホールであり、第2基材12の長手方向、つまり碍管4の軸長方向と平行な方向であって第2基材12の巻回方向に対して直交する方向に対して、直線状に配設されることがないよう、端子部13a、13bの対角線上の両端側に配設されている。また、導通路3、3’は、スルーホールの内面にタングステンを被覆して導電性を持たせることにより形成されている。更に、この導通路3の開口面は銀ろう及びニッケルメッキによって塞がれている。
この導通路3によって上記の両端末部22a、22bと陽極側及び陰極側端子部13a、13bが各々導通される。更に、両端子部13a、13bには、電源(図示せず)に接続されるヒータ端子5a、5bが接合される。
【0015】
(2)セラミックヒータの作製方法
本セラミックヒータを構成する第1基材11及び第2基材12は、2枚のグリーンシートを使用して作製した。
a)グリーンシートの作製
アルミナ粉末及び必要に応じて添加されるY2O3等の微量粉末からなる所定割合で配合された配合物100重量部に対し、ポリビニルブチラール8重量部、ジブチルフタレート4重量部、メチルエチルケトンとトルエンとを合計量で70重量部添加し、ボールミルで混合してスラリ状とした。その後、減圧脱泡し、ドクターブレード法によって厚さ0.3mmの2枚のグリーンシートを作製した。
【0016】
b)発熱抵抗体のパターンの印刷
1枚のグリーンシートの一表面に、予め調製されたタングステンペーストを厚膜印刷法により25μmの厚さにスクリーン印刷し、焼成されて発熱抵抗体2を構成することとなるパターン、即ち焼成されて発熱部21、端末部22a、端末部22b及びリード部23a、23bとなるパターンを形成した。このパターンは、発熱部21となる部位の幅は400μmとし、同部位の長手方向の長さを20mmとし、リード部23a及び23bとなる部位の幅は2.5mmとした。また、グリーンシートの全長は65mmである。
【0017】
c)セラミックヒータ成形体の作製
その後、陽極側端末部22aと陽極側端子部13a、及び陰極側端末部22bと陰極側端子部13bを各々電気的に接続するように、発熱抵抗体パターンが印刷されたグリーンシートにスルーホールを設け、このスルーホールにタングステンペーストを供給してその内面を被覆した。次いで、このグリーンシートの他表面の所定位置に、タングステンペーストを使用して厚膜印刷法により、端子部13a、13bを印刷し、その後、このグリーンシートの一表面に他のグリーンシートの一表面を圧着した。次いで、この他のグリーンシートの他表面を碍管4に巻き付け、外周を押圧してセラミックヒータ成形体を得た。
【0018】
d)セラミックヒータ成形体の焼成
上記のようにして得られたセラミックヒータ成形体を250℃で樹脂抜きし、その後、水素雰囲気中で、1550℃で1時間30分保持して焼成し、第1基材11、第2基材12、発熱抵抗体2、陽極側及び陰極側端子部13a、13b及びアルミナ製碍管4が一体化された直径2.5mm、長さ65mmのセラミックヒータを得た。尚、タングステンペーストが被覆されたスルーホールによって導通路3、3’が形成された。このセラミックヒータの常温における抵抗は5.0Ωとなるようにした。使用時には、陽極、陰極両端子部13a、13bに各々ニッケルメッキを施し、ヒータ端子5a、5bを、銀ろう材により両端子部13a、13bに接合する。更に、銀ろう表面及びヒータ端子5a、5bの両部位にニッケルメッキを施して保護する。
【0019】
(3)セラミックヒータの効果
このようにして作製したセラミックヒータは、導通路3、3’のそれぞれを端子部13a、13bの対角線上に設け、第2基材12の長手方向に対して直線上に並ばないようにし、且つヒータ端子5a、5b直下に導通路3、3’が配設されていない。このため、ヒータ端子5a、5bに力がかかり、端子部13a、13bに負荷が掛かっても、導通路3、3’部分に応力が伝わらず、しかも、第2導通路12の長手方向に直線状に配置されておらず、且つ、導通路3、3’間が距離を置いてあるので、導通路3、3’から亀裂が入りにくいものとなっている。また、グリーンシートを碍管4に巻き付ける際においても、同様にスルーホールから亀裂が入りにくいものとなっている。
更に、導通路3、3’及びその周辺が銀ろう及びニッケルメッキにおおわれているため、導通路3、3’周辺に亀裂が入っても、端子部13a、13bが破壊されない限り外気がヒータ内に浸入することがない。
【0020】
尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、導通路3、3’の配置は実施例に示した対角状配置だけではなく、碍管の周回方向に並ぶように配置することができる。また、碍管の形状は、実施例に示した円筒形状だけではなく、円柱状の中実体等とすることができる。更に、導通路の個数は2に限らず、3以上とすることができる。
【0021】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータは、ヒータ内への発熱抵抗体に給電するための複数の導通路の配置を、基材の長手方向に直線上にならないように配列し、且つヒータ端子直下にならないように配設したので、導通路からの基材の破損を防止することができる。
また、導通路とその周囲を被覆したことによって、導通路周囲が破損しても容易に外気がヒータ内に浸入しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の円筒状碍管用のセラミックヒータを説明するための分解斜視図である。
【図2】円筒状碍管に本セラミックヒータを巻回して使用する状態を示す模式図である。
【図3】本実施例のセラミックヒータの端子部周辺を説明するための部分拡大図である。
【図4】本実施例のセラミックヒータの端子部周辺を説明するための断面図である。
【図5】複数の導通路が、基材の長手方向に対して直線状に、且つヒータ端子の直下に配設されている、従来例のセラミックヒータを説明するための端子部周辺の部分拡大図である。
【符号の説明】
11;第1基材、12;第2基材、13a、13b;端子部、2;発熱抵抗体、21;発熱抵抗体の先端側発熱部、22a、22b;端末部、23a、23b;リード部、3、3’;導通路、4;碍管、5a、5b;ヒータ端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rod-shaped ceramic heater in which a base material on which a heating resistor is interposed is wound around a soot tube. The ceramic heater of the present invention is used as a heat source for automobile oxygen sensors, a glow plug for internal combustion engines, a heat source for petroleum vaporizers such as a petroleum fan heater, or a ceramic heater for semiconductor heating.
[0002]
[Prior art]
Ceramic heaters generally have a melting point such as platinum, molybdenum, tungsten, etc. on the surface of a green sheet of desired shape (fired to become a ceramic substrate) such as a flat plate or cylinder obtained by pressure molding, extrusion molding, etc. It is manufactured by thickly printing a paste containing a high metal to form a heating resistor pattern and firing these together. A typical example is a ceramic heater obtained by integrally firing using alumina as the main component constituting the ceramic substrate and tungsten as the refractory metal. Since this ceramic heater is stable at high temperatures, it has been often used for applications exposed to high temperatures, such as automotive oxygen sensors or glow plugs.
In addition, since the heating resistor is oxidized and deteriorated by oxygen in the air when it is used while exposed to the outside air, the structure does not come into contact with the outside air by a method such as sandwiching between two ceramic substrates. Is often taken. For this reason, it is necessary to provide a conduction path from the terminal portion provided on the surface of the base material to the heating resistor inside the ceramic heater by some means such as providing a through hole with conductivity inside the ceramic base material. is there.
And a heater terminal is connected to a terminal part, and it can be made to heat without making a heating resistor contact with outside air by supplying electric power.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a grease sheet or the like on which the heating resistor pattern is formed is wound around a cylindrical soot tube, breakage such as cracks or cracks is likely to occur from the through hole serving as the conduction path. Further, when a force in a different direction is applied between the heater terminal and the ceramic heater, the ceramic base material tends to cause stress such as cracks or breakage due to stress concentration on the conduction path. In particular, as shown in FIG. 5, when a plurality of small-
[0004]
The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a ceramic heater that prevents the heating resistor from being damaged by preventing the ceramic base material from being damaged from the conduction path. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The ceramic heater of the first invention includes a soot tube, a first base material wound and joined to the soot tube, a second base material joined to the first base material, the first base material and the second base material. A heat-generating resistor interposed between the materials, a terminal portion provided on the surface of the second base material, and the terminal portion and the terminal portion of the heat-generating resistor are electrically connected to penetrate the second base material. In the ceramic heater comprising a plurality of conduction paths, the conduction paths are not arranged linearly in the longitudinal direction of the second base material.
[0006]
The ceramic heater according to the second aspect of the invention is manufactured so that the conduction path does not exist immediately below the heater terminal joined to the terminal portion.
[0007]
The “first base material” and the “second base material” can use ceramics as a material, and high-temperature high-strength ceramics such as alumina (Al 2 O 3 ) and alumina-like ceramics such as mullite or spinel. Can be the main component. In these examples, alumina is preferred. By using such a material, the heating resistor can be protected in a high temperature environment.
[0008]
Moreover, arbitrary methods can be used as a preparation method of each said base material, For example, producing by sintering the green sheet of a predetermined shape can be mentioned.
The shape of the “tubular tube” is arbitrary, and various shapes such as a cylindrical shape and a rod shape can be given. In addition, the cross-sectional shape can be any shape such as a circle, an ellipse, a quadrangle, a hexagon, and the like. This soot tube can also be formed of ceramics mainly composed of high-temperature and high-strength ceramics such as alumina and ceramics similar to alumina such as mullite or spinel.
[0009]
Examples of the material of the “heating resistor” include mainly tungsten and molybdenum. Further, these components can be used by mixing refractory metal components such as platinum and rhodium, or these can be used alone for improving the resistance characteristics. In addition, as long as it does not have a bad influence, the same oxide etc. as each base material may be mixed a little.
[0010]
Examples of the “conduction path” include those in which a conductive film is provided on the inner surface of the through hole or a conductive material is filled.
The “longitudinal direction of the second base material” is a direction parallel to the axial length direction of the soot tube, and is a direction orthogonal to the winding direction of the second base material (circumferential direction of the soot tube). Means. Further, it is also parallel to the heater terminal arrangement direction shown in the second invention.
[0011]
[Action]
In the base material wound around the soot tube, cracks are likely to occur in a direction perpendicular to the normal winding direction. In addition, cracks are likely to occur from grooves or through holes provided in the substrate. For this reason, as shown in 1st invention, generation | occurrence | production of a crack can be prevented by not arranging the said conduction path linearly in the said direction.
In addition, cracks are likely to occur when a force is locally applied to the groove or the through hole. For this reason, as shown in 2nd invention, by not providing the said conductive path directly under a heater terminal, it can prevent that the force by bending etc. of a heater terminal is added to the said conductive path, and generation | occurrence | production of a crack can be prevented. .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as shown in FIGS. 1-4, the ceramic heater of this invention is demonstrated in detail by an Example.
(1) Structure of ceramic heater As shown in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 4, this ceramic heater comprises a
The
[0013]
The
[0014]
As shown in FIGS. 1 to 4, the
The both ends 22a and 22b are connected to the anode side and cathode
[0015]
(2) Manufacturing method of ceramic heater The
a) Preparation of green sheet 8 parts by weight of polyvinyl butyral and 4 parts by weight of dibutyl phthalate with respect to 100 parts by weight of a blend of alumina powder and a small amount of powder such as Y 2 O 3 added as required 70 parts by weight of a total amount of methyl ethyl ketone and toluene were added and mixed with a ball mill to form a slurry. Thereafter, degassing was performed under reduced pressure, and two green sheets having a thickness of 0.3 mm were prepared by a doctor blade method.
[0016]
b) Printing of heating resistor pattern A pre-prepared tungsten paste is screen-printed to a thickness of 25 μm by a thick film printing method on one surface of one green sheet and baked to form the
[0017]
c) Fabrication of ceramic heater molded body After that, a heating resistor pattern is printed so as to electrically connect the anode side terminal portion 22a and the anode
[0018]
d) Firing of ceramic heater molded body The ceramic heater molded body obtained as described above was discharged at 250 ° C., and then fired in a hydrogen atmosphere at 1550 ° C. for 1 hour and 30 minutes. A ceramic heater having a diameter of 2.5 mm and a length of 65 mm in which the
[0019]
(3) Effect of Ceramic Heater The ceramic heater manufactured in this manner is provided with the
Furthermore, since the
[0020]
In the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose and application. That is, the arrangement of the
[0021]
【The invention's effect】
In the ceramic heater of the present invention, the arrangement of a plurality of conduction paths for supplying power to the heating resistor in the heater is arranged so as not to be linear in the longitudinal direction of the base material, and so as not to be directly under the heater terminal. Since it arrange | positioned, damage to the base material from a conduction path can be prevented.
In addition, by covering the conduction path and its surroundings, outside air does not easily enter the heater even if the periphery of the conduction path is damaged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining a ceramic heater for a cylindrical soot tube according to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which the ceramic heater is wound around a cylindrical soot tube and used.
FIG. 3 is a partially enlarged view for explaining the periphery of the terminal portion of the ceramic heater of the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the periphery of the terminal portion of the ceramic heater of the present embodiment.
FIG. 5 is a partial enlargement around a terminal portion for explaining a conventional ceramic heater in which a plurality of conduction paths are arranged linearly with respect to the longitudinal direction of the base material and immediately below the heater terminal. FIG.
[Explanation of symbols]
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Claims (2)
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