JP3929882B2

JP3929882B2 - Flat ceramic heater and detection element using the same

Info

Publication number: JP3929882B2
Application number: JP2002343007A
Authority: JP
Inventors: 浩治徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004178942A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flat ceramic heater with excellent durability at high temperature heat generation, eliminating a level difference at a connection part between a heat generation part and a draw-out part, and to provide a method of simply manufacturing the same, and a detection element using the same. SOLUTION: The ceramic heater has a heating element pattern having the heat generation part 2 and the draw-out part 3 on the surface of or at the inside of a ceramic insulation layer 1. A width w1 of the heat generation part 2 is narrower than the width w2 of the draw-out part 3, and the width of the connection part 6 changes along a slope, and a thickness t1 of the heat generation part 2 is smaller than the thickness t2 of the draw-out part 3, and the width of the connection part 6 connecting the heat generation part 3 with the draw-out part changes along a slope. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック絶縁層の表面や内部に、導体によって発熱部と引き出し部が形成された平板状セラミックヒータとその製造方法、並びにそれを用いた検知素子の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミックスを絶縁体とし、その表面や内部に、発熱体を形成したセラミックヒータが様々な分野で多用されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
通常、これらに用いられるセラミックヒータは、セラミック絶縁層を形成する焼成前の成形シートの表面に、導体ペーストをスクリーン印刷して、発熱部や引き出し部を印刷形成した後、焼成することによって作製される。
【０００４】
また、引き出し部の抵抗は、発熱部よりも高く設定されることから、引き出し部の幅を発熱部よりも幅広くするか、または引き出し部の厚みを発熱部よりも厚く形成されるが、特に小型化を図る上では、後者の方法で形成される。
【０００５】
通常は、図６に示すように、セラミック絶縁層用成形シート４１の表面に、発熱部４２のパターンを先に形成した後、引き出し部４３のパターンを発熱部４２のパターンに一部重なるように印刷塗布したり、または、必要に応じ所定の厚みになるまで引き出し部４３を重ねて印刷する場合もある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１４９７９１号
【特許文献２】
特開２０００−３４０３４９号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、最近に至り、セラミックヒータによる発熱時の温度が高温化しつつあるとともに、昇温速度の高速化と同時に耐久性が要求され、さらには低コスト化も望まれている。
【０００８】
このような要求に対して、図６で示した従来の方法では、発熱部４２と引き出し部４３との接続部とで必然的に段差が形成されてしまい、この段差によって高温までの急速昇温を繰り返し行うことによって、セラミック絶縁層や接続部に局所的な応力が蓄積され、この応力によってセラミック絶縁層にクラックが発生したり、接続部で断線するなどの問題があり、耐久性を損ねる要因となっていた。
【０００９】
また、特許文献２においては、発熱部と引き出し部との間に中間的な厚みを有する接続部を設けることが提案されているが、この特許文献２によれば、円筒型ヒータに関するもので、特に厚みを徐々に変化させるものであるが、平板状のセラミックヒータの場合には、平面方向の焼成収縮挙動による影響が大きくなり、その結果、厚み方向のみならず、平面方向の制御も必要となるために、特許文献２の方法では、不十分であった。
【００１０】
そのために、平板状の酸素センサの検知素子などにおいて、平板状のセラミックヒータを内蔵する検知素子などにおいては、検知素子の性能がセラミックヒータの耐久性で決定されることから、セラミックヒータの耐久性を高めることは検知素子において必要不可欠のものであり、信頼性を損ねる大きな要因となっていた。
【００１１】
従って、本発明は、発熱部と引き出し部とを有する平板状のセラミックヒータにおいて、発熱部と引き出し部との接続部の段差を解消し、高温発熱時の耐久性に優れたセラミックヒータとそれを間便な方法で製造可能な製造方法、さらにはそれを具備する検出素子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】
本発明の平板状セラミックヒータは、セラミック絶縁層の表面または内部に、発熱部と引き出し部とを具備する発熱体パターンが形成されてなるものであって、前記発熱体パターンは、前記発熱部における幅が前記引き出し部における幅よりも小さく、前記発熱部における厚みが前記引き出し部における厚みよりも小さく、前記発熱部と前記引き出し部との間の幅および厚みが前記引き出し部から前記発熱部に向かって漸次減少していることを特徴とするものである。
【００１３】
より具体的には、前記発熱部の幅をｗ１、前記引き出し部の幅をｗ２とした時、ｗ２／ｗ１が１．０５以上であること、さらに前記接続部の幅の傾斜角θ１が８０度以下であることが望ましい。
【００１４】
また、前記発熱部の厚みをｔ１、前記引き出し部の厚みをｔ２とした時、ｔ２／ｔ１が１．０５以上であること、さらには、前記接続部の厚みの傾斜角θ２が８０度以下であることが望ましい。
【００１５】
さらには、前記発熱部と前記引き出し部との抵抗比率が９：１乃至７：３の間にあることが望ましい。
【００１６】
また、材質としては、セラミック絶縁層が、アルミナ又はジルコニアの少なくとも１種の酸化物からなり、発熱部および引き出し部が、白金を主成分とする発熱体からなることが望ましい。
【００１８】
また、本発明によれば、検知素子において上記平板状セラミックヒータを備えることによって、検知素子の信頼性高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の平板状セラミックヒータの基本構造の一例として図１に分解謝斜視図と、図２に発熱体パターンを示す平面図と、図３が発熱体パターンの断面図を示した。
【００２０】
図１〜３の平板状セラミックヒータＡは、セラミック絶縁層１と、その絶縁層１の表面や内部に、発熱部２および引き出し部３が形成されている。また、引き出し部３の端部には一対の電極４が設けられ、リード端子５などがロウ付けされる。
【００２１】
図２の発熱体パターンの平面図によれば、一般に、発熱部２と引き出し部３との抵抗比率が９：１乃至７：３の関係に設定される。このように発熱部２を引き出し部３よりも高抵抗に形成するために、本発明によれば、発熱部２の幅ｗ１が引き出し部３の幅ｗ２よりも小さく設定されている。そして、この発熱部２と引き出し部３との間には、接続部６が設けられている。
【００２２】
本発明によれば、この接続部６においては、幅が傾斜をもって変化していることが重要である。即ち、この接続部６における幅の変化が直角をもって変化すると、幅の小さい発熱部２が有する焼成収縮力と、幅の大きい引き出し部３が有する焼成収縮力とが異なり、その接続部で急激に変化するために、この部分で焼成収縮に伴う応力が発生してしまう。また、発熱、停止の発熱サイクルが印加されることによって、発熱部２と引き出し部３との導体の熱膨張特性の相違による違いが急激に変化することによりその場合によっても応力が発生し、この接続部での信頼性を損ねてしまう。
【００２３】
特に、発熱部２の幅をｗ１、引き出し部３の幅をｗ２とした時、ｗ２／ｗ１が１．０５以上、特に１．５〜２．５であることが望ましい。これは、この発熱部２の幅ｗ１と、引き出し部３との幅ｗ２が同じである場合、引き出し部３の厚みを大きくすることによって低抵抗化を図る必要があるが、この場合、発熱部２と引き出し部３との間での厚み差が大きくなりすぎ、その厚み差によって積層不良が発生したり、急激な厚み変化によって応力の発生が大きくなる虞があるためである。
【００２４】
また、接続部６の幅の傾斜角θ１が８０度以下、特に６０度以下であることが望ましい。この傾斜角θ１を上記範囲に設定することによって、幅の急激な変化を抑制することによって前述したような応力の発生を抑制することができる。
【００２５】
なお、発熱体パターンの平面形状としては、図２（ａ）に示すように、接続部６の両側が傾斜したものであっても、図２（ｂ）に示すように、一方側が直線的で他方側のみが傾斜した構造であってもよく、かかる場合であっても、傾斜角θ１が上記の範囲に設定されればよい。
【００２６】
一方、図３の発熱パターンの断面図に示すように、発熱部２における厚みｔ１が引き出し部３における厚みｔ２よりも小さく設定されている。
【００２７】
本発明によれば、この接続部６においては、厚みが傾斜をもって変化していることが重要である。即ち、この接続部６における厚みが図６に示したような起伏をもって変化すると、この厚みの変化部分での厚みの小さい発熱部２が有する焼成収縮力と、厚みの大きい引き出し部３が有する焼成収縮力とが異なり、その接続部で急激に変化するために、この部分で焼成収縮に伴う応力が発生してしまう。また、発熱、停止の発熱サイクルが印加されることによって、発熱部２と引き出し部３との導体の熱膨張特性の急激な変化によってこの部分に大きな応力が発生し、この接続部での信頼性を損ねてしまう。
【００２８】
特に、発熱部２の厚みをｔ１、前記引き出し部の厚みをｔ２とした時、ｔ２／ｔ１が１．０５以上、特に１．２以上であることが望ましい。これは、この発熱部の厚みｔ１と、引き出し部３との厚みｔ２が同じである場合、引き出し部３の厚みを大きくすることによって低抵抗化を図る必要があり、その結果、セラミックヒータ全体の幅が大きくなってしまい、ヒータの小型化に対応できなくなる。但し、厚み差が大きくなりすぎると、積層不良等が発生したり、急激な厚み変化によって応力が発生しやすくなることもあるために、ｔ２／ｔ１は、２．５以下、特に２以下、であることが望ましい。
【００２９】
また、接続部６の厚みの傾斜角θ２が８０度以下、特に６０度以下であることが望ましい。この傾斜角を上記範囲に設定することによって、急激な厚みの変化を抑制することによって前述したような応力の発生を抑制することができる。
【００３０】
また、本発明における接続部６の傾斜とは、稜線が直線的なものに限られず、１つの段差が０．３ｍｍ以下の階段状や曲線によって形成されていてもよい。その場合、傾斜角θ１、θ２は、接続部６における稜線の両端部を結ぶ直線を基準として測定される。また、厚み方向における傾斜部の長手方向の長さと、幅方向における傾斜部の長手方向の長さとは、同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００３１】
本発明において、発熱体パターンを埋設するセラミック絶縁層１は、アルミナ、ジルコニア、マグネシアの群から選ばれる１種または２種以上の組合せによるセラミックスが、ジルコニアなどの固体電解質などと同時焼結を達成する上で望ましい。この際、セラミック絶縁層の焼結性を改善する目的で、少量Ｓｉ成分を添加することが望ましいが、その含有率としては酸化物換算で０．１重量％以上でその効果が見られるが、Ｓｉの含有量が、５重量％を越えると発熱体の寿命が低下しやすいため、Ｓｉ含有量は０．１〜５重量％の範囲が望ましい。Ｓｉ含有量としては、０．５〜３重量％が望ましい。特に、０．５〜２重量％がＮａの拡散を防止する観点から望ましい。
【００３２】
また、このセラミック絶縁層１は、相対密度が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が望ましい。これは、セラミック絶縁層１が緻密質であることによりヒータの強度を高めることができるためである。さらに、セラミック絶縁層１中のＮａおよびＫなどのアルカリ金属は、マイグレーションして電気絶縁性を悪くするため、アルカリ金属含有量は、１００ｐｐｍ以下、特に５０ｐｐｍ以下、さらには３０ｐｐｍ以下とすることがヒータの寿命を延ばすために望ましい。
【００３３】
一方、このセラミック絶縁層１中に形成する発熱部２および引き出し部３、および電極４は、白金、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの群から選ばれる少なくとも１種の導体材料によって形成することにより、前記セラミック絶縁層１と同時焼成して形成することができる。
【００３４】
なお、白金を主成分とする場合は、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少なくとも１種との合金を用いて抵抗の調整を図ることもできる。
【００３５】
また、導体材料中には上記の金属の他に焼結防止とセラミック絶縁層１との接着力を高める観点からアルミナ、スピネル、アルミナ／シリカの化合物、フォルステライト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも１種のセラミックスを体積比率で１０〜８０％、特に３０〜５０％の範囲で混合することができる。
【００３６】
また、この導体材料は、セラミック絶縁層１との熱膨張係数が近似していることが望ましく、具体的には、５００〜１１００℃における平均熱膨張係数の差が２．０×１０^-6／℃以下、特に１．５×１０^-6／℃以下、最適としては１．０×１０^-6／℃以下でであることが望ましい。
【００３７】
本発明の上記平板型セラミックヒータを製造する方法について図１を参照しながら、以下に説明する。まず、前述したようなセラミック絶縁層１を形成するセラミック組成物にアクリル樹脂などの成形用の有機バインダやトルエンなどの溶剤を加えて十分に混合したスラリーを用いてドクターブレード法等によって所定の厚みのセラミック絶縁層１用成形シートを作製する。
【００３８】
そして、このセラミック絶縁層１成形シートの表面に、発熱部２および引き出し部３のパターンを前述した導体組成物にエチルセルロールなどの有機バインダ、溶剤を混合して調製された導体ペーストを用いて印刷塗布することによって形成される。
【００３９】
その際、本発明においては、発熱部２と引き出し部３と接続部６を前述したような傾斜部を形成することが必要である。本発明においてこのような傾斜部を形成する方法としては、セラミック絶縁層用の成形シート１１の表面にスクリーン印刷法に基づき所定のパターン化されたメッシュスクリーン１２を介して導体ペースト１３を所定のパターンに印刷する時、接続部６の幅方向における傾斜は、パターンに傾斜をつけることで容易に形成できる。
【００４０】
一方、接続部６の厚み方向における傾斜の形成にあたっては、図４（ａ）に示すように、メッシュ体１２における発熱部２に対応するメッシュ部の厚みｍｔ１が引き出し部３に対応するメッシュ部の厚みｍｔ２よりも薄く形成されたメッシュ体１２を用いて、導体ペースト１３をスクレーパ１４でスキージする。この方法によれば、メッシュ体１２の厚さが大きいほど、印刷後の厚さが厚くなるために、メッシュ部の厚みに応じて印刷後の厚みを制御することができる。なお、この場合、メッシュ開口径は同じであってもよい。
【００４１】
このような厚みは、部分的にメッシュ体１２を積層したり、金属からなるメッシュ体１２の表面を部分的にマスクしてエッチング処理したり、または研磨処理によって部分的に薄くすることができる。
【００４２】
また、図４（ｂ）に示すように、メッシュスクリーン１２の発熱部２に対応する部分の開口径ｍｐ１を引き出し部３に対応する部分の開口部ｍｐ２よりも小さくすることによっても可能である。その場合、接続部では徐々に開口径が変化するように制御すればよい。このようなメッシュスクリーン１２は、特開平１０−２０２８２４号公報に記載されるように、メッシュスクリーンを形成している織布における経糸と緯糸との材質、太さ、折り幅などを変化させることによって、１枚のスクリーン内で開口の異なる部分を容易に形成できる。
【００４３】
次に、成形シート表面に印刷形成された発熱体パターンの上で、別の成形シートを積層するか、または、前述したセラミック絶縁層用のスラリーを全面に塗布することによって発熱体パターンを埋設する。
【００４４】
その後、これをセラミック絶縁層用の成形シート１１および発熱体パターンが十分に焼結し得る温度で焼成することによって、本発明のセラミックヒータを作製することができる。このときの焼成温度はＡｌ₂Ｏ₃系、ＭｇＯ系、スピネル系セラミックスの場合には、１３００〜１６００℃、ＺｒＯ₂の場合には、１０００〜１６００℃の窒素雰囲気で焼成することが適当である。
【００４５】
本発明の平板状セラミックヒータを酸素センサを加熱するためのヒータとして用いる場合には、図５（ａ）に示すように、酸素イオン導電性を有するセラミック固体電解質基体２１からなり、その内部には一端が封止された大気導入孔２２が形成されており、固体電解質基体２１の外表面には、排気ガスなどの被測定ガスと接触する測定電極２３が形成され、大気導入孔２２側の内壁には空気などの基準ガスと接触される基準電極２４が被着形成され、センサ部Ａを形成している。そして、このセンサ部Ａに対して、センサ部Ａの電極形成部とセラミックヒータＢの発熱部２が対向するように位置合わせして接着剤によって固定することによって、センサ部Ａを効率的に加熱することができる。
【００４６】
また、平板状セラミックヒータＢは、上記のようにセンサ部Ａに対して接合したもの以外に、図５（ｂ）に示すように、酸素センサを形成する基体２１の大気導入孔２２を挟んでセンサ部Ａと対向側にて、セラミック絶縁層２６間に発熱体パターン２７を形成した平板状セラミックヒータＢを基体２１内に埋設したものであってもよい。
【００４７】
この場合、セラミックヒータＢはセンサ部Ａにおける基体２１とともに同時焼成して形成される。
【００４８】
【実施例】
市販のＳｉ、Ｍｇ、Ｃａを酸化物換算による合計量で５重量％含むアルミナ粉末に対してアクリル系有機バインダとトルエンを加えてスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって厚さが１５０μｍのグリーンシートを作製した。
【００４９】
一方、平均粒径が０．８μｍの白金粉末に有機バインダとしてアクリル樹脂、溶剤としてトルエンを用いて十分に混合した導体ペーストを調製した。
【００５０】
そして、上記のグリーンシートの表面に、スクリーン印刷法によって発熱体パターンを印刷形成した。
【００５１】
印刷にあたっては、メッシュ体として、発熱部と引き出し部とで厚みが異なる種々のメッシュ体を用いた。なお、スクリーンは、すべて２５０メッシュとした。また、比較のために、厚みの薄いメッシュ体を用いて発熱部を印刷した後に、引き出し部を厚みの厚いメッシュ体を用いて端部同士で発熱部上に重なるように、引き出し部をスクリーン印刷した。なお、幅方向における傾斜や段差の形成は、メッシュ体に形成するパターンで制御した。
【００５２】
その後、発熱体パターンの表面に、前記アルミナグリーンシートを積層した後、３００℃で脱バインダした後に、１５００℃に昇温し、１時間保持して焼成して、平板状のセラミックヒータを作製した。
【００５３】
作製したセラミックヒータに対して、発熱部温度が１１００℃になる条件下で連続耐久試験を行い、ヒータの発熱体パターンが断線又は抵抗値が１０％変化するまでの時間を表１に記載した。
【００５４】
【表１】

【００５５】
表１より、本発明に基づき、発熱部と引き出し部の接続部において、厚みおよび幅を傾斜せしめることによって、セラミックヒータの耐久性を２５０時間以上に大幅に向上させることができた。これに対して、幅または厚さ方向で傾斜を設けていない試料では、いずれも２００時間以下で断線が発生し、本発明の構成によって耐久性が向上することが確認された。
【００５６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、発熱部における幅が引き出し部における幅よりも小さく、発熱部における厚みが引き出し部における厚みよりも小さく、発熱部と引き出し部との間の幅および厚みが引き出し部から発熱部に向かって漸次減少していることによって、従来の発熱部と引き出し部との段差に基づく応力の発生を抑制し、セラミックヒータの耐久性を大幅に向上させることができる。これによりこのセラミックヒータを具備する酸素センサ等の検出素子の長寿命化も合わせて図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平板状セラミックヒータの分解斜視図を示す。
【図２】図１のセラミックヒータの発熱体パターンの平面図を示す。
【図３】図１のセラミックヒータの発熱体パターンにおける接続部の要部拡大断面図を示す。
【図４】図１のセラミックヒータにおける発熱体パターンの形成方法を説明するための概略図を示す。
【図５】図１のセラミックヒータを用いた酸素センサの概略断面図を示す。
【図６】従来の平板状セラミックヒータにおける発熱部と引き出し部との接続部を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１：セラミック絶縁層
２：発熱部
３：引き出し部
４：電極
５：リード端子
６：接続部
Ａ：セラミックヒータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flat ceramic heater in which a heat generating part and a lead part are formed by a conductor on the surface or inside of a ceramic insulating layer, a method for manufacturing the same, and a sensing element using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ceramic heaters in which ceramics are used as an insulator and a heating element is formed on the surface or inside thereof have been widely used in various fields (see Patent Documents 1 and 2).
[0003]
Usually, the ceramic heater used for these is manufactured by screen-printing a conductive paste on the surface of a molded sheet before firing to form a ceramic insulating layer, printing and forming a heat-generating portion and a lead-out portion, and firing. The
[0004]
In addition, since the resistance of the lead portion is set higher than that of the heat generating portion, the width of the lead portion is wider than that of the heat generating portion, or the thickness of the lead portion is thicker than that of the heat generating portion. In order to achieve this, the latter method is used.
[0005]
Normally, as shown in FIG. 6, after the pattern of the heat generating portion 42 is first formed on the surface of the ceramic insulating layer forming sheet 41, the pattern of the leading portion 43 is partially overlapped with the pattern of the heat generating portion 42. In some cases, printing is applied or printing is performed with the drawing portion 43 being overlapped until a predetermined thickness is obtained.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-3-149971 [Patent Document 2]
JP 2000-340349 A
[Problems to be solved by the invention]
However, recently, the temperature at the time of heat generation by the ceramic heater is increasing, and the durability is required at the same time as the temperature raising rate is increased, and further cost reduction is desired.
[0008]
In response to such a requirement, in the conventional method shown in FIG. 6, a step is inevitably formed at the connecting portion between the heat generating portion 42 and the lead-out portion 43, and this step increases rapidly to a high temperature. Repeating this process causes local stresses to accumulate in the ceramic insulation layer and connection parts, which can cause problems such as cracks in the ceramic insulation layer and disconnection at the connection parts, which can impair durability. It was.
[0009]
Further, in Patent Document 2, it has been proposed to provide a connecting portion having an intermediate thickness between the heat generating portion and the drawer portion, but according to Patent Document 2, the invention relates to a cylindrical heater, In particular, the thickness is gradually changed, but in the case of a flat plate-shaped ceramic heater, the influence of the firing shrinkage behavior in the plane direction becomes large, and as a result, not only the thickness direction but also the control in the plane direction is required. Therefore, the method of Patent Document 2 is insufficient.
[0010]
For this reason, in the sensing element of a flat oxygen sensor, etc., in the sensing element incorporating a flat ceramic heater, the performance of the sensing element is determined by the durability of the ceramic heater. Increasing the value is indispensable for the sensing element and has been a major factor that impairs reliability.
[0011]
Therefore, the present invention provides a ceramic heater having a flat plate-shaped ceramic heater having a heat generating portion and a drawing portion, eliminating a step difference in the connecting portion between the heat generating portion and the drawing portion, and having excellent durability during high temperature heat generation, and It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that can be manufactured by a convenient method, and a detection element including the manufacturing method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Flat ceramic heater of the present invention, the interior or the surface of the ceramic insulating layer, there is the heating body pattern and a lead-out portion and the heating portion is formed, the heating element pattern in the heat generating unit smaller than the width width in the lead portion, smaller than the thickness the thickness before Symbol heating unit is in the lead portion, the heating portion width and thickness from the lead portion between the lead portion and the heating portion It is characterized by a gradual decrease in the direction .
[0013]
More specifically, when the width of the heat generating part is w1 and the width of the lead-out part is w2, w2 / w1 is 1.05 or more, and the inclination angle θ1 of the width of the connecting part is 80 degrees. The following is desirable.
[0014]
When the thickness of the heat generating part is t1 and the thickness of the lead-out part is t2, t2 / t1 is 1.05 or more, and the inclination angle θ2 of the thickness of the connecting part is 80 degrees or less. It is desirable to be.
[0015]
Furthermore, it is desirable that the resistance ratio between the heat generating part and the lead-out part is between 9: 1 and 7: 3.
[0016]
Further, as a material, it is desirable that the ceramic insulating layer is made of at least one oxide of alumina or zirconia, and the heat generating part and the lead part are made of a heat generating element mainly composed of platinum.
[0018]
Moreover, according to this invention, the reliability of a detection element can be improved by providing the said flat ceramic heater in a detection element.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as an example of the basic structure of the flat ceramic heater of the present invention, FIG. 1 is an exploded perspective view, FIG. 2 is a plan view showing a heating element pattern, and FIG. 3 is a sectional view of the heating element pattern.
[0020]
The flat ceramic heater A shown in FIGS. 1 to 3 includes a ceramic insulating layer 1 and a heat generating portion 2 and a lead portion 3 formed on the surface or inside of the insulating layer 1. In addition, a pair of electrodes 4 is provided at the end of the lead portion 3, and the lead terminals 5 and the like are brazed.
[0021]
According to the plan view of the heating element pattern in FIG. 2, the resistance ratio between the heat generating portion 2 and the lead portion 3 is generally set to a relationship of 9: 1 to 7: 3. Thus, in order to form the heat generating part 2 with a higher resistance than the drawer part 3, according to the present invention, the width w1 of the heat generating part 2 is set smaller than the width w2 of the drawer part 3. A connecting portion 6 is provided between the heat generating portion 2 and the drawer portion 3.
[0022]
According to the present invention, it is important that the width of the connecting portion 6 changes with an inclination. That is, when the change in the width of the connecting portion 6 changes at a right angle, the firing shrinkage force of the heat generating portion 2 having a small width is different from the firing shrinkage force of the leading portion 3 having a large width. In order to change, the stress accompanying baking shrinkage will generate | occur | produce in this part. In addition, when a heat generation cycle of heat generation and stop is applied, the difference due to the difference in the thermal expansion characteristics of the conductors of the heat generating portion 2 and the lead portion 3 changes abruptly, and stress is also generated in this case. Reliability at the connection will be impaired.
[0023]
In particular, when the width of the heat generating portion 2 is w1 and the width of the lead-out portion 3 is w2, w2 / w1 is preferably 1.05 or more, particularly 1.5 to 2.5. If the width w1 of the heat generating part 2 and the width w2 of the lead part 3 are the same, it is necessary to reduce the resistance by increasing the thickness of the lead part 3. In this case, however, the heat generating part This is because the difference in thickness between the lead 2 and the lead-out portion 3 becomes too large, and the stacking failure may occur due to the difference in thickness, or the generation of stress may increase due to a sudden thickness change.
[0024]
Further, it is desirable that the inclination angle θ1 of the width of the connecting portion 6 is 80 degrees or less, particularly 60 degrees or less. By setting the inclination angle θ1 within the above range, it is possible to suppress the occurrence of stress as described above by suppressing a sudden change in width.
[0025]
In addition, as shown in FIG. 2A, the planar shape of the heating element pattern is linear on one side as shown in FIG. 2B, even if both sides of the connecting portion 6 are inclined. Only the other side may be inclined, and even in such a case, the inclination angle θ1 may be set in the above range.
[0026]
On the other hand, as shown in the sectional view of the heat generation pattern in FIG. 3, the thickness t 1 in the heat generating portion 2 is set smaller than the thickness t 2 in the lead-out portion 3.
[0027]
According to the present invention, it is important that the thickness of the connecting portion 6 changes with an inclination. That is, when the thickness of the connecting portion 6 changes with the undulations as shown in FIG. 6, the firing contraction force of the heat generating portion 2 having a small thickness and the firing portion of the leading portion 3 having a large thickness are changed. Unlike the shrinkage force, it changes abruptly at the connecting portion, so that stress accompanying firing shrinkage occurs at this portion. Further, when a heat generation cycle of heat generation and stop is applied, a large stress is generated in this portion due to a sudden change in the thermal expansion characteristics of the conductors of the heat generation portion 2 and the lead portion 3, and reliability at this connection portion is increased. Will be damaged.
[0028]
In particular, when the thickness of the heat generating portion 2 is t1 and the thickness of the lead-out portion is t2, t2 / t1 is preferably 1.05 or more, particularly 1.2 or more. If the thickness t1 of the heat generating part and the thickness t2 of the lead part 3 are the same, it is necessary to reduce the resistance by increasing the thickness of the lead part 3. As a result, the entire ceramic heater The width becomes large, and it becomes impossible to cope with downsizing of the heater. However, if the thickness difference becomes too large, a stacking failure or the like may occur, or stress may be easily generated due to a sudden thickness change, so t2 / t1 is 2.5 or less, particularly 2 or less. It is desirable to be.
[0029]
Further, it is desirable that the inclination angle θ2 of the thickness of the connecting portion 6 is 80 degrees or less, particularly 60 degrees or less. By setting the inclination angle within the above range, it is possible to suppress the occurrence of stress as described above by suppressing a sudden change in thickness.
[0030]
In addition, the inclination of the connection portion 6 in the present invention is not limited to a straight ridge line, and one step may be formed by a stepped shape or a curve of 0.3 mm or less. In that case, the inclination angles θ 1 and θ 2 are measured with reference to a straight line connecting both ends of the ridge line in the connection portion 6. Further, the length in the longitudinal direction of the inclined portion in the thickness direction and the length in the longitudinal direction of the inclined portion in the width direction may be the same or different.
[0031]
In the present invention, the ceramic insulating layer 1 in which the heating element pattern is embedded is obtained by simultaneously sintering one or more ceramics selected from the group consisting of alumina, zirconia, and magnesia with a solid electrolyte such as zirconia. This is desirable. At this time, for the purpose of improving the sinterability of the ceramic insulating layer, it is desirable to add a small amount of Si component, but as its content, the effect is seen at 0.1 wt% or more in terms of oxide, If the Si content exceeds 5% by weight, the life of the heating element tends to be reduced, so the Si content is preferably in the range of 0.1 to 5% by weight. As Si content, 0.5 to 3 weight% is desirable. In particular, 0.5 to 2% by weight is desirable from the viewpoint of preventing Na diffusion.
[0032]
The ceramic insulating layer 1 is preferably composed of a dense ceramic having a relative density of 80% or more and an open porosity of 5% or less. This is because the strength of the heater can be increased because the ceramic insulating layer 1 is dense. Furthermore, since alkali metals such as Na and K in the ceramic insulating layer 1 migrate and deteriorate electrical insulation, the alkali metal content should be 100 ppm or less, particularly 50 ppm or less, more preferably 30 ppm or less. Desirable to extend the lifespan.
[0033]
On the other hand, the heat generating portion 2, the lead portion 3, and the electrode 4 formed in the ceramic insulating layer 1 are formed of at least one conductive material selected from the group consisting of platinum, W, Mo, and Re. It can be formed by simultaneous firing with the insulating layer 1.
[0034]
When platinum is the main component, the resistance can be adjusted using an alloy of platinum and at least one selected from the group of rhodium, palladium, and ruthenium.
[0035]
In addition to the above metals, the conductor material includes at least one selected from the group consisting of alumina, spinel, alumina / silica compound, forsterite, and zirconia, from the viewpoint of preventing sintering and increasing the adhesion between the insulating layer 1 and ceramic. The seed ceramics can be mixed in a volume ratio of 10 to 80%, particularly 30 to 50%.
[0036]
Moreover, it is desirable that this conductor material has an approximate thermal expansion coefficient close to that of the ceramic insulating layer 1, and specifically, the difference in average thermal expansion coefficient at 500 to 1100 ° C. is 2.0 × 10 ⁻⁶ / It is desirable that the temperature is not higher than ° C., particularly 1.5 × 10 ⁻⁶ / ° C. or lower, and most preferably 1.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or lower.
[0037]
A method for manufacturing the above-described flat ceramic heater of the present invention will be described below with reference to FIG. First, a predetermined thickness is obtained by a doctor blade method or the like using a slurry in which an organic binder for molding such as acrylic resin or a solvent such as toluene is added and mixed to the ceramic composition forming the ceramic insulating layer 1 as described above. A molded sheet for ceramic insulating layer 1 is prepared.
[0038]
Then, on the surface of the ceramic insulating layer 1 molded sheet, a conductive paste prepared by mixing the organic composition such as ethyl cellulose and a solvent with the conductive composition described above for the pattern of the heat generating portion 2 and the lead portion 3 is used. It is formed by printing.
[0039]
In this case, in the present invention, it is necessary to form the inclined portions as described above for the heat generating portion 2, the drawing portion 3, and the connecting portion 6. In the present invention, as a method of forming such an inclined portion, the conductive paste 13 is formed in a predetermined pattern on the surface of the ceramic insulating layer forming sheet 11 through a mesh screen 12 that is predetermined in accordance with a screen printing method. When printing on, the inclination of the connecting portion 6 in the width direction can be easily formed by inclining the pattern.
[0040]
On the other hand, in forming the slope in the thickness direction of the connecting portion 6, as shown in FIG. 4A, the mesh portion thickness mt1 corresponding to the heat generating portion 2 in the mesh body 12 is equal to that of the mesh portion corresponding to the lead portion 3. Using the mesh body 12 formed thinner than the thickness mt2, the conductor paste 13 is squeezed with a scraper. According to this method, as the thickness of the mesh body 12 is larger, the thickness after printing becomes thicker. Therefore, the thickness after printing can be controlled according to the thickness of the mesh portion. In this case, the mesh opening diameter may be the same.
[0041]
Such a thickness can be partially thinned by laminating the mesh body 12 partially, etching the mask by partially masking the surface of the mesh body 12 made of metal, or polishing.
[0042]
Further, as shown in FIG. 4B, it is also possible to make the opening diameter mp1 of the portion corresponding to the heat generating portion 2 of the mesh screen 12 smaller than the opening mp2 of the portion corresponding to the drawing portion 3. In that case, what is necessary is just to control so that an opening diameter may change gradually in a connection part. Such a mesh screen 12, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-202824, is obtained by changing the material, thickness, folding width, and the like of the warp and weft in the woven fabric forming the mesh screen. Different portions of the opening can be easily formed in one screen.
[0043]
Next, another heating sheet pattern is printed on the heating sheet pattern formed on the surface of the molding sheet, or the heating element pattern is embedded by applying the above-mentioned slurry for the ceramic insulating layer on the entire surface. .
[0044]
Then, the ceramic heater of this invention can be produced by baking this at the temperature which the molding sheet | seat 11 for ceramic insulating layers and a heat generating body pattern can fully sinter. The firing temperature at this time is appropriate to fire in a nitrogen atmosphere of 1300 to 1600 ° C. in the case of Al ₂ O ₃ , MgO and spinel ceramics, and 1000 to 1600 ° C. in the case of ZrO _2. .
[0045]
When the flat ceramic heater of the present invention is used as a heater for heating an oxygen sensor, as shown in FIG. 5 (a), it is composed of a ceramic solid electrolyte base 21 having oxygen ion conductivity, and inside thereof, An atmosphere introduction hole 22 sealed at one end is formed, and a measurement electrode 23 that comes into contact with a measurement gas such as exhaust gas is formed on the outer surface of the solid electrolyte substrate 21, and an inner wall on the atmosphere introduction hole 22 side. A reference electrode 24 that is brought into contact with a reference gas such as air is deposited and forms a sensor portion A. Then, the sensor unit A is heated efficiently by aligning the electrode unit of the sensor unit A and the heat generating unit 2 of the ceramic heater B so as to face each other and fixing the sensor unit A with an adhesive. can do.
[0046]
Further, the flat ceramic heater B is sandwiched between the air introduction hole 22 of the base 21 forming the oxygen sensor, as shown in FIG. 5B, in addition to the one joined to the sensor part A as described above. A flat ceramic heater B in which a heating element pattern 27 is formed between the ceramic insulating layers 26 on the side facing the sensor portion A may be embedded in the base 21.
[0047]
In this case, the ceramic heater B is formed by simultaneous firing together with the base 21 in the sensor part A.
[0048]
【Example】
After preparing slurry by adding acrylic organic binder and toluene to alumina powder containing 5% by weight of total amount of Si, Mg, and Ca in terms of oxide, a green sheet having a thickness of 150 μm by the doctor blade method Was made.
[0049]
On the other hand, a conductor paste was prepared by sufficiently mixing platinum powder having an average particle size of 0.8 μm with an acrylic resin as an organic binder and toluene as a solvent.
[0050]
A heating element pattern was printed on the surface of the green sheet by a screen printing method.
[0051]
In printing, various mesh bodies having different thicknesses between the heat generating portion and the drawer portion were used as the mesh body. All screens were 250 mesh. For comparison, after the heat generating part is printed using a thin mesh body, the drawer part is screen-printed so that the drawer part overlaps the heat generating part at the ends using a thick mesh body. did. In addition, the formation of the inclination and the step in the width direction was controlled by a pattern formed on the mesh body.
[0052]
Then, after laminating the alumina green sheet on the surface of the heating element pattern, the binder was removed at 300 ° C., and then the temperature was raised to 1500 ° C. and held and fired for 1 hour to produce a flat ceramic heater. .
[0053]
The manufactured ceramic heater was subjected to a continuous durability test under the condition that the temperature of the heat generating portion was 1100 ° C., and the time until the heater heating element pattern was disconnected or the resistance value changed by 10% is shown in Table 1.
[0054]
[Table 1]

[0055]
From Table 1, the durability of the ceramic heater could be greatly improved over 250 hours by inclining the thickness and width at the connecting portion between the heat generating portion and the lead portion based on the present invention. On the other hand, in all the samples in which no inclination is provided in the width or thickness direction, disconnection occurred in 200 hours or less, and it was confirmed that durability was improved by the configuration of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the width of the heat generating portion is smaller than the width of the drawer portion, the thickness of the heat generating portion is smaller than the thickness of the drawer portion, and the width and thickness between the heat generating portion and the drawer portion are pulled out. Due to the gradual decrease from the heat generating portion toward the heat generating portion, it is possible to suppress the generation of stress based on the level difference between the conventional heat generating portion and the drawer portion, and to greatly improve the durability of the ceramic heater. Accordingly, it is possible to extend the life of a detection element such as an oxygen sensor provided with the ceramic heater.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a flat ceramic heater according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a heating element pattern of the ceramic heater of FIG.
3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a connection portion in a heating element pattern of the ceramic heater of FIG.
FIG. 4 is a schematic view for explaining a method of forming a heating element pattern in the ceramic heater of FIG.
5 shows a schematic cross-sectional view of an oxygen sensor using the ceramic heater of FIG.
FIG. 6 is a schematic view for explaining a connecting portion between a heat generating portion and a drawer portion in a conventional flat ceramic heater.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic insulating layer 2: Heat generating part 3: Leading part 4: Electrode 5: Lead terminal 6: Connection part A: Ceramic heater

Claims

In the ceramic heater in which a heating element pattern including a heating part and a lead part is formed on or inside a ceramic insulating layer, the heating element pattern has a width in the heating part smaller than a width in the lead part. , wherein the thickness before Symbol heating portion is smaller than the thickness of the lead portion, the width and the thickness between the heat-generating portion and the lead portions is decreased gradually toward the heat generating portion from the lead portion A flat ceramic heater.

The flat ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein w2 / w1 is 1.05 or more, where w1 is a width of the heat generating portion and w2 is a width of the lead portion.

The flat ceramic heater according to claim 1, wherein an inclination angle θ 1 of the width of the connection portion is 80 degrees or less.

The flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, wherein t2 / t1 is 1.05 or more, where t1 is a thickness of the heat generating portion and t2 is a thickness of the lead portion. .

The flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 4, wherein an inclination angle θ2 of the thickness of the connecting portion is 80 degrees or less.

The flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 5, wherein a resistance ratio between the heat generating portion and the drawing portion is between 9: 1 and 7: 3.

The flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 6, wherein the ceramic insulating layer is made of at least one oxide of alumina or zirconia.

The flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat generating part and the lead part are made of a heat generating element mainly composed of platinum.

A detection element comprising the flat ceramic heater according to any one of claims 1 to 8.