JP3929882B2

JP3929882B2 - 平板状セラミックヒータおよびこれを用いた検出素子

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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

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

Claims

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セラミックヒータにおいて、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平板状セラミックヒータ。
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以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の平板状セラミックヒータ。
前記接続部の幅の傾斜角θ１が８０度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
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以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
前記接続部の厚みの傾斜角θ２が８０度以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
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の間にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
前記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種の酸化物からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
前記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を特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか記載の平板状セラミックヒータ。
前記請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の平板状セラミックヒータを備えた検出素子。