JP2004006216A - セラミックヒータおよびその試験方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックシートをセラミック芯材の周囲に周回密着する際に、セラミックシートがセラミック芯材から剥がれて両者の界面に隙間が発生し、絶縁不良が発生するという問題があった。
【解決手段】前記セラミックシートの密着部に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度を４０°以上とする。
【選択図】図２
【解決手段】前記セラミックシートの密着部に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度を４０°以上とする。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の空燃比検知センサ加熱用ヒータや気化器用ヒータ、半田ごて用ヒータなどに使用するセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミナを主成分とするセラミックス中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設してなるアルミナセラミックヒータが、一般的に用いられている。
【０００３】
例えば、円柱状のセラミックヒータを製造する場合は、特許文献１や特許文献２に示されているように、図１のセラミック芯材２とセラミックシート３を用意し、セラミックシート３の一方面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体４と電極引出部５を形成した後、これらを形成した面が内側となるようにセラミックシート３を上記セラミック芯材２の周囲に巻付け、全体を焼成一体化することによりセラミックヒータ１としていた。
【０００４】
セラミックシート３上には、発熱抵抗体４に電極引出部５が接続され、該電極引出部５の末端にスルーホールが形成され裏面の電極パッド８と該電極引出部５がスルーホールで接続されている。スルーホールには、必要に応じて導体ペーストが注入される。
【０００５】
そして、セラミックヒータ１は、側面に露出した電極パッド８にリード部材７をロウ材によりロウ付けして接合し、このリード部材７から通電することにより発熱抵抗体４が発熱するようになっていた。
【特許文献１】
特開２０００−１２３９５９号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１３９６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に周回密着する際に、セラミックシート３がセラミック芯材２から剥がれて両者の界面に隙間が発生し、絶縁不良が発生するものがあった。特に、セラミックシート３の硬さが硬い場合に、セラミック芯材２とセラミックシート３の間に隙間が発生しやすいという問題があった。このような不良は通常は発生しないが、セラミックシート３をセラミック芯材に密着する密着力が不充分な場合に突発的に発生する。例えばこのような不良が酸素センサ加熱用のセラミックヒータにおいて発生すると、センサ始動時の立ち上がり特性に悪影響を及ぼすことになる。
【０００７】
このような密着不良は、初期はあまり目立たなくとも、前記隙間を介した酸素の拡散により使用中に発熱抵抗体が酸化し、セラミックヒータの耐久性が低下するという問題があった。
【０００８】
また、このような密着不良の発生は、セラミックシート３をセラミック芯材２に密着した溝部に発生するので、非破壊の外観検査で確実に識別することは難しいという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、未着不良をセラミックシートとセラミック芯材との密着不良を完全に防止するとともに、耐久性を向上させることができるセラミックヒータを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、セラミックシートをセラミック芯材に密着した際、溝部を形成しても、不良品を簡単に見いだすことができ、上述のような耐久性が上がった良品を大量に製造することができるセラミックヒータの試験方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、上述の課題に鑑み、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材に周回密着して一体的に焼成してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度が４０°以上であることを特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させたことを特徴とする。
そして、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出していることを特徴とする。
さらに、前記溝部の角部に面取りを備えたこと特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、上記電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬した時に、該電解質溶液中に形成した電極と前記セラミックヒータの電極パッド間の耐電圧が１０００Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１２】
一方、セラミックヒータの試験方法は、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、セラミックヒータの電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して電気絶縁性を確認することを特徴とする。
【００１３】
このような改良を実施することにより、セラミック芯材とセラミックシートの間に隙間が生成することを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることが出来るようになった。
【００１４】
また、本発明の試験方法を利用することにより、セラミック芯材２とセラミックシート３の間の密着不良を容易に検知することができるようになった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータの実施の形態を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、セラミックヒータ１の部分切り欠き斜視図であり、（ｂ）は、そのセラミック体６部分の展開図である。
【００１６】
セラミックシート３の表面には、発熱抵抗体４と電極引出部５が形成され、さらに、その裏面側に形成される電極パッド８との間をスルーホール７で接合した構造となっている。こうして準備されたセラミックシート３をセラミック芯材２の表面に、前記発熱抵抗体４が内側になるように密着焼成することによりセラミック体６を形成する。そしてさらに、電極パッド８にリード部材７をロウ材を用いて接合することにより、セラミックヒータ１とする。
【００１７】
また、図２は前記セラミック体６の径方向の断面を示す図である。セラミック芯材２の周囲に周回密着したセラミックシート３の端部の間に形成される溝部１５の両側面のなす角ｄは、４０°以上となるように形成している。この角度が４０°より小さいと、密着後にセラミックシート３の弾性によりセラミックシート３の端部が剥がれてしまう。この剥がれが大きくなると、発熱抵抗体４に達するようになり、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。さらに好ましくは、角度ｄを６０°以上とすることが良い。
【００１８】
また、前記溝部１５の幅ｗは、０．２〜２ｍｍとする。幅ｗは、図２（ａ）に示すようにセラミック芯材２との接合部におけるセラミックシート３端部の距離を意味する。この幅ｗが０．２ｍｍより小さくなると、セラミックシート３は弾性を有するのでセラミックシート３を密着する時に、その端部がぶつかり、セラミックシート３の端部に剥がれが発生しやすくなるので好ましくない。また、隙間が２．０ｍｍを越えると、セラミックシート３とセラミック芯材２の焼成収縮差によりセラミックヒータ１の反りの原因となるので好ましくない。
【００１９】
なお、幅ｗは、セラミック芯材２の外周長さと密着するセラミックシート３の幅の差によって決まる。このため、前記隙間が２ｍｍを越えないように、セラミックシート３の幅を管理する。
【００２０】
また、溝部１５を成すテープの角部に面取り１７を施すことも密着性向上に有効である。角部に面取り１７を施すことにより、ローラ密着した際のローラの引っ掛かりを防止することができるので、これにより発生する密着不良を防止し、セラミックシート３端部の密着不良を防止することができる。溝部１５の両端面全面を面取り１７により形成しても構わないし、図２（ｂ）に示すように、角部が二段になっても構わない。
【００２１】
セラミックシート３の密着には、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着することが好ましい。セラミック芯材２にセラミックシート３を密着する際は、セラミックシート３もしくはセラミック芯材２の表面を可塑化し融着させる必要があるが、上記のようにセラミックシート３もしくはセラミック芯材２の接着面にセラミックス粉末を分散させた密着液を塗布してこれらを密着することにより、接着面に隙間ができることを防止し、密着の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、密着液の塗布に際し、発熱抵抗体４の表面に直接密着材を塗布すると、密着時に発熱抵抗体４パターンが可塑化し、発熱抵抗体４パターンが短絡したり断線したりする場合があるので、発熱抵抗体４パターンの上には、別のセラミックシート３を密着させるかもしくはコート層を形成して、発熱抵抗体４を保護することが好ましい。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示すように、密着液のはみ出し１６が、溝部１５に０．１〜１．０ｍｍの幅ｈで生成していることが好ましい。セラミックシート３の端面には、セラミック芯材２からセラミックシート３を剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３の端面に密着液が食み出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート３端面の剥離を防止することが可能となる。
【００２４】
なお、この場合、外径が２．５〜１５ｍｍの円筒状または円柱状のセラミック芯材２にセラミックシート３が形成される。
【００２５】
以上のような効果は、セラミックシート３のＳ−Ｓ（応力−伸び）カーブの傾きが大きい、つまり応力に対し変形し難いセラミックシート３を使用した場合に有効である。この場合、０．３ｍｍ程度の厚みのセラミックシート３を評価部の幅が１３ｍｍ、長さが３０ｍｍのダンベル型に加工して、破断までのＳ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合、その傾きは１〜８Ｎ／ｃｍ程度となる応力に対して変形し難いものが用いられる。なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。
【００２６】
また、セラミックシート３として、上記のようなセラミックシート３を使用すると、セラミックシート３の取扱時の応力により、発熱抵抗体４が断線したり、セラミックシート３が伸びて発熱抵抗体４の抵抗値がばらつくことも防止する。
【００２７】
次に、これまでセラミックシート３の引張試験によるＳ−Ｓカーブの傾きが１〜８Ｎ／ｃｍと大きい場合に、溝部１５の幅ｗ及び溝部１５の両側面のなす角度ｄ等を規定して密着性を向上させようとしたが、この幅ｗ及び角度ｄの規定を行わない場合でも、セラミックシート３の端面の密着力を向上させることができる。即ち、Ｓ−Ｓカーブの傾きが１Ｎ／ｃｍ未満の場合、即ち、柔らかいセラミックシート３が外部応力により容易に変形するのでセラミック芯材２の周囲に巻き付けるセラミックシート３の内周面がセラミック芯材２に密着すできるとともに、セラミックシート３の外周面がその弾性により伸びた状態で密着することでき、セラミックシート３の端面を剥がそうとする応力が小さくなるので、密着不良が発生し難くなるのである。
【００２８】
なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは、破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。さらに好ましくは、０．６Ｎ／ｃｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
この場合、セラミックシート３の表面に形成する電極パッド８が一緒に伸びるようにすることが好ましい。このためには、ガラス転移点が−２０℃以下の室温で変形しやすいバインダを使用すれば良い。これにより、焼成前の電極パッド８が変形してもクラックが発生することなしに、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着することができるようになる。
【００３０】
電極パッド８は、発熱抵抗体４のように抵抗値を管理する必要はないので、上記のようにクラックの発生による断線を防止することを優先して考えれば良い。
【００３１】
上記のような電極パッド８に用いるガラス転移点の低いバインダとしては、例えば、アクリル系のバインダを用いる場合、モノマーとして２−エチルヘキシルアクリレート、ブチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルエタクリレート、ブチルエタクリレート、イソブチルメタクリレート等の比率をそれぞれ変化させて重合することにより、任意のガラス転移点を有するバインダを作製することができる。バインダの種類としては、アクリル系のものを使用することが好ましい。
【００３２】
ちなみに、各モノポリマーのガラス転移点は概ね、２−エチルヘキシルアクリレート（−７５℃）、ブチルアクリレート（−５６℃）、エチルアクリレート（−２７℃）、ブチルメタクリレート（２０℃）、イソブチルメタクリレート（４８℃）、エチルメタクリレート（４２℃）、メチルメタクリレート（１０３℃）であり、これらの組成比を種々選択することにより、色々なガラス転移点のバインダを作製することができる。
【００３３】
また、バインダの分子量は、上記重合の温度と時間を調整することにより調整することが可能である。
【００３４】
また、ポリビニルブチラールやエチルセルロースのようにガラス転移点が高いバインダを用いる場合は、ペーストの粘度調整のために添加する溶剤としてＤＢＰやＤＯＰのような可塑剤を多めに添加することにより、生の電極パッド８が変形しやすくすることができる。
【００３５】
セラミックヒータ１の耐久性を判断する試験方法として、図３に示すように電解質溶液１２中にセラミックヒータ１の電極パッド８以外のセラミック体を浸漬し、この電解質溶液１２中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８の間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して、電気絶縁性を評価することができる。３０Ｖ以上の電気器具については電気用品取締法があり、耐電圧についての規定があるが、３０Ｖ未満の電圧を印加するヒータについては規定がない。
【００３６】
上記のようなセラミックヒータ１において、電解質溶液中で電極パッド８と電解質溶液中の電極間の電気絶縁性が１０００Ｖ以上となるようにセラミック芯材２に確実に密着させることで、耐久性良好なセラミックヒータ１とすることができる。
【００３７】
セラミックヒータ１のセラミック芯材２とセラミックシート３の密着信頼性の評価方法として、上記のような試験方法を採用するのは、非常に有用である。さらに密着界面への浸透性を向上させるために、アルコール等の表面張力の小さい溶剤を添加すれば、さらに信頼性を向上させることができる。この試験方法については、円筒型や円柱型にこだわることなく、板状積層型のセラミックヒータについても応用できる。
【００３８】
また、耐久性を判断する電解質溶液の種類としては、色々なものを使用できるが、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム等の強酸と強塩基の塩を用いた溶液を用いることが好ましい。また、その濃度としては、電気を流せる程度であれば問題ないが使い易さの観点からは０．５〜１０％程度とすることが好ましい。また、アルコールのように水に分散して浸透性の高い溶媒を少量添加すると、小さな欠陥にも溶液が浸透するのでさらに好ましい。
【００３９】
そして、本発明のセラミックヒータ１は、上記試験方法において、電解質溶液中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８間の耐電圧が１０００Ｖ以上、好ましくは、耐電圧を１５００Ｖ、理想的には２０００Ｖ以上とすることが好ましい。セラミックシート３の密着性がないと耐電圧が１０００Ｖより小さくなり、最高発熱部の温度が１１００℃となる加速条件で耐久テストが１０００時間程度で抵抗値が初期値より１０％以上増加したり、断線したりするものが発生するので好ましくない。
【００４０】
さらに、本発明のセラミックヒータ１の詳細について説明する。
【００４１】
本発明のセラミックヒータ１の電極パッド８には、焼成後メッキ層を形成する。このメッキ層は、リード部材７を電極パッド８の表面にロウ付けする際に、ロウ材の流れを良くし、ロウ付け強度を増すためである。通常１〜５μｍ厚みのメッキ層を形成する。メッキ層の材質としては、Ｎｉ、Ｃｒ、もしくはこれらを主成分とする複合材料を使用することができる。
【００４２】
リード部７を固定するロウ材層としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ系のロウ材が使用される。好ましくは、Ａｕ−Ｃｕロウとしては、Ａｕ含有量が２５〜９５重量％としＡｕ−ＮｉロウとしてはＡｕ含有量が５０〜９５重量％とすると、ロウ付け温度を１０００℃程度に設定でき、ロウ付け後の残留応力を低減できるので良い。また、湿度が高い雰囲気中で使用する場合、Ａｕ系、Ｃｕ系のロウ材を用いた方がマイグレーションの発生が抑えられるので好ましい。
【００４３】
また、ロウ材層の表面には、メッキ層を形成することが腐食からロウ材層を保護するために好ましい。
【００４４】
また、電極パッド８に形成されるスルーホールの位置とロウ材層の端部との距離を少なくとも０．２ｍｍ以上にすると、良好なロウ付け強度を維持することができる。これにより、メッキ層の表面に形成したロウ材層が固化する際に大きく収縮し、電極パッド８を剥がしてしまうというような不具合を防止できるからである。
【００４５】
次にリード部材７の材質としては、耐熱性良好なＮｉ系やＦｅ−Ｎｉ系合金等を使用することが好ましい。発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード部材７の温度が上昇し、劣化する可能性があるからである。
【００４６】
中でも、リード部材７の材質としてＮｉやＦｅ−Ｎｉ合金を使用する場合、その平均結晶粒径を４００μｍ以下とすることが好ましい。前記平均粒径が４００μｍを越えると、使用時の振動および熱サイクルにより、ロウ付け部近傍のリード部材７が疲労し、クラックが発生するので好ましくない。他の材質についても、例えばリード部材７の粒径がリード部材７の厚みより大きくなると、ロウ材層とリード部材７の境界付近の粒界に応力が集中してクラックが発生するので好ましくない。
【００４７】
なお、ロウ付けの際の熱処理は、試料間のバラツキを小さくするためには、ロウ材の融点より十分余裕をとった高めの温度で熱処理する必要があるが、リード部材７の平均結晶粒径を４００μｍ以下と小さくするためには、ロウ付けの際の温度をできるだけ下げ処理時間を短くすればよい。
【００４８】
また、セラミック体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とする発熱抵抗体４を埋設したセラミックヒータ１において、発熱抵抗体４のパターン欠陥の幅がパターン幅の１／２以下とすることが好ましい。これは、前記欠陥の幅がパターン幅の１／２を越えると、この部分で局部発熱し、発熱抵抗体４の抵抗値が大きくなり、耐久性が劣化するので、好ましくない。
【００４９】
このような欠陥が発生する原因は、発熱抵抗体４をプリント形成する時に、プリント製版にゴミが付着したためパターンが欠けてしまったり、異物が混入し焼成時に焼失したりすることにより発生するものと思われる。プリントや密着工程で、生のセラミックグリーンシート３を取り扱う工程があるが、この工程の清浄度を向上させるとともに、万一の欠陥の発生に関して、上記寸法以上の欠陥を取り除くための検査工程の整備が重要である。
【００５０】
また、セラミック体６の材質としては、Ａｌ２Ｏ３８８〜９５重量％、ＳｉＯ２２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ２１〜３重量％からなるアルミナを使用することが好ましい。Ａｌ２Ｏ３含有量をこれより少なくすると、ガラス質が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるので好ましくない。また、逆にＡｌ２Ｏ３含有量をこれより増やすと、内蔵する発熱抵抗体４の金属層内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。ここで、セラミックスとしてアルミナの例を示したが、本発明で示したことは、アルミナ質セラミックスに限定されることではなく、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等、また、セラミックヒータのみならず、Ａｕ系のロウ付けを実施する全てのものに当てはまる現象である。
【００５１】
また、セラミックヒータ１の寸法については、例えば外径が２〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度にすることが可能である。自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒータ１としては、外径が２〜４ｍｍ、長さが４０〜６５ｍｍとすることが好ましい。
【００５２】
さらに、自動車用の用途では、発熱抵抗体４の発熱長さが３〜１５ｍｍとなるようにすることが好ましい。発熱長さが３ｍｍより短くなると、通電時の昇温を早くすることができるが、セラミックヒータ１の耐久性を低下させる。また、発熱長さを１５ｍｍより長くすると昇温速度が遅くなり、昇温速度を早くしようとするとセラミックヒータ１の消費電力が大きくなるので好ましくない。ここで、発熱長さというのは、図１（ｂ）で示す発熱抵抗体４の往復パターンの部分である。この発熱長さは、その目的とする用途により、選択されるものである。
【００５３】
【実施例】
実施例 １
Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックシート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱抵抗体４とＷからなる電極引出部５をプリントした。また、裏面には電極パッド８をプリントした。発熱抵抗体４は、発熱長さ５ｍｍで４往復のパターンとなるように作製した。
【００５４】
そして、Ｗからなる電極引出部５の末端には、スルーホールを形成し、ここにペーストを注入する事により電極パッド８と電極引出部５間の導通をとった。スルーホールの位置は、ロウ付けを実施した場合にロウ付け部の内側に入るように形成した。そして、発熱抵抗体の表面にセラミックシート３と略同一の成分からなるコート層を形成して充分乾燥した後、さらに前記セラミックシート３と略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布して、こうして準備したセラミックシート３（Ｓ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合の傾きが５Ｎ／ｃｍ）をセラミック芯材２の周囲に密着し、１５００〜１６００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１とした。
【００５５】
この時、セラミックヒータ１に形成される溝部１５の幅ｗが０．１ｍｍ以下、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとし、さらにセラミックシート３の端面を斜めに削ることにより溝部１５の端面のなす角度ｄを３０°、４０°、４０〜６０°、１００°と変えて、密着性への影響を耐電圧特性により評価した。各条件、試料を１０００本作製し、焼成後耐電圧の評価を実施し、絶縁破壊するものの本数を確認した。尚、溝部１５の幅ｗは、図２に示すようにセラミックシート３の両端面の幅ｗを意味する。電解質溶液としては、塩化ナトリウムの１％溶液を用いて、溶液中に設置された電極とセラミックヒータの間に、１０００Ｖの電圧を１０秒間印加して絶縁破壊しないことを確認した。
【００５６】
また、絶縁破壊した試料については、図２に示すような発熱抵抗体４埋設部の周方向断面を観察して、セラミックシート３とセラミック芯材２の密着状況を４０倍の双眼顕微鏡で調査した。
【００５７】
これらの結果を、表１に示した。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１から判るように、セラミックヒータ１のセラミックシート３両端部に形成される溝部１５の幅ｗを０．１ｍｍ以下にしたＮｏ．１は、１０００本中４本に絶縁不良が発生した。また、前記幅ｗを０．２ｍｍとし、前記溝１５両側面のなす角度ｄを３０°にしたＮｏ．２、幅ｗを０．５ｍｍとし、角度ｄを３０°にしたＮｏ．７にはそれぞれ１０００本中３本の不良が発生した。これに対して、前記溝部１５の幅ｗを０．２ｍｍ以上とし前記角度ｄを４０°以上としたＮｏ．３〜１１は、絶縁不良の発生は１本もなく良好な耐絶縁性能を示した。
【００６０】
セラミックシート３密着時にセラミック芯材２の周囲に周回密着させたセラミックシート３の端面が接するようになると、セラミックシート３にたるみが発生し、密着不良が発生するものがあった。溝部１５の幅ｗとして、０．２ｍｍ程度の隙間を形成することがセラミックヒータ１の耐電圧性を向上させるために好ましいことが判った。また、セラミックシート２の端面を加工することにより、セラミックシート３の密着面に形成される溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°以上に大きくすることにより、セラミックシート３の端部への剥離応力を低減し、セラミックヒータ１の耐電圧を向上させることができた。
【００６１】
不良の発生数はさほど多くはないが、この程度の発生件数でも、自動車部品としては問題となる。上記の改善により、セラミックヒータ１の耐久性とその信頼性を改善できる事がわかった。
【００６２】
なお、表には記載しないが、セラミックシート３のＳ−Ｓカーブの傾きが１０Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°で溝幅ｗが１．０ｍｍとなるようなセラミックヒータ１を作製したものについて上述と同様の実験をおこなうと１００本中、１８本の不良が発生した。しかし、Ｓ−Ｓカーブの傾きが０．５Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄ、溝幅ｗを同様にしたセラミックヒータ１を作製しても不良の発生は無かった。これは溝部の形状に関係なくＳ−Ｓカーブの傾きによって密着性が変わることが理解できる。
【００６３】
実施例 ２
ここでは、セラミックヒータ１のセラミックシート３密着部に形成される溝部１５の端面のなす角度ｄと密着性の関係を調査した。セラミックシート３の端面を斜めに加工して角度を形成し、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着した際の溝部１５の端面のなす角度ｄを４０〜６０°とし、密着液の塗布量を調整して、密着面からの密着液の食み出しｈを調整した。なお、密着については、一旦セラミック芯材２の表面にセラミックシート３を密着させた後、さらに３本のロールを同一方向に回転させるロールの間にセラミックシート３を密着したセラミック体６を装着して回転させることにより密着した。この時、上から抑えるロールの半径をセラミックヒータ１の外径の３倍程度と小さくし、さらに弾性のある材質とすることにより、セラミックシート３への加圧を均等にするようにした。また、セラミック芯材２の外径は４ｍｍとし、溝部１５の幅ｗは１．０ｍｍとした。
【００６４】
評価方法としては、焼成後、まず実施例１と同様な方法で耐電圧を確認し、その後、セラミックヒータ１を輪切り状に切断し、その溝部１５を観察してセラミックシート３端部の密着状況を各条件５０本づつ確認した。
【００６５】
結果を表２に示した。
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２から判るように、密着液のはみ出しｈがないＮｏ．１は、耐電圧に異常はなかったが、溝部１にあるセラミック芯材２とセラミックシートの密着面の端部に、小さな剥離がみられるものがあった。これに対し前記はみ出しｈを０．１〜０．３ｍｍとしたＮｏ．２〜４については、密着面の端部に隙間が発生するものはなく、密着性が良好であることを確認できた。従来は、前記はみ出し量を管理していなかったが、前記はみ出し量を管理することにより、セラミクヒータ１の耐久性とその信頼性を向上できる事がわかった。
【００６８】
実施例 ３
ここでは、セラミックヒータ１の耐電圧特性と耐久性の関係について調査した。セラミックシート２に実施例１と同様にして発熱抵抗体４および電極引出部５、スルーホール、電極パッド８を形成し、前記溝部１５のなす角度ｄが３０°以内となるように調整してセラミック芯材２の周囲に密着したセラミック体６を１６００℃で焼成し、５００本の試料を準備した。この試料を、まず、実施例１と同様にして１０００Ｖで１０秒間の耐電圧を確認したのち、セラミックヒータ１の最高発熱部の温度が１１００℃となるような電圧をＯＮ−ＯＦＦして、２分間通電−２分間強制冷却のサイクル試験を５０００サイクル掛けて、テスト後のセラミックヒータ１の抵抗変化率が初期抵抗の１０％を越えたものの耐電圧をさらに測定した。評価は、５００Ｖで１０秒間耐電圧を評価し、ＯＫであれば２５０Ｖ置きに電圧を上げて１０秒間保持して絶縁破壊しないことを確認した。また、耐久テスト後の良品については、各ロット１０本づつ耐電圧を評価した。
【００６９】
また、同時に、実施例１のＮｏ．６のサンプルを比較用に同様に評価した。
【００７０】
結果を表３に示した。
【００７１】
【表３】
【００７２】
表３から判るように、まず、初期の試料は、両者とも１０００Ｖの耐電圧試験でＯＫであった。しかしながら、上記サイクル試験後は、本実施例で使用した従来仕様のセラミクヒータ１は、セラミックヒータ１の抵抗値が初期に較べて１０％以上増加するものが３本あった。これらのサンプルを、５００Ｖから２５０Ｖ置きに電圧を上げながら耐電圧試験を実施したところ、サイクル試験の抵抗変化が１０％と１３％であった試料は、１０００Ｖで絶縁破壊し、前記抵抗変化が１８％であった試料は５００Ｖで絶縁破壊した。
【００７３】
これに対して、実施例１で作製したＮｏ．６に示す本発明のセラミックヒータ１は、初期の耐電圧は、１０００ＶでＯＫであり、耐久試験後は３０００ＶまでＯＫであった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材の周回密着してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度を４０°以上とすることにより、セラミックシートをセラミック芯材に周回密着する際のセラミックシート端面の剥離やセラミックシートのたわみを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることができるようになった。
【００７５】
また、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させることで、さらに密着性を向上させることが可能となる。
【００７６】
さらに、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出しているために、セラミックシートの端面には、セラミック芯材からセラミックシートを剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３端面に密着液がはみ出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート端面の剥離を防止することが可能となる。
【００７７】
また、前記溝部の角部に面取りを備えたことによっても密着性を向上させることができる。
【００７８】
さらに、セラミックシートの密着して作製したセラミックヒータにおいて、その密着の信頼性を判断する手法として、電解質溶液中にセラミックヒータの発熱抵抗体形成部を浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加してセラミックヒータの電気絶縁性を試験することにより、非破壊の外観検査で確実に密着不良を識別することが可能となった。
【００７９】
これらの改善により、セラミックヒータの電気絶縁性を向上させ、耐久性良好なセラミクヒータを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの斜視図であり、（ｂ）はその展開斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの断面図であり、（ｂ）はその溝部の拡大図である。
【図３】本発明の電気絶縁性を確認する試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック芯材
３：セラミックシート
４：発熱抵抗体
５：電極引出部
７：リード部材
８：電極パッド
１２：電解質溶液
１３：電源
１４：電極
１５：溝部
１６：食み出し
１７：面取り
ｄ：角度
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の空燃比検知センサ加熱用ヒータや気化器用ヒータ、半田ごて用ヒータなどに使用するセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミナを主成分とするセラミックス中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設してなるアルミナセラミックヒータが、一般的に用いられている。
【０００３】
例えば、円柱状のセラミックヒータを製造する場合は、特許文献１や特許文献２に示されているように、図１のセラミック芯材２とセラミックシート３を用意し、セラミックシート３の一方面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体４と電極引出部５を形成した後、これらを形成した面が内側となるようにセラミックシート３を上記セラミック芯材２の周囲に巻付け、全体を焼成一体化することによりセラミックヒータ１としていた。
【０００４】
セラミックシート３上には、発熱抵抗体４に電極引出部５が接続され、該電極引出部５の末端にスルーホールが形成され裏面の電極パッド８と該電極引出部５がスルーホールで接続されている。スルーホールには、必要に応じて導体ペーストが注入される。
【０００５】
そして、セラミックヒータ１は、側面に露出した電極パッド８にリード部材７をロウ材によりロウ付けして接合し、このリード部材７から通電することにより発熱抵抗体４が発熱するようになっていた。
【特許文献１】
特開２０００−１２３９５９号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１３９６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に周回密着する際に、セラミックシート３がセラミック芯材２から剥がれて両者の界面に隙間が発生し、絶縁不良が発生するものがあった。特に、セラミックシート３の硬さが硬い場合に、セラミック芯材２とセラミックシート３の間に隙間が発生しやすいという問題があった。このような不良は通常は発生しないが、セラミックシート３をセラミック芯材に密着する密着力が不充分な場合に突発的に発生する。例えばこのような不良が酸素センサ加熱用のセラミックヒータにおいて発生すると、センサ始動時の立ち上がり特性に悪影響を及ぼすことになる。
【０００７】
このような密着不良は、初期はあまり目立たなくとも、前記隙間を介した酸素の拡散により使用中に発熱抵抗体が酸化し、セラミックヒータの耐久性が低下するという問題があった。
【０００８】
また、このような密着不良の発生は、セラミックシート３をセラミック芯材２に密着した溝部に発生するので、非破壊の外観検査で確実に識別することは難しいという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、未着不良をセラミックシートとセラミック芯材との密着不良を完全に防止するとともに、耐久性を向上させることができるセラミックヒータを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、セラミックシートをセラミック芯材に密着した際、溝部を形成しても、不良品を簡単に見いだすことができ、上述のような耐久性が上がった良品を大量に製造することができるセラミックヒータの試験方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、上述の課題に鑑み、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材に周回密着して一体的に焼成してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度が４０°以上であることを特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させたことを特徴とする。
そして、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出していることを特徴とする。
さらに、前記溝部の角部に面取りを備えたこと特徴とする。
また、本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、上記電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬した時に、該電解質溶液中に形成した電極と前記セラミックヒータの電極パッド間の耐電圧が１０００Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１２】
一方、セラミックヒータの試験方法は、発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、セラミックヒータの電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して電気絶縁性を確認することを特徴とする。
【００１３】
このような改良を実施することにより、セラミック芯材とセラミックシートの間に隙間が生成することを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることが出来るようになった。
【００１４】
また、本発明の試験方法を利用することにより、セラミック芯材２とセラミックシート３の間の密着不良を容易に検知することができるようになった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータの実施の形態を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、セラミックヒータ１の部分切り欠き斜視図であり、（ｂ）は、そのセラミック体６部分の展開図である。
【００１６】
セラミックシート３の表面には、発熱抵抗体４と電極引出部５が形成され、さらに、その裏面側に形成される電極パッド８との間をスルーホール７で接合した構造となっている。こうして準備されたセラミックシート３をセラミック芯材２の表面に、前記発熱抵抗体４が内側になるように密着焼成することによりセラミック体６を形成する。そしてさらに、電極パッド８にリード部材７をロウ材を用いて接合することにより、セラミックヒータ１とする。
【００１７】
また、図２は前記セラミック体６の径方向の断面を示す図である。セラミック芯材２の周囲に周回密着したセラミックシート３の端部の間に形成される溝部１５の両側面のなす角ｄは、４０°以上となるように形成している。この角度が４０°より小さいと、密着後にセラミックシート３の弾性によりセラミックシート３の端部が剥がれてしまう。この剥がれが大きくなると、発熱抵抗体４に達するようになり、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。さらに好ましくは、角度ｄを６０°以上とすることが良い。
【００１８】
また、前記溝部１５の幅ｗは、０．２〜２ｍｍとする。幅ｗは、図２（ａ）に示すようにセラミック芯材２との接合部におけるセラミックシート３端部の距離を意味する。この幅ｗが０．２ｍｍより小さくなると、セラミックシート３は弾性を有するのでセラミックシート３を密着する時に、その端部がぶつかり、セラミックシート３の端部に剥がれが発生しやすくなるので好ましくない。また、隙間が２．０ｍｍを越えると、セラミックシート３とセラミック芯材２の焼成収縮差によりセラミックヒータ１の反りの原因となるので好ましくない。
【００１９】
なお、幅ｗは、セラミック芯材２の外周長さと密着するセラミックシート３の幅の差によって決まる。このため、前記隙間が２ｍｍを越えないように、セラミックシート３の幅を管理する。
【００２０】
また、溝部１５を成すテープの角部に面取り１７を施すことも密着性向上に有効である。角部に面取り１７を施すことにより、ローラ密着した際のローラの引っ掛かりを防止することができるので、これにより発生する密着不良を防止し、セラミックシート３端部の密着不良を防止することができる。溝部１５の両端面全面を面取り１７により形成しても構わないし、図２（ｂ）に示すように、角部が二段になっても構わない。
【００２１】
セラミックシート３の密着には、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着することが好ましい。セラミック芯材２にセラミックシート３を密着する際は、セラミックシート３もしくはセラミック芯材２の表面を可塑化し融着させる必要があるが、上記のようにセラミックシート３もしくはセラミック芯材２の接着面にセラミックス粉末を分散させた密着液を塗布してこれらを密着することにより、接着面に隙間ができることを防止し、密着の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、密着液の塗布に際し、発熱抵抗体４の表面に直接密着材を塗布すると、密着時に発熱抵抗体４パターンが可塑化し、発熱抵抗体４パターンが短絡したり断線したりする場合があるので、発熱抵抗体４パターンの上には、別のセラミックシート３を密着させるかもしくはコート層を形成して、発熱抵抗体４を保護することが好ましい。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示すように、密着液のはみ出し１６が、溝部１５に０．１〜１．０ｍｍの幅ｈで生成していることが好ましい。セラミックシート３の端面には、セラミック芯材２からセラミックシート３を剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３の端面に密着液が食み出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート３端面の剥離を防止することが可能となる。
【００２４】
なお、この場合、外径が２．５〜１５ｍｍの円筒状または円柱状のセラミック芯材２にセラミックシート３が形成される。
【００２５】
以上のような効果は、セラミックシート３のＳ−Ｓ（応力−伸び）カーブの傾きが大きい、つまり応力に対し変形し難いセラミックシート３を使用した場合に有効である。この場合、０．３ｍｍ程度の厚みのセラミックシート３を評価部の幅が１３ｍｍ、長さが３０ｍｍのダンベル型に加工して、破断までのＳ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合、その傾きは１〜８Ｎ／ｃｍ程度となる応力に対して変形し難いものが用いられる。なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。
【００２６】
また、セラミックシート３として、上記のようなセラミックシート３を使用すると、セラミックシート３の取扱時の応力により、発熱抵抗体４が断線したり、セラミックシート３が伸びて発熱抵抗体４の抵抗値がばらつくことも防止する。
【００２７】
次に、これまでセラミックシート３の引張試験によるＳ−Ｓカーブの傾きが１〜８Ｎ／ｃｍと大きい場合に、溝部１５の幅ｗ及び溝部１５の両側面のなす角度ｄ等を規定して密着性を向上させようとしたが、この幅ｗ及び角度ｄの規定を行わない場合でも、セラミックシート３の端面の密着力を向上させることができる。即ち、Ｓ−Ｓカーブの傾きが１Ｎ／ｃｍ未満の場合、即ち、柔らかいセラミックシート３が外部応力により容易に変形するのでセラミック芯材２の周囲に巻き付けるセラミックシート３の内周面がセラミック芯材２に密着すできるとともに、セラミックシート３の外周面がその弾性により伸びた状態で密着することでき、セラミックシート３の端面を剥がそうとする応力が小さくなるので、密着不良が発生し難くなるのである。
【００２８】
なお、Ｓ−Ｓカーブの傾きは、破断時の引張応力を破断時の伸びで除した値である。さらに好ましくは、０．６Ｎ／ｃｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
この場合、セラミックシート３の表面に形成する電極パッド８が一緒に伸びるようにすることが好ましい。このためには、ガラス転移点が−２０℃以下の室温で変形しやすいバインダを使用すれば良い。これにより、焼成前の電極パッド８が変形してもクラックが発生することなしに、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着することができるようになる。
【００３０】
電極パッド８は、発熱抵抗体４のように抵抗値を管理する必要はないので、上記のようにクラックの発生による断線を防止することを優先して考えれば良い。
【００３１】
上記のような電極パッド８に用いるガラス転移点の低いバインダとしては、例えば、アクリル系のバインダを用いる場合、モノマーとして２−エチルヘキシルアクリレート、ブチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルエタクリレート、ブチルエタクリレート、イソブチルメタクリレート等の比率をそれぞれ変化させて重合することにより、任意のガラス転移点を有するバインダを作製することができる。バインダの種類としては、アクリル系のものを使用することが好ましい。
【００３２】
ちなみに、各モノポリマーのガラス転移点は概ね、２−エチルヘキシルアクリレート（−７５℃）、ブチルアクリレート（−５６℃）、エチルアクリレート（−２７℃）、ブチルメタクリレート（２０℃）、イソブチルメタクリレート（４８℃）、エチルメタクリレート（４２℃）、メチルメタクリレート（１０３℃）であり、これらの組成比を種々選択することにより、色々なガラス転移点のバインダを作製することができる。
【００３３】
また、バインダの分子量は、上記重合の温度と時間を調整することにより調整することが可能である。
【００３４】
また、ポリビニルブチラールやエチルセルロースのようにガラス転移点が高いバインダを用いる場合は、ペーストの粘度調整のために添加する溶剤としてＤＢＰやＤＯＰのような可塑剤を多めに添加することにより、生の電極パッド８が変形しやすくすることができる。
【００３５】
セラミックヒータ１の耐久性を判断する試験方法として、図３に示すように電解質溶液１２中にセラミックヒータ１の電極パッド８以外のセラミック体を浸漬し、この電解質溶液１２中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８の間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して、電気絶縁性を評価することができる。３０Ｖ以上の電気器具については電気用品取締法があり、耐電圧についての規定があるが、３０Ｖ未満の電圧を印加するヒータについては規定がない。
【００３６】
上記のようなセラミックヒータ１において、電解質溶液中で電極パッド８と電解質溶液中の電極間の電気絶縁性が１０００Ｖ以上となるようにセラミック芯材２に確実に密着させることで、耐久性良好なセラミックヒータ１とすることができる。
【００３７】
セラミックヒータ１のセラミック芯材２とセラミックシート３の密着信頼性の評価方法として、上記のような試験方法を採用するのは、非常に有用である。さらに密着界面への浸透性を向上させるために、アルコール等の表面張力の小さい溶剤を添加すれば、さらに信頼性を向上させることができる。この試験方法については、円筒型や円柱型にこだわることなく、板状積層型のセラミックヒータについても応用できる。
【００３８】
また、耐久性を判断する電解質溶液の種類としては、色々なものを使用できるが、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム等の強酸と強塩基の塩を用いた溶液を用いることが好ましい。また、その濃度としては、電気を流せる程度であれば問題ないが使い易さの観点からは０．５〜１０％程度とすることが好ましい。また、アルコールのように水に分散して浸透性の高い溶媒を少量添加すると、小さな欠陥にも溶液が浸透するのでさらに好ましい。
【００３９】
そして、本発明のセラミックヒータ１は、上記試験方法において、電解質溶液中に形成した電極１４とセラミックヒータ１の電極パッド８間の耐電圧が１０００Ｖ以上、好ましくは、耐電圧を１５００Ｖ、理想的には２０００Ｖ以上とすることが好ましい。セラミックシート３の密着性がないと耐電圧が１０００Ｖより小さくなり、最高発熱部の温度が１１００℃となる加速条件で耐久テストが１０００時間程度で抵抗値が初期値より１０％以上増加したり、断線したりするものが発生するので好ましくない。
【００４０】
さらに、本発明のセラミックヒータ１の詳細について説明する。
【００４１】
本発明のセラミックヒータ１の電極パッド８には、焼成後メッキ層を形成する。このメッキ層は、リード部材７を電極パッド８の表面にロウ付けする際に、ロウ材の流れを良くし、ロウ付け強度を増すためである。通常１〜５μｍ厚みのメッキ層を形成する。メッキ層の材質としては、Ｎｉ、Ｃｒ、もしくはこれらを主成分とする複合材料を使用することができる。
【００４２】
リード部７を固定するロウ材層としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ系のロウ材が使用される。好ましくは、Ａｕ−Ｃｕロウとしては、Ａｕ含有量が２５〜９５重量％としＡｕ−ＮｉロウとしてはＡｕ含有量が５０〜９５重量％とすると、ロウ付け温度を１０００℃程度に設定でき、ロウ付け後の残留応力を低減できるので良い。また、湿度が高い雰囲気中で使用する場合、Ａｕ系、Ｃｕ系のロウ材を用いた方がマイグレーションの発生が抑えられるので好ましい。
【００４３】
また、ロウ材層の表面には、メッキ層を形成することが腐食からロウ材層を保護するために好ましい。
【００４４】
また、電極パッド８に形成されるスルーホールの位置とロウ材層の端部との距離を少なくとも０．２ｍｍ以上にすると、良好なロウ付け強度を維持することができる。これにより、メッキ層の表面に形成したロウ材層が固化する際に大きく収縮し、電極パッド８を剥がしてしまうというような不具合を防止できるからである。
【００４５】
次にリード部材７の材質としては、耐熱性良好なＮｉ系やＦｅ−Ｎｉ系合金等を使用することが好ましい。発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード部材７の温度が上昇し、劣化する可能性があるからである。
【００４６】
中でも、リード部材７の材質としてＮｉやＦｅ−Ｎｉ合金を使用する場合、その平均結晶粒径を４００μｍ以下とすることが好ましい。前記平均粒径が４００μｍを越えると、使用時の振動および熱サイクルにより、ロウ付け部近傍のリード部材７が疲労し、クラックが発生するので好ましくない。他の材質についても、例えばリード部材７の粒径がリード部材７の厚みより大きくなると、ロウ材層とリード部材７の境界付近の粒界に応力が集中してクラックが発生するので好ましくない。
【００４７】
なお、ロウ付けの際の熱処理は、試料間のバラツキを小さくするためには、ロウ材の融点より十分余裕をとった高めの温度で熱処理する必要があるが、リード部材７の平均結晶粒径を４００μｍ以下と小さくするためには、ロウ付けの際の温度をできるだけ下げ処理時間を短くすればよい。
【００４８】
また、セラミック体中にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とする発熱抵抗体４を埋設したセラミックヒータ１において、発熱抵抗体４のパターン欠陥の幅がパターン幅の１／２以下とすることが好ましい。これは、前記欠陥の幅がパターン幅の１／２を越えると、この部分で局部発熱し、発熱抵抗体４の抵抗値が大きくなり、耐久性が劣化するので、好ましくない。
【００４９】
このような欠陥が発生する原因は、発熱抵抗体４をプリント形成する時に、プリント製版にゴミが付着したためパターンが欠けてしまったり、異物が混入し焼成時に焼失したりすることにより発生するものと思われる。プリントや密着工程で、生のセラミックグリーンシート３を取り扱う工程があるが、この工程の清浄度を向上させるとともに、万一の欠陥の発生に関して、上記寸法以上の欠陥を取り除くための検査工程の整備が重要である。
【００５０】
また、セラミック体６の材質としては、Ａｌ２Ｏ３８８〜９５重量％、ＳｉＯ２２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ２１〜３重量％からなるアルミナを使用することが好ましい。Ａｌ２Ｏ３含有量をこれより少なくすると、ガラス質が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるので好ましくない。また、逆にＡｌ２Ｏ３含有量をこれより増やすと、内蔵する発熱抵抗体４の金属層内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。ここで、セラミックスとしてアルミナの例を示したが、本発明で示したことは、アルミナ質セラミックスに限定されることではなく、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等、また、セラミックヒータのみならず、Ａｕ系のロウ付けを実施する全てのものに当てはまる現象である。
【００５１】
また、セラミックヒータ１の寸法については、例えば外径が２〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度にすることが可能である。自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒータ１としては、外径が２〜４ｍｍ、長さが４０〜６５ｍｍとすることが好ましい。
【００５２】
さらに、自動車用の用途では、発熱抵抗体４の発熱長さが３〜１５ｍｍとなるようにすることが好ましい。発熱長さが３ｍｍより短くなると、通電時の昇温を早くすることができるが、セラミックヒータ１の耐久性を低下させる。また、発熱長さを１５ｍｍより長くすると昇温速度が遅くなり、昇温速度を早くしようとするとセラミックヒータ１の消費電力が大きくなるので好ましくない。ここで、発熱長さというのは、図１（ｂ）で示す発熱抵抗体４の往復パターンの部分である。この発熱長さは、その目的とする用途により、選択されるものである。
【００５３】
【実施例】
実施例 １
Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックシート３を準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅからなる発熱抵抗体４とＷからなる電極引出部５をプリントした。また、裏面には電極パッド８をプリントした。発熱抵抗体４は、発熱長さ５ｍｍで４往復のパターンとなるように作製した。
【００５４】
そして、Ｗからなる電極引出部５の末端には、スルーホールを形成し、ここにペーストを注入する事により電極パッド８と電極引出部５間の導通をとった。スルーホールの位置は、ロウ付けを実施した場合にロウ付け部の内側に入るように形成した。そして、発熱抵抗体の表面にセラミックシート３と略同一の成分からなるコート層を形成して充分乾燥した後、さらに前記セラミックシート３と略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布して、こうして準備したセラミックシート３（Ｓ−Ｓカーブを室温（２０℃±１℃）で測定した場合の傾きが５Ｎ／ｃｍ）をセラミック芯材２の周囲に密着し、１５００〜１６００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１とした。
【００５５】
この時、セラミックヒータ１に形成される溝部１５の幅ｗが０．１ｍｍ以下、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとし、さらにセラミックシート３の端面を斜めに削ることにより溝部１５の端面のなす角度ｄを３０°、４０°、４０〜６０°、１００°と変えて、密着性への影響を耐電圧特性により評価した。各条件、試料を１０００本作製し、焼成後耐電圧の評価を実施し、絶縁破壊するものの本数を確認した。尚、溝部１５の幅ｗは、図２に示すようにセラミックシート３の両端面の幅ｗを意味する。電解質溶液としては、塩化ナトリウムの１％溶液を用いて、溶液中に設置された電極とセラミックヒータの間に、１０００Ｖの電圧を１０秒間印加して絶縁破壊しないことを確認した。
【００５６】
また、絶縁破壊した試料については、図２に示すような発熱抵抗体４埋設部の周方向断面を観察して、セラミックシート３とセラミック芯材２の密着状況を４０倍の双眼顕微鏡で調査した。
【００５７】
これらの結果を、表１に示した。
【００５８】
【表１】
表１から判るように、セラミックヒータ１のセラミックシート３両端部に形成される溝部１５の幅ｗを０．１ｍｍ以下にしたＮｏ．１は、１０００本中４本に絶縁不良が発生した。また、前記幅ｗを０．２ｍｍとし、前記溝１５両側面のなす角度ｄを３０°にしたＮｏ．２、幅ｗを０．５ｍｍとし、角度ｄを３０°にしたＮｏ．７にはそれぞれ１０００本中３本の不良が発生した。これに対して、前記溝部１５の幅ｗを０．２ｍｍ以上とし前記角度ｄを４０°以上としたＮｏ．３〜１１は、絶縁不良の発生は１本もなく良好な耐絶縁性能を示した。
【００６０】
セラミックシート３密着時にセラミック芯材２の周囲に周回密着させたセラミックシート３の端面が接するようになると、セラミックシート３にたるみが発生し、密着不良が発生するものがあった。溝部１５の幅ｗとして、０．２ｍｍ程度の隙間を形成することがセラミックヒータ１の耐電圧性を向上させるために好ましいことが判った。また、セラミックシート２の端面を加工することにより、セラミックシート３の密着面に形成される溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°以上に大きくすることにより、セラミックシート３の端部への剥離応力を低減し、セラミックヒータ１の耐電圧を向上させることができた。
【００６１】
不良の発生数はさほど多くはないが、この程度の発生件数でも、自動車部品としては問題となる。上記の改善により、セラミックヒータ１の耐久性とその信頼性を改善できる事がわかった。
【００６２】
なお、表には記載しないが、セラミックシート３のＳ−Ｓカーブの傾きが１０Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄを４０°で溝幅ｗが１．０ｍｍとなるようなセラミックヒータ１を作製したものについて上述と同様の実験をおこなうと１００本中、１８本の不良が発生した。しかし、Ｓ−Ｓカーブの傾きが０．５Ｎ／ｃｍとなるものを用い、溝部１５の両端面のなす角度ｄ、溝幅ｗを同様にしたセラミックヒータ１を作製しても不良の発生は無かった。これは溝部の形状に関係なくＳ−Ｓカーブの傾きによって密着性が変わることが理解できる。
【００６３】
実施例 ２
ここでは、セラミックヒータ１のセラミックシート３密着部に形成される溝部１５の端面のなす角度ｄと密着性の関係を調査した。セラミックシート３の端面を斜めに加工して角度を形成し、セラミックシート３をセラミック芯材２の周囲に密着した際の溝部１５の端面のなす角度ｄを４０〜６０°とし、密着液の塗布量を調整して、密着面からの密着液の食み出しｈを調整した。なお、密着については、一旦セラミック芯材２の表面にセラミックシート３を密着させた後、さらに３本のロールを同一方向に回転させるロールの間にセラミックシート３を密着したセラミック体６を装着して回転させることにより密着した。この時、上から抑えるロールの半径をセラミックヒータ１の外径の３倍程度と小さくし、さらに弾性のある材質とすることにより、セラミックシート３への加圧を均等にするようにした。また、セラミック芯材２の外径は４ｍｍとし、溝部１５の幅ｗは１．０ｍｍとした。
【００６４】
評価方法としては、焼成後、まず実施例１と同様な方法で耐電圧を確認し、その後、セラミックヒータ１を輪切り状に切断し、その溝部１５を観察してセラミックシート３端部の密着状況を各条件５０本づつ確認した。
【００６５】
結果を表２に示した。
【００６６】
【表２】
表２から判るように、密着液のはみ出しｈがないＮｏ．１は、耐電圧に異常はなかったが、溝部１にあるセラミック芯材２とセラミックシートの密着面の端部に、小さな剥離がみられるものがあった。これに対し前記はみ出しｈを０．１〜０．３ｍｍとしたＮｏ．２〜４については、密着面の端部に隙間が発生するものはなく、密着性が良好であることを確認できた。従来は、前記はみ出し量を管理していなかったが、前記はみ出し量を管理することにより、セラミクヒータ１の耐久性とその信頼性を向上できる事がわかった。
【００６８】
実施例 ３
ここでは、セラミックヒータ１の耐電圧特性と耐久性の関係について調査した。セラミックシート２に実施例１と同様にして発熱抵抗体４および電極引出部５、スルーホール、電極パッド８を形成し、前記溝部１５のなす角度ｄが３０°以内となるように調整してセラミック芯材２の周囲に密着したセラミック体６を１６００℃で焼成し、５００本の試料を準備した。この試料を、まず、実施例１と同様にして１０００Ｖで１０秒間の耐電圧を確認したのち、セラミックヒータ１の最高発熱部の温度が１１００℃となるような電圧をＯＮ−ＯＦＦして、２分間通電−２分間強制冷却のサイクル試験を５０００サイクル掛けて、テスト後のセラミックヒータ１の抵抗変化率が初期抵抗の１０％を越えたものの耐電圧をさらに測定した。評価は、５００Ｖで１０秒間耐電圧を評価し、ＯＫであれば２５０Ｖ置きに電圧を上げて１０秒間保持して絶縁破壊しないことを確認した。また、耐久テスト後の良品については、各ロット１０本づつ耐電圧を評価した。
【００６９】
また、同時に、実施例１のＮｏ．６のサンプルを比較用に同様に評価した。
【００７０】
結果を表３に示した。
【００７１】
【表３】
表３から判るように、まず、初期の試料は、両者とも１０００Ｖの耐電圧試験でＯＫであった。しかしながら、上記サイクル試験後は、本実施例で使用した従来仕様のセラミクヒータ１は、セラミックヒータ１の抵抗値が初期に較べて１０％以上増加するものが３本あった。これらのサンプルを、５００Ｖから２５０Ｖ置きに電圧を上げながら耐電圧試験を実施したところ、サイクル試験の抵抗変化が１０％と１３％であった試料は、１０００Ｖで絶縁破壊し、前記抵抗変化が１８％であった試料は５００Ｖで絶縁破壊した。
【００７３】
これに対して、実施例１で作製したＮｏ．６に示す本発明のセラミックヒータ１は、初期の耐電圧は、１０００ＶでＯＫであり、耐久試験後は３０００ＶまでＯＫであった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材の周回密着してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度を４０°以上とすることにより、セラミックシートをセラミック芯材に周回密着する際のセラミックシート端面の剥離やセラミックシートのたわみを防止し、耐久性良好なセラミックヒータを得ることができるようになった。
【００７５】
また、前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させることで、さらに密着性を向上させることが可能となる。
【００７６】
さらに、前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出しているために、セラミックシートの端面には、セラミック芯材からセラミックシートを剥離しようとする応力が集中するので、セラミックシート３端面に密着液がはみ出すようにすることにより端面の密着力を向上させ、セラミックシート端面の剥離を防止することが可能となる。
【００７７】
また、前記溝部の角部に面取りを備えたことによっても密着性を向上させることができる。
【００７８】
さらに、セラミックシートの密着して作製したセラミックヒータにおいて、その密着の信頼性を判断する手法として、電解質溶液中にセラミックヒータの発熱抵抗体形成部を浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加してセラミックヒータの電気絶縁性を試験することにより、非破壊の外観検査で確実に密着不良を識別することが可能となった。
【００７９】
これらの改善により、セラミックヒータの電気絶縁性を向上させ、耐久性良好なセラミクヒータを提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの斜視図であり、（ｂ）はその展開斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒータの断面図であり、（ｂ）はその溝部の拡大図である。
【図３】本発明の電気絶縁性を確認する試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック芯材
３：セラミックシート
４：発熱抵抗体
５：電極引出部
７：リード部材
８：電極パッド
１２：電解質溶液
１３：電源
１４：電極
１５：溝部
１６：食み出し
１７：面取り
ｄ：角度
Claims (6)
- 発熱抵抗体を一方の主面に形成してなるセラミックシートを、前記発熱抵抗体が内側になるようにセラミック芯材に周回密着して一体的に焼成してなるセラミックヒータにおいて、前記セラミックシートの両端部の間に、幅が０．２〜２．０ｍｍの溝部を形成するとともに、前記溝部の両側面のなす角度が４０°以上であることを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記セラミックシートとセラミック芯材との間に、セラミックス粉末を分散させた密着液を塗布して密着させたことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
- 前記密着液が、前記溝部に０．１〜１．０ｍｍの幅ではみ出していることを特徴とする請求項２記載のセラミックヒータ。
- 前記溝部の角部に面取りを備えたことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
- 発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、上記電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬した時に、該電解質溶液中に形成した電極と前記セラミックヒータの電極パッド間の耐電圧が１０００Ｖ以上であることを特徴とするセラミックヒータ。
- 発熱抵抗体およびこれに接続される電極引出部をセラミック体中に内蔵し、該セラミック体の表面に前記電極引出部と接続された電極パッドを有するセラミックヒータにおいて、セラミックヒータの電極パッド以外のセラミック体を電解質溶液中に浸漬し、該電解質溶液中に形成した電極と、セラミックヒータの電極パッド間に１００〜３５００Ｖの電圧を印加して電気絶縁性を確認することを特徴とするセラミックヒータの試験方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2006228713A (ja) * | 2005-01-20 | 2006-08-31 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミックヒータ、熱交換ユニット、温水洗浄便座、及びセラミックヒータの製造方法 |
| JPWO2006001373A1 (ja) * | 2004-06-25 | 2008-04-17 | 京セラ株式会社 | セラミックヒータとその製造方法及び加熱装置並びにヘアアイロン |
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-
2002
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| CN108886840B (zh) * | 2016-03-30 | 2021-05-07 | 日本特殊陶业株式会社 | 陶瓷加热器 |
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