JPH04329289A - Ceramic heater - Google Patents

Ceramic heater

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JPH04329289A
JPH04329289A JP3100151A JP10015191A JPH04329289A JP H04329289 A JPH04329289 A JP H04329289A JP 3100151 A JP3100151 A JP 3100151A JP 10015191 A JP10015191 A JP 10015191A JP H04329289 A JPH04329289 A JP H04329289A
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ceramic heater
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圭三 古崎
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伸夫 川合
Yoshitake Kawachi
川地 良毅
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Abstract

PURPOSE:To obtain a ceramic heater which has a long life even under high temperature circumstances without the need for another means such as a detecting means. CONSTITUTION:A heating pattern 7 is arranged on a cylindrical boundary 5 which is formed by the first ceramic layer 3 to cover a cylindrical ceramics base material 2 and the second ceramic layer 4 laminated on the surface of the first ceramic layer 3. In addition, at the center of the heating section 8 of the heating pattern 7, a low heating section 10 is formed which has a lower linear resistance value than that of the heating section 8.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、センサ等に取り付けら
れるセラミックスヒータに関し、詳しくは、例えば内燃
機関の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサの加熱
用セラミックスヒータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic heater attached to a sensor or the like, and more particularly to a ceramic heater for heating an oxygen sensor that detects the oxygen concentration in exhaust gas of an internal combustion engine, for example.

【0002】0002

【従来の技術】従来、例えば酸素センサは、内燃機関の
排気管に装着されて排ガス中の酸素濃度を検出するため
に使用されており、特に低温時に酸素センサを良好に機
能させるために、センサの素子部を加熱するセラミック
スヒータが用いられている。
[Prior Art] Conventionally, oxygen sensors, for example, have been installed in the exhaust pipe of internal combustion engines and used to detect the oxygen concentration in exhaust gas. A ceramic heater is used to heat the element part of the device.

【0003】このセラミックスヒータとしては、センサ
の形状に合わせて例えば板状や円筒形のヒータが使用さ
れている。このうち、円筒形のセラミックスヒータは、
例えばアルミナ(Al2O3)からなる円筒形のセラミ
ックス基材の表面に、発熱パターンが形成されたグリー
ンシートを積層し、一体焼成して形成されている。
[0003] As the ceramic heater, for example, a plate-shaped or cylindrical heater is used depending on the shape of the sensor. Among these, cylindrical ceramic heaters are
For example, it is formed by laminating a green sheet on which a heat generating pattern is formed on the surface of a cylindrical ceramic base material made of alumina (Al2O3) and firing the same.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の様なセ
ラミックスヒータを、高温に長期間晒される酸素センサ
の加熱用として使用した場合には、下記の問題が発生す
ることがあった。
However, when such a ceramic heater as described above is used to heat an oxygen sensor that is exposed to high temperatures for a long period of time, the following problems may occur.

【0005】つまり、酸素センサが高温に長期間晒され
ると、使用しているうちに発熱パターンが劣化してその
抵抗が増大することがあり、それによって、発熱パター
ンが断線したり、或は保護層にクラックが発生すること
があった。更に、最悪の場合には保護層が崩壊してしま
い、それによって、ヒータ寿命が低下することがあった
。この場合、外観的には陰極に近い発熱パターン付近が
黒ずみ、いわゆる黒色化現象を生じている。
[0005] In other words, if an oxygen sensor is exposed to high temperatures for a long period of time, the heating pattern may deteriorate and its resistance may increase during use, which may cause the heating pattern to break or the protection to be Cracks could occur in the layer. Furthermore, in the worst case, the protective layer may collapse, thereby reducing the lifespan of the heater. In this case, the area around the heating pattern near the cathode appears to be darkened, resulting in a so-called blackening phenomenon.

【0006】このため、ヒータの使用条件を検知し、必
要な時だけ通電することによって、ヒータの耐久寿命を
維持することが行なわれているが、その場合には、検知
手段や通電制御手段が別途必要となって装置が複雑化す
るという問題があり、また、検知手段等の故障によって
、新たな寿命低下の原因を生じることがあるので、根本
的な解決策とはなり得ないという問題があった。
[0006] For this reason, the durable life of the heater is maintained by detecting the operating conditions of the heater and energizing it only when necessary. There is the problem that a separate device is required, which complicates the device.Furthermore, failure of the detection means, etc. may cause a new cause of reduced lifespan, so this problem cannot be a fundamental solution. there were.

【0007】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れ、検知手段等の別途の手段を必要とすることなく、高
温の環境においてもヒータの寿命が長いセラミックスヒ
ータを提供することを目的とする。
The present invention was made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a ceramic heater that does not require additional means such as a detection means and has a long heater life even in a high-temperature environment. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明は、第1セラミックス層と、該第1セラミック
ス層の表面に積層された第2セラミックス層と、前記第
1及び第2セラミックス層の境界面に配置された発熱部
及び導通部からなる発熱パターンと、を備えたセラミッ
クスヒータにおいて、前記発熱パターンの発熱部の一部
に、該発熱部の線抵抗値より低い線抵抗値を有する低発
熱部を設けたことを特徴とするセラミックスヒータを要
旨とする。
[Means for Solving the Problems] The present invention to achieve this object includes: a first ceramic layer; a second ceramic layer laminated on the surface of the first ceramic layer; In a ceramic heater comprising a heat generating pattern consisting of a heat generating part and a conductive part arranged at a boundary surface of layers, a part of the heat generating part of the heat generating pattern has a wire resistance value lower than a wire resistance value of the heat generating part. The gist of the present invention is a ceramic heater characterized by being provided with a low heat generation portion.

【0009】尚、本発明のセラミックスヒータに、前記
以外の構成として、例えばセンサ素子や絶縁層等が形成
されていてもよい。前記第1及び第2セラミックス層を
形成する材料としては、Al2O3が好適であるが、特
に熱伝導特性に優れた高温強度材料とするために、Al
2O3は平均結晶粒径10μm以下、相対理論密度94
%以上であることが好ましい。
[0009] The ceramic heater of the present invention may also be provided with a sensor element, an insulating layer, etc. as a structure other than the above. Al2O3 is suitable as the material for forming the first and second ceramic layers, but in order to make it a high-temperature strength material with particularly excellent thermal conductivity,
2O3 has an average grain size of 10 μm or less and a relative theoretical density of 94
% or more.

【0010】また、前記第1セラミックス層としては、
加熱すべきセンサ形状に応じて、筒状,棒状,板状等種
々の形状に形成されたセラミックス基材、或はそのセラ
ミックス基材の表面を覆う様にグリーンシートを焼成し
て形成されたものを採用することができる。また、第2
セラミックス層としては、グリーンシートを焼成して形
成されたものを採用することができる。
[0010] Furthermore, as the first ceramic layer,
Ceramic base materials formed into various shapes such as cylindrical, rod-shaped, plate-like, etc., depending on the shape of the sensor to be heated, or those formed by firing a green sheet to cover the surface of the ceramic base material. can be adopted. Also, the second
As the ceramic layer, one formed by firing a green sheet can be used.

【0011】前記セラミックス基材は、Al2O3以外
にも、ムライトやスピネル等のアルミナ類似のセラミッ
クスなど、高温高強度セラミックスを使用しても良い。 また、グリーンシートから形成されるセラミックス層は
、発熱パターンを高温環境下において保護し、しかもセ
ラミックス基材と発熱パターンの接合性を向上させるも
のであり、少なくとも発熱パターンを包含する様に位置
させると良い。
[0011] In addition to Al2O3, the ceramic base material may be a high-temperature, high-strength ceramic such as an alumina-like ceramic such as mullite or spinel. In addition, the ceramic layer formed from the green sheet protects the heating pattern in a high-temperature environment and improves the bonding property between the ceramic base material and the heating pattern. good.

【0012】発熱パターンの材料としては、主にタング
ステン(W)やモリブデン(Mo)を用い、更にこれら
の成分に、白金(Pt)やロジウム(Rh)等の高融点
金属成分を混合して用いるとよい。また、抵抗特性の向
上のために、PtやRhを単独に用いてもよい。尚、悪
影響を与えない限りにおいて、セラミックス層と同材よ
りなる酸化物等が若干存在していてもよい。
[0012] As the material for the heating pattern, tungsten (W) and molybdenum (Mo) are mainly used, and high melting point metal components such as platinum (Pt) and rhodium (Rh) are mixed with these components. Good. Furthermore, Pt or Rh may be used alone in order to improve resistance characteristics. Incidentally, a small amount of oxide or the like made of the same material as the ceramic layer may be present as long as it does not have an adverse effect.

【0013】前記発熱パターンは、高抵抗性を有する発
熱部と、発熱部に通電を行うためのリード部及び端子部
からなる導通部とから構成されている。特に発熱部には
、発熱部の線抵抗値より例えば1/5倍程度低い線抵抗
値の低発熱部が形成されている。例えば20℃で発熱部
の線抵抗値が0.1〜0.2Ω/mmの場合には、低発
熱部の線抵抗値は0.02〜0.04Ω/mmに設定さ
れている。この低発熱部の線抵抗値を減少させるために
、例えば低発熱部は発熱部より約5倍ほど幅が広くされ
ている。
[0013] The heat generating pattern is composed of a heat generating part having high resistance and a conductive part consisting of a lead part and a terminal part for supplying electricity to the heat generating part. In particular, the heat generating portion is formed with a low heat generating portion having a linear resistance value that is, for example, about 1/5 times lower than the wire resistance value of the heat generating portion. For example, when the wire resistance value of the heat generating portion is 0.1 to 0.2 Ω/mm at 20° C., the wire resistance value of the low heat generating portion is set to 0.02 to 0.04 Ω/mm. In order to reduce the linear resistance value of this low heat generation part, the width of the low heat generation part is made about five times wider than the heat generation part, for example.

【0014】前記セラミックスヒータの製造方法の概要
は、次の通りである。原料として、例えば主成分Al2
O3からなる粉末を湿式混合してなるものを用意する。 尚、稠密な高温高強度とするために、使用する原料粉末
としては、純度90%以上の高純度粉末を用い、その粒
径は2μm以下にすると良い。
The outline of the method for manufacturing the ceramic heater is as follows. As a raw material, for example, the main component Al2
A powder made of O3 is prepared by wet mixing. In order to obtain dense high-temperature and high-strength properties, it is preferable that the raw material powder used be a high-purity powder with a purity of 90% or more, and its particle size should be 2 μm or less.

【0015】但し、焼成促進成分であるSiO2,Mg
O,CaO,B2O3は、焼成過程において酸化物、ひ
いては所定の網目構造となりえるもの、例えば水酸化物
、塩(例えば炭酸塩等)として配合していもよい。
[0015] However, SiO2 and Mg, which are calcination accelerating components,
O, CaO, and B2O3 may be blended in the form of oxides, which can form a predetermined network structure during the firing process, such as hydroxides and salts (eg, carbonates).

【0016】配合粉末の成形は、加圧成形(例えば静水
圧成形やドクターブレード成形)、或は押出成形など種
々の方法で行うことができる。尚、この成形に当り、所
定の溶剤および結合剤等を適時配合することは勿論であ
る。
[0016] The blended powder can be molded by various methods such as pressure molding (eg, isostatic pressing or doctor blade molding) or extrusion molding. Incidentally, during this molding, it is of course necessary to appropriately mix a prescribed solvent, binder, etc.

【0017】発熱パターンの形成は、メッキ、気相析出
法(例えばスパッタリングや蒸着等)の種々の手段を採
用できる。特に、金属ペーストによって発熱パターンを
形成する場合には、成形されたグリーンシートに例えば
スクリーン印刷によって所定パターンを形成し、このパ
ターン印刷面側をグリーンシートで被覆し、その上に所
定パターンを形成した後、更にグリーンシートで被覆し
てセラミックス基材との接合に供するとよい。これは、
金属パターンを直接に基材に接合すると、相互密着性が
不十分となり、気孔発生に基づく発熱パターン成分の酸
化原因(断線原因)を発生するおそれがあるからである
The heating pattern can be formed by various methods such as plating and vapor deposition (eg, sputtering, vapor deposition, etc.). In particular, when forming a heat generating pattern using a metal paste, a predetermined pattern is formed on a molded green sheet by, for example, screen printing, the pattern printed side is covered with a green sheet, and a predetermined pattern is formed on it. After that, it may be further covered with a green sheet and used for bonding with a ceramic base material. this is,
This is because if the metal pattern is directly bonded to the base material, mutual adhesion will be insufficient, and there is a risk that oxidation of the heat-generating pattern components (cause of wire breakage) may occur due to generation of pores.

【0018】焼成は、セラミックス基材および各セラミ
ックス層の相互密着性を高めるために、同時焼成するこ
とが好ましい。焼成方法としては、型加圧(HP,HI
P)焼結,雰囲気加圧焼結,反応焼結など種々のものを
採用でき、その焼結温度は1450〜1600℃の範囲
から選択するとよい。雰囲気は不活性ガス(例えばAr
,N2),酸化性雰囲気(例えば大気中),還元雰囲気
(例えばH2ガス)のいずれであってもよい。
It is preferable that the firing be performed simultaneously in order to improve the mutual adhesion between the ceramic base material and each ceramic layer. The firing method is mold pressurization (HP, HI
P) Various methods such as sintering, atmosphere pressure sintering, and reaction sintering can be employed, and the sintering temperature is preferably selected from the range of 1450 to 1600°C. The atmosphere is an inert gas (e.g. Ar
, N2), an oxidizing atmosphere (for example, in the atmosphere), or a reducing atmosphere (for example, H2 gas).

【0019】こうして得られたセラミックスヒータは、
その発熱パターンの端子部をメタライズ処理し、電源か
らのリードをろう付けにて接続される。本発明のセラミ
ックスヒータは、特に高温下で長時間使用される内燃機
関の空燃比制御用の酸素センサを加熱するためのヒータ
ーとして好適である。この場合セラミックスヒータは、
試験管型固体電解質酸素センサ素子の内部に挿入しても
良いし、酸素センサ素子に付設しても良い。
The ceramic heater thus obtained has the following characteristics:
The terminals of the heating pattern are metallized, and the leads from the power source are connected by brazing. The ceramic heater of the present invention is particularly suitable as a heater for heating an oxygen sensor for air-fuel ratio control of an internal combustion engine that is used for a long time at high temperatures. In this case, the ceramic heater is
It may be inserted into the test tube type solid electrolyte oxygen sensor element, or may be attached to the oxygen sensor element.

【0020】[0020]

【作用】本発明者らは、高温下で使用されるときのセン
サ劣化要因を分析し、それに基づいて本発明を完成した
ものである。以下その分析及び考察等について詳細に説
明する。
[Operation] The present inventors have analyzed the factors that cause sensor deterioration when used under high temperatures, and have completed the present invention based on this analysis. The analysis and consideration will be explained in detail below.

【0021】ヒータの断線現象のメカニズムは、既に特
願昭63−48721号にて開示された如く、下記の通
りである。従来のヒータにおける断線後の外観状態につ
いてのEPMA(元素分析)の結果を、模式的に図5(
A)及びそのB−B断面図である図5(B)に示す。 その結果から、次の事実(イ),(ロ)が判明した。 (イ)  発熱パターンP1のうち、陰極側の発熱部P
2の周辺が局部的に白色(Al2O3の通常色)から黒
色に変化していること。 (ロ)  発熱パタ−ンP1のうち、陽極側の発熱部P
2の周辺が局部的にクラックを生じていること。
The mechanism of the heater disconnection phenomenon, as already disclosed in Japanese Patent Application No. 63-48721, is as follows. Figure 5 (
A) and its BB cross-sectional view is shown in FIG. 5(B). The results revealed the following facts (a) and (b). (b) Heat generating part P on the cathode side of the heat generating pattern P1
The area around No. 2 has locally changed from white (the normal color of Al2O3) to black. (b) Of the heating pattern P1, the heating part P on the anode side
Local cracks have occurred around No. 2.

【0022】又、ヒータを1000℃の大気雰囲気中に
おき、直流17Vで連続印加することにより通電し、発
熱部の抵抗値の変化を調べた結果から、次の事実(ハ)
が判明した。 (ハ)  一番陽極側に近い発熱部P2である第1パタ
ーン部位P3(図5(A))の抵抗が、図6に示す様に
、その他のパターン部位等に比して著しく増大している
こと。尚、この図6は、発熱パターンP1の全抵抗,第
1パターン部位P3の抵抗,その他のパターン部位の抵
抗の経時変化を示している。
[0022] In addition, the following fact (c) was found from the results of placing the heater in an air atmosphere at 1000°C, energizing it by continuously applying 17 V DC, and examining the change in resistance value of the heat generating part.
There was found. (c) As shown in FIG. 6, the resistance of the first pattern portion P3 (FIG. 5(A)), which is the heat generating portion P2 closest to the anode side, is significantly increased compared to other pattern portions, etc. To be there. Note that FIG. 6 shows changes over time in the total resistance of the heat generating pattern P1, the resistance of the first pattern portion P3, and the resistance of other pattern portions.

【0023】前記事実を解明するために行った理論的考
察は、次の通りである。 (イ)の考察 アルミナヒータを構成するアルミナ基材は主成分として
Al2O3と共に焼結促進成分として種々の金属酸化物
が含有されて焼結されているので、焼結体においてはA
l2O3粒界のガラス相としてこれらの金属酸化物が存
在する。
Theoretical considerations made to elucidate the above facts are as follows. Consideration of (a) Since the alumina base material constituting the alumina heater is sintered with Al2O3 as the main component and various metal oxides as sintering accelerator components, the sintered body contains A
These metal oxides exist as a glass phase at the l2O3 grain boundaries.

【0024】こうしたアルミナヒータを高温下にて直流
通電すると、ガラス相中に存在するマグネシウム(Mg
)やカルシウム(Ca)原子が陽イオンとなって陰極側
に移動する。一方、該成分の近傍に存在する酸素(O)
原子が電気的中性を維持するために、酸素イオンとなり
陽極側に移動する。そのため、Mg、Ca成分が単体又
は酸化物等として陰極側端子付近に堆積し、その部位の
黒色化をもたらす。即ち、直流電流の印加により、Al
2O3粒界のガラス相中のフラックス成分が電気分解を
受ける。
When such an alumina heater is subjected to direct current at high temperature, magnesium (Mg
) and calcium (Ca) atoms become cations and move toward the cathode. On the other hand, oxygen (O) present near the component
In order to maintain electrical neutrality, the atoms become oxygen ions and move toward the anode. Therefore, Mg and Ca components are deposited in the vicinity of the cathode terminal as a single substance or as an oxide, resulting in blackening of the area. That is, by applying a direct current, Al
Flux components in the glass phase at the 2O3 grain boundaries undergo electrolysis.

【0025】(ロ)の考察 また、陽極側に移動した酸素イオンにより、発熱パター
ンP1の材料、例えばタングステン(W)が酸化され、
その部位の抵抗値を増大させる。
Consideration of (b) Furthermore, the material of the heating pattern P1, such as tungsten (W), is oxidized by the oxygen ions that have moved to the anode side.
Increases the resistance value of that area.

【0026】(ハ)の考察 前記(ロ)の酸化反応によって、発熱パターンP1は体
積膨脹を起こし、発熱パターンP1に断線を生ずると共
に、保護層P4に応力が加わり、クラックを生ずる。 尚、酸化した発熱パターンP1材料は、その一部が拡散
により保護層P4、更には外界へ移動し、この意味でも
抵抗値を増大させる。
Consideration of (c) Due to the oxidation reaction of (b) above, the heating pattern P1 expands in volume, causing disconnection in the heating pattern P1, and stress is applied to the protective layer P4, causing cracks. Note that a part of the oxidized heat generating pattern P1 material moves to the protective layer P4 and further to the outside world due to diffusion, and in this sense also increases the resistance value.

【0027】従って、こうしたアルミナヒータが高温に
晒され続けると、保護層P4のクラックから侵入した外
気酸素により、爆発的に発熱パターンP1材料が酸化さ
れ、より一層の体積膨脹を起こし、保護層P4の剥離・
崩壊に至ると見なされる。
Therefore, if such an alumina heater continues to be exposed to high temperatures, the material of the heating pattern P1 will be explosively oxidized by the outside air oxygen that has entered through the cracks in the protective layer P4, causing further volume expansion, and the protective layer P4 will Peeling of
considered to lead to collapse.

【0028】つまり、発熱パターンP1の断線メカニズ
ムの根本原因は、Mg2+、Ca2+の低電位側への移
動(マイグレーション)およびO2−の高電位側への移
動と考えられる。
In other words, the root cause of the disconnection mechanism of the heating pattern P1 is thought to be migration of Mg2+ and Ca2+ to the lower potential side and migration of O2- to the higher potential side.

【0029】そこで、本発明者らは前記メカニズムによ
るヒータの断線を防止するために、発熱パターンの発熱
部の一部に低発熱部を形成した。それによって、Mg2
+,Ca2+の低電位側への移動による陰極側第1パタ
ーン部位へのMg2+,Ca2+の蓄積を防止でき、し
かもO2−の高電位側への移動による陽極側第1パター
ン部位での発熱パターン材料(W)の酸化を低減するこ
とが実現された。
[0029] Therefore, in order to prevent the heater from being disconnected due to the above mechanism, the inventors formed a low heat generation part in a part of the heat generation part of the heat generation pattern. Thereby, Mg2
A heat-generating pattern material that can prevent the accumulation of Mg2+, Ca2+ in the first pattern part on the cathode side due to the movement of +, Ca2+ to the low potential side, and also prevents the accumulation of Mg2+, Ca2+ in the first pattern part on the anode side due to the movement of O2- to the high potential side. It has been achieved to reduce the oxidation of (W).

【0030】つまり、本発明の低発熱部は、周囲の発熱
部より温度が低いので、Mg2+,Ca2+の移動が困
難になり、その結果、陽極側から発熱パターンに沿って
陰極側へ移動するMg2+,Ca2+の障壁として働く
と考えられる。即ち、発熱部の中に設けられた低発熱部
は、イオンの移動をその両側に分断する効果を発揮し、
従来発熱パターンで一極集中的に発生していた前記劣化
を分散させるので、ヒータの断線を大幅に低減すること
になる。
In other words, since the low heat generation part of the present invention has a lower temperature than the surrounding heat generation parts, it becomes difficult for Mg2+ and Ca2+ to move, and as a result, Mg2+ moves from the anode side to the cathode side along the heat generation pattern. , is considered to act as a barrier for Ca2+. In other words, the low heat generation part provided within the heat generation part has the effect of dividing the movement of ions into both sides,
Since the deterioration, which conventionally occurred in a concentrated manner in the heat generation pattern, is dispersed, the occurrence of heater disconnection can be significantly reduced.

【0031】[0031]

【実施例】以下、本発明のセラミックスヒータ及びその
製造方法の実施例について説明する。
[Embodiments] Hereinafter, embodiments of the ceramic heater of the present invention and its manufacturing method will be described.

【0032】図1に示す様に、本実施例のセラミックス
ヒータ1は、円筒状のセラミックス基材2の表面に、2
層のセラミックス層3,4が形成されており、該第1セ
ラミックス層3と第2セラミックス層4との間の境界面
5には、発熱パターン7が形成されている。
As shown in FIG. 1, the ceramic heater 1 of this embodiment has two layers on the surface of a cylindrical ceramic base material 2.
Ceramic layers 3 and 4 are formed, and a heat generating pattern 7 is formed at the interface 5 between the first ceramic layer 3 and the second ceramic layer 4.

【0033】この発熱パターン7は、分解斜視図の図2
に示す様に、セラミックスヒータ1の先端側で何度も蛇
行する幅の細い発熱部8と、発熱部8の中央部にコの字
状に形成された低発熱部(劣化防止パターン)10と、
セラミックスヒータ1の後端側に配置されて電源に接続
される陽極側端子9a及び陰極側端子9b(端子部9と
総称する)と、発熱部8及び端子部9を接続するリード
部11a,11bとから構成されている。
This heating pattern 7 is shown in FIG. 2 in an exploded perspective view.
As shown in the figure, there is a narrow heat generating part 8 that meanderes many times on the tip side of the ceramic heater 1, and a low heat generating part (deterioration prevention pattern) 10 formed in a U-shape in the center of the heat generating part 8. ,
An anode side terminal 9a and a cathode side terminal 9b (generally referred to as the terminal section 9) arranged on the rear end side of the ceramic heater 1 and connected to a power source, and lead sections 11a and 11b that connect the heat generating section 8 and the terminal section 9. It is composed of.

【0034】前記低発熱部10は、発熱部8の幅より約
5倍広く形成されており、線抵抗値は発熱部の約1/5
倍に設定されている。次に、前記構成のセラミックスヒ
ータ1の製造方法について、図2に基づいて説明する。 (a)原料粉末の混合 平均粒径1.5μm,純度99.9%のAl2O3粉末
と、焼結促進剤として平均粒径2μm,純度98%のS
iO2粉末と、平均粒径2μm,純度90%のMgO粉
末と、平均粒径2μm,純度93%のCaO粉末とを、
97.2:2.5:0.1:0.1の割合で配合し、ボ
ールミルで20〜60時間湿式混合した後、脱水乾燥す
る。 (b)基材の作成 前記(a)で製造した配合粉末に、メチルセルロース1
%,マクセロン(商品名)15%,水10%を添加し、
混練する。次に、押出成形法で円筒状に成形し、所定寸
法に切断後、1200℃で仮焼して基材2とする。 (c)第1,第2グリーンシート及び発熱パターンの作
成 前記(a)で製造した配合粉末に、ポリビニルブチラー
ル8%,DBP4%,メチルエチルケトン,トルエン7
0%を添加し、ボールミルで混合してスラリー状とする
。減圧脱泡後、ドクターブレード法により、第2セラミ
ックス層4となる厚さ0.2〜0.4mmの第2グリー
ンシート4aを作成する。
The low heat generation portion 10 is formed to be approximately five times wider than the width of the heat generation portion 8, and has a wire resistance value approximately 1/5 of the width of the heat generation portion.
It is set to double. Next, a method for manufacturing the ceramic heater 1 having the above configuration will be explained based on FIG. 2. (a) Mixture of raw material powder: Al2O3 powder with an average particle size of 1.5 μm and a purity of 99.9%, and S as a sintering accelerator with an average particle size of 2 μm and a purity of 98%.
iO2 powder, MgO powder with an average particle size of 2 μm and a purity of 90%, and CaO powder with an average particle size of 2 μm and a purity of 93%,
They are mixed in a ratio of 97.2:2.5:0.1:0.1, wet mixed in a ball mill for 20 to 60 hours, and then dehydrated and dried. (b) Creation of base material Add 1 methyl cellulose to the blended powder produced in (a) above.
%, Maxelon (trade name) 15%, water 10% were added,
Knead. Next, it is formed into a cylindrical shape by extrusion molding, cut to a predetermined size, and then calcined at 1200° C. to obtain the base material 2. (c) Creation of first and second green sheets and heating pattern The blended powder produced in (a) above contains 8% polyvinyl butyral, 4% DBP, methyl ethyl ketone, and 7% toluene.
Add 0% and mix in a ball mill to form a slurry. After degassing under reduced pressure, a second green sheet 4a having a thickness of 0.2 to 0.4 mm, which will become the second ceramic layer 4, is created by a doctor blade method.

【0035】次に、この第2グリーンシート4aの表面
に、予め調整されたWペーストを、厚膜印刷法により1
0〜30μmにスクリーン印刷して、発熱パターン7と
なる印刷パターン7aを形成する。
Next, a pre-adjusted W paste is applied to the surface of the second green sheet 4a by a thick film printing method.
Screen printing is performed to a thickness of 0 to 30 μm to form a printed pattern 7a that will become the heat generating pattern 7.

【0036】更に、この印刷表面に、第2グリーンシー
ト4aと同様の方法にて成形した、第1セラミックス層
3となる厚さ0.05〜0.10mmの第1グリーンシ
ート3aを圧着し、積層シートを形成する。 (d)基材,第1〜第2グリーンシート及び発熱パター
ンの一体化 前記(a)で製造した配合粉末に、ポリビニルブチラー
ル25%,DBP8%,ブチルカルビドール30%を添
加して、ペースト状物を製造し、このペースト状物を、
前記(c)で得られた積層シートの第1グリーンシート
3aの表面に塗布する。
Furthermore, a first green sheet 3a having a thickness of 0.05 to 0.10 mm, which will become the first ceramic layer 3, is press-bonded to the printed surface in the same manner as the second green sheet 4a. Form a laminated sheet. (d) Integration of base material, first to second green sheets, and heat generating pattern 25% polyvinyl butyral, 8% DBP, and 30% butyl carbidol were added to the blended powder produced in (a) above to form a paste. Manufacture a product and make this paste-like product,
It is applied to the surface of the first green sheet 3a of the laminated sheet obtained in (c) above.

【0037】次に、この塗布面を基材2との接合に供す
る様にして、基材2の周囲に積層シートを巻き付け、加
圧密着させる。次に、250℃で樹脂抜きした後、水素
炉雰囲気中1500〜1600℃で焼成して、一体化さ
れたセラミックスヒータ1を形成する。その後、このセ
ラミックスヒータ1は、その端子部10,11の先端が
Niメッキされ、ろう材を用いてリード線引出用端子(
図示せず)と接合される。
Next, the laminated sheet is wrapped around the base material 2 so that this coated surface is used for bonding with the base material 2, and the laminated sheet is pressed into close contact with the base material 2. Next, after removing the resin at 250°C, it is fired at 1500 to 1600°C in a hydrogen furnace atmosphere to form the integrated ceramic heater 1. Thereafter, the tips of the terminal parts 10 and 11 of the ceramic heater 1 are plated with Ni, and the terminals for drawing out the lead wires (
(not shown).

【0038】次に、この様にして製造されたセラミック
スヒータ1の効果を確認するために行った実験例につい
て説明する。 (実験例1)本実施例のセラミックスヒータ1を用いて
、高温耐久試験を行った。
Next, an example of an experiment conducted to confirm the effect of the ceramic heater 1 manufactured in this manner will be described. (Experimental Example 1) A high temperature durability test was conducted using the ceramic heater 1 of this example.

【0039】実験は、1000℃の加熱雰囲気下で、3
Ωの抵抗値を有する発熱パターン7に直流17Vの通電
を行ない、その抵抗値の経時変化を測定した。また、比
較例として、従来の低発熱部のない発熱パターンを形成
したヒータ(図4(B))についても、同様に高温耐久
試験を行った。その結果を図3に示すが、縦軸は抵抗変
化率(%)であり、横軸は耐久時間(Hr)を示してい
る。尚、実験では、本実施例及び比較例として、各々5
個の試料について実験を行なった。
[0039] The experiment was carried out in a heating atmosphere of 1000°C for 3
A direct current of 17 V was applied to the heat generating pattern 7 having a resistance value of Ω, and the change in resistance value over time was measured. Furthermore, as a comparative example, a high-temperature durability test was similarly conducted on a heater (FIG. 4(B)) in which a conventional heat-generating pattern without a low heat-generating portion was formed. The results are shown in FIG. 3, where the vertical axis shows the resistance change rate (%) and the horizontal axis shows the durability time (Hr). In addition, in the experiment, 5
Experiments were conducted on several samples.

【0040】図3から明らかな様に、本実施例のセラミ
ックスヒータ1は、比較例のものに比べて、抵抗値の経
時変化が著しく少なく優れた高温耐久性能を有している
。それに対して、比較例のものは100時間未満で断線
し、高温耐久性に劣るものであり、不適なものである。
As is clear from FIG. 3, the ceramic heater 1 of this example exhibits significantly less change in resistance value over time and has excellent high-temperature durability performance than that of the comparative example. On the other hand, the comparative example broke in less than 100 hours and had poor high-temperature durability, making it unsuitable.

【0041】(実験例2)次に、本実施例のセラミック
スセンサ1(図4(A))及び前記比較例のセラミック
スセンサ(図4(B))の200時間耐久後の状態を調
べた。つまり、センサの発熱部におけるMgやCaの蓄
積状況やWの酸化状態等を調べた。尚、他の条件は前記
実験例1と同様とした。
(Experimental Example 2) Next, the state of the ceramic sensor 1 of this example (FIG. 4(A)) and the ceramic sensor of the comparative example (FIG. 4(B)) after 200 hours of durability was investigated. That is, the accumulation status of Mg and Ca, the oxidation status of W, etc. in the heat generating part of the sensor were investigated. Note that other conditions were the same as in Experimental Example 1 above.

【0042】その結果、図4に示す様に、本実施例のセ
ラミックスセンサ1では、図の左側の発熱部8xの陰極
側と右側の発熱部8yの低発熱部10側に、軽微なMg
とCaの蓄積が見られただけであったが、比較例のセラ
ミックスセンサでは、発熱部の陰極側に多量のMg,C
aの蓄積があり、しかも発熱部の陽極側にはWの酸化が
見られるとともにその周囲に崩壊現象が見られた。
As a result, as shown in FIG. 4, in the ceramic sensor 1 of this embodiment, a slight amount of Mg is present on the cathode side of the heat generating section 8x on the left side of the figure and on the low heat generating section 10 side of the right side heat generating section 8y.
However, in the ceramic sensor of the comparative example, a large amount of Mg and Ca was observed on the cathode side of the heat generating part.
There was an accumulation of a, and oxidation of W was observed on the anode side of the heat generating part, and a collapse phenomenon was observed around it.

【0043】この様に、本実施例のセラミックスヒータ
1は、発熱部8の中央部に線抵抗値の小さな低発熱部1
0を設けてあるので、この低発熱部10によって、Mg
2+,Ca2+の低電位側への移動やO2−の高電位側
への移動が阻止される。その結果、発熱パターン7の劣
化による抵抗値の増加が防止できるので、セラミックス
ヒータ1の寿命を向上することができる。
As described above, the ceramic heater 1 of this embodiment has a low heat generation section 1 with a small wire resistance value in the center of the heat generation section 8.
0, this low heat generation section 10 allows Mg
The movement of 2+ and Ca2+ to the low potential side and the movement of O2- to the high potential side are prevented. As a result, an increase in the resistance value due to deterioration of the heat generating pattern 7 can be prevented, so that the life of the ceramic heater 1 can be improved.

【0044】従って、このセラミックスヒータ1を、例
えば高温に長期間晒される空燃比制御用の酸素センサに
適用した場合には、発熱パターン7が劣化しにくく、そ
の抵抗の増大を防ぐことができるので、発熱パターン7
が断線したり、或は保護層にクラックが発生することを
防止できる。その結果、酸素センサを高温で使用した場
合でも、長い期間に亘ってセラミックスヒータ1を好適
に使用できるという顕著な効果を奏する。
Therefore, when this ceramic heater 1 is applied to, for example, an oxygen sensor for air-fuel ratio control that is exposed to high temperatures for a long period of time, the heating pattern 7 is unlikely to deteriorate and its resistance can be prevented from increasing. , fever pattern 7
This can prevent wire breakage or cracks in the protective layer. As a result, even when the oxygen sensor is used at high temperatures, the ceramic heater 1 can be suitably used for a long period of time, which is a remarkable effect.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上の如く本発明のセラミックスヒータ
は、発熱部の一部に低発熱部を設けてあるので、Mg2
+,Ca2+,O2−の移動を阻止して、発熱パターン
の劣化を防ぐことができるものである。特に本発明のも
のは、高温下に晒される条件下においても抵抗値の変化
が少なく、安定な加熱特性を長時間維持でき、耐久性に
優れている。しかも検知手段等がいらずその構造が簡単
であり、製造も容易である。従って、各種のセンサの加
熱用ヒータとして好適に適用でき、極めて有用なもので
ある。
Effects of the Invention As described above, the ceramic heater of the present invention has a low heat generation section in a part of the heat generation section, so that Mg2
+, Ca2+, and O2- can be prevented from moving, thereby preventing deterioration of the heat generation pattern. In particular, the material of the present invention shows little change in resistance value even under conditions of exposure to high temperatures, can maintain stable heating characteristics for a long period of time, and has excellent durability. Moreover, the structure is simple and manufacturing is easy, since there is no need for detecting means or the like. Therefore, it can be suitably applied as a heater for various types of sensors, and is extremely useful.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の実施例のセラミックスヒータを一部破
断して示す斜視図である。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a ceramic heater according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例のセラミックスヒータを分解して示す斜
視図である。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the ceramic heater of the example.

【図3】実施例及び比較例のセラミックスヒータの耐久
試験の結果を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the results of durability tests of ceramic heaters of Examples and Comparative Examples.

【図4】実施例及び比較例のセラミックスヒータの耐久
後の状態を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the state of the ceramic heaters of Examples and Comparative Examples after durability.

【図5】従来のセラミックスヒータの問題点を示す説明
図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing problems with conventional ceramic heaters.

【図6】従来のセラミックスヒータの抵抗値の変化を示
すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a change in resistance value of a conventional ceramic heater.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…セラミックスヒータ              
2…セラミックス基材 3,4…セラミックス層              
5…境界面7…発熱パターン            
        8…発熱部10…低発熱部(劣化防止
パターン)
1... Ceramic heater
2... Ceramic base material 3, 4... Ceramic layer
5... Boundary surface 7... Heat generation pattern
8... Heat generating part 10... Low heat generating part (deterioration prevention pattern)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  第1セラミックス層と、該第1セラミ
ックス層の表面に積層された第2セラミックス層と、前
記第1及び第2セラミックス層の境界面に配置された発
熱部及び導通部からなる発熱パターンと、を備えたセラ
ミックスヒータにおいて、前記発熱パターンの発熱部の
一部に、該発熱部の線抵抗値より低い線抵抗値を有する
低発熱部を設けたことを特徴とするセラミックスヒータ
1. Consisting of a first ceramic layer, a second ceramic layer laminated on the surface of the first ceramic layer, and a heat generating part and a conductive part arranged at the interface between the first and second ceramic layers. 1. A ceramic heater comprising a heat generating pattern, characterized in that a part of the heat generating part of the heat generating pattern is provided with a low heat generating part having a wire resistance value lower than a wire resistance value of the heat generating part.
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