JPH10335050A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発熱抵抗体の断線という事態を防止する。 【解決手段】発熱抵抗体１４の電位差が最も大きい部位
間（最高電位部位１８と最低電位部位１９との間）に、
導電性材料からなる電気力線遮断体１５を介在してなる
セラミックヒータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックヒー
タ、特に直流電源を備えた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、直流電源を使用し、高温で使
用されるようなセラミックヒータを用いた装置として、
自動車の排ガス検知システム部品で使用される酸素セン
サー加熱用ヒータや、ディーゼルエンジンにて点火用と
して使用されるセラミックグロープラグなどが代表的な
ものとして知られている。

【０００３】このうち酸素センサー用加熱ヒータは、セ
ラミックのグリーンシートに高融点金属を主成分とした
発熱抵抗体をスクリーン印刷して後、成形し、該発熱抵
抗体よりも抵抗値の小さな導通リード部を同じく印刷に
よって重ねる。そのようにして製作したヒータ付グリー
ンシートをセラミックロッドに巻き付ける事により丸棒
型にしたものや、シートを積層し板状にしたものを一体
燒結したものが知られている。（特開昭６２−２１３０
８４号、特開平８−１４８２６０号参照）また、ディー
ゼルエンジンの点火用グロープラグとして、窒化珪素な
どの粉末セラミックを、プレス成形法により成形し、ス
クリーン印刷によりその成形体上に高融点金属を成形し
たものや、高融点金属のワイヤーをコイル状にし、プレ
ス成形時に粉末中に埋設する様な方法で得たセラミック
基体をホットプレス法などにより一体燒結させ、必要に
応じＨＩＰ処理を施すなどして得ることが出来るものが
知られていた。（特開昭６２−５９８５８号，特平開４
−４７１７号参照）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
なセラミックヒータに例えば窒化珪素等を用いる場合、
７００℃を超えるような高温状態で長期間使用すると、
セラミック磁器中の積層界面などの他の部位に比べ接合
強度が比較的弱い部分から、マイクロクラックを生じ、
そのマイクロクラックマイが磁器表面に到達するまで成
長してしまうことがある。この結果、発熱抵抗体部に酸
素がクラックを伝い内部に進入し、発熱抵抗体が酸化し
てしまう。酸化された発熱抵抗体は不安定化し、発熱に
おける熱膨張やマトリックス成分移動時の接触状態変化
等で局所的な抵抗変化を生じ、高温で繰り返し使用され
ることにより酸化部分の抵抗が局所的に増加し、これに
より発熱抵抗体自体が脆化する等の原因により断線して
しまうというような問題点があった。

【０００５】このような従来のセラミックヒータの問題
を検討するに、上記のような高温下での、いわゆるセラ
ミックマイグレーションと呼ばれる現象が、上記問題点
に関与していることが判った。

【０００６】セラミックマイグレーションとは、発熱抵
抗体や周辺磁器部分からマトリックス成分がイオン化し
移動することであり、このセラミックマイグレーション
が進行すると、発熱抵抗体のうち通電時に最も高電位と
なる部位のマトリックス成分が移動しポーラス状態とな
ることが判った。そして、高温で長時間ヒータを使用す
ると、上記最高電位部位の近傍で、上述の如く、積層界
面などの他の部位に比べ接合強度が比較的弱い部分か
ら、マイクロクラックを生じ、さらに該クラックの先端
がポーラス状の部位を伝わって表面まで進行するという
事態になってしまう。

【０００７】なお、ポーラスのアルミナをセラミックヒ
ータに用いる場合、もとからポーラスであるためにクラ
ックは発生しないが、発熱体抵抗周辺のマトリックスの
移動によりこの部位が不安定化し、発熱抵抗体が断線す
ることがあった。

【０００８】以上のように、セラミックマイグレーショ
ンにより発熱抵抗体が断線することが判っていたが、本
発明者は、更に検討を進め、前記セラミックヒータにお
けるセラミックマイグレーションが通電印加時に発生す
る電気力線に沿って発生するものであるとの知見に至っ
た。

【０００９】図６は、前述の如くセラミックのグリーン
シートに発熱抵抗体をスクリーン印刷して後、ヒータ付
グリーンシートをセラミックロッドに巻き付けて丸棒型
にしたセラミックヒータの例について、有限要素法によ
るモデル解析の結果を略図で示したもので、同図に示す
如く、発熱抵抗体において電位差が最も大きい部位間、
すなわち、通電時に最も高い電位となる発熱抵抗体の入
口部位３０´（陽極側）から最も低い電位となる発熱抵
抗体の出口部位３１´（陰極側）に向けて矢印でしめす
電気力線が向かっている。なお、上記矢印の向きは電気
力線の向きであり、その長さはその強さを表している。

【００１０】したがって、本発明は上記のような問題点
を解決するため、セラミックヒータにおける通電時の電
気力線の流れを抑制することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決する為の手段】このような課題を解決する
ため、本発明は、該発熱抵抗体の最高電位部位と最低電
位部位との間に、導電性材料からなる電気力線遮断体を
介在してなるセラミックヒータを提供せんとするもので
ある。

【００１２】

【作用】上記の如き、本発明のセラミックヒータは、前
記導電性材料からなる電気力線遮断体が、通電時にも電
荷をもたないことにより、中立媒体の役目をし、電気力
線を吸収、遮断する。これに伴い、イオン化したマトリ
ックス成分の移動を阻止するので、発熱抵抗体の断線と
いう事態を防止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
り説明する。図１に本実施形態のセラミックヒータ１０
の外観を示し、このセラミクヒータ１０は丸棒状のセラ
ミック体１２をなし、外部の直流電源１３と電気的に接
続されるようになったものである。

【００１４】上記セラミックヒータ１０は、高温時にお
いても電気絶縁性、熱伝導性に優れたアルミナ、ベリリ
ア等の粉末を原料とするセラミック生シート上に所要の
発熱量とする抵抗値が設定できるような櫛歯状、渦巻状
等の任意の形状で、所定の幅、厚み、長さに、タングス
テン、モリブデン−マンガン等のペーストを用い、スク
リーンプリントなどの厚膜手法によって発熱抵抗体とな
る抵抗体パターンを印刷し、さらに、このセラミック生
シートの上に生シートを重ね、導電性材料のペーストを
スクリーンプリントなどの厚膜手法によってセラミック
生シートにプリントし、後述する電気線遮断体となるも
のを形成した後、これらプリント済の生シートをセラミ
ックロッドに巻き付けて丸棒型にし、焼成雰囲気中で焼
結一体化したセラミックヒータである。

【００１５】図２に図１のＸ−Ｘ線断面図、すなわち、
上記セラミックヒータ１０の発熱抵抗体１４が設けられ
た領域Ａの後端部分の断面図をし、同図に示すようにセ
ラミックヒータ１０は発熱抵抗体１４の内側に、導電性
材料からなり且つ同心の円弧状に形成された電気力線遮
断体１５を備えたものとなっている。また、電気力線遮
断体１５の設置位置は、発熱抵抗体１４において電位差
が最も大きい部位間、すなわち、陽極側入口の電位の最
も高い部分１８と、発熱抵抗体１４の陰極側出口の電位
の最も低い部分１９との間を遮蔽するような箇所とす
る。

【００１６】上記電気力線遮断体１５は導電性材料から
なり、外部の電源では隔絶しているので電気的に中立で
あり、直流電源１３（図１参照）から電圧が発熱抵抗体
１４に印加された際に電気力線遮断体１５は電荷をもた
ないことにより、中立媒体の役目をし、電気力線を吸
収、遮断する。これに伴い、イオン化したマトリックス
成分の移動を抑制するので、マイクロクラックが発生し
にくく、したがって、発熱抵抗体の断線という事態を防
止することができる。

【００１７】なお、電気力線遮断体１５は、発熱抵抗体
の内側に円周状（又は円筒状）に切れ目なく設置するこ
とが望ましいが、セラミックヒータ１０の製造工程にお
いて前記セラミックロッドとグリーンシートの密着性が
阻害される恐れがあるので、例えば、発熱抵抗体１４と
電気力線遮断体１５間の距離を０．２〜０．３ｍｍとす
るならば、発熱抵抗体１４の幅２０の少なくとも５倍の
幅で設置すれば、円周状に切れ目なく設置した場合にお
ける、マトリックス成分移動抑制効果に類する効果を得
ることができる。また、この電気力線遮断体１５を構成
する導電性材質としては、焼成で一体焼結できるＷ・ Ｍ
ｏ・ Ｒｅ・ Ｔｉ等の高融点金属もしくは該金属の各種化
合物の少なくとも一種類を主成分としたものとすること
が望ましい。

【００１８】図３に上記セラミックヒータ１０の使用例
としての、酸素センサーを示し、同図の如く、酸素セン
サー１は車両の排気管２に固定されるもので、排気管２
への固定部３と、固定部３により指示されたセンサ部４
とから主に構成されるものである。センサー部４は、ジ
ルコニア酸素センサー９とエンジン始動時にセンサー内
のジルコニア素子を加熱してセンサー９が良好に感知で
きるように配置された上記セラミックヒータ１０を備
え、ジルコニア酸素センサー９の一端にセンサ９で生じ
た起電力を取り出す為のリード線１１の一端が連結され
るとともに、セラミックヒータ１０への直流電源供給
は、センサーカバー７の後部から配線された陽極６と、
エンジンボデーより接続された陰極５により与えられて
いる。

【００１９】次ぎに、窒化珪素などの粉末セラミックを
プレス成形により成形し、最終的にセラミックヒータを
得ることを特徴とした本発明の他実施形態を図４および
図５に示す。

【００２０】プレス成形により得たセラミック成形体２
１に図４（ａ）のように、発熱抵抗体２２をＵ字状とな
し、さらにリード取り出し部として高融点金属ワイヤー
２３の一方端部を発熱抵抗体２２の端部に重ねるととも
に他方端部を電極取り出し部２４に重ねるように、高融
点金属の化合物を主成分としたものによりスクリーン印
刷を施したものに、同じくプレス成形法にて成形された
同図（ｂ）の如きセラミック成形体２７を組み合わせ
る。すなわち、上記スクリーン印刷を施したセラミック
成形体２１の発熱抵抗体２２の間には、電気力線遮断体
２５の取り付け用の溝２６が空いており、他方のセラミ
ック成形体２７から突出するように埋設されたを電気力
線遮断体２５を上記溝２６内に嵌合するようにする。

【００２１】このようにして組み合わせ一体焼結させた
ものが同図（ｃ）に示すセラミックヒータ基体２８とし
て得られる。このセラミックヒータ基体２８であり、こ
のセラミックヒータ基体を切削工具により外径切削加工
を行い、最終的に丸棒状のセラミックヒータを得る。

【００２２】このセラミックヒータも前記図３に示す酸
素センサー１に組み込くことができる。

【００２３】また、発熱抵抗体２２と電気力線遮断体２
５の絶縁距離は少なくとも０．２ｍｍ以上とすることが
望ましい。これは、窒化珪素などの材料の場合、組成上
Ｍｏ３Ｓｉ４などの導電性金属物質が成分として含まれ
ており、これが高温時に絶縁抵抗を低下させるためであ
る。

【００２４】また、電気力線遮断体２５の材質は、高融
点金属であるＷ・Ｍｏ・Ｒｅ・Ｔｉ等の金属もしくは前
記金属の各種化合物の少なくとも一種類を主成分とした
ものが望ましく、形状は金属粉末のプレス等により得ら
れるタブレット状か、圧延等で得た一般金属板であると
良い。この時のタブレット厚みもしくは板厚は、０．．
〜０．６ｍｍとすることが製造上問題が少ない。板厚
０．２ｍｍ以下であるとプレス成型時の圧力で変形が発
生しやすく、板厚０．６ｍｍ以上だと外表面までの距離
が０．５ｍｍほどと少量しか設定できない場合、クラッ
クが発生しやすいためである。

【００２５】以上、上記実施形態では丸棒状のセラミッ
クヒータを説明したが、外径切削を行わず平板状とした
ものでも良い。また、抵抗値の調整のため、ヒーター機
能が取り付けられたセラミック成形体を複数層積層し、
電極取り出し部２４の表面露出部などでメタライズ法な
どで並列に接続したものでも良い。

【００２６】

【実施例】前記図１及び図２に示すセラミックヒータ１
０を作製し、発熱抵抗体１４の抵抗値の変化と断線率を
調べた。なお、その仕様および試験条件は以下の通りで
ある。

【００２７】全長：５０ｍｍ 直径：３．５ｍｍ 発熱
抵抗体長さ：１２ｍｍ 発熱抵抗体幅：０．２５ｍｍ 電気力線遮断体
幅：１．５ｍｍ 発熱抵抗体，電気力線遮断体の材質：タングステン セラミック体の材質：アルミナ 抵抗温度係数（２０℃〜８００℃）：３０００ＰＰＭ／
℃ 消費電力（１２Ｖ時）：１０Ｗ また、比較例として電気力線遮断体２５を形成しない以
外、上記セラミックヒータと同一のセラミックヒータを
作製した。

【００２８】それぞれのセラミックヒータを、各１０本
ずつ準備し、加速評価として１２００℃に発熱させた。
このときの印加電圧は２４〜２５Ｖであった。抵抗値の
測定は、２３℃±１℃に管理した室内に３０分以上放置
し、抵抗値を安定させた後測定した。表１にそれらの結
果を示す（本実施例Ａ／比較例Ｂ）。

【００２９】

【表１】

【００３０】表中の断線率は、抵抗値の測定時に発熱体
パターンが抵抗値を持たないようになった本数を、百分
率にて示したものである。

【００３１】表１から明らかなように、本実施例のセラ
ミックヒータ１０は比較例に比べて抵抗変化が格段に小
さく、また断線が生じにくくなっていることが判る。

【００３２】また、これらセラミックヒータにつき、有
限要素法にてモデル解析を行い、電気力線の態様につい
ての略図を作製した。

【００３３】これはコンピューターによる解析プログラ
ムを使用するもので、セラミックヒータの発熱抵抗体部
分の断面モデルを作製し、その断面モデルに所定のメッ
シュを加える。この各メッシュにおける解析条件をあた
え、応力、電場解析する。解析条件としては、電圧、電
流等の印加条件やセラミックの物性条件、例えば、比透
過率、比重、熱伝達率等を適用した。

【００３４】図５および図６は、上記セラミックヒータ
のそれぞれの有限要素法によるモデル解析の結果を略図
で示したもので、図５は本実施例のセラミックヒータ、
図６は比較例のセラミックヒータである。発熱抵抗体に
おいて最も電位差が大きい部位間、すなわち、通電時に
最も高い電位となる部位３０、３０´から最も低い電位
となる部位３１´に向けて矢印で示す電気力線が向かっ
ていく。なお、上記矢印の向きは電気力線の向きであ
り、その長さはその強さを表している。

【００３５】これらの図の比較から明らかなように、実
施例のセラミックヒータは、最高電位部位３０から発生
した直流電源印加時の電気力線を電気力線遮断体３１が
吸収・遮断し、最低電位部位３２に到達する電気力線の
本数が極めて少なくなっているに対し、比較例では格段
に多くなっている。前述のようにイオン化したマトリッ
クス成分は電気力線に沿って移動するため、電気力線遮
断体３１により、イオン化したマトリックス成分が移動
しにくくなっていることがわかる。

【００３６】

【発明の効果】上記の如き、本発明のセラミックヒータ
は、前記、導電性材料からなる電気力線遮断体が、通電
時にも電荷をもたないことにより、中立媒体の役目を
し、電気力線を吸収、遮断する。これに伴い、イオン化
したマトリックス成分の移動を抑制するので、発熱抵抗
体の断線という事態を防止することができることによ
り、直流電源を印加しても長期信頼性は向上し、長寿命
化がはかれ、さらに従来よりも高温での使用にも耐えう
るというように、実用的な効果が絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態によるセラミックヒータの外
観を示す平面図である。

【図２】図１のセラミックヒータのＸ−Ｘ線断面図であ
る。

【図３】上記セラミックヒータを用いた装置の一例とし
ての酸素センサーを示す垂直断面図である。

【図４】他実施形態のセラミックヒータの作製途中の状
態を示す斜視説明図である。

【図５】本発明実施例のセラミックヒータにつき有限要
素法による電気力線のモデル解析の結果を垂直断面で示
した、モデル図である。

【図６】従来のセラミックヒータ（比較例）につき有限
要素法による電気力線のモデル解析の結果を垂直断面で
示した、モデル図である。

【符号の説明】

１０，２９ セラミックヒータ １２ セラミック体 １３ 直流電源 １４，２２ 発熱抵抗体 １５，２５ 電気力線遮断体 １８ 最高電位部位 １９ 最低電位部位 ２０ 幅 １ 酸素センサー ２ 排気管 ３ 固定部 ４ センサ部 ５ 陰極 ６ 陽極 ７ センサーカバー ９ （ジルコニア酸素センサー） ２１，２７ セラミック成形体 ２３ 高融点金属ワイヤー ２４ 電極取り出し部 ２８ セラミックヒータ基体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状、円筒状等所望形状のセラミッック体
   中に発熱抵抗体を埋設するとともに、該発熱抵抗体にお
   いて電位差が最も大きい部位間に導電性材料からなる電
   気力線遮断体を介在してなるセラミックヒータ。
2. 【請求項２】前記電気力線遮断体はＷ・ Ｍｏ・ Ｒｅ・ Ｔ
   ｉ等の高融点金属もしくは、該高融点金属の各種化合物
   から選ばれる、少なくとも一種類以上を主成分とする材
   質で構成されていることを特徴とする請求項１のセラミ
   ックヒータ。