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JP4533159B2 - Ceramic heater and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、セラミックヒーターおよびその製造方法に関し、詳しくは自動車排ガス中の酸素濃度検出等に用いられる板状の酸素センサ素子に好適なセラミックヒーターおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a ceramic heater and a manufacturing method thereof, and more particularly to a ceramic heater suitable for a plate-like oxygen sensor element used for detecting an oxygen concentration in automobile exhaust gas and the like and a manufacturing method thereof.

近年、環境問題がクローズアップされ、各業界にて地球環境を最優先とする取り組みがなされている。とりわけ、自動車業界においては、アメリカのカリフォルニア州の排ガス規制に代表されるように、排気ガス中のCO2、CO、HC、NOx量を年々低減していくことが世の中の流れになってきている。その中で、更なる排ガス中の上記ガスを低減するためには、如何に効率よく燃料を燃焼させるかが重要であり、そのためにも排ガス中の残存酸素量を瞬時に測定し、その情報を燃焼系に速くフィードバックすることができる酸素センサーの要望が高まりつつある。 In recent years, environmental issues have been highlighted, and efforts are being made to put the global environment as a top priority in each industry. In particular, in the automobile industry, as represented by the exhaust gas regulations of California in the United States, reducing the amount of CO 2 , CO, HC and NOx in exhaust gas year by year has become a trend of the world. . Among them, in order to further reduce the gas in the exhaust gas, it is important how to burn the fuel efficiently. For that purpose, the residual oxygen amount in the exhaust gas is instantaneously measured and the information is obtained. There is a growing demand for oxygen sensors that can provide fast feedback to the combustion system.

酸素センサーはこれまで、排気ガスの熱を利用して、コップ状のセンサーを昇温し、センサー機能を発現させてきた。しかし、センサー機能が出現するまでの間、排ガスは垂れ流しの状態にあり、昨今の厳しい排ガス規制には対応しきれなくなってきた。そこで、コップ状のセンサーを積極的にヒーターで加熱する酸素センサーが開発された。このような酸素センサーを用いることで、センサー機能を速く発現できるようになり、よりレスポンス良く、情報をフィードバックできるようになった。   Up to now, oxygen sensors have used the heat of exhaust gas to raise the temperature of a cup-shaped sensor and develop the sensor function. However, until the sensor function appeared, the exhaust gas was flowing down, and it has become impossible to meet the recent strict exhaust gas regulations. Therefore, an oxygen sensor that actively heats the cup-shaped sensor with a heater was developed. By using such an oxygen sensor, the sensor function can be expressed quickly, and information can be fed back with better response.

しかしながら、上記のようなコップ状のセンサーでは、どうしてもサイズが大きくなり、しかもヒーターとセンサーとの間隔が大きくなるために、センサー機能の発現速度には限界があった。そこで、最近では、センサー部を板状にして小さくし、更にセンサー部とヒータとを一体成形することで昇温速度を高め、より速くセンサー機能を発現できるようにした板状の酸素センサー素子を備えた酸素センサー(板状酸素センサー)が開発されつつある。   However, in the cup-shaped sensor as described above, the size is inevitably increased, and the distance between the heater and the sensor is increased, so that the speed of the sensor function is limited. Therefore, recently, a plate-shaped oxygen sensor element that has a sensor part that is made into a plate shape, and that is further molded by integrating the sensor part and the heater to increase the rate of temperature rise so that the sensor function can be expressed more quickly. Equipped oxygen sensors (plate-like oxygen sensors) are being developed.

前記センサーと一体成形して用いられるヒーターは、昇温と降温が繰り返される厳しい温度サイクルで使用されることが多い。このため、前記ヒーターには、前記温度サイクルに対する耐久性が要求される。   A heater that is integrally formed with the sensor is often used in a severe temperature cycle in which the temperature is raised and lowered repeatedly. For this reason, the heater is required to have durability against the temperature cycle.

特許文献1には、セラミックスからなるヒーター基板と、導電材料及びセラミックス添加剤からなるヒーター電極とを同時に焼成するセラミックヒーターにおいて、前記ヒーター電極のセラミックス添加剤が、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が所定量以下の酸化物であるセラミックヒーターや、前記ヒータ電極のセラミックス添加剤として、ヒータ基板のセラミックスの焼結活性より高い焼結活性の材料を用いたセラミックヒーターが記載されている。   Patent Document 1 discloses a ceramic heater that simultaneously fires a heater substrate made of ceramics and a heater electrode made of a conductive material and a ceramic additive, wherein the ceramic additive of the heater electrode is an alkali metal and / or an alkaline earth metal. A ceramic heater using an oxide whose content is less than or equal to a predetermined amount, and a ceramic heater using a material having a higher sintering activity than that of the ceramic of the heater substrate is described as a ceramic additive for the heater electrode. .

このヒーターによると、セラミックヒーターを高温で直流高電圧下で使用すると、不純物としてアルミナ中に含有されるアルカリ金属等のイオンが移動する現象、いわゆるマイグレーションの発生を防止できるので、ヒータ電極の断線等を防止することができると記載されている。   According to this heater, when a ceramic heater is used at a high temperature and under a high DC voltage, the phenomenon of migration of ions such as alkali metals contained in alumina as impurities, so-called migration, can be prevented. It is described that can be prevented.

しかしながら、マイグレーションの発生によるヒータ電極の断線を防止することはできるが、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件においては、その耐久性は必ずしも十分であるとはいえず、このような条件では、ヒーター電極の抵抗が上昇し、ヒーター電極が断線するおそれがある。   However, although it is possible to prevent disconnection of the heater electrode due to the occurrence of migration, it cannot be said that the durability is necessarily sufficient in severe durability conditions in which the temperature rise and temperature fall are repeated. There is a possibility that the resistance of the heater electrode increases and the heater electrode is disconnected.

特開平5−51275号公報JP-A-5-51275

本発明の課題は、セラミックスからなるヒーター基体と、導電材料およびセラミックス共材からなり且つ前記ヒーター基体の表面または内部に設けられたヒーター電極とで構成されるセラミックヒーターにおいて、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件であっても、ヒーター電極の抵抗の上昇を防止することができるセラミックヒーターおよびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to repeatedly raise and lower the temperature of a ceramic heater composed of a heater base made of ceramics and a heater electrode made of a conductive material and a ceramic co-material and provided on or inside the heater base. It is an object of the present invention to provide a ceramic heater and a method for manufacturing the same that can prevent an increase in resistance of a heater electrode even under severe durability conditions.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、上記セラミックヒーターにおいて、ヒーター電極を構成するセラミックス共材の焼結活性が、ヒーター基体を構成するセラミックスの焼結活性より低い場合には、ヒーター電極の抵抗の上昇を防止することができるので、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件であっても、ヒーター電極が断線するのを抑制することができるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have a lower sintering activity of the ceramic co-material constituting the heater electrode than the sintering activity of the ceramic constituting the heater base in the ceramic heater. In this case, since the resistance of the heater electrode can be prevented from increasing, the new knowledge that the heater electrode can be prevented from breaking even under severe endurance conditions in which the temperature is raised and lowered repeatedly. The headline and the present invention were completed.

すなわち、本発明におけるセラミックヒーターおよびその製造方法は、以下の構成からなる。
(1)セラミックスからなるヒーター基体と、導電材料およびセラミックス共材からなり且つ前記ヒーター基体の表面または内部に設けられたヒーター電極とで構成されるセラミックヒーターであって、前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の焼結活性が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの焼結活性より低いことを特徴とするセラミックヒーター。
(2)前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材と、前記ヒーター基体を構成するセラミックスとが同種の材料である前記(1)記載のセラミックヒーター。
(3)前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の比表面積が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの比表面積より小さい前記(1)または(2)記載のセラミックヒーター。
(4)前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の比表面積が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの比表面積に対して10〜80%である前記(1)〜(3)のいずれかに記載のセラミックヒーター。
(5)ガスセンサー用である前記(1)〜(4)のいずれかに記載のセラミックヒーター。
(6)少なくとも、導電材料とセラミックス共材とを混合してヒーター電極用の印刷ペーストを作製する工程と、この印刷ペーストをセラミックスからなるグリーンシートに印刷してヒーター電極を形成する工程と、このグリーンシートのヒーター電極を形成した面にセラミックスからなる他のグリーンシートを密着積層する工程と、この密着積層したグリーンシートを同時焼成する工程とを備え、前記印刷ペーストにおける前記セラミックス共材として、焼結活性が前記グリーンシートにおける前記セラミックスの焼結活性よりも低いものを用いることを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。
That is, the ceramic heater and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following configurations.
(1) A ceramic heater comprising a heater base made of ceramics and a heater electrode made of a conductive material and a ceramic co-material and provided on the surface of or inside the heater base, the ceramics constituting the heater electrode A ceramic heater characterized in that the sintering activity of the common material is lower than the sintering activity of the ceramic constituting the heater base.
(2) The ceramic heater according to (1), wherein the ceramic co-material constituting the heater electrode and the ceramic constituting the heater base are the same kind of material.
(3) The ceramic heater according to (1) or (2), wherein the specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode is smaller than the specific surface area of the ceramic constituting the heater base.
(4) The specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode is 10 to 80% with respect to the specific surface area of the ceramic constituting the heater base, according to any one of (1) to (3) Ceramic heater.
(5) The ceramic heater according to any one of (1) to (4), which is for a gas sensor.
(6) At least a step of mixing a conductive material and a ceramic co-material to produce a print paste for a heater electrode, a step of printing this print paste on a green sheet made of ceramic and forming a heater electrode, A step of closely laminating another green sheet made of ceramics on the surface of the green sheet on which the heater electrode is formed, and a step of simultaneously firing the green sheet laminated in close contact, and as a ceramic co-material in the printing paste, A method for producing a ceramic heater, wherein a sintering activity is lower than the sintering activity of the ceramic in the green sheet .

本発明のセラミックヒーターおよびその製造方法によれば、ヒーター電極のセラミックス共材の焼結活性を、ヒーター基体のセラミックスの焼結活性より低くするので、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件であっても、ヒーター電極の抵抗の上昇を防止することができ、ヒーター電極が断線するのを抑制することができるという効果がある。しかも、複数枚のグリーンシートやヒーター電極を同時焼成するので、焼成回数が1回で済み、コストダウンを図ることができる。   According to the ceramic heater and the manufacturing method thereof of the present invention, since the sintering activity of the ceramic co-material of the heater electrode is made lower than the sintering activity of the ceramic of the heater base, it is a severe durability condition in which the temperature rise and fall are repeated. However, it is possible to prevent the resistance of the heater electrode from increasing and to suppress the disconnection of the heater electrode. In addition, since a plurality of green sheets and heater electrodes are fired at the same time, the number of times of firing is only one, and the cost can be reduced.

以下、本発明のセラミックヒーターおよびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
<セラミックヒーター>
図1は、本発明のセラミックヒーターの一例を示す概略断面図である。図1に示すように、セラミックヒーター1は、ヒーター電極2と、このヒーター電極2を内部に埋設するように形成されたヒーター基体3とで構成されている。
Hereinafter, a ceramic heater of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings.
<Ceramic heater>
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the ceramic heater of the present invention. As shown in FIG. 1, the ceramic heater 1 includes a heater electrode 2 and a heater base 3 formed so as to embed the heater electrode 2 therein.

ヒーター電極2は、導電材料とセラミックス共材とからなる。前記導電材料としては、各種の公知の導電性を有する金属材料を用いることができ、例えば白金、タングステンあるいは白金とロジウム、パラジウム、ルテチウムおよび金からなる群より選ばれる1種との合金などが使用可能である。本発明では、特に、ヒーター基体3等のセラミック材料と同時に焼結できる点から、白金、タングステン等を好適に使用することができる。セラミックス共材としては、例えばアルミナ、フォルステライト、ジルコニア、ムライト、チタニア、窒化珪素、炭化珪素等が挙げられる。セラミックス共材は、前記導電材料およびセラミック共材の総量に対して20〜60体積%の割合でヒーター電極2に含有されるのが好ましい。   The heater electrode 2 is made of a conductive material and a ceramic co-material. As the conductive material, various known conductive metal materials can be used. For example, platinum, tungsten, or an alloy of platinum and one kind selected from the group consisting of rhodium, palladium, lutetium, and gold is used. Is possible. In the present invention, platinum, tungsten, or the like can be preferably used because it can be sintered simultaneously with the ceramic material such as the heater base 3. Examples of the ceramic co-material include alumina, forsterite, zirconia, mullite, titania, silicon nitride, silicon carbide and the like. The ceramic co-material is preferably contained in the heater electrode 2 in a ratio of 20 to 60% by volume with respect to the total amount of the conductive material and the ceramic co-material.

ヒーター基体3のセラミックスとしては、絶縁性を有したセラミックスであれば、特に限定されるものではなく、例えば絶縁性のアルミナ、フォルステライト、ジルコニア、ムライト、チタニア、窒化珪素、炭化珪素等を使用することができる。本発明では、特にヒーター電極2を構成するセラミックス共材と、ヒーター基体3を構成するセラミックスとが同種の材料であるのが好ましい。これにより、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材と、ヒーター基体3を構成するセラミックスとの熱膨張の差を小さくすることができる。   The ceramic of the heater base 3 is not particularly limited as long as it is an insulating ceramic. For example, insulating alumina, forsterite, zirconia, mullite, titania, silicon nitride, silicon carbide, or the like is used. be able to. In the present invention, it is particularly preferable that the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 and the ceramic constituting the heater base 3 are the same type of material. Thereby, the difference in thermal expansion between the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 and the ceramic constituting the heater base 3 can be reduced.

前記導電材料の平均粒径は0.1〜2.0μmであるのが好ましく、セラミックス共材の平均粒径は0.1〜2.0μmであるのが好ましい。また、ヒーター基体3のセラミックス材料の平均粒径は0.1〜2.0μmであるのが好ましい。   The conductive material preferably has an average particle size of 0.1 to 2.0 μm, and the ceramic co-material preferably has an average particle size of 0.1 to 2.0 μm. Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the ceramic material of the heater base | substrate 3 is 0.1-2.0 micrometers.

本発明にかかるセラミックヒーター1は、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材の焼結活性が、ヒーター基体3を構成するセラミックスの焼結活性より低い。これにより、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件であっても、ヒーター電極2の抵抗の上昇を防止することができる。これは、焼結活性について前記した関係を有するセラミックス共材を用いることにより、ヒーター電極2のヤング率が低下し、昇温または降温に伴う熱膨張差に起因する歪みが生じても発生する応力が低減され、ヒーター電極2の抵抗の上昇を防止するように作用するものと推察される。これに対し、焼結活性が前記関係にないと、温度サイクルに対する耐久性が低下する。なお、本発明における「焼結活性」とは、焼成の際の焼結性を意味し、「焼結活性が高い」とは焼結しやすいことを、「焼結活性が低い」とは焼結しにくいことをそれぞれ意味する。   In the ceramic heater 1 according to the present invention, the sintering activity of the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 is lower than the sintering activity of the ceramic constituting the heater base 3. Thereby, it is possible to prevent the resistance of the heater electrode 2 from increasing even under severe durability conditions in which the temperature rise and the temperature fall are repeated. This is because the use of the ceramic co-material having the above-described relationship with respect to the sintering activity reduces the Young's modulus of the heater electrode 2 and generates stress even when distortion caused by the thermal expansion difference due to temperature rise or fall occurs. It is presumed that this acts to prevent the resistance of the heater electrode 2 from increasing. On the other hand, if the sintering activity is not in the above relationship, the durability against the temperature cycle decreases. In the present invention, “sintering activity” means sinterability at the time of firing, “high sintering activity” means that it is easy to sinter, and “low sintering activity” means “sintering activity”. It means that it is hard to tie.

焼結活性を上記関係にするには、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材の比表面積を、ヒーター基体3を構成するセラミックスの比表面積より小さくするのが好ましい。具体的には、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材の比表面積が、ヒーター基体3を構成するセラミックスの比表面積に対して10〜80%であるのがよい。これに対し、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材の比表面積が、ヒーター基体3を構成するセラミックスの比表面積に対して10%未満であると、粒径が粗大になり、ヒーター電極2の均質性が低下するので好ましくなく、80%を超えると、ヒーター電極2の温度サイクルに対する耐久性が低下するので好ましくない。   In order to make the sintering activity in the above relationship, it is preferable that the specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 is smaller than the specific surface area of the ceramic constituting the heater base 3. Specifically, the specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 is preferably 10 to 80% with respect to the specific surface area of the ceramic constituting the heater base 3. On the other hand, if the specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 is less than 10% with respect to the specific surface area of the ceramic constituting the heater base 3, the particle size becomes coarse, and the heater electrode 2 is homogeneous. However, if it exceeds 80%, the durability of the heater electrode 2 with respect to the temperature cycle decreases, which is not preferable.

前記比表面積は、一般に窒素吸着によるBET比表面積と呼ばれるものであり、ヒーター電極2を構成するセラミックス共材のBET比表面積は5〜30m2/gであり、ヒーター基体3を構成するセラミックスのBET比表面積は5〜30m2/gであるのが好ましく、これらの範囲内で、比表面積を上記関係にすればよい。 The specific surface area is generally called a BET specific surface area by nitrogen adsorption, the BET specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode 2 is 5 to 30 m 2 / g, and the ceramic BET constituting the heater base 3 The specific surface area is preferably 5 to 30 m 2 / g, and the specific surface area may be in the above relationship within these ranges.

本発明のセラミックヒーターは、ヒーター電極がヒーター基体の表面に設けられていてもよい。この構成であっても、ヒーター電極の抵抗の上昇を防止することができる。   In the ceramic heater of the present invention, the heater electrode may be provided on the surface of the heater base. Even with this configuration, an increase in the resistance of the heater electrode can be prevented.

<セラミックヒーターの製造方法>
次に本発明のセラミックヒーターの製造方法の一例について、図2の積層分解図をもとに説明する。なお、図2では電極接続用のスルーホール等は省略してある。まず、前記したヒーター基体3を構成するセラミックス材料と、ブチラール樹脂等の有機バインダー、有機溶剤およびメディア等をそれぞれ混合してスラリーを調製し、このスラリーを、例えばドクターブレード法を用いたテープ成形等の公知の成形方法によって成形、乾燥してグリーンシート11,12を得る。グリーンシート11,12の厚さは、50〜500μmであるのが好ましい。
<Manufacturing method of ceramic heater>
Next, an example of the method for manufacturing the ceramic heater of the present invention will be described based on the exploded view of FIG. In FIG. 2, through holes for electrode connection and the like are omitted. First, a ceramic material constituting the heater base 3 and an organic binder such as a butyral resin, an organic solvent, a medium, and the like are mixed to prepare a slurry, and this slurry is formed by, for example, tape molding using a doctor blade method or the like. The green sheets 11 and 12 are obtained by molding and drying by a known molding method. The thickness of the green sheets 11 and 12 is preferably 50 to 500 μm.

ついで、前記したヒーター電極を構成する導電材料とセラミックス共材とを混合してヒータ電極用の印刷ペーストを作製する。このペーストを作成する際には、ブチラール樹脂等の有機バインダー、テレピネオール等の有機溶剤を用いるのが好ましい。また、混合方法は、特に限定されるものではなく、例えば3本ロール等のロール混合、ミルを用いたミル混合等を用いることができる。   Next, the conductive material constituting the heater electrode and the ceramic co-material are mixed to produce a print paste for the heater electrode. When preparing this paste, it is preferable to use an organic binder such as butyral resin and an organic solvent such as terpineol. Further, the mixing method is not particularly limited, and for example, roll mixing such as three rolls, mill mixing using a mill, or the like can be used.

上記で作成したヒーター電極用の印刷ペーストを前記グリーンシート11の片面にスクリーン印刷等の方法で印刷し、ヒーター電極パターン13を形成する。そして、取り出し電極用の電極パッド14を、グリーンシート11の他面にスルーホールを介して、公知の手法により形成する。ついで、グリーンシート11の電極パターン13を形成した面に、グリーンシート12を密着積層し、グリーン体(グリーンシートの積層体)を得る。なお、密着積層は、30〜100MPa程度で圧着するのが好ましく、圧着しながら加熱してもよい。これにより、セラミックスの接合不良の発生を抑制することができる。また、セラミックヒーターの厚さを調整するために、電極パターン13が印刷されていないグリーンシートを上記グリーン体にさらに積層させてもよい。   The heater electrode printing paste prepared above is printed on one side of the green sheet 11 by a method such as screen printing to form the heater electrode pattern 13. Then, an electrode pad 14 for the extraction electrode is formed on the other surface of the green sheet 11 through a through hole by a known method. Next, the green sheet 12 is adhered and laminated on the surface of the green sheet 11 on which the electrode pattern 13 is formed to obtain a green body (green sheet laminate). In addition, it is preferable to carry out the pressure bonding at about 30 to 100 MPa, and the adhesion lamination may be heated while being pressure bonded. Thereby, generation | occurrence | production of the joining defect of ceramics can be suppressed. In order to adjust the thickness of the ceramic heater, a green sheet on which the electrode pattern 13 is not printed may be further laminated on the green body.

前記グリーン体を所定の寸法にホットナイフ等でカットした後、前記グリーン体を同時焼成してセラミックヒーターを得る。これにより、焼成工程を一回にすることができ、コストダウンを図ることができる。なお、焼成温度は、セラミック材料および電極材料等との関係により適宜選択することができる。   After the green body is cut into a predetermined size with a hot knife or the like, the green body is simultaneously fired to obtain a ceramic heater. Thereby, a baking process can be carried out once and cost reduction can be aimed at. The firing temperature can be appropriately selected depending on the relationship with the ceramic material, the electrode material, and the like.

本発明におけるセラミックヒーターは、種々の構造部品における加熱手段の他、酸素センサ、NOxセンサ、COセンサ等の各種素子を高温に加熱するために、他の部材と一体化したガスセンサー(セラミックヒーター構造体)として好適に用いることができる。前記セラミックヒーターをガスセンサーに適用する場合には、例えば前記したヒーター電極パターン13を形成するのと同様にして、固体電解質のグリーンシートに検知電極、基準電極および電極パッドを形成し、ヒーター電極パターン13を形成したグリーンシート11と共に密着積層し、前記と同様にして焼成することでガスセンサーを形成することができる。   The ceramic heater in the present invention is a gas sensor (ceramic heater structure) integrated with other members in order to heat various elements such as an oxygen sensor, NOx sensor, and CO sensor in addition to heating means in various structural parts. Body). When the ceramic heater is applied to a gas sensor, for example, a detection electrode, a reference electrode, and an electrode pad are formed on a solid electrolyte green sheet in the same manner as the heater electrode pattern 13 is formed. A gas sensor can be formed by adhering and laminating together with the green sheet 11 formed with 13 and firing in the same manner as described above.

<酸素センサー>
本発明のセラミックヒーターを酸素センサーに用いた場合について、図面を参照して詳細に説明する。図3は、本発明のセラミックヒーターを板状酸素センサーに用いた場合の一例を示す概略断面図である。
<Oxygen sensor>
The case where the ceramic heater of the present invention is used for an oxygen sensor will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example when the ceramic heater of the present invention is used for a plate-like oxygen sensor.

図3に示すように、板状酸素センサー4は、ヒーター電極2と、このヒーター電極2を内部に埋設するように形成したセラミック基体5と、センサー部を形成する固体電解質層6と、検知電極7および基準電極8、基準大気と接するように中空にした空洞部9および検知電極7を保護するための保護層10とで構成されている。そして、この板状酸素センサー4は、焼成によって一体に形成されている。   As shown in FIG. 3, the plate-like oxygen sensor 4 includes a heater electrode 2, a ceramic base 5 formed so as to embed the heater electrode 2 therein, a solid electrolyte layer 6 forming a sensor portion, and a detection electrode. 7 and a reference electrode 8, a hollow portion 9 that is hollow so as to be in contact with the reference atmosphere, and a protective layer 10 for protecting the detection electrode 7. And this plate-like oxygen sensor 4 is integrally formed by baking.

固体電解質層6は、一般的な固体電解質材料を用いることができ、例えばジルコニア、チタニア系セラミック等が好適に使用でき、特にイットリア等の安定化材を含有させることが好ましい。保護層10は、例えばジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル等からなるセラミック多孔質層等が挙げられる。   For the solid electrolyte layer 6, a general solid electrolyte material can be used. For example, zirconia, titania-based ceramics and the like can be suitably used, and it is particularly preferable to contain a stabilizing material such as yttria. Examples of the protective layer 10 include a ceramic porous layer made of zirconia, alumina, magnesia, spinel, or the like.

板状酸素センサー4は、ヒーター電極2に通電して固体電解質層6を400〜1000℃程度に加熱した状態で、空洞部9に基準大気(酸素)が導入され、検知電極7が排ガス等の測定雰囲気中に配置されて使用される。なお、測定方式としては、例えば検知電極7と基準電極8との間で発生する起電力を測定して排気ガス中の酸素濃度を測定する濃淡電池型、一定電圧を印加し電流を検出して酸素濃度を測定する限界電流型などが挙げられる。   In the plate-like oxygen sensor 4, the heater electrode 2 is energized and the solid electrolyte layer 6 is heated to about 400 to 1000 ° C., the reference atmosphere (oxygen) is introduced into the cavity 9, and the detection electrode 7 is made of exhaust gas or the like Used in a measurement atmosphere. As a measurement method, for example, a concentration cell type in which an electromotive force generated between the detection electrode 7 and the reference electrode 8 is measured to measure the oxygen concentration in the exhaust gas, a current is detected by applying a constant voltage. For example, a limiting current type for measuring the oxygen concentration may be used.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明のセラミックヒーターおよびその製造方法について、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, although the ceramic heater of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, the present invention is not limited to the following Examples.

<セラミックヒーターの作製>
(グリーンシート)
アルミナ粉末(平均粒径0.4μm、BET比表面積値12m2/g)、ブチラール系バインダー、溶剤およびメディアをそれぞれ混合し、48時間撹拌してスラリーを得た。前記で得られたスラリーをドクターブレード成形にて成形し、乾燥して厚さ200μmのグリーンシートを作製した。
<Production of ceramic heater>
(Green sheet)
Alumina powder (average particle size 0.4 μm, BET specific surface area value 12 m 2 / g), butyral binder, solvent and media were mixed and stirred for 48 hours to obtain a slurry. The slurry obtained above was molded by doctor blade molding and dried to produce a green sheet having a thickness of 200 μm.

(ヒーター電極)
セラミックス共材として表1に示すBET比表面積値を有する平均粒径0.7μmのアルミナ粉末を40体積%、平均粒径1μmの白金粉末を60体積%の割合でそれぞれ混合し、ついで、ブチラール系バインダーおよびテルピネオールを混合し、この混合物を3本ロールで10回パスして混合した後、テルピネオールで希釈し、粘度調整したヒーターペーストを得た。このヒーターペーストを、前記で得られたグリーンシートにスクリーン印刷にて形成し、乾燥させてヒーター電極を形成したグリーンシートを得た。
(Heater electrode)
As a ceramic co-material, 40% by volume of alumina powder having an average particle diameter of 0.7 μm having a BET specific surface area value shown in Table 1 and 60% by volume of platinum powder having an average particle diameter of 1 μm are mixed, and then a butyral system. A binder and terpineol were mixed, and the mixture was mixed by passing 10 times with three rolls, and then diluted with terpineol to obtain a heater paste having a viscosity adjusted. This heater paste was formed by screen printing on the green sheet obtained above and dried to obtain a green sheet on which a heater electrode was formed.

(セラミックヒーター)
前記ヒーター電極を形成したグリーンシートを含む全積層層数6層の各種グリーンシートを位置決めして、熱圧着にて、加熱加圧プレスしてヒーターグリーン体(積層体)を得た。その後、ホットナイフでカットし、前記ヒーターグリーン体を1450℃で2時間焼成し、セラミックヒーターを作製した。
(Ceramic heater)
Various green sheets having a total number of laminated layers of 6 including the green sheet on which the heater electrode was formed were positioned and heated and pressed by thermocompression to obtain a heater green body (laminated body). Then, it cut with the hot knife, the said heater green body was baked at 1450 degreeC for 2 hours, and the ceramic heater was produced.

上記で得られたセラミックヒーターについて、平均抵抗変化率およびペースト版抜け性について評価した。各評価方法を以下に示すと共に、その結果を表1に併せて示す。なお、表1中の「BET値」とは、セラミックス共材として用いたアルミナ粉末のBET比表面積値を表す。   The ceramic heater obtained above was evaluated for the average resistance change rate and paste plate slippage. Each evaluation method is shown below, and the results are also shown in Table 1. The “BET value” in Table 1 represents the BET specific surface area value of the alumina powder used as the ceramic co-material.

<平均抵抗変化率>
1150℃で1分昇温、1分降温の加速断続耐久試験を行い、15000サイクル後の抵抗を測定し、抵抗変化率を求めた。抵抗変化率は15000サイクル後の抵抗を加速断続耐久試験前の抵抗で除し、その100分率で算出した。なお、評価はセラミックヒーター10個で行い、その平均値を平均抵抗変化率とした。
<ペーストの版抜け性>
ペーストの版抜け性は、以下の評価基準に基づき、印刷面を双眼顕微鏡にて目視観察し、評価した。
○:良好
△:やや良好(実用上は問題のないレベル)
<Average resistance change rate>
An accelerated intermittent durability test was conducted at 1150 ° C. for 1 minute and 1 minute, and the resistance after 15000 cycles was measured to determine the resistance change rate. The rate of change in resistance was calculated by dividing the resistance after 15000 cycles by the resistance before the accelerated intermittent durability test and dividing it by 100 minutes. The evaluation was performed with 10 ceramic heaters, and the average value was defined as the average resistance change rate.
<Paste release of paste>
Based on the following evaluation criteria, the printing ability of the paste was evaluated by visually observing the printed surface with a binocular microscope.
○: Good △: Slightly good (practically no problem level)

[実施例2〜5および比較例1]
セラミックス共材として表1に示すBET比表面積値を有するアルミナ粉末を用いた以外は、実施例1と同様にしてセラミックヒーターを作製した。ついで、得られたセラミックヒーターについて、実施例1と同様にして、平均抵抗変化率およびペースト版抜け性を評価した。その結果を表1に併せて示す。
[Examples 2 to 5 and Comparative Example 1]
A ceramic heater was produced in the same manner as in Example 1 except that alumina powder having a BET specific surface area value shown in Table 1 was used as the ceramic co-material. Subsequently, the average resistance change rate and the paste detachment property were evaluated for the obtained ceramic heater in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Table 1.

Figure 0004533159
Figure 0004533159

表1から、実施例1〜5は、平均抵抗変化率の値が小さいのがわかる。このことから、昇温と降温が繰り返される厳しい耐久条件であっても、ヒーター電極抵抗の上昇の防止を達成しているのがわかる。これに対し、比較例1では、平均抵抗変化率の値が大きい結果を示した。   From Table 1, it can be seen that Examples 1 to 5 have a small average resistance change rate. From this, it can be seen that the prevention of the increase in heater electrode resistance is achieved even under severe endurance conditions in which the temperature rise and fall are repeated. On the other hand, Comparative Example 1 showed a result with a large average resistance change rate.

本発明におけるセラミックヒーターを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the ceramic heater in this invention. 本発明におけるセラミックヒーターの製造方法を示す積層分解図である。It is a lamination | stacking exploded view which shows the manufacturing method of the ceramic heater in this invention. 本発明のセラミックヒーターを板状酸素センサーに用いた場合の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example at the time of using the ceramic heater of this invention for a plate-shaped oxygen sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 セラミックヒーター
2 ヒーター電極
3 ヒーター基体
4 板状酸素センサー
5 セラミック基体
6 固体電解質層
7 検知電極
8 基準電極
9 空洞部
10 保護層
11,12 グリーンシート
13 ヒーター電極パターン
14 電極パッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic heater 2 Heater electrode 3 Heater base 4 Plate-shaped oxygen sensor 5 Ceramic base 6 Solid electrolyte layer 7 Detection electrode 8 Reference electrode 9 Cavity part 10 Protective layer 11,12 Green sheet 13 Heater electrode pattern 14 Electrode pad

Claims (6)

セラミックスからなるヒーター基体と、導電材料およびセラミックス共材からなり且つ前記ヒーター基体の表面または内部に設けられたヒーター電極とで構成されるセラミックヒーターであって、
前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の焼結活性が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの焼結活性より低いことを特徴とするセラミックヒーター。
A ceramic heater composed of a heater base made of ceramics and a heater electrode made of a conductive material and a ceramic co-material and provided on the surface of or inside the heater base,
A ceramic heater characterized in that the sintering activity of the ceramic co-material constituting the heater electrode is lower than the sintering activity of the ceramic constituting the heater base.
前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材と、前記ヒーター基体を構成するセラミックスとが同種の材料である請求項1記載のセラミックヒーター。   The ceramic heater according to claim 1, wherein the ceramic co-material constituting the heater electrode and the ceramic constituting the heater base are the same material. 前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の比表面積が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの比表面積より小さい請求項1または2記載のセラミックヒーター。   The ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein a specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode is smaller than a specific surface area of the ceramic constituting the heater base. 前記ヒーター電極を構成するセラミックス共材の比表面積が、前記ヒーター基体を構成するセラミックスの比表面積に対して10〜80%である請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックヒーター。   The ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, wherein a specific surface area of the ceramic co-material constituting the heater electrode is 10 to 80% with respect to a specific surface area of the ceramic constituting the heater base. ガスセンサー用である請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックヒーター。   It is for gas sensors, The ceramic heater in any one of Claims 1-4. 少なくとも、導電材料とセラミックス共材とを混合してヒーター電極用の印刷ペーストを作製する工程と、この印刷ペーストをセラミックスからなるグリーンシートに印刷してヒーター電極を形成する工程と、このグリーンシートのヒーター電極を形成した面にセラミックスからなる他のグリーンシートを密着積層する工程と、この密着積層したグリーンシートを同時焼成する工程とを備え、前記印刷ペーストにおける前記セラミックス共材として、焼結活性が前記グリーンシートにおける前記セラミックスの焼結活性よりも低いものを用いることを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。 At least a step of mixing a conductive material and a ceramic co-material to produce a printing paste for a heater electrode, a step of printing this printing paste on a green sheet made of ceramics to form a heater electrode, the steps of close contact laminate the other green sheet made of ceramic on the surface forming the heater electrode and a step of co-firing a green sheet the adhesive laminate, as the ceramic common material in the printing paste, sintering activity A method for producing a ceramic heater, wherein the green sheet is lower than the sintering activity of the ceramics .
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