JP2000133419A

JP2000133419A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2000133419A
Application number: JP10308629A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kukino; 浩久木野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】稼働中に加熱冷却の熱履歴を受けてもセラミッ
クと金属の熱膨張差で生じるクラックによって抵抗変化
して異常発熱したり断線したりせずに、耐熱衝撃性や高
温安定性に優れ、急速昇温特性が良好で、かつ、高い接
合強度を維持したセラミックヒータを提供する。【解決手段】セラミックヒータ１に備えた電極取り出し
部４を無機絶縁材と無機導電材とで構成し、その硬度を
１１．５ＧＰａ以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油ファンヒータ
等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、酸素センサ等の各種
センサの各種センサや測定機器の加熱用ヒータ、自動車
用グロープラグなどに利用されるセラミックヒータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より各種電子部品の絶縁基体として
利用されてきた酸化物系のセラミックスに加え、近年、
耐熱性及び耐食性、耐摩耗性、電気絶縁性により優れ
た、高強度でかつ比重が小さいという顕著な特徴を有す
る非酸化物系セラミックスが、化学プラントや工作機械
をはじめとする各種産業機械装置や、自動車用のディー
ゼルエンジン等の内燃機関部品として多用されるように
なっている。

【０００３】例えば、ディーゼル機関の始動時やアイド
リング時に、副燃焼室内を急速に予熱するために用いら
れる内燃機関用グロープラグや、内燃機関の排気ガス中
の酸素濃度を検知し、排気ガス制御を行うための酸素セ
ンサの素子の活性化を促進するために内装されるヒータ
等の各種補助加熱用ヒータとしては、従来の急速昇温特
性や、耐摩耗性、耐食性等の耐久性に劣る、発熱抵抗線
と耐熱絶縁粉末とを耐熱金属製筒内に埋設したシーズヒ
ータに代わり、熱伝導性が良好な電気絶縁性セラミック
焼結体に、高融点金属やその化合物、及びそれらを主成
分とする各種無機導電材から成る発熱抵抗体を担持した
り、接合したり、あるいは埋設したりして一体化したセ
ラミックヒータが広く利用されるようになっている。

【０００４】しかしながら、セラミック部材と金属部材
の接合体においては、両部材の熱膨張率が大きく異なる
ことから、該熱膨張差に起因する歪み、即ち、残留応力
が両部材の接合部近辺、例えば、前記各種ヒータでは、
セラミック発熱抵抗体の電極取り出し部と電極金具との
接合部、とりわけその接合界面に発生し、セラミック部
材と金属部材との接合強度の低下や、金属部材の収縮力
によるセラミック部材あるいは金属部材自体の破壊や、
接合界面からの剥離を招きやすいという欠点があった。

【０００５】従来のセラミックヒータの構造を図１を用
いて説明する。不図示のセラミックグリーンシートの上
面に発熱部２と電極取り出し部４をプリント形成し、こ
れらの間を接続するようにタングステンリードを載置
し、前述と同様のセラミックグリーンシートを重ねて、
ホットプレス焼成し、セラミックヒータ１の焼結体を得
る。その後、電極取り出し部４の端面が露出するように
セラミックヒータ１焼結体の端面を研磨した後、ロウ材
である金属層５をプリント形成し、真空中８００〜１３
００℃で焼き付けする。その上に、リード線７を接合し
た接合応力緩和材６を載置してロウ付けすることによ
り、セラミック体３とリード線７との熱膨張差を解消
し、高温まで接合強度を維持することが提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、前記
接合応力緩和材６を介してセラミック体３と金属のリー
ド線７を接合し、金属層５として接合強度が高い活性金
属を含有するロウ材を用いて接合したとしても、マイク
ロクラックの発生は防げず、このマイクロクラックは、
電極引き出し部４に達して抵抗変化を引き起こすという
問題があった。

【０００７】従来は一般家庭用電気製品等の数十Ωのヒ
ータにおいてこのマイクロクラックによる抵抗変化は微
少で発熱に影響を与えるものではなかった。近年、低電
圧で用いる低抵抗のヒータにおいてはこのマイクロクラ
ックによる抵抗変化がヒータ全体抵抗に対して占める割
合は大きく、その結果、電極取り出し部４が発熱し、耐
久性が低くなるという問題点があった。

【０００８】また、上記問題の他、リード線７及び接合
応力緩和材６の剥離強度がばらつくという問題点があっ
た。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題に対して検討し
た結果、電極引き出し部の硬度がクラックの進展に影響
を及ぼし、抵抗変化、耐久性を左右すること、またリー
ド線と接合応力緩和材の接合長さ、位置が剥離強度に影
響を及ぼしていることを突き止めた。

【００１０】そこで電極引き出し部を構成する無機絶縁
材と無機導電材の比率及び粒径で決まる硬度及びリード
線と接合応力緩和材の接合長さ、接合部から接合応力緩
和材の外周までの距離を制御した結果、前記課題が解消
できることを見いだし抵抗変化の少ない優れた耐久性を
得られることが明らかになった。

【００１１】即ち、本発明のセラミックヒータは、通電
により発熱する無機導電材からなる発熱部を、非酸化物
セラミック体に担持、接合、あるいは埋設する等してセ
ラミックヒータを構成し、上記発熱部の一端に導出され
た電極取り出し部を無機絶縁材と無機導電材とで構成
し、その硬度を１１．５ＧＰａ以上としたものである。

【００１２】また、上記電極取り出し部に接合応力緩和
材を会してリード線を接合し、リード線の接合長さを接
合応力緩和材の長さに対して２５〜７５％とし、かつ接
合部から接合応力緩和材の電極側外周端までの距離を接
合応力緩和材の長さに対して２５％以上になるようにし
て接続したことを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミックヒータ
について、図面に基づき説明する。

【００１４】図１において、セラミックヒータ１は、セ
ラミック体１に発熱部２と電極取り出し部４を埋設し、
電極取り出し部４の一端を露出させて、この露出部にロ
ウ材等からなる金属層５を備え、リード線７を接合した
接合応力緩和材６（合わせて電極金具８）をロウ付け等
により接合したものである。

【００１５】そして、本発明では上記電極取り出し部４
の硬度を１１．５ＧＰａ以上とすることによって、セラ
ミック体３と金属のリード線７との熱膨張差によるクラ
ックによる抵抗変化を防ぐようにした。電極取り出し部
４は無機導電材と無機絶縁材から成り、硬度の高い無機
絶縁材の割合を多くする、あるいは粒径を小さくするこ
とにより全体硬度を上げることができ、無機絶縁材の分
布を多くして硬度を高くすることによりクラックの進展
を防ぐことができるのである。

【００１６】また、電極金具８を成すリード線７と接合
応力緩和材６の接合長さ、接合位置が剥離強度に影響を
及ぼす。そこで、図２に示すようにリード線７の接合長
さＣを接合応力緩和材６の長さＡに対して２５〜７５％
とし、かつリード線７の接合部から接合応力緩和材６の
電極側外周６ａまでの長さＢを接合応力緩和材６の長さ
Ａに対して２５％以上としてある。

【００１７】これは、リード線７の接合部から接合応力
緩和材６の電極側外周６ａまでの長さＢが接合応力緩和
材６の長さＡに対して２５％未満の場合、接合応力緩和
材６の電極側外周６ａに残留応力が発生することと、リ
ード線７に負荷がかかったとき接合応力緩和材６の電極
側外周６ａに応力が集中して剥離強度が弱くなるためで
ある。

【００１８】また、接合長さＣが２５％未満の場合、リ
ード線７と接合応力緩和材６間の接合力が弱くなり、こ
の２者間で剥離してしまう。従ってリード線７と接合応
力緩和材６の接合長さＣを２５％以上にしなければなら
ず、かつ上記長さＢを２５％以上にすることから接合長
さＣは７５％以下となる。

【００１９】本発明において、セラミック体３として適
用可能な材質は、非酸化物系セラミックスで窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）や炭化珪素（ＳｉＣ）、サイアロン、窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）等を主成分とし、それぞれ所
定の焼結助剤を含有するものを用いる。これらのセラミ
ックスはビッカース硬度１０ＧＰａ以上であり、このよ
うな硬度を有する非酸化物系セラミックスを用いれば好
適である。

【００２０】発熱部２、電極取り出し部４に適用可能な
無機導電材としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属、あるいはタ
ングステンカーバイト（ＷＣ）、珪化モリブデン（Ｍｏ
Ｓｉ₂）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の高融点金属の炭化
物や珪化物、窒化物等を主成分とする抵抗体が挙げられ
る。非酸化物系のセラミック体３との熱膨張差、及び高
温度下でもそれらと反応しがたいという点からは、ＷＣ
あるいはＷを主成分とするものが好適である。

【００２１】一方、前記無機導電材の主成分に対して、
その成長を制御してセラミック体３との熱膨張差による
クラックを防止し、かつ電極取り出し部４においては金
属部材によるクラックの進展を防止するために窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）の１種以上から
なる無機絶縁材を含有させることが望ましい。

【００２２】なお、上記無機導電材の含有率は１０〜２
０重量％、無機導電材の平均粒径は０．１〜１．３μ
ｍ、好ましくは０．２〜１．０μｍの範囲が好ましく、
この範囲内でその硬度が１１．５ＧＰａ以上となるよう
にすれば良い。

【００２３】金属層５としては、主成分が金（Ａｕ）ま
たはニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）パラジ
ウム（Ｐｄ）のいずれか一種以上から成るもので、４０
０℃以上の高温で使用しても酸化による劣化がないもの
を用いる。例えば、直流電源の通電が関与する使用条件
下でのマイグレーションの防止を考慮すると、前記金属
層５は金（Ａｕ）が５０〜９９重量％、ニッケル（Ｎ
ｉ）が１〜５０重量％の金（Ａｕ）とニッケル（Ｎｉ）
の合金が最適である。

【００２４】また、前記金属層５には、活性金属として
周期律表第４ａ族元素のチタン（Ｔｉ）、バナジウム
（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）や、モリブデン（Ｍｏ）、シリ
コン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈ
ｆ）のいずれか１種以上を含有することが好ましい。と
りわけ、前記金属層５のセラミック体３への濡れ性が良
く、セラミック体３の強度を劣化させないという点から
は、バナジウム（Ｖ）またはモリブデン（Ｍｏ）の一種
以上を活性金属として含有させることが最適であり、か
かる活性金属は窒化物や炭化物、水酸化物等の形態で含
有させても良い。

【００２５】前記セラミック体３と接合する接合応力緩
和材６としては、該セラミック体３の熱膨張率と近似し
た値を有する金属、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタン
グステン（Ｗ）等の低熱膨張金属や、Ｆｅ−Ｎｉ系のイ
ンバー型合金、あるいはＦｅ−Ｐ系のエリンバー型合
金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系の超硬合金等が挙げられ、耐
酸化性や加工性、及びコストという観点からはＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ系合金あるいはＦｅ−Ｎｉ系合金が望ましい。

【００２６】

【実施例】本発明を以下に詳述するようにして評価し
た。

【００２７】先ず、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末にイッ
テルビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元
素の酸化物から成る焼結助剤を添加したセラミック原料
粉末を周知のプレス成形法等で平板状の成形体に成形
し、該成形体の一端側の表面にＷＣを主成分とするペー
ストを用いてスクリーン印刷法によりＵ字状のパターン
で発熱部２を形成し、同様にしてセラミック成形体の他
端側から側面にかけて表１〜４に示す比率、粒径の無機
導電材と無機絶縁材の混合体からなる電極取り出し部４
を形成した。

【００２８】次に、前記発熱部２と電極取り出し部４を
電気的に接続するようにリード部を載置し、その上に別
のセラミック成形体を重ねた後、還元性雰囲気下、１７
００〜１９００℃の温度で焼成一体化してセラミックヒ
ータ１を作製した。

【００２９】その後、前記セラミックーヒータ１を研削
することにより、露出した電極取り出し部４にＡｕ、Ｎ
ｉ、Ｖを含有したペーストを用いてスクリーン印刷法に
より金属層５を塗布し、８００〜１３００℃の真空雰囲
気中で焼き付け処理を行って、金属層５を被着形成し
た。

【００３０】次にセラミックヒータ１に、幅２ｍｍ×長
さ３ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から
なる接合応力緩和材６に予めＮｉのリード線７をスポッ
ト溶接により接続した電極金具８を８００〜１３００℃
の真空雰囲気中でロウ付けした。

【００３１】かくして得られたセラミックヒータ１の電
極取り出し部４を含む部分を切断、研磨し、電極取り出
し部４のビッカース硬度を荷重２０ｋｇｆの条件にて測
定した。

【００３２】また、セラミックヒータ１を室温と４５０
℃の温度雰囲気にそれぞれ曝すのを１サイクルとして繰
り返し、３０００サイクル後のセラミックヒータ１の抵
抗値を測定し、試験前の初期抵抗値に対する抵抗変化率
を測定した。尚、この試験では、各条件の差を明確にす
る為、クラックが入りやすいように接合応力緩和材６の
端部を電極取り出し部４の上に接合した。

【００３３】結果を表１〜４に示すように、電極取り出
し部４の硬度は、絶縁材と導電材の比率及び絶縁材の粒
径によって決まり、ビッカース硬度が１１．５ＧＰａ未
満である本発明の請求範囲外の試料番号１〜１５、２１
〜３０、４１〜４５ではいずれも抵抗変化率が１０％以
上あった。

【００３４】これに対し、電極取り出し部４のビッカー
ス硬度が１１．５ＧＰａ以上である本発明実施例では、
抵抗変化率が１０％未満でクラックの進展が効果的に緩
和されていることが分かる。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】次に、接合応力緩和材６に対して、リード
線７を接合する位置、長さを表５、６に示すように変化
させ、接合強度を評価した。評価用のセラミックヒータ
１を固定し、接合した電極金具のリード線７をセラミッ
クヒータ１と垂直方向に引っ張り、セラミックヒータ１
と接合応力緩和材６間、あるいは接合応力緩和材６とリ
ード線７間が破断したときの剥離強度（ｋｇｆ）を計測
して破断モードと共に評価した。

【００４０】なお、接合応力緩和材６の長さａは３ｍｍ
であり、表５、６中のＤ寸法とは、図２に示すように接
合部の中間点から接合応力緩和材６の発熱体側外周端ま
での距離のことである。

【００４１】表５、６から明らかなように、接合部から
接合応力緩和材６の電極側外周端６ａまでの長さＢと、
接合長さＣのいずれかが本発明の範囲外であるものは、
剥離強度にばらつきが大きく１０ｋｇｆを下回る物があ
った。即ち、接合長さＣが接合応力緩和材６の長さＡの
２５％未満の場合、両者間の接合力が小さい。また、接
合応力緩和材６の電極側外周端６ａまでの長さＢが、接
合応力緩和材６の長さＡの２５％未満であるか７５％を
越える場合は、応力が電極側外周端６ａに集中し、接合
強度が安定しない。

【００４２】これに対し、本発明実施例では、剥離強度
が１５ｋｇｆ以上で安定し、応力が効果的に緩和され、
かつ、接合応力緩和材６とリード線７間の接合力も保て
ることが分かる。

【００４３】なお、本実施例で、リード線７は線径φ
１．０ｍｍのものを用いたが、線径がφ０．７ｍｍより
細い場合、破壊モードはリード線７が破断することとな
り、リード線７の引っ張り強度で決まるようになると思
われる。

【００４４】

【表５】

【００４５】

【表６】

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、非酸化物セラミックス
に発熱部と電極取り出し部を備え、電極取り出し部の一
端にロウ材を用いてリード線を接合したセラミックヒー
タにおいて、上記電極取り出し部の硬度を１１．５ＧＰ
ａ以上にしたことによって、クラックの進展をくいと
め、抵抗変化の少ない優れた耐久性をもったセラミック
ヒータを得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のセラミックヒータを示す斜視
図、（ｂ）は電極取り出し部の断面図である。

【図２】本発明のセラミックヒータに用いる電極金具を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１セラミックヒータ２発熱部３セラミック体４電極取り出し部５金属層６接合応力緩和材７リード線８電極金具Ａ接合応力緩和材の長さＢリード線の接合部から接合応力緩和材の電極側外
周端までの長さＣ接合応力緩和材とリード線の接合長さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非酸化物セラミック体に発熱部と電極取り
出し部を備え、該電極取り出し部の一端にロウ材を用い
てリード線を接合したセラミックヒータにおいて、上記
電極取り出し部が無機導電材と無機絶縁材の混合体から
成り、その硬度が１１．５ＧＰａ以上であることを特徴
とするセラミックヒータ。
【請求項２】上記無機導電材はＷ，Ｍｏ，Ｔｉ等の窒化
物、珪化物、炭化物の少なくとも一種類以上を主成分と
することを特徴とする請求項１記載のセラミックヒー
タ。
【請求項３】上記電極取り出し部の一端に接合応力緩和
材を介してリード線を接合し、接合応力緩和材とリード
線の接合長さを接合応力緩和材の長さに対し２５〜７５
％とし、かつ接合部から接合応力緩和材の電極側外周端
外周までの距離を接合応力緩和材の長さに対して２５％
以上としたことを特徴とする請求項１記載のセラミック
ヒータ。