JP2001244053A - 発熱用抵抗素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急速に昇温させても熱ストレスを受け難く、
しかも、高温状態で電気短絡のおそれが少なく、耐久性
に優れた高寿命の発熱用抵抗素子を提供すること。 【解決手段】 セラミックスで構成してある素子本体２
２と、素子本体２２の内部に埋め込んである内部導体１
４とを有する発熱用抵抗素子２０であって、内部導体１
４における発熱パターン１４ａが形成してある前記素子
本体の基準面積Ｓ０に対する発熱パターン１４ａの占有
面積Ｓ１の占有面積比Ｓ１／Ｓ０が、０．２０より大き
く０．５５未満、好ましくは０．２５以上０．５０以下
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、急速昇温着火用抵
抗素子などとして用いられる発熱用抵抗素子に係り、さ
らに詳しくは、急速に昇温させても熱ストレスを受け難
く、しかも、高温状態で電気短絡のおそれが少なく、耐
久性に優れた高寿命の発熱用抵抗素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、天然ガス、プロパンガス、灯
油などの気体燃料や液体燃料の着火には、セラミックス
を用いた通電式の着火用抵抗素子が一般に用いられてい
る。着火用抵抗素子としては、種々のものが提案されて
いるが、基本的には、セラミックスで構成してある素子
本体と、素子本体の内部に埋め込んである内部導体とを
有する。内部導体は、通電により発熱が生じるように電
気抵抗が増大している発熱パターンと、当該発熱パター
ンへ電流を供給する配線パターンとを有する。

【０００３】ところで、この種の着火用抵抗素子は、２
〜３秒間程度で１０００°Ｃ以上の温度に達する急速昇
温に耐える必要があると共に、空気中で１５５０°Ｃ程
度の高温に耐える必要がある。ところが、従来の抵抗素
子では、急速昇温させると、発熱パターンを構成する導
体と素子本体を構成する絶縁体との間に急激な温度差が
生じ、導体が熱ストレスを受け、導体にクラックが生
じ、抵抗素子の寿命を著しく低下させていた。あるい
は、高温状態で、発熱パターン間に電気短絡が生じるお
それもあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
実状に鑑みてなされ、急速に昇温させても熱ストレスを
受け難く、しかも、高温状態で電気短絡のおそれが少な
く、耐久性に優れた高寿命の発熱用抵抗素子を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る発熱用抵抗素子は、セラミックスで構
成してある素子本体と、前記素子本体の内部に埋め込ん
である内部導体とを有する発熱用抵抗素子であって、前
記内部導体における発熱パターンが形成してある前記素
子本体の基準面積（Ｓ０）に対する発熱パターンの占有
面積（Ｓ１）の占有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、０．２０
より大きく０．５５未満であることを特徴とする。

【０００６】好ましくは、前記占有面積比（Ｓ１／Ｓ
０）が、０．２５以上０．５０以下である。好ましく
は、前記発熱パターンの線幅が０．２０〜０．３０mmで
ある。

【０００７】前記発熱パターンとしては、特に限定され
ないが、少なくとも二つの先端側折り返しパターン部
と、前記先端側折り返しパターン部の間に形成される後
端側折り返しパターン部とを有することが好ましい。

【０００８】前記基準面積の定義は、特に限定されない
が、たとえば前記素子本体の先端から、前記後端側折り
返しパターンまでの範囲の導体印刷部と無印刷部の面積
の総和であるように定義される。ただし、導体に絶縁体
を添加した導体ペーストを印刷した場合、全ての印刷面
積を導体面積とする。

【０００９】

【作用】本発明に係る発熱用抵抗素子では、発熱パター
ンの専有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、所定の範囲にあるた
め、抵抗素子を急速に昇温させても、熱ストレスが緩和
され、発熱パターンを構成する導体にクラックが生じに
くい。そのため、抵抗素子の寿命が長くなる。また、発
熱パターンの専有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、所定の範囲
にあるため、高温状態においても、電気短絡のおそれが
少ない。したがって、本発明によれば、耐久性に優れた
高寿命の発熱用抵抗素子を実現することができる。

【００１０】なお、発熱パターンの専有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が小さすぎる場合には、発熱パターンにおける導
体部分の占有面積が小さく、急速昇温させた場合に、導
体と絶縁体との温度差による熱ストレスが大きくなり、
導体にクラックが入りやすい傾向にある。また、発熱パ
ターンの専有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が大きすぎる場合に
は、導体部分に比べて絶縁体部分が小さくなり過ぎ、高
温状態において、発熱パターン間で電気短絡が生じやす
くなる傾向にある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面に示す実施
形態に基づき説明する。図１は本発明の１実施形態に係
る発熱用抵抗素子の一部透視斜視図、図２は図１に記す
II−II線から見た要部断面図、図３は発熱用抵抗素子の
製造工程を示す分解斜視図である。

【００１２】発熱用抵抗素子 図１に示すように、本実施形態の発熱用抵抗素子２０
は、たとえば急速昇温着火用抵抗素子として用いられ、
素子本体２２を有し、素子本体２２内部に所定パターン
の内部導体１４が形成してある。内部導体１４は、抵抗
が増大するように線幅が細くなっている発熱パターン１
４ａと、発熱パターン１４ａへ電流を供給する一対の配
線パターン１４ｂと、配線パターン１４ｂの端部に形成
された取り出し電極部１４ｃとを有する。内部導体１４
の一対の取り出し電極部１４ｃは、図１に示すように、
素子本体２２の後端側の二側面に各々形成され、外部端
子電極２４に対して接合される。

【００１３】本実施形態では、素子本体２２を構成する
セラミックスとしては、特に限定されないが、耐熱性に
優れ、内部導体１４との密着性に優れたものが好まし
い。このようなセラミックスとしては、窒化珪素を主成
分とするセラミックス、Ｓｉ6-z Ａｌz Ｏz Ｎ8-z で示
される組成のサイアロンを含むセラミックス、シリコン
オキシナイトライトから主として成るセラミックスなど
が例示される。

【００１４】また、内部導体１４を構成する導電性材料
としても、特に限定されないが、高融点（たとえば、１
７００℃以上）で、低熱膨張率（たとえば、６．０×１
０-6／℃以下）および低電気比抵抗（たとえば、１０-5
Ω・ｃｍ以下）である材料が好ましい。このような導電
性材料としては、タングステン（Ｗ）、炭化タングステ
ン（ＷＣ、Ｗ2 Ｃ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃ
ｒ）、ニオブ（Ｎｂ）などが例示される。なお、内部導
体１４中には、素子本体との密着性向上のために、素子
本体を構成する絶縁成分などを含ませても良い。

【００１５】また、本実施形態において、外部端子電極
２４の材質は、特に限定されず、ニッケル、タングステ
ン、モリブデン、金、銀、銅、またはこれらの合金など
で構成される。

【００１６】図２に示すように、本実施形態では、内部
導体１４における発熱パターン１４ａは、少なくとも二
つの先端側折り返しパターン部３０と、先端側折り返し
パターン部３０の間に形成される後端側折り返しパター
ン部３２とを有する蛇行パターンである。また、本実施
形態では、発熱パターン１４ａが形成してある素子本体
２２の基準面積Ｓ０に対する発熱パターン１４ａの占有
面積Ｓ１の占有面積比Ｓ１／Ｓ０が、０．２０より大き
く０．５５未満、好ましくは０．２５以上０．５０以下
である。

【００１７】なお、本実施形態において、基準面積Ｓ０
は、素子本体２２の先端から、後端側折り返しパターン
３２までの範囲の面積（＝Ｗ０×Ｌ０）であるように定
義される。また、発熱パターン１４ａの占有面積Ｓは、
基準面積Ｓ０内に位置する蛇行状パターンの面積として
定義される。

【００１８】発熱パターン１４ａの線幅Ｗ１は、特に限
定されないが、好ましくは０．２〜０．３mm、さらに好
ましくは０．２〜０．２５mmである。これに対し、配線
パターン１４ｂの線幅Ｗ２は、抵抗を下げて発熱を抑制
するために、発熱パターンの線幅Ｗ１よりも、好ましく
は５〜１０倍程度太くしてある。

【００１９】発熱パターン１４ａの占有面積比Ｓ１／Ｓ
０は、発熱パターン１４ａの線幅Ｗ１が太くなるほど、
大きくなる。また、この占有面積比Ｓ１／Ｓ０は、発熱
パターンにおける折り返しパターン部３０および３２の
数が多くなるほど、大きくなる。一例として、図２に示
す発熱パターンの場合において、基準面積Ｓ０を規定す
るための基準幅Ｗ０が２．４mmで、基準長さＬ０が５．
５mmで、発熱パターンの繰り返しパターン間隔Ｐ１，Ｐ
２が共に０．２mmで、線幅Ｗ１が０．２mmで、素子本体
の端面とのパターン隙間Ｐ３が０．５mmの場合には、占
有面積比Ｓ１／Ｓ０は、０．３１２となる。

【００２０】発熱用抵抗素子の製造方法 図１に示す発熱用抵抗素子２０を製造するには、まず、
図３に示すように、内部導体１４が表面にスクリーン印
刷法などで所定の繰り返しパターンで形成してあるグリ
ーンシート１２と、何ら内部導体１４が形成されていな
いグリーンシート１６とを準備する。

【００２１】グリーンシート１２および１６は、セラミ
ックス焼結体を製造するための原料混合物粉末に有機バ
インダーを含む水溶液または有機溶剤系溶液を加えてシ
ート状に成形して乾燥したものである。シート状に成形
するための方法としては、ドクターブレード法、押出し
成形法等が用いられる。

【００２２】グリーンシートを形成するための原料混合
物としては、特に限定されないが、焼結後に窒化珪素、
サイアロンまたはシリコンオキシナイトライトとなる材
料などが例示される。また、原料混合物の粉末に添加さ
れるバインダとしては、特に限定されないが、たとえば
ポリビニルアルコール、アクリル樹脂等を例示すること
ができる。原料混合物の粉末の平均粒径は、特に限定さ
れないが、好ましくは０．１〜１．５μｍ程度である。

【００２３】グリーンシート１２および１６の厚みは、
特に限定されないが、一般には、５０〜１５００μｍで
ある。グリーンシート１２の表面にスクリーン印刷など
で形成してある内部導体１４の厚みは、特に限定されな
いが、好ましくは５〜５０μｍ、さらに好ましくは１５
〜２５μｍである。

【００２４】内部導体１４を形成するための導電ペース
トとしては、焼成後に炭化タングステンとなる原料粉
末、および／またはモリブデン原料粉末、および／また
はクロム原料粉末などに、有機バインダー、溶剤、可塑
剤などを加えてペースト化したものが用いられる。これ
ら原料粉末の粒径は、特に限定されないが、好ましくは
０．５〜８μｍ、さらに好ましくは１〜５μｍ程度であ
る。なお、導電ペースト中には、金属の珪化物、窒化物
および炭化物などの絶縁成分を含ませても良い。内部導
体と誘電体層との密着性を高めるためである。

【００２５】図３に示すように、内部導体１４のパター
ンが形成してあるグリーンシート１２の上下面に、単一
または複数のグリーンシート１６を積層して積層体ユニ
ット１０とし、この積層体ユニット１０を、離型剤層を
介して多数積層し、予備加圧することにより、積層体ブ
ロックを得る。離型剤層としては、特に限定されない
が、窒化ホウ素（ＢＮ）シートなどが用いられる。な
お、内部導体１４のパターンが形成してあるグリーンシ
ート１２は、積層体ユニット１０の積層方向略中央部
に、導体パターンが形成されていないグリーンシート１
６を介して２層以上積層させても良い。

【００２６】積層体ブロックは、ホットプレス装置に装
着される前に、脱バインダ炉内に入れられ、脱バインダ
処理が行われる。脱バインダ処理時の加熱温度は、脱バ
インダ処理すべきバインダの種類などによっても異なる
が、一般には、４００〜１０００°Ｃである。また、脱
バインダ処理の時間は、積層体ブロックの大きさや加熱
温度などによっても異なるが、一般には、数時間〜数十
時間である。

【００２７】その後、脱バインダ処理後の積層体ブロッ
クを、たとえばホットプレス装置にセットし焼成する。
焼成は導体の酸化防止のため、窒素ガスまたはアルゴン
ガス等の不活性ガス雰囲気下にすることが好ましい。ま
た、焼成温度は、特に限定されないが、通常１，３００
〜２，１００°Ｃ、好ましくは１，５００〜１，９００
°Ｃである。さらに、ホットプレス時の加圧力は、好ま
しくは１０〜６０ＭＰａ（１００〜６００ｋｇ／ｃｍ2
）、さらに好ましくは２０〜３０ＭＰａ（２００〜３
００ｋｇ／ｃｍ2 ）である。加圧時間は、一般には、１
０〜１２０分である。

【００２８】その後、焼成後のブロックを素子形状に切
断することで、図１に示す素子本体２２が得られる。素
子本体２２の後方二側面には、内部導体１４の取り出し
電極部１４ｃが露出する。その後、これら取り出し電極
部１４ｃにロウ材を塗布し、外部端子電極２４を取り付
けて接合する。接合手段としては、特に限定されない
が、たとえば真空焼き付け法などが用いられる。真空焼
き付けは、たとえば１．３×１０-2〜１．３×１０-3Ｐ
ａ程度の真空中、８００〜９８０°Ｃの温度条件で行
う。ロウ材としては、特に限定されないが、たとえば銀
ロウ材が用いられる。銀ロウ材には、チタン、ジルコニ
ウムなどの活性金属が含有してあることが好ましい。ロ
ウ材への活性金属の添加は、絶縁材料であるセラミック
と抵抗材料である内部導体との双方に対する接着強度を
充分にするためのものである。

【００２９】その他の実施形態 なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内で種々に改変することができ
る。

【００３０】たとえば、上述した実施形態では、発熱用
抵抗素子として、積層型の発熱用抵抗素子を例示した
が、本発明に係る発熱用抵抗素子の具体的構造は、特に
限定されず、積層型の発熱用抵抗素子以外に、巻き付け
型の発熱用抵抗素子であっても良い。

【００３１】また、上述した実施形態では、焼成方法と
して、ホットプレス法を採用したが、本発明では、焼成
方法については特に制限は無く、公知の方法、常圧焼成
法、窒素ガス加圧焼成法などを用いても良い。

【００３２】さらに、本発明では、外部端子電極２４の
材質や形状も特に限定されない。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づ
き説明するが、本発明は、これら実施例に限定されな
い。

【００３４】実施例１ α型−Ｓｉ3 Ｎ4 粉末１００モル、Ａｌ2 Ｏ3 粉末６．
８６モル、及びＳｉＯ2 粉末１０モルを混合して混合粉
末を得た。この混合粉末１００重量部に対し、アクリル
系樹脂と、エタノール及びトルエンを適量加え混合して
スラリーを調整し、ドクターブレード法により厚み１ｍ
ｍのセラミックス用グリーンシート１２および１６を作
製した。

【００３５】グリーンシート１２の表面に、内部導体１
４のパターンをスクリーン印刷により形成した。内部導
体１４を印刷するための導電ペーストとしては、焼成後
にＷ2 Ｃとなる所定モル比の炭化タングステンとタング
ステンとを含む原料粉末に、エチルセルロース、αーテ
ルピネオールを加えてペースト化したものを用いた。導
電パターンの厚みは、２５μｍであった。

【００３６】また、内部導体１４のパターンのスクリー
ン印刷に際しては、内部導体１４における発熱部１４ａ
の占有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が０．２５となるようなパ
ターンを選択した。

【００３７】そして、内部電極１４のパターンが印刷さ
れたグリーンシート１２の上下面に、内部電極１４のパ
ターンが何ら印刷されていないグリーンシート１４を、
それぞれ２枚、総数が５層となるように積層し、積層体
ユニット１０とし、この積層体ユニット１０を、離型剤
層を介して多数積層し、予備加圧することにより、積層
体ブロックを得た。次に、この積層体ブロックを窒素雰
囲気中、５００°Ｃで脱バインダーした。その後、積層
体ブロックを、ホットプレス装置にセットし、窒素雰囲
気中、１８００°Ｃ、２５ＭＰａ（２５０kg／ｃｍ2 ）
の条件でホットプレス焼成した。焼成後、ダイアモンド
カッターで切断し、図１に示す素子本体２２を得た。

【００３８】素子本体２２の内部には、内部導体１４が
内蔵され、その露出部である取り出し電極部に活性金属
が含有してある銀ロウを塗布し、その塗布部分をニッケ
ル製外部端子電極２４で覆い、真空中、９２０°Ｃで焼
き付け、発熱用抵抗素子２０を作製した。

【００３９】得られた素子各々５０本を、空気中、１６
８０°Ｃに発熱させ、端子電極２４，２４間の抵抗値を
測定し、抵抗がオープン（無限大）になるまでの時間を
測定し、平均値を求めた。表１に示すように、オープン
になるまでの時間は２０００時間であった。

【００４０】また、得られた素子各々５０本の外部電極
端子２４および２４間に１５秒間通電させることで、素
子本体の発熱部を１５００°Ｃに昇温させ、１５秒間停
止することで、室温付近まで冷却させることを繰り返す
サイクル試験を行った。初期抵抗値より１０％増大した
点における回数（昇降温の１サイクルを１回のカウント
とする）を調べた。初期抵抗値は、１回目の通電での１
５００°Ｃにおける抵抗値とした。試料数は５０本であ
り、回数は平均値を採用した。結果を表１に示す。な
お、５万回以上を合格とする。表１に示すように、実施
例１におけるサイクル回数は、３０万回であった。

【００４１】

【表１】

【００４２】実施例２ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．４０となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００４３】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、オープンになるまでの時間は６０００時間で
あり、サイクル回数は、１００万回以上であった。

【００４４】実施例３ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．５０となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００４５】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、オープンになるまでの時間は９０００時間以
上であり、サイクル回数は、１００万回以上であった。

【００４６】比較例１ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．１５となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００４７】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、オープンになるまでの時間は２０時間であ
り、サイクル回数は、１万回であった。

【００４８】比較例２ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．２０となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００４９】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、オープンになるまでの時間は８５時間であ
り、サイクル回数は、４万回であった。

【００５０】比較例３ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．５５となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００５１】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、７０時間で電気短絡が生じてしまった。ま
た、サイクル回数は、３万回であった。

【００５２】比較例４ 内部導体１４のパターンのスクリーン印刷に際して、内
部導体１４における発熱部１４ａの占有面積比（Ｓ１／
Ｓ０）が０．６０となるようなパターンを選択した以外
は、実施例１と同様にして、発熱用抵抗素子２０を作製
した。

【００５３】得られた素子各々５０本について、実施例
１と同様な試験を行った。結果を表１に示す。表１に示
すように、１５時間で電気短絡が生じてしまった。ま
た、サイクル回数は、０．８万回であった。

【００５４】評価 表１に示すように、内部導体１４における発熱部１４ａ
の占有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、０．２０より大きく
０．５５未満、好ましくは０．２５以上０．５０以下で
ある場合に、優れた特性の発熱用抵抗素子が得られるこ
とが確認できた。

【００５５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、急速に昇温させても熱ストレスを受け難く、しか
も、高温状態で電気短絡のおそれが少なく、耐久性に優
れた高寿命の発熱用抵抗素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の１実施形態に係る発熱用抵抗
素子の一部透視斜視図である。

【図２】 図２は図１に記すII−II線から見た要部断面
図である。

【図３】 図３は発熱用抵抗素子の製造工程を示す分解
斜視図である。

【符号の説明】

１２，１６… グリーンシート １４… 内部導体 １４ａ… 発熱パターン １４ｂ… 配線パターン １４ｃ… 取り出し電極部 ２０… 発熱用抵抗素子 ２２… 素子本体 ２４… 外部端子電極 ３０… 先端側折り返しパターン ３２… 後端側折り返しパターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K034 AA03 AA04 AA10 AA16 AA22 AA34 BA06 BA14 BB06 BB14 BC04 BC16 BC17 CA03 CA14 CA22 CA27 JA01 JA10 3K092 PP16 QA05 QA07 QB02 QB08 QB10 QB12 QB45 QB62 QC02 QC05 QC06 QC07 QC38 RA02 RF03 RF09 RF11 RF26 RF27 VV40

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスで構成してある素子本体
   と、 前記素子本体の内部に埋め込んである内部導体とを有す
   る発熱用抵抗素子であって、 前記内部導体における発熱パターンが形成してある前記
   素子本体の基準面積（Ｓ０）に対する発熱パターンの占
   有面積（Ｓ１）の占有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、０．２
   ０より大きく０．５５未満であることを特徴とする発熱
   用抵抗素子。
2. 【請求項２】 前記占有面積比（Ｓ１／Ｓ０）が、０．
   ２５以上０．５０以下であることを特徴とする請求項１
   に記載の発熱用抵抗素子。
3. 【請求項３】 前記発熱パターンの線幅が０．１５〜
   ０．４０mmである請求項１または２に記載の発熱用抵抗
   素子。
4. 【請求項４】 前記発熱パターンが、少なくとも二つの
   先端側折り返しパターン部と、前記先端側折り返しパタ
   ーン部の間に形成される後端側折り返しパターン部とを
   有する請求項３に記載の発熱用抵抗素子。
5. 【請求項５】 前記基準面積が、前記素子本体の先端か
   ら、前記後端側折り返しパターンまでの範囲の断面積で
   あるように定義される請求項４に記載の発熱用抵抗素
   子。