JP3125976B2 - Ceramic heater - Google Patents
Ceramic heaterInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナを基体と
するセラミックスを用いたセラミックヒータに関する。
本発明のセラミックヒータは、自動車用酸素センサ及び
グローシステム、半導体加熱用セラミックヒータ並びに
石油ファンヒータ等の石油気化器用熱源などに利用され
る。[0001] The present invention relates to a ceramic heater using ceramics based on alumina.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The ceramic heater of the present invention is used for an oxygen sensor and a glow system for an automobile, a ceramic heater for heating a semiconductor, a heat source for an oil vaporizer such as an oil fan heater, and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】セラミックヒータは高温において安定で
あるため、従来より、例えば自動車用酸素センサ或いは
グローシステム等の高温に晒される用途に使用されてい
る。これらセラミックヒータとしては、セラミックスか
らなる基部の表面に導電材料とセラミックス添加剤から
なる発熱パターンが形成され、それが焼成されたものが
知られている。この基部を構成するセラミックスとして
は、例えば、低ソーダアルミナに焼結助剤を添加したセ
ラミックス原料を焼成して得られるアルミナ焼結体が多
用されており、その他、高純度アルミナも使用されてい
る。2. Description of the Related Art Since ceramic heaters are stable at high temperatures, they have been conventionally used for applications exposed to high temperatures such as oxygen sensors for automobiles or glow systems. As these ceramic heaters, there are known those in which a heat generation pattern made of a conductive material and a ceramic additive is formed on the surface of a base made of ceramics, and the pattern is fired. As the ceramic constituting this base, for example, an alumina sintered body obtained by firing a ceramic material obtained by adding a sintering aid to low soda alumina is frequently used, and other high-purity alumina is also used. .
【０００３】また、この種のセラミックヒータにおいて
は、昇温速度をより早くするため、抵抗の低い発熱体の
需要が増大しており、焼成されてそのような発熱抵抗体
となる発熱パターンを形成するための原料としては、例
えば、導電材料である白金等の金属にセラミックス添加
剤を共素地として使用したものなどが用いられている。Further, in this type of ceramic heater, a demand for a heating element having a low resistance is increasing in order to increase a heating rate, and a heating pattern to be fired to form such a heating resistor is formed. As a raw material for this, for example, a material using a metal such as platinum as a conductive material and a ceramic additive as a co-base is used.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
基部を構成するセラミックスと、発熱パターン形成用の
抵抗体原料を使用した従来のセラミックヒータでは、セ
ラミックスの基部と発熱抵抗体との密着性に劣るとの問
題がある。更に、例えば、自動車の酸素センサなどのよ
うに高温下で使用した場合、不純物等としてアルミナ中
に含有されているアルカリ金属やアルカリ土類金属の陽
イオンが移動する、いわゆるマイグレーションと呼ばれ
る現象を生ずる。これら陽イオンは陰極端子側に偏析
し、時間の経過とともに発熱抵抗体が劣化してその抵抗
が高くなることがあり、それによって発熱抵抗体が断線
したり、或いはセラミックスからなる基部に亀裂を生ず
ることがある。However, in the conventional ceramic heater using the ceramic constituting the base as described above and a resistor material for forming a heating pattern, the adhesion between the ceramic base and the heating resistor is not sufficient. There is a problem that it is inferior. Further, for example, when used at a high temperature such as an oxygen sensor of a car, a phenomenon called migration in which cations of alkali metal or alkaline earth metal contained in alumina as impurities and the like move is caused. . These cations segregate to the cathode terminal side, and the heating resistor may deteriorate over time and its resistance may increase, thereby breaking the heating resistor or cracking the base made of ceramics. Sometimes.
【０００５】上記の問題を解決するため、従来より、セ
ラミックヒータの構造及び基部を構成するセラミックス
の組成或いは発熱パターンを形成する抵抗体材料等、構
造、材料両面からの改良が試みられている。例えば、
(1) 特開平４−３２９２８９号公報、(2) 特開平５−５
１２７５号公報及び(3) 特開平３−２２３１５７号公報
などが知られている。これらのうち上記(1) は高温環境
下におけるヒータの長寿命化を発熱パターンの改良によ
り達成しようとするものであり、セラミックスの組成或
いは抵抗体材料等原材料面からの根本的な解決策とはな
らない。In order to solve the above problems, attempts have been made to improve both the structure and the material of the ceramic heater, such as the composition of the ceramic constituting the base or the resistor material for forming the heating pattern. For example,
(1) JP-A-4-329289, (2) JP-A-5-5
No. 1275 and (3) Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-223157 are known. Of these, the above (1) aims to achieve a longer life of the heater in a high temperature environment by improving the heat generation pattern, and the fundamental solution from the raw material side such as the ceramic composition or the resistor material is No.
【０００６】また、上記(2) 及び(3) は原材料面からの
改良を図ったものであり、マイグレーションによるセラ
ミックヒータの劣化又は断線を防止するため、マイグレ
ーションする成分を可能な限り低減している。しかし、
これら成分は不可避不純物として含まれるものでもあ
り、その量の低減には自ずから限度があり、耐久性の飛
躍的向上は望めない。更に、(2) では密着性の向上に関
して、発熱パターンを形成する抵抗体材料に、基部を構
成するセラミックスと同種の材料を配合した共素地を用
いることにより対応しているが、この場合セラミックヒ
ータの抵抗の制御が難しくなるという問題がある。Further, the above (2) and (3) are intended to improve the raw materials, and in order to prevent the deterioration or disconnection of the ceramic heater due to migration, components which migrate are reduced as much as possible. . But,
These components are also included as unavoidable impurities, and there is a natural limit in reducing the amount thereof, and a dramatic improvement in durability cannot be expected. Furthermore, in (2), the improvement of the adhesion is addressed by using a resistor element for forming the heat generation pattern using a co-base material in which the same type of material as the ceramic constituting the base is blended. However, there is a problem that it is difficult to control the resistance.
【０００７】本発明は、上記従来のセラミックヒータの
有する問題点を解決するものであり、ヒータ用セラミッ
クスの原材料及びその使用割合を特定することにより、
相対密度９４％以上の緻密な焼結体が得られ、且つ、セ
ラミックヒータの耐久性及び基部となるセラミックス
と、発熱抵抗体との密着性に優れたセラミックヒータを
提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems of the conventional ceramic heater, and specifies a raw material of a ceramic for a heater and a use ratio thereof by specifying the material.
An object of the present invention is to provide a ceramic heater capable of obtaining a dense sintered body having a relative density of 94% or more and having excellent durability of a ceramic heater and excellent adhesion between a ceramic serving as a base and a heating resistor.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】第１発明のセラミックヒ
ータは、セラミックスからなる基部と、該基部内に少な
くとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミ
ックヒータにおいて、上記セラミックスは、Ａｌ2Ｏ3、
ＳｉＯ2、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量を１００重量％と
した場合に、９１〜９７重量％のＡｌ2Ｏ3、１〜８重量
％のＳｉＯ2、０．２〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．
２〜１．２重量％のＣａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと
上記ＣａＯの合計量が０．４〜１．８重量％であり、ま
た、上記Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ及びＣａＯの合計
量１００重量％に対し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａを除く
元素及びそれらの酸化物〔希土類元素及び元素周期表の
IVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元素及びそれ
らの酸化物を除く。〕を、その総量で０．０３〜０．２
重量％含有することを特徴とする。Ceramic heater According to a first aspect the invention includes a base made of ceramics, in the ceramic heater and at least fever portion is embedded resistor in the base portion, the ceramic is Al 2 O 3 ,
When the total amount of SiO 2 , MgO and CaO is 100% by weight, 91 to 97% by weight of Al 2 O 3 , 1 to 8% by weight of SiO 2 , 0.2 to 1.2% by weight of MgO and 0.
It contains 2 to 1.2% by weight of CaO, and the total amount of the above MgO and the above CaO is 0.4 to 1.8% by weight, and the Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO and CaO Elements excluding Al, Si, Mg, Ca and their oxides [rare earth elements and elements in the periodic table
Excludes IVa (excluding Ti), Va, Group VIa elements and their oxides. ] In the total amount of 0.03 to 0.2
% By weight.
【０００９】また、第２発明は、大気雰囲気下、上記セ
ラミックヒータに通電して該セラミックヒータの上記発
熱部の表面温度を１１００℃に加熱したときの、上記発
熱抵抗体が断線に至る時間が６００時間以上、且つ端子
をロー材接合したときの、上記セラミックスと上記発熱
抵抗体により構成される端子部との密着強度が１．０ｋ
ｇ／ｍｍ2 以上であり、第３発明は、上記ＭｇＯと上記
ＣａＯの合計量が１．１〜１．８重量％であり、且つ上
記密着強度が１．５ｋｇ／ｍｍ2 以上であることを特徴
とする。The second invention is characterized in that when the surface temperature of the heating portion of the ceramic heater is heated to 1100 ° C. in an atmosphere of the air and the ceramic heater is heated to 1100 ° C., the time required for the heating resistor to be disconnected is reduced. The bonding strength between the ceramics and the terminal portion constituted by the heating resistor when the terminals are joined by the brazing material for 600 hours or more is 1.0 k.
g / mm 2 or more, and the third invention provides that the total amount of the MgO and the CaO is 1.1 to 1.8% by weight and the adhesion strength is 1.5 kg / mm 2 or more. Features.
【００１０】更に、第４発明のセラミックヒータは、セ
ラミックスからなる基部と、該基部内に少なくとも発熱
部が埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータ
において、上記セラミックスは、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、
ＭｇＯ及びＣａＯの合計量を１００重量％とした場合
に、９１〜９７重量％のＡｌ2Ｏ3、１〜８重量％のＳｉ
Ｏ2、０．２〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２〜１．
２重量％のＣａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上記Ｃａ
Ｏの合計量が０．４〜１．８重量％であり、また、上記
Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量１００
重量％に対し、希土類元素及び元素周期表のIVa （但
し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元素のうちの１種以上
を酸化物換算で０．１〜１５重量％含有することを特徴
とする。Further, a ceramic heater according to a fourth aspect of the present invention is a ceramic heater comprising a base made of ceramic and a heating resistor in which at least a heating part is embedded in the base, wherein the ceramic is made of Al 2 O 3 , SiO 2 2 ,
When the total amount of MgO and CaO is 100% by weight, 91 to 97% by weight of Al 2 O 3 and 1 to 8% by weight of Si
O 2 , 0.2-1.2% by weight MgO and 0.2-1.
2% by weight of CaO, and the MgO and the Ca
The total amount of O is 0.4 to 1.8% by weight, and the total amount of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO and CaO is 100%.
It is characterized by containing 0.1 to 15% by weight in terms of oxides of one or more of rare earth elements and IVa (excluding Ti), Va and Group VIa elements of the periodic table with respect to% by weight. And
【００１１】上記「Ａｌ2 Ｏ3 」が９１重量％未満で
は、上記「セラミックス」と上記「発熱抵抗体」との密
着性には優れるものの、相対的に助剤成分の割合が高く
なってセラミックヒータの耐久性が劣化する。一方、９
７重量％を越える場合は、耐久性には優れるものの、相
対的に助剤成分の割合が低くなって密着性が低下する。
また、優れた焼結性（相対密度によって評価する。）、
耐久性及び密着性を有するセラミックスとするために
は、「一定量のＳｉＯ2 、ＭｇＯ及びＣａＯ」を含有し
なければならないが、この含有量が多すぎると耐久性が
劣化する。When the content of "Al 2 O 3 " is less than 91% by weight, although the adhesion between the "ceramics" and the "heating resistor" is excellent, the proportion of the auxiliary component is relatively high and the ceramics is relatively poor. The durability of the heater deteriorates. On the other hand, 9
If it exceeds 7% by weight, although the durability is excellent, the proportion of the auxiliary component is relatively reduced, and the adhesion is reduced.
In addition, excellent sinterability (evaluated by relative density),
In order to obtain a ceramic having durability and adhesion, “certain amounts of SiO 2 , MgO and CaO” must be contained, but if this content is too large, the durability deteriorates.
【００１２】更に、「ＭｇＯとＣａＯの合計量」が０．
４重量％未満では焼結性及び耐久性が低下し、１．８重
量％を越えると耐久性が劣化する。また、ＳｉＯ2 が１
重量％未満では密着性が低下する傾向にあり、８重量％
を越えると高温における電気絶縁性が劣化する。更に、
ＭｇＯが０．２重量％未満では、焼結性及び密着性が低
下し、１．２重量％を越えると耐久性が劣化する。一
方、ＣａＯが０．２重量％未満では、焼結性が低下し、
１．２重量％を越えると耐久性が劣化する。Further, the "total amount of MgO and CaO" is set to 0.1.
If the amount is less than 4% by weight, the sinterability and the durability are reduced. If the amount exceeds 1.8% by weight, the durability is deteriorated. Also, if SiO 2 is 1
If the amount is less than 8% by weight, the adhesion tends to decrease.
If it exceeds, the electrical insulation at high temperatures deteriorates. Furthermore,
If the content of MgO is less than 0.2% by weight, the sinterability and the adhesion will be reduced, and if it exceeds 1.2% by weight, the durability will be deteriorated. On the other hand, if the content of CaO is less than 0.2% by weight, the sinterability decreases,
If it exceeds 1.2% by weight, the durability is deteriorated.
【００１３】また、上記「Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａを
除く元素及びそれらの酸化物〔但し、希土類元素及び元
素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元
素及びそれらの酸化物を除く。〕」（以下、主成分以外
の元素等という。）の総量が０．２重量％を越えると耐
久性が劣化する。この主成分以外の元素等としては、例
えばＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓ、Ｇａなど
の元素及びそれらの酸化物が挙げられる。これら元素及
びその酸化物は、原料中に元々含まれているものの他、
調合時に混入する場合もあり、更にはＮａ2 Ｏ、Ｋ2 Ｏ
などを上記範囲内の量となるように別途添加して少量存
在させることにより、焼結性を高めることもできる。In addition, the above-mentioned "elements other than Al, Si, Mg and Ca and their oxides [however, rare earth elements and IVa (excluding Ti) in the periodic table, excluding Ti], Va, group VIa elements and their Excluding oxides.] "(Hereinafter referred to as elements other than the main components) if the total amount exceeds 0.2% by weight, the durability is deteriorated. Examples of the element other than the main component include elements such as Na, K, Fe, Ti, Mn, Cu, S, and Ga and oxides thereof. These elements and their oxides are, in addition to those originally contained in the raw materials,
It may be mixed at the time of preparation, and furthermore, Na 2 O, K 2 O
The sinterability can also be increased by separately adding a small amount such as in the above range so as to be in the above range.
【００１４】更に、第４発明における上記「希土類元素
及び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VI
a 族元素のうちの１種以上」（以下、希土類元素等とい
う。）が、酸化物換算で０．１〜１５重量％の範囲であ
れば、そのうちの一部が粒界に存在して発熱抵抗体材料
中に含まれるタングステン等のマイグレーションを妨
げ、セラミックヒータの耐久性がより向上する。また、
タングステン等をメタライズした部分における上記各元
素のアンカー効果により、密着性もより優れたものとな
る。Further, in the fourth invention, the above-mentioned "rare earth elements and IVa (excluding Ti) of the periodic table of elements, Va, VI"
If one or more of group a elements (hereinafter, referred to as a rare earth element, etc.) is in the range of 0.1 to 15% by weight in terms of oxide, a part of them is present at the grain boundary and generates heat. The migration of tungsten and the like contained in the resistor material is prevented, and the durability of the ceramic heater is further improved. Also,
Due to the anchor effect of each of the above-mentioned elements in the metallized portion of tungsten or the like, the adhesion is further improved.
【００１５】上記の希土類元素等が０．１重量％未満で
は、密着性がやや低下する傾向にあり、希土類元素等を
添加することによる効果が小さい。また、１５重量％を
越えると耐久性、密着性ともに大きく低下する。尚、希
土類元素としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹｂ等の元素が挙げら
れる。尚、この第４発明においても、第１発明と同様に
Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｔｉ等の主成分以外の元素等の総量が
０．０３〜０．２重量％の範囲であればより好ましい。When the content of the rare earth element or the like is less than 0.1% by weight, the adhesion tends to slightly decrease, and the effect of adding the rare earth element or the like is small. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, both the durability and the adhesion are greatly reduced. The rare earth elements include Y, Sc, La, Ce, Pr, and N.
Elements such as d, Gd, Tb, Dy, Er, and Yb are included. In the fourth invention as well, as in the first invention, the total amount of elements other than the main components such as Na, K, Fe, and Ti is
More preferably, it is in the range of 0.03 to 0.2% by weight.
【００１６】特定のセラミックスを基部とする本発明の
セラミックヒータは、耐久性に優れることを最も大きな
特徴とする。本発明においてこの耐久性とは、大気雰囲
気下、セラミックヒータに通電して、セラミックヒータ
の発熱部の表面温度を１１００℃に加熱したときの、発
熱抵抗体が断線に至るまでの時間によって評価するもの
である。尚、前記発熱抵抗体としては高融点金属、好ま
しくは白金、タングステン、モリブデン等の金属を使用
することができる。The most characteristic feature of the ceramic heater of the present invention based on a specific ceramic is that it has excellent durability. In the present invention, the durability is evaluated by the time required for the heating resistor to be disconnected when the surface temperature of the heating portion of the ceramic heater is heated to 1100 ° C. in an atmosphere of the air while the ceramic heater is energized. Things. Incidentally, as the heating resistor, a high melting point metal, preferably a metal such as platinum, tungsten, molybdenum or the like can be used.
【００１７】セラミックヒータの断線メカニズムについ
ては、例えば、特開平４−３２９２８９号公報や特開平
５−５１２７５号公報にも述べられているように、一般
に以下のように考えられている。セラミックス中に存在
する微量成分のマイグレーションにより、例えばアルカ
リ金属或いはアルカリ土類金属の陽イオンが陰極側に移
動する。一方、酸素イオンが陽極側に移動し、発熱抵抗
体を構成する高融点金属と反応して、例えばタングステ
ンを使用しておれば酸化タングステンを生じる。その
際、体積膨張により基部を構成するセラミックスにクラ
ックを生じ、そのクラックを通じて侵入する外気酸素に
より更に急激に酸化され、その結果、陽極側端子部、メ
タライズ部及びリード部を含む発熱抵抗体の剥離、崩壊
を生ずることになる。また、発熱抵抗体を構成する金属
が白金の場合には、高温高圧下において白金のマイグレ
ーションが発生し、やがては白金の消耗、断線に到って
しまう恐れがある。The disconnection mechanism of the ceramic heater is generally considered as follows, as described in, for example, JP-A-4-329289 and JP-A-5-51275. Due to the migration of trace components present in the ceramics, for example, cations of alkali metals or alkaline earth metals move to the cathode side. On the other hand, oxygen ions move to the anode side and react with the high-melting-point metal constituting the heating resistor, and if, for example, tungsten is used, tungsten oxide is generated. At this time, cracks are formed in the ceramics constituting the base due to volume expansion, and are further rapidly oxidized by external oxygen entering through the cracks. As a result, the heating resistor including the anode-side terminal portion, the metallized portion, and the lead portion is separated. , Resulting in collapse. Further, when the metal constituting the heating resistor is platinum, migration of platinum occurs under high temperature and high pressure, and there is a possibility that platinum will be consumed and the wire will eventually break.
【００１８】一方、特定のセラミックスを使用した本発
明のセラミックヒータは、耐久性に優れたものとなる
が、終極的には断線に至る。そのメカニズムは、高温雰
囲気における直流高電圧下で発熱抵抗体、例えばタング
ステンが高電位側から低電位側へマイグレーションし、
その結果、陽極側のタングステンが減少して断線する消
耗断線と考えられる。それは上記公報で説明されている
ようなタングステン等の酸化が、断線に至るまで認めら
れなかったことによっても裏付けられる。On the other hand, the ceramic heater of the present invention using specific ceramics is excellent in durability, but ultimately leads to disconnection. The mechanism is that a heating resistor, for example, tungsten migrates from a high potential side to a low potential side under a DC high voltage in a high temperature atmosphere,
As a result, it is considered that the tungsten on the anode side decreases and the wire breaks due to wear. This is supported by the fact that oxidation of tungsten or the like as described in the above-mentioned publication was not recognized until the disconnection.
【００１９】上記のようなタングステンのマイグレーシ
ョンを抑制するには、助剤成分であるＭｇＯ、ＣａＯの
添加量を所定の条件に合致させた上で、更にアルカリ金
属及びその酸化物等の量を、焼結性を考慮しながら可能
な限り抑え、マイグレーションのパス（通路）となる粒
界の粘性を上げることが有効である。また、粒界ポアを
少なくして焼結体の緻密度を一定以上（９４％以上）と
することなども有効である。更に、希土類元素等の添加
もマイグレーションを抑止する効果があり、その理由は
これら元素が粒界に存在することにより、タングステン
マイグレーションの障害になるためであると考えられ
る。In order to suppress the migration of tungsten as described above, the amounts of the alkali metals and their oxides and the like are further reduced by adjusting the addition amounts of the auxiliary components MgO and CaO to predetermined conditions. It is effective to reduce the viscosity as much as possible while considering the sintering property and increase the viscosity of the grain boundaries that serve as migration paths (passages). It is also effective to reduce the grain boundary pores so that the density of the sintered body is equal to or higher than a certain value (94% or higher). Further, the addition of a rare earth element or the like also has an effect of suppressing migration, and it is considered that the reason for this is that the presence of these elements at the grain boundaries hinders tungsten migration.
【００２０】また、セラミックヒータの性能として、耐
久性（断線に至るまでの時間）の他に、基部セラミック
スと、発熱抵抗体を構成する金属成分との密着性が高い
ことが必要である。特に発熱抵抗体に通電するための端
子部においては、ニッケルメッキを施した後、リード線
引出用端子がロー付けにより接合されるが、密着性が低
いと端子部が基部セラミックスから剥離し易い。このよ
うな剥離を防止するためには密着強度（端子部分での基
部セラミックスと発熱抵抗体との接合強度）が１ｋｇ／
ｍｍ2 以上であることが好ましい。また、端子部にリー
ド線引出用端子をロー付け接合せず、相対する外部端子
と押圧的に面接触により通電させる場合においても、上
記密着性が低いと端子部のメタライズ層の摩耗が大きく
なり、剥離を生じ易くなるため、高い密着強度であるこ
とが望ましい。The performance of the ceramic heater is required to have high adhesion between the base ceramics and the metal component constituting the heating resistor, in addition to the durability (the time until disconnection). Particularly, in the terminal portion for supplying current to the heating resistor, the lead wire lead-out terminal is joined by brazing after nickel plating, but if the adhesion is low, the terminal portion is easily peeled from the base ceramic. To prevent such peeling, the adhesion strength (the bonding strength between the base ceramic and the heating resistor at the terminal portion) is 1 kg /
mm 2 or more. In addition, even when the terminal for lead wire extraction is not soldered to the terminal portion but is energized by pressing and surface contact with the opposing external terminal, if the adhesion is low, abrasion of the metallized layer of the terminal portion increases. In order to easily cause peeling, it is desirable that the adhesive strength be high.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】本発明のセラミックヒータは、平
板状或いは丸棒状等の形状のものとすることができる。
平板状セラミックヒータの場合、アルミナ材質の２枚の
グリーンシートの間に、タングステン等の高融点金属か
らなる発熱パターンを設け、これらを一体に焼成するこ
とにより得られる。上記発熱パターンは焼成されて発熱
抵抗体となり、その先端側には発熱部が、後端側にはリ
ード部を介して電極端子部が形成され、使用時には、こ
の部分にリード線引き出し用端子が接合され、電源に接
続される。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The ceramic heater of the present invention may have a flat plate shape or a round bar shape.
In the case of a flat ceramic heater, it is obtained by providing a heat generating pattern made of a high melting point metal such as tungsten between two green sheets made of alumina material and firing them integrally. The heating pattern is fired to form a heating resistor, a heating portion is formed on the front end side, and an electrode terminal portion is formed on the rear end side via a lead portion. In use, a lead wire lead-out terminal is formed on this portion. Joined and connected to power supply.
【００２２】一方、発明の実施の他の形態として、丸棒
状セラミックヒータを成形した。このヒータも基本構造
は平板状のものと同様であるが、電極端子部近傍の構造
がやや複雑になっている。即ち、表面側となるグリーン
シートの電極端子部が形成される位置にスルーホールを
設け、このスルーホールを介して電極端子部と発熱抵抗
体後端の端末部とが接続される構造にしたものである。
そして、このスルーホールが設けられたグリーンシート
に、他のグリーンシートを圧着し、一体となったものを
アルミナ製管状体に巻着し、焼成することにより丸棒状
ヒータが得られる。使用時には、電極端子部にリード線
引き出し用端子が接合され、電源に接続される。On the other hand, as another embodiment of the present invention, a round bar-shaped ceramic heater was formed. This heater has the same basic structure as that of the flat plate, but the structure in the vicinity of the electrode terminal is slightly complicated. That is, a through hole is provided at a position where the electrode terminal portion of the green sheet on the front side is formed, and the electrode terminal portion and the terminal portion at the rear end of the heating resistor are connected via the through hole. It is.
Then, another green sheet is pressure-bonded to the green sheet provided with the through-hole, and the integrated green sheet is wound around an alumina tubular body and fired to obtain a round bar heater. In use, a lead wire lead-out terminal is joined to the electrode terminal portion and connected to a power supply.
【００２３】[0023]
【実施例】以下、実験例及び比較実験例により、特定の
セラミックスを使用して作製した本発明のセラミックヒ
ータの性能を詳細に説明する。 (1) セラミックヒータの構造 平板状セラミックヒータ 図１は平板状セラミックヒータの分解斜視図である。こ
のセラミックヒータは、アルミナ材質のグリーンシート
が焼成されてなる層（以下、焼成セラミックス層とい
う。）１ａ、１ｂの間に、タングステンからなる発熱抵
抗体２を設けたものである。発熱抵抗体２は、その先端
側の発熱部２１と、後端側に配置されて電源に接続され
る陽極側端子部２２ａ、陰極側端子部２２ｂと、発熱部
２１と両端子部２２ａ、２２ｂとを結ぶリード部２３
ａ、２３ｂにより構成されている。EXAMPLES Hereinafter, the performance of the ceramic heater of the present invention manufactured using a specific ceramic will be described in detail with reference to experimental examples and comparative experimental examples. (1) Structure of Ceramic Heater Flat Ceramic Heater FIG. 1 is an exploded perspective view of a flat ceramic heater. In this ceramic heater, a heating resistor 2 made of tungsten is provided between layers (hereinafter, referred to as fired ceramic layers) 1a and 1b formed by firing a green sheet made of an alumina material. The heat generating resistor 2 includes a heat generating portion 21 on the front end side, an anode side terminal portion 22a and a cathode side terminal portion 22b arranged on the rear end side and connected to a power source, and the heat generating portion 21 and both terminal portions 22a and 22b. Lead part 23 connecting
a and 23b.
【００２４】また、焼成セラミックス層１ａは、１ｂに
比べて少し短くなっており、端子部２２ａ、２２ｂは、
焼成セラミックス層１ａによって覆われておらず、この
両端子部２２ａ、２２ｂにリード線引出し用端子（図示
せず）がロー付けされる。尚、焼成セラミックス層１
ａ、１ｂを同じ長さとし、両端子部２２ａ、２２ｂが露
出するように、焼成セラミックス層１ａの対応する部位
を切り欠いてもよいし、対応部位に貫通孔を設けてもよ
い。The fired ceramic layer 1a is slightly shorter than 1b, and the terminal portions 22a and 22b are
The terminals (not shown) are not covered with the fired ceramics layer 1a, and lead terminals (not shown) are soldered to the terminal portions 22a and 22b. The fired ceramic layer 1
The corresponding portions of the fired ceramics layer 1a may be cut out, or through holes may be provided in the corresponding portions so that the terminals a and 1b have the same length and the terminal portions 22a and 22b are exposed.
【００２５】丸棒状セラミックヒータ 図２は、丸棒状セラミックヒータの分解斜視図（ａ）及
び丸棒状セラミックヒータと、陽極側及び陰極側端子部
２２ａ、２２ｂにロー付接合する前の陽極側及び陰極側
リード線引き出し用端子５ａ、５ｂと、を表す斜視図
（ｂ）である。このセラミックヒータは、アルミナ材質
の焼成セラミックス層１ａ及び１ｂの間に、タングステ
ンからなる発熱抵抗体２を設けたものである。焼成セラ
ミックス層１ａを構成することとなるグリーンシートに
は、後に説明するように陽極側及び陰極側端子部にあた
る位置にスルーホールを設けておく。そして圧着された
グリーンシートがアルミナ製管状体４に巻着され、焼成
されて丸棒状セラミックヒータが形成される。尚、管状
体４は円柱状であってもよいが、図示の通りの円管状の
ほうが強度上好ましい。FIG. 2 is an exploded perspective view of the round bar-shaped ceramic heater (a) and the round bar-shaped ceramic heater and the anode and cathode before being brazed to the anode and cathode terminals 22a and 22b. It is a perspective view showing the side lead wire extraction terminals 5a and 5b (b). This ceramic heater has a heating resistor 2 made of tungsten provided between fired ceramic layers 1a and 1b made of alumina. As will be described later, through holes are provided in the green sheet constituting the fired ceramics layer 1a at positions corresponding to the anode and cathode terminals. The pressed green sheet is wound around an alumina tubular body 4 and fired to form a round bar-shaped ceramic heater. The tubular body 4 may have a columnar shape, but a tubular shape as shown in the figure is preferred in terms of strength.
【００２６】上記発熱抵抗体２は、その先端側の発熱部
２１と、後端側の陽極側端末部２２ａ’及び陰極側端末
部２２ｂ’と、発熱部２１と両端末部２２ａ’、２２
ｂ’とを結ぶリード部２３ａ、２３ｂと、焼成セラミッ
クス層１ａに設けられたスルーホール３に形成された導
通部、及び該導通部を通じて、この両端末部２２ａ’、
２２ｂ’と各々導通されている陽極側端子部２２ａ及び
陰極側端子部２２ｂにより構成されている。更に、これ
ら両端子部２２ａ、２２ｂには、電源に接続されるリー
ド線引き出し用端子５ａ、５ｂが接合される。The heating resistor 2 has a heating portion 21 at the front end, an anode terminal 22a 'and a cathode terminal 22b' at the rear end, a heating portion 21 and both terminals 22a ', 22a'.
b ′, a lead portion 23a, 23b, a conductive portion formed in the through hole 3 provided in the fired ceramics layer 1a, and the two terminal portions 22a ′,
22b 'and an anode terminal 22a and a cathode terminal 22b which are electrically connected to each other. Further, lead wire lead-out terminals 5a and 5b connected to a power supply are joined to both terminal portions 22a and 22b.
【００２７】(2) セラミックヒータの作製方法 セラミックヒータを構成するセラミックスからなる基部
は、２枚のグリーンシートを使用して作製した。 平板状セラミックヒータ a) グリーンシートの作製 Ａｌ2 Ｏ3 粉末（純度；９９．９％、平均粒径；１．８
μｍ）と、焼結助剤であるＳｉＯ2 （純度；９９．９％
以上、平均粒径；１．４μｍ）、ＣａＯとなるＣａＣＯ
3 （純度；９９．９％以上、平均粒径；３．２μｍ）、
ＭｇＯとなるＭｇＣＯ3 （純度；９９．９％以上、平均
粒径；４．１μｍ）及び必要に応じて添加される他の微
量成分粉末からなる所定割合で配合された配合物１００
重量部に対し、ポリビニルブチラール８重量部、ＤＢＰ
４重量部、メチルエチルケトン１８重量部及びトルエン
７０重量部を添加し、ボールミルで混合してスラリ状と
した。(2) Manufacturing Method of Ceramic Heater The base made of ceramics constituting the ceramic heater was manufactured using two green sheets. Plate-shaped ceramic heater a) Preparation of green sheet Al 2 O 3 powder (purity: 99.9%, average particle size: 1.8)
μm) and SiO 2 as a sintering aid (purity: 99.9%
Above, average particle size: 1.4 μm), CaCO to become CaO
3 (purity: 99.9% or more, average particle size: 3.2 μm),
Formulation 100 blended at a predetermined ratio consisting of MgCO 3 (purity: 99.9% or more, average particle size: 4.1 μm) to become MgO and other minor component powders added as needed.
8 parts by weight of polyvinyl butyral, DBP
4 parts by weight, 18 parts by weight of methyl ethyl ketone and 70 parts by weight of toluene were added and mixed by a ball mill to form a slurry.
【００２８】その後、減圧脱泡し、ドクターブレード法
によって厚さ０．４ｍｍの２枚の平板状ヒータ用のグリ
ーンシートを作製した。尚、実験例１４〜２６及び比較
実験例８〜１０は、実験例１の配合物に更に希土類元素
等（いずれも純度；９９．９％以上、平均粒径；１．５
μｍ以下）を所定量添加したものである。また、調合は
後記の表１に示す実験例１と同等の主成分組成を有する
ポット及び球石を用いて実施した。焼結助剤や希土類元
素等の添加は、アルコキシド等を用いて行ってもよい。Thereafter, defoaming was performed under reduced pressure, and two 0.4 mm-thick green sheets for a flat heater were produced by a doctor blade method. In Experimental Examples 14 to 26 and Comparative Experimental Examples 8 to 10, the compound of Experimental Example 1 was further added with a rare earth element (purity: 99.9% or more, average particle diameter: 1.5).
μm or less). The preparation was carried out using a pot and a sphere having the same main component composition as in Experimental Example 1 shown in Table 1 below. The addition of a sintering aid, a rare earth element, or the like may be performed using an alkoxide or the like.
【００２９】b) 発熱パターンの印刷 上記のようにして得られた一のグリーンシートの表面
に、予め調製されたタングステンペーストを、厚膜印刷
法により３０μｍの厚さにスクリーン印刷し、発熱抵抗
体２を構成することとなる発熱パターンを形成した。 c) セラミックヒータ成形体の作製 次いで、他のグリーンシートを、一のグリーンシートの
発熱パターンを印刷した面に圧着し、積層してセラミッ
クヒータ成形体を得た。尚、焼成後、焼成セラミックス
層１ａとなる上記他のグリーンシートは、前記の通り発
熱抵抗体２のリード部２３ａ、２３ｂの部分までを覆う
ことができ、両端子部２２ａ、２２ｂは覆わない長さと
なっている。B) Printing of Heating Pattern On the surface of one green sheet obtained as described above, a tungsten paste prepared in advance is screen-printed to a thickness of 30 μm by a thick film printing method, and a heating resistor is formed. A heat generation pattern to constitute No. 2 was formed. c) Preparation of Ceramic Heater Molded Body Next, another green sheet was pressed against the surface of one green sheet on which the heat generation pattern was printed, and laminated to obtain a ceramic heater molded body. After firing, the other green sheet that becomes the fired ceramic layer 1a can cover up to the lead portions 23a and 23b of the heating resistor 2 as described above, and the two green sheets do not cover both terminal portions 22a and 22b. It has become.
【００３０】d) セラミックヒータ成形体の焼成 セラミックヒータ成形体を２５０℃で樹脂抜きし、その
後、水素雰囲気中、１５５０℃で焼成し、焼成セラミッ
クス層１ａ、１ｂと発熱抵抗体２とが一体化されたセラ
ミックヒータを得た。 e) リード線引き出し用端子のロー付け 両端子部をニッケルメッキし、銀ロー材を用いてリード
線引き出し用端子（図示せず）を両端子部２２ａ、２２
ｂに接合した。D) Firing of ceramic heater molded body The ceramic heater molded body is extruded at 250 ° C. and then fired at 1550 ° C. in a hydrogen atmosphere to integrate the fired ceramic layers 1 a and 1 b with the heating resistor 2. The obtained ceramic heater was obtained. e) Brazing of lead wire lead terminals Both terminal portions are nickel-plated, and lead wire lead terminals (not shown) are connected to both terminal portions 22a and 22 using silver brazing material.
b.
【００３１】丸棒状セラミックヒータ a) グリーンシートの作製 作製法は平板状セラミックヒータの場合と同様である
が、厚さ０．３ｍｍ及び０．０６ｍｍの２枚のグリーン
シートを作製した。Round Bar-shaped Ceramic Heater a) Production of Green Sheets The production method was the same as that of the flat ceramic heater, but two green sheets having a thickness of 0.3 mm and 0.06 mm were produced.
【００３２】b) 発熱パターンの印刷 厚さ０．３ｍｍのグリーンシートの一表面に、タングス
テンペーストを、タングステンペーストの粘度或いはス
クリーンマスクの乳剤厚さを変えて、１８、２３、２８
及び３３μｍの各厚さに厚膜印刷法によりスクリーン印
刷し、焼成されて発熱抵抗体２を構成することとなる発
熱パターンのうち、陽極側及び陰極側端子部（便宜上、
焼成後のものと同符号を付す。以下、発熱部、端末部、
リード部についても同様である。）２２ａ、２２ｂを除
く、発熱部２１、陽極側端末部２２ａ’、陰極側端末部
２２ｂ’及びリード部２３ａ、２３ｂを形成した。B) Printing of heat generation pattern On one surface of a green sheet having a thickness of 0.3 mm, a tungsten paste is applied by changing the viscosity of the tungsten paste or the emulsion thickness of the screen mask to 18, 23, and 28.
Of the heat-generating pattern that is screen-printed to a thickness of 33 μm and a thickness of 33 μm by a thick-film printing method, and then fired to form the heat-generating resistor 2.
The same reference numerals are given to those after firing. Hereinafter, the heating section, terminal section,
The same applies to the lead portion. ) Except for 22a and 22b, a heat generating portion 21, an anode-side terminal portion 22a ', a cathode-side terminal portion 22b' and lead portions 23a and 23b were formed.
【００３３】c) セラミックヒータ成形体の作製 その後、厚さ０．３ｍｍのグリーンシートの他表面の所
定位置に、タングステンペーストを使用して厚膜印刷法
により、陽極側端子部２２ａ及び陰極側端子部２２ｂ
（面積；３×５ｍｍ）を印刷し、次いで、陽極側端末部
２２ａ’と陽極側端子部２２ａとを、及び陰極側端末部
２２ｂ’と陰極側端子部２２ｂとを各々電気的に接続す
るように、タングステンペーストをスルーホール３に充
填し、その後、このグリーンシートの一表面に厚さ０．
０６ｍｍのグリーンシートを圧着した。次いで、この厚
さ０．０６ｍｍのグリーンシートの他面にアルミナペー
スト（共素地）を塗布し、この塗布面をアルミナ製管状
体側としてアルミナ製管状体４に巻き付け、外周を押圧
してセラミックヒータ成形体を得た。C) Preparation of the ceramic heater molded body After that, the anode terminal 22a and the cathode terminal 22a were formed at predetermined positions on the other surface of the green sheet having a thickness of 0.3 mm by a thick film printing method using a tungsten paste. Part 22b
(Area: 3 × 5 mm), and then electrically connect the anode terminal 22a ′ and the anode terminal 22a and the cathode terminal 22b ′ and the cathode terminal 22b, respectively. Then, a tungsten paste is filled in the through holes 3, and then the surface of the green sheet has a thickness of 0.1 mm.
A 06 mm green sheet was pressed. Next, an alumina paste (co-base) is applied to the other surface of the green sheet having a thickness of 0.06 mm, the coated surface is wound around the alumina tubular body 4 with the alumina tubular body side, and the outer periphery is pressed to form a ceramic heater. I got a body.
【００３４】d) セラミックヒータ成形体の焼成 上記のようにして得られたセラミックヒータ成形体を２
５０℃で樹脂抜きし、その後、水素雰囲気中、１５５０
℃で焼成し、焼成セラミックス層１ａ、１ｂ、発熱抵抗
体２及びアルミナ製管状体４が一体化されたセラミック
ヒータを得た。尚、図２（ｂ）では、両端子部２２ａ、
２２ｂとリード線引き出し用端子５ａ、５ｂとの関係を
分かり易くするため、両端子５ａ、５ｂを別に図示して
あるが、実際には両端子５ａ、５ｂは、成形体が焼成に
よってセラミックヒータとされた後、陽極、陰極両端子
部２２ａ、２２ｂに各々ニッケルメッキを施した後、ロ
ー材により両端子部に接合されるものである。D) Firing of the ceramic heater compact The ceramic heater compact obtained as described above was
The resin was removed at 50 ° C., and then 1550 in a hydrogen atmosphere.
C. to obtain a ceramic heater in which the fired ceramic layers 1a and 1b, the heating resistor 2, and the alumina tubular body 4 were integrated. In FIG. 2B, both terminal portions 22a,
Although the terminals 5a and 5b are separately shown to make it easier to understand the relationship between the terminals 22a and the lead wire lead-out terminals 5a and 5b, actually, the terminals 5a and 5b are formed by firing a molded body with a ceramic heater. Then, both the anode and cathode terminal portions 22a and 22b are plated with nickel, and then joined to both terminal portions by a brazing material.
【００３５】(3) セラミックヒータの性能評価 平板状セラミックヒータ a) セラミックヒータの耐久性試験 大気雰囲気下、セラミックヒータの発熱部の表面温度が
１１００℃になるようにセラミックヒータに直流電圧を
印加し、発熱抵抗体が断線に至るまでの経過時間を測定
した。通常、セラミックヒータの表面温度を１１００℃
にするには、常温雰囲気下では、セラミックヒータに２
０Ｖの直流電圧を印加する必要があり、雰囲気温度が１
０００℃の場合には、この印加電圧は１０Ｖ程度とすれ
ばよい。セラミックヒータの発熱部の表面温度は、非接
点式温度計を用いて発熱部表面の温度を測定して調製す
ることができる。その他、発熱部表面に予め熱電対を貼
着しておき、印加電圧と表面温度との関係を測定するこ
とにより実施することもできる。(3) Performance evaluation of ceramic heater Flat ceramic heater a) Durability test of ceramic heater A DC voltage was applied to the ceramic heater so that the surface temperature of the heating portion of the ceramic heater became 1100 ° C in the atmosphere. The elapsed time until the heating resistor was disconnected was measured. Normally, the surface temperature of the ceramic heater is 1100 ° C
In order to reduce the temperature under normal temperature atmosphere,
0 V DC voltage must be applied, and the ambient temperature is 1
In the case of 000 ° C., the applied voltage may be about 10V. The surface temperature of the heating portion of the ceramic heater can be adjusted by measuring the temperature of the surface of the heating portion using a non-contact type thermometer. In addition, it is also possible to carry out the measurement by previously attaching a thermocouple to the surface of the heat generating portion and measuring the relationship between the applied voltage and the surface temperature.
【００３６】b) セラミックスと発熱抵抗体との密着性
試験 リード線引き出し用端子（図示せず）をロー付けした
後、セラミックヒータ本体をチャックで固定し、リード
線引き出し用端子を引張速度０．０５ｃｍ／分で、ロー
付した面と平行な方向で端子部の延長線上に引っ張っ
て、端子部がセラミックスから剥離したときの荷重と端
子部の剥離面積を測定し、単位面積当たりの密着強度を
算出した。B) Adhesion test between ceramics and heating resistor After lead terminals (not shown) were soldered, the ceramic heater body was fixed with a chuck, and the lead terminals were pulled at a pulling speed of 0.1 mm. At 05cm / min, pull on the extension of the terminal in the direction parallel to the brazed surface, measure the load when the terminal is peeled from the ceramic and the peeling area of the terminal, and determine the adhesion strength per unit area. Calculated.
【００３７】丸棒状セラミックヒータ a) セラミックヒータの耐久性試験 セラミックヒータの抵抗値が４．５Ω（パターン層厚
さ；３３μｍ）、５．２Ω（同２８μｍ）、６．０Ω
（同２３μｍ）及び６．７Ω（同１８μｍ）である４種
類の発熱抵抗体を有するセラミックヒータについて、セ
ラミックヒータ表面の温度が約１１００℃なるように印
加電圧を設定し、直流電流を連続的に通電して断線に至
るまでの経過時間を測定した。温度調整は平板状セラミ
ックヒータの場合と同様にして行うことができる。 b) セラミックスと発熱抵抗体との密着性試験 平板状セラミックヒータの場合と同様の方法により、単
位面積当たりの密着強度を算出した。Round bar-shaped ceramic heater a) Durability test of ceramic heater The resistance value of the ceramic heater is 4.5Ω (pattern layer thickness: 33 μm), 5.2Ω (28 μm), 6.0Ω.
(23 μm) and 6.7 Ω (18 μm), the applied voltage is set so that the temperature on the surface of the ceramic heater becomes about 1100 ° C., and the DC current is continuously increased. The elapsed time from the energization to the disconnection was measured. The temperature can be adjusted in the same manner as in the case of the flat ceramic heater. b) Adhesion test between ceramic and heating resistor The adhesion strength per unit area was calculated by the same method as in the case of the flat ceramic heater.
【００３８】(4) セラミックスからなる基部の性能評価
（平板状セラミックヒータ、丸棒状セラミックヒータと
もに同じ方法で評価した。） a) 組成の分析 セラミックスグリーンシートをセラミックヒータ成形体
の場合と同じ条件で焼成し、得られた焼結体について、
化学分析により各元素成分量を酸化物換算で求めた。平
板状セラミックヒータについての結果を、表１、表２、
表３及び表４に示す。また、丸棒状セラミックヒータの
場合、表６の実験例２８〜３０は、それぞれ実験例１〜
３と同一の組成であり、比較実験例１１〜１２、１３〜
１４は、それぞれ比較実験例１又は５と同一の組成であ
る。尚、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯの各成
分は、これらの合計量を１００％に換算した値で示し
た。(4) Performance evaluation of the base made of ceramics (Evaluation was performed by the same method for both the flat ceramic heater and the round bar ceramic heater.) A) Analysis of composition The ceramic green sheet was subjected to the same conditions as in the case of the ceramic heater molded body. Firing, and the obtained sintered body,
The amount of each element component was determined in terms of oxide by chemical analysis. Tables 1 and 2 show the results for the flat ceramic heater.
The results are shown in Tables 3 and 4. In the case of a round bar-shaped ceramic heater, Experimental Examples 28 to 30 in Table 6 correspond to Experimental Examples 1 to 3, respectively.
3, the same composition as Comparative Example 3, and Comparative Experimental Examples 11 to 12, 13 to
14 has the same composition as Comparative Example 1 or 5, respectively. Incidentally, Al 2 O 3, SiO 2 , MgO, each component of CaO showed the total amount thereof at a value in terms of 100%.
【００３９】b) 相対密度の測定 セラミックスグリーンシートを□５０ｍｍに打ち抜き、
２５０℃で樹脂抜きした後、水素雰囲気中１５５０℃で
焼成した。そして、得られた焼結体についてアルキメデ
ス法により密度を測定し、その値を理論密度で除し、相
対密度を得た。尚、理論密度は混合則により計算した。
以上、相対密度、耐久性及び密着性の測定結果を、平板
状セラミックヒータについては表１、表２に併記し、ま
た、表３及び表４の組成に対応した結果は表５に示し、
更に、丸棒状セラミックヒータについては表７に示す。
尚、表２、４において＊は数値限定を外れていることを
示す。B) Measurement of relative density A ceramic green sheet was punched into a square of 50 mm,
After the resin was removed at 250 ° C., it was baked at 1550 ° C. in a hydrogen atmosphere. Then, the density of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method, and the value was divided by the theoretical density to obtain a relative density. The theoretical density was calculated according to the mixing rule.
As described above, the measurement results of the relative density, durability and adhesion are shown in Tables 1 and 2 for the flat ceramic heater, and the results corresponding to the compositions in Tables 3 and 4 are shown in Table 5.
Further, Table 7 shows the round bar-shaped ceramic heaters.
In Tables 2 and 4, * indicates that the numerical value is not limited.
【００４０】[0040]
【表１】 [Table 1]
【００４１】[0041]
【表２】 [Table 2]
【００４２】[0042]
【表３】 [Table 3]
【００４３】[0043]
【表４】 [Table 4]
【００４４】[0044]
【表５】 [Table 5]
【００４５】[0045]
【表６】 [Table 6]
【００４６】[0046]
【表７】 [Table 7]
【００４７】表１の結果によれば、本発明のセラミック
ヒータに使用したセラミックスは、相対密度は９４．８
％以上であり、セラミックヒータの耐久性はいずれも６
００時間を越えている。また、密着強度においても１．
１ｋｇ／ｍｍ2 以上であり、各特性ともに優れたセラミ
ックヒーターであることが分かる。特に、ＭｇＯとＣａ
Ｏとの合計量が１．１〜１．８重量％の範囲では、主成
分以外の元素の酸化物の総量が非常に少ない実験例１３
を除いて、密着強度が１．６ｋｇ／ｍｍ2 以上となって
おり、更に、ＭｇＯとＣａＯの合計量は０．９重量％と
やや低いものの、ＴｉＯ2 を含む主成分以外の元素の酸
化物の総量が上限の０．２重量％となっている実験例１
２でも、密着強度は２．０ｋｇ／ｍｍ2 となっており、
より優れたものであることが分かる。尚、各表中、−は
０．００１重量％未満であることを表す。According to the results shown in Table 1, the relative density of the ceramic used in the ceramic heater of the present invention was 94.8.
% Or more, and the durability of each of the ceramic heaters is 6%.
Over 00 hours. In addition, the adhesion strength is also 1.
It is 1 kg / mm 2 or more, which indicates that the ceramic heater is excellent in each of the characteristics. In particular, MgO and Ca
Experimental Example 13 in which the total amount of oxides of elements other than the main component was extremely small when the total amount of O and 1.1 to 1.8% by weight was in the range.
Except for the above, the adhesive strength is 1.6 kg / mm 2 or more, and the total amount of MgO and CaO is slightly lower at 0.9% by weight, but oxides of elements other than the main components including TiO 2 are included. Experimental Example 1 in which the total amount of is the upper limit of 0.2% by weight
2, the adhesion strength is 2.0 kg / mm 2 ,
It turns out that it is more excellent. In each table,-represents less than 0.001% by weight.
【００４８】一方、表２の結果によれば、Ａｌ2 Ｏ3 が
下限未満で、主成分以外の元素等並びにＭｇＯとＣａＯ
の合計量が上限を越えている比較実験例１では、密着性
は非常に良好であるが耐久性が劣化している。また、主
成分以外の元素等のみが上限を越えている比較実験例
２、ＭｇＯとＣａＯとの合計量のみが上限を越えている
比較実験例３及びＭｇＯとＣａＯがそれぞれ下限未満
（合計量も下限未満となる。）である比較実験例４で
は、いずれも耐久性が劣る。On the other hand, according to the results shown in Table 2, the content of Al 2 O 3 is less than the lower limit, and the elements other than the main components, MgO and CaO
In Comparative Example 1 in which the total amount exceeds the upper limit, the adhesion was very good, but the durability was deteriorated. Comparative Example 2 in which only the element other than the main component exceeded the upper limit, Comparative Example 3 in which only the total amount of MgO and CaO exceeded the upper limit, and MgO and CaO each less than the lower limit (the total amount was also lower) In Comparative Experimental Example 4, which is less than the lower limit, the durability is inferior.
【００４９】更に、ＭｇＯが上限を越え、ＣａＯが下限
未満である比較実験例５では、耐久性、密着性ともに大
きく劣化又は低下している。また、ＭｇＯが下限未満で
あって、ＣａＯが上限を越える比較実験例６及びＡｌ2
Ｏ3 が上限を越え（助剤成分が非常に少ない。）ている
比較実験例７では、耐久性には優れるものの、密着性は
更に低下し、０．２ｋｇ／ｍｍ2 未満となっている。Further, in Comparative Example 5 in which MgO exceeds the upper limit and CaO is less than the lower limit, both the durability and the adhesion are greatly deteriorated or reduced. Further, MgO is less than the lower limit, Comparative experimental example CaO exceeds the upper limit 6 and Al 2
In Comparative Example 7 in which O 3 exceeds the upper limit (the amount of auxiliary components is very small), although the durability is excellent, the adhesion is further reduced to less than 0.2 kg / mm 2 .
【００５０】更に、表３、表４及び表５の結果によれ
ば、希土類元素等としてＹ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＮｂ等の酸
化物或いはそれらを混合して０．３〜１３重量％使用し
た場合、相対密度は９４．６％以上であり、耐久性はい
ずれも７００時間以上となっている。また、密着性にお
いても、添加量が最少である実験例２３でも１．８ｋｇ
／ｍｍ2 と非常に優れており、表１に示す第１発明の場
合に比べ、全般により優れたセラミックヒータであるこ
とが分かる。Further, according to the results shown in Tables 3, 4 and 5, it is found that oxides such as Y, Zr, Hf and Nb as rare earth elements and the like or a mixture thereof are used in an amount of 0.3 to 13% by weight. , The relative density is 94.6% or more, and the durability is 700 hours or more in each case. In addition, the adhesion was 1.8 kg even in Experimental Example 23 in which the amount of addition was minimal.
/ Mm 2, which is a very excellent ceramic heater as compared with the case of the first invention shown in Table 1.
【００５１】一方、希土類元素等の添加量が下限未満で
ある比較実験例８では、密着性は実験例１４〜２７に比
べてやや低下しているものの、概ね良好な結果である。
これに対し、その添加量が上限を越える比較実験例９及
び１０では、相対密度、耐久性及び密着性ともにかなり
低下しており、希土類元素等は多量に添加した場合に特
に影響が大きいことが分かる。On the other hand, in Comparative Example 8 in which the amount of the rare earth element added was less than the lower limit, although the adhesion was slightly lower than in Examples 14 to 27, the results were generally good.
On the other hand, in Comparative Examples 9 and 10 in which the amount of addition exceeds the upper limit, the relative density, durability, and adhesion were considerably reduced, and rare earth elements and the like had a particularly large effect when added in large amounts. I understand.
【００５２】更に、表６、表７の結果によれば、丸棒状
セラミックヒータの場合も、本発明に特定されたセラミ
ックスを使用した場合は、試験時のセラミックヒータ表
面の温度がほぼ同じであれば、セラミックヒータの抵抗
及び印加電圧にはかかわりなく、耐久性はいずれも６０
０時間以上となっている。また、密着強度においても、
同一組成のセラミックスを使用した平板状セラミックヒ
ータに比べてやや低いものの、いずれも１．５ｋｇ／ｍ
ｍ2 以上であり、各特性ともに優れたセラミックヒータ
であることが分かる。Further, according to the results shown in Tables 6 and 7, in the case of the round bar-shaped ceramic heater, when the ceramic specified in the present invention is used, the temperature of the ceramic heater surface during the test is almost the same. For example, the durability is 60 regardless of the resistance and applied voltage of the ceramic heater.
0 hours or more. Also, regarding the adhesion strength,
1.5 kg / m, although slightly lower than a flat ceramic heater using ceramics of the same composition
m 2 or more, which indicates that the ceramic heater is excellent in each of the characteristics.
【００５３】一方、比較実験例１１〜１２及び１３〜１
４では、組成が同一である比較実験例１又は５と全く同
様の傾向である。即ち、比較実験例１１〜１２では、密
着性は非常に良好であるが耐久性が劣化しており、ま
た、比較実験例１３〜１４では、耐久性、密着性ともに
大きく劣化又は低下していることが分かる。On the other hand, Comparative Experimental Examples 11 to 12 and 13 to 1
In No. 4, the tendency is exactly the same as in Comparative Experimental Example 1 or 5 having the same composition. That is, in Comparative Experimental Examples 11 to 12, the adhesiveness is very good, but the durability is deteriorated. In Comparative Experimental Examples 13 to 14, both the durability and the adhesiveness are greatly deteriorated or reduced. You can see that.
【００５４】[0054]
【発明の効果】第１発明によれば、使用するセラミック
スの各含有成分の量を、極く少量含まれるＮａ等及びそ
れらの酸化物も含め特定することにより、第２発明のよ
うに、耐久性（断線に至る時間）及びセラミックスから
なる基部と発熱抵抗体であるタングステン等抵抗体材料
との密着性に優れたセラミックヒータを得ることができ
る。また、第３発明では、セラミックスの成分であるＭ
ｇＯとＣａＯの合計量を特定することにより、第１又は
第２発明に比べより優れた密着強度を有するセラミック
ヒータが得られる。更に、第４発明によれば、特定量の
希土類元素等を添加することにより、特に耐久性及び密
着性が一段と優れたセラミックヒータが得られる。According to the first aspect of the present invention, the amount of each component contained in the ceramics used is specified, including Na and the like and their oxides contained in a very small amount, so that the durability can be improved as in the second aspect. It is possible to obtain a ceramic heater having excellent properties (time required for disconnection) and excellent adhesion between a base made of ceramics and a resistance material such as tungsten which is a heating resistor. According to the third aspect of the present invention, the ceramic component M
By specifying the total amount of gO and CaO, a ceramic heater having better adhesion strength than that of the first or second invention can be obtained. Further, according to the fourth aspect, by adding a specific amount of a rare earth element or the like, it is possible to obtain a ceramic heater having particularly excellent durability and adhesion.
【図１】特定のセラミックスを使用して作製した平板状
セラミックヒータの分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of a flat ceramic heater manufactured using a specific ceramic.
【図２】（ａ）は特定のセラミックスを使用して作製し
た丸棒状セラミックヒータの分解斜視図であり、（ｂ）
は陽極側、陰極側のリード線引き出し用端子を接合する
前の丸棒状セラミックヒータの斜視図である。FIG. 2A is an exploded perspective view of a round bar-shaped ceramic heater manufactured using a specific ceramic, and FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a round bar-shaped ceramic heater before joining the lead-out terminals on the anode side and the cathode side.
１ａ、１ｂ；グリーンシートが焼成されてなる層、２；
発熱抵抗体、、２１；発熱抵抗体の先端側の発熱部、２
２ａ、２２ｂ；陽極側及び陰極側端子部、２２ａ’、２
２ｂ’；陽極側及び陰極側端末部、２３ａ、２３ｂ；リ
ード部、３；スルーホール、４；アルミナ製管状体、５
ａ、５ｂ；陽極側及び陰極側リード線引き出し用端子。1a, 1b; layers formed by firing green sheets, 2;
Heating resistor, 21; Heating portion on the tip side of heating resistor, 2
2a, 22b; anode side and cathode side terminal portions, 22a ', 2
2b '; anode and cathode end portions, 23a and 23b; lead portions, 3; through holes, 4; alumina tubular body, 5
a, 5b: Terminals for leading the anode and cathode lead wires.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川地 良毅 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−223157（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−301760（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−124855（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/10 - 35/119 H05B 3/20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Yoshitake Kawaji 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Special Ceramics Co., Ltd. (56) References JP-A-3-223157 (JP, A) JP-A-5-301760 (JP, A) JP-A-5-124855 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/10-35/119 H05B 3/20
Claims (4)
に少なくとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備える
セラミックヒータにおいて、 上記セラミックスは、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ及び
ＣａＯの合計量を１００重量％とした場合に、９１〜９
７重量％のＡｌ2Ｏ3、１〜８重量％のＳｉＯ2、０．２
〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２〜１．２重量％のＣ
ａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上記ＣａＯの合計量が
０．４〜１．８重量％であり、また、上記Ａｌ2Ｏ3、Ｓ
ｉＯ2、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量１００重量％に対
し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａを除く元素及びそれらの酸
化物〔但し、希土類元素及び元素周期表のIVa （但し、
Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元素及びそれらの酸化物を
除く。〕を、その総量で０．０３〜０．２重量％含有す
ることを特徴とするセラミックヒータ。1. A ceramic heater comprising a base made of ceramics and a heating resistor in which at least a heating part is embedded in the base, wherein the ceramics is a total amount of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO and CaO. Is 100% by weight, 91 to 9
7% by weight Al 2 O 3 , 1 to 8% by weight SiO 2 , 0.2
-1.2 wt% MgO and 0.2-1.2 wt% C
containing aO-, and the total amount of the MgO and the CaO is 0.4 to 1.8 wt%, and the Al 2 O 3, S
Elements other than Al, Si, Mg, Ca and their oxides [provided with rare earth elements and IVa of the periodic table of elements, with respect to 100% by weight of the total amount of iO 2 , MgO and CaO,
Excludes Ti. ), Va, Group VIa elements and their oxides are excluded. ] In a total amount of 0.03 to 0.2% by weight.
通電して該セラミックヒータの上記発熱部の表面温度を
１１００℃に加熱したときの、上記発熱抵抗体が断線に
至る時間が６００時間以上、且つ端子をロー材接合した
ときの、上記セラミックスと上記発熱抵抗体により構成
される端子部との密着強度が１．０ｋｇ／ｍｍ2以上で
ある請求項１記載のセラミックヒータ。2. The method according to claim 1, wherein when the surface temperature of the heating portion of the ceramic heater is increased to 1100.degree. C. in an atmosphere of air and the surface temperature of the heating portion is increased to 1100.degree. 2. The ceramic heater according to claim 1, wherein, when the terminals are joined by a brazing material, the adhesion strength between the ceramics and the terminal portion constituted by the heating resistor is 1.0 kg / mm 2 or more.
ａＯの合計量１００重量％に対し、上記ＭｇＯと上記Ｃ
ａＯの合計量が１．１〜１．８重量％であり、且つ上記
密着強度が１．５ｋｇ／ｍｍ2以上である請求項１又は
２記載のセラミックヒータ。3. The method of claim 2, wherein said Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO and C
For the total amount of aO of 100% by weight, the above MgO and the above C
3. The ceramic heater according to claim 1, wherein the total amount of aO is 1.1 to 1.8% by weight, and the adhesion strength is 1.5 kg / mm 2 or more.
に少なくとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備える
セラミックヒータにおいて、 上記セラミックスは、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ及び
ＣａＯの合計量を１００重量％とした場合に、９１〜９
７重量％のＡｌ2Ｏ3、１〜８重量％のＳｉＯ2、０．２
〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２〜１．２重量％のＣ
ａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上記ＣａＯの合計量が
０．４〜１．８重量％であり、また、上記Ａｌ2Ｏ3、Ｓ
ｉＯ2、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量１００重量％に対
し、希土類元素及び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除
く。）、Va、VIa 族元素のうちの１種以上を酸化物換算
で０．１〜１５重量％含有することを特徴とするセラミ
ックヒータ。4. A ceramic heater comprising a base made of ceramics and a heating resistor having at least a heating part embedded in the base, wherein the ceramics is a total amount of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO and CaO. Is 100% by weight, 91 to 9
7% by weight Al 2 O 3 , 1 to 8% by weight SiO 2 , 0.2
-1.2 wt% MgO and 0.2-1.2 wt% C
containing aO-, and the total amount of the MgO and the CaO is 0.4 to 1.8 wt%, and the Al 2 O 3, S
With respect to 100% by weight of the total amount of iO 2 , MgO and CaO, one or more of rare earth elements and IVa (excluding Ti), Va, and VIa group elements of the periodic table are converted to oxides.
Characterized in that it contains 0.1 to 15% by weight .
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