JPH07106055A

JPH07106055A - 急速昇温発熱素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH07106055A
Application number: JP18778294A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Sawamura; 建太郎澤村; Nobuyuki Miki; 信之三木; Masahiro Kitajima; 正裕北島; Etsuo Mihashi; 悦央三橋; Masatada Yodogawa; 正忠淀川; Ryoichi Kondo; 良一近藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】容易かつ安価に製造することができ、しかも
耐久性、特性に優れた急速昇温発熱素子を得る。【構成】電気絶縁性セラミック焼結体層１と、第１お
よび第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ，２ｂ、
および高抵抗の導電性セラミック材料で前記第１および
第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ，２ｂと一体
的に形成された連結部分２ｃを有し、前記連結部分２ｃ
を介して他方に延びる電流路を形成した発熱部２と、前
記第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２
ａ，２ｂと同一面上あるいは該第１および第２高抵抗導
電性セラミック焼結体層２ａ，２ｂの表面上の少なくと
も一部に低抵抗の導電性材料で形成され、それぞれ該第
１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ，２
ｂと電気的に接続された第１および第２リード部層３，
４とを備えており、素子全体の厚さ１００〜２０００μ
m 、幅２００〜５００μm 、長さ１５〜７０μm に規正
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、急速昇温発熱素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】急速昇温発熱素子としては、例えば特公
平１−２８４６７号公報および特公平４−６１８３２号
公報に開示されたものが知られている。

【０００３】特公平１−２８４６７号公報に開示された
急速昇温発熱素子は、自動車ディーゼルエンジン用グロ
ープラグであって、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）に周知
の焼結助剤（例えば、Ｂ₄Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃等）を添加し
た原料粉末をホットプレスモールド中に充填し、その上
の所定位置にタングステン、モリブデン等を主体とする
高融点金属からなる線状発熱部を有する線状体を配置
し、更にその上に前記原料粉末を充填し線状体を埋設し
て後、約２０００℃でホットプレス法により加圧焼成し
て製造されるものであり、露出している線状体の両端部
間に電圧を印加して発熱させて用いられる。

【０００４】一方、特公平４−６１８３２号公報に開示
された急速昇温発熱素子は、窒化珪素、窒化アルミニウ
ム、窒化硼素およびそれらの混合物からなる群から選択
された窒化物３０〜７０体積％、炭化珪素１０〜４５体
積％および二珪化モリブデン５〜５０体積％から全体と
して構成され、且つ、密度が理論密度の少なくとも８５
％であって、組成を異にする発熱帯域と非発熱端部とを
有する電気抵抗器であって、具体的には、焼成後高抵抗
となる材料と低抵抗となる材料を二層に成形して、ホッ
トプレス焼成し、この焼成体を層の方向に対して垂直方
向にＵ字形に機械加工により切り出してなるものであ
り、Ｕ字形の２つの自由端部間に電圧を印加し、連結部
において発熱させて用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特公平１−２８４
６７号公報に開示された急速昇温発熱素子は、セラミッ
ク原料粉体で構成される成形体内に発熱体となる線状体
が埋め込まれるようにして、ホットプレスにより焼成し
てなるものであるが、発熱素子をほぼ完全に個別に製造
しなければならず、製造が効率的でなく、時間がかか
り、しかも高コストなものとなる。また、ヒータが埋設
されているため、ヒータが表面に露出している構造に対
して熱効率が劣る。

【０００６】また、特公平４−６１８３２号公報に開示
された急速昇温発熱素子は、例えば抵抗値の異なる２層
状の導電性焼結体を所定形状すなわちＵ字形に機械加工
により切り出して製造するものであり、セラミック材料
の焼結体のように高硬度のものを加工するため、加工費
がかかるとともに、製造効率も悪いという問題がある。

【０００７】また、上記と同様のセラミックヒータとし
て、特開昭６１−１０４５８１号公報に開示されたもの
が知られているが、このセラミックヒータにあっても、
Ｕ字形のヒータを形成する場合には、一つ一つ一品製作
しなければならず、製造が効率的でなく、且つ高価なも
のとなるという問題点を有している。

【０００８】さらに、従来のセラミックヒータは、１０
秒程度以下の昇温速度での急速昇温発熱素子として用い
ると、熱衝撃によるクラックが生じ易く、また長時間使
用により抵抗劣化が生じ、耐久性の点で不十分である。

【０００９】そこで、本発明は、加熱素子としての特性
は保持したまま、効率よくしかも安価に製造することが
でき、さらに耐久性の高い急速昇温発熱素子を提供する
ことを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１７）の本発明により達成される。（１）電気絶縁性セラミック焼結体層と、この電気絶縁
性セラミック焼結体層の両面のそれぞれの少なくとも一
部に高抵抗の導電性セラミック材料で層設された第１お
よび第２高抵抗導電性セラミック焼結体層と、高抵抗の
導電性セラミック材料で前記第１および第２高抵抗導電
性セラミック焼結体層と一体的に形成された連結部分
と、前記第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体
層の一方から前記連結部分、介して他方に延びる電流路
を形成した発熱部と、前記第１および第２高抵抗導電性
セラミック焼結体層と同一面上あるいは該第１および第
２高抵抗導電性セラミック焼結体層の表面上の少なくと
も一部に低抵抗の導電性材料で形成され、それぞれ該第
１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層と電気的
に接続された第１および第２リード部層とを有し、素子
全体の厚さが１００〜２０００μｍ、幅が２００〜５０
００μｍ、および長さが１５〜７０mmの範囲にそれぞれ
設定されている急速昇温発熱素子。（２）前記発熱部の連結部分が、前記第１および第２高
抵抗導電性セラミック焼結体層の材料と同一の材料で形
成されている上記（１）の急速昇温発熱素子。（３）前記第１および第２リード部層が、低抵抗の導電
性セラミック材料で形成された導電性セラミック焼結体
層である上記（１）または（２）の急速昇温発熱素子。（４）前記電気絶縁性セラミック焼結体層と前記第１お
よび第２高抵抗導電性セラミック焼結体層の厚さが共に
１〜１０００μｍ、前記発熱部全体の厚さが１００〜２
０００μｍの範囲内に設定されている上記（１）ないし
（４）のいずれかの急速昇温発熱素子。（５）前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、発熱部
と、第１および第２リード部層とが、共に同一金属酸化
物である絶縁性第１成分と、同一金属の珪化物および／
または炭化物である導電性第２成分とを組成比を変えて
主成分とするセラミックで形成されている上記（１）〜
（４）のいずれかの急速昇温発熱素子。（６）電気絶縁性セラミック焼結体層と、この電気絶縁
性セラミック焼結体層に接続された発熱部と、この発熱
部に電圧を印加するための第１および第２リード部層と
を備え、前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、発熱部
と、第１および第２リード部層とが、共に同一金属酸化
物である絶縁性第１成分と、同一金属の珪化物および／
または炭化物である導電性第２成分とを組成比を変えて
主成分とするセラミックで形成されている急速昇温発熱
素子。（７）前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、前記発熱
部と、前記第１および第２リード部層において、第１成
分と第２成分の組成比が体積比でそれぞれ１０：０〜
８：２、７．５：２．５〜５．５：４．５および５：５
〜０：１０である上記（５）または（６）の急速昇温発
熱素子。（８）前記金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジル
コニウム、酸化クロム、酸化チタン、酸化タンタル、酸
化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウムおよび酸化ア
ルミニウムケイ素のうち少なくとも一種であり、前記金
属珪化物が、モリブデン、タングステンおよびクロムの
珪化物のうち少なくとも一種であり、そして前記金属炭
化物が、シリコンおよびチタンの炭化物のうち少なくと
も一種である上記（５）ないし（７）のいずれかの急速
昇温発熱素子。（９）前記第２成分が珪化モリブデンである上記（５）
ないし（８）のいずれかの急速昇温発熱素子。（１０）前記電気絶縁性セラミック焼結体、前記発熱部
ならびに前記第１および第２リード部層のうちの少なく
とも１層がアルカリ土類金属およびＹを含む希土類金属
の酸化物を１０wt% 以下含有する上記（５）ないし
（９）のいずれかの急速昇温発熱素子。（１１）外表面が化学的、熱的に安定な耐熱性、耐酸化
性の保護膜で被覆されている上記（１）ないし（10）の
いずれかの急速昇温発熱素子。（１２）前記保護膜が、シリカ、アルミナおよびクロミ
アの少なくとも一種以上で形成されている上記（11）の
急速昇温発熱素子。（１３）前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、発熱部
と、第１および第２リード部層のうち少なくともいずれ
かが、炭化珪素を２wt％以下含む上記（６）ないし（1
2）のいずれかの急速昇温発熱素子。（１４）前記連結部分が３層以上で形成され、その中間
部の抵抗値が、その上下の層の抵抗値より大きく設定さ
れている上記（１）ないし（13）のいずれかの急速昇温
発熱素子。（１５）前記中間部が、前記電気絶縁性セラミック焼結
体層と実質的に同一厚さあるいは厚さの差が±２０％以
内の厚さであって、前記電気絶縁性セラミック焼結体層
の先端に接続された中間層として形成されている上記
（13）の急速昇温発熱素子。（１６）第１および第２リード部層の抵抗値が、発熱部
の抵抗値の１０分の１以下に設定されている上記（１）
ないし上記（14）のいずれかの急速昇温発熱素子。（１７）上記（１）ないし（16）のいずれかの急速昇温
発熱素子を製造する方法において、前記電気絶縁性セラ
ミック焼結体層と、発熱部と、第１および第２リード部
層を焼結前の状態で層状に形成して積層し、これを焼成
することによって素子を得ることを特徴とする急速昇温
発熱素子の製造方法。

【００１１】

【作用】本発明の急速昇温発熱素子は、主要部分あるい
は全体をセラミックのグリーンシートを積層し、これを
単に短冊状に切断した後、焼成することによって製造す
ることができるので、焼成の前工程までを複数の素子を
一体にかつ同時に作製することができ、効率よく、しか
もその後の工程も焼成前の生の材料を単に短冊状に切断
し、焼成するだけでよいので、効率よく、しかも安価に
製造することができる。

【００１２】また、上記特公平４−６１８３２号の急速
昇温発熱素子にあっては、Ｕ字形で内部に切り欠き空間
を有しているので、強度的に弱いものとなってしまうた
め、その２本の垂直部分の厚さをある程度大きく設定し
なければならず、従って全体としても大きなサイズのも
のとなってしまう。また、耐久性も低い。しかしなが
ら、本発明の急速昇温発熱素子においては、電気絶縁性
セラミック焼結体層を用いて、この層に発熱部とリード
部とを一体化している。また、発熱部は電気絶縁性セラ
ミックの先端部の端面および側面に一体化されている。
そして、その全体構造は通常一体の板状となる。これら
のため、強度的に強く、小型化が可能となる。この小型
化に伴って、昇温に要するエネルギが小さくてすみ、熱
衝撃に強く、くり返し長時間の急速昇温に対して耐久性
が高いという大きな利点がある。

【００１３】また、酸化物と、珪化物および／または炭
化物とを主成分として、電気絶縁性セラミック焼結体層
と発熱部とリード部とを構成し、各層の構成成分と共に
同一成分として、その組成比をかえるとくり返し長時間
の急速昇温によってもクラックの発生や抵抗劣化がな
く、高い耐久性が得られる。さらに、窒化物を用いると
きには、窒素中での焼結を行わないとＮＴＣ特性を示し
実用できないが、上記のように窒化物を用いなければ、
焼結条件の制約がなくなり、すぐれたＰＴＣ特性を安定
に得ることができ、すぐれた昇温特性を得ることができ
る。

【００１４】なお、特開平１−２０２４７０号公報には
電気絶縁層の上下および一端部に導電層一体的に形成し
た焼結体にリード部を接着したヒータが開示されてい
る。しかし、このものはリード層が一体的に形成されて
いないので、素子全体が発熱体となり温度上昇するた
め、リード部の接続部を高温に耐えるものとする必要が
ある。しかし、リード部の接続部の接着強度を高温発熱
時においても保つことはきわめてむずかしく、実用的で
はない。バネ等を用いて機械的な圧力で接触を取ること
も考えられるが、やはり高温となるとそれに耐える材質
のものは少なく、例えあったとしても長期間の使用は期
待できない。接続部をセメント等で固めることも考えら
れるが、いずれにしても接続部の温度上昇は避けられな
い。

【００１５】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成を詳細に説明
する。

【００１６】図１、図２および図３には、本発明の急速
昇温発熱素子の好適例３例が示されている。

【００１７】本発明の急速昇温発熱素子は、例えば全体
として長方形の板状であることが望ましく、電気絶縁性
セラミック焼結体層１、発熱部２、および第１および第
２リード部を備えている。素子の全体形状は上記のよう
に通常板状であることが好ましいが、円柱状等の形状を
とってもよい。上記発熱部２は、上記電気絶縁性セラミ
ック焼結体層１の表面および裏面のそれぞれの全面（図
１参照）あるいは一部分（図２参照）に、比較的高抵抗
の導電性セラミック材料で平面あるいは曲面の板状に形
成された第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体
層２ａおよび２ｂと、第１および第２高抵抗導電性セラ
ミック焼結体層２ａおよび２ｂの一方から他方に、前記
電気絶縁性セラミック焼結体層の周縁の一部、図示の場
合には先端部に沿って延びる電流路を形成するように、
比較的高抵抗の導電性セラミック材料で、第１および第
２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａおよび２ｂと一
体的に形成された連結部分２ｃとを備えている。

【００１８】上記第１および第２リード部層３および４
は、それぞれ例えば図１、図３に示されているように第
１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ、２
ｂの後端部に段差を設け、この第１および第２高抵抗導
電性セラミック焼結体層２ａ、２ｂの後端側の薄肉部分
の上に形成されているか、図２に示されているように、
電気絶縁性セラミック焼結体層１上に、第１および第２
高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ、２ｂ表面と連続
面が形成されるように接続されている。

【００１９】以上の構成においては、図から明らかなよ
うに、本発明の急速昇温発熱素子は、好ましくは全体と
して長方形の板状に形成されており、その長尺方向の端
部の先端部に発熱部２が形成されている。

【００２０】上記第１および第２リード部層３および４
上には、金属で形成された外部接続電極層５、６が形成
されている。この外部接続電極層５、６は、第１および
第２リード部層３および４上であるならいずれの位置で
あってもよいが、急速昇温発熱素子の上記発熱部２の形
成端部とは反対側の端部、あるいはその近傍に設け、高
温にならないようにすることが望ましい。

【００２１】なお、上記発熱部２の連結部分２ｃのサイ
ズが大きくなる場合には、面積の大小の関係で、第１お
よび第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ、２ｂの
みが発熱する場合があるが、この場合には、図３に示し
たように、中央部により高抵抗の高抵抗層２ｄを挟んだ
サンドイッチ構造とし、連結部分２ｃが十分に発熱する
ようにしてもよい。

【００２２】図示はしていないが、本発明の急速昇温発
熱素子は、外表面が化学的、熱的に安定な耐熱性、耐酸
化性の保護膜で被覆されていることが望ましい。

【００２３】本発明の急速昇温発熱素子においては、室
温から１０００〜１５００℃への昇温時間が１０秒以
内、好ましくは１〜５秒に設定される。また、本発明の
急速昇温発熱素子においては、その素子抵抗は、使用電
力と使用電圧範囲によって変わるが、概ね０．５〜２０
ｋΩの範囲に設定される。そして、発熱部の抵抗値は、
第１および第２リード部層の抵抗値の１０倍以上、特に
２０〜１０００倍程度とする。この結果、特に端子電極
の部分における温度があまり高くならないようにするこ
とができる。なお、上記抵抗値は、素子が発熱して温度
が室温から１０００℃に上昇したときに、ＰＴＣ特性の
ため４倍程度に増大するので、室温での抵抗値を目標値
の４分の１程度に下げて設定することもある。

【００２４】本発明の急速昇温発熱素子は、その厚さを
１００〜２０００μｍの範囲、その幅を２００〜５００
０μｍ、好ましくは８００〜３０００μｍの範囲、そ
の長さを１５〜７０ｍｍ、好ましくは２５〜５０ｍｍの
範囲に設定することが望ましい。

【００２５】厚さが上記の範囲未満では機械的強度が弱
く、上記範囲を超えると、熱容量が大きくなりすぎ昇温
速度が遅くなるとともに、耐熱衝撃性が低下し、急速昇
温時にクラックの発生の原因となる。幅が上記の範囲未
満では機械的強度が弱く取扱いが難しくなるとともに、
発熱容量が小さくなってくる。また、長時間使用で導電
体の酸化が進むと、酸化層の比率が高くなり易く、酸化
の影響を強く受けるようになってくる。一方、上記範囲
を超えると、熱容量が大きくなりすぎ昇温速度が遅くな
ってくる。また、放熱面積が大きくなってからも、昇温
が遅くなってくる。また、耐熱衝撃性が低下し、急速昇
温時にクラック発生の原因となってくる。

【００２６】また、素子の長さが上記の範囲未満である
と、端子電極を発熱部から十分に離して設置することが
困難となり、端子電極の部分の温度が高くなってくる。
一方、長さが上記の範囲を超えると、機械的な衝撃等に
弱くなり、取扱いが難しくなってくる。

【００２７】上記電気絶縁性セラミック焼結体層１およ
び第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層２
ａ、２ｂの厚さは、共に１〜１０００μｍ、好ましくは
１０〜５００μｍの範囲に設定することが望ましい。１
μｍ未満では、機械的強度がもたず、またスルーホール
等が発生し易くなり、電気的に短絡し易くなってくる。
一方、１０００μｍを超えると、熱容量が大きくなり、
昇温速度が遅くなると同時に、急昇温による熱衝撃で素
子が破壊し易くなってくる。

【００２８】上記発熱部全体の厚さは、１００〜２００
０μｍ、好ましくは５００〜１０００μｍの範囲に設定
することが望ましい。１００μｍ未満では機械的強度が
もたず、使用に耐えなくなってくる。また、長時間使用
していると、導電体中に発生する酸化層と反応し、絶縁
劣化が起きやすくなる。一方、２０００μｍを超える
と、熱容量が大きくなりすぎ、昇温に時間がかかり、耐
熱衝撃性も低下してくる。さらに、発熱特性の点から、
発熱部の連結部分２ｃは、電気絶縁性セラミック焼結体
層の先端側に２００〜２０００μｍ存在することが望ま
しい。そして、第１および第２高抵抗導電性セラミック
焼結体層２ａ、２ｂは、電気絶縁性セラミック焼結体層
１上に最小１００μｍ、特に最小５００μｍ、最大電気
絶縁性セラミック焼結体層１の長さで存在することが望
ましい。このような長さとすることにより、発熱部の均
熱領域が広がり、繰り返し昇温によるクラックの発生等
が減少し、耐熱衝撃性、耐久性が向上する。

【００２９】さらに、急速昇温をより良好なものとする
ためには発熱部の体積を素子全体の１〜６０％、好まし
くは５〜４０％とすることが好ましい。

【００３０】なお、第１および第２リード部層３、４の
厚さは、１〜１０００μｍ程度とする。

【００３１】上記電気絶縁性セラミック焼結体層は、金
属酸化物である絶縁性第１成分と、金属珪化物および／
または金属炭化物である導電性第２成分とを主体とする
セラミックで形成されている。この場合、絶縁性第１成
分のみを用いてもよいが、さらに導電性第２成分を含有
させることが好ましい。これにより耐久性が向上する。

【００３２】金属酸化物としては、酸化アルミニウム、
酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化チタン、酸化タン
タル、酸化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウム、酸
化アルミニウムケイ素（例えばムライト３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・
２ＳｉＯ₂ やシリマナイトＡｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂ ）等の
うち少なくとも一種の粉体が用いられる。

【００３３】はた、上記金属珪化物としては、モリブデ
ン、タングステンおよびクロムの珪化物のうち少なくと
も一種の粉体が用いられる。そして、上記金属炭化物と
しては、シリコンおよびチタンの炭化物のうち少なくと
も一種の粉体が用いられる。上記第２成分としては、上
記のうち珪化物、特に珪化モリブデンを用いることが最
も好ましい。

【００３４】電気絶縁性セラミック焼結体層１中の上記
絶縁性第１成分と導電性第２成分の組成比は、体積比で
１０：０〜８：２、好ましくは１０：０〜９．３：０．
７、特に９．８：０．２〜９．３：０．７に設定するこ
とが望ましい。導電性第２成分が２０体積％を超える
と、絶縁性第１成分による絶縁が崩れ、導電性を持ちや
すくなる。

【００３５】発熱部２も上記電気絶縁性セラミック焼結
体層１と同様、金属酸化物である絶縁性第１成分と、金
属珪化物および／または金属炭化物である導電性第２成
分を主体とするセラミックで形成されている。金属酸化
物、金属珪化物および金属炭化物としては、上記と同様
のものを用いることができる。

【００３６】発熱部における絶縁性第１成分と導電性第
２成分の組成比は、粒度分布の影響を特に受けるが、平
均粒径２μｍ程度のもので、体積比で７．５：２．５〜
５．５：４．５、好ましくは７：３〜７．６：２．４に
設定することが望ましい。導電性第２成分が２５体積％
未満では抵抗が高くなりすぎ、４．５体積％を超える
と、抵抗が下がりすぎ、発熱量が極端に下がりすぎる。

【００３７】この発熱部２においては、図３に示したよ
うな構造のものとしたとき、高抵抗層２ｄの部分におい
ては、他の部分より絶縁性第１成分の比率を多くし高抵
抗のものとする。この比率は、主として第１および第２
高抵抗導電性セラミック焼結体層２ａ、２ｂと連結部分
２ｃのサイズに基づき計算される第１および第２高抵抗
導電性セラミック焼結体層２ａ、２ｂと連結部分２ｃの
抵抗値によって決定される。

【００３８】第１および第２リード部層３および４も上
記電気絶縁性セラミック焼結体層１および発熱部２と同
様、金属酸化物である絶縁性第１成分と、金属珪化物お
よび／または金属炭化物である導電性第２成分を主体と
するセラミックで形成されている。この際、導電性第２
成分のみを用いてもよいが、耐久性等の点では絶縁性第
２成分を添加することが好ましい。金属酸化物、金属珪
化物および金属炭化物としては、上記と同様のものを用
いることができる。

【００３９】第１および第２リード部層における絶縁性
第１成分と導電性第２成分の組成比は、体積比で５：５
〜０：１０、好ましくは５：５〜１：９に設定すること
が望ましい。導電性第２成分が５０体積％未満ではリー
ド部層での発熱が多くなりすぎる。

【００４０】この第１および第２リード部層は、場合に
よっては、セラミック層でなく、金属あるいは合金の焼
付け、溶射、めっき、スパッタ等による層であってもよ
い。用いることのできる金属としては、例えば、白金、
パラジウム、合金としては、ステンレス、ニッケル−ク
ロム−アルミニウム、コバルト、イットリウム系の合金
Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ、Ｎｉ−
Ｃｏ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ、Ｎｉ−Ｃｒが挙げられる。

【００４１】上記端子電極は、パラディウム、銀、ニッ
ケル、アルミニウム、はんだ等により形成される。パラ
ディウム、銀、ニッケルの場合には、焼付けで、アルミ
ニウムの場合には溶射により形成される。

【００４２】上記前記保護膜は、シリカ、アルミナ、チ
タニア、クロミアおよび酸化錫等のうちの少なくとも一
種以上で形成されている。そして、その厚さは、０．１
〜１００μｍ、特に１〜１００μm 程度とされる。保護
膜は、酸化処理法によって形成されても、また上記金属
の溶液中にディッピングする方法、ゾルゲル法、塗布法
等で形成されたものであってもよい。

【００４３】上記電気絶縁性セラミック焼結体層、発熱
部および第１および第２リード部層は、好ましくは全て
同一の絶縁性第１成分と同一の導電性第２成分で主成分
とするものであって、その組成比のみが異なるセラミッ
ク焼結体で構成されていることが望ましい。特に、各層
間の結合度が強固になり、耐久性が向上するからであ
る。

【００４４】この場合、各層は、炭化珪素を２wt％以下
含んでいてもよい。また、焼結助剤としてアルカリ土類
金属、Ｙを含む希土類金属の酸化物あるいは焼成により
酸化物となる化合物、例えば炭酸塩、しゅう酸塩、水酸
化物等が添加されて、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇなどや、Ｙ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｎｄなどの１種以上の酸化物が
１０wt% 以下、特に０．１〜１０wt% 含まれていてもよ
い。焼結助剤の添加により、表面平滑性が向上する。な
お、絶縁性第１成分と導電性第２成分は、それぞれ１〜
５０μｍ程度および１〜５０μｍ程度のグレインサイズ
とされる。

【００４５】次に、本発明の急速昇温発熱素子の製造方
法について説明する。

【００４６】この製造にあたっては、まず、電気絶縁性
セラミック焼結体層、発熱部および第１および第２リー
ド部層の原材料の調合が行なわれる。

【００４７】この調合は、絶縁性第１成分の粉体と、導
電性第２成分の粉体を、上記電気絶縁性セラミック焼結
体層、発熱部および第１および第２リード部層用とし
て、上記の組成比で計量し、それらにバインダおよび溶
剤を添加することによって行なわれる。

【００４８】上記絶縁性第１成分の粉体と、導電性第２
成分の粉体の平均粒径は、それぞれ０．１〜３μｍ程
度、０．５〜８μｍ程度、であることが望ましい。バイ
ンダとしては、アクリル系バインダを用いることができ
る。また、溶剤としては、トルエンを用いることができ
る。

【００４９】調合された材料は、例えばボールミルで混
合されて、スラリとされる。混合時間は、例えば３〜２
４時間程度とすればよい。上記スラリを用いて、通常の
ドクターブレード法あるいは押し出し法により、上記電
気絶縁性セラミック焼結体層、発熱部および第１および
第２リード部層用の３種のグリーンシートを作製する。
各グリーンシートの厚さは、焼成後の厚さが上記の範囲
内になるように、予め計算して決定された値とする。

【００５０】この後、各グリーンシートを、断面が例え
ば図１、図２、図３のいずれかとなるようにして積層す
る。この積層は、圧力５０〜２０００ｋｇ／ｃｍ²、温
度５０〜１５０℃の条件で熱圧着により行なわれる。

【００５１】積層化は、各シートを作らずに、混合した
形成された各種スラリを用いて、スクリーン印刷法を繰
り返すことにより行なうことも可能である。

【００５２】この後、カッタにより各素子形状に短冊状
に切断される。この場合、最高でも長方形の４辺を切断
すればよい。

【００５３】上記切断の後、脱バインダ処理および焼成
を行なう。脱バインダ処理は、例えば次の条件で行なう
こととが望ましい。

【００５４】昇温速度：６〜３００℃／時間、特に３０
〜１２０℃／時間保持温度：２５０〜３８０℃／、特に３００〜３５０℃ 保持時間：１〜２４時間、特に５〜２０時間雰囲気：空気、窒素ガス、アルゴンガス、窒素ガス−
水蒸気

【００５５】焼成は、例えば次の条件で行なうことが望
ましい。

【００５６】昇温速度：３００〜２０００℃／時間、特
に５００〜１０００℃／時間保持温度：１４００〜１７００℃／、特に１５００〜１
６５０℃ 保持時間：０．５〜３時間、特に１〜２時間冷却速度：３００〜２０００℃／時間、特に５００〜１
０００℃／時間

【００５７】焼成雰囲気は、真空、アルゴンガス、ヘリ
ウムガス、水素ガス等とすることができる。なお、窒素
雰囲気は用いないことが望ましい。発熱部等が窒化され
ると、マイナスの温度特性を持ってしまうからである。
上記脱バインダ処理および焼成は、それぞれ独立に行な
っても、連続しておこなってもよい。

【００５８】以上のようにして得られた焼結体の表面に
は、上記保護層が被覆される。この被覆は、被覆材料が
分散された分散液中、あるいは金属アルコキシドまたは
被覆材料を分散したアルコキシド溶液中に浸漬して行な
ったり、、被覆材料がシリカの場合には、シリコン樹脂
を焼結体表面に塗布し、これを焼くことによっても行な
うことができる。

【００５９】最後に、第１および第２リード部層の表面
の所定位置に銀等を焼付け等して端子電極を形成して、
本発明の急速昇温発熱素子の製造を完了する。さらに
は、リード線を電気的に接続し、ソケットで固定しても
よい。

【００６０】以上により製造された本発明の急速昇温発
熱素子は、ガス着火器等に用いられ、その駆動電圧は、
例えばカーバッテリの１２Ｖから４００Ｖ程度とされ
る。

【００６１】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。

【００６２】＜実施例１＞上記電気絶縁性セラミック焼
結体層、発熱部および第１および第２リード部層のセラ
ミックの主成分として、共通してＡｌ₂Ｏ₃とＭｏＳｉ
₂を用い、次のように配合した。Ａｌ₂Ｏ₃ ＭｏＳｉ₂ 電気絶縁性セラミック焼結体層９５体積％５体積％発熱部７０体積％３０体積％第１および第２リード部層２０体積％８０体積％粉体平均粒径０．４μｍ２μｍバインダメタアクリル系バインダ溶剤トルエン

【００６３】以上をボールミルで２４時間混合してスラ
リをそれぞれ作製し、これらを用いてドクターブレード
法によりシートを作製し、さらに図１の層構造（端子電
極含まず）になるように、金型中に積層し、素子全体の
厚さが焼成後に表１の厚さとなるように、６０℃、８０
０ｋｇ／ｃｍ²の条件で加圧成形した。

【００６４】次に、成形体を、図１に示す構造となるよ
うに、表１に示す種々の寸法（該寸法は焼成後のものを
示す）に切断した。

【００６５】切断した成形体を窒素ガス雰囲気中で、昇
温速度１℃／分で、３５０℃まで昇温し、この温度で５
時間保持し、この後、昇温速度５℃／分で９００℃まで
昇温し、この温度で２時間保持した後、５℃／分で冷却
し、脱バインダ処理を行なった。この脱バインダ処理し
た成形体を、真空中で昇温速度５℃／分で１６５０℃ま
で昇温し、この温度で１時間保持し、その後、３００℃
／分の速度で冷却して焼成を行なった。ただし、８００
℃以下は自然炉冷却した。

【００６６】さらに、素子全体にシリコーンを塗布し、
空気中１３００℃で、１時間加熱処理して厚さ約１μｍ
のシリカ保護膜を形成した。この後、端子電極の部分の
保護膜をサンドブラストで削り、この部分に銀電極を焼
付け、急速昇温発熱素子のサンプル No.２〜９（実施
例：サンプル No.２および３、比較例：サンプル No.４
〜９）とした。実施例のサンプルNo. １は、電気絶縁性
セラミック焼結体層、発熱部および第１および第２リー
ド部層の各層構成を、上記各スラリを用い、スクリーン
印刷法により作製した。上記サンプルの発熱部とリード
部層の抵抗比はすべて、５０：１であった。

【００６７】以上のサンプルにつき、２０Ｖ印加での室
温から１１００℃までの昇温時間、通電１０秒、１分間
隔切返し１００００回印加でのクラックの発生率（１０
０個中の）、および１５００℃で５０時間保持したとき
の抵抗変化率を測定した。その結果を表１に示した。

【００６８】

【表１】

【００６９】この表１から分かるように、本発明の実施
例のサンプル No.１〜３においては、１１００℃までの
昇温時間が１０秒以内であり、クラックの発生もなく、
しかも上記の抵抗変化率が５％以内であった。これに対
し、比較例のサンプルは、昇温時間１０以内、クラック
発生率０、抵抗変化率５％以内の少なくともいずれかの
条件を満たすことができなかった。なお、サンプルNo.
１〜３の発熱部体積は全体の１０〜２０％であった。

【００７０】＜実施例２＞次に、素子形状を厚さ８００
μｍ、幅１８００μｍ、長さ３５ｍｍとし、Ａｌ₂Ｏ₃
とＭｏＳｉ₂の組成比を表２に示したように変えたこと
以外は、実施例１と同様にしてサンプルNo. １０〜１３
を作製した。

【００７１】これらのサンプルについても、上記と同様
にして昇温時間および抵抗変化率を測定した。その結果
を表２に示した。

【００７２】

【表２】

【００７３】この表から明らかなように、本発明の実施
例のサンプルにおいては、上記条件をすべて満たした
が、比較例のサンプルにあっては、少なくともいずれか
の条件を満たさなかった。

【００７４】＜実施例３＞セラミックの主成分たる第１
成分と第２成分を表３に示したように変化させて組み合
わせた以外は、実施例２のサンプルNo. １０と同様にし
てサンプルNo. ２０〜２７を作製した。これらのサンプ
ルについても、上記と同様にして昇温時間、抵抗変化率
について測定した。その結果を表３に示した。

【００７５】

【表３】

【００７６】これらのサンプルから分かるように、各層
のセラミックの主成分たる第１成分および第２成分を各
種変化させても、Ａｌ₂Ｏ₃とＭｏＳｉ₂の組合せとほ
ぼ同等の効果が得られる。

【００７７】なお、比較のため、第１成分として、シリ
カ、ムライトを用いた他は他のサンプルと同様にしてサ
ンプルNo. ２８、２９を作製し特性試験を行なったとこ
ろ、測定が不能であったか、あるいは発熱しなかった。

【００７８】最後に、保護層として、上記の各サンプル
について１μｍ厚のアルミナ層またはクロミア層を設け
て、特性試験を行なったところ、上記実施例の特性とほ
ぼ同等の効果が得られた。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の急速昇温発
熱素子によれば、容易かつ安価に製造することができ、
しかも特性がよく、耐久性に優れた急速昇温発熱素子を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の急速昇温発熱素子の形状の一例を示す
斜視図である。

【図２】本発明の急速昇温発熱素子の形状の他の例を示
す斜視図である。

【図３】本発明の急速昇温発熱素子の形状の更に他の例
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１電気絶縁性セラミック焼結体層２発熱部２ａ、２ｂ第１および第２高抵抗導電性セラミック焼
結体層２ｃ連結部分３、４第１および第２リード部層５、６端子電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三橋悦央東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者淀川正忠東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者近藤良一東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性セラミック焼結体層と、この電気絶縁性セラミック焼結体層の両面のそれぞれの
少なくとも一部に高抵抗の導電性セラミック材料で層設
された第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層
と、高抵抗の導電性セラミック材料で前記第１および第２高
抵抗導電性セラミック焼結体層と一体的に形成された連
結部分と、前記第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層の
一方から前記連結部分、介して他方に延びる電流路を形
成した発熱部と、前記第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層と
同一面上あるいは該第１および第２高抵抗導電性セラミ
ック焼結体層の表面上の少なくとも一部に低抵抗の導電
性材料で形成され、それぞれ該第１および第２高抵抗導
電性セラミック焼結体層と電気的に接続された第１およ
び第２リード部層とを有し、素子全体の厚さが１００〜２０００μｍ、幅が２００〜
５０００μｍ、および長さが１５〜７０mmの範囲にそれ
ぞれ設定されている急速昇温発熱素子。
【請求項２】前記発熱部の連結部分が、前記第１およ
び第２高抵抗導電性セラミック焼結体層の材料と同一の
材料で形成されている請求項１の急速昇温発熱素子。
【請求項３】前記第１および第２リード部層が、低抵
抗の導電性セラミック材料で形成された導電性セラミッ
ク焼結体層である請求項１または２の急速昇温発熱素
子。
【請求項４】前記電気絶縁性セラミック焼結体層と前
記第１および第２高抵抗導電性セラミック焼結体層の厚
さが共に１〜１０００μｍ、前記発熱部全体の厚さが１
００〜２０００μｍの範囲内に設定されている請求項１
ないし４のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項５】前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、
発熱部と、第１および第２リード部層とが、共に同一金
属酸化物である絶縁性第１成分と、同一金属の珪化物お
よび／または炭化物である導電性第２成分とを組成比を
変えて主成分とするセラミックで形成されている請求項
１〜４のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項６】電気絶縁性セラミック焼結体層と、この
電気絶縁性セラミック焼結体層に接続された発熱部と、
この発熱部に電圧を印加するための第１および第２リー
ド部層とを備え、前記電気絶縁性セラミック焼結体層
と、発熱部と、第１および第２リード部層とが、共に同
一金属酸化物である絶縁性第１成分と、同一金属の珪化
物および／または炭化物である導電性第２成分とを組成
比を変えて主成分とするセラミックで形成されている急
速昇温発熱素子。
【請求項７】前記電気絶縁性セラミック焼結体層と、
前記発熱部と、前記第１および第２リード部層におい
て、第１成分と第２成分の組成比が体積比でそれぞれ１
０：０〜８：２、７．５：２．５〜５．５：４．５およ
び５：５〜０：１０である請求項５または６の急速昇温
発熱素子。
【請求項８】前記金属酸化物が、酸化アルミニウム、
酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化チタン、酸化タン
タル、酸化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウムおよ
び酸化アルミニウムケイ素のうち少なくとも一種であ
り、前記金属珪化物が、モリブデン、タングステンおよ
びクロムの珪化物のうち少なくとも一種であり、そして
前記金属炭化物が、シリコンおよびチタンの炭化物のう
ち少なくとも一種である請求項５ないし７のいずれかの
急速昇温発熱素子。
【請求項９】前記第２成分が珪化モリブデンである請
求項５ないし８のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項１０】前記電気絶縁性セラミック焼結体、前
記発熱部ならびに前記第１および第２リード部層のうち
の少なくとも１層がアルカリ土類金属およびＹを含む希
土類金属の酸化物を１０wt% 以下含有する請求項５ない
し９のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項１１】外表面が化学的、熱的に安定な耐熱
性、耐酸化性の保護膜で被覆されている請求項１ないし
１０のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項１２】前記保護膜が、シリカ、アルミナおよ
びクロミアの少なくとも一種以上で形成されている請求
項１１の急速昇温発熱素子。
【請求項１３】前記電気絶縁性セラミック焼結体層
と、発熱部と、第１および第２リード部層のうち少なく
ともいずれかが、炭化珪素を２wt％以下含む請求項６な
いし１２のいずれかの急速昇温発熱素子。
【請求項１４】前記連結部分が３層以上で形成され、
その中間部の抵抗値が、その上下の層の抵抗値より大き
く設定されている請求項１ないし１３のいずれかの急速
昇温発熱素子。
【請求項１５】前記中間部が、前記電気絶縁性セラミ
ック焼結体層と実質的に同一厚さあるいは厚さの差が±
２０％以内の厚さであって、前記電気絶縁性セラミック
焼結体層の先端に接続された中間層として形成されてい
る請求項１３の急速昇温発熱素子。
【請求項１６】第１および第２リード部層の抵抗値
が、発熱部の抵抗値の１０分の１以下に設定されている
請求項１ないし請求項１４のいずれかの急速昇温発熱素
子。
【請求項１７】請求項１ないし１６のいずれかの急速
昇温発熱素子を製造する方法において、前記電気絶縁性
セラミック焼結体層と、発熱部と、第１および第２リー
ド部層を焼結前の状態で層状に形成して積層し、これを
焼成することによって素子を得ることを特徴とする急速
昇温発熱素子の製造方法。