JPH11135239A - セラミックヒータ - Google Patents
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Abstract
化が生じにくく、長寿命の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は、高融点金属を主
体に構成された抵抗発熱体12がセラミック基体11中
に埋設された構造を有する。そして、セラミック基体1
1の構成粒子の平均粒径をdB、抵抗発熱体12の構成
粒子の平均粒径をdHとして、dH/dB が0.8以下の
範囲で調整される。
Description
関するものであり、特に自動車用酸素センサの加熱用あ
るいはディーゼルエンジンのグローシステム、さらには
半導体基板加熱用あるいはファンヒータ等に使用される
セラミックヒータに関する。
は、平板状、円筒状あるいはその他の形状に形成された
セラミック基体中に、W(タングステン)等の高融点金
属からなる抵抗発熱体を埋設した構造のものが知られて
いる。このようなセラミックヒータは、例えばシート成
形あるいは押出成形等により未焼成のセラミック成形体
を作り、次いで高融点金属の粉末を含有するペーストを
用いて発熱体パターンを厚膜印刷等により形成し、その
後さらに別のセラミック成形体を重ねた後、それらを焼
成することにより製造される。
ータにおいては従来、高温使用を長時間継続すると抵抗
発熱体が劣化して電気抵抗値が増大することがあり、ヒ
ータの寿命の低下につながる問題があった。このような
抵抗発熱体の劣化の原因としては、抵抗発熱体あるいは
セラミック基体の構成成分が高温化の通電により電気化
学的な拡散現象、いわゆるエレクトロマイグレーション
(以下、単にマイグレーションという)を起こすことが
挙げられている(例えば特開平4−329291号公
報)。例えば、抵抗発熱体の構成成分がマイグレーショ
ンによりセラミック基体中に拡散流出すると、その流出
部分で抵抗発熱体が消耗し、過昇・断線に至ることもあ
る。また、焼結助剤成分として添加されるMgOあるい
はCaO等の金属酸化物成分は、セラミック基体中では
ガラス相の形で存在するが、これに含有される金属イオ
ンないし酸素イオンもマイグレーションを起こしやす
い。例えば抵抗発熱体の主要構成成分がWである場合に
は、マイグレーションにより移動してくる酸素イオンに
より酸化され、同様に抵抗値増大や断線等の問題を引き
起こすことがある。
ても抵抗発熱体の劣化が生じにくく、長寿命のセラミッ
クヒータを提供することにある。
題を解決するために、本発明のセラミックヒータの第一
の構成は、高融点金属を主体に構成された抵抗発熱体が
セラミック基体中に埋設されるとともに、セラミック基
体の構成粒子の平均粒径をdB、抵抗発熱体の構成粒子
の平均粒径をdHとして、dH/dB が0.8以下の範囲
で調整されたことを特徴とする。
B、抵抗発熱体の構成粒子の平均粒径をdHとして、dH
/dB を0.8以下とすることで、高温で長時間使用し
た場合も抵抗発熱体の劣化が起こりにくくなり、ひいて
は長寿命のセラミックヒータを実現できる。また、焼成
によりセラミックヒータを製造する場合に、抵抗発熱体
に断線や抵抗値ばらつき等の欠陥が生じにくくなる。
Wが代表的であるがMoも使用可能であり、両者は単独
で用いても複合させて用いてもいずれでもよい。また、
セラミック基体は、熱伝導性と高温強度及び高温耐食性
に優れていることからAl2O3を主体に構成できるが、
このほかにもムライト、コージェライト、スピネル等の
Al2O3成分を含有したセラミックを使用することがで
きる。なお、セラミック基体中には、SiO2、Mg
O、CaO、B2O5等の1種又は2種以上からなる焼結
助剤成分が、合計で15重量%以下の範囲で含有されて
いてもよい。
を長時間継続した場合の抵抗発熱体の劣化が生じやすく
なり、セラミックヒータの寿命低下につながる。また、
焼成によりセラミックヒータを製造する場合に、抵抗発
熱体に断線や抵抗値ばらつき等の欠陥が生じる確率が高
くなる。dH/dB は、望ましくは0.7以下、より望
ましくは0.6以下の範囲で調整するのがよい。
熱体の高温耐久性が高められ、また焼成による製造時に
欠陥等が生じにくくなる理由として、次のようなことが
推定される。 dH/dB を0.8以下とすることにより、抵抗発熱
体の構成粒子の粒径はセラミック基体のそれと比べて相
対的に小さく設定されることとなる。これにより、抵抗
発熱体の構成粒子間には隙間が形成されにくくなり、ま
た形成されても微細に分散した形態の隙間となるので、
焼成時において焼結助剤成分に基づくガラスの液相が、
抵抗発熱体の構成粒子間に浸透しにくくなる。
のように小さくするということは、抵抗発熱体の原料粉
末粒子もこれに対応する小粒径のものが使用されること
を意味する。原料粉末粒子は、焼成時において主に固相
焼結機構により収縮するのであるが、固相焼結機構にお
いては粉末粒子径が小さくなるほど収縮が進行しやすく
なることが知られている。従って、小粒径の原料粉末を
使用すれば、焼成により抵抗発熱体の緻密化(焼き締ま
り)が進行し、ガラス相の抵抗発熱体側への浸透は一層
起こりにくくなると考えられる。
セラミック基体と抵抗発熱体との界面には、セラミック
基体の構成粒子間に抵抗発熱体の構成粒子が微視的に入
り組んだ構造が形成されやすくなると考えられる。この
状態で抵抗発熱体が焼き締まると、その収縮の応力を受
けてセラミック基体の構成粒子間に生じているガラスの
液相が、該セラミック基体側に押し戻される形となり、
界面付近からガラス相が排除される傾向が強められる。
により、セラミック基体と抵抗発熱体との界面には過剰
なガラス相が形成されにくくなると推測される。そし
て、これにより、抵抗発熱体とガラス相との間でマイグ
レーションが生じにくくなり、抵抗発熱体の高温耐久性
が高められ、また製造時の欠陥も生じにくくなると考え
られる。
面付近のガラス相の量は増大し、セラミック基体との間
の結合力も低下する。このような状態で高温に長時間保
持されると、流動化したガラス相中で抵抗発熱体が浮き
上がる形となり、セラミック基体に対する固定状態が不
安定となる。その結果、抵抗発熱体はセラミック基体か
ら曲げ力や局所的な応力集中を受けやすくなり、断線等
も生じやすくなる。しかしながら、dH/dB を0.8
以下とする本発明のセラミックヒータにおいては、例え
ば上記の要因により、抵抗発熱体は、上記界面を互い
に入り組ませた状態で焼き締まることによりセラミック
基体との間の結合力が高められ、加えて該界面付近のガ
ラス相の量が減少することにより、ガラス相が流動化す
る状態が長時間続いても、抵抗発熱体はセラミック基体
中に強固に固定された状態を維持できる。このことも、
本発明のセラミックヒータの高温耐久性が高められ、ま
た製造時の欠陥が生じにくくなる一因であると推考され
る。
Wを主体に構成され、セラミック基体がAl2O3を主体
に構成される場合に、特に顕著に達成される。
0.3〜1.2μmの範囲で調整することが望ましい。
dHが1.2μmを超えると、高温使用を長時間継続し
た場合の抵抗発熱体の劣化が生じたり、製造時に抵抗発
熱体に断線や抵抗値ばらつき等の欠陥が生じやすくなる
場合がある。これは、抵抗発熱体の構成粒子間に隙間が
形成されやすくなり、セラミック基体側からのガラス相
が抵抗発熱体に浸透して、抵抗発熱体とガラス相との間
でマイグレーションが生じやすくなるためであると考え
られる。一方、dHが0.3μm未満になると、高融点
金属を主体とする抵抗発熱体の原料粉末が酸化しやすく
なり、製造時の粉末の取り扱いが困難となることがあ
る。また、酸化劣化した粉末の焼成時の収縮が進行しに
くくなり、抵抗発熱体の劣化による寿命低下や製造時の
欠陥発生確率の増大といった問題を生ずる場合がある。
なお、dHはより望ましくは0.4〜0.7μmの範囲
で調整するのがよい。
分布において、小粒径側からの相対累積度数が90%と
なる粒径値d90%と、同じく10%となる粒径値d10%と
の差d90%−d10%が1.5μm以下となるように調整す
ることが望ましい。d90%−d10%を該範囲に設定するこ
とで、抵抗発熱体の構成粒子の粒径分布が鋭くなり、高
温長時間使用の場合の抵抗発熱体の劣化や、製造時の欠
陥等を一層生じにくくすることができる。d90%−d10%
が1.5μmを超えると抵抗発熱体の収縮が進行しにく
くなり、マイグレーションも発生しやすくなって抵抗発
熱体の寿命が低下したり、あるいは製造時の欠陥発生確
率やセラミックヒータ個体間での抵抗値のばらつきが大
きくなる場合がある。d90%−d10%は、望ましくは1.
2μm以下、より望ましくは0.8μm以下の範囲で調
整するのがよい。
構成は、高融点金属を主体に構成された抵抗発熱体がセ
ラミック基体中に埋設されるとともに、抵抗発熱体の構
成粒子の平均粒径dHが0.3〜1.2μmの範囲で調
整され、かつ抵抗発熱体の構成粒子が、その粒径分布に
おいて、小粒径側からの相対累積度数が90%となる粒
径値d90%と、同じく10%となる粒径値d10%との差d
90%−d10%が1.5μm以下であることを特徴とする。
dHを0.3〜1.2μmとし、かつd90%−d10%が
1.5μm以下となるように、抵抗発熱体の構成粒子の
粒径を調整することで、高温で長時間使用した場合も抵
抗発熱体の劣化が起こりにくくくなり、ひいては長寿命
のセラミックヒータを実現できる。また、焼成によりセ
ラミックヒータを製造する場合に、抵抗発熱体の断線等
の欠陥やセラミックヒータ個体間での抵抗値ばらつき等
が生じにくくなる。
ると、高温使用を長時間継続した場合の抵抗発熱体の劣
化が生じたり、製造時に抵抗発熱体に断線や抵抗値ばら
つき等の欠陥が生じやすくなる場合がある。一方、dH
が0.3μm未満になると、高融点金属を主体とする抵
抗発熱体の原料粉末が酸化しやすくなり、製造時の粉末
の取り扱いが困難となることがある。dHはより望まし
くは0.4〜0.7μmの範囲で調整するのがよい。ま
た、d90%−d10%が1.5μmを超えると、抵抗発熱体
の収縮が進行しにくくなり、マイグレーションも発生し
やすくなって抵抗発熱体の寿命が低下したり、あるいは
製造時の欠陥発生確率やセラミックヒータ個体間での抵
抗値のばらつきが大きくなる場合がある。d90%−d10%
は、望ましくは1.2μm以下、より望ましくは0.8
μm以下の範囲で調整するのがよい。
Pt、Rh等の他の高融点金属成分を1種又は2種以上
を所定の組成範囲(例えばW及びMoの総量に対し、2
5重量%以下)で配合して用いることもできる。これに
より、抵抗発熱体の高温耐食性を向上させることがで
き、ひいてはセラミックヒータの寿命を延ばすことがで
きる場合がある。例えば抵抗発熱体をWを主体に構成す
る場合、Re添加はその耐食性及び高温強度を向上させ
る効果が特に顕著である。ただし、Re、Pt、Rhは
いずれも貴金属であり、その添加量を25重量%を超え
て含有させることは、抵抗発熱体の製造コストの増大を
招き、かつ抵抗発熱体のそれ以上の性能向上が望めない
か、逆に低下させることもあるため望ましくない。
ック基体と主要構成成分が共通のセラミックを25重量
%以下の範囲で含有させることができる。なお、「主要
構成成分が共通である」とは、最も含有量の多いセラミ
ック成分の種別が同一であることを意味する。これによ
り、抵抗発熱体とセラミック基体との線膨張係数の差を
縮めることができ、ひいては加熱・冷却を繰り返したと
きの抵抗発熱体の損傷や、製造時の抵抗値ばらつきを抑
制することができる。ただし、含有量が25重量%を超
えると、抵抗発熱体の固有抵抗値が増大し、発熱効率の
低下等につながるので好ましくない。
面を参照して説明する。図1は、本発明のセラミックヒ
ータの一実施例を示している。すなわち、該セラミック
ヒータ1は、円筒状のセラミック基体11と、その半径
方向中間部において周方向面内に埋設された抵抗発熱体
12とを有する。具体的には、セラミック基体11は図
1(b)に示すように、円筒状の芯体2とその外周面に
積層形態で巻き付けられた形でこれと一体化された2つ
のセラミック層11a及び11bとを有し、それらセラ
ミック層11a,11bの間に抵抗発熱体12が配置さ
れている。
に、セラミック基体11の軸線方向に沿って延びる複数
の本体部4が、それと交差する方向において互いにほぼ
等間隔で配置されるとともに、それらの互いに隣接する
もの同士が、両端部において接続部5により順次連結さ
れた、つづら折れ状の連続形態に形成されている。そし
て、その抵抗発熱体12の後端側には、セラミック基体
11の軸線方向に延びる電源接続用の3つのリード部1
2a〜12cが一体化されており(12bはかくれて見
えない)、各末端部にはやや広幅の端子部9a〜9cが
形成されている。
発熱体12が高融点金属、例えばWを主体に構成され
る。また、セラミック基体11は、Al2O3を主体に構
成され、SiO2、MgO、CaO、B2O5等の1種又
は2種以上からなる焼結助剤成分が、合計で15重量%
以下の範囲で含有される。そして、セラミック基体11
の構成粒子の平均粒径をdB、抵抗発熱体12の構成粒
子の平均粒径をdHとして、dH/dB が0.8以下、望
ましくは0.7以下、より望ましくは0.6以下の範囲
で調整するのがよい。また、抵抗発熱体12の構成粒子
の平均粒径dHは、0.3〜1.2μm、より望ましく
は0.4〜0.7μmとされる。さらに、抵抗発熱体1
2の構成粒子は、その粒径分布において、小粒径側から
の相対累積度数が90%となる粒径値d90%と、同じく
10%となる粒径値d10%との差d90%−d10%が1.5
μm以下となるように調整される。
れることで、高温で長時間使用した場合も抵抗発熱体1
2の劣化が起こりにくくなり、その寿命を延ばすことが
できる。また、焼成によりセラミックヒータ1を製造す
る場合に、抵抗発熱体12に断線や抵抗値ばらつき等の
欠陥が生じにくくなる。
うにして製造することができる。すなわち、図2に示す
ように、セラミックス粉末をバインダとともに板状に成
形した粉末成形体100bの板面に、抵抗発熱体12の
原料粉末を含有するペーストを用いて、抵抗発熱体のパ
ターン120(本体部4となるべき部分104、接続部
5となるべき部分105、リード部12a〜12cとな
るべき部分112a〜112c、及び端子部9a〜9c
となるべき部分109a〜109cを含む)を印刷し、
その部分109a〜109cに対し端子金具(図示せ
ず)を配置する。次に、粉末成形体100bのパターン
120が形成された面に、同じく板状に形成された別の
粉末成形体100aを重ね合わせて積層体を作製する。
これを芯体2となるべき筒状成形体102の外周に巻付
け、所定の焼成炉内で焼成することにより、成形体10
0a,100b,102が一体化してセラミック基体1
1となり、印刷されたパターン120は抵抗発熱体1
2、リード部12a〜12c及び端子部9a〜9cとな
る。
製造してもよい。すなわち、図3(b)に示すように、
粉末成形体100の板面に、抵抗発熱体のパターン12
0を印刷形成する。次に、図3(c)に示すように、別
途形成された円筒状の筒状成形体102の外周面に対し
粉末成形体100を、パターン120が形成された面が
内側となるように巻き付けて、同図(d)に示すような
筒状の成形体103を作製する。そして、これを焼成す
ることにより、図3(a)に示すセラミックヒータ1を
得る。
に形成した例を示している。すなわち、該セラミックヒ
ータ1は、四角形(例えば長方形)板状に形成されたセ
ラミック基体(以下、単に基体という)11と、その厚
さ方向中間部に埋設された抵抗発熱体12とを備える。
なお、図1のセラミックヒータ1と共通の部分には、同
一の符号を付して説明を省略している。また、8は端子
金具である。
法により各種作製した。図2の粉末成形体100a,1
00bは次のように作製した。まず、Al2O3粉末(平
均粒径1.0μm又は1.8μm)と、焼結助剤成分と
してSiO2(平均粒径1.4μm)、CaCO3(平均
粒径3.2μm:焼成によりCaOとなる)、MgCO
3(平均粒径4.1μm:焼成によりMgOとなる)、
及びY2O3とを所定量配合した。なお、配合量は焼成後
のセラミック基体中のSiO2、CaO、MgO及びY2
O3の合計含有量が4〜15重量%となるように調整し
た。この混合粉末に対し所定の溶媒とバインダとを加え
てボールミルで混合し、スラリー状とした。そして、こ
のスラリー状物を減圧脱泡し、ドクターブレード法によ
り厚さ0.3mmの粉末成形体100a,100bとし
た。
形成するためのインクは次のようにして調製した。ま
ず、各種粒度分布を有するW粉末に、必要に応じてRe
粉末(平均粒径1.5μm)又はAl2O3粉末(平均粒
径1.5μm)を所定量配合し、その配合物に対し所定
量の溶媒とバインダとを添加し、さらにボールミルで混
合してスラリー状とした。その後、アセトンを蒸発させ
ることによりペースト状のインクを得た。
00b表面に上記インクを用いて、厚さ25mmのパタ
ーン120をスクリーン印刷し、さらに図示しない端子
金具を配置して粉末成形体100aを重ね、その積層体
を別途作製した筒状成形体102の周囲に巻き付けて未
焼成組立体を作製した。そして、これを250℃で脱バ
インダ処理後、水素含有雰囲気中で1550℃で1.5
hr焼成することにより、図1に示すセラミックヒータ
1の試験品を各種作製した(なお、試験品の作製数は、
1品種に付き200個とした)。セラミックヒータ1の
寸法は、外径2.6mmφ、長さ60mm、抵抗発熱体
12の寸法は、本体部14の幅が0.3mm、該本体部
14の長さが20mmに調整されている。
ものを切断して表面研磨し、その切断面を走査型電子顕
微鏡(SEM)により観察した。そして、そのSEM画
像から、抵抗発熱体12の構成粒子の粒径分布とメジア
ン(d50%:小粒径側からの相対累積度数が50%とな
る粒径。平均粒径dHと概ね等しくなる)、及びセラミ
ック基体11の構成粒子の平均粒径dBを測定した。な
お、抵抗発熱体12とセラミック基体11の断面の各S
EM画像を解析装置に取り込み、該装置中にてその断面
に表れた各粒子の面積Sを測定するとともに、各粒子の
径dを2×(S/π)1/2(すなわち、同面積を有する
円の直径)により求めている。一方、各セラミックヒー
タ1には、通電電圧24Vにて100hrまで通電を行
ない、断線等により破損したものの発生比率と、ヒータ
抵抗値の標準偏差とをそれぞれ求めた。以上の結果を表
1に示す。
のものについては、dH/dB が0.8を超えるものに
比べて抵抗発熱体12の破損率が低く、またその抵抗値
のばらつき(標準偏差)も小さいことがわかる。すなわ
ち、dH/dB を0.8以下とすることで、高温で長時
間使用した場合も抵抗発熱体12が劣化しにくく、ま
た、焼成による製造時に抵抗発熱体に断線や抵抗値ばら
つき等も生じにくい。
径dHが0.3〜1.2μmの範囲のものは、該範囲か
ら外れるものに比べて抵抗発熱体12の破損率が低く、
また、抵抗発熱体12の抵抗値のばらつきも小さいこと
がわかる。さらに、抵抗発熱体12の構成粒子の粒径分
布をd90%−d10%が1.5μm以下となるように調整し
たものは、d90%−d10%が1.5μmを超えるものより
も抵抗発熱体12の破損率が低く、また、抵抗発熱体1
2の抵抗値のばらつきが小さいことがわかる。
分切欠き斜視図及びそのA−A断面図。
す分解斜視図。
工程とともに示す説明図。
のB−B断面とともに示す模式図。
Claims (6)
- 【請求項1】 高融点金属を主体に構成された抵抗発熱
体がセラミック基体中に埋設されるとともに、前記セラ
ミック基体の構成粒子の平均粒径をdB、前記抵抗発熱
体の構成粒子の平均粒径をdHとして、dH/dB が0.
8以下の範囲で調整されたことを特徴とするセラミック
ヒータ。 - 【請求項2】 前記抵抗発熱体の構成粒子の平均粒径d
Hが0.3〜1.2μmの範囲で調整されている請求項
1記載のセラミックヒータ。 - 【請求項3】 前記抵抗発熱体の構成粒子は、その粒径
分布において、小粒径側からの相対累積度数が90%と
なる粒径値d90%と、同じく10%となる粒径値d10%と
の差d90%−d10%が1.5μm以下である請求項1又は
2に記載のセラミックヒータ。 - 【請求項4】 高融点金属を主体に構成された抵抗発熱
体がセラミック基体中に埋設されるとともに、前記抵抗
発熱体の構成粒子の平均粒径dHが0.3〜1.2μm
の範囲で調整され、かつ前記抵抗発熱体の構成粒子は、
その粒径分布において、小粒径側からの相対累積度数が
90%となる粒径値d90%と、同じく10%となる粒径
値d10%との差d90%−d10%が1.5μm以下であるこ
とを特徴とするセラミックヒータ。 - 【請求項5】 前記抵抗発熱体の構成材料がReを25
重量%以下の範囲で含有する請求項1ないし4のいずれ
かに記載のセラミックヒータ。 - 【請求項6】 前記抵抗発熱体の構成材料は、前記セラ
ミック基体と主要構成成分が共通のセラミックを25重
量%以下の範囲で含有する請求項1ないし5のいずれか
に記載のセラミックヒータ。
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