JP2000021556A

JP2000021556A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2000021556A
Application number: JP10186706A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Kitahara; 和利北原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2000-01-21
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: JP3762103B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リ−ド線を接合した接合応力緩和材の接続部
が、加熱冷却の反復に耐え、耐熱衝撃性、高温安定性に
優れ、昇温特性の良好な高温用のセラミックヒ−タを得
る。【解決手段】セラミックヒ−タにおいて、電極取り出し
部５を接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上内側に
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐熱衝撃性、高温安
定性に優れ、昇温特性及び耐久性の良好な石油ファンヒ
−タ等の各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒ−タや、酸
素センサ−等の各種センサ−や測定機器、電子部品、産
業機器、あるいは温水ヒ−タ、半田ごて等の一般家庭用
電気製品等の加熱用ヒ−タ、更にはディ−ゼルエンジン
等の始動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱
する内燃機関用グロ−プラグ等に適用される直流あるい
は交流電源で使用される高温用のセラミックヒ−タに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種加熱用や点火用ヒータと
して、耐熱金属製の筒状体内に高融点金属線から成る発
熱抵抗体を耐熱絶縁粉末と共に埋設した各種シーズヒー
タが多用されていた。

【０００３】しかし、前記シーズヒータをディーゼルエ
ンジン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とし
て用いた場合、急速昇温が困難であり、その上、耐摩耗
性や耐熱性、耐食性等の耐久性に劣るという欠点があっ
た。

【０００４】そこで熱伝達効率が優れ、急速昇温が可能
で、耐摩耗性や耐熱性、耐食性等の耐久性に優れた信頼
性の高い内燃機関用のグロープラグとして、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発熱体が広く利用
されるようになり、それに伴ってその他の各種加熱用や
点火用ヒータとしても適用されるようになってきた。

【０００５】一般に、セラミック発熱体としては、アル
ミナセラミツクの表面や内部に高融点金属の発熱部を設
けたセラミツクヒ−タが知られているが、電気絶縁材料
として用いられるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）は耐熱衝撃性
や高温強度に劣ることから、セラミック発熱体の絶縁部
材には耐熱性や耐熱衝撃性、耐酸化性に優れた非酸化物
系セラミックス、とりわけ耐熱性に優れ、高温強度も高
く、熱容量が小さく、電気絶縁性が良好な窒化珪素質セ
ラミックスが、急速昇温可能な高温用のセラミック発熱
体の絶縁部材として広く採用されている。

【０００６】セラミック発熱体の端部側面には、無機導
電材から成る発熱部と接続したリ−ド部材がそれぞれ導
出されて電極取り出し部が形成され、必要に応じて該電
極取り出し部にニッケル（Ｎｉ）等の金属が被覆され、
その上からメタライズ金属層被着形成し、該メタライズ
金属層から成る接合パッド部を介して外部電源に接続さ
れるリ−ド線がろう付け接合されてセラミックヒ−タが
構成されている。

【０００７】しかしながら、前記ろう付けに使用される
ろう材は耐熱性を必要とするため、銀ろう等の高温用の
ろう材が用いられており、従ってろう付け接合する際に
は高温加熱されることから、冷却過程で絶縁部材のセラ
ミックスとリ−ド線の金属との熱膨張差により残留応力
が生じてセラミックスとリ−ド線との接合強度が低下す
るという欠点があった。

【０００８】そこで、かかる欠点を解消するために、セ
ラミックスと金属との間に接合応力緩和材としてＮｉ板
を用いてろう付け接合することが提案されている（特開
平７−２５６７４号公報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前期接
合応力緩和材を介してセラミックスと金属を接合する技
術をセラミックヒ−タのリ−ド線の接合に適用し、接合
強度が高い活性金属を含有するろう材を用い前記同様に
接合したとしても、従来例と同様に耐久性の点では問題
があった。

【００１０】即ち、電極取り出し部の温度を想定した４
０℃と４５０℃の温度に繰り返し加熱冷却する耐久試験
では、短期的な試験には耐えるものの、５００サイクル
を越える長期的な加熱冷却の反復に対しては、セラミッ
クスと接合応力緩和材のＮｉとの９．４〜１１．８×１
０^-6／℃にも及ぶ熱膨張率の差により、セラミツクヒ−
タのろう付け部周辺に残留応力が発生し、前記加熱冷却
の繰り返しによりクラックが成長して接合強度が低下
し、その結果、接合応力緩和材の剥離や、前記クラック
から発熱部が酸化してセラミックヒ−タ自体の抵抗変化
等を生じて耐久性が、劣化し、長期的な信頼性に欠ける
という課題があった。

【００１１】

【発明の目的】本発明は前記課題に鑑み成されたもの
で、その目的は、セラミックヒータの電極金具の接合が
長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有しかつクラッ
ク等が発生せず、かつ耐衝撃性、高温安定性に優れ、昇
温特性の良好な各種燃焼機器の点火用または気化用ヒー
ターや、各種センサーや測定機器、電子部品、産業機
器、一般家庭用電気製品などの加熱用ヒーター、更には
内燃機関用グロープラグなどに好適な高温用セラミック
ヒーターを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題について調査し
た結果、本発明者等は、電極取り出し部と接合応力緩和
材とを電気的に接続する活性金属を含有した金属層から
成る接合パット部において、電極取り出し部と接合応力
緩和材との位置関係が抵抗変化、耐久性を左右している
ことを突き止めた。そこで電極取り出し部と接合応力緩
和材との位置を制御することにより、前記課題が解消で
きることを見出した。これにより、抵抗変化の少ない優
れた耐久性を有するセラミックヒータを得ることが可能
になった。

【００１３】即ち、本発明のセラミックヒ−タは、通電
により発熱する無機導電材から成る発熱部を、窒化珪
素、炭化珪素、又はサイアロン等の非酸化物系セラミツ
ク焼結体の電極取り出し部に、活性金属を含有するロウ
材を用いてリ−ド線を接合した接合応力緩和材をロウ付
けしたセラミックヒ−タにおいて、電極取り出し部を接
合応力緩和材より０．２ｍｍ以上、外部及び内部に設け
たことを特徴とするセラミックヒ−タである。

【００１４】また、前記金属層としては、活性金属とし
てＶ又はＴｉを含有し、貴金属としてＡｕを主成分とす
るものがより望ましいものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミックヒータ
ーを詳細に説明する。

【００１６】図１は、電極金具をロー付けにより接合し
たセラミックヒータを示したものであり、（Ａ）は全体
図、（Ｂ）は接合応力緩衝材接合部の断面形状で、
（Ｃ）は接合応力緩衝材接合部の外観を示した平面図で
ある。

【００１７】図１において、１はセラミック焼結体から
なる絶縁部材７の中に、通電により発熱する主として無
機導電材からなる発熱部を備えたセラミックヒータであ
り、２はメタライズ部、３は接合応力緩和材をなす電極
金具、４は電極金具にスポット溶接されたＮｉ等のリー
ドピン、５は主として無機導電材からなる電極取り出し
部、６は発熱部と電極取り出し部とを電気的に接続する
Ｗのリードピン等からなる引き出し部である。

【００１８】そして、図１（Ｃ）に示すように、電極取
り出し部５は、電極金具３の内側に備えてあり、電極金
具３の端部からの距離Ｇを０．２ｍｍ以上としてある。
そのため、詳細を後述するようにリードピン４より通電
し、加熱冷却を繰り返しても、耐久性を向上させること
ができる。

【００１９】図２は図１（Ｂ）をさらに拡大した図であ
る。

【００２０】図２において、メタライズ部２の電極金具
３との接合近傍部８は、電極金具３の端面にはい上がた
状態となっている。電極金具３の接合面端部がメタライ
ズ部２へ溶出し、エッジは曲面９となっている。

【００２１】電極金具３をロー付けにより接合した場
合、金具端面へメタライズがはい上がり、メタライズが
集まる傾向があり、このため応力が集中しているものと
考えられる。さらには電極金具３成分がメタライズ中に
拡散し、メタライズ組成が変化しメタライズの硬度が上
昇することが確認されている。その為メタライズ自体の
応力が増加し、全体の応力が高くなっていると考えられ
る。

【００２２】その為、電極取り出し部５と接合応力緩和
材である電極金具３の端部が重なると、強度の弱い電極
取り出し部５にクラックが入ってしまってセラミックヒ
ータ１自体の抵抗変化等を生じて耐久性が劣化し、長期
的な信頼性に欠けるものになっていた。そこで、電極取
り出し部５と接合応力緩和材である電極金具３の端部が
重ならないように電極金具３の端部からの距離Ｇが０．
２ｍｍ以上とならないように電極取り出し部５を内側に
設けることにより、常温付近から高温まで急速に昇温す
る事を長時間にわたり反復したり、高温下で発熱させて
飽和状態で長時間連続稼働させたりしても、リード線を
接続した接合応力緩和材との接合部が長期的な加熱冷却
（４０→４５０℃）の反復に耐える強度を有し、且つ耐
熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な耐久性
に優れたセラミックヒータが得られる。

【００２３】次に、本発明の他の実施形態を説明する。

【００２４】図３（Ａ）は、電極取り出し部を２個設け
た応力緩和材接合部分の表面図、（Ｂ）は、同じく断面
図である。

【００２５】図３において、電極取り出し部５を複数設
け、一方の電極取り出し部５ｂを応力緩和部材である電
極金具３の端部より０．２ｍｍ以上内側に設け、他方の
電極取り出し部５ａは電極金具３の外側に形成してあ
る。この実施形態では、電極取り出し部５ａでメタライ
ズ部２とつながっているため、長期的な加熱冷却（４０
→５００℃）においても、抵抗変化が小さくセラミック
ヒータの信頼性が大幅に改善することができる。

【００２６】本発明において、発熱部の無機導電材は、
Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等の高融点金属、あるいはＷＣ、Ｍｏ
Ｓｉ₂、ＴｉＮ等の高融点金属の炭化物や珪化物、窒化
物等等を主成分とする抵抗体が挙げられ、望ましくは絶
縁部材の窒化物系セラミック焼結体との熱膨張差、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。

【００２７】尚、前記発熱部を成す無機導電材の構成成
分は、逆に絶縁部である窒化物系セラミック焼結体に添
加して熱膨張差や反応性を調整しても良いことは言うま
でもない。

【００２８】また、前記無機導電材の主成分に対して、
その成長を制御して絶縁部材との熱膨張差によるクラッ
クを防止し、かつ抵抗を増大させないようにするため
に、分散剤として窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウ
ムあるいは炭化珪素の一種以上を含有させても良く、そ
の重量は主成分１００重量部に対して、例えば、窒化珪
素は５〜３０重量部、窒化硼素は１〜２０重量部、窒化
アルミニウムは１〜１５重量部、炭化珪素は３〜１５重
量部の割合であることが望ましい。

【００２９】一方、本発明におけるセラミックヒーター
を構成する発熱部は、ブロック状や線状、又は層状のい
ずれでも良く、前記絶縁部材をその間に介してＵ字状に
曲げたり、コイル状に巻回したり、平面にジグザグに折
り曲げたりして、前記発熱部を平面視した時にＵ字状や
Ｗ字状等、任意の形状を成すものとし、絶縁部材に担持
したり、接合したり、あるいは埋設したりできる他、前
記各種形状で絶縁体を介して２層以上の積層構造とする
等、各種形状形態で適用でき、その両端にはＷ材等から
なるリード部を電気的に接続したものでも良い。

【００３０】また、窒化物系セラミック焼結体からなる
絶縁部材は、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化ア
ルミニウム等が適用可能であり、その他にアルミナ等の
セラミックスを用いることもできる。

【００３１】一方、メタライズ部２に接合する電極金具
３は、前記絶縁部材の熱膨張率３．０〜５．４×１０^-6
／℃と近似した３．０〜７．５×１０^-6／℃の金属が望
ましい。

【００３２】また、電極金具３にはＮｉ線等の軟質金属
線をスポット溶接などにより接続して用いることにより
使用時の振動などが直接接合部へ伝わるなどの物理的な
負荷を軽減することもできる。

【００３３】また、前記電極金具３は、塑性変形しやす
いという点からは、ヤング率が１４〜１５×１０００ｋ
ｇ／ｍｍ²を示すＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合
金等のＦｅ基合金が最適であり、前記電極金具３自体の
塑性変形で前記熱膨張差により発生する応力を吸収でき
るという点からは、その厚さを薄くして０．１〜０．５
ｍｍ程度とすることが望ましく、さらに、電極金具３の
角部は応力集中を回避するために面取りや丸く曲面加工
を施しておくことはより好ましい。

【００３４】次に、本発明における活性金属を含有した
貴金属からなるメタライズ部２としては、Ａｕ及び／又
はＡｇと、Ｎｉ又はＰｄのいずれか一種類以上あるいは
Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｉのいずれか一種の合計量が９０〜９９
重量％で、残部１〜１０重量％がＶ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｍｎのいずれか一種類以上の活性金属を含有
するものなどが挙げられ、前記活性金属は窒化物や炭化
物、水素化物等の形態で含有させても良い。

【００３５】また、前記活性金属の量は、１重量％未満
では接合強度の向上効果が見られず、１０重量％を越え
ると前記メタライズ層の焼き付け温度が高くなり、冷却
持に大きな残留応力を生じてクラックの原因となるため
前記範囲に限定され、１〜５重量％が最も望ましい。

【００３６】また、自動車用途など直流電源にて使用さ
れる場合に生じるマイグレーションによる短絡の防止と
いう点からは、メタライズ部２としては貴金属の主成分
としてＡｕにＶ又はＴｉ等の活性金属を含有するものが
最も望ましい。

【００３７】電極金具３とメタライズ部２との接合は必
要な強度を確保すれば、全面の接合でなくても良いこと
は言うまでもないが、熱膨張差による応力が集中する事
を避けるために前記電極金具の外周部とメタライズの外
周部のいずれの縁とも重ならない事が望ましい。

【００３８】

【実施例】図１に示す本発明のセラミックヒータを以下
に詳述するようにして評価した。

【００３９】先ず、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末に希土類元素の酸化
物等の焼結助剤を加えたセラミック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、該成形体上に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を形成し、同様にしてセラ
ミック成形体の側面まで電極部を形成する。

【００４０】次に、前記発熱部と電極部を電気的に接続
するようにリード線を載置し、その上に別の成形体を重
ねた後、還元性雰囲気下、１７００〜１９００℃の温度
で焼成一体化してセラミック発熱体を作製した。

【００４１】次に前記セラミック発熱体を研削加工によ
り円柱形状に加工し、露出した電極取り出し部５にメタ
ライズ成分をペースト状に調整したものをスクリーン印
刷法等により転写し、８００〜１３００℃の真空雰囲気
中で焼き付け処理を行った。かくして得られたセラミッ
ク発熱体に、接合応力緩和材をなす電極金具３の位置を
種々変化させ接合サンプルを室温と５００℃雰囲気に繰
り返し曝す冷熱サイクル試験を３００サイクル行い抵抗
変化率を測定した。

【００４２】今回の評価において、メタライズ部２のサ
イズは幅３ｍｍ×長さ４ｍｍ、接合応力緩和材を成す金
属金具３は幅２ｍｍ×長さ３ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金にあらかじめＮｉのリードピン４を
スポット溶接により固定したものを用いた。

【００４３】表１の左側にセラミックヒーターの電極部
を室温から４５０℃の大気中に繰り返し３０００サイク
ル曝した時の抵抗変化率の結果を示す。

【００４４】この結果より、本発明の範囲内である試料
Ｎｏ．１１〜２５は抵抗変化も極めて小さい事が確認さ
れた。対して、電極取り出し部５と応力緩和材端部を成
す金属金具３との距離が０ｍｍ又は０．１ｍｍのもの
（試料Ｎｏ．１〜１０）は抵抗変化率が極めて大きいこ
とがわかった。

【００４５】上記結果より、電極取り出し部５と接合応
力緩和材端部との距離を０．２ｍｍ以上、内部に設ける
ことにより、セラミックヒ−タの信頼性が大幅に改善さ
れていることが確認できた。

【００４６】次に、表１の右側にセラミックヒータの電
極部を４０℃から５００℃の大気中に繰り返し３０００
サイクル曝した時の抵抗変化率の結果を示す。

【００４７】この結果より、４０℃から５００℃の大気
中の繰り返しを行うと、電極金具３の端部からの距離Ｇ
を０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍにした場合（試料Ｎ
ｏ．３６〜５０）は抵抗変化が極めて小さいが、電極取
り出し部５と応力緩和材端部との距離が０ｍｍ、０．１
ｍｍ（試料Ｎｏ．２６〜３５）は抵抗変化率が極めて大
きいことが判った。

【００４８】

【表１】

【００４９】次に、図３に示すように電極取り出し部５
を２個設け、１個を応力緩和材の内側に設け、１個を外
側に設けたセラミックヒータを用い、４０℃から５００
℃の大気中に繰り返し３０００サイクル曝した時の抵抗
変化率の結果を表２に示す。

【００５０】この結果より、本発明の囲の試料Ｎｏ．６
１〜７５は、抵抗変化が極めて小さい事が確認された。
対して、電極取り出し部５と応力緩和材端部との距離が
０ｍｍ、０．１ｍｍの試料Ｎｏ．５１〜６０は抵抗変化
率が極めて高いことが判った。

【００５１】上記結果より、４０℃〜５００℃の繰り返
しサイクルにおいては、電極取り出し部５を２個設け、
１個を接合応力緩和材端部より０．２ｍｍ以上内部に設
け、１個を外部に設ける事により、セラミックヒータの
信頼性が大幅に改善されていることが確認できた。

【００５２】

【表２】

【００５３】尚、本発明のセラミックヒ−タは前記実施
例に限定されるものでなく、前記接合パッド及び接合応
力緩和材の形状は、本発明の主旨を逸脱しないものであ
ればいかなる形状でも良く、またセラミック発熱体の断
面形状も用途に応じて種々の変更が可能で有り、また発
熱抵抗体を平行に複数配設して多層構造とし、各発熱抵
抗体を直列にあるいは並列に接続した構造としたものに
適用しても同様の効果を奏するものである。

【００５４】

【発明の効果】叙上の如く、本発明によれば、セラミッ
クスを絶縁部材とし、通電により発熱する無機導電材か
ら成る発熱部を具備したセラミックヒータにおいて、電
極取り出し部を接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以
上内部に設けることにより、常温付近から高温まで急速
に昇温することを長時間にわたり反復したり、高温下で
発熱させて飽和状態で長時間、連続稼働したりしても、
リ−ド線を接続した接合応力緩和材との接合部が長期的
な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、かつ耐熱衝撃
性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な耐久性に優れ
たセラミックヒ−タを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを示しており、
（Ａ）は全体の側面図、（Ｂ）は電極金具接合部分の断
面図、（Ｃ）は電極金具接合部分の平面図である。

【図２】図１（Ｂ）の拡大図である。

【図３】本発明の他の実施形態を示しており、（Ａ）は
電極金具接合部分の平面図、（Ｂ）は電極金具接合部分
の断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ２：メタライズ部３：金属金具４：リードピン５：電極取り出し部６：引き出し部７：絶縁部材８：接合近傍部９：曲面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス中に発熱体を埋設し、該発熱
体に接続した電極取り出し部の一部を露出させ、この露
出部にロウ材を用いてリード線を接合した接合応力緩和
材を固定したセラミックヒータにおいて、電極取り出し
部を接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上、内側に
設けた事を特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】セラミックス中に発熱体を埋設し、該発熱
体に接続した電極取り出し部の一部を露出させ、この露
出部にロウ材を用いてリード線を接合した接合応力緩和
材を固定したセラミックヒータにおいて、電極取り出し
部を少なくとも２個以上設け、その内少なくとも１個を
接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上内側に設け、
残りの少なくとも１個を接合応力緩和材の外側に設けた
ことを特徴とするセラミックヒータ。