JP2000340350A - Silicon nitride ceramic heater and its manufacture - Google Patents

Silicon nitride ceramic heater and its manufacture

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JP2000340350A
JP2000340350A JP11150155A JP15015599A JP2000340350A JP 2000340350 A JP2000340350 A JP 2000340350A JP 11150155 A JP11150155 A JP 11150155A JP 15015599 A JP15015599 A JP 15015599A JP 2000340350 A JP2000340350 A JP 2000340350A
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JP
Japan
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heating element
resistance heating
silicon nitride
lead wiring
rod
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Application number
JP11150155A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Uchimura
英樹 内村
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic heater capable of heating from room temperature to a high temperature of 1000 deg.C or higher, preventing stress concentration within the heater even when severe heat cycles are applied, and enhancing durability, and provide the manufacturing method thereof. SOLUTION: This silicon nitride ceramic heater is formed by burying a resistance heating element 2 and a lead wire 3 within a rod insulating base 1 made of silicon nitride base ceramic and installing a connecting terminal part 4 electrically connected to the lead wire 3 in the outer peripheral part of the insulating base 1, and wherein the rod insulating base 1 is constituted with a core part 1a and a shell part 1b formed in the surrounding of the core part 1a, the resistance heating element 2 and the lead wire 3 are formed with a conductor material having practically the same composition in a concentric circle region from the center of the rod insulating base 1 and in almost the symmetrical position, and the shell part 1b is made seamless.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品用、産業
機械用及び自動車用等の広範囲に利用しうる耐久性に優
れた窒化ケイ素製セラミックヒータとその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly durable silicon nitride ceramic heater which can be widely used for electronic parts, industrial machines, automobiles and the like, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来技術】従来、セラミックスヒータは、例えば、棒
状体からなるセラミックコアの表面に、導体ペーストに
よって表面に抵抗発熱体パターンおよびリード配線パタ
ーンを被着形成したセラミックシートを巻き付け、焼成
したものが知られており、特に排ガス中の酸素濃度を検
出するための酸素センサにおけるセンサ部を加熱するた
めのヒータをはじめ、幅広い分野で用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a ceramic heater is known in which, for example, a ceramic sheet formed by sticking a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern on a surface of a ceramic core formed of a rod-shaped body with a conductive paste is fired. In particular, it is used in a wide range of fields such as a heater for heating a sensor section of an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in exhaust gas.

【0003】従来より、セラミックヒータは、例えば、
アルミナを主成分とするセラミック組成物を押出成形し
て作製された棒状のコア成形体の表面に、抵抗発熱体パ
ターンやリード配線パターンを印刷したセラミックシー
トを巻き付けて一体化し、焼成した後、外周に導電性材
料をメッキ処理して接続用端子部を形成したものが知ら
れている。
[0003] Conventionally, ceramic heaters, for example,
A ceramic sheet on which a resistance heating element pattern or a lead wiring pattern is printed is wound around a surface of a rod-shaped core formed by extrusion-molding a ceramic composition containing alumina as a main component, integrated, fired, and then baked. Are known in which a conductive material is plated to form a connection terminal portion.

【0004】また、従来のアルミナセラミックスを絶縁
基体とするヒータでは、その加熱温度はせいぜい200
℃程度であり、酸素センサ、グロープラグ等に代表され
るような1000℃以上の温度に急速昇温加熱できるヒ
ータとしては、不向きであった。そこで、最近では、そ
の急速昇温性能を向上させるために、耐熱性、耐熱衝撃
性等に優れた窒化ケイ素質セラミックスを絶縁基体材料
として用いることが提案されている。
Further, in a conventional heater using an alumina ceramic as an insulating substrate, the heating temperature is at most 200.
C., which is unsuitable for a heater capable of rapidly heating to a temperature of 1000 ° C. or more, such as an oxygen sensor and a glow plug. Therefore, recently, in order to improve the rapid temperature rising performance, it has been proposed to use a silicon nitride ceramic having excellent heat resistance, thermal shock resistance and the like as an insulating base material.

【0005】このような窒化ケイ素製のセラミックヒー
タとしては、図3に示すように、棒状の窒化ケイ素質成
形体10の内部にタングステンの金属線11を埋設して
ホットプレス焼成する方法や、未焼成のセラミック成形
体基板表面に、W等の金属粉末と絶縁性粉末とを調合し
た導体ペーストを所定の抵抗発熱体パターンおよびリー
ド配線パターンに印刷した後、絶縁性シートを重ね合わ
せてホットプレス焼成した平板状のヒータなどが知られ
ている。
As shown in FIG. 3, such a ceramic heater made of silicon nitride has a method of burying a tungsten metal wire 11 in a rod-shaped silicon nitride molded body 10 and performing hot press firing. A conductor paste prepared by mixing a metal powder such as W and an insulating powder on a surface of the fired ceramic molded body substrate is printed on a predetermined resistance heating element pattern and a lead wiring pattern, and then the insulating sheets are overlaid and hot-press fired. Flat heaters and the like are known.

【0006】また、セラミックヒータによれば、ヒータ
先端のみを発熱させ、ヒータ全体としての温度上昇を防
ぐことが望まれている。そのために、セラミックヒータ
における抵抗発熱体とリード配線との抵抗比率を向上さ
せる、言い換えればリード配線の抵抗を極端に小さくす
ることが必要となる。
[0006] Further, according to the ceramic heater, it is desired that only the tip of the heater be heated to prevent the temperature of the entire heater from rising. Therefore, it is necessary to improve the resistance ratio between the resistance heating element and the lead wiring in the ceramic heater, in other words, to extremely reduce the resistance of the lead wiring.

【0007】このような要求に対して、抵抗発熱体とリ
ード配線と抵抗値などが異なる導体材料によってそれぞ
れ形成することが特開平3−149791号などにて提
案されている。
To cope with such a demand, it has been proposed in JP-A-3-149791 or the like to form the resistance heating element, the lead wiring, and the conductor material having different resistance values from each other.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
セラミックヒータにおいて、棒状のセラミックヒータと
して、金属線を埋設しホットプレス焼成する方法では、
単一形状の作製しかできず、また焼結体表面が荒れるた
めに最終的に研削および研磨が必要でありコスト高とな
るという問題があり、また、導体ペーストを印刷塗布し
たシート状成形体をコア成形体表面に巻き付けて焼成す
る方法では、シート状成形体の巻き付けによって必然的
に継ぎ目が形成されてしまうために1000℃以上の高
温域まで急速昇温を繰り返すに従い、継ぎ目を起点して
クラックが発生するなど耐久性を劣化させるなどの問題
があった。
However, in a conventional ceramic heater, a method of burying a metal wire as a rod-shaped ceramic heater and performing hot press firing is as follows.
There is a problem that only a single shape can be manufactured, and since the surface of the sintered body is roughened, grinding and polishing are ultimately required, resulting in high costs. In the method of wrapping around the surface of the core formed body and firing, a seam is inevitably formed by winding the sheet-shaped formed body. There is a problem that durability is deteriorated due to occurrence of cracks.

【0009】また、平板状のセラミックヒータは、棒状
のセラミックヒータに比較して容易に作製することがで
きるが、最終的な平板形状では、機械的特性に異方性を
有することから過酷な条件下で使用した場合の信頼性が
劣るという問題があった。
A flat ceramic heater can be easily manufactured as compared with a rod-shaped ceramic heater. However, the final flat plate has anisotropic mechanical properties, so that severe conditions are required. There was a problem that the reliability when used below was inferior.

【0010】また、抵抗発熱体とリード配線とを異種の
導体材料によって形成する方法は、抵抗比率を高める上
では効果的であるが、導体材料の物性が異なるために絶
縁基体と同時焼成した場合にヒータ内部に応力が発生し
やすくなるために、過酷な条件で使用された場合に、断
線または絶縁基体が破壊するなどの問題があった。
Although the method of forming the resistance heating element and the lead wiring using different types of conductor materials is effective in increasing the resistance ratio, it is difficult to co-fire with the insulating base because of the different physical properties of the conductor materials. In addition, since stress is easily generated inside the heater, there has been a problem that the wire is disconnected or the insulating substrate is broken when used under severe conditions.

【0011】本発明は、室温から1000℃以上の高温
まで加熱可能で、過酷な熱サイクルが付加された場合に
おいてもヒータ内部での応力集中を防ぎ耐久性能に優れ
た窒化ケイ素製セラミックヒータとその製造方法を提供
することを目的とするものである。
The present invention provides a silicon nitride ceramic heater which can be heated from room temperature to a high temperature of 1000 ° C. or more, prevents stress concentration inside the heater even when a severe thermal cycle is applied, and has excellent durability. It is intended to provide a manufacturing method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
に対して種々検討を重ねた結果、ヒータ構造として棒状
体によって構成するとともに、抵抗発熱体およびリード
配線を実質的に同一の導体材料によって棒状絶縁基体の
中心から同心円領域に形成するとともに、その抵抗発熱
体およびリード配線を覆うシェル部において継ぎ目を無
くすることによって上記目的が達成できることを見いだ
した。
The inventor of the present invention has conducted various studies on the above-mentioned problems, and as a result, the heater has a rod-like structure, and the resistance heating element and the lead wiring are substantially the same conductor. It has been found that the above object can be achieved by forming a concentric circular region from the center of the rod-shaped insulating substrate with the material and eliminating the seam in the shell portion covering the resistance heating element and the lead wiring.

【0013】即ち、本発明の窒化ケイ素製セラミックヒ
ータは、窒化ケイ素質セラミックスからなる棒状絶縁基
体内部に、抵抗発熱体およびリード配線を埋設してなる
とともに、前記絶縁基体の外周部に前記リード配線と電
気的に接続された接続端子部を形成してなるセラミック
ヒータにおいて、前記抵抗発熱体及び前記リード配線が
実質的に金属成分と無機成分とを含有する同一組成の導
体材料によって前記棒状絶縁基体の中心から同心円領域
に形成されているとともに、前記シェル部に継ぎ目が存
在しないことを特徴とするものである。
That is, the silicon nitride ceramic heater of the present invention has a resistance heating element and lead wires embedded inside a rod-shaped insulating substrate made of silicon nitride ceramics, and the lead wires are provided on the outer periphery of the insulating substrate. Wherein the resistance heating element and the lead wiring are made of a conductive material having the same composition substantially containing a metal component and an inorganic component. Are formed in a concentric circle region from the center of the shell, and there is no seam in the shell portion.

【0014】また、かかる構成において、前記抵抗発熱
体および前記リード配線における線幅および/または膜
厚が異なること、ヒータの横断面内に、複数個の前記抵
抗発熱体または前記リード配線が、等間隔をもって同心
円領域に形成されてなることが望ましい。
In this configuration, the resistance heating element and the lead wiring may have different line widths and / or film thicknesses, and a plurality of the resistance heating elements or the lead wiring may be provided in a cross section of the heater. It is desirable to form them in concentric regions with an interval.

【0015】さらに、窒化ケイ素製セラミックヒータの
製造方法としては、窒化ケイ素を主成分とするセラミッ
ク組成物によって、棒状のコア成形体を作製するa工程
と、前記棒状の成形体の表面に、金属成分と無機成分と
を含有する実質的に同一組成の導体材料によって抵抗発
熱体パターンおよびリード配線パターンを被着形成する
b工程と、前記棒状のコア成形体を、前記セラミック組
成物を含むスラリー中に浸漬後、乾燥して、前記棒状の
コア成形体の前記抵抗発熱体パターンおよび前記リード
配線パターンの表面に絶縁性のシェルを形成するc工程
と、前記c工程によって得られた複合成形体を非酸化性
雰囲気中で焼成するd工程と、を具備することを特徴と
するものである。
Further, as a method of manufacturing a ceramic heater made of silicon nitride, a step a of forming a rod-shaped core molded body from a ceramic composition containing silicon nitride as a main component; B step of depositing and forming a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern with a conductor material having substantially the same composition containing a component and an inorganic component; and forming the rod-shaped core molded body in a slurry containing the ceramic composition. C) forming an insulating shell on the surfaces of the resistance heating element pattern and the lead wiring pattern of the rod-shaped core molded body; and drying the composite molded body obtained by the c step. B) firing in a non-oxidizing atmosphere.

【0016】また、かかる製造方法によれば、前記b工
程が、所定の転写シートに抵抗発熱体パターンおよびリ
ード配線パターンを形成した後、該パターンを前記棒状
のコア成形体表面に転写する工程からなること、前記焼
成を、加圧された窒素ガス雰囲気中で焼成することが望
ましい。
According to this manufacturing method, the step (b) includes the steps of forming a resistive heating element pattern and a lead wiring pattern on a predetermined transfer sheet, and then transferring the pattern to the surface of the rod-shaped core molded body. Preferably, the firing is performed in a pressurized nitrogen gas atmosphere.

【0017】[0017]

【作用】本発明の窒化ケイ素製セラミックヒータによれ
ば、窒化ケイ素質セラミックスからなるコア部と、その
周囲に形成されたシェル部とから構成される棒状絶縁基
体内部に、抵抗発熱体およびリード配線を実質的に同一
組成の導体材料によって前記棒状絶縁基体の中心から同
心円領域に形成し、また前記シェル部を継ぎ目のない構
造とすることにより、繰り返し急速昇温加熱した場合に
おいても、ヒータを構成する各構成部材、即ち、絶縁基
体、抵抗発熱体およびリード配線による物性差等による
応力の発生を低減することができ、絶縁基体へのクラッ
クの発生や抵抗発熱体およびリード配線の断線などを防
止し、セラミックヒータの耐久性を高めることができ
る。
According to the silicon nitride ceramic heater of the present invention, a resistance heating element and a lead wiring are provided inside a rod-shaped insulating base composed of a core made of silicon nitride ceramics and a shell formed around the core. Is formed in a concentric region from the center of the rod-shaped insulating substrate by a conductor material having substantially the same composition, and the shell portion has a seamless structure. It is possible to reduce the occurrence of stress due to differences in physical properties between the constituent members, that is, the insulating base, the resistance heating element, and the lead wiring, thereby preventing cracks in the insulating base and disconnection of the resistance heating element and the lead wiring. In addition, the durability of the ceramic heater can be improved.

【0018】特に、前記抵抗発熱体および前記リード配
線は、金属成分と絶縁成分とを含有する実質的に同一組
成の導体材料によって形成するために線幅および/また
は膜厚を変えることにより抵抗比率を調整することが可
能であり、ヒータの横断面内において、複数個の前記抵
抗発熱体または前記リード配線を等間隔をもって同心円
領域に形成することによって、さらに応力の集中を防止
することができ、さらに耐久性を高めることができる。
In particular, since the resistance heating element and the lead wiring are formed of a conductor material having substantially the same composition containing a metal component and an insulation component, a resistance ratio is changed by changing a line width and / or a film thickness. Can be adjusted, and in the cross section of the heater, by forming a plurality of the resistance heating elements or the lead wires in concentric regions at equal intervals, it is possible to further prevent the concentration of stress, Further, the durability can be improved.

【0019】また、製造方法として、窒化ケイ素質セラ
ミック組成物からなる棒状コア成形体表面に、実質的に
同一組成の導体材料によって抵抗発熱体パターンおよび
リード配線パターンを被着形成した後、前記セラミック
組成物を含むスラリー中に浸漬後、乾燥して、前記棒状
のコア成形体の前記抵抗発熱体パターンおよび前記リー
ド配線パターンの表面に絶縁性のシェルを形成すること
によって、シェルを継ぎ目なく均一な厚みで形成するこ
とができ、その結果、その複合成形体を焼成した場合に
おいても、ヒータ全体として均一な焼成収縮挙動によっ
て焼成時のクラックや断線などの発生を抑制することが
できる。
Further, as a manufacturing method, a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern are formed by applying a conductor material having substantially the same composition to the surface of a rod-shaped core molded body made of a silicon nitride ceramic composition. After dipping in the slurry containing the composition, and drying, by forming an insulating shell on the surface of the resistance heating element pattern and the lead wiring pattern of the rod-shaped core molded body, the shell is seamless and uniform. As a result, even when the composite molded body is fired, generation of cracks and disconnections during firing can be suppressed by uniform firing shrinkage behavior of the entire heater.

【0020】特に、コア成形体の表面への抵抗発熱体パ
ターンおよびリード配線パターンの形成を所定の転写シ
ートからの転写によって形成することによって、曲面か
らなるコア成形体へのパターンを容易に且つ歩留りよく
形成することができる。しかも、この方法ではシート状
成形体を作製する必要がないために、シート成形技術が
不要であり、それの巻き付け処理などの複雑な工程も不
要となるために従来に比べて工程の簡略化と製造コスト
の低減を図ることができる。また、前記焼成を、加圧さ
れた窒素ガス雰囲気中で焼成することを特徴とするもの
である。
In particular, by forming the resistive heating element pattern and the lead wiring pattern on the surface of the core molded body by transferring from a predetermined transfer sheet, the pattern on the core molded body having a curved surface can be easily formed at a high yield. Can be well formed. In addition, since this method does not require the production of a sheet-shaped molded body, the sheet molding technique is not required, and complicated steps such as a winding process thereof are not required. Manufacturing costs can be reduced. Further, the firing is performed in a pressurized nitrogen gas atmosphere.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳述する。本発明
のセラミックヒータの概略斜視図を図1(a)に、また
その長手方向の断面図を図1(b)に示した。図1に示
すように、本発明の窒化ケイ素製セラミックヒータは、
窒化ケイ素質セラミックスからなる棒状の絶縁基体1の
内部に、抵抗発熱体2および一対のリード配線3が埋設
されており、絶縁基体1の外周部には、リード配線3と
電気的に接続された一対の接続端子部4が形成されてい
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail. FIG. 1A is a schematic perspective view of the ceramic heater of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view in the longitudinal direction thereof. As shown in FIG. 1, the ceramic heater made of silicon nitride of the present invention comprises:
A resistance heating element 2 and a pair of lead wires 3 are buried inside a rod-shaped insulating base 1 made of silicon nitride ceramics, and the outer periphery of the insulating base 1 is electrically connected to the lead wiring 3. A pair of connection terminal portions 4 are formed.

【0022】また、図2に、図1のセラミックヒータの
(a)抵抗発熱体2形成部(Y1 −Y1 )の横断面図、
(b)リード配線3形成部(Y2 −Y2 )の横断面図、
(c)接続端子部(Y3 −Y3 )の横断面図をそれぞれ
示した。
FIG. 2 is a cross-sectional view of (a) the resistance heating element 2 forming portion (Y 1 -Y 1 ) of the ceramic heater of FIG.
(B) a cross-sectional view of the lead wiring 3 forming portion (Y 2 −Y 2 );
(C) Cross-sectional views of the connection terminals (Y 3 -Y 3 ) are shown.

【0023】図2から明らかなように、本発明のセラミ
ックヒータにおける絶縁基体1は、セラミックコア部1
aとそのシェル部1bによって構成されており、抵抗発
熱体2、リード配線3は、いずれも少なくとも1対の配
線としてセラミックコア部1aの周囲に埋設された構造
からなることから、セラミックヒータの各横断面におい
て抵抗発熱体2またはリード配線3が棒状体の中心Cか
らそれぞれr1 、r2、r3 の同心円領域に形成されて
いる。このように、抵抗発熱体2やリード配線3を同心
円領域に形成することにより、局所的な応力の発生を防
止し、過酷な熱サイクル印加時においても歪みの発生を
抑制し耐久性を高めることができる。なお、同心円領域
とは、各横断面内における中心からの距離の差が±0.
2mm程度まで許容しえることを意味する。
As is apparent from FIG. 2, the insulating base 1 in the ceramic heater according to the present invention comprises a ceramic core 1
a and its shell portion 1b, and each of the resistance heating elements 2 and the lead wires 3 has a structure buried around the ceramic core portion 1a as at least one pair of wires. In the cross section, the resistance heating element 2 or the lead wiring 3 is formed in concentric regions of r 1 , r 2 , and r 3 from the center C of the rod. As described above, by forming the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 in the concentric region, it is possible to prevent the occurrence of local stress, to suppress the generation of distortion even under severe heat cycle application, and to increase the durability. Can be. In addition, the difference in distance from the center in each cross section is ± 0.
It means that it is acceptable up to about 2 mm.

【0024】また、望ましくは、図2に示すように、抵
抗発熱体2、リード配線3は、各横断面において偶数個
(図2では4本)形成し、これらはそれぞれ同心円領域
において等間隔にて形成することによって、さらに歪み
の発生を抑制することができる。
Preferably, as shown in FIG. 2, an even number (four in FIG. 2) of resistance heating elements 2 and lead wires 3 are formed in each cross section, and these are equally spaced in a concentric region. The formation can further suppress the occurrence of distortion.

【0025】なお、上記シェル部1bは、その厚みが
0.3〜1.5mmであることが望ましい。これは、上
記厚みが1.5mmよりも厚いと、ヒータ表面の昇温速
度が遅くなり、0.3mmよりも薄いと、熱衝撃により
磁器破壊が生じてしまうためである。
It is desirable that the shell portion 1b has a thickness of 0.3 to 1.5 mm. This is because if the thickness is larger than 1.5 mm, the rate of temperature rise on the heater surface becomes slow, and if the thickness is smaller than 0.3 mm, porcelain destruction occurs due to thermal shock.

【0026】上記構成のセラミックヒータにおいては、
抵抗発熱体2およびリード配線3は、いずれも導体材料
によって形成されるものであるが、抵抗発熱体2のみに
よる加熱効率を高めるために抵抗発熱体2とリード配線
3との抵抗比率(抵抗発熱体/リード配線)が大きいこ
とが望まれている。
In the ceramic heater having the above configuration,
The resistance heating element 2 and the lead wiring 3 are both formed of a conductive material. However, in order to increase the heating efficiency of the resistance heating element 2 alone, the resistance ratio between the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 (resistance heating). Larger body / lead wiring) is desired.

【0027】かかる抵抗調整にあたり、抵抗発熱体2お
よびリード配線3が例えば、導電性成分と絶縁性成分と
の含有比率を変えた異なる導体材料によって形成した場
合、つまり、抵抗発熱体2を高抵抗導体によって、また
リード配線3を低抵抗導体によって形成した場合、それ
ぞれの導体材料自体の熱膨張特性や焼成収縮挙動、導電
成分の粒径が異なるなどの他の物性が異なるために、絶
縁基体との同時焼成時、または熱サイクルが印加された
場合にヒータ全体として歪みなどが生じやすくなり耐久
性が低下してしまう。
In such resistance adjustment, when the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 are formed of, for example, different conductor materials in which the content ratio of the conductive component and the insulating component is changed, that is, the resistance heating element 2 has a high resistance. When the lead wire 3 is formed of a low-resistance conductor by the conductor and the conductor material itself has different thermal expansion characteristics, firing shrinkage behavior, and other physical properties such as different particle diameters of the conductive component, the conductor material differs from the insulating base. At the same time, or when a thermal cycle is applied, distortion or the like is likely to occur in the entire heater, and the durability is reduced.

【0028】本発明のセラミックヒータによれば、抵抗
発熱体2およびリード配線3がいずれも同一組成の導体
材料によって形成されているために、抵抗発熱体2およ
びリード配線3との抵抗比率を高めるためには、それぞ
れの導体の膜厚や線幅によって調整するものである。そ
の際、抵抗発熱体2とリード配線3との膜厚差が大きく
なると、その段差部が異常加熱によって応力集中が発生
し、断線や絶縁基体の破壊などが生じてしまう恐れがあ
るために、抵抗発熱体2およびリード配線3との間に抵
抗発熱体2の膜厚よりも大きく、リード配線3の膜厚よ
りも小さい中間的の膜厚を有する接続用配線5を配設す
ることが望ましい。
According to the ceramic heater of the present invention, since the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 are both made of the same conductive material, the resistance ratio between the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 is increased. For this purpose, adjustment is made by the film thickness and line width of each conductor. At this time, if the thickness difference between the resistance heating element 2 and the lead wiring 3 becomes large, stress concentration occurs at the step portion due to abnormal heating, which may cause disconnection or breakage of the insulating base. It is desirable to arrange a connection wiring 5 having an intermediate thickness larger than the thickness of the resistance heating element 2 and smaller than the thickness of the lead wiring 3 between the resistance heating element 2 and the lead wiring 3. .

【0029】前記導体材料の同一性については、導体中
における金属成分の含有比率によって定め、その含有量
が±5体積%以内までが許容でき、その差が5体積%を
超えると導体間の特性が代わり、耐久性が低下する。
The identity of the conductor material is determined by the content ratio of the metal component in the conductor, and the content is acceptable up to ± 5% by volume, and if the difference exceeds 5% by volume, the characteristics between the conductors are reduced. Instead, and the durability is reduced.

【0030】なお、本発明のセラミックヒータにおい
て、リード配線3と絶縁基体1の外周部に形成された接
続端子部4とは、図1(b)、図2(c)に示すよう
に、絶縁基体1に形成されたスルーホール導体6によっ
て電気的に接続されており、接続端子部4には、コバー
ル合金、インバール合金等の低熱膨張金属からなる金属
端子7がスポット溶接またはロウ材によって接続されて
いる。
In the ceramic heater of the present invention, as shown in FIGS. 1B and 2C, the lead wiring 3 and the connection terminal 4 formed on the outer peripheral portion of the insulating base 1 are insulated. A metal terminal 7 made of a low thermal expansion metal such as a Kovar alloy or an Invar alloy is connected to the connection terminal portion 4 by spot welding or a brazing material. ing.

【0031】前記スルーホール導体6は、図2(b)の
横断面図に示すように、スルーホール導体6の接続端子
部4との接続部付近が接続端子部側にホール径が大きく
なるテーパ部8を有していることが望ましい。これは、
スルーホール導体6に熱膨張差によって生じる応力を緩
和し、耐久性を向上させるためである。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2B, the through hole conductor 6 has a taper near the connection portion of the through hole conductor 6 with the connection terminal portion 4 in which the hole diameter increases toward the connection terminal portion. It is desirable to have the part 8. this is,
This is for relaxing the stress generated in the through-hole conductor 6 due to the difference in thermal expansion and improving the durability.

【0032】また、このスルーホール導体6は、図2
(b)の横断面図に示すように、棒状の絶縁基体1に対
して棒状の絶縁基体1の中心に対して対照となる位置に
形成することが望ましい。これは、端子の接着工程を簡
易化するとともに、スルーホール導体の形成による歪み
の発生を抑制するためである。
The through-hole conductor 6 is formed as shown in FIG.
As shown in the cross-sectional view of (b), it is desirable to form the rod-shaped insulating substrate 1 at a position symmetrical to the center of the rod-shaped insulating substrate 1. This is for simplifying the terminal bonding step and suppressing the occurrence of distortion due to the formation of the through-hole conductor.

【0033】このように構成されたセラミックヒータに
は、2本の金属端子7を介して図示しない電源から抵抗
発熱体2へと電流が供給され、電流が抵抗発熱体2を通
過する際に電気エネルギーが熱エネルギーに変換され、
ヒータの先端部の温度が上昇するようになっている。
A current is supplied from a power source (not shown) to the resistance heating element 2 through the two metal terminals 7 to the ceramic heater configured as described above. Energy is converted to heat energy,
The temperature at the tip of the heater rises.

【0034】(絶縁基体)本発明の窒化ケイ素製セラミ
ックヒータにおける絶縁基体1は、耐熱衝撃性および高
強度を有し、且つ耐久性を高めるために窒化ケイ素を主
成分とするセラミックスから構成されるものである。
(Insulating Substrate) The insulating substrate 1 in the silicon nitride ceramic heater of the present invention has a thermal shock resistance and a high strength, and is made of a ceramic containing silicon nitride as a main component in order to enhance durability. Things.

【0035】この窒化ケイ素質セラミックスは、β型窒
化ケイ素を主結晶相とするものであり、その粒界相に
は、焼結助剤成分として、希土類元素、酸素およびケイ
素を少なくとも含む結晶相あるいはガラス相により構成
される。望ましくは、粒界には結晶相が存在しているこ
とが望ましく、特にダイシリケート(RE2 Si
2 7)結晶相を主相して析出させるのがよい。粒界結
晶相としてダイシリート相を主相として析出させること
により、絶縁体が発熱時に外気の酸素と接触した場合に
おいても高い耐酸化性を有することなり、母材の酸化に
よる腐食を防止し母材の長期安定性を高めることができ
るのである。
This silicon nitride ceramic has β-type silicon nitride as a main crystal phase. The grain boundary phase includes a crystal phase containing at least a rare earth element, oxygen and silicon as a sintering aid component. It is composed of a glass phase. Desirably, a crystal phase exists at the grain boundary, and in particular, disilicate (RE 2 Si
2 O 7 ) It is preferable to precipitate the crystal phase as a main phase. By precipitating the disilite phase as the main phase as the grain boundary crystal phase, the insulator has high oxidation resistance even when it comes into contact with the oxygen of the outside air at the time of heat generation. Can increase the long-term stability.

【0036】また、絶縁体の焼結体粒界にダイシリケー
ト相を析出させることに関連して、焼結体中の全希土類
元素の酸化物換算と、不純物的酸素のSiO2 換算量と
のSiO2 /RE2 3 で表されるモル比が2以上であ
ることが望ましい。
In connection with the precipitation of a disilicate phase at the grain boundaries of the sintered body of the insulator, the conversion of the total rare earth element oxide in the sintered body into oxide and the amount of impurity oxygen in terms of SiO 2 are calculated. It is desirable that the molar ratio represented by SiO 2 / RE 2 O 3 is 2 or more.

【0037】この不純物的酸素量とは、全酸素量から焼
結助剤等として添加した希土類元素酸化物やその他の酸
化物(SiO2 を除く)に化学量論比率で結合する酸素
を差し引いた残りの不純物酸素量であり、具体的には窒
化ケイ素粉末中に含まれる不純物酸素、あるいはSiO
2 粉末として添加された酸素からなるものである。ま
た、焼結体の粒界は、完全に結晶化させる事によりさら
に耐久性を向上させることができる。
The amount of impurity oxygen is obtained by subtracting the oxygen bonded to the rare earth element oxide or other oxides (excluding SiO 2 ) at a stoichiometric ratio from the total oxygen amount. The remaining amount of impurity oxygen, specifically, impurity oxygen contained in silicon nitride powder or SiO 2
2 Consists of oxygen added as a powder. Further, by completely crystallizing the grain boundaries of the sintered body, the durability can be further improved.

【0038】なお、上記SiO2 /RE2 3 比が2よ
り小さいと、粒界相に窒素成分を多く含むYAM相やア
パタイト相等の窒素を含む結晶相が主として生成しこれ
により耐酸化性が劣化してしまう。ただし、SiO2
RE2 3 比が過度に高くなると緻密化を阻害するた
め、上記モル比は5以下に制御することが望ましい。
When the SiO 2 / RE 2 O 3 ratio is smaller than 2, a nitrogen-containing crystal phase such as a YAM phase or an apatite phase containing a large amount of a nitrogen component is mainly formed in the grain boundary phase, thereby reducing the oxidation resistance. Will deteriorate. However, SiO 2 /
If the RE 2 O 3 ratio is excessively high, the densification is hindered. Therefore, it is desirable to control the molar ratio to 5 or less.

【0039】窒化ケイ素質セラミックス中に含まれる希
土類元素としては、Y、Er、Yb、Lu、Smなどが
望ましい。これらの元素間での室温特性は大きな有意差
はないが、高温特性は生成する粒界相の融点に依存す
る。従って、生成するダイシリケートの融点がより高い
ことから判断するとLu、Yb、Erが好ましい。この
希土類元素は焼結体中に酸化物換算で1〜10モル%、
特に2〜5モル%の割合で存在することが望ましい。
As the rare earth element contained in the silicon nitride ceramics, Y, Er, Yb, Lu, Sm and the like are desirable. Although the room temperature characteristics between these elements do not differ significantly, the high temperature characteristics depend on the melting point of the formed grain boundary phase. Therefore, judging from the fact that the melting point of the generated disilicate is higher, Lu, Yb, and Er are preferable. This rare earth element is contained in the sintered body in an amount of 1 to 10 mol% in terms of oxide,
In particular, it is desirable to be present at a ratio of 2 to 5 mol%.

【0040】また、上記窒化ケイ素質セラミックスにお
いては、焼結体中に含まれるAl、Mg量が酸化物換算
による全量で1.0重量%以下、特に0.5重量%以
下、さらには0.1重量%以下であることが望ましい。
それは、これらの成分が上記よりも多くの量で存在する
と、粒界結晶化が阻害されやすく、所望の耐酸化性が得
られなくなる場合があるためである。上記金属元素の陽
イオン不純物元素として、Fe含有量が10000pp
m以下、Cr、Ni等の他の金属はそれぞれ1000p
pm以下であることが望ましい。
In the above-mentioned silicon nitride ceramics, the total amount of Al and Mg contained in the sintered body is 1.0% by weight or less, especially 0.5% by weight or less, more preferably 0.5% by weight or less in terms of oxide. It is desirably 1% by weight or less.
This is because, if these components are present in amounts larger than those described above, grain boundary crystallization is likely to be inhibited, and the desired oxidation resistance may not be obtained. Fe content of 10,000 pp as a cation impurity element of the above metal element
m or less, other metals such as Cr and Ni
pm or less.

【0041】なお、上記窒化ケイ素質セラミックス中に
は、周期律表第4a、5a、6a族元素金属や、それら
の炭化物、窒化物、ケイ化物、または、SiCなどの分
散粒子やウィスカ−を適量添加分散させて複合化し特性
の改善を行うことも当然可能である。
It is to be noted that the silicon nitride-based ceramic contains an appropriate amount of dispersed particles or whiskers such as element metals of Groups 4a, 5a and 6a of the periodic table, and carbides, nitrides, silicides or SiC thereof. Of course, it is also possible to add and disperse the composition to improve the properties.

【0042】(導体材料)また、抵抗発熱体2、リード
配線3、接続用配線5は、絶縁基体1と同時焼成によっ
て形成されていることが望ましい。絶縁基体1として窒
化ケイ素質セラミックスを用いる場合には、W、Ta、
Mo及びその炭化物、窒化物の群から選ばれる少なくと
も1種を主成分とするものであって、さらにこの主成分
に対して、分散物質として、窒化ケイ素、窒化ホウ素お
よび炭化ケイ素のうちの少なくとも1種を含有させるこ
とが望ましい。
(Conductive Material) It is desirable that the resistance heating element 2, the lead wiring 3, and the connection wiring 5 are formed by simultaneous firing with the insulating base 1. When silicon nitride ceramics is used as the insulating substrate 1, W, Ta,
And at least one selected from the group consisting of Mo and its carbides and nitrides, and further containing at least one of silicon nitride, boron nitride and silicon carbide as a dispersing substance. It is desirable to include a seed.

【0043】この分散物質は、抵抗発熱体2の抵抗を調
整するための助剤、熱膨張特性を絶縁基体と近似させる
ための助剤、絶縁基体1との同時焼結性と、絶縁基体1
への密着性を高めるための助剤、さらには抵抗発熱体の
粒成長を制御するためのものであり、上記主成分100
重量部に対して窒化ホウ素は1〜10重量部、窒化ケイ
素は5〜30重量部、炭化ケイ素は2〜15重量部の割
合でそれぞれ分散させることが望ましい。
This dispersion material is used to adjust the resistance of the resistance heating element 2, to make the thermal expansion characteristics close to that of the insulating substrate 1, to simultaneously sinter the insulating substrate 1,
Auxiliary agent for increasing the adhesion to the substrate, and also for controlling the grain growth of the resistance heating element.
It is desirable that boron nitride is dispersed at a ratio of 1 to 10 parts by weight, silicon nitride is dispersed at a ratio of 5 to 30 parts by weight, and silicon carbide is dispersed at a ratio of 2 to 15 parts by weight.

【0044】また、上記の導体からなる抵抗発熱体2、
リード配線3、接続用配線5の絶縁基体1との接触界面
には、導体中の主たる金属のケイ化物相、例えば、WS
2、TaSi、MoSi2 等のケイ化物相が存在する
場合があるが、その場合、ケイ化物相の厚さは10μm
以下、特に5μm以下であることが望ましい。
Further, the resistance heating element 2 made of the above-mentioned conductor,
At the contact interface between the lead wiring 3 and the connection wiring 5 with the insulating base 1, a silicide phase of a main metal in the conductor, for example, WS
There may be a silicide phase such as i 2 , TaSi, MoSi 2 , in which case the silicide phase has a thickness of 10 μm.
The thickness is preferably 5 μm or less.

【0045】(製造方法)本発明の窒化ケイ素製セラミ
ックヒータを製造するための一例について、具体的に説
明する。 (a)まず、棒状の絶縁基体を形成する主原料として、
陽イオン不純物量が10000ppm以下のα型または
β型の窒化ケイ素粉末を用いる。そして、この窒化ケイ
素粉末に対して、焼結助剤として、希土類元素酸化物を
1〜10モル%、特に2〜5モル%の割合で添加する。
また、添加成分として、他にSiO2 を添加して酸素量
を調整することもできる。また、Al2 3 、MgO等
は高温時の強度を高める上で、合計で1.0重量%以
下、特に0.5重量%以下、さらには0.1重量%以下
に抑制することが望ましい。
(Production Method) An example for producing the silicon nitride ceramic heater of the present invention will be specifically described. (A) First, as a main raw material for forming a rod-shaped insulating substrate,
An α-type or β-type silicon nitride powder having a cation impurity amount of 10,000 ppm or less is used. Then, a rare earth element oxide is added as a sintering aid to the silicon nitride powder at a ratio of 1 to 10 mol%, particularly 2 to 5 mol%.
Further, SiO 2 may be added as an additional component to adjust the amount of oxygen. Further, Al 2 O 3 , MgO and the like are desirably suppressed to a total of 1.0% by weight or less, particularly 0.5% by weight or less, and further preferably 0.1% by weight or less in order to increase the strength at high temperatures. .

【0046】なお、前述したように焼結体粒界をダイシ
リケート結晶相を析出させる上で成形後の成形体中の不
純物酸素のSiO2 換算量と、周期律表第3a族元素の
酸化物換算量とのSiO2 /RE2 3 モル比率を2以
上となるように調整する。
As described above, the amount of impurity oxygen equivalent to SiO 2 in the compact after the compaction and the oxide of the Group 3a element of the Periodic Table in forming the disilicate crystal phase at the grain boundary of the sintered compact were determined. The molar ratio of SiO 2 / RE 2 O 3 to the reduced amount is adjusted to be 2 or more.

【0047】そして、これらをボールミル等により混合
粉砕する。このようにして得られた混合粉末を公知の成
形方法、例えば、押出成形法によって棒状成形体を作製
し、これを乾燥後、必要な長さに切断して、コア成形体
を作製する。このコア成形体は、押出成形法以外に、射
出成形法、鋳込成形法によっても作製することができ
る。
These are mixed and pulverized by a ball mill or the like. A rod-shaped compact is produced from the mixed powder thus obtained by a known molding method, for example, an extrusion molding method, and after drying, is cut into a required length to produce a core compact. This core molded body can be produced by an injection molding method or a casting method other than the extrusion molding method.

【0048】こうして作製したコア成形体は、後述する
導体パターン形成前に、脱脂、仮焼工程を施しておくこ
とが望ましい。これは、コア部の脱バインダー時にパタ
ーン部に脱ガスに伴う積層欠陥が生じ易くなるためであ
る。
It is desirable that the core formed body thus prepared is subjected to a degreasing and calcining step before forming a conductor pattern described later. This is because stacking faults accompanying degassing are likely to occur in the pattern portion when the binder is removed from the core portion.

【0049】脱脂工程は、非酸化性雰囲気中で300〜
1000℃で実施すればよく、また仮焼処理は、非酸化
性雰囲気中で1200〜1500℃で熱処理して相対密
度1.4〜1.6g/cm3 程度まで緻密化しておくこ
とが望ましい。
The degreasing step is performed in a non-oxidizing atmosphere at 300 to
The calcining treatment may be performed at 1000 ° C., and the calcining treatment is desirably performed at 1200 to 1500 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to densify the particles to a relative density of about 1.4 to 1.6 g / cm 3 .

【0050】(b)次に、得られた棒状の成形体の表面
に、平均粒径が0.1〜10μmの前述したようなタン
グステン、モリブデンなどの導体成分に対して、窒化ケ
イ素などの絶縁成分を添加して抵抗調整し、導体ペース
トを調製する。そして、この導体ペーストを用いて抵抗
発熱体、リード配線のパターンを被着形成する。
(B) Next, on the surface of the obtained rod-shaped molded body, an insulating material such as silicon nitride is insulated from a conductive component such as tungsten or molybdenum having an average particle size of 0.1 to 10 μm as described above. The components are added to adjust the resistance to prepare a conductor paste. Then, a resistive heating element and a lead wiring pattern are formed by using the conductive paste.

【0051】この抵抗発熱体およびリード配線パターン
の形成には、転写法を用いることが望ましい。この転写
法によれば、まず、転写シートとして樹脂フィルムを用
意する。このフィルムはPET(ポリエチレンテレフタ
レート)、PP(ポリプロピレン)、PTFE(ポリテ
トラフロロエチレン)等が好適に用いられる。この転写
フィルムのパターン形成面には、シリコーン樹脂等の離
型剤があらかじめ塗布されていてもよい。
It is desirable to use a transfer method for forming the resistance heating element and the lead wiring pattern. According to this transfer method, first, a resin film is prepared as a transfer sheet. For this film, PET (polyethylene terephthalate), PP (polypropylene), PTFE (polytetrafluoroethylene) or the like is suitably used. A release agent such as a silicone resin may be applied to the pattern forming surface of the transfer film in advance.

【0052】この樹脂フィルムの離型面を上側にし、ス
キージを駆動させることにより、タングステンなどの導
体材料と窒化ケイ素などの絶縁材料などによって抵抗調
整された導体ペーストを抵抗発熱体パターン、リード配
線パターンにスクリーン厚膜印刷する。なお、抵抗発熱
体パターン、リード配線パターンの膜厚が異なる場合に
は、数回に分けて転写シートにスクリーン厚膜印刷する
ことが望ましい。
By driving the squeegee with the release surface of the resin film facing upward, the conductive paste whose resistance has been adjusted with a conductive material such as tungsten and an insulating material such as silicon nitride can be used as a resistive heating element pattern and a lead wiring pattern. Screen thick film printing. When the thickness of the resistance heating element pattern and the thickness of the lead wiring pattern are different, it is preferable to print the thick film on the transfer sheet in several times.

【0053】次に、上記印刷面において、抵抗発熱体パ
ターン、リード配線パターンの厚み、およびそれらの膜
厚差によって印刷面は凹凸面からなるためにこの凹凸面
を均一化するために、窒化ケイ素セラミック組成物から
なるペーストを抵抗発熱体やリード配線パターン間に、
上記と同一方法にてスクリーン厚膜印刷して、リード配
線パターン部と抵抗発熱体パターン部の全体厚み差が2
0μm以下となるようにすることが望ましい。
Next, since the printed surface has an uneven surface due to the thickness of the resistive heating element pattern and the lead wiring pattern and the difference in film thickness thereof, silicon nitride is used to make the uneven surface uniform. Paste made of ceramic composition between resistance heating element and lead wiring pattern,
Screen thick film printing is performed by the same method as above, and the total thickness difference between the lead wiring pattern portion and the resistance heating element pattern portion is 2
It is desirable that the thickness be 0 μm or less.

【0054】さらに、その抵抗発熱体パターンおよびリ
ード配線パターンの表面には、コア成形体と同様の窒化
ケイ素セラミック組成物からなる5〜30μmの窒化ケ
イ素質のオーバーコート層を厚膜印刷することが望まし
い。
Further, on the surfaces of the resistance heating element pattern and the lead wiring pattern, a thick film of a silicon nitride-based overcoat layer of 5 to 30 μm made of the same silicon nitride ceramic composition as the core molded body is printed. desirable.

【0055】そして、十分に乾燥後、一軸プレス機等に
よって転写シート、各導体パターンおよびオーバーコー
ト層を圧着する。これは、各導体パターンおよびオーバ
ーコート層からなる転写層の厚さを均一化し、さらに、
抵抗発熱体4を印刷する際の厚さ制御を容易にさせると
いうメリットがある。つまり、抵抗発熱体4中のポアを
なくし、焼成時のネックの生成を一定にすることができ
る結果、抵抗発熱体4の抵抗値を安定化することができ
るのである。また、オーバーコート層を形成しておくこ
とは、コア成形体と抵抗発熱体パターンやリード配線と
の密着性を向上できるとともに、焼結後における積層欠
陥の発生を抑制することができる。
Then, after drying sufficiently, the transfer sheet, the respective conductor patterns and the overcoat layer are pressed by a uniaxial press or the like. This makes the thickness of the transfer layer composed of each conductor pattern and the overcoat layer uniform, and further,
There is an advantage that the thickness control when printing the resistance heating element 4 is facilitated. In other words, the pores in the resistance heating element 4 can be eliminated, and the generation of a neck during firing can be made constant. As a result, the resistance value of the resistance heating element 4 can be stabilized. Further, by forming the overcoat layer, the adhesion between the core molded body and the resistance heating element pattern or the lead wiring can be improved, and the occurrence of stacking faults after sintering can be suppressed.

【0056】なお、転写シートの印刷面は、転写工程が
実施されるまでの間、離型保護シート等によって保護し
ておくことが望ましい。また、転写シートには、複数組
の抵抗発熱体パターンおよびリード配線パターンを形成
することにより量産性を高めることもできる。
It is desirable that the printed surface of the transfer sheet be protected by a release protection sheet or the like until the transfer step is performed. In addition, mass productivity can be improved by forming a plurality of sets of resistance heating element patterns and lead wiring patterns on the transfer sheet.

【0057】そして、上記のようにして転写シート表面
に形成された抵抗発熱体パターンおよびリード配線パタ
ーンをオーバーコート層とともに(a)工程によって作
製されたコア成形体の表面に転写する。
Then, the resistance heating element pattern and the lead wiring pattern formed on the surface of the transfer sheet as described above are transferred to the surface of the core molded body produced in the step (a) together with the overcoat layer.

【0058】転写工程では、まず、抵抗発熱体パター
ン、リード配線パターンを印刷した転写シートから1組
のパターンを適宜裁断して作製し、その表面に密着層を
スクリーン印刷した後に、コア成形体の表面に抵抗発熱
体パターン、リード配線パターンをオーバーコート層と
ともに密着層を介してコア成形体の表面に密着し、転写
シートのみを剥がすことにより転写することができる。
In the transfer step, first, a set of patterns is prepared by appropriately cutting a transfer sheet on which a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern are printed, and an adhesive layer is screen-printed on the surface thereof. The resistive heating element pattern and the lead wiring pattern are adhered to the surface of the core molded body together with the overcoat layer via the adhesive layer on the surface, and the transfer can be performed by peeling off only the transfer sheet.

【0059】(c)その後、抵抗発熱体、リード配線の
パターンが転写されたコア成形体の表面に、シェルとな
る絶縁層を形成してヒータ成形体を作製する。この絶縁
層の形成にあたっては、コア成形体を、前記窒化ケイ素
質のセラミック組成物を含むスラリーを調製し、このス
ラリー中に浸漬後、乾燥して、前記棒状のコア成形体の
前記抵抗発熱体パターンおよび前記リード配線パターン
の表面に絶縁性のシェルを形成することができる。被覆
層の厚みは、スラリーの粘度や浸漬後の引き上げ速度な
どによって容易に調製することができる。
(C) Thereafter, an insulating layer serving as a shell is formed on the surface of the core molded body to which the pattern of the resistance heating element and the lead wiring has been transferred, to produce a molded heater. In forming the insulating layer, the core molded body is prepared by preparing a slurry containing the silicon nitride ceramic composition, immersing the slurry in the slurry, and then drying the slurry. An insulating shell can be formed on the surface of the pattern and the lead wiring pattern. The thickness of the coating layer can be easily adjusted by the viscosity of the slurry, the pulling speed after immersion, and the like.

【0060】(d)そして、上記のようにして作製した
ヒータ成形体を1700〜1900℃の窒素含有雰囲気
中で焼成する。この時、焼成温度によっては窒化ケイ素
が分解する場合があるために、窒素圧1.5気圧以上の
加圧窒素雰囲気中で焼成することが望ましい。特に、窒
素ガス加圧焼成では、1700〜1800℃、1.5〜
30気圧の窒素圧力中で焼成した後、1800〜190
0℃、30気圧以上の窒素圧力中で焼成することによ
り、緻密化とともに、抵抗発熱体などの導体のケイ化相
の形成を抑制できる。
(D) Then, the formed heater is fired in a nitrogen-containing atmosphere at 1700 to 1900 ° C. At this time, since silicon nitride may be decomposed depending on the firing temperature, it is preferable to perform firing in a pressurized nitrogen atmosphere at a nitrogen pressure of 1.5 atm or more. In particular, in nitrogen gas pressure firing, 1700-1800 degreeC, 1.5-
After firing in a nitrogen pressure of 30 atm, 1800 to 190
By baking at 0 ° C. and a nitrogen pressure of 30 atm or more, formation of a silicide phase of a conductor such as a resistance heating element can be suppressed together with densification.

【0061】さらには、上記の焼成方法の後に、100
0気圧以上の不活性雰囲気中で1600〜1900℃で
熱間静水圧焼成を行うことによりより耐久性に優れた焼
結体を作製することができる。
Further, after the above firing method, 100
By performing hot isostatic firing at 1600 to 1900 ° C. in an inert atmosphere of 0 atm or more, a sintered body having more excellent durability can be produced.

【0062】(e)なお、接続用端子部およびリード配
線と接続するためのスルーホール導体は、焼成後に、レ
ーザーやマイクロドリルによって棒状の焼結体の所定箇
所にスルーホールを形成し、そのスルーホール内にA
u、Pd、Ptのうち少なくとも1種を主成分とする導
体ペーストを充填した後、さらに棒状焼結体の表面に上
記組成の導体ペーストを接続用端子部のパターンに印刷
塗布し、1100〜1200℃で焼き付け処理すること
によって形成できる。
(E) The through-hole conductor for connecting to the connection terminal portion and the lead wiring is formed by forming a through-hole in a predetermined portion of the rod-shaped sintered body by laser or micro drill after firing. A in the hall
After filling a conductor paste containing at least one of u, Pd, and Pt as a main component, the conductor paste having the above composition is further printed and applied on the surface of the rod-shaped sintered body in a pattern of a connection terminal portion, and then subjected to 1100 to 1200. It can be formed by performing a baking process at a temperature of ℃.

【0063】また、他の方法としては、(c)工程後の
ヒータ成形体に対して、同様にスルーホールを形成した
後、抵抗発熱体などを形成したペーストを充填し、また
接続用端子部のパターンを印刷した後、前述した焼成条
件で焼成してもよい。
Another method is to form a through-hole in the heater molded body after the step (c), fill it with a paste in which a resistance heating element and the like are formed, and form a connection terminal part. After printing this pattern, baking may be performed under the baking conditions described above.

【0064】なお、スルーホール導体形成時に、接続端
子部側のホール径が大きくなるようなテーパ形状を形成
することが望ましいが、このテーパ形状は、接続用端子
部側からレーザー光を照射してホール形成することによ
り形成できる。
When the through-hole conductor is formed, it is desirable to form a tapered shape such that the hole diameter on the connection terminal portion side is increased. This tapered shape is formed by irradiating laser light from the connection terminal portion side. It can be formed by forming holes.

【0065】(f)その後、上記の接続端子部に対し
て、予めNiリードにコバール合金製パッドを抵抗溶接
させた後、このパッド部を接続用端子部にロウ付けによ
って接合、または超音波溶接することにより、セラミッ
クヒータが完成される。
(F) Thereafter, a Kovar alloy pad is resistance-welded to the Ni lead in advance with respect to the connection terminal, and the pad is joined to the connection terminal by brazing or ultrasonic welding. By doing so, the ceramic heater is completed.

【0066】以下、本実施形態のセラミックヒータの製
造方法に関する特徴的な作用効果を列挙する。(1)従
来のようなセラミック質シート材が使用されないことか
ら、高価なドクターブレード装置も不要になり、設備コ
ストを削減することができる。また、技術的困難な厚膜
シートの作製が不要、かつ、複数枚積層が不要であり、
コスト削減が可能となる。
Hereinafter, the characteristic operation and effect of the method of manufacturing the ceramic heater according to the present embodiment will be listed. (1) Since a conventional ceramic sheet material is not used, an expensive doctor blade device is not required, and equipment costs can be reduced. Also, the production of technically difficult thick film sheets is unnecessary, and the lamination of multiple sheets is unnecessary,
Cost reduction becomes possible.

【0067】(2)転写シート平面に対して導体ペース
トを一旦印刷塗布した後、転写させるために、従来のよ
うな棒状のコア成形体の曲面に対して印刷を行う際の不
都合は解消される。即ち、抵抗発熱体を精度よく形成す
ることができるため、抵抗値の制御(安定化)が可能と
なり、抵抗歩留を向上でき、コストダウンが可能とな
る。
(2) The inconvenience of performing printing on a curved surface of a rod-shaped core molded body as in the related art in order to print and apply the conductor paste once to the transfer sheet plane is eliminated. . That is, since the resistance heating element can be formed with high accuracy, the resistance value can be controlled (stabilized), the resistance yield can be improved, and the cost can be reduced.

【0068】(3)従来のホットプレス焼成を用いるこ
となく、窒素加圧焼成にて形成可能なため、研削加工工
程が削減でき、かつ大量焼成が可能となり大幅なコスト
低減を図ることができる。
(3) Since it can be formed by nitrogen pressure sintering without using conventional hot press sintering, the number of grinding steps can be reduced, large-scale sintering can be performed, and a significant cost reduction can be achieved.

【0069】(4)転写シートに形成されたパターンな
どを転写前に一軸プレスによって平坦化することによっ
て、印刷面の凹凸がなくなり、転写、絶縁層被覆後の積
層欠陥がなくなり、耐久性能が向上できる。
(4) By flattening the pattern and the like formed on the transfer sheet by a uniaxial press before transfer, unevenness on the printed surface is eliminated, stacking faults after transfer and coating of the insulating layer are eliminated, and durability performance is improved. it can.

【0070】[0070]

【実施例】実施例1 (a) まず、陽イオン不純物量が1000ppm以下
のα率90%の窒化ケイ素粉末84重量%に、焼結助剤
としてYb2 3 を12重量%、酸化ケイ素を窒化ケイ
素粉末中の酸素量をSiO2 換算した量との合計が3重
量%、酸化タングステン1重量%からなる組成物をバレ
ルミルにて72時間混合攪拌した。
EXAMPLE 1 (a) First, 12% by weight of Yb 2 O 3 and silicon oxide were added as sintering aids to 84% by weight of silicon nitride powder having an α ratio of 90% with a cation impurity content of 1000 ppm or less. A composition comprising a total of 3% by weight of the amount of oxygen in the silicon nitride powder in terms of SiO 2 and 1% by weight of tungsten oxide was mixed and stirred in a barrel mill for 72 hours.

【0071】この混合物を取り出し、乾燥後、有機成分
として、メチルセルロース、ポリビニルアルコール樹
脂、溶媒としてグリセリン、水を添加して攪拌後杯土を
作製し、押し出し成形にて直径が3.2mmの棒状のコ
ア成形体を作製した。
The mixture was taken out, dried, and added with methylcellulose, polyvinyl alcohol resin as an organic component, glycerin and water as a solvent, and stirred to prepare a potting clay, which was extruded into a rod-shaped 3.2 mm diameter. A core molded body was produced.

【0072】(b) 次に、タングステン90重量%と
上記窒化ケイ素組成物10重量%をアクリル樹脂、テル
ピネオール、分散剤、および溶剤としてアセトンを添加
して回転ミルにて混合攪拌後、アセトンを脱気して導体
ペーストを調製した。
(B) Next, 90% by weight of tungsten and 10% by weight of the above silicon nitride composition are added with an acrylic resin, terpineol, a dispersant, and acetone as a solvent, mixed and stirred by a rotary mill, and then acetone is removed. Care was taken to prepare a conductor paste.

【0073】この導体ペーストを用いてスクリーン印刷
により、PETフィルム上に抵抗発熱体、リード配線を
それぞれ順次所定の厚みにスクリーン印刷法によって形
成した。なお、抵抗発熱体と接続用配線との接続部、お
よび接続用配線とリード配線との接続部が図1(b)に
示すようなテーパTとなるように加工した。その後、抵
抗発熱体、リード配線の表面に、前記窒化ケイ素組成物
を含有するスラリーを塗布してオーバーコート層を形成
した。埋め込み乾燥させた。
A resistance heating element and a lead wire were sequentially formed on a PET film to a predetermined thickness by a screen printing method using the conductor paste by screen printing. The connection between the resistance heating element and the connection wiring and the connection between the connection wiring and the lead wiring were processed to have a taper T as shown in FIG. 1B. Thereafter, a slurry containing the silicon nitride composition was applied to the surfaces of the resistance heating element and the lead wiring to form an overcoat layer. Embed and dry.

【0074】そして、上記の転写シートの転写面に、窒
化ケイ素質セラミック組成物にアクリル樹脂、テルピネ
オール、分散剤、および溶剤としてアセトンを添加して
回転ミルにて混合攪拌後、アセトンを脱気して調整した
密着層をスクリーン印刷した後、前記コア成形体の表面
に密着させ、PETフィルムのみを引き剥がし、抵抗発
熱体、リード配線およびオーバーコート層をコア成形体
表面に転写させた。
Then, an acrylic resin, terpineol, a dispersant, and acetone as a solvent were added to the silicon nitride-based ceramic composition on the transfer surface of the transfer sheet, and the mixture was mixed and stirred by a rotary mill. After screen printing the adjusted adhesion layer, it was brought into close contact with the surface of the core molded body, only the PET film was peeled off, and the resistance heating element, lead wiring and overcoat layer were transferred to the surface of the core molded body.

【0075】(c) その後、窒化ケイ素組成物にブチ
ラール樹脂、グリセリン、脱泡剤、および溶剤として水
を添加して回転ミルにて混合攪拌後、脱気して肉づけ用
のスラリーを調製し、このスラリーに前述の転写済のコ
ア成形体を浸積、引き上げ、乾燥を繰り返して肉ずけし
てヒータ成形体を作製した。
(C) Then, butyral resin, glycerin, a defoaming agent, and water as a solvent are added to the silicon nitride composition, mixed and stirred with a rotary mill, and then deaerated to prepare a slurry for filling. Then, the above-described transferred core molded body was immersed in the slurry, pulled up, and dried repeatedly to prepare a heater molded body.

【0076】そして、このヒータ成形体を900℃にて
有機分を分解させた後、70気圧の窒素ガス圧力雰囲気
下にて1850℃にて11時間焼成した。
After decomposing organic components at 900 ° C., this heater molded body was fired at 1850 ° C. for 11 hours under a nitrogen gas pressure atmosphere of 70 atm.

【0077】その後、棒状の焼結体の端部に側面からレ
ーザー光によってリード配線に到達するホール径が0.
4mmのスルーホールを形成した後、金を主成分とする
メタライズペーストを充填し、さらに棒状焼結体の側面
のスルーホール導体形成箇所に接続用端子部となるパタ
ーンを上記金ペーストを印刷塗布した後、1100℃に
て真空焼成した。さらに直径0.2mmのNiからなる
リード線を抵抗溶接したコバール製パッドと1000℃
に熱処理して接合し、セラミックヒータを作製した。
After that, the diameter of the hole reaching the lead wiring by laser light from the side surface at the end of the rod-shaped sintered body is set to 0.
After forming a through-hole of 4 mm, a metallizing paste containing gold as a main component was filled, and a pattern serving as a connection terminal portion was printed and applied to the through-hole conductor forming portion on the side surface of the rod-shaped sintered body. Then, it was baked in vacuum at 1100 ° C. Furthermore, a Kovar pad made by resistance welding a lead wire made of Ni with a diameter of 0.2 mm and 1000 ° C
And heat-bonded to produce a ceramic heater.

【0078】作製したセラミックヒータは、直径が3.
2mm、長さ55mmの棒状体からなるものである。な
お、絶縁基板のコア径は2.4mm、シェル部の平均厚
みが0.4mmであった。また、抵抗発熱体の厚さは2
0μm、リード配線の厚さは250μmとし、抵抗発熱
体とリード配線との間に厚さ80μmの接続用配線を介
在させた。
The manufactured ceramic heater had a diameter of 3.
It is made of a rod-shaped body having a length of 2 mm and a length of 55 mm. The core diameter of the insulating substrate was 2.4 mm, and the average thickness of the shell portion was 0.4 mm. The thickness of the resistance heating element is 2
0 μm, the thickness of the lead wiring was 250 μm, and a connection wiring having a thickness of 80 μm was interposed between the resistance heating element and the lead wiring.

【0079】また、抵抗発熱体およびリード配線は、い
ずれも横断面において4本配設し、互いに対称位置にな
るように形成した。また、抵抗発熱体およびリード配線
は、いずれも横断面の観察の結果、ヒータの中心から
1.6mm±0.2mmの同心円領域に形成されてい
た。
Further, the resistance heating element and the lead wiring were all arranged in four cross sections, and formed so as to be symmetrical to each other. Further, as a result of observation of the cross section, both the resistance heating element and the lead wiring were formed in concentric regions of 1.6 mm ± 0.2 mm from the center of the heater.

【0080】作製したセラミックヒータに対して130
0℃にて2分間電流を印加して発熱させた後、1分間電
流を止め、これを1サイクルとして最高30000サイ
クルまで行い、1000サイクル毎に陽極リードと陰極
リードとのとの間の抵抗を測定した。そして、その抵抗
値が初期抵抗の5%以上増大するまでのサイクル数を測
定した。その結果、30000サイクル後においても全
く抵抗変化がなく、しかもヒータにおいてクラックや断
線なども全く見られなかった。
For the produced ceramic heater, 130
After generating heat by applying a current at 0 ° C. for 2 minutes, the current is stopped for 1 minute, and this is performed as one cycle up to a maximum of 30,000 cycles, and the resistance between the anode lead and the cathode lead is changed every 1000 cycles. It was measured. Then, the number of cycles until the resistance value increased by 5% or more of the initial resistance was measured. As a result, there was no change in resistance even after 30,000 cycles, and no cracks or disconnections were observed in the heater.

【0081】比較例1 実施例1で作製した窒化ケイ素質セラミック組成物を用
いてドクターブレード法によって作製した厚み300μ
mのグリーンシートを作製し、このシートの表面に実施
例1と同様にして抵抗発熱体パターンおよびリード配線
パターンを印刷塗布し、さらにその表面に実施例1と同
じ密着層を形成した。
Comparative Example 1 Using the silicon nitride ceramic composition prepared in Example 1, a thickness of 300 μm was prepared by a doctor blade method.
m, a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern were printed on the surface of this sheet in the same manner as in Example 1, and the same adhesion layer as that in Example 1 was formed on the surface.

【0082】そして、実施例1で作製したコア成形体の
表面にこのグリーンシートを巻き付け、外形を円柱体に
研削加工する以外は、実施例1と同様にしてセラミック
ヒータを作製した。
Then, a ceramic heater was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the green sheet was wound around the surface of the core molded body manufactured in Example 1, and the outer shape was ground to a cylindrical body.

【0083】作製したセラミックヒータに対して、実施
例1と同様に抵抗変化が生じるまでのサイクル数を測定
した結果、10000サイクルで抵抗変化が認められ、
ヒータの継ぎ目付近から円周方向にクラック、断線が生
じていた。
The number of cycles until a change in resistance of the manufactured ceramic heater was measured in the same manner as in Example 1. As a result, a change in resistance was observed at 10,000 cycles.
Cracks and disconnections occurred in the circumferential direction from near the seam of the heater.

【0084】比較例2 実施例1において、抵抗発熱体用およびリード配線用の
ペーストとして、導体成分であるタングステンの含有量
を変えて抵抗を調製したペーストを作製し、抵抗発熱体
用として高抵抗のペーストを、リード配線用および接続
用配線として低抵抗のペーストを用いて印刷塗布する以
外は、上記と全く同様にしてセラミックヒータを作製
し、同様の評価を行った。作製したセラミックヒータに
対して、実施例1と同様に抵抗変化が生じるまでのサイ
クル数を測定した結果、12000サイクルで抵抗変化
が認められ、抵抗発熱体とリード配線との境界部にクラ
ックが生じていた。
Comparative Example 2 In Example 1, as the paste for the resistance heating element and the lead wiring, a paste was prepared in which the resistance was adjusted by changing the content of tungsten as a conductor component, and the high resistance was used for the resistance heating element. A ceramic heater was manufactured in exactly the same manner as above except that the paste was printed and applied using a low-resistance paste as lead wiring and connection wiring, and the same evaluation was performed. As a result of measuring the number of cycles until a resistance change occurs in the manufactured ceramic heater in the same manner as in Example 1, a resistance change was observed at 12000 cycles, and cracks occurred at the boundary between the resistance heating element and the lead wiring. I was

【0085】比較例3 実施例1で用いた窒化ケイ素質セラミック組成物を用い
て、タングステンからなる金属線を抵抗発熱体形成部の
横断面が図3に示すような断面となるように埋設した
後、ホットプレス焼成によって1650℃で1時間焼成
した。
Comparative Example 3 Using the silicon nitride ceramic composition used in Example 1, a metal wire made of tungsten was buried so that the cross section of the resistance heating element forming section had a cross section as shown in FIG. Then, it was fired at 1650 ° C. for 1 hour by hot press firing.

【0086】作製したセラミックヒータに対して、実施
例1と同様に抵抗変化が生じるまでのサイクル数を測定
した結果、10000サイクルで抵抗変化が認められ、
ヒータのパターン幅方向にクラック、断線が生じてい
た。
The number of cycles until a change in resistance of the manufactured ceramic heater was measured in the same manner as in Example 1. As a result, a change in resistance was observed at 10,000 cycles.
Cracks and disconnections occurred in the heater pattern width direction.

【0087】[0087]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
室温から1000℃以上の高温まで加熱可能で、過酷な
熱サイクルが付加された場合においてもヒータ内部での
応力集中を防ぎ耐久性を高めることができる。また、本
発明の製造方法によれば、従来のようなセラミック質シ
ート材を作製したり、巻き付け処理などの複雑な工程も
不要となるために従来に比べて工程の簡略化と製造コス
トの低減を図ることができる。
As described in detail above, according to the present invention,
Heating can be performed from room temperature to a high temperature of 1000 ° C. or more, and even when a severe thermal cycle is applied, stress concentration inside the heater can be prevented and durability can be increased. Further, according to the manufacturing method of the present invention, a complicated process such as a conventional ceramic sheet material or a winding process is not required, so that the process is simplified and the manufacturing cost is reduced as compared with the conventional method. Can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のセラミックヒータの(a)概略斜視図
と、(b)一部切り欠き断面図である。
1A is a schematic perspective view of a ceramic heater of the present invention, and FIG.

【図2】本発明のセラミックヒータの(a)抵抗発熱体
2形成部(Y1 −Y1 )の横断面図、(b)リード配線
3形成部(Y2 −Y2 )の横断面図、(c)接続端子部
(Y3 −Y3 )の横断面図をそれぞれ示す。
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views of a (a) resistance heating element 2 forming portion (Y 1 -Y 1 ) and (b) a lead wiring 3 forming portion (Y 2 -Y 2 ) of the ceramic heater of the present invention. , respectively a cross-sectional view of (c) connecting terminal portion (Y 3 -Y 3).

【図3】従来のセラミックヒータの構造を説明するため
の横断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the structure of a conventional ceramic heater.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁基体 2 抵抗発熱体 3 リード配線 4 接続端子部 5 接続用配線 6 スルーホール導体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating base 2 Resistance heating element 3 Lead wiring 4 Connection terminal part 5 Connection wiring 6 Through-hole conductor

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】窒化ケイ素質セラミックスからなる棒状絶
縁基体内部に、抵抗発熱体およびリード配線を埋設して
なるとともに、前記絶縁基体の外周部に前記リード配線
と電気的に接続された接続端子部を形成してなるセラミ
ックヒータにおいて、前記抵抗発熱体及び前記リード配
線が実質的に金属成分と無機成分とを含有する同一組成
の導体材料によって前記棒状絶縁基体の中心から同心円
領域に形成されているとともに、前記シェル部に継ぎ目
が存在しないことを特徴とする窒化ケイ素製セラミック
ヒータ。
1. A connecting terminal portion in which a resistance heating element and a lead wiring are buried inside a rod-shaped insulating substrate made of silicon nitride ceramics, and which is electrically connected to the lead wiring on an outer peripheral portion of the insulating substrate. Wherein the resistance heating element and the lead wiring are formed in a concentric region from the center of the rod-shaped insulating base by a conductor material having substantially the same composition containing a metal component and an inorganic component. A ceramic heater made of silicon nitride, characterized in that there is no seam in the shell portion.
【請求項2】前記抵抗発熱体および前記リード配線にお
ける線幅および/または膜厚が異なることを特徴とする
請求項1記載の窒化ケイ素製セラミックヒータ。
2. A silicon nitride ceramic heater according to claim 1, wherein a line width and / or a film thickness of said resistance heating element and said lead wiring are different.
【請求項3】前記ヒータの横断面内において、複数個の
前記抵抗発熱体または前記リード配線が、等間隔をもっ
て同心円領域に形成されていることを特徴とする請求項
1記載の窒化ケイ素製セラミックヒータ。
3. The silicon nitride ceramic according to claim 1, wherein a plurality of said resistance heating elements or said lead wirings are formed in concentric regions at equal intervals in a cross section of said heater. heater.
【請求項4】窒化ケイ素を主成分とするセラミック組成
物によって、棒状のコア成形体を作製するa工程と、前
記棒状の成形体の表面に、金属成分と無機成分とを含有
する実質的に同一組成の導体材料によって抵抗発熱体パ
ターンおよびリード配線パターンを被着形成するb工程
と、前記棒状のコア成形体を、前記セラミック組成物を
含むスラリー中に浸漬後、乾燥して、前記棒状のコア成
形体の前記抵抗発熱体パターンおよび前記リード配線パ
ターンの表面に絶縁性のシェルを形成するc工程と、前
記c工程によって得られた複合成形体を非酸化性雰囲気
中で焼成するd工程と、を具備することを特徴とする窒
化ケイ素製セラミックヒータの製造方法。
4. A step of preparing a rod-shaped core molded body from a ceramic composition containing silicon nitride as a main component, and substantially comprising a metal component and an inorganic component on the surface of the rod-shaped molded body. Step b of applying and forming a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern by using a conductor material having the same composition; and dipping the rod-shaped core molded body into a slurry containing the ceramic composition, followed by drying to form the rod-shaped core-shaped body. A step of forming an insulating shell on the surface of the resistance heating element pattern and the lead wiring pattern of the core molded body; and a step of firing the composite molded body obtained in the step c in a non-oxidizing atmosphere. A method for manufacturing a silicon nitride ceramic heater, comprising:
【請求項5】前記b工程が、所定の転写シートに抵抗発
熱体パターンおよびリード配線パターンを形成した後、
該パターンを前記棒状のコア成形体表面に転写する工程
からなることを特徴とする請求項4記載の窒化ケイ素製
セラミックヒータの製造方法。
5. The method according to claim 5, wherein the step (b) comprises forming a resistance heating element pattern and a lead wiring pattern on a predetermined transfer sheet.
5. The method for producing a silicon nitride ceramic heater according to claim 4, further comprising a step of transferring the pattern to the surface of the rod-shaped core molded body.
【請求項6】前記焼成を、加圧された窒素ガス雰囲気中
で焼成することを特徴とする請求項4記載の窒化ケイ素
製セラミックヒータの製造方法。
6. The method for manufacturing a silicon nitride ceramic heater according to claim 4, wherein said firing is performed in a pressurized nitrogen gas atmosphere.
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