JP2005190741A

JP2005190741A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2005190741A
Application number: JP2003428255A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kukino; 浩久木野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: CN1926922A; JP4340143B2

Abstract

【課題】セラミックヒータを長期にわたって使用した場合でも抵抗変化が少なく、その結果として、安定した着火性能を持つセラミックヒータを提供することにある。
【解決手段】窒化物セラミックス中に導電性セラミックスからなる発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に電力を供給するためのリード部が埋設されており、１００Ｖ以上の高電圧を印加されるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体とリード部間隔を１ｍｍ以上としたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータや測定機器の加熱用ヒータなどに利用されるセラミックヒータに関するものである。

設備用の点火用ヒータ、あるいは外国で用いられる燃焼機器の点火用ヒータの多くは１００Ｖ以上の高電圧を印加されて使用されている。

１０００℃程度の高温で使用される場合、この点火用ヒータには図３に示すようなセラミックヒータ１が用いられる。セラミックヒータ１のセラミック体２は、窒化物セラミックスにより形成されており、セラミックヒータ１の耐久性を良好にするためには、不図示の発熱抵抗体に高融点で熱膨張計数が母材に近いＷＣを用い、さらに熱膨張係数をセラミック体２に近づけたり発熱冷却時の熱応力を緩和したりするためにＢＮや窒化珪素粉末を添加している。一方、セラミック体２については、ＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料を添加することにより発熱抵抗体に熱膨張率を近づけるような調整を行っている。

また、このような１００Ｖ以上の電圧を印加する発熱抵抗体のパターンとしては、図４に示すように複数の蛇行部を有する発熱抵抗体３とそれに接続されるリード部４とからなるものを使用する。発熱抵抗体３に複数の蛇行部を形成するのは、発熱抵抗体３の抵抗値を大きくして発熱量を低下させ、セラミックヒータ１を所望の温度に加熱できるようにするためである。
特開２００１−１５３３６０号公報特開平２−７５１８８号公報

しかしながら、最近は点火装置の小型化と着火性の向上が要求されており、１００Ｖ以上の電圧を印加して１１００℃以上の温度に加熱する必要がある。点火装置の小型化により、セラミックヒータについても小型化が必要となった。また、このような小型化に伴い、前記発熱抵抗体とリード部の間隔を１ｍｍ未満としたセラミックヒータ１は、図４に示すようにリード部４の発熱抵抗体３側の端部から発熱抵抗体３の蛇行部端部を経て絶縁破壊１０を発生させるという問題が発生した。

そこで、１００Ｖ以上の高電圧で使用されるセラミックヒータにおいて、小型で耐久性が良好なセラミックヒータが望まれている。

本発明のセラミックヒータは、窒化物セラミックス中に導電性セラミックスからなる発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に電力を供給するためのリード部が埋設されており、１００Ｖ以上の高電圧を印加されるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体とリード部との間隔を１ｍｍ以上としたことを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、前記セラミックヒータの幅寸法が６ｍｍ以下であり、前記リード部のパターン間距離Ｘが１ｍｍ〜４ｍｍであって、前記発熱抵抗体とリード部の間隔をＹとしたときＹ≧３Ｘ^−１となるように前記発熱体とリード部を配置したことを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、前記発熱抵抗体の最高温度部を１１００℃にした際、前記発熱抵抗体の折り返し部のリード部側端部とリード部端部の温度差が８０℃以上であることを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、前記発熱抵抗体において折り返し部のリード部側の一部に発熱抵抗体の他の部分に比べて断面積を大きくした第２発熱部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、窒化物セラミックス中に導電性セラミックスからなる発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に電力を供給するためのリード部が埋設されており、１００Ｖ以上の高電圧を印加されるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体とリード部間隔を１ｍｍ以上にすることにより良好な耐久性を有するセラミックヒータを得ることができる。

また、前記セラミックヒータの幅寸法が６ｍｍ以下であり、前記リード部のパターン間距離が１ｍｍ〜４ｍｍであって、リード部のパターン間距離をＸ、前記発熱抵抗体とリード部の間隔をＹとしたときＹ≧３Ｘ^−１となるように前記発熱体とリード部を配置することにより、小型のセラミックヒータに高電圧を印加しても絶縁破壊に至らない耐久性良好なセラミックヒータを得ることができる。

また、前記発熱抵抗体の最高温度部を１１００℃にした際、折り返しの端部とリード部端部の温度差が８０℃以上、さらに好ましくは１００℃以上にすることにより良好な耐久性を有するセラミックヒータを得ることができる。

その結果、長期の使用に際しても絶縁破壊せずに、抵抗値の変化も小さく、安定した着火が維持できる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は、セラミックヒータ１の一例を示す分解斜視図である。セラミック成形体２ａの表面に発熱抵抗体３、発熱抵抗体３よりもパターン幅を大きくして抵抗値を下げているリード部４および電極引出部５をプリントした後、セラミック成形体２ｂを重ねて、１６５０〜１７８０℃の温度でホットプレス焼成することにより、セラミックヒータ１を作製することができる。

前記セラミック体２は、板状のセラミック成形体２ａ、２ｂが重畳されて形成され、セラミック体２をなすセラミックス基材としては、窒化珪素質セラミックスを用いることが好適である。窒化珪素は高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で優れている。
窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として３〜１２重量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、所定の形状に成形した後１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより、焼結体を得ることができ、セラミック体２の熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体３の耐久性を向上させることが可能である。

本発明のセラミックヒータ１は、窒化物セラミックスを主成分とするセラミック体２の中に導電性セラミックスからなる発熱抵抗体３及び該発熱抵抗体３に電力を供給するためのリード部４が埋設されており、１００Ｖ以上の高電圧を印加されるセラミックヒータ１において、前記発熱抵抗体３とリード部４との間隔Ｙを１ｍｍ以上としたことを特徴とする。

ここで発熱抵抗体３は、図２に示すように複数の折り返しを有している。またリード部４は発熱抵抗体３よりも電極部５側の範囲で発熱抵抗体３に対してパターン幅を大きくする。

発熱抵抗体３とリード部４との間隔Ｙは両端部間の最短距離を意味するものであり、発熱抵抗体３の端部とは、図２に示すように複数の折り返しの端部を意味し、またリード部４の端部とは発熱抵抗体３よりもパターン幅が大きくなる箇所を意味する。

前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを１ｍｍ未満とすると、セラミックヒータ１の使用温度が１１００℃以上と高くなってきているため、加熱冷却の繰り返しにより比較的短時間で絶縁破壊に至る。絶縁破壊は、電位差及び温度が高い箇所において発生しやすい。通常絶縁破壊１０は、図４に示すように、発熱抵抗体３に近いリード部４を起点として発生し、温度の高い発熱抵抗体３の端部１０を含めた形で絶縁破壊する。電極金具６からリード部先端までは抵抗値が低いため電位差が大きく、しかも発熱部の近くであるため比較的温度が高くなることによりこの部位で絶縁破壊に至るものと考えられる。

前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを１ｍｍ以上とすることでセラミックヒータ１の破壊モードが絶縁破壊より発熱抵抗体３の損傷に変化する。発熱抵抗体３の耐久性は、印加電圧差にほとんど影響されないため良好な耐久性が得られる。図２に示すように、発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを１ｍｍ以上にすることにより、発熱抵抗体３とリード部４の絶縁距離が保てることと、前記発熱抵抗体の最高温度部を１１００℃にした際、前記発熱抵抗体の折り返し部のリード部側端部とリード部端部の温度差が８０℃以上になりリード部４の温度が下がるため絶縁破壊１０が発生しにくくなる。リード部４のパターン間距離Ｘを大きくすることも有効ではあるが、これによりセラミックヒータ１自体が大きくなってしまうので、セラミックヒータ１を取り付ける設備等の小型化に適さない。また、コスト的にも有効ではない。

また、本発明のセラミックヒータ１は、幅寸法Ｈが６ｍｍ以下であり、前記リード部４のパターン間距離Ｘが１ｍｍ〜４ｍｍであって、リード部４のパターン間距離Ｘと前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙとの関係がＹ≧３Ｘ^−１となるように前記発熱抵抗体３とリード部４とを配置すれば、絶縁破壊に対する耐久性を改善することが可能となる。リード部４のパターン間距離Ｘが小さくなるほど高電圧を印加したときの絶縁破壊が生じやすくなるが発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを広げることで耐久性を良好に保つことができる。

前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙは１ｍｍ以上にすることで良好な耐久性を得られる。しかし、セラミックヒータ１の寸法の制限等でリード部４のパターン間距離Ｘが４ｍｍ以下になる場合は、幅寸法Ｈが６ｍｍを越えてリード部４のパターン間距離Ｘが４ｍｍを越えるセラミックヒータ１に対して絶縁破壊が生じやすいため耐久性が劣る。そこで、リード部４のパターン間距離Ｘと前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙとの関係がＹ≧３Ｘ^−１となるように前記発熱抵抗体３とリード部４とを配置すれば、幅寸法Ｈが６ｍｍを越えてリード部４のパターン間距離Ｘが４ｍｍを越えるセラミックヒータ１と同等の耐久性を得ることができる。

理由は先に述べたように、絶縁破壊は、電位差及び温度が高い箇所において発生しやすいため前記発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを長くすることで、電位差が大きいリード部４の温度を下げることができるためである。

そして本発明のセラミックヒータ１は、前記発熱抵抗体３において折り返し部のリード部４側の一部に発熱抵抗体３の他の部分に比べて断面積を大きくした第２発熱部８を設けたことを特徴とする。さらに前記第２発熱部８の断面積は、発熱抵抗体３の他の部分に比べて１．５倍以上にすることが好ましい。

第２発熱部８を設けることによって、前記発熱抵抗体の最高温度部を１１００℃にした際、前記発熱抵抗体の折り返し部のリード部側端部とリード部端部の温度差が１００℃以上になり、発熱抵抗体３側のリード部４の温度が下がるため絶縁破壊９を起こしにくいため、さらに耐久性を向上させることができる。第２発熱部８の断面積の上限は、セラミックヒータ１の幅Ｈで決まる。第２発熱部８はパターン幅を広げて断面積を大きくするため、発熱抵抗体の折り返しのターン数とパターン幅で第２発熱部のパターン間の距離が決まる。このパターン間距離が０．２ｍｍ以上にすることが好ましい。

また、第２発熱部８の長さは発熱抵抗体全体の１０％〜２５％とすることが有効である。１０％を下回ると第２発熱部を設けないパターンとの温度分布に差がでない。また、２５％を上回るとセラミックヒータ１の点火性能に影響がでる。

また、発熱抵抗体３としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉの炭化物、窒化物、珪化物を主成分とするものを使用することが可能であるが、中でもＷＣが熱膨張率、耐熱性、比抵抗の面から発熱抵抗体３の材料として優れている。

また、前記発熱抵抗体３は無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加するＢＮの比率が４重量％以上となるように調整することが好ましい。窒化珪素セラミックス中で、発熱抵抗体３となる導体成分は窒化珪素に較べて熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が掛かった状態にある。これに対して、ＢＮは、窒化珪素に較べて熱膨張率が小さく、また発熱抵抗体３の導体成分とは不活性であり、セラミックヒータ１の昇温降温時の熱膨張差による応力を緩和するのに適している。また、ＢＮの添加量が２０重量％を越えると抵抗値が安定しなくなるので、２０重量％が上限である。さらに好ましくは、ＢＮの添加量は、４〜１２重量％とすることが良い。

また、発熱抵抗体３への添加物として、ＢＮの代わりに窒化珪素を１０〜４０重量％添加することも可能である。窒化珪素の添加量を増すにつれ、発熱抵抗体３の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることができる。

また図３は、本発明のセラミックヒータ１の一例を示したものである。セラミックヒータ１はセラミック体２中に発熱抵抗体３とリード部４と電極引出部５が埋設され、電極引出部５が不図示のロウ材を介して電極金具６に接続されている。

本発明の有効性を確認するために、テスト品を作って、下記試験を実施して、従来の構造のものと比較した。
ここでは、リード部４のパターン間距離Ｘを４水準変更してそれぞれについて発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを０．５〜３ｍｍの間で変更して、各々の場合の通電耐久試験における抵抗変化率を評価した。通電耐久試験については、セラミックヒータ１に通電し、１３００℃昇温保持１分後、通電を止めて外部冷却ファンにより１分強制冷却するサイクルを１サイクルとして、３００００サイクルの耐久試験を実施した。
なお、１３００℃に保持するための印加電圧は１９０Ｖ〜２１０Ｖになるようにセラミックヒータ１の抵抗値を調整している。

まず、セラミックヒータ１の製法について、図１を用いて説明する。まず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤と発熱抵抗体３に熱膨張率を近づけるようなＭｏＳｉ_２やＷＣ等のセラミックス導電材料を添加したセラミック原料粉末を周知のプレス成型法等でセラミック生成形体２ａを得た。図１に示すように、セラミック生成形体２ａの上にＷＣとＢＮを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体３とリード部４及び電極引出部５をプリント法によりセラミック生成形体２ａの表面に形成した。その後、これらの蓋となるセラミック生成形体２ｂを重ねて密着させ、密着させたセラミック生成形体２ａ、２ｂのグループ数十本と炭素板を交互に段重ねした。これを円筒の炭素型に入れた後、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７８０℃の温度、３０〜５０ＭＰａの圧力でホットプレスにより焼成した。このようにして得られた焼結体の表面に露出した取出電極５に電極金具６をロウ付けしてセラミックヒータ１を得た。
テスト品の寸法とし、セラミック部分の厚みを２ｍｍ、幅を６ｍｍ、全長を５０ｍｍとしたセラミックヒータ１を作製し、それぞれの通電耐久試験における抵抗変化率を評価した。抵抗変化率は、途中の１００００サイクル及び３００００サイクルにおいて測定している。測定数は各水準について１０本評価して、その平均値をデータとした。

結果を表１に示す。

表１に示す通り、リード部４のパターン間距離Ｘを１．５〜４ｍｍとした全てにおいて発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙを１ｍｍ以上とした、Ｎｏ．２、４、６、７、８、１０、１１、１２、１３は、１００００サイクルで絶縁破壊しない安定した耐久性を得ることができた。また、リード部のパターン間距離をＸ、発熱抵抗体とリード部の間隔をＹとしたときＹ≧３Ｘ^−１とした、Ｎｏ．２、４、７、８、１２、１３は、３００００サイクルでも絶縁破壊しない良好な耐久性を得られることがわかった。

ここでは、発熱抵抗体３において折り返し部のリード部４側の一部に発熱抵抗体３の他の部分に比べて断面積を大きくした第２発熱部８について、第２発熱部８の発熱抵抗体３に対する断面積比率を変更して、それぞれの発熱抵抗体３端部とリード部４の端部との温度差及び通電耐久試験における抵抗変化率を評価した。第２発熱部８の断面積は発熱抵抗体３のパターン幅を変更することにより調整した。通電耐久試験については、セラミックヒータ１に通電し、１３００℃昇温保持１分後、通電を止めて外部冷却ファンにより１分強制冷却するサイクルを１サイクルとして、５００００サイクルの耐久試験を実施した。なお、１３００℃に保持するための印加電圧は１９０Ｖ〜２１０Ｖになるようにセラミックヒータ１の抵抗値を調整している。測定数は各水準について１０本評価して、その平均値をデータとした。また、リード部４のパターン間距離Ｘは２ｍｍ、発熱抵抗体３とリード部４の間隔Ｙは１．５ｍｍで固定した。

表２から判るように、断面積比率を１．２としたＮｏ．２は発熱抵抗体３の端部とリード部４の端部との温度差が８７℃であり、第２発熱部８を設けていないＮｏ．１とほぼ同じ温度であって、４００００サイクル前後までは良好な耐久性を得たが、絶縁破壊により断線に至った。これに対して、断面積比率を１．５〜２．５としたＮｏ．３〜Ｎｏ．５は、発熱抵抗体３の端部とリード部４の端部との温度差が１００℃以上であり、絶縁破壊もせずに安定した耐久性を得ることができた。

本発明のセラミックヒータの展開斜視図である。本発明のセラミックヒータの発熱抵抗体およびリード部を示す図である。本発明のセラミックヒータの一例を示す図である。従来のセラミックヒータの絶縁破壊を示す図である。

符号の説明

１：セラミックヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
４：リード部
５：電極引出部
６：電極金具

Claims

窒化物セラミックス中に導電性セラミックスからなる発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に電力を供給するためのリード部が埋設されており、１００Ｖ以上の高電圧を印加されるセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体が折り返しを有し、この折り返し部のリード部側端部とリード部との間隔を１ｍｍ以上としたことを特徴とするセラミックヒータ。
前記セラミックヒータの幅寸法が６ｍｍ以下であり、前記リード部のパターン間距離Ｘが１ｍｍ〜４ｍｍであって、前記発熱抵抗体とリード部の間隔をＹとしたときＹ≧３Ｘ^−１となるように前記発熱体とリード部を配置したことを特徴とするセラミックヒータ。
前記発熱抵抗体の最高温度部を１１００℃にした際、前記発熱抵抗体の折り返し部のリード部側端部とリード部端部の温度差が８０℃以上であること特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記発熱抵抗体において折り返し部のリード部側の一部に発熱抵抗体の他の部分に比べて断面積を大きくした第２発熱部を設けたことを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。