JP3091498B2 - セラミックスの電気接合用接合剤 - Google Patents

セラミックスの電気接合用接合剤

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JP3091498B2 JP02405758A JP40575890A JP3091498B2 JP 3091498 B2 JP3091498 B2 JP 3091498B2 JP 02405758 A JP02405758 A JP 02405758A JP 40575890 A JP40575890 A JP 40575890A JP 3091498 B2 JP3091498 B2 JP 3091498B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスの電気接
合法に用いられる接合剤に関するものである。
【0002】
【従来の技術】特開昭62−65985号公報及び特開
昭62−65986号公報には、被接着体セラミックス
の間に高温において導電性を有する接合剤を介在させ、
接合面をガス炎によって加熱するとともに接合剤に電流
を流してジュール熱によって接合部分のセラミックスを
短時間に加熱することにより、セラミックスを相互に溶
着して強固に接合するセラミックスの電気接合技術が開
示されている。
【0003】特開昭62−65986号公報には、接合
強度を高める接合剤として、カオリン、Al23 ,S
iO2 等のガラス成分を主成分として、銅、ニッケル等
の酸化物、硫化物または塩化物、ランタン,インジウム
等の希土類元素の酸化物、モリブデン,マンガン等の金
属、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム等のフッ化物
等の導電成分を適宜配合した公知の接合剤を用いること
ができると記載されている。そして具体的には、フッ化
カルシウムを導電性付与剤として用いた接合剤を、窒化
珪素セラミックスの電気接合法で用いると、所定の接合
強度が得られることが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
接合剤では下記の問題があった。
【0005】1)金属等の高導電性成分を添加した接合
剤では、金属の添加量が少ないと十分な導電性が得られ
ずに、電流が接合面の局所に集中して接合面全体を加熱
できず、加熱状態が不安定となって、接合状態の再現性
が得られない。逆に金属の添加量が多くなると、導電性
が高くなり過ぎて低電流では十分な発熱が得られなくな
る。そこで発熱量を増やすために、大電流を流すと、電
極と接合剤との接触が不安定なために、電極が過加熱さ
れたり、アークが発生し、母材そのものが破損する事態
も生じる。このように金属等の高導電性成分を添加した
接合剤は、再現性と安定した発熱とを得難いという問題
がある。
【0006】2)フッ化物を導電性成分とした接合剤
は、現在のところ再現性及び安定性でも最もよい結果が
得られている接合剤である。しかしながらフッ化物は、
接合後の接合層(珪酸塩ガラス)において、2価の酸素
イオン部に同じ大きさのマイナス1価のフッ素イオンが
置換するため、高温での粘性が低くなり、接合部の高温
強度を低下させるという問題がある。また接合時に有害
なフッ素ガスまたはフッ素化合物が発生して、治具が腐
蝕したり、人体に悪影響を及ぼすという問題もある。
【0007】3)銅、ニッケル等の酸化物、硫化物また
は塩化物、ランタン,インジウム等の希土類元素の酸化
物を導電性成分として用いる接合剤は、まだ十分な検討
がなされておらず、再現性及び安定性に問題があるもの
も少なくない。
【0008】本発明の目的は、上記問題を解決した接合
剤を提供することにある。また高温においてもある程度
の接合強度を安定して得られる接合剤を提供することに
ある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者の研究による
と、アルカリ土類金属の酸化物とAl 2 3 とY 2 3
とを配合するか、アルカリ土類金属の酸化物とAl 2
3 とSiO 2 (ガラス成分)とY 2 3 とを配合するこ
とにより、高温強度の高い接合剤が得られることが判明
した。またアルカリ土類金属の酸化物とNiO,Mn
O,ZrO 2 ,ZnO,TiO 2 といった遷移金属の酸
化物とを適宜に配合することによってもある程度高温強
度の高い接合剤が得られることが判明した。 請求項1の
電気接合用接合剤は、CaOを15〜50重量%、Al
23 を10重量%以上、Y23 を10〜55重量%
含んで構成される。
【0010】請求項2の電気接合用接合剤は、CaOを
15〜50重量%、Al23 を10重量%以上、Si
2 を10重量%以上、Y23 10〜55重量%含ん
で構成される。
【0011】請求項3の電気接合用接合剤は、MgOを
10〜45重量%、Al23 を10重量%以上、Y2
3 を10〜55重量%含んで構成される。
【0012】請求項4の電気接合用接合剤では、MgO
を10〜45重量%、Al23 を10重量%以上、S
iO2 を10重量%以上、Y23 を10〜55重量%
含んで構成される。 請求項5の電気接合用接合剤は、M
gOを40〜90重量%、NiOを10〜60重量%含
んで構成されている。
【0013】請求項6の電気接合用接合剤は、MgOを
25〜80重量%,MnOを20〜75重量%含んで構
成されている。
【0014】請求項7の電気接合用接合剤は、MgOを
30〜90重量%、ZrO2 を10〜70重量%含んで
構成されている。
【0015】請求項8の電気接合用接合剤は、MgOを
40〜90重量%,ZnOを10〜60重量%含んで構
成されている。
【0016】請求項9の電気接合用接合剤は、MgOを
50〜90重量%、TiO2 を10〜50重量%含んで
構成されている。
【0017】
【作用】アルカリ土類金属の酸化物は、ある程度導電性
にすぐれ、しかも先願のフッ化物を導電性成分として用
いた場合と同様に再現性及び安定性の点でも優れてい
る。また、フッ化物でないために接合時に有毒なガスが
発生することもなく、接合後の接合層にフッ素が混入す
ることがなく、高温での粘性の向上により高温強度が
がる。 請求項1ないし4の接合剤は、CaOまたはMg
Oを導電性成分とし、他にAl23 とSiO2 とを配
合したものに、Y23 を添加する。Y23 を添加す
ると、接合後の接合層(珪酸塩ガラス)は珪酸網目状骨
格の中にYが入り込む構造となるため、接合層の弾性率
が増加する。その結果、Y23 を添加しない場合に
べて、接合強度を更に増加させることができる。Y2
3 の添加量を単に多くすれば、接合層の強度が増加する
というわけではなくYが接合層(珪酸塩ガラス)に入り
過ぎると、珪酸網目状組織を切っていくため軟化点が下
がり高温強度を低下させてしまう。また他の成分と反応
して作られる接合層の特性によって接合部の強度は決ま
る。効果を得るためのY23 の添加量は、CaOとA
23 とY23 とからなる場合には、10〜55重
量%の範囲に限られる。またCaOとAl23 とSi
2 とY23 とからなる場合も、Y23の量は10
〜55重量%の範囲に限られる。更に導電性成分として
MgOを用いる場合も同様である。 請求項5〜9の接合
剤は、MgOを導電性成分とし、他にNiO,MnO,
ZrO2 ,ZnO,TiO2 といった遷移金属の酸化物
の一つを配合したものである。各接合剤のMgOの重量
%範囲は、MgOの量がその最小重量%未満であると導
電性が低下して接合不良を生じ、その最大重量%を越え
ると接合部の軟化温度が低下することから限定されてい
る。遷移金属の酸化物は、Al23 と同様に、接合層
の構造を強化し、軟化温度を高める作用を果たす。各接
合剤の遷移金属酸化物の重量%範囲は、900℃まで常
温強度を保持できる範囲である。限定の範囲を外れる
と、900℃まで常温強度を保持することができなくな
る。請求項5〜9の接合剤を用いて接合した接合部は、
珪酸塩ガラスを主体としてなっていることから、 2
3 を添加したり、或いはSi 3 4 を添加したり、或い
はY 2 3 及びSi 3 4 を添加すると強度が更に向上
する。
【0018】
【実施例】以下各請求項に記載の発明の実施例を参考例
とともに説明する。以下の各参考例及び実施例におい
て、接合剤は所定の成分で配合された材料を、アセト
ン,トルエン等の有機バインダーと均一に混練してペー
スト状にしたものを用いた。そして強度試験(曲げ試
験)に用いる試験用接合体は、予め15mm×15mm×2
0mmの2ケの窒化珪素セラミックス角材を接合剤で接合
して接合体を作り、この接合体から3mm×4mm×40mm
の角棒(JIS片)を切り出して得た。接合剤の量は、
接合面積当たり50mg/cm2 となるようにした。強度試
験は、この角棒を上部スパン10mm、下部スパン30m
m、荷重速度0.5mm/min の条件下で曲げる4点曲げ
試験で行った。結果は10本の角棒について4点曲げ試
験を行った平均値を、Mpa(メガパスカル)の単位で
示してある。
【0019】電気接合は、プロパンと酸素の混合ガス炎
により接合部を加熱し、予熱温度が850℃〜900℃
となるようにした後、接合剤部に電流を0.6〜1Aの
範囲で流し、電極を5cm/min の速度で移動させること
により接合面全体を加熱して行った。
【0020】(参考例1) 表1の配合比率で、Ca0及びAl23 を配合し、常
温、900℃及び1000℃の条件で強度試験を行っ
た。この参考例によれば、CaOの含有量を15〜50
重量%、Al 2 3 を50〜85重量%含有させること
により、常温から1000℃まで、200Mpa以上の
強度を維持できる。なお表は、データが多いため発明の
効果の欄の後にまとめて記載する。
【0021】(参考例2) 表2の配合比率で、Ca0、Al23 及びSiO2
配合し、常温、900℃及び1000℃の条件で強度試
験を行った。この参考例によれば、CaOを15〜50
重量%、Al 2 3 を10重量%以上、SiO 2 を10
重量%以上含有させることにより、常温〜900℃の範
囲で300Mpa以上、そして1000℃でも250M
pa以上の強度を得ることができる。SiO 2 が入るこ
とにより、参考例1の場合と比べれて更に高温強度が増
加することが判る。 (参考例3) 表3の配合比率で、Mg0及びAl23 を配合し、常
温及び900℃の条件で強度試験を行った。この参考例
によれば、MgOを15〜45重量%、Al 2 3 を5
5〜90重量%含有させることにより、常温から900
℃まで、250Mpa以上の強度を維持できる。
【0022】(参考例4) 表4の配合比率で、Mg0、Al23 及びSiO2
配合し、常温及び900℃の条件で強度試験を行った。
この参考例によれば、MgOを10〜45重量%、Al
2 3 を10重量%以上、SiO 2 を10重量%以上含
有させることにより、常温から900℃まで300Mp
a以上の強度を維持できる。また実施例3の場合と比べ
ると、SiO2 が入ることにより、常温及び高温におい
て強度が増加することが判るであろう。
【0023】(実施例1) 表5に記載の配合比で、CaO、Al23 及びY2
3 を配合して接合剤を作り、常温及び1000℃の条件
で強度試験を行った。この実施例によれば、CaOを1
5〜50重量%、Al 2 3 を10重量%以上、Y 2
3 を10〜55重量%含有させることにより、常温から
1000℃まで、300Mpa以上の強度を維持でき
る。なおY 2 3 を添加すると、SiO 2 を添加する参
考例2の場合と比べれて、更に広い範囲で常温及び高温
における強度を増加させることができる。 (実施例2) 表6ないし表8に示すように、CaO、Al23 、S
iO2 及びY23 を配合して接合剤を作り、常温及び
1000℃の条件で強度試験を行った。この実施例によ
れば、CaOを15〜50重量%、Al 2 3 を10重
量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Y 2 3 を10
〜55重量%含有させることにより、常温から1000
℃まで、350Mpa以上の強度を維持できる。SiO
2 が添加されない実施例5の場合と対比すると、本実施
例によれば常温及び高温における強度が更に増加するの
が判るであろう。
【0024】(実施例3) 表9に記載の配合比でMgO、Al23 及びY23
を配合して接合剤を作り、常温及び900℃の条件で強
度試験を行った。この実施例によれば、MgOを10〜
45重量%、Al 2 3 を10重量%以上、Y 2 3
10〜55重量%含有させることにより、常温から90
0℃まで、300Mpa以上の強度を維持できる。
【0025】(実施例4) 表10ないし表12に示す配合比で、MgO、Al2
3 、SiO2 及びY23 を配合して接合剤を作り、常
温及び900℃の条件で強度試験を行った。この実施例
によれば、MgOを10〜45重量%、Al 2 3 を1
0重量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Y 2 3
10〜55重量%含有させることにより、常温から90
0℃まで、350Mpa以上の強度を維持できる。この
データから実施例の場合と比べて、SiO2 が添加さ
れることにより高温強度が増加することが判るであろ
う。
【0026】(参考例5) 表13に示す配合比で、CaO、Al23 及びSi3
4 を配合して下接合剤を作り、常温及び1000℃の
条件で強度試験を行った。この参考例によれば、CaO
を15〜50重量%、Al 2 3 を10重量%以上、S
3 4 を15〜45重量%以上含有させることによ
り、常温から1000℃まで、300Mpa以上の強度
を維持できる。 (参考例6) 表14ないし表16に示す配合比でCaO、Al2
3 、SiO2 及びSi34 を配合して接合剤を作り、
常温及び1000℃の条件で強度試験を行った。この
考例によれば、CaOを15〜50重量%、Al 2 3
を10重量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Si 3
4 を15〜45重量%以上含有させることにより、
温から1000℃まで、350Mpa以上の強度を維持
できる。SiO 2 を添加することにより、参考例5と比
べて、常温及び高温における強度が更に増加する。 (参考例7) 表17に示す配合比でMgO、Al23 及びSi3
4 を配合して接合剤を作り、常温及び900℃の条件で
強度試験を行った。この参考例によれば、MgOを10
〜45重量%、Al 2 3 を10重量%以上、Si 3
4 を15〜45重量%以上含有させることにより、常温
から900℃まで、300Mpa以上の強度を維持でき
る。
【0027】(参考例8) 表18ないし表20に示す配合比でMgO、Al2
3 、SiO2 及びSi34 を配合して接合剤を作り、
常温及び900℃の条件で強度試験を行った。この参考
によれば、MgOを10〜45重量%、Al 2 3
10重量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Si 3
4 を15〜45重量%以上含有させることにより、常温
から900℃まで、350Mpa以上の強度を維持でき
る。
【0028】(実施例5) 表21に示す配合比でMgO、NiOを配合して接合剤
を作り、常温及び900℃の条件で強度試験を行った。
この実施例によれば、MgOを40〜90重量%、Ni
Oを10〜60重量%含有させることにより、常温で2
00Mpa以上の強度を得ることができ、しかも常温か
ら900℃まで200Mpa以上の強度を維持できる。
【0029】(実施例6) 表22に示す配合比でMgO、MnOを配合して接合剤
を作り、常温及び900℃の条件で強度試験を行った。
この実施例によれば、MgOを25〜80重量%、Mn
Oを20〜75重量%含有させることにより、常温で2
30Mpa以上、900℃でも246Mpa以上の強度
を得ることができ、しかも常温から900℃まで230
Mpa以上の強度を維持できる。
【0030】(実施例7) 表23に示す配合比でMgO、ZrO2 を配合して接合
剤を作り、常温及び900℃の条件で強度試験を行っ
た。この実施例によれば、MgOを30〜90重量%、
ZrO 2 を10〜70重量%含有させることにより、
温で260Mpa以上、900℃でも270Mpa以上
の強度を得ることができ、しかも常温から900℃まで
260Mpa以上の強度を維持できる。
【0031】(実施例8) 表24に示す配合比でMgO、ZnOを配合して接合剤
を作り、MgOを40〜90重量%、ZnOを10〜6
0重量%含有させることにより、常温及び900℃の条
件で強度試験を行った。この実施例によれば、常温で2
20Mpa以上の強度を得ることができ、しかも常温か
ら900℃まで220Mpa以上の強度を維持できる。
【0032】(実施例9) 表25に示す配合比でMgO、TiO2 を配合して接合
剤を作り、常温及び900℃の条件で強度試験を行っ
た。この実施例によれば、MgOを50〜90重量%、
TiO 2 を10〜50重量%含有させることにより、
温で260Mpa以上の強度を得ることができ、900
℃でも270Mpa以上の強度を得ることができ、しか
も常温から900℃まで260Mpa以上の強度を維持
できる。
【0033】上記の各実施例では、窒化珪素セラミック
スを被接合体として用いているが、サイアロンを接合す
る場合も本発明の接合剤を用いることができるのは勿論
である。
【0034】上記実施例2,4の接合剤のように、成分
としてAl23 及びSiO2 を含むものでは、配合比
によっては、各成分を個別に配合しなくても、当然カオ
リナイト(Al23 、2SiO2 、2H2 O)やムラ
イト(3Al23 、2SiO2 )などのAl23
SiO2 の化合物で代用できる。 本発明は、上記実施例
以外の、アルカリ土類金属の酸化物、Al23 、Si
2 、Y23 及びSi34 を組合せた接合剤にも及
ぶものである。
【0035】例えば、CaO,Al23 、Y23
びSi34 を組合せた接合剤の好ましい範囲は、Ca
Oが15〜50重量%、Al23 が10重量%以上、
23 が5〜40重量%、Si34 が10〜45重
量%の範囲である。またMgO,Al23 、Y23
及びSi34 を組合せた接合剤の好ましい範囲は、M
gOが10〜45重量%、Al23 が10重量%以
上、Y23 が5〜40重量%、Si34 が10〜4
5重量%の範囲である。
【0036】またCaO,Al23 、SiO2 、Y2
3 及びSi34 を組合せた接合剤の好ましい範囲
は、CaOが15〜50重量%、Al23 が10重量
%以上、SiO2 が10重量%以上、Y23 が5〜4
0重量%、Si34 が10〜45重量%の範囲であ
る。またMgO,Al23 、SiO2 、Y23 及び
Si34 を組合せた接合剤の好ましい範囲は、MgO
が10〜45重量%、Al23 が10重量%以上、S
iO2 が10重量%以上、Y23 が5〜40重量%、
Si34 が10〜45重量%の範囲である。
【0037】また請求項5〜9に特定したMgOを含む
アルカリ土類金属酸化物と遷移金属酸化物を配合した接
合剤の場合にも、Si34 及びY23 を加えると、
さらに強度が向上することはいうまでもない。例えば、
MgOを50重量%,MnOを25重量%,Y23
25重量%配合した接合剤を用いた接合体の強度は、常
温で315Mpa,900℃で321Mpaであった。
またMgOを45重量,MnOを30重量%,Si3
4 を25重量%配合した接合剤を用いた接合体の強度
は、常温で308Mpa,900℃で310Mpaであ
った。
【0038】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、以下に示
す効果を得ることができる。 請求項1に記載した接合剤
によれば、CaOを導電性成分として用いて常温から1
000℃まで300Mpa以上の強度を得ることができ
る。
【0039】請求項2に記載した接合剤によれば、Ca
Oを導電性成分として用いて常温から1000℃まで3
50Mpa以上の強度を得ることができる。
【0040】請求項3に記載した接合剤によれば、Mg
Oを導電性成分として用いて常温から900℃まで30
Mpa以上の強度を得ることができる。
【0041】請求項4に記載した接合剤によれば、Mg
Oを導電性成分として用いて常温から900℃まで35
0Mpa以上の強度を得ることができる。また請求項5
〜9に記載した接合剤によれば、常温から900℃まで
200Mpa以上の強度を得ることができる。
【0042】
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
【表7】
【表8】
【表9】
【表10】
【表11】
【表12】
【表13】
【表14】
【表15】
【表16】
【表17】
【表18】
【表19】
【表20】
【表21】
【表22】
【表23】
【表24】
【表25】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−226775(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 37/00 - 37/04

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CaOを15〜50重量%、Al 2 3
    10重量%以上、Y 2 3 を10〜55重量%含んでな
    るセラミックスの電気接合用接合剤。
  2. 【請求項2】CaOを15〜50重量%、Al 2 3
    10重量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Y 2 3
    を10〜55重量%含んでなるセラミックスの電気接合
    用接合剤
  3. 【請求項3】MgOを10〜45重量%、Al 2 3
    10重量%以上、Y 2 3 を10〜55重量%を含んで
    なるセラミックスの電気接合用接合剤。
  4. 【請求項4】MgOを10〜45重量%、Al 2 3
    10重量%以上、SiO 2 を10重量%以上、Y 2 3
    を10〜55重量%を含んでなるセラミックスの電気接
    合用接合剤。
  5. 【請求項5】MgOを40〜90重量%、NiOを10
    〜60重量%含んでなるセラミックスの電気接合用接合
    剤。
  6. 【請求項6】MgOを25〜80重量%,MnOを20
    〜75重量%含んでなるセラミックスの電気接合用接合
    剤。
  7. 【請求項7】MgOを30〜90重量%、ZrO 2 を1
    0〜70重量%含んでなるセラミックスの電気接合用接
    合剤。
  8. 【請求項8】MgOを40〜90重量%,ZnOを10
    〜60重量%含んでなるセラミックスの電気接合用接合
    剤。
  9. 【請求項9】MgOを50〜90重量%、TiO 2 を1
    0〜50重量%含んでなるセラミックスの電気接合用接
    合剤。
JP02405758A 1989-12-22 1990-12-25 セラミックスの電気接合用接合剤 Expired - Fee Related JP3091498B2 (ja)

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