JP3811440B2

JP3811440B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3811440B2
Application number: JP2002284364A
Authority: JP
Inventors: 勇規藤野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004119312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、酸素センサ等の各種センサや測定機器の加熱用ヒータ、自動車用グロープラグ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。
【０００２】
【従来の技術】
従来より各種電子部品の絶縁基体として利用されてきた酸化物系のセラミックスに加え、近年、耐熱性及び耐食性、耐摩耗性、電気絶縁性により優れた、高強度でかつ比重が小さいという顕著な特徴を有する非酸化物系セラミックスが、化学プラントや工作機械をはじめとする各種産業機械装置や、自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関部品として多用されるようになっている。
【０００３】
例えば、ディーゼル機関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や、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検知し、排気ガス制御を行うための酸素センサ素子の活性化を促進するために内装されるヒータ等の各種補助加熱用ヒータとしては、従来の急速昇温特性や、耐摩耗性、耐食性等の耐久性に劣る、発熱抵抗線と耐熱絶縁粉末とを耐熱金属製筒内に埋設したシーズヒータに代わり、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ヒータが広く利用されるようになっている。
【０００４】
しかしながら、セラミック部材と金属部材の接合体においては、両部材の熱膨張率が大きく異なることから、該熱膨張差に起因する歪み、即ち、残留応力が両部材の接合部近辺、例えば、前記各種ヒータでは、セラミック発熱抵抗体の電極取り出し部と電極金具との接合部、とりわけその接合界面に発生し、セラミック部材と金属部材との接合強度の低下や、金属部材の収縮力によるセラミック部材あるいは金属部材自体の破壊や、接合界面からの剥離を招きやすいという欠点があった。
【０００５】
従来のセラミックヒータの構造を図１を用いて説明する。たとえば、特許文献１や特許文献２に示されているように、不図示のセラミックグリーンシートの上面に発熱部２と電極取り出し部４をプリント形成し、これらの間を接続するようにタングステンリード９を載置し、前述と同様のセラミックグリーンシートを重ねて、ホットプレス焼成し、セラミックヒータ１の焼結体を得る。その後、電極取り出し部４の端面が露出するようにセラミックヒータ１焼結体の端面を研磨した後、ロウ材５をプリント形成し、真空中８００〜１３００℃で焼き付けする。その上に、リード線７を接合した応力緩和材６を載置してロウ付けすることにより、セラミック体３とリード線７との熱膨張差を解消し、高温まで接合強度を維持することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２１５５６号公報
【特許文献２】
特開平２−７８１７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記応力緩和材６を介してセラミック体３と金属のリード線７を接合し、ロウ材５として接合強度が高い活性金属を含有するロウ材を用いて接合したとしても、セラミック体３にマイクロクラックが発生することは防げず、このマイクロクラックは、電極引き出し部４に達して抵抗変化を引き起こすという問題があった。また、応力緩和材６の端部の厚みが中央部の厚みと同等もしくは厚い状態であったため、残留応力が大きくマイクロクラックの発生に繋がる原因となっていた。
【０００８】
従来は、一般家庭用電気製品等の数十Ωのヒータにおいてこのマイクロクラックによる抵抗変化は微少で発熱に影響を与えるものではなかった。近年、低電圧で用いる低抵抗のヒータにおいてはこのマイクロクラックによる抵抗変化がヒータ全体抵抗に対して占める割合は大きく、その結果、電極取り出し部４が発熱し、耐久性が低くなるという問題点が発生するようになった。
【０００９】
即ち、電極取り出し部４の温度を想定した４０℃と３５０℃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、１０，０００サイクルを越える長期的な加熱冷却の反復に対しては、セラミックヒータ１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、接合した応力緩和材６の剥離や、前記クラックから発熱部２が酸化してセラミックヒータ１自体の抵抗変化等を生じて、耐久性が劣化して長期的な信頼性に欠けるという問題点があった。
【００１０】
【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、電極取り出し部と応力緩和材との接続部において、応力緩和材の中央部に対する周辺部の厚み及び側端部の形状が抵抗変化、耐久性を左右している一つの要因であることを突き止めた。そこで、応力緩和材の周辺部及び側端部の厚み、形状を制御することにより、前記問題点を解消できることを見いだした。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−タを得ることが可能になった。
【００１１】
すなわち、本発明のセラミックヒータは、セラミック体の内部に発熱部とこれに連続する電極取り出し部を備え、該電極取り出し部の端部を表面に露出させるとともに、この露出部に応力緩和材をロウ材を用いて接合したセラミックヒータにおいて、前記応力緩和材の表面から前記セラミック体の表面までの距離が、中央部よりも側端部の方が短くなっていることを特徴とする。なお、ここでいう「応力緩和材の表面」とは、応力緩和材の主面のうち、セラミック体に対向する側の主面（ロウ材によりセラミック体に接合された接合面）と反対側の主面のことをいう。具体的には、後述する図２，３に記載されたセラミックヒータの場合、応力緩和材６の上面のことをいう。
【００１２】
また、本発明のセラミックヒータは、前記応力緩和材の側端部の稜線が曲面状であることを特徴とする。さらに、本発明における前記応力緩和材には、中央部側から側端部側に向かって前記距離が漸次短くなるように傾斜面が形成されていることを特徴とする。また、本発明における前記応力緩和材には、前記距離が、中央部よりも側端部の方が短くなるように段差が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータについて、図面に基づき説明する。
【００１４】
図１において、セラミックヒータ１は、セラミック体３に発熱部２と電極取り出し部４を埋設し、電極取り出し部４の一端を露出させて、この露出部にロウ材５を備え、リード線７と応力緩和材６を接合した電極金具８をロウ付け等により接合したものである。
【００１５】
また、図２は図１（ｂ）の拡大図である。図２で示すように、応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対して、側端部の厚みＴ１を小さくし、両者の割合Ｔ１／Ｔ２を９５％以下としてある。これにより、応力緩和材６の表面（上面）からセラミック体３の表面までの距離が、中央部よりも側端部の方が短くなっている。そのため、詳細を後述するようにリ−ド線７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。
【００１６】
セラミック体３にロウ材５を介して、電極金具８を接合した場合、応力緩和材６の側端部にはロウ材５のはい上がりが見られる。そのことにより、ロウ材５が応力緩和材６とセラミック体３の間にメニスカスを形成する。メニスカスが大きければ、残留応力が大きく、クラックが入ってしまい、電極部２への熱サイクル負荷をかけることにより、セラミックヒ−タ１自体の抵抗変化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。
【００１７】
そこで、応力緩和材６の中央部に対する側端部の厚みの割合Ｔ１／Ｔ２を小さくすることにより、応力緩和材６の表面からセラミック体３の表面までの距離を、中央部よりも側端部の方が短くなるようにして、メニスカスの形成を小さくし、残留応力を抑制することにより、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７を接続した応力緩和材６との接合部が長期的な加熱冷却（４０℃→３５０℃）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１が得られる。
【００１８】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【００１９】
図３は、図２と同じく図１（ｂ）の拡大図であり、応力緩和材６の側端部が曲面となっている。前記応力緩和材６の中央部に対する側端部の厚みの割合を９５％以下にして側端部を曲面にすることにより、側端部の厚みをさらに小さくすることによりメニスカスの形成を小さくし、残留応力を抑制することにより、使用中の長期的な加熱冷却（４０℃→３５０℃）の繰り返しにおいても、抵抗変化が小さくセラミックヒータ１の信頼性が大幅に改善することができる。この曲面の曲率半径は、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。この曲率半径が０．５ｍｍ未満ではロウ材５のせり上がりを防止する効果がなくなるからである。
【００２０】
また、応力緩和材６の中央部の厚みは、０．０５〜１ｍｍ、さらに好ましくは０．１〜０．５ｍｍとすることが好ましい。応力緩和材６の厚みが０．０５ｍｍ未満ではリード線７を接合する際に応力緩和材６が変形し、その部分のロウ材５の量が増加して、ロウ付け部の強度が低下する恐れがある。また、応力緩和材６の厚みが１．０ｍｍを越えると効力緩和材６とセラミック体３の熱膨張差によりセラミック体３に引張応力が発生しクラックが発生するようになるので好ましくない。
【００２１】
また、応力緩衝材６の形状としては、長辺×短辺で１ｍｍ×２ｍｍ〜４ｍｍ×５ｍｍ程度とすることが好ましい。応力緩衝材６の寸法が１ｍｍ×２ｍｍより小さいと、応力緩衝材６にリード線７を接合する作業性が悪くなる。また、応力緩衝材６の寸法が４ｍｍ×５ｍｍを越えると、応力緩衝材６とセラミック体３との熱膨張差によりセラミック体３にクラックが発生しやすくなるので好ましくない。
【００２２】
また、応力緩衝材６の端部は、方形ではなく略長円形となるように、角部を１ｍｍ以上の曲率半径の曲面となるように加工することが望ましい。これにより、端部への応力集中を防止し、ロウ付け部の耐久性を向上させることができる。
【００２３】
また、応力緩衝材６の材質としては、熱膨張率と耐熱性を考慮して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や４−２アロイ、インコネル、ハステロイＢ等の金属材料からなるものを使用することが好ましい。
【００２４】
また、ロウ材と応力緩衝材６との濡れを良くするために、応力緩衝材６の表面にＮｉ等の金属からなるメッキ層を形成しても構わない。
【００２５】
また、応力緩和材６の外周は、その全周において上記のように中央部の厚みを側端部の厚みの９５％以下とすることが好ましく、より好ましくは８０％以下とする。但し、側端部の強度が低下して変形し、ロウ材のメニスカスが大きくなることを防止するために、前記厚みの下限としては３０％以上とすることが好ましい。また、側端部の加工については、図２、図３に示したように斜面形状にしたり曲面形状にしたりする以外に、段差を形成して側端部の厚みを小さくすることにより、応力緩和材６の表面からセラミック体３の表面までの距離を、中央部よりも側端部の方が短くなるようにしても構わない。
【００２６】
また、図２や図３のような応力緩和材６の側端部の加工は、切削加工やプレス加工もしくは鍛造により加工することができる。
【００２７】
本発明のセラミックヒータ１に用いるセラミック体３としては、非酸化物系セラミックスである窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）や炭化珪素（ＳｉＣ）、サイアロン、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を主成分とし、それぞれ所定の焼結助剤を含有するものを用いることができる。これらのセラミックスはビッカース硬度１０ＧＰａ以上であり、このような硬度を有する非酸化物系セラミックスを用いれば好適である。
【００２８】
また、発熱部２、電極取り出し部４に適用可能な無機導電材としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属、あるいはタングステンカーバイト（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の高融点金属の炭化物や珪化物、窒化物等を主成分とする抵抗体が挙げられる。非酸化物系のセラミック体３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。
【００２９】
一方、前記無機導電材の主成分に対して、その成長を制御してセラミック体３との熱膨張差によるクラックを防止し、かつ電極取り出し部４においては金属部材によるクラックの進展を防止するために窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）の１種以上からなる無機絶縁材を含有させることが望ましい。
【００３０】
なお、上記無機導電材の含有率は１０〜２０重量％、無機導電材の平均粒径は０．１〜１．３μｍ、とりわけ０．２〜１．０μｍの範囲が好ましく、この範囲内でその硬度が１１．５ＧＰａ以上となるようにすれば良い。
【００３１】
ロウ材５としては、主成分が金（Ａｕ）またはニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）パラジウム（Ｐｄ）のいずれか一種以上から成るもので、４００℃以上の高温で使用しても酸化による劣化がないものを用いる。例えば、直流電源の通電が関与する使用条件下でのマイグレーションの防止を考慮すると、前記ロウ材５は金（Ａｕ）が５０〜９９重量％、ニッケル（Ｎｉ）が１〜５０重量％の金（Ａｕ）とニッケル（Ｎｉ）の合金が最適である。
【００３２】
また、前記ロウ材５には、活性金属として周期律表第４ａ族元素のチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）や、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか１種以上を含有することが好ましい。とりわけ、前記ロウ材５のセラミック体３への濡れ性が良く、セラミック体３の強度を劣化させないという点からは、バナジウム（Ｖ）またはモリブデン（Ｍｏ）の一種以上を活性金属として含有させることが最適であり、かかる活性金属は窒化物や炭化物、水酸化物等の形態で含有させても良い。
【００３３】
前記セラミック体３と接合する応力緩和材６としては、該セラミック体３の熱膨張率と近似した値を有する金属、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の低熱膨張金属や、Ｆｅ−Ｎｉ系のインバー型合金、あるいはＦｅ−Ｐ系のエリンバー型合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系の超硬合金等が挙げられ、耐酸化性や加工性、及びコストという観点からはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金あるいはＦｅ−Ｎｉ系合金が望ましい。
【００３４】
【実施例】
本発明を以下に詳述するようにして評価した。
【００３５】
先ず、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末にイッテルビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物から成る焼結助剤を添加したセラミック原料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、該成形体の一端側の表面に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２を形成し、同様にしてセラミック成形体の他端側から側面にかけて無機導電材と無機絶縁材の混合体からなる電極取り出し部４を形成した。
【００３６】
次に、前記発熱部２と電極取り出し部４を電気的に接続するようにリード部を載置し、その上に別のセラミック成形体を重ねた後、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ヒータ１を作製した。
【００３７】
その後、前記セラミックヒータ１を研削することにより、露出した電極取り出し部４にＡｕ、Ｎｉ、Ｖを含有したペーストを用いてスクリーン印刷法によりロウ材５を塗布し、８００〜１３００℃の真空雰囲気中で焼き付け処理を行って、ロウ材５を被着形成した。
【００３８】
次にセラミックヒータ１に、幅２ｍｍ×長さ３ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる応力緩和材６に予めＮｉのリード線７をスポット溶接により接続した電極金具８を８００〜１３００℃の真空雰囲気中でロウ付けした。
【００３９】
かくして得られたセラミックヒータ１の応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対する側端部の厚みＴ１の割合Ｔ１／Ｔ２を種々変化させてテストサンプルを作製し、室温と３５０℃雰囲気に繰り返し曝す冷熱サイクル試験を１０，０００サイクル行い抵抗変化率を測定した。その結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１から判るように、本発明の範囲内であるテストサンプルＮｏ．１１〜４０は抵抗変化率がおおむね２％以下と極めて小さく、且つバラツキも非常に小さい。対して、応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対する側端部の厚みＴ１の割合Ｔ１／Ｔ２が１０５％又は１００％のもの（テストサンプルＮｏ．１〜１０）は抵抗変化率が極めて大きく、なおバラツキも非常に大きいことがわかった。上記結果より、応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対する側端部の厚みＴ１の割合Ｔ１／Ｔ２を９５％以下とすることにより、セラミックヒータ１の信頼性が大幅に改善されることが確認できた。
【００４２】
続いて、前記同様にして得られたセラミックヒ−タ１において、図３の如く、応力緩和材６の側端部の形状を曲率半径１．５ｍｍの曲面とした上で、応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対する側端部の厚みＴ１の割合Ｔ１／Ｔ２を種々変化させてテストサンプルを作製し、室温と３５０℃雰囲気に繰り返し曝す冷熱サイクル試験を１０，０００サイクル行い抵抗変化率を測定した。
【００４３】
その結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
表２から判るように、本発明の範囲内であるテストサンプルＮｏ．５１〜８０は抵抗変化率がおおむね２％以下と極めて小さく、且つバラツキも非常に小さい。対して、応力緩和材６の中央部の厚みＴ２に対する側端部の厚みＴ１の割合Ｔ１／Ｔ２が１０５％又は１００％のもの（サンプルＮｏ．４１〜５０）は応力緩和材６の側端部が曲面ではないものの結果（表１）と比較すると、抵抗変化率は多少小さくなっているが、２％を超えるものもあり、なおバラツキも大きく、不安定な結果である。上記結果より、応力緩和材６の側端部の面を曲面にすることにより、よりいっそうセラミックヒータ１の信頼性が大幅に改善されることが確認できた。
【００４６】
尚、本発明のセラミックヒータ１は前記実施例に限定されるものでなく、前記応力緩和材６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よく同様の効果を奏するものである。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック体の内部に発熱部とこれに連続する電極取り出し部を備え、該電極取り出し部の端部を表面に露出させるとともに、応力緩和材をロウ材を用いて接合したセラミックヒータにおいて、上記応力緩和材の厚みを、中央部より側端部を薄くしたことによって、応力緩和材の表面からセラミック体の表面までの距離を、中央部よりも側端部の方が短くなるようにしているので、ロウ付け部のセラミック体へのクラックの発生及び進展をくいとめ、抵抗変化の少ない優れた耐久性をもったセラミックヒータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のセラミックヒータを示す斜視図であり、（ｂ）はその電極取り出し部の断面図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの電極取り出し部の拡大図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの電極取り出し部の拡大図である。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
２発熱部
３セラミック体
４電極取り出し部
５金属層
６応力緩和材
７リード線
８電極金具
９タングステンリ−ド
Ｔ１応力緩和材の中央部の厚み
Ｔ２応力緩和材の側端部の厚み

Claims

セラミック体の内部に発熱部とこれに連続する電極取り出し部を備え、該電極取り出し部の端部を表面に露出させるとともに、この露出部に応力緩和材をロウ材を用いて接合したセラミックヒータにおいて、前記応力緩和材の表面から前記セラミック体の表面までの距離が、中央部よりも側端部の方が短くなっていることを特徴とするセラミックヒータ。
前記応力緩和材の側端部の稜線が曲面状であることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記応力緩和材には、中央部側から側端部側に向かって前記距離が漸次短くなるように傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックヒータ。
前記応力緩和材には、前記距離が、中央部よりも側端部の方が短くなるように段差が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータ。