JP4153840B2

JP4153840B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP4153840B2
Application number: JP2003202742A
Authority: JP
Inventors: 浩久木野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2004146356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式車載暖房装置の点火あるいは炎検知用ヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、自動車用グロープラグ、酸素センサ等の各種センサ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。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地においてエンジンの始動を短期間に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されている。また、電気自動車においてはバッテリの容量の制限により電力消費を少なくすることが要求されており、暖房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の利用が見込まれている。
【０００３】
車載暖房装置に用いられるセラミックヒータにおいて高寿命化が望まれており、更にセラミックヒータとサーミスタとの一体化が必要となってきている。
燃焼及び燃焼温度を確認する方法としては、サーミスタの高温抵抗値を読み取り、その高温抵抗値を換算して確認する方法が採られている。
【０００４】
セラミックヒータとサーミスタを一体化する場合、セラミックヒータの耐久性が良好で長期の使用に際しても抵抗値の変動が少なくなければならない。
【０００５】
このセラミックヒータのセラミック体は、窒化物セラミックスにより形成されており、セラミックヒータの耐久性を良好にするためには、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ヒータの基材に近づけるためＢＮや窒化珪素粉末を添加している。一方、母材の原料については、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うと共に、マイグレーションの原因となるＳｉＯ_２を減らす目的で炭素を添加する。ＳｉＯ_２を減らすことにより、母材の粒界層が、より高融点となりマイグレーションを抑制する効果がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＯ_２を減らす目的で添加する炭素の影響によりリードピンの表層が炭化されて脆くなるという問題が発生した。この脆下層は、セラミックヒータの抵抗値を上昇させたり、初期特性に影響を与えるものではない。しかしながら、発熱を繰り返すうちに、リードピンは膨張、収縮を繰り返し、最後は断線に至る。
近年、車載暖房装置に早期の着火が望まれており、セラミックヒータは電力値の増大をし、さらに電圧を制御することにより昇温の立ち上がりを早くするようになった。このとき、突入電力が大きくなるため、リードピンも発熱しやすくなりリードピンの膨張、収縮はさらに大きくなり、リードピンでの断線が発生しやすくなった。
特許文献１には、セラミック体中の炭素量を５００ｐｐｍ以下とすることが示されているが、これは、セラミック体の体積固有抵抗の調整を目的としたものであり、セラミック体内部にリードピンを有しておらず、炭化層に関する記載もない。
【０００７】
また、特許文献２には、セラミックヒータの発熱抵抗体中の炭素成分含有量を３０００ｐｐｍ以下にすることにより、発熱抵抗体の抵抗値を安定させることが示されているが、このような添加量では、窒化珪素質セラミック体中に含有されるＳｉＯ_２や窒化アルミニウム質セラミックス中に含有されるＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物の含有量を減少させる効果が小さく、高温で使用する際のマイグレーションの発生によりセラミックヒータの耐久性が低下するという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３１２５７０号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−２８３７２８号公報
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続されるリードピンと、前記発熱抵抗体及び前記リードピンが内部に位置するセラミック体とを有し、前記セラミック体における炭素の含有量が０．５〜２．０重量％であるとともにＳｉＯ_２の含有量が１．５〜５重量％であり、前記リードピンの表面に平均厚み８０μｍ以下の炭化層を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記リードピンの結晶粒径が３０μｍ以下であり、かつ、前記セラミック体におけるＮａの含有量が８０〜９００ｐｐｍであることが好ましい。
【００１２】
本発明のセラミックヒータの製造方法は、窒化珪素を主成分として０．５〜２．０重量％の炭素及び１．５〜５重量％のＳｉＯ_２を含有するとともに、発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に接続されるリードピンが内部に位置するセラミック成形体を準備する第１の工程と、前記セラミック成形体を５〜１５ＭＰａでホットプレスする第２の工程と、前記セラミック成形体を２０〜６０ＭＰａ、かつ、１１００〜１５００℃でホットプレスする第３の工程と、を備えている。
【００１３】
本発明は、セラミックヒータを長期に渡って使用した場合でも、抵抗変化が少なくその結果、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を目的とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１５】
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、２ｂの表面に発熱抵抗体３および電極引出部５をプリントし、これらを接続するようにリードピン４を設置した後、このように加工したセラミック成形体２ａ、２ｂを別のセラミック成形体２ｃを間に入れて重ねた後、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。
【００１６】
前記セラミック体２は、板状体からなるセラミック成形体２ａ、２ｂ、２ｃが重畳されて形成され、セラミック体２の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る。ここで示すＳｉＯ_２量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ_２および添加したＳｉＯ_２の合計量である。また、母材の窒化珪素にＭｏＳｉ_２やＷＳｉ_２を分散させることにより、母材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。
【００１７】
本発明のセラミックヒータ１は、炭素を含有するセラミック体２の内部に発熱抵抗体３と発熱抵抗体３に接続されるリードピン４とを有するセラミックヒータ１において、前記セラミック体２の炭素量を０．５〜２．０重量％としたことを特徴とする。このような調整により、図２に示したリードピン４表面の炭化層８の生成を抑制し、耐久性良好なセラミックヒータ１を得ることができる。
【００１８】
本発明において、セラミック体２に含有されるＳｉＯ_２の悪影響を防止するための炭素の含有量を再検討したところ、必ずしも３重量％以上含有する必要はなく、次の理由によって０．５〜２重量％でもＳｉＯ_２の悪影響を防止できることを本願発明者は見いだすことができた。
【００１９】
即ち、セラミック体２の炭素量が０．５重量％未満であれば、セラミック体２に使用する窒化珪素の不可避不純物として含有されるＳｉＯ_２の量が多くなるため、セラミック体２中の粒界のガラス層が多くなってマイグレーションが発生しやすくなり、高温使用時のセラミックヒータ１の耐久性が低下するので好ましくない。
【００２０】
また、前記セラミック体２の炭素量が２．０重量％を越えると、ＳｉＯ_２の悪影響は無くなるものの、リードピン４として使用するＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の１種もしくは組み合わせからなるの金属の表面が炭化され、その炭化層８の平均厚みが８０μｍを越えてしまい、セラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。前記セラミック体２の含有する炭素量を０．５〜２．０重量％とする方法としては、セラミック体２中に含有される不可避不純物であるＳｉＯ_２の量を減らすために添加する炭素量を調整したり、セラミック体２をなすセラミック成形体に含有されるバインダの量を変更したり、バインダの熱分解性を変更したり、焼成条件を変更したりすることが有効である。特に、窒化珪素質セラミックスの場合、ホットプレス時の初期圧力を５〜１５ＭＰａ程度に設定し、その後２０〜６０ＭＰａの圧力を掛けるような２段加圧を実施し、この圧力を上げる温度を１１００〜１５００℃に変更することにより、ＳｉＯ_２がＳｉＯの形で蒸発することを促進してＳｉＯ_２量を減少させることも可能である。
【００２１】
そして、本発明のセラミックヒータ１は、前記リードピン４の線径が０．５ｍｍ以下であり、かつ、図２に示すようにリードピン４表面の炭化層８の平均厚みを８０μｍ以下とすることにより耐久性良好なセラミックヒータ１とすることが可能となる。リードピン４の線径が０．５ｍｍを越えると、セラミック体２の熱膨張率とリードピン４の熱膨張率差と使用中の熱サイクルによる応力疲労により、耐久性が劣化するので好ましくない。リードピン４の線径は、０．３５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００２２】
なお、リードピンの最小径は、発熱抵抗体３とリードピン４の抵抗比によって決まり、セラミックヒータ１の発熱抵抗体３の部分で選択的に発熱するように、発熱抵抗体３の抵抗値の１／５以下、さらに好ましくは１／１０以下とすることが好ましい。
【００２３】
また、リードピン４表面の炭化層８の平均厚みは、８０μｍ以下とすることが好ましい。該炭化層８の厚みが８０μｍを越えると、使用中の熱サイクルによりセラミックヒータ１の耐久性が劣化するので好ましくない。なお、下限は２０μｍ以上とする。
【００２４】
また、本発明のセラミックヒータは、前記リードピン４の結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
このような調整により、耐久中、リードピン４に生じるクラックの進展を抑制することが出来る。結晶粒径が３０μｍをこえるとクラックの進展が早くなるため好ましくない。結晶粒径は２０μｍ以下がさらに好ましい。
前記リードピン４の結晶粒径を３０μm以下にする方法としてはセラミック体に含有されるＮａ、Ｃａ、Ｓ、Ｏ等の不純物を減らす必要がある。特にＮａは５００ｐｐｍ以下にすることが好ましい。また、焼結助剤の量を変更したり、焼成温度を変更することが有効である。
リードピンの結晶粒径が１μm以下になるような製造条件にすると、発熱抵抗体３の焼結が進まずに耐久性が劣化するため好ましくない。
また炭化層８の生成に関しては、セラミック体２となるセラミックス原料に対して、マイグレーションの原因となるＳｉＯ_２を減らす目的で炭素を添加するため、焼成時の熱履歴により、リードピン４の周囲に炭化層８が形成される。ＳｉＯ_２は、セラミックスの粒界層を生成しセラミックスの焼結を促進するのに効果があるが、ＳｉＯ_２の量が多すぎると粒界層の融点が低下するので、マイグレーションが発生しやすくなりセラミックヒータ１の耐久性が低下する。そこで、本発明のように炭素の添加量を調整することにより、焼結性を粗害することなく、実質的にＳｉＯ_２を減らすことにより、セラミック体２の粒界層はより高融点となりマイグレーションを抑制することが可能となると同時に、炭化層８の生成を抑制してセラミックヒータ１の耐久性を改善することができる。
【００２６】
さらに、セラミックヒータ１使用時のリードピン４の温度を１２００℃以下にすることが有効である。さらに好ましくは、１１００℃以下で使用することが好ましい。リードピン４付近の温度を下げることにより、リードピン４に対する熱応力が小さくなり耐久性が良好になる。
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、発熱抵抗体３は、図１に示すように主として発熱する第一の発熱抵抗体３ａと、リードピン４と接続しその接点の温度を下げるため第一の発熱抵抗体３ａよりも低抵抗化した第二の発熱抵抗体３ｂとからなるようにしても構わない。
【００３０】
また図３は、本発明のセラミックヒータ１の断面図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中に第一の発熱抵抗体３ａと第二の発熱抵抗体３ｂとリードピン４と電極引出部５が埋設され、これら電極引出部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。また、セラミックヒータ１を用いる設備等に固定するための保持金具７がロウ付けされている。
【００３１】
【実施例】
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。
実施例１
ここでは、セラミック体２に添加する炭素量を０〜２重量％間で変量して、セラミック体２中に残留する炭素量を０．４〜２．５重量％と変更して、各々の場合の通電耐久試験における抵抗変化を評価した。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３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。
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炭素粉末の量を５種準振って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と取出電極５をプリント法によりセラミック生成形体の表面に形成した。その後、リードピン４を前記発熱抵抗体３と取出電極５が導通するように設置した２層のセラミック生成形体２ａ、２ｂと、これらの蓋となるセラミック生成形体２ｃを重ねて密着させ、密着させたセラミック生成形体２ａ、２ｂ、２ｃ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、４５ＭＰａ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を円柱状に加工し、表面に露出した取出電極５に電極金具６、また、取付用の保持金具７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、セラミック部分の外径を４．２ｍｍ、全長を４０ｍｍ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性を評価した。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。
【００３２】
なお、セラミック体２中の炭素量の測定については、セラミック体２を粉砕し得られた粉末を燃焼させて、生成するＣＯ_２量から炭素量を測定した。
【００３３】
結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１に示す通り、炭素の添加量を０％としたＮｏ．１は、セラミック体２中に残留する炭素量が、０．４重量％となりリードピン４の炭化層は１４μｍと薄いが、通電耐久後の抵抗変化率が１０％を超えてしまい好ましくなかった。抵抗変化の原因は、マイグレーションであり、抵抗変化した部位は発熱部である。また、炭素の添加量を２％としたＮｏ．６はリードピン４の炭化層が大きく、通電耐久後は抵抗変化率が大きく、リードピン４で断線する物もあった。これに対し、セラミック体２に残留する炭素量が０．５〜２．０重量％であるＮｏ．２〜５は、炭化層が少なく、安定した耐久性を得ることができた。
実施例２
ここでは、リードピン４の線径を０．３ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍと変更し、リードピン４の反応層８の厚みを４０〜９３μｍと変更し、各々の場合の通電耐久試験における抵抗変化を評価した。
【００３６】
炭化層厚みについては、焼成後、セラミックヒータ１を、リードピン４を含む位置で切断し、リードピン４の断面をＳＥＭで観察、測定した。測定数は炭化層厚み、については各水準について２０本、通電耐久性については各水準について１０本評価して、その平均値をデータとした。
【００３７】
また、通電耐久試験は、セラミックヒータ１の高温使用における耐久性を確認するために、実施例１の加熱温度を１５００℃に変更し３分間加熱した後、１分間保持後ファンにより強制空冷するサイクルを１００００サイクル掛けて評価した。
【００３８】
結果を表２に示した。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２から判るように、リードピン４の線径が０．３ｍｍで炭化層８の厚みが９３μｍであるＮｏ．４は、耐久試験後の抵抗変化率が５％を越えてしまった。また、リードピン４の線径が０．５ｍｍで炭化層８の厚みが８５μｍのＮｏ．９、リードピン４の線径が０．６ｍｍで炭化層８の厚みが６５μｍのＮｏ．１０も、耐久試験後の抵抗変化率が５％を越えてしまった。
【００４１】
これに対して、リードピン４の線径が０．５μｍ以下で炭化層８の厚みが８０μｍ以下であるＮｏ．１〜４、Ｎｏ．６〜８は、耐久試験後の抵抗変化率が５％未満と良好な値を示した。
【００４２】
実施例３
ここでは、焼成温度とセラミック体２に残るＮａ量の調整により、リードピンの結晶粒径を６水準振ってセラミックヒータ１を作製し、通電耐久試験における抵抗変化を評価した。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３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、リードピン４の結晶粒径についてはリードピン４を含むセラミック体２の断面をエッチング液につけて金属顕微鏡にて観察した。
結果を表３に示した。
【表３】

【００４３】
表３から判るように、リードピンの結晶粒径を０．８μmとしたＮｏ．１は、抵抗変化率が１０％を超えてしまった。抵抗変化部位は発熱部である。また、リードピン４の結晶粒径を３４．５μmとしたＮｏ．６も抵抗変化率が１０％超えてしまい好ましくなかった。抵抗変化部位はリードピンである。
これに対して結晶粒径が１〜３０μmであるＮｏ．２〜５は耐久試験後の抵抗変化率が１０％未満と良好な値を示した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック体における炭素の含有量が０．５〜２．０重量％であるとともにＳｉＯ_２の含有量が１．５〜５重量％であり、リードピンの表面に平均厚み８０μｍ以下の炭化層を有することにより、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。
【００４５】
また、前記リードピンの結晶粒径が３０μｍ以下であって、かつ、セラミック体のＮａの含有量が８０〜９００ｐｐｍであることにより、抵抗変化率を小さくすることができる。
【００４６】
その結果、長期の使用に際しても抵抗値の変化が小さく、安定した着火が維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータの展開斜視図である。
【図２】本発明のセラミックヒータに用いられるリードピンの一部を拡大した部分断面図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの縦断面図である。
【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：リードピン
５：電極引出部
６：電極金具
７：保持金具
８：炭化層

Claims

発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続されるリードピンと、前記発熱抵抗体及び前記リードピンが内部に位置するセラミック体とを有するセラミックヒータにおいて、前記セラミック体における炭素の含有量が０．５〜２．０重量％であるとともにＳｉＯ_２の含有量が１．５〜５重量％であり、前記リードピンの表面に平均厚み８０μｍ以下の炭化層を有することを特徴とするセラミックヒータ。
前記リードピンの結晶粒径が３０μｍ以下であり、かつ、前記セラミック体におけるＮａの含有量が８０〜９００ｐｐｍ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。
窒化珪素を主成分として０．５〜２．０重量％の炭素及び１．５〜５重量％のＳｉＯ_２を含有するとともに、発熱抵抗体及び該発熱抵抗体に接続されるリードピンが内部に位置するセラミック成形体を準備する第１の工程と、
前記セラミック成形体を５〜１５ＭＰａでホットプレスする第２の工程と、
前記セラミック成形体を２０〜６０ＭＰａ、かつ、１１００〜１５００℃でホットプレスする第３の工程と、を備えたセラミックヒータの製造方法。