JP6144610B2

JP6144610B2 - 電極内蔵セラミック体およびこれを用いたヒータ

Info

Publication number: JP6144610B2
Application number: JP2013249937A
Authority: JP
Inventors: 森田　治; 治森田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: JP2015106556A

Description

本発明は、電極内蔵セラミック体およびこれを用いたヒータに関するものである。

ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特許文献１に記載されたセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に記載されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された給電線とを備えている。

特開２０００−１５６２７５号公報

特許文献１に記載されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線にクラックが生じる場合があった。特に、このクラックが給電線のうちセラミック構造体の表面に露出している領域に生じた場合には、外気が給電線の内部に入り込む可能性があった。そのため、給電線が外気と反応することによって、給電線の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう可能性があった。その結果、セラミックヒータを高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の一態様に基づく電極内蔵セラミック体は、側面を有するセラミック体と、該セラミック体の内部において前記側面に交差する方向に設けられ、一端が前記側面に引き出された帯状の電極と、前記セラミック体の内部における前記電極の一端近傍の第１主面から前記側面に引き出された前記電極の側面にかけて前記電極を覆うように、前記セラミッ
ク体の内部から前記セラミック体の前記側面にかけて設けられた導電性の保護層とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の１つの態様に基づくヒータは、上記電極内蔵セラミック体と、前記セラミック体の内部に設けられて前記電極の他端に電気的に接続された発熱抵抗体とを備えたことを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づく電極内蔵セラミック体によれば、一端がセラミック体の側面に引き出された帯状の電極に対して、前記セラミック体の内部における前記電極の一端近傍の第１主面から一端にかけて前記電極を覆うように設けられた導電性の保護層を備えている。これにより、仮に電極にクラックが生じたとしても、電極が保護層によって覆われているので、外気が電極の内部に入り込む可能性を低減することができる。そのため、電極が外気と反応することによって、電極の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう可能性を低減できる。その結果、電極内蔵セラミック体を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、長期信頼性を向上させることができる上記電極内蔵セラミック体を備えていることによって、長期信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態の例の電極内蔵セラミック体およびこれを用いたヒータを示す縦断面図である。図１に示す電極内蔵セラミック体およびこれを用いたヒータをＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。本発明の実施形態の他の例の電極内蔵セラミック体およびこれを用いたヒータを示す横断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例の電極内蔵セラミック体１０およびこれを用いたヒータ１００について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態の例の電極内蔵セラミック体１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた電極３（以下、第１電極３ともいう）と、第１電極３を保護するために設けられた保護層４とを備えている。電極内蔵セラミック体１０は、例えば、積層型圧電素子、ガスセンサーまたはヒータ等に用いることができる。ガスセンサーとしては、例えば、酸素センサーまたは窒素酸化物センサー等が挙げられる。本例においては、電極内蔵セラミック体１０をヒータ１００として用いる場合の構成について説明する。そのため、セラミック体１の内部には、さらに発熱抵抗体２が設けられている。このようなヒータ１００は、例えば、自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。

セラミック体１は、内部に第１電極３および発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部に第１電極３および発熱抵抗体２を設けることによって、第１電極３および発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、例えば、棒状または板状（これらを合わせて柱状ともいえる）の部材である。

セラミック体１は、例えば、絶縁性セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１を得ることができる。焼成には、例えば、ホットプレス焼成を用いることができる。

セラミック体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック体の断面は、厚さ１〜６ｍｍ、幅２〜４０ｍｍの四角形に設定される。

発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、電極内蔵セラミック体１０がヒータ１００として機能する。セラミック体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば、自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば、折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの平行な直線部分２１と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分２１を折り返して繋ぐ連結部分２２とを有している。発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端（連結部分２２のうち最も先端側の部分）から発熱抵抗体２の後端（直線部分２１の後端）までの長さは、例えば、発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。

第１電極３は、セラミック体１の内部において、一端がセラミック体１の側面に引き出された帯状の部材である。図２に示すように、第１電極のうちセラミック体１の側面１１に引き出された部分は、セラミック体１の側面１１に交差する方向に設けられている。より具体的には、第一電極のうちセラミック体１の側面１１に引き出された部分は、セラミック体１の側面１１に対して、およそ直角に交差している。

第１電極３は、上面に第１主面３１、下面に第２主面３２を有する。本例のように、電極内蔵セラミック体１０をヒータ１００として用いる場合には、第１電極３は発熱抵抗体２に電気的に接続されている。この場合には、第１電極３は発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続するために用いられる。

第１電極３は、発熱抵抗体２の２つの直線部分２１のそれぞれに対応して、セラミック体１の長さ方向に沿って２本設けられており、セラミック体１の後端側で折り曲げられてセラミック体１の側面１１に引き出されている。第１電極３は、セラミック体１の後端側において９０°に曲げられて、セラミック体１の側面１１に引き出されている。

第１電極３は、例えばＷまたはＭｏ等の耐熱性に優れた金属材料が用いられる。特に、熱膨張率の観点から発熱抵抗体と同じ炭化タングステンを用いることが好ましい。第１電極３は、例えば、幅が１〜２０ｍｍ、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが１０〜８０ｍｍ、セラミック体１の側面１１に引き出されるために、発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な方向に延びた部分の長さが２〜３０ｍｍ、厚みが１０〜５０μｍ程度に設定される。

保護層４は、第１電極３を外気から守るための部材である。図１においては、保護層４のうちセラミック体１の内部に設けられている部分を破線で示しており、セラミック体１の外部に設けられている部分を実線で示している。図２に示すように、保護層４は、セラミック体１の内部における第１電極３の一端近傍の第１主面３１からセラミック体１の側面１１における第１電極３の引き出された一端にかけて第１電極３を覆うように設けられている。これにより、ヒートサイクル下においてセラミック体１との間に熱応力が生じることによって第１電極３にクラックが生じたとしても、保護層４が第１電極３を覆ってい
ることによって、外気が第１電極３の内部に入り込む可能性を低減することができる。また、保護層４が導電性の材料から成ることによって、保護層４が第１電極３を完全に覆う場合であっても、第１電極３と外部の電源等とを保護層４を介することによって容易に接続することができる。

特に、第１電極３のうちセラミック体１の側面１１に露出した側面と第１主面３１とから成る角部が保護層４によって覆われている。熱応力の集中が起きやすくクラックが入りやすい角部が保護層４に覆われていることによって、外気が第１電極３の内部に入り込む可能性をさらに低減できる。

これらの結果、第１電極３が外気と反応することによって第１電極３の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう可能性を低減できる。その結果、電極内蔵セラミック体１０を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。

さらに、保護層４は、セラミック体１の側面１１において第１電極３の一端近傍の第２主面３２側にまで延びている。このように、保護層４が第１電極３の第２主面３２側にまで設けられていることによって、第１電極３の側面にクラックが生じた場合に、生じたクラックに外気が入り込むことを抑制できる。

さらに、保護層４が、第１電極３の側面よりも下にまで設けられて、セラミック体１の側面１１のうち第１電極３の側面よりも下側に位置する部分の一部を覆っていることによって、外気が第１電極３の第２主面３２とセラミック体１との間に侵入する可能性を低減できる。

また、図１に示すように、保護層４の幅（側面１１に平行な方向の長さ）は第１電極３の幅よりも大きい。これにより、セラミック体１の側面１１における第１電極３の側面を広範囲に覆うことができる。保護層４の幅が第１電極３の幅よりも大きく、さらに保護層４が第２主面３２側にまで設けられていることによって、露出するところがないように第１電極３を保護層４が覆うことができる。これにより、外気が第１電極３の内部に入り込む可能性をさらに低減できる。

保護層４は、例えばＴｉ等の耐環境性に優れた金属材料が用いられる。特に、耐酸化性の観点からＴｉＮを用いることが好ましい。保護層４は、セラミック体１の内部において第１電極３に重なるように設けられた部分の第１電極３に沿った長さ（側面１１に垂直な方向の長さ）が１〜２０ｍｍ、幅（側面１１に平行な方向の長さ）が５〜２０ｍｍ、厚みが１μｍ以上に設定される。また、保護層４は、セラミック体１の側面１１において露出した第１電極３を覆う部分の上下方向（第１主面３１に対して垂直な方向）の長さが０．５〜２ｍｍに設定される。保護層４のうちセラミック体１の側面１１に露出した部分の厚みおよび幅は、セラミック体１の内部に設けられた部分の幅と同一に設定することができる。

本発明の他の実施形態の他の例の電極内蔵セラミック体１０およびこれを用いたヒータ１００について図面を参照して説明する。上述の実施形態の例の電極内蔵セラミック体１０においては、保護層４の上面はセラミック体１に接していたが、これに限られない。図３に示すように、保護層４の上面を覆う第２電極５が設けられていてもよい。第２電極５は、セラミック体１の内部において保護層４の第１電極３とは反対側の主面を覆うように設けられている。より具体的には、第２電極５は一端がセラミック体１の側面１１に露出しているとともに、他端が保護層４の端部を覆いながら第１電極３の上面に接している。保護層４は、第１電極３と第２電極５とによって挟まれている。

第２電極５は第１電極３と同じ材料から成る。ここでいう同じ材料から成るとは、元素分析の結果、９０％以上の成分が一致するとともに、主成分の結晶構造が同一である場合を意味している。なお、元素分析には、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）またはＸ線マイクロアナライザー（ＸＭＡ）等を用いることができる。また、結晶構造の確認には、Ｘ線回折（ＸＲＤ）等を用いることができる。

保護層４の上面に第１電極３と同じ材料から成る第２電極５が設けられていることによって、ヒートサイクル下における第１電極３の熱膨張量と第２電極５の熱膨張量とを近づけることができる。その結果、保護層４と第１電極３との間に生じる熱応力と、保護層４と第２電極５との間に生じる熱応力とを近づけることができるので、保護層４が歪んでしまう可能性を低減できる。これにより、保護層４が歪むことによって保護層４と第１電極３との間に隙間ができてしまう可能性を低減できる。その結果、保護層４と第１電極３との間に生じた隙間に外気が入り込み、この外気が第１電極３に生じたクラックに入り込む可能性を低減できる。

なお、図３においては、第２電極５の側面は、保護層４に覆われておらずセラミック体１の側面１１に露出しているが、特に問題はない。これは、第２電極５が、保護層４の歪みを低減するために設けられた部材であって、仮に第２電極５に大気が入り込むことによって、第２電極５に多少の抵抗値の変動があったとしても、第１電極３を介して電気を正常に流すことが可能であるためである。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：直線部分
２２：連結部分
３：電極（第１電極）
３１：第１主面
３２：第２主面
４：保護層
５：第２電極
１０：電極内蔵セラミック体
１１：側面
１００：ヒータ

Claims

側面を有するセラミック体と、
該セラミック体の内部において前記側面に交差する方向に設けられ、一端が前記側面に引き出された帯状の電極と、
前記セラミック体の内部における前記電極の一端近傍の第１主面から前記側面に引き出された前記電極の側面にかけて前記電極を覆うように、前記セラミック体の内部から前記セラミック体の前記側面にかけて設けられた導電性の保護層とを備えたことを特徴とする電極内蔵セラミック体。
前記保護層が、前記セラミック体の前記側面において前記電極の前記一端近傍の第２主面側にまで延びていることを特徴とする請求項１に記載の電極内蔵セラミック体。
前記保護層の幅が前記電極の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極内蔵セラミック体。
前記電極を第１電極としたときに、
前記セラミック体の内部において前記保護層の前記第１電極と反対側の主面を覆うように前記第１電極と同じ材料から成る第２電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電極内蔵セラミック体。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極内蔵セラミック体と、前記セラミック体の内部に設けられて前記電極の他端に電気的に接続された発熱抵抗体とを備えたことを特徴とするヒータ。