JPH04129189A - Ceramic heater - Google Patents
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- Resistance Heating (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、耐酸化性及び高温強度を向上すると共に、急
速な加熱、冷却に耐え、しかも発熱部が高温になっても
電極部の温度上昇を極力抑えるようにしたセラミックヒ
ータに関する。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention improves oxidation resistance and high-temperature strength, can withstand rapid heating and cooling, and maintains the temperature of the electrode part even when the heat-generating part reaches a high temperature. This invention relates to a ceramic heater that suppresses rise as much as possible.
従来のセラミックヒータは、特開昭57−1 ]−48
8号公報に記載のように、発熱部近傍の表面層が内部と
同じ絶縁性セラミックスで構成されており、主要構成材
料間の熱膨張係数を制御しようとする配慮がなされてい
なかった。さらに、先端の発熱部と該全熱部以外の導電
部の材料組成を変えた例も見られない。The conventional ceramic heater is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 57-1]-48.
As described in Publication No. 8, the surface layer near the heat generating part is made of the same insulating ceramic as the inside, and no consideration has been given to controlling the coefficient of thermal expansion between the main constituent materials. Furthermore, there is no example in which the material composition of the heat generating part at the tip and the conductive part other than the total heat part is changed.
上記従来技術は、ヒータの表面近傍に高温強度の大なる
材料を配したり、主要構成材料の熱膨張係数を制御しよ
うとする配慮がなされていないため、高温で使用された
り、急熱急冷されると破損し、寿命が短いという問題が
あった。また、発熱部と導電部の組成が同じであるため
、導電部の温度上昇が著しく、加熱冷却を繰り返すと、
電極部近傍にクラックが発生したり、電極とリード線の
接合部の抵抗が高くなってリード線が酸化或は発熱によ
り破断するという問題があった。The above conventional technology does not take into consideration placing a material with high high temperature strength near the surface of the heater or controlling the coefficient of thermal expansion of the main constituent materials, so it is not used at high temperatures or is heated or cooled rapidly. There was a problem that the product would be damaged and its lifespan would be shortened. In addition, since the composition of the heat generating part and the conductive part are the same, the temperature of the conductive part increases significantly, and if heating and cooling are repeated,
There have been problems in that cracks occur in the vicinity of the electrodes, and the resistance at the joints between the electrodes and the lead wires increases, causing the lead wires to break due to oxidation or heat generation.
本発明の課題は、高い高温強度と、急熱急冷に耐える耐
熱衝撃性とを併せ持つと共に長寿命のセラミックヒータ
を提供するにある。An object of the present invention is to provide a ceramic heater that has both high high-temperature strength and thermal shock resistance that can withstand rapid heating and cooling, and has a long life.
上記の課題は、導電性材料から成る発熱部及び導電部を
、絶縁性セラミックス中に内蔵したセラミックヒータに
おいて、前記絶縁性セラミックスと隣接する表面層を、
2種類以上のセラミックスを含む複合セラミックスで構
成し、該複合セラミックスの熱膨張係数を前記絶縁性セ
ラミックスの熱膨張係数よりも大きな値とすることによ
り達成される。The above problem is solved by a ceramic heater in which a heat generating part and a conductive part made of a conductive material are built into an insulating ceramic, in which a surface layer adjacent to the insulating ceramic is
This is achieved by constructing a composite ceramic containing two or more types of ceramics, and making the coefficient of thermal expansion of the composite ceramic larger than the coefficient of thermal expansion of the insulating ceramic.
上記の課題はまた、発熱部を構成する導電性材料の電気
抵抗率よりも導電部を構成する導電性材料の電気抵抗率
が小さい請求項1に記載のセラミックヒータによっても
達成される。The above object is also achieved by the ceramic heater according to claim 1, wherein the electrical resistivity of the conductive material constituting the conductive part is smaller than the electrical resistivity of the conductive material constituting the heat generating part.
上記の課題はまた、導電性材料が、周期率表中のIVa
、■a、またはVIa族元素のホウ化物、炭化物、ケイ
化物、及び窒化物の中の1種以上の化合物からなる請求
項1または2に記載のセラミックヒータによっても達成
される。The above problem also arises when the conductive material is IVa in the periodic table.
The present invention is also achieved by the ceramic heater according to claim 1 or 2, which comprises one or more compounds among borides, carbides, silicides, and nitrides of group VIa elements.
上記の課題はまた。導電性材料が、炭化ケイ素。The above issues are also the same. The conductive material is silicon carbide.
窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸
化ジルコニウムの中の1種以上の化合物と周期率表中の
IVa、Va、またはVIa族元素のホウ化物、炭化物
、ケイ化物、及び窒化物の中の1種以上の化合物とから
なる請求項1乃至3のいずれかの項に記載のセラミック
ヒータによっても達成される。One or more compounds of silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, zirconium oxide and one of borides, carbides, silicides, and nitrides of elements of group IVa, Va, or VIa in the periodic table This can also be achieved by the ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, which comprises the above-mentioned compounds.
上記の課題はまた、導電性材料が、タングステン、モリ
ブデン、タンタル等の耐熱金属からなる請求項1または
2に記載のセラミックヒータによっても達成される。The above object is also achieved by the ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein the conductive material is made of a heat-resistant metal such as tungsten, molybdenum, tantalum, or the like.
上記の課題はまた、絶縁性セラミックスが、窒化ケイ素
、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウムの中の1種以上の化合物
からなる請求項1または2に記載のセラミックヒータに
よっても達成される。The above object is also achieved by the ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein the insulating ceramic is made of one or more compounds among silicon nitride, sialon, aluminum nitride, boron nitride, aluminum oxide, and zirconium oxide. be done.
上記の課題はまた、複合セラミックスが、炭化ケイ素、
窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸
化ジルコニウムの中の1種以上の化合物と周期率表中の
IVa、Va、またはVIa族元素のホウ化物、炭化物
、ケイ化物、及び窒化物の中の1種以上の化合物とから
なる請求項1または2に記載のセラミックヒータによっ
ても達成される。The above issues also arise when composite ceramics contain silicon carbide,
One or more compounds of silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, zirconium oxide and one of borides, carbides, silicides, and nitrides of elements of group IVa, Va, or VIa in the periodic table This can also be achieved by the ceramic heater according to claim 1 or 2, which comprises the above-mentioned compounds.
上記の課題はまた、絶縁性セラミックスに圧縮応力が加
わっている請求項1乃至7のいずれかの項に記載のセラ
ミックヒータによっても達成される。The above object is also achieved by the ceramic heater according to any one of claims 1 to 7, wherein compressive stress is applied to the insulating ceramic.
上記の課題はさらに、発熱部及び導電部下等なる通電回
路が印刷法により形成されていることを特徴とする請求
項1乃至8のいずれかの項に記載のセラミックヒータに
よっても達成される。The above-mentioned object is further achieved by the ceramic heater according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the current-carrying circuit such as the heat-generating portion and the conductive portion is formed by a printing method.
IVa、Va、及びVIa属元素のホウ化物、炭化物、
窒化物及びケイ化物は、融点が高く耐熱性に優れている
が、熱膨張係数がやや大きく、耐酸化性に劣っている。Borides and carbides of IVa, Va, and VIa group elements;
Nitride and silicide have a high melting point and excellent heat resistance, but have a rather large coefficient of thermal expansion and poor oxidation resistance.
これらの化合物と反応し難く、熱膨張係数が小さい上に
、高温強度が大きく、耐酸化性及び耐熱衝撃性に優れた
炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、酸化ジルコニウ
ム等を混合・焼結することによって、高温強度が大きく
、耐酸化性及び耐熱衝撃性に優れた複合セラミックスを
得ることが出来ることは、神保等の文献(Advan−
ced CeraIIlic Materials、v
ol、1.Nn4.Oct、1986.341〜345
頁)に、その−例が見られる。By mixing and sintering silicon carbide, silicon nitride, sialon, zirconium oxide, etc., which do not easily react with these compounds, have a small coefficient of thermal expansion, high strength at high temperatures, and excellent oxidation resistance and thermal shock resistance. The fact that composite ceramics with high high temperature strength, oxidation resistance, and thermal shock resistance can be obtained is shown in the literature of Jimbo et al. (Advan-
ced CeraIIlic Materials, v
ol, 1. Nn4. Oct, 1986.341-345
An example can be found on page ).
そして、上記IVa、Va、及びVIa属元素のホウ化
物、炭化物、窒化物及びケイ化物の混合量を変えること
により、複合セラミックスの熱膨張係数を制御できる。The coefficient of thermal expansion of the composite ceramic can be controlled by changing the mixing amount of the borides, carbides, nitrides, and silicides of the IVa, Va, and VIa group elements.
上記IVa、Va、及びVIa属元素のホウ化物。A boride of the above IVa, Va, and VIa group elements.
炭化物、窒化物及びケイ化物は、また、極めて導電性に
優れた低抵抗材料なので、上記複合セラミックスの混合
粉をペースト化し、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒
化ケイ素、サイアロン、酸化アルミニウム、または酸化
ジルコニウム等の絶縁性セラミックスから成るグリーン
シートの表面に前記ペーストを用いて発熱、導電回路を
印刷して、その上に前記#@縁性グリーンシートを積層
し、或はまた、前記絶縁性セラミックスの粉末を積層し
てもよい。この時、ヒータの上下表面には絶縁性セラミ
ックス・グリーンシート材よりもやや大きい熱膨張係数
を有する複合セラミックスを配することにより、前記絶
縁性グリーンシートと該複合セラミックスを同時に焼結
した焼結体中の絶縁性セラミックスには焼結後、圧縮応
力が作用する。Carbides, nitrides, and silicides are also low-resistance materials with extremely good conductivity, so the mixed powder of the above composite ceramics is made into a paste, and aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, sialon, aluminum oxide, zirconium oxide, etc. Alternatively, a heat generating and conductive circuit is printed using the paste on the surface of a green sheet made of insulating ceramics, and the #@marginal green sheet is laminated thereon, or the insulating ceramic powder is laminated thereon. It may be laminated. At this time, by arranging composite ceramics having a coefficient of thermal expansion slightly larger than that of the insulating ceramic green sheet material on the upper and lower surfaces of the heater, a sintered body is formed by sintering the insulating green sheet and the composite ceramic at the same time. Compressive stress acts on the insulating ceramic inside after sintering.
さらに、導電部を発熱部より抵抗率の小さい材料で構成
することによって、先端の発熱部が高温になっても、導
電部での発熱量を極少化され、電極部近傍の温度上昇が
低減される。Furthermore, by configuring the conductive part with a material that has a lower resistivity than the heat generating part, even if the heat generating part at the tip reaches a high temperature, the amount of heat generated in the conductive part is minimized and the temperature rise near the electrode part is reduced. Ru.
なお、表面の複合セラミックスは内部の発熱部及び導電
部と絶縁性セラミックスを介して電気的に絶縁されてい
るので、ヒータ使用中に、表面にカーボン等の煤が付着
しても、発熱・導電回路が短絡することない。The composite ceramic surface is electrically insulated from the internal heat-generating and conductive parts via insulating ceramics, so even if carbon or other soot adheres to the surface while the heater is in use, it will not generate heat or conduct electricity. The circuit will not be shorted.
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
〈実施例1〉
平均粒径3〜4μmの窒化アルミニウム粉末90重量パ
ーセントに対し、高温絶縁性向上のため、平均粒径約2
μmの窒化ホウ素粉末を10重量パーセント加えた。こ
の混合粉末100重量パーセントに対して、ポリビニル
・ブチラールを6重量パーセント加え、さらにトリクロ
ールエチレンを加えてスラリー(泥しよう)を作製した
。このスラリーをドクターブレード法によりキャスティ
ングして厚さ1.2■の絶縁性基材用のグリーンシート
を作製し、それから直径170mの円板状シート2を切
り出した。<Example 1> For 90 weight percent of aluminum nitride powder with an average particle size of 3 to 4 μm, in order to improve high-temperature insulation, an average particle size of about 2 μm was used.
10 weight percent of micron boron nitride powder was added. To 100% by weight of this mixed powder, 6% by weight of polyvinyl butyral was added, and trichlorethylene was further added to prepare a slurry. This slurry was cast by a doctor blade method to produce a green sheet for an insulating base material having a thickness of 1.2 square meters, and a disc-shaped sheet 2 having a diameter of 170 m was cut from it.
平均粒径約3μmの炭化ケイ素粉末55容積パーセント
、同じく0.5〜0,7μmのホウ化タンタル粉末45
容積パーセントを混合した粉末に、平均粒径0.5μm
の酸化アルミニウムを、炭化ケイ素に対して2重量パー
セント加え、更にエチルセルロース及びテレピネオール
を適量加えて発熱部用の導電性ペーストを作製した。同
様にして、ホウ化タンタルの代わりに平均粒径3〜5μ
mのホウ化ジルコニウム36容積パーセントを炭化ケイ
素64容積パーセントに加えて、導電部用の導電性ペー
ストを作製した。第6図かられかるように、この導電部
用ペースト成分の材料は、上記発熱部用ペースト成分の
材料に比して、抵抗率が約1桁小さい。55% by volume of silicon carbide powder with an average particle size of about 3 μm, and 45% by volume of tantalum boride powder, also with an average particle size of 0.5 to 0.7 μm.
Volume percent of powder mixed with an average particle size of 0.5 μm
A conductive paste for a heat generating part was prepared by adding 2% by weight of aluminum oxide to silicon carbide, and further adding appropriate amounts of ethyl cellulose and terpineol. Similarly, instead of tantalum boride, the average particle size is 3 to 5μ.
A conductive paste for the conductive part was prepared by adding 36 volume percent of zirconium boride of m to 64 volume percent of silicon carbide. As can be seen from FIG. 6, the resistivity of the material of the paste component for the conductive part is about one order of magnitude lower than that of the material of the paste component for the heat generating part.
これらの導電性ペーストとスクリーンメツシュを用いて
、第2図に示すように、前記絶縁性基材用のグリーンシ
ート2の上に、厚さ約50μmの発熱部4と厚さ約90
μmの導電部5とから成るヒータ通電回路が印刷された
。印刷回路の端部に、窒化アルミニウムグリーンシート
の場合と同様にして作製された、68容積パーセントの
炭化ケイ素と32容積パーセントのホウ化ジルコニウム
から成る導電性グリーンシートから切り出された電極3
が配置された。さらにその上に、前記絶縁性基材用のグ
リーンシート、または、同じ組成比の窒化アルミニウム
と窒化ホウ素の混合粉末が積層・プレスされて、ヒータ
の成形体が作製された。この時に、第1図、第3図及び
第4A図に示すように、成形体の上下表面の全面または
一部に、68容積パーセントの炭化ケイ素と32容積パ
ーセントのホウ化ジルコニウムから成る複合セラミック
ス1の層を形成した。これは、第7図かられかるように
、この複合セラミックスと窒化アルミニウムの熱膨張係
数がほぼ等しいためである。Using these conductive pastes and screen meshes, as shown in FIG.
A heater energizing circuit consisting of a .mu.m conductive section 5 was printed. At the ends of the printed circuit, electrodes 3 are cut from a conductive green sheet of 68 volume percent silicon carbide and 32 volume percent zirconium boride, prepared similarly to the aluminum nitride green sheet.
was placed. Furthermore, the green sheet for the insulating base material or a mixed powder of aluminum nitride and boron nitride having the same composition ratio was laminated and pressed on top of the green sheet to produce a heater molded body. At this time, as shown in FIGS. 1, 3, and 4A, a composite ceramic 1 consisting of 68 volume percent silicon carbide and 32 volume percent zirconium boride is applied to the entire or part of the upper and lower surfaces of the molded body. A layer was formed. This is because, as shown in FIG. 7, the coefficients of thermal expansion of this composite ceramic and aluminum nitride are almost equal.
この成形体が、ホットプレス装置の中へ装入され、真空
中、300 kg/dの圧力下で、2,100℃に60
分保持され緻密に焼結された。なお、焼結体は、直径が
170mで、厚さは約3mnになるように原料粉末の量
が調節された。この焼結体から、第1図、第3図及び第
4A図に示されるような、幅約8腫、長さ約80am、
厚さ約3躍のヒータが切り出された。第4B図は、第4
A図のB−B’線で示される部分を取り除いて電極3の
配置状況を示している。This molded body was charged into a hot press equipment and heated to 2,100°C at 60°C under a pressure of 300 kg/d in a vacuum.
It was held for a minute and was sintered densely. The amount of raw material powder was adjusted so that the sintered body had a diameter of 170 m and a thickness of about 3 mm. From this sintered body, as shown in FIGS.
A heater approximately 3 mm thick was cut out. Figure 4B shows the fourth
The arrangement of the electrodes 3 is shown by removing the portion indicated by line BB' in Figure A.
このヒータに通電し、先端(電極3から遠い側)近傍が
約1,100℃に加熱された時の、表面の中心線7に沿
った温度分布を第5図に示す。導電部5の材料が、発熱
部4と異なる、低抵抗率材料に変えられて、電極部近傍
の表面温度が、500℃前後から約100℃へと、約1
75に低下している。なお、本ヒータは、先端温度が1
,250℃前後迄は温度と共に抵抗が増加し続けるが、
この温度を越すと抵抗が減少し始め、熱暴走する。FIG. 5 shows the temperature distribution along the center line 7 of the surface when this heater is energized and the vicinity of the tip (the side far from the electrode 3) is heated to about 1,100°C. The material of the conductive part 5 is changed to a low resistivity material different from that of the heat generating part 4, and the surface temperature near the electrode part is increased from about 500°C to about 100°C by about 1
It has fallen to 75. Note that this heater has a tip temperature of 1
, resistance continues to increase with temperature up to around 250℃,
When this temperature is exceeded, the resistance begins to decrease and thermal runaway occurs.
本ヒータの先端近傍(一番高温の部分)を1゜200℃
近傍迄繰り返しく約1000回)加熱したところ、10
本中8本が健全であったが、2本に割れが発生した。The temperature near the tip of this heater (the hottest part) is 1°200°C.
When heated (approximately 1,000 times), 10
Eight of the books were sound, but cracks occurred in two.
一方、表面に複合セラミックス1の層を形成しない窒化
アルミニウムと発熱部及び導電部から成るヒータでは、
先端近傍を約1,000’C迄2〜3回加熱したところ
、発熱部の窒化アルミニウム絶縁層に割れが発生し、先
端部が折れてしまった。On the other hand, in a heater made of aluminum nitride, a heat generating part, and a conductive part without forming a layer of composite ceramics 1 on the surface,
When the vicinity of the tip was heated to about 1,000'C two to three times, cracks occurred in the aluminum nitride insulating layer of the heat generating part, and the tip broke.
このことから、表面に炭化ケイ素とホウ化ジルコニウム
から成る複合セラミックスの層を形成すると、ヒータの
耐熱温度が向上することが明かになった・
なお、窒化アルミニウムに比して、熱膨張係数が約り0
%小さい炭化ケイ素を表面に積層したところ、絶縁材で
ある窒化アルミニウム中に無数の割れが発生しており、
熱膨張係数が小さい材料をヒータ表面に配した場合には
、健全な焼結体はできない。From this, it has become clear that forming a layer of composite ceramics made of silicon carbide and zirconium boride on the surface improves the heat resistance temperature of the heater.Compared to aluminum nitride, the thermal expansion coefficient is approximately ri0
When silicon carbide, which is small in size, was laminated on the surface, countless cracks occurred in the aluminum nitride, which is an insulating material.
If a material with a small coefficient of thermal expansion is placed on the surface of the heater, a healthy sintered body cannot be produced.
〈実施例2〉
表面層の複合セラミックスの熱膨張係数を、絶縁材であ
る窒化アルミニウムよりも大きくするために、第6図か
られかるように、表面層の複合セラミックス中のホウ化
ジルコニウムの混合量を32から36容積パーセントに
増加した。さらに、より高温迄抵抗が増加し続けるよう
にするために、発熱部用ペースト中のホウ化タンタルの
量を45から7o容積パーセントにした。その他は、実
施例1と同様にして、ヒータを作製したところ、1゜4
00℃近傍迄繰り返し加熱しても、割れの発生は起らな
かった。これは、複合セラミックスの熱膨張係数が窒化
アルミニウムよりも大きいために、焼結体の窒化アルミ
ニウムに圧縮応力が作用し、急激な温度上昇に際しても
、窒化アルミニウムを破損し難くしているためで、結果
的には、ヒータの耐熱温度が向上している。なお、先端
発熱部の表面温度を1,400℃とした時の電極部近傍
の温度は約300℃で先端部の115程度であり、1.
400℃迄は抵抗が増加し続け、熱暴走することはなか
った。<Example 2> In order to make the coefficient of thermal expansion of the composite ceramic of the surface layer larger than that of aluminum nitride, which is an insulating material, as shown in Fig. 6, zirconium boride was mixed in the composite ceramic of the surface layer. The amount was increased from 32 to 36 volume percent. Additionally, to ensure that the resistance continues to increase up to higher temperatures, the amount of tantalum boride in the heat generating paste was increased from 45 to 7 volume percent. Otherwise, a heater was manufactured in the same manner as in Example 1, and the temperature was 1°4.
No cracking occurred even after repeated heating to around 00°C. This is because the coefficient of thermal expansion of composite ceramics is larger than that of aluminum nitride, so compressive stress acts on the aluminum nitride of the sintered body, making it difficult to damage the aluminum nitride even when the temperature rises rapidly. As a result, the heat resistance of the heater is improved. Note that when the surface temperature of the tip heating part is 1,400°C, the temperature near the electrode part is about 300°C, which is about 115°C at the tip.
The resistance continued to increase up to 400°C, and thermal runaway did not occur.
〈実施例3〉
平均粒径約3μmの窒化アルミニウム粉末に対して、ポ
リビニル・ブチラールを6重量パーセント加え、さらに
トリクロールエチレンを加えてスラリー(泥しよう)を
作製した。このこのスラリーをドクターブレード法によ
りキャスティングして厚さ1.2mmの絶縁性基材用の
グリーンシートを作製し、それから直径170mnの円
板状シートを切り出した。<Example 3> 6 weight percent of polyvinyl butyral was added to aluminum nitride powder having an average particle size of about 3 μm, and trichlorethylene was further added to prepare a slurry. This slurry was cast by a doctor blade method to produce a 1.2 mm thick green sheet for an insulating base material, and a disc-shaped sheet with a diameter of 170 mm was cut from it.
平均粒径約3μmの炭化ケイ素粉末40容積パーセント
、同じく4〜6μmの炭化チタンの粉末60容積パーセ
ントを混合した粉末、100重量パーセントに対して、
同じく0.5μmの窒化アルミニウム粉末を約1重量パ
ーセントとエチルセルロース及びブチルカルピトールを
適量加えて発熱部用の導電性ペーストが作製された。同
様にして、炭化ケイ素粉末40容積パーセントに炭化チ
タンの代わりに平均粒径3〜5μmの炭化タングステン
の粉末60容積パーセントを加えて、導電部用の導電性
ペーストが作製された。For 100% by weight of a powder mixed with 40% by volume of silicon carbide powder with an average particle size of about 3 μm and 60% by volume of titanium carbide powder with an average particle size of 4 to 6 μm,
Similarly, a conductive paste for a heat generating part was prepared by adding approximately 1 weight percent of 0.5 μm aluminum nitride powder and appropriate amounts of ethyl cellulose and butyl calpitol. Similarly, a conductive paste for a conductive part was prepared by adding 60 volume percent of tungsten carbide powder with an average particle size of 3 to 5 μm instead of titanium carbide to 40 volume percent of silicon carbide powder.
これらの導電性ペーストとスクリーンメツシュを用いて
、第2図に示すように、前記絶縁性基材用のグリーンシ
ート2の上に、厚さ約50μmの発熱部4と厚さ約90
μmの導電部5とから成るヒータ通電回路が印刷された
。印刷回路の端部に、窒化アルミニウムグリーンシート
の場合と同様にして作製した、60容積パーセントの炭
化ケイ素と40容積パーセントの炭化タングステンから
成る導電性グリーンシートの電極3が配置された。Using these conductive pastes and screen meshes, as shown in FIG.
A heater energizing circuit consisting of a .mu.m conductive section 5 was printed. At the ends of the printed circuit, conductive green sheet electrodes 3 made of 60 volume percent silicon carbide and 40 volume percent tungsten carbide, prepared in the same way as for the aluminum nitride green sheets, were placed.
さらにその上に、前記絶縁性基材用の窒化アルミニウム
粉末が積層・プレスされて、ヒータの成形体が作製され
た。この時に、実施例1と同じようにして、成形体の底
部及び表面の全面または一部に、64容積パーセントの
炭化ケイ素と36容積パーセントのホウ化ジルコニウム
から成る複合セラミックスが積層された。Furthermore, the aluminum nitride powder for the insulating base material was laminated and pressed on top of the aluminum nitride powder to produce a molded body of a heater. At this time, in the same manner as in Example 1, a composite ceramic consisting of 64 volume percent silicon carbide and 36 volume percent zirconium boride was laminated on the entire or part of the bottom and surface of the molded body.
この成形体が、ホットプレス装置の中へ装入され、実施
例1と同様にして、ヒータが作製された。This molded body was charged into a hot press apparatus, and a heater was produced in the same manner as in Example 1.
このヒータは、1,350℃近傍迄繰り返し加熱しても
、割れの発生及び熱暴走が起らず、健全であった。Even when this heater was repeatedly heated to around 1,350° C., no cracking or thermal runaway occurred, and it was sound.
〈実施例4〉
平均粒径約3μmの窒化アルミニウム粉末に対し、ポリ
ビニル・ブチラールを6重量パーセント加え、さらにト
リクロールエチレンを加えてスラリー(泥しよう)が作
製された。このスラリーをドクターブレード法によりキ
ャスティングして厚さ1.2閣の絶縁性基材用のグリー
ンシートが作製され、それから直径170amの円板状
シートが切り出された。<Example 4> A slurry was prepared by adding 6 weight percent of polyvinyl butyral to aluminum nitride powder having an average particle size of about 3 μm, and further adding trichlorethylene. A green sheet for an insulating base material having a thickness of 1.2 mm was prepared by casting this slurry by a doctor blade method, and a disc-shaped sheet having a diameter of 170 am was cut from the green sheet.
平均粒径約0.7μmの窒化ケイ素粉末40容積パーセ
ント、同じく2μmの窒化チタン粉末60容積パーセン
トを混合した粉末100重量部に対して、9重量パーセ
ントの酸化イツトリウム(y2o3)と4重量パーセン
トの酸化アルミニウムを加え、更にエチルセルロース及
びテレピネオールを適量加えて発熱部用の導電性ペース
トが作製された。同様にして、平均粒径約0.7μmの
窒化ケイ素粉末50容積パーセントに対して、窒化チタ
ンの代わりに平均粒径約3μmの窒化タンタルを50容
積パーセント加えて、導電部用の導電性ペーストが作製
された。この導電部用ペースト成分の材料は、前記発熱
部用ペースト成分の材料に比して、抵抗率が約1指示さ
い。9 weight percent of yttrium oxide (y2o3) and 4 weight percent of oxide were added to 100 parts by weight of a powder that was a mixture of 40 volume percent of silicon nitride powder with an average particle size of about 0.7 μm and 60 volume percent of titanium nitride powder with an average particle size of 2 μm. A conductive paste for a heat generating part was prepared by adding aluminum and appropriate amounts of ethyl cellulose and terpineol. Similarly, 50 volume percent of tantalum nitride with an average particle size of about 3 μm was added instead of titanium nitride to 50 volume percent of silicon nitride powder with an average particle size of about 0.7 μm to prepare a conductive paste for conductive parts. Created. The material of the paste component for the conductive part has a resistivity of about 1 order compared to the material of the paste component for the heat generating part.
これらの導電性ペーストとスクリーンメツシュを用いて
、第2図に示すように、前記絶縁性基材用のグリーンシ
ート2の上に、厚さ約50μmの発熱部4と厚さ約90
μmの導電部5とから成るヒータ通電回路が印刷された
。印刷回路の端部に、窒化アルミニウムグリーンシート
の場合と同様にして作製された、50容積パーセントの
窒化ケイ素と50容積パーセントの窒化チタンから成る
導電性グリーンシートから切り出された電極3が配置さ
れた。さらにその上に、前記!!1!!m性基材用のグ
リーンシート、または、窒化アルミニウム粉末が積層・
プレスされて、ヒータの成形体が作製された。この時に
、第1図、第3図及び第4A図に示すように、成形体の
上下表面の全面または一部に、50容積パーセントの窒
化チタンから成る複合セラミックスの層が形成された。Using these conductive pastes and screen mesh, as shown in FIG.
A heater energization circuit consisting of a .mu.m conductive section 5 was printed. At the ends of the printed circuit were placed electrodes 3 cut from a conductive green sheet made of 50 volume percent silicon nitride and 50 volume percent titanium nitride, prepared in the same way as for the aluminum nitride green sheets. . And on top of that, said! ! 1! ! Green sheets for m-based substrates or aluminum nitride powder laminated/
A heater molded body was produced by pressing. At this time, as shown in FIGS. 1, 3, and 4A, a composite ceramic layer consisting of 50 volume percent titanium nitride was formed on all or part of the upper and lower surfaces of the compact.
この複合セラミックスの熱膨張係数は、窒化アルミニウ
ムの熱膨張係数よりも大きい。The thermal expansion coefficient of this composite ceramic is larger than that of aluminum nitride.
この成形体が、ホットプレス装置の中へ装入され、室温
で一旦真空に引いた後、1気圧中の窒素中で、1,75
0℃に60分保持され緻密に焼結された。この、焼結体
から、第1図、第3図及び第4A図に示すような、幅約
8I、長さ約80nn+、厚さ約3Iのヒータが切り出
された。This molded body was charged into a hot press device, and after being evacuated at room temperature, it was heated to 1,75
It was kept at 0° C. for 60 minutes and sintered densely. A heater having a width of about 8I, a length of about 80 nn+, and a thickness of about 3I as shown in FIGS. 1, 3, and 4A was cut out of this sintered body.
本ヒータは、1,300℃近傍迄繰り返し加熱されても
、破損は起らなかった。Even when this heater was repeatedly heated to around 1,300°C, no damage occurred.
〈実施例5〉
平均粒径1μmの酸化アルミニウム粉末に対し、ポリビ
ニル・ブチラールを10重量パーセント加え、さらにト
リクロールエチレンを加えてスラリー(泥しよう)が作
製された。このスラリーをドクターブレード法によりキ
ャスティングして厚さ1.2mの11!!縁性基材用の
グリーンシートが作製され、それから直径170mmの
円板状シートが切り出された。<Example 5> A slurry was prepared by adding 10 weight percent of polyvinyl butyral to aluminum oxide powder having an average particle size of 1 μm, and further adding trichlorethylene. This slurry was casted using the doctor blade method to a thickness of 1.2m. ! A green sheet for the edged substrate was prepared, and a disc-shaped sheet with a diameter of 170 mm was cut from it.
平均粒径約2μmの酸化アルミニウム粉末40容積パー
セント、同じく3μmのホウ化タンタル粉末60容積パ
ーセントを混合した粉末100重量部に対して、1重量
パーセントの酸化アルミニウムを加え、更にエチルセル
ロース及びテレピネオールを適量加えて発熱部用の導電
性ペーストが作製された。同様にして、ホウ化タンタル
の代わりに平均粒径3〜5μmのホウ化ジルコニウムの
粉末を50容積パーセント加えて、導電部用の導電性ペ
ーストが作製された。To 100 parts by weight of a mixed powder of 40 volume percent aluminum oxide powder with an average particle size of about 2 μm and 60 volume percent tantalum boride powder with an average particle size of 3 μm, 1 weight percent aluminum oxide was added, and appropriate amounts of ethyl cellulose and terpineol were added. A conductive paste for the heat generating part was prepared. Similarly, a conductive paste for a conductive part was prepared by adding 50 volume percent of zirconium boride powder having an average particle size of 3 to 5 μm instead of tantalum boride.
これらの導電性ペーストとスクリーンメツシュを用いて
、第2図に示すように、前記絶縁性基材用のグリーンシ
ート2の上に、厚さ約70μmの発熱部4と厚さ約90
μmの導電部5とから成るヒータ通電回路が印刷された
。導電部の幅を、発熱部の幅より大きくしてもよい。該
印刷回路の端部に、酸化アルミニウムグリーンシートの
場合と同様にして作製した、50容積パーセントの酸化
アルミニウムと50容積パーセントのホウ化ジルコニウ
ムから成る導電性グリーンシートから切り出された電極
3が配置された。さらにその上に、前記絶縁性基材用の
グリーンシート、または、酸化アルミニウム粉末が積層
・プレスされ、ヒータの成形体が作製された。この成形
体の上に、酸化アルミニウムと10容積パーセントの酸
化マグネシウムから成る複合セラミックスが積層された
。Using these conductive pastes and screen meshes, as shown in FIG.
A heater energizing circuit consisting of a .mu.m conductive section 5 was printed. The width of the conductive part may be larger than the width of the heat generating part. At the ends of the printed circuit, electrodes 3 cut out from a conductive green sheet made of 50 volume percent aluminum oxide and 50 volume percent zirconium boride, prepared in the same manner as in the case of the aluminum oxide green sheet, are placed. Ta. Furthermore, the green sheet for the insulating base material or the aluminum oxide powder was laminated and pressed on top of the green sheet to produce a molded body of the heater. A composite ceramic consisting of aluminum oxide and 10 volume percent magnesium oxide was laminated onto this compact.
この成形体が、ホットプレス装置の中へ装入され、真空
中で、無加圧で、1,750℃に60分保持され緻密に
焼結された。この、焼結体から、第1図、第3図及び第
4A図に示すような、輻約8mm、長さ約8C)m+、
厚さ約3面のヒータが切り出された。This molded body was charged into a hot press apparatus and maintained at 1,750° C. for 60 minutes in a vacuum without applying pressure to be densely sintered. From this sintered body, as shown in FIGS. 1, 3, and 4A, a diameter of about 8 mm and a length of about 8 C) m+,
A heater with a thickness of about 3 sides was cut out.
本ヒータは、1,200℃近傍迄繰り返し加熱されても
、破損しなかった。This heater did not break even when repeatedly heated to around 1,200°C.
〈実施例6〉
平均粒径1μmの窒化ケイ素粉末に対し、焼結助剤とし
て9重量パーセントの酸化イツトリウム(Y2O2)と
4重量パーセントの酸化アルミニウムを加え、さらに5
% PVA (ポリビニルアルコール)溶液を10%加
えて、らいかい機で混合した。この混合粉を盤状に成形
するに際し、その内部にタングステンまたはモリブデン
の金属線(または帯状板)から成る発熱・導電回路が埋
め込まれた。この時、導電回路と幅と厚みを発熱回路の
それよりも大きくし、導電回路の電気抵抗を小さくして
発熱量を小さくした。<Example 6> To silicon nitride powder with an average particle size of 1 μm, 9% by weight of yttrium oxide (Y2O2) and 4% by weight of aluminum oxide were added as sintering aids, and further 5% by weight of aluminum oxide was added.
A 10% PVA (polyvinyl alcohol) solution was added and mixed using a sieve machine. When this mixed powder was formed into a disk shape, a heat generating/conductive circuit made of tungsten or molybdenum metal wires (or strip plates) was embedded inside the disk. At this time, the width and thickness of the conductive circuit were made larger than those of the heat generating circuit, and the electrical resistance of the conductive circuit was reduced to reduce the amount of heat generated.
この成形体の上下表面に、窒化ケイ素と30容積%の窒
化チタンから成る複合セラミックスの成形体または粉末
が積層された。この複合セラミックスの熱膨張係数が窒
化ケイ素の熱膨張係数よりも大きく、焼結体の内部の窒
化ケイ素及びその中に埋設されているタングステンまた
はモリブデンの発熱・導電回路に対しても、圧縮応力が
作用するために、1,300℃以上の急速かつ長時間加
熱に際しても、本ヒータは破損しなかった。A molded body or powder of a composite ceramic consisting of silicon nitride and 30% by volume titanium nitride was laminated on the upper and lower surfaces of this molded body. The coefficient of thermal expansion of this composite ceramic is larger than that of silicon nitride, and compressive stress is applied to the silicon nitride inside the sintered body and the heat generating/conductive circuit of tungsten or molybdenum embedded therein. Because of this effect, this heater did not break even when heated rapidly and for a long time at 1,300°C or higher.
本ヒータは、成形体を、ホットプレス装置の中へ装入し
、窒素1気圧中で、300kg/a&の加圧をかけ、1
,750℃に60分保持して緻密に焼結された。In this heater, the molded body is charged into a hot press device, and a pressure of 300 kg/a& is applied in 1 atm of nitrogen.
, and was held at 750°C for 60 minutes to be densely sintered.
本発明によれば、表面層として、内部の絶縁材よりも熱
膨張係数が大きく、耐熱及び耐酸化性に優れたセラミッ
クスが配置されるので、急速加熱に際しても、ヒータの
破損が起こり難く、従来のヒータよりも高温まで高強度
を保ち、かつ、より優れた耐酸化性を発揮するとともに
寿命が延長される効果を奏する。According to the present invention, since the surface layer is made of ceramic which has a larger coefficient of thermal expansion than the internal insulating material and has excellent heat resistance and oxidation resistance, the heater is less likely to be damaged even during rapid heating. It maintains high strength up to high temperatures, exhibits better oxidation resistance, and has a longer lifespan than other heaters.
更に、本発明によれば、発熱部材の電気抵抗率よりも小
さい電気抵抗率の材料が導電回路に用いられるので、ヒ
ータ先端の温度に比して、他端の電極部近傍の温度を、
従来よりも著しく低い温度に保つことができ、電極部と
リード線接続部の劣化が防止される効果がある。Further, according to the present invention, since a material having an electrical resistivity lower than that of the heat generating member is used for the conductive circuit, the temperature near the electrode at the other end is lower than the temperature at the tip of the heater.
The temperature can be kept significantly lower than in the past, which has the effect of preventing deterioration of the electrode section and lead wire connection section.
第1図は本発明の一実施例のセラミックヒータの斜視図
、第2図は第1図のA−A’線に沿った断面を示す斜視
図、第3図及び第4A、4B図は他の一実施例のセラミ
ックヒータの斜視図、第5図は第1図のセラミックヒー
タ表面に於ける温度分布の例を示すグラフ、第6図は発
熱部及び導電部材料の抵抗率とホウ化物の混合率の関係
の一例を示すグラフ、第7図は各構成材料の熱膨張係数
の例を示すグラフである。
1・・・複合セラミックス、2・・・絶縁性セラミック
ス、3・・・電極、4・・・発熱部、5・・・導電部。Fig. 1 is a perspective view of a ceramic heater according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a perspective view showing a cross section taken along the line AA' in Fig. 1, and Figs. FIG. 5 is a graph showing an example of temperature distribution on the surface of the ceramic heater shown in FIG. 1. FIG. A graph showing an example of the relationship between mixing ratios, and FIG. 7 is a graph showing an example of the coefficient of thermal expansion of each constituent material. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Composite ceramics, 2... Insulating ceramics, 3... Electrode, 4... Heat generating part, 5... Conductive part.
Claims (1)
ラミックス中に内蔵したセラミックヒータにおいて、前
記絶縁性セラミックスと隣接する表面層が、2種類以上
のセラミックスを含む複合セラミックスで構成され、該
複合セラミックスの熱膨張係数が前記絶縁性セラミック
スの熱膨張係数よりも大きな値であることを特徴とする
セラミックヒータ。 2、発熱部を構成する導電性材料の電気抵抗率よりも導
電部を構成する導電性材料の電気抵抗率が小さいことを
特徴とする請求項1に記載のセラミックヒータ。 3、導電性材料が、周期率表中のIVa、Va、またはV
Ia族元素のホウ化物、炭化物、ケイ化物、及び窒化物
の中の1種以上の化合物からなることを特徴とする請求
項1または2に記載のセラミックヒータ。 4、導電性材料が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アル
ミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの中の
1種以上の化合物と周期率表中のIVa、Va、またはV
Ia族元素のホウ化物、炭化物、ケイ化物、及び窒化物
の中の1種以上の化合物とからなることを特徴とする請
求項1乃至3のいずれかの項に記載のセラミックヒータ
。 5、導電性材料が、タングステン、モリブデン、タンタ
ル等の耐熱金属からなることを特徴とする請求項1また
は2に記載のセラミックヒータ。 6、絶縁性セラミックスが、窒化ケイ素、サイアロン、
窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、酸
化ジルコニウムの中の1種以上の化合物からなることを
特徴とする請求項1または2に記載のセラミックヒータ
。 7、複合セラミックスが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒
化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム
の中の1種以上の化合物と周期率表中のIVa、Va、ま
たはVIa族元素のホウ化物、炭化物、ケイ化物、及び窒
化物の中の1種以上の化合物とからなることを特徴とす
る請求項1または2に記載のセラミックヒータ。 8、絶縁性セラミックスに圧縮応力が加わっていること
を特徴とする請求項1乃至7のいずれかの項に記載のセ
ラミックヒータ。 9、発熱部及び導電部からなる通電回路が印刷法により
形成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいず
れかの項に記載のセラミックヒータ。[Claims] 1. A ceramic heater in which a heat generating part and a conductive part made of a conductive material are built into an insulating ceramic, wherein the surface layer adjacent to the insulating ceramic is a composite containing two or more types of ceramics. A ceramic heater made of ceramic, characterized in that the composite ceramic has a coefficient of thermal expansion larger than that of the insulating ceramic. 2. The ceramic heater according to claim 1, wherein the electrical resistivity of the conductive material constituting the conductive part is lower than the electrical resistivity of the conductive material constituting the heat generating part. 3. The conductive material is IVa, Va, or V in the periodic table.
The ceramic heater according to claim 1 or 2, comprising one or more compounds among borides, carbides, silicides, and nitrides of Group Ia elements. 4. The conductive material is one or more compounds among silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and zirconium oxide, and IVa, Va, or V in the periodic table.
The ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ceramic heater is made of one or more compounds among borides, carbides, silicides, and nitrides of Group Ia elements. 5. The ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein the conductive material is made of a heat-resistant metal such as tungsten, molybdenum, tantalum, or the like. 6. Insulating ceramics include silicon nitride, sialon,
The ceramic heater according to claim 1 or 2, comprising one or more compounds selected from aluminum nitride, boron nitride, aluminum oxide, and zirconium oxide. 7. The composite ceramic is made of one or more compounds among silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and zirconium oxide, and borides, carbides, and silicides of group IVa, Va, or VIa elements in the periodic table. The ceramic heater according to claim 1 or 2, comprising: and one or more compounds among nitrides. 8. The ceramic heater according to any one of claims 1 to 7, wherein compressive stress is applied to the insulating ceramic. 9. The ceramic heater according to any one of claims 1 to 8, wherein the current-carrying circuit consisting of the heat generating part and the conductive part is formed by a printing method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24907890A JPH04129189A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Ceramic heater |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP24907890A JPH04129189A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Ceramic heater |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH04129189A true JPH04129189A (en) | 1992-04-30 |
Family
ID=17187677
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP24907890A Pending JPH04129189A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Ceramic heater |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04129189A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015032523A (en) * | 2013-08-06 | 2015-02-16 | コバレントマテリアル株式会社 | Silicon carbide heating element and method of manufacturing the same |
JP2015197952A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-09 | イビデン株式会社 | Method of manufacturing ceramic heater |
US10707067B2 (en) | 2016-09-22 | 2020-07-07 | Heraeus Noblelight Gmbh | Infrared radiating element |
KR102577676B1 (en) * | 2023-02-01 | 2023-09-12 | 주식회사 넘버제로 | A PTC heating film with improved energy efficiency and manufacturing methods thereof |
-
1990
- 1990-09-19 JP JP24907890A patent/JPH04129189A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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