JPH08109063A

JPH08109063A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JPH08109063A
Application number: JP7210072A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Noda; 芳朗野田; Yoshiro Suematsu; 義朗末松; Toshihiko Aoyama; 俊彦青山; Yoshitake Kawachi; 良毅川地
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1996-04-30
Anticipated expiration: 2015-07-25
Also published as: JP3125976B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温雰囲気下においても、発熱体の抵抗変化
等を生じ難く、また、セラミックス基部と発熱体との密
着性に優れたセラミックヒータを提供する。【解決手段】Ａｌ₂Ｏ₃粉末９３．４０％に、助剤成
分としてＳｉＯ₂粉末５．４５％、ＭｇＯ粉末０．２３
％、ＣａＯ粉末０．９２％及びＹ₂Ｏ₃粉末５．００％
を配合し〔以上、いずれも重量％〕、これに溶剤等を加
え、ボールミルによって混合し、減圧脱泡した後、ドク
ターブレード法によって厚さ０．４ｍｍのグリーンシー
ト２枚を作製した。その後、１枚のグリーンシートの表
面にタングステンペーストを印刷して発熱パターンを形
成し、次いで、その上に他のグリーンシートを積層して
セラミックヒーター成形体を得た。その後、水素雰囲気
中、１５５０℃で焼成し、セラミックス基部と発熱抵抗
体とが一体化されたセラミックヒータを得た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナを基体と
するセラミックスを用いたセラミックヒータに関する。
本発明のセラミックヒータは、自動車用酸素センサ及び
グローシステム、半導体加熱用セラミックヒータ並びに
石油ファンヒータ等の石油気化器用熱源などに利用され
る。

【０００２】

【従来の技術】セラミックヒータは高温において安定で
あるため、従来より、例えば自動車用酸素センサ或いは
グローシステム等の高温に晒される用途に使用されてい
る。これらセラミックヒータとしては、セラミックスか
らなる基部の表面に導電材料とセラミックス添加剤から
なる発熱パターンが形成され、それが焼成されたものが
知られている。この基部を構成するセラミックスとして
は、例えば、低ソーダアルミナに焼結助剤を添加したセ
ラミックス原料を焼成して得られるアルミナ焼結体が多
用されており、その他、高純度アルミナも使用されてい
る。

【０００３】また、この種のセラミックヒータにおいて
は、昇温速度をより早くするため、抵抗の低い発熱体の
需要が増大しており、焼成されてそのような発熱抵抗体
となる発熱パターンを形成するための原料としては、例
えば、導電材料である白金等の金属にセラミックス添加
剤を共素地として使用したものなどが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
基部を構成するセラミックスと、発熱パターン形成用の
抵抗体原料を使用した従来のセラミックヒータでは、セ
ラミックスの基部と発熱抵抗体との密着性に劣るとの問
題がある。更に、例えば、自動車の酸素センサなどのよ
うに高温下で使用した場合、不純物等としてアルミナ中
に含有されているアルカリ金属やアルカリ土類金属の陽
イオンが移動する、いわゆるマイグレーションと呼ばれ
る現象を生ずる。これら陽イオンは陰極端子側に偏析
し、時間の経過とともに発熱抵抗体が劣化してその抵抗
が高くなることがあり、それによって発熱抵抗体が断線
したり、或いはセラミックスからなる基部に亀裂を生ず
ることがある。

【０００５】上記の問題を解決するため、従来より、セ
ラミックヒータの構造及び基部を構成するセラミックス
の組成或いは発熱パターンを形成する抵抗体材料等、構
造、材料両面からの改良が試みられている。例えば、
(1) 特開平４−３２９２８９号公報、(2) 特開平５−５
１２７５号公報及び(3) 特開平３−２２３１５７号公報
などが知られている。これらのうち上記(1) は高温環境
下におけるヒータの長寿命化を発熱パターンの改良によ
り達成しようとするものであり、セラミックスの組成或
いは抵抗体材料等原材料面からの根本的な解決策とはな
らない。

【０００６】また、上記(2) 及び(3) は原材料面からの
改良を図ったものであり、マイグレーションによるセラ
ミックヒータの劣化又は断線を防止するため、マイグレ
ーションする成分を可能な限り低減している。しかし、
これら成分は不可避不純物として含まれるものでもあ
り、その量の低減には自ずから限度があり、耐久性の飛
躍的向上は望めない。更に、(2) では密着性の向上に関
して、発熱パターンを形成する抵抗体材料に、基部を構
成するセラミックスと同種の材料を配合した共素地を用
いることにより対応しているが、この場合セラミックヒ
ータの抵抗の制御が難しくなるという問題がある。

【０００７】本発明は、上記従来のセラミックヒータの
有する問題点を解決するものであり、ヒータ用セラミッ
クスの原材料及びその使用割合を特定することにより、
相対密度９４％以上の緻密な焼結体が得られ、且つ、セ
ラミックヒータの耐久性及び基部となるセラミックス
と、発熱抵抗体との密着性に優れたセラミックヒータを
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１発明のセラミックヒ
ータは、セラミックスからなる基部と、該基部内に少な
くとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミ
ックヒータにおいて、上記セラミックスは、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量を１００
重量％とした場合に、９１〜９７重量％のＡｌ₂Ｏ₃、
１〜８重量％のＳｉＯ₂、０．２〜１．２重量％のＭｇ
Ｏ及び０．２〜１．２重量％のＣａＯを含有し、且つ上
記ＭｇＯと上記ＣａＯの合計量が０．４〜１．８重量％
であり、また、上記Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及び
ＣａＯの合計量１００重量％に対し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍ
ｇ、Ｃａを除く元素及びそれらの酸化物〔希土類元素及
び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa
族元素及びそれらの酸化物を除く。〕を、その総量で
０．２重量％以下含有することを特徴とする。

【０００９】また、第２発明は、大気雰囲気下、上記セ
ラミックヒータに通電して該セラミックヒータの上記発
熱部の表面温度を１１００℃に加熱したときの、上記発
熱抵抗体が断線に至る時間が６００時間以上、且つ端子
をロー材接合したときの、上記セラミックスと上記発熱
抵抗体により構成される端子部との密着強度が１．０ｋ
ｇ／ｍｍ²以上であり、第３発明は、上記ＭｇＯと上記
ＣａＯの合計量が１．１〜１．８重量％であり、且つ上
記密着強度が１．５ｋｇ／ｍｍ²以上であることを特徴
とする。

【００１０】更に、第４発明のセラミックヒータは、セ
ラミックスからなる基部と、該基部内に少なくとも発熱
部が埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータ
において、上記セラミックスは、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ
Ｏ₂、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量を１００重量％とした
場合に、９１〜９７重量％のＡｌ₂Ｏ₃、１〜８重量％
のＳｉＯ₂、０．２〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２
〜１．２重量％のＣａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上
記ＣａＯの合計量が０．４〜１．８重量％であり、ま
た、上記Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及びＣａＯの合
計量１００重量％に対し、酸化物換算で０．１〜１５重
量％の希土類元素及び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは
除く。）、Va、VIa 族元素のうちの１種以上を含有する
ことを特徴とする。

【００１１】上記「Ａｌ₂Ｏ₃」が９１重量％未満で
は、上記「セラミックス」と上記「発熱抵抗体」との密
着性には優れるものの、相対的に助剤成分の割合が高く
なってセラミックヒータの耐久性が劣化する。一方、９
７重量％を越える場合は、耐久性には優れるものの、相
対的に助剤成分の割合が低くなって密着性が低下する。
また、優れた焼結性（相対密度によって評価する。）、
耐久性及び密着性を有するセラミックスとするために
は、「一定量のＳｉＯ₂、ＭｇＯ及びＣａＯ」を含有し
なければならないが、この含有量が多すぎると耐久性が
劣化する。

【００１２】更に、「ＭｇＯとＣａＯの合計量」が０．
４重量％未満では焼結性及び耐久性が低下し、１．８重
量％を越えると耐久性が劣化する。また、ＳｉＯ₂が１
重量％未満では密着性が低下する傾向にあり、８重量％
を越えると高温における電気絶縁性が劣化する。更に、
ＭｇＯが０．２重量％未満では、焼結性及び密着性が低
下し、１．２重量％を越えると耐久性が劣化する。一
方、ＣａＯが０．２重量％未満では、焼結性が低下し、
１．２重量％を越えると耐久性が劣化する。

【００１３】また、上記「Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａを
除く元素及びそれらの酸化物〔但し、希土類元素及び元
素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元
素及びそれらの酸化物を除く。〕」（以下、主成分以外
の元素等という。）の総量が０．２重量％を越えると耐
久性が劣化する。この主成分以外の元素等としては、例
えばＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓ、Ｇａなど
の元素及びそれらの酸化物が挙げられる。これら元素及
びその酸化物は、原料中に元々含まれているものの他、
調合時に混入する場合もあり、更にはＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ
などを上記範囲内の量となるように別途添加して少量存
在させることにより、焼結性を高めることもできる。

【００１４】更に、第４発明における上記「希土類元素
及び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、VI
a 族元素のうちの１種以上」（以下、希土類元素等とい
う。）が、酸化物換算で０．１〜１５重量％の範囲であ
れば、そのうちの一部が粒界に存在して発熱抵抗体材料
中に含まれるタングステン等のマイグレーションを妨
げ、セラミックヒータの耐久性がより向上する。また、
タングステン等をメタライズした部分における上記各元
素のアンカー効果により、密着性もより優れたものとな
る。

【００１５】上記の希土類元素等が０．１重量％未満で
は、密着性がやや低下する傾向にあり、希土類元素等を
添加することによる効果が小さい。また、１５重量％を
越えると耐久性、密着性ともに大きく低下する。尚、希
土類元素としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹｂ等の元素が挙げら
れる。尚、この第４発明においても、第１発明と同様に
Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｔｉ等の主成分以外の元素等の総量が
０．２重量％以下であればより好ましい。

【００１６】特定のセラミックスを基部とする本発明の
セラミックヒータは、耐久性に優れることを最も大きな
特徴とする。本発明においてこの耐久性とは、大気雰囲
気下、セラミックヒータに通電して、セラミックヒータ
の発熱部の表面温度を１１００℃に加熱したときの、発
熱抵抗体が断線に至るまでの時間によって評価するもの
である。尚、前記発熱抵抗体としては高融点金属、好ま
しくは白金、タングステン、モリブデン等の金属を使用
することができる。

【００１７】セラミックヒータの断線メカニズムについ
ては、例えば、特開平４−３２９２８９号公報や特開平
５−５１２７５号公報にも述べられているように、一般
に以下のように考えられている。セラミックス中に存在
する微量成分のマイグレーションにより、例えばアルカ
リ金属或いはアルカリ土類金属の陽イオンが陰極側に移
動する。一方、酸素イオンが陽極側に移動し、発熱抵抗
体を構成する高融点金属と反応して、例えばタングステ
ンを使用しておれば酸化タングステンを生じる。その
際、体積膨張により基部を構成するセラミックスにクラ
ックを生じ、そのクラックを通じて侵入する外気酸素に
より更に急激に酸化され、その結果、陽極側端子部、メ
タライズ部及びリード部を含む発熱抵抗体の剥離、崩壊
を生ずることになる。また、発熱抵抗体を構成する金属
が白金の場合には、高温高圧下において白金のマイグレ
ーションが発生し、やがては白金の消耗、断線に到って
しまう恐れがある。

【００１８】一方、特定のセラミックスを使用した本発
明のセラミックヒータは、耐久性に優れたものとなる
が、終極的には断線に至る。そのメカニズムは、高温雰
囲気における直流高電圧下で発熱抵抗体、例えばタング
ステンが高電位側から低電位側へマイグレーションし、
その結果、陽極側のタングステンが減少して断線する消
耗断線と考えられる。それは上記公報で説明されている
ようなタングステン等の酸化が、断線に至るまで認めら
れなかったことによっても裏付けられる。

【００１９】上記のようなタングステンのマイグレーシ
ョンを抑制するには、助剤成分であるＭｇＯ、ＣａＯの
添加量を所定の条件に合致させた上で、更にアルカリ金
属及びその酸化物等の量を、焼結性を考慮しながら可能
な限り抑え、マイグレーションのパス（通路）となる粒
界の粘性を上げることが有効である。また、粒界ポアを
少なくして焼結体の緻密度を一定以上（９４％以上）と
することなども有効である。更に、希土類元素等の添加
もマイグレーションを抑止する効果があり、その理由は
これら元素が粒界に存在することにより、タングステン
マイグレーションの障害になるためであると考えられ
る。

【００２０】また、セラミックヒータの性能として、耐
久性（断線に至るまでの時間）の他に、基部セラミック
スと、発熱抵抗体を構成する金属成分との密着性が高い
ことが必要である。特に発熱抵抗体に通電するための端
子部においては、ニッケルメッキを施した後、リード線
引出用端子がロー付けにより接合されるが、密着性が低
いと端子部が基部セラミックスから剥離し易い。このよ
うな剥離を防止するためには密着強度（端子部分での基
部セラミックスと発熱抵抗体との接合強度）が１ｋｇ／
ｍｍ²以上であることが好ましい。また、端子部にリー
ド線引出用端子をロー付け接合せず、相対する外部端子
と押圧的に面接触により通電させる場合においても、上
記密着性が低いと端子部のメタライズ層の摩耗が大きく
なり、剥離を生じ易くなるため、高い密着強度であるこ
とが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックヒータは、平
板状或いは丸棒状等の形状のものとすることができる。
平板状セラミックヒータの場合、アルミナ材質の２枚の
グリーンシートの間に、タングステン等の高融点金属か
らなる発熱パターンを設け、これらを一体に焼成するこ
とにより得られる。上記発熱パターンは焼成されて発熱
抵抗体となり、その先端側には発熱部が、後端側にはリ
ード部を介して電極端子部が形成され、使用時には、こ
の部分にリード線引き出し用端子が接合され、電源に接
続される。

【００２２】一方、発明の実施の他の形態として、丸棒
状セラミックヒータを成形した。このヒータも基本構造
は平板状のものと同様であるが、電極端子部近傍の構造
がやや複雑になっている。即ち、表面側となるグリーン
シートの電極端子部が形成される位置にスルーホールを
設け、このスルーホールを介して電極端子部と発熱抵抗
体後端の端末部とが接続される構造にしたものである。
そして、このスルーホールが設けられたグリーンシート
に、他のグリーンシートを圧着し、一体となったものを
アルミナ製管状体に巻着し、焼成することにより丸棒状
ヒータが得られる。使用時には、電極端子部にリード線
引き出し用端子が接合され、電源に接続される。

【００２３】

【実施例】以下、実験例及び比較実験例により、特定の
セラミックスを使用して作製した本発明のセラミックヒ
ータの性能を詳細に説明する。 (1) セラミックヒータの構造平板状セラミックヒータ図１は平板状セラミックヒータの分解斜視図である。こ
のセラミックヒータは、アルミナ材質のグリーンシート
が焼成されてなる層（以下、焼成セラミックス層とい
う。）１ａ、１ｂの間に、タングステンからなる発熱抵
抗体２を設けたものである。発熱抵抗体２は、その先端
側の発熱部２１と、後端側に配置されて電源に接続され
る陽極側端子部２２ａ、陰極側端子部２２ｂと、発熱部
２１と両端子部２２ａ、２２ｂとを結ぶリード部２３
ａ、２３ｂにより構成されている。

【００２４】また、焼成セラミックス層１ａは、１ｂに
比べて少し短くなっており、端子部２２ａ、２２ｂは、
焼成セラミックス層１ａによって覆われておらず、この
両端子部２２ａ、２２ｂにリード線引出し用端子（図示
せず）がロー付けされる。尚、焼成セラミックス層１
ａ、１ｂを同じ長さとし、両端子部２２ａ、２２ｂが露
出するように、焼成セラミックス層１ａの対応する部位
を切り欠いてもよいし、対応部位に貫通孔を設けてもよ
い。

【００２５】丸棒状セラミックヒータ図２は、丸棒状セラミックヒータの分解斜視図（ａ）及
び丸棒状セラミックヒータと、陽極側及び陰極側端子部
２２ａ、２２ｂにロー付接合する前の陽極側及び陰極側
リード線引き出し用端子５ａ、５ｂと、を表す斜視図
（ｂ）である。このセラミックヒータは、アルミナ材質
の焼成セラミックス層１ａ及び１ｂの間に、タングステ
ンからなる発熱抵抗体２を設けたものである。焼成セラ
ミックス層１ａを構成することとなるグリーンシートに
は、後に説明するように陽極側及び陰極側端子部にあた
る位置にスルーホールを設けておく。そして圧着された
グリーンシートがアルミナ製管状体４に巻着され、焼成
されて丸棒状セラミックヒータが形成される。尚、管状
体４は円柱状であってもよいが、図示の通りの円管状の
ほうが強度上好ましい。

【００２６】上記発熱抵抗体２は、その先端側の発熱部
２１と、後端側の陽極側端末部２２ａ’及び陰極側端末
部２２ｂ’と、発熱部２１と両端末部２２ａ’、２２
ｂ’とを結ぶリード部２３ａ、２３ｂと、焼成セラミッ
クス層１ａに設けられたスルーホール３に形成された導
通部、及び該導通部を通じて、この両端末部２２ａ’、
２２ｂ’と各々導通されている陽極側端子部２２ａ及び
陰極側端子部２２ｂにより構成されている。更に、これ
ら両端子部２２ａ、２２ｂには、電源に接続されるリー
ド線引き出し用端子５ａ、５ｂが接合される。

【００２７】(2) セラミックヒータの作製方法セラミックヒータを構成するセラミックスからなる基部
は、２枚のグリーンシートを使用して作製した。平板状セラミックヒータ a) グリーンシートの作製Ａｌ₂Ｏ₃粉末（純度；９９．９％、平均粒径；１．８
μｍ）と、焼結助剤であるＳｉＯ₂（純度；９９．９％
以上、平均粒径；１．４μｍ）、ＣａＯとなるＣａＣＯ
₃（純度；９９．９％以上、平均粒径；３．２μｍ）、
ＭｇＯとなるＭｇＣＯ₃（純度；９９．９％以上、平均
粒径；４．１μｍ）及び必要に応じて添加される他の微
量成分粉末からなる所定割合で配合された配合物１００
重量部に対し、ポリビニルブチラール８重量部、ＤＢＰ
４重量部、メチルエチルケトン１８重量部及びトルエン
７０重量部を添加し、ボールミルで混合してスラリ状と
した。

【００２８】その後、減圧脱泡し、ドクターブレード法
によって厚さ０．４ｍｍの２枚の平板状ヒータ用のグリ
ーンシートを作製した。尚、実験例１４〜２６及び比較
実験例８〜１０は、実験例１の配合物に更に希土類元素
等（いずれも純度；９９．９％以上、平均粒径；１．５
μｍ以下）を所定量添加したものである。また、調合は
後記の表１に示す実験例１と同等の主成分組成を有する
ポット及び球石を用いて実施した。焼結助剤や希土類元
素等の添加は、アルコキシド等を用いて行ってもよい。

【００２９】b) 発熱パターンの印刷上記のようにして得られた一のグリーンシートの表面
に、予め調製されたタングステンペーストを、厚膜印刷
法により３０μｍの厚さにスクリーン印刷し、発熱抵抗
体２を構成することとなる発熱パターンを形成した。 c) セラミックヒータ成形体の作製次いで、他のグリーンシートを、一のグリーンシートの
発熱パターンを印刷した面に圧着し、積層してセラミッ
クヒータ成形体を得た。尚、焼成後、焼成セラミックス
層１ａとなる上記他のグリーンシートは、前記の通り発
熱抵抗体２のリード部２３ａ、２３ｂの部分までを覆う
ことができ、両端子部２２ａ、２２ｂは覆わない長さと
なっている。

【００３０】d) セラミックヒータ成形体の焼成セラミックヒータ成形体を２５０℃で樹脂抜きし、その
後、水素雰囲気中、１５５０℃で焼成し、焼成セラミッ
クス層１ａ、１ｂと発熱抵抗体２とが一体化されたセラ
ミックヒータを得た。 e) リード線引き出し用端子のロー付け両端子部をニッケルメッキし、銀ロー材を用いてリード
線引き出し用端子（図示せず）を両端子部２２ａ、２２
ｂに接合した。

【００３１】丸棒状セラミックヒータ a) グリーンシートの作製作製法は平板状セラミックヒータの場合と同様である
が、厚さ０．３ｍｍ及び０．０６ｍｍの２枚のグリーン
シートを作製した。

【００３２】b) 発熱パターンの印刷厚さ０．３ｍｍのグリーンシートの一表面に、タングス
テンペーストを、タングステンペーストの粘度或いはス
クリーンマスクの乳剤厚さを変えて、１８、２３、２８
及び３３μｍの各厚さに厚膜印刷法によりスクリーン印
刷し、焼成されて発熱抵抗体２を構成することとなる発
熱パターンのうち、陽極側及び陰極側端子部（便宜上、
焼成後のものと同符号を付す。以下、発熱部、端末部、
リード部についても同様である。）２２ａ、２２ｂを除
く、発熱部２１、陽極側端末部２２ａ’、陰極側端末部
２２ｂ’及びリード部２３ａ、２３ｂを形成した。

【００３３】c) セラミックヒータ成形体の作製その後、厚さ０．３ｍｍのグリーンシートの他表面の所
定位置に、タングステンペーストを使用して厚膜印刷法
により、陽極側端子部２２ａ及び陰極側端子部２２ｂ
（面積；３×５ｍｍ）を印刷し、次いで、陽極側端末部
２２ａ’と陽極側端子部２２ａとを、及び陰極側端末部
２２ｂ’と陰極側端子部２２ｂとを各々電気的に接続す
るように、タングステンペーストをスルーホール３に充
填し、その後、このグリーンシートの一表面に厚さ０．
０６ｍｍのグリーンシートを圧着した。次いで、この厚
さ０．０６ｍｍのグリーンシートの他面にアルミナペー
スト（共素地）を塗布し、この塗布面をアルミナ製管状
体側としてアルミナ製管状体４に巻き付け、外周を押圧
してセラミックヒータ成形体を得た。

【００３４】d) セラミックヒータ成形体の焼成上記のようにして得られたセラミックヒータ成形体を２
５０℃で樹脂抜きし、その後、水素雰囲気中、１５５０
℃で焼成し、焼成セラミックス層１ａ、１ｂ、発熱抵抗
体２及びアルミナ製管状体４が一体化されたセラミック
ヒータを得た。尚、図２（ｂ）では、両端子部２２ａ、
２２ｂとリード線引き出し用端子５ａ、５ｂとの関係を
分かり易くするため、両端子５ａ、５ｂを別に図示して
あるが、実際には両端子５ａ、５ｂは、成形体が焼成に
よってセラミックヒータとされた後、陽極、陰極両端子
部２２ａ、２２ｂに各々ニッケルメッキを施した後、ロ
ー材により両端子部に接合されるものである。

【００３５】(3) セラミックヒータの性能評価平板状セラミックヒータ a) セラミックヒータの耐久性試験大気雰囲気下、セラミックヒータの発熱部の表面温度が
１１００℃になるようにセラミックヒータに直流電圧を
印加し、発熱抵抗体が断線に至るまでの経過時間を測定
した。通常、セラミックヒータの表面温度を１１００℃
にするには、常温雰囲気下では、セラミックヒータに２
０Ｖの直流電圧を印加する必要があり、雰囲気温度が１
０００℃の場合には、この印加電圧は１０Ｖ程度とすれ
ばよい。セラミックヒータの発熱部の表面温度は、非接
点式温度計を用いて発熱部表面の温度を測定して調製す
ることができる。その他、発熱部表面に予め熱電対を貼
着しておき、印加電圧と表面温度との関係を測定するこ
とにより実施することもできる。

【００３６】b) セラミックスと発熱抵抗体との密着性
試験リード線引き出し用端子（図示せず）をロー付けした
後、セラミックヒータ本体をチャックで固定し、リード
線引き出し用端子を引張速度０．０５ｃｍ／分で、ロー
付した面と平行な方向で端子部の延長線上に引っ張っ
て、端子部がセラミックスから剥離したときの荷重と端
子部の剥離面積を測定し、単位面積当たりの密着強度を
算出した。

【００３７】丸棒状セラミックヒータ a) セラミックヒータの耐久性試験セラミックヒータの抵抗値が４．５Ω（パターン層厚
さ；３３μｍ）、５．２Ω（同２８μｍ）、６．０Ω
（同２３μｍ）及び６．７Ω（同１８μｍ）である４種
類の発熱抵抗体を有するセラミックヒータについて、セ
ラミックヒータ表面の温度が約１１００℃なるように印
加電圧を設定し、直流電流を連続的に通電して断線に至
るまでの経過時間を測定した。温度調整は平板状セラミ
ックヒータの場合と同様にして行うことができる。 b) セラミックスと発熱抵抗体との密着性試験平板状セラミックヒータの場合と同様の方法により、単
位面積当たりの密着強度を算出した。

【００３８】(4) セラミックスからなる基部の性能評価
（平板状セラミックヒータ、丸棒状セラミックヒータと
もに同じ方法で評価した。） a) 組成の分析セラミックスグリーンシートをセラミックヒータ成形体
の場合と同じ条件で焼成し、得られた焼結体について、
化学分析により各元素成分量を酸化物換算で求めた。平
板状セラミックヒータについての結果を、表１、表２、
表３及び表４に示す。また、丸棒状セラミックヒータの
場合、表６の実験例２８〜３０は、それぞれ実験例１〜
３と同一の組成であり、比較実験例１１〜１２、１３〜
１４は、それぞれ比較実験例１又は５と同一の組成であ
る。尚、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯの各成
分は、これらの合計量を１００％に換算した値で示し
た。

【００３９】b) 相対密度の測定セラミックスグリーンシートを□５０ｍｍに打ち抜き、
２５０℃で樹脂抜きした後、水素雰囲気中１５５０℃で
焼成した。そして、得られた焼結体についてアルキメデ
ス法により密度を測定し、その値を理論密度で除し、相
対密度を得た。尚、理論密度は混合則により計算した。
以上、相対密度、耐久性及び密着性の測定結果を、平板
状セラミックヒータについては表１、表２に併記し、ま
た、表３及び表４の組成に対応した結果は表５に示し、
更に、丸棒状セラミックヒータについては表７に示す。
尚、表２、４において＊は数値限定を外れていることを
示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】

【表５】

【００４５】

【表６】

【００４６】

【表７】

【００４７】表１の結果によれば、本発明のセラミック
ヒータに使用したセラミックスは、相対密度は９４．８
％以上であり、セラミックヒータの耐久性はいずれも６
００時間を越えている。また、密着強度においても１．
１ｋｇ／ｍｍ²以上であり、各特性ともに優れたセラミ
ックヒーターであることが分かる。特に、ＭｇＯとＣａ
Ｏとの合計量が１．１〜１．８重量％の範囲では、主成
分以外の元素の酸化物の総量が非常に少ない実験例１３
を除いて、密着強度が１．６ｋｇ／ｍｍ²以上となって
おり、更に、ＭｇＯとＣａＯの合計量は０．９重量％と
やや低いものの、ＴｉＯ₂を含む主成分以外の元素の酸
化物の総量が上限の０．２重量％となっている実験例１
２でも、密着強度は２．０ｋｇ／ｍｍ²となっており、
より優れたものであることが分かる。尚、各表中、−は
０．００１重量％未満であることを表す。

【００４８】一方、表２の結果によれば、Ａｌ₂Ｏ₃が
下限未満で、主成分以外の元素等並びにＭｇＯとＣａＯ
の合計量が上限を越えている比較実験例１では、密着性
は非常に良好であるが耐久性が劣化している。また、主
成分以外の元素等のみが上限を越えている比較実験例
２、ＭｇＯとＣａＯとの合計量のみが上限を越えている
比較実験例３及びＭｇＯとＣａＯがそれぞれ下限未満
（合計量も下限未満となる。）である比較実験例４で
は、いずれも耐久性が劣る。

【００４９】更に、ＭｇＯが上限を越え、ＣａＯが下限
未満である比較実験例５では、耐久性、密着性ともに大
きく劣化又は低下している。また、ＭｇＯが下限未満で
あって、ＣａＯが上限を越える比較実験例６及びＡｌ₂
Ｏ₃が上限を越え（助剤成分が非常に少ない。）ている
比較実験例７では、耐久性には優れるものの、密着性は
更に低下し、０．２ｋｇ／ｍｍ²未満となっている。

【００５０】更に、表３、表４及び表５の結果によれ
ば、希土類元素等としてＹ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＮｂ等の酸
化物或いはそれらを混合して０．３〜１３重量％使用し
た場合、相対密度は９４．６％以上であり、耐久性はい
ずれも７００時間以上となっている。また、密着性にお
いても、添加量が最少である実験例２３でも１．８ｋｇ
／ｍｍ²と非常に優れており、表１に示す第１発明の場
合に比べ、全般により優れたセラミックヒータであるこ
とが分かる。

【００５１】一方、希土類元素等の添加量が下限未満で
ある比較実験例８では、密着性は実験例１４〜２７に比
べてやや低下しているものの、概ね良好な結果である。
これに対し、その添加量が上限を越える比較実験例９及
び１０では、相対密度、耐久性及び密着性ともにかなり
低下しており、希土類元素等は多量に添加した場合に特
に影響が大きいことが分かる。

【００５２】更に、表６、表７の結果によれば、丸棒状
セラミックヒータの場合も、本発明に特定されたセラミ
ックスを使用した場合は、試験時のセラミックヒータ表
面の温度がほぼ同じであれば、セラミックヒータの抵抗
及び印加電圧にはかかわりなく、耐久性はいずれも６０
０時間以上となっている。また、密着強度においても、
同一組成のセラミックスを使用した平板状セラミックヒ
ータに比べてやや低いものの、いずれも１．５ｋｇ／ｍ
ｍ²以上であり、各特性ともに優れたセラミックヒータ
であることが分かる。

【００５３】一方、比較実験例１１〜１２及び１３〜１
４では、組成が同一である比較実験例１又は５と全く同
様の傾向である。即ち、比較実験例１１〜１２では、密
着性は非常に良好であるが耐久性が劣化しており、ま
た、比較実験例１３〜１４では、耐久性、密着性ともに
大きく劣化又は低下していることが分かる。

【００５４】

【発明の効果】第１発明によれば、使用するセラミック
スの各含有成分の量を、極く少量含まれるＮａ等及びそ
れらの酸化物も含め特定することにより、第２発明のよ
うに、耐久性（断線に至る時間）及びセラミックスから
なる基部と発熱抵抗体であるタングステン等抵抗体材料
との密着性に優れたセラミックヒータを得ることができ
る。また、第３発明では、セラミックスの成分であるＭ
ｇＯとＣａＯの合計量を特定することにより、第１又は
第２発明に比べより優れた密着強度を有するセラミック
ヒータが得られる。更に、第４発明によれば、特定量の
希土類元素等を添加することにより、特に耐久性及び密
着性が一段と優れたセラミックヒータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】特定のセラミックスを使用して作製した平板状
セラミックヒータの分解斜視図である。

【図２】（ａ）は特定のセラミックスを使用して作製し
た丸棒状セラミックヒータの分解斜視図であり、（ｂ）
は陽極側、陰極側のリード線引き出し用端子を接合する
前の丸棒状セラミックヒータの斜視図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ；グリーンシートが焼成されてなる層、２；
発熱抵抗体、、２１；発熱抵抗体の先端側の発熱部、２
２ａ、２２ｂ；陽極側及び陰極側端子部、２２ａ’、２
２ｂ’；陽極側及び陰極側端末部、２３ａ、２３ｂ；リ
ード部、３；スルーホール、４；アルミナ製管状体、５
ａ、５ｂ；陽極側及び陰極側リード線引き出し用端子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｂ 3/20 ３５６ (72)発明者川地良毅愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスからなる基部と、該基部内
に少なくとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備える
セラミックヒータにおいて、上記セラミックスは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及
びＣａＯの合計量を１００重量％とした場合に、９１〜
９７重量％のＡｌ₂Ｏ₃、１〜８重量％のＳｉＯ₂、
０．２〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２〜１．２重量
％のＣａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上記ＣａＯの合
計量が０．４〜１．８重量％であり、また、上記Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量１００重量
％に対し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａを除く元素及びそれ
らの酸化物〔但し、希土類元素及び元素周期表のIVa
（但し、Ｔｉは除く。）、Va、VIa 族元素及びそれらの
酸化物を除く。〕を、その総量で０．２重量％以下含有
することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】大気雰囲気下、上記セラミックヒータに
通電して該セラミックヒータの上記発熱部の表面温度を
１１００℃に加熱したときの、上記発熱抵抗体が断線に
至る時間が６００時間以上、且つ端子をロー材接合した
ときの、上記セラミックスと上記発熱抵抗体により構成
される端子部との密着強度が１．０ｋｇ／ｍｍ²以上で
ある請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】上記Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及び
ＣａＯの合計量１００重量％に対し、上記ＭｇＯと上記
ＣａＯの合計量が１．１〜１．８重量％であり、且つ上
記密着強度が１．５ｋｇ／ｍｍ²以上である請求項１又
は２記載のセラミックヒータ。
【請求項４】セラミックスからなる基部と、該基部内
に少なくとも発熱部が埋設される発熱抵抗体とを備える
セラミックヒータにおいて、上記セラミックスは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及
びＣａＯの合計量を１００重量％とした場合に、９１〜
９７重量％のＡｌ₂Ｏ₃、１〜８重量％のＳｉＯ₂、
０．２〜１．２重量％のＭｇＯ及び０．２〜１．２重量
％のＣａＯを含有し、且つ上記ＭｇＯと上記ＣａＯの合
計量が０．４〜１．８重量％であり、また、上記Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量１００重量
％に対し、酸化物換算で０．１〜１５重量％の希土類元
素及び元素周期表のIVa （但し、Ｔｉは除く。）、Va、
VIa 族元素のうちの１種以上を含有することを特徴とす
るセラミックヒータ。