JPH09213460A

JPH09213460A - セラミックヒータの製造方法

Info

Publication number: JPH09213460A
Application number: JP1452796A
Authority: JP
Inventors: Hideki Uchimura; 英樹内村; Koji Ono; 浩司小野; Kazumi Kubo; 和美久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】室温から１５００℃の高温までセラミックヒー
タで使用されるに充分な機械的特性を有し、且つ絶縁磁
器と発熱抵抗体との反応がなく、長期にわたり抵抗特性
に優れたセラミックヒータを提供する。【解決手段】絶縁磁器２と発熱抵抗体３を具備するセラ
ミックヒータを製造するにあたり、窒化珪素を主体とす
る絶縁磁器成形体の内部に、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＮの
少なくとも１種以上を主成分とするペーストが発熱抵抗
体パターンに配設されたヒータ成形体を作製した後、こ
のヒータ成形体を１６００〜１８００℃の１．５〜９気
圧の窒素雰囲気中で焼成し、さらに１７００〜１９００
℃の第１の焼成工程よりも高圧窒素中で焼成することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭用、電子
部品用、産業機械用および自動車用等の広範囲に利用し
うる窒化珪素質焼結体を絶縁磁器とするセラミックヒー
タの製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】窒化珪素質焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性
等に優れ急速な温度上昇や温度降下に対して優れた耐久
性を有するとともに、電気絶縁性であることからセラミ
ックヒータにおける発熱体を支持するための絶縁磁器と
して有望視されてきた。

【０００３】このようなセラミックヒータは、例えば、
絶縁磁器となるセラミック成形体の表面にＷ等の微粉末
を含有した導体ペーストを所定の発熱抵抗体パターンに
印刷してセラミック成形体内に埋設した後、セラミック
成形体と導体ペーストとをホットプレス等の焼成法によ
り同時焼成する方法が主流である。

【０００４】また、窒化珪素質成形体の焼成方法として
は、上記のホットプレス法以外に、常圧焼成法、窒素ガ
ス加圧焼成法等が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】導体ペーストが内部に
配設された窒化珪素質成形体を焼成する場合、従来のホ
ットプレス法では、焼成後の焼結体の表面が荒れやすい
ために表面を研削する必要があり、コスト高となる問題
があった。

【０００６】これに対して、常圧焼成法では、表面の荒
れが小さいために研削等の処理を必要としないものの、
最近ではセラミックヒータの発熱温度が１５００℃程度
と高温化するに従い、絶縁磁器を構成する窒化珪素質焼
結体の高温特性の向上が望まれるが、常圧焼成法では、
このような高温特性に優れた焼結体が得られにくく、し
かも窒化珪素と導体とが反応する等の問題があった。

【０００７】また、焼成方法として、窒素ガス加圧法
は、高温特性に優れた窒化珪素質焼結体を作製すること
ができるものの、セラミックヒータのような導体ペース
トが内部に配設された成形体を焼成する場合、窒化珪素
質焼結体と発熱体との反応が生じやすく、これらを制御
する具体的な方法についてこれまで検討されていないの
が現状であった。

【０００８】このように、ホットプレス法以外の焼成方
法では、得られるヒータの発熱体の特性が不安定であ
り、ヒータの抵抗、昇温特性等の特性面において実用的
には未だ不十分であり、しかも絶縁磁器の高温特性との
両立も不十分であり、さらなる改良が要求される。

【０００９】従って、本発明の目的は、室温から１５０
０℃の高温までセラミックヒータで使用されるに充分な
機械的特性、特に、室温から１５００℃の高温までの抗
折強度に優れ、かつ抵抗特性に優れた窒化珪素質セラミ
ックヒータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化珪素
質成形体内に導体パターンが配設されたヒータ成形体を
焼成するにあたり、窒化珪素質焼結体からなる絶縁磁器
の機械的、熱的特性、および発熱体の特性の双方を満足
する特性を得るためには、焼成温度と焼成時の雰囲気の
細かく制御することが重要であるという見地に基づき検
討を重ねた結果、窒素ガス加圧中で焼成すると同時に焼
成温度と雰囲気中の窒素ガス圧力を多段で制御すること
により、ヒータとして長時間の使用によっても発熱体に
抵抗変化や断線の発生なく、しかも、高温耐酸化性、高
温強度に優れたセラミックヒータが得られることを見出
した。

【００１１】即ち、本発明のセラミックヒータの製造方
法は、窒化珪素と焼結助剤とからなる絶縁磁器成形体の
内部に、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＮの少なくとも１種以上
を主成分とする導体ペーストが発熱抵抗体パターンに配
設されたヒータ成形体を作製する工程と、該ヒータ成形
体を１６００〜１８００℃の１．５〜９気圧の窒素雰囲
気中で焼成する第１の焼成工程と、１７００〜１９００
℃の前記第１の焼成工程よりも高圧窒素中で焼成する第
２の工程とを具備することを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックヒータの典型
的な構造を図１に示した。図１によれば、セラミックヒ
ータ１は、絶縁磁器２の内部に発熱抵抗体３が埋設され
ており、発熱抵抗体３は、外部電源（図示せず）と接続
するための電極取り出し部４とリード部５を通じて接続
されている。そして、外部電源より電極取り出し部４、
リード部５を通じて電圧が印加されることにより発熱抵
抗体３が発熱する。また、他の構造としては、上記平板
状ヒータ以外に円柱状あるいは円筒状の形状のものもあ
る。

【００１３】本発明によれば、上記セラミックヒータの
絶縁磁器２は、窒化珪素を主体とする焼結体により構成
されるもので、発熱抵抗体３は、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、Ｔａ
Ｎの少なくとも１種以上を主成分とするものにより構成
される。

【００１４】本発明におけるセラミックヒータの具体的
な製造方法について説明する。まず、絶縁磁器を構成す
る窒化珪素質焼結体を作製するにあたり、原料粉末とし
て窒化珪素粉末はα−Ｓｉ₃Ｎ₄、β−Ｓｉ₃Ｎ₄のい
ずれでも用いることができ、それらの粒径は０．１〜
１．２μｍが好ましい。また、窒化珪素粉末に対して
は、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｌｕ等の希土類元素の酸化物や、
ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の焼結助剤を１〜２０
重量％の割合で、また、抵抗を調整したり、発熱抵抗体
との熱膨張係数の整合を図るために、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔ
ａ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ等の周期律表第４ａ，５ａ，６
ａ族金属の酸化物、窒化物、炭化物、硼化物等を０．１
〜１０重量％の割合で添加してもよい。

【００１５】これらのうち、絶縁磁器の１５００℃にお
ける高温特性を高めるためには、焼結助剤として上記の
希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）とＳｉＯ₂（窒化珪素
中の不純物酸素の酸化珪素換算量を含む）とをＳｉＯ₂
／ＲＥ₂Ｏ₃モル比が２〜５となるように、また、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の低融点化合物を形成しやすい成分量
を０．５重量％以下となるように調合することが望まし
い。

【００１６】これらの粉末を用いて、これらをボールミ
ル等により混合粉砕した後、公知の成形方法、例えば、
プレス成形、鋳込み成形、押出し成形、ドクターブレー
ド法、圧延法などにより任意のヒータ用絶縁磁器の形状
に成形する。

【００１７】次に、得られた絶縁磁器成形体の表面にＷ
Ｃ，Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＮのうちの少なくとも１種の微粉末
を含有したペーストを所定の発熱抵抗体パターンに印刷
する。そして、ヒータ形状に合わせてこの発熱抵抗体パ
ターンを絶縁磁器成形体中に埋設してヒータ用成形体を
作製する。例えば、平板状の場合には、さらに絶縁磁器
成形体を積層して平板化したり、この積層物を他のロッ
ドに巻き付けた後そのロッドを取り除くことにより円筒
化したり、また、絶縁磁器成形体と同質のロッドに巻き
付けて円柱化することができる。

【００１８】本発明によれば、上記のように発熱抵抗体
用の導体ペーストが内部に配設されたヒータ成形体を焼
成するにあたり、まず、第１の焼成工程として、１６０
０〜１８００℃、特に１７００〜１８００℃の温度で、
窒素圧力１．５〜９気圧、特に２〜５気圧の加圧下で焼
成する。その後、第２の焼成工程として、１７００〜１
９００℃、特に１８００〜１８５０℃の温度で、窒素圧
力が前記第１の焼成工程よりも高い条件下、望ましくは
３０気圧以上で焼成する。

【００１９】焼成を上記のような窒素加圧下、特に、焼
成初期の段階から窒素加圧雰囲気中で焼成するのは発熱
抵抗体と絶縁磁器を構成する窒化珪素との反応による化
学変化を防ぐ為である。発熱抵抗体が窒化珪素と化学反
応すると発熱抵抗体と絶縁磁器との境界に脆性の反応物
が生成し、該ヒータを長時間使用した場合、発熱抵抗体
にクラックが生じ断線することとなる。

【００２０】従って、第１焼成工程において、窒素圧力
が１．５気圧より低いと発熱抵抗体が絶縁磁器の窒化珪
素と反応して化学変化が生じ、９気圧を越えると成形体
の焼結が阻害されるからである。また、第１焼成工程の
温度が１６００℃より低いと、成形体の焼結が進行せ
ず、１８００℃を越えると成形体の分解が進行するため
である。

【００２１】次に、第２の焼成工程の条件は、磁器を緻
密化させることを目的とするもので、上記の温度および
圧力条件を満たさない場合には、絶縁磁器の緻密化が不
十分となり、絶縁磁器の機械的特性が劣化するためであ
る。また、この時の温度が１７００℃より低いと緻密化
が不十分となり、１９００℃を越えると、発熱抵抗体に
圧縮応力が発生し、抵抗が著しく上昇してしまう為であ
る。

【００２２】このようにして得られるセラミックヒータ
は、発熱抵抗体と窒化珪素質焼結体からなる絶縁磁器と
の反応が生じることなく、しかも窒化珪素質焼結体も高
密度化で機械的特性を向上することができる。

【００２３】また、絶縁磁器を構成する窒化珪素質焼結
体は、その組成において、上記の希土類元素酸化物（Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃）とＳｉＯ₂（窒化珪素中の不純物酸素の酸化
珪素換算量を含む）とをＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃モル比が
２〜５となるように、また、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の低
融点化合物を形成しやすい成分量を０．５重量％以下に
制御し、窒化珪素結晶相の粒界相に、ダイシリケート
（ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇）結晶相やモノシリケート（ＲＥ₂
ＳｉＯ₅）結晶相を主相として析出させることによりセ
ラミックヒータの高温の耐久性を高めることができる。

【００２４】

【実施例】窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ²／ｇ、
α率９９％、酸素量１．０重量％）と各種の希土類元素
酸化物粉末と酸化珪素粉末、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、Ｃの粉末
を用いて、表１に示す組成になるように調合後、押出成
形して厚み４００μｍのシート状絶縁磁器用成形体を作
製した。そして、この成形体の表面に所定のペーストを
４０μｍの厚みで発熱抵抗体パターン状にスクリーン印
刷した後、絶縁磁器組成と同一組成のロッドにペースト
塗布面が絶縁磁器成形体中に埋設されるように巻き付
け、ヒータ用成形体とした。このヒータ用成形体を窒化
珪素質の匣鉢に入れて、表２の条件で焼成した。また、
上記と同様な方法で、絶縁磁器の特性評価用の試料を作
製し、同様な条件で焼成した。

【００２５】得られた絶縁磁器に対して、アルキメデス
法による嵩密度と焼結体の組成からの理論比重により相
対密度を算出し、室温強度および１４００℃の強度をＪ
ＩＳＲ１６０１に基づき測定した。結果は表２に示し
た。

【００２６】また、得られたヒータに対しては、耐久性
として、大気中で１５００℃の温度で１００時間直流連
続試験後の外観検査を行った。また、発熱抵抗体の初期
と上記耐久性試験後の抵抗を４端子法に基づき測定し
た。結果は表２に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１および表２の結果から明らかなよう
に、焼結を常圧焼成法で行った試料Ｎo.２１では、発熱
体と磁器が反応した。また、窒素ガス圧力２０気圧中で
焼成した試料Ｎo.２２では、緻密体が得られなかった。

【００３０】本発明の知見に基づき、窒素ガス加圧焼成
を多段とした試料Ｎo.１〜２０において、第１焼成工程
において、窒素圧力が１．５気圧より低い試料Ｎo.５、
１８では、発熱抵抗体が化学反応しており、耐久性に劣
るものであった。また、第１焼成工程において窒素圧力
が９気圧を越える試料Ｎo.１０では、成形体が緻密化不
足となっており、初期抵抗が大きく耐久性も低く、窒素
圧力を３０気圧とした試料Ｎo.１７では、絶縁磁器の緻
密化ができず、発熱抵抗体も雰囲気ガスと化学反応して
おり、初期抵抗の測定ができなかった。また、焼成温度
が１６００℃より低い試料Ｎo.９では緻密化できず、１
８００℃を越える試料Ｎo.１４では発熱抵抗体と窒化珪
素が反応して発熱抵抗体の初期抵抗が大きくなり、耐久
性も悪いものであった。

【００３１】第２焼成工程において、焼成温度が１７０
０℃より低い試料Ｎo.１９では、緻密化が不足し、１９
００℃より高い試料Ｎo.６でも、絶縁磁器との反応によ
り発熱抵抗体の初期抵抗が高いものとなった。さらに、
第２焼成工程の窒素圧力が第１焼成工程よりも低い試料
Ｎo.２０では、成形体が分解し磁器が変形し発熱抵抗体
にクラックが生じた。

【００３２】これらの比較例に対して、本発明のヒータ
では、いずれも絶縁磁器は、Ｘ線回折測定の結果、粒界
にダイシリケート結晶相の析出が確認され、室温強度７
００ＭＰａ以上、１４００℃強度４００ＭＰａ以上の優
れた特性を有していた。しかも、発熱抵抗体との反応も
なく初期抵抗および耐久性試験後も抵抗変化が小さく、
優れた耐久性を示した。

【００３３】また、発熱抵抗体として、Ｍｏ₂ＣやＴａ
Ｎを用いた場合もＷＣを用いた場合と同様な傾向が見ら
れ、本発明に基づき作製した試料Ｎo.２３〜２５におい
てもＷＣを使用した場合と同様に優れた特性を示した。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のセラミック
ヒータの製造方法によれば、窒化珪素質焼結体の優れた
高温特性を付与し、また発熱抵抗体との反応性を抑制し
て、高温発熱状態においても優れた耐久性を有するセラ
ミックヒータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータの典型的な構造を説
明するための概略図である。

【符号の説明】

１セラミックヒータ２絶縁磁器３発熱抵抗体４電極取り出し部５リード部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素と焼結助剤とからなる絶縁磁器成
形体の内部に、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＮの少なくとも１
種以上を主成分とするペーストが発熱抵抗体パターンに
配設されたヒータ成形体を作製する工程と、該ヒータ成
形体を１６００〜１８００℃の１．５〜９気圧の窒素雰
囲気中で焼成する第１の焼成工程と、１７００〜１９０
０℃の前記第１の焼成工程よりも高圧窒素中で焼成する
第２の工程とを具備することを特徴とするセラミックヒ
ータの製造方法。