JPH10189226A - セラミックヒータおよびその製造方法 - Google Patents

セラミックヒータおよびその製造方法

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JPH10189226A
JPH10189226A JP35031796A JP35031796A JPH10189226A JP H10189226 A JPH10189226 A JP H10189226A JP 35031796 A JP35031796 A JP 35031796A JP 35031796 A JP35031796 A JP 35031796A JP H10189226 A JPH10189226 A JP H10189226A
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JP
Japan
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ceramic
silicon nitride
melting point
point metal
sintered body
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JP35031796A
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English (en)
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Arihito Tanaka
有仁 田中
Chihiro Sakurai
千尋 桜井
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Jidosha Kiki Co Ltd
Original Assignee
Jidosha Kiki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高融点金属を埋設するセラミックヒータを焼
結体で構成するにあたって、高融点金属による発熱体ま
たはリードとのタングステンシリサイドのような反応層
の生成を防ぎ、抵抗の安定性を維持する。 【解決手段】 セラミックヒータ10を、窒化珪素質ま
たは炭化珪素質による絶縁性セラミックによる焼結体1
4中に、融点が2000℃以上の高融点金属を発熱体1
1あるいはリード12,13として使用して埋設するこ
とにより形成する。窒化珪素質または炭化珪素質による
絶縁性セラミック中に、元素周期表におけるIIIA、IVA
、VA 族の窒化物のうちの少なくとも1種が0.01
体積%〜10体積%の間の割合で含有させ、1750℃
よりも高い温度で焼成することにより、高融点金属にお
ける反応層を20μm以下で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種加熱機器や燃
焼機器の点火用およびディーゼルエンジンの始動補助用
のグロープラグ等に使用する高温発熱用としての焼結体
からなるセラミックヒータおよびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】たとえばディーゼルエンジンの始動時に
おける補助熱源(予熱源)としてグロープラグが用いら
れている。このようなグロープラグとして従来一般に
は、Ni−Cr(ニッケルクロム)、Fe−Cr(鉄ク
ロム)等の金属ヒータをMgO(マグネシア)等の耐熱
絶縁粉末に埋設し、それらを耐熱金属製のシースにより
被覆した構造のものが知られている。
【0003】この種のグロープラグにあっては、昨今の
長期排ガス規制への対応のために、800℃までの到達
時間を早くし、ピーク温度、飽和温度を高くするととも
に、アフターグロー時間を長くとる必要が生じてきた。
これらの要請を達成するためには、発熱体におけるヒー
タ部に高融点金属を採用することが必要であり、またシ
ース部を金属から高温使用が可能なセラミックとするよ
うになっている。
【0004】たとえば特公昭62−19034号公報に
は、上述したグロープラグに用いるセラミックヒータと
して、W(タングステン)等の高融点金属を耐酸化性、
耐熱衝撃性に優れている窒化珪素による絶縁性セラミッ
クに埋設した構造のものが開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したセラ
ミックヒータによれば、金属と絶縁性セラミックとの間
に(特に金属側に)タングステンシリサイドのような反
応層が生成されるため、焼成時にセラミック部に割れ、
剥離等が生じたり、ヒータ部の抵抗が不安定になったり
する。このため、上述した製造時の問題から、セラミッ
クの焼成時にあまり高温に上げられず、ホットプレス焼
成で行われているのが現状である。
【0006】特に、このようなホットプレス焼成におい
ても、焼成温度は1750℃程度が限界である。この温
度以上で焼成すると、やはりタングステンシリサイドの
ような反応層が生成することが確認されている。一方、
1750℃以下の温度領域では窒化珪素質による絶縁性
セラミックの場合には、助剤量を増加あるいは低融点で
ある助剤を選択しなければ焼結は難しい。このように助
剤量を増加させたり、低融点である助剤を選択した場
合、窒化珪素質のセラミックにおける高温特性が劣る。
しかも、炭化珪素質による絶縁性セラミックの場合に
は、焼結は全く困難である。
【0007】また、上述したタングステンシリサイドの
ような反応層が生成するのを防止するために、特開昭6
1−179084号公報に示すように、W(タングステ
ン)またはMo(モリブデン)からなる抵抗発熱体の表
面を、非酸化物セラミックで被覆するようにした構造の
ものも提案されている。
【0008】しかしながら、このような構造では、抵抗
発熱体の表面を非酸化物セラミックで被覆するという一
工程が増加するために製造コストの上昇につながる点、
またコイル状のタングステン線の全面に均一に被覆する
ことが難しい点等の問題があった。
【0009】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、高融点金属との反応層、たとえばタングス
テンシリサイドのような反応層の生成を防ぎ、ヒータ部
における抵抗の安定性を維持することができる高融点金
属を埋設した絶縁性セラミックによる焼結体からなるセ
ラミックヒータおよびその製造方法を得ることを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明に係るセラミックヒータは、融点が20
00℃以上の高融点金属を発熱体あるいはリードとして
使用し、それを窒化珪素質または炭化珪素質による絶縁
性セラミックからなる焼結体中に埋設するにあたって、
この焼結体を、元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族
の窒化物のうちの少なくとも1種を0.01体積%ない
し10体積%の間の割合で含有してなる窒化珪素質また
は炭化珪素質による絶縁性セラミックにより形成したも
のである。
【0011】また、本発明に係るセラミックヒータの製
造方法は、融点が2000℃以上の高融点金属を発熱体
あるいはリードとして使用し、それを窒化珪素質または
炭化珪素質による絶縁性セラミックからなる焼結体中に
埋設しているセラミックヒータを製造するにあたって、
窒化珪素質または炭化珪素質による絶縁性セラミック中
に、元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族の窒化物の
うちの少なくとも1種を0.01体積%ないし10体積
%の間の割合で含有させ、1750℃よりも高い温度で
焼成するものである。
【0012】本発明によれば、窒化珪素質また炭化珪素
質による絶縁性セラミック中に、元素周期表におけるII
IA、IVA 、VA 族の窒化物を0.01体積%ないし10
体積%の間の割合で含有させることにより、焼成時にお
いて窒化珪素や炭化珪素の分解を防ぎ、高融点金属との
シリサイド化のような反応を防ぐと考えられ、高融点金
属における反応層を20μm以下(0〜20μm)とす
ることができるから、高融点金属による発熱体およびリ
ードの抵抗値を安定させ、また絶縁性セラミックに割れ
などが生じないために発熱体の寿命も長くすることがで
きる。
【0013】また、本発明によれば、1750℃より高
い温度(窒化珪素では約2000℃程度、炭化珪素では
約2100℃程度が望ましい)で焼成できるから、たと
えば窒化珪素質による絶縁性セラミックからなる焼結体
においては、難焼結な助剤であるイットリア系やイッテ
ルビウム系を用いることができる。したがって、高温特
性および耐酸化性の良好な焼結体からなる発熱体を得る
ことができる。また、炭化珪素質による絶縁性セラミッ
クからなる焼結体においては、従来高融点金属を埋設し
て焼結させることができなかったが、本発明によれば高
融点金属との反応を防げるため、高温で炭化珪素質によ
る絶縁性セラミックを焼結させることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係るセラミックヒ
ータおよびその製造方法を適用するセラミックヒータの
一つの実施の形態を示す。図において、符号10で示す
セラミックヒータは、融点が2000℃以上の高融点金
属からなる発熱体11あるいはリード12,13を備
え、これらを窒化珪素質また炭化珪素質による絶縁性セ
ラミックからなる焼結体14中に埋設することにより構
成されている。この図1は、たとえば実開昭61−11
5857号公報に開示されているグロープラグにおける
セラミックヒータであり、その詳細な説明は省略する。
【0015】本発明によれば、上述したように融点が2
000℃以上の高融点金属を発熱体11あるいはリード
12,13(この実施の形態では発熱体11のみ)とし
て使用し、それを窒化珪素質また炭化珪素質による絶縁
性セラミックからなる焼結体14中に埋設することによ
り焼結体によるセラミックヒータ10を製造するにあた
って、窒化珪素質あるいは炭化珪素質による絶縁性セラ
ミック中に元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族の窒
化物のうちの少なくとも1種を0.01体積%ないし1
0体積%の間の割合で含有させて、たとえば1750℃
よりも高い温度で焼成するものである。このような条件
で焼成を行うことにより、高融点金属における反応層を
20μm以下(0〜20μm)とすることができる。望
ましくは0μm(反応層なし)であればよいが、20μ
m以下であれば実用面から問題はない。
【0016】以下に、本発明についてその内容を詳細に
説明する。すなわち、発熱体11およびリード(埋設さ
れた発熱体11から外部への導通路)12,13の部分
としての金属は発熱体11がヒータ発熱時において14
00℃以上となるため、また焼成温度も1750℃より
高くなるために融点が2000℃以上(望ましくは22
00℃以上)からなる高融点金属でなければならない。
このような高融点金属としては、たとえばW、Mo、N
b(ニオブ)、Hf(ハフニウム)、Ir(イリジウ
ム)等が例示できる。なお、Wの融点は3400℃、M
oの融点は2617℃である。
【0017】ここでいう窒化珪素質焼結体とは、窒化珪
素(Si3 N4 )を主成分とした絶縁性セラミックから
なる焼結体であって、いわゆる助剤成分を含んだ窒化珪
素質のセラミックのことである。窒化珪素には製造工程
等から混入する酸素のような不可避の不純物が含まれ
る。これに使用される窒化珪素は焼結性、マイグレーシ
ョン等の観点から純度の高いものが好ましく、また助剤
はイットリア−アルミナ系、イットリア系、イッテルビ
ア系等に代表されるような既知の助剤成分系が使用可能
である。高温耐酸化性、高温強度等の面からはイットリ
ア系、イッテルビア系の助剤を使用することが好まし
い。なお、このような窒化珪素は約2000℃で分解
(昇華)するもので、上述した焼成温度は、1750℃
以上であって、上述した昇華する温度よりも低い温度で
あることが必要である。勿論、使用する金属の融点温度
よりも低いことが必要である。
【0018】また、ここでいう炭化珪素質焼結体とは炭
化珪素(SiC)を主成分とした絶縁性セラミックから
なる焼結体であって、いわゆる助剤成分を含んだ炭化珪
素質のセラミックのことである。これに使用される炭化
珪素は焼結性、マイグレーション等の観点から純度の高
いものが好ましく、また助剤はアルミナ系、ボロン−カ
ーボン系等に代表されるような既知の助剤成分系が使用
可能である。なお、このような炭化珪素は約2400℃
で分解(昇華)することが知られており、焼成温度はこ
れよりも低い温度、たとえば2100〜2200℃程度
とするとよい。このときも、金属の融点温度よりも低い
ことが必要である。
【0019】本発明は、上述した窒化珪素質あるいは炭
化珪素質による絶縁性セラミック中に、元素周期表にお
けるIIIA、IVA 、VA 族の窒化物を0.01体積%ない
し10体積%の間の割合で含有させることにより、17
50℃より高い温度で焼成を行っても、高融点金属にお
ける反応層を20μm以下とすることができることを見
出し、これを利用して高融点金属を絶縁性セラミックに
埋設したセラミックヒータ10を製造したものである。
上述した利点が得られる理由は、IIIA、IVA 、VA 族の
窒化物が窒化珪素や炭化珪素の分解(昇華)を防ぎ、高
融点金属との反応すなわちシリサイド化を防いでいるも
のと考えられる。
【0020】ここで、上述したIIIA、IVA 、VA 族の窒
化物としては、NdN、YN、TiN、ZrN、Nb
N、TaN等が例示できる。この中から1種以上を任意
に選択することができる。実験によれば、TaNが最も
高融点金属の反応層を薄く形成することができた。
【0021】また、IIIA、IVA 、VA 族の窒化物を添加
する量として、0.01体積%よりも少ないと、反応層
が20μmより厚くなる。様々な実験を重ねた結果、反
応層が20μmより大きくなると絶縁性セラミックから
なる焼結体側にマイクロクラックが生じ、その焼結体を
セラミックヒータとして使用した場合、耐久性が極端に
低下する。
【0022】一方、上述した窒化物の添加量が10体積
%よりも大きいと、焼結体自身の耐酸化性が悪くなり、
セラミックヒータとして使用した場合、耐久性が低下す
る。耐酸化性においては、大気雰囲気中において140
0℃で144時間(h)の酸化試験を行った場合、1.
5mg/cm2 より酸化増量が多いとセラミックヒータ
10の特性として好ましくないことが実験により確認さ
れた。以上のことから、添加量は0.01体積%以上で
あって10体積%以下でなければならないことが確認で
きた。好ましくは耐酸化性および高温強度を鑑みて1体
積%程度が望ましい。
【0023】すなわち、窒化珪素質あるいは炭化珪素質
による絶縁性セラミック中に、元素周期表におけるIII
A、IVA 、VA 族の窒化物を0.01体積%ないし10
体積%の間の割合で含有させることにより、高融点金属
における反応層が20μm以下となる。したがって、高
融点金属からなる発熱体11およびリード12,13の
抵抗値が安定し、焼結体14に割れなどが生じないため
に、セラミックヒータ10の寿命も長くなる。これら
は、上述したIIIA、IVA 、VA 族の窒化物が窒化珪素や
炭化珪素の分解を防ぎ、高融点金属との反応、すなわち
シリサイド化を防いでいるものと考えられる。
【0024】また、本発明によれば、1750℃よりも
高い温度で焼成できることから、窒化珪素質焼結体にお
いては、難焼結な助剤であるイットリア系やイッテルビ
ウム系を用いることができる。したがって、高温特性お
よび耐酸化性の良好な焼結によるセラミックヒータ10
を得ることができる。また、炭化珪素質焼結体において
は、従来高融点金属を埋設して焼結させることができな
かったが、本発明では高融点金属との反応を防止できる
ため、高温で炭化珪素質を焼結させることができる。こ
のような絶縁性セラミックの焼成温度としては、175
0℃よりも高い温度であって、窒化珪素または炭化珪素
が分解(昇華)しない温度で、しかも高融点金属の融点
温度よりも低い温度であることが必要である。
【0025】なお、本発明は上述した実施の形態で説明
した構造には限定されず、全体の図示は省略したがグロ
ープラグ、さらにこれに用いるセラミックヒータ10の
各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいう
までもない。たとえばセラミックヒータ10の形状、構
造などとしては、従来から広く知られている形状、構造
のものを用いることができる。図2はU字形状を呈する
発熱体11を先端部に埋設するとともに、その両端から
延設したリード12,13を絶縁性セラミックからなる
焼結体14に埋設したセラミックヒータ10を示す。こ
の例では、たとえばリード12,13を高融点金属で形
成することにより、前述した実施の形態と同等の作用効
果が得られる。
【0026】図3はたとえば特開昭59−230285
号公報におけるグロープラグのセラミックヒータ10を
示す。この例では、セラミック粉体からなる半焼結体1
4a,14b間に高融点金属からなる発熱体11とリー
ド12,13を挟み込み、全体を焼結することにより、
セラミックヒータ10を形成している。このような構成
によるセラミックヒータ10でも、前述した実施の形態
と同等の作用効果が得られる。
【0027】図4はセラミックヒータ10内に高融点金
属からなる発熱体11と共に制御用発熱体15,16を
リード12,13との間に介在させて埋設した例を示
し、たとえば特開昭58−110919号公報における
セラミックヒータである。そして、このような構成にお
いても、前述した実施の形態と同等の作用効果が得られ
る。
【0028】図5は上述した図4と同等の構造のもので
あり、たとえば特開平4−257615号公報に示され
るセラミックヒータ10を示し、これも前述した実施の
形態と同等の作用効果を奏するものである。
【0029】
【実施例】
〔実施例1〕表1は本発明における窒化珪素質による絶
縁性セラミックをホットプレス焼成した場合の実施例を
示す。
【0030】
【表1】
【0031】ここでは、助剤の種類、量を変化させ、元
素周期表におけるIIIA、IVA 、VA族の窒化物の少なく
とも1種を使用した場合を示す。その時の高融点金属の
反応層の厚み、大気雰囲気中1400℃で144hにわ
たる酸化試験後の単位面積当たりの酸化増量を示す。ま
た、相対密度は埋設した高融点金属を取り除き、アルキ
メデス法によって測定を行った。
【0032】〔実施例2〕表2は本発明における炭化珪
素質による絶縁性セラミックをホットプレス焼成した場
合の実施例を示す。
【0033】
【表2】
【0034】ここでは、助剤の種類、量を変化させ、元
素周期表におけるIIIA、IVA 、VA族の窒化物を使用し
た。その時の高融点金属の反応層の厚み、大気雰囲気中
1400℃で144hにわたる酸化試験後の単位面積当
たりの酸化増量を示す。
【0035】〔実施例3〕窒化珪素230g、イットリ
ア20g、TaN10.5gおよび窒化珪素製ボールを
窒化珪素製ポットに入れ、アセトンを混練媒体として2
4時間にわたって混練した。その後、混練により作製さ
れたスラリーを常温にて24時間乾燥し、乳鉢で粉砕
し、TaNの入った窒化珪素質セラミック粉体を作製し
た。この粉体を用いて、純度99.95%、太さ0.2
mmのWコイル(タングステンコイル)が中心にくるよ
うに一軸プレスにて円柱状成形体を作製した。その後、
1650℃〜1950℃、50℃ステップで0.93M
Paの圧力でガス圧焼結を行った。焼結体における密
度、Wコイルの反応層の厚み、大気雰囲気中1400℃
で144hにわたる酸化試験後の単位面積当たりの酸化
増量等を表3に示す。
【0036】
【表3】
【0037】〔実施例4〕上述した実施例3と同様にT
aNの入った窒化珪素質のセラミック粉体を作製した。
33体積%のTiNを含み残部が窒化珪素質からなるU
字形状をした発熱体(焼結体)に純度99.95%、太
さ0.2mmのW線をリードを取り付け、その粉体の中
に一軸プレスにて埋設し、円柱状成形体を3個作製し
た。その後、1850℃で常圧焼結を行った。相対密度
はそれぞれ97.9%、97.4%、98.1%であっ
た。
【0038】相対密度97.9%の焼結体にて、140
0℃で144hにわたる大気中酸化試験を行った。その
時の酸化増量は0.7mg/cm2 であった。相対密度
97.4%の焼結体を切断し、樹脂に埋め込み、反応層
の厚みをエネルギ分散型分析装置(EDX)付き走査型
電子顕微鏡(SEM)で観察した。このEDXの分析よ
りWとSiとの両方が存在する部分を反応層とした。厚
みは一定で8μmであった。相対密度98.1%の焼結
体をさらに加工を行い、リード部を出し、それにハウジ
ングを取り付けグロープラグとした。その特性として
は、800℃到達時間3.3秒、最高到達温度1430
℃であった。
【0039】〔実施例5〕窒化珪素230g、イットリ
ア15g、TaN10gおよび窒化珪素製ボールを窒化
珪素製ポットに入れ、イソプロピルアルコールを混練媒
体として24時間混練した。その後、混練により作製さ
れたスラリーを常温にて24時間乾燥し、乳鉢で粉砕
し、TaNの入った窒化珪素質セラミック粉体を作製し
た。この粉体を用いて、純度99.95%、太さ0.2
mmのWコイルが中心にくるように一軸プレスによって
円柱状成形体を作製した。その後、1850℃にてホッ
トプレスを行った。そして、上述した実施例5と同様な
評価を行った。反応層の厚みは8μm、1400℃で1
44hにわたる大気中酸化試験後の酸化増量は0.5m
g/cm2であった。また、この焼結体を用いてグロー
プラグを作製した。その特性としては、800℃到達時
間3.0秒、最高到達温度1450℃であった。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るセラミ
ックヒータおよびその製造方法によれば、融点が200
0℃以上の高融点金属を発熱体あるいはリードとして使
用し、それを窒化珪素質または炭化珪素質による絶縁性
セラミックからなる焼結体中に埋設するにあたって、窒
化珪素質または炭化珪素質による絶縁性セラミック中
に、元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族の窒化物の
うちの少なくとも1種を0.01体積%ないし10体積
%の間の割合で含有させて、1750℃よりも高い温度
(たとえば窒化珪素のときは2000℃前後、炭化珪素
のときは2100〜2200℃程度)で焼成することに
より、高融点金属における反応層を20μm以下(0〜
20μm)で形成することができるから、以下に述べる
優れた効果を奏する。
【0041】すなわち、本発明によれば、セラミックヒ
ータの焼成時において窒化珪素や炭化珪素の分解(昇
華)を防ぎ、高融点金属とのシリサイド化のような反応
(タングステンシリサイドのような反応層の生成)を防
ぎ、高融点金属における反応層を20μm以下とするこ
とができる。したがって、高融点金属による発熱体およ
びリードの抵抗値を安定させ、また絶縁性セラミックに
割れなどが生じないために発熱体の寿命も長くすること
ができる。
【0042】また、本発明によれば、上述したように1
750℃より高い温度で焼成できることから、たとえば
窒化珪素質による絶縁性セラミックからなる焼結体にお
いては、難焼結な助剤であるイットリア系やイッテルビ
ウム系を用いることができる。したがって、高温特性お
よび耐酸化性の良好な焼結体からなる発熱体を得ること
ができる。また、炭化珪素質による絶縁性セラミックか
らなる焼結体においては、従来高融点金属を埋設して焼
結させることができなかったが、本発明によれば高融点
金属との反応を防げるため、高温で炭化珪素質セラミッ
クを焼結させることが可能となる。
【0043】特に、本発明によれば、絶縁性セラミック
からなるセラミック焼結体に関して、埋設する高融点金
属部分でのタングステンシリサイドのような反応層の生
成を防ぎ、抵抗安定性を維持し、さらに焼成温度を上げ
ることが可能なため、従来焼結が不可能であった助剤系
の使用、助剤量の低減が可能である。また、焼結温度の
高い炭化珪素質セラミック発熱体も実現でき、さらに常
圧焼成あるいは雰囲気加圧焼成も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るセラミックヒータおよびその製
造方法の一つの実施の形態を示すセラミックヒータの断
面図である。
【図2】 本発明の別の実施の形態を示す断面図であ
る。
【図3】 本発明のさらに別の実施の形態を示す分解斜
視図である。
【図4】 本発明の他の実施の形態を示す断面図であ
る。
【図5】 本発明のさらに他の実施の形態を示す断面図
である。
【符号の説明】
10…セラミックヒータ、11…発熱体(高融点金
属)、12,13…リード(高融点金属)、14…窒化
珪素質または炭化珪素質による絶縁性セラミックからな
る焼結体、15,16…制御側発熱体(高融点金属)。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 融点が2000℃以上の高融点金属を発
    熱体あるいはリードとして使用し、それを窒化珪素質ま
    たは炭化珪素質による絶縁性セラミックからなる焼結体
    中に埋設しているセラミックヒータにおいて、 前記焼結体を、元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族
    の窒化物のうちの少なくとも1種を0.01体積%ない
    し10体積%の間の割合で含有してなる窒化珪素質また
    は炭化珪素質による絶縁性セラミックにより形成したこ
    とを特徴とするセラミックヒータ。
  2. 【請求項2】 融点が2000℃以上の高融点金属を発
    熱体あるいはリードとして使用し、それを窒化珪素質ま
    たは炭化珪素質による絶縁性セラミックからなる焼結体
    中に埋設しているセラミックヒータを製造する方法であ
    って、 前記窒化珪素質または炭化珪素質による絶縁性セラミッ
    ク中に、元素周期表におけるIIIA、IVA 、VA 族の窒化
    物のうちの少なくとも1種を0.01体積%ないし10
    体積%の間の割合で含有させ、1750℃よりも高い温
    度で焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造
    方法。
JP35031796A 1996-12-27 1996-12-27 セラミックヒータおよびその製造方法 Pending JPH10189226A (ja)

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