JPH11162619A

JPH11162619A - 急速昇温発熱素子

Info

Publication number: JPH11162619A
Application number: JP32321197A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Sawamura; 建太郎澤村; Tomoji Nakagawa; 智司中川; Masatada Yodogawa; 正忠淀川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】約３秒以内で１１００℃以上の急速昇温が可
能であり、かつ昇降温の繰り返しや高温での酸化に耐え
るなど、耐久性に優れ、気体燃料や液体燃料の着火など
に使用される急速昇温発熱素子を提供する。【解決手段】絶縁体材料基板層と導電体層との積層構
造焼結体からなる発熱素子において、前記基板層が、窒
化ケイ素１００モル当り、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で４〜１
０モル含むサイアロンを主成分とし、場合により、これ
に、さらにＳｉＯ₂を１〜１２モル又は希土類元素を酸
化物換算で０．００１〜０．３モルを配合した組成物の
焼成物で構成した、急速昇温発熱素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な急速昇温発熱
素子、さらに詳しくは、約３秒以内で１１００℃以上の
急速昇温が可能であり、かつ昇降温の繰り返しや高温で
の酸化に耐えるなど、耐久性に優れ、気体燃料や液体燃
料の着火などに使用される急速昇温発熱素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、天然ガス、プロパンガス、灯油な
どの気体燃料や液体燃料の着火には、セラミックスを用
いた急速昇温発熱素子が一般に用いられている。この種
の着火用発熱素子は、２〜３秒間程度で１０００℃以上
の温度に達するという急速昇温と、高温に耐えるため
に、優れた耐熱衝撃性及び耐酸化性を有することが要求
される。一方窒化ケイ素系焼結体は、耐熱性及び耐熱衝
撃性などに優れることが知られており、したがって、上
記要求を満たすために、従来のセラミックス発熱素子
は、通常、窒化ケイ素にタングステンや炭化タングステ
ンなどの発熱体を埋設し、焼成することによって作製さ
れていた（特許第２５３４８４７号明細書）。

【０００３】しかしながら、この場合、窒化ケイ素は難
焼結性であるため、焼結助剤として希土類元素を使用
し、ち密化が図られているが、希土類元素を添加する
と、１４００℃以上での耐酸化性が低下するという問題
が生じる。したがって、使用温度の上限を１３００℃程
度に抑えることで、実用に供しているが、その場合、昇
温速度に限界があった。また、急速昇温させる際には、
最高到達温度を高めに設定する必要があるが、この場
合、素子温度が１３００℃以上にならないようにするた
めに、制御回路が必要となり、全体として、コスト高に
なるのを免れない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、１５００℃以上での使用が可能であっ
て、制御回路を設けることなく、約３秒以内で１１００
℃以上に急速昇温しうるとともに、昇降温の繰り返しや
高温での酸化に耐えるなどの耐久性に優れたセラミック
スからなる、着火性能のよい急速昇温発熱素子を安いコ
ストで提供することを目的としてなされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の優
れた性能を有する急速昇温発熱素子を開発すべく鋭意研
究を重ねた結果、絶縁体材料基板層とその上に設けられ
るか、又はその中に埋設された導電体層との積層構造焼
結体からなる発熱素子において、前記基板層として、窒
化ケイ素と酸化ケイ素、希土類元素を含む絶縁体材料に
ついて、これまで希土類元素が酸化物換算で２〜５モル
％程度であったものを、窒化ケイ素１００モル当り、酸
化アルミニウム換算で４〜１０モル、希土類元素酸化物
の量を０．００１〜０．３モルと少なくすることで、す
ぐれた耐酸化性を確保しうることを見出し、この知見に
基づいて本発明を完成するに至った。

【０００６】すなわち、本発明は、絶縁体材料基板層と
その上に設けられ、若しくはその中に埋設された高融
点、低熱膨張率及び低電気抵抗の導電体層との積層構造
焼結体からなる発熱素子において、前記基板層が、窒化
ケイ素１００モル当り、アルミニウムを酸化アルミニウ
ム換算で４〜１０モル含むサイアロンを主成分とし、場
合により、これに、さらに窒化ケイ素１００モル当り、
酸化ケイ素１〜１２モル又は希土類元素を酸化物換算で
０．００１〜０．３モル配合した組成物で構成されてい
ることを特徴とする急速昇温発熱素子を提供するもので
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の急速昇温発熱素子は、絶
縁体材料基板層と、その上に設けられ、若しくはその中
に埋設された導電体層との積層構造焼結体からなるもの
であって、上記絶縁体材料基板層としては、窒化ケイ素
と酸化アルミニウムを含むサイアロンを主成分とし、場
合により、さらに酸化ケイ素又は希土類元素酸化物を配
合した組成物で構成したものが用いられる。

【０００８】本発明において基板層の絶縁体材料の主成
分として用いる窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）は、酸化される
と表面に純粋なＳｉＯ₂保護膜が形成され、耐酸化性が
付与されることが知られている。しかしながら、窒化ケ
イ素は難焼結性のため、単独では焼結によるち密化が達
成されない。

【０００９】本発明においては、この窒化ケイ素焼結体
のち密化を促進するために、窒化ケイ素１００モル当
り、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）４〜１０モルを加
え、焼成により、サイアロンを主成分とした組成物から
なる絶縁体材料を形成させる。ここで、サイアロンと
は、Ｓｉ_6-zＡｌ_zＯ_zＮ_8-zに相当する組成を有し、基本
的にはＳｉ₃Ｎ₄の結晶構造をもち、その中のＳｉの一部
がＡｌで、またＮの一部がＯで置換された置換型固容体
のことである。アルミニウムの量が酸化アルミニウム換
算で４モル未満では得られる絶縁体材料のち密化が十分
に達せられないし、１０モルを超えると絶縁体材料の耐
酸化性が低下する。

【００１０】上記酸化アルミニウムの添加量は、窒化ケ
イ素が酸化されてＳｉＯ₂になった場合を考えると、図
１で示されるＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂状態図において、１５
９５℃以上の温度で「ＳｉＯ₂＋液相」の領域に相当す
るが、この状態図より、ＳｉＯ₂量が多い方が液相が少
なくなり純粋なＳｉＯ₂保護膜が期待できる。実際に、
窒化ケイ素がち密化する領域で、酸化アルミニウム添加
量の少ない方が、耐酸化性に優れている。

【００１１】本発明においては、得られる絶縁体材料の
耐酸化性を向上させるために、所望により、前記酸化ア
ルミニウムと共に、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を窒化ケイ
素１００モル当り、１〜１２モルの割合で配合すること
ができる。この酸化ケイ素の配合量が１モル未満では耐
酸化性の向上効果が十分に発揮されないし、１２モルを
超えると、低温部では温度の上昇と共に抵抗値が増大す
るＰＴＣ特性（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示すものの、高温部
では温度上昇に対して抵抗値が減少するＮＴＣ特性（Ｎ
ｅｇａｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉ
ｃｉｅｎｔ）が現われ、不安定な抵抗温度特性を示す。
ヒータとして使用するには熱暴走のないＰＴＣ特性が好
ましく、ＳｉＯ₂配合量が１２モル以下では、ＰＴＣ特
性を示す。

【００１２】また、本発明においては、焼結性を向上さ
せ、よりち密化を図るために、所望により、前記酸化ア
ルミニウムと共に、希土類元素酸化物を窒化ケイ素１０
０モル当り、０．００１〜０．３モルの割合で配合する
ことができる。この希土類元素酸化物の配合量が０．０
０１モル未満では、それを配合した効果が十分に発揮さ
れないし、０．３モルを超えると得られる絶縁体材料の
耐酸化性が著しく低下する。ここで、希土類元素酸化物
としては、例えばイットリウム、サマリウム、ランタ
ン、セリウム、ネオジウムなどの酸化物を挙げることが
できるが、これらの中でイットリウム酸化物、ランタン
酸化物及びセリウム酸化物が好適である。これらの希土
類元素酸化物は単独で用いてもよいし、２種以上を組み
合わせて用いてもよい。

【００１３】一方、本発明の発熱素子における導電体層
としては、高融点、低熱膨張率及び低電気抵抗を有する
材料が用いられ、特に融点２０００℃以上、熱膨張率
６．０×１０^-6／℃以下及び電気抵抗１０^-5Ω・ｃｍ以
下のものが好適である。

【００１４】このような導電性材料としては、特に制限
はなく、従来セラミックヒータにおいて用いられている
公知の各種材料、例えばタングステン、タンタル、モリ
ブデン及びその炭化物や窒化物などを使用することがで
きるが、これらの中で、特にタングステン及び炭化タン
グステンが好適である。

【００１５】次に、本発明の発熱素子の製造方法につい
ては特に制限はなく、従来セラミックス系発熱素子の製
造において慣用されている方法を用いることができる。
例えば、まず所要量の平均粒径０．１〜１．５μｍ程度
の窒化ケイ素（α‐Ｓｉ₃Ｎ₄又はβ‐Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末
と、酸化アルミニウム粉末と、所望により用いられる酸
化ケイ素粉末又は希土類元素酸化物粉末とを、エタノー
ル及びトルエンやアセトンなどの溶媒を用い、必要なら
ば、さらに公知のバインダーや分散剤などを用いて、ボ
ールミルなどにより湿式混合して、スラリーを調製す
る。次いで、ドクターブレード法、プレス成形法、押出
し成形法などにより、所望形状に成形する。

【００１６】次に、このようにして得られた成形体の表
面に、導電層形成材料、例えばタングステンや炭化タン
グステンなどの微粉末を含有したペーストを用いて所定
のパターンに印刷し、それを積層又は巻き付けて所望形
状に成形したのち、この成形物を焼成する。焼成方法に
ついては特に制限はなく、公知の方法、例えばホットプ
レス焼成法、常圧焼成法、窒素ガス圧力焼成法、熱間静
水圧（ＨＩＰ）焼成法などが用いられる。また、焼成温
度は、通常１９００℃以下、好ましくは１７００〜１９
００℃の範囲で選ばれる。この焼成においては、窒素ガ
ス雰囲気下などの非酸化性雰囲気下で実施するのが有利
である。次に、このようにして得られた焼結体に、表面
研削加工や切断加工を施し、外部電源に接続するための
電極を導電層に取付けることにより、所望の発熱素子が
得られる。

【００１７】

【発明の効果】本発明の急速昇温発熱素子は、１５００
℃以上での使用が可能であって、制御回路を設けること
なく、約３秒以内で１１００℃以上に急速昇温しうると
ともに、昇降温の繰り返しや、１５００℃以上の高温で
の酸化に耐えるなどの耐久性に優れており、燃焼炎中
で、５０００時間経過しても、電気抵抗値の変化が認め
られない。本発明の発熱素子は、例えば天然ガス、プロ
パンガス、灯油などの気体燃料や液体燃料の着火用とし
て好適に用いられる。

【００１８】

【実施例】次に、本発明を実施例により、さらに詳細に
説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定さ
れるものではない。

【００１９】実施例１ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末４．
０６モル及びアクリル系バインダーとエタノール及びト
ルエンをそれぞれ適量加え、ボールミルで混合すること
により、スラリーを調製したのち、このスラリーをドク
ターブレード法によりシート状に成形し、次いで乾燥処
理して厚さ５００μｍのシートを作成した。次いで、上
記シートを一辺が６０ｍｍの正方形に切断し、これを４
層積層したのち、この積層体を、ホットプレス法によ
り、窒素ガス１気圧下、温度１７５０℃、プレス圧力２
５０ｋｇ／ｃｍ²、時間１時間の条件で焼成し、セラミ
ックス体を作製した。次に、このセラミックス体を平面
研削加工処理したのち、空気中にて１５００℃で５０時
間及び１００時間酸化処理し、１ｃｍ²当りの重量増加
量（ｍｇ／ｃｍ²）を測定した。結果を表１に示す。な
お、１００時間酸化処理後の重量増加量が０．５ｍｇ／
ｃｍ²以下のものを耐酸化性に優れると判定する。

【００２０】実施例２，３、比較例１，２実施例１において、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の量を表１に示すよう
に変えた以外は、実施例１と同様にして実施した。結果
を表１に示す。

【００２１】

【表１】（注）比較例１は焼結が不十分で、ち密化していない。

【００２２】実施例４ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末６．
８６モル、ＳｉＯ₂粉末１０モル及びアクリル系バイン
ダーとエタノール及びトルエンをそれぞれ適量加え、ボ
ールミルで混合することにより、スラリーを調製した。
以下実施例１と同様の操作を行った。その結果、空気
中、１５００℃での酸化処理後の重量増加量は、５０時
間で０．３０２ｍｇ／ｃｍ²、１００時間で０．４２７
ｍｇ／ｃｍ²であった。Ａｌ₂Ｏ₃の量が同じで、かつＳ
ｉＯ₂を添加しない実施例２では、酸化処理後の重量増
加量は、５０時間で０．３１８ｍｇ／ｃｍ²、１００時
間で０．４４９ｍｇ／ｃｍ₂であるので、ＳｉＯ₂を１０
モル加えることにより、耐酸化性が向上したことが分か
る。

【００２３】実施例５、比較例３，４ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末及び
Ｙ₂Ｏ₃粉末を表２に示す量で加え、さらにアクリル系バ
インダーとエタノール及びトルエンをそれぞれ適量加え
て、ボールミルで混合することにより、スラリーを調製
した。以下、実施例１と同様の操作を行った結果を表２
に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】実施例６ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末４．
０６モルと、表３に示す希土類元素酸化物を表３に示す
割合でそれぞれ配合し、さらにアクリル系バインダーと
エタノール及びトルエンをそれぞれ適量加えて、ボール
ミルで混合することにより、スラリーを調製した。以
下、実施例１と同様の操作を行った結果を表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】実施例７ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末４．
０６モル及びアクリル系バインダーとエタノール及びト
ルエンをそれぞれ適量加え、ボールミルで混合すること
により、スラリーを調製したのち、このスラリーをドク
ターブレード法によりシート状に成形し、次いで乾燥処
理して厚さ５００μｍのシートを作製した。次いで、上
記シートに炭化タングステンペーストを用いて印刷によ
りパターン形成したのち、印刷層が中心になるように５
層積層した。この積層体を、ホットプレス法により、窒
素ガス１気圧下、温度１７５０℃、プレス圧力２５０ｋ
ｇ／ｃｍ²、時間１時間の条件で焼成した。次に得られ
たセラミックス体を平面研削加工、切断加工し、電極を
取付け、発熱素子を作製した。図２は、このようにして
得られた発熱素子の斜視図である。図において符号１は
発熱素子、２，２′は電極であり、Ａはヒーター部領
域、Ｂはリード部領域を示す。この発熱素子について、
以下に示す評価を行った。すなわち、発熱素子を空気中
で１５００℃に発熱させ、５０００時間後の電気抵抗値
変化を調べた。また、空気中で１５００℃に発熱させ、
１５秒間通電、１５秒間通電停止の操作を１サイクルと
して、６００００サイクル後の電気抵抗値の変化を調べ
た。これらの結果を表４に示す。

【００２８】実施例８，９、比較例５，６実施例６において、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の量を表４に示すよう
に変えた以外は、実施例７と同様にして、発熱素子を作
製し、その評価を行った。結果を表４に示す。

【００２９】

【表４】（注）比較例５は焼結が不十分で、ち密化していない。ＭΩ：ヒーター部で開裂

【００３０】実施例１０ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末６．
８６モル、ＳｉＯ₂粉末１０モル及びアクリル系バイン
ダーとエタノールをそれぞれ適量加え、ボールミルで混
合することにより、スラリーを調製した。以下、実施例
７と同様にして、発熱素子を作製し、評価を行った。そ
の結果、空気中で１５００℃に発熱させ、５０００時間
後の電気抵抗値の変化及び６００００サイクル後の電気
抵抗値の変化は、いずれも認められなかった。また、セ
ラミックス基板層の温度とその電気抵抗値との関係、す
なわち抵抗温度特性を調べた。結果を図３にグラフで示
す。このグラフから分かるように、温度と電気抵抗値は
比例関係にあり、温度の上昇とともに、電気抵抗値は直
線的に増大している。すなわち、抵抗温度特性は、ＰＴ
Ｃ特性を示す。

【００３１】比較例７ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末６．
８６モル、ＳｉＯ₂粉末１６モル及びアクリル系バイン
ダーとエタノール及びトルエンをそれぞれ適量加え、ボ
ールミルで混合することにより、スラリーを調製した。
以下、実施例７と同様にして、発熱素子を作製した。こ
の発熱素子について、セラミックス基板層の温度とその
電気抵抗値との関係、すなわち抵抗温度特性を調べた結
果を図４にグラフで示す。このグラフから分かるよう
に、室温から１５００℃までの電気抵抗値は、最初はＰ
ＴＣ特性を示すが、高温領域でＮＴＣ特性を示し、不安
定な抵抗温度特性を示す。

【００３２】実施例１１、比較例８，９ α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末及び
Ｙ₂Ｏ₃粉末を表５に示す量で加え、さらにアクリル系バ
インダーとエタノール及びトルエンをそれぞれ適量加え
て、ボールミルで混合することにより、スラリーを調製
した。以下、実施例６と同様にして発熱素子を作製し、
その評価を行った結果を表５に示す。

【００３３】

【表５】（注）ＭΩ：ヒーター部で開裂

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂状態図。

【図２】実施例及び比較例で作製した発熱素子の斜視
図。

【図３】実施例１０で作製した発熱素子のセラミック
ス基板層の温度とその電気抵抗値との関係を示すグラ
フ。

【図４】比較例７で作製した発熱素子のセラミックス
基板層の温度とその電気抵抗値との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１発熱素子２，２′ 電極Ａヒーター部領域Ｂリード部領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁体材料基板層とその上に設けられ、
若しくはその中に埋設された高融点、低熱膨張率及び低
電気抵抗の導電体層との積層構造焼結体からなる発熱素
子において、前記基板層が、窒化ケイ素１００モル当
り、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で４〜１０モ
ル含むサイアロンを主成分とした組成物で構成されてい
ることを特徴とする急速昇温発熱素子。
【請求項２】絶縁体材料基板層とその上に設けられ、
若しくはその中に埋設された高融点、低熱膨張率及び低
電気抵抗の導電体層との積層構造焼結体からなる発熱素
子において、前記基板層が、窒化ケイ素１００モル当
り、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で４〜１０モ
ル、酸化ケイ素を１〜１２モル配合した組成物を窒素雰
囲気中で焼成したものであることを特徴とする急速昇温
発熱素子。
【請求項３】絶縁体材料基板層とその上に設けられ、
若しくはその中に埋設された高融点、低熱膨張率及び低
電気抵抗の導電体層との積層構造焼結体からなる発熱素
子において、前記基板層が、窒化ケイ素１００モル当
り、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で４〜１０モ
ル、希土類元素を酸化物換算で０．００１〜０．３モル
配合した組成物を窒素雰囲気中で焼成したものであるこ
とを特徴とする急速昇温発熱素子。
【請求項４】導電体層が融点２０００℃以上、熱膨張
率６．０×１０^-6／℃以下及び電気抵抗１０^-5Ω・ｃｍ
以下の材料からなる請求項１、２又は３記載の急速昇温
発熱素子。
【請求項５】導電体層がタングステン及び炭化タング
ステンの中から選ばれた少なくとも１種からなる請求項
４記載の急速昇温発熱素子。