JPS62216189A

JPS62216189A - セラミツクヒ−タ

Info

Publication number: JPS62216189A
Application number: JP4658587A
Authority: JP
Inventors: 奥田　憲男; 中西　徳好; 正博山本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1987-09-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は一般家庭用、電子部品用、産業機器用及び自動
車用等の広汎に利用し得る耐熱衝撃性および高温強度に
優れたセラミックヒータに関するものである。

〔従来技術〕

一般に、セラミックを基体とするヒータとしてはアルミ
ナ（Ａｔ２０．）焼結体中にタングステン（Ｗ）やモリ
ブデン（Ｍｏ）を主体とする抵抗体を施したヒータが主
流である。

この様なセラミックヒータは電気絶縁性、耐薬品性およ
び耐摩耗性に優れているという利点がある。しかしなが
ら、一方アルミナは水中投下急冷の耐熱衝撃温度差が２
００℃程度であり、また８００°Ｃまでにおける高温強
度（４点曲げ抗折強度）が３０Ｋｇ／ｍｍ”程度と、耐
熱衝撃性および高温強度が劣っている。

そこで、この耐熱衝撃性及び高温強度が他のセラミック
よりも著しく優れた窒化けい素質焼結体をヒータの基板
として使用することが注目された。

この様な窒化けい素質焼結体の耐熱衝撃温度差は６００
℃程度、８００℃までの高温強度（４点曲げ抗折強度）
は６０Ｋｇ／ｍｍ”とアルミナに比べ著しく優位である
。

このような窒化けい素質焼結体を基体とするセラミック
ヒータはアルミナ基板と同様、一般にタングステン（Ｗ
）やモンブデン（Ｍｏ）の発熱抵抗金属線を基体中に埋
設するものが既に提供され、またこれらタングステン（
讐）やモリブデン（Ｍｏ）を主体とする発熱抵抗ペース
トを窒化けい素質グリーンシート上に印刷配線し、これ
を積層して一体焼成してなるものが特開昭５５−１２６
９８９号公ｉ１４こより提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、発熱抵抗体としてタングステン（−）や
モリブデン（Ｍｏ）を使用すると高温焼成時や長時間の
昇降温繰り返し使用時にこれら発熱抵抗体周囲と窒化珪
素との界面において、タングステン（―）やモリブデン
（Ｍｏ）は窒化珪素（Ｓｔ：Ｊａ）と反応してＷＳｉｚ
、Ｍｏ５ｉｚの層を生成し易く、また酸素と反応してＷ
Ｏｚ＋Ｍｏ０ｚの層を生成し易い。このように生成され
た反応層は物理的に脆弱であるため抵抗値の変化が生じ
たり特に高抵抗ヒータの場合反応層生成界面に亀裂が生
じ易くなり、亀裂による発熱抵抗体の断線が生じる等の
欠点のために、特に発熱抵抗ペーストを使用する方式に
ついては実用化に供されていないのが現状である。さら
に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）から成る
発熱抵抗体はこれらの抵抗温度係数（ＴＣＰ）が比較的
高く、４〜５　Ｘｌ０−３／を程度（０〜８００℃）で
ある。従って、既に実用化されているタングステン（Ｗ
）やモリブデン（Ｍｏ）の発熱抵抗金属線を基体に埋設
する方式においても電圧印加時の突入電流が大きくなり
、電流容量の大きいヒータの通電制御装置を必要とする
などの欠点があった。

〔本発明の目的〕

本発明においては発熱抵抗体の経時的抵抗値変化及び断
線を防止でき、また抵抗温度係数（ＴＣＰ）が比較的小
さく、かつ直線的に得られるセラミックヒータを提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は上記問題点に鑑み鋭意研究の結果、窒化チ
タン（ＴｉＮ）　と窒化けい素との主成分に対しこれに
若干量のＭｇＯを添加した発熱抵抗体を用いることによ
り前記問題点を克服し得ることを知見した。

本発明によれば、窒化けい素質焼結体中もしくはその表
面にＳｉ：＋Ｎ４を２０〜７０重量％と、ＴｉＮを３０
〜７５重量％と、ＭｇＯもしくは焼成してＭｇｏとなる
化合物を０．１〜９重量％とから実質的になる発熱抵抗
体を形成したことを特徴とするセラミックヒータが提供
される。

本発明のセラミックヒータにおいて、発熱抵抗体として
用いられる窒化チタン（ＴｉＮ）はタングステン（−）
やモリブデン（Ｍｏ）と比べ、高温において熱力学的に
安定であり、上記脆弱な反応層がほとんど生成されない
。

したがって焼結体の焼成時や長期の昇降温繰り返し使用
後の抵抗値変化が生じない。また、窒化チタン（ＴｉＮ
）は窒化珪素（ｓｔ：＋Ｎａ）の焼結助剤となり得るこ
とがらＴｉＮとＳｉ３Ｎ、とは相互に強固に結合した発
熱抵抗体を形成する。

したがって脆弱な反応層の存在による抵抗体の脆性は略
完全に防止できる。

さらに、ＴｉＮを含むペーストと讐又はＭｏと比べ抵抗
温度係数（ＴＣＰ）　−ｈ＜　１〜２　Ｘｌ０−”／’
Ｃ（０〜８００’Ｃ）　　と小さい。

即ち、このことは第１図（ａ）　、（ｂ）に示す如く、
ＴｉＮを抵抗体とするものＲｏ、と、タングステン（Ｗ
）又はモリブデン（Ｍｏ）を抵抗体とするもの１１０２
とを同一ワット数のヒータとして作った場合（例えば８
００℃における抵抗値を各々同一とした場合−第１図（
ａ）参照）、タングステン（ＩＡ）又はモリブデン（Ｍ
Ｏ）を抵抗体とするものは常時抵抗が小さいので、第１
図（ｂ）に示す如＜Ｖ、ＩＨの一般式から電圧印加時の
突入電流が大きくなる。

一方、ＴｉＮを抵抗体とするものは常温抵抗が大きいの
で電圧印加時の突入電流を小さくすることができ、該ヒ
ータの制御装置の電流容量が小さくて済む。さらに、こ
のような抵抗温度係数（ＴＣＲ）の小さいことは、使用
雰囲気によりヒータの温度分布が均一になる。

即ち、オームの法則によりＷ、Ｉ”Ｒ（Ｉは一定）から
抵抗値に比例して発熱エネルギーが大きくなることは知
られている。したがって、抵抗温度係数（ＴＣＰ）の大
きなヒータはその一部が局部的に冷却された場合、その
部分の抵抗体の抵抗値が大きく下がり、その部分の発熱
量が著しく減少する事となる。一方、抵抗温度係数（Ｔ
ＣＰ）の小さな本発明のヒータはその一部が局部的に冷
却されても、その部分の抵抗体の抵抗値があまり下がら
ずその部分の発熱量の変化が少ない。即ち、ヒータの温
度分布は外部影響を受けにくいということになる。

前記抵抗温度係数（ＴＣＰ）を小さくするもう一つの条
件としてＴｉＮの発熱抵抗体の厚みは３ｍｍ以下である
ことが望まれる。

さらに、発熱抵抗体として窒化チタン（ＴｉＮ）の主成
分に対してＭｇＯを添加すると抵抗温度係数（ＴＣＲ）
が直線的に得られる。ＭｇＯは窒化チタン（ＴｉＮ）の
焼成助剤となり緻密化を促進するため強度が向上し、ボ
イドやクラック発生による抵抗変化が抑制され、結果的
に抵抗温度係数（ＴＲＣ）が直線的に得られる。Ｓｉ３
Ｎ、が２０重量％未満でありかつＴｉＮが７５重量％を
越えるとＴｉＮが多くなるため、５ｉＪａ基板と比べこ
のＴｉＮ主体の発熱抵抗体の熱膨張係数が大きくなり過
ぎ、発熱時に熱応力がかかり、該抵抗体にクラックが発
生し易い。また５ｉＪ４成分が少なくなるので該抵抗体
自体の強度が小さくなる。反対にＳｉ３Ｎ、が７０重量
％を越えかつＴｉＮが３０重量％未満であるとＴｉＮが
少ないため絶縁性が増し抵抗値が大きくなり発熱抵抗体
として使用できなくなる。またＴｉＮの量が少ない側で
はＴｉＮと５４３Ｎ４　との量比が少し変化するだけで
抵抗値が大きく変化するため抵抗値のコントロール及び
安定した抵抗値を確保することが困難となる。好ましく
は５ｉＪｎが２５〜５５重量％、ＴｉＮが４２〜７２重
量％である。更に、１１ｇ０が０．１　ｆｔｆｉｔ％未
満であるとこの抵抗体の焼結が充分促進されないため強
度が低下し、クラックが発生し易くなる。そのため抵抗
温度係数の直線性がなくなると共に、抵抗変化が生じ易
くなる。ＭｇＯが９重量％を越えると発熱抵抗体中のガ
ラス成分が多くなり却って強度が低下するため、この抵
抗体にクランクが生じ易くなり抵抗温度係数の直線性が
なくなると共に、抵抗値変化が生じ易くなる。

（実施例１）窒化チタン（ＴｉＮ）に対しｓｉ、Ｌ、ｙ、ｏ３．Ｍｇ
ｏ及びへ１□０１等の添加物を、第１表に示す如き組成
に調合した。これにアセトン及びバインダーを添加して
振動ミルにて７２時間混合し、脱アセトン後混練して粘
度を調整してＴｉＮを含有した発熱抵抗体ペーストを作
成した。これら試料磁１〜１３の発熱抵抗体ペーストを
夫々プレス成形又はテープ成形された焼結体としては絶
縁性となる窒化けい素質の生成形体ｌａ上に第２図の如
くスクリーン印刷して抵抗回路２を形成し、これを積層
して常圧（ＰＬ）、ガス加圧（ＧＰＳ）又はホットプレ
ス（ＨＰ）により一体焼成した。これら焼結体１ｂは研
削又は表面処理により電極を露出させ、これに電極取出
金具３をメタライズ層を介してロウ付けして第３図に示
す如き７０　Ｘ　５　Ｘ　１．２ｍｍの板状セラミック
ヒータを各々得た。

得られた各使用Ｎ［Ｌ１〜１３に相当す不板状セラミッ
クヒータを発熱体先端の温度が電圧印加５秒後に９００
度になる電圧を５秒間印加し、その後１３秒間空気にて
強制冷却する。

これを、１サイクルとして１０００サイクル後の抵抗値
と初期抵抗値とを測定し、その抵抗変化率を調べるとと
もに、０〜８００℃における抵抗温度係数ＴＣＲｔ−調
べた。また、各セラミックヒータを第３図のＡ−Ａで切
断し、露出した抵抗体を電子顕微鏡にて膜厚を測定した
。これらの結果を第１表に示す。

〔以下余白〕

〔比較例〕また、同様に窒化けい素質生成形体の表面にＷ又はＭｏ
の抵抗ペーストを印刷して抵抗体回路を形成し、これを
積層して常圧により一体焼成して第３図と同様のセラミ
ックヒータを得た。これらにつき、前記と同様に１００
０サイクル後の抵抗値と初！ｔＩＩ抵抗とを比較しその
変化率を調べ第２表に示し比較例とした。

〔以下余白〕

第１表に示す発熱抵抗ペーストの組成について理解され
る点は、５ｉＪ４の添加量が本発明の範囲より多い試料
階１のものはＴｉＮが少ないため抵抗値が大きくなり発
熱抵抗体として使用できない。

ＴｉＮの添加量が本発明の範囲より多い試料隘５のもの
は抵抗体の熱膨張係数が５ｉＪａ基板より大きくなるた
め発熱時の熱応力により抵抗体に微細なりラックが発生
しそのため、抵抗値の変化が大きく、また抵抗温度係数
（ＴＣＰ）　も直線的に得られない。また、Ｍｇ（叶）
２が無添加、又は９重量％を越えて添加した試料Ｎｎ６
．１０．１２は焼結が不充分か又はガラス成分が増加す
るため抵抗体にクラックが生じ易くなり上記と同様に抵
抗変化が大きくかつ抵抗温度係数（ＴＣＰ）　も直線的
に得られない。これに対し、本発明の範囲内である試料
ＮｃＬ２〜４．７〜９．１１及び１３は夫々抵抗値変化
率が３％以内と小さく、また抵抗温度係数（ＴＲＣ）が
直線的に得られている。さらに、第２表から理解される
ように、讐又はＭｏを使用した発熱抵抗体は電圧印加サ
イクルテストの１０００サイクル後の抵抗値変化が大き
く又は断線するという結果であったのに対し、本発明の
ＴｉＮを含有する発熱抵抗ペーストを焼成して得られた
セラミックヒータは第１表に示す如く前記１０００サイ
クルの抵抗値変化が著しく小さい。このような結果は即
ち前記したような脆弱な反応層が抵抗体と窒化珪素との
界面に形成されていないためと考えられる。

〔実施例２〕Ｓｉ３Ｎ４．ＴｉＮ添加量（ｈ及びＭｇＯが第３表に示
す組成比を有する試料隘Ａｌ、＾２．Ｂ１．Ｂ２．ＣＩ
及びＣ２の各抵抗ペーストを窒化けい素質焼結体表面に
スクリーン印刷して第３図と同様のセラミックヒータを
作成した。前記試料１ｉｈＡ１とＡ２はＴｉＮ添加量を
５３．１重量％、試料ＮＩＩＬＢＩ、Ｂ２はＴｉＮ添加
量を６２．８重量％、試料階Ｃ１，Ｃ２はＴｉＮ添加量
を７１．８重量％と順次増量した組の試料を作成し、他
の添加組成である５４３Ｎ、とｈ（ｈは各組において略
同様の組成比として、これに対しＭｇＯを添加し又は添
加しない３組の試料を作成した。

第３表組　　成　　比　（重量％）Ｓｉ３Ｎ４　　　ＴｉＮ　　　Ｙｚ０３　　Ｍｇ０Ａ　
Ｉ　　　４２．９　　５３．１　２．０　　２．ＯＡ　
２　　４４．９　　５３．１　２．０　　０．ＯＢ　１
　　３４．１　　６２．８　１．５　　１．６１３２　
　３５．７　　６２．８　１．５　　０．０ＣＩ　　　
２６．０　　７１．８　１．０　　１．２Ｃ２２７，２
７１，８１，００，０これら３組の試料について第４図に示す如く温度上昇に
伴う抵抗変化を調べた。抵抗値の測定は夫々常温、４０
０℃、７００　ｔ、１０００　’Ｃ及び１０００℃ニお
いて行った。

第４図から明らかなようにＭｇＯを添加していない試料
番号Ａ２，８２及びＣ２は高温側での抵抗温度係数が直
線的に得られていないのに対し、試料番号ＡＩ、Ｂｌ及
びＣ１は直線的に得られており、このことは温度に対す
る抵抗変化による発熱温度のコントロールが容易となる
。

〔実施例３〕前記第１表の試料１１ｈ２のもの（ｘ）とセラミック基
板をアルミナ（ＡＩ□０．３）とし発熱抵抗体をタング
ステン（−）ペーストを使用した以外は実施例１と同様
に作成されたもの（Ｙ）　とを夫々ヒータの先端の温度
を測定しながら電圧を変化させ、その時の温度と抵抗値
の相関を調べた。その抵抗値を常温での抵抗値との比を
縦軸に、また温度を横軸として第５図に示した。この図
から明らかなように、抵抗温度係数（ＴＣＲ）がＡｌｚ
（ｈ−系（Ｘ）が４．４　Ｘｌ０−”７℃であるのに対
し、本発明の５ｔ３Ｎ４−ＴｉＮ系（Ｙ）のものは１．
１　ｘｌＯ−’／　℃と小さいことが理解される。この
ことは前述の如く突入電流を小さくでき、さらにヒータ
の温度分布は外部雰囲気に影響を受けに（くなる。なお
、上記実施例１，２においては、窒化けい素質焼結体中
にＴｉＮを含有する発熱抵抗体を埋設したものについて
述べたが、これに限らず窒化けい素質焼結体表面に上記
発熱抵抗体を配設し、必要に応じてセラミ・ツク等から
成る被５７層を被着せしめることによってセラミックヒ
ータを一構成することも可能である。

また、ＴｉＮでもって線状、板状に形成した発熱抵抗体
を窒化けい素質焼結体中に埋設することによってヒータ
を構成してもよく、この場合、発熱抵抗体の抵抗値は比
較的小さいものが得られるため低電圧で発熱容量の大き
いセラミックヒータを構成することができる。

（発明の効果）本発明は窒化けい素質焼結体中もしくはその表面に５ｉ
Ｊ４とＴｉＮとを主成分とする抵抗ペーストを形成し、
前記主成分に対しＭｇＯを一定量添加することにより発
熱抵抗体の経時的抵抗変化及び断線を防止でき、また抵
抗温度係数（ＴＣＲ）の小さい耐熱衝撃性及び高温強度
に優れると共に抵抗温度係数が直接的であり発熱温度の
コントロールが容易なセラミック比を提供することがで
きる。

尚、前記５ｉＪ４とＴｉＮとの主成分に対する焼結助剤
としてＹＪｚ及びＭｇＯを添加したが、その他Ｙ２Ｏ３
以外の第ｍａ族元素の化合物、ＭｇＯ以外の第■ａ族元
素の化合物やＡｌ系化合物等の焼結助剤を焼成条件に応
じて７重量％まで添加しても本発明の効果に影響されな
いものと考える。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はＴｉＮ抵抗体とタングステン（ｗ）やモ
リブデン（Ｍｏ）抵抗体の温度に対する抵抗値変化を示
した図、第１図（ｂ）は前記ＴｉＮ抵抗体とタングステ
ン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）抵抗体との突入電流の特
性を示した図、第２図は窒化けい素質グリーンシート上
にＴｉＮ抵抗体ペーストを印刷した状態を示す斜視図、
第３図は完成状態のセラミックヒータを示す斜視図、第
４図は？ＩｇＯ添加と無添加との抵抗体組成の抵抗温度
係数（ＴＣＰ）直線を比較するグラフ図、第５図はアル
ミナ基板にタンゲスｌａ・・・生成形体１ｂ・・・絶縁性焼結体

Claims

【特許請求の範囲】

窒化けい素質焼結体中もしくはその表面にＳｉ＿３Ｎ＿
４を２０〜７０重量％と、ＴｉＮを３０〜７５重量％と
、ＭｇＯもしくは焼成してＭｇＯとなる化合物を０．１
〜９重量％とから実質的になる発熱抵抗体を形成したこ
とを特徴とするセラミックヒータ。