JPS6337587A - セラミツクヒ−タ - Google Patents

セラミツクヒ−タ

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JPS6337587A
JPS6337587A JP18150786A JP18150786A JPS6337587A JP S6337587 A JPS6337587 A JP S6337587A JP 18150786 A JP18150786 A JP 18150786A JP 18150786 A JP18150786 A JP 18150786A JP S6337587 A JPS6337587 A JP S6337587A
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resistor
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molybdenum
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奥田 憲男
竹西 進介
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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(A1203)焼結体中にタングステン(−)やモリ
ブデン(MO)等の金属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℃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珪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。
この様な窒化珪素質焼結体の耐熱衝撃温度差は600℃
程度、800 ’C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。
このような窒化珪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に一般にタングステン(W)
やモリブデン(MO)等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(
W)やモリブデン(MO)等の金属を主体とする発熱抵
抗ペーストを窒化珪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−
126989号公+Uに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(W)や
モリブデン(MO)等の金属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(W)やモ
リブデン(Mo)等の金属は窒化珪素(SiJa) と
反応して一3i2.Mo5izの層を生成し易く、また
酸素と反応してWo 31 Mo03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
め抵抗値のバラツキが大きく、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があるために、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(誓
)やモリブデン(Mo)等の金属から成る発熱抵抗体は
これらの抵抗温度計数(TCP)が比較的高く4〜5×
10−3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(−)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。さらに、タングステ
ン(賀)やモリブデン(MO)等の金属から成る発熱抵
抗体は温度に対する抵抗変化が直線的に得られず、電圧
の上昇に伴って温度が一定に上昇しない。
〔発明の目的〕
本発明においては、発熱抵抗体の抵抗値のバラツキや断
線が生じ難く、また温度に対する抵抗変化率(TCR)
が低く、この抵抗変化が直線的に得られる耐熱衝撃性に
優れたセラミックヒータを提供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明によれば窒化珪素焼結体中もしくはその表面にタ
ングステンカーバイド(we)’Iの発熱抵抗体を形成
してなるセラミックヒータが提供される。
〔実施例〕
本発明のセラミックヒータにおいて、発熱抵抗体として
用いられるタングステンカーバイド(WC)はタングス
テン(賀)又はモリブデン(ト0)単身の金属と比べ高
温において熱力学的に安定であり、上記脆弱な反応層が
ほとんど生成されてない。したがって、脆弱な反応層の
存在による抵抗体の断線は略完全に防止できる。
また、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、タングステンカーバイl
−(WC)は窒化珪素(SiJ4)と熱膨張係数が近似
しているため昇温繰り返し時に相互に剥離せず強固に結
合した発熱抵抗体を形成することができる。
さらに、タングステンカーバイド(肛)からなる発熱抵
抗体はタングステン(W)又はモリブデン(Mo)と比
べ抵抗温度係数(TCP)が約1.3 Xl0−3(0
〜800℃)程度と小さい。
即ち、このことは第1図(a) 、 (b)に示す如く
、札を抵抗体とするものRol と、タングステン(−
)又はモリブデン(Mo)を抵抗体とするものRO□と
を同一ワット数のヒータとして作った場合(例えば80
0℃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(齢又はモリブデン(Mo)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・IRの一般式から電圧印加時の突入
電流が大きくなる。
一方、タングステンカーバイド(WC)を抵抗体とする
ものは常時抵抗が大きいので電圧印加等の突入電流を小
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(TC
R)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、1”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
CR)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。
さらに、もう一つの条件としてタングステンカーバイト
 (WC)の発熱抵抗体の厚みは2mm以下であること
が望ましい。
さらに、タングステンカーバイド(WC)からなる発熱
抵抗体は温度に対する抵抗変化が直線状に得られること
が実験的に分かった。
〔本発明の実施例〕
市販のhc粉末(純度99.8χ)にアセトン及びバイ
ンダーを添加し、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一〇質の発熱抵抗体ペ
ーストを作成した。この発熱抵抗体ペーストをプレス成
形又はテープ成形され、かつ焼結体としては絶縁性とな
る窒化珪素質生成形体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によ
り一体的に焼成した。そして、第3図に示すごとく、こ
の焼結体1bを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(図示せず)を
介してロウ付けして70X5 Xl、2+*−の板状セ
ラミックヒータを得た。
〔比較例1 〕 市販のW金属粉末にアセトン及びバインダーを添加し振
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W金属の発熱抵抗体ペーストを作成した。
この発熱抵抗体ペーストを前記本発明の実施例と同様に
プレス成形又はテープ成形され、かつ焼結体としては絶
縁性となる窒化珪素質生成形体上にスクリーン印刷して
抵抗回路を形成し、これを積層して常圧により一体的に
焼成した。そして、この焼結体を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をメタライズ層
を介してロウ付けして前記実施例と同様のセラミックヒ
ータを得た。
〔比較例2 〕 焼結体としては絶縁性となる窒化珪素質粉末内に線径0
.07mmの一線発熱フィラメントを線径0 、6mm
の外部電極取出リードに接続した状態で埋設し、これを
ホットプレスにより焼成し、前記電極取出リードが外部
へ露出した棒状セラミックヒータを得た。
〔実験例1 〕 本発明の実施例と比較例1及び2から得られた各サンプ
ル10本ずつについて抵抗計を用い室温25℃±1の部
屋にて抵抗値を測定し、各サンプルの抵抗値のバラツキ
を調べ第4図に示した。
第4図から理解されるように比較例1の胸金属からなる
発熱抵抗体ペーストを用いたものは約10〜275Ωも
の抵抗値のバラツキがあり、また一線からなる発熱抵抗
体を用いたものは本発明の実施例である高抵抗ヒータと
比較するために一発熱フィラメントの線径を0.07m
mと極めて細くしているので−Stの生成の影響が大き
く約50〜590Ωもの抵抗値のバラツキがある。これ
に対し、本発明の実施例に示す如<、札からなる発熱抵
抗体ペーストを用いたものは約25〜37Ω程度と抵抗
値のバラツキは比較例と比べて著しく小さい。
〔実験例2 〕 本発明の実施例と比較例1及び2から得られた各サンプ
ルの先端から一定位置(最高発熱部領域)の温度(T)
を測定しながら、電圧(V)と電流(1)を測定し、抵
抗値(R)をR=V/Iの一般式から温度(T)の関係
を調べ、温度に対する抵抗変化を第5図に示した。
第5図から理解されるように比較例1のW金属からなる
発熱抵抗体ペーストを用いたもの及び比較例2のWvA
からなる発熱抵抗体を用いたものは夫々温度に対する抵
抗変化が曲線状である。
これに対し、本発明の実施例のWCからなる発熱抵抗体
ペーストを用いたものは温度に対する抵抗変化が直線状
であるものが得られていることが分る。
〔実験例 3 〕 本発明の実施例と比較例1及び2から得られた各サンプ
ルについて、昇降温サイクルテストを行った。比較例1
及び2については5秒間で900 ’cとなるような電
圧を5秒間印加し、その後20秒間エアーにて冷却する
という0N−OFFサイクルを繰り返し、抵抗変化を調
べた。これろの結果を第6図に示す。
さらに、本発明の実施例については前記比較例l及び2
よりさらに苛酷な昇降温サイクルテストを行った。即ち
、1秒間で1000℃となるような電圧を1秒間印加し
、その後20秒間エアーにて冷却するという0N−OF
Fサイクルを繰り返し、抵抗変化を調べた。これらの結
果を第7図に示す。
第6図及び第7図から理解されるように比較例1及び2
のものは第6図に示すように約1000サイクル前後ま
で抵抗が上昇した後断線するのに対し、本発明の実施例
のものは第7図に示すように比較例1及び2より苛酷な
テスト条件においても約15000サイクル後において
も抵抗の変化がなく、且つ断線が生じないことが分る。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明は窒化珪素質焼結体中もしくはその
表面にタングステンカーバイド(WC)質の発熱抵抗体
を形成したもので、発熱抵抗体の抵抗値のバラツキや昇
降温サイクルテストにおける抵抗値変化及び断線が生じ
難く、また温度に対する抵抗変化率(TCR)が低くか
つこの抵抗変化が直線的に得られるため電圧の上昇に伴
い温度を一定に上昇させることができる有用なセラミッ
クヒータを得ることができる。
なお、前記本発明の実施例においては肛の純度が99.
8χと略100χWCの発熱抵抗体ペーストを使用した
が、発熱抵抗体の抵抗値を選択したり、また該抵抗体の
緻密度を向上させるため、または窒化珪素基板との接合
性を向上させるために、IACに対しY等の1ira族
元素、na族元素及び鉄族元素の単体、酸化物、窒化物
、炭化物、炭窒化物や窒化珪素基板と同種のSiJ、を
O〜40χ程度まで含有させても本発明の効果に影響は
ない。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)はWC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
た特性図、第1図(b)は前記WC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
性を示した特性図、第2図は窒化珪素質生成形体上にW
C抵抗体ペーストを印刷した状態を示す斜視部、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
抵抗値のバラツキを示す特性図、第5図は温度に対する
抵抗変化を示す特性図、第6図は比較例1及び2の昇降
温サイクルテストの結果を示す特性図及び第7図は本発
明の実施例の昇降温サイクルテストの結果を示す特性図
である。 1a・・・生成形体 ib・・・絶縁性焼結体

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 窒化珪素質焼結体中もしくはその表面にタングステンカ
    ーバイト(WC)質の発熱抵抗体を形成してなるセラミ
    ックヒータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6388777A (ja) * 1986-10-01 1988-04-19 日本特殊陶業株式会社 セラミツクヒ−タ−
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