JPS6381787A - セラミツクヒ−タ - Google Patents

セラミツクヒ−タ

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JPS6381787A
JPS6381787A JP22775586A JP22775586A JPS6381787A JP S6381787 A JPS6381787 A JP S6381787A JP 22775586 A JP22775586 A JP 22775586A JP 22775586 A JP22775586 A JP 22775586A JP S6381787 A JPS6381787 A JP S6381787A
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resistance
resistor
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健一郎 宮原
園田 博昭
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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〕
−I’lHに、セラミックを基体とするヒータとしては
アルミナ(A1zO3)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℃までにおける高温強度
(4点曲げ抗折強度)が30Kg/n+m”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43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、−J’IQ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(W)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−
126989号公報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(匈)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(W)やモリブデン
(Mo)は窒化珪素(SiJt)と反応してWSI Z
+ Mo5izの層を生成し易く、また酸素と反応して
WO,、、Mo0=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(−)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(TCR)
が比較的高く、4〜5 Xl0−’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)の比較的小
さい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)を抵抗材料と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、窒化アルミニウム質焼結体中もしくは
その表面にTiNを含む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(W)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、TiNとAIN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断線は略
完全に防止できる。
さらに、TiNを含むペーストとり又はMoと比べ抵抗
温度係数(TCP)が1〜2 Xl0−3(0〜800
℃)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(誓
)又はモリブデン(Mo)を抵抗体とするものRoz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(W)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、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(TCP)の小さいことは、使用
雲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=I2R(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。
(実施例1) 窒化チタン(TiN)粉末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を主体とした発熱抵抗ペー
ストを作成した。こ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
アルミニウム質の生成形体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)、ガス圧プレス(GPS)又はホットプレス(
IIP)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図に示ず
如き70 X 5 X 1.2mmの板状セラミックヒ
ータを各々得た。
得られた各試料隘1〜3に相当する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(100〜120V)を5秒間印加し、その後1
3秒間空気にて強制冷却する。
これを、1サイクルとして20 、000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
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1vを測定した
。これらの結果を第1表に示す。
また、窒化けい素質成形体の表面にW又&;tMo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20.00
0サイクル後の抵抗値と初期抵抗とを比較しその変化率
を調べ第1表に示し比較例とした。
第1表から理解されるように、誓又はMoを使用した発
熱抵抗体は電圧印加サイクルテストの20,000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前記20
.000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
窒化アルミニウムとの界面に形成されていない。
この点については第4図のヒータの断面顕微鏡写真に示
す如く、中央縦線で表われるTiN層とその左右のAI
N基板との界面には何ら他の反応相がなく美しいTiN
の結合状態が得られていることが理解される。
尚、発熱抵抗体ペースl−組成としてTiN0主成分に
対し、基板と同一のAIN 、その他Yz03.MgO
,Alz(h、Ni、Cr等の添加物を焼結助剤として
、又は抵抗値をコントロールするために連星添加するこ
ともできる。
この場合、TiN0量が少な過ぎると(例えば45重量
%以下)第5図に示す如く抵抗値の変化が大きくなるの
で抵抗の設定が困難となる。
(実施例2) 前記第1表の試料隘2のもの(x)とセラミック基板を
アルミナ(Al2O2)とし発熱抵抗体をタングステン
(W)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6図に示した。この図から明
らかなように、抵抗温度係数(TCR)が八IzOff
−系(X)が4.4 Xl0−”であるのに対し、本発
明のAlN−TiN系(Y)のものは2.5 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くなる。
なお、上記実施例1.2においては、窒化アルミニウム
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、これに限らず窒化アルミニウム質
焼結体表面に上記発熱抵抗体を配設し、必要に応じてセ
ラミック等から成る被覆層を被着せしめることによって
セラミックヒータを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
を窒化アルミニウム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) 本発明は上述の如く窒化アルミニウム質焼結体中もしく
はその表面にTiNを含有する発熱抵抗体を形成したの
で、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)の小さい耐熱衝撃性及び
高温強度に優れた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】
第1図(a)はTiN抵抗体とタングステン(−)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図は窒化アルミニウム質グリーンシ
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図は窒化アルミニウム質焼結体中のTiN層と
その界面を表わす顕微鏡写真(X5000倍)、第5図
はTiNの含有量と抵抗値との相関図及び第6図はアル
ミナ基板にタングステン抵抗体を形成した比較用ヒータ
と、本発明のヒータの抵抗温度係数(TCP)を示した
グラフである。 1a・・・生成形体 1b・・・絶縁性焼結体 2・・・発熱体

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 窒化アルミニウム質焼結体中もしくはその表面にTiN
    を含有する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 (3)

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