JP3398274B2

JP3398274B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3398274B2
Application number: JP34012395A
Authority: JP
Inventors: 英樹内村; 浩司小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2015-12-27
Also published as: JPH09180866A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭用、電子
部品用、産業機械用および自動車用等の広範囲に利用し
うるセラミックヒータ関するものである。

【０００２】

【従来技術】窒化珪素質焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性
等に優れることから、急速昇温可能で耐久性が要求され
るセラミックヒータの絶縁性支持体として有望視されて
きた。この様なセラミックヒータは、例えば、窒化珪素
粉末に、焼結助剤として希土類元素酸化物等の周期律表
第３ａ族元素酸化物と、ＷやＭｏを添加したものを成形
した未焼成の絶縁性支持体用成形体基板に、Ｗ等の微粉
末を含有した発熱抵抗体用ペーストを所定のパターンに
印刷した後にホットプレス等の方法で絶縁性セラミック
スと発熱抵抗体とを同時に焼成して作製されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年に至り、セラミッ
クヒータの発熱温度は高くなりつつあり、最近では１５
００℃もの高温で発熱させるものも要求され、さらには
このような高温状態からの急激な冷却または、低温状態
から急激な加熱立ち上げ等の熱衝撃に対して優れた耐久
性も要求されている。

【０００４】しかしながら、従来の窒化珪素質焼結体か
らなる絶縁性セラミックスでは、高温強度が低く、特に
ヒータは、大気等の酸素を含む雰囲気で使用されるため
に、窒化珪素質焼結体が酸化されてしまい、クラックが
生じ、これにより発熱抵抗体が酸化されてしまい、ヒー
タの耐久性が急激に低下するという問題があった。しか
も、熱衝撃性についても、１０００℃程度での急激な温
度変化に対しては耐久性を有していても１４００℃以上
の高温域からの温度変化に対しては十分な耐久性を有す
るものではなかった。

【０００５】従って、本発明の目的は、室温から高温ま
で優れた強度と耐酸化性を有すると同時に、１５００℃
もの高温加熱下でも優れた耐久性と高温域での急激な熱
衝撃に対して優れた耐久性を具備したセラミックヒータ
を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ヒータの
絶縁性セラミックスとして要求される特性を満足するよ
うな窒化珪素質焼結体においては、焼結体の主結晶相お
よび窒化珪素相の粒界相を制御することが重要であると
いう見地に基づき検討を重ねた結果、窒化珪素結晶相を
主相とし、その粒界に周期律表第３ａ族元素酸化物と酸
化珪素からなる複合酸化物結晶相を析出させることによ
り、上記目的が達成されることを見出した。

【０００７】即ち、本発明のセラミックヒータは、絶縁
性セラミックスと、発熱抵抗体を具備するものであり、
前記絶縁性セラミックスが、窒化珪素を８０〜９２モル
％と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）を酸化物換算で２
〜５ｍｏｌ％と、不純物的酸素を酸化珪素（ＳｉＯ₂）
換算で６〜１５ｍｏｌ％の組成からなるとともに、前記
不純物的酸素の酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算量と周期律表
第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）換算量とのＳｉＯ
₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が２〜５の範囲の組成
からなる主成分１００重量部に対して、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ
の炭化物、窒化物、ケイ化物、酸化物のうち少なくとも
１種以上を０．２〜５重量部の割合で含有する窒化珪素
焼結体であって、窒化珪素結晶相を主相とし、該主相の
粒界が主としてダイシリケート（ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇）結
晶相を含むことを特徴とするものであり、特に、絶縁性
セラミックスとしての特性が１４００℃における抗折強
度が３００ＭＰａ以上、１４００℃に１００時間保持後
の酸化重量増加が０．２ｍｇ／ｃｍ²以下であることを
特徴とし、さらには、発熱抵抗体を、ＷＣ、ＴａＮ、Ｍ
ｏ₂Ｃのうちの少なくとも１種により構成することを特
徴とする。

【０００８】

【作用】本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体を支
持する絶縁性支持体を窒化珪素結晶相を主結晶相とし、
その粒界相に周期律表第３ａ族元素酸化物と酸化珪素と
の複合酸化物であるダイシリケート結晶相を析出させる
ことにより、焼結体自体の１５００℃の高温での強度を
高めると同時に耐酸化性を高めることができるために、
酸化性雰囲気中で高温状態で長時間保持された後におい
ても、絶縁性支持体にクラックの発生や絶縁性支持体で
の組成変動のない優れたヒータを提供できる。

【０００９】しかも本発明のセラミックヒータは、ヒー
タとしての高温状態からの急激な温度変化に対しても優
れた耐久性を具備することから、急激な温度変化に対し
て絶縁性セラミックスにクラック等が生じることなく、
信頼性の高いヒータを提供できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックヒータの典型
的な構造を図１に示した。図１によれば、セラミックヒ
ータ１は、絶縁性セラミックス２の内部に発熱抵抗体３
が埋設されており、発熱抵抗体３は、外部電源（図示せ
ず）と接続するためのリード線取り出し部３４と接続さ
れている。リード線取り出し部４は。取付金属５と電気
的に接続され、取付金具５にはリード線６が取付られて
いる。そして、外部電源よりリード線６、取付金具５お
よびリード線取り出し部４を通じて電圧が印加されるこ
とにより発熱抵抗体３が発熱する。

【００１１】本発明によれば、絶縁性セラミックスを窒
化珪素質焼結体により構成する。この窒化珪素質焼結体
は、β−窒化珪素結晶相を主相とするものであり、その
粒界に、周期律表第３ａ族元素酸化物と酸化珪素との複
合酸化物であるダイシリケート（ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇）結
晶相を主として含むものである。

【００１２】このような結晶組織からなる焼結体は、全
体組成が、窒化珪素を８０〜９２モル％と、周期律表第
３ａ族元素（ＲＥ）を酸化物換算で２〜５ｍｏｌ％と、
不純物的酸素を酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算で６〜１５ｍ
ｏｌ％の割合で含有するとともに、前記不純物的酸素の
酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算量と周期律表第３ａ族元素の
酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）換算量とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃
で表されるモル比が２〜５の範囲の組成成分を主成分と
するものである。

【００１３】ここで、不純物的酸素とは、焼結体全体中
の全酸素量から、周期律表第３ａ族元素に酸化物として
混入する酸素分を除いた残りの酸素量であり、具体的に
は、窒化珪素原料中の不純物酸素または添加物としての
酸化珪素に結合する酸素分である。

【００１４】かかる主成分組成を上記の範囲に限定した
のは、窒化珪素が８０モル％より少ないか、周期律表第
３ａ族元素の酸化物換算量が５モル％より多いと、粒界
相の偏析、欠落が生じやすくなり、窒化珪素が９２モル
％より多いか、あるいは周期律表第３ａ族元素の酸化物
換算量が２モル％より少ないと、緻密化が困難となるた
めである。

【００１５】さらに不純物的酸素の酸化珪素換算量が６
モル％より少ないと、緻密化が不十分となるとともにダ
イシリケート析出量が少なくなり、１５モル％より多い
と粒界相の偏析が生じやすくなる。

【００１６】なお、上記ＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃モル比が
２より小さいと、粒界へ析出する結晶相として、ＹＡＭ
相やメリライト相等が析出してしまい、耐酸化性が劣化
するためであり、５より大きいと粒界の偏析が生じやす
くなるためである。

【００１７】望ましくは、窒化珪素を８４〜９０モル％
と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）を酸化物換算で２．
５〜４ｍｏｌ％と、不純物的酸素を酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ₂）換算で８〜１２ｍｏｌ％の割合で含有するととも
に、前記不純物的酸素の酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算量と
周期律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）換算量と
のＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が２〜４の範
囲の組成が望ましい。

【００１８】また、本発明によれば、上記主成分１００
重量部に対して、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏの炭化物、窒化物、ケ
イ化物、酸化物のうち少なくとも１種以上を０．２〜５
重量部の割合で含有することが重要である。これらの添
加成分は、印加電圧により窒化珪素質焼結体中の元素が
イオン化して移動するために組成が変動するのを抑制し
て、ヒータとしての耐久性を高めるためのものであり、
これらの添加量が０．２重量部より少ないと上記の効果
が充分でなく組成の変動が大きくなり、５重量部を越え
ると絶縁性支持体の抵抗が小さくなる等の抵抗の変化が
大きくなるためである。望ましくは、１〜３重量部であ
る。なお、これらの中でもＷ、Ｍｏの炭化物、窒化物、
ケイ化物、酸化物が色調等の点で最も良い。

【００１９】なお、本発明に用いられる周期律表第３ａ
族元素としては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げ
られる。これらの元素は、室温特性は有意差はないが、
高温特性が生成する粒界相の融点に依存し、生成するダ
イシリケートの融点が高い点において、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅ
ｒが最も好ましい。

【００２０】なお、本発明のセラミックヒータにおい
て、上記の絶縁性セラミックスの表面あるいは内部に配
設される発熱抵抗体としては、ＷＣ、ＴａＮ、Ｍｏ₂Ｃ
のうちのいずれか１種からなることが望ましいが、これ
らの中でもＷＣ、Ｍｏ₂Ｃが耐久性、抵抗の安定性の点
で最も望ましい。

【００２１】次に、絶縁性セラミックスとして上記のよ
うな窒化珪素質焼結体を用いたセラミックヒータを作製
する方法について説明する。まず絶縁性セラミックスを
作製するには、主原料として、α−Ｓｉ₃Ｎ₄あるいは
β−Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径が０．１〜１．２μｍの窒化
珪素粉末と、周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、酸化珪
素粉末、およびＷ、Ｔａ、Ｍｏの炭化物、窒化物、ケイ
化物、酸化物のうち少なくとも１種の粉末を用いて混合
後、成形体を作製するにあたり、成形体組成において、
窒化珪素が８０〜９２モル％と、周期律表第３ａ族元素
（ＲＥ）が酸化物換算で２〜５ｍｏｌ％、不純物的酸素
が酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算で６〜１５ｍｏｌ％の組成
からなり、不純物的酸素の酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算量
と周期律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）換算量
とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が２〜５の
範囲となるように組成制御すると同時、この主成分１０
０重量部に対してＷ、Ｔａ、Ｍｏの炭化物、窒化物、ケ
イ化物、酸化物のうち少なくとも１種が０．２〜５重量
部となる組成に混合する。

【００２２】成形は、所望の成形手段、例えば、プレス
成形、鋳込成形、押し出し成形、ドクターブレード法、
圧延法等により任意のヒータ用支持体形状に成形するこ
とができる。

【００２３】次に、得られた成形体に発熱抵抗体を形成
するＷＣ等の微粉末を含有したペーストを絶縁性セラミ
ック成形体の表面に所定のパターンに印刷し、それを積
層または巻き付けて所定のヒータ形状に成形した後に発
熱抵抗体と絶縁性セラミックスとの同時に焼成する。

【００２４】焼成は、例えば、ホットプレス方法、常圧
焼成、窒素ガス圧力焼成、さらには、これらの焼成後の
ＨＩＰ焼成等で焼成してセラミックヒータを得ることが
できる。発熱抵抗体の安定性を考慮すれば、特にホット
プレス、窒素ガス圧力焼成法が望ましく、さらには焼結
体の結晶相の制御等の点では、窒素ガス圧力焼成法が最
も望ましい。この時の焼成温度は、高温すぎると助剤の
偏析、もしくは発熱抵抗体における抵抗の上昇を招くた
め、１９００℃以下、特に、１７００〜１９００℃の窒
素ガス含有非酸化性雰囲気であることが望ましい。

【００２５】また、他の方法として、発熱抵抗体を上記
のようなペースト塗布−焼成により形成する以外に、Ｗ
等の金属線を用いて、絶縁性セラミックス成形体中に埋
設した後、上記の焼成を行ってセラミックヒータを得る
こともできる。

【００２６】

【実施例】

実施例１窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ²／ｇ、α率99％、
酸素量１．０重量％）と各種の周期律表第３ａ族元素酸
化物粉末と酸化珪素粉末、および表１の各種添加物粉末
を用いて、成形体組成が表１に示す組成になるように調
合後、プレス成形した後、表１の条件下で焼成して特性
評価用の絶縁性セラミックスを作製した。

【００２７】一方、上記と同様な組成で調合した混合物
を押出成形により厚み３００μｍのシート状成形体を作
製した。そして、このシート状成形体にＷＣを含むペー
ストを印刷した後、前記シート状成形体と同一組成から
なる混合物を押出成形して作製されたロッド状成形体に
巻き付けヒーター前駆体とした。この前駆体を窒化珪素
質の匣鉢に入れて、表１の条件で焼成してセラミックヒ
ータを作製した。

【００２８】得られた特性評価用の焼結体を用いて、Ｊ
ＩＳ−Ｒ１６０１にて指定されている形状まで研磨し試
料を作製しこの試料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づ
く室温および１４００℃での４点曲げ抗折強度試験を行
った。さらに、１４００℃、１００時間の大気中に保持
した後の重量増加分を測定し酸化特性について評価し、
表１に示した。

【００２９】また、得られたセラミックヒータを１４０
０℃に保持した状態から溶融したハンダ（２５０℃）に
投下浸漬して熱衝撃試験を実施した。試験の結果、試料
にクラックが生じたものに×、クラックの発生がないも
のに○を付した。また、セラミックヒータを１５００℃
に加熱した状態で１００時間経過後の抵抗変化を測定し
た。その結果は耐久性として表１に示した。なお、表
中、○は抵抗変化が５％以下、△は５〜１５％、×は１
５％以上のものである。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１の結果から明らかなように、窒化珪素
結晶相以外の結晶相として、ＹＡＭやメリライトが析出
した試料Ｎo.１３、１５では、いずれも耐酸化性が悪
く、耐久性も悪いものであった。また、ダイシリケート
が析出しても主成分組成が本発明の範囲を逸脱する試料
Ｎo.１７は、粒界相の偏析による欠陥の発生により強度
が低いものであった。また、添加物の量が０．２重量部
より少ない試料Ｎo.１８では発熱抵抗体付近での組成変
化が著しく、５重量部より試料Ｎo.１６では、著しい抵
抗変化を示した。

【００３２】これらの比較例に対して、本発明の試料
は、いずれも室温から１４００℃まで高い強度を有し、
特に１４００℃で３００ＭＰａ以上の強度を有するとと
もに、１４００℃での酸化重量増加も０．３ｍｇ／ｃｍ
²以下の優れた耐酸化性を示した。これによりヒータと
して１４００℃で長時間加熱しても何ら変化のない耐久
性に優れたものであった。また、耐熱衝撃性も１０００
℃以上の優れたものであった。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のセラミック
ヒータは、絶縁性セラミックスが優れた高温強度と耐酸
化性を有することから、ヒータとして１４００℃もの高
温発熱下、あるいは高温状態から急激な温度変化に対し
ても優れた耐久性を示し、その寿命を延ばすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータの典型的な構造を説
明するための概略図である。

【符号の説明】１セラミックヒータ２絶縁性セラミックス３発熱抵抗体４リード線取り出し部５取付金具６リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 3/10 - 3/14 H05B 3/20 C04B 35/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性セラミックスと、発熱抵抗体を具備
するセラミックヒータにおいて、前記絶縁性セラミック
スが、窒化珪素を８０〜９２モル％と、周期律表第３ａ
族元素（ＲＥ）を酸化物換算で２〜５ｍｏｌ％と、不純
物的酸素を酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算で６〜１５ｍｏｌ
％の組成からなるとともに、前記不純物的酸素の酸化珪
素（ＳｉＯ₂）換算量と周期律表第３ａ族元素の酸化物
（ＲＥ₂Ｏ₃）換算量とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表される
モル比が２〜５の範囲の組成からなる主成分１００重量
部に対して、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏの炭化物、窒化物、ケイ化
物、酸化物のうち少なくとも１種以上を０．２〜５重量
部の割合で含有する窒化珪素焼結体であって、窒化珪素
結晶相を主相とし、該主相の粒界が主としてダイシリケ
ート（ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇）結晶相を含むことを特徴とする
セラミックヒータ。
【請求項２】前記絶縁性セラミックスが、１４００℃に
おける抗折強度が３００ＭＰａ以上、１４００℃に１０
０時間保持後の酸化重量増加が０．２ｍｇ／ｃｍ²以下
であることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒー
タ。
【請求項３】前記発熱抵抗体が、ＷＣ、ＴａＮ、Ｍｏ₂
Ｃの群から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴
とする請求項１または請求項２記載のセラミックヒー
タ。