JPH04359710A - セラミックヒータ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガス及び灯油等を用いた
各種燃焼機器の点火用ヒータに用いられる高温用のセラ
ミックヒータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より一般家庭用や業務用として使用
されるガスや灯油等を用いた給湯器や暖房器等の各種燃
焼機器の点火用ヒータとして、高電圧の火花放電を利用
する放電点火方式の各種点火装置が広く利用されており
、最近では小型の各種電子制御装置が搭載されて加熱時
の温度制御や燃焼状態の安定化を図ることが行われてい
る。

【０００３】しかしながら、前記放電点火方式の各種点
火装置は点火時の放電に伴う電波障害により、搭載され
た各種電子制御装置が誤動作する他、周囲の各種通信機
器に雑音を生じたり、また確実な点火という観点からの
信頼性に欠け、未着火の場合の安全性等に問題があった
。

【０００４】そこで、前記のような電波障害を解消し、
かつ確実に点火して安全性を向上させ、耐久性に優れた
信頼性の高い点火用ヒータとして従来の放電点火方式の
各種点火装置に代わって、無機導電材より成る発熱抵抗
体を電気絶縁性セラミック焼結体中に埋設したセラミッ
クヒータが広く利用されるようになってきた。

【０００５】なかでも、図５に示すように耐熱衝撃性及
び高温強度が他のセラミックより著しく優れた窒化珪素
質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等の非酸化物系セ
ラミックをヒータの基体２２として使用し、一般にタン
グステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属も
しくはこれらの化合物より成る発熱抵抗体２３を基体２
２中に埋設したり、前記高融点金属もしくはこれらの化
合物、例えば炭化タングステン（ＷＣ）等を主体とする
発熱抵抗体ペーストを前記基体上にパターン印刷したり
、パターン印刷した発熱抵抗体２３を埋設して焼成一体
化してなるものが、広く利用されている（特開平２−７
５１８８号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記セラミックヒータ
を使用して家庭用のガスや気化した灯油等を点火する場
合には、確実な点火という観点からセラミックヒータの
表面温度は１０００℃以上であることが必要であり、と
りわけ、天然ガスを点火する場合や、噴霧された石油等
を点火する場合には前記表面温度は最低１１５０℃以上
の温度に達していることが必要とされている。

【０００７】しかしながら、前記セラミックヒータを１
０００℃以上に発熱させると、電極取出部２７に接続し
た電極金具３１が５００℃以上もの温度に達してしまい
、前記各種燃焼機器の点火の度に、セラミックヒータの
電極金具３１の接続部は常温と５００℃以上もの温度の
繰り返しを受けることとなる。

【０００８】その結果、基体２２の窒化珪素質焼結体や
窒化アルミニウム質焼結体等の非酸化物系セラミックと
電極金具３１の熱膨張の差から生じる熱応力により、基
体２２の電極取出部２７と電極金具３１を接続する銀ロ
ウ等の接合材３０が剥離したり、電極取出部２７のセラ
ミックに亀裂を生じたりしてセラミックヒータに抵抗変
化を生じるか、もしくは断線したりして点火用ヒータと
しての機能を有しなくなるという課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は前記欠点に鑑み開発されたもの
で、その目的は１０００℃以上の高温に発熱させた点火
用ヒータとして長期間の反復使用が可能である耐久性に
優れたセラミックヒータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックヒー
タは、電気絶縁性セラミック焼結体から成る板状または
棒状の基体と、該基体中に埋設した無機導電材より成る
発熱抵抗体から成り、該発熱抵抗体が前記基体の一方の
先端部に所定のパターンを形成して成る発熱部と、該発
熱部より延長されたリード部を構成し、該リード部に接
続し他端に並行して配設した電極取出部を有するセラミ
ックヒータにおいて、通電により１０００℃以上に発熱
する発熱抵抗体部の単位長さ当たりの抵抗値ＲＨ　が、
電極取出部を除く１０００℃未満の発熱抵抗体部の単位
長さ当たりの抵抗値ＲＬ　の３倍以上で、かつ前記１０
００℃以上に発熱する発熱抵抗体部と電極取出部との間
の距離ｌＬ　が１５ｍｍ以上であることを特徴とするも
のである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のセラミックヒータを図面に基
づき詳細に説明する。図１は本発明に係るセラミックヒ
ータの斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面の要部の
一部を拡大した図である。

【００１２】図１及び図２において、１は窒化珪素、窒
化アルミニウム等の電気絶縁性で耐熱性及び耐熱衝撃性
に優れたセラミック焼結体から成る基体２中に、タング
ステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属やタ
ングステンカーバイド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）
またはタンタルカーバイド（ＴａＣ）等の無機導電材を
主体とする発熱抵抗体３を埋設して成るセラミックヒー
タである。

【００１３】図３は本発明の焼成一体化前の状態を示す
斜視図である。図３において、セラミックヒータは焼成
後に前記基体２となるセラミック成形体２ａ上に印刷手
法により発熱抵抗体３ａを形成し、発熱抵抗体３ａはセ
ラミック成形体２ａの先端部に所定のパターン４ａより
成る発熱部５と、発熱部５より延長したリード部６と、
リード部６に接続しセラミック成形体２ａの側面に導出
した電極取出部７ａとを構成し、前記発熱抵抗体３ａを
形成したセラミック成形体２ａ上に、別のセラミック成
形体２ｂを積層し、加圧焼成して一体化する。その後、
図１及び図２に示すように並行して配設した電極取出部
７を含む側面にメタライズ金属層８を施して、外部リー
ド端子９が電極取出部７に接続するように銀ロウ等の接
合材１０を介して電極金具１１に接合されている。

【００１４】本実施例では、窒化珪素（Ｓｉ３　Ｎ４　
）粉末に酸化アルミニウム（Ａｌ２　Ｏ３　）及び酸化
イットリウム（Ｙ２　Ｏ３　）粉末を加えて混合粉砕し
、得られた原料粉末にバインダーと溶媒を加えて泥漿を
調製し、該泥漿を噴霧乾燥して造粒した後、該造粒原料
をプレス成形して短冊型の窒化珪素質成形体を得た。

【００１５】一方、導電材としては、ＴｉＮ粉末４０重
量％にＳｉ３　Ｎ４　粉末５７重量％及び焼結助剤とし
てＹ２　Ｏ３　粉末３重量％を加えて調合した後、バイ
ンダー及び有機溶媒を添加して振動ミルにて７２時間混
合した後、乾燥し、次いで溶剤としてテルピネオールを
加えて粘度調整し、ＴｉＮを主体とする発熱抵抗体用ペ
ーストを調整した。

【００１６】前記発熱抵抗体用ペーストを使用して短冊
型の窒化珪素質成形体上面にスクリーン印刷法により図
３に示すような評価用抵抗パターン４ａを厚膜印刷し、
発熱部５及びリード部６を被着形成した。

【００１７】尚、発熱抵抗体部の単位長さ当たりの抵抗
値を種々設定する方法として、前記ＴｉＮを主体とする
発熱抵抗体用ペースト中のＴｉＮの含有量を４０〜８０
重量％、Ｓｉ３　Ｎ４　の含有量を１６〜５６重量％の
範囲で変化させる他、発熱抵抗体用ペーストとしてＷＣ
の含有量を６０〜１００重量％、Ｓｉ３　Ｎ４　の含有
量を０〜４０重量％の範囲で変化させたり、前記ＴｉＮ
を主体とする発熱抵抗体用ペーストとＷＣを主体とする
発熱抵抗体用ペーストを重ねて印刷したり、あるいはＷ
線材で前記リード部６を形成する等、前記他の高融点金
属及び無機導電材を使用しても良い。

【００１８】次に、リード部６に接続するように電極取
出部７ａをＴｉＮを主体とする導体ペーストを用いて塗
布形成した後、発熱部５、リード部６、電極取出部７ａ
を被着形成した短冊型の窒化珪素質成形体２ａ上に、同
寸法の別の窒化珪素質成形体２ｂを積層し、加圧焼成に
より一体化した。

【００１９】更に、かかる発熱体を埋設した窒化珪素質
焼結体から成る基体２の側面の電極取出部７にＴｉＨ４
　−Ａｇ−Ｃｕから成るメタライズ金属層８を被着形成
し、外部リード端子９を銀ロウ等の接合材１０を介して
電極金具１１とともに接合して表１に示す寸法形状の板
状のセラミックヒータ評価用試料を得た。

【００２０】これらの評価用試料を使用して、セラミッ
クヒータの最低温度を１０００℃に設定し、電源の電圧
変動から予想されるセラミックヒータ表面の最高発熱温
度が１３００℃となるように印加電圧を調節して発熱さ
せ、図４に示すような温度分布を非接触の温度計にて測
定し、１０００℃以上に発熱する発熱抵抗体部の長さｌ
Ｈ　と電極取出部を除く１０００℃未満の発熱抵抗体部
の長さ、即ち１０００℃以上に発熱する発熱抵抗体部と
電極取出部との間の距離ｌＬ　を同定するとともに電極
金具１１の表面温度を熱電対で測定した。

【００２１】また、上記結果に基づき１０００℃以上に
発熱する発熱抵抗体部と電極取出部を除く１０００℃未
満の発熱抵抗体部の抵抗値は、それぞれ該当個所を切断
し、前記発熱抵抗体部の長さｌＨ　及びｌＬ　に該当す
る発熱抵抗体の全抵抗値を抵抗計にて測定し、単位長さ
当たりの抵抗値を算出して１０００℃以上に発熱する発
熱抵抗体部の単位長さ当たりの抵抗値ＲＨ　に対する電
極取出部を除く１０００℃未満の発熱抵抗体部の単位長
さ当たりの抵抗値ＲＬ　の倍率を求めた。

【００２２】更に、同一条件で作成し、１０００℃以上
に発熱する発熱抵抗体部の長さｌＨ　、１０００℃以上
に発熱する発熱抵抗体部と電極取出部との間の距離ｌＬ
　及び電極金具の表面温度が同一の別の評価用試料を使
用し、２分間通電して１３００℃まで発熱させ、引き続
いて１分間強制的に空気を吹きつけて冷却するという耐
久試験を２００００サイクルまで実施し、断線して発熱
しなくなったサイクル数を求めた。以上の結果を表１に
示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から明らかなように、セラミックヒー
タ表面の最高発熱温度が１３００℃となるように発熱さ
せて、なおかつ電極金具の表面温度が５００℃未満とな
るようにするためには、前記１０００℃以上に発熱する
発熱抵抗体部と電極取出部との間の距離が１５ｍｍ以上
で、しかも前記抵抗値の倍率が３倍以上とすることが必
要であることが分かる。

【００２５】尚、前記抵抗値の倍率は１００００倍まで
設定可能だが、２２０Ｖ以下の電源電圧で使用すること
を考慮すると、それ以上に設定したセラミックヒータは
実用的でない。

【００２６】また、前記実施例では、窒化珪素の焼結助
剤としてＡｌ２　Ｏ３　及びＹ２　Ｏ３　系について述
べたが、それ以外の焼結助剤を使用しても同様の効果が
得られることを確認している。

【００２７】

【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミックヒータ
は電気絶縁性セラミック焼結体から成る基体中に無機導
電材より成る発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体が所定
のパターンを形成して成る発熱部と、該発熱部より延長
されたリード部を構成し、該リード部に接続した電極取
出部を有するセラミックヒータにおいて、通電により１
０００℃以上に発熱する発熱抵抗体部の単位長さ当たり
の抵抗値ＲＨ　が、電極取出部を除く１０００℃未満の
発熱抵抗体部の単位長さ当たりの抵抗値ＲＬ　の３倍以
上で、かつ前記１０００℃以上に発熱する発熱抵抗体部
と電極取出部との間の距離ｌＬ　を１５ｍｍ以上にした
ことから、１０００℃以上の高温に発熱させた点火用ヒ
ータとして長期間の反復使用が可能である耐久性に優れ
たセラミックヒータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックヒータの斜視図である
。

【図２】図１のＡ−Ａ断面の要部の一部を拡大した図で
ある。

【図３】本発明に係るセラミックヒータの焼成一体化前
の状態を示す斜視図である。

【図４】本発明に係るセラミックヒータの１０００℃以
上に発熱する発熱抵抗体部の長さｌＨ　と電極取出部を
除く１０００℃未満の発熱抵抗体部の長さ、即ち１００
０℃以上に発熱する発熱抵抗体部と電極取出部との間の
距離ｌＬ　を同定する説明図である。

【図５】従来のセラミックヒータの斜視図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　セラミックヒータ２　　　　　
　　　　　基体 ２ａ、２ｂ　　セラミック成形体 ３、３ａ　　　　発熱抵抗体 ４、４ａ　　　　パターン ５　　　　　　　　　　発熱部 ６　　　　　　　　　　リード部 ７、７ａ　　　　電極取出部 ８　　　　　　　　　　メタライズ金属層９　　　　　
　　　　　外部リード端子１０　　　　　　　　接合材 １１　　　　　　　　電極金具 ｌＨ　　　　　　　　　１０００℃以上に発熱する発熱
抵抗体部の長さ ｌＬ　　　　　　　　　１０００℃以上に発熱する発熱
抵抗体部と電極取出部との間の距離

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気絶縁性セラミック焼結体から成る板状
   または棒状の基体と、該基体中に埋設した無機導電材よ
   り成る発熱抵抗体から成り、該発熱抵抗体が前記基体の
   一方の先端部に所定のパターンを形成して成る発熱部と
   、該発熱部より延長されたリード部を構成し、該リード
   部に接続し他端に並行して配設した電極取出部を有する
   セラミックヒータにおいて、通電により１０００℃以上
   に発熱する発熱抵抗体部の単位長さ当たりの抵抗値ＲＨ
   　が、電極取出部を除く１０００℃未満の発熱抵抗体部
   の単位長さ当たりの抵抗値ＲＬ　の３倍以上で、かつ前
   記１０００℃以上に発熱する発熱抵抗体部と電極取出部
   との間の距離ｌＬ　が１５ｍｍ以上であることを特徴と
   するセラミックヒータ。