JPH10106728A - セラミックヒータおよびその製造方法 - Google Patents
セラミックヒータおよびその製造方法Info
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Abstract
抵抗変化のない、十分な耐久性を有するセラミックヒー
タと、かかるセラミックヒータを安価に製造することの
できるセラミックヒータの製造方法を提供する。 【解決手段】比表面積が5m2 /g以上の窒化ケイ素粉
末に、周期律表第3a族元素酸化物を1〜10モル%で
添加してなり、Na含有量が50ppm以下、K含有量
が50ppm以下およびCa含有量が1000ppm以
下の成形体に発熱体ペーストを印刷するか、または前記
窒化ケイ素質成形体と発熱体とを一体的に成形してなる
ヒータ成形体を、窒素圧1.5気圧以上の高圧雰囲気
中、1700〜1900℃の温度で焼成して、相対密度
95%以上、1500℃で1000時間加熱後の前記発
熱体の抵抗変化率が15%以下の直流型のセラミックヒ
ータを得る。
Description
タ、温水ヒータ、半田ごて等の一般家庭用、グロープラ
グ、酸素センサ用ヒータ等の自動車用の他、各種電子部
品用、産業機械用などあらゆる分野に利用しうるセラミ
ックヒータとその製造方法に関するものである。
からなる絶縁体の内部に発熱体を埋設したものであり、
耐熱性等に優れることから耐久性に優れるとして有望視
されてきた。とりわけ、絶縁性セラミックスを窒化ケイ
素質焼結体によって構成すると、耐熱衝撃性が向上する
ために急速昇温可能であるという優れた性能を有するも
のであった。
て直流や交流電流を印加し、様々な条件下で使用される
ために、さらに優れた耐久性、酸化特性、耐熱衝撃性が
要求されている。
焼成の窒化ケイ素質の成形体母材に、WC等の高融点金
属化合物を含有した発熱体ペーストを所定のパターンに
印刷した後、母材とともにホットプレス焼成することに
より発熱体を埋設したヒータが得られている。
窒化ケイ素質焼結体を絶縁体として用いたヒータにおい
ては、短期的な発熱特性においては問題ないものの、長
期的な耐久性の点では、発熱、降温を繰り返す間に、発
熱体の抵抗が徐々に変化し絶縁特性や発熱特性が変化す
るという問題があった。特に、この現象は、直流型のヒ
ータにおいて顕著であった。
が主流であった。しかし、ホットプレス法によって作製
したヒータは表面荒れが生じるために、研削が必要とな
りコスト高となる傾向にある。
0℃の高温まで使用され、且つ抵抗変化のない、十分な
耐久性を有するセラミックヒータと、かかるセラミック
ヒータを安価に製造することのできるセラミックヒータ
の製造方法を提供するにある。
素質焼結体を絶縁体とするセラミックヒータにおいて、
発熱体の抵抗変化が生じる原因について検討した結果、
窒化ケイ素質焼結体中に含まれる陽イオン金属、特にN
a、K、Caによって発熱時にこれらのイオンが発熱体
に向かって絶縁体中を拡散してマイグレーションによる
磁器破壊を生じる結果、発熱体にクラックや断線や生じ
ることを突き止め、これらの陽イオンを特定範囲に制限
した結果、抵抗変化のない優れた耐久性を付与するヒー
タを得るに至ったのである。
ケイ素質焼結体からなる絶縁体と、高融点金属化合物か
らなる発熱体とを具備するセラミックヒータにおいて、
前記窒化ケイ素質焼結体が、周期律表第3a族元素を酸
化物換算で1〜10モル%の割合で含有し、対理論密度
比95%以上、焼結体中におけるNa含有量が50pp
m以下、K含有量が50ppm以下およびCa含有量が
1000ppm以下であり、且つ1500℃で1000
時間加熱後の前記発熱体の抵抗変化率が15%以下であ
ることを特徴とするもので、特に、前記発熱体に直流電
流を印加して発熱させること、前記窒化ケイ素質焼結体
における過剰酸素量のSiO2 換算量と前記周期律表第
3a族元素の酸化物換算量のSiO2 /RE2 O3 モル
比が2以上であること、さらに窒化ケイ素結晶粒界に、
ダイシリケート結晶相が存在することが望ましい。
て、BET比表面積が5m2 /g以上の窒化ケイ素粉末
に、焼結助剤として周期律表第3a族元素酸化物を1〜
10モル%の割合で添加してなり、且つNa含有量が5
0ppm以下、K含有量が50ppm以下およびCa含
有量が1000ppm以下の窒化ケイ素質成形体の表面
に高融点金属化合物を主体とする発熱体ペーストを印刷
してなるか、または前記窒化ケイ素質成形体と高融点金
属化合物からなる発熱体とを一体的に成形してなるヒー
タ成形体を、窒素圧1.5気圧以上の高圧雰囲気中、1
700〜1900℃の温度で焼成することを特徴とする
ものであり、前記ヒータ成形体における過剰酸素量のS
iO2 換算量と前記周期律表第3a族元素の酸化物換算
量のSiO2 /RE2 O3 モル比が2以上であることが
望ましい。
る絶縁体は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体によって
構成するものである。具体的には、窒化ケイ素質焼結体
としては、β型窒化ケイ素を主結晶相とするものであ
り、その粒界相には、焼結助剤成分として、希土類元
素、酸素およびケイ素を少なくとも含む結晶相あるいは
ガラス相により構成される。望ましくは、粒界は結晶
相、特にダイシリケート(RE2 Si2 O7 )結晶相を
主相して析出させるのがよい。粒界結晶相としてダイシ
リート相を主相として析出させることにより、絶縁体が
発熱時に外気の酸素と接触した場合においても高い耐酸
化性を有することなり、母材の酸化による腐食を防止し
母材の長期安定性を高めることができるのである。
ト相を析出させることに関連して、焼結体中の全希土類
元素の酸化物換算と、不純物的酸素のSiO2 換算量と
のSiO2 /RE2 O3 で表されるモル比が2以上であ
ることが望ましい。
結助剤等として添加した希土類元素酸化物やその他の酸
化物(SiO2 を除く)に化学量論比率で結合する酸素
を差し引いた残りの不純物酸素量であり、具体的には窒
化ケイ素粉末中に含まれる不純物酸素、あるいはSiO
2 粉末として添加された酸素からなるものである。ま
た、焼結体の粒界は、完全に結晶化させる事によりさら
に耐久性を向上させることができる。
り小さいと、粒界相に窒素成分を多く含むYAM相やア
パタイト相等の窒素を含む結晶相が主として生成しこれ
により耐酸化性が劣化してしまう。ただし、SiO2 /
RE2 O3 比が過度に高くなると緻密化を阻害するた
め、上記モル比は5以下に制御することが望ましい。
て焼結助剤として添加される希土類元素としては、Y、
Er、Yb、Lu、Sm等が挙げられる。これらの元素
間での室温特性は大きな有意差はないが、高温特性は生
成する粒界相の融点に依存する。従って、生成するダイ
シリケートの融点がより高いことから判断するとLu、
Yb、Erが好ましい。この希土類元素は焼結体中に酸
化物換算で1〜10モル%、特に2〜5モル%の割合で
存在することが望ましい。
有量が50ppm以下、特に30ppm以下、さらには
10ppm以下、K含有量が50ppm以下、特に30
ppm以下、さらには10ppm以下、Ca含有量が1
000ppm以下、特に300ppm以下、さらには1
00ppm以下であることが重要である。これらの陽イ
オン金属は、発熱時に絶縁体中を発熱体に向かって拡散
してマイグレーションによる磁器破壊を生じさせる元素
であり、そのために、発熱体にクラックや断線が生じ発
熱体の抵抗が変化して発熱特性が変化してしまうのであ
る。上記陽イオン不純物のうち、NaおよびKは、その
マイグレーションを来す大きな要素であり、交流電流印
加の場合に比較して直流電流印加時には、その拡散速度
が早まるためにヒータとしての寿命も極端に短くなるの
である。
は、焼結体中に含まれるAl、Mg量が酸化物換算によ
る全量で1.0重量%以下、特に0.5重量%以下、さ
らには0.1重量%以下であることが望ましい。それ
は、これらの成分が上記よりも多くの量で存在すると、
粒界結晶化が阻害されやすく、所望の耐酸化性が得られ
なくなる場合があるためである。上記金属元素の陽イオ
ン不純物元素として、Fe含有量が10000ppm以
下、Cr、Ni等の他の金属はそれぞれ1000ppm
以下であることが望ましい。
中に発熱体として埋設される高融点金属化合物として
は、WC、TaN、Mo2 C、W、Moのうちのいずれ
かを主成分とするものであって、さらにこの主成分に対
して、分散物質として、窒化ケイ素、窒化ホウ素および
炭化ケイ素のうちの少なくとも1種を含んでもよい。こ
の分散物質は、発熱体主成分の粒成長を制御するための
ものであり、上記主成分100重量部に対して窒化ホウ
素は1〜10重量部、窒化ケイ素は5〜30重量部、炭
化ケイ素は2〜15重量部の割合で分散させることが望
ましい。つまり、この分散物質の量がそれぞれ上記範囲
よりも少ないと、発熱体主成分が粒成長し、窒化ケイ素
母材との熱膨張差によりクラック等が発生しやすくな
り、上記範囲よりも多いと発熱体主成分が島状に存在す
ることとなり抵抗が増大する傾向にある。
縁体との接触界面には、主成分を構成する金属の珪化物
相、即ち、WSi2 、TaSi、MoSi2 等の珪化物
相が存在する。なお、この珪化物相は、絶縁体中に埋設
された発熱体の最小厚みL1よりも発熱体と絶縁体との
界面に形成される珪化物相の最大厚みL2 が薄く、(L
2 /L1 )×100(%)が25%以下、特に10%以
下であることが望ましい。珪化物相の厚みL2 を上記の
ように限定するのは、発熱体の厚みL1 より25%を越
えた厚みで存在すると、熱膨張差による発熱体にクラッ
クが生じるためである。
に特定金属量を制御して、1500℃で1000時間加
熱後の前記発熱体の抵抗変化率が15%以下、特に5%
以下のセラミックヒータを得るものであり、これによ
り、経時的変化による発熱特性の変化が小さい長寿命の
高信頼性のセラミックヒータが得られるのである。
な製造方法について説明する。まず、絶縁体を形成する
主原料として、窒化ケイ素粉末を用いる。窒化ケイ素粉
末はそれ自体α−Si3 N4 、β−Si3 N4 のいずれ
でも用いることができるが、特に陽イオン不純物量が
0.1%以下であることが望ましい。
/g以上、特に7m2 /g以上であることが重要であ
る。これは、上記比表面積が5m2 /gよりも低いと、
焼成段階でホットプレス法を用いずに、窒素ガス加圧下
で焼成する場合における焼結性が低下することとなり、
耐熱衝撃性に優れた窒化ケイ素質焼結体が得られず、ヒ
ータとしての急速昇降温に耐えうるヒータを作製するこ
とができなくなるためである。
助剤として、希土類元素酸化物を1〜10モル%、特に
2〜7モル%の割合で添加する。また、添加成分とし
て、他にSiO2 を添加して酸素量を調整することもで
きる。また、Al2 O3 、MgO等は高温時の強度を高
める上で、合計で1.0重量%以下、特に0.5重量%
以下、さらには0.1重量%以下に抑制することが望ま
しい。
粉砕する。このようにして得られた混合粉末を公知の成
形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成
形、ドクターブレード法、ロールコンパクション法など
により所望の形状に成形する。
れた絶縁性成形体において、前述した理由により、Na
含有量が50ppm以下、特に30ppm以下、さらに
は10ppm以下、K含有量が50ppm以下、特に3
0ppm以下、さらには10ppm以下、Ca含有量が
1000ppm以下、特に300ppm以下、さらには
100ppm以下に制御することが必要である。これら
の陽イオン金属は、窒化ケイ素粉末や添加助剤中の不可
避不純物として混入するもの、成形体を作製する過程
で、粉砕ボールや成形助剤などから混入するものがあ
り、かかる点から高純度の窒化ケイ素粉末を用いるのが
よい。その他、成形体製造過程で粉砕ボールの純度や成
形助剤中に含まれる金属元素の種類や量を考慮しながら
制御することが必要である。
に焼結体粒界をダイシリケート結晶相を析出させる上で
成形体中の不純物酸素のSiO2 換算量と、周期律表第
3a族元素の酸化物換算量とのSiO2 /RE2 O3 モ
ル比率を2以上とすることが望ましい。
均粒径が0.1〜10μmの発熱体主成分の高融点金属
化合物からなる微粉末と、場合によって窒化ケイ素、窒
化ホウ素および炭化ケイ素のうちの少なくとも1種を上
記主成分100重量部に対して窒化ホウ素1〜10重量
部、窒化ケイ素5〜30重量部または炭化ケイ素2〜1
5重量部の割合で含む発熱体ペーストをスクリーン印刷
などの手法によって所定の発熱体パターンに印刷する。
そして、印刷された発熱パターンの表面に絶縁体成形体
を積層するか、または発熱体パターンが形成されたシー
ト状成形体自体を巻くか、あるいは前記絶縁体からなる
棒体に巻き付けてヒータ成形体を作製する。
中に、前述した高融点金属化合物を発熱体形状に成形し
たものや、W線、Mo線などの金属線とを埋め込み一体
成形して作製することも可能である。
形体を、窒素圧1.5気圧以上の高圧雰囲気中、最高焼
成温度1700〜1900℃の範囲で焼成する。さらに
は、上記の焼成方法の後に、1000気圧以上の不活性
雰囲気中で1600〜1900℃で熱間静水圧焼成を行
うことによりより耐久性に優れた焼結体を作製すること
ができる。
上記のように限定したのは、焼成温度が1900℃より
高いと、焼結助剤が偏析したりもしくは発熱体との化学
反応による抵抗の上昇を招き、1700℃より低いと、
十分な緻密化が達成されずに焼結体の耐熱衝撃性が低下
するためである。なお、この焼成時間は、3〜20時間
程度焼成することが望ましい。
1800℃、1.5〜9気圧の窒素圧力中で焼成した
後、1800℃以上、10気圧以上の窒素圧力中で焼成
することにより、緻密化とともに、発熱体の珪化を抑制
することができる。
絶縁体中には、周期律表第4a、5a、6a族元素金属
や、それらの炭化物、窒化物、珪化物、または、SiC
などの分散粒子やウィスカ−を適量添加分散させて複合
化し特性の改善を行うことも当然可能である。
%で、BET比表面積、不純物量の異なる複数種の窒化
ケイ素粉末を用いて、これに焼結助剤としてYb2 O3
粉末を3モル%添加し、さらにSiO2 粉末を添加し
て、ドクターブレード法によって絶縁体用のテープを作
製した。なお、成形体組成におけるSiO2 /Yb2O
3 (SiO2 は、成形体全酸素量からYb2 O3 分の酸
素量を除いた残りの酸素量をSiO2 換算したもの)の
モル比は3となるように調整した。また、上記成分10
0重量部に対してWCを1重量部添加した。
CP発光分光分析によって測定し、その結果を表1に示
した。なお、その他の陽イオン不純物量は合計でいずれ
も5000ppm以下であった。
00重量部に対してSi3 N4 粉末を10重量部添加し
たものにバインダーを添加し混合して発熱体用ペースト
を調製した。
に上記発熱体用のペーストを100μmの厚みで発熱体
パターンに印刷した後、予め前記絶縁性母材と同一組成
物を用いて作製した棒状の成形体ロッドに巻き付け棒状
のヒータ成形体とした。
て、組成変動を少なくするために雰囲気中に絶縁体と同
一組成の粉体を成形体の周囲に配置して、1750℃で
5気圧で焼成した後、さらに表1の条件で焼成した。ま
た、特性評価用として前記絶縁体と同一組成の評価用焼
結体も作製した。なお、これら絶縁体のAl、Mgの合
計量は1000ppm以下であった。また、Ca、Na
およびK量は成形体中の含有量とほとんど変化なかっ
た。
ス法によって密度を測定し対理論密度比を算出した。ま
た、得られた各セラミックヒータについて、発熱体電極
間のの室温(25℃)における初期抵抗を測定し、また
直流電流を流して1500℃に加熱した状態で連続10
0時間通電後の発熱体電極間の抵抗変化率(初期抵抗に
対する抵抗増加率)を算出した。
て、断面から発熱体の最小厚みに対して珪化物相(WS
i2 )の最大厚みの比率を算出したところ、いずれも1
5%以下であった。また、絶縁体の窒化ケイ素質焼結体
に対してX線回折測定した結果、粒界結晶相としていず
れもダイシリケート相が検出された。
ET比表面積が5m2 /gよりも低い試料No.1および
No.2では、焼成温度1900℃以下の温度で緻密な焼
結体を得ることができなかった。なお、1900℃を越
える温度で焼成すると、発熱体と窒化ケイ素質絶縁体と
の反応が生じWSi2 の生成が顕著となり発熱体の抵抗
が大きくなる。
料を用いて相対密度95%以上の焼結体であっても、C
a,Na,Kの含有量が本発明の範囲を逸脱する試料N
o.15〜20では、いずれの発熱体の抵抗変化が大き
く、ヒータとしての耐久性に劣るものであった。これら
の比較例に対して、本発明品はいずれも相対密度95%
以上、初期抵抗2Ω以下、抵抗変化率15%以下の優れ
た耐久性を有するものであった。
ヒータは、初期抵抗が低く、しかも耐熱性に優れること
から、1500℃の高温で長時間加熱しても発熱体の抵
抗変化が小さく、優れた耐久性を有するものである。
Claims (5)
- 【請求項1】窒化ケイ素質焼結体からなる絶縁体と、高
融点金属化合物からなる発熱体とを具備するセラミック
ヒータにおいて、前記窒化ケイ素質焼結体が、周期律表
第3a族元素を酸化物換算で1〜10モル%の割合で含
有し、対理論密度比95%以上、焼結体中におけるNa
含有量が50ppm以下、K含有量が50ppm以下お
よびCa含有量が1000ppm以下であり、且つ15
00℃で1000時間加熱後の前記発熱体の抵抗変化率
が15%以下であることを特徴とするセラミックヒー
タ。 - 【請求項2】前記発熱体に直流電流を印加して発熱させ
る請求項1記載のセラミックヒータ。 - 【請求項3】前記窒化ケイ素質焼結体における過剰酸素
量のSiO2 換算量と前記周期律表第3a族元素の酸化
物換算量のSiO2 /RE2 O3 モル比が2以上であ
り、且つ窒化ケイ素結晶粒界に、ダイシリケート結晶相
が存在す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4】BET比表面積が5m2 /g以上の窒化ケ
イ素粉末に、焼結助剤として周期律表第3a族元素酸化
物を1〜10モル%の割合で添加してなり、且つNa含
有量が50ppm以下、K含有量が50ppm以下およ
びCa含有量が1000ppm以下の窒化ケイ素質成形
体の表面に高融点金属化合物を主体とする発熱体ペース
トを印刷してなるか、または前記窒化ケイ素質成形体と
高融点金属化合物からなる発熱体とを一体的に成形して
なるヒータ成形体を、窒素圧1.5気圧以上の高圧雰囲
気中、1700〜1900℃の温度で焼成することを特
徴とするセラミックヒータの製造方法。 - 【請求項5】前記成形体における過剰酸素量のSiO2
換算量と前記周期律表第3a族元素の酸化物換算量のS
iO2 /RE2 O3 モル比が2以上であることを特徴と
する請求項4記載のセラミックヒータの製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25882396A JP3441313B2 (ja) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | セラミックヒータおよびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10106728A true JPH10106728A (ja) | 1998-04-24 |
JP3441313B2 JP3441313B2 (ja) | 2003-09-02 |
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ID=17325542
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3441313B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5997998A (en) * | 1998-03-31 | 1999-12-07 | Tdk Corporation | Resistance element |
JP2006222008A (ja) * | 2005-02-14 | 2006-08-24 | Kyocera Corp | セラミックヒータ及びヒータ内蔵電子部品 |
JP2007141740A (ja) * | 2005-11-21 | 2007-06-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミックヒータの製造方法およびグロープラグの製造方法 |
-
1996
- 1996-09-30 JP JP25882396A patent/JP3441313B2/ja not_active Expired - Fee Related
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US5997998A (en) * | 1998-03-31 | 1999-12-07 | Tdk Corporation | Resistance element |
JP2006222008A (ja) * | 2005-02-14 | 2006-08-24 | Kyocera Corp | セラミックヒータ及びヒータ内蔵電子部品 |
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---|---|
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