JPH11288778A - 抵抗素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １５００℃以上での使用が可能であって、制
御回路を設けることなく、約３秒以内で１１００℃以上
に急速昇温しうるとともに、昇降温の繰り返しや高温で
の酸化に耐えるなどの耐久性に優れたセラミックスから
なる、着火性能のよい通電式の抵抗素子を安いコストで
提供する。 【解決手段】 絶縁体材料基板層と、その上に設けら
れ、若しくはその中に埋設された導電体層との積層構造
焼結体からなる抵抗素子において、前記導電体層を、タ
ングステンと、三ケイ化五タングステンとの重量比４
８：５２ないし７６：２４の混合物を用いて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な抵抗素子、さ
らに詳しくは、コンピューターなどを応用した制御回路
を設けることなく、約３秒以内で１１００℃以上の急速
昇温が可能であり、かつ昇降温の繰り返しや高温での酸
化に耐えるなど、耐久性に優れ、気体燃料や液体燃料の
着火などに使用され、また１２００℃以上の高温に耐え
うるサーミスタとしても使用可能な抵抗素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、天然ガス、プロパンガス、灯油な
どの気体燃料や液体燃料の着火には、セラミックスを用
いた通電式の抵抗素子が一般に用いられている。この種
の着火用抵抗素子は、３秒以内に少なくとも１０００℃
以上の温度に達するという急速昇温と、少なくとも１２
００℃以上の高温に耐えるために、優れた耐熱衝撃性及
び耐酸化性を有することが要求される。

【０００３】このような要求に応えるために、従来のセ
ラミックス抵抗素子は、通常窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）な
どの絶縁体にタングステンなどの発熱体を埋設し、焼成
することによって、作製されていた。

【０００４】しかしながら、この場合、窒化ケイ素は難
焼結性であるため、焼結助剤として希土類元素などを、
焼結体に対して５重量％程度添加しており、その結果、
１４００℃以上の温度領域において、耐酸化性が著しく
低下するのを免れない。したがって、許容される耐久温
度が低い場合、着火温度である１１００℃に到達する時
間が長くなるため、使用温度を１３００℃程度に抑え、
昇温速度を犠牲にするか、急速昇温が求められる場合に
は、コスト高となるコンピューターなどを応用した制御
回路を設ける必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、１５００℃以上での使用が可能であっ
て、制御回路を設けることなく、約３秒以内で１１００
℃以上に急速昇温することができ、かつ昇降温の繰り返
しや高温での酸化に耐えるなどの耐久性に優れたセラミ
ックスからなる、着火性能のよい通電式の抵抗素子を安
いコストで提供することを目的としてなされたものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、優れた性
能を有する抵抗素子を開発すべく鋭意研究を重ねた結
果、内部発熱体であるタングステンは、焼成時又は通電
発熱時に、その一部が該タングステンと窒化ケイ素母材
との境界において層状にケイ化されて、二ケイ化タング
ステンとなっており、このものは熱膨張係数が６．７〜
７．９×１０^-6／℃程度であって、窒化ケイ素（３．２
×１０^-6／℃程度）やタングステン（４．３×１０^-6／
℃程度）に比べて大きいため、オン−オフサイクル試験
において破壊発生点となり、短いサイクル回数で素子が
破壊するという現象に着目し、タングステンに対し、熱
膨張係数が二ケイ化タングステンより小さい三ケイ化五
タングステン（５．０〜６．０×１０^-6／℃）を所定の
割合で加え、均一に分散させた混合物を用いて発熱体層
（導電体層）を形成することにより、破壊が防止しうる
ことを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに
至った。

【０００７】すなわち、本発明は、絶縁体材料基板層
と、その上に設けられ、若しくはその中に埋設された高
融点、低熱膨張率及び低電気抵抗の導電体層との積層構
造焼結体からなる抵抗素子において、前記導電体層が、
タングステンと、三ケイ化五タングステンとの重量比４
８：５２ないし７６：２４の混合物から形成されたもの
であることを特徴とする抵抗素子を提供するものであ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の抵抗素子は、絶縁体材料
基板層と、その上に設けられ、若しくはその中に埋設さ
れた導電体層との積層構造焼結体からなるものであっ
て、上記絶縁体材料基板層としては、従来急速昇温発熱
素子において用いられる公知の材料の中から、適宜選択
して用いることができるが、特に窒化ケイ素と酸化アル
ミニウムを含むサイアロンを主成分とし、場合により、
酸化ケイ素や希土類元素酸化物を配合した組成物で構成
されたものが好適である。前記サイアロンにおける主成
分の窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）は、酸化されると表面に純
粋なＳｉＯ₂保護膜が形成され、耐酸化性が付与される
ことが知られている。しかしながら、窒化ケイ素は難焼
結性のため、単独では焼結によるち密化が達成されな
い。

【０００９】したがって、本発明においては、この窒化
ケイ素焼結体のち密化を促進するために、窒化ケイ素１
００モル当り、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）４〜１０
モル程度を加え、焼成により、サイアロンを主成分とし
た組成物からなる絶縁体材料が好ましく用いられる。こ
こで、サイアロンとは、Ｓｉ_6-zＡｌ_zＯ_zＮ_8-zに相当す
る組成を有し、基本的にはＳｉ₃Ｎ₄の結晶構造をもち、
その中のＳｉの一部がＡｌで、またＮの一部がＯで置換
された置換型固溶体のことである。アルミニウムの量が
酸化アルミニウム換算で４モル未満では得られる絶縁体
材料のち密化が十分に達せられないし、１０モルを超え
ると絶縁体材料の耐酸化性が低下する。

【００１０】本発明においては、得られる絶縁体材料の
耐酸化性を向上させるために、場合により、前記酸化ア
ルミニウムと共に、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を窒化ケイ
素１００モル当り、１〜１２モル程度の割合で配合する
ことができる。この酸化ケイ素の配合量が１モル未満で
は耐酸化性の向上効果が十分に発揮されないおそれがあ
るし、１２モルを超えると、低温部では温度の上昇と共
に抵抗値が増大するＰＴＣ特性（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔ
ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示
すものの、高温部では温度上昇に対して抵抗値が減少す
るＮＴＣ特性（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が現われ、不安定な抵
抗温度特性を示す傾向がある。ヒータとして使用するに
は熱暴走のないＰＴＣ特性が好ましく、ＳｉＯ₂配合量
が１２モル以下では、一般にＰＴＣ特性を示す。

【００１１】また、本発明においては、焼結性を向上さ
せ、よりち密化を図るために、所望により、前記酸化ア
ルミニウムと共に、希土類元素酸化物を窒化ケイ素１０
０モル当り、０．３モル以下、好ましくは０．００１〜
０．３モルの割合で配合することができる。この希土類
元素酸化物の配合量が０．００１モル未満では、それを
配合した効果が十分に発揮されないし、０．３モルを超
えると得られる絶縁体材料の耐酸化性が著しく低下す
る。ここで、希土類元素酸化物としては、例えばイット
リウム、サマリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム
などの酸化物を挙げることができるが、これらの中でイ
ットリウム酸化物、ランタン酸化物及びセリウム酸化物
が好適である。これらの希土類元素酸化物は単独で用い
てもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

【００１２】一方、本発明の抵抗素子における導電体層
としては、高融点、低熱膨張率及び低電気抵抗を有する
材料が用いられ、特に融点２０００℃以上、熱膨張率
６．０×１０^-6／℃以下及び電気抵抗１０^-5Ω・ｃｍ以
下のものが好適である。

【００１３】本発明においては、このような材料とし
て、タングステンと三ケイ化五タングステンとの重量比
４８：５２ないし７６：２４の混合物が用いられる。三
ケイ化五タングステンをこのような割合でタングステン
に配合することにより、タングステンが焼成時又は通電
発熱時に、前記サイアロン母材との境界において層状に
ケイ化され、好ましくない二ケイ化タングステンが形成
されるのを、無視できる程度に抑えることができる。三
ケイ化五タングステンの量が上記範囲より少ないと本発
明の効果が十分に発揮されないし、上記範囲より多いと
熱膨張係数が大きくなりすぎ、所望の特性が得られな
い。

【００１４】次に、本発明の抵抗素子の製造方法につい
ては特に制限はなく、従来セラミックス系発熱素子の製
造において慣用されている方法を用いることができる。
例えば、まず所要量の平均粒径０．１〜１．５μｍ程度
の窒化ケイ素（α‐Ｓｉ₃Ｎ₄又はβ‐Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末
と、酸化アルミニウム粉末と、所望により用いられる酸
化ケイ素粉末や希土類元素酸化物粉末とを、適当な溶媒
を用い、必要ならば、さらに公知のバインダーや分散剤
などを用いて、ボールミルなどにより湿式混合して、ス
ラリーを調製する。次いで、ドクターブレード法、プレ
ス成形法、押出し成形法などにより、所望形状に成形す
る。

【００１５】次に、このようにして得られた成形体の表
面に、タングステンと三ケイ化五タングステンとを所定
の割合で含有する導体ペーストを用いて所定のパターン
に印刷し、それを積層又は巻き付けて所望形状に成形し
たのち、この成形物を焼成する。焼成方法については特
に制限はなく、公知の方法、例えばホットプレス焼成
法、常圧焼成法、窒素ガス圧力焼成法、熱間静水圧（Ｈ
ＩＰ）焼成法などが用いられる。また、焼成温度は、通
常１９００℃以下、好ましくは１７００〜１９００℃の
範囲で選ばれる。この焼成においては、窒素ガス雰囲気
下などの非酸化性雰囲気下で実施するのが有利である。
次に、このようにして得られた焼結体に、表面研削加工
や切断加工を施し、外部電源に接続するための電極を導
電層に取付けることにより、所望の抵抗素子が得られ
る。

【００１６】

【発明の効果】本発明の抵抗素子においては、導電体層
に特定の比率のタングステンと三ケイ化五タングステン
とからなる混合物を用いることにより、焼成時や通電発
熱時におけるタングステンの層状ケイ化が制御され、そ
の結果１４００℃以上の温度で１５秒間通電、１５秒間
停止を繰り返すサイクル試験で、５００００回以上の使
用が可能となる。本発明の抵抗素子は、例えば天然ガ
ス、プロパンガス、灯油などの気体燃料や液体燃料の着
火用として好適に用いられる。また、本発明の抵抗素子
はサーミスタとしても利用することができ、特に１２０
０℃以上の高温において用いるのに適している。

【００１７】

【実施例】次に、本発明を実施例により、さらに詳細に
説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定さ
れるものではない。

【００１８】実施例 α‐Ｓｉ₃Ｎ₄粉末１００モルに対し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末６．
８６モル、ＳｉＯ₂粉末１０モル及びアクリル系バイン
ダーとエタノール及びトルエンをそれぞ適量加え、ボー
ルミルで混合することにより、スラリーを調製した。次
いで、このスラリーをドクターブレード法によりシート
状に成形したのち、乾燥処理して厚さ５００μｍのシー
トを作製し、一辺が６０ｍｍの正方形に切断した。

【００１９】次に、タングステンと三ケイ化五タングス
テンの割合を表１に示すように変化させた導体ペースト
を、上記シートに印刷し、この印刷シートの上下に、印
刷をしていないシートを４層、計９層となるように積層
し、積層体を作製した。

【００２０】この積層体を、１気圧の窒素ガス雰囲気
中、２５０ｋｇ／ｃｍ²の加圧下で１７５０℃で１時間
ホットプレス焼成して、積層構造焼結体を得た。次に、
この積層構造焼結体をダイヤモンド砥石により切断加工
し、次いで切断面における導電体層の露出部にタングス
テン−ニッケル電極を焼き付け後、ニッケルメッキ処理
し、さらにその部位にニッケル製のリードフレームを銀
蝋で熔接することにより、電極端子を設け、抵抗素子を
作製した。この抵抗素子について、以下に示す評価を行
った。

【００２１】（１）オン−オフサイクル試験 所定の電圧を印加し、空気中、１５秒間通電させること
で１５００℃に昇温させ、１５秒間停止することで室温
付近まで冷却させることを繰り返すサイクル試験を行っ
た。初期抵抗値より１０％増大した点における回数（昇
降温の両過程で１回のカウントとする）を調べた。試料
数はそれぞれ２０であり、回数は平均値を採用した。結
果を表１に示す。なお、５００００回以上を合格とす
る。

【００２２】（２）連続通電試験 所定の電圧を印加し、抵抗素子が１５００℃に保持され
るように連続通電した際、抵抗値の変化が初期値に対し
て１０％変化するに要する時間を調べた。試料数はそれ
ぞれ２０であり、平均値を採用した。結果を表１に示
す。なお、１０００時間以上を合格とする。

【００２３】

【表１】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁体材料基板層と、その上に設けら
   れ、若しくはその中に埋設された高融点、低熱膨張率及
   び低電気抵抗の導電体層との積層構造焼結体からなる抵
   抗素子において、前記導電体層が、タングステンと、三
   ケイ化五タングステンとの重量比４８：５２ないし７
   ６：２４の混合物から形成されたものであることを特徴
   とする抵抗素子。
2. 【請求項２】 絶縁体材料基板層が、窒化ケイ素１００
   モル当り、希土類元素を酸化物換算で０．３モル以下の
   割合で含有するサイアロンからなる請求項１記載の抵抗
   素子。