(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱する無機導電材から成る発熱部と非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材とで構成されるセラミック発熱体の電極取り出し部に、リード線を接合した電極取り出し金属板を、活性金属を含有した貴金属から成る金属層を介して電気的に接続したセラミックヒータであって、前記金属層に接着する電極取り出し金属板の接合面積が、該金属層から成る接合パッド部の表面積に対して２０〜８０％を占めることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記金属層は、活性金属としてバナジウム（Ｖ）又はチタン（Ｔｉ）を含有し、貴金属として金（Ａｕ）を主成分と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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性及び耐久性の良好な石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒータや、酸素センサー等の各種センサーや測定機器、電子部品、産業機器、あるいは温水ヒータ、半田ごて等の一般家庭用電気製品等の加熱用ヒータ、更にはディーゼルエンジン等の始動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱する内燃機関用グロープラグ等に適用される直流あるいは交流電源で使用さ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、ディーゼルエンジンの始動促進に用いられるグロープラグをはじめとする各種点火用並びに加熱用ヒータとしては、耐熱金属製のシース内に高融点金属線等から成る発熱抵抗体を埋設した各種シーズヒータや、火花放電を利用した各種点火装置が多用されていたが、それらはいずれも急速昇温が困難であり、その上、耐摩耗性や耐久性に劣り、とりわけ前記各種点火装置においては、点火時に雑音等の電波障害が発生し易い他、確実な点火という点からの信頼性に欠ける等の欠点があった。
【０００３】
そこで熱伝達効率が優れ、急速昇温が可能で電波障害が発生せず、しかも確実に点火して安全性も高く、耐摩耗性や耐久性に優れた信頼性の高い発熱体として、セラミック焼結体と高融点金属やその化合物、及びそれらを主成分とする各種無機導電材から成る発熱部を担持または接合、あるいは埋設したセラミック発熱体が、内燃機関のグロープラグをはじめ、各種加熱用ヒータとして広く利用されるようになってきた。
【０００４】
一般に、セラミック発熱体としては、アルミナセラミックスの表面や内部に高融点金属の発熱部を設けたセラミックヒータが知られているが、電気絶縁材料として用いられるアルミナ（Ａｌ２  Ｏ３  ）は耐熱衝撃性や高温強度に劣ることから、セラミック発熱体の絶縁部材には耐熱性や耐熱衝撃性、耐酸化性に優れた非酸化物系セラミックス、とりわけ耐熱性に優れ、高温強度も高く、熱容量が小さく、電気絶縁性が良好な窒化珪素質セラミックスが、急速昇温可能な高温用のセラミック発熱体の絶縁部材として広く採用されている。
【０００５】
かかるセラミック発熱体の端部側面には、無機導電材から成る発熱部と接続したリード部材がそれぞれ導出されて電極取り出し部が形成され、必要に応じて該電極取り出し部にニッケル（Ｎｉ）等の金属が被覆され、その上からメタライズ金属層を被着形成し、該メタライズ金属層から成る接合パッド部を介して外部電源に接続されるリード線がろう付け接合されてセラミックヒータが構成されている。
【０００６】
しかしながら、前記ろう付けに使用されるろう材は耐熱性を必要とするため、銀ろう等の高温用のろう材が用いられており、従ってろう付け接合する際には高温加熱されることから、冷却過程で絶縁部材のセラミックスとリード線の金属との熱膨張差により残留応力が生じてセラミックスとリード線との接合強度が低下するという欠点があった。
【０００７】
そこで、かかる欠点を解消するために、セラミックスと金属との間に接合応力緩和材としてＮｉ板を用いてろう付け接合することが提案されている（特開平７−２５６７４号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記接合応力緩和材を介してセラミックスと金属を接合する技術をセラミックヒータのリード線の接合に適用し、接合強度が高い活性金属を含有するろう材を用いて前記同様に接合したとしても、従来例と同様、電極取り出し部の温度を想定した４０℃と４５０℃の温度に繰り返し加熱冷却する耐久試験では、短期的な試験には耐えるものの、５００サイクルを越える長期的な加熱冷却の反復に対しては、セラミックスと接合応力緩和材のＮｉとの９．４〜１１．８×１０−６／℃にも及ぶ熱膨張差から、セラミックヒータのろう付け部周辺に残留応力が発生し、前記加熱冷却の繰り返しによりクラックが成長して接合強度が低下し、その結果、接合応力緩和材の剥離や、前記クラックから発熱部が酸化してセラミックヒータ自体の抵抗変化等を生じて耐久性が劣化し、長期的な信頼性に欠けるという課題があった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は前記課題に鑑み成されたもので、その目的は、リード線を接合した電極取り出し金属板の接合部が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、クラック等が発生せず、かつ耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒータや、各種センサーや測定機器、電子部品、産業機器、一般家庭用電気製品等の加熱用ヒータ、更には内燃機関用グロープラグ等に好適な高温用の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】
本発明者等は前記課題について種々検討した結果、非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材と発熱部に接続する電極取り出し金属板との熱膨張の相関関係から、電極取り出し部と電極取り出し金属板とを電気的に接続する活性金属を含有した金属層から成る接合パッド部において、該接合パッド部の表面積とそれに接着する電極取り出し金属板の接合面積が、接続部周辺の残留応力に重大な影響を及ぼし、リード線を接合した電極取り出し金属板の絶縁部材との接合強度を左右していることを突き止めた。
【００１１】
そこで、かかる接合面積の関係を制御した結果、前述のような加熱冷却の厳しい長期間の熱履歴を受けても電極取り出し金属板が剥離したり、絶縁部材にクラックが発生したりせず、前記課題が解消できることを見いだし、優れた耐久性が得られることが明らかとなった。
【００１２】
即ち、本発明のセラミックヒータは、通電により発熱する無機導電材から成る発熱部を、窒化珪素、炭化珪素、又はサイアロン等の非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材に担持、あるいは該絶縁部材と接合、あるいは該絶縁部材中に埋設する等してセラミック発熱体を構成し、該セラミック発熱体の一端に導出された電極取り出し部に、活性金属を含有した貴金属から成る金属層を介して、電極取り出し金属板を接合する前記金属層から成る接合パッド部の表面積に対して、２０〜８０％の接合面積となるようにリード線を接合した電極取り出し金属板を電気的に接続して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記金属層としては、活性金属としてＶ又はＴｉを含有し、貴金属としてＡｕを主成分とするものがより望ましいものである。
【００１４】
【作用】
本発明のセラミックヒータは、通電により発熱する無機導電材から成る発熱部と非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材とで構成されるセラミック発熱体の電極取り出し部に、活性金属を含有した貴金属から成る金属層を介して、該金属層から成る接合パッド部の表面積に対して２０〜８０％の接合面積となるようにリード線を接合した電極取り出し金属板を電気的に接続したことから、稼働時の加熱冷却の反復によるセラミック発熱体の絶縁部材と、前記電極取り出し金属板との熱膨張差で発生する応力は、活性金属を含有した金属層と電極取り出し部及び絶縁部材、電極取り出し金属板等との接合強度を損なうことなく、前記電極取り出し金属板に作用して該金属板自体が塑性変形し、前記応力を緩和してセラミックヒータを構成するセラミック発熱体のろう付け部周辺、即ち接合パッド部周囲のクラック発生を防止して耐久性が向上することになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータについて詳述する。
本発明において、前記発熱部の無機導電材は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等の高融点金属、あるいはＷＣやＭｏＳｉ２  、ＴｉＮ等の高融点金属の炭化物や珪化物、窒化物等を主成分とする抵抗体が挙げられ、望ましくは絶縁部材の非酸化物系セラミック焼結体との熱膨張差、及び高温度下でもそれらと反応し難いという点からは、ＷＣあるいはＷを主成分とするものが好適である。
【００１６】
尚、前記発熱部を成す無機導電材の構成成分は、逆に絶縁部材である非酸化物系セラミック焼結体に添加して熱膨張差や反応性を調整しても良いことは言うまでもない。
【００１７】
また、前記無機導電材の主成分に対して、その粒成長を制御して絶縁部材との熱膨張差によるクラックを防止し、かつ抵抗を増大させないようにするために、分散材として窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウムあるいは炭化珪素の一種以上を含有させても良く、その量は主成分１００重量部に対して、例えば、窒化珪素は５〜３０重量部、窒化硼素は１〜２０重量部、窒化アルミニウムは１〜１５重量部、炭化珪素は３〜１５重量部の割合であることが望ましい。
【００１８】
一方、本発明におけるセラミックヒータを構成する発熱部は、ブロック状や線状、又は層状のいずれでも良く、前記絶縁部材をその間に介してＵ字状に曲げたり、コイル状に巻回したり、平面にジグザグに折り曲げたりして、前記発熱部を平面視した時にＵ字状やＷ字状等、任意の形状を成すものとし、絶縁部材に担持したり、接合したり、あるいは埋設したりできる他、前記各種形状で絶縁体を介して２層以上の積層構造とする等、各種形状形態で適用でき、その両端にはＷ材等から成るリード部を電気的に接続したものでも良い。
【００１９】
また、非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材は、窒化珪素、炭化珪素、又はサイアロン等が適用可能だが、強度や耐熱衝撃性、高温時の粒界相における金属イオンの電界移動による電気絶縁性の低下の防止、耐久性の点からは窒化珪素質焼結体が最適である。
【００２０】
一方、本発明のリード線を接合した電極取り出し金属板は、活性金属を含有した金属層で加熱接合した後の冷却過程や、稼働時の加熱冷却で発生するセラミック発熱体の絶縁部材との熱膨張差を緩和するものであれば、いずれの材質でも適用可能だが、前記絶縁部材の３．０〜５．４×１０−６／℃の熱膨張率に近似した３．０〜７．５×１０−６／℃の金属板が望ましい。
【００２１】
また、前記金属板は、塑性変形し易いという点からは、ヤング率が１４〜１５×１０３  ｋｇ／ｍｍ２  を示すＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の鉄（Ｆｅ）基合金が最適であり、前記金属板自体の塑性変形で前記熱膨張差により発生する応力を十分吸収できるという点からは、該金属板の厚さを薄くして０．１〜０．５ｍｍ程度とすることが望ましく、周知の如く金属板の角部は応力集中を回避するために面取りや丸く曲面加工を施しておくことはより好ましい。
【００２２】
一方、前記電極取り出し部は削り出した露出面のままでも良いが、Ｎｉ等の金属被覆を施し、更に電極取り出し金属板に接続するリード線は低熱膨張率のＮｉ線等も適用できる。
【００２３】
次に、本発明における活性金属を含有した貴金属から成る金属層としては、Ａｕ及び／又はＡｇと、Ｎｉ又はＰｄのいずれか一種以上あるいはＣｕ、Ｃｏ、Ｓｉのいずれか一種の合計量が９０〜９９重量％で、残部１〜１０重量％がＶ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｎのいずれか一種以上の活性金属を含有するもの等が挙げられ、前記活性金属は窒化物や炭化物、水素化物等の形態で含有させても良い。
【００２４】
また、前記活性金属の量は、１重量％未満では接合強度の向上効果が見られず、１０重量％を越えると前記金属層の焼き付け温度が高くなり、冷却時に大きな残留応力を生じてクラックの原因となるため前記範囲に限定され、１〜５重量％が最も望ましい。
【００２５】
また、マイグレーション等による短絡の防止という点からは、金属層としては貴金属の主成分としてＡｕにＶ又はＴｉを活性金属として含有するものが最も望ましい。
【００２６】
また、前記金属層と接着する電極取り出し金属板は、熱膨張差による応力が狭い範囲に集中するのを回避するため、電極取り出し金属板が接合される前記金属層から成る接合パッド部の表面積に対して２０％以上の接合面積で接合することが必要であるが、逆に、８０％を越えると電極取り出し金属板の外周部に応力が集中することから、前記接合面積は接合パッド部の表面積の２０〜８０％に限定され、しかも前記金属板の外周部は金属層の外周部のいずれの縁とも重ならないことが望ましい。
【００２７】
なお、前記接合パッド部は、電極取り出し部と電気的に接続しておれば、電極取り出し部より引き出して設けることも可能であり、該接合パッド部の表面積の２０〜８０％の範囲内に電極取り出し金属板が実質的に接着した面積を有しておれば良い。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明のセラミックヒータの実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明のセラミックヒータの一実施例を示す斜視図であり、１は通電により発熱する無機導電材から成る発熱部２と、非酸化物系セラミック焼結体から成る絶縁部材３で構成されるセラミック発熱体４の電極取り出し部５に被着形成された金属層６を成す接合パッド部７を介して、リード線９を接合した電極取り出し金属板８を電気的に接続したセラミックヒータである。
【００２９】
図１において、セラミックヒータ１は、棒状の窒化珪素質焼結体から成る絶縁部材３の一方の端部に埋設されたＷＣを主成分とする略Ｕ字状の発熱部２と、該発熱部２の両端部と電気的に接続されたリード部１０と、該リード部１０に接続し他端側面で露出した電極取り出し部５と、金属層６を成す接合パッド部７を介して電気的に接続されたリード線９を接合した電極取り出し金属板８で構成された略直方体形状を成すものであり、リード部１０は、ＷＣを主成分とする導電体、またはＷ線、あるいはそれらを組み合わせて構成されるもので、通電による発熱も発熱部２よりはるかに低い温度にしか到達しないものである。
【００３０】
図２は、図１のセラミックヒータ１のリード線９を接合した電極取り出し金属板８を含む要部断面図であり、以下、図中の符号は図１と同一内容である。
【００３１】
図３は、本発明のセラミックヒータの他の例を示す要部断面図であり、金属層６から成る接合パッド７が一端面からそれに続く両側面にまで延設されたものである。
【００３２】
図４は、本発明のセラミックヒータの他の例を示す要部断面図であり、セラミック発熱体４を構成する絶縁部材３の断面を円形とした円柱形状を成すものである。
【００３３】
図５は、本発明のセラミックヒータの他の例を示す要部側面図であり、金属層６を複数個の電極取り出し部５から延設し、リード線９を接合した電極取り出し金属板８を電極取り出し部５から離れた部分で接続したもので、金属層６の破線部が接合パッド部７であり、この場合、電極取り出し金属板８の接合面積は該接合パッド部７の表面積に対して２０〜８０％の範囲内となるものである。
【００３４】
尚、本発明のセラミックヒータを構成するセラミック発熱体は、ブロック状又は層状の発熱部を平面視した時にＵ字状やＷ字状等、任意の形状を成すもので、該発熱部を絶縁部材に担持したり、接合したり、または埋設したり、あるいは、線状の発熱部をコイル状に巻回したり、屈曲させたりしたものを絶縁部材に担持したり、接合したり、または絶縁部材中に埋設し、かかる発熱部の両端にはＷ材等から成るリード部を電気的に接続したものでも良い。
【００３５】
次に、本発明のセラミックヒータを以下に詳述するようにして評価した。
先ず、比表面積が７〜１５ｍ２  ／ｇのＳｉ３  Ｎ４  粉末に、希土類元素の酸化物としてＹｂ２  Ｏ３  を１０〜１５重量％、及びＭｏＳｉ２  を５重量％未満と、Ａｌ２  Ｏ３  を適量、それぞれ焼結助剤として添加し、必要に応じて着色剤や熱膨張率調整剤としてＭｏＳｉ２  、Ｍｏ２  Ｃ、ＷＳｉ２  、ＷＯ３  、ＷＣ等を適宜含有させて２４時間ボールミルで湿式混合した。
【００３６】
その後、得られた前記泥漿をそれぞれ噴霧乾燥して造粒し、該造粒体を用いてプレス成形法により平板状の成形体を作製した。
【００３７】
次に、ＷＣの微粉末８５重量％とＢＮの微粉末１５重量％の混合粉末に溶媒を加えて調製したペーストを使用して、スクリーン印刷法等によりＵ字状のパターンで、最終的に焼結体の先端より約５ｍｍ以内に位置するように前記成形体表面に発熱部を形成する。
【００３８】
更に、８５重量％のＷＣと１５重量％のＳｉ３  Ｎ４  の各微粉末から成るペーストを使用して、前記発熱部の両端と一部が重なるようにしてリード部の一部を所定の位置に形成する。
【００３９】
その際、電極取り出し部を前記リード部と同一組成のペーストでセラミック成形体の他端表面に、前記同様にして矩形状のパターンを２か所、セラミック成形体の側面まで平行に所定の配置でそれぞれ形成した。
【００４０】
次に、前記発熱部及びリード部、電極取り出し部をそれぞれ印刷形成した各成形体に、直径０．２５ｍｍのＷ線を前記リード部及び電極取り出し部のパターンとそれぞれ電気的に接続するように載置し、その上に別の成形体を重ねた後、Ｓｉ／ＳｉＯ２  雰囲気を調整した炭素（Ｃ）を含む還元性の雰囲気下、１７００〜１９００℃の温度で１時間以上、加圧焼成して略直方体形状のセラミック発熱体を得た。
【００４１】
その後、前記セラミック発熱体の電極取り出し部の露出部と接続するように、表１に示す各金属層組成物をそれぞれスクリーン印刷法で３ｍｍ角の正方形状に被着し、真空炉中で９００〜１２００℃の温度で金属層を焼き付けた。
【００４２】
【表１】
0003588227.tif 000002
【００４３】
次いで、前記金属層上に表１に示すように接合面積を種々設定した直径０．６ｍｍのＮｉ製のリード線を溶接したＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金及びＦｅ−Ｎｉ合金から成る正方形状の電極取り出し金属板を載置し、真空炉中、９００〜１２００℃の温度で接続した。
【００４４】
かくして得られた評価用のセラミックヒータを用いて、６００℃の温度で１０００時間暴露する連続放置の耐久試験後、及び４０℃と４５０℃の両温度に暴露する工程を１サイクルとする冷熱サイクルを１００００サイクル実施する耐久試験後のそれぞれの電極取り出し金属板の接続状態を以下のような方法で評価した。
【００４５】
先ず、前記評価用セラミックヒータの前記耐久試験前後の抵抗値を測定し、抵抗変化率の最大値を求めると共に、冷熱サイクル耐久試験後の電極取り出し金属板の接続部周辺を浸透探傷試験法と顕微鏡による検査を行い、クラックの有無を確認した。
【００４６】
また、前記評価用セラミックヒータを長手方向に金属層を通り切断し、該切断面の金属層を挟んで、金属層外縁間の絶縁部材に残留する圧縮応力をＸ線応力解析装置により測定した。
【００４７】
【表２】
0003588227.tif 000003
【００４８】
表から明らかなように、本発明の請求範囲外である試料番号１、９、１０、１５、１６、２４、２５、２９は、耐久試験前後の抵抗変化率が１３．３％以上と大きく、しかもいずれも耐久試験後には絶縁部材にクラックが認められ、残留応力も３７．８ｋｇ／ｍｍ２  以上であるのに対して、本発明のセラミックヒータはいずれも抵抗変化率が６．０％以下と小さく、絶縁部材にもクラックは認められず、残留応力も１０．２ｋｇ／ｍｍ２  以下と抵抗変化率及びクラックの有無の結果と良く一致しており、電極取り出し金属板の接合面積比が本発明の範囲内では応力の集中が回避されており、その結果、電極取り出し金属板の接続強度が大幅に改善されていることが確認できた。
【００４９】
尚、本発明のセラミックヒータは前記実施例に限定されるものではなく、前記接合パッド及び電極取り出し金属板の形状は、本発明の主旨を逸脱しないものであればいかなる形状でも良く、またセラミック発熱体の断面形状も用途に応じて種々の変更が可能であり、また発熱抵抗体を平行に複数配設して多層構造とし、各発熱抵抗体を直列にあるいは並列に接続した構造としたものに適用しても同様の効果を奏するものである。
【００５０】
【発明の効果】
叙上の如く、本発明のセラミックヒータは、非酸化物系セラミックスを絶縁部材とし、通電により発熱する無機導電材から成る発熱部を具備したセラミック発熱体の電極取り出し部に被着形成した金属層を介して、電極取り出し金属板の接合面積の比率を前記金属層から成る接合パッドの表面積に対して所定範囲内となるように接続したことから、常温付近から高温まで急速に昇温することを長時間にわたり反復したり、高温下で発熱させて飽和状態で長時間、連続稼働したりしても、リード線を接続した電極取り出し金属板との接合部が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有し、かつ耐熱衝撃性、高温安定性に優れ、昇温特性の良好な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】本発明のセラミックヒータが略直方体形状を成す一実施例を示す斜視図である。
【図２】図１のセラミックヒータのリード線を接合した電極取り出し金属板を含む要部断面図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの他の例を示す要部断面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータが略円柱状形状を成す他の例を示す要部断面図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの他の例を示す要部側面図である。
【符号の説明】
１      セラミックヒータ
２      発熱部
３      絶縁部材
４      セラミック発熱体
５      電極取り出し部
６      金属層
７      接合パッド部
８      電極取り出し金属板
９      リード線
【図１】
0003588227.tif 000004
【図２】
0003588227.tif 000005
【図３】
0003588227.tif 000006
【図４】
0003588227.tif 000007
【図５】
0003588227.tif 000008