(57)【要約】    【課題】  信頼性を維持しながら高温域での使用に耐えうる片端子構造の炭化珪素発熱体を提供する。    【解決手段】  炭化珪素からなる棒状の発熱部材１と、前記発熱部材１の長手方向両端部から略同一方向に一対配置され、炭化珪素を主成分としてシリコンを含む材料からなる棒状の端部部材２と、を有する炭化珪素発熱体において、前記発熱部材１の長手方向両端部で、それぞれ前記発熱部材１の端部と前記端部部材２の端部とをジョイント部材３を用いて連結する。【選択図】      図１
2005085600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱する炭化珪素からなる発熱部材と、前記発熱部材から略同一方向に複数配置され、前記発熱部材に通電を行うための端子として用いられ、炭化珪素を主成分としてシリコンを含む材料からなる端部部材と、前記発熱部材と前記端部部材とを支持するとともに電気的に接触させて連結し、炭化珪素又は炭化珪素を主成分としてシリコンを含む材料からなるジョイント部材と、を有することを特徴とする炭化珪素発熱体。
【請求項２】
前記発熱部材は棒状形状であり、前記端部部材は前記発熱部材の長手方向両端部から同一方向に配置される一対の棒状形状であり、全体としてコの字形状であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素発熱体。
【請求項３】
前記ジョイント部材はチューブ形状であり、前記発熱部材の長手方向端部及び前記端部部材の長手方向端部のいずれか一方が前記チューブ形状の中空部に軸方向一方側から挿入されて取り付けられ、前記発熱部材の長手方向端部及び前記端部部材の長手方向端部のいずれか他方が前記チューブ形状の外周面に形成された穴形状の取付部に挿入されて取り付けられ、前記発熱部材及び前記端部部材はそれぞれ前記ジョイント部材に接着剤を用いて接合されていることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子部品・セラミックス・ガラス製品などを加熱・焼成するために用いられる炭化珪素発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素発熱体は耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性、高温強度特性などに優れており、また抵抗値が発熱体に適した値を有しているため、従来から抵抗発熱体として広く使用されている。
【０００３】
炭化珪素発熱体の種類としては、その用途により様々な形状があり、一般的な棒状のストレート形状の他に、高温域での使用を目的とした螺旋形状やＵ型形状、Ｗ型形状、コの字形状などがあり、その用途に合わせて各種の発熱体が使用されている。
【０００４】
ストレート形状の発熱体は長手方向両端部に端子が設けられた両端子構造であり、長手方向中央部で発熱を行う。一方、Ｕ型形状、Ｗ型形状、コの字形状などの発熱体は、発熱部材から同方向に複数の端子が延出して設けられた片端子構造である。
【０００５】
片端子構造では、両端子構造に比べて炉内に発熱体を配置するときの管通孔を少なくすることができ、熱が貫通孔から炉外に放出されることが抑えられ熱効率が向上される。また、片端子構造では、電装部材を炉の一方側のみに配置すればよい。そのため、片端子構造は環境面や省エネルギーの観点から重要視され、需要が増大する傾向がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、炭化珪素発熱体は、ＳｉＣ焼結体からなる発熱部材と、該発熱部材に対して比抵抗値を小さくし通電に伴って発熱しないようにされたＳｉＣ−Ｓｉの複合材からなる端部部材とから構成される。これによって、端子側が加熱されないとともに発熱部材以外では発熱が抑えられるため省エネルギー化を図ることができる。
【０００７】
前記発熱部材と前記端部部材とは、一般に、別部材で構成され、両部材は反応焼結法を用いた接合方法によって接合される。例えば、発熱部材（ＳｉＣ）と端部部材（ＳｉＣとＳｉの複合材）との接合面に、ＳｉＣ−Ｃ−バインダーからなる接着剤を塗布し、窒素雰囲気中で高温（１９００〜２１００℃）に加熱することで、溶融したＳｉと接着剤中のＣとを反応焼結させ、発熱部材と端部部材とが接合される（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
一方、近年においては、セラミックス製品や電子部品などの目覚しい発展に伴い、熱処理条件の高精度化が要求されており、その中で処理温度は高温になる傾向がある。
【特許文献１】特開平０８−１５３５７３号公報
【特許文献２】特開平１０−２９７９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、炭化珪素発熱体による熱処理に伴って発熱部材と端部部材との接合部がＳｉの融点である１４１０℃以上となる場合では、当該接合部中のＳｉが溶融し、又は溶融したＳｉが吹出すことがある。これによって、接合部の組織が劣化し強度が低下するため、接合部の信頼性が低下するという問題が生じうる。
【００１０】
ストレ−ト形状の炭化珪素発熱体を炉内にセットした概略図を図４に示す。
【００１１】
図４（ａ）において、炭化珪素発熱体３０は、向かい合った炉壁５に対になって設けられた貫通孔８に挿入され、発熱体３０の中央部にある発熱部材１が炉内の中央部になり、発熱体３０の両端部にある端部部材２が貫通孔８によって保持されるように配置される。発熱部材１と端部部材２の接合部７は、貫通孔８内に位置するように配置される。
【００１２】
また、図４（ｂ）によれば、炉内の温度分布は、炉の中央部で設定された温度となり、炉壁５側では中央部より低い温度となる。これより、炉壁５側に位置する接合部７は、設定温度より低い温度に保持される。そのため、炉内の中央部が高温域（１５００℃前後）となっても、接合部７の温度は低温側で保持され、接合部７が破損するおそれがなく、発熱体３０自体を比較的安定して使用することができる。
【００１３】
一方、コの字形状の発熱体２０は、図３におけるＢ部に示すように、一の炉壁５に対になって設けられた貫通孔８に、発熱部材１が炉内に位置するように端部部材２が挿入される。そのため、発熱部材１と端部部材２の接合部７は２箇所とも炉内に完全に入り炉内の高温にさらされる。そして、接合部７がＳｉの融点前後の温度に加熱されると、接合部７が破損するおそれが生じ、さらには接合部７の破損に伴って端部部材２から発熱部材１が剥がれて、発熱部材１が炉内に落下し炉内にセットされた発熱体や処理物６を破損してしまうという問題が生じることがある。そのため、コの字形状の炭化珪素発熱体の使用における発熱体表面温度は、Ｓｉの融点を考慮して、１４００℃が限界であった。
【００１４】
本発明は、上記した知見に基づいて開発されたものであり、その目的は信頼性を維持しながら高温域での使用に耐えうる片端子構造の炭化珪素発熱体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る第一の構成は、通電により発熱する炭化珪素からなる発熱部材と、前記発熱部材から略同一方向に複数配置され、前記発熱部材に通電を行うための端子として用いられ、炭化珪素を主成分としてシリコンを含む材料からなる端部部材と、前記発熱部材と前記端部部材とを支持するとともに電気的に接触させて連結し、炭化珪素又は炭化珪素を主成分としてシリコンを含む材料からなるジョイント部材と、を有することを特徴とする炭化珪素発熱体である。
【００１６】
本発明に係る第二の構成は、上記第一の構成において、前記発熱部材は棒状形状であり、前記端部部材は前記発熱部材の長手方向両端部から同一方向に配置される一対の棒状形状であり、全体としてコの字形状であることを特徴とする炭化珪素発熱体である。
【００１７】
本発明に係る第三の構成は、上記第二の構成において、前記ジョイント部材はチューブ形状であり、前記発熱部材の長手方向端部及び前記端部部材の長手方向端部のいずれか一方が前記チューブ形状の中空部に軸方向一方側から挿入されて取り付けられ、前記発熱部材の長手方向端部及び前記端部部材の長手方向端部のいずれか他方が前記チューブ形状の外周面に形成された穴形状の取付部に挿入されて取り付けられ、前記発熱部材及び前記端部部材はそれぞれ前記ジョイント部材に接着剤を用いて接合されていることを特徴とする炭化珪素発熱体。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１から３に係る発明によれば、発熱部材と端部部材とをジョイント部材によって連結することで、高温域で連結部が破損することを防止し、さらには連結部の破損によって発熱部材が炉内で落下することを防止することができ、高温域での使用において安全性を向上させることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、発熱部材と端部部材がジョイント部材によって連結されているため高温域での使用において安全性を向上させることができるうえ、炭化珪素発熱体がコの字形状であるため熱効率が良好で省エネルギー化を図ることができるとともに一般的な炉に容易に適用可能な炭化珪素発熱体を提供することができる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、発熱部材と端部部材とをジョイント部材によって簡単な構成で機械的に強固に連結することができる。特に、炭化珪素発熱体を炉内にセットした際に発熱部材が落下する方向において発熱部材を効果的に支持することができる。また、ジョイント部材が発熱部材と端部部材のそれぞれに対してある程度の接触面積を有するため、発熱部材と端部部材とを電気的に確実に接触させることができる。また、ジョイント部材が比較的簡素な形状であるため、ジョイント部材の成形に際して歩留まりを向上させることができる。
【００２１】
また、本発明に係る炭化珪素発熱体を用いることによって、電子部品、セラミックス、及びガラス製品などの焼成において、温度設定を幅広い範囲で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態について図１から図３を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る炭化珪素発熱体１０の平面図である。
【００２４】
図１において、炭化珪素発熱体１０は、棒状の発熱部材１と、前記発熱部材１の長手方向両端部から同方向に一対配置された棒状の端部部材２と、前記発熱部材１の長手方向両端部に前記一対の端部部材２をそれぞれつなぐジョイント部材３とを有する。
【００２５】
前記発熱部材１は、ＳｉＣ（炭化珪素）焼結体からなり、通電により発熱する。前記発熱部材１の形状は中空のチューブ形状や、中実の円柱形状を適用することができる。
【００２６】
前記一対の端部部材２は、それぞれ、ＳｉＣを主成分としてＳｉ（シリコン）を含む複合材（ＳｉＣ−Ｓｉ複合材）からなる。なお、前記端部部材２の形状は、前記発熱部材１と同様に、中空の円柱などのチューブ形状や、中実の円柱形状を適用することができる。
【００２７】
また、前記一対の端部部材２は、それぞれ、長手方向一方端側で前記発熱部材１と前記ジョイント部材３を介してつながれ、他方端側にメタリコン処理４がされている。端部部材２の他方端側は不図示の電装部材に接続され発熱部材１に通電を行う。端部部材２はＳｉＣ−Ｓｉ複合材からなるため、前記発熱部材１より抵抗が低く発熱が抑えられる。
【００２８】
前記ジョイント部材３はＳｉＣを主成分としてＳｉを含む複合材料から構成される。なお、前記ジョイント部材３にはＳｉＣ焼結体を用いることもできる。
【００２９】
また、前記ジョイント部材３の形状は中空のチューブ形状である。前記ジョイント部材３の中空部に端部部材２の端部が挿入されて取り付けられ、前記ジョイント部材３の外周面に設けられた穴形状の取付部に前記発熱部材１の端部が挿入されて取り付けられる構成である。そして、前記ジョイント部材３の内周面と前記端部部材２の端部の外周面との間、及び前記ジョイント部材３の取付部と前記発熱部材１の端部の外周面との間に、それぞれ接着剤が塗布され、前記ジョイント部材３に前記端部部材２及び前記発熱部材１が接合される。そして、この接合体を熱処理して炭化珪素発熱体１０が作製される。
【００３０】
なお、前記ジョイント部材３の中空部に発熱部材１の端部が挿入されて取り付けられ、前記ジョイント部材３の外周面の取付部に前記端部部材２の端部が挿入されて取り付けられる構成とすることもできる。
【００３１】
また、前記ジョイント部材３は、上記した構成の他にも、中実の円柱形状又は中実の四角柱形状とし、前記発熱部材１又は前記端部部材２が取り付けられる位置に穴形状などの取付部を形成する構成とすることもできる。
【００３２】
前記発熱部材１の長手方向両端部で、それぞれ前記発熱部材１の端部と前記端部部材２の端部とを前記ジョイント部材３によってつなぐことで、発熱部材１と端部部材２とが直交するように、かつ一対の端部部材２が互いに平行になるように配置される。すなわち、発熱体１０は全体としてコの字形状となり、発熱部材１に対して一対の端部部材２が同方向側に配置される片端子構造となる。
【００３３】
このように、発熱部材１と端部部材２とが直接接触していなくても、発熱部材１と端部部材２とがともにジョイント部材３に接合されているため、発熱部材１と端部部材２とは電気的に接触される。そのため、発熱部材１は端部部材２からジョイント部材３を介して通電され発熱される。
【００３４】
図２は、従来例の炭化珪素発熱体２０の平面図である。
【００３５】
図２において、上記した炭化珪素発熱体１０と略同様の構成についての説明は省略する。
【００３６】
図２において、発熱部材１の長手方向両端部側の外周面には、それぞれ、端部部材２の長手方向一方端が、ＳｉＣ−Ｃ−バインダーからなる接着剤を用いた反応焼結法により接合されている。
【００３７】
図３は、コの字形状の炭化珪素発熱体がセットされた炉内の断面図である。図３においてＡ部は本実施の形態に係る発熱体１０がセットされた部分であり、Ｂ部は従来例の発熱体２０がセットされた部分である。
【００３８】
図３に示すように、発熱体は、一の壁面に設けられた一対の貫通孔８に、発熱部材１が炉内に位置するように一対の端部部材２を挿入し、該貫通孔８で端部部材２が保持されて配置される。そのため、発熱部材１と端部部材２との連結部分は炉内の高温にさらされる。
【００３９】
従来例の発熱体２０においては、発熱部材１と端部部材２との接合部７は、ＳｉＣ−Ｃ−バインダーからなる接着剤を用いた反応焼結製法によって接合されるため、通常接合部にはＳｉＣとＳｉが存在する。そのため、接合部７がＳｉの融点以上（１４１０℃以上）となる温度域での使用では、接合部７中のＳｉの溶融・吹出しが始まり、接合部７の組織劣化を招き、接合部分での強度低下を引き起こし、信頼性が低下するという問題が生じうる。特に、片端子構造であるコの字形状の炭化珪素発熱体は接合部７が炉内に入るため、炉内が高温になると、接合部７の劣化の進行が速く、発熱部材１の落下を招きやすい。さらに、発熱体１０のセット方法が特有なため、他の発熱体１や処理物６を破損してしまう問題が生じうる。
【００４０】
そこで、本発明者は、炭化珪素発熱体の構造上の観点から研究を進めた結果、本実施の形態に係る炭化珪素発熱体の構造を見出した。
【００４１】
本実施の形態に係る発熱体１０は、発熱部材１と端部部材２との連結部分にジョイント部材３を設けたことで、例え高温域でＳｉ特性により連結部分の信頼性を損ねたとしても、発熱体１０の連結部分の破損、及びこの破損に伴う発熱部材１の落下を防止することができる。
【００４２】
このように、本実施の形態によれば、高温域、特にＳｉの融点である１４１０℃以上の高温域において、発熱体１０の使用の安全性を高めることができる。
【００４３】
また、本実施の形態によれば、ジョイント部材３がＳｉＣ又はＳｉＣを主成分としてＳｉを含む材料からなるため、高温においても、発熱部材１と端部部材２とを電気的に接触させて連結することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態においてジョイント部材の材質は炭化珪素質焼結体を用いることが好ましく、再結晶質炭化珪素、反応焼結炭化珪素、常圧焼結炭化珪素のいずれでも良い。
【００４５】
また、高温域の使用だけでなく低温域での使用においても本実施の形態を利用してもよい。高温域においては落下防止として効果的であり、低温域においては連結部分の信頼性向上につながるためである。
【００４６】
また、本実施の形態は、上記したコの字形状以外の片端子構造にも適用することで同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例により説明する。
【００４８】
（実施例）
実施例の炭化珪素発熱体１０は、ＳｉＣからなる発熱部材１（外径φ２５ｍｍ、内径φ１２．５ｍｍ、長さ５００ｍｍ）と、ＳｉＣ−Ｓｉからなる一対の端子部材２（外径φ２５ｍｍ、内径φ１２．５ｍｍ、長さ４００ｍｍ）と、ＳｉＣ−Ｓｉからなるジョイント部材３（外径３５ｍｍ、内径φ２０ｍｍ、全長６０ｍｍ）とからなる。
【００４９】
前記ジョイント部材３は、発熱部材１を取り付けるために軸方向一方端側の外周面に穴加工（φ２６．５ｍｍ、深さ２０ｍｍ）がされ、また、端部部材２を取り付けるために軸方向他方端側の中空部に端子部材２を挿入して取り付けるために穴加工（φ２６．５ｍｍ、深さ２０ｍｍ）がされている。
【００５０】
発熱部材１及び端子部材２は、それぞれジョイント部材３の穴加工部に、ＳｉＣ−Ｃ−バインダーからなる接着剤を用いて接合される。その後、この接合体はＮ２雰囲気中２０００℃２時間で処理され、ジョイント部を有するコの字形状の炭化珪素発熱体１０が作製される（図１参照）。
【００５１】
（比較例）
比較例の炭化珪素発熱体２０は、ＳｉＣからなる発熱部材１（外径φ２５ｍｍ、内径φ１２．５ｍｍ、長さ５００ｍｍ）と、ＳｉＣ−Ｓｉからなる端子部材２（外径φ２５ｍｍ、内径φ１２．５ｍｍ、長さ４００ｍｍ）とからなる。
【００５２】
前記端子部材２は、発熱部材１と接合する側の端部断面に外形２５ｍｍのＲ加工がされ、ＳｉＣ−Ｃ−バインダーからなる接着剤を用いて発熱部材１と接合される。その後、この接合体を、Ｎ２雰囲気中２０００℃２時間で処理して、コの字形状の炭化珪素発熱体２０が作製される（図２参照）。
【００５３】
上記した実施例と比較例の炭化珪素発熱体を用いて、炉内温度１３００〜１６００℃の各温度において、大気雰囲気中にて１０００時間連続操炉を行ない、発熱部材１の落下状況を観察した。なお、炉内にセットされた発熱体１０の本数は１０本である。この結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
2005085600.tif 000003
表１に示すように、実施例の発熱体１０では、１３００℃から１６００℃までいずれの炉内温度においても、発熱体１０の落下は発生しなかった。
【００５５】
一方、比較例の発熱体１０では、１４００℃において２０％、１５００℃において８０％、１６００℃において１００％の確率で、発熱体１０の落下が発生した。
【００５６】
これにより、実施例の構成によれば、高温領域、特にＳｉの融点である１４１０℃付近以上において、連結部分の破損を抑えるとともに発熱体１０の落下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施の形態に係る炭化珪素発熱体の平面図である。
【図２】従来例の炭化珪素発熱体の平面図である。
【図３】本実施の形態に係るコの字形状の炭化珪素発熱体をセットした炉の断面概略図である。
【図４】従来例のストレート形状の炭化珪素発熱体をセットした炉の断面外略図（ａ）、及び炉内温度分布（ｂ）である。
【符号の説明】
【００５８】
１  発熱部材
２  端部部材
３  ジョイント部材
４  メタリコン処理部
５  炉壁
６  処理物
７  接合部
１０  ジョイント部材を用いたコの字形状の炭化珪素発熱体
２０  従来例のコの字形状の炭化珪素発熱体
３０  ストレート形状の炭化珪素発熱体
【図１】
2005085600.tif 000004
【図２】
2005085600.tif 000005
【図３】
2005085600.tif 000006
【図４】
2005085600.tif 000007