(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス中に発熱体を埋設し、該発熱体に接続した電極取り出し部の一部を露出させ、この露出部にろう材を用いてリード線を接合した接合応力緩和材を固定したセラミックヒータにおいて、
前記電極取り出し部を複数有し、
少なくとも１の電極取り出し部は、前記接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上内側に位置し、少なくとも１の他の電極取り出し部は、前記接合応力緩和材の端部より外側に位置することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記接合応力緩和材の端部には、面取り部または曲面部が設けられていることを特徴とする、請求項１に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−タ等の各種燃焼機器の点火用又は気化用ヒ−タや、酸素センサ−等の各種センサ−や測定機器、電子部品、産業機器、あるいは温水ヒ−タ、半田ごて等の一般家庭用電気製品等の加熱用ヒ−タ、更にはディ−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−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−タに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種加熱用や点火用ヒータとして、耐熱金属製の筒状体内に高融点金属線から成る発熱抵抗体を耐熱絶縁粉末と共に埋設した各種シーズヒータが多用されていた。
【０００３】
しかし、前記シーズヒータをディーゼルエンジン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ために用いられる内燃機関用グロープラグとして用いた場合、急速昇温が困難であり、その上、耐摩耗性や耐熱性、耐食性等の耐久性に劣るという欠点があった。
【０００４】
そこで熱伝達効率が優れ、急速昇温が可能で、耐摩耗性や耐熱性、耐食性等の耐久性に優れた信頼性の高い内燃機関用のグロープラグとして、熱伝導性が良好な電気絶縁性セラミック焼結体に、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抵抗体を担持したり、接合したり、あるいは埋設したりして一体化したセラミック発熱体が広く利用されるようになり、それに伴ってその他の各種加熱用や点火用ヒータとしても適用されるようになってきた。
【０００５】
一般に、セラミック発熱体としては、アルミナセラミツクの表面や内部に高融点金属の発熱部を設けたセラミツクヒ−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。
【０００６】
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−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−ド線がろう付け接合されてセラミックヒ−タが構成されている。
【０００７】
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−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−ド線との接合強度が低下するという欠点があった。
【０００８】
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）。
【０００９】
【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前記同様に接合したとしても、従来例と同様に耐久性の点では問題があった。
【００１０】
即ち、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／℃にも及ぶ熱膨張率の差により、セラミツクヒ−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−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。
【００１１】
【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、セラミックヒータの電極金具の接合が長期的な加熱冷却の反復に耐える強度を有しかつクラック等が発生せず、かつ耐衝撃性、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または気化用ヒーターや、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などの加熱用ヒーター、更には内燃機関用グロープラグなどに好適な高温用セラミックヒーターを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題について調査した結果、本発明者等は、電極取り出し部と接合応力緩和材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ト部において、電極取り出し部と接合応力緩和材との位置関係が抵抗変化、耐久性を左右していることを突き止めた。そこで電極取り出し部と接合応力緩和材との位置を制御することにより、前記課題が解消できることを見出した。これにより、抵抗変化の少ない優れた耐久性を有するセラミックヒータを得ることが可能になった。
【００１３】
本発明に係るセラミックヒータは、セラミックス中に発熱体を埋設し、該発熱体に接続した電極取り出し部の一部を露出させ、この露出部にろう材を用いてリード線を接合した接合応力緩和材を固定している。本セラミックヒータは、電極取り出し部を複数有し、少なくとも１の電極取り出し部は、接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上内側に位置し、少なくとも１の他の電極取り出し部は、接合応力緩和材の端部より外側に位置する。
【００１４】
好ましくは、接合応力緩和材の端部には、面取り部または曲面部が設けられている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒーターを詳細に説明する。
【００１６】
図１は、電極金具をろう付けにより接合したセラミックヒータを示す参考図であり、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は接合応力緩衝材接合部の断面形状で、（Ｃ）は接合応力緩衝材接合部の外観を示した平面図である。
【００１７】
図１において、１はセラミック焼結体からなる絶縁部材７の中に、通電により発熱する主として無機導電材からなる発熱部を備えたセラミックヒータであり、２はメタライズ部、３は接合応力緩和材をなす電極金具、４は電極金具にスポット溶接されたＮｉ等のリードピン、５は主として無機導電材からなる電極取り出し部、６は発熱部と電極取り出し部とを電気的に接続するＷのリードピン等からなる引き出し部である。
【００１８】
そして、図１（Ｃ）に示すように、電極取り出し部５は、電極金具３の内側に備えてあり、電極金具３の端部からの距離Ｇを０．２ｍｍ以上としてある。そのため、詳細を後述するようにリードピン４より通電し、加熱冷却を繰り返しても、耐久性を向上させることができる。
【００１９】
図２は図１（Ｂ）をさらに拡大した図である。
【００２０】
図２において、メタライズ部２の電極金具３との接合近傍部８は、電極金具３の端面にはい上がた状態となっている。電極金具３の接合面端部がメタライズ部２へ溶出し、エッジは曲面９となっている。
【００２１】
電極金具３をろう付けにより接合した場合、金具端面へメタライズがはい上がり、メタライズが集まる傾向があり、このため応力が集中しているものと考えられる。さらには電極金具３成分がメタライズ中に拡散し、メタライズ組成が変化しメタライズの硬度が上昇することが確認されている。その為メタライズ自体の応力が増加し、全体の応力が高くなっていると考えられる。
【００２２】
その為、電極取り出し部５と接合応力緩和材である電極金具３の端部が重なると、強度の弱い電極取り出し部５にクラックが入ってしまってセラミックヒータ１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ものになっていた。
【００２３】
次に、本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
図３（Ａ）は、電極取り出し部を２個設けた応力緩和材接合部分の表面図、（Ｂ）は、同じく断面図である。
【００２５】
図３において、電極取り出し部５を複数設け、一方の電極取り出し部５ｂを応力緩和部材である電極金具３の端部より０．２ｍｍ以上内側に設け、他方の電極取り出し部５ａは電極金具３の外側に形成してある。この実施形態では、電極取り出し部５ａでメタライズ部２とつながっているため、長期的な加熱冷却（４０→５００℃）においても、抵抗変化が小さくセラミックヒータの信頼性が大幅に改善することができる。
【００２６】
本発明において、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、ＭｏＳｉ2 、ＴｉＮ等の高融点金属の炭化物や珪化物、窒化物等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窒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がたいという点からはＷＣあるいはＷを主成分とするものが好適である。
【００２７】
尚、前記発熱部を成す無機導電材の構成成分は、逆に絶縁部である窒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。
【００２８】
また、前記無機導電材の主成分に対して、その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、分散剤として窒化珪素、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、その重量は主成分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。
【００２９】
一方、本発明におけるセラミックヒーター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材等からなるリード部を電気的に接続したものでも良い。
【００３０】
また、窒化物系セラミック焼結体からなる絶縁部材は、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム等が適用可能であり、その他にアルミナ等のセラミックスを用いることもできる。
【００３１】
一方、メタライズ部２に接合する電極金具３は、前記絶縁部材の熱膨張率３．０〜５．４×１０-6／℃と近似した３．０〜７．５×１０-6／℃の金属が望ましい。
【００３２】
また、電極金具３にはＮｉ線等の軟質金属線をスポット溶接などにより接続して用いることにより使用時の振動などが直接接合部へ伝わるなどの物理的な負荷を軽減することもできる。
【００３３】
また、前記電極金具３は、塑性変形しやすいという点からは、ヤング率が１４〜１５×１０００ｋｇ／ｍｍ2 を示すＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ基合金が最適であり、前記電極金具３自体の塑性変形で前記熱膨張差により発生する応力を吸収できるという点からは、その厚さを薄くして０．１〜０．５ｍｍ程度とすることが望ましく、さらに、電極金具３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。
【００３４】
次に、本発明における活性金属を含有した貴金属からなるメタライズ部２としては、Ａｕ及び／又はＡｇと、Ｎｉ又はＰｄのいずれか一種類以上あるいは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のいずれか一種類以上の活性金属を含有するものなどが挙げられ、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。
【００３５】
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％を超えると前記メタライズ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。
【００３６】
また、自動車用途など直流電源にて使用される場合に生じるマイグレーションによる短絡の防止という点からは、メタライズ部２としては貴金属の主成分としてＡｕにＶ又はＴｉ等の活性金属を含有するものが最も望ましい。
【００３７】
電極金具３とメタライズ部２との接合は必要な強度を確保すれば、全面の接合でなくても良いことは言うまでもないが、熱膨張差による応力が集中する事を避けるために前記電極金具の外周部とメタライズの外周部のいずれの縁とも重ならない事が望ましい。
【００４９】
【実施例】
図３に示すように電極取り出し部５を２個設け、１個を応力緩和材の内側に設け、１個を外側に設けたセラミックヒータを用い、４０℃から５００℃の大気中に繰り返し３０００サイクル曝した時の抵抗変化率の結果を表１に示す。
【００５０】
この結果より、本発明の囲の試料Ｎｏ．１１〜２５は、抵抗変化が極めて小さい事が確認された。対して、電極取り出し部５と応力緩和材端部との距離が０ｍｍ、０．１ｍｍの試料Ｎｏ．１〜１０は抵抗変化率が極めて高いことが判った。
【００５１】
上記結果より、４０℃〜５００℃の繰り返しサイクルにおいては、電極取り出し部５を２個設け、１個を接合応力緩和材端部より０．２ｍｍ以上内部に設け、１個を外部に設ける事により、セラミックヒータの信頼性が大幅に改善されていることが確認できた。
【００５２】
【表１】
0003762103.tif 000002
【００５３】
尚、本発明のセラミックヒ−タは前記実施例に限定されるものでなく、前記接合パッド及び接合応力緩和材の形状は、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有り、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。
【００５４】
【発明の効果】
叙上の如く、本発明によれば、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ヒータにおいて、電極取り出し部を接合応力緩和材の端部より０．２ｍｍ以上内部に設けることにより、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−ド線を接続した接合応力緩和材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−タを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータの参考例を示しており、（Ａ）は全体の側面図、（Ｂ）は電極金具接合部分の断面図、（Ｃ）は電極金具接合部分の平面図である。
【図２】図１（Ｂ）の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態を示しており、（Ａ）は電極金具接合部分の平面図、（Ｂ）は電極金具接合部分の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：メタライズ部
３：金属金具
４：リードピン
５：電極取り出し部
６：引き出し部
７：絶縁部材
８：接合近傍部
９：曲面
【図１】
0003762103.tif 000003
【図２】
0003762103.tif 000004
【図３】
0003762103.tif 000005