JP2000323263A

JP2000323263A - 発熱素子

Info

Publication number: JP2000323263A
Application number: JP11127433A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Sawamura; 建太郎澤村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】昇降温の繰り返しや高温での酸化に耐える
等、耐久性に優れた発熱素子を提供する。【解決手段】発熱素子を、絶縁体材料基板の上に発熱
抵抗体が設けられ、若しくは絶縁体材料基板中に発熱抵
抗体が埋設された積層構造燒結体からなるものとし、発
熱抵抗体を、外部電源と接続される２つのリード部と、
このリード部間に位置するヒーター部とから構成すると
ともに、このヒーター部の中央部の断面積Ｓｃと中央部
以外の部位（周辺部）の断面積Ｓとの関係を１．３Ｓ≦
Ｓｃ≦１．７Ｓを満足するものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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る通電式の発熱
素子、およびサーミスター等の発熱素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、天然ガス、プロパンガス、灯
油等の気体燃料や液体燃料の着火には、セラミックスを
用いた通電式の発熱素子が用いられている。

【０００３】この種の着火用発熱素子は、通常、窒化珪
素（Ｓｉ_３N_４）からなる絶縁体材料基板に、タングス
テンや炭化タングステン等の発熱抵抗体を埋設して焼成
することによって作製されており、３秒間程度で１００
０℃以上の温度に達する急速昇温性と、ｏｎ−ｏｆｆ通
電操作や連続通電操作における耐久性を有することが要
求される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、発熱素子の中
央部は熱が逃げにくく、周辺領域よりも高温となる。こ
のため、従来の発熱素子は、上記のようなｏｎ−ｏｆｆ
通電操作や連続通電操作等による温度差に起因するスト
レスの発生、１０００℃以上の高温となることによる発
熱抵抗体と絶縁体材料基板との化学反応、あるいは、酸
化反応が起こりやすくなり、発熱抵抗体の断線や絶縁体
材料基板のクラック発生等による耐久性低下が問題とな
っている。

【０００５】本発明は、上述のような実情に鑑みてなさ
れたものであり、昇降温の繰り返しや高温での酸化に耐
える等、耐久性に優れた発熱素子を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は絶縁体材料基板と、その上に設けら
れ、若しくはその中に埋設された発熱抵抗体との積層構
造燒結体からなる発熱素子において、前記発熱抵抗体は
外部電源と接続される２つのリード部と、該リード部間
に位置するヒーター部とからなり、該ヒーター部の中央
部の断面積Ｓｃと中央部以外の部位（周辺部）の断面積
Ｓとの間に、１．３Ｓ≦Ｓｃ≦１．７Ｓの関係が成立す
るような構成とした。

【０００７】このような本発明では、発熱抵抗体のヒー
ター部の中央部における発熱量が、ヒーター部の中央部
以外の部位（周辺部）における発熱量よりも低くなり、
発熱素子の中央部での熱蓄積による高温化が防止され
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。図１は本発明の発熱素子の一
実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示される発
熱素子の分解斜視図である。図１および図２において、
発熱素子１は、絶縁体材料基板２上に形成された発熱抵
抗体４と、この絶縁体材料基板２の両面に積層されてい
る絶縁体材料基板２′との積層構造燒結体である。

【０００９】絶縁体材料基板２，２′としては、従来か
ら急速昇温発熱素子において用いられる公知の絶縁体材
料の中から、適宜選択して用いることができる。例え
ば、窒化珪素（Ｓｉ_３N_４）や、窒化珪素に酸化珪素や
酸化アルミニウムを含有させた絶縁体材料を使用するこ
とができる。尚、絶縁体材料基板２，２′は単層構造で
あってもよく、また、１種あるいは２種以上の絶縁体材
料基板層が積層された構造であってもよい。

【００１０】発熱抵抗体４は、２つのリード部５，５
と、これらのリード部５間に位置して接続されているヒ
ーター部６とからなり、図示例では、リード部５，５に
それぞれ電極７，７が設けられ、この電極７，７を介し
て外部電源に接続することができる。この発熱抵抗体４
は、従来より急速昇温発熱素子において用いられる公知
の発熱抵抗体の中から、適宜選択して用いることができ
る。特に、高融点、低熱膨張率および低電気比抵抗を有
する材料が好ましく使用でき、例えば、タングステンや
炭化タングステン、タングステン−炭素化合物等が挙げ
られる。

【００１１】本発明の発熱素子１では、上記の発熱抵抗
体４において、ヒーター部６の中央部の断面積Ｓｃと中
央部以外の部位（周辺部）の断面積Ｓとの間に、１．３
Ｓ≦Ｓｃ≦１．７Ｓの関係が成立する。中央部の断面積
Ｓｃが１．３Ｓ未満であると、中央部での抵抗値低下に
よる発熱量の低減が不充分であり、本発明の効果が奏さ
れず、また、中央部の断面積Ｓｃが１．７Ｓを超える
と、発熱素子として要求される急速昇温性が不充分なも
のとなる。尚、本発明では、中央部以外の部位（周辺
部）の断面積Ｓは、通常の印刷で制御可能な範囲で均一
なものとする。

【００１２】ここで、ヒーター部６の中央部と、中央部
以外の部位（周辺部）について、図面を参照して説明す
る。図３は、上述の発熱素子１を構成する発熱抵抗体４
の部分平面図である。図３に示すように、発熱抵抗体４
はほぼ平行に配置された２つのリード部５，５と、これ
らのリード部５間に接続されたヒーター部６とからな
り、このヒーター部６は長さＬの直線状の部材がコ字形
状で平行となるように接続されたものである。そして、
ヒーター部６の平行な長さＬの各部材の中央の０．１Ｌ
〜０．５Ｌの部位を中央部６ａ（斜線で示す）とし、こ
の中央部６ａ以外のヒーター部６の部位を周辺部６ｂと
する。

【００１３】図４は、構造がより簡単な発熱抵抗体の例
を示す部分平面図である。図４において、発熱抵抗体４
は長さＬの直線状の１本のヒーター部６と、この両端に
接続され、反対方向で同一軸上に配設された２つのリー
ド部５，５とからなる。そして、ヒーター部６の中央の
０．１Ｌ〜０．５Ｌの部位を中央部６ａ（斜線で示す）
とし、この中央部６ａの両側に位置するヒーター部６の
部位を周辺部６ｂとする。

【００１４】上述の図３、図４に示される例では、長さ
Ｌのヒーター部６の中央の０．１Ｌ〜０．５Ｌの部位が
中央部６ａとされる。

【００１５】図５は、構造がやや複雑な発熱抵抗体の例
を示す部分平面図である。図５において、発熱抵抗体４
は、反対方向でほぼ平行な軸上に配設された２つのリー
ド部５，５と、これらのリード部５間に位置して接続さ
れているヒーター部６とからなる。このヒーター部６は
長さＬの直線状の３本の部材が互いに平行でＳ字形状と
なるように接続されたものである。そして、ヒーター部
６の平行な長さＬの３本の部材のうち、真中の１本の中
央の０．１Ｌ〜０．５Ｌの部位を中央部６ａ（斜線で示
す）とし、この中央部６ａ以外のヒーター部６の部位を
周辺部６ｂとする。

【００１６】また、図６は、構造がさらに複雑な発熱抵
抗体の例を示す部分平面図である。図６において、発熱
抵抗体４はほぼ平行に配置された２つのリード部５，５
と、これらのリード部５間に接続されたヒーター部６と
からなる。このヒーター部６は長さＬの直線状の４本の
部材が互いに平行となるように直列に接続されたもので
ある。そして、ヒーター部６の平行な長さＬの４本の部
材のうち、真中の２本の中央の０．１Ｌ〜０．５Ｌの部
位を中央部６ａ（斜線で示す）とし、この中央部６ａ以
外のヒーター部６の部位を周辺部６ｂとする。

【００１７】上述の図５、図６に示される例のように、
ヒーター部６の平行な長さＬの部材がＮ本（Ｎは３以上
の正数）存在するような発熱抵抗体４では、真中寄りの
Ｎ／２（小数点以下切捨て）本の部材について、その中
央の０．１Ｌ〜０．５Ｌの部位を中央部６ａとする。

【００１８】本発明では、ヒーター部６の中央部６ａの
断面積Ｓｃは、１．３Ｓ≦Ｓｃ≦１．７Ｓを満足すれば
よく、上述のような中央部６ａの領域内で断面積Ｓｃに
変化をもたしてもよい。

【００１９】本発明の発熱素子の製造方法には特に制限
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。

【００２０】例えば、まず所要量の絶縁体材料粉末（例
えば、窒化珪素や、窒化珪素に酸化珪素や酸化アルミニ
ウムを含有させたもの）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等を添加して、ボ
ールミル等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、押し出し成
形法等により所望形状に成形する。

【００２１】次に、このようにして得られた成形体の表
面に、発熱抵抗体材料（例えば、タングステンや炭化タ
ングステン、タングステン−炭素化合物等）を含有する
ペーストを用いて所定のパターンを印刷する。その後、
パターン印刷された成形体に未印刷の成形体を積層した
り、または、パターン印刷された成形体を巻き付けて所
望形状に成形した後、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（ＨＩＰ）焼成法等が用いられる。また、焼成
温度は、通常、１９００℃以下、好ましくは１７００〜
１８００℃の範囲で設定される。この焼成においては、
窒素ガス雰囲気下等の非酸化性雰囲気下で実施すること
が有利である。

【００２２】次に、このようにして得られた燒結体に、
表面研削加工や切断加工を施し、外部電源に接続するた
めの電極を発熱抵抗体のリード部に取り付けることによ
り、所望の発熱素子が得られる。本発明の発熱素子は、
例えば、天然ガス、プロパンガス、灯油等の気体燃料や
液体燃料の着火用として好適に用いられる。

【００２３】

【実施例】次に、本発明を実施例により更に詳細に説明
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。

【００２４】まず、α‐Ｓｉ_３Ｎ_４粉末１００モル、Ａ
ｌ_２Ｏ_３粉末６．８６モル、ＳｉＯ _２粉末１０モル、お
よび、アクリル系バインダーとエタノール、トルエンを
それぞれ適量加え、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後、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。

【００２５】次に、タングステンと炭素との原子比を
０．５としたペーストを上記シートに印刷して、図６に
示されるような発熱抵抗体のパターンを形成した。尚、
図６に斜線で示される中央部６ａの断面積Ｓｃと、周辺
部６ｂの断面積Ｓとの関係を、下記の表１に示すように
変化させた。

【００２６】次いで、この印刷シートの上下に、印刷し
ていないシートを４層、合計９層となるように積層し、
積層体を作製した。この積層体を、１気圧の窒素ガス雰
囲気中、２５０ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下で１７５０℃にて
１時間ホットプレス焼成して、積層構造燒結体を得た。

【００２７】次に、この積層構造燒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、
ニッケルめっき処理し，さらに銅線をはんだ付けして電
極端子を設け、素子を作製した。尚、電極部は金属製モ
ールドに収め、外気と遮断した。

【００２８】この発熱素子について、以下の連続負荷試
験とｏｎ−ｏｆｆ試験を行って、結果を下記の表１に示
した。

【００２９】連続負荷試験空気中、１５５０℃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
した時間を調べた。初期抵抗値は、通電を開始して１５
５０℃となった直後の抵抗値とした。試料数はそれぞれ
２０であり、平均値を採用した。尚、２０００時間以上
を合格とする。

【００３０】ｏｎ−ｏｆｆ試験空気中、１５秒間通電させることで１５５０℃に昇温
（通電開始３秒間で１５５０℃に到達）させ、その後、
通電を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ｏｎ−ｏｆｆ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。初期抵抗値は、１回
目の通電での１５５０℃における抵抗値とした。試料数
はそれぞれ２０であり、回数は平均値を採用した。尚、
５００００回以上を合格とする。

【００３１】

【表１】表１に示されるように、ヒーター部の中央部の断面積Ｓ
ｃと中央部以外の部位（周辺部）の断面積Ｓとの関係が
１．３Ｓ≦Ｓｃ≦１．７Ｓを満足する発熱素子は、いず
れも連続負荷試験が２０００時間以上、ｏｎ−ｏｆｆ試
験のサイクル回数が５００００回以上であった。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば発
熱抵抗体のヒーター部では、その中央部の断面積Ｓｃと
中央部以外の部位（周辺部）の断面積Ｓとが１．３Ｓ≦
Ｓｃ≦１．７Ｓの関係を満足するので、発熱抵抗体のヒ
ーター部の中央部の抵抗値が低下し、その結果、ヒータ
ー部中央での発熱量がヒーター部の中央部以外の部位
（周辺部）における発熱量よりも低くなり、発熱素子の
中央部と周辺領域との温度差が減少し、これにより、発
熱抵抗体の断線や絶縁体材料基板のクラック発生等が防
止され、耐久性が著しく向上するという効果が奏され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発熱素子の一実施形態を示す斜視図で
ある。

【図２】図１に示される発熱素子の分解斜視図である。

【図３】本発明の発熱素子を構成する発熱抵抗体の一例
を示し、ヒーター部の中央部と、中央部以外の部位を説
明するための部分平面図である。

【図４】本発明の発熱素子を構成する発熱抵抗体の他の
例を示し、ヒーター部の中央部と、中央部以外の部位を
説明するための部分平面図である。

【図５】本発明の発熱素子を構成する発熱抵抗体の他の
例を示し、ヒーター部の中央部と、中央部以外の部位を
説明するための部分平面図である。

【図６】本発明の発熱素子を構成する発熱抵抗体の他の
例を示し、ヒーター部の中央部と、中央部以外の部位を
説明するための部分平面図である。中積層構造燒結体の
１例の部分分解斜視図である。

【符号の説明】

１…発熱素子２，２′…絶縁体材料基板４…発熱抵抗体５…リード部６…ヒーター部６ａ…中央部６ｂ…周辺部７…電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁体材料基板と、その上に設けられ、
若しくはその中に埋設された発熱抵抗体との積層構造燒
結体からなる発熱素子において、前記発熱抵抗体は外部
電源と接続される２つのリード部と、該リード部間に位
置するヒーター部とからなり、該ヒーター部の中央部の
断面積Ｓｃと中央部以外の部位（周辺部）の断面積Ｓと
の間に、１．３Ｓ≦Ｓｃ≦１．７Ｓの関係が成立するこ
とを特徴とする発熱素子。