JPH01157084A - セラミック発熱体およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、絶縁性のセラミック内に電気抵抗線を埋設
し、この抵抗線に通電し発熱させるセラミック発熱体に
関する。

［従来の技術］ 窒化珪素質焼結体中にタングステン、タングステン−レ
ニウム合金等の発熱抵抗線を埋設してなるセラミック発
熱体は、焼成中に発熱抵抗線とセラミックとの境界面で
反応が生じ反応物質が生成し、使用による熱履歴を受け
ると両者の熱膨張差のため境界面で剥離が生じたり微小
なりラックが発生する。とくに電極の取り出しのため、
発熱抵抗線がセラミックの外周に露出している部分に電
気端子を兼ねた金属製外筒をろう付けすると、熱履歴を
受けた際外筒によって電極部が引っ張られ、発熱抵抗線
の断線が生じ易い。

この境界面での剥離や微小なりラックの発生を防止する
ため、特開昭６１−１７９０８４号公報には、発熱抵抗
線とセラミックとの境界面に、窒化チタン（ＴｉＮ）、
窒化炭化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化アルミニウム（Ａｆ
ＪＮ）　、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ＞、
立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）　、ホウ化チタン（ＴｉＢ
２）などの非酸化物セラミックの被膜を介在させたセラ
ミックヒータが提案されている。

［発明が解決しようとする問題点コ しかるに、上記セラミックヒータは、発熱抵抗線と非酸
化物セラミック被膜との間の結合強度について十分な考
慮がなされていないので、セラミックと発熱抵抗線との
結合強度が十分でなく、長期間の熱履歴に耐える耐久性
を備えていない。また上記セラミックヒータでは、非酸
化物セラミック被膜と窒化珪素質焼結体との一体化につ
いても配慮がなく、この接合面の接合強度も不十分であ
った。

この発明者は、発熱抵抗線とセラミック焼結体との境界
面の結合強度は、この境界面に発熱抵抗線の主な構成元
素と同一の金属元素を所定の割合で含ませた中間層を介
在させると著しく増大でき、さらにこの中間層にセラミ
ック焼結体と同一のセラミック材を所定の割合で含ませ
ると、上記結合強度がさらに増大できるとの知見に基づ
き、熱履歴に対し永続的耐久性を備えるセラミック発熱
体を提供せんとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的達成のため、本発明のセラミック発熱体は、 窒化珪素質焼結体中に、タングステン、モリブデン、レ
ニウム等の高融点金属またはその合金からなる発熱抵抗
線を埋設してなるセラミック発熱体において、 イ）前記抵抗線を構成する該抵抗線の表面に、該抵抗線
の主な構成金属元素と同一金属元素またはその窒化物、
炭化物、珪化物、珪化炭化物などの非酸化物セラミック
よりなる中間層を形成させる構成、 口）前記抵抗線の表面に、該抵抗線の主な構成金属元素
と同一金属元素またはその炭化化合物、珪化化合物、珪
化炭化化合物などの非酸化物セラミックと、窒化珪素質
材料の混合材よりなる中間層を形成させる構成 を採用した。

またこのセラミック発熱体を製造するため、ハ）タング
ステン、モリブデン、レニウム等の高融点金属またはそ
の合金からなる発熱抵抗線の表面に、該抵抗線の主な構
成金属元素と同一金属元素の金属の粉末またはその窒化
物、炭化物、珪化物、珪化炭化物などの非酸化物セラミ
ックの粉末２０〜１００（重量〉％と、窒化珪素質粉末
Ｏ〜８０（重量）％とからなる混合粉末を被着し、この
被着体を窒化珪素質粉末の成形体中に埋設し、ホットプ
レス焼成する方法を採用した。

なおこの発明において窒化珪素質とは、窒化珪素に０〜
３０重量％の酸化アルミニウム粉末（Ａρｚｏｉ）、Ｍ
化イツトリウム（Ｙ　２０．）などの焼結助剤を含むも
のを言う。

［作用および発明の効果コ 本発明のセラミック発熱体は、窒化珪素質焼結体と、そ
の中に埋設させたタングステン、モリブデン、レニウム
などの高融点金属またはその合金からなる発熱抵抗線と
の境界面に、該発熱抵抗線の主要構成金属元素と同一金
属元素またはその炭化物、珪化物、珪化炭化物などの非
酸化物セラミックよりなる中間層を介在させているので
、焼成時に発熱抵抗線とセラミックとの反応酸化物の発
生が防止できるとともに、発熱抵抗線の主な構成元素と
、中間層に含まれた同一金属元素とが溶は込み合って一
体化するこれにより中間層と発熱抵抗線との結合強度が
極めて強くできる。また中間層と窒化珪素質焼結体とは
、ともにセラミックであるため相性がよく緊密に接合す
る。よってこの中間層の作用で、発熱抵抗線とセラミッ
クとの結合が緊密にでき、セラミックの熱履壓に対し永
続的耐久性が得られる。さらに中間層に、発熱抵抗線の
主な構成金属元素と同一金属元素またはその炭化物、珪
化物、珪化炭化物などの非酸化物セラミックと窒化珪素
質材料との混合材を用いることにより、中間層の窒化珪
素と窒化珪素焼結体の窒化珪素とが一体化するため、さ
らに前記結合強度が増大でき、熱履歴に対する耐久性が
一層向上できる。

［実施例］ つぎにこの発明を第１図および第２図に示す実施例に基
づき説明する。

本発明のセラミック発熱体１は、電気絶縁性セラミック
である窒化珪素質焼結体２と、この窒化珪素質焼結体２
中に埋設された発熱抵抗線３と、窒化珪素質焼結体２と
発熱抵抗線３との境界面に介在させた中間層４とからな
る。

窒化珪素質焼結体２は、先端２Ａが半球状とされた外径
３．５ｍｍ、全長６０ｍｍ程度の円柱状を呈する。

発熱抵抗線３は、前記焼結体２の後側部２２に並行的に
埋設されている一対のタングステン製電極取出し線３１
および３２と、この電極取出し線の各々の先端にその後
端がそれぞれ接続されて、前記焼結体２の先側部２３に
略Ｕ字型に埋設された発熱コイル３３とからなる。電極
取出し線３１および３２は、線径０．３ｍｍのタングス
テン線、発熱コイル３３は、タングステン−レニウム合
金製で線径０．２２ｍｍの細線を内径０．３ｍｍの巻径
に螺旋巻きしである。電極取出し線３１の後端は窒化珪
素質焼結体２の後端部２１の側壁に露出面３１ａで露出
され、電極取出し線３２の後端は窒化珪素質焼結体２の
中央よりやや後端よりの壁に露出面３２ａ′″Ｃ露出さ
れている。

中間層４は、この実施例では、露出面３１ａ。

３２ａに近い部分の前記電極取出し線３１．３２と、窒
化珪素質焼結体２との境界面に設けられている。

この中間層４に使用する材料は、 （イ）前記電極取出し線３１．３２の主要構成金属元素
であるタングステンまたは、タングステンの窒化物、珪
化物、炭化物、珪化炭ｆヒ物などの非酸化物セラミック
１００（重量）％、 （ロ）前記構成金属元素であるタングステン２０〜１ｏ
Ｏ（重量）％と、窒化珪素質材料が微量〜８０（重量）
％、 （ハ）前記構成金属元素であるタングステンの窒化物、
珪化物、炭化物、珪化炭化物などの非酸化物セラミック
２０〜１００未満（重量）％と、窒化珪素質材料が微量
〜８０（重量）％。

（ニ）前記構成金属元素であるタングステンと、タング
ステンの窒化物、珪化物、炭化物、珪化炭化物などの非
酸化物セラミックとの混合体が２０〜１００未満（重量
）％と、窒化珪素質材料が微量〜８０（重量）％、 の４通りがある。

すなわち、上記の構成において、中間層４に使用する材
料のどれにも、電極取出し線３１．３２の金属元素と同
一の金属元素を含むため、ホットプレス焼成時において
、互いに溶は込み合い強固に結合できる。

また、中間層４は、窒化珪素質材料と、電極取出し線３
１．３２との中間の熱膨張率をとるので、熱履歴を受け
たとき発生する応力を緩和する。

また、窒化珪素質材料が含まれる場合は、ホットプレス
焼成時において、中間層４中の窒化珪素質材料が窒化珪
素質焼結体２中に侵入して、焼成一体止するため、電極
取出し線３１．３２と窒化珪素質焼結体２との結合強度
も極めて強力となる。

また、中間層に窒化珪素質材料を含まない場合でも、窒
化珪素質材料中に含まれる焼結助剤がガラス層を形成し
、中間層４中に拡散浸透するため、電極取出し線３１．
３２と窒化珪素質焼結体２との結合強度はより強力とな
る。

つぎに本発明のセラミック発熱体１の製造方法を説明す
る。

（あ）所定の長さに切断したタングステン線を折り曲げ
て電極取出し線３１．３２を形成し、この電極取出し線
３１．３２の先端にタングステン−レニウム合金製発熱
コイル３３の両端を差し込み発熱抵抗線３を製造する。

（い）電極取出し線３１．３２の主要構成金属元素であ
るタングステンまたは、タングステンの窒化物、珪化物
、炭化物、珪化炭化物などの粉末に、アセトン、有機バ
インダーを加えて混練してペーストを製造し、電極取出
し線３１．３２にこのペーストを塗布し乾燥させる。

（う）窒化珪素質粉末をプレス成型により、発熱抵抗線
が中に埋設された成型体を得た後仮焼を行う。

くえ）非酸素雰囲気中で１８００℃で３０分間、ホット
プレス圧力３００ｋｇ／ｃｍ”にてホットプレス焼成を
行う。

（お）研磨により形状整形および電極露出を行う。

（実験例１） 平均粒径０．８μｍのタングステンの粉末７００ｇ、平
均粒径１．０μｍの窒化珪素粉末２７０ｇ、平均粒径０
．８μｍの酸化アルミニウム粉末１５ｇ、平均粒径１．
５μｍの酸化イツトリウム粉末１５ｇにアセトン、有機
バインダーを加え、中間層となるペーストを製造し、タ
ングステンの電極取出し線３１．３２に前記ペーストを
厚さを変えて塗布した。

７種の塗布厚さ（４μｍ〜４５０μｍ）、ホットプレス
後の中間層４の厚さ（１，７μｍ〜２５５μｍ）と、比
較のための塗布しないものとの接合強度測定テストと熱
サイクルテストを行い、以下の第１表の如く、中間層の
厚さは、２．０μｍ〜２００μｍ好ましくは１０μｍ〜
５０μｍが最適であるとの結果を得た。

［第１表］ ★・・・１／１００本断線 （実験例２） 平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）の粉末
にアセトン、有機バインダーを加え、中間層４となるペ
ーストを製造し、タングステンの電極取出し線３１．３
２に前記ペーストを１００μｍの厚さに塗布した。

このセラミック発熱体１は、接合強度測定テストでは、
平均の強度は１．８８ｋｇ／ｍｍ２であり、熱サイクル
テストでは抵抗値の変化は見られず、良好な結果を得た
。

（実験例３） 平均粒径１．２μｍの珪化タングステン（ＷＳｉｚ）の
粉末にアセトン、有機バインダーを加え中間層４となる
ペーストを製造し、タングステンの電極取出し線３１．
３２に前記ペーストを１００μｍの厚さに塗布した。

このセラミック発熱体１は接合強度測定テストでは、平
均の強度は１．９３ｋｇ／ｍｍ’であり、熱サイクルテ
ストでは抵抗値の変化は見られず、良好な結果を得た。

以上の実施例では、電極取出し線に中間層を形成させた
場合の効果について記述してきたが、本発明にかかる中
間層を発熱コイル部に形成させた場合、加熱による熱履
歴に対しても十分な耐久性の効果があることは言うまで
もない。

接合強度測定テストは、セラミック発熱体１の電極取出
し線３１．３２の露出部３１ａ、３２ａにニッケル（Ｎ
ｉ）ワイヤーをろう付けし、引っ張り荷重をかけて、切
断時の荷重測定値を電極線露出面積で割った値を接合強
度とした。

熱サイクルテストは、前記ペーストを各厚さに塗布した
セラミック発熱体１の電極露出部３１ａ。

３２ａに金属外筒を嵌着させ、１分通電〜１分非通電し
を１万回行った９通電時の最大温度は約１２００℃、窒
化珪素質焼結体２の電極露出部３２ａは約３５０℃にな
った。

第３図および第４図は、本発明にかかるセラミック発熱
体１を用いたディーゼル機関のグロープラグ１００を示
す。このグロープラグ１００は、筒状の取付金具２０の
先端部に、金属製支持筒３Ｏを内嵌し、この支持筒３０
内に前記セラミック発熱体１の中央部１１を嵌め込み、
取付金具２゜内の軸心を挿通してコイル状中心電極４０
を配するとともに、その先端の密巻き部５０をセラミッ
ク発熱体１の後端部２１に嵌着させてなり、取付金具２
０の外周に取付けねじ２４および六角状の頭部２５が形
成され、ディーゼル機関のシリンダーヘッドに取付けら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のセラミック発熱体の正面断面図、第
２図は、そのＡ−Ｂ断面図、第３図は、本発明のセラミ
ック発熱体を用いたディーゼル機関のグロープラグの断
面図、第４図は、その要部拡大図である。 図中　１・・・セラミック発熱体　２・・・窒化珪素質
焼結体　３・・・発熱抵抗線　４・・・中間層代理人　
　弁理士　　石　黒　健　二 第１図 第２図 第３図 ２，４１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒化珪素質焼結体中にタングステン（Ｗ）、モリブ
   デン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の高融点金属または
   その合金からなる発熱抵抗線を埋設してなるセラミック
   発熱体において、 前記抵抗線の表面に、該抵抗線の主な構成金属元素と同
   一金属元素またはその窒化物、炭化物、珪化物、珪化炭
   化物などの非酸化物セラミックよりなる中間層を形成さ
   せたことを特徴とするセラミック発熱体。 ２）窒化珪素質焼結体中にタングステン、モリブデン、
   レニウム等の高融点金属またはその合金からなる発熱抵
   抗線を埋設してなるセラミック発熱体において、 前記抵抗線の表面に、該抵抗線の主な構成金属元素と同
   一金属元素またはその窒化物、炭化物、珪化物、珪化炭
   化物などの非酸化物セラミックと、窒化珪素質材料との
   混合材よりなる中間層を形成させたことを特徴とするセ
   ラミック発熱体。 ３）タングステン、モリブデン、レニウム等の高融点金
   属またはその合金からなる発熱抵抗線の表面に、該抵抗
   線の主な構成金属元素と同一金属元素の金属粉末または
   その窒化物、炭化物、珪化物、珪化炭化物などの非酸化
   物セラミック粉末と窒化珪素質粉末との混合粉末を被着
   し、 この被着体を窒化珪素質粉末の成形体中に埋設し、 ホットプレス焼成することを特徴とするセラミック発熱
   体の製造法。