JPH02210783A - セラミック・ヒータ - 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】 （技術分野） 本発明は、通電によって発熱するセラミック・ヒータに
係り、特に安価で且つ耐久性に優れた、また赤外線や遠
赤外線を放射するヒータに適したセラミック・ヒータに
関するものである。

（背景技術） 従来から、セラミック・ヒータとして、セラミックスや
ガラスを主成分とする所定形状の基材に対して、発熱体
を一体的に設けてなる構造のものが、用いられており、
そしてその発熱体は、金属を導体とじｔ使用して形成さ
れている。

例えば、安価なセラミック・ヒータとして、その発熱体
をタングステンやモリブデンなどの卑金属を利用して形
成したものが知られているのである。しかしながら、こ
のような構成のし−タを長時間にわたって、空気の如き
酸化性雰囲気中において高温状態にしておくと、その発
熱部の卑金属が酸化され、ヒータ断線を惹起するなどの
問題があった。

このため、実用上のセラミック・ヒータにあっては、そ
の発熱体は、白金やロジウムなどの貴金属を利用し°Ｃ
形成されており、これによって、ヒータ断線の問題は良
好に解消され得ることとなったが、高価な貴金属類を材
料とするものであるところから、必然的にセラミック・
ヒータが価格的に高価となる問題が新たに発生したので
ある。加えて、貴金属類は、一般に、セラミックスやガ
ラス等との接着強度が低く、そのために発熱体が基材か
ら剥離し易い欠点があり、更には貴金属導体の発熱では
、赤丼線や遠赤外線の放射率も十分でないところから、
赤外線ヒータや遠赤外線ヒータ等として用いることは困
難なものであったのである。

（解決課題） かかる状況下において、本発明の解決課題とするところ
は、所定の基材に対して発熱体が一体的に設けられてな
るセラミック・ヒータにおける、該発熱体の高温下での
ヒータ断線の問題を解消して、その耐久性を向上せしめ
ると共に、かかる発熱体を安価な材料にて構成せしめて
、セラミック・ヒータのコストダウンを有利に達成しよ
うとすることにある。

また、本発明は、セラミック・ヒータにおける基材と発
熱体との間の付着強度を有利に高めようとするものであ
り、更には、従来の貴金属の如き金属の発熱体を用いた
セラミック・ヒータに比べて、赤外線や遠赤外線の放射
率の高いセラミック・ヒータを提供しようとするもので
ある。

（解決手段） そして、本発明は、上記した課題を解決するために、セ
ラミックス若しくはガラスを主成分とする基材に対して
、クロム及び窒素を主成分とする発熱体を一体的に設け
たことを特徴とするセラミック・ヒータを、その要旨と
するものであり、取り分け、本発明にあっては、発熱体
の基材に対する付着強度の点から、上記の発熱体の少な
くとも一部が導電性のクロム窒化物にて構成せしめられ
ることとなる。

（具体的構成） ところで、かかる本発明に従うセラミック・ヒータを構
成する基材は、セラミックスやガラス等の、金属以外の
無機材料からなるものであって、例えば、アルミナ、ベ
リリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルス
テライト等の酸化物系セラミックス及びそれらを主成分
とする磁器；炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン等の非酸化
物系セラミックス及びそれらを主成分とする磁器；石英
ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス等
の各種ガラス；マイカ系、コーディエライト系、スボジ
ュメン系等の各種ガラスセラミックス、更にはこれらの
セラミックスやガラスを複合した複合材料等から、適宜
に選択されることとなる。また、本発明においては、適
当な金属板の表面に上記の如きセラミックスやガラス或
いはその複合材料を所定厚さで被覆したものを、基材と
して用いることも可能である。そして、このような材料
からなる基材は、製造上において、−般に、板状形状と
することが望ましいが、また、円柱状等の形状であって
も同等差支えないのである。

また、上記の如き基材に対して設けられる、本発明に従
う発熱体は、クロム（Ｃｒ）及び窒素（Ｎ）を主成分と
するものであって、導電性を存するセラミック賞のもの
であり、有利には、安定な導電性窒化物（クロム窒化物
）にて発熱体の少なくとも一部が構成されているように
することが望ましいが、必ずしもそのような窒化物の相
が形成されていなくてもよい。なお、本発明にあっては
、発熱体は、好ましくは、ＣｒｚＮ、ＣｒＮ。

Ｃｒ、Ｎ−ＣｒＮ、Ｃｒ−Ｃｒ、ｔＮ、Ｃｒ−ＣｒｚＮ
−ＣｒＮ、Ｃｒ−ＣｒＮ等によって形成されることとな
る。そして、このようなりロム及び窒素を主成分とする
発熱体の採用によって、その付着強度や耐熱性、耐酸化
性、耐蝕性、硬度等が優れたものとなり、また従来の金
属からなる発熱体を用いたヒータに比べて、本発明に従
う上に発熱体を備えたヒータにおいては、赤外線や遠赤
外線の放射率も効果的に高められ得たのである。

なお、かかる発熱体は、所定の基材に対して、その表面
に或いはその内部に、公知の如き各種の形態において設
けられることとなるが、本発明にあっては、一般に、基
材の表面の少なくとも一部に所望のパターンにおいて、
或いは基材の全面に対して、層状に形成せしめられる。

特に、面状発熱体とすれば、極めて小型で軽量の高効率
なセラミック・ヒータを得ることが出来るのである。ま
た、そのような発熱体の層としての厚さは、加熱温度や
発熱量等によって適宜に決定されるものであるが、一般
に０．０１μｍ以上、１０μｍ以下の範囲が適当であり
、その中でも０．０５〜１μｍの範囲の厚さが有利に採
用されることとなる。

また、そのような本発明に従う発熱体を形成するに際し
ては、公知の各種の手法が採用され、例えば、所定厚さ
の発熱体層を設ける場合にあっては、印刷法；塗布法；
真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーティング等の
物理蒸着法；各種のＣＶＤ等の化学蒸着法；溶射法等の
公知の膜形成手法の中から適宜に選択され、中でもスパ
ッタリング法が好適に用いられることとなる。

ところで、このような発熱体の形成過程においては、始
めから目的の組成を作らなくてもよい。

例えば、クロム窒化物等のクロム及び窒素を主成分とす
る材料を、上述の如き膜形成手法によって所定の基材上
に適用して、発熱体層を形成せしめる手法の他にも、Ｃ
ｒを付着させた後、窒素を主成分とする雰囲気または窒
素−水素雰囲気等の雰囲気中において、窒化熱処理、即
ち一般に少なくとも６００°Ｃ以上、好ましくは８００
°Ｃ以上の温度で熱処理して、窒素を吸収させ、Ｃｒ−
Ｎ系の物質に変えたり、或いはＣｒ−０系、Ｃｒ−３系
等の物質を窒素−水素雰囲気等の還元的条件下で処理し
て、Ｃｒ−Ｎ系の物質とする方法等も、本発明の発熱体
を形成する好ましい手法として適宜に選択され、特に前
者の、Ｃｒを付着した後、窒化熱処理をして、クロム窒
化物を形成せしめる手法は、発熱体の付着強度及び放射
率を高める上において、好ましく採用される。

そして、このようにして、クロム及び窒素を主成分とす
る発熱体が、所定の基材に一体的に設けられてなるセラ
ミック・ヒータには、通電のために、必要に応じて、各
種のメツキ法や導電体用ペースト印刷法、各種の塗布法
、スパッタリング法、真空蒸着法、溶射法等の通常の膜
形成手法によって、かかる発熱体に対する端子或いは電
極等が設けられ、また、発熱体への通電電流を調整する
ために、窒化クロム等のクロム及び窒素を主成分とする
材料を、電気抵抗体として、発熱体と同様に基材に設け
ることも出来る。更に必要に応じて、所定の基材に設け
られた発熱体の表面の少なくとも一部を、各種絶縁体用
ペースト印刷法、各種塗布法、スパッタリング法、溶射
法、ＣＶＤ法等の通常の手法によって形成される絶縁体
皮膜にて、被覆することも可能である。そしてまた、必
要に応じて、本発明に従うセラミック・ヒータを、その
使用形態に応じて、金属ケースに収納したり、或いはヒ
ータの裏側での放熱を抑制するために、断熱材等と組み
合わせたりする構造も適宜に採用されることとなる。

このように、本発明に従うセラミック・ヒータは、通電
することによって発熱するヒータであるところから、そ
の実際の使用のために通常の各種の加工が施され、また
、必要なヒータ付属構造が設けられるものであるが、そ
の発熱体を構成するクロム及び窒素を主成分とする導電
性材料、特にクロム窒化物を主成分とする材料は、耐熱
性や耐酸化性等に優れたものであるところから、発熱体
の劣化によるヒータ断線の問題が惹起されるようなこと
はなく、その耐久性は一段と優れたものとなっているの
であり、また、貴金属に比べて安価なりロムを用い、そ
れに窒素を含有させ、或いはそれを窒素化合物としたち
のであるところから、コスト的に著しく安価と為し得た
のである。そして、従来の貴金属等の金属を発熱体とし
て用いたヒータに比べて、本発明のヒータは、赤外線や
遠赤外線の放射率も高いものであるところから、赤外線
や遠赤外線を放射するヒータとしても有利に用いられ得
ることとなったのである。

要するに、本発明に従うセラミック・ヒータは、接触に
よって伝熱するヒータや、赤外線、遠赤外線等を放射す
るヒータ等として有利に用いられ、それによって、耐久
性、信頼性、応答性の高いヒータが安価に提供され、ま
た、その品質向上が有利に達成され得たのである。

（実施例） 以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に
具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって、何等の制約をも受けるもの
でないことは、言うまでもないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
の具体的記述以外にも、′本発明の趣旨を逸脱しない限
りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修
正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべ
きである。

実施例　１ １■厚のアルミナ磁器基板に対して、Ｃｒターゲットを
用いて、通常のスパッタリング法により、Ａｒガス−Ｎ
ｔガス混合雰囲気中において、膜形成を行ない、クロム
と窒素とを主成分とする０、１μｍ厚の発熱体層を形成
した。

そして、この得られた発熱体層を設けてなるアルミナ磁
器基板の端部に、通電用の端子治具を取り付けることに
よって、本発明に従うセラミック・ヒータを完成した。

実施例　２ ガラス基板に対して、窒化クロムターゲットを用いて、
通常のスパッタリング法により、Ａｒガス雰囲気中にお
いて膜形成を行ない、クロム窒化物を主成分とする０、
０５μｍ厚の導電性皮膜を発熱体層として形成し、更に
基板の所定部分にＡｇペーストを塗布して、１５０℃の
温度で硬化せしめることにより、通電用の電極を設け、
本発明に従うセラミック・ヒータを完成させた。

かくして得られたセラミック・ヒータを、通電によって
１５０　’Ｃとなるように発熱させて、遠赤外線の放射
率を測定したところ、８０％以上の高い放射率が得られ
た。

実施例　３ 実施例１と同様なアルミナ磁器基板に対して、Ｃｒター
ゲットを用いて、通常のスパッタリング法により、Ａｒ
ガス雰囲気中において膜形成を行ない、０．５μｍ厚の
Ｃｒ金属皮膜を形成した０次いで、このＣｒ金属皮膜が
形成された基板を、Ｎ２−Ｈ，混合ガス雰囲気中におい
て９００°Ｃの温度にて加熱処理して窒化せしめること
により、前記Ｃｒ金属皮膜を、窒化クロムを主成分とす
る導電性皮膜からなる発熱体層として形成せしめ、更に
、所定の部分にＮｉメツキ及びＡｕ’メツキを施して、
通電用の電極を設け、そして通電用の端子治具を取り付
けることにより、本発明に従うセラミック・ヒータを得
た。

この得られたセラミック・ヒータについて、通電によっ
て、発熱させ、５００°Ｃで５分間保持した後、空中で
５分間放冷する、耐熱衝撃性試験を５０００サイクル行
なっても、その電気抵抗値や放射率は何等変化せず、ま
た発熱体層の剥離もなく、更に酸化することもなく、耐
久性に優れていることが認められた。

実施例　４ 実施例３と同様にして、アルミナ磁器基板上に１μｍ厚
のＣｒ金属皮膜を形成し、更にこのＣｒ金属皮膜上の所
定の部分に、発熱体に通電するための電極として、銅厚
膜ペーストをスクリーン印刷し、Ｎ２ガス雰囲気中で９
５０℃の温度にて加熱処理し、銅厚膜を焼成すると共に
、Ｃｒ金属皮膜を窒化し、銅電極付きの窒化クロムを主
成分とする発熱体層を形成し、本発明に従うセラミック
・ヒータを得た。

次いで、この得られたセラミック・ヒータに対して、実
施例３と同様な方法で、耐熱衝撃性試験（５００”Ｃで
５分間保持×空中放冷５分間）を５０００サイクル行な
っても、その電気抵抗値や放射率等は何等変化せず、ま
た発熱体層の剥離もなく、更に酸化も認められず、耐久
性に優れていることが判った。また、かかるセラミック
・ヒータを１５０°Ｃになるように通電発熱させて、遠
赤外線の放射率を測定したところ、８０％以上の高い放
射率が得られることも判った。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明に従うセラミッ
ク・ヒータは、その発熱体として、クロムと窒素を主成
分とする導電性のセラミック質の材質を用いているとこ
ろから、高温下におけるヒータ断線等の問題が良好に防
止され得て、ヒータ耐久性が効果的に向上されていると
共に、安価なりロムや窒素を発熱体材料とするものであ
るところから、セラミック・ヒータのコストダウンが有
利に図られ得るのであり、また、基材に対する発熱体の
付着強度も有利に高められ、更には、赤外線や遠赤外線
等を放射するヒータとしても、有利に用いられ得るもの
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス若しくはガラスを主成分とする基材
   に対して、クロム及び窒素を主成分とする発熱体を一体
   的に設けたことを特徴とするセラミック・ヒータ。
2. （２）前記発熱体の少なくとも一部が、導電性のクロム
   窒化物にて構成されていることを特徴とする請求項（１
   ）記載のセラミック・ヒータ。