JP2000286047A

JP2000286047A - セラミックヒーター

Info

Publication number: JP2000286047A
Application number: JP9083599A
Authority: JP
Inventors: Fumishige Miyata; 文茂宮田; Masahiro Tsuji; 昌宏辻
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】長期間にわたって電流を流した場合でも、リ
ード線と端子との接合部分やその周囲に破損が生じるこ
とがない、耐久性に優れたセラミックヒーターを提供す
る。【解決手段】アルミナを主成分とする芯材と前記芯材
を被覆する同じくアルミナを主成分とする絶縁性シート
との間に抵抗発熱体及び端子が埋設され、前記端子の一
部が前記絶縁シートの下端に形成された切り欠き部から
露出し、露出した端子にリード線がロー材を介して接続
されたセラミックヒーターであって、前記端子の露出部
分にはニッケルメッキが施され、前記リード線接続部で
前記セラミックヒーターの長手方向に垂直な断面を形成
した際、ロー材外縁のロー材端点における接線と、端子
外縁のロー材端点と接する点における接線とのなす角度
が５〜２０°であることを特徴とするセラミックヒータ
ー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック中に抵
抗発熱体を埋設したセラミックヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】芯材とこの芯材を被覆する絶縁性シート
との間に、高融点金属からなる抵抗発熱体が埋設された
セラミックヒーターは、自動車用の酸素センサーやグロ
ーシステム等における発熱源として、また、半導体加熱
用ヒーター及び石油ファンヒーター等の石油気化器用熱
源等として、広範囲に使用されている。

【０００３】図６（ａ）は、この種のセラミックヒータ
ーの一例を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。このセラミッ
クヒーターは、円柱形状の芯材３１とこの芯材３１に接
着層３７を介して巻き付けられた絶縁性シート３２との
間に抵抗発熱体３３が埋設され、この抵抗発熱体３３の
端部が絶縁性シート３２の外側に設けられた外部端子３
４と接続され、外部端子３４にリード線３６が固定され
て構成されている。

【０００４】この抵抗発熱体３３の端部と外部端子３４
とは、図６（ｂ）に示すように、絶縁性シート３２の外
部端子３４下に設けられたスルーホール３５を介して接
続されている。そして、外部端子３４にリード線３６を
介して通電することによって、抵抗発熱体３３が発熱す
る結果、ヒーターとして機能する仕組みとなっている。

【０００５】しかしながら、このセラミックヒーター
は、内部の抵抗発熱体３３と外部端子３４とがスルーホ
ール３５を介して接続されている。このため、このセラ
ミックヒーターを製造する際には、図７（ａ）〜（ｄ）
に示したような工程を含む方法を用いる。すなわち、ま
ず、グリーンシート４１を作製した後、このグリーンシ
ート４１にスルーホール用の貫通孔４２を形成する（図
７（ａ）参照）。続いて、この貫通孔４２に導体ペース
トを充填した後、抵抗発熱体３３となる導体ペースト層
４３を形成して乾燥を行い（図７（ｂ）参照）、続いて
グリーンシート４１を反転させて裏面に外部端子３４と
なる導体ペースト層４４を形成し（図７（ｃ）参照）、
さらにもう一度反転させて芯材３１にグリーンシート４
１を巻き付けることにより、焼結用の原料成形体を作製
していた（図７（ｄ）参照）。

【０００６】しかし、このセラミックヒーターの製造工
程では、グリーンシートにスルーホール用の貫通孔４２
を形成し、この貫通孔４２に導体ペーストを充填する必
要があり、また、導体ペースト層をグリーンシートの両
面に形成する必要がある等、製造工程が複雑であった。

【０００７】そこで、本発明者は、図１に示す構成のセ
ラミックヒーターを設計した。このセラミックヒーター
１０では、スルーホールの代わりに切り欠き部１５を形
成しており、また、リード線１６は、切り欠き部１５に
露出させた端子１４にロー材を介して直接接合している
ため、製造工程において、グリーンシートに貫通孔を形
成したり、該貫通孔に導体ペーストを充填する必要がな
く、しかも片面にのみ導体ペースト層を形成すればよ
い。従って、このセラミックヒーターは、図６に示した
セラミックヒーターに比べ、製造工程を簡略化すること
ができるという利点を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リード
線１６をロー材を用いて接合した後、実際にヒーターと
して使用していると、端子１４の一部にクラックが発生
し、これが芯材にまで及んで破損したり、ろう材１７自
身にクラックが発生し、接合部分が破損してしまう等の
問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
鑑み、ロー材を介したリード線と端子との接合性につい
て検討を行った結果、リード線の接続部でセラミックヒ
ーターの長手方向に垂直な断面を形成した際、ロー材外
縁のロー材端部における接線と、抵抗発熱体外縁のロー
材端部と接する点における接線とのなす角度が所定の範
囲内にある場合には、このような不都合が生じないこと
を見いだし本発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち本発明は、アルミナを主成分とす
る芯材と上記芯材を被覆する同じくアルミナを主成分と
する絶縁性シートとの間に抵抗発熱体及び端子が埋設さ
れ、上記端子の一部が上記絶縁シートの下端に形成され
た切り欠き部から露出し、露出した端子にリード線がロ
ー材を介して接続されたセラミックヒーターであって、
上記端子の露出部分にはニッケルメッキが施され、上記
リード線接続部で上記セラミックヒーターの長手方向に
垂直な断面を形成した際、ロー材外縁のロー材端点にお
ける接線と、端子外縁のロー材端点と接する点における
接線とのなす角度が５〜２０°であることを特徴とする
セラミックヒーターである。以下、本発明を詳細に説明
する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は、本発明のセラミッ
クヒーターを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、
（ａ）図におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図２
は、図１（ｂ）に示した図の一部を拡大した部分拡大断
面図である。

【００１２】図１に示したように、本発明のセラミック
ヒーター１０では、円柱形状の芯材１１の表面に抵抗発
熱体１３及び端子１４が設けられ、この抵抗発熱体１３
及び端子１４の全体を被覆するように絶縁性シート１２
が形成されている。

【００１３】また、この端子１４は、絶縁性シート１２
下端の切り欠き部１５において外側に露出しており、こ
の露出した端子１４にロー材１７を介してリード線１６
が接合されている。

【００１４】また、図１（ｂ）では省略しているが、端
子１４の表面には、図２に示すように、ニッケルメッキ
層１４ａが形成されており、その上にロー材１７が接着
している。ニッケルメッキ層１４ａが形成されているの
は、端子１４に直接ロー材１７を溶融、接合させようと
しても、ロー材１７と端子１４を構成する高融点金属
（特に、Ｗ）との密着性が低いため、ロー材１７が直ぐ
に剥がれてしまうからである。

【００１５】従って、他の層を介してロー材１７を接合
させるのが望ましいが、本発明では、端子１４表面にニ
ッケルメッキ層１４ａを形成して密着性を改善してい
る。このニッケルメッキ層１４ａは、抵抗発熱体１３及
びロー材１７の両層に対する密着性に優れる。ニッケル
メッキ層１４ａを形成する方法は特に限定されないが、
通常行われる無電解めっき法を用いて形成することが望
ましい。ニッケルメッキ層１４ａには、ＰやＢ等の他の
成分が含まれていてもよく、ニッケルメッキ層が、上記
成分を含む組成の異なる２層から形成されていてもよ
い。

【００１６】このセラミックヒーター１０において、リ
ード線１６の接続部でセラミックヒーター１０の長手方
向に垂直な断面を形成すると、図２に示した断面が形成
される。図２に示した断面における、ロー材外縁１７ａ
のロー材端点、及び、端子外縁のロー材端点と接する点
をＰで示しており、ロー材外縁１７ａの点Ｐにおける接
線と、端子外縁の点Ｐにおける接線とのなす角度をθで
示している。

【００１７】本発明のセラミックヒーターは、図２に示
したロー材外縁１７ａの点Ｐにおける接線と端子外縁の
点Ｐにおける接線とのなす角度（θ）が５〜２０°であ
ることに特徴がある。この角度（θ）が５°未満である
と、ロー材外縁１７ａに急激に湾曲する曲線が形成され
るようになり、ロー材１７に熱応力が発生した際、この
湾曲部に応力が集中するため、この部分にクラックが発
生して破損してしまう場合がある。また、角度（θ）が
２０°を超えると、ロー材１７や端子１４に熱応力が作
用した際、この点Ｐに応力が集中し、端子１４及びその
内部の芯材１１にクラックが発生して、この部分が破損
してしまう場合がある。角度（θ）は、８〜１３°が好
ましい。

【００１８】本発明で用いるロー材としては特に限定さ
れず、例えば、Ａｇ−Ｃｕ合金等からなる銀ロー材、Ａ
ｕ−Ｃｕ合金等からなる金ロー材等が挙げられる。リー
ド線１６の材質も特に限定されないが、８００℃程度の
温度に耐え得るものが好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ−
Ｃｏ合金（コバール）等が挙げられる。

【００１９】抵抗発熱体１３や端子１４を構成する高融
点金属としては、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ等が挙
げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を
併用してもよい。これらのなかでは、Ｗが好ましい。ま
た、これらの金属にＭｏ又はＲｅが添加されたものであ
ってもよい。さらに、抵抗発熱体１３には、上記以外の
成分として、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等のセラミックが少量含まれて
いてもよい。

【００２０】リード線１６をロー材１７を介して接合
（ロー付け）する際には、リード線１６と端子１４（ニ
ッケルメッキ層１４ａ）とを近接させた後、ロー材１７
を溶融させてこれらに接触させた後、冷却することによ
り接合体を形成する。銀ロー材を使用した場合、接合時
の銀ロー材の温度は、８００〜９００℃が好ましい。

【００２１】また、ニッケルメッキ層１４ａの表面を洗
浄等により、充分に清浄にしておく必要がある。従っ
て、接合の際に、ニッケルメッキ層１４ａ表面の不純物
等を取り除く作用を有するフラックスを使用してもよい
が、フラックスを使用しなくても、端子１４の表面が清
浄であれば、充分に強固な接合体を形成することができ
る。

【００２２】絶縁性シート１２や芯材１１は、アルミナ
を主成分とするセラミックであるが、このアルミナセラ
ミック中には、焼結助剤として、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｃ
ａＯ等が含有されていることが好ましい。これらの焼結
助剤の存在により、アルミナセラミックの焼結温度を余
り上げずに一定の緻密な焼結体を形成することができる
からである。

【００２３】また、絶縁性シート１２や芯材１１の密度
は、３．６０以上が好ましく、絶縁性シート１２の厚さ
は、１００〜３００μｍが好ましい。このような絶縁性
シート１２や芯材１１を用いることにより、長期間にわ
たってこのセラミックヒーター１０を使用した場合で
も、抵抗発熱体１３が酸化されることはなく、この酸化
に起因してセラミックヒーターの温度が変化してしまう
こともない。

【００２４】次に、上記セラミックヒーターの製造方法
について説明する。図３〜５は、このセラミックヒータ
ー１０を製造する工程の一部を模式的に示した断面であ
り、いずれの図においても、（ａ）は断面図、（ｂ）は
正面図である。

【００２５】図３に示したように、まず、離型性を有す
るプラスチックフィルム２１上に、接着剤層２２を形成
し、続いて、抵抗発熱体１３となる導体ペースト層２３
ａと端子１４となる導体ペースト層２３ｂとを形成す
る。接着剤層２２を形成するのは、ヒーターを製造した
際、切り欠き部１５から露出する部分の端子１４を芯材
１１にしっかりと接着させるためである。また、導体ペ
ースト層２３ａと導体ペースト層２３ｂとは、しっかり
と接続されるようにお互いに接触させた状態で形成す
る。

【００２６】次に、図４に示したように、導体ペースト
層２３ａと導体ペースト層２３ｂを覆うように、絶縁性
シート１２となるグリーンシート２４の層を形成する。
このとき、焼成後に切り欠き部が形成される部分の導体
ペースト層２３ｂは、グリーンシート２４に覆われてお
らず、露出している。

【００２７】この後、図５に示したように、グリーンシ
ート２４が下側にくるように図４に示した積層体２０を
反転させ、所定の台２５の上に載置した後、例えば、台
２５に形成された貫通孔（図示せず）を介した空気の吸
引力等を利用して台２５に固定し、プラスチックフィル
ム２１を剥離する。続いて、図５には示していないが、
積層体２０の上に芯材１１を載置し、芯材１１の周囲に
積層体２０を巻き付けることにより、焼成用の原料成形
体を作製する。その後、所定の温度で焼成し、上記した
方法によりリード線１６をロー材１７を介して端子１４
に接合することにより、セラミックヒーター１０を製造
する。上記方法により、従来に比べて比較的容易にセラ
ミックヒーター１０を製造することができる。

【００２８】製造されたセラミックヒーター１０では、
上記した所定の条件でリード線１６がロー材１７を介し
て端子１４に接合されているので、長期間にわたって電
流を流したた場合でも、リード線１６の接続部が破損す
ることはなく、耐久性に優れたセラミックヒーターを提
供することができる。

【００２９】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００３０】実施例１上記実施の形態において説明した方法に従い、リード線
を接合する前のセラミックヒーター１０（図１参照）を
製造した。このセラミックヒーター１０の端子１４は、
Ｗを用いて形成されており、切り欠き部１５において露
出した端子１４の厚さは、３０μｍであった。次に、こ
の端子１４に、その厚さが５μｍのニッケルメッキ層１
４ａを形成した。

【００３１】次に、ロー材１７としてＢＡＧ−８を用
い、ニッケル製のリード線（直径：０．６ｍｍ）を端子
１４に接合した。接合時のロー材１７の温度は８５０℃
であり、接合部における図２に示す角度θは、１０°で
あった。

【００３２】得られたセラミックヒーター１０を１２Ｖ
の直流電源に接続して電流を流して発熱させたところ、
ヒーターの温度は９００℃まで上昇した。その後、セラ
ミックヒーター１０について、室温にした後５００℃の
温度にする冷熱サイクルを１００回繰り返すヒートサイ
クル試験を行ったが、リード線１６の接合部に破損は生
じなかった。

【００３３】実施例２〜３ロー材１７の温度を８３０℃（実施例２）、８８０℃
（実施例３）としたほかは、実施例１と同様にして、セ
ラミックヒーター１０を製造した。製造されたセラミッ
クヒーター１０の接合部における図２に示す角度θは、
それぞれ８°（実施例２）、１３°（実施例３）であっ
た。その後、実施例２及び実施例３に係るセラミックヒ
ーター１０について、実施例１と同様の条件でヒートサ
イクル試験を行ったが、リード線１６の接合部に破損は
生じなかった。

【００３４】比較例１〜２ロー材１７の温度を９２０℃（比較例１）、７８０℃
（比較例２）としたほかは、実施例１と同様にして、セ
ラミックヒーター１０を製造した。製造されたセラミッ
クヒーターの接合部における図２に示す角度θは、それ
ぞれ４°（比較例１）、２２°（比較例２）であった。
その後、比較例１及び比較例２に係るセラミックヒータ
ーについて、実施例１と同様の条件でヒートサイクル試
験を行ったところ、比較例１の場合には、ロー材１７の
内部にクラックが発生して、ヒーター本体から外れてし
まい、比較例２の場合には、端子１４部分にクラックが
発生し、ヒーター本体の一部も破損した。

【００３５】

【発明の効果】本発明のセラミックヒーターによれば、
リード線と端子との接合部分が上記のように構成されて
いるので、長期間にわたって電流を流した場合でも、リ
ード線と端子との接合部分やその周囲に破損が生じるこ
とがない、耐久性に優れたセラミックヒーターを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの構造
を示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図２】図１（ｂ）の一部を拡大した部分拡大断面図で
ある。

【図３】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図４】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図５】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターを製造
する際の一工程を模式的に示した断面図であり、（ｂ）
は、正面図である。

【図６】（ａ）は、従来のセラミックヒーターの構造を
示す斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は、図６に示した従来のセラミ
ックヒーターの製造工程の一部を模式的に示した斜視図
である。

【符号の説明】

１１芯材１２絶縁性シート１３抵抗発熱体１４端子１４ａニッケルメッキ層１５切り欠き部１６リード線１７ロー材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K034 AA02 AA03 AA10 AA14 AA16 AA34 BA06 BA13 BA14 BB06 BB14 BC17 CA02 CA14 CA22 JA01 3K092 PP16 QA01 QA05 QB02 QB30 QB45 QB62 QB74 QC02 QC52 RA02 RB05 RF01 RF11 RF19 RF27 TT25 TT30 TT32 VV31 VV40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナを主成分とする芯材と前記芯材
を被覆する同じくアルミナを主成分とする絶縁性シート
との間に抵抗発熱体及び端子が埋設され、前記端子の一
部が前記絶縁シートの下端に形成された切り欠き部から
露出し、露出した端子にリード線がロー材を介して接続
されたセラミックヒーターであって、前記端子の露出部
分にはニッケルメッキが施され、前記リード線接続部で
前記セラミックヒーターの長手方向に垂直な断面を形成
した際、ロー材外縁のロー材端点における接線と、端子
外縁のロー材端点と接する点における接線とのなす角度
が５〜２０°であることを特徴とするセラミックヒータ
ー。
【請求項２】ロー材外縁のロー材端点における接線
と、端子外縁のロー材端点と接する点における接線との
なす角度が８〜１３°であることを特徴とする請求項１
記載のセラミックヒーター。