JP2001267045A

JP2001267045A - セラミックヒーターの製造方法

Info

Publication number: JP2001267045A
Application number: JP2000083973A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Amino; 俊和網野; Masahiro Tsuji; 昌宏辻
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で目的の温度に到達することや、耐久
性に優れること等の機能的な特性に優れることは勿論、
曲げ強度等の機械的特性に優れるセラミックヒーターを
提供する。【解決手段】主としてアルミナからなる基材中に、抵
抗発熱体が埋設されてなるセラミックヒーターであっ
て、前記基材の原料粒子の平均粒径ｄは、３．０〜５．
０μｍで、前記原料粒子の粒径に関する標準偏差σは、
０．０５〜０．５μｍであり、かつ、前記原料粒子の比
表面積Ａ（ｍ² ／ｇ）から算出される理論平均粒径Ｄ
（μｍ）との比（ｄ／Ｄ）が、０．８〜１．２の範囲に
あることを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナを主成分
とし、芯材と絶縁層等とからなる基材中に抵抗発熱体を
埋設したセラミックヒーターの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】芯材とこの芯材を被覆する絶縁層との間
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層３２との間に抵
抗発熱体３３が埋設され、この抵抗発熱体３３の端子部
分が絶縁層３２の外側に設けられた外部端子３４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】また、抵抗発熱体３３の端子部分と外部端
子３４とは、図６（ｂ）に示すように、絶縁層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】上記セラミックヒーターを構成する芯材３
１及び絶縁層３２は、通常、ＳｉＯ₂等を焼結助剤とし
て含むアルミナにより構成されており、抵抗発熱体３３
は、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属を主成分とし、これにアル
ミナ、窒化ケイ素、ムライト等のセラミック成分を添加
したものにより構成されている。

【０００６】このような構成のセラミックヒーターは、
芯材３１となるアルミナ粉末を含む円柱形状の生成形体
に、その表面に上記高融点金属を含む導体ペースト層が
形成されたグリーンシートを、導体ペースト層が形成さ
れた側を内側にして巻き付けた後、脱脂、焼成すること
により製造される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このセラミックヒータ
ーにおいては、短時間で目的の温度に到達することや、
耐久性に優れること等、機能的に優れた特性を有するこ
とが要求されることは勿論のこと、最近では、取扱い時
の振動等による破損等を防止する観点から、曲げ強度等
の機械的特性に優れたものが求められている。

【０００８】しかしながら、従来は、熱的特性を重視し
ており、曲げ強度等の機械的な特性を余り重視していな
かったため、充分な曲げ強度等を有するセラミックヒー
ターは製造されておらず、これらの特性についての改善
の要請が強かった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
に鑑み、このような構成のセラミックヒーターの機械的
特性を改善することを目的に鋭意研究を重ねた結果、３
〜５μｍの平均粒径を有し、粒度分布が小さく、形状も
球に近く、標準偏差や形状を特定するパラメータが下記
する範囲のアルミナ原料粉末を用いることにより、機械
的特性に優れたセラミックヒーターを製造することがで
きることを見いだし、本発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち本発明は、主としてアルミナから
なる基材中に、Ｗ、Ｒｅ及びＭｏからなる群から選ばれ
る少なくとも１種を主成分とし、残部がセラミック成分
からなる抵抗発熱体が埋設されてなるセラミックヒータ
ーの製造方法であって、上記基材の原料粒子の平均粒径
ｄは、３．０〜５．０μｍで、上記原料粒子の粒径に関
する標準偏差σは、０．０５〜０．５μｍであり、か
つ、上記原料粒子の比表面積Ａ（ｍ² ／ｇ）から算出さ
れる理論平均粒径Ｄ（μｍ）との比（ｄ／Ｄ）が、０．
８〜１．２の範囲にあることを特徴とするセラミックヒ
ーターの製造方法である。ただし、上記理論平均粒径Ｄ
は、下記の計算式（１）；Ｄ＝６／Ａ・ρ・・・・（１）（式中、ρは、密度（ｇ／ｃｍ³ ）である）により計算
される値である。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、本発明の製造方法
により製造される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。

【００１２】図１に示したように、本発明のセラミック
ヒーター１０においては、アルミナを主成分とする円柱
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のほぼ全体
を覆うようにアルミナを主成分とする絶縁層１２が形成
されている。

【００１３】すなわち、抵抗発熱体１３は、芯材１１と
絶縁層１２とからなる基材中に埋設され、端子１４の一
部が、絶縁層１２の切り欠き部１５において外側に露出
している。そして、この露出した端子１４部分にろう材
を介してリード線１６が接続、固定されている。

【００１４】本発明のセラミックヒーターは、図１に示
した構成のものに限られず、図６に示したような抵抗発
熱体３３が基材の内部に完全に埋設され、リード線がス
ルーホール等を介して内部の抵抗発熱体と接続されたも
のであってもよい。また、切り欠き部１５が端部の全周
に形成され、すなわち、絶縁層１２が切り欠き部１５の
部分で途切れて端子１４がそのまま露出し、一方、端子
１４下には、絶縁層１２と同じ材質の接着層が形成さ
れ、端子１４の形成部分が絶縁層１２の表面と余り変わ
らない高さとなったヒータであってもよい。この場合、
リード線１６は、なくてもよい。

【００１５】アルミナセラミックのようなセラミック
（焼結体）は、微結晶粒子が集合した多結晶体であり、
具体的には、この焼結体は、微結晶粒子、粒界、粒界析
出物、粒界気泡、粒内析出物等により構成されている。

【００１６】この焼結体の機械的な特性を決定する要素
としては、多数のものがあり、例えば、粒子の平均粒
径、粒径分布、粒子の形状、粒子の結晶性、粒界気泡の
大きさ、焼結密度、粒界偏析層の特性等がその要素とし
て挙げられるが、なかでも、粒子の平均粒径と粒径分布
と密度とは、焼結体の曲げ強度等を決定する重要な要素
となっている。また、これらは、原料粒子の平均粒径や
粒度分布、焼成条件等により大きく影響されるため、本
発明では、以下に記載するような方法を用いて焼結体を
製造する。

【００１７】本発明のセラミックヒーターでは、上記ア
ルミナからなる基材の密度率は、９５％以上と、理論密
度に近く、空隙が少なく、その空隙の大きさも極めて小
さい。空隙は、欠陥の１種と考えられるため、この空隙
が大きいと、機械的な特性が劣化するが、本発明のセラ
ミックヒーターでは、空隙が少なく小さいため、機械的
な特性に優れる。上記密度率は、９５％以上が好まし
い。なお、上記密度率とは、セラミックの理論密度に対
する実際の焼結体の密度の比の百分率をいう。

【００１８】基材の密度率が９５％未満であると、機械
的な強度が劣化するとともに、開孔が存在する可能性が
高くなり、長期間、このセラミックヒータを使用した場
合には、開孔を介して酸素が焼結体の内部に侵入し、内
部に埋設されている抵抗発熱体１３が酸化されやすくな
る。

【００１９】抵抗発熱体１３及び端子１４は、Ｗ、Ｒｅ
及びＭｏの高融点金属からなる群から選ばれる少なくと
も１種を主成分とし、残部がセラミック成分からなる。
従って、主成分の高融点金属は、単独で用いられてもよ
く、２種以上が併用されてもよい。また、残部のセラミ
ック成分としては、アルミナ、窒化珪素、ムライト等、
又は、これらの混合物からなるセラミックが挙げられ
る。

【００２０】次に、本発明のセラミックヒーターの製造
方法について説明する。図２〜５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図で
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。

【００２１】本発明では、まず、絶縁層となるグリーン
シートや芯材となる生成形体を作製するためのスラリー
を調製する。すなわち、アルミナ粒子とＳｉＯ₂ 等の焼
結助剤となる粒子とを、バインダーとなる樹脂や溶剤等
と混合することにより、スラリーを調製する。本明細書
では、グリーンシートや生成形体をまとめて、グリーン
成形体ともいう。

【００２２】スラリー調製の際に用いるアルミナ原料粒
子は、平均粒径ｄが３．０〜５．０μｍと通常のものと
比べて小さい。通常、焼結密度を上げるためには、焼結
温度を高くする必要があり、焼結温度を高くすると、グ
リーン成形体を構成するアルミナ粒子の粒成長の程度が
大きくなるため、焼結体を構成する粒子の平均粒径が大
きくなり、機械的特性に劣るようになってしまう。

【００２３】しかしながら、本発明では、上記原料粒子
の粒径に関する標準偏差σが、０．０５〜０．５μｍの
範囲にあり、粒度分布が小さいため、グリーン成形体で
は、同じ粒径の粒子が細密に充填されている状態とな
る。また、上記原料粒子の比表面積Ａから算出される理
論平均粒径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．８〜１．２の範囲であ
るため、焼成時に収縮率が小さく、製造されたセラミッ
クヒーターは、寸法精度に優れるとともに、機械的特性
にも優れる。

【００２４】上記原料粒子の平均粒径は、３．０〜５．
０μｍが好ましいが、３．５〜４．５μｍがより好まし
い。また、上記粒径に関する標準偏差は、０．０５〜
０．５μｍが好ましいが、０．０５〜０．３μｍがより
好ましい。

【００２５】上記比表面積Ａは、通常、窒素吸着法によ
り測定され、窒素を原料粒子に吸着させた際の圧力と吸
着量との関係から、窒素が粒子の表面に単層吸着した際
の吸着量を求め、この値から粒子の単位重量当たりの表
面積を算出するものである。そして、この比表面積Ａに
基づき、粒子の密度との関係から、計算式（１）；Ｄ＝６／Ａ・ρ・・・・（１）（式中、ρは、密度（ｇ／ｃｍ³ ）である）を用いるこ
とにより、理論平均粒径Ｄを求めることができる。

【００２６】上記した平均粒径ｄと理論平均粒径Ｄとの
比ｄ／Ｄは、言い換えれば、粒子の真球度を表してお
り、ｄ／Ｄが１に近い程、理論上の球に近いことにな
る。ｄ／Ｄの値が、０．８〜１．２の範囲では、焼結の
際に各粒子が同じ力で結ばれるため、焼結性に優れ、得
られる焼結体は、機械的特性に優れるようになるのであ
る。また、ｄ／Ｄの値が、０．８未満であるか、１．２
を超える値となると、粒子の充填率が悪くなるため、焼
結性に劣るようになる。

【００２７】なお、上記スラリーには、焼結助剤とし
て、アルミナ粒子１００重量部に対し、ＳｉＯ₂ 粒子を
４重量部以下、ＭｇＯ粒子を０．５重量重量部以下、Ｃ
ａＣＯ₃粒子を１．２重量部以下配合することが望まし
い。

【００２８】本発明では、このようにしてスラリーを調
製した後、図２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を印刷
し、続いて、導体ペースト印刷工程として、印刷により
抵抗発熱体１３となる導体ペースト層２３ａと端子１４
となる導体ペースト層２３ｂとを形成し、この導体ペー
スト層２３ａ、２３ｂを乾燥させる。

【００２９】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１
４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。

【００３０】導体ペースト層２３ａ、２３ｂは、Ｗ、Ｒ
ｅ及びＭｏの高融点金属からなる群から選ばれる少なく
とも１種とアルミナ等のセラミック成分とバインダー樹
脂と溶剤とを含んでいる。

【００３１】次に、図３に示したように、グリーンシー
ト印刷工程として、上記導体ペースト印刷工程で印刷さ
れた導体ペースト層２３ａ、２３ｂを含む領域に、導体
ペースト層２３ａ、２３ｂを覆うように、上述した方法
により調製したスラリーを用い、ドクターブレード法等
によりグリーンシート２４の層を形成し、このグリーン
シート２４の乾燥を行う。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。

【００３２】次に、図４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３に示した積層体２０を反
転し、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２
１を剥離する。なお、（ｂ）は、プラスチックフィルム
２１を剥離した後の積層体２０を表している。

【００３３】続いて、上記方法により調製したスラリー
を用い、押し出し成形法等により、芯材１１となる円柱
形状の生成形体２６を作製し、図５に示したように、積
層体２０の上に生成形体２６を載置し、生成形体２６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。なお、生成形体２６を構成するア
ルミナ粒子の平均粒径や焼結助剤の割合等は、グリーン
シートと同様であることが望ましい。

【００３４】その後、酸素の存在下、４００〜６００℃
の温度で脱脂を行い、生成形体２６、導体ペースト層２
３ａ、２３ｂ、グリーンシート２４中の有機物を除去
し、続いて、焼成を行ってアルミナ等や高融点金属等を
焼結させることにより、セラミックヒーター１０（図１
参照）を製造する。焼成温度は、１４５０〜１６５０℃
が好ましく、焼成時間は、０．５〜１２時間が好まし
い。

【００３５】なお、生成形体２５を中空状とすることに
より、脱脂工程や焼成工程において、発生する気体の抜
けが良好になり、効率よく脱脂、焼成を行うことができ
る。

【００３６】得られたセラミックヒーターは、短時間で
目的の温度に到達することや、耐久性に優れること等の
機能的な特性に優れることは勿論、基材を構成する粒子
の平均粒径が比較的小さくても、高密度にパッキングさ
れているため、曲げ強度等の機械的特性にも優れる。

【００３７】このような構成の本発明のセラミックヒー
ターの曲げ強度は、通常、直径３．６５ｍｍのもので、
１８０〜２００Ｎと優れた曲げ強度を有している。

【００３８】

【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。

【００３９】実施例１〜２及び比較例１上記実施の形態において説明した方法を用い、図１に示
した構成のセラミックヒーター１０を製造した。実施例
１〜２及び比較例１においては、焼成温度を変化させ、
得られたセラミックヒーターについて、ヒーターとして
の基本的性能についての試験を行うとともに、曲げ強度
の測定を行った。

【００４０】導体ペースト層２３ａ、２３ｂ、２３ｃ中
の導体成分は、Ｗが８０重量％、Ｒｅが１７重量％、ア
ルミナが３重量％からなり、バインダー樹脂としてアク
リル系樹脂、溶剤としてα−テルピネオールを用いてい
た。

【００４１】グリーン成形体中のセラミック成分の組
成、アルミナ粉末の平均粒径、比表面積、理論平均粒
径、標準偏差等を表１に示した。なお、生成形体２６の
バインダー樹脂としてはメチルセルロースを用い、溶剤
としてはセラミゾールグリセリンを用いた。

【００４２】また、セラミックヒーターの焼成条件、焼
成により得られたセラミックヒーター１０の芯材の密度
率を、表２に示した。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】上記表１、２に示した結果より明らかなよ
うに、実施例１〜２に係るセラミックヒーターでは、基
材の原料粒子の平均粒径ｄは、３．０〜５．０μｍで、
上記原料粒子の粒径に関する標準偏差σは、０．０５〜
０．５μｍであり、かつ、上記原料粒子の比表面積Ａ
（ｍ² ／ｇ）から算出される理論平均粒径Ｄ（μｍ）と
の比（ｄ／Ｄ）が、０．８〜１．２の範囲にあり、曲げ
強度が、１８５〜２００Ｎと大きかったのに対し、比較
例１に係るセラミックヒーターでは、標準偏差やｄ／Ｄ
がこの範囲から外れており、曲げ強度は、１３５Ｎと小
さかった。なお、実施例及び比較例に係るセラミックヒ
ーターの基本的な性能については、特に問題なかった。

【００４６】

【発明の効果】本発明のセラミックヒーターは、上記の
ように構成されているので、短時間で目的の温度に到達
することや、耐久性に優れること等の機能的な特性に優
れることは勿論、曲げ強度等の機械的特性に優れる。

【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、Ａ−Ａ線断面図であ
る。

【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの製造
方法における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３】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの製造
方法における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の製造
方法における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の製造
方法における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。

【符号の説明】

１０セラミックヒーター１１芯材１２絶縁層１３抵抗発熱体１４端子１５切り欠き部１６リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K092 PP15 PP16 PP20 QA01 QB02 QB03 QB13 QB20 QB33 QB45 QB73 QB74 QB76 QC20 QC27 QC38 QC62 RA02 RB05 RB19 RB22 TT15 VV16 VV31 VV34 4G030 AA07 AA08 AA36 AA37 BA02 BA07 GA11 GA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主としてアルミナからなる基材中に、
Ｗ、Ｒｅ及びＭｏからなる群から選ばれる少なくとも１
種を主成分とし、残部がセラミック成分からなる抵抗発
熱体が埋設されてなるセラミックヒーターの製造方法で
あって、前記基材の原料粒子の平均粒径ｄは、３．０〜
５．０μｍで、前記原料粒子の粒径に関する標準偏差σ
は、０．０５〜０．５μｍであり、かつ、前記原料粒子
の比表面積Ａ（ｍ² ／ｇ）から算出される理論平均粒径
Ｄ（μｍ）との比（ｄ／Ｄ）が、０．８〜１．２の範囲
にあることを特徴とするセラミックヒーターの製造方
法。ただし、上記理論平均粒径Ｄは、下記の計算式
（１）；Ｄ＝６／Ａ・ρ・・・・（１）（式中、ρは、密度（ｇ／ｃｍ³ ）である）により計算
される値である。