JP2004063276A

JP2004063276A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2004063276A
Application number: JP2002220182A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Kanezashi; 金指　一仁
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP3935017B2

Abstract

【課題】絶縁基体の全体が短時間で昇温するとともに、絶縁基体の表面における温度ばらつきが小さなセラミックヒータを提供すること。
【解決手段】複数の絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃを積層して成る略平板状の絶縁基体１の内部に、それぞれが発熱体パターン２ｂ、３ｂを有する複数の発熱体層２、３を、これらの発熱体層２、３の発熱体パターン２ｂ、３ｂ同士が絶縁基体１の主面と平行な方向に互いにずれて位置するように絶縁層１ｂを挟んで設けた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の絶縁層を積層して成る略平板状の絶縁基体の内部に発熱体パターンを有する発熱体層を設けて成るセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックヒータは、図３に上面図で、図４に断面図で示すように、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料から成る２層の絶縁層１１ａ、１１ｂを積層した略平板状の絶縁基体１１の内部にタングステン−レニウム等の抵抗体材料から成る発熱体層１２を埋設して成る。
【０００３】
そして、絶縁層１１ａには、その一部に開口部１１ｃが形成されており、この開口部１１ｃ内に発熱体層１２の端部が露出して外部接続端子１２ａを形成している。
【０００４】
発熱体層１２は、開口部１１ｃ内に露出した外部接続端子１２ａとこれに接続された帯状の屈曲した発熱体パターン１２ｂとを有しており、外部接続端子１２ａを外部の電源に電気的に接続することによって、発熱体パターン１２ｂがジュール発熱する。そして、このセラミックヒータにおいては、絶縁基体１１の上面がヒータとしての発熱面を形成しており、発熱体パターン１２ｂの発する熱により絶縁基体１１の上面が発熱する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のセラミックヒータにおいては、発熱体パターン１２ｂは絶縁基体１１の内部に帯状のパターンを屈曲して設けられており、絶縁基体１１の発熱面における発熱体パターン１２ｂに近い部位と遠い部位とで発熱体パターン１２ｂの発する熱の伝達量や伝達時間が大きく異なり、そのため絶縁基体１１が昇温するのに長時間を要したり、絶縁基体１１の発熱面における温度に大きなばらつきが発生したりしてしまうという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、絶縁基体が短時間で昇温するとともに、絶縁基体の発熱面における温度ばらつきが小さなセラミックヒータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、複数の絶縁層を積層して成る略平板状の絶縁基体の内部に、それぞれが発熱体パターンを有する複数の発熱体層を、該発熱体層の前記発熱体パターン同士が前記絶縁基体の主面と平行な方向に互いにずれて位置するように前記絶縁層を挟んで設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のセラミックヒータによれば、絶縁基体の内部に、それぞれが発熱体パターンを有する複数の発熱体層を、該発熱体層の前記発熱体パターン同士が前記絶縁基体の主面と平行な方向に互いにずれて位置するように前記絶縁層を挟んで設けたことから、絶縁基体の発熱面における各発熱体パターンからの距離の差が小さいものとなり、その結果、発熱体パターンの発する熱が絶縁基体の全体に急速かつ平均的に伝達される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は本発明のセラミックヒータの実施の形態の一例を示す上面図であり、図２はそのＸ−Ｘにおける断面図である。これらの図中、１は絶縁基体、２および３は発熱体層であり、絶縁基体１の内部に発熱体層２、３が埋設されることにより本発明のセラミックヒータが構成されている。
【００１０】
絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料から成る３層の絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃが積層された略四角平板状であり、発熱体層２を支持するための支持体として機能するとともに発熱体層２の発する熱を外部に伝達する熱伝導体として機能し、その上面がヒータとしての発熱面を形成している。
【００１１】
このような絶縁基体１は、例えば絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃが酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法を採用してシート状に形成することにより絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃ用のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに上下に積層してセラミックグリーンシートの積層体となし、最後にその積層体を還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１２】
また、絶縁基体１の内部には絶縁層１ａと１ｂとの間に発熱体層２が、絶縁層１ｂと１ｃとの間に発熱体層３がそれぞれ埋設されており、絶縁層１ａおよび１ｂにはこれらの発熱体層２、３の両端部を露出させる開口１ｄが形成されている。
【００１３】
発熱体層２、３は、例えばタングステン−レニウム等の金属抵抗体材料から成り、開口部１ｄ内に露出した両端部が外部接続端子２ａ、３ａを形成しており、この外部接続端子２ａ、３ａに接続された帯状のパターンを絶縁基体１の内部に屈曲して設けることにより発熱体パターン２ｂ、３ｂが形成されている。そして、外部接続端子２ａ、３ａを外部電源に接続することにより、発熱体パターン２ｂ、３ｂがそれぞれジュール発熱し、その熱が絶縁基体１に伝わって絶縁基体１が発熱するようになっている。
【００１４】
このような発熱体層２、３は、例えばタングステン−レニウムから成る場合であれば、タングステン粉末およびレニウム粉末に適当な有機バインダ、溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合した抵抗体ペーストを絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに従来周知のスクリーン印刷法を採用して所定のパターンに印刷塗布し、それを絶縁基体１用セラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによってそれぞれ絶縁基体１の絶縁層１ａと１ｂとの間および１ｂと１ｃとの間に埋設される。
【００１５】
そして、本発明のセラミックヒータにおいては、発熱体層２、３はその発熱体パターン２ｂ、３ｂ同士が絶縁基体１の主面に平行な方向に互いにずれて位置するように絶縁層１ｂを挟んで配設されており、そのことが重要である。このように、発熱体層２、３の発熱体パターン２ｂ、３ｂ同士が絶縁基体１の主面に平行な方向に互いにずれて位置するように絶縁層１ｂを挟んで配設されていることから、絶縁基体１の発熱面における発熱体パターン２ｂまたは３ｂからの距離の差が小さいものとなり、その結果、発熱体パターン２ｂ、３ｂの発する熱が絶縁基体１の発熱面に短時間かつ平均的に伝達される。したがって、本発明のセラミックヒータによれば、絶縁基体１が短時間で昇温するとともに絶縁基体１の発熱面における温度ばらつきが小さなものとなる。
【００１６】
なお、発熱体パターン２ｂ、３ｂは互いに平行なパターン同士が上下に重ならないように配置することが好ましく、さらには互いに平行なパターン同士が上面視した場合に同じ間隔で配置されることが好ましい。
【００１７】
さらに、絶縁基体１の発熱面である上面から遠い発熱体パターン３ｂのパターン幅または厚みを絶縁基体１の上面に近い発熱体パターン２ｂのパターン幅または厚みよりも小さなものとしたり、あるいは発熱体パターン３ｂを形成する抵抗体材料の抵抗率を発熱体パターン２ｂを形成する抵抗体材料の抵抗率より大きなものとしたりすることにより発熱体パターン３ｂの単位長さ当たりの抵抗値を発熱体パターン２ｂの単位長さ当たりの抵抗値よりも大きなものとしておくと、両者に同じ電流を流したときに発熱体パターン３ｂの単位長さ当たりの発熱量が発熱体パターン２ｂの単位長さ当たりの発熱量よりも多くなるので、発熱面から遠い発熱体パターン３ｂに対応する領域においても発熱面の温度を発熱体パターン２ｂに対応する領域と同等となすことができる。したがって、絶縁基体１の発熱面である上面から遠い発熱体パターン３ｂのパターン幅または厚みを絶縁基体１の上面に近い発熱体パターン２ｂのパターン幅または厚みよりも小さなものとしたり、あるいは発熱体パターン３ｂを形成する抵抗体材料の抵抗率を発熱体パターン２ｂを形成する抵抗体材料の抵抗率より大きなものとしたりすることにより発熱体パターン３ｂの単位長さ当たりの抵抗値を発熱体パターン２ｂの単位長さ当たりの抵抗値よりも大きなものとしておくことが好ましい。なお、発熱体パターン３ｂの単位長さ当たりの抵抗値を発熱体パターン２ｂの単位長さ当たりの抵抗値に対してどの程度大きなものとするかは、例えば発熱体パターン２ｂ、３ｂから絶縁基体１の上面までの熱抵抗や発熱体パターン２ｂ、３ｂの発熱量等を勘案した有限要素法によるコンピュータシミュレーションを行なって決定すればよい。
【００１８】
また、外部接続端子２ａと３ａとは、互いに電気的に独立させておくと、これらを別々の外部電源に接続することにより発熱体パターン２ｂ、３ｂを別々に発熱させてヒータ全体の発熱の度合いを細かく制御することができる。したがって、外部接続端子２ａと３ａとは互いに電気的に独立させておくことが好ましい。
【００１９】
さらに、発熱体層２と３との間に介在する絶縁層１ｂの厚みを、発熱面を形成する絶縁層１ａの厚みに対して７５％以下の薄いものとしておくと、各発熱体パターン２ｂ、３ｂから発熱面までの距離の差をより小さいものとして、発熱面の温度ばらつきをより小さいものとすることができる。したがって、発熱体層２と３との間に介在する絶縁層１ｂの厚みは、発熱面を形成する絶縁層１ａの厚みに対して７５％以下の薄いものとしておくことが好ましく、さらには５０％以下の薄いものとしておくことが好ましい。なお、発熱面を形成する絶縁層１ａの厚みは、発熱体パターン２ｂ、３ｂからの熱を発熱面にむらなく短時間に伝えるためには、０．３〜０．５ｍｍ程度の厚みが好ましく、発熱体層２と３との間に介在する絶縁層１ｂの厚みは、発熱体パターン２ｂ、３ｂから発熱面までの距離の差を小さいものとするとともに発熱体層２と３との電気的絶縁を良好に保つためには、０．０５〜０．２ｍｍの範囲が好ましい。
【００２０】
かくして、本発明のセラミックヒータによれば、外部接続端子２ａ、３ａを外部の電源に接続することにより発熱パターン２ｂ、３ｂがジュール発熱し、その熱が絶縁基体１の全体に急速かつ平均的に伝わって絶縁基体１の発熱面が短時間のうちにばらつきなく発熱する。
【００２１】
なお、本発明は上述の実施の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態例では、２層の発熱体層２、３を備えていたが、３層以上の発熱体層を備えていてもよい。また、上述の実施形態例では発熱体層２、３はタングステン−レニウム等の金属抵抗体から形成されていたが、これに絶縁基体を構成するセラミック成分を５〜３０質量％程度含有させてその抵抗値を調整するようになしてもよい。さらに、上述の実施の形態例では、発熱体パターン２ｂ、３ｂは同じ幅の帯状パターンであったが、発熱体パターン２ｂ、３ｂは、これらが上下に交差する部位でその幅を広くしてもよく、そのようにすることにより発熱体パターン２ｂ、３ｂが上下に交差する部位での発熱量が部分的に高くなることを抑制することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータによれば、絶縁基体の内部に、それぞれが発熱体パターンを有する複数の発熱体層を、該発熱体層の前記発熱体パターン同士が前記絶縁基体の主面と平行な方向に互いにずれて位置するように前記絶縁層を挟んで設けたことから、絶縁基体の各部位における各発熱体パターンからの距離の差が小さいものとなり、その結果、発熱体パターンの発する熱が絶縁基体の全体に急速かつ平均的に伝達され、絶縁基体の表面を短時間のうちにばらつきなく発熱させることが可能なセラミックヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータの実施形態の一例を示す上面図である。
【図２】図１に示すセラミックヒータのＸ−Ｘにおける断面図である。
【図３】従来のセラミックヒータの上面図である。
【図４】図３に示すセラミックヒータのＸ−Ｘにおける断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・・絶縁基体
１ａ、１ｂ、１ｃ・・・・絶縁層
２，３・・・・・・・・発熱体層
２ｂ，３ｂ・・・・・・発熱体パターン

Claims

複数の絶縁層を積層して成る略平板状の絶縁基体の内部に、それぞれが発熱体パターンを有する複数の発熱体層を、該発熱体層の前記発熱体パターン同士が前記絶縁基体の主面と平行な方向に互いにずれて位置するように前記絶縁層を挟んで設けたことを特徴とするセラミックヒータ。