JP3716045B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータに関し、特にセラミックス基体内に発熱抵抗体を埋設してなるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックヒータは、窒化アルミニウム、窒化けい素等のセラミックスからなる基体内に、タングステン、モリブデンからなる発熱抵抗体を埋設するとともに、発熱抵抗体の両端部分を基体側面に露出させ、露出した発熱抵抗体の両端にニッケル等からなる外部端子をロウ付けすることにより作製されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この外部端子と発熱抵抗体端部とのロウ付けは、抵抗体の厚さが数十μｍ以下と薄く露出面積が小さいため、ロウ付けによる接合強度が弱く、繰り返しの昇降温により、外部端子が剥離するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した従来のセラミックヒータが有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、繰り返しの昇降温によっても外部端子が剥離しないセラミックヒータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、発熱抵抗体の端部に厚さの厚い炭化金属を除く金属端子を形成すれば、抵抗体端部の露出する面積が大きくなり、外部端子とのロウ付けが強固になるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００６】
即ち本発明は、（１）緻密質セラミックスからなる基体内部に発熱抵抗体を埋設したセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体の両端部分に平均粒径が１．０〜１０μｍの金属粒子からなる厚さ１〜２ｍｍの成形体を焼結してなる炭化金属を除く金属端子が形成されていることを特徴とするセラミックヒータ（請求項１）とし、また、（２）基体が、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ等の絶縁セラミックスからなることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ（請求項２）とし、さらに、（３）発熱抵抗体が、モリブデン、タングステン、白金等の高融点金属からなることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックヒータ（請求項３）とし、さらにまた、（４）金属端子が、モリブデン、タングステン、白金等の高融点金属からなることを特徴とする請求項１、２または３記載のセラミックヒータ（請求項４）とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【０００７】
上記基体であるセラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ等のセラミックスとした。これらのセラミックスは、基体内部の発熱抵抗体と絶縁できるのでいずれも好ましい。その中で、窒化アルミニウムは熱伝導性が高いことから、昇温特性、均熱性に優れているので特に好ましい。
【０００８】
また、上記発熱抵抗体としては、前記セラミックスの焼結温度がいずれも高く、高融点金属が必要となるため、モリブデン、タングステン、白金等からなる発熱抵抗体とした。発熱抵抗体の形状は特に限定されないが、例えば、櫛歯状、渦巻き状等が使用される。
【０００９】
発熱抵抗体の端部に形成される金属端子としては、発熱抵抗体と同じく高融点金属が必要であるため、モリブデン、タングステン、白金等からなる炭化金属を除く金属端子とした。この金属端子の厚さは、厚いほど外部端子とのロウ付けが強固になるため、支障を来さない範囲内で厚くすればよい。但し、この金属端子の厚さは、発熱抵抗体よりはるかに厚くなるため、基体のセラミックスの収縮にマッチングさせる必要がある。そのためには基体の収縮に合う適切な粒径を有する金属粒子を厚さ１〜２ｍｍの成形体と成して焼結するのが好ましい。その金属粒子の適切な粒径は、平均粒径で０．１〜１００μｍが好ましく、０．１μｍより細かいと収縮がセラミックス基体に比べて大きくなり、基体端部に亀裂が入る。逆に１００μｍより粗いと、焼結が進まず粒子間の接触面積が小さくなるため、端子部の電気抵抗が増加し、端子での発熱が大きくなる。
【００１０】
上記セラミックヒータの製造方法を述べると、先ず所要の材質のセラミックス粉末を用いて成形体を作製する。その成形体の面上に所要の高融点金属からなる発熱抵抗体を金属箔、あるいは印刷等で所定の形状、厚さに形成する。この発熱抵抗体の両端部分に平均粒径が０．１〜１００μｍの高融点金属粒子で形成された所定の厚さの成形体を重ねる。さらにその上に同じセラミックス粉末を充填、加圧するか、あるいは同じセラミックス粉末の成形体を重ねて加圧するなどして発熱抵抗体を埋設した成形体を作製し、その成形体を慣用の方法で、焼結する。得られた焼結体に埋設されている発熱抵抗体の両端部分を研削加工し、端部の炭化金属を除く金属端子を露出させ、その露出端子と外部端子とをロウ付けしてセラミックヒータを作製する。
【００１１】
以上のセラミックスヒータとすれば、発熱抵抗体端部に形成された炭化金属を除く金属端子の露出面積が大きいので、外部端子との接合が容易となると共に、強固に接合するため、外部端子が剥離し難いセラミックヒータとすることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１３】
（１）セラミックヒータの作製
（実施例１）
窒化アルミニウム粉末９７重量％、イットリア粉末３重量％の混合粉末を一軸加圧して成形体を作製した。この成形体の面上に表１に示す発熱抵抗体を形成した。これとは別に金属端子の成形体を表１に示す金属粒子でもって作製し、その成形体を抵抗体の端部上面に重ねた。さらにこの上部に窒化アルミニウム粉末を充填した後、一軸加圧して発熱抵抗体を埋設した成形体を得た。
【００１４】
この成形体をホットプレス焼結し、その焼結体の発熱抵抗体の端部を研削加工して金属端子を露出させた。この露出端子に外部端子をＡｇ−Ｃｕ系ロウ材によりロウ付けし、セラミックヒータを作製した。
【００１５】
（実施例２）
窒化けい素９０重量％、アルミナ５重量％、イットリア５重量％の混合粉末にバインダーを加えスラリーとし、ドクターブレード法により厚さ１ｍｍのグリーンシートを作製し、その面上に表１に示す発熱抵抗体を形成した。別に表１に示す金属端子を成形し、その成形体を抵抗体の端部上面に重ね、さらにその上部に同じグリーンシートを重ねた後、熱圧着して発熱抵抗体を埋設した積層体を得た。
【００１６】
この積層体を脱脂後常圧焼結し、実施例１と同様に金属端子を露出させ、その端子に外部端子をロウ付けしてセラミックヒータを作製した。
【００１７】
（２）評価
得られたセラミックヒータを２０℃と５００℃の間で昇降温を繰り返し、外部端子の剥離状態を目視で観察した。その結果を表１に示す。
【００１８】
（比較例１〜３）
比較のために比較例１では、実施例１に金属端子を形成しないセラミックヒータを作製し、評価した。また、比較例２では、実施例２の原料粉末を用い、金属粒子の平均粒径を本発明より細かくして実施例１と同様にセラミックヒータを作製し、評価した。さらに、比較例３では、基体の原料にアルミナ粉末を用い、金属粒子の平均粒径を本発明より粗くして実施例２と同様にセラミックヒータを作製し、評価した。それらの結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１から明らかなように、実施例１〜２においては、いずれも昇降温を１００００回繰り返しても外部端子が剥離しなかった。
【００２１】
これに対して比較例１においては、金属端子を形成していないため、外部端子との接合面積が小さく、３０回の繰り返しで剥離が認められた。また、比較例２では、金属端子の焼結収縮が大きいため端子部に亀裂が発生した。さらに、比較例３では、セラミックヒータに電流を印加したところ、端子部に異常発熱が認められた。
【００２２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかるセラミックヒータによれば、発熱抵抗体端部に形成した炭化金属を除く金属端子の露出面積が大きいので、外部端子との接合が容易となると共に、強固に接合するため、繰り返し昇降温しても外部端子が剥離しないセラミックヒータとすることができた。

Claims (4)

1. 緻密質セラミックスからなる基体内部に発熱抵抗体を埋設したセラミックヒータにおいて、
   前記発熱抵抗体の両端部分に平均粒径が１．０〜１０μｍの金属粒子からなる厚さ１〜２ｍｍの成形体を焼結してなる炭化金属を除く金属端子が形成されていることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 基体が、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ等の絶縁セラミックスからなることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
3. 発熱抵抗体が、モリブデン、タングステン、白金等の高融点金属からなることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックヒータ。
4. 金属端子が、モリブデン、タングステン、白金等の高融点金属からなることを特徴とする請求項１、２または３記載のセラミックヒータ。