JP4806070B2 - セラミック・ヒーター用電力端子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広義の意味でセラミック・ヒーターに係わり、特にセラミック・ヒーターの電力端子、および、セラミック・ヒーターに対する電力端子の固定方法に関するものである。

この項目の説明は、本発明に関係する背景情報に関するものであり、従来技術をなすものではない。

代表的セラミック・ヒーターは、一般に、セラミック基板と、そのセラミック基板に埋込まれるか、その外面に固定された抵抗加熱部材を含む。抵抗加熱部材で発生した熱は、セラミック材料の熱伝導性が極めてよいという理由で、セラミック基板の近くに配置される対象物に速やかに伝達される。

しかしながら、セラミック材料と金属材料の濡れ性が低いために、セラミック材料と金属材料の接合は難しいことが知られている。さらに、セラミック材料と金属材料の間の熱膨張差が大きく、セラミック材料と金属材料との接合状態を保持することは難しい。

従来、電力端子は、２通りの方法のうちのいずれか一方の方法でセラミック基板に取付けられている。第一の方法では、金属箔が抵抗加熱部材の一部に鑞付けされて端子パッドを形成した後、その金属箔に電力端子が鑞付けされる。使用時の高温で、熱応力が生じないように、金属箔と電力端子は非加熱領域でセラミック基板に鑞付けされる。しかしながら、電力端子を固定する目的だけのために非加熱領域を設けることは、セラミック・ヒーターを含む多くの領域で小型化を図る傾向にあるなかで、現実的、経済的であると思えない。

第二の方法は、セラミック基板にドリル加工で穴を形成して抵抗加熱部材の一部を露出させ、その穴の中に電力端子を配置した後、その穴に活性鑞合金を充填して電力端子を抵抗加熱部材およびセラミック基板に固定するものである。第一の方法と違い、第二方法の電力端子は加熱領域においてセラミック基板に固定される。繰返しになるが、セラミック材料、活性鑞合金および金属材料の間の熱膨張が適合していないと、高温でセラミック基板と活性鑞合金の間の境界面に熱応力が生じ、穴周辺のセラミック基板にクラックを生じさせることになる。

一形態として、セラミック基板と、該セラミック基板に取付けられた抵抗加熱部材と、該抵抗加熱部材を電源に導電接続するための端子と、該端子とセラミック基板の間に配置された中間層とを含むセラミック・ヒーターが提供される。中間層は、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）およびタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）から成る群から選ばれる。

別の形態として、セラミック・ヒーターは、凹所を有するセラミック基板と、該セラミック基板内に埋込まれた抵抗加熱部材と、該抵抗加熱部材を電源に接続するための端子とを含む。凹所は、抵抗加熱部材の一部を露出するための内面を含む。前記抵抗加熱部材の一部と前記内面に接して中間層が配置される。該中間層と端子の間に活性鑞材が配置され、端子を中間層に接合する。中間層は、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）およびタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）から成る群から選ばれる。

さらに別の形態では、セラミック基板と、金属部材と、これら両部材の間に配置されて金属部材をセラミック基板に接続する中間層とを含む接続構造が提供される。中間層は、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）およびタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）から成る群から選ばれる。

また、さらに別の形態では、セラミック基板と抵抗加熱部材を含むセラミック・ヒーターに端子を固定する方法が提供される。
この方法は、抵抗加熱部材の一部を露出させる段階と、前記抵抗加熱部材の一部、および、該一部の近傍におけるセラミック基板のうちの少なくとも一方に中間層を設ける段階と、中間層に端子を接合する段階とを含む。中間層は、Ｍｏ／ＡｌＮおよびＷ／ＡｌＮから成る群から選ばれる。

また、さらに別の形態では、セラミック基板と抵抗加熱部材を含むセラミック・ヒーターに端子を固定する方法が提供される。
この方法は、
抵抗加熱部材の一部を露出させるために、セラミック基板に内面を規定する凹所を形成する段階と、
該内面と前記抵抗加熱部材の一部に接して、Ｍｏ／ＡｌＮおよびＷ／ＡｌＮから成る群から選ばれたペースト状の中間層を形成する段階と、
中間層、抵抗加熱部材、および、セラミック基板を焼結する段階と、端子を受入れる寸法になるように中間層を調整する段階と、
中間層に活性鑞材を付与する段階と、
凹所内に端子を配置する段階と、
真空中で活性鑞材を加熱して端子を中間層に接合する段階とを含む。

その他の応用範囲については、本明細書の説明から明らかであろう。本明細書の説明および具体例は、単なる説明に過ぎず、本発明面の範囲を限定しようとする意図はない。

本明細書で説明する図面は単なる図解目的であって、いかなる場合も本発明の範囲を限定するものではない。

図面中、類似符号は類似部品を示す。

以下の説明は、当然ながら、単なる具体例であり、説明内容を限定し、応用または用途を限定する意図はない。図面を通して類似符号は類似または同一の部品と特徴を示している。

図１を見ると、本発明の教示により作成されたセラミック・ヒーターが示されており、全体を符号１０で示している。セラミック・ヒーター１０は、セラミック基板１２、該セラミック基板１２に埋込まれた抵抗加熱部材１４（点線で示す）、および、一対の電力端子１６を有する。抵抗加熱部材１４の端部は２つの端子パッド１８（点線で示す）になされており、それらの端子パッドに電力端子１６が取付けられ、リード線２０を経て抵抗加熱部材１４を電源（図示せず）に接続する。セラミック基板１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で作ることが好ましい。抵抗加熱部材１４は、本技術分野で知られた各種形式のものであってよく、例を挙げると、抵抗コイルまたは抵抗フィルム等である。

端子パッド１８は、電力端子１６と抵抗加熱部材１４の間の接続を容易にするために、抵抗加熱部材１４のその他の部分に比して大きな面積部分を有することが好ましい。代替法として、端子パッド１８は、抵抗加熱部材１４とは異なる材料で、および／または、抵抗加熱部材１４を形成する方法とは異なる方法で、形成される。代替法として、端子パッド１８は、抵抗加熱部材１４の両端部で形成される（すなわち、同一材料で、また、抵抗加熱部材１４で規定される抵抗回路２１（例えば、図示のように蛇行パターンになされる）の幅寸法をもって形成される）。

図２、図３を見ると、セラミック基板１２は、端子パッド１８からセラミック基板１２の外面２４まで延在する一対の凹所２２を規定している。

図４にさらに明確に示されるように、凹所２２は側面２６および底面２８を含む。端子パッド１８は底面２８を規定するように図４に示されている。しかしながら、凹所２２を端子パッド１８よりも大きく作った場合には、底面２８が、端子パッド１８とセラミック基板１２の両者によって規定されることになる。側面２６と底面２８は中間層３０で覆われており、この中間層は、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）またはタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）で作ることができる。

中間層３０と電力端子１６の間には電力端子１６を中間層３０に対して接合する活性鑞材３２が配置されている。活性鑞材３２は活性鑞合金であることが好ましい。好ましい活性鑞合金は、Ｔｉｃｕｓｉｌ（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金）（登録商標）、Ａｕ−Ｔｉ合金、Ａｕ−Ｎｉ−Ｔｉ合金、および、Ｓｉｌｖｅｒ ＡＢＡ（Ａｇ−Ｔｉ合金）（登録商標）が含まれる。

図４に示されるように、中間層３０は、凹所２２の側面２６および底面２８を含めて凹所２２の内面全体を覆っている。代替法として、底面２８が端子パッド１８によって実質的に規定されるときは、活性鑞材３２がセラミック基板１２と接触している場合のようには、活性鑞材３２と端子パッド１８との間の接続が問題とならないので、中間層３０を側面２６部分のみに設けることができる。

Ｍｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮから成る中間層３０は、セラミック基板１２の熱膨張係数と、活性鑞材３２の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する。この結果、高温でセラミック基板１２と活性鑞材３２との境界に生じるであろう熱応力を軽減できる。さらに、中間層３０はＡｌＮセラミック基板１２よりも大きな機械強度と破壊靱性を有する。したがって、中間層３０は、より大きな熱応力を吸収し、ＡｌＮセラミック基板１２にクラックが生じないようにすることができる。

中間層３０は、ＡｌＮのセラミック基板１２、および活性鑞材３２の組成、およびセラミック・ヒーター１０の使用温度範囲に適合するように、可変濃度のＭｏまたはＷを有するように形成してもよい。例えば、ＡｌＮセラミック基板１２は、通常、約３６８．６±６１．５ＭＰａの曲げ強さと、約２．９±０．２ＭＰａ・ｍ^1/2 の破断靱性とを有する。２５体積％のＭｏを含むＭｏ／ＡｌＮ層である中間層３０は、通常、約４１２．０±６８．８ＭＰａの曲げ強さと、約４．４±０．１ＭＰａ・ｍ^1/2 の破断靱性とを有する。４５体積％のＭｏを含むＭｏ／ＡｌＮ層である中間層３０は、約５６１．３±２５．６ＭＰａの曲げ強さと、約７．６±０．１ＭＰａ・ｍ^1/2 の破断靱性とを有する。

電力端子１６は、図示のようにピン形状であることが好ましいが、その他の幾何学的形状であってもよく、これは、発明の範囲内にある。汎用される電力端子は、コバール（Ｋｏｖａｒ）（登録商標）ピンであり、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る。電力端子１６用のその他の好適材料は、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン、タングステン、および、それらの合金を含む。電力端子１６がＮｉ以外の材料で作られる場合、高温で酸化しないように電力端子１６を保護するために、好適には、Ｎｉ被膜３４で電力端子１６を覆うとよい。

図５を見ると、セラミック・ヒーター１０’は、電力端子１６’とセラミック基板１２’の間の交互接合構造を有する。以下、図１〜図４中の符号と類似する符号は類似部材を指す。

図示するように、抵抗加熱部材１４’、および、該抵抗加熱部材１４’から延在する端子パッド１８’が、セラミック基板１２’の外面２４’に配置されている。端子パッド１８’、および該端子パッド１８’の近傍のセラミック基板１２’は中間層３０’で覆われている。中間層３０’は、Ｍｏ／ＡｌＮ合金またはＷ／ＡｌＮ合金、または、その両者を含む。活性鑞材３２’は、電力端子１６’を中間層３０’に接続するために設けている。電力端子１６’は、高温酸化を避けるために、首尾よく、ニッケル被膜３４’で被覆されている。繰り返しになるが、中間層３０’は活性鑞材３２’の熱膨張係数と、セラミック基板１２’の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有するので、高温でセラミック基板１２’に生じる熱応力を軽減でき、これによって、セラミック基板１２’のクラック発生を低減化する。

図６を見ると、本発明の教示による電力端子１６をセラミック基板１２に固定する方法を以下に説明する。
本明細書で図解し説明されるステップの順番は、本発明の範囲内で変更または変化することができ、それらのステップは本発明の一形態の単なる例でしかないことを理解すべきである。

初めに、抵抗加熱部材１４が埋め込まれた未焼結状態のＡｌＮマトリックスから成るセラミック基板１２が用意される。セラミック基板１２は、数ある方法のうちから、粉末プレス成形、生テープ成形、スリップ鋳造によって形成できる。抵抗加熱部材１４は、多くの方法のうちから、とりわけスクリーン印刷、直接書き込み（ダイレクト・ライティング）のような通常方法で形成される。

次に、セラミック基板１２は、抵抗加熱部材１４の一部、特に端子パッド１８を露出させるように２つの凹所２２を形成するためにドリル加工されることが好ましい。凹所２２は、挿入する電力端子１６の外径よりも僅かに大きな寸法になされる。

その後、ペースト状態のＭｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮが凹所２２内に挿入される。接合性および保護性を向上させるために、Ｍｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮは、先に説明し図示したように、側面２６および底面２８の両者に塗着される。Ｍｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮのペーストを塗着されたセラミック基板１２は、その後、炉（図示せず）内に置かれ、Ｍｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮのペーストに含まれる溶剤を除去するために加熱されて中間層３０を形成する。

その後、セラミック基板１２および中間層３０は、約１７００℃〜１９５０℃、約０．５〜１０時間の焼結が施され、セラミック基板１２の内部の抵抗加熱部材１４および凹所２２内部の中間層３０を固化し、これによって焼結セラミック基板１２が完成する。

焼結工程後、凹所２２は、好適には、ダイヤモンド・ドリルによって真直加工が施され、焼結工程で中間層３０に形成された多孔質表面層（図示せず）を除去して密度の高いＭｏ／ＡｌＮまたはＷ／ＡｌＮを露出させる。

次に、ペースト状態の活性鑞材３２が中間層３０に塗着され、また、電力端子１６を凹所２２に挿入することで活性鑞材３２により包囲されるようにする。電力端子１６を挿入する前に、その保護のために、無電極メッキによって電力端子１６にＮｉ層を被覆することが好ましい。

電力端子１６が所定位置に保持されると、室温またはそれよりも高温で、溶剤を蒸発させるために十分な時間、ペースト状態の活性鑞材３２が乾燥される。ペーストが乾燥した後、電力端子１６を有するセラミック・ヒーター１０が真空室内に置かれる。この組立体全体が、圧力約５×１０^-6トールで、約５〜６０分間、９５０℃に加熱され、鑞付け工程が完了する。その後、真空室が室温まで冷却され、電力端子１６をセラミック・ヒーター１０に固定する工程が完了する。

本発明によれば、電力端子１６が、中間層３０を介して端子パッド１８、および該端子パッド１８の近傍のセラミック基板１２に対して接合される。中間層３０は、窒化アルミニウム基板の熱膨張係数および活性鑞材３２の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有するので、高温でセラミック基板１２に生じる熱応力を軽低減でき、もって凹所２２の近傍のセラミック基板１２におけるクラックの発生を低減化できる。

本発明の説明は、当然のことであるが、単なる例示であり、本発明の要旨から逸脱することのない変形例も本発明の範囲に含まれるものである。

本発明の教示により作成されたセラミック・ヒーターおよび一対の電力端子の斜視図。 図１に示すセラミック・ヒーターと電力端子の分解斜視図。 図１の線３−３に沿って截断したセラミック・ヒーターと電力端子の断面図。 図３のＡで指示した部分の拡大図であり、本発明面の教示による一方の電力端子とセラミック・ヒーターの間の接合を示す図。 電力端子とセラミック・ヒーターの間の代替接合状態を示す図４に似た拡大図。 本発明面の教示により電力端子をセラミック・ヒーターに固定する方法を示す流れ図。

符号の説明

１０，１０’ セラミック・ヒーター
１２，１２’ セラミック基板
１４，１４’ 抵抗加熱部材
１６，１６’ 電力端子
１８，１８’ 端子パッド
２０ リード線
２１ 抵抗回路
２２ 凹所
２４ 外面
２６ 側面
２８，２８’ 底面
３０，３０’ 中間層
３２，３２’ 活性鑞材
３４，３４’ Ｎｉ被膜

Claims (8)

1. セラミック基板と、
   前記セラミック基板に取付けられた抵抗加熱部材と、
   前記抵抗加熱部材に接触する端子パッドと、
   前記抵抗加熱部材及び前記端子パッドを電源に導電接続するための端子と、
   前記端子に近接して配置された活性鑞材と、
   前記活性鑞材とセラミック基板の間に配置され、前記端子パッドに接触する中間層であって、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）およびタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）から成る群から選ばれた可変組成を有し、前記セラミック基板の熱膨張係数と前記活性鑞材の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有し、前記セラミック基板よりも大きな機械強度と破壊靭性を有して前記セラミック・ヒーターの使用温度範囲で前記セラミック基板および前記活性鑞材に適合するようになっている前記中間層とを含むセラミック・ヒーター。
2. 前記セラミック基板に凹所が形成され、該凹所内に端子の一部が配置されている請求項１に記載されたセラミック・ヒーター。
3. 前記中間層が凹所内に配置されている請求項２に記載されたセラミック・ヒーター。
4. 前記活性鑞材が、Ａｕ−Ｔｉ合金、Ａｕ−Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、および、Ａｇ−Ｔｉ合金から成る群から選ばれる請求項１に記載されたセラミック・ヒーター。
5. 前記端子が、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン、および、タングステンから成る群から選ばれた材料で作られたピンである請求項１に記載されたセラミック・ヒーター。
6. 前記端子がニッケル被膜を含む請求項１に記載されたセラミック・ヒーター。
7. 前記セラミック基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている請求項１に記載されたセラミック・ヒーター。
8. 内面を有する凹所を含むセラミック基板と、
   前記セラミック基板中に埋込まれ、一部が前記凹所に露出する抵抗加熱部材と、
   前記抵抗加熱部材に接触する端子パッドと、
   前記抵抗加熱部材及び前記端子パッドを電源に接続するための端子と、
   前記内面および前記抵抗加熱部材の一部の上に配設された中間層であって、前記端子パッドに接触する前記中間層と、
   前記端子と前記中間層の間に配置されて前記端子を前記中間層に接合する活性鑞材とを含み、
   前記中間層は、モリブデン／窒化アルミニウム（Ｍｏ／ＡｌＮ）およびタングステン／窒化アルミニウム（Ｗ／ＡｌＮ）から成る群から選ばれた可変組成を有し、前記セラミック基板の熱膨張係数と前記活性鑞材の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有し、前記セラミック基板よりも大きな機械強度と破壊靭性を有して前記セラミック・ヒーターの使用温度範囲で前記セラミック基板および前記活性鑞材に適合するようになっている、セラミック・ヒーター。

Images