JP4969641B2 - セラミックヒータ、このセラミックヒータを用いたグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、点火用ヒータ、炎検知用ヒータ、センサ用ヒータ及び加熱用ヒータとして利用されるセラミックヒータに関するものである。点火用ヒータ及び炎検知用ヒータは、例えば、燃焼式車載暖房装置及び石油ファンヒータのような各種燃焼機器で用いられる。センサ用ヒータは、例えば、自動車用グロープラグ及び酸素センサのような各種センサで用いられる。加熱用ヒータは、例えば、測定機器で用いられる。

一般的に、セラミックヒータは、発熱抵抗体と給電用のリードとがセラミック基体の内部に配置された構造を有している。このようなセラミックヒータは、発熱抵抗体とリードとを別々に成形し、両者を部分的に重ねてセラミック基体と共に焼成することにより作製される。

しかしながら、セラミックヒータを作製する際、発熱抵抗体３とリード５とが大きく位置ずれしたり、これらに応力が印加されることによって、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、発熱抵抗体３に突出部３ｃが形成されることがある。このような突出部３ｃが鋭角なクサビ形状である場合、この突出部を起点としたクラック等がリード及びセラミック基体に生じる可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、突出部の形成を抑制することによって発熱抵抗体、リード及びセラミック基体におけるクラックの発生を抑制したセラミックヒータを提供することを目的とする。

本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電力を供給するためのリードと、前記発熱抵抗体及び前記リードが埋設されたセラミック基体とを備えている。前記発熱抵抗体は、前記リードに接続される部分であって前記リードよりも幅が小さい接続部と、該接続部以外の部分である主要発熱部とを備えている。また、前記リードは、前記接続部が接続される端部に、前記リードの長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部を備えている。そして、前記接続部の少なくとも一部が前記凹部内に位置している。

本発明のセラミックヒータによれば、リードよりも幅の小さい接続部がリードに形成された凹部内に位置しているので、接続部の一部が突出することを抑制できる。これにより、焼成時又は使用時のような急速な昇降温時に熱応力が一箇所に集中してしまうことを抑制できる。結果として、発熱抵抗体とリードとの接合部分の近傍における発熱抵抗体、リード、或いはセラミック基体などにおけるクラックの発生が抑制されるので、耐久性、信頼性に優れたセラミックヒータを提供できる。

以下、本発明の各実施形態にかかるセラミックヒータについて、図面を用いて説明する。

図１〜図３に示すように、第１の実施形態にかかるセラミックヒータ１（以下、ヒータ１ともいう）は、発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３に電力を供給するためのリード５と、発熱抵抗体３及びリード５が埋設されたセラミック基体７とを備えている。発熱抵抗体３は、リード５に接続される部分であってリード５よりも幅が小さい接続部３ａと、接続部３ａ以外の部分である主要発熱部３ｂとを備えている。また、リード５の接続部３ａが接続される端部には、リード５の長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部９が備えられている。そして、接続部３ａの少なくとも一部が凹部９内に位置している。

なお、本実施形態においては、長手方向、厚み方向及び幅方向を以下のようにした。図１に示すように、略直線状に配設されたリードの一方の端部と他方の端部とを結び、リードと平行となる方向を長手方向とした。図２Ａに示すように、接続部３ａとリード５との接合部分での長手方向に垂直な断面において、隣り合うリード５の中心を結ぶ直線の方向を幅方向とした。そして、この幅方向及び長手方向に対して垂直な方向を厚み方向とした。

また、本実施形態においては、厚みとは厚み方向の長さを意味しており、幅とは幅方向の長さを意味している。また、図２Ｂに示すように、凹部９を形成するリード５の２つの凸頂部Ｘを結ぶ線分と凹部９の表面部分との間の厚み方向の長さの最も大きい部分を凹部９の深さＤとした。

本実施形態のヒータ１は、リード５が長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部９を備え、接続部３ａの少なくとも一部が凹部９内に位置している。これにより、発熱抵抗体３とリード５とが接続する部分において、発熱抵抗体３に突出部が形成されることが抑制される。結果として、焼成時及び／又は使用時のような急速な昇降温時においても、発熱抵抗体３とリード５の接続部分の近傍に熱応力が集中することが抑制されるので、上記のようなクラックの発生が抑制される。

発熱抵抗体３はリード５を介して陽極側電極１３及び陰極側電極１１と電気的に接続されている。さらに、陽極側電極１３及び陰極側電極１１を介して外部電源（不図示）と接続される。そして、外部電源から電圧を印加することによって発熱抵抗体３で発熱させることができる。

また、図１に示すように、接続部３ａの幅が、主要発熱部３ｂの幅よりも小さいことが好ましい。これにより、セラミック基体７にクラックが生じる可能性を抑制できるからである。具体的には、所望の発熱量を得るうえで、主要発熱部３ｂが同一断面積であっても、主要発熱部３ｂの幅を大きくすることで、主要発熱部３ｂの厚みを薄く設計できるからである。

一般的に、セラミックヒータは、セラミック基体７となる複数のセラミックシートで発熱抵抗体３となるペースト及びリード５となるペーストを挟み込むことによって作製される。本実施形態では、主要発熱部３ｂの厚みを薄くできるので、上記複数のセラミックシートの接合性を向上させることができる。これにより、セラミック基体７にクラックが生じる可能性を小さくできる。

具体的には接続部３ａの幅が主要発熱部３ｂの幅の３０〜８０％であることが好ましい。接続部３ａの幅が主要発熱部３ｂの幅の３０％以上であることにより、主要発熱部３ｂと接続部３ａとの境界部分の強度を向上させることができる。また、接続部３ａの幅が主要発熱部３ｂの幅の８０％以下であることにより、セラミックシートの接合性を向上させることができる。

一方で、接続部３ａの幅が主要発熱部３ｂの幅と同じである場合には、印刷歩留まりを向上させることができる。これは、発熱抵抗体３を一定の幅で形成することができるからである。一定幅の発熱抵抗体３は単純形状であるので、発熱抵抗体３全体の印刷による形成が容易となる。これにより、印刷歩留まりを向上させることができる。

また、図３に示すように、接続部３ａの厚みが主要発熱部３ｂの厚みよりも小さいことも有効である。これは、主要発熱部３ｂの厚みとリード５の厚みの差を小さくすることができるからである。これにより、主要発熱部３ｂ及びリード５とセラミック基体７との間の接合性を向上させることができる。結果として、主要発熱部３ｂ及びリード５とセラミック基体７との間で剥離が生じることを抑制できる。

具体的には接続部３ａの厚みＬ２が主要発熱部３ｂの厚みＬ１の４０〜９５％であることが好ましい。厚みＬ２が厚みＬ１の４０％以上である場合には、リード５と接続部３ａの間の接合強度を向上させることができる。また、厚みＬ２が厚みＬ１の９５％以下である場合には、接続部３ａを凹部９内に容易に位置させることができる。これにより、接続部３ａとリード５との接続を向上させることができる。

一方で、接続部３ａの厚みＬ２が主要発熱部３ｂの厚みＬ１と同じである場合には、印刷歩留まりを向上させることができる。これは、発熱抵抗体３を一定の厚みで形成することができるからである。一定の厚みの発熱抵抗体３は単純形状であるので、発熱抵抗体３全体の印刷による形成が容易となる。これにより、印刷歩留まりを向上させることができる。

また、図４に示すように、主要発熱部３ｂの厚みＬ１とリード５の厚みＬ３とが同程度である形態も有効である。主要発熱部３ｂの厚みとリード５の厚みの差が小さい程、リード５と主要発熱部３ｂとの間の段差を小さくできる。主要発熱部３ｂの厚みＬ１とリード５の厚みＬ３とが同程度であることにより、段差がほぼなくなるので、セラミック基体７への配設が容易となる。結果として、リード５と発熱抵抗体３の間にズレが生じることを抑制できる。ここで厚みが同程度であるとは、主要発熱部３ｂとリード５の厚みの差が主要発熱部３ｂ及びリード５のそれぞれの厚みばらつきよりも小さいことを意味する。

また、接続部３ａの厚みが、リード５の厚みよりも小さいことが好ましい。これにより、発熱抵抗体３の抵抗が高くなるからである。発熱抵抗体３の抵抗が高くなることで、より効率良く主要発熱部３ｂを発熱することができる。また、リード５の温度上昇を抑制することができるので、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。

具体的には、図３及び図４に示すように、接続部３ａの厚みＬ２がリード５の厚みＬ３の５〜５０％であることが好ましい。厚みＬ２が厚みＬ３の５％以上である場合には、リード５と接続部３ａの間の接合強度を向上させることができる。また、厚みＬ２が厚みＬ３の５０％以下である場合には、接続部３ａ全体を凹部９内に安定して位置させることができる。これにより、接続部３ａが凹部９からはみ出ることを抑制できるので、接続部３ａに突出部が形成されることが、さらに抑制される。

また、図２Ｂに示すように、長手方向に対して垂直な断面において、接続部３ａの形状が略四角形であることが好ましい。凹部９の上記断面における形状が四角形であることにより、凹部９を大きくできるからである。そのため、接続部３ａが凹部９からはみ出ることが抑制されるので、接続部３ａに突出部が形成される可能性が小さくなる。結果として、接続部３ａの近傍にクラックが発生することを抑制できる。

発熱抵抗体３としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉの炭化物、窒化物、珪化物を主成分とするものを使用することができる。特に、熱膨張率、耐熱性、比抵抗の面からＷＣを主成分とすることが好ましい。

また、発熱抵抗体３には、窒化硼素が添加されていることが好ましい。発熱抵抗体３となる導体成分は一般的に窒化珪素などのセラミック基体７を構成するセラミックスの成分と比較して熱膨張率が大きい。そのため、発熱抵抗体３とセラミック基体７の間には応力が加わる。一方で、窒化硼素は、窒化珪素などのセラミック成分と比較して熱膨張率が小さく、また発熱抵抗体３の導体成分とは殆ど反応しない。そのため、発熱抵抗体３の発熱に関する特性を大きく変えることなく、熱膨張率を小さくすることができる。

特に、窒化硼素の含有量は４〜２０重量％であることが好ましい。窒化硼素の含有量が４重量％以上である場合には、発熱抵抗体３の熱膨張率を小さくすることができるので、発熱抵抗体３とセラミック基体７との間に生じる熱応力を緩和させることができる。

また、窒化硼素の含有量が２０重量％以下である場合には、発熱抵抗体３の抵抗値の変化を抑制できる。これにより、発熱抵抗体３の発熱に関する特性を大きく変えることなく、抵抗値を安定させることができる。さらに、窒化硼素の含有量は、１２重量％以下であることがより好ましい。

また、発熱抵抗体３が、セラミック基体７を構成する窒化珪素などのセラミックス成分を含有することも有効である。発熱抵抗体３が上記のセラミックス成分を含有することにより、発熱抵抗体３の熱膨張率とセラミックス基体の熱膨張率の差を小さくすることができるからである。例えば、上記のセラミックス成分として窒化珪素を用いる場合、発熱抵抗体３に窒化珪素を１０〜４０重量％添加することが好ましい。

リード５としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉの炭化物、窒化物、珪化物を主成分とするものを使用することができる。特に、熱膨張率、耐熱性、比抵抗の面からＷＣを主成分とすることがより好ましい。

さらに、リード５がＷＣを主成分とし、窒化珪素を１５〜４０重量％含有することが好ましい。窒化珪素を１５重量％以上含有することにより、リード５の熱膨張率とセラミックス基体の熱膨張率の差を小さくすることができるので、リード５と基体との間にクラックが発生する可能性を低減させることができる。また、窒化珪素を４０重量％以下含有することにより、リード５の抵抗値が増大することを抑制できる。さらに好ましくは、窒化珪素の添加量は、２０〜３５重量％とするのがよい。

また、リード５の主成分が発熱抵抗体３の主成分と同じであることが好ましい。これにより、発熱抵抗体３とリード５の接合性を向上させることができるので、発熱抵抗体３とリード５の接合面にクラックが生じる可能性を小さくできる。

セラミック基体７としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスのような絶縁性を備えたセラミックスを用いることができる。特に、窒化珪素を主成分とするセラミックスを用いることが好ましい。窒化珪素を主成分とすることにより、強度、靱性、絶縁性及び耐熱性を高めることができるからである。
このようなセラミックスは、例えば下記のようにして得ることができる。まず、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２重量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３及びＥｒ_２Ｏ_３のような希土類元素酸化物と、０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３と、１．５〜５重量％のＳｉＯ_２とを混合する。次に、この混合物を所定の形状に成形する。そして、１６５０〜１７８０℃でホットプレスにより焼成することで得られる。

また、セラミック基体７として窒化珪素を用いる場合には、ＭｏＳｉＯ_２やＷＳｉ_２を分散させることが好ましい。これにより、セラミック基体７の熱膨張率を大きくすることができるので、発熱抵抗体３の熱膨張率との差を小さくできるからである。結果として、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。

図５に示すように、本実施形態の接続部３ａは、長手方向に対して垂直な断面において台形の形状である。そして、接続部３ａの上記断面が台形であることにより、第１の実施形態と比較して、発熱抵抗体３及びリード５にクラックが発生する可能性をさらに小さくできる。これは、下記の理由によるものである。

発熱抵抗体３の熱膨張により、リード５の凹部９と発熱抵抗体３との間に熱応力が生じる。図２Ａに示す実施形態の場合、接続部３ａが接続される凹部９の側面が、互いに平行である。そのため、互いに平行な凹部９の側面にそれぞれ生じる熱応力の方向が反対方向となり、熱応力を分散させることが困難となる。しかしながら、本実施形態のように接続部３ａが台形である場合、この熱応力を厚み方向（図５においては上下方向）に分散させることができる。このようにして熱応力を分散させることができるので、発熱抵抗体３及びリード５にクラックが発生することを抑制できる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図６に示すように、本実施形態の凹部９は、幅方向に対して垂直な方向の断面において、表面が曲面形状である。言い換えれば、接続部３ａの表面のうち凹部９と接続する部分の表面が曲面形状である。これにより、第１の実施形態と比較して接続部３ａの一部に熱応力が集中することが抑制されるので、接続部３ａ及び凹部９にクラックが生じる可能性を小さくできる。

特に、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、長手方向に垂直な断面における凹部９の表面形状が、略円弧状であることがより好ましい。これにより、熱応力をほぼ均等に分散させることができるので、接続部３ａの一部に熱応力が集中することがさらに抑制される。結果として、接続部３ａ及び凹部９にクラックが生じることをより抑制できる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図８に示すように、第４の実施形態においては、リード５が、発熱抵抗体３と接続する端部の対向する位置にそれぞれ凹部９を備え、２つの発熱抵抗体３の、それぞれの接続部３ａの少なくとも一部が、凹部９内にそれぞれ位置している。これにより、発熱抵抗体３の厚み方向の一方と他方とでの温度分布の対称性がよくなるので、ヒータ１の使用時における厚み方向での温度のばらつきを小さくすることができる。結果として、発熱抵抗体３でのクラックの発生がさらに抑制されるので、セラミックヒータ１の耐久性がさらに向上する。

さらに、上記のように一つのリード５が２つの凹部９を有している場合、それぞれの凹部９内に位置する２つの接続部３ａの断面積が略等しいことが好ましい。これにより、それぞれの発熱抵抗体３で生じる発熱のばらつきを小さくできるので、熱応力のばらつきをさらに小さくできる。

上記の各実施形態において、発熱抵抗体３の比抵抗が、リード５の比抵抗以上であることが好ましい。発熱抵抗体３の比抵抗の値がリード５の比抵抗の値以上であることにより、ヒータ１のサイズを大きくすることなく、発熱抵抗体３の抵抗値をリード５の抵抗値よりも高くすることができるからである。これにより、効率良く発熱抵抗体３で発熱できるので、セラミックヒータ１の急速昇温が可能となる。また、陰極側電極１１及び陽極側電極１３の温度の上昇を抑制できるので、ヒータ１の性能を向上させることができる。なお、発熱抵抗体３の比抵抗は、以下のようにして測定することができる。

長手方向に垂直な面における発熱抵抗体３の断面積が一定である場合には、その発熱抵抗体３の抵抗値［ｍΩ］、断面積［ｍｍ^２］及び長さ［ｍｍ］を測定する。抵抗値の測定には、例えば、ＨＩＯＫＩ社製 ３５４１レジスタンスハイテスタをミリオームメータとして用いることができる。

一方、長手方向に垂直な面における発熱抵抗体３の断面積が一定でない場合には、平面研削盤を用いて、任意の方向に対して断面積が一定である形状に加工すればよい。平面研削盤としては、例えば、岡元工作機械社製のＫＳＫタイプのような＃２５０ダイヤモンドホイールを装着した平面研削盤を用いることができる。また、任意の方向に対して断面積が一定である形状としては、例えば、角柱形状又は円柱形状とすればよい。

そして、上記加工した発熱抵抗体３の抵抗値［ｍΩ］、断面積［ｍｍ^２］及び長さ［ｍｍ］を測定すればよい。その後、測定した抵抗値、断面積及び長さを用いることで比抵抗ρ（Ω・μｍ）（＝抵抗値×断面積／長さ）を算出することができる。なお、リード５の比抵抗も、上記の発熱抵抗体３の比抵抗に関する測定方法と同様にして測定することができる。

また、接続部３ａ全体が凹部９内に位置していることが好ましい。接続部３ａ全体が凹部９内に位置していることにより、接続部３ａに突出部が形成される可能性をさらに小さくできるからである。結果として、接続部３ａの近傍でのクラックの発生がさらに抑制されるので、耐久性、信頼性により優れたセラミックヒータ１を提供できる。ここで、接続部３ａ全体が凹部９内に位置しているとは、凹部９の深さＤが、接続部３ａの厚みＬ２以上であることを意味する。

また、発熱抵抗体３は、主要発熱部３ｂと、主要発熱部３ｂの両端に位置する接続部３ａとを備えている。そして、長手方向に垂直な主要発熱部３ｂの断面が、幅と比較して厚みが相対的に薄い扁平形状であることが好ましい。これにより、長手方向に垂直な主要発熱部３ｂの断面の周長さを大きくすることができ、さらに、主要発熱部３ｂの厚みを薄くすることで印刷が容易になる。そのため、印刷歩留まりを向上させることが可能となる。

特に、長手方向に垂直な主要発熱部３ｂの断面は、厚み方向を短軸とする楕円形状であることが好ましい。主要発熱部３ｂが上記形状であることにより、主要発熱部３ｂの幅を広く、かつ、主要発熱部３ｂの厚みを小さくすることができる。さらに、主要発熱部３ｂの断面が楕円形状であることにより、主要発熱部３ｂの表面が曲面形状となるので、熱応力が主要発熱部３ｂの一部に集中することを抑制できる。

また、主要発熱部３ｂの幅が略一定であることが好ましい。主要発熱部３ｂの幅を一定に保つことで、形成が容易となるので印刷歩留まりを向上させることができる。また、幅の小さい部分で局所的に発熱することが抑制されるので、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。具体的には、主要発熱部３ｂの幅の最も小さい部分が主要発熱部３ｂの幅の最も大きい部分の７０％以上であることが好ましい。７０％以上であることにより、上記の局所的な発熱を抑制できる。

また、主要発熱部３ｂの厚みが略一定であることが好ましい。主要発熱部３ｂの厚みを一定に保つことで、形成が容易となるので印刷歩留まりを向上させることができる。また、厚みの小さい部分で局所的に発熱することが抑制されるので、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。具体的には、主要発熱部３ｂの厚みの最も小さい部分が主要発熱部３ｂの厚みの最も大きい部分の８０％以上であることが好ましい。８０％以上であることにより、上記の局所的な発熱を抑制できる。

次に、本実施形態のグロープラグについて、図面を用いて説明する。

図９に示すように、本実施形態にかかるグロープラグ１５は、上記実施形態に代表されるセラミックヒータ１と、セラミックヒータ１の一方の端部が内方に位置する筒状の第１の金具１７と、筒状の第１の金具１７内に位置して、第１の金具１７と離隔するとともにセラミックヒータ１と接続された第２の金具１９とを備えている。セラミックヒータ１は、側面に陰極側電極１１を有し、一方の端部に陽極側電極１３を有している。陰極側電極１１は第１の金具１７と電気的に接続されている。また、陽極側電極１３は第２の金具１９と電気的に接続されている。

第２の金具１９及び第１の金具１７に通電することで、本実施形態のグロープラグ１５は、例えばエンジン始動用の熱源として機能させることができる。上記の実施形態のセラミックヒータ１をグロープラグ１５に用いることにより、グロープラグ１５の耐久性及び信頼性を高めることができる。また、グロープラグ１５を寒冷地において使用した場合であっても、従来よりも短時間でエンジンの始動を可能とすることができる。

次に、本実施形態のセラミックヒータの製造方法について、図面を用いて説明する。

本実施形態のセラミックヒータの製造方法は、セラミック基体７となるセラミックグリーンシート８上に、発熱抵抗体３となる第１のペースト４とリード５となる第２のペースト６とを配設して生成形体２１を作製する工程と、生成形体２１を焼成する工程とを備えている。そして、第１のペースト４における第２のペースト６に接続する部分（以下、接続部ペースト４ａとする）の幅を第２のペースト６の幅より小さくし、且つ、接続部ペースト４ａを第２のペースト６の幅の範囲内に配設する。

具体的には、図１０に示すように、まずセラミックグリーンシート８ａ及び８ｃの表面に、第１のペースト４をプリントにより配設する。このとき、接続部ペースト４ａの幅が第２のペースト６の幅よりも小さくなるように第１のペースト４を印刷により配設する。なお、接続部ペースト４ａの幅が第２のペースト６の幅より小さくなるように製版及びプレス金型を設計しておくことにより、容易に接続部３ａの幅をリード５の幅より小さくすることができる。さらにここで、陽極側電極１３及び陰極側電極１１となる第３のペースト２３をセラミックグリーンシート８ａ及び８ｃの表面に、それぞれプリントしてもよい。

また、セラミックグリーンシート８ａ及び８ｃの第１のペースト４が配設される部分に予め溝を形成し、この溝に第１のペースト４を配設することが好ましい。これにより、第１のペースト４を配設するときに、位置ずれが生じることを抑制できる。

次に、第２のペースト６をセラミックグリーンシート８ｂ上に印刷する。ここで、セラミックグリーンシート８ｂの第２のペースト６が配設される部分に予め溝又は孔を形成し、この溝又は孔に第２のペースト６を配設することが好ましい。これにより、第２のペースト６を配設するときに、位置ずれが生じることを抑制できる。

そして、接続部ペースト４ａが第２のペースト６の幅の範囲内に配設されるように、第１のペースト４が配設されたセラミックグリーンシート８ａ及び８ｃと第２のペースト６が配設されたセラミックグリーンシート８ｂとを積層して、生成形体２１を作製する。この生成形体２１を１６５０〜１７８０℃の温度でホットプレスにより焼成する。これにより、本実施形態のセラミックヒータ１が作製される。

このように、本実施形態のセラミックヒータの製造方法を用いることにより、接続部３ａに突出部が形成されることが抑制される。結果として、セラミック基体７、発熱抵抗体３及びリード５にクラックが発生する可能性が小さくなる。

なお、センタレス加工をすることによって、焼成後には直方体である上記のセラミックヒータ１を、円柱状に形成してもよい。さらに、このセラミックヒータ１の一方の端部及び他方の端部の加工には、あらかじめ所望の形状に加工されたダイヤモンドホイールを使用することによって、図１に示すような形状のセラミックヒータ１を作成することができる。

また、上記実施形態において、第１のペースト４が配設されたセラミックグリーンシート８ａ及び８ｃと第２のペースト６が配設されたセラミックグリーンシート８ｂとを積層しているが、下記のように積層しても良い。

まず、セラミックグリーンシート８ａ及び８ｃの表面に、第１のペースト４を印刷により配設する。さらに、セラミックグリーンシート８ａ及び８ｃの表面に、第２のペースト６を印刷により配設する。そして、第１のペースト４及び第２のペースト６が配設されたセラミックグリーンシート８ａ及び８ｃを、セラミックグリーンシート８ｂを介して積層する。

このように第１のペースト４及び第２のペースト６を同じセラミックグリーンシート８上に配設してから、セラミックグリーンシート８を積層した場合には、第１のペースト４と第２のペースト６のずれを抑制することができる。

第１のペースト４の幅は、接続部ペースト４ａの幅が、他の部分（以下、主要発熱部ペースト４ｂという）の幅よりも小さいことが好ましい。所望の発熱量を得る場合に、主要発熱部ペースト４ｂの幅を大きくすることで、主要発熱部３ｂの厚みを薄く設計できるからである。主要発熱部３ｂの厚みを小さくすることにより、セラミックグリーンシートの接合性を高めることができる。また、主要発熱部３ｂの厚みが薄い場合には、印刷が容易になるので、印刷歩留まりを向上させることができる。

具体的には接続部ペースト６ｂの幅が、主要発熱部ペースト６ａの幅の３０〜８０％であることが好ましい。接続部ペースト６ｂの幅が、主要発熱部ペースト６ａの幅の３０％以上であることにより、主要発熱部３ｂと接続部３ａとの境界部分の強度を向上させることができる。また、接続部ペーストと第２のペーストとが接する面が広くなるので、接続部３ａとリード５の接合強度を高めることができる。また、接続部ペースト６ｂの幅が、主要発熱部ペースト６ａの幅の８０％以下であることにより、セラミックシート間の接合性を向上させることができる。

また、接続部ペースト４ａの厚みが主要発熱部ペースト４ｂの厚みよりも小さいことも有効である。既に示したように、主要発熱部３ｂの厚みとリード５の厚みの差を小さくできるからである。これにより、主要発熱部３ｂ及びリード５がセラミック基体７から剥離することが抑制される。

具体的には接続部ペースト４ａの厚みが主要発熱部ペースト４ｂの厚みの４０〜９５％であることが好ましい。接続部ペースト４ａの厚みが主要発熱部ペースト４ｂの厚みの４０％以上である場合には、第２のペースト６と接続部ペースト４ａの間の接合強度を向上させることができる。また、接続部ペースト４ａの厚みが主要発熱部ペースト４ｂの厚みの９５％以下である場合には、接続部ペースト４ａを凹部９内に容易に位置させることができる。これにより、接続部ペースト４ａと第２のペースト６との接続をより確実なものとすることができる。

また、接続部ペースト４ａの厚みが第２のペースト６の厚みよりも小さいことが好ましい。これにより、発熱抵抗体３の抵抗を高くできるからである。発熱抵抗体３の抵抗が高くなることで、より効率良く主要発熱部３ｂを発熱することができる。

具体的には接続部ペースト４ａの厚みが第２のペースト６の厚みの５〜５０％であることが好ましい。接続部ペースト４ａの厚みが第２のペースト６の厚みの５％以上である場合には、第２のペースト６と接続部ペースト４ａの間の接合強度を向上させることができる。また、接続部ペースト４ａの厚みが第２のペースト６の厚みの５０％以下である場合には、接続部ペースト４ａ全体を凹部９内に安定して配置させることできる。これにより、接続部３ａが凹部９からはみ出ることを抑制できるので、接続部３ａにおける突出部の形成の可能性をさらに小さくできる。

また、第２のペースト６が凹部９を有し、第１のペースト４が、この凹部９内において第２のペースト６と接続することが好ましい。このように第２のペースト６が凹部９を有していることにより、接続部ペースト４ａの位置ずれが抑制されるので、安定して接続部ペースト４ａを凹部９内に配設できる。

凹部９は、例えば、所定の形状に設計された金型を用いてプレス成形をすることにより形成できる。具体的には、金型は、第２のペースト６の端部に長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部９が形成されるように設計されたものを用いればよい。

この金型を用いてプレス成形された第２のペースト６をセラミックグリーンシート８上に配設して、焼成することにより、長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部９を備えたリード５を形成できる。

なお、本発明は、上記の実施形態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内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。

上記実施形態のセラミックヒータ１を以下のようにして作製した。まず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする粉末に、Ｙｂの酸化物とＭｏＳｉ_２を添加して混合物を作成した。Ｙｂの酸化物は焼結助剤として添加されている。ＭｏＳｉ_２はセラミックグリーンシートの熱膨張率を発熱抵抗体３及びリード５の熱膨張率に近づけるために添加されている。この混合物をプレス成形することでセラミックグリーンシート８を作製した。

次に、第１のペースト４、第２のペースト６及び電極引出部となる第３のペースト２３を作製した。接合性を高めるため、第１のペースト４、第２のペースト６及び第３のペースト２３は、いずれもＷＣ及び窒化硼素を主成分とする同じ材料を用いた。そして、第１のペースト４及び第３のペースト２３をプリントにより上記のセラミックグリーンシート８上に配設した。

このとき、後述する表１に示すように、第１のペースト４の幅及び厚みを変動させて配設した。具体的には、主要発熱部３ｂが、幅０．６〜１．０ｍｍ、厚み０．１０〜０．２５ｍｍとなるように、また、接続部３ａが、幅０．６〜１．０ｍｍ、厚み０．０７〜０．１９ｍｍとなるように第１のペースト４を配設した。

さらに、第２のペースト６をプリントによりセラミックグリーンシート８上に配設した。このとき、リード５の幅が１．０ｍｍ、全体の厚みが１．０ｍｍとなるように第２のペースト６を配設した。また、試料番号３−１５では、接続部３ａが接続されるリード５の端部に、プレス金型を用いて長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部９を形成した。凹部９の深さＤは０．２０ｍｍであった。なお、凹部９の断面形状は、表１に示すように、四角（図２Ａ）、テーパー（図５）、曲面（図６）又は略円弧（図７Ａ）のいずれかの形状とした。

そして、第１のペースト４及び第３のペースト２３が配設されたセラミックグリーンシート８上に第２のペースト６が配設されたセラミックグリーンシート２３を積層した。以上の様にして、生成形体２１を作製した。

このセラミック生成形体２１を炭素からなる円筒形状の型内に配設して焼成した。これにより焼結体が得られた。焼成は、還元雰囲気、１６５０〜１７８０℃の温度、３０〜５０ＭＰａの圧力の条件の下、ホットプレスにより行われた。そして、焼結体の表面に露出する陰極側電極１１及び陽極側電極１３に電極金具をロウ付けした。このようにして、セラミックヒータ１を作製した。

なお、本実施例においては、発熱抵抗体３及びリード５の比抵抗は、以下の方法により測定した。まず、測定対象である発熱抵抗体３及びリード５の材料を用いて、別途、焼結体を作製した。この焼結体を、３ｍｍ角で長さが１８ｍｍの角柱になるように、＃２５０ダイヤモンドホイールを装着した平面研削盤を用いて加工する。さらに、上記焼結体の両端面に印刷により電極を作製し真空炉で焼き付けを行った。

その後、上記焼結体に室温中で両電極間に一定電流を流し、ＨＩＯＫＩ社製 ３５４１レジスタンスハイテスタ）を用いて抵抗値Ｒ（ｍΩ）を測定した。測定した抵抗値を用いて比抵抗ρ（Ω・μｍ）（＝抵抗（Ｒ）×断面積／長さ＝Ｒ／２）を算出した。

本実施例における発熱抵抗体３の比抵抗は１．６〜２．５Ω・μｍ、リード５の比抵抗は２．５Ω・μｍであった。なお、本実施例において、発熱抵抗体３の材料を用いて、別途、焼結体を作製したのは、比抵抗値の測定を容易にするためである。

各々の試料における主要発熱部３ｂ、接続部３ａ及びリード５のそれぞれの幅、厚み及び比抵抗について表１に示す。

上記のセラミックヒータ１を用いて下記の冷熱サイクルによる耐久試験を行った。まず、３０秒間セラミックヒータ１に通電することにより、セラミック基体７を、表面の温度が常温から最高温度が１３００℃となるまで加熱した。そして、６０秒間セラミックヒータ１を空冷して、セラミック基体７の表面の温度を常温に冷却した。以上の加温及び冷却を１４００００サイクル実施した。なお、セラミック基体７の表面温度は放射温度計などを用いて測定すればよい。また、１３００℃に保持するための印加電圧は１９０〜２１０Ｖになるようにセラミックヒータ１の抵抗値を調整した。

表１及び下記の表２に示すように主要発熱部３ｂ及び接続部３ａの幅、厚み、比抵抗及び形状を変化させた各々の試料を用いて、各試料のプリント歩留まり、焼成後におけるクラックの有無及び冷熱サイクル後におけるクラック発生の有無を評価した。クラックの有無については、光学顕微鏡を用いて倍率４５０倍で観察し評価した。

なお、テスト品の寸法とし、厚みを２ｍｍ、幅を６ｍｍ、全長を５０ｍｍとしたセラミックヒータ１を各試料４０本ずつ作製し、そのうちの各２０本については、ホットプレス焼成後にクラックの有無を評価し、クラック発生率を算出した。また、各残り２０本についても、冷熱サイクルによる耐久試験を行い、同様にクラック有無を評価し、クラック発生率を算出した。結果を表２に示す。

表１及び表２の結果より、試料番号Ｎｏ．１とＮｏ．２では、発熱抵抗体３の接続部３ａの幅を、リード５の幅と同じとなるように形成したために、幅方向に突出した鋭角なクサビ状の突出部が形成された。そのため、セラミック基体７でのクラックの発生率が６０％以上と高くなっていた。

一方、試料番号Ｎｏ．３〜１５のセラミックヒータ１は、いずれもクラック発生率が２０％以下となっていた。このことから、接続部３ａの幅をリード５より小さくすることにより熱応力が緩和され、クラック発生率が大幅に改善されていることが確認された。

特に、凹部９の表面形状が曲面又は略円弧状であって、リードが、接続部が接続される端部の対向する位置にそれぞれ凹部を備え、接続部全体が凹部内に位置している試料Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７、Ｎｏ．１０、及びＮｏ．１２では、焼成後及び耐久試験後において、クラックが殆ど発生しておらず、セラミックヒータの耐久性が大幅に向上していることが分かる。

また、主要発熱部３ｂの厚みの大きい試料Ｎｏ．４及びＮｏ．１１では、プリント歩留まりが６０％〜７０％と低めになった。これは、厚みを厚くするために、無理にプリントするため、厚みバラツキが大きくなったことが原因と考えられる。特に、接続部３ａの幅が主要発熱部３ｂの幅より大きい試料Ｎｏ．４では、プリント歩留まりが６０％と低かった。また、接続部３ａの厚みが大きい試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４及びＮｏ．１１では、クラックの発生率が比較的高かった。これは、リード５の凹部９への接続部３ａの埋設状態が悪くなり、接続部３ａの一部しか凹部９内に位置していないためである。

一方、発熱抵抗体３の接続部３ａの幅と主要発熱部３ｂの幅が同じ試料Ｎｏ．１４とＮｏ．１５では、プリント歩留まりが１００％と非常に高かった。これは、一定幅の発熱抵抗体３は単純形状であり、容易に形成することができるためである。

本発明の第１の実施形態にかかるセラミックヒータの厚み方向に対して垂直な方向の断面図である。 図１に示す実施形態のリードの長手方向に対して垂直な方向の断面図である。 図２Ａに示す断面図における接続部及びリードの拡大断面図である。 図１に示す実施形態の幅方向に対して垂直な方向の断面図である。 図１に示す実施形態にかかる変形例を示す幅方向に対して垂直な方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかるセラミックヒータの、長手方向に対して垂直な方向の断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかるセラミックヒータの、長手方向に対して垂直な方向の断面図である。 図６に示す実施形態の変形例であって発熱抵抗体の、長手方向に対して垂直な方向の断面図である。 図７Ａに示す断面図における接続部及びリードの拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかるセラミックヒータの、長手方向に対して垂直な方向の断面図である。 本発明のグロープラグの実施形態にかかる一例を示す概略断面図である。 本発明にかかるセラミックヒータの製造方法の一実施形態における生成形体の分解斜視図である。 従来のセラミックヒータを示す厚み方向に対して垂直な方向の断面図である。 従来のセラミックヒータを示す長手方向に対して垂直な方向の断面図である。

符号の説明

１・・・セラミックヒータ
３・・・発熱抵抗体
３ａ・・・接続部
３ｂ・・・主要発熱部
３ｃ・・・突出部
４・・・第１のペースト
４ａ・・・接続部ペースト
４ｂ・・・主要発熱部ペースト
５・・・リード
６・・・第２のペースト
７・・・セラミック基体
８・・・セラミックグリーンシート
９・・・凹部
１１・・・陰極側電極
１３・・・陽極側電極
１５・・・グロープラグ
１７・・・第１の金具
１９・・・第２の金具
２１・・・生成形体
２３・・・第３のペースト

Claims (10)

1. 発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電力を供給するためのリードと、前記発熱抵抗体及び前記リードが埋設されたセラミック基体とを備えたセラミックヒータであって、
   前記発熱抵抗体は、前記リードに接続される部分であって前記リードよりも幅が小さい接続部と、該接続部以外の部分である主要発熱部とを備え、
   前記リードは、前記接続部が接続される端部に、前記リードの長手方向の一方及び厚み方向の一方のみに開口する凹部を備え、
   前記接続部の少なくとも一部が前記凹部内に位置していることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記接続部の幅が、前記主要発熱部の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記接続部の厚みが、前記主要発熱部の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
4. 前記接続部の厚みが、前記リードの厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
5. 前記接続部と前記リードの接続面が曲面であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
6. 前記長手方向に垂直な断面における凹部の表面形状が、略円弧状であることを特徴とする請求項５に記載のセラミックヒータ。
7. 前記発熱抵抗体の比抵抗は、前記リードの比抵抗以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
8. 前記リードは、前記接続部が接続される端部の対向する位置にそれぞれ前記凹部を備え、２つの前記発熱抵抗体の、それぞれの接続部が、前記凹部内にそれぞれ位置していることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
9. 前記接続部全体が前記凹部内に位置していることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
10. 請求項１に記載のセラミックヒータと、該セラミックヒータの一方の端部が内方に位置する筒状の第１の金具と、該第１の金具内に位置して、前記第１の金具と離隔するとともに前記セラミックヒータと接続された第２の金具とを備えたグロープラグ。

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