JP5665971B2

JP5665971B2 - ヒータ

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Publication number: JP5665971B2
Application number: JP2013507446A
Authority: JP
Inventors: 小林　昭雄; 昭雄小林
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Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2015-02-04
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Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用若しくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、自動車エンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータ、測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータに関するものである。

ガスや灯油等を使用する各種燃焼機器の点火用ヒータ及び各種加熱機器の加熱用ヒータは、例えば、折返し形状をなした発熱体と、この発熱体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、発熱体および一対のリードを埋設した絶縁基体とを備えた構成となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−２９９０１０号公報

石油ファンヒータ等の点火用ヒータについては、着火後にヒータ温度が上がり過ぎないように燃焼状態を制御するため、制御回路からの制御信号をパルス化した駆動方法がとられることがある。

ここで、パルスとしては矩形波が用いられるが、このパルスの立ち上がり部分には高周波成分があり、発熱体の表面部分に高周波電流として流れる。ところが、発熱体に高周波電流が流れることにより、発熱体から多くの電波が発せられ、この電波が制御回路等にノイズとなって悪影響を及ぼすという問題が生じてきた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、パルス駆動の際に発熱体に高周波電流が流れても、制御回路等に悪影響を及ぼすのを抑制されたヒータを提供することを目的とする。

本発明のヒータは、発熱体と、該発熱体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、前記発熱体および前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備え、前記絶縁基体の内部における前記発熱体の周囲には、該発熱体から離れて複数の金属粒子があり、該複数の金属粒子および前記発熱体は、横断面形状が長軸方向を同じ向きとする楕円形状であることを特徴とするものである。

本発明のヒータによれば、発熱体と、該発熱体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、前記発熱体および前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備え、前記絶縁基体の内部における前記発熱体の周囲には、該発熱体から離れて複数の金属粒子があることで、高周波電流を流しても複数の金属粒子がシールドとなって電波が周囲の制御回路等まで飛ぶのを抑制し、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのを抑制することができる。また、該複数の金属粒子および前記発熱体は、横断面形状が長軸方向を同じ向きとする楕円形状であることで、ヒータが急冷却されて絶縁基体の表面よりクラックが入っても、クラックは金属粒子の長軸方向に沿って進展し、発熱体側にはクラックが進展しないため、発熱体が断線しない。また、発熱体が楕円形であることで、金属粒子の短軸方向の配置において、長軸方向の配置に比べて極端に個数を増やすことなく、金属粒子間の間隔を短くする（隙間を減らす）ことができ、クラックを金属粒子の分布に沿って進展させることができる。

（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿って切断した横断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した横断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。（ａ）および（ｂ）は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明のヒータの実施の形態の製造方法の一例の説明図である。本発明のヒータの実施の形態の製造方法の他の例の説明図である。本発明のヒータの実施の形態の製造方法の他の例の説明図である。

以下、本発明のヒータの実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿って切断した横断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した横断面図である。

本実施の形態のヒータは、図１に示すように、発熱体２と、発熱体２のそれぞれの端部に接合された一対のリード４と、発熱体２および一対のリード４を埋設した絶縁基体１とを備え、絶縁基体１の内部における発熱体２の周囲には、発熱体２から離れて複数の金属粒子３があることを特徴とするものである。

本実施の形態のヒータにおける絶縁基体１は、例えば棒状または板状に形成されたものである。この絶縁基体１には発熱体２および一対のリード４が埋設されている。ここで、絶縁基体１はセラミックスからなることが好ましく、これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータを提供することが可能になる。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等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。具体的には、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。特に、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。窒化珪素質セラミックスからなる絶縁基体１は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％のＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３，Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、所定の形状に成形し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。絶縁基体１の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに形成され、絶縁基体１の直径は例えば３〜５ｍｍに形成される。

なお、絶縁基体１として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合、ＭｏＳｉ_２，ＷＳｉ_２等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱体２の熱膨張率に近づけることができ、ヒータの耐久性を向上させることができる。

絶縁基体１に埋設された発熱体２は、図１に示す例では縦断面の形状が折返し形状をなしていて、先端に位置する折返し形状の中央付近（折返しの中間点付近）が最も発熱する発熱部となっている。この発熱体２は絶縁基体１の先端側に埋設されていて、発熱体２の先端（折返し形状の中央付近）から発熱体２の後端までの距離は例えば２〜１０ｍｍに形成される。なお、発熱体２の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよい。

発熱体２の形成材料としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができる。絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合、絶縁基体１との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱体２の材料として優れている。さらに、絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合、発熱体２は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加される窒化珪素の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスからなる絶縁基体１中において、発熱体２となる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱体２中に窒化珪素を添加することにより、発熱体２の熱膨張率を絶縁基体１の熱膨張率に近づけて、ヒータの昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。また、発熱体２に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱体２の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、発熱体２に含まれる窒化珪素の含有量は２０質量％〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２５質量％〜３５質量％がよい。また、発熱体２への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜１２質量％添加することもできる。

絶縁基体１に埋設されたリード４は、一端側で発熱体２に接続され、他端側は絶縁基体１の表面に導出されている。図１に示すものは、一端から他端にかけて折返し形状をなす発熱体２の両端部（一方の端部および他方の端部）にそれぞれリード４が接合されている。そして、それぞれのリード４は、一端が発熱体２の一端に接続され、他端が絶縁基体１の後端寄りの側面から導出されている。

このリード４は、発熱体２と同様の材料を用いて形成され、例えば、発熱体２よりも断面積を大きくしたり、絶縁基体１の形成材料の含有量を発熱体２よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。特に、絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合、ＷＣが絶縁基体１との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード４の材料として好適である。また、リード４は無機導電体であるＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を含有量が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素の含有量が増すにつれてリード４の熱膨張率を、絶縁基体１を構成する窒化珪素の熱膨張率に近づけることができる。また、窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、リード４の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は１５質量％〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２０質量％〜３５質量％とするのがよい。

なお、絶縁基体１の側面に導出されたそれぞれのリード４の端部には、接続金具５が電気的に接続されて、外部回路と接続される。

そして、図１（ｂ）に示すように、絶縁基体１の内部における発熱体２の周囲には、発熱体２から離れて複数の金属粒子３がある。この複数の金属粒子３は、発熱体２の長手方向の全ての領域にかけて発熱体２の周囲に設けられている。

複数の金属粒子３は、平均粒径が例えば０．１〜５０μｍの粒子であり、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、またはこれらの合金からなる。ここで、Ｆｅ、Ｎｉ、フェライト等の電波を吸収する電波吸収材料を使用するのが好ましく、電波が吸収されてヒータの外側に向けて電波が飛びにくくなる。この複数の金属粒子３は、発熱体２から例えば１μｍ以上離れた領域に分布しているのが、発熱体２と金属粒子３の絶縁性が保たれ、ノイズ発生が減少する点でよい。

発熱体２の周囲に複数の金属粒子３があることで、発熱体２に高周波電流を流しても複数の金属粒子３がシールドとなって電波が周囲の制御回路等まで飛ぶのを抑制することから、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのを抑制することができる。

ここで、図１（ｂ）に示す構成は複数の金属粒子３がランダムに分散しているものであるが、図２（ａ）に示すように、複数の金属粒子３が発熱体２の周囲に発熱体２を囲むようにあるのが好ましい。複数の金属粒子３が発熱体２を囲むようにあるとは、図２（ａ）に示すように横断面で見たときに、複数の金属粒子３が発熱体２の表面と絶縁基体１の表面との間に発熱体２を囲むように配置された構成、具体的には、複数の金属粒子３が絶縁基体１を発熱体２の表面と絶縁基体１の表面との間で仕切るように間隔ｄ１が例えば５μｍ以下となるように配置された構成を意味している。なお、図２（ｂ）または図２（ｃ）に示すように、横断面で見たときに、間隔ｄ１で配置された複数の金属粒子３の一部に、間隔ｄ１よりも大きな間隔（例えば１００〜５００μｍ）となる間隔ｄ２が設けられていてもよい。

複数の金属粒子３がこのように規則的に発熱体２を囲むようにある、すなわち複数の金属粒子３が発熱体２の表面と絶縁基体１の表面との間に発熱体２を囲むように配置されていることで、発熱体２の外側に電波が飛ぶのを抑制することから、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのをより抑制することができる。

さらに、発熱体２が折返し形状をなしている場合に、複数の金属粒子３が発熱体２の周囲を取り囲んでいるのが好ましい。複数の金属粒子３が発熱体２の周囲を取り囲んでいるとは、図３に示すように、複数の金属粒子３が発熱体２に沿って当該発熱体２を囲むように配置された構成、言い換えると、複数の金属粒子３が絶縁基体１を発熱体２の表面と絶縁基体１の表面との間のみならず、発熱体２と発熱体２との間でも仕切るように、例えば５μｍ以下の間隔ｄ１で発熱体２のまわりを一周取り囲んだ状態が発熱体２に沿って形成されていることを意味している。

複数の金属粒子３が規則的に発熱体２の周囲を取り囲んでいる、すなわち複数の金属粒子３が発熱体２に沿って当該発熱体２を囲むように配置されていることで、発熱体２から全方向に電波が飛ぶのを抑制することから、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのをさらに抑制することができる。

また、複数の金属粒子３が発熱体２に沿って当該発熱体２を囲むように配置されていることで、過剰な電圧が印加されて発熱体２と絶縁基体１との境界付近にクラックが発生した場合に、金属粒子３部分は絶縁基体１より強度が弱いことから、クラックは金属粒子３の分布に沿って進展するようになり、クラックが外周（絶縁基体１の表面）まで進展しにくく、発熱体２が高温状態で大気にさらされず酸化しなくなるとの効果も奏する。さらに、金属粒子３が発熱体２に沿って当該発熱体２を囲むように配置されていることで、発熱体２が急冷却されて絶縁基体１の表面よりクラックが入っても、金属粒子３部分は絶縁基体１より強度が弱いことから、クラックは金属粒子３の分布に沿って進展するようになり、発熱体２側にはクラックが進展しにくく、発熱体２が断線しなくなるとの効果も奏する。

また、図４に示すように、複数の金属粒子３および発熱体２は、横断面形状が長軸方向を同じ向きとする楕円形状である。例えば、金属粒子３の短軸の平均長さＬ１は０．１〜５０μｍで、短軸に対する長軸の長さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は２〜１０である。また、発熱体２の短軸の長さＬ３は５〜２００μｍで、短軸に対する長軸の長さＬ４の比（Ｌ４／Ｌ３）は１．５〜１００である。この構成によれば、ヒータが急冷却されて絶縁基体１の表面よりクラックが入っても、クラックは金属粒子３の長軸方向に沿って進展し、発熱体２側にはクラックが進展しないため、発熱体２が断線しない。また、発熱体２が楕円形であることで、金属粒子３の短軸方向の配置において、長軸方向の配置に比べて極端に個数を増やすことなく、金属粒子３間の間隔を短くする（隙間を減らす）ことができ、クラックを金属粒子３の分布に沿って進展させることができる。

また、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、複数の金属粒子３が互いに接しているのが好ましい。なお、互いに接しているとは、横断面を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）装置１００倍画像により観察したときに接して見えることをいう。金属粒子３同士が互いにくっついていることで、発熱体２の周囲が隙間無く金属粒子３で囲まれるから、高周波電流を流しても電波が外部に漏れず、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのをさらに抑制できる。

また、図１（ｃ）に示すように、一対のリード４のそれぞれの周囲にも複数の金属粒子３があるのが好ましい。電子は高温になると振動して動きやすくなる為、電波が飛びやすくなることから、発熱体２から電波が多く飛ぶことになるが、発熱体２に比べて少ないながらもリード４からも電波が飛ぶので、一対のリード４のそれぞれの周囲にある複数の金属粒子３がシールドとなって電波がリード４から周囲の制御回路等まで飛ぶのを抑制することから、制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼすのをさらに抑制することができる。

次に、本実施の形態のヒータの製造方法について説明する。

まず、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス等のセラミック粉末に、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２等の焼結助剤を含有させて絶縁基体１の原料となるセラミック粉体を作製する。

次に、そのセラミック粉体をプレス成型にて成型体を作製するか、あるいは、セラミック粉体をセラミックスラリーに調製し、シート状に成形して、セラミックグリーンシートを作製する。ここで、得られた成型体またはセラミックグリーンシートは、半割状態の絶縁基体１となるものである。

次に、図６（ａ）に示すように、得られた成型体あるいはセラミックグリーンシートの一方の主面に、スクリーン印刷等の手法を用いて金属粒子ペーストを印刷して、金属粒子ペースト層６１を形成する。ここで、金属粒子ペーストは、平均粒径０．１〜５０μｍの金属粒子、セラミック粉体、バインダー、有機溶剤等を調合して混錬したものである。

そして、金属粒子ペースト層６１の上に金属粒子ペースト層６１の幅よりわずかに狭くなるように絶縁ペーストを印刷して絶縁ペースト層６２を形成し、成型体７ａを得る。ここで、絶縁ペーストは、セラミック粉体、バインダー、有機溶剤等を調合して混錬したものである。

なお、金属粒子ペースト層６１の厚みおよび絶縁ペースト層６２の厚みを適宜調整したり、金属粒子ペースト層６１に絶縁ペースト層６２、後述する発熱体用導電性ペースト６３、および後述するリード用導電性ペースト６４を埋め込むように形成したりことで、複数の金属粒子３の分布状態を変更することができる。

次に、図６（ｂ）に示すように、成型体７ａにおける絶縁ペースト層６２の上に発熱体２となる発熱体用導電性ペースト６３およびリード４となるリード用導電性ペースト６４のパターンをそれぞれ印刷して、成型体７ｂを得る。ここで、発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４の材料としては、絶縁基体１となる成型体との同時焼成が可能なＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものを用いる。発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４は、これらの高融点金属にセラミック粉体、バインダー、有機溶剤等を調合して混練することで作製できる。

このとき、ヒータの用途に応じて、発熱体用導電性ペースト６３、リード用導電性ペースト６４のパターンの長さ・線幅、折り返しパターンの距離・間隔などを変更することにより、発熱体２の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定する。また、リード４は、リード用導電性ペースト６４にかえて、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂなどの金属リード線を用いて形成してもよい。

得られた成型体７ａと成型体７ｂとを重ね合わせることで、内部に発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４によるパターンが形成され、これらのまわりに絶縁ペースト層６２を介して金属粒子ペースト層６１を有する成型体が得られる。

次に、得られた成形体を１５００〜１８００℃で焼成することにより、ヒータを作製することができる。なお、焼成は不活性ガス雰囲気中、もしくは還元雰囲気中で行なうことが好ましい。また、圧力を加えた状態で焼成することが好ましい。

以上の方法により、例えば図２（ａ）のような形態が形成される。この形態にかえて、図７（ａ）に示すように発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４の形成領域近傍のみに金属粒子ペースト層６１を形成するとともに絶縁ペースト層６２をベタ塗りでパターンを形成した後、図７（ｂ）に示すように発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４を形成することで、図２（ｂ）のような形態とすることができる。また、図８（ａ）に示すように発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４の形成領域近傍のみに金属粒子ペースト層６１を形成するとともに絶縁ペースト層６２を金属粒子ペースト層６１よりも狭い幅に形成した後、図８（ｂ）に示すように発熱体用導電性ペースト６３およびリード用導電性ペースト６４を形成することで、図３のような形態とすることができる。

また、ホットプレス焼成の条件を高温・高圧にすることで、積層方向に高い圧力が加わり、複数の金属粒子３および発熱体２の横断面形状を楕円形とし、金属粒子３の長軸方向を発熱体２の長軸方向に平行な向き、換言すれば、複数の金属粒子３および発熱体２の横断面形状を長軸方向が同じ向きとなる楕円形状とすることができる。

また、複数の金属粒子３が互いに接しているようにするには、金属粒子ペーストの金属粉末を５０質量％以上にすることで製造できる。

本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。

まず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末８５質量％に、焼結助剤としてイッテリビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）粉末等からなる焼結助剤１５質量％を添加したセラミック粉体を作製した。

そして、このセラミック粉体をプレス成型法にて成型した。

次に、前記セラミック粉体とＷ粉末とを後述する比率で混合した混合物１００質量部に、外添でバインダー２質量部を調合した金属粒子ペーストを用いて、スクリーン印刷法にて、成型体の一方の主面に金属粒子ペースト層を形成した。

次に、前記セラミック粉体１００質量部に、外添でバインダー２質量部を調合したセラミックペーストを用いて、スクリーン印刷法にて、金属粒子ペースト層の上に、絶縁ペースト層を形成し、成型体を得た。

次に、ＷＣ粉末７０質量％とセラミック粉体３０質量％との混合物１００質量部に、バインダー２質量部を調合した発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷法にて絶縁ペースト層の上に発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストを形成し、成型体７ｂを得た。

そして、成型体７ａと成型体７ｂを重ね合わせることで、絶縁基体の内部に発熱体、リード、および複数の金属粒子を有する成型体を得た。

次に、得られた成形体を円筒状の炭素製の型に入れた後、還元雰囲気中で、１７００℃の温度、３５ＭＰａの圧力でホットプレス焼成を行ない、焼結してヒータを作製した。

次に、得られた焼結体をφ４ｍｍ、全長４０ｍｍの円柱状に研磨加工し、表面に露出したリード端部（端子部）にコイル状のＮｉからなる接続金具をロウ付けしてヒータを作製した。

ここで、金属粒子ペースト層に含まれるＷの量、金属粒子ペースト層と絶縁ペースト層との印刷厚みおよび形状を変えることで、下記の試料を作製した。

試料番号１は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が５質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚み３００μｍの金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように、印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成して、図６に示すような成型体７ａを得た。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストとリード用導電性ペーストとを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷し、成型体７ｂを得た。

そうすることで、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示す形態のように、発熱体２およびリード４から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２およびリード４の周囲にランダムに分布したものを作製した。

試料番号２は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が１０質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚みを１０μｍとして、中心部を空洞とした金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように、印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成し、図７に示すような成型体７ｃを得た。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストとリード用導電性ペーストとを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷し、成型体７ｄを得た。金属粒子ペースト層中心部の空洞は、発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストの対向する部分のギャップに対して、４０μｍ内側になるようにした。

そうすることで、図２（ｂ）に示す形態のように、発熱体２およびリード４から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２およびリード４の全体を囲むように分布したもの（複数の金属粒子３が発熱体２の表面と絶縁基体１の表面との間に発熱体２を囲むように配置されたもの）を作製した。

試料番号３は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が１０質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚みを１０μｍとして、中心部を空洞とした金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように、中心部を空洞として、印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成し、図８に示すような成型体７ｅを得た。金属粒子ペースト層中心部の空洞は、絶縁ペースト層の中心部の空洞に対して、２００μｍ内側になるようにした。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストとリード用導電性ペーストとを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷し、成型体７ｆを得た。絶縁ペースト層中心部の空洞は、発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストの対向する部分のギャップに対して、４０μｍ内側になるようにした。

そうすることで、図３に示す形態のように、発熱体２およびリード４から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２およびリード４の周囲を取り囲んで分布したもの（発熱体２が折返し形状をなし、複数の金属粒子３が発熱体２に沿って当該発熱体２を囲むように配置されたもの）を作製した。

試料番号４は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が５０質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚みを１０μｍとして、中心部を空洞とした金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように、中心部を空洞として、印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成し、図８に示すような成型体７ｅを得た。金属粒子ペースト層中心部の空洞は、絶縁ペースト層の中心部の空洞に対して、２００μｍ内側になるようにしている。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストとリード用導電性ペーストとを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷し、成型体７ｆを得た。絶縁ペースト層中心部の空洞は、発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストの対向する部分のギャップに対して、４０μｍ内側になるようにした。

そうすることで、図５（ｂ）に示す形態のように、発熱体２およびリード４から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２およびリード４の周囲を取り囲み、金属粒子ペーストのＷ含有量を増やしたことで、複数の金属粒子３の少なくとも１ヶ所以上が、他の金属粒子３と接合しているものを作製した。

試料番号５は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が５質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚みを３００μｍとして、発熱体部分のみ金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成した。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷した。

そうすることで、発熱体２から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２周囲にのみランダムに分布したものを作製した。

試料番号６は、金属粒子ペーストに含まれるＷ粉末含有量が１０質量％、残部がセラミック粉体となるよう調製し、印刷厚みを２０μｍとして、中心部を空洞とした金属粒子ペースト層を形成した。その上に、金属粒子ペースト層より１００μｍ内側になるように、中心部を空洞として、印刷厚み２０μｍの絶縁ペースト層を形成し、図８に示すような成型体７ｅを得た。金属粒子ペースト層中心部の空洞は、絶縁ペースト層の中心部の空洞に対して、２００μｍ内側になるようにしている。さらにその上に、発熱体用導電性ペーストとリード用導電性ペーストとを絶縁ペースト層より２０μｍ内側になるように印刷し、成型体７ｆを得た。絶縁ペースト層中心部の空洞は、発熱体用導電性ペーストおよびリード用導電性ペーストの対向する部分のギャップに対して、４０μｍ内側になるようにしている。さらに、ホットプレスの温度を１７８０℃、圧力を５０ＭＰａの高温・高圧にした。

そうすることで、金属粒子３と発熱体２およびリード４を横断面楕円形にし、発熱体２およびリード４から１０μｍ以上離れて、複数の金属粒子３が発熱体２およびリード４と長軸方向を同じ向きとして発熱体２およびリード４の周囲を取り囲んで分布したものを作製した。

試料番号７は、比較評価用のヒータであり、発熱体２の周囲に複数の金属粒子３がない比較例のヒータを準備した。

そして、準備した各試料のヒータに、印加電圧１００Ｖ、パルス幅１０μｓ、パルス間隔１μｓの矩形パルスを連続通電した。具体的には、ループアンテナにオシロスコープを接続し、アンプにて増幅して信号を読み取り、ノイズの比較を行った。ここで、ループアンテナは線径φ１の線でφ１０のループをつくっている。また、ループアンテナをヒータの発熱体２およびリード４から５ｃｍ離した位置で信号を読み取った。その評価結果を表１に示す。

表１に示す結果によれば、発熱体２の周囲に複数の金属粒子３がない試料番号７のヒータは、ノイズ電圧が周囲の制御回路に悪影響を与える可能性の極めて高い５００ｍＶを超えた値となっている。これに対し、本発明実施例である試料番号１〜６のヒータは、ノイズ電圧が１００ｍＶ以下に抑えることができていることがわかる。

次に、本発明実施例である試料番号３のヒータと比較例である試料番号７のヒータについて、過剰な電圧が印加された時のクラックの進展度合いを評価する過電圧試験を行った。具体的には、各試料に２５０Ｖを印加し、１５００℃に到達したら電圧印加をオフした。これを繰り返し５回行った。その後、ヒータの発熱体に近い絶縁基体表面を実体顕微鏡４０倍にて観察し、クラックの有無を確認した。

その結果、試料番号７のヒータは表面にクラックが発生していたが、試料番号３のヒータは表面にクラックが発生していなかった。

そして、横断面にて試料番号３のヒータと試料番号７のヒータとを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）１００倍画像（日本電子製ＪＳＭ−６７００）にて観察したところ、試料番号３のヒータは発熱体の周囲のクラックが金属粒子部分でとまって、ヒータ表面までクラックは進展していなかった。これに対し、試料番号７は発熱体２の周囲からヒータ表面までクラックが進展していた。

次に、本発明実施例である試料番号３、試料番号６のヒータと比較例である試料番号７のヒータについて、ヒータが急冷却された時の断線の比較をする急水冷試験を行った。具体的には、各試料の温度が１２００℃になるように電圧を印加し、その状態で２５℃の水中に先端５ｍｍ部分を１秒間浸漬した。試験前後の抵抗値をデジタルマルチメータ（ＨＩＯＫＩ製抵抗計３５４１）にて測定し、断線の有無を確認した。さらに、ヒータ表面を実体顕微鏡４０倍にて観察し、クラックの有無を確認した。

その結果、試料番号３および試料番号６のヒータは、表面にクラックが発生していたものの、試験前後での抵抗値変化が無く、断線していなかった。これに対し、試料番号７のヒータは、ヒータ表面にはクラックが発生し、試験後の抵抗値が無限大となって断線していることがわかった。

そして、横断面にて試料番号３、試料番号６のヒータと試料番号７のヒータとを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）１００倍画像（日本電子製ＪＳＭ−６７００）にて観察したところ、試料番号３および試料番号６のヒータは表面から入ったクラックが金属粒子部分でとまり、発熱体までクラックは進展していなかった。なお、試料番号３のヒータはクラックの終端が金属粒子に沿わず絶縁基体に流れていて、試料番号６のヒータはクラックが終端まで金属粒子の分布に沿っていた。これに対し、試料番号７のヒータは、表面から入ったクラックが発熱体まで進展して、発熱体が断線していることが確認された。

１：絶縁基体
２：発熱体
３：金属粒子
４：リード
５：接続金具
６１：金属粒子ペースト層
６２：絶縁ペースト層
６３：発熱体用導電性ペースト
６４：リード用導電性ペースト
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ：成型体

Claims

発熱体と、
該発熱体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、
前記発熱体および前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備え、
前記絶縁基体の内部における前記発熱体の周囲には、該発熱体から離れて複数の金属粒子があり、
該複数の金属粒子および前記発熱体は、横断面形状が長軸方向を同じ向きとする楕円形状であることを特徴とするヒータ。
前記複数の金属粒子は、前記発熱体の表面と前記絶縁基体の表面との間に前記発熱体を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記発熱体が折返し形状をなしていて、前記複数の金属粒子は、前記発熱体に沿って当該発熱体を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記複数の金属粒子は互いに接していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のヒータ。
前記一対のリードのそれぞれの周囲にも該一対のリードから離れて複数の金属粒子があることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載のヒータ。