JP5748918B2

JP5748918B2 - ヒータ

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Publication number: JP5748918B2
Application number: JP2014533102A
Authority: JP
Inventors: 神谷　哲; 哲神谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: WO2014034834A1; JPWO2014034834A1

Description

本発明は、ヘアアイロン、水加熱用ヒータ、酸素センサ、空燃比センサ、グロープラグまたは半導体製造装置等に用いられるヒータに関するものである。

ヒータとして、例えばアルミナを主成分とするセラミック基体の中にタングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属から成る抵抗体を埋設したヒータが利用されている。このようなヒータは、特開２００１−５７２８４号公報などに開示されている。

近年、例えば、酸素センサのようにヒータの周りに電子部品が配置される場合が多くなってきている。そして、今後、電子部品の高集積化がさらに進んだ場合には、ヒータに通電した場合に発生する伝導性ノイズが、抵抗体を流れる際に放射性ノイズとして放出されて、ヒータの周囲に配置された電子部品に影響を及ぼし、誤作動を引き起こすことが予想される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、放射性ノイズの発生を低減することが可能なヒータを提供することを目的とする。

本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体とを備えたヒータであって、前記抵抗体はタングステンを主成分とする第１の導体粒子およびモリブデンを主成分とする第２の導体粒子を含み、前記第１の導体粒子が前記第２の導体粒子の主成分を副成分として有するとともに、前記第２の導体粒子が前記第１の導体粒子の主成分を副成分として有しており、前記第１の導体粒子および前記第２の導体粒子のそれぞれの導体粒子に含まれる副成分は、それぞれの導体粒子の表層部に多く分布しているものである。

（ａ）は本発明のヒータの一実施形態を概略的に示す一部透過斜視図、（ｂ）は本発明の要部の一例を示す抵抗体の拡大図である。本発明の要部の他の例を示す抵抗体の拡大図である。本発明の要部の他の例を示す抵抗体の拡大図である。

以下、本発明のヒータの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明のヒータの一実施形態を概略的に示す一部透過斜視図である。図１（ｂ）は本発明の要部の一例を示す抵抗体２の拡大図である。

本実施の形態のヒータは、絶縁基体１と、絶縁基体１に埋設された抵抗体２とを備えたヒータである。抵抗体２はタングステン（Ｗ）を主成分とする第１の導体粒子２１およびモリブデン（Ｍｏ）を主成分とする第２の導体粒子２２を含む。第１の導体粒子２１が第２の導体粒子２２の主成分を副成分２１０として有するとともに、第２の導体粒子２２が第１の導体粒子２１の主成分を副成分２２０として有する。つまり、Ｗを主成分とする第１の導体粒子２１が副成分２１０としてＭｏを有するとともに、Ｍｏを主成分とする第２導体粒子２２が副成分２２０としてＷを有する。

絶縁基体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の絶縁性を備えたセラミックスから成る。具体的には、このようなセラミックスとして、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または炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。本実施形態のヒータにおいては、絶縁基体１はアルミナ質セラミックスから成る。これにより、ヒータの耐酸化性を向上できる。

絶縁基体１は棒状の部材である。絶縁基体１は、円柱状のセラミック芯材１１の外周にセラミック層１２が取り巻くように設けられて形成される。絶縁基体１が棒状、特に円柱状の場合には、外径を例えば１〜３０ｍｍ、長手方向の長さを例えば５〜２００ｍｍに設定できる。また、絶縁基体１は、板状の部材であってもよい。絶縁基体１が板状の場合には、主面の大きさは例えば５〜２００ｍｍ角に設定でき、厚みは例えば１〜３０ｍｍに設定できる。

また、絶縁基体１には、抵抗体２が埋設されている。抵抗体２は、セラミック芯材１１とセラミック層１２との間の所定の領域に、板状または線状に設けられている。抵抗体２が線状の場合には、抵抗体２は、例えば、ミアンダ状、渦巻き状または波形状等に形成される。抵抗体２の線幅は、例えば０．１〜５ｍｍであり、厚みは０．０１〜１ｍｍである。

そして、抵抗体２はＷを主成分とする第１の導体粒子２１およびＭｏを主成分とする第２の導体粒子２２を含む。第１の導体粒子２１が第２の導体粒子２２の主成分を副成分２１０として有するとともに、第２の導体粒子２２が第１の導体粒子２１の主成分を副成分２２０として有する。第１の導体粒子２１および第２の導体粒子２２の平均粒径は、例えば、それぞれ０．１〜４μｍである。

なお、第１の導体粒子２１が第２の導体粒子２２の主成分を副成分２１０として有するとともに、第２の導体粒子２２が第１の導体粒子２１の主成分を副成分２２０として有するとは、１つの導体粒子中に相対的に多く含まれる成分と少なく含まれる成分とが存在することを意味する。これは、切断した断面の組織を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析することにより観察することができる。

この構成によれば、Ｗの導体粒子とＭｏの導体粒子とがそれぞれ独立して存在している場合と比較して、各導体粒子の抵抗値のばらつきを低減できる。そのため、電流をスムーズに流すことができる。したがって、ヒータから発生する放射性ノイズを減衰させることができる。その結果、放射性ノイズによる周囲の電子部品への影響を低減することができる。また、上記の構成によって、原子間のすべりが起きにくくなることから抵抗体２の強度を向上させることができる。

その結果、導体粒子間にクラックが生じることを低減できる。これにより、抵抗体２が断線する可能性を低減できる。その結果、ヒータの耐久性を向上させることができる。

また、図２に示すように、第１の導体粒子２１および第２の導体粒子２２の間にガラス２５が含まれているのが好ましい。ガラス２５としては、例えば二酸化ケイ素を主成分とするガラスであって、副成分として酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムが含まれるもの等が挙げられる。このようなガラス２５の熱膨張係数は抵抗体２の熱膨張係数よりも小さいので、高温時に絶縁基体１から導体粒子間を引き剥がそうとする力が働いたとしても、ガラス２５が導体粒子を引っ張ることによって、導体粒子間におけるクラックの発生を低減できる。その結果、抵抗体２が断線する可能性を低減できる。これにより、ヒータの耐久性を向上できる。

また、図３に示すヒータにおいては、第１の導体粒子２１および第２の導体粒子２２のそれぞれの導体粒子に含まれる副成分２１０、２２０は、それぞれの導体粒子の表面を含む表層部に多く分布している。一般的に、伝導性ノイズは導体粒子の表層部を多く伝わる。そこで、導体粒子の表層部に副成分の金属を多く分布させておくことによって、伝導性ノイズが多く伝わる部分において抵抗値のばらつきを低減することができる。そのため、伝導性ノイズがよりスムーズに伝わるので、抵抗体２における放射性ノイズの発生を低減することができる。その結果、放射性ノイズによる周囲の電子部品への影響を低減できる。

なお、表層部とは導体粒子の表面から粒径の１０％の範囲内の領域のことを意味する。導体粒子の表層部に副成分が多く分布していることは、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いることにより、観察することができる。

ヒータは、図１に示すように、電極パッド３と電源配線４とを有する。電極パッド３は、絶縁基体１の表面に形成されており、抵抗体２に電気的に接続されている。電極パッド３は、例えば、Ｗから成る。また、電源配線４は、電極パッド３に電気的に接続されている。電源配線４は電極パッド３上に設けられている。電極パッド３および電源配線４は、抵抗体２に外部電極（図示せず）から電力を供給するための部材である。

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、絶縁基体１を作製するために、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または炭化珪素質セラミックス等のセラミック成分に、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯまたはＺｒＯ_２等の焼結助剤を含有させて調製したセラミックスラリーを準備する。このセラミックスラリーを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。または、上記成分を混合してプレス成型や押し出し成型等で板状または棒状の成型体を作製する。

この絶縁基体１と成るセラミックグリーンシートまたは成型体の一方の主面に、抵抗体２と成る導電性ペーストのパターンをそれぞれスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。抵抗体２の材料としては、絶縁基体１との同時焼成によって作製が可能なＷおよびＭｏを主成分とするものを用いる。

より具体的には、抵抗体２の導体材料としては、例えばＷの主粒子、Ｗの微粒子、Ｍｏの主粒子およびＭｏの微粒子を用いる。Ｗの主粒子およびＭｏの主粒子は、例えば平均粒径が２〜３μｍ程度である。また、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子は、例えば平均粒径が０．１〜０．５μｍ程度である。さらに、このＷの微粒子およびＭｏの微粒子の表面を酸化させておく。具体的には、Ｗの微粒子に関しては、真空炉にＷの微粒子の粉末を入れて、酸素と窒素とを一定量流しながら５００℃で加熱することによって、Ｗの微粒子の表面を酸化させることができる。また、Ｍｏの微粒子に関しては、真空炉にＭｏの微粒子の粉末を入れて、酸素と窒素とを一定量流しながら４００℃で加熱することによって、Ｍｏの微粒子の表面を酸化させることができる。ここで、Ｗの主粒子およびＭｏの主粒子と、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子との重さの割合は１０：１程度に設定できる。

表面が酸化された微粒子を導体材料に加えることによって、主粒子との反応性を向上させることができる。これにより、後述する焼成工程において、融点以下の低い温度でも微粒子の表面活性が上がることによって、微粒子が主粒子中に入り込みやすくなる。

したがって、第１の導体粒子２１が第２の導体粒子２２の主成分を副成分２１０として有するとともに、第２の導体粒子２２が第１の導体粒子２１の主成分を副成分２２０として有する構成とすることができる。

特に、微粒子の表面を酸化させることによって、主粒子への入り込みやすさを向上させることができるのは、以下の理由によるものと推測される。具体的には、微粒子の表面を酸化させることによって、主粒子をとりまく液状の焼結助剤にぬれ易くなることから、微粒子が焼結助剤中に入り込みやすくなる。焼結前の主粒子は焼結助剤に囲まれているから、焼結助剤中に微粒子が入り込み易くなることによって、微粒子が主粒子に接触する可能性が向上する。その結果、微粒子が主粒子に入り込む可能性が向上する。

また、第１の導体粒子２１および第２の導体粒子２２の粒界にガラス２５が含まれている構成とするためには、導体材料の調合時にガラス粉末を添加すればよい。例えば、Ｗの主粒子、Ｗの微粒子、Ｍｏの主粒子およびＭｏの微粒子の合計に対して、ガラス粉末を０．００１〜０．１質量％の割合で添加すればよい。

また、導電性ペーストは、これらの高融点金属に適宜セラミック原料、バインダーまたは有機溶剤等を調合し混練することで、作製できる。

このとき、ヒータの用途に応じて、抵抗体２と成る導電性ペーストのパターンの長さ、折り返しパターンの距離および間隔ならびにパターンの線幅を変更することにより、抵抗体２の発熱位置および抵抗値を所望の値に設定する。

そして、このパターンが形成されたセラミックグリーンシートまたは成型体に、さらに同一材質のセラミックグリーンシートまたは成型体を積層して密着させる。このとき、抵抗体２と成るパターンが形成されたセラミックグリーンシートの裏面に電極パッド３となるパターンを設けておき、抵抗体２と成るパターンと電気的に接続しておく。上記のようにして、内部に抵抗体２を有する絶縁基体１と成る棒状または板状の成型体が得られる。

次に、得られた成形体を１５００〜１６００℃程度で焼成する。焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なう。このとき、第１の導体粒子２１および第２の導体粒子２２のそれぞれの導体粒子に含まれる副成分２１０、２２０が、それぞれの導体粒子の表層部に多く分布している構成とするためには、この焼成時間を短く設定すればよい。具体的には、例えば、常温から１５００℃までの上昇に１８時間、１５００℃の状態で３時間、その後、１５００℃から５０℃までの下降に１５時間かけて焼成を行なえばよい。このように、ＷおよびＭｏの微粒子の拡散が進行する１５００〜１６００℃の時間を短く設定することにより、導体粒子の表層部に副成分が多く分布する構成とすることができる。

さらに絶縁基体１の主面の電極パッド３上に電解メッキにてＮｉメッキ膜を設ける。さらに、このＮｉメッキ膜に電源配線４を接合する。電源配線４の接合には、例えば、Ａｇロウを用いることができる。

以上のようにして、ヒータを作製することができる。

本発明のヒータの実施例を以下のようにして作製した。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調整したセラミックグリーンシートを作製した。

そして、Ｗの主粒子として平均粒径が２μｍのＷ粉末、Ｗの微粒子として平均粒径が０．１μｍのＷ粉末、Ｍｏの主粒子として平均粒径が２μｍのＭｏ粉末およびＭｏの微粒子として平均粒径が０．１μｍのＭｏ粉末を準備した。Ｗの主粒子およびＭｏの主粒子と、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子との重さの割合は１０：１程度に設定した。

なお、これらの粒径は、フィッシャー・サブ・シーブ・サイザー法によって測定した。さらに、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子に関しては、真空炉にこれらの粉末を入れるとともに、酸素と窒素とを一定量流しながら加熱することによって、Ｗの微粒子とＭｏの微粒子の表面を酸化させた。次に、Ｗの主粒子、Ｗの微粒子、Ｍｏの主粒子およびＭｏの微粒子をバインダーと共に混合することによって、導電性ペーストを作製した。

そして、このセラミックグリーンシートの表面に、抵抗体２および電極パッド３と成るＭｏおよびＷを主成分とする導電性ペーストを、スクリーン印刷法にてそれぞれのパターンに印刷した。これらが印刷されたセラミックグリーンシートと、セラミックグリーンシートと同一材料を押し出し成型で作製した棒状の成型体とを、同一の組成のセラミックスを分散させた積層液を塗布して積層して、棒状の積層体を得た。

こうして得られた棒状の積層体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気（窒素雰囲気）中で焼成した。

次に、絶縁基体の主面の電極パッド３上に電解メッキにて厚みが２〜４μｍのＮｉメッキ膜を設けた。さらに、電極パッド３と電源配線４とをＡｇロウによって接合した。電源配線としては、ニッケル（Ｎｉ）から成り、直径が０．８ｍｍ、長さが５０ｍｍのものを用いた。

このようにして、試料１のヒータを作製した。

また、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子の表面の酸化を行なわずに導電性ペーストを作製して、試料２のヒータを作製した。表面の酸化の有無以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料２の作製条件とは同一である。

また、平均粒径が０．３μｍであるＷの微粒子および平均粒径が０．３μｍであるＭｏの微粒子を用いて、試料３のヒータを作製した。Ｗの微粒子の粒径およびＭｏの微粒子の粒径以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料３の作製条件とは同一である。

また、平均粒径が１．５μｍであるＷの微粒子および平均粒径が１．５μｍであるＭｏの微粒子を用いて、試料４のヒータを作製した。Ｗの微粒子の粒径およびＭｏの微粒子の粒径以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料４の作製条件とは同一である。

また、平均粒径が１μｍであるＷの主粒子および平均粒径が１μｍであるＭｏの主粒子を用いて、試料５のヒータを作製した。Ｗの主粒子の粒径およびＭｏの主粒子の粒径以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料５の作製条件とは同一である。

また、平均粒径が３μｍであるＷの主粒子および平均粒径が３μｍであるＭｏの主粒子を用いて、試料６のヒータを作製した。Ｗの主粒子の粒径およびＭｏの主粒子の粒径以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料６の作製条件とは同一である。

また、平均粒径が５μｍであるＷの主粒子および平均粒径が５μｍであるＭｏの主粒子を用いるとともに、Ｗの微粒子およびＭｏの微粒子を用いずに試料７のヒータを作製した。Ｗの主粒子の粒径およびＭｏの主粒子の粒径ならびにＷの微粒子の有無およびＭｏの微粒子の有無以外の条件に関しては、試料１の作製条件と試料７の作製条件とは同一である。

上記の試料１〜７の作製条件の主要部分を表１にまとめた。

得られた試料１〜７のヒータを、抵抗体２を含む領域で切断して研磨した後に、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による分析を行なった。その結果、表２に示すように、試料１、３、５、６に関しては、Ｗの主粒子の中にＭｏの微粒子が入り込んでいる様子およびＭｏの主粒子の中にＷの微粒子が入り込んでいる様子が確認できた。つまり、試料１、３、５、６が本発明の構成になっていることが確認できた。また、試料２、４、７に関しては、Ｗの主粒子の中にＭｏの微粒子が入り込んでいる様子もＭｏの主粒子の中にＷの微粒子が入り込んでいる様子も確認できなかった。

特に試料１と試料２との比較から、微粒子の入り込みが起こるには微粒子の表面が酸化されている必要があることが分かった。さらに、試料１〜４の比較から、それぞれの微粒子が大きすぎる場合にも、微粒子の入り込みが起こらないことが分かった。

また、試料１〜７に対して、直流電流を流すとともに、オシロスコープを用いてヒータに流れるパルス波形および放射性ノイズを確認した。その結果、試料１、３、５、６に関しては、通電と同時にパルス波形が急峻になり、伝導性ノイズがが確認されたが、放射性ノイズは観測されなかった。一方、試料２、４、７に関しては、通電と同時にパルス波形が急峻になり、伝導性ノイズが確認された。さらに、同時にこの伝導性ノイズが抵抗体２を伝わったことによって生じたと思われる放射性ノイズが観察された。

ここで、試料１、３、５、６に関して、ノイズが観測されなかった理由は、Ｗの導体粒子とＭｏの導体粒子がそれぞれ独立して存在している場合と比較して、各導体粒子の抵抗値のばらつきを低減でき、伝導性ノイズをスムーズに伝えることが可能になったためと思われる。

１：絶縁基体
１１：セラミック芯材
１２：セラミック層
２：抵抗体
２１：第１の導体粒子
２１０：副成分
２２：第２の導体粒子
２２０：副成分
２５：ガラス

Claims

絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体とを備えたヒータであって、前記抵抗体はタングステンを主成分とする第１の導体粒子およびモリブデンを主成分とする第２の導体粒子を含み、前記第１の導体粒子が前記第２の導体粒子の主成分を副成分として有するとともに、前記第２の導体粒子が前記第１の導体粒子の主成分を副成分として有しており、前記第１の導体粒子および前記第２の導体粒子のそれぞれの導体粒子に含まれる副成分は、それぞれの導体粒子の表層部に多く分布しているヒータ。