JP6978347B2 - 加熱容器 - Google Patents

Description

本発明は、容器内の試料を加熱することのできる加熱容器に関するものである。

医薬品の開発や医学研究において、細胞などの生体試料を培養容器に入れ、加熱しながら顕微鏡で観察することが行なわれている。このような観察に用いられる観察装置においては、観察装置に加熱装置が設けられ、試料の入った容器を加熱しながら観察するものである（例えば、特許文献１および特許文献２を参照。）。

特開２００７−１０８４４５号公報 特開２００９−２９６９３８号公報

しかしながら、このような観察装置においては、容器を外部から加熱しているため、容器内の試料の加熱に時間を要するものであり、また、加熱装置が容器の一部、例えば底面に接触しているだけなので、容器内の均熱がよいものではなかった。そのため、短時間で加熱でき、均熱性に優れた加熱容器が求められている。

本発明の１つの態様の加熱容器は、セラミックスからなる複数の絶縁層が積層されてな
り、凹部を有する第１面と該第１面と対向する第２面とを有する絶縁基体と、該絶縁基体の内部であって前記凹部と前記第２面との間に設けられているヒータと、前記凹部と前記絶縁基体の側面との間において前記絶縁層を貫通し、前記凹部を取り囲むように配列されている複数の柱状伝熱体を含む伝熱体と、前記ヒータに接続されており、前記第２面に設けられている端子電極とを有しており、前記伝熱体は、前記凹部と前記側面との間の前記絶縁層の層間に設けられ、前記柱状伝熱体が接続されている、前記凹部を囲む環状の環状伝熱体をさらに含んでおり、隣接する２つの前記絶縁層の間に設けられている前記柱状伝熱体は、平面透視で互いに重なっていない。

本発明の１つの態様の加熱容器によれば、ヒータを内蔵しているので短時間で容器内の試料を加熱することができ、凹部の周囲に伝熱体を有しているので凹部の内面が均熱になって試料を均熱に加熱することができる。

加熱容器の一例の外観を示しており、（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。 図１に示す加熱容器を示しており、（ａ）は第１面側からの平面図（上面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、（ｃ）は第２面側からの平面図（下面図）である。 加熱容器の他の例を示しており、（ａ）は第１面側からの平面図（上面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 （ａ）および（ｂ）はいずれも加熱容器の伝熱体の構成の一例を示す斜視図である。 加熱容器の他の例を示しており、（ａ）は第１面側からの平面図（上面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例の外観を示しており、（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。 図６に示す加熱容器を示しており、（ａ）は第２面側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例を示しており、（ａ）は第２面側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例を示しており、（ａ）は第２面側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例を示しており、（ａ）は第２面側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例を示しており、（ａ）は第２面側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例の外観を示しており、（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。 図１２に示す加熱容器を示しており、（ａ）は第２面側からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 加熱容器の他の一例の外観を示しており、（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。 図１４に示す加熱容器を示しており、（ａ）は第２面側からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。

本開示の実施形態の加熱容器を、添付の図面を参照して説明する。図１は加熱容器１００の外観を示しており、図１（ａ）は絶縁基体１の第１面１１側（上面側）からの斜視図であり、図１（ｂ）は絶縁基体１の第２面１２側（下面側）からの斜視図である。図２は加熱容器１００の一例を示しており、図２（ａ）は絶縁基体１の第１面１１側（上面側）からの平面図（上面図）であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図２（ｃ）は絶縁基体１の第２面１２側（下面側）からの平面図（下面図）である。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に加熱容器１００が使用されるときの上下を限定するものではない。

加熱容器１００は、図１および図２に示す例のように、セラミックスからなる複数の絶縁層１ａが積層されてなり、凹部１１ａを有する第１面１１と第１面１１と対向する第２面１２とを有する絶縁基体１と、絶縁基体１の内部であって凹部１１ａと第２面１２との間に設けられているヒータ２と、凹部１１ａと絶縁基体１の側面１３との間において絶縁層１ａを貫通し、凹部１１ａを取り囲むように配列されている複数の柱状伝熱体３１を含む伝熱体３と、ヒータ２に接続されており、絶縁基体１の表面に設けられている端子電極４とを有している。

第１面１１に凹部１１ａを有する絶縁基体１が試料を収容する容器本体である。絶縁基体１はセラミックスからなる複数の絶縁層１ａが積層されてなるものであり、加熱容器１００は、セラミック製の容器ということである。セラミックスは一般的に耐薬品性に優れているため、凹部１１ａに収容した試料によって容器が腐食したり、容器の成分が試料に溶出したりする可能性が極めて小さい。また、絶縁基体１の内部にはヒータ２が内蔵されており、ヒータ２は絶縁基体１の第２面１２に設けられた端子電極４に電気的に接続されている。端子電極４を介して外部から電圧が印可されることでヒータ２が発熱し、その熱が絶縁基体１内を伝導して凹部１１ａに収容された試料を加熱することができる。容器にヒータ２が内蔵されているので、容器を外部から加熱するのに比較して容器内の試料を短時間で加熱することができる。加熱容器１００は、セラミック製であるので耐熱性にも優れており、内蔵されているヒータ２が発熱しても、変質がほとんどなく、収容している試料へ溶出する可能性が極めて小さい。そして、加熱容器１００は伝熱体３を備えている。
伝熱体３は、試料の入る凹部１１ａと絶縁基体１の側面１３との間において絶縁層１ａを貫通している複数の柱状伝熱体３１を含んでいる。すなわち、試料の入る凹部１１ａを取り囲んで、絶縁基体１の内部に配列されている。言い換えれば、凹部１１ａを取り囲む側壁内に、凹部１１ａを取り囲むように複数の伝熱体３が配置されている。伝熱体３は、絶縁基体１よりも熱伝導率の高いものである。そのため、ヒータ２からの熱が凹部１１ａを取り囲む側壁にも伝わりやすくなり、凹部１１ａの内面の加熱効率、および凹部１１ａの内面における均熱性が高まる。凹部１１ａの周囲にもヒータを配置することでも加熱効率および均熱性の向上は可能である。しかしながら、その場合はヒータが長くなって抵抗が大きくなるので、所定の温度とするために印可する電流、電圧または時間を大きくしなければならない。これに対して上記構成であると、特に加熱容器１００が小型で、ヒータ２に印可される電圧が低い場合でも効率よく加熱することができる。これにより、大きな加熱装置、加熱チャンバー等がなくてもよく、１つの試料の分析等に要する時間が短縮される。

図２に示す例においては、１０層の絶縁層１ａが積層されて絶縁基体１が構成されている。より具体的には、６層の絶縁層１ａで凹部１１ａの側壁が構成され、凹部１１ａと第２面１２との間は４層の絶縁層１ａで構成されている。絶縁層１ａの平面視の形状は正方形であり、第１面１１側の６層の絶縁層１ａは円形の貫通孔を備えている。これによって、絶縁基体１は、複数の絶縁層１ａが積層されてなる全体的な形状が直方体であり、凹部１１ａを有する第１面１１と第１面１１と対向する第２面１２とを有するものとなっている。絶縁層１ａの形状および層数はこの例に限られるものではなく、絶縁基体１および凹部１１ａの形状もこれに限られるものではない。平面視形状が正方形の絶縁基体１に対して、同じく平面視形状が正方形の凹部１１ａを設けてもよいし、平面視形状が円形の絶縁基体１に対して、同じく平面視形状が円形の凹部１１ａを設けてもよい。絶縁基体１および凹部１１ａともに、その他の多角形状や楕円状であってもよい。図１および図２に示す例のように凹部１１ａの平面視の形状が円形であると、試料が液状である場合には、凹部１１ａ内において試料の対流が均質なものになりやすいので、試料の温度の均熱性を高めることができる。

ヒータ２は、絶縁基体１の内部における凹部１１ａと絶縁基体１の第２面（下面）１２との間に位置する絶縁層１ａ間に設けられている。図２（ｂ）に示す例では、ヒータ２は第２面１２よりも凹部１１ａ（の底面）の方に近い位置に設けられている。ヒータ２ａと凹部１１ａとの間の絶縁層１ａの数と、ヒータ２ａと第２面１２との間の絶縁層１ａの数とは同じく２つであるが、これら４つの絶縁層１ａのうち最も第２面１２側の絶縁層１ａの厚みはそれ以外の絶縁層１ａの厚みよりも厚いためである。このようにすると、ヒータ２で発生した熱が凹部１１aへより伝わりやすくなるので、凹部１１ａ内の試料の加熱効
率のよい加熱容器１００となる。

ヒータ２の平面透視における形状は、例えば図２（ｃ）に示す例のような、線状の導体が複数回折れ曲がって蛇行している、いわゆるミアンダ形状である。ヒータ２は、少なくとも平面透視で凹部１１ａと重なるように配置されていれば凹部１１ａの底面および凹部１１ａ内の試料を効率よく加熱することができる。より効率よく加熱するためには、図２（ｃ）に示す例のように絶縁基体１の内部（絶縁層１ａ間）においてできるだけ広い範囲に設けるとよく、図２（ｃ）に絶縁層１ａを透過して破線で示しているように、平面透視で凹部１１ａと重なる部分からその周囲にわたって設けられている。言い換えれば、平面透視で凹部１１ａおよび凹部１１ａを取り囲む側壁と重なるようにヒータ２が設けられている。また、ヒータ２は、平面透視で伝熱体３（柱状伝熱体３１）とも一部が重なっている。そのため、ヒータ２から凹部１１ａの内側面へ熱が伝わりやすくなっている。

伝熱体３（柱状伝熱体３１）は、凹部１１ａを取り囲むように、１１ａと絶縁基体１の
側面１３との間すなわち側壁内に配置されている。図２に示す例においては、加熱容器１００は２４個の伝熱体３（柱状伝熱体３１）を備えているが、これに限られるものではない。また、図２に示す例においては、同じ大きさの伝熱体３（柱状伝熱体３１）が、凹部１１ａ(の内側面)からの距離が一定の位置に等間隔に配置されている。これにより、凹部１１ａの内面における均熱性が高いものとなる。

また、伝熱体３（柱状伝熱体３１）は、図２に示す例においては、側壁内から凹部１１ａの底面よりも絶縁基体１の第２面１２側へ伸びている。これにより、凹部１１ａの底面より絶縁基体１の第２面１２側に位置しているヒータ２との距離が短くなるので、ヒータ２から伝熱体（柱状伝熱体３１）への伝熱効率が高いものとなる。また、側壁内において、伝熱体３（柱状伝熱体３１）は絶縁基体１の側面１３より凹部１１ａ（の内側面）に近い位置に配置されている。これにより、ヒータ２から凹部１１ａの内側面への伝熱効率がより高まる。

柱状伝熱体３１は、図２に示す例では円柱状の伝熱体３である。柱状伝熱体３１は横断面形状が円形の円柱状に限られず、横断面形状は四角形や六角形等の多角形状であってもよいし、楕円形状であってもよい。また、断面の大きさが一定の厳密な柱状でなく、例えば円錐台、鼓型、樽型のような長さ方向で径（断面積）が異なっているものも含む。また、複数の柱状伝熱体３１の断面積（円柱の場合であれば径）は同じものでなくてもよい。例えば、第２面１２側から第１面１１側に向かうにつれて、絶縁層１ａ毎に柱状伝熱体３１の断面積が大きくなるものとすることができる。側壁内において複数の絶縁層１ａを貫通する柱状伝熱体３１として見たときに、第２面１２側から第１面１１側に向かうにつれて、絶縁層１ａ毎に柱状伝熱体３１の断面積が大きくなっていてもよい。すなわち、例えば、柱状伝熱体３１を第１面１１側の径の方が大きい円錐台状とし、隣接する絶縁層１ａ間において、第１面１１側の絶縁層１ａ内の柱状伝熱体３１の端（下端）の径と第２面１２側の絶縁層１ａ内の柱状伝熱体３１の端（上端）の径とを同程度とすることができる。このようにすることで、第２面１２側から第１面１１側への伝熱効率を向上させることができる。

端子電極４は、図１および図２に示す例では、絶縁基体１の第２面１２に設けられている。端子電極４は、外部回路と接続することができる位置にあればよく、絶縁基体１の表面に設けられていればよい。端子電極４の接続先の形状等に応じて、配置や形状を設定すればよい。例えば、絶縁基体１の表面に試料を入れるための凹部１１ａ以外の凹部を設けて、その内面に端子電極４を配置してもよい。あるいは、例えば第２面１２から側面にかけて設けることもできる。

端子電極４は、ヒータ２に電気的に接続されている。ヒータ２の両端がそれぞれ端子電極４に接続されるので、少なくとも２つの端子電極４が絶縁基体１の表面に設けられる。端子電極４とヒータ２とは、絶縁基体１に設けた内部配線４ａによって電気的に接続される。図２に示す例においては、内部配線４ａは２つの貫通導体と１つの層間導体とで構成されている。より具体的には、ヒータ２と第２面１２との間に位置する絶縁層１ａ間に層間導体が設けられ、ヒータ２と層間導体および層間導体と端子電極４とがそれぞれ貫通導体で接続されている。内部配線４ａはこのような構成に限られるものではない。例えば、端子電極４が、ヒータ２の両端部のそれぞれと平面透視で重なる位置に設けられている場合には、内部配線４ａを１つの貫通導体で構成することができる。また、端子電極４の少なくとも一部が絶縁基体１の側面に設けられている場合であれば、内部配線４ａを１つの層間導体で構成することができる。

図１および図２に示す例では、絶縁基体１の第２面１２には、２つの端子電極４以外に２つのダミー端子４ｂが設けられている。これは必ずしも必要なものではない。例えば、
加熱容器１００を外部回路基板等に接続固定する際に、ダミー端子４を備えていると、４点で接続固定されるので加熱容器１００を外部回路基板等の上で傾くことなく固定しやすくなる。

図３は加熱容器１００の他の例を示しており、図３（ａ）は絶縁基体１の第１面１１側（上面側）からの平面図（上面図）であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。この例において図２に示す例と異なる点は、伝熱体３が、環状伝熱体３２をさらに含んでいる点である。環状伝熱体３２は、凹部１１ａと側面１３との間の絶縁層１ａの層間に設けられており、柱状伝熱体３１と接続されている。環状伝熱体３２の平面視の形状は環状であり、凹部１１ａを取り囲むように配置されている。ここでいう環状とは、凹部１１ａを取り囲むような形状のことであり、図３に示す例のような厳密な円形のものだけでなく、例えば四角形状である枠状のものも含む。凹部１１ａの平面視の形状に沿った形状であればよく、凹部１１ａの平面視の形状に対して一回り大きい相似形の貫通孔（開口）を有するものである。

このような環状伝熱体３２により、側壁内において絶縁層１ａの積層方向に対して垂直な方向、絶縁層１ａの面方向にも熱が伝わりやすくなるので、凹部１１ａの内側面の周方向においてより均熱化しやすくなる。また、環状伝熱体３２は、柱状伝熱体３１より内側に伸びる部分を有しているので、柱状伝熱体３１から凹部１１ａの内側面への伝熱効率を向上させることもできる。

図３に示す例においては、ヒータ２が設けられている絶縁層１ａ間より第１面１１側に位置している７つの絶縁層１ａ間のすべてに環状伝熱体３２が設けられている。絶縁層１ａの積層方向に隣接する環状伝熱体３２の間には柱状伝熱体３１が設けられており、柱状伝熱体３１の両端部のそれぞれが環状伝熱体３２に接続されている。ヒータ２で発生した熱は、伝熱体３において最もヒータ２に近い位置にある環状伝熱体３２に伝わる。環状伝熱体３２は柱状伝熱体３１より絶縁層１ａの面方向に広がっており、平面透視でヒータ２と重なる面積が大きい。そのため、伝熱体３が柱状伝熱体３１だけで構成されている場合に比較して、ヒータ２から伝熱体３への伝熱効率が向上する。また、上記したように環状伝熱体３２によって絶縁層１ａの面方向にも熱を伝えることができるので、ヒータ２の直上に位置していない柱状伝熱体３１への伝熱も効率よく行なわれ、第１面１１側への伝熱効率が向上する。

また、図３に示す例においては、環状伝熱体３２の幅方向における中心より外側において柱状伝熱体３１が接続されている。言い換えれば、環状伝熱体３２は、柱状伝熱体３１が接続された部分より内側（凹部１１ａ側）の幅の方が、柱状伝熱体３１が接続された部分より外側（側面１３側）の幅の方より大きい。さらに言えば、環状伝熱体３２は、柱状伝熱体３１が接続された部分から凹部１１ａ側へより長く伸びている。これにより、より凹部１１ａへの伝熱性を高めることができる。

環状伝熱体３２の幅は、図３に示す例では、環状伝熱体３２が設けられた位置によらず、複数の環状伝熱体３２間で同じである。これに限られるものではなく、例えば後述する図５に示す例のように、第１面１１側に位置する環状伝熱体３２の幅を第２面１２側に位置する環状伝熱体３２の幅より大きくすることができる。さらに言えば、環状伝熱体３２の、柱状伝熱体３１が接続された部分より内側（凹部１１ａ側）の幅が第１面１１に近いものほど大きい伝熱体３とすることができる。言い換えれば、環状伝熱体３２の内終端と凹部１１ａ（の内側面）との距離が、第１面１１に近いものほど小さい伝熱体３とすることができる。図５に示す例では、第１面１１に近づくにつれて環状伝熱体３２の内終端と凹部１１ａの内側面との距離が小さくなるように、環状伝熱体３２の２つずつ幅が大きくなっている。第１面１１に近いほどヒータ２から離れているので、環状伝熱体３２の内終
端を凹部１１ａ（の内側面）に近付けて熱が凹部１１ａの内側面に伝わりやすくすることで、凹部１１ａの内側面における温度分布を小さくすることができる。

ここで、図４（ａ）および図４（ｂ）はいずれも加熱容器１００の伝熱体３の構成の一例を示す斜視図である。図３に示す例では、伝熱体３が７つの環状伝熱体３２と環状伝熱体３２間に位置する６つの絶縁層１ａを貫通する６段の柱状伝熱体３１とを備えているのに対して、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す例では、５つの環状伝熱体３２と環状伝熱体３２間の４段の柱状伝熱体３１で構成された伝熱体３を示している。また、図３に示す例では１つの絶縁層１ａに設けられている柱状伝熱体３１は２４個であるのに対して、図４に示す例では１２個である。

図２、図３および図４（ａ）に示す例においては、柱状伝熱体３１は平面透視で重なるように配置されている。言い換えれば、柱状伝熱体３１は複数の絶縁層１ａを積層方向に直線的に貫通している。そのため、側壁内における積層方向の伝熱経路は一直線状となり短いものとなるので、ヒータ２から第１面１１側への伝熱効率が高いものである。一方で、側壁の各絶縁層１ａ内においては、柱状伝熱体３１の近傍と柱状伝熱体３１間とでは少なからず温度差が生じてしまう。この温度差は凹部１１ａの内側面において温度分布として現れることになる。この凹部１１ａの内側面における温度分布を小さくするには、絶縁層１ａの面方向における柱状伝熱体３１の間隔をできるだけ小さくすればよい。しかしながら、この間隔が小さすぎると柱状伝熱体３１間における絶縁層１ａにクラックが発生してしまう可能性が高くなってしまう。

これに対して、図４（ｂ）に示す例では、環状伝熱体３２を挟んでいる２つの絶縁層１ａ間で、柱状伝熱体３１は平面透視で重ならないで配置されている。言い換えれば、１つの絶縁層１ａ内に設けられている環状伝熱体３２は、隣接する絶縁層１ａ内の環状伝熱体３２とは積層方向で一直線上に位置していない。そのため、ヒータ２から第１面１１側への伝熱体３内の伝熱経路は、環状伝熱体３２を介するものとなるので、側壁内において絶縁層１ａの面方向への伝熱が促進される。結果として、凹部１ａの内側面における温度分布が小さくなり、凹部１ａ内の試料の加熱もばらつきの小さいものとすることができる。

図５は加熱容器１００の他の例を示しており、図５（ａ）は第１面側からの平面図（上面図）であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。この例は、図３に示す例に対して、最も第２面１２側、ヒータ２に最も近い環状伝熱体３２を円板状の板状伝熱体３３に置き換えた例である。

図５に示す例の加熱容器１００のように、ヒータ２と凹部１１ａとの間に位置する絶縁層１ａの層間に板状伝熱体３３を有し、板状伝熱体３３と柱状伝熱体３１とが接続されているものとすることができる。板状伝熱体３３の外縁部は平面透視で側壁と重なり、柱状伝熱体３１が接続されている。また、板状伝熱体３３の中央部は平面透視で凹部１１ａと重なり、凹部１１ａの底面と絶縁層１ａを挟んで対向している。図３における、最もヒータ２に近い環状伝熱体３２の貫通孔をなくして円板状にしたともいうことができる。

凹部１１ａの底面に対向して設けられたヒータ２が線状であると、凹部１１ａの底面において平面透視でヒータ２と重なる部分と重ならない部分とで温度差ができる場合がある。これに対して、伝熱体３が上記のような板状伝熱体３３を備えていると、ヒータ２から板状伝熱体３３に伝わった熱は、板状伝熱体３３内で絶縁層１ａの面方向に拡散して凹部１１ａの底面へと伝わるようになる。そのため、凹部１１ａの底面における温度分布が小さく均熱性が向上する。また、絶縁基体１の平面視における中央部に位置するヒータ２で発生した熱が、板状伝熱体３３を介して側壁内の柱状伝熱体３１に伝熱しやすくなるので、凹部１１ａの内側面の加熱効率、および凹部１１ａの内面における均熱性が高まる。

図６は加熱容器１００の他の一例の外観を示しており、図６（ａ）は第１面１１側（上面側）からの斜視図であり、図６（ｂ）は第２面１２側（下面側）からの斜視図である。図７は図６に示す加熱容器１００を示しており、図７（ａ）は第２面１２側（下面側）からの平面図（下面図）であり、図７（ｂ）は断面図である。図８〜図１１は、いずれも加熱容器１００の他の一例を示しており、それぞれの図における（ａ）は第２面１２側（下面側）からの平面図（下面図）であり、（ｂ）は断面図である。なお、図１１（ａ）においては、平面図であるが区別しやすいように低熱伝導部１４にドット状の網掛けを施している。これら図６〜図１１に示す例と上記した例とで異なる点は、ヒータ２と第２面１２との間に絶縁層１ａより熱伝導率の小さい低熱伝導部１４をさらに含んでいる点である。

加熱容器１００がヒータ２と絶縁基体１の第２面１２との間に絶縁層１ａより熱伝導率が小さい低熱伝導部１４をさらに含む場合には、ヒータ２より第１面１１側の方がヒータ２より第２面１２側より熱伝導率が大きくなるので、ヒータ２で発生した熱は第１面１１側へ伝導しやすくなる。よって、ヒータ２より第１面１１側に位置する凹部１１ａおよび伝熱体３へ熱が伝わりやすくなるので、凹部１１ａの内側面、すなわち凹部１１ａ内の試料の加熱効率がより高い加熱容器１００となる。

低熱伝導部１４は、絶縁層１ａよりも熱伝導率の小さい材料で構成されている。例えば、低熱伝導部１４の材料が空気等の気体とすることができる。すなわち、低熱伝導部１４は、全体が空隙部分であり、絶縁基体１に設けられた空間とすることができる。図６および図７に示す例では、絶縁基体１の第２面１２からヒータ２まで絶縁層１ａを貫通する凹部が設けられており、この凹部内の空間が低熱伝導部１４である。ヒータ２の一部はこの凹部の内面に露出しており、ヒータ２と低熱伝導部１４との間に絶縁層１ａが介在しておらず、ヒータ２の第１面１１側は絶縁層１ａに接し、第２面１２側は熱伝導率の小さい低熱伝導部１４に接している。ヒータ２を挟んで位置する絶縁層１ａと低熱伝導部１４とで熱伝導率の差が大きいので、ヒータ２からの熱は、絶縁層１ａ側、すなわち第１面１１側、凹部１１ａへ伝導しやすくなる。

図８に示す例では、絶縁基体１の第２面１２からヒータ２までの間の途中までの絶縁層１ａを貫通する、より詳細にはヒータ２と第２面１２の間の２層の絶縁層１ａのうち、第２面１２側の絶縁層１ａだけを貫通する凹部が設けられている。言い換えれば、絶縁基体１の第２面１２からの深さが、第２面１２からヒータ２までの距離より小さい凹部が設けられており、この凹部内の空間が低熱伝導部１４である。図６および図７に示す例に比較すると、ヒータ２からの熱は第２面１２へ伝熱しやすくなるが、絶縁基体１の剛性が高くなるので、強度の高い加熱容器１００となる。また、この例では凹部内にヒータ２が露出しておらず、ヒータ２の表面は絶縁層１ａに覆われている。そのため、ヒータ２が外部の雰囲気等にさらされることがないので耐腐食性が向上し、安定した加熱が可能となる。

図９に示す例では、第２面１２に凹部は設けられておらず、低熱伝導部１４である空間はヒータ２と第２面１２との間に位置する中空部である。言い換えれば、ヒータ２と第２面１２の間の２層の絶縁層１ａのうちヒータ２側の絶縁層１ａに設けられた貫通孔による空間である中空部が低熱伝導部１４である。この例もまた、図８に示す例と同様に、図６および図７に示す例に比較して絶縁基体１の剛性が高くなるので、強度の高い加熱容器１００となり、ヒータ２が外部の雰囲気等にさらされることがないので耐腐食性が向上し、安定した加熱が可能となる。また、図６および図７に示す例と同様に、ヒータ２の一部はこの中空部の内面に露出しており、ヒータ２の第１面１１側は絶縁層１ａに接し、第２面１２側は熱伝導率の小さい低熱伝導部１４に接しているので、ヒータ２からの熱は、絶縁層１ａ側、すなわち第１面１１側、凹部１１ａへ伝導しやすくなる。

図１０に示す例では、図６および図７に示す例と同様に絶縁基体１の第２面１２からヒータ２まで絶縁層１ａを貫通する凹部が設けられており、この凹部内の空間が低熱伝導部１４である。図６および図７に示す例では第２面１２の凹部は、平面視の大きさが第１面１１の凹部１１ａと同程度のものが１つ、第１面１１の凹部１１ａと重なるように設けられているのに対して、図１０に示す例では、平面視の大きさが第１面１１の凹部１１ａより小さい複数の凹部（５５個の凹部）が、平面透視で第１面１１の凹部１１ａと重なる位置に配列されている。この例の場合も、図６および図７に示す例に比較すると絶縁基体１の剛性が高くなるので、低熱伝導部１４を設けても強度の高い加熱容器１００となる。

図６および図７に示す例では、第２面１２の凹部の大きさ（すなわち低熱伝導部１４の大きさ）は第１面１１の凹部１１ａと同程度の、一回り大きい大きさであり、また平面透視で第１面１１の凹部１１ａと重なる位置にある。そのため、平面透視で第１面１１の凹部１１ａと重なる位置にあるヒータ２からの熱は、第１面１１の凹部１１ａの底面へ伝導しやすいものとなる。これに対して、図８に示す例における第２面１２の凹部の大きさ（すなわち低熱伝導部１４の大きさ）は、平面透視で第１面１１の凹部１１ａより大きく、低熱伝導部１４の外縁は平面透視で第１面１１の凹部１１ａの外縁より外側に位置している。つまり、低熱伝導部１４の外縁部は、平面透視で凹部１１ａを取り囲む側壁と重なっている。そのため、ヒータ２からの熱が凹部１１ａの周囲の側壁にも伝わりやすくなり、凹部１１ａの内面の加熱効率、および凹部１１ａの内面における均熱性が高まる。また、図９に示す例における第２面１２の凹部の大きさ（すなわち低熱伝導部１４の大きさ）はさらに大きく、低熱伝導部１４の外縁部は、平面透視で伝熱体３１と重なっている。そのため、ヒータ２からの熱は、伝熱体３１との距離が小さく、伝熱体３１へより伝導しやすいものとなり、ヒータ２からの熱の凹部１１ａへの伝熱性がさらに高いものとなり、凹部１１ａの内面の加熱効率、および凹部１１ａの内面における均熱性がさらに高まる。低熱伝導部１４の形態によらず、加熱容器１００に求められる強度を満たす範囲内において、低熱伝導部１４の平面透視における大きさを大きくすることができ、それによって上記のように凹部１１ａの内面の加熱効率、および凹部１１ａの内面における均熱性をより高いものとすることができる。これは、図１０に示す例ように複数の低熱伝導部１４を配列する場合においても同様であり、加熱容器１００に求められる強度を満たす範囲内において、複数の低熱伝導部１４のそれぞれの平面透視の大きさ、複数の低熱伝導部１４の平面方向における配列範囲の大きさ、低熱伝導部１４の数等を適宜設定することができる。

図９に示す例では、ヒータ２の一部が中空部の内面に露出しているが、ヒータ２と第２面１２との間に３層以上の絶縁層１ａを設け、ヒータ２と接しておらず第２面１２を含まない絶縁層１ａに貫通孔を設けて中空部として、中空部の内面にヒータ２が露出しないようにすることもできる。また、図１０に示す例ように複数の低熱伝導部１４を配列する場合においても、図８に示す例のように、複数の低熱伝導部１４のそれぞれを、絶縁基体１の第２面１２からの深さが、第２面１２からヒータ２までの距離より小さい凹部、または図９に示す例のような中空部とすることができる。あるいは、複数の低熱伝導部１４は、ヒータ２まで達する凹部、ヒータ２まで達しない凹部、中空部のうちのいずれか２つまたは３つ全てを含むものとすることができる。

上述したように、低熱伝導部１４は、絶縁層１ａよりも熱伝導率の小さい材料で構成されるものであり、図６〜図１０に示す例のような、絶縁基体１に設けられた空間に限られるものではない。例えば、絶縁層１ａがセラミック材料で構成されていれば、低熱伝導部１４は、樹脂材料で構成することができる。樹脂材料は、その多くがセラミック材料に比べて熱伝導率が小さい。図６および図７に示す例の低熱伝導部１４である凹部空間を樹脂材料で充填することで、図１１に示す例のような低熱伝導部１４を有する加熱容器１００とすることができる。図８および図１０に示す例の低熱伝導部１４である凹部空間を樹脂材料で充填することもできる。この例もまた、図６および図７に示す例に比較して絶縁基
体１の剛性が高くなるので、強度の高い加熱容器１００となり、ヒータ２が外部の雰囲気等にさらされることがないので耐腐食性が向上し、安定した加熱が可能となる。

図１１に示す例の場合の低熱伝導部１４は、絶縁層１ａのセラミック材料よりも低熱伝導率のセラミック材料で構成することができる。低熱伝導部１４が樹脂材料である場合には、ヒータ２の発熱が大きいと耐熱性が不足する可能性がある。低熱伝導部１４がセラミック材料である場合には耐熱性が問題となる可能性は小さい。また、この場合もまた、図６および図７に示す例に比較して絶縁基体１の剛性が高くなるので、強度の高い加熱容器１００となり、ヒータ２が外部の雰囲気等にさらされることがないので耐腐食性が向上し、安定した加熱が可能となる。

低熱伝導率のセラミック材料としては、多孔質セラミック材料で構成されていてもよい。絶縁層１ａと同じセラミック材料で多孔質材料としたものあっても、多孔質セラミック材料全体としては、絶縁層１ａよりも熱伝導率が小さくなる。多孔質セラミック材料は、多数の微小な空隙（空間）を有するものであるので、上記した低熱伝導部１４が空間であるものの１つであるともいえる。微小な空間は、第２面１２に開口する凹部、中空部のいずれであってもよく、これらが互いに連通していてもよいし、独立していてもよい。多孔質セラミック材料のセラミック部分は、絶縁層１ａのセラミック材料と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。多孔質セラミック材料のセラミック部分が絶縁層１ａのセラミック材料より低熱伝導率のセラミック材料であれば、より低熱伝導率の低熱伝導部１４となる。多孔質セラミック材料のセラミック部分が絶縁層１ａのセラミック材料と同じかそれ以上の熱伝導率のセラミック材料であっても、空隙を含むことで絶縁層１ａのセラミック材料より低熱伝導率の低熱伝導部１４とすることができる。多孔質セラミック材料のセラミック部分が絶縁層１ａのセラミック材料と同じである場合のように、多孔質セラミック材料のセラミック部分と絶縁層１ａのセラミック材料とで焼成温度が同じ、あるいは近似している場合には、低熱伝導部１４と基体１とを同時焼成で形成することができる。図８および図１０に示す例の低熱伝導部１４である凹部空間を低熱伝導率のセラミック材料で充填することもできる。絶縁層１ａのセラミック材料とで焼成温度が同じ、あるいは近似している場合には、多孔質セラミック材料で図９に示す例の中空部を充填することもできる。

図１２は加熱容器の他の一例の外観を示しており、図１２（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、図１２（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。図１３は図１２に示す加熱容器１００を示しており、図１３（ａ）は第２面側からの平面図（下面図）、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図１４は加熱容器の他の一例の外観を示しており、図１４（ａ）は第１面側（上面側）からの斜視図であり、図１４（ｂ）は第２面側（下面側）からの斜視図である。図１５は図１４に示す加熱容器１００を示しており、図１５（ａ）は第２面側からの平面図（下面図）、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図１２〜図１５は、いずれも上記した加熱容器１０の例に対して、第２面１２に測温素子５と、ダミー端子４ｂに替えて、測温素子５に接続されている測温端子電極６とを備えている点が異なっている。測温素子５の形態は、図１２および図１３に示す例と図１４および図１５に示す例とで異なっている。

加熱容器１０は、図１２〜図１５に示す例のように、第２面１２に、平面透視で凹部１１ａと重なる内部領域１２ａに設けられた測温素子５と、測温素子５に電気的に接続されている測温端子電極６とを有しているものとすることができる。ヒータ２に近く平面透視で凹部１１ａと重なる位置に測温素子５を備えていることから、ヒータ２の温度ひいては凹部１１ａの底面のおおよその温度を検出することができ、測温端子電極６および端子電極４を外部の制御回路に接続することで、ヒータ２の発熱量、凹部１１ａの内面の温度の
制御が可能となる。

図１２および図１３に示す例は、図２に示す例に対して、第２面１２の内部領域１２ａに測温素子５が形成されている。測温素子５は、同じく第２面に設けられた測温端子電極６に接続配線６ａで電気的に接続されている。この例における測温素子５は、抵抗体材料で形成された配線状のものである。測温素子５の両端は、それぞれ異なる測温端子電極６に接続されており、測温端子電極６に接続される外部回路にて測温素子５の抵抗値が測定される。測温素子５の抵抗値は温度により変化するものであり、外部回路で抵抗値から温度が算出される。図１２および図１３に示す例においては、測温素子５はミアンダ形状の配線のような形状であるが、抵抗体の材料によってその長さや幅が設定されるので、必ずしもこのような形状に限られるものではない。このような抵抗配線で測温素子５が形成されていると、厚みが薄いものとなるので、加熱容器１０を小型化するのに有利である。

測温素子５は、図１２および図１３に示す例のような、第２面１２上に形成されるものに対して、図１４および図１５に示す例のような第２面１２に実装されるものであってもよい。図１４および図１５に示す例では、チップ状の測温素子５が表面実装されているが、リード端子を有するようなものであってもよい。また、測温素子５は、測温抵抗体であってもよいし、熱電対であってもよい。所望の温度が測定できるものを選択して実装すればよい。

図１４および図１５に示す例の加熱容器１００においては、端子電極４および測温端子電極６は第２面１２の外部領域１２ｂに設けられており、外部領域１２ｂは測温素子５が設けられている内部領域１２ａより突出している。図１４および図１５に示す例では、絶縁基体１の第２面１２に平面視の形状が四角形の凹部が設けられており、この凹部の底面に測温素子５が実装されている。測温素子５が実装されている凹部の底面は平面透視で第１面１１に設けられた凹部１１ａと重なる内部領域１２ａであり、この内部領域１２ａに対して、凹部の周囲の部分、すなわち外部領域１２ｂは突出している。この突出した外部領域１２ｂに端子電極４および測温端子電極６が設けられている。端子電極４および測温端子電極６が外部回路を備える装置等に接続されると、ヒータ２で発生した熱の一部は端子電極４および測温端子電極６および第２面１２を通して外部の装置へ伝わりやすくなる。図１４および図１５に示す例のような構成の加熱容器１００によれば、第２面１２の内部領域１２ａは外部の装置等に接触しないので、ヒータ２で発生した熱は外部領域１２ｂのみを通して外部へ伝わることとなり、伝熱経路が小さくなるので外部への伝熱量が小さくなり、凹部１１ａの内面、すなわち凹部１１ａ内の試料の加熱効率が向上する。すなわちこの凹部１１ａは、図８に示す例の低熱伝導部１４である凹部空間と同様のものである。

図１４および図１５に示す例では、外部領域１２ｂは、平面視で外形も内形も正方形状の枠状の突出部であるが、内部領域１２ａの形状は、例えば、第１面１１の凹部１１ａと同様の円形等他の形状であってもよい。また、外部領域１２ｂは、枠状に限られず、例えば、端子電極４および測温端子電極６とそれぞれの周囲のみが突出した４つの柱状の突出部で構成されていてもよいし、端子電極４および測温端子電極６を備えた、下駄歯状の２つの突出部で構成されていてもよい。すなわち、凹部１１ａは、絶縁基体１の４つの側面に開口する平面視形状が十字形、あるいは絶縁基体１の対向する２つの側面に開口する平面視形状が長方形とすることができる。これらは、外部領域１２ｂの形状が枠状の場合に対して、外部装置等へ接する面積が小さく、伝熱経路がより小さくなるので、外部への伝熱量が小さくなり、凹部１１ａ内の試料の加熱効率が向上する。また、測温素子５を有していない場合の、低熱伝導部１４としての凹部空間の形状も同様の形状とすることができる。

絶縁基体１は、加熱容器１００の基本的な部分であり、絶縁基体１の上面である第１面１１に設けられた凹部１１ａを備えていることで、加熱対象物である試料等を収容する容器として機能する。また、複数の端子電極４等を互いに電気的に絶縁させて配置するための電気絶縁体として機能する。

絶縁基体１は、例えば平面視（上面視）で正方形状の直方体である。正方形状とは図２に示す例のような厳密な正方形だけでなく、図３に示す例のように角部が丸められたもの、図５に示す例のように角部を平面状に切欠いた（Ｃ面取りした）八角形のもの、図１４および図１５に示す例のように角部を凹面状に切欠いた形状も含み、全体として正方形であればよい。上記したように、絶縁基体１の平面視の形状は特に制限はなく、例えば、上記正方形以外の四角形や六角形等の他の多角形または円形あるいは楕円形であってもよい。凹部１１ａの平面視形状についても上記したように特に制限はない。凹部１１ａは絶縁基体１の第１面１１の中央部に設けることができる。このように凹部１１ａを配置することで、凹部１１ａの周囲の側壁の厚みを周方向で同程度にすることができるので、凹部１１ａおよび伝熱体３の配置に偏りがなく、強度にも偏りのないものとなる。

加熱容器１００で加熱する試料の量によって絶縁基体１および凹部１１aの寸法は設定
される。絶縁基体１が、例えば、平面視（上面視）で正方形状である場合には、例えば、平面視の寸法が３ｍｍ角〜１５ｍｍ角で、厚みが例えば１．５ｍｍ〜８ｍｍである。このような寸法の絶縁基体１の場合に平面視形状が円形の凹部１１ａを設ける場合であれば、凹部１１ａは、例えば直径２ｍｍ〜１２ｍｍで深さが０．５ｍｍ〜７ｍｍとすることができる。

絶縁基体１は、例えば図２に示す例のように、複数の絶縁層１ａが積層されてなるものである。絶縁層１ａすなわち絶縁基体１はセラミックスからなるものである。絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体等のセラミック焼結体によって形成されている。絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして製作することができる。まず、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素等の原料粉末を適当な有機バインダおよび有機溶剤とともにシート状に成形して四角シート状のセラミックグリーンシートを作製する。その後、このセラミックグリーンシートを適当な寸法に切断、成形したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、この積層した積層体を1300〜1600℃の温度で焼成することによって絶縁基体１を製作することができる。焼成された複数のセラミックグリーンシートのそれぞれが、絶縁基体１を形成する絶縁層１ａになる。凹部１１ａは、セラミックグリーンシートに所定形状の貫通孔を設けたものを、所定の深さとなる数だけ積層することで、所定形状で所定の深さのものに形成することができる。低熱伝導部１４である空間あるいは低熱伝導部１４が形成される空間もまた、セラミックグリーンシートに貫通孔を設けることで形成することができる。

低熱伝導部１４が多孔質セラミック材料で構成される場合は、上記のようにして積層体に形成した空間に、多孔質セラミックとなるセラミックペーストあるいはセラミックグリーンシートを充填しておくことで形成することができる。このようなセラミックペーストあるいはセラミックグリーンシートは、絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートと同じ原料粉末を含み、例えば、焼成時に焼失して、焼成後には空隙となる有機樹脂からなる粒子が分散されたものを用いることができる。

低熱伝導部１４が樹脂材料で構成される場合は、例えば焼成後の凹部に液状のエポキシ樹脂等を充填して硬化させることで形成することができる。

ヒータ２は、セラミックグリーンシートと同時焼成で形成されるメタライズ層で形成す
ることができる。セラミックグリーンシートの所定の位置に所定形状でヒータ２用のメタライズペーストを塗布しておけばよい。メタライズペーストは、例えば、タングステン、モリブデン、銅、銀、パラジウム、金、白金、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、またはこれらの金属材料を含む合金材料の粉体を主成分とし、溶剤や有機バインダ等含有するものである。必要な発熱量に応じて、メタライズペースト材料の種類や配合比率を調整し、ヒータ２の寸法や形状を設定する。

伝熱体３（柱状伝熱体３１、環状伝熱体３２、板状伝熱体３３）は、上記したように絶縁基体１よりも熱伝導率の高いものである。すなわち、伝熱体３は、絶縁基体１の上記セラミックスよりも熱伝導率の高い材料からなるものであり、具体的には例えばタングステン、モリブデン、銅、銀、パラジウム、金、白金、ニッケルまたはコバルト等の金属材料のメタライズ焼結体として設けることができる。伝熱体３用のメタライズペーストを準備して、ヒータ２と同様の方法で形成することができる。伝熱体３用のメタライズペーストは、上記金属の粉体に溶剤や有機バインダを加えて混錬することで作製することができる。柱状伝熱体３１は、金型等によるパンチング加工あるいはレーザ加工によってセラミックグリーンシートに貫通孔を設けておき、この貫通孔を伝熱体３用のメタライズペーストを充填しておけばよい。

端子電極４、内部配線４ａ、ダミー端子４ｂ、測温端子電極６および接続配線６ａも伝熱体３と同様の材料および方法で形成することができる。

測温素子５は、上記した第２面１２の内部領域１２ａの上に抵抗配線として形成されるものである場合には、第２面１２の一対の接続配線６ａ間に測温素子５用の抵抗体ペーストを塗布して焼き付ける、あるいはセラミックグリーンシートと同時焼成することで形成することができる。この抵抗体ペーストは、例えば抵抗体粉末を含むものである。抵抗体としては、例えば、白金または白金を主成分とする金属材料があげられる。白金以外の成分については、抵抗配線の抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）の調整や、耐熱性の向上等を目的に、適宜、その成分（種類）や添加量が選択され
る。白金以外の成分としては、例えばパラジウム、ロジウム、イリジウム等の白金族元素の金属材料および金等があげられる。あるいは、例えば珪窒化モリブデン等の抵抗体材料の薄膜からなる抵抗体配線を第２面１２の一対の接続配線６ａ間に形成して測温素子５作製することもできる。

測温素子５が、第２面１２に実装されて接続配線６ａに電気的に接続される、チップ部品等である場合には、例えば、測温素子５の端子と接続配線６ａとを、はんだまたはろう材、あるいは導電性ペースト等の導電性の接合材で機械的及び電気的に接続すればよい。あるいは、接着剤等で第２面１２に機械的に固定して、ワイヤボンディング等の接続手段で電気的に接続することもできる。

１・・・絶縁基体
１ａ・・・絶縁層
１１・・・第１面（上面）
１１ａ・・・凹部
１２・・・第２面（下面）
１２ａ・・・内部領域
１２ｂ・・・外部領域
１３・・・側面
１４・・・低熱伝導部
２・・・ヒータ
３・・・伝熱体
３１・・・柱状伝熱体
３２・・・環状伝熱体
３３・・・板状伝熱体
４・・・端子電極
４ａ・・・内部配線
４ｂ・・・ダミー端子
５・・・測温素子
６・・・測温端子電極
６ａ・・・接続配線
１００・・・加熱容器

Claims (5)

1. セラミックスからなる複数の絶縁層が積層されてなり、凹部を有する第１面と該第１面と対向する第２面とを有する絶縁基体と、
   該絶縁基体の内部であって前記凹部と前記第２面との間に設けられているヒータと、
   前記凹部と前記絶縁基体の側面との間において前記絶縁層を貫通し、前記凹部を取り囲むように配列されている複数の柱状伝熱体を含む伝熱体と、
   前記ヒータに接続されており、前記絶縁基体の表面に設けられている端子電極とを有しており、
   前記伝熱体は、前記凹部と前記側面との間の前記絶縁層の層間に設けられ、前記柱状伝熱体が接続されている、前記凹部を囲む環状の環状伝熱体をさらに含んでおり、
   隣接する２つの前記絶縁層の間に設けられている前記柱状伝熱体は、平面透視で互いに重なっていない加熱容器。
2. 前記伝熱体は、前記ヒータと前記凹部との間に位置する前記絶縁層の層間に設けられ、前記柱状伝熱体が接続されている板状伝熱体をさらに含む請求項１に記載の加熱容器。
3. 前記ヒータと前記第２面との間に前記絶縁層より熱伝導率が小さい低熱伝導部をさらに含む請求項１または請求項２に記載の加熱容器。
4. 前記第２面に、平面透視で前記凹部と重なる内部領域に設けられた測温素子と、該測温素子に電気的に接続されている測温端子電極とを有している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加熱容器。
5. 前記端子電極および前記測温端子電極は、前記第２面における平面透視で前記凹部より外側に位置する外部領域に設けられており、該外部領域は前記測温素子が設けられている領域より突出している請求項４に記載の加熱容器。

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