JPWO2012133800A1

JPWO2012133800A1 - セラミックヒータ

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Publication number: JPWO2012133800A1
Application number: JP2013507803A
Authority: JP
Inventors: 神谷　哲; 哲神谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2014-07-28
Anticipated expiration: 2032-03-30
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Abstract

本発明は、ノイズの放射が抑制され、周辺の電子装置へ与える影響が小さいセラミックヒータであるセラミック基体（４）が複数のセラミック層（４ａ）からなり、そのうちの２つのセラミック層（４ａ）の間には、セラミック材料と金属材料とが混合された混合層（２）が設けられる。セラミック層（４ａ）と混合層（２）との間には、通電によって発熱する発熱抵抗体（３）が設けられる。これにより、発熱抵抗体（３）に通電することで発生する高周波成分の放射が、混合層（２）により抑制され、周辺の電子装置へ与える影響を小さくすることができる。

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、半導体製造装置等に用いられるセラミックヒータに関する。

被加熱物を加熱するためのセラミックヒータは、耐久性を向上させるためにアルミナを主成分とするセラミック焼結体の中にタングステン等の高融点金属の発熱抵抗体をパターンとして設けた構成が主に用いられている（たとえば特許文献１参照）。

発熱抵抗体は、線状または板状に形成され、通電することによってジュール熱を発生する。発熱抵抗体で発生した熱は、セラミック焼結体を伝導し、セラミック焼結体の表面温度を高める。

セラミックヒータとしては、セラミック焼結体の表面温度が所定の温度となるように制御する必要がある。たとえば発熱抵抗体に通電する電流値を変化させることによってセラミック焼結体の表面温度を制御することができる。電流値を大きくすれば発生する熱量が多くなって表面温度は高くなり、電流値を小さくすれば発生する熱量が少なくなって表面温度が低くなる。

特開平５−３１５０５５号公報

セラミックヒータは種々の分野で利用されており、セラミックヒータの周辺に電子装置を配置する可能性が高い。セラミックヒータを発熱させるために、発熱抵抗体に通電すると、発熱抵抗体において発生した高周波成分がセラミックヒータから放射され、周辺に配置された電子装置に対するノイズとして影響を及ぼすおそれがある。

本発明の目的は、ノイズの放射が抑制され、周辺の電子装置へ与える影響が小さいセラミックヒータを提供することである。

本発明は、セラミック基体と、
前記セラミック基体内に設けられ、通電によって発熱する発熱抵抗体と、
前記セラミック基体内に設けられ、セラミック材料と金属材料とが混合された混合層と、を有することを特徴とするセラミックヒータである。

本発明のセラミックヒータによれば、セラミック基体内には、通電によって発熱する発熱抵抗体と、セラミック材料と金属材料とが混合された混合層とが設けられている。

これにより、発熱抵抗体に通電することで発生する高周波成分の放射が、混合層により抑制され、周辺の電子装置へ与える影響を小さくすることができる。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の第１実施形態であるセラミックヒータ１の構成を概略的に示す一部透過斜視図である。セラミックヒータ１の構成を示す断面図である。本発明の第２実施形態であるセラミックヒータ１０の構成を示す断面図である。本発明の第３実施形態であるセラミックヒータ１１の構成を示す断面図である。

以下、本発明のセラミックヒータについて図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるセラミックヒータ１の構成を概略的に示す一部透過斜視図である。図２は、セラミックヒータ１の構成を示す断面図である。

本実施形態のセラミックヒータ１は、セラミック基体４と、セラミック基体４の内部に埋設された混合層２と発熱抵抗体３とからなる。

セラミック基体４は、複数のセラミック層４ａ、４ｂにより棒状（円柱状）に形成されたものである。具体的には、図２に示すように、中央の層であるセラミック層４ｂが棒状（円柱状）であり、セラミック層４ｂの外周を取り巻くようにセラミック層４ａが配置されている。そして、セラミック層４ａとセラミック層４ｂとの間には、セラミック材料と金属材料とが混合された混合層２が設けられる。セラミック層４ｂと混合層２との間には、通電によって発熱する発熱抵抗体３も設けられる。

発熱抵抗体３の端部には、リード部６が電気的に接続され、リード部６には、セラミック基体４の外表面に設けられたパッド部７が接続される。パッド部７には、ロウ材を介して電源配線８が接続される。電源配線８は、発熱抵抗体３に通電するための図示しない電源装置に接続される。

発熱抵抗体３は、たとえばセラミック層４ａ、４ｂと同時焼成が可能な金属材料からなり、セラミック基体４の加熱面に対向する主面および該主面に隣接する側面とを有する。同時焼成が可能な金属材料としてはタングステン、モリブデン、レニウムの１種または２種以上を用いることができる。また、発熱抵抗体３は、セラミック層４ａとセラミック層４ｂとの間の所定の領域、すなわち加熱したい領域に、たとえば、断面矩形の平板状または線状に設けられる。発熱抵抗体３が線状に設けられる場合、ミアンダ状、渦巻き状、波形状などの形状で設けられる。発熱抵抗体３の線幅は、たとえば０．１〜５ｍｍであり、厚みは０．０１〜１ｍｍである。

セラミック基体４は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミック材料からなる。発熱抵抗体３で発生した熱は、セラミック基体４内を伝導し、セラミック基体４の外表面が加熱される。

混合層２は、セラミック材料と金属材料とが混合されて形成される。混合層２を構成するセラミック材料は、セラミック基体４に用いられるセラミック材料と同種のものを用いることができ、セラミック基体４のセラミック材料と同一であってもよく、異なっていてもよい。混合層２を構成する金属材料は、発熱抵抗体３に用いられる金属材料と同種のものを用いることができ、発熱抵抗体３に用いられる金属材料と同一であってもよく、異なっていてもよい。混合層２を構成する金属材料としては、レニウムが好ましい。レニウムは、耐酸化性に優れており、レニウムを用いることで通電可能時間が向上する。なお、混合層２は発熱抵抗体３の長手方向の全ての領域にわたって設けられる。また、混合層２の厚みは、たとえば０．０１〜０．５ｍｍである。

リード部６は、発熱抵抗体３と同じセラミック層４ａとセラミック層４ｂとの間に設けられる。このリード部６は、発熱抵抗体３と同種の金属材料からなる内層配線である。パッド部７との接続は、たとえばセラミック層４ａを厚み方向に外表面まで貫通するビア導体６ａを設ける。

セラミックヒータ１が円柱状の場合、外径は、たとえば１〜３０ｍｍであり、軸線方向の長さは、たとえば５〜２００ｍｍである。また、図示しないがセラミックヒータ１が板状の場合、全体の大きさは、たとえば５〜２００ｍｍ角である。厚みは、たとえば１〜３０ｍｍである。

セラミックヒータ１の急速昇温を目的として、昇温動作開始時にセラミックヒータ１の発熱抵抗体３に大電流を流すと、矩形波パルスのように、電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力の電流が発熱抵抗体３に突入する。

このような高周波成分によるノイズは、一般的に電磁波障害をもたらす周波数帯域（１５０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ）で問題になるラジオノイズである。このノイズは、電源配線などを伝わってくる伝導性ノイズと空間に向けて放射される放射性ノイズとに大別される。

一般的にはラジオ、無線通信、ネットワーク通信などで、通信信号以外の不要輻射ノイズで機器が誤動作したり、雑音が入ったりという障害が起こる。位相制御では、ターンオンする際の電圧、電流の急峻な立ち上がり波形が生じるため、そこに高周波（主に数十ＫＨｚ〜数十ＭＨｚの帯域）のクリックノイズが発生し、制御系に影響を及ぼしたり周辺機器に電波障害を引き起こしたりする。

本発明によれば、昇温動作開始時に発熱抵抗体３で発生した高周波成分は、混合層２により減衰される。減衰されることで、セラミックヒータ１から外部への高周波成分の放射が抑制され、セラミックヒータ周辺に配置された電子装置へ与える影響を小さくすることができる。

本実施形態の混合層２は、セラミック基体４の加熱面に対向する発熱抵抗体３の一主面側に設けられ、この主面から発生する高周波成分を混合層２によって減衰させることができる。ここで、本実施形態は、セラミック基体４が棒状であって、棒状のセラミック層４ｂ（セラミック芯材）の外周面に発熱抵抗体３のパターンが形成され、その外側にセラミック層４ａが設けられた構成となっている。このような本実施形態の構成では、セラミック基体４の加熱面とはセラミック基体４の外表面のことであり、セラミック基体４の加熱面に対向する発熱抵抗体３の一主面側とは半径方向外方の主面側を意味する。

また、セラミック基体４が板状の場合、セラミック基体４の加熱面とは被加熱物を加熱しようとする側の外表面のことをいう。通常、セラミック基体４の加熱面と近い位置に発熱抵抗体３は配置されることから、セラミック基体４の加熱面に対向する発熱抵抗体３の一主面側とはセラミック基体４の外表面に近いほうの主面側を意味する。

また、混合層２のセラミック材料の熱伝導率とセラミック基体のセラミック材料の熱伝導率とが同程度である場合は、金属材料が混合されている分だけセラミック基体４よりも混合層２のほうが熱伝導率が大きい。

セラミックヒータの形状が板状の場合、主面における温度分布の均一性が要求される。通常、発熱抵抗体の配置に沿って主面の表面温度が高く、他の部分では低くなるので温度分布にばらつきが発生し易い。セラミックヒータ１は、熱伝導率が大きい混合層２を設けることで、発生源の発熱抵抗体３から熱伝導する領域が広くなり、表面温度の分布の均一性が向上する。

図２は、本発明の第２実施形態であるセラミックヒータ１０の構成を示す断面図である。

本実施形態のセラミックヒータ１０は、混合層２ａの構成が第１実施形態の混合層２と異なるだけであるので、他の構成については第１実施形態と同じ参照符号を付して説明を省略する。

本実施形態では混合層２ａが、発熱抵抗体３の一主面に加えてさらに側面も覆うように設けられている。ノイズの原因となる高周波成分は、発熱抵抗体３の一主面に加えて側面からも発生する。本実施形態では、混合層２ａが発熱抵抗体３の側面も覆うので、発熱抵抗体３から放射される高周波成分をさらに減衰させることができ、セラミックヒータ周辺に配置された電子装置へ与える影響をさらに小さくすることができる。

また、混合層２ａを設ける領域は、第１実施形態の混合層２よりも広いので、発生源の発熱抵抗体３から熱伝導する領域がさらに広くなり、表面温度の分布の均一性がさらに向上する。

図３は、本発明の第３実施形態であるセラミックヒータ１１の構成を示す断面図である。

本実施形態のセラミックヒータ１１は、混合層２ｂの構成が第１実施形態の混合層２と異なるだけであるので、他の構成については第１実施形態と同じ参照符号を付して説明を省略する。

本実施形態では混合層２ｂが、発熱抵抗体３の一主面に側面および他主面も含めて発熱抵抗体３全体を覆うように設けられている。ノイズの原因となる高周波成分は、発熱抵抗体３の全体から発生する。本実施形態では、混合層２ｂが発熱抵抗体３の全体を覆うので、発熱抵抗体３から放射される高周波成分をさらに減衰させることができ、セラミックヒータ周辺に配置された電子装置へ与える影響をさらに小さくすることができる。

また、混合層２ｂを設ける領域は、第１実施形態および第２実施形態の混合層２，２ａよりも広いので、発生源の発熱抵抗体３から熱伝導する領域がさらに広くなり、表面温度の分布の均一性がさらに向上する。

セラミックヒータの発熱抵抗体に直流電圧で通電し、連続通電またはサイクル通電することにより、イオンマイグレーションが発生し、発熱抵抗体の金属材料、セラミック基体に含まれる金属成分や酸素イオンが移動することで発熱抵抗体が断線するおそれがある。したがって、セラミックヒータでは、イオンマイグレーションが発生しない程度の通電時間に制限される。

本実施形態のように、混合層２ｂが発熱抵抗体３の全体を覆うことにより、通電時に電気力線の集中が緩和され、イオンマイグレーションの発生が抑制されて断線を防ぐことができる。なお、本実施形態は、セラミック基体４が、軸線方向に垂直な断面形状が、半円状となる半割のセラミック層を組合せてなる円柱状のものであって、半割のセラミック層同士の間に発熱抵抗体３を配置した場合に、効果的な形態である。

本発明の他の実施形態は、上記の第１〜第３実施形態の構成に加えて、混合層における金属材料の分布に特徴を有するものである。以下では第１実施形態の混合層２について説明するが、第２および第３実施形態の混合層２ａおよび混合層２ｂについても同様である。

本実施形態では、混合層２において、発熱抵抗体３から遠ざかるにつれて、含まれる金属材料の混合割合が小さくなるように構成される。すなわち発熱抵抗体３に近接する領域では、金属材料の割合が大きく、発熱抵抗体３から離間した領域では、金属材料の割合が小さくなる。たとえば、最も割合が大きな領域での金属材料の混合量に対する最も割合が小さな領域での金属材料の混合量は、１／５〜１／２０である。

発熱抵抗体３の熱膨張係数とセラミック層４ａ、４ｂの熱膨張係数には差がある。セラミックヒータ１にサイクル通電すると、この熱膨張係数の差の影響で発熱抵抗体３とセラミック層４ａ、４ｂとの間にマイクロクラックが発生する。このマイクロクラックは、サイクル数の増加に伴って進展し、最終的には発熱抵抗体３が断線する。

混合層２の熱膨張係数は、発熱抵抗体３よりも小さく、セラミック層４ａ、４ｂよりも大きいので、金属材料が混合層２に一様に分布していても、マイクロクラックの発生をある程度抑制することができる。本実施形態のように、発熱抵抗体３から遠ざかるにつれて、混合層２に含まれる金属材料の混合割合を小さくすることで、混合層２の熱膨張係数を発熱抵抗体３からセラミック層４ａ、４ｂまでの間で変化させ、さらにマイクロクラックの発生を抑制することができる。

本発明のさらに他の実施形態は、上記の第２および第３実施形態の構成に加えて、混合層の厚みに特徴を有するものである。以下では第２実施形態の混合層２ａについて説明するが、第３実施形態の混合層２ｂについても同様である。

本実施形態では、混合層２ａにおいて、セラミック基体４の加熱面に対向する発熱抵抗体３の一主面側の部分の厚みが、他の部分の厚みよりも厚くなるように構成される。主面に接する部分の厚みは、他の部分の厚みに対して１／３〜１／１０である。

発熱抵抗体３で発生した熱の多くは、その主面からセラミック層４ａの厚み方向外方に伝導する。したがって、主面に接する部分の厚みを厚くすることで、より主面から厚み方向外方に熱伝導し易くなり、セラミックヒータ１の表面温度の昇温速度を速くすることができる。

なお、混合層２（２ａ、２ｂ）は、セラミック基体４に含まれない金属成分を含む領域であり、セラミック基体４と混合層２（２ａ、２ｂ）との境界は、例えば、波長分散型Ｘ線分光分析（ＷＤＳ分析）を用いて断面観察することで判別できる。具体的には、図１に示すセラミックヒータ１のサンプルを長手方向に切断し、切断面の鏡面出しを行い、セラミック基体４と混合層２（２ａ、２ｂ）との境界付近について、電子プローブマイクロアナライザ（ＪＸＡ−８１００日本電子株式会社製）を用いたＷＤＳ分析により、該当する金属成分のカラーマッピングを行うと、金属成分の有無によりセラミック基体４と混合層２の境界が判別できる。

次に、セラミックヒータ１の製造方法について説明する。
セラミック基体４としては、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絶縁性を備えたセラミック材料を用いることができる。具体的には、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などを用いることができる。これらの中でも、耐酸化性の点からは、アルミナを用いることが好ましい。

まず、このようなセラミック材料からなるセラミックヒータ１を作製するため、上記のセラミック成分にＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、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棒状や板状の成型体を作製する。

セラミックグリーンシートまたは成型体は、焼成によりセラミック層４ａ、４ｂとなるもので一方の主面に、発熱抵抗体、リード部となる抵抗体ペーストまたは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。発熱抵抗体およびリード部の材料としては、セラミックとの同時焼成によって作製が可能なタングステン、レニウム、モリブデン、レニウムとタングステンの混合物等の高融点金属を主成分とするものを用いる。抵抗体ペーストおよび導電性ペーストは、これらの高融点金属にセラミック材料、バインダー、有機溶剤等を調合し混練することで作製できる。またこのとき、セラミックヒータ１の用途に応じて、発熱抵抗体３となる抵抗体ペーストまたは導電性ペーストのパターンの長さや折り返しパターンの距離および間隔、パターンの線幅を変更することにより、発熱抵抗体３の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定することができる。

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と積層液を用いて積層して密着させることにより、内部に発熱抵抗体３およびリード部６を有するセラミック基体４となる棒状または板状の成型体が得られる。

ここで成型体を温度５０℃、湿度９０％以上の雰囲気に1時間以上放置する（以下では、拡散放置という）。これにより発熱抵抗体となるペーストに含まれる金属成分がイオン化し、セラミックグリーンシートまたは成型体に拡散する。この金属成分が拡散した領域が焼成後に混合層となる。

次に、得られた成形体を１５００℃〜１６００℃程度で焼成することにより、混合層を有するセラミックヒータを作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

なお、上記の場合は、発熱抵抗体となるペーストから、セラミックグリーンシートのペーストに接触する部分全体に金属成分が拡散するので、混合層２ｂが発熱抵抗体３の全体を覆う第３実施形態のセラミックヒータ１１を作製することができる。

第１および第２実施形態のように、混合層２，２ａの形成部分を特定の部分に限定する場合は、セラミックグリーンシートまたは成型体を予め仮焼しておく。仮焼したセラミックグリーンシートまたは成型体には、拡散放置によって金属成分が拡散しない。仮焼していないセラミックグリーンシートまたは成型体には、拡散放置によって金属成分が拡散するので、混合層の形成部分を制御することができる。

本発明のセラミックヒータの製造方法としては、上記の製造方法に限らず、例えば所望の金属材料を含むセラミックグリーンシートを予め用意しておき、混合層を形成したい領域に部分的に積層するような方法であってもよい。また、所望の金属材料を含むペーストを予め用意しておき、混合層を形成したい領域に、発熱抵抗体用のペーストに重ねて印刷するような方法であってもよい。この方法によれば、発熱抵抗体の金属材料と同一の金属材料を含む混合層とすることもでき、発熱抵抗体の金属材料と異なる金属材料を含む混合層とすることもできる。また、セラミックヒータが、確実に高周波成分の放射抑制効果（シールド効果）を得ることができる。

本発明の実施例であるセラミックヒータを以下のようにして作製した。
＜試料１＞
まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、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、このセラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体、リード部およびパッド部となる、レニウム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形状で印刷した。

そのパターン上に、レニウムを主成分とする導電性ペーストに、さらにセラミック基体と同一成分の粉体を混ぜた混合層用ペーストをスクリーン印刷した。また、棒状成型体をセラミックグリーンシートと同一材料で押し出し成型にて作製した。その後この棒状成型体を１２００℃程度で仮焼した。この印刷されたセラミックグリーンシートと、棒状仮焼体とを、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、棒状積層体を得た。

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

次に、セラミック基体の外表面のパッド部上に電解めっきにて厚みが２〜４μｍのＮｉめっき膜を設け、ロウ材としてＡｇロウを用いて、パッド部と、Ｎｉからなる直径０．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの電源配線とを接合した。これを試料１とする。

＜試料２＞
棒状成型体をセラミックグリーンシートと同一材料で押し出し成型にて作製した。その後この棒状成型体を１２００℃程度で仮焼した。印刷されたセラミックグリーンシートと、棒状仮焼体とを、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、棒状積層体を得た。

次に、この棒状積層体を温度５０℃、湿度９０％で１時間放置した。
こうして得られた棒状積層体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気（窒素雰囲気）中で焼成した。

次に、セラミック基体の外表面のパッド部上に電解めっきにて厚みが２〜４μｍのＮｉめっき膜を設け、ロウ材としてＡｇロウを用いて、パッド部と、Ｎｉからなる直径０．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの電源配線とを接合した。これを試料２とする。試料２では、拡散放置を行ったことにより、仮焼していないセラミックグリーンシートにレニウムが拡散し、混合層が形成された。

＜試料３＞
上記の棒状成型体を仮焼せず、そのまま印刷されたセラミックグリーンシートに積層液を塗布して得られた積層体を温度５０℃、湿度９０％で１時間放置し、得られた棒状積層体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気（窒素雰囲気）中で焼成した。これを試料３とする。試料３では、拡散放置を行ったことにより、仮焼していない棒状成型体および仮焼していないセラミックグリーンシートにレニウムが拡散し、混合層が形成された。

＜試料４＞
上記の印刷されたセラミックグリーンシートと印刷されていない同一材料のセラミックグリーンシートに積層液を塗布して積層し、板状積層体を得た。次に、この板状積層体を温度５０℃、湿度９０％で１時間放置した。こうして得られた板状成型体を１５００〜１６００℃の還元雰囲気（窒素雰囲気）中で焼成した。これを試料４とする。試料４では、拡散放置を行ったことにより、仮焼していないセラミックグリーンシートにレニウムが拡散し、混合層が形成された。

＜試料５〜７＞
拡散放置を行わなかったこと以外は、試料２〜４と同様にして試料５〜７を得た。

＜試料８＞
レニウムの代わりにモリブデンを用いたこと以外は、試料１と同様にして試料８を得た。

試料１〜８を、発熱抵抗体を含む領域で切断してレーザーアブレーションシステム（LSX-200 CETAC Technologies社製）を用いてレーザーを照射し、切断面より蒸発したレニウムおよびモリブデンをＩＣＰ質量分析装置（Platform ICP Micromass社製）で分析した。

比較例である試料５〜７はいずれも発熱抵抗体でのみレニウムが検出された。実施例である試料１〜４は発熱抵抗体およびその周囲（混合層）でレニウムが検出された。また、実施例である試料８は発熱抵抗体およびその周囲（混合層）でモリブデンが検出された。

試料１は、発熱抵抗体の外方側主面付近でのみレニウムが検出された。主面付近のみで検出されたのは、混合層用ペーストを、発熱抵抗体となるパターンの主面付近にのみ配置したからである。また、発熱抵抗体の内方側主面付近には、レニウムが検出されなかった。

試料２は、発熱抵抗体の外方側主面付近および側面付近にもレニウムが検出された。レニウムは発熱抵抗体から外方に向かって遠ざかるにつれて、混合割合が小さくなるように分布していた。発熱抵抗体の内方側主面付近には、レニウムが検出されなかった。これは外方側のセラミックグリーンシートがバインダーを含み、内方側の棒状仮焼体がバインダーを含んでいないため、拡散放置された際にイオン化されたレニウムがセラミックグリーンシートのバインダー中を拡散したと考えられる。

試料３は、発熱抵抗体の外方側主面付近、側面付近および内方側主面付近にもレニウムが検出された。レニウムは発熱抵抗体から外方に向かって遠ざかるにつれて、混合割合が小さくなるように分布していた。
試料４は、試料３と同様のレニウムの分布であった。

試料１，２，５に対して直流電流を通電し、オシロスコープを用いてセラミックヒータに流れるパルス波形、および高周波ノイズを確認した。試料１、２は通電と同時にパルス波形が急峻になるが、高周波ノイズは観測されなかった。一方、試料５では通電と同時にパルス波形が急峻になり、同時に高周波成分によるものと思われるノイズが観察された。

試料１，２では、高周波ノイズが観測されなかったのは、発熱抵抗体で突入電流とともに発生した高周波成分を発熱抵抗体周辺の混合層が減衰したためである。

試料４，７に対して交流電圧を印加し、表面温度を５００℃まで上げ、赤外線カメラでヒータ表面の温度分布を確認した。温度分布は、ヒータ表面の複数箇所で得られた温度のうち、最大値と最小値とを求め、最大値と最小値との温度差によって評価した。温度差が小さいほど温度分布が均一であることを示す。

試料４は、温度分布において温度差が１℃で試料全体が均一に昇温された。試料７では温度分布において温度差が５℃で、発熱抵抗体のパターンに沿った部分の温度が他の部分の温度よりも高くなっていた。

試料４は、混合層を有することにより、表面温度に均一な分布が見られた。レニウムの拡散領域で均熱化されて温度分布が良くなったと考えられる。

試料３，６に直流電圧を印加し、表面温度１２００℃での連続通電を行い、電気抵抗変化を確認した。試料３は、試料６よりも印加時間に伴う電気抵抗変化が小さく、試料６はおよそ２００時間で発熱抵抗体が断線したのに対し、試料３は、同じ２００時間でも発熱抵抗体が断線しなかった。

試料６を切断し断面を観察すると、イオンマイグレーションにより陰極側が黒色化していた。これはセラミックスに含まれるマグネシウム、カルシウムが陽イオンとなって陰極に移動し黒色化したものと考えられる。陽極側は、移動した酸素イオンによる酸化が原因とみられる体積膨張によるクラックで断線が確認された。

一方試料３は、陰極側の黒色化も陽極側の体積膨張によるクラックも確認されなかった。これは混合層により、イオンマイグレーションを防止できたものと考えられる。

また、試料１と試料８の高周波ノイズを比較すると、同じように高周波ノイズは確認されなかった。試料１と試料８に直流電圧を印加し、室温から１２００℃でのサイクル通電を行い、電気抵抗変化を確認した。その結果、試料８よりも試料１の方が、抵抗変化率が小さく、試料８が２５０時間で断線したのに対し、試料１は同じ２５０時間でも発熱抵抗体が断線しなかった。試料１および試料８を切断し断面を観察すると、試料１よりも試料８で陰極側の黒色化が顕著であった。試料８の陽極側は移動した酸素イオンによるクラックで断線が確認された。試料１では、陰極側の黒色化がやや見られたが、断線することはなかった。

試料１と試料８とでは、金属材料がレニウムであるかモリブデンであるかの違いのみであるので、レニウムを用いるほうがより好ましいことがわかった。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

１，１０，１１セラミックヒータ
２，２ａ，２ｂ混合層
３発熱抵抗体
４セラミック基体
４ａ，４ｂセラミック層
６リード部
６ａビア導体
７パッド部
８電源配線

Claims

セラミック基体と、
前記セラミック基体内に設けられ、通電によって発熱する発熱抵抗体と、
前記セラミック基体内に設けられ、セラミック材料と金属材料とが混合された混合層と、を有することを特徴とするセラミックヒータ。
前記混合層が前記発熱抵抗体と前記セラミック基体の加熱面との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記発熱抵抗体は前記セラミック基体の加熱面に対向する主面および該主面に隣接する側面を有し、前記混合層は前記発熱抵抗体の前記主面および前記側面を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記混合層は前記発熱抵抗体の全体を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記混合層は前記発熱抵抗体から遠ざかるにつれて、前記金属材料の混合割合が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。
前記混合層は前記セラミック基体の加熱面に対向する前記発熱抵抗体の前記主面を覆う部分の厚みが、他の部分の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項３記載のセラミックヒータ。
前記発熱抵抗体は前記セラミック基体の加熱面に対向する主面を有し、前記混合層は、前記セラミック基体の加熱面に対向する前記発熱抵抗体の前記主面を覆う部分の厚みが、他の部分の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項４記載のセラミックヒータ。
前記金属材料が、レニウムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。