WO2010035688A1 - セラミックヒータ - Google Patents
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Definitions
- the ceramic heater of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the particles are ceramics.
- the heating element is provided inside the plate-shaped ceramic body, and a large number of inorganic particles are fixed to the main surface of the ceramic body.
- the specific surface area of the surface increases when a large number of particles are fixed, and the particles fixed at the time of heat transfer when heating the object to be heated exhibit a so-called fin effect. Efficiency is improved and heating time can be shortened.
- the temperature distribution of the main surface of the ceramic body of the ceramic heater can be reduced, it is also effective in preventing heater cracking due to thermal stress in repeated use.
- the ceramic heater 10 of the present invention since a large number of particles 6 are fixed to the main surface of the ceramic body 1, it is effective in preventing cracking of the ceramic body 1 when repeatedly used. That is, by fixing a large number of inorganic particles 6 to the main surface of the ceramic body 1 of the ceramic heater 10, the heat dissipation area on the main surface of the ceramic body 1 is increased, and the temperature unevenness in the ceramic body 1 is reduced. This is because the temperature distribution inside the ceramic heater 10 can be relaxed. At the same time, since the temperature distribution in the ceramic heater 10 can be relaxed, the temperature difference in the ceramic heater 10 itself can be reduced, and the temperature unevenness of the heated object heated by the ceramic heater 10 can be reduced.
- the ceramic body 1 when the large number of particles 6 are fixed to the region corresponding to the heating element 2 of the ceramic body 1 and also to the region between the regions corresponding to the heating element 2, the ceramic body 1.
- the heat transfer can be efficiently performed in correspondence with the heating element 2 in both the area corresponding to the heating element 2 on the main surface and the area between the two, and the thermal efficiency can be further increased.
- the temperature distribution on the main surface of the ceramic body 1 of the ceramic heater 10 can be made uniform to reduce temperature unevenness.
- the particles 6 have the same main component as the ceramic body 1.
- the main component of the particle 6 is the same as the main component of the ceramic body 1, since the main component is the same, the thermal expansion of both can be made the same and occurs between the particle 6 and the ceramic body 1. Since the thermal stress can be reduced, dropping of the particles 6 and cracking of the ceramic body 1 can be suppressed when the ceramic heater 10 is cycled and repeatedly used.
- a ceramic slurry prepared by adding a sintering aid such as SiO 2 , CaO, MgO, ZrO 2 to the above ceramic component is formed into a sheet shape.
- a sintering aid such as SiO 2 , CaO, MgO, ZrO 2
- an iron plate having the same size as the ceramic heaters of Samples 1 and 2 and a thickness of 1.5 mm is placed on the main surface of the ceramic body 1 of each sample.
- the time required to reach a predetermined maximum temperature on the surface of the iron plate and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature on the surface of the iron plate when the steady state was reached were investigated.
- the sample 1 of the comparative example and the sample 2 of the example were compared.
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Abstract
【課題】 被加熱物の加熱時間が短縮でき、表面の温度分布を小さくできる、熱伝達性に優れたセラミックヒータを提供する。 【解決手段】 板状のセラミック体１の内部に発熱体２を有し、セラミック体１の主面に多数の無機質の粒子６が固着しているセラミックヒータ10である。セラミックヒータ10の主面の比表面積が多数の粒子６が固着していることによって増大し、被加熱物への熱伝達の効率がよくなり、加熱時間を短縮できる。また、セラミック体１の主面の温度分布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，グロープラグ等に用いられるセラミックヒータに関する。
従来、ヘアアイロンのヒータ、ならびに水加熱用および燃料の液化，気化用等のヒータ、ならびに酸素センサ，空燃比センサ，グロープラグ等のヒータには、セラミックヒータが用いられている。これらの用途に用いられるセラミックヒータとしては、例えば、図６に示すように、セラミック基体101中に発熱抵抗体102が埋設され、この発熱抵抗体102の端部と電気的に接続されたリード部103および外部電極（電極パッド）104にロウ材を介してリード部材105が接続された構成のセラミックヒータ110が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。ここで、図６は従来のセラミックヒータの例を示す斜視図である。
上記の用途に代表されるセラミックヒータには、その使用時に、被加熱物を所望の温度に加熱するのに時間が長くかかることがあるため、所望の加熱処理を行なうために加熱時間をさらに短縮することが求められている。また、被加熱物を加熱する際に、セラミックヒータの表面の温度分布により、被加熱物への熱の伝わりが不均一になって被加熱物に温度むらが生じてしまうことがあるため、被加熱物を均一に加熱できることも求められている。さらに、加熱時に大きな温度分布の生じるセラミックヒータは、繰り返し使用する場合に温度分布によって生じる熱応力に耐えられずに、セラミック基体が割れてしまうことがある。
これらの問題に対し、近年、セラミックヒータには、被加熱物のより急速な加熱が可能で加熱時間が短縮できるとともに、表面の温度分布を小さくすることができ、さらに、より高温での昇降温を繰り返すような過酷な使用環境下においても十分な耐久性を備えることが求められている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、被加熱物の加熱時間が短縮でき、表面の温度分布を小さくでき、耐久性にも優れた、熱伝達性に優れ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、板状のセラミック体の内部に発熱体を有し、前記セラミック体の主面に多数の無機質の粒子が固着していることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記粒子は、セラミックスであることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記セラミック体の両方の主面に多数の前記粒子が固着していることを特徴とするものである。
さらに、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、多数の前記粒子は、前記主面の前記発熱体に対応する領域に固着していることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、多数の前記粒子は、前記主面の前記発熱体に対応する領域の間の領域にも固着していることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記粒子は、前記セラミック体よりも熱伝導率が高いことを特徴とするものである。
さらに、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記粒子は、前記セラミック体と主成分が同じであることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記セラミック体の前記主面の外周部に、前記粒子が固着していない領域があることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記粒子は、角張った形状であることを特徴とするものである。
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記粒子は、前記セラミック体の結晶粒子よりも大きいことを特徴とするものである。
本発明のセラミックヒータによれば、板状のセラミック体の内部に発熱体を有し、前記セラミック体の主面に多数の無機質の粒子が固着していることから、セラミックヒータのセラミック体の主面の比表面積が多数の粒子が固着していることによって増大し、被加熱物を加熱する際の熱伝達時に固着している粒子がいわゆるフィン効果を奏するので、被加熱物への熱伝達の効率がよくなり、加熱時間を短縮できるようになる。また、セラミックヒータのセラミック体の主面の温度分布を小さくすることができるため、繰り返し使用する場合における熱応力によるヒータ割れの防止にも効果があるものとなる。
以下、本発明のセラミックヒータの実施の形態の例を図面を参照しながら説明する。図１は本発明のセラミックヒータの実施の形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示すセラミックヒータのＡ－Ａ線断面を示す断面図である。
本例のセラミックヒータ10は、図１に示すようにセラミック体１の内部に発熱抵抗体２が埋設されており、この発熱抵抗体２の端部と電気的に接続されたリード部３および外部電極（電極パッド）４にロウ材を介してリード部材５が接続された構成である。そして、本例のセラミックヒータ１のセラミック体１の主面には、多数の無機質の粒子６が固着している。なお、図１に示す例においては、セラミック体１の主面に粒子６が固着している様子を分かりやすく示すために、粒子６の個数については図示を省略して極端に少なく示している。
本発明のセラミックヒータ10によれば、図１および図２に示すように、セラミック体１の主面に多数の無機質の粒子６が固着していることから、セラミック体１の主面の比表面積が粒子６によって増大し、比加熱物を加熱する際の被加熱物に対する輻射熱の輻射効率あるいは熱伝達の効率がよくなり、従来のセラミックヒータに比べて被加熱物を急速に加熱できるものとなり、加熱時間を短縮できるものとなる。
このようなセラミックヒータ10によって被加熱物を急速に加熱できるのは、セラミックヒータ10の板状のセラミック体１の主たる表面である主面に多数の無機質の粒子６が固着していることで、セラミック体１の主面の比表面積が粒子６によって増大し、熱放散面積が増えるからである。すなわち、多数の無機質の粒子６がいわゆるフィン効果を奏するものとして機能するからである。
また、本発明のセラミックヒータ10によれば、セラミック体１の主面に多数の粒子６が固着していることから、繰り返し使用する場合におけるセラミック体１の割れ防止にも効果がある。それは、セラミックヒータ10のセラミック体１の主面に多数の無機質の粒子６を固着させることによって、セラミック体１の主面における熱放散面積が大きくなり、セラミック体１における温度むらが低減されるようになるので、セラミックヒータ10の内部における温度分布を緩和することができるからである。また同時に、セラミックヒータ10における温度分布を緩和できることで、セラミックヒータ10自体の内部における温度差を小さくできるとともに、このセラミックヒータ10によって加熱される被加熱物の温度むらを小さくできる効果もある。
本発明のセラミックヒータ10において、粒子６はセラミックスであることが好ましい。
粒子６がセラミックスであることで、焼成によってセラミックス体１の主面に対して粒子６を焼結させて強固に固着させることができるとともに、セラミックス体１との熱膨張差を他の無機質である金属材料等と比較して小さくすることもできるので、セラミックヒータ10の加熱・冷却時に粒子６がセラミック体１の主面から脱落するのを抑制することができる。また、被加熱物が流体であり、特に強アルカリあるいは強酸等の流体を加熱するときには、それらに対して粒子６がセラミック体１と同様に優れた耐薬品性を有しているので、セラミックヒータ10の寿命を粒子６に金属材料を用いた場合に比較して延ばすことができる。
粒子６がセラミックスであることで、焼成によってセラミックス体１の主面に対して粒子６を焼結させて強固に固着させることができるとともに、セラミックス体１との熱膨張差を他の無機質である金属材料等と比較して小さくすることもできるので、セラミックヒータ10の加熱・冷却時に粒子６がセラミック体１の主面から脱落するのを抑制することができる。また、被加熱物が流体であり、特に強アルカリあるいは強酸等の流体を加熱するときには、それらに対して粒子６がセラミック体１と同様に優れた耐薬品性を有しているので、セラミックヒータ10の寿命を粒子６に金属材料を用いた場合に比較して延ばすことができる。
なお、粒子６として用いることができる他の無機質の材料としては、アルミナ（酸化アルミニウム），窒化アルミニウム，炭化珪素等がある。セラミック体１の主面にアルミナ，窒化珪素からなる粒子６を固着させるには、それぞれの粉末を有機バインダーおよび有機溶剤を用いてペースト状にして、セラミック体１となる成形体にスクリーン印刷等で塗布後に同時焼成すればよい。また、炭化珪素からなる粒子６を固着させるには、焼結させたセラミック体１の主面にセラミック溶射等で固着させればよい。
多数の粒子６の大きさとしては、数μｍ～100μｍレベルのものを選択する。なお、粒子６の大きさの幅を大きくすることで、大きな粒子６間を小さな粒子６で埋めることが可能となり、セラミック体１の主面の表面積をより大きくすることができる。
また、多数の粒子６が固着している範囲での粒子６の数の密度は、セラミック体１の主面の面積の30％以上90％以下の面積を占めるようにしておくことが好ましい。面積が30％未満では、セラミック体１の主面の表面積を本発明の効果が得られるように大きくするには不足する傾向があり、また被加熱物との非接触部分が多くなるため、被加熱物に均一に熱を伝えにくくなる傾向がある。他方、面積が90％を超えると、セラミック体１の主面において粒子６同士が凝集体として存在するようになるために、セラミック体１の主面の表面積を効果的に大きくすることが難しくなる傾向があり、また被加熱物との接触が悪くなるため、被加熱物に均一に熱を伝えにくくなる傾向がある。
また、粒子６の形状は、球形状を始めとして、板状，多角柱状，多角錐状，多面体状等であってもよい。中でも、図２に示すように、粒子６が球形状や丸みを帯びた形状であるよりも角張った形状であることによって、粒子６の比表面積を大きくすることが可能であるので、フィン効果を大きくすることができ、さらに熱を効率良く伝えることができるようになるので、好ましい。また、粒子６が角張った形状であると、後述するように複数のセラミックヒータ10を重ねて置いておくような場合に取り扱いやすいという利点もある。
また、本発明のセラミックヒータ10においては、図３に図２と同様の断面図で示すように、セラミック体１の両方の主面に多数の粒子６が固着していることが好ましい。図３は本発明のセラミックヒータの実施の形態の他の例を示す断面図である。この場合には、図２に示す例のようにセラミック体１の主面の片方のみに粒子６が固着している場合と比較して、セラミックヒータ10のセラミック体１の主面の比表面積が両面において増大するので、両面において熱伝達の効率を高めることができ、被加熱物である流体中に投入して加熱するような場合に効率よく加熱することができ、被加熱物の加熱時間を短縮することができる。また、セラミック体１の両方の主面に対してそれぞれ配置された被加熱物を効率よく加熱時間を短縮して加熱することができる。さらに、両方の主面において温度分布を小さくすることができ、繰り返し使用する場合においてセラミック体１が一方の主面側に反ったりするのを抑制することができるので、耐久性にも優れたものとなる。
また、本発明のセラミックヒータ10において、多数の粒子６は、図４に図１と同様の斜視図で示すように、セラミック体１の主面の発熱体２に対応する領域に固着していることが好ましい。図４は本発明のセラミックヒータの実施の形態のさらに他の例を示す斜視図である。図４に示す例では、図１に示す例と同じくセラミック体１の内部において一対のリード部３間で発熱体２が３度折り返したいわゆるミアンダ状に配設されており、多数の粒子６もその発熱体２に対応する主面の領域にミアンダ状のパターンに固着している。
セラミック体１の主面の全面に多数の粒子６が固着していると、全面において熱伝達の効率がよくなるもののリード部３に対応する領域へも熱伝達が良好になり、リード部３に対応する領域の温度も上昇するとともに外部電極４の温度も上昇して、外部電極４のロウ付け部にロウ材により電気的に接続されているリード部材５が外れてしまう可能性がある。これに対して、セラミック体１の主面のうちでも発熱体２に対応する領域、すなわちセラミック体１の内部の発熱体２を主面に投影した領域に多数の粒子６が固着している場合には、発熱体２に対応する領域から効率よく熱伝達を行なうことができるものとなり、リード部材５が外れてしまうことを防止しつつ被加熱物を急速に加熱できて加熱時間を短縮することができるものとなる。
また、本発明のセラミックヒータ10においては、多数の粒子６は、図５に図４と同様の斜視図で示すように、セラミック体１の主面の発熱体２に対応する領域の間の領域にも固着していることも好ましい。図５は本発明のセラミックヒータの実施の形態のさらに他の例を示す斜視図である。図５に示す例では、図４に示す例と同じくセラミック体１の内部において一対のリード部３間で発熱体２が３度折り返したミアンダ状に配設されており、多数の粒子６もその発熱体２に対応する主面のミアンダ状の領域に加えて、その間の領域にも固着しており、多数の粒子６の全体としては発熱体２をカバーする四角形状のパターンに固着している。
このように、多数の粒子６がセラミック体１の発熱体２に対応する領域に固着しているとともに発熱体２に対応する領域の間の領域にも固着している場合には、セラミック体１の主面の発熱体２に対応する領域とその間の領域との両方でもって発熱体２に対応して効率よく熱伝達を行なうことができ、熱効率をさらに高めることができるとともに、両方の領域にわたってセラミックヒータ10のセラミック体１の主面における温度分布を均一にして温度むらを小さくすることができる。
また、本発明のセラミックヒータ10においては、被加熱物への熱伝達の効率をさらに高める上では、粒子６は、セラミック体１よりも熱伝導率が高いことが好ましい。具体的には、セラミック体１がアルミナ質セラミックスからなる場合であれば、粒子６には窒化アルミニウムからなるものを用いればよく、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合であれば、粒子６には炭化珪素からなるものを用いればよい。
さらに、本発明のセラミックヒータ10において、粒子６は、セラミック体１と主成分が同じであることが好ましい。粒子６の主成分がセラミック体１の主成分と同じであるときには、主成分が同じであることから両者の熱膨張を同じにすることができ、粒子６とセラミック体１との間に発生する熱応力を小さくすることができるので、セラミックヒータ10のサイクル通電時や繰り返し使用する場合に、粒子６の脱落やセラミック体１の割れを抑制することができる。
また、本発明のセラミックヒータ10においては、図１，図４および図５にも示しているように、セラミック体１の主面の外周部に、粒子６が固着していない領域があることが好ましい。セラミック体１の主面において外周部にも多数の粒子６が固着していると、熱応力によってセラミック体１が変形した際に、外周部に固着した粒子６を基点としてセラミック体１の縁部にクラックが生じることがあり、このクラックが進展してセラミック体１の割れにつながることがある。これに対して、セラミック体１の主面の外周部に、粒子６が固着していない領域があることによって、セラミック体１の外周部、特に縁部における熱応力によるクラックの発生を抑えて、セラミック体１の割れの発生を抑制することができる。
このようにセラミック体１の主面の外周部に設ける粒子６が固着していない領域は、発熱体２に対応する領域外のセラミック体１の部分に、主面の外周に沿って設けるようにする。このようにセラミック体１の主面の外周部に粒子６が固着していない領域を設けることで、セラミック体１の外周端部への熱拡散を小さくして、外周端部での熱応力を小さくすることができる。
ところで、本発明のセラミックヒータ10では、セラミック体１の取り扱いとして、主面に多数の粒子６が固着していることからこの主面に当接しているものに引っ掛かりやすくなっており、セラミック体１が重ねてあるときには、それぞれが互いにくっ付いてハンドリングしづらいことがある。このようなときは、図２および図３に示すように、多数の粒子６は、角張った形状にするとよい。これにより、セラミック体１同士の接触が粒子６の先端の点接触となるので、セラミック体１同士のくっつきを防止して取り扱いやすいものになる。
ところで、本発明のセラミックヒータ10では、セラミック体１の取り扱いとして、主面に多数の粒子６が固着していることからこの主面に当接しているものに引っ掛かりやすくなっており、セラミック体１が重ねてあるときには、それぞれが互いにくっ付いてハンドリングしづらいことがある。このようなときは、図２および図３に示すように、多数の粒子６は、角張った形状にするとよい。これにより、セラミック体１同士の接触が粒子６の先端の点接触となるので、セラミック体１同士のくっつきを防止して取り扱いやすいものになる。
また、本発明のセラミックヒータ10においては、粒子６は、セラミック体１の結晶粒子よりも大きいことが好ましい。粒子６の大きさがセラミック体１の結晶粒子の大きさよりも大きいことによって、粒子６が小さいと粒界が多く存在するために熱伝導のロスが多くなる傾向があるのに対して、粒子６による熱伝導が良くなるからである。
このとき、粒子６の大きさは、例えばセラミック体１の結晶粒子の大きさが１～５μｍであるのに対して、30～200μｍ程度の大きさとすることが、セラミック体１の結晶粒子に比べて十分な熱伝導の良さを確保できる点で好ましい。また、そのように粒子６がセラミック体１の結晶粒子よりも大きいことによって、被加熱物をセラミックヒータ10に直接載置した場合においてセラミック体１と被加熱物との距離を粒子６が介在して十分に確保できるので、加熱中の異常時にセラミック体１が割れるようなことがあっても被加熱物が被害を受けるような事態を減少することができる点でも好ましい。
なお、粒子６の大きさおよびセラミック体１の結晶粒子の大きさは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真で拡大して観察し、各粒子６および結晶粒子について観察される最大長さ部を大きさとし、100個の粒子６および結晶粒子について求めた大きさの平均値をそれぞれの大きさとすればよい。
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。
セラミック体１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スを用いることができる。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。中でも、耐酸化性の点からは、アルミナ質セラミックスを用いることが好ましい。
まず、このようなセラミックスからなるセラミック体１を作製するため、上記のセラミックス成分にＳｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ２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。あるいは、上記成分を混合してプレス等で板状の成型体を作製する。
このセラミック体１となるセラミックグリーンシートあるいは成型体の一方の主面に、発熱体２，リード部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。発熱体２およびリード部３の材料としては、セラミック体１との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものを用いる。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原料，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10の用途に応じて、発熱体２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・間隔やパターンの線幅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。
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あるいは成型体に、さらに同一材質のセラミックグリーンシートあるい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、内部に発熱体２およびリード部３を有するセラミック体１となる板状の成型体が得られる。
ここで、セラミック体１の表面に多数の粒子６を固着させる方法について説明する。粒子６の固着方法は、大きく分けて、焼成前に固着させる方法と焼成後に固着させる方法とがある。それぞれについて説明する。
多数の粒子６をセラミック体１の主面に焼成前に固着させる方法には、例えば、多数の粒子６をバインダー，有機溶剤等と調合し混練して作製したペーストをスクリーン印刷等でセラミック体１となるセラミックグリーンシートあるいは成型体の主面に塗布する方法がある。他の方法としては、同様のペーストを用いたディッピング方法，スプレー方法等がある。ディッピング方法に用いるペーストは、スクリーン印刷法に用いるペーストよりも粘性を増して作製し、逆にスプレー方法で用いるペーストは、スクリーン印刷法で用いるペーストよりも粘性を下げて作製する。
また、このようにしてセラミック体１の主面に印刷あるいは塗布された粒子６とセラミック体１との固着力を増すためには、プレス機を用いて板状の成型体を粒子６の上から加圧することが効果的である。あるいは、板状の成型体を重ねて乾燥させることによっても、同様に固着力を増す効果を得ることができる。
このようにしてできた板状の成形体を焼成することによって、内部に発熱体２を有し、主面に多数の粒子６が固着しているセラミック体１を得ることができる。
また、多数の粒子６をセラミック体１の主面に焼成後に固着させる方法としては、板状の成型体を焼成して得られたセラミック体１の主面に、セラミック溶射により多数の粒子６を固着させる方法がある。この場合は、セラミックス系のコーティング材料を加熱して溶融ないし半溶融の微粒子の状態として、セラミック体１の主面に高速で衝突させることで、多数の粒子６を固着させることができる。あるいは、粒子６と低融点のガラスとを有機バインダーおよび有機溶剤を用いてペースト状にし、このペーストを印刷塗布した後、焼き付けることによって、多数の粒子６を固着させるようにしてもよい。
次に、主面に多数の粒子６が固着しているセラミック体１に発熱体２およびリード部３と同様にして形成された電極パッド（外部電極）４上に、ロウ材を介してリード部材５を接合する。ロウ材としては、Ａｕ－Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ－Ｃｕ等を主成分とするものを用いることができる。また、リード部材５としては、Ｎｉ，Ｎｉ合金，白金，銅等の低抵抗の金属からなる線材を用いることができる。
次に、主面に多数の粒子６が固着しているセラミック体１に発熱体２およびリード部３と同様にして形成された電極パッド（外部電極）４上に、ロウ材を介してリード部材５を接合する。ロウ材としては、Ａｕ－Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ－Ｃｕ等を主成分とするものを用いることができる。また、リード部材５としては、Ｎｉ，Ｎｉ合金，白金，銅等の低抵抗の金属からなる線材を用いることができる。
図１～図３に示す本発明のセラミックヒータ10を以下のようにして作製した。
まず、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ２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、発熱体２とリード部３、および電極パッド４となる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、印刷していない同一材料，同一形状のセラミックグリーンシートとを、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、板状の成型体を得た。
次に、この積層した板状の成型体の主面に、スクリーン印刷法にて多数の粒子６を印刷塗布した。なお、両方の主面に粒子６を固着させる試料では、片方の主面に印刷して乾燥した後に、他方の主面に同様にスクリーン印刷法にて粒子６を印刷して乾燥した。
粒子６をスクリーン印刷するのに用いるペーストは、数μｍ～100μｍの大きさのアルミナを主成分とするセラミックス粒子と、バインダーおよび有機溶剤とを混合して作製した。バインダーにはエチルセルロースを主成分とする樹脂を、有機溶剤にはＴＰＯおよびＤＢＰからなる有機溶剤を用いた。ペーストの印刷乾燥後に、板状の成型体への粒子の固着力を増すために、プレス機を用いて、５×10４～50×10４Ｐａの圧力で、１～10秒間の条件で成型体の主面への加圧を行なった。
こうして得られた板状の成型体を1500～1600℃の還元雰囲気（窒素雰囲気）中で焼成した。
次に、セラミック体１の主面の外部電極（電極パッド）４上に電解メッキにて厚みが２～４μｍのＮｉメッキ膜を設け、ロウ材としてＡｇロウを用いて、電極パッド４とＮｉからなるφ0.8ｍｍ×長さ50ｍｍのリード部材５とを接合した。
以上のようにして作製されたセラミックヒータ10のセラミック体１の主面の温度分布をサーモグラフィを用いて測定した。測定に用いた試料は、セラミック体１の主面に粒子６を固着していない従来のセラミックヒータを比較例の試料１とし、セラミック体１の片方の主面に多数の粒子６が付着している本発明の実施例を試料２とした。
測定においては、それぞれ試料１，試料２の発熱体２の最高温度が300℃となるような電力を引加した。発熱体２の温度が最高温度で定常状態になったときの各試料のセラミック体１の主面の最低温度を測定すると、試料１では約270℃であったのに対し、試料２では約290℃であった。この結果から、本発明によれば、セラミック体１の主面に多数の粒子６が固着していることで、主面の温度分布を小さくすることができることを確認できた。
次に、被加熱物への熱伝達の効率を確認するために、試料１，２のセラミックヒータと同等のサイズで厚みが1.5ｍｍの鉄板をそれぞれの試料のセラミック体１の主面に置き、鉄板の表面の所定最高温度までの到達時間、および定常状態になった時での鉄板の表面の最高温度と最低温度との差を調べた。評価には上記の比較例の試料１および実施例の試料２を用いて比較した。
各試料に同じ電力を引加し、最高温度までの時間を確認したところ、試料１では、最高温度までの到達時間が約30秒であり、定常状態での最高温度と最低温度との差は約10℃であった。これに対し、試料２での最高温度までの到達時間は約15秒であり、定常状態での最高温度と最低温度との差は約５℃であった。この結果から、本発明によれば、セラミック体１の主面に多数の粒子６が固着していることで、被加熱物の加熱時間を短くすることができることを確認できた。
１・・・セラミック体
２・・・発熱体
６・・・粒子
10・・・セラミックヒータ
２・・・発熱体
６・・・粒子
10・・・セラミックヒータ
Claims (10)
- 板状のセラミック体の内部に発熱体を有し、前記セラミック体の主面に多数の無機質の粒子が固着していることを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記粒子は、セラミックス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。
- 前記セラミック体の両方の主面に多数の前記粒子が固着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。
- 多数の前記粒子は、前記主面の前記発熱体に対応する領域に固着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。
- 多数の前記粒子は、前記主面の前記発熱体に対応する領域の間の領域にも固着していることを特徴とする請求項４に記載のセラミックヒータ。
- 前記粒子は、前記セラミック体よりも熱伝導率が高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。
- 前記粒子は、前記セラミック体と主成分が同じであることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
- 前記セラミック体の前記主面の外周部に、前記粒子が固着していない領域が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。
- 前記粒子は、角張った形状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。
- 前記粒子は、前記セラミック体の結晶粒子よりも大き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。
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