WO2014098225A1 - ヒータ - Google Patents

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WO2014098225A1
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ceramic structure
heater
conductor
ceramic
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完臣 熊澤
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京セラ株式会社
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    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0014Devices wherein the heating current flows through particular resistances
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • HELECTRICITY
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    • H05B3/10Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/18Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being embedded in an insulating material
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/027Heaters specially adapted for glow plug igniters

Definitions

  • the present invention relates to a heater used in a hair iron, a water heater, an oxygen sensor, an air-fuel ratio sensor, a glow plug, a semiconductor manufacturing apparatus, or the like.
  • Examples of the heater used for the hair iron and the like include a ceramic heater disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-273737 (hereinafter referred to as Patent Document 1).
  • the ceramic heater disclosed in Patent Document 1 includes a ceramic base, a heater part provided inside the ceramic base, a lead part provided inside the ceramic base and connected to the heater part, and a ceramic base.
  • the heater according to one aspect of the present invention includes a ceramic structure, a heating resistor embedded in the ceramic structure, a conductor line embedded in the ceramic structure and connected to the heating resistor, and the ceramic structure.
  • a through hole conductor having one end connected to the conductor line and the other end led to the surface of the ceramic structure, and provided on the surface of the ceramic structure so as to cover the through hole conductor,
  • the heater includes an electrode pad connected to the through-hole conductor, and the through-hole conductor has a protrusion protruding outward from the surface of the ceramic structure.
  • FIG. 1 is a partially broken perspective view showing a heater 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the heater 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the heater 10 according to an embodiment of the present invention includes a ceramic structure 1, a heating resistor 2, a conductor line 3, a through-hole conductor 4, and an electrode pad 5.
  • the heater 10 is used in, for example, a hair iron, a water heating heater, an oxygen sensor, an air-fuel ratio sensor, a glow plug, or a semiconductor manufacturing apparatus.
  • the ceramic structure 1 is a member for holding the heating resistor 2 and the conductor line 3 inside. By providing the heating resistor 2 and the conductor line 3 inside the ceramic structure 1, the environmental resistance of the heating resistor 2 and the conductor line 3 can be improved.
  • the ceramic structure 1 is a rod-shaped member.
  • the ceramic structure 1 is a columnar member.
  • the ceramic structure 1 is composed of a plurality of ceramic layers. Specifically, a rod-shaped ceramic body is provided at the center, and a plurality of ceramic layers are laminated so as to surround the outer peripheral surface of the ceramic body.
  • the heating resistor 2 and the conductor line 3 are provided between the plurality of ceramic layers.
  • the ceramic structure 1 is made of a ceramic material such as alumina, silicon nitride, aluminum nitride, or silicon carbide.
  • the ceramic structure 1 has, for example, an outer diameter of 1 to 30 mm and a length in the longitudinal direction of 5 to 200 mm.
  • the heating resistor 2 is a member for generating heat.
  • the heating resistor 2 is provided between the ceramic layers and embedded in the ceramic structure 1.
  • the heating resistor 2 is provided along the outer peripheral surface of the ceramic structure 1.
  • the heating resistor 2 is formed in a wide range by having a plurality of folded portions.
  • the heating resistor 2 is made of a metal material.
  • the heating resistor 2 is preferably made of a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1.
  • the width of the heating resistor 2 is, for example, 0.1 to 5 mm, and the thickness is 0.01 to 1 mm.
  • the heat generated by the heating resistor 2 is conducted inside the ceramic structure 1 and is emitted from the surface of the ceramic structure 1 to the outside.
  • the conductor line 3 is a member for electrically connecting the heating resistor 2 and a power source (not shown) outside the ceramic structure 1 together with the through-hole conductor 4 and the electrode pad 5.
  • the conductor line 3 is embedded in the ceramic structure 1.
  • the conductor line 3 is provided between the same ceramic layers as between the ceramic layers provided with the heating resistor 2.
  • One end of the conductor line 3 is electrically connected to the end of the heating resistor 2.
  • the other end of the conductor line 3 is connected to the through-hole conductor 4 in order to connect to an external power source.
  • the conductor line 3 is preferably made of a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1.
  • tungsten, molybdenum, rhenium, or the like can be used as a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1.
  • the width of the conductor line 3 is, for example, 0.1 to 2 mm, and the thickness is, for example, 1 to 100 ⁇ m.
  • the through-hole conductor 4 is a member for electrically connecting the conductor line 3 and the electrode pad 5.
  • the through-hole conductor 4 is provided in the ceramic structure 1. One end of the through-hole conductor 4 is connected to the conductor line 3, and the other end is led to the surface of the ceramic structure 1. As shown in FIG. 3, the other end of the through-hole conductor 4 is electrically connected to the electrode pad 5 by being covered with the electrode pad 5.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of the vicinity of the through-hole conductor 4.
  • the through-hole conductor 4 is preferably made of a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1. As a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1, for example, tungsten, molybdenum, rhenium, or the like can be used.
  • the through-hole conductor 4 has a protruding portion 41 at the other end.
  • the protruding portion 41 protrudes outward from the surface of the ceramic structure 1. Specifically, it protrudes from the surface of the ceramic structure 1 in a dome shape. Thereby, the area which the through-hole conductor 4 and the electrode pad 5 contact can be increased. As a result, heat can be easily released from the through-hole conductor 4 to the outside. Therefore, even if the heat generated in the heating resistor 2 is transmitted to the through-hole conductor 4 via the conductor line 3, it is possible to reduce the heat from being transmitted to the through-hole conductor 4.
  • the thermal stress generated between the through-hole conductor 4 and the ceramic structure 1 can be reduced.
  • the risk of cracks occurring in the through-hole conductor 4 or the ceramic structure 1 can be reduced, so that the long-term reliability of the heater 10 can be improved.
  • the through-hole conductor 4 is cylindrical.
  • the outer diameter can be set to 0.1 to 1 mm.
  • the total length including the protrusion 41 when the outer diameter is 0.1 mm can be set to about 0.1 to 1 mm, for example.
  • the length of the protruding portion (protruding portion 41) of the through-hole conductor 4 can be set to about 0.003 mm to 0.1 mm, for example.
  • the length of the protrusion 41 When the length of the protrusion 41 is longer than 0.003 mm, the contact area between the through-hole conductor 4 and the electrode pad 5 can be increased. Therefore, heat can be easily released from the through-hole conductor 4 to the outside. In addition, by making the length of the protruding portion 41 shorter than 0.1 mm, it is possible to reduce the possibility that the protruding portion is destroyed when an external force is applied to the protruding portion.
  • the surface of the protrusion 41 is a curved surface in which the central portion of the protrusion 41 protrudes outward. Since the surface of the protrusion 41 is curved, the generation of noise in the protrusion 41 can be reduced. Specifically, when the surface of the protruding portion 41 has a sharply protruding portion, the energy of the current flowing between the through-hole conductor 4 and the electrode pad 5 is the protruding portion of the protruding portion 41. A spark or the like may occur due to concentration at the tip. As a result, noise may occur in the protruding portion 41. Generation
  • production of noise can be reduced by making the surface of the protrusion part 41 into a curved surface shape. By reducing the generation of noise, it is possible to reduce the adverse effects of noise on the electronic components provided around the heater 10.
  • the through-hole conductor 4 has a curved surface in which the connection surface with the conductor line 3 at one end protrudes downward (on the conductor line 3 side). Since the connection surface with the conductor line 3 is a curved surface, generation of noise on the connection surface can be reduced. Specifically, when the surface of the connection surface has a sharp protruding portion, the energy of the current flowing between the through-hole conductor 4 and the conductor line 3 is at the tip of the protruding portion of the connection surface. There is a case where sparks and the like occur due to concentration. As a result, noise may occur. Generation of noise can be reduced by making the connection surface curved. By reducing the generation of noise, it is possible to reduce the adverse effects of noise on the electronic components provided around the heater 10.
  • the electrode pad 5 is a member for electrically connecting the through-hole conductor 4 and an external power source.
  • the electrode pad 5 is provided on the surface of the ceramic structure 1.
  • the electrode pad 5 tightly covers the protruding portion 41 of the through-hole conductor 4. Thereby, the electrode pad 5 is electrically connected to the through-hole conductor 4.
  • a rod-shaped lead terminal 7 is joined to the electrode pad 5 so as to be drawn out to the side opposite to the side where the heating resistor 2 is provided.
  • the lead terminal 7 is made of, for example, a metal material excellent in electrical conduction such as nickel.
  • a brazing material 8 is used for joining the electrode pad 5 and the lead terminal 7. As the brazing material 8, for example, silver brazing is used.
  • the brazing material 8 is provided from the region where the lead terminal 7 is provided in the electrode pad 5 to the region covering the through-hole conductor 4.
  • the possibility that the through-hole conductor 4 is distorted is reduced by reducing the thermal stress generated between the through-hole conductor 4 and the ceramic structure 1. Therefore, the possibility of peeling between the electrode pad 5 and the through-hole conductor 4 is reduced. For this reason, peeling between the electrode pad 5 and the through-hole conductor 4 is caused and the electrode pad 5 is deformed, so that the possibility that stress is generated between the electrode pad 5 and the brazing material 8 is reduced. As a result, the risk of cracks in the brazing material 8 is reduced. Therefore, the possibility that the lead terminal 7 is peeled off is also reduced. As a result, the long-term reliability of the heater 10 can be improved.
  • the plating layer 6 is provided on the upper surface of the electrode pad 5.
  • a nickel plating layer can be used as the plating layer 6. By providing the nickel plating layer, the bondability between the electrode pad 5 and the lead terminal 7 can be improved.
  • the protrusion 41 of the through-hole conductor 4 enters the electrode pad 5. Specifically, a part of the electrode pad 5 is recessed, and the protrusion 41 of the through-hole conductor 4 is located in this recess. When the protruding portion 41 enters the electrode pad 5, the electrode pad 5 is not easily displaced in the direction along the surface of the ceramic structure 1. As a result, it is possible to further reduce the possibility that the electrode pad 5 is peeled off.
  • the electrode pad 5 is preferably made of a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure 1.
  • a metal material that can be fired simultaneously with the ceramic structure for example, tungsten, molybdenum, rhenium, or the like can be used.
  • the width of the electrode pad 5 can be set to 0.5 to 15 mm. When the width is about 0.5 mm, the length can be set to 0.5 mm, for example. When the width is about 15 mm, the width can be set to about 20 mm.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the outer periphery of the protrusion 41 of the through-hole conductor 4 may expand as it protrudes.
  • the electrode pad 5 enters the lower side of the projecting portion 41, the expanded portion of the projecting portion 41 is sandwiched between the electrode pads 5 from the vertical direction. As a result, the electrode pad 5 can be firmly fixed by the through-hole conductor 4.
  • the protruding portion 41 may have a plurality of protruding portions protruding outward at a portion in contact with the electrode pad 5. Since the protruding portion 41 has a plurality of convex portions, a portion where current is concentrated can be divided into a plurality of portions. As a result, local concentration of current can be reduced. As a result, local heat generation in the through-hole conductor 4 can be reduced. As a result, the long-term reliability of the heater 10 can be improved.
  • a plurality of convex portions are provided along the outer periphery of the through-hole conductor 4.
  • the location where an electric current concentrates can be spread over a wide range.
  • the heat generated in the convex portion can be dispersed over a wide range.
  • the height of the convex portion is 0.001 to 0.07 mm.
  • variety of a convex part in case height is 0.07 mm can be set to about 0.5 mm, for example.
  • the outer peripheral side and the center part of the surface of the protrusion 41 are recessed.
  • region located between an outer peripheral side and center part among the surfaces of the protrusion part 41 is a frame shape.
  • the through-hole conductor 4 has a protruding portion 41 and a part of the surface of the through-hole conductor 4 is recessed inward from the surface of the ceramic structure 1. May be. Thereby, the area which the through-hole conductor 4 and the electrode pad 5 contact can be enlarged more. As a result, heat can be more easily released from the through-hole conductor 4 to the outside.
  • sintering aids such as silicon dioxide, calcium oxide, magnesium oxide and zirconia are added to ceramic components such as alumina ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, or silicon carbide ceramics.
  • a ceramic slurry is obtained by adding an agent. This ceramic slurry is formed into a sheet to produce a ceramic green sheet. Or the said component is mixed and a plate-shaped or rod-shaped molded object is produced by press molding or extrusion molding.
  • a through-hole conductor 4 is provided in order to transmit electric power from the outside to the heating resistor 2 through the lead terminal 7, the brazing material 8, and nickel plating.
  • the through-hole conductor 4 is produced by making a hole in a ceramic green sheet and press-fitting a conductive paste therein. At this time, it is important to provide the conductive paste so that the end portion of the conductive paste is located outside the surface of the green sheet. This portion becomes the protruding portion 41 of the through-hole conductor 4 after firing.
  • the conductive paste that forms the heating resistor 2 and the conductor line 3 is formed on one main surface of the ceramic green sheet or the molded body that forms the ceramic structure 1 using a method such as screen printing. Further, a conductive paste printing ink to be used as the electrode pad 5 is formed on the back surface by using a method such as screen printing.
  • a material for the heating resistor 2, the conductor line 3, and the electrode pad 5 a material mainly composed of a refractory metal such as tungsten, molybdenum or rhenium which can be manufactured by simultaneous firing with the ceramic structure 1 is used.
  • the conductive paste to be the through-hole conductor 4 can be prepared by appropriately mixing and kneading ceramic raw materials, a binder, an organic solvent and the like with these high melting point metals.
  • the length of the conductive paste pattern that forms the heating resistor 2 the distance and interval of the folded pattern, and the line width of the pattern can be changed to Set the resistance to the desired value.
  • the ceramic green sheet or molded body made of the same material is further laminated and adhered to the ceramic green sheet or molded body on which this pattern is formed using a laminating liquid, so that the heating resistor 2 and the conductor line 3 are formed inside.
  • a rod-shaped or plate-shaped molded body that becomes the ceramic structure 1 having the above is obtained.
  • the obtained molded body is fired at about 1500 ° C. to 1600 ° C. Furthermore, a nickel plating layer 6 is provided on the electrode pad 5 on the main surface of the ceramic structure 1 by electrolytic plating. Then, silver solder is used as the brazing material 8 to join the electrode pad 5 and the lead terminal 7 made of Ni. As described above, the heater 10 can be manufactured.
  • the heater 10 of the example of the present invention was manufactured as follows.
  • a ceramic green sheet having alumina as a main component and prepared so that silicon dioxide, calcium oxide, magnesium oxide and zirconia were within 10% by mass in total was produced.
  • a conductive paste A portion to be the through-hole conductor 4 was produced by making a hole in the ceramic green sheet and filling the inside with a conductive paste. At this time, the conductive paste was provided so that the end of the conductive paste was positioned about 0.05 mm outward from the surface of the green sheet.
  • a method for positioning the end portion of the conductive paste outside the surface of the green sheet in this way for example, a method of filling the hole with the conductive paste while applying pressure using a jig can be mentioned. .
  • a conductive paste mainly composed of molybdenum and tungsten to be the heating resistor 2, the conductor line 3, and the electrode pad 5 was printed on each pattern by a screen printing method.
  • a ceramic green sheet on which these are printed and a rod-shaped molded body produced by extrusion molding from the same material as this ceramic green sheet are coated with a laminated liquid in which ceramics of the same composition are dispersed and stacked to form a rod A laminate was obtained.
  • the rod-like laminate thus obtained was fired in a reducing atmosphere (nitrogen atmosphere) at 1500 to 1600 ° C.
  • a nickel plating layer having a thickness of 2 to 4 ⁇ m was provided on the electrode pad 5 on the main surface of the ceramic structure 1 by electrolytic plating. Thereafter, the lead terminal 7 was joined to the electrode pad 5. Silver solder was used for joining. Thus, the heater 10 of the sample 1 was produced.
  • Sample 2 was produced in which a hole was formed in the ceramic structure and the conductive paste was positioned only inside the hole when the inside was filled with the conductive paste. Other conditions are the same as those of Sample 1.
  • the temperature in the vicinity of the through-hole conductor 4 when the surface temperature of the heater reached 1200 ° C. was measured. Specifically, the temperature was measured by attaching a thermocouple having a diameter of 0.1 mm to a region of the electrode pad 5 located immediately above the through-hole conductor 4. As a result, the measurement result of the heater 10 of the sample 1 was 238 ° C., whereas the measurement result of the heater of the sample 2 was 270 ° C.

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Abstract

 本発明のヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続された導体線路と、一端が導体線路に接続され、他端がセラミック構造体の表面に導出されたスルーホール導体と、スルーホール導体を覆うようにセラミック構造体の表面に設けられ、スルーホール導体に接続された電極パッドとを備えている。スルーホール導体は、セラミック構造体の表面よりも外方に突出した突出部を有している。

Description

ヒータ
 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。
 上記ヘアアイロン等に用いられるヒータとしては、例えば、特開平11-273837号公報(以下、特許文献1という)に開示されたセラミックヒータが挙げられる。特許文献1に開示されたセラミックヒータは、セラミック基材と、セラミック基材の内部に設けられたヒータ部と、セラミック基材の内部に設けられてヒータ部に接続されたリード部と、セラミック基材に設けられ、一端がリード部に接続され、他端がセラミック基材の表面に導出された導電層とを備えている。
 しかしながら、特許文献1に開示されたセラミックヒータ(以下、単にヒータともいう)においては、ヒータ部(発熱抵抗体)で生じた熱が、リード部(導体線路)を伝わって導体層(スルーホール導体)に伝わる場合があった。そして、このスルーホール導体に熱が籠ることによって、スルーホール導体とセラミック基材(セラミック構造体)との間に熱応力が生じる場合があった。その結果、ヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。
 本発明の一態様のヒータは、セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック構造体に埋設されて前記発熱抵抗体に接続された導体線路と、前記セラミック構造体に設けられ、一端が前記導体線路に接続され、他端が前記セラミック構造体の表面に導出されたスルーホール導体と、該スルーホール導体を覆うように前記セラミック構造体の表面に設けられ、前記スルーホール導体に接続された電極パッドとを備えたヒータであって、前記スルーホール導体は、前記セラミック構造体の表面よりも外方に突出した突出部を有している。
本発明の一実施形態のヒータを示す一部破断斜視図である。 本発明の一実施形態のヒータの模式図である。 本発明の一実施形態のヒータにおけるスルーホール導体付近の部分拡大図である。 本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。 本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。 本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。
 以下、本発明の一実施形態のヒータについて図面を参照して詳細に説明する。
 図1は、本発明の一実施形態のヒータ10を示す一部破断斜視図である。図2は、本発明の一実施形態のヒータ10を示す模式図である。図2に示すように、本発明の一実施形態のヒータ10は、セラミック構造体1と発熱抵抗体2と導体線路3とスルーホール導体4と電極パッド5とを備えている。ヒータ10は、例えば、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。
  <セラミック構造体1の構成>
 セラミック構造体1は、発熱抵抗体2および導体線路3を内部に保持するための部材である。セラミック構造体1の内部に発熱抵抗体2および導体線路3が設けられることによって、発熱抵抗体2および導体線路3の耐環境性を向上できる。セラミック構造体1は、棒状の部材である。セラミック構造体1は、円柱状の部材である。セラミック構造体1は、複数のセラミック層から成る。具体的には、中央に棒状のセラミック体が設けられており、このセラミック体の外周面を取り巻くように複数のセラミック層が積層されている。発熱抵抗体2および導体線路3は、これらの複数のセラミック層の間に設けられている。セラミック構造体1は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムまたは炭化珪素等のセラミック材料から成る。セラミック構造体1は、例えば、外径が1~30mmであり、長手方向の長さが5~200mmである。
  <発熱抵抗体2の構成>
 発熱抵抗体2は、熱を発するための部材である。発熱抵抗体2は、複数のセラミック層の間に設けられて、セラミック構造体1に埋設されている。発熱抵抗体2は、セラミック構造体1の外周面に沿って、設けられている。発熱抵抗体2は、複数の折り返し部を有することによって広範囲に形成されている。発熱抵抗体2は、金属材料から成る。発熱抵抗体2は、セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料から成ることが好ましい。セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を用いることができる。発熱抵抗体2の幅は例えば0.1~5mmであり、厚みは0.01~1mmである。発熱抵抗体2で発せられた熱は、セラミック構造体1の内部を伝導し、セラミック構造体1の表面から外部に発せられる。
  <導体線路3の構成>
 導体線路3は、スルーホール導体4および電極パッド5等と共に、発熱抵抗体2とセラミック構造体1の外部の電源(図示せず)とを電気的に接続するための部材である。導体線路3は、セラミック構造体1に埋設されている。導体線路3は、発熱抵抗体2が設けられたセラミック層の間と同じセラミック層の間に設けられている。導体線路3は、一端が発熱抵抗体2の端部に電気的に接続されている。一方、導体線路3の他端は、外部の電源に接続するために、スルーホール導体4に接続されている。導体線路3は、セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料から成ることが好ましい。セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を用いることができる。導体線路3の幅は、例えば0.1~2mmであり、厚みは、例えば1~100μmである。
  <スルーホール導体4の構成>
 スルーホール導体4は、導体線路3と電極パッド5とを電気的に接続するための部材である。スルーホール導体4は、セラミック構造体1に設けられている。スルーホール導体4は、一端が導体線路3に接続されており、他端がセラミック構造体1の表面に導出されている。また、図3に示すように、スルーホール導体4の他端は、電極パッド5に覆われていることによって、電極パッド5に電気的に接続されている。なお、図3はスルーホール導体4付近の部分拡大図である。スルーホール導体4は、セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料から成ることが好ましい。セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を用いることができる。
 スルーホール導体4は、他端に突出部41を有している。突出部41は、セラミック構造体1の表面よりも外方に突出している。具体的には、セラミック構造体1の表面からドーム状に突出している。これにより、スルーホール導体4と電極パッド5とが接触する面積を増やすことができる。その結果、スルーホール導体4から外部へ熱を逃がしやすくすることができる。そのため、発熱抵抗体2で生じた熱が導体線路3を介してスルーホール導体4に伝わったとしても、スルーホール導体4に熱が籠ることを低減できる。したがって、スルーホール導体4が過度に高温になることを抑制できるので、スルーホール導体4とセラミック構造体1との間に生じる熱応力を低減できる。その結果、スルーホール導体4またはセラミック構造体1にクラックが生じるおそれを低減できるので、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
 スルーホール導体4は円柱状である。スルーホール導体4が円柱状であることによって、スルーホール導体4の一部に熱応力が集中することを抑制できる。スルーホール導体4が円柱状の場合の寸法は、例えば、外径を0.1~1mmに設定できる。また、外径が0.1mmのときの突出部41を含む全長は、例えば、0.1~1mm程度に設定できる。また、この場合のスルーホール導体4のうち突出している部分(突出部41)の長さは、例えば、0.003mm~0.1mm程度に設定できる。突出部41の長さが0.003mmよりも長いことによって、スルーホール導体4と電極パッド5との接触面積を大きくすることができる。そのため、スルーホール導体4から外部へ熱を逃がしやすくすることができる。また、突出部41の長さを0.1mmよりも短くしておくことによって、外力が突出部に加わったときに突出部が破壊してしまうおそれを低減できる。
 突出部41の表面は、突出部41の中央部が外方に突出した曲面状である。突出部41の表面が曲面状であることによって、突出部41におけるノイズの発生を低減することができる。具体的には、突出部41の表面が鋭く突き出た部分を有している場合には、スルーホール導体4と電極パッド5との間に流れる電流のエネルギーが突出部41のうち突き出た部分の先端に集中して、スパーク等が発生する場合がある。その結果、突出部41においてノイズが発生する場合がある。突出部41の表面を曲面状にしておくことによって、ノイズの発生を低減することができる。ノイズの発生を低減することによって、ヒータ10の周囲に設けられる電子部品に対するノイズによる悪影響を減少させることができる。
 また、スルーホール導体4は、一端における導体線路3との接続面が、下側(導体線路3側)に突出した曲面状である。導体線路3との接続面が曲面状であることによって、接続面におけるノイズの発生を低減することができる。具体的には、接続面の表面が鋭く突き出た部分を有している場合には、スルーホール導体4と導体線路3との間に流れる電流のエネルギーが接続面のうち突き出た部分の先端に集中して、スパーク等が発生する場合がある。その結果、ノイズが発生する場合がある。接続面を曲面状にしておくことによって、ノイズの発生を低減することができる。ノイズの発生を低減することによって、ヒータ10の周囲に設けられる電子部品に対するノイズによる悪影響を減少させることができる。
  <電極パッド5の構成>
 電極パッド5は、スルーホール導体4と外部の電源とを電気的に接続するための部材である。電極パッド5は、セラミック構造体1の表面に設けられている。電極パッド5はスルーホール導体4の突出部41を密着して覆っている。これにより、電極パッド5がスルーホール導体4に電気的に接続されている。電極パッド5には、棒状のリード端子7が、発熱抵抗体2が設けられている側とは逆側に引き出されるように接合されている。リード端子7は、例えば、ニッケル等の電気伝導に優れる金属材料から成る。電極パッド5とリード端子7との接合には、例えば、ろう材8が用いられる。ろう材8としては、例えば、銀ろう等が用いられる。ろう材8は、電極パッド5のうちリード端子7が設けられている領域からスルーホール導体4を覆う領域にまで設けられている。本実施形態のヒータ10においては、スルーホール導体4とセラミック構造体1との間に生じる熱応力が低減されていることによって、スルーホール導体4が歪むおそれが低減されている。そのため、電極パッド5とスルーホール導体4との間に剥がれが生じるおそれが低減されている。このため、電極パッド5とスルーホール導体4との間に剥がれが生じて電極パッド5が変形することにより、電極パッド5とろう材8との間に応力が生じるおそれが低減されている。その結果、ろう材8にクラックが入るおそれが低減されている。そのため、リード端子7に剥がれが生じるおそれも低減されている。これらの結果、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
 電極パッド5の上面には、めっき層6が設けられている。めっき層6としては、例えば、ニッケルめっき層を用いることができる。ニッケルめっき層が設けられていることによって、電極パッド5とリード端子7との接合性を向上できる。
 また、スルーホール導体4の突出部41は、電極パッド5に入り込んでいる。具体的には、電極パッド5の一部が凹んでいるとともに、この凹みにスルーホール導体4の突出部41が位置している。電極パッド5に突出部41が入り込むことによって、電極パッド5がセラミック構造体1の表面に沿った方向にずれにくくなる。その結果、電極パッド5に剥がれが生じるおそれをさらに低減できる。
 電極パッド5は、セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料から成ることが好ましい。セラミック構造体1と同時に焼成することが可能な金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を用いることができる。電極パッド5の寸法は、例えば、幅を0.5~15mmに設定できる。幅が0.5mm程度の場合には、長さを例えば0.5mmに設定できる。また、幅が15mm程度の場合には、幅を20mm程度に設定できる。
 なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、図4に示す変形例のヒータ10のように、スルーホール導体4の突出部41の外周が、突出するにしたがって広がっていてもよい。突出部41のうち広がっている部分の下側に電極パッド5が入り込むことによって、突出部41のうち広がっている部分が上下方向から電極パッド5に挟まれていることになる。その結果、電極パッド5をスルーホール導体4により強固に固定することができる。
 また、図5に示す変形例のヒータ10のように、突出部41は、電極パッド5と接する部分に、外方に向かって突出した複数の凸部を有していてもよい。突出部41が複数の凸部を有していることによって、電流が集中する箇所を複数に分けることができる。その結果、局所的に電流が集中することを低減できる。その結果、スルーホール導体4において局所的な発熱が生じることを低減できる。その結果、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
 また、凸部がスルーホール導体4の外周に沿って複数設けられていることが好ましい。これにより、電流が集中する箇所を広範囲に分散させることができる。その結果、凸部に生じる発熱を広範囲に分散させることができる。凸部の寸法は、例えば、高さが0.001~0.07mmである。また、高さが0.07mmの場合の凸部の幅は、例えば、0.5mm程度に設定できる。
 また、突出部41の表面のうち外周側および中心部分が凹んでいることが好ましい。言い換えると、突出部41の表面のうち外周側と中心部分との間に位置する領域が枠状になっていることが好ましい。この枠の内部に電極パッド5を入り込ませることによって、突出部41と電極パッド5とが接する領域を広範囲にすることができる。これにより、突出部41と電極パッド5との間の一部に電流が集中することを低減できる。
 また、図6に示す変形例のヒータ10のように、スルーホール導体4が突出部41を有するとともに、スルーホール導体4の表面の一部がセラミック構造体1の表面よりも内方に凹んでいてもよい。これにより、スルーホール導体4と電極パッド5とが接触する面積をより大きくすることができる。これにより、スルーホール導体4から外部へ熱をさらに逃がしやすくすることができる。
  <ヒータ10の製造方法>
 次に、本実施の形態のヒータ10の製造方法について説明する。
 まず、セラミック構造体1を作製するため、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、二酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウムおよびジルコニア等の焼結助剤を含有させて調製し、セラミックスラリーを得る。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。あるいは、上記成分を混合してプレス成型や押出成型等で板状または棒状の成型体を作製する。
 このとき、外部からの電力をリード端子7、ろう材8およびニッケルめっきを介して発熱抵抗体2に伝えるために、スルーホール導体4を設ける。スルーホール導体4はセラミックグリーンシートに穴を開けて内部に導電性ペーストを圧入して作製する。このとき、導電性ペーストの端部がグリーンシートの表面よりも外方に位置するように、導電性ペーストを設けることが重要である。この部分が焼成後に、スルーホール導体4の突出部41になる。
 このセラミック構造体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、発熱抵抗体2および導体線路3と成る導電性ペーストをそれぞれスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。また、裏面に、電極パッド5と成る導電性ペーストの印刷インクをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。
 発熱抵抗体2、導体線路3および電極パッド5の材料としては、セラミック構造体1との同時焼成によって作製が可能な例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等の高融点金属を主成分とするものを用いる。
 また、スルーホール導体4となる導電性ペーストは、これらの高融点金属に適宜セラミック原料、バインダーおよび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10の用途に応じて、発熱抵抗体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、導体線路3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2および導体線路3を有するセラミック構造体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。さらに、セラミック構造体1の主面の電極パッド5上に電解めっきにてニッケルめっき層6を設ける。そして、ろう材8として銀ろうを用いて、電極パッド5とNiからなるリード端子7とを接合する。以上により、ヒータ10を作製することができる。
 本発明の実施例のヒータ10を以下のようにして作製した。
 まず、アルミナを主成分とし、二酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウムおよびジルコニアが合計で10質量%以内になるように調製したセラミックグリーンシートを作製した。
 次に、モリブデン粉末、タングステン粉末およびバインダーを混合して、導電性ペーストを作製した。セラミックグリーンシートに穴を開けて内部に導電性ペーストを充填することによって、スルーホール導体4と成る部分を作製した。このとき、導電性ペーストの端部がグリーンシートの表面よりも0.05mm程度外方に位置するように、導電性ペーストを設けた。このように導電性ペーストの端部をグリーンシートの表面よりも外方に位置させるための手法としては、例えば、治具を用いて圧力をかけながら導電性ペーストを穴に充填する方法が挙げられる。
 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2、導体線路3および電極パッド5と成るモリブデンおよびタングステン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、このセラミックグリーンシートと同一材料から押し出し成型で作製した棒状の成型体とに、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、セラミック構造体1の主面の電極パッド5上に電解めっきにて厚みが2~4μmのニッケルめっき層を設けた。その後、電極パッド5にリード端子7を接合した。接合には、銀ろうを用いた。このようにして、試料1のヒータ10を作製した。
 比較例として、セラミック構造体に穴を開けて内部に導電性ペーストを充填するときに、導電性ペーストを穴の内部にのみ位置させた試料2を作製した。その他の条件は試料1の場合と同様である。
 そして、試料1のヒータ10および試料2のヒータに対して、直流電圧を表面温度が1200℃になるまで印加して、表面温度が1200℃到達後に表面温度が室温になるまで停止することを1サイクルとするサイクル通電を行なった。その後、試料1のヒータ10および試料2のヒータの外観を確認した。その結果、試料1のヒータ10においては、1000サイクルのサイクル通電を行なった後であってもセラミック構造体1におけるクラックの発生が確認できなかった。これに対して、試料2のヒータにおいては、およそ1000サイクルのサイクル通電を行なった後に、セラミック構造体にクラックが発生していた。クラックの起点は、スルーホール導体に接する領域であった。
 また、試料1および試料2について、ヒータの表面温度が1200℃に到達したときのスルーホール導体4の近傍の温度を測定した。具体的には、電極パッド5のうちスルーホール導体4の直上に位置する領域に直径0.1mmの熱電対を取り付けて温度を測定した。その結果、試料1のヒータ10においては測定結果が238℃であったのに対して、試料2のヒータにおいては測定結果が270℃であった。すなわち、突出部41を有していない試料2のヒータにおいては、スルーホール導体4に熱が籠ってしまったのに対して、突出部41を有する試料1のヒータ10においては、スルーホール導体4から外部に熱を逃がしやすくなっていることが確認できた。その結果、試料1のヒータ10においては、クラックの発生するおそれが低減されていることが確認できた。
1:セラミック構造体
2:発熱抵抗体
3:導体線路
4:スルーホール導体
41:突出部
5:電極パッド
6:めっき層
7:リード端子
8:ろう材
10:ヒータ

Claims (7)

  1.  セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック構造体に埋設されて前記発熱抵抗体に接続された導体線路と、前記セラミック構造体に設けられ、一端が前記導体線路に接続され、他端が前記セラミック構造体の表面に導出されたスルーホール導体と、該スルーホール導体を覆うように前記セラミック構造体の表面に設けられ、前記スルーホール導体に接続された電極パッドとを備えたヒータであって、
    前記スルーホール導体は、前記セラミック構造体の表面よりも外方に突出した突出部を有しているヒータ。
  2.  前記突出部の表面が曲面状である請求項1に記載のヒータ。
  3.  前記スルーホール導体の前記一端が、前記導体線路に入り込んでいる請求項1または請求項2に記載のヒータ。
  4.  前記スルーホール導体の前記一端の前記導体線路との接続面が曲面状である請求項3に記載のヒータ。
  5.  前記突出部は複数の凸部を有している請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のヒータ。
  6.  前記スルーホール導体は円柱状である請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のヒータ。
  7.  前記スルーホール導体の前記突出部の外周が突出するにしたがって広がっている請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のヒータ。
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