WO2020138330A1 - ヒータ - Google Patents

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    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Definitions

  • the present disclosure relates to a heater.
  • a heater in which a ceramic, which is an insulator, is used as a base and a conductor as a heating element is formed on the surface of the base is widely used in various fields.
  • Patent Document 1 discloses a ceramic heater in which a heating element pattern including a heating portion and a lead portion is formed on the surface of a ceramic insulating layer.
  • the heater of the present disclosure is made of ceramics and has a base body having a first surface and a first electric conductor having a void and located on the first surface.
  • the heater of the present disclosure is less likely to crack the base even if heating and cooling are repeated. Therefore, it can be used for a long period of time.
  • FIG. 3 is an example of a rear view of a heater according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A′ in FIG. 1. It is an example of the enlarged view in the S section shown in FIG.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line B-B′ in FIG. 1.
  • 6 is another example of a cross-sectional view taken along the line B-B′ of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line C-C′ of FIG. 1.
  • 9 is another example of a cross-sectional view taken along the line C-C′ of FIG. 1.
  • FIG. 1 is an example of a rear view of the heater 10 of the present disclosure, specifically, a view looking toward the first surface 1 a of the heater 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA′ of FIG.
  • the heater 10 of the present disclosure includes a base 1 having a first surface 1a and a first conductor 2a on the first surface 1a, and allows electricity to flow through the first conductor 2a.
  • the object to be heated can be heated by.
  • the 2nd surface 1b is located in the opposite of the 1st surface 1a, and this surface is a surface near a heating target object, for example, is a mounting surface of a heating target object.
  • the fact that the first conductor 2a is located on the first surface 1a means that the first conductor 2a is located on the surface of the first surface 1a.
  • the base body 1 of the heater 10 of the present disclosure is made of ceramics.
  • ceramics include aluminum oxide ceramics, silicon carbide ceramics, cordierite ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, and mullite ceramics.
  • the substrate 1 is made of aluminum oxide ceramics, it is excellent in workability and inexpensive.
  • the aluminum oxide ceramics are those containing 70% by mass or more of aluminum oxide in 100% by mass of all components constituting the ceramics.
  • the material of the substrate 1 in the heater 10 of the present disclosure can be confirmed by the following method. First, the substrate 1 is measured using an X-ray diffractometer (XRD), and identification is performed using a JCPDS card from the value of 2 ⁇ (2 ⁇ is the diffraction angle) obtained. Next, the contained components are quantitatively analyzed using a fluorescent X-ray analyzer (XRF).
  • XRD X-ray diffractometer
  • XRF fluorescent X-ray analyzer
  • the coefficient of thermal expansion of ceramics is about 7.2 ppm for aluminum oxide ceramics, about 3.7 ppm for silicon carbide ceramics, about 1.5 ppm for cordierite ceramics, and 2. 5 for silicon nitride ceramics.
  • FIGS. 1 and 2 show an example in which the base body 1 has a rectangular plate shape and has a first surface 1a and a second surface 1b facing the first surface 1a.
  • the shape is not limited to this, and may have any shape.
  • the first conductor 2a may be located on the first surface 1a of the base 1 in any arrangement.
  • FIG. 3 is an enlarged view of part S shown in FIG.
  • the first conductor 2a in the heater 10 of the present disclosure has a plurality of voids 9.
  • the first conductor 2a may include first metal particles 3a and second metal particles 3b.
  • the voids 9 may be located between the first metal particles 3a and the second metal particles 3b.
  • the first conductor 2a has a void 9. Therefore, the surface area of the first conductor 2a is larger than that of the conductor layer having no void 9. Therefore, the heater 10 has high heat dissipation.
  • the first conductor 2a may include first metal particles 3a and second metal particles 3b.
  • the voids 9 may be located between the first metal particles 3a and the second metal particles 3b. In the case of having such a configuration, the heat generated in the first metal particles 3a and the second metal particles 3b is absorbed in the voids 9, so that the heater 10 has high heat dissipation.
  • the material of the first metal particles 3a and the second metal particles 3b constituting the first conductor 2a may be metal, but may be, for example, stainless steel, aluminum or copper.
  • the coefficients of thermal expansion of these are generally about 10 to 18 ppm for stainless steel, about 23 ppm for aluminum, and about 16.7 ppm for copper.
  • the shapes of the first metal particles 3a and the second metal particles 3b may be, for example, spherical, granular, whisker-shaped or needle-shaped.
  • the first metal particles 3a and the second metal particles 3b may be bent.
  • the first metal particles 3a and the second metal particles 3b may have corners.
  • the length of the first metal particles 3a and the second metal particles 3b in the longitudinal direction may be 0.5 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less. ..
  • the width may be 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and the length may be 100 ⁇ m or more and 5 mm or less.
  • the first metal particles 3a and the second metal particles 3b are granular.
  • the first metal particles 3a and the second metal particles 3b are whisker-shaped.
  • FIG. 1 shows an example in which the first conductor 2a has a meandering shape
  • the shape is not limited to this, and any shape may be used.
  • the average thickness of the first conductor 2a may be, for example, 1 ⁇ m or more and 5 mm or less.
  • the porosity of the first conductor 2a may be, for example, 10% or more and 90% or less.
  • the porosity is an index representing the ratio of the voids 9 in the first conductor 2a.
  • the porosity of the first conductor 2a may be calculated, for example, by measuring using the Archimedes method.
  • the first conductor 2a may include third metal particles 3c.
  • the first conductor 2a may have a welded portion 12 between the first metal particles 3a and the third metal particles 3c. Since the first metal particles 3a and the third metal particles 3c are not merely in contact with each other but are welded to each other, heat is easily transferred between the first metal particles 3a and the third metal particles 3c. Therefore, the first conductor 2a as a whole has high heat conduction efficiency. Therefore, the heater 10 has high reliability.
  • the heater 10 of the present disclosure may include a bonding layer 4 located between the first conductor 2a and the first surface 1a, as shown in FIG. If such a configuration is satisfied, the first conductor 2a is less likely to be peeled from the base body 1, and the stress generated due to the difference in thermal expansion is relieved by the bonding layer 4 so that the base body 1 is less likely to be cracked. .. Therefore, the heater 10 of the present disclosure can be used for a longer period of time.
  • the average thickness of the bonding layer 5 may be, for example, 1 ⁇ m or more and 0.5 mm or less.
  • the bonding layer 4 in the heater 10 of the present disclosure may be made of metal or glass.
  • the metal may be, for example, nickel, platinum, SUS, aluminum, copper or the like, and the glass may be, for example, borosilicate glass or silicate glass. If such a configuration is satisfied, the bonding layer 4 firmly bonds the first conductor 2a and the base body 1 to each other, and the first conductor 2a is less likely to be peeled from the base body 1.
  • the bonding layer 4 is made of glass
  • the coefficient of thermal expansion of glass is between that of metal and ceramics, so that the stress caused by the difference in thermal expansion between the first conductor 2a and the substrate 1 is the bonding layer. 4 effectively relaxes, and the base 1 is less likely to crack.
  • the bonding layer 4 in the heater 10 of the present disclosure may be made of porous ceramics.
  • the porous ceramics for example, those having the same components as the ceramics constituting the substrate 1 may be used. If such a structure is satisfied, the first metal particles 3a forming the first conductor 2a enter the inside of the bonding layer 4 which is porous, so that the first conductor 2a and the bonding layer 4 are strongly bonded. Since the base 1 and the bonding layer 4 are both ceramics, the base 1 and the bonding layer 4 are firmly bonded. Therefore, the first conductor 2a is less likely to be peeled from the base 1.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along the line B-B′ in FIG. 1.
  • the front end portion of the first conductor 2a in the heater 10 of the present disclosure may be covered with the protective layer 5.
  • the tip portion of the first conductor 2a is a portion from the tip of the first conductor 2a to a length of 5 mm.
  • being covered with the protective layer 5 means that the protective layer 5 is located in contact with the tip of the first conductor 2a so that the tip of the first conductor 2a is not exposed to the outside.
  • the protective layer 5 protects the tip of the first conductor 2a, which is most likely to be stressed and damaged when heating and cooling are repeated. Therefore, the heater 10 of the present disclosure can be used for a longer period of time.
  • the protective layer 5 may be in contact with the substrate 1. If such a configuration is satisfied, the protective layer 5 reduces the risk of the tip portion of the first conductor 2a peeling from the substrate 1.
  • the protective layer 5 may be made of any material as long as the porosity is less than 5%. Further, as shown in FIG. 9, the protective layer 5 may include the first component 11.
  • the first component 11 may consist of one selected from ceramics, resins, metals and glasses.
  • the ceramics are, for example, aluminum oxide ceramics, silicon carbide ceramics, cordierite ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics or mullite ceramics
  • the resin is, for example, silicone resin or
  • the metal may be, for example, an imidoamide resin
  • the metal may be, for example, nickel, platinum, copper, or the like
  • the glass may be, for example, borosilicate glass or silicate glass.
  • the tip end portion of the first conductor 2a in the heater 10 of the present disclosure has the first component 11 located between the first metal particles 3a and the second metal particles 3b. May be. If such a configuration is satisfied, the bonding between the first conductor 2a and the protective layer 5 becomes strong, and the protective layer 5 peels from the first conductor 2a when heating and cooling are repeated. The risk is reduced.
  • FIG. 5 shows another example of the cross-sectional view taken along the line B-B′ of FIG. 1.
  • the heater 10 of the present disclosure may include the power supply terminal 6, and at least a part of the power supply terminal 6 may be located inside the first conductor 2a.
  • the power supply terminal 6 is connected to an external power source (not shown) and is for supplying a current to the first conductor 2a. Then, if such a configuration is satisfied, there is little possibility that the power supply terminal 6 will come off when heating and cooling are repeated, and the current can be stably supplied to the first conductor 2a.
  • the metal particles 3 in the heater 10 of the present disclosure may be covered with the oxide film 13. If such a configuration is satisfied, when a cooling medium such as water is passed through the first conductor 2a to cool the first conductor 2a that has generated heat, the first conductor 2a and the first conductor 2a are cooled. The chemical reaction with the medium can be suppressed. Therefore, the reliability of the heater 10 of the present disclosure is improved.
  • a cooling medium such as water
  • the oxide film 13 may be an oxide of a metal forming the metal particles 3.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view taken along the line C-C′ of FIG.
  • the substrate 1 in the heater 10 of the present disclosure may have the flow path 7 inside. If such a configuration is satisfied, the fluid flowing in the flow path 7 can be heated by causing the first conductor 2a to generate heat. For example, as a chemical reaction device of the present disclosure, the fluid reacts by heating. It is possible to use the heater 10.
  • FIG. 7 shows another example of the cross-sectional view taken along the line C-C′ of FIG. 1.
  • the heater 10 of the present disclosure further includes a second conductor 2b and a connection conductor 8, the second conductor 2b is located on the second surface 1b, and the first conductor 2a and the first conductor 2a.
  • the two conductors 2b may be electrically connected via the connection conductor 8. If such a configuration is satisfied, the first conductor 2a, the connecting conductor 8 and the second conductor 2b become one conductor, and the length of the conductor is extended on the limited surface of the substrate 1. It is possible to rapidly heat the substrate 1 by the conductor. If the substrate 1 has the flow path 7, the fluid flowing in the flow path 7 can be rapidly heated, and for example, the reaction due to the heating of the fluid can be effectively promoted.
  • the second conductor 2b may have the void 9 like the first conductor 2a. Further, the bonding layer 4 described above may be located between the second conductor 2b and the second surface 1b.
  • connection conductor 8 may be a metal, but may be the same metal as the metal particles 3 forming the first conductor 2a and the second conductor 2b. Further, the connection conductor 8 may have a void 9 like the first conductor 2a and the second conductor 2b.
  • the connecting conductor 8 may have any shape, but if it is cylindrical, its diameter may be 0.3 mm or more and 2 mm or less. Further, the number of the connecting conductors 8 may be one or more, but the number of the connecting conductors 8 may be increased according to the magnitude of the current used.
  • a sintering aid, a binder, a solvent and the like are added to the powder of the raw material (aluminum oxide, silicon nitride, etc.) as the main component, and the mixture is appropriately mixed to prepare a slurry.
  • a green sheet is formed by a doctor blade method and punched by a die or laser-processed to obtain a green sheet having a desired shape.
  • this slurry is spray-dried to obtain granulated granules.
  • the granules are rolled to form a green sheet, which is punched by a die or laser-processed to obtain a green sheet having a desired shape.
  • holes are formed in the green sheet to form a flow path by forming a green body by stacking multiple green sheets. You may. Further, a metal paste serving as a connection conductor may be embedded in the molded body.
  • the molded body is fired to obtain a base body made of ceramics and having a first surface.
  • a first conductor is formed on the first surface of the base.
  • a mask of a desired shape made of porous resin is formed on the first surface.
  • a mixed liquid prepared by mixing a plurality of metal particles including first metal particles and second metal particles made of stainless steel, aluminum or copper with a liquid such as water is prepared and poured into the space formed by this mask. ..
  • the liquid mixture is evaporated to evaporate the liquid.
  • the mask is burned out or the solvent is used to remove the mask, and the substrate is pressurized with a predetermined pressure, and then the substrate is heated or ultrasonic vibration is applied.
  • the first conductor having voids can be obtained by removing the porous mask.
  • first metal particles and the second metal particles can be bonded by heating the substrate after applying a predetermined pressure or applying ultrasonic vibration. Furthermore, after applying a predetermined pressure, the base body is heated or ultrasonic vibration is applied to form a welded portion between the first metal particles and the third metal particles.
  • the bonding layer may be formed on the first surface, and then the first conductor may be formed on the bonding layer.
  • the bonding layer is metal, glass, or porous ceramics.
  • the bonding layer may be formed by sputtering after forming the mask, or by electroless plating or metallization.
  • the bonding layer is glass or porous ceramics
  • the bonding layer may be formed before forming the mask.
  • glass and porous ceramics may be formed by applying a paste containing each of them as a main component to the first surface and heat-treating the paste. Further, since glass and porous ceramics are insulative, they may be formed so as to cover the entire first surface of the substrate. The porous ceramics can be easily bonded to the base as long as it has the same composition as the ceramics forming the base.
  • the bonding layer is metal or glass
  • the bonding layer is bonded to the first conductor by being wet.
  • the bonding layer is porous ceramics
  • the metal particles forming the first conductor enter the porous ceramics for bonding. If the bonding layer is a metal, the metal of the bonding layer and the metal particles forming the first conductor are bonded to each other by applying electricity to the bonding layer and the first conductor, and the bonding layer and the first conductor are connected to each other. Can also be joined.
  • the first conductor is prepared in advance by the following method. First, for example, a mixed liquid prepared by mixing a plurality of metal particles made of stainless steel, aluminum, or copper with a liquid such as water is prepared and poured into a mold having the shape of the first conductor. Next, the liquid is evaporated by drying it.
  • first metal particles and the second metal particles are bonded by applying a predetermined pressure and heating or applying ultrasonic vibration. Then, when taken out from the mold, a plurality of metal particles including the first metal particles and the second metal particles are welded to obtain a first conductor having voids.
  • the first conductor may be manufactured by the following method. First, a plurality of metal particles including the first metal particles and the second metal particles are mixed with a binder, and then a molded body is manufactured by a mechanical press method. Next, the binder is evaporated by drying this molded body. Then, it heats or gives ultrasonic vibration. Thereby, the plurality of metal particles including the first metal particles and the second metal particles can be welded to each other. Thereby, a welded part can be formed between the first metal particles and the third metal particles. As a result, the first conductor having voids is obtained.
  • the second conductor may be formed on the second surface of the base by the same method as the above-mentioned first conductor.
  • the metal particles are subjected to oxidation treatment with a strong oxidant, heat treatment in an oxygen atmosphere, anodic oxidation treatment, etc.
  • the oxide film 13 such as a dynamic film may be formed.
  • the protective layer may be formed by applying a paste containing ceramics, resin, metal, and glass as the main components to the tip of the first conductor, followed by drying and heat treatment.
  • the first component forming the protective layer can be present between the first metal particles and the second metal particles at the tip of the first conductor.
  • a hole matching the shape of the power supply terminal may be opened at the tip of the first conductor, and the power supply terminal may be inserted into this hole. ..
  • a member having a hole for inserting the power supply terminal is prepared, and the member is bonded so as to be in contact with the tip of the first conductor, or paste is applied to the tip of the first conductor and the power supply terminal. It can be formed by applying, drying and heat treatment.
  • Base 1a First surface 1b: Second surface 2a: First conductor 2b: Second conductor 3a: First metal particle 3b: Second metal particle 3c: Third metal particle 4: Bonding layer 5: Protection Layer 6: Power supply terminal 7: Flow path 8: Connection conductor 9: Void 10: Heater 11: First component 12: Welded portion 13: Oxide film

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Abstract

本開示のヒータは、セラミックスからなり、第１面を有する基体（１）と、前記第１面の上に位置する、空隙（９）を有する第１導電体（２ａ）と、を有している。

Description

ヒータ
　本開示は、ヒータに関する。
　従来から、絶縁体であるセラミックスを基体として用い、その基体の表面に発熱体としての導電体を形成したヒータが様々な分野で多用されている。
　例えば、特許文献１には、セラミック絶縁層の表面に、発熱部と引き出し部とを具備する発熱体パターンが形成されてなるセラミックヒータが開示されている。
特開２００４－１７８９４２号公報
　本開示のヒータは、セラミックスからなり、第１面を有する基体と、前記第１面の上に位置する、空隙を有する第１導電体と、を有している。
　本開示のヒータは、加熱および冷却が繰り返されても、基体に亀裂が生じにくい。よって、長期間に亘って使用することができる。
本開示のヒータの背面図の一例である。 図１のＡ－Ａ’線における断面図である。 図２に示すＳ部における拡大図の一例である。 図１のＢ－Ｂ’線における断面図である。 図１のＢ－Ｂ’線における断面図の他の例である。 図１のＣ－Ｃ’線における断面図である。 図１のＣ－Ｃ’線における断面図の他の例である。 図２に示すＳ部における拡大図の一例である。 図４に示すT部における拡大図である。
　本開示のヒータについて、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
　まず、図１には、本開示のヒータ１０の背面図の一例であり、具体的には、ヒータ１０の第１面１ａに向かって視た図である。また、図２は、図１のＡ－Ａ’線における断面図である。そして、本開示のヒータ１０は、図１に示すように、第１面１ａを有する基体１と、第１面１ａに第１導電体２ａとを備え、第１導電体２ａに電気を流すことによって加熱対象物を加熱することができる。そして、図２に示すように、第１面１ａの反対には、第２面１ｂが位置し、この面は、加熱対象物に近い面であり、例えば加熱対象物の載置面であってもよい。なお、第１導電体２ａが第１面１ａ上に位置するとは、第１導電体２ａが第１面１ａの表面に位置することを意味する。
　また、本開示のヒータ１０における基体１は、セラミックスからなる。セラミックスとしては、例えば、酸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、コージェライト質セラミックス、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ムライト質セラミックス等が挙げられる。ここで、基体１が酸化アルミニウム質セラミックスからなるならば、加工性に優れ、かつ安価である。
　ここで、酸化アルミニウム質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、酸化アルミニウムを７０質量％以上含有するものである。そして、本開示のヒータ１０における基体１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、基体１を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により酸化アルミニウムの存在が確認され、ＸＲＦで測定したアルミニウム（Ａｌ）の含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、酸化アルミニウム質セラミックスである。なお、他のセラミックスに関しても、同じ方法で確認できる。
　また、セラミックスの熱膨張係数は、一般的に、酸化アルミニウム質セラミックスが７．２ｐｐｍ程度、炭化珪素質セラミックスが３．７ｐｐｍ程度、コージェライト質セラミックスが１．５ｐｐｍ程度、窒化珪素質セラミックスが２．８ｐｐｍ程度、窒化アルミニウム質セラミックスが４．６ｐｐｍ程度、ムライト質セラミックスが５．０ｐｐｍ程度である。
　また、図１および図２では、基体１の形状が、矩形の板状であり、第１面１ａと、この第１面１ａに対向する第２面１ｂを有している例を示しているが、これに限定されるものではなく、どのような形状であっても構わない。また、第１導電体２ａは、基体１の第１面１ａ上に、どのような配置で位置していてもよい。
　次に、図３は、図２に示すＳ部における拡大図である。図３に示すように、本開示のヒータ１０における第１導電体２ａは、複数の空隙９を有している。第１導電体２ａは、第１金属粒子３ａと、第２金属粒子３ｂと、を有していてもよい。空隙９は、第１金属粒子３ａと第２金属粒子３ｂとの間に位置していてもよい。
　図３および図８に示すように、第１導電体２ａは、空隙９を有している。そのため、第１導電体２ａは、空隙９のない導電体層に比べ表面積が大きい。したがって、ヒータ１０は高い放熱性を有する。
　また、図３及び図８に示すように、第１導電体２ａは、第１金属粒子３ａと、第２金属粒子３ｂと、を有していてもよい。空隙９は、第１金属粒子３ａと第２金属粒子３ｂとの間に位置していてもよい。このような構成を有する場合、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂで生じた熱が空隙９に吸収されるため、ヒータ１０は高い放熱性を有する。
　ここで、第１導電体２ａを構成する第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂの材質は、金属であればよいが、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅であってもよい。なお、これらの熱膨張係数は、一般的に、ステンレスが１０～１８ｐｐｍ程度、アルミニウムが２３ｐｐｍ程度、銅が１６．７ｐｐｍ程度である。
　また、図３および図８に示すように、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂの形状は、例えば、球状、粒状、ウィスカ状または針状であってもよい。第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂがウィスカ状または針状である場合は、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂは屈曲していてもよい。第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂは角部を有していてもよい。また、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂが球状または粒状である場合、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂの長手方向の長さは０．５μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂがウィスカ状または針状である場合、幅は１μｍ以上１００μｍ以下であってもよく、長さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
　図３においては、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂが粒状である。図８においては、第１金属粒子３ａおよび第２金属粒子３ｂがウィスカ状である。
　また、図１では、第１導電体２ａの形状が蛇行状である例を示しているが、これに限定されるものではなく、どのような形状であっても構わない。また、第１導電体２ａの平均厚みは、例えば、１μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
　また、第１導電体２ａの気孔率は、例えば、１０％以上９０％以下であってもよい。気孔率は、第１導電体２ａにおいて空隙９が占める割合を表す指標となる。ここで、第１導電体２ａの気孔率は、例えば、アルキメデス法を用いて測定することで算出すればよい。
　また、図３および図８に示すように、第１導電体２ａは、第３金属粒子３ｃを有していてもよい。第１導電体２ａは、第１金属粒子３ａと、第３金属粒子３ｃとの間に溶着部１２を有していてもよい。第１金属粒子３ａと第３金属粒子３ｃとが単に接するのではなく、溶着しているため、第１金属粒子３ａと第３金属粒子３ｃとの間で熱が伝わりやすい。そのため、第１導電体２ａ全体として高い熱伝導効率を有する。したがってヒータ１０は、高い信頼性を有する。
　また、本開示のヒータ１０は、図３に示すように、第１導電体２ａおよび第１面１ａの間に位置する接合層４を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第１導電体２ａが基体１から剥がれにくくなるとともに、熱膨張差に起因して発生する応力を接合層４が緩和し、基体１に亀裂が生じにくくなる。よって、本開示のヒータ１０は、より長期間に亘って使用することが可能となる。なお、接合層５の平均厚みは、例えば、１μｍ以上０．５ｍｍ以下であってもよい。
　また、本開示のヒータ１０における接合層４は、金属またはガラスからなってもよい。ここで、金属としては、例えば、ニッケル、白金、ＳＵＳ、アルミニウムまたは銅等であり、ガラスとしては、例えば、ホウ硅酸系ガラスまたは珪酸系ガラス等であればよい。このような構成を満足するならば、接合層４により、第１導電体２ａと基体１とが強固に接合され、第１導電体２ａが基体１から剥がれにくくなる。
　ここで、接合層４がガラスからなるならば、ガラスの熱膨張係数は、金属とセラミックスとの中間であるため、第１導電体２ａと基体１との熱膨張差に起因する応力が接合層４で効果的に緩和され、基体１に亀裂が生じにくくなる。
　または、本開示のヒータ１０における接合層４は、多孔質セラミックスからなってもよい。ここで、多孔質セラミックスとしては、例えば、基体１を構成するセラミックスと同じ成分のものであればよい。このような構成を満足するならば、多孔質である接合層４の内部に第１導電体２ａを構成する第１金属粒子３ａが入り込むことで、第１導電体２ａと接合層４とが強固に接合されるとともに、基体１と接合層４とはどちらもセラミックスであることから、基体１と接合層４とが強固に接合される。よって、第１導電体２ａが基体１から剥がれにくくなる。
　次に、図４は、図１のＢ－Ｂ’線における断面図である。ここで、図１および図４に示すように、本開示のヒータ１０における第１導電体２ａの先端部は、保護層５に覆われていてもよい。ここで、第１導電体２ａの先端部とは、第１導電体２ａの先端から長さ５ｍｍまでの部分のことである。また、保護層５に覆われているとは、第１導電体２ａの先端部が外部に露出しないように、保護層５が第１導電体２ａの先端部に接して位置していることをいう。
　このような構成を満足するならば、加熱および冷却が繰り返された際に、最も応力が加わり破損しやすい第１導電体２ａの先端部が、保護層５によって保護される。よって、本開示のヒータ１０は、より長期間に亘って使用することが可能となる。
　なお、保護層５が、基体１に接していてもよい。このような構成を満足するならば、保護層５によって、第１導電体２ａの先端部が基体１から剥離するおそれが少なくなる。
　ここで、保護層５とは、気孔率が５％未満であれば、どのような材料で構成されていても構わない。また、図９に示すように、保護層５は、第１成分１１を有していてもよい。例えば、第１成分１１は、セラミックス、樹脂、金属およびガラスから選択される一つからなってもよい。ここで、セラミックスとしては、例えば、酸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、コージェライト質セラミックス、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ムライト質セラミックス等であり、樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂またはイミドアミド樹脂等であり、金属としては、例えば、ニッケル、白金または銅等であり、ガラスとしては、例えば、ホウ硅酸系ガラスまたは珪酸系ガラス等であればよい。
　また、図９に示すように、本開示のヒータ１０における第１導電体２ａの先端部は、第１金属粒子３ａと第２金属粒子３ｂとの間に位置する第１成分１１を有していてもよい。このような構成を満足するならば、第１導電体２ａと保護層５との接合が強固なものとなり、加熱および冷却が繰り返された際に、第１導電体２ａから保護層５が剥離するおそれが少なくなる。
　また、図５に、図１のＢ－Ｂ’線における断面図の他の例を示す。図５に示すように、本開示のヒータ１０は、給電端子６を有し、給電端子６の少なくとも一部は、第１導電体２ａの内部に位置していてもよい。ここで、給電端子６は、図示していない外部の電源に繋がっており、第１導電体２ａに電流を供給するためのものである。そして、このような構成を満足するならば、加熱および冷却が繰り返された際に、給電端子６が抜けるおそれが少なく、第１導電体２ａに電流を安定して供給することができる。
　また、本開示のヒータ１０における金属粒子３は、酸化膜１３で覆われていてもよい。このような構成を満足するならば、発熱した第１導電体２ａを冷却するために、第１導電体２ａ内を通るように水等の冷却媒体を流す際に、第１導電体２ａと冷却媒体とが化学反応することを抑制することができる。よって、本開示のヒータ１０の信頼性が向上する。
　なお、酸化膜１３としては、金属粒子３を構成する金属の酸化物であってもよい。
　また、図６に、図１のＣ－Ｃ’線における断面図を示す。図６に示すように、本開示のヒータ１０における基体１は、内部に流路７を有してもよい。このような構成を満足するならば、第１導電体２ａを発熱させることで、流路７内を流れる流体を加熱することができ、例えば、流体を加熱により反応させる化学反応装置として本開示のヒータ１０を利用することが可能となる。
　また、図７に、図１のＣ－Ｃ’線における断面図の他の例を示す。図７に示すように、本開示のヒータ１０は、さらに第２導電体２ｂおよび接続導体８を備え、第２導電体２ｂは、第２面１ｂ上に位置し、第１導電体２ａおよび第２導電体２ｂは、接続導体８を介して電気的に接続されていてもよい。このような構成を満足するならば、第１導電体２ａ、接続導体８および第２導電体２ｂで１つの導電体となり、限られた基体１の表面上において、導電体の長さを延伸することができ、導電体により基体１を急速加熱することができる。そして、基体１が流路７を有するならば、流路７内を流れる流体を急速加熱することができ、例えば、流体の加熱による反応を効果的に促すことができる。
　ここで、第２導電体２ｂは、第１導電体２ａと同じように、空隙９を有していてもよい。また、第２導電体２ｂおよび第２面１ｂの間には、上述した接合層４が位置していてもよい。
　また、接続導体８を構成する材質は、金属であればよいが、第１導電体２ａおよび第２導電体２ｂを構成する金属粒子３と同じ金属であってもよい。また、接続導体８は、第１導電体２ａおよび第２導電体２ｂと同じように、空隙９を有してもよい。
　なお、接続導体８は、どのような形状であっても構わないが、円柱状であるならば、その直径は、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。また、接続導体８の本数は１本以上であればよいが、使用する電流の大きさに応じて、接続導体８の本数を増やしても構わない。
　次に、本開示のヒータの製造方法の一例について説明する。
　まず、主成分となる原料（酸化アルミニウム、窒化珪素等）の粉末に、焼結助剤、バインダおよび溶媒等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。または、このスラリーを噴霧乾燥して、造粒された顆粒を得る。その後、この顆粒を圧延することでグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。
　ここで、金型による打ち抜きやレーザー加工を施す際には、流路となる孔等をグリーンシートに形成し、複数枚のグリーンシートを積層することで成形体を得ることで、流路を形成してもよい。また、成形体に接続導体となる金属ペーストを埋め込んでおいてもよい。
　次に、この成形体を焼成することによって、セラミックスからなり、第１面を有する基体を得る。
　次に、基体の第１面に第１導電体を形成する。まず、第１面に多孔質の樹脂からなる所望形状のマスクを形成する。次に、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅からなる第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、このマスクによって形成された空間に流し込む。次に、混合液を乾燥させることで液体を蒸発させる。その後、焼失させるか溶剤を使用してマスクを除去し、所定の圧力で加圧した後、基体を加熱するか、超音波振動を与える。多孔質のマスクを除去することにより、空隙を有する第１導電体を得ることができる。また、所定の圧力で加圧した後、基体を加熱するか、超音波振動を与えることにより、第１金属粒子および第２金属粒子を接合させることができる。さらに、所定の圧力で加圧した後、基体を加熱するか、超音波振動を与えることにより、第１金属粒子および第３金属粒子との間に溶着部を形成することができる。
　なお、基体の第１面に第１導電体を直接形成するのではなく、まず、第１面に接合層を形成した後、この接合層上に第１導電体を形成してもよい。ここで、接合層は、金属、ガラスまたは多孔質セラミックスである。接合層が金属である場合、上記マスク形成後にスパッタ法を用いて形成するか、無電解めっき法やメタライズ法で形成すればよい。一方、接合層が、ガラスまたは多孔質セラミックスである場合、上記マスク形成前に接合層を形成すればよい。この場合、ガラス、多孔質セラミックスは、それぞれを主成分としたペーストを第１面に塗布し、熱処理することで形成すればよい。また、ガラス、多孔質セラミックスは絶縁性であるため、基体の第１面全てを覆うように形成しても構わない。なお、多孔質セラミックスは、基体を構成するセラミックスと同じ成分のものであれば、容易に基体と接合される。
　そして、接合層上に第１導電体を形成した後、基体を加熱することによって、接合層が、金属またはガラスならば、第１導電体に対して接合層が濡れることで接合される。また、接合層が多孔質セラミックスならば、第１導電体を構成する金属粒子が多孔質セラミックス内に入り込むことで接合される。なお、接合層が金属ならば、接合層および第１導電体に電気を流すことで、接合層の金属と第１導電体を構成する金属粒子とを接合し、接合層と第１導電体とを接合させることもできる。
　なお、第１導電体を別途準備し、第１面上に予め形成しておいた接合層上に第１導電体を載置するか、第１導電体に接合層となるペーストを塗布した後に第１面上に載置し、基体を加熱することで第１導電体を有する基体を得てもよい。この場合、第１導電体は、以下の方法で予め作製しておく。まず、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅からなる複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、第１導電体の形状をした型に流し込む。次に、これを乾燥ささることで、液体を蒸発させる。次に、所定の圧力で加圧し、加熱するか、超音波振動を与えることにより、第１金属粒子および第２金属粒子を接合させる。そして、型から取り出せば、第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子が溶着され、空隙を有する第１導電体を得る。
　なお、第１導電体は、以下の方法で作製してもよい。まず、第１金属粒子及び第２金属粒子を含む複数の金属粒子とバインダとを混ぜ合わせた後に、メカプレス法により成型体を作製する。次に、この成形体を乾燥させることでバインダを蒸発させる。その後、加熱するか、超音波振動を与える。これにより、第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子同士を溶着させることができる。これにより、第１金属粒子および第３金属粒子との間に溶着部を形成することができる。これにより、空隙を有する第１導電体を得る。
　また、上述した第１導電体と同じ方法で、基体の第２面上に第２導電体を形成しても構わない。
　なお、金属粒子を酸化膜１３で覆うためには、金属粒子に対して、強酸化剤による酸化処理、酸素雰囲気下での加熱処理、陽極酸化処理等を行うことで、金属粒子の表面に不動態膜等の酸化膜１３を形成すればよい。
　また、第１導電体の先端部を保護層で覆う場合、セラミックス、樹脂、金属およびガラスからなる部材を保護層として第１導電体の先端部に接合すればよい。または、セラミックス、樹脂、金属およびガラスを主成分とするペーストを第１導電体の先端部に塗布し、乾燥および熱処理することで保護層を形成してもよい。特に、ペーストを用いれば、第１導電体の先端部における第１金属粒子と第２金属粒子との間に保護層を構成する第１成分を存在させることができる。
　なお、給電端子の少なくとも一部を第１導電体の内部に位置させるには、給電端子の形状に合わせた穴を第１導電体の先端部にあけ、この穴に給電端子を挿入すればよい。また、保護層は、給電端子を挿入する穴を有する部材を用意し、第１導電体の先端部に接するように上記部材を接合させるか、第１導電体の先端部および給電端子にペーストを塗布し、乾燥および熱処理することで形成することができる。
　なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
　１：基体
　１ａ：第１面
　１ｂ：第２面
　２ａ：第１導電体
　２ｂ：第２導電体
　３ａ：第１金属粒子
　３ｂ：第２金属粒子
　３ｃ：第３金属粒子
　４：接合層
　５：保護層
　６：給電端子
　７：流路
　８：接続導体
　９：空隙
　１０：ヒータ
　１１：第１成分
　１２：溶着部
　１３：酸化膜

Claims (16)

  1. 　セラミックスからなり、第１面を有する基体と、
    　前記第１面の上に位置する空隙を有する第１導電体と、を有しているヒータ。
  2. 　前記第１導電体は、第１金属粒子と、第２金属粒子と、を有しており、
    　前記空隙は、前記第１金属粒子と前記第２金属粒子との間に位置する、請求項１に記載のヒータ。
  3. 　前記第１導電体は、さらに第３金属粒子を有しており、
    　前記第１導電体は、前記第１金属粒子と、前記第３金属粒子との間に溶着部を有している、請求項２に記載のヒータ。
  4. 　前記第１導電体および前記第１面の間に位置する接合層を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のヒータ。
  5. 　前記接合層は、金属またはガラスからなる、請求項４に記載のヒータ。
  6. 　前記接合層は、多孔質セラミックスからなる、請求項４に記載のヒータ。
  7. 　前記第１導電体の先端部は、保護層に覆われている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
  8. 　前記保護層は、第１成分を有しており、
    　前記第１導電体の先端部は、前記第１金属粒子と前記第２金属粒子との間に位置する前記第１成分を有する、請求項７に記載のヒータ。
  9. 　給電端子を有し、該給電端子の少なくとも一部は、前記第１導電体の内部に位置している請求項７または請求項８に記載のヒータ。
  10. 　前記第１金属粒子および前記第２金属粒子は、酸化膜で覆われている請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のヒータ。
  11. 　前記基体は、内部に流路を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のヒータ。
  12. 　さらに第２導電体および接続導体を備え、
    　前記基体は、前記第１面に対向する第２面を有し、
    　前記第２導電体は、前記第２面上に位置し、
    　前記第１導電体および前記第２導電体は、前記接続導体を介して電気的に接続されている、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のヒータ。
  13. 　セラミックスからなり、第１面を有する基体を用意する第１ステップと、
    　前記第１面にマスクによって空間を形成する第２ステップと、
    　第１金属粒子および第２金属粒子を液体に混合した混合液を用意する第３ステップと、
    　前記マスクによって形成された空間に前記混合液を流し込む第４ステップと、
    　前記混合液を乾燥させることで液体を蒸発させる第５ステップと、
    　前記マスクを除去する第６ステップと、
    　前記第１金属粒子および前記第２金属粒子を加圧する第７ステップと、
    　前記第１金属粒子および前記第２金属粒子を加熱する第８ステップと、を有するヒータの製造方法。
  14. 　セラミックスからなり、第１面を有する基体を用意する第１ステップと、
    　前記第１面にマスクによって空間を形成する第２ステップと、
    　第１金属粒子および第２金属粒子を液体に混合した混合液を用意する第３ステップと、
    　前記マスクによって形成された空間に前記混合液を流し込む第４ステップと、
    　前記混合液を乾燥させることで液体を蒸発させる第５ステップと、
    　前記マスクを除去する第６ステップと、
    　前記第１金属粒子および前記第２金属粒子を加圧する第７ステップと、
    　前記第１金属粒子および前記第２金属粒子に超音波振動を与える第８ステップと、を有するヒータの製造方法。
  15. 　第１金属粒子および第２金属粒子と、バインダと、を混ぜ合わせた混合液を用意する第１ステップと、
    　メカプレス法により前記混合液を成型体にする第２ステップと、
    　前記成形体を乾燥させることで前記バインダを蒸発させる第３ステップと、
    　前記成形体を加熱することで前記第１導電体を得る第４ステップと、
    　セラミックスからなり、第１面を有する基体を用意する第５ステップと、
    　前記第１面上に前記第１導電体を載置する第６ステップと、を有するヒータの製造方法。
  16. 　第１金属粒子および第２金属粒子と、バインダと、を混ぜ合わせた混合液を用意する第１ステップと、
    　メカプレス法により前記混合液を成型体にする第２ステップと、
    　前記成形体を乾燥させることで前記バインダを蒸発させる第３ステップと、
    　前記成形体に超音波振動を与えることで前記第１導電体を得る第４ステップと、
    　セラミックスからなり、第１面を有する基体を用意する第５ステップと、
    　前記第１面上に前記第１導電体を載置する第６ステップと、を有するヒータの製造方法。
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