JP5777922B2

JP5777922B2 - セラミックヒータ

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Publication number: JP5777922B2
Application number: JP2011079662A
Authority: JP
Inventors: 竜一長迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012216345A

Description

本発明は、水加熱用ヒータ、酸素センサ、空燃比センサ、グロープラグ、半導体製造装置など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などの高融点金属の発熱抵抗体をパターンとして設ける構成が主に用いられている。

セラミックヒータの全体形状は、平板状であるものが多く使用される（たとえば特許文献１参照）。

特開平７−１０６０５５号公報

セラミックヒータは、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、加熱時間を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り、加熱中にセラミック基体が割れてしまうという問題もある。さらに、より高温での加熱冷却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。

本発明の目的は、加熱時間を短縮することができ、耐久性も向上したセラミックヒータを提供することである。

本発明は、側面の少なくとも１つの面が、表面粗さが大きい表面粗領域と、表面粗さが前記表面粗領域よりも小さい表面平滑領域とを含む平板状のセラミック基体と、
前記セラミック基体内に埋設され、通電によって発熱する発熱抵抗体と、を有しており、前記表面平滑領域と前記表面粗領域との境界が前記セラミック基体の主面に沿っていることを特徴とするセラミックヒータである。

また本発明は、前記側面の中央部分に前記表面粗領域があることを特徴とする。

また本発明は、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とを含む前記少なくとも１つの面は、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とをそれぞれ２つ以上含むことを特徴とする。

また本発明は、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とを含む前記少なくとも１つの面において、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とは、一方の領域が他方の領域を挟むように設けられることを特徴とする。

また本発明は、前記セラミック基体が、面取りされている角部分か、または曲面状に形成される角部分を有することを特徴とする。

本発明のセラミックヒータによれば、平板状のセラミック基体と、セラミック基体内に埋設され、通電によって発熱する発熱抵抗体とからなり、セラミック基体は、側面の少なくとも１つの面が、表面粗さが大きい表面粗領域と、表面粗さが前記表面粗領域よりも小さい表面平滑領域とを含み、表面平滑領域と表面粗領域との境界がセラミック基体の主面に沿っている。

これにより、セラミックヒータと被加熱物である流体との接触領域において、流体の流れを乱すことができ、セラミック基体の外表面おける熱交換効率が向上して加熱時間を短縮することができる。さらに、流体の流れを乱すことにより、核沸騰、膜沸騰などによる局所的な温度上昇を抑制し、セラミック基体の割れなどを防止することができる。

本発明の第１実施形態であるセラミックヒータ１の構成を示す外観図である。図１の切断面線Ａ−Ａで切断したセラミックヒータ１の断面図である。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。本発明の第４実施形態であるセラミックヒータ１２の構成を示す断面図である。本発明の第５実施形態であるセラミックヒータ１２の構成を示す断面図である。カット刃３０によるカットラインを形成する方法を示す模式図である。

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の構成を示す外観図である。図２は、図１の切断面線Ａ−Ａで切断したセラミックヒータ１の断面図である。

本実施形態のセラミックヒータ１は、セラミック基体２と、セラミック基体２の内部に埋設された発熱抵抗体３とからなり、セラミック基体２の外表面の少なくとも１つの面である側面４には、表面の粗さが粗い表面粗領域４ａと、表面の粗さが表面粗領域４ａよりも平坦な表面平滑領域４ｂとが設けられる。また、本実施形態のセラミックヒータ１は、たとえば、水、油、空気などの非加熱物である流体が流れている状態で、その流体中に配置して使用するものである。したがって、セラミックヒータ１の表面に対して流体が所定の流速で流れている状態で、流体を加熱することができる。

セラミック基体２は、複数のセラミック層２１からなり、セラミック層２１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。

またセラミック基体２の形状は、平板状に形成されたものである。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は、セラミック基体２の外表面に設けられたパッド部７に接続される。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２１と同時焼成が可能な金属材料からなり、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２１間の所定の領域、すなわち加熱したい領域に、たとえば、平板状または線状に設けられ、線状の場合、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２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ス材料からなる。発熱抵抗体３で発生した熱は、セラミック基体２内を伝導し、セラミック基体２の外表面が加熱される。

リード部６は、発熱抵抗体３と同じセラミック層２１間に設けられ、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。リード部６とパッド部７との接続は、たとえばセラミック層２１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の全体の大きさは２〜３２０ｍｍ角程度であり、厚みは０．１〜１０ｍｍ程度である。

本実施形態のセラミックヒータ１は、セラミック基体２の側面４に表面粗領域４ａと、表面平滑領域４ｂとを設けることで、セラミックヒータ１の側面４と被加熱物である流体、たとえば水との接触領域において、流体の流れを乱すことができ、セラミック基体２の側面４における熱交換効率が向上して加熱時間を短縮することができる。

さらに、流体の流れを乱すことにより、核沸騰、膜沸騰などによる局所的な温度上昇を抑制し、セラミック基体２の割れなどを防止することができる。

表面粗領域４ａは、表面の粗さが表面平滑領域４ｂの表面よりも粗いものであればよいが、好ましくは、表面粗領域４ａの十点平均粗さＲｚが３μｍ以上であり、表面平滑領域４ｂ表面の十点平均粗さＲｚと、表面粗領域４ａ表面の十点平均粗さＲｚとの比が０．０５以下である。すなわち、表面平滑領域４ｂ表面の十点平均粗さＲｚと、表面粗領域４ａ表面の十点平均粗さＲｚとが、（表面平滑領域４ｂ表面の十点平均粗さＲｚ）／（表面粗領域４ａ表面の十点平均粗さＲｚ）≦０．０５を満たすことが好ましい。表面粗領域４ａと表面平滑領域４ｂ表面とが、このような表面粗さを有することで、セラミックヒータ１の側面４と被加熱物である流体との接触領域において、流体の流れを乱流とすることができ、さらに熱交換効率が向上して加熱時間をより短縮することができる。

さらに、表面粗領域４ａおよび表面平滑領域４ｂを、電子顕微鏡で観察したときに（倍率１０００倍）、表面粗領域４ａの表面凹凸の凸部分は鋭角に角張っており、表面平滑領域４ｂの凸部分は、曲面状で丸みを帯びた形状である。

図３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、セラミック基体２を側面から見たときに、発熱抵抗体３が、表面平滑領域４ｂと重なるように配置される。

本実施形態では、側面４において、中央部分に表面平滑領域４ｂが設けられ、表面平滑領域４ｂの厚み方向両側に表面粗領域４ａが設けられる。発熱抵抗体３と表面平滑領域４ｂとの位置関係を詳細に説明すると、セラミック基体２の一方主面２ａおよび他方主面２ｂのそれぞれから発熱抵抗体３までの距離Ｄ１，Ｄ２が、側面４において、セラミック基体２の一方主面２ａおよび他方主面２ｂのそれぞれから表面平滑領域４ｂまでの距離ｄ１，ｄ２よりも長くなっている。

発熱抵抗体３が発熱したときには、セラミック基体２の内部において熱膨張が生じる。発熱量が多くなり、発熱抵抗体３の熱膨張が顕著になると、主面に平行な方向であって、内部から外方に向かう大きな力がかかる。このとき、側面４では、中央部分で厚み方向に比較的大きな引っ張り応力が発生するため、セラミック基体２を側面から見たときに、発熱抵抗体３が、表面粗領域４ａと重なるように配置される場合は、表面粗領域４ａの凹凸部分に局所的な応力集中が起こり、表面粗領域４ａでクラックが生じることがある。

したがって、セラミック基体２の側面から見たときに、発熱抵抗体３を、表面平滑領域４ｂに重なる位置に設けることで、大きな引っ張り応力は、表面平滑領域４ｂにかかることになるので、クラックの発生を抑制することができる。

図４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、セラミック基体２の１つの側面４が、表面粗領域４ａと表面平滑領域４ｂとをそれぞれ２つ以上含んでいる。

たとえば、側面４において、一方主面２ａから他方主面２ｂに向かって、厚み方向に表面平滑領域４ｂ、表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂ、表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂの順に設けられている。

これにより、１つ１つの表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂが側面４を占める面積は、１つの側面４に、各領域をそれぞれ１つのみ含む場合に比べて小さくなる。各領域の面積を小さくすることにより、核沸騰、膜沸騰などによる局所的な温度上昇が発生し得る領域を小さくして、セラミック基体２の割れなどをさらに防止することができる。

なお、表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂは、同じ大きさである必要はなく、いずれかが大きくてもよい。また、同じ表面粗領域４ａであっても、同じ大きさでなく異なる大きさであってもよく、同じ表面平滑領域４ｂであっても、同じ大きさでなく異なる大きさであってもよい。

また、本実施形態では、表面粗領域４ａと表面平滑領域４ｂのうち、一方の領域が他方の領域を挟むように設けられている。

これにより、表面粗領域４ａの近傍で発生した乱流が、さらに、一方主面２ａおよび他方主面２ｂの近傍にまで影響を及ぼし、さらに熱交換効率が向上して加熱時間をより短縮することができる。

図５は、本発明の第４実施形態であるセラミックヒータ１２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１２は、セラミック基体２の角部分が、面取りされている。セラミック基体２の角部分が面取りされていない場合、角部分の付近で被加熱物である流体の流れが滞留する。熱交換効率は、ヒータ表面に接触する流体が更新されることで上昇し、流体が滞留してしまうと熱交換効率が低下する。

本実施形態のように、セラミック基体２の角部分が面取りされていることで、流体が流れやすく、ヒータ表面に接触する流体が効率よく更新されるので、さらに熱交換効率が向上して加熱時間をより短縮することができる。

図６は、本発明の第５実施形態であるセラミックヒータ１３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１３は、セラミック基体２の角部分が、曲面状に形成されている。

本実施形態では、セラミック基体２の角部分が曲面状に形成されていることで、第４実施形態と同様に、流体が流れやすく、ヒータ表面に接触する流体が効率よく更新されるので、さらに熱交換効率が向上して加熱時間をより短縮することができる。

上記では、表面粗領域および表面平滑領域を、セラミック基体２の側面に設ける構成について説明したが、これに限らず、一方主面２ａ、他方主面２ｂに設けてもよい。主面２ａ，２ｂに設ける場合は、たとえば、主面の中央部分を表面粗領域とし、外周部を表面平滑領域としたり、表面粗領域と表面平滑領域とがストライプ状に交互に並ぶように設けてもよい。

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２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などの絶縁性を備えたセラミックス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ス材料からなるセラミックヒータ１を作製するため、上記のセラミックス成分にＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２など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などで板状や棒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２１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など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など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ス材料、バインダー、有機溶剤など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２となる平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、焼成は水素ガスなどの非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

ここで、表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂの形成方法について説明する。形成方法には、大きく分けて、焼成前に形成する方法と焼成後に形成する方法とがある。

たとえば、積層した平板状の成型体から製品となるセラミックヒータを複数個取りする場合には、製品の幅寸法となる間隔毎に、焼成前の成型体にカットラインを形成する。図７は、カット刃３０によるカットラインを形成する方法を示す模式図である。

成型体２０に対してカットラインを形成する場合に、円径状のカット刃３０を用いる。カット刃３０の外周部３０ａは、樹脂などをコーティングし、カット刃３０の内周部３０ｂは、ブラストなどで表面を粗すか、ダイヤモンドなどを電着させたものを用いる。

このようなカット刃３０を用いて成型体２０にカットラインを設けることで、カットライン浅い部分２０ａが表面粗領域４ａとなり、深い部分２０ｂが表面平滑領域４ｂとなる。

また、成型体の表面粗領域４ａ、表面平滑領域４ｂを設けたい面に多数の微粒子をバインダー、有機溶剤などと調合し混練して作製したペーストをスクリーン印刷などで絶縁基体２となるセラミックグリーンシートあるいは成型体の面に塗布する方法がある。

さらに他の方法としては、同様のペーストを用いたディッピング方法，スプレー方法などがある。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、焼成後の形成方法としては、ブラストなどの手法を用いて表面粗領域４ａを形成し、研磨などにより表面平滑領域４ｂを形成することができる。

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。
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、リード部および電極パッドとなる、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形状で印刷した。

パターン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、同一形状のセラミックグリーンシートとを、同一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、平板状の成型体を得た。

次に、この積層した平板状の成型体に、図７に示した円形のカット刃を用いて、製品の幅寸法となる間隔毎にカットラインを入れた。このときにカットラインは、発熱抵抗体が埋設されている深さまで入れた。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。

焼成後にカットラインで分割し、セラミック基体の側面に表面粗領域、表面平滑領域が設けられたセラミックヒータを得た。なお、表面粗領域４ａの十点平均粗さＲｚは５．０μｍであり、表面平滑領域４ｂ表面の十点平均粗さＲｚは０．１５μｍであり、（表面平滑領域４ｂ表面の十点平均粗さＲｚ）／（表面粗領域４ａ表面の十点平均粗さＲｚ）は０．０３であった。

一方比較例は、成型体を、円形カット刃を用いずに、所望の寸法に切断して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。

以上のようにして作製された実施例および比較例のセラミックヒータを、流れた状態の水中に投入して通電し、水温が２０℃から８０℃に到達するまでの時間を測定した。また、測定においては、それぞれ実施例、比較例のセラミックヒータに、水の温度が８０℃となるような電圧を引加した。

被加熱物（流体）の温度が８０℃になる到達時間を測定すると、比較例では約１５０秒であったのに対し、実施例では約９０秒であった。この結果から、実施例では、熱交換効率が向上して加熱時間をより短縮することができることがわかった。

次にセラミックヒータの耐久性を確認するために、セラミックヒータに割れが生じるまで、電圧を印加した。

比較例では、印加電圧が９０Ｖで割れが発生したのに対し、実施例では、印加電圧１７０Ｖで割れが発生した。実施例は、より高電圧まで割れが生じず、耐久性が向上することがわかった。

１，１０，１１，１２，１３セラミックヒータ
２セラミック基体
３発熱抵抗体
４側面
４ａ表面粗領域
４ｂ表面平滑領域
６リード部
６ａビア導体
７パッド部
８電源配線

Claims

側面の少なくとも１つの面が、表面粗さが大きい表面粗領域と、表面粗さが前記表面粗領域よりも小さい表面平滑領域とを含む平板状のセラミック基体と、
前記セラミック基体内に埋設され、通電によって発熱する発熱抵抗体と、を有しており、前記表面平滑領域と前記表面粗領域との境界が前記セラミック基体の主面に沿っていることを特徴とするセラミックヒータ。
前記側面の中央部分に前記表面粗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。
前記表面粗領域と前記表面平滑領域とを含む前記少なくとも１つの面は、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とをそれぞれ２つ以上含むことを特徴とする請求項１または２記載のセラミックヒータ。
前記表面粗領域と前記表面平滑領域とを含む前記少なくとも１つの面において、前記表面粗領域と前記表面平滑領域とは、一方の領域が他方の領域を挟むように設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基体は、面取りされている角部分か、または曲面状に形成される角部分を有す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。