(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状、円筒状等所望形状のセラミック体に埋設した発熱抵抗体に通電するためのメタライズ上に形成されたメッキの電極パッドに、該電極パッドの周縁部０．０３ｍｍ以上の領域を除く中央部位にリードの端部を金−銅系のろう材にて固着し、金−銅系のろう材表面を含む電極パッドにニッケルメッキを施したことを特徴とするセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミック体中に発熱抵抗体を埋設したセラミックヒータに関するもので、特に高温域での耐久性に優れるセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来技術とその課題】
従来からセラミック体中に発熱抵抗体を埋設した平板状、あるいは管状、円柱状のセラミックヒータは各方面で汎用されており、特開昭５９−７１２８１号などに記載されるような発熱抵抗体と感温抵抗体を併設したセラミックが実用化されている。
【０００３】
図８はこのような円筒状のセラミックヒータＨを示したもので、セラミックより成る円筒体にヒータとしての帯状の発熱抵抗体１が埋設され、該発熱抵抗体１の両端に設けた端子２，２′から通電することにより発熱するようになっているが、この発熱抵抗体１と併せて温度センサとして使用するための感温抵抗体３が埋設された構造に形成されていた。
【０００４】
図９は、上記端子２、２´の断面を示し、同図に示すように従来のセラミックヒータＨでは、メタライズ４上に形成されたＮｉめっきの電極パッド５全体にろう材６が流れ、電極パッド５を完全に被覆していた。このような端子２、２´の場合、２種以上の金属を含んだろう材６では、ろう材６が固化する際の収縮により、ろう材６の広がりのキワ（端）部７に応力が集中してしまい易い。そして、このようなセラミックヒータＨを高温の厳しい環境化で使用した場合、電極パット５がメタライズ４から剥離し易くなるという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の如き実情に鑑みて開発したもので、板状、円筒状等所望形状のセラミック体に埋設した発熱抵抗体に通電するためのメタライズ上に形成されたメッキの電極パッドに、該電極パッドの周縁部０．０３ｍｍ以上の領域を除く中央部位にリードの端部を金−銅系のろう材にて固着し、金−銅系のろう材表面を含む電極パッドにニッケルメッキを施したことを特徴とするセラミックヒータを提供せんとするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図によって本発明の実施形態を説明すれば、図１は円柱状のセラミックヒータＨの焼成前の状態を示す部分展開図であり、また、図２は成型後で端子形成前のセラミックヒータの要部破断図であり、セラミックよるなる円柱体中にヒータとしての帯状の発熱抵抗体１が埋設され、該発熱抵抗体１の両端に設けた後述の端子から通電することにより発熱するようになっているが、必要である場合には、この発熱抵抗体１と併せて温度センサとして使用するための感温抵抗体３が上記発熱抵抗体１が密に埋設された発熱領域Ｋの全域にわたって併設された構造に形成してもよい。
【０００７】
また、このような円柱状のセラミックヒータＨの製作工程において、図３に示す如く、高温時においても電気絶縁性、熱伝導性に優れたアルミナ、ムライト等の粉末を原料とするセラミック生シートＳ１上に発熱抵抗体１とする抵抗体パターンＲ１を形成するには、所要の発熱量とする抵抗値が設定できるような櫛歯状、渦巻状等の任意の形状で、所定の幅、厚み、長さに、タングステン、モリブデン−マンガン等のペーストを用い、スクリーンプリントなどの厚膜手法によって形成し、この発熱抵抗体パターンＲ１の形成と同時に温度センサとして用いるための抵抗体パターンＲ１，Ｒ２をセラミック生シートＳ１と同様の材料より形成した円柱状の芯材Ｓ２に挟着積層した後、得られた円柱状の生セラミック体を焼成雰囲気中で焼結一体化すればよい。
【０００８】
なお、抵抗体パターンＲ１，Ｒ２の形成段階で、各抵抗体パターンＲ１，Ｒ２の端部に端子部Ｕ，Ｕ′，Ｖ，Ｖ′を形成しておく。これら端子部Ｕ，Ｕ′，Ｖ，Ｖ′は抵抗体パターンＲ１，Ｒ２のプリント前に生シートＳ１の当該部位に貫通孔を形成し、該貫通孔内にタングステン、モリブデン−マンガン等の導電性材料を詰設しておき、その後、抵抗体パターンＲ１，Ｒ２をプリントする。
【０００９】
図４は、焼成後、端子２を形成したセラミックヒータＨを示し、この端子２は、図５の拡大図に示すように、メタライズ４上に形成されたＮｉメッキの電極パッド５に０．０３ｍｍ以上の幅ｗの周縁部８を除く中央部位に、金−銅系のろう材６を流し固化させ、Ｎｉのリード９を接合し、これらをＮｉのコート層１０で被覆したものである。
【００１０】
上記周縁部８が全周状に残るようにするためのポイントは３点ある。まず第１に、ろう材６の溶融温度をろう材６の融点より５０℃以内高い温度までに制御すること、第２に、ろう材６を溶融する際、トンネル炉を使うが、ろう材６とリードをカーボン型に入れた製品の搬送速度を最終回路を通過させた後に速くして、冷却速度を早める。これにより、金−銅系のろう材６の場合にはろう流れを良好に制御できることを見いだした。
【００１１】
第３に、前記Ｎｉメッキの電極パッド５の面積を大きめにするとともに、ろう材６の量を少なめに調整する。これによりろう流れを微調整することができる。
【００１２】
上述のように構成される上記セラミックヒータＨは、ろう材６の周縁部８を全周に渡って幅ｗ＝０．０３ｍｍ以上で残したので、ろう材６が硬化する時の、メタライズ４、電極パッド５、ろう材６の収縮差を吸収することができ、常温のみでなく高温放置後のリード引っ張り強度の信頼性が向上する。しかも、エッチング手法を用いずに周縁部８を確保するので、通電端子２の近傍のセラミック表面部位をＳＥＭ画像写真で観察した場合、ガラス成分が十分に存在していることが確認できる。したがって、通電端子２の引張強度が大きいという利点がある。これに対して、流れたろう材をエッチング手法を用いて選択的に除去する場合には、エッチング液の影響を通電端子２の近傍も受けてしまい、その結果、通電端子２の引張強度が低下する。なお、この場合、ＳＥＭ画像写真において、通電端子２の近傍のセラミック表面部位からガラス質が多く除去されていることが確認できる。
【００１３】
ところで上記実施形態では、セラミック生シートＳ１に抵抗体パターンＲ１，Ｒ２をプリントしたものを円柱状の芯材Ｓ２にまるめて重ね合わせて加工したが、平板状の基体Ｓ２に重ね合わせれば図６に示すように平板状のセラミックヒータＨを得ることができ、また、その他にも焼成前の加工により所望の形状に形成することが可能である。さらにセラミックヒータは上述の如き製作方法に限らず、例えば、平板あるいは円柱形状に予め焼成したセラミック体に抵抗体パターンをプリントし、その上に絶縁体を被着した後、焼成することにより製作することもできるし、同じく焼成したセラミック体に、生シートに抵抗体パターンをプリントしたものを貼り合わせた後、焼成一体化することによっても製作することができる。
【００１４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができることは言うまでもない。
【００１５】
【実施例】
実験例１
本発明の効果を確認するため以下の実験を行った。
【００１６】
上記図１乃至図５に示すアルミナ製のセラミックヒータＨを常温及び高温放置（４００℃／５００ｈｒ）後、図７に示すようにリード９を９０°方向に引張り、その強度を測定した。各試料は、ろう付け温度（ろう材６の融点より５０℃以内高い温度）、ろう付け量などを調整しながら、前記ろう材６と電極パッドとの周縁部８につき幅ｗ（図５参照）を違えたものを複数用意した。なお、上記周縁部８の測定は、各試料作製時、ろう材６の上に前記コート層１０を被覆する前の段階で、双眼の×１０または×１００のものを用いて行い、最も幅ｗの狭いとことろでその値を得た。また、ろう材６には金−銅系のもの（金／銅／ニッケル）、メタライズ４にはタングステンを用い、サイズは、全長６０ｍｍ、ニッケル製のリード９の直径０．４ｍｍとした。
【００１７】
実験結果の判定基準は、常温での前記強度につき平均で５Ｋｇ以上が合格○、５Ｋｇ未満が不合格×、他方、高温放置の場合の前記強度につき平均で１Ｋｇ以上が合格○、１Ｋｇ未満が不合格×であるものとした。
【００１８】
各試料における前記周縁部８の幅ｗの最小値と結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
0003678882.tif 000002
【００２０】
表１から明らかなように、前記周縁部８がない場合（ｗ＝０）には、常温でも高温放置でも端子２の強度が不合格であったのに対し、その幅ｗが０．０３ｍｍ以上の時はいずれも合格であった。
【００２１】
比較例
ろう付け温度をろう材６の融点より５０℃以上高い温度とし、その後、前記周縁部８の幅ｗが０．１ｍｍとなるようにシアン化ナトリウムにてろう材６の一部を選択的にケミカルエッチングで高速エッチングし、その他は、前記実施例１に準じ、引張強度試験を行った。
【００２２】
その結果、常温での引張強度が2.5kgfと低く、また高温では剥離が見られ判定結果として不合格であった。
【００２３】
実験例２
上記図１乃至図５に示すアルミナ製のセラミックヒータＨにつき、実験例１と同様に前記幅ｗを違えた試料を複数用意した。なお、これらの試料は、端子２のろう材６の上に前記コート層１０を被覆しなかった。この状態で、双眼の×１０または×１００のものを用い、周縁部８の幅ｗの最も狭いところの値を得るとともに、メタライズ４内で剥離が起こっていないかどうかを確認した。その結果を表２にまとめた。
【００２４】
【表２】
0003678882.tif 000003
【００２５】
表２から明らかなように、前記周縁部８がない場合（ｗ＝０）には、剥離が見られたのに対し、その幅ｗが０．０３ｍｍ以上の時はいずれも剥離がなかった。
【００２６】
実験例３
上記実験例２において周縁部８の幅ｗが０．３ｍｍのセラミックヒータ（本発明品）を３０本用意し、各１０本ずつに印加電圧をそれぞれ１、２、３Ｖずつ１分間かけ、その電流のリークの有無を測定し、絶縁状態を確認した。印加電圧１、２Ｖのものは漏れ電流が無かったが、３Ｖのものは３本のものに漏れ電流があった。
【００２７】
一方、前記比較例のセラミックヒータであって周縁部８の幅ｗが０．３ｍｍとなるようにした（ケミカルエッチングにより）セラミックヒータについて同様に絶縁状態を確認したところ、印加電圧１Ｖで９本、２、３Ｖでそれぞれ１０本であった。
【００２８】
実験例４
実験例３の本発明品を９本用意し、電圧を印加し、１０００±２℃と室温（２３℃）の間を繰り返しすサイクル寿命実験を行った。各３本ずつにそれぞれ、１万サイクル、２万サイクル、３万サイクルを加えたが、いずれにも断線が発生しなかった。
【００２９】
一方、実験例３における比較例品を用い同様の実験を行った結果、２万サイクルで１本の断線、３万サイクルで２本の断線が確認された。
【００３０】
【発明の効果】
叙上のように本発明によれば、セラミックヒータの通電端子において、電極パッドに対するろう材の周縁部を全周に渡って幅ｗ＝０．０３ｍｍ以上で残したので、ろう材が硬化する時の、メタライズ、電極パッド、ろう材の収縮差を吸収し、メタライズ内での剥離発生を防止する。しかも、エッチング手法等を用いることなくろう材の溶融温度等の調整によりろう材の流れを制御し前記周縁部を確保することにより、通電端子近傍のセラミック表面においてガラス質が十分存在するので、常温のみでなく高温放置後のリード引っ張り強度の信頼性が向上し、厳しい使用環境下でも耐久性の大きなセラミックヒータを得ることができ、実用的な効果は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるセラミックヒータの焼成前の状態を示す部分展開図である。
【図２】図１の焼成前のセラミックヒータの要部破断図である。
【図３】図１の焼成前のセラミックヒータを構成する生シートの展開図である。
【図４】焼成後、通電端子を形成したセラミックヒータの斜視図である。
【図５】図４のセラミックヒータの通電端子の拡大断面図である。
【図６】本発明の他実施形態を示し、平板状のセラミックヒータの部分破断斜視図である。
【図７】本発明の実験例１の方法を説明する概略図である。
【図８】従来のセラミックヒータの斜視図である。
【図９】図８のヒータの通電端子を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
Ｈ            セラミックヒータ
１            発熱抵抗体
２            通電端子
３            感温抵抗体
４            メタライズ
５            電極パッド
６            ろう材
８            周縁部
９            リード
１０          コート層
ｗ            幅
Ｓ１，Ｓ１′  生シート
Ｒ１，Ｒ２    抵抗体パターン
Ｕ，Ｕ′，Ｖ，Ｖ′
端子部
Ｓ２          芯材、基体
Ｋ            発熱領域
Ｌ            感温領域
【図１】
0003678882.tif 000004
【図２】
0003678882.tif 000005
【図３】
0003678882.tif 000006
【図４】
0003678882.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003678882.tif 000009
【図７】
0003678882.tif 000010
【図８】
0003678882.tif 000011
【図９】
0003678882.tif 000012