(57)【要約】  【課題】  ヒータの耐環境性を向上させる。  【解決手段】  ヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２とを備えており、セラミック体１の表面に窒化ホウ素を含む表面層３が設けられている。セラミック体１よりも化学的に安定である窒化ホウ素を含む表面層３がセラミック体１の表面に設けられていることによって、セラミック体１が腐食する可能性を低減できる。これにより、ヒータ１０の耐環境性を向上させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体とを備えており、前記セラミック体の表面に窒化ホウ素を含む表面層が設けられていることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記セラミック体がセラミック層の積層体から成るとともに、前記セラミック体の表面のうち前記セラミック層の積層方向に沿った面に前記表面層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記表面層は、表面側が前記窒化ホウ素を含む層であるとともに、前記セラミック体側が酸化珪素層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記表面層と前記セラミック体との境界の近傍に、前記セラミック体と前記酸化珪素層との反応領域が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
【請求項５】
前記窒化ホウ素を含む層と前記酸化珪素層との間に、窒化ホウ素と酸化珪素との混合層が形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のヒータ。
【請求項６】
前記表面層は、表面側が前記窒化ホウ素を含む層であるとともに、前記セラミック体側が酸化珪素層と前記セラミック体との反応物質から成る反応層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
【請求項７】
前記窒化ホウ素を含む層と前記反応層との間に、窒化ホウ素と前記反応物質との混合層が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載暖房装置、石油ファンヒータ、測定機器または自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、例えば、特許文献１に記載のヒータが知られている。
【０００３】
特許文献１に記載のヒータは、セラミック体と、セラミック体に埋設された発熱抵抗体とを備えている。発熱抵抗体は、セラミック体に埋設されることによって、耐環境性が向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４０８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のヒータでは、従来の使用環境と比較して高温の環境または腐食成分が多い環境において用いた場合には、ヒータのセラミック体が腐食する可能性があった。これにより、発熱抵抗体が外部に露出してしまうことにより、発熱抵抗体が腐食する可能性があった。その結果、ヒータの耐環境性を向上させることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様に基づくヒータは、セラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体とを備えており、前記セラミック体の表面に窒化ホウ素を含む表面層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、セラミック体の表面に窒化ホウ素を含む表面層が設けられている。セラミック体よりも化学的に安定である窒化ホウ素を含む表面層がセラミック体の表面に設けられていることによって、セラミック体が腐食する可能性を低減できる。これにより、ヒータの耐環境性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の例のヒータを示す断面図である。
【図２】図１に示したヒータのＡ−Ａ’断面の断面図である。
【図３】本発明の実施形態のヒータの変形例１を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態のヒータの変形例２を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態のヒータの変形例３を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態のヒータの変形例４を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態のヒータの変形例５を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態のヒータの変形例６を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。
【００１０】
＜ヒータの構成＞
図１、２に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられた表面層３とを具備している。ヒータ１０は、例えば、車載暖房装置等に用いることができる。
【００１１】
＜セラミック体の構成＞
セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２を設けることによって、発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、複数のセラミック層１１の積層体から成る。セラミック体１は、例えば、矩形板状、角柱状または円柱状等の部材である。セラミック体１が矩形板状の場合には、寸法を、例えば幅４〜５０ｍｍ、長さ３０〜１００ｍｍ、厚み１〜２０ｍｍに設定することができる。
【００１２】
セラミック体１は、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１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または炭化珪素質セラミックス等から成る。
【００１３】
セラミック体１は、特に、窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。
【００１４】
＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体２は、電圧が加えられて電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。
【００１５】
発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば、折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で複数回折り返している。発熱抵抗体２の先端から発熱抵抗体２の後端までの長さは、例えば、発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１０ｍｍに設定される。発熱抵抗体２は、給電線（図示せず）を介して外部の電極に電気的に接続されている。
【００１６】
なお、発熱抵抗体２の横断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。なお、発熱抵抗体２は、折返し形状を有さない構成であっても構わない。また、発熱抵抗体２は、１回のみ折り返している形状であってもよい。
【００１７】
発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＲｅ等の高融点金属を主成分とする。さらに、発熱抵抗体２は、セラミック体１の主成分を含んでいることが好ましい。これにより、発熱抵抗体２の熱膨張率をセラミック体１の熱膨張率に近づけることができる。その結果、ヒータ１０の昇温時または降温時に生じる熱応力を低減することができる。
【００１８】
＜表面層の構成＞
表面層３は、セラミック体１を保護するための部材である。表面層３は、セラミック体１の表面に設けられている。表面層３は、窒化ホウ素を含んでいる。セラミック体１よりも化学的に安定である窒化ホウ素を含む表面層３がセラミック体１の表面に設けられてい
ることによって、セラミック体１が腐食する可能性を低減できる。これにより、ヒータ１０の耐環境性を向上させることができる。表面層３は、例えば１０〜５０μｍ程度の厚みに形成することができる。
【００１９】
表面層３は、図２に示すように、セラミック体１の表面のうちセラミック層１１の積層方向に沿った面に設けられている。セラミック体１に生じる腐食は、セラミック層１１とセラミック層１１とが接する部分において生じやすい傾向にあるが、この部分を表面層３で覆うことによって、セラミック体１が腐食する可能性をさらに低減できる。これにより、ヒータ１０の耐環境性をさらに向上させることができる。また、本実施形のヒータ１０においては、表面層３がセラミック体１の積層方向に沿った面にのみ設けられているが、これに限られない。例えば、表面層３がセラミック体１の主面に設けられていてもよいし、セラミック体１の表面の全体に設けられていてもよい。
【００２０】
＜ヒータの製造方法＞
ヒータ１０の製造方法について説明する。まず、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粉末に、焼結助剤を含有させてセラミック体１の原料となるセラミック粉体を作製する。
【００２１】
次に、セラミック粉体にプレス成型を施して成型体を作製する。そして、成型体の一方の主面に、焼成後に発熱抵抗体２と成る導電性ペーストのパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。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長さ、幅および形状を調整することによって、発熱抵抗体２の発熱位置および抵抗値を所望の値に設定する。なお、発熱抵抗体２と成る導電性ペーストは、セラミック体１と同時焼成することが可能なＷ、ＭｏまたはＲｅ等の高融点金属を主成分とすることが好ましい。これらの高融点金属に上記のセラミックス、バインダーおよび有機溶媒等を加えたものを導電性ペーストとして用いる。この導電性ペーストのパターンが形成された成型体にさらに同一材料の成型体を重ね合わせることによって、焼成後に内部に発熱抵抗体２を有するセラミック体１と成る成型体を得ることができる。
【００２２】
なお、セラミックグリーンシートを積層することによってもヒータ１０を作製することができる。まず、セラミック粉体をセラミックスラリーに調製して、セラミックグリーンシートを作製する。そして、セラミックグリーンシートに導電性ペーストのパターンを形成する。さらに、導電性ペーストが形成されたセラミックグリーンシートに、同一材料のセラミックグリーンシートを積層して密着液を用いて密着させることによって、焼成後に内部に発熱抵抗体２を有するセラミック体１と成る成型体を得ることができる。
【００２３】
次に、得られた成形体のうち成形体の積層方向に沿った面に窒化ホウ素を主成分とした、焼成後に表面層３と成るペーストを塗布する。この際、成形体の面を研磨しておくことによって、表面層３と成形体との密着性を向上させることができる。また、窒化ホウ素の粒径を成形体の粒径よりも小さくすることによって、密着性をさらに向上させることができる。
【００２４】
次に、得られた成型体を、例えば３０〜５０ＭＰａの圧力下で１５００〜１８００℃の温度で焼成することによって、ヒータ１０を作製することができる。焼成は、不活性ガス雰囲気中または還元雰囲気中で行なうことが好ましい。以上のようにして、セラミック体１の表面に表面層３を有するヒータ１０を作製することができる。
【００２５】
＜変形例１＞
本発明の実施形態のヒータ１０の変形例１について説明する。上述の実施形態において
は、表面層３の全体は窒化ホウ素を含んでいたが、これに限られない。具体的には、図３に示すように、表面層３の表面側が窒化ホウ素層３１であるとともに、表面層３のうちセラミック体１側が酸化珪素層３２であってもよい。なお、ここでいう窒化ホウ素層３１とは、必ずしも窒化ホウ素のみから成る必要はなく、主成分として窒化ホウ素を含んでいればよい。さらに、ここでいう「主成分として窒化ホウ素を含んで」いるとは、例えば、窒化ホウ素を９０％以上含んでいることを意味している。また、ここでいう酸化珪素層３２とは、必ずしも酸化珪素のみから成る必要はなく、主成分として酸化珪素を含んでいればよい。さらに、ここでいう「主成分として酸化珪素を含んで」いるとは、例えば、酸化珪素を９０％以上含んでいることを意味している。本変形例におけるヒータ１０は、表面層３のうちセラミック体１側が酸化珪素層３２であることによって、表面層３が窒化ホウ素のみから成る場合と比較して、セラミック体１と表面層３との密着力を向上させることができる。この理由は、以下の通りである。窒化ホウ素は原子が強固に組み合った六角網面構造が広い間隔で重なった構成をしており、層間を繋ぐ力はファンデルワールス力である。そのため、層間に働く力が弱く、互いに滑りやすい。これに対して、酸化珪素は、ガラス状であるために、分子同士が無秩序に結合しあう。この酸化珪素層３２が窒化ホウ素層３１の内部に進入することによって、窒化ホウ素自体の滑りを抑制させることができる。同時に、セラミック体１の表面のボイドにも酸化珪素層３２が進入することによって、酸化珪素層３２とセラミック体１との密着力を向上させることができる。以上のようにして、セラミック体１と表面層３との密着力を向上させることができる。窒化ホウ素層３１の厚みおよび酸化珪素層３２の厚みとしては、例えば、２０μｍ程度、またはそれ以下に設定することができる。
【００２６】
表面層３のうちセラミック体１側を酸化珪素層３２にするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、成形体に窒化ホウ素を主成分とした表面層３と成るペーストを塗布する際に、このペーストと成形体との間にシリコンシートを設けるとともに、この状態で成型体に圧力を加えながら焼成を行なえばよい。
【００２７】
さらに、本変形例におけるヒータ１０は、表面層３とセラミック体１との境界の近傍に、セラミック体１と酸化珪素層３２との反応領域４が形成されている。この反応領域４は、上記の構成に加えて、さらにセラミック体１となる成形体とシリコンシートとの間に酸化珪素を主成分とするペーストを設けるとともに、このシリコンシートの外部にカーボン粉末を設けておき、セラミック体１と成る成型体とシリコンシートとの間に酸素を封じておくことによって反応領域４を形成することができる。
【００２８】
表面層３とセラミック体１との境界の近傍にセラミック体１と酸化珪素層３２との反応領域４が形成されていることによって、表面層３とセラミック体１との間の密着力をさらに向上させることができる。特にセラミック体１が酸化珪素を含んだセラミックスから成ることが好ましい。これにより、酸化珪素層３２とセラミック体１中の酸化珪素とが繋がることによって、さらに密着力を向上させることができる。
【００２９】
反応領域４の存在は以下の方法によって確認することができる。具体的には、例えば、日本電子製の波長分散型ＥＰＭＡ装置（ＪＸＡ−８１００）を用いて、ＳｉおよびＯの位置を確認することによって、ＳｉＯ２の存在を確認する。これにより、反応領域４の存在を確認することができる。特に、反応領域４と酸化珪素層３２との区別は以下の通りに行なう。具体的には、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用いて、深さ方向の酸素元素の分布を測定することによって、珪素と酸素との結合エネルギーを測定する。そして、珪素の価数の変化することを確認することによって、反応領域４の存在を確認することができる。
【００３０】
＜変形例２＞
本発明の実施形態のヒータ１０の変形例２について説明する。変形例１においては、表
面層３が窒化ホウ素層３１と酸化珪素層３２とによって構成されていたが、これに限られない。具体的には、図４に示すように、本変形例におけるヒータ１０は、窒化ホウ素層３１と酸化珪素層３２との間に、窒化ホウ素と酸化珪素との混合層３３が形成されている。本変形例におけるヒータ１０は、窒化ホウ素層３１と酸化珪素層３２との間に混合層３３を有していることによって、窒化ホウ素層３１と酸化珪素層３２との間に生じる熱応力を低減することができる。これにより、ヒータ１０のヒートサイクル下における信頼性を向上させることができる。ここでいう混合層３３とは、必ずしも窒化ホウ素および酸化珪素のみから成る必要はなく、主成分として窒化ホウ素および酸化珪素を含んでいればよい。ここでいう「主成分として窒化ホウ素および酸化珪素を含んで」いるとは、例えば、窒化ホウ素を４０％以上および酸化珪素を４０％以上含んでいることを意味している。窒化ホウ素層の厚みおよび酸化珪素層の厚みとしては、例えば、１０μｍ程度、またはそれ以下に設定することができる。
【００３１】
混合層３３を形成するためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、酸化珪素層３２を形成するためのシリコンシートと窒化ホウ素層３１を設けるためのペーストとの間に、酸化珪素と窒化ホウ素とを主成分としたペーストを印刷しておけばよい。
【００３２】
＜変形例３＞
本発明の実施形態のヒータ１０の変形例３について説明する。本変形例のヒータ１０は、図５に示すように、変形例１における反応領域４と変形例２における混合層３３との両方を備えている。酸化珪素層３２とセラミック体１との間には反応領域４を有するとともに酸化珪素層３２と窒化ホウ素層３１との間には混合層３３を有することによって、酸化珪素層３２は、セラミック体１との間に生じる熱応力および窒化ホウ素層３１との間に生じる熱応力の両方が低減されるようになっている。これにより、ヒートサイクル下における酸化珪素層３２の耐久性を向上させることができる。混合層３３には、例えば、窒化ホウ素が４０％以上、酸化珪素が４０％以上含まれている。混合層３３の厚みは、例えば、１０μｍ程度、またはそれ以下に設定することができる。
【００３３】
＜変形例４＞
本発明の実施形態のヒータ１０の変形例４について説明する。本変形例のヒータ１０は、図６に示すように、表面層３の表面側が窒化ホウ素層３１であるとともに、セラミック体１側が酸化珪素とセラミック体１との反応物質から成る反応層３４である。つまり、本変形例のヒータ１０は、変形例１〜３における酸化珪素層３２を備えていない。さらに、表面層３は、窒化ホウ素層３１と反応層３４との間には、酸化珪素と窒化ホウ素との混合層３３が設けられている。
【００３４】
本変形例におけるヒータ１０は、表面層３のうちセラミック体１側にセラミック体１と酸化珪素層３２との反応層３４が形成されていることによって、表面層３とセラミック体１との間の密着力が向上している。
【００３５】
さらに、表面層３は、窒化ホウ素層３１と反応層３４との間には、酸化珪素と窒化ホウ素との混合層３３が設けられていることによって、窒化ホウ素層３１と反応層３４との間に生じる熱応力を低減することができる。これにより、ヒータ１０のヒートサイクル下における信頼性を向上させることができる。
【００３６】
＜変形例５＞
なお、上述の変形例１、３においては反応領域４とセラミック体１との境界が、変形例４においては反応層３４とセラミック体１との境界が、断面においてそれぞれ直線状であったが、これに限られない。すなわち、反応領域４または反応層３４とセラミック体１との境界が断面において曲線状であってもよい。図７に示すように、本発明の実施形態のヒ
ータ１０の変形例５は、反応領域４とセラミック体１との境界が断面において曲線状である。より具体的には、反応領域４と窒化ホウ素層３１との境界が複数の凹凸を有する曲線状である。これにより、反応領域４と窒化ホウ素層３１との間に剥がれが生じる可能性を抑制できる。反応領域４と窒化ホウ素層３１との境界が複数の凹凸を有する曲線状である状態にするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、高温化で圧着を行なう際にセラミック体１と成る成形体の側面に、表面に凹凸を有する押さえ板を押し当てればよい。
【００３７】
＜変形例６＞
また、図８に示すように、本発明の実施形態のヒータ１０の変形例６では、反応層３４の一部がヒータ１０の側面に露出している。すなわち、表面層３の表面には窒化ホウ素層３１と反応層３４との両方が存在している。このように、反応層３４の一部が窒化ホウ素層３１から外部に露出していることによって、窒化ホウ素層３１に剥がれが生じる可能性を低減できる。これは、表面に露出している反応層３４が、セラミック体１から伝わってきた熱を良好に外部に伝えることができるため、各層の間に生じる熱応力を低減することができるためである。
【実施例】
【００３８】
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。
【００３９】
まず、セラミック体１の原料として、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ２Ｏ３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ２粉末を３．５質量％および酸化アルミニウム粉末を１．５質量％混合して、原料粉末を作製した。その後、この原料粉末を用いてプレス成型によって、焼成後にセラミック体１となる成型体を作製した。次に、焼成後に発熱抵抗体２となる導電性ペーストとして、炭化タングステン（ＷＣ）粉末７０質量％にセラミック体１の原料粉末３０％を混合し、適当な有機溶剤および溶媒を添加したものを作製した。次に、導電性ペーストをセラミック体１となる成型体の表面にスクリーン印刷法にて塗布した。そして、この導電性ペーストのパターンが形成された成型体にさらに同一材料の成型体を重ね合わせることによって、焼成後に内部に発熱抵抗体２を有するセラミック体１と成る成型体を得た。
【００４０】
ここで、試料１として、成型体の側面に窒化ホウ素を主成分としたペーストを塗布した試料を準備した。また、試料２として、成型体の側面と窒化ホウ素を主成分としたペーストとの間にシリコンシートを設けた試料を準備した。さらに、試料３として、シリコンシートと窒化ホウ素を主成分としたペーストとの間に、窒化ホウ素と酸化珪素とを主成分としたペーストを塗布した試料を準備した。また、比較用として、成型体の側面に何も設けていない試料を試料４として準備した。
【００４１】
そして、還元雰囲気中で１７００℃、３５ＭＰａの環境下でホットプレス焼成を行なって、ヒータ１０を作製した。
【００４２】
次に、このようにして作製した試料１〜４に関して、耐久性の試験を行なった。具体的には、まず、ガス暖房器に試料をセットして暖房器が着火する温度を調べた。次に、着火した温度になるまで通電するとともに着火した温度にて３０秒間通電し、その後６０秒間通電を停止するサイクルを１サイクルとして、燃焼ガス中において耐久試験を行なった。耐久試験においては、発熱抵抗体２が断線したものを不良としてみなした。
【００４３】
その結果、試料４においては、５万サイクルで発熱抵抗体２に断線が生じていた。また、セラミック体１の状態を確認したところ、腐食が生じているとともに、複数のセラミック層１１間に隙間が生じていた。そのため、発熱抵抗体２が部分的に燃焼ガスに対して露
出してしまう状態になっていた。試料１〜３においては、１５万サイクル後も発熱抵抗体２に断線が生じなかった。また、セラミック体１の状態を確認したところ、腐食の発生も見られなかった。
【００４４】
以上の結果から、試料１〜３は、比較例の試料４と比較して、セラミック体１の腐食に対する耐久性が向上しており、その結果、ヒータ１０の耐環境性が向上していることが確認できた。
【符号の説明】
【００４５】
１０：ヒータ
１：セラミック体
１１：セラミック層
２：発熱抵抗体
３：表面層
３１：窒化ホウ素層
３２：酸化珪素層
３３：混合層
３４：反応層
４：反応領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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