(57)【特許請求の範囲】
【請求項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おり、前記突出部の表面が曲面状であるヒータ。
【請求項２】
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おり、前記突出部は複数の凸部を有しているヒータ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項５】
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おり、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とともに、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ヒータ。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【発明の概要】
【０００４】
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おり、前記突出部の表面が曲面状である。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】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。
【図２】本発明の一実施形態のヒータの模式図である。
【図３】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。
【図４】本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。
【図５】本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。
【図６】本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
＜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。
【０００９】
＜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。
【００１０】
＜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。
【００１１】
＜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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
＜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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
＜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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【実施例】
【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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
【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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