(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間継続あるいは断続して高温で使用した場合であっても、抵抗発熱材の劣化を十分に防止することができ、耐久性が高いセラミックヒーターを提供する。【解決手段】セラミックスからなるセラミック基体１ａ，１ｂと、セラミック基体１ａ，１ｂ内に設けられた、少なくとも抵抗発熱材が埋設された発熱部２と、を備え、セラミックスが８８〜９６重量％のＡｌ２Ｏ３、３〜１０重量％のＳｉＯ２、１〜２重量％のＣａＯ、０．０１〜０．５重量％のＭｇの酸化物を含有し、且つＣａＯに対する前記ＳｉＯ２の重量比が１．５以上３．５未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなるセラミック基体と、該セラミック基体内に設けられた、少なくとも抵抗発熱材が埋設された発熱部と、を備えるセラミックヒーターであって、
前記セラミックスが８８〜９６重量％のＡｌ２Ｏ３、３〜１０重量％のＳｉＯ２、１〜２重量％のＣａＯ、０．０１〜０．５重量％のＭｇの酸化物を含有し、且つ前記ＣａＯに対する前記ＳｉＯ２の重量比が１．５以上３．５未満であることを特徴とするセラミックヒーター。
【請求項２】
前記Ｍｇの酸化物の含有量が０．２重量％未満で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ー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックヒーターは、セラミックスからなるセラミック基体と、セラミック基体内に設けられた、抵抗発熱材が埋設された発熱部とを備えるものであり、半田ごて、石油ファンヒーター等の石油気化器用熱源や、温水加熱ヒーター等の産業機器用、電子部品用、一般家庭用の各種加熱用ヒーター等に利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、所定の含有量で酸化物を含有するアルミナを基体とする焼結材料を用いた、耐久性に優れるセラミックヒーターが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−８２００９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等に記載の従来のセラミックヒーターは、長時間継続して高温で使用すると抵抗発熱材が劣化して電気抵抗値が増大することがあり、耐久性が不十分であることが問題となっている。このような抵抗発熱材の劣化の原因としては、抵抗発熱材あるいはセラミック基体の構成成分が高温下での通電により電気化学的な拡散現象、いわゆるエレクトロマイグレーション（以下、単に「マイグレーション」という）を起こすことが挙げられている。
【０００６】
例えば、抵抗発熱材の構成成分がマイグレーションによりセラミック基体中に拡散流出すると、その流出部分で抵抗発熱材が消耗し、過昇温・断線に至ることもある。また、焼結助剤成分として添加されるＭｇＯやＣａＯ等の金属酸化物成分は、セラミック基体中ではガラス相の形で存在するが、これに含有される金属イオンないし酸素イオンもマイグレーションを起こしやすい。例えば抵抗発熱材の主要成分がＷである場合には、マイグレーションにより移動する酸素イオンにより酸化され、同様に抵抗値増大や断線等の問題を引き起こすことがある。
【０００７】
そこで本発明は、長時間継続あるいは断続して高温で使用した場合であっても、抵抗発熱材の劣化を十分に防止することができ、耐久性が高いセラミックヒーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑み本発明は、セラミックスからなるセラミック基体と、セラミック基体内に設けられた、少なくとも抵抗発熱材が埋設された発熱部と、を備えるセラミックヒーターであって、セラミックスが８８〜９６重量％のＡｌ２Ｏ３、３〜１０重量％のＳｉＯ２、１〜２重量％のＣａＯ、０．０１〜０．５重量％のＭｇの酸化物を含有し、且つ前記ＣａＯに対する前記ＳｉＯ２の重量比が１．５以上３．５未満であることを特徴とするセラミックヒーターを提供する。なお、本明細書中、「Ｍｇの酸化物の含有量」とは、ＭｇＯ換算でのＭｇの酸化物の含有量をいう。
【０００９】
かかるセラミックヒーターによれば、長時間継続あるいは断続して高温で使用した場合であっても、抵抗発熱材の劣化を十分に防止することができ、耐久性が高い。
【００１０】
上記Ｍｇの酸化物の含有量は０．２重量％未満であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、長時間継続あるいは断続して高温で使用した場合であっても、抵抗発熱材の劣化を十分に防止することができ、耐久性が高いセラミックヒーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のセラミックヒーターの好適な実施形態である平板状セラミックヒーターの概略図である。
【図２】本発明のセラミックヒッターの他の実施形態であるロッド状セラミックヒーターの概略図である。
【図３】図２における巻きつけ前のセラミック基体の状態を示す図である。
【図４】図２におけるｚ−ｚ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明のセラミックヒーターの好適な実施形態である平板状セラミックヒーターの分解斜視図である。
【００１５】
図１に示すセラミックヒーターは、セラミックスからなるセラミック基体１ａ及び１ｂの間に、抵抗発熱材が埋設された発熱部２と、引き出し部４ａ及び４ｂを介してそれぞれ発熱部２に接続された陽極側端子部３ａ及び陰極側端子部３ｂとからなる発熱体が設けられたものである。
【００１６】
図２は、本発明のセラミックヒーターの他の実施形態であるロッド状セラミックヒーターの概略図である。
【００１７】
図２に示すセラミックヒーターは、抵抗発熱材が埋設された発熱部１４と、発熱部１４を内蔵した、セラミックスからなるセラミック基体１１とを備える。セラミック基体１１は、セラミック軸１３に、セラミックシート１２が巻きつけられた構成を有する。セラミックシート１２上には、発熱部１４が設けられており、発熱部１４には引き出し部１５が接続されている。セラミック基体１１には、抵抗発熱材に電力を供給するための電極部１６が設けられており、電極部１６には金属リード１７がロウ付けされている。
【００１８】
本実施形態のセラミックヒーターの構造を、図３、４を用いて、より詳細に説明する。
図３は、巻きつけ前のセラミック基体１１の状態を示す図である。セラミックシート１２上には、発熱部１４が設けられており、発熱部１４には引き出し部１５が接続されている。引き出し部１５はさらに、導体を充填したスルーホール２２によりセラミックシート１２の裏面に形成されたメタライズ１８に接続される。そして、発熱部１４、引き出し部１５を内側にして、セラミック軸１３に、セラミックシート１２を巻きつけることにより、セラミック基体１１が形成される。
【００１９】
図４は、図２におけるｚ−ｚ断面図である。セラミック基体１１の表面には、メタライズ１８、Ｎｉめっき１９がこの順で積層されており、このＮｉめっき１９上にロウ材２０により金属リード１７がロウ付けされ、電極部１６が形成されている。なお、電極部１６の温度・湿度等による劣化を防止するために、任意で、ロウ材２０、金属リード１７を覆うようにＮｉめっき２１を形成することもできる。
【００２０】
以下、セラミックヒーターの各要素について説明する。
セラミック基体１ａ，１ｂ、セラミックシート１２及びセラミック軸１３におけるセラミックスは、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物を含有する。
【００２１】
上記セラミックスにおけるＡｌ２Ｏ３の含有量は、８８〜９６重量％であり、８９〜９４重量％であることが好ましく、９０〜９２重量％であることがより好ましい。
上記セラミックスにおけるＳｉＯ２の含有量は、３〜１０重量％であり、４〜８重量％であることが好ましく、５〜７重量％であることがより好ましい。
上記セラミックスにおけるＣａＯの含有量は、１〜２重量％であり、１．４〜１．９重量％であることが好ましく、１．６〜１．８重量％であることがより好ましい。
【００２２】
上記セラミックスにおけるＭｇの酸化物の含有量は、０．０１〜０．５重量％である。Ｍｇの酸化物の含有量が上記範囲にあると、電極中におけるＭｇＯの偏析を十分に防止でき、この偏析に起因する抵抗値のバラツキを低く抑えることが可能となるため、抵抗発熱材の劣化を十分に防止することができる。さらに、ＭｇＯの偏析をより高度に防止できる点から、０．０２〜０．２０重量％であることが好ましく、０．０５〜０．１０重量％であることがより好ましい。
【００２３】
上記セラミックスにおけるＣａＯに対するＳｉＯ２の重量比は、１．５以上３．５未満であり、２．５以上３．４５未満であることが好ましく、３．０以上３．４未満であることがより好ましい。ＣａＯに対するＳｉＯ２の重量比が上記範囲にあると、ＳｉＯ２及びＣａＯからなる液相が生じる温度を高くすることができ、結果として焼成温度を高くすることができ、焼結助剤及び粒成長抑制剤としてのＭｇの酸化物の量を上記範囲まで減らしても十分に高い分散性が得られ、従って十分な性能が得られる。
【００２４】
上記セラミックスは、高温高強度セラミックス、例えばムライトやスピネル等のアルミナ類似のセラミックス等の基材をさらに含有していてもよい。
【００２５】
上記セラミックスは、０．０１〜３．０重量％のＺｒＯ２等の助剤を含有していてもよい。
【００２６】
上記セラミックスは、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種の金属の酸化物を、０を超え０．１重量％未満含有していてもよい。
【００２７】
発熱部２，１４に埋設された抵抗発熱材、陽極側端子部３ａ、陰極側端子部３ｂ、引き出し部４ａ，４ｂ，１５、及びメタライズ１８としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等といった高融点金属からなるものを用いることができる。
【００２８】
ロウ材２０としては、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｄのうち少なくとも１種からなるロウ材を用いることができる。
【００２９】
なお、セラミック軸１３は、円柱状のものであっても、中空構造を有する管状のものであってもよい。
【００３０】
図１に示す平板状セラミックヒーターは、例えば次の方法により製造することができる。
【００３１】
まず、基材及び助剤を、成型用バインダ、有機溶剤を添加して、湿式で混合し、セラミックス組成物を得る。なお、基材とは、Ａｌ２Ｏ３に対応する原料をいい、助剤とはＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物に対応する原料等をいう。基材及び助剤としては、セラミックスに含有される酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物）自体を用いても、焼成工程において酸化物となり得るもの、例えばそれぞれの酸化物に対応する炭酸塩等の各種塩や水酸化物、複合酸化物を用いてもよい。
【００３２】
基材及び助剤は、焼成前に７００〜１４５０℃で１〜１００時間仮焼してもよい。また、基材と助剤は、別々に仮焼した後に混合してもよい。さらに、助剤成分の少なくとも一種を仮焼した後に基剤と助剤と混合してもよい。
【００３３】
次に、セラミックス組成物をドクターブレード法等により成型して、セラミック基体１ａ，１ｂを作製する。得られたセラミック基体１ａ上に、圧膜印刷法等により、発熱体をスクリーン印刷した後に、セラミック基体１ｂを圧着して、積層することにより、図１に示すセラミックヒーターが得られる。
【００３４】
図２に示すロッド状セラミックヒーターは、例えば次の方法により製造することができる。
【００３５】
上述のセラミックス組成物をドクターブレード法等により成型して、セラミックシート１２を作製し、またセラミックス組成物を押し出し成型して、セラミック軸１３を作製する。得られたセラミックシート１２上に、スクリーン印刷等により、発熱部１４を形成し、さらに発熱部１４に引き出し部１５を接続する。
【００３６】
そして、セラミック軸１３にセラミックシート１２を、発熱部１４及び引き出し部１５を内側にして巻きつけることにより、セラミック基体１１を形成する。セラミック基体１１に、導体ペーストを充填したスルーホール２２を介してメタライズ１８を形成し、さらにＮｉめっき１９を施す。金属リード１７をこのＮｉめっき１９上にロウ材２０を用いてロウ付けすることにより、電極部１６が形成され、図２に示すセラミックヒーターが得られる。なお、ロウ材２０及び金属リード１７を保護するために、Ｎｉめっき２１を施してもよい。
【００３７】
上記成型用バインダ、有機溶剤としては、例えば、ポリビニルブチラール、フタル酸ジブチル、メチルエチルケトン、トルエンの混合溶液を用いることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１〜３、比較例１〜４）
ＳｉＯ２，ＣａＣＯ３，ＭｇＣＯ３，ＺｒＯ２の各原料粉末（助剤）を、焼成後の組成が表１に示す重量比となるように秤量して、これらをボールミル内に入れ、湿式で８〜１００時間混合し、スラリーを得た。得られたスラリーを乾燥させて混合粉体とした。次いで、得られた混合粉体を大気中で７００〜１４５０℃で１〜１００時間熱処理（仮焼）した。熱処理した粉末を溶媒及び分散媒とともにボールミル内に入れ、湿式で８〜１００時間粉砕し、得られたスラリーを乾燥させて、熱処理された助剤を得た。
【００４０】
この熱処理された助剤を、焼成後の組成が表１に示す重量比となるように秤量したＡｌ２Ｏ３（基剤）と、成型用バインダ、有機溶剤の存在下で混合し、スラリーを得た。このスラリーをドクターブレード法でセラミックシートに成型した。このセラミックシートの表面に、Ｗ−Ｒeからなる発熱部とＷ−Ｍｏからなる引き出し部をスクリーン印刷し、裏面には電極部を形成するためにＷを主成分とするメタライズをスクリーン印刷した。そして、Ｗからなる引き出し部の末端には、スルーホールを形成し、ここに導体ペーストを注入することにより電極部との導通をとった。
【００４１】
次に、上記セラミックシートと同じ組成で、成型用バインダ、有機溶剤を添加したスラリーを調製した後、押し出し成型により、セラミック軸を作製した。その後、セラミックシートを所定の大きさに切断し、この切断したセラミックシートに有機溶剤を主成分とする接着剤を塗布し、セラミック軸に巻き付け一体化させた。これを、１４５０〜１６５０℃の還元雰囲気炉にて焼成することによりセラミック体を得た。その後、Ａｕ−Ｃｕからなるロウを用いて、真空炉を使用して電極部に金属リードをロウ付けして実施例１〜３、比較例１〜４のセラミックヒーターを製造した。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
［セラミックヒーターの評価］
（連続通電試験）
発熱部の表面温度が１１００℃となるように、実施例１〜３、比較例１〜４のセラミックヒーターを通電加熱し、連続通電試験を行った。通電加熱前（初期）の室温抵抗、１０００時間通電加熱後の室温抵抗、抵抗変化率、及び３０００時間通電加熱後の断線の有無をそれぞれ表２に示す。
（断続通電試験）
発熱部の表面温度が１１００℃となるように、実施例１〜３、比較例１〜４のセラミックヒーターを通電加熱し、５分間保持後、通電を遮断し、室温で２分間放置することを１サイクルとして、断続通電試験を行った。５０００サイクル後の室温抵抗、抵抗変化率、及び２００００サイクル後の断線の有無をそれぞれ表２に示す。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
表２から明らかであるように、実施例１〜３のセラミックヒーターによれば、１０００時間の通電試験を行った場合であっても、抵抗変化率が５％以下に抑えられ、３０００時間の通電試験を行った場合であっても断線が起こらない。さらに、実施例１〜３のセラミックヒーターによれば、５０００サイクルの断続通電試験を行った場合であっても抵抗変化率が８％以下に抑えられ、２００００サイクルの断続通電試験を行った場合であっても断線が起こらない。
【符号の説明】
【００４６】
１ａ，１ｂ，１１…セラミック基体、２，１４…発熱部、３ａ…陽極側端子部、３ｂ…陰極側端子部、４ａ，４ｂ，１５…引き出し部、１２…セラミックシート、１３…セラミック軸、１５…引き出し部、１６…電極部、１７…金属リード、１８…メタライズ、１９，２１…めっき、２０…ロウ材、２２…スルーホール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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