(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の製造方法を提供する。【解決手段】基材及び２種以上の助剤を焼結させたセラミックスからなるセラミック体と、セラミック体内に埋設された発熱部とを備えるセラミックヒーターの製造方法であって、少なくとも２種の助剤を７００〜１４５０℃で熱処理する熱処理工程と、抵抗発熱材が埋設されるように、基材と熱処理された助剤とを混合した混合物を成形して成形体を作製する成形工程と、前記成形体を１４５０〜１６５０℃で焼成してセラミックヒーターを形成する焼成工程とを有するセラミックヒーターの製造方法を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材及び２種以上の助剤を焼結させたセラミックスからなるセラミック体と、該セラミック体内に埋設された発熱部と、を備えるセラミックヒーターの製造方法であって、
少なくとも２種の助剤を７００〜１４５０℃で熱処理する熱処理工程と、
抵抗発熱材が埋設されるように、基材と熱処理された前記助剤とを混合した混合物を成形して成形体を作製する成形工程と、
前記成形体を１４５０〜１６５０℃で焼成して前記セラミックヒーターを形成する焼成工程と、を有するセラミックヒーターの製造方法。
【請求項２】
前記基材はＡｌ２Ｏ３を含む、請求項１に記載のセラミックヒーターの製造方法。
【請求項３】
前記助剤は焼結助剤及び粒成長抑制剤を含む、請求項１又は２に記載のセラミックヒーターの製造方法。
【請求項４】
前記助剤は、Ｍｇの酸化物、ＳｉＯ２及びＣａＯ、又はこれらの化合物を前記熱処理工程若しくは前記焼成工程において生成し得る化合物を含む、請求項１又は２に記載のセラミックヒーターの製造方法。
【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の製造方法に関する。
【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の製造方法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、基材及び２種以上の助剤を焼結させたセラミックスからなるセラミック体と、セラミック体内に埋設された発熱部とを備えるセラミックヒーターの製造方法であって、少なくとも２種の助剤を７００〜１４５０℃で熱処理する熱処理工程と、抵抗発熱材が埋設されるように、基材と熱処理された助剤とを混合した混合物を成形して成形体を作製する成形工程と、前記成形体を１４５０〜１６５０℃で焼成してセラミックヒーターを形成する焼成工程とを有するセラミックヒーターの製造方法を提供する。
【０００９】
かかるセラミックヒーターの製造方法によれば、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製造することができる。
【００１０】
このようなセラミックヒーターの製造方法により、上述の効果が得られる理由は必ずしも明らかでないが、少なくとも２種の助剤を予め熱処理することにより、助剤同士の複合体（例えばＳｉＯ２及びＣａＯを助剤として用いた場合には、（Ｓｉ，Ｃａ）Ｏ３）が生成し、この複合体の生成によりマイグレーションが防止され上述の効果が得られているものと、本発明者らは考えている。なお、助剤を熱処理せずに基材とともに焼成した場合にも、助剤同士の複合体は生成するものと考えられるが、この場合には助剤に対する基材の量が非常に大きいために、助剤同士の複合体はわずかな量しか生成せず、上述の効果が得られないものと考えている。
【００１１】
上記基材はＡｌ２Ｏ３を含むことが好ましい。また、上記助剤は、焼結助剤及び粒成長抑制剤を含むことが好ましく、特にＭｇの酸化物、ＳｉＯ２及びＣａＯ、又は熱処理工程、焼成工程においてこれらそれぞれの化合物を生成し得る化合物を含むことが好ましい。なお、上記助剤には基材と同じ成分を含んでも良い。ここで、「熱処理工程、焼成工程においてこれらそれぞれの化合物を生成し得る化合物」とは、Ｍｇの酸化物、ＳｉＯ２及びＣａＯに対応する炭酸塩等の各種塩や水酸化物、助剤を構成する成分の複合酸化物等のことをいう。
【発明の効果】
【００１２】
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の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明のセラミックヒーターの製造方法により製造することができる平板状セラミックヒーターの分解斜視図である。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
まず、後述するセラミックスの原料の１つである基材と熱処理された助剤とを混合した混合物を、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を圧着して積層し、さらにこれを焼成することにより図１に示すセラミックヒーターが得られる。
【００１９】
図２は、本発明のセラミックヒーターの製造方法により製造することができるロッド状セラミックヒーターの概略図である。
【００２０】
図２に示すロッド状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体１１とからなる。セラミック体１１は、セラミック軸１３に、セラミックシート１２が巻きつけられて形成されている。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。
【００２１】
次に、図２に示すセラミックヒーターの製造方法について、図３，４を用いて説明する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２に示すセラミックヒーターは、下記の製造方法により製造することができる。
【００２５】
（熱処理工程）
熱処理工程においては、セラミックスの原料の１つである助剤を７００〜１４５０℃で熱処理する。熱処理の時間は例えば１〜１００時間とすることができる。本発明においては２種以上の助剤を用いるが、このうち少なくとも２種の助剤を熱処理することが必須であり、好ましくは全ての助剤を熱処理する。
【００２６】
助剤としては、例えば、焼結助剤、粒成長抑制剤、電荷調整剤が挙げられ、これらのうち少なくとも焼結助剤及び粒成長抑制剤を含むことが好ましい。特に、焼結助剤、粒成長抑制剤の機能を効率よく発揮させることができる点から、助剤はＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物を含むことが好ましい。助剤としてのＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物は、これらの化合物に対応する炭酸塩等の各種塩や水酸化物、複合酸化物等の熱処理工程及び焼成工程において、ＳｉＯ２、ＣａＯ及びＭｇの酸化物を生成し得る化合物であってもよい。「Ｍｇの酸化物、ＳｉＯ２及びＣａＯ、又は熱処理工程及び焼成工程においてこれらそれぞれの化合物を生成し得る化合物」の具体例としては、ＳｉＯ２，ＣａＣＯ３及びＭｇＣＯ３が挙げられる。
【００２７】
助剤としてのＳｉＯ２、又は熱処理工程及び焼成工程においてＳｉＯ２を生成し得る化合物は、形成されるセラミックスにおけるＳｉＯ２の含有量が３〜１０重量％となるような量で用いることが好ましい。
【００２８】
助剤としてのＣａＯ、又は熱処理工程及び焼成工程においてＣａＯを生成し得る化合物は、形成されるセラミックスにおけるＣａＯの含有量が１〜２重量％となるような量で用いることが好ましい。
【００２９】
助剤としてのＭｇの酸化物、又は熱処理工程及び焼成工程においてＭｇの酸化物を生成し得る化合物は、形成されるセラミックスにおけるＭｇの酸化物の含有量が０．０１〜０．５重量％となるような量で用いることが好ましい。ここで、「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。
【００３０】
助剤としてのＣａＯ、又は熱処理工程及び焼成工程においてＣａＯを生成し得る化合物に対するＳｉＯ２、又は熱処理工程及び焼成工程においてＳｉＯ２を生成し得る化合物の重量比は、焼成後のセラミックスにおけるＣａＯに対するＳｉＯ２の重量比が、１．５以上３．５未満となるような重量比であることが好ましい。
【００３１】
なお、助剤としては上述のものの他に、例えば、電荷調整剤としてのＺｒＯ２や、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用いてもよい。
【００３２】
（成形工程）
成形工程においては、セラミックスの原料の１つである基材と熱処理された助剤とを混合した混合物を成型して、セラミックシート１２及びセラミック軸１３を作製し、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、セラミック体１１（成形体）を作製する。巻きつけ前に、セラミックシート１２の表面には発熱部１４、及びこれに接続された引き出し部１５を、裏面には電極部１６を、それぞれ形成する。
【００３３】
基材としては、Ａｌ２Ｏ３、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が挙げられ、Ａｌ２Ｏ３を含むことが好ましい。
【００３４】
基材と熱処理された助剤との混合は、例えば湿式法を用いて行うことができる。
【００３５】
セラミックシート１２を成型する方法としては、例えばドクターブレード法が挙げられる。また、セラミック軸１３を成型する方法としては、例えば押し出し成型法が挙げられる。
【００３６】
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。
【００３７】
発熱部１４としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等といった高融点金属からなる抵抗発熱材を用いることができ、Ｗ−Ｒｅを抵抗発熱材として用いたものが好ましい。引き出し部１５としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等といった高融点金属を用いることができ、例えばＷ−Ｍｏからなるものを用いることが好ましい。これらの発熱部１４及び引き出し部１５は、例えばプリント印刷法を用いて形成することができる。
【００３８】
電極部１６は具体的には例えば次のようにして作製することができる。まず、セラミックシート１２の裏面にメタライズ１８を設ける。次に、引き出し部１５の末端に、スルーホール２２を形成し、ここに導体ペーストを充填して電極部１６との導通をとる。さらにメタライズ１８上にＮｉめっき１９を施すことによって、電極部１６を形成することができる。
【００３９】
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、Ｗを用いることが好ましい。このメタライズ１８は、例えばスクリーン印刷法を用いて形成することができる。
【００４０】
このようにして形成された発熱部１４及び引き出し部１５を有するセラミックシート１２をセラミック軸１３に巻きつける際には、これらを接着するための接着剤を用いることができる。
【００４１】
（焼成工程）
焼成工程においては、成形工程において得られた成形体を１４５０〜１６５０℃で焼成して、セラミックヒーターを形成する。本実施形態においては、焼成後にさらにＮｉめっき９上に金属リード１７をロウ材２０を用いてロウ付けし、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を施す。
【００４２】
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、Ａｕ−Ｃｕからなるロウ材を用いることが好ましい。
【実施例】
【００４３】
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。
【００４４】
（実施例１〜３）
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時間混合し、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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形成した後、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のセラミックヒーターを製造した。
【００４７】
（比較例１）
助剤の熱処理を行っていないこと以外は実施例１と同様にして、比較例１のセラミックヒーターを製造した。
【００４８】
【表１】
2011023125.tif 000002
【００４９】
［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。
【００５０】
【表２】
2011023125.tif 000003
【００５１】
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】
【００５２】
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】
2011023125.tif 000004
【図２】
2011023125.tif 000005
【図３】
2011023125.tif 000006
【図４】
2011023125.tif 000007