(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、
前記発熱体が埋設された内側セラミックス部と、
前記内側セラミックス部を挟むように配置された外側セラミックス部と
を備え、
前記内側セラミックス部及び前記外側セラミックス部はそれぞれ、窒化アルミニウムによって構成されており、
前記内側セラミックス部及び前記外側セラミックス部は、内側用セラミックス部材及び当該内側用セラミックス部材を挟むように配置された外側用セラミックス部材を焼結させることによって形成され、
前記内側用セラミックス部材は、焼結助剤としてのイットリアの含有率が、前記外側用セラミックス部材より低い
ことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記内側用セラミックス部材は、前記イットリアの含有率が０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。
【請求項３】
前記内側セラミックス部は、平板状に延在している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記内側セラミックス部は、セラミックヒータの加熱面と平行に延在している
ことを特徴する請求項３に記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記内側セラミックス部は、その端面が、セラミックヒータの側面に露出している
ことを特徴する請求項３又は４に記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記内側セラミックス部は、その厚みが、前記外側セラミックス部より薄い
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
発熱体と、前記発熱体が埋設された内側セラミックス部と、前記内側セラミックス部を挟むように配置された外側セラミックス部とを備えたセラミックヒータの製造方法であって、
前記内側セラミックス部を形成するための内側用セラミックス部材を作製する工程と、
前記外側セラミックス部を形成するための外側用セラミックス部材を作製する工程と、
前記内側用セラミックス部材の表面に前記発熱体を形成する工程と、
前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を積層させる工程と、
積層された前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を一体焼成する工程と
を備え、
前記内側用セラミックス部材を作製する工程及び前記外側用セラミックス部材を作製する工程は、それぞれ、窒化アルミニウムの粉末から、前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を作製し、
前記内側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤としてのイットリアの比率は、前記外側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤としてのイットリアの比率より低い
ことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項８】
前記内側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤としてのイットリアの比率は０である
ことを特徴とする請求項７に記載のセラミックヒータの製造方法。
【請求項９】
前記内側用セラミックス部材を作製する工程は、前記内側用セラミックス部材の厚みが、前記外側用セラミックス部材の厚みより薄くなるように、前記内側用セラミックス部材を形成する
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のセラミックヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属の発熱体を、絶縁体であるセラミックスに埋設したセラミックヒータが知られている。このようなセラミックヒータは、様々な応用分野で使われているが、一般に、加熱対象物（被加熱物）を加熱するための加熱面の温度分布は均一であることが望ましい。
【０００３】
なお、特開２００５−１１７６９号公報には、発熱面を有する窒化アルミニウムのヒータカバーと、このセラミックスカバーの発熱面と反対側もしくは窒化アルミニウムのヒータの基材上に設けた溝に配置された抵抗発熱体と、前記ヒータカバーの抵抗発熱体を配置した側に一体に設けられた前記基材と、前記抵抗発熱体に一端が接続し他端が前記基材側に導出された電力供給端子を有するセラミックスヒータであって、前記抵抗発熱体の表面と前記溝の内側のいずれか一方又は双方が電気絶縁性物質の皮膜で被覆されている窒化アルミニウムのセラミックスヒータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、セラミックヒータの加熱面の温度分布の均一性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るセラミックヒータは、発熱体と、前記発熱体が埋設された内側セラミックス部と、前記内側セラミックス部を挟むように配置された外側セラミックス部とを備え、前記内側セラミックス部と外側セラミックス部とで、焼結助剤の含有率が異なることを特徴とする。
【０００７】
この場合において、前記内側セラミックス部は、焼結助剤の含有率が、前記外側セラミックス部より低いようにしてもよい。
【０００８】
また、以上の場合において、前記内側セラミックス部は、平板状に延在しているようにしてもよい。更に、前記内側セラミックス部は、セラミックヒータの加熱面と平行に延在しているようにしてもよい。更に、前記内側セラミックス部は、その端面が、セラミックヒータの側面に露出しているようにしてもよい。
【０００９】
また、以上の場合において、前記内側セラミックス部は、その厚みが、前記外側セラミックス部より薄いようにしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係るセラミックヒータは、発熱体と、前記発熱体が埋設された内側セラミックス部と、前記内側セラミックス部を挟むように配置された外側セラミックス部とを備え、前記内側セラミックス部は、内側用セラミックス部材を焼結させることによって形成され、前記外側セラミックス部は、外側用セラミックス部材を焼結させることによって形成され、前記内側用セラミックス部材と前記外側用セラミックス部材とで、焼結助剤の含有率が異なることを特徴とする。
【００１１】
この場合において、前記内側用セラミックス部材は、前記焼結助剤の含有率が、前記外側用セラミックス部材より低いようにしてもよい。また、前記内側用セラミックス部材は、前記焼結助剤の含有率が０であるようにしてもよい。
【００１２】
以上のセラミックヒータにおいて、前記内側セラミックス部及び前記外側セラミックス部はそれぞれ、窒化アルミニウムによって構成されているようにしてもよい。また、前記焼結助剤は、イットリアであるようにしてもよい。
【００１３】
本発明に係るセラミックヒータの製造方法は、発熱体と、前記発熱体が埋設された内側セラミックス部と、前記内側セラミックス部を挟むように配置された外側セラミックス部とを備えたセラミックヒータの製造方法であって、前記内側セラミックス部を形成するための内側用セラミックス部材を作製する工程と、前記外側セラミックス部を形成するための外側用セラミックス部材を作製する工程と、前記内側用セラミックス部材の表面に前記発熱体を形成する工程と、前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を積層させる工程と、積層された前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を一体焼成する工程とを備え、前記内側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤の比率と、前記外側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤の比率とが異なることを特徴とする。
【００１４】
この場合において、前記内側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤の比率は、前記外側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤の比率より低いようにしてもよい。また、前記内側用セラミックス部材を作製する工程において配合される焼結助剤の比率は０であるようにしてもよい。
【００１５】
以上の場合において、前記内側用セラミックス部材を作製する工程は、前記内側用セラミックス部材の厚みが、前記外側用セラミックス部材の厚みより薄くなるように、前記内側用セラミックス部材を形成するようにしてもよい。
【００１６】
また、以上の場合において、前記内側用セラミックス部材を作製する工程及び前記外側用セラミックス部材を作製する工程は、それぞれ、窒化アルミニウムの粉末から、前記内側用セラミックス部材及び前記外側用セラミックス部材を作製するようにしてもよい。また、前記焼結助剤は、イットリアであるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セラミックヒータの加熱面の温度分布の均一性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるセラミックヒータの構成を説明するための平面図である。
【図２】本発明によるセラミックヒータの構成を説明するための断面図である。
【図３】セラミックス部材の作製工程を説明するためのフローチャートである。
【図４】セラミックス部材からセラミックヒータ１００を作製する工程を説明するための図である。
【図５】セラミックヒータ１００の切断面の走査型電子顕微鏡写真（図面代用写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
図１及び図２は、本発明によるセラミックヒータの構成を説明するための図である。図１は、平面図を示し、図２は、図１のＡ−Ａ拡大断面図を示す。
【００２１】
図１及び図２に示すように、セラミックヒータ１００は、平板状の形状を有し、図１に示す正方形状の面が、加熱対象物を加熱するための加熱面を構成する。なお、ここでは、図２における上面及び下面のいずれもが加熱面として利用可能な構成について説明する。
【００２２】
図２に示すように、セラミックヒータ１００は、発熱体１１０と、内側セラミックス部１２０と、一対の外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂとを備える。なお、セラミックヒータ１００は、更に、発熱体１１０に電力を供給するための電極端子等も備えるが、簡単のため、図１及び図２では図示を省略してある。
【００２３】
発熱体１１０は、発熱することでセラミックヒータ１００の加熱機能を実現するものであって、本実施形態においては、電気を流した際に発生するジュール熱で加熱を行う抵抗発熱体によって構成されている。より具体的には、発熱体１１０は、内側セラミックス部１２０及び外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂを構成するセラミックスと同時焼成可能な金属、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）あるいはその合金で構成されている。
【００２４】
図１に示すように、発熱体１１０は、加熱面全体に発生した熱が行き渡るよう、同図における右下隅付近から加熱面と平行に蛇行しながら同図における左下隅付近に至る経路を構成するように形成されている。
【００２５】
内側セラミックス部１２０は、発熱体１１０が埋設される部分であって、本実施形態においては、窒化物セラミックス焼結体、より具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体によって構成されている。
【００２６】
図２に示すように、内側セラミックス部１２０は、加熱面と平行に平板状に延在しており、端面がセラミックヒータ１００の側面に露出している。また、内側セラミックス部１２０は、その厚みが、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂより薄くなるように形成されている。
【００２７】
外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂは、内側セラミックス部１２０を挟むように配置されて加熱面を構成する部分であって、本実施形態においては、内側セラミックス部１２０と同様に、窒化物セラミックス焼結体、より具体的には、窒化アルミニウム焼結体によって構成されている。
【００２８】
図２に示すように、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂは、内側セラミックス部１２０を、同図における上下方向から挟むように平板状に延在している。
【００２９】
内側セラミックス部１２０及び外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂは共に、同じセラミックス、すなわち、窒化物セラミックスの一種である窒化アルミニウムによって構成されているものであるが、後述するように、焼結助剤（本実施形態では、希土類酸化物であるイットリア（Ｙ2Ｏ3））の含有率が異なっている。
【００３０】
次に、以上のような構成を有するセラミックヒータ１００の製造方法について説明する。
【００３１】
まず、内側セラミックス部１２０及び外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂを形成するためのセラミックス部材の作製方法について説明する。
【００３２】
図３は、セラミックス部材の作製工程を説明するためのフローチャートである。同図に示した工程は、内側セラミックス部１２０用のセラミックス部材（内側用セラミックス部材）の作製及び外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂ用のセラミックス部材（外側用セラミックス部材）の作製それぞれについて行われる。すなわち、内側用セラミックス部材と外側用セラミックス部材とはそれぞれ、図３に示した工程を経ることによって、別々に作製される。
【００３３】
同図に示すように、まず、原料の配合を行う（Ｓ１）。本実施形態においては、窒化アルミニウムの粉末から、シート状の成形体（グリーンシート）を作製するが、内側セラミックス部１２０用のグリーンシート（内側用グリーンシート）と、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂ用のグリーンシート（外側用グリーンシート）とでは、焼結助剤の配合比率が異なるようにする。
【００３４】
具体的には、外側用グリーンシートには、焼結助剤であるイットリアの粉末を、所定量（例えば、３〜７質量％）含有させるようにするが、内側用グリーンシートには、イットリアをまったく含有させないよう（含有率を０質量％）にする。
【００３５】
次に、原料の混合を行う（Ｓ２）。すなわち、配合した原料粉末に、溶媒（例えば、トルエン）と、可塑剤（例えば、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ））を加えて、ボールミルで混合する。更に、バインダー（例えば、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）やメタクリル酸メチル樹脂）を加えて、加熱混合を行う。
【００３６】
次に、混合物に対して脱泡処理及び粘度調整処理を行って、コーティング用スラリーを作製する（Ｓ３）。
【００３７】
次に、コーティング用スラリーを、ドクターブレード法によってキャリアフィルム等の支持体上に展開してシート状にし、乾燥させることでグリーンシートを作製する（Ｓ４）。
【００３８】
内側用及び外側用の各コーティング用スラリーから各グリーンシートを形成する際、本実施形態においては、内側用グリーンシートと、外側用グリーンシートとでは、厚みが異なるように形成する。すなわち、内側用グリーンシートは、外側用グリーンシートと比較して薄くなるように形成する。例えば、内側用グリーンシートは、厚みが１５０μｍとなるように形成され、外側用グリーンシートは、厚みが１ｍｍとなるように形成される。
【００３９】
次に、グリーンシートから所定の形状が切り出されることによって、所定形状のセラミックス部材が形成される（Ｓ５）。すなわち、内側用グリーンシートから、内側セラミックス部１２０用のセラミックス部材（内側用セラミックス部材）が正方形状に切り出されると共に、外側用グリーンシートから、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂ用のセラミックス部材（外側用セラミックス部材）が正方形状に切り出される。
【００４０】
次に、以上のようにして作製されたセラミックス部材から、セラミックヒータ１００を作製する工程について説明する。
【００４１】
本実施形態においては、セラミックヒータ１００は、２枚の内側用セラミックス部材と、２枚の外側用セラミックス部材、合計４枚のセラミックス部材を積層させ、一体焼成することで作製される。
【００４２】
図４は、セラミックス部材から、セラミックヒータ１００を作製する工程を説明するための図である。
【００４３】
同図（ａ）に示すように、まず、２枚の内側用セラミックス部材のうちの一方１２１ａの表面に、発熱体１１０のパターンが所定の厚み（例えば、１０〜２０μｍ）で形成される。本実施形態においては、発熱体１１０のパターン形成は、スクリーン印刷でタングステンペーストを内側用セラミックス部材１２１ａの表面に印刷することで行われる。
【００４４】
次に、同図（ｂ）に示すように、２枚の外側用セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂの間に、２枚の内側用セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂが挟まれるように、合計４枚のセラミックス部材が積層される。より具体的には、内側用セラミックス部材１２１ａの発熱体１１０が形成された面の上に、残りの内側用セラミックス部材１２１ｂが重ねられ、更に、そのように重ねられた２枚の内側用セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂの両側に２枚の外側用セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂが配置されるように、合計４枚のセラミックス部材が積層される。
【００４５】
次に、以上のようにして形成された積層体に対して、圧着処理を行う。本実施形態においては、９０℃、３００ＭＰａという条件で熱圧着を行う。
【００４６】
次に、熱圧着された積層体に対して、脱脂処理を行った上で、焼成処理を行う。本実施形態においては、１８００〜１９５０℃で焼成を行い、セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂ，１３１ａ，１３１ｂを焼結させる。その結果、同図（ｃ）に示すように、セラミックス焼結体内に発熱体１１０が埋設されたセラミックヒータ１００が作製されることになる。
【００４７】
以上のようにして作製されたセラミックヒータ１００を切断し、切断面を研磨して光学顕微鏡等で観察したところ、焼結助剤としてのイットリアを含有していない内側セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂについても、外側セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂと同程度に焼結していることが確認できた。
【００４８】
また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を使って、セラミックヒータ１００の切断面の分析を行った。
【００４９】
図５は、セラミックヒータ１００の切断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【００５０】
同図において、中央の線分状の白色部が発熱体１１０に対応し、発熱体１１０のまわりの帯状の暗灰色部が内側セラミックス部１２０に対応し、内側セラミックス部１２０の上下にある帯状の斑状灰色部が外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂに対応する。
【００５１】
ＥＤＸによる分析結果から、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂに対応する部分のみならず、内側セラミックス部１２０に対応する部分からも、イットリウム（Ｙ）元素の存在が確認できた。
【００５２】
これは、焼成工程中に、隣接する外側用セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂから、内側用セラミックス部材１２１ａ，１３１ｂにイットリアが移動したためと考えられる。焼結助剤としてのイットリアを含有していない内側セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂが問題なく焼結したのも、外側用セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂから、イットリアが移動してきたためと考えられる。
【００５３】
また、本発明によるセラミックヒータ１００及び従来のセラミックヒータそれぞれについて、ヒータへの通電開始から１０秒後の加熱面の温度を、加熱面上の複数箇所で測定し、当該複数箇所での測定温度を比較することで加熱面の温度均一性を調べるようにした。
【００５４】
その結果、本発明によるセラミックヒータ１００においては、複数箇所での測定温度の最大値と最小値との差は１．５℃となった。一方、従来のセラミックヒータにおいては、複数箇所での測定温度の最大値と最小値との差は２．３℃となった。つまり、本発明によるセラミックヒータ１００は、従来のセラミックヒータより、加熱面の温度均一性が向上していることになる。
【００５５】
以上説明したように、上述したセラミックヒータ１００によれば、加熱面の温度均一性を向上させることが可能となる。上述したセラミックヒータ１００によって、加熱面の温度均一性を向上させることができる理由としては、次のようなものが考えられる。すなわち、上述したセラミックヒータ１００においては、内側セラミックス部１２０を形成する内側用セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂに、焼結助剤としてのイットリアを含有させないようにしており、焼成工程において、外側用セラミックス部材１３１ａ，１３１ｂから移動してくるイットリアの量も焼結に必要な最小限のものとなっていると考えられる。窒化アルミニウムの熱伝導率は、一般に、焼結体に残存するイットリア（酸化物）の量が少ない方が高いので、内側セラミックス部１２０の熱伝導率も、外側セラミックス部１３０ａ，１３０ｂの熱伝導率よりも高くなっていると考えられる。すなわち、上述したセラミックヒータ１００においては、発熱体１１０のまわりに熱伝導率が高い平板状の領域（内側セラミックス部１２０）が加熱面と平行に設けられていることになり、このことによって、加熱面の温度均一性が向上しているものと考えられる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した実施形態においては、内側用セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂには、焼結助剤をまったく含有させないようにしていたが、必要とされる温度均一性等に応じて、内側用セラミックス部材１２１ａ，１２１ｂにも焼結助剤をある程度含有させるようにすることも考えられる。
【００５７】
また、上述した実施形態においては、焼結助剤としてイットリアを使用していたが、他の焼結助剤、例えば、サマリア（Ｓｍ2Ｏ3）、ユウロピア（Ｅｕ2Ｏ3）、酸化セリウム（Ｃｅ2Ｏ3）、酸化ジスプロシウム（Ｄｙ2Ｏ3）等を使用することも考えられる。
【符号の説明】
【００５８】
１００    セラミックヒータ
１１０    発熱体
１２０    内側セラミックス部
１２１ａ，１２１ｂ    内側用セラミックス部材
１３０ａ，１３０ｂ    外側セラミックス部
１３１ａ，１３１ｂ    外側用セラミックス部材
【図１】
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【図２】
0006518395.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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