(57)【要約】【課題】セラミックからなる部分と給電部との密着強度が高いセラミックヒーターを製造する。【解決手段】セラミックヒーターの製造方法は、酸化アルミニウムを含有するセラミック材料を成形してなり、その内部に発熱部を構成する配線パターン２１が設けられるとともに、その表面に給電部を構成する配線パターン３１が設けられた成形体４０を焼成する焼成工程を有する。給電部を構成する配線パターンは、粒度分布の広がり（（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０）が１．５以下であるタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を含む金属粒子を含有する導体ペーストを用いて形成される。【選択図】図４
2017183218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックからなる本体部と、前記本体部の内部に設けられる発熱抵抗体からなる発熱部と、前記発熱部の端部に接続されるとともに、前記本体部の表面に設けられる給電部とを備えるセラミックヒーターの製造方法であって、
酸化アルミニウムを含有するセラミック材料を成形してなり、その内部に前記発熱部を構成する配線パターンが設けられるとともに、その表面に前記給電部を構成する配線パターンが設けられた成形体を焼成する焼成工程を有し、
前記給電部を構成する配線パターンは、粒度分布の広がり（（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０）が１．５以下であるタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を含む金属粒子を含有する導体ペーストを用いて形成されることを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。
【請求項２】
前記金属粒子は、粒度差（Ｄ９０−Ｄ１０）が１．０〜３．０μｍの範囲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の製造方法。
【請求項３】
前記金属粒子は、粒度（Ｄ５０）が１．０〜３．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミックヒーターの製造方法。
【請求項４】
前記焼成工程における焼成温度は、１５５０〜１６５０℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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】
特許文献１には、セラミックからなる本体部の内部に発熱部を埋設してなるセラミックヒーターが開示されている。こうしたセラミックヒーターは、例えば、自動車用の酸素センサやグローシステム等における発熱源、半導体加熱用ヒーター及び石油ファンヒータ等の石油気化器用熱源として広範囲に使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７５５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されるセラミックヒーターには、電力供給用のリード線を接続するため部位として、セラミックからなる本体部の表面に薄膜状の給電部が設けられている。この給電部は、リード線に負荷がかかった際に応力が集中して剥離が生じやすい部位である。そのため、耐久性向上の観点から、セラミックからなる本体部と給電部との間の密着強度を高めることが求められている。
【０００５】
この発明は、本発明者らによる鋭意研究の結果、特定の金属を含む金属粒子であって、特定の粒度分布の広がりを有する金属粒子を含有する導体ペーストを用いて給電部を形成した場合に、セラミックからなる部分と給電部との密着強度が向上することを見出したことに基づいてなされたものである。この発明の目的は、セラミックからなる部分と給電部との密着強度が高いセラミックヒーターを製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するためのセラミックヒーターの製造方法は、セラミックからなる本体部と、前記本体部の内部に設けられる発熱抵抗体からなる発熱部と、前記発熱部の端部に接続されるとともに、前記本体部の表面に設けられる給電部とを備えるセラミックヒーターの製造方法であって、酸化アルミニウムを含有するセラミック材料を成形してなり、その内部に前記発熱部を構成する配線パターンが設けられるとともに、その表面に前記給電部を構成する配線パターンが設けられた成形体を焼成する焼成工程を有し、前記給電部を構成する配線パターンは、粒度分布の広がり（（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０）が１．５以下であるタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を含む金属粒子を含有する導体ペーストを用いて形成されることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、本体部に対する給電部の密着強度が高くなる。そのため、給電部にリード線を接続してヒーターとして使用した場合において、給電部及びリード線に引っ張り応力がかかった際に、給電部ごとリード線が剥がれることが抑制される。
【０００８】
上記セラミックヒーターの製造方法において、前記金属粒子は、粒度差（Ｄ９０−Ｄ１０）が１．０〜３．０μｍの範囲であることが好ましい。
上記構成によれば、リード線の剥がれを抑制する効果が更に向上する。
【０００９】
上記セラミックヒーターの製造方法において、前記金属粒子は、粒度（Ｄ５０）が１．０〜３．０μｍの範囲であることが好ましい。
上記構成によれば、リード線の剥がれを抑制する効果が更に向上する。
【００１０】
上記セラミックヒーターの製造方法において、前記焼成工程における焼成温度は、１５５０〜１６５０℃であることが好ましい。
上記構成によれば、酸化アルミニウムの焼結が十分に進行する。そのため、酸化アルミニウムからなる部分の破壊に起因する給電部及びリード線の剥がれが生じ難くなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セラミックからなる部分と給電部との密着強度が高いセラミックヒーターを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】セラミックヒーターの斜視図。
【図２】配線パターン形成工程の説明図。
【図３】シート材加工工程の説明図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、巻き付け工程の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
まず、本実施形態の製造方法により製造されるセラミックヒーターについて説明する。
図１に示すように、セラミックヒーターは、絶縁性のセラミックからなる円柱状の本体部１０を備えている。本体部１０の内部には、抵抗発熱体からなり、所定幅を有する線状の発熱部２０が埋設されている。また、本体部１０の表面には、その少なくとも一部分が外部に露出する一対の薄膜状の給電部３０が設けられている。一対の給電部３０のうちの一方には、発熱部２０の一端が接続されるとともに、同他方には発熱部２０の他端が接続されている。給電部３０は、セラミックヒーターに電力を供給するためのリード線等を接続するための部位である。
【００１４】
次に、図２〜４に基づいて、セラミックヒーターの製造方法について説明する。セラミックヒーターは、以下に記載する配線パターン形成工程、シート材加工工程、巻き付け工程、焼成工程を順に経ることによって製造される。
【００１５】
（配線パターン形成工程）
図２に示すように、焼成により絶縁性のセラミックとなるセラミック材料からなるシート材１１の表面に、高融点金属材料を含む導体ペーストを用いて、発熱部２０を構成する配線パターン２１及び給電部３０を構成する配線パターン３１を形成する。このとき、シート材１１上において、発熱部２０を構成する配線パターン２１と、給電部３０を構成する配線パターン３１とが第１方向に並ぶように各配線パターンを形成する。上記第１方向は、製造されるセラミックヒーターの長手方向（軸方向）となる方向である。なお、各配線パターンの形成方法は特に限定されるものではなく、スクリーン印刷等のセラミックヒーターの製造に用いられる公知の配線パターンの形成方法を用いることができる。
【００１６】
シート材１１を構成するセラミック材料は、主成分として、酸化アルミニウム（アルミナ）を含有する。上記セラミック材料中における酸化アルミニウムの割合は、例えば、質量比で５０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがより好ましい。
【００１７】
上記セラミック材料は、その他の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、例えば、酸化物セラミック、窒化物セラミック、炭化物セラミックが挙げられる。酸化物セラミックとしては、例えば、ジルコニア、コージェライト、ムライトが挙げられる。窒化物セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタンが挙げられる。炭化物セラミックとしては、例えば、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンが挙げられる。また、その他の成分として、バインダー等が含有されていてもよい。
【００１８】
発熱部２０を構成する配線パターン２１に用いる導体ペーストに含まれる高融点金属材料は特に限定されるものではなく、公知のセラミックヒーターの製造に用いられる高融点金属材料を用いることができる。上記高融点金属材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、チタン、レニウム、ニッケル、クロム等の高融点金属が挙げられる。また、上記導体ペーストには、酸化アルミニウム等のセラミックが少量含まれていてもよい。
【００１９】
給電部３０を構成する配線パターン３１に用いる導体ペーストは、高融点金属材料として、タングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分として含む金属粒子を含有する。この金属粒子におけるタングステンとモリブデンとの質量比は、例えば、１０：０〜４：６の範囲であることが好ましい。
【００２０】
上記金属粒子は、「（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０」により算出される粒度分布の広がりが１．５以下である。また、上記金属粒子の粒度分布の広がりは、１．３以下であることが好ましく、１．１以下であることがより好ましい。粒度分布の広がりを上記範囲に設定することによって、当該製造方法により得られるセラミックヒーターにおける、セラミックからなる本体部１０と給電部３０との密着強度を高めることができる。
【００２１】
また、上記金属粒子は、「Ｄ９０−Ｄ１０」により算出される粒度差が１．０〜３．０μｍの範囲であることが好ましい。この場合には、上記密着強度を高める効果が得られやすくなる。また、上記金属粒子は、粒度（Ｄ５０）が１．０〜３．０μｍの範囲であることが好ましい。この場合には、上記密着強度を高める効果が得られやすくなる。なお、Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０はそれぞれ、体積基準での粒子径の累積分布曲線における累積値が１０％、５０％、９０％に対応する粒子径である。具体的には、レーザー回折法にて、Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｌｔｄ製マスターサイザー２０００を用い、蒸留水を分散媒として粒度分布を測定し、得られた累積分布曲線からＤ１０、Ｄ５０、Ｄ９０を求め、粒度分布の広がり「（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０」と、粒度差「（Ｄ９０−Ｄ１０）」を算出する。
【００２２】
上記金属粒子は、タングステン及びモリブデン以外の成分を含有していてもよい。タングステン及びモリブデン以外の成分としては、例えば、タンタル、ニオブ、チタン、レニウム、ニッケル、クロム等の高融点金属が挙げられる。また、上記導体ペーストには、酸化アルミニウム等のセラミックが少量含まれていてもよい。
【００２３】
（シート材加工工程）
図３に示すように、各配線パターンが形成されたシート材１１を、発熱部２０を構成する配線パターン２１が形成された発熱領域１１ａと、給電部３０を構成する配線パターン３１が形成された給電領域１１ｂと、各配線パターンが形成されていないブランク領域１１ｃとを有する特定形状に裁断する。具体的には、発熱領域１１ａと給電領域１１ｂとが第１方向に並設されるとともに、給電領域１１ｂの一部及び発熱領域１１ａに対して、ブランク領域１１ｃが第１方向に直交する第２方向に並設されて、給電領域１１ｂの一部が第１方向に突出した、全体としてＬ字状をなす形状にシート材１１を裁断する。
【００２４】
（巻き付け工程）
図４に示すように、セラミック材料からなる円柱状の芯材１２の外周面に対して、特定形状に裁断されたシート材１１を巻き付ける。具体的には、図４（ａ）に示すように、シート材１１における各配線パターンが形成されている表面を外側にして、発熱領域１１ａ及び給電領域１１ｂが位置する側の第１方向に沿った端縁から、発熱領域１１ａ及び給電領域１１ｂを第２方向に沿って芯材１２に巻き付ける。さらに連続して、図４（ｂ）に示すように、ブランク領域１１ｃを第２方向に沿って芯材１２に巻き付ける。
【００２５】
これにより、図４（ｃ）に示すように、セラミック材料を長尺状に成形してなる成形体であって、その内部に発熱部２０を構成する配線パターン２１が埋設されるとともに、その表面に給電部３０を構成する配線パターン３１が設けられた成形体４０が得られる。なお、シート材１１が上記Ｌ字状に加工されていることから、成形体４０においては、ブランク領域１１ｃは、発熱領域１１ａの全体及び給電領域１１ｂの一部の外側を被覆するように位置し、給電領域１１ｂの一部は、ブランク領域１１ｃにより被覆されずに露出する。
【００２６】
なお、芯材１２の寸法とシート材１１の寸法との関係は以下のとおりである（図３参照。）。
シート材１１における発熱領域１１ａ及び給電領域１１ｂが位置する部分の第１方向の長さＬ１は、芯材１２の長さに等しく、シート材１１におけるブランク領域１１ｃの第１方向の長さＬ２は、芯材１２の長さよりも短くなっている。そして、シート材１１における発熱領域１１ａ及び給電領域１１ｂが位置する部分の第２方向の長さＬ３は、芯材１２の円周に等しく、シート材１１におけるブランク領域１１ｃの第２方向の長さＬ４は、芯材１２にシート材１１を１周分、巻き付けた状態の円周よりも長くなっている。
【００２７】
また、芯材１２を構成するセラミック材料は特に限定されるものではなく、公知のセラミックヒーターの製造に用いられるセラミック材料を用いることができる。なお、芯材１２を構成するセラミック材料は、シート材１１を構成するセラミック材料と熱膨張係数が近いものであることが好ましく、同セラミック材料と同じであることがより好ましい。
【００２８】
芯材１２を構成するセラミック材料としては、例えば、酸化物セラミック、窒化物セラミック、炭化物セラミックが挙げられる。酸化物セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、ジルコニア、コージェライト、ムライトが挙げられる。窒化物セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタンが挙げられる。炭化物セラミックとしては、例えば、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンが挙げられる。また、芯材１２を構成するセラミック材料には、バインダー等のその他成分が含まれていてもよい。
【００２９】
（焼成工程）
シート材１１が巻き付けられた芯材１２を焼成する。これにより、シート材１１及び芯材１２がセラミック化して本体部１０となり、図１に示すセラミックヒーターが得られる。焼成工程における焼成温度は、例えば、１５５０〜１６５０℃の範囲であることが好ましい。この場合には、給電部３０を構成する配線パターン３１に用いる導体ペーストに含まれる金属粒子の粒度分布の広がりを特定値に設定したことにより得られる、上記密着強度を高める効果が得られやすくなる。
【００３０】
また、得られたセラミックヒーターは、必要に応じて、給電部３０に対してリード線が接続される。リード線を接続する方法としては、例えば、ロウ材を用いてロウ付けする方法が挙げられる。この場合、ロウ材として、金−銅系のロウ材（金銅合金）を用いることが好ましい。
【００３１】
ここで、給電部３０上に形成されるフィレットについて、その面積が大きくなるように形成すると、リード線に負荷がかかった場合に、本体部１０と給電部３０との接着部分（界面）に作用する単位面積当たりの負荷が小さくなる。そのため、リード線の接続部分の強度確保の観点においては、フィレットの面積を大きくすることが好ましいが、この場合には、給電部３０におけるリード線を接続する部分を大きく確保しなければならず、セラミックヒーターの設計の自由度が小さくなってしまう。この点、上記製造方法により得られたセラミックヒーターは、セラミックからなる本体部１０と給電部３０との密着強度が高められているため、フィレットの面積を小さくした場合（例えば、４．０〜５．２ｍｍ２）にも、リード線の接続部分の強度を確保することが容易である。
【００３２】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
本実施形態の製造方法は、酸化アルミニウムを含有するセラミック材料を成形してなり、その内部に発熱部を構成する配線パターンが設けられるとともに、その表面に給電部を構成する配線パターンが設けられた成形体を焼成する焼成工程を有している。そして、タングステン及びモリブデンの少なくとも一方を含む金属粒子であって、粒度分布の広がり（（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０）が１．５以下である金属粒子を含有する導体ペーストを用いて、給電部を構成する配線パターンを形成している。
【００３３】
上記構成によれば、焼成工程後、セラミックからなる本体部と給電部との密着強度の高いセラミックヒーターを得ることができる。その要因としては、給電部を構成する配線パターンに含まれる金属粒子の粒度分布の広がりを上記範囲とした場合に、配線パターンの金属粒子間に生じる隙間の状態が、焼成工程後に、酸化アルミニウムを含有するセラミック部分（本体部）との間に高いアンカー効果を発現可能な状態になっていることが考えられる。
【００３４】
配線パターンの金属粒子間に生じる隙間は、大粒子間の隙間に小粒子が入り込んだ状態となる。ここで、粒度分布の広がりを１．５以下に抑えて、金属粒子の粒度を揃えた上記構成においては、大粒子間の隙間に入り込む小粒子の量が少なくなっている。このような隙間の状態が、酸化アルミニウムを含有するセラミック部分（本体部）との間に強いアンカー効果を発現させていると考えられる。
【００３５】
そして、本体部に対する給電部の密着強度が高くなる結果、給電部及びリード線に引っ張り応力がかかった際に、給電部ごとリード線が剥がれることが抑制される。
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
【００３６】
・成形体は、セラミック材料を成形してなり、その内部に発熱部を構成する配線パターンが埋設されるとともに、その表面に給電部を構成する配線パターンが設けられた成形体であれば、その形状や成形方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、成形体の形状は、円筒状、角柱状、角筒状等であってもよい。また、成形体の成形方法として、例えば、特許文献１に開示される成形方法を用いてもよい。
【００３７】
・給電部に対してリード線を接続する工程（リード線接続工程）を、セラミックヒーターの製造方法の一工程としてもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。
上記実施形態において説明した図２〜４に示す製造方法を用いて、図１に示す円柱状のセラミックヒーターを複数、製造して、これらを実施例１〜２及び比較例１〜３とした。各実施例及び各比較例は、給電部を構成する配線パターンに用いた導体ペーストに含まれる金属粒子の粒度に関するパラメータがそれぞれ異なっており、その値は表１に示すとおりである。また、製造方法における製造条件、及び得られたセラミックヒーターの構成は、以下のとおりである。
【００３９】
（製造条件）
セラミック材料の組成（Ａｌ２Ｏ３：９２質量％、Ｎａ２Ｏ３：０．３２質量％、ＭｇＯ：０．５質量％、ＣａＯ：１．８質量％、ＳｉＯ２：５．１質量％）
導体ペーストの組成（Ｗ：３２．６３質量％、Ｍｏ：４８．９４質量％、Ａｌ２Ｏ３：２．５２質量％、バインダー（ＰＶＢ）：６．８４質量％、溶剤：８．５８質量％、分散剤：０．４９質量％）
なお、発熱部を構成する配線パターン及び給電部を構成する配線パターンは同じ導体ペーストを用いて形成した。
【００４０】
金属粒子の組成（Ｗ：Ｍｏ＝４：６（質量比））
焼成温度：１６００℃
（セラミックヒーターの構成）
寸法：直径３．２ｍｍ×長さ５０ｍｍ（給電部が設けられている部分の直径２．７ｍｍ）
本体部の密度率：９８％
給電部の厚さ：２０μｍ
次に、得られた各実施例及び各比較例のセラミックヒーターの給電部に対して、金−銅系のロウ材（金：６８質量％、銅３２質量％）を用いたロウ付けによりリード線を接着した。その際、給電部３０の表面に対して垂直方向にリード線を接続するとともに、ロウ付けにおけるフィレットの面積を４．０ｍｍ２とした。
【００４１】
次に、各実施例及び各比較例のセラミックヒーターに対して、リード線を強く引っ張る操作を行い、本体部と給電部との接着部分を剥離させた。そして、給電部側の剥離面における金属からなる部分とガラス成分からなる部分とを走査型電子顕微鏡により観察し、同剥離面に占めるガラス成分からなる部分の割合（面積％）を破壊率として算出した。その結果を表１に示す。
【００４２】
給電部側の剥離面に存在するガラス成分は、剥離時において、本体部と給電部との界面ではなく、本体部にて破壊が生じた結果、本体部を構成するガラス成分の一部が給電部側に移行したものである。そのため、本体部と給電部との密着強度が高いほど、同剥離面に占めるガラス成分からなる部分の割合が大きくなる。したがって、上記破壊率は、ガラス成分からなる本体部と給電部との密着強度の指標となる。
【００４３】
また、別に製造した各実施例及び各比較例のセラミックヒーターに対して、上記と同様にしてリード線を接続した。そして、給電部に接続されたリード線を、島津製作所製オートグラフＡＧ−Ｘｐｌｕｓにてストローク８３．３μｍ／Ｓで引っ張る操作を行い、本体部と給電部との間に破断を生じさせた。その際の破断面積を測定するとともに、上記ストロークをその破断面積で除することにより、引張強度（ＭＰａ）を算出した。
【００４４】
【表１】
2017183218.tif 000003
表１に示すように、給電部を構成する配線パターンに含まれる金属粒子の粒度分布の広がりが１．５を超える範囲（比較例１〜３）では、粒度分布の広がりが小さくなるに従って、破壊率及び引張強度が徐々に増大し、粒度分布の広がりが１．５以下の範囲（実施例１及び実施例２）では破壊率及び引張強度が顕著に増大する結果が得られた。
【００４５】
この結果から、給電部を構成する配線パターンに含まれる金属粒子の粒度分布の広がりを調整することによって、本体部と給電部との密着強度を調整可能であることが分かる。そして、上記金属粒子の粒度分布の広がりを１．５以下にすることによって、上記密着強度が顕著に高められることが分かる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…本体部、１１…シート材、１２…芯材、２０…発熱部、２１…発熱部を構成する配線パターン、３０…給電部、３１…給電部を構成する配線パターン、４０…成形体。
【図１】
2017183218.tif 000004
【図２】
2017183218.tif 000005
【図３】
2017183218.tif 000006
【図４】
2017183218.tif 000007