セラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こて
【課題】 セラミックヒーターにおけるリード部材の接合部の冷熱サイクルに対する耐久性を向上させ、長期間にわたり使用できるセラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こてを提供する。
【解決手段】 発熱抵抗体２と該発熱抵抗体２に接続する引き出しパターン３を埋設したセラミック体１と、該セラミック体１に形成されたスルーホール４と、該スルーホール４の少なくとも内周に形成されたスルーホール導体層５と、セラミック体１表面にスルーホール導体層５と接続された電極パッドパターン６を有し、少なくとも上記電極パッドパターン６にリード部材７を接続してなり、導体層５と引き出しパターン３との間に金属材料９が充填されている。
【解決手段】 発熱抵抗体２と該発熱抵抗体２に接続する引き出しパターン３を埋設したセラミック体１と、該セラミック体１に形成されたスルーホール４と、該スルーホール４の少なくとも内周に形成されたスルーホール導体層５と、セラミック体１表面にスルーホール導体層５と接続された電極パッドパターン６を有し、少なくとも上記電極パッドパターン６にリード部材７を接続してなり、導体層５と引き出しパターン３との間に金属材料９が充填されている。
【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およびこれを用いた加熱用のこてに関し、特に、自動車用の空燃比検知センサ加熱用ヒーター、気化器用ヒーター、グロープラグ、気化器、石油ストーブ点火・気化器、シール機、各種産業機器、半田ごて用ヒーター、ヘヤーごて用ヒーターなどに使用するセラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こてに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空燃比センサ加熱用ヒーター等の自動車用のヒーターとして図４（ａ）に示すような円柱状のセラミックヒーターが多用されている。このセラミックヒーターは、例えば、アルミナを主成分とするセラミック体２１中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体２２が埋設され、この発熱抵抗体２２の端部に形成された引き出しパターン２３に電極パッド２６を介してリード部材２７が接続されて構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
上記円柱状のセラミックヒーターは、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、セラミック芯材３１とセラミックグリーンシート３０ａ，３０ｂを準備し、セラミックグリーンシート３０ａの一方の主面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体２２と引き出しパターン２３とを形成する。ついで、このセラミックグリーンシート３０ａとセラミックグリーンシート３０ｂとを積層したセラミックグリーンシート３０を、セラミック芯材３１の周囲に巻付け、全体を焼成一体化した後、リード部材を取り付ける。セラミックグリーンシート３０ｂには、図４（ｂ）に示すように、発熱抵抗体２２に接続された引き出しパターン２３の末端付近に対応する位置に、スルーホール２４が形成されており、このスルーホール２４の内側面にはスルーホール導体層２５が形成されている。これにより、焼成後のセラミック体２１中の引き出しパターン２３は、スルーホール導体層２５を介して電極パッド２６と電気的に接続される（図４（ｃ）参照）。
【０００４】
また、電極パッド２６およびスルーホール導体層２５にはＮｉ、Ｃｒ等の耐熱金属材料からなるメッキ層２８が形成される。さらに、スルーホール２４には、ロウ材２９が充填される。このロウ材２９は、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＮｉ、Ｃｒ等を含有する耐熱金属材料からなるリード部材２７と電極パッド２６との間にも充填され、リード部材２７を電極パッド２６にロウ付けして接合している。そして、このリード部材２７から通電することにより発熱抵抗体２２が発熱する。また、ロウ材２９の表面には、さらにメッキ層が形成されている（図示せず）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２６８５２号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来使用されている上記のようなセラミックヒーターにおいては、リード部材が取り付けられている電極パッド２６に熱履歴が繰り返し加わるので、電極パッド２６とリード部材２７との接合部が劣化してリード部材が外れることがあり、耐久性の点で問題があった。
【０００７】
また、近年では、自動車の排気ガスに関する規制が厳しくなり、空燃比制御用に使用する酸素センサの立ち上がり速度を高めることが必要となっている。このため、セラミックヒーターの立ち上がり特性を改善することが必要となることで、セラミックヒーターの使用温度が高くなり、上記の問題が顕著になった。
【０００８】
特に、自動車用に使用するセラミックヒーターについては、高い信頼性が要求されるため、１０００本中１本でも上記のような不良が発生することは好ましくない。
【０００９】
また、最近の半田の鉛フリー化が進む中で、ヒーターの高温化が進み、それに伴いリード部材が取り付けられている電極パッド部にかかる温度差も大きくなる傾向にある。更には、ヘアごてなどは小型化が進み、発熱部分と電極パッドとの距離が短くなる傾向にあり、温度差の大きな熱履歴が電極パッドにかかるようになってきている。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、本発明の目的は、セラミックヒーターにおけるリード部材の接合部の冷熱サイクルに対する耐久性を向上させ、長期間にわたり使用できるセラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こてを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間などの括れ部分に金属材料を充填し、この金属材料をリード部材に接合することで、リード部材の接合強度を著しく向上させることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続された引き出しパターンと、前記発熱抵抗体および前記引き出しパターンが埋設され、該引き出しパターンに達するスルーホールが形成されたセラミック体と、前記スルーホールの少なくとも内側面に形成されたスルーホール導体層と、該スルーホール導体層に電気的に接続され、前記セラミック体の表面に形成された電極パッドパターンと、該電極パッドパターンに電気的に接続されたリード部材とを有するセラミックヒーターにおいて、前記スルーホール導体層と前記引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、該金属材料が前記リード部材に接合されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明においては、前記金属材料は、前記スルーホール内に充填され、前記リード部材と接合されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明においては、前記金属材料はロウ材であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層の表面および前記スルーホールが形成された部分における前記引き出し電極パターンの表面には金属メッキ層が形成されており、前記スルーホール導体層の表面の前記金属メッキ層と前記引き出しパターンの表面の前記金属メッキ層との間に前記金属材料が充填されていることがより好ましい。
【００１６】
さらに、本発明においては、前記引き出しパターンは、前記スルーホールが形成された部分が該スルーホール側に凸状に盛り上がっていることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明においては、前記電極パッドパターンおよび前記スルーホール導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、前記電極パッドパターン上にロウ材を用いて前記リード部材を固定することが好ましい。
【００１８】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層の厚みが前記スルーホール径の５％〜２５％であることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明においては、前記スルーホール導体層の厚みが前記スルーホールの開口側よりも前記引き出しパターン側の方が厚いことが好ましい。
【００２０】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層が前記スルーホールの開口側から前記引き出しパターン側に向かって漸次厚みが増加していることが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明においては、前記スルーホール導体層の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明の加熱用こては、上記セラミックヒーターを加熱手段として用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のセラミックヒーターによれば、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、この金属材料がリード部材に接合されているので、アンカー効果によりリード部材とセラミック体との接合強度が飛躍的に向上し、冷熱サイクル後であってもリード部材の接合強度（引張り強度）が高く、耐久性に優れている。
【００２４】
また、スルーホール導体層の表面およびスルーホールが形成された部分における引き出し電極パターンの表面に金属メッキ層が形成され、この金属メッキ層が形成されたスルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されているときには、高温に耐えうる金属材料を緻密に充填できることから、更に、耐久性が良好となる。
【００２５】
さらに、スルーホールが形成された部分における引き出しパターンが、スルーホール側に凸状に盛り上がっているときは、金属材料の熱膨張によるスルーホール導体層への応力集中が緩和され、クラックの発生が抑制され、リード部材の接合耐久性がさらに向上する。
【００２６】
また、電極パッドパターンおよびスルーホール内導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、電極パッドパターン上にロウ材を用いてリード部材を固定したときには、ロウ材とスルーホール導体層との接触面積、ロウ材と電極パッドとの接触面積が増加するので、これらの接合強度が向上して、さらに耐久性が向上する。
【００２７】
さらに、本発明の加熱用こては、上記セラミックヒーターを加熱手段として用いているので、急速加熱を繰り返し行った場合でも、優れた耐久性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のセラミックヒーターの一実施形態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は電極パッドパターン周辺の部分断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のセラミックヒーターにおけるスルーホール部分を示す断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の平面図である。
【図３】本発明のセラミックヒーターの製造方法を説明する斜視図である。
【図４】（ａ）は従来のセラミックヒーターを示す斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）のセラミック体の分解斜視図、（ｃ）は電極パッドパターン周辺の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明のセラミックヒーターの実施形態を図面に基いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明のセラミックヒーターの一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同図（ａ）の電極パッド部周辺を示す部分断面図である。
【００３１】
本実施形態のセラミックヒーターは、発熱抵抗体２と、この発熱抵抗体２に接続された引き出しパターン３と、発熱抵抗体２および引き出しパターン３が埋設され、この引き出しパターン３に達するスルーホール４が形成されたセラミック体１と、スルーホール４の内側面に形成されたスルーホール導体層５と、このスルーホール導体層５に電気的に接続され、セラミック体１の表面に形成された電極パッドパターン６と、この電極パッドパターン６に電気的に接続されたリード部材７とを有している。
【００３２】
スルーホール導体層５の表面およびスルーホール４が形成された部分における引き出し電極パターン３の表面には金属メッキ層８が形成されている。また、スルーホール４内には、金属材料９が充填されている。この金属材料９は電極パッドパターン６とリード部材７との間にも充填されている。これにより、リード部材７は、電極パッドパターン６に接合されるとともに、電極パッドパターン６に電気的に接続され、スルーホール導体層５を介して引き出しパターン３および発熱抵抗体２と電気的に接続された構造となっている。
【００３３】
図２（ａ）は、図１（ｂ）におけるスルーホール４周辺を拡大した断面図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態にかかるセラミックヒーターは、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間に金属材料９が充填されていることを特徴としている。すなわち、スルーホール導体層５は、スルーホール４の内側面側に括れた厚みの薄い領域（スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間）を有し、この厚みの薄い領域に金属材料９が充填されている。図２（ａ）に示すように、この厚みの薄い領域は、スルーホール導体層５の最大厚み部分よりも引き出しパターン３側の位置で、かつ、最大厚み部分の近傍に位置している。この金属材料９は、スルーホール４内に充填されており、リード部材７と接合されている（図１（ｂ）参照）。すなわち、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間に充填された金属材料９によりアンカー効果が得られるので、金属材料９とスルーホール導体層５および電極パッドパターン６との接合強度が向上する。これにより、リード部材７と電極パッドパターン６との接合強度が向上することにつながり、冷熱サイクルによる熱履歴を受けた場合であっても、リード部材７の接合強度（引張り強度）が維持され、耐久性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００３４】
金属材料９としては、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ−ｃｕ等のロウ材を用いるのが好ましい。これにより、高温での接合強度が向上し、冷熱サイクルに対して耐久性のより高いセラミックヒーターを得ることができる。一般に、ロウ材は、融点が６００℃以上であり、半田と比較すると高温耐久性に優れ、冷熱サイクルにおいても耐酸化性に優れるので、金属材料９として好ましい。
【００３５】
また、金属材料９は、スルーホール導体層５および引き出しパターン３の間に、金属メッキ層８を介して、充填されていることがより望ましい。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、スルーホール導体層５の表面およびスルーホール４が形成された部分における引き出し電極パターン３の表面には金属メッキ層８が形成されている。すなわち、スルーホール導体層５の表面の金属メッキ層８と引き出しパターン３の表面の金属メッキ層８との間に金属材料９が充填された構造となっている。これにより、リード部材７の接合強度がさらに向上し、耐久性のさらに高いセラミックヒーターを得ることができる。金属メッキ層８を形成することにより、ロウ材等の金属材料９の濡れ性が向上し、金属材料９の充填度合いも向上するので、接合強度が著しく向上し、耐久性が著しく向上する。金属メッキ層８を構成する材料としては、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｃｒなどが挙げられる。
【００３６】
また、図２（ａ）に示すように、引き出しパターン３は、スルーホール４が形成された部分がこのスルーホール４の開口部側に向かって凸状に盛り上がっている部分１２を有しているのがより好ましい。この凸状部分１２を有していることにより、冷熱サイクルで発生する金属材料９の熱膨張による応力を分散させることができ、スルーホール導体層５と金属材料９との間、および金属メッキ層８と金属材料９との間におけるクラックが発生するのを抑制でき、より耐久性の高いセラミックヒーターを得ることができる。さらに、凸状部分１２が緩やかな湾曲状であるときには、鋭角な凸形状である場合と比較して、冷熱サイクルで発生する金属材料９の熱膨張による応力の集中をさらに効果的に抑制することができる。
【００３７】
スルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面粗さ（Ｒａ）は、１μｍ以上、好ましくは５〜１０μｍとなるようにするのがよい。このようにスルーホール導体層５および電極パッドパターン８表面に凹凸を付けることで、接触面積を増やし、金属材料９との接合強度をさらに向上させることができる。一方、表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ未満では、接合強度が十分に得られないおそれがある。この表面粗さは、非接触式の３次元表面粗さ計測装置等を用いて測定することができる。
【００３８】
また、スルーホール４の内側面に形成されたスルーホール導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の５〜２５％の範囲内であるのがよい。スルーホール導体層５の厚みがスルーホール４の直径の５％未満になると、スルーホール４の内側面に対するスルーホール導体層５の密着強度が十分に確保されず、冷熱サイクルにおいて、金属材料９の熱膨張に伴う応力により金属材料９との間にクラック（層間剥離）が発生するおそれがある。また、スルーホール４の直径の２５％を超えると、スルーホール導体層５の表面に初期クラックが発生し、その影響により耐久性が劣化するおそれがある。
【００３９】
また、スルーホール導体層５の厚みは、図２（ａ）に示すように、スルーホール４の開口側よりも引き出しパターン３側の方が厚く形成されているのが好ましい。このように開口側の厚みが薄く、引き出しパターン３側の厚みが厚いことで、金属材料９の熱膨張によるスルーホール４内への応力集中を緩和させることができる。また、引き出しパターン３側の厚みを厚くすることで、スルーホール導体層５と引き出しパターン３の間に金属材料９を充填する空間を大きくすることができるので、リード部材７の接合強度をさらに向上させることができる。さらに、スルーホール導体層５の厚みは、スルーホール４の開口側から引き出しパターン３側に向かって漸次増加しているのがより好ましい。これにより、上記した応力集中の緩和効果をさらに高めることができる。
【００４０】
さらに、スルーホール導体層５の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径は１００μｍ以下であるのがよい。本実施形態におけるセラミックヒーターでは、焼成の際に、スルーホール４の内側面に設けられたスルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面にセラミック体１からセラミック体１内のＳｉを主成分とするガラス成分（粒子）が析出する。このガラス粒子の最大粒子径が１００μｍを超える場合、金属材料９、金属メッキ層８がスルーホール導体層５、電極パッドパターン６の表面と接触する妨げとなるので、冷熱サイクルで生じる熱応力により金属材料９と、金属メッキ層８およびスルーホール導体層５と間に発生するクラックの起点となるおそれがある。したがって、ブラスト処理、超音波洗浄などの処理により、最大粒子径を１００μｍ以下にすることが好ましい。
【００４１】
セラミック体１は、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、炭化珪素質セラミックス等の各種セラミックスからなり、特に、アルミナ質セラミックスからなることが、耐酸化性の点から好ましい。このアルミナ質セラ
ミックスとしては、例えばＡｌ２Ｏ３８８〜９５重量％、ＳｉＯ２２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ２１〜３重量％からなる組成が挙げられる。Ａｌ２Ｏ３の含有量が８８重量％未満となると、ガラス質の割合が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるおそれがある。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が９５重量％を超えると、セラミック体１中に埋設された発熱抵抗体２の金属材料内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒーターの耐久性が十分に得られないおそれがある。
【００４２】
また、セラミック体１は、例えば外径が２〜２０ｍｍ程度、長さが４０〜６０ｍｍ程度の円柱状のものが例示できる。特に、自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒーターとしては、外径を２〜４ｍｍ、長さを４０〜６５ｍｍとするのがリード部材接合部分の温度が異常に高温とならない点で好ましい。
【００４３】
セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものが挙げられる。この発熱抵抗体２は、セラミックヒーターの用途により、折り返しパターンの距離を変更したり、パターン線幅を変更したりするなどして、発熱位置、抵抗値を任意に設定が可能である。
【００４４】
次に、本発明のセラミックヒーターの製造方法について図３を参照して説明する。
【００４５】
まず、アルミナを主成分とし、焼結助剤としてＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計量で４〜１２重量％含有するセラミックスラリーをシート状に成形したセラミックシート１０ａ，１０ｂを準備する。
【００４６】
ついで、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属とセラミック原料、バインダー、有機溶剤等を調合、混練し作製したペーストを用いて、セラミックシート１０ａの一方の主面に発熱抵抗体２および引き出しパターン３をプリントもしくは転写等の手法を用いて形成する。この発熱抵抗体２は、セラミックヒーターの用途により、折り返しパターンの距離を変更したり、パターン線幅を変更したりするなどして、発熱位置、抵抗値を任意に設定が可能である。
【００４７】
次に、セラミックシート１０ｂにスルーホール４を形成し、このスル−ホール４にＷ、Ｍｏ、Ｒｅの少なくとも１種類を主成分とする導電材料（スルーホール導体層５の材料）をスルーホール４の内側面に塗布する。この導電材料は、スルーホール４の内径、高さ等に応じて予め粘度が調整されている。この粘度調整により、スルーホール４内において導電材料が下方側に多く流れ、その一部がスルーホールの下端周縁から外部に溢れ出るようにする。この状態で、スルーホール４の内側面の導電材料およびスルーホール４の外部に溢れ出た導電材料を適当な粘度になるまで乾燥させる。これにより、スルーホール導体層５の厚みを、スルーホール４の開口側よりも引き出しパターン３側の方が厚くなるようにできる。スルーホール導体層５の厚みは、導電材料の粘度、乾燥条件などにより制御可能である。
【００４８】
次に、セラミックシート１０ｂの一方の主面に電極パッドパターン６をプリントもしくは転写等の手法を用いて形成する。
【００４９】
ついで、発熱抵抗体２およびスルーホール４と重なる部分を除く引き出しパターン３の上にセラミックシート１０ａ、１０ｂとほぼ同等の組成からなるコート層を形成した後、セラミックシート１０ｂとセラミックシート１０ａを積層し、所定の圧力で加圧する。このとき、加圧条件を制御することで、スルーホール４の外部に出ている導電材料がスルーホール内に押し込まれて変形することにより、スルーホール導電層５と引き出しパターン３との間に隙間が形成される。また、このとき、加圧条件を制御することで、スルーホー
ル４から逃げる圧力により、スルーホール４内の凸状部分１２を形成できる。凸状部分１２を形成する他の方法としては、引き出しパターン３の作製時に、スルーホール４の位置のパターン厚みを局部的に厚くした状態で、加圧・加熱密着する方法もある。
【００５０】
なお、導電材料の一部がスルーホール４の外部に出るようにすることで、スルーホール導体層５が引き出しパターン３と重なる部分を確実に作ることができるので、これらのパターン同士の接合状態を向上させることができる。
【００５１】
このようにして形成されたセラミックシート１０をセラミック芯材１１の周囲に密着液を用いて巻き付けて密着させ、筒状の成形体を得る。ついで、得られた成形体を１５００〜１６５０℃程度の還元雰囲気中で焼成してセラミック体１が得られる。
【００５２】
その後、電極パッドパターン６の表面、およびスルーホール４内のスルーホール導体層５、凸状部分１２、引き出しパターン３の表面に電解メッキ法や無電解メッキ法によりＮｉ、Ｃｒ等の金属からなる金属メッキ層８を形成する。メッキ厚みは１〜５μｍ程度であるのが望ましい。金属メッキ層８の厚みが厚くなると、金属メッキ層８内で隔離が発生するおそれがある。メッキ以外の方法としては、スパッタや、溶射、サブミクロンの貴金属粒子を含む溶剤を塗布乾燥させる等の方法により、メッキ層８の代用とできる。
【００５３】
次に、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕなどの主成分とするロウ材を金属材料９として用い、電極パッドパターン６とリード部材７とを水蒸気を含有した還元雰囲気中で接合する。なお、メッキ面の洗浄、加熱温度・雰囲気を管理することで、スルーホール導体層５、凸状部分１２、引き出しパターン３などに対するロウ材の濡れ性を向上させることができる。これにより、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間、およびスルーホール４内にロウ材を充填させることができる。
【００５４】
また、図示していないが、電極パッドパターン６および金属材料９の表面に、さらにＡｕ、Ｃｒ、Ｎｉ等のメッキ層を１〜１０μｍ形成すると、金属材料９の酸化劣化を抑えることができる。
【００５５】
なお、本発明のセラミックヒーターは、上述の実施形態に限定されるものではなく、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されたものであればよく、円柱状、板状等の種々の形状のセラミックヒーターに適用することができる。
【００５６】
また、前述のセラミックスヒーターを金属製のこて先等に固定し、温度制御装置などの電気回路と接続すれば、加熱用こてを作製することができる。本発明の加熱用こては、半田作業用こて、ヘアーカーラー用こて等に利用できる。
【００５７】
なお、上記実施形態では、スルーホール導体層において、スルーホールの内側面側に括れた厚みの薄い領域がスルーホール導体層と引き出しパターンとの間に存在する場合を例に挙げて説明したが、本発明では、厚みの薄い領域は、上記実施形態で例示した位置に限定されるものではなく、スルーホール導体層のいずれかの位置にあればよい。これにより、括れた厚みの薄い領域に充填された金属材料がアンカー効果を発揮してリード部材とセラミック体の接合強度が飛躍的に向上し、冷熱サイクル後であってもリード部材の接合強度（引張り強度）が高く、耐久性に優れたものとなる。
【実施例】
【００５８】
下記の形状、材料等を用いてセラミックヒーターを作製した。
【００５９】
ヒーターの寸法：φ３ｍｍ×長さ５５ｍｍ
抵抗発熱体の長さ：５ｍｍ
電極パッドパターン：５ｍｍ×４ｍｍ
スルーホール径：５００μｍ
抵抗値：１２〜１３Ω
金属メッキ層：厚み２〜４μｍのＮｉメッキ層
金属材料：Ａｇ−Ｃｕロウ材、またはＡｇ−Ｓｎ半田
リード部材：φ０．８ｍｍ×長さ２０ｍｍ
以下に、このセラミックヒーターの製造手順を示す。
【００６０】
まず、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックグリーンシートを準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体２をスクリーン印刷法にてプリントし、Ｗを主成分とするペーストを用いて引き出しパターン３をスクリーン印刷法にてプリントした。
【００６１】
また、別のセラミックグリーンシートにスルーホール４を設け、Ｗを主成分とするペーストを用いてスルーホール導体層５を形成した。このとき、スルーホール導体層５を形成するペーストの粘度および乾燥条件を調整し、スルーホール径に対するスルーホール導体層５の厚みが３〜２７％のサンプルを作製した。また、同様な手法を用いてスルーホール導体層５の下部厚みの厚いサンプルを作製した。その後、スルーホール４上に電極パッドパターン６を、Ｗを主成分とするペーストを用いてスクリーン印刷法にてプリントした。
【００６２】
次に、先に発熱抵抗体２をプリントしたシートに、発熱抵抗体２の表面にセラミックグリーンシートと略同一の成分からなるコート層を形成して十分乾燥した後、さらに上記セラミックグリーンシートと略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布し、スルーホール４，電極パッドパターン６を設けたセラミックグリーンシートと加圧・加熱密着した。ここで、従来の加圧条件の約１．５倍の圧力（約３ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重）で加圧し、スルーホール４内の凸形状１２を形成した。
【００６３】
そして、この密着させたシートの裏面にセラミックグリーンシートと略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布して、セラミック芯材の周囲に密着し、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成した。
【００６４】
その後、スルーホール４，電極パッドパターン６にブラスト処理を行ない、焼成により析出したガラス層の除去を行うと同時に、表面粗さを０．７〜５μｍまで調整した。
【００６５】
次に、先に除去したガラス粒子の代わりとして、任意の粒径のガラス粒子をスルーホール内に入れた。
【００６６】
次に、電解メッキにてメッキ層８を設け、Ａｇ−Ｃｕロウ、Ａｇ−Ｓｎ半田を金属材料９として、リード部材を接合して、セラミックヒーター試料を得た。
【００６７】
そして、電極パッドパターン部の温度を金属材料９の融点の１／２の温度（Ａｇ−Ｓｎ半田の場合、約１００℃。Ａｇ−Ｃｕロウの場合、約４００℃）に設定した恒温槽に１０分間保持し、２５℃の空気にて強制空冷する冷熱サイクルを４０００サイクル行ない、テスト後のリード部材の引張強度を測定し、リード部材の引張強度が２０Ｎ以上あることを判断条件とした。
【００６８】
これらの結果を表１に示す。
【００６９】
なお、引張強度測定方法を以下に示す。
【００７０】
試験方法：引張り試験機にヒーターを固定し、リードを垂直方向にロードセルで３２ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、切断した際の加重を測定。
【００７１】
厚み測定方法：試験後のヒーターを樹脂に埋め込み、研磨を行ない、断面よりマイクロスコープにて厚みを測定した。
【００７２】
表面粗さ：表面粗さ（Ｒａ）は、非接触式の３次元表面粗さ計測装置にて測定した。
【００７３】
【表１】
【００７４】
同表より、本発明の比較例である試料Ｎｏ．１は、引張強度が６Ｎと弱く、リード接合部の耐久性が著しく低い。これは、引き出しパターン３とスルーホール導体層５間に金属材料９が充填できないため、アンカー効果を利用できないためである。
【００７５】
これに対し、引き出しパターン３とスルーホール導体層５間に金属材料９が充填した試料Ｎｏ．２は引張強度２２Ｎと、リード接合部の耐久性は良好な結果となった。
【００７６】
さらには、金属材料９に半田を用いた試料Ｎｏ２は、冷熱サイクルで半田の腐食が発生していたが、金属材料９にロウ材を用いた試料Ｎｏ３は、さらにリード接合部の耐久性が良好な結果となった。
【００７７】
さらに、金属材料９が、導体層５および、引き出しパターン表面３の金属メッキ層８を介して、充填されている試料Ｎｏ．４は、金属材料９の塗れ性が改善され、試料Ｎｏ．２〜３より、リード接合部の耐久性が良好な結果となった。
【００７８】
また、試料Ｎｏ５で、試料Ｎｏ．２〜４より、耐久試験後の引張強度の値が高いことから、スルーホール底部の凸形状１２を形成する事が、リード接合部の耐久性において望ましい結果となった。
【００７９】
さらに、スルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面粗さがＲａ１μｍ以上の試料Ｎｏ．６〜８と、試料Ｎｏ．２〜５とを比較から、スルーホール導体層５および電極パットパターン６の表面粗さがＲａ１μｍ以上あることが、リード接合部の耐久性により望ましい。特に、表面粗さはＲａ５μｍが望ましい。
【００８０】
また、試料Ｎｏ．１０〜１３と試料Ｎｏ．８、９の比較から、スルーホール内側面に設けられた導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の５％〜２５％以内である事が、リード接合部の耐久性により望ましいことが判明した。特に、スルーホール内側面に設けられた導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の２０％であることが望ましい。
【００８１】
更には、試料Ｎｏ．１４〜１６と試料Ｎｏ．１２，１３の比較から、スルーホール内側面に設けられたスルーホール導体層表面に残留するSiを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下である事がリード接合部の耐久性において優れることがわかった。
【符号の説明】
【００８２】
１、２１・・・セラミック体
２、２２・・・発熱抵抗体
３、２３・・・引き出しパターン
４、２４・・・スルーホール
５、２５・・・スルーホール導体層
６、２６・・・電極パッドパターン
７、２７・・・リード部材
８、２８・・・メッキ層
９、２９・・・金属材料
１０、１０ａ、１０ｂ、３０、３０ａ、３０ｂ・・・セラミックグリーンシート
１１、３１・・・セラミック芯材
１２・・・凸形状
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用のこてに関し、特に、自動車用の空燃比検知センサ加熱用ヒーター、気化器用ヒーター、グロープラグ、気化器、石油ストーブ点火・気化器、シール機、各種産業機器、半田ごて用ヒーター、ヘヤーごて用ヒーターなどに使用するセラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こてに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空燃比センサ加熱用ヒーター等の自動車用のヒーターとして図４（ａ）に示すような円柱状のセラミックヒーターが多用されている。このセラミックヒーターは、例えば、アルミナを主成分とするセラミック体２１中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体２２が埋設され、この発熱抵抗体２２の端部に形成された引き出しパターン２３に電極パッド２６を介してリード部材２７が接続されて構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
上記円柱状のセラミックヒーターは、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、セラミック芯材３１とセラミックグリーンシート３０ａ，３０ｂを準備し、セラミックグリーンシート３０ａの一方の主面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体２２と引き出しパターン２３とを形成する。ついで、このセラミックグリーンシート３０ａとセラミックグリーンシート３０ｂとを積層したセラミックグリーンシート３０を、セラミック芯材３１の周囲に巻付け、全体を焼成一体化した後、リード部材を取り付ける。セラミックグリーンシート３０ｂには、図４（ｂ）に示すように、発熱抵抗体２２に接続された引き出しパターン２３の末端付近に対応する位置に、スルーホール２４が形成されており、このスルーホール２４の内側面にはスルーホール導体層２５が形成されている。これにより、焼成後のセラミック体２１中の引き出しパターン２３は、スルーホール導体層２５を介して電極パッド２６と電気的に接続される（図４（ｃ）参照）。
【０００４】
また、電極パッド２６およびスルーホール導体層２５にはＮｉ、Ｃｒ等の耐熱金属材料からなるメッキ層２８が形成される。さらに、スルーホール２４には、ロウ材２９が充填される。このロウ材２９は、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＮｉ、Ｃｒ等を含有する耐熱金属材料からなるリード部材２７と電極パッド２６との間にも充填され、リード部材２７を電極パッド２６にロウ付けして接合している。そして、このリード部材２７から通電することにより発熱抵抗体２２が発熱する。また、ロウ材２９の表面には、さらにメッキ層が形成されている（図示せず）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２６８５２号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来使用されている上記のようなセラミックヒーターにおいては、リード部材が取り付けられている電極パッド２６に熱履歴が繰り返し加わるので、電極パッド２６とリード部材２７との接合部が劣化してリード部材が外れることがあり、耐久性の点で問題があった。
【０００７】
また、近年では、自動車の排気ガスに関する規制が厳しくなり、空燃比制御用に使用する酸素センサの立ち上がり速度を高めることが必要となっている。このため、セラミックヒーターの立ち上がり特性を改善することが必要となることで、セラミックヒーターの使用温度が高くなり、上記の問題が顕著になった。
【０００８】
特に、自動車用に使用するセラミックヒーターについては、高い信頼性が要求されるため、１０００本中１本でも上記のような不良が発生することは好ましくない。
【０００９】
また、最近の半田の鉛フリー化が進む中で、ヒーターの高温化が進み、それに伴いリード部材が取り付けられている電極パッド部にかかる温度差も大きくなる傾向にある。更には、ヘアごてなどは小型化が進み、発熱部分と電極パッドとの距離が短くなる傾向にあり、温度差の大きな熱履歴が電極パッドにかかるようになってきている。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、本発明の目的は、セラミックヒーターにおけるリード部材の接合部の冷熱サイクルに対する耐久性を向上させ、長期間にわたり使用できるセラミックヒーターおよびこれを用いた加熱用こてを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間などの括れ部分に金属材料を充填し、この金属材料をリード部材に接合することで、リード部材の接合強度を著しく向上させることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続された引き出しパターンと、前記発熱抵抗体および前記引き出しパターンが埋設され、該引き出しパターンに達するスルーホールが形成されたセラミック体と、前記スルーホールの少なくとも内側面に形成されたスルーホール導体層と、該スルーホール導体層に電気的に接続され、前記セラミック体の表面に形成された電極パッドパターンと、該電極パッドパターンに電気的に接続されたリード部材とを有するセラミックヒーターにおいて、前記スルーホール導体層と前記引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、該金属材料が前記リード部材に接合されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明においては、前記金属材料は、前記スルーホール内に充填され、前記リード部材と接合されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明においては、前記金属材料はロウ材であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層の表面および前記スルーホールが形成された部分における前記引き出し電極パターンの表面には金属メッキ層が形成されており、前記スルーホール導体層の表面の前記金属メッキ層と前記引き出しパターンの表面の前記金属メッキ層との間に前記金属材料が充填されていることがより好ましい。
【００１６】
さらに、本発明においては、前記引き出しパターンは、前記スルーホールが形成された部分が該スルーホール側に凸状に盛り上がっていることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明においては、前記電極パッドパターンおよび前記スルーホール導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、前記電極パッドパターン上にロウ材を用いて前記リード部材を固定することが好ましい。
【００１８】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層の厚みが前記スルーホール径の５％〜２５％であることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明においては、前記スルーホール導体層の厚みが前記スルーホールの開口側よりも前記引き出しパターン側の方が厚いことが好ましい。
【００２０】
また、本発明においては、前記スルーホール導体層が前記スルーホールの開口側から前記引き出しパターン側に向かって漸次厚みが増加していることが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明においては、前記スルーホール導体層の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明の加熱用こては、上記セラミックヒーターを加熱手段として用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のセラミックヒーターによれば、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、この金属材料がリード部材に接合されているので、アンカー効果によりリード部材とセラミック体との接合強度が飛躍的に向上し、冷熱サイクル後であってもリード部材の接合強度（引張り強度）が高く、耐久性に優れている。
【００２４】
また、スルーホール導体層の表面およびスルーホールが形成された部分における引き出し電極パターンの表面に金属メッキ層が形成され、この金属メッキ層が形成されたスルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されているときには、高温に耐えうる金属材料を緻密に充填できることから、更に、耐久性が良好となる。
【００２５】
さらに、スルーホールが形成された部分における引き出しパターンが、スルーホール側に凸状に盛り上がっているときは、金属材料の熱膨張によるスルーホール導体層への応力集中が緩和され、クラックの発生が抑制され、リード部材の接合耐久性がさらに向上する。
【００２６】
また、電極パッドパターンおよびスルーホール内導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、電極パッドパターン上にロウ材を用いてリード部材を固定したときには、ロウ材とスルーホール導体層との接触面積、ロウ材と電極パッドとの接触面積が増加するので、これらの接合強度が向上して、さらに耐久性が向上する。
【００２７】
さらに、本発明の加熱用こては、上記セラミックヒーターを加熱手段として用いているので、急速加熱を繰り返し行った場合でも、優れた耐久性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のセラミックヒーターの一実施形態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は電極パッドパターン周辺の部分断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のセラミックヒーターにおけるスルーホール部分を示す断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の平面図である。
【図３】本発明のセラミックヒーターの製造方法を説明する斜視図である。
【図４】（ａ）は従来のセラミックヒーターを示す斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）のセラミック体の分解斜視図、（ｃ）は電極パッドパターン周辺の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明のセラミックヒーターの実施形態を図面に基いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明のセラミックヒーターの一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同図（ａ）の電極パッド部周辺を示す部分断面図である。
【００３１】
本実施形態のセラミックヒーターは、発熱抵抗体２と、この発熱抵抗体２に接続された引き出しパターン３と、発熱抵抗体２および引き出しパターン３が埋設され、この引き出しパターン３に達するスルーホール４が形成されたセラミック体１と、スルーホール４の内側面に形成されたスルーホール導体層５と、このスルーホール導体層５に電気的に接続され、セラミック体１の表面に形成された電極パッドパターン６と、この電極パッドパターン６に電気的に接続されたリード部材７とを有している。
【００３２】
スルーホール導体層５の表面およびスルーホール４が形成された部分における引き出し電極パターン３の表面には金属メッキ層８が形成されている。また、スルーホール４内には、金属材料９が充填されている。この金属材料９は電極パッドパターン６とリード部材７との間にも充填されている。これにより、リード部材７は、電極パッドパターン６に接合されるとともに、電極パッドパターン６に電気的に接続され、スルーホール導体層５を介して引き出しパターン３および発熱抵抗体２と電気的に接続された構造となっている。
【００３３】
図２（ａ）は、図１（ｂ）におけるスルーホール４周辺を拡大した断面図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態にかかるセラミックヒーターは、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間に金属材料９が充填されていることを特徴としている。すなわち、スルーホール導体層５は、スルーホール４の内側面側に括れた厚みの薄い領域（スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間）を有し、この厚みの薄い領域に金属材料９が充填されている。図２（ａ）に示すように、この厚みの薄い領域は、スルーホール導体層５の最大厚み部分よりも引き出しパターン３側の位置で、かつ、最大厚み部分の近傍に位置している。この金属材料９は、スルーホール４内に充填されており、リード部材７と接合されている（図１（ｂ）参照）。すなわち、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間に充填された金属材料９によりアンカー効果が得られるので、金属材料９とスルーホール導体層５および電極パッドパターン６との接合強度が向上する。これにより、リード部材７と電極パッドパターン６との接合強度が向上することにつながり、冷熱サイクルによる熱履歴を受けた場合であっても、リード部材７の接合強度（引張り強度）が維持され、耐久性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００３４】
金属材料９としては、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ−ｃｕ等のロウ材を用いるのが好ましい。これにより、高温での接合強度が向上し、冷熱サイクルに対して耐久性のより高いセラミックヒーターを得ることができる。一般に、ロウ材は、融点が６００℃以上であり、半田と比較すると高温耐久性に優れ、冷熱サイクルにおいても耐酸化性に優れるので、金属材料９として好ましい。
【００３５】
また、金属材料９は、スルーホール導体層５および引き出しパターン３の間に、金属メッキ層８を介して、充填されていることがより望ましい。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、スルーホール導体層５の表面およびスルーホール４が形成された部分における引き出し電極パターン３の表面には金属メッキ層８が形成されている。すなわち、スルーホール導体層５の表面の金属メッキ層８と引き出しパターン３の表面の金属メッキ層８との間に金属材料９が充填された構造となっている。これにより、リード部材７の接合強度がさらに向上し、耐久性のさらに高いセラミックヒーターを得ることができる。金属メッキ層８を形成することにより、ロウ材等の金属材料９の濡れ性が向上し、金属材料９の充填度合いも向上するので、接合強度が著しく向上し、耐久性が著しく向上する。金属メッキ層８を構成する材料としては、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｃｒなどが挙げられる。
【００３６】
また、図２（ａ）に示すように、引き出しパターン３は、スルーホール４が形成された部分がこのスルーホール４の開口部側に向かって凸状に盛り上がっている部分１２を有しているのがより好ましい。この凸状部分１２を有していることにより、冷熱サイクルで発生する金属材料９の熱膨張による応力を分散させることができ、スルーホール導体層５と金属材料９との間、および金属メッキ層８と金属材料９との間におけるクラックが発生するのを抑制でき、より耐久性の高いセラミックヒーターを得ることができる。さらに、凸状部分１２が緩やかな湾曲状であるときには、鋭角な凸形状である場合と比較して、冷熱サイクルで発生する金属材料９の熱膨張による応力の集中をさらに効果的に抑制することができる。
【００３７】
スルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面粗さ（Ｒａ）は、１μｍ以上、好ましくは５〜１０μｍとなるようにするのがよい。このようにスルーホール導体層５および電極パッドパターン８表面に凹凸を付けることで、接触面積を増やし、金属材料９との接合強度をさらに向上させることができる。一方、表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ未満では、接合強度が十分に得られないおそれがある。この表面粗さは、非接触式の３次元表面粗さ計測装置等を用いて測定することができる。
【００３８】
また、スルーホール４の内側面に形成されたスルーホール導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の５〜２５％の範囲内であるのがよい。スルーホール導体層５の厚みがスルーホール４の直径の５％未満になると、スルーホール４の内側面に対するスルーホール導体層５の密着強度が十分に確保されず、冷熱サイクルにおいて、金属材料９の熱膨張に伴う応力により金属材料９との間にクラック（層間剥離）が発生するおそれがある。また、スルーホール４の直径の２５％を超えると、スルーホール導体層５の表面に初期クラックが発生し、その影響により耐久性が劣化するおそれがある。
【００３９】
また、スルーホール導体層５の厚みは、図２（ａ）に示すように、スルーホール４の開口側よりも引き出しパターン３側の方が厚く形成されているのが好ましい。このように開口側の厚みが薄く、引き出しパターン３側の厚みが厚いことで、金属材料９の熱膨張によるスルーホール４内への応力集中を緩和させることができる。また、引き出しパターン３側の厚みを厚くすることで、スルーホール導体層５と引き出しパターン３の間に金属材料９を充填する空間を大きくすることができるので、リード部材７の接合強度をさらに向上させることができる。さらに、スルーホール導体層５の厚みは、スルーホール４の開口側から引き出しパターン３側に向かって漸次増加しているのがより好ましい。これにより、上記した応力集中の緩和効果をさらに高めることができる。
【００４０】
さらに、スルーホール導体層５の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径は１００μｍ以下であるのがよい。本実施形態におけるセラミックヒーターでは、焼成の際に、スルーホール４の内側面に設けられたスルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面にセラミック体１からセラミック体１内のＳｉを主成分とするガラス成分（粒子）が析出する。このガラス粒子の最大粒子径が１００μｍを超える場合、金属材料９、金属メッキ層８がスルーホール導体層５、電極パッドパターン６の表面と接触する妨げとなるので、冷熱サイクルで生じる熱応力により金属材料９と、金属メッキ層８およびスルーホール導体層５と間に発生するクラックの起点となるおそれがある。したがって、ブラスト処理、超音波洗浄などの処理により、最大粒子径を１００μｍ以下にすることが好ましい。
【００４１】
セラミック体１は、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、炭化珪素質セラミックス等の各種セラミックスからなり、特に、アルミナ質セラミックスからなることが、耐酸化性の点から好ましい。このアルミナ質セラ
ミックスとしては、例えばＡｌ２Ｏ３８８〜９５重量％、ＳｉＯ２２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ２１〜３重量％からなる組成が挙げられる。Ａｌ２Ｏ３の含有量が８８重量％未満となると、ガラス質の割合が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるおそれがある。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が９５重量％を超えると、セラミック体１中に埋設された発熱抵抗体２の金属材料内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒーターの耐久性が十分に得られないおそれがある。
【００４２】
また、セラミック体１は、例えば外径が２〜２０ｍｍ程度、長さが４０〜６０ｍｍ程度の円柱状のものが例示できる。特に、自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒーターとしては、外径を２〜４ｍｍ、長さを４０〜６５ｍｍとするのがリード部材接合部分の温度が異常に高温とならない点で好ましい。
【００４３】
セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものが挙げられる。この発熱抵抗体２は、セラミックヒーターの用途により、折り返しパターンの距離を変更したり、パターン線幅を変更したりするなどして、発熱位置、抵抗値を任意に設定が可能である。
【００４４】
次に、本発明のセラミックヒーターの製造方法について図３を参照して説明する。
【００４５】
まず、アルミナを主成分とし、焼結助剤としてＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計量で４〜１２重量％含有するセラミックスラリーをシート状に成形したセラミックシート１０ａ，１０ｂを準備する。
【００４６】
ついで、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属とセラミック原料、バインダー、有機溶剤等を調合、混練し作製したペーストを用いて、セラミックシート１０ａの一方の主面に発熱抵抗体２および引き出しパターン３をプリントもしくは転写等の手法を用いて形成する。この発熱抵抗体２は、セラミックヒーターの用途により、折り返しパターンの距離を変更したり、パターン線幅を変更したりするなどして、発熱位置、抵抗値を任意に設定が可能である。
【００４７】
次に、セラミックシート１０ｂにスルーホール４を形成し、このスル−ホール４にＷ、Ｍｏ、Ｒｅの少なくとも１種類を主成分とする導電材料（スルーホール導体層５の材料）をスルーホール４の内側面に塗布する。この導電材料は、スルーホール４の内径、高さ等に応じて予め粘度が調整されている。この粘度調整により、スルーホール４内において導電材料が下方側に多く流れ、その一部がスルーホールの下端周縁から外部に溢れ出るようにする。この状態で、スルーホール４の内側面の導電材料およびスルーホール４の外部に溢れ出た導電材料を適当な粘度になるまで乾燥させる。これにより、スルーホール導体層５の厚みを、スルーホール４の開口側よりも引き出しパターン３側の方が厚くなるようにできる。スルーホール導体層５の厚みは、導電材料の粘度、乾燥条件などにより制御可能である。
【００４８】
次に、セラミックシート１０ｂの一方の主面に電極パッドパターン６をプリントもしくは転写等の手法を用いて形成する。
【００４９】
ついで、発熱抵抗体２およびスルーホール４と重なる部分を除く引き出しパターン３の上にセラミックシート１０ａ、１０ｂとほぼ同等の組成からなるコート層を形成した後、セラミックシート１０ｂとセラミックシート１０ａを積層し、所定の圧力で加圧する。このとき、加圧条件を制御することで、スルーホール４の外部に出ている導電材料がスルーホール内に押し込まれて変形することにより、スルーホール導電層５と引き出しパターン３との間に隙間が形成される。また、このとき、加圧条件を制御することで、スルーホー
ル４から逃げる圧力により、スルーホール４内の凸状部分１２を形成できる。凸状部分１２を形成する他の方法としては、引き出しパターン３の作製時に、スルーホール４の位置のパターン厚みを局部的に厚くした状態で、加圧・加熱密着する方法もある。
【００５０】
なお、導電材料の一部がスルーホール４の外部に出るようにすることで、スルーホール導体層５が引き出しパターン３と重なる部分を確実に作ることができるので、これらのパターン同士の接合状態を向上させることができる。
【００５１】
このようにして形成されたセラミックシート１０をセラミック芯材１１の周囲に密着液を用いて巻き付けて密着させ、筒状の成形体を得る。ついで、得られた成形体を１５００〜１６５０℃程度の還元雰囲気中で焼成してセラミック体１が得られる。
【００５２】
その後、電極パッドパターン６の表面、およびスルーホール４内のスルーホール導体層５、凸状部分１２、引き出しパターン３の表面に電解メッキ法や無電解メッキ法によりＮｉ、Ｃｒ等の金属からなる金属メッキ層８を形成する。メッキ厚みは１〜５μｍ程度であるのが望ましい。金属メッキ層８の厚みが厚くなると、金属メッキ層８内で隔離が発生するおそれがある。メッキ以外の方法としては、スパッタや、溶射、サブミクロンの貴金属粒子を含む溶剤を塗布乾燥させる等の方法により、メッキ層８の代用とできる。
【００５３】
次に、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕなどの主成分とするロウ材を金属材料９として用い、電極パッドパターン６とリード部材７とを水蒸気を含有した還元雰囲気中で接合する。なお、メッキ面の洗浄、加熱温度・雰囲気を管理することで、スルーホール導体層５、凸状部分１２、引き出しパターン３などに対するロウ材の濡れ性を向上させることができる。これにより、スルーホール導体層５と引き出しパターン３との間、およびスルーホール４内にロウ材を充填させることができる。
【００５４】
また、図示していないが、電極パッドパターン６および金属材料９の表面に、さらにＡｕ、Ｃｒ、Ｎｉ等のメッキ層を１〜１０μｍ形成すると、金属材料９の酸化劣化を抑えることができる。
【００５５】
なお、本発明のセラミックヒーターは、上述の実施形態に限定されるものではなく、スルーホール導体層と引き出しパターンとの間に金属材料が充填されたものであればよく、円柱状、板状等の種々の形状のセラミックヒーターに適用することができる。
【００５６】
また、前述のセラミックスヒーターを金属製のこて先等に固定し、温度制御装置などの電気回路と接続すれば、加熱用こてを作製することができる。本発明の加熱用こては、半田作業用こて、ヘアーカーラー用こて等に利用できる。
【００５７】
なお、上記実施形態では、スルーホール導体層において、スルーホールの内側面側に括れた厚みの薄い領域がスルーホール導体層と引き出しパターンとの間に存在する場合を例に挙げて説明したが、本発明では、厚みの薄い領域は、上記実施形態で例示した位置に限定されるものではなく、スルーホール導体層のいずれかの位置にあればよい。これにより、括れた厚みの薄い領域に充填された金属材料がアンカー効果を発揮してリード部材とセラミック体の接合強度が飛躍的に向上し、冷熱サイクル後であってもリード部材の接合強度（引張り強度）が高く、耐久性に優れたものとなる。
【実施例】
【００５８】
下記の形状、材料等を用いてセラミックヒーターを作製した。
【００５９】
ヒーターの寸法：φ３ｍｍ×長さ５５ｍｍ
抵抗発熱体の長さ：５ｍｍ
電極パッドパターン：５ｍｍ×４ｍｍ
スルーホール径：５００μｍ
抵抗値：１２〜１３Ω
金属メッキ層：厚み２〜４μｍのＮｉメッキ層
金属材料：Ａｇ−Ｃｕロウ材、またはＡｇ−Ｓｎ半田
リード部材：φ０．８ｍｍ×長さ２０ｍｍ
以下に、このセラミックヒーターの製造手順を示す。
【００６０】
まず、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックグリーンシートを準備し、この表面に、Ｗ−Ｒｅを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体２をスクリーン印刷法にてプリントし、Ｗを主成分とするペーストを用いて引き出しパターン３をスクリーン印刷法にてプリントした。
【００６１】
また、別のセラミックグリーンシートにスルーホール４を設け、Ｗを主成分とするペーストを用いてスルーホール導体層５を形成した。このとき、スルーホール導体層５を形成するペーストの粘度および乾燥条件を調整し、スルーホール径に対するスルーホール導体層５の厚みが３〜２７％のサンプルを作製した。また、同様な手法を用いてスルーホール導体層５の下部厚みの厚いサンプルを作製した。その後、スルーホール４上に電極パッドパターン６を、Ｗを主成分とするペーストを用いてスクリーン印刷法にてプリントした。
【００６２】
次に、先に発熱抵抗体２をプリントしたシートに、発熱抵抗体２の表面にセラミックグリーンシートと略同一の成分からなるコート層を形成して十分乾燥した後、さらに上記セラミックグリーンシートと略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布し、スルーホール４，電極パッドパターン６を設けたセラミックグリーンシートと加圧・加熱密着した。ここで、従来の加圧条件の約１．５倍の圧力（約３ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重）で加圧し、スルーホール４内の凸形状１２を形成した。
【００６３】
そして、この密着させたシートの裏面にセラミックグリーンシートと略同一の組成のセラミックスを分散させた密着液を塗布して、セラミック芯材の周囲に密着し、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成した。
【００６４】
その後、スルーホール４，電極パッドパターン６にブラスト処理を行ない、焼成により析出したガラス層の除去を行うと同時に、表面粗さを０．７〜５μｍまで調整した。
【００６５】
次に、先に除去したガラス粒子の代わりとして、任意の粒径のガラス粒子をスルーホール内に入れた。
【００６６】
次に、電解メッキにてメッキ層８を設け、Ａｇ−Ｃｕロウ、Ａｇ−Ｓｎ半田を金属材料９として、リード部材を接合して、セラミックヒーター試料を得た。
【００６７】
そして、電極パッドパターン部の温度を金属材料９の融点の１／２の温度（Ａｇ−Ｓｎ半田の場合、約１００℃。Ａｇ−Ｃｕロウの場合、約４００℃）に設定した恒温槽に１０分間保持し、２５℃の空気にて強制空冷する冷熱サイクルを４０００サイクル行ない、テスト後のリード部材の引張強度を測定し、リード部材の引張強度が２０Ｎ以上あることを判断条件とした。
【００６８】
これらの結果を表１に示す。
【００６９】
なお、引張強度測定方法を以下に示す。
【００７０】
試験方法：引張り試験機にヒーターを固定し、リードを垂直方向にロードセルで３２ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、切断した際の加重を測定。
【００７１】
厚み測定方法：試験後のヒーターを樹脂に埋め込み、研磨を行ない、断面よりマイクロスコープにて厚みを測定した。
【００７２】
表面粗さ：表面粗さ（Ｒａ）は、非接触式の３次元表面粗さ計測装置にて測定した。
【００７３】
【表１】
【００７４】
同表より、本発明の比較例である試料Ｎｏ．１は、引張強度が６Ｎと弱く、リード接合部の耐久性が著しく低い。これは、引き出しパターン３とスルーホール導体層５間に金属材料９が充填できないため、アンカー効果を利用できないためである。
【００７５】
これに対し、引き出しパターン３とスルーホール導体層５間に金属材料９が充填した試料Ｎｏ．２は引張強度２２Ｎと、リード接合部の耐久性は良好な結果となった。
【００７６】
さらには、金属材料９に半田を用いた試料Ｎｏ２は、冷熱サイクルで半田の腐食が発生していたが、金属材料９にロウ材を用いた試料Ｎｏ３は、さらにリード接合部の耐久性が良好な結果となった。
【００７７】
さらに、金属材料９が、導体層５および、引き出しパターン表面３の金属メッキ層８を介して、充填されている試料Ｎｏ．４は、金属材料９の塗れ性が改善され、試料Ｎｏ．２〜３より、リード接合部の耐久性が良好な結果となった。
【００７８】
また、試料Ｎｏ５で、試料Ｎｏ．２〜４より、耐久試験後の引張強度の値が高いことから、スルーホール底部の凸形状１２を形成する事が、リード接合部の耐久性において望ましい結果となった。
【００７９】
さらに、スルーホール導体層５および電極パッドパターン６の表面粗さがＲａ１μｍ以上の試料Ｎｏ．６〜８と、試料Ｎｏ．２〜５とを比較から、スルーホール導体層５および電極パットパターン６の表面粗さがＲａ１μｍ以上あることが、リード接合部の耐久性により望ましい。特に、表面粗さはＲａ５μｍが望ましい。
【００８０】
また、試料Ｎｏ．１０〜１３と試料Ｎｏ．８、９の比較から、スルーホール内側面に設けられた導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の５％〜２５％以内である事が、リード接合部の耐久性により望ましいことが判明した。特に、スルーホール内側面に設けられた導体層５の厚みは、スルーホール４の直径の２０％であることが望ましい。
【００８１】
更には、試料Ｎｏ．１４〜１６と試料Ｎｏ．１２，１３の比較から、スルーホール内側面に設けられたスルーホール導体層表面に残留するSiを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下である事がリード接合部の耐久性において優れることがわかった。
【符号の説明】
【００８２】
１、２１・・・セラミック体
２、２２・・・発熱抵抗体
３、２３・・・引き出しパターン
４、２４・・・スルーホール
５、２５・・・スルーホール導体層
６、２６・・・電極パッドパターン
７、２７・・・リード部材
８、２８・・・メッキ層
９、２９・・・金属材料
１０、１０ａ、１０ｂ、３０、３０ａ、３０ｂ・・・セラミックグリーンシート
１１、３１・・・セラミック芯材
１２・・・凸形状
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続された引き出しパターンと、前記発熱抵抗体および前記引き出しパターンが埋設され、該引き出しパターンに達するスルーホールが形成されたセラミック体と、前記スルーホールの少なくとも内側面に形成されたスルーホール導体層と、該スルーホール導体層に電気的に接続され、前記セラミック体の表面に形成された電極パッドパターンと、該電極パッドパターンに電気的に接続されたリード部材とを有するセラミックヒーターにおいて、前記スルーホール導体層と前記引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、該金属材料が前記リード部材に接合されていることを特徴とするセラミックヒーター。
【請求項２】
前記金属材料が、前記スルーホール内に充填され、前記リード部材と接合されてい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。
【請求項３】
前記金属材料がロウ材であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒーター。
【請求項４】
前記スルーホール導体層の表面および前記スルーホールが形成された部分における前記引き出し電極パターンの表面には金属メッキ層が形成されており、前記スルーホール導体層の表面の前記金属メッキ層と前記引き出しパターンの表面の前記金属メッキ層との間に前記金属材料が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項５】
前記引き出しパターンは、前記スルーホールが形成された部分が該スルーホール側に凸状に盛り上がっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項６】
前記電極パッドパターンおよびスルーホール導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、前記電極パッドパターン上にロウ材を用いて前記リード部材を固定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項７】
前記スルーホール導体層の厚みは、前記スルーホール径の５％〜２５％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項８】
前記スルーホール導体層の厚みは、前記スルーホールの開口側よりも前記引き出しパターン側の方が厚いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項９】
前記スルーホール導体層は、前記スルーホールの開口側から前記引き出しパターン側に向かって漸次厚みが増加していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項１０】
前記スルーホール導体層の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミックヒーターを加熱手段として用いたことを特徴とする加熱用こて。
【請求項１】
発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続された引き出しパターンと、前記発熱抵抗体および前記引き出しパターンが埋設され、該引き出しパターンに達するスルーホールが形成されたセラミック体と、前記スルーホールの少なくとも内側面に形成されたスルーホール導体層と、該スルーホール導体層に電気的に接続され、前記セラミック体の表面に形成された電極パッドパターンと、該電極パッドパターンに電気的に接続されたリード部材とを有するセラミックヒーターにおいて、前記スルーホール導体層と前記引き出しパターンとの間に金属材料が充填されており、該金属材料が前記リード部材に接合されていることを特徴とするセラミックヒーター。
【請求項２】
前記金属材料が、前記スルーホール内に充填され、前記リード部材と接合されてい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。
【請求項３】
前記金属材料がロウ材であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒーター。
【請求項４】
前記スルーホール導体層の表面および前記スルーホールが形成された部分における前記引き出し電極パターンの表面には金属メッキ層が形成されており、前記スルーホール導体層の表面の前記金属メッキ層と前記引き出しパターンの表面の前記金属メッキ層との間に前記金属材料が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項５】
前記引き出しパターンは、前記スルーホールが形成された部分が該スルーホール側に凸状に盛り上がっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項６】
前記電極パッドパターンおよびスルーホール導体層の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以上とし、前記電極パッドパターン上にロウ材を用いて前記リード部材を固定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項７】
前記スルーホール導体層の厚みは、前記スルーホール径の５％〜２５％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項８】
前記スルーホール導体層の厚みは、前記スルーホールの開口側よりも前記引き出しパターン側の方が厚いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項９】
前記スルーホール導体層は、前記スルーホールの開口側から前記引き出しパターン側に向かって漸次厚みが増加していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項１０】
前記スルーホール導体層の表面に存在するＳｉを主成分とするガラス粒子の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセラミックヒーター。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミックヒーターを加熱手段として用いたことを特徴とする加熱用こて。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１６５６８７（Ｐ２０１０−１６５６８７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０６２３（Ｐ２０１０−５０６２３）
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【分割の表示】特願２００５−１５５８６４（Ｐ２００５−１５５８６４）の分割
【原出願日】平成１７年５月２７日（２００５．５．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【分割の表示】特願２００５−１５５８６４（Ｐ２００５−１５５８６４）の分割
【原出願日】平成１７年５月２７日（２００５．５．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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