説明

セラミックヒータ

【課題】作動特性の向上に寄与することが可能な、セラミックヒータを提供することを目的とする。
【解決手段】セラミックヒータであって、第1セラミック基板と、前記第1セラミック基板上に設けられ、前記第1セラミック基板の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第2セラミック基板と、前記第1セラミック基板と前記第2セラミック基板の間に設けられる発熱抵抗体と、を備えたことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発熱抵抗体を高温にし、発熱抵抗体の温度に起因して発熱するセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、セラミックヒータの作動特性を向上させる開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。セラミックヒータの開発において、発熱抵抗体の温度を効率的に上昇させる作動特性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2006−331950号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動特性の向上に寄与することが可能なセラミックヒータ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】
【0005】
本発明の実施の態様に係るセラミックヒータは、第1セラミック基板と、前記第1セラミック基板上に設けられ、前記第1セラミック基板の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第2セラミック基板と、前記第1セラミック基板と前記第2セラミック基板の間に設けられる発熱抵抗体と、を備えたことを特徴とする。
【0006】
本発明の実施の態様に係るセラミックヒータは、セラミック円筒体と、前記セラミック円筒体内に設けられ、前記セラミック円筒体の熱伝導率より熱伝導率が小さいセラミック部材と、前記セラミック円筒体と前記セラミック部材との間に設けられる発熱抵抗体と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、作動特性の向上に寄与することが可能なセラミックヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第1実施形態に係るセラミックヒータの概観を示す斜視図である。
【図2】図1のX−X’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【図3】発熱抵抗体を示す基板の透過斜視図である。
【図4】第1実施形態の一変形例であって、図1のX−X’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【図5】第1実施形態の一変形例であって、図1のX−X’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【図6】第1実施形態の一変形例であって、図1のX−X’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【図7】図6に示すセラミックヒータの基板内を示す透過斜視図である。
【図8】第2実施形態に係るセラミックヒータの概観を示す斜視図である。
【図9】図8のY−Y’、Z−Z’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【図10】第2実施形態の一変形例であって、図8のY−Y’、Z−Z’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるセラミックヒータの実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。
【0010】
<第1実施形態のセラミックヒータの概略構成>
図1は、本実施形態に係るセラミックヒータの概観斜視図ある。また、図2は、図1のX−X’に沿ったセラミックヒータの断面図である。図3は、セラミックヒータの発熱抵抗体を示す基板の透過斜視図である。
【0011】
本実施形態のセラミックヒータは、外部の部材を熱するためのものである。機器に組み込み、セラミックヒータが発熱することで、機器の特定箇所を高温にすることができる。
【0012】
本実施形態に係るセラミックヒータ1は、第1セラミック基板2と、第1セラミック基板2上に設けられ、第1セラミック基板2の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第2セラミック基板3と、第1セラミック基板2と第2セラミック基板3の間に設けられる発熱抵抗体4と、を備えている。
【0013】
第1セラミック基板2は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。または、これらの材料中に、閉気孔を多数有することにより熱伝導度を低下させたものであってもよい。なお、第1セラミック基板2の厚みは、例えば、0.05mm以上2mm以下に設定されている。また、第1セラミック基板2の厚みは、第2セラミック基板3の厚みよりも大きく設定されていることが好ましい。第1セラミック基板2の厚みを大きくすることで、第1セラミック基板2の表面温度を低くし、表面よりの輻射や伝導による放熱量を減らすことができる。
【0014】
また、第1セラミック基板2の熱伝導率は、例えば、8W/m・K以上200W/m・K以下に設定されている。さらに、第1セラミック基板2の熱伝導率は、第2セラミック基板3の熱伝導率よりも小さく設定されている。
【0015】
第2セラミック基板3は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、第2セラミック基板3の厚みは、例えば、0.02mm以上2mm以下に設定されている。また、第2セラミック基板3の熱伝導率は、例えば、12W/m・K以上210W/m・K以下に設定されている。さらに、第2セラミック基板3の熱伝導率は、第1セラミック基板2の熱伝導率よりも大きく設定されている。
【0016】
第2セラミック基板3の上面は、発熱抵抗体からの熱が伝わり高温になる。そして、高温になって、第2セラミック基板3の表面に接する被加熱物の温度を上昇させることができる。
【0017】
第1セラミック基板2の下面には、平面透視して発熱抵抗体4を間に挟むように一対の支持体5が設けられている。
【0018】
支持体5は、セラミックヒータ1を外部の機器に取り付けるときに、土台となるものである。そして、支持体5が外部の機器との接合用土台となることで、セラミックヒータ1の発熱抵抗体4が発熱した際の熱が接続用土台を介して外部の機器に伝わりにくくするこ
とにより、セラミックヒータ1の温度上昇特性を向上させることができる。
【0019】
支持体5は、例えば、金属材料、或いはアルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料、或いはプラスチックから成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、支持体5の厚みは、例えば、0.05mm以上2mm以下に設定されている。また、支持体5の熱伝導率は、例えば、8W/m・K以上210W/m・K以下に設定されている。
【0020】
また、支持体5は、支持体5の長手方向に支持体5の高さに相当する切り欠き部を設ける手段により支持体5の熱伝達断面積を小さくすることによる熱抵抗を増大させたり、支持体5に第1セラミック基板2又は第2セラミック基板3の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の材料を選択したりすることにより、支持体5を介して外部の機器に伝わる熱の容量を小さくすることができる。そして、発熱抵抗体4が発する熱は、第2セラミック基板3を介して第2セラミック基板3の上面を効率良く加熱することができる。
【0021】
支持体5が絶縁性材料の場合には、導電層6が形成されている。導電層6は、支持体5の下面から支持体5及び第1セラミック基板2の側面を介して第1セラミック基板2の上面にわたって形成される。セラミックヒータ1を外部の機器に組み込んだ状態で、機器内から導電層6に電流を流し、発熱抵抗体4に通電し、発熱抵抗体4の温度を上昇させる。さらに、発熱抵抗体4の発熱に起因して、第2セラミック基板3の上面を熱することができる。なお、導電層6の幅は、例えば、0.05mm以上10mm以下に設定されている。ここで、導電層6の幅とは、導電層6に流れる電流方向と直交する方向の幅をいう。
【0022】
導電層6は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金又はアルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料、或いはそれらの材料の複合層からなる。
【0023】
第1セラミック基板2と第2セラミック基板3の間には、図2又は図3に示すように、発熱抵抗体4が形成されている。発熱抵抗体4は、第2セラミック基板3の上面を加熱するものである。
【0024】
発熱抵抗体4は、導電層6と接続される。発熱抵抗体4は、所要の発熱量を確保するための抵抗値を有しており、例えば、そのパターン形状は第1セラミック基板2の上面にて何度も折れ曲がって形成されている。そして、発熱抵抗体4の幅は、導電層6の幅よりも小さく設定されている。発熱抵抗体4の幅を導電層6の幅よりも小さくすることで、発熱抵抗体4の電気抵抗比率を大きくし、発熱抵抗体4部分にて発生するジュール熱の比率を大きくし、発熱不要な導電層6での発熱を抑制し、被加熱物を加熱するための第2セラミック基板3の上面を効率よく加熱する事ができる。
【0025】
発熱抵抗体4には、セラミックヒータ1とともに機器に組込まれた回路によって、導電層6を介して発熱抵抗体4に通電する。そして、発熱抵抗体4の電気抵抗比率が大きいために、発熱抵抗体4の温度が効率よく上昇する。さらに、その温度が、第2セラミック基板3を介して第2セラミック基板3の上面を加熱する。なお、発熱抵抗体4は、例えば、タングステン又はプラチナ等の材料から成る。
【0026】
上述したように、本実施形態によれば、機器に組み込んだセラミックヒータ1は、支持台を介して機器内の外部へ熱を伝わりにくくすることができ、発熱抵抗体4にて発生する熱は、第2セラミック基板3を介して第2セラミック基板3の上面に伝わるため、作動特性を向上させることができる。その結果、作動特性の向上に寄与することが可能なセラミックヒータ1を提供することができる。
【0027】
なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係るセラミックヒータ1のうち、本実施形態に係るセラミックヒータ1と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【0028】
<第1実施形態の変形例>
図4は、一変形例に係るセラミックヒータ1の断面図である。なお、かかる断面箇所は、図1のX−X’に沿った断面箇所に対応する。
【0029】
上述した実施形態では、第1セラミック基板2及び第2セラミック基板3内は、空隙SPが設けられていなかったが、図4に示すように、空隙SPが設けられていてもよい。空隙SPは、平面透視して発熱抵抗体4と重なる領域に設けられるとともに、発熱抵抗体4の下面を露出する領域に形成されている。
【0030】
空隙SPは、平面透視して発熱抵抗体4の配置エリア(配置エリアとは発熱抵抗体への導体配線部を除く発熱抵抗体パターン最外辺の4辺により形成される面をいう)が内部に含まれる大きさに設定されている。また、空隙SPの厚み方向の高さは、例えば0.01mm以上2.0mm以下に設定されている。空隙SPを平面視したとき、各コーナー部は隣り合う空隙壁の間をC面、もしくは円周面等にて接続させることにより各コーナーに応力が集中するのを低減することが好ましい。なお、空隙SP内は、減圧・真空雰囲気に設定されていることが好ましい。
【0031】
空隙SPが、発熱抵抗体4の下方に位置することで、発熱抵抗体4が発熱した時に空隙SPが断熱層として機能し、発熱抵抗体4近傍の温度上昇特性が向上し、発熱抵抗体4の直上に位置する第2セラミック基板3の上面の温度上昇が早くなる。そして、第2セラミック基板3の上面の温度上昇に基づいて、第2セラミック基板3の上面に接する外部の被加熱物に熱を伝えることができる。
【0032】
また、セラミックヒータ1を外部の機器に組み込んだ状態で、外部の回路への発熱抵抗体4から伝わろうとする熱は、セラミックヒータ1中に断熱層として機能する空隙SPが設けられていることで、発熱抵抗体4に伝わりにくくすることができる。その結果、発熱抵抗体4の発熱による温度上昇に起因する、第2セラミック基板3の上面の温度を効率良く上昇させることができる。
【0033】
また、空隙SPは、図4に示すように、第1セラミック基板3内に設ける構造であったが、図5に示すように、第2セラミック基板4内に空隙SPが設けられてもよい。
【0034】
また、図6又は図7に示すように、空隙SP内に、空隙SPの天井面S1と空隙SPの底面S2との間に支柱又は支持壁等の支持部7が設けられてもよい。支持部7は、空隙SP内にて天井面S1を支持することで、天井面S1が撓むのを抑制することができる。
【0035】
支持部7は、平面視して発熱抵抗体4のパターンと直接重ならない箇所に設けられていることが好ましく、支持部7を介して発熱抵抗体4の熱が第1セラミック基板2に伝わるのを抑制し、結果として被加熱目的物でない外部に伝わることを抑制することができる。支持部7は、第1セラミック基板2又は第2セラミック基板3と一体ものであっても、別体ものであってもよい。
【0036】
<第1実施形態のセラミックヒータの製造方法>
ここで、図1に示すセラミックヒータ1の製造方法について説明する。
【0037】
先ず、第1セラミック基板2及び第2セラミック基板3を準備する。第1セラミック基板2又は第2セラミック基板3が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、および溶剤等を添加混合して得た混合物よりグリーンシートを成型する。
【0038】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【0039】
そして、グリーンシートの状態の第1セラミック基板2の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って発熱抵抗体4及び導電層6を形成する。
【0040】
次に、一対の支持体5を準備する。第1セラミック基板2又は第2セラミック基板3と同様に、グリーンシートを成形する。そして、支持体5の下面、側面側上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って導電層6を形成する。
【0041】
次に、準備した焼結前の第1セラミック基板2、第2セラミック基板3及び支持体5を積層させた状態で、約1600度の温度で焼成する。そして、第1セラミック基板2、第2セラミック基板3及び支持体5を一体焼結する。このようにして、セラミックヒータ1を作製することができる。
【0042】
尚、変形例に係る内部に空隙SPを有するセラミックヒータを作製する場合は、焼結前のグリーンシートを必要枚数準備しておき、空隙SPを設けたい箇所に対応するグリーンシートに予め孔を空けて、準備した全グリーンシートを積層して焼結することで、作製することができる。
【0043】
<第2実施形態のセラミックヒータの概略構成>
図8は、第2実施形態に係るセラミックヒータ1xの概観斜視図ある。また、図9は、図8のY−Y’に沿ったセラミックヒータの断面図、Z−Z’に沿ったセラミックヒータの断面図である。なお、第2実施形態に係るセラミックヒータ1xのうち、第1実施形態に係るセラミックヒータ1と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【0044】
図8に示すセラミックヒータ1xは、ロッドタイプのものである。本実施形態のセラミックヒータ1xは、セラミック円筒体8と、セラミック円筒体8内に設けられ、セラミック円筒体8の熱伝導率より熱伝導率が小さい円柱状のセラミック部材9と、セラミック円筒体8とセラミック部材9との間に設けられる空間SP1と、平面透視して空間SP1と重なる領域に設けられ、セラミック円筒体8の内壁面に設けられる発熱抵抗体4と、を備えている。
【0045】
セラミック円筒体8は、内部にセラミック部材9を設ける空間を有している。セラミック円筒体8は、絶縁性の部材であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。または、これらの材料中に、閉気孔を多数有することにより熱伝導度を低下させたものであってもよい。
【0046】
また、セラミック円筒体8の熱伝導率は、例えば、12W/m・K以上210W/m・K以下に設定されている。さらに、セラミック円筒体8の熱伝導率は、セラミック部材9の熱伝導率よりも大きく設定されている。
【0047】
セラミック部材9は、セラミック円筒体8の内部空間に設けられる。セラミック部材9は、絶縁性の部材であって、例えば、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、セラミック部材9の熱伝導率は、例えば、8W/m・K以上200W/m・K以下に設定されている。
【0048】
また、セラミック円筒体8とセラミック部材9との間には、図9に示すように、電極層10が設けられる。電極層10は、発熱抵抗体4と電気的に接続されている。電極層10は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、マンガン等の金属材料、或いはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料、或いはそれらの材料の複合層からなる。
【0049】
また、セラミック円筒体8には、電極層10と電気的に接続されるビア導体11が設けられる。ビア導体11は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金又はアルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料、或いはそれらの材料の複合層からなる。
【0050】
また、セラミック円筒体8の外側面には、ビア導体11と電気的に接続される端子12が設けられる。端子12は、セラミックヒータ1に二つ設けられ、一方から電流を流し、もう一方から電流を取り出すものである。そして、端子12から電流を流すことで、発熱抵抗体4の温度を上昇させることができる。
【0051】
空間SP1は、セラミック円筒体8とセラミック部材9との間に設けられている。空間SP1は、セラミック円筒体8の内壁面の一部に沿って設けられている。また、空間SP1には、発熱抵抗体4が配置されている。
【0052】
発熱抵抗体4は、空間SP内に配置されており、電極層10と電気的に接続されている。また、一方の端子12からビア導体11及び電極層10を介して発熱抵抗体4を電流が流れる。そして、発熱抵抗体4に流れる電流は、もう一方の端子12に向かって流れる。
【0053】
空間SP1が存在することにより、空間SP1が断熱空間として機能し、発熱抵抗体4で発せられる熱がセラミック部材9に伝わりにくくなる。そして、発熱抵抗体4で発せられる熱の多くが、セラミック円筒体8に向かって伝わる。その結果、セラミック円筒体8の外側面の温度を上昇させることができる。
【0054】
<第2実施形態の変形例>
図10は、一変形例に係るセラミックヒータ1xの断面図である。なお、かかる断面箇所は、図8のY−Y’に沿ったセラミックヒータの断面図、Z−Z’に沿ったセラミックヒータの断面図である。
【0055】
上述した実施形態では、セラミック部材9内は、中空部が設けられていなかったが、図10に示すように、中空部SP2が設けられていてもよい。中空部SP2は、平面透視して空間SP1と重なる領域に設けられ、セラミック部材9の内部に設けられている。
【0056】
セラミック部材9内に中空部SP2を設けることで、中空部SP2を断熱構造とするとともに、セラミック部材9の熱容量を小さくすることができる。そして、発熱抵抗体4の熱をセラミック円筒体8に効率よく伝えることができる。
【0057】
なお、第2実施形態の変形例において、第1実施形態の変形例を適宜適用しても構わな
い。例えば、第2実施形態の中空部SP2に支持部7を設けても構わない。
【0058】
<第2実施形態のセラミックヒータの製造方法>
ここで、図8に示すセラミックヒータ1の製造方法について説明する。
【0059】
先ず、セラミック円筒体8となるグリーンシートを複数枚準備する。また、セラミック部材9となる円柱状の焼結前のセラミック部材を準備する。セラミック円筒体8又はセラミック部材9が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、および溶剤等を添加混合して得た混合物よりグリーンシート又はセラミック部材を成型する。
【0060】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【0061】
セラミック円筒体8のグリーンシートのうち、電極層10、発熱抵抗体4及びビア導体11を形成する箇所に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って電極層10、発熱抵抗体4及びビア導体11を形成する。また、セラミック円筒体8のグリーンシートのうち、空間SP1となる箇所について打ち抜いておく。
【0062】
次に、準備した焼結前のセラミック部材9の外周に、セラミック円筒体8となる複数枚のグリーンシートを巻いて、セラミック円筒体8を設ける。そして、セラミック部材9とセラミック円筒体8とを接続した状態で、約1600度の温度で焼成する。そして、セラミック部材9とセラミック円筒体8を一体焼結する。このようにして、セラミックヒータ1を作製することができる。
【符号の説明】
【0063】
1 セラミックヒータ
2 第1セラミック基板
3 第2セラミック基板
4 発熱抵抗体
5 支持体
6 導電層
7 支持部
8 セラミック円筒体
9 セラミック部材
10 電極層
11 ビア導体
12 端子
SP 空隙
SP1 空間
SP2 中空部
S1 天井面
S2 底面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1セラミック基板と、
前記第1セラミック基板上に設けられ、前記第1セラミック基板の熱伝導率よりも熱伝導率の大きな第2セラミック基板と、
前記第1セラミック基板と前記第2セラミック基板の間に設けられる発熱抵抗体と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項2】
請求項1に記載のセラミックヒータであって、
前記第1セラミック基板又は前記第2セラミック基板内に設けられ、平面透視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空隙を、更に備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項3】
請求項2に記載のセラミックヒータであって、
前記空隙内に、前記空隙の天井面と前記空隙の底面との間に支持部が設けられることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のセラミックヒータであって、
前記第1セラミック基板の下面には、平面透視して前記発熱抵抗体を間に挟むように一対の支持体が設けられることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項5】
セラミック円筒体と、
前記セラミック円筒体内に設けられ、前記セラミック円筒体の熱伝導率より熱伝導率が小さいセラミック部材と、
前記セラミック円筒体と前記セラミック部材との間に設けられる発熱抵抗体と、を備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項6】
請求項5に記載のセラミックヒータであって、
前記セラミック円筒体又は前記セラミック部材内に設けられ、断面視して前記発熱抵抗体と重なる領域に設けられるとともに、前記発熱抵抗体の下面を露出する空間を、更に備えたことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項7】
請求項6に記載のセラミックヒータであって、
平面透視して前記空間と重なる領域に設けられ、前記セラミック部材の内部に設けられる中空部を更に備えたことを特徴とするセラミックヒータ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2011−175837(P2011−175837A)
【公開日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−38608(P2010−38608)
【出願日】平成22年2月24日(2010.2.24)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】