JPH02250231A - 高温動作素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はヒータによって１０００℃程度の高温に加熱
されて動作する高温動作素子、例えば熱電子放出を利用
した陰極線管、熱陰極Ｘ線管や電子顕微鏡、ブラウン管
用の電子銃等の高温動作素子の構造に関するものである
。

［従来の技術］ 従来、高温動作素子は例えば、特開昭５５−２４６４８
号公報に記載されているように、スクリーン印刷等のい
わゆる厚膜回路形成技術を用いて製造されていた。第３
図はこのようにして製造された従来の高温動作素子を示
す断面構成図である。まず、セラミックス基板（１０）
を構成する原材料を用意し、ロール間を通す押し出し法
、あるいはキャスティング法の印刷技術によってシート
上に所定のパターン形状の発熱体ｒＭ　（１１）を形成
する。この発熱体１（ｌｌ）を形成した基板（１０）上
に絶縁体（１２）を形成し、さらに、この絶縁体（！２
）上に、同様な印刷手法によって、カソード材層（１３
）、カソードリード層（１４）、ベースメタル層（１５
）を形成し、高温動作素子を形成する。発熱体層（１１
）はヒータ材に焼成助剤を添加したペーストを、動作素
子は同様に、所望の材料に焼成助剤を添加したペースト
を基板（ｌＯ）上にスクリーン印刷して形成される。ス
クリーン印刷後、高温（１０００〜２０００℃）で焼成
処理され、高温動作素子が形成される。

この方法では、製造時に高温処理過程が入るので、ヒー
タをこの処理温度以下で使用する場合、抵抗の経時変化
が小さい等のヒータとしての高温長期安定性が得られる
。しかし、スクリーン印刷によって得られるパターン精
度は低く、しかも発熱体層（１１）の厚さ制御（薄型化
）が困難なため・消費電力が大きく、しかも複数のヒー
タ間では抵抗のばらつきが大きかった。そのため、精度
良くパターンの形成ができる手法としてＰＶＤやＣＶＤ
による成膜法の開発が進められていた。

第４図に薄膜形成法による従来の高温動作素子の製造方
法を示す。まず、平滑なセラミックス基板（１）上にヒ
ータ用の抵抗体（発熱体）膜（２）を、そして反対側に
高温動作素子膜（４）を−様に形成し、次にエツチング
により所定のヒータパターン、及び素子パターンを形成
し、これにヒータ側にはリード線（５）を接合するとい
う手法で高温動作素子を実現していた。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような成膜法による従来の高温動作素子は、リー
ド線（５）に電圧を印加し、ヒータとして使用している
間に抵抗の変化が生じる。これは主として抵抗体（発熱
体）膜（２）が薄膜であることに起因する。第５図に抵
抗値の経時変化を示す。

初朋に抵抗が低下するのは、薄膜の再結晶化が進み、膜
中の結晶粒が粗大化するためである。例えば抵抗体く発
熱体）膜（２）がＷ（タングステン）であり、これを１
０００℃で使用すると、ｔｏｏｏ℃はＷの再結晶温度に
相当するため、再結晶化が進む。

次に時間経過に従フて抵抗が増加するのは使用中の雰囲
気により膜中に不純物が混入する、あるいは酸化するこ
とに起因する。そのためヒータとしては不安定で、しか
も長期信頼性に欠けるものであった。しかも、使用中に
膜の内部応力により基板と膜が剥離し、ヒータ、素子と
もに性能が不十分なものとなる問題点があった。

このように、高温動作素子は厚膜回路形成技術で両面に
膜密度の低いポーラス（多孔質）な膜を設けるか、薄膜
形成法により付着力の小さな、膜密度の高い緻密な膜を
設けるか、の二者択一の方法で形成され、ヒータ、素子
ともに性能が十分発揮されていなかった。

この発明は、上記のような従来の高温動作素子の問題点
を解決するためになされたもので、長期信頼性の高い高
温動作素子を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わる高温動作素子は、絶縁性部材の一面に
所定形状に、膜密度の低い多孔質の高温動作素子膜を形
成し、一方、上記絶縁性部材の他面には所定形状に、上
記高温動作素子膜より膜密度の高い抵抗体膜を形成して
、上記抵抗体膜にリード線を接合し、さらに上記抵抗体
膜を覆って、上記絶縁性部材上に絶縁性保護膜を形成し
たものである。

［作用］ この発明における高温動作素子における抵抗体膜は薄膜
形成法により形成された緻密な膜であるので、精度良く
パターンの形成ができ、また、抵抗体膜に融着した絶縁
性保護膜は使用雰囲気による抵抗体膜の酸化を防止し、
使用中の抵抗の変化を押さえるように作用する。同時に
使用時に基板と膜が剥離しないように押さえつけるよう
にも作用する。一方、素子側はポーラスなので、その目
的に応じて素子上に保護層、電子放出助剤塗布層、絶縁
層等を設けやすいようになじみやすくなっている。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図に基づいて説明す
る。第１図はこの発明の一実施例による高温動作素子を
示す断面構成図である。図において、（１）はセラミッ
クス基板（絶縁基板）、（２）はヒータ用の膜密度の高
い緻密な抵抗体膜、（３）はガラス質の保護コーティン
グＮ（絶縁性保護膜）、（４）は高温動作素子膜用の膜
密度の低いポーラスな膜、（５）はリード線である。そ
れぞれの材料に対しては、例えば、次のような要求を満
たすことが望ましい。基板（１）に対しては、熱伝導性
が良く、熱膨張率が抵抗体膜（２）のそれに近いこと、
良絶縁体であること、高温で絶縁破壊しないこと、平滑
なこと。そのため、人手性から考えて、ＡＩＮ。

Ａ！２０３等が考えられる。抵抗体膜（２）に対しては
、高温域での蒸気圧が低いこと、高温域での電気特性が
安定なこと。そのため、　Ｍｏ、Ｗ　、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔ
ｉＮ、ＴｉＣ等が考えられる。保護コーティングＮ（３
）に対しては、高温での拡散が小さいこと、使用温度以
上の軟化点、あるいは融点であること。そのため、Ｓｉ
Ｏ２，Ａｌ２Ｏ３等の高軟化点、高融点で安定なガラス
質が考えられる。例えば、５１０２であれば、軟化点１
７１０℃（水晶）、融点１４７０℃（結晶）、Ａｌ２Ｏ
３であれば融点２０３０℃である。また、Ｃａｂ、Ｖ２
Ｏ３等のように焼成時に外部へ飛散するものを含んだも
のでもよい。

リード線（５）に対しては、抵抗体膜（２）の特性と同
等なこと、抵抗体膜（２）の拡散係数と同等なこと、抵
抗体膜（２）と同材料が最も望ましい。素子用の膜り４
）としては、例えばその性能を向上させるために設ける
、保護層、電子放出助剤塗布層、絶縁層等とのなじみの
良いポーラスな膜であること。

上記のような材料で、第１図に示すような構造であれば
、リード線（５）に電圧を印加してヒータ、即ち抵抗体
膜（２）を加熱し、素子膜（４）を裏から温めて動作さ
せる高温動作素子の高性能化に適している。例えば素子
膜（４）から高電流密度を得ようとするものならば、素
子膜（４）上に電子放出助剤を塗布しておけば、長時間
の使用に対しても抵抗の変化は小さく、ヒータとして安
定で、またガラス質の保護膜で覆われているので剥離す
ることもなく、さらに素子膜がポーラスなので電子放出
助剤がよくなじみ高電流密度が得られる。

ここでは、上記条件を鑑み、基板上にＷが塗布され、こ
れらを同時に焼成したＷ同時焼成セラミックス基板とし
てＷ／ＡＩＮを用い、抵抗体膜（２）としてＷをスパッ
タ法で形成し、ガラス質の保護コーティング層（３）と
して５ｉｌｈを主成分とするガラス質の″うわぐす９″
を塗布した、高温動作素子の製造方法について述べる。

なお、参考写真１に実施例に用いたポーラスなＷ焼結基
板の表面写真を、参考写真２に緻密なＷスパッタ膜の表
面写真（参考写真ｌと同僚）を示す。

Ｗ同時焼成セラミックス基板（Ｗ　／　ＡＩＭ基板）の
Ｗ側を所定形状のパターンにエツチングした後、Ｗ　／
　ＡＩＭ基板のＡＩＮ側を機械的に研磨し鏡面仕上げす
る。この基板（１）上に所望のヒータパターンのマスク
を設定し、スパッタ法により所望の厚さ（数＋ｎ−ｎ−
１ＯのＷ抵抗体膜（２）を形成する。次にリード線（５
）を所望の場所に抵抗溶接等の手法で接合する。次にヒ
ータ用抵抗体膜（２）を覆うようにガラス質の°うわぐ
すり”をスプレィし、乾燥させ、コーティング層（３）
を形成する。次に真空中あるいは水素またはアルゴン中
で５〜１０分間焼成し、Ｗ抵抗体膜に融着させる。この
時の処理温度は”うわぐすり”の組成によって異なるが
、８００〜１４００℃程度である。ここで■うわぐすり
″というのは酸化物のいわゆるガラス質を含んだ溶液の
ことを示す。例えば、表１にＡ、Ｂ、Ｃ３種類のうわぐ
すりの組成を示すが、これはグラスタイプ・セラミック
スコーテイング材として市販されているものの１例であ
る。表１中フリットと呼ばれるものは、表２にその組成
を示すが、これが酸化物のいわゆるガラス質である。こ
のガラス質はヒータとしての使用中抵抗体膜（２）−に
僅かに生じた金属酸化物を溶解し、金属と金属の間隙を
埋めてシールコートとして働くので、抵抗体膜（２）と
の密着性も優れている。また、ガ′ラス質であるので電
気絶縁性が高く、高温用ヒータとしての機能に支障をき
たすことはない。

表１　　うわぐすり組成　（重量比） 表２ フリット組成　（重量％） またこの次のプロセスで素子膜表面に保護層、電子放出
助剤塗布層、絶縁層等を設ける場合、Ｗ粒子を原料とし
た焼結基板であるため、ポーラスで上記のような層がな
じみやすい。

高温での使用中に熱膨張係数の違いにより基板（１）、
抵抗体膜（２）、保護膜（３）の間で歪みが生じる可能
性があるが、前述したようにガラス質は間隙を埋めると
いったような柔軟な挙動を示し、歪みを緩和するように
作用するので、全面を被覆しても、歪みに間する問題は
ない。

さらに、リード線（５）も同様なガラス質で被覆処理さ
れたものを使用すると一層効果が上がる。

また、第２図に示すようにセラミックス基板の大面積に
渡って処理することも可能である。

なお、上記実施例では”うわぐすり”を塗布する手法に
ついて説明したが、ガラス質のターゲットを用意してス
パッタ法で成膜する等、ＰＶＤ、ＣＶＤの手法でガラス
質の保護コーティング層（３）を形成することができる
ことは言うまでもない。

ガラス質の組成に対しては、表２に示したような複合組
成でなくても５ｉ（）＋、　　Ａｌ２Ｏ３等のような単
一組成であっても良い。例えば基板（１）がＡｌ２Ｏ３
であれば、Ａｈ（ｈの保護Ｎ（３）をコーティングする
と不純物や拡散の影響を考慮しなくてもよくなる等のメ
リットもある。

また、上記実施例では同時焼成基板Ｗ／ＡＩＮを用い、
Ｗのエツチングにより所定形状の高温動作素子膜を得た
例について説明したが、素子用パターンをスクリーン印
刷したＷ／ＡＩＮ基板を用いてもよい。また、ポーラス
な表面が形成される手法であれば他の方法、例えば溶射
やクラディング等の方法で形成された膜を所定形状にエ
ツチングして高温動作素子膜を形成するようにしてもよ
い。

また、上記実施例ではＷ抵抗体膜（２）をスパッタ法に
より形成する方法について説明したが、電子ビーム蒸着
、レーザＰＶＤ法、イオンブレーティング等のいわゆる
ＰＶＤ法やＷ　Ｆ　ａ、Ｗ　（Ｃｏ）　ｓ。

ＷＣＩａガス等を用いたＣＶＤ法等の方法で形成するこ
とができることは言うまでもない。また、Ｗ以外の、例
えばＭｏ等の膜を形成する場合も同様である。

また、上記実施例での絶縁基板は水やアルカリと反応す
るＡＩＮであったため、ヒータパターン形成に湿式プロ
セスは避けたが、Ａｌ２Ｏ３等の基板であれば湿式プロ
セスで行ってもよい。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば絶縁性部材の一面に所
定形状に、膜密度の低い多孔質の高温動作素子膜を形成
し、一方、上記絶縁性部材の他面には所定形状に、上記
高温動作索子膜より膜密度の高い抵抗体膜を形成して、
上記抵抗体膜にリード線を接合し、さらに上記抵抗体膜
を覆って、上記絶縁性部材上に絶縁性保護膜を形成して
、高温動作素子を構成したので、基板との剥離の問題も
解決され、長期信頼性の高い高温ヒータの搭載しに高温
作動素子を提供できるという効果を有する。

また素子膜がポーラスであるので、素子の性能に応じて
素子上に設ける層とのなじみがよく、素子の性能向上が
容易に行えるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による高温作動素子を示す
断面構成図、第２図はこの発明の他の実施例による高温
作動素子を示す断面構成図、第３図は厚膜回路技術を利
用して、形成したた従来の高温動作素子を示す断面構成
図、第４図は薄膜形成法による従来の高温作動素子の製
造方法を示す説明図、及び第５図は従来の高温動作素子
における抵抗値の経時変化を示す曲線図である。 図において、（１）は絶縁基板（セラミックス基板）、
（２）は抵抗体膜、（３）は保護コーティング層、（４
）は素子膜、（５）はリード線である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 絶縁性部材の一面に所定形状に形成された、膜密度の低
   い多孔質の高温動作素子膜、上記絶縁性部材の他面に所
   定形状に形成され、上記高温動作素子膜より膜密度の高
   い抵抗体膜、上記抵抗体膜に接合されたリード線、及び
   上記抵抗体膜を覆って、上記絶縁性部材上に形成された
   絶縁性保護膜を備えた高温動作素子。