JPH10189225A - セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミックス基板上にヒーターおよびその通
電用の電極を配置したセラミックスヒーターにおいて、
それが過熱暴走した場合に確実にヒーターへの通電を遮
断する。 【解決手段】 セラミックス基板と、同基板上に形成さ
れ通電によって発熱するヒーター回路と、同ヒーター回
路に通電する電極とを有するセラミックスヒーターであ
って、アルミニウムを主成分とする導体部が、同ヒータ
ー回路の一部と直列に接続されているセラミックスヒー
ターである。このヒーターではヒーターが過熱暴走する
と導体部の主成分アルミニウムが酸化し、電気絶縁性の
アルミナに変わるためヒーターへの通電が遮断される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】セラミックス基板上に膜状の
ヒーター回路部を備えた通電式のいわゆるセラミックス
ヒーターであり、ヒーター自体にその過熱暴走を防ぐ加
熱通電の遮断機構を設けたヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気絶縁性のセラミックスを基板に用
い、その表面に膜状の通電式発熱部を設けたヒーター
は、家電製品、事務機器を中心に広範な用途に用いられ
ている。これらのヒーターには通常発熱部の温度を調節
する制御部が併設されている。同部が何らかのトラブル
を起こし、温度制御が効かなくなった場合には、温度ヒ
ューズが作動して一定時間内にヒーターの通電が遮断さ
れるようになっている。しかしながらこのヒューズが作
動する前にヒーターが何らかの形で通電状態となり過熱
暴走すると、ヒーターの周辺で発煙、発火し火災に至る
こともあった。

【０００３】このためこのような事態となっても、確実
かつ速やかにヒーターへの通電を遮断する安全策が種々
考えられてきた。特開平５−２０５８５１号公報には、
基板上にスルーホールもしくは溝を設けて、これらを起
点に基板自体を破断してしまう方法が紹介されている。
また特開平８−１８６３４０号公報には、基板と層状ヒ
ーターの間に昇華性物質の層を設け、過電流が流れると
その発熱で同層の昇華跡に空洞が形成されることによっ
て、空洞部上のヒーター層を過熱溶断させて通電遮断す
る方法が紹介されている。しかしながら特開平５−２０
５８５１号公報に紹介された方法では、高い熱衝撃抵抗
を有するセラミックスを基板に用いた場合、基板が破損
せず効果が無い場合もある。また特開平８−１８６３４
０号公報に紹介された方法では、昇華性物質が昇華した
空洞部の基板面に残留した場合には、ヒーター層自体の
過昇温状態が発現せず溶断による通電遮断ができない場
合もある。なお前者の場合には基板が破損し、後者の場
合にはヒーターが損傷するため、いずれの場合も通電を
遮断した後のヒーターの再生・再利用はできない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、セラ
ミックス基板を用いたセラミックスヒーターにおいて、
それが過熱暴走した場合確実にヒーターへの通電を遮断
する手段を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明では、基
板上のヒーター回路の一部に直列にアルミニウムを主成
分とする導体部を設ける。すなわち本発明によれば、セ
ラミックス基板と、同基板上に形成され通電によって発
熱するヒーター回路と、同ヒーター回路に通電するため
の電極とを有するセラミックスヒーターであって、アル
ミニウムを主成分とする導体部が、該ヒーター回路の一
部と直列に接続されているセラミックスヒーターを提供
する。これによって上記の諸問題が解消される。

【０００６】さらに本発明では以上の基本構成とし、特
に導体部の回路パターンの一部の断面積が、同パターン
に直接接続されたヒーターパターンの断面積よりも小さ
いものを提供する。またさらにそのセラミックス基板が
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスであるセ
ラミックスヒーター及びその導体部がレーザーを照射す
ることによって形成されている窒化アルミニウムを基板
としたセラミックスヒーターも提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記のように本発明のセラミック
スヒーターは、セラミックス基板上のヒーター回路の一
部に直列にアルミニウムを主成分とする導体部が設けら
れている。主成分のアルミニウムは大気中では非常に酸
化され易い物質であるが、常温から３００℃前後までは
その表面の極く一部だけが酸化されるのみで、その極く
薄い酸化被膜により内部のアルミニウム導体部の変質は
生じない。したがって通常使用時には導体部は、ヒータ
ーの一部にあって通電機能を果たすのみである。しかし
ながら４００℃を越えると空気中の酸素との反応が急激
に進むようになり、絶縁体であるアルミナになる。この
ためヒーターに過電流が流れて異常昇温すると、この導
体部の抵抗値が急激に上昇し発熱量が増加するため、急
激に酸化して絶縁部になり、基板を破壊させなくても通
電を確実に遮断することができる。

【０００８】また上記構成における導体部のパターン
で、そのパターン内の一部の断面積（すなわちほぼ膜の
巾と厚みの積に相当）を、ヒーターとの接続部における
ヒーターパターンの同様な断面積よりも小さくすること
によって、本発明の効果は促進される。導体部パターン
の断面積を一部分で小さくすることによって、断面積の
小さい部分では過熱によるアルミニウムの酸化が早く進
み、絶縁遮断がより低いヒーター表面温度で生じるよう
になる。これは導体部の断面積が小さいほど、酸化に必
要なエネルギーが少なくて済むこと、および単位断面積
当たりの酸化を進めるエネルギー密度が大きくなること
によるものである。

【０００９】例えば図３のハッチング部のように、上面
から見てその全長にわたりヒーター回路パターン１と同
じ巾で導体部の回路パターン２を形成しても、上記した
ヒーターへの通電遮断機能は働く。しかしさらに図３と
同じパターンで図４（Ａ）〜（Ｃ）のハッチング部のい
くつかの事例に示すように、同じ膜の厚みのままで導体
部のパターンの一部に巾の小さい箇所を設けることによ
って、通電の遮断はその部分において、より低い過熱温
度段階で起こる。また同様に同じパターン巾でもその膜
の厚みがヒーターのそれに比べ薄くすると、同様の効果
が得られる。

【００１０】本発明の対象とするセラミックス基板材は
基本的には絶縁性であればよいが、ヒーターの熱伝達効
率と耐熱衝撃性を考えると、それらに優れた窒化アルミ
ニウム、窒化硼素、炭化珪素、窒化珪素、アルミナもし
くはこれらの成分間の複合材料、これらを主成分とした
複合材料であることが望ましい。中でも窒化アルミニウ
ムが望ましい。

【００１１】ヒーター層の形成方法は、蒸着、スパッタ
等の薄膜法、溶射、吹き付け、印刷等の厚膜法が挙げら
れる。その材質は大気中アルミニウムの融点までの温度
でその比抵抗が殆ど上昇せず安定なものを用いるのが望
ましい。例えば Ni-Cr、Ta、Crおよびそれらを主成分と
する複合材料や合金、TaNのような導電性セラミック
ス、またはAg、Pt、Pt-Pd等の貴金属およびそれらを主
成分とする複合材料や合金のようなものを用いることが
できる。

【００１２】アルミニウム導体部の形成の方法には、蒸
着、スパッタ等の薄膜法、溶射、吹き付け、印刷等の厚
膜法が挙げられ、既存の成膜方法であればいずれの方法
でもよい。その場合の膜の厚みはヒーターの操作常用温
度によるが、回路中に流す電流の大きさによって変える
のが望ましい。導体部はヒーター回路中のいずれの場所
に配置してもよい。また形成箇所は一箇所のみで十分で
あるが、複数箇所でも構わない。ヒーターの通電熱効率
を考えれば、そのヒーター回路パターン中の面積比率は
小さいことが望ましい。なおヒーターの成膜をアルミニ
ウムの酸化が急速に始まる４００℃以上の温度、酸化性
雰囲気中での焼成によって行う場合には、この導体部形
成の前にヒーター回路パターンの焼き付けを行っておく
必要がある。

【００１３】すでに述べたようにヒーター回路の遮断さ
れる温度を下げるには、ヒーター部分に対する導体部分
の断面積比率をできる限り小さくする方が望ましい。そ
の場合には膜のパターン巾と膜の厚みをコントロールす
ればよいが、特に膜の厚みのコントロールによる影響が
大きい。上記した成膜するいずれの方法でも、アルミニ
ウム導体部の膜の厚みによって通電遮断できる温度を調
整することができる。アルミニウムの融点に近い比較的
高温で遮断しようと思えば、厚膜法で５〜３０μｍの範
囲とするのが好ましい。しかし更に低い温度の内に遮断
しようとする場合には、薄膜法で５μｍ未満とするのが
望ましい。より望ましい膜厚は０．５〜３μｍである。
膜の厚みが薄くなればなるほど導体部アルミニウム体積
に対する表面積の比率が大きくなり、その酸化による電
気抵抗値の上昇速度は加速的に大きくなる。したがって
遮断所要時間も加速度的に短くなる。したがってヒータ
ー隣接部品の発火点または耐熱温度を勘案して、安全を
見て導体部の位置並びに膜の厚みを選ぶ必要がある。

【００１４】基板が窒化アルミニウムの場合、導体部を
形成する部分にレーザーを照射することによって、その
部分にアルミニウムを析出させてもよい。この方法によ
れば極めて安価に効率よく、しかも高い位置精度・高い
寸法精度で導体部を形成することができる。なおヒータ
ーの成膜をアルミニウムの酸化が急速に始まる４００℃
以上の温度、酸化性雰囲気中での焼成によって行う場合
には、この導体部形成の前にヒーターの焼成を行ってお
く必要がある。

【００１５】本発明のセラミックスヒーターでは、導体
部の酸化によって通電が遮断された後、遮断時の昇温に
よってヒーター回路自体の発熱機能が損なわれない限
り、再生することができるため再利用が可能である。再
生処理は先ずヒーターを大気中７００〜８００℃で熱処
理し、次いで水で洗い流せばよい。導体部のアルミナは
セラミックス基板及びヒーター層とは通常反応せず、そ
れらには固着しないからである。その後基板上に再度導
体部を形成する。

【００１６】

【実施例】

（実施例１） ２５ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの窒化アル
ミニウム基板を準備した。次に図１に示す斜線部のヒー
ター回路パターン１でAg-Pdペーストをスクリーン印刷
した後、大気中８００℃で焼成し同回路パターンを基板
上に形成した。回路の膜の厚みは１０μｍであった。そ
の後同回路の一部の表面（図１のハッチング部）にレー
ザーを照射して、その部分にアルミニウムを析出させ、
長さ５ｍｍ、巾は直接接続されたヒーター回路パターン
部と同じ１ｍｍの導体部回路パターン２を形成した。こ
の導体部の膜の厚みは１．０μｍであった。さらにAg-P
dヒーター回路と接続するため、同回路に１ｍｍずつか
かるように、長さ７ｍｍにわたってレーザーを照射し
た。

【００１７】でき上がったヒーター回路に通電し、発熱
昇温を行ったところ基板表面の温度が４２０℃になった
時にアルミニウム導体部の一部が白色となり、通電が遮
断された。遮断後ヒーターを大気中７５０℃で熱処理
し、水に浸けて超音波洗浄した。導体部には残査は無
く、Ｘ線回折の結果でもAl及びアルミナは確認されなか
った。その後当初と同じ方法でレーザーを照射して再び
ヒーターとして通電したところ上記と同じ基板温度で通
電が遮断された。なお基板の表面温度は赤外線輻射温度
計によって測定した。

【００１８】同様の窒化アルミニウム基板を用い、ヒー
ター材質にNi-Cr、TaN、Taを用いて上記と同様の方法で
ヒーターを作成して評価をした結果、上記同様の通電遮
断効果が認められ、上記同様ヒーターの再生・再利用が
可能であることが確認された。

【００１９】（実施例２） 基板材料として実施例１と
同じ形状の窒化珪素・アルミナ・窒化硼素の各焼結体、
表面を窒化アルミニウムで被覆した炭化珪素焼結体及び
実施例１と同じ窒化アルミニウム焼結体基板を用意し
た。実施例１と同じヒーター回路パターン・膜厚みで、
実施例１と同様に先ずAg-Pdペーストを印刷塗布焼き付
けし、さらに実施例１と同じ部分に同じ導体部パターン
形状でAlペーストを印刷塗布した。その後４５０℃の大
気中で焼成し全ての回路を焼き付けた。この導体部の膜
の厚みは１５μｍであった。

【００２０】でき上がったヒーター回路に通電を行い発
熱昇温を行なったところ、いずれのヒーターも６００〜
６２０℃の基板表面温度で導体部の一部が白色化し、通
電が遮断された。遮断後に実施例１と同じように大気中
で熱処理し超音波水洗を行った。いずれのヒーターも導
体部の残査は見られず、またＸ線回折でもAl及びアルミ
ナは確認されなかった。ついで当初と同じ要領でヒータ
ー回路のアルミニウム導体部を再生して、ヒーターを昇
温していったところいずれのヒーターも当初とほぼ同じ
基板温度に達した時点で通電が遮断された。

【００２１】（実施例３） 実施例２と同様の窒化珪
素、アルミナ、窒化アルミニウムの各焼結体からなる基
板を用意した。基板の一方の面に実施例１と同様の方法
で図１のAg-Pdヒーター回路パターンを形成した。その
後このパターン上に実施例１と同じ位置、同じ長さ・巾
寸法で厚み３．５μｍのアルミニウム層を真空蒸着法に
よって形成し、導体部とした。実施例１同様に通電過熱
試験をした結果、いずれの基板も５２０〜５５０℃の基
板表面温度で導体部が白色化し、通電が遮断された。

【００２２】（実施例４） 図１と同じ外形で、同図の
ハッチング部分の無い斜線部パターンでAg-Pdヒーター
塗膜を形成したこと以外は実施例１と全く同じ方法で、
窒化アルミニウムを基板とするセラミックスヒーターを
用意した。その後実施例１と同じ位置・同じ寸法範囲
（すなわちほぼ図１のハッチング部に相当する範囲）に
レーザーを照射した。この照射によってAg-Pdの塗膜が
除去されるとともに、その下の窒化アルミニウム基板上
に膜厚みが１．２μｍのアルミニウム導体部が形成され
た。実施例１と同様の通電過熱試験を行ったところ基板
の表面温度が４６０℃の時に通電が遮断された。このヒ
ーターは実施例１と全く同じ熱処理と洗浄によって再生
再利用できることが確認された。

【００２３】（実施例５） 実施例２と同様の窒化珪
素、アルミナ、窒化アルミニウムの各焼結体からなる基
板を用意した。基板の一方の面に実施例１と同様の方法
により、図２の斜線部のパターンで厚み１０μｍのAg-P
dヒーター回路パターンを形成した。その後図２のヒー
ター回路パターンの未接続部に図のハッチング部形状で
厚み１５μｍの導体部を、実施例２と同じ方法でアルミ
ニウムペーストを塗布・焼き付けすることによって形成
した。アルミニウム導体部の最小巾は直接接続したAg-P
dヒーター回路の巾の１／２であった。 実施例１と同様
にして通電回路遮断温度を確認したところ、いずれのヒ
ーターも５１０〜５３０℃であった。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、ヒー
ター回路中に同回路に直列にアルミニウムの導体部を設
けることによって、ヒーターの過熱暴走時にその通電を
確実に遮断することができる。さらに大気中アルミニウ
ムの融点までの温度で、その比抵抗値が安定なヒーター
材料を用いれば、通電遮断後にアルミニウム導体部を再
生することによって、再利用可能なヒーターとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のセラミックスヒーターのヒータ
ー回路パターン（上面図）を示す。

【図２】本発明実施例のセラミックスヒーターのヒータ
ー回路パターン（上面図）を示す。

【図３】本発明実施例のセラミックスヒーターのヒータ
ー回路パターン（上面図）を示す。

【図４】本発明実施例のセラミックスヒーターのヒータ
ー回路パターン（上面図）を示す。

【符号の説明】

１：ヒーター回路パターン ２：導体部回路パターン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板と、該基板上に形成さ
   れ通電によって発熱するヒーター回路と、該ヒーター回
   路に通電するための電極とを有するセラミックスヒータ
   ーであって、アルミニウムを主成分とする導体部が、該
   ヒーター回路の一部と直列に接続されていることを特徴
   とするセラミックスヒーター。
2. 【請求項２】 前記導体部の回路パターンの一部の断面
   積が、該回路に直接接続しているヒーター回路パターン
   の断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の
   セラミックスヒーター。
3. 【請求項３】 前記セラミックス基板が窒化アルミニウ
   ムを主成分とするセラミックス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スヒーター。
4. 【請求項４】 前記導体部がレーザーを照射することに
   よって形成されていることを特徴とする請求項３に記載
   のセラミックスヒーター。