JP4818922B2

JP4818922B2 - セラミックヒータの製造方法

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Publication number: JP4818922B2
Application number: JP2006528624A
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Inventors: 竜一長迫; 修濱田
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Filing date: 2005-06-24
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Description

本発明は、センサ加熱用ヒータ、特に自動車用の空燃比検知センサ加熱用、気化器用ヒータ、ヘアアイロン、半田ごてなどに使用するセラミックヒータの製造方法に関するものである。

従来より、アルミナを主成分とするセラミックス中に、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体を埋設してなるアルミナセラミックヒータが、広く用いられている。
例えば、円柱状のセラミックヒータを製造する場合は、図１０に示すようにセラミック成形体１２とセラミックグリーンシート１３を用意し、セラミックグリーンシート１３の一方の面にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ等の高融点金属からなる発熱抵抗体１４とリード引出部１５を形成し、電極パッドを裏面（他方の面）に形成（図示しない）した後、発熱抵抗体１４とリード引出部１５が内側になるようにセラミック成形体１２に巻きつけて密着焼成する。なお、リード引出部１５と電極パッドは、セラミックグリーンシート１３に形成されたスルーホール１６により接続されている（例えば、特許文献１参照）。

このように、従来のセラミックヒータは、ペースト状の発熱抵抗体１４をセラミック成形体１２及びセラミックグリーンシート１３と同時焼成することにより形成されている。そして、このようにして作られるセラミックヒータの発熱抵抗体は、複数回折り返えされた曲折した形状になっている（特許文献２の図１等）。

また、特許文献３〜特許文献５には、一対の把持部材の基部を軸で開閉自在に連結し、軸受部に設けられたばねの付勢により、常時両把持部材の先端部を互いに開放するとともに、両把持部材の先端部の開口部の内側にそれぞれヒータ板を備えたヘアアイロンが開示されている。

このヘアアイロンはセラミック製の絶縁板にニクロム線を巻いて両面をさらに絶縁板で覆ったヒータ板を板状体に嵌合させたり、板ばねにより押圧してヒータ板からの熱を板状体に伝える構造となっていた。
特開２００１−１２６８５２号公報特開２００１−１０２１５６号公報特開２０００−２３２９１１号公報特開２００２−２９１５１７号公報特開２０００−１４４３８号公報

しかしながら、最近、セラミックヒータは、より高温環境下で使用されるようになり、これにより耐久性の低下が問題になっていた。すなわち、高温での連続通電を行うと、隣り合ったパターン間の絶縁性が劣化して耐久性が低下し、ついにはスパークを引き起こしたり断線したりするという問題が発生するようになってきている。
また、ニクロム線からなる発熱体を絶縁板に巻いて作製されたヒータは、加熱通電の繰り返しにより断線したり、発熱体が空気中の水分と反応して反応層を形成して発熱体の抵抗値が大きくなり、所定の電圧で所定の温度に達しない虞があり、耐久性が劣るとの問題があった。

また、ニクロム線からなるヒータ板は発熱体を均一にヒータ板に配設することが難しく板状体の加熱面を均一に加熱できないとの問題があった。

また、ヒータ板の加熱面と板状体の面とが一様に熱的に接触していないことから、ヒータ板の熱を板状体に一様に伝えることが難しく、加熱面の温度を均一にできないとの問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高温での絶縁低下を防止し耐久性のよいセラミックヒータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るセラミックヒータの製造方法は、
第一のセラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを所定のパターンで形成する工程と、
該第一のセラミックグリーンシートの導体ペーストが形成された面に、少なくとも該導体パターンと同じ厚さを有し、前記第一のセラミックグリーンシートより柔軟でありデジタルインジケータにて測定したときの直径１ｍｍの針が３０秒間で侵入する深さが２００μｍ以上の硬さの第二のセラミックグリーンシートを積層することにより、セラミックグリーンシート積層体を作製する工程と、
該セラミックグリーンシート積層体を円柱状のセラミック成形体に巻きつけてはり合わせる工程と、
そのはり合わせたセラミックグリーンシート積層体及びセラミック成形体を焼成する工程を含んでなることを特徴とする。

本発明に係るセラミックヒータの製造方法は、得られるセラミックヒータの前記導体間におけるセラミック体のボイド占有率を０．０１〜５０％とし、高温での絶縁低下を防止することができ、耐久性の高いセラミックヒータを提供することができる。

本発明のセラミックヒータの製造方法により得られるセラミックヒータの参考の形態１の構成を示す一部破断斜視図である。図１のセラミックヒータにおけるＸ−Ｘ線についての断面図である。参考の形態１の円柱状のセラミックヒータにおける導体間を拡大して示す断面図である。参考の形態１の変形例に係る平板状のセラミックヒータにおける導体間を拡大して示す断面図である。参考の形態２のヘアアイロンの構成を示す一部切り欠き側面図である。図５のヘアアイロンに用いるヒータ板と板状体の位置関係を示す正面図である。図６のＸ−Ｘ線についての断面図である。参考の形態２の変形例の加熱装置の断面図である。参考の形態２の加熱装置に用いるヒータ板の平面図である。従来例のセラミックヒータの展開図である。

１：セラミックヒータ、
２：セラミック芯材、
３：セラミックシート、
４：発熱抵抗体、
５：リード引出部、
６：スルーホール、
７：電極パッド、
８：リード部材、
Ａ：円柱状セラミックヒータにおける導体間の領域、
Ｂ：平板状セラミックヒータにおける導体間の領域、
５：加熱装置、
５０：把持部材、
５２：軸、
５３：コイルバネ、
５４：軸受け部、
５５：板状体、
５５ａ：加熱面、
５７：ヒータ板、
５８：抵抗発熱体、
５９：バネ、
６１：リード線、

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
参考の形態１．
図１は、本発明のセラミックヒータの製造方法により得られるセラミックヒータ１の参考の形態１の構成を示す一部破断斜視図であり、図２は図１のＸ−Ｘ線についての断面図である。

参考の形態１のセラミックヒータ１は、セラミック芯材２とセラミックシート３からなるセラミック体中に、発熱抵抗体４が内蔵されてなる。ここで、発熱抵抗体４は、導体パターンにおける折り返し部からなり、この発熱抵抗体４が形成される部分において、近接する導体間にあるセラミック体のボイド占有率が０．０１〜５０％であることを特徴とするものである。

このセラミックヒータ１は、発熱抵抗体４とリード引出部５が表面に形成され、電極パッド７が裏面に形成されたセラミックグリーンシート（焼成後はセラミックシート３）を、発熱抵抗体４とリード引出部５が内側になるようにセラミック成形体（焼成後はセラミック芯材２）に巻きつけて密着焼成することによって得られる。なお、リード引出部５と電極パッド７は、セラミックシート３に形成されたスルーホール６により接続されている。

セラミック体は、セラミック成形体が焼成されてなるセラミック芯材２と、セラミックグリーンシートが焼成されてなるセラミックシート３で構成される。このセラミック体は、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、主成分としてアルミナまたは窒化珪素を採用するのが好ましく、これにより急速昇温並びに耐久性に優れたセラミックヒータ１を得ることが出来る。例えばアルミナセラミックスの場合、Ａｌ_２Ｏ_３を８８〜９５重量％、ＳｉＯ_２を２〜７重量％、ＣａＯを０．５〜３重量％、ＭｇＯを０．５〜３重量％、ＺｒＯ_２を１〜３重量％からなる組成のものを用いることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３含有量が８８重量％未満であると、ガラス質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恐れがある。一方、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が９５重量％を超えると、セラミックヒータ１中に内蔵された発熱抵抗体４の金属層内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒータ１の耐久性が劣化する恐れがある。また、窒化珪素質セラミックスの場合、主成分の窒化珪素に対し焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ_２を混合するのが好ましい。ここで示すＳｉＯ_２量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ_２と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ_２と、意図的に添加したＳｉＯ_２の総和である。また、母材の窒化珪素にＭｏＳｉ_２やＷＳｉ_２を分散させることにより、母材の熱膨張率を発熱抵抗体４の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体４の耐久性を向上させることが可能である。

また、発熱抵抗体４は、蛇行した導体パターンにより構成され、この発熱抵抗体４に対して、抵抗値が１／１０程度となるように形成されたリード引出部５が接続される。これらは、通常、作業を簡便化するために、セラミックグリーンシート（焼成後は、セラミックシート３となる）の上に発熱抵抗体４およびリード引出部５を同時にプリント形成する場合が多い。なお、折り返し部は、所望の抵抗値になるようにＵ字に折り返された形状や蛇行する形状も含むものである。

ここで、セラミックヒータ１の寸法については、例えば、外径ないしは幅が２〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度にすることが可能である。自動車の空燃比センサ加熱用のセラミックヒータ１としては、外径ないしは幅が２〜４ｍｍ、長さが５０〜６５ｍｍとすることが好ましい。また、自動車用の用途では、発熱抵抗体４の発熱長さが３〜１５ｍｍとなるようにすることが好ましい。発熱長さが３ｍｍより短くなると、通電時の昇温を早くすることができるが、セラミックヒータ１の耐久性を低下させる。発熱長さを１５ｍｍより長くすると昇温速度が遅くなり、昇温速度を早くしようとするとセラミックヒータ１の消費電力が大きくなるので好ましくない。なお、発熱長さというのは、図１に示す蛇行する発熱抵抗体４の長手方向の長さであり、この発熱長さは、その目的とする用途により、適宜選択されるものである。

なお、図２において、セラミック芯材２とセラミックシート３の間に境界線を描いているが、実際は、未焼成のセラミック成形体とセラミックグリーンシートがはりあわせられた後、焼成されることにより、このはり合わせ面としての境界はなくなる場合が多い。

参考の形態１では、セラミックヒータ１の電極パッド７に、焼成後１次メッキ層を形成することが好ましい。この１次メッキ層は、リード部材８を電極パッド７の表面にロウ付けする際に、ロウ材の流れを良くし、ロウ付け強度を増すためである。１次メッキ層は１〜５μｍ厚みとすることで密着力が高くなるので好ましい。１次メッキ層の材質としては、Ｎｉ、Ｃｒ、もしくはこれらを主成分とする複合材料が好ましく、耐熱性に優れたＮｉを主成分とするメッキがより好ましい。

また、湿度が高い雰囲気中で使用する場合、Ａｕ系、Ｃｕ系のロウ材を用いた方がマイグレーションが発生しにくくなるので好ましい。ロウ材としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ系の物が耐熱性が高く好ましい。特にＡｕ−Ｃｕロウ、Ａｕ−Ｎｉロウ、Ｃｕロウが耐久性が高いためより好ましい。ロウ材の表面には、高温耐久性向上及び腐食からロウ材を保護するために通常Ｎｉからなる２次メッキ層を形成することが好ましい。

また、リード部材８の材質としては、発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード部材８の温度が上昇することから、耐熱性良好なＮｉ系やＦｅ−Ｎｉ系合金等を使用することが好ましい。

そして、参考の形態１の特徴とするところは、導体パターンが内蔵されてなるセラミックヒータ１において、導体パターンは、発熱抵抗体４を構成する折り返し部を有し、その折り返し部にて隣接する任意の導体間におけるセラミック体のボイド占有率が０．０１〜５０％となっている点にある。尚、その折り返し部にて隣接する任意の導体間におけるセラミック体のボイド占有率は、より好ましくは０．１〜４０％、さらに好ましくは１〜２０％である。ボイド占有率が０．０１％未満であると、急速昇温と急速降温を繰り返した場合、加熱部である発熱抵抗体４が加熱膨張した際、発熱抵抗体４の周囲のセラミック体の熱の散逸が不十分であることから、セラミック体の熱膨張が発熱抵抗体４の熱膨張に追随せず、発熱抵抗体の縁部４１へ応力が集中して、クラックが発生したり断線したりする恐れがある。一方、このボイド占有率が５０％より大きいと、高温で連続通電を行った場合、加熱部である発熱抵抗体４の周囲のセラミック体の絶縁性が劣化し耐久性能が低下する傾向がある。なお、セラミックグリーンシートをセラミック成形体にそのままはりつけて密着焼成させると、上記範囲のボイド占有率より大きな数値となってしまう。したがって、上記範囲のボイド率とするためには、後述の製造方法が採用される。

図２は、長手方向に垂直な断面の一例を示す断面図（図１に示すＸ−Ｘ線断面図）であり、導体パターンの折り返し部（発熱抵抗体４）における導体が、セラミック芯材２の外周円状に配置された状態を示している。ここで、導体間におけるセラミック体のボイド占有率が０．０１〜５０％とは、図３に示すように、近接する任意の導体パターン（図３における４ａと４ｂ）間におけるセラミック体のボイドを測定したときの占有率が０．０１〜５０％であることを意味する。そして、セラミック体のボイド占有率が０．０１〜５０％である部分は、長手方向に垂直に発熱抵抗体４を切断するような断面のどの部分であってもよい。なお、導体間とは、セラミック体が円柱状の場合は、図３に示すように、近接する導体パターン４ａの上辺と４ｂの上辺とをセラミック芯材２の外周円（言い換えれば、セラミック体の外表面）に沿って結んだ線と、導体４ａの下辺と４ｂの下辺とをセラミック芯材２の外周円に沿って結んだ線と、導体４ａ，４ｂの表面で囲まれる領域Ａのことをいう。また、セラミック体が平板状の場合は、図４に示すように、近接する導体４ｃの上辺と導体４ｄの上辺を結んだ線と、導体４ｃの下辺と導体４ｄの下辺を結んだ線と、導体４ｃ，４ｄの表面で囲まれる領域Ｂのことをいう。
尚、本明細書において、セラミック体が円柱状の場合における、セラミック芯材２の外周とその外周に沿ってその外周から導体の厚さだけ離れた外周とによって挟まれた円環領域、セラミック体が平板状の場合における、各導体の上辺に接するように結んだ線と、各導体の下辺に接するように結んだ線とによって挟まれた内部領域のことを導体形成領域という。すなわち、上述のように定義される導体間は、導体形成領域のうちの隣接する導体間に位置する部分をいう。

さらに参考の形態１のセラミックヒータでは、隣接する導体間において存在するボイドの外表面に沿った長さが、導体の間隔の１／２の長さ以下であることが好ましい。すなわち、導体パターンの折り返し部において、隣接する導体間を外表面に沿って結ぶ任意の線上で、導体間におけるセラミック体中にこの線の長さ（導体間の距離）の１／２を超える長さのボイドが存在しないのが好ましい。ボイドの長さが導体間の距離の１／２を超えると、高温で連続通電を行った場合に、加熱部である発熱抵抗体４で囲まれるセラミック体の絶縁性が劣化し、これによって耐久性が劣化する。なお、任意の線とは、例えば図３に示す円柱状のセラミックヒータの場合にあっては、領域Ａ内における隣り合う導体４ａと４ｂを外表面に沿って結ぶ任意の線のことをいう。この場合の任意の線は、図３に示す円柱状セラミックヒータの断面図の外郭線（セラミック体の外表面）からなる円の中心とほぼ同じ中心を有する円弧状の曲線となる。また、図４に示す平板状のセラミックヒータの場合にあっては、領域Ｂ内における隣り合う導体４ｃと４ｄを結ぶ任意の直線のことをいう。

さらに、導体パターン、特に発熱抵抗体４を構成する導体の厚さが５〜１００μｍであることが好ましい。導体パターンの厚さが５μｍ未満では、近接する任意の前記導体間のボイドは防止できるが、高温連続耐久、高温サイクル耐久試験において、加熱部である発熱抵抗体４の抵抗変化及び断線を引き起こし、耐久性能が劣化する。一方、導体パターンの厚さが１００μｍを超えると、隣接する任意の導体間のボイド率を５０％以下に抑えることが難しくなる傾向にある。

次に、近接する任意の導体間におけるセラミック体のボイド占有率を０．０１〜５０％にするための本発明のセラミックヒータの製造方法について述べる。

一例として、第一のセラミックグリーンシートの表面に導体パターンを形成し、第一のセラミックグリーンシートの導体パターン形成面側に少なくとも導体パターンの厚みと略同じ厚み、好ましくは同じ厚みであって第一のセラミックグリーンシートより柔軟な第二のセラミックグリーンシートを積層させる方法を採用することができる。この方法によれば、導体パターンの厚み分の空隙を、柔軟な第二のセラミックグリーンシートで埋めることにより、パターン間のボイドを排除することが出来る。ここで、第二のセラミックグリーンシートは第一のセラミックグリーンシートより柔軟である必要があり、第二のセラミックグリーンシートが柔軟であると、導体パターンを施した第一のセラミックグリーンシートに柔軟な第二のセラミックグリーンシートをはり合わせた時に、少なくとも導体間の中心部において双方のセラミックグリーンシート同士が密着されるからである。ここで、このセラミックグリーンシートの硬さは、デジタルインディケータ(ミツトヨ製)にて測定を行い、φ１ｍｍの針が３０秒間で侵入する深さが２００μｍ以上であるのが好ましい。セラミックグリーンシートの硬さ、すなわち上記侵入深さが２００μｍ未満では、導体間に密に接触しないためにボイドを形成してしまうからである。なお、パターン間の空隙を減少させるためにプレス等を用いて圧力をかけてもよい。

また参考としての他の製造方法は、ペーストをスクリーン印刷する方法も採用できる。この方法は、以下のようになされる。まず、セラミックグリーンシートに発熱抵抗体４とリード引出部５をスクリーン印刷にて行う。このとき、スクリーン印刷にて塗布するペーストは、高融点金属（Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ等）を主成分とする粉末と接着成分からなる有機樹脂系のバインダー、主にエチルセルロース、ニトロセルロース及び希釈剤として用いられる有機溶媒、主にＴ．Ｐ．Ｏ(テルピネオール)、Ｄ．Ｂ．Ｐ(ジブチルフタレート)、Ｄ．Ｏ．Ｐ(ジオクチルフタレート)、Ｂ．Ｃ．Ａ(ブチルカルビトールアセテート)等を混合してなる物である。これらペーストを生厚み５〜１５０μｍの範囲で印刷する。また、発熱抵抗体４の抵抗値が、リード引出部５の抵抗値の約１０倍となるように、線幅、印刷厚み、あるいは、ペーストの比抵抗等を調整して導体パターンを形成する。次に、近接する導体間の厚み分の空隙を充填するために、絶縁物を含有するペーストをスクリーン印刷にて施す。このときに用いるペーストは、高融点の絶縁物で、主にセラミックグリーンシートと同一組成、すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３を８８〜９５重量％、ＳｉＯ_２を２〜７重量％、ＣａＯを０．５〜３重量％、ＭｇＯを０．５〜３重量％、ＺｒＯ_２を１〜３重量％からなるアルミナセラミックスに接着成分からなる有機樹脂系のバインダー、主にエチルセルロース、ニトロセルロース及び希釈剤として用いられる有機溶媒、主にＴ．Ｐ．Ｏ(テルピネオール)、Ｄ．Ｂ．Ｐ(ジブチルフタレート)、Ｄ．Ｏ．Ｐ(ジオクチルフタレート)、Ｂ．Ｃ．Ａ(ブチルカルビトールアセテート)等を混合してなる物である。さらに、ペーストとしては、セラミックグリーンシート組成以外にアルミナ単一成分もしくは、体積固有抵抗が１０^８Ω以上の絶縁性を有するものが使用できる。ここで、ペーストの粘度は、５０ｄＰａ・ｓ〜１０００ｄＰａ・ｓの範囲で調整して印刷することが望ましい。ペーストの粘度が５０ｄＰａ・ｓ以下になると印刷性には優れるが生密度が低いために、乾燥収縮量が大きくなり導体パターン上辺部に段差が生じ、焼成後にボイドが発生し易くなる。また、１０００ｄＰａ・ｓ以上の粘度では、レベリング性が低下するために、被膜中にボイド等が生じやすくなるために好ましくない。なお、スクリーン印刷は、発熱抵抗体、及びリード引出部を反転させたスクリーンで行う。

さらに参考としての他の製造方法として、ディスペンサーを用いた充填方法も採用できる。上述のように、ペースト粘度が１０００ｄＰａ・ｓ以上の物は、生密度を高く設定することが可能となり、乾燥収縮による縮み量を限りなく小さくすることが出来る為に、導体間の空隙を確実に充填させることが出来るが、スクリーン印刷による方法は好ましくなく、採用することができない。したがって、このような高粘度のペーストを使用する場合は、ディスペンサーを用いた充填方法が好ましく採用できる。

このように、スクリーン印刷またはディスペンサーを用いる方法では、導体パターン上ではなく導体間に絶縁物を充填させることができる点で有効な方法である。

なお、参考の形態１では円柱状のセラミック成形体にセラミックグリーンシートが巻きつけられ焼成されてなるセラミック体について開示しているが、平板状のセラミック成形体あるいは、セラミックグリーンシートに導体等の印刷を施したセラミックグリーンシートをはりあわせ焼成されてなるセラミック体でもよい。

参考の形態２．
次に、参考の形態２の加熱装置５１について説明する。

図５は、参考の形態２の加熱装置５１を使用したヘアアイロン１００の一構成例を示す一部切欠側面図である。この図５において、５０は把持部材であり、５２は一対の把持部材５０を開閉自在に連結する軸であり、５３は軸受け部５４内に装着されて両把持部材の先端部を常時開放方向に付勢するコイルバネである。５５は両把持部材５０の先端部に設けた開口部５６にそれぞれ嵌合して向かい合う板状体５５であり、５７は板状体５５の裏面に密着したヒータ板を示す。

図６は図５の加熱装置５１から取り出したヒータ板５７と板状体５５の位置関係を示す正面図であり、図７はそのＸ−Ｘ線断面図である。ヒータ板５７の熱はヒータ板５７の一方の主面５７ａを介して板状体５５の一方の主面５５ｂに伝わり板状体５５の他方の主面である加熱面５５ａを均一に加熱することができる。

このような構成とすることで、小型のセラミックス製のヒータ板５７を使って広い加熱面５５ａを有する板状体５５を効率良く均一に加熱することができる。

この図５のヘアアイロンは、把持部材５０を指で押さえて板状体５で髪を挟み、髪を一様に加熱することができる。

すなわち、参考の形態２の加熱装置５１は、板状セラミックス体に抵抗発熱体５８を埋設したヒータ板５７と、被加熱物を加熱する加熱面５５ａを備えた板状体５５とからなり、板状体５５の一方の主面５５ｂと上記ヒータ板５７の一方の主面５７ａが接触する加熱装置５１である。そして、上記加熱面５５ａが平面部とその周辺に備えたＣ面或いは曲面の面取り部からなり、ヒータ板５７の厚みＨが０．５〜５ｍｍであることを特徴とする。ヒータ板５７は板状セラミックス体の内部に抵抗発熱体５８が埋設されており、抵抗発熱体５８を大気から遮断し、抵抗発熱体５８が大気中に含まれる水分等によって腐食を受けることを防止することができる。また、板状セラミックス体の内部に埋設されている抵抗発熱体５８はそれ自体が有する電気抵抗によって一定の電力が印加されると所定の温度にジュール発熱し、ヒータ板５７を発熱体として要求される所定温度に昇温させることができる。

そして、上記加熱面５５ａが平面部とその周辺に備えたＣ面或いは曲面の面取部からなることで、被加熱物が加熱面５５ａに摺動しながら挿入されても被加熱物に損傷を与える虞が少ない。このように被加熱物が毛髪である場合には毛髪に損傷を与え難くするために、上記面取部がＣ面の場合、その大きさＷｃは０．１〜５ｍｍであると好ましく、より好ましくは０．３〜４ｍｍである。更に好ましくは１〜３ｍｍである。また、上記面取部が曲面である場合、曲面とは端面に垂直な断面において円弧や２次曲線で形成することで、その幅Ｗｒが０．２〜５ｍｍであると被加熱物への損傷を少なくする上で好ましい。より好ましくは０．３〜４ｍｍであり、更に好ましくは１〜３ｍｍである。

また、ヒータ板５７の厚みＨは、０．５〜５．０ｍｍであるとヒータ板５７の熱を板状体５５に効率良く伝えることができる。ヒータ板５７の厚みが０．５ｍｍ未満であると、板状体５５の一方の主面の平坦度が０．０２〜０．２ｍｍと大きいことからヒータ板５７を装着した際に応力が加わりヒータ板５７が破損する虞がある。

また、ヒータ板５７の厚みが５ｍｍを越えると、ヒータ板５７を板状体５５に装着してもヒータ板５７の一方の主面５７ａが変形することがなく、ヒータ板５７の一方の主面５７ａと板状体５５の一方の主面５５ｂが広く接触することができず、板状体５５の加熱面５５ａを均一に加熱することができないからである。

従って、ヒータ板５の厚みは０．５〜５ｍｍであるとヒータ板５７の一方の主面５７ａと板状体５５の一方の主面５５ｂがそれぞれに合わせて変形することから加熱面５５ａを広く均一な温度に加熱することができる。更に好ましくはヒータ板５５の厚みは１〜３ｍｍである。

また、板状体５５の一方の主面５５ｂとヒータ板５７の一方の主面５７ａとの間に伝熱部材６３を備えることが望ましい。伝熱部材６３があると上記表面粗さＲａのヒータ板５７の一方の主面５７ａと板状体５５の一方の主面５５ｂとの間の熱伝達がより容易となり、ヒータ板５７の熱を板状体５５に効率よく伝えることができて好ましい。

伝熱部材６３はシリコン系樹脂或いは熱伝導率の大きな金属微粒粉末を混合した樹脂であることが望ましい。上記金属微粒粉末として金、銀、銅、ニッケルは熱伝導率が大きく好ましい、より好ましくは銀である。また、樹脂としてはシリコン樹脂やフッ素樹脂を用いることができる。更に、伝熱部材は板状体５５の一方の主面５５ａとヒータ板５７の一方の主面５７ａの間の隙間を無くすことが出来るとともに、上記板状体５５とヒータ板５７との熱膨張差による伸縮ズレが発生しても伝熱部材６３により主面５５ａと主面５７ａの間の熱伝導を変化させることなく加熱面５５ａの温度差が大きくなることを防ぐことができて好ましい。

また、加熱装置５１はヒータ板５７の一方の主面５７ａの表面粗さＲａが１〜３０であることが好ましい。ヒータ板５７の一方の主面の５７ａの表面粗さＲａが１．０を下回ると板状体５５との接触面を介して一様に熱を伝えることが困難であり、被加熱面５５ａの面内温度差が大きくなる虞があるからである。また、上記表面粗さＲａが３０を越えると、表面粗さが大きくなり過ぎて板状体５５との実質的な接触面積が小さくなり板状体５５を均一に加熱できなくなる虞があるからである。更に好ましくはヒータ板５７の一方の主面の表面粗さＲａは、３〜１０である。

図５、６の加熱装置５１は板状体５５の爪５５ｃでヒータ板５７を押え板状体５５とヒータ板５７を接触させている（図７）が、爪５５ｃでヒータ板５７を直接押える代わりに、図８に示すように爪に固定されたバネ５９でヒータ板５７を押え板状体５５の一方の主面５５ｂとヒータ板５７の一方の主面５７ａを弾性的に押圧して接触させることもできる。バネ５９の押圧部を複数設定することでよりヒータ板５７と板状体５５の主面を広い範囲で接触させることができることから好ましい。そして、バネ５９は複数の支点を備えた板バネで構成することが好ましい。

また、板状セラミックス体はアルミナ、ムライト、または窒化珪素の何れかを主成分とするセラミックであることが望ましい。上記セラミックは熱伝導率が比較的大きく、耐食性が優れ、高温での絶縁抵抗が大きく好ましい。

また、板状セラミックス体がアルミナである場合、そのアルミナ含有量が８０〜９８質量％であることが望ましい。これは前記板状セラミックス体の熱伝導率は１６．７〜２５．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、３００℃での高温絶縁抵抗が１０^１３Ω・ｃｍ以上と大きく,曲げ強度が３００ＭＰａ以上と大きくなるからである。アルミナ含有量が８０質量％を下回るとＭｎ、Ｃａ、Ｓｉ等の焼結助剤や不純物が増大して高温での絶縁抵抗が低下する虞があるからである。

また、アルミナ含有量が９９．５質量％を越えると焼結助剤が少なく１７００℃以下の比較的低い温度で緻密に焼結させることが困難となり、安価に量産することが困難となるからである。

また、板状体５は導電性の金属であることが望ましい。金属は熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と大きく、ヒータ板７の熱を加熱面５５ａに均一に伝えることができるからである。上記の金属としては、アルミニウム、鉄、やこれらの合金が好ましい。金属からなる板状体５の熱膨張係数は８〜２５×１０^−６／℃以下であることが望ましいが、特に板状セラミックス体５７の熱膨張係数に近い８〜１７×１０^−６／℃の範囲が望ましい。板状体５５とヒータ板５７との熱膨張差により、主面５７ａと主面５５ｂの間隔が不均一になり熱伝導が均一に行われなくなり、温度分布の均一性が損なわれる虞があるからである。更に、被加熱物を加熱面５５ａに接触させ加熱面５５ａから被加熱物に熱を伝えるのであるが、この際、被加熱物と加熱面５ａが接触しながら摺動することから加熱面５５ａに静電気が発生する虞があるが、加熱面５５ａに導電性があるとこの静電気を逃がす効果があり好ましい。

また、板状体５５とヒータ板５７が接触する接触面の面積が加熱面５５ａの面積の２０〜８０％であることが望ましい。２０％を下回ると板状体５５の加熱面５５ａを均一に加熱することができなくなる虞があるからである。また、板状体５５とヒータ板５７が接触する接触面の面積が加熱面５５ａの面積の８０％を超えるとヒータ板５７が大きくなり、加熱装置５１の価格が高価となり工業的に利用することが困難となる虞があるからである。更に好ましくは接触面の面積が加熱面５５ａの面積の３０〜６０％である。

また、板状体５５の厚みＢは０．２〜１０ｍｍであることが望ましい。これは０．２ｍｍより小さいと板バネ５９でヒータ板５７と固定する際に、強度が小さく板状体５５が変形して隙間が発生したり、片当たり等の不具合が発生し、加熱面５５ａの面内温度差が大きくなる虞があるからである。また、板状体５５の厚みが１０ｍｍを越えると熱容量が大きくなりヒータ板５７を加熱しても板状体５５の加熱面５５ａの温度が素早く昇温しない虞があるからである。厚みＢは更に好ましくは１〜３ｍｍである。

尚、ヒータ板５７の厚みとは主面５５ｂと主面５５ａの間の距離で３点の平均値で示すことができる。

このような板状体５５は熱伝導率の２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属で構成することが好ましいが、ヒータ板５７と面接触するためにその周辺部に爪５５ｃを備え、周辺部の厚みを大きくして熱容量を大きくして加熱面の温度差を小さくすることが好ましい。

次に、加熱装置５１の製法やその他の構成を説明する。

ヒータ板５７は、酸化アルミウム質焼結体やムライト質焼結体、窒化珪素質燒結体等の耐熱性セラミックスから成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には酸化アルミニウム(Ａｌ_２Ｏ_３)、シリカ(ＳｉＯ_２)、カルシア(ＣａＯ)、マグネシア(ＭｇＯ) 等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合してスラリー状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを得る。次に、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施す。

抵抗発熱体５８はタングステン、モリブデン等の金属材料から成り、該タングステン等の金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た抵抗発熱体ペーストを板状セラミックス体と成るセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法より所定パターンに印刷塗布しておくことによって板状セラミックス体の内部に抵抗発熱体８を埋設することができる。そして、抵抗発熱体５８を埋設した生のヒータ板は、高温( 約１６００℃) で焼成することによってヒータ板７を作製することができる。この時、前記表面粗さを得るためにはヒータ板５７の表面の結晶サイズを０．５〜５μｍとなるように焼成温度や時間を調整することが好ましい。

抵抗発熱体５８の両端がヒータ板５７の端部に導出されており、該端部に導出された両端は板状体５７に設けた開口Ａにより露出され、リード線６１が半田等のロウ材を介してロウ付け取着される。抵抗発熱体５８の両端を露出させる開口Ａは抵抗発熱体５８とリード線６１とをロウ付けさせる領域を形成する作用を為し、板状セラミックス体となるセラミックグリーンシートに予め打ち抜き加工法により孔をあけておくことによってヒータ板５７の端部に形成される。前記開口Ａは更にその側壁にリード線６１の径に対応した大きさの凹部６２が形成されており、開口Ａ内において抵抗発熱体５８とリード線６１とをロウ付けする際、開口Ａの側壁に形成した凹部６２内にリード線６１を挿入させればリード線６１を露出する抵抗発熱体５８の上面中央部に正確に位置合わせでき、これによってリード線６１を抵抗発熱体５８にロウ材６１を介し極めて強固にロウ付け取着することが可能となる。

また、前記開口Ａにおいて抵抗発熱体５８にロウ付けされるリード線６１はニッケル等の金属から成り、該リード線６１は抵抗発熱体５８を外部電気回路に接続させるとともに外部電気回路より抵抗発熱体５８に所定の温度にジュール発熱を起こすに必要な一定の電力を供給する作用を為す。

リード線６１は露出する抵抗発熱体５８の上面中央部に開口Ａの側壁に設けた凹部６２を利用して正確に当接させるとともにその当接部に溶融する半田等のロウ材６１を供給することによって抵抗発熱体５８に強固にロウ付け取着される。

かくして、この加熱装置５１によればリード線６１を介して抵抗発熱体５８に一定の電力を供給し、抵抗発熱体５８を一定の温度にジュール発熱させることによって発熱体として機能する。

尚、上述の参考の形態１では露出する抵抗発熱体５８に半田等のロウ材を介してリード線６１を取着したが、その取着を開口Ａ内に樹脂やガラス等を充填することによって補強したり、開口Ａ内に耐熱性の材料を充填するとともにこれを絶縁板で覆うことによって補強してもよい。この場合、抵抗発熱体５８とリード線６１との取着がより強固となり、好適である。また上述の例では抵抗発熱体５８に半田等のロウ材を介してリード線６１を取着したが抵抗発熱体５８上にリード線６１を当接させるとともにその当接を開口Ａ内に樹脂やガラス等を充填し維持することによって取着してもよい。

上記加熱装置５１はシリコングリス等を介して金属製の板状体５５と接触させるが、このとき板状体５５とセラミック製のヒータ板５７の伝熱部材６３でもある緩衝材の厚みは５〜１００μｍであることが望ましい。これはヘアゴテ用のセラミック製のヒータ板５７と板状体５７が接するためセラミック製のヒータ板５７と金属製のヒータ板５７とを直接接触させると、磁器のセラミックヒータ板５７と金属製の板状体５５との反りや加熱時の熱膨張による変形により接合面が均一に接触せず片あたりしてしまいスポット的に熱伝導が発生して加熱面５５ａの温度差が大きくなる虞があった。伝熱部材６３である緩衝材の厚みは必要最小限有れば良いが、逆に厚すぎてもセラミックヒータと金属板の熱伝導が悪化する問題が発生する虞があり、伝熱部材６３の厚みは１〜１００μｍが好ましい。

以上の参考の形態２の加熱装置を使用したヘアアイロンにおいて、ヒータ板５７は、発熱抵抗体４を構成する折り返し部を有する導体パターンを備えており、その折り返し部にて隣接する任意の導体間におけるセラミック体のボイド占有率が０．０１〜５０％となっていることが好ましい（例えば、実施の形態１の図４に示す板状のセラミックヒータからなるヒータ板を用いる。）。このようにすると、ヒータ板５７の耐久性を高くできるので、より耐久性の高いヘアアイロンが提供できる。尚、その折り返し部にて隣接する任意の導体間におけるセラミック体のボイド占有率は、より好ましくは０．１〜４０％、さらに好ましくは１〜２０％である。

＜参考例１＞
Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２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（タングステン）粉末バインダーと溶剤からなるペーストを用いて発熱抵抗体４とリード引出部５をプリントした。
また、裏面には電極パッド７をプリントした。発熱抵抗体４は、発熱長さ５ｍｍで４往復のパターンとなるように作製した。
そして、導体間に絶縁物を充填させる為に絶縁物を含んだペーストをスクリーン印刷で行った。この際、導体間におけるセラミック体のボイド占有率を変化させるためにスクリーン印刷を施さない物、ペーストの粘度を変化させてスクリーン印刷を行ったものを用意した。
そして、Ｗからなるリード引出部５の末端には、スルーホール６を形成し、ここにペーストを注入する事により電極パッド７とリード引出部５間の導通をとった。スルーホール６の位置は、ロウ付けを実施した場合にロウ付け部の内側に入るように形成した。
こうして準備したセラミックグリーンシートをセラミック成形体の周囲に密着させ、１６００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１とした。

こうして得られたセラミックヒータ１について、１２００℃の連続通電を１００時間行った後の抵抗変化を測定することで、耐久性を評価した。各ロットｎ＝１０評価した。
また、初期の抵抗値に対して１５％以上抵抗値が変化したものは、断線としてカウントした。
また、各ロットｎ＝３のサンプルについて、焼成後の発熱抵抗体４の断面をＳＥＭ観察し、ボイド率を測定した。これらの結果を、表１に示す。
（表１）

各サンプルの材質は、いずれもアルミナであり、＊印を付したサンプルは、本発明の範囲外のものである。

表１から判るように、導体間におけるセラミック体のボイド占有率が５０％を超えるサンプルＮｏ９において、またボイド占有率０．００５％のサンプルＮｏ１において、１５％以上抵抗値が変化する断線が発生した。これに対し、ボイド占有率が５０％以下であるサンプルについては、断線が発生せず、良好な耐久性を示した。
また、ボイド占有率が発明内の範囲であれば、他の要因ボイド長さ、インク厚みが変化しても耐久性能に有意さはなかった。

＜参考例２＞
先ず、図９に示すようなセラミック製のヒータ板を得るため、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２を合計１０重量％以内になるように調整したセラミックシートに、Ｗからなる抵抗発熱体をプリントした。抵抗発熱体の両端を露出させる開口Ａは抵抗発熱体とリード線をロウ付けさせる領域を形成する作用を為し、ヒータ板となるセラミックグリーンシートに予め打ち抜き加工法により孔をあけておくことによってヒータ板の端部に形成される。前記開口Ａは更にその側壁にリード線の径に対応した大きさの凹部が形成されており、開口Ａ内において抵抗発熱体の引出し部とリード線をロウ付けを行ためのものである。次いで、抵抗発熱体の表面にセラミックシートと略同一の成分からなるコート層を形成して充分乾燥した後、さらに上記セラミック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、こうして準備したセラミックシート同士を積層密着し、１５００〜１６００℃で焼成した。

さらに、上記抵抗発熱体の引出し部の表面にＮｉからなる厚み３μｍのメッキ層を形成した後、Ａｇからなるロウ材６２を用いてＮｉを主成分とするリード線６１を還元雰囲気中、１０３０℃で接合してヒータ板を得た。

上記の方法で得られたヒータ板と板状体とを組み合わせ、ヒータ板の厚み、表面粗さ（Ｒａ）、バネ押圧の有無、伝熱部材の有無や材質を変更したヘアアイロンを作製した。

そして、作製したヘアアイロンの加熱面の表面の温度分布を日本電子製（ＴＧ−６２００）の温度分布測定装置により温度分布を測定し、加熱面の表面の最高温度と最低温度を算出し最高温度と最低温度との差を温度バラツキとして測定した。

その結果を表２に示す。
（表２）

板状体厚み１．５ｍｍ、板状体・ヒータ板接触面積と加熱面面積比率７０%にて評価した。
また、※印は本発明の範囲外であることを示す。

表２から分かるように、試料Ｎｏ．３〜１５のようにヒータ板の厚みが０．５〜５ｍｍの試料は加熱面の温度バラツキが１９℃以下と小さく優れた特性を示した。

これに対し試料Ｎｏ．１、２はヒータ板の厚みが０．３ｍｍと小さくヒータ板を板状体に装填するとヒータ板が破損した。また、試料Ｎｏ.１６、１７の様にヒータ板の厚みが７ｍｍのものは加熱面温度バラツキが２２℃以上と大きく好ましくなかった。

また、板状体とヒータ板の間に伝熱部材を備えた試料Ｎｏ．５〜１３は加熱面温度バラツキが１６℃以下と更に温度バラツキが小さく好ましいことが分った。

また、ヒータ板の主面の表面粗さが１〜３０μｍである試料Ｎｏ．６〜１１は、加熱面の温度バラツキが１５℃以下と小さく更に好ましいことが分った。

また、バネで板状体の一方の主面とヒータ板の一方の主面を押圧した試料Ｎｏ．７〜９は加熱面温度バラツキが１３℃以下となり温度バラツキが改善されることが判明した。

＜参考例３＞
次にヒータ板の主成分であるＡｌ_２Ｏ_３の含有量を７０％〜９９．８％の間で調整しセラミックシートを作成し、これらを参考例２で述べた方法でヒータ板を作製した。これらＡｌ_２Ｏ_３の組成量が異なる材料にて２００℃での高温絶縁強度と曲げ強度を測定した。曲げ強度は２０本の試験片を作製しＪＩＳ規格の４点曲げ強度試験に準じて測定し、その平均値で示した。
（表３）

表３から分かるようにアルミナ含有量が８０〜９９．５％の試料Ｎｏ．２３〜２５は高温絶縁抵抗が１×１０^１３Ω・ｃｍ以上と大きくヘアアイロンとして使用してもヒータ加熱電源からの漏電がなくより好ましいことが分った。また、曲げ強度が３００ＭＰａ以上と大きく抵抗発熱体を繰り返し急速に加熱しても熱応力により破損する虞が少なく好ましいことが分った。

しかし、試料Ｎｏ．２１、２２のようにアルミナ含有量が７０、７５質量％と少ないと高温での絶縁抵抗が１０^１１Ω・ｃｍ以下と小さくヒータ板を介して漏電する虞があった。また、試料Ｎｏ．２６は、アルミナ含有量が９９．８質量％と大きく１７００℃以上の焼成温度で焼結させることが必要であり、安価に量産することは難しかった。

更に好ましくは、試料Ｎｏ．２４、２５のようにアルミナ含有量が９０〜９９．５％であると曲げ強度が大きく好ましいことが分った。

尚、アルミナ含有量は作製した板状セラミックス体をＩＣＰ定量分析して求めた。

＜参考例４＞
次に、板状体の外形を４ｍｍ×８０ｍｍ×２０ｍｍ（厚み×長さ×幅）に固定しヒータ板の長さを逐次変更し接触面積及び加熱面積比率を変更したヘアアイロンを参考例２と同様に作製した。

そして、ヒータ板と板状体の間に伝熱部材としてシリコン系樹脂を備えバネで押圧した状態で抵抗発熱体に定格電圧を印加し室温から加熱面の最高温度部が２００℃の飽和温度になるまでの時間を加熱面飽和時間として測定した。

その結果を表４に示す。
（表４）

表４より面積比率が２０〜８０％の試料Ｎｏ．３３〜４２は加熱面飽和時間が６０秒以下と小さく優れた特性を示すことが分った。

また、面積比率が３０〜６０％の試料Ｎｏ．３４〜４１は加熱面飽和時間が５７秒以下と小さく更に優れた特性を示すことが分った。

一方、ヒータ板７と板状体５の接触面積と加熱面接触面積比率が２０％を下回る試料Ｎｏ．３１、３２は飽和時間が６３秒以上と大きく好ましくなかった。

また、試料Ｎｏ．４３のように接触面積が８０％を超えるとヒータ板が大きくなり過ぎてヒータ板のコストが高価となり産業的な利用価値が低かった。

更に、板状体の厚みが０．２〜１０ｍｍである試料Ｎｏ．３６〜３９は加熱面飽和時間が５０秒以下と小さく好ましいことが分った。

Claims

第一のセラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを所定のパターンで形成する工程と、
該第一のセラミックグリーンシートの導体ペーストが形成された面に、少なくとも該導体パターンと同じ厚さを有し、前記第一のセラミックグリーンシートより柔軟でありデジタルインジケータにて測定したときの直径１ｍｍの針が３０秒間で侵入する深さが２００μｍ以上の硬さの第二のセラミックグリーンシートを積層することにより、セラミックグリーンシート積層体を作製する工程と、
該セラミックグリーンシート積層体を円柱状のセラミック成形体に巻きつけてはり合わせる工程と、
そのはり合わせたセラミックグリーンシート積層体及びセラミック成形体を焼成する工程を含んでなるセラミックヒータの製造方法。