JP2016207461A

JP2016207461A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2016207461A
Application number: JP2015087727A
Authority: JP
Inventors: 祥二井筒; Shoji Izutsu
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: JP6673644B2

Abstract

【課題】セラミックヒータの長期信頼性を向上させる。
【解決手段】セラミックヒータ１０は、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体１と、セラミック積層体１の層間に埋設された帯状の発熱抵抗体２と、セラミック積層体１の層間に埋設されて発熱抵抗体２の端部に重ねて接続された帯状のリード３とを具備したセラミックヒータ１０であって、発熱抵抗体２は、リード３との接続部においてリード３の端部から幅方向の両側に張り出しており、リード３に重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄い。これにより、セラミックヒータ１０の長期信頼性を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックヒータに関するものである。

ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグあるいは燃料の予備加熱等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特許文献１に開示されたセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、このセラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された給電線とを備えている。

特開２０００−１５６２７５号公報

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線と発熱抵抗体との接続部において、給電線および発熱抵抗体に熱応力が生じることによって、クラックが生じる場合があった。その結果、セラミックヒータを高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の１つの態様に基づくセラミックヒータは、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の層間に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック積層体の前記層間に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に重ねて接続された帯状のリードとを具備したセラミックヒータであって、前記発熱抵抗体は、前記リードとの接続部において前記リードの端部から幅方向の両側に張り出しており、前記リードに重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄いことを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくセラミックヒータによれば、高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態の例のセラミックヒータを示す縦断面図である。図１に示すセラミックヒータをＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例のセラミックヒータ１０について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態の例のセラミックヒータ１０は、セラミック積層体１と、セラミック積層体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック積層体１の内部に設けられて発熱抵抗体２に接続されたリード３とを備えている。このようなセラミ
ックヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグあるいは燃料の予備加熱用に、またはガスレンジの着火用等に用いることができる。

セラミック積層体１の内部には、リード３および発熱抵抗体２が埋設されている。セラミック積層体１の内部にリード３および発熱抵抗体２を設けることによって、リード３および発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック積層体１は、例えば、棒状または板状（これらを合わせて柱状ともいえる）の部材である。セラミック積層体１は、複数のセラミック層が積層されてなる。

セラミック積層体１は、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック積層体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または炭化珪素質セラミックス等から成る。

窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス法を用いることができる。

セラミック積層体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック積層体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック積層体１の断面は、例えば厚さが１〜６ｍｍ、幅が２〜４０ｍｍの四角形に設定される。

発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する帯状の部材である。発熱抵抗体２は、セラミック積層体１の複数のセラミック層の層間に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック積層体１の内部を伝わって、セラミック積層体１の表面が高温になる。そして、セラミック積層体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、セラミックヒータ１０が機能する。セラミック積層体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に供給される軽油等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、セラミック積層体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば折返し形状になっている。発熱抵抗体２はセラミック積層体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端から発熱抵抗体２の後端までの長さは、例えば発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン（Ｔｉ）等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック積層体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック積層体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。

リード３は、セラミック積層体１の内部において、複数のセラミック層の層間に埋設されて一端がセラミック積層体１の側面に引き出された帯状の部材である。リード３は発熱抵抗体２に電気的に接続されている。リード３は発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に
接続するために用いられる。

リード３は、発熱抵抗体２のそれぞれに対応して、セラミック積層体１の長さ方向に沿って２本設けられており、セラミック積層体１の後端側で折り曲げられてセラミック積層体１の側面に引き出されている。リード３は、セラミック積層体１の後端側において９０°に曲げられて、セラミック積層体１の側面に引き出されている。

リード３は、例えばＷまたはＭｏ等の耐熱性に優れた金属材料が用いられる。特に、熱膨張率の観点から発熱抵抗体２と同じ炭化タングステンを用いることが好ましい。リード３は、例えば、幅が１〜２０ｍｍ、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが１０〜８０ｍｍ、セラミック積層体１の側面に引き出されるために、発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な方向に延びた部分の長さが２〜３０ｍｍ、厚みが１０〜５０μｍ程度に設定される。

図２は、図１に示すセラミックヒータ１０のうち、発熱抵抗体２とリード３との接続部を通るＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。なお、図２においては、複数のセラミック
層の境界の一部を点線で示している。図２に示す通り、発熱抵抗体２はリード３との接続部においてリード３の端部から幅方向の両側に張り出している（張り出し部２０）。そして、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄い。

これらの結果、発熱抵抗体２に熱応力が生じた場合に、張り出している部分に熱応力を集中しやすくすることができる。そのため、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分にクラックが生じる可能性を低減できる。これらの結果、セラミックヒータ１０を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。

発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分の厚みと張り出している部分の厚みとの比較は、以下の方法で行なうことができる。具体的には、リード３に重なっている部分および張り出している部分のそれぞれの厚みの平均値を求めて、これを比較すればよい。厚みの平均値は、例えば、以下の方法で求めることができる。まず、リード３に重なっている部分および張り出している部分を幅方向に３等分する。次に、３等分された各々の部分の厚みを求める。そして、３等分された各々の部分の厚みを足して３で割って算出された値を厚みの平均値として見なす。なお、上述の例では、平均値を求める対象の部分を幅方向に３等分してそれぞれの厚みの平均を求めたが、これに限られない。具体的には、４等分してもよいし、５（またはそれ以上の数）等分でもよい。

発熱抵抗体２の厚みは、例えば、中央部の厚みを３〜５μｍ、張り出した部分の厚みを１〜３μｍに設定できる。また、リード３の厚みは、中心部の厚みを１０〜１５μｍに設定できる。発熱抵抗体２の幅は、張り出している部分を含めて１０〜５０μｍに設定できる。

さらに、発熱抵抗体２は、張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄くなっている。張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄いことにより、張り出している部分の中でも特に先端部に応力が集中しやすくなる。そのため、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分にクラックが生じる可能性をさらに低減できる。これらの結果、セラミックヒータ１０を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、リード３は、発熱抵抗体２との接続部において厚みが両側の外辺に向かって薄くなっている。これにより、発熱抵抗体２とリード３とを一体として捉えたときに、両側
の外辺に向かって細くなる形状になるため、発熱抵抗体２とリード３とに生じる熱応力がリード３の外辺側において集中しやすくなる。その結果、発熱抵抗体２とリード３の主要部分にはクラックが生じにくくなるので、セラミックヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

特に、図２に示すように、セラミックヒータ１０の横断面を見たときに、リード３の外周と発熱抵抗体２の外周のうちリード３に覆われていない部分とが、滑らかに連続していることが好ましい。これにより、仮に、セラミック積層体１と発熱抵抗体２のうち張り出している部分との間にクラックが生じたとしても、このクラックが進展して、発熱抵抗体２とリード３との間に侵入してしまうおそれを低減できる。

１：セラミック積層体
２：発熱抵抗体
３：リード
１０：セラミックヒータ

Claims

複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の層間に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック積層体の前記層間に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に重ねて接続された帯状のリードとを具備したセラミックヒータであって、
前記発熱抵抗体は、前記リードとの接続部において前記リードの端部から幅方向の両側に張り出しており、前記リードに重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄いことを特徴とするセラミックヒータ。
前記発熱抵抗体は、張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄くなっ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。
前記リードは、前記発熱抵抗体との接続部において厚みが両側の外辺に向かって薄くなっ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。