JP2017016744A

JP2017016744A - ヒータ

Info

Publication number: JP2017016744A
Application number: JP2015128988A
Authority: JP
Inventors: 昭津川; Akira Tsugawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】電極層とリード端子との接合強度高めつつ、残留応力を低減させる。
【解決手段】本発明のヒータは、棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合材によって接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、前記電極層から立ち上がる第１部分を備えており、前記接合材は、前記電極層と前記第１部分とを接合するメニスカス部と、該メニスカス部から前記電極層に沿って広がった厚みが一定のコーティング部とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に開示されたヒータ装置が知られている。特許文献１に開示されたヒータ装置は、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック体と、セラミック体の表面に設けられた電極パッドと、電極パッドに接合された端子部材とを備えている。

特開２０１１−６０７１２号公報

特許文献１に開示されたヒータ装置は、端子部材がセラミック体から立ち上がるように設けられている。端子部材は、ろう材によって電極パッドに接合されている。このような構成のヒータ装置においては、セラミック体の長さ方向に垂直な方向の振動に対しては接合強度を向上させやすいものの、セラミック体の長さ方向に平行な方向の振動に対して接合強度を向上させることが困難であった。

接合強度を向上させるためには、端子部材に塗布するろう材を多くする方法が考えられる。しかしながら、単に端子部材に塗布するろう材を多くしてしまうと、振動に対する接合強度は高めることができるものの、ろう材に高い残留応力が発生してしまうおそれがあった。そのため、セラミック体と電極パッドとの間または電極パッドとリード端子との間に位置するろう材等にクラック等が生じてしまうおそれがあった。その結果、ヒータの長期信頼性を向上することが困難であった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータにおいて電極層（電極パッド）とリード端子（端子部材）との接合強度高めつつ、ヒータに生じる残留応力を低減させることで、長期信頼性を向上することにある。

本発明の一態様のヒータは、棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合材によって接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、前記電極層から立ち上がる第１部分を備えており、前記接合材は、前記電極層と前記第１部分とを接合するメニスカス部と、該メニスカス部から前記電極層に沿って広がった厚みが一定のコーティング部とを有していることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、ヒータにおいて電極層とリード端子との接合強度を高めつつ、ヒータに生じる残留応力を低減できるため、長期信頼性を向上させることができる。

本発明のヒータの一実施形態を示す縦断面図である。図１におけるリード端子近傍を示す拡大断面図である。変形例のヒータを示す拡大断面図である。変形例のヒータを示す拡大断面図である。変形例のヒータを示す拡大断面図である。変形例のヒータを示す拡大断面図である。

本発明の一実施形態のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例を示す縦断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられた電極層３と、電極層３に接合されたリード端子４とを備えている。

セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１の形状は、棒状または筒状である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等の柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、セラミック体１は円柱状である。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。熱伝導率に優れるという観点からは窒化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体１の熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高くできるので、セラミック体１の内部に形成した発熱抵抗体２で発生した熱をヒータ１０の表面に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ１０の急速昇温が可能となる。

また、製造のしやすさの観点からはアルミナを用いることが好ましい。セラミック体１が円柱状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに設定することができる。また、セラミック体１が板状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを８０ｍｍに、幅を５０ｍｍに、厚みを２ｍｍに設定することができる。セラミック体１が円筒状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。本実施形態のヒータ１０における発熱抵抗体２は折り返し形状を有している。発熱抵抗体２の両端部は引出電極２１に接続されている。引出電極２１は、セラミック体１の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体１の外周面に引き出されている。

発熱抵抗体２の折り返し部がセラミック体１の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極２１は、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体２の両端部は、引出電極２１を介して、セラミック体１の外周面に設けられた電極層３に電気的に接続されている。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を
３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。引出電極２１は、発熱抵抗体２と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体２と同時に形成することができる。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。

電極層３はセラミック体１の表面に設けられている。電極層３は、引出電極２１を介して発熱抵抗体２に接続されている。電極層３は金属材料からなる。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。電極層３の寸法は、例えば長さを９ｍｍに、幅を５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。なお、本実施形態においては、電極層３が引出電極２１を介して発熱抵抗体２に接続されているが、これに限られない。具体的には、ヒータ１０が引出電極２１を有しておらず、電極層３と発熱抵抗体２とが直接接続されていてもよい。

リード端子４は発熱抵抗体２に電力を供給するための部材である。リード端子４は外部の電源（図示せず）に接続されて用いられる。リード端子４としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。リード端子４は、電極層３の表面上に接合材５を用いて取り付けることができる。接合材５としては、例えば、ろう材を用いることができる。

リード端子４は、電極層３から立ち上がる第１部分４１と、セラミック体１の外周から外側において長さ方向に沿って延びた第２部分４２と、第２部分４２よりも外側を経由して第１部分４１と第２部分４２とを繋ぐ湾曲部４３とを備えている。これにより、セラミック体１の長さ方向に平行な方向に振動が生じたときに、湾曲部４３がたわむことによって、この振動を低減することができる。このため、第１部分４１と電極層３との接合部に生じる応力を低減できる。その結果、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の振動に対する強度を向上させることができる。

本実施形態においては、リード端子４の断面（第１部分４１、第２部分４２および湾曲部４３の断面）が円形状である。特に、湾曲部４３の断面が円形状であることによって、湾曲部４３がたわんだときに、湾曲部４３が損傷してしまうおそれを低減できる。リード端子４の断面のその他の形状としては、例えば、矩形状、コの字形状または中空状等が挙げられる。特に、湾曲部４３の断面形状ががコの字形状の場合には、コの字のうち開口している側がセラミック体１とは反対側（すなわち、湾曲部４３の外周側）に位置していることが好ましい。これにより、湾曲部４３をたわませやすくすることができる。なお、ここでいうコの字形状としては、例えば、いわゆるＣ字形状等のように角が丸い場合も含む。

また、本実施形態においては、リード端子４のうち、第１部分４１、第２部分４２および湾曲部４３の断面の形状および大きさが同一であるが、これに限られない。具体的には、それぞれの部位で形状および大きさが異なっていてもよい。特に、湾曲部４３は第１部分４１および第２部分４２よりも細いことが好ましい。これにより、リード端子４の強度を確保しつつ、湾曲部４３をたわませやすくすることができる。

リード端子４の寸法は、例えば、以下のように設定できる。図１に示すヒータ１０の場合には、第１部分４１の長さを２．３ｍｍに設定できる。第２部分４２の長さは、セラミック体１の長さ方向に垂直な方向の長さを１．５ｍｍに、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の長さを２．５ｍｍに設定できる。また、湾曲部４３の長さを６．５ｍｍに設定できる。また、第１部分４１、第２部分４２および湾曲部４３のそれぞれの断面は、直径がΦ０．８ｍｍの円形状に設定できる。

図２に示すように、本実施形態のヒータ１０においては、接合材５は、電極層３と第１
部分４１とを接合するメニスカス部５０と、メニスカス部５０から電極層３に広がった厚みが一定のコーティング部５１とを備えている。より具体的には、メニスカス部５０の端部から厚みが一定のまま電極層３にコーティング部５１が広がっている。これにより、単に接合材５によってメニスカス部５０のみを形成する場合と比較して、少ない量の接合材５で電極層３の広範囲に接合材５を設けることができる。これにより、第１部分４１と電極層３との接合強度を高めつつ、残留応力の発生を低減できる。その結果、接合強度を確保しつつ、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。

ここでいうメニスカス部５０とは、メニスカス形状であって、先端に向かうにつれて厚みが薄くなる部位である。そして、コーティング部５１とは、メニスカス部５０に隣接して設けられた、厚みが一定の部位である。すなわち、接合材５を見たときに、電極層３に濡れ広がるとともに、厚みが薄くなり続けている部位がメニスカス部５０であり、メニスカス部５０の端部から厚みが一定のままさらに電極層３に濡れ広がった部分がコーティング部５１である。

また、ここでいう「厚みが薄くなり続けている」および「厚みが一定である」とは、厳密な意味で「厚みが薄くなり続けている」および「厚みが一定である」必要はない。具体的には、接合材５の表面に生じる微細な気泡程度の誤差は無視して考えることができる。

コーティング部５１を形成するための方法としては、以下の方法が挙げられる。具体的には、接合材５がろう材から成る場合には、メニスカス部５０を形成するためのろう材とは別に、コーティング部５１を形成する部分に薄いペースト状に加工されたろう材を塗布しておけばよい。コーディング部５１となるろう材の塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷等を用いることができる。

また、図３に示すように、コーティング部５１が第１部分４１を中心に広がっていてもよい。これにより、リード端子４が振動したときにコーティング部５１に生じる応力を分散できる。その結果、接合材５にクラックが生じるおそれを低減できる。

また、図４に示すように、コーティング部５１の外縁が波打った形状であってもよい。これにより、発熱抵抗体２から発せられた熱が引出電極２１および電極層３を介して第１部分４１に伝わったときに、この熱を接合材５を通じて素早く周囲に逃がすことができる。具体的には、コーティング部５１が波打った形状であることによって、円形状である場合よりも、外気に触れる表面積を増やすことができる。そのため、第１部分４１から離れたところに熱を逃がすことができる。

また、セラミック体１が円柱状であって、図５に示すようにコーティング部５１がセラミック体１の軸方向よりも周方向に広がっていてもよい。これにより、厚みが一定であるコーティング部５１を円柱状であるセラミック体１の外周面に沿って形成することで、コーティング部５１を曲面状に設けることができる。これにより、セラミック体１の軸方向に垂直な断面で見たときに、メニスカス部５０の傾斜とコーティング部５１の曲面を連続させることができるので、メスニスカス部５０とコーティング部５１との間に応力が集中してしまうおそれを低減できる。

また、図６に示すように、メニスカス部５０およびコーティング部５１が電極層３の表面全体を覆っていてもよい。これにより電極層３と第１部分４１との接合強度を向上できる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：電極層
４：リード端子
４１：第１部分
４２：第２部分
４３：湾曲部
５：接合材
５０：メニスカス部
５１：コーティング部
１０：ヒータ

Claims

棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合材によって接合されたリード端子とを備えており、
該リード端子は、前記電極層から立ち上がる第１部分を備えており、
前記接合材は、前記電極層と前記第１部分とを接合するメニスカス部と、該メニスカス部から前記電極層に沿って広がった厚みが一定のコーティング部とを有していることを特徴とするヒータ。
前記コーティング部が前記第１部分を中心に広がっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記コーティング部の外縁が波打った形状であることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
前記セラミック体が円柱状であって、前記コーティング部が前記セラミック体の軸方向よりも周方向に広がっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
前記メニスカス部および前記コーティング部が前記電極層の表面全体を覆っていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。