JP2017045669A

JP2017045669A - ヒータ

Info

Publication number: JP2017045669A
Application number: JP2015168681A
Authority: JP
Inventors: 洋介赤木; Yosuke Akagi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02

Abstract

【課題】リード端子の第１部分を軸としてセラミック基体が回転するような振動に対する強度を向上させるヒータを提供する。
【解決手段】ヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体の表面に設けられて発熱抵抗体に電気的に接続された電極層３と、電極層に接合されたリード端子４とを備えており、リード端子は、電極層から立ち上がる第１部分を備えており、電極層およびリード端子を２つ以上備えているとともに、２つの電極層と２つのリード端子の第１部分とのそれぞれの接合部同士が、セラミック体の長さ方向にずれている。
【選択図】図１

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が知られている。特許文献１に開示されたヒータは、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック基体と、セラミック基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基体から立ち上がるように設けられていることによって、セラミック基体の長さ方向に垂直な方向の振動に対しては強度を向上させやすくなっている。しかしながら、２つの端子部材の立ち上がっている部分のそれぞれが同軸状に位置していることから、端子部材の立ち上がっている部分を軸としてセラミック基体が回転するような振動に対しては強度を向上させ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、ヒータにおいて端子部材の立ち上がっている部分を軸としてセラミック基体が回転するような振動に対する強度を向上させることにある。

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電気的に接続された電極層と、該電極層に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、前記電極層および前記リード端子を２つ以上備えているとともに、２つの前記電極層と２つの前記リード端子の前記第１部分とのそれぞれの接合部同士が、前記セラミック体の長さ方向にずれ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、ヒータにおいてリード端子の第１部分を軸としてセラミック基体が回転するような振動に対する強度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に示すヒータのうち１つの第１部分と電極層との接合部を通る断面で切った横断面図である。変形例のヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータを含む酸素センサを示す縦断面図である。

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の内部に設けた発熱抵抗体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セラミック体１として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。

本実施形態においては、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。なお、図１に示すヒータにおいては、折り返し部は１つしか設けられていないが、これに限られない。具体的には、発熱抵抗体２が、複数の折り返し部を有することによって、ミアンダ状になっていてもよい。

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、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。発熱抵抗体２が上述したようにミアンダ状になっ
ている場合には、その全長を３０００ｍｍに設定できる。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に電気的に接続されている。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とを繋ぐ第３部分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、第３部分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。

また、本実施形態においては、電極層３およびリード端子４を２つ以上備えているとともに、２つの電極層３と２つのリード端子４とのそれぞれの接合部同士が、セラミック体１の長さ方向にずれている。これにより、電極層３およびリード端子４の接合部の耐久性を向上できる。具体的には、ヒータ１０を縦断面視したときに、２つのリード端子４の接合部がセラミック体１の長さ方向において同じ位置に設けられている場合には、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対して、接合部の強度を向上させることが困難であった。これに対して、２つのリード端子４の接合部同士をずらして配置しておくことによって、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度を向上させることができる。

なお、ここでいう「接合部同士をずらして配置しておく」とは、例えば、リード端子４のうち電極層３と接合される第１部分４１の端面を見たときに、第１部分４１の端面の中心同士がずれているということを意味している。つまり、接合部同士が完全にずれている必要はなく、セラミック体１の長さ方向で見たときに接合部同士の一部が重なっていてもよい。接合部同士は、例えば０．２〜１．２ｍｍ程度ずらしておくことが好ましい。

さらに、図１に示すように、２つの第１部分４１同士がセラミック体１の長さ方向で見たときに部分的に重なることなく完全にずれていることが好ましい。これにより、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度をさらに向上させることができる。

また、図２に示すように、２つの電極層３とリード端子４とのそれぞれの接合部同士が、セラミック体１を挟んで対向する位置から周方向にずれていることが好ましい。これにより、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度を向上させることができる。

なお、ここでいう「周方向にずれている」とは、例えば、リード端子４のうち電極層３と接合される第１部分４１の端面を見たときに、第１部分４１の端面の中心同士が周方向にずれているということを意味している。つまり、接合部同士が完全にずれている必要はなく、接合部同士の一部がセラミック体１を挟んで対向していてもよい。接合部同士は、例えば１°〜１５°度程度ずらしておくことが好ましい。

さらに、図１に示すように、２つの第１部分４１同士の端面がセラミック体１の周方向で見たときに対向する部分を有することなく完全にずれていることが好ましい。これにより、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度をさらに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および第３部分４３の断面）が円形状である。特に、第３部分４３の断面が円形状であることによって、第３部分４３がたわんだときに、第３部分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、第３部分４３がコの字形状の場合には、セラミック体１とは反対側に開口していることが好ましい。これにより、第３部分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および第３部分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、第３部分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、第３部分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に示すようなヒータ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の長さ方向に沿った長さを２．５ｍｍに設定できる。また、第３部分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および第３部分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。

また、リード端子４と電極層３との接合を接合材５によって行なう場合には、接合材５はリード端子４のうち第１部分４１にのみ濡れ広がっていることが好ましい。具体的には、第３部分４３には接合材５が濡れ広がっていないことが好ましい。これにより、第１部分４１と電極層３との接合を行ないつつ、第３部分４３に生じるたわみを阻害してしまうことを低減できる。

さらに、本実施形態のヒータ１０は、図１に示すように、第３部分４３が屈曲形状を有している。これにより、屈曲している部分を起点として集中的にたわませることができるので、大きな振動を吸収することができる。

また、図３に示すヒータ１０ａのように、第３部分４３が湾曲形状を有していてもよい。第３部分４３が湾曲形状であることによって、第３部分４３がたわんだときに、特定の部位に応力が集中することを低減できる。そのため、ヒータ１０ａの長期信頼性を向上できる。

また、図４に示すヒータ１０ｂおよび図５に示すヒータ１０ｃのように、２つのリード端子４は、セラミック体１の外周から外側において発熱抵抗体２から離れる方向に伸びた第２部分４２をさらに備えており、２つの第１部分４１が２つの電極層３から垂直な方向に対してセラミック体１の同じ側に傾斜していてもよい。これにより、２つの第１部分４１のそれぞれの伸びる方向を、互いに交差させることができる。そのため、仮に一方の第１部分４１の伸びる方向を中心軸とした回転方向の振動が生じたとしても、この中心軸に対して交差する方向に伸びる他方の第１部分４１によって、ヒータ１０ｂ、１０ｃに生じる振動を低減することができる。

そして、図５に示すヒータ１０ｃのように、さらに、２つの第１部分４１が発熱抵抗体２から離れる方向に傾斜していることが好ましい。これにより、例えば、セラミック体１のうち発熱抵抗体２が設けられている側（以下、先端側ともいう）を外部構造に押し当てて用いるような場合に、セラミック体１の長さ方向の振動が生じたときに、この振動を第１部分４１において吸収できる。具体的には、セラミック体１の先端側を突き当てて用いる場合には、セラミック体１の長さ方向の振動が生じたときに、セラミック体１が後端側に移動するような動きが生じることになる。このとき、第１部分４１が発熱抵抗体２から離れる方向に傾斜していることによって、第１部分４１を変形させることによってこの動きを抑制できる。その結果、ヒータ１０ｃに生じる振動を低減することができる。

セラミック体１の先端側を外部構造に押し当てるようにしてヒータ１０ｃが使用されるケースとしては、例えば、ヒータ１０ｃを酸素センサ用のヒータとして用いるケースが挙げられる。図６に示すように、酸素センサ１００は、ジルコニア素子２０の内側と外側に電極（図示せず）を設け、内側を大気、外側を排気ガスにさらして、用いられる。ヒータ１０ｃによって加熱されてジルコニア素子２０が高温になると、ジルコニア素子２０はイオン伝導性を持ち、酸素濃度の高い大気側から酸素濃度の低い排気ガス側へ酸素イオン流が発生する。これにより、電極間に起電力が生じる。この特性を活かして排気ガスの空燃比コントロールができる。

具体的な形状としては、片側が閉じたコップ形状のジルコニア素子２０にヒータ１０ｃを挿入し、ジルコニア素子２０の底面にヒータ１０ｃのセラミック体１の先端側を押し当ててヒータ１０ｃをジルコニア素子２０に固定する。ジルコニア素子２０はヒータ１０ｃのセラミック体１のうち少なくとも発熱抵抗体２が設けられている部分を覆い、ヒータ１０ｃの電極層３はジルコニア素子２０に覆われないように配置する。電極層３に接合されているリード端子４は圧着端子等で制御部４０から延びているリード線５０と接続され固定される。ジルコニア素子２０はハウジング３０に固定され、排気ガスの配管等に取り付けられて用いられる。酸素センサ１００は、振動に対する強度が向上した上記のヒータ１０ｃを備えていることによって、長期信頼性が向上している。

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：第３部分
５：接合材
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：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電気的に接続された電極層と、該電極層に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、
前記電極層および前記リード端子を２つ以上備えているとともに、２つの前記電極層と２つの前記リード端子の前記第１部分とのそれぞれの接合部同士が、前記セラミック体の長さ方向にずれていることを特徴とするヒータ。
２つの前記接合部同士が、前記セラミック体を挟んで対向する位置から周方向にずれていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
２つの前記リード端子は、前記セラミック体の外周から外側において前記発熱抵抗体から離れる方向に伸びた第２部分をさらに備えており、２つの前記第１部分が２つの前記電極層から垂直な方向に対して前記セラミック体の同じ側に傾斜していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
２つの前記第１部分が前記発熱抵抗体から離れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。