JP2017068910A

JP2017068910A - ヒータ

Info

Publication number: JP2017068910A
Application number: JP2015189501A
Authority: JP
Inventors: 徹松岡; Toru Matsuoka
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-28
Also published as: JP6659289B2

Abstract

【課題】リード端子と電極層との接合強度を高めつつ、ヒータの長期信頼性を向上させる。【解決手段】本発明のヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、該セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、前記セラミック体１の表面に設けられて前記発熱抵抗体２に接続された電極層３と、該電極層３に接合材５によって接合されたリード端子４とを備えており、該リード端子４は、前記電極層３から立ち上がる第１部分４１と、前記セラミック体の外周から外側において長さ方向に沿って伸びた第２部分４２とを備えており、前記第１部分４１のうち前記電極層３に接合された端部は、前記長さ方向に平行な方向の幅が前記長さ方向に垂直な方向の幅よりも小さく、かつ、前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第１部分４１の端部は先端に向かうに連れて細くなっている。【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、端子部材が電極パッドから立ち上がるように設けられている。そこで、端子部材と電極パッドとの接合強度を高めるべく、端子部材と電極パッドとを接合するろう材の量を増やすことが考えられる。しかしながら、ろう材の量を増やしてしまうと、ヒートサイクル下においてろう材の周囲に生じる熱応力が大きくなってしまうおそれがあった。そのため、ヒータ装置の接合強度を高めつつ、長期信頼性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（ヒータ装置）においてリード端子（端子部材）と電極層（電極パッド）との接合強度高めつつ、ヒータの長期信頼性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部分と、前記セラミック体の外周から外側において長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、前記第１部分のうち前記電極層に接合された端部は、前記長さ方向に平行な方向の幅が前記長さ方向に垂直な方向の幅よりも小さく、かつ、前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第１部分の端部は先端に向かうに連れて細くなっ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、リード端子と電極層との接合強度を高めつつ、ヒータの長期信頼性を向上できる。

本実施形態のヒータの一例を示す縦断面図である。図１に示すヒータのうち電極層とリード端子との接合部分を示す拡大図である。図１に示すヒータのうち電極層とリード端子との接合部分を示す横断面図である。図１に示すヒータのうち電極層とリード端子との接合部分を示す縦断面図である。

本実施形態の一例のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本実施形態のヒータ１０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の長さ方向における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の長さ方向における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。湾曲部４３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、第２部分４２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は、図１に示すヒータのうち電極層３とリード端子４との接合部分を示している。図２においては、リード端子４の形状を分かりやすくするために、接合材５を省略している。図２〜４に示すように、リード端子４の第１部分４１のうち電極層３に接合された端部は、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の幅Ｘが、長さ方向に垂直な方向の幅Ｙよりも小さい。そして、図３に示すように、長さ方向を含む断面を見たときに、第１部分４１の端部は先端に向かうに連れて細くなっている。

ここでいう、「セラミック体１の長さ方向に平行な方向の幅」および「長さ方向に垂直な方向の幅」とは、第１部分４１において接合材５に接触する部分のうちそれぞれ最も幅が大きい部分の幅を意味している。

本実施形態のヒータ１においては、上述の構成を備えていることによって、リード端子４と電極層３との接合強度を高めつつ、長期信頼性を向上できる。具体的には、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の幅Ｘが長さ方向に垂直な方向の幅Ｙよりも小さい。そして、長さ方向を含む断面を見たときに、第１部分４１の端部は先端に向かうに連れて細くなっている。そのため、第１部分４１の端部と電極層３との間に、先端に向かうに連れて大きくなる隙間Ａが形成されることになる。電極層３とリード端子４とを接合するときに、この隙間に接合材５が入り込むことによって、長さ方向を含む断面における接合材５の量（図３において占める面積）を多く（大きく）することができる。

リード端子４と電極層３との間に働く外力は、リード端子４の第２部分４２の伸びる方向（すなわちセラミック体１の長さ方向）に沿う方向に加わりやすいことから、この長さ方向における接合材５の量を多くすることによって、リード端子４と電極層３との接合強度を向上させることができる。また、長さ方向に対して垂直な方向、つまり、外力が加わりにくい方向においては、接合材５の量を少なくすることによって、ヒートサイクル下において接合材５の周りに生じる熱応力を低減できる。これらの結果、リード端子４と電極層３との接合強度を高めつつ、長期信頼性を向上させることができる。

また、図４に示すように、長さ方向に対して垂直な断面を見たときに、第１部分４１の端部は幅が一定であってもよい。これにより、長さ方向に対して垂直な断面において、接合材５を分布に偏りが無いように設けやすくすることができるので、リード端子４を電極層３に接合する際にリード端子４が傾いて固定されてしまうおそれを低減できる。

また、図３に示すように、セラミック体１の長さ方向を含む断面を見たときに、第１部分４１と電極層３との間隔が、第１部分４１の幅方向の中心に向かうに連れて狭まっていてもよい。これにより、第１部分４１と電極層３とを接合材５を用いて接合する際に、第１部分４１と電極層３との間に存在している空気を押し出しやすくすることができる。そのため、第１部分４１と電極層３との間に空気溜まりが生じてしまうおそれを低減できる。

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
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部分と、前記セラミック体の外周から外側において長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、
前記第１部分のうち前記電極層に接合された端部は、前記長さ方向に平行な方向の幅が前記長さ方向に垂直な方向の幅よりも小さく、かつ、前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第１部分の端部は先端に向かうに連れて細くなっていることを特徴とするヒータ。
前記長さ方向に対して垂直な断面を見たときに前記第１部分の端部は幅が一定であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第１部分と前記電極層との間隔が、前記第１部分の幅方向の中心に向かうに連れて狭まっ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。