JP2017091956A

JP2017091956A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2017091956A
Application number: JP2015224033A
Authority: JP
Inventors: 井上　将吾; Shogo Inoue; 将吾井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】セラミック体にクラックが入って抵抗体が酸化してしまうのを抑制したセラミックヒータを提供する。【解決手段】本発明のセラミックヒータ１０は、板状または棒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられて抵抗体２と電気的に接続された電極層３と、電極層３を覆うようにセラミック体１に取り付けられた電極金具４と、電極金具４の外面と対向する領域を有し、当該対向する領域の一部が電極金具４の外面に接合されたリードピン５とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば各種燃焼機器における燃焼ガスや灯油の点火に用いられるセラミックヒータに関するものである。

一般家庭用や業務用として使用されるガスや灯油を用いた給湯器や暖房器などの各種燃焼機器の点火用ヒータとして、セラミック体の内部に抵抗体が設けられたセラミックヒータが利用されている。

このセラミックヒータとして、例えば、板状または棒状のセラミック体と、セラミック体の内部に埋設された抵抗体と、セラミック体の表面に設けられて抵抗体と電気的に接続された電極層と、電極層を覆うようにセラミック体に取り付けられた断面Ｌ字状または断面コ字状の電極金具と、セラミック体と電極金具との間に挿通されて接合されたリードピンとを備えたセラミックヒータが知られている（特許文献１を参照）。

特開平４−３５９７１０号公報

ここで、上記のセラミックヒータにおいては、リードピンが電極金具から外れにくいようにセラミック体と電極金具との間に挿通されて接合されているが、リードピンに軸方向以外の向きへの力が加わると、セラミック体におけるリードピンが当接している部位に応力が集中してクラックが入りやすい。そして、クラックによってセラミック体の内部に設けられた抵抗体が外気に触れるようになった場合には、抵抗体が徐々に酸化され、抵抗値が変化してしまうおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、セラミック体にクラックが入って抵抗体が酸化してしまうのを抑制したセラミックヒータを提供することを目的とする。

本発明のセラミックヒータは、板状または棒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抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記抵抗体と電気的に接続された電極層と、該電極層を覆うように前記セラミック体に取り付けられた電極金具と、該電極金具の外面と対向する領域を有し、当該対向する領域の一部が前記電極金具の外面に接合されたリードピンとを備えることを特徴とする。

本発明のセラミックヒータによれば、リードピンに軸方向以外の向きへの力が加わっても、電極金具が緩衝材となってセラミック体に応力が伝わりにくい構造となっているため、セラミック体にクラックが生じるのを抑制し、抵抗体の酸化を抑制することができる。

（ａ）は本実施形態のセラミックヒータの一例を示す一部透過概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセラミックヒータの分解平面図、（ｃ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線で切断した断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線で切断した断面図である。（ａ）は本実施形態のセラミックヒータの他の例を示す一部透過概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＺ−Ｚ線で切断した断面図である。（ａ）は本実施形態のセラミックヒータの他の例を示す要部拡大横断面図、（ｂ）は（ａ）に示すセラミックヒータの要部拡大縦断面図である。

以下、本発明の実施形態の例について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本実施形態のセラミックヒータの一例を示す一部透過概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すセラミックヒータの分解平面図、図１（ｃ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線で切断した断面図、図１（ｄ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線で切断した断面図である。なお、図１（ａ）および図１（ｂ）において、抵抗体２および電極引出部２１は透過したものを示している。また、図１（ｂ）において、接合材８は省略している。

図１に示すセラミックヒータ１０は、板状または棒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられて抵抗体２と電気的に接続された電極層３と、電極層３を覆うようにセラミック体１に取り付けられた電極金具４と、電極金具４の外面と対向する領域を有し、当該対向する領域の一部が電極金具４の外面に接合されたリードピン５とを備えている。

板状または棒状のセラミック体１は、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた絶縁性セラミックスからなり、例えば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からなる。特に、セラミック体１は窒化珪素質セラミックスからなることが好ましく、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。

セラミック体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なるセラミック体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。

セラミック体１の形状が一方主面および側面を有する平板状である場合、当該セラミック体１の長さは、例えば１０〜３０ｍｍに設定され、幅は１０〜３０ｍｍ、厚みは１．３〜６ｍｍに設定される。

セラミック体１の内部に設けられた抵抗体２は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属やタングステンカーバイド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタルカーバイド（ＴａＣ）等の無機導電材を主体とする発熱抵抗体である。抵抗体２はスクリーン印刷によって形成され、セラミック体１の表面から０．５ｍｍ〜１ｍｍの距離の位置に設けられ、セラミック体１の先端側で折り返すようなパターンとされている。ここで、抵抗体２は当該抵抗体２１の一部としての電極引出部２１によってセラミック体１の側面に導出されている。なお、セラミック体１を一方主面に垂直な厚み方向のほぼ中央を境界とした半割り状態の一対のセラミック成形体を作製して、半割り状態のセラミック成形体の一方に抵抗体２および電極引出部２１となる導体ペーストを印刷し、当該抵抗体２および電極引出部２１の導体ペースト印刷面で一対のセラミック成形体を貼り合わせ、上述のように焼成することで、セラミック体１とともに抵抗体２および電極引出部２１も作製
される。

セラミック体１の表面には抵抗体２と電気的に接続された電極層３が設けられている。電極層３は例えば銀、銅、金、ニッケル、バナジウムのいずれか含むような材料が用いられ、例えば０．０１ｍｍ〜１ｍｍの厚みで形成される。図に示す例では、電極層３は、セラミック体１の後端側の側面に導出された電極引出部２１の端面およびその周囲を覆うように設けられているとともに、セラミック体１の一方主面の一部および他方主面の一部にかけて延出して設けられている。

電極層３を覆うように、電極金具４がセラミック体１の後端側に取り付けられている。ここで、電極層３の全域を覆うように接合材８が設けられていて、電極金具４はこの接合材８により電極層３に接合されている。接合材８としては、例えば銀、銀−銅、金−ニッケル、金−銅等からなるろう材が用いられる。また、電極金具４は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金）、ニッケル等からなり、セラミック体１の表面形状に沿うような形状になっている。例えば、電極金具４がセラミック体１の少なくとも一方主面から側面にかけて取り付けられている。図１に示す例では、電極金具４はセラミック体４の一方主面から側面を経て他方主面までまわり込むような形状のいわゆる断面コ字状になっている。電極金具４は、断面コ字状であることで強固に固定されることとなるが、一方主面から側面にかけてまわり込むような形状のいわゆる断面Ｌ字状であってもよい。電極金具４の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍとされる。

電極金具４の外面と対向する領域を有し、当該対向する領域の一部が電極金具４の外面に接合されたリードピン５を備えている。リードピン５における電極金具４の外面と対向する領域とは、長手方向に延びるリードピン５の当該長手方向の側面の一部のことである。ここで、リードピン５とは細長い棒状の導体のことであり、リードピン５の材質は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金）、ニッケル等からなる。リードピン５の先端側に位置する対向する領域において電極金具４に接合され、後端側は電極金具４から延出している。

このような構成によれば、リードピン５に軸方向以外の向きへの力（リードピン５を曲げるような力）が加わっても、電極金具４が緩衝材となってセラミック体１に応力が伝わりにくい構造となっているため、セラミック体１にクラックが生じるのを抑制し、抵抗体２が露出して酸化するのを抑制することができる。

なお、リードピン５の電極金具４への接合には、容易に強固な接合ができる点で、例えばスポット溶接、レーザー溶接が用いられ、リードピン５と電極金具４との接合部６の距離は例えば０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。このように、接合部６を限りなく小さくして点接合させるのが、リードピン５に自由度を与え、応力の伝わりを低減できる点で好ましい。

また、リードピン５の断面形状としては円形、四角形、三角形等が挙げられるが、図１に示すような断面円形であるのがよい。すなわち、リードピン５は円柱状の形状であるのがよく、リードピン５と電極金具４との接合部６をより小さくすることができるので応力の伝わりをより低減させることができる。リードピン５が断面円形の場合の外径は、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定される。

また、図１に示すように、リードピン５は、電極金具４の外面と対向する領域のうちの端部から離れた部位で接合されているのがよい。詳しくは、リードピン５における電極金具４の外面と対向する領域のうちの長さ方向の端部ではない部位に接合部６があるのがよい。好ましくは、接合部６は対向する領域の長さ方向の中央部にあるのがよい。これによ
り、接合部６がリードピン５と電極金具４の外面との対応領域の長さ方向の端部ではない部位、好ましくは長さ方向の中央部にあることで、電極金具４の端部にかかる応力が低減されるので、電極金具４が外れたり、セラミック体１にクラックが生じたりするのをより抑制し、抵抗体２が露出して酸化するのをより抑制することができる。なお、リードピン５における電極金具４の外面と対向する領域の距離が例えば０．５〜２０ｍｍである場合に、電極金具４とリードピン５との接合部６は端から対向する領域の１／４から１／２の位置にあるのがよい。

また、図２に示すようなセラミックヒータ２０であってもよい。図２（ａ）は本実施形態のセラミックヒータの他の例を示す一部透過概略平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＺ−Ｚ線で切断した断面図である。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）において、抵抗体２および電極引出部２１は透過したものを示している。

図２に示すセラミックヒータ２０は、セラミック体１は一方主面および側面を有する平板状のセラミック体であって、電極金具４がセラミック体１の少なくとも一方主面から側面にかけて取り付けられており、リードピン５が電極金具４の側面に位置する部位に接合されているとともに、当該側面に位置する部位から一方主面の側に向かって延びている構成のものである。なお、図２に示す例では、電極金具４はセラミック体４の一方主面から側面を経て他方主面まで回り込むような形状のいわゆる断面コ字状になっており、リードピン５がセラミック体１の一方主面を超えて延びている側のセラミック体１の稜部およびその近傍の一方主面は電極金具４で覆われている。

この構成によれば、リードピン５に軸方向以外の向きへの力（リードピン５を曲げるような力）が加わっても、リードピン５が延出された側のセラミック体１の稜部および主面にリードピン５が接触するおそれはなく、また電極金具４による応力緩和効果も高めることができる。

さらに、図３に示すように、リードピン５の接合部６の周囲がろう材７で覆われていてもよい。ろう材７の材料としては、例えば銀、銅、金、ニッケル等のうちの少なくとも一つを含むものが用いられる。ここで、図３（ｂ）に示すように、ろう材７は、リードピン５と電極金具４の外面とが対向する領域の先端から後端までのすべての領域を埋めるように設けられるものではなく、接合部６の周囲のみを覆うものである。このとき、ろう材７の最小厚み、すなわち接合部６の表面からろう材７の外面までの最小距離は、例えば０．１〜１．５ｍｍとされる。溶接による接合部６に比して柔らかいろう材７で当該接合部６の周囲が覆われることにより、セラミック体１への応力の伝わりが低減されつつ、接合部６が補強されて電極金具４からのリードピン５の外れが抑制される。

まず、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ_２Ｏ_３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ_２粉末を３．５質量％、酸化アルミニウム粉末を１．５質量％混合して、原料粉末を作製した。その後、この原料粉末を用いてプレス成型によりセラミック体となる半割の成型体を２つ作製した。

次に、発熱抵抗体となるペーストをセラミック基体となる半割の成型体の１つの表面にスクリーン印刷法にて塗布した。ここで、ペーストは、タングステン粉末に窒化珪素粉末を混合し、適当な有機溶剤、溶媒を添加してなるものを用いた。なお、抵抗体および電極引出部は、タングステン粉末７１質量％、窒化珪素粉末２９質量％の割合で混合したものを用いた。

そして、もう片方の半割の成型体を重ねて密着させ、還元雰囲気中において温度１７５
０℃、圧力４５ＭＰａの下でホットプレス焼成することにより、セラミック体（焼結体）を得た。

その後、機械加工により、幅２５ｍｍ×長さ３５ｍｍ×厚み１．５ｍｍの板状のセラミック体へ加工し、電極引出部の一端をセラミック体の側面に導出させた。

次に、電極引出部を覆うようにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストを塗布したのち、真空中において９００℃で焼付けし、メタライズ層を形成した。メタライズ層の厚みは２５μｍとした。メタライズ層の表面に電解バレルメッキ法によりＮｉメッキのメッキ層を形成した。メッキ処理後、電極金具とセラミック基体を真空中において銀―銅からなるろう材を使用し９５０℃でろう付けし、接合することによりセラミックヒータを完成させた。なお、電極金具は、セラミック体の長さ方向にそって４ｍｍ、セラミック体の幅方向にそって１．８ｍｍ、厚み０．１５ｍｍのものを用いた。また、実施例として、電極金具の外面には、図１に示すように、直径１ｍｍのリードピンがスポット溶接により長さ方向に約０．１ｍｍの距離接合されたものを用いた。一方、比較例として、リードピンがセラミック体と電極金具との間に挿入され、同様にスポット溶接により接合されたものを用意した。

これらのセラミックヒータについて、リードピンにセラミック体に向かって曲がるような負荷、具体的には１ｋｇの負荷がかかるように力を加え、通電を行ったところ、実施例のセラミックヒータにクラックは入らず、抵抗は変化しなかった。これに対し、比較例のセラミックヒータにおいては、セラミック体にクラックが入り、抵抗変化が確認された。

１０：セラミックヒータ
１：セラミック体
２：抵抗体
２１：電極引出部
３：電極層
４：電極金具
５：リードピン
６：接合部
７：ろう材
８：接合材

Claims

板状または棒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抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記抵抗体と電気的に接続された電極層と、該電極層を覆うように前記セラミック体に取り付けられた電極金具と、該電極金具の外面と対向する領域を有し、当該対向する領域の一部が前記電極金具の外面に接合されたリードピンとを備えることを特徴とするセラミックヒータ。
前記リードピンは、前記電極金具の外面と対向する領域のうちの端部から離れた部位で接合され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。
前記セラミック体は一方主面および側面を有する平板状のセラミック体であって、
前記電極金具が前記セラミック体の少なくとも前記一方主面から前記側面にかけて取り付けられており、前記リードピンが前記電極金具の前記側面に位置する部位に接合されているとともに、当該側面に位置する部位から前記一方主面の側に向かって延びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ。
前記リードピンは円柱状の形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載のセラミックヒータ。
前記リードピンの接合部の周囲がろう材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のセラミックヒータ。