JP2017117658A

JP2017117658A - ヒータ

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Publication number: JP2017117658A
Application number: JP2015252073A
Authority: JP
Inventors: 古川　直樹; Naoki Furukawa; 直樹古川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP6577362B2

Abstract

【課題】ヒータの長期信頼性を向上する。【解決手段】本発明のヒータは、表面に凹部を有するセラミック基体と、該セラミック基体中に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基体中に設けられており、一方が前記発熱抵抗体に接続されるとともに、他方が前記凹部の底面に引き出された取出電極と、該取出電極に導電性の接合材によって接合されているリード部材と、前記凹部の底面のうち前記凹部の壁面と前記リード部材との間に設けられた絶縁性部材とを備えており、該絶縁性部材の気孔率が前記セラミック基体の気孔率よりも大きい。【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に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック基体と、セラミック基体中に設けられた発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されてセラミック基体の表面に引き出された取出電極とを備えている。セラミック基体の表面には凹部が設けられてり、取出電極は凹部の底面に引き出されている。取出電極は凹部の底面に引き出された部分がリード部材に接続されている。リード部材は、端部が凹部の内部に位置しており、接合材によって取出電極に接合されている。接合材が凹部の壁面まで流れることを防止すべく、壁面とリード部材との間にはセラミック基体と同質のペーストが配置されている。

特開２０１１−３４９７９号公報

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、接合材が凹部の壁面にまで流れることを防止するために、壁面とリード部材との間にペーストが配置されている。しかしながら、セラミックヒータを従来よりも急速に昇温したり急速に降温したりするような使い方をした場合には、ヒートサイクル下においてこのペーストと接合材との間に熱応力が発生してしまい、接合材にクラックが生じるおそれがあった。その結果、セラミックヒータの長期信頼性をさらに向上させることが困難であった。

本発明の一態様のヒータは、表面に凹部を有するセラミック基体と、該セラミック基体中に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基体中に設けられており、一方が前記発熱抵抗体に接続されるとともに、他方が前記凹部の底面に引き出された取出電極と、該取出電極に導電性の接合材によって接合されているリード部材と、前記凹部の底面のうち前記凹部の壁面と前記リード部材との間に設けられた絶縁性部材とを備えており、該絶縁性部材の気孔率が前記セラミック基体の気孔率よりも大きいことを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、絶縁性部材の気孔率がセラミック基体の気孔率よりも大きい。そのため、ヒートサイクル下において絶縁性部材と接合材との間に熱応力が発生したとしても、絶縁性部材が変形することによってこの熱応力を吸収することができる。そのため、接合材にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータの長期信頼性をさらに向上できる。

本実施形態のヒータの一例を示す斜視図である。図１に示すヒータにおけるセラミック基体を構成する２層のセラミック層のうち下側のセラミック層を示す平面図である。図１に示すヒータにおけるセラミック基体を構成する２層のセラミック層のうち上側のセラミック層を示す平面図である。図１に示すヒータのちセラミック基体の表面の凹部の近傍を示す斜視図である。図４に示す凹部を通る断面で切った部分断面図である。図５に示す凹部の近傍の平面図である。変形例のヒータにおける凹部の近傍の平面図である。

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の一例を示す斜視図である。図１に示すように、ヒータ１０は、表面に凹部１４を有するセラミック基体１と、セラミック基体１に取り付けられたリード部材４とを備えている。ヒータ１０は、セラミック基体１の内部にさらに発熱抵抗体２および取出電極３を備えている。凹部１４はセラミック基体１の一方の端部に設けられている。

セラミック基体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。セラミック基体１の形状は、例えば、板状、棒状、または筒状である。図１に示すヒータ１０においては、セラミック基体１は主面が長さ方向を有する長方形状である板状である。

セラミック基体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、セラミック基体１１の熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高くできるので、セラミック基体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。セラミック基体１が板状の場合には、セラミック基体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。セラミック基体１は、様々な方法で製造することができるが、本実施形態のヒータ１０においては、セラミック基体１は２層のセラミック層が積層されて成る。

図２は、２層のセラミック層のうちの下側のセラミック層（以下、下側セラミック層１１）を示している。下側セラミック層１１は、セラミック基体１と同じく主面が長方形状である。下側セラミック層１１の上面には発熱抵抗体２および取出電極３が形成されている。なお、本明細書においては、説明の都合上、セラミック基体１の表面のうち凹部１４が設けられている側を上側と見なすとともに、反対側を下側と見なしている。しかしながら、これらは便宜上用いている表現であり、使用時におけるヒータ１０の向き等を限定するものではない。すなわち、セラミック基体１の表面のうち下側の表面に凹部１４があってもよいし、側面に凹部１４があってもよい。

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はセラミック基体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック基体１に埋設されている。より具体的には、発熱抵抗体２は、２層のセラミック層の層間に位置している。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の両端部は取出電極３に接続されている。

発熱抵抗体２の折り返し部はセラミック基体１の他方の端部に設けられている。取出電
極３は、セラミック基体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、取出電極３を介して、セラミック基体１に設けられたリード部材４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。取出電極３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、取出電極３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。

図３は、２層のセラミック層のうちの上側のセラミック層（以下、上側セラミック層１２）を示している。上側セラミック層１２と下側セラミック層１１とが積層されてセラミック基体１となる。上側セラミック層１２は、部分的に切りかかれた２つの切り欠き部１３を有する長方形状である。具体的には、上側セラミック層１２は、上側セラミック層１２を上下方向に貫通するとともに、上側セラミック層１２の側面に開口する切り欠き部１３を有している。切り欠き部１３は、上側セラミック層１２の主面の長手方向に伸びるように、形成されている。切り欠き部１３のうち、上側セラミック層１２の側面に開口する部分の太さは、リード部材４を挿入できる程度の太さに設定されており、また、長手方向で見たときに、切り欠き部１３のうち開口部とは反対側に位置する端部も、リード部材４を挿入できる程度の太さに設定されている。そして、切り欠き部１３のうち開口部および開口部の反対側に位置する端部の間に位置する領域は、開口部および開口部の反対側に位置する端部と比較して、幅広になるように形成されている。

図２に示した下側セラミック層１１と図３に示した上側セラミック層１２とが積層されてセラミック基体１が形成されている。このとき、下側セラミック層１１の上面と上側セラミック層１２の切り欠き部１３とによって、セラミック基体１の表面の２つの凹部１４が形成される。そのため、本例においては、凹部１４はセラミック基体１の上面とセラミック基体１の側面に開口している。より具体的には、凹部１４は、セラミック基体１の側面のうちセラミック基体１の長手方向に対して垂直に交わる側面に開口している。

また、上側セラミック層１２における切り欠き部１３は、下側セラミック層１１の上面に形成された取出電極３に重なるように位置している。すなわち、セラミック基体１の表面の凹部１４の底面に取出電極３が引き出されている。

図４は、セラミック基体１の表面の凹部１４の近傍を示す斜視図である。図４に示すように、リード部材４は、凹部１４のうちセラミック基体１の側面に開口する部分から挿入されている。リード部材４は、２つの凹部１４のそれぞれに取り付けられる。

リード部材４は発熱抵抗体２に電力を供給するための部材である。リード部材４は外部の電源（図示せず）に電気的に接続されて用いられる。リード部材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。リード部材４は、取出電極３のうち凹部１４の底面に引き出された部分に接合材５によって接続されている。接合材５としては、例えば、ろう材を用いることができる。図４においては説明の都合上、一方のリード部材４のみを記載して、他方のリード部材４を省略している。また、図４においては、接合材５および後述する絶縁性部材６も省略している。

上述したとおり、上側セラミック層１２の切り欠き部１３は上側セラミック層１２の側面の開口部と開口部と反対側に位置する端部との間に幅広な領域を有している。そのため、凹部１４も同様に、幅広な領域を有することになる。そして、凹部１４のうち幅広な領域において、取出電極３とリード部材４との接合および電気的な接続が行なわれている。

図５は、凹部１４を通りリード部材４の長手方向に垂直な断面で切った断面図である。図５に示すように、リード部材４は、取出電極３に接合材５を介して接合されている。接合材５と、凹部１４の壁面との間には絶縁性部材６が設けられている。絶縁性部材６は、接合材５が凹部１４の壁面に濡れ広がることを防止するために設けられている。

ここで、本実施形態においては、絶縁性部材６の気孔率がセラミック基体１の気孔率よりも大きい。そのため、ヒートサイクル下において絶縁性部材６と接合材５との間に熱応力が発生したとしても、この熱応力を絶縁性部材６が変形することによって吸収することができる。そのため、接合材５にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性をさらに向上できる。絶縁性部材６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等のセラミック材料を用いることができる。

気孔率が大きな絶縁性部材６を得るための方法として、例えば、以下の方法が挙げられる。具体的には、アルミナ粉末に、造孔材、樹脂バインダー、及び水又は有機溶剤を回転ミルにて混練し、セラミックスラリーを得る。このとき、造孔材の量を調整することによって気孔率を調整することができる。これらをスプレードライ等の方法で有機溶剤を除去し、メッシュパスした紛体をプレス機で所定の形状にプレスする。その後１５００℃で焼成し、所定の形状に研削加工することによって、上記の気孔率が大きな絶縁性部材６を得ることができる。次に、造孔材を含まないグリーンシートを積層して成るセラミック基体１の凹部の隅部に、アルミナ粉末とバインダーからなるセラミックペーストを塗り、上記で得られた絶縁性部材６を配置し、１４５０℃焼成することにより、凹部１４の底面の隅部に絶縁性部材６が接合されたセラミック基体１を得ることができる。

また別の方法として、以下の方法が挙げられる。まず、アルミナ粉末に、造孔材、樹脂バインダー、及び水又は有機溶剤を回転ミルにて混練し、セラミックスラリーを得る。このとき、造孔材の量を調整することによって気孔率を調整することができる。これらをスプレードライ等の方法で有機溶剤を除去し、メッシュパスした紛体をプレス機で所定の形状にプレスする。その後所定の形状に切削して、焼成前のセラミック基体１の凹部１４の隅部に切削後の部材を配置し、造孔材を含まないグリーンシートを積層して成るセラミック基体１と１５００℃で一体焼結することで、凹部１４の底面の隅部に気孔率がセラミック基体１よりも大きな絶縁性部材６が接合されたセラミック基体１を得ることができる。

セラミック基体１および絶縁性部材６がともに、アルミナから成る場合には、例えば、セラミック基体１の気孔率を０．０１〜０．１％に、絶縁性部材６の気孔率を１〜１０％に設定できる。

気孔率の測定方法としては、以下の方法が挙げられる。例えば、アルキメデス法を用いて気孔率の測定を行なうことができる。ただし、絶縁性部材６の大きさが小さすぎてアルキメデス法による測定が困難な場合には、以下の方法に替えてもよい。具体的には、セラミック基体１の表面と絶縁性部材６の表面とをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて確認する。ここで得られた画像からセラミック基体１の表面と絶縁性部材６の表面との空隙率を求める。そして、両者の空隙率の比較を行ない、絶縁性部材６の表面の空隙率がセラミック基体１の表面の空隙率よりも大きい場合には、絶縁性部材６の気孔率がセラミック基体１の気孔率よりも大きいと見なすことがでいる。

また、図６に示すように、凹部１４の底面が四角形状の部分を有しており、リード部材４は四角形状のうちの２辺の間に２辺と並ぶように設けられているとともに、平面視したときに、絶縁性部材６は、２辺のうち少なくとも一方の辺に接して底面に広がっているとともに、一方の辺の中央よりも一方の辺の端部において一方の辺に垂直な方向に幅広であってもよい。これにより、一般的に応力が集中しやすい四角形状の隅部において絶縁性部材６を多く設けることができるので、凹部１４の隅部にクラックが生じるおそれを低減できる。なお、図６においては、絶縁性部材６を明確に示すことを目的として、接合材５を省略している。

また、平面視したときに、絶縁性部材６のうちリード部材４に対向している領域は、一方の辺の中央に向かって凹んだ弧状であってもよい。これにより、接合材５を弧状に広げることができるので、接合材５を滑らかに広げることができる。そのため、接合材５に角部等を生じにくくすることができるので、接合材５に応力の集中を起こりにくくすることがでいる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

また、図７に示すように、平面視したときに、絶縁性部材６のうちリード部材４に対向している領域は、波打った形状であってもよい。これにより、接合材５を波状に広げることができるので、接合材５と絶縁性部材６との接触面積を増やすことができる。そのため、発熱抵抗体２から取出電極３等を介して接合材５に伝わってきた熱を絶縁性部材６に素早く放熱することができる。なお、図７においては、絶縁性部材６を明確に示すことを目的として、接合材５を省略している。

１：セラミック基体
１１：下側セラミック層
１２：上側セラミック層
１３：切り欠き部
１４：凹部
２：発熱抵抗体
３：取出電極
４：リード部材
５：接合材
６：絶縁性部材
１０：ヒータ

Claims

表面に凹部を有するセラミック基体と、該セラミック基体中に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基体中に設けられており、一方が前記発熱抵抗体に接続されるとともに、他方が前記凹部の底面に引き出された取出電極と、該取出電極に導電性の接合材によって接合されているリード部材と、前記凹部の底面のうち前記凹部の壁面と前記リード部材との間に設けられた絶縁性部材とを備えており、該絶縁性部材の気孔率が前記セラミック基体の気孔率よりも大きいことを特徴とするヒータ。
前記凹部の底面が四角形状の部分を有しており、前記リード部材は前記四角形状のうちの２辺の間に前記２辺と並ぶように設けられているとともに、平面視したときに、前記絶縁性部材は、前記２辺のうち少なくとも一方の辺に接して前記底面に広がっているとともに、前記一方の辺の中央よりも前記一方の辺の端部において前記一方の辺に垂直な方向に幅広であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
平面視したときに、前記絶縁性部材のうち前記リード部材に対向している領域は、前記一方の辺の中央に向かって凹んだ弧状であることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
平面視したときに、前記絶縁性部材のうち前記リード部材に対向している領域は、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。