JP2017126523A - heater - Google Patents
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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。 The present invention relates to a heater used for a liquid heating heater, a powder heating heater, a gas heating heater, an oxygen sensor heater, and the like.
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。
As a heater used in a liquid heating heater, a powder heating heater, a gas heating heater, an oxygen sensor heater, and the like, for example, a heater disclosed in
特許文献1に開示されたヒータ装置は、端子部材の一端部は電極から立ち上がるように設けられ、他端部はセラミック体の長さ方向に沿って延びて設けられている。端子部材の一端部がろう材によって電極パッドに接合され、端子部材の他端部はヒータ装置本体に固定されている。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は端子部材の他端部の変形で吸収されやすいのに対して、セラミック体の長さ方向に平行な方向の振動は一端部に伝わりやすいものである。そのため、長期の使用によって振動による応力が繰り返し加わることで、端子部材とろう材との間、特に端子部材の外表面におけるセラミック体の長さ方向を向いた部位においてろう材の剥がれが発生するおそれがあった。剥がれが生じると断線してしまうおそれがあり、信頼性の低いものとなる可能性があった。
In the heater device disclosed in
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と、該電極に接合材に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、前記電極から立ち上がる第1部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って延びた第2部分とを備え、前記第1部分は、外周面の少なくとも一部が前記接合材に覆われているとともに、前記外周面のうち前記接合材に覆われている領域に前記長さ方向に凹む凹部を有している。 The heater according to one aspect of the present invention includes a rod-shaped or cylindrical ceramic body, a heating resistor provided inside the ceramic body, and an electrode provided on a surface of the ceramic body and connected to the heating resistor. And a lead terminal joined to the electrode with a joining material, the lead terminal comprising: a first part rising from the electrode; a second part extending along the length direction of the ceramic body; The first portion has at least a part of an outer peripheral surface covered with the bonding material, and has a concave portion recessed in the length direction in a region of the outer peripheral surface covered with the bonding material. doing.
本発明の一態様のヒータによれば、リード端子と接合材との接合強度を高め、信頼性を高めることができる。 According to the heater of one embodiment of the present invention, the bonding strength between the lead terminal and the bonding material can be increased and the reliability can be increased.
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。
The
図1は本発明のヒータ10の実施形態の一例を示す斜視図であり、図2は図1のA−A線での断面を示す縦断面図であり、図3は図2におけるリード端子の接合部近傍(C部)を拡大して示す拡大断面図である。図1〜図3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3と、電極3に接合されたリード端子4とを備えている。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of the
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延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。
The
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。
The
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。
From the viewpoint of ease of production, it is preferable to use alumina. When the
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の両端部は一対の引出電極21のそれぞれに接続されている。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3に電気的に接続されている。
The
図2に示す例では、発熱抵抗体2の折り返し部は1つでU字形状であるが、複数の折り返し部を有する、いわゆるミアンダ形状であってもよい。また、図2に示す例では、発熱
抵抗体2は、1つの断面内、すなわちセラミック体1の内部の1つの仮想平面上に設けられている。発熱抵抗体2は、セラミック体1の内部におけるセラミック体1の外周面に沿った仮想曲面上に設けられていてもよい。これにより、セラミック体1の外周面における均熱性が向上する。
In the example shown in FIG. 2, the folded portion of the
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300mm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。
The
電極3はセラミック体1の表面に設けられている。電極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3の寸法は、例えばセラミック体1の長さ方向に沿った長さを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3と発熱抵抗体2とが直接接続されていてもよい。
The
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)に電気的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。本実施形態においては、リード端子4の断面(第1部分41および第2部分42の断面)が円形状である。リード端子4の断面のその他の形状としては、例えば、楕円形状、三角形状や矩形状のような多角形状、またはこれらの形状で中空状のものが挙げられる。
The
リード端子4は、電極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。ろう材としては、例えば、Auろう、AuCuろう、AgCuろう、Agろう等が挙げられる。
The
リード端子4は、電極3から立ち上がる第1部分41と、セラミック体1の外周面より外側において第1部分41から長さ方向に沿って延びた第2部分42とを備えている。リード端子4の寸法は、例えば、以下のように設定できる。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の長さ方向に平行な方向の長さを3.5mmに設定できる。また、第1部分41、第2部分42のそれぞれの断面が円形状の場合であれば、直径は0.8mmに設定できる。
The
リード端子4の第1部分41は、外周面の少なくとも一部が接合材5に覆われている。すなわち、リード端子4の第1部分41と電極3とが接合材5によって接合されている。そして、第1部分41は、その外周面のうち接合材5に覆われている領域にセラミック体1の長さ方向に凹む凹部43を有している。すなわち、第1部分41は、その外周面の接合材5に覆われている領域のうち、セラミック体1の長さ方向を向いている部位に凹部43を有している。
At least a part of the outer peripheral surface of the
セラミック体1の長さ方向に平行な方向の振動はリード端子4の第1部分41に伝わりやすいものである。セラミック体1の長さ方向に平行な方向の振動によって、リード端子4の第1部分41には、セラミック体1の長さ方向に平行な方向への繰り返し曲げ応力が加わり、リード端子4の第1部分41の外表面におけるセラミック体1の長さ方向を向いている部位には引っ張り応力が繰り返し加わる。そのため、振動による応力がリード端子4と接合材5との間、特にリード端子4の第1部分41の外表面におけるセラミック体1
の長さ方向を向いた部位と接合材5との間に加わりやすく、長期の使用によって応力が繰り返し加わることで、リード端子4と接合材5との間に剥がれが発生するおそれがあった。この剥がれは、リード端子4と接合材5との界面のうち、最も外側の端部、すなわちセラミック体1の外周面から最も離れたところで発生しやすく、ここからリード端子4と接合材5との界面に沿ってセラミック体1側へと進展する。この剥がれの先端が電極3に達すると、電極3の表面に沿って進展して電極3と接合材5との間でも剥がれが発生する場合がある。あるいは、剥がれの先端を起点として電極3にクラックが発生して、電極3がセラミック体1から剥がれたり、セラミック体1にクラックが発生してしまったりする可能性がある。そして、リード端子4と発熱抵抗体2との間で断線してしまう場合がある。特に、高温多湿の雰囲気中で使用した場合には、リード端子4と接合材5との界面のうち、雰囲気に接する、最も外側の端部において、ガルバニック腐食が発生しやすくなる。この腐食箇所が剥がれの起点となり、大きな応力が加わる、リード端子4の第1部分41のセラミック体の長さ方向を向いた部位と接合材5との界面に沿って剥がれが進展しやすくなる。
Vibration in a direction parallel to the length direction of the
There is a possibility that peeling between the
本実施形態のヒータ10においては、第1部分41の外周面の接合材5に覆われている領域のうち、セラミック体1の長さ方向を向いている部位に凹部43を有している。そのため、セラミック体1の長さ方向に平行な方向の振動によって接合材5の端部に剥がれが発生したとしても、剥がれのセラミック体2側への進展を凹部43で抑えることができ、また、剥がれの進展経路である、リード端子4と接合材5との界面の長さが長くなるので、剥がれの進展を抑えることができる。また、凹部43に接合材5の一部が入り込むことによるアンカー効果で、リード端子4と接合材5との接合強度が大きくなることで剥がれの進展を抑えることができる。よって、ヒータ10の信頼性が向上する。
In the
凹部43は、図4に示す例のように、第1部分41の外周面のうち発熱抵抗体2側に位置しているとよい。リード端子4と接合材5との接合部のうち発熱体2に近い側は温度が高くなるので、よりガルバニック腐食が発生しやすくなる。すなわち、第1部分41の外表面におけるセラミック体1の長さ方向を向いた部位のうち、より剥がれが発生する可能性の高い、発熱体2側に凹部43を設けることで、剥がれの進展を抑えることができる。
The recessed
凹部43は、図5に示す例のように、開口部の形状が長さ方向を有する形状であり、開口部の長さ方向が第1部分43の軸方向に沿っているとよい。開口部の長さ方向が第1部分43の軸方向に沿っている、すなわち開口部は剥がれの進展方向に沿って長い形状である。そのため、剥がれの進展経路がさらに長くなるので、剥がれの進展をより抑えやすくなる。またリード端子4に引っ張り応力がかかった時に、凹部43の開口部の形状がリード端子4の第1部分41の軸方向に沿っていることで、リード端子4に入り込む接合材5にかかる応力をリード端子4の長手方向に分散できるので、リード端子4の接合強度が大きくなる。幅も含めて開口部の大きさを単に大きくすると、リード端子4の強度が低下してしまう。リード端子4の強度低下を抑えつつ上記のような効果を得るには、上記のように、開口部の形状が長さ方向を有する形状であり、開口部の長さ方向が第1部分43の軸方向に沿っているのがよい。
As in the example illustrated in FIG. 5, the
また、図6に示す例のように、凹部43の内面と凹部43を覆う接合材5との間に空隙6があるとよい。ヒータ10のオン・オフによる熱サイクルによって、リード端子4と接合材5との間の熱膨張差による熱応力が発生しても、リード端子4と接合材5との間に位置する空隙6によって熱応力が緩和されるため、耐久性が向上する。また、剥がれの進展経路である界面が、その途中で途切れるので剥がれの進展が止まりやすくなる。なお、ここでいう凹部43の内面とは、凹部43の内面のうちの底側の部分である。すなわち、図4等に示す例のように凹部43に接合材5が充填されている(凹部43の底まで接合材5が入り込んでいる)のではなく、図6に示す例のように接合材5は凹部43の開口側のみ
に入り込んでいる(開口部から凹部43の底までのうち、途中まで入り込んでいる)ということである。このような空隙6は、例えば、リード端子4を電極3へ接合する際に、予め凹部43の底側の部分を、接合材5が濡れないような処理をしておくことで形成することができる。具体的には、接合材5としてAgCuろうを用いる場合であれば、リード端子4の凹部43の底部に窒化ホウ素の膜を形成しておけばよい。このような膜は、例えば、溶剤又は水等の溶媒に窒化ホウ素粉末を混ぜスラリー状にしたペーストを凹部に塗布、乾燥することで形成することができる。なお、凹部43の内面と凹部43を覆う接合材5との間に空隙6があるとは、上記の図6に示す例のように接合材5が凹部43の底部に全く存在しないものだけでなく、底部に薄い接合材5が存在しており、底部と凹部43の開口部側との間に空隙6が存在するものも含まれる。
In addition, as in the example illustrated in FIG. 6, it is preferable that there is a
凹部43の大きさは、大きいほど剥がれの進展経路である、リード端子4と接合材5との界面の長さが長くなるのでよいが、リード端子4の強度も考慮して設定する。例えば、以下のように設定することができる。開口部の長さ(第1部分41の軸方向の長さ)は、第1部分41の接合材5に覆われた領域の長さの10%〜50%である。開口部の幅は、リード端子4の断面形状が円形の場合であれば、第1部分41の外周長の5%〜30%であり、リード端子4の断面形状が矩形の場合であれば、第1部分41の、セラミック体1の長さ方向を向いている面の幅の5%〜50%である。開口部の深さは、リード端子4の断面形状が円形の場合であれば、第1部分41の直径の5%〜40%であり、リード端子4の断面形状が矩形の場合であれば、セラミック体1の長さ方向の断面の長さの5%〜40%である。より具体的には、第1部分41が、直径が0.8mmで長さが2.3mmで接合材5に覆われた領域の長さが1.5mmである場合には、開口部の長さが0.5mm、幅が0.2mm、深さが0.2mmである。なお、開口部の長さ、幅および深さは、それぞれ最大長さ、最大幅、最大深さである。
The size of the
凹部43の第1部分41の軸方向における位置は、接合材5に覆われた領域であれば特に制限はない。剥がれの進展をできるだけ小さく抑えるために、剥がれの起点となる、最も外側の端部に近い側、すなわちセラミック体1の外周面から遠い側に配置してもよい。
The position in the axial direction of the
凹部43の断面形状は、図2〜図4に示す例では半楕円状であるが、図6に示す例のような半円状、あるいは図7(a)に示す例のような三角形状や図7(b)に示す例のような矩形状のような多角形状であってもよく、特に制限はない。半楕円や半円であると、凹部43の内面が曲面となるので、リード端子4に引っ張り応力がかかった時に応力を分散しやすくなるため、リード端子4の接合強度が大きくなる。図2等に示す凹部43の断面形状は、第1部分41の軸方向に沿った方向における断面(縦断面)の形状であるが、第1部分41の幅(径)方向における断面(横断面)の形状についても同様に、特に制限はない。
The cross-sectional shape of the
また、図2等に示す例においては、凹部43は、第1部分41の外表面におけるセラミック体1の長さ方向を向いている部位に1つだけ設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図8に示す例のように、第1部分41の軸方向に並べて複数の凹部43を設けてもよい。図8に示す例においては、図4に示す例の凹部43に対して第1部分41の軸方向の長さが小さい(2分の1程度)凹部43を2つ、第1部分41の軸方向に並べて設けている。このようにすることで、剥がれの進展を抑える凹部43の数が増え、また、凹部43のトータルの長さは同程度でも、剥がれの進展経路である、リード端子4と接合材5との界面の長さはより長くなる。そのため、剥がれの進展をより抑えやすくなる。複数個の凹部43の大きさは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。このときの凹部43の第1部分41の軸方向に沿った方向の長さは、複数個の凹部43の長さの合計が、第1部分41の接合材5に覆われた領域の長さの10%〜50%となるようにする。
Further, in the example shown in FIG. 2 and the like, only one
また、凹部3は、図4に示す例においては第1部分41の外周面のうち発熱抵抗体2側の部位に1つ、図3に示す例においてはこれとは逆に第1部分41の外周面のうち発熱抵抗体2側とは反対側の部位に1つ設けている。上述したように、セラミック体1の長さ方向に平行な方向の振動による応力は、リード端子4の第1部分41の外表面におけるセラミック体1の長さ方向を向いている部位に主に発生する。つまり、第1部分41の外周面のうち発熱抵抗体2側の部位と、発熱抵抗体2側とは反対側の部位に発生する。そのため、図9に示す例のように、第1部分41の外周面のうち発熱抵抗体2側の部位と、発熱抵抗体2側とは反対側の部位との両方に凹部43を設けてもよい。このときのそれぞれの部位における凹部43の数は1つでもよいし、複数でもよい。また、第1部分41の軸方向における凹部43の位置は、両方の部位の間で同じであってもよいし、異なっていてもよい。リード端子4の強度低下を抑えるために、それぞれの部位において互いに異なる位置に凹部43を配置してもよい。図9に示す例においては、同じ大きさの凹部43を、発熱抵抗体2側に1つ配置し、発熱抵抗体2側とは反対側には2つ配置している。そして、第1部分41の軸方向における凹部43の位置は互いに異なっており、セラミック体1の長さ方向で互いに重なっていない。剥がれの発生する可能性がより大きい発熱抵抗体2側の凹部43の数を多くし、リード端子4の強度低下をできるだけ抑えるようにしている。
Further, in the example shown in FIG. 4, the
リード端子4は、金属製の線材を折り曲げて第1部分41と第2部分42とを有する形状にするとともに、第1部分41の表面に、凹部43に対応する形状の突出部を備えた金型等を押し当てることで凹部43を形成して作製することができる。予め凹部43を形成した線材を折り曲げ加工をしてもよいし、線材を折り曲げ加工をしてから凹部43を形成してもよいし、あるいは線材を折り曲げる際に、折り曲げ装置や工具等として凹部43に対応する突起を備えるものを用いることで、折り曲げ加工と凹部43の形成とを同時に行なってもよい。
The
リード端子4は、図10に示す例のように、第1部分41と第2部分42との間に湾曲部44を備えていてもよい。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、この湾曲部43がたわむことによって、振動によってリード端子4の第1部分41に加わる応力を低減することができる。その結果、リード端子4と接合材5との間に剥がれが発生する可能性を低減することができる。図10に示す例においては、湾曲部43は第1部分41および第2部分42よりも細くなっている。これにより、湾曲部43をよりたわませやすくすることができ、振動によってリード端子4の第1部分41に加わる応力を低減することができる。
The
1:セラミック体
2:発熱抵抗体
21:引出電極
3:電極
4:リード端子
41:第1部分
42:第2部分
43:凹部
5:接合材
6:空隙
10:ヒータ
1: Ceramic body 2: Heating resistor 21: Lead electrode 3: Electrode 4: Lead terminal 41: First part 42: Second part 43: Recess 5: Bonding material 6: Air gap 10: Heater
Claims (4)
該リード端子は、前記電極から立ち上がる第1部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って延びた第2部分とを備え、
前記第1部分は、外周面の少なくとも一部が前記接合材に覆われているとともに、前記外周面のうち前記接合材に覆われている領域に前記長さ方向に凹む凹部を有していることを特徴とするヒータ。 A rod-shaped or cylindrical ceramic body, a heating resistor provided inside the ceramic body, an electrode provided on the surface of the ceramic body and connected to the heating resistor, and a bonding material to the electrode With joined lead terminals,
The lead terminal includes a first portion rising from the electrode, and a second portion extending along the length direction of the ceramic body,
The first portion has at least a part of an outer peripheral surface covered with the bonding material, and has a recess recessed in the length direction in a region of the outer peripheral surface covered with the bonding material. A heater characterized by that.
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WO2022249794A1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | 京セラ株式会社 | Heater |
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