JP2017183219A - セラミックヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】冷熱衝撃に対する耐久性の高いセラミックヒーターを提供する。【解決手段】セラミックヒーターは、セラミックからなる本体部１０と、発熱抵抗体からなる発熱部と、発熱部の端部に接続される給電部３０と、給電部３０に接続されるリード線４０とを備えている。リード線４０における給電部３０に接続される端部の周囲には、金銅合金を含むロウ材からなり、給電部３０上にリード線４０を固定するフィレット５０が形成されている。フィレット５０において、その表面における平均粒子径３０μｍ以上である部分を第１部分５２としたとき、フィレット５０における給電部３０に接着している部分全体の面積Ａに対して、第１部分５２において給電部３０に接着している部分の面積Ａ１が占める割合が４５〜５９％の範囲である。【選択図】図３

Description

本発明は、セラミックヒーターに関する。

特許文献１には、セラミックからなる本体部の内部に発熱部を埋設してなるセラミックヒーターが開示されている。こうしたセラミックヒーターは、例えば、自動車用の酸素センサやグローシステム等における発熱源、半導体加熱用ヒータ及び石油ファンヒータ等の石油気化器用熱源として広範囲に使用されている。

特開２００２−７５５９６号公報

ところで、特許文献１に開示されるセラミックヒーターにおいては、セラミックからなる本体部の表面に給電部が設けられるとともに、この給電部に対して電力供給用のリード線が接続されている。給電部に対してリード線を接続する方法としては、ロウ材を用いてロウ付けにより固定する方法が知られている。この場合に、ロウ付け部分として形成されるフィレットは、セラミックヒーターの使用時と停止時との間の温度差に基づく冷熱衝撃に対して、耐久性の高いものであることが好ましい。

この発明は、本発明者らによる鋭意研究の結果、ロウ付けにより形成されるフィレットを、その表面形状に基づく特定状態となるように形成することによって、冷熱衝撃に対する耐久性が向上することを見出したことに基づいてなされたものである。この発明の目的は、冷熱衝撃に対する耐久性の高いセラミックヒーターを提供することにある。

上記の目的を達成するためのセラミックヒーターは、セラミックからなる本体部と、前記本体部の内部に設けられる発熱抵抗体からなる発熱部と、前記発熱部の端部に接続されるとともに、前記本体部の表面に設けられる給電部と、前記給電部に接続されるリード線とを備えるセラミックヒーターであって、前記リード線における前記給電部に接続される端部の周囲には、金銅合金を含むロウ材からなり、前記給電部上に前記リード線を固定するフィレットが形成されており、前記フィレットにおいて、その表面における平均粒子径３０μｍ以上である部分を第１部分としたとき、前記フィレットにおける前記給電部に接着している部分全体の面積に対して、前記第１部分において前記給電部に接着している部分の面積が占める割合が４５〜５９％の範囲であることを特徴とする。

前記フィレットにおける前記給電部に接着している部分全体の面積は、４．０〜５．２ｍｍ^２の範囲であり、前記第１部分において前記給電部に接着している部分の面積は、２．４ｍｍ^２以上であることが好ましい。

上記構成によれば、給電部とリード線との接続部分を構成するフィレットを、その表面形状に基づく特定状態となるように形成したことにより、フィレットにおける冷熱衝撃に対する耐久性が向上する。

本発明のセラミックヒーターによれば、給電部とリード線との接続部分における冷熱衝撃に対する耐久性が向上する。

セラミックヒーターの斜視図。 リード線の接続部分の正面図。 図２の３−３線断面図。 図２における区画部分の顕微鏡写真。 図４における区画部分を拡大した顕微鏡写真。

以下、本発明のセラミックヒーターを図面に基づいて説明する。
図１に示すように、セラミックヒーターは、絶縁性のセラミックからなる長尺状の本体部１０を備えている。本体部１０を構成するセラミックは特に限定されるものではなく、公知のセラミックヒーターに用いられる絶縁性のセラミックを用いることができる。絶縁性のセラミックとしては、例えば、酸化物セラミック、窒化物セラミック、炭化物セラミックが挙げられる。

酸化物セラミックとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、ムライトが挙げられる。窒化物セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタンが挙げられる。炭化物セラミックとしては、例えば、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンが挙げられる。また、本体部１０を構成するセラミックには、バインダー等のその他成分が含まれていてもよい。

本体部１０の外周形状は特に限定されるものではなく、セラミックヒーターの用途等に応じて、円柱状、円筒状、角柱状、角筒状等に適宜、設定することができる。なお、図１においては、本体部１０を円柱状とした例について図示している。

本体部１０の内部には、抵抗発熱体からなり、所定幅を有する線状の発熱部２０が埋設されている。発熱部２０を構成する材料は特に限定されるものではなく、公知のセラミックヒーターに用いられる材料を用いることができる。上記材料としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の高融点金属が挙げられる。発熱部２０は、単独の材料からなるものであってもよいし、複数の材料からなるものであってもよい。また、アルミナ等のセラミックが少量含まれていてもよい。

本体部１０の表面には、その少なくとも一部分が外部に露出する一対の給電部３０が設けられている。一対の給電部３０のうちの一方には、発熱部２０の一端が接続されるとともに、同他方には発熱部２０の他端が接続されている。給電部３０を構成する材料は特に限定されるものではなく、公知のセラミックヒーターに用いられる材料を用いることができる。上記材料としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の高融点金属が挙げられる。給電部３０は、単独の材料からなるものであってもよいし、複数の材料からなるものであってもよい。また、アルミナ等のセラミックが少量含まれていてもよい。また、給電部３０を構成する材料は、発熱部２０を構成する材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図１〜３に示すように、給電部３０における外部に露出する部分には、発熱部２０に電力を供給するためのニッケルからなるリード線４０の端部が接続されている。図２及び図３に示すように、リード線４０の端部は、給電部３０の表面に対して直交する方向に配置されて、ロウ付けにより給電部３０に固定されている。給電部３０上におけるリード線４０の端部の周囲にはフィレット５０が形成されている。フィレット５０を構成するロウ材は、金銅合金を主成分として含有する金−銅系のロウ材である。

金銅合金中における金の割合は、例えば、質量比で３０〜７０％の範囲であることが好ましい。上記範囲にすることで、低温で接着加工することができる。なお、金の割合が上記範囲である金銅合金としては、例えば、ＢＡｕ−１（ＪＩＳＺ３２６６：金３８％、銅６２％）が挙げられる。また、フィレット５０を構成するロウ材は、公知の金−銅系のロウ材に含有され得るその他の成分を含有していてもよい。

図３に示すように、フィレット５０の表面、及び給電部３０における外部に露出する部分であってフィレット５０が形成されていない部分の表面には、ニッケルメッキ６０が施されている。ニッケルメッキ６０の厚さは、６〜１８μｍであることが好ましい。

図４及び図５の顕微鏡写真に示すように、ニッケルメッキ６０が施されたフィレット５０の表面には、多数の粒子５１が接合されたような模様が形成されている。この模様は、フィレット５０自体の表面形状がニッケルメッキ６０を介して表面に現れているものである。

図４に示すように、上記模様を構成する各粒子５１は、線Ｌ１よりもリード線４０側の部位においては、粒子径が７０〜８０μｍである粗い粒子となっている。一方、図４及び図５に示すように、線Ｌ１からフィレット５０の周縁（止端部）を示す線Ｌ２の間の部位においては、粒子径が５〜２０μｍである細かい粒子となっている。なお、粒子径は、粒子を楕円近似した場合の短軸の長さである。

以下では、図２に示すように、フィレット５０における、線Ｌ１よりもリード線４０側に位置して、粗い粒子から構成される部分を第１部分５２と記載する。そして、線Ｌ１よりもフィレット５０の周縁側に位置して、細かい粒子から構成される部分を第２部分５３と記載する。

なお、第１部分５２は、図２に示すような正面視において、フィレット５０を略同心円状の線にて複数（例えば、１０〜２０）の領域に分割したときに、その内側に位置する粒子５１の平均粒子径が３０μｍ以上となる領域と定義することができる。同様に、第２部分５３は、フィレット５０を略同心円状の線にて複数（例えば、１０〜２０程度）の領域に分割したときに、その内側に位置する粒子５１の平均粒子径が３０μｍ未満となる領域と定義することができる。

本実施形態においては、フィレット５０における第１部分５２の割合が特定範囲となるようにフィレット５０を形成している。具体的には、図３に示すように、フィレット５０おける給電部３０に接着している部分全体の面積Ａに対して、第１部分５２において給電部３０に接着している部分の面積Ａ１が占める割合（＝Ａ１／Ａ×１００）が４５〜５９％の範囲となるようにフィレット５０を形成している。

なお、フィレット５０おける給電部３０に接着している部分全体の面積Ａは、第１部分５２において給電部３０に接着している部分の面積Ａ１と、第２部分５３において給電部３０に接着している部分の面積Ａ２との和である。

また、フィレット５０おける給電部３０に接着している部分全体の面積Ａは、例えば、４．０〜５．２ｍｍ^２の範囲であることが好ましい。この場合、第１部分５２において給電部３０に接着している部分の面積Ａ１は、２．４ｍｍ^２以上であることが好ましく、２．４〜２．７ｍｍ^２の範囲であることがより好ましい。

なお、フィレット５０における第１部分５２の割合は、ロウ付け時における加熱の最大温度、ロウ材固相線以上の温度保持時間、冷却時間、リード線４０に対するロウ材の巻き付き量、及びフィレット５０の高さ等を調整することによって、制御することが可能である。例えば、ロウ付け時における加熱の最大温度が固相線以上液相線以下の範囲では、最大温度が高くなるにしたがって、上記割合が大きくなる傾向があり、最大温度が固相線以上になると上記割合が飽和して一定になる傾向がある。特に、ロウ付け時における加熱の最大温度を１０１５℃以上とした場合には、上記割合が４５〜５９％の範囲となるフィレット５０が安定して形成されやすい。

次に、本実施形態の作用及び効果について記載する。
セラミックヒーターは、セラミックからなる本体部と、発熱抵抗体からなる発熱部と、発熱部の端部に接続される給電部と、給電部に接続されるリード線とを備えている。リード線における給電部に接続される端部の周囲には、金銅合金を含むロウ材からなり、給電部上にリード線を固定するフィレットが形成されている。フィレットにおいて、その表面における平均粒子径が３０μｍ以上である部分を第１部分としたとき、フィレットにおける給電部に接着している部分全体の面積Ａに対して、第１部分において給電部に接着している部分の面積Ａ１が占める割合が４５〜５９％の範囲である。

上記構成によれば、給電部とリード線との接続部分を構成するフィレットについて、その表面形状に基づく特定状態に形成したことにより、フィレットにおける冷熱衝撃に対する耐久性が向上している。その結果、フィレットにおいて、冷熱衝撃に起因するクラックが発生し難くなる。

そのメカニズムは以下のように推測される。すなわち、ロウ付けにより形成されるフィレットは、冷熱サイクル時に作用する熱履歴により引張応力や圧縮応力を受け、フィレット直下の本体部にも影響（疲労）を与える。この疲労に対する強度を向上させる方法の一つとしてフィレットの止端部（線Ｌ２）の応力集中を低減させることが挙げられる。

しかしながら、上記疲労に起因する実際の破壊は、フィレットの止端部（線Ｌ２）ではなく、フィレットにおける線Ｌ１の部分で生じる。つまり、フィレットにおける応力集中点が止端部（線Ｌ２）から、ある一定以上の肉厚をもった部分の境界（線Ｌ１）へとシフトして破壊が生じる。こうした破壊現象に鑑みると、上記疲労に起因する破壊を抑制する観点においては、フィレットについて、止端半径やフランク角といった止端部（線Ｌ２）に関する一般的なパラメータを制御することよりも、線Ｌ１の内側に位置する、ある一定以上の肉厚をもった部分に関するパラメータを制御することが重要であると考えられる。つまり、フィレットの止端半径やフランク角を大きく設定したとしても、線Ｌ１の内側に位置する、ある一定以上の肉厚をもった部分が十分に存在していなければ、上記疲労に起因する実際の破壊を効果的に抑制することはできない。

本実施形態では、フィレットについて、線Ｌ１の内側に位置する、ある一定以上の肉厚をもった部分（上記平均粒子径が３０μｍ以上である第１部分）に関するパラメータに基づいて、その形状を特定している。具体的には、フィレットおける給電部に接着している部分全体の面積Ａに対して、第１部分において給電部に接着している部分の面積Ａ１が占める割合が４５〜５９％の範囲となるようにフィレットを形成している。この構成により、応力集中点が止端部（線Ｌ２）から、ある一定以上の肉厚をもった部分の境界（線Ｌ１）へとシフトして生じる破壊を効果的に抑制することができ、その結果、フィレット５０における冷熱衝撃に対する耐久性が向上する。

なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・上記実施形態において、ニッケルメッキを省略してもよい。この場合、第１部分は、フィレットの表面に直接形成される粒子の形状に基づいて特定することができる。

・給電部とフィレットとの間にニッケル等からなるメッキ層が設けられていてもよい。すなわち、メッキ層が設けられた給電部に対してリード線がロウ付けされた構成であってもよい。

・フィレットは、給電部における外部に露出する部分の全体に形成されていてもよいし、その一部のみに形成されていてもよい。
・給電部に対するリード線の端部の配置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、給電部の表面に沿うように、リード線の端部を配置してもよい。

以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。
図１に示す円柱状のセラミックヒーターを複数、製造して、これらを実施例１〜２、比較例１〜３とした。各実施例及び比較例のセラミックヒーターは、表１に示すように、フィレットにおける給電部に接着している部分全体の面積Ａに対して、第１部分において給電部に接着している部分の面積Ａ１が占める割合（Ａ１／Ａ×１００）がそれぞれ異なっている。上記割合は、リード線のロウ付け時において、ロウ材を溶融及び接合させるために行う、ロウ材固相線以上の温度（９９５℃以上の温度）による加熱の温度条件を異ならせることによって、それぞれ異なる値に調整した。

なお、セラミックヒーターの具体的な構成は以下のとおりである。
寸法：直径３．２ｍｍ×長さ５０ｍｍ（給電部が設けられている部分の直径２．７ｍｍ）
本体部の組成（Ａｌ_２Ｏ_３：９２質量％、Ｎａ_２Ｏ_３：０．３２質量％、ＭｇＯ：０．５質量％、ＣａＯ：１．８質量％、ＳｉＯ_２：５．１質量％）
給電部を構成する金属の組成（Ｗ：Ｍｏ＝４：６（質量比））
フィレットを構成するロウ材：金−銅系のロウ材（金：３８％、銅６２％）
リード線：直径０．６ｍｍのニッケル線
次に、各試験例のセラミックヒーターに対して、室温から４００℃まで加熱した後、室温まで冷却する処理を１サイクルとして、これを４５００サイクル行った。その後、リード線に引張力を加えてリード線を断線させる操作を行い、リード線が断線する前にフィレットにおいて破壊が生じるか否かを評価した。その結果を表１の耐久性欄に示す。表１の耐久性欄では、リード線が先に断線した場合を「○」で示すとともに、フィレットが先に破壊された場合を「×」で示している。

表１に示すように、上記割合（Ａ１／Ａ×１００）が４５％未満である比較例１、並びに上記割合が５９％を超える比較例２及び比較例３においては、リード線が断線する前にフィレットが破壊された。一方、上記割合が４５〜５９％の範囲である実施例１及び実施例２においては、フィレットの破壊は確認されなかった。この結果から、フィレットにおける上記割合を４５〜５９％の範囲とすることによって、フィレットの冷熱衝撃に対する耐久性が向上することが分かる。

１０…本体部、２０…発熱部、３０…給電部、４０…リード線、５０…フィレット、５１…粒子、５２…第１部分、５３…第２部分。

Claims (2)

1. セラミックからなる本体部と、前記本体部の内部に設けられる発熱抵抗体からなる発熱部と、前記発熱部の端部に接続されるとともに、前記本体部の表面に設けられる給電部と、前記給電部に接続されるリード線とを備えるセラミックヒーターであって、
   前記リード線における前記給電部に接続される端部の周囲には、金銅合金を含むロウ材からなり、前記給電部上に前記リード線を固定するフィレットが形成されており、
   前記フィレットにおいて、その表面における平均粒子径が３０μｍ以上である部分を第１部分としたとき、
   前記フィレットにおける前記給電部に接着している部分全体の面積に対して、前記第１部分において前記給電部に接着している部分の面積が占める割合が４５〜５９％の範囲であることを特徴とするセラミックヒーター。
2. 前記フィレットにおける前記給電部に接着している部分全体の面積は、４．０〜５．２ｍｍ^２の範囲であり、前記第１部分において前記給電部に接着している部分の面積は、２．４ｍｍ^２以上であ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ー。