JP2019061876A

JP2019061876A - ヒータ

Info

Publication number: JP2019061876A
Application number: JP2017186553A
Authority: JP
Inventors: 秀明吉留; Hideaki Yoshitome
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-04-18

Abstract

【課題】発熱抵抗体と引出部との間にかかるねじりの熱応力を低減させたヒータを提供する。【解決手段】ヒータは、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に埋設され、セラミック体１の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復してなる発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２の一端および他端のそれぞれに接続されてセラミック体１の後端部に埋設された、発熱抵抗体２よりも幅広の引出部３とを備えている。そして、発熱抵抗体２は、セラミック体１の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙部２０を介して並設された複数の第１部分２１と、隣り合う第１部分２１と第１部分２１とをこれらの先端部および後端部で接続する第２部分２２とを有している。また、引出部３は、長手方向に沿って延びる複数のスリット３０を有しており、複数のスリット３０の長手方向に沿った中心軸は、間隙部２０の長手方向に沿った中心軸と同軸上に位置する。【選択図】図４

Description

本開示はヒータに関し、例えば流体加熱、粉体加熱、気体加熱、酸素センサ、半田ゴテ等に用いられるヒータに関するものである。

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埋設され、前記セラミック体の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復してなる発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の一端および他端のそれぞれに接続されて前記セラミック体の後端部に設けられた、前記発熱抵抗体よりも幅広の引出部とを備えたヒータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このヒータにおいて、引出部の任意の位置にスリットを設けた構造も知られている。

特開２０００−５８２３７号公報

ヒータの昇降温を早く行うと、発熱抵抗体とセラミック体との熱膨張差によりこれらの界面に熱応力がかかるとともに、引出部とセラミック体との熱膨張差によりこれらの界面に熱応力がかかる。

ここで、セラミック体の長手方向に沿った軸方向で見て、発熱抵抗体と引出部との導体パターンの位置が異なると、発熱抵抗体と引出部との間でねじりの熱応力がかかり、そこを起点にクラックが発生するおそれがあった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、発熱抵抗体と引出部との間にかかるねじりの熱応力を低減させたヒータを提供することを目的とする。

本開示のヒータは、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埋設され、前記セラミック体の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復してなる発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の一端および他端のそれぞれに接続されて前記セラミック体の後端部に埋設された、前記発熱抵抗体よりも幅広の引出部とを備えている。そして、前記発熱抵抗体は、前記セラミック体の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙部を介して並設された複数の第１部分と、隣り合う前記第１部分と前記第１部分とをこれらの先端部および後端部で接続する第２部分とを有している。また、前記引出部は、前記長手方向に沿って延びる複数のスリットを有しており、該複数のスリットの長手方向に沿った中心軸は、前記間隙部の長手方向に沿った中心軸と同軸上に位置している。

本開示のヒータによれば、発熱抵抗体の導体パターンで形成される間隙部と、引出部の導体パターンで形成されるスリットとが、同軸上に位置しているので、発熱抵抗体と引出部との間にかかるねじりの熱応力が低減される。

ヒータの実施形態の例を示す斜視図である。図１に示すヒータの一部破断斜視図である。図１に示すIII−III線で切断した断面図である。ヒータの一例の発熱抵抗体および引出部の導体パターンを示す概略展開図である。ヒータの他の例の発熱抵抗体および引出部の導体パターンを示す概略展開図である。ヒータの他の例の発熱抵抗体および引出部の導体パターンを示す概略展開図である。

以下、ヒータの実施形態について図面を参照して説明する。

本開示のヒータは、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に埋設され、セラミック体１の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復してなる発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２の一端および他端のそれぞれに接続されてセラミック体１の後端部に埋設された、発熱抵抗体２よりも幅広の引出部３とを備えている。

セラミック体１は、長手方向を有する棒状または筒状の部材である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。また、筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。本例のヒータにおいては、セラミック体１は円筒状である。セラミック体１の長さは、例えば２０ｍｍ〜１００ｍｍに設定される。セラミック体１が断面円筒状の外径または断面円形状の場合の直径は、例えば２．５ｍｍ〜２０ｍｍに設定される。

セラミック体１が円筒状などの筒状である場合には、ヒータはセラミック体１の内周面または外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。また、セラミック体１が棒状の場合は、ヒータはセラミック体１の外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。

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。耐酸化性があって製造しやすいという点ではアルミナ、高強度，高靱性，高絶縁性および耐熱性に優れるという点では窒化珪素、熱伝導率に優れるという点では窒化アルミニウムを用いることができる。なお、セラミック体１には発熱抵抗体２に含まれる金属元素の化合物が含まれていてもよく、例えば発熱抵抗体２にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合は、セラミック体１にＷＳｉ_２またはＭｏＳｉ_２が含まれていてもよい。

セラミック体１は、例えば、棒状または筒状の芯材１１と、芯材１１の側面を覆うように設けられた表層部１２とを有している。

ここで、図１および図２に示すように、セラミック体１は、外周面に先端から後端に向かって伸びるスリット状の凹部１３を有していてもよい。このとき、凹部１３の深さ（表層部１２の厚み）は例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍとされる。また、凹部１３の開口幅は例えば０．３ｍｍ〜２ｍｍとされる。なお、開口幅とは、セラミック体１が断面円筒状または断面円形状の場合は、セラミック体１の横断面における外径に沿った曲線の長さのことを意味する。

スリット状の凹部１３は、通常、芯材１１を取り囲む表層部１２の一部がない部分が設けられ、芯材１１の表面が露出するような溝状の部分ができてなるものである。したがって、凹部１３には、発熱抵抗体２は配置されていないのが通常である。

セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が埋設されていて、セラミック体が芯材１１と表層部１２とからなる構成の場合、発熱抵抗体２は例えば芯材１１と表層部１２との間に配置される。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱してセラミック体１を加熱するものである。発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体からなる。発熱抵抗体２はセラミック体１の材料を含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３ｍｍ〜２ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとされ、全ての発熱抵抗体２の長さを合わせた全長が５００ｍｍ〜５０００ｍｍと設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復した形状、いわゆる蛇行した形状の導体パターンを有している。具体的には、発熱抵抗体２は、セラミック体１の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙部２０を介して並設された複数の第１部分２１と、隣り合う第１部分２１と第１部分２１とをこれらの先端部および後端部で接続する第２部分２２とを有している。

第１部分２１はセラミック体１の長手方向に沿って延びる直線状部となっている。第１部分２１の長手方向の長さは、例えば３〜１００ｍｍとされる。また、隣り合う第１部分２１と第１部分２１との間にある間隙部２０もセラミック体１の長手方向に沿って延びている。セラミック体１の周方向に沿った間隙部２０の幅は、例えば０．３〜２ｍｍとされる。隣り合う第１部分２１と第１部分２１とは、これらの先端部および後端部で第２部分２２を介して互いに接続されている。第２部分２２は図２に示すような曲線形状であってもよく、図４に示すような直線形状であってもよい。発熱抵抗体２の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよい。

発熱抵抗体２は、第１部分２１と第２部分２２とが同様の材料を用いて形成されてもよい。また、第１部分２１の断面積を第２部分２２の断面積よりも小さくしたり大きくしたり、セラミック体１の材料の含有量を少なくしたり多くしたりすることによって、抵抗値を異ならせてもよい。なお、このような構成になっているかどうかは、第２部分２２のうちの先端部（セラミック体１の先端に近接する部位）と、第１部分２１のうちの引出部３に隣接する部位とを切り出し、それぞれの抵抗値を測定することで判別できる。

引出部３は、セラミック体１の後端部に埋設され、発熱抵抗体２の一端および他端のそれぞれに接続されている。引出部３は、発熱抵抗体２と同様の材料からなるものでもよく、発熱抵抗体２よりも抵抗値の低い材料からなるものでもよい。

引出部３は、例えば展開したときの外形が矩形状の導体パターンを有している。複数個の引出部３のうちの１個の引出部３についてみたときに、引出部３の外形形状は発熱抵抗体２の線幅よりも幅広である。そして、引出部３は、長手方向に沿って延びる複数のスリット３０を有している。このスリット３０は、引出部３の長手方向先端寄りに設けられている。言い換えると、スリット３０は、引出部３のうちの発熱抵抗体２に近い側に寄って設けられている。図４に示す例の引出部３の外形形状は、長手方向の長さが例えば１０〜５０ｍｍとされ、周方向に沿った幅が例えば３．５〜３０ｍｍとされる。また、スリット３０の長手方向の長さは例えば５〜４５ｍｍとされ、周方向に沿った幅が例えば０．３〜２ｍｍとされる。また、隣り合うスリット３０とスリット３０との間隔は、例えば０．３ｍｍ〜２ｍｍとされる。

さらに、図４に示すように、複数のスリット３０の長手方向に沿った中心軸は、間隙部２０の長手方向に沿った中心軸と同軸上に位置している。

発熱抵抗体２の導体パターンで形成される間隙部２０と、引出部３の導体パターンで形成されるスリット３０とが、同軸上に位置しているので、発熱抵抗体２と引出部３との間にかかるねじりの方向（周方向）の熱応力が低減される。したがって、ヒータの耐久性が向上する。

ここで、スリット３０の幅は間隙部２０の幅と同じ幅でもよい。この場合において、複数のスリット３０の長手方向に沿った中心軸と間隙部２０の長手方向に沿った中心軸とが同軸上に位置しているとは、幅の１０％の距離のずれまで含まれることを意味するものとする。この構成によれば、発熱抵抗体２と引出部３との間にかかるねじりの方向（周方向）の熱応力が低減される。

また、スリット３０と間隙部２０の両者の幅が異なっていてもよく、この場合は、複数のスリット３０の長手方向に沿った中心軸と間隙部２０の長手方向に沿った中心軸とが同軸上に位置しているとは、小さいほうの幅の１０％の距離のずれまで含まれることを意味するものとする。

また、図５に示すように、スリット３０の幅は隣り合うスリット３０とスリット３０との間隔より広くてもよい。言い換えると、隣り合うスリット３０とスリット３０との間にある長手方向に延びる導体パターンは、スリット３０の幅より狭くてもよい。これにより、熱膨張率の異なるセラミック体１と引出部３の導体パターンとの関係より、熱膨張率が同じ芯材１１と表層部２２とのセラミック体１同士の密着面積が大きくなるため、温度変化による熱応力が小さくなり、耐久性が向上する。

また、図６に示すように、スリット３０の外周は角部が丸みを帯びていてもよい。これにより、応力が集中しやすい角部に応力が集中しにくくなり、耐久性が向上する。

なお、セラミック体１の後端部には例えばスルーホール導体が埋設され、スルーホール導体の一端が引出部３と電気的に接続されているとともに他端がセラミック体１の後端部の側面に引き出されている。図では、スルーホール導体は省略している。

また、セラミック体１の後端部の側面には、必要により電極パッド４が設けられて、セラミック体１の内部に埋設された引出部３とスルーホール導体を介して電気的に接続されている。そして、電極パッド４にリード端子が接合されて、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。電極パッド４は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）からなる導体層のみからなるものでもよく、当該導体層の表面に例えばＮｉ−ＢまたはＡｕからなるメッキ層が設けられたものでもよい。この電極パッド４は、例えば５０μｍ〜３００μｍの厚みとされ、長さおよび幅は例えば５ｍｍ〜１０ｍｍとされる。

次に、ヒータの製造方法の一例について説明する。なお、本例ではセラミック体１がアルミナ質セラミックスからなる場合について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするアルミナ質セラミックスからなるセラミック体１を作製するため、Ａｌ_２Ｏ_３にＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２等の焼結助剤を含有させて調製したセラミックスラリーをシート状に成形して、セラミック体１の表層部１２となるセラミックグリーンシートを作製する。

このセラミックグリーンシートの一方の主面に、発熱抵抗体２となる抵抗体ペーストの
導体パターンをおよび引出部３となる導体パターンをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。また、セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２および引出部３を形成する面とは反対側の面に、電極パッド４となる導体ペーストを発熱抵抗体２および引出部３の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。

ここで、発熱抵抗体２の導体パターンは、セラミック体１の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復した形状とし、直線状の第１部分２１が間隙部２０を介して並設されたパターンとする。一方、引出部３の導体パターンは、発熱抵抗体２よりも幅広であり、長手方向に沿って延びる複数のスリット３０を有している形状とする。そして、複数のスリット３０の長手方向に沿った中心軸は、間隙部２０の長手方向に沿った中心軸と同軸上に位置するようにする。

なお、セラミックグリーンシートには、引出部３と電極パッド４とを電気的に接続するための孔加工および引出部としてのスルーホール導体を形成するための導体ペーストの充填を行う。

抵抗体ペーストおよびその他の導体ペーストは、セラミック体１との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属にセラミック原料，バインダー，有機溶剤等を調合し混練することで作製できる。このとき、ヒータの用途に応じて、抵抗体となる抵抗体ペーストまたは導電性ペーストのパターンの長さや折り返しパターンの距離・間隔やパターンの線幅を変更することにより、発熱抵抗体２の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定することができる。

一方、押し出し成型にて、芯材１１となる円柱状または円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。

そして、この芯材１１（アルミナ質セラミック成型体）に例えば同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、前述の表層部１２となるアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけて密着させることで、セラミック体１の内部に発熱抵抗体２となる抵抗体ペーストおよび引出部３となる導体ペーストが埋設されたアルミナ質一体成型体を得ることができる。

こうして得られたアルミナ質一体成型体を、水素ガス、窒素ガスと水素ガスとの混合ガス（フォーミングガス）等の非酸化性ガス雰囲気中で、例えば１５００℃〜１６００℃で焼成し、アルミナ質一体焼結体を作製する。また、セラミック体１の外周面の電極パッド４上に例えば電解メッキにてＮｉメッキ膜を設ける。さらに、ロウ材としてＡｇロウ、はんだ等を用いて、給電部としての例えばＮｉからなるリード端子を電極パッド４に接合する。ここで、リード端子は、予め絶縁材がコートされたものを、接合に必要な部分だけ絶縁材を除去し、その除去した部分を電極パッド４に接続するようにしてもよい。また、Ｎｉ線を電極パッド４に接続後、絶縁チューブをＮｉ線に設けるようにしてもよい。

以上の方法により本実施形態のヒータが得られる。

１：セラミック体
１１：芯材
１２：表層部
１３：凹部
２：発熱抵抗体
２１：第１部分
２２：第２部分
２０：間隙部
３：引出部
３０：スリット
４：電極パッド

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埋設され、前記セラミック体の周方向に沿って先端側と後端側との間で繰り返し折り返して往復してなる発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体の一端および他端のそれぞれに接続されて前記セラミック体の後端部に埋設された、前記発熱抵抗体よりも幅広の引出部と、を備え、
前記発熱抵抗体は、前記セラミック体の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙部を介して並設された複数の第１部分と、隣り合う前記第１部分と前記第１部分とをこれらの先端部および後端部で接続する第２部分とを有し、
前記引出部は、前記長手方向に沿って延びる複数のスリットを有しており、
該複数のスリットの長手方向に沿った中心軸は、前記間隙部の長手方向に沿った中心軸と同軸上に位置していることを特徴とするヒータ。
前記スリットの幅は前記間隙部の幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記スリットの幅は隣り合うスリットとスリットとの間隔よりも広い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。
前記スリットの外周は角部が丸みを帯びてい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ヒータ。