JP3934843B2

JP3934843B2 - 半田ごて

Info

Publication number: JP3934843B2
Application number: JP2000018077A
Authority: JP
Inventors: 秀明下水流; 正喜寺園
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2020-01-25
Also published as: JP2001210455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田ごて、石油ファンヒーターの気化器用ヒーター、温水加熱ヒーター、自動車酸素センサ加熱用ヒーター等の一般家庭用、電子部品用、産業機器用等の各種加熱用ヒータに利用されるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、インターネットや携帯電話、パソコン一体型テレビ等、デジタル家電と呼ばれる商品が、これからの成長産業として期待されるようになってきた。パソコンは、その利用者が、会社や法人から個人に移行するにつれ、生産量が爆発的に増加している。これに伴い、このような商品の各種回路を結線するために使用される半田ごての需要が増えてきつつある。また、市場から見ても、日本国内から、韓国、東南アジア、特に、台湾にその市場が移行しているのが最近の特徴である。このような状況下で、パソコンの生産効率の向上の観点から、半田付け後の温度回復の速い急速昇温可能な半田ごてが市場で要求されるようになってきた。
【０００３】
このような中で、火傷防止のためのスライド式カバー付き半田ごてが特開平７−３１４１３０号公報に提案されているが、セラミックヒーターの立ち上がり特性に関しては、全く検討されていなかった。また、特開平９−１４８０５３号公報には、小型で高性能な半田ごてが提案されており、２層の発熱抵抗体を直列、並列に接続することにより、発熱特性を改善できることが示されているものの、上記急速昇温の要求に対し満足できるものではなかった。
【０００４】
ここで、まず、従来の半田ごて用のセラミックヒーターについて、説明する。図３に示すように、従来の半田ごて１０は、こて先１１の内部に円柱状のセラミックヒータ１を挿入し、た構成になっており、このセラミックヒーター１に通電することによりこて先１１を加熱し、半田を溶かすようになっていた。また、加熱効率を良くするため、こて先１１は、セラミックヒーター１と密着するように形成されていた。
【０００５】
前記円柱状のセラミックヒーター１を製造する場合は、図４に示すようにセラミックスの芯材２とセラミックシート３を用意し、セラミックシート３の一方の面にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属のペーストを印刷して発熱抵抗体４とリード引出部５を形成した後、これらを形成した面が内側になるようにセラミックシート３を上記セラミックス製の芯材２の周囲に巻き付け、全体を焼成一体化することによりセラミックヒーター１を得ることができた。
【０００６】
図４（ａ）に、上記のセラミックヒーター１に内蔵された発熱抵抗体４のパターンを示すように、発熱抵抗体４のパターン幅は均一に形成されていた。また、セラミックシート３上には、発熱抵抗体４に直接リード引出部５が接続され、該リード引出部５の末端には、発熱抵抗体４と同様な金属材料からなるスルーホール７が形成され、裏側の電極パッド８と該リード引出部５を接続していた。スルーホール７には、必要に応じて導体ペーストが注入されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、半田ごては、主に熱容量の大きなものが使用され、一度加熱したら、それを継続してはんだ付け作業に使用するということが行われてきた。しかし、大熱容量の半田ごては、使用する際にこて先が加熱されるまでかなりの時間を要することが欠点であった。これに対し、最近では、冷始動時の立ち上がり特性が要求されるようになってきた。
【０００８】
上述のような半田ごての昇温特性を改善するためには、その熱源であるセラミックヒーターの昇温特性を改善する必要がある。これに対応するために、現在要求されているレベルは、セラミックヒーターの最高発熱部の温度が室温から７００℃まで３秒以下で昇温するタイプのセラミックヒーターが要求されている。
【０００９】
しかしながら、このような急速昇温を達成しようとすると、セラミックヒーター１の最高発熱部の表面にクラックが発生し、使用中に発熱抵抗体４が断線してしまうという問題があった。これは、発熱抵抗体４を急加熱した際にその一部分が急加熱され膨張するが、発熱抵抗体４を備えたセラミックシート３の表面は、こて先１１により冷却されているので膨張できず、前記セラミックシート３の表面に引っ張り応力が発生するからである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半田ごては、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に接続したリード引出部とをセラミック体に内蔵してなるセラミックヒータと、前記セラミックヒータの一端側が内部に挿入されたこて先とを備え、前記セラミックヒータは、前記セラミック体の表面のうち少なくとも前記発熱抵抗体が埋設された部分を覆うように前記セラミック体の表面に設けられた被覆層を備え、前記被覆層は、その表面が前記こて先に接しており、前記セラミック体とは異なる材料からなり、熱伝導率が４〜４２Ｗ／ｍ・Ｋ、厚みが１０〜５００μｍであることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
まず、半田ごての構造を図３を用いて説明する。こて先１１の内部には、円柱状のセラミックヒーター１が挿入されており、このセラミックヒーター１に通電することによりこて先１１が加熱され、半田を溶かすようになっている。
【００１６】
また、図１および図２に、本発明品のセラミックヒーターの一例を示す。セラミックヒーター１は、発熱抵抗体４およびリード引出部５を表面に形成したセラミックシート３を、発熱抵抗体４およびリード引出部５がセラミックシート３とセラミックの芯材２の間に挟みこまれるように、芯材２の周囲に周回密着し、焼成一体化することによって、セラミック体に発熱抵抗体４とリード引出部５を内臓した構造となっている。セラミックシート３は、一般的に芯材２と同じ材質が用いられる。また、リード引出部５は、スルーホール７を介して電極パッド８に接続され、さらにその表面にＮｉメッキが施された後、不図示のロウ材によりリード９が接合されてセラミックヒータとする。
【００１７】
更に、本発明は、図１に示すように、発熱抵抗体４を備えたセラミックシート３の外表面をさらに他のセラミックスからなる被覆層６で覆う構造としたことを特徴とする。
【００１８】
この被覆層６の主たる作用は、断熱であり、セラミックヒーター１の外周部を被覆層６で覆うことにより、被覆層６とセラミックシート３間の界面による断熱効果が得られる結果、セラミックヒーター１表面の冷却による熱衝撃を緩和すると共に、外周部を保持しクラックの発生を緩和することができる。このように、被覆層６とセラミックシート３間の界面を形成することが、耐熱衝撃性を緩和するのに非常に有効であることを、本発明者等は見出した。
【００１９】
即ち、セラミックヒーター１を急加熱した場合のクラックの発生原因は、発熱抵抗体４が急昇温した場合に、前記発熱抵抗体４を備えた部分のセラミックシート３の外表面がこて先１１により冷却されているため昇温できず、前記セラミックシート３に引っ張り応力がかかるためである。これに対し、本発明のように、前記セラミックシート３の上をさらに被覆層６で覆うことにより、こて先１１による冷却の影響を緩和し、発熱抵抗体４が急昇温した場合に、前記セラミックシート３が加熱されやすいようにすることで、セラミックシート３に発生する熱応力を緩和し、クラックの発生を防止することができる。
【００２０】
ここで重要なのは、セラミックシート３の表面に被覆層６を形成して、両者の間に界面を形成する点にある。そのためには、被覆層６としては、セラミックシート３の表面と異なる材質である方が好ましい。
【００２１】
発熱抵抗体４を加熱することにより発熱抵抗体４から周囲に熱が拡散するが、セラミックシート３と被覆層６との間には界面が形成されていることから、この界面における熱伝導が若干遅れる。この遅れにより、セラミックシート３の表面が有効に加熱されるため、発熱抵抗体４の膨張によるセラミックシート３への引っ張り応力を緩和し、セラミックシート３へのクラックの発生を防止することができるものと推定している。
【００２２】
ここで、被覆層６の作用が断熱であるとしたが、これはセラミックヒーター１を急昇温させる初期の数秒間の作用を意味しており、半田ごてのこて先を加熱する数十秒の時間に影響するレベルのものではない。即ち、このセラミックヒーター１を加熱した際の数秒間の断熱により、セラミックヒーター１表面のセラミックシート３にクラックが発生することを防止できるとともに、数十秒間にわたる半田ごてのこて先の加熱は急速に行うことができるのである。
【００２３】
本発明のセラミックヒーター１において、セラミックの芯材２およびセラミックシート３は、一般に同材質からなり、アルミナ、窒化珪素、ムライト等のセラミックを用いる。また発熱抵抗体４の材料は、タングステン、モリブデン、レニウム、白金、ロジウム等の高融点金属等を単独、または混合して用いる。発熱抵抗体４の厚みは、５〜５０μｍとする。
【００２４】
被覆層６は、発熱抵抗体４を備えた部分を覆うようにセラミックシート３の外表面に被覆される。被覆層６の材質は、芯材２およびセラミックシート３からなるセラミック体の材質によって異なり、該セラミック体との熱膨張率の差が３×１０^-6ｄｅｇ^-1以下のものが良い。
【００２５】
例えば、セラミックシート３がアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の場合は、被覆層６としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等を用いる。セラミックシート３がＳｉ₃Ｎ₄の場合は、被覆層６としてＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄を用いるとよい。また、セラミックシート３が３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂の場合は、被覆層６としてＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄を用いるとよい。これは、前記セラミックシートと被覆層６の熱膨張率の差が３×１０^-6ｄｅｇ^-1より大きく異なると、前記セラミック体との間に発生する応力が大きくなり、これがクラックの発生の原因となる場合があるためである。
【００２６】
また、被覆層６の熱伝導率は、４〜４２Ｗ／ｍ・Ｋとすることが好ましい。これは、熱伝導率が小さすぎると半田ごて等の被加熱物を加熱しにくくなり、被加熱物の昇温速度が遅くなるからである。また、被覆層６の熱伝導率が大きすぎると、セラミックシート３にクラックがはいる原因となるからである。
【００２７】
更に被覆層６は、少なくとも発熱抵抗体４を備えた部分のセラミックヒーター１の外表面を覆う様にし、被覆層６の厚みは１０〜５００μｍの範囲とすることが好ましい。
【００２８】
これは、発熱抵抗体４の一部分の上に被覆層６が無いとその部分のセラミックシート３にクラックが発生する原因となるためである。また、被覆層６の厚みが１０μｍより小さいとセラミックシート３のクラック防止効果が無くなり、被覆層６の厚みが５００μｍより大きいと、熱伝達が悪くなり、半田ごての被加熱物の加熱が悪くなって所望の昇温速度が得られない。なお、被覆層６の厚みについて、さらに好ましくは１０〜３００μｍが良い。
【００２９】
尚、本発明のセラミックヒーター１は、電極パッド８に接合されたリード９によって電力が供給される。一般的に、リード９の材料としてはＮｉ線、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金線等が使用され、電極パッド８の金属材料としては、タングステンが使用され、リード９は、ロウ付けによって電極パッド８に接合される。
【００３０】
また、図３に本発明のセラミックヒーター１が半田ごて１０に装着された状態を示す断面図を示した。こて先１１に密着するように挿入されたセラミックヒーター１に通電すると、こて先１１が加熱され、半田に触れると半田を溶かすことができるようになる。こて先１１は、半田付け作業するものの熱容量に応じて、大きさが選択され、また、セラミックヒーター１の発熱量についても、こて先１１の熱容量に応じて選択されるようになっている。
【００３１】
次に、本発明のセラミックヒーター１の製造方法に関してアルミナからなるセラミックヒーター１を例にして説明する。
【００３２】
まず、アルミナ製の芯材２を用意する。アルミナ原料を用意し、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂等の焼結助剤、成型用バインダー等を混合した成型用原料を用意する。この原料を用い、押し出し成形、プレス成形等の成形方法で所望の形状のアルミナ製の芯材２を成型する。
【００３３】
次に、上記と同様の原料を用い、ナイフブレード等の成形法でシート状のアルミナ製のセラミックシート３を用意する。これに、発熱抵抗体４およびリード引出部５をスクリーン印刷等の手段を用いて印刷する。このセラミックシート３を先程用意したアルミナ製の芯材２に巻き付け一体として脱脂した後、所定の条件で焼成し、セラミックヒーター１を得る。
【００３４】
このセラミックヒーター１の外表面に溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スクリーン印刷、ディッピング等のいずれかの手法を用いて、例えばＭｇＡｌ₂Ｏ₄，Ａｌ₂Ｏ₃からなる被覆層６を所望の形状で形成する。
【００３５】
ＰＶＤ法による被覆層６形成の一例を示すと、アルミナのターゲットに電子ビームを照射し、これにより飛散したアルミナを前記セラミックヒーター１の表面に固着させることにより、被覆層６を形成する。
【００３６】
ＣＶＤ法による被覆層６形成の一例を示すと、Ｎ₂をキャリアガスとしたＡｌＣｌ₃ガスをセラミックヒーター１の表面に流すと同時に、他方からＯ₂を含有するガスを流し、加熱したセラミックヒーター１の表面で、ＡｌＣｌ₃とＯ₂を化学反応させることによりＡｌ₂Ｏ₃を生成させて被覆層６を形成させる。
【００３７】
また、スクリーン印刷を用いる手法では、アルミナの焼成温度より低い温度で焼結する材料を曲面印刷法によりセラミックヒーター１の表面に印刷して被覆層６を形成し、所定の温度で焼結させて固着させる方法がある。
【００３８】
さらに、ディッピング法を用いる場合は、アルミナの焼成温度より低い温度で焼結する材料の分散溶液中にセラミックヒーター１を挿入した後、前記分散液中から取り出すことによりセラミックヒーター１の表面に被覆層６を形成し、所定の温度で焼結させて固着させる方法がある。
【００３９】
【実施例】
次に、本発明の実施例を示す。
【００４０】
実施例１
図１に示すような発熱抵抗体４の外周のセラミック体表面を被覆層６で覆う本発明品のセラミックヒーター１と、図３に示す従来のセラミックヒーター（被覆材無と表示）１を用意して、昇温テストを行った。セラミックヒーター１の材質としては、アルミナを用いた。昇温条件としては、被覆なしのサンプルにおいて、セラミックヒーター１の最高温度部が３秒間で７００℃まで昇温する条件の電力を印加して評価した。それぞれ、５本づつ５サイクル評価し、双眼検査にてクラックの有無を確認した。
【００４１】
また、本発明実施例においては、被覆層６として、溶射により、スピネル（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）およびムライト（２Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）の被覆層６を各々のサンプルに形成した。被覆層６を形成したサンプルのクラックは、被覆層６および被覆層６を除去したセラミックヒーター１の表面を両方とも観察した。結果を表１に示した。
【００４２】
【表１】

【００４３】
表１から判るように、被覆層６を形成しないＮｏ．１は、全てのサンプルの表面にクラックが認められた。これに対し、スピネルおよびムライトの被覆層６を形成したＮｏ．２、３は、全てのサンプルにクラックが発生しなかった。
【００４４】
実施例２
実施例１と同様にして、評価用のサンプルを作製した。本発明実施例としては、被覆層６の材質（コート材）として、ガラス、ムライト、スピネル、アルミナ、多孔質ＭｇＯ、ＭｇＯの６種を用意し、溶射により形成した。多孔質ＭｇＯは、溶射条件を変更することにより多孔質とした。被覆層６の厚みは２００μｍとし、被覆層６は発熱抵抗体４部分より大きな面積を覆うように設けた。評価方法として、昇温テストと耐久テストを実施した。
【００４５】
昇温テストは、実施例１と同様な条件とし、テスト後のクラックの発生の有無を調べ優位性を判断した。また、耐久テストは、被覆なしのセラミックヒーター１の表面温度が１１００℃に保持される電力を２分間印加し、強制空冷するサイクルを５０００サイクル繰り返した後の被覆層６の外観を、被覆層６を研磨等の手法で除去した後、赤色の色素の入った液に浸けたのち洗浄し、さらに乾燥した時に表面に滲みだしてくる液を観察するレッドチェックにより双眼検査し、クラックの有無を調べた。
【００４６】
また、このセラミックヒーター１をそれぞれこて先１１に挿入した場合の、こて先１１が３００℃まで加熱されるまでの時間を、それぞれ同じ電圧を印加して調査した。比較用に、被覆６を形成しないサンプルも同時に評価した。なお、各被覆層６の熱膨張率は、室温から４００℃までのものを用いて評価した。結果を表２に示した。
【００４７】
【表２】

【００４８】
表２に示すように、セラミックヒーター１と被覆層６の熱膨張差が４．５×１０^-6ｄｅｇ^-1であるＮｏ．８、９および被覆層６を形成しないＮｏ．１０には、耐久テスト後、被覆層６にクラックが発生した。また、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋと小さいＮｏ．４にはクラックが発生した。これに対し、Ｎｏ．５〜７には耐久テスト後もクラックが発生しなかった。つまり、被覆層６の熱膨張率とセラミック体の熱膨張率の差が３×１０^-6ｄｅｇ^-1以下であり、且つ上記被覆層６の熱伝導率が４〜４２Ｗ／ｍ・Ｋであるようにすると、耐熱性の優れたセラミックヒーター１が得られることが判る。
【００４９】
また、こて先１１の昇温時間については、被覆層６を形成した本発明実施例と被覆層６のない比較例（Ｎｏ．１０）について、ほぼ同等の時間となり、有意差は見いだせなかった。
【００５０】
実施例３
次に、実施例１と同様の試料を用い、セラミックヒーター１の発熱抵抗体４を設置した部分の面積に対する被覆層６を生成した部分の面積の比率を変えて、セラミックヒーター１および被覆層６に対するクラックの有無を調査した。被覆層６としてセラミックヒーター１との熱膨張差が３×１０^-6ｄｅｇ^― ¹であり熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋであるスピネルを用いて被覆層６の厚みを２００μｍとし、被覆層６の被覆面積（コート面積）を表３のように変えてテストした。
【００５１】
テストは、被覆層６なしでのセラミックヒーターの表面温度が９００℃になるまでの昇温時間が３秒となる電圧を印加して、１０００℃まで昇温させたあと室温まで冷却するサイクルを１０００サイクル繰り返した後、クラックの発生の有無を調査した。結果は、表３に示した。
【００５２】
【表３】

【００５３】
表３に示すように、被覆層６の設置面積が発熱抵抗体４の設置面積の２／３以下であるＮｏ．１１〜１３にはクラックが発生したが、被覆材６の塗布面積を発熱抵抗体４の面積と同じもしくはそれより多くしたＮｏ．１４〜１９にクラックは発生しなかった。
【００５４】
実施例４
次に、実施例１と同様の試料を用い、被覆層６の厚みの影響を調査した。被覆層６としては、実施例３と同じスピネルを用い、発熱抵抗体４より大きな面積を覆うようにして、厚みを０〜７００μｍまで変えて、被覆層６の厚みの影響を調査した。評価は、各セラミックヒーター１をこて先１１に挿入密着させ、セラミックヒーター１に被覆層６なしでのセラミックヒーター１の表面温度が９００℃になるまでの昇温時間が３秒の時と同じエネルギーを与えて、こて先１１の昇温時間を測定し、さらに、このサイクルを５００サイクル繰り返した後の、セラミックヒーター１のクラックの発生の有無を調査した。結果は、表４に示した。
【００５５】
【表４】

【００５６】
表４に示すように、被覆層６の厚みが５μｍであるＮｏ．２１にはクラックが発生した。また、被覆層６の厚みが７００μｍであるＮｏ．２７は、昇温が遅くが大きくなるので、本発明の範囲外となることがわかった。これに対し、被覆層６の厚みを１０〜５００μｍとしたＮｏ．２１〜２６は、クラックの発生もなく、こて先の昇温時間も良好な値を示した。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、急昇温にも絶えられ、安定な加熱特性を維持できる耐久性に優れた半田ごてを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒーターを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、一部切り欠き図である。
【図２】本発明のセラミックヒーターを示す構造展開図である。
【図３】本発明のセラミックヒーターを内蔵した半田ごての先端部の断面図である。
【図４】従来のセラミックヒーターを示す図であり、（ａ）は構造展開図、（ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：芯材
３：セラミックシート
４：発熱抵抗体
５：リード引出部
６：被覆層
７：スルーホール
８：電極パッド
９：リード
１０：半田ごて
１１：こて先

Claims

発熱抵抗体と該発熱抵抗体に接続したリード引出部とをセラミック体に内蔵してなるセラミックヒータと、前記セラミックヒータの一端側が内部に挿入されたこて先とを備え、前記セラミックヒータは、前記セラミック体の表面のうち少なくとも前記発熱抵抗体が埋設された部分を覆うように前記セラミック体の表面に設けられた被覆層を備え、前記被覆層は、その表面が前記こて先に接しており、前記セラミック体とは異なる材料からなり、熱伝導率が４〜４２Ｗ／ｍ・Ｋ、厚みが１０〜５００μｍであることを特徴とする半田ごて。