JP4582868B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータに関し、特に、板状のセラミック体に埋設された発熱抵抗体とその両端部に設けられたリードパッド部を有するセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油ファンヒータは、家庭用の暖房器具として広範囲に使用されており、このため石油ファンヒータに使用される気化用ヒータの需要も増加の一途である。この気化用のヒータは、シース型の金属ヒータを用いた物と、セラミックヒータを用いた物と、主に２種類に分けられる。このうち、シース型の金属ヒータは、暴走防止のため最初から大きな電力を印加することが出来ないので、どうしても冷始動時の着火が遅くなるという問題があった。これに対し、セラミックヒータを使用する物は、セラミックヒータの立ち上がり時間が早いために、特に急速着火タイプの石油ファンヒータに使用される。
【０００３】
図６は、従来使用されていた石油ファンヒータ用のセラミックヒータ２１の構造を示す斜視図である。発熱抵抗体を内蔵した板状のセラミック体２８のリードパッド部に金属リード２７がロウ材２９により固定された構造となっていた。
【０００４】
さらに、図７を用いて従来のセラミックヒータ２１の製法を説明する。セラミックシート２２の主面に発熱抵抗体２３と電極パッド部２４を形成し、該電極パッド部２４に対応する位置に穴２６を穿設した別のセラミックシート２５を重ねて密着し、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、セラミック体２８を得る。その後、電極パッド部２４の表面にＮｉメッキを施し、ロウ材２９を用いて金属リード２７を固定することによりセラミックヒータ２１を作製していた。
【０００５】
このセラミックヒータ２１は、従来使用温度が２００〜３００℃であったために、セラミック体２８と同一面に形成されたリードパッド部に金属リード２７をロウ付けする構造でも、使用温度が低いために、耐久性に関し何ら問題は発生していなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記セラミックヒータ２１の加熱温度は、これまでは２００℃〜３００℃であったが、最近は、石油ファンヒータの冷始動時の立ち上がり時間を短縮するため、使用温度が４００〜５００℃と高温域下で使用されるようになった。また、ガスセンサ加熱用の用途では、このようなセラミックヒータ２１を８００℃で使用するという要請もある。
【０００７】
これらの高温域下で使用する板状のセラミックヒータ２１を使用すると、ロウ付け部２９の温度が高温になるため、従来の構造ではロウ付け部２９が劣化し耐久性が悪くなるという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意検討した結果、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部を、柱状もしくは筒状の心材の周囲を周回するように配置されたリード電極を内蔵したセラミック柱状体または筒状体からなるものとすることにより、前記課題を解決できることを見出した。
また、本発明者等は、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部を、タングステン、モリブデン、レニウムなどの高融点金属線を埋設し、焼結一体化したセラミック柱状体または筒状体からなるものとすることにより、前記課題を解決できることを見出した。
【０００９】
また、前記リード引出部を補強するために、前記セラミックヒータの主面と前記リード引出部との接合部近傍に、セラミックスもしくはガラスからなる補強部材を備えることにより、使用中の衝撃に対し耐久性良好なセラミックヒータにできることを見出した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１、２を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明のセラミックヒータを示す斜視図、図２はその分解斜視図である。本発明のセラミックヒータ１は板状のセラミック体２の内部に発熱抵抗体９が埋設され、セラミック体２の主面に穿設された穴３に、発熱抵抗体９と接続する電極パッド１０が設置され、さらにリード電極１４を内蔵したリード引出部４が前記セラミック体２に対し略垂直方向となるように穴３に接続され、リード引出部４の端部に形成されたリードパッド部５に金属リード６がロウ材７によりロウ付けされた構造となっている。
【００１２】
このように、発熱抵抗体９を内蔵するセラミック体２からリードパッド部５を略垂直方向に離して形成することにより、セラミック体２が４００℃以上の温度に加熱されても、リードパッド部５を３００℃以下の温度に保つことができ、耐久性良好なセラミックヒータ１を得ることができるようになった。
【００１３】
このように、リード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すのは、省スペース化のためと、セラミック体２面内の温度の均一性を向上させてセラミック体２にクラックが発生するのを防止するためである。
【００１４】
石油ファンヒータにおいて、気化器部分は板状のセラミックヒータ１と、その上に設置され灯油を加熱気化させるための容器とからなる。例えば、リード引出部４をセラミック体２の主面に平行な横方向に取り出すようにすると、このリード引出部４を保持するための取付構造が複雑になり、装着方法を考えるとこのリード引出部４のため占有容積が大きくなり、小型軽量化ができなくなってしまう。これに対し、本発明のようにリード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すようにすると、セラミック体２の開口面積があれば装置に装着でき、リード引出部４を下向きに装着すれば対流によるリードパッド部５の冷却も期待できるので、この構造とすることが好ましい。
【００１５】
また、セラミック体２面内の均熱については、リード引出部４を横方向に取り出すと、その部分からの熱引きにより、面内の温度分布が悪くなる。セラミック体２の面積が大きくなればなる程この影響が大きくなり、セラミック体２の外周部に発生する温度分布によりセラミック体２が割れるようになってしまう。その点、本発明のようにリード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すと、セラミック体２の外周部に生じる温度分布を低減できるので、耐久性良好なセラミックヒータ１とすることができる。
【００１６】
さらに、図２に示す展開斜視図を用いて、本発明のセラミックヒータ１の製造方法を詳細に説明する。
【００１７】
まず、セラミックグリーンシート８の表面に発熱抵抗体９と電極パッド部１０をＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属からなるペーストを用いてプリント法により形成し、その上に該電極パッド部１０に対応する部分に穴３が穿設されたセラミックグリーンシート１１を密着し、電極パッド部１０に発熱抵抗体９と同質の材料からなる密着液を塗布した後、リード引き出し部４を穴３に挿入する。このとき、図３に示すようにリード引出部４に形成したリード電極１４と電極パッド１０が接続し、隙間に発熱抵抗体９と前記密着液からなる充填層２０を形成し表面をセラミックグリーンシートと８と同質の材料でコートした後、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することによりセラミック体２とリード引き出し部４を一体化した焼結体とする。
【００１８】
リード引出部４は、図２に示すようにセラミック製の柱状体もしくは筒状体からなる心材１３の周囲に、リード電極１４をプリントしたセラミックグリーンシート１５をリード電極１４を内側に巻き込むように密着したものである。このとき、セラミックグリーンシート１５と心材１３とを密着するための密着液中に高融点金属を分散させたものを用いる。密着液は単に心材１３とセラミックグリーンシート１５との間だけでなく、穴３に挿入する心材１３の表面にも塗布し、リード電極１４と電極パッド部１０とが接続されるようにする。
【００１９】
また、セラミックグリーンシート１５を密着した際に形成される溝には、セラミック体２と同材質のペーストを塗布し、高融点金属からなるリード電極１４および前記密着液が、セラミック体２との接合部以外に露出しないようにする。リード電極１４は、セラミックグリーンシート１５の端部から０．５ｍｍ以上の密着しろをとるようにプリントすることが好ましい。また、リード電極１４の厚みは、１０〜３０μｍとすることが好ましい。
【００２０】
また、リード引出部４の表面に形成されるリードパッド部７とリード電極１４は、不図示のビアホールによって接続される。ビアホールの径は、０．２〜０．６ｍｍとすることが好ましく、接続の信頼性向上の上からひとつの電極パッド部５に対し複数設置することが好ましい。
【００２１】
また、このリード引出部４は、例えば図４に示すようにセラミック円筒体１８の中に例えばＷやＭｏの金属線１７を挿入し、焼成時に焼き締めるようにして形成しても構わない。この場合、セラミック円筒体１８の収縮を見込んで、該セラミック円筒体１８の内径を金属線１７の外径より１５％程度大きくすることが、焼成時に該セラミック円筒体１８に発生するクラックを防止する上で好ましい。
金属線１７の全長についても同様である。
【００２２】
また、セラミック円筒体１８の端部にはスルーホールを形成し、中に高融点金属からなるインクを充填し、その外周部にはリードパッド部５を形成する。焼成後さらに、リードパッド部５の表面にＮｉメッキを施し、ロウ材７により金属リード６を固定してセラミックヒータ１とする。
【００２３】
また、これらのリード引出部４の寸法は、リード引出部４の中心軸に垂直な断面積Ｓとセラミック体２の主面からリードパッド部５までの距離Ｌの関係が、Ｌ／Ｓ≧１．５の関係を満足することが好ましい。Ｌ／Ｓが１．５より小さいと、セラミック体２からの熱伝導により電極パッド５の温度が３００℃以上となり、ロウ付け部が劣化してセラミックヒータ１の耐久性が低下するからである。
【００２４】
また、リード引出部４は、上記のＬ／Ｓの関係から細くて長い形状になるため、金属リード６に振動や引っ張り応力が掛かった際に、セラミック体２との接合部の根元の部分から折れたり、根元からリード引出部４が外れたりしてしまうおそれがある。そこで、根元部分を補強するために、図５に示すように、リード引き出し部４の接合部に補強部材１９を設置すると、前記課題を解決できることが判った。
【００２５】
補強部材１９としては、セラミック体２と同材質のセラミックスを押出成形した筒状体を一体化してフランジ状としたものを用いることが可能である。このとき、補強部材１９をなす筒状体の内径をリード引出部４の外径より０．１ｍｍ程度大きくし、焼成時の収縮率をリード引出部４のそれより３〜５％大きくすることにより強固に一体化することが可能である。また、リード引出部４の根元付近にセラミックグリーンシートをさらに巻き付けてセラミック体２と接合してから焼成して補強部材１９とすることもできる。そして、補強材１９の外径はリード引出部４の外径＋２ｍｍ程度、長さは５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
本発明のセラミックヒータ１に使用するセラミックスとしては、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等の電気絶縁性セラミックスを使用することが可能である。
【００２７】
例えば、アルミナとしては、８８〜９６重量％のアルミナに対し焼結助材として１〜６重量％のＳｉＯ2、１〜３重量％のＭｇＯ、１〜３重量％のＣａＯを含有するものを使用することが可能である。１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、緻密な焼結体を得ることができる。
【００２８】
また、ムライトは、６８〜７５重量％のアルミナと２５〜３２重量％のＳｉＯ2と不可避不純物を含有するものを使用することが可能である。絶縁抵抗を低下させない程度に、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｏ等の着色成分を添加しても構わない。
１５００〜１７００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、緻密な焼結体を得ることができる。
【００２９】
また、窒化珪素は、窒化珪素９０〜９５重量％に対し、４〜９重量％の希土類元素酸化物、０．５〜１．０重量％のアルミナと、原料や焼成中の雰囲気等の影響により生成してくるＳｉＯ ２ を含有する窒化珪素を使用することが可能である。１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成するか、高圧窒素雰囲気中１７００〜１９００℃で焼成することにより緻密な焼結体を得ることができる。
【００３０】
また、窒化アルミニウムとしては、窒化アルミニウム９２〜９７重量％に対し、３〜８重量％の希土類元素酸化物と０〜２重量％のＣａＯを含有するものを使用することが可能である。高圧窒素雰囲気中１７００〜１９５０℃で焼成することにより緻密な焼結体を得ることができる。
【００３１】
また、発熱抵抗体９、電極パッド部、１０、リードパッド部５、密着液等は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの１種以上を主成分とし、適宜バインダと溶剤を含有するものを使用すればよい。
【００３２】
なお、金属リード６をロウ付けするロウ材７としては、Ａｕ−Ｃｕロウ、Ａｕ−Ｎｉロウ、Ａｇロウ、Ａｕ−Ｃｕロウ等を用いることができる。
【００３３】
本発明のセラミックヒータ１は、石油ファンヒータの石油気化器や酸素濃度分析装置用の素子加熱用ヒータだけでなく、工業用ヒータとして例えば金型加熱等に使用される。
【００３４】
【実施例】
実施例１
図１、２に示すように、アルミナからなる厚さ１ｍｍのセラミックグリーンシート８の上に、Ｗを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体９と電極パッド部１０をプリントし、その上に電極パッド部１０に対応する部分に穴３を穿設した別のセラミックグリーント１１を重ねて密着した。その後、電極パッド部１０の周囲の穴３の側面に電極パッド部１０と同質のペーストを塗布し、外径３ｍｍ、全長１５ｍｍのリード引出部４を電極パッド部１０に挿入し、隙間を前記ペーストにより充填することにより固定し、さらに表面をセラミックグリーンシートと同材質のペーストでコートした後、１５００℃〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成してセラミック体２とした。
【００３５】
リード引出部４は、アルミナからなる心材１３に、表面にリード電極１４をプリントし、その裏面に電極パッド部７を形成し、ビアホールで両者を接続したセラミックグリーンシート１５を、リード電極１４を内側に巻き込むように密着したものである。このとき、密着液は発熱抵抗体９と同材質の高融点金属粉末を含有するものを用いた。
【００３６】
その後、電極パッド部５の表面に３μｍの無電解メッキ膜を形成した後、Ｎｉ線からなる金属リード６をＡｕ−Ｃｕロウを用いて接合して、図１に示す本発明のセラミックヒータ１とした。
【００３７】
また、比較例として、図７に示すようにアルミナからなる厚さ１ｍｍのセラミックグリーンシート２２の上に、Ｗを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体２３と電極パッド部２４をプリントし、その上に電極パッド部２４に対応する部分に穴２６を穿設したアルミナからなる別のセラミックグリーンシート２５を重ねて密着した後焼成し、その後、電極パッド部２４に３μｍの無電解Ｎｉメッキ膜を形成した後、Ｎｉからなる金属リード２７をＡｕ−Ｃｕロウを用いて接合して、従来のセラミックヒータ２１を作製した。
【００３８】
この様にして作製した本発明のセラミックヒータ１と比較例のセラミックヒータ２１について、発熱抵抗体９、２３に印加する電圧を変化させ、セラミックヒータ１、２１の表面温度を３００℃、５００℃、７００℃、８００℃、９００℃と変化させ、その時のリードパッド部５、２４部分の温度を線径０．１ｍｍのＣＡ（クロメル−アルメル）の熱電対により測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１の測温結果より、比較例のセラミックヒータ２１は、セラミックヒータ表面の温度を７００℃以上に加熱するとリードパッド部の温度が７００℃以上になってしまい好ましくなかった。
【００４１】
これに対し、本発明のセラミックヒータ１では、セラミックヒータ１の表面温度を９００℃にしても、リードパッド部５の温度が２５０℃以下と良好な温度であることが判った。以上の結果より、リードパッド部５を垂直方向に突出させたリード引出部４の端部に位置させることにより、セラミックヒータ１の表面温度を７００〜９００℃まで上昇させてもリードパッド部５の温度を３００℃以下にすることができるので、ロウ付け部の信頼性は確保できることが判る。
【００４２】
次に、上記サンプルの耐久評価を行った。
【００４３】
評価条件としては、セラミックヒータ１の表面が１０００℃となるような電圧を印加して３分間印加／３分間強制冷却を１サイクルとしたサイクルを繰り返す断続試験を行った。評価は、１０００サイクル毎にセラミックヒータ１の抵抗変化率をチェックした。
【００４４】
結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
表２の結果より、比較例のセラミックヒータ２１では、１０００サイクルで大きな抵抗変化を示した。サンプルを観察したところ、ロウ付け部が抵抗変化していることが確認できた。中には、ロウ付け部分が脱落している物もあった。これは、前述の如くロウ付け部分の温度上昇に伴いロウ付け部分が劣化したものと判断した。
【００４７】
これに対し、本発明のセラミックヒータ１は、４０００サイクル経過後でも大きな抵抗変化はなく良好であることが確認できた。
【００４８】
実施例２
次に、本発明のセラミックヒータ１において、リード引出部４の断面積Ｓ（ｍｍ2）とセラミック体２の表面からリードパッド部５までの距離Ｌ（ｍｍ）の関係Ｌ／Ｓとリードパッド部５の温度の関係を調べた。径及び長さの異なるリード引出部４を種々準備し、実施例１と同様な方法で本発明のセラミックヒータ１を作製し、これらのセラミックヒータ１に表面の最高温度が６００℃および９００℃となるような電圧を印加し、その時のリードパッド部５の温度を調査した。リードパッド部５の温度は、ＣＡの熱電対を使用して測定した。
【００４９】
結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
表３に示すように、Ｌ／Ｓ＜１．５となるＮｏ．１、２はセラミックヒータ１の表面温度を９００℃とした場合、電極パッド部５の温度が３００℃を超えてしまうので、好ましくない。しかしながら、Ｌ／Ｓ≧１．５であるＮｏ．３〜６は、電極パッド部５の温度は３００℃以下となった。また、セラミックヒータ１の表面温度が６００℃の場合、Ｌ／Ｓが１．１〜２．１の全範囲で電極パッド部５の温度が３００℃以下となった。
【００５２】
実施例３
リード引出部４とセラミック体２との接合部近傍にセラミック、ガラスからなる補強部材１９を備えた物及び補強部材なしのサンプルを作製し、リード引出部４の電極パッド部５に対し垂直方向の荷重を加えて破壊強度を測定した。補強部材１９の寸法は、リード引出部４の外径２．５ｍｍに対し、補強部材１９の外径が４ｍｍ、長さ４ｍｍとなるようにした。また、セラミック体２から電極パッド部５までの長さは１０ｍｍとした。
【００５３】
結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
【００５５】
結果に示す如く、補強をしなかったリード引出部４の破壊強度が４０Ｎであるのに対し、セラミックあるいはガラスからなる補強部材１９を備えることで、８０〜１３０Ｎと破壊強度が格段に向上することが判った。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、上記セラミック体は主表面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成することにより、ロウ付け部の温度を下げることが可能となり、セラミックヒータ本体の温度を高温まで昇温させて使用することが可能となった。
【００５７】
また、リード引出部とセラミックヒータ本体の接合部近傍をセラミックスあるいはガラスからなる補強材で補強することで、接合部の強度も向上させることができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを示す斜視図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの製造方法を示す分解斜視図である。
【図３】本発明のセラミックヒータを示す部分断面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータのリード引出部の一例を示す一部切り欠き図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図６】従来のセラミックヒータの斜視図である。
【図７】従来のセラミックヒータの分解斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック体
３：穴
４：リード引出部
５：リードパッド部
６：金属リード
７：ロウ材
８：セラミックグリーンシート
９：発熱抵抗体
１０：電極パッド
１１：セラミックグリーンシート
１９：補強材
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータに関し、特に、板状のセラミック体に埋設された発熱抵抗体とその両端部に設けられたリードパッド部を有するセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油ファンヒータは、家庭用の暖房器具として広範囲に使用されており、このため石油ファンヒータに使用される気化用ヒータの需要も増加の一途である。この気化用のヒータは、シース型の金属ヒータを用いた物と、セラミックヒータを用いた物と、主に２種類に分けられる。このうち、シース型の金属ヒータは、暴走防止のため最初から大きな電力を印加することが出来ないので、どうしても冷始動時の着火が遅くなるという問題があった。これに対し、セラミックヒータを使用する物は、セラミックヒータの立ち上がり時間が早いために、特に急速着火タイプの石油ファンヒータに使用される。
【０００３】
図６は、従来使用されていた石油ファンヒータ用のセラミックヒータ２１の構造を示す斜視図である。発熱抵抗体を内蔵した板状のセラミック体２８のリードパッド部に金属リード２７がロウ材２９により固定された構造となっていた。
【０００４】
さらに、図７を用いて従来のセラミックヒータ２１の製法を説明する。セラミックシート２２の主面に発熱抵抗体２３と電極パッド部２４を形成し、該電極パッド部２４に対応する位置に穴２６を穿設した別のセラミックシート２５を重ねて密着し、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、セラミック体２８を得る。その後、電極パッド部２４の表面にＮｉメッキを施し、ロウ材２９を用いて金属リード２７を固定することによりセラミックヒータ２１を作製していた。
【０００５】
このセラミックヒータ２１は、従来使用温度が２００〜３００℃であったために、セラミック体２８と同一面に形成されたリードパッド部に金属リード２７をロウ付けする構造でも、使用温度が低いために、耐久性に関し何ら問題は発生していなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記セラミックヒータ２１の加熱温度は、これまでは２００℃〜３００℃であったが、最近は、石油ファンヒータの冷始動時の立ち上がり時間を短縮するため、使用温度が４００〜５００℃と高温域下で使用されるようになった。また、ガスセンサ加熱用の用途では、このようなセラミックヒータ２１を８００℃で使用するという要請もある。
【０００７】
これらの高温域下で使用する板状のセラミックヒータ２１を使用すると、ロウ付け部２９の温度が高温になるため、従来の構造ではロウ付け部２９が劣化し耐久性が悪くなるという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意検討した結果、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部を、柱状もしくは筒状の心材の周囲を周回するように配置されたリード電極を内蔵したセラミック柱状体または筒状体からなるものとすることにより、前記課題を解決できることを見出した。
また、本発明者等は、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部を、タングステン、モリブデン、レニウムなどの高融点金属線を埋設し、焼結一体化したセラミック柱状体または筒状体からなるものとすることにより、前記課題を解決できることを見出した。
【０００９】
また、前記リード引出部を補強するために、前記セラミックヒータの主面と前記リード引出部との接合部近傍に、セラミックスもしくはガラスからなる補強部材を備えることにより、使用中の衝撃に対し耐久性良好なセラミックヒータにできることを見出した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１、２を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明のセラミックヒータを示す斜視図、図２はその分解斜視図である。本発明のセラミックヒータ１は板状のセラミック体２の内部に発熱抵抗体９が埋設され、セラミック体２の主面に穿設された穴３に、発熱抵抗体９と接続する電極パッド１０が設置され、さらにリード電極１４を内蔵したリード引出部４が前記セラミック体２に対し略垂直方向となるように穴３に接続され、リード引出部４の端部に形成されたリードパッド部５に金属リード６がロウ材７によりロウ付けされた構造となっている。
【００１２】
このように、発熱抵抗体９を内蔵するセラミック体２からリードパッド部５を略垂直方向に離して形成することにより、セラミック体２が４００℃以上の温度に加熱されても、リードパッド部５を３００℃以下の温度に保つことができ、耐久性良好なセラミックヒータ１を得ることができるようになった。
【００１３】
このように、リード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すのは、省スペース化のためと、セラミック体２面内の温度の均一性を向上させてセラミック体２にクラックが発生するのを防止するためである。
【００１４】
石油ファンヒータにおいて、気化器部分は板状のセラミックヒータ１と、その上に設置され灯油を加熱気化させるための容器とからなる。例えば、リード引出部４をセラミック体２の主面に平行な横方向に取り出すようにすると、このリード引出部４を保持するための取付構造が複雑になり、装着方法を考えるとこのリード引出部４のため占有容積が大きくなり、小型軽量化ができなくなってしまう。これに対し、本発明のようにリード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すようにすると、セラミック体２の開口面積があれば装置に装着でき、リード引出部４を下向きに装着すれば対流によるリードパッド部５の冷却も期待できるので、この構造とすることが好ましい。
【００１５】
また、セラミック体２面内の均熱については、リード引出部４を横方向に取り出すと、その部分からの熱引きにより、面内の温度分布が悪くなる。セラミック体２の面積が大きくなればなる程この影響が大きくなり、セラミック体２の外周部に発生する温度分布によりセラミック体２が割れるようになってしまう。その点、本発明のようにリード引出部４をセラミック体２から垂直に取り出すと、セラミック体２の外周部に生じる温度分布を低減できるので、耐久性良好なセラミックヒータ１とすることができる。
【００１６】
さらに、図２に示す展開斜視図を用いて、本発明のセラミックヒータ１の製造方法を詳細に説明する。
【００１７】
まず、セラミックグリーンシート８の表面に発熱抵抗体９と電極パッド部１０をＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属からなるペーストを用いてプリント法により形成し、その上に該電極パッド部１０に対応する部分に穴３が穿設されたセラミックグリーンシート１１を密着し、電極パッド部１０に発熱抵抗体９と同質の材料からなる密着液を塗布した後、リード引き出し部４を穴３に挿入する。このとき、図３に示すようにリード引出部４に形成したリード電極１４と電極パッド１０が接続し、隙間に発熱抵抗体９と前記密着液からなる充填層２０を形成し表面をセラミックグリーンシートと８と同質の材料でコートした後、１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することによりセラミック体２とリード引き出し部４を一体化した焼結体とする。
【００１８】
リード引出部４は、図２に示すようにセラミック製の柱状体もしくは筒状体からなる心材１３の周囲に、リード電極１４をプリントしたセラミックグリーンシート１５をリード電極１４を内側に巻き込むように密着したものである。このとき、セラミックグリーンシート１５と心材１３とを密着するための密着液中に高融点金属を分散させたものを用いる。密着液は単に心材１３とセラミックグリーンシート１５との間だけでなく、穴３に挿入する心材１３の表面にも塗布し、リード電極１４と電極パッド部１０とが接続されるようにする。
【００１９】
また、セラミックグリーンシート１５を密着した際に形成される溝には、セラミック体２と同材質のペーストを塗布し、高融点金属からなるリード電極１４および前記密着液が、セラミック体２との接合部以外に露出しないようにする。リード電極１４は、セラミックグリーンシート１５の端部から０．５ｍｍ以上の密着しろをとるようにプリントすることが好ましい。また、リード電極１４の厚みは、１０〜３０μｍとすることが好ましい。
【００２０】
また、リード引出部４の表面に形成されるリードパッド部７とリード電極１４は、不図示のビアホールによって接続される。ビアホールの径は、０．２〜０．６ｍｍとすることが好ましく、接続の信頼性向上の上からひとつの電極パッド部５に対し複数設置することが好ましい。
【００２１】
また、このリード引出部４は、例えば図４に示すようにセラミック円筒体１８の中に例えばＷやＭｏの金属線１７を挿入し、焼成時に焼き締めるようにして形成しても構わない。この場合、セラミック円筒体１８の収縮を見込んで、該セラミック円筒体１８の内径を金属線１７の外径より１５％程度大きくすることが、焼成時に該セラミック円筒体１８に発生するクラックを防止する上で好ましい。
金属線１７の全長についても同様である。
【００２２】
また、セラミック円筒体１８の端部にはスルーホールを形成し、中に高融点金属からなるインクを充填し、その外周部にはリードパッド部５を形成する。焼成後さらに、リードパッド部５の表面にＮｉメッキを施し、ロウ材７により金属リード６を固定してセラミックヒータ１とする。
【００２３】
また、これらのリード引出部４の寸法は、リード引出部４の中心軸に垂直な断面積Ｓとセラミック体２の主面からリードパッド部５までの距離Ｌの関係が、Ｌ／Ｓ≧１．５の関係を満足することが好ましい。Ｌ／Ｓが１．５より小さいと、セラミック体２からの熱伝導により電極パッド５の温度が３００℃以上となり、ロウ付け部が劣化してセラミックヒータ１の耐久性が低下するからである。
【００２４】
また、リード引出部４は、上記のＬ／Ｓの関係から細くて長い形状になるため、金属リード６に振動や引っ張り応力が掛かった際に、セラミック体２との接合部の根元の部分から折れたり、根元からリード引出部４が外れたりしてしまうおそれがある。そこで、根元部分を補強するために、図５に示すように、リード引き出し部４の接合部に補強部材１９を設置すると、前記課題を解決できることが判った。
【００２５】
補強部材１９としては、セラミック体２と同材質のセラミックスを押出成形した筒状体を一体化してフランジ状としたものを用いることが可能である。このとき、補強部材１９をなす筒状体の内径をリード引出部４の外径より０．１ｍｍ程度大きくし、焼成時の収縮率をリード引出部４のそれより３〜５％大きくすることにより強固に一体化することが可能である。また、リード引出部４の根元付近にセラミックグリーンシートをさらに巻き付けてセラミック体２と接合してから焼成して補強部材１９とすることもできる。そして、補強材１９の外径はリード引出部４の外径＋２ｍｍ程度、長さは５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
本発明のセラミックヒータ１に使用するセラミックスとしては、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等の電気絶縁性セラミックスを使用することが可能である。
【００２７】
例えば、アルミナとしては、８８〜９６重量％のアルミナに対し焼結助材として１〜６重量％のＳｉＯ2、１〜３重量％のＭｇＯ、１〜３重量％のＣａＯを含有するものを使用することが可能である。１５００〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、緻密な焼結体を得ることができる。
【００２８】
また、ムライトは、６８〜７５重量％のアルミナと２５〜３２重量％のＳｉＯ2と不可避不純物を含有するものを使用することが可能である。絶縁抵抗を低下させない程度に、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｏ等の着色成分を添加しても構わない。
１５００〜１７００℃の還元雰囲気中で焼成することにより、緻密な焼結体を得ることができる。
【００２９】
また、窒化珪素は、窒化珪素９０〜９５重量％に対し、４〜９重量％の希土類元素酸化物、０．５〜１．０重量％のアルミナと、原料や焼成中の雰囲気等の影響により生成してくるＳｉＯ ２ を含有する窒化珪素を使用することが可能である。１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成するか、高圧窒素雰囲気中１７００〜１９００℃で焼成することにより緻密な焼結体を得ることができる。
【００３０】
また、窒化アルミニウムとしては、窒化アルミニウム９２〜９７重量％に対し、３〜８重量％の希土類元素酸化物と０〜２重量％のＣａＯを含有するものを使用することが可能である。高圧窒素雰囲気中１７００〜１９５０℃で焼成することにより緻密な焼結体を得ることができる。
【００３１】
また、発熱抵抗体９、電極パッド部、１０、リードパッド部５、密着液等は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅの１種以上を主成分とし、適宜バインダと溶剤を含有するものを使用すればよい。
【００３２】
なお、金属リード６をロウ付けするロウ材７としては、Ａｕ−Ｃｕロウ、Ａｕ−Ｎｉロウ、Ａｇロウ、Ａｕ−Ｃｕロウ等を用いることができる。
【００３３】
本発明のセラミックヒータ１は、石油ファンヒータの石油気化器や酸素濃度分析装置用の素子加熱用ヒータだけでなく、工業用ヒータとして例えば金型加熱等に使用される。
【００３４】
【実施例】
実施例１
図１、２に示すように、アルミナからなる厚さ１ｍｍのセラミックグリーンシート８の上に、Ｗを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体９と電極パッド部１０をプリントし、その上に電極パッド部１０に対応する部分に穴３を穿設した別のセラミックグリーント１１を重ねて密着した。その後、電極パッド部１０の周囲の穴３の側面に電極パッド部１０と同質のペーストを塗布し、外径３ｍｍ、全長１５ｍｍのリード引出部４を電極パッド部１０に挿入し、隙間を前記ペーストにより充填することにより固定し、さらに表面をセラミックグリーンシートと同材質のペーストでコートした後、１５００℃〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成してセラミック体２とした。
【００３５】
リード引出部４は、アルミナからなる心材１３に、表面にリード電極１４をプリントし、その裏面に電極パッド部７を形成し、ビアホールで両者を接続したセラミックグリーンシート１５を、リード電極１４を内側に巻き込むように密着したものである。このとき、密着液は発熱抵抗体９と同材質の高融点金属粉末を含有するものを用いた。
【００３６】
その後、電極パッド部５の表面に３μｍの無電解メッキ膜を形成した後、Ｎｉ線からなる金属リード６をＡｕ−Ｃｕロウを用いて接合して、図１に示す本発明のセラミックヒータ１とした。
【００３７】
また、比較例として、図７に示すようにアルミナからなる厚さ１ｍｍのセラミックグリーンシート２２の上に、Ｗを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体２３と電極パッド部２４をプリントし、その上に電極パッド部２４に対応する部分に穴２６を穿設したアルミナからなる別のセラミックグリーンシート２５を重ねて密着した後焼成し、その後、電極パッド部２４に３μｍの無電解Ｎｉメッキ膜を形成した後、Ｎｉからなる金属リード２７をＡｕ−Ｃｕロウを用いて接合して、従来のセラミックヒータ２１を作製した。
【００３８】
この様にして作製した本発明のセラミックヒータ１と比較例のセラミックヒータ２１について、発熱抵抗体９、２３に印加する電圧を変化させ、セラミックヒータ１、２１の表面温度を３００℃、５００℃、７００℃、８００℃、９００℃と変化させ、その時のリードパッド部５、２４部分の温度を線径０．１ｍｍのＣＡ（クロメル−アルメル）の熱電対により測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
表１の測温結果より、比較例のセラミックヒータ２１は、セラミックヒータ表面の温度を７００℃以上に加熱するとリードパッド部の温度が７００℃以上になってしまい好ましくなかった。
【００４１】
これに対し、本発明のセラミックヒータ１では、セラミックヒータ１の表面温度を９００℃にしても、リードパッド部５の温度が２５０℃以下と良好な温度であることが判った。以上の結果より、リードパッド部５を垂直方向に突出させたリード引出部４の端部に位置させることにより、セラミックヒータ１の表面温度を７００〜９００℃まで上昇させてもリードパッド部５の温度を３００℃以下にすることができるので、ロウ付け部の信頼性は確保できることが判る。
【００４２】
次に、上記サンプルの耐久評価を行った。
【００４３】
評価条件としては、セラミックヒータ１の表面が１０００℃となるような電圧を印加して３分間印加／３分間強制冷却を１サイクルとしたサイクルを繰り返す断続試験を行った。評価は、１０００サイクル毎にセラミックヒータ１の抵抗変化率をチェックした。
【００４４】
結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】
表２の結果より、比較例のセラミックヒータ２１では、１０００サイクルで大きな抵抗変化を示した。サンプルを観察したところ、ロウ付け部が抵抗変化していることが確認できた。中には、ロウ付け部分が脱落している物もあった。これは、前述の如くロウ付け部分の温度上昇に伴いロウ付け部分が劣化したものと判断した。
【００４７】
これに対し、本発明のセラミックヒータ１は、４０００サイクル経過後でも大きな抵抗変化はなく良好であることが確認できた。
【００４８】
実施例２
次に、本発明のセラミックヒータ１において、リード引出部４の断面積Ｓ（ｍｍ2）とセラミック体２の表面からリードパッド部５までの距離Ｌ（ｍｍ）の関係Ｌ／Ｓとリードパッド部５の温度の関係を調べた。径及び長さの異なるリード引出部４を種々準備し、実施例１と同様な方法で本発明のセラミックヒータ１を作製し、これらのセラミックヒータ１に表面の最高温度が６００℃および９００℃となるような電圧を印加し、その時のリードパッド部５の温度を調査した。リードパッド部５の温度は、ＣＡの熱電対を使用して測定した。
【００４９】
結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
表３に示すように、Ｌ／Ｓ＜１．５となるＮｏ．１、２はセラミックヒータ１の表面温度を９００℃とした場合、電極パッド部５の温度が３００℃を超えてしまうので、好ましくない。しかしながら、Ｌ／Ｓ≧１．５であるＮｏ．３〜６は、電極パッド部５の温度は３００℃以下となった。また、セラミックヒータ１の表面温度が６００℃の場合、Ｌ／Ｓが１．１〜２．１の全範囲で電極パッド部５の温度が３００℃以下となった。
【００５２】
実施例３
リード引出部４とセラミック体２との接合部近傍にセラミック、ガラスからなる補強部材１９を備えた物及び補強部材なしのサンプルを作製し、リード引出部４の電極パッド部５に対し垂直方向の荷重を加えて破壊強度を測定した。補強部材１９の寸法は、リード引出部４の外径２．５ｍｍに対し、補強部材１９の外径が４ｍｍ、長さ４ｍｍとなるようにした。また、セラミック体２から電極パッド部５までの長さは１０ｍｍとした。
【００５３】
結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
結果に示す如く、補強をしなかったリード引出部４の破壊強度が４０Ｎであるのに対し、セラミックあるいはガラスからなる補強部材１９を備えることで、８０〜１３０Ｎと破壊強度が格段に向上することが判った。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、上記セラミック体は主表面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成することにより、ロウ付け部の温度を下げることが可能となり、セラミックヒータ本体の温度を高温まで昇温させて使用することが可能となった。
【００５７】
また、リード引出部とセラミックヒータ本体の接合部近傍をセラミックスあるいはガラスからなる補強材で補強することで、接合部の強度も向上させることができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを示す斜視図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの製造方法を示す分解斜視図である。
【図３】本発明のセラミックヒータを示す部分断面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータのリード引出部の一例を示す一部切り欠き図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図６】従来のセラミックヒータの斜視図である。
【図７】従来のセラミックヒータの分解斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒータ
２：セラミック体
３：穴
４：リード引出部
５：リードパッド部
６：金属リード
７：ロウ材
８：セラミックグリーンシート
９：発熱抵抗体
１０：電極パッド
１１：セラミックグリーンシート
１９：補強材
Claims (3)
- 板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部は、柱状もしくは筒状の心材の周囲を周回するように配置されたリード電極を内蔵したセラミック柱状体または筒状体からなることを特徴とするセラミックヒータ。
- 板状のセラミック体に発熱抵抗体を内蔵したセラミックヒータにおいて、前記セラミック体は主面から略垂直方向に突出したリード引出部を有し、その端部にリードパッド部を形成してなり、前記リード引出部は、タングステン、モリブデン、レニウムなどの高融点金属線を埋設し、焼結一体化したセラミック柱状体または筒状体からなることを特徴とするセラミックヒータ。
- 前記セラミック体の主面と前記リード引出部との接合部近傍に、セラミックスもしくはガラスからなる補強部材を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
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