JP4688376B2

JP4688376B2 - セラミックヒーター

Info

Publication number: JP4688376B2
Application number: JP2001293024A
Authority: JP
Inventors: 秀明下水流
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003100421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本製品は各種産業機器、半田ごて、ヘアーごて、石油ストーブ点火・気化器、シール機、自動車酸素センサーなどに使用するセラミックヒーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックヒーターは平板状・円柱状・円筒状などの形状をしたものが使用されている。図４（ａ）は、従来の円柱状のセラミックヒーターの構造を示す図であり、図４（ｂ）はその断面図である。セラミックヒーター２１の表面に形成された電極パッド２６の表面には、Ｎｉからなるメッキ層２６ａが形成され、その表面にリード線３０がロウ材２９によりロウ付けされている。
【０００３】
また、太いリード線３０を取り付けたセラミックヒーターの一例として、セラミック体に形成した内壁面にリード線がロウ付けされた構造が、特開昭６２−７６２７７号公報に記載されている。これは、セラミクヒーターの外径からの飛び出しが問題となる場合に採用されている構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
大型・大容量のセラミックヒーターに於いては、セラミックヒーターを所定の温度に加熱するために大電流を流さねばならないものがある。このような用途では、細いリード線を用いた場合、リード線が発熱しリード線を固定しているロウ付け部および電極パッドが劣化して、セラミックヒーターの耐久性が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、リード線の発熱を防止するため線径の太いリード線を用いている。しかし、外表面にリード線を設けると、線径が太いため曲げ応力によりリード線のロウ付け部の剥離等強度が低下するという問題が生じてくる。図４を用いて具体的に説明すると、リード線３０にセラミックヒーター２１の全長方向に引張応力が掛かった場合は、リード線１０は良好な強度を有するが、リード線１０に該リード線１０を電極パッド２６から垂直に引き剥がす方向に応力が働くと、その応力はロウ材の端部２９ａに集中し、この部分でロウ材２９が電極パッド２６から剥離してしまうという問題があった。
【０００６】
また、特開昭６２−７６２７７号公報に記載されたように、セラミック体に形成された溝の内壁面の電極パッドにリード線がロウ付けされた構造のセラミックヒーターがある。しかし、リード線の線径が太いため、取り扱い時にリード線のロウ付け部の端部が剥離したり、電極パッドが形成された部分のセラミックスに欠け・割れ等が発生したりして品質が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、従来の欠点に鑑み提案されたもので、太い線径によるリードロウ付け強度の低下、及びセラミックシートに欠け・割れ等を無くし、品質を向上させたセラミックヒーターを安定提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒーターは、セラミック体中に発熱抵抗体を内蔵し、電極パッドにリード線を具備してなるセラミックヒーターに於いて、前記リード線が線径１ｍｍ以上であり且つ側面に、前記リード線の長さ方向の幅が１ｍｍ以上、切り込み深さが０．５ｍｍ以上で前記線径の１／２以下の溝を、前記リード線の前記電極パッド側の先端から前記溝までの距離を前記電極パッドの長さよりも１ｍｍ以上短くして設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記リード線の溝から前記電極パッド側の先端までの部分が前記電極パッドにロウ付けされていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記リード線の前記電極パッド側の先端部および前記溝部の内側にロウ材のメニスカスが形成されていることを特徴とする。
【００１１】
そして、前記リード線の電極パッド接合部と反対側の端部をボルト構造とし、ナットにて他部材と接合できる構造としたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
本発明により、１ｍｍ以上の太い線径のリード線を取り付けた際に、リード線のロウ付け強度が低下したり、セラミック体に欠け・割れ等が発生したりすることを無くし、品質の向上したセラミックヒーターを提供することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１、２を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、円柱状のセラミックヒーターを示す図であり、セラミックグリーンシート３の一方の主面に形成された発熱抵抗体４および電極引出部５が、これらを内側に包み込むようにセラミック芯材２の外周に周回密着されている。また、前記電極引出部５の端部にはビアホール７が形成され、前記セラミックグリーンシート３の他方の主面に形成された電極パッド６と接続されている。このようにして形成された生成形体を１５００〜１６５０℃の還元雰囲気中で焼成することによりセラミック体７を得、その後、図２に示すように、前記電極パッド６の表面にＮｉからなるメッキ層６ａを形成した後、リード線１０をロウ材９により固定することによりセラミックヒーター１を得る。
【００１５】
本発明のセラミックヒーター１は、前記リード線１０が線径１ｍｍ以上であり、且つ前記リード線１０に幅１ｍｍ以上、切り込み深さ０．５ｍｍ以上の溝１１を設けたことを特徴とする。
【００１６】
リード線１０の線径を１ｍｍ以上とするのは、使用する電流によるリード線１０の発熱を防止するためである。また、前記リード線１０に形成する溝１１の幅を１ｍｍ以上、切り込み深さを０．５ｍｍ以上とする理由は、これより溝１１を小さくすると、ロウ材９が溝を埋めてしまって、溝１１を形成した効果が得られなくなってしまうからである。
【００１７】
なお、リード線１０に形成する溝１１の切り込み深さは、リード線１０の線径の１／２以下とすることが好ましい。該切り込み深さをリード線１０の線径の１／２を超える値とすると、リード線１０に対する電極パッド６に垂直な方向の応力に対し、ロウ材９の端部９ａにおける応力を緩和する効果はあるが、リード線１０自体の強度が低下してしまうので好ましくない。
【００１８】
また、前記リード線１０の先端から前記溝１１までの距離ｄが電極パッド６の長さＬよりも１ｍｍ以上短くなるように前記溝１１が形成されており、前記リード線１０の溝１１から先端までの部分が前記電極パッド６にロウ付けされている。このリード線１０の溝１１から先端までの距離ｄは、十分なロウ付け強度を確保するためには、２ｍｍ以上の長さとすることが好ましい。
【００１９】
このような溝１１を形成することにより、図２（ｂ）に示すように、リード線１０の先端部及び溝１１の内側の両方にロウ材９のメニスカスを富士山の裾野のような形状に形成することができるので、リード線１０の引張強度を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、リード線１０に対し、リード線１０を電極パッド６から垂直に剥がすような成分の力が掛かった場合には、前記溝１１の部分でリード線が変形して応力を容易に吸収するので、電極パッド６からリード線１０が剥がれることを防止することができる。
【００２１】
また、前記リード線１０の先端から電極パッド６の長さＬよりも１ｍｍ以上短い部分に前記リード線１０の溝１１が形成され、前記リード線１０の溝１１から先端までの部分が前記電極パッド６にロウ付けされるようにすることが好ましい。このようにする事により、ロウ材９のメニスカスを好ましい形状にすることが可能となる。前記リード線１０の先端から溝１１までの距離ｄが前記電極パッド６の長さＬよりも長いか、もしくは短いとしてもその差が１ｍｍ未満であれば、ロウ材９の端部９ａにおけるメニスカスの形状が悪くなるので十分な引張強度が得られなくなるので好ましくない。
【００２２】
また、図２に示すように、前記リード線１０をの電極パッド６との接合部と反対側の端部をボルト構造とし、ナットにて他部材と接合できる構造とすると、リード線１０と外部の電気回路との接続の信頼性を向上させることが可能となる。電気的接続の信頼性改善のため、今後、このような電気的接続の需要が増えてくるものと予想している。
【００２３】
セラミックヒーター１の材質としては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、ムライト等を使用することが可能である。
【００２４】
例えば、アルミナとしては、Ａｌ₂Ｏ₃８８〜９５重量％、ＳｉＯ₂２〜７重量％、ＣａＯ０．５〜３重量％、ＭｇＯ０．５〜３重量％、ＺｒＯ₂０〜３重量％からなるものを使用することができる。Ａｌ₂Ｏ₃含有量をこれより少なくすると、ガラス質が多くなるため通電時のマイグレーションが大きくなるので好ましくない。また、逆にＡｌ₂Ｏ₃含有量をこれより増やすと、内蔵する発熱抵抗体４の金属層内に拡散するガラス量が減少し、セラミックヒーター１の耐久性が劣化するので好ましくない。
【００２５】
窒化珪素としては、Ｓｉ₃Ｎ₄８５〜９５重量％、Ｙ₂Ｏ₃やＹｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃のような希土類元素酸化物２〜１２重量％、Ａｌ₂Ｏ₃０．３〜２．０重量％、これに加えて酸素をＳｉＯ２換算で０．５〜３重量％含有するようなものを使用することが可能である。
【００２６】
窒化アルミニウムとしては、ＡｌＮ８５〜９７重量％、Ｙ₂Ｏ₃やＹｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃のような希土類元素酸化物２〜８重量％、ＣａＯ０〜５重量％、これに不純物として酸素をＡｌ₂Ｏ₃換算で０〜１重量％含有するものを使用することが可能である。
【００２７】
ムライトとしては、Ａｌ₂Ｏ₃５８〜７５重量％、ＳｉＯ₂２５〜４２重量％と、１重量％以下の不可避不純物からなるものを使用することが可能である。
【００２８】
また、セラミックヒーター１の形状としては、円筒および円柱状に加え、図３（ａ）、（ｂ）に示すような板状のものであっても構わない。
【００２９】
板状のセラミックヒーターの製法について説明すると、セラミックグリーンシート３の表面にＷ、Ｍｏ、Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体４、リード引出部６、およびスルーホール７を形成し、その裏面には電極パッド８を形成する。そして、発熱抵抗体４を形成した面にさらに別のセラミックグリーンシート３を重ねて密着し、１５００〜１６５０℃の還元雰囲気中で焼成することにより、板状のセラミックヒーター１とする。また、焼成後、電極パッド６の上にはメッキ層６ａを形成し、リード線１０をロウ材９で固定した後、さらにロウ材９の上にメッキ層を形成する。
【００３０】
また、セラミックヒーター１の寸法については、例えば外径ないしは幅が８〜２０ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ程度にすることが可能である。
【００３１】
次にリード線１０の材質としては、耐熱性良好なＮｉ系やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等を使用することが好ましい。発熱抵抗体４からの熱伝達により、使用中にリード線１０の温度が上昇し、劣化する可能性があるからである。
【００３２】
中でも、リード線１０の材質としてＮｉやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を使用する場合、その平均結晶粒径を４００μｍ以下とすることが好ましい。前記平均粒径が４００μｍを超えると、使用時の振動および熱サイクルにより、ロウ付け部近傍のリード線１０が疲労し、クラックが発生するので好ましくない。他の材質についても、例えばリード線１０の粒径がリード線１０の厚みより大きくなると、ロウ材９とリード線１０の境界付近の粒界に応力が集中して、クラックが発生するので好ましくない。
【００３３】
また、ロウ材９の材質としては、Ａｇロウ、Ａｇ−Ｃｕロウ、Ａｕ−Ｃｕロウ、Ａｕ−Ｎｉロウ、Ｃｕロウから選ばれたものを使用することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３５】
実施例１
まず、アルミナを主成分とし、焼結助剤として、６重量％のＳｉＯ₂、２重量％のＭｇＯ、２重量％のＣａＯ、１．５重量％のＺｒＯ₂を含有する原料を調製し、外径１５ｍｍセラミック芯材２および厚み８００μｍのセラミックグリーンシート３を、押出成形およびテープキャスティング法により準備した。
【００３６】
その後、セラミックグリーンシート３の一方の主面にＷからなる発熱抵抗体４と電極引出部５をプリント形成し、前記電極引出部５の端部の裏面に電極パッド６をプリント形成し、さらに、電極パッド６に穴を形成し該穴にＷからなるペーストを埋めこむことによりビアホール７を形成し電極引出部５と電極パッド６とを接続する。
【００３７】
こうして準備した生のセラミック体を還元雰囲気中１６００℃で焼成して焼結させ、前記電極パッド６の表面にＮｉからなる無電界メッキによりメッキ層６ａを５μｍ形成し、その上にリード線１０を設置し、Ａｇロウからなるロウ材９によりロウ付け固定した。
【００３８】
この時、リード線１０の外径を２ｍｍとし、溝幅を０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍと変更し、また溝深さを０．３ｍｍ、０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，及び溝無しと変更したサンプルを準備して試料を作製した。
【００３９】
そして、電極パッド６に対して垂直な方向のリード線１０の引張強度を、このようにして準備した試料について評価した。引張強度が３００Ｎ未満のものはＮＧとし、引張強度が３００Ｎ以上のものをＯＫとして評価した。
【００４０】
結果は、表１に示した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
表１から判るように、溝１１の幅が１ｍｍより小さいＮｏ．１〜５、および溝１１の深さ０．５ｍｍ未満であるＮｏ．６、９、１３はロウ材９で溝１１が埋まってしまい、ロウ材９の端部９ａにおいて良好なメニスカスを形成できなかったため、剥離強度が３００Ｎ未満となり好ましくなかった。
【００４３】
これに対し、前記溝１１の幅および深さが本発明の請求範囲であるＮｏ．７〜９、１１〜１３、１５〜１７はロウ材９のメニスカスの状態も良好で、３００Ｎ以上の引張強度が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック体中に発熱抵抗体を内蔵し、該発熱抵抗体に通電するための電極パッドを前記セラミック体の表面に備え、前記電極パッドにリード線をロウ付けしてなるセラミックヒーターにおいて、前記リード線が線径１ｍｍ以上であり且つ側面に、前記リード線の長さ方向の幅が１ｍｍ以上、切り込み深さが０．５ｍｍ以上で前記線径の１／２以下の溝を、前記リード線の前記電極パッド側の先端から前記溝までの距離を前記電極パッドの長さよりも１ｍｍ以上短くして設けることにより、大電流を流さなければならずリード線の発熱を考慮した場合やリード線を用いてセラミックヒーターを保持するために太いリード線を用いる場合でも、リード線のロウ付け部の引張強度を向上させ、良好なセラミックヒーターとすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒーターの展開斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの平面図であり、（ｂ）は、そのリード線接合部の縦断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明のセラミックヒーターの別の実施形態を示す展開斜視図であり、（ｂ）はそのリード線接合部の縦断面図である。
【図４】（ａ）は、従来のセラミックヒーターを示す図であり、（ｂ）はそのＺ−Ｚ線断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：セラミック芯材
３：セラミックグリーンシート
４：発熱抵抗体
５：電極引出部
６：電極パッド
７：ビアホール
８：セラミック体
９：ロウ材
１０：リード線
１１：溝

Claims

セラミック体中に発熱抵抗体を内蔵し、該発熱抵抗体に通電するための電極パッドを前記セラミック体の表面に備え、前記電極パッドにリード線をロウ付けしてなるセラミックヒーターにおいて、前記リード線が線径１ｍｍ以上であり且つ側面に、前記リード線の長さ方向の幅が１ｍｍ以上、切り込み深さが０．５ｍｍ以上で前記線径の１／２以下の溝を、前記リード線の前記電極パッド側の先端から前記溝までの距離を前記電極パッドの長さよりも１ｍｍ以上短くして設けたことを特徴とするセラミックヒーター。
前記リード線の溝から前記電極パッド側の先端までの部分のみが前記電極パッドにロウ付けされていることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒーター。
前記リード線の前記電極パッド側の先端部および前記溝部の内側にロウ材のメニスカスが形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒーター。
前記リード線の電極パッド接合部と反対側の端部をボルト構造とし、ナットにて他部材と接合できる構造としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒーター。