JP6282877B2

JP6282877B2 - ヒータ

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Publication number: JP6282877B2
Application number: JP2014021090A
Authority: JP
Inventors: 竜一長迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: JP2015149174A

Description

本発明は、ヘアアイロン、流体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、半田ゴテ、酸素センサ用ヒータ、空燃比センサ用ヒータまたはグロープラグ等に用いるためのヒータに関するものである。

ヘアアイロン、流体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、半田ゴテ、酸素センサ用ヒータ、空燃比センサ用ヒータまたはグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば特許文献１に記載のセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に記載のセラミックシーズヒータは、セラミックス体と、セラミックス体に埋設された発熱抵抗体と、セラミックス体が挿入された金属製の有底筒状体とを備えている。セラミックス体は有底筒状体との間に隙間を有するように設けられており、セラミックス体と有底筒状体との間には絶縁性の粉体が充填されている。セラミックシーズヒータは、発熱抵抗体に電流を流すことによって発熱抵抗体が発熱する。この熱がセラミックス体および絶縁性の粉体を介して有底筒状体に伝わる。この状態で、有底筒状体と被加熱物とを接触させることによって、被加熱物を加熱することができる。

特開平１０−２４７５８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のセラミックシーズヒータは、セラミックス体と有底筒状体とが離れていることから、セラミックス体から有底筒状体への熱の伝達に長い時間を要していた。そのため、有底筒状体の表面を短時間で昇温させることが困難であった。

ここで、有底筒状体の表面を短時間で昇温させる方法として、例えば、セラミックス体の表面の形状と有底筒状体の内周面の形状とを一致させるとともに、セラミックス体を有底筒状体の内部に嵌めこむように配置する方法が考えられる。この場合には、セラミックス体の表面と有底筒状体の内周面とが密着していることによって、セラミックス体から有底筒状体への熱の伝達を短時間で行なうことができる。しかしながら、このような構成のセラミックシーズヒータにおいては、セラミックス体と有底筒状体との熱膨張率の差に起因して、ヒートサイクル下においてセラミックス体および有底筒状体に大きな熱応力が生じるおそれがあった。そのため、セラミックシーズヒータの長期信頼性が低下してしまうことがあるという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、長期信頼性を低下させることなく、短時間で昇温可能なヒータを提供することにある。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、柱状のセラミック体（セラミックス体）と、該セラミック体の先端側の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも先端側が挿入された金属ケース（有底筒状体）と、前記セラミック体の少なくとも先端側の外面と前記金属ケースの内面との間に配置された充填剤とを備えており、前記セラミック体の先端側の外面の一部が前記金属ケースに接しており、前記セラミック体の長さ方向と前記金属ケースの長さ方向とが交差するように前記セラミック体が配置されていることを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、セラミック体の先端側の外面の一部が金属ケースに接していることによって、セラミック体と金属ケースとの間の熱の伝達を速やかに行なうことができる。さらに、セラミック体の外面の一部のみが金属ケースに接していることから、セラミック体と金属ケースとの熱膨張率の差に起因して生じる熱応力を低減できる。これらの結果、長期信頼性を低下させることなく、短時間で昇温可能なヒータとすることができる。

本発明の実施形態の例のヒータを示す断面図である。図１に示すヒータをＡ−Ａ’線断面で示した縦断面図である。図２に示すヒータのうちセラミック体をＢ−Ｂ’線断面で示した断面図である。図１に示すヒータのうち金属ケースを示す斜視図である。本発明の変形例１のヒータを示す断面図である。本発明の変形例２のヒータを示す断面図である。本発明の変形例３のヒータを示す断面図である。本発明の変形例４のヒータを示す断面図である。図８に示すヒータをＣ−Ｃ’線断面で示した縦断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。

図１および図２に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ１０は、柱状のセラミック体１と、セラミック体１が挿入された金属ケース２と、セラミック体１の先端側の外面と金属ケース２の内面との間に配置された充填剤３とを備えている。さらに、図３に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１の内部に発熱抵抗体４を備えている。ヒータ１０は、例えば、ヘアアイロン、流体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータ、半田ゴテ、酸素センサ用ヒータ、空燃比センサ用ヒータまたはグロープラグ等に用いることができる。

＜セラミック体の構成＞
セラミック体１は、内部に発熱抵抗体４が埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体４を設けることによって、発熱抵抗体４の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１１は、例えば四角柱状あるいは円柱状等の柱状の部材である。

セラミック体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

セラミック体１の形状が四角柱状である場合は、セラミック体１の長さは、例えば１０〜２００ｍｍに設定され、幅は１〜１０ｍｍ、厚みは０．１〜３ｍｍに設定される。

＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体４は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体４は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体４に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体４が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から金属ケー
ス２に熱が伝わり、金属ケース２から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。金属ケース２の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば水もしくはオイル等の液体または空気もしくは窒素等の気体が挙げられる。

発熱抵抗体４は、セラミック体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体４は、縦断面（発熱抵抗体４の長さ方向に沿った断面）の形状が、例えば折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体４はセラミック体１の先端付近で折返し部を有している。発熱抵抗体４の全長は、例えば５〜１０００ｍｍに設定される。なお、発熱抵抗体４の横断面（発熱抵抗体４の長さ方向に直交する断面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。発熱抵抗体４は、金属材料から成る。本実施形態のヒータ１０においては、発熱抵抗体４がＭｏおよびＷを主成分としている。

＜電極の構成＞
ヒータ１０は、さらに２つの電極５を有している。電極５は、発熱抵抗体４の両端を外部電源（図示せず）にそれぞれ電気的に接続するための部材である。電極５は、発熱抵抗体４に電気的に接続されている。電極５は、セラミック体１の後端側の外面（表面）に設けられている。電極５は、ＡｇまたはＣｕ等の金属材料から成る。電極５は、例えば、スクリーン印刷等によって形成される。セラミック体１の外面における電極５の形状は、例えば四角形状である。電極５の寸法は、例えばセラミック体１の長さ方向の長さを５ｍｍ、幅を１ｍｍ、厚みを２０μｍに設定することができる。

＜リード端子の構成＞
リード端子６は、外部電源から電極５を介して発熱抵抗体４に電流を流すための部材である。リード端子６は、それぞれの電極５に別々に設けられている。リード端子６は、一端が電極５に接続されており、他端が金属ケース２の外部に引き出されている。金属ケース２の外部に引き出されたリード端子６は、外部電源に接続される。リード端子６と電極５とはろう材によって接合されている。ろう材としては、例えば銀ろう、金−銅ろうまたは銀−銅ろうを用いることができる。リード端子６は、例えばＮｉから成る。リード端子６のうち電極５と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブによって覆われている。チューブは、例えば樹脂材料から成る。特に、耐熱性に優れるフッ素樹脂から成ることが好ましい。

＜金属ケースの構成＞
金属ケース２は、セラミック体１を保護するための部材である。具体的には、セラミック体１が被加熱物に接することを防止するための部材である。発熱抵抗体４が発熱している状態でセラミック体１が被加熱物に接してしまうと、セラミック体１のうち被加熱物と接触した部分の温度が急激に低下する。この場合には、セラミック体１の内部に大きな熱応力が生じてしまうおそれがある。その結果、セラミック体１にクラック等が生じるおそれがある。これに対して、本実施形態のヒータ１０のように、セラミック体１が金属ケース２に挿入されている場合には、被加熱物がセラミック体１ではなく金属ケース２に接触することになる。そのため、セラミック体１に大きな温度変化が生じることを抑制できる。その結果、セラミック体１の内部に生じる熱応力を低減できる。

図４に示すように、金属ケース２は筒状の部材である。より具体的には、金属ケース２は、例えば円筒状または四角筒状等の筒状の部材と、筒状の部材のうち先端側の開口を塞ぐ蓋状の部材とから成る。金属ケース２には、セラミック体１の先端側が、金属ケース２の後端側から挿入されている。金属ケース２は、セラミック体１の後端を電極５およびリード端子６ごと囲んでいる。金属ケース２は、例えばステンレス、アルミニウム、銅またはチタン等の金属材料から成る。金属ケース２が円筒状の場合には、筒状の部材の寸法は、例えば長さを２０ｍｍ、内径を１０ｍｍ、外径を１１ｍｍに設定することができる。そ
して、蓋状の部材の寸法は、外径は筒状の部材と等しく、厚みを０．５ｍｍに設定することができる。なお、本実施形態のヒータ１０においては、蓋状の部材が筒状の部材の端面を塞ぐように設けられているが、これに限られない。具体的には、筒状の部材の先端側の開口を塞ぐことができれば、蓋状の部材の形状および取付位置は適宜変更することができる。例えば、蓋状の部材の外周面と筒状の部材の内周面とが接するように、蓋状の部材が筒状の部材に嵌めこまれていてもよい。また、蓋状の部材が、キャップ状であるとともに、筒状の部材の側面に接しながら筒状の部材の端面を塞ぐように取り付けられていてもよい。

本実施形態においては、セラミック体１の全体が金属ケース２に挿入されているが、これに限られない。具体的には、セラミック体１の後端側が金属ケース２の外部に位置していてもよい。

＜充填剤の構成＞
充填剤３は、セラミック体１から金属ケース２への熱の伝達を良好に行なうための部材である。充填剤３は、セラミック体１の少なくとも先端側の外面と金属ケース２の内面との間に配置されている。本実施形態のヒータ１０においては、充填剤３は、金属ケース２のうちセラミック体１の長さ方向の中央部よりも先端側に充填されている。充填剤３は、例えばマグネシア、アルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミックス等の絶縁材料から成る。

本実施形態のヒータ１０は、セラミック体１の先端側の外面の一部が金属ケース２に接している。これにより、セラミック体１と金属ケース２との間の熱の伝達を速やかに行なうことができる。さらに、セラミック体１の外面の一部のみが金属ケース２に接していることから、セラミック体１と金属ケース２との熱膨張率の差に起因して生じる熱応力を低減できる。これらの結果、長期信頼性を低下させることなく、短時間で昇温可能なヒータ１０とすることができる。本実施形態のヒータ１０においては、セラミック体１が四角柱状であるとともに、セラミック体１の長さ方向に平行な４辺のうち２辺が金属ケース２の内周面に接している。

さらに、本実施形態のヒータ１０は、セラミック体１の後端側の外面および電極５の一部と金属ケース２との間に空隙が確保されている。これにより、発熱抵抗体４から発せられた熱が金属ケース２に伝わった場合に、この熱が金属ケース２から電極５に逃げてしまうことを抑制できる。その結果、被加熱物の加熱に寄与せずに放熱等によって熱が逃げてしまうことを抑制できる。セラミック体１の後端側の外面および電極５の一部と金属ケース２との間の空隙の大きさは、例えば０．１〜１０ｍｍ程度に設定することができる。

＜変形例１＞
上述の実施形態のヒータ１０においては、充填剤３が金属ケース２の内側のうち先端側にのみ設けられていたが、これに限られない。例えば、充填剤３が金属ケース２の内側のほぼ全面に設けられていてもよい。図５に示すように、本発明の変形例１のヒータ１０は、セラミック体１の全体が電極５の一部とともに金属ケース２に挿入されており、充填剤３が電極５を覆うように配置されている。これにより、電極５を封止することができるので、周囲の空気と反応して電極５が酸化してしまうことを抑制できる。

＜変形例２および変形例３＞
変形例１のヒータ１０および変形例２のヒータ１０においては、セラミック体１の長さ方向と金属ケース２の長さ方向とが揃うように、セラミック体１を金属ケース２に挿入していたが、これに限られない。具体的には、金属ケース２にセラミック体１を斜めに挿入してもよい。図６および図７に示すように、変形例２のヒータ１０および変形例３のヒー
タ１０においては、セラミック体１の長さ方向と金属ケース２の長さ方向とが交差するようにセラミック体１が配置されている。このようにセラミック体１を斜めに配置することによって、金属ケース２の周方向における熱の分布の偏りを低減することができる。セラミック体１を傾ける角度としては、例えば、セラミック体１の長さ方向と金属ケース２の長さ方向との成す角が５〜５０°程度になるように設定できる。

＜変形例４＞
上述の実施形態のヒータ１０においては、四角柱状のセラミック体１における長さ方向に平行な４辺のいずれかは、金属ケース２の内面に接触しないように配置されていたが、これに限られない。具体的には、図８および図９に示すように、セラミック体１の長さ方向と金属ケース２の長さ方向が揃うようにセラミック体１が金属ケース２に挿入されているとともに、セラミック体１における長さ方向に平行な４辺の全てが金属ケース２の内面に接していてもよい。これにより、セラミック体１を金属ケース２に嵌めこませることができる。そのため、ヒータ１０を振動環境下で使用したときに、ヒータ１０に位置ずれが生じてしまうことによって電極５とリード端子６との接合に不具合を生じさせてしまうという事態の発生を低減できる。

なお、変形例４では、四角柱状のセラミック体１の４辺の全てを金属ケース２の内面に接触させる場合を説明したが、これに限られない。具体的には、セラミック体１が五角柱状の場合には、セラミック体１の長さ方向に沿った５辺の全てを金属ケース２の内面に接触させればよい。つまり、セラミック体１が多角柱状の場合には、セラミック体１の長さ方向に沿った全ての辺を金属ケース２の内面に接触させればよい。

本発明の実施例のヒータ１０を以下のようにして作製した。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調整したセラミックグリーンシートを作製した。また、ＭｏおよびＷを主成分とする導電性ペーストを作製した。そして、このセラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体４となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法にて印刷した。また、別のセラミックグリーンシートの表面に、電極５なる導電性ペーストを、スクリーン印刷法にて印刷した。これらのセラミックグリーンシートを、同一の組成のセラミックスを分散させた積層液を塗布して積層して、棒状の積層体を得た。

こうして得られた棒状の積層体を１５００〜１６００℃の窒素雰囲気中で焼成して、長さ３０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み１ｍｍのセラミック体１を得た。次に、セラミック体１の主面の電極５上に電解メッキにて厚みが２〜４μｍのＮｉメッキ膜を設けた。さらに、ろう材として銀ろうを用いて、電極５にＮｉから成るリード６を接合した。

そして、長さ４０ｍｍ、内径５ｍｍの金属ケース２を準備し、セラミック体１の先端の一部が、図７に示すように、金属ケース２に接するように挿入した。さらに、金属ケース２の内部に充填剤３としてアルミナを主成分とする無機接着剤ペーストを流し込んだ。この状態で２時間乾燥機に入れて１５０℃で加熱することによって無機接着剤を硬化させた。以上のようにして、本発明の実施例のヒータ１０（試料１）を作成した。

また、比較例として、セラミック体１と金属ケース２とが接触しないように、セラミック体１を金属ケース２に挿入して、この状態で充填剤３を硬化させてヒータ（試料２）を作成した。

試料１および試料２に対して、昇温に要する時間の比較を行なった。具体的には、試料
１および試料２の金属ケース２の表面に熱電対を取り付けた状態で、発熱抵抗体４に電圧（１００Ｖ）を印加して発熱抵抗体４を発熱させた。そして、金属ケース２の表面の温度が３００℃になるまで要する時間を測定した。その結果、昇温に要した時間は、試料１が１０秒であったのに対して、試料２が２０秒であった。この結果から、本発明のヒータ１０の構成を採用することで、昇温に要する時間が少なくなることが確認できた。

また、試料１に対して、耐久試験を行なった。具体的には、試料１に対して１００Ｖの電圧を印加することによって金属ケース２の表面の温度を３００℃まで上昇させた後に、電圧を印加することをやめることによって金属ケース２の表面の温度を５０℃まで下降させることを１サイクルとして、サイクル試験を行なった。１００サイクル毎に発熱抵抗体４の抵抗変化率を測定して、抵抗変化率が１０％以内の場合を問題なしと判断した。

その結果、１００００サイクル後の発熱抵抗体４の抵抗変化率が３．５％以内であった。また、１００００サイクル後の試料１に対して、セラミック体１を取り出して外観を確認したところ、外観の変化は見つからなかった。

これらの結果から、本発明のヒータ１０の構成を採用したことによる長期信頼性の低下は生じないことが確認できた。

１：セラミック体
２：金属ケース
３：充填剤
４：発熱抵抗体
５：電極
６：リード端子
１０：ヒータ

Claims

柱状のセラミック体と、該セラミック体の先端側の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の少なくとも先端側が挿入された金属ケースと、前記セラミック体の少なくとも先端側の外面と前記金属ケースの内面との間に配置された充填剤とを備えており、前記セラミック体の先端側の外面の一部が前記金属ケースに接しており、前記セラミック体の長さ方向と前記金属ケースの長さ方向とが交差するように前記セラミック体が配置されていることを特徴とするヒータ。
前記セラミック体の後端側の外面に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極をさらに備えるとともに、前記セラミック体の全体が前記電極の一部とともに前記金属ケースに挿入されており、前記セラミック体の後端側の外面および前記電極の一部と前記金属ケースの内面との間に空隙が確保されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック体の後端側の外面に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極をさらに備えるとともに、前記セラミック体の全体が前記電極の一部とともに前記金属ケースに挿入されており、充填剤が前記電極を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。