JP6306732B2

JP6306732B2 - ヒータ

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Publication number: JP6306732B2
Application number: JP2016554136A
Authority: JP
Inventors: 昭津川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: JPWO2016060250A1; KR20180108900A; CN106664749A; KR20170016967A; WO2016060250A1; KR102089994B1; CN106664749B

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、気体加熱用ヒータおよび酸素センサ用ヒータ等に用いられるヒータとして、例えば特開２０１１−６０７１２号公報（以下、特許文献１という）に開示されたヒータが知られている。特許文献１に開示されたヒータは、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック基体と、セラミック基体の表面に設けられた電極パッドと、電極パッドに接合された端子部材とを備えている。

特許文献１に開示されたヒータ装置は、端子部材がセラミック基体から立ち上がるように設けられていることによって、端子部材の立ち上がる方向の振動に対しては強度を向上させやすいものの、セラミック基体の長さ方向に沿った方向の振動に対しては強度を向上させることが困難であった。

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設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、全体が前記電極層から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の外周から外側において前記セラミック体の長さ方向に沿って伸びた第２部分と、全体が該第２部分よりも外側を経由して前記第１部分と前記第２部分とを繋ぐ第３部分とを備えており、該第３部分は、一端が前記第１部分に連続しており、他端が前記第２部分に連続している。

ヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータを示す縦断面図である。変形例のヒータのうち第１部分と電極層との接合部を通る断面で切った横断面図である。

以下、ヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、ヒータ１０を示す縦断面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、棒状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられた電極層３と、電極層３に接合されたリード端子４とを備えている。

セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するために設けられる部材である。セラミック体１の形状は、棒状または筒状である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等の柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図１に示すヒータ１０においては、セラミック体１は円柱状である。

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。熱伝導率に優れるという観点からは窒化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体１の熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高くできるので、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２で発生した熱をヒータ１０の表面に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ１０の急速昇温が可能となる。

また、製造のしやすさの観点からはアルミナを用いることが好ましい。セラミック体１が円柱状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに設定することができる。また、セラミック体１が板状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを８０ｍｍに、幅を５０ｍｍに、厚みを２ｍｍに設定することができる。セラミック体１が円筒状の場合には、セラミック体１の寸法は、例えば長さを１００ｍｍに、外径を２０ｍｍに、内径を１４ｍｍに設定することができる。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体２はセラミック体１の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体２はセラミック体１に埋設されている。本例のヒータ１０における発熱抵抗体２は折り返し形状を有している。発熱抵抗体２の両端部は引出電極２１に接続されている。引出電極２１は、セラミック体１の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体１の外周面に引き出されている。

本例においては、発熱抵抗体２の折り返し部がセラミック体１の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極２１は、セラミック体１のうち発熱抵抗体２の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体２の両端部は、引出電極２１を介して、セラミック体１の外周面に設けられた電極層３に電気的に接続されている。

発熱抵抗体２は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を３０００ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。引出電極２１は、発熱抵抗体２と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体２と同時に形成することができる。また、引出電極２１は、発熱抵抗体２とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。

電極層３はセラミック体１の表面に設けられている。電極層３は、引出電極２１を介して発熱抵抗体２に接続されている。電極層３は金属材料からなる。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。電極層３の寸法は、例えば長さを９ｍｍに、幅を５ｍｍに、厚みを０．０２ｍｍに設定することができる。なお、本例においては、電極層３が引出電極２１を介して発熱抵抗体２に接続されているが、これに限られない。具体的には、ヒータ１０が引出電極２１を有しておらず、電極層３と発熱抵抗体２とが直接接続されていてもよい。

リード端子４は発熱抵抗体２に電力を供給するための部材である。リード端子４は外部の電源（図示せず）に接続されて用いられる。リード端子４としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。リード端子４は、電極層３の表面上に接合材５を用いて取り付けることができる。接合材５としては、例えば、ろう材を用いることができる。

リード端子４は、電極層３から立ち上がる第１部分４１と、セラミック体１の外周から外側において長さ方向に沿って延びた第２部分４２と、第２部分４２よりも外側を経由して第１部分４１と第２部分４２とを繋ぐ第３部分４３とを備えている。これにより、セラミック体１の長さ方向に沿った方向に振動が生じたときに、第３部分４３がたわむことによって、この振動による応力を低減することができる。このため、第１部分４１と電極層３との接合部に生じる応力を低減できる。その結果、セラミック体１の長さ方向に沿った方向の振動に対する強度を向上させることができる。

第１部分４１の立ち上がる方向としては、電極層３の表面から垂直な方向および垂直な方向から見て２０°以下で傾いた方向が挙げられる。ここでいう、「傾いた方向」とは、第１部分４１が発熱抵抗体２に近づくように立ち上がる方向、第１部分４１が発熱抵抗体２から遠ざかるように立ち上がる方向、セラミック体１の周方向に傾く方向、および、これらの合わさった方向を含む。特に、第１部分４１が電極層３の表面に対して垂直な方向に立ち上がる場合には、接合材５を第１部分４１の周囲に均等に濡れ広げやすくすることができる。そのため、少ない接合材５でリード端子４を強固に保持することができる。

本例においては、リード端子４が棒状であって、リード端子４の断面（第１部分４１、第２部分４２および第３部分４３の断面）が円形状である。特に、第３部分４３の断面が円形状であることによって、第３部分４３がたわんだときに、第３部分４３が損傷してしまうおそれを低減できる。リード端子４の断面のその他の形状としては、例えば、矩形状、Ｃの字形状、Ｕの字形状または中空状等が挙げられる。特に、第３部分４３がＣの字形状またはＵの字形状の場合には、セラミック体１とは反対側に開口していることが好ましい。これにより、第３部分４３をたわませやすくすることができる。また、リード端子４は、例えば、板状であってもよい。例えば、リード端子４のうち、第１部分４１、第２部分４２および第３部分４２は、板状の部材を折り曲げることによって形成されていてもよい。リード端子４が板状であることによって、リード端子４の強度を向上できる。

また、本例においては、第３部分４３の一部が、電極層３から立ち上がる第１部分４１と滑らかに連続している。これにより、第１部分４１と第３部分４３との間に段差または屈曲部がある場合と比較して、振動が生じたときに応力が集中する箇所を第１部分４１と電極層３との接合部分から遠ざけることができる。なお、ここでいう「滑らか」とは、第１部分４１と第３部分４３との間に段差または屈曲部が無いことを意味している。

また、本例においては、第１部分４１から第３部分４３が連続して設けられるとともに、第３部分４３の先に第２部分４２が位置していることによって、第３部分４３によって振動による応力を吸収しつつも、第２部分４２をセラミック体の外周面に近づけることができる。２つの第２部分４２の間隔が広がってしまうと、ヒータ１０が大型化してしまうおそれがあるが、２つの第２部分４２をセラミック体の外周面に近づけることができる本例の構成を採用することによって、ヒータ１０を小型化することができる。

また、本例においては、リード端子４のうち、第１部分４１、第２部分４２および第３部分４３の断面の形状および大きさが同一であるが、これに限られない。具体的には、それぞれの部位で形状および大きさが異なっていてもよい。特に、第３部分４３は第１部分４１および第２部分４２よりも細いことが好ましい。これにより、リード端子４の強度を確保しつつ、第３部分４３をたわませやすくすることができる。

リード端子４の寸法は、例えば、以下のように設定できる。図１に示すようなヒータ１０の場合には、第１部分４１の長さを２．３ｍｍに設定できる。第２部分４２の長さは、第１部分４１の立ち上がる方向の長さを１．５ｍｍに、セラミック体１の長さ方向に沿った方向の長さを２．５ｍｍに設定できる。また、第３部分４３の長さを６．５ｍｍに設定できる。また、第１部分４１、第２部分４２および第３部分４３のそれぞれの断面は、直径が０．８ｍｍφの円形状に設定できる。

また、リード端子４と電極層３との接合を接合材５によって行なう場合には、接合材５はリード端子４のうち第１部分４１にのみ濡れ広がっていることが好ましい。具体的には、第３部分４３には接合材５が濡れ広がっていないことが好ましい。これにより、第１部分４１と電極層３との接合を行ないつつ、第３部分４３に生じるたわみの働きを阻害してしまうことを低減できる。

さらに、本例のヒータ１０は、図１に示すように、第３部分４３が屈曲形状を有している。これにより、屈曲している部分を起点として集中的にたわませることができるので、大きな振動を吸収することができる。

また、図２に示すように、第３部分４３が湾曲形状を有していてもよい。第３部分４３が湾曲形状であることによって、第３部分４３がたわんだときに、特定の部位に応力が集中することを低減できる。そのため、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。

また、図３に示すように、電極層３およびリード端子４をそれぞれ２つ以上備えているとともに、２つの電極層３と２つのリード端子４とのそれぞれの接合部の位置が、セラミック体１の長さ方向にずれていることが好ましい。これにより、電極層３およびリード端子４の接合部の耐久性を向上できる。具体的には、２つのリード端子４の接合部が一直線上に設けられている場合には、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対して、接合部の強度を向上させることが困難であった。これに対して、２つのリード端子４の接合部の位置をずらして配置しておくことによって、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度を向上させることができる。

なお、ここでいう「接合部の位置をずらして配置しておく」とは、例えば、リード端子４のうち電極層３と接合される第１部分４１の端面を見たときに、第１部分４１の端面の中心同士がずれていることを意味している。つまり、接合部同士の位置が完全にずれている必要はなく、セラミック体１の長さ方向で見たときに接合部同士の一部が重なっていてもよい。接合部の位置は、例えば０．２〜１．２ｍｍずらしておくことができる。

さらに、２つの第１部分４１同士がセラミック体１の長さ方向で見たときに部分的に重なることなく完全にずれていることが好ましい。これにより、リード端子４の第１部分を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度をさらに向上できる。

また、図４に示すように、電極層３およびリード端子４をそれぞれ２つ以上備えているとともに、２つの電極層３とリード端子４とのそれぞれの接合部の位置が、セラミック体１を挟んで対向する位置から周方向にずれていることが好ましい。これにより、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度を向上させることができる。

なお、ここでいう「周方向にずれている」とは、例えば、リード端子４のうち電極層３と接合さている第１部分４１の端面を見たときに、第１部分４１の端面の中心同士の位置が周方向にずれているということを意味している。つまり、接合部同士が完全にずれている必要はなく、接合部同士の一部がセラミック体１を挟んで対向していてもよい。接合部同士は、例えば１°〜１５°ずらしておくことができる。

さらに、２つの第１部分４１同士の端面がセラミック体１の周方向で見たときに対向する部分を有することなく完全にずれていてもよい。これにより、リード端子４の第１部分４１を軸としてセラミック体１が回転するような振動に対する強度をさらに向上させることができる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：電極層
４：リード端子
４１：第１部分
４２：第２部分
４３：第３部分
５：接合材
１０：ヒータ

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設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合されたリード端子とを備えており、
該リード端子は、全体が前記電極層から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の外周から外側において前記セラミック体の長さ方向に沿って伸びた第２部分と、全体が該第２部分よりも外側を経由して前記第１部分と前記第２部分とを繋ぐ第３部分とを備えており、
該第３部分は、一端が前記第１部分に連続しており、他端が前記第２部分に連続しているヒータ。
前記第３部分が屈曲形状である請求項１に記載のヒータ。
前記第３部分が湾曲形状である請求項１に記載のヒータ。
前記リード端子と前記電極層との接合が接合材によって行なわれているとともに、該接合材は、前記リード端子のうち前記第１部分のみに濡れ広がっている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
前記電極層および前記リード端子をそれぞれ２つ以上備えているとともに、２つの前記電極層と２つの前記リード端子とのそれぞれの接合部の位置が、前記セラミック体の長さ方向にずれている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記電極層および前記リード端子をそれぞれ２つ以上備えているとともに、２つの前記電極層と２つの前記リード端子とのそれぞれの接合部の位置が、前記セラミック体を挟んで対向する位置から周方向にずれている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。