JP6483535B2

JP6483535B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP6483535B2
Application number: JP2015114091A
Authority: JP
Inventors: 修 ▲浜▼田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: JP2017004613A

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、例えば特許文献１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装置は、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック体と、セラミック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。

特開２０１１−６０７１２号公報

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体から立ち上がるように設けられている。端子部材は、ろう材によって電極パッドに接合されている。このような構成のヒータ装置においては、セラミック体の長さ方向に垂直な方向の振動に対しては接合強度を向上させやすいものの、セラミック体の長さ方向に平行な方向の振動に対して接合強度を向上させることが困難であった。

接合強度を向上させるためには、端子部材に塗布するろう材を多くする方法が考えられる。しかしながら、単に端子部材に塗布するろう材を多くしてしまうと、振動に対する接合強度は高めることができるものの、ろう材に高い残留応力が発生してしまうおそれがあった。そのため、セラミック体と電極パッドとの間または電極パッドとリード端子との間に位置するろう材等にクラック等が生じてしまうおそれがあった。その結果、ヒータの長期信頼性を高めることが困難であった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータにおいて電極層（電極パッド）とリード端子（端子部材）との接合強度高めつつ、ヒータに生じる残留応力を低減させることにある。

本発明の一態様のヒータは、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、該電極層に接合材によって接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、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長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、前記接合材は、前記電極層と前記第１部分とを接合するメニスカス部と、該メニスカス部から前記第２部分側に広がった厚みが一定のコーティング部とを有しており、前記リード端子は、前記第１部分と前記第２部分とを繋ぐ、湾曲部を備えているとともに、前記コーティング部が前記湾曲部の一部を覆っており、前記湾曲部のうち外周側よりも内周側の方が、前記コーティング部が設けられている部分が長いことを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、ヒータにおいて電極層とリード端子との接合強度を高めつつ、ヒータに生じる残留応力を低減できる。

本発明のヒータの一実施形態を示す縦断面図である。図１におけるリード端子近傍を示す拡大断面図である。

本発明の一実施形態のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本発明のヒータ１０の実施形態の一例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の内部に形成した発熱抵抗体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。本実施形態のヒータ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。

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、本実施形態においては、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とを繋ぐ湾曲部４３とを備えている。これにより、セラミック体１の長さ方向に平行な方向に振動が生じたときに、湾曲部４３がたわむことによって、この振動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の長さ方向に平行な方向の振動に対する強度を向上させることができる。

本実施形態においては、リード端子４の断面（第１部分４１、第２部分４２および湾曲部４３の断面）が円形状である。特に、湾曲部４３の断面が円形状であることによって、湾曲部４３がたわんだときに、湾曲部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、コの字形状または中空状等が挙げられる。特に、湾曲部４３の断面形状ががコの字形状の場合には、コの字のうち開口している側がセラミック体１とは反対側（すなわち、湾曲部４３の外周側）に位置していることが好ましい。これにより、湾曲部４３をたわませやすくすることができる。なお、ここでいうコの字形状としては、例えば、いわゆるＣ字形状等のように角が丸い場合も含む。

また、本実施形態においては、リード端子４のうち、第１部分４１、第２部分４２および湾曲部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、湾曲部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、湾曲部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、セラミック体１の長さ方向に垂直な方向の長さを１．５ｍｍに、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の長さを２．５ｍｍに設定できる。また、湾曲部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および湾曲部４３のそれぞれの断面は、直径がΦ０．８ｍｍの円形状に設定できる。

図２に示すように、本実施形態のヒータ１０においては、接合材５は、電極層３と第１部分４１とを接合するメニスカス部５０と、メニスカス部５０から第２部分４２側に広がった厚みが一定のコーティング部５１とを備えている。より具体的には、メニスカス部５０の端部から厚みが一定のまま第２部分４２側にコーティング部５１が広がっている。これにより、単に接合材５によってメニスカス部５０のみを形成する場合と比較して、少ない量の接合材５で第１部分４１の広範囲に接合材５を設けることができる。これにより、第１部分４１と電極層３との接合強度を高めつつ、残留応力の発生を低減できる。その結果、接合強度を確保しつつ、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。

ここでいうメニスカス部５０とは、メニスカス形状であって、先端に向かうにつれて厚みが薄くなる部位である。そして、コーティング部５１とは、メニスカス部５０に隣接して設けられた、厚みが一定の部位である。すなわち、接合材５を見たときに、第１部分４１に濡れ広がるとともに、厚みが薄くなり続けている部位がメニスカス部５０であり、メニスカス部５０の端部から厚みが一定のままさらに第２部分４２側に濡れ広がった部分がコーティング部５１である。なお、ここでいう第２部分４２側とは、メニスカス部５０の端部から見て第２部分４２に近づく方向を意味しているだけである。すなわち、必ずしも接合材５（コーティング部５１）が第２部分４２にまで広がっている必要はない。

また、ここでいう「厚みが薄くなり続けている」および「厚みが一定である」とは、厳密な意味で「厚みが薄くなり続けている」および「厚みが一定である」必要はない。具体的には、接合材５の表面に生じる微細な気泡程度の誤差は無視して考えることができる。

コーティング部５１を形成するための方法としては、以下の方法が挙げられる。具体的には、接合材５がろう材から成る場合には、メニスカス部５０を形成するためのろう材とは別に、コーティング部５１を形成する部分にシート状のろう材等を巻き付けた上で加熱すればよい。このとき、カルボン酸等の有機酸と活性剤から成るフラックス等を第１部分４１のうちコーティング部５１を形成したい部分に塗布した上にシート状のろう材を巻きつけておくとよい。これにより、コーティング部５１を形成したい部分に巻き付けたシート状のろう材が流れてしまうことを低減できるので、コーティング部５１を形成しやすくできる。

また、第１部分４１のうちメニスカス部５０が設けられている部分よりもコーティング部５１が設けられている部分の方が長くなっていてもよい。これにより、第１部分４１のうち接合材５に覆われる部分の大部分（少なくとも半分以上）の領域がコーティング部５０によって覆われることになるので、接合強度を高めつつ残留応力の発生をさらに低減できる。

また、コーティング部５１が湾曲部４３の一部を覆っていてもよい。湾曲部４３の一部を接合材５が覆っていることによって、さまざまな方向からの力に対する接合強度を向上できる。これは、第１部分４１のみにコーティング部５１が広がっており、かつ、第１部分の全周に広がっている場合には、コーティング部５１は直線状の中心軸を有する筒状に広がることになる。ここで、コーティング部５１が湾曲部４１の一部にも広がっている場合には、この上述の直線状の中心軸とは異なる方向に曲線状に伸びる筒状にコーティング部５１が広がることになる。これにより、コーティング部５１が、直線状の中心軸とは異なる方向に伸びる曲線上の筒状の部分を有することになるので、さまざまな方向からの力に対する強度を向上させることができる。なお、上記の例では、理解を助けるために、コーティング部５１が第１部分４１の全周に設けられている例を挙げたが、これに限られるものではない。具体的には、コーティング部５１が部分的に設けられていてもよい。

また、湾曲部４３のうち外周側よりも内周側の方がコーティング部５１が設けられている部分が長くなっていてもよい。リード端子４に外部の振動が伝わった場合には、湾曲部４３が撓むように振動しやすい。そのため、接合材５のうち、特に湾曲部４３の外周側よりも内周側において、応力が集中しやすい傾向にある。これに対して、コーティング５１を湾曲部４３の内周側に広げることによって、振動によって生じた応力を接合材５の広範
囲（メニスカス部５０およびコーティング部５１）で吸収することができるので、メニスカス部５０にクラックが生じることを低減できる。

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：湾曲部
５：接合材
５０：メニスカス部
５１：コーティング部
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、該電極層に接合材にて接合されたリード端子とを備えており、
該リード端子は、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長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、
前記接合材は、前記電極層と前記第１部分とを接合するメニスカス部と、該メニスカス部から前記第２部分側に広がった厚みが一定のコーティング部とを有しており、
前記リード端子は、前記第１部分と前記第２部分とを繋ぐ、湾曲部を備えているとともに、前記コーティング部が前記湾曲部の一部を覆っており、
前記湾曲部のうち外周側よりも内周側の方が、前記コーティング部が設けられている部分が長いことを特徴とするヒータ。
前記第１部分のうち前記メニスカス部が設けられている部分よりも前記コーティング部が設けられている部分の方が長いことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。