JP6510739B2

JP6510739B2 - ヒータ

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Publication number: JP6510739B2
Application number: JP2018557959A
Authority: JP
Inventors: 浜田　修; 修浜田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: EP3618566A1; EP3618566A4; CN110521279A; KR20190124764A; WO2018199094A1; EP3618566B1; CN110521279B; JPWO2018199094A1; KR102207442B1

Description

本開示は、流体加熱，粉体加熱，気体加熱，酸素センサ，半田ゴテ等に用いられるヒータに関する。

従来、棒状または筒状であって外周面に先端から後端に向かって伸びているスリット状の凹部を有するセラミック体と、このセラミック体の内部に埋設された発熱抵抗体とを備え、発熱抵抗体が並列に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含む構成となっているヒータが知られている。

特開２０１３−１３４８８０号公報特開２０１２−０６７４６８号公報

本開示のヒータは、棒状または筒状であって外周面に先端から後端に向かって伸びているスリット状の凹部を有するセラミック体と、このセラミック体の内部に埋設された発熱抵抗体とを備える。この発熱抵抗体は並列に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含んでいる。また、発熱抵抗体は前記セラミック体の前記先端と前記後端との間で周方向に沿って前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体が並行に繰り返し折り返して往復する第１領域を有しているとともに、前記スリット状の凹部に近接する領域であって前記第１の抵抗体のみが往復する第２領域を有している。

ヒータの一例を示す概略斜視図である。図１に示すヒータの一部破断斜視図である。図１に示すIII−III線で切断した断面図である。図１に示す発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。ヒータの他の例の発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。ヒータの他の例の発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。ヒータの他の例の発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。

従来のヒータは、セラミック体のスリット状の凹部に発熱抵抗体を配置していない構成であった。このため、昇温時にスリット状の凹部付近の温度が周りの部位の温度よりも低くなって温度勾配が生じ、熱サイクルを加えると熱応力によりセラミック体にマイクロクラックが発生するおそれがあった。そして、クラックがさらに進展して、スリット状の凹部付近を起点に発熱抵抗体が断線してしまうおそれがあるなど、耐久性に問題があった。

また近年、昇温速度がより速いヒータが求められており、ヒータの耐久性をさらに向上させる必要がある。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、発熱抵抗体の断線が抑制され、耐久性に優れたヒータを提供することを目的とする。

以下、本実施形態のヒータの一例について図面を参照して説明する。

図１はヒータの一例を示す概略斜視図、図２は図１に示すヒータの一部破断斜視図である。また、図３は図１に示すIII−III線で切断した断面図である。また、図４は図１に示す発熱抵抗体のパターンを示す展開図である。

図１〜図４に示す本開示のヒータは、棒状または筒状であって外周面に先端から後端に向かって伸びているスリット状の凹部１１を有するセラミック体１と、セラミック体１の内部に埋設された発熱抵抗体２とを備える。また、発熱抵抗体２は並列に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含んでいる。そして、発熱抵抗体２はセラミック体１の先端と後端との間で周方向に沿って第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２が並行に繰り返し折り返して往復する第１領域３１を有している。そしてさらに、スリット状の凹部１１に近接する領域であって第１の抵抗体２１のみが往復する第２領域３２を有している。

セラミック体１は、長手方向を有する棒状または筒状の部材である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。また、筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。本例のヒータにおいては、セラミック体１は円筒状である。セラミック体１の長さは、例えば２０〜６０ｍｍに設定される。セラミック体１が断面円筒状の外径または断面円形状の場合の直径は、例えば２．５〜５．５ｍｍに設定される。

セラミック体１が筒状（円筒状）である場合には、ヒータはセラミック体１の内周面または外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。また、セラミック体１が棒状の場合は、ヒータはセラミック体１の外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。

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。耐酸化性があって製造しやすいという点ではアルミナ、高強度，高靱性，高絶縁性および耐熱性に優れるという点では窒化珪素、熱伝導性に優れるという点では窒化アルミニウムを用いることができる。なお、セラミック体１には発熱抵抗体２に含まれる金属元素の化合物が含まれていてもよく、例えば発熱抵抗体２にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合は、セラミック体１にＷＳｉ₂またはＭｏＳｉ₂が含まれていてもよい。

また、セラミック体１は、例えば、棒状または筒状の芯材１２と、芯材１２の側面を覆うように設けられた表層部１３とを有している。また、セラミック体１は、外周面に先端から後端に向かって伸びているスリット状の凹部１１を有している。ここで、凹部１１の深さ（表層部１３の厚み）は例えば０．１〜１．５ｍｍとされる。また、凹部１１の開口幅は例えば０．３〜２ｍｍとされる。なお、開口幅とは、セラミック体１が断面円筒状または断面円形状の場合は、セラミック体１の横断面における外径に沿った曲線の長さのことを意味する。

セラミック体１の内部には発熱抵抗体２が埋設されている。セラミック体が芯材１２と表層部１３とからなる構成の場合、発熱抵抗体２は例えば芯材１２と表層部１３との間に配置される。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱してセラミック体１を加熱するものである。発熱抵抗体２は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），レニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体からなる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ、厚みを０．０１〜０．１ｍｍとされ、全ての発熱抵抗体２の長さを合わせた全長が５００〜５０００ｍｍと設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体２の発熱温度および発熱抵抗体２に加える電圧等によって適宜設定される。

また、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側で最も発熱するように配置される。図１〜図４に示す例では、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側において長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折返し部（蛇行部）を有している。また、発熱抵抗体２は、折返し部の後端側においては一対の直線状部となっていて、それぞれの直線状部の後端部において後述する引出部と電気的に接続されている。発熱抵抗体２の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよい。発熱抵抗体２は、繰り返して折り返す折返し部が先端側だけにあるパターンではなく、先端側と後端側との間を繰り返して往復するパターンであってもよい。なお、発熱抵抗体２の詳しいパターンについては、後述する。

発熱抵抗体２は、先端側の折返し部と後端側の一対の直線状部とが同様の材料を用いて形成されてもよい。また、不要な発熱を抑えるために、直線状部の断面積を折返し部の断面積よりも大きくしたり、直線状部に含まれるセラミック体１の材料の含有量を少なくしたりすることによって、折返し部よりも直線状部の単位長さ当たりの抵抗値を小さくしてもよい。

セラミック体１の後端側には引出部が埋設されている。引出部は、例えばスルーホール導体からなるもので、一端が発熱抵抗体２の後端部と電気的に接続されているとともに他端がセラミック体２の後端側の側面に引き出されている。引出部は、発熱抵抗体２と同様の材料からなるものでもよく、発熱抵抗体２よりも抵抗値の低い材料からなるものでもよい。なお、図４では、引出部は省略している。

セラミック体１の後端側の側面には、必要により電極パッド５が設けられて、セラミック体１の内部に埋設された引出部と電気的に接続されている。そして、電極パッド５にリード端子が接合されて、外部回路（外部電源）と電気的に接続されている。図１〜図４に示す例では、引出部が引き出される部位が３箇所あって、それぞれの部位において電極パッド５が設けられている。ここで、図４における３箇所の電極パッド５のうち、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の両方の一端に引出部を介して接続されているのが共通パッドとしての第１パッド５１であり、第１の抵抗体２１の他端に引出部を介して接続されているのが第２パッド５２、第２の抵抗体２２の他端に引出部を介して接続されているのが第３パッド５３である。

電極パッド５は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）からなる導体層のみからなるものでもよく、当該導体層の表面に例えばＮｉ−ＢまたはＡｕからなるメッキ層が設けられたものでもよい。この電極パッド５は、例えば５０〜３００μｍの厚みとされ、長さおよび幅は例えば５〜１０ｍｍとされる。

そして、図４に示すように、発熱抵抗体２は並列に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含んでいる。発熱抵抗体２が並列に配置された第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２を含んでいることにより、使用温度が低い場合は一方の発熱抵抗体（例えば第１の抵抗体２１）のみに電圧を印加して発熱量を抑えたり、より高温で使用する場合は、複数の発熱抵抗体（第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２）を同時に電圧印加することで発熱量を上げたりすることができる。すなわち、発熱量を容易に調整できる。

さらに、発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端と後端との間で周方向に沿って第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２が並行に繰り返し折り返して往復する第１領域３１を有しているとともに、スリット状の凹部１１に近接する領域であって第１の抵抗体２１のみが往復する第２領域３２を有している。

このとき、第１領域３１における発熱抵抗体２のパターンとしては、第１の抵抗体２１がセラミック体１の先端側に配置され、第２の抵抗体２２がこの第１の抵抗体２１に沿って後端側に並行に配置されており、セラミック体１の先端と後端との間で周方向に沿って繰り返し折り返して往復している。また、第２領域３２における発熱抵抗体２のパターンとしては、第１の抵抗体２１のみが往復していて、第１領域３１にある第１の抵抗体２１とあわせて、スリット状の凹部１１の両サイドにそれぞれ近接して３本の第１の抵抗体２１が配置されていることになる。

スリット状の凹部１１に近接する領域において第１の抵抗体２１のみが往復する構成となっていない従来の構造にあっては、昇温時に第１の抵抗体２１を先に加熱しても、スリット状の凹部１１に近接する領域から離れた領域で第１の抵抗体２１が往復しているため、スリット状の凹部１１付近の温度が低く、当該スリット状の凹部１１付近から離れた領域の温度が高くなって、ヒータの外周面の温度分布が均一化されにくかった。

これに対し、本開示のヒータによれば、昇温時に第１の抵抗体２１を先に加熱することで、当該第１の抵抗体２１のみが往復する第２領域３１およびスリット状の凹部１１付近の温度が高くなる。したがって、昇温時のヒータの外周面の温度分布が均一化され、熱応力が緩和されて耐久性が向上する。

また、この構成によれば、図４に示すように共通パッドとしての第１パッド５１から供給される電流が最初に到達する第１の抵抗体２１における折返し部と第２の抵抗体２２における折返し部との距離が遠くなるため、それぞれの折返し部にかかる熱応力を分散できるので、ヒータの耐久性が向上する。

ここで、第１の抵抗体２１の抵抗値が第２の抵抗体２２の抵抗値よりも小さくなっていてもよい。抵抗値が小さいと電流が大きくなるため、発生する熱量が大きくなる。したがって、スリット状の凹部１１付近の昇温速度が速くなり、ヒータの外周面の温度分布が均一化され、熱応力が緩和されるため、耐久性が向上する。

第１の抵抗体２１の抵抗値を第２の抵抗体２２の抵抗値よりも小さくする方法としては、例えば図５に示すように、第１の抵抗体２１の線幅が第２の抵抗体２２の線幅よりも太い（広い）構成とすることができる。このとき、第２の抵抗体２２の線幅は第１の抵抗体２１の線幅の例えば１．１〜１．５倍とされる。なお、このような構成になっているかどうかを判別するときに、第１の抵抗体２１の線幅が全体にわたって一定ではなく、第２の抵抗体２２の線幅が全体にわたって一定の場合は、第１の抵抗体２１の最も細い（狭い）部位の線幅と、第２の抵抗体２２の線幅とを対比する。また、第２の抵抗体２２の線幅が全体にわたって一定ではなく、第１の抵抗体２１の線幅が全体にわたって一定の場合は、第２の抵抗体２２の最も太い（広い）部位の線幅と、第１の抵抗体２１の線幅とを対比する。また、第１の抵抗体２１および第２の抵抗体２２の線幅がともに全体にわたって一定ではない場合は、第１の抵抗体２１の最も細い（狭い）部位の線幅と、第２の抵抗体２２の最も太い（広い）部位の線幅と対比する。

また、第１の抵抗体２１の抵抗値を第２の抵抗体２２の抵抗値よりも小さくする方法として、第１の抵抗体２１の比抵抗が第２の抵抗体２２の比抵抗よりも小さい構成とすることもできる。このとき、第１の抵抗体２１の比抵抗は第２の抵抗体２２の例えば２０〜８０％とされる。このような関係とするために、例えば、第１の抵抗体２１としてタングステン−モリブデン合金などの材料を用い、第２の抵抗体２２としてタングステン−レニウム合金などの材料を用いることができる。また、導体材料は同じで、第１の抵抗体２１よりも第２の抵抗体２２にセラミック体１と同じ絶縁材料を多く添加しても、第２の抵抗体２２よりも第１の抵抗体２１の方の比抵抗を小さくできる。

また、図６に示すように、第１の抵抗体２１は、スリット状の凹部１１に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細く（狭く）なっていてもよい。第１の抵抗体２１のうちで線幅が細くなっている部分（断面積が小さくなっている部分）があると、この線幅が細くなっている部分で他の部分よりも発生する熱量が大きくなる。これにより、第１の抵抗体２１のみが往復する第２領域３１およびスリット状の凹部１１付近の温度が高くなって、ヒータの外周面の温度分布が均一化され、熱応力が緩和されて耐久性が向上する。

このような構成となっているかどうかは、例えば、スリット状の凹部１１から最も離れた部位（図６における中央部）と、第１領域３１および第２領域３２の境界に位置する部位と、スリット状の凹部１１に近接する部位とで、第１の抵抗体２１の線幅を対比することで、判別することができる。このとき、それぞれの部位とはセラミック体１の周方向における部位のことを意味し、周方向の部位の位置が同じであって長さ方向に沿って線幅が変化している場合は、長さ方向の先端の線幅，中央の線幅および後端の線幅を測定して平均化したものをその周方向における部位の線幅とするものとして判別する。

なお、図６においては、第２の抵抗体２２の線幅が全体にわたってほぼ一定であるとともに、第２領域３２において、スリット状の凹部１１に近接する側に位置する第１の抵抗体２１の線幅が、スリット状の凹部１１から遠い側に位置する第１の抵抗体２１の線幅よりも細くなっている。そして、第１の抵抗体２１の最も細い部位の線幅であっても、第２の抵抗体２２の線幅より太い（広い）構成になっている。これにより、スリット状の凹部１１付近において発生する熱量をより大きくすることができる。

ただし、第１の抵抗体２１がスリット状の凹部１１に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細く（狭く）なっている形態としては、図６に示す形態に限られず、第１の抵抗体２１の線幅が第２の抵抗体２２の線幅よりも細い（狭い）場合に適用されてもよい。このとき、第１の抵抗体２１の線幅が全体にわたって第２の抵抗体２２の線幅よりも細く（狭く）なっていてもよい。また、第１の抵抗体２１におけるスリット状の凹部１１から最も離れた部位（図６における中央部）では第２の抵抗体２２よりも太い（広い）線幅となっていて、第１の抵抗体２１におけるスリット状の凹部１１に近接する部位（最も線幅が細くなる部位）で第２の抵抗体２２よりも細い（狭い）線幅となるような構成であってもよい。

また、図７に示すように、第１の抵抗体２１は、スリット状の凹部１１に近づくにしたがって次第にまたは段階的にパターン間の間隔が狭くなっていてもよい。パターン間の間隔が狭くなると、第１の抵抗体２１が密に配置されることとなり、この領域で発生する熱量が大きくなる。この構成によっても、第１の抵抗体２１のみが往復する第２領域３１およびスリット状の凹部１１付近の温度が高くなって、ヒータの外周面の温度分布が均一化され、熱応力が緩和されて耐久性が向上する。

次に、ヒータの製造方法の一例について説明する。なお、本例ではセラミック体がアルミナ質セラミックスからなる場合について説明する。

まず、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするアルミナ質セラミックスからなるセラミック体１を作製するため、Ａｌ₂Ｏ₃にＳｉＯ₂，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂等の焼結助剤を含有させて調製したセラミックスラリーをシート状に成形して、セラミック体１の表層部１３となるセラミックグリーンシートを作製する。

このセラミックグリーンシートの一方の主面に、発熱抵抗体２となる抵抗体ペーストのパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。また、セラミックグリーンシートの発熱抵抗体２を形成する面とは反対側の面に、電極パッド５となる導体ペーストを発熱抵抗体２の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。また、セラミックグリーンシートには、発熱抵抗体２と電極パッド５とを電気的に接続するための孔加工および引出部としてのスルーホール導体を形成するための導体ペーストの充填を行う。

ここで、発熱抵抗体２のパターンは、例えば図４に示すように共通パッド５１から複数の抵抗体（第１の抵抗体２１および第２の抵抗体を含む）のパターンを並列に配置し、上下に繰り返して往復する第１領域３１を設けるとともに、最も外側の抵抗体（第１の抵抗体２１）のパターンのみを上下に往復するように第２領域３２を設けるようにパターン形成する。

抵抗体ペーストおよび導体ペーストは、セラミック体との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属にセラミック原料，バインダー，有機溶剤等を調合し混練することで作製できる。このとき、ヒータの用途に応じて、抵抗体となる抵抗体ペーストまたは導電性ペーストのパターンの長さや折り返しパターンの距離・間隔やパターンの線幅を変更することにより、発熱抵抗体２の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定することができる。

一方、押し出し成型にて、芯材１２となる円柱状または円筒状のアルミナ質セラミック成型体を成型する。

そして、この芯材１２に同一の組成のアルミナ質セラミックスを分散させた密着液を塗布し、前述の表層部１３となるアルミナ質セラミックグリーンシートを巻きつけて密着させることで、セラミック体１となるアルミナ質一体成型体を得ることができる。

なお、セラミック体１の外周面（側面）に長手方向に延びるスリット状の凹部１１（溝部）を設けるには、芯材１２に巻き付けたアルミナ質セラミックグリーンシート（表層部１３）の端と端との間に隙間を設けるようにすればよい。

こうして得られたアルミナ質一体成型体を水素ガス、または窒素ガスと水素ガスとの混合ガス（フォーミングガス）等の非酸化性ガス雰囲気中で例えば１５００〜１６００℃で焼成し、セラミック体１の外周面の電極パッド５上に例えば電解メッキにてＮｉメッキ膜を設けて、アルミナ質一体焼結体を作製する。

さらに、ロウ材としてＡｇロウ，はんだ等を用いて、給電部としての例えばＮｉからなるリード端子を電極パッド５に接合する。リード端子は、予め絶縁材がコートされたものを、接合に必要な部分だけ絶縁材を除去し、その除去した部分を電極パッド５に接続するようにしてもよい。また、Ｎｉ線を電極パッド５に接続後、絶縁チューブをＮｉ線に設けるようにしてもよい。

以上の方法により本実施形態のヒータが得られる。

１：セラミック体
１１：スリット状の凹部
１２：芯材
１３：表層部
２：発熱抵抗体
２１：第１の抵抗体
２２：第２の抵抗体
３１：第１の領域
３２：第２の領域
５：電極パッド
５１：第１パッド
５２：第２パッド
５３：第３パッド

Claims

棒状または筒状であって外周面に先端から後端に向かって伸びているスリット状の凹部を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に埋設された発熱抵抗体とを備え、
該発熱抵抗体は並列に配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体を含み、前記セラミック体の前記先端と前記後端との間で周方向に沿って前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体が並行に繰り返し折り返して往復する第１領域を有しているとともに、前記スリット状の凹部に近接する領域であって前記第１の抵抗体のみが往復する第２領域を有しているヒータ。
前記第１の抵抗体の抵抗値が前記第２の抵抗体の抵抗値よりも小さい請求項１に記載のヒータ。
前記第１の抵抗体の線幅が前記第２の抵抗体の線幅よりも太い請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記第１の抵抗体の比抵抗が前記第２の抵抗体の比抵抗よりも小さい請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記第１の抵抗体は、前記スリット状の凹部に近づくにしたがって次第にまたは段階的に線幅が細くなる請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ。
前記第１の抵抗体は、前記スリット状の凹部に近づくにしたがって次第にまたは段階的にパターン間の間隔が狭くなる請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のヒータ。