JP6673644B2 - Ceramic heater - Google Patents

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  • Resistance Heating (AREA)

Description

本発明は、セラミックヒータに関するものである。   The present invention relates to a ceramic heater.

ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグあるいは燃料の予備加熱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に開示されたセラミックヒータが挙げられる。   2. Description of the Related Art A ceramic heater is known as a heater used for a gas range, an in-vehicle heating device, an oil fan heater, a glow plug of an automobile engine, a preliminary heating of fuel, and the like. As the ceramic heater, for example, a ceramic heater disclosed in Patent Document 1 can be mentioned.

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、このセラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された給電線とを備えている。   The ceramic heater disclosed in Patent Document 1 includes a ceramic structure, a heating resistor buried in the ceramic structure, and a power supply line connected to the heating resistor and led out to the surface of the ceramic structure. Have.

特開２０００−１５６２７５号公報JP 2000-156275 A

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線と発熱抵抗体との接続部において、給電線および発熱抵抗体に熱応力が生じることによって、クラックが生じる場合があった。その結果、セラミックヒータを高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることが困難であった。   When the ceramic heater disclosed in Patent Document 1 is repeatedly used in a high-temperature environment, a crack occurs due to thermal stress generated in the power supply line and the heating resistor at a connection portion between the power supply line and the heating resistor. was there. As a result, it has been difficult to improve long-term reliability when the ceramic heater is repeatedly used in a high-temperature environment.

本発明の１つの態様に基づくセラミックヒータは、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の一つの層間に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック積層体の前記一つの層間に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に重ねて接続された帯状のリードとを具備したセラミックヒータであって、前記発熱抵抗体は、横断面視したときに、前記リードが接続された面とは反対側の面が平坦であり、前記リードとの接続部において前記リードの端部から幅方向の両側で前記セラミック層の積層方向と直交する方向に張り出しており、前記リードに重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄いとともに該張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄くなっており、前記リードは、前記発熱抵抗体との接続部において厚みが両側の外辺に向かって薄くなっており、前記セラミックヒータの横断面を見たときに、前記リードの外周と前記発熱抵抗体の外周のうち前記リードに覆われていない部分とが、滑らかに連続していることを特徴とする。 A ceramic heater according to one aspect of the present invention provides a ceramic laminate in which a plurality of ceramic layers are laminated, a strip-shaped heating resistor embedded between one layer of the ceramic laminate, A strip-shaped lead buried between the one layer and connected to an end of the heating resistor so as to overlap with the end of the heating resistor, wherein the heating resistor is such that, when viewed in cross section , the lead is The surface opposite to the connected surface is flat, and extends from the end of the lead at a connection portion with the lead on both sides in the width direction in a direction orthogonal to the laminating direction of the ceramic layer, and the lead The thickness of the overhanging portion is thinner than the thickness of the portion that overlaps, and the thickness of the overhanging portion decreases toward the outer side. At the connection portion with the resistor, the thickness decreases toward the outer sides on both sides, and when looking at the cross section of the ceramic heater, the lead covers the outer periphery of the lead and the outer periphery of the heating resistor. It is characterized in that the unexposed portion is smoothly continuous.

本発明の１つの態様に基づくセラミックヒータによれば、高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。   According to the ceramic heater according to one aspect of the present invention, long-term reliability when repeatedly used in a high-temperature environment can be improved.

本発明の実施形態の例のセラミックヒータを示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing a ceramic heater of an example of an embodiment of the present invention. 図１に示すセラミックヒータをＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the ceramic heater shown in FIG. 1 taken along line AA ′.

以下、本発明のいくつかの実施形態の例のセラミックヒータ１０について図面を参照して説明する。   Hereinafter, ceramic heaters 10 according to some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１に示すように、本発明の実施形態の例のセラミックヒータ１０は、セラミック積層体１と、セラミック積層体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック積層体１の内部に設けられて発熱抵抗体２に接続されたリード３とを備えている。このようなセラミ
ックヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグあるいは燃料の予備加熱用に、またはガスレンジの着火用等に用いることができる。 As shown in FIG. 1, a ceramic heater 10 according to an embodiment of the present invention includes a ceramic laminated body 1, a heating resistor 2 provided inside the ceramic laminated body 1, and provided inside the ceramic laminated body 1. And a lead 3 connected to the heating resistor 2. Such a ceramic heater 10 can be used, for example, for preheating a glow plug or fuel of an automobile engine, or for igniting a gas range.

セラミック積層体１の内部には、リード３および発熱抵抗体２が埋設されている。セラミック積層体１の内部にリード３および発熱抵抗体２を設けることによって、リード３および発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック積層体１は、例えば、棒状または板状（これらを合わせて柱状ともいえる）の部材である。セラミック積層体１は、複数のセラミック層が積層されてなる。   A lead 3 and a heating resistor 2 are embedded in the ceramic laminate 1. By providing the lead 3 and the heating resistor 2 inside the ceramic laminate 1, the environmental resistance of the lead 3 and the heating resistor 2 can be improved. The ceramic laminated body 1 is, for example, a rod-shaped or plate-shaped member (they can also be called columnar members). The ceramic laminate 1 is formed by laminating a plurality of ceramic layers.

セラミック積層体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、セラミック積層体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。   The ceramic laminate 1 is made of, for example, an electrically insulating ceramic such as an oxide ceramic, a nitride ceramic, or a carbide ceramic. Specifically, the ceramic laminate 1 is made of alumina ceramic, silicon nitride ceramic, aluminum nitride ceramic, silicon carbide ceramic, or the like.

窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ２Ｏ３および焼結体に含まれるＳｉＯ２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス法を用いることができる。 The ceramic laminate 1 made of silicon nitride ceramics can be obtained by the following method. Specifically, for example, 5 to 15% by mass of a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or Er 2 O 3 as a sintering aid with respect to silicon nitride as a main component; the amount of SiO 2 contained in the Al 2 O 3 and sintering of 5-5% by weight amount such that 1.5 to 5 wt% is mixed SiO 2 that has been adjusted. Then, after being formed into a predetermined shape, by firing at a temperature of 1650 to 1780 ° C., the ceramic laminate 1 made of silicon nitride ceramic can be obtained. For the firing, for example, a hot press method can be used.

セラミック積層体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック積層体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック積層体１の断面は、例えば厚さが１〜６ｍｍ、幅が２〜４０ｍｍの四角形に設定される。   When the shape of the ceramic laminate 1 is a rod shape, more specifically, when it is a quadrangular prism shape, the length of the ceramic laminate 1 is set to, for example, 20 to 100 mm. The cross section of the ceramic laminate 1 is set to be, for example, a square having a thickness of 1 to 6 mm and a width of 2 to 40 mm.

発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する帯状の部材である。発熱抵抗体２は、セラミック積層体１の複数のセラミック層の層間に埋設されている。発熱抵抗体２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２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック積層体１の内部を伝わって、セラミック積層体１の表面が高温になる。そして、セラミック積層体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、セラミックヒータ１０が機能する。セラミック積層体１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、例えば自動車用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に供給される軽油等が挙げられる。   The heating resistor 2 is a belt-shaped member that generates heat when a voltage is applied. The heating resistor 2 is embedded between the ceramic layers of the ceramic laminate 1. When a voltage is applied to the heating resistor 2, a current flows, and the heating resistor 2 generates heat. The heat generated by the heat is transmitted through the inside of the ceramic laminate 1 and the surface of the ceramic laminate 1 becomes high in temperature. Then, heat is transmitted from the surface of the ceramic laminate 1 to the object to be heated, so that the ceramic heater 10 functions. Examples of the object to be transferred to which heat is transferred from the surface of the ceramic laminate 1 include, for example, light oil supplied to a fuel injection device of an automobile diesel engine.

発熱抵抗体２は、セラミック積層体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば折返し形状になっている。発熱抵抗体２はセラミック積層体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端から発熱抵抗体２の後端までの長さは、例えば発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。   The heating resistor 2 is provided on the tip side of the ceramic laminate 1. The heating resistor 2 has a vertical cross section (a surface parallel to the length direction of the heating resistor 2) in a folded shape, for example. The heating resistor 2 is folded near the tip of the ceramic laminate 1. The length from the front end of the heating resistor 2 to the rear end of the heating resistor 2 is set to, for example, 2 to 15 mm in the length direction of the heating resistor 2.

発熱抵抗体２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン（Ｔｉ）等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック積層体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック積層体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。   The heating resistor 2 is mainly composed of, for example, a carbide, nitride, or silicide such as tungsten (W), molybdenum (Mo), or titanium (Ti). When the ceramic laminate 1 is made of silicon nitride ceramics, it is preferable that the main component of the heating resistor 2 be made of tungsten carbide. Thereby, the coefficient of thermal expansion of the ceramic laminate 1 and the coefficient of thermal expansion of the heating resistor 2 can be made close to each other.

リード３は、セラミック積層体１の内部において、複数のセラミック層の層間に埋設されて一端がセラミック積層体１の側面に引き出された帯状の部材である。リード３は発熱抵抗体２に電気的に接続されている。リード３は発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に
接続するために用いられる。 The lead 3 is a band-shaped member embedded inside the ceramic laminate 1 between a plurality of ceramic layers and having one end drawn out to the side surface of the ceramic laminate 1. The lead 3 is electrically connected to the heating resistor 2. The lead 3 is used to electrically connect the heating resistor 2 to an external power supply.

リード３は、発熱抵抗体２のそれぞれに対応して、セラミック積層体１の長さ方向に沿って２本設けられており、セラミック積層体１の後端側で折り曲げられてセラミック積層体１の側面に引き出されている。リード３は、セラミック積層体１の後端側において９０°に曲げられて、セラミック積層体１の側面に引き出されている。   Two leads 3 are provided along the longitudinal direction of the ceramic laminate 1 corresponding to each of the heating resistors 2. The leads 3 are bent at the rear end side of the ceramic laminate 1 to form the ceramic laminate 1. It is pulled out to the side. The lead 3 is bent at 90 ° on the rear end side of the ceramic laminate 1 and drawn out to the side surface of the ceramic laminate 1.

リード３は、例えばＷまたはＭｏ等の耐熱性に優れた金属材料が用いられる。特に、熱膨張率の観点から発熱抵抗体２と同じ炭化タングステンを用いることが好ましい。リード３は、例えば、幅が１〜２０ｍｍ、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが１０〜８０ｍｍ、セラミック積層体１の側面に引き出されるために、発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な方向に延びた部分の長さが２〜３０ｍｍ、厚みが１０〜５０μｍ程度に設定される。   The lead 3 is made of a metal material having excellent heat resistance, such as W or Mo. In particular, it is preferable to use the same tungsten carbide as the heating resistor 2 from the viewpoint of the coefficient of thermal expansion. The lead 3 has, for example, a width of 1 to 20 mm, a length along a length direction of the heating resistor 2 of 10 to 80 mm, and extends to the side surface of the ceramic laminate 1. The length extending in the direction perpendicular to the vertical direction is set to about 2 to 30 mm, and the thickness is set to about 10 to 50 μm.

図２は、図１に示すセラミックヒータ１０のうち、発熱抵抗体２とリード３との接続部を通るＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。なお、図２においては、複数のセラミック
層の境界の一部を点線で示している。図２に示す通り、発熱抵抗体２はリード３との接続部においてリード３の端部から幅方向の両側に張り出している（張り出し部２０）。そして、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄い。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the ceramic heater 10 shown in FIG. 1 taken along the line AA ′ passing through the connection between the heating resistor 2 and the lead 3. In FIG. 2, a part of the boundary between the plurality of ceramic layers is indicated by a dotted line. As shown in FIG. 2, the heating resistor 2 projects from the end of the lead 3 to both sides in the width direction at the connection portion with the lead 3 (overhang 20). In addition, the thickness of the protruding portion of the heating resistor 2 is smaller than the thickness of the portion overlapping the lead 3.

これらの結果、発熱抵抗体２に熱応力が生じた場合に、張り出している部分に熱応力を集中しやすくすることができる。そのため、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分にクラックが生じる可能性を低減できる。これらの結果、セラミックヒータ１０を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることができる。   As a result, when a thermal stress is generated in the heating resistor 2, the thermal stress can be easily concentrated on the protruding portion. Therefore, it is possible to reduce the possibility that a crack is generated in a portion of the heating resistor 2 overlapping the lead 3. As a result, it is possible to improve long-term reliability when the ceramic heater 10 is repeatedly used in a high-temperature environment.

発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分の厚みと張り出している部分の厚みとの比較は、以下の方法で行なうことができる。具体的には、リード３に重なっている部分および張り出している部分のそれぞれの厚みの平均値を求めて、これを比較すればよい。厚みの平均値は、例えば、以下の方法で求めることができる。まず、リード３に重なっている部分および張り出している部分を幅方向に３等分する。次に、３等分された各々の部分の厚みを求める。そして、３等分された各々の部分の厚みを足して３で割って算出された値を厚みの平均値として見なす。なお、上述の例では、平均値を求める対象の部分を幅方向に３等分してそれぞれの厚みの平均を求めたが、これに限られない。具体的には、４等分してもよいし、５（またはそれ以上の数）等分でもよい。   The comparison between the thickness of the portion of the heating resistor 2 overlapping the lead 3 and the thickness of the overhanging portion can be performed by the following method. Specifically, the average value of the thickness of each of the portion overlapping with the lead 3 and the thickness of the projecting portion may be obtained and compared. The average value of the thickness can be determined, for example, by the following method. First, the portion overlapping with the lead 3 and the projecting portion are divided into three equal parts in the width direction. Next, the thickness of each of the three equal parts is determined. Then, the value calculated by adding the thicknesses of the three equally divided portions and dividing by 3 is regarded as the average value of the thickness. Note that, in the above example, the portion for which the average value is to be obtained is equally divided into three in the width direction, and the average of the respective thicknesses is obtained. However, the present invention is not limited to this. Specifically, it may be equally divided into four or five (or more).

発熱抵抗体２の厚みは、例えば、中央部の厚みを３〜５μｍ、張り出した部分の厚みを１〜３μｍに設定できる。また、リード３の厚みは、中心部の厚みを１０〜１５μｍに設定できる。発熱抵抗体２の幅は、張り出している部分を含めて１０〜５０μｍに設定できる。   For example, the thickness of the heating resistor 2 can be set to 3 to 5 μm at the center and to 1 to 3 μm at the overhanging portion. In addition, the thickness of the lead 3 can be set at a central portion thickness of 10 to 15 μm. The width of the heat generating resistor 2 can be set to 10 to 50 μm including the projecting portion.

さらに、発熱抵抗体２は、張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄くなっている。張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄いことにより、張り出している部分の中でも特に先端部に応力が集中しやすくなる。そのため、発熱抵抗体２のうちリード３に重なっている部分にクラックが生じる可能性をさらに低減できる。これらの結果、セラミックヒータ１０を高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性をさらに向上させることができる。   Further, in the heating resistor 2, the thickness of the protruding portion is reduced toward the outer side. Since the thickness of the protruding portion is thinner toward the outer side, stress tends to be concentrated particularly on the tip end of the protruding portion. Therefore, the possibility that cracks occur in the portion of the heating resistor 2 overlapping the lead 3 can be further reduced. As a result, the long-term reliability when the ceramic heater 10 is repeatedly used in a high-temperature environment can be further improved.

さらに、リード３は、発熱抵抗体２との接続部において厚みが両側の外辺に向かって薄くなっている。これにより、発熱抵抗体２とリード３とを一体として捉えたときに、両側
の外辺に向かって細くなる形状になるため、発熱抵抗体２とリード３とに生じる熱応力がリード３の外辺側において集中しやすくなる。その結果、発熱抵抗体２とリード３の主要部分にはクラックが生じにくくなるので、セラミックヒータ１０の長期信頼性を向上できる。 Further, the thickness of the lead 3 at the connection portion with the heating resistor 2 decreases toward the outer sides on both sides. Accordingly, when the heating resistor 2 and the lead 3 are taken together, the shape becomes narrower toward the outer sides on both sides, so that the thermal stress generated in the heating resistor 2 and the lead 3 is reduced outside the lead 3. It becomes easy to concentrate on the side. As a result, cracks are less likely to occur in the main parts of the heating resistor 2 and the lead 3, so that the long-term reliability of the ceramic heater 10 can be improved.

特に、図２に示すように、セラミックヒータ１０の横断面を見たときに、リード３の外周と発熱抵抗体２の外周のうちリード３に覆われていない部分とが、滑らかに連続していることが好ましい。これにより、仮に、セラミック積層体１と発熱抵抗体２のうち張り出している部分との間にクラックが生じたとしても、このクラックが進展して、発熱抵抗体２とリード３との間に侵入してしまうおそれを低減できる。   In particular, as shown in FIG. 2, when the cross section of the ceramic heater 10 is viewed, the outer periphery of the lead 3 and the portion of the outer periphery of the heating resistor 2 that are not covered by the lead 3 are smoothly continuous. Is preferred. Thus, even if a crack occurs between the ceramic laminate 1 and the protruding portion of the heating resistor 2, the crack propagates and penetrates between the heating resistor 2 and the lead 3. It is possible to reduce the risk of being performed.

１：セラミック積層体
２：発熱抵抗体
３：リード
１０：セラミックヒータ 1: Ceramic laminate 2: Heating resistor 3: Lead 10: Ceramic heater

Claims (1)

複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の一つの層間に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック積層体の前記一つの層間に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に重ねて接続された帯状のリードとを具備したセラミックヒータであって、
前記発熱抵抗体は、横断面視したときに、前記リードが接続された面とは反対側の面が平坦であり、前記リードとの接続部において前記リードの端部から幅方向の両側で前記セラミック層の積層方向と直交する方向に張り出しており、前記リードに重なっている部分の厚みに比べて張り出している部分の厚みが薄いとともに該張り出している部分の厚みが外辺に向かって薄くなっており、
前記リードは、前記発熱抵抗体との接続部において厚みが両側の外辺に向かって薄くなっており、
前記セラミックヒータの横断面を見たときに、前記リードの外周と前記発熱抵抗体の外周のうち前記リードに覆われていない部分とが、滑らかに連続していることを特徴とするセラミックヒータ。 A ceramic laminate in which a plurality of ceramic layers are laminated, a strip-shaped heating resistor embedded between one layer of the ceramic laminate, and the heating resistor embedded between the one layer of the ceramic laminate And a strip-shaped lead connected to the end of the ceramic heater,
The heating resistor has a flat surface on the side opposite to the surface to which the lead is connected when viewed in a transverse cross-section, and at a connection portion with the lead, on both sides in the width direction from the end of the lead. The projecting portion extends in a direction orthogonal to the laminating direction of the ceramic layers, and the thickness of the projecting portion is smaller and the thickness of the projecting portion decreases toward the outer side as compared with the thickness of the portion overlapping the lead. And
The lead is thinner toward outer sides on both sides at a connection portion with the heating resistor,
A ceramic heater, wherein when viewed in a cross section of the ceramic heater, an outer periphery of the lead and a portion of the outer periphery of the heating resistor that is not covered with the lead are smoothly continuous.
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