JP6940443B2

JP6940443B2 - ヒータ

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Publication number: JP6940443B2
Application number: JP2018060058A
Authority: JP
Inventors: 武蔵森田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP2019175605A

Description

本開示は、例えば、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ものである。

ヒータとして、長手方向を有する棒状体または筒状体であって、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るものが知られている。このヒータは、例えば、セラミックシートに発熱抵抗体を直列回路で形成し、棒状または筒状のセラミック体に巻きつけ、一体焼結したものであり、発熱抵抗体がセラミック体の先端と後端との間で繰り返し折り返して周方向に沿って蛇行する発熱領域を有していて、巻きつけたセラミックシートの端と端との間に隙間（スリット）を有している。

特開２００４−３１９４５９号公報

ここで、スリットの部分には発熱抵抗体が設けられていないので、ヒータを周方向に見渡したときにスリットに近いほうよりもスリットから遠いほうが高温になる傾向がある。したがって、ヒータに繰り返し温度サイクルをかけると、温度差によって生じる熱応力により、セラミック体にクラックが入るおそれがあり、ヒータの耐久性が悪いという問題があった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、セラミック体にクラックが入るのを抑制したヒータを提供することを目的とする。

本開示のヒータは、長手方向を有する棒状体または筒状体であって、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ている。また、該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繰り返し折り返して周方向に沿って蛇行する発熱領域を有している。そして、該発熱領域は、前記凹部と隣り合う位置にある直線部分である第１発熱線と、前記凹部と隣り合う位置にない直線部分である複数の第２発熱線とを有している。さらに、前記発熱領域を前記長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、前記第１発熱線の幅は前記第２発熱線の幅よりも狭く、さらに前記凹部と前記第１発熱線との間隔は前記第１発熱線の幅よりも狭い。

セラミック体にクラックが入るのを抑制し、ヒータの耐久性を向上させることができる。

ヒータの実施形態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を透過した概略斜視図である。図１に示すヒータをIII−III線で切断した概略断面図である。ヒータの発熱抵抗体のパターンの一例を示す展開図である。ヒータの発熱抵抗体のパターンの他の例を示す展開図である。ヒータの発熱抵抗体のパターンの他の例を示す展開図である。ヒータの発熱抵抗体のパターンの他の例を示す展開図である。ヒータの発熱抵抗体のパターンの他の例を示す展開図である。

ヒータの実施形態について図面を参照して説明する。

図１〜図３に示す本開示のヒータは、長手方向を有する棒状体または筒状体であって、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１０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とを備えている。

セラミック体１は、長手方向を有する棒状体または筒状体である。セラミック体１が棒状体の場合、具体的には円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状体とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状体も含んでいる。また、セラミック体１が筒状体の場合、具体的には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２０ｍｍ〜１５０ｍｍに設定される。セラミック体１が円筒状の場合の横断面の外径または円形状の場合の横断面の直径は、例えば２．５ｍｍ〜５０ｍｍに設定される。

セラミック体１が筒状体（円筒状体）である場合には、ヒータはセラミック体１の内周面および／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、図示しないが、セラミック体１が棒状体の場合は、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、熱伝導率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ＷＳｉ_２またはＭｏＳｉ_２が含まれていてもよい。

セラミック体１は、例えば、棒状または筒状の芯材１１と、芯材１１の側面を覆うように設けられた表層部１２とを有している。

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１０を有している。このとき、凹部１０の深さ（表層部１２の厚み）は例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍとされる。また、凹部１０の開口幅は例えば０．３ｍｍ〜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、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。

スリット状の凹部１０は、通常、芯材１１を取り囲む表層部１２の一部がない部分が設けられ、芯材１１の表面が露出するような溝状の部分ができてなるものである。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部に埋設されている。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って、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。

また、発熱抵抗体２はセラミック体１の先端と後端との間で繰り返し折り返して周方向に沿って蛇行する発熱領域２０を有している。発熱抵抗体２の寸法は、例えば、幅を０．３ｍｍ〜２ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ〜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５００ｍｍ〜５０００ｍｍと設定することができる。これらの寸法は、発熱領域２０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の先端と後端との間で繰り返し折り返して周方向に沿って蛇行する発熱領域２０を有している。発熱領域２０は、凹部１０と隣り合う位置にある直線部分である第１発熱線２１と、凹部１０と隣り合う位置にない直線部分である複数の第２発熱線２２とを有している。セラミック体が芯材１１と表層部１２とからなる構成の場合、発熱抵抗体２は例えば芯材１１と表層部１２との間に配置される。したがって、凹部１０には、発熱抵抗体２（第１発熱線２１と第２発熱線２２とを有する発熱領域２０）は配置されていない。

発熱抵抗体２は、発熱領域２０の後端側においては例えば一対の直線状部および引回し部を有していて、それぞれの引回し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発熱領域２０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、発熱領域２０とは発熱抵抗体２の中でもセラミック体１の加熱に特に寄与する領域のことを意味し、発熱領域２０以外の領域が発熱しないことを意味するものではない。

発熱抵抗体２は、先端側の発熱領域２０と後端側の一対の直線状部および引回し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、直線状部および引回し部の断面積を折返し部の断面積よりも大きくしたり、直線状部および引回し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、発熱領域２０よりも直線状部および引回し部の単位長さ当たりの抵抗値を小さくしてもよい。なお、このような構成になっているかどうかは、例えば、発熱領域２０のうちの先端部（セラミック体１の先端に近接する部位）と、直線状部および引回し部とを切り出し、それぞれの抵抗値を測定することで判別できる。

そして、図４に示すように、発熱領域２０を長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、第１発熱線２１の幅αは第２発熱線２２の幅βよりも狭く、さらに凹部１０と第１発熱線２１との間隔ω１は第１発熱線２１の幅αよりも狭い。

このとき、第２発熱線２２の幅βが例えば５００〜８００μｍである場合に、第１発熱線２１の幅αを第２発熱線２２の幅βの例えば０．５〜０．９５倍に設定することができる。

また、第１発熱線２１の幅αが例えば３００〜６００μｍである場合に、スリット状の凹部１０と第１発熱線２１との間隔ω１を第１発熱線２１の幅αの例えば０．５〜０．９倍に設定することができる。

（第２発熱線２２の幅β）＞（第１発熱線２１の幅α）とすることで、第１発熱線２１の抵抗値を大きくして、第１発熱線２１の付近の温度を上げることができる。また、（第１発熱線２１の幅α）＞（凹部１０と第１発熱線２１との間隔ω１）とすることで、発熱領域２０が設けられておらず温度の低くなりやすい部分の面積を小さくすることができる。したがって、温度差によって生じる熱応力でセラミック体１にクラックが入るのを抑制
し、ヒータの耐久性を向上させることができる。

ここで、図５に示すように、発熱領域２０を長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、凹部１０と第１発熱線２１との間隔ω１は、隣り合う第１発熱線２１と第２発熱線２２との間隔ω２および隣り合う第２発熱線２２と第２発熱線２２との間隔ω３よりも狭くてもよい。この構成によれば、発熱領域２０を周方向に沿って見たときに温度分布がより均熱化され、温度差によって生じる熱応力をより小さくすることができる。

また、図６に示すように、発熱領域２０を長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、複数の第２発熱線２２の幅βは凹部１０から離れるにつれて広くなっていてもよい。なお、凹部１０に最も近い位置にある第２発熱線２２０の幅βminに対し、凹部１０から最も
離れた位置にある第２発熱線２２１の幅βmaxは、例えば１．１〜２．０倍にすることが
できる。そして、第２発熱線２２０と第２発熱線２２１との間にある第２発熱線２２の幅は、これらの幅の最小値（βmin）から最大値（βmax）までの間で徐々に広くなるようにされる。この構成によれば、温度が高くなりやすい凹部１０から最も離れた位置にある第２発熱線２２１に向かって徐々に抵抗値が下がり、温度が低下する。したがって、発熱領域２０を周方向に沿って見たときに温度分布が均熱化され、温度差によって生じる熱応力を小さくすることができる。

また、図７に示すように、第１発熱線２１の幅αおよびそれぞれの第２発熱線２２の幅βは、長手方向の中央よりも先端のほうが狭くなっていてもよい。長手方向の先端の幅α１、β１を長手方向の中央の幅α２、β２の例えば０．５〜０．９倍に設定することができる。この構成によれば、セラミック体１の先端側へと熱引きしやすい第１発熱線２１および第２発熱線２２の長手方向先端の抵抗値が長手方向中央の抵抗値よりも大きくなり、温度が上昇する。したがって、発熱領域２０を長手方向に沿って見たときに温度分布がより均熱化され、温度差によって生じる熱応力を小さくすることができる。

また、図８に示すように、第１発熱線２１の幅αおよびそれぞれの第２発熱線２２の幅βは、長手方向の中央よりも後端のほうが狭くなっていてもよい。長手方向の後端の幅α３、β３を長手方向の中央の幅α２、β２の例えば０．５〜０．９５倍に設定することができる。この構成によれば、セラミック体１の後端側へと熱引きしやすい第１発熱線２１および第２発熱線２２の長手方向後端の抵抗値が長手方向中央の抵抗値よりも大きくなり、温度が上昇する。したがって、発熱領域２０を長手方向に沿って見たときに温度分布がより均熱化され、温度差によって生じる熱応力を小さくすることができる。

なお、セラミック体１の内部には引出部３が埋設されている。引出部３は、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１の側面に引き出されている。引出部３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。

また、セラミック体１の側面には、必要により電極パッド４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３と電気的に接続されていてもよい。そして、電極パッド４にリード端子（図示せず）が接合されて、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。この電極パッド４は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）からなり、例えば５０〜３００μｍの厚みとされたものである。また、電極パッド４の長さは例えば９ｍｍ、幅は例えば５ｍｍに設定することができる。引出部３が引き出された部位が２箇所ある場合は、それぞれの部位において電極パッド４が設けられている。電極パッド４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。

次に、本実施形態の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１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、セラミック体を作製するため、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２等の焼結助剤を合計で１０質量％以内になるように調整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１２となるアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

そして、このアルミナ質セラミックグリーンシートの表面に、発熱抵抗体２となる所定のパターンを形成する。発熱抵抗体２のパターン形成方法としてはスクリーン印刷法、転写法、埋設法、その他の方法として金属泊をエッチング法などにより形成する方法や、ニクロム線をコイル状に形成し埋設する方法などがあるが、スクリーン印刷法で形成することが品質面での安定性や製造コストが抑えられる点で用いられやすい。

ここで、第１発熱線２１の幅α、第２発熱線２２の幅β、凹部１０と第１発熱線２１との間隔ω１などを所望の値にするには、スクリーン印刷の製版を発熱抵抗体のパターンに合わせて調整すればよい。具体的には、第１発熱線２１の幅αを第２発熱線２２の幅βよりも小さくする。また、印刷したセラミックグリーンシートを切断する際に、第１発熱線２１の幅αよりも第１発熱線２１とセラミックグリーンシートの端部との間隔を小さくするように切断すればよい。

アルミナ質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４を発熱抵抗体３の形成と同様に所定のパターン形状で形成する。

また、アルミナ質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４とを電気的に接続する引出部３を形成ために、孔加工および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がなされる。

発熱抵抗体２、電極パッド４および引出部３（スルーホール導体）は、例えばタングステン、モリブデン、レニウムなどの高融点金属を主成分とする導電性ペーストを用いることができる。

一方、押し出し成型にて、芯材１１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１１（アルミナ質セラミック成型体）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１２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の側面に長手方向に延びるスリット状の凹部１０を設けるには、芯材１１に巻き付けたアルミナ質セラミックグリーンシート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１５００〜１６００℃の非酸化性ガス雰囲気（フォーミングガス）中で焼成することで、アルミナ質一体焼結体を作製することができる。

次に、セラミック体１の側面に形成された電極パッド４上にメッキを施す。メッキは、
ニッケルメッキ、金メッキ、錫メッキなどが汎用的である。メッキの施術方法は無電解メッキや電解メッキ、バレルメッキなどの施術方法を目的に応じて選択すると良い。

なお、電極パッド４には、給電部としてリード部材をはんだ付けするなどの方法で接合する。

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
１０：凹部
１１：芯材
１２：表層部
２：発熱抵抗体
２０：発熱領域
２１：第１発熱線
２２：第２発熱線
３：引出部
４：電極パッド

Claims

長手方向を有する棒状体または筒状体であって、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、
該発熱抵抗体は前記セラミック体の前記先端と前記後端との間で繰り返し折り返して周方向に沿って蛇行する発熱領域を有し、該発熱領域は、前記凹部と隣り合う位置にある直線部分である第１発熱線と、前記凹部と隣り合う位置にない直線部分である複数の第２発熱線とを有していて、
前記発熱領域を前記長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、前記第１発熱線の幅は前記第２発熱線の幅よりも狭く、さらに前記凹部と前記第１発熱線との間隔は前記第１発熱線の幅よりも狭いことを特徴とするヒータ。
前記発熱領域を前記長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、前記凹部と前記第１発熱線との間隔は、隣り合う前記第１発熱線と前記第２発熱線との間隔および隣り合う前記第２発熱線と前記第２発熱線との間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記発熱領域を前記長手方向に垂直な任意の断面で見たときに、複数の前記第２発熱線の幅は前記凹部から離れるにつれて広くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記第１発熱線の幅およびそれぞれの前記第２発熱線の幅は、長手方向の中央よりも先端のほうが狭いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載のヒータ。
前記第１発熱線の幅およびそれぞれの前記第２発熱線の幅は、長手方向の中央よりも後端のほうが狭いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載のヒータ。