JP6957663B2 - Ceramic heater - Google Patents

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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。 Ceramic heaters are known as heaters used for gas ranges, in-vehicle heaters, oil fan heaters, glow plugs of automobile engines, preheating of fuel, and the like. Examples of the ceramic heater include the ceramic heater disclosed in Patent Document 1.

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 comprises a ceramic structure, a heat generating resistor embedded in the ceramic structure, and a feeder connected to the heat generating resistor and drawn out to the surface of the ceramic structure. I have.

特開２０００−１５６２７５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-156275

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, cracks occur due to thermal stress generated in the feeder line and the heat generating resistor at the connection portion between the feeder line and the heat generating resistor. was there. As a result, it has been difficult to improve the long-term reliability of the ceramic heater when it 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いるとともに、前記リードの接続部の延長方向においても、前記リードの仮想延長線上のリード側部から幅方向の両側の方向に前記発熱抵抗体が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、前記リードの厚みが前記発熱抵抗体の厚みよりも厚く、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。 The ceramic heater based on one aspect of the present invention includes a ceramic laminate in which a plurality of ceramic layers are laminated, a band-shaped heat generating resistor embedded between layers of the ceramic laminate, and the layers of the ceramic laminate. A ceramic heater provided with a strip-shaped lead embedded in the heat-generating resistor and connected to the end portion of the heat-generating resistor in an overlapping manner. The heat-generating resistor is a surface to which the lead is connected when viewed in a cross section. a flat surface opposite to the, in the connection portion between the lead, with overhangs in the direction of the stacking direction and Cartesian of the lead said ceramic layer at both sides in the width direction from an end portion of, the lead also in the extension direction of the connecting portion, the heating resistor from the lead side portion on the virtual extension line on both sides of the width direction of the lead has overhangs in the direction of the stacking direction and Cartesian of the ceramic layer, of the lead The thickness is thicker than the thickness of the heating resistor, and the outer periphery of the lead and the outer periphery of the heating resistor, which are not covered by the lead, are 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 based on one aspect of the present invention, long-term reliability can be improved when repeatedly used in a high temperature environment.

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 vertical sectional view which shows the ceramic heater of the example of embodiment of this 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。It is a cross-sectional view which cut | cut the ceramic heater shown in FIG. 1 by the 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, the ceramic heater 10 of some examples 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, the ceramic heater 10 of the embodiment of the present invention is provided inside the ceramic laminate 1, the heat generating resistor 2 provided inside the ceramic laminate 1, and the inside of the ceramic laminate 1. It is provided with a lead 3 which is connected to a heat generating resistor 2. Such a ceramic heater 10 can be used, for example, for glow plugs of automobile engines or for preheating fuel, or for ignition of gas ranges.

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 heat generating resistor 2 are embedded inside the ceramic laminate 1. By providing the lead 3 and the heat generating resistor 2 inside the ceramic laminate 1, the environmental resistance of the lead 3 and the heat generating resistor 2 can be improved. The ceramic laminate 1 is, for example, a rod-shaped or plate-shaped member (which can be collectively referred to as a columnar member). 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 an electrically insulating ceramic such as an oxide ceramic, a nitride ceramic, or a carbide ceramic. Specifically, the ceramic laminate 1 is made of an alumina ceramic, a silicon nitride ceramic, an aluminum nitride ceramic, a 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, 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 the main component, 0. 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, the ceramic laminate 1 made of silicon nitride ceramics can be obtained by molding it into a predetermined shape and then firing it at a temperature of 1650 to 1780 ° C. For 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 rod-shaped, more specifically when it is a square columnar 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, for example, a quadrangle 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 heat generation resistor 2 is a band-shaped member that generates heat when a voltage is applied. The heat generation resistor 2 is embedded between the layers of the plurality of ceramic layers of the ceramic laminate 1. When a voltage is applied to the heat generation resistor 2, a current flows and the heat generation resistor 2 generates heat. The heat generated by this heat generation is transmitted to the inside of the ceramic laminate 1, and the surface of the ceramic laminate 1 becomes hot. Then, the ceramic heater 10 functions by transferring heat from the surface of the ceramic laminate 1 to the object to be heated. Examples of the object to be heated to which heat is transferred from the surface of the ceramic laminate 1 include 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 heat generation resistor 2 is provided on the tip end side of the ceramic laminate 1. The heat-generating resistor 2 has a vertical cross-sectional shape (a surface parallel to the length direction of the heat-generating resistor 2), for example, a folded shape. The heat generating resistor 2 is folded back near the tip of the ceramic laminate 1. The length from the front end of the heat generation resistor 2 to the rear end of the heat generation resistor 2 is set to, for example, 2 to 15 mm in the length direction of the heat generation 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 heat generation resistor 2 contains, for example, a carbide such as tungsten (W), molybdenum (Mo) or titanium (Ti), a nitride or a silicified product as a main component. When the ceramic laminate 1 is made of silicon nitride ceramics, it is preferable that the main component of the heat generating resistor 2 is made of tungsten carbide. As a result, the coefficient of thermal expansion of the ceramic laminate 1 and the coefficient of thermal expansion of the heat generating resistor 2 can be brought 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 reed 3 is a band-shaped member that is embedded between layers of a plurality of ceramic layers inside the ceramic laminate 1 and one end of which is pulled out to the side surface of the ceramic laminate 1. The reed 3 is electrically connected to the heat generating resistor 2. The reed 3 is used to electrically connect the heat generating resistor 2 and an external power source.

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 length direction of the ceramic laminate 1 corresponding to each of the heat generating resistors 2, and 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 reed 3 is bent at 90 ° on the rear end side of the ceramic laminate 1 and is pulled 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。 For the reed 3, a metal material having excellent heat resistance such as W or Mo is used. In particular, from the viewpoint of the coefficient of thermal expansion, it is preferable to use the same tungsten carbide as the heat generating resistor 2. The lead 3 has, for example, a width of 1 to 20 mm, a length of a portion along the length direction of the heat generating resistor 2 of 10 to 80 mm, and a length of the heat generating resistor 2 because it is pulled out to the side surface of the ceramic laminate 1. The length of the portion extending in the direction perpendicular to the vertical direction is set to 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 cut along the AA'line passing through the connection portion between the heat generating resistor 2 and the lead 3. In FIG. 2, a part of the boundary between the plurality of ceramic layers is shown by a dotted line. As shown in FIG. 2, the heat generating 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 (overhanging portion 20). The thickness of the overhanging portion of the heat generating 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 thermal stress is generated in the heat generating resistor 2, it is possible to easily concentrate the thermal stress on the overhanging portion. Therefore, the possibility of cracks occurring in the portion of the heat generating resistor 2 that overlaps with the reed 3 can be reduced. As a result, the long-term reliability of the ceramic heater 10 when it is repeatedly used in a high temperature environment can be improved.

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 thickness of the portion of the heat generation resistor 2 that overlaps the lead 3 and the thickness of the overhanging portion can be compared by the following method. Specifically, the average value of the thicknesses of the portion overlapping the lead 3 and the overhanging portion may be obtained and compared. The average value of the thickness can be obtained by, for example, the following method. First, the portion overlapping the lead 3 and the overhanging portion are divided into three equal parts in the width direction. Next, the thickness of each portion divided into three equal parts is obtained. Then, the value calculated by adding the thicknesses of the respective portions divided into three equal parts and dividing by 3 is regarded as the average value of the thicknesses. In the above example, the target portion for which the average value is to be obtained is divided into three equal parts in the width direction, and the average of the respective thicknesses is obtained, but the present invention is not limited to this. Specifically, it may be divided into 4 equal parts or 5 (or more) equal parts.

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。 The thickness of the heat generation resistor 2 can be set, for example, the thickness of the central portion to be 3 to 5 μm and the thickness of the overhanging portion to be 1 to 3 μm. Further, the thickness of the lead 3 can be set to 10 to 15 μm at the center. The width of the heat generation resistor 2 can be set to 10 to 50 μm including the overhanging 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 heat generating resistor 2, the thickness of the overhanging portion becomes thinner toward the outer side. Since the thickness of the overhanging portion is thin toward the outer side, stress is likely to be concentrated on the tip portion of the overhanging portion. Therefore, the possibility of cracks occurring in the portion of the heat generating resistor 2 that overlaps with the reed 3 can be further reduced. As a result, the long-term reliability of the ceramic heater 10 when it 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 is reduced toward the outer sides on both sides at the connection portion with the heat generating resistor 2. As a result, when the heat-generating resistor 2 and the lead 3 are regarded as one unit, the shape becomes thinner toward the outer sides on both sides, so that the thermal stress generated in the heat-generating resistor 2 and the lead 3 is outside the lead 3. It becomes easier to concentrate on the side. As a result, cracks are less likely to occur in the main parts of the heat generating 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 circumference of the lead 3 and the outer circumference of the heat generating resistor 2 that are not covered by the lead 3 are smoothly continuous. It is preferable to have. As a result, even if a crack occurs between the ceramic laminate 1 and the overhanging portion of the heat generation resistor 2, the crack propagates and penetrates between the heat generation resistor 2 and the lead 3. It is possible to reduce the risk of fever.

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: Heat generation resistor 3: Lead 10: Ceramic heater

Claims (5)

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いるとともに、
前記リードの接続部の延長方向においても、前記リードの仮想延長線上のリード側部から幅方向の両側の方向に前記発熱抵抗体が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、
前記リードの厚みが前記発熱抵抗体の厚みよりも厚く、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 band-shaped heat-generating resistor embedded between layers of the ceramic laminate, and a band-shaped heat-generating resistor embedded between the layers of the ceramic laminate at the end of the heat-generating resistor. A ceramic heater provided with strip-shaped leads connected in layers.
When the heat generating resistor is viewed in cross section, the surface opposite to the surface to which the lead is connected is flat, and the heat generating resistor has a flat surface at the connection portion with the lead.
With overhangs in the direction of the stacking direction and Cartesian of the ceramic layer on both sides from the end portion in the width direction of the lead,
Also in the extension direction of the connection portion of the lead, the heating resistor from the lead side portion on the virtual extension line on both sides of the width direction of the lead has overhangs in the direction of the stacking direction and Cartesian of the ceramic layer,
A ceramic characterized in that the thickness of the lead is thicker than the thickness of the heating resistor, and the outer periphery of the lead and the outer periphery of the heating resistor, which are not covered by the lead, are smoothly continuous. heater. 前記発熱抵抗体は、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ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。 The ceramic heater according to claim 1, wherein the heat generating resistor is characterized in that the thickness of the overhanging portion is smaller than the thickness of the portion overlapping the lead. 前記発熱抵抗体は、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ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。 The ceramic heater according to claim 1, wherein the heat generating resistor has a portion in which the thickness of the overhanging portion becomes thinner toward the outer side. 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いることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。 The ceramic heater according to claim 1, wherein the lead has a thickness at a connection portion with the heat generating resistor becoming thinner toward the outer sides on both sides. 前記発熱抵抗体と前記リードとの接続部において、横断面視したときに、
前記発熱抵抗体において、前記リードとの接触面は該接触面と対向する面よりも前記セラミック層の積層方向における外側への張り出しが大きいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。 When a cross-sectional view is taken at the connection portion between the heat generation resistor and the lead,
The ceramic heater according to claim 1, wherein in the heat generating resistor, the contact surface with the lead has a larger protrusion to the outside in the stacking direction of the ceramic layer than the surface facing the contact surface.
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