JP7161437B2

JP7161437B2 - ヒータ

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Publication number: JP7161437B2
Application number: JP2019069125A
Authority: JP
Inventors: 洋介赤木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP2020167116A

Description

本開示は、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として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として用いられるヒータとして、例えば、特許文献１に開示されたセラミックシートをセラミック芯材の表面に、発熱抵抗体が内側になるように密着焼成した構成が知られている。

特開２００５－３４００３４号公報

近年では、小型小径で瞬間的に高電圧を印可して急速昇温でき、かつ、寸法変化の少ないヒータが求められている。しかしながら、従来技術においては、ヒータ外周部が凹凸の少ない形状で形成されているため、ヒータの急速昇温により発熱抵抗体が熱膨張すると、ヒータ外周部全体も熱膨張し、ヒータを繰り返し急速昇温させることで、ヒータが劣化し、耐久性が低下するという問題がある。

本開示は、棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、を備え、前記セラミック体は、前記発熱抵抗体を覆って外方に突出する凸部分と、前記凸部分より内方に窪んだ凹部分と、を有し、前記セラミック体は、棒状の芯部と、前記芯部の表面を覆う外周部とを有し、前記発熱抵抗体は、前記芯部と前記外周部との間に位置し、前記発熱抵抗体の表面から前記外周部の表面までの距離が、前記芯部の表面から前記外周部の表面までの距離より短いことを特徴とするヒータである。

本開示のヒータにおいては、セラミック体が、発熱抵抗体を覆って外方に突出する凸部分と凸部分より内方に窪んだ凹部分を有していることによって、凸部分での外径の変化率が小さくなり、繰り返される急速昇温にも耐えることができる耐久性に優れたヒータを提供することが可能である。

本開示のヒータの第１実施形態における側面図である。本開示の第1実施形態における横断面図である。本開示の第１実施形態における発熱抵抗体の周方向の展開図である。本開示の第２実施形態における一部の横断面図である。本開示の第３実施形態における端部の縦断面図である。本開示のヒータを含む酸素センサの縦断面図である。本開示のヒータを含む局部洗浄装置の縦断面図である。本開示のヒータを含む加熱用喫煙装置の縦断面図である。

以下、本開示の第１実施形態に係るヒータについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のヒータ１の側面図である。図２は、図１に示す切断面線Ａ－Ａで切断したときのヒータ１の横断面図である。ヒータ１は、セラミック体１０と、発熱抵抗体２０と、引出導体３０と、貫通導体４０と、電極パット５０を備える。
＜セラミック体＞

セラミック体１０は、棒状の部材であり、芯部１１と芯部１１の表面を覆う外周部１２を含む。本実施形態では、セラミック体１０は円筒状であるが、棒状であれば、三角筒上、四角筒状、楕円筒状を含むその他の形状であってもよい。また、両端が開放された中空のパイプ状であってもよい。

セラミック体１０は、絶縁性のセラミック材料からなる。セラミック体１０で用いられ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。耐酸化性を示し、製造しやすいという観点からは、アルミナを用いることができる。高強度、高靭性、高絶縁性および耐熱性に優れるという観点からは、窒化珪素を用いることができる。熱伝導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できる。セラミック体１０は、発熱抵抗体２０に含まれる金属元素の化合物を含有していてもよい。例えば、発熱抵抗体２０にタングステンまたはモリブデンが含まれている場合には、セラミック体１０は、ＷＳｉ_２またはＭｏＳｉ_２を含有していてもよい。

芯部１１は、セラミック体１０の長手方向に延びる棒状の部材である。本実施形態においては、芯部１１は円筒状であるが、棒状であれば、三角筒上、四角筒状、楕円筒状を含むその他の形状であってもよい。また、両端が開放された中空のパイプ状であってもよい。

外周部１２は、芯部１１の外周面を覆うように配設されている。本実施形態においては、芯部１１の両端部までが外周部１２によって覆われているが、外周部１２は、芯部１１の外周面の全てを覆っていてもよく、芯部１１の外周面の一部のみを覆っていてもよい。

芯部１１は、例えば、セラミック体１０の長手方向における全長が３０ｍｍ～１５０ｍｍであり、直径が１０ｍｍ～２０ｍｍである。外周部１２は、例えば、セラミック体１０の長手方向における全長が３０ｍｍ～１５０ｍｍであり、厚みが０．２ｍｍ～１ｍｍである。

セラミック体１０の芯部１１および外周部１２は、絶縁性のセラミック材料であれば、同じ材質であってもよく、異なる材質であってもよい。セラミック体１０の外周部１２の外周面１３は、金属材料から成る被覆層によって被覆されていてもよい。被覆層に用いられる金属材料としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等を含む金属材料が挙げられる。被覆層の外表面には、酸化膜が形成されていてもよい。セラミック体１０の外周部１２の外周面１３を被覆層で被覆することにより、セラミック体１０の耐蝕性を向上させることができ、ひいては、ヒータ１の耐久性を高めることができる。
＜発熱抵抗体＞

発熱抵抗体２０は、線状または帯状の導電性の部材である。発熱抵抗体２０は、電流が流れることによって発熱し、セラミック体１０を介して、被加熱物を加熱する。発熱抵抗体２０は、セラミック体１０に埋設され、セラミック体１０の端部１４から端部１５に向かって延びている。本実施形態では、図２に示すように、発熱抵抗体２０は、芯部１１と外周部１２との間に配設されている。

発熱抵抗体２０は、セラミック体１０の周方向に沿って端部１４と端部１５との間で繰り返して折り返して往復した形状の導体パターンを有している。すなわち、発熱抵抗体２０は、図３に示すように、複数の直線部分２１と複数の折り返し部分２２とを含むミアンダ状の導体パターンを有している。複数の直線部分２１は、セラミック体１０の長手方向に沿って延び、それぞれが間隙を介して並設されている。複数の折り返し部分２２は、セラミック体１０の長手方向に垂直な断面で見たときに、セラミック体１０の周方向に沿って延び、隣り合う直線部分２１の端部同士を接続している。折り返し部分２２は、本実施形態のように直線形状であってもよく、曲線形状であってもよい。発熱抵抗体２０の横断面は、本実施形態においては矩形状であるが、円形状、楕円形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。

セラミック体１０は、発熱抵抗体２０を覆って外方に突出する凸部分１６と、凸部分１６より内方に窪んだ凹部分１７と、を有している。本実施形態においては、図２に示すように、セラミック体１０は円筒状の芯部１１と、芯部１１の外周面を覆う外周部１２とを備え、外周部１２が、発熱抵抗体２０を覆って外方に突出する凸部分１６と、凸部分１６より内方に窪んだ凹部分１７とを有している。セラミック体１０が発熱抵抗体２０を覆って外方に突出する凸部分１６と、凸部分１６より内方に窪んだ凹部分１７を有していることによって、凸部分１６での外径の変化率が小さくなり、繰り返される急速昇温にも耐えることができる耐久性に優れたヒータを提供することが可能である。なお、ここでいう「凸部分１６より内方に窪んだ」とは、凸部分１６より内方に位置する状態を含むものとする。また、発熱抵抗体がミアンダ状である場合には、複数の直線部分２１に沿って凸部分１６が設けられて、直線部分２１の間の間隙に沿って溝状に凹部分１７が設けられてもよい。この場合は、凸部分１６と凹部１７分が交互に位置しているため、より効率的に凸部分１６での外径の変化率が小さくなり、繰り返される急速昇温にも耐えることができる耐久性に優れたヒータを提供することが可能である。

発熱抵抗体２０は、高融点の金属を主成分とする導電性材料からなる。発熱抵抗体２０で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。発熱抵抗体２０は、セラミック体１０の形成材料を含んでいてもよい。また、発熱抵抗体２０の寸法は、例えば、幅を０．３ｍｍ～２ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ～０．１ｍｍとされ、全長を５００ｍｍ～５０００ｍｍと設定することができる。発熱抵抗体２０の寸法は、発熱抵抗体２０の発熱温度および発熱抵抗体２０に印加する電圧等に応じて適宜設定される。
＜引出導体＞

引出導体３０は、セラミック体１０に埋設され、セラミック体１０の長手方向に延びる、線状または帯状の部材である。引出導体３０は、本実施形態においては、芯材１１と外周部１２との間に配設されている。引出導体３０の一方の端部は、発熱抵抗体２０に接続されている。また、引出導体３０の他方の端部は、発熱抵抗体２０に接続された一方の端部よりも、セラミック体１０の端部１５側に位置している。

引出導体３０は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。引出導体３０で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。引出導体３０は、セラミック体１０の形成材料を含んでいてもよい。

引出導体３０は、発熱抵抗体２０よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。引出導体３０は、セラミック体１０の形成材料の含有量を発熱抵抗体２０よりも少なくすることによって、発熱抵抗体２０よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。また、引出導体３０は、引出導体３０の横断面の面積を発熱抵抗体２０の横断面の面積よりも大きくすることによって、発熱抵抗体２０よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くされていてもよい。
＜貫通導体＞

貫通導体４０は、セラミック体１０の内部に配設され、セラミック体１０の径方向に延びている。本実施形態においては、貫通導体４０は、セラミック体１０を径方向に貫通している。貫通導体４０の一方の端面は、引出導体３０の発熱抵抗体２０に接続されていない端部側に接続され、貫通導体４０の他方の端面は、セラミック体１０の外周面１３に露出している。

貫通導体４０は、高融点の金属を主成分とする導電性材料から成る。貫通導体４０で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデンまたはレニウム等を主成分とする導電性材料が挙げられる。貫通導体４０は、セラミック体１０の形成材料を含んでいてもよい。
＜電極パッド＞

電極パッド５０は、セラミック体１０の外周面１３に配設されている。電極パッド５０は、貫通導体４０の、セラミック体１０の外周面１３に露出している端面を覆っている。電極パッド５０には、リード端子が接合され、リード端子を介して、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。

電極パッド５０は、導電性材料から成り、電極パッド５０で用いられる導電性材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等からなる導電性材料が挙げられる。また、電極パッド５０の外表面には、例えば、ニッケル－ボロン、金等からなるめっき層が設けられていてもよい。電極パッド５０は、例えば、厚みが１０μｍ～３００μｍであり、長さおよび幅が１ｍｍ～１０ｍｍである。

次に、本開示の第２実施形態に係るヒータについて図３を参照して説明する。本実施形態においては、第１実施形態と同様の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態のヒータ１は、第１実施形態と同様に、セラミック体１０と、発熱抵抗体２０と、引出導体３０と、貫通導体４０と、電極パット５０を備える。

本実施形態のセラミック体１０は、芯部１１と外周部１２を備え、発熱抵抗体２０は、第１実施形態と同様に、芯部１１と外周部１２との間に配設されている。

図４は、図２に示すＢ部の拡大図である。図４に示すように、本実施形態におけるセラミック体１０の外周部１２は、発熱抵抗体２０を覆って外方に突出する凸部分１６と、凸部分１６より内方に窪んだ凹部分１７とを有しており、凸部分１６の肉厚、すなわち、発熱抵抗体２０の表面から外周部１２の表面までの距離Ｌ_１が、凹部分１７の肉厚_、すなわち、芯部１１の表面から外周部１２の表面までの距離Ｌ_２より短い。このように、発熱抵抗体との距離が遠いため加熱しても変形しにくい外周部１２の凹部分１７よりも、発熱抵抗体との距離が近いため加熱によって変形しやすい外周部１２の凸部分１６の肉厚を薄くすることで、セラミック体１０の外周部１２における熱膨張の割合が小さくなり、繰り返される急速昇温にも耐えることができる耐久性に優れたヒータを提供することが可能となる。

次に、本開示の第３実施形態に係るヒータ１について図５を参照して説明する。図５は、図１に示す切断面線Ｃ－Ｃで切断したときのヒータ１の縦断面図である。本実施形態においては、第１実施形態と同様の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態のヒータ１は、第１実施形態と同様に、セラミック体１０と、発熱抵抗体２０と、引出導体３０と、貫通導体４０と、電極パッド５０を備える。

本実施形態のセラミック体１０は、芯部１１と外周部１２とを備え、発熱抵抗体２０は、第１実施形態と同様に、芯部１１と外周部１２との間に配設されている。

本実施形態において、発熱抵抗体２０は、第１実施形態と同様に、セラミック体１０の長手方向に沿って延びる複数の直線部分２１を有し、直線部分２１よりセラミック体１０の端部１４側における芯部１１の表面から、外周部１２の表面、すなわち、外周面１３までの距離Ｌ４が、直線部分２１が位置する芯部１１の表面から、外周部１２の表面、すなわち、外周面１３までの距離Ｌ３よりも短い。このように、本実施形態においては、外周部１２において、直線部分２１よりもセラミック体１０の端部１４側の部分から直線部分２１が位置する部分に向かって、外周面１３が突出している。そのため、急速昇温によっても、突出した部分が局部的に熱膨張し、端部１４には応力が集中することなく、これにより、繰り返される急速昇温にも耐えることができる耐久性に優れたヒータを提供することが可能となる。

本開示のヒータは、酸素センサ、局部洗浄装置、加熱式喫煙装置等に適用できる。

図６は、本開示のヒータを用いた酸素センサの一つの実施例の概略を示す縦断面図である。酸素センサ１００は、ヒータ１０１と、ジルコニア素子１０２と、リード端子１０３と制御部１０４と、リード線１０５を備える。ジルコニア素子１０２は、片側が閉じた有底円筒状の形状をなす。酸素センサ１００は、ジルコニア素子１０２に、ヒータ１０１を挿入し、ジルコニア素子１０２の底面にヒータ１０１の一方端部を押しあてて、ヒータ１０１をジルコニア素子１０２に固定している。ジルコニア素子１０２は、ヒータ１０１のセラミック体のうち少なくとも発熱抵抗体が設けられている部分を覆い、ヒータ１０１の電極パッドは、ジルコニア素子１０２に覆われないように配置される。電極パッドに接合されるリード端子１０３は、圧着端子等で制御部１０４から延びているリード線１０５と接続され、固定される。ジルコニア素子１０２はハウジング１０６に固定され、排気ガスの配管等に取り付けられて用いられる。酸素センサ１００は、ジルコニア素子１０２の内側と外側に電極を設け、内側を大気、外側を排気ガスにさらして用いられる。

ヒータ１０１によって加熱されてジルコニア素子１０２が高温になると、ジルコニア素子１０２はイオン電導性を持ち、酸素濃度の高い大気側から酸素濃度の低い排気ガス側へ酸素イオン流が発生する。これにより、電極間に起電力が生じる。この特性を活かして、本実施例の酸素センサ１００は、例えば、排気ガスの空燃比コントロールができる。酸素センサ１００は、繰り返される急速昇温に対する耐久性が向上したヒータ１０１を備えていることによって、長期信頼性が向上している。

図７は、本開示のヒータを用いた局部洗浄装置の一つの実施例の概略を示す縦断面図である。局部洗浄装置２００は、ヒータ２０１とケース２０２と、フランジ部２０３とを備える。本開示の一つの実施形態であるヒータ２０１のセラミック体２１０は、両端が開放されたパイプ状をなしている。セラミック体２１０の内周面は、流路２０４aを規定し、セラミック体２１０の外周面と、ケース２０２の内周面は、流路２０４aと連通する流路２０４bを規定している。ケース２０２には、流出口２０５が配設され、流路２０４bと外部空間とを連通している。本実施例の局所洗浄装置２００においては、フランジ部側の開放部から流入した流体は、流路２０４aを通過し、その後２０４bに流入して、流出口２０５から外部に放出されるまでの間、ヒータ２０１によって、所定の温度まで加熱される。流体は、例えば、公共水道等の水源から供給される。加熱された流体は、例えば、人体局部の洗浄用に使用される。局部洗浄装置２００は、繰り返される急速昇温に対する耐久性が向上したヒータ２０１を備えていることによって、長期信頼性が向上している。

図８は、本開示のヒータを用いた加熱式喫煙装置３００の一つの実施例の概略を示す縦断面図である。加熱式喫煙装置３００において、本開示の一つの実施形態であるヒータ３０１は、有底円筒状をなしており、同じく有底円筒状の筐体３０２の内部に、ヒータ３０１の底部が筐体３０２の底部と当接するように配設されている。筐体３０２は、金属などに比べて熱伝導率が低い樹脂で構成されている。ヒータ３０１の開口部から、タバコＡを押し込み、ヒータ３０１によって、所定の温度まで加熱する。加熱式喫煙装置３００は、繰り返される急速昇温に対する耐久性が向上したヒータ３０１を備えていることによって、長期信頼性が向上している。

１、１０１、２０１、３０１ヒータ
１０セラミック体
１１芯部
１２外周部
１３外周面
１４、１５端部
１６凸部分
１７凹部分
２０発熱抵抗体
２１直線部分
２２折り返し部分
３０引出導体
４０貫通導体
５０電極パッド
１００酸素センサ
１０２ジルコニア素子
１０３リード端子
１０４制御部
１０５リード線
１０６ハウジング
２００局部洗浄装置
２０２ケース
２０３フランジ部
２０４a、２０４b 流路
２０５流出口
３００加熱式喫煙装置
３０２筐体
Ａタバコ

Claims

棒状のセラミック体と、
該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、を備え、
前記セラミック体は、前記発熱抵抗体を覆って外方に突出する凸部分と、前記凸部分より内方に窪んだ凹部分と、を有し、
前記セラミック体は、棒状の芯部と、前記芯部の表面を覆う外周部とを有し、
前記発熱抵抗体は、前記芯部と前記外周部との間に位置し、
前記発熱抵抗体の表面から前記外周部の表面までの距離が、前記芯部の表面から前記外周部の表面までの距離より短いことを特徴とするヒータ。
前記発熱抵抗体は、前記セラミック体の長手方向に沿って延びる複数の直線部分を有し、
前記直線部分より前記セラミック体の端部側における前記芯部の表面から前記外周部の表面までの距離が、前記直線部分が位置する前記芯部の表面から前記外周部の表面までの距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。