JP7433200B2

JP7433200B2 - ヒータ

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Publication number: JP7433200B2
Application number: JP2020199748A
Authority: JP
Inventors: 良彦木佐木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: JP2022087682A

Description

開示の実施形態は、ヒータに関する。

従来、発熱抵抗体を有する柱状のセラミック体を有するヒータが知られている。このヒータでは、セラミック体の外部に位置するリード端子を介した通電により発熱抵抗体を発熱させて、所望する温度に昇温させる。

国際公開第２０１９／００４２８６号

しかしながら、例えばリード端子が受ける外力によってセラミック体が損傷するおそれがあった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、セラミック体の損傷を低減することができるヒータを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るヒータは、柱状のセラミック体と、発熱抵抗体と、リード線とを備える。発熱抵抗体は、前記セラミック体の内部に位置する。リード線は、前記セラミック体の外部に位置し、前記発熱抵抗体と電気的に接続される。前記リード線は、コイル部と、端子部とを有する。コイル部は、前記セラミック体の周面に沿って巻回される。端子部は、前記コイル部の一端に接続され、前記セラミック体の端面を跨いで延びる。前記コイル部と前記端子部とが、交差する部分で接合材を介して接合されている。

実施形態の一態様によれば、セラミック体の損傷を低減することができるヒータが提供可能となる。

図１は、実施形態に係るヒータを示す斜視図である。図２は、実施形態に係るヒータの平面図である。図３は、実施形態に係るヒータの側面図である。図４は、図２に示すＡ－Ａ線の断面図である。図５は、実施形態の変形例１に係るヒータの断面図である。図６は、実施形態の変形例２に係るヒータの断面図である。図７は、実施形態の変形例３に係るヒータの平面図である。図８は、実施形態の変形例３に係るヒータの側面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するヒータの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

＜実施形態＞
最初に、実施形態に係るヒータについて、図１～図４を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るヒータを示す斜視図であり、図２は、実施形態に係るヒータの平面図であり、図３は、実施形態に係るヒータの側面図である。また、図４は、図２に示すＡ－Ａ線の断面図である。

図１～図４に示すように、実施形態に係るヒータ１は、セラミック体１０と、発熱抵抗体１４と、リード線３０，４０とを備える。

なお、説明を分かりやすくするために、図１～図４には、ヒータ１の長さ方向に沿って延びるＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後出の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。

ヒータ１の長さ、すなわちセラミック体１０の長さは、例えば、１ｍｍ～２００ｍｍ程度とすることができる。また、セラミック体１０の外寸は、例えば、０．５ｍｍ～１００ｍｍ程度とすることができる。なお、セラミック体１０の形状は、円柱状に限らず、例えば楕円柱状または角柱状であってもよい。

セラミック体１０の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。セラミック体１０の材料としては、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を使用することができる。

また、発熱抵抗体１４は、セラミック体１０の内部に位置している。発熱抵抗体１４は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体１４は、例えば、タングステン、モリブデンなどを含む高抵抗の導体を含んでよい。発熱抵抗体１４の寸法は、例えば幅を０．１～５ｍｍに、厚みを０．０５～０．３ｍｍに、全長を１～５００ｍｍにすることができる。

リード線３０，４０は、セラミック体１０の外部に位置している。リード線３０，４０はそれぞれ、セラミック体１０の周面１１に固定されている。リード線３０，４０は、一端が外部電源に接続され、他端が発熱抵抗体１４にそれぞれ電気的に接続されており、外部電源から供給された電力を発熱抵抗体１４に供給する。リード線３０，４０は、一対のリード材料の一例である。リード線３０，４０は、一方が陽極リード線であり、他方が陰極リード線である。

リード線３０，４０は、例えば、ニッケル、鉄またはニッケル系耐熱合金等の金属材料を含む線材である。リード線３０，４０の断面は、例えば円形状であってもよく、楕円形状、矩形状であってもよい。リード線３０，４０の外径は、例えば０．５～２．０ｍｍであってもよい。

リード線３０は、ヒータ１の後端側に位置している。リード線３０は、コイル部３１と端子部３２とを含む。コイル部３１は、セラミック体１０の周面１１に沿って巻回される部分であり、発熱抵抗体１４に電気的に接続されている。セラミック体１０の周面１１には、発熱抵抗体１４の端部が位置していてもよく、発熱抵抗体１４とコイル部３１とを電気的に接続する図示しない導体が位置していてもよい。セラミック体１０の周面１１に沿って螺旋状に位置するコイル部３１は、セラミック体１０に接触していてもよく、セラミック体１０の周面１１から離れて位置していてもよい。

端子部３２は、リード線３０の端部に位置し、セラミック体１０の端面１２と垂直な方向から見たときに、端面１２を横切るように延びている部分である。言い換えれば、端子部３２は、コイル部３１の一端に接続され、平面視でセラミック体１０の端面１２を跨いで延びている。このように、端子部３２が平面視でセラミック体１０の端面１２を跨ぐように位置することにより、例えば端子部３２の端部３５が端子部３２の延びるＹ軸に沿う方向（正方向および／または負方向）に外力を受けた場合であっても、リード線３０は、セラミック体１０が位置する方向には変形しにくい。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、たとえば、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

なお、端子部３２は、第１領域３２ａと第２領域３２ｂとを有してもよい。第１領域３２ａは、セラミック体１０の端面１２に沿って延びる端子部３２の先端部である。第２領域３２ｂは、セラミック体１０の端面１２に対して傾斜するように位置する傾斜部である。第２領域３２ｂは、後述する近接部分３３，３４の間に位置している。第２領域３２ｂは、近接部分３３から近接部分３４に近付くにつれて端子部３２と端面１２との間隔が大きくなるように位置している。このように第２領域３２ｂをセラミック体１０の端面１２に対して傾斜させることにより、通電により温度が上昇しやすい第１領域３２ａをセラミック体１０の端面１２から離すことができる。このため、セラミック体１０の熱膨張を抑えることができ、ヒータ１の強度が向上する。

リード線４０は、リード線３０よりもヒータ１の先端側に位置している。リード線４０は、コイル部４１と端子部４２とを含む。コイル部４１は、セラミック体１０の周面１１に沿って巻回される部分であり、発熱抵抗体１４に電気的に接続されている。すなわち、発熱抵抗体１４の一端がリード線３０に接続され、他端がリード線４０に接続されている。リード線４０は、セラミック体１０の周面１１に位置する発熱抵抗体１４の端部に電気的に接続されていてもよく、発熱抵抗体１４とコイル部４１とを電気的に接続する図示しない導体を介して発熱抵抗体１４と電気的に接続されていてもよい。セラミック体１０の周面１１に沿って螺旋状に位置するコイル部４１は、セラミック体１０に接触していてもよく、セラミック体１０の周面１１から離れて位置していてもよい。

また、コイル部３１，４１は、セラミック体１０の周面１１に沿って同じ方向に巻回されていてもよい。コイル部３１，４１が同じ方向に巻回されることで、各リード線３０，４０に加わる応力の方向が同じになる。これにより、コイル部３１，４１の間にひねりの応力が生じにくくなることから、リード線３０，４０における応力が緩和される。

端子部４２は、リード線４０の端部に位置し、セラミック体１０の端面１２と垂直な方向から見たときに、端面１２の径方向に延びている部分である。端子部４２は、端子部３２と同じ方向に延びていてもよい。言い換えれば、端子部３２，４２は、セラミック体１０の端面１２と垂直な方向から見たときに、互いに重なるように位置していてもよい。端子部３２，４２が同じ方向に延びていることにより、例えば、ヒータ１の配置スペースを小さくすることができる。

また、ヒータ１は、接合材２０を有していてもよい。接合材２０は、コイル部３１と端子部３２とが平面視で重なるコイル部３１および端子部３２の近接部分３３，３４に位置している。近接部分３３は、コイル部３１と端子部３２とが平面視で交差する部分である。また、近接部分３４は、コイル部３１と端子部３２とをつなぐ連結部である。

近接部分３３，３４に位置する端子部３２およびコイル部３１は、接合材２０を介して接合されている。このように、コイル部３１と端子部３２との間に接合材２０が位置することにより、たとえば端子部３２の延びるＹ軸に沿う方向（正方向および／または負方向）に端子部３２の端部３５が外力を受けた場合であっても、リード線３０の変形がさらに抑えられる。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、たとえば、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

なお、接合材２０は、コイル部３１と端子部３２とが近接する近接部分３３，３４にのみ位置してもよいし、隣り合うコイル部３１の間に挟まれるように位置してもよい。また、接合材２０は、近接部分３３，３４を覆うように位置してもよい。また、接合材２０は、セラミック体１０の周面１１とコイル部３１との間に位置してもよく、コイル部３１の周囲を覆うように位置してもよい。セラミック体１０の周面１１とコイル部３１との間に接合材２０が位置することにより、セラミック体１０とコイル部３１との接合強度を高めることができる。また、コイル部３１の周囲を覆うように接合材２０が位置することにより、コイル部３１およびコイル部３１が巻回されたセラミック体１０の機械的強度を高めることができる。

接合材２０としては、例えば、はんだまたは銀ろう等のろう材を用いることができる。また、セラミック体１０の周面１１にメタライズ（不図示）を設け、メタライズの表面に接合材２０が接するように位置させてもよい。また、図示による説明は省略するが、接合材２０は、リード線４０が有する各部位の固定を目的として使用されてもよい。

ヒータ１が接合材２０を有する場合、端子部３２は、例えば、陽極端子部としてもよい。例えば、ヒータ１を急速に昇温させた場合、陽極端子部は、通電によって発熱し、近傍に位置するセラミック体１０を膨張させようとする。近接部分３３，３４に位置する端子部３２およびコイル部３１が接合材２０を介して接合されていると、セラミック体１０は端子部３２に沿って同様に膨張するため、歪が生じにくい。このため、ヒータ１が昇温および降温を繰り返した場合であっても、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

＜変形例１＞
つづいて、実施形態の各種変形例について、図５～図８を参照しながら説明する。なお、以下に示す各種変形例では、実施形態と同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略することがある。

図５は、実施形態の変形例１に係るヒータの断面図である。図５に示すヒータ１は、リード線３０の端子部３２の形状が、図４に示すヒータ１が有する端子部３２の形状と相違する。具体的には、図５に示すように、端子部３２の第１領域３２ａが、セラミック体１０の端面１２と向かい合うように位置する部分（第１部分）を有している。かかる第１部分とセラミック体１０の端面１２との間隔は、第２領域３２ｂ（第２部分）とセラミック体１０の端面１２との間隔よりも大きい。第１部分は、第２部分よりも通電により温度が上昇しやすいため、かかる第１部分をセラミック体１０の端面１２から離して位置させると、端子部３２の温度上昇に伴うセラミック体１０の熱膨張を抑えることができ、ヒータ１の強度が向上する。

＜変形例２＞
図６は、実施形態の変形例２に係るヒータの断面図である。図６に示すヒータ１は、リード線３０の端子部３２の形状が、図４、図５に示すヒータ１が有する端子部３２の形状と相違する。具体的には、図６に示すように、端子部３２は、セラミック体１０の端面１２に沿う方向に延びている。このように、端子部３２がセラミック体１０の端面１２に沿う方向に延びていることにより、例えば端子部３２の端部３５が端子部３２の延びるＹ軸に沿う方向（正方向および／または負方向）に外力を受けた場合であっても、リード線３０は、セラミック体１０が位置する方向にはさらに変形しにくい。このため、本変形例に係るヒータ１によれば、たとえば、セラミック体１０の損傷をさらに低減することができる。

なお、端子部３２は、セラミック体１０の端面１２との間に空隙５０を隔てて位置していてもよい。このように端子部３２がセラミック体１０の端面１２から離れて位置することにより、通電により端子部３２の温度が上昇した場合であっても、セラミック体１０に対する熱の伝達を抑えることができる。このため、端子部３２の温度上昇に伴うセラミック体１０の熱膨張を抑えることができ、ヒータ１の強度がさらに向上する。

＜変形例３＞
図７は、実施形態の変形例３に係るヒータの平面図である。図８は、実施形態の変形例３に係るヒータの断面図である。図７、図８に示すように、リード線３０は、コイル部３１と端子部３２との間に位置する接続部３６を有している。接続部３６は、端子部３２とは異なる方向に延びている。また、接続部３６は、コイル部３１と平面視で重なる連結部３７を有している。そして、端子部３２は、平面視で連結部３７と重ならない方向に延びている。このように、端子部３２が延びる方向に連結部３７が位置しないことにより、例えば、例えば端子部３２の端部３５が端子部３２の延びるＹ軸に沿う方向（正方向および／または負方向）に外力を受けた場合であっても、リード線３０の連結部３７は、変形しにくい。このため、本変形例に係るヒータ１によれば、例えば、連結部３７に近接するセラミック体１０の損傷をさらに低減することができる。

また、図８に示すように、連結部３７からコイル部３１にかけてメニスカス状に位置する接合材２０を有してもよい。図８に示すように、端子部３２は、平面視で接合材２０の少なくとも一部と重なる方向に延びている。接合材２０がメニスカス状に位置することにより、例えばブロック状の堅牢な接合材によりリード線３０が固定された場合と比較して端子部３２の自由度が高められる。このため、例えば端子部３２の端部３５が端子部３２の延びるＹ軸に沿う方向（正方向および／または負方向）に、リード線３０が一時的に変形する程度の外力を受けた場合であっても、接合材２０の剥離や脱落が発生しにくい。このため、本変形例に係るヒータ１によれば、例えば、機械的強度がさらに向上する。なお、接合材２０は、上記した各実施形態および変形例において説明した各部位にさらに位置してもよい。

以上のように、実施形態に係るヒータ１は、柱状のセラミック体１０と、発熱抵抗体１４と、リード線３０とを備える。発熱抵抗体１４は、セラミック体１０の内部に位置する。リード線３０は、セラミック体１０の外部に位置し、発熱抵抗体１４と電気的に接続される。リード線３０は、コイル部３１と、端子部３２とを有する。コイル部３１は、セラミック体１０の周面１１に沿って巻回される。端子部３２は、コイル部３１一端に接続され、平面視でセラミック体１０の端面１２を跨いで延びる。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係るヒータ１は、接合材２０を有する。接合材２０は、コイル部３１と端子部３２とが平面視で重なるコイル部３１および端子部３２の近接部分３３，３４に位置する。これにより、セラミック体１０の損傷をさらに低減することができる。

また、実施形態に係る端子部３２は、セラミック体１０の端面１２に沿う方向に延びている。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係る端子部３２は、セラミック体１０の端面１２との間に空隙５０を隔てて位置する。これにより、セラミック体１０の損傷をさらに低減することができる。

また、実施形態に係る端子部３２は、セラミック体１０の端面１２との間に空隙を隔てて位置する第１部分と、コイル部３１の一端と第１部分との間に位置する第２部分とを有する。第１部分とセラミック体１０との間隔は、第２部分とセラミック体１０との間隔よりも大きい。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係るリード線３０は、端子部３２とコイル部３１との間に位置し、端子部３２とは異なる方向に延びる接続部３６を有する。接続部３６は、コイル部３１と平面視で重なる連結部３７を有する。端子部３２は、平面視で連結部３７と重ならない方向に延びている。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係るヒータ１は、連結部３７からコイル部３１にかけてメニスカス状に位置する接合材２０を有する。端子部３２は、平面視で接合材２０の少なくとも一部と重なる方向に延びている。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係る端子部３２は、陽極端子部である。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

また、実施形態に係るヒータ１は、発熱抵抗体１４の一端側および他端側にそれぞれ接続される一対のリード材料を有し、一対のリード材料は、セラミック体１０の周面１１に沿って同じ方向に巻回されるコイル部３１，４１をそれぞれ有する。これにより、リード線３０，４０における応力が緩和される。

また、実施形態に係る一対のリード材料は、各コイル部３１，４１にそれぞれ接続され、同じ方向に延びる一対の端子部３２，４２を有する。これにより、セラミック体１０の損傷を低減することができる。

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ヒータ
１０セラミック体
１４発熱抵抗体
２０接合材
３０，４０リード線
３１，４１コイル部
３２，４２端子部
５０空隙

Claims

柱状のセラミック体と、
前記セラミック体の内部に位置する発熱抵抗体と、
前記セラミック体の外部に位置し、前記発熱抵抗体と電気的に接続されるリード線と
を備え、
前記リード線は、前記セラミック体の周面に沿って巻回されるコイル部と、前記コイル部の一端に接続され、前記セラミック体の端面を跨いで延びる端子部とを有し、
前記コイル部と前記端子部とが、交差する部分で接合材を介して接合されている
ヒータ。
前記コイル部は、前記セラミック体の周面に沿って同じ方向に巻回されている
請求項１に記載のヒータ。
前記端子部は、前記セラミック体の端面に沿う方向に延びている
請求項１または２に記載のヒータ。
前記端子部は、前記セラミック体の端面との間に空隙を隔てて位置する
請求項１～３のいずれか１つに記載のヒータ。
前記端子部は、前記セラミック体の端面との間に空隙を隔てて位置する第１部分と、前記コイル部の一端と前記第１部分との間に位置する第２部分とを有し、
前記第１部分と前記セラミック体との間隔は、前記第２部分と前記セラミック体との間隔よりも大きい
請求項１～４のいずれか１つに記載のヒータ。
前記リード線は、前記端子部と前記コイル部との間に位置し、前記端子部とは異なる方向に延びる接続部を有している
請求項１～５のいずれか１つに記載のヒータ。
前記端子部は、陽極端子部である
請求項１～６のいずれか１つに記載のヒータ。
前記発熱抵抗体の一端側および他端側にそれぞれ接続される一対のリード材料を有し、
前記一対のリード材料は、前記セラミック体の周面に沿って同じ方向に巻回されるコイル部をそれぞれ有する
請求項１～７のいずれか１つに記載のヒータ。
前記一対のリード材料は、各コイル部にそれぞれ接続され、同じ方向に延びる一対の端子部を有する
請求項８に記載のヒータ。