JPWO2014104293A1

JPWO2014104293A1 - ヒータ

Info

Publication number: JPWO2014104293A1
Application number: JP2014554592A
Authority: JP
Inventors: 朝島袋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: EP2941090A1; EP2941090B1; JP5960845B2; EP2941090A4; WO2014104293A1

Abstract

本発明のヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、セラミック構造体は、折返し部が面している表面に折返し部を囲む溝部を有する。

Description

本発明は、ヘアアイロン、水加熱用ヒータ、酸素センサ、空燃比センサ、グロープラグ、各種燃焼機器または半導体製造装置等に用いられるヒータに関するものである。

ヘアアイロン等に用いられるヒータとしては、例えば、特開２００６−４０８８２号公報（以下、特許文献１という）に記載されたセラミックヒータが挙げられる。特許文献１に記載されたセラミックヒータは、セラミック基体と、セラミック基体の内部に設けられた発熱部と、セラミック基材の内部に設けられて発熱部に接続されたリード部とを備えている。

特許文献１に記載のセラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）においては、発熱部（発熱抵抗体）は、２つの並んだ直線部とこれらの直線部を繋ぐ折返し部とを有している。このような形状のヒータにおいては、セラミック基体（セラミック構造体）のうち２つの並んだ直線部の間であって折返し部の近傍に位置する部分が特に高温になる傾向にある。そのため、セラミック構造体の表面は、上述の部分に面する領域（以下、最高発熱部という）が最も高温になるとともに、最高発熱部を中心として、最高発熱部から離れるにつれて温度が下がっていくような温度分布になっていた。このように、セラミック構造体の表面に偏った温度分布が生じる場合には、ヒータを繰り返し使用することによって、セラミック構造体の表面にクラックが生じる可能性があった。その結果、ヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の一態様のヒータは、セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、前記セラミック構造体は、前記折返し部が面している表面に前記折返し部を囲む溝部を有する。

本発明の別の態様のヒータは、セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、前記セラミック構造体は、前記折返し部が面している表面のうち前記折返し部に重なる領域に凹部を有する。

本発明の一実施形態のヒータを示す斜視図である。（ａ）は図１に示したヒータの領域Ａを拡大した部分拡大図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ’断面の断面図である。本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図である。本発明の変形例のヒータを示す断面図である。本発明の変形例のヒータを示す断面図である。本発明の変形例のヒータを示す部分拡大図（ａ）とＣ−Ｃ’断面の断面図（ｂ）である。本発明の変形例のヒータを示す断面図である。本発明の変形例のヒータを示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態のヒータ１００について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のヒータ１００を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１に示したヒータ１００の領域Ａを拡大した部分拡大図であり、図２（ｂ）はＢ−Ｂ’断面の断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態のヒータ１００は、セラミック構造体１と発熱抵抗体２と給電線３とリード端子７とを備えている。なお、図１においては、発熱抵抗体２と給電線３とを、セラミック構造体１を透視して破線で示している。ヒータ１００は、例えば、ヘアアイロン、水加熱用ヒータ、酸素センサ、空燃比センサ、グロープラグまたは半導体製造装置等に用いられる。

セラミック構造体１は、発熱抵抗体２および給電線３を内部に保持するための部材である。セラミック構造体１の内部に発熱抵抗体２および給電線３が設けられることによって、発熱抵抗体２および給電線３の耐環境性を向上できる。セラミック構造体１は、棒状の部材である。セラミック構造体１は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムまたは炭化珪素等のセラミック材料から成る。セラミック構造体１は、例えば角棒状であれば、この場合には例えば、外周の短辺の長さが２５ｍｍであり、長辺の長さが２５ｍｍであり、長手方向の長さが５０ｍｍである。

発熱抵抗体２は、通電することによって熱を発する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック構造体１に埋設されている。発熱抵抗体２は、セラミック構造体１の外周の長辺と長手方向の辺とを含む面（以下、主面という）に面するように配置されている。図２に示すように、発熱抵抗体２は、２つの並んだ直線部２２と、これらの直線部２２を繋ぐ、外周および内周の形状が半円状の折返し部２１とを有している。なお、図２においても、セラミック構造体１を透視して破線で発熱抵抗体２を示している。発熱抵抗体２は、折返し部２１がセラミック構造体１の先端近くに設けられるとともに、折返し部２１の端部から後端側に向かって直線部２２が設けられている。発熱抵抗体２は、炭化タングステン等の導電性のセラミック材料から成る。発熱抵抗体２は、例えば、線幅が０．２〜１．５ｍｍであり、厚みが０．３〜３ｍｍである。折返し部２１の曲率半径は、例えば、内周が０．１５〜１ｍｍであり、外周が０．５〜２ｍｍである。発熱抵抗体２で発せられた熱は、セラミック構造体１の内部を伝導し、セラミック構造体１の表面から外部に発せられる。

図１に戻って、給電線３は、リード端子７と共に、発熱抵抗体２をセラミック構造体１の外部の電源（図示せず）に電気的に接続するための一対の配線部材である。給電線３は、大部分がセラミック構造体１に埋設されていて、一端が発熱抵抗体２に電気的に接続されている。すなわち、それぞれの給電線３の一端は発熱抵抗体２の別々の端部に接続されている。一方、それぞれの給電線３の他端は、外部の電源に接続するために、セラミック構造体１の後端側の表面に引き出されて、別々のリード端子７が接続されている。給電線３は、セラミック構造体１の内部を引き回す配線として線状に形成されている。給電線３は、例えば炭化タングステン等の導電性のセラミック材料から成り、発熱抵抗体２よりも低抵抗の配線として形成されている。給電線３の線幅は、例えば０．２〜２ｍｍであり、厚みは、例えば０．３〜４μｍである。

リード端子７は、給電線３を外部の電源に電気的に接続するための棒状の導電部材である。リード端子７は、セラミック構造体１の発熱抵抗体２が設けられている側とは逆側の表面に引き出されたそれぞれの給電線３に接合されている。リード端子７は、例えば、ニッケルから成る。リード端子７と給電線３との接合には、例えばろう材が用いられる。ろう材としては、例えば銀ろう等が用いられる。リード端子７の寸法は、例えば、幅が０．２〜２ｍｍ、厚さが０．２〜２ｍｍ、長さが１０ｍｍ以上である。

図２（ａ）に戻って、本実施形態のヒータ１００においては、発熱抵抗体２が、２つの並んだ直線部２２とこれら直線部２２を繋ぐ折返し部２１とを有している。このような形状のヒータ１００においては、セラミック構造体１のうち２つの並んだ直線部２２の間であって折返し部２１の近傍に位置する部分が特に高温になる。そのため、セラミック構造体１の表面は、上述の部分に面する領域（最高発熱部１０）が特に高温になる。なお、図２（ａ）においては、最高発熱部１０を二点鎖線で示している。

そこで、本実施形態のヒータ１００においては、セラミック構造体１は、最高発熱部１０よりも先端側の領域の表面に、発熱抵抗体２の折返し部２１を囲む溝部４を有している。溝部４は、本実施形態では折返し部２１を囲むように四角形状の枠状に設けられている。このため、溝部４が設けられている部分の表面（溝部４の底面）を周囲の表面よりも発熱抵抗体２に近付けることができる。これにより、溝部４が設けられている部分の表面の温度が上昇しやすくなる。このように温度が上昇しやすくなる溝部４を最高発熱部１０の近傍に設けることによって、最高発熱部１０とその近傍との間の温度差を小さくすることができる。これにより、ヒータ１００の表面の温度分布の偏りを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。

このような溝部４の寸法は、折返し部２１の外周の曲率半径が１ｍｍの場合には、例えば、幅が０．１５ｍｍ、深さが０．１ｍｍであり、外周の一辺が２ｍｍの正方形状に形成される。

さらに、本実施形態のヒータ１００においては、溝部４に囲まれる領域が、最高発熱部１０よりもセラミック構造体１の先端側に位置している。言い換えると、溝部４のうちセラミック構造体１の最も後端側に位置する部分が最高発熱部１０よりも先端側に位置している。これにより、加熱対象物が設けられるセラミック構造体１の先端側において、温度分布の偏りをさらに低減できる。なお、最高発熱部１０の位置は、例えば放射温度計を用いてセラミック構造体１の表面の温度を測定することによって確認できる。

また、図２（ｂ）に示すように、セラミック構造体１の表面に垂直な断面で見たときに、溝部４の形状が曲線状であることが好ましい。これにより、セラミック構造体１が高温になったときに生じる熱応力が溝部４に集中することを抑制できる。

さらに、溝部４は、内周側の傾斜が外周側の傾斜に比べて緩やかになっていることが好ましい。これにより、ヒータ１００の周囲にガスを流したときに、溝部４の外周側から入り込んだガスの流れを内周側で穏やかにすることによって、ガスを溝部４に留まりやすくすることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、図３に示すように、溝部４が円環状に設けられていてもよい。これによれば、セラミック構造体１が高温になったときに生じる熱応力が、溝部４に集中することを抑制できる。

また、図４に断面図で示すように、セラミック構造体１の表面に、溝部４の外周に沿って連続した凸部５が形成されていてもよい。凸部５によって溝部４を囲うことによって、ヒータ１００の周囲にガスを流したときに、ガスを溝部４にさらに留まりやすくすることができる。例えば、溝部４に囲まれた領域から見た溝部４の深さが０．１ｍｍである場合には、凸部５の高さは、溝部４に囲まれた領域から見て０．０１ｍｍ以上に形成される。

また、図５に示すように、セラミック構造体１の表面に垂直な断面で見たときに、凸部５の形状が曲線状であってもよい。これによれば、ヒータ１００の周囲にガスを流したときに、ガスが凸部５の内側に流れ込みやすくなる。その結果、凸部５の内側でガスを効率よく燃焼させることができる。凸部５の形状としては、例えば、円弧状または半楕円形状等を用いることができる。

また、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、セラミック構造体１の表面のうち折返し部２１に重なる領域に、折返し部２１を囲む溝部４に代えて凹部６が設けられていてもよい。このように、セラミック構造体１のうち折返し部２１の面している表面であって折返し部２１に重なる領域に凹部６を有していることによって、凹部６が設けられている部分の表面（凹部６の底面）をその周囲の表面よりも発熱抵抗体２に近付けることができる。これにより、凹部６が設けられている部分の表面の温度が上昇しやすくなる。このように温度が上昇しやすくなる凹部６を最高発熱部１０の近傍に設けることによって、最高発熱部１０とその近傍との間の温度差を小さくすることができる。これにより、ヒータ１００の表面の温度分布の偏りを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。凹部６の寸法は、折返し部２１の外周の曲率半径が１ｍｍの場合には、例えば、深さが０．１ｍｍであり、外周の一辺が２ｍｍの正方形状に形成される。

さらに、図６に示すヒータ１００は、凹部６が重なっている領域が、最高発熱部１０よりもセラミック構造体１の先端側に位置している。言い換えると、凹部６のうちセラミック構造体１の最も後端側に位置する部分が最高発熱部１０よりも先端側に位置している。これにより、加熱対象物が設けられるセラミック構造体１の先端側において、温度分布の偏りをさらに低減できる。

また、図７に示すように、セラミック構造体１の表面に垂直な断面で見たときに、凹部６の形状が曲線状であってもよい。これによれば、セラミック構造体１が高温になったときに生じる熱応力が、凹部６に集中することを抑制できる。

また、図８に示すように、凹部６が設けられたセラミック構造体１の表面とは反対側の表面においても、発熱抵抗体２の折返し部２１が面している領域に重なるように凹部６１が設けられていてもよい。これによれば、ヒータ１００の両面を加熱対象物の加熱に使用する場合においても、セラミック構造体１の表面の温度分布をさらに平坦化することができる。

また、セラミック構造体１の形状は、上述した角棒状に限られず、丸棒状であってもよく、さらに先端部が半球状になっていても構わない。

また、発熱抵抗体２の折返し部２１は、必ずしも各図に図示したように半円状に折り返しているものに限られず、鋭角に、あるいは矩形状等の多角形状に折り返しているものであっても構わない。

また、セラミック構造体１の表面に面している発熱抵抗体２の折返し部２１は、必ずしも各図に図示したように折返し部２１および直線部２２が表面に対して平行に面している必要はなく、表面に対して傾いた状態で面していても差し支えない。

次に、本実施形態のヒータ１００の製造方法の一例について説明する。まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含み、焼成後に発熱抵抗体２および給電線３となる導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含み、焼成後にセラミック構造体１としての絶縁基体となるセラミックペーストを作製する。

次に、発熱抵抗体２用の導電性ペーストを用いて射出成形法等によって、発熱抵抗体２となる所定形状の導電性ペーストの成形体を形成する。そして、発熱抵抗体２となる成形体を金型内に保持した状態で、給電線３用の導電性ペーストを金型内に充填して、給電線３となる所定形状の導電性ペーストの成形体を一体的に形成する。これにより、発熱抵抗体２とこの発熱抵抗体２に接続された給電線３との成形体が、金型内に保持された状態となる。

次に、金型内に発熱抵抗体２および給電線３の成形体を保持した状態で、金型の一部をセラミック構造体１の成形用のものに取り替えた後に、金型内にセラミック構造体１用のセラミックペーストを充填する。

このとき、セラミック構造体１の表面のうち発熱抵抗体１の折返し部２１が面する領域に溝部４または凹部６ができる金型を使用することで、発熱抵抗体２および給電線３がセラミックペーストの成形体で覆われ、セラミック構造体１の表面のうち発熱抵抗体２の折返し部２１が面している部分に折返し部２１を囲む溝部４または折返し部２１に重なる凹部６を有するヒータ１００の成形体が得られる。そして、金型脱型時の押し出しピンの押し出し圧力を高くする方法や、成形体の主面を切削する方法を用いることによって、セラミック構造体１の表面に所望の形状・大きさの溝部４または凹部６を有するヒータ１００の成形体が得られる。

次に、得られた成形体を１７００℃程度で焼成することにより、ヒータ１００を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

本発明の実施例のヒータ１００を以下のようにして作製した。まず、炭化タングステン粉末を５０質量％、窒化珪素粉末を３５質量％および樹脂バインダーを１５質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して発熱抵抗体２を作製した。次に、この発熱抵抗体２を金型内に保持した状態で、給電線３となる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、発熱抵抗体２に接続させて給電線３を形成した。

次に、発熱抵抗体２および給電線３を金型内に保持した状態で、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤として三酸化二イッテルビウムを１０質量％および炭化タングステンを５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、セラミック構造体１の中にセラミック構造体１の先端部近くに折返し部２１を有する発熱抵抗体２および給電線３が埋設された構成のヒータ１００を形成した。

ここで、試料１としてセラミック構造体１の主面（５ｍｍ×３０ｍｍ）の先端側であって折返し部２１に重なる領域に、１辺の長さが２．３ｍｍで深さ５０μｍの凹部６を設けたサンプルを作製した。また、種々の形状の金型を用意して、試料１とは異なる主面を有するヒータ１００（試料２〜４）を作製した。各試料の寸法は厚みが５ｍｍ、幅が１０ｍｍ、長さが３０ｍｍで、試料１とは主面の形状だけが異なっているものとした。

具体的には、試料２では、主面に、１辺の長さが２．３ｍｍ、深さが５０μｍで、内側の内壁面が外側の内壁面よりも緩やかに傾斜している溝部４を設けた。試料３では、主面に、１辺の長さが２．３ｍｍ、深さが５０μｍの溝部４を設け、さらに溝部４を囲むように高さが２０μｍの凸部５を設けた。試料４では、主面に、１辺の長さが２．３ｍｍ、深さが５０μｍの溝部４を設け、溝部４を囲むように表面の形状が曲面であり先端部の高さが２０μｍの凸部５を設けた。また、比較例として、主面が平坦である比較例１を準備した。

次に、得られた試料１〜４および比較例１を円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、１６５０℃〜１７８０℃の温度および３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力でホットプレスを行なって焼結した。

そして、本発明の実施例である試料１〜４のヒータ１００について、比較例１のヒータとの比較を行なうことによって、耐久性が向上しているかどうかを確認した。

具体的には、ガス暖房機に試料をセットし、暖房機が着火する温度を調べた。その結果に基づき、着火した温度にて３０秒間通電した後にセラミック構造体の先端の温度が１２００℃になるまで昇温し、その後、６０秒間通電を停止するサイクルを繰り返すことによって、耐久試験を実施した。

その結果、試料１〜４のヒータ１００ではサイクル数が２３００００以上でも正常に動作したが、比較例１のヒータでは、サイクル数が約６００００でセラミック構造体１の主面のうち最高発熱部１０の近傍にクラックが発生した。

また、他の評価試験として、放射温度計を用いてセラミック構造体１の先端から最高発熱部１０までの領域の温度分布を測定した。具体的には、セラミック構造体１の先端の温度が１２００℃になるまで昇温した後に電圧を印加したまま５分間放置したときのセラミック構造体１の表面の温度分布を測定した。

その結果、比較例１のヒータでは、セラミック構造体の最高発熱部の温度が１２４０℃であり、セラミック構造体の先端の温度が１２００℃であった。これに対して、試料１のヒータ１００では、最高発熱部１０の温度が１２５０℃であり、先端の温度が１２３０℃、凹部６の温度が１２４０℃であった。また、試料２のヒータ１００では、最高発熱部１０の温度が１２５０℃であり、先端の温度が１２３０℃、溝部４の温度が１２４０℃であった。また、試料３のヒータ１００では、最高発熱部１０の温度が１２５０℃であり、先端の温度が１２３０℃、溝部４の温度が１２４０℃であった。また、試料４のヒータ１００では、最高発熱部１０の温度が１２５０℃であり、先端の温度が１２３０℃、溝部４の温度が１２４０℃であった。

この結果から分かるように、比較例１のヒータではセラミック構造体の主面における温度差が４０℃と大きかったのに対して、試料１〜４のヒータ１００ではその差が２０℃と小さかった。これにより、本発明のヒータ１００の構成を採用することによって、セラミック構造体１の主面における温度分布の偏りを低減できることが確認できた。また、その結果、ヒータ１００を繰り返し使用したときに、セラミック構造体１の主面にクラックが発生する可能性を低減できることが分かった。

また、さらに他の評価試験として、ガスの導入口が設けられた試験用の筺体の内部に試料２〜４および比較例１をセットした。そして、筺体の内部にガスを流入し続けるとともに、試料２〜４のヒータ１００および比較例１のヒータに電流を流してからガスが着火するまでの時間と、電流を流すことをやめてから消火するまでの時間を調べた。ガスとしては、ディーゼル燃料を気化させたものを使用した。その結果、試料２および試料３のヒータ１００では着火までの時間が４０秒以内であった。これに対し、比較例１のヒータでは着火までの時間が６０秒かかった。この結果から、試料２および試料３のヒータ１００は比較例１のヒータに比べて、着火するまでの時間が２０秒短くなり、着火性が良くなっていることが分かる。

これは、試料２のヒータが内側の内壁面が外側の内壁面よりも緩やかに傾斜している溝部４を有していることによって、溝部４の外周側から入り込んだガスの流れを内壁面の近傍で穏やかにすることにより、ガスが溝部４に留まりやすくなることで、着火性が向上したものと考えられる。さらに、試料３に関しては、溝部４を囲う凸部５を有することによって、ガスを溝部４にさらに留まりやすくすることができたことによって、着火性が向上したものと考えられる。

さらに、比較例１のヒータと試料４のヒータ１００とに関して、発熱終了後の消火にかかる時間を比較したところ、試料４のヒータに関しては電流を流すことをやめてから消火するまでの時間が７０秒程度であったのに対して、比較例１のヒータでは消火するまでの時間が１００秒程度であった。これは、凸部５の形状を曲線状にすることで、ヒータ１００の周囲にガスを流したときに、ガスが凸部５の内側に流れ込みやすくなった結果、凸部５の内側でガスを効率よく燃焼させることができたためと考えられる。

１：セラミック構造体
１０：最高発熱部
２：発熱抵抗体
２１：折返し部
２２：直線部
３：給電線
４：溝部
５：凸部
６：凹部
７：リード端子
１００：ヒータ

本発明の一態様のヒータは、セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、前記セラミック構造体は、前記折返し部が面している表面に前記折返し部を囲む溝部を有し、前記セラミック構造体の表面に垂直な断面で見たときに、前記溝部の形状が曲線状である。

Claims

セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、前記セラミック構造体は、前記折返し部が面している表面に前記折返し部を囲む溝部を有するヒータ。
前記溝部は、円環状である請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック構造体の表面に垂直な断面で見たときに、前記溝部の形状が曲線状である請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記溝部の壁面は、内周側の傾斜が外周側の傾斜に比べて緩やかである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
前記溝部の外周に沿って連続した凸部が形成されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記セラミック構造体の表面に垂直な断面で見たときに、前記凸部の形状が曲線状である請求項５に記載のヒータ。
セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された折返し部を有する発熱抵抗体とを具備し、前記セラミック構造体は、前記折返し部が面している表面のうち前記折返し部に重なる領域に凹部を有するヒータ。