JP6659289B2 - heater - Google Patents
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Description
本発明は、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に用いられるヒータに関するものである。 The present invention relates to a heater used for a heater for heating a liquid, a heater for heating a powder, a heater for a gas, a heater for an oxygen sensor, and the like.
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に用いられるヒータとして、例えば特許文献1に開示されたヒータ装置が知られている。特許文献1に開示されたヒータ装置は、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック体と、セラミック体の表面に設けられた電極パッドと、電極パッドに接合された端子部材とを備えている。
As a heater used for a heater for liquid heating, a heater for powder heating, a heater for gas heating, a heater for oxygen sensor, and the like, for example, a heater device disclosed in
特許文献1に開示されたヒータ装置は、端子部材が電極パッドから立ち上がるように設けられている。そこで、端子部材と電極パッドとの接合強度を高めるべく、端子部材と電極パッドとを接合するろう材の量を増やすことが考えられる。しかしながら、ろう材の量を増やしてしまうと、ヒートサイクル下においてろう材の周囲に生じる熱応力が大きくなってしまうおそれがあった。そのため、ヒータ装置の接合強度を高めつつ、長期信頼性を向上させることが困難であった。
The heater device disclosed in
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータ(ヒータ装置)においてリード端子(端子部材)と電極層(電極パッド)との接合強度高めつつ、ヒータの長期信頼性を向上させることにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to improve the long-term reliability of a heater (heater device) while increasing the bonding strength between a lead terminal (terminal member) and an electrode layer (electrode pad) in the heater (heater device). To improve it.
本発明の一態様のヒータは、棒状または筒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極層と、該電極層に接合材によって接合されたリード端子とを備えており、
該リード端子は、前記電極層から立ち上がる第1部分と、前記セラミック体の外周から外側において長さ方向に沿って伸びた第2部分とを備えており、前記第1部分のうち前記電極層に接合された端部は、前記長さ方向に平行な方向の幅が前記長さ方向に垂直な方向の幅よりも小さく、かつ、前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第1部分の端部は先端に向かうに連れて細くなっていることを特徴とする。
A heater according to one embodiment of the present invention includes a rod-shaped or cylindrical ceramic body, a heating resistor provided inside the ceramic body, and an electrode provided on a surface of the ceramic body and connected to the heating resistor. And a lead terminal joined to the electrode layer by a joining material,
The lead terminal includes a first portion rising from the electrode layer, and a second portion extending along the length direction outside the outer periphery of the ceramic body. The joined end has a width in a direction parallel to the length direction smaller than a width in a direction perpendicular to the length direction and, when viewing a cross section including the length direction, the first end. The end of the portion is characterized in that it is tapered toward the tip.
本発明の一態様のヒータによれば、リード端子と電極層との接合強度を高めつつ、ヒータの長期信頼性を向上できる。 According to the heater of one embodiment of the present invention, long-term reliability of the heater can be improved while increasing the bonding strength between the lead terminal and the electrode layer.
本実施形態の一例のヒータ10について詳細に説明する。
The
図1は、本実施形態のヒータ10を示す縦断面図である。図1に示すように、このヒータ10は、棒状または筒状のセラミック体1と、セラミック体1の内部に設けられた発熱抵抗体2と、セラミック体1の表面に設けられた電極層3と、電極層3に接合されたリード端子4とを備えている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a
セラミック体1は、発熱抵抗体2を保護するために設けられる部材である。セラミック体1の形状は、棒状または筒状である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等の柱状等が挙げられる。なお、ここでいう柱状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。筒状としては、例えば円筒状または角筒状が挙げられる。図1に示すヒータ10においては、セラミック体1は円柱状である。
The
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。熱伝導率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好ましい。特に、窒化アルミニウムを用いる場合には、セラミック体1の熱伝導率を150W/(m・K)と高くできるので、セラミック体1の内部に形成した発熱抵抗体2で発生した熱をヒータ10の表面に効率良く伝えることができる。したがって、ヒータ10の急速昇温が可能となる。
The
また、製造のしやすさの観点からはアルミナを用いることが好ましい。セラミック体1が円柱状の場合には、セラミック体1の寸法は、例えば長さを100mmに、外径を20mmに設定することができる。また、セラミック体1が板状の場合には、セラミック体1の寸法は、例えば長さを80mmに、幅を50mmに、厚みを2mmに設定することができる。セラミック体1が円筒状の場合には、セラミック体1の寸法は、例えば長さを100mmに、外径を20mmに、内径を14mmに設定することができる。
From the viewpoint of ease of production, it is preferable to use alumina. When the
発熱抵抗体2は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体2はセラミック体1の内部に設けられている。すなわち、発熱抵抗体2はセラミック体1に埋設されている。本実施形態のヒータ10における発熱抵抗体2は折り返し形状を有している。発熱抵抗体2の両端部は引出電極21に接続されている。引出電極21は、セラミック体1の一方の端部へと引き出されており、端部においてセラミック体1の外周面に引き出されている。
The
発熱抵抗体2の折り返し部がセラミック体1の他方の端部に設けられている。すなわち、引出電極21は、セラミック体1のうち発熱抵抗体2の折り返し部とは反対側の領域に設けられている。発熱抵抗体2の両端部は、引出電極21を介して、セラミック体1の外周面に設けられた電極層3に電気的に接続されている。
The folded portion of the
発熱抵抗体2は金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。発熱抵抗体2の寸法は、例えば幅を1mmに、全長を3000mmに、厚みを0.02mmに設定することができる。引出電極21は、発熱抵抗体2と同じ金属材料を用いて、発熱抵抗体2と同時に形成することができる。また、引出電極21は、発熱抵抗体2とは異なる材料を用いて別々に形成することもできる。
The
電極層3はセラミック体1の表面に設けられている。電極層3は、引出電極21を介して発熱抵抗体2に接続されている。電極層3は金属材料からなる。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウム等が挙げられる。電極層3の寸法は、例えば長さを9mmに、幅を5mmに、厚みを0.02mmに設定することができる。なお、本実施形態においては、電極層3が引出電極21を介して発熱抵抗体2に接続されているが、これに限られない。具体的には、ヒータ10が引出電極21を有しておらず、電極層3と発熱抵抗体2とが直接接続されていてもよい。
The
リード端子4は発熱抵抗体2に電力を供給するための部材である。リード端子4は外部の電源(図示せず)に接続されて用いられる。リード端子4としては、ニッケルまたは銅の金属からなる線材または板材を用いることができる。リード端子4は、電極層3の表面上に接合材5を用いて取り付けることができる。接合材5としては、例えば、ろう材を用いることができる。
The
リード端子4は、電極層3から立ち上がる第1部分41と、セラミック体1の外周から外側において長さ方向に沿って延びた第2部分42と、第2部分42よりも外側を経由して第1部分41と第2部分42とを繋ぐ湾曲部43とを備えている。これにより、セラミック体1の長さ方向における振動が生じたときに、湾曲部43がたわむことによって、この振動を低減することができる。このため、第1部分41と電極層3との接合部に生じる応力を低減できる。その結果、セラミック体1の長さ方向における振動に対する強度を向上させることができる。
The
本実施形態においては、リード端子4の断面(第1部分41、第2部分42および湾曲部43の断面)が円形状である。特に、湾曲部43の断面が円形状であることによって、湾曲部43がたわんだときに、湾曲部43が損傷してしまうおそれを低減できる。リード端子4の断面のその他の形状としては、例えば、矩形状、コの字形状または中空状等が挙げられる。特に、湾曲部43の断面形状がコの字形状の場合には、コの字のうち開口している側がセラミック体1とは反対側(すなわち、湾曲部43の外周側)に位置していることが好ましい。これにより、湾曲部43をたわませやすくすることができる。なお、ここでいうコの字形状としては、例えば、いわゆるC字形状等のように角が丸い場合も含む。
In the present embodiment, the cross section of the lead terminal 4 (the cross section of the
また、本実施形態においては、リード端子4のうち、第1部分41、第2部分42および湾曲部43の断面の形状および大きさが同一であるが、これに限られない。具体的には、それぞれの部位で形状および大きさが異なっていてもよい。特に、湾曲部43は第1部分41および第2部分42よりも細いことが好ましい。これにより、リード端子4の強度を確保しつつ、湾曲部43をたわませやすくすることができる。
Further, in the present embodiment, among the
リード端子4の寸法は、例えば、以下のように設定できる。図1に示すヒータ10の場合には、第1部分41の長さを2.3mmに設定できる。湾曲部43の長さは、セラミック体1の長さ方向に垂直な方向の長さを1.5mmに、セラミック体1の長さ方向に平行な方向の長さを2.5mmに設定できる。また、第2部分42の長さを6.5mmに設定できる。また、第1部分41、第2部分42および湾曲部43のそれぞれの断面は、直径がΦ0.8mmの円形状に設定できる。
The dimensions of the
図2は、図1に示すヒータのうち電極層3とリード端子4との接合部分を示している。図2においては、リード端子4の形状を分かりやすくするために、接合材5を省略している。図2〜4に示すように、リード端子4の第1部分41のうち電極層3に接合された端部は、セラミック体1の長さ方向に平行な方向の幅Xが、長さ方向に垂直な方向の幅Yよりも小さい。そして、図3に示すように、長さ方向を含む断面を見たときに、第1部分41の端部は先端に向かうに連れて細くなっている。
FIG. 2 shows a joint between the
ここでいう、「セラミック体1の長さ方向に平行な方向の幅」および「長さ方向に垂直な方向の幅」とは、第1部分41において接合材5に接触する部分のうちそれぞれ最も幅が大きい部分の幅を意味している。
Here, the “width in the direction parallel to the length direction of the
本実施形態のヒータ1においては、上述の構成を備えていることによって、リード端子4と電極層3との接合強度を高めつつ、長期信頼性を向上できる。具体的には、セラミック体1の長さ方向に平行な方向の幅Xが長さ方向に垂直な方向の幅Yよりも小さい。そして、長さ方向を含む断面を見たときに、第1部分41の端部は先端に向かうに連れて細くなっている。そのため、第1部分41の端部と電極層3との間に、先端に向かうに連れて大きくなる隙間Aが形成されることになる。電極層3とリード端子4とを接合するときに、この隙間に接合材5が入り込むことによって、長さ方向を含む断面における接合材5の量(図3において占める面積)を多く(大きく)することができる。
In the
リード端子4と電極層3との間に働く外力は、リード端子4の第2部分42の伸びる方向(すなわちセラミック体1の長さ方向)に沿う方向に加わりやすいことから、この長さ方向における接合材5の量を多くすることによって、リード端子4と電極層3との接合強度を向上させることができる。また、長さ方向に対して垂直な方向、つまり、外力が加わりにくい方向においては、接合材5の量を少なくすることによって、ヒートサイクル下において接合材5の周りに生じる熱応力を低減できる。これらの結果、リード端子4と電極層3との接合強度を高めつつ、長期信頼性を向上させることができる。
An external force acting between the
また、図4に示すように、長さ方向に対して垂直な断面を見たときに、第1部分41の端部は幅が一定であってもよい。これにより、長さ方向に対して垂直な断面において、接合材5を分布に偏りが無いように設けやすくすることができるので、リード端子4を電極層3に接合する際にリード端子4が傾いて固定されてしまうおそれを低減できる。
In addition, as shown in FIG. 4, when viewing a cross section perpendicular to the length direction, the end of the
また、図3に示すように、セラミック体1の長さ方向を含む断面を見たときに、第1部分41と電極層3との間隔が、第1部分41の幅方向の中心に向かうに連れて狭まっていてもよい。これにより、第1部分41と電極層3とを接合材5を用いて接合する際に、第1部分41と電極層3との間に存在している空気を押し出しやすくすることができる。そのため、第1部分41と電極層3との間に空気溜まりが生じてしまうおそれを低減できる。
As shown in FIG. 3, when the cross section including the length direction of the
1:セラミック体
2:発熱抵抗体
21:引出電極
3:電極層
4:リード端子
41:第1部分
42:第2部分
43:湾曲部
5:接合材
10:ヒータ
1: ceramic body 2: heating resistor 21: extraction electrode 3: electrode layer 4: lead terminal 41: first portion 42: second portion 43: curved portion 5: bonding material 10: heater
Claims (3)
該リード端子は、前記電極層から立ち上がる第1部分と、前記セラミック体の外周から外側において長さ方向に沿って伸びた第2部分とを備えており、
前記第1部分のうち前記電極層に接合された端部は、前記長さ方向に平行な方向の幅が前記長さ方向に垂直な方向の幅よりも小さく、かつ、前記長さ方向を含む断面を見たときに、前記第1部分の端部は先端に向かうに連れて細くなっていることを特徴とするヒータ。 A rod-shaped or cylindrical ceramic body, a heating resistor provided inside the ceramic body, an electrode layer provided on the surface of the ceramic body and connected to the heating resistor, and a bonding material attached to the electrode layer. And a lead terminal joined by
The lead terminal includes a first portion rising from the electrode layer, and a second portion extending along the length direction outside the outer periphery of the ceramic body,
An end of the first portion joined to the electrode layer has a width in a direction parallel to the length direction smaller than a width in a direction perpendicular to the length direction, and includes the length direction. When viewed in a cross section, the end of the first portion becomes thinner toward the tip.
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