JP6708386B2 - 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 liquid heating heater, a powder heating heater, a gas heating heater, an oxygen sensor heater, 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, etc., for example, a heater device disclosed in
特許文献1に開示されたヒータ装置は、端子部材がセラミック体から立ち上がるように設けられている。端子部材は、ろう材によって電極パッドに接合されている。このような構成のヒータ装置においては、端子部材の端面と電極パッドの表面との対向する面積が小さいことから、端子部材と電極パッドとの間の接合強度を向上させることが困難であった。さらに、ろう材による接合を行なう際に、端子部材と電極パッドとの間に位置する空気がこれらの間に留まってしまうことがあった。このような場合には、ろう材が端子部材と電極パッドとの間に流れこみにくくなってしまうおそれがあった。端子部材の端面と電極パッドの表面との対向する面積が小さい場合には、この留まってしまう空気の影響が大きく、端子部材の端面と電極パッドの表面とにろう材を十分に接触させることができなくなってしまう場合があった。
The heater device disclosed in
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、該電極層に接合材を介して接合されたリード端子とを備えており、該リード端子が、前記電極層に接合された端面を有するとともに、該端面の周縁部に突起を有し、前記突起の先端が前記電極層に接触し、前記突起を第1突起としたときに、前記接合材が前記リード端子の前記端面および外周面の一部に広がっており、前記リード端子が、前記外周面の前記接合材の広がっている部分に第2突起を有していることを特徴とする。 A heater according to one aspect 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 the surface of the ceramic body and connected to the heating resistor. A layer and a lead terminal joined to the electrode layer via a joining material, the lead terminal having an end face joined to the electrode layer and having a protrusion on a peripheral portion of the end face. , The tip of the protrusion is in contact with the electrode layer, and when the protrusion is the first protrusion, the bonding material is spread over a part of the end surface and the outer peripheral surface of the lead terminal, and the lead terminal, A second projection is provided on a portion of the outer peripheral surface where the bonding material is spread .
本発明の一態様のヒータによれば、リード端子の端面に接合材を濡れ広がりやすくすることができる。これにより、リード端子と電極層との間の接合強度を向上させることができる。 According to the heater of one aspect of the present invention, the bonding material can be easily wet and spread on the end surface of the lead terminal. Thereby, the bonding strength between the lead terminal and the electrode layer can be improved.
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の実施形態の一例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 vertical cross-sectional view showing an example of an embodiment of the
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。
Further, it is preferable to use alumina from the viewpoint of ease of production. 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 (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, the shape and size of the cross section of 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 size of the
ここで、図2、3に示すように、本実施形態においては、リード端子4が、電極層3に接合された端面を有するとともに、端面の周縁部に突起6を有している。なお、図2においては、リード端子4と電極層3との関係を明確にするために、接合材5を省略している。これにより、リード端子4の端面に接合材5を濡れ広がりやすくすることができる。そのため、リード端子4と電極層3との間の接合強度を向上させることができる。リード端子4の端面に接合材5が濡れ広がりやすくなる理由としては、以下の理由が考えられる。すなわち、リード端子4と電極層3とを接合する際に、リード端子4の側面に接触した接合材5が突起6を伝わってリード端子4の端面に濡れ広がる。このとき、突起6が設けられていることによって、リード端子4と電極層3との間隔が部分的に狭まっていることから、この近傍に位置する空気を、突起6を濡れ広がる接合材によって押し出すことができる。そして、突起6を伝わった接合材5がリード端子4の端面の全面に濡れ広がることによって、突起6が設けられていないところから空気を外部に押し出すことができる。その結果、リード端子4と電極層3との間に大きな気泡が残ってしまうことを低減できるので、リード端子4と電極層3との接合強度を向上できる。また、突起6が設けられていることによって、リード端子4と接合材5との接触面積を増やすことができるので、リード端子4と電極層3との接合強度を向上できる。突起6は、先端が尖がった形状であって、例えば、円錐形状である。突起6の寸法は、例えば、最も幅が大きい部分の幅を50μm〜500μm、高さを20〜300μmに設定できる。
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, the
さらに、リード端子4の端面が周縁部に複数の突起6を有していてもよい。この場合には、リード端子4のうち突起6を含む端面と接合材5との接触面積を増やすことができる。これにより、リード端子4と電極層3との接合強度を向上できる。
Furthermore, the end surface of the
さらに、突起6の先端が電極層3に接触していてもよい。突起6の先端が電極層3に接触していることで、リード端子4の位置決めをしやすくできる。これにより、リード端子4と電極層3との間隔を一定にできることから、接合材5の量を調整しやすくできる。これにより、接合材5が多すぎたり少なすぎたりしてしまう可能性を低減できるので、リード端子4と電極層3との接合強度を安定させることができる。
Furthermore, the tips of the
図4に示すように、突起6を第1突起6としたときに、接合材5がリード端子4の端面および外周面の一部に広がっており、リード端子4が外周面の接合材5の広がっている部分に第2突起7を有していてもよい。これにより、電極層3からリード端子4が垂直に立ち上がった部分(第1部分41)において、曲げ方向の外力が加わった際に、第2突起7が接合材5に引っかかる。これにより、リード端子4が接合材7から抜けてしまうおそれを低減できる。
As shown in FIG. 4, when the
第2突起7は、第2部分42の長さ方向に沿って突出していてもよい。リード端子4と電極層3との接合部分にかかる外力は、特に、第2部分42の長さ方向において大きな力が加わる傾向にある。そこで、第2突起7を第2部分42に沿って突出させておくことによって、第2部分42の長さ方向に大きな力が加わりリード端子4が接合材5から抜けそうになったときに、第2部分42を接合材5に引っかからせることができる。そのため、リード端子4が接合材5から抜けてしまうおそれをさらに低減できる。第2突起7の寸法は、例えば、最も幅が大きい部分の幅を50μm〜500μm、高さを10〜300μmに設定できる。
The
さらに、第2突起7が少なくとも2つ設けられているとともに、2つの第2突起7がリード端子4の外周面において、対向するように位置していてもよい。なお、ここでいう「対向する」とは、図3に示すような横断面で見たときに、第2突起7の少なくとも一部が対向していればよい。第2突起7が対向するように位置していることによって、リード端子4の幅が部分的にさらに大きくなるため、接合材5からリード端子4をさらに抜けにくくすることができる。
Further, at least two
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
6:突起(第1突起)
7:第2突起
10:ヒータ
1: ceramic body 2: heat generating resistor 21: extraction electrode 3: electrode layer 4: lead terminal 41: first portion 42: second portion 43: curved portion 5: bonding material 6: protrusion (first protrusion)
7: Second protrusion 10: Heater
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