JP6838957B2 - ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、基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。

液体加熱用ヒータ、粉体加熱用ヒータ、基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に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、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。

特開２０１１−６０７１２号公報

特許文献１に開示されたセラミックヒータにおいては、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。このような構成のセラミックヒータにおいては、端子部材と電極パッドとの接合部が、セラミックヒータの外部の装置等に接触してしまうおそれがあった。これにより、端子部材と電極パッドとの接合部が破損する可能性があった。その結果、セラミックヒータの長期信頼性を高めることが困難であった。

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、端子部材と電極パッドとの接合部が外部装置等に接触する可能性を低減し、ヒータの長期信頼性を高めることにある。

本発明の一態様のヒータは、棒状または筒状であって外周面の後端側に凹部が設けられたセラミック体と、該セラミック体の内部の先端側に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に設けられるとともに、前記発熱抵抗体に電気的に接続され、前記凹部の底面に露出する露出部および前記セラミック体の内部に位置する埋設部を有する給電部と、前記露出部に電気的に接続されたリード端子とを備えており、該リード端子が、前記凹部の内部から前記凹部の外部に立ち上がる部分と、前記凹部の外部において前記セラミック体の後端側に向かって伸びる部分とを有しており、前記露出部と前記リード端子とが前記凹部の内部で接合されており、前記露出部は、前記埋設部に連続する第１部分と、該第１部分よりも幅広であって前記リード端子に接合されている第２部分とを有し、前記第１部分は、縁の一部が前記凹部の隅部から離れていることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、露出部とリード端子とが凹部の内部で接合されている。これにより、露出部とリード端子との接合部が外部装置等に接触してしまう可能性を低減することができる。そのため、露出部とリード端子との接合部が破損する可能性を低減することができる。その結果、ヒータの長期信頼性を高めることができる。

本発明のヒータの一実施形態を示す縦断面図である。 図１におけるヒータの後端側をリード端子が立ち上がる方向から見た図である。 図１におけるヒータの凹部近傍を示す拡大断面図である。 変形例のヒータの凹部近傍を示す拡大断面図である。 変形例のヒータの凹部近傍を示す拡大断面図である。 変形例のヒータの後端側をリード端子が立ち上がる方向から見た図である。 変形例のヒータの凹部近傍を示す拡大断面図である。 変形例のヒータの後端側をリード端子が立ち上がる方向から見た図である。 変形例のヒータの後端側をリード端子が立ち上がる方向から見た図である。 本発明のヒータの一実施形態を示す横断面図である。

本発明の一実施形態のヒータ１０について詳細に説明する。

図１は、本発明のヒータ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の内部の先端側に設けられた発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に電気的に接続された給電部３と、セラミック体１の後端側に設けられており、給電部３に電気的に接続されたリード端子４とを備えている。なお、ここでいうセラミック体１の先端側とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けたときの一方を意味している。また、ここでいうセラミック体１の後端側とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けたときの他方を意味している。

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。また、セラミック体１は外周面の後端側に凹部１１を有している。セラミック体１は、凹部１１を２つ以上有していてもよいし、１つだけ有していても良い。

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料からなる。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できる。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。

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できる。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。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。

また、前述の通り、セラミック体１は外周面の後端側に凹部１１を有している。凹部１１の形状は、ヒータ１０の縦断面で見たときに、例えば幅３ｍｍ、深さ０．５ｍｍに設定することができる。凹部１１は、開口部の形状および底面の形状を、例えば四角形または円形に設けることができる。本実施形態のヒータ１０において、開口部の形状および底面の形状を、一辺の長さが２ｍｍ〜４ｍｍの四角形状に設けている。

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の内
部に埋設されている。また、発熱抵抗体２はセラミック体１の先端側に設けられている。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。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を１ｍｍに、全長を１５００ｍｍに、厚みを０．０１５ｍｍに設定することができる。

給電部３は、発熱抵抗体２とリード端子４とを電気的に接続させるための部材である。給電部３は、セラミック体１の内部に埋設される埋設部３１と、凹部１１の底面に露出する露出部３２とを有している。給電部３は、埋設部３１において発熱抵抗体２と電気的に接続されている。これにより、発熱抵抗体２と埋設部３１との接続部分を保護することができる。また、給電部３は、露出部３２においてリード端子４と電気的に接続されている。これにより、リード端子４と給電部３とを容易に接続することができる。給電部３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、給電部３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。

埋設部３１の形状は、例えば帯状である。埋設部３１の寸法は、例えば幅を１．５ｍｍに、長さを３０ｍｍに、厚みを０．０１５ｍｍに設定することができる。

露出部３２は、凹部１１の底面に設けられる。露出部３２は、図２に示すように、第１部分３２１と第２部分３２２とに分けることができる。第１部分３２１は、埋設部３１から連続して設けられている。第１部分３２１の形状は、例えば帯状である。第１部分３２１の寸法は、幅を埋設部３１と同程度に設定することができる。第２部分３２２は、第１部分３２１から連続して繋がっており、リード端子４に電気的に接続されている。第２部分３２２の形状は、例えば四角形状または円形状である。第２部分３２２は、第１部分３２１よりも幅広に設定されていてもよい。第２部分３２２が第１部分３２１よりも幅広に設定されることにより、第２部分３２２とリード端子４との接続を容易にすることができる。

なお、図２は断面図ではないが、理解を助けることを目的として、露出部にハッチングを施している。図６、図８、および図９も同様に断面図ではないが、理解を助けることを目的として、露出部にハッチングを施している。

本実施形態のヒータ１０において、第１部分３２１の寸法は、例えば幅を１．５ｍｍに、長さを２ｍｍに、厚みを０．０１５ｍｍにできる。また、第２部分３２２の寸法は、例えば第２部分３２２が四角形状のときは、幅を３ｍｍに、長さを３ｍｍに、厚みを０．０１５ｍｍに設定することができる。

リード端子４は、給電部３を介して発熱抵抗体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は、凹部１１の内部から凹部１１の外部に立ち上がる部分と、凹部１１の外部においてセラミック体１の後端側に向かって伸びる部分とを有している。リード端子４は、立ち上がる部分と後端側に伸びる部分とが直接繋がっていてもよいし、立ち上がる部分と後端側に伸びる部分とをつなぐ部分を更に有していてもよい。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、給電部３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。ろう材としては、例えば銀ろう等が用いられる。

本実施形態のヒータ１０においては、図３に示すように、露出部３２とリード端子４とが凹部１１の内部で接合されている。ここで、露出部３２とリード端子４との接合部が凹
部１１の内部に存在することにより、露出部３２とリード端子４との接合部がセラミック体１に囲まれるような構造になる。このとき、露出部３２とリード端子４との接合部に対してセラミック体１が外部装置等との接触を防ぐ壁として働くため、露出部３２とリード端子４との接合部が外部装置等と接触してしまうおそれを低減できる。これにより、露出部３２とリード端子４との接合部が破損する可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。

また、本実施形態のヒータ１０においては、ヒータ１０の縦断面を見たときに、開口部から底面までの領域において幅が一定であるが、これに限定されるものではない。図４に示すように、ヒータ１０の縦断面で見たときの凹部１１の幅が、開口部から底面に近づくにつれて広がるような形状でもよい。具体的には、ヒータ１０の縦断面で凹部１１を見たとき、開口部の幅を３ｍｍに、底面の幅を５ｍｍに設定できる。この場合、セラミック体１の開口部の幅を狭くすることができるため、凹部１１の内部に異物が入り込む可能性をより低減することができる。これにより、露出部３２とリード端子４との接合部が破損する可能性を低減することができる。また、底面の幅を広くできるため、接合材５の量を増やすことができる。その結果、露出部３２とリード端子４との接合部の信頼性を向上することができる。また、ヒータ１０の縦断面で見たときの凹部１１の幅が、底面から開口部に近づくにつれて広がるような形状でもよい。これにより、開口部の幅を広くすることができるため、露出部３２とリード端子４とを容易に接合することができる。

また、本実施形態のヒータ１０においては、セラミック体１の凹部１１の壁面とリード端子４とが離れている。ここで、凹部１１の壁面とは、ヒータ１０の縦断面を見たときに、凹部１１の底面からセラミック体１の外部に向かって立ち上がる面を指す。これにより、ヒートサイクル下においてセラミック体１の凹部１１の壁面とリード端子４との間に熱応力が発生して、セラミック体１にクラックが生じる可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。セラミック体１の凹部１１の壁面とリード端子４との間隔は、それぞれが熱膨張したときに接しない程度に離れていればよい。具体的にはセラミック体１にアルミナを、リード端子４にニッケルを用いるときは、セラミック体１の凹部１１の壁面とリード端子４とが１ｍｍ離れていればよい。

また、本実施形態のヒータ１０においては、露出部３２とリード端子４とが接合材５によって接合されており、接合材５と凹部１１の壁面とが離れている。これにより、ヒートサイクル下において接合材５が熱膨張したときに、凹部１１の壁面に応力が集中することを抑制することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。

また、図５に示すように、凹部１１の底面の隅部に絶縁性部材６が設けられていてもよい。ここで、凹部１１の底面の隅部とは、凹部１１の底面と凹部１１の壁面とが繋がる角部に沿った部分および、露出部３２と凹部１１の壁面とが接する角部に沿った部分を指す。このとき、絶縁性部材６が接合材５に対して壁の役割を果たすため、接合材５が凹部１１の壁面に接する可能性を低減することができる。これにより、ヒートサイクル下において接合材５が熱膨張したときに、凹部１１の底面の隅部に応力が集中することを抑制することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。

絶縁性部材６の形状としては、例えばヒータ１０の縦断面で絶縁性部材６を見たときに、円形状または四角形状のものが挙げられる。図５に示すように、ヒータ１０の縦断面で絶縁性部材６を見たときに四角形状になるように絶縁性部材６を設ける場合は、絶縁性部材６と凹部１１の底面とが面で接触するので、接合材５が凹部１１の壁面に接する可能性をより低減することができる。また、リードが立ち上がる方向から絶縁性部材６を見たときに、絶縁性部材６が接合材５を囲むように隅部の全体に設けられていてもよい。絶縁性部材６の材質としては、例えばアルミナまたは樹脂が挙げられる。絶縁性部材６の寸法としては、ヒータ１０の縦断面で絶縁性部材６を見たときの形状が四角形状の場合は、例えば幅を１ｍｍ、厚みを０．３ｍｍに設定できる。

また、絶縁性部材６は、凹部１１の底面の隅部に部分的に設けられていてもよい。このような形態においても、絶縁性部材６が接合材５に対して壁の役割を果たすため、接合材５が凹部１１の壁面に接する可能性を低減できる。また、絶縁性部材６は、凹部１１の底面と壁面とに接するように設けられていてもよい。これにより、絶縁性部材６を設けた部分において、ヒートサイクル下において、接合材５が隅部に接触して、熱応力が生じることを低減できる。

また、図６に示すように、凹部１１の底面が多角形状であり、露出部３２が凹部１１の底面の少なくとも１つの辺から離れていてもよい。図６に示す実施形態においては、凹部１１の底面が四角形状であり、露出部３２が凹部１１の底面の３つの辺から離れている。これにより、ヒートサイクル下において露出部３２と凹部１１の底面の隅部との間に熱応力が集中する可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。

また、凹部１１の底面が多角形状であり、露出部３２が凹部１１の底面の少なくとも１つの辺から離れていることにより、たとえ、露出部３２の上に設けられた接合材５が流れ出たとしても、接合材５が凹部１１の壁面まで到達する可能性を低減することができる。これにより、ヒートサイクル下において、接合材５と凹部１１の底面の隅部との間に熱応力が集中する可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性をより高めることができる。

また、本実施形態においては、露出部３２が凹部１１の底面の１辺とのみ接しているが、これに限定されるものではない。例えば、露出部３２が凹部１１の底面の全部の辺から離れていてもよい。露出部３２が凹部１１の底面の全部の辺から離れるようにするには、例えば図７に示すように、セラミック体１がスルーホールを有しており、埋設部３１がスルーホールを通って露出部３２まで引き出されていればよい。これにより、ヒートサイクル下において露出部３２と凹部１１の底面の隅部との間に熱応力が集中する可能性をより低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性をより高めることができる。

また、図８に示すように、凹部１１の底面が円形状であってもよい。これにより、凹部１１の底面に角がなくなるので、ヒートサイクル下において凹部１１の底面の角に熱応力が集中する可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を高めることができる。ここで、円形状とは正円に限るものではなく、楕円状または長円状などの少し歪んだ形状の円であってもよい。

また、図８に示すヒータ１０は、露出部３２が凹部１１の底面の隅部の全域と接しているが、露出部３２が凹部１１の底面の隅部と部分的に接していてもよい。例えば、図９に示すように、露出部３２が第１部分３２１と第２部分３２２とを有し、第１部分３２１のみが凹部１１の底面の隅部と接していてもよい。これにより、ヒートサイクル下において露出部３２と凹部１１の底面の隅部との間に熱応力が集中する可能性をより低減することができる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性をより高めることができる。

また、図１０に示すように、セラミック体１が円筒状または円柱状であり、凹部１１、露出部３２およびリード端子４を２つ以上備えており、セラミック体１の軸方向で見たときに、凹部１１がセラミック体１を中心として対称の位置に存在していてもよい。これにより、ヒートサイクル下において熱応力がセラミック体１に均等に加わるために、ヒータ１０の一部分に熱応力が集中する可能性を低減することができる。その結果、ヒータ１０
の長期信頼性をより高めることができる。なお、ここで言う対称の位置とは、厳密な意味で対称の位置でなくてもよい。具体的には、凹部１１を横断面で見たときに、一方の凹部１１の底面の一ヶ所とセラミック体１の中心とを結ぶ直線上に他方の凹部１１の底面が位置していれば、凹部１１がセラミック体１を中心として対称の位置に存在するとみなすことができる。

１：セラミック体
１１：凹部
２：発熱抵抗体
３：給電部
３１：埋設部
３２：露出部
３２１：第１部分
３２２：第２部分
４：リード端子
５：接合材
６：絶縁性部材
１０：ヒータ

Claims (7)

1. 棒状または筒状であって外周面の後端側に凹部が設けられたセラミック体と、該セラミック体の内部の先端側に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に設けられるとともに、前記発熱抵抗体に電気的に接続され、前記凹部の底面に露出する露出部および前記セラミック体の内部に位置する埋設部を有する給電部と、前記露出部に電気的に接続されたリード端子とを備えており、
   該リード端子が、前記凹部の内部から前記凹部の外部に立ち上がる部分と、前記凹部の外部において前記セラミック体の後端側に向かって伸びる部分とを有しており、
   前記露出部と前記リード端子とが前記凹部の内部で接合されており、
   前記露出部は、前記埋設部に連続する第１部分と、該第１部分よりも幅広であって前記リード端子に接合されている第２部分とを有し、
   前記第１部分は、縁の一部が前記凹部の隅部から離れていることを特徴とするヒータ。
2. 前記凹部の壁面と前記リード端子とが離れていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記露出部と前記リード端子とが接合材によって接合されており、
   前記接合材と前記凹部の壁面とが離れていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記凹部の底面の隅部に絶縁性部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
5. 前記凹部の底面が多角形状であり、
   前記露出部が前記凹部の底面の少なくとも１つの辺から離れていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
6. 前記凹部の底面が円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
7. 前記セラミック体が円筒状または円柱状であり、
   前記凹部、前記露出部および前記リード端子を２つ以上備えており、
   前記セラミック体の軸方向で見たときに、前記凹部が前記セラミック体を中心として対称の位置に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。

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