KR102089994B1 - 히터 - Google Patents
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Abstract
히터는 봉형상 또는 통형상의 세라믹체와, 상기 세라믹체의 내부에 설치된 발열 저항체와, 상기 세라믹체의 표면에 설치되어서 상기 발열 저항체에 접속된 전극층과, 상기 전극층에 접합된 리드 단자를 구비하고 있고, 상기 리드 단자는 상기 전극층으로부터 기립되는 제 1 부분과, 상기 세라믹체의 외주로부터 외측에 있어서 상기 세라믹체의 길이 방향을 따라서 신장된 제 2 부분과, 상기 제 2 부분보다 외측을 경유해서 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 연결하는 제 3 부분을 구비하고 있다.
Description
본 발명은 액체 가열용 히터, 분체 가열용 히터, 기체 가열용 히터 및 산소 센서용 히터 등에 사용되는 히터에 관한 것이다.
액체 가열용 히터, 분체 가열용 히터, 기체 가열용 히터 및 산소 센서용 히터 등에 사용되는 히터로서, 예를 들면 일본특허공개 2011-60712호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 한다)에 개시된 히터가 알려져 있다. 특허문헌 1에 개시된 히터는 내부에 발열 저항체가 매설된 세라믹 기체와, 세라믹 기체의 표면에 설치된 전극 패드와, 전극 패드에 접합된 단자 부재를 구비하고 있다.
특허문헌 1에 개시된 히터 장치는 단자 부재가 세라믹 기체로부터 기립되도록 설치되어 있음으로써, 단자 부재의 기립 방향의 진동에 대해서는 강도를 향상시키기 쉽지만, 세라믹 기체의 길이방향에 따른 방향의 진동에 대해서는 강도를 향상시키는 것이 곤란했다.
히터는 봉형상 또는 통형상의 세라믹체와, 상기 세라믹체의 내부에 설치된 발열 저항체와, 상기 세라믹체의 표면에 설치되어서 상기 발열 저항체에 접속된 전극층과, 상기 전극층에 접합된 리드 단자를 구비하고 있고, 상기 리드 단자는 상기 전극층으로부터 기립되는 제 1 부분과, 상기 세라믹체의 외주로부터 외측에 있어서 상기 세라믹체의 길이방향에 따라 신장된 제 2 부분과, 상기 제 2 부분보다 외측을 경유해서 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 연결하는 제 3 부분을 구비하고 있다.
도 1은 히터를 나타내는 종 단면도이다.
도 2는 변형예의 히터를 나타내는 종 단면도이다.
도 3은 변형예의 히터를 나타내는 종 단면도이다.
도 4는 변형예의 히터 중 제 1 부분과 전극층의 접합부를 통과하는 단면으로 절단한 횡 단면도이다.
도 2는 변형예의 히터를 나타내는 종 단면도이다.
도 3은 변형예의 히터를 나타내는 종 단면도이다.
도 4는 변형예의 히터 중 제 1 부분과 전극층의 접합부를 통과하는 단면으로 절단한 횡 단면도이다.
이하, 히터(10)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 히터(10)를 나타내는 종 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 이 히터(10)은 봉형상 또는 통형상의 세라믹체(1)와, 세라믹체(1)의 내부에 설치된 발열 저항체(2)와, 세라믹체(1)의 표면에 설치된 전극층(3)과, 전극층(3)에 접합된 리드 단자(4)를 구비하고 있다.
세라믹체(1)는 발열 저항체(2)를 보호하기 위해서 설치되는 부재이다. 세라믹체(1)의 형상은 봉형상 또는 통형상이다. 봉형상으로서는, 예를 들면 원주형상 또는 각주형상 등의 기둥형상 등이 열거된다. 또한, 여기에서 말하는 기둥형상이란, 예를 들면 특정한 방향으로 길게 산장된 판형상도 포함하고 있다. 통형상으로서는, 예를 들면 원통형상 또는 각통형상이 열거된다. 도 1에 나타내는 히터(10)에 있어서는 세라믹체(1)는 원주형상이다.
세라믹체(1)는 절연성의 세라믹 재료로 이루어진다. 절연성의 세라믹 재료로서는, 예를 들면 알루미나, 질화 규소 또는 질화 알루미늄이 열거된다. 열전도율 이 우수하다는 관점으로부터는 질화 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 질화 알루미늄을 사용하는 경우에는, 세라믹체(1)의 열전도율을 150W/(m·K)로 높게 할 수 있으므로, 세라믹체(1)의 내부에 설치된 발열 저항체(2)로 발생한 열을 히터(10)의 표면에 효율적으로 전달할 수 있다. 따라서, 히터(10)의 급속 승온이 가능해진다.
또한, 제조의 용이성의 관점으로부터는 알루미나를 사용하는 것이 바람직하다. 세라믹체(1)가 원주형상인 경우에는, 세라믹체(1)의 치수는, 예를 들면 길이를 100mm로, 외경을 20mm로 설정할 수 있다. 또한, 세라믹체(1)가 판형상인 경우에는 세라믹체(1)의 치수는, 예를 들면 길이를 80mm로, 폭을 50mm로, 두께를 2mm로 설정할 수 있다. 세라믹체(1)가 원통형상인 경우에는 세라믹체(1)의 치수는 예를 들면 길이를 100mm로, 외경을 20mm로, 내경을 14mm로 설정할 수 있다.
발열 저항체(2)는 전류가 흐름으로써 발열하는 저항체이다. 발열 저항체(2)는 세라믹체(1)의 내부에 설치되어 있다. 즉, 발열 저항체(2)는 세라믹체(1)에 매설되어 있다. 본 예의 히터(10)에 있어서의 발열 저항체(2)는 반환 형상을 갖고 있다. 발열 저항체(2)의 양단부는 인출전극(21)에 접속되어 있다. 인출전극(21)은 세라믹체(1)의 일방의 단부로 인출되어 있고, 단부에 있어서 세라믹체(1)의 외주면으로 인출되어 있다.
본 예에 있어서는, 발열 저항체(2)의 반환부가 세라믹체(1)의 타방의 단부에 설치되어 있다. 즉, 인출전극(21)은 세라믹체(1) 중 발열 저항체(2)의 반환부와는 반대측의 영역에 설치되어 있다. 발열 저항체(2)의 양 단부는, 인출전극(21)을 통하여 세라믹체(1)의 외주면에 설치된 전극층(3)에 전기적으로 접속되어 있다.
발열 저항체(2)는 금속 재료로 이루어진다. 금속 재료로서는 예를 들면, 텅스텐, 몰리브덴 또는 레늄 등이 열거된다. 발열 저항체(2)의 치수는, 예를 들면 폭을 1mm로, 전체 길이를 3000mm로, 두께를 0.02mm로 설정할 수 있다. 인출전극(21)은 발열 저항체(2)와 동일한 금속 재료를 이용하여, 발열 저항체(2)과 동시에 형성할 수 있다. 또한, 인출전극(21)은 발열 저항체(2)와는 다른 재료를 이용하여 개별적으로 형성할 수도 있다.
전극층(3)은 세라믹체(1)의 표면에 설치되어 있다. 전극층(3)은 인출전극(21)을 통해서 발열 저항체(2)에 접속되어 있다. 전극층(3)은 금속재료로 이루어진다. 금속재료로서는, 예를 들면 텅스텐, 몰리브덴 또는 레늄 등이 열거된다. 전극층(3)의 치수는, 예를 들면 길이를 9mm로, 폭을 5mm로, 두께를 0.02mm로 설정할 수 있다. 또한, 본 예에 있어서는, 전극층(3)이 인출전극(21)을 통해서 발열 저항체(2)에 접속되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 구체적으로는, 히터(10)가 인출전극(21)을 갖고 있지 않고, 전극층(3)과 발열 저항체(2)가 직접 접속되어 있어도 된다.
리드 단자(4)는 발열 저항체(2)에 전력을 공급하기 위한 부재이다. 리드 단자(4)는 외부의 전원(도시하지 않음)에 접속되어서 사용된다. 리드 단자(4)로서는 니켈 또는 구리의 금속으로 이루어지는 선재 또는 판재를 사용할 수 있다. 리드 단자(4)는 전극층(3)의 표면상에 접합재(5)를 사용해서 부착할 수 있다. 접합재(5)로서는, 예를 들면 경납재를 사용할 수 있다.
리드 단자(4)는 전극층(3)으로부터 기립되는 제 1 부분(41)과, 세라믹체(1)의 외주로부터 외측에 있어서 길이방향을 따라 연장된 제 2 부분(42)과, 제 2 부분(42)보다도 외측을 경유해서 제 1 부분(41)과 제 2 부분(42)을 연결하는 제 3 부분(43)을 구비하고 있다. 이것에 의해 세라믹체(1)의 길이방향에 따른 방향으로 진동이 발생했을 때에, 제 3 부분(43)이 휘어짐으로써, 이 진동에 의한 응력을 저감할 수 있다. 이 때문에, 제 1 부분(41)과 전극층(3)의 접합부에 생기는 응력을 저감할 수 있다. 그 결과, 세라믹체(1)의 길이방향에 따른 방향의 진동에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
제 1 부분(41)의 기립 방향으로서는, 전극층(3)의 표면으로부터 수직한 방향 및 수직한 방향으로부터 보아서 20°이하로 경사진 방향이 열거된다. 여기서 말하는, 「경사진 방향」이란, 제 1 부분(41)이 발열 저항체(2)에 가까워지도록 기립되는 방향, 제 1 부분(41)이 발열 저항체(2)로부터 멀어지도록 기립되는 방향, 세라믹체(1)의 둘레방향으로 경사하는 방향 및 이들이 합쳐진 방향을 포함한다. 특히, 제 1 부분(41)이 전극층(3)의 표면에 대하여 수직한 방향으로 기립되는 경우에는 접합재(5)를 제 1 부분(41)의 주위에 균등하게 젖어 퍼지기 쉽게 할 수 있다. 그 때문에 적은 접합재(5)로 리드 단자(4)를 강고하게 유지할 수 있다.
본 예에 있어서는 리드 단자(4)가 봉형상이고, 리드 단자(4)의 단면(斷面)(제 1 부분(41), 제 2 부분(42) 및 제 3 부분(43)의 단면)이 원형상이다. 특히, 제 3 부분(43)의 단면이 원형상임으로써, 제 3 부분(43)이 휘었을 때에, 제 3 부분(43)이 손상될 우려를 저감할 수 있다. 리드 단자(4)의 단면의 그 밖의 형상으로서는 예를 들면, 직사각형상, C자 형상, U자 형상 또는 중공형상 등이 열거된다. 특히, 제 3 부분(43)이 C자 형상 또는 U자 형상인 경우에는, 세라믹체(1)와는 반대측으로 개구하고 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 제 3 부분(43)을 휘기 쉽게 할 수 있다. 또한, 리드 단자(4)는 예를 들면, 판형상이어도 된다. 예를 들면, 리드 단자(4) 중 제 1 부분(41), 제 2 부분(42) 및 제 3 부분(42)은 판형상의 부재를 절곡함으로써 형성되어 있어도 된다. 리드 단자(4)가 판형상임으로써, 리드 단자(4)의 강도를 향상할 수 있다.
또한, 본 예에 있어서는 제 3 부분(43)의 일부가 전극층(3)로부터 기립되는 제 1 부분(41)과 매끄럽게 연속하고 있다. 이것에 의해 제 1 부분(41)과 제 3 부분(43) 사이에 단차 또는 굴곡부가 있는 경우와 비교해서 진동이 발생했을 때에 응력이 집중하는 개소를 제 1 부분(41)과 전극층(3)의 접합 부분으로부터 멀리할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 「매끄러움」이란 제 1 부분(41)과 제 3 부분(43)의 사이에 단차 또는 굴곡부가 없는 것을 의미하고 있다.
또한, 본 예에 있어서는 제 1 부분(41)으로부터 제 3 부분(43)이 연속해서설치됨과 아울러, 제 3 부분(43)의 앞에 제 2 부분(42)이 위치하고 있음으로써, 제 3 부분(43)에 의해 진동에 의한 응력을 흡수하면서도, 제 2 부분(42)을 세라믹체의 외주면에 가깝게 할 수 있다. 2개의 제 2 부분(42)의 간격이 넓어져 버리면, 히터(10)가 대형화될 우려가 있지만, 2개의 제 2 부분(42)을 세라믹체의 외주면에 가깝게 할 수 있는 본 예의 구성을 채용함으로써 히터(10)를 소형화할 수 있다.
또한, 본 예에 있어서는 리드 단자(4) 중 제 1 부분(41), 제 2 부분(42) 및 제 3 부분(43)의 단면의 형상 및 크기가 동일하지만, 이것에 한정되지 않는다. 구체적으로는, 각각의 부위에서 형상 및 크기가 달라지고 있어도 된다. 특히, 제 3 부분(43)은 제 1 부분(41) 및 제 2 부분(42)보다 가는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 리드 단자(4)의 강도를 확보하면서, 제 3 부분(43)을 휘기 쉽게 할 수 있다.
리드 단자(4)의 치수는 예를 들면, 이하와 같이 설정할 수 있다. 도 1에 나타내는 바와 같은 히터(10)의 경우에는, 제 1 부분(41)의 길이를 2.3mm로 설정할 수 있다. 제 2 부분(42)의 길이는 제 1 부분(41)의 기립되는 방향의 길이를 1.5mm로, 세라믹체(1)의 길이방향에 따른 방향의 길이를 2.5mm로 설정할 수 있다. 또한, 제 3 부분(43)의 길이를 6.5mm로 설정할 수 있다. 또한, 제 1 부분(41), 제 2 부분(42) 및 제 3 부분(43)의 각각의 단면은 직경이 0.8mmφ의 원형형상으로 설정할 수 있다.
또한, 리드 단자(4)와 전극층(3)의 접합을 접합재(5)에 의해 행하는 경우에는, 접합재(5)는 리드 단자(4) 중 제 1 부분(41)에만 젖어 퍼지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제 3 부분(43)에는 접합재(5)가 젖어서 퍼지지 않는 것이 바람직하다. 이것에 의해 제 1 부분(41)과 전극층(3)의 접합을 행하면서, 제 3 부분(43)에 발생하는 휘어짐의 기능을 저해하는 것을 저감할 수 있다.
또한, 본 예의 히터(10)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 제 3 부분(43)이 굴곡 형상을 갖고 있다. 이것에 의해 굴곡하고 있는 부분을 기점으로서 집중적으로 휘게 할 수 있으므로, 큰 진동을 흡수할 수 있다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같이 제 3 부분(43)이 만곡 형상을 갖고 있어도 된다. 제 3 부분(43)이 만곡 형상임으로써, 제 3 부분(43)이 휘었을 때에, 특정한 부위에 응력이 집중하는 것을 저감할 수 있다. 그 때문에 히터(10)의 장기 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이 전극층(3) 및 리드 단자(4)를 각각 2개 이상 구비하고 있음과 아울러, 2개의 전극층(3)과 2개의 리드 단자(4)의 각각의 접합부의 위치가 세라믹체(1)의 길이방향으로 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해 전극층(3) 및 리드 단자(4)의 접합부의 내구성을 향상할 수 있다. 구체적으로는, 2개의 리드 단자(4)의 접합부가 일직선 상에 설치되어 있는 경우에는, 리드 단자(4)의 제 1 부분(41)을 축으로서 세라믹체(1)가 회전하는 바와 같은 진동에 대하여, 접합부의 강도를 향상시키는 것이 곤란했다. 이에 대하여 2개의 리드 단자(4)의 접합부의 위치를 어긋나게 하여 배치해 둠으로써, 리드 단자(4)의 제 1 부분(41)을 축으로서 세라믹체(1)가 회전하는 바와 같은 진동에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
또, 여기서 말하는 「접합부의 위치를 어긋나게 하여 배치해 둔다」란, 예를 들면 리드 단자(4) 중 전극층(3)과 접합되는 제 1 부분(41)의 단면(端面)을 보았을 때에, 제 1 부분(41)의 단면의 중심끼리가 어긋나 있는 것을 의미하고 있다. 즉, 접합부끼리의 위치가 완전하게 어긋나 있을 필요는 없고, 세라믹체(1)의 길이방향에서 보았을 때에 접합부끼리의 일부가 겹쳐 있어도 된다. 접합부의 위치는, 예를 들면 0.2∼1.2mm 어긋나게 하여 둘 수 있다.
또한, 2개의 제 1 부분(41)끼리가 세라믹체(1)의 길이방향에서 보았을 때에 부분적으로 겹치지 않고 완전히 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해 리드 단자(4)의 제 1 부분을 축으로서 세라믹체(1)가 회전하는 바와 같은 진동에 대한 강도를 더욱 향상할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전극층(3) 및 리드 단자(4)를 각각 2개 이상 구비하고 있음과 아울러, 2개의 전극층(3)과 리드 단자(4)의 각각의 접합부의 위치가 세라믹체(1)를 사이에 두고 대향하는 위치로부터 둘레방향으로 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해 리드 단자(4)의 제 1 부분(41)을 축으로서 세라믹체(1)가 회전하는 바와 같은 진동에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 여기서 말하는 「둘레방향으로 어긋나 있다」란 예를 들면, 리드 단자(4) 중 전극층(3)과 접합되어 있는 제 1 부분(41)의 단면을 보았을 때에, 제 1 부분(41)의 단면의 중심끼리의 위치가 둘레방향으로 어긋나 있다고 하는 것을 의미하고 있다. 즉, 접합부끼리가 완전하게 어긋나 있을 필요는 없고, 접합부끼리의 일부가 세라믹체(1)를 사이에 두고 대향하고 있어도 된다. 접합부끼리는, 예를 들면 1°∼15°어긋나게 하여 둘 수 있다.
또한, 2개의 제 1 부분(41)끼리의 단면이 세라믹체(1)의 둘레방향에서 보았을 때에 대향하는 부분을 갖는 경우없이 완전하게 어긋나 있어도 된다. 이것에 의해 리드 단자(4)의 제 1 부분(41)을 축으로서 세라믹체(1)가 회전하는 바와 같은 진동에 대한 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
1: 세라믹체 2: 발열 저항체
21: 인출전극 3: 전극층
4: 리드 단자 41: 제 1 부분
42: 제 2 부분 43: 제 3 부분
5: 접합재 10: 히터
21: 인출전극 3: 전극층
4: 리드 단자 41: 제 1 부분
42: 제 2 부분 43: 제 3 부분
5: 접합재 10: 히터
Claims (6)
- 봉형상 또는 통형상의 세라믹체와, 상기 세라믹체의 내부에 설치된 발열 저항체와, 상기 세라믹체의 표면에 설치되어 상기 발열 저항체에 접속된 전극층과, 상기 전극층에 접합된 리드 단자를 구비하고 있고,
상기 리드 단자는 상기 전극층으로부터 기립되는 제 1 부분과, 상기 세라믹체의 외주로부터 외측에 있어서 상기 세라믹체의 길이 방향을 따라서 신장된 제 2 부분과, 상기 제 2 부분보다 외측을 경유해서 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 연결하는 제 3 부분을 구비하고,
상기 리드 단자와 상기 전극층의 접합이 접합재에 의해 행하지고 있음과 아울러 상기 접합재는 상기 리드 단자 중 상기 제 1 부분에만 젖어 퍼져 있는 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 부분이 굴곡 형상인 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 부분이 만곡 형상인 히터. - 삭제
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극층 및 상기 리드 단자를 각각 2개 이상 구비하고 있음과 아울러, 2개의 상기 전극층과 2개의 상기 리드 단자의 각각의 접합부의 위치가 상기 세라믹체의 길이 방향으로 어긋나 있는 히터. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극층 및 상기 리드 단자를 각각 2개 이상 구비하고 있음과 아울러, 2개의 상기 전극층과 2개의 상기 리드 단자의 각각의 접합부의 위치가 상기 세라믹체를 사이에 두고 대향하는 위치로부터 둘레 방향으로 어긋나 있는 히터.
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