JP2017126523A

JP2017126523A - ヒータ

Info

Publication number: JP2017126523A
Application number: JP2016006235A
Authority: JP
Inventors: 竜一長迫; Ryuichi Nagaseko
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: JP6643093B2

Abstract

【課題】電極とリード端子との接合強度を高め、信頼性を向上させる。
【解決手段】本発明のヒータ１０は、セラミック体１と、該セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、前記セラミック体１の表面に設けられて前記発熱抵抗体２に接続された電極３と、該電極３に接合材５にて接合されたリード端子４とを備えており、該リード端子４は、前記電極３から立ち上がる第１部分４１と、前記セラミック体１の長さ方向に沿って延びた第２部分４２とを備え、前記第１部分４１は、外周面の少なくとも一部が前記接合材５に覆われているとともに、前記外周面のうち前記接合材５に覆われている領域に前記長さ方向に凹む凹部４３を有している。
【選択図】図２

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。

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。

特開２０１１−６０７１２号公報

特許文献１に開示されたヒータ装置は、端子部材の一端部は電極から立ち上がるように設けられ、他端部はセラミック体の長さ方向に沿って延びて設けられている。端子部材の一端部がろう材によって電極パッドに接合され、端子部材の他端部はヒータ装置本体に固定されている。このような構成のヒータ装置においては、セラミック体の長さ方向に垂直な方向の振動は端子部材の他端部の変形で吸収されやすいのに対して、セラミック体の長さ方向に平行な方向の振動は一端部に伝わりやすいものである。そのため、長期の使用によって振動による応力が繰り返し加わることで、端子部材とろう材との間、特に端子部材の外表面におけるセラミック体の長さ方向を向いた部位においてろう材の剥がれが発生するおそれがあった。剥がれが生じると断線してしまうおそれがあり、信頼性の低いものとなる可能性があった。

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と、該電極に接合材に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、前記電極から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って延びた第２部分とを備え、前記第１部分は、外周面の少なくとも一部が前記接合材に覆われているとともに、前記外周面のうち前記接合材に覆われている領域に前記長さ方向に凹む凹部を有している。

本発明の一態様のヒータによれば、リード端子と接合材との接合強度を高め、信頼性を高めることができる。

ヒータの一実施形態を示す斜視図である。図１に示すヒータのＡ−Ａ線での断面を示す断面図である。図２におけるリード端子の接合部近傍（Ｃ部）を拡大して示す拡大断面図である。変形例におけるリード端子の接合部近傍を示す拡大断面図である。図１に示すヒータをＢ方向から見た側面図である。変形例におけるリード端子の接合部近傍を示す拡大断面図である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ変形例におけるリード端子の接合部近傍を示す拡大断面図である。変形例におけるリード端子の接合部近傍を示す拡大断面図である。変形例におけるリード端子の接合部近傍を示す拡大断面図である。ヒータの変形例を示す断面図である。

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斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線での断面を示す縦断面図であり、図３は図２におけるリード端子の接合部近傍（Ｃ部）を拡大して示す拡大断面図である。図１〜図３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３と、電極３に接合されたリード端子４とを備えている。

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延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。

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。

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。

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の両端部は一対の引出電極２１のそれぞれに接続されている。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。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３に電気的に接続されている。

図２に示す例では、発熱抵抗体２の折り返し部は１つでＵ字形状であるが、複数の折り返し部を有する、いわゆるミアンダ形状であってもよい。また、図２に示す例では、発熱
抵抗体２は、１つの断面内、すなわちセラミック体１の内部の１つの仮想平面上に設けられている。発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部におけるセラミック体１の外周面に沿った仮想曲面上に設けられていてもよい。これにより、セラミック体１の外周面における均熱性が向上する。

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３００ｍｍ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。

電極３はセラミック体１の表面に設けられている。電極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３の寸法は、例えばセラミック体１の長さ方向に沿った長さを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３と発熱抵抗体２とが直接接続されていてもよい。

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）に電気的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。本実施形態においては、リード端子４の断面（第１部分４１および第２部分４２の断面）が円形状である。リード端子４の断面のその他の形状としては、例えば、楕円形状、三角形状や矩形状のような多角形状、またはこれらの形状で中空状のものが挙げられる。

リード端子４は、電極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。ろう材としては、例えば、Ａｕろう、ＡｕＣｕろう、ＡｇＣｕろう、Ａｇろう等が挙げられる。

リード端子４は、電極３から立ち上がる第１部分４１と、セラミック体１の外周面より外側において第１部分４１から長さ方向に沿って延びた第２部分４２とを備えている。リード端子４の寸法は、例えば、以下のように設定できる。第１部分４１の長さを２．３ｍｍに設定できる。第２部分４２の長さは、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の長さを３．５ｍｍに設定できる。また、第１部分４１、第２部分４２のそれぞれの断面が円形状の場合であれば、直径は０．８ｍｍに設定できる。

リード端子４の第１部分４１は、外周面の少なくとも一部が接合材５に覆われている。すなわち、リード端子４の第１部分４１と電極３とが接合材５によって接合されている。そして、第１部分４１は、その外周面のうち接合材５に覆われている領域にセラミック体１の長さ方向に凹む凹部４３を有している。すなわち、第１部分４１は、その外周面の接合材５に覆われている領域のうち、セラミック体１の長さ方向を向いている部位に凹部４３を有している。

セラミック体１の長さ方向に平行な方向の振動はリード端子４の第１部分４１に伝わりやすいものである。セラミック体１の長さ方向に平行な方向の振動によって、リード端子４の第１部分４１には、セラミック体１の長さ方向に平行な方向への繰り返し曲げ応力が加わり、リード端子４の第１部分４１の外表面におけるセラミック体１の長さ方向を向いている部位には引っ張り応力が繰り返し加わる。そのため、振動による応力がリード端子４と接合材５との間、特にリード端子４の第１部分４１の外表面におけるセラミック体１
の長さ方向を向いた部位と接合材５との間に加わりやすく、長期の使用によって応力が繰り返し加わることで、リード端子４と接合材５との間に剥がれが発生するおそれがあった。この剥がれは、リード端子４と接合材５との界面のうち、最も外側の端部、すなわちセラミック体１の外周面から最も離れたところで発生しやすく、ここからリード端子４と接合材５との界面に沿ってセラミック体１側へと進展する。この剥がれの先端が電極３に達すると、電極３の表面に沿って進展して電極３と接合材５との間でも剥がれが発生する場合がある。あるいは、剥がれの先端を起点として電極３にクラックが発生して、電極３がセラミック体１から剥がれたり、セラミック体１にクラックが発生してしまったりする可能性がある。そして、リード端子４と発熱抵抗体２との間で断線してしまう場合がある。特に、高温多湿の雰囲気中で使用した場合には、リード端子４と接合材５との界面のうち、雰囲気に接する、最も外側の端部において、ガルバニック腐食が発生しやすくなる。この腐食箇所が剥がれの起点となり、大きな応力が加わる、リード端子４の第１部分４１のセラミック体の長さ方向を向いた部位と接合材５との界面に沿って剥がれが進展しやすくなる。

本実施形態のヒータ１０においては、第１部分４１の外周面の接合材５に覆われている領域のうち、セラミック体１の長さ方向を向いている部位に凹部４３を有している。そのため、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の振動によって接合材５の端部に剥がれが発生したとしても、剥がれのセラミック体２側への進展を凹部４３で抑えることができ、また、剥がれの進展経路である、リード端子４と接合材５との界面の長さが長くなるので、剥がれの進展を抑えることができる。また、凹部４３に接合材５の一部が入り込むことによるアンカー効果で、リード端子４と接合材５との接合強度が大きくなることで剥がれの進展を抑えることができる。よって、ヒータ１０の信頼性が向上する。

凹部４３は、図４に示す例のように、第１部分４１の外周面のうち発熱抵抗体２側に位置しているとよい。リード端子４と接合材５との接合部のうち発熱体２に近い側は温度が高くなるので、よりガルバニック腐食が発生しやすくなる。すなわち、第１部分４１の外表面におけるセラミック体１の長さ方向を向いた部位のうち、より剥がれが発生する可能性の高い、発熱体２側に凹部４３を設けることで、剥がれの進展を抑えることができる。

凹部４３は、図５に示す例のように、開口部の形状が長さ方向を有する形状であり、開口部の長さ方向が第１部分４３の軸方向に沿っているとよい。開口部の長さ方向が第１部分４３の軸方向に沿っている、すなわち開口部は剥がれの進展方向に沿って長い形状である。そのため、剥がれの進展経路がさらに長くなるので、剥がれの進展をより抑えやすくなる。またリード端子４に引っ張り応力がかかった時に、凹部４３の開口部の形状がリード端子４の第１部分４１の軸方向に沿っていることで、リード端子４に入り込む接合材５にかかる応力をリード端子４の長手方向に分散できるので、リード端子４の接合強度が大きくなる。幅も含めて開口部の大きさを単に大きくすると、リード端子４の強度が低下してしまう。リード端子４の強度低下を抑えつつ上記のような効果を得るには、上記のように、開口部の形状が長さ方向を有する形状であり、開口部の長さ方向が第１部分４３の軸方向に沿っているのがよい。

また、図６に示す例のように、凹部４３の内面と凹部４３を覆う接合材５との間に空隙６があるとよい。ヒータ１０のオン・オフによる熱サイクルによって、リード端子４と接合材５との間の熱膨張差による熱応力が発生しても、リード端子４と接合材５との間に位置する空隙６によって熱応力が緩和されるため、耐久性が向上する。また、剥がれの進展経路である界面が、その途中で途切れるので剥がれの進展が止まりやすくなる。なお、ここでいう凹部４３の内面とは、凹部４３の内面のうちの底側の部分である。すなわち、図４等に示す例のように凹部４３に接合材５が充填されている（凹部４３の底まで接合材５が入り込んでいる）のではなく、図６に示す例のように接合材５は凹部４３の開口側のみ
に入り込んでいる（開口部から凹部４３の底までのうち、途中まで入り込んでいる）ということである。このような空隙６は、例えば、リード端子４を電極３へ接合する際に、予め凹部４３の底側の部分を、接合材５が濡れないような処理をしておくことで形成することができる。具体的には、接合材５としてＡｇＣｕろうを用いる場合であれば、リード端子４の凹部４３の底部に窒化ホウ素の膜を形成しておけばよい。このような膜は、例えば、溶剤又は水等の溶媒に窒化ホウ素粉末を混ぜスラリー状にしたペーストを凹部に塗布、乾燥することで形成することができる。なお、凹部４３の内面と凹部４３を覆う接合材５との間に空隙６があるとは、上記の図６に示す例のように接合材５が凹部４３の底部に全く存在しないものだけでなく、底部に薄い接合材５が存在しており、底部と凹部４３の開口部側との間に空隙６が存在するものも含まれる。

凹部４３の大きさは、大きいほど剥がれの進展経路である、リード端子４と接合材５との界面の長さが長くなるのでよいが、リード端子４の強度も考慮して設定する。例えば、以下のように設定することができる。開口部の長さ（第１部分４１の軸方向の長さ）は、第１部分４１の接合材５に覆われた領域の長さの１０％〜５０％である。開口部の幅は、リード端子４の断面形状が円形の場合であれば、第１部分４１の外周長の５％〜３０％であり、リード端子４の断面形状が矩形の場合であれば、第１部分４１の、セラミック体１の長さ方向を向いている面の幅の５％〜５０％である。開口部の深さは、リード端子４の断面形状が円形の場合であれば、第１部分４１の直径の５％〜４０％であり、リード端子４の断面形状が矩形の場合であれば、セラミック体１の長さ方向の断面の長さの５％〜４０％である。より具体的には、第１部分４１が、直径が０．８ｍｍで長さが２．３ｍｍで接合材５に覆われた領域の長さが１．５ｍｍである場合には、開口部の長さが０．５ｍｍ、幅が０．２ｍｍ、深さが０．２ｍｍである。なお、開口部の長さ、幅および深さは、それぞれ最大長さ、最大幅、最大深さである。

凹部４３の第１部分４１の軸方向における位置は、接合材５に覆われた領域であれば特に制限はない。剥がれの進展をできるだけ小さく抑えるために、剥がれの起点となる、最も外側の端部に近い側、すなわちセラミック体１の外周面から遠い側に配置してもよい。

凹部４３の断面形状は、図２〜図４に示す例では半楕円状であるが、図６に示す例のような半円状、あるいは図７（ａ）に示す例のような三角形状や図７（ｂ）に示す例のような矩形状のような多角形状であってもよく、特に制限はない。半楕円や半円であると、凹部４３の内面が曲面となるので、リード端子４に引っ張り応力がかかった時に応力を分散しやすくなるため、リード端子４の接合強度が大きくなる。図２等に示す凹部４３の断面形状は、第１部分４１の軸方向に沿った方向における断面（縦断面）の形状であるが、第１部分４１の幅（径）方向における断面（横断面）の形状についても同様に、特に制限はない。

また、図２等に示す例においては、凹部４３は、第１部分４１の外表面におけるセラミック体１の長さ方向を向いている部位に１つだけ設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図８に示す例のように、第１部分４１の軸方向に並べて複数の凹部４３を設けてもよい。図８に示す例においては、図４に示す例の凹部４３に対して第１部分４１の軸方向の長さが小さい（２分の１程度）凹部４３を２つ、第１部分４１の軸方向に並べて設けている。このようにすることで、剥がれの進展を抑える凹部４３の数が増え、また、凹部４３のトータルの長さは同程度でも、剥がれの進展経路である、リード端子４と接合材５との界面の長さはより長くなる。そのため、剥がれの進展をより抑えやすくなる。複数個の凹部４３の大きさは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。このときの凹部４３の第１部分４１の軸方向に沿った方向の長さは、複数個の凹部４３の長さの合計が、第１部分４１の接合材５に覆われた領域の長さの１０％〜５０％となるようにする。

また、凹部３は、図４に示す例においては第１部分４１の外周面のうち発熱抵抗体２側の部位に１つ、図３に示す例においてはこれとは逆に第１部分４１の外周面のうち発熱抵抗体２側とは反対側の部位に１つ設けている。上述したように、セラミック体１の長さ方向に平行な方向の振動による応力は、リード端子４の第１部分４１の外表面におけるセラミック体１の長さ方向を向いている部位に主に発生する。つまり、第１部分４１の外周面のうち発熱抵抗体２側の部位と、発熱抵抗体２側とは反対側の部位に発生する。そのため、図９に示す例のように、第１部分４１の外周面のうち発熱抵抗体２側の部位と、発熱抵抗体２側とは反対側の部位との両方に凹部４３を設けてもよい。このときのそれぞれの部位における凹部４３の数は１つでもよいし、複数でもよい。また、第１部分４１の軸方向における凹部４３の位置は、両方の部位の間で同じであってもよいし、異なっていてもよい。リード端子４の強度低下を抑えるために、それぞれの部位において互いに異なる位置に凹部４３を配置してもよい。図９に示す例においては、同じ大きさの凹部４３を、発熱抵抗体２側に１つ配置し、発熱抵抗体２側とは反対側には２つ配置している。そして、第１部分４１の軸方向における凹部４３の位置は互いに異なっており、セラミック体１の長さ方向で互いに重なっていない。剥がれの発生する可能性がより大きい発熱抵抗体２側の凹部４３の数を多くし、リード端子４の強度低下をできるだけ抑えるようにしている。

リード端子４は、金属製の線材を折り曲げて第１部分４１と第２部分４２とを有する形状にするとともに、第１部分４１の表面に、凹部４３に対応する形状の突出部を備えた金型等を押し当てることで凹部４３を形成して作製することができる。予め凹部４３を形成した線材を折り曲げ加工をしてもよいし、線材を折り曲げ加工をしてから凹部４３を形成してもよいし、あるいは線材を折り曲げる際に、折り曲げ装置や工具等として凹部４３に対応する突起を備えるものを用いることで、折り曲げ加工と凹部４３の形成とを同時に行なってもよい。

リード端子４は、図１０に示す例のように、第１部分４１と第２部分４２との間に湾曲部４４を備えていてもよい。セラミック体１の長さ方向に平行な方向に振動が生じたときに、この湾曲部４３がたわむことによって、振動によってリード端子４の第１部分４１に加わる応力を低減することができる。その結果、リード端子４と接合材５との間に剥がれが発生する可能性を低減することができる。図１０に示す例においては、湾曲部４３は第１部分４１および第２部分４２よりも細くなっている。これにより、湾曲部４３をよりたわませやすくすることができ、振動によってリード端子４の第１部分４１に加わる応力を低減することができる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：引出電極
３：電極
４：リード端子
４１：第１部分
４２：第２部分
４３：凹部
５：接合材
６：空隙
１０：ヒータ

Claims

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と、該電極に接合材に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、前記電極から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って延びた第２部分とを備え、
前記第１部分は、外周面の少なくとも一部が前記接合材に覆われているとともに、前記外周面のうち前記接合材に覆われている領域に前記長さ方向に凹む凹部を有していることを特徴とするヒータ。
前記凹部は、前記第１部分の前記外周面のうち前記発熱抵抗体側に位置していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記凹部は、開口部が長さ方向を有しており、前記長さ方向が前記第１部分の軸方向に沿っ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。
前記凹部の内面と前記凹部を覆う前記接合材との間に空隙があることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。