JP6829022B2

JP6829022B2 - ヒータ

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Publication number: JP6829022B2
Application number: JP2016147448A
Authority: JP
Inventors: 昭津川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP2018018671A

Description

本開示は、流体加熱用ヒータ，粉体加熱用ヒータ，気体加熱用ヒータ，酸素センサ用ヒータ，半田ゴテ用ヒータ等に用いられるヒータに関するものである。

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、発熱抵抗体に接続され、セラミック体の後端部にて露出した電極部と、該電極部に接合されたリード端子とを備えたヒータが知られている（例えば特許文献１を参照）。

上記のヒータは、棒状または筒状の芯材の後端部表面に電極部を設け、当該電極部を設けた芯材の表面に、発熱抵抗体パターンの印刷されたセラミックグリーンシートを前記電極部が露出するようにして巻きつけて焼成することで、作製されていた。

特開２０１５−１９７９４９号公報

ここで、芯材の表面に設けられた電極部は曲面になっているので、リード端子を電極部に接合する際の位置合わせが難しく、所望の位置に精度よく接合するのが難しいという問題があった。

そして、リード端子が所望の位置に精度よく接合されていないと、微妙な寸法のずれから当該ヒータを装置に取り付けた際にリード端子と電極部との接合部に応力が加わり、長期間の使用によってこの接合部が破損するおそれがあった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、リード端子を電極部に接合する際の位置合わせの精度をよくすることができるとともに、リード端子と電極部との接合部の破損が抑制されたヒータを提供することを目的とする。

本開示のヒータは、棒状または筒状であって外周面に凹部を有するセラミック体と、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凹部の底面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極部と、該電極部に接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、前記電極部から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、前記第１部分が前記凹部の側壁に沿って立ち上がっており、前記第１部分および前記電極部を接合する接合材と前記側壁との間に間隙を有していることを特徴とする。

本開示のヒータによれば、リード端子を電極部に接合する際の位置合わせの精度をよくすることができる。これにより、長期間の使用によっても、リード端子と電極部との接合部の破損を抑制することができる。

（ａ）はヒータの実施形態の一例の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。図１（ｂ）に示すｉｉ−ｉｉ線で切断した断面図である。（ａ）はヒータの実施形態の他の例の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。（ａ）はヒータの実施形態の他の例の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。（ａ）はヒータの実施形態の他の例の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。（ａ）はヒータの実施形態の他の例の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。（ａ）〜（ｃ）はヒータの実施形態の他の例の概略平面図である。

以下、ヒータの実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）はヒータの実施形態の一例の概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すヒータの矢印方向に見た図である。また、図２は図１（ｂ）に示すｉｉ−ｉｉ線で切断した断面図である。

図１および図２に示すヒータ１は、棒状または筒状であって外周面に凹部を有するセラミック体２と、セラミック体２の内部に設けられた発熱抵抗体３と、セラミック体２の凹部２１の底面に設けられて発熱抵抗体３に接続された電極部４と、電極部４に接合されたリード端子５とを備えており、リード端子５は、電極部４から立ち上がる第１部分５１と、セラミック体２の長さ方向に沿って伸びた第２部分５２とを備えており、第１部分５１が凹部２１の側壁に沿って立ち上がっている。

本実施形態のヒータ１は、例えば、セラミック体２の周囲に液体、気体および粉体のような流体の被加熱物を通過させて加熱させることができる。ヒータ１におけるセラミック体２は、長さ方向を有する棒状または筒状の部材である。棒状としては、例えば円柱状または角柱状等が挙げられる。なお、ここでいう棒状とは、例えば特定の方向に長く伸びた板状も含んでいる。また、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１においては、セラミック体２は円筒状である。

セラミック体２が筒状（円筒状）である場合には、ヒータ１はセラミック体２の内周面または外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。また、図示しないが、セラミック体２が棒状の場合は、ヒータ１はセラミック体２の外周面に被加熱物を接触させて加熱するように用いられる。

セラミック体２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点では窒化アルミニウムを用いることが好ましい。一方、耐酸化性があって製造しやすい点ではアルミナを用いることが好ましい。

セラミック体２が円筒状である場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が４０〜１５０ｍｍ、外径が４〜３０ｍｍ、内径が１〜２８ｍｍに設定することができる。また、セラミック体が円柱状の場合の寸法は、例えば長さ方向の全長が４０〜１５０ｍｍ、外径が４〜３０ｍｍに設定することができる。

セラミック体２は、外周面に凹部２１を有している。この凹部２１は、後述するようにセラミック体２の内部に設けられた電極部４を露出させて、リード端子５を当該凹部２１の内側で電極部４に接合させることができるようにしたものである。

セラミック体２の内部には、発熱抵抗体３が設けられている。言い換えると、セラミック体２には発熱抵抗体３が埋設されている。発熱抵抗体３は、電流が流れることによって発熱してセラミック体２を加熱するものである。発熱抵抗体３の一端が後述する一対の引出電極９のうちの一方と電気的に接続され、他端が後述する一対の引出電極９のうちの他方と電気的に接続されている。図示していないが、発熱抵抗体３は、長さ方向に繰り返して折り返しながら周方向に沿って設けられた折り返し部（蛇行部）を有している。

発熱抵抗体３は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはレニウム（Ｒｅ）等の高融点の金属を主成分とした導電体から成る。発熱抵抗体３の寸法は、例えば、幅を０．３〜２ｍｍ、厚みを０．０１〜０．１ｍｍ、全長を５００〜５０００ｍｍに設定することができる。これらの寸法は、発熱抵抗体３の発熱温度および発熱抵抗体３に加える電圧等によって適宜設定される。

セラミック体２の凹部２１の底面には、発熱抵抗体３に接続された電極部４が設けられている。電極部４は、外部の電源と発熱抵抗体３とを電気的に接続するためのものである。この電極部４は、セラミック体２の後端側の２か所にそれぞれ設けられ、リード端子５が接合されて当該リード端子５を介して外部の電源に接続される。

電極部４は、例えばタングステン、モリブデン等の金属材料からなり、発熱抵抗体３と同じ金属材料であってもよく、異なる金属材料であってもよい。電極部４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。

リード端子５は、電極部４から立ち上がる第１部分５１と、セラミック体２の長さ方向に沿って伸びた第２部分５２とを有しており、第１部分５１と第２部分５２とは屈曲部を介して接続されている。リード端子５としては、例えば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５の断面形状としては、例えば円形状、楕円形状、長方形状、円環状などが挙げられる。リード端子５が断面円形の場合の直径は、例えば０．５〜２．０ｍｍとされる。

接合材６は、リード端子５のうち電極部４から立ち上がる第１部分５１と電極部４とを接合しており、第１部分５１を中心として電極部４上に広がっている。接合材６としては、例えば銀ろう、銀銅ろう等のろう材を用いることができる。

リード端子５を構成する第１部分５１の長さは、例えば１．０ｍｍ〜３．０ｍｍに設定される。また、第１部分５１の立ち上がる方向としては、電極部４の表面から垂直な方向および垂直な方向から見て２０°以下で傾いていてもよい。傾く方向は、セラミック体２の長さ方向、セラミック体２の周方向、および、これらの合わさった方向のいずれでもよい。特に、第１部分５１が電極部４の表面に対して垂直な方向に立ち上がる場合には、接合材６を第１部分５１の周囲に均等に濡れ広げやすくすることができる。そのため、少ない接合材６でリード端子５を強固に保持することができる。

なお、凹部２１の幅（セラミック体２の周方向の沿った幅）は例えば１〜６ｍｍとされる。また、凹部２１の深さ（セラミック体２の径方向に沿った距離）は例えば０．１〜１．５ｍｍとされる。

そして、リード端子５の第１部分５１が凹部２１の側壁に沿って立ち上がっている。ここで、リード端子５が凹部２１の側壁に沿って立ち上がっているとは、リード端子５が凹部２１の側壁に直接接触している場合や、リード端子５の第１部分５１と凹部２１との間に接合材６が入り込んでいる場合のことを意味している。

この構成により、リード端子５の第１部分５１が凹部２１の側壁に沿って支えられた状態で、リード端子５を電極部４に接合することができるため、リード端子５を電極部４の所望の位置に精度よく接合することができる。さらに、棒状または筒状の芯材の後端部表面に電極部を設け、発熱抵抗体パターンの印刷されたセラミックグリーンシートを芯材の表面に電極部が露出するようにして巻きつけて作製されるヒータに比べて、本実施形態のヒータ１は凹部２１を除く領域に発熱抵抗体３を配置できるのでヒータ１の均熱性を向上させることができ、かつ芯材の後端部を露出させなくてもよいのでヒータ１を小型化できる。

また、凹部２１としては、図３に示すように、セラミック体２の端面と外周面とに開口している構成とすることができる。ここで、凹部２１がセラミック体２の端面と外周面とに開口している構成とは、凹部２１がセラミック体２の端面に向かって開放している構成のことであり、言い換えると、セラミック体２の厚み方向の外表面側の一部が端面から切り欠かれた構成のことである。また、ここでいうセラミック体２の端面とは、セラミック体２の長さ方向の後端側の端面のことである。

この構成によれば、リード端子５をスライドさせたりするなどリード端子５の電極部４への接合方法の自由度が増えるとともに、開放空間が増えてリード端子５と電極部４との接合部からの熱放散性を向上させて、リード端子５と電極部４との接合部の耐久性を向上させることができる。

なお、図４に示すように、セラミック体２の厚み方向の内表面側の部位（芯材）が後端側に突出した形状であってもよい。

また、図５に示すように、凹部２１がスリット状であってセラミック体２の一方の端面から他方の端面に向かって伸びている構成とすることもできる。なお、ここでいうセラミック体２の一方の端面とは長さ方向の後端側の端面のことであり、セラミック体２の他方の端面とは長さ方向の先端側の端面のことである。

凹部２１が、セラミック体２の長さ方向に延び、かつセラミック体２の周方向に沿った方向の幅の狭いスリット状とされていることで、ヒータ１の長さ方向および周方向の均熱性が向上する。また、凹部２１が幅の狭いスリット状であることで、リード端子５の電極部４への接合時により固定しやすく、固定位置の精度をより向上させることができる。

凹部２１がスリット状である場合の幅（セラミック体２の周方向の沿った幅）は、例えば０．５〜４ｍｍとされる。

なお、図５に示すヒータ１は、スリット状の凹部２１がセラミック体２の後端側の端面に開口しているものであるが、セラミック体２の後端側の端面に開口していないものであってもよい。

また、図６に示すように、凹部２１がセラミック体２の一方の端面（後端側の端面）、外周面および他方の端面（先端側の端面）に開口している構成とすることもできる。ここで、凹部２１がセラミック体２の一方の端面、外周面および他方の端面に開口している構成とは、凹部２１がセラミック体２の一方の端面から他方の端面にかけて延びている構成のことであり、言い換えると、セラミック体２の厚み方向の外表面側の一部が一端から他端にかけて切り欠かれた構成のことである。

この構成によっても、リード端子５の電極部４への接合方法の自由度が増えるとともに
、開放空間が増えてリード端子５と電極部４との接合部からの熱放散性を向上させて、リード端子５と電極部４との接合部の耐久性を向上させることができる。また、ヒータ１の長さ方向および周方向の均熱性を向上させることができる。さらに、リード端子５の電極部４への接合時に固定しやすく、固定位置の精度を向上させることができる。

また、図７に示すように、平面視したときに、凹部２１の隅部の形状が弧状である構成とすることもできる。なお、図７（ａ）は図１に示す凹部２１の隅部の形状を弧状にしたものであり、図７（ｂ）は図７（ａ）の凹部２１の隅部の形状をさらに丸くして全体がほぼ円形状となったものであり、図７（ｃ）は図３に示す凹部２１の隅部の形状を弧状にしたものである。これにより、凹部２１の隅部にクラックが生じるのを抑制することができる。

図１〜図７に示すヒータ１は、リード端子５の電極部４への接合部をセラミック体２の長手方向に垂直な断面で見たとき、凹部２１がセラミック体２の中心に対して対向する位置にそれぞれ１箇所ずつある。このように、凹部２１が対向していることで、凹部２１間の距離が最も離れているので、熱サイクルがセラミック体２にかかった時の熱応力が分散され、熱応力による凹部２１を起点としたクラックを防止することができる。

次に、本実施形態のヒータの製造方法の一例について説明する。なお、本例では、セラミック体２が円筒状のアルミナ質セラミックスからなる場合の例について説明する。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２が合計で１０質量％以内になるように調整したアルミナ質セラミックグリーンシートを作製する。

また、上記成分を混合してプレス成型や押し出し成型等で棒状または筒状の成型体を作製する。

発熱抵抗体パターン又は電極部パターンの材料としては、セラミック体２との同時焼成によって作製が可能なＷ，Ｍｏ，Ｒｅ等の高融点金属を主成分とするものを用いる。このとき、ヒータの用途に応じて、発熱抵抗体３となる抵抗体ペーストのパターンの長さや折り返しパターンの距離・間隔やパターンの線幅を変更することにより、発熱抵抗体３の発熱位置や抵抗値を所望の値に設定する。

次に、転写フィルムたとえばＰＥＴフィルム等に発熱抵抗体３となる抵抗体ペーストを用いた発熱抵抗体パターンおよび電極部４となる電極部パターンをそれぞれ別のＰＥＴフィルムにスクリーン印刷等の手法を用いて印刷する。発熱抵抗体パターンが印刷されたＰＥＴフィルムを棒状又は筒状成型体の側面に押し付けるようにして巻き付けて転写を行う。次に電極部パターンが印刷されたＰＥＴフィルムを同様に成形体に転写する。これらのパターンが転写された成型体にシート状に成形した，セラミックグリーンシートに金型等を用いて凹部となる孔または切欠きを設け、密着液を用いて電極部パターンが露出する様に積層することで、電極部パターンが露出し、内部に発熱抵抗体パターンを有するセラミック体２となる棒状または筒状の成型体を得られる。

次に、得られた棒状または筒状の成形体を水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で１５００℃〜１６００℃程度で焼成する。さらに、接合材６としてＡｕ、ＡｕＣｕ、ＡｇＣｕ、Ａｇロウ等のろう材を用いて、電極部４とＮｉからなるリード端子５とを接合する。リード端子５は、Ｎｉ線材として接続しても良いし、又は、Ｎｉ線を電極に接続後、絶縁チューブをＮｉ線に設けても良い。上記接合材６を用いてリード端子５を接合する際に、電極部４に接触するリード端子５の第１部分５１の外周に薄いシート状に加工されたろう材をあらかじめ巻きつけておき、ろう材を加熱溶融させるのがよい。

以上の方法により、本実施形態のヒータ１を作製することができる。

１：ヒータ
２：セラミック体
２１：凹部
３：発熱抵抗体
４：電極部
５：リード端子
５１：第１部分
５２：第２部分
６：接合材

Claims

棒状または筒状であって外周面に凹部を有するセラミック体と、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凹部の底面に設けられて前記発熱抵抗体に接続された電極部と、該電極部に接合されたリード端子とを備えており、該リード端子は、前記電極部から立ち上がる第１部分と、前記セラミック体の長さ方向に沿って伸びた第２部分とを備えており、前記第１部分が前記凹部の側壁に沿って立ち上がっており、前記第１部分および前記電極部を接合する接合材と前記側壁との間に間隙を有していることを特徴とするヒータ。
前記凹部は、前記セラミック体の端面と外周面とに開口していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記凹部がスリット状であって前記セラミック体の一方の端面から他方の端面に向かって伸びていることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
前記凹部が前記セラミック体の一方の端面、外周面および他方の端面に開口していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒータ。
平面視したときに、前記凹部の隅部の形状が弧状で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。