(57)【要約】  本開示のヒータは、棒状または筒状であって、一端および他端を有する絶縁基体と、絶縁基体の内部に設けられて、絶縁基体の側面に引き出された発熱抵抗体と、側面のうち発熱抵抗体が引き出された部位に設けられた導電層と、導電層を介して発熱抵抗体に電気的に接続されたリード端子とを備える。リード端子は、導電層に接合された第１部分と、第１部分よりも一端側に位置する第２部分とを有する。第２部分は、導電層から離間しており、第２部分の一端側の端部が、導電層の一端側の端部よりも他端側に位置している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状または筒状であって、一端および他端を有する絶縁基体と、
該絶縁基体の内部に設けられて、前記絶縁基体の側面に引き出された発熱抵抗体と、
前記側面のうち前記発熱抵抗体が引き出された部位に設けられた導電層と、
該導電層を介して前記発熱抵抗体に電気的に接続されたリード端子と、を備えており、
該リード端子は、前記導電層に接合された第１部分と、該第１部分よりも前記一端側に位置する第２部分と、を有しており、
前記第２部分は、前記導電層から離間しており、前記第２部分の前記一端側の端部が、前記導電層の前記一端側の端部よりも前記他端側に位置していることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記リード端子は、前記第１部分よりも前記他端側に位置する第３部分を、さらに有しており、
前記第３部分は、前記導電層から離間しているとともに、前記第３部分の前記他端側の端部が、前記導電層の前記他端側の端部よりも前記一端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。
【請求項３】
前記導電層と前記第２部分との間には絶縁性の接着材が設けら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。
【請求項４】
前記絶縁基体における、少なくとも、前記導電層が設けられた部分を、前記絶縁基体の周方向に囲む筒状部材を、さらに備えており、
該筒状部材の内部は、絶縁性の接着材が充填されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用もしくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、ディーゼルエンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータ、流体加熱装置等の各種熱交換ユニット用のヒータまたは測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、棒状のセラミック基体と、セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に電気的に接続され、セラミック基体の外表面に設けられた電極パッドと、一端部が電極パッドを介してセラミック基体に接続されたリード端子と、を備えるヒータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。【０００３】
近年、ヒータの小型化、およびヒータの発熱温度の高温化が進められている。それに伴って、急激に発熱する発熱抵抗体の熱が電極パッドおよびリード端子に移動しやすくなり、セラミック基体とリード端子との接続部にかかる熱応力が大きくなる傾向がある。従来のヒータでは、リード端子の一端部全体が、電極パッドを介して、セラミック基体に接続されているため、セラミック基体とリード端子との接続部にかかる熱応力が大きくなると、リード端子の電極パッドからの剥離やセラミック基体のクラックが発生しやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１０７７３２号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一つの態様のヒータは、棒状または筒状であって、一端および他端を有する絶縁基体と、該絶縁基体の内部に設けられて、前記絶縁基体の側面に引き出された発熱抵抗体と、前記側面のうち前記発熱抵抗体が引き出された部位に設けられた導電層と、該導電層を介して前記発熱抵抗体に電気的に接続されたリード端子と、を備える。前記リード端子は、前記導電層に接合された第１部分と、該第１部分よりも前記一端側に位置する第２部分と、を有しており、前記第２部分は、前記導電層から離間しており、前記第２部分の前記一端側の端部が、前記導電層の前記一端側の端部よりも前記他端側に位置している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図１】本開示の一実施形態に係るヒータを示す断面図である。
【図２】図１のＡ部における要部拡大断面図である。
【図３】本開示の一実施形態に係るヒータの要部拡大側面図である。
【図４】本開示の他の実施形態に係るヒータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本開示のヒータの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本開示の一実施形態に係るヒータを示す断面図であり、図２は、図１のＡ部における要部拡大断面図であり、図３は、本開示の一実施形態に係るヒータの要部拡大側面図である。なお、図３では、導電層およびリード端子以外の部分を省略して図示している。
【０００９】
本実施形態のヒータ１は、絶縁基体１０と、発熱抵抗体２０と、導電層３０と、リード端子４０とを備えている。
【００１０】
絶縁基体１０は、棒状の部材であり、長手方向（図１における左右方向）における一端（以下、第１端ともいう）１１、および他端（以下、第２端ともいう）１２を有している。絶縁基体１０は、角棒状、丸棒状等の形状を有していてもよく、その他の形状を有していてもよい。本実施形態では、絶縁基体１０の形状は、丸棒状とされている。また、絶縁基体１０は、第１端１１側の端部が半球状の形状であるように構成されていてもよい。
【００１１】
絶縁基体１０は、電気絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁基体１０で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化珪素質セラミックス等の電気絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。
【００１２】
絶縁基体１０は、例えば、長手方向の長さが１５〜５０ｍｍである。絶縁基体１０は、絶縁基体１０が丸棒状である場合、例えば、長手方向に垂直な断面の直径が１．５〜１０ｍｍである。また、板状である場合は、例えば断面の１辺が０．５〜３ｍｍ、他の１辺が２〜１０ｍｍである。
【００１３】
発熱抵抗体２０は、絶縁基体１０の内部に設けられ、通電によって発熱する部材である。発熱抵抗体２０は、絶縁基体１０に埋設された埋設部分２１、および絶縁基体１０の側面１３に引き出された露出部分２２を有している。
【００１４】
埋設部分２１は、例えば図１に示すように、絶縁基体１０の長手方向に延び、互いに対向する２つの並列部分２１ａと、絶縁基体１０の第１端１１寄りに位置し、２つの並列部分２１ａ同士を接続する屈曲部分２１ｂとを含む折返し形状とされている。露出部分２２は、例えば図１に示すように、絶縁基体１０の第２端１２寄りに位置している。
【００１５】
発熱抵抗体２０は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン（Ｔｉ）等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とすることができる。また、発熱抵抗体２０は、絶縁基体１０の形成材料を含有していてもよい。並列部分２１ａは、例えば、断面積が０．１５〜３ｍｍ２である。屈曲部分２１ｂは、例えば、断面積が０．１５〜０．８ｍｍ２である。露出部分２２は、例えば、断面積が０．１５〜３ｍｍ２である。
【００１６】
発熱抵抗体２０は、特に発熱する領域である発熱領域を有していてもよく、例えば、屈曲部分２１ｂが発熱領域とされていてもよい。屈曲部分２１ｂを発熱領域とするには、屈曲部分２１ｂの断面積を並列部分２１ａの断面積よりも小さくして、屈曲部分２１ｂの単位長さ当たりの電気抵抗値を大きくしてもよい。あるいは、屈曲部分２１ｂの、絶縁基体１０の形成材料の含有量を、並列部分２１ａの、絶縁基体１０の形成材料の含有量よりも大きくすることによって、屈曲部分２１ｂの単位長さ当たりの電気抵抗値を大きくしてもよい。
【００１７】
発熱抵抗体２０の並列部分２１ａは、屈曲部分２１ｂよりも断面積を大きくする、または絶縁基体１０の形成材料の含有量を屈曲部分２１ｂよりも小さくすることによって、単位長さ当たりの電気抵抗値が屈曲部分２１ｂの電気抵抗値よりも低くなっていてもよい。並列部分２１ａは、無機導電体である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とし、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を副成分とする構成であってもよい。並列部分２１ａは、１５質量％以上の窒化珪素を含有していてもよい。窒化珪素の含有量が増すにつれて、並列部分２１ａの熱膨張率を、絶縁基体１０を構成する窒化珪素の熱膨張率に近づけることができる。また、窒化珪素の含有量が４０質量％以下である場合には、並列部分２１ａの抵抗値が低くなるとともに安定するため、並列部分２１ａは、１５〜４０質量％の窒化珪素を含有していてもよい。
【００１８】
なお、図１では、発熱抵抗体２０が、２つの並列部分２１ａと１つの屈曲部分２１ｂとを有する導体パターンである例を示したが、発熱抵抗体２０は、例えば、４つ以上の並列部分２１ａと３つ以上の屈曲部分２１ｂとを有し、第１端１１寄りの部位と第２端１２寄りの部位との間で繰り返して折り返す形状とされていてもよい。また、３つ以上の屈曲部分２１ｂのうち、第１端１１寄りに位置する屈曲部分２１ｂが、特に発熱する発熱領域とされていてもよい。
【００１９】
導電層３０は、発熱抵抗体２０と外部電源（図示せず）とを電気的に接続する部材である。導電層３０は、絶縁基体１０の側面１３のうち発熱抵抗体２０が引き出された部位に設けられ、発熱抵抗体２０に電気的に接続されている。導電層３０は、例えば図１，２に示すように、発熱抵抗体２０の露出部分２２を覆っていてもよい。
【００２０】
導電層３０は、金属材料から成る。導電層３０で用いられる金属材料としては、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）等が挙げられる。またこれらにニッケル（Ｎｉ）を被覆しても良い。導電層３０は、矩形状、円形状、楕円形状等の表面形状を有していてもよく、その他の表面形状を有していてもよい。本実施形態では、導電層３０は、例えば図３に示すように、矩形状の表面形状を有している。導電層３０は、例えばスクリーン印刷法によって形成することができる。導電層３０は、例えば、絶縁基体１０の長手方向の長さが２〜１０ｍｍであり、絶縁基体１０の周方向の長さが２〜８ｍｍであり、厚みが２０〜２００μｍである。
【００２１】
リード端子４０は、導電層３０を介して、発熱抵抗体２０に電気的に接続されている。リード端子４０は、長尺状の部材であり、一方の端部が、導電層３０を介して、発熱抵抗体２０の露出部分２２に電気的に接続されている。リード端子４０の他方の端部は、外部電源に電気的に接続されている。これにより、リード端子４０を介して発熱抵抗体２０に電圧を印加することができ、発熱抵抗体２０を発熱させることができる。リード端子４０は、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはＮｉ等の金属からなる。
【００２２】
本実施形態のヒータ１では、リード端子４０は、第１部分４１および第２部分４２を有している。第１部分４１は、例えばろう材を介して、導電層３０に接合されている。ろう材としては、例えば、Ａｇろう、金（Ａｕ）−Ｃｕろう、Ａｇ−Ｃｕろう等を用いることができる。第１部分４１は、例えば図２に示すように、導電層３０との接合部分の形状が丸められた形状であってもよい。第１部分４１が導電層３０との接合部分に鋭い角部を有していると、絶縁基体１０のクラックやリード端子４０の導電層３０からの剥離の起点となりやすい。第１部分４１の導電層３０との接合部分を丸めることにより、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００２３】
第２部分４２は、第１部分４１よりも第１端１１側に位置しているとともに、第１部分４１に連続している。第２部分４２は、例えば図１，２に示すように、絶縁基体１０から離れる方向に延在し、導電層３０から離間している。第２部分４２が、導電層３０に直接に接合されておらず、導電層３０から離間しているため、ヒータ１の昇温時に、加熱された第２部分４２は、熱膨張し、その延在方向に伸びることができる。これにより、本実施形態のヒータ１は、リード端子４０と導電層３０との接合部に応力が集中することを抑制できる。ひいては、リード端子４０の導電層３０からの剥離や絶縁基体１０におけるクラックの発生を抑制できる。
【００２４】
ここで、第２部分４２の第１端１１側の端部４２ａが、導電層３０の第１端１１側の端部３０ａよりも第１端１１側に位置している場合、第２部分４２が発熱抵抗体２０の発熱領域（屈曲部分２１ｂ）から発せられた熱を吸収し、吸収した熱が第１部分４１に伝わることにより、第１部分４１と導電層３０との温度差が大きくなり、リード端子４０と導電層３０との接合部に熱応力が発生することがある。本実施形態のヒータ１では、例えば図１，２に示すように、第２部分４２の第１端１１側の端部４２ａが、導電層３０の第１端１１側の端部３０ａよりも第２端１２側に位置している。これにより、第２部分４２による発熱領域から発せられた熱の吸収を低減できるため、リード端子４０と導電層３０との接合部における熱応力の発生を抑制できる。ひいては、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。このように、本実施形態のヒータ１によれば、耐久性に優れたヒータを提供することが可能になる。
【００２５】
なお、第２部分４２は、発熱領域（屈曲部分２１ｂ）との十分な距離が確保され、第２部分４２による発熱領域から発せられた熱の吸収が抑制されている場合には、第１端１１側の端部４２ａは、導電層３０の第１端側の端部３０ａよりも第１端１１側に位置していてもよい。また、例えば図３に示すように、第２部分４２は、絶縁基体１０の周方向における導電層３０の一端３０ｃと他端３０ｄとの間に位置していてもよい。これにより、ヒータ１の製造工程において、リード端子４０と導電層３０との接合状態を目視で確認することが容易になる。ひいては、リード端子４０と導電層３０との電気的接続の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
リード端子４０は、第１部分４１よりも第２端１２側に位置しているとともに、第１部分４１に連続している第３部分４３をさらに有している。第３部分４３は、例えば図１，２に示すように、絶縁基体１０から離れる方向に延在し、導電層３０から離間している。第３部分４３が、導電層３０に直接に接合されておらず、導電層３０から離間しているため、ヒータ１の昇温時に、加熱された第３部分４３は、熱膨張し、その延在方向に伸びることができる。これにより、リード端子４０と導電層３０との接合部に応力が集中することを抑制できる。ひいては、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００２７】
第３部分４３は、例えば図１，２に示すように、第２端１２側の端部４３ａが、導電層３０の第２端１２側の端部３０ｂよりも第１端１１側に位置している。換言すると、第２部分４２と第３部分４３とは、第１部分４１に対して、略対称に構成されている。第２部分４２および第３部分４３は、外部からの応力に対して、協働してばねのように機能し、外部からの応力を分散することができる。第２部分４２と第３部分４３とが、第１部分４１に対して、略対称に構成されていることにより、絶縁基体１０にかかる応力の偏りが低減できる。これにより、絶縁基体１０の特定の部分に応力が集中することを抑制できるため、絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００２８】
なお、ヒータ１は、例えば図１に示すように、発熱抵抗体２０が絶縁基体１０の側面１３に引き出されている部位が２個所あり、それぞれの部位に上記構成の導電層３０およびリード端子４０が設けられている構成であってもよい。このような構成によれば、通電開始時の突入電力密度が大きい状況においても、リード端子４０と導電層３０との接合部に応力が集中することを抑制できる。これにより、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００２９】
本実施形態では、例えば図１，２に示すように、リード端子４０の第２部分４２と導電層３０との間に絶縁性の接着材５０が設けられている。接着材５０としては、例えば、シリコーン、エポキシ等の接着材、またはアルミナ等のセラミック粉体と無機ポリマーを混合した無機系の接着材を用いることができる。
【００３０】
第２部分４２と導電層３０との間に接着材５０を設けることにより、リード端子４０の導電層３０からの剥離を抑制できる。また、第２部分４２と導電層３０との間に接着材５０が設けられている構成であると、発熱抵抗体２０が急激に発熱した際の、リード端子４０および導電層３０における温度分布のむらを低減できる。これにより、リード端子４０と導電層３０との接合部における熱応力の発生を抑制できる。ひいては、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００３１】
接着材５０は、第３部分４３と導電層３０との間にさらに設けられていてもよい。第２部分４２と導電層３０との間、および第３部分４３と導電層３０との間に接着材５０が設けられていることにより、発熱抵抗体２０が急激に発熱した際の、リード端子４０および導電層３０における温度分布のむらを効果的に低減できる。これにより、リード端子４０と導電層３０との接合部における熱応力の発生を効果的に抑制できる。ひいては、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを効果的に抑制できる。
【００３２】
ヒータ１は、筒状部材７０をさらに備えている。筒状部材７０は、例えば図１に示すように、絶縁基体１０における、少なくとも、導電層３０が設けられた部分を、絶縁基体１０の周方向に囲んでいる。筒状部材７０は、例えば円筒状、例えば円筒状、四角筒状等の形状であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態のヒータ１では、筒状部材７０の形状は、円筒状とされている。
【００３３】
筒状部材７０には、例えば図１，２に示すように、絶縁基体１０の、導電層３０が設けられた部位を含む、第２端１２寄りの部分が挿入されている。筒状部材７０は、例えば図１に示すように、絶縁基体１０が挿入された端部において内径が小さくなっていてもよい。これにより、絶縁基体１０を筒状部材７０に固定しやすくなる。
【００３４】
筒状部材７０の内部は、絶縁性の接着材６０が充填されている。接着材６０としては、例えば、シリコーン、エポキシ等の接着材、またはアルミナ等のセラミック粉体と無機ポリマーを混合した無機系の接着材が挙げられる。筒状部材７０の内部に充填される接着材６０は、導電層３０とリード端子４０の第２部分との間に設けられる接着材５０と、同一の接着材であってもよく、異なる接着材であってもよい。
【００３５】
接着材６０は、例えば図１に示すように、リード端子４０と導電層３０との接合部を覆っていてもよい。これにより、リード端子４０の導電層３０からの剥離を効果的に抑制できる。また、リード端子４０と導電層３０との接合部における温度分布のむらを抑制できるため、リード端子４０と導電層３０との接合部における熱応力の発生を抑制できる。ひいては、リード端子４０の剥離や絶縁基体１０のクラックを抑制できる。
【００３６】
次に、本開示の他の実施形態に係るヒータについて説明する。
【００３７】
図４は、本開示の他の実施形態に係るヒータを示す断面図である。図４の断面図は、図１に示した断面図に対応している。
【００３８】
本実施形態のヒータ１Ａは、上記実施形態のヒータ１に対して、絶縁基体１０および発熱抵抗体２０の形状が異なっており、その他については同様の構成であるので、同様の構成については詳細な説明を省略する。
【００３９】
ヒータ１Ａは、筒状の絶縁基体１０を備えている。絶縁基体１０は、長手方向（図４における左右方向）における一端（以下、第１端ともいう）１１および他端（以下、第２端ともいう）１２を有している。絶縁基体１０は、三角筒状、四角筒状、円筒状、楕円筒状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態のヒータ１Ａでは、絶縁基体１０は、円筒状とされている。
【００４０】
絶縁基体１０は、電気絶縁性のセラミック材料から成る。絶縁基体１０で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスまたは窒化珪素質セラミックス等の電気絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。絶縁基体１０は、例えば、長手方向の長さが２０〜４０ｍｍであり、外径が２〜８ｍｍであり、内径が１〜５ｍｍである。
【００４１】
発熱抵抗体２０は、絶縁基体１０の内部に設けられており、絶縁基体１０に埋設された埋設部分２１、および絶縁基体１０の側面１３に引き出された露出部分２２を有している。埋設部分２１は、絶縁基体１０の周方向に沿って第１端１１寄りの部位と第２端１２寄りの部位との間で繰り返して折り返す導体パターンを有している。露出部分２２は、例えば図４に示すように、絶縁基体１０の第２端１２寄りに位置している。
【００４２】
本実施形態のヒータ１Ａによれば、上記実施形態のヒータ１と同様に、リード端子４０と導電層３０との接合部への応力集中を低減できる。また、ヒータ１Ａによれば、ヒータ１と同様に、絶縁基体１０の特定の部分に応力が集中することを抑制できるとともに、リード端子４０と導電層３０との接合部における温度分布のむらを低減し、当該接合部における熱応力の発生を抑制できる。このように、本実施形態のヒータ１Ａによれば、耐久性に優れたヒータを提供することが可能になる。
【００４３】
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１，１Ａ  ヒータ
１０    絶縁基体
１１    一端（第１端）
１２    他端（第２端）
１３    側面
２０    発熱抵抗体
２１    埋設部分
２１ａ  並列部分
２１ｂ  屈曲部分
２２    露出部分
３０    導電層
３０ａ，３０ｂ  端部
３０ｃ  一端
３０ｄ  他端
４０    リード端子
４１    第１部分
４２    第２部分
４２ａ  端部
４３    第３部分
４３ａ  端部
５０，６０  接着材
７０    筒状部材
【図１】
2020111196.tif 000003
【図２】
2020111196.tif 000004
【図３】
2020111196.tif 000005
【図４】
2020111196.tif 000006
【国際調査報告】
2020111196.tif 000007
2020111196.tif 000008
2020111196.tif 000009
2020111196.tif 000010