(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
櫛歯部が形成された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と重なる重なり部で前記発熱抵抗体の櫛歯部に接続されたリード部と、を備えたセラミックヒーターであって、
上記リード部が複数に分割されるとともに、上記櫛歯部は、隣接する上記リード部に跨って接続されることを特徴とするセラミックヒーター。
【請求項２】
前記櫛歯部の長さが０．５〜１０ｍｍであり、かつ前記櫛歯部間の間隔が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンダごて用ヒーターや空燃比センサー用ヒーター等、高温で使用されるセラミックヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からセラミックヒーターとして棒状、管状、板状等の様々な形状をしたものが各用途に合わせて使用されている。中でも、自動車用の空燃比センサーに使用されている棒状ヒーターは、世界的な地球環境保護の動きに連動して、使用量が増加する傾向にある。
【０００３】
図１に、一般的な棒状セラミックヒーター１の斜視図を示す。該セラミックヒーター１は、表面に発熱抵抗体４およびリード部５を、裏面に電極取出部６を形成したセラミックシート２とセラミック芯材３とからなり、電極取出部６には、リード線７がロウ付けされている。
【０００４】
図２は、セラミックヒーター１の表面に密着されているセラミックシート２の一部を展開した図を示した。図に示したように、セラミックヒーター１はセラミックシート２の表面に発熱抵抗体４とリード部５を形成し、発熱抵抗体４をセラミック芯材３側に巻き込むようにして一体焼成したものである。
【０００５】
このセラミックヒーター１において、発熱抵抗体４の抵抗値に較べてリード部５の抵抗値が大きくなると、リード部５付近が発熱し、加熱効率の低下や電極取出部６の温度上昇のため、耐久性が大幅に減少する。そこで、発熱抵抗体４の抵抗値に較べリード部５の抵抗値が２０％以下になるようにして、リード部５の発熱を抑制してきた。
【０００６】
ところで、最近は空燃比センサーの立ち上がり時間の短縮の要請や、各種セラミックヒーターの使用温度が上昇する傾向にあることから、発熱抵抗体４の抵抗値を低下させる傾向にある。これまで、発熱抵抗体４とリード部５は同時プリントし、両者の幅を調整することにより両者の抵抗比を調整してリード部５の発熱を防止してきた。ところが、最近の発熱抵抗体４の低抵抗化は、幅の調整だけでは前記抵抗比を調整できなくなってきた。そこで、発熱抵抗体４とリード部５を分割して別々にプリント形成し、リード部５の厚みを厚くしたり、リード部５にプリントするペーストの原料粒径を細かくし焼結性を向上させることにより低抵抗化し、発熱抵抗体４とリード部５の抵抗比を大きくするようにしている。
【０００７】
このようなセラミックヒーター１は、図４に示すように、発熱抵抗体４とリード部５をそれぞれ矩形にプリントし両者の重なり部８で両者間の導通が確保できるようにしていた。なお、図４ではリード部５は、焼成時のリード部５の剥離を防止するために複数本に分割したパターンになっているが、一体で形成されても構わない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、リード部５を低抵抗とするためには厚みを厚くする必要があり、これにつれて発熱抵抗体４とリード部５の重なり部８の端部にクラックが発生し、異常発熱や断線の原因となることが判った。
【０００９】
原因は、上からプリントしたリード部５のペーストが、乾燥もしくは焼成するときの収縮により下地の発熱抵抗体４のパターンが引っ張られてクラックが発生するものと考えられる。即ち、リード部５をプリントした際、その厚みが厚いためペースト中の溶剤がセラミックシート２に吸収されず、先にプリントした発熱抵抗体４のパターンに一部吸収され可塑化するので、リード部５の乾燥収縮の応力が重なり部８の端部に集中しクラックが発生するものと思われる。
【００１０】
特に、基材のセラミックシート２は、セラミック芯材３の周りに巻き付けることができる程度に可撓性があるが、ペースト部分は、プリント性を向上させるためバインダーを少なくしていることから、この傾向が助長されている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、櫛歯部が形成された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と重なる重なり部で前記発熱抵抗体の櫛歯部に接続されたリード部と、を備えたセラミックヒーターであって、上記リード部が複数に分割されるとともに、上記櫛歯部は、隣接する上記リード部に跨って接続されることにより、上記課題を解決できることを見出した。
【００１２】
【作用】
発熱抵抗体とリード部の接続部を櫛歯状にすることにより、接続部の構造が細かく分割されるので、乾燥収縮による応力を緩和することによって、重なり部分のクラックの発生を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を用いて、本発明のセラミックヒーター１の構造を説明する。
【００１４】
セラミック芯材３の外周には、その表面に発熱抵抗体４とリード部５が形成され裏面には電極取出部６が形成されたセラミックシート２が周回密着されている。前記リード部５と電極取出部６は、不図示のスルーホールにより電気的に導通する構造となっている。また、電極取出部６の表面には、Ｎｉメッキが施され、リード線７がＡｇロウ、Ａｕ−Ｃｕロウ等のロウ材によりロウ付けされている。発熱抵抗体４とリード部５は、図２に示すように、セラミックシート２をセラミック芯材３の周囲に内側に巻き込むようにして周回密着する。
【００１５】
以下、上記セラミックヒーターの製法について説明する。まず、アルミナを主成分とする原料からなるセラミックシート２の表面に発熱抵抗体４、リード部５、裏面に電極取出部６をプリント法により形成する。この時、詳細を後述するように、発熱抵抗体４とリード部５の重なり部８は櫛歯状にする。また、リード部５と電極取出部６は、不図示のスルーホールで電気的に導通するようになっている。その後、このセラミックシート２をセラミック芯材３の外周に密着し、還元雰囲気中１５００〜１６５０℃で焼成して棒状のセラミックヒーター１を得る。
【００１６】
本発明の特徴は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、発熱抵抗体４とリード部５の接続方法にある。両者の接続部が、従来は直線的な接合になっていたが、本発明は、上記発熱抵抗体４とリード部５の重なり部８における発熱抵抗体４を櫛歯状にし、リード部５は複数本に分割した形状とした。
【００１７】
これにより、前記重なり部８の形状が細かく複雑になるので、乾燥・焼成の収縮による応力を緩和し、発熱抵抗体４とリード部５の重なり部８に発生するクラックを防止し、耐久性良好なセラミックヒーター１を得ることができる。
【００１８】
重なり部８の寸法は、櫛歯９の長さａが０．５〜１０ｍｍ、且つ、櫛歯９と櫛歯９の間隔ｂが２ｍｍ以下であり、特に０．５〜２ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００１９】
これは、ａが０．５ｍｍ以下であると応力緩和の効果がなくなり、また、１０ｍｍ以上であると段差部が大きくなり過ぎて、セラミック芯材３とセラミックシート２間の密着不良が発生するので好ましくない。また、櫛歯９の間隔ｂが２ｍｍを越えると、応力緩和の効果が減少して、一部クラックが発生する場合があり、間隔ｂが０．５ｍｍよりも小さいと櫛歯状とする効果に乏しくなるためである。
【００２０】
特に、発熱抵抗体４又はリード部５のいずれかの厚みが２０μｍ以上と厚い場合に本発明を好適に適用することができる。
【００２１】
本発明において、セラミック芯材３およびセラミックシート２を構成する材料としては、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等を使用することが可能である。また、発熱抵抗体４、リード部５および電極取出部６の材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、ＷＣ、ＭｏＳｉ2 等を使用することが可能である。
【００２２】
このような構造のセラミックヒーター１は、高温や高発熱条件で使用される空燃比センサ加熱用ヒーターやハンダごて用ヒーター、温水加熱用ヒーターに等に使用される。
【００２３】
【実施例】
本発明のセラミックヒーター１を作製した。
【００２４】
厚さ０．３ｍｍのセラミックシート２の表面に、図３に示すような二つの櫛歯９を持った形状で２０μｍ厚みの発熱抵抗体４をプリントし、その後、前記櫛歯９部分を跨ぐように３本に分割された３５μｍ厚みのリード部５のパターンをプリントし、重なり部８の長さａを０．２〜１０ｍｍ、櫛歯９と櫛歯９の間隔ｂを０．５〜１０ｍｍに変えたサンプルを各５０本ずつ作製した。
【００２５】
リード部５は、発熱抵抗体４の反対側の部分で統合され、さらに裏面に電極取出部６パターンをプリントし、リード部５と電極取出部６は不図示のスルーホールにより接続した。その後、セラミックシート２を１０ｍｍφのセラミック芯材３に周回密着させ、還元雰囲気中１５００〜１６５０℃で焼成した。
【００２６】
さらに、電極取出部６に厚み５μｍのＮｉメッキを施した後、リード線７として０．５ｍｍφのＮｉ線をＡｇロウを用いてロウ付けして、セラミックヒーター１を得た。
【００２７】
セラミックヒーター１の評価は、セラミックヒーター１の最高温度部が１０００℃になるようにする通電を５分ＯＮ、５分ＯＦＦで１０００サイクル繰り返し、テスト前後の抵抗値変化率が２％を越えるものを不良として、その不良率を評価した。櫛歯９と櫛歯９の間隔ｂを変量して評価した結果を表１に示した。また、重なり部８の長さａを変量して評価した結果を表２に示した。
【００２８】
表１より、櫛歯９と櫛歯９の間隔ｂを３ｍｍ以上にすると、櫛歯９を作製した効果がなくなるため通電テスト後の抵抗変化率が大きくなり、不良が発生した。これに対し間隔ｂを２ｍｍ以下にすると、不良が発生しなかった。ただし、間隔ｂを０．２ｍｍ以下にすると不良率が高くなるため、間隔ｂは０．５〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２９】
また、表２より重なり部８の長さａを０．２ｍｍにすると、通電テスト後の抵抗変化率が大きくなり、不良が発生した。重なり部８の長さａを０．５ｍｍ以上にすると、通電テスト後の不良率がゼロとなった。ただし、長さａが１０ｍｍを超えると密着不良が生じやすくなることから、長さａは０．５〜１０ｍｍの範囲が好ましい。
【００３０】
【表１】
0003801796.tif 000002
【００３１】
【表２】
0003801796.tif 000003
【００３２】
これらの実施例において、セラミックシート２をセラミック芯材３の外周に周回するとき、発熱抵抗体４とリード部５は内部に巻き込まれるように密着されるので、周方向の欠陥は修正される。しかし、全長方向の欠陥は、この恩恵を受けないので、焼成時に欠陥が成長し、通電テスト時の抵抗変化の原因となっているものと判断される。
【００３３】
従来例の重なり部８は、欠陥が全長方向に開くように形成されており、しかも、重なり部８の長さが長く応力を緩和できる部分がないので、乾燥時および焼成時に欠陥が成長し通電テスト後の抵抗変化の原因になっていた。これに対し本発明は、重なり部８の構造を櫛歯状にして、重なり部８を短く分割し、途中に全長方向の成分を加えることによ、乾燥収縮および焼成収縮時の応力を分散緩和できるため、上記課題を解決できたものである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱抵抗体とリード部の重なり部を櫛歯状にすることにより、前記重なり部へのクラックや断線の発生を防止し、耐久性良好なセラミックヒーターを提供することが出来るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なセラミックヒーターの斜視図である。
【図２】図１のセラミックヒーターの外周のセラミックシートの一部を展開した展開図である。
【図３】（ａ）は本発明のセラミックヒーターにおける発熱抵抗体とリード部の重なり部を示した平面図、（ｂ）は重なり部分の拡大図である。
【図４】従来のセラミックヒーターにおける発熱抵抗体とリード部の重なり部を示した平面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：セラミックシート
３：セラミック芯材
４：発熱抵抗体
５：リード部
６：電極取出部
７：リード線
８：重なり部
９：櫛歯
ａ：長さ
ｂ：間隔
【図１】
0003801796.tif 000004
【図２】
0003801796.tif 000005
【図３】
0003801796.tif 000006
【図４】
0003801796.tif 000007