JP7475314B2

JP7475314B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP7475314B2
Application number: JP2021077570A
Authority: JP
Inventors: 賢輔松本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2024-04-26
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: JP2022171131A

Description

開示の実施形態は、ヒータに関する。

従来、シート状のセラミックで棒状の芯材の周囲を被覆したヒータが知られている。このヒータは、通電により発熱する発熱抵抗体を有しており、例えば酸素センサや発熱機器等の熱源として利用されている。

特開２０１５－１９７９５３号公報特開２０１９－６７６９６号公報

しかしながら、例えば、所望の性能を確保しつつ径方向の小型化を実現する点で改善の余地があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、径方向に小型化することができるヒータを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るヒータは、棒状の芯材と、発熱抵抗体と、第１層と、第２層とを備える。発熱抵抗体は、前記芯材の表面に位置する。第１層は、第１領域および第２領域を有し、前記芯材を覆う。第１領域は、前記芯材の上に位置する。第２領域は、前記発熱抵抗体の上に位置する。第２層は、前記第２領域の表面を含む前記第１層の表面に位置する。前記第１層と前記第２層との間には素子パターンが位置していない。

実施形態の一態様によれば、径方向に小型化することができるヒータが提供可能となる。

図１は、実施形態に係るヒータを示す斜視図である。図２は、実施形態に係るヒータの平面図である。図３は、図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。図４は、図２に示すＩＶ－ＩＶ線の断面図である。図５は、図２に示す領域Ｖを拡大した平面図である。図６は、図５に示すＶＩ－ＶＩ線の断面図である。図７は、図５に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線の断面図である。図８は、図５に示すＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線の断面図である。図９は、実施形態の変形例１に係るヒータの平面図である。図１０は、実施形態の変形例２に係るヒータの平面図である。図１１は、図１０に示すＸＩ－ＸＩ線の断面図である。図１２は、図１０に示すＸＩＩ－ＸＩＩ線の断面図である。図１３は、実施形態の変形例３に係るヒータの断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するヒータの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

＜実施形態＞
最初に、実施形態に係るヒータについて、図１～図４を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るヒータを示す斜視図である。図２は、実施形態に係るヒータの平面図である。図３は、図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。図４は、図２に示すＩＶ－ＩＶ線の断面図である。

図１～図４に示すように、実施形態に係るヒータ１は、芯材１０と、発熱抵抗体２０と、第１層３０と、第２層４０とを備える。

図２に示すように、ヒータ１は、長さ方向の両端に位置する一端１Ａおよび他端１Ｂを有している。一端１Ａは、ヒータ１の先端側であり、他端１Ｂは、ヒータ１の後端側である。

なお、説明を分かりやすくするために、図１～図４には、ヒータ１の長さ方向に沿って延びるＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後出の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。

芯材１０は、棒状を有している。芯材１０は、例えば、円柱形状であってもよい。芯材１０の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。芯材１０の材料としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを使用することができる。

芯材１０の長さ、すなわち、ヒータ１の全長は、例えば、５ｍｍ～３０ｍｍ程度とすることができる。また、芯材１０の直径は、例えば、１ｍｍ～５ｍｍ程度とすることができる。芯材１０の形状は、円柱形状に限らず、例えば、楕円柱形状または角柱形状であってもよい。

発熱抵抗体２０は、芯材１０の表面に位置している。発熱抵抗体２０は、通電により発熱する部材である。発熱抵抗体２０は、例えば、タングステン、モリブデンなどを含む高抵抗の導体を含んでよい。発熱抵抗体２０は、所定のパターン形状を有しており、ヒータ１を適切に加熱する。

第１層３０は、芯材１０を覆うように位置している。図３に示すように、第１層３０は、第１領域３０ａと第２領域３０ｂとを有する。第１領域３０ａは、芯材１０の上に位置している。第２領域３０ｂは、発熱抵抗体２０の上に位置している。

第１層３０の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。第１層３０の材料としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを使用することができる。第１層３０の組成は、芯材１０の組成と同じであってもよく、異なってもよい。

第１層３０の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度とすることができる。また、図３に示すように、第１層３０は、例えば、芯材１０の周方向に沿って互いに離れて位置する端面３１，３２を有してもよい。端面３１，３２の間隔は、例えば、０．１ｍｍ～１ｍｍ程度とすることができる。このように端面３１，３２が離れて位置することにより、例えば、第１層３０の端面３１，３２に生じる応力を分散させることができることから、第１層３０が剥離しにくくなる。

第２層４０は、第１層３０の上に位置している。第２層４０は、第１領域３０ａの一部および第２領域３０ｂの表面を覆うように位置している。

第２層４０の材料は、例えば、絶縁性を有するセラミックである。第２層４０の材料としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素または窒化アルミニウムを使用することができる。第２層４０の組成は、芯材１０および／または第１層３０の組成と同じであってもよく、異なってもよい。

第２層４０の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～０．４ｍｍ程度とすることができる。また、図３に示すように、第２層４０は、例えば、芯材１０の周方向に沿って互いに離れて位置する端面４１，４２を有してもよい。端面４１，４２の間隔は、例えば、０．１ｍｍ～１ｍｍ程度とすることができる。このように端面４１，４２が離れて位置することにより、例えば、第２層４０の端面４１，４２に生じる応力を分散させることができることから、第２層４０が剥離しにくくなる。

第１層３０の上に第２層４０が位置することにより、例えば芯材１０の直径を小さくした場合であっても、第１層３０が剥離しにくくなる。また、第１層３０の上に第２層４０が位置することにより、例えば第１層３０の厚みを小さくした場合であっても、所望の耐電圧性を確保することができる。このため、実施形態に係るヒータ１によれば、径方向に小型化することができる。

また、図３に示すように、ヒータ１は、芯材１０の長さ方向に沿って延びる溝部８０を有してもよい。溝部８０は、第１層３０の端面３１，３２および第２層４０の端面４１，４２を含み、発熱抵抗体２０が位置せずに芯材１０が露出する部位である。

また、溝部８０は、芯材１０の長さ方向に沿って延びる第２層４０の周方向の端部が、第１層３０の表面との間に段差を有するように位置してもよい。すなわち、第１層３０の端面３１および第２層４０の端面４１は、互いに離れて位置してもよい。同様に、第１層３０の端面３２および第２層４０の端面４２は、互いに離れて位置してもよい。

このように、芯材１０の周方向に沿って位置する第１層３０および第２層４０の端面同士が周方向に離れて位置していることにより、例えば第１層３０の端面３１，３２および第２層４０の端面４１，４２に生じる応力を分散させることができることから、第１層３０および／または第２層４０が剥離しにくくなる。

また、図４に示すように、ヒータ１は、後端側に位置するパッド５０を備えてもよい。パッド５０は、第１層３０の表面に位置し、端部が第１層３０と第２層４０との間に挟まって位置している。パッド５０は、第１層３０の第２領域３０ｂを貫通する導体６０を介して発熱抵抗体２０と電気的に接続されている。導体６０は、例えばビアまたはスルーホールであってもよい。パッド５０は、リード７０に接続されて、図示しない電源装置からヒータ１への給電が可能となる。また、パッド５０およびリード７０をヒータ１の後端側に位置させることにより、例えばヒータ１の発熱に伴う劣化を低減することができる。なお、第１層３０と第２層４０との間には、図示しないランドが位置してもよい。

一方、第１層３０と第２層４０との間には、素子パターンが位置していない。ここで、素子パターンとは、例えばヒータパターンおよびセンサパターンなど、導通以外の目的を有した部材をいい、例えばパッド５０やランドなど、銅箔などからなる低抵抗の配線パターンはかかる素子パターンには含まれない。このように、第１層３０と第２層４０との間に素子パターンが位置しないことにより、例えば通電による素子パターンの発熱に起因する第１層３０と第２層４０との間の剥離が生じにくくなる。

また、図４に示すように、芯材１０の後端側に位置する第２層４０の端部は、第１層３０の表面との間に段差を有してもよい。第２層４０の端部をこのように位置させることにより、例えば、第２層４０の後端側の端面に生じる応力を分散させることができることから、第２層４０がさらに剥離しにくくなる。また、図４に示すようにパッド５０の一部を露出させやすくなるため、例えばリード７０との接続が容易になる。

次に、図５～図８を参照しながら、実施形態に係るヒータ１についてさらに説明する。図５は、図２に示す領域Ｖを拡大した平面図である。図６は、図５に示すＶＩ－ＶＩ線の断面図である。図７は、図５に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線の断面図である。図８は、図５に示すＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線の断面図である。

図５に示すように、発熱抵抗体２０は、芯材１０の長さ方向に沿う第１部分２０１および第２部分２０２と、芯材１０の先端側に位置し、第１部分２０１および第２部分２０２を接続する第３部分２０３とを有している。

また、芯材１０の先端側に位置する第３部分２０３の端部２０３ｅは、芯材１０の先端側に位置する第１層３０および第２層４０の端面に沿う方向、すなわちＹ軸方向に延びている。これにより、例えばヒータ１の先端側の均熱性が向上する。

また、図６～図８に示すように、発熱抵抗体２０の上に位置する第１層３０の第２領域３０ｂは、発熱抵抗体２０が位置しない第１層３０の第１領域３０ａと比較して径方向に突出してもよい。第１層３０をこのように位置させることにより、全体にわたり安定した厚みを有する第１層３０とすることができる。

また、図７、図８に示すように、発熱抵抗体２０の第３部分２０３を含み芯材１０の長さ方向に平行な断面を見たときに、第２層４０の表面が突出していてもよい。具体的には、第２領域３０ｂの上に位置する第２層４０の領域４０ｂが、第１領域３０ａの上に位置する第２層４０の領域４０ａと比較して径方向に突出してもよい。領域４０ｂがこのように突出することにより、例えば、第１層３０と第２層４０との接合強度を高めることができる。

＜変形例１＞
つづいて、実施形態の各種変形例について、図９～図１３を参照しながら説明する。なお、以下に示す各種変形例では、実施形態と同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略することがある。

図９は、実施形態の変形例１に係るヒータの断面図である。図９に示すヒータ１は、発熱抵抗体２０の第３部分２０３を含む第１層３０の表面には、第２層４０が位置していない点で実施形態に係るヒータ１と相違する。このようにヒータ１の先端側に位置する第３部分２０３の上に位置する第１層３０の表面に第２層４０が位置しないことにより、例えば、ヒータ１の先端側の昇温速度が向上する。

＜変形例２＞
図１０は、実施形態の変形例２に係るヒータの平面図である。図１１は、図１０に示すＸＩ－ＸＩ線の断面図である。図１２は、図１０に示すＸＩＩ－ＸＩＩ線の断面図である。

変形例２に係るヒータ１は、発熱抵抗体２０の第３部分２０３のうち、芯材１０の先端側に位置する外側領域２０３ａと、外側領域２０３ａよりも芯材１０の後端側に位置する内側領域２０３ｂとを有している。外側領域２０３ａの表面には、第１層３０が位置している。また、内側領域２０３ｂの表面には、第１層３０および第２層４０が重なって位置している。

発熱抵抗体２０の第１部分２０１および第２部分２０２は、第３部分２０３と比較して高温になりやすいことから、第１層３０および第２層４０を重ねて位置させることにより、例えば、ヒータ１の耐久性が高まる。一方、ヒータ１の先端側には、第２層４０が位置しないことにより、例えば、ヒータ１の先端側の昇温速度が向上する。

また、図１１、図１２に示すように、内側領域２０３ｂの表面、すなわち内側領域２０３ｂの上に位置する第２層４０の部分４０１は、外側領域２０３ａの表面、すなわち外側領域２０３ａの上に位置する第１層３０よりも芯材１０の径方向に表面が突出していてもよい。これにより、本変形例に係るヒータ１によれば、例えば、第１層３０と第２層４０との接合強度を高めることができる。

＜変形例３＞
図１３は、実施形態の変形例３に係るヒータの断面図である。図１３に示すヒータ１は、第２層４０の端面４１，４２の幅が第１層３０の端面３１，３２の幅よりも大きい溝部８０を有する点で図３に示すヒータ１と相違する。かかるヒータ１においても、芯材１０の周方向に沿って位置する第１層３０および第２層４０の端面同士が周方向に離れて位置していることにより、例えば第１層３０の端面３１，３２および第２層４０の端面４１，４２に生じる応力を分散させることができることから、第１層３０および／または第２層４０が剥離しにくくなる。

以上説明したように、実施形態に係るヒータ１は、棒状の芯材１０と、発熱抵抗体２０と、第１層３０と、第２層４０とを備える。発熱抵抗体２０は、芯材１０の表面に位置する。第１層３０は、第１領域３０ａおよび第２領域３０ｂを有し、芯材１０を覆う。第１領域３０ａは、芯材１０の上に位置する。第２領域３０ｂは、発熱抵抗体２０の上に位置する。第２層４０は、第２領域３０ｂの表面を含む第１層３０の表面に位置する。第１層３０と第２層４０との間には素子パターンが位置していない。これにより、ヒータ１を径方向に小型化することができる。

また、実施形態に係るヒータ１は、芯材１０の周方向に沿って位置する第１層３０の一端面および他端面が離れて位置している。また、芯材１０の周方向に沿って位置する第２層４０の一端面および他端面が離れて位置している。これにより、第１層３０および第２層４０の端面が受ける応力を分散させることができる。

また、実施形態に係るヒータ１において、芯材１０の周方向に沿って位置する第１層３０および第２層４０の一端面同士が周方向に離れて位置している。これにより、第１層３０および第２層４０の端面が受ける応力を分散させることができる。

また、実施形態に係る発熱抵抗体２０は、１０の長さ方向に沿う第１部分２０１および第２部分２０２と、芯材１０の先端側に位置し、第１部分２０１および第２部分２０２を接続する第３部分２０３とを有している。第３部分２０３を含み芯材１０の長さ方向に平行な断面を見たときに、第２層４０の表面が突出している。これにより、ヒータ１を径方向に小型化することができる。

また、実施形態に係る発熱抵抗体２０は、芯材１０の長さ方向に沿う第１部分２０１および第２部分２０２と、芯材１０の先端側に位置し、第１部分２０１および第２部分２０２を接続する第３部分２０３とを有している。第３部分２０３のうち、芯材１０の先端側に位置する外側領域２０３ａと、外側領域２０３ａよりも芯材１０の後端側に位置する内側領域２０３ｂとを有する。外側領域２０３ａの表面には第１層３０が位置し、内側領域２０３ｂの表面には第１層３０および第２層４０が重なって位置している。これにより、ヒータ１を径方向に小型化することができる。

また、実施形態に係る内側領域２０３ｂは、外側領域２０３ａよりも芯材１０の径方向に表面が突出している。これにより、第１層３０および第２層４０の接合強度を高めることができる。

また、実施形態に係るヒータ１において、芯材１０の先端側に位置する第３部分２０３の端部２０３ｅは、芯材１０の先端側に位置する第１層３０および第２層４０の端面に沿う方向に延びている。これにより、ヒータ１の先端側の均熱性が向上する。

また、実施形態に係るヒータ１において、芯材１０の後端側に位置する第２層４０の端部は、第１層３０の表面との間に段差を有する。これにより、ヒータ１を径方向に小型化することができる。

また、実施形態に係るヒータ１は、芯材１０の長さ方向に沿って延び、発熱抵抗体２０が位置せずに芯材１０が露出する溝部８０を有する。溝部８０に位置し、芯材１０の長さ方向に沿って延びる第２層４０の周方向の端部は、第１層３０の表面との間に段差を有する。これにより、第１層３０および第２層４０の端面４１，４２に生じる応力を分散させることができることから、第１層３０および／または第２層４０が剥離しにくくなる。

また、実施形態に係るヒータ１は、第１層３０の表面に位置し、端部が第１層３０と第２層４０との間に挟まって位置するパッド５０を備える。これにより、パッド５０が剥離しにくくなる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ヒータ
１０芯材
２０発熱抵抗体
３０第１層
３０ａ第１領域
３０ｂ第２領域
４０第２層
５０パッド
６０導体
８０溝部
２０１第１部分
２０２第２部分
２０３第３部分

Claims

棒状の芯材と、
前記芯材の表面に位置する発熱抵抗体と、
前記芯材の上に位置する第１領域および前記発熱抵抗体の上に位置する第２領域を有し、前記芯材を覆う第１層と、
前記第２領域の表面を含む前記第１層の表面に位置する第２層と
を備え、
前記第１層と前記第２層との間には素子パターンが位置していない
ヒータ。
前記芯材の周方向に沿って位置する前記第１層の一端面および他端面が離れて位置し、
前記芯材の周方向に沿って位置する前記第２層の一端面および他端面が離れて位置している
請求項１に記載のヒータ。
前記芯材の周方向に沿って位置する前記第１層および前記第２層の一端面同士が前記周方向に離れて位置している
請求項１または２に記載のヒータ。
前記発熱抵抗体は、前記芯材の長さ方向に沿う第１部分および第２部分と、前記芯材の先端側に位置し、前記第１部分および前記第２部分を接続する第３部分とを有しており、
前記第３部分を含み前記芯材の長さ方向に平行な断面を見たときに、前記第２層の表面が突出している
請求項１～３のいずれか１つに記載のヒータ。
前記発熱抵抗体は、前記芯材の長さ方向に沿う第１部分および第２部分と、前記芯材の先端側に位置し、前記第１部分および前記第２部分を接続する第３部分とを有しており、
前記第３部分のうち、前記芯材の先端側に位置する外側領域と、前記外側領域よりも前記芯材の後端側に位置する内側領域とを有し、
前記外側領域の表面には前記第１層が位置し、
前記内側領域の表面には前記第１層および前記第２層が重なって位置している
請求項１～４のいずれか１つに記載のヒータ。
前記内側領域は、前記外側領域よりも前記芯材の径方向に表面が突出している
請求項５に記載のヒータ。
前記芯材の先端側に位置する前記第３部分の端部は、前記芯材の先端側に位置する前記第１層および前記第２層の端面に沿う方向に延びている
請求項５または６に記載のヒータ。
前記芯材の後端側に位置する前記第２層の端部は、前記第１層の表面との間に段差を有する
請求項１～７のいずれか１つに記載のヒータ。
前記芯材の長さ方向に沿って延び、前記発熱抵抗体が位置せずに前記芯材が露出する溝部を有し、
前記溝部に位置し、前記芯材の長さ方向に沿って延びる前記第２層の周方向の端部は、前記第１層の表面との間に段差を有する
請求項１～８のいずれか１つに記載のヒータ。
前記第１層の表面に位置し、端部が前記第１層と前記第２層との間に挟まって位置するパッドを備える
請求項１～９のいずれか１つに記載のヒータ。