特許 7629991 ヒータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-05

(45)【発行日】2025-02-14

(54)【発明の名称】ヒータ

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/02 20060101AFI20250206BHJP

   H05B 3/48 20060101ALI20250206BHJP

【ＦＩ】

H05B3/02 A

H05B3/48

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023523350

(86)(22)【出願日】2022-04-18

(86)【国際出願番号】 JP2022018056

(87)【国際公開番号】W WO2022249794

(87)【国際公開日】2022-12-01

【審査請求日】2023-11-16

(31)【優先権主張番号】P 2021089387

(32)【優先日】2021-05-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 将

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０６８２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２６５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３３１９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１８６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０３１１３５７５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０９０５６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｂ ３／０２

Ｈ０５Ｂ ３／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端から第２端に向かって延びる円柱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位置する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続されている電極パッドと、
該電極パッドに電気的に接続されているリード端子と、
前記電極パッドと前記リード端子とを接合する導電性の接合材と
を備え、
前記電極パッドは、前記セラミック体の側面から端面にかけて位置しており、
前記セラミック体は、該セラミック体の外周を含む第１部と、該第１部に続いて中心軸の近くに位置する第２部とを有しており、
前記第１部は、前記外周を含む第１側面と、該第１側面に続く第１端面とを有し、
前記第２部は、前記第１端面に続いて前記第２端に向かって延びる第２側面と、該第２側面に続く第２端面とを有している、ヒータ。

【請求項2】

前記電極パッドは、前記第１側面から前記第１端面にかけて位置している、請求項１に記載のヒータ。

【請求項3】

前記電極パッドは、前記第１端面から前記第２側面にかけて位置している、請求項２に記載のヒータ。

【請求項4】

前記電極パッドは、前記第１側面から前記第２端面にかけて位置している、請求項３に記載のヒータ。

【請求項5】

前記発熱抵抗体は、前記第１部と前記第２部との間に位置し、端部が前記第１端面から突出しており、
前記端部と前記電極パッドとが接合されている、請求項１に記載のヒータ。

【請求項6】

前記接合材は、前記第１端面から前記第２側面にかけてメニスカス状に位置している、請求項１に記載のヒータ。

【請求項7】

前記接合材は、前記第１端面から前記リード端子にかけてメニスカス状に位置しており、前記第２側面と前記リード端子との間に空間を有する、請求項１に記載のヒータ。

【請求項8】

前記接合材は、前記第２側面と前記リード端子との間を満たして位置している、請求項１に記載のヒータ。

【請求項9】

前記リード端子は、前記電極パッドに電気的に接合されている部分と前記セラミック体の長さ方向に伸びている部分とをつなぐ部分において湾曲している、請求項１に記載のヒータ。

【請求項10】

前記接合材は、前記第１側面に沿っているとともに前記第２側面にわたっており、
前記接合材と前記第１端面との間に隙間を有する、請求項１に記載のヒータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、液体加熱用のヒータ、気体加熱用ヒータまたは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。

【背景技術】

【0002】

液体加熱用ヒータに用いられるヒータとして、例えば、特許文献１に記載のセラミックヒーターが知られている。特許文献１に記載されているセラミックヒーターは、内部に発熱部を有する芯材と、芯材の側面に設けられており、発熱部に接続されている接続端子部と、一端部がろう材によって接続端子部に接合されており、他端部がセラミックヒーターの長さ方向に沿って伸びているリード端子と、を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－８１６０８号公報

【発明の概要】

【0004】

本開示のヒータは、ヒータは、第１端から第２端に向かって延びる円柱状または筒状のセラミック体と、セラミック体の内部に位置する発熱抵抗体と、発熱抵抗体に電気的に接続されている電極パッドと、電極パッドに電気的に接続されているリード端子と、電極パッドとリード端子とを接合する導電性の接合材とを備え、電極パッドは、セラミック体の側面から端面にかけて位置している。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1A】図１Ａは、ヒータの一例を示す斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａに示すヒータの一部を透過した概略斜視図である。

【図2A】図２Ａは、図１Ａに示すヒータをＡ－Ａ’線で切断した拡大断面図である。

【図2B】図２Ｂは、図１Ａに示すヒータをＢ－Ｂ’線で切断した拡大断面図である。

【図3】図３は、図１Ａに示すヒータの拡大断面図である。

【図4】図４は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図5】図５は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図6】図６は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図7】図７は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図8】図８は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図9】図９は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図10】図１０は、ヒータの他の例を示す拡大断面図である。

【図11】図１１は、ヒータの他の例を示す側面図である。

【図12】図１２は、ヒータの他の例を示す平面図である。

【図13】図１３は、ヒータの他の例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

このようなセラミックヒーターに対して、芯材のうちの１つの面に端子接続部が設けられている。これにより、芯材と端子接続部との離れる方向に振動が生じたときに、端子接続部の接合強度を保持できないおそれがあった。これにより、長時間使用したときに、端子接続部が芯材から剥離してしまうおそれがあった。その結果、セラミックヒーターの長期信頼性を高めることが困難であった。

【0007】

本開示の一形態のヒータは、電極パッドがセラミック体の側面から端面にかけて位置している。これにより、セラミック体のうち複数の面に電極パッドを設けることができる。これにより、セラミック体と電極パッドとの離れる方向に振動が生じても、電極パッドの接合強度を保持できる。これにより、長時間使用した場合でも、電極パッドがセラミック体から剥離してしまうおそれを低減できる。その結果、ヒータの長期信頼性を高めることができる。

【0008】

ヒータ１００について詳細に説明する。

【0009】

図１Ａは、ヒータ１００の一例を示す斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示すヒータの一部を透過した概略斜視図である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ヒータ１００は、第１端１０１から第２端１０２に向かって延びる円柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に位置する発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に電気的に接続されている電極パッド３と、電極パッド３に電気的に接続されているリード端子と、電極パッド３とリード端子４とを接合する導電性の接合材５とを備え、電極パッド３は、セラミック体１の側面から端面にかけて位置している。

【0010】

なお、図１Ａおよび図１Ｂにおいて、ヒータ１００の左下が第１端１０１であり、右上が第２端１０２である。また、図３において、上方が第１端１０１であり、下方が第２端１０２である。また、以下の記載において、「第１端１０１側」および「第２端１０２側」と記載する場合があるが、セラミック体１が延びる方向である長手方向の中心を基準に、第１端１０１に近い部分が「第１端１０１側」であり、第２端１０２に近い部分が「第２端１０２側」である。「第１端１０１側」は第１端１０１の近傍、「第２端１０２側」は第２端１０２の近傍ともいうことができる。

【0011】

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、長手方向を有する円柱状または筒状である。図１に示すヒータ１００においては、セラミック体１は円筒状である。

【0012】

セラミック体１は、絶縁性のセラミック材料を有する。セラミック体１は、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウム等の絶縁性のセラミック材料を有する。セラミック体１の寸法は、セラミック体１が円柱状の場合には、例えば長さを１０～４００ｍｍに、外径を５～６０ｍｍにすることができる。また、セラミック体１の寸法は、セラミック体１が円筒状の場合には、例えば長さを１０～４００ｍｍに、外径を５～６０ｍｍに、内径を３～５０ｍｍにすることができる。

【0013】

また、セラミック体１は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、外周面に第１端１０１から第２端１０２に向かって伸びているスリット状の凹部を有していてもよい。

【0014】

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱するための部材である。発熱抵抗体２は、図１Ｂ、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、セラミック体１の内部に設けられている。発熱抵抗体２は、セラミック体１の第２端１０２側で最も発熱するように配置されていてもよい。発熱抵抗体２は、例えば、セラミック体１の第１端１０１側から第２端１０２側に向かって伸びており、第２端１０２側に到達すると、第２端１０２側からもう一方の第１端１０１側に向かって伸びていてもよい。また、発熱抵抗体２は、図１Ｂに示すように、例えば、セラミック体１の第２端１０２側において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返し部を有していてもよい。また、発熱抵抗体２は、折返し部の第２端１０２側においては一対の直線状部となっていてもよい。発熱抵抗体２は、繰り返して折り返す折返し部が第２端１０２側だけにあるパターンではなく、第１端１０１側と第２端１０２側との間を繰り返して往復するパターンであってもよい。

【0015】

発熱抵抗体２は、金属材料を有している。金属材料は、例えばタングステン、モリブデンまたはレニウムを有する。発熱抵抗体２は、絶縁性の部材を有していてもよい。これにより、発熱抵抗体２の抵抗値を調整することができる。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．２～５ｍｍに、全長を５～１０００ｍｍに、厚みを０．０５～０．５ｍｍに設定することができる。

【0016】

電極パッド３は、リード端子４と発熱抵抗体２とを接続するための部材である。電極パッド３は、セラミック体１の側面から端面にかけて設けられている。電極パッド３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。電極パッド３は、金属材料を有している。金属材料は、例えばタングステン、モリブデン、レニウムを有する。さらにはその表面に、ニッケルやクロム、金などの金属の層を施しても良い。電極パッド３のセラミック体１の側面に設けられている部分の寸法は、長さを０．５～１５ｍｍ、幅を０．５～５ｍｍに、厚みを０．２～１．５ｍｍにすることができる。また、電極パッド３のセラミック体１の端面に設けられている部分の寸法は、長さを０．１～２０ｍｍ、幅を０．１～２０ｍｍに、厚みを０．２～１．５ｍｍにすることができる。図１に示すように、電極パッド３およびリード端子４は、発熱抵抗体２の両端にそれぞれ設けられていてもよい。

【0017】

電極パッド３および発熱抵抗体２は、図２Ｂに示すように、例えばスルーホール導体を介して電気的に接続されていてもよい。これにより、セラミック体１の外周部に設けられているリード端子４とセラミック体１の内部に設けられている発熱抵抗体２とを電気的に接続することができる。

【0018】

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は外部の電源に電気的に接続されている。リード端子４は、電極パッド３に電気的に接合されており、セラミック体１の長さ方向に伸びている。リード端子４は、例えば線状、棒状、円柱状、帯状または紐状の部材である。リード端子４の断面の形状としては、例えば、円形状、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かつ中空状であってもよい。図１に示すリード端子４においては、リード端子４は円柱状である。リード端子４の寸法は、例えば円柱状であるときは、径の長さを０．５～５～ｍｍに、長さを１０～３００ｍｍにすることができる。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。

【0019】

接合材５は、リード端子４と電極パッド３とを強固に固定するための部材である。接合材５は、電極パッド３の上に位置している。接合材５は、例えば銀、銅またはスズ等の導電性の金属材料であってもよい。

【0020】

本実施形態の試料保持具においては、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ヒータ１００は、第１端１０１から第２端１０２に向かって延びる円柱状または筒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に位置する発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に電気的に接続されている電極パッド３と、電極パッド３に電気的に接続されているリード端子４と、電極パッド３とリード端子４とを接合する導電性の接合材５とを備え、電極パッド３は、セラミック体１の側面から端面にかけて位置している。これにより、セラミック体１のうち複数の面に電極パッド３を設けることができる。これにより、セラミック体１と電極パッド３との離れる方向に振動が生じても、電極パッド３の接合強度を保持できる。これにより、長時間使用した場合でも、電極パッド３がセラミック体１から剥離してしまうおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0021】

また、図３に示すように、セラミック体１は、セラミック体１の外周を含む第１部１１と、第１部１１に続いて中心軸の近くに位置する第２部１２とを有しており、第１部１１は、外周を含む第１側面１１１と、第１側面１１１に続く第１端面１１２とを有し、第２部１２は、第１端面１１２に続いて第２端１０２に向かって延びる第２側面１２１と、第２側面１２１に続く第２端面１２２とを有していてもよい。

【0022】

また、図１に示す「側面」は、第１側面１１１および第２側面１２１を含んでおり、「端面」は、第１端面１１２および第２端面１２２を含んでいる。このとき、第２部１２は、第１端面１１２に続いて第２端１０２に向かって延びる第２側面１２１と第２側面１２１に続く第２端面１２２とを有していることで、第２部１２と第１部１１との間に段差を設けることができる。これにより、リード端子４と第１端面１１２と第２側面１２１との間に、接合材５を溜める空間を設けることができる。これにより、接合材５をより多く加えることができる。これにより、リード端子４とセラミック体１との接合強度を高めることができる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0023】

また、図３に示すように、電極パッド３は、第１側面１１１から第１端面１１２にかけて位置していてもよい。このとき、第２側面１２１および第２端面１２２は、電極パッド３を設けていない部分を有してもよい。また、第２側面１２１および第２端面１２２は、接合材５を設けていない部分を有してもよい。電極パッド３が、第１側面１１１から第１端面１１２にかけて位置していることで、セラミック体１が１つの面に、電極パッド３が有する場合と比較してセラミック体１と電極パッド３との離れる方向に振動が生じても、電極パッド３の接合強度を保持できる。これにより、長時間使用した場合でも、電極パッド３がセラミック体１から剥離してしまうおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0024】

また、図４に示すように、電極パッド３は、第１端面１１２から第２側面１２１にかけて位置していてもよい。このとき、第２端面１２２は、電極パッド３を設けていない部分を有してもよい。また、第２端面１２２は、接合材５を設けていない部分を有してもよい。電極パッド３が、第１端面１１２から第２側面１２１にかけて位置していることで、電極パッド３が第１部１１と第２部１２との境界である第１端面１１２と第２側面１２１との間を覆うことができる。そのため、セラミック体１の第１端面１１２と第２側面１２１との間にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上できる。第１部１１は表層部ということができる部位であり、第２部１２は芯部ということができる部位である。

【0025】

また、図５に示すように、電極パッド３は、第２側面１２１から第２端面１２２にかけて位置していてもよい。このとき、第１端面１１２および第２側面１２１は、電極パッド３および接合材５が設けられていてもよい。電極パッド３が、第２側面１２１から第２端１０２面１２２にかけて位置していることで、これにより、電極パッド３をセラミック体１のより多くの面に設けることができる。これにより、セラミック体１と電極パッド３との離れる方向に振動が生じても、電極パッド３の接合強度を保持できる。これにより、長時間使用した場合でも、電極パッド３がセラミック体１から剥離してしまうおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0026】

また、図６に示すように、発熱抵抗体２は、第１部１１と第２部１２との間に位置し、端部が第１端１０１面１１２から突出しており、端部と電極パッド３とが接合されていてもよい。これにより、リード端子４から発熱抵抗体２まで電流が流れる経路を増やすことができる。これにより、リード端子４と発熱抵抗体２とが電気的に接続されなくなるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0027】

また、図７に示すように、接合材５は、第１端面１１２から第２側面１２１にかけてメニスカス状に設けられていてもよい。これにより、第１端面１１２と第２側面１２１との界面を接合材５が覆うことができるため、クラックがセラミック体１の第１端面１１２と第２側面１２１との界面に生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0028】

また、図７に示すように、接合材５は、第１端面１１２からリード端子４にかけてメニスカス状に設けられており、第２側面１２１とリード端子４との間に空間を有していてもよい。これにより、リード端子４とセラミック体１とを接合材によって強固に固定しつつ、第２側面１２１とリード端子４との間に有する空間によって接合材５が熱膨張できる領域を形成することができる。これにより、接合材５の熱膨張によってリード端子４と接合材５との間において熱応力が生じるおそれを低減できる。これにより、リード端子４と接合材５との間にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0029】

また、図８に示すように、接合材５は、第２側面１２１とリード端子４との間に満たして位置していてもよい。これにより、接合材５によってリード端子４とセラミック体１とを強固に固定することができる。これにより、リード端子４とセラミック体１とが剥離するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。ここでいう、第２側面１２１とリード端子４との間とは、第１側面１１１の仮想延長線と第２端１０２面１２２の仮想延長線との囲まれた部分のことである。

【0030】

また、図９に示すように、リード端子４が湾曲していてもよい。ここでいう「湾曲している」とは、図９に示すように、電極パッド３に電気的に接合されている部分と第１端１０１に向かって伸びている部分とをつなぐ部分において、湾曲していることを意味している。これにより、生じた振動を分散することができる。これにより、リード端子４と接合材５との接合強度を保持することができる。これにより、リード端子４と接合材５とが剥離するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。電極パッド３に電気的に接合されている部分と第１端１０１に向かって伸びている部分とからなる角度が９０度に近いほど、つなぐ部分の湾曲による効果は大きくなる。

【0031】

また、図１０に示すように、接合材５は、第１側面に沿っているとともに第２側面にわたっており、接合材５と第１端１０１面１２１との間に隙間を有していてもよい。これにより、第１部１１が露出している部位まで接合材５が熱膨張することができる。これにより、接合材５の熱膨張によってリード端子４と接合材５との間において熱応力が生じるおそれを低減できる。これにより、リード端子４と接合材５との間にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0032】

また、図１１に示すように、電極パッド３は、セラミック体１の第２端１０２側より第１端１０１側のほうが細くてもよい。ここでいう「細い」とは、セラミック体１の第１端１０１側の電極パッド３の長さがセラミック体１の周方向において第２端１０２側よりも短いことを意味している。これにより、セラミック体１の第１端１０１にリード端子４が２つありそれぞれに対応する電極パッド３がある場合において、２つの電極パッド３の距離を遠ざけることができる。これにより、２つの電極パッド３が接続してしまうおそれを低減でき、短絡が生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。電極パッド３において、セラミック体１の第２端１０２側より第１端１０１側のほうが細い形状として段状であってもよいが、セラミック体１の第１端１０１側が先細り形状であれば、段状であるよりも応力をより低減できる。

【0033】

また、図１２に示すように、電極パッド３は、セラミック体１の第１端１０１側から見たときに、第２部１２の中心に向かうにつれて先細り形状であってもよい。これにより、セラミック体１の端面に設けられている２つの電極パッド３を遠ざけることができる。これにより、セラミック体１の端面で短絡が生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を高めることができる。

【0034】

また、図１３に示すように、セラミック体１の第１端１０１側から見たときに、２つの電極パッド３の外周の長さは、それぞれ異なっていてもよい。これにより、他の部品とヒータ１００とを接合する際に、陽極と陰極とを区別することができる。これにより、ヒータ１００を他の部材と正確に接続することができる。

【0035】

また、図１３に示すように、セラミック体１の第１端１０１側から見たときに、２つの電極パッド３の内周の長さは、それぞれ異なっていてもよい。これにより、他の部品とヒータ１００とを接合する際に、陽極と陰極とを区別することができる。これにより、ヒータ１００を他の部材と正確に接続することができる。

【0036】

特に、陰極の電極パッド３の外周を陽極よりも長くすることや、内周の長さを長くすることで、陰極の電極パッド３に取り付けるリード端子４の径や数を陽極よりも陰極の方を大きくすることが出来るので、陰極のリード端子４をグランドに接地しながら、ヒータ１００を固定することにも用いることができる。

【符号の説明】

【0037】

１：セラミック体
１０１：第１端
１０２：第２端
１１：第１部
１１１：第１側面
１１２：第１端面
１２：第２部
１２１：第２側面
１２２：第２端面
２：発熱抵抗体
３：電極パッド
４：リード端子
５：接合材
１００：ヒータ

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】