JP2005093364A

JP2005093364A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2005093364A
Application number: JP2003328436A
Authority: JP
Inventors: Yuuki Fujino; 勇規藤野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】車載暖房装置との配線接続のため、電極金具７にリード配線８を接合する際、接合時の作業性が悪く、電極金具７の外表面即ち曲面上にスポット溶接するため、接地部分位置がばらつき、接合強度が安定しないという問題があった。
【解決手段】窒化物セラミックスからなる基体１０中に発熱抵抗体３を埋設し、該発熱抵抗体３の両端に一部が基体１０の表面に露出する一対の電極引出部５を形成し、該電極引出部５の露出部にメタライズ層を介して電極金具７を接続してなるセラミックヒータであって、少なくとも一方の電極金具７が、ツバ部７ｃを有する筒状金具からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼式車載暖房装置の点火あるいは炎検知用のヒータ、自動車用グロープラグ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、酸素センサ等の各種センサの各種センサや測定機器の加熱用ヒータなどに利用されるセラミックヒータに関するものである。

寒冷地においてエンジンの始動を短期間に可能とするための熱源または車両室内暖房の補助熱源として、液体燃料を用いる車載暖房機が使用されている。また、電気自動車においてはバッテリの容量の制限により電力消費を少なくすることが要求されており、暖房装置の熱源としてこの液体燃料を用いた車載暖房機の利用が見込まれている。この車載暖房機には、熱源としてセラミックヒータが搭載されており、燃料の着火及び着火検知として搭載される。

このセラミックヒータは、図３（ａ）の平面図、（ｂ）の斜視図に示すように、円柱状の基体２０に保持金具１６とその上部に一対の電極金具１７が取り付けられており、さらに電極金具１７にリード配線１８が取り付けられている。この保持金具１６にて、車載暖房機に取り付けられ、リード配線１８より電力が供給されて、基体２０が発熱する仕組みである。

また、図２に示すように、このセラミックヒータは、窒化物セラミックスからなり、基体２０となるセラミック成形体２ｂ、２ｃ上にそれぞれ発熱抵抗体３と電極引出部５をプリント法により形成し、次いで、発熱抵抗体３と電極引出部５の間に両者を導通させるためのリードピン４を設け、セラミック成形体２ａ、２ｂ、２ｃを積層して密着させ、ホットプレスにより焼成する。しかる後、得られた焼結体を円柱状に加工し、図３に示すように表面に露出した電極引出部５の上にガラス、Ｎｉを主成分としたメタライズ層を形成し、その上にＮｉメッキを施した鉄あるいはステンレス材からなる筒状の電極金具１７をロウ付けしてなる。

また、この電極金具１７には外部から電力を供給するため、リード配線１８が接合される。このリード配線１８は、ハンダ等の接合であると電極引出部５の温度に耐えきれず外れてしまう危険があり、また端子等のはめ込み接合及び加締めによる接合であると自動車の振動で外れる危険があるため、高温における耐熱性、また車載における長期的な信頼性を確保するため、スポット溶接によって電極金具１７の外表面に直接リード配線１８を接続する方法が用いられている（特許文献１参照）。
特開平１１−１７３５１１号公報

しかしながら、車載暖房装置との配線接続のため、電極金具１７にリード配線１８を接合する際、筒状の電極金具１７の外表面即ち曲面上にスポット溶接するため、リード配線１８を電極金具１７の外表面にのせスポット溶接するまでの間、ぐらつき不安定であり、接合時の作業性が悪いという問題があった。

さらに、上記の通り安定しない上、電極金具１７の外表面即ち曲面上にスポット溶接するため、リード配線１８と電極金具１７とのスポット溶接時の接地部分位置がばらつき、接合強度が安定しないという問題があった。

そこで、上記課題に鑑み、本発明は、セラミックヒータにおける電極金具へのリード配線の接合において、接合時の作業性を向上させ、且つ、接合強度が安定したセラミックヒータを提供することを目的とする。

本発明のセラミックヒータは、窒化物セラミックスからなる基体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体の表面に露出する一対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具を接続してなるセラミックヒータであって、少なくとも一方の電極金具が、ツバ部を有する筒状金具からなることを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、上記一対の電極金具がそれぞれツバ部を有し、各ツバ部が対向するように設けられたことを特徴とする。

さらに、本発明のセラミックヒータは、上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることを特徴とする。

またさらに、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具がスリットを有することを特徴とする。

さらにまた、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具の厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明のセラミックヒータは、上記ツバ部は、一辺が１．５ｍｍ以上の四角形状であることを特徴とする。

本発明のセラミックヒータは、少なくとも一方の電極金具がツバ部を有する筒状金具からなることから、平面を有するツバ部にリード配線をスポット溶接することができるため、リード配線をスポット溶接するまでの間も、安定して載置しておくことができ、作業性を向上することができる。また、リード配線と電極金具とのスポット溶接時の接地部分位置が安定し、接合強度を安定することができる。

また、本発明のセラミックヒータは、上記一対の電極金具がそれぞれツバ部を有し、各ツバ部が対向するように設けられたことから、一方をスポット溶接した後、もう一方を溶接する際、先にスポット溶接したリード配線の位置及び方向に干渉されることなく、スポット溶接が可能で、さらに作業性を向上することができる。

さらに、本発明のセラミックヒータは、上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることから、金具とセラミックヒータの熱膨張差により発生する応力を緩和することができ、長期間に渡り高温に曝されても抵抗値が変化せず、安定した着火性能が維持できる。

またさらに、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具がスリットを有することから、
基体と筒状金具との熱膨張差による応力を緩和して、長期間にわたって高温に曝されても抵抗値が変化せず、安定した着火性能が維持できる。

さらにまた、本発明のセラミックヒータは、上記筒状金具の厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることから、車載暖房機の配線とのスポット溶接部を高強度に保持することができる。

また、本発明のセラミックヒータは、上記ツバ部は、一辺が１．５ｍｍ以上の四角形状であることから、リード配線のスポット溶接に十分な領域が確保でき、強固に接続することができる。

以下、本発明のセラミックヒータの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明のセラミックヒータの一実施形態を示す正面図であり、（ｂ）は同図（ａ）のセラミックヒータ１を矢印Ａの方向から見た側面図である。

図１に示すように、本発明のセラミックヒータ１は、窒化物セラミックスからなる基体１０中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体１０の表面に露出する一対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具７を接続してなるものであり、このセラミックヒータ１の外周に保持金具６をロウ付けし、車載暖房機の燃焼筒に固定し、車載暖房機の着火あるいは上記発熱抵抗体を温度センサとして使用し、燃焼時の温度を発熱抵抗体の抵抗値から判断するものである。

このセラミックヒータ１の製造方法を図２の展開斜視図を用いて説明する。

ここでは２層の発熱抵抗体３を有するものであり、先ずセラミック成形体２ｂ、２ｃの上にそれぞれ発熱抵抗体３と電極引出部５をプリント法により形成する。次いで、上記発熱抵抗体３と電極引出部５の間に両者が導通するようにリードピン４を設置し、セラミック成形体２ｂ、２ｃとこれらの蓋となるセラミック成形体２ａを重ねて密着させ、ホットプレスにより焼成する。その後、得られた焼結体を円柱状に加工し、図１（ａ）に示すように表面に露出した電極引出部５に不図示のメタライズ層を形成し、その上面に電極金具７をロウ付けする。しかる後、電極金具７にリード配線８を接続して電力を供給するものである。

ここで、本発明のセラミックヒータ１は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、少なくとも一方の電極金具７がツバ部７ｃを有する筒状金具７ｂからなることが重要である。

これは、平板状のツバ部７ｃにリード配線８をスポット溶接することによって、従来のように筒状の電極金具の外表面、即ち曲面上にスポット溶接するのと比較して、リード配線８をスポット溶接するまでの間も安定して載置しておくことができ、作業性を向上することができるためである。また、リード配線８と電極金具７とのスポット溶接時の接地部分が安定し、接合強度を安定することができ、電極引出部５が高温となっても十分に耐熱性を有し、また端子等のはめ込み接合及び加締めによる接合による離脱の危険もなく、車載における長期的な信頼性を得ることができる。

各電極金具７の軸方向の距離Ｔは、０．５〜５ｍｍ、更に好ましくは２〜５ｍｍとすることが好ましい。この距離が０．５ｍｍ未満では、電極金具７をロウ付けした際にロウ材が広がって短絡する可能性があり、一方、距離が５ｍｍを越えると、性能上は問題がないが、セラミックヒータ１の全長が長くなり、セラミックヒータ１を装着する装置全体の大きさに影響するので好ましくない。

また、ツバ部７ｃの形状は、四角状が好ましいが、スポット溶接が可能であり、接合強度を保持できれば、丸状や三角状、その他特殊な形状でも構わない。

さらに、１つの電極金具７に対しては、スポット溶接の作業性から１つのツバ部７ｃを有することが好ましい。

なお、１つの電極金具７に複数のツバ部７ｃを形成する場合、電極金具７の円周上に均等に配置することで溶接が比較的容易にできるため好ましいが、５つ以上になるとスポット溶接の作業性が悪くなるので好ましくない。

またさらに、上記ツバ部７ｃは、図１（ｂ）に示すように筒状金具７ｂと一体的に形成されていることが好ましく、金型による成形加工や曲げ加工により容易に製作することができ、また、ツバ部７ｃとの境界にスリット９が形成されることから、基体１０と筒状金具７ｂとの熱膨張差による応力を緩和するために効果的である。また、スリット９の幅は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、上記ツバ部７ｃは図１（ｃ）に示すように基体１０が柱状体からなる場合にその軸方向に対して垂直な平面を有するものとするが好ましく、スリット９を挟んでツバ部７ｃを形成することで容易にツバ部７ｃを形成することができる。

また、一対の電極金具７に形成された各ツバ部７ｃが、図１（ｂ）に示すように対向するように設けられることが好ましい。

これは、一方のツバ部７ｃにリード配線８をスポット溶接した後、もう一方のリード配線８をツバ部７ｃに溶接する際、先にスポット溶接したリード配線８の位置及び方向に干渉されることなく、スポット溶接が可能で、さらに作業性を向上することができるためである。また、同方向からのスポット溶接が可能であるため、一対の溶接部を同時に溶接することも可能であり、作業時間の大幅な短縮が実現できる。

さらに、電極金具７がコイル状金具７ａと、該コイル状金具７ａを覆うツバ部７ｃを有する筒状金具７ｂとからなることが好ましい。

これによって、電極金具７と発熱抵抗体３を埋設した基体１０との熱膨張差により発生する応力を緩和することができ、長期間にわたって高温に曝されても抵抗値が変化せず、安定した着火性能が維持できる。

なお、電極金具７を構成するコイル状金具７ａの材質としては、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や４−２アロイ、インコロイ、インコネル、ステンレス、Ｎｉ等の熱膨張係数の小さい金属が好ましいが、車載暖房機に用いられるセラミックヒータ１には腐食耐性の良好なＮｉが多用されている。また、線径は発生する応力を小さくするため細い方が良く０．６ｍｍ〜１．２ｍｍとすることが好ましい。
また、上記筒状金具３ｂは、その厚みが０．１〜０．５ｍｍであることが好ましく、さらには０．１〜０．３ｍｍが好ましい。厚みが０．１ｍｍ未満となると、車載暖房機の配線とのスポット溶接部が破れる、あるいは強度が劣化する可能性がある。一方、０．５ｍｍを超えると筒状金具７ｂによる応力が大きくなりすぎ、ロウ付けしているコイル状金具７ａに大きな影響を与えて、コイル状金具７ａが応力緩和のための作用をなさなくなる。さらに、筒状金具７ｂ及びツバ部７ｃの材質としては、熱膨張係数がコイル状金具７ａに近いもの、かつロウ材が流れにくいものが好ましく、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、４−２アロイ、インコロイ、インコネル、ステンレス材等をもちいることが好ましい。
さらに、上記ツバ部７ｃは、一辺が１．５ｍｍ以上の四角形状であることが好ましく、
１．５ｍｍ未満であるとスポット溶接する領域として、十分な領域が確保できず、スポット溶接時にツバ部７ｃが破れたり、強度が低下したりする危険がある。

ここで、本発明のセラミックヒータ１は、基体１０として、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等の窒化物セラミックスからなり、中でも、窒化珪素質焼結体が高強度、高靱性、高絶縁性、耐熱性の観点で一番優れている。
窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ_２量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ_２と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ_２と、意図的に添加したＳｉＯ_２の総和である。

また、母材の窒化珪素にＭｏＳｉ_２やＷＳｉ_２を分散させることにより、母材の熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近づけることにより、発熱抵抗体３の耐久性を向上させることが可能である。

さらに、上記基体１０として窒化アルミニウムを用いる場合は、窒化アルミニウムに対して、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物やＣａＯを２〜８重量％添加したものを使用する。

上記基体１０に埋設された発熱抵抗体３は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加するＢＮの比率が４重量％以上となるように調整することが好ましい。窒化珪素セラミックス中で、発熱抵抗体３となる導体成分は窒化珪素に較べて熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が掛かった状態にある。これに対して、ＢＮは、窒化珪素に較べて熱膨張率が小さく、また発熱抵抗体３の導体成分とは不活性であり、セラミックヒータ１の昇温降温時の熱膨張差による応力を緩和するのに適している。また、ＢＮの添加量が２０重量％を越えると抵抗値が安定しなくなるので、２０重量％が上限である。さらに好ましくは、ＢＮの添加量は、４〜１０重量％とする。

さらに、発熱抵抗体３への添加物として、ＢＮの代わりに窒化珪素を１０〜４０重量％添加することも可能である。窒化珪素の添加量を増すにつれ、発熱抵抗体３の熱膨張率を母材の窒化珪素に近づけることができる。

また、上記リードピン４については、耐熱性のある材質であれば他の材質を用いることも可能であるが、特にセラミック基材が窒化珪素の場合、Ｗを用いるのが好ましい。
さらに、電極引出部５に電極金具７を接合する際に形成するメタライズ層は、高温耐久性を増すために活性金属を含むＡｇ、Ｃｕを主成分とする金属主成分のメタライズ層を用いることが好ましい。一方、活性金属を含まないガラスを主成分としたメタライズ層を使用すると、応力は緩和されるが高温になると接合力が弱いため電極引出部５とメタライズ層との間に隙間が生じて抵抗変化が生じやすい。なお、Ａｇ−Ｃｕ合金を主成分とする場合、Ｃｕの比率はメタライズ層が硬くならないように５〜２０％とすることが好ましい。

そして、このセラミックヒータ１を保持するための保持金具６としては、ステンレス鋼、耐熱鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、インコネル等の耐熱性に優れたものが好適である。
上記セラミックヒータ１は、エンジンの始動用熱源または車両室内暖房の補助熱源として用いられる燃焼式車戴暖房機にて点火または炎検知として好適に用いられる。上記セラミックヒータ１は、電極金具７としてコイル状金具７ａ、ツバ部７ｃを有する筒状金具７ｂを用いたことから、使用中の熱サイクルにより電極引出部５付近の抵抗値が増加したり、周辺の基体１０にクラックが発生したりすることを防止することが可能となる。

なお、上述の実施形態では、円柱状のセラミックヒータ１を用いて説明したが、四角柱状等、種々の形状のセラミックヒータでもよく、電極金具７として基体１０の形状に沿うようにツバ部７ｃを有する筒状金具７ｂを接合すればよい。

本発明の有効性を確認するためにセラミックヒータ試料を作製し、下記試験を実施して従来の構造のものと比較した。
先ず、図１に示す本発明のセラミックヒータ試料を作製するため、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末をプレス成形法によってセラミック成形体を得た後、セラミック成形体の上面にＷＣとＢＮを主成分とするペーストを用いて発熱抵抗体と電極引出部をプリント法により形成した。
その後、リードピンを上記発熱抵抗体と電極引出部が導通するように設置し、上記セラミック成形体を２層とこれらの蓋となるセラミック成形体を重ねて密着させ、これを円筒のカーボン型に入れた後、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７５０℃の温度でホットプレスにより焼成した。

しかる後、焼結体を円柱状に加工し、表面に露出した一対の電極引出部にＡｇを主成分とするメタライズ層を形成し、表１に示す如く電極金具を接続した。

なお、電極金具は、ＳＵＳ材からなりツバ部を有する筒状金具のみのもの、Ｎｉからなるコイル状金具をロウ付けし、さらにその上からＳＵＳ材からなりツバ部を有する筒状金具を同時にロウ付けしたもの、従来例として、図３に示すようなＳＵＳ材からなりツバ部のない筒状金具のみのものを用意した。

さらに、φ２ｍｍのＣｕよりなるリード配線を電極金具にスポット溶接することにより、セラミックヒータの試料を作製した。

なお、試料の大きさは、基体の外径４．５ｍｍ、電極金具の外径６．５ｍｍ、長さ約４５〜４６ｍｍとした。

かくして得られたセラミックヒータ試料のスポット溶接部の強度を測定した。セラミックヒータを水平にして、保持金具で固定し、スポット溶接面に対して垂直方向にリード配線を引っ張り、デジタル式のフォースゲージにて測定した。

さらに、得られたセラミックヒータ試料の電極部の高温の耐久性について評価実施した。セラミックヒータを高温耐久炉に入れて、３００℃にて２分の高温放置後、２分間で１００℃未満になるようなサイクル評価を、継続実施して３００００サイクル実施後の抵抗変化量を調査した。

結果を表１に示す。

表１に示す通り、本発明によるセラミックヒータであるツバ部を有する筒状金具を有する試料（Ｎｏ．１〜１９）は、リード配線の引張り強度が３５０Ｎ以上と強固に接続されており、また、サイクル試験後の抵抗値増加量は、２５ｍΩ以下と良好な耐久性を示す結果となっている。

また、各ツバ部の位置が対向している試料（Ｎｏ．１〜１２、１５〜１９）は、対向していない試料（Ｎｏ．１３，１４）に対して、引張り強度、抵抗値増加量ともおおきな低下はないものの作業性の面で非常に優位となる。

さらに、試料（Ｎｏ．６）と試料（Ｎｏ．７）の比較、および試料（Ｎｏ．１５）と試料（Ｎｏ．１６）との比較から、コイル状金具を有する試料の方が抵抗値増加量が少なく、良好な耐久結果を得られた。また、試料（Ｎｏ．４）と試料（Ｎｏ．５）との比較、および試料（Ｎｏ．８）と試料（Ｎｏ．１２）との比較から判るように、筒状金具にスリットを形成することにより、基体と電極金具の熱膨張差を緩和し、さらに抵抗値増加量を小さくできることが判った。

さらに、筒状金具の厚みを種々変化させた試料（Ｎｏ．１〜４）を比較すると、厚みが０．１ｍｍ以上の試料（Ｎｏ．２〜４）は、厚みが０．１ｍｍ未満の試料（Ｎｏ．１）と比較して強度値が高く、良好である。

同様に、筒状金具の厚みを種々変化させた試料（その他の条件は同様のもの）（Ｎｏ．１７〜１９）で比較すると、厚みが０．５ｍｍ以下の試料（Ｎｏ．１７〜１８）は厚みが０．５ｍｍより大きな試料（Ｎｏ．１９）と比較して、抵抗増加量が低く、良好である。

さらに、ツバ部の長さを種々変化させた試料（その他の条件は同様のもの）（Ｎｏ．９〜１２）で比較すると、ツバ部の長さが１．５ｍｍ以上の試料（Ｎｏ．１０〜１２）はツバ部の長さが１．５ｍｍ未満の試料（Ｎｏ．１）と比較して、強度値が高く、良好である。

これに対して、図３に示すような電極金具に直接スポット溶接した試料（Ｎｏ．２０、２１）は、リード配線の引張り強度が３５０Ｎ以下と小さくなっており、さらにコイル状金具を有さず、スリットのない試料（Ｎｏ．２１）の方は、サイクル試験後の抵抗値増加量が１００ｍΩ以上と大きくなることが判った。

セラミックヒータにおける電極金具部へのリード配線の接合において、接合時の作業性を向上させ、且つ、接合強度が安定したセラミックヒータを提供することにより、燃焼式車載暖房装置の点火あるいは炎検知用ヒータ、自動車用グロープラグ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータ、酸素センサ等の各種センサの各種センサや測定機器の加熱用ヒータなどに利用される。

本発明のセラミックヒータの一実施形態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａ方向からみた側面図であり、（ｃ）は本発明のセラミックヒータに用いる筒状金具を示す斜視図である。セラミックヒータの製造方法を説明するための基体部分の展開斜視図である。従来のセラミックヒータの電極金具の構造及び全体図である。

符号の説明

１：セラミックヒータ
２：セラミック成形体
３：発熱抵抗体
４：リードピン
５：電極引き出し部
６：保持金具
７：電極金具
８：リード配線
９：スリット
１０：基体

Claims

窒化物セラミックスからなる基体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の両端に一部が基体の表面に露出する一対の電極引出部を形成し、該電極引出部の露出部にメタライズ層を介して電極金具を接続してなるセラミックヒータであって、少なくとも一方の電極金具が、ツバ部を有する筒状金具からなることを特徴とするセラミックヒータ。
上記一対の電極金具がそれぞれツバ部を有し、各ツバ部が対向するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
上記電極金具がコイル状金具と、該コイル状金具を覆う筒状金具とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
上記筒状金具がスリットを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセラミックヒータ。
上記筒状金具は、その厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のセラミックヒータ。
上記ツバ部は、一辺が１．５ｍｍ以上の四角形状であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のセラミックヒータ。