JP2010073422A - セラミックヒータ及びセラミックヒータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 セラミックヒータ101は、軸線AX方向に延びる直棒状の絶縁基体103と、これに埋設された発熱部105h及びリード部105r1,105r2を有する発熱抵抗体105とを備える。発熱部105hは、U字状に曲げ返された形態で、自身の延伸方向ESに直交する各横断面YDが互いの同じとなる形態をなす。そして、発熱部105hの厚みをt(mm)、幅をH(mm)としたとき、発熱部105hは、t>Hを満たす形態とされている。
【選択図】 図8
Description
本発明のセラミックヒータでは、発熱部15hを上述の形態とすることにより、発熱部15hのうち最高温度に昇温する部位15hx、即ち、最も電流密度が高くなる部位15hxを、従来におけるセラミックヒータの発熱部55hの最高温度となる部位55hxよりも、先端側(図中、下方)に移動させることができる。
これにより、発熱部15hと絶縁基体13の表面との温度差を小さくできる。絶縁基体13の表面温度を従来と同じ大きさにするならば、上記温度差が小さくなった分だけ、発熱部15hでの発熱温度を従来よりも低くできるので、その結果、発熱部15hの耐久性を向上させることができる。
「発熱抵抗体」は、上記の要件を満たす発熱部及びリード部を有していればよく、発熱部は導電性セラミックからなるが、リード部は、例えば、導電性セラミックからなっていても、或いは、タングステン線などの金属材料からなっていてもよい。
発熱部の「幅H」は、発熱部の最大幅を指す。従って、発熱部の幅が厚み方向に異なる場合には、その寸法の最大値が「幅H」となる。
発熱部の「厚みt」は、発熱部の最大厚みを指す。従って、発熱部の厚みが幅方向に異なる場合には、その寸法の最大値が「厚みt」となる。
なお、発熱抵抗体の全体を導電性セラミックにより形成すると、リード部にタングステン線等を用いる場合に比して、リード部の抵抗が大きくなりがちになる。このようなセラミックヒータについて、発熱部で集中して発熱させるには、発熱部の抵抗を高くすべく、その横断面積を小さくしたい。そこで、前述の発明を適用すれば、発熱部の横断面積を小さくしても、発熱部の通電耐久性を確保できるので、発熱部の通電耐久性を確保しつつ、発熱抵抗体の低消費電力化を図ることが可能となる。
一方、発熱抵抗体がSh/Sr>1/2.6を満たす形態の場合には、発熱部の断面積が大きすぎるために、消費電力が大きくなってしまう。また、一般に絶縁基体よりも発熱抵抗体の方が熱膨張係数が大きく、また、発熱抵抗体の中でも特に発熱部は発熱が大きい。このため、発熱部の断面積Shが大きくなると、熱膨張係数の違いによる応力も大きくなり、発熱部が損傷しやすく、通電耐久性が低下するおそれがある。
また、絶縁基体の残部に相当する未焼成絶縁体を別途形成しておいて、これを印刷工程後の未焼成絶縁基体の主面に合わせて一体化することにより、未焼成セラミックヒータを形成する方法もある。この場合、別途形成する未焼成絶縁基体に、焼成後に発熱抵抗体の残部となる未焼成発熱抵抗体を形成することができる。
一方で、この内側壁面を、上記のようにテーパ角が20度以下をなすテーパ面としているので、焼成後の発熱部は、その内側部分の体積が十分に確保される。このため、この内側部分は、通電時の電流密度が大きくならないので、発熱部の通電耐久性を十分に確保できる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態に係るセラミックヒータ101を用いたグロープラグ100を示す。また、図2及び図3に、セラミックヒータ101の全体を示す。また、図4に、セラミックヒータの横断面図を示す。更に、図5及び図6に、セラミックヒータ101の先端部101s近傍を示す。また、図7及び図8に、発熱抵抗体105の発熱部105hの先端近傍を示す。
具体的には、図7及び図8に示すように、発熱部105hは、第1主面105ha、これに平行な第2主面105hb、これらに直交すると共にこれらを結ぶ内側側面105hc及び外側側面105hdとから構成されている。そして、発熱部105hは、自身の延伸方向ESに直交する各横断面YDがt>Hを満たす矩形状とされている。発熱部105hの各横断面YDの断面積Shは0.15mm2 である。また、発熱部105hの軸線方向長さY3は、1.45mmである(図3参照)。
各々の棒状部105rc1,105rc2の軸線方向長さY1は、39.2mmである(図3参照)。また、各々の棒状部105rc1,105rc2の横断面の断面積Srは、1.45mm2 である。従って、発熱部105hと棒状部105rc1,105rc2との断面積Sh,Srの比は、1/25.5≦Sh/Sr≦1/2.6を満たしている。具体的には、Sh/Sr=1/9.7である。
このうち主体金具本体121は、軸線AX方向に基端部121kから先端部121sまで延びる筒状をなしている。主体金具本体121の基端部121kには、このグロープラグ100をディーゼルエンジンに取り付けるに際して、トルクレンチ等の工具を係合させるための六角断面形状の工具係合部121eが形成されている。また、主体金具本体121のうち、工具係合部121eよりも先端側の外周には、取付用のねじ部121fが形成されている。
一方、金属端子軸125の先端部125sは、筒状の接続リング135に挿入されて、これに溶接されている。また、この接続リング135には、他方でセラミックヒータ101の基端部101kが圧入され、基端部101kに設けられた一方の電極部105rd1(図1では不図示)が、接続リング135に電気的に接続されている。これにより、セラミックヒータ101の一方の電極部105rd1と、金属端子軸125とが電気的に接続されている。なお、セラミックヒータ101のもう一方の電極部105rd2(図1では不図示)は、セラミックヒータ101を保持するヒータ保持部材123、従って、主体金具120に電気的に接続されている。
なお、発熱抵抗体105の全体を導電性セラミックにより形成すると、リード部105r1,105r2にタングステン線等を用いる場合に比して、リード部105r1,105r2の抵抗が大きくなりがちになる。このようなセラミックヒータ101について、発熱部105hで集中して発熱させるには、発熱部105hの抵抗を高くすべく、その横断面積Shを小さくしたい。そこで、発熱部105hを前述のような形態とすれば、発熱部105hの横断面積Shを小さくしても、発熱部105hの通電耐久性を確保できる。従って、発熱部105hの通電耐久性を確保しつつ、発熱抵抗体105の低消費電力化を図ることができる。
まず、第1未焼成基体形成工程において、絶縁性セラミック粉末、バインダ等を含有するセラミック粒子を、金型でプレス成型して、焼成後に絶縁基体103の一部となる第1未焼成絶縁基体151を形成する(図9〜図12参照)。
これにより、焼成後に発熱抵抗体105の一部となる第1未焼成発熱抵抗体161を形成する。この第1未焼成発熱抵抗体161は、焼成後に発熱部105hの全体となる未焼成発熱部161hと、焼成後にリード部105r1,105r2の一部となる第1未焼成リード部161rとからなる。
そして、このような形態の第1抵抗体対応凹部151jを有する第1未焼成絶縁基体151に、焼成後に発熱抵抗体105の一部となる第1未焼成発熱抵抗体161を印刷形成する第1印刷工程を行う。この工程では、第1未焼成発熱部161の幅をH2(mm)、厚みをt2(mm)としたとき、t2>H2を満たす形態の未焼成発熱部161hを含む第1未焼成発熱抵抗体161を形成する。
次いで、第2の実施形態について説明する。上記実施形態1のセラミックヒータ101は、U字状に延びる発熱部105hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を矩形状としている(図8参照)。これに対し、本実施形態2のセラミックヒータ201では、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状(逆台形状)とする(図23参照)。
一方、この発熱部205hは、図23に示すように、第1主面205ha、これに平行な第2主面205hb、これらを結ぶ内側側面205hc及び外側側面205hdとから構成されている。そして、発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状が台形状をなす。
また、外側側面205hdは、第1主面205haから第2主面205hに進むにつれて内側(内側側面205hc側)に向かうテーパ面とされている。この外側側面205hdは、第1主面205haの外側縁205hf2を通り第1主面205haと直交する仮想直交面HV21との間に生じるテーパ角θ2が、0.5度以上20度以下である。具体的には、テーパ角θ2=10(度)である。
また、発熱部205hのうち最高温度に発熱する部位を従来よりも相対的に先端側に位置させることができるので、セラミックヒータ201のうち最高温度となる部位も従来よりも相対的に先端側に位置させることができる。これにより、ディーゼルエンジンの始動性を向上させることができる。その他、上記実施形態1と同様な部分は、上記実施形態1と同様な作用効果を奏する。
この第1未焼成絶縁基体251に設けられる第1抵抗体対応凹部251jは、発熱部205hに対応したU字状の開口形状をなす発熱部対応凹部251jaと、リード部105r1,105r2に対応した開口形状をなす第1リード対応凹部151jbとからなる。
内側壁面251jacは、第1主面151aと底面151jabとを結んで、発熱部対応凹部151jaの内側を構成する面である。この内側壁面251jacは、深さ方向(底面151jab側)に進むにつれて外側開口縁251jaf2側(外側壁面251jad側)に向かうテーパ面とされている。この内側壁面251jacは、内側開口縁251jaf1を通り第1主面251aと直交する仮想開口縁直交面HW1との間に生じるテーパ角θ11が、0.5度以上20度以下である。具体的には、テーパ角θ11=10(度)である。
その後は、上記実施形態1と同様に、第2未焼成基体形成工程、第2印刷工程、未焼成ヒータ形成工程、焼成工程等を行って、セラミックヒータ201を完成させる。
その一方で、この内側壁面251jacを、テーパ角θ11が20度以下(具体的には10度)のテーパ面としているので、焼成後の発熱部205hは、その内側部分(内側側面205hc側の部分)の体積が十分に確保される。このため、この内側部分は通電時の電流密度がそれほど大きくならないので、発熱部205hの通電耐久性を十分に確保できる。
その他、上記実施形態1と同様な部分は、上記実施形態1と同様な作用効果を奏する。
次いで、第3の実施形態について説明する。上記実施形態2のセラミックヒータ201は、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、前記テーパ角をθ1=θ2=10(度)としている(図23参照)。これに対し、本実施形態3のセラミックヒータ301は、U字状に延びる発熱部305hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、テーパ角をθ1=θ2=0.5(度)とする(図25参照)。また、発熱部305hの断面積Shを上記実施形態1,2と等しくするために、発熱部305の幅Hの大きさを変更している。それ以外は、上記実施形態1または2と同様であるので、上記実施形態1または2と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
次いで、第4の実施形態について説明する。上記実施形態2のセラミックヒータ201は、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、前記テーパ角をθ1=θ2=10(度)としている(図23参照)。これに対し、本実施形態4のセラミックヒータ401は、U字状に延びる発熱部405hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、テーパ角をθ1=θ2=25(度)とする(図26参照)。また、発熱部405hの断面積Shを上記実施形態1〜3と等しくするために、発熱部405hの幅Hの大きさを変更している。それ以外は、上記実施形態1〜3と同様であるので、上記実施形態1〜3と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
また、発熱部405hの内側側面405hc及び外側側面405hdをテーパ面としているので、これに対応した発熱部対応凹部を含む抵抗体対応凹部を形成する際に、プレス後の型抜けが良好となり、生産性を向上させることができる。その他、上記実施形態1〜3と同様な部分は、上記実施形態1〜3と同様な作用効果を奏する。
次いで、第5の実施形態について説明する。上記実施形態2のセラミックヒータ201は、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、テーパ角をθ1=θ2=10(度)としている(図23参照)。これに対し、本実施形態5のセラミックヒータ501は、U字状に延びる発熱部505hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、テーパ角をθ1=θ2=5(度)とする(図27参照)。また、発熱部505hの断面積Shを上記実施形態1〜4と等しくするために、発熱部505の厚みt及び幅Hの大きさを変更している。それ以外は、上記実施形態1〜4と同様であるので、上記実施形態1〜4と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
次いで、第6の実施形態について説明する。上記実施形態2のセラミックヒータ201は、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とし、テーパ角をθ1=θ2=10(度)としている(図23参照)。これに対し、本実施形態6のセラミックヒータ601は、U字状に延びる発熱部605hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を台形状とするが、テーパ角の一方をθ1=5(度)とすると共に、テーパ角の他方をθ2=10(度)と異ならせる(図28参照)。また、発熱部605hの断面積Shを上記実施形態1〜5と等しくするために、発熱部605の厚みt及び幅Hの大きさを変更している。それ以外は、上記実施形態1〜5と同様であるので、上記実施形態1〜5と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
次いで、第1の比較形態について説明する。上記実施形態1のセラミックヒータ101は、U字状に延びる発熱部105hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を、t>Hを満たす矩形状としている(図8参照)。これに対し、この比較形態1のセラミックヒータは、U字状に延びる発熱部805hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を、H>tを満たす矩形状とする(図29参照)。それ以外は、上記実施形態1と同様であるので、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
次いで、第2の比較形態について説明する。上記実施形態2のセラミックヒータ201は、U字状に延びる発熱部205hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を、t>Hを満たす台形状としている(図23参照)。これに対し、この比較形態2のセラミックヒータは、U字状に延びる発熱部905hの延伸方向ESに直交する各横断面YDの形状を、H>tを満たす台形状とする(図30参照)。それ以外は、上記実施形態2等と同様であるので、上記実施形態2等と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
また、この発熱部905hの厚みtは0.20(mm)であり、幅Hは0.780(mm)である。従って、この発熱部905hは、上記比較形態1と同様に、H>tを満たす形態とされている。
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。実施例1〜7として、表1に示すように、発熱部の厚みt、幅H、テーパ角θ1,θ2を変更した7種類のセラミックヒータを用意した。具体的には、実施例1として、上記実施形態1のセラミックヒータ101を用意した。また、実施例2として、上記実施形態2のセラミックヒータ201を用意した。また、実施例3として、上記実施形態3のセラミックヒータ301を用意した。また、実施例4として、上記実施形態4のセラミックヒータ401を用意した。実施例5として、上記実施形態5のセラミックヒータ501を用意した。更に、実施例6として、厚みt=0.50(mm)、幅H=0.340(mm)、テーパ角θ1=θ2=5(度)としたセラミックヒータを用意した。また、実施例7として、厚みt=0.50(mm)、幅H=0.468(mm)、テーパ角θ1=θ2=20(度)としたセラミックヒータを用意した。
なお、抵抗値変化の原因を調査したところ、抵抗値が大幅に変化した発熱抵抗体では、発熱部にCrの凝集やErのマイグレーションが観察された。また、発熱部にクラックが観察されたものもあった。発熱部の内側部分に電流の流れが集中することと、その内側部分がセラミックヒータの内部寄りに位置するために、内部温度が上昇してこのような不具合が生じるものと考えられる。
例えば、上記実施形態1等では、第1未焼成絶縁基体151を形成し、これに第1未焼成発熱抵抗体261を印刷形成する一方、これらとは別に、第2未焼成絶縁基体153を形成し、これに第2未焼成発熱抵抗体263を印刷形成している。そしてその後、これらを一体化させて未焼成セラミックヒータ170を形成している。
更に、第2未焼成絶縁基体153を別途形成しない方法を採用することもできる。つまり、第1未焼成発熱抵抗体を印刷形成した第1未焼成絶縁基体の第1主面上に、セラミック粒子を載せてプレス加工等を行うことにより、第2未焼成絶縁基体に相当する部分を直接形成して、未焼成セラミックヒータを形成する方法である。
101,201,301,401,501,601 セラミックヒータ
101s 先端部
101k 基端部
103 絶縁基体
103s 先端部
103k 基端部
105,205,305,405,505,605 発熱抵抗体
105h,205h,305h,405h,505h,605h,805h,905h 発熱部
105hs 中間部
105hk1,105hk2 端部
105r1,105r2 リード部
105rc1,105rc2 棒状部
105re1,105re2 連結部
151,251 第1未焼成絶縁基体
151a,251a 第1主面
151j,251j 第1抵抗体対応凹部
151ja,251ja 発熱部対応凹部
151jab,251jab 底面
151jac,251jac 内側壁面
151jad,251jad 外側壁面
151jaf1,251jaf1 内側開口縁
151jaf2,251jaf2 外側開口縁
151jb 第1リード対応凹部
161,261 第1未焼成発熱抵抗体
161h,261h 未焼成発熱部
161r 第1未焼成リード部
170 未焼成セラミックヒータ
AX 軸線
HH 仮想基準平面
ES 延伸方向
YD 横断面
HW1,HW2 仮想開口縁直交面
Sh,Sr 断面積
H,H2 幅
H1 開口幅
t,t2 厚み
t1 深さ
θ1,θ2,θ11,θ21 テーパ角
Claims (5)
- 絶縁性セラミックからなり、軸線方向に自身の基端部から先端部まで延びる直棒状の絶縁基体と、
前記絶縁基体の前記先端部に埋設され、導電性セラミックからなり、通電により発熱する発熱部、及び、前記絶縁基体に埋設され、前記発熱部から前記軸線方向基端側に延び、発熱部に通電するリード部、を有する発熱抵抗体と、
を備えるセラミックヒータであって、
前記発熱部は、
前記軸線を含む仮想基準平面に沿ってU字状に曲げ返され、かつ、
自身が延びる延伸方向に直交する各横断面の形態が互いに同じになる形態を有し、
2つの端部の間に位置する中間部が、この2つの端部よりも前記軸線方向先端側となる姿勢に配置されてなり、
前記発熱部の前記仮想基準平面に直交する方向の寸法を厚みt(mm)とし、
前記発熱部の、前記仮想基準平面に沿い、かつ、前記延伸方向に直交する方向の寸法を幅H(mm)としたとき、
前記発熱部が、t>Hを満たす形態とされてなる
セラミックヒータ。 - 請求項1に記載のセラミックヒータであって、
前記発熱抵抗体は、その全体が導電性セラミックからなる
セラミックヒータ。 - 請求項2に記載のセラミックヒータであって、
前記発熱抵抗体は、その全体が同一組成の導電性セラミックからなり、
前記リード部は、
前記軸線方向に延びる直棒状をなし、前記軸線方向に直交する各横断面の形態が互いに同じとなる形態を有する一対の棒状部と、
この棒状部と前記発熱部の前記端部との間に位置して両者を繋ぐ連結部であって、前記軸線方向の寸法が前記棒状部及び前記発熱部よりも小さい一対の連結部と、を有し、
前記発熱部の横断面の断面積をSh(mm2 )、前記リード部の前記棒状部の横断面の断面積をSr(mm2 )としたとき、
前記発熱抵抗体は、1/25.5≦Sh/Sr≦1/2.6を満たす形態とされてなる
セラミックヒータ。 - 絶縁性セラミックからなり、軸線方向に自身の基端部から先端部まで延びる直棒状の絶縁基体と、
前記絶縁基体の前記先端部に埋設され、通電により発熱する発熱部であって、前記軸線を含む仮想基準平面に沿ってU字状に曲げ返され、かつ、自身が延びる延伸方向に直交する各横断面の形態が互いに同じになる形態を有し、2つの端部の間に位置する中間部が、この2つの端部よりも前記軸線方向先端側となる姿勢に配置されてなる発熱部、及び、
前記絶縁基体に埋設され、前記発熱部から前記軸線方向基端側に延び、発熱部に通電するリード部、を有し、
全体が導電性セラミックからなる発熱抵抗体と、
を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
未焼成絶縁性セラミックからなり、主面、及び、この主面に凹設され、前記発熱抵抗体に対応した開口形状をなす抵抗体対応凹部であって、前記発熱部に対応したU字状の開口形状をなす発熱部対応凹部を少なくとも含む抵抗体対応凹部を有し、焼成後に前記絶縁基体の一部となる未焼成絶縁基体を、プレス成型する未焼成基体プレス成型工程であって、
前記発熱部対応凹部の深さをt1(mm)とし、前記発熱部対応凹部の内側開口縁と外側開口縁との間の距離を開口幅H1(mm)としたとき、t1>H1を満たす形態の前記発熱部対応凹部を含む前記抵抗体対応凹部を形成する未焼成基体プレス成型工程と、
スクリーン印刷により、前記未焼成絶縁基体の前記抵抗体対応凹部に未焼成導電性セラミックペーストを印刷充填して、焼成後に前記発熱部となる未焼成発熱部、及び、焼成後に前記リード部の少なくとも一部となる未焼成リード部からなり、焼成後に前記発熱抵抗体の一部又は全部となる未焼成発熱抵抗体を形成する印刷工程であって、
前記未焼成発熱部の、前記主面に直交する方向の寸法を厚みt2(mm)とし、前記未焼成発熱部の、前記主面に沿い、かつ、自身の延びる延伸方向に直交する方向の寸法を幅H2(mm)としたとき、t2>H2を満たす形態の前記未焼成発熱部を含む未焼成発熱抵抗体を形成する印刷工程と、
前記印刷工程後の前記未焼成絶縁基体及び前記未焼成発熱抵抗体を用いて、焼成後に前記セラミックヒータとなる未焼成セラミックヒータを形成し、これを焼成して、前記セラミックヒータを形成する焼成工程と、
を備えるセラミックヒータの製造方法。 - 請求項4に記載のセラミックヒータの製造方法であって、
前記未焼成基体プレス成型工程では、
前記発熱部対応凹部を構成する壁面のうち、前記内側開口縁から前記発熱部対応凹部の深さ方向に延びる内側壁面を、深さ方向に進むにつれて前記外側開口縁側に向かうテーパ面であって、前記内側開口縁を通り前記主面と直交する仮想開口縁直交面との間に生じるテーパ角が、0.5度以上20度以下であるテーパ面に形成する
セラミックヒータの製造方法。
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