JP2016184592A

JP2016184592A - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP2016184592A
Application number: JP2016132568A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎田井村; Kotaro Taimura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: US9651257B2; CN104662998B; CN104662998A; JPWO2014069480A1; JP5969621B2; EP2914057B1; EP2914057A1; JP6337046B2; WO2014069480A1; EP2914057A4; US20150241060A1

Abstract

【課題】ヒータの耐久性を向上する。【解決手段】ヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された、第１直線部、該第１直線部と並行に設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱体と、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第１直線部に接続された第１リードと、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第２直線部に接続された第２リードとを備え、前記第１直線部が前記第１リードに対して傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用若しくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、自動車エンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータまたは測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータおよびこれを備えたグロープラグに関するものである。

グロープラグに用いられるセラミックヒータは、導体を構成する導電性セラミックスと、セラミック基体を構成する絶縁性セラミックスとで構成されている。導体は、発熱体とリードとで構成され、リードの抵抗値が発熱体の抵抗値よりも小さくなるように材料の選定および形状の設計がされている。

近年、より急速な昇温が可能なヒータが要求されている。そのため、発熱体に従来よりも高い電圧を与えて、大電流を流す必要がある。しかしながら、大電流を流した場合にヒータの一部が局所的に大きく発熱することによって、局所的に大きな熱膨張が生じる場合があった。その結果、局所的に大きな熱応力が発生して、ヒータの耐久性が低下するという問題があった。

本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された第１直線部、該第１直線部と並行に設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱体と、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第１直線部に接続された第１リードと、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第２直線部に接続された第２リードとを備え、前記第１直線部が前記第１リードに対して傾斜している。

（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すヒータを下側から上側に向かって見た概略透視図である。（ａ）はヒータの他の例を示す概略透視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。ヒータの他の例を示す概略透視図である。本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す概略縦断面図である。

本発明のヒータの実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すヒータ１は、絶縁基体２と、絶縁基体２に埋設された発熱体３と、絶縁基体２に埋設されるとともに発熱体３に接続されたリード４とを備え、発熱体３がリード４に対して傾斜している。

発熱体３は、第１直線部３２、第１直線部３２と並行に設けられた第２直線部３３および第１直線部３２と第２直線部３３とを繋ぐ折返し部３１から成る。リード４は、第１直線部３２に接続された第１リード４１と、第２直線部３３に接続された第２リード４２から成る。第１直線部３２は、第１リード４１に対して傾斜している。また、第２直線部３３は、第２リード４２に対して傾斜している。

本実施の形態のヒータ１における絶縁基体２は、例えば棒状に形成されたものである。
この絶縁基体２には発熱体３およびリード４が埋設されている。ここで、本例における絶縁基体２はセラミックスから成る。これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１を提供することが可能になる。具体的には、本例における絶縁基体２としては、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスなどが挙げられる。特に、絶縁基体２は、窒化珪素質セラミックスから成ることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れている。窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体２は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％のＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物および０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３を加え、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量が１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、所定の形状に成形し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。絶縁基体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに形成され、絶縁基体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成される。

この発熱体３は絶縁基体２の先端側に埋設されている。発熱体３の先端（折返し部３１の中間点付近）から発熱体３の後端（リード４との接続部）までの距離は例えば２〜１０ｍｍに形成される。なお、発熱体３の横断面の形状は、円、楕円または矩形等にすることができる。発熱体３は、後述するリード４よりも断面積が小さくなるように形成される。

発熱体３の形成材料としては、Ｗ，ＭｏまたはＴｉなどの炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とするものを使用することができる。絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、絶縁基体２との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱体３の材料として優れている。さらに、絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱体３は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加される窒化珪素の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体２中において、発熱体３となる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は発熱体３に絶縁基体２からの引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱体３中に窒化珪素を添加することによって、発熱体３の熱膨張率を絶縁基体２の熱膨張率に近づけることができる。これにより、ヒータ１の昇温時および降温時における発熱体３と絶縁基体２との間に生じる熱応力を緩和することができる。

リード４のうち第１リード４１は、一端側で第１直線部３２に接続され、他端側で絶縁基体２の後端寄りの側面から導出される。第２リード４２は、一端側で第２直線部３３に接続され、他端側で絶縁基体２の後端部から導出されている。

このリード４は、発熱体３と同様の材料を用いて形成される。リード４は、例えば、発熱体３よりも断面積を大きくしたり、絶縁基体２の形成材料の含有量を発熱体３よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっている。特に、ＷＣが、絶縁基体２との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード４の材料として好適である。また、リード４は無機導電体であるＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を含有量が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。

そして、本例のヒータ１は、第１直線部３２が、第１リード４１に対して傾斜している。第１直線部３２が第１リード４１に対して傾斜していない場合には、折返し部３１における発熱が第１直線部３２における発熱よりも大きくなることによって、発熱体３の発熱量に偏りが生じる。これは、折返し部３１と第１直線部３２との単位長さ当りの抵抗値が同じであったとしても、電気の流れの向きに対して傾斜している折返し部３１の方が突入電流に対する負荷が大きいためと推察される。そこで、本例のヒータ１は、第１直線部３２を第１リード４１に対して傾斜させることによって、第１直線部３２においても突入電流に対する負荷を大きくしている。これにより、第１直線部３２における発熱量を大きくすることができるので、発熱体３における発熱量の偏りを低減することができる。したがって、大電流を流した場合に発熱体３の一部が局所的に大きく発熱することによって、局所的に大きな熱膨張が生じる可能性を低減できる。その結果、局所的に大きな熱応力が発生することを低減できるので、ヒータ１の耐久性を向上できる。

第１直線部３２を第１リード４１に対して、５〜２０°傾かせることによって、上述の作用効果を得ることができる。特に、１１〜１６°傾かせることによって、発熱体３における温度差をさらに低減できる。

図１に示すように、発熱体３は第１直線部３２、第２直線部３３および折返し部３１を備えている。第１直線部３２および第２直線部３３にそれぞれ第１リード４１および第２リード４２が接続されている。第１リード４１と第２リード４２は絶縁基体２から外部に引き出される部位を除いて並行に設けられている。第１直線部３２は、第１リード４１に対して傾斜するように接続されている。第２直線部３３は、第２リード４２に対して傾斜するように接続されている。第２直線部３３も第２リード４２に対して傾斜していることによって、発熱体３における温度差をさらに低減できる。

さらに、本例のヒータ１は、第１直線部３２および第２直線部３３が、第１リード４１および第２リード４２の両方の軸を含む平面に対して傾斜している。これにより、第１直線部３２と第２直線部３３との間隔を維持したまま、第１直線部３２を第１リード４１に対して傾斜させることができる。その結果、第１直線部３２と第２直線部３３との間で短絡が生じる可能性を低減できる。

次に、別の例のヒータ１について説明する。図２に示す別の例のヒータ１においては、第１直線部３２は第１リード４１に対して図２（ａ）における下方向に向かって傾斜するとともに、第２直線部３３は第２リード４２に対して図２（ａ）における上方向に向って傾斜している。このように、第１直線部３２と第２直線部３３とを異なる方向に傾斜させることによって、第１直線部３２と第２直線部３３とを同じ方向に傾斜させる場合と比較して、ヒータ１における絶縁基体２の周方向の熱の分布の偏りを低減することができる。

次に、さらに別の例のヒータ１について説明する。図３に示す別の例のヒータ１においては、第２直線部３３が第２リード４２に対して傾斜するとともに、第２直線部３３のうち第２リード４２との接続部が、第２直線部３３の他の部位と比較して細くなっている。これにより、第２直線部３３のうち第２リード４２との接続部が、第２直線部３３の他の部位と比較して断面積が小さくなっている。なお、図３には示していないが、第１直線部３２に関しても、第１直線部３２のうち第１リード４１と接続される部位が、第１直線部３２の他の部位と比較して細くなっている。これにより、第１直線部３２のうち第１リード４１と接続される部位が、第１直線部３２の他の部位と比較して断面積が小さくなっている。このような構成とすることで、発熱体３とリード４との接続部において、局所的に発熱を起こしやすくすることができる。前述したような発熱体３における発熱量の偏りをさらに低減することができる。

上述したヒータ１は、図４に示すように、ヒータ１を保持する金属製保持部材５とを備えたグロープラグ１０として使用することができる。なお、金属製保持部材５は、ヒータ１を保持する金属製の筒状体である。金属保持部材５は、絶縁基体２の側面に引き出された一方の第１リード４１にロウ材等で接合されて、電気的に接続される。グロープラグ１０は、金属保持部材５および第２リード４２に外部の電極を接続することによって用いられる。

次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法の一例について説明する。

本実施の形態のヒータ１は、例えば、発熱体３、リード４および絶縁基体２の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む、発熱体３およびリード４の材料である導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む絶縁基体２の材料であるセラミックペーストを作製する。

次に、導電性ペーストを用いて射出成形法等によって発熱体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。そして、発熱体３を金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード４となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。これにより、発熱体３と、この発熱体３に接続されたリード４とが、金型内に保持された状態となる。このとき発熱体３をリード４に対して傾斜させておくことによって、焼成後のヒータ１の発熱体３とリード４とを傾斜させておくことができる。

次に、金型内に発熱体３およびリード４の一部を保持した状態で、金型の一部を絶縁基体２の成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、発熱体３およびリード４がセラミックペーストの成形体で覆われたヒータ１の成形体が得られる。

次に、得られた成形体を例えば１６５０℃〜１７８０℃の温度、３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力で焼成することにより、ヒータ１を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なう。

本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。

まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を５０質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を３５質量％および樹脂バインダーを１５質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して図１に示すような形状の発熱体を作製した。

次に、この発熱体３を金型内に保持した状態で、リード４となる導電性ペーストを金型内に充填することにより、発熱体３と接続させてリード４を形成した。このとき、本発明の実施例のヒータである試料１〜６に関しては発熱体３をリード４に対して傾斜させた。具体的には、試料１〜６においては、第１直線部３２および第２直線部３３が第１リード４１および第２リード４２の両方の軸を含む平面に対して傾斜するように傾斜させた。さらに、比較例として、発熱体３をリード４に対して傾斜させていないヒータも作製した。

次に、発熱体３およびリード４を金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を８５質量％、焼結助剤としてのイッテルビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ_２Ｏ_３）を１０質量％および炭化タングステン（ＷＣ）を５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、円柱状の絶縁基体２の中に発熱体およびリード４が埋設された構成のヒータ１を形成した。

次に、得られたヒータ１を円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、１７００℃の温度、３５Ｍｐａの圧力でホットプレスを行なうことによって焼結させた。以上のようにして、ヒータを作製した。

Ｘ線を用いて内部の形状を確認したところ、試料１〜６においては、第１直線部３２お
よび第２直線部３３が第１リード４１および第２リード４２の両方の軸を含む平面に対して傾斜していた。具体的には、試料１においては５°、試料２においては８°、試料３においては１１°、試料４においては１６°、試料５においては１７°、試料６においては２０°傾斜していた。なお、比較例においては、第１直線部３２および第２直線部３３共に傾斜していなかった。なお、発熱体３の寸法は、幅０．４ｍｍ、厚み０．９ｍｍであり、発熱体３が設けられている領域の絶縁基体２の軸方向における長さは４．５ｍｍ程度である。

これらの試料１〜６および比較例に対して、一定時間の通電を行なった後に、絶縁基体２の表面の温度を測定した。その結果、試料１〜６および比較例のいずれにおいても折返し部３１の近傍で最も高い温度になっており、そこからリード４側に向かうにつれて温度が低くなっていた。折返し部３１の近傍および発熱体３とリード４との接続部の近傍の温度の測定結果を表１に示す。

表１に示すとおり、比較例においては折返し部３１の近傍が１２０３℃、接続部の近傍が１１２８℃であり、７５℃の温度差が生じている。これに対して、試料１〜６においては、折返し部３１の近傍と接続部の近傍との温度差が３７〜５６℃に低減されている。これは、主に、試料１〜６における接続部近傍の温度が、比較例における接続部近傍の温度と比較して高くなっていることが原因である。以上の結果から、発熱体３をリード４に対して傾斜させることによって、第１直線部３２および第２直線部３３における発熱量を大きくすることができ、発熱体３における発熱量の偏りを低減できることが確認できた。

また、表２に、傾斜角および折返し部３１の近傍と接続部の近傍との温度差の関係を示す。

表２から分かるように、傾斜角を５〜２０°にすることによって、傾斜角が０°の場合と比較して折返し部３１の近傍と接続部の近傍との温度差を低減できていることが分かる。さらに、傾斜角が１１〜１６℃の場合に特に良好に発熱体３における発熱量の偏りを低減できることが分かった。

１：ヒータ
１０：グロープラグ
２：絶縁基体
３：発熱体
３１：折返し部
３２：第１直線部
３３：第２直線部
４：リード
４１：第１リード
４２：第２リード

Claims

絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された、第１直線部、該第１直線部と並行に設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱体と、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第１直線部に接続された第１リードと、前記絶縁基体に埋設されるとともに前記第２直線部に接続された第２リードとを備え、前記第１直線部が前記第１リードに対して傾斜しているヒータ。
前記第２直線部が前記第２リードに対して傾斜している請求項１に記載のヒータ。
前記第１直線部および前記第２直線部が、前記第１リードおよび前記第２リードの両方の軸を含む平面に対して傾斜している請求項１に記載のヒータ。
前記第１直線部および前記第２直線部が、前記第１リードおよび前記第２リードの両方の軸を含む平面に対して５〜２０°度傾斜している請求項３に記載のヒータ。
前記第１直線部および前記第２直線部が、前記第１リードおよび前記第２リードの両方の軸を含む平面に対して１１〜１６°度傾斜している請求項３に記載のヒータ。
請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のヒータと、前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグ。