JP2016207404A

JP2016207404A - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP2016207404A
Application number: JP2015086532A
Authority: JP
Inventors: 森田　治; Osamu Morita; 治森田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: JP6483512B2

Abstract

【課題】ヒータの長期信頼性を向上させる。
【解決手段】セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に設けられて発熱抵抗体２に端部が重なるように接続されたリード３とを備えており、リード３の長さ方向に直交してリード３および発熱抵抗体２を切断する断面において、リード３の断面が円状であるとともに、リード３の断面を径方向を通る仮想線で分けた２つの半円状部として見たときに、発熱抵抗体２が一方の半円状部３１の弧に接しており、かつ半円状部３１の弧における端部よりも中央部において厚みが薄いことを特徴とするヒータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、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。

車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータが知られている。ヒータとしては、例えば、特許文献１に記載のヒータが挙げられる。

特許文献１に記載のヒータは、セラミック基体と、セラミック基体に埋設されており抵抗発熱部として用いられる第一抵抗体部分と、セラミック基体に埋設されており第一抵抗体部分への導通経路となる第二抵抗体部分とを備えている。

特開２００２−３３４７６８号公報

特許文献１に記載のヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に、第一抵抗体部分と第二抵抗体部分との間に熱応力が集中するおそれがあった。これにより、第一抵抗体部分と第二抵抗体部分との間に部分的に剥がれが生じてしまうおそれがあった。そのため、第一抵抗体部分と第二抵抗体部分との接続部分の抵抗が大きくなってしまい、局所的に異常な発熱をしてしまうおそれがあった。その結果、ヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、セラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に設けられて前記発熱抵抗体に端部が重なるように接続されたリードとを備えており、該リードの長さ方向に直交して該リードおよび前記発熱抵抗体を切断する断面において、前記リードの断面が円状であるとともに、該リードの断面を径方向を通る仮想線で分けた２つの半円状部として見たときに、前記発熱抵抗体が、一方の前記半円状部の弧に接しており、かつ前記半円状部の弧における端部よりも中央部において厚みが薄いことを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、ヒータの長期信頼性を向上できる。

本発明の実施形態の例のヒータおよびこれを備えたグロープラグを示す断面図である。図１に示すヒータのうち発熱抵抗体とリードとの接続部分の部分拡大断面図である。図２における発熱抵抗体の回り込み部を強調した部分拡大断面図である。図２における発熱抵抗体の広がり部を強調した部分拡大断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。

＜ヒータ１０の構成＞
図１に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に設けられて発熱抵抗体２に端部が重なるように接続されたリード３とを備えている。ヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。

＜セラミック体１の構成＞
セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２とリード３とが埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２およびリード３を設けることによって、発熱抵抗体２およびリード３の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、例えば、長手方向を有する棒状または板状の部材である。

セラミック体１は、例えば、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から成る。具体的には、セラミック体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

セラミック体１は、特に、窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているためである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５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、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合して、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１を得ることができる。焼成には、例えば、ホットプレス焼成を用いることができる。

なお、セラミック体１に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体２にＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック体１に、さらに、ＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を混合しておくことが好ましい。発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック体１に分散させておくことによって、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

セラミック体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック体１の寸法は、例えば、長さを２０〜１００ｍｍに、厚さを１〜６ｍｍに、幅を２〜４０ｍｍに設定される。
３〜５ｍｍに設定される。

＜発熱抵抗体２の構成＞
発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。セラミック体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば、自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の一端側（先端側）に設けられている。発熱抵抗体２
は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば、折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの平行な直線部分と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端（連結部分のうち最も先端側の部分）から発熱抵抗体２の後端（直線部分の後端）までの長さは、例えば、発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。

さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２が炭化タングステンを主成分とするとともに、発熱抵抗体２に窒化珪素が２０質量％以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック体１との間に生じる熱応力を低減することができる。

＜リード３の構成＞
リード３は、発熱抵抗体２に外部の電源を接続するための部材である。リード３は、セラミック体１に埋設されている。リード３は、発熱抵抗体２の２つの直線部分のそれぞれに対応して、セラミック体１の長さ方向に沿って２本設けられている。リード３は、発熱抵抗体２のそれぞれの端部に接続されている。リード３は、発熱抵抗体２の端部からセラミック体１の他端側（後端側）にかけて設けられている。

リード３は、例えば、金属のリード線から成る。リード３に用いられるリード線としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、ＴａまたはＮｂ等の耐熱性に優れる金属リード線が挙げられる。リード３は、発熱抵抗体２と比較して、単位長さ当たりの抵抗が低く設定されている。リード３の寸法は、例えば、長さを５〜５０ｍｍに設定できる。

そして、図２に示すように、リード３の長さ方向に直交してリード３および発熱抵抗体２を切断する断面において、リード３の断面が円状であるとともに、リード３の断面を径方向を通る仮想線Ｌで分けた２つの半円状部として見たときに、発熱抵抗体２が一方の半円状部３１の弧に接しており、かつ半円状部の弧における端部よりも中央部において厚みが薄い。なお、図２においては、発熱抵抗体２のうち半円状部に接している部分の厚さを、弧の部分の端部においてｔ１、中央部においてｔ２で示している。

このように、発熱抵抗体２のうち、半円状部の弧における端部に接している部分の厚みを厚くすることによって熱応力に対する耐久性を高めることができるので、熱応力によって発熱抵抗体２とリード３との間に剥がれが生じてしまうおそれを低減できる。そして、発熱抵抗体２のうち、半円状部の弧における中央部に接している部分の厚みを薄くすることによって発熱抵抗体２としての抵抗値の高さを維持することができる。これらの結果、発熱抵抗体２を有効に発熱させつつも、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。なお、ここでいう発熱抵抗体２の厚さとは、図２に示すように、前述の仮想線Ｌ（半円状部の弦）に対して垂直な方向における発熱抵抗体２の長さを意味している。

また、ここでいうリード３の断面が「円状」とは、リード３の断面が完全な円である場合に限られない。例えば、多少いびつな円であってもよく、具体的には、楕円状や長円状
であってもよい。特に、図２に示すように、リード３の断面が長軸と短軸とをもった円状であって、抵抗体が長軸に沿って半円状部に接していることが好ましい。短軸に沿って半円状部に接している場合と比較して、抵抗体とリード３との境界部分の傾斜を緩やかにできるので、抵抗体とリード３との間に剥がれが生じるおそれをさらに低減できる。

図２に示すようなヒータ１０の場合には、例えば、リード３の長軸を０．２５〜０．５ｍｍに、短軸を０．２〜０．４ｍｍに設定できる。また、発熱抵抗体２のうち、弧の部分の端部に接している部分の厚さを０．１〜０．２ｍｍに、中央部に接している部分の厚さを０．０１〜０．０５ｍｍに設定できる。また、発熱抵抗体２のうち、弧の部分の端部に接している部分の厚さは、中央部に接している部分の厚さの２〜２０倍程度に設定できる。

さらに、図２に示すように、発熱抵抗体２がリード３の他方の半円状部３２の弧の一部にまで回り込んでいるとともに、回り込んでいる部分の厚さｔ３が先端部において次第に薄くなっていることが好ましい。これにより、発熱抵抗体２がリード３を包み込むことができるので、発熱抵抗体２とリード３との間に剥がれが生じるおそれをさらに低減できる。なお、ここでいう回り込んでいる部分の厚さｔ３とは、前述の仮想線Ｌに対して平行な方向における発熱抵抗体２の長さを意味している。なお、図３においては、回り込んでいる部分（回り込み部２０）を明確にするために、発熱抵抗体２のうち回り込み部２０にのみ発熱手抗体２の他の部位とは異なるハッチングを施している。

さらに、図２に示すように、セラミック体１が積層体からなるとともに発熱抵抗体２およびリード３が積層体の層間に設けられており、断面において、発熱抵抗体２が積層体の層間に広がった部分を有していることが好ましい。これにより、発熱抵抗体２の主要部分で生じた発熱を上述の広がった部分に速やかに伝えることができる。そして、上述の広がった部分を有していることによって、発熱抵抗体２とセラミック体１との接触面積を大きくできるので、発熱抵抗体２からセラミック体１に速やかに熱を伝えることができる。この結果、ヒータ１０の昇温速度を向上させることができる。さらに、この広がった部分が積層体の層間にあることによって、積層体の層間以外の部分に発熱抵抗体２が広がっている場合と比較して、セラミック体１の耐久性が低下することを抑制できる。これは、以下の理由による。通常、層間以外の部分に発熱抵抗体２が広がる場合には、セラミック体１の中に層間以外に界面が増加してしまうことにより、セラミック体１にマイクロクラックの生じる可能性が高くなる。これに対して、層間に発熱抵抗体２を広がらせることによって、セラミック体１の中に界面が増えることを抑制できるので、セラミック体１にマイクロクラックの生じる可能性が高まることを低減できるためである。

このような場合には、発熱抵抗体２のうち前述の仮想線Ｌ（半円状部の弦）に平行な方向の長さを、例えば、０．５〜１．５ｍｍに設定できる。また、前述の仮想線Ｌに平行な方向において、発熱抵抗体２の長さはリード３の長さの１．５〜６倍程度に設定できる。なお、図４においては、層間に広がった部分（広がり部２１）を明確にするために、発熱抵抗体２のうち広がり部２１にのみ発熱手抗体２の他の部位とは異なるハッチングを施している。図４に示す通り、広がり部２１は、仮想線Ｌと発熱抵抗体２の外周との交点に対する接線よりも外側を意味している。

なお、ここでいう「セラミック体１が積層体からなる」とは、セラミック体１が２つ以上の成型体を積層してなる構成であることを意味している。すなわち、セラミック体１は必ずしもシート状でなくともよい。また、積層に用いる成型体は２層のみであってもよい。

また、上述の広がり部２０は、仮想線Ｌに対して、一方側において層間に広がっていて
もよいし、他方側において層間に広がっていてもよい。さらに、図２に示すように、一方側および他方側の両方において層間に広がっていてもよい。そのため、広がり部２０が形成されることによって、他方の半円状部３２の弧の一部において、回り込んでいる部分の厚さｔ３が先端部において次第に薄くなっている構成になっていてもよい。特に、仮想線Ｌに対して、少なくとも一方側（発熱抵抗体２が一方の半円状部３１の弧に接している側）において、広がり部２０を有していることが好ましい。ヒータ１０を急激に昇温させるために大電流を流したときには、発熱抵抗体２とリード３との間で発熱が生じる場合があるが、広がり部２０を少なくとも一方側に設けておくことによって、発熱抵抗体２とリード３との境目に生じた熱を速やかにセラミック体１に伝えやすくすることができる。

本発明の実施形態の例のグロープラグ１００は、発熱抵抗体２が棒状のセラミック体１の一端側に位置しているヒータ１０と、セラミック体１の他端側を覆うように取り付けられた金属筒４とを備えている。グロープラグ１００は、長期信頼性が向上したヒータ１０を用いていることによって、耐久性が向上している。

＜製造方法＞
ヒータ１０の製造方法について説明する。まず、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等のセラミック粉末に、焼結助剤を含有させてセラミック体１の原料となるセラミック粉体を作製する。

次に、このセラミック粉体をセラミックスラリーにした後に、所定の形状に成型して、セラミック成型体を２つ作製する。次に、一方のセラミック成型体の上に、リード３の直径よりも幅の広い凹部を形成しておく。そして、この凹部にリード３となるリード線を設置して、このリード線および凹部を覆うように発熱抵抗体２用の電極ペーストを印刷する。このとき、電極ペーストの厚みは平面視したときに凹部の中心側に向かうにつれて薄くなるようにしておく。電極ペーストの厚みの調整には、例えば、電極ペーストを複数回に分けて積層する方法と、電極ペーストを塗布した後に一部を取り除く方法を用いることができる。その後、他方のセラミック成型体をリード線および電極ペーストを覆うようにして、一方のセラミック体１に積層して積層体を得る。この積層体をホットプレスで焼成することによって、本発明の構成を有するヒータ１０を得ることができる。

発熱抵抗体２がリード３の他方の半円状部３２の弧の一部にまで回り込んでいる構成にするためには、発熱抵抗体２用の電極ペーストを印刷するときに、凹部とリード線との間の隙間に電極ペーストの一部が入り込ませておけばよい。また、凹部の深さをリード３の直径よりも小さくしておき、凹部からリード３の一部がはみ出した状態で電極ペーストを印刷してもよい。

なお、本実施形態においては、発熱抵抗体２が１つの層間に設けられているが、これに限られない。具体的には、発熱抵抗体２が複数設けられているとともに、それぞれの発熱抵抗体２が異なる層間に位置していてもよい。このような場合には、セラミック成型体を３つ以上用意して、それぞれのセラミック成型体の層間に発熱抵抗体２用の電極ペーストを塗布すればよい。

なお、上述の製造方法は、ヒータ１０の製造方法の一例であって、これに限られるものではない。ヒータ１０は、その他様々な方法によって製造することができる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２０：回り込み部
２１：広がり部
３：リード
３１：半円状部の一方
３２：半円状部の他方
４：金属筒
１０：ヒータ
１００：グロープラグ
Ｌ：仮想線

Claims

セラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に設けられて前記発熱抵抗体に端部が重なるように接続されたリードとを備えており、
該リードの長さ方向に直交して該リードおよび前記発熱抵抗体を切断する断面において、前記リードの断面が円状であるとともに、該リードの断面を径方向を通る仮想線で分けた２つの半円状部として見たときに、前記発熱抵抗体が、一方の前記半円状部の弧に接しており、かつ前記半円状部の弧における端部よりも中央部において厚みが薄いことを特徴とするヒータ。
前記発熱抵抗体が前記リードの他方の前記半円状部の弧の一部にまで回り込んでいるとともに、回り込んでいる部分の厚さが先端部において次第に薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック体が積層体からなるとともに前記発熱抵抗体および前記リードが前記積層体の層間に設けられており、前記断面において、前記発熱抵抗体が前記積層体の層間に広がった部分を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータであって、前記発熱抵抗体が棒状の前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えたグロープラグ。