JP2017091854A - セラミックヒータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒータ本体における活性金属材と金属部材の環状接合部とをロウ材によって接合する場合において、セラミック基体にクラックが生じないようにすることができるセラミックヒータを提供すること。
【解決手段】セラミックヒータ１は、ヒータ本体２、活性金属材４、金属部材３及びロウ材５を備える。金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１は、活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしている。環状接合部３１と活性金属材４とを接合するロウ材５は、活性金属材４の先端面４０１を覆って環状接合部３１のオフセット部分３３の内周まで設けられている。活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する。
【選択図】図２
【解決手段】セラミックヒータ１は、ヒータ本体２、活性金属材４、金属部材３及びロウ材５を備える。金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１は、活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしている。環状接合部３１と活性金属材４とを接合するロウ材５は、活性金属材４の先端面４０１を覆って環状接合部３１のオフセット部分３３の内周まで設けられている。活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する。
【選択図】図２
Description
本発明は、燃料、雰囲気ガス等の加熱を行うセラミックヒータに関する。
絶縁性を有する棒状のセラミック基体の内部に、通電によって発熱するヒータ素子を内蔵して構成されたセラミックヒータは、種々の用途に用いられる。例えば、セラミックヒータは、ディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダヘッドに配置されるグロープラグとして用いられる。この場合、セラミックヒータは、エンジンの冷間時において、燃料の圧縮着火を補助するために用いられる。
セラミックヒータにおいては、ヒータ素子に繋がる電極がセラミック基体の表面に配置され、セラミック基体が、円筒形状の部分を有する金属部材の内周側に配置される。そして、セラミック基体における電極が金属部材に導通される。金属部材の熱膨張係数とセラミック基体の熱膨張係数とは異なっており、内燃機関の冷熱サイクル等を受けて、金属部材からセラミック基体には熱応力が作用することになる。そのため、セラミック基体における電極を金属部材に接合する構造において、セラミック基体をいかにして熱応力から保護するかが重要となる。
セラミックヒータにおいては、ヒータ素子に繋がる電極がセラミック基体の表面に配置され、セラミック基体が、円筒形状の部分を有する金属部材の内周側に配置される。そして、セラミック基体における電極が金属部材に導通される。金属部材の熱膨張係数とセラミック基体の熱膨張係数とは異なっており、内燃機関の冷熱サイクル等を受けて、金属部材からセラミック基体には熱応力が作用することになる。そのため、セラミック基体における電極を金属部材に接合する構造において、セラミック基体をいかにして熱応力から保護するかが重要となる。
例えば、特許文献１に開示されたセラミックヒータ及びこれを用いたグロープラグにおいては、セラミックヒータを構成するセラミック基体の側面の電極引出部を含む部位に、活性金属を含む第１メタライズ層を形成し、第１メタライズ層の周辺に、ガラスを含む第２メタライズ層を形成している。セラミック基体の電極引出部を含む部位は、各メタライズ層を介して金属管と接合している。そして、セラミック基体の電極引出部を含む部位を、ロウ付けによって金属管に接合し、電極引出部の通電耐久性を向上させている。
しかしながら、特許文献１等の従来のセラミックヒータにおいて、活性金属材としてのメタライズ層が設けられたセラミック基体を、ロウ材によって金属部材としての金属管に接合する際には、次の課題が生じる。
具体的には、セラミックヒータが加熱・冷却される際には、金属部材の端面の内周側に対向するセラミック基体の部位に、金属部材の膨張・収縮による熱応力の集中が生じる。このとき、セラミック基体に設けられた活性金属材の端面と金属部材の端面とが揃った状態にあると、熱応力の集中が大きくなり、場合によってはセラミック基体にクラック（亀裂）、割れ等が生じるおそれがある。
具体的には、セラミックヒータが加熱・冷却される際には、金属部材の端面の内周側に対向するセラミック基体の部位に、金属部材の膨張・収縮による熱応力の集中が生じる。このとき、セラミック基体に設けられた活性金属材の端面と金属部材の端面とが揃った状態にあると、熱応力の集中が大きくなり、場合によってはセラミック基体にクラック（亀裂）、割れ等が生じるおそれがある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、ヒータ本体における活性金属材と金属部材の環状接合部とをロウ材によって接合する場合において、セラミック基体にクラックが生じないようにすることができるセラミックヒータを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、棒状のセラミック基体（２１）、該セラミック基体に埋設されたヒータ素子（２２）、該ヒータ素子の一端に接続され、上記セラミック基体の側面における軸方向（Ｌ）の基端部分（２１１）に設けられた陽極（２３）、及び上記ヒータ素子の他端に接続され、上記セラミック基体の側面における、上記陽極よりも上記軸方向の先端側の部分に設けられた陰極（２４）を有するヒータ本体（２）と、
該ヒータ本体の上記基端部分に、上記陽極の表面を覆う状態で設けられ、上記セラミック基体と反応して接合された活性金属材（４）と、
該活性金属材の表面を覆う環状接合部（３１）を有する金属部材（３）と、
上記環状接合部と上記活性金属材とを接合するロウ材（５）と、を備え、
上記環状接合部の内側先端（３１１）は、上記活性金属材の先端面（４０１）よりも上記軸方向の先端側にオフセットしており、
上記ロウ材は、上記活性金属材の先端面を覆って上記環状接合部のオフセット部分（３３）の内周まで設けられており、
上記活性金属材の先端面から上記環状接合部の内側先端までのオフセット量Ｘと上記活性金属材の上記軸方向の長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する、セラミックヒータにある。
該ヒータ本体の上記基端部分に、上記陽極の表面を覆う状態で設けられ、上記セラミック基体と反応して接合された活性金属材（４）と、
該活性金属材の表面を覆う環状接合部（３１）を有する金属部材（３）と、
上記環状接合部と上記活性金属材とを接合するロウ材（５）と、を備え、
上記環状接合部の内側先端（３１１）は、上記活性金属材の先端面（４０１）よりも上記軸方向の先端側にオフセットしており、
上記ロウ材は、上記活性金属材の先端面を覆って上記環状接合部のオフセット部分（３３）の内周まで設けられており、
上記活性金属材の先端面から上記環状接合部の内側先端までのオフセット量Ｘと上記活性金属材の上記軸方向の長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する、セラミックヒータにある。
上記セラミックヒータにおいては、ヒータ本体に設けられた活性金属材と金属部材の環状接合部とをロウ材によって接合する場合に、セラミック基体を保護する工夫をしている。
具体的には、金属部材の環状接合部の内側先端は、活性金属材の先端面よりも軸方向の先端側にオフセットしている。これにより、環状接合部の内側先端の内周側に活性金属材の先端面が対向しない。そして、セラミックヒータが加熱・冷却され、環状接合部が膨張・収縮する際には、金属部材の熱膨張係数がセラミック基体の熱膨張係数よりも大きいことにより、金属部材の環状接合部からセラミック基体に熱応力が作用する。
具体的には、金属部材の環状接合部の内側先端は、活性金属材の先端面よりも軸方向の先端側にオフセットしている。これにより、環状接合部の内側先端の内周側に活性金属材の先端面が対向しない。そして、セラミックヒータが加熱・冷却され、環状接合部が膨張・収縮する際には、金属部材の熱膨張係数がセラミック基体の熱膨張係数よりも大きいことにより、金属部材の環状接合部からセラミック基体に熱応力が作用する。
このとき、環状接合部の内側先端からセラミック基体の内周側及び軸方向に作用する熱応力と、活性金属材の先端面からセラミック基体の内周側及び軸方向に作用する熱応力とが、セラミック基体の軸方向における同じ位置に作用しないようにすることができる。
また、環状接合部と活性金属材とを接合するロウ材は、活性金属材の先端面を覆って環状接合部のオフセット部分の内周まで設けられている。これにより、環状接合部が膨張・収縮する際には、熱応力が集中しやすい活性金属材の先端面をロウ材によって覆うことができる。
また、環状接合部と活性金属材とを接合するロウ材は、活性金属材の先端面を覆って環状接合部のオフセット部分の内周まで設けられている。これにより、環状接合部が膨張・収縮する際には、熱応力が集中しやすい活性金属材の先端面をロウ材によって覆うことができる。
上述した金属部材の環状接合部がオフセットする構成、及びオフセット部分までロウ材が設けられた構成により、環状接合部が膨張・収縮する際に、セラミック基体の内周側及び軸方向へ作用する熱応力を緩和することができる。そのため、セラミック基体にクラック（亀裂）が生じないようにすることができる。
また、活性金属材の先端面から環状接合部の内側先端までのオフセット量Ｘと活性金属材の軸方向の長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有している。活性金属材の先端面から環状接合部の内側先端までのオフセット量は、小さすぎても熱応力を緩和する効果が得られにくい。そこで、オフセット量が、活性金属材の軸方向の長さの５％以上の長さであることにより、セラミック基体に作用する熱応力を効果的に緩和することができる。
なお、オフセット量が大きくなり過ぎると、セラミック基体と環状接合部との軸方向における重なり量が不必要に大きくなるおそれがある。そのため、オフセット量Ｘは、例えば、Ｙ×０．２≧Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を満たすよう決定することができる。
なお、オフセット量が大きくなり過ぎると、セラミック基体と環状接合部との軸方向における重なり量が不必要に大きくなるおそれがある。そのため、オフセット量Ｘは、例えば、Ｙ×０．２≧Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を満たすよう決定することができる。
それ故、上記セラミックヒータによれば、ヒータ本体における活性金属材と金属部材の環状接合部とをロウ材によって接合する場合において、セラミック基体にクラックが生じないようにすることができる。
金属部材の内面又は活性金属材の表面には、ロウ材による接合を改善するためのメッキ層が設けられていてもよい。この場合には、ロウ材による環状接合部と活性金属材との接合は、メッキ層を介して間接的に行われる。
上記セラミックヒータは、自動車等の内燃機関における燃料の圧縮着火を補助するグロープラグ、燃焼式車載暖房装置における点火用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器における点火用のヒータ、ガスセンサ等の各種センサにおける加熱用のヒータ、その他の各種測定機器等に用いられるヒータを構成することができる。
上述したセラミックヒータにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態）
本形態のセラミックヒータ１は、図１〜図３に示すように、ヒータ本体２、活性金属材４、金属部材３及びロウ材５を備える。ヒータ本体２は、棒状のセラミック基体２１、セラミック基体２１に埋設されたヒータ素子２２、ヒータ素子２２の一端に接続された陽極２３、及びヒータ素子２２の他端に接続された陰極２４を有する。陽極２３は、セラミック基体２１の側面２０１における軸方向Ｌの基端部分２１１に設けられており、陰極２４は、セラミック基体２１の側面２０１における、陽極２３よりも軸方向Ｌの先端側の部分に設けられている。活性金属材４は、ヒータ本体２の側面２０１における軸方向Ｌの基端部分２１１に、陽極２３の表面を覆う状態で設けられており、セラミック基体２１と反応して接合されている。金属部材３は、活性金属材４の表面を覆う環状接合部３１を有する。環状接合部３１と活性金属材４とは、ロウ材５によって接合されている。
（実施形態）
本形態のセラミックヒータ１は、図１〜図３に示すように、ヒータ本体２、活性金属材４、金属部材３及びロウ材５を備える。ヒータ本体２は、棒状のセラミック基体２１、セラミック基体２１に埋設されたヒータ素子２２、ヒータ素子２２の一端に接続された陽極２３、及びヒータ素子２２の他端に接続された陰極２４を有する。陽極２３は、セラミック基体２１の側面２０１における軸方向Ｌの基端部分２１１に設けられており、陰極２４は、セラミック基体２１の側面２０１における、陽極２３よりも軸方向Ｌの先端側の部分に設けられている。活性金属材４は、ヒータ本体２の側面２０１における軸方向Ｌの基端部分２１１に、陽極２３の表面を覆う状態で設けられており、セラミック基体２１と反応して接合されている。金属部材３は、活性金属材４の表面を覆う環状接合部３１を有する。環状接合部３１と活性金属材４とは、ロウ材５によって接合されている。
図２、図３に示すように、環状接合部３１の内側先端３１１は、活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしている。ロウ材５は、活性金属材４の先端面４０１を覆って環状接合部３１のオフセット部分３３の内周まで設けられている。活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する。なお、オフセット部分３３とは、環状接合部３１における、活性金属材４の先端面４０１よりも先端側の部分のことをいう。
以下に、本形態のセラミックヒータ１についてさらに詳説する。
図１に示すように、セラミックヒータ１は、自動車のディーゼルエンジン等のエンジンにおいて使用されるグロープラグを構成する。グロープラグは、エンジンのシリンダヘッド７に設けられたプラグ取付孔７１に配置され、シリンダヘッド７の燃焼室７３内における燃料混合気の予熱を行うために用いられる。セラミックヒータ１は、燃料混合気の予熱を行う際には、ヒータ素子２２に通電を行い、ヒータ素子２２を発熱させるよう構成されている。
なお、セラミック基体２１の軸方向Ｌの先端側とは、燃焼室７３側をいい、軸方向Ｌの基端側とは、燃焼室７３とは反対側をいう。
図１に示すように、セラミックヒータ１は、自動車のディーゼルエンジン等のエンジンにおいて使用されるグロープラグを構成する。グロープラグは、エンジンのシリンダヘッド７に設けられたプラグ取付孔７１に配置され、シリンダヘッド７の燃焼室７３内における燃料混合気の予熱を行うために用いられる。セラミックヒータ１は、燃料混合気の予熱を行う際には、ヒータ素子２２に通電を行い、ヒータ素子２２を発熱させるよう構成されている。
なお、セラミック基体２１の軸方向Ｌの先端側とは、燃焼室７３側をいい、軸方向Ｌの基端側とは、燃焼室７３とは反対側をいう。
同図に示すように、セラミックヒータ１は、ヒータ本体２等の他に、ヒータ本体２の外周を保持する金属製のスリーブ６１と、スリーブ６１の軸方向Ｌの基端側に連結された金属製のハウジング６２と、金属部材３に連結された金属製の導通端子６３とを備えている。
スリーブ６１は、円筒形状を有しており、ヒータ本体２の先端側部分を軸方向Ｌの先端側に突出させている。スリーブ６１の基端側部分の外周には、先端側部分の外周よりも拡径した拡径部６１１が形成されている。拡径部６１１は、シリンダヘッド７のプラグ取付孔７１に設けられた段差部７２に当接している。そして、ヒータ本体２における陰極２４は、スリーブ６１を介して、グラウンド電位にあるシリンダヘッド７に導通されている。ハウジング６２は、円筒形状を有しており、スリーブ６１の基端側に溶接によって接合されている。導通端子６３は、ハウジング６２内に挿通されており、導通端子６３の先端部は金属部材３に接合されている。導通端子６３は、ハウジング６２の外部に配置された通電用の電源等に接続されている。
スリーブ６１は、円筒形状を有しており、ヒータ本体２の先端側部分を軸方向Ｌの先端側に突出させている。スリーブ６１の基端側部分の外周には、先端側部分の外周よりも拡径した拡径部６１１が形成されている。拡径部６１１は、シリンダヘッド７のプラグ取付孔７１に設けられた段差部７２に当接している。そして、ヒータ本体２における陰極２４は、スリーブ６１を介して、グラウンド電位にあるシリンダヘッド７に導通されている。ハウジング６２は、円筒形状を有しており、スリーブ６１の基端側に溶接によって接合されている。導通端子６３は、ハウジング６２内に挿通されており、導通端子６３の先端部は金属部材３に接合されている。導通端子６３は、ハウジング６２の外部に配置された通電用の電源等に接続されている。
図２に示すように、本形態の金属部材３は、環状接合部３１と、環状接合部３１の軸方向Ｌの基端に繋がり、軸方向Ｌの基端側に行くほど内径が縮小する傾斜部３２とを有する。金属部材３は、環状接合部３１の基端側が傾斜部３２によって塞がれたカップ形状を有する。なお、金属部材３は、カップ形状とする以外にも、円筒形状等の種々の形状とすることができる。環状接合部３１の内周面３０１と傾斜部３２の内周面３０２との間には、内周側角部による境界部３０３が形成されている。活性金属材４の基端面４０２は、境界部３０３に位置して、金属部材４に対する軸方向Ｌの位置決めがなされている。
図１に示すように、ヒータ本体２におけるヒータ素子２２は、セラミック基体２１の先端側部分に内蔵されており、Ｕ字状に折れ曲がって形成されている。陽極２３は、セラミック基体２１の軸方向Ｌの基端部に配置されており、陰極２４は、セラミック基体２１の軸方向Ｌにおける陽極２３の配置位置よりも先端側の位置に配置されている。陽極２３の表面及び陰極２４の表面は、セラミック基体２１の側面２０１としての外周面に配置されている。また、ヒータ素子２２の一端と陽極２３との間、及びヒータ素子２２の他端と陰極２４との間は、それぞれリード線２５によって接続されている。
リード線２５は、一対の電極としての陽極２３及び陰極２４を構成する導通性材料と同じ材料によって構成することができる。リード線２５は、導通性を有する金属材料から構成することができ、導通性を有するセラミック材料から構成することもできる。陽極２３、陰極２４及びリード線２５を構成する材料の比抵抗に比べて、ヒータ素子２２を構成する材料の比抵抗は大きい。そして、陽極２３と陰極２４との間に通電を行うと、ヒータ素子２２が発熱する。
陽極２３及び陰極２４は、導通性を有するタングステンカーバイト等によって構成されている。セラミック基体２１は、導通性を有しない窒化珪素等のセラミックによって構成されている。なお、セラミック基体２１は、アルミナ等から構成することもできる。
本形態の活性金属材４は、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１における基端部分２１１の全周に形成されている。なお、活性金属材４は、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１における基端部分２１１の周方向の一部のみに形成されていてもよい。
本形態の活性金属材４は、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１における基端部分２１１の全周に形成されている。なお、活性金属材４は、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１における基端部分２１１の周方向の一部のみに形成されていてもよい。
図３に示すように、活性金属材４は、活性金属メタライズ層とも呼ばれ、セラミック基体２１の側面２０１に化学反応を伴って接合された反応層４１と、反応層４１の表面に形成された導通層４２とを有している。反応層４１は、活性金属材４中の活性金属成分が、セラミック基体２１中のセラミック成分と化学反応して形成されたものである。反応層４１が形成されていることにより、活性金属材４は、セラミック基体２１に強固に接合されている。導通層４２は、活性金属材４中の導通成分が、反応層４１の表面に積層されて形成されたものである。反応層４１及び導通層４２によって、陽極２３と金属部材３との導通性が確保される。
本形態の活性金属材４は、セラミック基体２１を構成するセラミック成分との反応層４１を形成する活性金属成分としてのＴｉ（チタン）と、導電性を確保するための金属成分としてのＡｇ（銀）及びＣｕ（銅）とを含有するＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ系の金属材料から構成されている。反応層４１は、活性金属材４中のＴｉと、セラミック基体２１におけるセラミック成分中のＳｉ（珪素）とが化学反応して形成されたＴｉ5Ｓｉ3（珪化チタン）等によって形成されている。導通層４２は、ＡｇとＣｕとの合金として形成されている。
なお、活性金属材４における活性金属成分は、Ｍｇ等であってもよい。
なお、活性金属材４における活性金属成分は、Ｍｇ等であってもよい。
金属部材３の環状接合部３１の内面及び活性金属材４における導通層４２の表面の全体には、ロウ材５の流動性を改善するためのＮｉのメッキ層３４，４３が設けられている。ロウ材５は、金属部材３におけるメッキ層３４と活性金属材４におけるメッキ層４３とを接合している。ロウ材５は、メッキ層３４とメッキ層４３との隙間を充填するように配置されている。ロウ材５は、Ａｇ、Ｃｕ等から構成されている。Ｎｉのメッキ層３４，４３の形成により、環状接合部３１の内側先端３１１が活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしていても、ロウ材５をメッキ層３４とメッキ層４３との隙間に容易に充填することができるようになる。
金属部材３の０〜６４９℃における平均熱膨張係数は、１１．９×１０-6〜１８．７×１０-6（１／℃）である。金属部材３は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレス材料から構成されている。ＳＵＳ３０４の平均熱膨張係数は、１８．７×１０-6（１／℃）であり、ＳＵＳ４３０の平均熱膨張係数は、１１．９×１０-6（１／℃）である。セラミック基材の０〜６４９℃における平均熱膨張係数は、２．６×１０-6〜７．８×１０-6（１／℃）である。活性金属材４を構成する反応層４１及び導通層４２の平均熱膨張係数及びメッキ層４３の平均熱膨張係数は、セラミック基材の平均熱膨張係数よりも大きい。
なお、平均熱膨張係数は、所定の温度の範囲内における熱膨張係数の平均値として表す。
なお、平均熱膨張係数は、所定の温度の範囲内における熱膨張係数の平均値として表す。
金属部材３、活性金属材４及びメッキ層４３の熱膨張係数はセラミック基体２１の熱膨張係数よりも大きい。そのため、セラミックヒータ１の使用時に、セラミックヒータ１が膨張・収縮を行うときには、金属部材３、メッキ層４３が設けられた活性金属材４からセラミック基体２１には、セラミック基体２１の径方向及び軸方向Ｌに向けた熱応力が作用する。
また、ヒータ本体２における陽極２３の軸方向Ｌの長さは２〜４ｍｍの範囲内にあり、活性金属材４の軸方向Ｌの長さは陽極２３の軸方向Ｌの長さよりも長い。また、セラミック基体２１の外径は、φ２．８〜３．５ｍｍの範囲内にある。本形態のセラミックヒータ１は、これらの各寸法を満たす場合に好適である。
また、ヒータ本体２における陽極２３の軸方向Ｌの長さは２〜４ｍｍの範囲内にあり、活性金属材４の軸方向Ｌの長さは陽極２３の軸方向Ｌの長さよりも長い。また、セラミック基体２１の外径は、φ２．８〜３．５ｍｍの範囲内にある。本形態のセラミックヒータ１は、これらの各寸法を満たす場合に好適である。
また、図３に示すように、金属部材３の環状接合部３１の先端面３１０の全体は、軸方向Ｌの基端側に向かうほど縮径するテーパ形状に形成されている。なお、先端面３１０の内側の部分（角部）のみをテーパ形状にし、先端面３１０の外側の部分（角部）は、軸方向Ｌに垂直な面としてもよい。環状接合部３１の先端面３１０をテーパ形状に形成することにより、環状接合部３１の内側先端３１１からセラミック基体２１に作用する熱応力の集中を緩和することができる。
なお、金属部材３の環状接合部３１の先端面３１０の全体又は内側の部分は、円弧形状に形成することもできる。この場合にも、先端面３１０をテーパ形状に形成する場合と同様の効果を得ることができる。
また、活性金属材４の先端面４０１は、軸方向Ｌに略垂直に形成されている。ただし、製造上、活性金属材４の先端面４０１は、完全に垂直にはならないと考えられる。この場合、オフセット量Ｘは、活性金属材４の先端面４０１における最も先端側の位置から環状接合部３１の内側先端３１１までとする。
また、活性金属材４の先端面４０１は、軸方向Ｌに略垂直に形成されている。ただし、製造上、活性金属材４の先端面４０１は、完全に垂直にはならないと考えられる。この場合、オフセット量Ｘは、活性金属材４の先端面４０１における最も先端側の位置から環状接合部３１の内側先端３１１までとする。
また、同図に示すように、環状接合部３１のオフセット部分３３の内周に設けられたロウ材５における、セラミック基体２１と接触する側の部分には、軸方向Ｌの基端側に向かうほど縮径するテーパ状又は円弧状の面が形成されていてもよい。この場合には、環状接合部３１のオフセット部分３３からロウ材５を介してセラミック基体２１に作用する熱応力を緩和することができる。
また、本形態の金属部材３の環状接合部３１の内周面３０１は、金属部材３の軸方向Ｌに対して平行に形成されている。これ以外にも、環状接合部３１の内周面３０１は、金属部材３の軸方向Ｌの基端側に向かうほど縮径するテーパ面に形成されていてもよい。また、この場合には、ヒータ本体２の側面２０１における基端部も、ヒータ本体２の軸方向Ｌの基端側に向かうほど縮径するテーパ面に形成することができる。
また、ヒータ本体２における陰極２４の表面には、ガラス金属材が設けられている。ガラス金属材は、ガラスメタライズ層とも呼ばれ、導通性を確保するための金属成分とガラス成分とを含有する。ガラス成分の熱膨張係数は、金属成分の熱膨張係数に比べてセラミック基体２１を構成するセラミック成分の熱膨張係数に近い。また、ガラス金属材の表面には、Ｎｉ等のメッキ層が形成されており、このメッキ層とスリーブ６１とはロウ材５によって接合されている。
次に、ヒータ本体２の側面２０１に活性金属材４を形成する方法について説明する。
活性金属材４を形成するに当たっては、まず、活性金属材４を形成するためのペーストを、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１の基端部分２１１の全周に塗布し、このペーストを熱処理する。このペーストには、活性金属成分としてのＴｉ、金属成分としてのＡｇ、Ｃｕ、溶媒等を含むものを用いる。そして、ペーストの熱処理を行うときには、ペースト中の活性金属成分であるＴｉが、セラミック基体２１中のセラミック成分であるＳｉ3Ｎ4と反応し、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１の基端部分２１１の全周には、反応層４１としてのＴｉ5Ｓｉ3の層が形成される。また、反応層４１の表面には、Ａｇ及びＣｕによる導通層４２が形成される。こうして、セラミック基体２１の側面２０１には、反応層４１と導通層４２とを有する活性金属材４が形成される。
その後、活性金属材４の表面には、Ｎｉによって構成されるメッキ層４３を形成する。
活性金属材４を形成するに当たっては、まず、活性金属材４を形成するためのペーストを、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１の基端部分２１１の全周に塗布し、このペーストを熱処理する。このペーストには、活性金属成分としてのＴｉ、金属成分としてのＡｇ、Ｃｕ、溶媒等を含むものを用いる。そして、ペーストの熱処理を行うときには、ペースト中の活性金属成分であるＴｉが、セラミック基体２１中のセラミック成分であるＳｉ3Ｎ4と反応し、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１の基端部分２１１の全周には、反応層４１としてのＴｉ5Ｓｉ3の層が形成される。また、反応層４１の表面には、Ａｇ及びＣｕによる導通層４２が形成される。こうして、セラミック基体２１の側面２０１には、反応層４１と導通層４２とを有する活性金属材４が形成される。
その後、活性金属材４の表面には、Ｎｉによって構成されるメッキ層４３を形成する。
ヒータ本体２は、金属部材３の内周に、ロウ材５及び締り嵌めによって接合されている。
次に、ヒータ本体２を金属部材３の内周に接合する方法について説明する。
ヒータ本体２をロウ付けによって金属部材３の内周に接合する際には、環状接合部３１の先端面３１０が下方を向く状態で金属部材３をパレットに配置する。また、ヒータ本体２の基端面２０２に固形状のロウ材５を配置するとともに、このヒータ本体２を金属部材３の下方から環状接合部３１の内周に配置する。次いで、パレットを介して金属部材３を加熱したときには、金属部材３の内周が熱膨張によって拡大し、金属部材３とヒータ本体２との間に形成された隙間に、溶融したロウ材５が流れ込む。その後、金属部材３が冷却されたときには、ロウ材５が凝固するとともに環状接合部３１の内径が収縮する。そして、環状接合部３１からヒータ本体２に圧縮応力が作用した状態で、ヒータ本体２と環状接合部３１とがロウ材５によって接合される。こうして、ヒータ本体２がロウ材５及び締り嵌めによって金属部材３の環状接合部３１と接合される。
次に、ヒータ本体２を金属部材３の内周に接合する方法について説明する。
ヒータ本体２をロウ付けによって金属部材３の内周に接合する際には、環状接合部３１の先端面３１０が下方を向く状態で金属部材３をパレットに配置する。また、ヒータ本体２の基端面２０２に固形状のロウ材５を配置するとともに、このヒータ本体２を金属部材３の下方から環状接合部３１の内周に配置する。次いで、パレットを介して金属部材３を加熱したときには、金属部材３の内周が熱膨張によって拡大し、金属部材３とヒータ本体２との間に形成された隙間に、溶融したロウ材５が流れ込む。その後、金属部材３が冷却されたときには、ロウ材５が凝固するとともに環状接合部３１の内径が収縮する。そして、環状接合部３１からヒータ本体２に圧縮応力が作用した状態で、ヒータ本体２と環状接合部３１とがロウ材５によって接合される。こうして、ヒータ本体２がロウ材５及び締り嵌めによって金属部材３の環状接合部３１と接合される。
次に、本形態のセラミックヒータ１による作用効果について説明する。
本形態のセラミックヒータ１において、金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１は、活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしている。これにより、環状接合部３１の内側先端３１１の内周側に活性金属材４の先端面４０１が対向しない。そして、エンジンの冷熱サイクルを受けてセラミックヒータ１が加熱・冷却され、環状接合部３１が膨張・収縮する際には、金属部材３の熱膨張係数がセラミック基体２１の熱膨張係数よりも大きいことにより、金属部材３の環状接合部３１からセラミック基体２１に熱応力が作用する。
本形態のセラミックヒータ１において、金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１は、活性金属材４の先端面４０１よりも軸方向Ｌの先端側にオフセットしている。これにより、環状接合部３１の内側先端３１１の内周側に活性金属材４の先端面４０１が対向しない。そして、エンジンの冷熱サイクルを受けてセラミックヒータ１が加熱・冷却され、環状接合部３１が膨張・収縮する際には、金属部材３の熱膨張係数がセラミック基体２１の熱膨張係数よりも大きいことにより、金属部材３の環状接合部３１からセラミック基体２１に熱応力が作用する。
このとき、環状接合部３１の内側先端３１１からセラミック基体２１の内周側及び軸方向Ｌに作用する熱応力と、活性金属材４の先端面４０１からセラミック基体２１の内周側及び軸方向Ｌに作用する熱応力とが、セラミック基体２１の軸方向Ｌにおける同じ位置に作用しないようにすることができる。
また、環状接合部３１と活性金属材４とを接合するロウ材５は、活性金属材４の先端面４０１を覆って環状接合部３１のオフセット部分３３の内周まで設けられている。これにより、環状接合部３１が膨張・収縮する際には、熱応力が集中しやすい活性金属材４の先端面４０１をロウ材５によって覆うことができる。
また、環状接合部３１と活性金属材４とを接合するロウ材５は、活性金属材４の先端面４０１を覆って環状接合部３１のオフセット部分３３の内周まで設けられている。これにより、環状接合部３１が膨張・収縮する際には、熱応力が集中しやすい活性金属材４の先端面４０１をロウ材５によって覆うことができる。
上述した金属部材３の環状接合部３１がオフセットする構成、及びオフセット部分３３までロウ材５が設けられた構成により、環状接合部３１が膨張・収縮する際に、セラミック基体２１の内周側及び軸方向Ｌへ作用する熱応力を緩和することができる。そのため、セラミック基体２１にクラック（亀裂）が生じないようにすることができる。
また、ヒータ本体２と環状接合部３１とはロウ材５及び締り嵌めによって接合されており、環状接合部３１からヒータ本体２へは、締り嵌めを行ったことによる残留応力も作用している。そのため、残留応力及び熱応力が作用する場合においても、上述した金属部材３の環状接合部３１がオフセットする構成、及びオフセット部分３３までロウ材５が設けられた構成により、セラミック基体２１におけるクラックの発生を防止することができる。
また、ヒータ本体２と環状接合部３１とはロウ材５及び締り嵌めによって接合されており、環状接合部３１からヒータ本体２へは、締り嵌めを行ったことによる残留応力も作用している。そのため、残留応力及び熱応力が作用する場合においても、上述した金属部材３の環状接合部３１がオフセットする構成、及びオフセット部分３３までロウ材５が設けられた構成により、セラミック基体２１におけるクラックの発生を防止することができる。
また、活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有している。活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘは、小さすぎても熱応力を緩和する効果が得られにくい。そこで、オフセット量Ｘが、活性金属材４の軸方向Ｌの長さの５％以上の長さであることにより、セラミック基体２１に作用する熱応力を効果的に緩和することができる。
なお、オフセット量Ｘが大きくなり過ぎると、セラミック基体２１と環状接合部３１との軸方向Ｌにおける重なり量が不必要に大きくなるおそれがある。そのため、オフセット量Ｘは、例えば、Ｙ×０．２≧Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を満たすよう決定することができる。
なお、オフセット量Ｘが大きくなり過ぎると、セラミック基体２１と環状接合部３１との軸方向Ｌにおける重なり量が不必要に大きくなるおそれがある。そのため、オフセット量Ｘは、例えば、Ｙ×０．２≧Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を満たすよう決定することができる。
それ故、本形態のセラミックヒータ１によれば、ヒータ本体２における活性金属材４と金属部材３の環状接合部３１とをロウ材５によって接合する場合において、セラミック基体２１にクラックが生じないようにすることができる。
（確認試験）
本確認試験においては、活性金属材４の先端面４０１から金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとの最適な関係を確認した。
この確認試験においては、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹ、オフセット量Ｘ、セラミック基体２１の外径、及び金属部材３の材質が異なる複数種類のセラミックヒータ１のサンプルを準備した。セラミックヒータ１のサンプルにおいて、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹは、４．０ｍｍ、３．６ｍｍ、２．０ｍｍの３種類に変化させた。また、オフセット量Ｘは、０．０８ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１４ｍｍ、０．１６ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２２ｍｍの８種類に変化させた。また、セラミック基体２１の材質は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０の２種類に変化させた。さらに、セラミック基体２１の外径は、φ２．８ｍｍ、φ３．５ｍｍの２種類に変化させた。
本確認試験においては、活性金属材４の先端面４０１から金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘと、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹとの最適な関係を確認した。
この確認試験においては、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹ、オフセット量Ｘ、セラミック基体２１の外径、及び金属部材３の材質が異なる複数種類のセラミックヒータ１のサンプルを準備した。セラミックヒータ１のサンプルにおいて、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹは、４．０ｍｍ、３．６ｍｍ、２．０ｍｍの３種類に変化させた。また、オフセット量Ｘは、０．０８ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１４ｍｍ、０．１６ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２２ｍｍの８種類に変化させた。また、セラミック基体２１の材質は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０の２種類に変化させた。さらに、セラミック基体２１の外径は、φ２．８ｍｍ、φ３．５ｍｍの２種類に変化させた。
そして、セラミックヒータ１の各サンプルについて、セラミック基体２１に微小なクラックが生じたか否かの確認をした。このクラックは極めて微小な亀裂であることが多く、その確認は、次の方法によって行った。具体的には、ロウ材５を再度溶融させて金属部材３からヒータ本体２を取り出し、ヒータ本体２のセラミック基体２１の側面２０１をサンドペーパで軽く磨いた。次いで、この側面２０１に、蛍光深傷液を塗布した後、ブラックライトを照射して、微小なクラックの有無を確認した。
この確認を行った結果を表１に示す。同表の確認結果においては、微小なクラックが生じた場合を×によって示し、微小なクラックが生じなかった場合を○によって示す。
この確認を行った結果を表１に示す。同表の確認結果においては、微小なクラックが生じた場合を×によって示し、微小なクラックが生じなかった場合を○によって示す。
同表の各サンプルについて、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹを４ｍｍとした場合に、オフセット量Ｘが０．０８〜０．１８ｍｍの範囲内にあるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ＜Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１における、金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１に対向する部位に、クラックが発生した。一方、この場合に、オフセット量Ｘが０．２０〜０．２２ｍｍの範囲内にあるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ≧Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１にクラックは発生しなかった。
また、各サンプルについて、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹを３．６ｍｍとした場合に、オフセット量Ｘが０．０８〜０．１６ｍｍの範囲内にあるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ＜Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１における、金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１に対向する部位に、クラックが発生した。一方、この場合に、オフセット量Ｘが０．１８〜０．２２ｍｍの範囲内にあるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ≧Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１にクラックは発生しなかった。
さらに、各サンプルについて、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹを２．０ｍｍとした場合に、オフセット量Ｘが０．０８ｍｍであるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ＜Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１における、金属部材３の環状接合部３１の内側先端３１１に対向する部位に、クラックが発生した。一方、この場合に、オフセット量Ｘが０．１０〜０．２２ｍｍの範囲内にあるときには、オフセット量Ｘと長さＹとの関係がＸ≧Ｙ×０．０５となり、セラミック基体２１にクラックは発生しなかった。
以上の結果より、活性金属材４の先端面４０１から環状接合部３１の内側先端３１１までのオフセット量Ｘが、活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹの５％以上である場合には、セラミック基体２１をクラックの発生から保護できることが分かる。一方、オフセット量Ｘが活性金属材４の軸方向Ｌの長さＹの５％未満である場合には、オフセット量Ｘが不十分であり、セラミック基体２１をクラックの発生から保護することが困難になる。
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態に適用することが可能である。
１ セラミックヒータ
２ ヒータ本体
２１ セラミック基体
２２ ヒータ素子
２３ 陽極
３ 金属部材
３１ 環状接合部
３３ オフセット部分
４ 活性金属材
５ ロウ材
２ ヒータ本体
２１ セラミック基体
２２ ヒータ素子
２３ 陽極
３ 金属部材
３１ 環状接合部
３３ オフセット部分
４ 活性金属材
５ ロウ材
Claims (8)
- 棒状のセラミック基体（２１）、該セラミック基体に埋設されたヒータ素子（２２）、該ヒータ素子の一端に接続され、上記セラミック基体の側面における軸方向（Ｌ）の基端部分（２１１）に設けられた陽極（２３）、及び上記ヒータ素子の他端に接続され、上記セラミック基体の側面における、上記陽極よりも上記軸方向の先端側の部分に設けられた陰極（２４）を有するヒータ本体（２）と、
該ヒータ本体の上記基端部分に、上記陽極の表面を覆う状態で設けられ、上記セラミック基体と反応して接合された活性金属材（４）と、
該活性金属材の表面を覆う環状接合部（３１）を有する金属部材（３）と、
上記環状接合部と上記活性金属材とを接合するロウ材（５）と、を備え、
上記環状接合部の内側先端（３１１）は、上記活性金属材の先端面（４０１）よりも上記軸方向の先端側にオフセットしており、
上記ロウ材は、上記活性金属材の先端面を覆って上記環状接合部のオフセット部分（３３）の内周まで設けられており、
上記活性金属材の先端面から上記環状接合部の内側先端までのオフセット量Ｘと上記活性金属材の上記軸方向の長さＹとは、Ｘ≧Ｙ×０．０５の関係を有する、セラミックヒータ。 - 上記環状接合部の上記軸方向の基端には、上記軸方向の基端側に行くほど内径が縮小する傾斜部（３２）が繋がっており、
上記活性金属材の基端面（４０２）は、上記環状接合部と上記傾斜部との内周側の境界部（３０３）によって位置決めされている、請求項１に記載のセラミックヒータ。 - 上記環状接合部の先端面（３１０）の全体又は内側の部分は、テーパ形状又は円弧形状に形成されている、請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
- 上記活性金属材は、上記セラミック基体を構成するセラミックとの反応層（４１）を形成するＴｉ、導電性を確保するためのＡｇ及びＣｕを含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
- 上記金属部材の０〜６４９℃における平均熱膨張係数は、１１．９×１０-6〜１８．７×１０-6（１／℃）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
- 上記陽極の上記軸方向の長さは２〜４ｍｍであり、上記活性金属材の上記軸方向の長さは上記陽極の上記軸方向の長さよりも長い、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
- 上記金属部材の内面には、Ｎｉのメッキ層（３４）が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
- 上記活性金属材の表面には、Ｎｉのメッキ層（４３）が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のセラミックヒータ。
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