JP2018185939A - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

ヒータおよびこれを備えたグロープラグ Download PDF

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Abstract

【課題】 高い信頼性および耐久性を有するヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供する。
【解決手段】 ヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に位置しており折返し形状を有する発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に位置するとともに前記発熱抵抗体に接続された一対のリードとを備えており、前記発熱抵抗体と前記一対のリードとは前記セラミック体の軸方向に垂直な方向に重なって接続されていて、前記発熱抵抗体と前記一対のリードとが重なって接続されている領域を通り、前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、前記リードは、前記発熱抵抗体よりも内側に位置しているとともに、前記発熱抵抗体を挟むように前記発熱抵抗体の外周側に回り込む部分を有しており、前記回り込む部分の外周と前記発熱抵抗体の外周とが連続した曲線になっている。
【選択図】 図２

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、測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータに関するものである。
自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、例えば、特許文献１に記載のヒータが知られている。特許文献１に記載のヒータは、棒状のセラミック体と、セラミック体の先端に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されたリードとを備えている。発熱抵抗体は、リードよりも抵抗値が大きく設定されているとともに、折返し形状を有している。このようなヒータにおいては、リードと発熱抵抗体の接続部分は界面が直線状になっていた。近年、グロープラグは、更なる急速昇温と耐久性の両立が求められてきている。
特開２００３−２２８８９号公報
このようなヒータを急速昇温したときには、発熱抵抗体とリードとが急激に熱膨張することになる。このとき、発熱抵抗体とリードとの境界が直線状であることから、発熱抵抗体とリードとの境界に沿ってせん断応力が生じるおそれがあった。特に、発熱抵抗体とリードとの境界のうちセラミック体に接する部分には特に応力が集中する傾向にあった。その結果、ヒータを繰り返し使用したときには、発熱抵抗体とリードとの境界のうちセラミック体に接する部分にクラックが生じ、このクラックが発熱抵抗体とリードとの境界に沿って進展するおそれがあった。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。
本発明のヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に位置しており折返し形状を有する発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に位置するとともに前記発熱抵抗体に接続された一対のリードとを備えており、前記発熱抵抗体と前記一対のリードとは前記セラミック体の軸方向に垂直な方向に重なって接続されていて、前記発熱抵抗体と前記一対のリードとが重なって接続されている領域を通り、前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、前記リードは、前記発熱抵抗体よりも内側に位置しているとともに、前記発熱抵抗体を挟むように前記発熱抵抗体の外周側に回り込む部分を有しており、前記回り込む部分の外周と前記発熱抵抗体の外周とが連続した曲線になっている。
本発明のヒータによれば、リードが発熱抵抗体を挟むように発熱抵抗体の外周側に回り込む部分を有していることによって、発熱抵抗体とリードとの間にせん断応力が発生することを低減できる。また、上記の回り込む部分の外周と発熱抵抗体の外周とが連続した曲線であることによって回り込む部分の外周と発熱抵抗体との外周のどちらかに応力が集中することを低減できる。
ヒータの一例を示す断面図である。 （ａ）は図１に示すヒータの領域Ａの部分拡大図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ線で切った断面図である。 （ａ）は図１に示すヒータの領域Ａの部分拡大図であり、（ｂ）はＹ−Ｙ線で切った断面図である。 （ａ）は図１に示すヒータの領域Ａの部分拡大図であり、（ｂ）はＺ−Ｚ線で切った断面図である。 グロープラグの一例を示す断面図である。 ヒータの製造工程の一部を示す断面図である。 ヒータの製造工程の一部を示す断面図である。
図１、２に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１とセラミック体１の内部に位置している発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に位置するとともに発熱抵抗体２に接続された一対のリード３とを備えている。ヒータ１０は、例えば、グロープラグ用のヒータ１０として用いられる。
ヒータ１０におけるセラミック体１は、例えば長手方向（軸方向）を有する棒状である。このセラミック体１には発熱抵抗体２およびリード３が埋設されている。ここで、セラミック体１はセラミックスからなる。これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１０を提供することが可能になる。セラミックスとしては、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に絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。セラミック体１は、窒化珪素質セラミックスからなっていてもよい。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。
窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体１は、例えば、以下の方法で作製できる。具体的には、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を混合して混合物を得る。混合物を所定の形状に成形して成形体を得る。その後、成形体を１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することによってセラミック体１を得ることができる。焼結助剤としては、３〜１２質量％のＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を用いることができる。Ａｌ２Ｏ３は例えば、０．５〜３質量％用いることができる。ＳｉＯ２は、セラミック体１２に含まれるＳｉＯ２量が、例えば、１．５〜５質量％となるように混合することができる。セラミック体１２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック体１２の直径は例えば３〜５ｍｍに設定される。
なお、セラミック体１として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合は、ＭｏＳｉＯ２またはＷＳｉ２等を混合し、分散させてもよい。この場合には、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体２の熱膨張率に近付けることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部に設けられている。発熱抵抗体２はセラミック体１の先端側（一端側）に設けられている。発熱抵抗体２は、電流を流すことによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、折返し形状を有している。
発熱抵抗体２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などを主成分とするものを使用することができる。
さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、発熱抵抗体２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％以上であってもよい。例えば、窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体１中において、発熱抵抗体２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、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱抵抗体２中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック体１のそれに近付けて、ヒータ１０の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。
また、発熱抵抗体２に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱抵抗体２の抵抗値のばらつきを小さくさせることができる。従って、発熱抵抗体２に含まれる窒化珪素の含有量は２０〜４０質量％であってもよい。また、発熱抵抗体２への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４〜１２質量％添加することもできる。発熱抵抗体２は全長を３〜１５ｍｍ、断面積を０．１５〜０．８ｍｍ２に設定することができる。
リード３は、発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続するための部材である。リード３は、発熱抵抗体２に接続されるとともにセラミック体１の表面に引き出されている。具体的には、発熱抵抗体２の両端部にそれぞれリード３が接合されている。一方のリード３は、一端側で発熱抵抗体２の一端に接続され、他端側でセラミック体１の後端寄りの側面から導出されている。他方のリード３は、一端側で発熱抵抗体２の他端に接続され、他端側でセラミック体１の後端部から導出されている。
このリード３は、例えば、発熱抵抗体２と同様の材料（主成分）を用いて形成される。リード３は、発熱抵抗体２よりも断面積を大きくしたり、セラミック体１の形成材料の含有量を発熱抵抗体２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。また、リード３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していてもよい。これにより、リード３の熱膨張率を、セラミック体１を構成する窒化珪素の熱膨張率に近付けることができる。
そして、図２に示すように、ヒータ１０は、棒状のセラミック体１と、セラミック体１の内部に位置しており折返し形状を有する発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に位置するとともに発熱抵抗体２に接続された一対のリード３とを備えている。そして、発熱抵抗体２と一対のリード３とはセラミック体１の軸方向に垂直な方向に重なって接続されていて、発熱抵抗体２と一対のリード３とが重なって接続されている領域を通り、セラミック体１の軸方向に垂直な断面を見たときに、リード３は、発熱抵抗体２よりも内側に位置しているとともに、発熱抵抗体２を挟むように発熱抵抗体２の外周側に回り込む部分を有しており、回り込む部分の外周と発熱抵抗体２の外周とが連続した曲線になっている。
このように、リード３が発熱抵抗体２を挟むように発熱抵抗体２の外周側に回り込む部分を有していることによって、発熱抵抗体２とリード３との間にせん断応力が発生することを低減できる。また、上記の回り込む部分の外周と発熱抵抗体２の外周とが連続した曲線であることによって回り込む部分の外周と発熱抵抗体２との外周のどちらかに応力が集中することを低減できる。これにより、ヒータ１０の長期信頼性を向上できる。
特に挟む位置（リード３の股の部分）が外周側であることで、熱はヒータ１０の表面に散逸する。応力を閉じ込めたリード３の股の部分（発熱抵抗体２を挟んでいる部分）をヒータ１０の表面に近づけることで、熱をヒータ１０表面に散逸させやすくして応力を小さくすることができる。
また、図２に示すように、挟まれた発熱抵抗体２の先端は鋭角になっている。発熱抵抗体２の先端が鋭角となってリード３に挟まれていることによって、リード３が発熱抵抗体
２をくわえ込んだ形状にすることができる。これにより、発熱抵抗体２がリード３から抜けてしまうおそれを低減できる。
さらに、回り込む部分の外周と発熱抵抗体２の外周とが弧状になっていてもよい。これにより、ヒートサイクル下における熱膨張および熱収縮を繰り返しても、セラミック体１に接しているリード３と発熱抵抗体２との境目部分が弧状になっていることで応力が弧に沿って分散しやすくなる。その結果、リード３および発熱抵抗体２にクラックが生じるおそれを低減できる。
このとき、発熱抵抗体２のうち回り込む部分の内周も弧状になっていてもよい。これにより、回り込む部分において局所的に熱応力が集中するおそれを低減できる。特に、回り込む部分の内周が外周と同じ向きに凸な弧状であってもよい。これにより、回り込む部分においてセラミック体１および発熱抵抗体２から熱応力を受けたとしても、この熱応力を回り込む方向に分散させやすくすることができる。
さらに、回り込む部分が、回り込む部分の先端に向かうに連れて細くなっていてもよい。これにより、回り込む部分に加わる熱応力の分布を徐々に変化させることができる。これにより、局所的に熱応力が発生することによってクラックが生じるおそれを低減できる。
さらに、発熱抵抗体２と一対のリード３とのそれぞれの境界線を見たときに、回り込んでいる部分以外のそれぞれの境界線は、一方に対して他方が傾斜していてもよい。これはヒータ１０を断面視した時に、熱の分布は中心の温度が高く、表面の温度が低くなっている。境界線は、一方に対して他方が傾斜していることで、温度が高い中心側が熱膨張したときに、リード３が発熱抵抗体２を挟む部分に熱応力を集中させやすくすることができる。これにより、発熱抵抗体２からリード３が抜けてしまうおそれを低減できる。
さらに、図２、３に示すように、回り込んでいる部分が、前記セラミック体の軸方向に沿ってリード３側から発熱抵抗体２側に向かうに連れて小さくなっていてもよい。発熱抵抗体２側はリード３側よりも温度が高くなるので、これに合わせて回り込んでいる部分を小さくすることによって熱応力を低減することができる。
また、図２（ｂ）と図３（ｂ）との比較から分かるように、リード３が発熱抵抗体２を挟む角度（発熱抵抗体２のうちリード３に挟まれている部分の角度）が、リード３側よりも発熱抵抗体２側の方が角度が大きくなっていてもよい。発熱抵抗体２側はリード３側よりも温度が高くなるので、リード３が発熱抵抗体２を挟む部分の角度を鈍角にすることによって力の加わり方を緩やかにすることができる。
また、図４に示すように、リード３の先端（リード３のうち最も発熱抵抗体２側の部分）においては、リード３が発熱抵抗体２を挟んでいなくてもよい。リード３の先端は発熱抵抗体２との間に生じる熱応力が最も大きくなるので、この部分において、リード３が発熱抵抗体２を挟んでいないことによって発熱抵抗体２から加わる力によってリード３が割ける方向にクラックが入るおそれを低減できる。
また、図５に示すように、グロープラグ１００は、発熱抵抗体２がセラミック体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は上記のヒータ１０を備えていることにより、長期信頼性が向上している。
＜製造方法１＞
次に上述のヒータ１０の製造方法について説明する。ヒータ１０は、例えば、発熱抵抗体２、リード３およびセラミック体１を射出成型で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を含む、発熱抵抗体２用の導電性ペーストとリード３用の導電性ペーストとを作製する。また、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダーを含む、セラミック体１用の絶縁性ペーストを作製する。
次に、発熱抵抗体２用の導電性ペーストを用いて発熱抵抗体２用の成形体２１を形成する。また、図６に示すように、成形体２１を金型５内に保持した状態でリード３用の導電性ペーストを充填してリード３用の成形体３１を形成する。このとき、成型体２１と金型５との間の隙間を調整することによって、リード３が発熱抵抗体２の外周側に回り込む部分を有する形状にすることができる。なお、図６においては、（ａ）がリード３用の導電性ペーストを充填する前の様子を、（ｂ）がリード３用の導電性ペーストを充填した後の様子を示している。
これにより、成形体２１と成形体３１とが金型内に保持された状態になる。次に、金型内に成形体２１と成形体３１とを保持した状態で、金型の一部をセラミック体１の成形用のものに取り替えた後、金型内にセラミック体１用の絶縁性ペーストを充填する。これにより、ヒータ１０の成型体を得ることができる。次に、得られたヒータ１０の成形体を焼成することによってヒータ１０を作製できる。
＜製造方法２＞
ヒータ１０の他の製造方法について説明する。他の製造方法においては、ヒータ１０は、例えば、発熱抵抗体２、リード３およびセラミック体１をプレス成型で形成することができる。まず、発熱抵抗体２、リード３およびセラミック体１となるそれぞれの成型体を形成する。このとき、図７（ａ）に示すように、リード３用の成型体３１は必ずしも発熱抵抗体２の外周側に回り込む部分を有していなくてもよいが、発熱抵抗体２用の成型体２１とセラミック体１用の成型体１１との間に隙間を形成しておく。セラミック体１用の成型体１１の中に発熱抵抗体２用の成型体２１とリード３用の成型体３１とを配置して、圧力を加えながら焼成することによって、リード３用の成型体３１が発熱抵抗体２用の成型体２１とセラミック体１用の成型体１１との間の隙間に広がることによって、図７（ｂ）に示すように、リード３が発熱抵抗体２の外周側に回り込む部分を有する形状にすることができる。なお、図７においては、（ａ）が焼成前の成型体の様子を、（ｂ）が焼成後の様子を示している。
１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：リード
４：金属筒
１０：ヒータ
１００：グロープラグ

Claims (6)

  1. 棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に位置しており折返し形状を有する発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に位置するとともに前記発熱抵抗体に接続された一対のリードとを備えており、
    前記発熱抵抗体と前記一対のリードとは前記セラミック体の軸方向に垂直な方向に重なって接続されていて、
    前記発熱抵抗体と前記一対のリードとが重なって接続されている領域を通り、前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、
    前記リードは、前記発熱抵抗体よりも内側に位置しているとともに、前記発熱抵抗体を挟むように前記発熱抵抗体の外周側に回り込む部分を有しており、前記回り込む部分の外周と前記発熱抵抗体の外周とが連続した曲線になっているヒータ。
  2. 前記回り込む部分の外周と前記発熱抵抗体の外周とが弧状になっている請求項１に記載のヒータ。
  3. 前記回り込む部分が、前記回り込む部分の先端に向かうに連れて細くなっている請求項１または請求項２に記載のヒータ。
  4. 前記発熱抵抗体と前記一対のリードとのそれぞれの境界線を見たときに、前記回り込んでいる部分以外の前記それぞれの境界線は、全体が一方に対して他方が傾斜している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
  5. 前記回り込んでいる部分が、前記セラミック体の軸方向に沿って前記リード側から前記発熱抵抗体側に向かうに連れて小さくなっている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータであって前記発熱抵抗体が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。
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