JP2021124085A - 外部電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】中心電極と金属製のハウジングとの間の絶縁性及び気密性を確保し、かつハウジングからの中心電極の抜けを抑制した外部電極構造体を提供する。【解決手段】軸線Ｏ向に延びる中心電極１０と、中心電極を内側に保持する筒状の無機粉末充填部２０と、無機粉末充填部の先端側に配置され、中心電極を内側に有する筒状の先端側絶縁体３０と、無機粉末充填部の後端側に配置され、中心電極を内側に有する筒状の後端側絶縁体４０と、先端側絶縁体、無機粉末充填部、及び後端側絶縁体を内側に保持する筒状金属製のハウジング５０と、を備えた外部電極構造体１００であって、中心電極の外表面のうち、無機粉末充填部と対向する部位の少なくとも一部には、軸線方向に沿って見たときに中心電極の径が変化する凹凸を複数個連続して有する粗面領域１２が形成され、粗面領域の凹部に無機粉末充填部が入り込んでいる。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば内燃機関の触媒加熱ヒータの通電用電極に好適に使用することができる外部電極構造体に関する。

自動車等の車両の内燃機関の排気ガスを浄化するため、触媒装置が取り付けられている。この触媒は高温で活性化するため、エンジン始動時等の排気ガスが低温の状態では十分な触媒機能を発揮することが困難である。そこで、触媒を活性化するため、触媒装置の上流側に通電発熱式の触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ：Electrical Heating Catalyst）を設ける技術が知られている。
この触媒加熱ヒータの通電用電極は、ヒータが配置されている排気管を貫通して取り付けられる。電極は金属製のハウジングの内部に絶縁保持され、ハウジングは排気管にネジ止め等で固定されている（特許文献１）。
特許文献１記載の技術においては、電極とハウジングとの間の絶縁体として、セラミックと共に、無機粉末の圧粉体を併用している。これは、硬質のセラミックだけでは、電極の振動や熱膨張によるハウジングとの間の間隔の変動を十分に吸収できないことから、圧粉体により両者間の気密性を確保するためである。

特開平11-257058号公報（図２）

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、電極とハウジングとの間の絶縁が不十分になるという問題がある。これは、電極がハウジングから抜けるのを防止するために電極に設けた１個の径大な鍔部を圧粉体の内部に陥入させることから、その部位の圧粉体の厚みが減少して絶縁抵抗が低下したためと考えられる。
特に、ヒータを迅速に加熱させるために電極間をより高電圧にした場合、絶縁性の確保がさらに重要となってくる。
そこで、本発明は、中心電極と金属製のハウジングとの間の絶縁性及び気密性を確保し、かつハウジングからの中心電極の抜けを抑制した外部電極構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の外部電極構造体は、軸線方向に延びる中心電極と、前記中心電極を内側に保持する筒状の無機粉末充填部と、前記無機粉末充填部の先端側に配置され、前記中心電極を内側に有する筒状の先端側絶縁体と、前記無機粉末充填部の後端側に配置され、前記中心電極を内側に有する筒状の後端側絶縁体と、前記先端側絶縁体、前記無機粉末充填部、及び前記後端側絶縁体を内側に保持する筒状金属製のハウジングと、を備えた外部電極構造体であって、前記中心電極の外表面のうち、前記無機粉末充填部と対向する部位の少なくとも一部には、前記軸線方向に沿って見たときに径が変化する凹凸を複数個連続して有する粗面領域が形成され、前記粗面領域の凹部に前記無機粉末充填部が入り込んでいることを特徴とする。

この外部電極構造体によれば、中心電極の外表面に粗面領域を設け、ハウジング側に配置された無機粉末充填部を粗面領域の凹部に食い込ませることで、中心電極をハウジングに対して係止することができ、ハウジングからの中心電極の抜け（特に軸線方向の抜け）を抑制できる。
ここで、粗面領域は、凹凸を複数個連続して有する。これにより、例えば１個の径大な鍔部（凸部）に比べ、粗面領域を同じ表面積とするための凸部の突出高さを低くでき、ひいては無機粉末充填部への凸部の陥入量（食い込み高さ）を少なくできる。そのため、無機粉末充填部の厚みが減少して絶縁抵抗やシール性が低下することを抑制できる。その結果、先端側絶縁体及び後端側絶縁体よりも絶縁抵抗が低い無機粉末充填部の厚みを確保して中心電極とハウジングとの間の絶縁性及び気密性を確保できる。

本発明の外部電極構造体において、前記粗面領域の前記凹部の底から凸部の頂までの高さは１．０ｍｍ以下であってもよい。
この外部電極構造体によれば、粗面領域の凸部を過度に突出させなくても無機粉末充填部と十分係合でき、中心電極の抜けを抑制しつつ、絶縁性及び気密性をさらに確保できる。

本発明の外部電極構造体において、前記凹凸は、綾目ローレット形状をなしてもよい。
この外部電極構造体によれば、無機粉末充填部が凹部に十分に入り込んで中心電極の軸線方向の抜けを抑制する摩擦力が高くなる。

本発明の外部電極構造体において、前記無機粉末充填部は、ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分としてもよい。
ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分（５０質量％を超える）とする粉末は、他の無機粉末に比べ、その熱膨張係数がハウジングおよび中心電極の熱膨張係数と近くなる。このため、高温時にハウジングと無機粉末充填部との隙間が小さくなって気密性が向上する。

本発明の外部電極構造体において、前記先端側絶縁体及び前記後端側絶縁体の少なくとも一方は、前記ハウジングの前記軸線方向の外側に突出していてもよい。
この外部電極構造体によれば、それぞれ導電性であるハウジングと中心電極との電気的導通距離を長くすることができ、絶縁性が向上する。

この発明によれば、中心電極と金属製のハウジングとの間の絶縁性及び気密性を確保し、かつハウジングからの中心電極の抜けを抑制した外部電極構造体が得られる。

本発明の実施形態に係る外部電極構造体が取り付けられた自動車の全体構成を示す図である。 図１の部分拡大断面図である。 外部電極構造体の軸線方向に沿う断面図である。 中心電極の外表面の粗面領域を示す斜視図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る外部電極構造体１００が取り付けられた自動車２００の全体構成を示す図、図２は、図１の部分拡大断面図、図３は、外部電極構造体１００の軸線Ｏ方向に沿う断面図、図４は中心電極１０の外表面の粗面領域１２を示す斜視図である。

図１に示すように、自動車２００はエンジン（内燃機関）２０２、エンジン２０２の排気系に取り付けられた排気管２０４、排気管２０４内にそれぞれ上流側から順に配置された触媒加熱ヒータ２１０及び触媒装置２２０等を備えている。
触媒装置２２０は、排気ガスＧ中の特定のガス成分を処理して排気ガスＧを浄化する。触媒加熱ヒータ２１０は通電発熱式であり、その上下には、それぞれ外部電極構造体１００が対向して配置され、外部電極構造体１００間に電流を流すことで触媒加熱ヒータ２１０が発熱する。
各外部電極構造体１００は、排気管２０４の内壁を貫通して排気管２０４にネジ止めされると共に、中心電極１０（図３）の先端が触媒加熱ヒータ２１０に電気的に接続されている（図２）。

図３に示すように、外部電極構造体１００は、軸線Ｏ方向に延びる丸棒状の中心電極１０と、筒状の無機粉末充填部２０と、無機粉末充填部２０の先端側に配置された筒状の先端側絶縁体３０と、無機粉末充填部２０の後端側に配置された筒状の後端側絶縁体４０と、筒状金属製のハウジング５０と、を備えている。
無機粉末充填部２０、先端側絶縁体３０及び後端側絶縁体４０は、それぞれ中心孔を有し、中心電極１０の径方向周囲を取り囲んで自身の内側に有する。無機粉末充填部２０は中心電極１０を保持する。

ハウジング５０は、それぞれ無機粉末充填部２０、先端側絶縁体３０及び後端側絶縁体４０の径方向周囲を取り囲んで自身の内側に保持する。又、本例ではハウジング５０は、中心電極１０の先端側１０ａ及び後端側１０ｂを、それぞれ自身の先端及び後端から軸線Ｏ方向の外側に突出させている。

ハウジング５０は、先端側に外部電極構造体１００を排気管２０４に取り付けるための雄ねじ部５６を有し、雄ねじ部５６の後端側に取り付け時に取り付け工具をあてがう大径の六角部５４を有している。そして、六角部５４の後端側には、六角部５４より小径の筒状の本体部５２が軸線Ｏ方向に延び、本体部５２の後端側にはカシメ部５８が一体に形成されている。
ハウジング５０の内面には、径方向内側に突出する棚部５４ｐが形成され、棚部５４ｐに先端側絶縁体３０の先端向き面が係合して先端側絶縁体３０の先端側への移動を規制している。なお、棚部５４ｐは、軸線Ｏ方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

一方、先端側絶縁体３０は、小径の本体部３０ｍと、本体部３０ｍの後端側に一体に設けられた径大のフランジ部３０ｆとを備えている。フランジ部３０ｆの先端向き面には、先端に向かって尖るテーパ部３０ｔが形成され、テーパ部３０ｔが棚部５４ｐに係合する。このように、先端側絶縁体３０とハウジング５０の接触部分をテーパ形状とすることで、先端側絶縁体３０とハウジング５０との位置ずれを抑制しやすい。
そして、先端側絶縁体３０は、フランジ部３０ｆを上述の棚部５４ｐに係合させるとともに、本体部３０ｍを雄ねじ部５６よりも先端側に突出させている。さらに、本体部３０ｍよりも先端側に外部電極構造体１０の先端側１０ａを突出させている。

同様に、後端側絶縁体４０は、小径の本体部４０ｍと、本体部４０ｍの先端側に一体に設けられた径大のフランジ部４０ｆとを備えている。
一方、カシメ部５８は、フランジ部４０ｆの後端向き面を覆うように、本体部５２から径方向内側に向かって延びている。そして、カシメ部５８とフランジ部４０ｆとの間に環状の金属パッキン６０が介装されている。カシメ部５８は金属パッキン４０を介して先端側に向かって加締められてフランジ部４０ｆ（ひいては後端側絶縁体４０）を先端側に押圧する。

これにより、棚部５４ｐで先端側への移動が規制された先端側絶縁体３０まで押圧力が伝わり、先端側絶縁体３０及び後端側絶縁体４０の間に配置された無機粉末充填部２０が圧縮する。そして、無機粉末充填部２０は自身の周囲（中心電極１０の外周面、フランジ部３０ｆの後端向き面、フランジ部４０ｆの先端向き面、本体部５２の内面）との間に密着し、これらとの間を気密にシールする。
又、カシメ部５８とフランジ部４０ｆとの間に金属パッキン６０を介装することで、カシメ時にフランジ部４０ｆ（ひいては端側絶縁体４０）が破損することを抑制できる。

そして、後端側絶縁体４０は、フランジ部４０ｆをカシメ部５８の先端側に配置させるとともに、本体部４０ｍをカシメ部５８よりも後端側に突出させている。さらに、本体部４０ｍよりも後端側に外部電極構造体１０の後端側１０ｂを突出させている。

さらに、中心電極１０の後端側１０ｂには、芯線１５１と、絶縁被覆１５２とを有するリード線１５０が電気的に接続され、外部から中心電極１０に通電可能となっている。なお、本例では絶縁被覆１５２は、本体部４０ｍの後端から露出する中心電極１０を覆う絶縁キャップとなっている。中心電極１０を覆う絶縁被覆１５２の外周にＣリング等を嵌めて中心電極１０からのリード線１５０の抜けを防止してもよい。
又、中心電極１０と芯線１５１との接続方法は特に限定されず、例えば溶接、ろう付けの他、ネジ止め等を適用できる。又、溶接、ろう付け等で露出した接合部分を絶縁テープ等で絶縁してもよい。

次に、本発明の特徴部分について説明する。
中心電極１０の外表面のうち、無機粉末充填部２０と対向する部位の少なくとも一部には、軸線Ｏ方向に沿って見たときに径が変化する凹凸を複数個連続して有する粗面領域１２が形成されている。そして、粗面領域１２の凹部に前記無機粉末充填部２０が入り込んでいる。
このように、中心電極１０の外表面に粗面領域１２を設け、ハウジング５０側に配置された無機粉末充填部２０を粗面領域１２の凹部に食い込ませることで、中心電極１０をハウジング５０に対して係止することができ、ハウジング５０からの中心電極１０の抜け（特に軸線Ｏ方向の抜け）を抑制できる。

ここで、粗面領域１２は、凹凸を複数個連続して有する。これにより、例えば特許文献１の１個の径大な鍔部（凸部）に比べ、粗面領域１２を同じ表面積とするための凸部の突出高さを低くでき、ひいては無機粉末充填部２０への凸部の陥入量を少なくできる。
そのため、特許文献１の場合に比べ、無機粉末充填部２０への凸部の陥入量（食い込み高さ）が減るので、無機粉末充填部２０の厚みが減少して絶縁抵抗やシール性が低下することを抑制できる。その結果、先端側絶縁体３０及び後端側絶縁体４０よりも絶縁抵抗が低い無機粉末充填部２０の厚みを確保して中心電極１０とハウジング５０との間の絶縁性及び気密性を確保できる。
特に、中心電極１０に高電圧が印加される場合に、絶縁性に優れた本発明がさらに有効となる。

このような凸部高さの観点からは、粗面領域の凹部の底から凸部の頂までの高さが１．０ｍｍ以下であると、粗面領域１２の凸部を過度に突出させなくても無機粉末充填部２０と十分係合でき、中心電極１０の抜けを抑制しつつ、絶縁性及び気密性をさらに確保できるので好ましい。

なお、図３に示したように、粗面領域１２は軸線Ｏ方向に沿って見たときに径が変化する（軸線Ｏ方向に凸部と凹部が形成されている）必要がある。これは、例えば立目ローレット形状のように、凸部が中心電極１０の軸線Ｏ方向に同一径で、かつ周方向に凹凸する場合（この場合、軸線Ｏ方向に沿って多数の筋目が延びる）、中心電極１０の軸線Ｏ方向の抜けを抑制するための無機粉末充填部２０との間の摩擦力がほとんど働かないからである。
又、粗面領域１２の凹部に前記無機粉末充填部２０が入り込んでいることで、中心電極１０の軸線Ｏ方向の抜けを抑制する摩擦力が無機粉末充填部２０との間で十分に働く。

粗面領域１２の形状は特に限定されないが、例えば横目ローレット形状、斜めローレット形状、綾目ローレット形状、ネジ山形状等が挙げられる。特に、図４に示すような綾目ローレット形状とすると、無機粉末充填部２０が凹部に十分に入り込んで中心電極１０の軸線Ｏ方向の抜けを抑制する摩擦力が高くなる。
ローレット形状（ローレット目）とは、一定方向に延びる溝を複数本付与した凹凸形状である。綾目ローレットは２方向を交差するローレットであり、例えばＪＩＳ−Ｂ０９５１に規格された寸法の綾目ローレットを用いることができる。
ローレット形状は、転造や切削により形成することができる。

粗面領域１２は、中心電極１０の外表面のうち、無機粉末充填部２０と対向する部位の少なくとも一部に形成されていればよく、中心電極１０の外表面のうち無機粉末充填部２０と対向する部位を軸線Ｏ方向に超えて形成されていても勿論よい。

中心電極１０としては、各種合金、ステンレス鋼等を用いることができるが特に限定されない。
ハウジング５０としては、ステンレス鋼等を用いることができるが特に限定されない。
先端側絶縁体３０及び後端側絶縁体４０としては、アルミナ等のセラミックが挙げられる。アルミナは絶縁抵抗及び強度が高いので好ましい。

無機粉末充填部２０としては気密性に優れるタルクの他、ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分とする粉末が挙げられる。
特に、ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分（５０質量％を超える）とする粉末は、他の無機粉末に比べ、その熱膨張係数がハウジング５０および中心電極１０の熱膨張係数と近くなるので、高温時の気密性が向上する。つまり、外部電極構造体１００が高温になると、中心電極１０が熱膨張しようとするが、中心電極１０より熱膨張率が低い無機粉末充填部２０で押さえられて熱膨張し難い。一方、ハウジング５０は熱膨張して径方向外側に広がり、無機粉末充填部２０との間に隙間が生じる。そこで、ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分とする粉末を無機粉末充填部２０に用いれば、高温時にハウジング５０と無機粉末充填部２０との隙間が小さくなるので、気密性が向上することになる。

又、本例では、先端側絶縁体３０及び前記後端側絶縁体４０が、ハウジング５０の軸線Ｏ方向の外側（それぞれ先端側及び後端側）に突出している。
このようにすると、それぞれ導電性であるハウジング５０と中心電極１０との電気的導通距離を長くすることができ、絶縁性が向上する。
なお、先端側絶縁体３０及び前記後端側絶縁体４０の少なくとも一方が、ハウジング５０の軸線Ｏ方向の外側に突出していれば好ましいが、先端側絶縁体３０及び前記後端側絶縁体４０の両方がハウジング５０の軸線Ｏ方向の外側に突出しているとより好ましい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
中心電極１０の断面形状は限定されず、多角柱や楕円、不定形であってもよく、柱状に限らず筒状であってもよい。粗面領域１２の形状も限定されない。
本発明の外部電極構造体は、対象物に通電する用途であればよく、上述の触媒加熱ヒータの他、例えばプラズマを用いて、排ガス中の有害物質を分解するプラズマリアクタに適用することができる。

１０ 中心電極
１２ 粗面領域
２０ 無機粉末充填部
３０ 先端側絶縁体
４０ 後端側絶縁体
５０ ハウジング
１００ 外部電極構造体
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記中心電極を内側に保持する筒状の無機粉末充填部と、
   前記無機粉末充填部の先端側に配置され、前記中心電極を内側に有する筒状の先端側絶縁体と、
   前記無機粉末充填部の後端側に配置され、前記中心電極を内側に有する筒状の後端側絶縁体と、
   前記先端側絶縁体、前記無機粉末充填部、及び前記後端側絶縁体を内側に保持する筒状金属製のハウジングと、を備えた外部電極構造体であって、
   前記中心電極の外表面のうち、前記無機粉末充填部と対向する部位の少なくとも一部には、前記軸線方向に沿って見たときに前記中心電極の径が変化する凹凸を複数個連続して有する粗面領域が形成され、
   前記粗面領域の凹部に前記無機粉末充填部が入り込んでいることを特徴とする外部電極構造体。
2. 前記粗面領域の前記凹部の底から凸部の頂までの高さは１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の外部電極構造体。
3. 前記凹凸は、綾目ローレット形状をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の外部電極構造体。
4. 前記無機粉末充填部は、ＭｇＯ及びＣａＯの少なくとも一方を主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の外部電極構造体。
5. 前記先端側絶縁体及び前記後端側絶縁体の少なくとも一方は、前記ハウジングの前記軸線方向の外側に突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の外部電極構造体。

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