JP2646555B2

JP2646555B2 - セラミツクヒータ

Info

Publication number: JP2646555B2
Application number: JP62119996A
Authority: JP
Inventors: 博紀星崎; 鈴木　　博文; 一夫及部; 準丹羽; 照高影山; 伸章川原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1987-05-19
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JPS63152892A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、例えばディーゼル・パティキュレート・
フィルタの再生用ヒータとして使用され、特に電極取出
し部分を改良するようにした板状のセラミックヒータに
関する。

［従来の技術］セラミックヒータは、金属ヒータに比較して耐熱性お
よび耐食性に優れた性質を有するものであり、金属ヒー
タでは使用することのできない苛酷な条件下においても
使用することができるもので、その用途は種々開発され
ている。

このようなセラミックヒータは、例えばディーゼル機
関のパティキュレート補集用のフィルタの再生用ヒータ
として使用することが考えられている。このような目的
で使用されるヒータは、フィルタの比較的広い面を一様
に加熱する必要があるもので、このフィルタ面に対応す
るように板状に形成されている。

このように板状に形成されるセラミックヒータを使用
する場合、最も大きな問題となるのは、セラミックヒー
タ本体と加熱電力を供給するための電極となる金属部分
との接合部分の構成である。板状のセラミックヒータに
あっては、通常セラミックヒータ本体部の電極との接合
部分にメタライズ処理を施し、その後充分な電力を通す
ことができるような接触面積が得られるようにして、電
極となる金属材料を接合するようにしている。

第12図は従来の板状セラミックヒータ本体70に、金属
材料でなる電極71を接合する構成例を示しているもの
で、ヒータ本体70の電極接合部分に相当する面にメタラ
イズ層72を形成するようにしている。そして、このメタ
ライズ層72の面に金属電極71をロー材73を介して接合す
るようにしている。

この場合、電極71とヒータ本体70との接合面積を充分
なものとするために、電極71のヒータ本体70との接合面
部分を板状に形成するようにしている。そして、この電
極71に電力を供給するリード線74を接続するようにして
いるものである。

しかし、このように構成されるセラミックヒータにあ
っては、セラミックヒータ本体70と金属電極71とでは、
熱膨脹率が大きく相違している。したがって、金属電極
71とセラミックヒータ本体70とが大きな面積で接合され
た構成であると、そのロー付け後の残留引張応力が大き
くなるものであり、このロー付け直後あるいは通電の繰
返しによって熱応力が繰返し作用するようになると、図
で示すように亀裂75が発生する。

［発明が解決しようとする問題点］この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、板
状に構成されるセラミックヒータ本体に、金属材料でな
る電極が残留引張応力が充分に低減された状態で取付け
設定され、且つこの電極の接合部分で充分な電流容量が
確保されるようにし、例えば熱膨脹率の差に起因する亀
裂発生を抑制できるようにして、例えばディーゼル・パ
ティキュレート・フィルタ再生用として効果的に使用で
きるようにするセラミックヒータを提供しようとするも
のである。

［問題点を解決するための手段］この発明に係るセラミックヒータは、セラミックヒー
タ本体の電極取付け部分に開口、およびこの開口に近接
して軸孔が形成され、少なくとも開口の内周面にメタラ
イズ層が形成されるもので、この軸孔を用いて電極取付
け部分にセラミックヒータ本体に対する電極部材が取付
け固定される。この電極部材は、開口に挿入されて上記
メタライズ層の溶着される金属線を一体的に有し、また
軸孔に挿入設定される取付け軸を一体的に有する金属部
材を備え、この金属部材はセラミックヒータ本体の電極
取付け部面に圧接された状態で取付け軸を用いてセラミ
ックヒータ本体を両面から挟むように取付け固定され
る。

［作用］上記のようなセラミックヒータにあっては、電極部材
を構成する金属部材がセラミックヒータ本体の電極取付
け部面に圧接された状態でセラミックヒータ本体を両面
から挟むように取付けられ、さらに金属線がセラミック
ヒータ本体内に埋め込み設定されるような状態となるも
のであるため、この金属線の側面を通電のために有効に
利用できるようになり、電流容量を充分なものとするこ
とが容易である。すなわち、ヒータ本体に接合される金
属部材である金属線は、その線径が充分小さなもので構
成できるものであるため、ロー付けした場合でも残留応
力を充分小さなものとすることができ、ヒータ本体の亀
裂の発生を効果的に抑制できるものである。

［発明の実施例］以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明す
る。第１図はその構成を示しているもので、セラミック
ヒータ本体11は、板状にして細長い形状に形成されてい
る。このヒータ本体11の両端部分に電極取付け部12aお
よび12bがそれぞれ形成されるもので、この電極取付け
部12a、12bそれぞれに３本の金属線13a〜13c、13d〜13f
が取付け設定される。このそれぞれ３本の金属線13a〜1
3cおよび13d〜13fは、それぞれ一体により合せて一対の
導出電極14aおよび14bとするもので、この導出電極14a
と14bとの間に、加熱電力が供給されるようにしてい
る。

第２図は上記セラミックヒータの一方の電極取付け部
12aの部分を取出して示したもので、他方の電極取付け
部12bも同様に構成される。

すなわち、セラミックヒータ本体11の電極取付け部12
aには、ヒータ本体11を貫通する３個の開口15a〜15c
が、直列に並べられるような状態で形成されている。ま
たヒータ本体11の電極取付け部12aに相当する部分の表
面には、開口15a〜15cの内周面まで含む状態で、メタラ
イズ層16が形成されている。そして、このメタライズ層
16が形成された開口15a〜15cそれぞれに、金属線13a〜1
3cが挿入設定されるようになるもので、この金属線13a
〜13cそれぞれと開口15a〜15cそれぞれの内周面のメタ
ライズ層16との間は、ロー材17によって接合する。

ここで、上記開口15a〜15cはそれぞれこの開口に挿入
される金属線13a〜13cの外径よりやや大きい直径に形成
されているもので、メタライズ層16が形成された後に、
金属線13a〜13cが開口15a〜15c内に挿入された状態で、
開口15a〜15cそれぞれの内周面のメタライズ層16の面と
金属線13a〜13cそれぞれとの間に、ロー材17が介在され
る程度の間隙が形成されるようにしている。

上記金属線13a〜13cのそれぞれの線径は0.5mm以上、3
mm以下である必要がある。もし線径が0.5mmより小さい
とロー付け後のロー材の影響によって、金属線内部まで
変質してしまい、また3mmより大きいとロー付け後に残
留応力によって開口より放射方向に亀裂が発生するよう
になる。また、金属線13a〜13cの埋め込み接合深さは、
1mm以上、5mm以下に設定されるもので、接合深さが1mm
より小さいとロー付け後にはがれが生じ、5mmより大き
いと残留応力によって開口の軸方向に亀裂が生ずるよう
になる。さらに金属線を複数埋め込み接合するようにし
た場合、その中心軸間の距離は金属線径の２倍以上に設
定する必要がある。もし２倍以下であると、ヒータの通
電の繰返し等による熱衝撃で、開口の相互間で放射亀裂
が発生、強度が低下する。

このように構成されると、電極導出機構となる金属線
13a〜13fがセラミックヒータ本体11内に埋め込み設定さ
れるような状態となるものであり、金属線13a〜13fそれ
ぞれの側面がヒータ本体11と電気的に接続され通電のた
めに有効に利用できるようになって、その接合部分の面
積を大きくすることが容易となる。したがって、実質的
に電極として作用する金属部分を小さなもので構成して
も、加熱電力を通過させるには充分な電流容量が容易に
設定できるようになる。

第３図は電極導出部の構成の他の実施例を示している
もので、この実施例にあっては特に大きな耐振性の要求
される場合に大きな効果が発揮されるものである。この
セラミックヒータ本体11にあっては、電極取付け部12a
および12bが隣合うように近接して設定されているもの
で、この電極取付け部12aと12bとの間でヒータ本体11が
形成され、通電時には発熱部分となる構成となつている
もので、その電極取付け構造は、第４図に取出して示す
ようになっている。

ここで使用される電極部材21は、ヒータ本体11の面に
対接設定されるようになる鍔22と、この鍔22の中心部分
から突出され、ヒータ本体11を貫通するようになる取付
け軸23とによって構成される。そして、ヒータ本体11に
貫通形成した軸孔24に上記取付け軸23が貫通設定される
ようにし、取付け軸23の先端に形成したねじにスペーサ
25を介して固定ねじ26を嵌め込み、鍔22とスペーサ25と
の間でヒータ本体11が挟み込まれるようにしている。

また、ヒータ本体11の上記軸孔24の両側部には、開口
27a、27bが貫通形成されるようになっているものであ
り、この開口27a、27bのそれぞれ内周面には、前実施例
で示したと同様にメタライズ層28a、28bが形成され、こ
のメタライズ層28a、28bの形成された開口27a、27bには
それぞれ金属線29a、29bが挿入設定されるようにしてい
る。そして、この金属線29a、29bは、ロー材30a、30bに
よって開口27a、27b内に接合設定されるようにする。

ここで、この金属線29a、29bは電極部材21の鍔22部に
貫通するように設定され、適宜溶接31a、31bによって、
金属線29a、29bと鍔22とが一体に結合されるようになっ
ている。この場合、上記金属線29a、29bと鍔22との結合
は、ロー材によって行うようにしてもよい。

第５図は上記のような電極構造を組立て順序にしたが
って示したもので、まず（Ａ）図に示すようにヒータ本
体11の電極取付け部12aに、電極部材21の取付け軸23の
挿通用の貫通する軸孔24が形成される。そして、この軸
孔24に近接するようにして複数個、この場合は軸孔24の
両側に直線上に並ぶようにして２個の開口27aおよび27b
が形成されるようにする。この開口27aおよび27bのそれ
ぞれ内周面には、この図では省略しているがメタライズ
層28aおよび28bが形成されるもので、この開口27aおよ
び27bそれぞれに、（Ｂ）図で示されるように金属線29a
および29bを差し込み設定し、ロー材によって接合固定
する。すなわち、金属線29aおよび29bがヒータ本体11の
電極取付け部12aに埋め込み設定されるようになる。

金属電極部材21は、（Ｃ）図でも示されるように比較
的面積を広くして構成される鍔22を有し、この鍔22の中
央部分に取付け軸23が突設形成されるようになっている
もので、この取付け軸23が上記軸孔24に挿入されるよう
に設定される。また上記鍔22の取付け軸23の両側に位置
して、上記金属線29aおよび29bがそれぞれ挿通されるよ
うに開口32aおよび32bが貫通形成されている。そして、
（Ｄ）図で示すように取付け軸23が軸孔24に挿入され、
さらに金属線29aおよび29bが開口32aおよび32bに挿入さ
れるようにして組立て設定する。

このように組立てられた状態で、取付け軸23の先端部
に形成したねじに、スペーサ25を介して固定ねじ26を嵌
め込み、この固定ねじ26を締め付けることによって、電
極部材21がヒータ本体11の電極取付け部12aに取付け固
定されるようにする。

このように電極部材21が固定された後は、電極部材21
の鍔22から突出する金属線29a、29bの先端部を適宜切断
し、金属線29a、29bと電極部材21を溶接若しくはロー付
けによって結合する。

ここで、上記セラミックヒータ本体11は、例えば次の
ようにして製造される。すなわち、平均粒径0.8μｍの
窒化硅素、平均粒径0.5μｍの窒化チタンを所要量秤量
し、窒化硅素41モル％、窒化チタン55.4モル％の組成の
混合粉末を調整する。この場合、この混合粉末にはMgAl
₂O₄2.2モル％、Y₂O₃1.4モル％の焼結助剤が含まれてい
る。

このような混合粉末は、溶媒として有機溶剤およびバ
インダと共に混合し、スラリーを形成してシート状に形
成するようにした。このシートを収縮率を考慮して所定
の形状に打ち抜き、必要な厚さにラミネートした後に、
360℃で脱脂する。そして、その後さらに1750℃で４時
間窒素雰囲気のもとで焼成するもので、この焼結体の表
面は適宜研磨されるようにする。

このように構成されるヒータ本体11の開口27a、27b部
を含む部分に形成されるメタライズ層28a、28bは、例え
ば次のようにして形成する。すなわち、Pt25モル％、Ni
（83）−Cr（17）62モル％、P17モル％をそれぞれ秤量
し、3wt％のエチルセルロースを溶解したテレピン油を
混合してペースト状にする。そして、このペーストを上
記開口27a、27b部の周辺に塗布し、乾燥した後に10^-4〜
10^-3Torrの減圧下のもとに1200℃で10分間保持して熱処
理するものであり、この処理によって例えば厚さ約50μ
ｍのメタライズ層が形成されるようにしている。

このようにしてメタライズ層28a、28bが形成された開
口27a、27bに、所定の径のNiによる金属線29a、29bを差
し込み設定し、通常のNiローを用いて10^-4〜10^-3の減圧
下のもとに1000℃で10分間熱処理して、金属線29a、29b
をメタライズ層28a、28bの形成された開口27a、27b内に
接合させるようにする。

尚、上記金属線29a、29bのそれぞれ埋め込み設定され
る開口27a、27bには、それぞれロー材が流れるためのク
リアンスが設定されているものであり、したがってこの
開口27a、27bの直径φは、金属線29a、29bの直径ａより
0.2mm大きい「φ＝ａ＋0.2mm」に設定されている。

また金属線を複数埋め込み設定する場合、この金属線
の中心軸間距離は金属線径の２倍以上に設定されている
ものであり、例えば２つの開口27aと27bそれぞれの中心
軸部間の距離は10mmに設定されている。さらに上記金属
線29a、29bの線径は0.5mm以上、3mm以下とされるもの
で、この実施例の場合は線径φ＝1.6mmのNi線を使用し
た。この金属線の接合深さは、1mm以上、5mm以下に設定
され、実施例の場合にはセラミックヒータ本体11の電極
取付け部12a、12b部の厚さを3mmとし、金属線29a、29b
それぞれの接合深さが3mmに設定されるようにした。こ
の場合、セラミックヒータ本体11の発熱部分の厚さは2m
mであり、この実施例のヒータ本体11は図からも明らか
なようにほぼ三角形状をしており、この三角の一辺の長
さは約70mmである。

電極部材21および固定ねじ26等は例えばコバールによ
って構成されるものでスペーサ25はSUH310を使用した。
また電極部材21の取付け軸23の直径ｄは「ｄ＝3.50mm」
であり、この軸23の先端部にはM3.5のねじが切られてい
る。セラミックヒータ本体11に形成されている軸孔24の
直径ｅは、「ｅ＝3.55mm」であり、軸23と軸孔24との間
に0.025mmのクリアランスｃが設定されるようにしてい
る。そして、電極部材21とヒータ本体11とが接触するよ
うになる鍔22の面積は、「6mm×13mm」に設定され、こ
の鍔22の厚さは3mmとされるようにしているもので、こ
の鍔22に形成される開口32a、32bの内径は2mmとされて
いる。取付け軸23を固定する固定ねじ26は外径約6mmで
厚さ1.6mmに構成され、スペーサ25は外径約6.5mm、厚さ
1.8mmに設定されている。

すなわち、このように構成されるセラミックヒータに
あっては、電極部材21が広い面積でセラミックヒータ本
体11と接合されるようになっていると共に、埋め込み設
定される金属線29a、29bによって電極部材21がヒータ本
体11に対して強固に且つ電流容量が充分な状態で接続さ
れるようになっている。また、この電極部材21のヒータ
本体11に対する接続状態は、比較的大きな面積の鍔22部
はヒータ本体11に溶着されることがなく、接触の状態に
設定されているものであり、したがってこの接合部分に
おいては残留応力が存在しない。そして、この電極部材
21は金属線29a、29bによってのみ、ロー付け等によって
ヒータ本体11に接続され、その他の機械的な接合力は、
電極部材21の取付け固定ねじ26によって設定されるよう
になる。

このようなセラミックヒータを例えばディーゼルエン
ジンのパティキュレート・フィルタ再生用に使用する場
合、このヒータに大きな振動が作用するようになり、電
極取付け部12a、12bにおいても、その面に対して垂直方
向および水平方向の大きな機械的振動が作用するように
なる。そして、電極部材21が無い場合にあっては面に垂
直の方向の振動が加わったときに、金属線29a、29bに引
張りの応力が集中して作用し、水平方向の振動が加わっ
た場合には金属線29a、29bにせん断応力が集中するよう
になる。

以上のように、金属線29a、29bのみではその線径が限
られたものであるため、充分に耐振性を高めることはで
きない。しかし、この電極部材21にあっては鍔22および
取付け軸23が設定され、これら鍔22および軸23がヒータ
本体11との結合に作用するようになっている。すなわ
ち、電極面に垂直な振動に対しては、セラミックヒータ
本体11が電極部材21の鍔22とスペーサ25および固定ねじ
26によって両面から挟まれるようになっているものであ
るため、金属線29a、29bに引張応力が集中することが避
けられ、鍔22の広い面積で振動を吸収することができ
る。さらに取付け軸23はヒータ本体11に直接接合される
ものではないものであるため、太さを充分にすることが
でき、強い振動力が作用した場合でも、これに充分耐え
られるようにヒータ本体11を支えるようにすることがで
きる。

また電極面に水平方向の振動に対しては、電極部材21
の取付け軸23とヒータ本体11の軸孔24との間のクリアラ
ンスｃを小さくとってあるため、この振動が作用した場
合に取付け軸23で振動を吸収できるようになり、金属線
29a、29bにせん断力が集中されることがない。そして、
取付け軸23を太く構成することによって、充分に強い振
動に対してまでもヒータ本体11を支えることができるよ
うになる。

次に、これまでの実施例で示したように、セラミック
ヒータ本体11に金属線を電極構造の一部として埋め込み
設定したような場合の接合強度関係について検討した結
果を説明する。

まず、この接合試験の具体的な手段について説明する
と、第６図に示すように厚さｈのヒータとして使用され
るセラミック基板41を用意し、このセラミック基板41に
例えば５個の開口を形成する。そして、この基板41に上
記開口を含みメタライズ層を形成し、この開口それぞれ
に外径寸法ａの金属線42a〜42eを差し込み設定し、ロー
付けにより埋め込み固定されるようにする。この場合、
金属線42a〜42eの相互間中心軸点間の距離は、ｂに設定
しているものであり、また試験片となるセラミック基板
41は「50mm×20mm」のものを用いる。

尚、上記金属線42a〜42eをそれぞれ埋め込み設定する
開口は、ロー材が流されるためのクリアランスを設定す
るため、金属線の直径より0.2mm大きい「φ＝ａ＋0.2m
m」の貫通孔として形成されている。ここで上記試験片
となるセラミック基板41、さらにメタライズ層は、前記
セラミックヒータ本体11およびそこに形成されたメタラ
イズ層と同様に構成されるものである。

このように構成されたサンプルは、その初期接合性お
よび耐久性をみるために、金属線接合後の初期状態、さ
らに耐熱衝撃、耐酸化試験の後のカット調査および破壊
強度測定を行った。

初期調査は、接合金属線の軸方向に垂直若しくは水平
にカットし、亀裂の有無等の顕微鏡観察をすることによ
って行った。また、ロー付け後の初期接合強度をみるた
めに、例えば第７図で示されるように30mmのスパンで支
点45a、45bを設定し、その中央部に力Ｐを作用させるこ
とによって引張り試験を行ない、その破壊強度をみた。

また耐熱衝撃・耐酸化試験は、800℃の炉内と室温の
炉外とを120秒間隔で往復させ、100時間（3000サイク
ル）後の劣化状況を、上記初期調査と同様の方法で調査
し、その比較を行った。

第１表および第２表は、No.1〜No.14のサンプルにつ
いて試験を行った結果である。

上記表のサンプルのNo.1〜６までは、金属線の中心距
離と接合深さを固定し、金属線の線径を変化させた場合
の結果を示している。サンプルNo.1の線径0.3mmのもの
では、ロー付け後の影響によって、線内部までの変質が
観察された。他のものは、金属線の表層の一部のみの変
質が観察された。一方サンプルNo.6の線径4mmのもので
は、ロー付け後セラミック基板の開口より放射状の亀裂
が発生した。その他のものは良好であった。

初期破壊試験においては、No.1〜３までは接合部の上
部近くでNi金属線が切断した。この金属線のみの引張強
度は50Kg/mm²であることから、No.1では3.5Kg f、No.2
では9.8Kg f、No.3では88Kg fの強度が期待できるもの
であるが、測定値はいずれもこの値より低い。これはロ
ー付け時の金属線の変質による強度低下であると考えら
れる。ここで、No.2およびNo.3の強度劣化度合いが70〜
80％程度にあるのに対して、No.1のものは３％程度まで
下がり、線径が小さくなると急激に強度が低下すること
が確認された。

一方No.4〜６ではセラミックより破壊が起きた。これ
は線径が大きいため金属強度がセラミック強度に打勝っ
たためである。第７図で示した試験は、セラミックに対
して３点曲げ試験と類似した効果を与えると考えられ
る。サンプルとして用いたTiN−Si₃N₄の３点曲げ強度
は、約40Kg/mm²であり、これによって期待される破壊荷
重は160Kg fである。No.4〜６のいずれもこの値より小
さいものであるが、これは熱膨脹差による残留応力によ
って微少亀裂が発生するためであると思われる。また線
径が大きくなるほど劣化の度合いが大きく、No.4、No.5
が40〜60％であるのに対して、No.6では10％以下とな
る。

上記サンプルの耐熱衝撃・耐酸化試験後の結果は、N
o.1では酸化による線の切断が起き、No.6では亀裂の進
展がみられるもので、強度はほとんどない。一方サンプ
ルNo.2〜５では、カット調査の結果は良好であり、強度
はやや低下するものの充分に使用に耐え得るものである
ことが判明した。このような結果より、埋め込み設定さ
れる金属線の径は、0.5〜3mmの範囲が適当であることが
判明した。

No.7〜10のサンプルにあっては、線径1.5mmおよび2.5
mmの場合に中心間距離ｂを変えた場合の試験の結果を示
している。いずれも初期においては良好な結果を示して
いるものであるが、耐久後の結果にあっては、No.7およ
びNo.9の中心間距離を金属線径の２倍をとったものは良
好であるのに対して、それ以下の中心点間距離に設定し
た例では、開口部相互間で放射状亀裂が発生し、強度は
低下するようになった。したがって、この結果より金属
線中心点間の距離ｂは、この金属線の直径の２倍以上で
あることが望まれるものであることが判明した。

サンプルNo.11〜14は、金属線径ａおよび中心点間距
離ｂを固定し、接合深さを変えた場合の試験結果を示し
ている。サンプルNo.11の接合深さ0.5mmでは、開口より
亀裂が発生し、また接合部にはがれが生じた。またNo.1
4の接合深さ6mmのものでは、開口の軸方向に亀裂が生じ
た。

これに対してNo.12および13の深さ1mmおよび5mmのも
のは、良好な結果を得られた。

また耐久試験はNo.11および14のものが大きく強度低
下するのに対して、No.12および13では充分使用に耐え
得る強度が示された。このような結果から、金属線の接
合深さは１〜5mmが適当であることが判明した。

尚、実施例ではセラミック基板に貫通孔を形成し、こ
の貫通孔に金属線を埋め込むような構造で示しているも
のであるが、この金属線を埋め込む開口は特に貫通孔で
ある必要はない。但し、この貫通孔でない場合であって
も、上記接合深さの条件は同じである。

このように金属線をヒータ本体11に埋め込み接合させ
ることによって、充分な加熱電流を流すことができるよ
うになると共に、耐熱衝撃性も向上されるものである
が、さらに耐振性を高めるために第３図および第４図で
示されるような電極構造とした場合について考察してみ
ると、以下のようになる。

電極部材21の取付け軸23の径をｄ、この軸23と軸孔24
とのクリアランスをｃ、および金属線挿入用の開口27
a、27bと軸孔24との間隔をｓとした場合、耐振性を向上
させるためにはこのｄ、ｃおよびｓの設定条件が重要で
ある。第３表はこれら各部の検討結果を示すもので、こ
の評価は第８図で示すような治具を作製し、この治具に
振動を印加した状態でヒータに通電を行ない、その耐久
性をみることによって行った。

ここで、この治具は上側金属ケース51にセラミックヒ
ータ本体11の上面を接触させ、下側金属ケース52によっ
て、クッション53を介して上記ヒータ本体11を支えるよ
うにしている。この場合、上記金属ケース51のヒータ本
体11との接触面にはスピネルを溶射し、ヒータ本体11と
金属ケース51との絶縁を保つようにしている。そして、
負側電極部材21aを上記上側金属ケース51に溶接して、
このセラミックヒータが保持されるようにしているもの
であり、この上側金属ケース51に負側リード線54を接続
し、正側電極部材21bに正側リード線55を接続するよう
にしている。

ここで、上記第３表に示したような評価を行ったとき
に使用したセラミックヒータの抵抗値は、いずれも室温
状態で約0.15Ωであり、試験は600Wで連続通電すること
によって行った。このときのヒータ発熱部の温度は約13
00℃であった。

振動加速度は表で示されるように40G、50G、60Gと10
時間経過する毎に順次上昇させたもので、また振動周波
数は90〜200Hzの間を２分サイクルでスイープさせるよ
うにした。また、この場合加えられる振動の方向は、第
８図の（Ｂ）で示されるように電極面に対して水平方向
であり、垂直方向の結果はいずれもこの表で示す結果よ
り良好な性能を示した。

この第３表において、サンプルNo.0の結果は電極部材
に取付け軸を持たない場合を例示しているもので、この
例では電極部材の鍔22が金属線29aおよび29bのみによっ
てヒータ本体に接続されている。したがって、この場合
は鍔22を含む電極部材21の重量が全て２本の金属線29
a、29bに掛かるようになっているもので、40Gの振動で
0.1時間で金属線が切断し、通電不能となった。

No.1〜５は電極部材取付け軸23の径ｄを変化させた試
験であり、軸23の径が3mmのものでは60Gの振動を0.3時
間加えることによって、この軸および金属線が切断し通
電不能となった。したがって、取付け軸23の径が3mmで
は60Gの振動に耐えることができないことが判明した。
一方取付け軸23の径が3.5〜6mmでは60Gの振動を与えた
状態で10時間後でも異常はなく、したがって取付け軸23
の径は3.5mm以上であることが必要であると判明した。

No.6〜15は、電極部材21の取付け軸23とヒータ本体11
の軸孔24とのクリアランスｃを変えて試験を行った結果
を示している。クリアランスｃの無いNo.6では、40Gで
８時間振動を加えた試験中で、ヒータ本体11の軸孔24か
ら亀裂が発生し通電不能となった。No.12のヒータ本体1
1にあっても同様に40Gで0.5時間後に破壊した。これら
は、セラミックヒータ本体11の熱膨脹率が金属より小さ
く、またクリアランスｃが無いため金属でなる取付け軸
の熱膨脹で軸孔24の周囲に応力が発生し、破壊に至った
ものと考えられる。

これに対してクリアランスｃを0.3mmと大きくとったN
o.11では、50Gで２時間の振動を与えることによって金
属線が切断され、破壊した。取付け軸23の径が6mmでク
リアランスを0.3mmとしたNo.15のサンプルでも同様に50
Gの振動で６時間で金属線が切断した。

これらは、クリアランスｃが0.3mmと大きいものであ
るため、取付け軸23部に振動の吸収効果が発揮されなか
ったものと考えられる。

クリアランスｃを0.01〜0.2mmとしたNo.7〜10、No.1
3、14のサンプルにあっては、60gで10時間振動を与えて
もその試験後に異常は発生せず、これらの実験結果から
クリアランスｃを0.01〜0.2mmに設定することが必要と
判断される。

No.16のサンプルは、取付け軸23の径を3mm、クリアラ
ンスを0.2mmとした場合であるが、50G4時間で取付け軸2
3および金属線29a、29b共に破壊した。

No.17〜22は、電極部材21の取付け軸23の入るヒータ
本体11の軸孔24と、金属線29a、29bの挿入されるヒータ
本体11の開口27a、27b間隔のｓを変えて試験した結果を
示すものである。No.17の金属線径が1.6mm、間隔s0.5mm
のものでは、60Gで３時間振動を与えた結果、ヒータ本
体11の軸孔24さらに開口27a、27bの相互間に亀裂が入っ
て破壊された。セラミックヒータ本体11の金属線を埋め
込む開口27a、27bの周囲は、熱膨脹率の差に基づくロー
付け時の残留応力が存在するために弱くなっている。し
たがって、上記間隔ｓが小さいと、振動の影響を受け易
い状態にあるものと思われる。

No.18および19のサンプルでは、間隔ｓを0.8mmおよび
1mmとしたものであるが、この例では60Gで10時間でも異
常はなかった。No.20では金属線の径を2mmにしたのに対
して間隔ｓを0.8mに設定したもので、この例では60G、
５時間で破壊した。これに対してNo.21および22の間隔
ｓをそれぞれ1.0mmおよび1.2mmに設定したものでは、異
常が発生しなかった。

これらの試験結果から明らかとなることであるが、セ
ラミックヒータ本体11に形成される開口27a、27b、さら
に軸孔24の相互間の間隔ｓは、金属線29a、29bの線径の
半径以上に設定する必要があることが判明した。

尚、これまでの実施例の説明ではヒータ本体11に埋め
込み設定される金属線を円柱状のものとして説明してき
たが、これは特に円柱状のものに限らない。例えば第９
図に示すように角棒状の金属線61a〜61eによって構成す
るようにしてもよいものである。この場合この金属線61
a〜61eのそれぞれの径ａおよび中心点間距離ｂは図で示
すような寸法をとるものである。

またこのような角棒状の金属線を用いる電極構造にお
いても、第10図に示すように金属板よりフォーク状にし
た複数の脚62a〜62cを突出させるようにした構成の電極
エレメント63を使用するようにしてもよい。すなわち、
このエレメント63の脚62a〜62cがセラミックヒータ本体
11に形成した開口64a〜64cにそれぞれ挿入されるように
し、ロー付けによって固定されるようにするものであ
る。

第11図は第４図で示したような電極構造部を変形した
さらに他の実施例を示したもので、まず（Ａ）図は電極
部材を構成する鍔22と取付け軸23とを別体にしたもので
ある。すなわち、ヒータ本体11に形成した開口27a、27b
にメタライズ層28a、28bを形成し、この開口内に金属線
29a、29bをロー付けによって埋め込み設定し、この金属
線によって第４図の実施例と同様に鍔22をヒータ本体11
に取付け設定する。そして、この鍔22とヒータ本体11と
に共通軸状態となるように貫通孔を形成し、この貫通孔
に取付け軸23を挿通して固定ねじ26で締め付け固定する
ようにしたものである。この場合取付けねじ23の周囲に
は適宜クリアランスが設定される。

第11図の（Ｂ）で示された電極構造にあっては、鍔22
に相当する部材として円柱状の電極基体37を設定し、こ
の電極基体37に金属線29aおよび29bのそれぞれ上端を延
長折曲して結合させるようにしたものである。この場
合、金属線29a、29bのヒータ本体11に対する埋め込み構
造はこれまでの実施例と同様であり、上記電極基体37は
取付け軸23によってヒータ本体に取付け設定されるよう
にする。

第11図の（Ｃ）に示す例では、セラミックヒータ本体
11に形成した開口27a、27bにそれぞれ設定される金属線
29a、29bを、ヒータ本体11の両面部にそれぞれ突出する
ように設定する。この場合金属線29a、29bはこれまでの
実施例と同様にメタライズ層28a、28bを形成した開口27
a、27b内にロー付けによって埋め込み設定されている。
そして、この金属線29aおよび29bに溶接固定されるよう
にして、ヒータ本体11の両面に鍔22aおよび22bを対接設
定するもので、この鍔22aおよび22bは、ヒータ本体11に
形成される軸孔24を介して挿通される取付け軸23および
固定ねじ26によって、締め付け固定設定されるようにし
ているものである。

［発明の効果］以上のようにこの発明に係るセラミックヒータにあっ
ては、特に大きな耐熱衝撃と耐酸化性の要求されるよう
な場合に大きな効果を発揮するものであり、その電極部
の構成を信頼性の高いものとすることができる。すなわ
ち、、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ用のヒ
ータとして効果的に使用できるようになるもので、ヒー
タ本体に電極部材が面で接触されると共に、この電極部
材と一体の金属線がヒータ本体に埋め込み設定されるも
のであるため、構造の簡易化と共に残留応力が存在せ
ず、耐震性が確実に向上される。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明の一実施例に係るセラミックヒ
ータの平面図、第１図の（Ｂ）は同じく側面図、第２図
は第１図（Ａ）のII−II線に沿った拡大断面図、第３図
はこの発明の他の実施例を示すヒータの平面図、第４図
は第３図の電極部分に相当するIV−IV線に沿った拡大断
面図、第５図の（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ上記電極構造
部分を組立て順序にしたがって示す図、第６図の（Ａ）
および（Ｂ）はそれぞれ第２図で示したような電極構造
の強度試験を行うサンプルの状態を平面および側面から
見た図、第７図は上記サンプルによって引張試験を行う
状態を示す図、第８図は第３図で示したヒータの振動試
験を行う治具の状態を説明する図で（Ａ）は平面から見
た図、（Ｂ）はその断面構造を示す図、第９図はヒータ
本体に埋め込み設定される金属線の他の例を示す図、第
10図は上記金属線を用いた電極構造の例を示す図、第11
図の（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ電極構造のさらに他の実
施例を説明する図、第12図（Ａ）および（Ｂ）は従来の
セラミックヒータの電極部分を平面および側面から見た
図、同じく（Ｃ）は上記電極取付け部の拡大断面図であ
る。 11……セラミックヒータ本体、12a、12b……電極取付け
部、13a〜13f、29a、29b……金属線、15a〜15c、27a、2
7b……開口、16、28a、28b……メタライズ層、21……電
極部材、22……鍔、23……電極取付け軸、24……軸孔、
ａ……金属線径、φ……開口径、ｃ……クリアランス、
ｄ……取付け軸径、ｅ……軸孔径、ｓ……開口と軸孔間
距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丹羽準刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者影山照高刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者川原伸章刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (56)参考文献実開昭56−18687（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックヒータ本体の電極取付け部分に
形成した開口、およびこの開口に近接して形成した軸孔
と、少なくとも上記開口の内周面に形成されたメタライズ層
と、このメタライズ層の形成された上記開口を用いて上記電
極取付け部分に取付け固定された上記セラミックヒータ
本体に対する電極部材とを具備し、この電極部材は、上記開口に挿入されて上記メタライズ
層に溶着される取付け軸を一体的に有すると共に、上記
軸孔に挿入設定される金属線を一体的に有する金属部材
を有し、この金属部材は上記セラミックヒータ本体の電
極取付け部面に圧接された状態で上記取付け軸を用いて
上記セラミックヒータ本体を両面から挟むように取付け
固定されるようにしたことを特徴とするセラミックヒー
タ。
【請求項２】上記金属線の線径は、少なくとも直径0.5m
m以上で3mm以下とした特許請求の範囲第１項記載のセラ
ミックヒータ。
【請求項３】上記金属線の上記軸孔内への埋め込み深さ
は、１〜5mmとするようにした特許請求の範囲第１項記
載のセラミックヒータ。
【請求項４】上記軸孔は複数個近接して形成されるよう
にし、この軸孔それぞれに金属線が挿入設定されるよう
にした特許請求の範囲第１項記載のセラミックヒータ。
【請求項５】上記軸孔は複数個近接して形成されるよう
にすると共に、この軸孔それぞれに金属線が挿入設定さ
れるようにし、上記軸孔それぞれに挿入設定される金属
線相互間の間隔は、少なくとも上記金属線の直径の２倍
以上に設定されるようにした特許請求の範囲第１項記載
のセラミックヒータ。
【請求項６】上記取付け軸の挿入される開口の直径は、
3.5mm以上に設定されるようにした特許請求の範囲第１
項記載のセラミックヒータ。
【請求項７】上記開口の内周面と、この開口に挿入され
る上記電極部材の取付け軸との間のクリアランスが、0.
01〜0.2mmに設定されるようにした特許請求の範囲第１
項記載のセラミックヒータ。
【請求項８】上記セラミックヒータ本体に形成される上
記開口と上記軸孔との最短距離が、上記開口に挿入され
る取付け軸の半径以上に設定させるようにした特許請求
の範囲第１項記載のセラミックヒータ。