JP4425017B2 - ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのシリンダ内を予熱するためのセラミックグロープラグや水の予熱のための加熱プラグに使用されるヒータに関する。

従来のヒータは、通電により発熱する発熱部を軸線方向に延びるセラミック本体の先端部に有し、該発熱部からセラミックヒータ本体の後端側外周面に露出するように延設された通電用の一対のリード端子を有する棒状のセラミックヒータを有している。また、セラミックヒータへの通電は、セラミックヒータよりも軸線方向後端側に配置された中軸と、該中軸とセラミックヒータのリード端子の一方と接続する金属リードとを介して行われる。（特許文献１参照）
特開２００２−３６４８４１号公報（第１図）

この特許文献１の従来のヒータにおいて、セラミックヒータと金属リードとの接合は、セラミックヒータの後端側外周面にリング部材全体を締まり嵌めにて固着させ、該リング部材の外周面に金属リードの一端をろう付け、溶接等を用いて行われている。しかし、このように、締まり嵌めにてセラミックヒータに固着されたリング部材はその周方向に応力がかかった状態となっている。そして、このリング部材に金属リードを接合した場合、リング部材と金属リードとの熱膨張係数の差による応力がさらに周方向の応力に重畳されることとなる。これにより、セラミックヒータの使用の繰り返しによって、金属リードとの接合部でリング部材に亀裂が発生する虞がある。さらに、両方の応力（周方向の応力と熱膨張係数の差による応力）により、亀裂が拡大することで金属リードがリング部材から脱落する、又は、リング部材がセラミックヒータから脱落する等の虞がある。その結果、電気的導通が取れなくなる虞があった。

本発明は、こうした問題を鑑みてなされたものであって、使用の繰り返しによって、応力がかかった状態になったときでも、リング部材と金属リードとの電気的導通をとることができるヒータを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明（請求項１に記載の発明）は、通電により発熱する発熱部を軸線方向に延びるセラミックヒータ本体の先端部に有し、前記セラミックヒータ本体の後端側外周面に露出する露出部を互いに前記軸線方向に異なる位置に有するとともに前記発熱部から前記セラミックヒータ本体の内部に延在する通電用の一対のリード端子と、を有する棒状のセラミックヒータと、前記セラミックヒータの先端部及び後端部を突出させた状態で当該セラミックヒータを保持する筒状の外筒と、前記セラミックヒータよりも前記軸線方向の後端側に配置され、前記リード端子の一方と電気的に接続する中軸と、を有するヒータにおいて、
前記一対のリード端子の露出部のうちの後端側に位置する一方と接続するように、自身の先端部が前記セラミックヒータの後端側外周面に締まり嵌めにて固着され、且つ締まり嵌め状態にない後端部を有するリング部材を有し、
前記中軸と電気的に接続する金属リードが、前記リング部材の後端部に接続されることを特徴とする。

本発明のヒータでは、リング全体ではなく、リング部材の先端部をセラミックヒータの後端側外周面に締まり嵌めにて固着し、該リング部材の後端部と金属リードとを接続している。つまり、後端部にて金属リードと接続していることより、締まり嵌めにより周方向に応力が発生する先端部に金属リードとリング部材との熱膨張差による応力を重畳させることがなく、リング部材に亀裂が起こることを防止できる。よって、電気的導通の信頼性が高いヒータを得ることができる。なお、締まり嵌めとは、圧入や、焼き嵌め、冷やし嵌め等が考えられる。

また、リング部材の先端部はセラミックヒータの軸方向で見た時に、リング部材の１５％以上締まり嵌めされていると良い。１５％未満であると、セラミックヒータとの締まり嵌めしろが低減し、リング部材に亀裂が発生することがある。一方、リング部材の締まり嵌めは９０％以下が好ましい。９０％を越えると、リング部材の後端部が低減し、中軸との接合箇所が低減し、応力低減効果が有効に得ることができないことがある。

また、上記ヒータは、請求項２に記載のように、リング部材の後端部の内周面にて、金属リードは溶接により接続されることがよい。

このように、リング部材と金属リードとを溶接することで、より強固に接合することができる。これにより、金属リードがリング部材から脱落することを防止することができ、電気的導通の信頼性がより高いヒータを得ることができる。なお、リング部材と金属リードとの溶接は、抵抗溶接でも良いし、超音波溶接でも良いし、レーザー溶接でも良い。

上記ヒータは、請求項２に記載のように、前記リング部材の後端部の内周面にて、前記金属リードは溶接により接続されることがよい。

このように、リング部材と金属リードとをリング部材の後端部の内周面にて溶接していることで、金属リードをリング部材の外周面に溶接するスペースをなくすことで、ヒータ自身の径方向を小径化することができる。

かかる目的を達成するためになされた別の本発明（請求項３に記載の発明）は、通電により発熱する発熱部を軸線方向に延びるセラミックヒータ本体の先端部に有し、前記セラミックヒータ本体の後端側外周面に露出する露出部を互いに前記軸線方向に異なる位置に有するとともに前記発熱部から前記セラミックヒータ本体の内部に延在する通電用の一対のリード端子と、を有する棒状のセラミックヒータと、前記セラミックヒータの先端部及び後端部を突出させた状態で当該セラミックヒータを保持する筒状の外筒と、前記セラミックヒータよりも前記軸線方向の後端側に配置され、前記リード端子の一方と電気的に接続する中軸と、を有するヒータにおいて、
前記一対のリード端子の露出部のうちの後端側に位置する一方と接続するように、自身の先端部が前記セラミックヒータの後端側外周面に圧入による締まり嵌めにて固着され、自身の後端部が前記中軸の先端部と重なる一方、前記締まり嵌め状態にない前記自身の後端部が前記中軸の先端部と接合された同一の外径を有するリング部材と、を有することを特徴とする。

本発明のヒータでは、リング部材の先端部をセラミックヒータの後端側外周面に締まり嵌めにて固着し、該リング部材の後端部が中軸に接合している。つまり、リング部材の後端側で中軸に直接接合することにより、リング部材と金属リードとの熱膨張差による応力が発生しない。その結果、締まり嵌めにより周方向に応力が発生する先端部に熱膨張差による応力を重畳させることがなくなり、リング部材に亀裂が発生せず、電気的導通の信頼性が高いヒータを得ることができる。そして、当該締まり嵌めによる固着を圧入によるものとすることで、リング部材が熱の影響を受け無いため、リング部材が熱により軟化する（なまされる）ことなくセラミックヒータに固着できる。

また、上記ヒータは、リング部材の先端部が、セラミックヒータの後端部に圧入されることにより固着され、さらに、請求項４に記載のように、リング部材の後端部と中軸とが溶接により結合されることがよい。また、リング部材をセラミックヒータに圧入するとき、リング部材は軟化することが無いため、リング部材の後端部に加締め等の変形を加えて中軸との接合を行うことが難しい。そこで、リング部材と中軸とを溶接することで、容易に、かつ、強固に接合することができ、中軸からリング部材が脱落することを防止することができることから、セラミックヒータにリング部材を圧入することに加えてリング部材の後端部と中軸とが溶接により結合されることとするとよい。また、圧入によれば、ヒータに振動等が生じたときにリング部材が変形し、主体金具と接触して断線等を起こすことがない。

さらに、上記ヒータは、請求項５に記載のように、リング部材の後端部と中軸とが少なくとも径方向全周にレーザー溶接されることにより結合されることが良い。このように棒状の中軸と、筒状のリング部材とを結合する場合、レーザーにて溶接することで容易に接合できる。さらに、全周にレーザー溶接するので、強固に接合することができ、中軸からリング部材が脱落することがさらに防止できる。

また、請求項６に記載のように、リング部材の先端部はセラミックヒータの軸方向で見た時に、リング部材の１５％以上締まり嵌めされているとよい。１５％未満であると、セラミックヒータとの締まり嵌めしろが低減し、リング部材に切れるが発生することがある。さらに、リング部材の締まり嵌めは９０％以下が好ましい。９０％を越えると、リング部材の後端部が低減し、中軸との接合箇所が低減し、応力低減効果が有効に得ることができないことがある。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のヒータの一例であるグロープラグ１の内部構造を示すものである。また、図２は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ１はセラミックヒータ２とこれを保持する外筒３、該外筒３を保持する主体金具４とセラミックヒータ２の後端側に配置された中軸５とを有する。

セラミックヒータ２は棒状の形態であるセラミックヒータ本体２１の先端部に発熱部２２が埋設され、該発熱部２２に通電する一対のリード端子２３、２４がセラミックヒータ本体２１の後端部外周面に露出形成されている。セラミックヒータ本体２１は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする絶縁性セラミックからなる。発熱部２２は、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等の導電性セラミックと絶縁性セラミックとの混合物からなり、Ｕ字形状をなしている。また、リード端子２３、２４は、発熱部２２と電気抵抗率の異なる導電性セラミックと絶縁性セラミックとの混合物からなる。

外筒３は径方向に突出する突出部３１を設けたＳＵＳ６３０、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼の筒状部材であって、セラミックヒータ２の先端部及び後端部を突出させた状態で自身の内側に保持する。そして、Ｓ４０Ｃからなる主体金具４の先端面と突出部３１の後端面とを接合させ、外筒３の突出部３１より後端側を主体金具４に嵌合している。これにより、外筒の嵌合位置の位置決めが容易にできる。また、外筒３と、一方のリード端子２４が機械的、電気的に接続している。

そして、主体金具４の外周面には図示しないエンジンブロックにグロープラグ１を固定するための、ねじ部４１が形成され、後端側には、中軸５が取り付けられている。なお、エンジンブロックに固定する際、外筒３の突出部３１がエンジンブロックの固定部に当接する。

次に、中軸５は主体金具４と絶縁状態にて配置され、中軸５の後端部外周面と、主体金具４の内周面との間にセラミックリング６を配置し、その後端側にガラス充填層７を固定する形となっている。なお、セラミックリング６の外周面には、径大部の形でリング側係合部６１が形成され、主体金具４の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部４２に係合することで、先端側への抜け止めがなされている。また、中軸５のガラス充填層７と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている。さらに、中軸５の後端部は主体金具４の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ８を介して端子金具９がはめ込まれている。端子金具９は、周方向の加締め部９１により、中軸５の外周面に対して導通状態で固定されている。

一方、セラミックヒータ２の後端部外周面には、リード端子２３（外筒３と電気的に接続するリード端子２４とは別のリード端子２３）と導通するＳＵＳ６３０、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼のリング部材１００の先端部１０１が、締まり嵌め状態にて、リード端子２３を覆うように取り付けられる。そして、中軸５と、リング部材１００とは、一端がリング部材１００の後端部１０２内周面に溶接され、他端が中軸５に溶接された金属リード１１０により、電気的に接続されている。その結果、締まり嵌めにて、周方向に応力がかかるリング部材１００の先端部１０１に金属リード１１０を結合するのではなく、締まり嵌め状態にないリング部材１００の後端部１０２に金属リード１１０を結合することで、リング部材１００と金属リード１１０との熱膨張差による応力を周方向にかかる応力に重畳させることなく、リング部材１００の亀裂を防止することができる。また、リング部材１００と金属リード１１０が溶接されているため、より強固に接合することができる。また、リング部材の後端部１０２内周面に結合されていることより、グロープラグ１を小径化することができる。

以下、グロープラグ１の製造方法について説明する。まず、図３に示すように、発熱部２２とリード端子２３、２４を一体とした発熱部粉末成形体２２０を射出成形により作成する。また、セラミック本体２１を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、上下別体に形成された本体成形体としての分割成形体２１１、２１２を用意しておく。これら分割成形体２１１、２１２には、発熱部粉末成形体２２０に対応した形状の凹部をそのあわせ面に形成しておき、ここに発熱部粉末成形体２２０を収容して分割予備成形体を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図３（ｂ）に示すように、これらが一体化された複合成形体２００を作る。

こうして得られた複合成形体２００を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、例えば、約１８００℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨すればセラミックヒータ２が得られる。そして、図４に示すように、リング部材１００の先端部１０１を一対のリード端子２３と電気的に接続するように、圧入等により締まり嵌めにて嵌合させる。さらに同様に、該セラミックヒータ２に外筒３を一対のリード端子２４と電気的に接続させるように、圧入等により締まり嵌めにて嵌合させる。

そして、リング部材１００の後端部１０２に金属リード１１０の一端を抵抗溶接等により溶接する。その後、金属リード１００の他端を中軸５の先端側に抵抗溶接等により溶接する。そして、主体金具４及び必要な部品を公知の方法で組み付ければ、図１に示すグロープラグ１が完成する。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２を、図面を参照しつつ説明する。
なお、実施形態２のグロープラグ３００は、実施形態１のグロープラグ１と比較して、セラミックヒータ２と中軸５との接合部が主に異なるものであり、その他の部分についてはほぼ同様である。従って、実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、説明を省略または簡略化する。

図５は、本発明のヒータの一例であるグロープラグ３００の要部の内部構造を示すものである。セラミックヒータ２の後端部外周面には、リード端子２３（外筒と接続するリード端子とは別のリード端子）と導通するＳＵＳ６３０、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼のリング部材３１０の先端部３１１が、圧入による締まり嵌め状態にて、リード端子２３を覆うように取り付けられる。そして、リング部材３００の後端部３１２が中軸５まで直接延びており、後端部３１２と中軸５とが溶接により結合されている。具体的には、後端部３１２と中軸５との重なり部３１２ｔを径方向全周にレーザー溶接により接合している。その結果、締まり嵌めにより周方向に応力が発生するリング部材３１０の先端部３１１に、リング部材３１０と金属リードとの熱膨張差による応力を重畳させることがなくなり、リング部材３１０に亀裂が発生せず、電気的導通の信頼性が高いヒータを得ることができる。また、リング部材の先端部が、セラミックヒータの後端部に圧入されることにより固着されるので、リング部材が熱の影響を受けることなくセラミックヒータに固着できる。その結果、ヒータに振動等が生じたときにリング部材が変形し、主体金具と接触することによる断線等を起こすことがない。また、リング部材の後端部と中軸とが溶接により結合されるので、容易に、かつ、強固に接合することができ、中軸からリング部材が脱落することを防止することができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。まず、図１に示す形態のセラミックヒータを、上記説明した方法により作製した。ただし、セラミックヒータは、長さが４０ｍｍ、外径が３．５ｍｍである略棒状とした。

そして、前記したＳＵＳ６３０を用いて、リング部材を作製した。リング部材の外径を直径４．２ｍｍ、内径を３．４ｍｍとしたものを用意した。そして、上記リング部材をセラミックヒータの後端側外周面に圧入した。

そして、リング部材全体をセラミックヒータの後端部に圧入し、Ｎｉからなる金属リードをリング部材に接合するグロープラグ（従来例）、リング部材の先端部をセラミックヒータの後端側部に圧入し、リング部材の後端部と金属リードを接合するグロープラグ（実施形態１）、リング部材の先端部をセラミックヒータの後端部に圧入し、リング部材の後端部を直接、中軸に接合したグロープラグ（実施形態２）を作製した。なお、従来例のリング部材の長さは４ｍｍ、実施形態１のリング部材の長さは、８ｍｍで先端部の長さは６ｍｍとした。また、実施形態２のリング部材の長さは、１２ｍｍで、先端部の長さ５ｍｍ、中軸とリング部材との接合部の長さは、５ｍｍである。

そして、従来例（試料番号１、２、３）及び実施形態１（試料番号４、５、６）、実施形態２（試料番号７、８、９）のグロープラグをそれぞれ２５個ずつ、１分間連続で通電（７．５Ｖ）を行い、その後、１分間で常温まで強制的に急冷させ、これを２０万サイクル繰り返す。そして、試験後のリング部材に亀裂が発生しているグロープラグの不良数を数えた。通電による最高温度、及びそのときの不良数、及び不良率を表１に示す。

表１によると、比較例である試料番号１、２、３では、それぞれリング部材に割れが生じていた（２個、６個、９個）が、実施形態１、実施形態２では、リング部材に割れが発生しなかった。これにより、リング部材に亀裂が起こることが防止でき、電気的導通の信頼性が高いヒータを得ることができる。

次に、実施例１と同様な長さ４０ｃｍ、外形が３．５ｍｍのセラミックヒータと、ＳＵＳ４３０からなる長さ９０ｍｍ、直径４．２ｍｍの中軸と、実施例１と同様のＳＵＳ６３０を用いたリング部材を用意した。なお、リング部材の外径は、直径４．２ｍｍ、内径を３．４ｍｍ、リング部材の長さＬは１２ｍｍとなっている。そして、セラミックヒータとリング部材とを圧入により、さらに、中軸とリング部材をレーザー溶接により接合した。なお、中軸とリング部材との接合部の長さを５ｍｍとし、リング部材とセラミックヒータの接合部の長さＬ１ｍｍとして表２のようにしている。

そして、上記のような表２の試料をそれぞれ２５個ずつ作製し、セラミックヒータの先端部に５０Ｇ（５０×９．８ｍｇｆ）にて１００時間振動を加えた。そして、セラミックヒータがリング部材から抜けたものを不良とし、その不良数を数えた。結果も表２に示す。

表２によると、リング部材のセラミックヒータへの圧入部分が１５％未満のものは、不良が発生した。一方１５％以上を越えると、不良が発生しなかった。これにより、リング部材とセラミックヒータとの電気的導通の信頼性が高いヒータを得ることができる。

なお、本発明においては、上述した具体的な実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。例えば、実施形態１のグロープラグ１において、外筒３に突出部３１を設けたが、これに限られず、図６のように、円筒状の外筒４０３を設けても良い。それにより、外筒を製造する際の、工程が減り、コストが低減できる。また、図７のように、円筒の後端側を拡径させた外筒５０３を設けても良い。それにより、外筒の径大部と径小部との境界部に主体金具先端を固定させることで、容易に位置決めができる外筒を作成することができる。

また、実施形態１のグロープラグ１において、発熱部２２は、セラミックヒータ本体２１に埋設されているが、これに限らず、セラミックヒータ本体２１の先端部外周面に露出していても良い。

また、実施形態では、グロープラグであったが、本発明は、グロープラグのみならず、水や油等を加熱するウォータヒータにも適用可能である。

本発明の実施形態１を示すグロープラグ１の縦断面図である。 図１の要部を示す縦断面図である。 グロープラグ１のセラミックヒータ２の製造工程の説明図である。 図３に続く、グロープラグ１の製造工程の説明図である。 本発明の実施形態２を示すグロープラグ３００の縦断面図である。 図１のグロープラグ１の第１変形例を示す縦断面図である。 図１のグロープラグ１の第２変形例を示す縦断面図である。

１、３００、４００、５００・・・グロープラグ、２・・・セラミックヒータ、２１・・・セラミックヒータ本体、２２・・・発熱部、２３、２４・・・リード端子３、４０３、５０３・・・外筒、３１・・・突出部、４・・・主体金具、５・・・中軸、４６・・・セラミックリング、７・・・ガラス充填層、８・・・絶縁ブッシュ、９・・・端子金具、１００、３１０・・・リング部材、１０１、３１１・・・先端部、１０２、３１２・・・後端部、２００・・・複合成形体、２１１、２１２・・・分割成形体、２２０・・・発熱部粉末成形体

Claims (6)

1. 通電により発熱する発熱部を軸線方向に延びるセラミックヒータ本体の先端部に有し、前記セラミックヒータ本体の後端側外周面に露出する露出部を互いに前記軸線方向に異なる位置に有するとともに前記発熱部から前記セラミックヒータ本体の内部に延在する通電用の一対のリード端子と、
   を有する棒状のセラミックヒータと、
   前記セラミックヒータの先端部及び後端部を突出させた状態で当該セラミックヒータを保持する筒状の外筒と、
   前記セラミックヒータよりも前記軸線方向の後端側に配置され、前記リード端子の一方と電気的に接続する中軸と、を有するヒータにおいて、
   前記一対のリード端子の露出部のうちの後端側に位置する一方と接続するように、自身の先端部が前記セラミックヒータの後端側外周面に締まり嵌めにて固着され、且つ締まり嵌め状態にない後端部を有するリング部材を有し、
   前記中軸と電気的に接続する金属リードが、前記リング部材の後端部に接続されることを特徴とするヒータ。
2. 請求項１に記載のヒータにおいて、
   前記リング部材の後端部の内周面にて、前記金属リードは溶接により接続されることを特徴とするヒータ。
3. 通電により発熱する発熱部を軸線方向に延びるセラミックヒータ本体の先端部に有し、前記セラミックヒータ本体の後端側外周面に露出する露出部を互いに前記軸線方向に異なる位置に有するとともに前記発熱部から前記セラミックヒータ本体の内部に延在する通電用の一対のリード端子と、を有する棒状のセラミックヒータと、
   前記セラミックヒータの先端部及び後端部を突出させた状態で当該セラミックヒータを保持する筒状の外筒と、
   前記セラミックヒータよりも前記軸線方向の後端側に配置され、前記リード端子の一方と電気的に接続する中軸と、を有するヒータにおいて、
   前記一対のリード端子の露出部のうちの後端側に位置する一方と接続するように、自身の先端部が前記セラミックヒータの後端側外周面に圧入による締まり嵌めにて固着され、自身の後端部が前記中軸の先端部と重なる一方、前記締まり嵌め状態にない前記自身の後端部が前記中軸の先端部と接合された同一の外径を有するリング部材と、を有することを特徴とするヒータ。
4. 請求項３に記載のヒータにおいて、
   前記リング部材の後端部と前記中軸とが溶接により結合されることを特徴とするヒータ。
5. 請求項４に記載のヒータにおいて、
   前記リング部材の後端部と前記中軸とが少なくとも径方向全周にレーザー溶接されることにより結合されることを特徴とするヒータ。
6. 請求項３に記載のヒータにおいて、
   前記リング部材の先端部はセラミックヒータの軸方向で見た時に、リング部材の１５％以上が前記圧入によりセラミックヒータと固着されていることを特徴とするヒータ。