JP5436687B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

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およびこれを備えたグロープラグに関するものである。

自動車エンジンのグロープラグ用ヒータとして、例えば、絶縁基体と、絶縁基体に埋設された抵抗体と、絶縁基体に埋設され、一端側で抵抗体に接続されるとともに他端側に絶縁基体の表面から露出する端子部を有するリードとを備え、リードは端子部に向かって曲がった曲げ部を有しているものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

上記の構成において、リードの端子部の形状は円形状であるとともに、リードの曲げ部の断面形状も端子部の形状と同様に円形状となっているのが一般的である。

特開2006-258417号公報

近年、より急速に昇温できるヒータが要求されていて、スタート時（エンジン始動時）に抵抗体に大電流を流すように、端子部から導入する電力（突入電力）を大きくする必要性が出てきた。

ここで、上記ヒータにおいて突入電力を大きくしようとすると、突入電力の負荷はリードの曲げ部の中でもカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（図２に示すＡ２’側）に集中し、局部発熱して曲げ部のカーブ中央付近が局部膨張し、この局部膨張した部位においてリードと絶縁基体との界面に応力が集中してマイクロクラックが発生するという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、急速昇温等の際にリードの曲げ部に大電流が流れても局部膨張に起因した応力集中によるマイクロクラックの発生が抑制された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ことである。

本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、前記絶縁基体に埋設され、一端側で前記抵抗体に接続されるとともに他端側に前記絶縁基体の表面から露出する端子部を有するリードとを備え、前記リードは前記端子部に向かって曲がった曲げ部を有しており、該曲げ部の少なくとも一断面におけるアスペクト比が前記曲げ部よりも端子部側の部分における一断面のアスペクト比よりも大きいことを特徴とするものである。

また、本発明のグロープラグは、上記の構成のいずれかに記載のヒータと、前記リードの前記端子部に電気的に接続されるとともに前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするものである。

本発明のヒータによれば、突入電力の負荷が集中しやすい曲げ部Ａにおけるカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）の他にも、突入電力の負荷が集中しやすい部位を設けることとなるため、突入電力の負荷をカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）から他の部位に分散させることができ、リードと絶縁基体との界面にマイクロクラックが生じるのを抑制することができる。

本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図である。 （ａ）は図１に示すリードの曲げ部Ａを拡大した拡大図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ１’線断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＡ３−Ａ３’線断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例のリードの曲げ部Ａを拡大した拡大図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ１’線断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＡ３−Ａ３’線断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態のさらに他の例のリードの曲げ部Ａを拡大した拡大図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ１’線断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＡ３−Ａ３’線断面図である。

本発明のヒータの実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、図２（ａ）は図１に示すリードの曲げ部Ａを拡大した拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ１−Ａ１’線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）に示すＡ３−Ａ３’線断面図である。

図１に示すヒータ１は、絶縁基体２と、絶縁基体２に埋設された抵抗体３と、絶縁基体２に埋設され、一端側で抵抗体３に接続されるとともに他端側に絶縁基体２の表面から露出する端子部41を有するリード４とを備え、リード４は端子部41に向かって曲がった曲げ部Ａを有しており、曲げ部Ａの少なくとも一断面におけるアスペクト比が曲げ部Ａよりも端子部41側の部分における一断面のアスペクト比よりも大きいことを特徴とするものである。

本実施の形態のヒータ１における絶縁基体２は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体２には抵抗体３およびリード４が埋設されている。ここで、絶縁基体２はセラミックスからなることが好ましく、これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１を提供することが可能になる。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。特に、絶縁基体２は、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。窒化珪素質セラミックスからなる絶縁基体２は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜12質量％のＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３，Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、0.5〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として1.5〜５質量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、所定の形状に成形し、その後、1650〜1780℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。絶縁基体２の長さは、例えば20〜50ｍｍに形成され、絶縁基体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成される。

なお、絶縁基体２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、ＭｏＳｉＯ_２，ＷＳｉ_２等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。

絶縁基体２に埋設された抵抗体３は、縦断面の形状が折返し形状をなしていて、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部31となっている。この抵抗体３は絶縁基体２の先端側に埋設されていて、抵抗体３の先端（折返し形状の中央付近）から抵抗体３の後端（リードとの接合端部）までの距離は例えば２〜10ｍｍに形成される。なお、抵抗体３の横断面の形状は、円、楕円、矩形などいずれの形状でもよく、通常は後述するリード４よりも断面積が小さくなるように形成される。

抵抗体３の形成材料としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、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。絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合、絶縁基体２との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が抵抗体３の材料として優れている。さらに、絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合、抵抗体３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％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスからなる絶縁基体２中において、抵抗体３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、抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率を絶縁基体２の熱膨張率に近づけて、ヒータ１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、抵抗体３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、抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は20質量％〜40質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は25質量％〜35質量％がよい。また、抵抗体３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質量％〜12質量％添加することもできる。

絶縁基体２に埋設されたリード４は、一端側で抵抗体３に接続されるとともに他端側に絶縁基体２の表面から露出する端子部41を有している。具体的には、一端から他端にかけて折返し形状をなす抵抗体３の両端部にそれぞれリード４が接合されている。そして、一方のリード４は、一端側で抵抗体３の一端に接続され、他端側で絶縁基体２の後端寄りの側面から露出している。また、他方のリード４は、一端側で抵抗体３の他端に接続され、他端側で絶縁基体２の後端部から露出している。

このリード４は、抵抗体３と同様の材料を用いて形成され、例えば、抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、絶縁基体２の形成材料の含有量を抵抗体３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ものである。特に、ＷＣが、絶縁基体２との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード４の材料として好適である。また、リード４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することが好ましい。窒化珪素の含有量が増すにつれてリード４の熱膨張率を、絶縁基体２を構成する窒化珪素の熱膨張率に近づけることができる。また、窒化珪素の含有量が40質量％以下であるときには、リード４の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は15質量％〜40質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は20質量％〜35質量％とするのがよい。

そして、リード４（一端側で抵抗体３の一端に接続され、他端側で絶縁基体２の後端寄りの側面から露出しているリード４）は、端子部41に向かって曲がった曲げ部Ａを有していて、曲げ部Ａの少なくとも一断面におけるアスペクト比（縦横比）が曲げ部Ａよりも端子部41側の部分における一断面（図２に示すＡ１−Ａ１’線断面図）のアスペクト比よりも大きくなっている。なお、リード４における絶縁基体２の後端寄りの側面から露出している部分が端子部41であり、曲げ部Ａとは、リード４における端子部41の近傍から棒状の絶縁基体２の長手方向に沿った直線部分に達するまでの曲がった部分のことである。また、アスペクト比（縦横比）の縦方向は、曲げ部Ａの曲がった方向に平行な平面（曲げ部Ａの中心軸を含む平面）に対して垂直な軸の方向（図１の紙面に垂直な方向）である。

ここで、図２（ｂ）乃至図２（ｄ）は、曲げ部Ａの断面のアスペクト比（縦横比）が端子部41側から遠ざかるにしたがって徐々に大きくなるように形成されたものである。すなわち、端子部41近傍の図２（ｂ）に示すＡ１−Ａ１’線断面図はほぼ円形の断面であり、曲げ部Ａのカーブ中央付近の図２（ｃ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図は曲げ部Ａの曲がった方向に平行な平面（曲げ部Ａの中心軸を含む平面）に対し垂直な方向（紙面に垂直な方向）を長軸とする楕円形状の断面であり、端子部41から遠ざかった曲げ部Ａの終端付近の図２（ｄ）に示すＡ３−Ａ３’線断面図は図２（ｃ）に示すＡ２−Ａ２’線断面図よりもさらに長軸の長さが長くなった楕円形状の断面を表している。

端子部41から突入する突入電力の負荷は、曲げ部Ａの断面におけるカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）において大きくなる傾向がある。一方、一般に断面の形状が円であれば、突入電力の径方向の負荷は３６０°どの角度に対してもほぼ均等に分散するが、断面形状の形状が長軸と短軸を有する形状の場合、長軸側の外周付近に突入電力の負荷がかかりやすい傾向がある。したがって、曲げ部Ａの少なくとも一断面におけるアスペクト比を、曲げ部Ａよりも端子部41側の部分における一断面（図２に示すＡ１−Ａ１’線断面図）のアスペクト比よりも大きくし、突入電力の負荷が集中しやすい曲げ部Ａの断面におけるカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）の他にも、突入電力の負荷が集中しやすい部位を設けることで、突入電力の負荷をカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）から他の部位に分散させることができる。具体的には、突入電力をカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）から分散させるように長軸の位置を設定し、突入電力の負荷を曲げ部Ａの断面におけるカーブ中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）から長軸側の外周付近に分散させることで、曲げ部Ａにマイクロクラックが生じるのを抑制することができる。

ここで、本発明のヒータ１における曲げ部Ａの断面は、図２に示すように、アスペクト比が端子部41に向かって減少する形状であるのが好ましい。この形状によれば、端子部41で発生する突入電力の負荷を曲げ部Ａに向かって徐々に分散でき、曲げ部Ａにマイクロクラックが生じるのをより抑制することができる。

また、本発明のヒータ１における曲げ部Ａの断面は、図２に示すように、曲げ部Ａの曲がった方向に平行な平面（曲げ部Ａの中心軸を含む平面）に対し垂直な方向を長軸とする扁平形状であるのが好ましい。この形状によれば、曲げ部Ａの中央付近（図２に示すＡ２−Ａ２’線断面付近）の外側（Ａ２’側）において大きくなる傾向がある突入電力の負荷を、曲がった方向（曲げ部Ａの外側）に対して９０°反転させた方向の外周付近に分散させることができ、熱が分散してこもらなくなるから、曲げ部Ａにマイクロクラックが生じるのをより抑制することができる。

さらに、本発明のヒータ１は、図２に示すように曲げ部Ａの断面が楕円形状であるのが好ましく、このような形状であることで、断面に角が無く応力が分散しやすいことから、マイクロクラックが生じにくくなる。

また、本発明のヒータ１は、図２に示すように端子部41が円形状であるのが好ましく、このような形状であることで、端子部41での突入応力が均等に分散され、マイクロクラックが生じにくくなる。

さらに、本発明のヒータ１は、曲げ部Ａが断面視してアスペクト比が連続的に変化する部分を有するのが好ましく、特に曲げ部Ａの全体にわたって断面視してアスペクト比が連続的に変化しているのが好ましい。このような形状であることで、定常状態になったときに負荷が集中する箇所が無いから、繰返し使用してもマイクロクラックが生じにくくなる。

さらに、本発明のヒータ１は、曲げ部Ａが長軸及び短軸を有する断面形状を成しており、曲げ部Ａの全体にわたって長軸の方向が一致しているのが好ましい。言い換えると、曲げ部Ａが長軸及び短軸を有する断面形状を成しており、端子部41に向かって長軸の長さが短くなるとともに短軸の長さが長くなる形状であるのが好ましい。このような形状であることで、突入電力の負荷の変化がなく、ねじれによる応力集中がないから、マイクロクラックが生じにくくなる。

なお、端子部41の形状が円形状であり曲げ部Ａの断面が楕円形状である図２に示すような形態に限らず、他の形態とすることもできる。他の形態としては、形成のしやすさの点から、例えば矩形、ひし形、三角形、六角形、八角形等の比較的単純な形状が挙げられる。このような断面形状であっても、曲げ部Ａでアスペクト比が大きいと、曲げ部Ａの中央付近の外側以外に、形状的に負荷が集中しやすい部分を設けることができ、負荷を分散させることができる。

図２に示すような端子部41から曲げ部Ａにかけて円形から楕円と変化する形態の場合に、楕円の長軸端部に負荷が集中しやすくなるのと同様に、図３に示すような端子部41および曲げ部Ａがともに矩形状で端子部41から曲げ部Ａにかけてアスペクト比が大きくなる形態の場合は、上下が短辺になり、負荷の集中しやすい角部の間隔は短辺の方が長辺より近いので、短辺の方、つまり上下に負荷が集中しやすくなる。

また、それ以外の多角形状の場合は、図４に示すように、端子部41から曲げ部Ａにかけてアスペクト比が大きくなると、上下の角部の角度が小さくなるか、矩形状の場合と同様に上下の角部の間隔が近づくこととなり、上下に負荷が集中しやすくなる。

なお、断面形状が上記のような矩形状や六角形状などの多角形状の場合は、角部があることで、負荷が集中しすぎるか、絶縁基体２の割れの起点になりやすいことから、図３に示すように角部を丸めた形状にするのが好ましい。この点で、円形や楕円形は角部がないので、より好ましい。

上述のヒータ１はグロープラグ（図示せず）に用いることができる。すなわち、本発明のグロープラグ（図示せず）は、上述のヒータ１と、ヒータ１を構成するリード４の端子部41に電気的に接続されるとともにヒータ１を保持する金属製保持部材（シース金具）とを備えた構成であり、この構成により、ヒータ１の曲げ部Ａにマイクロクラックが生じにくいことから、長期間使用可能なグロープラグを実現することができる。

次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法の一例について説明する。

本実施の形態のヒータ１は、例えば、上記本実施の形態の構成の抵抗体３、リード４および絶縁基体２の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。

まず、導電性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む、抵抗体３およびリード４となる導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む絶縁基体２となるセラミックペーストを作製する。

次に、導電性ペーストを用いて射出成形法等によって抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体ａ）を形成する。そして、成形体ａを金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード４となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体ｂ）を形成する。これにより、成形体ａと、この成形体ａに接続された成形体ｂとが、金型内に保持された状態となる。

次に、金型内に成形体ａおよび成形体ｂを保持した状態で、金型の一部を絶縁基体２の成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、成形体ａおよび成形体ｂがセラミックペーストの成形体（成形体ｃ）で覆われたヒータ１の成形体（成形体ｄ）が得られる。

次に、得られた成形体ｄを、30ＭＰａ〜50ＭＰａの圧力下で1600℃〜1800℃の温度で焼成することにより、ヒータ１を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。

まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を50質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を35質量％、樹脂バインダーを15質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して図１に示すような形状の抵抗体となる成形体ａを作製した。

次に、この成形体ａを金型内に保持した状態で、リードとなる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体ａと接続させて図１および図２に示すような形状のリードとなる成形体ｂを形成した。

次に、成形体ａおよび成形体ｂを金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を85質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ_２Ｏ_３）を10質量％、抵抗体およびリードに熱膨張率を近づけるための炭化タングステン（ＷＣ）を５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、絶縁基体となる成形体ｃ中に成形体ａおよび成形体ｂが埋設された構成の成形体ｄを形成した。

次に、得られた成形体ｄを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、1700℃、35ＭＰａの圧力でホットプレスを行ない焼結して、本発明実施例となるヒータを作製した。なお、このヒータ（本発明実施例の試料）は、リード部が曲げ部を有しており、曲げ部は端子部に向かって変化しており、カーブ中央付近の断面は扁平形状（楕円）であり、端子部の形状は円であり、断面形状の面積は一定であり、アスペクト比が徐々に変化し断面の長軸方向は常に一定のものであった。

そして、得られたヒータの後端寄りの側面に露出したリード端部（端子部）に筒状の金属製保持部材をロウ付けしてグロープラグを作製した。

一方、比較例として、曲げ部の断面におけるアスペクト比が曲げ部よりも端子部側の部分における一断面のアスペクト比と同じく、曲げ部全体にわたって一定のアスペクト比の断面が円形状であるグロープラグも作製した。

これらのグロープラグを用いて冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験の条件は、まずヒータに通電して抵抗体の温度が1400℃になるように印加電圧を設定し、１）５分間通電、２）２分間非通電の１），２）を１サイクルとし、１万サイクル繰り返した。

冷熱サイクル試験前後のヒータの抵抗値の変化を測定したところ、本発明実施例の試料は抵抗変化が１％以下であった。また、この試料のリードと絶縁基体との界面に局部発熱の痕跡もなく、マイクロクラックも見られなかった。これに対し、比較例の試料は、抵抗変化が５％以上であり、マイクロクラックが確認できた。

１：ヒータ
２：絶縁基体
３：抵抗体
31：発熱部
４：リード
41：端子部
Ａ：曲げ部

Claims (8)

1. 絶縁基体と、
   該絶縁基体に埋設された抵抗体と、
   前記絶縁基体に埋設され、一端側で前記抵抗体に接続されるとともに他端側に前記絶縁基体の表面から露出する端子部を有するリードとを備え、
   前記リードは前記端子部に向かって曲がった曲げ部を有しており、該曲げ部の少なくとも一断面におけるアスペクト比が前記曲げ部よりも端子部側の部分における一断面のアスペクト比よりも大きいことを特徴とするヒータ。
2. 前記曲げ部の断面は、アスペクト比が前記端子部に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記曲げ部の断面は、該曲げ部の曲がった方向に対し垂直な方向を長軸とする扁平形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
4. 前記曲げ部の断面が楕円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
5. 前記端子部が円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
6. 前記曲げ部は、断面視してアスペクト比が連続的に変化する部分を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
7. 前記曲げ部は、長軸及び短軸を有する断面形状を成しており、前記曲げ部の全体にわたって前記長軸の方向が一致していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータと、前記リードの前記端子部に電気的に接続されるとともに前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグ。

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