JP5575260B2

JP5575260B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP5575260B2
Application number: JP2012540908A
Authority: JP
Inventors: 健岡村; 規光日浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-10-26
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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等に用いられるヒータは、発熱部を有する抵抗体、リードおよび絶縁基体を含む構成になっている。そして、リードの抵抗が抵抗体の抵抗より小さくなるように、これらの材料の選定や設計がされている。

ここで、抵抗体とリードとの接合部は、形状変化点であったり材料組成変化点であったりするので、使用時の発熱や冷却での熱膨張の差に起因した影響を受けないように接合面積を大きくする目的で、図１５に示すように、リードの軸を含む断面（リードの軸に沿って切断した断面）で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっているものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特開2002-334768号公報特開2003-22889号公報

近年、エンジンの燃焼状態を最適化するために、ＥＣＵからの制御信号がパルス化した駆動方法がとられるようになってきた。

ここで、パルスとしては矩形波を用いることが多い。パルスの立ち上がり部分には高周波成分があって、この高周波成分はリードの表面部で伝送する。ところが、異なるインピーダンスを持つリードの表面と抵抗体の表面とが貼り合わされるようにして継ぎ目部分が形成されると、この継ぎ目部分でインピーダンスの整合がとれずに高周波成分が反射してしまう。そのため、継ぎ目部分が局所的に加熱し、リードと抵抗体との継ぎ目部分にマイクロクラックの発生や抵抗値が変化する問題点が生じてきた。

また、パルス駆動を採用せずに、ＤＣ駆動を採用した場合でも、同じような問題点が生じてきた。すなわち、近年のＥＣＵでは回路ロスがなくなったために、急速昇温を目的として、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流が流れるようになっている。したがって、パルスの矩形波のように、電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力が、ヒータに突入してくるようになってきたため、同じような問題点が生じてきた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、急速昇温等の際に抵抗体に大電流が流れても抵抗体とリードとの接合部へのマイクロクラック等の発生が抑制された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、発熱部を有する抵抗体と、該抵抗体の端部に、該抵抗体の端部を取り囲むように凹状部で嵌合して接合されたリードと、前記抵抗体および前記リードを被覆する絶縁基体とを備え、前記リードは発熱部側の先端にかけて外形が細くなっており、前記抵抗体と前記リードとの接合部は、前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記凹状部で嵌合している前記抵抗体の端部が全周にわたり前記リードを介して前記絶縁基体と離間している領域を有していることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の構成のヒータと、前記リードの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である。

本発明のヒータによれば、リードが発熱部側の先端にかけて外形が細くなるようにして、断面積を小さくしながら抵抗体を取り囲むように接合することとなるので、異なるインピーダンスを有するリードと抵抗体の接合部でも高周波成分が伝播する領域では急激なインピーダンスの不一致が生じず、その結果、高周波成分が反射せず、リードと抵抗体との継ぎ目部分でのインピーダンスの整合が取れるようになる。したがって、パルス駆動、ＤＣ駆動にかかわらず、電力突入の立ち上がりが急峻になっても、リードと発熱部との継ぎ目にマイクロクラック等が発生せず、長期間抵抗が安定する。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。

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に示す抵抗体とリードとの接合部を含む領域Ａを拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。図２（ａ）に示す領域Ｂにおける抵抗体とリードとの接合部を拡大した拡大斜視図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線における横断面図である。図４（ａ）に示す領域Ｂにおける抵抗体とリードとの接合部を拡大した拡大斜視図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。（ａ）は従来のヒータを示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。

以下、本発明のヒータについて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る。また、図２（ａ）は図１に示す抵抗体とリードとの接合部を含む領域Ａを拡大した拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。図３は、図２に示す領域Ｂにおける抵抗体とリードとの接合部の拡大斜視図である。

本実施の形態のヒータ１は、発熱部４を有する抵抗体３と、抵抗体３の端部にこの抵抗体３の端部を取り囲むように接合されたリード８と、抵抗体３およびリード８を被覆する絶縁基体９とを備え、リード８は発熱部４側の先端にかけて外形が細くなっており、抵抗体３とリード８との接合部は、リード８の軸方向に垂直な断面で視たとき、抵抗体３がリード８を介して絶縁体９と離間している領域を有している。

本実施の形態のヒータ１における絶縁基体９は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体９は抵抗体３およびリード８を被覆しており、言い換えると、抵抗体３およびリード８が絶縁基体９に埋設されている。ここで、絶縁基体９はセラミックスからなることが好ましく、これにより、金属よりも高温まで耐えることができるようになるので、急速昇温時の信頼性がより向上したヒータ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９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。この窒化珪素質セラミックスは、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、例えば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。

また、絶縁基体９として窒化珪素質セラミックスから成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。

発熱部４を有する抵抗体３は、例えば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４となっている。この抵抗体３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９が上述の材料の場合、絶縁基体９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９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成る絶縁基体９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９のそれに近づけて、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。

また、抵抗体３の厚み（図２（ｂ）に示す上下方向の厚み）は、0.5ｍｍ〜1.5ｍｍ程度がよく、抵抗体３の幅（図２（ｂ）に示す水平方向の幅）は、0.3ｍｍ〜1.3ｍｍ程度がよい。この範囲内とすることにより、抵抗体３の抵抗が小さくなって効率良く発熱するものとなり、また、積層構造の絶縁基体９の積層界面の密着性を保持することができる。

抵抗体３の端部に接合されたリード８は、抵抗体３と同様の材料を用いて形成することができ、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。そして、例えば絶縁基体９の形成材料の含有量を抵抗体３よりも少なくすることによって、抵抗体３よりも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９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８の材料として好適である。また、リード８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８の熱膨張率を絶縁基体９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８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。なお、リード８は、絶縁基体９の形成材料の含有量を抵抗体３よりも少なくすることの他、抵抗体３よりも断面積を大きくすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよい。

リード８は、リード８の軸方向に垂直な断面で接合部を断面視したときに抵抗体３の端部を取り囲むように、抵抗体３に接合されている。また、リード８は発熱部４側の先端にかけて外形が漸次細くなっており、換言すれば、リード８は発熱部４側の先端にかけて漸次厚みが薄くなっている。そして、抵抗体３とリード８との接合部は、リード８の軸方向に垂直な断面で視たとき、抵抗体３がリード８を介して絶縁体と離間している領域を有している。ここでいう接合部とは、リード８の軸を含む断面で視たとき、抵抗体３とリード８との界面が存在する領域のことをいう。また、リード８の軸を含む断面とは、リード８の軸に沿ってリード８の軸方向に平行に切断した断面のことをいう。なお、接合部の長手方向の長さ（リード８が抵抗体３の端部を取り囲んでいる長手方向の距離）は、0.01ｍｍ以上が好ましい。

このような構成とすることにより、リード８が発熱部４側の先端にかけて外形が細くなるようにして、断面積を小さくしながら抵抗体３を取り囲むように接合することとなるので、リード８表面に沿って伝播してきた高周波成分がリード８の断面積が小さくなるとともにリード８内部にその伝播領域を拡大し、さらにリード８の内径側にある抵抗体３の表面にも伝播領域が含まれながら高周波成分は進行し、リード８の終端部では抵抗体３の表面のみで高周波成分が伝播するため、異なるインピーダンスを有するリード８と抵抗体８の接合部でも高周波成分が伝播する領域では急激なインピーダンスの不一致が生じず、その結果、高周波成分が反射せず、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分でのインピーダンスの整合が取れるようになる。すなわち、ＥＣＵからの制御信号がパルス化した駆動方法であっても、パルスの立ち上がり部分の高周波成分がリード８の表面部で伝送しても、継ぎ目部分での反射を抑止できる。したがって、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分での局所的な発熱を抑えることができ、継ぎ目部分にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗値が安定する。

また、パルス駆動を採用せずに、ＤＣ駆動を採用した場合でも、同様の効果が得られる。すなわち、急速昇温を目的として、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流を流すと、パルスの矩形波のように、電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してくるが、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してきても、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分での局所的な発熱を抑えることができ、継ぎ目にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。

なお、リード８が抵抗体３の端部を取り囲むように抵抗体３に接合されているとは、リード８が先端側に凹状部を有する形状であり、この凹状部に抵抗体３の端部が嵌合している構造であればよく、以下に述べるような形態が挙げられる。

図２および図３に示したヒータ１は、抵抗体３とリード８との接合部が、リード８の軸方向に垂直な断面で断面視して抵抗体３が全周にわたりリード８を介して絶縁体９と離間している領域を有しているものである。この形態によれば、抵抗体３、リード８およびこれらとは熱膨張係数が大きく異なる絶縁基体９の界面（抵抗体３とリード８と絶縁基体９との三重界面）が存在しない領域を有するので、使用時冷却過程において、抵抗体３とリード８の界面に多大な応力集中がしないようにすることができる。その結果、繰り返し温度を上下させても熱膨張係数が近いために接合端部にクラックが入るのを抑制することができ、ヒータ１の信頼性および耐久性が向上する。

一方、図４および図５に示したヒータ１は、リード８の発熱部４側の先端にかけて外形が漸次細くなっている部分（テーパー部分）の傾斜角度を全周にわたって一様とせず、傾斜角度を変化させて抵抗体３の端部を取り囲むように接合させたものである。
なお、図４（ａ）は本発明のヒータ１の実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）に示すＹ−Ｙ線における横断面図である。また、図５は図４（ａ）に示す領域Ｂにおける抵抗体３とリード８との接合部の拡大斜視図である。この形態によれば、リード８と抵抗体３との接合部の先端領域が曲線状になり、さらにこの先端領域と絶縁基体９との接触面積も拡大するので、さまざまな周波数帯域の高周波成分の反射を抑止することができるだけでなく、接合部で高周波成分のロスが熱に変換した場合でも、絶縁基体９に熱を散逸することができるようになる。したがって、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分での局所的な発熱を抑えることができ、継ぎ目部分にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定し、ヒータ１の信頼性および耐久性が向上する。

なお、リード８のテーパー部分の傾斜角度を全周にわたって一様とせず、傾斜角度を変化させて抵抗体３を取り囲むように接合させることにより、抵抗体３およびリード８と絶縁基体９との接触面積が増えることで密着強度が増加し、さらに断面で視たときの接合形態が円ではなく花弁状となることで、ヒータ1に急激な熱衝撃が加わった場合においても、熱膨張の差による応力を緩和して、強靭なヒータとすることができる。

さらに、本実施の形態のヒータ１は、変形例として以下のような形態とすることもできる。

図６に示したヒータ１は、図２および図３に示した形態におけるリード８の形状を変形した変形例であり、リード８の外形が漸次細くなっている部分が、リード８の軸を含む断面で視たときに複数の傾斜領域を有しており、複数の傾斜領域は後端側よりも先端側の傾斜が緩やかになっているものである。具体的には、例えば図に示すように断面積が指数関数的に減少する形状になっている。なお、図６（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。このような形状によれば、周波数帯域に関係なく、最もインピーダンスがマッチングする断面積の減少形態となるので、継ぎ目にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。換言すれば、断面積が指数関数的に減少することで、反射する高周波成分がより少なくなって、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分での局所的な発熱を抑えることができ、継ぎ目にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定し、ヒータ１の信頼性および耐久性が向上する。

また、図７〜図11に示したヒータ１は、接合部において、抵抗体３がテーパー領域を有するように、抵抗体３の外形が発熱部４とは反対の側に向かって細くなっているものである。このような形状によれば、高周波成分がわずかに反射しても抵抗体３との境界に沿って反射するため、局所発熱する箇所をリード内部に閉じ込めることができるからであり、その結果、継ぎ目部分にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。

なお、図７は抵抗体３における発熱部４とは反対側の先端が尖ったような形状を表し、図８〜図10は抵抗体３における発熱部４とは反対側の先端に端面を有する形状であって尖っていない形状を表している。

ここで、図７〜図11におけるテーパー領域の長手方向の長さ（図の水平方向の長さ）としては0.01ｍｍ以上が好ましく、また図８〜図10に示したヒータ１において、接合部における抵抗体３の外形が発熱部４とは反対の側に向かって断面積で50％〜90％になるように細くなっていることが好ましい。これにより、リード８の軸方向に垂直なヒータ１の断面が接合部を含む部分において熱膨張係数を発熱部４の側からリード８側に向けて傾斜するように変化させることができ、急激な熱膨張差が発生しにくいように構成することができる。

本実施の形態のヒータ１は、図10に示したように、リード８における発熱部側の先端が抵抗体３のテーパー領域の起点よりも発熱部側に位置していることが好ましい。これにより、継ぎ目部分が加熱しても、リード８のテーパー先端部が抵抗体３に食い込むため、リード８が継ぎ目からはがれることがなく、また継ぎ目にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。

また、本実施の形態のヒータ１は、図11に示したように、リード８における発熱部側の先端が抵抗体３のテーパー領域の起点に位置していてもよい。これにより、最もインピーダンスがマッチングする形状になるので反射が起きず、発熱しなくなる。

さらに、本実施の形態のヒータ１は、図12〜図14に示したように、リード８の軸を含む断面で視たとき、抵抗体３の端部が丸く形成されていることが好ましい。抵抗体３の端部が丸く形成されていることで、突入電流が大きくなったときに導体の中心部を伝わってくる直流成分により生じる電子伝導による格子振動に起因した局部的な加熱による応力が、リード８と抵抗体３との継ぎ目部分で中心部に集中せず、外周方向に散逸して緩和される。したがって、継ぎ目部分にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。
また、本発明は、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である。

また、本実施の形態のヒータ１は、上記の構成のいずれかに記載のヒータ１と、リード８の端子部８１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とを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。具体的には、ヒータ１は、棒状の絶縁基体９の内部に、折返し形状をなした抵抗体３が埋設されているとともに一対のリード８が抵抗体３の両端部にそれぞれ電気的に接続されて埋設されていて、一方のリード８に電気的に接続された金属製保持部材（シース金具）と、他方のリード８に電気的に接続されたワイヤとを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。

金属製保持部材（シース金具）は、ヒータ１を保持する金属製の筒状体であり、セラミック基体９の側面に引き出された一方のリード８にロウ材などで接合される。また、ワイヤは、他方のセラミック基体９の後端に引き出された他方のリード８にロウ材などで接合される。これにより、高温のエンジン中でON/OFFが繰り返されながら長期使用しても、ヒータ１の抵抗が変化しないので、どんなときでも着火性に優れたグロープラグを提供できる。

次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法について説明する。

本実施の形態のヒータ１は、例えば、抵抗体３、リード８および絶縁基体９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８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９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８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９の成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体９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を例えば1650℃〜1780℃の温度、30ＭＰａ〜50ＭＰａの圧力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と接続させてリードとなる成形体ｂを形成した。このとき、表１および表２に示すように、種々の形状を有する金型を用いて、６種の形状の抵抗体とリードとの接合部を形成した。なお、表１および表２における接合部でのリードの傾斜角および抵抗体の傾斜角は、それぞれ長手方向に平行な形状の場合を０°として、断面で見たときにリードおよび抵抗体の側面が長手軸から何度傾いているかを表している。

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ヒータを作製した。得られた焼結体の表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（シース金具）をロウ付けしてグロープラグを作製した。

このグロープラグの電極にパルスパターンジェネレータを接続し、印加電圧７Ｖ、パルス幅１０μｓ、パルス間隔１μｓの矩形パルスを連続通電した。１０００時間経過後、通電前後の抵抗値の変化率（（通電後の抵抗値−通電前の抵抗値）／通電前の抵抗値）を測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、試料番号１は、最も発熱した箇所がリードと抵抗体との接続部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いて試料番号１のヒータに流れるパルス波形を確認したところ、入力波形と異なり、パルスの立ち上がりが急峻にならず、７Ｖに到達するまで１μｓ要し、オーバーシュートしながら波打っていた。

これは、試料番号１のヒータでは、パルスの立ち上がり部分に含まれる高周波成分が、リードと抵抗体との継ぎ目部分でインピーダンスの整合が取れないことから反射したものと考えられる。また、ヒータの最も発熱した箇所が、リードと抵抗体との接続部となっていることについても、高周波成分の反射に起因して、リードと抵抗体との継ぎ目部分での局所的な発熱が生じたものと考えられる。

さらに、試料番号１の通電前後の抵抗変化は55％と非常に大きくなったため、パルス通電後、走査型電子顕微鏡で試料番号１のリードと抵抗体との接合部を観察したところ、接合界面に外周方向から内側に向けて、マイクロクラックが生じていることを確認した。

一方、試料番号２〜６については、最も発熱した箇所はヒータ先端の抵抗体発熱部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いてヒータに流れるパルス波形を確認したところ、入力波形とほぼ同じ波形であった。

これは、リードと抵抗体との継ぎ目部分でインピーダンスの整合が取れたことで、パルスの立ち上がり部分に含まれる高周波成分が、リードと抵抗体との継ぎ目部分で反射せずに通電できたことを示している。

また、試料番号２〜６の通電前後の抵抗変化は５％以下と小さく、パルス通電後、走査型電子顕微鏡でこれらの試料番号のリードと抵抗体との接合部を観察したところ、マイクロクラックは無かった。

次に、ヒータにＤＣ電源を接続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。通電前後のヒータの抵抗値の変化率を測定した。

表２に示すように、試料番号１の通電前後の抵抗変化は55％と非常に大きくなったため、ＤＣ通電後、走査型電子顕微鏡で試料番号１のリードと抵抗体との接合部を観察したところ、接合界面に外周方向から内側に向けて、マイクロクラックが生じていることを確認した。

一方、試料番号２〜６の通電前後の抵抗変化は５％以下と小さく、ＤＣ通電後に走査型電子顕微鏡でこれらの試料番号のリードと抵抗体との接合部を観察したところ、マイクロクラックは無かった。

以上のように、リードは発熱部側の先端にかけて外形が漸次細くなっており、抵抗体とリードとの接合部は、リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、抵抗体が前記リードを介して絶縁体と離間している領域を有していることで、パルス駆動、DC駆動にかかわらず、電力突入の立ち上がりが急峻になっても、リードと発熱部の継ぎ目にマイクロクラックが発生せず、長期間抵抗が安定する。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。

１：ヒータ
３：抵抗体
４：発熱部
８：リード
８１：端子部
９：絶縁基体

Claims

発熱部を有する抵抗体と、
該抵抗体の端部に、該抵抗体の端部を取り囲むように凹状部で嵌合して接合されたリードと、
前記抵抗体および前記リードを被覆する絶縁基体とを備え、
前記リードは発熱部側の先端にかけて外形が細くなっており、
前記抵抗体と前記リードとの接合部は、前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記凹状部で嵌合している前記抵抗体の端部が全周にわたり前記リードを介して前記絶縁基体と離間している領域を有していることを特徴とするヒータ。
前記リードの前記外形が細くなっている部分は、前記リードの軸を含む断面で視たときに複数の傾斜領域を有しており、該複数の傾斜領域は後端側よりも先端側の傾斜が緩やかになっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記接合部において、前記抵抗体がテーパー領域を有す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。
前記リードにおける前記発熱部側の先端が前記テーパー領域の起点よりも前記発熱部側に位置していることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
前記リードにおける前記発熱部側の先端が前記テーパー領域の起点に位置していることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
前記リードの軸を含む断面で視たとき、前記抵抗体の端部が丸く形成されてい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。
請求項１乃至請求項６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グロープラグ。