JP5726311B2

JP5726311B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP5726311B2
Application number: JP2013531303A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎田井村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: CN103765983B; EP2753144A4; EP2753144B1; JPWO2013031728A1; US20140224783A1; US9400109B2; EP2753144A1; KR20140046044A; WO2013031728A1; CN103765983A; KR101514974B1

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て一端側で抵抗体に接続されるとともに他端側で絶縁基体の表面に設けられた端子部に導出されたリードとを備えたものが知られている。

具体的には、陽極側のリードは縦断面で見て少なくとも２か所の曲げ部を有し、例えば絶縁基体の後端側に設けられた端子部に導出された構成になっているものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。ここで、リードは２か所の曲げ部において同じ径のまま端子部まで導出されていた。

特開2001−280640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外側に集中し、この負荷が集中した部位が局部発熱して熱膨張することで、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、一端で前記抵抗体に接続されるとともに他端で前記絶縁基体の表面に設けられた端子部に導出されたリードとを備え、該リードは、縦断面で見て少なくとも２か所の曲げ部を有しており、それぞれの前記曲げ部の横断面におけるアスペクト比が前記端子部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、上記の構成のヒータと、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、２か所の曲げ部における突入電力の負荷をカーブ外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を含む領域Ａを拡大した拡大図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線断面図である。（ａ）は図２に示すＡ１−Ｂ１線断面図、（ｂ）は図２に示すＡ２−Ｂ２線断面図、（ｃ）は図２に示すＡ３−Ｂ３線断面図、（ｄ）は図２に示すＡ４−Ｂ４線断面図、（ｅ）は図２に示すＡ５−Ｂ５線断面図である。本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す縦断面図である。

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る。また、図２（ａ）は図１に示す曲げ部を含む領域Ａを拡大した拡大図であり、図２（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線断面図である。また、図３（ａ）は図２に示すＡ１−Ｂ１線断面図、図３（ｂ）は図２に示すＡ２−Ｂ２線断面図、図３（ｃ）は図２に示すＡ３−Ｂ３線断面図、図３（ｄ）は図２に示すＡ４−Ｂ４線断面図、図３（ｅ）は図２に示すＡ５−Ｂ５線断面図である。

本実施の形態のヒータ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に埋設されて一端で抵抗体３に接続されるとともに他端で絶縁基体２の表面に設けられた端子部５に導出されたリード４とを備え、リード４は、縦断面で見て少なくとも２か所の曲げ部41，42を有しており、それぞれの曲げ部41，42の横断面におけるアスペクト比は端子部５のアスペクト比よりも大きくなっている。

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、ＭｏＳｉ_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、例えば図１に示す例では、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。

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で絶縁基体の表面に設けられた端子部５に導出されている。図１に示す例では、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の後端部に設けられた端子部５に導出されている。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の後端寄りの側面に設けられた端子部５に導出されている。

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（一方のリード４）は縦断面で見て少なくとも２か所の曲げ部41，42を有しており、それぞれの曲げ部41，42の横断面におけるアスペクト比は端子部５のアスペクト比よりも大きくなっている。

なお、ここでいうリード４は、図１に示す一端側で抵抗体３の一端に接続され、他端側で絶縁基体２の後端部に設けられた端子部５に導出されたリード４のことであり、図１および図２に示す曲げ部41，42は、図３においてＢ２−Ａ２線断面で示す部位およびＢ４−Ａ４線断面で示す部位のことである。また、アスペクト比（縦横比）の縦方向は、曲げ部41，42の曲がった方向に平行な平面（曲げ部41，42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。

また、端子部５とは、リード４の他端側の端部のことであり、リード４を構成する他の領域と同一材料で一体に形成されたものであってもよく、同一材料で別体に形成されたものあるいは異質材料で形成されたものであってもよい。

図３（ａ）乃至図３（ｅ）は、曲げ部41，42の曲がった方向に平行な平面（曲げ部41，42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）を長軸とする楕円形状の断面であり、それぞれの断面のアスペクト比（縦横比）が端子部５側から遠ざかるにしたがって順次大きくなるように形成されたものを表している。すなわち、図３（ａ）に示す端子部５のＡ１−Ｂ１線断面図よりも図３（ｂ）に示す曲げ部41のＡ２−Ｂ２線断面図の縦方向の軸の長さが長く、図３（ｂ）に示す曲げ部41のＡ２−Ｂ２線断面図よりも抵抗体３側に位置する図３（ｃ）に示すＡ３−Ｂ３線断面図の縦方向の軸の長さが長く、図３（ｃ）に示すＡ３−Ｂ３線断面図よりも抵抗体３側に位置する図３（ｄ）に示す曲げ部42のＡ４−Ｂ４線断面図の縦方向の軸の長さが長く、図３（ｄ）に示す曲げ部42のＡ４−Ｂ４線断面図よりも抵抗体３側に位置する図３（ｅ）に示すＡ５−Ｂ５線断面図の縦方向の軸の長さが長くなっている状態を表している。

端子部５から突入する突入電力の負荷は、曲げ部41，42の断面におけるカーブ外側、すなわち図２および図３（ｂ）に示すＡ２側と図２および図３（ｄ）に示すＢ４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41の断面におけるアスペクト比を端子部５の断面におけるアスペクト比よりも大きくするとともに、曲げ部42の断面におけるアスペクト比を端子部５の断面におけるアスペクト比よりも大きくすることで、曲げ部41，42の２箇所で突入電力の負荷をカーブ外側から他の部位に分散させることができる。具体的には、突入電力をカーブ外側（図３（ｂ）に示すＡ２側、図３（ｄ）に示すＢ４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41，42の断面におけるカーブ外側から長軸側の外周付近に分散させることで、曲げ部41，42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、それぞれの曲げ部41，42の断面におけるアスペクト比は、例えば１．２〜５．０であるのが長軸側に過度に応力集中させることなく突入電力の負荷を分散させるのに効果的である。

さらに、曲げ部41，42の横断面は楕円形状であるのが好ましく、これにより断面に角が無いので応力が分散しやすいから、よりマイクロクラックが生じるのを抑制することができる。

なお、図３に示す例では、長軸の向きが曲げ部41，42の曲がった方向に平行な平面（曲げ部41，42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）になっているが、この方向から傾いていてもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、それぞれの曲げ部41，42の横断面におけるアスペクト比は端子部５側から抵抗体３側に向かって順次大きくなっているのが好ましい。これにより、端子部５側から数えて１番目の曲げ部41で突入電力の負荷を分散できることに加え、さらにアスペクト比の大きい２番目の曲げ部42でさらに突入電力の負荷を分散できるようになり、よりマイクロクラックが生じるのを抑制することができる。さらに、曲げ部41，42間の横断面におけるアスペクト比は端子部５側から抵抗体３側に向かって徐々に大きくなっているのが好ましい。これにより、急激な形状変化がなく、突入電力の負荷が集中するのを抑制することができる。なお、図２（ｂ）に示すように、曲げ部41，42間に限らず、端子部５と曲げ部41との間および曲げ部42よりも先端側においてもアスペクト比が徐々に変化するのが突入電力の負荷の集中を抑制する点で効果的である。

さらに、曲げ部41，42の横断面の面積が同じであるのが好ましく、これにより定常状態になったとき、負荷が集中する箇所が無いから繰り返し使用しても、よりマイクロクラックが生じるのを抑制することができる。

なお、図２および図３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41，42の外側中央付近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。断面形状が上記のような多角形状の場合は、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、角部を丸めた形状にするのが好ましい。この点で、楕円形は角部がないので、より好ましい。

上述のヒータ１はグロープラグに用いることができる。すなわち、本発明のグロープラグは、図４に示すように、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５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６（シース金具）とを備えた構成である。金属製保持部材６としては、例えばＮｉ，Ｆｅ等の材料からなる厚さ0.3〜1.0ｍｍの筒状体が採用される。この構成により、ヒータ１の曲げ部41，42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℃の温度、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、リード部に曲げ部が２箇所で断面のアスペクト比が端子部から抵抗体に向かって順次大きくなり、曲げ部間の断面は端子部から抵抗体に向かってアスペクト比が徐々に大きくなり、断面は楕円であり、断面形状の面積は２箇所の曲げ部で一定であった。なお、絶縁基体の直径は3.2ｍｍであって、端子部に近い側の曲げ部における短軸の長さは1.1ｍｍ、アスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）は1.5で、端子部から遠い側の曲げ部における短軸の長さは0.8ｍｍ、アスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）は3.5であった。

そして、得られたヒータの後端寄りの側面に導出されたリード端部（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、リード部に曲げ部が２箇所で、それぞれの曲げ部の断面のアスペクト比が端子部および抵抗体の断面のアスペクト比とで同じであるグロープラグも作製した。なお、この試料の端子部、曲げ部および抵抗体の断面は楕円であり、これらの断面における短軸の長さは1.2ｍｍ、アスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）は1.1であった。

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
41，42：曲げ部
５：端子部

Claims

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、一端で前記抵抗体に接続されるとともに他端で前記絶縁基体の表面に設けられた端子部に導出されたリードとを備え、該リードは、縦断面で見て少なくとも２か所の曲げ部を有しており、それぞれの前記曲げ部の横断面におけるアスペクト比が前記端子部のアスペクト比よりも大きいことを特徴とするヒータ。
それぞれの前記曲げ部の横断面におけるアスペクト比が前記端子部側から前記抵抗体側に向かって順次大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記曲げ部間における前記リードの横断面におけるアスペクト比が前記端子部側から前記抵抗体側に向かって徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
前記曲げ部の横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。
すべての前記曲げ部の横断面の面積が同じ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。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータと、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。