JP5777812B2

JP5777812B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP5777812B2
Application number: JP2014522670A
Authority: JP
Inventors: 日浦　規光; 規光日浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: EP2869666A4; CN104396342B; US10480786B2; WO2014003093A1; EP2869666A1; CN104396342A; EP2869666B1; US20150167975A1; JPWO2014003093A1

Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用も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または測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータに関するものである。また、本発明は、上記のヒータ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。そして、リードの抵抗値が抵抗体の抵抗値よりも小さくなるように、リードおよび抵抗体の材料の選定ならびに形状の設計が行なわれている（例えば、特許文献１を参照）。

近年、ヒータは、従来以上に高温環境下で使用される傾向にある。そのため、ヒートサイクル下において、ヒータに生じる熱応力が従来よりも大きな影響を及ぼす可能性がある。

特開2002−334768号公報

本発明のヒータは、セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、該抵抗体の端部に接続されたリードとを備えたヒータであって、前記抵抗体および前記リードはともに導電体および該導電体中に分散しているセラミック粒子を含有しており、前記リードに含まれる前記絶縁性セラミック粒子よりも前記抵抗体に含まれる前記絶縁性セラミック粒子の方が小さい。

また本発明は、上記構成のヒータと、前記リードに電気的に接続されて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である。

（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す概略縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａの要部拡大図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す概略縦断面図である。本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す概略縦断面図である。

以下、本発明のヒータ10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。

本実施の形態のヒータ10は、セラミックスからなる絶縁基体１と、絶縁基体１に埋設された抵抗体２と、抵抗体２の端部に接続されたリード３とを備えている。抵抗体２およびリード３はともに導電体21，31および絶縁性セラミック粒子（以下、単にセラミック粒子ともいう）22，32を含有している。そして、リード３に含まれるセラミック粒子32よりも抵抗体２に含まれるセラミック粒子22の方が小さい。

本実施の形態のヒータ10における絶縁基体１は、例えば棒状である。この絶縁基体１は導体線路６（抵抗体２およびリード３）を被覆している。言い換えると、導体線路６（抵抗体２およびリード３）が絶縁基体１に埋設されている。ここで、絶縁基体１はセラミックスで形成されている。これにより、絶縁基体１の耐熱性を上げることができる。その結果、ヒータ10の高温環境下における信頼性が向上する。具体的には、絶縁基体１に用いられるセラミックスとしては、酸化物セラミックス，窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的に絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。本実施の形態のヒータ10においては、絶縁基体１は窒化珪素質セラミックスからなる。窒化珪素質セラミックスは、強度、靱性、絶縁性および耐熱性が優れている。この窒化珪素質セラミックスは、以下の方法で得ることができる。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またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、0.5〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２を混合する。このとき、焼結体に含まれるＳｉＯ_２量が1.5〜５質量％となるようにＳｉＯ_２を加える。そして、得られた混合体を所定の形状に成形する。その後、例えば1650〜1780℃でホットプレス焼成することにより、窒化珪素質セラミックスを得ることができる。

また、本実施の形態においては、窒化珪素質セラミックスからなる絶縁基体１に、ＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を分散させている。この場合には、窒化珪素質セラミックスを母材とする絶縁基体１の熱膨張率を、ＭｏまたはＷ等を含む導体線路６の熱膨張率に近づけることができる。これにより、絶縁基体１と導体線路６との間に生じる熱応力を低減できる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。

絶縁基体１には抵抗体２が埋設されている。抵抗体２は、主に発熱する領域である発熱部20を有している。抵抗体２が図１（ａ）に示すような折返し形状を有している場合は、折返しの中間点付近が最も発熱する。この場合には、折返しの中間点付近が発熱部20となる。

この抵抗体２は、Ｗ，ＭｏもしくはＴｉ等の金属またはこれらの金属の炭化物、窒化物もしくは珪化物等を主成分とする。この主成分が前述した導電体21である。なお、導電体21は、図１（ｂ）に示すように粒子状であってもよいが、これに限られない。導電体21は、例えば、鱗片状または針状等であってもよい。

本実施の形態のヒータ10は、抵抗体２が導電体21として炭化タングステン（ＷＣ）を含んでいる。これは、絶縁基体１を構成する窒化珪素質セラミックスと抵抗体２を構成するＷＣとの熱膨張率の差が小さいためである。また、ＷＣは、高い耐熱性を有している点においても抵抗体２の材料として優れている。さらに、本実施の形態においては、抵抗体２は、ＷＣを主成分とするとともに、このＷＣに20質量％以上の窒化珪素が添加されている。この窒化珪素が前述したセラミック粒子22である。窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体１において、抵抗体２となる導電体21は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きい。そのため、ヒートサイクル下において、絶縁基体１と抵抗体２との間には、熱応力がかかる。そこで、抵抗体２中にセラミック粒子22として窒化珪素を添加することにより、抵抗体２の熱膨張率を絶縁基体１の熱膨張率に近づける。これにより、ヒータ10の昇温時および降温時に絶縁基体１と抵抗体２との間に生じる熱応力を低減できる。

また、抵抗体２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２の抵抗値のばらつきを小さくできるので、抵抗値の調整を容易に行なうことができる。
従って、本実施の形態のヒータ10において、抵抗体２に含まれる窒化珪素の含有量は20〜40質量％である。また、抵抗体２に添加する添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４〜12質量％添加することもできる。

また、本実施の形態のヒータ10においては、抵抗体２の厚みは例えば0.5〜1.5ｍｍである。また、抵抗体２の幅は例えば0.3〜1.3ｍｍである。この範囲内で抵抗体２の厚みと幅とを設定することにより、抵抗体２の抵抗を大きくできる。これにより、抵抗体２を効率良く発熱させることができる。

抵抗体２の端部に接続されたリード３は、Ｗ，ＭｏもしくはＴｉ等の金属またはこれらの金属の炭化物、窒化物もしくは珪化物等を主成分とする。この主成分が前述した導電体31である。リード３は、抵抗体２と同様の材料を使用することができる。本実施の形態のヒータ10は、リード３が導電体31としてＷＣを含んでいる。これは、絶縁基体１を構成する窒化珪素質セラミックスとＷＣとの熱膨張率の差が小さいためである。さらに、本実施の形態においては、リード３は、ＷＣを主成分とするとともに、このＷＣに15質量％以上の窒化珪素が添加されている。この窒化珪素が前述したセラミック粒子32である。リード３中の窒化珪素の含有量を増やすほど、リード３の熱膨張率を絶縁基体１の熱膨張率に近づけることができる。これにより、リード３と絶縁基体１との間に生じる熱応力を低減できる。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３の抵抗値のばらつきを小さくできるので、抵抗値の調整を容易に行なうことができる。従って、本実施の形態のヒータ10において、リード３に含まれる窒化珪素の含有量は15〜40質量％である。

本実施の形態のヒータ10においては、リード３における電流の流れる方向に対して垂直な方向の断面積が、抵抗体２における電流の流れる方向に対して垂直な方向の断面積よりも大きい。具体的には、リード３の断面積は、抵抗体２の断面積の２〜５倍程度の大きさである。これにより、リード３の抵抗を抵抗体２の抵抗よりも小さくできる。言い換えると、抵抗体２の抵抗をリード３の抵抗よりも大きくしている。このように、ヒータ10は、抵抗体２において発熱するように設計されている。具体的には、本実施の形態のヒータ10においては、リード３の厚みは例えば１〜２．５ｍｍである。また、本実施の形態のヒータ10においては、リード３の幅は例えば０．５〜１．５ｍｍである。

なお、リード３におけるセラミック粒子32の含有量を抵抗体２におけるセラミック粒子22の含有量よりも少なくすることによって、リード３の抵抗値を抵抗体２の抵抗値よりも低くしてもよい。

ここで、導体線路６（抵抗体２およびリード３）には導電体21，31とセラミック粒子22，32とが含まれている。そして、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22がリード３に含まれるセラミック粒子32よりも小さい。これにより、ヒートサイクル下において、抵抗体２と絶縁基体１との間に生じる熱応力の大きさと、リード３と絶縁基体１との間に生じる熱応力の大きさとを近づけることができる。その結果、ヒータ10の内部に生じる熱応力が特定の部位に偏ることを低減できる。

具体的には、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22が小さいことによって、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22の比表面積が大きくなる。比表面積が大きいセラミック粒子22が導電体21に分散していることによって、抵抗体２が相対的に熱膨張しにくくなる。反対に、リード３に含まれるセラミック粒子32が大きいことによって、リード３に含まれるセラミック粒子32の比表面積が小さくなる。比表面積が小さいセラミック粒子32が導電体31に分散していることによって、リード３が相対的に熱膨張しやすくなる。一方、ヒータ10を使用する際のヒータ10の温度分布に注目すると、発熱する抵抗体２が相対的に高い温度になるとともに、リード３が相対的に低い温度になる。つまり、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22がリード３に含まれるセラミック粒子32よりも小さいことによって、相対的に高い温度になる抵抗体２を熱膨張しにくくするとともに、相対的に低い温度になるリード３を熱膨張しやすくできる。これにより、ヒータ10を使用する際に、抵抗体２と絶縁基体１との間に生じる熱応力とリード３と絶縁基体１との間に生じる熱応力の差を小さくすることができる。

ここで、リード３に含まれるセラミック粒子32の平均粒径は例えば0.1〜15μｍである。抵抗体２に含まれるセラミック粒子22の平均粒径は、リード３に含まれるセラミック粒子の平均粒径の20％以上90％以下、好ましくは50％以上70％以下の大きさである。

このセラミック粒子22，32の平均粒径は、次のようにして測定すればよい。ヒータ10を抵抗体２またはリード３が埋設された任意の場所で切断して、断面部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または金属顕微鏡で観察する。得られた画像に、任意の５本の直線を引き、その直線を横切った粒子50個分の長さの平均値を平均粒径とすることができる。この平均粒径の求め方はコード法といわれるものである。また、上記のようなコード法の代わりに、ニレコ社製画像解析装置ＬＵＺＥＸ−ＦＳにて、平均粒径を求めることもできる。

また、本実施の形態のヒータ10においては、導体線路６（抵抗体２およびリード３）を構成するセラミック粒子22，32は、絶縁基体１を形成するセラミックスと同じ材料からなる。これにより、導体線路６（抵抗体２およびリード３）が高温になったときに、絶縁基体１との間に生じる熱応力を低減できる。これにより、導体線路６と絶縁基体１との界面にマイクロクラックが生じることを低減できる。なお、セラミック粒子22，32が絶縁基体１を形成するセラミックスと同じ材料であるとは、セラミック粒子22，32が絶縁基体１と全く同じセラミックスからなるものに限られない。具体的には、セラミック粒子22，32の主成分と絶縁基体１の主成分とが同じセラミックスからなるものも含まれる。例えば、絶縁基体１が窒化珪素を主成分としてこれに焼結助剤成分が含まれているものである場合に、セラミック粒子22，32が窒化珪素からなる場合が挙げられる。

また、本実施の形態の別の例においては、図２に示すように、抵抗体２およびリード３に含まれるセラミック粒子22，32は、ともに針状の粒子である。この場合において、リード３に含まれるセラミック粒子32の長軸の長さよりも抵抗体２に含まれるセラミック粒子22の長軸の長さの方が短い。

具体的には、本発明の実施の別の例においては、リード３に含まれるセラミック粒子32を上述のコード法で観察したときに、直線を横切る粒子のアスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）の平均値が例えば1.5〜10であり、長軸の長さの平均値が例えば0.1〜15μｍである。このとき、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22を上述のコード法で観察したときに、直線を横切る粒子のアスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）の平均値がリード３に含まれるセラミック粒子32のアスペクト比の平均値よりも小さい。そして、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22の長軸の長さの平均値が、リード３に含まれるセラミック粒子32の長軸の長さの平均値の90％以下である。

抵抗体２およびリード３に含まれるセラミック粒子22，32がともに針状の粒子であることによって、セラミック粒子22同士およびセラミック粒子32同士がそれぞれお互いに絡み合うことにより、ヒータ10の強度が向上する。その結果、外力によってヒータ10に折れが生じる可能性を低減することができる。

なお、抵抗体２およびリード３に含まれるセラミック粒子22，32は、ともに針状の粒子である場合に限られず、リード３に含まれるセラミック粒子32が針状の粒子であり、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22が針状ではない粒子であってもよい。また、抵抗体２に含まれるセラミック粒子22が針状の粒子であり、リード３に含まれるセラミック粒子32が針状ではない粒子であってもよい。このような場合には、針状の粒子の長軸の長さと、針状ではない粒子の長さ（径）とを比較して、粒子の大小を評価する。

また、図３に示すように、リード３は抵抗体２の端部を包み込むようにして抵抗体２の端部に接続されていてもよい。抵抗体２の端部は熱応力が集中しやすい傾向にあるが、この部分をリード３で包みこんでおくことによって、絶縁基体１との間に生じる熱応力を低減することができる。これにより、抵抗体２の表層部のセラミック粒子22と導電体21との間にはマイクロクラックが生じにくくなる。その結果、抵抗体２の抵抗値の変化を低減できる。

本実施の形態のヒータ10は、図４に示すように、リード３に電気的に接続されるとともにヒータ10を保持する金属製保持部材４を備えたグロープラグ100として使用することができる。具体的には、本例のグロープラグ100は、一方のリード３に金属製保持部材４（シース金具）が電気的に接続されている。他方のリード３に例えば電極５が電気的に接続されている。電極５としては、キャップタイプの電極等を用いることができる。また、電極５の他の例としては、例えば、ワイヤー等を用いることもできる。

なお、金属製保持部材４（シース金具）は、ヒータ10を保持する金属製の筒状体である。絶縁基体１の側面に引き出された一方のリード３にロウ材等で接合されている。また、電極５は、絶縁基体１の後端に引き出された他方のリード３にロウ材等で接合されている。本例のグロープラグ100は、抵抗体２と絶縁基体１との間に生じる熱応力とリード３と絶縁基体１との間に生じる熱応力の差が低減されたヒータ10を備えていることによって、耐久性が向上している。

次に、本実施の形態のヒータ10の製造方法について説明する。

本実施の形態のヒータ10は、例えば、射出成形法等によって形成することができる。

まず、導電体21，31の材料として、ＷＣ，ＷＳｉ_２，ＭｏＳｉ_２またはＳｉＣ等の導電性セラミック粉末を準備する。また、セラミック粒子22，32の材料として、Ｓｉ_３Ｎ_４，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２またはＡｌＮ等の絶縁性セラミック粉末を準備する。そして、導電性セラミック粉末を用いて、抵抗体２またはリード３となる導電性ペーストを作製する。そして、導電性ペーストに絶縁性セラミック粉末を分散させる。このとき、抵抗体２となる導電性ペーストに加える絶縁性セラミック粉末は、リード３となる導電性ペーストに加える絶縁性セラミック粉末よりも粒径が小さいものを用いる。また、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む絶縁基体１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２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ｂ）を成形する。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１の成形用のものに取り替える。そして、金型内に絶縁基体１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10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、30〜50ＭＰａの圧力で焼成することにより、ヒータ10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。

本発明のヒータ10の実施例を説明する。試料２，３として、上述の製造方法を用いた試料を２つ作製した。さらに、比較例として、試料１を作製した。具体的には、試料１〜３は、絶縁基体１が窒化珪素を主成分としており、抵抗体２およびリード３がＷＣを主成分としている。そして、試料１〜３は、抵抗体２およびリード３に絶縁性セラミック粒子22，32として窒化珪素を分散させた。分散させた絶縁性セラミック粒子22，32の粒径は、以下の通りである。試料１においては、抵抗体２に平均粒径10μｍの絶縁性セラミック粒子22を、リード３に平均粒径８μｍの絶縁性セラミック粒子32を分散させた。試料２においては、抵抗体２に平均粒径６μｍの絶縁性セラミック粒子22を、リード３に平均粒径８μｍの絶縁性セラミック粒子32を分散させた。試料３においては、抵抗体２に平均粒径４μｍの絶縁性セラミック粒子22を、リード３に平均粒径８μｍの絶縁性セラミック粒子32を分散させた。

なお、絶縁基体１の横断面における外周形状は円形である。また、抵抗体２およびリード３の横断面における外周形状は楕円形である。そして、絶縁基体１の直径は3.5ｍｍ、抵抗体２およびリード３の厚みは1.3ｍｍ、幅は0.6ｍｍであった。

これらのヒータ10を用いてサイクル試験を行なった。サイクル試験の条件は、以下の通りである。まず、ヒータ10に抵抗体２の温度が1400℃になるように５分間の通電を行ない、その後、通電を停止して２分間放置する。これを１サイクルとして、１万サイクルのヒートサイクル試験を行なった。その結果を表１に示す。

ヒートサイクル試験前と試験後とのヒータ10の抵抗値の変化を測定したところ、本発明の実施例の試料（試料２，３）は抵抗変化率が１％以下であった。また、抵抗体２とリード３とを観察したところ、それぞれにも両者の接続部にもマイクロクラックの発生は見られなかった。これに対し、比較例の試料（試料１）は、抵抗変化率が40％であった。また、抵抗体２とリード３との接続部にクラックが発生していた。以上の結果から、本発明の構成を用いることによって、ヒータ10に生じる熱応力を低減できることが分かった。

１：絶縁基体
２：抵抗体
10：ヒータ
100：グロープラグ
20：発熱部
３：リード
21，31：導電体
22，32：絶縁性セラミック粒子
４：金属製保持部材
５：電極
６：導体線路

Claims

セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、該抵抗体の端部に接続されたリードとを備えたヒータであって、前記抵抗体および前記リードはともに導電体および該導電体中に分散している絶縁性セラミック粒子を含有しており、前記リードに含まれる前記絶縁性セラミック粒子よりも前記抵抗体に含まれる前記絶縁性セラミック粒子の方が小さいヒータ。
前記抵抗体および前記リードに含まれる前記絶縁性セラミック粒子はともに針状の粒子からなり、前記リードに含まれる前記絶縁性セラミック粒子の長軸の長さよりも前記抵抗体に含まれる前記絶縁性セラミック粒子の長軸の長さの方が短い請求項１に記載のヒータ。
前記絶縁性セラミック粒子は前記絶縁基体を形成する前記セラミックスと同じ材料からなる請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記リードは、前記抵抗体の端部を包み込むようにして前記抵抗体の端部に接続されている請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のヒータ。
請求項１に記載のヒータと、前記導体線路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。