JP5829691B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

ヒータおよびこれを備えたグロープラグ Download PDF

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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。
ディーゼルエンジンの着火補助用として用いられるグロープラグ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、リードの軸方向に平行な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
近年では更なる高温化や急速昇温の為に大電流を流す必要もある。しかし、抵抗値の変わる接続領域(抵抗体とリードが共存する領域)は、抵抗体とリードとの熱膨張差による負荷が大きく、マイクロクラック等が入りやすい。その結果、従来のグロープラグでは、断線や異常発熱、クラック伸展によるショートを引き起こすおそれがあり、絶縁性や耐久性の面で要求性能を満たせなくなる傾向がある。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートの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を目的とする。
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、前記抵抗体に接続されたリードとを備え、前記抵抗体と前記リードとは該リードの軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、前記抵抗体は該抵抗体と前記リードとの接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有しており、前記太くなった部位が前記抵抗体の端部にあ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、前記リードと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、抵抗体が接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有していることにより、太くなった部位の断面積が大きく抵抗値が低いことから、この部位における急速昇温時の熱膨張が小さくなり、マイクロクラック等が入りにくくなる。その結果、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートが抑制される。
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。 本発明のヒータの実施の形態の一例の要部拡大縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。 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り、図2は本発明のヒータの実施の形態の一例の要部拡大縦断面図である。
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に埋設されて抵抗体3に接続されたリード4とを備え、抵抗体3とリード4とはリード4の軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、抵抗体3は該抵抗体3とリード4との接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位31を有している。
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,Yb,Er等の希土類元素酸化物、0.5〜3質量%のAl、さらに焼結体に含まれるSiO量として1.5〜5質量%となるようにSiO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,WSi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、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32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、抵抗体3の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で絶縁基体2の表面に導出されている。図1に示す例では、一端部から他端部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の一端部に接続され、他端側で絶縁基体2の後端部に導出されている。また、他方のリード4は、一端側で抵抗体3の他端部に接続され、他端側で絶縁基体2の後端寄りの側面に導出されている。
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、図2に示すように、抵抗体3とリード4とは、リード4の軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、抵抗体3は該抵抗体3とリード4との接続領域において、当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位31を有している。なお、図2は、図1の紙面に垂直な方向から見た要部であり、図1に示す領域Aに含まれる抵抗体3およびリード4を示している。また、リード4の軸方向に垂直な方向に重なるとは、例えば図1の紙面に垂直な方向に重なる部位を有していることを意味している。そして、図に示す領域Bが抵抗体3とリード4との接続領域である。
ここで、太くなった部位31の断面積が他の領域よりも5〜30%大きくなっているのが効果的である。また、抵抗体3とリード4とがリード4の軸方向に垂直な方向に重なる接続領域において、太くなった部位31の長手方向に占める割合が10〜50%であるのが効果的である。
これにより、抵抗体3とリード4との熱膨張差による負荷が大きく、マイクロクラックが入りやすい接続領域において、太くなった部位31の断面積が大きく抵抗値が低いことから、この部位における急速昇温時の熱膨張が小さくなり、マイクロクラックが入りにくくなる。その結果、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートが抑制される。
また、本発明のヒータ1は、図2に示すように、接続領域において太くなった部位31が抵抗体3の端部にあるのが好ましく、これにより接合面積が広くなって接続領域における抵抗体3とリード4との接合力が高くなることから、より断線しにくくすることができる。
なお、図2は太くなった部位31とそれ以外の部位とが段差を有する形状になっているものであるが、図3に示すように太くなった部位31が抵抗体3の端面に向かって徐々に太くなる形状になっているものでもよい。これにより、太くなった部位31とそれ以外の部位との間の抵抗値の変化を緩やかにすることができる。
また、図4に示すように、抵抗体3の端部の外周には角がなく、言い換えると端部は曲面または角部が丸みを帯びた構成からなるのが好ましい。これにより、エッジ部での急激な熱膨張及び電界集中によるクラックが抑制され、よりマイクロクラックを入りにくくすることができる。なお、図4に示す構成は、抵抗体3の端部の外周には角がなく、端部が曲面または角部が丸みを帯びた構成であって、接続領域において太くなった部位31が抵抗体3の端部にある構成でもある。
また、図5に示すように、抵抗体3が折返し部を有するとともに、抵抗体3の端部のそれぞれに接続されたリード4が同一方向に延びており、各々のリード4の軸を含む平面で切断したときの断面で見たときに、太くなった部位31と他の部位とを有していて、太くなった部位31が他の部位よりも外側に偏っているのが好ましい。ここで、他の部位とは接続領域において太くなった部位31以外の細い部位のことであり、太くなった部位31が他の部位よりも外側に偏っているとは、太くなった部位31の軸(重心の位置)が他の部位(細い部位)の軸(重心の位置)よりも外側に偏っている、すなわち一対の太くなった部位31が互いに離れるように配置されていることである。これにより、接続領域と接続領域との間の距離(リード4の軸方向に垂直な方向の距離)が長くなるため、接続領域と接続領域との間にかかる熱応力が緩和され、より絶縁破壊(ショート)しにくくすることができる。
また、本発明には図6に示すように抵抗体3とリード4との接続領域においてリード4が抵抗体3を包み込んでいないものも含まれるが、図2乃至図5に示すように抵抗体3とリード4との接続領域においてリード4が抵抗体3を包み込んでいるのが好ましく、これにより急速昇温時に熱膨張する抵抗体3の端部を覆うリード4が、線膨張係数の違う絶縁性セラミックス(絶縁基体2)との緩衝材の役割を果たし、熱応力による負荷を低減することができ、より絶縁破壊(ショート)しにくくすることができる。
なお、図2乃至図6も図1の紙面に垂直な方向から見た要部であり、図1に示す領域Aに含まれる抵抗体3およびリード4を示したものである。
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7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と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5(シース金具)とを備えた構成である。金属製保持部材5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が絶縁破壊(ショート)しにくくなることから、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。
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48となる導電性ペースト、並び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29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。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)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4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、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4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)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)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。得られた焼結体の表面に露出したリード端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。
なお、絶縁基体の直径は3.2mmであって、接続領域における細い部位および太くなった部位の横断面形状は長軸を同じ方向とする楕円形状、細い部位の短軸の長さ0.7mm、長軸の長さ0.8mm、太くなった部位の短軸の長さ0.7mm、長軸の長さ0.9mm、接続領域の長手方向長さ2mmに対して太くなった部位の長手方向長さ0.4mmであった。
こ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が抵抗値の変化は確認されず、また絶縁破壊(ショート)も発生しなかった。
1:ヒータ
2:絶縁基体
3:抵抗体
31:太くなった部位
32:発熱部
4:リード
5:金属製保持部材

Claims (5)

  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、前記抵抗体に接続されたリードとを備え、
    前記抵抗体と前記リードとは該リードの軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、前記抵抗体は該抵抗体と前記リードとの接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有しており、前記太くなった部位が前記抵抗体の端部にあることを特徴とするヒータ。
  2. 前記抵抗体の端部の外周には角がないことを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
  3. 前記抵抗体が折返し部を有するとともに、前記抵抗体の端部のそれぞれに接合された前記リードが同一方向に延びており、各々の前記リードの軸を含む平面で切断したときの断面で見たときに、前記接続領域において前記太くなった部位と他の部位とを有していて、前記太くなった部位が前記他の部位よりも外側に偏っていることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
  4. 前記抵抗体と前記リードとの接続領域において、前記リードが前記抵抗体を包み込んでいることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
  5. 請求項1に記載のヒータと、前記リードと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ことを特徴とするグロープラグ。
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