JP6075774B2 - Heater and glow plug - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータおよびこれを用いたグロープラグに関するものである。 The present invention relates to a heater used in various sensors or measuring devices such as a combustion-type in-vehicle heating device, a petroleum fan heater, a glow plug of an automobile engine, and an oxygen sensor, and a glow plug using the heater.
燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータとして、例えば、特許文献1に記載のヒータが知られている。特許文献1に記載のヒータは、一端側にテーパー部が設けられた棒状のセラミック体と、セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、テーパー部に設けられて発熱抵抗体に接続された導体層とを備えている。この導体層に外部の電極を接続させることによって、ヒータに電力を供給することができる。
For example, a heater described in
しかしながら、特許文献1に記載のヒータを従来よりも大きな振動が生じる環境下で用いた場合には、振動によって導体層にクラックが生じてしまい、導体層と外部の電極との接続に不良が生じてしまう可能性があった。そのため、振動が大きな環境下においてヒータを有効に機能させることが困難になる可能性があった。
However, when the heater described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動が大きい環境下で用いた場合であっても、導体層と外部の電極との接続を良好に維持できるヒータを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a heater that can maintain a good connection between a conductor layer and an external electrode even when used in an environment where vibration is large. There is to do.
本発明の一態様のヒータは、一端側にテーパー部が設けられた棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記テーパー部に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体層とを備えており、前記テーパー部に溝が設けられていることを特徴とする。 A heater according to an aspect of the present invention includes a rod-shaped ceramic body provided with a tapered portion on one end side, a heat generating resistor embedded in the ceramic body, and provided in the tapered portion to electrically connect the heat generating resistor. And a conductor layer connected to the groove, wherein the tapered portion is provided with a groove.
本発明の一態様のヒータによれば、テーパー部に溝が設けられていることによって、外部環境からセラミック体に伝わってきた振動による応力が、導体層とテーパー部との境界に集中することを抑制できる。具体的には、上記の応力が、導体層とテーパー部との境界だけではなく、溝が形成されている部分にもかかることになる。これにより、導体層とテーパー部との境界にかかる応力を減らすことができる。そのため、振動によって導体層にクラックが生じることを抑制できる。その結果、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。 According to the heater of one aspect of the present invention, since the groove is provided in the tapered portion, stress due to vibration transmitted from the external environment to the ceramic body is concentrated on the boundary between the conductor layer and the tapered portion. Can be suppressed. Specifically, the stress is applied not only to the boundary between the conductor layer and the tapered portion but also to the portion where the groove is formed. Thereby, the stress concerning the boundary of a conductor layer and a taper part can be reduced. Therefore, it can suppress that a crack arises in a conductor layer by vibration. As a result, the long-term reliability of the heater can be improved.
以下、本発明の一実施形態に係るヒータ10について、図面を参照しながら説明する。図1は本発明のヒータ10を示す断面図である。図1に示すように、ヒータ10は、セラミック体1と、セラミック体1に埋設された発熱抵抗体2と、セラミック体1の一端側に設けられた導体層3とを備えている。発熱抵抗体2と導体層3とは、導出部4を介して電気的に接続されている。
Hereinafter, a
セラミック体1は、例えば、棒状または板状に形成された部材である。セラミック体1は、一端側にテーパー部11が設けられている。テーパー部11には、図2に示すように、複数の溝12が設けられている。セラミック体1は、セラミックスの焼結体から成る。セラミックスの焼結体としては、例えば、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な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。具体的には、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。特に、セラミック体1が、窒化珪素質セラミックスから成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、高絶縁性および耐高熱性である点で優れている。
The
窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体1は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として5〜15質量%のY2O3、Yb2O3またはEr2O3等の希土類元素酸化物、0.5〜5質量%のAl2O3、さらに焼結体に含まれるSiO2量が1.5〜5質量%となるようにSiO2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って得ることができる。セラミック体1の長さは、例えば20〜50mmに設定され、セラミック体1の直径は、例えば3〜5mmに設定される。
The
なお、セラミック体1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であって、発熱抵抗体2がモリブデン(Mo)またはタングステン(W)から成る場合には、セラミック体1には、MoSi2およびWSi2等を混合し分散させることが好ましい。これにより、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体2の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
When the
発熱抵抗体2は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体2は、セラミック体1に埋設されている。発熱抵抗体2は、セラミック体1の他端側に設けられている。発熱抵抗体2は、折返し形状を有しており、それぞれの端部が導出部4に接続されている。発熱抵抗体2は、折返し形状における折返し部の中央付近が最も発熱する部分となっている。セラミック体1の長さ方向における発熱抵抗体2の先端から発熱抵抗体2の後端の長さは、例えば、2〜10mmに設定される。
The
導出部4は、発熱抵抗体2と外部の電源とを電気的に接続するための部材であって、一端が発熱抵抗体2に接続されるとともに、他端がセラミック体1の表面に引き出されている。導出部4は、発熱抵抗体2の両端に別々に設けられている。一方の導出部4は、セラミック体1の一端側に設けられたテーパー部11に引き出されて導体層3に接続されている。他方の導出部4は、セラミック体1の一端側の領域の外周面に引き出されている。
The lead-out
発熱抵抗体2および導出部4には、W、Moまたはチタン(Ti)等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とするものを使用することができる。さらに、発熱抵抗体2は、熱膨張率をセラミック体1の熱膨張率に近付けるために、セラミック体1と同じ材料を含んでいてもよい。発熱抵抗体2は抵抗値が高く設定されていて、特に折返し点付近で最も発熱するようになっている。一方、導出部4は、セラミック体1の形成材料の含有量を発
熱抵抗体2よりも少なくしたり、発熱抵抗体2よりも断面積を大きくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が発熱抵抗体2よりも低くなっている。
As the
導体層3は、発熱抵抗体2と外部の電極とを電気的に接続するための部材である。導体層3は、セラミック体1のテーパー部11に設けられている。導体層3は、導出部4を介して発熱抵抗体2に電気的に接続されている。導体層3は、図3に示すように、メタライズ層31およびメタライズ層31に積層されたメッキ層32から成る。メタライズ層31としては、例えば、銀、銅およびチタンを含むメタライズ層または金、ニッケルおよびパラジウムを含むメタライズ層を用いることができる。メッキ層32としては、例えば、ニッケルボロンメッキまたは金メッキを用いることができる。メタライズ層31の厚みは、例えば、20〜40μm程度に設定できる。また、メッキ層32の厚みは、例えば、1μm以上であることが好ましい。
The
本実施形態のヒータ10は、図2に示すように、導体層3が設けられているテーパー部11に溝12が設けられている。これにより、導体層3と外部の電極とを接続した際に、外部からセラミック体1に伝わってきた振動を溝12によって吸収することができる。これにより、振動によって導体層3にクラックが生じることを抑制できる。その結果、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。なお、溝12の寸法は、例えば、幅を10〜100μm、深さを10〜200μm、長さを1〜3mmに設定することができる。それぞれの溝12の寸法は同一であることが好ましい。これにより、部分的に応力が集中することを抑制できる。
As shown in FIG. 2, the
また、テーパー部11に設けられた溝12は、テーパー部11の傾斜方向に沿って設けられていることが好ましい。溝12がテーパー部に設けられていない場合、または、溝12がテーパー部11の周方向に設けられている場合には、外部の振動が伝わることによってテーパー部11において共振が生じる可能性がある。これに対して、溝12をテーパー部の傾斜方向に沿って設けておくことによって、テーパー部11において共振が生じることを防ぐことができるので、外部から伝わってきた振動を容易に止めることができる。
Further, the
また、導体層3は、図3に示すように、メタライズ層31およびメタライズ層31に積層されたメッキ層32から成るとともに、メタライズ層31の一部が溝12に入り込んでいる。これにより、メタライズ層31とセラミック体1との接合強度を向上させることができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。
As shown in FIG. 3, the
また、テーパー部11に設けられた溝12は複数である。溝12が複数設けられていることによって、振動をさらに吸収しやすくすることができる。さらに、この複数の溝12に導体層3が入り込んでいることによって、導体層3とセラミック体1との接合強度をさらに向上させることができる。
Moreover, the groove |
セラミック体1を一端側から見たときに、溝12はセラミック体1のテーパー部11に放射状に設けられている。溝12が放射状であって、さらにこの溝12に導体層3が設けられていることによって、テーパー部11における熱の伝導性を向上させることができる。すなわち、セラミック体1の一端側において部分的に熱が籠ることを抑制できる。その結果、セラミック体1に部分的に熱応力が集中することを抑制できる。
When the
溝12の内面の形状は、弧状である。溝12の内面の形状が弧状であることによって、溝12は角部を有していない構成になっている。そのため、部分的に熱応力が集中することを抑制できる。なお、ここでいう弧状とは、例えばU字形状等も含んでいる。
The shape of the inner surface of the
図1に戻って、本実施形態のグロープラグ100は、上述のヒータ10と、ヒータ10
のテーパー部11側に取り付けられた筒状の金属部材5と、金属部材5の内側に配置されて導体層3に接続された電極金具6とを備えている。
Returning to FIG. 1, the
The
金属部材5は、セラミック体1を保持するための部材である。金属部材5は、筒状の部材であって、セラミック体1の一端側を囲むように設けられている。言い換えると、金属部材5の内側にセラミック体1が挿入されている。金属部材5は、セラミック体1の一端側に引き出された他方の導出部4に電気的に接続されている。金属部材5は、例えば、ステンレスまたは鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金から成る。
The
金属部材5とセラミック体1とは、ろう材によって接合されている。ろう材は、セラミック体1の端部を囲むように設けられている。言い換えると、ろう材は、セラミック体1の端部の全周に層状に設けられている。これにより、金属部材5とセラミック体1とが強固に固定される。
The
セラミック体1にろう材を設けるためには、ろう付け前にガラス成分をセラミック体1の内面に焼き付けておけばよい。これにより、良好にろう材を設けることができる。ここで金属部材5は、電極としても機能させるために、上述のガラス成分にNi等の金属を混ぜておくとよい。これにより、導出部4とろう材と金属部材5とを電気的に接続できる。
In order to provide the brazing material on the
ろう材としては、ガラス成分を5〜20質量%含んだ銀(Ag)−銅(Cu)ろう、AgろうまたはCuろう等を用いることができる。ガラス成分はセラミックスとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいため、ろう材とセラミック体1との接合強度またはろう材と金属部材5との接合強度を向上させることができる。
As the brazing material, silver (Ag) -copper (Cu) brazing, Ag brazing, Cu brazing or the like containing 5 to 20% by mass of a glass component can be used. Since the glass component has good wettability with ceramics and has a large coefficient of friction, the bonding strength between the brazing material and the
電極金具6は、金属部材5の内側に位置している。電極金具6は、金属部材5との間で短絡が生じないように金属部材5の内周面から離れて位置している。電極金具6は、応力緩和のために設けられた螺旋部を有する金属線である。電極金具6は、導体層3に接触している。電極金具6は、導体層3に電気的に接続されるとともに、外部の電源(図示せず)に電気的に接続されている。外部の電源から、金属部材5と電極金具6との間に電圧を加えることによって、金属部材5と電極金具6とを介して発熱抵抗体2に電流を流すことができる。電極金具6は、例えば、ニッケルまたはステンレスから成る。
The electrode fitting 6 is located inside the
本実施形態のグロープラグ100は、振動を吸収することができる上述のヒータ10を備えていることによって、振動の大きな環境下で用いた場合であっても、電極金具6と導体層3との接触を保つことができる。なお、電極金具6と導体層3との接続には、例えば、銀、銅およびチタンを含む接合部材を用いることができる。
The
本発明の実施例のヒータ10およびグロープラグ100を以下のようにして作製した。
The
まず、セラミック体1の原料として、窒化珪素粉末を85質量%、焼結助剤としてYb2O3粉末を10質量%、MoSi2粉末を3.5質量%、酸化アルミニウム粉末を1.5質量%混合して、原料粉末を作製した。その後、この原料粉末を用いてプレス成型によって、焼成後にセラミック体1と成る成型体の半割を作製した。
First, as a raw material of the
次に、発熱抵抗体2および導出部4のうちセラミック体1の表面近傍に位置する一部と成る導電性ペーストとして、炭化タングステン(WC)粉末70質量%に窒化珪素粉末29.95質量%、添加剤として金属化合物Cr3C20.05質量%を混合して、適当な有機溶媒を添加したものを作製した。ここで、炭化タングステン粉末に混合した窒化珪素粉末には、焼結助剤としてYb2O3粉末0.1質量%を混合した。
Next, as a conductive paste that becomes a part of the
次に、導出部4の残りの部分と成るリードピンを半割の成型体の一方に設けた。そして、他方の成型体をリードピンが設けられた成形体に重ね合わせて、内部に発熱抵抗体2と導出部4とが埋設された成型体を得た。リードピンとしては、タングステンを主成分とするWリードピンを用いた。
Next, a lead pin serving as the remaining part of the lead-out
次に、得られた成型体を円筒状の炭素製の型に入れた後に、還元雰囲気中で1700℃、35MPaの条件でホットプレス焼成を行なった。 Next, after putting the obtained molding into a cylindrical carbon mold, hot press firing was performed in a reducing atmosphere at 1700 ° C. and 35 MPa.
次に、焼結体に研磨加工を施すことによって、φ4mm、全長40mmのヒータ10を得た。さらに、試料1として、得られた円柱状のヒータ10の端部を砥石で研磨することによって、テーパー部11と溝12部とを形成したヒータ10を準備した。また、比較例である試料2として、テーパー部11のみを形成したヒータを準備した。試料1および試料2共にテーパー部11を形成した後にメタライズ層31とメッキ層32を形成した。メタライズ層31としては銀、銅およびチタンを含むメタライズ層を20μm、メッキ層32としてはニッケルボロンメッキ層を2μm形成した。
Next, the sintered body was polished to obtain a
最後に、得られたヒータ10に金属部材5および電極金具6を取り付けた。金属部材5と導出部4とを電気的に接続するようにろう材によって接合した。また、金属部材5と導体層3とをろう材によって接合した。
Finally, the
そして、準備した各試料のヒータ10に、電圧を印加して、1500℃を上限としてセラミック体1の表面の温度を上昇・下降させるサイクル試験を行なった。具体的には、セラミック体1の表面の温度が1500℃の状態で発熱抵抗体2に1分間の通電を継続した後に、通電を停止して1分間の自然冷却を行ない、これを1サイクルとして10000サイクルの通電を行なった。通電時には、各試料に対して所定の周波数の振動を与えた。そして、試験前の電極金具6と金具部材5との間の抵抗値を25℃の恒温水槽中で測定した。試験後も試験前と同様の条件で抵抗値を測定して、試験前の抵抗値と比較して抵抗変化率を求めた。
Then, a cycle test was performed in which a voltage was applied to the
その結果、試料2のヒータに関しては、試験後の抵抗変化率が12%であったが、試料1のヒータ10に関しては、試験後の抵抗変化率が0.5%であった。また、SEMによって導体層3を観察したところ、試料2のヒータのメタライズ層にはクラックが発生していたが、試料1のヒータ10のメタライズ層31にはクラックが発生していないことが確認できた。
As a result, the resistance change rate after the test for the heater of the
以上の結果から、本発明のヒータ10は、比較例のヒータと比較して、振動下における耐久性が向上していることが確認できた。
From the above results, it was confirmed that the
1:セラミック体
11:テーパー部
12:溝
2:発熱抵抗体
3:導体層
31:メタライズ層
32:メッキ層
4:導出部
5:金属部材
6:電極金具
10:ヒータ
100:グロープラグ
1: Ceramic body 11: Tapered portion 12: Groove 2: Heating resistor 3: Conductor layer 31: Metallized layer 32: Plating layer 4: Derived portion 5: Metal member 6: Electrode fitting 10: Heater 100: Glow plug
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