JP6075810B2 - ヒータおよびグロープラグ - Google Patents

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。

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、実開昭６３−８０４５６号公報（以下、特許文献１という）に開示されたヒータが知られている。特許文献１に開示されたヒータは、内部に発熱抵抗体が埋設されたセラミック体と、セラミック体の一端を覆うように設けられた金属キャップとを備えている。金属キャップは発熱抵抗体に電気的に接続されており、この金属キャップにリード端子を接続することによって、発熱抵抗体に電力を供給することができる。このようにして、ヒータを発熱させることができる。

しかしながら、特許文献１に開示されたヒータにおいては、異なる材料から成るセラミック体と金属キャップとの間に熱応力が生じる場合があった。そのため、ヒートサイクル下におけるヒータの長期信頼性を向上させることが困難であるという問題点があった。

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、セラミック体と金属キャップとの間に生じる熱応力を低減することができるヒータを提供することにある。

本発明の一態様のヒータは、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、少なくとも前記セラミック体の一端の表面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、前記セラミック体の前記一端を前記導体層の少なくとも一部とともに覆うように設けられた外部接続用の金属キャップとを備えており、該金属キャップが外周の一部に外側から内側に向かうスリットを有しており、前記スリットの先端部が前記金属キャップの中心に達していることを特徴とする。

本発明のヒータおよびグロープラグの一実施形態の断面図である。 図１に示すヒータのセラミック体の一端および導体層の斜視図である。 図１に示すヒータの金属キャップの斜視図である。 図１に示すヒータのうち金属キャップの近傍を拡大した斜視図である。 図１に示すヒータのうち金属キャップの近傍を拡大した断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒータについて、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るヒータ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の一端側を覆う金属キャップ４とを備えている。また、図１には示していないが、図２に示すように、セラミック体１の一端側にはさらに導体層３が設けられている。なお、図２においては、導体層３が設けられた領域をハッチングで示している。発熱抵抗体２と導体層３とは、導出部２２を介して電気的に接続されている。

セラミック体１は、例えば、棒状に形成された部材である。なお、ここでいう棒状とは、一方向に長い形状であることを意味している。そのため、例えば、一方向に長い板状のような形状であったとしても棒状として見なすことができる。セラミック体１には、一端側にテーパー部１１が設けられている。セラミック体１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用いられる。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を有している点で優れている。

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Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれる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。棒状のセラミック体１である場合、その長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック体１の直径は、例えば２．５〜５ｍｍに設定される。セラミック体１の長さが２０〜５０ｍｍ程度であって、セラミック体１の直径が３ｍｍ程度の場合には、テーパー部１１の長さは０．１〜３ｍｍに、テーパー部１１の端面の直径は１〜２．９ｍｍに設定できる。

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、ＭｏＳｉ_２およびＷＳｉ_２等を混合して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。

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、主に発熱する部分である発熱部２１と、発熱部２１に接続された導出部２２とから成る。発熱抵抗体２とのうち、発熱部２１はセラミック体１の他端側に設けられている。発熱部２１は、折返し形状を有しており、それぞれの端部が導出部２２に接続されている。発熱部２１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部２１の先端から発熱抵抗体２の後端までの長さは、例えば２〜１０ｍｍに設定される。

導出部２２は、発熱部２１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、一端がセラミック体１の表面に引き出されているとともに、他端が発熱部２１に接続されている。導出部２２は、発熱部２１の両端に別々に接続されている。一方の導出部２２は、セラミック体１の一端側の端面に引き出されている。図２においては、セラミック体１の一端側の端面において導出部２２が引き出されている箇所を破線で示している。また、他方の導出部２２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。

発熱抵抗体２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。発熱部２１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２２は、セラミック体１の形成材料の含有量を発熱部２１よりも少なくしたり、発熱部２１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部２１よりも低くなっている。

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の一端側に設けられている。より具体的には、導体層３は、セラミック体１の端面およびテーパー部１１の外周面の一部に設けられている。導体層３は、導出部２２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、メタライズ層およびメタライズ層に積層されたメッキ層から成る。メタライズ層としては、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（Ｐｄ）を含むメタライズ層を用いることができる。メッキ層としては、例えばニッケルボロンメッキ、金メッキまたはニッケルメッキを用いることができる。メタライズ層の厚みは、例えば２０〜４０μｍ程度に設定できる。また、メッキ層の厚みは、例えば１μｍ以上であることが好ましい。

金属キャップ４は、底部４１と側部４２とを有する金属製の部材である。金属キャップ４には、例えばステンレスまたは鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料を用いることができる。特に、熱膨張の観点から鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金を用いることが好ましい。金属キャップ４は、導体層３と外部の電極との接続を強固に行なうための部材である。金属キャップ４は、セラミック体１の一端側および導体層３の少なくとも一部を覆うように設けられており、導体層３に電気的に接続されている。金属キャップ４は、セラミック体１のテーパーに対応した形状を有している。具体的には、底部４１は、略円径の板状である。また、側部４２は、セラミック体１の軸長さ方向に垂直な断面で見たときに、側部４２の形状が略円環であるとともに、底部４１から離れるにつれて広がる形状である。金属キャップ４は、底部４１がセラミック体１の一端と面するとともに、側部４２がテーパー部１１の一部を覆うようにしてセラミック体１に取り付けられる。

さらに、金属キャップ４は、図３および図４に示すように、金属キャップ４の外周の一部に外側すなわち縁から内側すなわち中央部の側に向かうスリット４３を有している。より具体的には、側部４２の下端から底部４１の中心に向かうスリット４３を有している。これにより、金属キャップ４が熱膨張するときに、スリット４３の幅が狭まるように変形することができる。そのため、金属キャップ４の熱膨張量とセラミック体１の熱膨張量との差を小さくすることができる。これにより、金属キャップ４とセラミック体１との間に生じる熱応力を低減することができる。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。

さらに、図５に示すように、金属キャップ４は、側部４２の内周面の傾斜角αがテーパー部１１の傾斜角βに比べて大きい。ここでいう、傾斜角αは、底部４１の内側の面を含む平面に対し側部４２の内周面がどれだけ傾斜しているかを示している。また、傾斜角βは、セラミック体１の軸方向に垂直な面に対してテーパー部１１の外周面がどれだけ傾斜しているかを示している。

傾斜角αが傾斜角βよりも大きいことによって、金属キャップ４をテーパー部１１に取り付けたときに、金属キャップ４の側部４２の下面がテーパー部１１に接するとともに、金属キャップ４の底部４１の内側面と導体層３のうちテーパー部１１の端面に設けられた部分との間に隙間を生じさせることができる。そして、図５に示すように、この隙間にろう材７を介在させることによって、金属キャップ４と導体層３とを強固に接合できる。側部４２の内周面の傾斜角αは、例えば４０〜８０°に設定できる。また、テーパー部１１の傾斜角βは、例えば４５〜７５°に設定できる。なお、図１および図４では、図面の見やすさを優先してろう材７の図示を省略している。

また、金属キャップ４は、スリット４３が金属キャップ４の中心に達している。言い換えると、スリット４３が金属キャップ４の側部４２の下端から底部４１の中央部にまで形成されている。これにより、底部４１における周方向の熱膨張をバランスよく低減できるので、熱膨張後の底部４１の形状が熱膨張前から比べて歪んでしまうことを低減できる。これにより、金属キャップ４に生じる熱応力をさらに低減することができる。

ここで、本実施形態のヒータ１０においては、中心部においてスリット４３の先端部が丸孔状に加工されている。このような形状も１つのスリット４３と見なすことができる。無論、単に幅が一定のスリット４３が底部４１の中心に達していても構わないし、スリット４３の幅が途中で変化していても構わない。

金属キャップ４の寸法は、セラミック体１の直径が３ｍｍ程度の場合には、例えば、底部４１の内径を１．５〜２ｍｍ程度に、底部４１の厚みを０．１〜０．５ｍｍ程度に設定できる。また、側部４２のうち下端の内径を１．５〜２．５ｍｍ程度に、側部４２の厚みを０．１〜０．５ｍｍ程度に、側部４２の高さを１〜１．２ｍｍに設定できる。また、スリット４３の長さは１〜２ｍｍに設定できる。

ヒータ１０は、端部が導体層３に接続されたリード端子５をさらに備えている。リード端子５は、金属キャップ４および導体層３と外部の電極とを電気的に接続するための部材である。リード端子５は、例えばニッケルまたはステンレス等の金属材料から成る。リード端子５は、線状の部材であって、端部が金属キャップ４のスリット４３の内部に位置して金属キャップ４に接合されている。これにより、単に金属キャップ４の底部４１の外側面とリード端子５とを接合する場合と比較して、金属キャップ４とリード端子５とを強固に接合することができる。このとき、前述したろう材７はスリット４３のうち底部４１に位置する部分の内部にまで広がっているとともに、ろう材７がリード端子５を囲んでいる。

さらに、図５に示すヒータ１０においては、ろう材７が、スリット４３のうち底部４１に位置する部分の内部だけではなく、底部４１の外側にまで濡れ広がるとともに、底部４１の外側にまで濡れ広がった部分がリード端子５の端部を囲んでいる。これにより、金属キャップ４とリード端子５とをさらに強固に接合できる。

さらに、スリット４３のうち先端部の幅がスリット４３のうち外側から内側に向かう部分の幅よりも大きい。具体的には、金属キャップ４の底部４１の中心部においてスリット４３の先端部が平面視したときに円形状であるとともに、このスリット４３の先端部の径（幅）がスリット４３のうち外側から内側に向かう部分の幅よりも大きい。これにより、リード端子５をスリット４３の先端部の内部に位置させて、金属キャップ４とリード端子５とを接合するときに、リード端子５がスリット４３のうち外側から内側に向かう部分にずれてしまうおそれを低減できる。このとき、リード端子５の径を、スリット４３のうち外側から内側に向かう部分の幅よりも大きく、スリット４３の先端部の径（幅）よりも小さくしてもよい。これにより、リード端子５がスリット４３のうち外側から内側に向かう部分にずれてしまうおそれをさらに低減できる。

なお、本実施形態においては、スリット４３の先端部の形状が円形状であるが、これに限られない。具体的には、スリット４３の先端部は、四角形状等の多角形状であってもよい。また、スリット４３の先端部は、楕円形状または長円形状等であってもよい。なお、スリット４３の先端部の形状が多角形状の場合には、角と角とを結ぶ対角線の中で最も長い対角線の長さを幅の大きさとして見なすことができる。また、スリット４３の先端部の形状が楕円形状または長円形状の場合には、長軸の長さを幅の大きさとして見なすことができる。

また、スリット４３のうち底部４１に位置する部分の内部にろう材７が濡れ広がるとともに、スリット４３のうち側部４２に位置する部分にはろう材７が濡れ広がっていないようにしてもよい。これにより、金属キャップ４とリード端子５とを強固に接合しつつ、金属キャップ４とセラミック体１との間に生じる熱応力を低減することができる。

また、ろう材７が、導体層３のうちセラミック体１の端面に設けられた部分だけではなく、テーパー部１１の外周面の一部に設けられた部分にまで濡れ広がっていてもよい。そして、導体層３のうちテーパー部１１の外周面の一部に設けられた部分と金属キャップ４の側部４２とが接合されていてもよい。これにより、金属キャップ４とリード端子５とをさらに強固に接合できる。

さらに、金属キャップ４が底部４１および側部４２を有するとともに、導体層３がセラミック体１の表面のうち金属キャップ４の側部４２の開口側の端部よりも底部４１側に位置している。より詳しくは、金属キャップ４の側部４２のうち底部４１の反対側に位置する端部がテーパー部１１の外周面に接しており、テーパー部１１の外周面のうち側部４２に接する部分よりもセラミック体１の端面側に導体層３が設けられている。言い換えると、テーパー部１１の外周面のうち側部４２に接する部分には導体層３が設けられていない構成にしてもよい。これにより、導体層３と金属キャップ４とをろう材７によって接合するときに、ろう材７を導体層３と金属キャップ４との間に溜めやすくすることができる。

上述したように、発熱抵抗体２の導出部２２はセラミック体１の一端の端面に引き出されている。そして、この導出部２２が引き出された部位がスリット４３と重なっており、リード端子５はスリット４３の内部に位置している。さらに、リード端子５がこの導出部２２が引き出された部位に重なるように位置している。これにより、導出部２２とリード端子５とを近付けることができるので、導出部２２とリード端子５との間の電気の流れる経路を短くすることができる。そのため、導出部２２とリード端子５との間で無駄な抵抗が発生することを抑制できる。

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６とを備えている。

金属部材６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６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６の内側にセラミック体１が挿入されている。金属部材６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２２に電気的に接続されている。金属部材６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。

金属部材６とセラミック体１とは、ろう材（図示せず）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６とセラミック体１とが強固に固定される。

ろう材７および金属部材６とセラミック体１とを接合するろう材としては、ガラス成分を５〜３０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。本実施形態のグロープラグ１００は、金属キャップ４とセラミック体１との間に生じる熱応力が低減されたヒータ１０を備えていることによって、ヒータ１０の長期信頼性が向上している。その結果、グロープラグ１００の長期信頼性が向上している。

１：セラミック体
１１：テーパー部
２：発熱抵抗体
２１：発熱部
２２：導出部
３：導体層
４：金属キャップ
４１：底部
４２：側部
４３：スリット
５：リード端子
６：金属部材
７：ろう材
１０：ヒータ
１００：グロープラグ

Claims (7)

1. 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、少なくとも前記セラミック体の一端の表面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、前記セラミック体の前記一端を前記導体層の少なくとも一部とともに覆うように設けられた外部接続用の金属キャップとを備えており、
   該金属キャップが外周の一部に外側から内側に向かうスリットを有しており、前記スリットの先端部が前記金属キャップの中心に達しているヒータ。
2. 前記スリットのうち先端部の幅が前記スリットのうち外側から内側に向かう部分の幅よりも大きい請求項１に記載のヒータ。
3. 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、少なくとも前記セラミック体の一端の表面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、前記セラミック体の前記一端を前記導体層の少なくとも一部とともに覆うように設けられた外部接続用の金属キャップとを備えており、
   該金属キャップが外周の一部に外側から内側に向かうスリットを有しており、前記スリットのうち先端部の幅が前記スリットのうち外側から内側に向かう部分の幅よりも大きいヒータ。
4. 端部が前記導体層に接続されたリード端子をさらに有しており、該リード端子の前記端部が前記スリットの内部に位置して前記金属キャップに接合されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
5. 前記発熱抵抗体が前記セラミック体の前記一端の端面に引き出されているとともに、前記発熱抵抗体の引き出された部位が前記スリットと重なっている請求項４に記載のヒータ。
6. 前記金属キャップが底部および側部を有するとともに、前記導体層が前記セラミック体の表面のうち前記金属キャップの前記側部の開口側の端部よりも底部側に位置している請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータと、該ヒータの前記一端側に取り付けられた筒状の金属部材とを備えるグロープラグ。

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