JP6105464B2

JP6105464B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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Publication number: JP6105464B2
Application number: JP2013270700A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎田井村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP2015125947A

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およびこれを備えたグロープラグに関するものである。

ヒータとして、例えば、特許文献１に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック製の基体とこの基体中に埋設された発熱素子とを備えている。発熱素子は、本体部分と、この本体部分と外部の電源とを電気的に接続するための電極取出部とを有している。電極取出部は、基体の表面側から基体の内部側に向かうに連れて断面積が大きくなるように形成されている。さらに、電極取出部は、電極取出部と基体との界面において接線を引いたときに、この接線の基体の表面に対する傾斜角が基体の表面側から基体の内部側に向かうに連れて小さくなるように形成されている。

特開２００７−２４００８０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る。このような要求は、例えばエンジンの始動時に発熱素子に大電流を流す必要があることによるものである。しかしながら、発熱素子に大電流を流した場合には、電極取出部が局所的に発熱して、大きな熱膨張を起こす場合があった。そのため、電極取出部と基体との間に熱応力が生じてクラックが発生する場合があった。特許文献１に開示されたセラミックヒータのように、電極取出部と基体との界面における接線の基体の表面に対する傾斜角が基体の表面側から基体の内部側に向かうに連れて小さくなるように形成されている場合には、基体の表面側において電極取出部と基体との間に生じたクラックが、基体と電極取出部との界面を進行した後に、電極取出部の内部に進入する場合があった。そのため、電極取出部の抵抗値が変化してしまう場合があった。その結果、発熱素子の全体の抵抗値が変化してしまうことから、発熱素子を所望の温度で発熱させることが困難になってしまう場合があった。

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を繰り返したとしても、発熱素子の抵抗値が変化せずに、所望の温度で発熱させることが可能な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、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、該発熱抵抗体に接続されて前記セラミック体の表面に引き出されたリードとを備え、該リードは、一部が前記表面に露出しているとともに前記表面から離れるにつれて広がっている第１領域および該第１領域に隣接して該第１領域から離れるにつれて広がっている第２領域を有するとともに、前記表面に垂直で前記リードに沿った断面において前記第１領域と前記セラミック体との界面における第１接線および前記第２領域と前記セラミック体との界面における第２接線を引いたときに、前記第１接線の前記表面に対する傾斜角よりも前記第２接線の前記表面に対する傾斜角の方が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、該ヒータに取り付けられた筒状の金属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、上記の構成を備えることによって、仮に第１領域とセラミック体との界面にクラックが生じて、このクラックが第１領域とセラミック体との界面を進行したとしても、クラックの進行方向の延長線上にリードではなく基体が存在していることから、リードの内部にクラックが進入する可能性を低減できる。そのため、リードの抵抗値が変化してしまう可能性を低減できる。その結果、急速昇温を繰り返したとしても、リードの抵抗値の変化が抑制されて、所望の温度で発熱させることが可能なヒータとすることができる。

本発明のヒータの実施形態の一例を示す概略透視図である。図１に示すヒータの部分拡大断面図である。本発明のヒータの変形例を示す部分拡大断面図である。本発明のグロープラグの実施形態の一例を示す概略透視図である。

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に示すように、本実施の形態のヒータ１は、セラミック体２と、セラミック体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３に接続されてセラミック体２の表面に引き出されたリード４とを備えている。

本実施の形態のヒータ１におけるセラミック体２は、例えば棒状に形成されたものである。このセラミック体２には発熱抵抗体３およびリード４が埋設されている。ここで、セラミック体２はセラミックスからなる。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。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な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。特に、セラミック体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強度、靱性、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セラミック体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。セラミック体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに形成され、セラミック体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成される。

なお、セラミック体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は、ＭｏＳｉＯ_２またはＷＳｉ_２等を混合し、分散させることが好ましい。この場合には、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３の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。

発熱抵抗体３は、セラミック体２に埋設されている。発熱抵抗体３は、電流を流すことによって発熱する部材である。発熱抵抗体３は、セラミック体２の軸方向に平行な２つの直線部と、これら２つの直線部を連結する折返し部とからなる。発熱抵抗体３の形成材料としては、Ｗ，ＭｏまたはＴｉなどの炭化物、窒化物または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。セラミック体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、セラミック体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、上記の材料の中でも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱抵抗体３の材料として優れている。

さらに、セラミック体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、発熱抵抗体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セラミック体２中において、発熱抵抗体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、発熱抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック体２のそれに近付けて、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、発熱抵抗体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、発熱抵抗体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、発熱抵抗体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、発熱抵抗体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。発熱抵抗体３は全長を３〜１５ｍｍ、断面積を０．１５〜０．８ｍｍ^２に設定することができる。

リード４は、発熱抵抗体３と外部の電源とを電気的に接続するための部材である。リード４は、発熱抵抗体３に接続されるとともにセラミック体２の表面に引き出されている。具体的には、発熱抵抗体３の両端部にそれぞれリード４が接合されていて、一方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の一端に接続され、他端側でセラミック体２の後端寄りの側面から導出され、他方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の他端に接続され、他端側でセラミック体２の後端部から導出されている。

このリード４は、例えば、発熱抵抗体３と同様の材料を用いて形成される。リード４は、発熱抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、セラミック体２の形成材料の含有量を発熱抵抗体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、セラミック体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、セラミック体２を構成する窒化珪素の熱膨張率に近付けることができる。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の抵抗値が低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。

本実施の形態のリード４は、図２に示すように、一部がセラミック体２の表面に露出しているとともに表面から離れるにつれて広がっている第１領域４１および第１領域４１に隣接して第１領域４１から離れるにつれて広がっている第２領域４２を有する。そして、表面に垂直でリード４に沿った断面において第１領域４１とセラミック体２との界面における第１接線４１０および第２領域４２とセラミック体２との界面における第２接線４２０を引いたときに、第１接線４１０のセラミック体２の表面に対する傾斜角θ_１よりも第２接線４２０のセラミック体２の表面に対する傾斜角θ_２の方が大きい。

これにより、仮に第１領域４１とセラミック体２との界面にクラックが生じて、このクラックが第１領域４１とセラミック体２との界面を進行したとしても、クラックの進行方
向の延長線上にリード４ではなくセラミック体２が存在していることから、リード４の内部にクラックが進入する可能性を低減できる。そのため、リード４の抵抗値が変化してしまう可能性を低減できる。その結果、急速昇温を繰り返したとしても、リード４の抵抗値の変化が抑制されて、所望の温度で発熱させることが可能なヒータ１とすることができる。

第１接線４１０のセラミック体２の表面に対する傾斜角θ_１は、例えば１０〜８０°に設定することができる。特に、３０°以上にすることによって、リード４の内部にクラックが進入する可能性を低減できる。また、７０°以下にすることによって、リード４の内部にクラックが進入する可能性を低減できる。また、第２接線４２０のセラミック体の表面に対する傾斜角θ_２は、例えば３０〜８９°に設定することができる。特に、５０°以上にすることによって、リード４の内部にクラックが進入する可能性を低減できる。また、８５°以下にすることによって、リード４の内部にクラックが進入する可能性を低減できる。

また、リード４は、セラミック体２の表面に平行な方向の断面の形状が、例えば円形状または楕円形状等である。リード４の断面の形状が円形状の場合には、第１領域４１のうちセラミック体２の表面に露出している部分の径は、例えば０．１５〜０．８ｍｍである。また、第１領域４１と第２領域４２との境界部分の径は、例えば０．２〜０．９ｍｍである。また、第２領域４２と発熱抵抗体との境界部分の径は、例えば０．２５〜１．０ｍｍである。

また、図３に示すヒータ１の変形例のように、リード４は、第２領域４２に第１領域４１とは反対側で隣接する第３領域４３をさらに有するとともに、この第３領域４３が第２領域４２から離れるにつれて狭まっていてもよい。ここで、表面に垂直でリード４に沿った断面において第３領域４３とセラミック体２との界面において引いた接線を第３接線４３０とする。このように第３領域４３を有することによって、仮に第２領域４２とセラミック体２との間にクラックが生じて、このクラックが第２領域４２とセラミック体２との界面を進行したとしても、第２接線４２０と第３接線４３０とがセラミック体２の表面に対して異なる方向に傾斜していることによって、リード４とセラミック体２との界面のうち第２領域４２と第３領域４３との境界部分において、クラックの進行を抑制することができる。その結果、リード４の抵抗値が変化してしまう可能性を低減できる。その結果、急速昇温を繰り返したとしても、リード４の抵抗値の変化が抑制されて、所望の温度で発熱させることが可能なヒータ１とすることができる。

次に、図４は、本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す、一部を断面で示した概略透視図である。図４に示すように、このグロープラグ１０は、上述のヒータ１と、ヒータ１の後端側に取り付けられた筒状の金属部材５とを備えている。また、金属部材５の内側に配置されてヒータ１の後端に取り付けられた電極金具６を備えている。本実施の形態のグロープラグ１０によれば、上述のヒータ１を使用していることから、急速昇温を繰り返したとしても、リード４の抵抗値の変化が抑制されて、所望の温度で発熱させることが可能とすることができるので、グロープラグの繰り返しの耐久性を向上させることが可能となる。

金属部材５は、セラミック体２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２の後端側を囲むように取り付けられている。すなわち、筒状の金属部材５の内側に棒状のセラミック体２が挿入されている。金属部材５は、セラミック体２の後端側の側面に設けられてリード４が露出している部分に電気的に接続されている。金属部材は、例えば、ステンレスまたは鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金からなる。

金属部材５とセラミック体２とは、ろう材によって接合されている。ろう材は、金属部材５とセラミック体２との間にセラミック体２の後端側を囲むように設けられている。このろう材が設けられていることによって、金属部材５とリード４とが電気的に接続されている。

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体２のセラミックスとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいために、ろう材とセラミック体２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。

電極金具６は、金属部材５の内側に位置してセラミック体２の後端にリード４に電気的に接続するように取り付けられている。電極金具６は、種々の形態のものを用いることができるが、図４に示す例では、セラミック体２の後端にリード４を含んで被さるように取り付けられるキャップ部と外部の接続電極に電気的に接続されるコイル状部とが線状部で接続された構成である。この電極金具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保持されている。

電極金具６は、外部の電源との接続における応力緩和のために設けられたコイル状部を有する金属線である。電極金具６は、リード４に電気的に接続されるとともに、外部の電源と電気的に接続される。外部の電源によって金属部材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および電極金具６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なる。

本実施の形態においては、第１領域４１および第２領域４２を有するリード４が、発熱抵抗体２の両端にそれぞれ接続されているが、これに限られない。例えば、発熱抵抗体２の一端にのみ第１領域４１および第２領域４２を有するリード４が接続されており、他端には第１領域４１および第２領域４２を有していないリードが設けられていてもよい。この場合には、リード４として、例えば、径が一定の円柱状のリードを用いることができる。なお、この場合には、第１領域４１および第２領域４２を有するリード４に、外部電源の陽極が接続されることが好ましい。陰極はグランドに接続されるためヒータ１に加わる印加電圧が大きく変動しても電流が流れやすく発熱しにくいのに対して、陽極には回路上に発熱抵抗体２が接続されているために電流が流れにくい。そのため、ヒータ１に印加される電圧が変動すると印加電圧が大きくなった瞬間に陽極に高電圧で高い電流が負荷されて発熱してしまう。印加電圧が変動する状態でヒータ１を連続駆動することにより陽極側には陰極側と比較して特に大きな発熱が生じる。このように、大きな発熱が生じる側に第１領域４１および第２領域４２を有するリード４の構成を採用することによって、リードにクラックが発生する可能性を低減することができる。

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発熱抵抗体３、リード４およびセラミック体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および樹脂バインダー等を含む、発熱抵抗体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および樹脂バインダー等を含むセラミック体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によって発熱抵抗体３となる所定パターンの
導電性ペーストの成形体を形成する。そして、発熱抵抗体３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を形成する。このとき、所望の形状の金型を準備しておくことによって、第１領域４１および第２領域４２を有するリード４を形成することができる。また、図３に示すように、第１領域４１、第２領域４２および第３領域４３を有するリード４を形成する場合にも、同様に所望の形状をした金型にしておけばよい。

次に、金型内に発熱抵抗体３およびリード４の一部を保持した状態で、金型の一部をセラミック体２の成形用のものに取り替えた後、金型内にセラミック体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、発熱抵抗体３およびリード４がセラミックペーストの成形体で覆われたヒータ１の成形体が得られる。

次に、得られた成形体を例えば１６５０℃〜１７８０℃の温度および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発熱抵抗体２を作製した。

次に、この発熱抵抗体２を金型内に保持した状態で、リード４となる上記の導電性ペーストを射出成形することにより、図２に示すような第１領域４１および第２領域４２を有するリード４を形成した。具体的には、第１接線４１０の傾斜角θ_１が５０°程度に、第２接線４２０の傾斜角θ_２が８０°程度でなるようにリード４を形成した。

次に、発熱抵抗体３およびリード４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％、抵抗抵抗体３およびリード４に熱膨張率を近付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、セラミック体２の中に発熱抵抗体３およびリード４が埋設された構成のヒータ１を形成した。

次に、得られたヒータ１を円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスからなる非酸化性ガス雰囲気中で、１７００℃の温度および３５Ｍｐａの圧力でホットプレスを行ない焼結して、本発明の実施例となるヒータ１を作製した。また、比較例として、リードとセラミック体との界面における接線の基体の表面に対する傾斜角が基体の表面側から基体の内部側に向かうに連れて小さくなるように形成されているヒータを作製した。

そして、得られたそれぞれのヒータの後端側に金属部材５および電極金具６をそれぞれろう付けして、実施例および比較例のグロープラグを作製した。

これらのグロープラグを用いて、サイクル試験を行なった。サイクル試験の条件は、まずヒータに通電して、セラミック体の表面の温度が１４００℃になるように電圧を設定し、５分間の通電を行なった後に２分間通電を停止するサイクルを１サイクルとして、これを１万サイクル繰り返した。

サイクル試験前後の発熱抵抗体およびリードの抵抗値の合計値を測定したところ、本発
明の実施例のヒータ１においては、サイクル試験前の抵抗値が０．３２５Ωであり、サイクル試験後の抵抗値が０．３２４Ωであって、抵抗変化率は１％未満であった。これに対して、比較例のヒータにおいては、サイクル試験前の抵抗値が０．３２１Ωであり、サイクル試験後の抵抗値が０．３６３Ωであって、抵抗変化率は５％以上であった。

さらに、実施例および比較例のヒータに関して、それぞれサイクル試験後にリードの断面を確認したところ、実施例のヒータ１に関しては、セラミック体２とリード４との界面に発生したクラックがリード４の内部に進行していなかったのに対して、比較例のヒータに関してはリードの内部にクラックが進行していた。

１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
４：リード
４１：第１領域
４２：第２領域
１０：グロープラグ

Claims

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、該発熱抵抗体に接続されて前記セラミック体の表面に引き出されたリードとを備え、該リードは、一部が前記表面に露出しているとともに前記表面から離れるにつれて広がっている第１領域および該第１領域に隣接して該第１領域から離れるにつれて広がっている第２領域を有するとともに、前記表面に垂直で前記リードに沿った断面において前記第１領域と前記セラミック体との界面における第１接線および前記第２領域と前記セラミック体との界面における第２接線を引いたときに、前記第１接線の前記表面に対する傾斜角よりも前記第２接線の前記表面に対する傾斜角の方が大きいことを特徴とするヒータ。
前記リードは、前記第２領域に前記第１領域とは反対側で隣接する第３領域をさらに有するとともに、該第３領域は前記第２領域から離れるにつれて狭まっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
請求項１または請求項２に記載のヒータと、該ヒータに取り付けられた筒状の金属部材とを備えたことを特徴とするグロープラグ。
前記リードは、前記セラミック体の前記表面に露出している一部に陽極が接続されることを特徴とする請求項３に記載のグロープラグ。