JP6139629B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents
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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は、例えば、折返し形状をなした抵抗体と、抵抗体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、先方に抵抗体を埋設するとともに後方に前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備えたヒータを含む構成になっている。このような構成のグロープラグは、強まる環境規制への対応の為、排ガス浄化用のアフターグローとしての使用もされるなど、より高温・高耐久性が求められている。
これらの要求に応えるため、より高温での使用が可能なセラミック製グロープラグが使用されているが、抵抗体とリードとの接合部は抵抗変化や熱膨張差によりマイクロクラックの等の発生頻度が高く、これによる抵抗変化やリード間の絶縁破壊（ショート）が問題とる。
そこで、マイクロクラックの発生しやすい抵抗体とリードとの接合面がリードの軸に平行な断面で見たときに斜めとなるようにしてその面積を大きくして耐久性を向上させる等の対応が取られている（特許文献１、特許文献２を参照）。
しかしながら、抵抗値の変わる抵抗体とリードとの接合部では、抵抗体とリードとの収縮差により、依然として負荷が大きい。リードの軸方向に垂直な方向に抵抗体とリードとが重なっており、抵抗体の両端とリードとのそれぞれの接合部がリードの軸方向に垂直な幅方向で切断した断面上に位置していることで、特に急速昇温時にそれぞれの接合部における幅方向の熱膨張による応力が合成されるからであり、その結果、抵抗体とリードとの接合部の周囲、特に絶縁基体の対向する接合部間においてマイクロクラックが入りやすく、リード間での絶縁破壊（ショート）を起こすおそれがある。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、抵抗体とリードとの接合部にクラックが入ってリード間の絶縁破壊が起こるのを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、折返し形状をなした抵抗体と、該抵抗体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、先方に前記抵抗体を埋設するとともに後方に前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備え、前記抵抗体と前記リードとの接合部のそれぞれにおいて、前記リードの軸方向に垂直な方向に前記抵抗体と前記リードとが重なっており、前記接合部の一方は、前記リードの軸方向に垂直な方向を見たときに前記接合部の他方と重なる領域を有しており、前記一対のリードのそれぞれの軸を含む断面を見たときに、前記接合部のそれぞれの接合面が前記リードの軸方向に垂直な方向から傾いているとともに、前記接合面
の一方が前記接合面の他方よりも長いことを特徴とするものである。
の一方が前記接合面の他方よりも長いことを特徴とするものである。
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記抵抗体の一方の端部が正極側であることを特徴とするものである。
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記抵抗体の一方の端部と前記リードとの前記接合部の先端の位置と前記抵抗体の他方の端部と前記リードとの前記接合部の先端の位置とが、前記リードの軸方向に関して異なっている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、上記の構成のいずれかに記載のヒータと、前記一対のリードの一方の端部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ことを特徴とするものである。
本発明のヒータによれば、抵抗体の一方の端部とリードとの接合部の後端が、抵抗体の他方の端部とリードとの接合部の後端よりも後方に位置していることにより、急速昇温時に最も熱膨張するそれぞれの接合部の後端に加わる熱応力がリードの軸方向に垂直な幅方向で合成されてなる応力が小さくなり、負荷が小さくなるため絶縁破壊（ショート）しにくくすることができる。
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る。また、図２（ａ）は図１に示す抵抗体とリードとの接合部を含む領域Ａを拡大した拡大断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＸ−Ｘ線断面図である。また、図３（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す抵抗体とリードとの接合部を含む領域を拡大した拡大断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＸ−Ｘ線断面図である。
本実施の形態のヒータ１は、折返し形状をなした抵抗体３と、抵抗体３のそれぞれの端部に接合された一対のリード４と、先方に抵抗体３を埋設するとともに後方に一対のリード４を埋設した絶縁基体２とを備え、抵抗体３とリード４との接合部51，52において、リード４の軸方向に垂直な方向に抵抗体３とリード４とが重なっており、抵抗体３の一方の端部とリード４との接合部51の後端が、抵抗体３の他方の端部とリード４との接合部52の後端よりも後方に位置している。
本実施の形態のヒータ１における絶縁基体２は、例えば棒状または板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および一対のリード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Ｙ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、0.5〜３質量％のＡｌ２Ｏ３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ
２量として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。
２量として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、ＭｏＳｉＯ２，ＷＳｉ２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、縦断面の形状が折返し形状をなしていて、先端に位置する折返し形状の中央付近（折返しの中間点付近）が最も発熱する発熱部31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（接合部51の後端）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、熱膨張率を絶縁基体２のそれに近づけて、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、他端側は絶縁基体２の表面に導出されている。図１に示すものは、一端から他端にかけて折返し形状をなす抵抗体３の両端部（一方の端部および他方の端部）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、一端が抵抗体３の一端に接続され、他端が絶縁基体２の後端寄りの側面から露出している。また、他方のリード４は、一端が抵抗体３の他端に接続され、他端が絶縁基体２の後端部から露出している。
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、抵抗体３とリード４との接合部51，52において、リード４の軸方向に垂直な方向に抵抗体３とリード４とが重なっており、抵抗体３の一方の端部とリード４との接合部51の後端が、抵抗体３の他方の端部とリード４との接合部52の後端よりも後方に位置している。
ここで、抵抗体３とリード４との接合部51，52においてリード４の軸方向に垂直な方向に抵抗体３とリード４とが重なっているとは、接合部51，52をリード４の軸方向に垂直な横断面で視たときに抵抗体３とリード４とを含む形状になっていることをいう。例えば、一方のリード４および他方のリード４の両方の軸を含む縦断面で接合部51、52を視たとき、リード４が内側で抵抗体が外側に配置され、接合面がリード４の軸方向に垂直な方向から傾いている形状である。接合部51，52のそれぞれのリード４の軸方向に関する長さ（接合部51，52の先端から後端までの距離は、例えば0.5〜３ｍｍに形成される。
接合部51，52の形状としては、例えば図２に示すようにヒータ１の縦断面で見て接合面がリード４の軸方向に垂直な方向から傾いている形状が挙げられるが、この形状に限定されるものではなく、後述する図３に示すようなリード４の軸方向に垂直な断面で視たときにリード４が抵抗体３の端部を取り囲んでいる形状も含まれる。
上述のような接合面がリード４の軸方向に垂直な方向から傾いている形状である場合に、急速昇温時に最も熱膨張するそれぞれの接合部51，52の後端に加わる熱応力がリードの軸方向に垂直な幅方向で合成されてなる幅方向への応力によって、マイクロクラックが入りやすく、リード間での絶縁破壊（ショート）を起こすおそれがある。
そこで、抵抗体３の一方の端部とリード４との接合部51の後端が、抵抗体３の他方の端部とリード４との接合部52の後端よりも後方に位置している。換言すれば、接合部51の後端の位置と接合部52の後端の位置とがリード４の軸方向に関して異なっている（ずれている）。
なお、接合部51の後端の位置と接合部52の後端の位置とのずれの距離に関して、接合部51の後端は接合部52の後端よりも10μｍ〜２ｍｍ後方に位置しているのが効果的である。また、リード４の軸方向に関して接合部51の先端の位置と接合部52の先端の位置が同じ場合には、一方の接合面（例えば正極側の接合面）のリード４の軸方向に垂直な方向から傾斜した傾斜角は、他方の接合面（例えば負極側の接合面）のリード４の軸方向に垂直な方向から傾斜した傾斜角よりも0.1〜15度傾斜しているのがよい。
この構成によれば、急速昇温時に最も熱膨張するそれぞれの接合部の後端に加わる熱応力がリード４の軸方向に垂直な幅方向で合成されてなる幅方向への応力が小さくなり、負荷が小さくなるため絶縁破壊（ショート）しにくくすることができる。
ここで、図３に示すように、接合部51，52において、リード４の軸方向に垂直な断面で視たとき、リード４が抵抗体３の端部を取り囲んでいることが好ましい。この形状によれば、急速昇温時、熱膨張する抵抗体３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との緩衝材の役割を果たし、負荷を低減することができるため、より絶縁破壊（ショート）しにくくすることができる。
また、後方に位置している抵抗体３の一方の端部が正極側であることが好ましい。この形状によれば、電流印加時の突入電流によって最初に負荷のかかる正極側の接合部51の後端が、リード４の軸方向に垂直な幅方向において最も熱膨張する抵抗体３（接合部52）の断面とずれる(接合部51の後端から幅方向を見たときに抵抗体３がない)ことによって、繰り返し使用時の負荷を分散させることができるため、さらに絶縁破壊（ショート）しにくくなる。
また、抵抗体３の一方の端部とリード４との接合部51の先端の位置と抵抗体３の他方の端部とリード４との接合部52の先端の位置とが、リード４の軸方向に関して異なっている（ずれている）ことが好ましい。この形状によれば、接合部51の後端および接合部52の後端のみならず、接合部51の先端および接合部52の先端もリード４の軸方向に関してずれているため、急速昇温時、リード４の軸方向に垂直な幅方向へ合成される応力が小さくなり、負荷が小さくなって絶縁破壊（ショート）しにくくなる。
また、抵抗体３の一方の端部とリード４との接合部51の先端が、抵抗体３の他方の端部とリード４との接合部52の後端よりも後方に位置していることが好ましい。この形状によれば、接合部51と接合部52とがリード４の軸方向に関して完全にずれているため、急速昇温時、リード４の軸方向に垂直な幅方向へ合成される応力がほとんどなくなり、負荷が小さくなって絶縁破壊（ショート）しにくくなる。
上述のヒータ１はグロープラグ（図示せず）に用いることができる。すなわち、本発明のグロープラグ（図示せず）は、上述のヒータ１と、ヒータ１を構成する一対のリード４のうちの一方のリード４の端部に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（シース金具）とを備えた構成であり、この構成により、ヒータ１が絶縁破壊（ショート）しにくいことから、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。
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，樹脂バインダー等を含む絶縁基体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。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）に埋設されたヒータ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。
以上の方法で、本実施の形態のヒータ１が完成する。
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（Ｓｉ３Ｎ４）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、リードとなる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１に示すような形状のリードとなる成形体ｂを作製した。
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（Ｓｉ３Ｎ４）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（Ｙｂ２Ｏ３）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を作製した。
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。そして、得られたヒータの後端寄りの側面に露出したリード端部に筒状の金属製保持部材をロウ付けしてグロープラグを作製した。
なお、接合部51の先端と接合部52の先端とのリード軸方向に関する位置は一致しており、接合部51のリード軸方向長さは0.9ｍｍ、接合部52のリード軸方向長さは1.0ｍｍであり、接合部51の後端と接合部52の後端とのリード軸方向に関する位置は0.1ｍｍずれていた
。
。
一方、比較例として、接合部51の先端と接合部52の先端とのリード軸方向に関する位置が一致し、接合部51の後端と接合部52の後端とのリード軸方向に関する位置も一致しているグロープラグも作製した。
これら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ところ、本発明実施例の試料は抵抗変化が１％以下で、マイクロクラックも見られなかった。これに対し、比較例の試料は、抵抗変化が５％以上であり、マイクロクラックが確認された。
１：ヒータ
２：絶縁基体
３：抵抗体
31：発熱部
４：リード
51，52：接合部
２：絶縁基体
３：抵抗体
31：発熱部
４：リード
51，52：接合部
Claims (4)
- 折返し形状をなした抵抗体と、該抵抗体のそれぞれの端部に接合された一対のリードと、
先方に前記抵抗体を埋設するとともに後方に前記一対のリードを埋設した絶縁基体とを備え、前記抵抗体と前記リードとの接合部のそれぞれにおいて、前記リードの軸方向に垂直な方向に前記抵抗体と前記リードとが重なっており、
前記接合部の一方は、前記リードの軸方向に垂直な方向を見たときに前記接合部の他方と重なる領域を有しており、
前記一対のリードのそれぞれの軸を含む断面を見たときに、前記接合部のそれぞれの接合面が前記リードの軸方向に垂直な方向から傾いているとともに、前記接合面の一方が前記接合面の他方よりも長いことを特徴とするヒータ。 - 前記接合部の一方が正極側であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
- 前記接合部の一方の先端の位置と前記接合部の他方の先端の位置とが、前記リードの軸方向に関して異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
- 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータと、前記一対のリードのうちの一方のリードの端部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。
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