JP6199951B2 - Heater and glow plug equipped with the same - 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。 The present invention is, for example, for a heater for ignition or flame detection in a combustion-type in-vehicle heating device, a heater for ignition of various combustion devices such as an oil fan heater, a heater for a glow plug of an automobile engine, and various sensors such as an oxygen sensor. In particular, the present invention relates to a heater used for a heater, a heater for heating a measuring instrument, and a glow plug including the heater.
自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータは、発熱部を有する抵抗体、抵抗体に接続されたリード、および抵抗体とリードとが埋設された絶縁基体で構成されている。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形状設計がされている。 A heater used for a glow plug or the like of an automobile engine includes a resistor having a heat generating portion, a lead connected to the resistor, and an insulating base in which the resistor and the lead are embedded. These materials are selected and the shape is designed so that the resistance of the lead is smaller than the resistance of the resistor.
ここで、抵抗体とリードとの接続部は、異なる形状をもった抵抗体とリードとを接続する形状変化点であったり材料組成が異なる抵抗体とリードとを接続する材料組成変化点であったりするので、抵抗体、リードおよび絶縁基体の熱膨張の差に起因した発熱時や冷却時の熱応力の影響を低減するように接合面積を大きくする等の工夫がされている。例えば、図13(a)に示すように、リード8の軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体3とリード8との境界面が一対の接合部において対称に斜めになっているものが知られている(特許文献1,2を参照)。また、急速に加熱できるよう、抵抗体の発熱部は線径を細くする等、抵抗体の中でも局所的に高抵抗となる設計がされている。
Here, the connection portion between the resistor and the lead is a shape change point for connecting the resistor and the lead having different shapes or a material composition change point for connecting the resistor and the lead having different material compositions. Therefore, a contrivance has been made such as increasing the bonding area so as to reduce the influence of thermal stress during heat generation and cooling due to differences in thermal expansion of the resistor, the lead, and the insulating base. For example, as shown in FIG. 13A, when the cross section parallel to the axial direction of the
近年、従来よりも立ち上がりが急峻で高い電圧の電力が、ヒータに導入されるようになってきた。高燃費エンジンや燃焼システムの技術開発が進み、アイドリングストップやリーンバーンエンジン等の技術進化から、従来は起動時に用いられていたグロープラグによる点火駆動は、アイドリングストップに対応するため、一時停車の度に駆動されて駆動回数が格段に増加し、燃費が向上したエンジンではエンジン温度が低下するため、エンジンが駆動中であっても点火をするアフターグローの技術が採用される、等のグロープラグを使用する環境が大きく変化してきた。即ち、アイドリングストップに対応するため更に高速な昇温が要求されたり、低温化したエンジンの燃焼状態を最適化したりするために、車載ECUからの制御信号がパルス化され、パルスのデューティ比で温度が制御されたヒータで駆動する等の方法がとられるようになってきている。パルスとしてはICを用いた低ロスな制御による矩形波電圧が多く用いられている。このような駆動方法では、電圧の立ち上がり時に電流がオーバーシュートして、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してくる課題が顕著になっている。 In recent years, electric power with a sharper rise and higher voltage than in the past has been introduced into the heater. The technological development of fuel-efficient engines and combustion systems has progressed, and with the advancement of technologies such as idling stop and lean burn engine, the ignition drive with glow plugs, which was used at the time of startup, corresponds to idling stop. Glow plugs, such as afterglow technology that ignites even when the engine is running, are used because the engine temperature drops in an engine that has been drastically increased and the fuel efficiency has improved. The environment used has changed greatly. That is, in order to cope with idling stop, a higher temperature increase is required, or in order to optimize the combustion state of the engine that has been lowered, the control signal from the in-vehicle ECU is pulsed, and the temperature is changed with the duty ratio of the pulse. A method such as driving with a controlled heater has been adopted. As the pulse, a rectangular wave voltage by low-loss control using an IC is often used. In such a driving method, the current overshoots when the voltage rises, and the problem that high power including high-frequency components enters the heater becomes significant.
このような使用環境において、従来の設計によるヒータでは、パルス電圧が立ち上った瞬間に電流のオーバーシュートが起こり、抵抗体の発熱部が急激に発熱して発熱部近辺の絶縁基体に瞬間的に発生する引張応力によって絶縁基体と抵抗体にマイクロクラックが入るおそれがある。さらに、ヒータをパルス電圧により長期間、繰り返し使用するうちにクラックが伸展してヒータの抵抗値が変化し、ヒータの破壊に至るおそれがある。 In such a use environment, in the heater with the conventional design, current overshoot occurs at the moment when the pulse voltage rises, and the heat generating part of the resistor suddenly generates heat and instantaneously occurs in the insulating base near the heat generating part. There is a risk that microcracks may enter the insulating substrate and the resistor due to the tensile stress. Further, cracks may develop while the heater is repeatedly used with a pulse voltage for a long period of time, and the resistance value of the heater may change, leading to the destruction of the heater.
本発明は、上記従来の設計によるヒータの問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、パルス電圧によるヒータ駆動の際にヒータにオーバーシュートした高周波の高電流が突入しても、抵抗体の発熱部にマイクロクラックが生じることが抑制された高い信頼性を有する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。 The present invention has been devised in view of the problems of the heater according to the above-described conventional design, and its purpose is that even if a high-frequency high current that overshoots the heater when the heater is driven by a pulse voltage enters the heater. Another object of the present invention is to provide a highly reliable heater in which microcracks are prevented from occurring in a heat generating portion of a resistor, and a glow plug including the heater.
本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設され、折返し形状をなしている抵抗体と、前記絶縁基体に埋設され、先端側で前記抵抗体の両端にそれぞれ接続されるとともに後端側で前記絶縁基体の表面に導出された一対のリードとを備えたヒータであって、前記抵抗体と前記一対のリードとの二つの接合部は、前記一対のリードの両方の軸を含む縦断面で見たときに先端側が内側または外側に向かって傾斜する境界面をそれぞれ有しており、前記二つの接合部のうちの少なくとも一方の接合部を前記一対のリードの軸に垂直な横断面で見たときに前記抵抗体と前記リードとの境界線が1本のみ存在するとともに凹凸形状になっており、前記接合部における前記凹凸形状が前記先端側に向かうにつれて変化するとともに、前記境界線の位置が前記先端側に向かうにつれて移動していることを特徴とする。 The heater of the present invention includes an insulating base, a resistor embedded in the insulating base and having a folded shape, and embedded in the insulating base and connected to both ends of the resistor on the front end side, and a rear end A heater having a pair of leads led out to the surface of the insulating base on the side, wherein two joints between the resistor and the pair of leads are longitudinal sections including both shafts of the pair of leads. Each of the two joints has a boundary surface perpendicular to the axis of the pair of leads. When there is only one boundary line between the resistor and the lead when viewed in FIG. 1 and has an uneven shape, the uneven shape at the joint changes toward the tip side, and the boundary line Place of There wherein the moving toward the distal side.
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記二つの接合部のうちの陰極側の接合部を前記横断面で見たときに前記抵抗体と前記リードとの境界線が凹凸形状になっていることを特徴とする。 In the heater of the present invention, the boundary line between the resistor and the lead is uneven when the cathode-side junction of the two junctions is viewed in the cross section. It is characterized by.
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記二つの接合部の両方を前記横断面で見たときにそれぞれの前記抵抗体と前記リードとの境界線が凹凸形状になっていることを特徴とする。 Further, in the heater of the present invention, in the above configuration, when both of the two joints are viewed in the cross section, the boundary line between the resistor and the lead is uneven. Features.
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記二つの接合部の両方を前記横断面で見たときにそれぞれの前記抵抗体と前記リードとの境界線の凹凸形状が前記二つの接合部から等距離の位置を結ぶ直線に対して対称になっていることを特徴とする。 Further, in the heater of the present invention, in the above configuration, when both of the two joint portions are viewed in the cross section, the uneven shape of the boundary line between the resistor and the lead is the two joint portions. It is characterized by being symmetrical with respect to a straight line connecting equidistant positions.
また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記凹凸形状は角部を有する形状であることを特徴とする。 The heater according to the present invention is characterized in that, in the above configuration, the uneven shape is a shape having a corner.
また、本発明は、上記の構成のいずれかに記載のヒータと、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である。 According to another aspect of the present invention, there is provided a glow plug comprising: the heater according to any one of the above configurations; and a metal holding member that is electrically connected to the lead and holds the heater.
本発明のヒータによれば、抵抗体とリードとの境界線が傾斜する境界面を有し、かつ接合部をリードの軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体とリードとの境界線が凹凸形状になっていることで、パルス電圧の立ち上り時に電流のオーバーシュートが起こっても、抵抗体にオーバーシュートした電流が流れ込むことが低減されて発熱部が急激に発熱することに起因するマイクロクラックの発生が抑制され、長期間にわたって安定した抵抗値とすることができる。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。 According to the heater of the present invention, the boundary line between the resistor and the lead when the boundary between the resistor and the lead has an inclined boundary surface and the joint portion is viewed in a cross section perpendicular to the lead axis. Because of the uneven shape, even if current overshoot occurs at the rising edge of the pulse voltage, the overshoot current is reduced to flow into the resistor and the heat generation part suddenly generates heat. Generation of cracks is suppressed, and a stable resistance value can be obtained over a long period of time. Thereby, the reliability and durability of the heater are improved.
以下、本発明のヒータについて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。 Hereinafter, examples of embodiments of the heater of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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(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線における横断面図である。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of a heater according to the present invention, and FIG. 2A is an enlarged sectional view in which a region A including a joint portion between a resistor and a lead shown in FIG. 1 is enlarged. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG.
本実施の形態のヒータ1は、絶縁基体9と、絶縁基体9に埋設されている抵抗体3と、絶縁基体9に埋設され先端側で抵抗体3の一端に接続されたリード8とを備えたヒータであって、抵抗体3とリード8との接合部2は、リード8の軸を含む縦断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が傾斜する境界面を有しており、接合部2をリードの軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっているものである。
The
本実施の形態のヒータ1における絶縁基体9は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体9は抵抗体3およびリード8を被覆しており、言い換えると、抵抗体3およびリード8が絶縁基体9に埋設されている。ここで、絶縁基体9はセラミックスからなることが好ましく、これにより、金属よりも高温まで耐えることができるようになるので、急速昇温時の信頼性がより向上したヒータ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9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。この窒化珪素質セラミックスは、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SiO2量として1.5〜5質量%となるようにSiO2を混合し、所定の形状に成型
し、その後、例えば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。
The
Examples thereof include ceramics having electrical insulation properties such as oxide ceramics, nitride ceramics, and carbide ceramics. In particular, the insulating
また、絶縁基体9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、MoSi2,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。
In the case of using a made of silicon nitride ceramics as the insulating substrate 9, it is preferable to mixing
抵抗体3は、特に発熱する領域である発熱部4を有している。例えば、一部断面積を小さくした領域やらせん形状の領域を設けることで、この領域を発熱部4とすることができる。
The
この抵抗体3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9が上述の材料の場合、絶縁基体9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低い点で、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9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成る絶縁基体9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、駆動状態において絶縁基体9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9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。
As this
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の抵抗値を比較的低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。
When the content of silicon nitride contained in the
また、抵抗体3の厚みは0.5mm〜1.5mm程度がよく、抵抗体3の幅は0.3mm〜1.3mm程度がよい。この範囲内とすることにより、抵抗体3の抵抗が小さくなって効率良く発熱するものとなり、また、積層構造の絶縁基体9の積層界面の密着性を保持することができる。
The thickness of the
先端側で抵抗体3の一端に接続されるリード8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抵抗体3と同様の材料を使用することができる。特に、WCが、絶縁基体9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低い点で、リード8の材料として好適である。また、絶縁基体9が窒化珪素質セラミックスからなる場合、リード8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8の熱膨張率を絶縁基体9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8の抵抗値が低く抑えられ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。なお、リード8は、絶縁基体9の形成材料の含有量を抵抗体3よりも少なくすることによって抵抗体3よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよく、抵抗体3よりも断面積を大きくすることによって抵抗体3よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよい。
For the
The silicon nitride content is preferably 20% by mass to 35% by mass. The
そして、図2に示すように、抵抗体3とリード8との接合部2は、リード8の軸を含む縦断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が傾斜する境界面を有しており、接合部2をリード8の軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっている。なお、軸方向に垂直な面に対する境界面の傾斜角としては、例えば10〜80度である。ここでいう軸方向に垂直な面に対する境界面の傾斜角とは、境界面の先端部および後端部を結ぶ線がX−X線に対して傾斜する角度を意味している。このとき、抵抗体3が凸であればリード8は凹であり、抵抗体3が凸凹であればリード8は抵抗体3の凸凹と整合するように凹凸となる。
As shown in FIG. 2, the
異なる組成の抵抗体3とリード8との接合部2は、界面抵抗により導体線路(抵抗体3およびリード8)の抵抗値が急激に増大している面であり、オーバーシュートした高周波電流の障壁になる。接合部2を凹凸形状とすることで、接合部2の接合面積を広くすることができる。その結果、接合部2の面積を広げて通常の電流に対するバルク抵抗を低くしたままオーバーシュートした高周波電流に対する障壁の効果を増大させることができるので、抵抗体3の発熱部4の発熱立ち上がりを遅らせて瞬間的に発生する熱応力を低減することができ、マイクロクラックの発生を抑制することができる。
The
また、リード8と抵抗体3との接合部2における境界面が斜めになっているので、電流の進行方向に対して、抵抗値が変化する部分が進行方向に連続的に変化し、しかもその断面が凸凹になっているので、高周波電流に対する散乱障壁としての効果も大きくなる。
Further, since the boundary surface at the
なお、図1および図2に示す例では、絶縁基体9の表面に導体層11が設けられ、この導体層11に抵抗体3の他端が電気的に接続された構成になっているが、図3に示すように、絶縁基体9の表面に導体層11が設けられておらず、抵抗体3が折返し形状をなしている構成であってもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
また、図3に示すように抵抗体3が折返し形状をなしている場合は、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部4となるが、一部断面積を小さくした領域やらせん形状の領域を設けて発熱部4を形成してもよい。
In addition, when the
このとき、図4に示すように、一対のリード8は、先端側で折返し形状をなしている抵抗体3の両端にそれぞれ接続されるとともに、後端側で絶縁基体9の表面に導出される。そして、抵抗体3と一対のリード8との二つの接合部2は、一対のリード8の両方の軸を含む縦断面で見たときに先端側が内側または外側に向かって傾斜する境界面をそれぞれ有しており、二つの接合部2のうちの少なくとも一方の接合部2を一対のリード8の軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっている。
At this time, as shown in FIG. 4, the pair of
このような構成とすることで、接合部2の接合面積を広くすることができる。その結果、接合部2の面積を広げて通常の電流に対するバルク抵抗を低くしたままオーバーシュートした高周波電流に対する障壁の効果を増大させることができるので、発熱部4の発熱立ち上がりを遅らせて瞬間的な熱応力を低減することができ、マイクロクラックの発生を抑制することができる。
By setting it as such a structure, the junction area of the
ここで、二つの接合部2のうちの陰極側の接合部2を横断面で見たときに、抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっていることが好ましい。パルス電圧印加の瞬間に導
体線路の全ての領域で電子の移動が開始するが、特に抵抗の低いリード8側から接合部2に電子が突入しやすい。そこで、発熱部4より陰極側の接合部2に凸凹を設けて高周波電流に対する障壁の効果を増大させることで、オーバーシュートする電子の移動を抑止し、発熱部4の発熱立ち上がりを遅らせて瞬間的な熱応力を低減することができるからである。
Here, it is preferable that the boundary line between the
また、陰極側の接合部2における境界面のリード軸方向に垂直な面に対する傾斜角は、陽極側の接合部2における境界面のリード軸方向に垂直な面に対する傾斜角よりも大きくなっているのが好ましい。例えば、陰極側の接合部2における境界面の傾斜角が陽極側の接合部2における境界面の傾斜角よりも5度以上大きくなっているのが好ましい。これにより、陰極側の接合部2における境界面の面積(抵抗体3とリード8との接触面積)を大きくすることができる。なお、ここでいうリード軸方向に垂直な面に対する境界面の傾斜角とは、境界面の先端部および後端部を結ぶ線がX−X線に対して傾斜する角度を意味している。
In addition, the inclination angle of the boundary surface of the cathode-
また、陰極側の接合部2の径は、陽極側の接合部2の径よりも大きくなっているのが好ましい。これにより、陰極側の接合部2における境界面の面積(抵抗体3とリード8との接触面積)を大きくすることができる。
Moreover, it is preferable that the diameter of the
このとき、図5〜12に示すように、二つの接合部2の両方を横断面で見たときに、それぞれの抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっていることが好ましい。二つの接合部2が高周波電流に対する障壁領域となることで、オーバーシュートする電流の発生を更に抑制できるからである。
At this time, as shown in FIGS. 5 to 12, it is preferable that the boundary line between each
なお、図5、図6、図8および図10に示すヒータ1は、抵抗体3と一対のリード8との二つの接合部2が、一対のリード8の両方の軸を含む縦断面で見たときに先端側が内側に向かって傾斜する境界面をそれぞれ有しており、二つの接合部2のうちの両方の接合部2を一対のリード8の軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっているものである。一方、図7、図9、図11および図12に示すヒータ1は、抵抗体3と一対のリード8との二つの接合部2が、一対のリード8の両方の軸を含む縦断面で見たときに先端側が外側に向かって傾斜する境界面をそれぞれ有しており、二つの接合部2のうちの両方の接合部2を一対のリード8の軸に垂直な横断面で見たときに抵抗体3とリード8との境界線が凹凸形状になっているものである。
The
また、図11は、接合部2における凹凸形状が先端側と後端側とでほぼ同じような形状であって境界線の位置のみが先端側に向かうにつれて外側に移動するような構成であるのに対し、図12は、接合部2における凹凸形状が先端側に向かうにつれて変化するとともに境界線の位置が先端側に向かうにつれて外側に移動するような構成である。図12の構成によれば、さらに高周波電流に対する障壁としての接合部における電子の散乱の効果を高くすることができるので、発熱部4でのマイクロクラックの発生を抑制することができる。
Further, FIG. 11 shows a configuration in which the uneven shape at the joint 2 is substantially the same at the front end side and the rear end side, and only the position of the boundary line moves outward as it goes to the front end side. On the other hand, FIG. 12 shows a configuration in which the uneven shape in the
また、図6〜12に示すように、二つの接合部2の両方を横断面で見たときにそれぞれの抵抗体3とリード8との境界線の凹凸形状が二つの接合部2から等距離の位置を結ぶ直線に対して対称になっていることが好ましい。これにより、抵抗体全体から発生する熱の分布が陽極側と陰極側で対称になりヒータの熱膨張も対称にすることができるため、非対称な変形に伴って発生するヒータ表面における引張応力の集中を避けることができるからである。
Moreover, as shown in FIGS. 6 to 12, when both the two
また、凹凸形状は角部を有する形状であることが好ましく、これにより、高周波電流に対する障壁としての接合部における電子の散乱の効果が高くなるので、より発熱部4の発
熱立ち上がりを遅らせて瞬間的に発生する熱応力を低減することができる。
Further, the uneven shape is preferably a shape having a corner, and this increases the effect of scattering of electrons at the junction as a barrier against high-frequency current. It is possible to reduce the thermal stress generated in.
また、本実施の形態のヒータ1は、上記の構成のいずれかに記載のヒータ1と、リード8の端子部(図示せず)と電気的に接続されてヒータ1を保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。具体的には、ヒータ1は、棒状の絶縁基体9の内部に、折返し形状をなした抵抗体3が埋設されているとともに一対のリード8が抵抗体3の両端部にそれぞれ電気的に接続されて埋設されていて、一方のリード8に電気的に接続された金属製保持部材(シース金具)と、他方のリード8に電気的に接続されたワイヤとを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。
Further, the
なお、金属製保持部材(シース金具)は、ヒータ1を保持する金属製の筒状体であり、セラミック基体9の側面に引き出された一方のリード8にロウ材などで接合される。また、ワイヤは、他方のセラミック基体9の後端に引き出された他方のリード8にロウ材などで接合される。これにより、高温のエンジン中でON/OFFが繰り返されながら長期使用しても、ヒータ1の抵抗が変化しないので、どんなときでも着火性に優れたグロープラグを提供できる。
The metal holding member (sheath fitting) is a metal cylindrical body that holds the
次に、本実施の形態のヒータ1の製造方法について説明する。
Next, the manufacturing method of the
本実施の形態のヒータ1は、例えば、抵抗体3、リード8および絶縁基体9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。
The
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8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9となるセラミックペーストを作製する。
First, a conductive paste to be the
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。このとき、成型体aの端部に接合部2となる形状を形成しておけばよい。
Next, a conductive paste molded body (molded body a) having a predetermined pattern to be the
次に、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8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。 Next, with the molded body a held in the mold, the conductive paste is filled in the mold to form a conductive paste molded body (molded body b) having a predetermined pattern to be the leads 8. Thereby, the molded product a and the molded product b connected to the molded product a are held in the mold.
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9の成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体9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。
Next, in a state where the molded body a and the molded body b are held in the mold, a part of the mold is replaced with one for molding the insulating
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。
Next, the obtained molded body d is fired at, for example, a temperature of 1650 ° C. to 1780 ° C. and a pressure of 30 MPa to 50 MPa, whereby the
本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。 The heater of the Example of this invention was produced as follows.
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抵抗体となる成形体aを作製した。 First, a conductive paste containing 50% by mass of tungsten carbide (WC) powder, 35% by mass of silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder, and 15% by mass of a resin binder is injection-molded into a mold to form a resistor. A formed product a was produced.
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と接続させてリードとなる成形体bを形成した。このとき、表1および表2に示すように、種々の形状を有する金型を用いて、4種の形状の抵抗体とリードとの接合部を形成した。 Next, with the molded body a held in the mold, the conductive paste to be the lead is filled in the mold to form the molded body b to be connected to the molded body a. did. At this time, as shown in Tables 1 and 2, joints of four types of resistors and leads were formed using dies having various shapes.
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を形成した。 Next, 85% by mass of silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder and ytterbium (Yb) oxide (Yb 2 ) as a sintering aid while the molded product a and the molded product b are held in the mold. A ceramic paste containing 10% by mass of O 3 ) and 5% by mass of tungsten carbide (WC) for bringing the coefficient of thermal expansion close to the resistor and the lead was injection molded into a mold. As a result, a molded body d having a configuration in which the molded body a and the molded body b were embedded in the molded body c serving as an insulating base was formed.
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℃、35MPaの圧力でホットプレスを行ない焼結してヒータを作製した。得られた焼結体の表面に露出したリード端部(端子部)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。 Next, after putting the obtained compact d in a cylindrical carbon mold, hot pressing is performed in a non-oxidizing gas atmosphere made of nitrogen gas at a pressure of 1700 ° C. and 35 MPa to sinter the heater. Was made. A glow plug was produced by brazing a cylindrical metal holding member (sheath fitting) to the lead end portion (terminal portion) exposed on the surface of the obtained sintered body.
このグロープラグの電極にパルスパターンジェネレータを接続し、印加電圧7V、パルス幅10μs、パルス間隔1μsの矩形パルスを連続通電した。1000時間経過後、通電前後の抵抗値の変化率((通電後の抵抗値−通電前の抵抗値)/通電前の抵抗値)を測定した。その結果を表1に示す。 A pulse pattern generator was connected to the electrode of the glow plug, and a rectangular pulse having an applied voltage of 7 V, a pulse width of 10 μs, and a pulse interval of 1 μs was continuously energized. After 1000 hours, the rate of change in resistance value before and after energization ((resistance value after energization−resistance value before energization) / resistance value before energization) was measured. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、比較例である試料番号1のヒータは、最も発熱した箇所が抵抗体の発熱部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いて試料番号1のヒータに流れる電流波形を確認したところ、パルス電圧の立ち上がり直後に急峻に電流が立ち上り、オーバーシュートした。安定電流に到達するまで約1μsを要した。このことから、試料番号1のヒータでは、発熱部に瞬間的な発熱が生じたものと考えられる。
As shown in Table 1, in the heater of Sample No. 1, which is a comparative example, the most heat generating portion was the heat generating portion of the resistor. Then, in order to confirm the energization state, the current waveform flowing through the heater of
さらに、試料番号1の通電前後の抵抗変化は55%と非常に大きくなったため、パルス通電後、走査型電子顕微鏡で試料番号1の発熱部を観察したところ、発熱部にマイクロクラックが生じていることを確認した。 Furthermore, since the resistance change before and after the energization of Sample No. 1 was as large as 55%, when the heating portion of Sample No. 1 was observed with a scanning electron microscope after applying the pulse, a microcrack occurred in the heating portion. It was confirmed.
一方、本発明実施例である試料番号2〜4のヒータについても、最も発熱した箇所はヒータ先端の抵抗体の発熱部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いてヒータに流れる電流波形を確認したところ、オーバーシュートせず、入力パルス電圧に対し立ち上がりが遅れた波形となった。これは、リードと抵抗体との境界面での高周波電流に対する障壁としての効果が影響していることを示しているものと考えられる。 On the other hand, also in the heaters of Sample Nos. 2 to 4 which are the embodiments of the present invention, the most heat generating portion was the heating portion of the resistor at the tip of the heater. Then, in order to confirm the energization state, the current waveform flowing through the heater was confirmed using an oscilloscope. As a result, the waveform did not overshoot and the rise was delayed with respect to the input pulse voltage. This is considered to indicate that the effect as a barrier against the high-frequency current at the interface between the lead and the resistor is affected.
また、試料番号2〜4のヒータの通電前後の抵抗変化は5%以下と小さく、パルス通電後、走査型電子顕微鏡でこれらの試料番号の抵抗体の発熱部を観察したところ、マイクロクラックは無かった。
In addition, the resistance change before and after the energization of the heaters of
1:ヒータ
2:接合部
3:抵抗体
4:発熱部
8:リード
9:絶縁基体
11:導体層
1: Heater 2: Joint part 3: Resistor 4: Heat generating part 8: Lead 9: Insulating substrate 11: Conductor layer
Claims (6)
該絶縁基体に埋設され、折返し形状をなしている抵抗体と、
前記絶縁基体に埋設され、先端側で前記抵抗体の両端にそれぞれ接続されるとともに後端側で前記絶縁基体の表面に導出された一対のリードとを備えたヒータであって、
前記抵抗体と前記一対のリードとの二つの接合部は、前記一対のリードの両方の軸を含む縦断面で見たときに先端側が内側または外側に向かって傾斜する境界面をそれぞれ有しており、前記二つの接合部のうちの少なくとも一方の接合部を前記一対のリードの軸に垂直な横断面で見たときに前記抵抗体と前記リードとの境界線が1本のみ存在するとともに凹凸形状になっており、
前記接合部における前記凹凸形状が前記先端側に向かうにつれて変化するとともに、前記境界線の位置が前記先端側に向かうにつれて移動していることを特徴とするヒータ。 An insulating substrate;
A resistor embedded in the insulating substrate and having a folded shape;
A heater embedded in the insulating base and connected to both ends of the resistor on the front end side and a pair of leads led to the surface of the insulating base on the rear end side;
The two joint portions between the resistor and the pair of leads each have a boundary surface whose tip side is inclined inward or outward when viewed in a longitudinal section including both axes of the pair of leads. When at least one of the two joints is viewed in a cross section perpendicular to the axis of the pair of leads, there is only one boundary line between the resistor and the lead and the unevenness It has a shape
The heater according to claim 1, wherein the uneven shape at the joint changes as it goes toward the tip side, and the position of the boundary line moves as it goes toward the tip side.
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