JP6204566B2 - ヒータおよびグロープラグ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、燃焼式車載暖房装置、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、例えば特許文献１に記載のセラミックヒータが知られている。実開昭６３−８０４５６号公報（以下、特許文献１という）に記載のセラミックヒータは、内部に発熱抵抗体が埋設された棒状のセラミック体と、セラミック体の側面に覆い被せる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と電気的に接続されており、電極の役割を果たしている。金属キャップの中心には貫通孔が設けられている。この貫通孔にリード端子が挿入されており、この状態でリード端子と金属キャップとが接合されている。
しかしながら、特許文献１に記載のセラミックヒータにおいては、リード端子を介して発熱抵抗体に通電を開始した際に、リード端子に突入電流が流れることによって、リード端子が高温になる場合があった。そして、リード端子からその熱が伝わることによって、金属キャップも高温になる場合があった。これにより、金属キャップが熱膨張してしまい、リード端子が金属キャップから抜けてしまう可能性があった。そのため、ヒートサイクル下におけるセラミックヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。
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、前記セラミック体の少なくとも一方の端面に設けられて前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体層と、前記セラミック体の前記端面側の端部に取り付けられた、前記導体層の少なくとも一部および前記端面を隙間を介して覆うとともに貫通孔を有する金属キャップと、前記貫通孔に挿入されて前記導体層と電気的に接続されたリード端子とを備えており、該リード端子は、前記貫通孔の貫通方向から見たときに、前記隙間に位置している端部が前記貫通孔よりも外側に位置する部分を有しているとともに、前記金属キャップは、前記セラミック体の前記端面に面する底部と前記セラミック体の前記端面側の側面の一部を環状に覆う側部とを有しており、該側部の外周から前記貫通孔に繋がるスリットを有しているヒータである。
また、上記のヒータと、セラミック体に端面側の側面を覆うように取り付けられた筒状の金属部材とを備えたグロープラグである。
ヒータおよびこれを用いたグロープラグの断面図である。 図１に示すヒータのセラミック体の一端の斜視図である。 図１に示すヒータの要部を示す斜視図である。 図１に示すヒータの要部を示す断面図である。 図１に示すヒータの変形例を示す断面図である。 図１に示すヒータの変形例であって、リード端子を示す斜視図である。 図１に示すヒータの変形例であって、リード端子を示す斜視図である。 図１に示すヒータの変形例を示す断面図である。
以下、ヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。図１はヒータ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。
セラミック体１は、例えば、棒状に形成された部材である。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に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Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、および０．５〜５質量％のＡｌ２Ｏ３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２．５〜５ｍｍに設定される。セラミック体１の長さが２０〜４０ｍｍ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１．５ｍｍ程度、テーパー部１１の端面の直径は１．５ｍｍ程度に設定できる。
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、ＭｏＳｉ２またはＷＳｉ２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、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、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。発熱部２１は、例えばＵ字形状等の折返し形状を有しており、それぞれの端部が別々に導出部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の一端から発熱抵抗体２の他端までの長さは、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の表面に導出されているとともに、他端が発熱部２１の端部に接続されている。導出部２２は、発熱部２１の両端に別々に接続されている。このうち一方の導出部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、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を発熱部２１よりも低くしている。
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の少なくとも一方の端面に設けられている。より具体的には、導体層３は、テーパー部１１の外周面および端面に設けられている。導体層３は、発熱抵抗体２と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、あるいはチタンを含むメタライズ層または金、ニッケルあるいはパラジウム（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５〜４０μｍ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。図３に示すように、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と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の一端側のテーパー形状に対応した形状を有している。具体的には、底部４１は、中央部に貫通孔７を有する略円形の板状である。また、側部４２は、セラミック体１の軸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の一端に面するとともに、側部４２が一端からテーパー部１１の側面の一部を環状に覆うようにしてセラミック体１に取り付けられる。側部４２にはスリット４３が設けられている。これにより、金属キャップ４とセラミック体１との熱膨張差に起因する熱応力が金属キャップ４に生じる可能性を低減できる。なお、金属キャップ４の形状は、セラミック体１の形状に合わせて適宜変更できる。
ヒータ１０は、貫通孔７に挿入されて金属キャップ４に接合されたリード端子５をさらに備えている。リード端子５は、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９が金属キャップ４の底部４１とセラミック体１の端面に設けられている導体層３との間の隙間に位置して、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とを接合する場合に比較して、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。
さらに、ヒータ１０においては、図３および図４に示すように、リード端子５は、貫通孔７の貫通方向から見たときに、隙間に位置している端部９が貫通孔７よりも外側に位置する部分を有している。より具体的には、リード端子は、金属キャップ４とセラミック体１の端面との間の隙間に位置している端部９が貫通孔７よりも広がっている。これにより、リード端子５が金属キャップ４から抜けそうになったとしても、リード端子５の端部９が金属キャップ４の底部４１に引っかかるために、リード端子５が金属キャップ４から抜けてしまう可能性を低減できる。その結果、ヒートサイクル下におけるヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。
ヒータ１０においては、リード端子５の端部９は円盤状に広がっている。これにより、リード端子５の端部９において応力が部分的に集中する可能性を低減できる。その結果、リード端子５の耐久性を向上させることができる。
また、ヒータ１０においては、図４に示すように、リード端子５の端部９が金属キャップ４から離れており、隙間に金属キャップ４、導体層３およびリード端子５の端部９を接合する導電性の接合剤８が設けられている。このように、導電性の接合剤８が設けられていることによって、リード端子５を引っ張るような外力、すなわち、リード端子５の端部９を金属キャップ４に押し当てるような外力が加わったときに、接合剤８が外力を緩和する層として働くことから、リード端子５が損傷してしまう可能性を低減できる。
さらに、図４に示すように、接合剤８は、底部４１と導体層３との間に濡れ広がるとともに、側部４２と導体層３との間には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とセラミック体１との間に生じる熱応力を低減できる。また、図４に示すように、接合剤８が貫通孔７を埋めるように充填されていてもよい。これにより、リード端子５と金属キャップ４とを強固に接合できる。特に、接合剤８が貫通孔７を埋めるとともに、さらに、リード端子５のうち金属キャップ４の外部に位置する部分にまで這い上がっているとよい。これにより、リード端子５と金属キャップ４とをさらに強固に接合できる。
なお、導電性の接合剤８としては、例えば、ろう材が挙げられる。なお、図１〜３では、図面の見やすさを優先して接合剤８の図示を省略している。
また、図４に示すように、ヒータ１０においては、リード端子５の端部９が導体層３から離れている。これにより、通電時に突入電流が流れることによってリード端子５が高温になったとしても、リード端子５と導体層３との間で応力が発生する可能性を低減できる。その結果、導体層３にクラックが生じる可能性を低減できる。リード端子５の端部９は導体層３から、例えば、０．０５〜０．２ｍｍ程度離れていることが好ましい。
リード端子５の端部９の寸法は、例えば、以下のように設定できる。例えばセラミック体１の直径が３ｍｍ、金属キャップ４の寸法が底部４１の内径が１．８ｍｍ程度、側部４２のセラミック体１の長さ方向の長さが１．２ｍｍ程度、底部４１および側部４２の厚みが０．３ｍｍ程度であって、貫通孔７の直径が０．１〜０．７ｍｍの場合であれば、リード端子５の端部９の直径を貫通孔７の直径よりも大きく０．２〜１．７ｍｍ程度に設定でき、厚みを０．１〜１ｍｍ程度に設定できる。
図１に戻って、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側の側面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と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、あるいはニッケル合金等から成る。
金属部材６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６とセラミック体１とが強固に固定される。
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。グロープラグ１００は、リード端子５が抜けてしまう可能性が低減されたヒータ１０を備えていることによって、ヒートサイクル下における長期信頼性が向上している。
なお、リード端子５の形状は、目的に応じて様々な形状を用いることができる。具体的には、図５に示すように、リード端子５を一本のリードを折り曲げたような形状にしてもよい。具体的には、リード端子５を、端部９が貫通孔７の貫通方向に対して交差する方向に延びるような、Ｌ字形状にしてもよい。図５に示すような形状にすることによって、貫通孔７の貫通方向にリード端子５が引っ張られるような応力が働いたときに、リード端子５を撓ませることによって応力を吸収できる。
また、図６に示すように、リード端子５を端部９が貫通孔７の貫通方向に対して交差する方向に延びるような、Ｔ字形状にしてもよい。このような形状でも、リード端子５が金属キャップ４から抜けてしまう可能性を低減できる。
また、図７に示すような、リード端子５の端部９を２つの線状部分が交差するＸ字形状にしてもよい。これにより、リード端子５が様々な方向に引っ張られたとしても、リード端子５と金属キャップ４との間に生じる応力を複数の部位で分散できるので、リード端子５が損傷する可能性を低減できる。また、リード端子５の端部９が円盤状である場合と比較しても、リード端子５の端部９の表面積を小さくできる。その結果、発熱抵抗体２から発せられた熱がリード端子５に伝わることを低減できる。
また、図１に示すようにリード端子５のうち軸方向に延びる部分と端部９の円盤状の部分とを一体的に形成してもよいが、別々に形成してもよい。具体的には、図８に示すように、リード端子５のうち軸方向に延びる部分を釘形状にしておくとともに、釘形状の頭部５１よりも広がった端部９を貫通孔７と釘形状の頭部との間に配置してもよい。これにより、リード端子５をヒートサイクル下で使用したときに、リード端子５の軸方向に延びる部分と端部９とが外れてしまう可能性を低減できる。
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：貫通孔
８：接合剤
９：端部
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、前記セラミック体の少なくとも一方の端面に設けられて前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体層と、前記セラミック体の前記端面側の端部に取り付けられた、前記導体層の少なくとも一部および前記端面を隙間を介して覆うとともに貫通孔を有する金属キャップと、前記貫通孔に挿入されて前記導体層と電気的に接続されたリード端子とを備えており、
    該リード端子は、前記貫通孔の貫通方向から見たときに、前記隙間に位置している端部が前記貫通孔よりも外側に位置する部分を有しているとともに、
    前記金属キャップは、前記セラミック体の前記端面に面する底部と前記セラミック体の前記端面側の側面の一部を環状に覆う側部とを有しており、該側部の外周から前記貫通孔に繋がるスリットを有しているヒータ。
  2. 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、前記セラミック体の少なくとも一方の端面に設けられて前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体層と、前記セラミック体の前記端面側の端部に取り付けられた、前記導体層の少なくとも一部および前記端面を隙間を介して覆うとともに貫通孔を有する金属キャップと、前記貫通孔に挿入されて前記導体層と電気的に接続されたリード端子とを備えており、
    該リード端子は、前記貫通孔の貫通方向から見たときに、前記隙間に位置している端部が前記貫通孔よりも外側に位置する部分を有しているとともに、
    前記金属キャップは、前記セラミック体の前記端面に面する底部と前記セラミック体の前記端面側の側面の一部を環状に覆う側部とを有しており、
    前記隙間には、前記金属キャップ、前記導体層および前記リード端子の前記端部を接合する導電性の接合剤が設けられており、該接合剤は、前記底部と前記導体層との間に濡れ広がるとともに、前記側部と前記導体層との間には濡れ広がっていないヒータ。
  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、前記セラミック体の少なくとも一方の端面に設けられて前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体層と、前記セラミック体の前記端面側の端部に取り付けられた、前記導体層の少なくとも一部および前記端面を隙間を介して覆うとともに貫通孔を有する金属キャップと、前記貫通孔に挿入されて前記導体層と電気的に接続されたリード端子とを備えており、
    該リード端子は、前記貫通孔の貫通方向から見たときに、前記隙間に位置している端部が前記貫通孔よりも外側に位置する部分を有しているとともに、
    前記隙間には、前記金属キャップ、前記導体層および前記リード端子の前記端部を接合す
    る導電性の接合剤が設けられており、該接合剤は、前記貫通孔を埋めるとともに、前記リード端子のうち前記金属キャップの外部に位置する部分にまで這い上がっているヒータ。
  4. 前記リード端子の前記端部が円盤状に広がっている請求項１乃至３のいずれかに記載のヒータ。
  5. 前記リード端子の前記端部が前記金属キャップから離れており、前記隙間に前記金属キャップ、前記導体層および前記リード端子の前記端部を接合する導電性の接合剤が設けられている請求項１に記載のヒータ。
  6. 前記リード端子の前記端部が前記導体層から離れている請求項１乃至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、前記セラミック体に前記端面側の側面を覆うように取り付けられた筒状の金属部材とを備えたグロープラグ。
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