JP6538467B2

JP6538467B2 - ヒータ及びグロープラグ

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Publication number: JP6538467B2
Application number: JP2015149215A
Authority: JP
Inventors: 広治坂元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: JP2017033637A

Description

本発明は、ヒータ及びグロープラグに関するものである。

ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、特許文献１に記載のセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に記載されたセラミックヒータは、セラミック焼結体とセラミック焼結体の内部に設けられた発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されたリード線と、リード線に電気的に接続された電極取り出し部とを備えている。

特開平１１−３４３１８０号公報

特許文献１に記載されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合にリード線と電極取り出し部とセラミック焼結体との間の熱膨張率が異なることによって、熱応力が発生する場合があった。そのため、従来よりも高い温度環境下でセラミックヒータを使用する場合には、リード線と電極取り出し部との接続部（特に接続部の両端）に剥がれが生じてしまうおそれがあった。その結果、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。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記他方の一部に接している部分から前記セラミック体の表面に引き出された部分までの間に一部がくびれているくびれ部を有していることを特徴とする。
また、本発明の他の態様に基づくヒータは、長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の先端が前記リードの表面から離れて前記セラミック体の内部に入り込んでいる。
また、本発明の他の態様に基づくヒータは、長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接している部分の外側の表面が弧状であることを特徴とするヒータ。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、リードの他方の側のうち接続導体から露出している部分の表面および接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっている。そのため、リードと接続導体との接続部において熱応力を集中させにくくすることができる。これにより、リードと接続導体との接続部に剥がれが生じてしまうおそれを低減できる。その結果、ヒ
ータの長期信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態の例のヒータおよびこれを用いたグロープラグを示す断面図である。図１に示すヒータのうちリードと接続導体とを通りヒータの軸方向に対して垂直な断面を示す部分断面図である。図２に示すヒータのうちリードと接続導体を拡大して示す部分断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例のヒータ１０およびこれを用いたグロープラグ１００について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態の例のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に接続されたリード３と、リード３に接続された接続導体４とを備えている。本例においては、ヒータ１０をグロープラグ１００として用いる場合の構成について説明する。このようなグロープラグ１００は、例えば、自動車のエンジンに用いることができる。

セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２、リード３および接続導体４が設けられた部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２、リード３および接続導体４を設けることによって、発熱抵抗体２、リード３および接続導体４の耐久性を向上できる。セラミック体１は、例えば、棒状または板状（これらを合わせて柱状ともいえる）の部材であり長さ方向を有する。

セラミック体１は、例えば、絶縁性セラミックス、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から成る。具体的には、セラミック体１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から成る。

窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、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および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１を得ることができる。焼成には、例えば、ホットプレス焼成を用いることができる。

セラミック体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック体１１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック体１の断面は、厚さ１〜６ｍｍ、幅２〜４０ｍｍの四角形に設定される。

発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する部材である。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に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。セラミック体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば、自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な面）の形状が、例えば、折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの直線部分と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端（連結部分のうち最も先端側の部分）から発熱抵抗体２の後端（直線部分の後端）までの長さは、例えば、発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。

リード３は、セラミック体１の内部に長さ方向に沿って設けられている。リード３は発熱抵抗体２に接続されている。図２に示すように、セラミック体１の長さ方向に直交してリード３および接続導体４の接続部を切断する断面において、リード３は断面が円形状である。より具体的には、リード３は、例えば、円柱状の部材である。なお、ここでいう「円形状」とは厳密な意味の円に限られず、例えば、楕円または長円等も含んでいる。さらに、多少いびつな円であっても構わない。

リード３は、例えばＷまたはＭｏ等の耐熱性に優れた金属材料が用いられる。特に、熱膨張率の観点から発熱抵抗体２と同じＷを用いることが好ましい。リード３が、円柱状の場合には、例えば、長さが５〜５０ｍｍ、直径が０．１０〜１ｍｍ程度に設定される。

接続導体４は、一端部（後述する図３における４１）がセラミック体１の内部でリード３に接続されるとともに他端部（後述する図３における４２）がセラミック体１の表面に引き出されている。接続導体４は、例えばＷ、ＭｏまたはＴｉ等の金属の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。特に、ＷまたはＭｏの炭化物または窒化物を用いることが好ましい。これにより、熱膨張係数をセラミック体１に近づけることができるので、熱応力の発生を低減できる。接続導体４は、図１に示すように、大まかには主面が長方形の帯状である。接続導体４は、主面がリード３の外周に接するように設けられている。接続導体４の寸法は、例えば、長方形状の長辺を０．１〜２．５ｍｍ、短辺を０．０５〜１．２ｍｍ、厚みを０．０１〜０．１５ｍｍに設定される。

ここで、本実施形態のヒータ１０は、図２に示すように、セラミック体１の長さ方向に直交してリード３および接続導体４の接続部を切断する断面において、リード３は断面が円形状である。そして、より詳しくは、図３に示すように、リード３は断面が円形状であるとともに接続導体４は接続部４０からリード３の接線の方向Ｘに沿ってセラミック体１の表面に向けて延びている。なお、図３においてはリード３と接続導体４のハッチングを省略している。そして、リード３の断面を接線の方向Ｘに平行な仮想線で分けた２つの半円形状部３１、３２として見たときに、接続導体４は、接続部４０において半円形状部３１、３２のうちの接線が接している側３１の少なくとも一部に接しているとともに半円形状部の他方の側３２にまで回り込んで他方の側３２の一部に接している。さらに、他方の側３２の一部に接している部分の外側の表面４３が、リード３の他方の側３２のうち接続導体４から露出している部分の表面３３および接続導体４の延びている部分の表面４４にかけて連続する滑らかな曲線になっている。そのため、リード３と接続導体４との接続部４０において熱応力を集中させにくくすることができる。これにより、リード３と接続導体４との接続部４０に剥がれが生じてしまうおそれを低減できる。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。

なお、ここでいう「滑らかな曲線になっている」とは、他方の側３２の一部に接している部分の外側の表面４３とリード３の他方の側３２のうち接続導体４から露出している部分の表面３３との接続部分に段差が無く、且つ、他方の側３２の一部に接している部分の外側の表面４３と接続導体４の延びている部分の表面４４との接続部分に段差が無いことを意味している。また、ここでいう「段差がない」とは、厳密な意味で「段差が無い」必要はなく、具体的には、リード３の表面および接続導体４の表面に自然に生じる表面粗さ程度の段差は無視して考えることができる。

また、接続導体４は、断面において、他方の一部３２に接している部分からセラミック体１の表面までの間に一部がくびれているくびれ部４５を有していてもよい。このことにより、電圧を急激に印加した時に、くびれ部４５において突入電流がせき止められ、その後電流経路が広がった上でリード３と接続導体４とが接続されることになる。このような形状にすることによって、突入電流による異常発熱をリード３と接続導体４との接続部においてではなく、くびれ部４５において生じさせることができる。これにより、接続部４０による発熱を低減できるので、接続部４０に生じる熱応力を低減でき、接続部４０に剥がれが生じてしまうおそれを低減できる。

また、接続導体４は、上述した断面において、半円形状部のうちの接線が接している側３１の先端（一端部４１の先端４７）がリード３の表面から離れてセラミック体１の内部に入り込んでいてもよい。このことにより、突入電流によって異常な発熱が生じたとしても、接続導体４を介して絶縁材料の奥まで熱を伝搬することができる。そのため、ヒータ１０のうち接続導体４の近傍の部分の外側と内側との間で生じる温度差を小さくすることができるので、リード３と接続導体４との接続部４０に剥がれが生じてしまうおそれを低減できる。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。

また、接続導体４は、上述した断面において、半円形状部３１、３２のうちの接線が接している側３１の少なくとも一部に接している部分の外側の表面４６が弧状であってもよい。これにより接続導体４の外側とセラミック体１との界面を滑らかにすることができるので、接続導体４の外側とセラミック体１との間に熱応力が集中することを低減できる。

グロープラグ１００は、発熱抵抗体２が棒状のセラミック体１の一端側（先端側）に位置しているヒータ１０と、セラミック体１の他端側（後端側）を覆うように取り付けられた金属筒５とを備えている。グロープラグ１００は、長期信頼性が向上したヒータ１０を有していることによって、耐久性が向上している。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：リード
４：接続導体
５：金属筒
１０：ヒータ
１００：グロープラグ

Claims

長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、
前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記他方の一部に接している部分から前記セラミック体の表面に引き出された部分までの間に一部がくびれているくびれ部を有していることを特徴とするヒータ。
前記接続導体は、前記断面において、前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の先端が前記リードの表面から離れて前記セラミック体の内部に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、
前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の先端が前記リードの表面から離れて前記セラミック体の内部に入り込んでいることを特徴とするヒータ。
長さ方向を有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の内部に前記長さ方向に沿って設けられて前記発熱抵抗体に接続されたリードと、一端部が前記セラミック体の内部で前記リードに接続されるとともに他端部が前記セラミック体の表面に引き出された接続導体とを備えており、前記セラミック体の長さ方向に直交して前記リードおよび前記接続導体の接続部を切断する断面において、前記リードは断面が円形状であるとともに前記接続導体は前記接続部から前記リードの接線の方向に沿って前記セラミック体の表面に向けて延びており、前記リードの断面を前記接線の方向に平行な仮想線で分けた２つの半円形状部として見たときに、前記接続導体は、前記接続部において前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接しているとともに前記半円形状部の他方の側にまで回り込んで該他方の側の一部に接しており、該他方の側の一部に接している部分の外側の表面が、前記リードの前記他方の側のうち前記接続導体から露出している部分の表面および前記接続導体の延びている部分の表面にかけて連続する滑らかな曲線になっており、前記接続導体は、前記断面において、前記半円形状部のうちの前記接線が接している側の少なくとも一部に接している部分の外側の表面が弧状であることを特徴とするヒータ。
前記発熱抵抗体が棒状の前記セラミック体であるとともに前記発熱抵抗体が前記セラミック体の前記長さ方向の一方側に位置している請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータと、前記セラミック体の前記長さ方向の他方側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えたグロープラグ。