JP6711697B2

JP6711697B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

Info

Publication number: JP6711697B2
Application number: JP2016107116A
Authority: JP
Inventors: 健岡村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: DE102017111549A1; JP2017216045A

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、ディーゼル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に記載のセラミックヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックヒータは、棒状のセラミック体と、セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えている。発熱抵抗体は折返し部を有するとともに、折返し部を折返し部の伸びる方向に垂直な断面を見たときの形状が楕円形状になっている。

特開２００３−２２８８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヒータにおいては、折返し部の断面形状が楕円形状であることから、セラミック体と発熱抵抗体との間でクラックが広がりやすい傾向にあった。具体的には、折返し部の断面形状が楕円形状（すなわち、滑らかな形状）であると、セラミック体と発熱抵抗体との間のどこか１箇所にクラックが発生すると、このクラックがセラミック体と発熱抵抗体との滑らかな界面に沿って進行してしまい、クラックが拡大してしまうおそれがあった。特に、折返し部の内周側においては、他の部位と比較して高温になる傾向があることから、クラックが発生しやすい傾向にあった。これらの結果、ヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の一態様のヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、対向する２つの並列部と該２つの並列部を繋ぐ折返し部とを有するとともに、該折返し部の伸びる方向に垂直な断面を見たときに前記折返し部の内周側に窪みを有し、前記２つの並列部を含む断面で見たときに、前記２つの並列部は、それぞれの内周側および外周側に直線状の部位を有し、前記２つの並列部は、少なくとも一方の内周側に凹部を有するとともに、前記窪みが前記凹部の内周面にまで伸びている。

本発明の一態様のヒータによれば、発熱抵抗体の折返し部の断面を見たときに折返し部の内周側に窪みを有することによって、長期信頼性を向上できる。具体的には、折返し部の内周側にクラックが発生したとしても、上述した窪みがあることによってクラックの進行を窪みで止めやすくすることができる。そのため、クラックがセラミック体と発熱抵抗体との間で拡大してしまうことを低減できる。

（ａ）はヒータの実施形態の一例を示す断面図であり、（ｂ）は折返し部近傍の拡大断面図である。（ａ）は図１に示すヒータのうち発熱抵抗体を示す模式図であり、（ｂ）は発熱抵抗体をａ−ａ線で切った断面図である。（ａ）は他の例のヒータのうち発熱抵抗体を示す模式図であり、（ｂ）は発熱抵抗体をｂ−ｂ線で切った断面図である。（ａ）は他の例のヒータのうち発熱抵抗体を示す模式図であり、（ｂ）は発熱抵抗体をｃ−ｃ線で切った断面図である。図１に示すヒータをＸ−Ｙ線で切った断面図と、発熱抵抗体をＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線、Ｅ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線、Ｇ−Ｇ’線のそれぞれで切った断面図である。他の例のヒータおよび他の例のヒータにおける発熱抵抗体を図５と同様の断面で切った断面図である。他の例のヒータおよび他の例のヒータにおける発熱抵抗体を図５と同様の断面で切った断面図である。他の例のヒータおよび他の例のヒータにおける発熱抵抗体を図５と同様の断面で切った断面図である。他の例のヒータおよび他の例のヒータにおける発熱抵抗体を図５と同様の断面で切った断面図である。他の例のヒータのうち折返し部近傍を示す拡大断面図である。グロープラグの実施形態の一例を示す断面図である。

図１に示すように、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。

ヒータ１におけるセラミック体２は、例えば長手方向を有する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に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っていてもよい。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に設定され、セラミック体２の直径は例えば３〜５ｍｍに設定される。

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、分散させてもよい。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の内部に設けられている。発熱抵抗体３はセラミック体２の先端側（一端側）に設けられている。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の長手方向に沿って伸びる並列部３２と、これらを連結する折返し部３０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および高い耐熱性を有する点で、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の抵抗値のばらつきを小さく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２０〜４０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２５〜３５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４〜１２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、一端が発熱抵抗体３の一端に接続され、他端がセラミック体２の後端寄りの側面から導出され、他方のリード４は、一端が発熱抵抗体３の他端に接続され、他端がセラミック体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。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１５〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２０〜３５質量％とするのがよい。

ここで、本実施形態のヒータ１においては、図１に示すように、棒状のセラミック体２と、セラミック体２の内部に設けられた発熱抵抗体３とを備えている。発熱抵抗体３は、対向する２つの並列部３２と２つの並列部３２を繋ぐ折返し部３０とを有する。そして、図２に示すように、折返し部３０の伸びる方向に垂直な断面を見たときに折返し部３０の内周側に窪み３１を有する。

発熱抵抗体３の折返し部３０の断面を見たときに折返し部３０の内周側に窪み３１を有することによって、ヒータ１の長期信頼性を向上できる。具体的には、折返し部３０の内周側にクラックが発生したとしても、上述した窪み３１があることによってクラックの進行を窪み３１で止めやすくすることができる。そのため、クラックがセラミック体２と発熱抵抗体３との間で拡大してしまうことを低減できる。その結果、ヒータ１の長期信頼性を向上できる。

発熱抵抗体３の断面形状が窪み３１が設けられている部位を除いて楕円形状である場合
（略楕円形状である場合）には、発熱抵抗体３は、折返し部３０の伸びる平面上に短軸が位置しており、折返し部３０の伸びる平面に垂直な方向に長軸が位置していてもよい。発熱抵抗体３が略楕円形状である場合には、クラックは短軸に沿った方向よりも長軸に沿った方向に進行しやすい。そのため、折返し部３０の伸びる平面に垂直な方向に長軸が位置していると、窪み３１が長軸方向に沿った方向に進行しようとするクラックを止めやすくなる。

また、図３に示すように窪み３１が折返し部３０の内周に沿って伸びていていてもよい。これにより、窪み３１が折返し部３０の内周に沿って弧を描くように伸びることになるので、熱応力を分散させやすくすることができる。その結果、ヒータ１の長期信頼性を向上できる。さらに、図４に示すように、窪み３１が折返し部３０の全周に沿って伸びていてもよい。これにより、窪み３１の端部が折返し部３０の途中に位置してしまい、この端部を起点としたクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、折返し部３０の特定の部位に熱応力が集中するおそれを低減できる。

また、図５に示すように、窪み３１が折返し部３０の頂部（最も先端に位置する部位）の内周側に位置していてもよい。折返し部３０のうち最も応力が集中しやすい位置、すなわち、最もクラックが生じやすい位置に窪み３１が位置していることによって、クラックの進行を低減しやすくできる。

また、図５に示すように、折返し部３０の伸びる方向に垂直な断面における窪み３１の深さが頂部（Ｄ−Ｄ’線が通る部位）において最も大きくなっていてもよい。応力が集中しやすい頂部において窪み３１を深くしておくことによって、クラックの進行を低減しやすくできる。

特に、図６のうちＤ−Ｄ’線で切った断面に示すように、窪み３１の深さが発熱抵抗体３の幅（内周と外周との間隔の最大値）の１／２よりも大きい部分があってもよい。この場合には、窪み３１が折返し部３０の断面の中心に位置するようになるので、折返し部３０の内側と外側とにセラミック体２が位置することになる。そのため、折返し部３０が熱膨張したときに、外側だけではなく内側にも熱膨張によって生じる力を逃がすことができる。その結果、ヒータ１におけるクラックの発生を低減できる。

また、折返し部３０の伸びる方向に垂直な断面における窪み３１の深さが頂部から離れるにつれて小さくなっていてもよい。これにより、窪み３１の深さを徐々に小さくしていくことができるので、窪み３１の端部において大きな段差が生じてしまうおそれを低減できる。これにより、窪み３１の端部を起点としたクラックが生じるおそれを低減できる。

また、図７に示すように、窪み３１が２つの並列部３２にまで伸びていてもよい。窪み３１が並列部３２にまで伸びて形成されていることによって、窪み３１の端部を折返し部３０の外に位置させることができる。その結果、折返し部３０において熱応力が集中するおそれを低減できる。

折返し部３０の伸びる方向に垂直な断面を見たときに窪み３１の底面が曲線状であってもよい。これにより、折返し部３０の窪み３１において応力が集中するおそれを低減できる。その結果、急速昇温可能なヒータ１とすることができる。

また、図８に示すように、折返し部３０の外周側にも第２窪み３３があってもよい。これにより、クラックの進行をさらにしにくくすることができる。第２窪み３３は、第２窪み３３と窪み３１との間に折返し部３０の断面の中心が来るように位置していてもよい。これにより、折返し部３０の内周側と外周側とで生じる熱応力のばらつきを低減できる。
そのため、ヒータ１にクラックが生じるおそれを低減できる。

また、図９に示すように、窪み３１の一部が発熱抵抗体３を貫通していてもよい。発熱抵抗体３に突入電流が流れたときには、瞬間的に発熱抵抗体３にいびつな温度分布が生じるおそれがあり、この際に発熱抵抗体２にねじれるような熱膨張が生じるおそれがある。窪み３１の一部が発熱抵抗体を貫通していることによって、ねじれるような熱膨張が生じようとしたときに、この熱応力を低減することができる。

また、図１０に示すように、２つの並列部３２を含む断面で見たときに２つの並列部３２の少なくとも一方が凹部３４を有していてもよい。凹部３４は、２つの並列部３２を含む平面に対して垂直な方向に伸びている。言い換えると、凹部３４は、並列部３２を、２つの並列部３２を含む平面に対して垂直な方向に貫いている。そして、窪み３１が凹部３４の内周面にまで伸びていてもよい。これにより、折返し部３０で生じた熱応力を並列部３２の凹部３４にまで伝えるとともに、この凹部３４で分散させることができる。

図１１に示すように、グロープラグ１０は、上述のヒータ１と、ヒータ１の後端側（他端側）を覆うように取り付けられた筒状の金属筒５とを備えている。また、金属筒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。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、耐久性が向上している。

金属筒５は、セラミック体２を保持するための部材である。金属筒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、筒状の金属筒５の内側に棒状のセラミック体２が挿入されている。金属筒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。金属筒５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。

金属筒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、金属筒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、金属筒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筒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、金属筒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１２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、金属筒５との間で短絡が生じないように金属筒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筒５と電極金具６との間に電圧を加えることによって、金属筒５および電極金具６を介して発熱抵抗体３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。ヒータ１は、例えば、上記構成の発熱抵抗体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。

１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３０：折返し部
３１：窪み
３２：並列部
３３：第２窪み
３４：凹部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ

Claims

棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、対向する２つの並列部と該２つの並列部を繋ぐ折返し部とを有するとともに、該折返し部の伸びる方向に垂直な断面を見たときに前記折返し部の内周側に窪みを有し、
前記２つの並列部を含む断面で見たときに、
前記２つの並列部は、それぞれの内周側および外周側に直線状の部位を有し、
前記２つの並列部は、少なくとも一方の内周側に凹部を有するとともに、前記窪みが前記凹部の内周面にまで伸びているヒータ。
前記窪みが前記折返し部の内周に沿って伸びている請求項１に記載のヒータ。
前記窪みが前記折返し部の頂部の内周側に位置している請求項２に記載のヒータ。
前記折返し部の伸びる方向に垂直な断面における前記窪みの深さが前記頂部において最も大きくなっている請求項３に記載のヒータ。
前記折返し部の伸びる方向に垂直な断面における前記窪みの深さが前記頂部から離れるにつれて小さくなっている請求項４に記載のヒータ。
前記窪みが前記２つの並列部にまで伸びている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
該折返し部の伸びる方向に垂直な断面を見たときに前記窪みの底面が曲線状である請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
前記窪みの一部が前記発熱抵抗体を貫通している請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータ。
前記折返し部の外周側に第２窪みを有する請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のヒータ。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のヒータであって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端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。