JP6817325B2

JP6817325B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

Info

Publication number: JP6817325B2
Application number: JP2018548980A
Authority: JP
Inventors: 貴史宮口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: WO2018084083A1; JPWO2018084083A1

Description

本開示は、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、特開２００８−２８８１１０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、棒状の基体と、基体の内部に設けられた抵抗体とを備えている。基体は、径が一定の部分と、先端に向かって細くなる部分とを有している。一般的に、基体の表面形状の加工には切削加工が用いられる。切削加工においては、加工後の基体の表面に周方向に沿って溝が残る傾向にあった。

本開示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位置し、該セラミック体の長手方向に延びる並列部およびこれらを連結する折り返し部からなる発熱抵抗体と、を備えており、前記セラミック体は、長さ方向を有する、前記並列部が埋設された円柱状の第１部分、および前記長さ方向において前記第１部分に隣接しているとともに前記第１部分から離れるにつれて細くなる、前記折り返し部が埋設された第２部分を
有しており、前記第２部分の表面には複数の溝が設けられており、該複数の溝は、一端が前記第１部分と前記第２部分との境界に位置しているとともに、前記長さ方向から見て前記セラミック体の径方向に対して傾斜して伸びている。

ヒータの一例を示す断面図である。（ａ）は図１に示すヒータのうち第１部分の近傍を示す拡大図であり、（ｂ）は第１部分を長さ方向から見た側面図である。（ａ）はヒータ別の例のうち第１部分の近傍を示す拡大図であり、（ｂ）は第１部分を長さ方向から見た側面図である。ヒータの別の例のうち第１部分を長さ方向から見た側面図である。ヒータの別の例のうち第１部分を長さ方向から見た側面図である。ヒータの別の例のうち第１部分を長さ方向から見た側面図である。グロープラグ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の内部に位置する発熱抵抗体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はセラミックスを有する。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を有していてもよい。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を有するセラミック体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を有す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）に埋設されている。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と、これらを連結する折返し部とを有する。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を有する場合は、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を有する場合は、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％以上であってもよい。例えば、窒化珪素質セラミックスを有するセラミック体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％であってもよい。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。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していてもよい。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％であってもよい。

ここで、本実施形態のヒータ１においては、図２に示すように、棒状のセラミック体２と、セラミック体２の先端側に埋設された発熱抵抗体３とを備えており、セラミック体２は、長さ方向を有する円柱状の第１部分２１および長さ方向において第１部分２１に隣接しているとともに第１部分２１から離れるにつれて細くなる第２部分２２を有している。第２部分２２は表面に複数の溝２３が設けられており、複数の溝２３は、一端が第１部分２１と第２部分２２との境界に位置している。複数の溝２３は、端面視したときに、言い換えると、長さ方向から見たときに、セラミック体２の径方向に対して傾斜して伸びている。より具体的には、それぞれの溝２３は直線状であって、セラミック体２の長さ方向からも、第１部分２１と第２部分２２との境界からも、傾斜している。

これにより、ヒートサイクル下においてセラミック体２が大きく熱膨張する長さ方向に対して傾斜して溝２３が伸びている。これにより、溝が周方向に沿っている場合と比較して、発生する熱応力を第１部分２１と第２部分２２との境界以外に分散させることができる。また、溝２３が長さ方向に伸びている場合と比較して、セラミック体２の先端の中心に熱応力が集中してしまうおそれを低減できる。その結果、セラミック体２にクラック等が生じてしまうおそれを低減できる。

以下、溝２３をセラミック体２の径方向に対して傾斜して伸びるように形成する方法について説明する。

まず、セラミック体２を回転させながらＮＣ加工（ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ）の回転した刃物を３次元的に移動させる。このとき、セラミック体２の回転速度をＮＣ加工の回転刃の回転速度の１／１０以下にして、溝２３が長さ方向ではなく周方向になるようにセットする。さらにこの状態でＮＣ加工の回転刃の回転軸をセラミック体２の回転軸と軸線同士が交差しないように傾けて加工する。このようにして、図２、３に示すヒータ１を製造できる。

さらに、図４に示すヒータ１を製造する場合には、溝２３の方向に合わせて回転刃をセラミック体２に接触させる位置をすこしずつセラミック体２の中心に向けて移動させながらセラミック体２を回転させればよい。

また、図５，６に示すヒータ１を製造する場合には、ＮＣ加工の際にセラミック体２の中心から外周側へ刃を移動する時にセラミック体２の回転軸の軸線と回転刃の軸線との投影角度を変化させればよい。

セラミック体２の長さが、例えば、２６．５ｍｍの場合には、第２部分２２の長さは、例えば、１ｍｍに設定することができる。溝２３の深さは、例えば、５μｍに設定することができる。溝２３の長さは、例えば、１００μｍ以上に設定することができる。

また、図３に示すように、複数の溝２３は曲線状に伸びていてもよい。これにより、特定の部位に熱応力が集中することを低減できる。その結果、セラミック体２にクラック等が生じてしまうおそれを低減できる。

また、第２部分２２がドーム形状であってもよい。これにより、第２部分２２の径が徐々に変化することになるので、第２部分２２に局所的に熱応力が集中するおそれを低減できる。

また、図４に示すように、複数の溝２３が第２部分２２の全体に渦状に分布していてもよい。これにより、溝２３が存在する領域と存在しない領域とがある場合と比較して、第２部分２２に局所的に熱応力が集中するおそれを低減できる。また、溝２３が渦状であることによって、第２部２２の周方向における熱応力の偏りを低減することができる。なお、図４に示すように、１つの溝２３が第１部分２１と第２部分２２との境界から第２部分の中心にまで設けられていてもよいし、複数の溝２３が断続的に設けられることによって、第１部分２１と第２部分２２との境界から第２部分の中心にまで設けられていてもよい。

また、図５に示すように、複数の溝２３のそれぞれがＳ字状に伸びていてもよい。溝２３がＳ字状に伸びていることによって、溝２３が異なる方向に凸な弧状の部分を複数有することになる。そのため、溝２３が１つの弧状の部分を有する形状である場合と比較して、熱応力を様々な方向に分散することができる。

また、図６に示すように、複数の溝２３のそれぞれが、第１部分２１と第２部分２２との境界から第２部分２２の中心を通って、再び、第１部分２１と第２部分２２との境界にまで伸びた形状がＳ字であってもよい。この場合には、複数の溝２３を対称性高く配置することができるので、局所的に熱応力が集中してしまうおそれを低減できる。

図７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の一部（後端側）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）合金を有する。

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を有する。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
２１：第１部分
２２：第２部分
２３：溝
３：発熱抵抗体
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位置し、該セラミック体の長手方向に延びる並列部およびこれらを連結する折り返し部からなる発熱抵抗体と、を備えており、
前記セラミック体は、長さ方向を有する、前記並列部が埋設された円柱状の第１部分、および前記長さ方向において前記第１部分に隣接しているとともに前記第１部分から離れるにつれて細くなる、前記折り返し部が埋設された第２部分を有しており、
前記第２部分の表面には複数の溝が設けられており、
該複数の溝は、一端が前記第１部分と前記第２部分との境界に位置しているとともに、前記長さ方向から見て前記セラミック体の径方向に対して傾斜して伸びているヒータ。
前記複数の溝は曲線状に伸びている請求項１に記載のヒータ。
前記第２部分がドーム形状である請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記長さ方向から見て、前記複数の溝が前記第２部分の全体に渦状に分布している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
前記複数の溝のそれぞれがＳ字状に伸びている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータと、前記セラミック体の一部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。