JP6923425B2 - ヒータ - Google Patents

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グロープラグが知られている。特許文献１に開示されたセラミックグロープラグは、金属外筒と、金属外筒に外周部を保持された円柱状の基体セラミックと、Ｕ字形状をしており基体セラミック中に埋設されたセラミック発熱体と、セラミック発熱体の両端に接続されたリード線とを備えている。リード線は基体セラミックの側面に引き出されている。基体セラミックは、ろう材によって金属外筒に固着されている。

特開２００７−４６８９８号公報

このようなセラミックグロープラグは、基体セラミックの側面のうち、リード線が引き出された部分にメタライズが設けられていた。ろう材は、成分として銅とニッケルとを含んでいた。

しかしながら、このようなセラミックグロープラグにおいては、ろう材が比較的に硬い金属であるニッケルを含んでいた。そのため、ヒートサイクル化においてろう材とメタライズとの間に熱応力が生じたときに、メタライズに応力が集中してしまうおそれがあった。これにより、メタライズが破損してしまうおそれがあった。その結果、セラミックグロープラグの耐久性を向上させることが困難であった。

また、このようなセラミックグロープラグにおいては、ろう材のうち外気に触れる先端側の部分に銅を含んでいた。そのため、ろう材のうち先端側に含まれる銅が外気と反応することによって、酸化してしまうおそれがあった。その結果、電気的接続の信頼性を高めることが困難であった。

本開示はかかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックヒータの耐久性を向上させ、電気的接続の信頼性を高めることにある。

本開示の一態様のヒータは、棒状のセラミック体と、折返し形状を有しており、該セラミック体の先端側に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続されており、セラミック体の内部から後端側の外周面に引き出されたリードと、前記セラミック体の外周面のうち少なくとも前記リードが引き出された部分に設けられたメタライズ部と、筒状の部材であって、内周面が前記メタライズ部ごと前記セラミック体の外周面の一部分を覆うように位置している金属外筒と、前記セラミック体の外周面と前記金属外筒の内周面とに接しながら前記メタライズ部を覆うように位置しており、前記メタライズ部と前記金属外筒とを電気的に接続する接合部材とを備えており、前記接合部材は、銅とニッケルとを
含んでいるとともに、前記メタライズ部の表面に設けられている第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられている第２部分とを有しており、前記第１部分は、前記第２部分よりも銅を多い割合で含んでおり、前記第２部分は、前記第１部分よりもニッケルを多い割合で含んでいることを特徴とする。

本開示のヒータによれば、ヒータの耐久性を向上させ、ヒータの電気的接続の信頼性を高めることができる。

ヒータの一例を示す断面図である。 ヒータの他の例を示す断面図である。 ヒータの他の例を示す断面図である。

本開示のヒータ１０の一例について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本開示の一例であるヒータ１０を示す側面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、棒状のセラミック体１と、折返し形状を有しており、セラミック体１の先端側に埋設された発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に電気的に接続されており、セラミック体１の内部から後端側の外周面に引き出されたリード３と、セラミック体１の外周面のうち少なくともリード３が引き出された部分に設けられたメタライズ部４と、筒状の部材であって、内周面がメタライズ部４ごとセラミック体１の外周面の一部分を覆うように位置している金属外筒５と、セラミック体１の外周面と金属外筒５の内周面とに接しながらメタライズ部４を覆うように位置しており、メタライズ部４と金属外筒５とを電気的に接続する接合部材６とを備えている。

セラミック体１は棒状の部材である。セラミック体１は、先端と後端とを有している。セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２を有している。セラミック体１は、例えば角棒状または丸棒状である。セラミック体１の材質は、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または窒化珪素質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にすることができる。セラミック体１の寸法は、例えばセラミック体１の形状が丸棒状のときは、長さを２０〜５０ｍｍに、直径を２〜５ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２は、通電によって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、例えば線状の部材であって、折返し形状を有している。発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側に埋設されている。発熱抵抗体２は、端部がリード３に接続されており、リード３を介して外部電極に電気的に接続されている。発熱抵抗体２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ことができる。発熱抵抗体２は、セラミック体１の形成材料の含有量を含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば全長を１〜１５ｍｍ、断面積を０．１５〜０．８ｍｍ^２にすることができる。

リード３は、発熱抵抗体２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３は、発熱抵抗体２に接続されるとともにセラミック体１の後端側の外周面に引き出されている。リード３は、例えば線状の部材である。リード３は、発熱抵抗体２の両端にそれぞれ接続されている。リード３は、例えば発熱抵抗体２の一端側に接続されるものが、セラミック体１の後端側の外周面に引き出されており、発熱抵抗体２の他端側に接続されるものが、セラミック体１の後端に引き出されていてもよい。このときに、セラミック体１の後端には電極端子７が設けられており、リード３は電極端子７に電気的に接続されていてもよい。リード３は、例えば、発熱抵抗体２と同様の材料を用いて形成される。リー
ド３の寸法は、例えば全長を１０〜４０ｍｍ、断面積を０．１５〜３ｍｍ^２にすることができる。

リード３は、発熱抵抗体２よりも断面積を大きくしたり、セラミック体１の形成材料の含有量を発熱抵抗体２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３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３の熱膨張率を、セラミック体１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３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。

メタライズ部４は、セラミック体１の外周面のうち少なくともリード３が引き出された部分に設けられている。メタライズ部４は、例えばセラミック体１を周方向に囲むように設けられている。これにより、接合部材６がセラミック体１に広がりやすくすることができるため、セラミック体１と金属外筒５との接合強度を高めることができる。メタライズ部４は、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉにニッケルを被覆して拡散させた材料またはニッケル等の材料からなる。メタライズ部４は、例えば厚みを０．０１〜０．２ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを１０〜４０ｍｍにすることができる。

金属外筒５は、セラミック体１を保持するための部材である。金属外筒５は筒状の部材である。金属外筒５は、メタライズ部４ごとセラミック体１の外周面の一部分を覆うように位置している。金属外筒５の材質は、例えば鉄、クロムまたはニッケル等の金属からなる。金属部材の寸法は、例えば内径を２．１〜５．５ｍｍに、外径を２．５〜１０ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを１０〜１５０ｍｍにすることができる。

接合部材６は、セラミック体１と金属外筒５とを接合するための部材である。接合部材６は、セラミック体１の外周面と金属外筒５の内周面とに接しながらメタライズ部４を覆うように位置している。接合部材６は、メタライズ部４と金属外筒５とを電気的に接続している。接合部材６は、メタライズ部４を覆う部分からメタライズ部４よりも先端側まで設けられていている。また、接合部材６は、メタライズ部４より後端側まで設けられていてもよい。接合部材６は、例えば銀銅ろうまたは金銅ろうである。接合部材６は、成分としてニッケルと銅とを含んでいる。接合部材６は、図２に示すように、メタライズ部４の表面に設けられている第１部分６１と、第１部分６１よりも先端側に設けられている第２部分６２とを有している。

本開示のヒータ１０によれば、第１部分６１は、第２部分６２よりもニッケルを少ない割合で含んでおり、第２部分６２は、第１部分６１よりも銅を少ない割合で含んでいる。これにより、第１部分６１におけるニッケルの量を少なくすることができるため、第１部分６１を柔らかくすることができる。そのため、ヒートサイクル化において第１部分６１とメタライズ部４との間に熱応力が生じたときに、メタライズ部４に加わる応力を低減することができる。これにより、メタライズ部４が破損するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

また、本開示のヒータ１０によれば、第２部分６２は、第１部分６１よりも銅を少ない割合で含んでいる。これにより、第２部分６２における銅の量を少なくすることができる。そのため、第２部分６２に含まれる銅が外気と反応して、酸化してしまうおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の電気的接続の信頼性を高めることができる。

第１部分６１および第２部分６２に含まれる成分は、ヒータ１０の軸方向に切断して接
合部材６を露出した断面を、波長分散型ＥＰＭＡ（例えば日本電子製ＪＸＡ８５３０）またはＡＥＳ（オージェ分光分析）（例えば日本電子製ＪＡＭＰ９５００）を用いて定量分析することによって確認することができる。具体的には、例えば第１部分６１はニッケルを１％、銅を３０％含んでおり、第２部分６２はニッケルを５％、銅を２０％含んでいてもよい。

また、第１部分６１は、ニッケル銅合金を有しており、ニッケル銅合金は、メタライズ部４に接する面から金属外筒５に接する面まで連続して設けられていてもよい。ニッケル銅合金は酸化しにくい合金である。ニッケル銅合金がメタライズ部４に接する面から金属外筒５に接する面まで連続して設けられていることにより、第１部分６１における電気的接続の信頼性を高めることができる。

また、図３に示すように、第１部分６１は、銀をさらに含んでおり、第１部分６１を、セラミック体１の軸方向に垂直な方向に、セラミック体１側から第１層６１１、第２層６１２および第３層６１３の厚みが等しい３つの層に分けたときに、第２層６１２は、第１層６１１および第３層６１３よりも銀を多い割合で含んでいてもよい。銀は、比較的柔らかい金属である。そのため、第２層６１２が、第１層６１１および第３層６１３よりも銀を多い割合で含んでいることにより、第１層６１１および第３層６１３よりも第２層６１２を柔らかくすることができる。そのため、振動等により外力が加わったときに、第２層６１２の銀が応力を吸収することができる。これにより、メタライズに加わる力を低減することができる。その結果、メタライズが破損するおそれを低減することができる。このときに、第２層６１２は例えば銀を８５％含んでおり、第１層６１１および第３層６１３は銀を７５％含んでいてもよい。

また、接合部材６は、第１部分６１よりも後端側に設けられている第３部分６３を更に有しており、第２部分６２および第３部分６３は、それぞれニッケルと銀とを含んでおり、第３部分６３は、第２部分６２よりも銀に対してニッケルを少ない割合で含んでいてもよい。銀はニッケルよりも抵抗値が小さい部材である。そのため、第３部分６３が第２部分６２よりも銀に対してニッケルを少ない割合で含んでいることによって、第３部分６３の抵抗値を第２部分６２の抵抗値よりも小さくすることができる。これにより、第２部分６２よりも第３部分６３に電流が流れやすくすることができる。そのため、仮に先端側の第２部分６２が酸化により導電性を失った場合であっても、安定して金属外筒５との電気的接続を保つことができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

さらに、銀はニッケルよりも柔らかい部材である。また、第３部分６３は第２部分６２よりも後端側に位置するため、金属外筒５の振動等による外力が加わりやすい。そのため、第３部分６３が銀を多い割合で含んでいることにより、ヒータ１０に加わる外力を効果的に吸収することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。このときに、第２部分６２は例えばニッケルを５％、銀を７５％含んでおり、第３部分６３はニッケルを０．５％、銀を７０％含んでいてもよい。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：リード
４：メタライズ部
５：金属外筒
６：接合部材
６１：第１部分
６１１：第１層
６１２：第２層
６１３：第３層
６２：第２部分
６３：第３部分
７：電極端子
１０：ヒータ

Claims (4)

1. 棒状のセラミック体と、折返し形状を有しており、該セラミック体の先端側に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続されており、セラミック体の内部から後端側の外周面に引き出されたリードと、前記セラミック体の外周面のうち少なくとも前記リードが引き出された部分に設けられたメタライズ部と、筒状の部材であって、前記メタライズ部ごと前記セラミック体の外周面の一部分を覆うように位置している金属外筒と、前記セラミック体の外周面と前記金属外筒の内周面とに接しながら前記メタライズ部を覆うように位置しており、前記メタライズ部と前記金属外筒とを電気的に接続する接合部材とを備えており、
   前記接合部材は、前記メタライズ部の表面に設けられている第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられている第２部分とを有しており、
   前記第１部分および前記第２部分は、それぞれニッケルと銅とを含んでおり、
   前記第１部分は、前記第２部分よりもニッケルを少ない割合で含んでおり、
   前記第２部分は、前記第１部分よりも銅を少ない割合で含んでいることを特徴とするヒータ。
2. 前記第１部分は、ニッケル銅合金を有しており、
   該ニッケル銅合金は、前記メタライズ部に接する面から前記金属外筒に接する面まで連続して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記第１部分は、銀をさらに含んでおり、
   前記第１部分を、前記セラミック体の軸方向に垂直な方向に、前記セラミック体側から第１層、第２層および第３層の厚みが等しい３つの層に分けたときに、
   前記第２層は、前記第１層および前記第３層よりも銀を多い割合で含んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
4. 前記接合部材は、前記第１部分よりも後端側に設けられている第３部分を更に有しており、
   前記第２部分および前記第３部分は、それぞれニッケルと銀とを含んでおり、
   前記第３部分は、前記第２部分よりも銀に対してニッケルを少ない割合で含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。

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