JP6970188B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - 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およびこれを備えたグロープラグに関するものである。

セラミックヒータとして、例えば、特開２０１２−９９３７３号公報（以下、特許文献１という）に開示のセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、絶縁性セラミックを有する丸棒状の基体と、その内部に埋設された発熱素子とを備えている。また、発熱素子は、対向する２つのリード部と、２つのリード部を繋ぐＵ字状の発熱部とを有している。

本開示のヒータは、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、第１直線部と、該第１直線部に対向する第２直線部と、頂部を有し前記第１直線部および前記第２直線部を繋ぐ弧状部とを有するとともに、前記頂部を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第１断面を見たときに、前記弧状部は、長軸および短軸を有する楕円形状で、長軸および短軸が前記第１直線部および前記第２直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。

本開示のヒータによれば、ヒータの耐久性を向上させることができる。

本開示のヒータの一例を示す断面図である。 （ａ）は図１に示すヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ別の例のヒータにおける弧状部の頂部の断面図である。 （ａ）は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線における断面図である。 （ａ）は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線における断面図である。 （ａ）は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線における断面図である。 （ａ）は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ線における断面図である。 本開示のヒータを備えたグロープラグの一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、開示の一例であるヒータ１０を示す断面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、棒状のセラミック体１と、発熱抵抗体２とを備えている。

セラミック体１は、発熱抵抗体２を保護するための部材である。セラミック体１は、例えば円柱状または角柱状などの棒状である。また、セラミック体１は、先端側が丸みを帯びた形状であってもよい。なお、ここでいう先端側とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けたときの一方を意味しており、セラミック体１のうち先端側の端部を先端とする。セラミック体１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な絶縁性の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１０を提供することができる。

特に、セラミック体１は、窒化珪素質セラミックスから形成されているとよい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高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１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，Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量として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り得ることができる。セラミック体１の寸法は、例えば長さを２０〜５０ｍｍにすることができる。また、セラミック体１が円柱状のときは、例えば直径を３〜５ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２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２は、セラミック体１の内部に設けられている。また、発熱抵抗体２は、例えばセラミック体１の先端側に設けられている。図１に示すように、発熱抵抗体２は、対向する第１直線部２１１および第２直線部２１２と、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの一端を結ぶ弧状部２２とを有している。第１直線部２１１および第２直線部２１２は、第１直線部２１１および第２直線部２１２である。弧状部２２は頂部を有している。ここで、頂部とは、弧状部２２のうちセラミック体１の先端に最も近い部位を意味している。

直線部２１および弧状部２２は、例えばＷ、ＭｏまたはＴｉなどの炭化物、窒化物または珪化物を有するセラミックス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１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１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）が導電性セラミックス材料として優れている。直線部２１および弧状部２２は、同じ材料から一体に形成されていてもよいし、異なる材料から別々に形成されていてもよい。

発熱抵抗体２の寸法としては、例えば直線部２１の長さを０．１〜５０ｍｍにすることができる。また、弧状部２２の内側の長さを０．１〜１０ｍｍに、外側の長さを０．２〜１２ｍｍにすることができる。また、発熱抵抗体２の寸法としては、例えば直線部２１の断面積を０．０１〜５ｍｍ^２に、弧状部２２の断面積を０．０１〜５ｍｍ^２にすることができる。また、直線部２１は、弧状部２２よりも断面積が大きくなっていてもよい。これにより、直線部２１の単位長さ当たりの抵抗値を弧状部２２よりも低くすることができる。そのため、直線部２１における発熱量を抑制することができる。

また、第１直線部２１１および第２直線部２１２は、それぞれの他端において、リード３に接続されていてもよい。リード３は一端が直線部２１の他端に接続されており、他端がセラミック体１の後端側の側面またはセラミック体１の後端に引き出されている。なお、ここでいう後端側とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けたときの他方を意味しており、セラミック体１のうち後端側の端部を後端とする。リード３は、発熱抵抗体２と同様の材料を用いて形成され、例えば、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てもよい。

リード３の材料としては、セラミック体１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、ＷＣを用いることができる。さらに、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されているとよい。これにより、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づけることができる。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の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は１５質量％〜４０質量％であるとよい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２０質量％〜３５質量％とするのがよい。

本開示のヒータ１０は、弧状部２２の頂部において折返し部２２の伸びる方向に垂直な断面を見たときに、弧状部２２の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるとともに、長軸および短軸が第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。言い換えると、本開示のヒータ１０は、頂部を通り弧状部２２の軸方向に垂直な第１断面を見たときに、弧状部２２が長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。例えば、図２に示すヒータ１０においては、弧状部２２の頂部を、弧状部２２の伸びる方向に垂直な断面（図２（ａ）に示すＸ−Ｘ線における断面）で見たときの長軸および短軸が、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面（図２（ｂ）に示すＡ−Ａ線）に対して傾斜している。

弧状部２２の頂部の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるときは、セラミック体１のうち長軸と接する部分は、短軸から最も離れた部分であり、セラミック体１のうち短軸と接する部分は、長軸から最も離れた部分である。そのため、ヒートサイクル下においては、長軸および短軸の近傍部分と比較して、長軸上および短軸上における熱膨張量が大きくなりやすい傾向にある。これにより、セラミック体１のうち長軸および短軸の近傍において、熱応力が生じやすい傾向にある。

本開示のヒータ１０によれば、第１断面を見たときに、長軸および短軸が第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していることにより、弧状部２２の頂部の長軸および短軸の軸方向を、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。そのため、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面上において、セラミック体１に熱応力が集中するおそれを低減することができる。これにより、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面上において、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。具体的には、頂部の長軸が、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば０．１〜３０度程度傾斜しており、頂部の短軸が、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば０．１〜３０度程度傾斜していればよい。

また、図２（ｂ）に示すように、弧状部２２の頂部における断面形状が楕円状であってもよい。これにより、弧状部２２の頂部の表面を滑らかにすることができる。そのため、ヒートサイクル化において、セラミック体１のうち頂部の長軸および短軸の近傍に生じる熱応力を分散させることができる。これにより、頂部の長軸および短軸の近傍において、セラミック体１に熱応力が集中するおそれを低減することができる。そのため、頂部の長軸および短軸の近傍において、セラミック体１にクラックが生じる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、長軸と短軸を有する形状とは、図２（ｂ）に示すような楕円形状に限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示すように、長軸および短軸のうちどちらかの長さがそれぞれ等しい２つの楕円を、その長さが等しい軸で半分に分割し、それぞれの軸同士を重ねた形状であってもよい。このときは、その半円の軸およびその半円の軸に垂直な軸を、それぞれ長軸または短軸とすることができる。

また、断面形状が、図３（ｂ）に示すように、楕円の一部に凹みがある形状でもよい。このときは、楕円の一部に凹みがある形状に外接する楕円のうち最も面積の小さい楕円の長軸および短軸を、それぞれ長軸および短軸とすることができる。このように、弧状部２２の頂部の外周面に凹みがあるときには、セラミック体１のうち、凹みの近傍に生じる熱応力を、凹みを形成する両側部分に分散させることができる。そのため、セラミック体１のうち一部分に熱応力が集中するおそれを低減することができる。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、断面形状においては、凹みが複数あってもよい。頂部の断面形状が、楕円の一部に凹みがある形状である場合においては、例えば、凹みが無い楕円形状と比較したときに、楕円の中心に向かって０．０５〜０．５ｍｍ程度凹んでいればよい。

また、図４に示すように、弧状部２２の頂部以外の部位において弧状部２２の伸びる方向に垂直な断面を見たときに、弧状部２２の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるとともに長軸および短軸が第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していてもよい。言い換えると、ヒータ１０は、弧状部２２のうち頂部以外の部位を通り弧状部２２の軸方向に垂直な第２断面を見たときに、弧状部が長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していてもよい。例えば、図４に示すヒータ１０においては、弧状部２２の頂部以外の部位を、弧状部２２の伸びる方向に垂直な断面（図４（ａ）に示すＹ−Ｙ線における断面）で見たときの長軸および短軸が、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面（図４（ｂ）に示すＡ−Ａ線）に対して傾斜している。

これにより、弧状部２２の頂部以外の部位における長軸および短軸の軸方向を、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。そのため、ヒートサイクル下において、セラミック体１のうち熱応力が生じやすい部位である長軸および短軸の近傍を、第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。したがって、セラミック体１のうち第１直線部２１１および第２直線部２１２のそれぞれの軸を含む平面上に熱応力が集中するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性をより向上させることができる。具体的には、頂部以外の部位の長軸が、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば０．１〜３０度程度傾斜しており、頂部以外の部位の短軸が、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば０．１〜３０度程度傾斜していればよい。

なお、図４（ｂ）においては、理解を助けることを目的として、セラミック体１を省略して、弧状部２２の断面図のみを示している。また、後述する図５、図６および図７においても、同様にセラミック体１を省略して、弧状部２２の断面図のみを示している。

また、図５に示すように、弧状部２２の頂部における短軸の傾斜が、弧状部２２の頂部以外の部位における短軸の傾斜よりも大きくてもよい。これにより、弧状部２２の頂部の長軸および短軸と、弧状部２２の頂部以外の部位の長軸および短軸とが、それぞれの延長線上において、三次元で見たときに交わらなくすることができる。そのため、セラミック体１のうち熱応力が生じやすい部分を分散させることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性をより向上させることができる。具体的には、頂部の短軸は、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば２〜３０度程度傾斜しており、頂部以外の部位の短軸は、直線部２１のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば０．１〜５度程度傾斜していればよい。

また、弧状部２２において断面積が一定であってもよい。具体的には、ＣＴ等を用いて弧状部２２を弧状部２２の伸びる方向に垂直に四等分したときのそれぞれの断面を見た場合において、それぞれの断面積と頂部の断面積との差が、頂部の断面積の５％の範囲内であれば、弧状部２２の断面積が一定であるとみなすことができる。弧状部２２の断面積が一定であることにより、弧状部２２の全体において、断面積によって単位長さ当たりの抵抗値が変化するおそれを低減することができる。そのため、弧状部２２の全体における発熱量を一定にすることができる。その結果、ヒータ１０の均熱性を高めることができる。

また、図６に示すように、弧状部２２は、頂部以外の部位よりも頂部において断面積が小さくてもよい。言い換えると、弧状部２２は、第２断面よりも第１断面において断面積が小さくてもよい。これにより、弧状部２２の全体の断面積が一定である場合と比較して、頂部以外の部位の耐久性を高めつつ、ヒートサイクル下における弧状部２２の頂部の熱膨張量を低減することができる。そのため、弧状部２２の頂部の近傍において、セラミック体１に生じる熱応力を低減することができる。これにより、弧状部２２の頂部の近傍において、セラミック体１にクラックが生じ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。この場合においては、弧状部２２の頂部の断面積を０．０１〜２ｍｍ^２に、頂部以外の部位の断面積を０．０３〜５ｍｍ^２にすることができる。なお、弧状部２２は、頂部において最も断面積が小さくなっていてもよいし、頂部付近において連続的に断面積が小さくなっていてもよい。

また、図７に示すように、弧状部２２は、頂部以外の部位よりも頂部において断面積が大きくてもよい。言い換えると、弧状部２２は、第２断面よりも第１断面において断面積が大きくてもよい。これにより、弧状部２２の全体の断面積が一定である場合と比較して、弧状部２２全体の発熱量を高めつつ、弧状部２２の頂部の耐久性を高めることができる。そのため、ヒートサイクル下において、弧状部２２の頂部にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。この場合においては、弧状部２２の頂部の断面積を０．０３〜５ｍｍ^２に、頂部以外の部位の断面積を０．０１〜２ｍｍ^２にすることができる。なお、弧状部２２は、頂部において最も断面積が大きくなっていてもよいし、頂部付近において連続的に断面積が大きくなっていてもよい。

図８に示すように、グロープラグ１００は、上述のヒータ１０であって、ヒータ１０と、セラミック体１を覆う金属筒４とを備えている。グロープラグ１００によれば、上述のヒータ１０を使用していることから、ヒータ１０の耐久性を向上させることができるため、耐久性を向上させることができる。

なお、金属筒４は、ヒータ１０を保持する金属製の筒状体である。金属筒４は、例えばセラミック体１の側面に引き出された一方のリード３にロウ材等で接合されて、電気的に接続される。グロープラグ１００は、金属筒４および他方のリード３に外部の電極を接続することによって用いられる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
２１：直線部
２１１：第１直線部
２１２：第２直線部
２２：弧状部
３：リード
４：金属筒
１０：ヒータ
１００：グロープラグ

Claims (6)

1. 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、第１直線部と、該第１直線部に対向する第２直線部と、頂部を有し前記第１直線部および前記第２直線部を繋ぐ弧状部とを有するとともに、前記頂部を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第１断面を見たときに、
   前記弧状部は、長軸および短軸を有する楕円形状で、長軸および短軸が前記第１直線部および前記第２直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜しているヒータ。
2. 前記弧状部のうち前記頂部以外の部位を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第２断面を見たときに、前記弧状部は、長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が前記第１直線部および前記第２直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している請求項１に記載のヒータ。
3. 前記第１断面における短軸の傾斜が、前記第２断面における短軸の傾斜よりも大きい請求項２に記載のヒータ。
4. 前記弧状部は、前記第２断面よりも前記第１断面において断面積が小さい請求項２または請求項３に記載のヒータ。
5. 前記弧状部は、前記第２断面よりも前記第１断面において断面積が大きい請求項２または請求項３に記載のヒータ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータと、該ヒータを覆う金属筒とを備えたグロープラグ。

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