JP7000241B2

JP7000241B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP7000241B2
Application number: JP2018084223A
Authority: JP
Inventors: 潤二郎里岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-04-25
Also published as: JP2019192494A

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に記載のグロープラグが知られている。特許文献１に開示されたグロープラグは、棒状の基体と、基体内に配置され、一端が基体の外周に引き出された発熱体と、基体のうち発熱体が引き出された部位を囲む金属の外筒とを有している。

特開２０１７－５８０３２号公報

このようなグロープラグにおいては、基体と外筒とは、メタライズ部材によって接合されていた。さらに、メタライズ部材には、外筒よりも軟らかい材料が使われていた。そのため、外筒に外力が加わった場合において、軟らかいメタライズ部材が破損してしまうおそれがあった。その結果、グロープラグの強度を高めることが困難であった。

本開示の一態様のヒータは、棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設され、端部が前記セラミック体のうち後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面であって前記発熱抵抗体が引き出された部分に設けられて、前記発熱抵抗体に電気的に接続されたメタライズ部材と、該メタライズ部材ごと前記セラミック体を囲むように設けられた筒状金具と、前記セラミック体と前記筒状金具との間において前記メタライズ部材に重なって設けられて、前記セラミック体と前記筒状金具とを接合する接合材とを備えており、前記筒状金具は、前記発熱抵抗体が引き出された部分を囲む第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられた第２部分とを有しており、前記第１部分は、前記第２部分よりも薄く、前記接合材は、前記筒状金具の後端面に這い上がって設けられていることを特徴とする。また、本開示の一態様のヒータは、棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設され、端部が前記セラミック体のうち後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、前記セラミック体の表面であって前記発熱抵抗体が引き出された部分に設けられて、前記発熱抵抗体に電気的に接続されたメタライズ部材と、該メタライズ部材ごと前記セラミック体を囲むように設けられた筒状金具と、前記セラミック体と前記筒状金具との間において前記メタライズ部材に重なって設けられて、前記セラミック体と前記筒状金具とを接合する接合材とを備えており、前記筒状金具は、前記発熱抵抗体が引き出された部分を囲む第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられた第２部分とを有しており、前記第１部分は、前記第２部分よりも薄く、前記第２部分は、先端より後端が薄いことを特徴とする。

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。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。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、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、セラミック体１の表面に設けられたメタライズ部材３と、セラミック体１を囲む筒状金具４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、例えば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である。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、例えばセラミック体１のうち先端側において折返し部を有していてもよい。発熱抵抗体２は、端部がセラミック体１のうち後端側の側面に引き出されている。なお、ここでいう「セラミック体１のうち先端側」とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けた場合における、先端を含む部位である。また、ここでいう「セラミック体１のうち後端側」とは、セラミック体１を長手方向で半分に分けた場合における、後端を含む部位である。

以下、図１から図６に示すように、「先端側」とは、セラミック体１の後端から見てセラミック体１の先端が位置する方向を示すものとする。また、「後端側」とは、セラミック体１の先端から見てセラミック体１の後端が位置する方向を示すものとする。さらに、以下に説明する筒状金具４、第１部分４１および第２部分４２において、先端側の端部を先端とし、後端側の端部を後端とする。

発熱抵抗体２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などを主成分とすることができる。なお、ここでいう主成分とは、発熱抵抗体２を形成する成分のうち最も含有量が多い成分を意味している。発熱抵抗体２は、セラミック体１の主成分を一成分として含んでいてもよい。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。

発熱抵抗体２は、線状の部材であって、両端がセラミック体１の側面に引き出されていてもよい。この場合は、一端がメタライズ部材３に電気的に接続され、他端が筒状金具４以外の部材に電気的に接続される構成とすることで、電気的な接続を確保することができる。また、発熱抵抗体２は、例えば一端がセラミック体１の側面に引き出されており、他端がセラミック体１１の後端に引き出されていてもよい。また、発熱抵抗体２の他端は、セラミック体１の後端において電極端子に電気的に接続されていてもよい。この場合は、筒状金具４と電極端子とがショートしない程度に距離を確保しつつ、筒状金具４の内径を小さくすることができる。その結果、ヒータ１０を小型化することができる。

また、発熱抵抗体２は、セラミック体１の後端側に埋設された部位において、単位長さ辺りの抵抗値が低くなっていてもよい。これにより、発熱抵抗体２のうちセラミック体１の後端側に埋設された部位の発熱量を低減することができる。そのため、メタライズ部材３に熱応力が加わり、メタライズ部材３が破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。具体的には、発熱抵抗体２は、セラミック体１の後端側の外周面に引き出された部位において、折返し部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折返し部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することができる。

メタライズ部材３は、セラミック体１と筒状金具４との接合強度を高めるための部材である。メタライズ部材３は、セラミック体１の表面であって、発熱抵抗体２が引き出された部分に設けられている。メタライズ部材３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。メタライズ部材３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、接合材５がセラミック体１の表面に広がりやすくすることができるため、セラミック体１と筒状金具４との接合強度を高めることができる。

メタライズ部材３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。メタライズ部材３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。

筒状金具４は、セラミック体１を保持するための部材である。筒状金具４は筒状の部材である。筒状金具４は、セラミック体１の側面のうち発熱抵抗体２の端部が引き出された部分を覆っており、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。筒状金具４は、メタライズ部材３ごとセラミック体１を囲むように設けられている。筒状金具４は、接合材５によってセラミック体１に固定されている。具体的には、筒状金具４は、内周面がセラミック体１の側面に固定されていてもよい。筒状金具４は、例えばセラミック体１の後端を囲んでいてもよい。筒状金具４は、セラミック体１の後端よりも後方にかけて設けられていてもよい。

筒状金具４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。筒状金具４の寸法は、例えば内径を２～５ｍｍに、外径を２．５～７ｍｍに、セラミック体１の軸方向の長さを２～５ｍｍにすることができる。筒状金具４は、セラミック体１の後端よりも後方において、内径が大きくなっていてもよい。これにより、セラミック体１の後端に端子部材を設けるときに、筒状金具４と端子部材との距離を大きくすることができる。そのため、端子部材と筒状金具４との間で短絡が生じ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の耐久性を高めることができる。

接合材５は、セラミック体１と筒状金具４とを接合するための部材である。接合材５は、セラミック体１と筒状金具４との間に設けられている。接合材５を設けることによって、セラミック体１と筒状金具４との接合強度を高めることができる。接合材５は、メタライズ部材３に重なって設けられている。接合材５は、メタライズ部材３を覆うように設けられていてもよい。また、接合材５は、セラミック体１と筒状金具４との間において、メタライズ部材３に重なる部分にのみ設けられていてもよいし、セラミック体１と筒状金具４との間の全体に設けられていてもよい。接合材５の材質は、例えば銀銅ろうまたは金銅ろう等にすることができる。例えば、筒状金具４は、接合材５よりも硬い部材からなる。また、接合材５は、例えばメタライズ部材３よりも硬い部材からなる。

本開示のヒータ１０によれば、筒状金具４は、発熱抵抗体２が引き出された部分を囲む第１部分４１と、第１部分４１よりも先端側に設けられた第２部分４２とを有しており、第１部分４１は、第２部分４２よりも薄い。これにより、筒状金具４のうち発熱抵抗体２が引き出された部位を囲む部分の厚みを薄くすることができる。そのため、ヒートサイクル下において、第１部分４１の熱膨張量を低減することができる。これにより、第１部分４１が熱膨張することによって、メタライズ部材３に生じる熱応力を低減することができる。その結果、メタライズ部材３が破損するおそれを低減することができる。また、第２部分４２を厚くすることによって、筒状金具４の強度を高めることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

第１部分４１は、メタライズ部材３の全体を覆うように位置していてもよい。これにより、メタライズ部材３の全体において、熱応力を低減することができる。その結果、メタライズ部材３が破損するおそれを低減することができる。

また、図１に示すように、筒状金具４は、厚みが一定であってメタライズ部材３を囲む部位と、厚みが一定であってメタライズ部材３よりも先端側に位置する部位とを有していてもよい。この場合においては、厚みが一定であってメタライズ部材３を囲む部位を第１部分４１とし、厚みが一定であってメタライズ部材３よりも先端側に位置する部位を第２部分４２とすることができる。このときに、筒状金具４の外表面において段差がある部位を、第１部分４１と第２部分４２との境界とすることができる。また、第１部分４１と第２部分４２との境界は、メタライズ部材３よりも先端側に位置していてもよい。

具体的には、第１部分４１における筒状金具４の厚みを０．３～２ｍｍに、第２部分４２における筒状金具４の厚みを０．８～３ｍｍにすることができる。また、第１部分４１におけるセラミック体１の軸方向の長さを５～１５ｍｍに、第２部分４２におけるセラミック体１の軸方向の長さを１０～４０ｍｍにすることができる。このときに、図１～６に示すように、筒状金具４の内径が一定であってもよい。また、第１部分４１の外径が、第２部分４２の外径よりも小さいことにより、第１部分４１の厚みが薄くてもよい。

また、図２に示すように、接合材５は、メタライズ部材３に重なる部分から第２部分４２まで設けられており、セラミック体１と第２部分４２とを接合していてもよい。これにより、セラミック体１と筒状金具４との接合強度を高めることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、図３に示すように、接合材５は、メタライズ部材３に重なる部分から筒状金具４の先端まで設けられていてもよい。これにより、セラミック体１と筒状金具４との隙間から酸素が進入するおそれを低減することができる。そして、メタライズ部材３が酸化し、破損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の耐久性を高めることができる。

また、図４に示すように、接合材５は、筒状金具４の後端面に這い上がって設けられていてもよい。この場合は、筒状金具４の後端面と接合材５との界面および筒状金具４の内周面と接合材５との界面が、同一の平面上に位置しなくなる。そのため、仮にクラックが生じたとしても、筒状金具４の後端面と内周面とが交差する部位において、クラックを進展しにくくすることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。具体的には、接合材５は、筒状金具４の内周面と後端面によってできる角部を覆うように設けられていてもよい。

また、接合材５は、筒状金具４の後端面を越えて、筒状金具４の外周面まで這い上がって設けられていてもよい。これにより、筒状金具４と接合材５との境界において、クラックが生じたときに、クラックを進展しにくくすることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、図５に示すように、第２部分４２は、先端より後端が薄くてもよい。これにより、第１部分４１と第２部分４２との境界において、第１部分４１と第２部分４２との厚みの差を低減することができる。そのため、第１部分４１と第２部分４２の境界において熱応力が集中し、第１部分４１と第２部分４２の境界部分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の耐久性を高めることができる。

また、図５に示すように、第２部分４２は、先端を含み厚みが変化しない第１領域４２
１と、後端を含み厚みが変化しない第２領域４２２とを有していてもよい。このときに、筒状金具４は外周面に２つの段差を有していてもよい。この場合は、２つの段差のうち後端側に位置する段差を、第２領域４２２と第１部分４１との境界とすることができる。

また、図６に示すように、第１領域４２１と第２領域４２２との間に、後端側に近づくにつれて厚みが減少する第３領域４２３を有していてもよい。この場合は、第１領域４２１と第２領域４２２との境界において、熱応力が集中し、第１領域４２１と第２領域４２２との境界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の耐久性を高めることができる。例えば、第２部分４２のうち先端の厚みを１～３ｍｍに、後端の厚みを０．８～２ｍｍにすることができる。

さらに、図６に示すように、第１部分４１と第２部分４２との間に、後端側に近づくにつれて厚みが減少する第３部分４３を有していてもよい。この場合は、第１部分４１と第２部分４２との境界において、熱応力が集中し、第１部分４１と第２部分４２との境界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の耐久性を高めることができる。

１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：メタライズ部材
４：筒状金具
４１：第１部分
４２：第２部分
４２１：第１領域
４２２：第２領域
４２３：第３領域
４３：第３部分
５：接合材
１０：ヒータ

Claims

棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、
該セラミック体に埋設され、端部が前記セラミック体のうち後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、
前記セラミック体の表面であって前記発熱抵抗体が引き出された部分に設けられて、前記発熱抵抗体に電気的に接続されたメタライズ部材と、
該メタライズ部材ごと前記セラミック体を囲むように設けられた筒状金具と、
前記セラミック体と前記筒状金具との間において前記メタライズ部材に重なって設けられて、前記セラミック体と前記筒状金具とを接合する接合材とを備えており、
前記筒状金具は、前記発熱抵抗体が引き出された部分を囲む第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられた第２部分とを有しており、
前記第１部分は、前記第２部分よりも薄く、
前記接合材は、前記筒状金具の後端面に這い上がって設けられていることを特徴とするヒータ。
棒状であって先端および後端を有するセラミック体と、
該セラミック体に埋設され、端部が前記セラミック体のうち後端側の側面に引き出された発熱抵抗体と、
前記セラミック体の表面であって前記発熱抵抗体が引き出された部分に設けられて、前記発熱抵抗体に電気的に接続されたメタライズ部材と、
該メタライズ部材ごと前記セラミック体を囲むように設けられた筒状金具と、
前記セラミック体と前記筒状金具との間において前記メタライズ部材に重なって設けられて、前記セラミック体と前記筒状金具とを接合する接合材とを備えており、
前記筒状金具は、前記発熱抵抗体が引き出された部分を囲む第１部分と、該第１部分よりも先端側に設けられた第２部分とを有しており、
前記第１部分は、前記第２部分よりも薄く、
前記第２部分は、先端より後端が薄いことを特徴とするヒータ。
前記接合材は、前記メタライズ部材に重なる部分から前記第２部分まで設けられており、前記セラミック体と前記第２部分とを接合していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
前記接合材は、前記メタライズ部材に重なる部分から前記筒状金具の先端まで設けられて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。
前記第２部分は、先端より後端が薄いことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。