JP7086205B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents
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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。
ディーゼルエンジンのグロープラグ用のヒータとして、棒状のセラミック体と、セラミック体に埋設され、一端部がセラミック体の表面に露出する発熱抵抗体と、活性金属を含む接合部材を介して発熱抵抗体の一端部に電気的に接続される金属部材と、を備えるヒータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
近年、ヒータのさらなる小型化が進められている。ヒータを小型化すると、発熱抵抗体と金属部材との接合部が、発熱抵抗体における特に発熱する領域である発熱領域に近接する。したがって、ヒータを長期間使用すると、セラミック体と金属部材との熱膨張差に起因する応力によって、活性金属を含む接合部材にマイクロクラックが発生し、ヒータの電気的接続の信頼性が低下する虞があった。そのため、長期間使用しても接合部材にマイクロクラックが発生しにくい、耐久性および信頼性に優れたヒータを提供することが求められている。
本開示の一つの態様のヒータは、棒状のセラミック体と、
該セラミック体に埋設された埋設部分と該セラミック体の外周面に引き出された露出部分とを有する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続された金属部材と、
前記露出部分と前記金属部材とを接合する、チタンを含む導電性の接合部材と、を備え、
前記接合部材は、
前記露出部分との界面に沿ってチタンが偏析した層状の第１部分と、
前記第１部分から離れてチタンが偏析した粒状の、少なくとも１つの第２部分と、を有することを特徴とする。
該セラミック体に埋設された埋設部分と該セラミック体の外周面に引き出された露出部分とを有する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続された金属部材と、
前記露出部分と前記金属部材とを接合する、チタンを含む導電性の接合部材と、を備え、
前記接合部材は、
前記露出部分との界面に沿ってチタンが偏析した層状の第１部分と、
前記第１部分から離れてチタンが偏析した粒状の、少なくとも１つの第２部分と、を有することを特徴とする。
本開示の一つの態様のグロープラグは、上記のヒータであって、前記発熱抵抗体が、少なくとも屈曲部分を有する線状部材であり、前記線状部材の一方の端部は、前記セラミック体の底面に引き出されており、前記露出部分は、前記線状部材の他方の端部に位置し、前記金属部材は、前記セラミック体の前記外周面の一部を覆う筒状体である、ヒータと、
前記線状部材の一方の端部に電気的に接続する電極部材と、を備えることを特徴とする。
前記線状部材の一方の端部に電気的に接続する電極部材と、を備えることを特徴とする。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示のヒータの実施形態の一例を示す断面図である。
図１に示すヒータの要部拡大断面図である。
本開示のヒータの実施形態の他の例の要部拡大断面図である。
本開示のヒータの実施形態の他の例の要部拡大断面図である。
本開示のグロープラグの実施形態の一例を示す断面図である。
以下、本開示のヒータの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本開示のヒータの実施形態の一例を示す断面図であり、図２は、図１に示すヒータの要部拡大断面図である。
ヒータ１０は、セラミック体１と、発熱抵抗体２と、金属部材３と、接合部材４とを備えている。
セラミック体１は、セラミック材料からなる棒状の部材である。セラミック体１は、長手方向（図１における上下方向）の一方端である先端、および他方端である後端を有している。セラミック体１は、角棒状であってもよく、丸棒状であってもよい。セラミック体１は、例えば図１に示すように、先端部が半球状になっていてもよい。セラミック体１で用いられるセラミック材料としては、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絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。
セラミック体１は、長手方向の長さが２０～５０ｍｍであってもよい。セラミック体１は、セラミック体１が丸棒状である場合、長手方向に垂直な断面の直径が２～５ｍｍであってもよい。
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、セラミック体１に埋設された埋設部分２ａと、セラミック体１の外周面１ａに引き出された露出部分２ｂとを有している。発熱抵抗体２の埋設部分２ａは、例えば図１に示すように、互いに対向する２つの並列部分２ｃと、セラミック体１の先端側に位置し、２つの並列部分２ｃ同士を接続する屈曲部分２ｄとを含む、折返し形状を有していてもよい。並列部分２ｃは、例えば、断面積が０．１５～３ｍｍ２であってもよい。屈曲部分２ｄは、例えば、断面積が０．１５～０．８ｍｍ２であってもよい。
発熱抵抗体２は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン等の炭化物、窒化物または珪化物等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の形成材料を含有していてもよい。
発熱抵抗体２は、特に発熱する領域である発熱領域を有していてもよく、例えば、屈曲部分２ｄが発熱領域とされていてもよい。屈曲部分２ｄを発熱領域とするには、例えば図１に示すように、屈曲部分２ｄの断面積を並列部分２ｃの断面積よりも小さくして、屈曲部分２ｄの単位長さ当たりの電気抵抗値を大きくしてもよい。あるいは、屈曲部分２ｄの、セラミック体１の形成材料の含有量を、並列部分２ｃの、セラミック体１の形成材料の含有量よりも大きくすることによって、屈曲部分２ｄの単位長さ当たりの電気抵抗値を大きくしてもよい。
発熱抵抗体２の並列部分２ｃは、屈曲部分２ｄよりも断面積を大きくする、またはセラミック体１の形成材料の含有量を屈曲部分２ｄよりも小さくすることによって、単位長さ当たりの電気抵抗値が屈曲部分２ｄの電気抵抗値よりも低くなっている。並列部分２ｃは、無機導電体である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とし、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を副成分とする構成であってもよい。並列部分２ｃは、１５質量％以上の窒化珪素を含有していてもよい。窒化珪素の含有量が増すにつれて、並列部分２ｃ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％以下である場合には、並列部分２ｃの抵抗値が低くなるとともに安定する。したがって、並列部分２ｃは、１５～４０質量％の窒化珪素を含有していてもよい。
金属部材３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。金属部材３は、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）またはニッケル（Ｎｉ）等の金属からなる。本実施形態では、金属部材３は、長尺状の部材であり、一方の端部が、接合部材４を介して、発熱抵抗体２の露出部分２ｂに電気的に接続されている。金属部材３の他方の端部は、例えば、外部の接続電極に電気的に接続されていてもよい。
接合部材４は、発熱抵抗体２の露出部分２ｂと金属部材３とを接合する部材である。接合部材４は、チタンを含み、導電性を有している。接合部材４は、露出部分２ｂの表面の一部を覆っていてもよく、図１に示すように、露出部分２ｂの表面の全体を覆っていてもよい。接合部材４の材料としては、銀（Ａｇ）－銅（Ｃｕ）－チタン（Ｔｉ）ろう材、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材にＮｉを被覆して拡散させた材料等が挙げられる。接合部材４は、例えば図１に示すように、露出部分２ｂとの界面４ｄに沿ってＴｉが偏析した層状の第１部分４ａ、および第１部分４ａから離れてＴｉが偏析した粒状の、少なくとも１つの第２部分４ｂを有している。
接合部材４中でＴｉが偏析しているＴｉ偏析部分は、ヒータ１０の駆動に伴う昇温冷却が繰り返されると、大気に接する部位から徐々に酸化される。酸化されたＴｉ偏析部分には、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する応力が集中しやすい。なお、本実施形態では、接合部材４は、セラミック体１と金属部材３との間には設けられておらず、発熱抵抗体２と金属部材３との間に設けられているが、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ため、酸化されたＴｉ偏析部分に生じる熱応力は、実質的に、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する。
ここで、接合部材４におけるＴｉ偏析部分が第１部分４ａだけである場合、接合部材４は、第１部分４ａと第１部分４ａに接する部分との境目を起点とするマイクロクラックが発生しやすくなる。本実施形態のヒータ１０は、第１部分４ａに加えて、第１部分４ａから離れて位置する第２部分４ｂを有している。本実施形態のヒータ１０では、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する応力が、第１部分４ａおよび第２部分４ｂに分散されるので、マイクロクラックの発生を抑制することができ、ひいては、ヒータ１０の電気抵抗の変化を抑制することができる。このように、本実施形態のヒータ１０によれば、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。
第２部分４ｂは、例えば図２に示すように、第１部分４ａに沿って複数並んでいてもよい。換言すると、第２部分４ｂは、セラミック体１の外周面１ａに沿って複数並んでいてもよい。セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する、接合部材４に生じる応力は、主として、セラミック体１の長手方向に作用するせん断応力である。したがって、第２部分４ｂがセラミック体１の長手方向に沿って連続する層状に形成されている場合、第２部分４ｂの、セラミック体１の長手方向における両端部に応力が集中し、該両端部からマイクロクラックが発生する虞がある。本実施形態では、第２部分４ｂがセラミック体１の外周面１ａに沿って並ぶ複数の粒状に形成されていることにより、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する応力を、複数の第２部分４ｂに分散することができるため、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する応力を効果的に緩和し、マイクロクラックの発生を効果的に抑制することができる。これにより、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。また、本実施形態のヒータ１０は、粒状の第２部分４ｂが複数並ぶ構成であるため、発熱抵抗体２と金属部材３との間の電流経路が第２部分４ｂによって遮蔽されることを抑制することができる。
図３は、本開示のヒータの実施形態の他の例の要部拡大断面図である。図３は、図２に示した要部拡大断面図に対応する。
接合部材４は、例えば図３に示すように、金属部材３との界面４ｅに沿ってＴｉが偏析した層状の第３部分４ｃをさらに有していてもよい。第３部分４ｃは、第１部分４ａおよび第２部分４ｂから離れて位置していてもよい。接合部材４が、第１部分４ａおよび第２部分４ｂに加えて、第３部分４ｃを有することにより、セラミック体１と金属部材３との熱膨張差に起因する応力を、第１部分４ａ、第２部分４ｂおよび第３部分４ｃに分散させることができるので、マイクロクラックの発生を効果的に抑制することができ、ひいては、ヒータ１０の電気抵抗の変化を効果的に抑制することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。
また、接合部材４が、露出部分２ｂとの界面４ｄに沿った第１部分４ａ、および金属部材３との界面４ｅに沿った第３部分４ｃの両方を有することにより、第１部分４ａに作用する応力と第３部分４ｃに作用する応力との釣り合いが取れる。これにより、応力を第１部分４ａおよび第３部分４ｃに均等に分散させることができるため、マイクロクラックの発生を効果的に抑制することができ、ひいては、ヒータ１０の電気抵抗の変化を効果的に抑制することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。
接合部材４は、銅を含んでおり、第２部分４ｂは、偏析した銅を含んでいてもよい。Ｃｕ－Ｔｉ合金は、Ａｇ－Ｃｕろう材よりも酸化しやすく、さらに、Ｔｉ単体よりも酸化しやすい。そのため、第２部分４ｂが、偏析したＴｉおよび偏析したＣｕを含んでいる場合、第２部分４ｂは、第１部分４ａおよび第３部分４ｃよりも酸化しやすくなる。その結果、第２部分４ｂによる応力緩和効果を一層向上させることができる。これにより、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。
第１部分４ａは、露出部分２ｂの表面全体を覆っていてもよい。これにより、発熱抵抗体２を大気との接触による酸化から保護できるとともに、発熱抵抗体２と接合部材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の耐久性および信頼性を向上させることができる。
図４は、本開示のヒータの実施形態の他の例の要部拡大断面図である。図４は、図２に示した要部拡大断面図に対応する。
接合部材４は、例えば図４に示すように、セラミック体１の表面の、露出部分２ｂを取り囲む周辺部分をさらに覆っていてもよい。これにより、発熱抵抗体２を大気との接触による酸化から効果的に保護できる。また、発熱抵抗体２と金属部材３とが接合されるだけでなく、セラミック体１と金属部材３とが接合されるので、ヒータの機械的強度を高めることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性および信頼性を向上させることができる。
次に、本実施形態のヒータ１０の製造方法について説明する。
本実施形態のヒータ１０は、例えば、セラミック体１および発熱抵抗体２の形状の金型を用いた射出成型法等によって製造することができる。
先ず、絶縁性セラミック粉末、樹脂バインダー等を含む、セラミック体１となるセラミックペーストを作製する。また、導電性セラミック粉末、樹脂バインダー等を含む、発熱抵抗体２となる導電性ペーストを作製する。次に、導電性ペーストを用いて射出成型法等によって発熱抵抗体２となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を作製する。導電性ペーストの成形体を金型内に保持した状態で、金型の一部をセラミック体１の成形用のものに交換した後、金型内にセラミック体１となるセラミックペーストを充填する。これにより、発熱抵抗体２の成形体がセラミック体１の成形体で覆われた成形体が得られる。得られた成形体を例えば１６５０～１８００℃の温度、３０～５０ＭＰａの圧力で焼成することより、発熱抵抗体２を内部に有するセラミック体１が得られる。その後、発熱抵抗体２を内部に有するセラミック体１とＦｅ、ＣｒまたはＮｉ等からなる金属部材３とを接合部材４を用いて接合することにより、本実施形態のヒータ１０が得られる。
次に、接合部材４の形成方法について説明する。先ず、Ａｇ－Ｃｕろう材にＴｉを過剰に加えて分散させ、さらに、Ｃｕの含有量をＡｇ－Ｃｕの共晶組成におけるＣｕの含有量である２８質量％よりも大きくして、接合部材４となるろう材を作製する。次に、接合部材４となるろう材を、発熱抵抗体２を内部に有するセラミック体１と金属部材３との間の所定箇所に配置する。その後、Ｃｕの融点がＡｇの融点よりも高いことを利用して、常圧よりも低い圧力の真空チャンバ―内で、Ａｇ－Ｃｕの共晶温度である７８０℃よりも高温の９６０℃以上まで温度を上昇させる。これにより、Ａｇの溶融を開始させ、露出部分２ｂとの界面４ｄおよび金属部材３との界面４ｅにおいて、ＡｇおよびＴｉだけでメタライズを進行させる。その際、真空チャンバ―内の真空度が低いとＣｕの酸化が始まるが、真空度を１０－５Ｔｏｒｒよりも高真空にするとＡｇが蒸発してしまうので、真空度を下げるために、真空チャンバ―内にアルゴン（Ａｒ）を導入する。その際、酸素（Ｏ２）を併せて導入すると、Ｃｕの酸化が進行するが、銅酸化物よりもＣｕ－Ｔｉ－Ｏの化合物が安定となるため、Ｔｉが偏析した第１部分４ａおよび第３部分４ｃと、ＴｉおよびＣｕが偏析した第２部分４ｂとを有する接合部材４が形成できる。なお、第２部分４ｂが、セラミック体１および金属部材３から離れているのは、溶融したＡｇが、第２部分４ｂとセラミック体１との間、および第２部分４ｂと金属部材３との間に拡散するためである。
接合部材４における偏析元素の種類および分布は、接合部材４を切断した切断面の元素マッピングを行うことによって、確認することができる。元素マッピングは、例えば、接合部材４をヒータ１０の長手方向に沿って切断し、切断面を鏡面出しし、鏡面出しした切断面を、波長分散型電子線マイクロアナライザ（例えば、日本電子製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）、オージェ分光分析装置（例えば、日本電子製ＪＡＭＰ－９５００Ｆ）等を用いて定量分析することにより行うこともできる。
次に、本開示のグロープラグの実施形態について説明する。図５は、本開示のグロープラグの実施形態の一例を示す断面図である。
本実施形態のグロープラグ２０は、ヒータ１０Ａと、電極部材５とを備えている。
本実施形態のグロープラグ２０が備えるヒータ１０Ａは、上記実施形態のヒータ１０に対して、発熱抵抗体２、金属部材３および接合部材４の構成が異なる。また、ヒータ１０Ａは、ヒータ１０に対して、電極部材５を備えている点で異なる。その他については、同様の構成であるので、同様の構成については詳細な説明は省略する。
本実施形態では、発熱抵抗体２は、一方の端部がセラミック体１の底面（後端側の端面）１ｂに引き出されており、電極部材５が発熱抵抗体２の一方の端部に電気的に接続されている。本実施形態のヒータ１０Ａは、上記実施形態のヒータ１０と同様に、発熱抵抗体２が少なくとも屈曲部分２ｄを有する線状部材であり、発熱抵抗体２の露出部分２ｂが発熱抵抗体２の他方の端部に位置している。
本実施形態では、金属部材３は、筒状体であり、セラミック体１の外周面１ａの一部を覆っている。本実施形態では、例えば図５に示すように、金属部材３は、セラミック体１の後端側の一部を覆っている。金属部材３は、例えば、内径が２．１～５．５ｍｍであり、外径が２．５～１０ｍｍである。また、金属部材３は、例えば、セラミック体１の長手方向における長さが１０～１５０ｍｍである。
本実施形態では、接合部材４は、露出部分２ｂを覆っているとともに、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、セラミック体１と金属部材３との接合強度を高めることができる。接合部材４は、例えば、セラミック体１の長手方向に垂直な方向の厚みが０．０１～０．２ｍｍであり、セラミック体１の長手方向の長さが１０～４０ｍｍである。
接合部材４の第１部分４ａは、少なくとも露出部分２ｂとの界面４ｄに沿って、層状に設けられていればよく、セラミック体１との界面の全体に設けられていてもよく、セラミック体１との界面の一部に設けられていてもよい。第２部分４ｂは、第１部分４ａから離れて、少なくとも１つ設けられていればよく、セラミック体１の全周または周囲の一部に複数設けられていてもよい。第２部分４ｂは、セラミック体１の長手方向に沿って複数並んでいてもよい。第３部分４ｃは、金属部材３との界面４ｅの全体に設けられていてもよく、金属部材３との界面４ｅの一部に設けられていてもよい。
本実施形態では、発熱抵抗体２の、セラミック体１の底面１ｂに引き出された一方の端部には、電極部材５が電気的に接続されている。電極部材５は、例えば図５に示すように、金属部材３の内側に位置しており、発熱抵抗体２の一方の端部に電気的に接続されている。電極部材５は、種々の形態のものを用いることができるが、本実施形態では、外部の接続電極に電気的に接続されるコイル状部を有する構成とされている。電極部材５は、金属部材３との間で短絡が生じないように、金属部材３の内周面から離れて保持されている。外部の電源によって金属部材３と電極部材５との間に電圧を印加することによって、金属部材３および電極部材５を介して、発熱抵抗体２に電流を流すことができる。電極部材５は、例えば、Ｎｉ、ステンレス等からなる。
本実施形態のグロープラグ２０によれば、上記のヒータ１０Ａを備えていることにより、耐久性および信頼性に優れたグロープラグを提供することができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
１ セラミック体
１ａ 外周面
１ｂ 底面
２ 発熱抵抗体
２ａ 埋設部分
２ｂ 露出部分
２ｃ 並列部分
２ｄ 屈曲部分
３ 金属部材
４ 接合部材
４ａ 第１部分
４ｂ 第２部分
４ｃ 第３部分
４ｄ，４ｅ 界面
５ 電極部材
１０，１０Ａ ヒータ
２０ グロープラグ
１ａ 外周面
１ｂ 底面
２ 発熱抵抗体
２ａ 埋設部分
２ｂ 露出部分
２ｃ 並列部分
２ｄ 屈曲部分
３ 金属部材
４ 接合部材
４ａ 第１部分
４ｂ 第２部分
４ｃ 第３部分
４ｄ，４ｅ 界面
５ 電極部材
１０，１０Ａ ヒータ
２０ グロープラグ
Claims (7)
- 棒状のセラミック体と、
該セラミック体に埋設された埋設部分と該セラミック体の外周面に引き出された露出部分とを有する発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電気的に接続された金属部材と、
前記露出部分と前記金属部材とを接合する、チタンを含む導電性の接合部材と、を備え、
前記接合部材は、
前記露出部分との界面に沿ってチタンが偏析した層状の第１部分と、
前記第１部分から離れてチタンが偏析した粒状の、少なくとも１つの第２部分と、を有することを特徴とするヒータ。 - 前記第２部分が、前記第１部分に沿って複数並んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
- 前記接合部材は、前記金属部材との界面に沿ってチタンが偏析した層状の第３部分をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ。
- 前記接合部材は、銅を含み、
前記第２部分は、偏析した銅を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載のヒータ。 - 前記第１部分は、前記露出部分の表面全体を覆っていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載のヒータ。
- 前記接合部材は、前記セラミック体の表面の、前記露出部分を取り囲む周辺部分を覆っていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載のヒータ。
- 請求項１～６のいずれか１つに記載のヒータであって、前記発熱抵抗体が、少なくとも屈曲部分を有する線状部材であり、前記線状部材の一方の端部は、前記セラミック体の底面に引き出されており、前記露出部分は、前記線状部材の他方の端部に位置し、前記金属部材は、前記セラミック体の前記外周面の一部を覆う筒状体である、ヒータと、
前記線状部材の一方の端部に電気的に接続する電極部材と、を備えることを特徴とするグロープラグ。
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