JP7116237B2

JP7116237B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP7116237B2
Application number: JP2021164889A
Authority: JP
Inventors: 良彦木佐木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2022000607A; JP2018100804A

Description

本発明は、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に記載のセラミックグロープラグは、棒状の基体セラミックと、基体セラミックに埋設された抵抗体と、基体セラミックを固定する金属外筒とを備えている。

特開２０００－１３０７５４号公報

しかしながら、上記のヒータにおいては、基体セラミックが金属外筒に直に保持されていることから、ヒートサイクル下において両者の熱膨張差に起因する熱応力が基体セラミックに生じる可能性があった。そのため、基体セラミックに埋設された抵抗体にも熱応力が加わる可能性があった。また、金属外筒による基体セラミックの保持を緩やかにすることによって基体セラミックに生じる熱応力を低減することが考えられるが、この場合には振動環境下において金属外筒から基体セラミックが外れてしまうおそれがあった。これらの結果、ヒータの長期信頼性を向上させることが困難であった。

本開示のヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の先端側に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック体の後端側が挿入されて、前記セラミック体を保持するセラミックリングと、前記セラミック体の後端側が挿入されて、前記セラミックリングに接する第２セラミックリングと、前記セラミック体、前記セラミックリングおよび前記第２セラミックリングが挿入されており、前記セラミックリングを保持する筒状の金属ケースとを備えており、該金属ケースは、前記セラミック体の後端を囲んでいる。

本開示のヒータは、長期信頼性を有する。

ヒータの一例を示す断面図である。セラミック体および発熱抵抗体を示す断面図である。図１に示すヒータのうち領域Ａを示す拡大図である。ヒータの他の例におけるセラミックリングを示す拡大図である。ヒータの他の例におけるセラミックリングを示す拡大図である。ヒータの他の例における金属ケースを示す拡大図である。

図１に示すように、ヒータ１００は、セラミック体１と、セラミック体１を保持するセラミックリング２と、セラミックリング２を保持する金属ケース３とを備えている。また
、図２に示すように、ヒータ１００は、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体４と、発熱抵抗体４に接続されてセラミック体１の表面に引き出されたリード５とを備えている。

セラミック体１は、長手方向を有する棒状の部材である。ここでいう棒状とは、例えば、長手方向を有する部材である。具体的には、棒状としては、例えば、円柱状または四角柱状等が挙げられる。セラミック体１には発熱抵抗体４およびリード５が埋設されている。ここで、セラミック体１はセラミックスからなる。これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１００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１は、窒化珪素質セラミックスからなっていてもよい。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からなるセラミック体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１の長さは、例えば２０～５０ｍｍに設定され、セラミック体１の直径は例えば３～５ｍｍに設定される。

なお、セラミック体１として窒化珪素質セラミックスからな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４の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ１００の耐久性を向上させることができる。

発熱抵抗体４は、セラミック体１の内部に設けられている。発熱抵抗体４はセラミック体１の先端側（一端側）に埋設されている。なお、ここでいう先端側とはセラミック体１をセラミック体１の長さ方向で２分したときの一方を意味しており、後端側とはセラミック体１を長さ方向で２分したときの他方を意味している。発熱抵抗体４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４は、セラミック体１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からなる。発熱抵抗体４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１が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、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）が発熱抵抗体４の材料として優れている。

さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、発熱抵抗体４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からなるセラミック体１中において、発熱抵抗体４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４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１のそれに近付けて、ヒータ１００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４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４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４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４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４３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５は、発熱抵抗体４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５は、発熱抵抗体４に接続されるとともにセラミック体１の表面に引き出されている。具体的には、発熱抵抗体４の両端部にそれぞれリード５が接合されていて、それぞれのリード５は、一端が発熱抵抗体４の一端に接続され、他端がセラミック体１の後端側の側面から導出されている。

このリード５は、例えば、発熱抵抗体４と同様の材料を用いて形成される。リード５は、発熱抵抗体４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４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５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５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５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。

セラミックリング２は、セラミック体１を保持するための部材である。セラミックリング２は、リング状の部材である。リング状としては、例えば、円環状が挙げられる。また、他のリング状としては、例えば、内周および外周が四角形状を含む多角形状等が挙げられる。セラミックリング２の形状は、例えば、内周面がセラミック体１の外周面に密着するような形状に設定できる。セラミックリング２の内周面がセラミック体１の外周面に密着するような例としては、例えば、セラミックリング２の内周の形状と、セラミック体１の外周の形状とが、同じ形状である場合が挙げられる。セラミックリング２には、セラミック体１の後端側が挿入されている。セラミックリング２は、セラミック体１の後端側を保持している。

セラミックリング２は例えば、アルミナまたは窒化珪素等のセラミック材料から成る。セラミックリング２は、内周および外周が円形状の場合には、内径をセラミック体１の太さとほぼ同様に、外径を金属ケース３の内径とほぼ同様に設計できる。具体的には１～１００ｍｍ程度に設定できる。

金属ケース３は、セラミックリング２と共にセラミック体１を保持するための部材である。金属ケース３は、筒状の部材であって、セラミック体１の後端側をセラミックリング２ごと囲むように取り付けられている。より具体的には、金属ケース３は、一方から他方に向かうに連れて内径が大きくなる段差を有する部位を備えており、この段差にセラミックリング２が押し当てられて固定されている。なお、図１においては、金属ケース３とセラミック体１とが接触しているように見えるが、実際には金属ケース３とセラミック体１との間に微小な隙間が存在している。金属ケース３は、例えば、ステンレスまたは鉄（Ｆｅ）－ニッケル（Ｎｉ）－コバルト（Ｃｏ）合金からなる。

ここで、本開示のヒータ１００においては、棒状のセラミック体１と、セラミック体１の先端側に設けられた発熱抵抗体４と、セラミック体１の後端側が挿入されて、セラミック体１を保持するセラミックリング２と、セラミック体１およびセラミックリング２が挿入されており、セラミックリング２を保持する筒状の金属ケース３とを備えており、金属ケース３は、内面に、セラミックリング２の外周面に接した第１部分３１およびセラミックリング２の一方の主面に接した第２部分３２を有する。図３に示す例では、セラミックリング２の一方の主面とは先端側に向く主面であり、金属ケース３の第２部分３２とは段差によりできた後端側に向く面のうちセラミックリング２に接した部分のことである。

このように、セラミック体１と金属ケース３との間にセラミックリング２を備えていることによって、セラミック体１に生じる熱応力を低減できる。また、金属ケース３が、セラミックリング２の外周面に接した第１部分３１およびセラミックリング２の一方の主面に接した第２部分３２を有することによって、振動環境下において金属ケース３からセラミックリング２を外れにくくすることができる。これらの結果、金属ケース３がセラミックリング２を介してセラミック体１を良好に保持しつつも、セラミック体１に設けられた発熱抵抗体４に加わる熱応力を低減できる。その結果、ヒータ１００の長期信頼性を向上させることができる。

また、図３に示すように、セラミックリング２の一方の主面は、第２部分３２に接した部分よりも中心側に、第２部分３２に接していない部分を有していてもよい。これにより、ヒートサイクル下において、セラミックリング２のうち第２部分３２と接触している部分、すなわち、第２部分３２との間で熱応力が生じる部分をセラミック体１から遠ざけることができる。これにより、セラミック体１に設けられた発熱抵抗体４に加わる熱応力を低減できる。

また、図４に示すように、セラミックリング２は、セラミックリング２の一方の主面とセラミックリング２の内周面との間の角が面取りされた面取り部２１を有していてもよい。これにより、セラミックリング２の一方の主面とセラミックリング２の内周面との間の角がセラミック体１に接触することによって、セラミック体１が損傷することを低減できる。

また、セラミックリング２の内周面および面取り部２１にメタライズ層６が設けられており、メタライズ層６を介してセラミック体１とセラミックリング２とが接合材によって接合されていてもよい。これにより、接合の際に接合材が溢れてしまったとしても、面取り部２１とセラミック体１との間の空間に接合材を留めることができる。その結果、接合材によって接合を強固に行ないつつも、接合材が例えば金属ケース３とセラミック体１との間に濡れ広がってしまう可能性を低減できる。そのため、金属ケース３とセラミック体１との間に接合材が濡れ広がることによって、ヒートサイクル下において熱応力が発生してしまう可能性を低減できる。

接合材としては、例えば、ろう材を用いることができる。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１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１との接合強度またはろう材と金属ケース３との接合強度を向上させることができる。

また、図５に示すように、セラミックリング２は、セラミックリング２の一方の主面とセラミックリング２の外周面との間の角が面取りされた第２面取り部２２を有しているとともに、セラミックリング２の外周面および第２面取り部２２のうちセラミックリング２の外周面にのみ第２メタライズ層７が設けられており、第２メタライズ層７を介して金属ケース３とセラミックリング２とが接合材によって接合されていてもよい。これにより、第１部分３１と第２部分３２とからなる角部において接合材が溜まる可能性を低減できるので、接合を強固に行ないつつも、金属ケース３とセラミックリング２との間の熱応力の発生を低減することができる。

図６に示すように、金属ケース３の内面であってセラミック体１を囲む領域のうち、第１部分３１および第２部分３２にのみメッキが施されていてもよい。これにより、金属ケース３のうち第１部分３１および第２部分３２における接合材の濡れ性を、他の部分にお
ける接合材の濡れ性よりも良好にすることができる。その結果、接合材が第１部分３１および第２部分３２以外に濡れ広がってしまうおそれを低減できる。そのため、少ない接合材で第１部分３１および第２部分３２における接合を行なうことができるので、金属ケース３とセラミックリング２との間に生じる熱応力を低減することができる。

また、セラミックリング２の他方の主面に接する第２セラミックリング８をさらに備えていてもよい。これにより、セラミックリング２に伝わった熱を金属ケース３だけではなく第２セラミックリング８にも逃がすことができるので、セラミックリング２に生じる熱応力を低減することができる。

１：セラミック体
２：セラミックリング
２１：面取り部
２２：第２面取り部
３：金属ケース
３１：第１部分
３２：第２部分
４：発熱抵抗体
５：リード
６：メタライズ層
７：第２メタライズ層
８：第２セラミックリング
９：メッキ
１００：ヒータ

Claims

棒状のセラミック体と、
該セラミック体の先端側に設けられた発熱抵抗体と、
前記セラミック体の後端側が挿入されて、前記セラミック体を保持するセラミックリングと、
前記セラミック体の後端側が挿入されて、前記セラミックリングに接する第２セラミックリングと、
前記セラミック体、前記セラミックリングおよび前記第２セラミックリングが挿入されており、前記セラミックリングを保持する筒状の金属ケースとを備えており、
該金属ケースは、前記セラミック体の後端を囲んでいることを特徴とするヒータ。
前記金属ケースと前記第２セラミックリングとの間に、間隙を有していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記金属ケースは、前記セラミックリングよりも前記セラミック体の先端側に位置する部分において、段差を有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。
前記金属ケースは、前記セラミック体との間において、
一部で、接合材を介して前記セラミックリングに接合されており、
他の一部では間隙を有し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。
前記セラミックリングは、内周面に第１メタライズ層を有し、
該第１メタライズ層、接合材を介して前記セラミック体と接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記セラミックリングは、外周面に第２メタライズ層を有し、
該第２メタライズ層、接合材を介して前記金属ケースと接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
前記金属ケースは、前記セラミックリングの外周面に対向した第１部分および前記セラミックリングの一方の主面に対向した第２部分を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
前記セラミックリングの前記一方の主面は、前記第２部分に対向した部分よりも中心側に、前記金属ケースに接していない部分を有することを特徴とする請求項７に記載のヒータ。
前記金属ケースは、前記セラミックリングの外周面に対向した前記第１部分および前記セラミックリングの一方の主面に対向した前記第２部分を有しており、
前記第１部分に相当する位置および前記第２部分に相当する位置にのみメッキが施されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のヒータ。