JPWO2017090313A1 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents
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Abstract
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、第１直線部、該第１直線部と並んで設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱抵抗体とを備えており、前記第１直線部を通り前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、前記第１直線部が第１長軸を、前記第２直線部が第２長軸を有する形状であるとともに、前記第１長軸に対して前記第２長軸が傾斜しており、前記第１直線部および前記第２直線部の図心が前記セラミック体の図心よりも前記第１長軸と前記第２長軸との間隔が狭まる側にずれている。
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およびこれを備えたグロープラグに関するものである。
ヒータとして、例えば、特開２０１５−１８６２５号公報（以下、特許文献１ともいう）に記載のヒータが知られている。特許文献１に記載のヒータは、セラミック体と、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いる。発熱抵抗体は、２つの直線部と、２つの直線部を繋ぐ折返し部を有している。近年、ヒータは、昇温速度の向上が求められている。
特許文献１に記載のヒータにおいては、２つの直線部の軸方向に垂直な断面で見たときに、２つの直線部がそれぞれ長軸を有する形状であるとともに、これらの長軸が平行な関係になっている。さらに、２つの直線部の図心がセラミック体を２分する線上に位置している。そのため、２つの直線部から発せられた熱がセラミック体のうち２つの直線部の中間に篭りやすくなっていた。その結果、被加熱物と接することになるセラミック体の表面の昇温速度を向上させることが困難になっていた。
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、第１直線部、該第１直線部と並んで設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱抵抗体とを備えており、前記第１直線部を通り前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、前記第１直線部が第１長軸を、前記第２直線部が第２長軸を有する形状であるとともに、前記第１長軸に対して前記第２長軸が傾斜しており、前記第１直線部および前記第２直線部の図心が前記セラミック体の図心よりも前記第１長軸と前記第２長軸との間隔が狭まる側にずれている。
図１に示すように、ヒータ１は、セラミック体２と、セラミック体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３に接続されてセラミック体２の表面に引き出されたリード４とを備えている。
ヒータ１におけるセラミック体２は、例えば長手方向（軸方向）を有する棒状である。このセラミック体２には発熱抵抗体３およびリード４が埋設されている。ここで、セラミック体２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１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。セラミック体２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。
窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体２は、例えば、以下の方法で作製できる。具体的には、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を混合して混合物を得る。混合物を所定の形状に成形して成形体を得る。その後、成形体を１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することによってセラミック体２を得ることができる。焼結助剤としては、３〜１２質量％のＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を用いることができる。Ａｌ２Ｏ３は例えば、０．５〜３質量％用いることができる。ＳｉＯ２は、セラミック体２に含まれるＳｉＯ２量が、例えば、１．５〜５質量％となるように混合することができる。セラミック体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック体２の直径は例えば３〜５ｍｍに設定される。
なお、セラミック体２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、ＭｏＳｉＯ２またはＷＳｉ２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３の熱膨張率に近付けることができる。その結果、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。
発熱抵抗体３は、セラミック体２の内部に設けられている。発熱抵抗体３はセラミック体２の先端側（一端側）に設けられている。発熱抵抗体３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３は、セラミック体２の長手方向に沿って伸びる第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂと、これらを連結する折返し部３２とからなる。
第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとは並んで設けられている。ここでいう「並んで設けられている」とは、厳密な意味で平行である必要はない。具体的には、例えば、第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとが、折返し部３２に近づくに従って、第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとの間隔が狭まるように、位置していてもよい。
発熱抵抗体３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。
さらに、セラミック体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、発熱抵抗体３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２中において、発熱抵抗体３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３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２のそれに近付けて、ヒータ１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３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３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３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３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３は全長を３〜１５ｍｍ、断面積を０．１５〜０．８ｍｍ２に設定することができる。
リード４は、発熱抵抗体３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４は、発熱抵抗体３に接続されるとともにセラミック体２の表面に引き出されている。具体的には、発熱抵抗体３の両端部にそれぞれリード４が接合されている。一方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の一端に接続され、他端側でセラミック体２の後端寄りの側面から導出されている。他方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の他端に接続され、他端側でセラミック体２の後端部から導出されている。
このリード４は、例えば、発熱抵抗体３と同様の材料を用いて形成される。リード４は、発熱抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、セラミック体２の形成材料の含有量を発熱抵抗体３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４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。これにより、リード４の熱膨張率を、セラミック体２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。
ここで、ヒータ１においては、図２、３に示すように、第１直線部３１ａを通りセラミック体２の軸方向に垂直な断面を見たときに、第１直線部３１ａが第１長軸Ｘを、第２直線部３１ｂが第２長軸Ｙを有する形状であるとともに、第１長軸Ｘに対して第２長軸Ｙが傾斜している。そして、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒがセラミック体２の図心Ｇｃ（セラミック体２の外形の図心、すなわちヒータ１の図心）よりも第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの間隔が狭まる側にずれている。第１直線部３１ａを通りセラミック体２の軸方向に垂直な断面を見たときに、第１直線部３１ａが第１長軸Ｘを、第２直線部３１ｂが第２長軸Ｙを有する形状であるとともに、第１長軸Ｘに対して第２長軸Ｙが傾斜していることによって、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂから発せられた熱がセラミック体２のうち第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの中間に篭りにくくすることができる。
具体的には、セラミック体２のうち第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとが狭まる側の温度を上昇させやすくすることができる。さらに、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒをセラミック体２の図心Ｇｃよりも第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの間隔が狭まる側にずれていることによって、セラミック体２の表面のうち第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの間隔が狭まる側に位置する領域の温度を上昇させやすくできる。これらの結果、ヒータ１の表面を急速に昇温することができる。
第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの断面形状は、例えば、長円形状または楕円形状等に設定できる。ここでいう第１長軸Ｘとは、第１直線部３１ａの断面形状のうち長軸を意味しており、第２長軸Ｙとは、第２直線部３１ｂの断面形状のうち長軸を意味している。なお、ここでいう、長円形状または楕円形状等は、完全な、長円形状または楕円形状等である必要はなく、多少の段差や凹凸を有していてもよい。第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂは、例えば、５〜３０°程度ずらすことができる。
「第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒ」とは、第１直線部３１ａの断面形状の図心Ｇ１と第２直線部３１ｂの断面形状の図心Ｇ２とを結ぶ仮想直線の中点を第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒとすることができる。
そして、「第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの間隔が狭まる側にずれている」とは、第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとの配列方向に対して垂直な方向で見たときに、セラミック体２の断面の図心Ｇｃよりも第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒが、第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの間隔が狭まる側（第１長軸Ｘと第２長軸Ｙの延長線が交わる側）にずれていることを意味している。すなわち、配列方向に対して垂直な方向にずれてさえいればよく、配列方向には全くずれていてもずれていなくてもかまわない。
セラミック体２の断面形状が、例えば、円形状の場合には、例えば、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの図心Ｇｒをセラミック体２の直径に対して５〜４０％ずらすことができる。
また、図２、３に示すように、第１直線部３１ａを通りセラミック体２の軸方向に垂直な断面を２箇所で見たときに、２箇所の断面のうち折返し部３２から遠い断面における第１長軸Ｘに対する第２長軸Ｙの傾きが、２箇所の断面のうち折返し部３２に近い断面における第１長軸Ｘに対する第２長軸Ｙの傾きよりも、大きくてもよい。
また、第１長軸Ｘに対する第２長軸Ｙの傾きが、折返し部３２から遠ざかるにつれて、大きくなっていてもよい。第１直線部３１ａとセラミック体２との界面および第２直線部３１ｂとセラミック体２との界面をねじれた形状にすることができるので、界面にクラックが発生したとしてもクラックの進行を抑制することができる。これにより、ヒータ１の長期信頼性を向上できる。
第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの先端においては、例えば、第１長軸Ｘに対する第２長軸Ｙの傾きθａを５°に設定できる。また、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの後端においては、例えば、第１長軸Ｘに対する第２長軸Ｙの傾きθｂを３０°に設定できる。
さらに、このとき、折返し部３２を見たときに、折返し部３２も長軸を有するとともに、図４に示すように、折返し部３２の先端部分（中心部分）においては、長軸が前述の配列方向を含む面に対して直行するとともに、先端部分から離れるにつれて配列方向を含む面から徐々に傾斜してもよい。このような構成にすることによって、第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとを折返し部３２によって滑らかに連続させることができる。その結果、ヒータ１において、部分的に応力が集中してしまうおそれを低減できる。
また、第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとの交わる点が、セラミック体２の表面よりも内側に位置しているとよい。これにより、セラミック体２の表面の昇温速度をさらに向上できる。
また、図２、３においては、第１直線部３１ａの第１長軸Ｘが、第１直線部３１ａと第２直線部３１ｂとの配列方向に対して垂直な方向に伸びるように位置しており、第２直線部３１ｂの第２長軸Ｙのみが配列方向に対して傾斜していたが、これに限られない。具体的には、図５に示すように、第１直線部３１ａの第１長軸Ｘおよび第２直線部３１ｂの第２長軸Ｙの両方が、配列方向に対して傾斜していてもよい。このように、第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂの両方が傾斜していることによって、発熱抵抗体３とセラミック体２との表面までの間隔が狭くなる領域を広くできるので、間隔が狭まる側に位置する領域の温度を広範囲に上昇させやすくできる。
図６に示すように、グロープラグ１０は、上述のヒータ１と、ヒータ１の後端側（他端側）を覆うように取り付けられた筒状の金属筒５とを備えている。また、金属筒５の内側に配置されてヒータ１の後端に取り付けられた電極金具６を備えている。グロープラグ１０によれば、上述のヒータ１を使用していることから、急速昇温が可能となる。
金属筒５は、セラミック体２を保持するための部材である。金属筒５は、筒状の部材であって、セラミック体２の後端側を囲むように取り付けられている。すなわち、筒状の金属筒５の内側に棒状のセラミック体２が挿入されている。金属筒５は、セラミック体２の後端側の側面に設けられてリード４が露出している部分に電気的に接続されている。金属筒５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。
金属筒５とセラミック体２とは、ろう材によって接合されている。ろう材は、金属筒５とセラミック体２との間にセラミック体２の後端側を囲むように設けられている。このろう材が設けられていることによって、金属筒５とリード４とが電気的に接続されている。
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２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２との接合強度またはろう材と金属筒５との接合強度を向上させることができる。
電極金具６は、金属筒５の内側に位置してセラミック体２の後端にリード４に電気的に接続するように取り付けられている。電極金具６は、種々の形態のものを用いることができるが、図９に示す例では、セラミック体２の後端にリード４を含んで被さるように取り付けられるキャップ部と外部の接続電極に電気的に接続されるコイル状部とが線状部で接続された構成である。この電極金具６は、金属筒５との間で短絡が生じないように金属筒５の内周面から離れて保持されている。
電極金具６は、外部の電源との接続における応力緩和のために設けられたコイル状部を有する金属線である。電極金具６は、リード４に電気的に接続されるとともに、外部の電源と電気的に接続される。外部の電源によって金属筒５と電極金具６との間に電圧を加えることによって、金属筒５および電極金具６を介して発熱抵抗体３に電流を流すことができる。電極金具６は、例えばニッケルまたはステンレスからなる。
ヒータ１は、例えば、上記構成の発熱抵抗体３、リード４およびセラミック体２の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。発熱抵抗体３に関しては、まず、第１長軸Ｘと第２長軸Ｙとが互いに平行な２つの直線部３１ａ、３１ｂと折返し部３２とを有する成型体を準備する。そして、折返し部３２を固定した状態で、第１長軸Ｘに対して第２長軸Ｙが傾斜するように２つの直線部３１ａ、３１ｂの後端側（折返し部３２と接続されていない側）に圧力を加える。このようにして、第１長軸Ｘに対して第２長軸Ｙが傾斜しており、かつ、折返し部３２から遠ざかるにつれて傾きが大きい発熱抵抗体３を得ることができる。
１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１ａ：第１直線部
３１ｂ：第２直線部
３２：折返し部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
Ｘ：第１長軸
Ｙ：第２長軸
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１ａ：第１直線部
３１ｂ：第２直線部
３２：折返し部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
Ｘ：第１長軸
Ｙ：第２長軸
Claims (4)
- 棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された、第１直線部、該第１直線部と並んで設けられた第２直線部および前記第１直線部と前記第２直線部とを繋ぐ折返し部から成る発熱抵抗体とを備えており、前記第１直線部を通り前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を見たときに、前記第１直線部が第１長軸を、前記第２直線部が第２長軸を有する形状であるとともに、前記第１長軸に対して前記第２長軸が傾斜しており、前記第１直線部および前記第２直線部の図心が前記セラミック体の図心よりも前記第１長軸と前記第２長軸との間隔が狭まる側にずれているヒータ。
- 前記第１直線部を通り前記セラミック体の軸方向に垂直な断面を２箇所で見たときに、前記２箇所の断面のうち前記折返し部から遠い断面における前記第１長軸に対する前記第２長軸の傾きが、前記２箇所の断面のうち前記折返し部に近い断面における前記第１長軸に対する前記第２長軸の傾きよりも、大きい請求項１に記載のヒータ。
- 前記第１長軸に対する前記第２長軸の傾きが、前記折返し部から遠ざかるにつれて、大きくなっている請求項２に記載のヒータ。
- 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータと、前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグ。
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