JPWO2019003777A1 - ヒータ - Google Patents

Abstract

本開示のヒータ１０は、棒状の部材であって、長手方向に先端部と後端部とを有しており、該後端部にテーパー部１１を有するセラミック体１と、該セラミック体１に埋設されており、一端が前記テーパー部１１に引き出された発熱抵抗体２と、前記テーパー部１１に設けられており、前記発熱抵抗体２に電気的に接続された金属キャップ３と、前記セラミック体１の外周面および前記金属キャップ３を覆うように、前記金属キャップ３から離れて前記セラミック体１に取り付けられた筒状金具４とを備えており、該筒状金具４は、内周面が前記セラミック体１の外周面に固定されている第１部分４１と、該第１部分４１に連続しており、該第１部分４１よりも内径が大きく、前記金属キャップ３を覆う第２部分４２とを有している。

Description

本開示は、例えば、燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータに関するものである。

ヒータとして、例えば特開２０１５−１２５９４７号公報（以下、特許文献１という）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、内部に発熱抵抗体が埋設された棒状のセラミック体と、セラミック体の一端側を囲むように取り付けられた金属外筒と、金属外筒の内側に位置しておりセラミック体の一端に取り付けられた電極金具とを備えている。セラミック体のうち、電極金具が取り付けられた部分は、テーパー形状になっている。電極金具は、発熱抵抗体に電気的に接続されており、電極の役割を果たしている。また、電極金具は、金属外筒の内周面から離れて保持されている。

本開示の一態様のヒータは、棒状の部材であって、長手方向に先端部と後端部とを有しており、該後端部にテーパー部を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設されており、一端が前記テーパー部に引き出された発熱抵抗体と、前記テーパー部に設けられており、前記発熱抵抗体に電気的に接続された金属キャップと、前記セラミック体の外周面および前記金属キャップを覆うように、前記金属キャップから離れて前記セラミック体に取り付けられた筒状金具とを備えており、該筒状金具は、内周面が前記セラミック体の外周面に固定されている第１部分と、該第１部分に連続しており、該第１部分よりも内径が大きく、前記金属キャップを覆う第２部分とを有していることを特徴とする。

本開示のヒータの一例を示す断面図である。 別の例のヒータの金属キャップ周辺を示す拡大断面図である。 別の例のヒータの金属キャップ周辺を示す拡大断面図である。 別の例のヒータの金属キャップ周辺を示す拡大断面図である。 別の例のヒータの金属キャップ周辺を示す拡大断面図である。

以下、本開示の一例のヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。図１は本開示の一例のヒータ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の後端部に設けられた金属キャップ３と、セラミック体１の外周面を覆うように設けられた筒状金具４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等の、棒状の部材である。セラミック体１は、長手方向に先端部と後端部とを有している。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セラミックスを有する。セラミック体１の寸法は、例えばセラミック体１が円柱状のときは、長さを２０〜５０ｍｍに、直径を２．５〜５ｍｍにすることができる。

また、セラミック体１は、後端部にテーパー部１１が設けられている。テーパー部１１は、端面と外周面とを有している。テーパー部１１の寸法は、例えばセラミック体１の長さが２０〜４０ｍｍであって、直径が３ｍｍ程度である場合には、セラミック体１の長さ方向の長さを１．５ｍｍに、端面の直径を１．５ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２は、電流が流れる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に埋設されている。発熱抵抗体２は、一端がテーパー部１１に引き出されている。発熱抵抗体２は、例えばタングステン、モリブデンまたはチタン等の炭化物または窒化物を有する。さらに、発熱抵抗体２は、熱膨張率をセラミック体１の熱膨張率に近づけるために、セラミック体１と同じ材料を含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．１〜２ｍｍに、厚みを０．１〜３ｍｍに、長さを２０〜１００ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２は、発熱する部分である発熱部２１と、発熱部２１に接続された導出部２２とを有している。発熱部２１は、セラミック体１の先端部に設けられている。発熱部２１は、例えば折返し形状を有しており、それぞれの端部が別々に導出部２２に接続されている。発熱部２１は、折返し形状における折返し部の中央付近が最も発熱する部分となっている。導出部２２は、発熱部２１と金属キャップ３または筒状金具４とを電気的に接続するための部分であって、一端が発熱部２１の端部に接続されているとともに、他端がセラミック体１の表面に導出されている。図１に示すヒータ１０においては、発熱部２１の端部のそれぞれに導出部２２が接続されており、一方の導出部２２は、他端がセラミック体１のテーパー部１１に引き出されている。また、他方の導出部２２は、他端がセラミック体１の外周面に引き出されている。

なお、発熱抵抗体２は、発熱部２１と導出部２２とが一体に形成されていてもよいし、別々に形成されていてもよい。導出部２２は、セラミック体１の形成材料の含有量を発熱部２１よりも少なくしたり、発熱部２１よりも断面積を大きくしたりすることによって、単位長さ辺りの抵抗値が発熱部２１よりも低くなっていてもよい。

金属キャップ３は、発熱抵抗体２と外部装置との接続を強固に行なうための部材である。金属キャップ３は、セラミック体１のテーパー部１１に設けられている。これにより、セラミック体１の外周面に筒状金具４を設けた場合において、金属キャップ３と筒状金具４との距離を大きくすることができる。これにより、金属キャップ３と筒状金具４とが短絡するおそれを低減することができる。金属キャップ３の形状は、例えばテーパー部１１の形状に対応している。

金属キャップ３は、例えば底部と側部とを有している。セラミック体１のテーパー部１１の端面が円形である場合、金属キャップ３の底部は、例えば円板状とすることができる。この場合、金属キャップ３の側部は、例えば、セラミック体１の軸方向に垂直な断面で見たときの形状が円環状であって、底部から離れるにつれて広がる形状である。金属キャップ３は、例えば底部がテーパー部１１の端面に面するとともに、側部がテーパー部１１の外周面の一部を環状に覆うようにしてセラミック体１に取り付けられる。側部には、スリットが設けられていてもよい。これにより、金属キャップ３とセラミック体１との熱膨張差に起因する熱応力が金属キャップ３に生じる可能性を低減することができる。金属キャップ３の後端には、リード端子６が設けられており、金属キャップ３は、リード端子６によって外部装置に電気的に接続されていてもよい。

金属キャップ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）合金等の金属材料を有する。金属キャップ３の寸法は、例えば底部および側部の厚みを０．３ｍｍ程度に、底部の直径を１．８ｍｍ程度に、側部のセラミック体１の長さ方向の長さを１．２ｍｍ程度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、筒状の部材であって、内周面がセラミック体１の外周面およびテーパー部１１を覆うように設けられている。言い換えると、筒状金具４の内側にセラミック体１が挿入されている。筒状金具４とセラミック体１とは、例えばろう材等の接合材によって固定されている。筒状金具４は、セラミック体１の外周面に引き出された他方の導出部２２に電気的に接続されている。筒状金具４は、例えば、ステンレス、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金またはニッケル合金等の金属材料を有する。

筒状金具４は、セラミック体１の外周面に固定されている第１部分４１と、第１部分４１に連続しており第１部分４１よりも内径が大きい第２部分４２とを有している。筒状金具４は、第１部分４１がセラミック体１の外周面に固定されることで、セラミック体１を保持することができる。第１部分４１の内径は、例えば２．５〜５ｍｍであって、セラミック体１の直径に対応させて定めることができる。なお、第１部分４１とセラミック体１の外周面とは、接合材によって固定されていてもよいし、溶接によって固定されていてもよい。さらに、第１部分４１がセラミック体１の外周面に接合材によって固定されている場合と、溶接によって固定されている場合との、両方の場合において、セラミック体１の外周面には、メタライズ層、メッキ層またはメタライズ層およびメッキ層の両方が設けられていてもよい。さらに、ここでいう「セラミック体１の外周面に固定されている」とは、例えば、以下のような構成であってもよい。例えば、セラミック体１の外周面のうち発熱抵抗体２の導出部２２が引き出された部分のみが第１部分４１と固定されていてもよい。このときに、セラミック体１の外周面のうち発熱抵抗体２の導出部２２が引き出された部分には、メタライズ層、メッキ層またはメタライズ層およびメッキ層の両方が設けられていてもよい。

筒状金具４は、第２部分４２において、外部装置に固定することができる。第２部分４２の外周の径は、例えば５〜１０ｍｍであって、外部装置の寸法に対応させることができる。また、第２部分４２は、第１部分４１より内径が大きいことにより、金属キャップ３との距離を長くすることができる。第２部分４２の内径は、例えば第１部分４１の内径が３ｍｍのときに、３．０ｍｍより大きく、７．５ｍｍ以内にすることができる。

本開示のヒータ１０において、金属キャップ３は、第２部分４２の内側に設けられている。これにより、金属キャップ３が第１部分４１の内側に設けられている場合と比較して、金属キャップ３と筒状金具４との間の距離を長くすることができる。したがって、金属キャップ３と筒状金具４とが短絡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における電気的接続の長期信頼性を向上させることができる。

また、第１部分４１は、セラミック体１を保持する部分であるため、セラミック体１の外径を小さくする場合においては、第１部分４１の内径をセラミック体１の外径に対応させて小さくする必要がある。本開示のヒータ１０においては、金属キャップ３が第２部分４２の内側に設けられていることにより、セラミック体１の外径を小さくしても、金属キャップ３と筒状金具４の絶縁距離を保つことができる。なお、ここでいう「第２部分４２の内側」とは、図１〜図５に示す断面をみたときに、第２部分４２に挟まれた領域を意味している。

筒状金具４のうち第２部分４２は、第１部分４１に連続しており第１部分４１から離れるにつれて内径が大きくなる第３部分４２１と、第３部分４２１に連続しており内径が一定である第４部分４２２とを有していてもよい。これにより、筒状金具４の内径を緩やかに変化させることができるので、筒状金具４に外力が加わったときに、第３部分４２１において応力を分散させることができる。そのため、筒状金具４の一点に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、外力に対するヒータ１０の耐久性を高めることができる。第３部分４２１は、例えばセラミック体１の長さ方向の長さを０．５〜５ｍｍにすることができる。

また、図２に示すように、金属キャップ３は、全体が第３部分４２１の内側に設けられていてもよい。外力によってセラミック体１が振動し、振動が筒状金具４に伝わる場合においては、振動による筒状金具４の変位は、振動の起点となるセラミック体１から離れるほど大きくなる。そのため、外力によってセラミック体１が振動し、振動が筒状金具４に伝わる場合に、振動による筒状金具４の変位は第４部分４２２よりも第３部分４２１のほうが小さくなる。そのため、金属キャップ３を第３部分４２１の内側に設けることによって、筒状金具４の変位により金属キャップ３に対する筒状金具４の距離が一時的に近くなってしまい金属キャップ３と筒状金具４とが短絡するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０における電気的接続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、金属キャップ３は、全体が第４部分４２２の内側に設けられていてもよい。第４部分４２２は第３部分４２１より内径が大きい部分である。そのため、金属キャップ３を第４部分４２２の内側に設けることによって、金属キャップ３と筒状金具４との間の距離を長くすることができる。したがって、金属キャップ３と筒状金具４とが短絡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における電気的接続の長期信頼性を向上させることができる。

なお、金属キャップ３は、第３部分４２１の内側から第４部分４２２の内側にかけて設けられていてもよい。

また、図４に示すように、金属キャップ３と発熱抵抗体２とは、導体層５を介して電気的に接続されていてもよい。導体層５は、例えばテーパー部１１の端面から外周面にかけて設けられている。導体層５は、例えばメタライズ層およびメタライズ層に積層されたメッキ層を有する。メタライズ層としては、例えば、銀、銅あるいはチタンを含むメタライズ層または金、ニッケルあるいはパラジウムを含むメタライズ層を用いることができる。メッキ層としては、例えばニッケルボロンメッキ、金メッキまたはニッケルメッキを用いることができる。導体層５の厚みは、例えばメタライズ層の厚みを５〜４０μｍ程度にすることができる。また、メッキ層の厚みを、１μｍ程度にすることができる。

導体層５は、例えばテーパー部１１の端面からセラミック体１の先端側に向かって０．５〜３ｍｍ広がるように設けられている。導体層５は、全体が金属キャップ３に覆われるように設けられていてもよいし、金属キャップ３よりもセラミック体１の先端側に広がる部分を有していてもよい。なお、導体層５と金属キャップ３との間には隙間があり、隙間にろう材等の導電性の接合材が設けられていてもよい。これにより、金属キャップ３の固定の強度を高めることができる。

また、図４に示すように、導体層５が金属キャップ３よりもセラミック体１の先端側に広がるように設けられているとともに、全体が第２部分４２の内側に設けられていてもよい。これにより、導体層５が第１部分４１の内側に設けられている場合と比較して、導体層５と筒状金具４との間の距離を長くすることができる。したがって、導体層５と筒状金具４とが短絡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における電気的接続の長期信頼性を向上させることができる。

また、図４に示すように、導体層５は、全体が第３部分４２１の内側に設けられていてもよい。外力によってセラミック体１が振動し、振動が筒状金具４に伝わる場合においては、振動による筒状金具４の変位は、振動の起点となるセラミック体１から離れるほど大きくなる。そのため、外力によってセラミック体１が振動し、振動が筒状金具４に伝わる場合に、振動による筒状金具４の変位は第４部分４２２よりも第３部分４２１のほうが小さくなる。そのため、金属キャップ３を第３部分４２１の内側に設けることによって、筒状金具４の変位により導体層５と筒状金具４との距離が一時的に近くなってしまい、導体層５と筒状金具４とが短絡するおそれを低減できる。その結果、ヒータ１０における電気的接続の長期信頼性を向上させることができる。

また、図５に示すように、導体層５は、全体が第４部分４２２の内側に設けられていてもよい。第４部分４２２は第３部分４２１より内径が大きい部分である。そのため、導体層５を第４部分４２２の内側に設けることによって、導体層５と筒状金具４との間の距離を長くすることができる。したがって、導体層５と筒状金具４とが短絡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における電気的接続の長期信頼性を向上させることができる。

なお、導体層５は、第３部分４２１の内側から第４部分４２２の内側にかけて設けられていてもよい。

１：セラミック体
１１：テーパー部
２：発熱抵抗体
２１：発熱部
２２：導出部
３：金属キャップ
４：筒状金具
４１：第１部分
４２：第２部分
４２１：第３部分
４２２：第４部分
５：導体層
６：リード端子
１０：ヒータ

Claims (6)

1. 棒状の部材であって、長手方向に先端部と後端部とを有しており、該後端部にテーパー部を有するセラミック体と、該セラミック体に埋設されており、一端が前記テーパー部に引き出された発熱抵抗体と、前記テーパー部に設けられており、前記発熱抵抗体に電気的に接続された金属キャップと、前記セラミック体の外周面および前記金属キャップを覆うように、前記金属キャップから離れて前記セラミック体に取り付けられた筒状金具とを備えており、
   該筒状金具は、内周面が前記セラミック体の外周面に固定されている第１部分と、該第１部分に連続しており、該第１部分よりも内径が大きく、前記金属キャップを覆う第２部分とを有していることを特徴とするヒータ。
2. 前記第２部分は、前記第１部分に連続しており前記第１部分から離れるにつれて内径が大きくなる第３部分と、該第３部分に連続しており内径が一定である第４部分とを有しているとともに、
   前記金属キャップは、全体が前記第３部分の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記第２部分は、前記第１部分に連続しており前記第１部分から離れるにつれて内径が大きくなる第３部分と、該第３部分に連続しており内径が一定である第４部分とを有しているとともに、
   前記金属キャップは、全体が前記第４部分の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
4. 前記金属キャップは、前記テーパー部の端面および外周面に接する導体層を介して、前記発熱抵抗体に電気的に接続されており、
   前記導体層は、前記金属キャップとともに、全体が前記第２部分の内側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒータ。
5. 前記第２部分は、前記第１部分に連続しており前記第１部分から離れるにつれて内径が大きくなる第３部分と、該第３部分に連続しており内径が一定である第４部分とを有しているとともに、
   前記導体層は、全体が前記第３部分の内側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のヒータ。
6. 前記第２部分は、前記第１部分に連続しており前記第１部分から離れるにつれて内径が大きくなる第３部分と、該第３部分に連続しており内径が一定である第４部分とを有しているとともに、
   前記導体層は、全体が前記第４部分の内側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のヒータ。

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