WO2011052624A1

WO2011052624A1 - セラミックヒータ

Info

Publication number: WO2011052624A1
Application number: PCT/JP2010/069036
Authority: WO
Inventors: 山元　堅
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-05-05
Also published as: KR101598014B1; JPWO2011052624A1; EP2496051B1; KR20120086690A; EP2496051A4; US8933373B2; CN102511196A; EP2496051A1; JP5377662B2; US20120234823A1

Abstract

　【課題】　発熱体とセラミックスからなる基体との熱膨張差によって基体に亀裂が発生するのを抑制し、耐久性に優れたセラミックヒータを提供する。　【解決手段】　本発明のセラミックヒータは、セラミック基体１の内部に、折返し部２ｃおよび折返し部２ｃの両端からそれぞれ延びた２本の直線部２ａ，２ｂからなる発熱部２を有する発熱抵抗体が埋設されており、２本の直線部２ａ，２ｂは、横断面形状において互いに対向する少なくとも中央部が凹状（凹部５）である。

Description

セラミックヒータ

　本発明は、例えば、石油ファンヒータの着火用ヒータやディーゼルエンジンの始動補助に使用するグロープラグなどに用いられるセラミックヒータに関する。

　従来から、セラミックヒータは、例えば石油ファンヒータの着火用ヒータやディーゼルエンジンの始動補助に使用するグロープラグなどを始めとして種々の用途に用いられている。このセラミックヒータは、例えば、導電性セラミックスからなる発熱体が絶縁性セラミックスからなる基体中に埋設されて構成される。このようなセラミックヒータにおいて、発熱体を構成する素材としては、モリブデンやタングステンの珪化物，窒化物および炭化物のうち少なくとも１つを主成分としたものを用いることが、また、基体を構成する素材としては、窒化珪素を主成分としたものが知られている。

　しかし、一般的に発熱体を構成する素材の方が基体を構成する素材よりも熱膨張係数が大きいため、発熱時に両者間の間で生じる熱応力に起因して基体に亀裂が生じるおそれがある。そこで、両者の熱膨張係数の差を少なくするべく、基体中に、希土類成分，クロムの珪化物およびアルミニウム成分を含有するといった技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開2007－335397号公報

　しかしながら、上記のような従来のセラミックヒータでは、発熱体の熱膨張係数と基体の熱膨張係数との差が少なくなっていても、異常時に大電流が流れた場合には大きな熱応力が発生するため、それによって基体内部に亀裂が発生するという課題があった。

　本発明はこのような従来のセラミックヒータにおける課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、発熱体とセラミックスからなる基体との熱膨張差によって基体に亀裂が発生するのを抑制し、耐久性に優れたセラミックヒータを提供することにある。

　本発明のセラミックヒータは、セラミック基体の内部に、折返し部および該折返し部の両端からそれぞれ延びた２本の直線部からなる発熱部を有する発熱抵抗体が埋設されており、前記２本の直線部は、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状であることを特徴とするものである。

　ここで、前記２本の直線部が互いに対向する内側の少なくとも中央部が湾曲した曲線状の凹状であることが好ましい。

　また、前記２本の直線部は、横断面形状において互いの外側が湾曲した曲線状であることが好ましい。

　また、前記２本の直線部は、横断面形状においてそれぞれ三日月状であることが好ましい。

　また、前記２本の直線部が配置された位置の前記セラミック基体は、横断面形状において、外周の形状と前記２本の直線部の互いに対向する内側の少なくとも中央部の凹状の壁面の間の形状とが非相似であることが好ましい。

　また、前記折返し部の横断面形状が、前記直線部の横断面形状と同じであることが好ましい。

　また、前記発熱抵抗体は、前記発熱部が他の部分よりも高抵抗であることを特徴とするものである。

　本発明のセラミックヒータによれば、２本の直線部は、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状であることから、互いに対向する内側の面の面積が大きくなり、またその面を断面で見たときに直線ではなくなることから、この互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部）によって仕切られたセラミック基体が体積膨張したときに発生する応力を分散させることができ、発熱部がクッションのように作用してこの応力を緩和することができる。したがって、異常時に急激な電圧印加がおきた場合に発熱部の間のセラミック基体が体積膨張して亀裂が発生するのを防ぐことができる。

（ａ）は本発明のセラミックヒータの実施の形態の一例を示す内部を透視した平面透視図であり、（ｂ）はその要部拡大図である。図１に示すセラミックヒータのＸ－Ｘ線矢視断面図である。本発明のセラミックヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明のセラミックヒータの実施の形態のさらに他の例を示す横断面図である。本発明のセラミックヒータの実施の形態のさらに他の例を示す横断面図である。本発明のセラミックヒータの実施の形態のさらに他の例を示す横断面図である。本発明のセラミックヒータにおける発熱体を作製するための金型の一例を示す断面図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明のセラミックヒータの実施の形態の例について詳細に説明する。

　図１（ａ）は本発明のセラミックヒータの実施の形態の一例を示す内部を透視した平面透視図であり、図１（ｂ）はその要部拡大図である。また、図２は図１に示すセラミックヒータのＸ－Ｘ線矢視断面図である。

　本例のセラミックヒータ１０は、セラミックス基体１の内部に、折返し部２ｃおよびこの折返し部２ｃの両端からそれぞれ延びた２本の直線部２ａ，２ｂからなる発熱部２を有する発熱抵抗体が埋設された構成となっている。図に示すように、棒状のセラミック基体１の内部に発熱抵抗体が埋設された構成の場合は、折返し部２ｃがセラミック基体１の先端部に位置するように埋設される。そして、折返し部２ｃは平面視で円弧状に形成され、直線部２ａ，２ｂは平面視で互いに平行に形成された平行部となっており、折返し部２ｃと直線部２ａ，２ｂとからなる発熱部２はＵ字状に形成されている。

　セラミック基体１の形成材料としては、高温での絶縁特性が優れている点からアルミナ質セラミックスまたは窒化珪素質セラミックスが好ましいが、特に急速昇温時の耐久特性が高い点で窒化珪素質セラミックスがより好ましい。窒化珪素質セラミックスの組織は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする主結晶相粒子が、焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。主結晶相は珪素（Ｓｉ）あるいは窒素（Ｎ）の一部がアルミニウム（Ａｌ）あるいは酸素（Ｏ）で置換され、さらに、主結晶相中にＬｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｙ等の金属元素が固溶したものであってもよい。

　一方、発熱部２の形成材料としては、炭化タングステン（ＷＣ），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２），二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等の導電性セラミックスを用いることができる。

　また、発熱部２を構成する直線部２ａ，２ｂのそれぞれの端部にはリード部３ａ，３ｂが接続されており、リード部３ａ，３ｂを介して発熱部２に電流を流すことにより、発熱部２が発熱するようになっている。具体的には、リード部３ａ，３ｂは、発熱部２と好ましくは同様の材料により発熱部２を構成する直線部２ａ，２ｂのそれぞれと一体化されて略同一方向に形成されたものであり、発熱部２に比較して大きい径に形成され、不要な発熱を抑えるために発熱部２よりも単位長さ当たりの抵抗が低くなっているものである。図１では、リード部３ａの直線部２ａと接続された側とは反対側の端面は、セラミック基体１の基端部から露出していて、電極取り出し部４ａを構成している。また、リード部３ｂの直線部２ｂと接続された側とは反対側の端面は、セラミック基体１の側面から露出して、電極取り出し部４ｂを構成している。なお、発熱部２とリード部３ａ、３ｂとは、異種組成で別々に成形したものであってもよく、この場合も、リード部３ａ，３ｂは、不要な発熱を抑えるために発熱部２よりも単位長さ当たりの抵抗が低くなる。

　そして、図２に示すように、２本の直線部は、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状である（以下、２本の互いに対向する内側の少なくとも中央部を凹部５という）。

　発熱部２の横断面形状において、２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状になっていない従来のセラミックヒータでは、異常時に急激な電圧印加がおきた場合、この互いに対向する部分によって仕切られたセラミック基体が体積膨張したときに発生する応力により、セラミック基体と発熱部との界面からセラミック基体に亀裂が発生することがある。

　これに対し、本例のセラミックヒータ１０によれば、２本の直線部２ａ，２ｂは、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状になっている（互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹部５となっている）ので、互いに対向する内側の面の面積が大きくなり、またその面を断面で見たときに直線ではなくなることから、この互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部）によって仕切られたセラミック基体１が体積膨張したときに発生する応力を分散させることができ、発熱部２がクッションのように作用してこの応力を緩和することができる。したがって、異常時に急激な電圧印加がおきた場合に発熱部の間のセラミック基体１が体積膨張して亀裂が発生するのを防ぐことができる。

　ここで、少なくとも中央部が凹状とは、互いに対向する内側の中央部のみに凹部５が設けられていてもよく、互いに対向する内側のほぼ全体にわたって凹部５が設けられていてもよいことを意味し、換言すれば、凹部５の開口部が互いに対向する内側の中央部のみであってもよく、互いに対向する内側のほぼ全体にわたっていてもよいことを意味する。なお、図２において、２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する内側における凹部５以外の領域は、それぞれ平坦な面となっていて互いに平行に対向している。このような形状は、後述するようにプレス成形法または射出成形法を用いて作製することができる。

　また、凹部５はわずかにくぼんだ形状でも効果が発揮されるが、クッションのような効果を引き出すには、凹部５の深さは直線部２ａ，２ｂの横断面における幅方向（図２の水平方向）の厚み（凹部５が形成されていないと仮定したときの直線部２ａ，２ｂの幅方向の厚み）の３％以上であることが好ましく、局所発熱を防ぐためには凹部５の深さは直線部２ａ，２ｂの横断面における幅方向（図２の水平方向）の厚み（凹部５が形成されていないと仮定したときの直線部２ａ，２ｂの幅方向の厚み）の５０％以下であることが好ましい。

　また、凹部５の開口部の高さ方向（図２の上下方向）の長さは、平行部２ａ，２ｂの横断面における高さ方向（図２の上下方向）の厚み（凹部５が形成されていないと仮定したときの直線部２ａ，２ｂの高さ方向の厚み）の５％以上であることが好ましく、クッション効果の点から７０％以下であることが好ましい。

　さらに、クッション効果を最大限に引き出す点から、凹部５は、発熱部２の長手方向全体（折返し部２ｃおよび直線部２ａ、２ｂ）に設けられていることが好ましい。

　本発明のセラミックヒータ１０は、図３に示すように、発熱部２を構成する直線部２ａ，２ｂの対向する内側の少なくとも中央部（凹部５）が湾曲した曲線状の凹状であることが好ましい。

　ここで、湾曲した曲線状の凹状とは、凹部５の内部に屈折点がないことであり、湾曲した曲線は角をとってわずかに曲線にしたものよりも、全体に滑らかな曲線が好ましい。そして、図２に示す形態と同様に、局所発熱を防ぐためには凹部５の深さは直線部２ａ，２ｂの横断面における幅方向（図３の水平方向）の厚み（凹部５が形成されていないと仮定したときの直線部２ａ，２ｂの幅方向の厚み）の５０％以下であることが好ましい。この形態によれば、凹部５には応力が集中して亀裂の発生しやすい屈折点が存在しないことから、セラミック基体１に亀裂が発生するのをさらに抑制することができる。

　また、本発明のセラミックヒータ１０は、図４に示すように、２本の直線部２ａ，２ｂは、横断面形状において互いの外側が湾曲した曲線状であることが好ましい。

　ここで、外側が湾曲した曲線状とは、外側に屈折点がないことであり、湾曲した曲線は角をとってわずかに曲線にしたものよりも、全体に滑らかな曲線が好ましい。この形態によれば、２本の直線部２ａ，２ｂの互いの外側には応力が集中して亀裂の発生しやすい屈折点が存在しないことから、セラミック基体１に亀裂が発生するのをさらに抑制することができる。

　また、本発明のセラミックヒータ１０は、図５に示すように、２本の直線部２ａ，２ｂは、横断面形状においてそれぞれ三日月状であることが好ましい。この形態によれば、電圧印加時に三日月状の細く鋭くなった両端部分が優先して発熱するが、この細く鋭くなった両端部分は発熱部２の長手方向におおよそ均等に配置されることから、セラミック基体１が均等に温度上昇していくため、セラミックヒータ１０の周方向の温度分布が均一になる時間が速くなる。そのため、三日月状の細く鋭くなった両端部分がセラミックヒータ１０の横断面において外周から均等な位置に配置されていることがより望ましい。なお、後述するように、横断面形状が三日月状の２本の直線部２ａ，２ｂの凹部５の間の形状が、セラミック基体１の横断面の外周形状とは非相似となるような三日月状であるのが望ましい。

　本発明のセラミックヒータ１０は、図６に示すように、発熱部２の直線部２ａ，２ｂにおけるセラミック基体１の横断面形状において、外周の形状と２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する少なくとも中央部（凹部５）の凹状の間の形状とが非相似であることが好ましい。換言すれば、２本の直線部２ａ，２ｂが配置された位置のセラミック基体１は、横断面形状において、外周の形状と２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部５）の凹状の壁面の間の形状とが非相似であることが好ましい。図６においては、セラミック基体１の横断面の外周形状は円であり、凹部５の間のセラミック基体１の横断面形状は楕円であって、これらは非相似の関係になっている。

　ここで、非相似というのは、２本の直線部２ａ，２ｂが配置された位置のセラミック基体１の横断面の外周形状と２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部５）の凹状の壁面の間の形状とが同種の形ではないということで、具体的にはセラミック基体１の横断面の外周形状が円の場合、凹部５の壁面の間の形状が円である場合は相似であり、四角や楕円である場合は非相似である。なお、ここでいう楕円は短軸と長軸の比が１：１．２以上であることが好ましい。また、セラミック基体１の横断面の外周形状が四角の場合、凹部５の間の形状が四角であり短辺と長辺の比率が外周形状の四角の短辺と長辺の比率と比べて２０％以内の場合は相似であり、凹部５の間の形状が円や楕円は非相似である。凹状５の間の形状が四角であり短辺と長辺の比率が外周形状の四角の短辺と長辺の比率と比べて２０％を超えるものは非相似であるが、好ましくは円や楕円の方が良い。このように、セラミック基体１の外周の形状と２本の直線部２ａ，２ｂの互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部５）の凹状の壁面の間の形状とが非相似であることで、激しい振動時に発熱部２で仕切られた外側のセラミック基体１と内側のセラミック基体１との間に共振が起きにくくなり、高温強度が増すとともに耐久性が良くなる。

　また、折返し部２ｃの横断面形状が、２つの直線部２ａ，２ｂにおける横断面形状と同じであるのが好ましい。この形態によれば、折返し部２ｃと直線部２ａ，２ｂとの間に段差がないため、電圧印加により発熱部２が膨張した時に応力が集中するのを防ぎセラミック基体１（発熱部２の折返し部２ｃと２つの直線部２ａ，２ｂの繋ぎ目）に亀裂が発生するのを抑制することができる。なお、発熱部２の折返し部２ｃの横断面形状と直線部２ａ，２ｂの横断面形状とは異なっていて、これらの接続部から徐々に傾斜的に異なる形状になっていくようなものであってもよい。

　さらに、発熱部２がリード部３ａ、３ｂよりも高抵抗であることが好ましい。ここでいう高抵抗とは、単位長さあたりの抵抗が高いということである。発熱部２がリード部３ａ、３ｂよりも高抵抗であることによって、発熱部２で確実に高温が得られる。そして、発熱部２における発熱抵抗体の形状が本発明のような形状であることによって、亀裂が発生することなく耐久性に優れたものとなる。従って、加熱効率の優れた高信頼性のセラミックヒータ１０を得ることができる。

　以下、本発明の実施の形態の一例であるセラミックヒータ１０の製造方法の一例について説明する。

　まず、図７に示すような、発熱部２を成形するための金型を準備する。この金型は、上金型６１と下金型６２とからなり、上金型６１と下金型６２とを合わせたときに、発熱部２（図７では平行部２ａ，２ｂ）の形状に対応した空洞（キャビティ）が形成されるようになっている。このような金型を用いて発熱部２に凹部５を形成するために、上金型６１と下金型６２の金型境界面に、凹部５を形成するためのスペーサー６３が配置されている。なお、空洞内に原料粉末が充填されて成形される発熱部２に対して自由な形でスペーサー６３をセットすることで発熱部２に凹部５を形成することができる。また、スペーサー６３の大きさを自由に設定することで、凹部５の大きさを自由に設定することが可能であり、スペーサー６３の長さを自由に設定することで、凹部５の深さを自由に設定することが可能である。スペーサー６３は成形体を取り出した後、別途成形体から切り離す方法や、金型内にスペーサーのスライド機構を持たせること金型内で切り離す方法などがある。

　このような金型を用い、空洞内に発熱部２の形成材料を充填して発熱部２の成形体を作製する。

　発熱部２の形成材料としては、炭化タングステン（ＷＣ），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２），二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等の導電性セラミックスが挙げられる。ここで、発熱部２の形成材料として炭化タングステン（ＷＣ）を用いる場合、セラミック基体１との熱膨張係数の差を減少させるために、ＷＣ粉末にセラミック基体１の主成分となる窒化珪素質セラミックス等の絶縁性セラミックスを配合することが好ましい。このとき、導電性セラミックスと絶縁性セラミックスとの含有比率を変化させることにより、発熱部２の電気抵抗を所望の値に調整することができる。

　このように含有比率の調製された原料粉末を、プレス成形法または射出成形法により上記金型の空洞内に充填して、発熱部２の成形体を作製する。

　一方、セラミック基体１の成形体を、例えばアルミナ粉末または窒化珪素粉末に、イッテルビウム（Ｙｂ），イットリウム（Ｙ），エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤を添加したセラミック原料粉末を用いて、発熱部２と同様に、周知のプレス成形法，射出成形法等により成形する。

　そして、上記金型（上金型６１，下金型６２）を用いて成形された発熱部２の成形体に、別金型で成形したリード部３ａ，３ｂの成形体を組み合わせるとともに、さらにそれらを埋設するように別金型で成形したセラミック基体１の成形体を組み合わせたものが、セラミックヒータ１０の生成形体となる。

　得られたセラミックヒータ１０の生成形体を、所定の温度プロファイルに従って、発熱部２およびリード部３ａ，３ｂが内部に埋設されたセラミック基体１となるように焼成して、得られた焼結体を必要に応じて機械加工することで、図１に示したようなセラミックヒータ１０が完成する。なお、焼成方法としては、セラミック基体１のセラミックスとして窒化珪素質セラミックスを用いる場合であれば、例えば、脱脂工程を経て、還元雰囲気下で１６５０～１７８０℃程度の温度および３０～５０ＭＰａ程度の圧力で焼成するホットプレスによる方法が挙げられる。

　このような製造方法により得られたセラミックヒータ１０によれば、２本の直線部２ａ，２ｂは、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状であることから、この互いに対向する内側の少なくとも中央部（凹部５）によって仕切られたセラミック基体１が体積膨張したときに発生する応力を、発熱部２がクッションのように作用して緩和することができる。したがって、異常時に急激な電圧印加がおきた場合に発熱部２の間のセラミック基体が体積膨張して亀裂が発生するのを防ぐことができる。

１０・・・セラミックヒータ
１・・・セラミック基体
２・・・発熱部
　２ａ，２ｂ・・・直線部
　２ｃ・・・折返し部
３ａ，３ｂ・・・リード部
４ａ，４ｂ・・・電極取り出し部
５・・・凹部

Claims

　セラミック基体の内部に、折返し部および該折返し部の両端からそれぞれ延びた２本の直線部からなる発熱部を有する発熱抵抗体が埋設されており、前記２本の直線部は、横断面形状において互いに対向する内側の少なくとも中央部が凹状であることを特徴とするセラミックヒータ。
　前記２本の直線部が互いに対向する内側の少なくとも中央部が湾曲した曲線状の凹状であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
　前記２本の直線部は、横断面形状において互いの外側が湾曲した曲線状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ。
　前記２本の直線部は、横断面形状においてそれぞれ三日月状であることを特徴とする請求項３に記載のセラミックヒータ。
　前記２本の直線部が配置された位置の前記セラミック基体は、横断面形状において、外周の形状と前記２本の直線部の互いに対向する内側の少なくとも中央部の凹状の壁面の間の形状とが非相似であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
　前記折返し部の横断面形状が、前記直線部の横断面形状と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
　前記発熱抵抗体は、前記発熱部が他の部分よりも高抵抗であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。