WO2012014872A1 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

ヒータおよびこれを備えたグロープラグ Download PDF

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日浦　規光
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京セラ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/22—Details
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/027—Heaters specially adapted for glow plug igniters

Definitions

  • the present invention is, for example, for a heater for ignition or flame detection in a combustion-type in-vehicle heating device, a heater for ignition of various combustion devices such as an oil fan heater, a heater for a glow plug of an automobile engine, and various sensors such as an oxygen sensor.
  • the present invention relates to a heater used for a heater, a heater for heating a measuring instrument, and a glow plug including the heater.
  • a heater used for a glow plug of an automobile engine includes a resistor having a heat generating portion, a lead, and an insulating base. These materials are selected and designed so that the resistance of the lead is smaller than the resistance of the resistor.
  • the joint between the resistor and the lead is a point of change in shape or a point of change in material composition, so that it is not affected by the difference in thermal expansion during heat generation or cooling during use.
  • the interface between the resistor and the lead is oblique when viewed in a cross section parallel to the axial direction of the lead (see, for example, Patent Documents 1 and 2). ).
  • the present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and the purpose of the present invention is to end the joint portion between the resistor and the lead even if a large current flows through the resistor during rapid temperature rise or the like.
  • the present invention provides a heater having high reliability and durability in which generation of a large stress concentration in a portion is suppressed, and a glow plug including the heater.
  • the heater of the present invention includes a resistor having a heat generating portion, a lead joined to an end of the resistor, an insulating base that covers the resistor and the lead, and the resistor and the lead
  • the joint has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead over the entire circumference in a cross-sectional view.
  • the heater of the present invention is characterized in that, in the above-described configuration, the outer shape of the resistor in the joint portion is narrowed toward the side opposite to the heat generating portion.
  • the resistor has a folded shape, the leads are joined to both ends of the resistor, and the joint is perpendicular to the axial direction of the lead.
  • the centroid of the resistor is located outward with respect to the centroid of the lead.
  • the resistor has a folded shape, the leads are joined to both ends of the resistor, and the joint is parallel to the axial direction of the lead.
  • the inner inclination angle is steeper than the outer inclination angle.
  • the resistor has a folded shape, the leads are joined to both ends of the resistor, and the joint is parallel to the axial direction of the lead.
  • the leading end surface of the lead is inclined inward.
  • the heater of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the outer shape of the resistor is formed in a curve when the joint is viewed in a cross section perpendicular to the axial direction of the lead. is there.
  • the heater of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the outer shape of the lead in the joint portion is narrowed toward the heat generating portion side.
  • a heater according to the present invention includes the heater according to any one of the above configurations, a sheath fitting electrically connected to one of the leads, and a wire electrically connected to the other lead. Can be used as a glow plug.
  • the lead since the lead has a joint that surrounds the entire circumference of the resistor, the current flowing through the lead is dispersed and becomes one point of the triple interface at the end of the joint. Concentration does not occur, and heat sinks from the entire circumference of the resistor uniformly toward the lead are improved, so that no great stress concentration occurs at the end of the joint. As a result, even if the temperature is repeatedly raised and lowered, cracks can be prevented from entering the end of the joint. Thereby, the reliability and durability of the heater are improved.
  • FIG. 3 is a transverse sectional view taken along line XX in FIG. 2.
  • A is a longitudinal cross-sectional view which shows the other example of embodiment of the heater of this invention.
  • (b) is a cross-sectional view in the YY line
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of a heater according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of an area A including the junction between the resistor and the lead in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the heater 1 shown in FIG.
  • the heater 1 of the present embodiment includes a resistor 3 having a heat generating portion 4, a lead 8 joined to an end portion of the resistor 3, and an insulating base 9 that covers the resistor 3 and the lead 8.
  • the joint between the body 3 and the lead 8 has a region where the resistor 3 is separated from the insulator 9 through the lead 8 over the entire circumference in a cross-sectional view.
  • the insulating base 9 in the heater 1 of the present embodiment is formed in a rod shape, for example.
  • the insulating substrate 9 covers the resistor 3 and the lead 8.
  • the resistor 3 and the lead 8 are embedded in the insulating substrate 9.
  • the insulating base 9 is made of ceramics, which can withstand temperatures higher than that of metal, so that it is possible to provide the heater 1 with improved reliability at the time of rapid temperature rise. become.
  • ceramics having electrical insulation properties such as oxide ceramics, nitride ceramics, carbide ceramics can be used.
  • the insulating substrate 9 is preferably made of silicon nitride ceramics.
  • silicon nitride ceramics is superior in terms of high strength, high toughness, high insulation, and heat resistance because silicon nitride, which is a main component, is used.
  • This silicon nitride ceramic is, for example, 3 to 12% by mass of a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Er 2 O 3 as a sintering aid with respect to silicon nitride as a main component, 0.5 to 3% by mass of Al 2 O 3 and further SiO 2 are mixed so that the amount of SiO 2 contained in the sintered body is 1.5 to 5% by mass, and molded into a predetermined shape, and thereafter 1650 to 1780 ° C. Can be obtained by hot press firing.
  • the coefficient of thermal expansion of the silicon nitride ceramic that is the base material can be brought close to the coefficient of thermal expansion of the resistor 3, and the durability of the heater 1 can be improved.
  • the resistor 3 having the heat generating portion 4 has, for example, a folded shape, and the heat generating portion 4 that generates heat most near the middle point of the turn.
  • this resistor 3 the thing which has a carbide
  • tungsten carbide (WC) is one of the above materials because it has a small difference in thermal expansion coefficient from the insulating base 9, high heat resistance, and low specific resistance. It is excellent as a material for the resistor 3.
  • the resistor 3 is preferably composed mainly of WC of an inorganic conductor, and the content of silicon nitride added thereto is 20% by mass or more.
  • the conductor component serving as the resistor 3 has a higher coefficient of thermal expansion than silicon nitride, and thus is usually in a state where tensile stress is applied.
  • the thermal expansion coefficient is brought close to that of the insulating base 9, and the stress due to the difference in thermal expansion coefficient when the heater 1 is heated and lowered is alleviated. be able to.
  • the content of silicon nitride contained in the resistor 3 is 40% by mass or less, the resistance value of the resistor 3 can be made relatively small and stabilized. Therefore, the content of silicon nitride contained in the resistor 3 is preferably 20% by mass to 40% by mass. More preferably, the silicon nitride content is 25% by mass to 35% by mass. Further, as a similar additive to the resistor 3, boron nitride can be added in an amount of 4% by mass to 12% by mass instead of silicon nitride.
  • the thickness of the resistor 3 (the vertical thickness shown in FIG. 3) is preferably 0.5 mm to 1.5 mm, for example. By setting the thickness within this range, the resistance of the resistor 3 is reduced and heat is efficiently generated, and the adhesion at the laminated interface of the insulating substrate 9 having a laminated structure can be maintained.
  • the width of the resistor 3 (the horizontal width shown in FIG. 3) is preferably 0.3 mm to 1.3 mm, for example. By setting the width within this range, the resistance of the resistor 3 is reduced and heat is efficiently generated, and the adhesion at the laminated interface of the insulating base 9 having a laminated structure can be maintained.
  • the lead 8 joined to the end of the resistor 3 can be composed mainly of carbides such as W, Mo, Ti, nitrides, silicides, and the like.
  • the resistance value per unit length is lower than that of the resistor 3, such as including more than the resistor 3 or having a larger cross-sectional area than the resistor 3.
  • the lead 8 joined to the end of the resistor 3 has a lower resistance value per unit length than the resistor 3.
  • the lead 8 can be formed using the same material as the resistor 3.
  • WC is suitable as a material for the lead 8 in that the difference in coefficient of thermal expansion from the insulating base 9 is small, the heat resistance is high, and the specific resistance is small.
  • the lead 8 is preferably composed mainly of WC, which is an inorganic conductor, and silicon nitride is added to the lead 8 so that the content is 15% by mass or more. As the silicon nitride content increases, the thermal expansion coefficient of the lead 8 can be made closer to the thermal expansion coefficient of silicon nitride constituting the insulating base 9.
  • the resistance value of the lead 8 becomes small and stable. Accordingly, the silicon nitride content is preferably 15% by mass to 40% by mass. More preferably, the silicon nitride content is 20% by mass to 35% by mass.
  • the lead 8 has a lower resistance per unit length by making the cross-sectional area larger than that of the resistor 3 in addition to making the content of the forming material of the insulating base 9 smaller than that of the resistor 3. It may be.
  • the junction between the resistor 3 and the lead 8 is a cross-sectional view perpendicular to the axial direction of the lead 8.
  • 9 has a region that is separated from 9. In other words, it has a region where the lead 8 surrounds the entire circumference of the resistor 3 when viewed in a cross section perpendicular to the axial direction of the lead 8.
  • the term “joint portion” as used herein refers to a region where the interface between the resistor 3 and the lead 8 exists when viewed in a cross section parallel to the axial direction of the lead 8.
  • a region of the resistor 3 covered with the lead 3 is a joint portion, and an interface between the resistor 3 and the lead 8 is indicated by a broken line.
  • the lead 8 has a joint portion that surrounds the entire periphery of the resistor 3, the current flowing through the lead 8 is dispersed and one point of the triple interface at the end of the joint portion.
  • the stress is not concentrated at the end of the joint between the resistor 3 and the lead 8. can do.
  • the reliability and durability of the heater 1 are improved.
  • the triple interface means a region where the interface between the resistor 3 and the lead 8, the interface between the resistor 3 and the insulating base 9, and the interface between the lead 8 and the insulating base 9 are in contact.
  • the junction between the resistor 3 and the lead 8 is preferably 90% or more in a region where the resistor 3 is separated from the insulating base 9 through the lead 8 over the entire circumference in a cross-sectional view.
  • the resistor 3 is separated from the insulating base 9 through the lead 8 over the entire circumference in a cross section perpendicular to the axial direction of the lead 8 in all regions of the joint portion.
  • the outer shape of the resistor 3 at the joint portion is narrowed toward the side opposite to the heat generating portion 4.
  • the outer shape of the resistor 3 at the joint is narrowed so that the cross-sectional area is 50% to 90% toward the side opposite to the heat generating part 4.
  • the coefficient of thermal expansion can be changed so that the section of the heater 1 perpendicular to the axial direction of the lead 8 includes the joining portion so that the thermal expansion coefficient is inclined from the heat generating portion 4 side toward the lead 8 side. It can comprise so that a thermal expansion difference may not generate
  • the joint is viewed in a cross section perpendicular to the axial direction of the leads 8.
  • the centroid of the resistor 3 is located outward with respect to the centroid of the lead 8. Specifically, for example, it is preferably located outside 0.03 mm to 0.2 mm.
  • the cross-sectional area inside the lead 8 can be increased.
  • the current density per cross-sectional area can be reduced, so that local heat generation can be suppressed.
  • the product resistance does not change even after long-term use. Therefore, the reliability and durability of the heater 1 are further improved.
  • the joint is viewed in a cross section parallel to the axial direction of the leads 8.
  • the inner inclination angle a is steeper than the outer inclination angle b.
  • the inner inclination angle a is steeper by about 5 ° to 20 ° (the angle is larger) than the outer inclination angle b.
  • the inner inclination angle a is an angle formed between the axial direction of the lead at the joint and the inner side surface of the resistor 3, and the outer inclination angle b is the axial direction of the lead at the joint and the resistor.
  • the resistor 3 has a folded shape, and the leads 8 are joined to both ends of the resistor 3, respectively, as shown in FIG.
  • the tip surface of the lead 8 is preferably inclined inward.
  • the tip surface of the lead 8 is inclined so that the length of the joint portion is longer by the distance D on the inner side than on the outer side.
  • it is preferable to incline toward the inner side for example, 0.2 mm to 0.8 mm from the outer side, and to be longer, for example, 0.2 mm to 0.8 mm on the inner side than the outer side.
  • the outer shape of the resistor 3 is formed by a curved line such as an arc.
  • stress is not concentrated on the corners of the resistor 3, and local heat generation at the corners can be suppressed.
  • the product resistance does not change even after long-term use. Therefore, the reliability and durability of the heater 1 can be further improved.
  • the outer shape of the lead 8 at the joint portion becomes narrower toward the heat generating portion 4 side.
  • a junction part can be changed continuously, the maximum principal stress which generate
  • the product resistance does not change even after long-term use. Therefore, the reliability and durability of the heater 1 can be further improved.
  • the heater 1 of the present embodiment is electrically connected to the heater 1 described in any of the above-described configurations, a sheath fitting electrically connected to one lead 8, and the other lead 8. It is preferable to use it as a glow plug provided with a wire.
  • the sheath metal fitting is a metal cylindrical body that holds the heater 1, and is joined to one lead 8 drawn to the side surface of the ceramic base 9 with a brazing material or the like. Further, the wire is joined to the other lead 8 drawn out to the rear end of the other ceramic base 9 with a brazing material or the like.
  • the heater 1 of the present embodiment can be formed by, for example, an injection molding method using a die having the shape of the resistor 3, the lead 8, and the insulating base 9.
  • a conductive paste to be the resistor 3 and the lead 8 including the conductive ceramic powder and the resin binder is manufactured, and a ceramic paste to be the insulating base 9 including the insulating ceramic powder and the resin binder is manufactured.
  • a conductive paste molded body (molded body A) having a predetermined pattern to be the resistor 3 is formed by an injection molding method or the like using the conductive paste.
  • the conductive paste is filled into the mold to form a conductive paste molded body (molded body B) having a predetermined pattern to be the leads 8.
  • the molded object A and the molded object B connected to it will be in the state hold
  • the obtained molded body E is fired at about 1700 ° C., whereby the heater 1 can be manufactured.
  • the firing is preferably performed in a non-oxidizing gas atmosphere such as hydrogen gas.
  • the heater of the example of the present invention was manufactured as follows.
  • a conductive paste containing 50% by mass of tungsten carbide (WC) powder, 35% by mass of silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder, and 15% by mass of a resin binder is injection-molded into a mold to form a resistor.
  • a formed product A was produced.
  • sample No. 1 is a cross-section in which the junction between the resistor and the lead does not have a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead as viewed in cross section, and is parallel to the axial direction of the lead.
  • the interface between the resistor and the lead is slanted when viewed in FIG.
  • the cross-sectional area of the heat generating part of the resistor is the area of the cross section of the resistor in the heat generating part
  • the cross-sectional area of the joint (end) of the resistor is the area of the end of the resistor. It is.
  • the position of the resistor centroid with respect to the lead centroid indicates the positional relationship between the centroid of the resistor and the lead when the cross section of the position corresponding to the tip of the lead is viewed.
  • the joint axial length D is a value obtained by subtracting the outer length from the inner length in the axial direction of the joint (region where the resistor and the lead overlap).
  • the lead joint shape indicates whether the outer shape of the cross section of the lead at the joint is the same or narrower toward the heat generating portion.
  • the obtained compact E is put into a cylindrical carbon mold and hot-pressed at a temperature of 1650 ° C. to 1780 ° C. and a pressure of 30 MPa to 50 MPa in a non-oxidizing gas atmosphere composed of nitrogen gas. And sintered. A sheath metal fitting was brazed to the end of the lead exposed on the surface of the obtained sintered body to produce a heater.
  • a cold cycle test was conducted using this heater.
  • the conditions of the thermal cycle test are as follows: First, energize the heater and set the applied voltage so that the temperature of the resistor is 1400 ° C. 1) Energize for 5 minutes, 2) Deenergize for 2 minutes 1), 2) The cycle was 10,000 cycles. The change in the resistance value of the heater before and after the thermal cycle test was measured, and when the change in resistance value was less than 10%, there was no problem with durability (indicated by “O” in Table 1), and the change in resistance value was 10%. The above case was determined to have a problem with durability (indicated by “x” in Table 1). The results are shown in Table 1.
  • microcracks occurred at the joint between the resistor and the lead in the sample determined to have a problem with durability.
  • the junction between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section.
  • the outer shape is narrowed toward the side opposite to the heat generating part, the centroid of the resistor is located outward from the centroid of the lead, and the inner inclination angle is steeper than the outer inclination angle.
  • This is a case where the tip end surface of the lead is inclined inward, the outer shape of the resistor is formed in a curve, and the outer shape of the lead is narrowed toward the heat generating part.
  • the tip end surface of the lead is inclined inward
  • the outer shape of the resistor is formed in a curve
  • the outer shape of the lead is narrowed toward the heat generating part.
  • the joint between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section, and the outer shape of the resistor is a heating part
  • the resistor centroid is positioned outwardly with respect to the lead centroid, and the inner tilt angle is steeper than the outer tilt angle. This is a case where the tip surface is inclined inward and the outer shape of the resistor is formed as a curve, and the resistance change is 2%.
  • the joint between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section.
  • the resistor centroid is positioned outwardly with respect to the lead centroid, and the inner tilt angle is steeper than the outer tilt angle. This is a case where the tip surface is inclined inward and the outer shape of the lead is narrowed toward the heat generating portion, and the resistance change is 2%.
  • the junction between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section, and the tip end surface of the lead faces inward.
  • the outer shape of the resistor is curved and the outer shape of the lead is narrowing toward the heat generating part, and the resistance change is 7%, which is the largest among the heaters of the present invention. became.
  • the joint between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead as viewed in cross section, and the outer shape of the resistor is a heating part. It is thinner toward the opposite side, the inner inclination angle is steeper than the outer inclination angle, the lead end surface is inclined inward, and the outer shape of the resistor is curved This is the case where the outer shape of the lead is narrowed toward the heat generating portion, and the resistance change is 6% or 5%, which is the larger one of the heaters of the present invention.
  • the joint between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section.
  • the resistor's centroid is positioned outward with respect to the lead's centroid, the tip end surface of the lead is inclined inward, and the outer shape of the resistor is This is a case where the outer shape of the lead is narrowed toward the heat generating part, and the resistance change was 5%.
  • the junction between the resistor and the lead has a region in which the resistor is separated from the insulator through the lead when viewed in cross section.
  • the centroid of the resistor is positioned outward with respect to the centroid of the lead, and the inner tilt angle is steeper than the outer tilt angle. This is a case where the outer shape of the resistor is formed in a curve, and the outer shape of the lead is narrowing toward the heat generating portion, and the resistance change was 4% and 3%.
  • Heater 2 Tip part 3: Resistor 4: Heat generating part 8: Lead 9: Insulating substrate

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Abstract

【課題】　急速昇温等の際に抵抗体に大電流が流れても抵抗体とリードとの接合部の端部に多大な応力集中が発生することを抑制された高い信頼性および耐久性を有するヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供する。　【解決手段】　ヒータ１は、発熱部４を有する抵抗体３と、該抵抗体３の端部に接合されたリード８と、前記抵抗体３および前記リード８を被覆する絶縁基体９とを備え、前記抵抗体３と前記リード８との接合部は、断面視して前記抵抗体３が全周にわたり前記リード８を介して前記絶縁体９と離間している領域を有している。

Description

ヒータおよびこれを備えたグロープラグ
　本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用若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、自動車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、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。
　自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータは、発熱部を有する抵抗体、リードおよび絶縁基体を含む構成になっている。そして、リードの抵抗が抵抗体の抵抗より小さくなるように、これらの材料の選定や設計がされている。
　ここで、抵抗体とリードとの接合部は、形状変化点であったり材料組成変化点であったりするので、使用時の発熱や冷却での熱膨張の差に起因した影響を受けないように接合面積を大きくする目的で、リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっているものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
特開2002-334768号公報 特開2003-22889号公報
　近年、従来以上の急速昇温が求められているため、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流を流す必要性がでてきた。リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっている形状（抵抗体とリードとの境界となる界面の周縁部が絶縁基体に接して三重界面となっている形状）のヒータであると、リードを流れてきた電流が接合部の端部にある三重界面の一点に集中しやすいことでこの部分に応力が集中し、クラックが入るという問題点があった。
　本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、急速昇温等の際に抵抗体に大電流が流れても抵抗体とリードとの接合部の端部に多大な応力集中が発生することを抑制された高い信頼性および耐久性を有するヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供することである。
　本発明のヒータは、発熱部を有する抵抗体と、該抵抗体の端部に接合されたリードと、前記抵抗体および前記リードを被覆する絶縁基体とを備え、前記抵抗体と前記リードとの接合部は、断面視して前記抵抗体が全周にわたり前記リードを介して前記絶縁体と離間している領域を有することを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記接合部における前記抵抗体の外形が前記発熱部とは反対の側に向かって細くなっていることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記抵抗体は折返し形状をなし、前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、前記接合部を前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記抵抗体の図心が前記リードの図心に対し外方に位置していることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記抵抗体は折返し形状をなし、前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、前記接合部を前記リードの軸方向に平行な断面で視たとき、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっていることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記抵抗体は折返し形状をなし、前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、前記接合部を前記リードの軸方向に平行な断面で視たとき、前記リードの先端面が内側に向けて傾斜していることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記接合部を前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記抵抗体の外形が曲線で形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記接合部における前記リードの外形が前記発熱部側に向かって細くなっていることを特徴とするものである。
　また、本発明のヒータは、上記の構成のいずれかに記載のヒータと、一方の前記リードに電気的に接続されたシース金具と、他方の前記リードに電気的に接続されたワイヤとを備えたグロープラグとして使用できる。
　本発明のヒータによれば、抵抗体の全周をリードが取り囲むような接合部を有しているため、リードを流れてきた電流が分散されて接合部の端部にある三重界面の一点に集中しなくなるとともに、抵抗体の全周から一様にリードに向けて熱ひけがよくなることから、接合部の端部に多大な応力集中が生じない。その結果、繰り返し温度を上下させても接合部の端部にクラックが入るのを抑制することができる。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。
本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図である。 図１に示す抵抗体とリードとの接合部を含む領域Ａを拡大した拡大断面図である。 図２のＸ－Ｘ線における横断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＹ－Ｙ線における横断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す横断面図である。 本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
　以下、本発明のヒータについて実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図である。また、図２は図１における抵抗体とリードとの接合部を含む領域Ａを拡大した拡大断面図、図３は図２に示すヒータ１のＸ－Ｘ線における横断面図である。
　本実施の形態のヒータ１は、発熱部４を有する抵抗体３と、抵抗体３の端部に接合されたリード８と、抵抗体３およびリード８を被覆する絶縁基体９とを備え、抵抗体３とリード８との接合部は、断面視して抵抗体３が全周にわたりリード８を介して絶縁体９と離間している領域を有している。
　本実施の形態のヒータ１における絶縁基体９は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体９は抵抗体３およびリード８を被覆しており、言い換えると、抵抗体３およびリード８が絶縁基体９に埋設されている。ここで、絶縁基体９はセラミックスからなることが好ましく、これにより、金属よりも高温まで耐えることができるようになるので、急速昇温時の信頼性がより向上したヒータ１を提供することが可能になる。具体的には、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等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。特に、絶縁基体９は、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスは、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Ｙ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、0.5～３質量％のＡｌ２Ｏ３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ２量として1.5～５質量％となるようにＳｉＯ２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り得ることができる。
　また、絶縁基体９として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合、ＭｏＳｉ２，ＷＳｉ２等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。
　発熱部４を有する抵抗体３は、例えば折返し形状をなしていて、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部４となっている。この抵抗体３としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、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。絶縁基体９が上述の材料の場合、絶縁基体９との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が抵抗体３の材料として優れている。さらに、絶縁基体９が窒化珪素質セラミックスからなる場合、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％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体９中において、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、抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率を絶縁基体９のそれに近づけて、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、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、抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は20質量％～40質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は25質量％～35質量％がよい。また、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質量％～12質量％添加することもできる。
　また、抵抗体３の厚み（図３に示す上下方向の厚み）は、例えば0.5ｍｍ～1.5ｍｍがよい。この厚みの範囲内とすることにより、抵抗体３の抵抗が小さくなって効率良く発熱するものとなり、また、積層構造の絶縁基体９の積層界面の密着性を保持することができる。
　また、抵抗体３の幅（図３に示す水平方向の幅）は、例えば0.3ｍｍ～1.3ｍｍがよい。この幅の範囲内とすることにより、抵抗体３の抵抗が小さくなって効率良く発熱するものとなり、また、積層構造の絶縁基体９の積層界面の密着性を保持することができる。
　抵抗体３の端部に接合されたリード８は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができ、例えば絶縁基体９の形成材料を抵抗体３よりも多く含んだり、抵抗体３よりも断面積を大きくしたりするなど、抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。
　抵抗体３の端部に接合されたリード８は、抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。このリード８は、抵抗体３と同様の材料を用いて形成することができる。特に、ＷＣが、絶縁基体９との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード８の材料として好適である。また、リード８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することが好ましい。窒化珪素の含有量が増すにつれてリード８の熱膨張率を絶縁基体９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％以下であるときには、リード８の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は15質量％～40質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は20質量％～35質量％とするのがよい。なお、リード８は、絶縁基体９の形成材料の含有量を抵抗体３よりも少なくすることの他、抵抗体３よりも断面積を大きくすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよい。
　そして、図３に示したように、抵抗体３とリード８との接合部は、リード８の軸方向に垂直な断面で断面視して抵抗体３が全周にわたりリード８を介して絶縁体９と離間している領域を有している。言い換えると、リード８の軸方向に垂直な断面で断面視したときに、抵抗体３の全周をリード８が取り囲んでいる領域を有している。なお、ここでいう接合部とは、リード８の軸方向に平行な断面で視たとき、抵抗体３とリード８との界面が存在する領域のことをいう。図２においては、抵抗体３におけるリード３で覆われた領域が接合部であり、抵抗体３とリード８との界面を破線で示している。
　このような構成により、抵抗体３の全周をリード８が取り囲むような接合部を有しているため、リード８を流れてきた電流が分散されて接合部の端部にある三重界面の一点に集中しなくなるとともに、抵抗体３の全周から一様にリード８に向けて熱ひけがよくなることから、抵抗体３とリード８との接合部の端部に多大な応力集中がしないようにすることができる。その結果、繰り返し温度を上下させても接合部の端部にクラックが入るのを抑制することができ、ヒータ１の信頼性および耐久性が向上する。
　なお、三重界面とは、抵抗体３とリード８との界面、抵抗体３と絶縁基体９との界面およびリード８と絶縁基体９との界面が接する領域のことを意味している。
　ここで、抵抗体３とリード８との接合部は、断面視して抵抗体３が全周にわたりリード８を介して絶縁基体９と離間している領域が90％以上であることが好ましく、特に接合部の全ての領域において、リード８の軸方向に垂直な断面で断面視して抵抗体３が全周にわたりリード８を介して絶縁基体９と離間しているのが好ましい。この範囲とすることにより、上述の理由から、使用時冷却過程において抵抗体３とリード８の界面に多大な応力集中が生じなくなる点で効果的である。
　ここで、本実施の形態のヒータ１は、図４に示したように、接合部における抵抗体３の外形が発熱部４とは反対の側に向かって細くなっていることが好ましい。具体的には、接合部における抵抗体３の外形が発熱部４とは反対の側に向かって断面積で50％～90％になるように細くなっていることが好ましい。これにより、リード８の軸方向に垂直なヒータ１の断面が接合部を含む部分において熱膨張係数を発熱部４の側からリード８側に向けて傾斜するように変化させることができ、急激な熱膨張差が発生しにくいように構成することができる。
　また、抵抗体３が折返し形状をなし、抵抗体３の両端部にリード８がそれぞれ接合された形態において、図５に示したように、接合部をリード８の軸方向に垂直な断面で視たとき、抵抗体３の図心がリード８の図心に対し外方に位置していることが好ましい。具体的には、例えば0.03ｍｍ～0.2ｍｍ外方に位置していることが好ましい。これにより、リード８の内側の断面積を大きくすることができる。一般に、電流はリード８の内側を流れるため、断面積当りの電流密度を低減できるので局所発熱を抑えられる。その結果、長期使用でも、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性がさらに向上する。
　また、抵抗体３が折返し形状をなし、抵抗体３の両端部にリード８がそれぞれ接合された形態において、図６に示したように、接合部をリード８の軸方向に平行な断面で視たとき、内側の傾斜角ａが外側の傾斜角ｂよりも急になっていることが好ましい。具体的には、内側の傾斜角ａが外側の傾斜角ｂよりも５°～20°程度急になっている（角度が大きくなっている）ことが好ましい。なお、内側の傾斜角ａとは、接合部におけるリードの軸方向と抵抗体３の内側の側面とのなす角度であり、外側の傾斜角ｂとは、接合部におけるリードの軸方向と抵抗体３の外側の側面とのなす角度である。これにより、より効率よくリード８の内側の断面積当りの電流密度を低減できるので局所発熱を抑えることができる。その結果、長期使用でも、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
　また、電流密度を低減できるという観点では、抵抗体３が折返し形状をなし、抵抗体３の両端部にリード８がそれぞれ接合された形態において、図７に示したように、接合部をリード８の軸方向に平行な断面で視たとき、リード８の先端面が内側に向けて傾斜していることが好ましい。言い換えると、リード８の先端面は接合部の長さが外側よりも内側のほうが距離Ｄだけ長くなるように傾斜していることが好ましい。具体的には、外側より例えば0.2ｍｍ～0.8ｍｍ内側に向けて傾斜していて、外側よりも内側のほうが例えば0.2ｍｍ～0.8ｍｍ長くなっていることが好ましい。これにより、より効率よくリード８の内側の断面積当りの電流密度を低減できるので局所発熱を抑えることができる。その結果、長期使用でも、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
　また、図８に示したように、接合部をリード８の軸方向に垂直な断面で視たとき、抵抗体３の外形が円弧状等の曲線で形成されていることが好ましい。これにより、抵抗体３の角部に応力集中しなくなり、角部での局所発熱を抑えられる。その結果、長期使用でも、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
　また、図９に示したように、接合部におけるリード８の外形が発熱部４側に向かって細くなっていることが好ましい。これにより、接合部を連続的に変化させることができ、ヒータ１使用時の冷却過程で発生する最大主応力を小さくでき、局所発熱を抑えられる。その結果、長期使用でも、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
　また、本実施の形態のヒータ１は、上記の構成のいずれかに記載のヒータ１と、一方のリード８に電気的に接続されたシース金具と、他方のリード８に電気的に接続されたワイヤとを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。シース金具は、ヒータ１を保持する金属製筒状体であり、セラミック基体９の側面に引き出された一方のリード８にロウ材などで接合される。また、ワイヤは、他方のセラミック基体９の後端に引き出された他方のリード８にロウ材などで接合される。これにより、高温のエンジン中でON/OFFが繰り返されながら長期使用しても、ヒータ１の抵抗が変化しないので、どんなときでも着火性に優れたグロープラグを提供できる。
　次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法について説明する。
　本実施の形態のヒータ１は、例えば、抵抗体３、リード８および絶縁基体９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。
　まず、導電性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む、抵抗体３およびリード８となる導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む絶縁基体９となるセラミック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形法等によって抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体Ａ）を形成する。成形体Ａを金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード８となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体Ｂ）を形成する。これにより、成形体Ａと、それに接続された成形体Ｂとが、金型内に保持された状態となる。
　次に、金型内に成形体Ａおよび成形体Ｂを保持した状態で、金型の一部を絶縁基体９成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体９となるセラミックペーストを充填する。これにより、成形体Ａおよび成形体Ｂがセラミックペーストの成形体（成形体Ｃ）で覆われたヒータ１の成形体（成形体Ｅ）が得られる。
　次に、得られた成形体Ｅを1700℃程度で焼成することにより、ヒータ１を作製することができる。焼成は、水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。
　本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。
　まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を50質量％、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を35質量％、樹脂バインダーを15質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して抵抗体となる成形体Ａを作製した。
　次に、この成形体Ａを金型内に保持した状態で、リードとなる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体Ａと接続させてリードとなる成形体Ｂを形成した。このとき、表１の試料Ｎｏ．１～13に示すように、種々の形状を有する金型を用いて、１３種の形状の、抵抗体とリードとの接合部を形成した。
　なお、表１において、試料Ｎｏ．１は、抵抗体とリードとの接合部が、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しておらず、リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっているものである。また、表１において、抵抗体の発熱部断面積とは、発熱部における抵抗体の横断面の面積であり、抵抗体の接合部（端部）断面積とは、抵抗体の端部の面積である。リード図心に対する抵抗体図心の位置とは、リードの先端に相当する位置の横断面を視たときの抵抗体およびリードの図心の位置関係を示したものである。接合部軸方向長さＤ（内側－外側）は、接合部（抵抗体とリードとが重なる領域）の軸方向の内側の長さから外側の長さを減じた値である。リードの接合部形状（発熱部側に向かう形状）は、接合部におけるリードの横断面の外形が発熱部側に向かって同じ形状か細くなっているかを示している。
　次に、成形体Ａおよび成形体Ｂを金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を85質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を10質量％、抵抗体およびリードに熱膨張率を近づけるためのＷＣを５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、絶縁基体となる成形体Ｃ中に成形体Ａおよび成形体Ｂが埋設された構成の成形体Ｅを形成した。
　次に、得られた成形体Ｅを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、1650℃～1780℃の温度、30ＭＰａ～50ＭＰａの圧力でホットプレスを行ない焼結した。得られた焼結体の表面に露出したリード端部にシース金具をロウ付けしてヒータを作製した。
　このヒータを用いて冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験の条件は、まずヒータに通電して抵抗体の温度が1400℃になるように印加電圧を設定し、１）５分間通電、２）２分間非通電の１），２）を１サイクルとし、１万サイクル繰り返した。冷熱サイクル試験前後のヒータの抵抗値の変化を測定し、抵抗値の変化が10％未満である場合を耐久性に問題無し（表１で「○」で表示）、抵抗値の変化が10％以上である場合を耐久性に問題有り（表１で「×」で表示）と判定した。結果を表１に示す。
　なお、耐久性に問題有りと判定した試料には抵抗体とリードとの接合部にマイクロクラックが発生していた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、本発明の範囲内のものである試料Ｎｏ．３，４，７，13は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、抵抗体の図心がリードの図心に対し外方に位置しており、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、抵抗体の外形が曲線で形成されており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が1％以下と本発明のヒータのなかでは最も小さかった。
　また、本発明の範囲内のものである試料Ｎｏ．５は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、抵抗体の図心がリードの図心に対し外方に位置しており、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、抵抗体の外形が曲線で形成されている場合であり、抵抗変化が２％となった。
　また、本発明の範囲内のものである試料Ｎｏ．６は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、抵抗体の図心がリードの図心に対し外方に位置しており、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が２％となった。
　また、本発明の範囲内のものである試料Ｎｏ．２は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、抵抗体の外形が曲線で形成されており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が７％と本発明のヒータのなかでは最も大きくなった。
　また、本発明の範囲内のものであるＮｏ．８，９は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、抵抗体の外形が曲線で形成されており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が６％,５％と本発明のヒータのなかでは大きい方であった。
　また、本発明の範囲内のものであるＮｏ．10は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、抵抗体の図心がリードの図心に対し外方に位置しており、リードの先端面が内側に向けて傾斜しており、抵抗体の外形が曲線で形成されており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が５％であった。
　また、本発明の範囲内のものであるＮｏ．11,12は、抵抗体とリードとの接合部は、断面視して抵抗体が全周にわたりリードを介して絶縁体と離間している領域を有しており、抵抗体の外形が発熱部とは反対の側に向かって細くなっており、抵抗体の図心がリードの図心に対し外方に位置しており、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっており、抵抗体の外形が曲線で形成されており、リードの外形が発熱部側に向かって細くなっている場合であり、抵抗変化が４％，３％であった。
　本発明の範囲外のものであるＮｏ．１は、抵抗変化が55％と非常に大きくなった。
１：ヒータ
２：先端部
３：抵抗体
４：発熱部
８：リード
９：絶縁基体

Claims (8)

  1. 　発熱部を有する抵抗体と、
    　該抵抗体の端部に接合されたリードと、
    　前記抵抗体および前記リードを被覆する絶縁基体とを備え、
    　前記抵抗体と前記リードとの接合部は、断面視して前記抵抗体が全周にわたり前記リードを介して前記絶縁体と離間している領域を有することを特徴とするヒータ。
  2. 　前記接合部における前記抵抗体の外形が前記発熱部とは反対の側に向かって細くなっていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
  3. 　前記抵抗体は折返し形状をなし、
    　前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、
    　前記接合部を前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記抵抗体の図心が前記リードの図心に対し外方に位置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。
  4. 　前記抵抗体は折返し形状をなし、
    　前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、
    　前記接合部を前記リードの軸方向に平行な断面で視たとき、内側の傾斜角が外側の傾斜角よりも急になっ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。
  5. 　前記抵抗体は折返し形状をなし、
    　前記抵抗体の両端部に前記リードがそれぞれ接合されており、
    　前記接合部を前記リードの軸方向に平行な断面で視たとき、前記リードの先端面が内側に向けて傾斜し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。
  6. 　前記接合部を前記リードの軸方向に垂直な断面で視たとき、前記抵抗体の外形が曲線で形成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。
  7. 　前記接合部における前記リードの外形が前記発熱部側に向かって細くなっ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。
  8. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒータと、一方の前記リードに電気的に接続されたシース金具と、他方の前記リードに電気的に接続されたワイヤとを備えたことを特徴とするグロープラグ。
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