WO2012147920A1 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

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健 岡村
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京セラ株式会社
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    • H05B2203/027Heaters 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 the shape is designed so that the resistance of the lead is smaller than the resistance of the resistor.
  • the junction between the resistor and the lead is a shape change point for connecting the resistor and the lead having different shapes or a material composition change point for connecting the resistor and the lead having different material compositions. Therefore, a contrivance has been made such as increasing the bonding area so as to reduce the influence caused by the difference in thermal expansion during heat generation and cooling during use.
  • FIG. 10 (a) it is known that the boundary surface between the resistor 3 and the lead 8 is inclined when viewed in a cross section parallel to the axial direction of the lead (for example, (See Patent Documents 1 and 2).
  • connection portion a rectangular wave is often used as the pulse.
  • a joint portion connecting portion
  • a part of the high frequency component that cannot be matched in impedance is reflected at this connecting portion. Scatter and dissipate as Joule heat. Therefore, although the connection portion generates heat locally, as shown in FIG.
  • the present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and its purpose is to generate microcracks at the connection between the resistor and the lead even when a large current flows through the resistor, It is an object to provide a heater having high reliability and durability in which progress of cracks on the surface and a change in resistance value of the heater are suppressed, and a glow plug including the heater.
  • the heater of the present invention includes an insulating base, a resistor embedded in the insulating base, and a lead embedded in the insulating base and connected to the resistor on the tip side, and the end face of the resistor and the A connection portion is provided so as to face the end surface of the lead, and the boundary between the resistor and the lead is curved when the connection portion is viewed in a cross section perpendicular to the axial direction. Is.
  • the present invention is a glow plug comprising the heater according to any one of the above-described configurations and a metal holding member that is electrically connected to the lead and holds the heater.
  • the heater of the present invention even if a high-frequency component propagates along the surface of the lead, the occurrence of microcracks at the connection between the resistor and the lead, the progress of cracks at the interface, and the resistance value of the heater The change is suppressed, and the resistance value of the heater is stabilized over a long period of time. Thereby, the reliability and durability of the heater are improved.
  • (A) is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the heater of this invention
  • (b) is a cross-sectional view in the XX line shown to (a). It is a longitudinal cross-sectional view which shows the other example of embodiment of the heater of this invention.
  • (A) is an enlarged vertical sectional view of an example in which a region A including a connection portion between a resistor and a lead shown in FIG. 2 is enlarged
  • (b) is a transverse sectional view taken along line XX shown in (a). is there.
  • (A) is the expanded longitudinal cross-sectional view of the other example which expanded the area
  • FIG. (A) is the expanded longitudinal cross-sectional view of the other example which expanded the area
  • FIG. (A) is the expanded longitudinal cross-sectional view of the other example which expanded the area
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line YY shown in FIG.
  • FIG. (A) is the expanded longitudinal cross-sectional view of the other example which expanded the area
  • FIG. (A) is the expanded longitudinal cross-sectional view of the other example which expanded the area
  • FIG. It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the glow plug of this invention.
  • (A) is an enlarged longitudinal sectional view showing a main part of a conventional heater, and (b) is a transverse sectional view taken along line XX shown in (a).
  • FIG. 1 (a) is a longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of the heater of the present invention
  • FIG. 1 (b) is a transverse sectional view taken along line XX shown in FIG. 1 (a).
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing another example of the embodiment of the heater of the present invention.
  • the heater 1 is a heater including an insulating substrate 9, a resistor 3 embedded in the insulating substrate 9, and a lead 8 embedded in the insulating substrate 9 and connected to the resistor 3 on the distal end side.
  • the resistor 3 and the lead 8 have a connection portion 2 that overlaps in a direction perpendicular to the axial direction of the lead 8, and when the connection portion 2 is viewed in a cross section perpendicular to the axial direction, the resistor 3 and the lead 8 The boundary with 8 is curved.
  • 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, for example, 1650 to 1780 It can be obtained by hot press firing at 0 ° C.
  • 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 has a heat generating portion 4 which is a region that generates heat in particular.
  • a heat generating portion 4 which is a region that generates heat in particular.
  • the resistor 3 has a linear shape as shown in FIG. By providing the shape region, this region can be used as the heat generating portion 4.
  • the resistor 3 has a linear shape, one end of the resistor 3 is electrically connected to the lead 8, and the other end of the resistor 3 covers the surface of the insulating substrate 9. It is electrically connected to the surface conductor 11 provided as described above.
  • the region between the leads 8 of the resistor 3 becomes the heat generating portion 4, but the heat generating portion 4 that generates heat most near the middle point of the folding is Become.
  • the resistor 3 may be composed mainly of carbides such as W, Mo and Ti, nitrides and silicides.
  • carbides such as W, Mo and Ti
  • nitrides and silicides In the case where the insulating base 9 is made of the above-described material, 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 of the resistor 3 is brought close to the thermal expansion coefficient of the insulating base 9, and the thermal expansion coefficient when the heater 1 is heated and lowered. The stress due to the difference can be relaxed.
  • 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 FIGS. 1B and 3B) is preferably 0.5 mm to 1.5 mm, and the width of the resistor 3 (horizontal shown in FIG. 3B).
  • the width in the direction is preferably 0.3 mm to 1.3 mm.
  • the lead 8 having the tip connected to the end of the resistor 3 can use the same material as that of the resistor 3 mainly composed of carbides such as W, Mo, Ti, nitrides, silicides, and the like.
  • 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 thereto so that the content is 15% by mass or more. .
  • the thermal expansion coefficient of the lead 8 can be made closer to the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 9. Further, when the content of silicon nitride is 40% by mass or less, 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 may have a resistance value per unit length lower than that of the resistor 3 by making the content of the forming material of the insulating base 9 smaller than that of the resistor 3. The resistance value per unit length may be lower than that of the resistor 3 by increasing the cross-sectional area.
  • the connecting portion 2 is provided so that the resistor 3 and the lead 8 overlap each other in a direction perpendicular to the axial direction of the lead 8.
  • the connection portion 2 here 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.
  • the connecting portion 2 is provided so that the boundary line between the end surface and the end surface of the lead 8 is inclined with respect to the axial direction of the lead 8.
  • the tilt angle of the boundary line with respect to the axial direction is, for example, 10 to 80 degrees.
  • connection portion 2 when the connection portion 2 is viewed in a cross section perpendicular to the axial direction, the boundary between the resistor 3 and the lead 8 is curved.
  • the boundary surface between the resistor 3 and the lead 8 is a curved surface.
  • connection part 2 By adopting such a configuration, a part of the high-frequency component that has propagated along the surface of the lead 8 is reflected and scattered by a portion where impedance matching cannot be achieved at the connection portion 2 between the lead 8 and the resistor 3, Dissipated as Joule heat, the connection part 2 generates heat locally. At this time, if the boundary between the resistor 3 and the lead 8 is connected in a curved line, the direction of stress in the boundary surface caused by the difference in thermal expansion coefficient between the lead 8 and the thermal expansion coefficient of the resistor 3 Can be avoided.
  • the same effect can be obtained even when DC drive is used instead of pulse drive.
  • the rise of the power inrush becomes steep as in the case of a rectangular pulse wave, and high power containing high-frequency components enters the heater.
  • the occurrence of microcracks in the connecting portion 2 between the lead 8 and the resistor 3 is suppressed, and the lead 8 and the resistor 3 A crack does not progress at a stretch on the boundary surface, and the resistance value of the heater 1 is stabilized over a long period of time.
  • the heater 1 shown in FIG. 3 has a stepped step on the boundary surface so that the resistor 3 has a folded shape and the connecting portion 2 between the resistor 3 and the lead 8 can be firmly fitted. It is provided and inclined with respect to the axial direction. This step-like step appears when viewed in a longitudinal section parallel to the axial direction.
  • the resistor 3 has a folded shape, and the boundary between the resistor 3 and the lead 8 seen in a cross section perpendicular to the axial direction forms a pair on the lead 8 side. It is a convex curve.
  • Joule heat is likely to be generated on the lead side of the boundary with the resistor 3 so that the heat is heated at the center side of the heater 1.
  • compressive stress is applied from the insulating substrate 9 to suppress the formation of cracks, and the resistance value of the heater 1 is stabilized over a long period of time.
  • the cathode side of the heater 1 is grounded and a large direct current is passed through the resistor 3 at the start of engine operation for the purpose of rapid temperature rise, a potential difference is suddenly generated between the anode side and the cathode side and grounded. Since electrons instantaneously flow in from the cathode side, the temperature rises before the anode side. For this reason, not only the anode-side connecting portion 2 but also the cathode-side connecting portion 2 has such a structure (a curved shape convex to the lead 8 side), so that heat is propagated to the center of the heater.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 seen in a cross section perpendicular to the axial direction at least on the tip side of the connecting portion 2 may be a curved shape convex toward the resistor 3 side. According to this configuration, even if the high frequency component propagating along the surface of the lead 8 is reflected by the impedance mismatch at the connection portion between the lead 8 and the resistor 3 and locally generates heat, it is caused by the difference in thermal expansion. In addition to the effect that the direction of stress is bent in the boundary surface to suppress the generation of microcracks and the crack generated at the boundary surface does not progress at a stretch, it also has the following effects.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 as viewed in a cross section perpendicular to the axial direction at least on the tip side of the connecting portion 2 is a curved shape that protrudes toward the resistor 3 side.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 seen in a cross section perpendicular to the axial direction is a convex curve on the lead 8 side.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 becomes a convex curve on the resistor 3 side on the distal end side (resistor 3 side) of the connecting portion 2 as shown in FIG. It has the effect of.
  • the resistor 3 becomes a high temperature before the lead 8, so that the stress can be reduced Can do.
  • connection portion 2 since the occurrence of microcracks in the connection portion 2 can be suppressed, cracks do not progress along the boundary surface, and the resistance value of the heater 1 is stabilized over a long period of time.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 as viewed in a cross section perpendicular to the axial direction in the connecting portion 2 is a curved shape in which the lead 8 surrounds a part of the resistor 3.
  • the reflection of the current is dispersed, the generation of Joule heat is dispersed, the effect of bending the direction of the stress is great, and the stress is confined even when the resistor 3 expands, so that the crack does not progress.
  • the formation of microcracks in the connection portion 2 can be suppressed, and cracks do not progress along the interface between the lead 8 and the resistor 3, so that the resistance value of the heater 1 is stabilized over a long period of time.
  • the boundary between the resistor 3 and the lead 8 viewed in a cross section perpendicular to the axial direction in the connecting portion 2 is a curved shape that surrounds the entire resistor 3 with the lead 8. Even if the resistor 3 is thermally expanded, the stress can be completely confined. Further, the high-frequency component that has propagated along the surface of the lead 8 is reflected by a portion of the impedance matching at the connecting portion 2 with the resistor 3 and dissipated as Joule heat. At this time, if the resistor 3 is encased in the lead 8 on the rear end side of the connecting portion 2, the current reflected by the connecting portion 2 is scattered radially and the Joule heat is dissipated.
  • the effect can be enhanced. As a result, micro cracks are less likely to occur at the connection portion 2 between the lead 8 and the resistor 3, and the crack is prevented from progressing along the boundary surface, and the resistance value of the heater 1 is stabilized over a long period of time. .
  • the heater 1 of the present embodiment is a metal holding member that is electrically connected to the heater 1 and a terminal portion (not shown) of the lead 8 and holds the heater 1. It is preferable to use it as a glow plug with 7.
  • a resistor 3 having a folded shape is embedded in a rod-shaped insulating base 9 and a pair of leads 8 are electrically connected to both ends of the resistor 3.
  • the metal holding member 7 (sheath fitting) is a metal cylindrical body that holds the heater 1 and is joined to one lead 8 drawn out 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 resistance of the heater 1 does not change even if it is used for a long time while being repeatedly turned on and off in a high-temperature engine, so that a glow plug having excellent ignitability can be provided at any time.
  • 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. Then, in a state where the molded body a is held in the mold, the conductive paste is filled in the mold to form a conductive paste molded body (molded body b) having a predetermined pattern to be the leads 8. Thereby, the molded product a and the molded product b connected to the molded product a are held in the mold.
  • the heater 1 can be manufactured by firing the obtained molded body d at a temperature of 1650 ° C. to 1800 ° C. and a pressure of 30 MPa to 50 MPa, for example.
  • 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.
  • a ceramic paste containing 10% by mass of O 3 ) and 5% by mass of tungsten carbide (WC) for bringing the coefficient of thermal expansion close to the resistor and the lead was injection molded into a mold.
  • a molded body d having a configuration in which the molded body a and the molded body b were embedded in the molded body c serving as an insulating base was formed.
  • a pulse pattern generator was connected to the glow plug electrode, and a rectangular pulse with an applied voltage of 7 V, a pulse width of 10 ⁇ s, and a pulse interval of 1 ⁇ s was continuously energized. After 1000 hours, the rate of change in resistance value before and after energization ((resistance value after energization ⁇ resistance value before energization) / resistance value before energization) was measured. The results are shown in Table 1.
  • sample number 1 since the resistance change before and after energization of sample number 1 was as large as 55%, the connection between the lead and resistor of sample number 1 was observed with a scanning electron microscope after pulse energization. It was confirmed that microcracks were generated from the outer peripheral direction to the inner side.
  • the most heat-generating portion was the resistor heating portion at the tip of the heater. Then, in order to confirm the energized state, the pulse waveform flowing through the heater was confirmed using an oscilloscope, and the waveform was almost the same as the input waveform.
  • the resistance change before and after the energization of sample numbers 2 to 4 is as small as 5% or less.
  • the connection between the lead of these sample numbers and the resistor was observed with a scanning electron microscope. There was no.
  • Heater 2 Connection part 3: Resistor 4: Heat generation part 7: Metal holding member 8: Lead 9: Insulating base 11: Surface conductor

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Abstract

【課題】抵抗体に大電流が流れても抵抗体とリードとの接合部へのマイクロクラックの発生やヒータの抵抗値の変化が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】本発明は、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)とを備えたヒータ(1)であって、抵抗体(3)とリード(8)とがリード(8)の軸方向に垂直な方向に重なる接続部(2)を有し、該接続部(2)を軸方向に垂直な断面で見たときに、抵抗体(3)とリード(8)との境界が曲線状である。

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、これらの材料選定や形状設計がされている。
 ここで、抵抗体とリードとの接合部は、異なる形状をもった抵抗体とリードとを接続する形状変化点であったり材料組成が異なる抵抗体とリードとを接続する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低減するように接合面積を大きくする等の工夫がされている。例えば、図10(a)に示すように、リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体3とリード8との境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、エンジンの燃焼状態を最適化するために、ECUからの制御信号がパルス化した駆動方法がとられるようになってきた。
 ここで、パルスとしては矩形波を用いることが多い。パルスの立ち上がり部分には高周波成分があって、この高周波成分はリードの表面部で伝送する。ところが、異なるインピーダンスを持つリードと抵抗体とが端面で対向するようにして継ぎ目部分(接続部)が形成されると、この接続部でインピーダンスの整合が取れなかった高周波成分の一部は反射し散乱して、ジュール熱として散逸する。そのため、接続部が局所的に発熱するが、図10(b)に示すようにリード8と抵抗体3との境界面が平面状になっていると、リードの熱膨張率と抵抗体の熱膨張率とが異なることに起因して、リード8と抵抗体3との接続部にマイクロクラックが発生し、リード8と抵抗体3との境界面に沿って亀裂が一気に進展して、ヒータの抵抗値が短い運転時間で変化する問題点が生じてきた。
 また、パルス駆動を採用せずに、DC駆動を採用した場合でも、同じような問題点が生じてきた。すなわち、近年のECUでは回路ロスが少なくなったために、急速昇温を目的として、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流が流れるようになっている。したがって、パルスの矩形波のように、電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力が、ヒータに突入してくるようになってきたため、同じような問題点が生じてきた。
 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、抵抗体に大電流が流れても、抵抗体とリードとの接続部へのマイクロクラックの発生、境界面での亀裂の進展およびヒータの抵抗値の変化が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、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、前記絶縁基体に埋設され、先端側で前記抵抗体に接続されたリードとを備え、前記抵抗体の端面と前記リードの端面とが対向するように接続部が設けられ、該接続部を軸方向に垂直な断面で見たときに、前記抵抗体と前記リードとの境界が曲線状であることを特徴とするものである。
 また、本発明は、上記の構成のいずれかに記載のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグである。
 本発明のヒータによれば、リードの表面に沿って高周波成分が伝播しても、抵抗体とリードとの接続部へのマイクロクラックの発生、境界面での亀裂の進展およびヒータの抵抗値の変化が抑制され、長期間にわたってヒータの抵抗値が安定する。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。
(a)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り、(b)は(a)に示す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)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した一例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。 (a)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した他の例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。 (a)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した他の例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。 (a)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した他の例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図、(c)は(a)に示すY-Y線における横断面図である。 (a)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した他の例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。 (a)は図2に示す抵抗体とリードとの接続部を含む領域Aを拡大した他の例の拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。 本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す概略縦断面図である。 (a)は従来のヒータの要部を示す拡大縦断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における横断面図である。
 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(a)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り、図1(b)は図1(a)に示すX-X線における横断面図である。また、図2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る。
 本実施の形態のヒータ1は、絶縁基体9と、絶縁基体9に埋設された抵抗体3と、絶縁基体9に埋設され、先端側で抵抗体3に接続されたリード8を備えたヒータであって、抵抗体3とリード8とがリード8の軸方向に垂直な方向に重なる接続部2を有し、接続部2を軸方向に垂直な断面で見たときに、抵抗体3とリード8との境界が曲線状である。
 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Y,Yb,Er等の希土類元素酸化物、0.5~3質量%のAl、さらに焼結体に含まれるSiO量として1.5~5質量%となるようにSiOを混合し、所定の形状に成形し、その後、例えば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、MoSi,WSi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。
 抵抗体3は、特に発熱する領域である発熱部4を有しており、抵抗体3が図1(a)に示すような直線形状である場合は、一部断面積を小さくした領域やらせん形状の領域を設けることで、この領域を発熱部4とすることができる。なお、図1に示す実施形態は、抵抗体3が直線形状であり、抵抗体3の一端がリード8と電気的に接続されるとともに、抵抗体3の他端が絶縁基体9の表面を覆うように設けられた表面導体11と電気的に接続されている。
 また、抵抗体3が図2に示すような折返し形状をなしている場合、抵抗体3のリード8間の領域が発熱部4となるが、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部4となる。
 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、抵抗体3の熱膨張率を絶縁基体9の熱膨張率に近づけて、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1(b)および図3(b)に示す上下方向の厚み)は、0.5mm~1.5mmがよく、抵抗体3の幅(図3(b)に示す水平方向の幅)は、0.3mm~1.3mmがよい。こ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、絶縁基体9が例えば半割りの成型体を積層して形成してなる積層構造の場合において、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の端部に先端側が接続されたリード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抵抗体3と同様の材料を使用することができる。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、絶縁基体9が窒化珪素質セラミックスからなる場合、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によって抵抗体3よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよく、抵抗体3よりも断面積を大きくすることによって抵抗体3よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよい。
 そして、抵抗体3とリード8とがリード8の軸方向に垂直な方向に重なるように接続部2が設けられている。なお、ここでいう接続部2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。例えば、図1および図2に示すように、抵抗体3の端面とリード8の端面との接合面積を大きくするために、リード8の軸方向に平行な縦断面で見て、抵抗体3の端面とリード8の端面との境界線がリード8の軸方向に対して傾斜しているように接続部2が設けられる。なお、軸方向に対する境界線の傾斜角としては、例えば10~80度である。
 さらに、接続部2を軸方向に垂直な断面で見たときに、抵抗体3とリード8との境界が曲線状になっている。換言すれば、抵抗体3とリード8との境界面が曲面になっている。
 このような構成とすることにより、リード8の表面に沿って伝播してきた高周波成分は、リード8と抵抗体3との接続部2でインピーダンスの整合が取れない一部が反射し散乱して、ジュール熱として散逸して、接続部2が局所的に発熱する。このとき、抵抗体3とリード8との境界が曲線状に接続されていると、リード8の熱膨張率と抵抗体3の熱膨張率とが異なることに起因した境界面内における応力の向きをそろわないようにすることができる。したがって、パルス駆動、DC駆動にかかわらず、電力突入の立ち上がりが急峻になっても、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生するのを抑制するとともに、リード8と抵抗体3との境界面に発生した亀裂が一気に進展するのを抑制し、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 すなわち、ECUからの制御信号がパルス化した駆動方法であっても、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生するのを抑制し、リード8と抵抗体3との境界面で亀裂が一気に進展せず、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 また、パルス駆動を採用せずに、DC駆動を採用した場合でも、同様の効果が得られる。すなわち、急速昇温を目的として、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流を流すと、パルスの矩形波のように、電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してくるが、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してきても、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生するのを抑制し、リード8と抵抗体3との境界面で亀裂が一気に進展せず、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 また、図3に示したヒータ1は、抵抗体3が折返し形状をなしていて、抵抗体3とリード8との接続部2を強固に嵌合できるように、境界面にステップ状の段差を設けて軸方向に対して傾斜するようにしたものである。なお、このステップ状の段差は、軸方向に平行な縦断面で見たときにあらわれるものである。
 このように、ステップ状に段差を設けながらも接続部2を軸方向に垂直な断面で見たときに、抵抗体3とリード8との境界が曲線状に接合されている構成によれば、ステップの段差ごとに90°の遮蔽板を設けた構造になるので、クラックはさらに抑止することができる。
 さらに、図4に示したヒータ1は、抵抗体3が折返し形状をなしていて、軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界が、対をなしてリード8側に凸の曲線状であるものである。このような構成とすることで、高周波成分が反射したとき、抵抗体3との境界のリード側にジュール熱が発生しやすくなることを利用して、熱をヒータ1の中心側が熱くなるように熱を分布させることで、絶縁基体9から圧縮応力が加わるようにして、亀裂の形成を抑止でき、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 特に、急速昇温を目的として、エンジン動作開始時に抵抗体3に直流の大電流を流した場合、パルスの矩形波のように電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してくるが、接続部2の後端側をこのような構造(リード8側に凸の曲線状)とすることで、高周波成分を含んだ高電力がヒータに突入してきても、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生するのを抑制し、リード8と抵抗体3との境界面で亀裂が一気に進展せず、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 さらに、ヒータ1の陰極側を接地して、急速昇温を目的としてエンジン動作開始時に抵抗体3に直流の大電流を流した場合、陽極側と陰極側とに急激に電位差が生じ、接地された陰極側から電子が瞬間的に急激に流入するため、陽極側よりも先に温度が上昇する。このことから、陽極側の接続部2だけでなく、陰極側の接続部2もこのような構造(リード8側に凸の曲線状)にすることで、熱をヒータの中心に伝播させて中心側が熱くなるように熱を分布させることで絶縁体から圧縮応力が加わるようにして、リード8と抵抗体3との境界面に沿って亀裂が発生せず、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 なお、ECUからの制御信号がパルス化した駆動方法であっても、同様の効果が得られる。
 一方、図5のように、接続部2の少なくとも先端側における軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界が抵抗体3側に凸の曲線状であってもよい。この構成によれば、リード8の表面に沿って伝播してきた高周波成分がリード8と抵抗体3の接続部でインピーダンスの不一致によって反射して局所的に発熱しても、熱膨張差に起因した応力の方向が境界面内で曲げられて、マイクロクラックの発生を抑制するとともに、境界面で発生した亀裂が一気に進展することは無くなるとの効果に加えて、以下の効果も有する。
 通電開始後しばらく経過して、ヒータ1先端側の発熱領域から接続部2よりも高温となる発熱が開始し、抵抗体3がリード8より先に高温になる。ここで、接続部2の少なくとも先端側における軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界が、抵抗体3側に凸の曲線状であることで、抵抗体3の熱がリード8側へ伝播するとき、抵抗体3がリード8を包み込むような熱の伝わり方をするので、界面部分に引張りではなく圧縮する応力を加えることになり、界面の亀裂を抑止することができる。
 特に、図6(b)のように接続部2の後端側(リード8側)においては軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界がリード8側に凸の曲線状となり、図6(c)のように接続部2の先端側(抵抗体3側)においては抵抗体3とリード8との境界が抵抗体3側に凸の曲線状となることで、以下の効果を有する。
 急速昇温を目的としてエンジン動作開始時に抵抗体3に直流の大電流を流した場合の初期段階では、パルスの矩形波のように電力突入の立ち上がりが急峻になり、高周波成分を含んだ高電力がヒータ1に突入してくるが、高周波成分を含んだ高電力がヒータ1に突入してきても、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生するのを抑制し、リード8と抵抗体3との境界面で亀裂が一気に進展しない。また、通電開始後しばらく経過して、ヒータ1先端側の発熱領域から接続部2よりも高温となる発熱が開始すると、抵抗体3がリード8より先に高温になるので、応力を緩和することができる。
 このように、接続部2にマイクロクラックの発生を抑止できるから、境界面に沿って亀裂が進展せず、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 また、図7のように、接続部2における軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界が、抵抗体3の一部をリード8が取り囲むような曲線状であることで、電流の反射を分散させジュール熱の発生を分散させるとともに、応力の方向を曲げる効果が大きく抵抗体3が膨張しても応力を閉じ込めるようになるので、亀裂の進展が生じない。このように、接続部2にマイクロクラックの形成を抑止でき、リード8と抵抗体3との境界面に沿って亀裂が進展しないことから、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 特に、図8のように、接続部2における軸方向に垂直な断面で見た抵抗体3とリード8との境界が、抵抗体3の全てをリード8が取り囲むような曲線状であることで、抵抗体3が熱膨張しても応力を完全に閉じ込めることができる。さらに、リード8の表面に沿って伝播してきた高周波成分は、抵抗体3との接続部2でインピーダンスの整合が取れない一部が反射し、ジュール熱として散逸し、接続部2が局所的に加熱するが、このとき、接続部2の後端側において抵抗体3がリード8に包みこまれるようになっていると、接続部2で反射した電流が放射状に散乱して、ジュール熱の散逸効果を高めることができる。結果的に、リード8と抵抗体3との接続部2にマイクロクラックが発生しにくくなり、境界面に沿って亀裂が一気に進展することを抑止し、長期間にわたってヒータ1の抵抗値が安定する。
 また、本実施の形態のヒータ1は、図9に示すように、当該ヒータ1と、リード8の端子部(図示せず)に電気的に接続されるとともにヒータ1を保持する金属製保持部材7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。具体的には、ヒータ1は、棒状の絶縁基体9の内部に、折返し形状をなした抵抗体3が埋設されているとともに一対のリード8が抵抗体3の両端部にそれぞれ電気的に接続されて埋設されていて、一方のリード8に電気的に接続された金属製保持部材7(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。
 なお、金属製保持部材7(シース金具)は、ヒータ1を保持する金属製の筒状体であり、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。そして、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、この成形体a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の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d)が得られる。
 次に、得られた成形体dを例えば1650℃~1800℃の温度、30MPa~50MPaの圧力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。なお、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(Si)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および表2に示すように、種々の形状を有する金型を用いて、6種の形状の抵抗体とリードとの接合部を形成した。
 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(Si)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(Yb)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炭化タングステン(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dを形成した。
 次に、得られた成形体d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、1700℃、35MPaの圧力でホットプレスを行ない焼結してヒータを作製した。得られた焼結体の表面に露出したリード端部(端子部)に筒状の金属製保持部材(シース金具)をロウ付けしてグロープラグを作製した。
 このグロープラグの電極にパルスパターンジェネレータを接続し、印加電圧7V、パルス幅10μs、パルス間隔1μsの矩形パルスを連続通電した。1000時間経過後、通電前後の抵抗値の変化率((通電後の抵抗値-通電前の抵抗値)/通電前の抵抗値)を測定した。その結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示すように、試料番号1は、最も発熱した箇所がリードと抵抗体との接続部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いて試料番号1のヒータに流れるパルス波形を確認したところ、入力波形と異なり、パルスの立ち上がりが急峻にならず、7Vに到達するまで1μs要し、オーバーシュートしながら波打っていた。
 これは、試料番号1のヒータでは、パルスの立ち上がり部分に含まれる高周波成分が、リードと抵抗体との境界面でインピーダンスの整合が取れないことから反射したものと考えられる。また、ヒータの最も発熱した箇所が、リードと抵抗体との接続部となっていることについても、高周波成分の反射に起因して、リードと抵抗体との接続部での局所的な発熱が生じたものと考えられる。
 さらに、試料番号1の通電前後の抵抗変化は55%と非常に大きくなったため、パルス通電後、走査型電子顕微鏡で試料番号1のリードと抵抗体との接続部を観察したところ、境界面に外周方向から内側に向けて、マイクロクラックが生じていることを確認した。
 一方、試料番号2~4については、最も発熱した箇所はヒータ先端の抵抗体発熱部であった。そして、通電状態を確認するために、オシロスコープを用いてヒータに流れるパルス波形を確認したところ、入力波形とほぼ同じ波形であった。
 これは、リードと抵抗体との接続部で異常加熱せずに通電できたことを示している。
 また、試料番号2~4の通電前後の抵抗変化は5%以下と小さく、パルス通電後、走査型電子顕微鏡でこれらの試料番号のリードと抵抗体との接続部を観察したところ、マイクロクラックは無かった。
1:ヒータ
2:接続部
3:抵抗体
4:発熱部
7:金属製保持部材
8:リード
9:絶縁基体
11:表面導体

Claims (5)

  1.  絶縁基体と、
    該絶縁基体に埋設された抵抗体と、
    前記絶縁基体に埋設され、先端側で前記抵抗体に接続されたリードとを備えたヒータであって、
    前記抵抗体と前記リードとが該リードの軸方向に垂直な方向に重なる接続部を有し、該接続部を軸方向に垂直な断面で見たときに、前記抵抗体と前記リードとの境界が曲線状であることを特徴とするヒータ。
  2.  前記接続部の少なくとも後端側における軸方向に垂直な断面で見た前記抵抗体と前記リードとの境界が、前記リード側に凸の曲線状であることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
  3.  前記接続部の先端側における軸方向に垂直な断面で見た前記抵抗体と前記リードとの境界が、前記抵抗体側に凸の曲線状であることを特徴とする請求項2に記載のヒータ。
  4.  前記接続部における軸方向に垂直な断面で見た前記抵抗体と前記リードとの境界が、前記抵抗体の一部を前記リードが取り囲むような曲線状であることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
  5.  請求項1に記載のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグ。
     
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