WO2016103908A1 - 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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heater
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孝太郎 田井村
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京セラ株式会社
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    • H05B2203/027—Heaters specially adapted for glow plug igniters

Definitions

  • the present disclosure is, for example, 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 a petroleum fan heater, a heater for a glow plug of a diesel engine, and various sensors such as an oxygen sensor.
  • the present invention relates to a heater used for a heater or a heater for heating a measuring instrument, and a glow plug including the heater.
  • Patent Document 1 a ceramic heater disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-240080 (hereinafter referred to as Patent Document 1) is known.
  • the ceramic heater disclosed in Patent Document 1 includes a rod-shaped ceramic base and a heating element embedded in the base.
  • the heating element has a pair of rod-like conductive portions extending in the axial direction, and the shape of the conductive portion when viewed in a cross section perpendicular to the axial direction is circular.
  • the heater includes a rod-shaped ceramic body and a heating resistor provided inside the ceramic body, and the heating resistor is a semicircular shape that is bisected in the radial direction when viewed in cross section.
  • the portion has at least one step portion on the outer peripheral portion due to the shape shifted along the radial direction.
  • the glow plug is a heater having the above-described configuration, in which the heating resistor is located on one end side of the ceramic body, and a metal cylinder attached so as to cover the other end side of the ceramic body. It has.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the heater shown in FIG. 1 as seen in a cross section cut along the line AA ′. It is sectional drawing which shows the modification of a heater. It is sectional drawing which shows the modification of a heater. It is sectional drawing which shows the modification of a heater. It is a fragmentary sectional view which shows only a heating resistor among FIG. It is sectional drawing which shows the modification of a heater. It is sectional drawing which shows the modification of a heater. It is sectional drawing which shows an example of embodiment of a glow plug.
  • the heater 1 includes a ceramic body 2, a heating resistor 3 embedded in the ceramic body 2, and leads 4 connected to the heating resistor 3 and drawn to the surface of the ceramic body 2. I have.
  • the ceramic body 2 in the heater 1 is formed in a rod shape having a longitudinal direction, for example.
  • a heating resistor 3 and leads 4 are embedded in the ceramic body 2.
  • the ceramic body 2 is made of ceramics. Thereby, it becomes possible to provide the heater 1 with high reliability at the time of rapid temperature rise.
  • the ceramic include electrically insulating ceramics such as oxide ceramics, nitride ceramics, and carbide ceramics.
  • the ceramic body 2 is preferably made of silicon nitride ceramics. This is because silicon nitride ceramics is superior in terms of strength, toughness, insulating properties, and heat resistance.
  • the ceramic body 2 made of silicon nitride ceramic is, for example, 3 to 12% by mass of a rare earth such as Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or Er 2 O 3 as a sintering aid with respect to silicon nitride as a main component.
  • Element oxide, 0.5 to 3% by mass of Al 2 O 3 and SiO 2 are mixed so that the amount of SiO 2 contained in the sintered body is 1.5 to 5% by mass, and formed into a predetermined shape. Thereafter, it can be obtained by hot press firing at 1650 to 1780 ° C.
  • the length of the ceramic body 2 is set to 20 to 50 mm, for example, and the diameter of the ceramic body 2 is set to 3 to 5 mm, for example.
  • the thermal expansion coefficient of the silicon nitride ceramic that is the base material can be brought close to the thermal expansion coefficient of the heating resistor 3, and the durability of the heater 1 can be improved.
  • the heating resistor 3 is provided inside the ceramic body 2.
  • the heating resistor 3 is provided on the tip side (one end side) of the ceramic body 2.
  • the heating resistor 3 is a member that generates heat when an electric current flows.
  • the heating resistor 3 includes two straight portions 31 that extend along the longitudinal direction of the ceramic body 2 and a folded portion 32 that connects the two straight portions 31.
  • a material for forming the heating resistor 3 a material mainly composed of carbide, nitride, silicide or the like such as W, Mo or Ti can be used.
  • tungsten carbide (WC) is the heating resistor 3 among the above materials because it has a small difference in thermal expansion coefficient from the ceramic body 2 and high heat resistance. It is excellent as a material.
  • the heating resistor 3 is mainly composed of WC of an inorganic conductor, and the content of silicon nitride added thereto is 20% by mass or more. preferable.
  • the conductor component serving as the heating resistor 3 has a larger coefficient of thermal expansion than silicon nitride, and therefore is usually in a state where tensile stress is applied.
  • the thermal expansion coefficient is brought close to that of the ceramic body 2, and the stress due to the difference between the thermal expansion coefficients when the heater 1 is heated and lowered is alleviated. can do.
  • the content of silicon nitride contained in the heating resistor 3 is 40% by mass or less, the variation in the resistance value of the heating resistor 3 can be reduced. Therefore, the content of silicon nitride contained in the heating 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 heating resistor 3, boron nitride can be added in an amount of 4% by mass to 12% by mass instead of silicon nitride.
  • the heating resistor 3 can have a total length of 3 to 15 mm and a cross-sectional area of 0.15 to 0.8 mm 2 .
  • the heating resistor 3 has at least one pair of semicircular portions 33 bisected in the radial direction in the outer peripheral portion due to the shape shifted along the radial direction.
  • a step 34 is provided.
  • the “transverse section” is a section cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the heating resistor 3.
  • the semicircular portion 33 having the same size is shifted along the radial direction in both of the two linear portions 31. Therefore, there are two stepped portions 34 on the outer peripheral portion of each linear portion 31.
  • the heating resistor 3 since the heating resistor 3 has the stepped portion 34 on the outer peripheral portion, a crack is temporarily generated between the heating resistor 3 and the ceramic body 2, and this crack is generated by the heating resistor 3 and the ceramic. Even if an attempt is made to proceed in the circumferential direction at the interface with the body 2, the progress of cracks can be suppressed by the stepped portion 34. As a result, it is possible to suppress the heat generated in the heating resistor 3 from being easily transmitted to the base.
  • the “semicircular portion 33” here is not limited to one obtained by dividing a circle. An ellipse may be broken, or an ellipse may be broken. Further, a distorted circle may be broken. Further, “divided in the radial direction” here means a state in which the image is roughly divided in the center. When the chord lengths of the two semicircular portions 33 are the same, the two semicircular portions 33 can be shifted by, for example, 20 to 100 ⁇ m.
  • the term “nothing” here is an expression used for convenience to express the shape of the heating resistor 3, and does not limit the method of manufacturing the heating resistor 3. That is, the heating resistor 3 does not have to be formed of two members, and may be formed integrally. Examples of a method for integrally forming the heating resistor 3 include injection molding.
  • the stepped portion 34 is continuous along the longitudinal direction of the ceramic body 2. More specifically, two step portions 34 are provided on the entire two linear portions 31 of the heating resistor 3. Thereby, progress of a crack can be suppressed over a wide range.
  • the heating resistor 3 has a stepped portion 34 at least inside the folded portion 32.
  • the stepped portion 34 is located both inside and outside the folded portion 32.
  • the step portions 34 provided on the inner side and the outer side of the folded portion 32 are continuous with the step portions 34 provided on the two linear portions 31 two by two.
  • the inside of the turned-up portion 32 tends to accumulate heat and is particularly hot, so it is a portion that is particularly susceptible to thermal stress.
  • the stepped portion 34 is provided outside the folded portion 32, the surface area of the heating resistor 3 in the region close to the surface of the ceramic body 2 can be increased. As a result, heat can be easily transferred to the surface of the ceramic body 2, so that the heating rate of the heater 1 can be improved.
  • the semicircular portions 33 are shifted in both of the two linear portions 31, and the directions in which the semicircular portions 33 are shifted are opposite in the two linear portions 31. May be.
  • the straight line portion 31 located on the left side is the first straight line portion 311 and the straight line portion 31 located on the right side is the second straight line portion 312
  • the semicircular portion 33 located on the upper side in FIG. 3 is shifted to the left, and the semicircular portion 33 located on the lower side is shifted to the right.
  • the semicircular part 33 located on the upper side in FIG. 3 is shifted to the right, and the semicircular part 33 located on the lower side is shifted to the left.
  • the semicircular portion 33 is shifted in both of the two linear portions 31 and the direction in which the semicircular portions 33 are shifted in the two linear portions 31 is the arrangement direction of the two linear portions 31.
  • the heating resistors 3 can be widely distributed. Thereby, the soaking
  • the direction of deviation is the arrangement direction of the two linear portions 31” here does not have to be the same as the direction of deviation in the strict sense. Specifically, the direction of deviation may be shifted by about 30 ° with respect to the arrangement direction.
  • the semicircular portion 33 is shifted in both of the two straight portions 31, and the first virtual line X connecting the two step portions 34 in the first straight portion 311, and the second The second virtual line Y connecting the two step portions 34 in the straight line portion 312 may intersect.
  • the angle at which the first virtual line X and the second virtual line Y intersect can be set to 5 to 40 °, for example. In particular, the angle at which the first imaginary line X and the second imaginary line Y intersect is effectively 15 to 30 °.
  • the semicircular portion 33 may have a first region 331 and a second region 332.
  • the semicircular portion 33 shown in FIGS. 5 and 6 includes only the first region 331 and the second region 332.
  • the first region 331 and the second region 332 each have a quarter-circle shape and are provided adjacent to each other.
  • the first region 331 is a region located on the shifted side of the semicircular portion 33.
  • the 1 ⁇ 4 circle shape here is not a 1 ⁇ 4 circle shape in a strict sense, but is not limited to a circle divided by 1 ⁇ 4.
  • the ellipse may be divided by 1 ⁇ 4, or the ellipse may be divided by 1 ⁇ 4. Further, a distorted circle may be divided by 1/4.
  • the first region 331 has a smaller radius of curvature than the second region 332.
  • the first region 331 is a region located on the side of the heating resistor 3 on which the semicircular portion 33 is shifted. Thereby, it can reduce especially that the crack which arose in the front-end
  • the tip portion of the step portion 34 means a corner portion of the semicircular portion 33 which is composed of an arc portion and a chord portion.
  • the top part 333 of the arc of the half-circular part 33 divided into two parts may be shifted in the direction in which the semi-circular part 33 is shifted.
  • the stepped portion 34 and the top portion 333 tend to concentrate stress.
  • only one stepped portion 34 may be formed in one linear portion 31 as a result of the semicircular portions 33 having different sizes being displaced in the radial direction. Further, only one stepped portion 34 may be formed in the folded portion 32. Even in such a case, the progress of the crack can be suppressed by the step portion 34. As a result, it is possible to suppress the heat generated in the heating resistor 3 from being easily transmitted to the base.
  • the tip portion of the stepped portion 34 may be R-shaped.
  • the tip portion of the step portion 34 may be R-shaped.
  • the radius of curvature can be set to 10 to 100 ⁇ m.
  • the lead 4 is a member for electrically connecting the heating resistor 3 and an external power source.
  • the lead 4 is connected to the heating resistor 3 and pulled out to the surface of the ceramic body 2.
  • leads 4 are respectively joined to both ends of the heating resistor 3, and one lead 4 is connected to one end of the heating resistor 3 at one end side and is connected to the rear end of the ceramic body 2 at the other end side.
  • the other lead 4 is connected to the other end of the heating resistor 3 on one end side and is led out from the rear end portion of the ceramic body 2 on the other end side.
  • the lead 4 is formed using the same material as the heating resistor 3, for example.
  • the lead 4 has a lower resistance per unit length by making the cross-sectional area larger than that of the heating resistor 3 or by making the content of the forming material of the ceramic body 2 smaller than that of the heating resistor 3. ing.
  • WC is suitable as a material for the lead 4 in that the difference in thermal expansion coefficient from the ceramic body 2 is small, the heat resistance is high, and the specific resistance is small.
  • the lead 4 is preferably composed of WC, which is an inorganic conductor, as a main component, and silicon nitride is added to the lead 4 so that the content is 15% by mass or more.
  • the thermal expansion coefficient of the lead 4 can be made closer to the thermal expansion coefficient of silicon nitride constituting the ceramic body 2. Further, when the content of silicon nitride is 40% by mass or less, the resistance value of the lead 4 is lowered and stabilized. Accordingly, the silicon nitride content is preferably 15% by mass to 40% by mass. More preferably, the silicon nitride content is 20 mass% to 35 mass%.
  • the glow plug 10 includes the heater 1 described above and a cylindrical metal cylinder 5 attached so as to cover the rear end side (the other end side) of the heater 1.
  • an electrode fitting 6 that is disposed inside the metal tube 5 and is attached to the rear end of the heater 1 is provided. According to the glow plug 10, since the heater 1 described above is used, the progress of cracks at the interface between the heating resistor and the ceramic body is suppressed, so that durability can be improved. .
  • the metal cylinder 5 is a member for holding the ceramic body 2.
  • the metal cylinder 5 is a cylindrical member and is attached so as to surround the rear end side of the ceramic body 2. That is, the rod-shaped ceramic body 2 is inserted inside the cylindrical metal tube 5.
  • the metal cylinder 5 is provided on the side surface on the rear end side of the ceramic body 2 and is electrically connected to a portion where the lead 4 is exposed.
  • the metal cylinder 5 is made of, for example, stainless steel or iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy.
  • the metal cylinder 5 and the ceramic body 2 are joined by a brazing material.
  • the brazing material is provided between the metal cylinder 5 and the ceramic body 2 so as to surround the rear end side of the ceramic body 2. By providing this brazing material, the metal cylinder 5 and the lead 4 are electrically connected.
  • brazing material silver (Ag) -copper (Cu) brazing, Ag brazing, Cu brazing or the like containing 5 to 20% by mass of a glass component can be used. Since the glass component has good wettability with the ceramic of the ceramic body 2 and has a large coefficient of friction, the bonding strength between the brazing material and the ceramic body 2 or the bonding strength between the brazing material and the metal cylinder 5 can be improved.
  • the electrode fitting 6 is located inside the metal cylinder 5 and attached to the rear end of the ceramic body 2 so as to be electrically connected to the lead 4.
  • Various types of electrode fittings 6 can be used. However, in the example shown in FIG. 9, the cap part attached to cover the rear end of the ceramic body 2 including the lead 4 and the external connection electrode are electrically connected. It is the structure by which the coil-shaped part connected electrically is connected by the linear part.
  • the electrode fitting 6 is held away from the inner peripheral surface of the metal cylinder 5 so as not to cause a short circuit with the metal cylinder 5.
  • the electrode fitting 6 is a metal wire having a coil-shaped portion provided for stress relaxation in connection with an external power source.
  • the electrode fitting 6 is electrically connected to the lead 4 and is electrically connected to an external power source. By applying a voltage between the metal cylinder 5 and the electrode fitting 6 by an external power source, a current can be passed through the heating resistor 3 via the metal cylinder 5 and the electrode fitting 6.
  • the electrode fitting 6 is made of nickel or stainless steel, for example.
  • the heater 1 can be formed by, for example, an injection molding method using a die having the shape of the heating resistor 3, the lead 4, and the ceramic body 2 having the above-described configuration.
  • the heating resistor 3 first, two molded bodies having a semicircular cross section and having a straight portion and a folded portion are prepared. And after superimposing two molded objects so that a semicircle-shaped part may shift
  • a conductive paste to be the heating resistor 3 and the lead 4 including the conductive ceramic powder and the resin binder is manufactured, and a ceramic paste to be the ceramic body 2 including the insulating ceramic powder and the resin binder is manufactured.
  • a conductive paste molded body having a predetermined pattern to be the heating resistor 3 is formed by injection molding using the conductive paste.
  • the heating resistor 3 having the stepped portion 34 can be formed by preparing a mold having a desired shape. Then, in a state where the heating resistor 3 is held in the mold, the conductive paste is filled in the mold to form a conductive paste molded body having a predetermined pattern to be the leads 4.
  • the obtained molded body is fired at a temperature of 1650 ° C. to 1780 ° C. and a pressure of 30 MPa to 50 MPa, for example, so that the heater 1 can be manufactured.
  • the firing is preferably performed by putting the molded body in a carbon mold and filling the carbon mold with carbon powder to reduce the influence of oxygen in the atmosphere. Further, the firing may be performed in a non-oxidizing gas atmosphere such as nitrogen gas or hydrogen gas.
  • Heater 2 Ceramic body 3: Heating resistor 31: Linear portion 32: Folded portion 33: Semicircular portion 34: Stepped portion 4: Lead 5: Metal cylinder 6: Electrode fitting 10: Glow plug

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Abstract

　棒状のセラミック体と、該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おり、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有するヒータ。

Description

ヒータおよびこれを備えたグロープラグ
　本開示は、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２００７－２４００８０号公報（以下、特許文献１という）に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、棒状でセラミック製の基体とこの基体中に埋設された発熱素子とを備えている。発熱素子は、軸線方向に延びる一対の棒状の導電部を有しており、この導電部を軸線方向に垂直な断面で見たときの形状が円形状である。
　近年、より急速に昇温できるヒータが要求されている。ヒータを急速に昇温するためには、ヒータの発熱素子に大電流を流す必要がある。しかしながら、発熱素子に大電流を流した場合には、発熱素子の一部が局所的に発熱して、発熱素子の一部に大きな熱膨張が生じるおそれがあった。そして、発熱素子に大きな熱膨張が生じることによって、発熱素子とセラミック製の基体との間にクラックが発生してしまうおそれがあった。特に、特許文献１に開示されたセラミックヒータのように発熱素子の断面形状が円形状の場合には、発生したクラックが発熱素子と基体との界面を容易に伝わることから、クラックが周方向に進行してしまうおそれがあった。その結果、発熱素子と基体との間に隙間が生じてしまい、発熱素子に生じた熱が基体に伝わりにくくなってしまうことで、ヒータの長期信頼性が低下してしまうおそれがあった。
　ヒータは、棒状のセラミック体と、該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おり、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有する。
　また、グロープラグは、上記の構成のヒータであって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えている。
ヒータの実施形態の一例を示す断面図である。 図１に示すヒータをＡ－Ａ´線で切った断面で見た横断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 図５のうち発熱抵抗体のみを示す部分断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 ヒータの変形例を示す断面図である。 グロープラグの実施形態の一例を示す断面図である。
　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、例えば長手方向を有する棒状に形成されたものである。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。特に、セラミック体２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強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。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、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またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５～３質量％のＡｌ２Ｏ３および焼結体に含まれるＳｉＯ２量が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って得ることができる。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、分散させることが好ましい。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、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２つの直線部３１と、これら２つの直線部３１を連結する折返し部３２とからなる。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。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、セラミック体２との熱膨張率の差が小さい点および高い耐熱性を有する点で、上記の材料の中でも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱抵抗体３の材料として優れている。
　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％以上であるものが好ましい。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、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質量％～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。
　図２に示すように、発熱抵抗体３は、横断面で見たときに、径方向で二分された一対の半円状部３３が径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部３４を有している。なお、ここでいう「横断面」とは、発熱抵抗体３の長手方向に対して垂直な平面で切った断面である。特に、ヒータ１においては２つの直線部３１の両方において、大きさの等しい半円状部３３が径方向に沿ってずれた形状になっている。そのため、それぞれの直線部３１の外周部には２つの段差部３４が存在している。このように、発熱抵抗体３が外周部に段差部３４を有していることによって、仮に発熱抵抗体３とセラミック体２との間にクラックが生じて、このクラックが発熱抵抗体３とセラミック体２との界面を周方向に進行しようとしたとしても、段差部３４でクラックの進行を抑制できる。その結果、発熱抵抗体３に生じた熱が基体に伝わりにくくなることを抑制できる。
　さらに、ずらす形状を半円状にしておくことによって、発熱抵抗体３の外周部の多くの領域が円弧状になる。そのため、発熱抵抗体３とセラミック体２との間で熱応力による損傷が生じるおそれを低減できる。なお、ここでいう「半円状部３３」とは、円を割ったものに限られない。楕円を割ったものでもよいし、長円を割ったものでもよい。また、歪な円を割ったものであってもよい。また、ここでいう「径方向で二分された」とは、概ね中央で二分されている状態を意味している。２つの半円状部３３の弦の長さが同じ場合には、２つの半円状部３３は、例えば、２０～１００μｍずらしておくことができる。なお、ここでいう「ずらず」とは、あくまでも発熱抵抗体３の形状を表現するために便宜上用いている表現であって、発熱抵抗体３の製造方法を限定するものではない。すなわち、発熱抵抗体３は２つの部材から成る必要は無く、一体的に形成されていてもよい。発熱抵抗体３を一体的に形成するための方法としては、例えば、射出成型等が挙げられる。
　さらに、発熱抵抗体３は、段差部３４がセラミック体２の長手方向に沿って連続している。より具体的には、発熱抵抗体３の２つの直線部３１の全体に２つずつ段差部３４が設けられている。これにより、クラックの進行を広範囲にわたって抑制できる。
　さらに、発熱抵抗体３は、折返し部３２の少なくとも内側に段差部３４が位置していることが好ましい。なお、本ヒータ１においては、折返し部３２の内側および外側の両方に段差部３４が位置している。そして、折返し部３２の内側および外側に設けられた段差部３４は、２つの直線部３１に２つずつ設けられた段差部３４と連続している。折返し部３２の内側は熱がこもりやすく特に高温になるので、特に熱応力が生じやすい部分であるが、この部分に段差部３４を設けておくことによって、クラックの進行を有効に抑制することができる。
　また、折返し部３２の外側に段差部３４があることによって、発熱抵抗体３のうちセラミック体２の表面に近い領域における表面積を大きくできる。その結果、セラミック体２の表面に熱を伝えやすくできるので、ヒータ１の昇温速度を向上できる。
　また、図３に示すように、２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、これらの半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１で逆方向になっていてもよい。具体的には、図３のうち左側に位置する直線部３１を第１直線部３１１として、右側に位置する直線部３１を第２直線部３１２としたときに、第１直線部３１１においては、図３中の上側に位置する半円状部３３が左にずれており、下側に位置する半円状部３３が右にずれている。第２直線部３１２においては、図３中の上側に位置する半円状部３３が右にずれており、下側に位置する半円状部３３が左にずれておる。
　２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、２つの直線部３１における半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１の配列方向であることによって、配列方向において発熱抵抗体３を広く分布させることができる。これによりヒータ１の均熱性を向上させることができる。なお、ここでいう「ずれる方向が２つの直線部３１の配列方向」とは、厳密な意味でずれる方向と配列方向が同じである必要はない。具体的には、配列方向に対して、ずれる方向が３０°程度ずれていても構わない。
　さらに、半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１間で逆方向になっていることによって、２つの直線部３１の一方でクラックが生じた際に、このクラックが２つの直線部３１の他方に進行してしまうおそれを低減できる。具体的には、半円状部３３のうち弧状の領域においてクラックが生じた場合には、このクラックは半円状部３３の弧状の部分に沿って進行しやすい傾向にある。そして、弧状の部分に沿って進行したクラックは、段差部３４に到達した後には、弧状の部分の延長線上を進行するおそれがある。図３に示すヒータ１のように、半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１間で逆方向になっている場合には、直線部３１の一方においてクラックが生じるとともに、弧状の部分の延長線上にクラックが進行したとしても、直線部３１の他方の半円状部３３の弧状の部分にクラックが進行しにくい。これは、半円状部３３のずれる方向が逆方向であることによって、一方の直線部の半円状部３３の弧状の部分の延長線上およびその近傍に、他方の直線部３３の弧状の部分が位置しないようにできるためである。
　さらに、図４に示すように、２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、第１直線部３１１における２つの段差部３４を結ぶ第１仮想線Ｘと、第２直線部３１２における２つの段差部３４を結ぶ第２仮想線Ｙとが、交差していてもよい。これにより、第１直線部３１１における段差部３４においてクラックが生じて段差部３４の直線部分の延長線状に進行したとしても、第２直線部３１２における段差部にまで進行してしまうおそれを低減できる。そのため、２つの直線部３１の間で絶縁破壊が生じるおそれを低減できる。第１仮想線Ｘと第２仮想線Ｙとの交差する角は、例えば、５～４０°に設定できる。特に、第１仮想線Ｘと第２仮想線Ｙの交差する角は、１５～３０°が効果的である。
　また、図５、６に示すように、半円状部３３が第１領域３３１と第２領域３３２とを有していてもよい。図５、６に示す半円状部３３は、第１領域３３１および第２領域３３２のみから成る。第１領域３３１と第２領域３３２は、それぞれ１／４円状の形状であって、互いに隣接して設けられている。第１領域３３１は、半円状部３３のうちずれた側に位置している領域である。ここでいう１／４円状とは、厳密な意味での１／４円状ではなく、円を１／４に割ったものに限られない。楕円を１／４に割ったものでもよいし、長円を１／４に割ったものでもよい。また、歪な円を１／４割ったものであってもよい。そして、第１領域３３１は、第２領域３３２と比較して曲率半径が小さい。
　このように、第１領域３３１と第２領域３３２とで曲率半径を異ならせておくことによって、第１領域３３１の弧の部分から第２領域３３２の弧の部分にかけてクラックを進行しにくくすることができる。さらに、第１領域３３１は、発熱抵抗体３のうち半円状部３３のずれた側に位置している領域である。これにより、特に、応力が集中しやすい段差部３４の先端部分において生じたクラックが弧状の部分に沿って進行することを低減できる。なお、ここでいう段差部３４の先端部分とは、半円状部３３のうち弧状の部分と弦の部分とから成る角の部分を意味している。
　また、図６に示すように、２分された半円状部３３の弧の頂部３３３は、半円状部３３がずれた方向にずれて位置していてもよい。発熱抵抗体３のうち、段差部３４および頂部３３３は応力が集中しやすい傾向にある。この頂部３３を２つの半円状部でずらして位置させておくことによって、２つの頂部３３３に応力が生じたときに、この応力が重なり合うことを低減できる。その結果、発熱抵抗体３にクラックが生じるおそれを低減できる。
　さらに、図６に示すように、２分された半円状部３３の弧の頂部３３３から、半円状部３３の弦と垂直に交わる仮想線を引いたときに、この仮想線と弦との交わる点を基準点Ｐとする。このとき、基準点Ｐが半円状部３３の弦の中心Ｃよりも、半円状部３３がずれた方向に位置していてもよい。これにより、半円状部３３の弧の形状を頂部３３３を境にして変化させることができるので、クラックの進行を頂部３３３で低減しやすくできる。
　また、図７に示すように、異なる大きさの半円状部３３が径方向にずれた結果、段差部３４が１つの直線部３１に１つだけ形成されていてもよい。また、段差部３４が折返し部３２に１つだけ形成されていてもよい。このような場合であっても、段差部３４でクラックの進行を抑制できる。その結果、発熱抵抗体３に生じた熱が基体に伝わりにくくなることを抑制できる。
　さらに、図８に示すように、段差部３４の先端部分がＲ形状であってもよい。段差部３４の先端部分をＲ形状にすることによって段差部３４の先端部分に熱応力が集中することを抑制できる。その結果、ヒートサイクル下の長期信頼性を向上できる。Ｒ形状の大きさとしては、例えば、曲率半径を１０～１００μｍに設定できる。
　図１に戻って、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が接合されていて、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、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。特に、ＷＣが、セラミック体２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４の材料として好適である。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。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４の抵抗値が低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。
　図９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、発熱抵抗体とセラミック体との界面におけるクラックの進行が抑制されていることから、耐久性を向上させることが可能となる。
　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。
　次に、ヒータ１の製造方法の一例について説明する。
　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、断面が半円形状であって、直線部と折返し部とを有する成形体を２つ準備する。そして、半円状部が径方向にずれるように２つの成形体を重ね合わせた後に、圧力をかけながら焼成する。これにより、半円状部が径方向にずれた発熱抵抗体３を得ることができる。
　まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む、発熱抵抗体３およびリード４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および樹脂バインダー等を含むセラミック体２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によって発熱抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。このとき、所望の形状の金型を準備しておくことによって、段差部３４を有する発熱抵抗体３を形成できる。そして、発熱抵抗体３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４となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。
　次に、金型内に発熱抵抗体３およびリード４の一部を保持した状態で、金型の一部をセラミック体２の成形用のものに取り替えた後、金型内にセラミック体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、発熱抵抗体３およびリード４がセラミックペーストの成形体で覆われたヒータ１の成形体が得られる。
　次に、得られた成形体を例えば１６５０℃～１７８０℃の温度および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、成型体をカーボン型に入れて行い、カーボン型の中にカーボン粉末を充填することによって大気中の酸素の影響を低減して行なうことが好ましい。また、窒素ガスや水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で焼成を行なってもよい。
１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１：直線部
３２：折返し部
３３：半円状部
３４：段差部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ

Claims (12)

  1. 　棒状のセラミック体と、該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おり、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有するヒータ。
  2. 　前記発熱抵抗体は、前記段差部が長手方向に連続している請求項１に記載のヒータ。
  3. 　前記発熱抵抗体は、折返し部を有しているとともに、該折返し部分の内側に前記段差部が位置している請求項１または請求項２に記載のヒータ。
  4. 　前記発熱抵抗体は、前記段差部の先端部分がＲ形状である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
  5. 　前記発熱抵抗体が前記セラミック体の長手方向に沿って伸びる２つの直線部と、前記２つの直線部を連結する折返し部を有しており、
    前記２つの直線部の両方において前記半円状部がずれているとともに、前記２つの直線部における前記半円状部のずれる方向が前記２つの直線部の配列方向である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
  6. 　前記半円状部のずれる方向が前記２つの直線部間で逆方向になっている請求項５に記載のヒータ。
  7. 　前記発熱抵抗体が前記セラミック体の長手方向に沿って伸びる第１直線部および第２直線部と、前記第１直線部および前記第２直線部を連結する折返し部を有しており、
    前記第１直線部は前記段差部を２つ有しており、前記第１直線部の前記２つの段差部を結ぶ仮想線を第１仮想線とし、
    前記第２直線部は前記段差部を２つ有しており、前記第２直線部の前記２つの段差部を結ぶ仮想線を第２仮想線としたときに、
    前記第１仮想線と前記第２仮想線とが交差している請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
  8. 　前記半円状部が、それぞれ１／４円状の第１領域および第２領域を有するとともに、前記第１領域は前記第２領域と比較して曲率半径が小さい請求項１乃至請求項７に記載のヒータ。
  9. 　前記第１領域が、前記発熱抵抗体のうち前記半円状部のずれた側に位置している領域である請求項８に記載のヒータ。
  10. 　前記２分された半円状部それぞれの弧の頂部が、前記半円状部がずれた方向にずれて位置している請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のヒータ。
  11. 　前記半円状部の弧の頂部から前記半円状部の弦と垂直に交わる仮想線を引き、前記仮想線と前記半円状部の弦との交わる点を基準点としたときに、前記基準点が前記半円状部の弦の中心よりも、前記半円状部がずれた側に位置している請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のヒータ・
  12. 　請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のヒータであって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えたグロープラグ。
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