JP6075774B2

JP6075774B2 - ヒータおよびグロープラグ

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Publication number: JP6075774B2
Application number: JP2013112679A
Authority: JP
Inventors: 弘和永守
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: JP2014231940A

Description

本発明は、例えば、燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータおよびこれを用いたグロープラグに関するものである。

燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータとして、例えば、特許文献１に記載のヒータが知られている。特許文献１に記載のヒータは、一端側にテーパー部が設けられた棒状のセラミック体と、セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、テーパー部に設けられて発熱抵抗体に接続された導体層とを備えている。この導体層に外部の電極を接続させることによって、ヒータに電力を供給することができる。

国際公開第２００８／１０５３２７号

しかしながら、特許文献１に記載のヒータを従来よりも大きな振動が生じる環境下で用いた場合には、振動によって導体層にクラックが生じてしまい、導体層と外部の電極との接続に不良が生じてしまう可能性があった。そのため、振動が大きな環境下においてヒータを有効に機能させることが困難になる可能性があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動が大きい環境下で用いた場合であっても、導体層と外部の電極との接続を良好に維持できるヒータを提供することにある。

本発明の一態様のヒータは、一端側にテーパー部が設けられた棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記テーパー部に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体層とを備えており、前記テーパー部に溝が設けられていることを特徴とする。

本発明の一態様のヒータによれば、テーパー部に溝が設けられていることによって、外部環境からセラミック体に伝わってきた振動による応力が、導体層とテーパー部との境界に集中することを抑制できる。具体的には、上記の応力が、導体層とテーパー部との境界だけではなく、溝が形成されている部分にもかかることになる。これにより、導体層とテーパー部との境界にかかる応力を減らすことができる。そのため、振動によって導体層にクラックが生じることを抑制できる。その結果、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。

本発明のヒータの一実施形態の断面図である。図１に示すヒータの導体層近傍の拡大図である。図１に示すヒータの溝近傍の断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明のヒータ１０を示す断面図である。図１に示すように、ヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１に埋設された発熱抵抗体２と、セラミック体１の一端側に設けられた導体層３とを備えている。発熱抵抗体２と導体層３とは、導出部４を介して電気的に接続されている。

セラミック体１は、例えば、棒状または板状に形成された部材である。セラミック体１は、一端側にテーパー部１１が設けられている。テーパー部１１には、図２に示すように、複数の溝１２が設けられている。セラミック体１は、セラミックスの焼結体から成る。セラミックスの焼結体としては、例えば、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。具体的には、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等を用いることができる。特に、セラミック体１が、窒化珪素質セラミックスから成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、高絶縁性および耐高熱性である点で優れている。

窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量が１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ_２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１の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック体１の直径は、例えば３〜５ｍｍに設定される。

なお、セラミック体１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であって、発熱抵抗体２がモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）から成る場合には、セラミック体１には、ＭｏＳｉ_２およびＷＳｉ_２等を混合し分散させることが好ましい。これにより、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２の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

発熱抵抗体２は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。発熱抵抗体２は、セラミック体１に埋設されている。発熱抵抗体２は、セラミック体１の他端側に設けられている。発熱抵抗体２は、折返し形状を有しており、それぞれの端部が導出部４に接続されている。発熱抵抗体２は、折返し形状における折返し部の中央付近が最も発熱する部分となっている。セラミック体１の長さ方向における発熱抵抗体２の先端から発熱抵抗体２の後端の長さは、例えば、２〜１０ｍｍに設定される。

導出部４は、発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続するための部材であって、一端が発熱抵抗体２に接続されるとともに、他端がセラミック体１の表面に引き出されている。導出部４は、発熱抵抗体２の両端に別々に設けられている。一方の導出部４は、セラミック体１の一端側に設けられたテーパー部１１に引き出されて導体層３に接続されている。他方の導出部４は、セラミック体１の一端側の領域の外周面に引き出されている。

発熱抵抗体２および導出部４には、Ｗ、Ｍｏまたはチタン（Ｔｉ）等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とするものを使用することができる。さらに、発熱抵抗体２は、熱膨張率をセラミック体１の熱膨張率に近付けるために、セラミック体１と同じ材料を含んでいてもよい。発熱抵抗体２は抵抗値が高く設定されていて、特に折返し点付近で最も発熱するようになっている。一方、導出部４は、セラミック体１の形成材料の含有量を発
熱抵抗体２よりも少なくしたり、発熱抵抗体２よりも断面積を大きくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が発熱抵抗体２よりも低くなっている。

導体層３は、発熱抵抗体２と外部の電極とを電気的に接続するための部材である。導体層３は、セラミック体１のテーパー部１１に設けられている。導体層３は、導出部４を介して発熱抵抗体２に電気的に接続されている。導体層３は、図３に示すように、メタライズ層３１およびメタライズ層３１に積層されたメッキ層３２から成る。メタライズ層３１としては、例えば、銀、銅およびチタンを含むメタライズ層または金、ニッケルおよびパラジウムを含むメタライズ層を用いることができる。メッキ層３２としては、例えば、ニッケルボロンメッキまたは金メッキを用いることができる。メタライズ層３１の厚みは、例えば、２０〜４０μｍ程度に設定できる。また、メッキ層３２の厚みは、例えば、１μｍ以上であることが好ましい。

本実施形態のヒータ１０は、図２に示すように、導体層３が設けられているテーパー部１１に溝１２が設けられている。これにより、導体層３と外部の電極とを接続した際に、外部からセラミック体１に伝わってきた振動を溝１２によって吸収することができる。これにより、振動によって導体層３にクラックが生じることを抑制できる。その結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。なお、溝１２の寸法は、例えば、幅を１０〜１００μｍ、深さを１０〜２００μｍ、長さを１〜３ｍｍに設定することができる。それぞれの溝１２の寸法は同一であることが好ましい。これにより、部分的に応力が集中することを抑制できる。

また、テーパー部１１に設けられた溝１２は、テーパー部１１の傾斜方向に沿って設けられていることが好ましい。溝１２がテーパー部に設けられていない場合、または、溝１２がテーパー部１１の周方向に設けられている場合には、外部の振動が伝わることによってテーパー部１１において共振が生じる可能性がある。これに対して、溝１２をテーパー部の傾斜方向に沿って設けておくことによって、テーパー部１１において共振が生じることを防ぐことができるので、外部から伝わってきた振動を容易に止めることができる。

また、導体層３は、図３に示すように、メタライズ層３１およびメタライズ層３１に積層されたメッキ層３２から成るとともに、メタライズ層３１の一部が溝１２に入り込んでいる。これにより、メタライズ層３１とセラミック体１との接合強度を向上させることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

また、テーパー部１１に設けられた溝１２は複数である。溝１２が複数設けられていることによって、振動をさらに吸収しやすくすることができる。さらに、この複数の溝１２に導体層３が入り込んでいることによって、導体層３とセラミック体１との接合強度をさらに向上させることができる。

セラミック体１を一端側から見たときに、溝１２はセラミック体１のテーパー部１１に放射状に設けられている。溝１２が放射状であって、さらにこの溝１２に導体層３が設けられていることによって、テーパー部１１における熱の伝導性を向上させることができる。すなわち、セラミック体１の一端側において部分的に熱が籠ることを抑制できる。その結果、セラミック体１に部分的に熱応力が集中することを抑制できる。

溝１２の内面の形状は、弧状である。溝１２の内面の形状が弧状であることによって、溝１２は角部を有していない構成になっている。そのため、部分的に熱応力が集中することを抑制できる。なお、ここでいう弧状とは、例えばＵ字形状等も含んでいる。

図１に戻って、本実施形態のグロープラグ１００は、上述のヒータ１０と、ヒータ１０
のテーパー部１１側に取り付けられた筒状の金属部材５と、金属部材５の内側に配置されて導体層３に接続された電極金具６とを備えている。

金属部材５は、セラミック体１を保持するための部材である。金属部材５は、筒状の部材であって、セラミック体１の一端側を囲むように設けられている。言い換えると、金属部材５の内側にセラミック体１が挿入されている。金属部材５は、セラミック体１の一端側に引き出された他方の導出部４に電気的に接続されている。金属部材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）合金から成る。

金属部材５とセラミック体１とは、ろう材によって接合されている。ろう材は、セラミック体１の端部を囲むように設けられている。言い換えると、ろう材は、セラミック体１の端部の全周に層状に設けられている。これにより、金属部材５とセラミック体１とが強固に固定される。

セラミック体１にろう材を設けるためには、ろう付け前にガラス成分をセラミック体１の内面に焼き付けておけばよい。これにより、良好にろう材を設けることができる。ここで金属部材５は、電極としても機能させるために、上述のガラス成分にＮｉ等の金属を混ぜておくとよい。これにより、導出部４とろう材と金属部材５とを電気的に接続できる。

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スとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいため、ろう材とセラミック体１との接合強度またはろう材と金属部材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、金属部材５の内側に位置している。電極金具６は、金属部材５との間で短絡が生じないように金属部材５の内周面から離れて位置している。電極金具６は、応力緩和のために設けられた螺旋部を有する金属線である。電極金具６は、導体層３に接触している。電極金具６は、導体層３に電気的に接続されるとともに、外部の電源（図示せず）に電気的に接続されている。外部の電源から、金属部材５と電極金具６との間に電圧を加えることによって、金属部材５と電極金具６とを介して発熱抵抗体２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成る。

本実施形態のグロープラグ１００は、振動を吸収することができる上述のヒータ１０を備えていることによって、振動の大きな環境下で用いた場合であっても、電極金具６と導体層３との接触を保つことができる。なお、電極金具６と導体層３との接続には、例えば、銀、銅およびチタンを含む接合部材を用いることができる。

本発明の実施例のヒータ１０およびグロープラグ１００を以下のようにして作製した。

まず、セラミック体１の原料として、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ_２Ｏ_３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ_２粉末を３．５質量％、酸化アルミニウム粉末を１．５質量％混合して、原料粉末を作製した。その後、この原料粉末を用いてプレス成型によって、焼成後にセラミック体１と成る成型体の半割を作製した。

次に、発熱抵抗体２および導出部４のうちセラミック体１の表面近傍に位置する一部と成る導電性ペーストとして、炭化タングステン（ＷＣ）粉末７０質量％に窒化珪素粉末２９．９５質量％、添加剤として金属化合物Ｃｒ_３Ｃ_２０．０５質量％を混合して、適当な有機溶媒を添加したものを作製した。ここで、炭化タングステン粉末に混合した窒化珪素粉末には、焼結助剤としてＹｂ_２Ｏ_３粉末０．１質量％を混合した。

次に、導出部４の残りの部分と成るリードピンを半割の成型体の一方に設けた。そして、他方の成型体をリードピンが設けられた成形体に重ね合わせて、内部に発熱抵抗体２と導出部４とが埋設された成型体を得た。リードピンとしては、タングステンを主成分とするＷリードピンを用いた。

次に、得られた成型体を円筒状の炭素製の型に入れた後に、還元雰囲気中で１７００℃、３５ＭＰａの条件でホットプレス焼成を行なった。

次に、焼結体に研磨加工を施すことによって、φ４ｍｍ、全長４０ｍｍのヒータ１０を得た。さらに、試料１として、得られた円柱状のヒータ１０の端部を砥石で研磨することによって、テーパー部１１と溝１２部とを形成したヒータ１０を準備した。また、比較例である試料２として、テーパー部１１のみを形成したヒータを準備した。試料１および試料２共にテーパー部１１を形成した後にメタライズ層３１とメッキ層３２を形成した。メタライズ層３１としては銀、銅およびチタンを含むメタライズ層を２０μｍ、メッキ層３２としてはニッケルボロンメッキ層を２μｍ形成した。

最後に、得られたヒータ１０に金属部材５および電極金具６を取り付けた。金属部材５と導出部４とを電気的に接続するようにろう材によって接合した。また、金属部材５と導体層３とをろう材によって接合した。

そして、準備した各試料のヒータ１０に、電圧を印加して、１５００℃を上限としてセラミック体１の表面の温度を上昇・下降させるサイクル試験を行なった。具体的には、セラミック体１の表面の温度が１５００℃の状態で発熱抵抗体２に１分間の通電を継続した後に、通電を停止して１分間の自然冷却を行ない、これを１サイクルとして１００００サイクルの通電を行なった。通電時には、各試料に対して所定の周波数の振動を与えた。そして、試験前の電極金具６と金具部材５との間の抵抗値を２５℃の恒温水槽中で測定した。試験後も試験前と同様の条件で抵抗値を測定して、試験前の抵抗値と比較して抵抗変化率を求めた。

その結果、試料２のヒータに関しては、試験後の抵抗変化率が１２％であったが、試料１のヒータ１０に関しては、試験後の抵抗変化率が０．５％であった。また、ＳＥＭによって導体層３を観察したところ、試料２のヒータのメタライズ層にはクラックが発生していたが、試料１のヒータ１０のメタライズ層３１にはクラックが発生していないことが確認できた。

以上の結果から、本発明のヒータ１０は、比較例のヒータと比較して、振動下における耐久性が向上していることが確認できた。

１：セラミック体
１１：テーパー部
１２：溝
２：発熱抵抗体
３：導体層
３１：メタライズ層
３２：メッキ層
４：導出部
５：金属部材
６：電極金具
１０：ヒータ
１００：グロープラグ

Claims

一端側にテーパー部が設けられた棒状のセラミック体と、該セラミック体に埋設された発熱抵抗体と、前記テーパー部に設けられて前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体層とを備えており、前記テーパー部に溝が設けられていることを特徴とするヒータ。
前記溝がテーパー部の傾斜方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記導体層が、メタライズ層および該メタライズ層に積層されたメッキ層から成るとともに、前記メタライズ層の一部が前記溝に入り込んで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。
前記溝が複数設けられ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。
前記セラミック体を前記一端側から見たときに、前記溝が前記セラミック体の前記テーパー部に放射状に設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のヒータ。
前記溝の内面の形状が弧状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヒータ。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータと、該ヒータの前記テーパー部側に取り付けられた筒状の金属部材とを備えていることを特徴とするグロープラグ。