JP2019061920A

JP2019061920A - ヒータ

Info

Publication number: JP2019061920A
Application number: JP2017187556A
Authority: JP
Inventors: 健岡村; Takeshi Okamura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: JP6952395B2

Abstract

【課題】金属筒と発熱抵抗体との接続信頼性を保つ。【解決手段】棒状のセラミック体２と、セラミック体の内部に位置しておりセラミック体の外周面に引き出された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体のうち引き出された部分を覆うようにセラミック体に嵌め合わされるとともに発熱抵抗体に電気的に接続される金属筒４とを有しており、金属筒の内周の形状が円形状であるとともに、セラミック体が前記金属筒の内周に接しているとともに、引き出された部分と金属筒との間に導電性部材５が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、自動車エンジンのグロープラグに用いられるヒータに関する。また、本発明のヒータは、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、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用いることができる。

自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、特許文献１に記載のヒータが挙げられる。特許文献１に記載のヒータは、セラミック体と、セラミック体の外周面に引き出された発熱抵抗体と、セラミック体に嵌め合わされるとともに発熱抵抗体のうち引き出された部分に接続される金属筒とを有している。

特開２０１７−５３６１９号公報

特許文献１に記載のヒータにおいては、金属筒と発熱抵抗体との接続信頼性を保ちつつ、金属筒とセラミック体とを隙間無く嵌め合わせることが困難であった。具体的には、発熱抵抗体のうち引き出された部分が、セラミック体の表面よりも外側に位置している場合には、金属筒とセラミック体との間に隙間が生じてしまうおそれがあった。また、発熱抵抗体のうち引き出された部分が、セラミック体の表面よりも内側に位置している場合には、金属筒と発熱抵抗体との電気的な接続が十分に行われないおそれがあった。

本発明のヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に位置しており前記セラミック体の外周面に引き出された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体のうち引き出された部分を覆うように前記セラミック体に嵌め合わされるとともに前記発熱抵抗体に電気的に接続される金属筒とを有している。さらに、前記引き出された部分を通り前記セラミック体の軸方向に対して垂直な断面を見たときに、前記金属筒の内周の形状が円形状であるとともに、前記セラミック体が前記金属筒の内周に接しているとともに、前記引き出された部分と前記金属筒との間に導電性部材が設けられている。

本発明のヒータによれば、引き出された部分と金属筒との間に導電性部材が設けられていることによって、引き出された部分をセラミック体の表面よりも内側に位置させることができるので、金属筒とセラミック体との間に隙間が生じてしまうおそれを低減できる。また、引き出された部分がセラミック体の表面よりも内側に位置していても、引き出された部分と金属筒との間に導電性部材が設けられていることによって、金属筒と発熱抵抗体との接続信頼性を保つことができる。

（ａ）はヒータの一例のうちセラミック体を示す断面図であり、（ｂ）は側面図である。ヒータの一例を示す断面図である。図２に示すヒータをα−αで切った断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。ヒータの他の例を示す断面図である。（ａ）はヒータの一例を示す断面図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ´で切った断面図であり、（ｃ）はＹ−Ｙ´で切った断面図であり、（ｄ）はＺ−Ｚ´で切った断面図である。

図１、２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、セラミック体を覆う金属筒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はセラミックスを有している。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を有していてもよい。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を有するセラミック体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Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれる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を有するものを用いる場合は、ＭｏＳｉＯ_２またはＷＳｉ_２等を混合し、分散させてもよい。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の内部に位置している。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の外周面に引き出された引出部３１を有している。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。

さらに、セラミック体２が窒化珪素質セラミックスを有する場合は、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％以上であってもよい。例えば、窒化珪素質セラミックスを有するセラミック体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、発熱抵抗体３の熱膨張率をセラミック体２の熱膨張率に近付けることができるので、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２０〜４０質量％であってもよい。また、窒化珪素の含有量は２５〜３５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４〜１２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０．１５〜０．８ｍｍ^２に設定することができる。

金属筒４は、セラミック体２に嵌め合わせられるとともに、発熱抵抗体３に電気的に接続されている。金属筒４は、例えば、ステンレス等の金属材料を有している。ヒータ１をグロープラグ用のヒータとして用いる場合には、金属筒４は、例えば、陰極として用いることができる。

ここで、図３に示すように、ヒータ１は、発熱抵抗体３の引き出された部分（引出部３１）を通りセラミック体２の軸方向に対して垂直な断面を見たときに、金属筒４の内周の形状が円形状である。そして、セラミック体２が金属筒４の内周面に接しているとともに、引出部３１と金属筒４との間に導電性部材５を有している。

引出部３１と金属筒４との間に導電性部材５が設けられていることによって、引出部３１をセラミック体２の表面よりも内側に位置させることができるので、金属筒４とセラミック体２との間に隙間が生じてしまうおそれを低減できる。また、引出部３１がセラミック体２の表面よりも内側に位置していても、引出部３１と金属筒４との間に導電性部材５が設けられていることによって、金属筒４と発熱抵抗体３との接続信頼性を保つことができる。

導電性部材５としては、例えば、ニッケル、クロム、金、銀、銅または白金等を用いることができる。導電性部材５は、例えば、引出部３１の表面を加工した後に、表面にメッキ、蒸着またはスパッタ等を施すことによって設けることができる。引出部３１の表面の加工には、例えば、研磨、ブラスト処理またはエッチング等を用いることができる。

導電性部材５は、例えば、複数の部分を有していてもよい。例えば、引出部３１の表面にニッケル層を下地として設けるとともに、このニッケル層の表面にクロム層を設けてもよい。これにより、引出部３１と導電性部材５（ニッケル層）との密着を良好に行うとともに、導電性部材５（クロム層）と金属筒４との密着を良好に行うことができる。

また、金属筒４が内周面に金層を有していてもよい。金層は、例えば、メッキまたは蒸着で設けることができる。金属筒４が内周面に金層を有している場合には、導電性部材５のクロム層と金属筒４の金層とを３００℃以上に加熱することで合金化させることができる。そのため、焼き嵌めと同時に反応結合も行うことができる。これにより、金属筒４と導電性部材５との接合を良好に行うことができる。

導電性部材５の厚みは、例えば、最も厚い部分を０．０１〜２ｍｍにすることができる。

また、図３に示すように、軸方向に対して垂直な断面を見たときに、引き出された部分（引出部３１）が直線状であってもよい。これにより、ヒートサイクル下において、引出部３１において局所的に熱応力が集中するおそれを低減できる。引出部３１にクラックが生じるおそれを低減できる。

また、図４に示すように、引き出された部分（引出部３１）とセラミック体２との間に隙間があるとともに、隙間に導電性部材５が入り込んでいてもよい。これにより、ヒートサイクル下において、導電性部材５のうち隙間に入り込んでいる部分がアンカーとして機能させることができる。その結果、導電性部材５が引出部３１から剥がれてしまうおそれを低減できる。

また、図５に示すように、導電性部材５と引出部３１との界面が凹凸であってもよい。これにより、導電性部材８を引出部３１から剥がれ難くすることができる。その結果、導電性部材８と引出部３１との接続の信頼性を向上できる。

また、図６に示すように、ヒータ１の軸方向に対して垂直な断面における導電性部材５の形状が、ヒータ１の軸方向に進むにつれて変化していてもよい。これにより、ヒータ１の軸方向において、導電性部材５が引出部３１から剥がれてしまうおそれを低減できる。

１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１：引出部
４：金属筒
５：導電性部材

Claims

棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に位置しており前記セラミック体の外周面に引き出された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体のうち引き出された部分を覆うように前記セラミック体に嵌め合わされるとともに前記発熱抵抗体に電気的に接続される金属筒とを有しており、
前記引き出された部分を通り前記セラミック体の軸方向に対して垂直な断面を見たときに、前記金属筒の内周の形状が円形状であるとともに、前記セラミック体が前記金属筒の内周に接しているとともに、前記引き出された部分と前記金属筒との間に導電性部材が設けられていることを特徴とするヒータ。
前記断面を見たときに、前記引き出された部分が直線状であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
引き出された部分と前記セラミック体との間に隙間があるとともに、前記隙間に前記導電性部材が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。