(57)【要約】  ヒータは、端面および外周面を有する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を備えており、前記セラミック体の前記端面における表面粗さが、前記セラミック体の前記外周面における表面粗さよりも大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面および外周面を有する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を備えており、前記セラミック体の前記端面における表面粗さが、前記セラミック体の前記外周面における表面粗さよりも大きいヒータ。
【請求項２】
前記端面における表面粗さが、外周側よりも中心側の方が大きい請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記端面の前記外周側が前記外周面と滑らかに連続している請求項１または請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記端面の形状が凸面状である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
【請求項５】
前記セラミック体の軸方向を含む断面で見たときに、前記端面における曲率半径が、中心側よりも外周側の方が大きい請求項４に記載のヒータ。
【請求項６】
前記端面が、前記セラミック体の軸方向に直交する直交面および該直交面と前記外周面とをつなぐ傾斜面を有する形状である請求項１に記載のヒータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータと、前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
ヒータとして、例えば、特開２０１５−１８６２５号公報（以下、特許文献１という）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、棒状のセラミック体と、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いる。発熱抵抗体は、２つの直線部と、２つの直線部を繋ぐ折返し部を有している。近年、ヒータは、長期信頼性の向上が求められている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示のヒータは、端面および外周面を有する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を備えており、前記セラミック体の前記端面における表面粗さが、前記セラミック体の前記外周面における表面粗さよりも大きい。
【０００４】
本開示のグロープラグは、ヒータと、ヒータを保持する金属製保持部材とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ヒータの一例を示す断面図である。
【図２】ヒータの他の例を示す断面図である。
【図３】ヒータの他の例を示す断面図である。
【図４】グロープラグの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
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。
【０００７】
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。棒状としては、例えば、円柱状または楕円柱状等があげられる。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っていてもよい。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。
【０００８】
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、分散させておいてもよい。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。
【０００９】
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第１直線部３１ａおよび第２直線部３１ｂと、これら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。
【００１０】
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％以上であってもよい。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。
【００１１】
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、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は２５〜３５質量％であってもよい。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０．１５〜０．８ｍｍ２に設定することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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。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されていてもよい。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の抵抗値のばらつきを小さくさせることができる。そのため、リード４に含まれる窒化珪素質の含有量は１５〜４０質量％であってもよい。また、リード４に含まれる窒化珪素質の含有量は２０〜３５質量％であってもよい。
【００１４】
ここで、ヒータ１においては、端面２１（先端面）および外周面２２を有する棒状のセラミック体２と、セラミック体２に埋設された発熱抵抗体３とを備えており、セラミック体２の端面２１における表面粗さが、セラミック体２の外周面２２における表面粗さよりも大きい。
【００１５】
セラミック体２から接触物への間の熱の移動を考えたときに、セラミック体２の表面粗さが大きい方が、セラミック体２と接触物との間の境膜が薄くなる。すなわち、ヒータ１のように、セラミック体２の端面２１における表面粗さをセラミック体２の外周面２２における表面粗さよりも大きくすることによって、端面２１における境膜が外周面２２における境膜よりも薄くなる。そのため、セラミック体２に接触物が接触するときに、外周面２２よりも熱が伝わりやすい端面２１において大きな熱衝撃が生じることになる。一般的に、棒状のセラミック体２においては、外周面２２に働く力に対しては強度が低くなる傾向にあるが、端面２１に働く力に対しては強度が高くなる傾向にある。そこで、外周面２２と比較して強度が高い端面２１に熱衝撃を生じさせることによって、セラミック体２にクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、ヒータ１の長期信頼性を向上できる。
【００１６】
ここでいう端面２１および外周面２２とは、例えば、図１に示すヒータ２においては、棒状のセラミック体２のうち太さが一定の領域であって軸方向に伸びている面を外周面２２と定義し、これよりも先端側を端面２１として定義している。言い換えると、セラミック体２の先端の中心から外周面２２までの表面の全体が端面２１である。
【００１７】
表面粗さの確認は、例えば、以下の方法で行なうことができる。具体的には、セラミック体２の表面を、軸方向に沿って表面粗さを計測する。表面粗さの計測には、東京精密社製の表面粗さ測定機「サーフコム」を使用することができる。また、表面粗さとしては、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）の４．１．３で規定される最大高さＲｚを用いることができる。ここでいう最大高さＲｚとは、表面のうねりを除いた粗さ曲線の一番高い山と一番低い谷との高低差の計測結果である。つまり、このＲｚが大きいほど表面が粗いことを意味している。端面２１の最大高さＲｚは、例えば、２〜３μｍに設定でき、外周面２２の最大高さＲｚは、例えば、１．５〜２μｍに設定できる。これらの表面粗さは、セラミック体２の表面を研磨することによって調整することができる。
【００１８】
さらに、端面２１における表面粗さが、外周側よりも中心側の方が大きくてもよい。これにより、端面２１に生じる熱衝撃の中心を端面２１の中心側にすることができるので、熱衝撃に偏りが生じることを低減し、セラミック体１中に分散させやすくできる。なお、ここでいう外周側および中心側とは、セラミック体１の端面２１をセラミック体１の軸方向の延長線上から見たときの、外周側および中心側を意味している。そのため、言い換えると、端面２１の中心側と外周面２２との間に端面２１の外周側が位置している。中心側と外周側の区分けの仕方としては、例えば、以下の方法が挙げられる。「端面２１の中心」と「外周面２２と端面２１との境界線」からの距離が等しい仮想線を引いたときに、端面２１のうち、この仮想線に囲まれる領域を「中心側」として、中心側以外の領域を「外周側」と見なすことができる。
【００１９】
さらに、端面２１の外周側が外周面２２と滑らかに連続していてもよい。これにより、熱衝撃が生じたときに、端面２１と外周面２２との境界に熱衝撃による力が集中することを低減できる。
【００２０】
さらに、端面２１の形状が凸面状（凸曲面状）であってもよい。これにより、端面２１に角または段差等が存在しないことによって、端面２１に部分的に応力が集中することを低減できる。凸面状としては、例えば、いわゆるドーム状等が挙げられる。なお、ここでいうドーム状とは、外見がドーム状であることを意味している。そのため、実際のドームのように内部が空洞である必要はない。
【００２１】
さらに、図２に示すように、セラミック体２の軸方向を含む断面で見たときに、端面２１における曲率半径が中心側よりも外周側の方が大きくてもよい。これにより、端面２１のうち熱衝撃が集中しやすい中心側を外周面２２から遠ざけつつも、端面２１と外周面２２との境目を滑らかにしやすくできる。これにより、外周面２２に熱衝撃による力が集中することを低減できる。
【００２２】
さらに、図３に示すように、端面２１が、セラミック体２の軸方向に直交する直交面２１０および直交面２１０と外周面２２とをつなぐ傾斜面２１１を有する形状であってもよい。これにより、直行面２１０に熱衝撃を集中させつつ、セラミック体２において先端側から後端側に向かって緩やかな温度の分布にすることができる。そのため、熱応力が部分的に集中することを低減できる。
【００２３】
図４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、急速昇温が可能となる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
１：ヒータ
２：セラミック体
２１：端面
２２：外周面
３：発熱抵抗体
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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