(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、前記セラミック層間に設けられて両端が前記セラミック積層体の側面に引き出された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック層間で前記発熱抵抗体の両方の端部上に積層されてそれぞれ一端が前記側面に引き出された帯状の導電層とを備えており、
該導電層は、前記側面に引き出された第１導電層および該第１導電層に隣り合う第２導電層を有しており、前記第１導電層および前記第２導電層が複数の粒子から成るとともに、前記第１導電層の粒子の平均粒径が前記第２導電層の粒子の平均粒径よりも小さいヒータ。
【請求項２】
前記第１導電層と前記第２導電層とが部分的に重なっている請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記第１導電層と前記第２導電層とが重なっている部分において、前記第１導電層が前記第２導電層と前記発熱抵抗体との間に位置しており、
前記第２導電層と前記発熱抵抗体との間に位置している部分において、前記第１導電層が他端に向かうにつれて薄くなっている請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記第１導電層の粒子の平均粒径が０．２〜２μｍであり、前記第２導電層の粒子の平均粒径が１．２〜１２μｍ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】
前記第１導電層の空隙率が２０％未満である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータと、該ヒータのうち前記セラミック積層体に気体燃料を流す流路とを備えた点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータおよび点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは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、セラミック体の内部に発熱体が設けられたヒータ（セラミックヒータ）が知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特許文献１に開示されたセラミックヒータが挙げられる。【０００３】
特開２０００−１５６２７５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は、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、発熱抵抗体に接続されてセラミック構造体の表面に引き出された給電線とを備えている。【０００４】
特許文献１に記載されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線にクラックが生じる場合があった。特に、このクラックが給電線のうちセラミック構造体の表面に露出している領域に生じた場合には、外気が給電線の内部に入り込む場合があった。そのため、給電線が外気と反応することによって、給電線の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう場合があった。その結果、セラミックヒータを高温環境下において繰り返し使用した場合の長期信頼性を向上させることが困難であった。
【発明の概要】
【０００５】
ヒータは、複数のセラミック層が積層されてなるセラミック積層体と、前記セラミック層間に設けられて両端が前記セラミック積層体の側面に引き出された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック層間で前記発熱抵抗体の両方の端部上に積層されてそれぞれ一端が前記側面に引き出された帯状の導電層とを備えており、該導電層は、前記側面に引き出された第１導電層および該第１導電層に隣り合う第２導電層を有しており、前記第１導電層および前記第２導電層が複数の粒子から成るとともに、前記第１導電層の粒子の平均粒径が前記第２導電層の粒子の平均粒径よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ヒータを示す縦断面図である。
【図２】図１に示すヒータをＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。
【図３】図１に示すヒータをＢ−Ｂ'線で切断した横断面図である。
【図４】ヒータの変形例を示す横断面図である。
【図５】図１に示すヒータを用いた点火装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、ヒータ１０について図面を参照して説明する。
【０００８】
図１〜図３に示すように、ヒータ１０は、複数のセラミック層１１が積層されてなるセラミック積層体１と、隣り合うセラミック層１１間に設けられた発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２に積層された導電層３とを備えている。ヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。
【０００９】
セラミック積層体１は、内部に発熱抵抗体２および導電層３が埋設された部材である。セラミック積層体１の内部に発熱抵抗体２および導電層３を設けることによって、発熱抵抗体２および導電層３の耐久性を向上させることができる。セラミック積層体１は、例えば、棒状または板状の部材である。
【００１０】
セラミック積層体１は、例えば絶縁性セラミックス、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から成る。具体的には、セラミック積層体１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から成る。
【００１１】
窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、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Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ２Ｏ３および焼結体に含まれるＳｉＯ２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック積層体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。
【００１２】
セラミック積層体１の形状が棒状である場合、より具体的には四角柱状である場合には、セラミック積層体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック積層体１の断面は、例えば厚さ１〜６ｍｍ、幅２〜４０ｍｍの四角形に設定される。
【００１３】
発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する層状の部材である。発熱抵抗体２は、隣り合うセラミック層１１間に設けられている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック積層体１の内部を伝わって、セラミック積層体１の表面が高温になる。そして、セラミック積層体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。セラミック積層体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。
【００１４】
発熱抵抗体２は、両端がセラミック積層体１の後端側の側面に引き出されている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な断面）の形状が、例えば折り返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの隣り合って並んだ直線状部分と外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。発熱抵抗体２はセラミック積層体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の全長は、例えば３５〜１００ｍｍに設定される。
【００１５】
発熱抵抗体２は、セラミック積層体１の先端側において大きく発熱するように設計されている。具体的には、セラミック積層体１の後端側において、発熱抵抗体２の両方の端部上には導電層３が積層されている。そのため、セラミック積層体１の後端側においては電流が発熱抵抗体２にも導電層３にも流れるようになる。この結果、セラミック積層体１の後端側においては発熱抵抗体２の発熱が小さくなる。逆に、セラミック積層体１の先端側においては電流が発熱抵抗体２にのみ流れる。この結果、セラミック積層体１の先端側においては発熱抵抗体２の発熱が大きくなる。
【００１６】
発熱抵抗体２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（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。セラミック積層体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック積層体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。
【００１７】
導電層３は、セラミック積層体１の後端側、つまり発熱抵抗体２がセラミック積層体１の側面に引き出される部位の近傍において、発熱抵抗体２の発熱量を調整するための部材である。図１においては、導電層３を破線で示している。なお、図１においては、図面を見やすくするために、導電層３を示す破線と発熱抵抗体２を示す実線とをずらして記載しているが、実際には導電層３と発熱抵抗体２とはほぼ同一の幅を有するとともに、導電層３と発熱抵抗体２とは幅が揃うように積層されている。図２および図３に示すように、導電層３は、セラミック層１１間であって発熱抵抗体２の両方の端部上に積層されて、それぞれ一端がセラミック積層体１の側面に引き出されている。このように、発熱抵抗体２のうち外部の回路と接続されることになる両方の端部上を導電層３で覆うことによって、セラミック積層体１の後端側における発熱を低減することができる。そのため、外部の回路とヒータ１０との接続の信頼性を向上させることができる。
【００１８】
導電層３は、セラミック積層体１の側面に引き出された第１導電層３１および第１導電層３１に隣り合う第２導電層３２を有している。第１導電層３１および第２導電層３２は複数の粒子から成る。そして、第１導電層３１の粒子の平均粒径が第２導電層３２の粒子の平均粒径よりも小さい。このように外側に位置する第１導電層３１が平均粒径の小さい粒子からなることによって、第１導電層３１の密度を高めることができる。その結果、第１導電層３１の空隙率が低くなるので、外気が導電層３に入り込むことを低減できる。
【００１９】
また、導電層３だけではなく発熱抵抗体２もセラミック積層体１の側面に引き出されていることによって、側面に引き出された部分を２層構造にすることができる。そのため、導電層３または発熱抵抗体２の一方にクラックが生じたとしても、他方にクラックが進展するおそれを低減できる。
【００２０】
また、第２導電層３２が平均粒径の大きい粒子からなることによって、第２導電層３２における粒子の粒界を減らすことができるので、第２導電層３２の抵抗値を小さくすることができる。これにより、導電層３において生じる不要な発熱を低減することができる。
【００２１】
これらの結果、ヒータ１０はヒートサイクル下で使用した際の長期信頼性が向上している。
【００２２】
具体的には、例えば、上述のヒータ１０とは異なり、導電層の平均粒径の大きさが部位に関わらず一定の場合には以下のような問題がある。すなわち、導電層の平均粒径の大きさを単純に小さくしただけの場合には、外気が導電層に侵入することは低減できても、導電層自体の抵抗が大きくなってしまうので、導電層において不要な発熱が生じてしまうことになる。反対に、導電層の平均粒径の大きさを単純に大きくしただけの場合には、導電層における不要な発熱を低減できても、外気が導電層に侵入しやすくなってしまう。これに対して、上述のヒータ１０のように、第１導電層３１の粒子の平均粒径を第２導電層３２の粒子の平均粒径よりも小さくすることによって、外気の進入を低減しつつ、導電層３における不要な発熱を低減できる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、第１導電層３１と第２導電層３２とが部分的に重なっていることが好ましい。これにより、第１導電層３１と第２導電層３２とが重なっていない場合と比較して、導電層３を長さ方向で見たときに、導電層３の熱膨張率を段階的に変化させることができる。その結果、ヒートサイクル下において導電層３にクラックが生じる可能性を低減できる。
【００２４】
さらに、第１導電層３１が第２導電層３２と発熱抵抗体２との間に位置しており、第２導電層３２と発熱抵抗体２との間に位置している部分において、第１導電層３１が他端に向かうにつれて薄くなっていることが好ましい。これにより、導電層３の熱膨張率をゆるやかに変化させることができる。その結果、ヒートサイクル下において導電層３にクラックが生じる可能性をさらに低減できる。
【００２５】
なお、上述のヒータ１０においては、導電層３が第１導電層３１および第２導電層３２のみから成っているが、これに限られない。導電層３が第１導電層３１および第２導電層３２以外の部分を有していてもよい。例えば、図４に示すように、導電層３が、第１導電層３１および第２導電層３２に加えて、第３導電層３３を有していてもよい。第３導電層３３は、第２導電層３２のうち第１導電層３１とは反対側で隣り合っている。
【００２６】
第３導電層３３として用いられる層としては、特に、限定されない。例えば、第３導電層３３の粒子の平均粒径が第２導電層３２の粒子の平均粒径よりも小さくてもよい。これにより、第３導電層３３における粒子の結晶粒界が増加する。そのため、第３導電層３３における抵抗値を第２導電層３２における抵抗値よりも大きくすることができる。これにより、発熱抵抗体２の発熱量を段階的に変化させることができる。そのため、ヒータ１０の表面の温度を段階的に変化させることができる。その結果、セラミック積層体１において局所的に大きな熱応力が発生することを低減できる。
【００２７】
第１導電層３１乃至第３導電層３３は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）またはレニウム（Ｒｅ）等の耐熱性に優れた金属材料から成る。特に熱膨張率をセラミック積層体１に近付けるために、ＭｏＳｉ２およびＷＳｉ２等を混合しておくことが好ましい。第１導電層３１の長さは、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが２〜１０ｍｍ程度に設定される。第１導電層３１の厚みは５〜３０μｍ程度に設定される。また、第２導電層３２の長さは、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが５〜２０ｍｍ程度に設定される。第２導電層３２の厚みは２５〜７５μｍ程度に設定される。また、第１導電層３１と第２導電層３２とが重なっている場合には、この領域の長さは、例えば５００μｍ程度に設定される。
【００２８】
第１導電層３１および第２導電層３２の粒径は、以下のように調整できる。具体的には、第１導電層３１および第２導電層３２が共にＷから成る場合には、出発原料のＷの粉末の粒径を異ならせることによって、第１導電層３１および第２導電層３２の粒径を調整できる。例えば、第１導電層３１に用いるＷの粉末の平均粒径を０．２μｍに、第２導電層３２に用いるＷの粉末の平均粒径を１．２μｍに設定すればよい。これにより、第１導電層３１の平均粒径を０．２〜２μｍに、第２導電層３２の平均粒径を１．２〜１２μｍに設定することができる。
【００２９】
特に、第１導電層３１の平均粒径が１μｍ未満であることが好ましい。これにより、粒子間から外気が浸入することを低減できるので、第１導電層３１に外気が入り込む可能性を低減できる。また、このとき、第１導電層の空隙率は、２０％未満であることが好ましい。これにより、第１導電層３１への外気の進入を低減できる。
【００３０】
導電層３の平均粒径は、例えば以下の方法で確認することができる。具体的には、ヒータ１０をダイヤモンドカッターを用いて、導電層３を通る導電層３に垂直な方向の面で切断した後に、ダイヤモンド粉末を用いて表面の研磨を行なう。その後、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡を用いて第１導電層３１および第２導電層３２を観察すればよい。より具体的には、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡によって得られた画像に、任意の５本の直線を引く。そして、この５本の直線を横切った粒子１０個分の距離の平均値を求める。この平均値を粒子の数である１０で割ることによって、平均粒径を求めることができる。また、画像解析装置（ニレコ社製：ＬＵＺＥＸ−ＦＳ）を用いて平均粒径を算出してもよい。第１導電層３１の空隙率を測定する際にも、上記の画像解析装置を用いることができる。
【００３１】
ヒータ１０は、例えば、図５に示すような点火装置１００として用いられる。点火装置１００は、ヒータ１０とヒータ１０に気体燃料を流す流路２０とによって構成されている。流路２０は、例えば、ガスバルブ２１と噴出口２３を有する通風管２２とによって構成される。ガスバルブ２１は、気体燃料の流量を制御する機能を有している。ガスバルブ２１から供給される気体燃料としては、例えば、天然ガスまたはプロパンガス等が挙げられる。通風管２２は、ガスバルブ２１から供給された気体燃料を噴出口２３からヒータ１０に向かって噴出する。そして、噴出されている気体燃料に対してヒータ１０を加熱することにより点火することができる。点火装置１００は、長期信頼性が向上したヒータ１０を有していることによって、気体燃料の点火の安定性が向上している。
【符号の説明】
【００３２】
１：セラミック積層体
１１：セラミック層
２：発熱抵抗体
３：導電層
３１：第１導電層
３２：第２導電層
１０：ヒータ
２０：流路
２１：ガスバルブ
２２：通風管
２３：噴出口
１００：点火装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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