(57)【要約】  【課題】  断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートの抑制されたヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供する。  【解決手段】  本発明のヒータは、絶縁基体と、絶縁基体に埋設された抵抗体３と、絶縁基体に埋設されて抵抗体３に接続されたリード４とを備え、抵抗体３とリード４とはリード４の軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、抵抗体３は抵抗体３とリード４との接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位31を有していることを特徴とするものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基体と、
該絶縁基体に埋設された抵抗体と、
前記絶縁基体に埋設され、前記抵抗体に接続されたリードとを備え、
前記抵抗体と前記リードとは該リードの軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、前記抵抗体は該抵抗体と前記リードとの接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有していることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記太くなった部位が前記抵抗体の端部にあることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記抵抗体の端部の外周には角がないことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項４】
前記抵抗体が折返し部を有するとともに、前記抵抗体の端部のそれぞれに接合された前記リードが同一方向に延びており、各々の前記リードの軸を含む平面で切断したときの断面で見たときに、前記接続領域において前記太くなった部位と他の部位とを有していて、前記太くなった部位が前記他の部位よりも外側に偏っていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項５】
前記抵抗体と前記リードとの接続領域において、前記リードが前記抵抗体を包み込んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項６】
請求項１に記載のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば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、自動車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、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】
ディーゼルエンジンの着火補助用として用いられるグロープラグに用いられるヒータは、発熱部を有する抵抗体、リードおよび絶縁基体を含む構成になっている。そして、リードの抵抗が抵抗体の抵抗より小さくなるように、これらの材料の選定や設計がされている。【０００３】
ここで、抵抗体とリードとの接合部は、形状変化点であったり材料組成変化点であったりするので、使用時の発熱や冷却での熱膨張の差に起因した影響を受けないように接合面積を大きくする目的で、リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっているものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−334768号公報
【特許文献２】特開2003−22889号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では更なる高温化や急速昇温の為に大電流を流す必要もある。しかし、抵抗値の変わる接続領域（抵抗体とリードが共存する領域）は、抵抗体とリードとの熱膨張差による負荷が大きく、マイクロクラック等が入りやすい。その結果、従来のグロープラグでは、断線や異常発熱、クラック伸展によるショートを引き起こすおそれがあり、絶縁性や耐久性の面で要求性能を満たせなくなる傾向がある。【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートの抑制されたヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、前記絶縁基体に埋設され、前記抵抗体に接続されたリードとを備え、前記抵抗体と前記リードとは該リードの軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、前記抵抗体は該抵抗体と前記リードとの接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有していることを特徴とするものである。【０００８】
また本発明は、上記の構成のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のヒータによれば、抵抗体が接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位を有していることにより、太くなった部位の断面積が大きく抵抗値が低いことから、この部位における急速昇温時の熱膨張が小さくなり、マイクロクラック等が入りにくくなる。その結果、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明のヒータの実施の形態の一例の要部拡大縦断面図である。
【図３】本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。
【図４】本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。
【図５】本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。
【図６】本発明のヒータの実施の形態の他の例の要部拡大縦断面図である。
【図７】本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のヒータの実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、図２は本発明のヒータの実施の形態の一例の要部拡大縦断面図である。
【００１３】
本実施の形態のヒータ１は、絶縁基体２と、絶縁基体２に埋設された抵抗体３と、絶縁基体２に埋設されて抵抗体３に接続されたリード４とを備え、抵抗体３とリード４とはリード４の軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、抵抗体３は該抵抗体３とリード４との接続領域において当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位31を有している。
【００１４】
ヒータ１における絶縁基体２は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体２には抵抗体３およびリード４が埋設されている。ここで、絶縁基体２はセラミックスからなることが好ましく、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。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，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。特に、絶縁基体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高強度、高靱性、高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絶縁基体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，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、0.5〜３質量％のＡｌ２Ｏ３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ２量として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り得ることができる。絶縁基体２の長さは例えば20〜50ｍｍに形成され、絶縁基体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成される。
【００１５】
なお、絶縁基体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、ＭｏＳｉ２，ＷＳｉ２等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
絶縁基体２に埋設された抵抗体３は、図１に示す例では縦断面の形状が折返し形状をなしていて、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部32となっている。この抵抗体３は絶縁基体２の先端側に埋設されていて、抵抗体３の先端（折返し形状の中央付近）から抵抗体３の後端（リードとの接合端部）までの距離は例えば２〜10ｍｍに形成される。なお、抵抗体３の横断面の形状は円、楕円、矩形などいずれの形状でもよく、通常は後述するリード４よりも断面積が小さくなるように形成される。
【００１７】
抵抗体３の形成材料としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、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。絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合、絶縁基体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、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が抵抗体３の材料として優れている。さらに、絶縁基体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合、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絶縁基体２中において、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、抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、抵抗体３の熱膨張率を絶縁基体２の熱膨張率に近づけて、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、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、抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、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、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。
【００１８】
絶縁基体２に埋設されたリード４は、一端側で抵抗体３に接続されるとともに他端側で絶縁基体２の表面に導出されている。図１に示す例では、一端部から他端部にかけて折返し形状をなす抵抗体３の両端部にそれぞれリード４が接合されている。そして、一方のリード４は、一端側で抵抗体３の一端部に接続され、他端側で絶縁基体２の後端部に導出されている。また、他方のリード４は、一端側で抵抗体３の他端部に接続され、他端側で絶縁基体２の後端寄りの側面に導出されている。
【００１９】
このリード４は、抵抗体３と同様の材料を用いて形成され、例えば、抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、絶縁基体２の形成材料の含有量を抵抗体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ものである。特に、ＷＣが、絶縁基体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、絶縁基体２を構成する窒化珪素の熱膨張率に近づけることができる。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の抵抗値が小さ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。
【００２０】
そして、図２に示すように、抵抗体３とリード４とは、リード４の軸方向に垂直な方向に重なるように接続され、抵抗体３は該抵抗体３とリード４との接続領域において、当該接続領域以外の領域の部位よりも太くなった部位31を有している。なお、図２は、図１の紙面に垂直な方向から見た要部であり、図１に示す領域Ａに含まれる抵抗体３およびリード４を示している。また、リード４の軸方向に垂直な方向に重なるとは、例えば図１の紙面に垂直な方向に重なる部位を有していることを意味している。そして、図に示す領域Ｂが抵抗体３とリード４との接続領域である。
【００２１】
ここで、太くなった部位31の断面積が他の領域よりも５〜30％大きくなっているのが効果的である。また、抵抗体３とリード４とがリード４の軸方向に垂直な方向に重なる接続領域において、太くなった部位31の長手方向に占める割合が10〜50％であるのが効果的である。
【００２２】
これにより、抵抗体３とリード４との熱膨張差による負荷が大きく、マイクロクラックが入りやすい接続領域において、太くなった部位31の断面積が大きく抵抗値が低いことから、この部位における急速昇温時の熱膨張が小さくなり、マイクロクラックが入りにくくなる。その結果、断線、異常発熱およびクラック伸展によるショートが抑制される。
【００２３】
また、本発明のヒータ１は、図２に示すように、接続領域において太くなった部位31が抵抗体３の端部にあるのが好ましく、これにより接合面積が広くなって接続領域における抵抗体３とリード４との接合力が高くなることから、より断線しにくくすることができる。
【００２４】
なお、図２は太くなった部位31とそれ以外の部位とが段差を有する形状になっているものであるが、図３に示すように太くなった部位31が抵抗体３の端面に向かって徐々に太くなる形状になっているものでもよい。これにより、太くなった部位31とそれ以外の部位との間の抵抗値の変化を緩やかにすることができる。
【００２５】
また、図４に示すように、抵抗体３の端部の外周には角がなく、言い換えると端部は曲面または角部が丸みを帯びた構成からなるのが好ましい。これにより、エッジ部での急激な熱膨張及び電界集中によるクラックが抑制され、よりマイクロクラックを入りにくくすることができる。なお、図４に示す構成は、抵抗体３の端部の外周には角がなく、端部が曲面または角部が丸みを帯びた構成であって、接続領域において太くなった部位31が抵抗体３の端部にある構成でもある。
【００２６】
また、図５に示すように、抵抗体３が折返し部を有するとともに、抵抗体３の端部のそれぞれに接続されたリード４が同一方向に延びており、各々のリード４の軸を含む平面で切断したときの断面で見たときに、太くなった部位31と他の部位とを有していて、太くなった部位31が他の部位よりも外側に偏っているのが好ましい。ここで、他の部位とは接続領域において太くなった部位31以外の細い部位のことであり、太くなった部位31が他の部位よりも外側に偏っているとは、太くなった部位31の軸（重心の位置）が他の部位（細い部位）の軸（重心の位置）よりも外側に偏っている、すなわち一対の太くなった部位31が互いに離れるように配置されていることである。これにより、接続領域と接続領域との間の距離（リード４の軸方向に垂直な方向の距離）が長くなるため、接続領域と接続領域との間にかかる熱応力が緩和され、より絶縁破壊（ショート）しにくくすることができる。
【００２７】
また、本発明には図６に示すように抵抗体３とリード４との接続領域においてリード４が抵抗体３を包み込んでいないものも含まれるが、図２乃至図５に示すように抵抗体３とリード４との接続領域においてリード４が抵抗体３を包み込んでいるのが好ましく、これにより急速昇温時に熱膨張する抵抗体３の端部を覆うリード４が、線膨張係数の違う絶縁性セラミックス（絶縁基体２）との緩衝材の役割を果たし、熱応力による負荷を低減することができ、より絶縁破壊（ショート）しにくくすることができる。
【００２８】
なお、図２乃至図６も図１の紙面に垂直な方向から見た要部であり、図１に示す領域Ａに含まれる抵抗体３およびリード４を示したものである。
【００２９】
上述のヒータ１はグロープラグに用いることができる。すなわち、本発明のグロープラグは、図７に示すように、上述のヒータ１と、ヒータ１を構成するリード４と電気的に接続されるとともにヒータ１を保持する金属製保持部材５（シース金具）とを備えた構成である。金属製保持部材５としては、例えばＮｉ，Ｆｅ等の材料からなる厚さ0.3〜1.0ｍｍの筒状体が採用される。この構成により、ヒータ１が絶縁破壊（ショート）しにくくなることから、長期間使用可能なグロープラグを実現することができる。
【００３０】
次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法の一例について説明する。
【００３１】
ヒータ１は、例えば、上記本実施の形態の構成の抵抗体３、リード４および絶縁基体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。
【００３２】
まず、導電性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む、抵抗体３およびリード４８となる導電性ペースト、並びに絶縁性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む絶縁基体２９となるセラミックペーストを作製する。
【００３３】
次に、導電性ペーストを用いて射出成形法等によって抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体ａ）を形成する。成形体ａ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（成形体ｂ）を形成する。これにより、成形体ａと、この成形体ａに接続された成形体ｂとが、金型内に保持された状態となる。
【００３４】
次に、金型内に成形体ａおよび成形体ｂを保持した状態で、金型の一部を絶縁基体２の成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、成形体ａおよび成形体ｂがセラミックペーストの成形体（成形体ｃ）で覆われたヒータ１の成形体（成形体ｄ）が得られる。
【００３５】
次に、得られた成形体ｄを例えば1650℃〜1780℃の温度、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、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。【００３７】
まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を50質量％、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を35質量％、樹脂バインダーを15質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して図４に示すような形状の抵抗体となる成形体ａを作製した。【００３８】
次に、この成形体ａを金型内に保持した状態で、上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体ａと接続させて図４に示すような形状のリードとなる成形体ｂを形成した。【００３９】
次に、成形体ａおよび成形体ｂを金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を85質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を10質量％、抵抗体およびリードに熱膨張率を近づけるための炭化タングステン（ＷＣ）を５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、絶縁基体となる成形体ｃ中に成形体ａおよび成形体ｂが埋設された構成の成形体ｄを形成した。【００４０】
次に、得られた成形体ｄを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、1700℃の温度、35ＭＰａの圧力でホットプレスを行ない焼結して、本発明実施例となるヒータを作製した。得られた焼結体の表面に露出したリード端部に筒状の金属製保持部材（シース金具）をロウ付けしてグロープラグを作製した。【００４１】
なお、絶縁基体の直径は3.2ｍｍであって、接続領域における細い部位および太くなった部位の横断面形状は長軸を同じ方向とする楕円形状、細い部位の短軸の長さ0.7ｍｍ、長軸の長さ0.8ｍｍ、太くなった部位の短軸の長さ0.7ｍｍ、長軸の長さ0.9ｍｍ、接続領域の長手方向長さ２ｍｍに対して太くなった部位の長手方向長さ0.4ｍｍであった。【００４２】
このグロープラグを用いて冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験の条件は、まずヒータに通電して抵抗体の温度が1400℃になるように印加電圧を設定し、１）５分間通電、２）２分間非通電の１），２）を１サイクルとし、１万サイクル繰り返した。冷熱サイクル試験前後のヒータの抵抗値の変化を測定したが抵抗値の変化は確認されず、また絶縁破壊（ショート）も発生しなかった。
【符号の説明】
【００４３】
１：ヒータ
２：絶縁基体
３：抵抗体
31：太くなった部位
32：発熱部
４：リード
５：金属製保持部材
【図１】
2013047654.tif 000003
【図２】
2013047654.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013047654.tif 000008
【図７】
2013047654.tif 000009
【国際調査報告】
2013047654.tif 000010
2013047654.tif 000011