(57)【要約】  【課題】  ヒータの耐久性を向上させる。  【解決手段】  ヒータ１０は、棒状のセラミック体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の一端の表面に設けられて発熱抵抗体２に電気的に接続された導体層３と、セラミック体１の一端が挿入されたセラミック筒４と、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部をセラミック体１と共に封止する、絶縁材料から成る封止材５とを備えている。これにより、セラミック体１の他端を燃焼ガス雰囲気中に配置したとしても、導体層３が燃焼ガスに触れてしまう可能性を低減できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記セラミック体の一端の表面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、前記セラミック体の前記一端が挿入されたセラミック筒と、該セラミック筒のうち前記セラミック体が挿入された端部を前記セラミック体と共に封止する、絶縁材料から成る封止材とを備えたことを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記導体層に接続されて、前記セラミック筒の外に引き出されたリード端子をさらに備えるとともに、前記封止材が、前記セラミック体を前記一端まで前記導体層と前記リード端子との接続部とともに覆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３】
前記セラミック筒が前記端部の全周において前記セラミック体に向かって張り出した張出部を有しており、該張出部と前記セラミック体との間を前記封止材が封止して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。
【請求項４】
前記封止材が前記張出部の外側面に回り込んでいることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガス中雰囲気中で用いられるヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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に記載のセラミックヒータが挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載のセラミックヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体の先端側に埋設された発熱抵抗体と、セラミック構造体の後端側の表面に設けられた電極とを備えている。このセラミックヒータは、セラミック構造体の先端が燃焼ガス雰囲気中に設けられて用いられる。このセラミックヒータは、セラミック構造体の先端と後端との間に金具が取り付けられており、後端が気密に封止されている。これにより、後端に設けられた電極が燃焼ガスに接してしまうことによって、電極と燃焼ガスとが反応してしまう可能性が低減されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９０９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のセラミックヒータは、セラミックヒータの電極が、金具の内部で露出している。そして、セラミックヒータを用いる際に、従来よりも高い温度にまでセラミックヒータを発熱させた場合には、金具に大きな熱膨張が生じてしまうことで、金具による封止を保てなくなってしまうおそれがあった。その結果、電極と燃焼ガスとが反応してしまい、セラミックヒータを正常に動作させることができなくなってしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は電極の封止を保つことによって、電極と燃焼ガスとが反応してしまうことを抑制できるヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様に基づくヒータは、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、前記セラミック体の一端の表面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、前記セラミック体の前記一端が挿入されたセラミック筒と、該セラミック筒のうち前記セラミック体が挿入された端部を前記セラミック体と共に封止する、絶縁材料から成る封止材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、セラミック体の一端（後端）の表面に導体層が設けられており、さらに、セラミック体の一端が挿入されたセラミック筒と、セラミック筒のうちセラミック体が挿入された端部をセラミック体と共に封止する、絶縁材料から成る封止材とを備えている。これにより、従来よりも高い温度にまでヒータを発熱させたとしても、セラミック筒は金具のように大きな熱膨張を起こすことがないので、セラミック体の一端の気密を維持することができる。そのため、導体層が燃焼ガスに触れてし
まうことによって、導体層と燃焼ガスとが反応してしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の例のヒータを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態の変形例１のヒータを示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例２のヒータを示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例３のヒータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ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（以下、後端ともいう）の表面に設けられた導体層３と、セラミック体１の一端が挿入されたセラミック筒４と、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部をセラミック体１と共に封止する封止材５とを備えている。ヒータ１０は、例えば、ガス暖房、ガスレンジの点火用や、自動車エンジンのグロープラグ等に用いることができる。具体的には、ヒータ１０はセラミック体１の他端（以下、先端ともいう）が燃焼ガス雰囲気中に配置されて用いられる。
【００１２】
＜セラミック体の構成＞
セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部に発熱抵抗体２を設けることによって、発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。セラミック体１は、例えば棒状または板状の部材である。
【００１３】
セラミック体１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から成る。具体的には、セラミック体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。
【００１４】
セラミック体１は、特に窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。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ためである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体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。
【００１５】
なお、セラミック体１に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体２にＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック体１に、さらにＭｏＳｉ２またはＷＳｉ２等を混合しておくことが好ましい。発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック体１に分散させておくことによって、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
セラミック体１の形状が板状である場合は、セラミック体１の長さは、例えば３０〜６０ｍｍに設定され、幅は４．７〜９ｍｍ、厚みは１．３〜６ｍｍに設定される。
【００１７】
＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する部材である。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体１の内部を伝わって、セラミック体１の表面が高温になる。そして、セラミック体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。
【００１８】
発熱抵抗体２は、セラミック体１の先端側に設けられている。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、例えば折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で複数の折り返し部を有している。発熱抵抗体２の全長は、例えば２８〜５２ｍｍに設定される。なお、発熱抵抗体２の横断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。
【００１９】
発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、Ｍｏまたは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、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。さらに、炭化タングステンは、耐熱性に優れている。
【００２０】
さらに、セラミック体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は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が２０質量％以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック体１との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。
【００２１】
＜導体層の構成＞
ヒータ１０は、２つの導体層３を有している。導体層３は、発熱抵抗体２と外部電源（図示せず）をそれぞれ電気的に接続するための部材である。導体層３は、ヒータ１０の電極部分として機能している。導体層３は、発熱抵抗体２に電気的に接続されている。導体層３は、セラミック体１の一端の表面に設けられている。導体層３は、ＡｇまたはＣｕ等の金属材料から成る。導体層３は、例えばスクリーン印刷等によって形成される。導体層３の表面の形状は、例えば四角形状である。導体層３の寸法は、例えばセラミック体１の長さ方向の長さを５ｍｍ、幅を６ｍｍ、厚みを１００μｍに設定することができる。
【００２２】
＜リード端子の構成＞
リード端子６は、外部電源から発熱抵抗体２に電気を伝えるための部材である。リード端子６は、それぞれの導体層３に別々に設けられている。リード端子６は、一端が導体層３に接続されており、他端がセラミック筒４の外部に引き出されている。セラミック筒４の外部に引き出されたリード端子６は、外部電源に接続される。リード端子６と導体層３とはろう材によって接合されている。ろう材としては、例えば銀ろう、金−銅ろうまたは銀−銅ろうを用いることができる。リード端子６は、例えばＮｉから成る。リード端子６のうち電極と接合される部分または外部電源に接続される部分以外の領域は、絶縁性のチューブによって覆われている。チューブは、例えば樹脂材料から成る。特に、耐熱性に優れるフッ素樹脂から成ることが好ましい。
【００２３】
＜セラミック筒の構成＞
セラミック筒４は、封止材５とともに、導体層３およびリード端子６を保護するための部材である。具体的には、セラミック体１の先端が燃焼ガス雰囲気中に配置されたときに、この燃焼ガスと導体層３およびリード端子６とが接してしまうことを防ぐために設けられている部材である。セラミック筒４は、例えば円筒状または四角筒状等の筒状の部材である。セラミック筒４には、セラミック体１の後端が挿入されている。セラミック筒４は、セラミック体１の後端を導体層３およびリード端子６ごと囲んでいる。セラミック筒４は、例えばアルミナまたはシリカ等のセラミック材料から成る。セラミック筒４が円筒状の場合には、その寸法は例えば長さを４２ｍｍ、内径を８ｍｍ、外径を１０ｍｍに設定することができる。
【００２４】
＜封止材の構成＞
封止材５は、セラミック筒４とともに、導体層３およびリード端子６を保護するための部材である。封止材５は、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部に設けられている。封止材５は、セラミック体１と共にセラミック筒４の端部を封止している。これにより、セラミック体１の先端を燃焼ガス雰囲気中に配置したときに、この燃焼ガスがセラミック筒４の内部に進入することを防止できる。封止材５は、例えばアルミナまたはシリカ等といったセラミックス等の絶縁材料から成る。封止材５は、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された開口面を塞ぐように設けられている。封止材５のうち、セラミック体１の長さ方向の厚みは、例えば１０ｍｍに設定できる。
【００２５】
封止材５は、以下の方法で設けることができる。具体的には、セラミック筒４にセラミック体１を挿入した状態で、セラミック体１が挿入された側の端部に封止材５となる原料を流し込む。封止材５となる原料としては、無機系等のバインダー中にアルミナまたはシリカ等を分散させた物を用いることができる。セラミック筒４に封止材５となる原料を流し込んだ後に、２００℃以下の温度で加熱することによって、封止材５を設けることができる。
【００２６】
本実施形態のヒータ１０は、セラミック体１の一端（後端）の表面に導体層３が設けられており、さらに、セラミック体１の一端が挿入されたセラミック筒４と、セラミック筒４のうちセラミック体１が挿入された端部をセラミック体１と共に封止する、絶縁材料から成る封止材５とを備えている。これにより、従来よりも高い温度にまでヒータ１０を発熱させたとしても、セラミック筒４は金具のように大きな熱膨張を起こすことがないので、セラミック体１の一端の気密を維持することができる。そのため、導体層３と燃焼ガスとが反応してしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
＜変形例１＞
上述の実施形態のヒータ１０においては、封止材５がセラミック筒４の開口面付近にのみ設けられていたが、これに限られない。図２に示すように、変形例１のヒータ１０においては、封止材５が、セラミック体１を導体層３とリード端子６との接続部とともに覆っていてもよい。このように、導体層３とリード端子６との接続部を封止材５で覆うことによって、導体層３の気密封止を良好に行なうことができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
【００２８】
＜変形例２＞
上述の実施形態のヒータ１０においては、セラミック筒４の内径が一定であったが、これに限られない。図３に示すように、セラミック筒４は、セラミック体１が挿入された端部の全周においてセラミック体１に向かって張り出した張出部４１を有していてもよい。これにより、封止材５の一部を張出部４１によって覆うことができるので、封止材５を保護することができる。さらに、張出部４１とセラミック体１との間にも封止材５が設けら
れている。このように、封止材５におけるセラミック筒４の張出部４１に保護されていない部分のセラミック体１の長さ方向における厚みを大きくすることによって、封止材５の耐久性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。
【００２９】
張出部４１は、例えば、セラミック筒４の内周面から３ｍｍ張り出させることができる。また、張出部４１のうちセラミック体１の長さ方向の厚みは１ｍｍ程度に設定できる。張出部４１は、例えば、射出成型によって形成することができる。
【００３０】
＜変形例３＞
変形例２のヒータ１０においては、封止材５の表面と張出部４１の表面とが面一になっていたが、これに限られない。図４に示すように、封止材５が張出部４１の外表面に回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、セラミック体１および封止材５が長さ方向に伸縮した結果、セラミック体１と封止材５とがずれたとしても、張出部４１とセラミック体１との間に常に封止材５を介在させることができる。これにより、セラミック筒４の張出部４１と封止材５との間に隙間ができてしまう可能性を低減できる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：導体層
４：セラミック筒
４１：張出部
５：封止材
６：リード端子
１０：ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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