(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、折返し部を有するとともに、該折返し部の断面形状が楕円形状であり、該折返し部の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の突起を有し、前記突起の伸びる方向に対して垂直な断面を見たときに、前記突起の先端の形状が滑らかな曲線形状であるヒータ。
【請求項２】
前記発熱抵抗体は、前記折返し部の内周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の第２突起を有する請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記発熱抵抗体は、内周と外周とを跨るように伸びる線状の第３突起をさらに有する請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
棒状のセラミック体と、該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おり、該発熱抵抗体は、折返し部を有するとともに、該折返し部の断面形状が楕円形状であり、該折返し部の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の突起を有し、前記発熱抵抗体は、前記折返し部の内周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の第２突起を有するとともに内周と外周とを跨るように伸びる線状の第３突起をさらに有するヒータ。
【請求項５】
前記突起は、前記折返し部の最外周に位置する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
【請求項６】
前記発熱抵抗体は、前記折返し部および前記折返し部と連続した直線部を有するとともに、前記突起が前記直線部にまで伸びている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
【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であって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒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２００７−２４００８０号公報（以下、特許文献１という）に記載のセラミックヒータが知られている。特許文献１に記載のセラミックヒータは、棒状でセラミック製の基体とこの基体中に埋設された発熱素子とを備えている。発熱素子は、軸線方向に延びる一対の棒状の導電部を有しており、この導電部を軸線方向に垂直な断面で見たときの形状が円形状である。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の一態様のヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、折返し部を有するとともに、該折返し部の断面形状が楕円形状であり、該折返し部の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の突起を有し、前記突起の伸びる方向に対して垂直な断面を見たときに、前記突起の先端の形状が滑らかな曲線形状である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】ヒータの一例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すヒータをＡ−Ａ´線で切った断面で見た横断面図である。
【図３】別の例のヒータを示す横断面図である。
【図４】別の例のヒータを示す縦断面図である。
【図５】別の例のヒータを示す縦断面図である。
【図６】グロープラグの実施形態の一例を示す縦断面図である。
【図７】別の例のヒータを示す横断面図である。
【図８】別の例のヒータのうち発熱抵抗体の表面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、ＭｏＳｉＯ２またはＷＳｉ２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。
【０００８】
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直線部３２と、これらを連結する折返し部３０とを有している。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。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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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０．１５〜０．８ｍｍ２に設定することができる。
【００１１】
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、一端が発熱抵抗体３の一端に接続され、他端がセラミック体２の後端寄りの側面から導出され、他方のリード４は、一端が発熱抵抗体３の他端に接続され、他端がセラミック体２の後端部から導出されている。
【００１２】
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、例えば、ＷＣを有している。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してもよい。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の抵抗値が低くなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は１５〜４０質量％であってもよい。また、窒化珪素の含有量は２０〜３５質量％としてもよい。
【００１３】
ここで、本実施形態のヒータ１においては、図１に示すように、棒状のセラミック体２と、セラミック体２の内部に設けられた発熱抵抗体３とを備えており、発熱抵抗体３は、折返し部３０を有するとともに、折返し部３０の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の突起３１を有している。突起３１は外側に突出するとともに折返し部３０に沿って折返し部３０の全体に沿って伸びている。これにより、発熱抵抗体３の折返し部３０の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の突起３１を有することによって、線状の突起３１からセラミック体２に熱を分散しやすくすることができる。これにより、発熱抵抗体３に瞬間的にこもる熱の量を減らすことができるので、発熱抵抗体３とセラミック体２との間の熱応力を低減することができる。そのため、発熱抵抗体３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。
【００１４】
また、図２に示すように、突起３１は、折返し部３０の最外周に位置していてもよい。これによりセラミック体２のうちより外周側に熱を分散させやすくすることができるので、発熱抵抗体３に瞬間的にこもる熱の量をさらに減らすことができる。図２に示すヒータ１においては、折返し部３０の断面形状が楕円形状である。折返し部３０は、仮想平面上で折返している。折返し部３０の断面形状は折返し部３０が折り返す仮想平面に対して垂直な方向に長軸を有している。突起３１は楕円形状のうち短軸の延長線上に位置している。
【００１５】
図２においては突起３１の形状は三角形状であるが、これに限られない。突起３１の形状としては、例えば、半円状であってもよいし、半楕円状であってもよく、様々な形を用いることができる。突起３１は、例えば、突き出る方向の長さ（高さ）を５〜３０μｍに設定できる。
【００１６】
また、図３に示すように、突起３１の伸びる方向に対して垂直な断面を見たときに、突起３１の先端の形状が滑らかな曲線形状であってもよい。これにより、セラミック体２に突起３１との接触部分を起点とするクラックが生じるおそれを低減でいる。
【００１７】
また、図４に示すように、発熱抵抗体３は、折返し部３０および折返し部３０と連続した直線部３２を有するとともに、突起３１が直線部３２にまで伸びていてもよい。これにより、発熱抵抗体３からセラミック体２に対してさらに熱を伝えやすくできる。これにより、発熱抵抗体３に熱がこもることをさらに低減できる。
【００１８】
また、突起３１が折返し部３０から直線部３２にまで連続的に形成されていることによって、突起３１の端部が折返し部３０ではなく直線部３２に位置することになる。折返し部３０を有する発熱抵抗体３は、折返し部３０を中心に熱が篭る傾向にあるため、折返し部３０の途中に突起３１の端部が位置してしまうと、突起３１の端部において大きな熱応力の集中が生じるおそれがある。図４に示すように、突起３１の端部を直線部３２に位置させておくことによって、突起３１の端部において大きな熱応力の集中が生じるおそれを低減できる。
【００１９】
また、図５に示すように、発熱抵抗体３は、折返し部３０の内周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の第２突起３３を有していてもよい。これにより、発熱抵抗体３からセラミック体２に対してさらに熱を伝えやすくすることができる。第２突起３３の形状としては、例えば、半円状であってもよいし、半楕円状であってもよく、様々な形を用いることができる。第２突起３３は、例えば、突き出る方向の長さ（高さ）を５〜３０μｍに設定できる。第２突起３３の伸びる方向に対して垂直な断面を見たときに、第２突起３３の先端の形状が滑らかな曲線形状であってもよい。これにより、セラミック体２に第２突起３３との接触部分を起点とするクラックが生じるおそれを低減でいる。
【００２０】
図６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、耐久性が向上している。
【００２１】
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）合金を有する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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を有している。ヒータ１は、例えば、上記構成の発熱抵抗体３、リード４およびセラミック体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。
【００２６】
また、図７に示すように、棒状のセラミック体２と、セラミック体３の内部に設けられた発熱抵抗体３とを備えており、発熱抵抗体３は、折返し部３０を有するとともに、折返し部３０の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の段差部３４を有していてもよい。これにより、発熱抵抗体３の折返し部３０の外周に折返す方向の全体にわたって伸びる線状の段差部３４を有することによって、線状の段差部３４からセラミック体２に熱を分散しやすくすることができる。これにより、発熱抵抗体３に瞬間的にこもる熱の量を減らすことができるので、発熱抵抗体３とセラミック体２との間の熱応力を低減することができる。そのため、発熱抵抗体３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。
【００２７】
また、図７に示すように、段差部３４は、折返し部３０の最外周に位置していてもよい。これにより、セラミック体２のうちより外周側に熱を分散させやすくすることができるので、発熱抵抗体３に瞬間的にこもる熱の量をさらに減らすことができる。
【００２８】
また、発熱抵抗体３は、折返し部３０の内周に折り返す方向の全体にわたって伸びる線状の第２段差部３５を有していてもよい。これにより、発熱抵抗体３からセラミック体２に対してさらに熱を伝えやすくできるので、発熱抵抗体３に熱がこもることをさらに低減できる。
【００２９】
また、図８に示すように、発熱抵抗体３は、内周と外周とを跨るように伸びる線状の第３突起３６をさらに有していてもよい。なお、図８においては、第３突起３６に着目していることから、突起３１または段差部３４は省略している。第３突起３６が設けられていることによって、発熱抵抗体３からセラミック体２に対してさらに熱を伝えやすくすることができる。
【００３０】
図８において、第３突起３６は折返し部３０の折返す方向に対して斜めに伸びている。これにより、セラミック体２のより広範囲において内周側から外周側に熱を分散させやすくすることができるので、急速昇温時に発熱抵抗体３に瞬間的にこもる熱の量をさらに減らすことができる。なお、第３突起３６は、折返す方向に対して斜めに伸びていてもよいし、折り返す方向に対して垂直な方向に伸びていてもよい。折り返す方向に対して垂直な方向に伸びる場合には、第３突起３６が折返し部３０の全周にわたって設けられていてもよい。言い換えると、第３突起３６が環状になって、折返し部３０の全周にわたっていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３０：折返し部
３１：突起
３２：直線部
３３：第２突起
３４：段差部
３５：第２段差部
３６：第三突起
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
【図１】
0006725653.tif 000002
【図２】
0006725653.tif 000003
【図３】
0006725653.tif 000004
【図４】
0006725653.tif 000005
【図５】
0006725653.tif 000006
【図６】
0006725653.tif 000007
【図７】
0006725653.tif 000008
【図８】
0006725653.tif 000009