処理中

しばらくお待ちください...

PATENTSCOPE は、メンテナンスのため次の日時に数時間サービスを休止します。サービス休止: 火曜日 26.10.2021 (12:00 午後 CEST)
設定

設定

出願の表示

1. WO2018199229 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

Document

明 細 書

発明の名称 ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

技術分野

0001  

背景技術

0002  

発明の概要

0003  

発明の効果

0004  

図面の簡単な説明

0005  

発明を実施するための形態

0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029  

符号の説明

0030  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

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]
 セラミックヒータとして、例えば、特開2012-99373号公報(以下、特許文献1という)に開示のセラミックヒータが知られている。特許文献1に開示されたセラミックヒータは、絶縁性セラミックを有する丸棒状の基体と、その内部に埋設された発熱素子とを備えている。また、発熱素子は、対向する2つのリード部と、2つのリード部を繋ぐU字状の発熱部とを有している。

発明の概要

[0003]
 本開示のヒータは、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、第1直線部と、該第1直線部に対向する第2直線部と、頂部を有し前記第1直線部および前記第2直線部を繋ぐ弧状部とを有するとともに、前記頂部を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第1断面を見たときに、前記弧状部は、長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が前記第1直線部および前記第2直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。

発明の効果

[0004]
 本開示のヒータによれば、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

[0005]
[図1] 本開示のヒータの一例を示す断面図である。
[図2] (a)は図1に示すヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における断面図である。
[図3] (a)および(b)は、それぞれ別の例のヒータにおける弧状部の頂部の断面図である。
[図4] (a)は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、(b)は(a)に示すY-Y線における断面図である。
[図5] (a)は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における断面図であり、(c)は(a)に示すY-Y線における断面図である。
[図6] (a)は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における断面図であり、(c)は(a)に示すY-Y線における断面図である。
[図7] (a)は別の例のヒータの発熱抵抗体の近傍を拡大した拡大断面図であり、(b)は(a)に示すX-X線における断面図であり、(c)は(a)に示すY-Y線における断面図である。
[図8] 本開示のヒータを備えた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]
 本開示のヒータ10の一例について、図面を用いて詳細に説明する。
[0007]
 図1は、開示の一例であるヒータ10を示す断面図である。図1に示すように、ヒータ10は、棒状のセラミック体1と、発熱抵抗体2とを備えている。
[0008]
 セラミック体1は、発熱抵抗体2を保護するための部材である。セラミック体1は、例えば円柱状または角柱状などの棒状である。また、セラミック体1は、先端側が丸みを帯びた形状であってもよい。なお、ここでいう先端側とは、セラミック体1を長手方向で半分に分けたときの一方を意味しており、セラミック体1のうち先端側の端部を先端とする。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のセラミックスを有する。これにより、急速昇温時の信頼性が高いヒータ10を提供することができる。
[0009]
 特に、セラミック体1は、窒化珪素質セラミックスから形成されているとよい。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を有するセラミック体1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Y ,Yb ,Er 等の希土類元素酸化物、0.5~3質量%のAl 、さらに焼結体に含まれるSiO 量として1.5~5質量%となるようにSiO 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。セラミック体1の寸法は、例えば長さを20~50mmにすることができる。また、セラミック体1が円柱状のときは、例えば直径を3~5mmにすることができる。
[0010]
 発熱抵抗体2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2は、セラミック体1の内部に設けられている。また、発熱抵抗体2は、例えばセラミック体1の先端側に設けられている。図1に示すように、発熱抵抗体2は、対向する第1直線部211および第2直線部212と、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの一端を結ぶ弧状部22とを有している。第1直線部211および第2直線部212は、第1直線部211および第2直線部212である。弧状部22は頂部を有している。ここで、頂部とは、弧状部22のうちセラミック体1の先端に最も近い部位を意味している。
[0011]
 直線部21および弧状部22は、例えばW、MoまたはTiなどの炭化物、窒化物または珪化物を有するセラミックス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1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1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)が導電性セラミックス材料として優れている。直線部21および弧状部22は、同じ材料から一体に形成されていてもよいし、異なる材料から別々に形成されていてもよい。
[0012]
 発熱抵抗体2の寸法としては、例えば直線部21の長さを0.1~50mmにすることができる。また、弧状部22の内側の長さを0.1~10mmに、外側の長さを0.2~12mmにすることができる。また、発熱抵抗体2の寸法としては、例えば直線部21の断面積を0.01~5mm に、弧状部22の断面積を0.01~5mm にすることができる。また、直線部21は、弧状部22よりも断面積が大きくなっていてもよい。これにより、直線部21の単位長さ当たりの抵抗値を弧状部22よりも低くすることができる。そのため、直線部21における発熱量を抑制することができる。
[0013]
 また、第1直線部211および第2直線部212は、それぞれの他端において、リード3に接続されていてもよい。リード3は一端が直線部21の他端に接続されており、他端がセラミック体1の後端側の側面またはセラミック体1の後端に引き出されている。なお、ここでいう後端側とは、セラミック体1を長手方向で半分に分けたときの他方を意味しており、セラミック体1のうち後端側の端部を後端とする。リード3は、発熱抵抗体2と同様の材料を用いて形成され、例えば、発熱抵抗体2よりも断面積を大きくしたり、セラミック体1の形成材料の含有量を発熱抵抗体2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てもよい。
[0014]
 リード3の材料としては、セラミック体1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、WCを用いることができる。さらに、リード3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るとよい。これにより、リード3の熱膨張率を、セラミック体1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3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%であるとよい。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。
[0015]
 本開示のヒータ10は、弧状部22の頂部において折返し部22の伸びる方向に垂直な断面を見たときに、弧状部22の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるとともに、長軸および短軸が第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。言い換えると、本開示のヒータ10は、頂部を通り弧状部22の軸方向に垂直な第1断面を見たときに、弧状部22が長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している。例えば、図2に示すヒータ10においては、弧状部22の頂部を、弧状部22の伸びる方向に垂直な断面(図2(a)に示すX-X線における断面)で見たときの長軸および短軸が、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面(図2(b)に示すA-A線)に対して傾斜している。
[0016]
 弧状部22の頂部の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるときは、セラミック体1のうち長軸と接する部分は、短軸から最も離れた部分であり、セラミック体1のうち短軸と接する部分は、長軸から最も離れた部分である。そのため、ヒートサイクル下においては、長軸および短軸の近傍部分と比較して、長軸上および短軸上における熱膨張量が大きくなりやすい傾向にある。これにより、セラミック体1のうち長軸および短軸の近傍において、熱応力が生じやすい傾向にある。
[0017]
 本開示のヒータ10によれば、第1断面を見たときに、長軸および短軸が第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していることにより、弧状部22の頂部の長軸および短軸の軸方向を、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。そのため、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面上において、セラミック体1に熱応力が集中するおそれを低減することができる。これにより、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面上において、セラミック体1にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。具体的には、頂部の長軸が、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば0.1~30度程度傾斜しており、頂部の短軸が、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば0.1~30度程度傾斜していればよい。
[0018]
 また、図2(b)に示すように、弧状部22の頂部における断面形状が楕円状であってもよい。これにより、弧状部22の頂部の表面を滑らかにすることができる。そのため、ヒートサイクル化において、セラミック体1のうち頂部の長軸および短軸の近傍に生じる熱応力を分散させることができる。これにより、頂部の長軸および短軸の近傍において、セラミック体1に熱応力が集中するおそれを低減することができる。そのため、頂部の長軸および短軸の近傍において、セラミック体1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10の長期信頼性を向上させることができる。
[0019]
 また、長軸と短軸を有する形状とは、図2(b)に示すような楕円形状に限定されるものではない。例えば、図3(a)に示すように、長軸および短軸のうちどちらかの長さがそれぞれ等しい2つの楕円を、その長さが等しい軸で半分に分割し、それぞれの軸同士を重ねた形状であってもよい。このときは、その半円の軸およびその半円の軸に垂直な軸を、それぞれ長軸または短軸とすることができる。
[0020]
 また、断面形状が、図3(b)に示すように、楕円の一部に凹みがある形状でもよい。このときは、楕円の一部に凹みがある形状に外接する楕円のうち最も面積の小さい楕円の長軸および短軸を、それぞれ長軸および短軸とすることができる。このように、弧状部22の頂部の外周面に凹みがあるときには、セラミック体1のうち、凹みの近傍に生じる熱応力を、凹みを形成する両側部分に分散させることができる。そのため、セラミック体1のうち一部分に熱応力が集中するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。なお、断面形状においては、凹みが複数あってもよい。頂部の断面形状が、楕円の一部に凹みがある形状である場合においては、例えば、凹みが無い楕円形状と比較したときに、楕円の中心に向かって0.05~0.5mm程度凹んでいればよい。
[0021]
 また、図4に示すように、弧状部22の頂部以外の部位において弧状部22の伸びる方向に垂直な断面を見たときに、弧状部22の断面形状が長軸および短軸を有する形状であるとともに長軸および短軸が第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していてもよい。言い換えると、ヒータ10は、弧状部22のうち頂部以外の部位を通り弧状部22の軸方向に垂直な第2断面を見たときに、弧状部が長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜していてもよい。例えば、図4に示すヒータ10においては、弧状部22の頂部以外の部位を、弧状部22の伸びる方向に垂直な断面(図4(a)に示すY-Y線における断面)で見たときの長軸および短軸が、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面(図4(b)に示すA-A線)に対して傾斜している。
[0022]
 これにより、弧状部22の頂部以外の部位における長軸および短軸の軸方向を、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。そのため、ヒートサイクル下において、セラミック体1のうち熱応力が生じやすい部位である長軸および短軸の近傍を、第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面に対してずらすことができる。したがって、セラミック体1のうち第1直線部211および第2直線部212のそれぞれの軸を含む平面上に熱応力が集中するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ10の耐久性をより向上させることができる。具体的には、頂部以外の部位の長軸が、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば0.1~30度程度傾斜しており、頂部以外の部位の短軸が、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば0.1~30度程度傾斜していればよい。
[0023]
 なお、図4(b)においては、理解を助けることを目的として、セラミック体1を省略して、弧状部22の断面図のみを示している。また、後述する図5、図6および図7においても、同様にセラミック体1を省略して、弧状部22の断面図のみを示している。
[0024]
 また、図5に示すように、弧状部22の頂部における短軸の傾斜が、弧状部22の頂部以外の部位における短軸の傾斜よりも大きくてもよい。これにより、弧状部22の頂部の長軸および短軸と、弧状部22の頂部以外の部位の長軸および短軸とが、それぞれの延長線上において、三次元で見たときに交わらなくすることができる。そのため、セラミック体1のうち熱応力が生じやすい部分を分散させることができる。その結果、ヒータ10の耐久性をより向上させることができる。具体的には、頂部の短軸は、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば2~30度程度傾斜しており、頂部以外の部位の短軸は、直線部21のそれぞれの軸を含む平面に対して、例えば0.1~5度程度傾斜していればよい。
[0025]
 また、弧状部22において断面積が一定であってもよい。具体的には、CT等を用いて弧状部22を弧状部22の伸びる方向に垂直に四等分したときのそれぞれの断面を見た場合において、それぞれの断面積と頂部の断面積との差が、頂部の断面積の5%の範囲内であれば、弧状部22の断面積が一定であるとみなすことができる。弧状部22の断面積が一定であることにより、弧状部22の全体において、断面積によって単位長さ当たりの抵抗値が変化するおそれを低減することができる。そのため、弧状部22の全体における発熱量を一定にすることができる。その結果、ヒータ10の均熱性を高めることができる。
[0026]
 また、図6に示すように、弧状部22は、頂部以外の部位よりも頂部において断面積が小さくてもよい。言い換えると、弧状部22は、第2断面よりも第1断面において断面積が小さくてもよい。これにより、弧状部22の全体の断面積が一定である場合と比較して、頂部以外の部位の耐久性を高めつつ、ヒートサイクル下における弧状部22の頂部の熱膨張量を低減することができる。そのため、弧状部22の頂部の近傍において、セラミック体1に生じる熱応力を低減することができる。これにより、弧状部22の頂部の近傍において、セラミック体1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10の耐久性を向上させることができる。この場合においては、弧状部22の頂部の断面積を0.01~2mm に、頂部以外の部位の断面積を0.03~5mm にすることができる。なお、弧状部22は、頂部において最も断面積が小さくなっていてもよいし、頂部付近において連続的に断面積が小さくなっていてもよい。
[0027]
 また、図7に示すように、弧状部22は、頂部以外の部位よりも頂部において断面積が大きくてもよい。言い換えると、弧状部22は、第2断面よりも第1断面において断面積が大きくてもよい。これにより、弧状部22の全体の断面積が一定である場合と比較して、弧状部22全体の発熱量を高めつつ、弧状部22の頂部の耐久性を高めることができる。そのため、ヒートサイクル下において、弧状部22の頂部にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、ヒータ10の耐久性を向上させることができる。この場合においては、弧状部22の頂部の断面積を0.03~5mm に、頂部以外の部位の断面積を0.01~2mm にすることができる。なお、弧状部22は、頂部において最も断面積が大きくなっていてもよいし、頂部付近において連続的に断面積が大きくなっていてもよい。
[0028]
 図8に示すように、グロープラグ100は、上述のヒータ10であって、ヒータ10と、セラミック体1を覆う金属筒4とを備えている。グロープラグ100によれば、上述のヒータ10を使用していることから、ヒータ10の耐久性を向上させることができるため、耐久性を向上させることができる。
[0029]
 なお、金属筒4は、ヒータ10を保持する金属製の筒状体である。金属筒4は、例えばセラミック体1の側面に引き出された一方のリード3にロウ材等で接合されて、電気的に接続される。グロープラグ100は、金属筒4および他方のリード3に外部の電極を接続することによって用いられる。

符号の説明

[0030]
1:セラミック体
2:発熱抵抗体
21:直線部
211:第1直線部
212:第2直線部
22:弧状部
3:リード
4:金属筒
10:ヒータ
100:グロープラグ

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、第1直線部と、該第1直線部に対向する第2直線部と、頂部を有し前記第1直線部および前記第2直線部を繋ぐ弧状部とを有するとともに、
前記頂部を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第1断面を見たときに、
前記弧状部は、長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が前記第1直線部および前記第2直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜しているヒータ。
[請求項2]
 前記弧状部のうち前記頂部以外の部位を通り前記弧状部の軸方向に垂直な第2断面を見たときに、
前記弧状部は、長軸および短軸を有するとともに、長軸および短軸が前記第1直線部および前記第2直線部のそれぞれの軸を含む平面に対して傾斜している請求項1に記載のヒータ。
[請求項3]
 前記第1断面における短軸の傾斜が、前記第2断面における短軸の傾斜よりも大きい請求項2に記載のヒータ。
[請求項4]
 前記弧状部において断面積が一定である請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のヒータ。
[請求項5]
 前記弧状部は、前記第2断面よりも前記第1断面において断面積が小さい請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のヒータ。
[請求項6]
 前記弧状部は、前記第2断面よりも前記第1断面において断面積が大きい請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のヒータ。
[請求項7]
 前記第1断面が楕円状である請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のヒータ。
[請求項8]
 前記頂部の表面に凹みがある請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のヒータ。
[請求項9]
 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載のヒータと、
該ヒータを覆う金属筒とを備えたグロープラグ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]