特許 6027293 セラミックヒータおよびそれを備える点火装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6027293

(24)【登録日】2016年10月21日

(45)【発行日】2016年11月16日

(54)【発明の名称】セラミックヒータおよびそれを備える点火装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/02 20060101AFI20161107BHJP

   H05B 3/18 20060101ALI20161107BHJP

   H05B 3/14 20060101ALI20161107BHJP

   F23Q 7/00 20060101ALI20161107BHJP

【ＦＩ】

   H05B3/02 A

   H05B3/18

   H05B3/14 B

   F23Q7/00 V

【請求項の数】8

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-523479(P2016-523479)

(86)(22)【出願日】2015年5月25日

(86)【国際出願番号】JP2015064851

(87)【国際公開番号】WO2015182535

(87)【国際公開日】20151203

【審査請求日】2016年1月9日

(31)【優先権主張番号】特願2014-109198(P2014-109198)

(32)【優先日】2014年5月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】井筒 祥二

【審査官】 長浜 義憲

(56)【参考文献】

【文献】 実開平４−２９１９２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平３−１４９７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−４２６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１８２７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３５８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−２７２０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１０５３２７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｂ ３／０２

Ｈ０５Ｂ ３／１４

Ｈ０５Ｂ ３／１８

Ｆ２３Ｑ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミック体と、該セラミック体に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック体に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に接続された帯状のリードとを有し、
前記リードは、前記発熱抵抗体との接続部において前記発熱抵抗体の端部を覆う第１部分と、前記端部の両側に張り出した第２部分とを有しており、前記第１部分の厚みに比べて前記第２部分の厚みが薄くなっているセラミックヒータ。

【請求項2】

前記リードと前記発熱抵抗体との接続部において、前記第２部分の厚みが外側に向かって薄くなっている請求項１に記載のセラミックヒータ。

【請求項3】

前記第１部分の端部における厚みに比べて前記第２部分の張り出す長さが大きい請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ。

【請求項4】

前記セラミック体が複数のセラミック層の積層体から成る請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミックヒータ。

【請求項5】

前記発熱抵抗体と前記リードとが隣り合う２つの前記セラミック層の層間に設けられている請求項４に記載のセラミックヒータ。

【請求項6】

前記発熱抵抗体と前記第２部分とが前記２つのセラミック層のうち一方のセラミック層の１つの面に接している請求項５に記載のセラミックヒータ。

【請求項7】

前記発熱抵抗体と前記第２部分とが前記１つの面上において連続している請求項６に記載のセラミックヒータ。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセラミックヒータと、該セラミックヒータのうち前記セラミック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、セラミックヒータおよびそれを備える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あるいは燃料の予備加熱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が挙げられる。

【0003】

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、このセラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、この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に開示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と発熱抵抗体との接続部において、給電線および発熱抵抗体に熱応力が生じることによって、クラックが生じる場合があった。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】

セラミックヒータは、セラミック体と、該セラミック体に埋設された帯状の発熱抵抗体と、前記セラミック体に埋設されて前記発熱抵抗体の端部に接続された帯状のリードとを有し、前記リードは、前記発熱抵抗体との接続部において前記発熱抵抗体の端部を覆う第１部分と、前記端部の両側に張り出した第２部分とを有しており前記第１部分の厚みに比べて前記第２部分の厚みが薄くなっている。

【0006】

点火装置は、上記セラミックヒータと、該セラミックヒータのうち前記セラミック体に気体燃料を流す流路とを備えている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】セラミックヒータを示す縦断面図である。

【図2】図１に示すセラミックヒータをＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。

【図3】図２に示すセラミックヒータのうち抵抗体およびリードを示す拡大図である。

【図4】図１に示すセラミック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】

【0008】

以下、セラミックヒータ１０について図面を参照して説明する。

【0009】

図１に示すように、セラミックヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に設けられて発熱抵抗体２に接続されたリード３とを備えている。このようなセラミックヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグあるいは燃料の予備加熱用に、またはガスレンジの着火用等に用いることができる。

【0010】

セラミック体１は、内部にリード３および発熱抵抗体２が埋設された部材である。セラミック体１の内部にリード３および発熱抵抗体２を設けることによって、リード３および発熱抵抗体２の耐久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（これらを合わせて柱状ともいえる）の部材である。セラミック体１は、例えば、複数のセラミック層１１が積層されてなる。以下の例では、セラミック体１が複数のセラミック層１１の積層体からなるセラミックヒータ１０を説明するが、これに限られない。すなわち、セラミック体１は一体的に形成されていてもよい。セラミック体１を一体的に形成する方法としては、例えば、射出成型等が挙げられる。

【0011】

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。

【0012】

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Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２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体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス法を用いることができる。

【0013】

セラミック体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、セラミック体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、セラミック体１の断面は、例えば厚さが１〜６ｍｍ、幅が２〜４０ｍｍの四角形に設定される。

【0014】

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帯状の部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１の隣り合う２つのセラミック層１１の層間に埋設されている。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、セラミックヒータ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燃料噴射装置に供給される軽油等が挙げられる。

【0015】

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、２つの平行な直線部分２１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２１を折り返して繋ぐ連結部分２２とを有している。発熱抵抗体２はセラミック体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端（連結部分２２のうち最も先端側の部分）から発熱抵抗体２の後端（直線部分２１の後端）までの長さは、例えば発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１５ｍｍに設定される。

【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の熱膨張率とを近付けることができる。

【0017】

リード３は、セラミック体１に埋設されて一端がセラミック体１の側面に引き出された帯状の部材である。リード３は、隣り合う２つのセラミック層１１の層間に位置している。リード３は発熱抵抗体２に電気的に接続されている。リード３は発熱抵抗体２と外部の電源とを電気的に接続するために用いられる。

【0018】

リード３は、発熱抵抗体２の２つの直線部分２１のそれぞれに対応して、セラミック体１の長さ方向に沿って２本設けられており、セラミック体１の後端側で折り曲げられてセラミック体１の側面に引き出されている。リード３は、セラミック体１の後端側において９０°に曲げられて、セラミック体１の側面に引き出されている。

【0019】

リード３は、例えばＷまたはＭｏ等の耐熱性に優れた金属材料が用いられる。特に、熱膨張率の観点から発熱抵抗体２と同じ炭化タングステンを用いることが好ましい。リード３は、例えば、幅が１〜２０ｍｍ、発熱抵抗体２の長さ方向に沿った部分の長さが１０〜８０ｍｍ、セラミック体１の側面に引き出されるために、発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な方向に延びた部分の長さが２〜３０ｍｍ、厚みが１０〜５０μｍ程度に設定される。

【0020】

図２は、図１に示すセラミックヒータ１０のうち、発熱抵抗体２とリード３との接続部を通るＡ−Ａ'線で切断した横断面図である。図２は、発熱抵抗体２の主面に垂直な断面を示している。なお、図２においては、複数のセラミック層１１の境界の一部を点線で示している。また、図３は、図２における抵抗体２およびリード３の拡大図である。図２および図３に示す通り、リード３は、発熱抵抗体２の端部を覆う第１部分３１と、端部の両側に張り出している第２部分３２とを有している。このように、リード３が発熱抵抗体２の端部を覆って端部の両側に張り出していることによって、リード３と発熱抵抗体２との境界が平面状でなくなるので、リード３と発熱抵抗体２との境界にクラックが進行しにくくすることができる。特に、リード３と発熱抵抗体２とが重なっている部分（第１部分３１）の端部におけるリード３の厚みＴ（図３において破線で示している）よりも張り出している部分（第２部分３２）の張り出す長さＷが大きいことが好ましい。これにより、リード３の端部を発熱抵抗体２よりも十分に遠ざけることができるので、第２部分３２の端部にクラックが生じたときに、リード３と発熱抵抗体２との間にクラックが進行するおそれを低減できる。特に、第２部分３２の張り出す長さＷを、第１部分３１の端部におけるリード３の厚みＴの２倍以上にしてもよい。これにより、第２部分３２をセラミック体１中に薄く広げることができる。その結果、第２部分３２が熱膨張したときに、セラミック体１に生じる熱応力を低減できる。

【0021】

さらに、リード３のうち発熱抵抗体２に重なっている部分（第１部分３１）の厚みに比べて張り出している部分（第２部分３２）の厚みが薄くなっている。これにより、発熱抵抗体２に熱応力が生じた場合に、張り出している部分に熱応力を集中しやすくすることができる。

【0022】

そのため、リード３のうち発熱抵抗体２に重なっている部分（第１部分３１）にクラックが生じる可能性を低減できる。これらの結果、セラミックヒータ１０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できる。リード３の厚みは、例えば、第１部分３１の厚みを５〜５０μｍに、第２部分３２の厚みを０．５〜１０μｍに設定できる。

【0023】

第１部分３１の厚みと第２部分３２の厚みとの比較は、例えば、第１部分３１の平均の厚みと第２部分３２の平均の厚みとを比較することによって行うことができる。第１部分３１および第２部分３２の平均の厚みは、例えば、以下の方法で求めることができる。具体的には、第１部分３１および第２部分３２に、第１部分３１および第２部分３２を幅方向に４等分する３本の仮想線を引く。そして、第１部分３１および第２部分３２において、この３本の仮想線が引かれた位置の厚みのそれぞれの平均値を求める。このそれぞれの平均値を第１部分３１の平均の厚みおよび第２部分３２の平均の厚みと見なすことができる。

【0024】

また、図２および図３に示すように、リード３と発熱抵抗体２との接続部において、第２部分３２の厚みが外側に向かって薄くなっていることが好ましい。このように、第２部分３２が外側に向かって薄くなっていることによって、第２部分３２の中でも特に先端付近に熱応力が集中しやすくなる。これにより、リード３に熱応力が生じたとしても、リード３のうち発熱抵抗体２と第１部分３１から遠のいた位置においてクラックを生じさせることができる。そのため、リード３と発熱抵抗体２との接続信頼性が低下するおそれを低減できる。

【0025】

さらに、図２および図３に示すように、発熱抵抗体２とリード３とが隣り合う２つのセラミック層１１の層間に設けられていてもよい。これにより、セラミック体１に生じるクラックを低減できる。セラミック体１においては、特に、セラミック層１１の層間において応力が集中しやすい。このような、セラミック層１１の層間に、上述のように第２部分３２に応力を集中させることができる発熱抵抗体２とリード３とを設けることによって、セラミック層１１の層間に生じた応力を第２部分３２で吸収できる。そのため、セラミック層１１の層間から、セラミック体１にクラックが生じてしまうことを低減できる。

【0026】

また、リード３と発熱抵抗体２との接続部において、発熱抵抗体２と第２部分３２とが２つのセラミック層１１のうち一方のセラミック層１１の１つの面に接していてもよい。これにより、発熱抵抗体２と第２部分３２とが同じ面に接していることによって、セラミック体１に熱応力が発生したときに、発熱抵抗体２とリード３の両方で力を吸収できる。言い換えると、発熱抵抗体２にのみに力が加わったり、リード３にのみ力が加わったりすることを低減できる。そのため、例えば、発熱抵抗体２とリード３との界面にクラックが発生してしまうことを低減できる。

【0027】

さらに、発熱抵抗体２と第２部分３２とが１つの面上で連続していてもよい。ここでいう「１つの面上で連続」とは、発熱抵抗体２とリード３とを通る断面を見たときに、隣り合う２つのセラミック層１１のうち一方のセラミック層１１の１つの面上で発熱抵抗体２とリード３とが接しているという意味である。これにより、発熱抵抗体２と第２部分３２との界面において、クラックの起点となる隙間を減らすことができるので、発熱抵抗体２とリード３との界面にクラックが発生してしまうことを低減できる。

【0028】

さらに、図２および図３に示すように、リード３の第２部分３２のうち、一方の主面が発熱抵抗体２と共に隣り合う２つのセラミック層１１のうち一方のセラミック層１１の１つの面に接しているとともに、他方の主面が内側に凹む弧状になっていてもよい。これにより、第２部分３２の先端部分にさらに応力を集中させやすくすることができる。その結果、第２部分３２に熱応力が生じたとしても、リード３のうち第１部分３１から遠のいた位置においてクラックを生じさせることができる。そのため、リード３と発熱抵抗体２との接続の信頼性を向上させることができる。

【0029】

さらに、リード３と発熱抵抗体２とが金属材料および金属材料中に混合されたセラミック材料から成っていてもよい。このような金属材料としては、ＷＣ等が挙げられる。また、セラミック材料としてはＳｉ_３Ｎ_４またはＢＮ等が挙げられる。このとき、第２部分３２におけるセラミック材料の含有量を、第１部分３１におけるセラミック材料の含有量よりも多くしてもよい。これにより、リード３の全体に応力が加わった際に第１部分３１よりも第２部分３２にクラックを生じやすくできる。これは、第２部分３２において、第１部分３１よりも金属材料の割合を減らして、セラミック材料の割合を増やすことによって、第２部分３２が第１部分３１よりも弾性変形しにくくなるためである。第１部分３１と第２部分３２の組成を変えるための方法としては、例えば、第１部分３１と第２部分３２とを別々のグリーンシートによって形成する方法が挙げられる。

【0030】

さらに、発熱抵抗体２の熱膨張係数をリード３の熱膨張係数よりも小さくなるようにしてもよい。これにより、焼成後に、リード３が発熱抵抗体２を挟みこむように残留応力が残る。そのため、発熱抵抗体２とリード３との間で剥がれが生じることを低減できる。なお、発熱抵抗体２の熱膨張係数をリード３の熱膨張係数よりも小さくするためには、例えば、以下の方法を用いることができる。具体的には、リード３と発熱抵抗体２の主成分をＷＣとして、副成分として熱膨張係数がＷＣよりも小さいＳｉ_３Ｎ_４を添加する。このとき、発熱抵抗体２に添加するＳｉ_３Ｎ_４の量をリード３に添加するＳｉ_３Ｎ_４の量よりも多くすることによって、発熱抵抗体２の熱膨張係数をリード３の熱膨張係数よりも小さくできる。

【0031】

上記のセラミックヒータ１０は、例えばホットプレス法を用いて作製できる。具体的には、まず、セラミック層１１の一部となるグリーンシートに対して、発熱抵抗体２およびリード３となるペーストを積層する。このとき、リード３の第２部分３２が発熱抵抗体２の両側に張り出すようにするために、リード３のうち第２部分３２となる部位に対して、微小な圧力を加えて、第２部分３２となる部位とグリーンペーストとを密着させる。その後、別のグリーンシートを発熱抵抗体２およびリード３を挟むようにして、上述のグリーンシートに積層して積層体を得る。その後、この積層体をホットプレス法を用いて焼成することによって、セラミックヒータ１０を作成できる。

【0032】

セラミックヒータ１０は、例えば、図４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、セラミックヒータ１０とセラミックヒータ１０に気体燃料を流す流路２０とによって構成される。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からセラミックヒータ１０に向かって噴出する。そして、噴出された気体燃料をヒータ１０を用いて加熱することによって、気体燃料を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ているセラミックヒータ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】

【0033】

１：セラミック体
１１：セラミック層
２：発熱抵抗体
２１：直線部分
２２：連結部分
３：リード
３１：第１部分
３２：第２部分
１０：セラミックヒータ
１００：点火装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】