(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性セラミック部材からなる基体と、前記基体内に埋設又は前記基体表面に配置される発熱体と、一対の電極線とを備え、両電極線は発熱体に個別に接続されるセラミックヒータの製造方法において、
前記電極線の周囲面には浸炭処理による浸炭層が形成され、該電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項２】
電気絶縁性セラミック部材からなる基体と、前記基体内に埋設又は前記基体表面に配置される発熱体と、一対の電極線とを備え、両電極線は発熱体に個別に接続されるセラミックヒータの製造方法において、
前記電極線は少なくともカーボンを含有する潤滑剤を用いて引き抜き細径化加工をされたものであり、該電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項３】
電気絶縁性セラミック部材からなる基体と、前記基体内に埋設又は前記基体表面に配置される発熱体と、一対の電極線とを備え、両電極線は発熱体に個別に接続されるセラミックヒータの製造方法において、前記電極線の高温になる前記発熱体との接続部分の表面にはＲｈ，Ｒｕ，Ｉｒから選ばれる１種以上の高融点貴金属の層が形成され、該電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はセラミックヒータの製造方法に関し、例えば、ディーゼルエンジンのセラミックグロープラグ等に用いられるセラミックヒータの製造方法に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
導電性セラミック部材又は高融点金属部材を含む電気抵抗体からなる発熱体を窒化珪素質電気絶縁性セラミック部材からなる棒状の基体内に埋設又は基体表面に配置し、発熱体の両端にその先端が個別に接続される一対の高融点金属部材からなる電極線を基体に埋設したセラミックヒータは、焼成時に電極線とセラミックの境界部で反応が進み、焼成後に基体と電極線に比べて熱膨張係数が大きく、厚い反応生成物層が形成される。そして、使用時の高温環境及び冷熱繰り返しを受けることにより、この反応生成物層にはその熱膨張係数差によりクラックが発生し、そのクラックがセラミックヒータの表面まで進展し、クラックを通して酸素が供給され断線等の不具合に至ることが知られている。その解決のため特開平１−１５７０８４号公報には抵抗線の表面に、抵抗線の構成金属元素と同一金属元素の金属粉末またはその窒化物、炭化物、珪化物、珪化炭化物などの非酸化物セラミック粉末をペースト状にして被着し、窒化珪素質粉末の成形体中に埋設してホットプレス焼成することにより、反応生成物層の形成を抑制する方法が提案されている。
【０００３】
上記方法においては、高融点金属線の表面にペーストを均一にかつ全面に塗布することは難しく、さらに、成形体中に埋設するための電極線の搬送時および成形時の圧力等により塗布層が剥離を起こす場合がある。その結果焼成時に塗布層の剥離部分で反応生成物層が形成され、信頼性が劣るものがある。また、剥離の発生を防ぐため、製造にあたって細心の注意が必要とされ、生産性が悪くなるという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、窒化珪素質等の電気絶縁性セラミック部材に埋設された電極線とセラミックの焼成時の反応を容易に抑制できる構成とし、信頼性が高く、かつ、生産性の良いセラミックヒータの製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１は、電気絶縁性セラミック部材（代表的には窒化珪素質電気絶縁性セラミック部材）からなる基体と、基体内に埋設又は基体表面に配置される発熱体と、一対の電極線とを備え、両電極線は発熱体に個別に接続されるセラミックヒータの製造方法において、電極線の周囲面に浸炭処理による浸炭層を形成した後、電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成する製造方法を採用するものである。
【０００６】
また請求項２は、電極線の引き抜き細径化加工を行う時に少なくともカーボンを含有する潤滑剤を用いて電極線の周囲面に潤滑剤よりなる層を形成し、該電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成する製造方法を採用するものである。
また請求項３は、電極線の周囲面にＲｈ，Ｒｕ，Ｉｒから選ばれる１種以上の高融点貴金属の層を形成し、該電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設し、焼成する製造方法を採用するものである。
【０００７】
【作用および効果】
第１の発明の浸炭処理による浸炭層は電極線と強固な一体構造となっており、電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設する時にも剥離等の配慮が不要になり生産性が非常に良くなる。さらに、浸炭層では浸炭処理時および焼成時にタングステンなどの電極材料とカーボンの化合物が形成され、焼成時の雰囲気下において、電極線とセラミックの反応に対する保護層の役割を確実に果たす。その結果、焼成時に電極線とセラミックの境界部での反応生成物の形成が大幅に抑制され、電極線の周囲面における反応生成物の形成量は極めて僅かになり、高い信頼性が得られる。
【０００８】
第２の発明の潤滑剤よりなる層は電極線に固着しており、電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設する時にも剥離等は起こらず生産性が非常に良くなる。さらに、焼成時の昇温過程で、潤滑剤は炭化し、生成したカーボンはタングステンなどの電極材料と化合物を形成し、焼成時の雰囲気下において、電極線とセラミックの反応に対する保護層の役割を確実に果たす。その結果、焼成時に電極線とセラミックの境界部での反応生成物の形成が大幅に抑制され、電極線の周囲面における反応生成物の形成量は極めて僅かになり、高い信頼性が得られる。
【０００９】
第３の発明のごとく、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒから選ばれる１種以上の高融点貴金属の層は電極線に固着しており、電極線をセラミックヒータの成形体中に埋設する時にも剥離等は起こらず生産性が非常に良くなる。さらに、上記層は焼成時の雰囲気下において、電極線とセラミックの反応に対する保護層の役割を確実に果たす。その結果、焼成時に電極線とセラミックの境界部での反応生成物の形成が大幅に抑制され、電極線の周囲面における反応生成物の形成量は極めて僅かになり、高い信頼性が得られる。
【００１０】
以上、第１の発明または第２の発明または第３の発明を採用することにより、生産性が良く、信頼性の高いセラミックヒータを提供することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を具体的実施例により説明する。
（実施例１）
図１は第１の発明のセラミックヒータ１の実施例を示した断面図である。
このセラミックヒータ１は、丸棒状の基体３と、基体３の先端部に埋設されるＵ字状の発熱体２と、基体３の基端部及び中央部に埋設される電極線４，５とからなる。
【００１２】
基体３は、Ｓｉ3 Ｎ4 からなる絶縁性セラミック粉末に、ＭｏＳｉ2 からなる導電性セラミック粉末を少量分散させた断面円形の絶縁性セラミック焼結体からなる。
発熱体２は、ＭｏＳｉ2 からなる導電性セラミック粉末と、Ｓｉ3 Ｎ4 からなる絶縁性セラミック粉末とを含む断面略半円形の導電性セラミック焼結体である。
【００１３】
電極線４，５の基端部は基体３の外周に露出して部分円筒面４ｂ，５ｂとなっており、それらの先端部は発熱体２に接続され、電気的に導通されている。電極線４，５は、高融点金属であるタングステン、モリブデンまたはその合金からなるが、ここでは断面円形のタングステン線とされている。部分円筒面４ｂ，５ｂの曲率半径は基体３の半径に等しくされている。
【００１４】
本実施例において重要な点は、電極線４，５の表面に浸炭処理による浸炭層４ａ，５ａが形成されている点にある。
以下、本発明の作用効果を表わす試験結果を説明する。ただし、発熱体２は小粒径の二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）３０重量％と大粒径の窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）７０重量％の合計１００重量％に対して焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 １０重量％とし、基体３は小粒径の二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）３０重量％と小粒径の窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）７０重量％の合計１００重量％に対して焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 １０重量％とし、基体３の直径は３．５mm、長さは４５mmとされ、発熱体２は半径が１．２mmの半円形とされ、電極線４，５の直径は０．４mmとされている。電極線４，５は、電極線をカーボン粉末に埋設し、非酸化雰囲気で９００℃に放置して浸炭処理を行い、浸炭厚さは高温での放置時間の長さにより調整した。
【００１５】
前記発熱体材料、支持体材料は、各々、エタノールを溶剤としてボールミルにて２４時間混合したのち、可塑剤、結合剤を添加し、更に混練を行った後、一対のタングステン線をセットした型内にＵ字状に発熱体を射出成型し、その後、タングステン線と発熱体が一体となったものの全周部に支持体を射出成型することによりセラミックヒータの成型体を作る。焼成は、アルゴン雰囲気１気圧で、加圧力は５００kgf ／cm2 とし、焼成温度は１７００℃で実施した。
【００１６】
そして、このセラミックヒータに図示しない電力供給用のリード線を部分円筒面４ｂ，５ｂにロウ付けで接合し、通電発熱できるようにした。
試験は、電極線４，５に大きな熱応力が発生しやすいよう冷熱試験を行った。条件は、高温条件として、前記セラミックヒータの通電がＯＮ（ヒータの最高温度は１３００℃）の状態で１分、低温条件として、前記セラミックヒータの通電がＯＦＦでファンによる強制冷却（ヒータ温度は５０℃以下まで冷却）の状態で１分実施するサイクルを、２００００サイクル実施した。
【００１７】
この後、基体３表面のクラックの有無を調査した。その結果を表１に示す。さらに、表１には各試験品の反応生成層（分析によるとタングステン内にＳｉの侵入が認められる）の厚さも記してある。
浸炭処理を施さないものは、反応生成層厚さが５０ミクロンあり、４本中３本にクラックが発生し、浸炭層厚さ１ミクロンのものは、反応生成層厚さが３０ミクロンあり、４本中１本にクラックが発生した。しかし、浸炭層厚さ２ミクロン以上のものは、反応生成層厚さも最大２０ミクロンと小さく、クラックの発生もない。従って、表１の結果より浸炭層厚さを２ミクロン以上とすることにより、信頼性が大幅に向上することが分かる。なお、浸炭層厚さは、タングステン内に珪素（Ｓｉ）の侵入している部分の厚さを表わし、９０°間隔で４ヶ所の厚さを測定し、その平均値をもって浸炭層厚さとした。
【００１８】
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（実施例２）
第２の発明は電極線にカーボンを含有する潤滑剤の表面層を形成したものであり、その他の部分の構成は第１の発明と同じである。潤滑剤の表面層の形成方法を以下に記す。タングステンの電極線は焼結等によりインゴットがつくられ、鍛造によりφ２０〜３０mmの丸棒が作られ、その後、引抜き細径化加工を繰り返すことによりφ０．４mmの電極線が作られる。そして、表面層を形成するため、細径化加工毎にカーボンの微粉を潤滑剤として用いる。その結果、カーボンの微粉がタングステン線の表面に強固に固着した表面層となる。
【００１９】
第２の発明品についても第１の発明品と同じ試験を行った。その結果を表２に示す。
表２より、第２の発明品は反応生成層の厚さが１５ミクロンと小さく、クラックの発生も無く、信頼性が大幅に向上することが分かる。
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（実施例３）
第３の発明は電極線に高融点貴金属であるＲｈ，Ｒｕ，Ｉｒのメッキ層を形成したものであり、その他の部分の構成は第１の発明と同じである。
【００２０】
第３の発明品についても第１の発明品と同じ試験を行った。その結果を表３に示す。
メッキ無品は、反応生成層の厚さが５０ミクロンあり、４本中３本にクラックが発生し、Ｒｕメッキを施したものはクラックの発生がなく、メッキ厚さを厚くするほど反応生成層厚さも小さくなる。又、Ｒｈメッキ、Ｉｒメッキについても試験したが同様な効果が得られた。以上、表２の結果より高融点貴金属のメッキを施すことにより、信頼性が大幅に向上することが分かる。
【００２１】
第３の発明については高融点貴金属の表面層をスパッタリングで形成したものでも評価したが良好な結果となった。従って、タングステンに高融点貴金属の表面層が形成されていれば、反応生成層の形成が抑制され、信頼性の高いものになることが分かる。
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以上、第１の発明、第２の発明、第３の発明について述べたが、次に、本発明品が、非酸化物セラミック粉末をペースト状にして電極線に被着した従来技術品に比べて優れている試験結果について説明する。本発明品として、浸炭層厚さ５ミクロン品を、従来技術品として、ＷＣ粉末をペースト状にして電極線に被着したものでヒータを製造し、前述の評価を実施した。その結果を表４に示す。
【００２２】
本発明品は、反応生成層厚さは最大１５ミクロンであり、１００本中クラック発生が認められなかったのに対して、従来技術品は、反応生成層厚さが本発明品と同じ１５ミクロンであるが、１００本中５本にクラックが発生した。そこで、クラックの発生した試料を分解調査した結果、クラックの発生した内部の電極線からはＷＣが検出されない部分があり、かつ、その部分には５０ミクロン近い反応生成層が形成されていた。従って、本発明の方法によれば、信頼性と生産性が大幅に向上することが分かる。
【００２３】
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本発明のように信頼性と生産性に優れるセラミックヒータは、グロープラグの発熱部、酸素センサのヒータ等高耐熱性が要求される部分への適用が特に有効である。また、第１の発明、第２の発明、第３の発明の表面層はタングステン線の全面に形成してもよく、高温になる部分のみに形成してもよい。また、電気絶縁性セラミック部材からなる基体の形状は、棒状であっても、それ以外の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であるセラミックヒータの断面図である。
【符号の説明】
１…セラミックヒータ
２…発熱体
３…基体
４…電極線
５…電極線
【図１】
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