(57)【要約】  【課題】  セラミックヒータの昇温速度を向上させることができる。  【解決手段】  本発明のセラミックヒータ１０は、セラミック基体１と、セラミック基体１に埋設された発熱体５と、発熱体５に電気的に接続された導出部６と、セラミック基体１にろう材層２を介して接合された金具３とを含み、ろう材層３には空隙４がある。これにより、ろう材層２を介して熱が逃げることを抑制できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱体と、該発熱体に電気的に接続された導出部と、前記セラミック基体にろう材層を介して接合された金具とを含み、前記ろう材層には空隙があることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記ろう材層と前記セラミック基体との境界および前記ろう材層と前記金具との境界の少なくとも一方に面している前記空隙があることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
前記空隙が複数あることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記複数の空隙は大小の大きさが入り混じっていることを特徴とする請求項３に記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記空隙は、前記ろう材層と前記セラミック基体との境界に偏ってあることを特徴とする請求項２乃至請求項４のうちのいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
先端側に発熱部を有するセラミックヒータであって、前記空隙が前記ろう材層の後端側に偏ってあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
前記ろう材層がガラス成分を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載のセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるセラミックヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃焼式車載暖房装置、石油ファンヒータ、自動車エンジンのグロープラグ、酸素センサ等の各種センサまたは測定機器に利用されるヒータとして、例えば、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。特許文献１に記載のセラミックヒータは、棒状のセラミック材と、セラミック材の内部に設けられた発熱体と、セラミック材の外部に設けられており発熱体と電気的に接続されたリードとを備えている。セラミックヒータは、リードを介して金属製パイプに電気的に接続されている。一般的に、リードと金属製パイプとの接続は、リードと金属製とをろう材によって接合することによって行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−５５１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のセラミックヒータにおいては、リードと金属製パイプとをろう材によって接合した場合には、セラミックヒータで発せられた熱が、ろう材を介して外部に逃げてしまう場合があった。その結果、セラミックヒータの昇温速度を向上させることが困難であった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇温速度を向上させたセラミック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】
【０００６】
本発明の一態様のセラミックヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱体と、該発熱体に電気的に接続された導出部と、前記セラミック基体にろう材層を介して接合された金具とを含み、前記ろう材層には空隙があることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様のセラミックヒータによれば、ろう材層に空隙があることによって、ろう材層における熱伝導を抑制することができる。その結果、セラミックヒータで発せられた熱が、ろう材を介して外部に逃げてしまうことを抑制できる。その結果、セラミックヒータの昇温速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のセラミックヒータの一実施形態の断面図である。
【図２】図１に示すセラミックヒータの要部断面図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの変形例１を示す要部断面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータの変形例２を示す要部断面図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの変形例３を示す要部断面図である。
【図６】本発明のセラミックヒータの変形例４を示す要部断面図である。
【図７】本発明のセラミックヒータの変形例５を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係るセラミックヒータ１０について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明のセラミックヒータ１０を示す断面図である。図１に示すように、セラミックヒータ１０は、セラミック基体１と、セラミック基体１に埋設された発熱体５と、発熱体５に電気的に接続された導出部６と、セラミック基体１に接合された金具３とを含んでいる。セラミック基体１と金具３との間にはろう材層２が設けられているとともに、ろう材層２には空隙４が形成されている。
【００１０】
セラミック基体１は、例えば、棒状または板状に形成されたセラミック焼結体からなるものである。セラミック焼結体としては、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が挙げられる。具体的には、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を用いることができる。特に、セラミック基体１が、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。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、高絶縁性および耐高熱性である点で優れている。
【００１１】
窒化珪素質セラミックスからなるセラミック基体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、さらに焼結体に含まれる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。
【００１２】
セラミック基体１の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック基体１の直径は例えば３〜５ｍｍに設定される。
【００１３】
なお、セラミック基体１として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合であって、発熱体５がモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）からなる場合には、セラミック基体１には、ＭｏＳｉ２およびＷＳｉ２等を混合し分散させることが好ましい。これにより、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱体５の熱膨張率に近付けることができ、ヒータの耐久性を向上させることができる。
【００１４】
発熱体５はセラミック基体１に埋設されている。発熱体５は、折返し形状であって、それぞれの端部に導出部６が接続されている。発熱体５は、発熱するための抵抗体であって、電流が流れることによって発熱する。導出部６は、発熱体５と外部の電源とを電気的に接続するための部材であって、一端が発熱体５に接続されるとともに、他端がセラミック基体１の表面に引き出されている。
【００１５】
発熱体５および導出部６には、Ｗ、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ものを使用することができる。さらに、発熱体５は、熱膨張率をセラミック基体１の熱膨張率に近付けるために、セラミック基体１と同じ材料を含んでいてもよい。発熱体５は抵抗値が高く設定されていて、特に折返しの中間点付近で最も発熱するようになっている。一方、導出部６は、セラミック基体１の形成材料の含有量を発熱体５よりも少なくしたり、発熱体５よりも断面積を大きくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が発熱体５よりも低くなっている。
【００１６】
金具３はセラミック基体１を保持するための部材である。金具３は筒状の部材であって、セラミック基体１の端部を囲むように設けられている。言い換えると、金具３の内側にセラミック基体１が挿入されている。金具３は、例えば、ステンレスまたは鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金からなる。
【００１７】
金具３とセラミック基体１とは、ろう材層２によって接合されている。ろう材層２は、セラミック基体１の端部を囲むように設けられている。言い換えると、ろう材層２は、セラミック基体１の端部の全周に設けられている。これにより、金具３とセラミック基体１とが強固に固定されている。
【００１８】
セラミック基体１にろう材層２を設けるためには、ろう付け前にガラス成分をセラミック基体１の内面に焼き付けておけばよい。これにより、良好にろう材層２を設けることができる。なお、金具３を電極として機能させる場合には、ガラス成分にＮｉ等の金属を混ぜておくことによって下地に導電性を与えるとともに、導出部６とこの下地とを電気的に接続すればよい。これにより、導出部６とろう材層２と金具３とを電気的に接続できる。
【００１９】
ろう材層２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スとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいため、ろう材層２とセラミック基体１との接合強度またはろう材層２と金具３との接合強度を向上させることができる。
【００２０】
ろう材層２の厚みは、例えば５０〜１５０μｍに設定できる。ここで、本実施形態のセラミックヒータ１０においては、図２に示すように、ろう材層２は空隙４を有する。空隙４は、ろう材層２にガラス成分を含ませておくことによって形成することができる。具体的には、ろう付けの際の加熱時に、ろう材層２のガラス成分が含んでいる窒素または酸素が発泡することによって空隙４が形成される。言い換えれば、本実施形態における空隙４は、窒素または酸素の発泡によって形成された空孔である。さらに言いかえれば、本実施形態における空隙４は、窒素または酸素を含む気泡である。このように、本実施形態のセラミックヒータ１０は、ろう材層２に空隙４が設けられていることによって、発熱体５で発せられた熱がろう材層２を介して金具３に逃げてしまうことを抑制できる。その結果、セラミックヒータ１０の昇温速度を向上させることができる。
【００２１】
また、図３に示すように、空隙４が、セラミック基体１または金具３に接するように設けられていることが好ましい。これにより、セラミック基体１とろう材層２との間に生じる熱応力または金具３とろう材層２との間に生じる熱応力を低減できる。
【００２２】
空隙４がセラミック基体１または金具３に接するようにするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、ろう付けの前に、セラミック基体１または金具３に、ガラス成分の下地を設けておけばよい。これにより、下地のガラス成分が含んでいる窒素または酸素が、ろう付けの際の加熱時に発泡することによって、空隙４がセラミック基体１または金具３に接するように形成される。
【００２３】
また、図４に示すように、空隙４は、セラミック基体１あるいは金具３に接するように複数設けられていることが好ましい。空隙４が複数あることによって、セラミック基体１とろう材層２との間に生じる熱応力または金具３とろう材層２との間に生じる熱応力をさらに低減できる。
【００２４】
また、図５に示すように、空隙４の大きさは大小入り混じっていることが好ましい。空隙４が小さいものばかりの場合には、空隙４を設けることによって生じるろう材層２における熱伝導の抑制という効果を効果的に得ることが困難になる。反対に、空隙４が大きいものばかりの場合には、セラミック基体１と金具３との接合強度を向上させることが困難になる。空隙４の大きさが大小入り混じったものであることによって、ろう材層２におけ
る熱伝導を効果的に抑制しつつ、セラミック基体１と金具３との接合強度を向上できる。空隙４の大きさとしては、大きいもので例えば０．１〜０．５ｍｍ、小さいもので例えば０．０１ｍｍ程度にすることができる。
【００２５】
また、図６に示すように、空隙４の多くは特にセラミック基体１に接するように設けられていることが好ましい。熱源である発熱体５を内部に有するセラミック基体１により近い場所に空隙４を配置することで、ろう材層２における熱伝導をさらに抑制できる。その結果、セラミックヒータ１０の昇温速度をさらに向上できる。
【００２６】
また、図１に示すように、セラミックヒータ１０の先端側に発熱体５を有する場合には、図７に示すように、空隙４はろう材層２のうちセラミックヒータ１０の後端側に偏って存在していることが好ましい。セラミックヒータ１０の後端側は、金具３の温度がろう材層２の温度と比較して低くなっている場合が多く、金具３とろう材層２との間で熱応力が生じやすい。この後端側において、空隙４を多く設けることによって、耐久性を向上させることができる。
【００２７】
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。
【００２８】
まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む、発熱体５および導出部６となる導電性セラミックペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含むセラミック基体１となる絶縁性セラミックペーストを作製する。
【００２９】
次に、導電性セラミックペーストを用いて、射出成形法等によって発熱体５となる所定パターンの導電性セラミックペーストの成形体（成形体Ａ）を形成する。そして、成形体Ａを金型内に保持した状態で、導電性セラミックペーストを金型内に充填して導出部６となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体Ｂ）を形成する。これにより、成形体Ａとこの成形体Ａに接続された成形体Ｂとが金型内に保持された状態となる。
【００３０】
次に、金型内に成形体Ａおよび成形体Ｂを保持した状態で、金型の一部をセラミック基体１の成形用のものに取り替えた後に、金型内にセラミック基体１となる絶縁性セラミックペーストを充填する。これにより、成形体Ａおよび成形体Ｂが絶縁性セラミックペーストの成形体（成形体Ｃ）で覆われたセラミックヒータの成形体（成形体Ｄ）が得られる。
【００３１】
次に、得られた成形体Ｄを例えば１６５０℃〜１７８０℃の温度で、３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力で焼成することにより、金型の内部に発熱体５、導出部６およびセラミック基体１を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。
【００３２】
次に、セラミック基体１と金具と３の間にろう材層２を形成する。例えば、ガラス成分を含むＡｇ−Ｃｕろうの場合には、８００〜１０００℃でろう付けを行なう。ここで、ろう付け条件である７００℃以上の昇温速度を４〜８℃／分、圧力を１〜１×１０３Ｐａとすることで、ろう材層２の中に空隙４を設けることができる。これは、昇温速度を早くすることによって、ガラス成分に含まれる窒素または酸素を一気に発泡させることができるためである。昇温速度をさらに早くすることによって空隙を多く、大きくさせることができる。また、圧力を低くすることによっても、窒素または酸素を発泡させやすくすることができる。
【００３３】
以上の方法により、本発明のグロープラグを得ることができる。
【実施例】
【００３４】
本発明の実施例のセラミックヒータを以下のようにして作製した。
【００３５】
まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を５０質量％、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を３５質量％および樹脂バインダーを１５質量％含む導電性セラミックペーストを、金型内に射出成形して発熱体５となる成形体Ａを作製した。
【００３６】
次に、この成形体Ａを金型内に保持した状態で、導出部６となる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体Ａと接続させて導出部６となる成形体Ｂを形成した。
【００３７】
次に、成形体Ａおよび成形体Ｂを金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を８５質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を１０質量％ならびに発熱体５および導出部６に熱膨張率を近づけるためのＷＣを５質量％含む絶縁性セラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、セラミック基体１となる成形体Ｃ中に成形体Ａおよび成形体Ｂが埋設された構成の成形体Ｄを形成した。
【００３８】
次に、得られた成形体Ｄを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、１７００℃で３５ＭＰａの圧力でホットプレスを行ない、焼結させた。得られた焼結体を用いて４種類のサンプルを作製した。
【００３９】
サンプルＡは焼結体にＳＵＳ４３０からなる金具３を所定の位置にセットしてガラス成分を１３質量％加えたＡｇとＣｕとからなるろう材を用いて接合して、図２に示すセラミックヒータ１０を作製した。ロウ付けの際には真空炉を用いて、７００℃から８５０℃までの昇温工程および８５０℃での加熱工程における圧力を１×１０３Ｐａとして、７００℃から８５０℃までの昇温速度を５℃／分とした。
【００４０】
サンプルＢは焼結体の表面とＳＵＳ４３０からなる金属部材の内径側とにＮｉを含むガラス成分からなる下地を塗布して１０００℃にて焼き付けた。この焼結体に対して金具３を所定の位置にセットしてＡｇとＣｕとからなるろう材を用いて接合して、図４に示すセラミックヒータ１０を作製した。真空炉の条件として７００℃から８５０℃までの昇温工程および８５０℃での加熱工程における圧力を１×１０３Ｐａとして、７００℃から８５０℃までの昇温速度を５℃／分とした。
【００４１】
サンプルＣは焼結体の表面とＳＵＳ４３０からなる金属部材の内径側とにＮｉを含むガラス成分からなる下地を塗布して１０００℃にて焼き付けた。この焼結体に対して金具３を所定の位置にセットしてＡｇとＣｕとからなるろう材を用いて接合して、図５に示すセラミックヒータ１０を作製した。真空炉の条件として７００℃から８５０℃までの昇温工程および８５０℃での加熱工程における圧力を１×１０１Ｐａとして、７００℃から８５０℃までの昇温速度を８℃／分とした。
【００４２】
サンプルＤは焼結体の表面にＮｉを含むガラス成分からなる下地を塗布して１０００℃にて焼き付けた。この焼結体に対してＳＵＳ４３０からなる金具３を所定の位置にセットしてＡｇとＣｕとからなるろう材を用いて接合して、図６に示すセラミックヒータ１０を作製した。真空炉の条件として７００℃から８５０℃までの昇温工程および８５０℃での加熱工程における圧力を１×１０２Ｐａとして、７００℃から８５０℃までの昇温速度を６℃／分とした。
【００４３】
従来品として、焼結体に対してＳＵＳ４３０からなる金属製部材を所定の位置にセットしてガラスを５質量％加えたＡｇとＣｕとからなるろう材を用いて接合して、セラミックヒータを作製した。真空炉の条件として７００℃から８５０℃までの昇温工程および８５
０℃での加熱工程における圧力を１×１０４Ｐａとして、７００℃から８５０℃までの昇温速度を２．５℃／分とした。
【００４４】
なお、真空炉内圧力は真空炉中にアルゴンガスを流入することによって調整した。
【００４５】
Ａ〜Ｄのサンプル各１０個について、空隙４の発生位置、大きさおよび０．０１ｍｍ以上の空隙の発生数を調査した。
【００４６】
測定は、金具３を長手方向に２分割して、その一方を研磨し、セラミック基体１、ろう材層２および金具３を含む断面をＳＥＭを用いて５０倍の倍率で観察した。
【００４７】
サンプルＡは、空隙４はセラミック基体１と金具３との間に多く、大きさは０．０１〜０．１ｍｍであり、０．０１ｍｍ以上の空隙の個数は、長手方向１ｃｍあたり、３〜７個であった。
【００４８】
サンプルＢは、空隙４の位置はセラミック基体１または金具３に接するものが多く、大きさは０．０１〜０．２ｍｍであり、０．０１ｍｍ以上の空隙の個数は、長手方向１ｃｍあたり、５〜１２個であった。
【００４９】
サンプルＣは、空隙４の位置はセラミック基体１または金具３に接するものが多く、大きさは０．０１〜０．５ｍｍであり、０．０１ｍｍ以上の空隙の個数は、長手方向１ｃｍあたり、１０〜２２個であった。
【００５０】
サンプルＤは、空隙４の位置は金具３に接するものが多く、大きさは０．０１〜０．３ｍｍであり、０．０１ｍｍ以上の空隙の個数は、長手方向１ｃｍあたり、８〜２０個であった。
【００５１】
従来品は、空隙４の位置はセラミック基体１と金具３の間に多く、大きさは０．０１ｍｍ未満であり、０．０１ｍｍ以上の空隙は、なかった。
【００５２】
以上の結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
2014185813.tif 000003
【００５４】
これらのサンプルを用いて、最高発熱部が１２００℃に到達するまでの時間と、最高発熱部が１２００℃を保った場合の消費電力を測定した。サンプルＡ〜Ｄと従来品とをそれぞれ１０本ずつ測定して、平均値で比較した。
【００５５】
サンプルＡのセラミックヒータは、１２００℃に到達する時間が平均１７秒で、１２００℃における消費電力が平均３２Ｗであった。
【００５６】
サンプルＢのセラミックヒータは、１２００℃に到達する時間が平均１６秒で、１２００℃における消費電力が平均３２Ｗであった。
【００５７】
サンプルＣのセラミックヒータは、１２００℃に到達する時間が平均１５秒で、１２００℃における消費電力が平均３０Ｗであった。
【００５８】
サンプルＤのセラミックヒータは、１２００℃に到達する時間が平均１５．５秒で、１２００℃における消費電力が平均３０．５Ｗであった。
【００５９】
これに対して、従来品は、１２００℃に到達する時間が平均２０秒で、１２００℃における消費電力が平均３５Ｗであった。
【００６０】
以上の結果から、本発明を用いることによって、セラミックヒータの昇温速度を向上できることが確認できた。また、本発明を用いることによって、セラミックヒータの消費電力を減らせることが確認できた。
【符号の説明】
【００６１】
１：セラミック基体
２：ろう材層
３：金具
４：空隙
５：発熱体
６：導出部
１０：セラミックヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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