(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックで形成された基体に抵抗体が埋設されてなるセラミックヒータであって、前記基体の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域に最高発熱部を有し、前記最高発熱部は、前記基体の表面から前記抵抗体までの最短埋設距離が０．２０〜０．７ｍｍとなっていることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記セラミックヒータは、最高発熱温度が１３５０℃となるように電圧を印加されたときに、その表面温度分布を側面方向から計測して得られる側面投影画像において、表面温度が１２５０℃以上に達している高温領域が１０．０ｍｍ２以下の最大投影面積Ｓを有してい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】
前記先端領域は、前記軸線方向に沿って凸状に突出する曲面で形状されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータを備えてなるグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックヒータ及びグロープラグに関し、さらに詳しくは、カルシウム成分に対する耐食性に優れたセラミックヒータ及びグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン、各種センサー等には、その始動を補助し、早期に活性させるため、グロープラグ、センサー用加熱ヒータ、ファンヒータ用加熱ヒータ等が用いられる。例えば、ディーゼルエンジンは、シリンダ内に吸入した空気を圧縮し、高温になった空気に燃料を噴霧することで自己着火し燃焼するが、ディーゼルエンジンを冬季に始動させる場合、寒冷地で始動させる場合等には、外気及びエンジン本体等の温度が低く圧縮だけで燃焼室内の空気を自己着火に必要な温度まで到達させることは容易ではない。そこで、ディーゼルエンジンには燃料の着火源としてグロープラグが使用され、グロープラグのヒータがディーゼルエンジンの燃焼室内に配置される。このようなグロープラグが備えるヒータとして、例えば、絶縁性のセラミック基体内に導電性セラミック等で形成されて成る抵抗発熱体が埋設された構造を有するセラミックヒータが挙げられる。
【０００３】
ところで、ディーゼルエンジンは、金属同士の接触面を潤滑して摩擦を少なくするべく、接触面にはエンジンオイルが介在している。正常動作しているディーゼルエンジンにおいても極少量のエンジンオイルが燃焼室へ滲入しうるが、ピストンリングの不具合等に起因して、燃焼室内に比較的多量のエンジンオイルが入り込むことがある。そうすると、セラミックヒータはエンジンオイル及びエンジンオイルを含む燃焼ガスに曝されることになる。このとき、セラミックヒータ特にその先端部分にエンジンオイルが付着すると、エンジンオイルの有機成分が燃焼又は揮発して、エンジンオイルに含まれる灰分例えばカルシウム成分、亜鉛成分、イオウ成分、リン成分等がセラミックヒータ特にその先端部分に付着・析出する。このようにして付着・析出した灰分特にカルシウム成分によって、セラミックヒータ、特にその先端部分が腐食されることがある。セラミックヒータ特にその先端部分が腐食されると、内部に埋設された抵抗発熱体が露出して酸化され、グロープラグが所期の機能を十分に発揮することができなくなる。
【０００４】
特に、セラミックヒータの基体は、通常、耐熱衝撃性、耐高温強度、耐酸化性等に優れる点で窒化珪素質セラミックから形成されるが、窒化珪素及びその表面に存在する酸化珪素は高温でカルシウム成分と反応しやすい。したがって、基体が窒化珪素質セラミックで形成されているセラミックヒータは、カルシウム成分によって急速に腐食してしまうという問題がある。
【０００５】
また、近年のディーゼルエンジンにおいては、グロープラグの発熱温度の高温化が要求されており、セラミックヒータの発熱温度が１２５０℃を超えることがある。このように、セラミックヒータの発熱温度が１２５０℃を超えると、エンジンオイル中に含まれる灰分特にカルシウム成分によってセラミックヒータが腐食されやすく、特に１３５０℃程度になると、セラミックヒータは急速に腐食されてしまう。
【０００６】
そこで、コーティング層を有するセラミックヒータがいくつか提案されている。例えば、特許文献１には「窒化珪素のグロープラグを酸化タンタルでコーティングする方法」（０００１欄、請求項１等参照。）が、特許文献２には「Ｓｉ３Ｎ４質焼結体内に埋設した発熱抵抗体に通電して発熱するようにしたグロープラグにおいて、前記Ｓｉ３Ｎ４質焼結体の表面にＡｌ２Ｏ３セラミックコーティング層を被着したことを特徴とする高耐蝕性グロープラグ」がそれぞれ記載されている。しかし、このようなコーティング層を有するセラミックヒータは、ディーゼルエンジンの駆動によって繰り返される加熱・冷却サイクルでコーティング層が基体から剥離してしまう。このため、セラミックヒータが腐食されてしまう。
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−１７８１８３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２９７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は、カルシウム成分に対する耐食性に優れたセラミックヒータ及びグロープラグを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックで形成された基体に抵抗体が埋設されてなるセラミックヒータであって、前記基体の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域に最高発熱部を有し、前記最高発熱部は、前記基体の表面から前記抵抗体までの最短埋設距離が０．２０〜０．７ｍｍとなっていることを特徴とするセラミックヒータであり、
請求項２は、前記セラミックヒータは、最高発熱温度が１３５０℃となるように電圧を印加されたときに、その表面温度分布を側面方向から計測して得られる側面投影画像において、表面温度が１２５０℃以上に達している高温領域が１０．０ｍｍ２以下の最大投影面積Ｓを有してい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であり、
請求項３は、前記先端領域は、前記軸線方向に沿って凸状に突出する曲面で形状されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータであり、
請求項４は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータを備えてなるグロープラグである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るセラミックヒータは、基体の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域に最高発熱部を有してなる。最高発熱部を有する基体は例えば１２５０℃以上の高温域に達しやすい。窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックで形成された基体がこのような高温域に達し、その部位にエンジンオイルが付着すると、これに含まれるカルシウム成分等により基体の腐食が促進されてしまう。しかし、この発明では、最高発熱部を１．５ｍｍまでの先端領域に有することにより、例えば１２５０℃以上という高温域に達して生じる腐食の発生及び拡大を防止することができる。したがって、この発明によれば、カルシウム成分に対する耐食性に優れたセラミックヒータを提供することができる。また、この発明に係るグロープラグはこの発明に係るセラミックヒータを備えているから、この発明によれば、カルシウム成分に対する耐食性に優れたグロープラグを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明に係るセラミックヒータの一実施例のセラミックヒータを、図面を参照して説明する。このセラミックヒータ１は、図１及び図２に示されるように、軸線Ｃ方向に延在する棒状の基体３０と、この基体３０に埋設された抵抗体４０とを備えてなる。
【００１２】
抵抗体４０は、基体３０の軸線Ｃ方向に延在する一対のリード部４１，４１と、一対のリード部４１，４１それぞれの先端（図２において破線で示す。）から延在して形成される一対の中間部４２，４２と、一対の中間部４２，４２それぞれの先端（図２において破線で示す。）から軸線Ｃ方向先端側に延在し、その先端部同士が連結して形成される一個の発熱先端部４３とを有してなる。
【００１３】
一対のリード部４１，４１は、基体３０の軸線Ｃを挟んでその両側に軸線Ｃに沿って略並行となるように基体３０の後端面３３まで延伸し、基体３０の後端面３３に露出している。リード部４１，４１には、基体３０の外周面に露出する電極取出部４５，４６が設けられている。リード部４１，４１それぞれは、それぞれの軸線Ｊに垂直な平面で切断したときの断面部が軸線Ｊ（前記断面部の重心を結んだ直線）方向にほぼ一定の面積を有するように、後端面３３に露出している後端から一対の中間部４２，４２まで略同一の扇型断面形状になっている。リード部４１，４１それぞれは基本的に互いに同じ形状及び同じ寸法で形成されているが、形状及び寸法は基体３０の形状及び寸法、要求される温度等に応じて適宜調整することができる。
【００１４】
一対の中間部４２，４２は、一対のリード部４１，４１それぞれの先端から、軸線Ｃを挟んでその両側に軸線Ｃに沿って発熱先端部４３まで延伸し、一対のリード部４１，４１と発熱先端部４３との間に形成されている。一対の中間部４２，４２は、軸線Ｃを挟んで対向する表面同士の間隔ｄが先端に向かって漸増し、軸線Ｃに垂直な平面で切断したときのそれぞれの断面積が先端に向かって漸減している。なお、図１に示されるように、一対の中間部４２，４２それぞれの外側端面は、一対のリード部４１，４１それぞれの外側端面と同間隔で軸線Ｃ方向に延在している。中間部４２，４２それぞれは基本的に互いに同じ形状及び同じ寸法で形成されているが、形状及び寸法は基体３０の形状及び寸法、要求される温度等に応じて適宜調整することができる。
【００１５】
発熱先端部４３は、一対の中間部４２，４２それぞれの先端から軸線Ｃ方向先端側に延在し、その先端部同士が連結して一体に形成され、一対の中間部４２，４２それぞれの軸線及び軸線Ｃを含む平面で切断したときの断面形状が一対の中間部４２，４２それぞれの先端を起点として略円弧状又は略Ｕ字状に成形されている。したがって、一対のリード部４１，４１と一対の中間部４２，４２と発熱先端部４３とは一体に形成されている。この発熱先端部４３は、その延在方向の断面積が一対のリード部４１，４１及び一対の中間部４２，４２の断面積よりも小さくなるように細く形成され、抵抗体４０に電圧が印加されると発熱するようになっている。そして、発熱先端部４３は、その断面積が最も小さくなる最高発熱部４４（抵抗体４０に電圧を印加したときに最も高温に達する部位）を軸線Ｃに対して対称な位置に２個有している。発熱先端部４３の寸法例えば軸線Ｃ方向長さＬｈは、後述するように、基体３０の最高発熱部３４が先端領域３２内に位置するような寸法であればよい。
【００１６】
最高発熱部４４は、通常、発熱先端部４３に存在するから、最高発熱部４４の延在方向に垂直な平面で切断しときの断面部の断面積が一対の中間部４２，４２それぞれにおける先端の断面積と同じ又は小さく設定されていればよい。
【００１７】
リード部４１、中間部４２及び発熱先端部４３を有する抵抗体４０は、一対のリード部４１，４１それぞれの軸線Ｊ及び前記軸線Ｃを含む平面で切断したときの断面形状が前記した形状に形成されていればよい。抵抗体４０は、例えば、薄様状であってもよく、両脚が伸びた略Ｕ字型をなす棒状体又は柱状体であってもよい。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、抵抗体４０を埋設する基体３０は、一対のリード部４１，４１及び一対の中間部４２，４２を埋設する同径部３１と、同径部３１の先端（図１及び図２において破線で示す。）から延在し、発熱先端部４３の全部又は一部を埋設する先端領域３２とを有している。
【００１９】
同径部３１は、軸線Ｃ方向に延在する棒状体とされ、一対のリード部４１，４１及び一対の中間部４２，４２を内蔵することができる形状、大きさになっている。このセラミックヒータ１において、同径部３１の断面形状は、略円形又は楕円形の棒状体又は柱状体等に形成されている。
【００２０】
先端領域３２は、中間部４２の一部と発熱先端部４３の全部とを埋設し、後述するようにセラミックヒータ１すなわち基体３０の最高発熱部３４を有する領域である。この先端領域３２は、図１及び図２に示した破線よりも先端側に位置し、具体的には、基体３０の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの軸線長さＬを有する領域である。
【００２１】
先端領域３２は、同径部３１から軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に凸状に突出する曲面で形状されている。このような曲面で形成された先端領域として、例えば、軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に凸状に突出する、半球状、半楕円体状、錐状、テーパ状、Ｒ状、錐台状等が挙げられる。セラミックヒータ１において、先端領域３２は、軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に全面が凸状に突出する半球状、半楕円体状、錐状であるのが好ましく、軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に全面が凸状に突出する半球状又は半楕円体状に形成されている。先端領域３２が軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に凸状に突出する曲面で形状されていると、特に、軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に全面が凸状に突出する半球状又は半楕円体状に形成されていると、エンジンオイル及びその灰分に曝される領域、並びに、エンジンオイル及びその灰分が付着する領域の表面積が縮小されるから、前記灰分特にカルシウム成分に対する耐食性をさらに向上させることができる。また、先端領域３２がこのように形成されていると、たとえ先端領域３２にエンジンオイル及びその灰分が付着してもこれらが流動・剥離しやすく、さらに、一部が腐食されても、この腐食された部分は一旦平面状となった後に、深さ方向に腐食が進行するから、結果的に、先端領域３２のカルシウム成分に対する耐食性をさらに向上させることができる。これに対して、先端領域３２が前記した曲面で形成されていないと、前記灰分によってピット状に腐食が生じ、そのピット状腐食部分の腐食が局所的に進行して、先端領域のカルシウム成分に対する耐食性を維持することができなくなることがある。
【００２２】
セラミックヒータ１は、基体３０に抵抗体４０が埋設されてなり、先端領域３２に最高発熱部３４を有している。換言すると、セラミックヒータ１において、抵抗体４０は、セラミックヒータ１の最高発熱部３４が先端領域３２内に位置するように、基体３０に埋設されている。さらにいうと、最高発熱部３４は、基体３０の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍ以内に存在している。このように、セラミックヒータ１が先端領域３２内に最高発熱部３４を有していると、後述するように、カルシウム成分に対する耐食性を向上させることができる。
【００２３】
セラミックヒータ１の最高発熱部３４が先端領域３２内に存在するか否かは、抵抗体４０の最高発熱部４４が埋設された位置によって、確認することができる。すなわち、セラミックヒータ１の最高発熱部３４は、通常、抵抗体４０に形成された最高発熱部４４の埋設位置とほぼ一致する位置にあるから、抵抗体４０の最高発熱部４４が埋設された位置に対応する基体３０の外表面近傍となる。
【００２４】
セラミックヒータ１は、基体３０の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域３２に最高発熱部３４を有していればよく、カルシウム成分に対する耐食性をより一層向上させることができる点で、最高発熱部３４は、基体３０の先端から後端に向かってその軸線方向１．０ｍｍまでの領域に存在しているのが好ましい。
【００２５】
最高発熱部３４の位置を正確に特定する方法として以下の方法が挙げられる。すなわち
セラミックヒータ１に電圧を印加して飽和温度（最も高温に達した部分がサーモグラフィで「小さな点」として観測される温度であればよく、例えば１３５０℃が挙げられる。）まで発熱させた後、セラミックヒータ１の側面からサーモグラフィでセラミックヒータ１の温度分布を計測して、表面温度分布表示された側面投影画像（例えば図３参照。）を得る。得られた側面投影画像において、最も高温に達した部分Ｈの中心位置における、基体３０の先端から後端に向かう軸線Ｃ方向の距離を測定する。このようにして、最高発熱部３４の位置を正確に特定することができる。
【００２６】
セラミックヒータ１は、最高発熱部３４における、基体３０の表面から抵抗体４０までの最短埋設距離Ｄが０．２０〜０．７ｍｍに調整されており、０．３５〜０．６０ｍｍに調整されているのが好ましい。最短埋設距離Ｄが前記範囲内にあると、セラミックヒータ１を所定の温度に加熱するときに発熱先端部４３を必要以上に発熱させる必要がないから、カルシウム成分による先端領域３２の腐食部分の高温領域表面積（例えば、最高発熱温度を１３５０℃にしたときに発熱温度が１２５０℃以上になる領域の表面積。）が必要以上に大きくなることを防止することができ、耐食性をさらに向上させることができる。また、このように発熱先端部４３を必要以上に発熱させる必要がないから、消費電力を低減できる。
【００２７】
最短埋設距離Ｄは次のようにして計測する。まず、前記のようにサーモグラフィで最高発熱部３４の位置を特定する。一方、セラミックヒータ１における半径方向の複数方位から、セラミックヒータ１をＸ線透過撮影して、複数の撮影フィルムを得る。そして、前記のようにして特定した最高発熱部３４に対応する位置において、基体３０の外表面から抵抗体４０までの距離を測定し、測定された最小の距離を最短埋設距離Ｄとする。なお、腐食したセラミックヒータの最短埋設距離Ｄを計測する場合には腐食する前の基体３０の仮想外周面からの距離とする。
【００２８】
このセラミックヒータ１は、最高発熱温度が１３５０℃となるように電圧を印加されたときに、その表面温度分布を側面方向から計測して得られる側面投影画像において、表面温度が１２５０℃以上に達している高温領域が１０．０ｍｍ２以下の最大投影面積Ｓを有しているのが好ましく、２．５ｍｍ２以下の最大投影面積Ｓを有しているのが特に好ましい。最大投影面積Ｓが前記範囲内にあると、セラミックヒータ１において、エンジンオイル及びその灰分が付着する領域並びにエンジンオイルの灰分と反応する高温領域の表面積がより一層縮小されて、基体３０のカルシウム成分による腐食及び腐食部分の拡大を効果的に防止することができる。
【００２９】
最大投影面積Ｓは、以下のようにして、算出する。すなわち、前記した最高発熱部３４の特定と基本的に同様にして最高発熱温度が１３５０℃となるように電圧を印加した後、セラミックヒータ１における半径方向の複数方位から、サーモグラフィでセラミックヒータ１の表面温度分布を計測して、表面温度分布表示された側面投影画像（例えば図３参照。）を複数得る。得られた各側面投影画像において、表面温度が１２５０℃以上に達している高温領域（図３において符号「Ｔ」で示される領域）の表面積を算出する。このようにして算出された表面積のうち最大の表面積を最大投影面積Ｓとする。
【００３０】
セラミックヒータ１は、先端領域３２に最高発熱部３４を有していればよく、その寸法及び形状等は特に限定されない。例えば、発熱先端部４３の最先端部は、最高発熱部３４が先端領域３２内に存在するように、埋設されていればよく、例えば、基体３０の先端から軸線Ｃ方向の後端に向かって０．２〜０.７５ｍｍの範囲内に埋設されるのがよい。発熱先端部４３の最先端部が前記位置に埋設されると、先端領域３２内に最高発熱部３４を存在させることができるうえ、セラミックヒータ１を所定の温度に加熱するときに発熱先端部４３を必要以上に発熱させる必要がなく、消費電力量を低減でき、さらに、マイグレーションによる抵抗体４０の抵抗値変化及び断線を効果的に防止することができる。発熱先端部４３の最先端部が埋設されている位置は前記最短埋設距離Ｄと同様にＸ線透過撮影によって測定することができる。
【００３１】
セラミックヒータ１の寸法（前記した寸法を除く。）の一例を挙げると、セラミックヒータ１の全長（軸線Ｃ方向長さ）は３０〜５０ｍｍ、セラミックヒータ１（同径部３１）の径は２．５〜４．０ｍｍ、セラミックヒータ１の最小肉厚（先端領域３２を除く）は１００〜５００μｍ、一対のリード部４１，４１の軸線ＪＪ間隔は０．２〜２．０ｍｍである。
【００３２】
このセラミックヒータ１は、基体３０の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域３２に最高発熱部３４を有してなる。したがって、このセラミックヒータ１は、後述するように、カルシウム成分に対する耐食性に優れている。
【００３３】
セラミックヒータの基体を形成する絶縁性セラミックとして、窒化珪素質セラミック等が挙げられる。窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主相粒子が、後述の焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、Ｓｉ又はＮの一部が、Ａｌ又はＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。例えば、次の一般式にて表されるサイアロンを例示することができる。なお、「主成分」とはセラミック中の最も質量の高い成分をいう。
（１）β−サイアロン：Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚ  （ｚは０超４．２以下）
（２）α−サイアロン：ＭＸ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６  （ｘは０超２以下）
ここで、ＭはＬｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｒ（ＲはＬａ，Ｃｅを除く希土類元素）である。
【００３４】
また、窒化珪素質セラミックには、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表における第３族、第４族、第５族、第１３族（例えばＡｌ）及び第１４族（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１５質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物又はシリケート等の複合酸化物の形態にて含有される。
【００３５】
窒化珪素以外の焼結助剤成分（例えば、希土類元素を含む化合物、酸化アルミニウム等）が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１５質量％を超えると強度や靭性又は耐熱性の不足を招くことがある。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは５〜１３質量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを含む化合物（例えば酸化物）等を用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂを含む化合物は、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００３６】
セラミックヒータの抵抗体を形成する導電性セラミックは、導電発熱できる導電性セラミック材料を含有していればよく、例えば、導電性セラミック材料単独、導電性セラミック材料と絶縁性セラミックとの混合物等が挙げられる。導電性セラミック材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等が挙げられる。前記混合物としては、例えば、導電性セラミック材料としての炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）又は二珪化タングステン（ＷＳｉ２）と窒化珪素質セラミックとの混合物等が挙げられる。このような混合物で抵抗体を形成すると基体との線膨張係数差が縮小して耐熱衝撃性を高めることができる。
【００３７】
抵抗体は一種類の導電性セラミックで形成されてもよく、また、発熱先端部、リード部、中間部がそれぞれ電気抵抗率の異なる導電性セラミックでそれぞれ形成されてもよい。導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は、特に限定されず、例えば、（１）同種の導電性セラミック材料を含有する混合物におけるその含有量を互いに異ならせる方法、（２）電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック材料を用いる方法、（３）前記（１）と前記（２）とを組み合わせる方法等が挙げられる。
【００３８】
前記（１）の方法において、例えば、発熱先端部を形成する第一導電性セラミックは、導電性セラミック材料の含有率を１０〜３０体積％、残部を絶縁性セラミックとするのがよい。導電性セラミック材料の含有率が３０体積％を超えると導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなることがある。リード部及び／又は中間部を形成する第二導電性セラミックは、導電性セラミック材料の含有率を１５〜３５体積％、残部を絶縁性セラミックとするのがよい。導電性セラミック材料の含有率が３５体積％を超えると、焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、基体との熱膨張係数差が大きくなり、焼結時のクラックが生じやすくなる。一方、１５体積％未満では一対のリード部での発熱が大きくなりすぎて、発熱部の発熱効率が悪化することがある。
【００３９】
この発明に係るセラミックヒータは、絶縁性セラミックとなる基体形成用混合粉末及び導電性セラミックとなる抵抗体形成用混合粉末を調製し、抵抗体形成用混合粉末で未焼成抵抗体を成形し、基体形成用混合粉末に未焼成抵抗体を埋設して成形し、得られた成形体を、所望により脱脂仮焼した後、焼結して、製造される。
【００４０】
簡単に説明すると、絶縁性セラミック、導電性セラミック材料及び焼結助剤等を所定の量比で混合し、基体形成用混合粉末及び抵抗体形成用混合粉末を調整する。これらの混合粉末は、湿式等、通常の方法によって混合されることができる。所望により、このようにして調製された各混合粉末に適量のバインダ等を配合して混合した後、造粒する。
【００４１】
抵抗体形成用混合粉末の造粒物を用いて、射出成形、スクリーン印刷、シート成形、押出し成形等により、未焼成抵抗体を成形する。このとき、成形体の発熱部を研磨加工、テーパ加工、Ｒ面加工等して、未焼成抵抗体を作製することもできる。その後、この未焼成抵抗体を、基体形成用混合粉末に埋設して、成形体とする。その方法としては、基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の所定位置に未焼成抵抗体を載置した後、基体形成用混合粉末をのせてプレス成形する方法等が挙げられる。このとき、基体の最高発熱部が先端領域に存在するように半割型の先端側に未焼成抵抗体を配置する。基体の最高発熱部を先端領域に存在させるには、例えば、未焼成抵抗体の最高発熱部を半割型の軸線方向先端側近傍に配置する方法、未焼成抵抗体の少なくとも発熱先端部を小型化する方法、未焼成抵抗体の発熱先端部に形成される最高発熱部の位置をより先端側に変更する方法等が採用される。前記最大投影面積Ｓを１０．０ｍｍ２以下にするには、例えば、未焼成抵抗体の最高発熱部を半割型の軸線方向先端側近傍に配置する方法、未焼成抵抗体の少なくとも発熱先端部を小型化する方法、未焼成抵抗体の先端発熱部の延在方向長さを短くする方法、未焼成抵抗体の最高発熱部の断面積を小さくする方法等が挙げられる。
【００４２】
次いで、成形体を所望により脱脂仮焼すると、基体の粉末成形体に発熱抵抗体となる未焼成抵抗体が埋設された成形体が得られる。この成形体を、焼成炉に収容し、焼成する。焼成方法として、ホットプレス法、ガス圧焼成法、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法等が挙げられる。例えば、ホットプレス法では、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成する。加圧力は例えば２０〜３０ＭＰａ程度とすることができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は１７００〜１８５０℃、特に１７００〜１８００℃、焼成時間は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることができる。焼成環境は窒素雰囲気下等の非酸化性雰囲気下で行うことができる。このような半割型を使用する方法は、例えば、２００７−２４００８０号公報等に記載の方法を参考にして、実施することができる。
【００４３】
次いで、得られた焼結体を例えば平面研削盤等で所望の寸法に研削して、焼結体の先端部を研磨加工、テーパ加工、Ｒ面加工等して先端領域を形成し、セラミックヒータを製造することができる。セラミックヒータ１の最高発熱部３４における最短埋設距離Ｄを０．２０〜０．７ｍｍに調整する方法は、例えば、焼結体の先端部を加工する際の研削量を調整する方法等が挙げられる。
【００４４】
この発明に係るセラミックヒータは、前記実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、セラミックヒータ１の抵抗体４０は、２個の最高発熱部４４を有しているが、この発明において、抵抗体の発熱先端部は１個又は３個以上の最高発熱部を有していてもよい。
【００４５】
セラミックヒータ１の先端領域３２は軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に凸状に突出する曲面で形状されてなる半球状又は半楕円体状となっているが、この発明において、先端領域の形状は、特に限定されず、例えば、同径部と同様に棒状体等に形成されていてもよい。また、セラミックヒータ１における同径部３１はその断面が略円形又は楕円形の棒状体又は柱状体とされているが、この発明において、同径部の形状すなわちセラミックヒータの外形は、特に限定されず、例えば、円柱体、楕円柱体、直方体等の形状とされてもよい。
【００４６】
セラミックヒータ１において軸線Ｊ方向に垂直な平面におけるリード部４１，４１それぞれの断面形状は、特に限定されず、種々の形状にすることができる。例えば、扇形、円形、半円径、楕円形、半楕円形、矩形等とすることができる。
【００４７】
この発明に係るセラミックヒータは最高発熱部の位置を基体の先端領域に配置して構成されている。これにより、基体の材料を適宜選択し、基体の外周面にコーティング層等を設けなくても、カルシウム成分に対する耐食性を向上させることができることを見出した。したがって、このような構成を有するこの発明に係るセラミックヒータは、前記したように、例えば１２５０℃以上に達する、カルシウム成分で腐食されやすい部分を基体３０の先端領域３２内又はその近傍とすることができ、エンジンオイル及び灰分が付着する領域の表面積が縮小されるから、基体のカルシウム成分による腐食及び腐食部分の拡大を防止することができる。故に、この発明に係るセラミックヒータは、基体の材料として特定の材料を選択し、また、基体の外周面にカルシウム成分に対する耐食性を有するコーティング層を設けなくても、カルシウム成分に対する高い耐食性を発揮する。
【００４８】
特に、この発明に係るセラミックヒータの前記高温領域が１０．０ｍｍ２以下の最大投影面積Ｓを有していると、前記したように、基体のカルシウム成分による腐食及び腐食部分の拡大を効果的に防止することができるから、セラミックヒータはカルシウム成分に対するより一層高い耐食性を発揮することができる。
【００４９】
さらに、この発明に係るセラミックヒータの先端領域が軸線方向に沿って凸状に突出する曲面で形状されてなると、前記したように、セラミックヒータはカルシウム成分に対するさらに高い耐食性を発揮することができる。
【００５０】
また、この発明に係るセラミックヒータの最高発熱部が０．２０〜０．７ｍｍの最短埋設距離Ｄを有していると、前記したように、埋設された抵抗体は抵抗値変化及び断線しにくく、セラミックヒータは、カルシウム成分に対するさらに高い耐食性を発揮することができる。
【００５１】
この発明に係るセラミックヒータの用途は、特に限定されず、例えば、グロープラグ用ヒータ、センサー用加熱ヒータ、ファンヒータ用加熱ヒータ等として好適に用いられる。これらの中でも、この発明に係るセラミックヒータは、カルシウム成分に対する高い耐食性を発揮するから、特に使用環境が１２５０℃以上になる用途、さらには使用環境が１３００℃以上になる用途、例えば、ディーゼルエンジン等に好適に使用されることができる。
【００５２】
また、この発明に係るセラミックヒータはカルシウム成分に対する高い耐食性を発揮するから、この発明に係るセラミックヒータ及びこのセラミックヒータを備えたグロープラグは、カルシウム成分を含む環境下で使用される用途、例えば、カルシウム成分を含有するエンジンオイルが存在するディーゼルエンジン等に特に好適に使用されることができる。
【００５３】
この発明に係るセラミックヒータをグロープラグ用ヒータとして用いた、この発明に係るグロープラグの一実施例を説明する。このグロープラグ１０は、図４に示されるように、セラミックヒータ１を備え、より詳細に説明すると、グロープラグ１０は、セラミックヒータ１、外筒９０、主体金具９３、中軸９４を備えている。グロープラグ１０は、基体３０の少なくとも先端領域３２が突出するようにセラミックヒータ１の外周面が外筒９０で周方向に取り囲まれ、この外筒９０が略円筒状の主体金具９３の先端部に固定されて、成る。主体金具９３と外筒９０とは、例えば、両者の内外周面の隙間を充填するようにろう付け若しくは圧入して、又は、主体金具９３の先端側開口内縁と外筒９０の外周面とを全周レーザー溶接して、固定される。
【００５４】
主体金具９３は、中央周側面にグロープラグ１０をエンジンのシリンダヘッド（図示せず。）に取り付けることができるように雄ねじ部９８が形成されている。主体金具９３の外筒９０に接合されていない側には六角形状をなす鍔状の工具係合部９９が形成されており、前記シリンダヘッドにグロープラグ１０を螺合する際に、使用される工具が係合できるようになっている。
【００５５】
主体金具９３の内側には、その後端側から、セラミックヒータ１に電力を供給するための金属製の中軸９４が、円筒形状の絶縁部材９５と絶縁係止部材９６とで主体金具９３と絶縁状態となるように、配置固定されている。絶縁係止部材９６は、筒体の一端が外側に張り出してなるフランジを有しており、中軸９４の金具近傍に取り付けられるかしめ部材９７と工具係合部９９とが該フランジで係止されている。かしめ部材９７は、外周から押圧されてかしめられている。これにより、中軸９４と主体金具９３との間でフランジが係止された絶縁係止部材９６が固定されるので、中軸９４からの抜出が防止されるようになっている。
【００５６】
一方、セラミックヒータ１の抵抗体４０は、一方のリード部４１がその外周面に形成された電極取出部４６で外筒９０に電気的に接続されており、他方のリード部４１がその外周面に形成された電極取出部４５で電極円筒体９１及び導線９２を介して中軸９４と電気的に接続されている。
【００５７】
グロープラグ１０は、例えば次のようにして製造される。すなわち、この発明に係るセラミックヒータに、基体の少なくとも先端部が突出するように、外筒９０と電極円筒体９１とを圧入した後、この電極円筒体９１と中軸９４とにＮｉ線を溶接し、これらを電気的に接続する。次いで、これらを主体金具９３の先端に圧入して溶接し、絶縁部材９５、絶縁係止部材９６及びかしめ部材９７で中軸９４を主体金具９３に固定して、グロープラグを製造することができる。
【００５８】
この発明に係るグロープラグは、この発明に係るセラミックヒータを備えているから、カルシウム成分に対する高い耐食性を発揮する。この発明に係るグロープラグが、セラミックヒータの最大投影面積Ｓ、最短埋設距離Ｄ及び先端領域の形状の少なくとも１種が前記範囲又は前記形状となっているセラミックヒータを備えていると、カルシウム成分に対するより一層高い耐食性等を発揮する。なお、この発明に係るグロープラグは、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。
【実施例】
【００５９】
（セラミックヒータの作製）
平均粒径０．７μｍのＷＣ、平均粒径１．０μｍの窒化珪素及び焼結助剤としてのＥｒ２Ｏ３をボールミル中で４０時間湿式混合して抵抗体形成用混合粉末を得た（この混合粉末中のＷＣの含有率は２７体積％（６３質量％））。この抵抗体形成用混合粉末をスプレードライ法により乾燥させ、造粒粉末を作製した後、バインダを４０〜６０体積％の割合となるように添加して、混練ニーダ中で１０時間混合した。その後、得られた混合物をペレタイザで約３ｍｍの大きさに造粒した。中間部及び発熱先端部を形成することのできる金型を備えた射出成形機にこの造粒物を入れて射出成形して、未焼成抵抗体を得た。
【００６０】
一方、平均粒径０．６μｍの窒化珪素、焼結助剤としてのＥｒ２Ｏ３、並びに、熱膨張調整剤としてのＣｒＳｉ２、ＷＳｉ２及びＳｉＣをボールミル中で湿式混合し、バインダを加えた後、スプレードライ法により乾燥させ、基体を形成するための基体形成用混合粉末を得た。
【００６１】
次いで、抵抗体４０としたときに発熱先端部４３となる未焼成発熱先端部を基体形成用混合粉末の先端近傍に配置して、未焼成抵抗体を基体形成用混合粉末中に埋設した後、これらをプレス成形して、セラミックヒータとなる成形体を得た。この成形体を８００℃の窒素雰囲気中で１時間の脱脂仮焼を行い、次いで、ホットプレス法により、０．１ＭＰａの窒素雰囲気下で、１７８０℃、加圧力３０ＭＰａで９０分間かけて焼結し、焼結体を得た。得られた焼結体を直径３．３ｍｍの略円筒状に研磨すると共に、基体の先端部を研磨加工して、基体３０の先端から後端に向かう軸線方向長さが１．５ｍｍの半球状に先端領域３２を整形し、全長４２ｍｍの各セラミックヒータを作製した。なお、実施例及び比較例において、未焼成抵抗体を基体形成用混合粉末中に埋設したときの未焼成発熱先端部の配置位置を調整する方法、未焼成抵抗体の少なくとも未焼成発熱先端部を小型化する方法、未焼成発熱先端部に形成される最高発熱部４４となる部分の形成位置を先端側に変更する方法によって、基体の最高発熱部が先端領域に存在するように、調整した。
【００６２】
（最高発熱部の特定）
このようにして製造したセラミックヒータそれぞれの最高発熱部の存在位置を、基体の先端から後端に向かう軸線Ｃ方向の距離として、サーモグラフィを用いた前記方法に従って測定し、その結果を第１表に示した。
【００６３】
（グロープラグの製造）
製造したセラミックヒータそれぞれに、その基体の少なくとも先端部が突出するように外筒９０と電極円筒体９１とを圧入した後、この電極円筒体９１と中軸９４とにＮｉ線を溶接し、これらを電気的に接続した。これらを主体金具９３の先端に圧入して溶接した。次いで、絶縁部材９５、絶縁係止部材９６及びかしめ部材９７で中軸９４を主体金具９３に固定して、実施例１〜５並びに比較例１及び２のグロープラグを製造した。
【００６４】
（オイル滴下試験）
実施例１〜５並びに比較例１及び２のグロープラグを用いて以下の方法で腐食試験を行った。セラミックヒータに埋設された抵抗体における一対のリード部の軸線Ｊ及び軸線Ｃを含む平面に対して垂直方向から、グロープラグの先端領域にエンジンオイル（商品名「Ｅｓｓｏ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌオイル  ＳＥＡ  ０Ｗ−３０」、エクソンモービル社製、カルシウム成分の含有量約２７３０ｐｐｍ）０.０１ｍＬ／滴をプランジャーポンプで滴下して、発熱温度が１３５０℃に達するように印加電圧を制御してグロープラグに１分間通電した後、通電を停止して１分間冷却する操作を１サイクルとして３００サイクル連続して行い、次いで、発熱温度が１３５０℃に達するように１０時間にわたって通電した。前記操作３００サイクルと１０時間通電とからなる行程を連続して合計１０回行った（エンジンオイル滴下回数３０００回、合計通電時間１５０時間）。次いで、グロープラグからセラミックヒータを取り出し、付着物（反応部分）を取り除いてセラミックヒータの質量を計測し、計測した質量と予め計測しておいたセラミックヒータの初期質量とから腐食量を算出した。オイル滴下試験の判定は、腐食量が０．００５０ｇ未満である場合を「Ａ＋」、０．００５０ｇ以上０．０１００ｇ未満を「Ａ」、０．０１００ｇ以上０．０１５０ｇ未満を「Ｂ」、０．０１５０ｇ以上であって室温抵抗値が変化した場合を「Ｃ」、０．００５０ｇ以上であって抵抗体が断線した場合を「Ｄ」とした。この判定が「Ｂ」以上であれば、ディーゼルエンジン用のグロープラグとして好適に用いることができる。なお、グロープラグの室温抵抗値は、試験前後に、２０℃下の、グロープラグの中軸９４の端部及び外筒９０の端部をクリップで挟み、ミリオームテスターにて測定した。これらの結果を第１表及び図５に示す。
【００６５】
【表１】
0005171335.tif 000002
【００６６】
第１表及び図５に示された結果から明らかなように、基体の先端から後端に向かってその軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域に最高発熱部を有してなる実施例１〜５のグロープラグは、オイル滴下試験における腐食量が少なく、カルシウム成分に対する耐食性に優れていた。一方、基体の先端から軸線方向１．５ｍｍまでの先端領域に最高発熱部を有していない比較例１及び２のグロープラグはオイル滴下試験における腐食量が多かった。
【００６７】
（最大投影面積Ｓによる影響）
最大投影面積Ｓは、未焼成抵抗体を基体形成用混合粉末中に埋設したときの未焼成発熱先端部の配置位置を調整する方法、未焼成抵抗体の少なくとも未焼成発熱先端部を小型化する方法、未焼成抵抗体における未焼成発熱先端部の延在方向長さを短くする方法、未焼成発熱先端部に形成される最高発熱部４４となる部分の断面積を小さくする方法によって変化させた。このようにして最大投影面積Ｓを変化させたこと以外は実施例２と同様にして、実施例６〜１１のグロープラグ（先端領域内に最高発熱部を有していた。）を製造した。このようにして製造した各グロープラグにおける最大投影面積Ｓを前記方法に従って測定した。なお、サーモグラフィによる計測は、セラミックヒータの半径方向（側面方向）として８方位とし、８枚の側面投影画像における高温領域の投影面積が最大のものを最大投影面積Ｓとした。結果を第２表に示した。次いで、実施例６〜１１のグロープラグを用いて前記オイル滴下試験を行った結果を第２表及び図６に示す。
【００６８】
【表２】
0005171335.tif 000003
【００６９】
第２表及び図６に示された結果から明らかなように、最大投影面積Ｓが１０．０ｍｍ２以下である実施例２及び６〜１０のグロープラグは、オイル滴下試験における腐食量がきわめて少なく、カルシウム成分に対する耐食性に、より一層優れていた。
【００７０】
（最短埋設距離Ｄによる影響）
実施例２と同様にしてグロープラグを複数製造した後、研削量を調整して基体３０の先端部分を研削し、最短埋設距離Ｄを変化させて、実施例１３〜１６並びに比較例３及び４のグロープラグ（先端領域内に最高発熱部を有していた。）を製造した。このようにして製造した各グロープラグにおける最短埋設距離Ｄを前記方法に従って測定した。結果を第３表に示した。次いで、実施例１３〜１６並びに比較例３及び４のグロープラグを用いてオイル滴下試験（前記オイル滴下試験において、前記操作３００サイクルと１０時間通電とからなる行程を連続して合計１２回行った。エンジンオイル滴下回数は３６００回、合計通電時間は１８０時間とした。）を行った。オイル滴下試験後における各グロープラグの最短埋設距離Ｄを前記方法に従って測定し、その結果を第３表及び図７に示した。また、オイル滴下試験前のグロープラグにおける室温抵抗値と、オイル滴下試験後のグロープラグにおける室温抵抗値とを前記方法に従って測定し、室温抵抗値の抵抗増加率（％）を算出した。結果を第３表及び図８に示す。
【００７１】
第３表において、オイル滴下試験後の最短埋設距離Ｄの判定は、オイル滴下試験後の最短埋設距離が０．３５ｍｍ以上である場合を「Ａ＋」、０．２０ｍｍ以上０．３５ｍｍ未満である場合を「Ａ」、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満である場合を「Ｂ」、０．１０ｍｍ未満である場合を「Ｃ」とした。この判定が「Ｂ」以上であれば、カルシウム成分に対する耐腐食性に優れ、ディーゼルエンジン用のグロープラグとして長期間にわたって所期の機能を維持することができる。
【００７２】
また、第３表において、室温抵抗値の抵抗増加率の判定は、抵抗増加率が２％未満である場合を「Ａ＋」、２％以上５％未満である場合を「Ａ」、５％以上１０％未満である場合を「Ｂ」、１０％以上である場合を「Ｃ」とした。この判定が「Ｂ」以上であれば、ディーゼルエンジン用のグロープラグとして好適に用いることができる。
【００７３】
【表３】
0005171335.tif 000004
【００７４】
第３表、図７及び図８に示された結果から明らかなように、最短埋設距離Ｄが０．２０〜０．７ｍｍである実施例１３〜１６のグロープラグは、判定が「Ａ」以上であり、オイル滴下試験前後における最短埋設距離が大きく変化することなく、カルシウム成分に対する耐食性がより一層優れていることが理解できる。また、これらのセラミックヒータは、埋設された抵抗体の抵抗値変化も小さいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は、この発明に係るセラミックヒータの一実施例のセラミックヒータを示す、軸線Ｃ及び軸線Ｊを含む平面で切断したときの概略断面図である。
【図２】図２は、図１におけるセラミックヒータの先端領域近傍を示す拡大断面図である。
【図３】図３は、図２に示される先端領域近傍の表面温度分布をサーモグラフィで計測して得られる側面投影画像を説明する説明図である。
【図４】図４は、この発明に係るグロープラグの一実施例のグロープラグを示す概略断面図である。
【図５】図５は、実施例１〜５並びに比較例１及び２のグロープラグにおけるオイル滴下試験の結果を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例２及び６〜１１のグロープラグにおけるオイル滴下試験の結果を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１３〜１６並びに比較例３及び４のグロープラグにおけるオイル滴下試験後の最短埋設距離を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例１３〜１６並びに比較例３及び４のグロープラグにおけるオイル滴下試験前後における室温抵抗値の抵抗増加率（％）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１  セラミックヒータ
１０  グロープラグ
３０  基体
３１  同径部
３２  先端領域
３３  後端面
３４  最高発熱部
４０  抵抗体
４１  リード部
４２  中間部
４３  発熱先端部
４４  最高発熱部
４５、４６  電極取出部
９０  外筒
９１  電極円筒体
９２  導線
９３  主体金具
９４  中軸
９５  絶縁部材
９６  絶縁係止部材
９７  かしめ部材
９８  雄ねじ部
９９  工具係合部
Ｃ、Ｊ  軸線
【図１】
0005171335.tif 000005
【図２】
0005171335.tif 000006
【図３】
0005171335.tif 000007
【図４】
0005171335.tif 000008
【図５】
0005171335.tif 000009
【図６】
0005171335.tif 000010
【図７】
0005171335.tif 000011
【図８】
0005171335.tif 000012