(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体と、一端側が該発熱抵抗体の端部側に固定された通電用リード線と、該発熱抵抗体及び該通電用リード線が埋設されている絶縁性基体とを備えるセラミックヒータにおいて、上記発熱抵抗体と上記通電用リード線との固定部近傍の該発熱抵抗体にビッカース圧子を圧入した場合に発生する図１におけるＸ方向のクラック長さ（Ｌｘ）に対するＹ方向のクラック長さ（Ｌｙ）の比（Ｌｙ／Ｌｘ）が１．３以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
上記発熱抵抗体及び上記絶縁性基体の各々を形成するセラミック材料の３０〜１０００℃における熱膨張係数の差が０．２ｐｐｍ／℃以下である請求項１記載のセラミックヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐久性に優れ、十分な強度を有するセラミックヒータに関する。本発明のセラミックヒータは、特に、ディーゼルエンジンの始動に使用されるセラミックグロープラグの加熱源等として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの始動、或いは各種センサの早期活性等において、金属製シースに充填された絶縁粉末に発熱用コイルが埋設されたシースヒータが使用されている。しかし、このシースヒータでは、発熱用コイルが絶縁粉末に埋設されているため熱伝導性が低く、昇温に長時間を要する。そこで、近年、発熱用コイルを繊密な絶縁性セラミック焼結体に埋設することで熱伝導性を向上させ、急速昇温を可能としたセラミックヒータが開発され、用いられている。
【０００３】
また、金属製の発熱用コイルを導電性セラミックからなる発熱抵抗体に置き換えたセラミックヒータも提供されており、特に、１２００℃以上にまで昇温させる必要があるセラミックグロープラグ等において使用されている。このヒータは、ＷＣ、ＭｏＳｉ2等の導電性セラミックからなる発熱体を、高温での耐食性に優れた窒化珪素質セラミックからなる絶縁性基体に埋設した構造となっている。更に、絶縁性基体には、発熱体に通電するため、Ｗなどの高融点金属からなり、一端側が発熱体の端部側に固定され、他端側が基体表面に位置している金属製の通電用リード線が埋設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックヒータには、上述の昇温特性の他、通電及びその停止の繰り返しに対する耐久性並びに十分な強度等が要求される。しかし、絶縁性セラミックからなる基体に、導電性セラミックからなる発熱抵抗体と通電用リード線とが埋設されているセラミックヒータでは、発熱体或いは基体の形成に用いられるセラミック材料等の種類によっては、耐久性の評価において短時間のうちに発熱体と通電用リード線との固定部近傍にクラックが発生することがある。また、クラックの発生にまで至らなくても強度が低下する等の問題もある。
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、耐久性に優れ、且つ十分な強度を有するセラミックヒータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
セラミックヒータでは、発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍において図１におけるＸ方向への引張応力が残留し易く、これがクラックの発生もしくは強度低下の一因ではないかと推察される。従って、発熱体とリード線との固定部近傍において引張応力が残留し難い構造とすること、或いはそのようなセラミック材料等を選定することが重要であると考えられる。
本発明は、このような知見に基づきなされたものである。
【０００６】
本発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体と、一端側が発熱抵抗体の端部側に固定された通電用リード線と、これら発熱抵抗体と通電用リード線とが埋設されている絶縁性基体とを備えるセラミックヒータにおいて、発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍の発熱抵抗体にビッカース圧子を圧入した場合に発生する図１におけるＸ方向のクラック長さ（Ｌｘ）に対するＹ方向のクラック長さ（Ｌｙ）の比（Ｌｙ／Ｌｘ）が１．３以下であることを特徴とする。
尚、Ｘ方向は発熱抵抗体の軸線方向であり、Ｙ方向はＸ方向に対して直角の方向である。
【０００７】
ビッカース圧子としては、ＪｌＳ  Ｂ  ７７２５「ビッカース硬さ試験機」に規定された対面角１３６度のダイヤモンド四角錐圧子を使用する。このビッカース圧子は、発熱抵抗体の端部側に固定された通電用リード線の端面から少し離れた固定部近傍の発熱抵抗体に圧入される。また、圧子は、図３のように、その対角線の方向が可能な限りＸ、Ｙ方向を向くように圧入され、Ｘ、Ｙ方向からの対角線の方向のずれを３０°以下に抑えることが好ましく、１０°以下に抑えることが特に好ましい。
【０００８】
この「固定部近傍」とは、発熱抵抗体と通電用リード線との接触面の近傍を意味するが、ビッカース圧子は、固定された通電用リード線の端面から発熱抵抗体の端面と逆の方向へ３００μｍ以上、５００μｍ以下の位置に圧入する。また、長さ方向のこの位置において発熱抵抗体の径方向の中央部（図１において１２１で指し示される部位である。）に圧入する。圧子の圧入荷重は、４９Ｎとする。尚、クラック長さは光学式顕微鏡により倍率４００倍で観察し、測定する。
【０００９】
本発明のセラミックヒータでは、発熱抵抗体の上記の部位にビッカース圧子を圧入した場合に発生するＸ方向のクラック長さ（Ｌｘ）に対するＹ方向のクラック長さ（Ｌｙ）の比（Ｌｙ／Ｌｘ）が１．３以下であり、特に１．２以下であることが好ましい。Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３を越えても１．５以下であれば固定部近傍におけるクラックの発生は抑えられるが十分ではなく、固定部近傍における抗折強度も低下する傾向にある。一方、Ｌｙ／Ｌｘが１．３以下であれば、通電と、その停止とを繰り返す耐久試験において、通電と停止とを１００００回繰り返してもクラックが発生せず、且つ固定部近傍の抗折強度も８００ＭＰａ以上、特に９００ＭＰａ以上と高く、優れた耐久性と強度とを併せ有するセラミックヒータとすることができる。
【００１０】
Ｌｙ／Ｌｘが大きい場合に耐久性及び強度が低下する理由は必ずしも明らかではないが、Ｌｙ／Ｌｘが大きいということは、固定部近傍においてＸ方向へのより大きな引張応力が残留していることを意味しており、それによってＹ方向へのクラック長さが長くなり、耐久性及び強度が低下するものと考えられる。
【００１１】
本発明のセラミックヒータでは、発熱抵抗体及び絶縁性基体の各々を形成するセラミック材料の３０〜１０００℃における熱膨張係数の差が０．２ｐｐｍ／℃以下であり、特に０．１ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。この熱膨張係数の差が０．２ｐｐｍ／℃以下であれば、固定部近傍に残留する引張応力を十分に低減させることができ、優れた耐久性と強度とを併せ有し、信頼性の高いセラミックヒータとすることができる。
【００１２】
尚、熱膨張係数は下記の式により算出することができる。
熱膨張係数（ｐｐｍ／℃）＝−［（１０００℃における標準試料長さ−１０００℃における測定試料長さ）／｛３０℃における測定試料長さ×（１０００℃−３０℃）｝］＋８．４５×１０-6
上記の式において、「１０００℃における標準試料長さ」は、標準試料として１０００℃における熱膨張係数が８．４５×１０-6／℃であるアルミナを使用した場合のこのアルミナの１０００℃における長さを意味する。尚、この標準試料の３０℃における長さは、測定試料の３０℃における長さと等しい長さであるとする。
【００１３】
また、セラミックヒータの発熱抵抗体及び絶縁性基体はいずれも相当に寸法の小さいものであり、そのものでは熱膨張係数の測定が容易ではない。そのため、実際には、発熱抵抗体及び絶縁性基体を形成する各々のセラミック材料をセラミックヒータの製造の場合と同じ条件により焼成して試片を作製し、この試片を用いて熱膨張係数を測定する。
【００１４】
発熱抵抗体は導電成分と絶縁成分により構成される。
導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種以上の金属元素の珪化物、炭化物、窒化物又はホウ化物等のうちの少なくとも１種が焼成され、形成される。絶縁成分は、通常、窒化珪素からなる。導電成分は、特に、その熱膨張係数が、絶縁成分である窒化珪素等、もしくは絶縁性基体を構成する窒化珪素質焼結体等と大きな差がないものが好ましい。熱膨張係数の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時に発熱抵抗体と絶縁性基体との界面近傍におけるクラックの発生が抑えられる。そのような導電成分としては、ＷＣ、ＭｏＳｉ2、ＴｉＮ又はＷＳｉ2などが挙げられる。更に、この導電成分としては、その融点がセラミックヒータの使用温度を越える耐熱性の高いものが好ましい。導電成分の融点が高ければ使用温度域におけるヒータの耐久性も向上する。
【００１５】
導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、発熱抵抗体を１００体積部とした場合に、導電成分を１５〜４０体積部とすることができ、特に２０〜３０体積部とすることが好ましい。
【００１６】
通電用リード線は、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｍｏ及びＮｂ等から選ばれる金属或いはこれらの金属を主成分とする合金などにより形成することができ、特に、Ｗが多用される。
【００１７】
絶縁性基体は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。この焼結体は、窒化珪素粒子及び粒界ガラス相からなるものであってもよいし、これに加えて粒界に結晶相が析出していてもよい。更に、ＳｉＣ粒子等を含有する複合体であってもよい。また、窒化珪素粒内にＡｌとＯが固溶したサイアロンであってもよい。
【００１８】
本発明のセラミックヒータは以下のようにして製造することができる。
発熱抵抗体を形成するための原料としては、導電成分の原料粉末、絶縁成分の原料粉末及び焼結助剤粉末を用いる。この焼結助剤粉末としては、希土類酸化物粉末が多用されるが、Ａｌ2Ｏ3或いはＳｉＯ2等の一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化物等の粉末を使用することもできる。これらの焼結助剤粉末は１種のみを使用してもよいが、通常、希土類酸化物粉末とＡｌ2Ｏ3粉末或いは希土類酸化物粉末とＳｉＯ2粉末のように２種以上を併用することが多い。尚、希土類酸化物として、Ｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3又はＹｂ2Ｏ3等をした場合、粒界ガラスの耐熱性がより高くなるため好ましい。
【００１９】
これら導電成分用原料粉末、絶縁成分用原料粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式等、通常の方法によって行うことができる。
【００２０】
導電成分用原料粉末、絶縁成分用原料粉末及び焼結助剤粉末は、これらの合計量を１００体積部とした場合に、導電成分用原料粉末を１５〜４０体積部、特に２０〜３０体積部、絶縁成分用原料粉末と焼結助剤粉末とで８５〜６０体積部、特に８０〜７０体積部とすることができる。
【００２１】
このようにして調製した混合粉末に、適量のバインダ等を配合して混練した後、射出成形等の成形方法により、発熱抵抗体となる成形体とすることができる。また、この成形体の端部側にＷ等の金属からなる通電用リード線の一端側が固定され、取り付けられる。
【００２２】
その後、この成形体を、絶縁性基体用原料粉末に埋入する。その方法としては、絶縁性基体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、これら半割型の間に成形体を載置した後、プレス成形する方法等が挙げられる。次いで、これらを一体に５〜１２ＭＰａ程度に加圧することにより、絶縁性基体の形状を有する粉末成形体に発熱抵抗体となる成形体及び通電用リード線が埋設されたセラミックヒータ成形体が得られる。このセラミックヒータ成形体を、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ことにより、セラミックヒータを製造することができる。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１６５０〜１８５０℃、特に１７００〜１８００℃、焼成時間は３０〜１２０分、特に６０〜９０分とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグを実施例により更に詳しく説明する。
（１）セラミックヒータの構成
図１は、セラミックヒータの縦断面図である。
セラミックヒータ１は、絶縁性基体１１、発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂにより構成されている。絶縁性基体１１は窒化珪素質焼結体等からなり、埋設される発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂは、この絶縁性基体１１によって保護されている。発熱抵抗体１２には、導電性セラミックと絶縁性セラミックとが含有されている。また、Ｗ等からなるリード線１３ａ、１３ｂは、外部からセラミックヒータ１に供給される電力を発熱抵抗体１２に給電できるように、各々その一端側は発熱抵抗体１２の両端部側に固定され、他端側は絶縁性基体１１の表面に位置している。
【００２４】
（２）ヒータを組み込んだグロープラグの構成
図２は、このセラミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図である。
グロープラグ２は、発熱する部位である先端側にセラミックヒータ１を備える。セラミックヒータ１は、金属製の固定筒２１に貫装され、この固定筒２１は外筒２２の先端部に保持されている。
【００２５】
（３）セラミックヒータの製造
表１に記載の、導電性セラミック及び絶縁性セラミックを使用し、それぞれＬｙ／Ｌｘが表１に記載の値となるセラミックヒータを以下のようにして製造した。尚、実施例１〜３及び比較例１〜３におけるＬｙ／Ｌｘ値は、発熱抵抗体及び絶縁製基体の熱膨張係数の組み合わせを変えることによって調整した。また、発熱抵抗体及び絶縁性基体を形成する各々のセラミック材料の熱膨張係数は、焼成後に高熱膨張の粒界ガラス相を形成する焼結助剤及び高熱膨張のＷＣ等の配合量を変えることによって調整した。
【００２６】
導電性セラミックであるＷＣ粉末５０〜７０質量部（以下、「部」と略記する。）と窒化珪素原料粉末３０〜５０部との合計量１００部に対して、焼結助剤として、外配合で２〜２０部のＹｂ2Ｏ3粉末及び外配合で１〜５部のＳｉＯ2粉末を配合して発熱抵抗体用原料とした。この原料を７２時間湿式混合した後、乾燥し、混合粉末を得た。その後、この混合粉末とバインダとを混練機に投入し、４時間混練した。次いで、得られた混練物を裁断してペレット状とし、これを射出成型機に投入してＷ製のリード線が両端部側に固定され、接続されたＵ字状の発熱抵抗体となる成形体を得た。
【００２７】
一方、６０〜７０部の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として１５〜２５部のＹｂ2Ｏ3粉末及び１〜３部のＳｉＯ2粉末、並びに５〜１５部のＣｒＳｉ2粉末及び１〜５部のＳｉＣ粉末を配合し、４０時間湿式混合したものをスプレードライヤ法によって造粒し、この造粒物を圧粉した２個の半割型を用意した。その後、発熱抵抗体となる成形体を２個の半割型間に載置し、プレス成形して埋入した後、これらを６．９ＭＰａの圧力で一体に加圧し、未焼成のセラミックヒータを得た。次いで、この未焼成のセラミックヒータを６００℃で仮焼してバインダを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１７００〜１８００℃で２４ＭＰａを負荷して１．５時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒータを製造した。
【００２８】
【表１】
0004597352.tif 000002
【００２９】
（４）セラミックヒータの耐久性及び強度の評価
（３）において製造したセラミックヒータのＬｙ／Ｌｘ値並びに耐久性及び固定部近傍における抗折強度を以下の方法により測定した。結果を表２に示す。
▲１▼圧子圧入法によるＬｙ／Ｌｘ値の測定
ビッカース圧子  ；対面角１３６度のダイヤモンド四角錐圧子
圧入位置        ；通電用リード線の先端面から４００μｍの位置であって発熱抵抗体の径方向（厚さ）の中央部
圧入荷重        ；４９Ｎ
圧入時間        ；１５秒
クラック長さ    ；４００倍の光学顕微鏡により観察し、測定
【００３０】
▲２▼固定部近傍の抗折強度
方法      ；三点曲げ強度（下スパン１２ｍｍの中間部に固定部が位置するように配置）
測定温度  ；２５℃
ヒータ径  ；３．５ｍｍ
▲３▼耐久性
セラミックヒータの発熱抵抗体に１分間通電し、１４００℃に昇温させた後、１分間通電を停止する行程を１回とし、最大１００００回繰り返した。
【００３１】
【表２】
0004597352.tif 000003
【００３２】
表２の結果によれば、Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３以下である実施例１〜３では、通電とその停止とを１００００回繰り返してもヒータが折損することがなく、耐久性に優れており、固定部の抗折強度も８００ＭＰａ以上と十分であることが分かる。また、発熱抵抗体と絶縁性基体の各々を形成するセラミック材料の熱膨張係数の差が特に小さい実施例２では、１０００ＭＰａ以上とより大きな抗折強度を有するヒータが得られている。一方、比較例１〜３では、Ｌｙ／Ｌｘ値が１．３を越えているため、耐久性、抗折強度ともに劣り、Ｌｙ／Ｌｘ値が大きくなるとともに耐久性、強度ともにより低下していることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、通電とその停止とを繰り返した場合の耐久性に優れ、且つ発熱抵抗体と通電用リード線との固定部近傍における抗折強度の大きいセラミックヒータとすることができる。このセラミックヒータは、グロープラグ、バーナ等或いは酸素センサ等において長期に渡って安定な昇温特性を有する加熱源として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータを説明するための縦断面図である。
【図２】セラミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図である。
【図３】発熱抵抗体に圧入された圧子及びその角部から発生しているクラックの様子を表わす模式図である。
【符号の説明】
１；セラミックヒータ、１１；絶縁性基体、１２；発熱抵抗体、１３ａ、１３ｂ；通電用リード線、２；グロープラグ、２１；金属製の固定筒、２２；外筒、３；ビッカース圧子、４ｘ；Ｘ方向のクラック、４ｙ；Ｙ方向のクラック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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