(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体と、
該絶縁体に埋設されるＵ字状の発熱抵抗体と、
該発熱抵抗体の一端縁に接続され、該絶縁体に埋設される第１リード線と、
該発熱抵抗体の他端縁に接続され、該絶縁体に埋設される第２リード線と、を備える横断面が円形のセラミックヒータにおいて、
前記絶縁体と前記第１リード線とが第１反応層を介して接しており、
前記絶縁体と前記第２リード線とが第２反応層を介して接しており、
前記第１リード線は、前記発熱抵抗体の前記一端縁から前記セラミックヒータの中心軸に沿うように延びるとともに、途中で屈曲して、その終端部が前記絶縁体の表面に露出するように配置されており、
前記第２リード線は前記発熱抵抗体の前記他端縁から前記セラミックヒータの中心軸に沿いつつ、前記第１リード線と同一方向に向けて延びるとともに、途中で屈曲して、その終端部が前記絶縁体の表面に露出するように配置されており、
前記第１リード線及び前記第２リード線のいずれもが前記絶縁体に埋設されている部位での前記セラミックヒータの横断面における、
前記第１リード線の断面積、前記第２リード線の断面積、前記第１反応層の断面積、及び前記第２反応層の断面積の合計（Ｓ１）と、
前記絶縁体の断面積（Ｓｉ）とは、
比Ｓ１／Ｓｉが０．０１５以上０．０２６以下とされ、
前記第１リード線及び前記第２リード線の径が、０．０５〜０．９ｍｍであることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記第１リード線及び前記第２リード線の径が、０．４ｍｍ以下であり、
かつ、前記セラミックヒータの横断面における前記第１反応層及び前記第２反応層の面積比は０．００６１以下で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】
前記第１リード線及び前記第２リード線はＷからなることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれかに記載のセラミックヒータを備えることを特徴とするグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、横断面における絶縁体に対するリード線及び反応層の断面積の比が小さく、優れた抗折強度を有するセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグに関する。本発明のセラミックヒータは、長さ方向のいずれの部位においても十分な抗折強度を有し、ディーゼルエンジンのグロープラグの加熱源の他、各種の用途において使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
グロープラグ等に使用されるセラミックヒータとして、窒化珪素質焼結体等のセラミックからなる絶縁体に、ＷＣ等の導電成分を含む発熱抵抗体を埋設したものが知られている。そして、発熱抵抗体に通電するための電極と、発熱抵抗体の端縁とはＷ等からなるリード線により電気的に接続されており、リード線の先端部分は発熱抵抗体の端縁に、通常、嵌合され、接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このリード線と絶縁体との間には反応層が形成される場合があり、これらリード線及び反応層は一般に絶縁体に比べて強度が小さい。そのため、リード線及び反応層の径が大きく、ヒータの横断面におけるリード線及び反応層の断面積の比が高い場合は、ヒータの強度が低下し、ハンドリング時の落下やエンジンへの取り付け時に発生する衝撃等によりヒータが折損し易くなる等の問題がある。反応層はセラミックヒータの焼成工程等において生成する場合があるが、多孔質で非常に脆いため、この反応層の生成は強度の面で特に好ましくない。
【０００４】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するものであり、ヒータの横断面における絶縁体に対するＷ等からなるリード線及び反応層の断面積の比が小さく、十分な抗折強度を有するセラミックヒータ及びそれを備え、耐久性及び信頼性等に優れるグロープラグ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】
セラミックヒータにおいて、絶縁体に対して相対的に強度の小さいリード線及び反応層の断面積の比が高い場合は、抗折強度が低下し折損し易くなることは前記のとおりである。しかし、このリード線及び反応層の断面積の比を特定の値以下に小さくすることにより、グロープラグに組み込んでエンジンに取り付けた際に生ずる衝撃によっても容易に折損することのない十分な抗折強度を有するヒータが得られることが分かった。
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】
第１発明のセラミックヒータは、絶縁体と、該絶縁体に埋設されるＵ字状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の一端縁に接続され、該絶縁体に埋設される第１リード線と、該発熱抵抗体の他端縁に接続され、該絶縁体に埋設される第２リード線と、を備える横断面が円形のセラミックヒータにおいて、前記絶縁体と前記第１リード線とが第１反応層を介して接しており、前記絶縁体と前記第２リード線とが第２反応層を介して接しており、前記第１リード線は、前記発熱抵抗体の前記一端縁から前記セラミックヒータの中心軸に沿うように延びるとともに、途中で屈曲して、その終端部が前記絶縁体の表面に露出するように配置されており、前記第２リード線は前記発熱抵抗体の前記他端縁から前記セラミックヒータの中心軸に沿いつつ、前記第１リード線と同一方向に向けて延びるとともに、途中で屈曲して、その終端部が前記絶縁体の表面に露出するように配置されており、前記第１リード線及び前記第２リード線のいずれもが前記絶縁体に埋設されている部位での前記セラミックヒータの横断面における、
前記第１リード線の断面積、前記第２リード線の断面積、前記第１反応層の断面積、及び前記第２反応層の断面積の合計（Ｓ１）と、前記絶縁体の断面積（Ｓｉ）とは、
比Ｓ１／Ｓｉが０．０１５以上０．０２６以下とされ、前記第１リード線及び前記第２リード線の径が、０．０５〜０．９ｍｍであることを特徴とする。
【０００７】
上記「絶縁体」は、絶縁性セラミックスからなり、この絶縁性セラミックスとしては窒化珪素質焼結体が多用される。この窒化珪素質焼結体は、窒化珪素のみからなるものであってもよいし、窒化珪素を主成分とし、これに少量の窒化アルミニウム、アルミナ等が含有されるものであってもよい。また、サイアロンであってもよい。尚、発熱抵抗体に含まれる導電成分との熱膨張率の差を小さくするため、絶縁体に少量の導電成分を含有させることもできる。
【０００８】
複数の「リード線」は、発熱抵抗体に通電するための陽極側と陰極側の各々１本の第１リード線及び第２リード線である。これらのリード線は、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からなることが好ましい。
【０００９】
リード線は絶縁体に埋設されるが、上記比Ｓｌ／Ｓｉは０．０１５以上０．０２６以下である。
尚、第１リード線及び第２リード線のいずれもが絶縁体に埋設されている部位でのセラミックヒータの横断面とは、図１におけるＸ−Ｘ’断面のように、絶縁体に複数のリード線が埋設されている部位における横断面を意味し、発熱抵抗体が存在する部位及び１本のリード線のみが存在する部位は除かれる。
【００１０】
セラミックヒータ作製時に使用するリード線の径は、０．０５〜０．９ｍｍであり、特に０．１〜０．７ｍｍ、更には０．２〜０．５ｍｍとすることが好ましい。このリード線の径が０．１ｍｍ未満、特に０．０５ｍｍ未満であると、ヒータの作製時、リード線を所定の位置に配設する際などに断線することもあり、取り扱い難くなる。また、抵抗が大きくなり、リード線自体が発熱し易くなって断線に至ることもある。一方、リード線の径が０．９ｍｍを越える場合は、Ｓｌ／Ｓｉが大きくなり、抗折強度が低下し、ハンドリング時の落下若しくはエンジンへの取り付け時の衝撃により折損する傾向にある。
【００１１】
この抗折強度は、特に、７８０ＭＰａ以上であることが好ましい。セラミックヒータは、その製造工程における落下、或いはこのヒータが組み込まれたグロープラグをディーゼルエンジンに取り付ける際に使用されるインパクトレンチによりプラグホールの側壁に当たる、等によって衝撃を受けることがあり、この衝撃によりヒータが折損することがある。しかし、抗折強度が７８０ＭＰａ以上であればリード線と絶縁体とが存在する部分における折損を十分に抑えることができる。
【００１２】
このように、７８０ＭＰａ以上の抗折強度を有するセラミックヒータは、絶縁体として、Ｅｒ、Ｖ、Ｗ、Ｍｇ等を含む焼結助剤を用いて得られる窒化珪素を９０質量％以上含む焼結体を使用し、絶縁体の直径が３．５ｍｍである横断面が円形のヒータを作製した場合、Ｓl／Ｓiを０．１４以下とすることにより容易に作製することができる。この抗折強度は、特に１０００ＭＰａ以上、更には７８０〜１４５０ＭＰａとすることができる。尚、抗折強度が１０００ＭＰａ以上であるとヒータの折損はほとんど発生せず、より好ましい。
【００１３】
また、リード線の径が０．０５〜０．２ｍｍ、特に０．０５〜０．１ｍｍと小さくても、発熱抵抗体の抵抗を大きくすることにより、リード線における発熱を抑えることができ、断線等を生ずることのないヒータとすることができる。このようにリード線の径が小さい場合は、横断面におけるリード線の断面積の比を０．０２５以下、特に０．０２以下、更には０．０１５以下と非常に小さくすることができ、更に優れた抗折強度を有するヒータとすることができる。尚、発熱抵抗体に嵌合される部位においてリード線の幅を広くしたり、厚くしたりすれば、接続部における発熱も十分に抑えられ、より好ましい。
【００１４】
更に、ヒータの横断面における反応層の面積比は０．０１５以下であることが好ましい。この反応層は多孔質であって脆いため、その面積比を小さくすることにより抗折強度の低下を抑えることができる。また、反応層の面積比は絶縁層とリード線との接合強度を向上させるためには０．０００１以上であることが好ましい。
【００１５】
上記「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等から選ばれる１種以上の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物等のうちの少なくとも１種が焼成され、形成される。また、絶縁成分は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。導電成分は、特に、その熱膨張率が絶縁体を構成する窒化珪素質焼結体、若しくは絶縁成分である窒化珪素質焼結体と大きな差がないものが好ましい。熱膨張率の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時の絶縁体及び発熱抵抗体における亀裂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等が挙げられる。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、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熱性も向上する。
【００１６】
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％とした場合に、導電成分を１５〜４０体積％とすることができ、特に２０〜３０体積％とすることができる。
【００１７】
第１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。
導電成分の原料粉末として、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏ等の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物等からなる粉末を使用する。また、絶縁成分の原料粉末として窒化珪素原料粉末等のセラミック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、Ｅｒ等の希土類酸化物粉末が多用されるが、Ｖ及びＷの酸化物の他、ＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3等、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、２種以上を併用することが多い。尚、Ｅｒ2Ｏ3等、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼結助剤粉末を用いると耐熱性がより高くなるため好ましい。
【００１８】
これら導電成分用原料粉末、セラミック原料粉末、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。
導電成分用原料粉末、セラミック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、残部をセラミック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。
【００１９】
このようにして調製した混合粉末に、適量のバインダー等を配合して混練した後、造粒し、これを用いて、射出成形等の方法により、焼成後、発熱抵抗体となる成形体とすることができる。また、この成形体の所定の位置にＷ等の金属からなるリード線が取り付けられる。
【００２０】
その後、この成形体を、絶縁体用原料粉末に埋入する。その方法としては、絶縁体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、これらの半割型の間の所定位置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１７００〜１８５０℃、特に１８００〜１８５０℃、焼成時間は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることができる。
【００２１】
第４発明のグロープラグは、第１乃至第３発明のいずれかに記載のセラミックヒータを備えることを特徴とする。
このグロープラグでは、組み込まれたセラミックヒータが十分な抗折強度を有するため、長期に渡って安定して使用することができる。
【００２２】
【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作製
８６質量％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として、１０質量％のＥｒ2Ｏ3粉末及び４質量％のＳｉＯ2粉末を配合して絶縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４０質量％と導電成分用原料であるＷＣ粉末６０質量％とを、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ー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、直径が０．３ｍｍのＷ製のリード線が両端縁に嵌合され、接続されたＵ字状の発熱抵抗体となる成形体を得た。
【００２３】
一方、８４質量％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として１０質量％のＥｒ2Ｏ3粉末、４質量％のＳｉＯ2粉末及び２質量％のＭｏＳｉ2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ー法によって造粒し、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個の半割型の間の所定位置に載置し、プレス成形して埋入した後、これらを７ＭＰａ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ーを除去し、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、１８００℃で１．５時間、ホットプレス焼成し、絶縁体の直径が３．５ｍｍである横断面が円形のセラミックヒータを作製した。
【００２４】
（２）セラミックヒータ及びこのヒータを組み込んだグロープラグの構成
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、絶縁体１１、発熱抵抗体１２及びリード線１３ａ、１３ｂにより構成されている。絶縁体１１は窒化珪素焼結体からなり、埋設される発熱抵抗体１２、及びリード線１３ａ、１３ｂは、この絶縁体１１によって保護されている。発熱抵抗体１２はＵ字形の棒状体からなり、絶縁体１１に埋設される形態で配設されている。また、Ｗ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絶縁体１１に埋設される発熱抵抗体１２へ給電できるように、それぞれその一端は絶縁体１１の表面に位置し、他端は発熱抵抗体１２の両端縁に嵌合されている。
【００２５】
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る。更に、セラミックヒータの一方のリード線はリードコイル２３を介して固定筒２１に接続され、他方のリード線はリードコイル２４を介して端子２５に接続されている。
【００２６】
（３）抗折強度の評価
（１）において得られた実験例１のセラミックヒータの他、表１に示す径のリード線を用いて同様にして作製した実験例２〜１０のヒータの抗折強度をＪＩＳＲ  １６０１に準じて３点曲げ強度を測定して評価した。スパンは１２ｍｍとし、クロスヘッド速度は０．５ｍｍ／分とした。尚、１２ｍｍのスパンの全体が絶縁体と複数のリード線とが存在する部位となるようにし、このスパン内に発熱抵抗体が含まれないようにして測定した。
【００２７】
（４）耐衝撃性の評価
ハンドリング時の落下若しくはエンジンへの取り付け時の衝撃による折損の有無を判断する基準とするため、以下に説明するアイゾット衝撃試験を行った。
前述した実験例１〜１０のヒータに、図３に示すように金属製の固定筒２１を貫装し、更に、固定筒２１との電気接続を取るためのリードコイル２３及び端子２５との電気接続を取るためのリードコイル２４を装着した状態で試験を行った。試験機としては図３に示すものを使用し、長さ３００ｍｍの腕の先に重さ２５０ｇの錘を付けて、角度１５°から自由落下させ、ヒータの折損の有無を確認した。尚、リードコイル２４のうちのセラミックヒータ１に券回してある部分の中央に錘が当たるようにセラミックヒータ１の高さ位置を調整した（リードコイル２３、リードコイル２４及び端子２５については図２参照）。
以上、（３）及び（４）の結果を表１に示す。尚、耐衝撃性の評価結果は、○；アイゾット衝撃試験の結果、折損しなかった、×；アイゾット衝撃試験の結果、折損した、である。
【００２８】
【表１】
0003903458.tif 000002
【００２９】
表１の結果によれば、横断面におけるリード線及び反応層の断面積の比が０．１４以下である実験例１〜７では、抗折強度は７９０ＭＰａ以上であり、これらのヒータはハンドリング時の落下やエンジンへの取り付け時の衝撃によっても容易に折損することがないものと推察される。特に、この断面積の比が０．０２６以下である実験例１、２では、１４０１ＭＰａ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ことが分かる。一方、横断面におけるリード線及び反応層の断面積の比が０．１６３以上である実験例８〜１０では、６５６ＭＰａ以下と、抗折強度が不十分であることが分かる。
【００３０】
尚、本発明においては、上記の実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、本発明のセラミックヒータはグロープラグばかりでなく、暖房用等の各種ヒータにも使用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
第１発明によれば、十分な抗折強度を有するセラミックヒータとすることができる。また、第２発明によれば、第１発明のセラミックヒータを備え、優れた耐久性を有し、信頼性の高いグロープラグとすることができる。
【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】耐衝撃性の評価に用いた試験機の概略図である。
【符号の説明】
１；セラミックヒータ、１１、絶縁体、１２；発熱抵抗体、１３ａ、１３ｂ；リード線、ｄ；嵌合長さ、Ｄ；露出長さ、２；グロープラグ、２１；固定筒、２２；外筒、２３、２４；リードコイル、２５；端子。
【図１】
0003903458.tif 000003
【図２】
0003903458.tif 000004
【図３】
0003903458.tif 000005