(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体と該発熱抵抗体に通電するためのリード線とを、絶縁性セラミック中に備えるセラミックヒータにおいて、該リード線と該発熱抵抗体との界面に形成される接合層の厚さｔと、該接合層の外周面から該絶縁性セラミックの外周面までの最短距離Ｌとの比は、０．００１≦ｔ／Ｌ≦０．０５であり、
上記厚さｔ（μｍ）は、５０≦ｔ≦６０であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
請求項１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このセラミックヒータを備えるグロープラグに関する。更に詳しくは、特に耐久性に優れ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ウォーターヒータ、ディーゼルエンジンのグロープラグ等に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンに使用されるグロープラグを構成するセラミックヒータとして、炭化タングステン等を主成分とするＵ字状の発熱抵抗体と、タングステン等を主成分とし、発熱抵抗体の両端部に接合され、発熱抵抗体に通電するためのリード線と、からなる導電性部を有するものが多く使用されている。この導電性部は、更に、窒化珪素等を主成分とする絶縁性セラミック中に埋設されている。
【０００３】
このような、絶縁性セラミック中に導電性部が埋設されたセラミックヒータを製造する場合、リード線を構成する成分と他の成分が焼成時に反応することにより反応層が形成される。この反応層は十分に緻密化されていない層であるため機械的強度が不十分であり、この反応層を基点とするクラック及び折れを生じ易い。この反応層の形成を抑制することができる技術として、特開昭６２−７３２号公報、特開平８−３２１３７６号公報及び特開平１０−２０８８５３号公報等が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記の反応層は、リード線と絶縁性セラミックとの接合性、及びリード線と発熱抵抗体との接合性を向上させる接合層としての役割も有している。このため、この反応層が形成されていないセラミックヒータにおいてはリード線と絶縁性セラミック等との接合性が低下し易く、セラミックヒータの機械的強度も十分でなくなることがある。
本発明は上記各問題点を解決するものであり、リード線の接合性は十分に確保しつつ、セラミックヒータのクラック及び折れの発生を防止することができるセラミックヒータを提供することを目的とする。更に、このセラミックヒータを用いた耐久性の高い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】
第１発明のセラミックヒータは、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に通電するためのリード線とを、絶縁性セラミック中に備えるセラミックヒータにおいて、該リード線と該発熱抵抗体との界面に形成される接合層の厚さｔと、該接合層の外周面から該絶縁性セラミックの外周面までの最短距離Ｌとの比は、０．００１≦ｔ／Ｌ≦０．０５であり、上記厚さｔ（μｍ）は、５０≦ｔ≦６０であることを特徴とする。
【０００６】
上記「発熱抵抗体」を構成する成分は特に限定されないが、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ及びＣｒから選ばれる金属元素の珪化物、炭化物及び窒化物うちの少なくとも一種を主成分とすることが好ましい。中でもＷＣ、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ2のうちの少なくとも一種を主成分とすることがより好ましい。この他、上記各金属元素の硼化物等が含有されてもよい。
【０００７】
上記「リード線」を構成する成分は特に限定されないが、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｍｏ及びＮｂから選ばれる金属のうちの少なくとも一種を主成分とすることが好ましい。中でもＷを主成分とすることがより好ましい。
【０００８】
上記「絶縁性セラミック」を構成する成分は特に限定されないが、窒化珪素、サイアロン及び窒化アルミニウムのうちの少なくとも一種を主成分とすることが好ましい。また、窒化珪素のみから構成されてもよく、発熱抵抗体を構成する各金属元素の硼化物等が含有されてもよい。
【０００９】
上記「接合層」は、リード線を構成する成分が焼成時（特に、ホットプレス焼成時）に他の成分と反応することにより形成される。他の成分としては、種々のものが有ると考えられるが、例えば、発熱抵抗体を構成する成分、絶縁性セラミックを構成する成分、及びホットプレス時に使用するカーボン型に含まれる成分、製造時に使用するバインダに含まれる成分等を挙げることができる。尚、通常、この接合層はリード線の外周面を覆うように形成される。
【００１０】
上記「ｔ／Ｌ」は０．００１〜０．０５である。このｔ／Ｌが０．０００９未満であるとリード線と絶縁性セラミックとの接着性、及びリード線と発熱抵抗体との接着性が低下し易く、これらの部材間に隙間を生じることがありセラミックヒータの機械的強度が低下し易い。一方、ｔ／Ｌが０．０６を越えると冷熱間サイクル時の、接合層と、リード線、発熱抵抗体及び絶縁性セラミックとの熱膨張差によりクラック及び折れを生じ易くなる。尚、ｔは、通常、リード線の外周面から絶縁性セラミックの外周面までの距離が最短になる部位において計測した厚さであるものとする。
【００１１】
更に、このｔ（μｍ）は５０≦ｔ≦６０である。ｔが６０μｍを越えると冷熱サイクル時の、接合層と、リード線、発熱抵抗体及び絶縁性セラミックとの熱膨張差によりクラック及び折れを生じ易くなる。
【００１３】
本発明のようにｔが５０≦ｔ（μｍ）≦６０である場合、Ｌは８５０μｍ以上（より好ましくは９００μｍ以上、更には１０００μｍ以上）とすることで１０００ＭＰａ以上の高い曲げ強さを保持することができる。更に、５０≦ｔ（μｍ）≦５５であれば、Ｌを８５０μｍ以上（より好ましくは９００μｍ以上、更には１０００μｍ以上）とすることで１２００ＭＰａ以上の高い曲げ強さを保持することができる。このような冷熱サイクル後にも高い曲げ強さを保持することができるセラミックヒータは、更なる冷熱サイクルに対しても高い耐久性を有し、使用中のクラック及び折れを防止することができる。
【００１４】
第２発明のグロープラグは、第１発明に記載のセラミックヒータを備えることを特徴とする。
本発明のグロープラグの一例を、縦断面図として図３に示す。グロープラグ１は、セラミックヒータ２、このセラミックヒータ２を保持するセラミックヒータ保持具３、このセラミックヒータ保持具３を更に保持する主体金具４、主体金具４に絶縁保持される電極５と、を備える。セラミックヒータを構成する発熱抵抗体２１に接続されたリード線２３ａはコイル状リード線６ａ、セラミックヒータ保持具３、及び主体金具４を介して外部に接続される。また、リード線２３ｂはコイル状リード線６ｂを介して頭部が螺子状に成形された電極５に接続される。このグロープラグは主体金具４に形成された螺子部により、セラミックヒータの先端部が内燃機関内に突出するように配設される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータ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
焼結助剤として希土類酸化物を２〜５モル％含有し、窒化珪素中に含まれる不可避酸素及び焼成時に焼結助剤して寄与する酸化物をＳｉＯ2換算で２〜１５モル％含有し、残部がＳｉ3Ｎ4からなる窒化珪素原料粉末と、炭化タングステン粉末とを体積比で７５：２５となるように秤量し、この混合粉末を７２時間湿式混合した後、乾燥し、発熱抵抗体原料粉末を得た。その後、この発熱抵抗体原料粉末とバインダー（ワックス系バインダ及びポリプロピレン）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タングステン製のリード線が両端に嵌合されたＵ字状のヒータ成形体を得た。
【００１６】
焼結助剤として希土類酸化物を２〜５モル％含有し、窒化珪素中に含まれる不可避酸素及び焼成時に焼結助剤して寄与する酸化物をＳｉＯ2換算で２〜１５モル％含有し、残部がＳｉ3Ｎ4からなるように各粉末を秤量した。この粉末を４０時間湿式混合した混合粉末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、Ｕ字状のヒータ成形体を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７０気圧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、この仮焼体をホットプレス用カーボン型にセットし、窒素雰囲気下、３０００ＭＰａでホットプレス焼成し、セラミックヒータを得た。
【００１７】
（２）接合層の厚さｔの測定
（１）で得られたセラミックヒータを、リード線と発熱抵抗体の接合部分（先端より２６ｍｍの位置）において切断し、その断面に現れるｔを拡大撮影し、得られた写真より測定した。この結果を表１に併記する。
【００１８】
【表１】
0003874581.tif 000002
【００１９】
（３）断続通電による耐久性評価
（１）で得られたセラミックヒータのリード線に電圧を印加し、セラミックヒータの先端から２ｍｍの位置の温度を１４００℃に昇温させた。この通電を１分間行いその後１分間通電を中止し、これを１サイクルとして、各セラミックヒータについて１００００サイクル行うことにより耐久性を評価した。この結果を表１に示す。表１にはセラミックヒータが折れるか、又は通電が行えなくなった時点でのサイクル数を記した。○は１００００サイクルの断続通電を行った後にも使用可能であるセラミックヒータを表す。尚、実験例３は、２０００サイクルで、リード線と発熱抵抗体の接合部を起点に割れが生じた。また、実験例８は、５０００サイクルでリード線が断線したために通電不能となった。
【００２０】
この結果より、ｔ／Ｌが０．０６２５と大き過ぎる実験例３では２０００サイクル目でセラミックヒータに折れが生じた。また、接合層の形成が少ない実験例８では、５０００サイクル目でセラミックヒータへの通電ができなくなった。これに対して、実験例１、２、４、５、６、１０及び１１では１００００サイクル後も問題なく使用できる状態であった。
【００２１】
（４）耐久試験後の曲げ強さの評価
（３）の耐久試験後にＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準じてセラミックヒータの曲げ強さを測定した（３点曲げ、スパン；１２ｍｍ、クロスヘッド速度；０．５ｍｍ／分）。この結果を表１に併記する。
【００２２】
この結果より、実験例１、２、４、５、６、１０及び１１では（３）の耐久試験後であっても曲げ強さは１０００〜１３００ＭＰａを保持しており、十分な機械的強度を有する。特に、ｔが１０μｍで有れば、Ｌを８００〜１２００μｍとすることで、耐久試験後であっても１２００〜１３００ＭＰａの曲げ強さを保持することができる。また、ｔが５０μｍと厚い場合であってもＬを１０００〜１２００μｍ（ｔ／Ｌを０．０４１７〜０．０５）とすることにより１２００〜１２５０ＭＰａの高い曲げ強さを保持することができる。
【００２３】
接合層が形成されていないセラミックヒータである実験例７及び９では、耐久試験では１００００サイクルの耐久には耐えられたものの、本発明品と比べるとその後の曲げ強さは２００〜３００ＭＰａと極めて小さくなっていることが分かる。また、実験例８では通電中に折れは生じなかったが、その後の曲げ強さは１００ＭＰａと非常に小さかった。
【００２４】
尚、本発明においては、これら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、発熱抵抗体の原料粉末として、窒化珪素質粉末８５．５〜９２．５重量部、Ｅｒ2Ｏ3６〜１０重量部、及び焼結助剤としてＷＯ3１〜３重量部を混合した粉末３５〜５５重量％とＷＣ粉末４５〜６５重量％とを混合して使用することもできる。また、Ｅｒ2Ｏ3の代わりにＹ2Ｏ3及び／又はＹｂ2Ｏ3を用いてもよく、更に、ＷＯ3の代わりにＡｌ2Ｏ3及び／又はＳｉＯ2を用いてもよい。この他、仮焼の温度は６００〜８００℃とすることができ、焼成の雰囲気は不活性ガス等、窒素以外の不活性な雰囲気、及び真空等の雰囲気とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
第１発明によれば、冷熱間サイクルに対する耐久性が高く、機械的強度が高いセラミックヒータを得ることができる。第２発明によると、冷熱間サイクルに対する耐久性が高いグロープラグを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータの一例であり、図２におけるＸ−Ｘ’における横断面を示す模式図である。
【図２】本発明のセラミックヒータの一例の縦断面を示す模式図である。
【図３】本発明のグロープラグの一例の縦断面を示す模式図である。
【符号の説明】
１；グロープラグ、２；セラミックヒータ、２１、発熱抵抗体、２２、絶縁性セラミック、２３ａ、２３ｂ；リード線、２４、接合層、３；セラミックヒータ保持具、４；主体金具、５；プラグ電極、６ａ、６ｂ；コイル状リード線
【図１】
0003874581.tif 000003
【図２】
0003874581.tif 000004
【図３】
0003874581.tif 000005