(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主体金具内にセラミック発熱体を、そのセラミック発熱体先端部が該主体金具の端面から突出するように配置した構造を有するセラミックヒータであって、
前記主体金具は最先端のシート面において被装着体に当接し、
前記セラミック発熱体は、
セラミック基体と、
前記主体金具から突出するセラミック発熱体先端部においてそのセラミック基体に埋設され、自身の両端部にそれぞれ一端が埋設される電極部を介して通電されることにより抵抗発熱する導電性セラミックとを備え
前記導電性セラミックは、一方の基端部から延びて方向変換した後、他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びる２本の直線部とを備え、その方向変換部が前記セラミック発熱体先端部側を向くとともに前記主体金具の前記シート面の前記端面よりも突出した外筒を介して前記主体金具内に配置され、
前記電極部の前記導電性セラミックに埋設されたその先端は前記主体金具の前記シート面の端面から先端側に突出していないことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記電極部の先端と前記主体金具の前記シート面の前記端面との間の距離を距離ｌとし、当該端面よりも先端側に突出する方向を正として、前記距離ｌは、−４ｍｍ≦ｌに設定されている請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
前記セラミック発熱体の先端の前記主体金具の前記シート面の端面からの距離が２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミック発熱体を用いたおもにディーゼルエンジン等の始動促進に使用されるセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン等の始動促進に使用されるセラミックヒータとして、例えば図７（ａ）に示すように、金属製の外筒１０１の先端にセラミック発熱体１０２を保持させたものが知られている。セラミック発熱体１０２は、例えば棒状の絶縁性セラミック基体１０３の先端部に、導電性を有するＵ字形の導電性セラミック１０４を埋設し、その両端に接続された電極部１０５を介して通電することによりこれを抵抗発熱させるものとして構成される。ここで、電極部１０５は、その末端部を導電性セラミック１０４の各端部内に埋設することによりこれに接続される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなセラミックヒータ１００においては、セラミック発熱体１０２に対する通電やエンジン燃焼時の被熱・冷却の繰り返しにより外筒１０１の膨張／収縮が起こり、セラミック発熱体１０２に圧縮応力が繰り返し付加される。この圧縮応力は、導電性セラミック１０４の発熱やエンジンからの熱を受けやすい外筒１０１の先端部分１０１ａで特に大きくなりやすい傾向にある。ところで、この先端部分１０１ａ内には、電極部１０５が埋設された導電性セラミック１０４の端部１０４ａが位置しているが、図７（ｂ）に示すように、電極部１０５と導電性セラミック１０４との境界には、両部の熱膨張率の差に基づき、例えば焼成後の冷却時等において隙間１０５ａ等の微小な欠陥が形成されていることがある。このような部分に外筒１０１の膨張／収縮に基づく圧縮応力が繰り返し作用すると、上記欠陥を起点として導電性セラミック１０４にクラック等が発生することも考えられ、ひいては導電性セラミック１０４の寿命を縮めることにもつながる。
【０００４】
また、近年の排ガス規制の強化と省燃費を目的として直噴ディーゼルエンジンの採用が急増し、シート面からセラミック発熱体先端までの寸法が従来の渦流室式ディーゼルエンジンと比較して５ｍｍ以上も長く設定する必要が生じてきた。この寸法が長くなって燃焼室内に突出してくると電極部１０５と導電性セラミック１０４との境界を外筒１０１の内部に配置させるのみでは、両部の熱膨張率の差に基づいて形成されることのある隙間１０５ａ等の微小な欠陥の形成を十分に抑制することが困難となる場合がある。
【０００５】
本発明の課題は、導電性セラミックの耐久性に優れたセラミックヒータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、主体金具内にセラミック発熱体を、そのセラミック発熱体先端部が該主体金具の端面から突出するように配置した構造を有するセラミックヒータに係り、上述の課題を解決するために下記の特徴を有する。すなわち、主体金具は最先端のシート面において被装着体に当接し、セラミック発熱体は、セラミック基体と、主体金具から突出するセラミック発熱体先端部においてそのセラミック基体に埋設され、自身の両端部にそれぞれ一端が埋設される電極部を介して通電されることにより抵抗発熱する導電性セラミックとを備える。導電性セラミックは、一方の基端部から延びて方向変換した後、他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びる２本の直線部とを備え、その方向変換部がセラミック発熱体先端部側を向くとともに前記主体金具の前記シート面の前記端面よりも突出した外筒を介して前記主体金具内に配置され、ように配置される。そして、電極部の導電性セラミックに埋設されたその先端は主体金具のシート面の端面から先端側に突出していないように設定する。
【０００７】
すなわち、電極部の導電性セラミックに埋設されたその先端が主体金具のシート面の端面から突出しない、すなわち距離lを、先端側を正として０mm≧lに設定することにより、電極部と導電性セラミックとの界面部分に通電によって生じる熱を効果的に被装着体に逃がすことができる。これによって上記圧縮応力に基づく導電性セラミックのクラック等の発生を効果的に防止ないし抑制される。
【０００８】
セラミック発熱体を主体金具のシート面の端面から突出した外筒を介して該主体金具内に配置すれば、電極部と導電性セラミックとの界面部分が、導電性セラミックの通電発熱やエンジンからの被熱により膨張／収縮しやすい外筒の端面近傍部から離れて位置するので、上記膨張／収縮に伴う外筒からの圧縮応力が、該界面部分に作用しにくくなる。
【００１０】
セラミック発熱体の先端が主体金具のシート面の端面から２０ｍｍ以上離れて設定されている場合には、セラミック発熱体の通電発熱やエンジンからの被熱を外筒から逃すことが困難になってくるため特に効果が大きい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。図１は、本発明にかかるセラミックヒータ５０を、その内部構造とともに示すものである。すなわち、セラミックヒータ５０は、その一端側に設けられたセラミック発熱体１と、セラミック発熱体１の先端側２が突出するようにその外周面を覆う金属製の外筒３，さらにその外筒３をその外側から覆う筒状の主体金具４等を備えており、セラミック発熱体１と外筒３との間及び外筒３と主体金具４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。また、セラミック発熱体１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、主体金具４内に挿通された金属軸６の一方の端部に嵌着されている。そして、金属軸６の他方の端部側は主体金具４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたネジ部６ａにナット７が螺合し、これを主体金具４に向けて締め付けることにより、金属軸６が主体金具４に対して固定されている。また、ナット７と主体金具４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、主体金具４の外周面には、図示しないエンジンブロックにセラミックヒータ５０を固定するためのネジ５aが形成されている。また、エンジンブロックに当接する面のうち最先端のシート面４１を有し、当該シート面４１によって図示しない燃焼室内の気密性を確保するとともにセラミックヒータ５０の抵抗発熱及びエンジンからの被熱を逃す役割を有する。
【００１２】
セラミック発熱体１は、図２に示すように、一方の基端部から延びた後、方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部１０ａと、その方向変換部１０ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線部１０ｂとを有するＵ字状の導電性セラミック１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設される。その導電性セラミック１０は、セラミック発熱体１の先端部２において、ほぼ円形の断面を有するセラミック基体１３中に、その方向変換部１０ａ（すなわち、セラミック発熱体１の先端近傍）で生ずるように、該方向変換部１０ａの断面積は直線部１０ｂよりも小さくされている。なお、方向変換部１０ａと直線部１０ｂは、断面積が互いに等しくなるように形成することもできる。
【００１３】
また、各電極部１１及び１２は、セラミック基体１３中においてセラミック発熱体１０から離間する方向に延びるとともに、その一方のもの（１２）は外筒３内において他方のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍において、それぞれの後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。そして、セラミック発熱体１０に埋設された各先端１１ｂ及び１２ｂは、図３に示すように、該先端から主体金具４のシート面４１の端面４１ａまでの距離lが、先端側を正として１mm≧l、望ましくは０mm≧lに設定されている。
【００１４】
セラミック発熱体は、導電性を有するセラミックス、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２またはＭｏ５Ｓｉ３）、炭化タングステンと窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）との複合物等により構成されるが、炭化珪素（ＳｉＣ）などの半導体セラミックスを使用することもできる。また、電極部１１及び１２はタングステン（Ｗ）あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融点金属材料で構成される。一方、セラミック基体１３は、主に絶縁性のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、ジルコン（ＺｒＯ２・ＳｉＯ２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等により構成される。
【００１５】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の寸法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介して接合されることにより、電極部１２がこれら接合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介して導電性セラミック１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、主体金具４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。この通電により、導電性セラミック１０は抵抗発熱することとなる。
【００１６】
ここで、図３に示すように、電極部１１及び１２の各先端１１ｂ及び１２ｂを、電極部１１及び１２と導電性セラミック１０との界面部分Ｐがセラミック発熱体の通電発熱やエンジンからの被熱により膨張／収縮しやすい外筒３の端面近傍部から離れて位置することとなるため、上記膨張／収縮に伴う外筒３からの圧縮応力が、該界面部分Ｐに作用しにくくなる。さらに、主体金具４のシート面４１の近傍に電極部１１及び１２と導電性セラミック１０との界面部分Ｐが位置することとなるためセラミック発熱体の通電発熱やエンジンからの被熱を効果的に逃がすことができるようになる。その結果、該界面部分Ｐの近傍において導電性セラミック１０にクラック等が発生することを防止ないし抑制される。
【００１７】
セラミック発熱体１は、例えば下記のような方法により製造することができる。まず、図４（ａ）に示すように、導電性セラミック１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対して電極材３０を、その端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そして、その状態で、導電性セラミック粉末とバインダとを含有するコンパウンド３３を射出することにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の導電性セラミック粉末成形部３４とが一体化された一体射出成形体３５を作成する。
【００１８】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するセラミック粉末を予め金型プレス成形することにより、図５（ａ）に示すような、上下別体に形成された予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら予備成形体３６及び３７は、セラミック基体１３を、その軸線とほぼ平行な断面により２分割したと仮定した場合の、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割部に相当する部分に、上記一体成形体３５に対応した形状の凹部３８が形成されている。そして、この凹部３８に一体射出成形体３５を収容し、上下の予備成形体３６及び３７を型合わせするとともに、その状態でこれら予備成形体３６，３７及び一体射出成形体３５をさらに金型を用いてプレス・一体化することにより、図５（ｂ）に示すような、複合成形体３９を作成する。
【００１９】
こうして得られた複合成形体３９は、まず射出成形による導電性セラミック粉末成形部３４あるいは予備成形体３６及び３７からバインダ成分を除去するために仮焼され、続いて図６（ａ）に示すように、グラファイト等で構成された成形機４０の間で加圧しながら所定の温度でホットプレス焼成を行うことにより、同図（ｂ）に示すような焼成体４１となる。このとき、図５（ｂ）に示す導電性セラミック粉末成形機３４が導電性セラミック１０を、予備成形体３６及び３７がセラミック基体１３を、さらに電極材３０が電極部１１及び１２をそれぞれ形成することとなる。その後、焼成体４１の外面に、必要に応じて研磨等の加工を施すことにより、図２に示すようなセラミック発熱体１が得られる。
【００２０】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、下記の試料を用いて通電耐久試験を行った。
セラミック発熱体１を炭化タングステン（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２またはＭｏ５Ｓｉ３）、炭化タングステンと窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）との複合物等により構成し、電極部１１及び１２をタングステン（Ｗ）により構成し、セラミック基体１３を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）により構成して、主体金具のシート面の端面から電極部の先端の距離を種々変化させたセラミックヒータを作成した。これらのセラミックヒータの表面の最高温度が１４００℃になるように印加する電圧を調整した上で１分通電−１分遮断する通電耐久試験を行った。そして、１００００サイクル以下でセラミック基体にクラックが発生したものを不可（×）、１００００サイクル〜２００００サイクルまでに発生したものを良（○）、２００００サイクル以上クラックが発生しなかったものを優（◎）として判定した。以上の結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
0003908864.tif 000002
【００２２】
この結果からもわかるように、主体金具のシート面の端面から電極部の先端の距離lを０ｍｍ以下の範囲、すなわち主体金具のシート面の端面から先端側に突出しないように設定することによって２００００サイクルを超える通電耐久性を持ち、良い結果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を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミック発熱体と外筒との位置関係を示す正面部分断面図。
【図４】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】従来のセラミックヒータのセラミックヒータの構造を示す模式図。
【符号の説明】
１  セラミック発熱体
３  外筒
４  主体金具
１０  導電性セラミック
１０ａ  方向変換部
１１、１２  電極部
１３  セラミック基体
４１  シート面
４１ａ  端面
５０  セラミックヒータ
【図１】
0003908864.tif 000003
【図２】
0003908864.tif 000004
【図３】
0003908864.tif 000005
【図４】
0003908864.tif 000006
【図５】
0003908864.tif 000007
【図６】
0003908864.tif 000008
【図７】
0003908864.tif 000009