JP2001284017A - セラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な抗折強度を有し、且つそのばらつきが
小さいセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグ
を提供する。 【解決手段】 Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等の金属元素の珪化物、
炭化物等からなる導電性セラミック粒子が、窒化珪素質
焼結体等からなるマトリックスセラミック相に分散され
てなる発熱抵抗体と、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ等の金属、或いは
これらの金属を主成分とする合金等からなり、発熱抵抗
体の端縁に嵌合されるリード線とが、窒化珪素質焼結体
等からなる基体に埋設されてなるセラミックヒータにお
いて、発熱抵抗体及び基体に含まれている希土類元素の
質量比を特定することにより、嵌合部のリード線の周縁
において特定の成分、特に、希土類元素が偏在して形成
される偏在層の厚さが５μｍ以下であるセラミックヒー
タ、好ましくはそのような偏在のないセラミックヒータ
を得る。

Description

【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、発熱抵抗体に嵌合されたリード線の周縁
における特定の元素の偏在が抑えられた、好ましくは偏
在のない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、嵌合部にお
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絶縁性セラミック
からなる基体に、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嵌合されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発熱抵抗体は、窒化珪
素原料及び焼結助剤に、ＷＣ等の導電材料を配合し、所
定の形状に成形した後、焼成することにより形成され
る。しかし、窒化珪素原料及びＷＣ等の導電材料はとも
に難焼結性であり、焼結助剤が通常の使用量である場合
は、十分に緻密化された発熱抵抗体とすることができ
ず、その強度等が低下することがある。特開平８−６４
３４６号公報には、焼結性を向上させるため、焼結助剤
総量を増量し、焼成過程において十分な液相を生成させ
る手法が提案されているが、この方法では、余剰の焼結
助剤が均一に分散されず、偏在することがある。この偏
在は、特に、発熱抵抗体に嵌合されたリード線の周縁に
おいて生じ易く、嵌合部の近傍における強度の低下が問
題となる。

【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、発熱抵抗体の端縁に嵌合され、接続さ
れたＷ等からなるリード線の周縁における特定の元素の
偏在が抑えられた、好ましくは偏在のないセラミックヒ
ータ及びそれを備えるグロープラグを提供することを目
的とする。本発明のセラミックヒータは、嵌合部におい
ても十分な抗折強度を有し、且つそのばらつきが小さ
い。

【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、マトリックスセラミック相に導電性セラミック
粒子が分散してなる発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の端縁
に嵌合されるリード線と、該発熱抵抗体及び該リード線
が埋設される軸方向に延びる基体と、を備える棒状のセ
ラミックヒータにおいて、上記発熱抵抗体とリード線と
の嵌合部における軸方向中央での横断面で、上記マトリ
ックスセラミック相に含まれる特定の元素の濃度が、上
記リード線から４０μｍ以上離れた部位での所定厚さに
おける平均値の２倍以上となっている部位を偏在層と定
義し、その偏在層の厚さが５μｍ以下であることを特徴
とする。

【０００６】上記「偏在層」は発熱抵抗体に嵌合された
リード線の周縁に形成される。偏在する上記「特定の元
素」は、通常、焼成により発熱抵抗体を形成することと
なる原料に配合される焼結助剤に含まれる元素である。
焼結助剤は焼成時に融点の高い液相となり、移動し難い
ため偏在し易い。そして、発熱抵抗体のマトリックスセ
ラミック成分として使用される窒化珪素質焼結体の焼成
には、希土類酸化物等が多用されるため、偏在し易い元
素は、第２発明のように、希土類元素であることが多
い。

【０００７】第１発明では、特定の元素を相対的に多量
に含む偏在層の厚さを５μｍ以下とすることにより、抗
折強度の低下が抑えられる。一方、リード線の周縁に希
土類元素等が偏在し、形成される偏在層の厚さが５μｍ
を越える場合は、窒化珪素質焼結体等のマトリックスセ
ラミックによるリード線の保持、固定が不十分となり、
抗折強度が低下する。偏在層の厚さはＥＰＭＡによる線
分析によって測定することができる。

【０００８】希土類酸化物等の希土類元素を含む焼結助
剤は、基体として一般に用いられる窒化珪素質焼結体の
原料にも配合され、偏在の有無、或いは偏在の程度は、
発熱抵抗体及び基体の各々に含まれる希土類元素の量比
により変化する。第３発明のように、発熱抵抗体に含ま
れる希土類元素の質量％（Ｒ_h）と、基体に含まれる希
土類元素の質量％（Ｒ_i）との比（Ｒ_h／Ｒ_i）が０．５
未満であれば、希土類元素の偏在は十分に抑えられる。
また、偏在層が形成されたとしても、その厚さは５μｍ
以下となり、抗折強度の低下は十分に抑えられる。

【０００９】このＲ_h／Ｒ_iが０．４８以下、特に０．４
５以下であれば、偏在層は実質的に形成されず、抗折強
度の低下も確実に防止される。このことは、嵌合部にお
けるリード線の周縁を電子顕微鏡により観察した場合
に、偏在層が認められないことにより確認することがで
きる。一方、Ｒ_h／Ｒ_iが０．４８以上、特に０．５以上
である場合は、後記の実施例における図３によっても明
らかなとおり、偏在層は急激に厚くなり、同時に抗折強
度は大きく低下する。

【００１０】更に、Ｒ_h／Ｒ_iが０．４８以下、特に０．
４５以下であれば、実質的に偏在層の存在しないセラミ
ックヒータとすることができ、同時に抗折強度の最小値
を７００ＭＰａ以上、特に７５０ＭＰａ以上とすること
ができる。また、抗折強度の平均値は７５０ＭＰａ以
上、特に８００ＭＰａ以上とすることができ、且つ抗折
強度の平均値と最小値との差を１００ＭＰａ以下、特に
８５ＭＰａ以下、更には６０ＭＰａ以下とすることがで
き、抗折強度のばらつきの小さいセラミックヒータとす
ることができる。尚、Ｒ_h及びＲ_iはＥＰＭＡにより定性
及び定量分析を行った結果から算出することができる。

【００１１】上記「発熱抵抗体」は、「マトリックスセ
ラミック相」と、この相に分散し、含有される導電性セ
ラミック粒子と、により構成される。マトリックスセラ
ミック相は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。また、
導電性セラミック粒子は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍ
ｏ、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。

【００１２】導電性セラミック粒子は、特に、その熱膨
張率が基体を構成する窒化珪素質焼結体、若しくはマト
リックスセラミック相を構成す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けれ
ばヒータ使用時の基体及び発熱抵抗体における亀裂の発
生が抑えられる。そのような導電性セラミック粒子とし
ては、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ又はＷＳｉ₂等からなる
粒子が挙げられる。更に、この導電性セラミック粒子と
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。導電性セラミック粒
子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。

【００１３】マトリックスセラミック相と導電性セラミ
ック粒子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、導電性セラミック粒子を１
５〜４０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。

【００１４】上記「リード線」は、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｍ
ｏ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。

【００１５】上記「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、導電
性セラミック粒子との熱膨張率の差を小さくするため、
この粒子を構成するセラミック成分を少量含有させるこ
ともできる。

【００１６】第１乃至第３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。導電性セラミ
ック粒子用原料粉末として、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、マトリックスセラミック用原料粉末とし
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、希土類
酸化物粉末が多用されるが、ＭｇＯ及びＡｌ₂Ｏ₃−Ｙ₂
Ｏ₃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。

【００１７】これら各々の原料粉末、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。マ
トリックスセラミック用及び導電性セラミック粒子用の
各原料粉末、並びに焼結助剤粉末は、これらの合計量を
１００体積部とした場合に、導電性セラミック粒子用原
料粉末を１５〜４０体積部、特に２０〜３０体積部、残
部をマトリックスセラミック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。

【００１８】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、Ｗ等の金属からなるリード線が成形体の所定の
位置に配設されるように予め配置された射出成形用の金
型内に射出成形する等の方法により、焼成後、発熱抵抗
体となる成形体とすることができる。なお、射出成形時
にリード線が成形体に取り付けられる。

【００１９】その後、この成形体を、基体用原料粉末に
埋入する。その方法としては、基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、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１７
００〜１８５０℃、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。

【００２０】第４発明のグロープラグは、第１乃至第３
発明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、特に、発熱抵抗体とリード線との嵌合部においても
十分な抗折強度を有し、且つそのばらつきが小さいた
め、長期に渡って安定して使用することができる。

【００２１】

【作用】特定の元素がリード線の周縁に偏在する理由は
以下のように推定される。リード線は一般にＷ等の融点
の高い金属により形成されるが、それでも、焼成時のリ
ード線の表面と、焼成後、発熱抵抗体となる成形体に含
まれる成分との反応は避けられない。そして、微量とい
えどもリード線と上記成分との化合物が生成し、同時に
若干の体積変化を生じ、このような部位は窒化珪素質焼
結体等にとって組織上の欠陥となる。そのため、この欠
陥部位に希土類酸化物等の比較的移動し易い焼結助剤成
分が移動し、偏在することになる。

【００２２】また、Ｒ_h／Ｒ_iが大きくなると希土類元素
の偏在が生じ易くなる原因は以下のように推定される。
Ｒ_iが小さいか、Ｒ_hが大きい場合に、Ｒ_h／Ｒ_iが大きく
なるが、Ｒ_iが小さいと基体の焼結性が低下し、セラミ
ックヒータ全体としての緻密化が遅くなる。このような
焼成過程では含有される各種成分の移動を生じ易くな
り、特に、他と比較して移動し易い希土類酸化物等が前
記の組織上の欠陥となる部位に偏在し易くなる。また、
この現象はＲ_iが小さくなるほど顕著になり、リード線
の周縁に希土類元素の量比が高い偏在層が形成される。

【００２３】一方、Ｒ_hが大きい場合は、焼成後、発熱
抵抗体となる成形体の焼結性は改善され、セラミックヒ
ータ全体としての緻密化も速くなり、希土類元素の偏在
が生じ難くはなる。しかし、緻密化の終了後も焼結体は
高温に保持されているため、比較的移動し易い希土類酸
化物等はセラミックヒータ内を移動することができ、ヒ
ータ全体に均一に分散し得る。しかし、上述した組織上
の欠陥となる部位に存在していた希土類酸化物等は十分
に移動せずに残留し、偏在することになる。

【００２４】そして、Ｒ_h／Ｒ_iが０．５以上となるほど
にＲ_hが大きい場合は、緻密化終了の後も発熱抵抗体の
組織上の欠陥となる部位に偏在している希土類酸化物等
を除き、多くの希土類成分が基体にまで移動し、発熱抵
抗体に含まれる希土類元素が減少する。しかし、組織上
の欠陥となる部位には多くの希土類酸化物等が残存し、
それによってリード線の周縁における希土類元素の量比
は相対的に更に高くなり、より偏在の程度が強くなる。
このように、Ｒ_hが大きくなれば焼結性は改善されるも
のの、より偏在を生じ易くなるため、Ｒ_h／Ｒ_iは０．５
未満とすることが望ましい。

【００２５】

【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 窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として、表１に記載の量
比のＹｂ₂Ｏ₃粉末及びＳｉＯ₂粉末を配合してマトリッ
クスセラミック用原料とした。この原料４０質量％と導
電性セラミック粒子用原料である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。そして、Ｕ字形状のキャビティ
を有する金型内に、Ｗ製のリード線を、その一方の端部
約３ｍｍがキャビティ内に入り込むように配置した。そ
の状態で、ペレット状に裁断した混練物をキャビティ内
に射出することにより、リード線が両端縁に嵌合され、
接続されたＵ字形状の発熱抵抗体となる成形体を得た。

【００２６】一方、８６質量部の窒化珪素原料粉末に、
焼結助剤として１１質量部（４体積部）のＹｂ₂Ｏ₃粉末
及び３質量部のＳｉＯ₂粉末、並びに５質量部のＭｏＳ
ｉ₂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、この仮焼体を黒
鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８０
０℃で１．５時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒ
ータを作製した。

【００２７】（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４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、基体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。基体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、この基体１１によって保護
されている。発熱抵抗体１２はＵ字形状の棒状体からな
り、基体１１に埋設される形態で配設されている。この
発熱抵抗体１２には、マトリックスセラミック及び導電
性セラミック粒子が含有されている。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基体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基体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。

【００２８】図５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。

【００２９】（３）嵌合部のリード線の周縁の走査型電
子顕微鏡による観察及びＥＰＭＡ元素マッピングによる
偏在層の確認 （１）において作製したセラミックヒータを、長さが約
３ｍｍの発熱抵抗体とリード線との嵌合部の軸方向の中
央において、図４のＸ−Ｘで示すように径方向に切断
し、切断面を走査型電子顕微鏡により観察し、写真撮影
をした。更に、ＥＰＭＡ元素マッピングによる分析によ
って、偏在層の有無及び偏在層が多くの希土類元素を含
んでいることを確認した。図１は、実験例４のセラミッ
クヒータの倍率５００倍の写真であり、図２は、実験例
９のセラミックヒータの倍率５００倍の写真である。

【００３０】図１によれば、偏在層はまったく存在せ
ず、第３発明に含まれるセラミックヒータであれば、希
土類元素が偏在しないことが分かる。一方、図２によれ
ば、リード線から４０〜５０μｍ離れた部位における厚
さ１０μｍの範囲のＹｂの濃度の平均値は約１１レベル
であるのに対して、リード線の周縁の厚さ約２８μｍの
範囲におけるＹｂの濃度の平均値はおよそ２．７倍の約
３０レベルであり、Ｒ_h／Ｒ_iが第３発明の上限値以上で
ある場合は、第１発明の上限値を越える厚さの偏在層が
形成されていることが分かる。

【００３１】（４）抗折強度の評価 抗折強度はＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて３点曲げ強度
を測定した。スパンは１２ｍｍとし、クロスヘッド速度
は０．５ｍｍ／分とした。以上、偏在層の厚さ及び抗折
強度の測定結果を表１に併記する。また。図３に、発熱
抵抗体と基体の各々に含まれるＹｂ元素の質量比と、偏
在層の厚さ及び嵌合部における抗折強度の最小値との相
関を示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１及び図３によれば、Ｒ_h／Ｒ_iが０．４
５以下である実験例１〜４では、偏在層はまったく存在
せず、嵌合部における抗折強度の最小値は７１５ＭＰａ
以上であり、平均値との差は８４ＭＰａ以下であって、
十分な強度を有し、且つそのばらつきも小さいことが分
かる。また、Ｒ_h／Ｒ_iが０．４９である実験例５では、
３μｍと薄い偏在層が形成されているが、抗折強度の最
小値は６６５ＭＰａであり、平均値との差は７６ＭＰａ
であって、十分な強度を有し、ばらつきも小さい。一
方、Ｒ_h／Ｒ_iが０．５５以上である実験例６〜９では、
１０〜２８μｍの厚さの偏在層が形成されており、抗折
強度の最小値は５１２ＭＰａ以下であり、平均値との差
は１２２ＭＰａ以上であって、強度が低下し、そのばら
つきも大きいことが分かる。

【００３４】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。

【００３５】

【発明の効果】第１発明によれば、十分な抗折強度を有
し、且つそのばらつきが小さく、信頼性の高いセラミッ
クヒータとすることができる。特に、第３発明によれ
ば、より確実に優れた強度等を有するセラミッヒータと
することができる。また、第４発明によれば、第１乃至
第３発明のセラミックヒータを備え、長期に渡って安定
して使用し得る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】実験例４のセラミックヒータのリード線及びそ
の周縁の発熱抵抗体の横断面の一部を示す走査型電子顕
微鏡写真である。

【図２】実験例９のセラミックヒータのリード線及びそ
の周縁の発熱抵抗体の横断面の一部を示す走査型電子顕
微鏡写真である。

【図３】基体と発熱抵抗体の各々に含まれるＹｂ元素の
質量比と、偏在層の厚さ及び嵌合部における抗折強度の
最小値との相関を示すグラフである。

【図４】セラミックヒータを説明するための縦断面図で
ある。

【図５】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。

【符号の説明】

１；セラミックヒータ、１１、基体、１２；発熱抵抗
体、１３ａ、１３ｂ；リード線、２；グロープラグ、２
１；固定筒、２２；外筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K092 PP16 QA01 QB03 QB24 QC02 QC38 RA02 RB02 RC10 VV31 4G001 BA04 BA08 BA24 BA32 BA48 BA49 BA61 BB04 BB08 BB24 BB32 BB48 BB49 BB61 BC31 BC42 BD01 BD14 BE15

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックスセラミック相に導電性セラ
   ミック粒子が分散してなる発熱抵抗体と、該発熱抵抗体
   の端縁に嵌合されるリード線と、該発熱抵抗体及び該リ
   ード線が埋設される軸方向に延びる基体と、を備える棒
   状のセラミックヒータにおいて、上記発熱抵抗体とリー
   ド線との嵌合部における軸方向中央での横断面で、上記
   マトリックスセラミック相に含まれる特定の元素の濃度
   が、上記リード線から４０μｍ以上離れた部位での所定
   厚さにおける平均値の２倍以上となっている部位を偏在
   層と定義し、その偏在層の厚さが５μｍ以下であること
   を特徴とするセラミックヒータ。
2. 【請求項２】 上記特定の元素は、希土類元素である請
   求項１記載のセラミックヒータ。
3. 【請求項３】 上記発熱抵抗体に含まれる希土類元素の
   質量％（Ｒ_h）と、上記基体に含まれる希土類元素の質
   量％（Ｒ_i）との比（Ｒ_h／Ｒ_i）が０．５未満である請
   求項１又は２記載のセラミックヒータ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のうちのいずれか１項に
   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。