JP2002289327A

JP2002289327A - セラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグ

Info

Publication number: JP2002289327A
Application number: JP2001088350A
Authority: JP
Inventors: Shindo Watanabe; 進道渡邉
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】効率よく昇温させることができ、消費電力を
低減することができるセラミックヒータ、及びこのヒー
タを備えるグロープラグを提供する。【解決手段】絶縁性セラミック基体１１の径方向への
断面をとったときに、この基体の断面積（Ｓ_A）と、基
体と発熱抵抗体１２との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A
／Ｓ）を０．５０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９９、特に０．８０
≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９５とする。また、発熱抵抗体は方向
転換部１２ａと直線部１２ｂ（変径部１２ｃは直線部に
含めるものとする。）とを有し、方向転換部の断面積を
直線部の断面積より小さくし、且つ軸線方向における方
向転換部の長さ（Ｌ₁）と直線部の長さ（Ｌ₂）との相関
を、０．１≦Ｌ₁／（Ｌ₁＋Ｌ₂）０．８とする。発熱抵
抗体は、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ等からなる導電成分
と、窒化珪素質焼結体からなる絶縁成分と、により構成
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、昇温性能に優れ、
消費電力を低減することができ、且つ十分な耐久性をも
併せ有するセラミッ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、ディーゼル
エンジンの始動補助装置であるグロープラグ及び燃焼式
ヒータ等の着火源の他、各種の用途において用いること
ができる。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは、シリンダ内に吸
入した空気を圧縮し、高温になった空気に燃料を噴霧す
ることで自己着火し燃焼するものであるが、このディー
ゼルエンジンを寒冷地で、或いは冬季に始動させる場
合、外気及びエンジン本体等の温度が低いため、圧縮だ
けで燃焼室内の空気を燃料の自己着火に必要な温度まで
到達させることは容易ではない。そこで、従来より、燃
料の着火源としてグロープラグが使用されている。

【０００３】そして、このディーゼルエンジンでは、グ
ロープラグへの通電開始後であり、エンジン始動後にお
けるアイドリング時に燃焼が不安定になることがあり、
それにともなって排気管から白煙が排出されることか
ら、この白煙の排出を抑えるために、グロープラグへの
通電が持続される（所謂、アフターグロー）ものであ
る。そこで、高温でのアフターグローが可能なグロープ
ラグとしてセラミックヒータを備えるグロープラグが検
討されており、例えば、特開２０００−１３０７５４の
公開公報に示すような、グロープラグ（セラミックグロ
ープラグ）が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、セラミック
ヒータを備えるグロープラグでは、高温でのアフターグ
ローが可能なものの、セラミックヒータを高温に発熱さ
せるためには多くの電力を要するという問題がある。そ
して、上記公報に記載されたグロープラグに組み込まれ
ているセラミックヒータでは、抵抗値の高い第１セラミ
ック抵抗体を絶縁性セラミック基体の先端側に埋設し、
その第１セラミック抵抗体の両端に抵抗値の低い第２セ
ラミック抵抗体が接合された形態で絶縁性セラミック基
体に埋設された構造となっている。

【０００５】そのため、ヒータの先端部を効率よく発熱
させることができ、ヒータ全体としての消費電力を低減
することができる。しかし、このセラミックヒータで
は、発熱体（セラミック抵抗体）が種類の異なる導電性
セラミックにより形成されており、製造工程が煩雑にな
り、コスト高になる。更に、種類の異なる導電性セラミ
ックの接合が必ずしも安定せず、信頼性が低下すること
もある。

【０００６】また、セラミックヒータを構成する絶縁性
セラミック基体の内部に埋設される発熱体を、セラミッ
ク抵抗体ではなく、金属コイル、或いは導電性ペースト
の印刷法などにより形成したヒータもある。しかし、こ
のような発熱体は導電性セラミックの場合と違って破壊
起点となり易く、ヒータ自体の機械的強度が低下し、十
分な耐久性を有するヒータとすることができない場合が
ある。

【０００７】本発明は、上記の従来の問題を解決するも
のであり、絶縁性セラミック基体の径方向の断面をとっ
たときに、この絶縁性セラミック基体の断面積と、基体
と発熱抵抗体の断面積との合計断面積との比を特定する
ことによって、昇温性能に優れ、発熱に要する消費電力
が低減され、且つ十分な耐久性及び信頼性を有するセラ
ミックヒータ及びそれを備えるグロープラグを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックヒー
タは、軸線方向に延びる絶縁性セラミック基体と、該絶
縁性セラミック基体に埋設される導電性セラミックから
なる発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータであって、
上記発熱抵抗体は、一方の基端部から延び方向転換して
他方の基端部へ至る方向転換部と、該方向転換部の各基
端部から同方向に延びる一対の直線部とを有し、上記方
向転換部が上記絶縁性セラミック基体の先端部側に向く
ように位置しており、上記絶縁性セラミック基体の径方
向への断面をとったときに、上記絶縁性セラミック基体
の断面積（Ｓ_A）と、該絶縁性セラミック基体と上記発
熱抵抗体との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A／Ｓ）が
０．５０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９９であることを特徴とす
る。

【０００９】このセラミックヒータは、ディーゼルエン
ジンの始動補助装置であるグロープラグとして有用であ
り、所定の高温にまで短時間で昇温させることができ、
この所定の温度を少ない消費電力で維持することがで
き、且つ耐久性に優れ、信頼性の高いグロープラグとす
ることができる。

【００１０】絶縁性セラミック基体に埋設される導電性
セラミックからなる発熱抵抗体は、一方の基端部から延
び方向転換して他方の基端部へ至る方向転換部と、その
方向転換部の両端部（各基端部）から同方向へ直線状に
延びる一対の直線部とを有し、方向転換部が絶縁性セラ
ミック基体の先端部側に向くように配置されている。そ
して、この発熱抵抗体の一対の直線部は、絶縁性セラミ
ック基体の径方向への断面をとったときに、その断面に
おいて、図５及び図６のように絶縁性セラミック基体の
中心点（中心軸線）を挟んで互いに対向する形にて配置
されることが一般的である。このようにすれば絶縁性セ
ラミック基体の表面を均一に昇温させることができるの
で好ましい。

【００１１】更に、この断面において、発熱抵抗体の一
対の直線部は、各直線部の対向方向における寸法がこれ
と直交する方向における寸法よりも小となる断面形状を
有することが多い。より具体的な発熱抵抗体の一対の直
線部としては、絶縁性セラミック基体の径方向への断面
をとったときに、その断面において、図５のように各直
線部の対向方向に沿って短軸が位置する楕円状の断面形
状を有したり、或いは図６のように円弧状の外形線部分
が絶縁性セラミック基体の外形線に倣う形で配置される
半月状の断面形状を有するものが挙げられる。

【００１２】そして本発明の主要な構成としては、絶縁
性セラミック基体の径方向への断面をとったときに、少
なくとも一対の直線部における絶縁性セラミック基体の
みの断面積（Ｓ_A）と、絶縁性セラミック基体と発熱抵
抗体との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A／Ｓ）を０．５
０以上、０．９９未満とすることによって、ヒータ全体
の消費電力を低減することができる。

【００１３】このように絶縁性セラミック基体の占める
面積割合が大きくなれば、それに伴って熱伝導性の高い
発熱抵抗体の体積が相対的に減少し、熱伝導性の低い絶
縁性セラミック基体の体積が相対的に増加する。そのた
め、セラミックヒータ全体としての熱伝導性が低下し、
セラミックヒータを保持するための固定筒といった部材
や当該ヒータと接続されて導通される外部端子（以下、
これらを総称して「外部部材」ともいう。）への熱引き
を小さくすることができる。この外部部材への熱引きが
小さくなったヒータでは、その先端部が効率よく加熱さ
れ、所定温度にまで昇温させるための時間を短縮するこ
とができるとともに、この温度を容易に維持することが
でき、消費電力を低減することができる。

【００１４】上記断面において発熱抵抗体の占める面積
割合が大きくなれば、ヒータの昇温速度等の観点では有
利であり、消費電力を低減することもできる。しかし、
上記Ｓ_A／Ｓが０．５０未満であると、ヒータ全体の熱
伝導性が高くなり、外部部材（例えば、グロープラグの
場合ではセラミックヒータを保護するとともに保持する
金属製の固定筒）等に対して熱が移り易く、電力の低減
効果を得られないおそれがある。尚、セラミックヒータ
を備えるグロープラグにおいては、セラミックヒータか
らの熱が固定筒へ過剰に移ることがあると、固定筒は通
常ロー材を介して主体金具に固定されるがためにこのロ
ー材が溶出し、主体金具への強固な固定に支障をきたす
ことがあり、極端な場合、固定筒が主体金具から脱落す
ることもある。一方、Ｓ_A／Ｓが０．９９以上である
と、絶縁性セラミック基体の面積割合及び体積が極めて
大きくなり、昇温性能が大きく低下し、早期加熱等の観
点から実用に供することができない。

【００１５】本明細書において、絶縁性セラミック基体
及び発熱抵抗体について各々の径方向の断面をとる対象
箇所としては、通常、基体に埋設される発熱抵抗体に通
電を行った際の基体の表面側の最高発熱部分を指すもの
とする。また、絶縁性セラミック基体の外径は、基体の
断面外周の全体が円弧状に形成される場合は、その円状
の外周の直径により定義され、一部のみが円弧状に形成
される場合は、その円弧状の外周部を与える円状領域の
直径として定義されるものとする。

【００１６】絶縁性セラミック基体の断面積と、絶縁性
セラミック基体と発熱抵抗体との合計断面積との比は、
０．８０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９５であることが好ましい。
Ｓ_A／Ｓがこの範囲にあれば、ヒータから外部部材への
熱引きが十分に抑制され、ヒータの先端部が効率よく加
熱され、昇温速度を大きくすることができるとともに消
費電力を低減することもできる。また、上記Ｓ_A／Ｓが
この範囲にあるセラミックヒータを備えるグロープラグ
においては、ヒータから固定筒への熱引きが有効に抑制
されるため、固定筒を主体金具に固定しているロー材の
溶出もなく、耐久性に優れたセラミックヒータとするこ
とができる。

【００１７】本発明のセラミックヒータでは、一対の直
線部は、上記方向転換部の各基端部から同方向に延びる
とともに当該方向転換部より大きい断面積を有する一
方、上記直線部のそれぞれの基端部側には一端部が埋設
される形でリード線が接続されており、上記発熱抵抗体
のうちで、上記方向転換部の先端から基端までの上記軸
線方向における長さを（Ｌ₁）、方向転換部の基端から
直線部に埋設されるリード線の先端までの上記軸線方向
における長さを（Ｌ₂）とした場合に、０．１≦Ｌ₁／
（Ｌ₁＋Ｌ₂）≦０．８を満たすことがより好ましい。

【００１８】このように発熱抵抗体の方向転換部が直線
部より小さな断面積を有することにより、抵抗値の大き
い方向転換部と抵抗値の小さい直線部とが形成される。
従って、この抵抗値の大きい方向転換部の存在により、
セラミックヒータをその先端部側で電力を集中させて効
率よく発熱させることができ、ひいては昇温速度の大き
いヒータとすることができ、消費電力を低減することが
できる。

【００１９】尚、このように発熱抵抗体の断面積が途中
で変化するような場合において、絶縁性絶縁性セラミッ
ク基体及び発熱抵抗体について各々の径方向の断面をと
る対象個所としては、図２を援用して示すように、絶縁
性セラミック基体１１に埋設される発熱抵抗体１２に通
電を行った際の該基体１１の表面側における最高発熱部
分とすれば、発熱抵抗体１２の抵抗値の大きさが上述の
ように自身の断面積の違いにより異なることから、方向
転換部１２ａを含む部分での断面をとり得ることとな
る。また、方向転換部１２ａよりも断面積が大きい直線
部１２ｂについては、リード線１３ａ、１３ｂの先端と
の界面を、径方向の断面をとる対象個所とする。ここ
で、いずれの断面においても、絶縁性セラミック基体の
みの断面積（Ｓ_A）と、その絶縁性セラミック基体と発
熱抵抗体（方向転換部若しくは一対の直線部）との合計
断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A／Ｓ）が０．５０以上で且つ
０．９９未満を満たすことはいうまでもない。

【００２０】また、本発明のセラミックヒータでは、発
熱抵抗体のうちで、方向転換部の先端から基端までの軸
線方向における長さを（Ｌ₁）、その方向転換部の基端
から直線部に埋設されるリード線の先端までの軸線方向
における長さを（Ｌ₂）とした場合に、０．１≦Ｌ₁／
（Ｌ₁＋Ｌ₂）≦０．８とすることが特に好ましい。発熱
抵抗体の軸線方向の長さをみたときに、上記（Ｌ₁）と
上記（Ｌ₂）との関係をこのように規定することによ
り、上述のように発熱抵抗体の断面積を途中で変化させ
たことによる作用、効果が顕著に奏される。Ｌ₁／（Ｌ₁
＋Ｌ₂）が０．１未満であると、消費電力の低減効果が
小さくなることがある。一方、Ｌ₁／（Ｌ₁＋Ｌ₂）が
０．８を越えると、発熱抵抗体の抵抗値が大きくなりが
ちで、所定温度にまで昇温させるのに長時間を要するお
それがある。尚、図２に示すように、発熱抵抗体１２に
おける断面積の変化としては、直線部１２ｂの断面積が
方向転換部１２ａの基端側に向けて連続的に縮径するよ
うに直線部１２ｂに変径部１２ｃを設けたり、或いは段
階的に変化するような変径部を設けることができ、上記
Ｌ ₁、Ｌ₂の各軸線方向における長さについては図２に示
す形になる（変径部１２ｃは直線部１２ｂに含めて考え
るものとする。）。

【００２１】本発明では、絶縁性セラミック基体と、発
熱抵抗体の断面積の相関、更には、発熱抵抗体の前端部
側の断面積及び軸線方向における長さと、後端部側の断
面積及び軸線方向における長さとの相関、を特定するこ
とにより、昇温速度が大きく、消費電力を低減すること
ができ、且つ耐久性にも優れたセラミックヒータとする
ことができるが、これらは断面積が９．０８ｍｍ²未満
（絶縁性セラミック基体の直径が略３．４ｍｍ未満）の
細径のヒータの場合に特に有用である。このような細径
のヒータでは全体の熱容量が小さいため、外部部材への
熱引きの影響が大きいが、上記の構成とすることによ
り、昇温速度の低下等が抑えられ、消費電力が低減され
るという効果が顕著になる。

【００２２】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
の熱膨張係数が、絶縁成分である窒化珪素質焼結体等、
もしくは絶縁性セラミック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
体と絶縁性セラミック基体との界面近傍における亀裂の
発生が抑えられる。そのような導電成分としては、Ｗ
Ｃ、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
耐熱性も向上する。

【００２３】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。

【００２４】絶縁性セラミック基体は、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。

【００２５】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、ＭｇＯ及びＡ
ｌ₂Ｏ₃−Ｙ₂Ｏ₃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、２種以上を併用することが多い。尚、Ｅｒ₂Ｏ₃等の
焼結後に粒界にて結晶相となる焼結助剤粉末を用いると
セラミックヒータの耐熱性がより高くなるため好まし
い。

【００２６】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。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１０
０体積部とした場合に、導電成分用原料粉末を１５〜４
０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。

【００２７】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、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。

【００２８】その後、この成形体を、窒化珪素を主体と
する絶縁性セラミック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、絶縁性セラミック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。

【００２９】尚、上述した本発明のセラミックヒータを
グロープラグに適用することで、昇温速度が大きく、低
消費電力を実現し、更には耐久性に優れるグロープラグ
を提供することができる。

【００３０】とりわけ有効な構造のグロープラグとして
は、固定筒内にセラミックヒータを、そのヒータ先端部
が該固定筒の先端面から突出するように配置した構造を
有するグロープラグであって、上記セラミックヒータ
は、軸線方向に延びる絶縁性セラミック基体と、該セラ
ミック基体に埋設される導電性セラミックからなる発熱
抵抗体とを備え、上記発熱抵抗体は、一方の基端部から
延び方向転換して他方の基端部へ至る方向転換部と、該
方向転換部の各基端部から同方向に延びる一対の直線部
とを有し、上記方向転換部が上記絶縁性セラミック基体
の先端部側に向くように位置するとともに、上記直線部
のそれぞれの基端部側には一端が埋設される形でリード
線が接続されており、上記絶縁性セラミック基体の径方
向への断面をとったときに、上記絶縁性セラミック基体
のみの断面積（Ｓ_A）と、該絶縁性セラミック基体と上
記発熱抵抗体との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A／Ｓ）
が０．５０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９９を満たし、更に、上記
リード線は、前記直線部に埋設されたその先端が、上記
固定筒の先端面よりも該固定筒側に入り込むように位置
しているものが好ましい。

【００３１】かかる構成のグロープラグでは、上記比
（Ｓ_A／Ｓ）を０．０５以上で且つ０．９９未満とする
ことで、昇温速度を大きくすることができるとともに消
費電力の低減が図れる。また、ヒータからの固定筒への
熱引きが有効に抑制されるため該固定筒を主体金具に固
定しているロー材の溶出もなく、耐久性に優れる。更
に、発熱抵抗体の一対の直線部にそれぞれ埋設される形
で接続されるリード線の先端が、上記固定筒の先端面よ
りも固定筒側に入り込むように位置している。従って、
リード線と発熱抵抗体との界面が、エンジンからの高温
の排熱等を受けて膨張・収縮し易い固定筒の先端面近傍
から後方側に位置するので、固定筒からの圧縮応力が上
記界面に及び難く、ヒータにクラックが入り難くなり、
より耐久性に優れた低消費電力タイプのグロープラグを
提供することができる。

【００３２】

【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軸線方向における断面図で
ある。セラミックヒータ１は、軸線方向に延びる絶縁性
セラミック基体１１、発熱抵抗体１２及びリード線１３
ａ、１３ｂにより構成されている。絶縁性セラミック基
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、この絶縁性セ
ラミック基体１１によって保護されている。

【００３３】発熱抵抗体１２はＵ字形の棒状体からな
り、一方の基端部から延び方向転換して他方の基端部へ
至る方向転換部１２ａと、方向転換部１２ａの両端部か
ら同方向（軸線方向）に延びる一対の直線部１２ｂとを
有しており、方向転換部１２ａが絶縁性セラミック基体
１１の先端部側に向くように配置されている。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
供給される電力を絶縁性セラミック基体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の表面に露出し、他端は発熱抵抗体１２の
一対の直線部１２ｂに接続される形で絶縁性セラミック
基体１１に埋設されている。

【００３４】図１においては、直線部１２ｂは、方向転
換部１２ａの各基端部から同方向に延びるとともに該方
向転換部１２ａよりも大きい断面積を有するタイプのセ
ラミックヒータを示している。尚、セラミックヒータ１
は図１に示すものの他に、図３に示すように、直線部１
２ｂと方向転換部１２ａの断面積が略同等の発熱抵抗体
１２を有するものでもよい。

【００３５】（２）セラミックヒータを組み込んだグロ
ープラグの構成図４は、このセラミックヒータを組み込んだグロープラ
グの軸線方向における断面図である。グロープラグ２
は、発熱する部位である先端側に発熱抵抗体１２（発熱
抵抗体１２の方向転換部１２ａ）が配置される形でセラ
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、保持され、同時に絶縁性セラミ
ック基体１１の表面に露出する一方のリード線１３ｂは
ロー材により固定筒２１に電気的に接続される。一方、
この固定筒２１は主体金具２２の先端側にロー付けによ
り固定される。また、セラミックヒータ１の他方のリー
ド線１３ａはリードコイル２４とロー付けにより電気的
に接続され、更に中軸２５に接続されて端子金具２６に
接続されている。尚、主体金具２２の外周には、グロー
プラグをエンジンに取り付けるための取り付けねじ部２
３が螺刻され、さらに取り付ける際にインパクトレンチ
をあてがうための六角状の工具係合部２７が形成されて
いる。また、図４に示すように、リード線１３ａ、１３
ｂの先端が、固定筒２１の先端面２１ａよりも該固定筒
２１側に入り込むようにセラミックヒータ１は固定筒２
１に対して貫装されている。

【００３６】（３）セラミックヒータの製造窒化珪素原料粉末８８質量部（以下、「部」と略記す
る。）に、焼結助剤として、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末１０部及びＳ
ｉＯ₂粉末２部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％と導電性セラミックであるＷ
Ｃ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
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た。

【００３７】一方、発熱抵抗体に対応したＵ字形状のキ
ャビティを有した射出成形用金型に対して、断面が円形
であるＷ製の２本のリード線を各々その端部が上記キャ
ビティ内に入り込むように配置した。そして、その状態
で射出成形機により上記ペレット状とした混練物を射出
し、リード線とＵ字状の導電性セラミックからなる未焼
成発熱抵抗体とが一体化された一体射出成形体、即ち一
方の基端部から延び方向転換して他方の基端部へ至る方
向転換部と、方向転換部の両端部から同方向に延びる一
対の直線部とを有する未焼成発熱抵抗体と、この直線部
に一端が埋設される形で接続されるリード線とが一体化
された一体射出成形体を得た。

【００３８】また、これとは別に、８６部の窒化珪素原
料粉末に、焼結助剤として１１部のＹｂ₂Ｏ₃粉末及び３
部のＳｉＯ₂粉末、並びに５部の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。なお、この２個の半割型は、完成後の絶縁性セ
ラミック基体を、その軸線と略平行な断面により２分割
したときの、その各分割部に対応する形状に形成されて
おり、各々その分割面に相当する部分に、上記一体射出
成形体に対応した形状の凹部が形成されている。そし
て、この凹部に一体射出成形体を収容し、２個の半割型
を型合わせするとともに、その状態で６．８６ＭＰａ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。

【００３９】次いで、この未焼成のセラミックヒータを
窒素雰囲気下、６００℃で仮焼して、射出成形による未
焼成発熱抵抗体、絶縁性セラミック基体となる未焼成体
からバインダ等を除去し、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、２９．４ＭＰａで加圧しながら１８００℃で１．５
時間ホットプレス焼成し、焼成体を得た。そして、焼成
体の表面（外面）にセンタレス研磨加工を施すことによ
り、セラミックヒータを得た。

【００４０】ここで、上述の一体射出成形体を作製する
にあたり、未焼成発熱抵抗体を射出成形により得るため
の射出成形用金型を調整することによって、未焼成発熱
抵抗体における方向転換部及び直線部の断面積、方向転
換部及び直線部の軸線方向における長さを種々に変更
し、各種試験品を作製した。それに同期して、絶縁性セ
ラミック基体を形成するための２個の半割型について
も、型合わせしたときの自身の外径（即ち、焼成後の絶
縁性セラミック基体の外径）、さらには未焼成発熱抵抗
体における方向転換部及び直線部の断面積等を種々に変
更した各種試験品に対応するために、造粒物が圧粉され
た分割面における凹部の位置や深さを種々に調整するよ
うにした。そして、実験例１〜５及び１１〜１２として
図３に示す発熱抵抗体の断面積が概略一定のセラミック
ヒータを、実験例６〜１０及び１３として図１及び図２
に示す発熱抵抗体の断面積が途中で変化するセラミック
ヒータを準備した（各部寸法は表１参照）。

【００４１】その後、ホットプレス焼成及び表面研磨を
行って得られた各種試験品のセラミックヒータに対し
て、絶縁性セラミック基体の表面における最高発熱部分
が１３５０℃になるように、リード線を介して発熱抵抗
体に通電を行い、その最高発熱部分における絶縁性セラ
ミック基体の径方向への断面をとった。尚、発熱抵抗体
の断面積が途中で変化する場合、具体的には直線部が方
向転換部よりも大きな断面積を有する場合には、発熱抵
抗体に通電を行った際の基体の表面側における最高発熱
部分の断面をとれば、発熱抵抗体の抵抗値の大きさが異
なるために、方向転換部を含む形の断面（以下、この部
分の断面を前方側の断面とする。）となる。また、方向
転換部よりも断面積が大きい直線部については、リード
線の先端との界面を、基体の径方向の断面をとる箇所と
する（以下、この部分の断面を後方側の断面とす
る。）。

【００４２】そして、各種試験品において、絶縁性セラ
ミック基体の断面積（Ｓ_A）と、この基体と発熱抵抗体
との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A／Ｓ）（実験例１〜
５及び１１〜１２）、並びに発熱抵抗体と基体との合計
断面積（Ｓ）から前方側の断面及び後方側の断面の各々
における発熱抵抗体の断面積（Ｓ_A1、Ｓ_A2）を差し引い
た値（即ち、それぞれの位置における絶縁性セラミック
基体の断面積）と、合計断面積（Ｓ）との比［（Ｓ−Ｓ
_A1）／Ｓ、（Ｓ−Ｓ_A2）／Ｓ］、及び方向転換部、直線
部の各々の軸線方向における長さの関係［Ｌ₁／（Ｌ₁＋
Ｌ₂）］（図２参照）（実験例６〜１０及び１３）を算
出した。これらの値を表１に示す。尚、表１において＊
は本発明の範囲外であることを表わす。

【００４３】（４）熱引き、消費電力及び昇温性能の評
価表１に示す１３種類の試験品（セラミックヒータ）を組
み込んだグロープラグを作製し、熱引きを評価するた
め、固定筒のヒータの後端部側の端面の温度を測定し
た。また、絶縁性セラミック基体の表面における最高発
熱部分が１３５０℃になるように電圧を調整して発熱抵
抗体に通電し、その時の電圧・電流値から消費電力を算
出した。尚、昇温性能は、１１Ｖの直流電圧を５秒間印
加した場合の最高発熱部分の温度で評価した。これが９
００℃以上であれば良好な昇温性能を示し、９５０℃以
上であれば特に昇温性能に優れるといえる。これらの結
果を表１に併記する。この表１におけるＳはヒータの断
面積であり、括弧内（即ちφ）は外径である。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１の結果によれば、Ｓ_A／Ｓが０．４２
である実験例１では、固定筒端面温度が高く、固定筒及
び主体金具への熱引きが多く、消費電力は６０Ｗを越
え、絶縁性セラミック基体の表面における最高発熱部分
を１３５０℃にまで昇温させるのに多くの電力を要する
ことが分かる。また、Ｓ_A／Ｓが０．９９である実験例
５では、固定筒への熱引きも電力消費も少ないが、昇温
性能に劣っている。一方、Ｓ_A／Ｓが０．５０〜０．９
５である実験例２〜４では、固定筒への熱引きも電力消
費も少なく、且つ優れた昇温性能を有するセラミックヒ
ータが得られていることが分かる。

【００４６】更に、前方側の断面における発熱抵抗体
（方向転換部）の断面積（Ｓ_A1）と後方側の断面におけ
る発熱抵抗体（直線部）の断面積（Ｓ_A2）との関係が
（Ｓ_A1）＜（Ｓ_A2）であって、Ｌ₁／（Ｌ₁＋Ｌ₂）が
０．９である実験例１０では、実験例６〜９と比べて昇
温性能がやや劣るものの、固定筒への熱引き及び消費電
力の点では十分に優れている。また、Ｓ_A1＜Ｓ_A2（Ｓ_A2
はＳ_A1の４．８倍である。）であり、Ｌ₁／（Ｌ₁＋
Ｌ₂）が０．０５と小さい実験例６、及びＳ_A1＜Ｓ_A2で
あり、Ｌ₁／（Ｌ₁＋Ｌ₂）が０．１〜０．８である実験
例７〜９では、固定筒への熱引きも消費電力も少なく、
昇温性能にも優れていることが分かる。

【００４７】また、実験例１１〜１３のように断面積
（外径）の小さいヒータの場合は、固定筒への熱引き及
び消費電力をより低減することができ、十分な昇温性能
を有するセラミックヒータとすることができる。尚、実
験例１３においてＳ_A2はＳ_A1の約２．７倍であり、外径
の小さいヒータでは、このようにＳ_A2に対するＳ_A1の倍
率が小さくても、消費電力の低減及び昇温特性の向上の
効果が十分に奏される。

【００４８】尚、本発明では、上記の具体的な実施例に
限られず、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。例えば、発熱抵抗体の横断面は曲率の小
さい円弧状としてもよいし、曲率の大きい円弧状とする
ことができ、必ずしも滑らかな円弧ではなく凹凸等を有
する形状であってもよい。また、この横断面の形状は楕
円形であってもよい。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、セラミックヒータの特
に表面近傍を均等に、且つ効率よく発熱させることがで
き、ヒータを所定温度に速やかに昇温させることができ
る。また、要する消費電力を低減させることができる。
このセラミックヒータをグロープラグ、バーナ等の加熱
源、或いは酸素センサ等の加熱源として使用すれば、燃
料の着火、センサの活性化のための昇温などを容易に行
うことができる。

【００５０】また、このセラミックヒータをグロープラ
グに使用することにより、高温でのアフターグローを消
費電力を低減して行うことができる。更に、発熱抵抗体
の組成が単一、構造が簡易であるため、その製造に煩雑
な工程を必要としないため耐久性及び信頼性の高いグロ
ープラグとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発熱抵抗体の断面積が一対の直線部において変
化しているセラミックヒータを説明するための軸線方向
における断面図である。

【図２】図１における先端部側を拡大して示す断面図で
ある。

【図３】発熱抵抗体の断面積が略一定であるセラミック
ヒータを説明するための軸線方向における断面図であ
る。

【図４】セラミックヒータを組み込んだグロープラグの
軸線方向における断面図である。

【図５】楕円状の断面を有する発熱抵抗体が埋設された
絶縁性セラミック基体の断面を説明するための断面図で
ある。

【図６】半月状の断面を有する発熱抵抗体が埋設された
絶縁性セラミック基体の断面を説明するための断面図で
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、１２ａ；方向転換部、１２ｂ；一対の直線部、１３
ａ、１３ｂ；リード線、Ｃ；仮想円、２；グロープラ
グ、２１；金属製の固定筒、２２；主体金具、２３；取
り付けねじ部、２４；リードコイル、２５；中軸、２
６；端子金具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 3/48 Ｈ０５Ｂ 3/48

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸線方向に延びる絶縁性セラミック基体
と、該絶縁性セラミック基体に埋設される導電性セラミ
ックからなる発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータで
あって、上記発熱抵抗体は、一方の基端部から延び方向
転換して他方の基端部へ至る方向転換部と、該方向転換
部の各基端部から同方向に延びる一対の直線部とを有
し、上記方向転換部が上記絶縁性セラミック基体の先端
部側に向くように位置しており、上記絶縁性セラミック
基体の径方向への断面をとったときに、上記絶縁性セラ
ミック基体の断面積（Ｓ_A）と、該絶縁性セラミック基
体と上記発熱抵抗体との合計断面積（Ｓ）との比（Ｓ_A
／Ｓ）が０．５０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９９であることを特
徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】上記比が０．８０≦Ｓ_A／Ｓ＜０．９５
である請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】上記一対の直線部は、上記方向転換部の
上記各基端部から同方向に延びるとともに該方向転換部
より大きい断面積を有する一方、上記直線部のそれぞれ
の上記基端部側には一端部が埋設される形でリード線が
接続されており、上記発熱抵抗体のうちで、上記方向転
換部の先端から基端までの上記軸線方向における長さを
（Ｌ₁）、該方向転換部の基端から上記直線部に埋設さ
れる上記リード線の先端までの上記軸線方向における長
さを（Ｌ₂）とした場合に、０．１≦Ｌ₁／（Ｌ₁＋Ｌ₂）
≦０．８を満たす請求項１又は２に記載のセラミックヒ
ータ。
【請求項４】上記合計断面積（Ｓ）が９．０８ｍｍ²
未満である請求項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。
【請求項５】請求項１乃至４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。