JP2002299010A

JP2002299010A - セラミックヒータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002299010A
Application number: JP2001102955A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Konishi; 雅弘小西; Takeshi Yamaguchi; 猛山口; Kazuo Tatematsu; 一穂立松; Katsuhisa Yabuta; 勝久籔田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-11

Abstract

(57)【要約】【課題】金属リード線への亀裂発生を効果的に防止な
いし抑制するとともに、耐久寿命の高いセラミックヒー
タと、その製造方法を提供する。【解決手段】抵抗発熱体１０とそれに挿嵌した金属リ
ード線１１，１２から成る発熱素子を絶縁性セラミック
基体１３中に埋設した構造を有するとともに、金属リー
ド線１１，１２の表面部にＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少な
くとも１種類以上の元素を含む拡散層が形成されてい
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、グロープラグ等に
使用されるセラミックヒータとその製造方法とに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、抵抗発熱体とそれに挿嵌したＷ製
等の金属リード線から成る発熱素子を絶縁性セラミック
基体中に埋設した構造を有するセラミックヒータが知ら
れている。このようなセラミックヒータにおいては、未
焼成の発熱素子と絶縁性セラミックとを一体化して高温
（例えば１７００℃以上）でホットプレス焼成して製造
する場合が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにホットプレス焼成されたセラミックヒータを用いて
作成されたグロープラグは、使用中にリード線取り出し
部が熱応力の繰り返しを受け、該リード線の取り出し部
断線に至る。これは金属リード線の不均一な再結晶が原
因である。例えば特開平１１−２３３２３９には、金属
リード線に対して１９００〜３０００℃程度の温度で熱
処理を行い、クラック進展を防止する技術が開示されて
いるが、使用中の熱応力緩和には不十分である。また、
１９００〜３０００℃程度の熱処理では、金属の強度劣
化が激しくリード線への適用が問題となる場合がある。

【０００４】本発明の課題は、使用中の金属リード線へ
の亀裂発生を効果的に防止ないし抑制するとともに、耐
久寿命の高いセラミックヒータと、その製造方法を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のセラミックヒータは、抵抗
発熱体とそれに挿嵌した金属リード線から成る発熱素子
を絶縁性セラミック基体中に埋設した構造を有するとと
もに、前記金属リード線表面部にＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏのう
ち少なくとも１種類以上の元素を含む拡散層が存在する
ことを特徴とする。

【０００６】このように、金属リード線表面部に上記元
素を少なくとも含む拡散層を形成することにより、使用
中のリード線とセラミック基体に生ずる熱膨張差による
応力が緩和され、金属リード線取り出し部へのクラック
の発生を防止ないし抑制することが可能となり得る。し
たがって、例えば当該セラミックヒータをグロープラグ
に取り付け、該プラグ使用中の熱応力による断線又は通
電不良、特にリード線取り出し部付近の断線又は通電不
良等を防止ないし抑制することが可能となり得る。この
場合、リード線取り出し部とは、絶縁性セラミック基体
から該金属リード線を取り出す位置及びその周辺部のこ
とを言う。また、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏは共晶点が低下する
ため焼成時に拡散層を厚く形成することができ、クラッ
クの発生を防止ないし抑制するためには、これらの元素
であることが必要である。

【０００７】上記抵抗発熱体としては、Ｗ元素を含み、
ＷやＷ−Ｒｅ合金、又はＷの代わりにＭｏ，Ｎｂ，Ｈ
ｆ，Ｉｒ等で形成された金属発熱材料、又はＷＣ粉末に
Ｓｉ_３Ｎ_４、サイアロン、又はＡｌＮ等のセラミック粉
末を添加して焼成した非金属発熱材料で形成したもの等
を例示することができる。また、上記金属リード線とし
ては、Ｗ又はＷ合金で形成したもの等を例示することが
できる。そして、例えば抵抗発熱体を例えばＵ字状と
し、該Ｕ字状の各端部に金属リード線をそれぞれ連結し
た構成のものが発熱素子となる。なお、連結には金属リ
ード線の各一端を成形用型内に差し込んでおき、成形用
型内に抵抗発熱体の原料を射出する方法等を用いること
ができる。さらに、絶縁性セラミックとしては、Ｓｉ_３
Ｎ_４、サイアロン、又はＡｌＮ等を主成分とするセラミ
ック等を例示することができる。

【０００８】上記拡散層の厚さ（幅）は、３〜５０μｍ
とすることができる。拡散層の厚さ（幅）が３μｍ未満
の場合、リード線とセラミックに生ずる熱膨張差による
応力を緩和する効果が低くなり、使用中に金属リード線
において断線が生じやすくなり得る。一方、拡散層の厚
さ（幅）５０μｍを超えると、金属リード線の抵抗割合
が大きくなりすぎて、通電耐久性が低下する場合があ
る。なお、本発明で言う拡散層は、上記金属リード線が
挿嵌する部分のセラミックヒータの断面についてＥＰＭ
Ａにより各元素の分布状態を調べ、観察された各元素の
特性Ｘ線の強度マッピングを行い拡散の有無を確認し
た。

【０００９】上記金属リード線は、その再結晶粒が線長
手方向に延びて配列しているものとすることができる。
このような構成とすることにより、リード線においてク
ラックが生じたとしても、その進展を防止ないし抑制す
ることが可能となり得る。すなわち、クラックが発生し
た場合、該クラックは再結晶粒の粒界において長手方向
と交わる方向（すなわち線径方向）に進展するが、本発
明のように金属リード線の再結晶粒を線長手方向に延び
て配列させることにより、再結晶粒の粒界が断片的に形
成されているため、当該再結晶粒が線径方向へのクラッ
クの進展を妨げる形となり、結果的に金属リード線にお
けるクラックの進展を大幅に防止ないし抑制することが
可能となり得る。

【００１０】次に、上記課題を解決するために、本発明
のセラミックヒータの製造方法は、抵抗発熱体とそれに
挿嵌した金属リード線から成る発熱素子を絶縁性セラミ
ック基体中に埋設した構造を有するセラミックヒータの
製造方法であって、金属リード線にＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの
うち少なくとも１種類以上の金属被覆を施し、該金属リ
ード線を未焼成抵抗発熱体に挿嵌した発熱素子を未焼成
絶縁性セラミック粉末中に埋設し、これを焼成する工程
を含むことを特徴とする。

【００１１】このような製造方法により、金属リード線
表面部にＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以上
の元素を含む拡散層が存在する本発明のセラミックヒー
タを効率良く製造することできる。また、金属リード線
に上記金属被覆を施すものとしたため、使用中の熱応力
により金属リード線にクラックが入る等の不具合が生じ
難くなり得る。なお、上記金属被覆は、例えば電気メッ
キ、化学メッキ、溶融メッキ、溶射、蒸着、拡散浸透、
又はクラッド材により行うことが可能である。

【００１２】前記金属リード線は、線引き加工したもの
を用い、十分に再結晶化されたものとすることができ
る。このような再結晶粒が線長手方向に延びて配列され
た金属リード線を用いることで、使用時に再結晶粒がバ
ラツクことによる亀裂の発生を防止ないし抑制すること
ができる。また、再結晶化が進みすぎると、リード線の
強度が低下する等の問題が生じる場合がある。

【００１３】

【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、本発明の
セラミックヒータを使用したグロープラグを、その内部
構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ
５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１
と、そのセラミックヒータ１の先端部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
を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えてお
り、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金
属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合
されている。

【００１４】セラミックヒータ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、金属ハウ
ジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着
されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング
４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたね
じ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４
に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジ
ング４に対して固定されている。また、ナット７と金属
ハウジング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、金属ハウジング４の外周面には、図示し
ないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するた
めのねじ部５ａが形成されている。

【００１５】セラミックヒータ１は、図２に示すよう
に、Ｕ字状のセラミック抵抗発熱体（以下、単に発熱体
という）１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状
の電極部（金属リード線）１１，１２の先端部が埋設さ
れるとともに、発熱体１０と電極部１１，１２の全体が
発熱素子をなし、円形断面を有する棒状の窒化珪素質セ
ラミック基体（絶縁性セラミック基体）１３中に埋設さ
れている。発熱体１０は、Ｕ字状の方向変換部１０ａが
セラミック基体１３の末端側に位置するように配置され
ている。

【００１６】セラミック基体１３は、例えばＳｉ_３Ｎ_４
粉末に、Ｅｒ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の焼結助
剤粉末を３〜１５重量％の範囲で添加・混合して焼結し
たものである。また、発熱体１０は、例えば導電性セラ
ミック粉末としてのＷＣあるいはＭｏＳｉ_２粉末とＳｉ
_３Ｎ_４粉末との混合粉末に対し、セラミック基体１３に
使用されたものと同様の焼結助剤成分を、０．８〜１
０．５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであ
り、その焼結体組織は、Ｓｉ_３Ｎ_４系基質（マトリック
スセラミック相）中にＷＣあるいはＭｏＳｉ_２系粒子が
分散したものとなっている。一方、電極部（金属リード
線）１１，１２は、Ｗ、Ｗ−Ｒｅ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｂ、
Ｔａ、ニクロム等の線引きされた金属線で構成される。

【００１７】電極部（金属リード線）１１，１２の表面
には、図７に模式的に示すようにＮｉ，Ｃｒ，Ｎｂのう
ち少なくとも１種以上の元素を含む金属拡散層（反応
層）９５が形成されている。このような拡散層９５は、
Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｂのうちのいずれかを少なくとも含む金
属被覆を、金属リード線１１，１２に所定の方法（例え
ばメッキや気相製膜法など）により施すことで形成する
ことができる。このような拡散層９５の厚さは３〜５０
μｍ程度とされており、該拡散層９５の形成により、電
極部１１，１２と、セラミック基体１３との間の線膨張
係数の違いにより生じる熱応力を緩和することが可能と
なり、セラミックヒータ１の耐久寿命性が向上する。な
お、ディーゼルエンジン等に用いられるグロープラグに
組付けるセラミックヒータの大きさを考慮すると、拡散
層９５の厚さは３〜５０μｍ程度とするのがよい。

【００１８】また、電極部（金属リード線）１１，１２
においては、そのリード線を構成する再結晶粒が線長手
方向に引き伸ばされた状態で、ブロックを積層した状態
に配列している。すなわち、再結晶粒が異方性をもって
配列しており、その粒界が少なくとも線径方向に不連続
なものとなっている。

【００１９】図２に戻り、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、Ｎｉ
等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（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を介して発熱体１０に対して通
電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウジング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。

【００２０】なお、セラミック基体粉末の成形体に対
し、導電性セラミック粉末のペーストを用いて発熱体形
状をパターン印刷し、これを焼成することによりその印
刷パターンを焼結して、抵抗発熱体１０とするようにし
てもよい。また、抵抗発熱体は、ＷやＷ−Ｒｅ等の高融
点金属にて構成してもよい。

【００２１】

【実験例】（実施例１）まず、金属リード線としてＷ製
のリード線（線径０．４ｍｍ）に対して表１に示すよう
に線引き加工を施し、次いで該リード線に金属被覆とし
てＮｉメッキを施した。一方、発熱体用原料粉末は以下
のように調整した。すなわち、平均粒径１μｍの窒化珪
素原料粉末８５質量％と、焼結助剤粉末としてＥｒ_２Ｏ
_３粉末を１０質量％及びＳｉＯ_２粉末を５質量％とを配
合して絶縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４５
質量％と、ＷＣ粉末５５質量％とをボールミルにて２４
時間湿式混合したのち乾燥し、混合粉末を得た。その
後、この混合粉末に所定量のバインダを添加して混錬機
に投入し、４時間混錬した。次いで、得られた混錬物を
裁断してペレット状とし、これを金型３１（図３（ａ）
参照）を備えた射出成形機に投入して上記Ｗ製リード線
が両端に嵌合されたＵ字状の導電体となる成形品（一体
成形体：発熱素子となる）３５を得た（図３（ｂ）参
照）。なお、Ｅｒ _２Ｏ_３粉末は、他の希土類元素酸化物
の粉末を用いてもよい。

【００２２】一方、セラミック基体用原料粉末は以下の
ように調整した。すなわち、平均粒径０．７μｍの窒化
珪素原料粉末８３質量％と、焼結助剤としてのＥｒ_２Ｏ
_３粉末１０質量％及びＳｉＯ_２粉末５質量％と、ＭｏＳ
ｉ_２粉末２質量％とを配合し、バインダとともに２０時
間湿式混合したものをスプレードライにより造粒した
後、この造粒粉末を圧粉して図４に示す２個の分割予備
成形体３６，３７を用意した。その後、上記成形品３５
を２個の分割予備成形体３６，３７の間の所定位置にセ
ットし、一体プレス成形して図５（ａ）及び図６（ａ）
に示す複合成形体３９を得た。なお、Ｅｒ_２Ｏ_３粉末
は、他の希土類元素酸化物の粉末を用いてもよい。

【００２３】次いで、この複合成形体３９をＮ_２雰囲気
中６００℃で脱脂（仮焼）してバインダを除去し、脱脂
体（仮焼体）３９’を得た（図６参照）。次にこの仮焼
体３９’にＢＮ等の離型剤を塗布し、これを図５（ｂ）
に示したホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５
を用いて炉６４内にてホットプレス焼成した。焼成条件
は、窒素雰囲気下、１８００℃、２．９４×１０^７Ｐａ
で６０分間である。この焼成後、焼成品を研磨すること
により図２に示すセラミッヒータ１（φ３．５）を作成
した。得られたセラミックヒータ１に関して引張試験に
より引張強度（Ｎ）を測定した。結果を表１に示す。な
お、比較例１，２は再結晶化していない組織を有するも
ので、実施例１〜３は再結晶化しているものを用いた。
また、試験は３〜５回行った平均値により評価するもの
とする。

【００２４】

【表１】

【００２５】このように、再結晶化した本発明に属する
実施例１〜３の金属リード線は、高い引張強度を備えて
いることが分かる。また、これら実施例１〜３の金属リ
ード線の結晶組織についてＸ線観察したところ、線長手
方向に引き伸ばされた状態の結晶粒（二次再結晶）が観
察された。一方、比較例１，２の金属リード線は、実施
例１〜３とは逆に金属リード線の再結晶粒が引き伸ばさ
れた状態に配列されておらず、粒界が線径方向に繋がっ
た状態の等方的な結晶状態であった。なお、比較例１及
び２は、各実施例よりも引張強度が高い結果であるが、
これらは引張強度が高いものの、金属リード線の再結晶
粒が形成されていないために、一旦クラックが生じると
すぐに断線してしまう問題を有していた。

【００２６】（実施例２）次に、上記実施例１において
金属リード線への金属被覆の種類及び被覆厚さを変化さ
せて、表２に示す実施例４〜１８、及び比較例３〜４の
セラミックヒータを得た。なお、実施例７及び比較例３
のセラミックヒータに関しては、金属リード線の二次再
結晶化が行われていないものとされている。

【００２７】これら実施例４〜１８及び比較例３〜４の
セラミックヒータについて、抵抗値測定を行った。具体
的には、常温にて抵抗値測定を行い、金属リード線にお
ける抵抗値（リード部抵抗）を測定し、全体抵抗の２０
％以上を占める場合は拡散層が反応大としてＮＧと判定
した。また、冷熱試験として、セラミックヒータに金属
外筒３（図１参照）及びリードコイル５（図１参照）を
ろう付けし、ＤＣ１１Ｖにて６０秒通電（先端部１２０
０℃）した後、水急冷するパターンを１サイクルとし
て、冷熱繰り返し試験を２０回実施した。毎サイクル後
に抵抗値を測定し、通電不可（抵抗無限大）のものをＮ
Ｇと判定した。結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】このように、金属拡散層（反応層）を形成
していない比較例３，４は、水急冷試験において１〜２
サイクルでＮＧ判定であった。一方、金属拡散層（反応
層）を形成した実施例４〜１８は、水急冷試験において
少なくとも１０サイクルまで良好な通電性を保持してい
た。したがって、所定厚さの金属拡散層（反応層）を形
成したものは、金属リード線とセラミック基体との間で
の線膨張係数の差に基づく熱応力が緩和されるため、良
好な電極取り出し部の耐久性を有していることが分か
る。また、金属リード線に対して再結晶化を行わなかっ
た実施例６においても、良好な耐久性が得られた。さら
に、金属拡散層（反応層）の厚さが５０μｍを超える実
施例１７，１８は、リード線における抵抗割合が大きく
なり過ぎていた。すなわち、金属拡散層（反応層）の厚
さが５０μｍを超えると、ヒータとして良好な通電性を
備えたものとなりにくいことが分かる。

【００３０】なお、本発明のセラミックヒータ、及び本
発明の製造方法にて製造されるセラミックヒータは、例
えばディーゼルエンジンの燃焼室を予熱するセラミック
グロープラグ等に用いることが好適である。また、本明
細書において「主成分」あるいは「主体となる成分」と
は、特に断りがないかぎり、最も重量含有率の高くなる
成分を意味するものとして用いた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープ
ラグ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】セラミックヒータの製造工程説明図。

【図４】図３に続く工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模
式図。

【図７】金属リード線が挿嵌する部分のセラミック基体
の断面模式図。

【符号の説明】

１セラミックヒータ１０セラミック抵抗発熱体１１，１２金属リード線１３セラミック基体９５拡散層（反応層）９６結晶粒９７粒界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者立松一穂愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者籔田勝久愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 3K092 PP16 QA01 QB02 QB24 QB74 QC02 QC16 QC65 QC66 RA05 RB02 RB22 VV36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗発熱体とそれに挿嵌した金属リード
線から成る発熱素子を絶縁性セラミック基体中に埋設し
た構造を有するとともに、前記金属リード線表面部にＮ
ｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以上の元素を含
む拡散層が存在することを特徴とするセラミックヒー
タ。
【請求項２】前記拡散層の厚さが、３〜５０μｍであ
る請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項３】前記金属リード線は、その結晶粒がリー
ド線長手方向に延びて配列している請求項１又は２に記
載のセラミックヒータ。
【請求項４】抵抗発熱体とそれに挿嵌した金属リード
線から成る発熱素子を絶縁性セラミック基体中に埋設し
た構造を有するセラミックヒータの製造方法であって、金属リード線にＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種
類以上の金属被覆を施し、該金属リード線を未焼成抵抗
発熱体に挿嵌した発熱素子を未焼成絶縁性セラミック粉
末中に埋設し、これを焼成する工程を含むことを特徴と
するセラミックヒータの製造方法。