JP2003293869A

JP2003293869A - セラミックヒータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003293869A
Application number: JP2002249797A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakamoto; 広治坂元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の燃料通路に設置され、燃料を温度立
ち上がり特性、加熱効率よく加熱する。【解決手段】内燃機関の燃料通路内に設置し、セラミッ
ク体２の表面を燃料と接触させることによって燃料を加
熱するセラミックヒータ１であって、少なくとも燃料と
接する面の表面粗さＲａが０．１μｍ以下のセラミック
体２中に発熱抵抗体３を埋設し、該発熱抵抗体３の端部
に接続する電極取り出し部４を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃料を
供給する燃料供給装置に関するものであり、特に燃料通
路内の燃料を直接加熱するセラミックヒータ及びセラミ
ックヒータの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関の寒冷始動時や寒冷時
のアイドリング時または寒冷運転時には燃料の霧化特性
が悪いため、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気通路
の内壁や吸気弁に付着し、機関の運転特性や排ガス特性
を劣化させる現象が生じる。

【０００３】このような霧化対策として、燃料噴射弁の
先端にヒータを取り付け、燃料噴射弁から加圧噴射され
る燃料を加熱することにより微粒化を促進させ、機関の
過渡特性の改善、及び排ガス中の有害成分を低減させる
方法が提案されている。

【０００４】しかし、従来の加熱手段は、電熱ヒータ等
を用いていたためヒータ自身の温度立ち上がり特性が悪
く、伝熱面が十分な温度に加熱されるまでに長時間かか
り、機関始動直後の過渡特性の改善や排ガス中の有害成
分の低減に対して十分な効果が得られないという問題が
あった。

【０００５】このようなことから、高周波誘導加熱装置
を採用することが提案されている。この高周波誘導加熱
装置は、噴射燃料が通る燃料通路を比抵抗の大きい電気
特性を有する金属材料で構成し、この燃料通路部材の周
囲に高周波誘導加熱コイルを配置し、このコイルに高周
波電流を流すことにより上記燃料加熱部材の表面に渦電
流を発生させ、この材料の比抵抗によりジュール熱を生
じさせるようにしたものであり、この加熱により燃料通
路部材の温度が上昇し、燃料通路を通過する燃料を速や
かに加熱することができるものである（特公昭４９ー４
５２４９号公報、特公昭４９ー４５２５０号公報参
照）。

【０００６】また、内燃機関に加圧燃料を噴射する燃料
噴射弁に燃料通路を形成するとともに、燃料通路の周囲
に高周波加熱コイルを設置し、この高周波加熱コイルが
所定の温度に達すると抵抗の増すＰＴＣ素子（正温度特
性サーミスタ）等の制御装置を直列に接続することによ
って、燃料の温度を自動的に制御することが提案されて
いる（特開平５ー２８８１３１号公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような高周波誘導加熱装置を用いた場合、燃料通過部材
の外側に高周波誘導コイルを設けなければならず、内燃
機関が大型化するという欠点を有していた。

【０００８】また、温度の立ち上がり特性や加熱効率を
上げようとすると、燃料通路部材を小型化して熱容量を
小さくする傾向に進み、温度の上限が高くなり、燃料が
自然発火する心配が生じる。例えば、高周波誘導加熱装
置を用いた場合、２〜３秒間に燃料通路を４００〜５０
０℃程度まで加熱するのは比較的容易であるが、大気圧
下におけるガソリンの自然発火温度は４８０〜５５０℃
程度とされており、温度立ち上がり特性や加熱効率を向
上させようとすると、燃料の自然発火を誘発する恐れが
あった。

【０００９】さらに、燃料通路部材の温度を燃料の自然
発火温度よりも低い所望の温度に自動的に制御するよう
にＰＴＣ素子等の制御装置を取り付けた構造は、内燃機
関全体が大型になってしまうという欠点を有していた。

【００１０】本発明は、このような欠点に鑑み案出され
たものであり、その目的は始動直後より燃料温度を速や
かに上昇させるとともに、燃料通路部材の温度を燃料の
自然発火温度よりも低い所望の温度に自動的に制御する
ことができる内燃機関の燃料加熱用のセラミックヒータ
を提供するものである。

【００１１】

【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、表面粗さＲａが１．０μｍ以下のセラミック体中
に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の端部に接続する
電極取り出し部を有してなり、内燃機関の燃料通路内に
設置してセラミック体の表面を燃料と接触させることに
よって燃料を加熱することを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明のセラミックヒータは、上記
セラミック体が窒化珪素質焼結体からなるとともに発熱
抵抗体の主成分がタングステンからなり、該タングステ
ンのピーク強度に対するタングステンシリサイドのピー
ク強度が８０％以下であることを特徴とするものであ
る。

【００１３】さらに、本発明のセラミックヒータは、中
空筒状であることを特徴とするものである。

【００１４】またさらに、本発明のセラミックヒータ
は、回転防止機構を設けたことを特徴とするものであ
る。

【００１５】本発明のセラミックヒータの製造方法は、
上記セラミック体となる窒化珪素を主成分とする成形体
に上記タングステンを主成分とする発熱抵抗体を埋設
し、窒素ガス１．５気圧以上の高圧雰囲気中、最高温度
１７００〜２０００℃の範囲で焼成してなる。

【００１６】また、本発明のセラミックヒータの製造方
法は、上記セラミック体となる窒化珪素を主成分とする
成形体に上記タングステンを主成分とする発熱抵抗体を
形成した後、その表面にディッピング法によってセラミ
ック体と略同一組成のコート層を形成した後、窒素ガス
１．５〜９気圧の高圧雰囲気中、１４００〜１８００℃
にて焼成する第１焼成工程と、該第１焼成工程よりも高
圧の窒素ガス中、１７００〜２０００℃にて焼成する第
２焼成工程を有することを特徴とするものである。

【００１７】さらに、本発明のセラミックヒータの製造
方法は、上記焼成して得られた焼結体に機械加工によっ
て発熱抵抗体の一部を露出させて電極取り出し部を形成
した後、上記電極取り出し部に活性金属を含有する導電
性ペーストを曲面印刷法にて形成して外部電極と導通さ
せるための電極パッド部とし、真空中にて焼付けを行う
ことを特徴とする。

【００１８】本発明のセラミックヒータによれば、内燃
機関の燃料通路内に設置し、セラミック体の表面を燃料
と接触させることによって燃料を加熱するセラミックヒ
ータであって、少なくとも燃料と接する面の表面粗さＲ
ａが１．０μｍ以下のセラミック体中に発熱抵抗体を埋
設し、該発熱抵抗体の端部に接続する電極取り出し部を
有してなることから、燃料を直接加熱することで温度の
立ち上がり特性や加熱特性を保持し、長時間使用し続け
た場合にもセラミック体の表面に燃料に含まれる堆積物
の付着や剥離を防止できる。

【００１９】また、本発明のセラミックヒータによれ
ば、上記セラミック体が窒化珪素質焼結体からなるとと
もに上記発熱抵抗体の主成分がタングステンからなり、
タングステンのピーク強度に対するタングステンシリサ
イドのピーク強度が８０％以下であることから、長期間
の使用によっても発熱抵抗体にクラック等が生じること
はなく、より耐久性の優れたものとすることができる。

【００２０】さらに、本発明のセラミックヒータによれ
ば、中空筒状であることから、燃料と接する表面積を大
きくすることができ、温度の立ち上がり特性や加熱特性
をさらに向上させることができる。

【００２１】またさらに、本発明のセラミックヒータに
よれば、回転防止機構を設けたことから、内燃機関の燃
料通路内に容易に設置することができる。

【００２２】また、本発明のセラミックヒータの製造方
法によれば、上記セラミック体となる窒化珪素を主成分
とする成形体に上記タングステンを主成分とする発熱抵
抗体を形成した後、その表面にディッピング法によって
セラミック体と略同一組成のコート層を形成することに
より焼成後の抵抗バラツキの少なくまた積層面の剥が
れ、ブクといった積層不良の少ないセラミックヒータを
作製することができる。また焼成工程においては窒素ガ
ス１．５〜９気圧の高圧雰囲気中、１４００〜１８００
℃にて焼成する第１焼成工程と、該第１焼成工程よりも
高圧の窒素ガス中、１７００〜２０００℃にて焼成する
第２焼成工程を用いることで、焼結体が十分に緻密化し
ており発熱体の珪化反応の抑えられた焼結体を作製する
ことができる。

【００２３】さらに、本発明のセラミックヒータの製造
方法によれば、上記焼成して得られた焼結体に機械加工
によって発熱抵抗体の一部を露出させて電極取り出し部
を形成した後、上記電極取り出し部に活性金属を含有す
る導電性ペーストを曲面印刷法にて形成して外部電極と
導通させるための電極パッド部とし、真空中にて焼付け
を行うことでセラミックヒータと外部電極とを容易に接
合することのできるセラミックヒータを作製することが
できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて説明する。

【００２５】図１は、本発明のセラミックヒータの一実
施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同図
（ａ）のＸーＸ線における断面図である。

【００２６】本発明のセラミックヒータ１は、内燃機関
の燃料通路内に設置され、セラミック体２中に発熱抵抗
体３を埋設し、該発熱抵抗体３の端部に接続する電極取
出し部４を形成し、この電極取出し部４に金属皮膜を形
成している電極パッド部５とから構成される。

【００２７】上記セラミック体２は、その表面粗さがＲ
aで１．０μｍ以下に特定され、燃料通路内でセラミッ
クヒータを長時間使用し続けた場合に、セラミックヒー
タ１の表面に燃料に含まれる高沸点成分の堆積を防ぐこ
とが可能となり、温度立ち上がり特性や加熱特性の劣化
を有効に防止でき、さらに使用し続けた場合には、上記
堆積物がセラミックヒータ１の表面から剥がれて燃料噴
射弁に詰まり、燃料がうまく噴射されなくなることを改
善することができる。一方、セラミック体２の表面粗さ
がＲaで１．０μｍを超えると、例えばガソリン等の燃
料を加熱した際、セラミックヒータ１の表面に堆積物が
付着し、さらに表面粗さがＲａで１．５μｍ以上となる
と堆積物がセラミックヒータ１の表面から剥がれ、燃料
ノズルをつまらせてしまうという問題が発生する。

【００２８】上記セラミックヒータ１の表面に付着する
堆積物は、例えば燃料がガソリンである燃料通路内に設
置した場合、飽和、不飽和炭化水素等が検出され（ＦＴ
−ＩＲ分析（ＰＥＲＫＩＮＥＲＭＥＲ製ＦＴ−ＩＲ
１６５０型）及びガスクロマトグラフ質量分析（ＦＲ
ＯＮＴＩＥＲＬＡＢ製ＤＯＵＢＬＥＳＨＯＴＰＹ
ＲＯＬＹＺＥＲＰＹ２０１０Ｄ、島津製作所製ＱＰ
５０００型））によってガソリンの高沸点成分が堆積し
ていることが確認されている。

【００２９】上記セラミック体２の表面粗さをＲａで
１．０μｍ以下とするには、焼成後のセラミック焼結体
をセンタレス加工等の機械加工よって表面を切削するこ
とで得ることができる。

【００３０】また、上記セラミック体２は、窒化珪素質
焼結体、アルミナ質焼結体、ムライト質焼結体、窒化ア
ルミニウム質焼結体等のセラミックスからなり、特に窒
化珪素質焼結体を用いることが好ましく、耐熱衝撃性が
優れていることから、寒冷時の雰囲気において燃料温度
を急速に立ち上げるような急激な温度変化によっても耐
久性を保持することができる。

【００３１】さらに、上記セラミック体２は、熱膨張係
数がより大きなモリブデンやタングステン等の珪化物、
炭化物、窒化物の一種以上を添加することにより、セラ
ミック体２に埋設される発熱抵抗体３との熱膨張率の差
を緩和し、ＯＮ−ＯＦＦの繰り返し通電における耐久性
をより向上させることができる。

【００３２】上記セラミック体２に埋設される発熱抵抗
体３は、タングステン、モリブデン等の高融点金属やそ
れらの合金、または炭化タングステン、珪化モリブデ
ン、窒化チタン等に代表される第４族、第５族、第６族
の金属元素もしくはこれらの炭化物、珪化物、窒化物、
ホウ化物を主成分とする正温度特性を示す導電材料から
なり、セラミックヒータ１に電圧を印加した際、その最
高温度が４５０℃になるように電圧を印加することによ
り、ＰＴＣ素子に代表されるような温度制御部を設けな
くとも、安全にセラミックヒータ１を使用することがで
き、セラミックヒータ１の小型化が可能となる。

【００３３】また、上記発熱抵抗体３は、セラミック体
２を窒化珪素質焼結体で形成する場合、この熱膨張係数
に近いタングステンを主成分とすることによって、ＯＮ
−ＯＦＦの繰り返し通電においても熱膨張係数の差によ
る発熱抵抗体３に生じるクラックを抑えることができ、
抵抗変化が少なく耐久性の優れた発熱抵抗体３とするこ
とができる。さらにタングステンは抵抗温度係数が大き
いため、燃料の急速加熱することができる。

【００３４】しかしながら、セラミック体２を窒化珪素
質焼結体とした場合、発熱抵抗体３としてタングステン
を主成分としても、焼成時に窒化珪素の分解及びタング
ステンの珪化反応が発生し、発熱抵抗体３はタングステ
ンとタングステンシリサイドの混合物となる。

【００３５】そこで、上記発熱抵抗体３は、タングステ
ンを主成分とし、該タングステンのピーク強度に対する
タングステンシリサイドのピーク強度が８０％以下とす
ることが好ましい。

【００３６】上記タングステンのピーク強度に対するタ
ングステンシリサイドのピーク強度が８０％を超える
と、該タングステンシリサイドは脆性材料であるため、
セラミックヒータ１のＯＮ−ＯＦＦの繰り返し通電によ
る急冷や急加熱にともなって発熱抵抗体３中のタングス
テンシリサイドにクラックが生じやすく長期間の使用に
よって耐久性が低下しやすい。

【００３７】また、セラミック体２である窒化珪素質焼
結体との熱膨張率の差が大きくなり、タングステンシリ
サイドの抵抗温度係数がタングステンの抵抗温度係数の
半分以下のためセラミックヒータ１による燃料の加熱特
性が低下しやすい。セラミック体２を形成する珪化モリ
ブデンを含有させた窒化珪素質焼結体の熱膨張係数は
３．１×１０^ー ⁶／℃（２０−４００℃）程度であり、発
熱抵抗体３に含まれるタングステンの熱膨張係数は４．
６×１０^ー ⁶／℃（２０−５００℃）、タングステンシリ
サイド（ＷＳｉ₂）の熱膨張係数は６．２５×１０^ー ⁶／
℃（２０−４２０℃）と、セラミック体の熱膨張係数に
対してタングステンシリサイドの熱膨張係数は非常に大
きいため、この差によってクラックが生じやすく、耐久
性が低下しやすい。

【００３８】具体的には、発熱抵抗体３としてタングス
テン９０質量％と焼結助剤を含む窒化珪素１０質量％の
混合粉末を窒素加圧雰囲気下にて圧力第１パターンを７
気圧、第２パターンを７０気圧とし、温度１８００〜２
０００℃にて焼成した場合、タングステンのピーク強度
に対するタングステンシリサイドのピーク強度は５０％
となる。

【００３９】さらに好ましくは、タングステンのピーク
強度に対するタングステンシリサイドのピーク強度を３
０％以下とすることによって、抵抗温度係数の低下を防
止でき、燃料の加熱特性がより向上させることができ
る。

【００４０】なお、上記発熱抵抗体３におけるタングス
テンとタングステンシリサイドのピーク強度は、ＷＤＳ
（ＥＰＭＡ波長分散型）法（装置：ＪＸＡ−８６００
Ｍ，蒸着：Ｃ）にて測定し、発熱抵抗体３中のタングス
テンとシリコンの最大ピーク強度の割合によって求める
ことができる。

【００４１】また、上記発熱抵抗体３のタングステンの
ピーク強度に対するタングステンシリサイドのピーク強
度を８０％以下とするには、後述するように発熱抵抗体
３を形成したセラミック体２の成形体を窒素ガス１．５
気圧以上の高圧雰囲気中、最高温度１７００〜２０００
℃の範囲で焼成することによってできる。

【００４２】さらに、上記発熱抵抗体３の両端はセラミ
ック体２より露出した電極取出し部４が設けられてお
り、該電極取出し部４の上面には電極パッド部５が形成
され、上記電極パッド部５にリード線を直接接続して外
部の電源からの接続を行う作用をなす。

【００４３】上記電極パッド部５は、図１に示すように
発熱抵抗体３のワット密度の低い位置に形成することが
好ましく、電極パッド部５の温度を低減することがで
き、電極パッド部５の耐熱性及びリード金具を取り付け
た場合のＯＮ−ＯＦＦの繰り返し通電におけるクラック
の発生を低減させることができる。

【００４４】次に本発明のセラミックヒータ１の製造方
法を図２に基いて説明する。

【００４５】先ず、図２（ａ）に示すように、上記セラ
ミック体２を窒化珪素質焼結体で形成する場合、主原料
である窒化珪素粉末には、α型窒化珪素、β型窒化珪素
のいずれでもよく、その平均粒径は０．１〜１．２μｍ
がよい。この窒化珪素粉末に焼結助剤を添加し、そして
ボールミル等により混合粉砕する。このようにして得ら
れた混合粉末を例えばプレス成形、鋳込み成形、押し出
し成形、ドクターブレード法等により所望の形状に成形
し第１セラミック成形体７を得る。

【００４６】ここで、中空筒状のセラミックヒータ１を
形成する場合には、上記成形方法として押し出し成形が
好ましく、中空筒状に加工する際押し出し成形以外の成
形方法では、研削しろが大きくなり、加工の際の歩留ま
り及び加工費が押し出し成形法にて作製した成形体に比
べ劣ってしまうためである。

【００４７】その後、図２（ｂ）に示すように第１セラ
ミック成形体７の表面にタングステンを主成分とする発
熱抵抗体３のペーストを所望の発熱体パターン８に転写
法を用いて成膜する。

【００４８】セラミック体２を窒化珪素質焼結体で形成
する場合、セラミック体２に用いている窒化珪素と熱膨
張係数に近いタングステンを主成分とすることによっ
て、ＯＮ−ＯＦＦの繰り返し通電において、抵抗変化が
少なく耐久性の優れた発熱抵抗体３を有するセラミック
ヒータ１を提供することができる。

【００４９】さらに、タングステンは抵抗温度係数が大
きいため、燃料の急速加熱することができる。一方他の
成分を主成分とした発熱抵抗体３を有するセラミックヒ
ータ１においてはセラミック体２に用いている窒化珪素
と発熱抵抗体との熱膨張係数の差が大きくなることによ
り発熱抵抗体３にクラックが発生し、ＯＮ−ＯＦＦの繰
り返し通電において抵抗変化が発生してしまう。

【００５０】発熱体パターン８の成膜方法については、
スクリーン印刷法、曲面印刷法なども挙げられるが、ス
クリーン印刷法、曲面印刷法にて発熱体パターン８を成
膜した場合、焼成後の抵抗値バラツキがレンジで３０％
〜４０％程度発生してしまう。それに対し転写法を用い
て発熱抵抗体３を成膜した場合には焼成後の抵抗バラツ
キがレンジにて２０％程度に抑えることが可能となり、
抵抗バラツキの少ないセラミックヒータ１を提供するこ
とが可能となる。

【００５１】その後、図２（ｃ）に示すように、印刷さ
れた発熱体パターン８の表面にディッピング法にてコー
ト層９を成膜し、図２（ｄ）に示すような発熱抵抗体３
がコート層９によって埋設された第２セラミック成形体
１０を得ることができる。

【００５２】上記コート層９の成膜方法は、ディッピン
グ液１１中に発熱体パターン８を印刷した第１セラミッ
ク成形体７を浸漬してコート層９を形成し、ディッピン
グ液１１を形成する窒化珪素原料とバインダー成分との
調合比率を変えることで第１セラミック成形体７とコー
ト層９との収縮率を調整することが可能になり、また発
熱抵抗体３の有無よる表面の凹凸においても、コート層
９を密着させることができる。

【００５３】一般に、セラミックヒータは、押し出し法
にて作製した第１セラミック成形体にドクターブレード
法にて成形したテープからなる他の成形体を積層してコ
ート層９を形成するが、第１セラミック成形体７の発熱
抵抗体３の印刷面に、他の成形体を積層させる際に積層
液を塗布しなければならなく、この積層液の発熱抵抗体
３への浸透等により焼成後の抵抗バラツキが大きくなっ
てしまう。また積層面においても積層液が乾燥する際及
び焼成段階にて異なる成形法で第１セラミック成形体と
テープからなる他の成形体を作製しているために、焼成
時に収縮差が生じ、積層面においてテープからなる他の
成形体が剥がれやすく、発熱抵抗体３の有無の差による
表面の凹凸による積層面に気泡が巻きこまれ、焼成によ
ってこの気泡が拡張して、他の成形体の密着性が低下し
やすい。特に、窒化珪素にて積層を行う場合、窒化珪素
原料中に積層を容易にすることができる液相成分が特に
少ないため積層面が剥がれやすいという問題があった。

【００５４】さらに、上記ディッピング法は、図１に示
すような中空筒状のセラミックヒータ１等セラミック体
２の形状が曲面を有するものにもコート層９を密着性高
く形成できるため、特に好適に用いることができる。

【００５５】しかる後、上記第２セラミック成形体１０
を窒素ガス１．５〜９気圧の高圧雰囲気中、１４００〜
１８００℃にて焼成する第１の焼成工程と上記第１の焼
成工程よりも高圧窒素ガス中にて１７００〜２０００℃
にて焼成する第２の焼成工程にて焼成する。

【００５６】なお、発熱抵抗体３の珪化物の生成は、焼
成温度と焼成時の窒素ガスの圧力に依存するところが大
きく、各焼成温度での圧力を調整することが必要とな
る。具体的には成形体の開気孔を低減・消滅させること
を目的に設定する第１の焼成工程では１．５〜９気圧の
範囲内にて焼成温度は１４００〜１８００℃の範囲にて
行うことが望ましい。焼成時の窒素ガスの圧力が１．５
気圧以下の場合にはタングステンを例に挙げると以下の
式に示すような窒化珪素の分解および珪化反応が活発に
進行してしまい、タングステンのピーク強度に対するタ
ングステンシリサイドのピーク強度が８０％を超えてし
まう。

【００５７】２Ｓｉ₃Ｎ₄＋３Ｗ→３ＷＳｉ₂＋４Ｎ₂↑ 一方、上記窒素ガス圧が９気圧以上、もしくは焼成温度
が１４００℃以下もしくは１８００℃以上の温度にて焼
成した場合には、焼結体の緻密化が十分でなく、また初
期抵抗バラツキも大きくヒータとして使用することが困
難な焼結体ができてしまう。

【００５８】また同様に閉気孔を消滅させることを目的
とした第２の焼成工程では上記第１の焼成工程よりも高
圧窒素ガス中にて１７００〜２０００℃にて焼成しなけ
ればならない。焼成温度が１７００℃より低い焼成温度
にて焼成した場合には、焼結体の緻密化が十分でなく、
また初期抵抗バラツキも大きくヒータとして使用するこ
とが困難な焼結体ができてしまう。また２０００℃以上
にて焼成を行った場合には窒化珪素の分解が進み、磁器
の変形および初期抵抗のバラツキといった問題点が発生
してしまう。また窒素ガス圧についても第１の焼成工程
よりも低い窒素ガス圧中にて焼成を行った場合には前述
したような窒化珪素と発熱抵抗体の導電成分との反応が
起こりヒータとして十分な性能の得られない焼結体が出
来上がってしまう。以上の理由により第２の焼成工程で
は上記第１の焼成工程よりも高圧窒素ガス中にて１７０
０〜２０００℃にて焼成しなければならない。

【００５９】かくして得られたセラミック焼結体の周囲
をセンタレス加工及びホーニング加工の機械加工によっ
て内外径の寸法及び表面粗さをＲａで１．０μｍ以下に
加工する。

【００６０】しかる後、セラミック体２に埋設している
発熱抵抗体３の端部をマシニング等の機械加工によりス
ルーホール加工を行い、スルーホール部に活性金属の入
った導電性ペーストを充填し、同様に活性金属の入った
導電性ペーストをセラミック体２の表面に曲面印刷法に
て印刷して後、焼き付けを行うことによって電極パッド
部５を形成する。また、電極パッド部５は必要に応じて
ニッケルや金等のメッキを施したり、ニッケル等の金属
をロー付けしたリード構造としてもよい。

【００６１】このようにして得られたセラミックヒータ
１は、平板状のものや中空筒状のものでもよく、セラミ
ック体２の両面に燃料が接触することによって加熱特性
の高いものとすることができる。

【００６２】また、セラミックヒータ１の加熱特性をよ
り大きくする点では、中空筒状とすることが好ましく、
筒状内部及び筒状の外周面に燃料を接触させるように設
置することで、セラミック体２の両面から加熱すること
ができ、より表面積が大きく高効率で温度特性の高いセ
ラミックヒータ１とすることができる。

【００６３】さらに、上記セラミックヒータ１には、図
１に示すようにスリット６を設けることによって回転防
止、移動防止用の機構を設けることが好ましく、例えば
車の内燃機関の燃料通路内に設置した場合においても、
振動等でセラミックヒータ１が回転、移動することはな
く、また取り付けが容易で組立時間を短縮することがで
きる。なお、スリット６以外に溝、固定孔、平坦部、フ
ランジ等を形成してもよい。

【００６４】次いで、本発明のセラミックヒータ１の取
り付け構造について図３の燃料噴射弁を用いて説明す
る。

【００６５】図３は、本発明のセラミックヒータ１を用
いた燃料噴射弁を示す断面図である。燃料噴射弁におけ
るノズルボディ７の内部には燃料を加熱するためのセラ
ミックヒータ１が取り付けられており、その中空筒状の
内部及び外周面にガソリンが接触しながら矢印の方向に
通過して必要な温度まで加熱される。

【００６６】上記セラミックヒータ１には図示しないス
リット６が設けられており、ノズルボディ７とスリット
６を嵌合することにより、セラミックヒータ１の回転及
び移動を防止している。セラミックヒータ１への通電に
ついては電極パッド部５に外部電極端子（不図示）を接
続することにより通電を行っている。

【００６７】このようにセラミックヒータ１でガソリン
を加熱することにより、寒冷雰囲気等のような霧化性能
がよくない状況においても、内燃機関の吸気管に粒径の
細かい燃料噴霧を噴射し、吸入空気とよく混合させて均
一な混合気を供給することができ、完全燃焼を行わせる
ことができる。したがって、内燃機関の有害排出ガス成
分（特にＨＣ）の低減、アイドル性の向上、希薄燃焼領
域の拡大、点火プラグのくすぶり性能の向上、低燃費の
実現などが可能となる。

【００６８】なお、本発明のセラミックヒータ１は、上
述の実施形態に限定されるのもではなく、上述の実施形
態ではセラミックヒータ１の形状を図１に示すように中
空筒状としたが、例えば筒状の燃料通路に平板状のセラ
ミックヒータを設置しても良く、この場合にもセラミッ
ク体２の表面粗さは上述同様にＲａで１．０μｍ以下と
することが重要である。また、本発明のセラミックヒー
タ１は、ガソリンエンジンの他、ディーゼルエンジン車
のインジェクション内等、内燃機関の燃料通路内に設置
して、燃料を加熱する作用をなすものであればよい。

【００６９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００７０】（実施例１）先ず、図１に示すようなセラ
ミックヒータを得るため、セラミック体として所定の焼
結助剤を含む窒化珪素、アルミナ原料にバインダー、溶
媒を添加し、混錬攪拌機にて所定の時間だけ混錬攪拌し
た後押し出し成形法にて中空筒状のセラミック体用の成
形体を得た。

【００７１】発熱抵抗体として、タングステン、炭化タ
ングステン、窒化チタンの各導電材料と焼結助剤を含む
混合粉末にバインダーおよび溶媒等を加えペーストした
ものを曲面印刷法により、成形体にヒータパターンを直
接印刷することにより成膜を行った。

【００７２】その後、押し出し成形をした同一組成の原
料にバインダーおよび溶媒等を入れボールミルにて十分
に混練を行い、ディッピング用のスラリーを作製した
後、印刷された発熱抵抗体の表面にコート層をディッピ
ング法にて所定の厚みになるまで数回成膜することによ
り発熱抵抗体を埋設した成形体を作製した。

【００７３】このようにして作製した各成形体を焼成す
ることによりセラミックヒータの焼結体を得た。

【００７４】かくして得られたセラミックヒータの周囲
を表１に示す如く表面粗さになるように研磨を行い、埋
設している電極部をマシニングによる機械加工によりス
ルーホール加工を行い、スルーホール部に活性金属の入
った導電性ペーストを充填し、同様に活性金属の入った
導電性ペーストをセラミック体の表面に曲面印刷法にて
電極パッド部を印刷、焼き付けを行った後、Ａｇローを
用いてニッケルのリード線を接合し評価用のセラミック
ヒータ試料を得た。

【００７５】各セラミックヒータ試料の発熱抵抗体のタ
ングステンとタングステンシリサイドのピーク強度につ
いては、ＷＤＳ（ＥＰＭＡ波長分散型）法（装置：ＪＸ
Ａ−８６００Ｍ、蒸着：Ｃ）にてタングステンとシリコ
ンの最大ピーク強度を測定した。

【００７６】各試料を評価用ユニットに組み込み、燃料
としてガソリンを通過させ、該ガソリンがー２０℃から
３０℃に昇温するまでの時間を測定して加熱特性を調べ
た。また、各セラミックヒータ試料の電源を１分間づつ
ＯＮ−ＯＦＦのサイクル試験を行い、１０００サイクル
後の抵抗値を測定し、初期の抵抗値の変化率を示した。
さらに、双眼を用いてセラミック体の表面における堆積
物の付着の有無の確認を行った。

【００７７】なお、セラミックヒータに印加する電圧は
最高発熱時に５００℃になる電圧を印加した。

【００７８】その結果を表１にて示す。

【００７９】

【表１】

【００８０】表１より明らかなように、セラミック体の
表面粗さＲaが１．０μｍ以下の試料（Ｎｏ．１３、１
４、２７、２８）は、セラミック体の表面への堆積物の
付着が発生し、７００サイクルで堆積物が剥離し始める
ことがわかった。また、抵抗変化率も２〜４％と長期間
の使用によって耐久性が低下していることがわかった。

【００８１】これに対し、セラミック体の表面粗さがＲ
ａで１．０μｍ以下の試料（Ｎｏ．１〜１２、１５〜２
６）は、堆積物が付着することはなかった。

【００８２】また、これら試料のうちセラミック体を窒
化珪素質焼結体で形成し、発熱抵抗体の主成分をタング
ステンとして該タングステンのピーク強度に対するタン
グステンシリサイドのピーク強度が８０％以下である試
料（Ｎｏ．１〜９）は、加熱特性が３．９秒以下、抵抗
変化率が１％未満と加熱特性、耐久性とも優れたもので
あった。

【００８３】

【発明の効果】本発明のセラミックヒータによれば、内
燃機関の燃料通路内に設置し、セラミック体の表面を燃
料と接触させることによって燃料を加熱するセラミック
ヒータであって、少なくとも燃料と接する面の表面粗さ
Ｒａが１．０μｍ以下のセラミック体中に発熱抵抗体を
埋設し、該発熱抵抗体の端部に接続する電極取り出し部
を有してなることから、燃料を直接加熱することで温度
の立ち上がり特性や加熱特性を保持し、長時間使用し続
けた場合にもセラミック体の表面に燃料に含まれる堆積
物の付着や剥離を防止できる。

【００８４】また、本発明のセラミックヒータによれ
ば、上記セラミック体が窒化珪素質焼結体からなるとと
もに上記発熱抵抗体の主成分がタングステンからなり、
タングステンのピーク強度に対するタングステンシリサ
イドのピーク強度が８０％以下であることから、長期間
の使用によっても発熱抵抗体にクラック等が生じること
はなく、より耐久性の優れたものとすることができる。

【００８５】さらに、本発明のセラミックヒータによれ
ば、中空筒状であることから、燃料と接する表面積を大
きくすることができ、温度の立ち上がり特性や加熱特性
をさらに向上させることができる。

【００８６】またさらに、本発明のセラミックヒータに
よれば、回転防止機構を設けたことから、内燃機関の燃
料通路内に容易に設置することができる。

【００８７】またさらに、本発明のセラミックヒータの
製造方法によれば、上記セラミック体となる窒化珪素を
主成分とするセラミック成形体に上記タングステンを主
成分とする発熱抵抗体を形成した後、その表面にディッ
ピング法によってセラミック体と略同一組成のコート層
を形成した後、窒素ガス１．５〜９気圧の高圧雰囲気
中、１４００〜１８００℃にて焼成する第１焼成工程
と、該第１焼成工程よりも高圧の窒素ガス中、１７００
〜２０００℃にて焼成する第２焼成工程を有することか
ら、ディッピング液を形成する窒化珪素原料とバインダ
ー成分との調合比率を変えることでセラミック成形体と
コート層との収縮率を調整することが可能になり、また
発熱抵抗体の有無よる表面の凹凸においても、コート層
を密着性高く強固に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のセラミックヒータの一実施形
態を示す斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＸーＸ線
における断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明のセラミックヒータの
製造方法を説明する各工程の概略図である。

【図３】本発明のセラミックヒータを用いた燃料噴射弁
を示す断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックヒータ２：セラミック体３：発熱抵抗体４：電極取り出し部５：電極パッド部６：スリット７：第１セラミック成形体８：発熱体パターン９：コート層１０：第２セラミック成形体１１：ディッピング液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面粗さＲａが１．０μｍ以下のセラミッ
ク体中に発熱抵抗体を埋設し、該発熱抵抗体の端部に接
続する電極取り出し部を有してなり、内燃機関の燃料通
路内に設置してセラミック体の表面を燃料と接触させる
ことによって燃料を加熱することを特徴とするセラミッ
クヒータ。
【請求項２】上記セラミック体が窒化珪素質焼結体から
なるとともに発熱抵抗体の主成分がタングステンからな
り、該タングステンのピーク強度に対するタングステン
シリサイドのピーク強度が８０％以下であることを特徴
とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項３】上記セラミックヒータは中空筒状であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒ
ータ。
【請求項４】上記セラミックヒータに回転防止機構を設
けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の
セラミックヒータ。
【請求項５】上記セラミック体となる窒化珪素を主成分
とする成形体に上記タングステンを主成分とする発熱抵
抗体を埋設し、窒素ガス１．５気圧以上の高圧雰囲気
中、最高温度１７００〜２０００℃の範囲で焼成してな
る請求項１乃至４の何れかに記載のセラミックヒータの
製造方法。
【請求項６】上記セラミック体となる窒化珪素を主成分
とする成形体に上記タングステンを主成分とする発熱抵
抗体を形成した後、その表面にディッピング法によって
セラミック体と略同一組成のコート層を形成した後、窒
素ガス１．５〜９気圧の高圧雰囲気中、１４００〜１８
００℃にて焼成する第１焼成工程と、該第１焼成工程よ
りも高圧の窒素ガス中、１７００〜２０００℃にて焼成
する第２焼成工程を有することを特徴とする請求項１乃
至４の何れかに記載のセラミックヒータの製造方法。
【請求項７】上記焼成して得られた焼結体に機械加工に
よって発熱抵抗体の一部を露出させて電極取り出し部を
形成した後、上記電極取り出し部に活性金属を含有する
導電性ペーストを曲面印刷法にて形成して外部電極と導
通させるための電極パッド部とし、真空中にて焼付けを
行うことを特徴とする請求項５または６に記載のセラミ
ックヒータの製造方法。