JP2004259610A

JP2004259610A - セラミックヒータとその製造方法、およびグロープラグ

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Publication number: JP2004259610A
Application number: JP2003049437A
Authority: JP
Inventors: Masao Yoshida; 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4018998B2

Abstract

【課題】腐蝕雰囲気でかつ、１０００℃以上の高温で用いられるセラミックヒータにおいて、筒状体によって覆われていない露出部分の温度分布ばらつきを小さくして、露出する根元部分の基体の耐熱衝撃性を十分に備えるセラミックヒータおよび、このセラミックヒータを用い急速に昇温することが可能なグロープラグを提供する。
【解決手段】電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設し、前記棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持したセラミックヒータにおいて、前記棒状基体には、少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、前記電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ前記棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、前記電気絶縁性膜の厚さが薄くなっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータおよび、それを用いたグロープラグに関する。詳しくは、本発明は石油ファンヒーターの着火用ヒータなどに使用されるセラミックヒータ、またはその他の加熱に用いられるセラミックヒータおよびディーゼルエンジンの始動促進用などに使用されるグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特許文献１などに開示されているように、図３に示す略棒状のセラミックヒータ３２の一端側を筒状体３４に密着するように挿入して使用する、ディーゼルエンジン用のグロープラグ３０が知られている。グロープラグ３０は、グロープラグ本体３１、中軸３３、筒状体３４およびセラミックヒータ３２を備える。また、このセラミックヒータ３２は、中軸３３を介してグロープラグ本体３１に電気的に接続されている。さらに、セラミックヒータ３２の一端側はグロープラグ本体３１および筒状体３４によって覆われて保護されている。
【０００３】
このようなグロープラグ３０に用いられるセラミックヒータ３２は、電圧印加時に基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ３２の根元部分の温度差が大きくなることによる熱衝撃や、腐蝕雰囲気でかつ、１０００℃以上の高温で用いられるため、筒状体３４によって覆われていない露出部分の基体の損傷が激しく、セラミックヒータ３２の強度が低下したり、耐久性が劣化したりする問題があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３２９４９号公報（第５頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年燃焼効率の向上のため、ますますグロープラグ３０の急速昇温化が要求されるようになってきた。そのため、特にグロープラグ３０への電圧印加時に急速にセラミックヒータ３２が昇温するため、筒状体３４によって覆われていない露出部分の基体の温度分布が悪くなり、このときの温度差による熱衝撃によって基体の損傷が大変起こりやすくなってきた。特に、露出するセラミックヒータ３２の根元部分（図３における部位Ｃ）から亀裂が生じ、破損することも多々あった。このため、セラミックヒータに対して、これまで以上に耐熱衝撃性を備えることが望まれている。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、基体の温度分布を均一にして、基体の耐熱衝撃性を向上させたセラミックヒータおよび、このセラミックヒータを用いて、急速に昇温しても十分な耐久性を有するグロープラグを提供することを目的とする。
【０００７】
【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、電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持するとともに、棒状基体の少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、電気絶縁性膜の厚さが薄くなっている。
【０００８】
これにより電圧を印加した際、発熱体から発生する熱を棒状基体の先端から逃げにくくし、棒状基体の他端へ効率的に伝えることができ、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして、均一化することができるので、熱衝撃を受けにくくなる。
【０００９】
また、電気絶縁性セラミックスは窒化物セラミックスとすることが望ましい。窒化物セラミックスは、他のセラミックスより熱伝導率が高く、棒状基体の先端から他端側へ効率的に熱を伝えることができ、棒状基体の先端から他端側への温度差を小さくすることができるからである。そして、窒化物セラミックスの中でも窒化ケイ素質セラミックスとすることにより、高温強度や熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。
【００１０】
さらに、電気絶縁性セラミックスは窒化物セラミックスとしたときは、電気絶縁性膜をシリカ膜とすることが望ましい。シリカ膜はほとんどの窒化物セラミックスよりも熱伝導率が低く、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして均熱化する効果が高いからである。さらに、棒状基体を構成する電気絶縁性セラミックスとして窒化ケイ素質セラミックスや炭化ケイ素セラミックスなどのケイ素を含有するセラミックス材料を用いた場合、棒状基体の内部に埋設されている抵抗発熱体を用いて、大気中で加熱するという極めて簡単な操作で、シリカ膜を棒状基体の表面に設けることができるという特徴を有する。
【００１１】
そして、電気絶縁性膜の棒状基体周方向における厚みばらつきを１２％以下とすることが望ましい。これは厚みばらつきが１２％を超えると周方向の温度分布が悪化し、電圧印加時の繰り返し熱衝撃により発熱体への負荷が大きくなることから、発熱体が抵抗変化を起こしセラミックヒータの性能が劣化する恐れがあるためである。
【００１２】
なお、ここでいう電気絶縁性膜の棒状基体の周方向の厚みばらつきは、以下のように測定する。棒状基体の先端部から根元部までの間で任意の点において、棒状基体の外周面を周方向に均等に８点選び、その部分の電気絶縁性膜の厚みを測定し、最大値と最小値の差を８点の平均値で割ったものを周方向の厚みばらつきと定める。また、厚みの測定は、同じ条件で電気絶縁性膜を作製した同一形状のリファレンスの試料の表面を破断することによって測定を行う。
【００１３】
さらに、本発明のセラミックヒータの製造方法は、棒状基体の先端から他端側に向けて、基体表面の温度が低くなるように温度勾配を設けた状態で、電気絶縁性膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
棒状基体の先端から他端側に向けて、基体表面の温度が低くなるように温度勾配を設ける方法は、棒状基体を嵌装した筒状体根元部に熱伝導性のよいヒートシンクブロックなどを装着し、棒状基体に埋設されたセラミックヒータに通電して棒状基体を昇温すればよい。このとき、棒状基体と外部との熱の出入りが飽和した平衡状態になるようにすると、筒状体の根元部からは、上記ヒートシンクブロックを介して熱が外部に激しく流出するため、棒状基体は、ちょうど先端部から根元部に向けて表面の温度勾配が低くなった状態で安定する。
【００１５】
このように、棒状基体の先端部から根元部に向けて温度勾配が低くなった状態とし、この状態で電気絶縁性膜の形成を行うことにより、棒状基体の先端から他端側の根元部方向に向かうにつれて、形成される膜の厚さを薄くすることができる。
【００１６】
例えば、電気絶縁性膜としてシリカの酸化膜を窒化ケイ素製の棒状基体に形成する場合、最も温度が高い棒状基体の先端で、酸化の速度が大きく、他の部分に比べて酸化膜が厚くなり、先端から他端側に向かうにつれて、酸化膜の厚さを薄くすることができる。
【００１７】
その他、ＣＶＤなどによって電気絶縁性膜を棒状基体の表面に成膜する場合にも、最も温度が高い棒状基体の先端で、反応速度が大きく、他の部分に比べて膜を厚く成膜することが可能となる。
【００１８】
また特に、電圧印加直後は、棒状基体の先端の発熱体が急速に加熱され、棒状基体表面の温度勾配が、非常に大きくなるため、電気絶縁性膜の形成速度の勾配も大きい。したがって、電圧印加−所定時間経過後電圧切断−所定時間経過後電圧印加のサイクルを適度に調整することにより、棒状基体表面の電気絶縁性膜の膜厚の勾配をコントロールすることが可能となる。
【００１９】
また、本発明のグロープラグは、本発明のセラミックヒータにグロープラグ本体を取り付けたことを特徴とする。本発明のセラミックヒータは、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして、均熱化する効果を有していることから、本発明のセラミックヒータが備えられた本発明のグロープラグでは、動作中も表面の温度は均一に保たれるため、熱衝撃を受けにくくなる。したがって、セラミックヒータの強度が低下したり、耐久性が劣化したりすることを防ぐことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明のセラミックヒータの断面図である。セラミックヒータ１０は棒状基体１１、抵抗発熱体１２、給電部１３ａおよび１３ｂ、筒状体１４を備える。棒状基体１１は窒化ケイ素質セラミックスからなり、先端側の内部に抵抗発熱体１２を埋設するとともに、他端側に給電部１３ａ、１３ｂを表面に露出させて保護する。さらに、棒状基体１１は給電部１３ａ、１３ｂが存在する側の端部が筒状体に嵌装されて保持されている。
【００２２】
抵抗発熱体１２はＵ字形の棒状体であり、棒状基体１１内に埋設される形で配設されている。さらに、この抵抗発熱体１２は導電成分、抵抗温度係数を調節するための調整成分、および絶縁成分であるセラミック成分を含有している。また、給電部１３ａ、１３ｂは図１に示すように、セラミックヒータ１０外から供給される電力を棒状基体１１内の抵抗発熱体１２へ給電できるように、それぞれの端部は棒状基体１１の表面に配設され、他端部はそれぞれ抵抗発熱体１２の端部に接続されている。
【００２３】
また、筒状体１４はステンレスなどの導電材料によって形成され、棒状基体１１を嵌装し、ロウ付けなどにより固着されている。また、給電部１３ａと筒状体１４は互いに電気的に接触し、筒状体１４自体が接地電極としての作用を有しているため、筒状体１４を他の部材に取り付けたときに、筒状体１４自体を介して、給電することが可能となる。
【００２４】
本発明のセラミックヒータ１０の表面には、少なくとも筒状体１４から突き出した部分の表面に、棒状基体１１よりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜１５が形成され、かつ棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて、電気絶縁性膜１５の厚さが薄くなっている。さらに、棒状基体１１の周方向における電気絶縁性膜１５の厚みばらつきは、１２％以下となっている。
【００２５】
給電部１３ａ、１３ｂに外部電源から通電すると、棒状基体１１内に設けられたＵ字型の抵抗発熱体１２の端部に給電され、抵抗発熱体１２が発熱を開始する。発生した熱は棒状基体１１内部を伝導して、表面に到達する。
【００２６】
このとき、棒状基体１１の表面から熱が外部に向かって放出されるが、棒状基体１１の根元部は筒状体１４などが接しているため、熱が逃げやすい。したがって、棒状基体１１の表面温度分布は、先端部よりも根元部のほうが低くなりやすいが、本発明のセラミックヒータにおいては、棒状基体１１の先端部から根元部にかけて、熱伝導率が低い電気絶縁性膜１５が、先端部は厚く、根元部は薄くなるように設けられているため、棒状基体１１の表面温度分布を均一化する作用効果を奏する。
【００２７】
図２は、本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。グロープラグ２０は、本発明のセラミックヒータ１０と、グロープラグ本体２１、中軸２２を備える。また、セラミックヒータ１０の他端側は、グロープラグ本体２１に嵌装され、ロウ付けなどで固着されている。
【００２８】
また、セラミックヒータ１０の抵抗発熱体１２の一端は、給電部１３ｂと導電性の棒材から構成される中軸２２を経てプラグ電極２３に接続され、さらに他端側は給電部１３ａ、筒状体１４を介して、グロープラグ本体２１と電気的に接続されている。したがって、プラグ電極２３とグロープラグ本体２１に給電すれば、セラミックヒータ１０を加熱することができる。
【００２９】
本発明のセラミックヒータおよびグロープラグの製造方法は以下のとおりである。
【００３０】
棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスは通常、抵抗発熱体１２及びリード線などと一体に焼成され、焼成後これらは一体となっている。この電気絶縁性セラミックスは抵抗発熱体１２およびリード線などに対して−２０〜１５００℃において十分な絶縁性を有すればよい。特に、抵抗発熱体に対して、１０^８倍以上の絶縁性を有することが好ましい。
【００３１】
この電気絶縁性セラミックスを構成する成分は特に限定されないが、窒化物セラミックスが望ましい。窒化物セラミックスは、比較的熱伝導率が高く、棒状基体１１の先端から他端側へ効率的に熱を伝えることができ、棒状基体１１の先端と他端側との温度差を小さくすることができるからである。例えば、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちのいずれかのみから構成されてもよく、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちの少なくとも一種を主成分としてもよい。
【００３２】
特に、窒化物セラミックスの中でも窒化ケイ素質セラミックスとすることにより、熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。この窒化ケイ素質セラミックスは、窒化ケイ素を主成分とするものが広く含まれ、窒化ケイ素のみならず、サイアロンなども含まれる。さらに、通常、焼結助剤（Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒなどの各酸化物など）が数質量％（２〜１０質量％程度）配合されて焼成される。また、焼結助剤粉末は特に限定されず、窒化ケイ素の焼成に一般に用いられる希土類酸化物などの粉末を使用することができる。とくに、Ｅｒ_２Ｏ_３など、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高くなることからより好ましい。
【００３３】
さらに、抵抗発熱体１２を構成する各金属元素の硼化物が含有されてもよく、下記導電成分との熱膨張率の差を小さくするために少量の導電成分を含有してもよい。
【００３４】
また、抵抗発熱体１２は、通常、導電成分と絶縁成分とを含有する。この導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒ等から選ばれる１種以上の元素の珪化物、炭化物又は窒化物等の少なくとも１種であり、絶縁成分は窒化ケイ素質焼結体等である。特に、絶縁成分及び／又は絶縁体を構成する成分に窒化ケイ素が含有される場合は、導電成分として炭化タングステン、珪化モリブデン、窒化チタン又は珪化タングステン等の少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００３５】
導電成分は、絶縁成分及び絶縁体を構成する成分との熱膨張差が小さいことが好ましく、融点はセラミックヒータの使用温度（１４００℃以上、更には１５００℃以上）を越えることが好ましい。また、抵抗発熱体１２中に含まれる導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、抵抗発熱体を１００体積％とした場合に、導電成分を１５〜４０体積％とすることが好ましく、２０〜３０体積％とすることがより好ましい。
【００３６】
セラミックヒータ１０を作製するためには、まず、上記抵抗発熱体１２を構成する成分として示した導電成分と、絶縁成分を含有するペーストを作製し、これを上記の電気絶縁性セラミックス中に埋入させることが必要である。
【００３７】
まず、ペーストは、通常、ペースト全体を１００質量％とした場合に、導電成分及び絶縁成分を合計で７５〜９０質量％含有する。このペーストは、例えば、これらの成分を各原料粉末として所定量を湿式混合し、その後、乾燥させ、更に、ポリプロピレン、ワックス等の所定量のバインダ等と混合することにより得ることができる。このペーストは更に、適度に乾燥させて取り扱い易いように成形加工したペレット状等のものであってもよい。
【００３８】
また、埋入はどのように行ってもよいが、例えば、型内に突出するリード線の長さを調節して固定し、この型内に上記ペーストを注入することにより行うことができる。更に、所定の形状に成形したペーストにリード線を挿入するように接触長を調製し、埋入させることもできる。
【００３９】
その他、棒状基体の原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面に適度なバインダなどを調合した上記ペーストを作り、これを発熱部リード部および電極部の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントして形成しても良い。
【００４０】
このようにして、この抵抗発熱体１２を棒状基体１１用の原料とともに、プレス成形して一体に加圧することにより、基体の形状を有する粉末成形体を得る。そして、さらにこのセラミックヒータ成形体を、黒鉛製などの加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、必要に応じて仮焼してバインダを除去した後、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することによって、セラミックヒータ１０を得ることができる。
【００４１】
セラミックヒータ１０の表面には、少なくとも筒状体１４から突き出した部分の表面に、棒状基体１１よりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜１５が、棒状基体１１の先端から根元部にかけて膜の厚さが薄くなるように形成されている。この電気絶縁性膜１５および膜厚の分布を得るためには、セラミックヒータ１０自身に通電して大気中で発熱させるとともに、棒状基体１１の先端から他端側に向けて、棒状基体１１の温度が低くなるように温度勾配を設け、その状態で電気絶縁性膜１５を熱酸化やＣＶＤなどの方法により形成してやれば良い。
【００４２】
特に、棒状基体１１を構成する材料として、窒化ケイ素質セラミックスや炭化ケイ素セラミックスなどのケイ素を含有するセラミックス材料を用いた場合、棒状基体１１の表面を熱酸化してやるだけで、電気絶縁性膜として熱伝導率の低いシリカ膜を棒状基体１１の表面に設けることができるという利点がある。
【００４３】
そこで、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１に電気絶縁性膜１５としてシリカ膜を形成する方法を説明する。
【００４４】
まず、棒状基体１１を嵌装した筒状体１４根元部に熱伝導性のよいヒートシンクブロックを装着し、セラミックヒータ１０に通電して棒状基体１１を高温にする。そして、棒状基体１１を熱飽和させ、熱の出入りが飽和している状態で保つと、筒状体１４の根元部からは、上記ヒートシンクブロックを介して熱が外部に激しく流出するため、棒状基体１１は、ちょうど先端部から根元部に向けて温度勾配が低くなった状態で安定する。この状態で、大気中で所定時間保持することにより、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面にシリカの酸化膜が形成される。このとき、最も温度が高い棒状基体１１の先端で、酸化の速度が大きく、他の部分に比べてシリカの酸化膜が厚くなる。このようにして、棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて、シリカの酸化膜の厚さを薄くすることができる。
【００４５】
なお、上記棒状基体１１の加熱は、セラミックヒータ１０自体に通電して加熱させるのが、最も手軽であるが、電気絶縁性膜１５の厚さを制御するときは、棒状基体１１を電気炉や外部ヒータのような外部加熱装置によって加熱する手法を併用することが望ましい。
【００４６】
上述の方法により作製したセラミックヒータ１０を、ステンレス製の筒状体１４に嵌装し、ロウ付けした後、中軸２２を取り付ける。その後、中軸２２などを取り付けたセラミックヒータ１０を、グロープラグ本体２１にロウ付けおよびかしめを行うことで固定し、グロープラグ２０が完成する。
【００４７】
また、本発明者は検討の結果、電気絶縁性膜１５の厚みは、３０μｍ〜１４０μｍの範囲で形成するのが好ましいことを見いだした。薄すぎると、セラミックヒータの断熱効果が薄れ、厚すぎるとセラミックヒータに発生する熱応力が高くなるからである。
【００４８】
そして、電気絶縁性膜１５の棒状基体１１の周方向における厚みばらつきを１２％以下とすることが望ましい。これは厚みばらつきが１２％を超えると周方向の温度分布が悪化し、電圧印加時の繰り返し熱衝撃により抵抗発熱体１２への負荷が大きくなることから、抵抗発熱体１２が抵抗変化を起こしセラミックヒータの性能が劣化する恐れがあるためである。この電気絶縁性膜１５の厚みを調整するためには、セラミックヒータ１０自体に通電して加熱するだけではなく、電気炉や外部ヒータのような外部加熱装置を併用することが必要である。これにより、セラミックヒータ１０の均熱性を良く保つことができるので、周方向の厚みばらつきを抑えることが可能となる。したがって、セラミックヒータ１０自体への通電加熱と、外部加熱装置による加熱を適切に組み合わせれば良い。
【００４９】
また、電気絶縁性膜１５の厚みを均一にするには、セラミックヒータの長手方向の温度勾配も均一にする必要があるが、セラミックヒータ１０自体への通電加熱だけでは長手方向の温度分布を均一にすることは難しいため、外部加熱を併用して、長手方向の温度分布を小さく保つことが望ましい。
【００５０】
さらに、セラミックヒータ１０自体に通電した直後は、抵抗発熱体１２が急速に加熱されるため、棒状基体１１表面の温度勾配が、非常に大きくなる。そのため、電気絶縁性膜１５の形成速度の勾配が大きくなる。したがって、通電−切断のサイクルを適度に調整することにより、棒状基体１１表面の電気絶縁性膜の膜厚の勾配をコントロールすることができる。
【００５１】
なお、電気絶縁性膜の長手方向厚みの変化率は、先端部（グロープラグ電圧印加時の最高温度部）厚みと根元部の周方向厚みの平均値により、
１００×（先端部−根元部）／根元部（％）
の式により、計算した値であるが、この電気絶縁性膜の長手方向厚みの変化率が６％以上１２％以下であることが望ましい。その理由として、６％より小さいときは、セラミックヒータの長手方向の温度差が大きくなり、抗折強度が劣化しやすいという問題があり、１２％を超えるとセラミックヒータの長手方向の温度差は小さくなるが、根元部の温度が高くなるため、筒状体１４の表面が酸化しやすいという問題があるからである。
【００５２】
また、電気絶縁性膜１５は、棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスよりも熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上小さいことが望ましい。この値よりも低いと棒状基体１１の表面温度を均熱化する効果に乏しいためである。
【００５３】
さらに、上述のように、棒状基体１１を構成する材料として、窒化ケイ素質セラミックスが好ましいことから、電気絶縁性膜１５の材質としては、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面を熱酸化してやるだけで、電気絶縁性膜１５として熱伝導率の低いシリカ膜を棒状基体１１の表面に設けることができるため、シリカが最も望ましい。
【００５４】
その他、棒状基体１１として、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（約６０Ｗ／ｍ・ｋ）を用いたときは、プラズマＣＶＤや熱ＣＶＤなどにより容易に形成することができる比較的熱伝導率の高い窒化シリコン（約３５Ｗ／ｍ・ｋ）を電気絶縁性膜１５として用いることも可能となる。
【００５５】
上述の説明では、熱酸化により、棒状基体１１に電気絶縁性膜１５を形成する方法を説明したが、これに限るものではなく、セラミックヒータ１０に温度勾配を設けた状態でＣＶＤやスパッタなどにより電気絶縁性膜１５を成膜しても良い。この方法によって、例えば、棒状基体１１の材質が窒化ケイ素やアルミナ、窒化アルミニウムといった電気絶縁性セラミックスの表面にシリカや窒化シリコンなどの絶縁膜を形成することができる。
【００５６】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００５７】
次に示す方法により、図１に示すセラミックヒータ１０を作製した。
【００５８】
棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスの主成分として９０〜９２モル％の窒化ケイ素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化ケイ素を窒化ケイ素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０質量％と１〜５質量％添加混合して原料粉末を調整した。
【００５９】
その後、原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを発熱部リード部および電極部の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントした。
【００６０】
さらに、上記リード部と電極部成形体の間に、タングステンを主成分とする導電体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成することにより、棒状基体１１と抵抗発熱体１２を一括焼成した。
【００６１】
その後、導体部の一部を露出させ、電極取り出し部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中で焼成してメタライズ層を形成、Ｎｉからなるメッキ層を施した後、筒状体１４に棒状基体１１を嵌装したのち、ロウ付けを行って、図１に示す本願のセラミックヒータ１０を得た。
【００６２】
次に、筒状体１４に棒状基体１１を嵌装した根元部にヒートシンクとして、アルミニウムの円盤状のブロックを装着した。その後、セラミックヒータ１０に通電して最高温度まで到達させた。平衡状態に達した時点でセラミックヒータ１０の先端から１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の最高温度１４００℃とし、棒状基体１１の根元部の温度が２５０℃〜７００℃となるようにセラミックヒータ１０に印加する電圧を設定し、５分間保持した。
【００６３】
この熱サイクルを１００回繰り返すことによりシリカ膜の厚みを変えた試料を作製した。さらに、外部加熱炉として、１０００℃の酸化炉でセラミックヒータの筒状体から突き出した部分を均一に加熱処理して、周方向の厚みばらつきの均一化を図った試料も作製を行った。
【００６４】
それぞれ用意した試料の均熱性については、棒状基体の先端２ｍｍの位置の周方向の温度分布を均等に８点放射温度計により測定し、その平均温度を他端側手前２ｍｍの位置の周方向の温度分布を均等に８点放射温度計により測定した値の平均温度の温度差を求めた。
【００６５】
また、シリカ膜の厚さは、同一ロットで作製した試料を抜き取り、必要部位を破断して断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して厚さを確認した。なお、長手方向の厚み変化率を求めるために、厚さは先端部、根元部の２箇所を測定するとともに、周方向も輪切りにして断面を観測して厚さの確認を行い、周方向の厚みばらつきも測定した。
【００６６】
次に、セラミックヒータの発熱体に電圧を印加して発熱体をジュール発熱させ、セラミックヒータの飽和温度が１４００℃となるようにし、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気をセラミックヒータ最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を２分とした熱サイクルで１００００サイクル後の抗折強度を調べた。
【００６７】
セラミックヒータの直径は３．２ｍｍであり、ステンレス製筒状体内に挿入固定した状態における片持ち試験を行い、抗折強度を求めた。
【００６８】
また、上述した窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面に熱酸化により電気絶縁性膜１５としてシリカ膜を設ける方法以外にも、本発明の範囲内の試料として、ＣＶＤ法でシリカ膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２２）、高純度アルミナセラミックス上にＣＶＤ法でシリカ膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２３）、窒化アルミニウムセラミックス上にＣＶＤ法で窒化シリコン膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２４）の作製も行った。
【００６９】
さらに、本発明の範囲外の試料として、筒状体１４に棒状基体１１が嵌装されている根元部に昇温用のヒータを取り付け、熱処理を行うことにより、シリカ膜を棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて厚く形成した試料も作製し、試料Ｎｏ．１３〜２０とした。また、棒状基体１１の高純度アルミナセラミックスよりも熱伝導率が大きい窒化シリコン膜をＣＶＤ法により設けたもの（試料Ｎｏ．２５）についても作製を行った。
【００７０】
そして、従来例として、電気絶縁性膜を設けないもの（試料Ｎｏ．２６）についても作製を行った。これらの試料はすべて上記の本発明の実施例と全く同様にして評価を実施した。以上の結果を表１および表２に示す。
【００７１】
なお、抗折強度は、基体の筒状体に覆われていない側の先端側２ｍｍの位置を加圧する片持ち抗折試験（筒状体端から加圧点までのスパン１２ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎ）によって求めた。また、抗折強度については１００００サイクル後の抗折強度で評価し、試料１０本の平均強度が４５０ＭＰａ以上の条件を○、４５０ＭＰａ未満３５０ＭＰａを超える条件を△、３５０ＭＰａ以下の条件を×とした。
【００７２】
さらに、抵抗変化については１００００サイクル後の抵抗変化率で評価し、１０％以上のものが０本の条件を○、１本以上３本以下の条件を△、４本を超える条件を×とした。
【００７３】
そして、総合判定として、上記の２つの評価項目に対して、○が２つのものを◎（大変良い）、○が１つのものを○（良い）、△が２つのものを△（許容範囲内）、×を１つでも含むものを×（不可）とした。
【００７４】
【表１】

【００７５】
【表２】

【００７６】
表１、表２に示した結果より、本発明の範囲内であるＮｏ．１〜１２、およびＮｏ．２２〜２４の試料については、抗折強度、抵抗変化率の評価項目すべてにおいて、許容範囲内の結果を得ることができた。しかしながら、試料Ｎｏ．１３〜２１、Ｎｏ．２５に示した本発明の範囲外である試料は、抗折強度、抵抗変化率の全項目にわたって、良好な結果を得ることができなかった。また、従来例のＮｏ．２６も良好な結果は得られなかった。
【００７７】
以下、各試料について得られた結果の説明を行う。
【００７８】
最初に、Ｎｏ．１〜１２の試料については、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みが棒状基体の他端側のシリカ膜の厚みよりも厚く、断熱効果が得られ、基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が小さくなり、耐熱衝撃性が向上する傾向が見られた。
【００７９】
しかしながら、本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１〜５の試料については、シリカ膜の長手方向の変化率が１２％以上あり、抗折強度は５４０ＭＰａ以上の良好な結果が得られたものの、ステンレスからなる筒状体１４の温度が上がりすぎて表面が一部酸化する傾向となったため、許容範囲ぎりぎりとみなし、△の評価とした。
【００８０】
本願発明の範囲外である、Ｎｏ．１３〜２０の試料については、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みが棒状基体１１の他端側のシリカ膜の厚みよりも薄い試料であるＮｏ．１３〜２０は、当然ながら長手方向の厚み変化率は負の値となり、基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなって、抗折強度が悪化する傾向があった。
【００８１】
また、本発明の範囲内の試料の中でもＮｏ．１〜２、Ｎｏ．４〜７、Ｎｏ．１０〜１２の試料についてはシリカ膜の周方向の厚みばらつきが１２％以下であり、周方向の温度差を抑えることができたため、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が高くなり、抵抗変化率が１０％を超える試料は３本以下と少なく、良好な結果となった。
【００８２】
それに対して、シリカ膜の周方向の厚みばらつきが１２％以上の試料Ｎｏ．３、８、９については周方向の温度差を抑えることができず、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が悪化する傾向があった。
【００８３】
また、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みと棒状基体１１の他端側のシリカ膜の厚みに差を持たせずに膜の作製を行ったＮｏ．２１は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化する傾向があった。
【００８４】
シリカをＣＶＤで成膜したＮｏ．２２は、熱酸化で成膜を行ったＮｏ．１１と同等の結果が得られた。
【００８５】
さらに、棒状基体１１の材質を高純度アルミナセラミックスとし、それよりも低い熱伝導率を有するシリカをＣＶＤにより成膜して電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２３は、抗折強度が３７０ＭＰａであり、抵抗変化が１０％を超えた試料が１本と優れた結果を示し、本発明の効果が得られることが確認された。
【００８６】
また、棒状基体１１の材質を窒化アルミニウムセラミックスとし、それよりも低い熱伝導率を有する窒化シリコンを電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２４は抗折強度が３５０ＭＰａであり、抵抗変化が１０％を超えた試料が１本であって、本発明の効果が得られることを確認した。
【００８７】
一方、棒状基体１１の高純度アルミナセラミックスよりも高い熱伝導率を有する窒化シリコンを電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２５は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化し、抵抗変化が１０％を超えた試料も４本であって悪い結果となった。
【００８８】
さらに、電気絶縁性膜のない従来例の試料であるＮｏ．２６は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化する傾向があり、なおかつ周方向の温度差を抑えることができず、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が悪化する傾向があった。
【００８９】
また、今回の実施例により良好な結果が得られた、試料Ｎｏ．５の条件で作製したセラミックヒータ１０に、中軸２２を取り付けて、グロープラグ本体２１にロウ付けおよびかしめを行って固定し、グロープラグ２０を作製したところ、電圧を印加して発熱体をジュール発熱させ、グロープラグ先端の飽和温度が１４００℃とし、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気を最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を２分とした熱サイクルで５００００サイクルの評価を行ったが、筒状体１４と棒状基体１１との接触点をはじめ、どの点においても全く破損は認められず、グロープラグとして優れた耐熱衝撃性を示すことがわかった。
【００９０】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータ、およびグロープラグは、電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設し、上記棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持したセラミックヒータからなり、上記棒状基体には、少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、上記電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ上記棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、上記電気絶縁性膜の厚さを薄くすることによって筒状体によって覆われていない露出部分の基体の温度分布の悪化を低減し、電圧印加時の耐熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、および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】本発明のセラミックヒータの断面図である。
【図２】本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。
【図３】従来のグロープラグの断面図である。
【符号の説明】
１０：セラミックヒータ
１１：棒状基体
１２：抵抗発熱体
１３ａ：給電部
１３ｂ：給電部
１４：筒状体
１５：電気絶縁性膜
２０：グロープラグ
２１：グロープラグ本体
２２：中軸
２３：プラグ電極

Claims

電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、前記棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持するとともに、前記棒状基体の少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、前記電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ前記棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、前記電気絶縁性膜の厚さが薄くなっていることを特徴とするセラミックヒータ。
前記電気絶縁性セラミックスは窒化物セラミックスであり、前記電気絶縁性膜はシリカ膜であることを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
前記窒化物セラミックスは窒化ケイ素質セラミックスであることを特徴とする請求項２記載のセラミックヒータ。
前記電気絶縁性膜の前記棒状基体周方向における厚みばらつきを１２％以下としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
前記棒状基体の先端から他端側に向けて、基体表面の温度が低くなるように温度勾配を設けた状態で、前記電気絶縁性膜を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
請求項１から５のいずれかのセラミックヒータにグロープラグ本体を取り付けたことを特徴とするグロープラグ。