JP2004296337A - セラミックヒータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差を小さくし、ヒータ部材の亀裂や折損を抑制するセラミックヒータを提供することを目的とする。
【解決手段】ヒータ部材21に、MoまたはWの珪化物、窒化物、炭化物を主成分とする発熱体を埋設してなるセラミックヒータ1において、ヒータ部材21は、窒化珪素を主成分とし、希土類元素と、Cr化合物と、粒径が3μm未満で5〜10vol%のCrとWとからなる化合物と、を含有する。
【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に関するものであり、更に詳しくは、ディーゼルエンジン等に使用されるセラミックグロープラグや、センサー加熱用またはファンヒータ加熱用に用いられるセラミックヒータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のディーゼルエンジンの始動時や各種センサーの早期活性に使用されるセラミックヒータは、導電性セラミックからなる発熱体をヒータ部材に埋設した構造である。特に、1200℃以上の高温性能が要求される場合、MoまたはWの珪化物、窒化物、炭化物を主成分とする発熱体を、高温での耐食性に優れた窒化珪素セラミックからなるヒータ部材に埋設したセラミックヒータを使用している。
【0003】
このようなセラミックヒータにおいては、ヒータ部材の熱膨張係数と発熱体の熱膨張係数との差が大きく、使用時に、熱による応力がセラミックヒータにかかる。その結果、ヒータ部材に亀裂等が生じ、場合によっては、折損してしまうおそれがあった。そこで、従来のセラミックヒータでは、ヒータ部材の熱膨張係数を発熱体に近づけるべく、様々な検討がなされている。例えば、窒化物セラミックよりなるヒータ部材に、このヒータ部材よりも大きな熱膨張係数を有する金属の炭化物、珪化物、窒化物、硼化物のうち一種以上を、1vol%以上、5vol%未満含有させている。(特許文献1参照)
【0004】
【特許文献1】
特開平10−25162(第2頁)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1のセラミックヒータでは、ヒータ部材の絶縁性を確保するために、上記のような金属の炭化物、珪化物、窒化物、硼化物のヒータ部材への含有量が限られる。よって、ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差を十分に小さくすることはできなかった。
【0006】
本発明は、こうした問題を鑑みてなされたものであって、ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差を小さくし、ヒータ部材の亀裂や折損を抑制するセラミックヒータを提供することを目的とする。
【0007】
【発明を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、ヒータ部材に、MoまたはWの珪化物、窒化物、炭化物を主成分とする発熱体を埋設してなるセラミックヒータにおいて、
前記ヒータ部材は、窒化珪素を主成分とし、希土類元素と、Cr化合物と、粒径が3μm未満で5〜10vol%のCrとWとからなる化合物と、0.4〜1.1vol%のWの化合物を含有することを特徴とする。
【0008】
本発明者等が検討した結果、所定の粒径のCr化合物をヒータ部材中に分散させることにより、ヒータ部材の更なる高熱膨張化が可能と成ることが明らかになった。なお、Cr化合物は従来のセラミックヒータにも含まれているが、従来の含有量よりも多量に含有することで、高熱膨張化が可能となる。しかしながら、単純にヒータ部材にCr化合物を多量に含有すると、ヒータ部材と発熱体との境界付近でヒータ部材のCr成分が凝集してしまい、発熱体が折損する等の強度低下を引き起こす問題があった。そこで、発明者等が更に検討を進めた結果、Crの化合物を多量に含有する代わりに、Crの化合物を所定量含有しつつ、さらにCrとWとからなる化合物を所定量含有させることにより、ヒータ部材のCr成分が境界付近に凝集しないようにできることが判明した。つまり、CrとWからなる化合物をヒータ部材に所定量含有することにより、ヒータ部材の熱膨張係数を向上し、ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差を少なくでき、且つCr成分がヒータ部材と発熱体との境界付近に凝集することなく、発熱体の強度低下を抑制することができる。
【0009】
なお、CrとWとからなる化合物の含有量は、5〜10vol%とする。CrとWとからなる化合物の含有量が5vol%未満の場合は、上記に示したような効果が得られない。一方、CrとWとからなる化合物の含有量が10vol%を越える場合、ヒータ部材中のCr成分が多くなり、ヒータ部材と発熱体との境界付近でCr成分が凝集し、発熱体強度が低下する。また、得られるヒータ部材の絶縁抵抗値が低下してしまう。
【0010】
また、CrとWとからなる化合物の平均粒径が3μm以下とする。CrとWとからなる化合物の平均粒径が3μmを超えると、粒径が窒化珪素セラミックの粒径よりも大きいCrとWとからなる化合物がヒータ部材中に増加し、ヒータ部材の強度を低下させてしまうので好ましくない。
【0011】
そして、ヒータ部材は、0.4〜1.1vol%のWの化合物含有するとよい。Wの化合物を含有させることで、ヒータ部材に含有されるCr化合物がヒータ部材と発熱体の界面に凝集することも抑制することができる。なお、0.4vol未満の場合、上記のような効果が得られず、また、1.1volを越えると、ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差が大きくなり、ヒータ部材の亀裂、折損を抑制することができない。
【0012】
さらに、セラミックヒータは、CrとWとからなる化合物がCrの珪化物とWの珪化物の固溶体であることがよい。
【0013】
Crの珪化物(CrSi2)は熱膨張係数が大きいことから、多量に添加することなく高熱膨張化が可能である。よって、それに伴い、W成分も珪化物となる。つまり、CrとWとからなる化合物がCrの珪化物とWの珪化物の固溶体であれば、CrとWとからなる化合物を多量に添加することなく、高熱膨張化が可能となる。
【0014】
さらに、平均粒径0.1〜1.0μmの炭化珪素を1.5〜4vol%で含有することがよい。炭化珪素をヒータ部材に含有することにより、窒化珪素の粒子の粒成長を抑えることができる。これにより、絶縁物である窒化珪素の粒子の比表面積が増大し、導電性を有するCrとWとからなる化合物の粒子が導電経路を形成することを抑えることができる。よって、ヒータ部材の絶縁性を保つことができる。炭化珪素の平均粒径が0.1μm未満の場合、上記効果を得ることができない。また、炭化珪素の平均粒径が1.0μmを越える場合、窒化珪素の粒成長を抑制することができず、ヒータ部材の絶縁抵抗値が低下してしまう。
【0015】
さらに、炭化珪素の含有量が1.5vol%未満の場合は、窒化珪素の粒子の粒成長を抑えることができず、上記効果を得ることができない。一方、炭化珪素の含有量が4vol%をこえる場合、炭化珪素自体の導電性により、ヒータ部材の絶縁抵抗値が低下してしまう。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明のヒータの一例であるグロープラグ1の内部構造を示すものである。また、図2は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ1はセラミックヒータ本体2とこれを保持する外筒3、該外筒3を保持する主体金具4とセラミックヒータ本体2の後端側に配置された中軸5とを有する。
【0017】
セラミックヒータ本体2は棒状の形態であるヒータ部材21の先端側に発熱体22が埋設され、該発熱体22に通電する一対のリード端子23、24がヒータ部材21の後端部外周面に露出形成されている。発熱体22は、炭化タングステン(WC)、二珪化モリブデン(MoSi2)の導電性セラミックと絶縁性セラミックとの混合物からなり、U字形状をなしている。また、ヒータ部材21は、窒化珪素を主成分とし、Yb等の希土類元素と、Cr等のCr化合物と、粒径が3μm未満で5〜10vol%のCrとWとからなる化合物とを含有する。これにより、ヒータ部材21の熱膨張係数を向上させ、ヒータ部材21とリード端子23、24あるいは発熱体22との熱膨張係数の差を少なくし、且つCr成分がヒータ部材21と発熱体22の界面に凝集することを抑制する。さらに、Wの化合物を0.4〜1.1vol%含有することがよい。これにより、さらなるヒータ部材22のCr成分がヒータ部材21と発熱体22の界面に凝集することを抑制することができる。また、CrとWとからなる化合物がCrの珪化物とWの珪化物の固溶体であることがよい。これにより、CrとWとからなる化合物を多量に含有させることなく、ヒータ部材21の高熱膨張化が可能となる。さらに、平均粒径0.1〜1.0μmの炭化珪素を1.5〜4vol%含有することがよい。これにより、ヒータ部材22の絶縁性を保つことができる。そして、リード端子23、24は、発熱体22と電気抵抗率の異なる導電性セラミックと絶縁セラミックとの混合物からなる。
【0018】
外筒3はSUS630、SUS430等のステンレス鋼の筒状部材であって、セラミックヒータ本体2の先端側及び後端側を突出させた状態で自身の内側に保持する。そして、S40Cからなる主体金具4の先端面と外筒3の後端面とを接合させ、外筒3の後端側を主体金具4に嵌合している。また、外筒3と、一方のリード端子24が機械的、電気的に接続している。
【0019】
そして、主体金具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1を固定するための、ねじ部41が形成され、後端側には、中軸5が取り付けられている。
【0020】
次に、中軸5は主体金具4と絶縁状態にて配置され、中軸5の後端側外周面と、主体金具4の内周面との間にセラミックリング6を配置し、その後端側にガラス充填層7を固定する形となっている。なお、セラミックリング6の外周面には、径大部の形でリング側係合部61が形成され、主体金具4の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部42に係合することで、先端側への抜け止めがなされている。また、中軸5のガラス充填層7と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている。さらに、中軸5の後端部は主体金具4の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ8を介して端子金具9がはめ込まれている。端子金具9は、周方向の加締め部91により、中軸5の外周面に対して導通状態で固定されている。
【0021】
一方、セラミックヒータ本体2の後端側外周面には、リード端子23(外筒3と電気的に接続するリード端子24とは別のリード端子23)と導通するSUS630、SUS430等のステンレス鋼のリング部材100が、リード端子23を覆うように取り付けられる。なお、リング部材100はろう付けや縛り嵌め、溶接等により取り付けられる。そして、中軸5と、リング部材100とは、一端がリング部材100に溶接され、他端が中軸5に溶接された金属リード110により、電気的に接続されている。
【0022】
以下、グロープラグ1の製造方法について説明する。まず、図3に示すように、発熱体22とリード端子23、24を一体とした発熱体粉末成形体220を射出成形により作成する。また、セラミック本体21を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、上下別体に形成された本体成形体としての分割成形体211、212を用意しておく。これら分割成形体211、212には、発熱体粉末成形体220に対応した形状の凹部をそのあわせ面に形成しておき、ここに発熱体粉末成形体220を収容して分割予備成形体を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図3(b)に示すように、これらが一体化された複合成形体200を作る。
【0023】
こうして得られた複合成形体200を脱バインダ処理後、ホットプレス等により1700℃以上、例えば、約1800℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨すればセラミックヒータ本体2が得られる。そして、図4に示すように、リング部材100を一対のリード端子23と電気的に接続させるように圧入等により取り付ける。さらに同様に、該セラミックヒータ本体2に外筒3を一対のリード端子24と電気的に接続させるように、圧入等により取り付ける。
【0024】
そして、リング部材100に金属リード110の一端を抵抗溶接等により溶接する。その後、金属リード100の他端を中軸5の先端側に抵抗溶接等により溶接する。そして、主体金具4及び必要な部品を公知の方法で組み付ければ、図1に示すグロープラグ1が完成する。
【0025】
【実施例】
以下、本発明について実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
平均粒径0.7μmの窒化珪素粉末に、希土類酸化物として平均粒径1.0μmのYb、平均粒径1.0μmのCr・CrSi等のCr化合物粉末、平均粒径1.0μmで結晶構造としてαあるいはβの炭化珪素粉末及び二酸化珪素の粉末、平均粒径1.0μmのWSi等のW化合物粉末を表1に示した組成で配合し、これを窒化珪素製の球石を使用してエタノール中で40時間湿式混合し、次いで湯煎乾燥した。その後、このようにして得られたヒータ部材の粉末を加圧成形することにより、上下別体に形成された本体成形体としての分割成形体を用意しておく。そして、分割成形体にWC・Si3N4を主成分とし助剤として希土類酸化物からなる発熱体を収容して窒素雰囲気下、1800℃、25MPaの条件で1時間かけてホットプレスで同時に焼成し、20mm×40mm×40mmの棒状部材1〜9を得た。そして、この棒状部材No.1〜9を3mm×4mm×40mmの形状に加工し、セラミックヒータ本体No.1〜11を得た。
【0026】
【表1】
Figure 2004296337
【0027】
上記で得られたセラミックヒータ本体1〜11についての熱膨張係数、粒界強度及び絶縁抵抗値を測定した。その結果を以下の表1に示す。ここで、ヒータ部材の熱膨張係数(ppm/℃)は下記の式により算出することができる。
熱膨張係数(ppm/℃)=−{(1000℃における標準試料長さ−1000℃における測定試料長さ)/〔30℃における測定試料長さ×(1000℃−30℃)〕}+8.45×10−6
なお、上記式において、「1000℃における標準試料長さ」は、標準試料として1000℃における熱膨張係数が8.45×10−6/℃であるアルミナを使用した場合のこのアルミナの1000℃における長さを意味する。尚、この標準試料の30℃における長さは、測定試料の30℃における長さと等しい長さであるとする。また、発熱体の熱膨張係数は上記の式より算出すると、4.6ppm/℃である。また、界面強度(MPa)は、JIS R 1601に準じて界面部の3点曲げ強度を測定して求めた。なお、表1において、No.2〜5が本発明範囲の実施例であり、その他の*で示したのがNo.1、6、7比較例である。
【0028】
これによると、No.6は熱膨張係数が、3.4ppm/℃となり、他の実施例と比較すると、発熱体との熱膨張係数の差が大きくなる。また、No.1、7は界面強度が376MPa、323MPaと他の実施例よりも強度が弱い。よって、No.2〜5の実施例のようにCrとWとからなる化合物を粒径が3μm未満で5〜10vol%とすることで、ヒータ部材の熱膨張係数を向上させ、ヒータ部材と発熱体との熱膨張係数の差を少なくし、且つCr成分がヒータ部材と発熱体の界面に凝集することを抑制することができる。
【0029】
さらに、本発明の実施例である、No.2〜5、8〜11について絶縁抵抗値を測定した。絶縁抵抗値は、上記焼結体を3mm×4mm×17mmの形状の試験片に加工し、測定装置として東亜電波工業株式会社製超絶縁計「SM−8205」を用いて、室温にてこの試験片の両端をワニ口クリップ端子により挟み、1000Vの電圧を1分間チャージした後、抵抗値を測定した。その結果を表1に示す。また、実施例のSiCの平均粒径について表1に示す。
【0030】
さらに、No.8は、SiCの含有量が1.08vol%と少ないため、絶縁性が7×10Ωと少ない。No.9は、SiCの平均粒径が0.05と小さいため、7×10Ωと少ない。No.10は、SiCの平均粒径が1.20と大きいため、10×10Ωと少ない。No.11は、SiCの含有量が4.82vol%と多いため、絶縁性が9×10Ωと少ない。よって、SiCの平均粒径0.1〜1.0μmであって且つ1.5〜4vol%含有することで、ヒータ部材の絶縁性も良好に保つことができることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1を示すグロープラグ1の縦断面図である。
【図2】図1の要部を示す縦断面図である。
【図3】グロープラグ1のセラミックヒータ2の製造工程の説明図である。
【図4】図3に続く、グロープラグ1の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
1・・・グロープラグ、2・・・セラミックヒータ本体、21・・・ヒータ部材、22・・・発熱体、23、24・・・リード端子、3・・・外筒、31・・・突出部、4・・・主体金具、5・・・中軸、6・・・セラミックリング、7・・・ガラス充填層、8・・・絶縁ブッシュ、9・・・端子金具、100・・・リング部材、200・・・複合成形体、211、212・・・分割成形体、220・・・発熱部粉末成形体

Claims (4)

  1. ヒータ部材に、MoまたはWの珪化物、窒化物、炭化物を主成分とする発熱体を埋設してなるセラミックヒータにおいて、
    前記ヒータ部材は、窒化珪素を主成分とし、希土類元素と、Cr化合物と、粒径が3μm未満で5〜10vol%のCrとWとからなる化合物と、を含有することを特徴とするセラミックヒータ。
  2. 前記ヒータ部材は、0.4〜1.1vol%のWの化合物含有することを特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ。
  3. 前記CrとWとからなる化合物が、Crの珪化物とWの珪化物との固溶体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。
  4. 平均粒径0.1〜1.0μmの炭化珪素粒子を1.5〜4vol%含有することを特徴とする請求項1乃至3に記載のセラミックヒータ。
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