JP2006024394A - セラミックヒータおよびグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体とリード部との接合部分における損傷を抑制し、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するセラミックヒータを提供すること。
【解決手段】絶縁性セラミックからなり、軸線方向に延びる棒状の支持体２と、前記支持体２に埋設されると共に、一種類の導電性セラミックからなる抵抗体３とを有するセラミックヒータ１であって、前記抵抗体３は前記支持体２の先端側で折り返された小径部３ａと、該小径部３ａの両端に自身の一端部が連結部３ｂを介して接続され、他端部が前記支持体２の後端側から露出する一対の大径部３ｃとからなり、かつ、前記小径部３ａの断面積は前記大径部３ｃの断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内であるもの。
【選択図】図１

Description

本発明はセラミックヒータおよびグロープラグに係り、特にディーゼルエンジンの始動に使用されるグロープラグに好適なセラミックヒータおよびそれを利用したグロープラグに関する。

従来より、炭化タングステン、ケイ化モリブデン等の導電性セラミック材料および窒化ケイ素等の絶縁性セラミック材料を主成分とする発熱抵抗体を、高温での耐食性に優れた窒化ケイ素質セラミックからなる支持体に埋設することで、熱伝導性を向上させ、急速昇温を可能としたセラミックヒータが開発されている。

このようなセラミックヒータにおいて、内部の発熱抵抗体に接続されるリード部の形態として、タングステン（Ｗ）等の金属線のみからなる例、低抵抗なセラミック材料と金属線の両方からなる例が開示されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平４−２６８１１２号公報 特開２００２−３３４７６８号公報

しかしながら、上述したようなセラミックヒータの作製にあたっては、支持体の他に少なくとも２種以上、最大で４種の材料が必要となる。また、上述したようなセラミックヒータにおいては、発熱抵抗体とリード部との熱膨張率の違いにより、それらの接合部分においてクラックが発生しやすいという課題がある。

このような異種材料接合部におけるクラックの発生を回避し、さらには製造コストの削減を図るため、セラミックヒータの発熱抵抗体、リード部および電極取り出し部等を１つの材料で形成することが考えられる。

ところで、単純にセラミックヒータの発熱抵抗体、リード部および電極取り出し部等を１つの材料で形成する場合、セラミックヒータの先端だけを効率的に発熱させるためには、その部分のみをリード部や電極取り出し部より断面積を小さく絞って抵抗を大きくする必要がある。しかしながら、断面積の絞り方によっては消費電力が大きくなる、昇温に時間がかかる、あるいは、耐久性が低くなる等の問題が発生する。

本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであって、発熱抵抗体とリード部との接合部分における損傷が抑制され信頼性に優れると共に、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するセラミックヒータを提供することを目的としている。

また、本発明は上述したようなセラミックヒータを用いたグロープラグであって、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するグロープラグを提供することを目的としている。

本発明のセラミックヒータは、絶縁性セラミックからなり、軸線方向に延びる棒状の支持体と、前記支持体に埋設されると共に、一種類の導電性セラミックからなる抵抗体とを有するものであって、前記抵抗体は前記支持体の先端側で折り返された小径部と、該小径部の両端に自身の一端部が連結部を介して接続され、他端部が前記支持体の後端側から露出する一対の大径部とからなり、かつ、前記小径部の断面積は前記大径部の断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内であることを特徴とする。

本発明のグロープラグは、前記セラミックヒータの先端側を突出させて周方向に取り囲む金属外筒と、前記金属外筒の先端側を突出させて前記金属外筒を保持する主体金具とを有し、前記抵抗体の小径部の後端側端部と前記金属外筒の先端面との軸線方向の距離が２ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁性セラミックからなり、軸線方向に延びる棒状の支持体と、前記支持体に埋設されると共に、一種類の導電性セラミックからなる抵抗体とを有するセラミックヒータにおいて、前記抵抗体を前記支持体の先端側で折り返された小径部と、該小径部の両端に自身の一端部が連結部を介して接続され、他端部が前記支持体の後端側から露出する一対の大径部とからなるものとし、かつ、前記小径部の断面積を前記大径部の断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内とすることにより、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するセラミックヒータとすることができる。

また、本発明によれば、上記セラミックヒータを用いたグロープラグにおいて、この抵抗体の折返し部と金属外筒の先端面との軸線方向の距離を２ｍｍ以上とすることにより、ディーゼルエンジンの始動性が良く、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するグロープラグとすることができる。

以下、本発明について図面を参照して説明する。

図１は本発明のセラミックヒータ１の一例を示した断面図である。本発明のセラミックヒータ１は、棒状の支持体２中に抵抗体３が埋設されたものである。支持体２は絶縁性セラミックからなるものであり、一方の端部が先端部２ａとなり、他方の端部が後端部２ｂとなる。

支持体２に埋設される抵抗体３は、全体が一種の（同一の）導電性セラミックからなり、連続的に形成されたものである。抵抗体３は先端側（支持体２の先端部２ａ側）に折返し部３ｄを有するＵ字状のものであり、その両端部は後端側（支持体２の後端部２ｂ側）へと延設されている。

この抵抗体３の先端側部位は、主として発熱部となる小径に形成された小径部３ａとなっている。小径部３ａには上述したように折返し部３ｄが含まれている。小径部３ａの後端側にはそれぞれ連結部３ｂを介してリード部となる一対の大径部３ｃの一端部が接続されており、この一対の大径部３ｃは他端部が支持体２の後端側から露出するように延設されている。リード部となる一対の大径部３ｃには、例えば図１に示すように、支持体２の外周面に露出するように電極取り出し部３ｅが設けられていてもよい。

大径部３ｃは小径部３ａよりも径大に形成されており、これらを繋ぐ連結部３ｂは小径部３ａ側から大径部３ｂ側にかけて徐々に径大となるように形成されている。これら小径部３ａ、一対の連結部３ｂおよび一対の大径部３ｃは、上述したように同一の導電性セラミックから連続的に形成されたものである。

図２は、図１に示されるセラミックヒータ１における小径部３ａを含む断面であるＡ−Ａ断面の断面図、図３は、大径部３ｃを含む断面であるＢ−Ｂ断面の断面図の一例を示したものである。上述したように、大径部３ｃは小径部３ａよりも断面積が大きくなるように形成されている。小径部３ａ、大径部３ｃの断面形状は、例えば図２、図３に示すように楕円状であるが、必ずしもこのような形状に限定されるものではない。

本発明では、抵抗体３、すなわち小径部３ａ、連結部３ｂおよび大径部３ｃを同一の導電性セラミックからなる連続的に形成されたものとすることにより、従来のセラミックヒータにおけるような発熱部とリード部との熱膨張差によるそれらの接合部の損傷を抑制し、信頼性に優れたセラミックヒータとすることができる。

さらに、本発明ではこのようなセラミックヒータ１において、抵抗体３の小径部３ａの断面積を、大径部３ｃの断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内とすることを特徴とする。すなわち、抵抗体３の小径部３ａの断面積をａとし、大径部の断面積をＡとした場合、ａ／Ａ＝１／２．６〜１／２５．５である。なお、小径部３ａおよび大径部３ｃの断面積は、導通経路に対して垂直な断面の面積である。

本発明では、セラミックヒータ１における抵抗体３の小径部３ａの断面積を、大径部３ｃの断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内に調整することにより、消費電力が抑制され、急速昇温が可能で、かつ、十分な通電耐久性を有するセラミックヒータとすることが可能となる。

すなわち、抵抗体３の小径部３ａの断面積が、大径部３ｃの断面積の１／２５．５未満である場合、すなわちａ／Ａ＜１／２５．５の場合、支持体２の軸線方向に垂直な断面に占める抵抗体３の小径部３ａの断面積が少なすぎるため、支持体２の前記断面における表面温度が位置ごとに大きく異なることがある。また、実際の製造においても、抵抗体３の小径部３ａの断面積が小さくなると、例えば後述するような射出成形で抵抗体３を作製する場合、成形体の小径部３ａとなる部分が細すぎるために強度が不足し、射出成形金型からピンによりけり出す際にその部分が折れてしまう問題がある。

抵抗体３の小径部３ａの断面積が、大径部３ｃの断面積の１／２．６を超える場合、すなわちａ／Ａ＞１／２．６の場合、小径部３ａの断面積が大きすぎるために消費電力が高くなる。また、一般に絶縁体からなる支持体２よりも抵抗体３の方が熱膨張係数が大きく、抵抗体３の中でも特に小径部３ａは発熱が大きいため、その断面積が大きくなると熱膨張係数の違いによる応力も大きくなり、小径部３ａが損傷しやすく、通電耐久性が低下するおそれがある。

なお、本発明においては、抵抗体３の小径部３ａの断面積は必ずしもその一方の端部から他方の端部まで同一の断面積となっている必要はなく、上述したような断面積比内に入っていれば断面積は異なる部分があってもよい。

抵抗体３における小径部３ａの長さ（Ｌ_ａ）を折返し部３ｄの最も先端側から小径部３ａの後端側端部（小径部３ａと連結部３ｂとの境界部分）までの軸線方向の長さとすると、小径部３ａの長さ（Ｌ_ａ）は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。小径部３ａの長さ（Ｌ_ａ）が１ｍｍ未満であると、発熱部となる小径部３ａの体積が小さすぎるため、支持体２に熱が奪われてしまい、結果として昇温が遅くなり、所定の温度に加熱するために電力をより多く消費することになり好ましくない。

一方、小径部３ａの長さ（Ｌ_ａ）が、１０ｍｍよりも長い場合、小径部３ａの体積が逆に大きすぎるため、必要以上にセラミックヒータ１の広範囲を発熱させることになり、やはり消費電力が大きくなってしまう。

また、小径部３ａと連結部３ｂとの境界部分から連結部３ｂと大径部３ｃとの境界部分までの軸線方向の長さを連結部３ｂの長さ（Ｌ_ｂ）とし、連結部３ｂと大径部３ｃとの境界部分から大径部３ｃの後端側端部までの軸線方向の長さを大径部３ｃの長さ（Ｌ_ｃ）とした場合、例えば連結部３ｂの長さ（Ｌ_ｂ）は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

連続部３ｂの長さ（Ｌ_ｂ）が１ｍｍ未満であると、連続部３ｂが短すぎて、強度不足となり、小径部３ａと大径部３ｃとの間で折れてしまう虞がある。一方、連結部３ｂの長さ（Ｌ_ｂ）が１０ｍｍを超えると、連結部３ｂの長さが長すぎて、連結部３ｂで電力を多く消費してしまう虞がある。

支持体２における抵抗体３の折返し部３ｄの埋設位置は特に限定されるものではないが、一般的な形態としては、支持体２の先端部２ａから抵抗体３の折返し部３ｄの最も先端側までの軸線方向の距離が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となるように埋設されていることが好ましい。

上記距離が０．２ｍｍ未満であると、支持体２の先端部２ａから抵抗体３が露出する可能性が高くなり、それにより抵抗体３が酸化して折れてしまう虞がある。一方、上記距離が１．０ｍｍを超えると、先端部２ａで発熱しにくくなり昇温が遅くなる虞がある。

このような抵抗体３の電気抵抗率は一般に３００μΩｃｍ以上２０００μΩｃｍ以下であればよいが、好ましくは３００μΩｃｍ以上８００μΩｃｍ以下であればより好ましい。抵抗体３の電気抵抗率の調整は、例えば後述する抵抗体３を構成する導電性セラミックの組成を調整したり、抵抗体３を製造する際の焼成温度を調整することにより行うことができる。

本発明のセラミックヒータ１の全長、直径は特に限定されるものではないが、一般的な形態としては、全長３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、直径２．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の丸棒形状である。支持体２の表層最小肉厚は、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下である。

なお、このような抵抗体３における小径部３ａ、大径部３ｃの断面積は上述したような関係を満たすうえで、例えば小径部３ａの断面積は０．０７ｍｍ^２以上０．７ｍｍ^２以下とすることが好ましく、大径部３ｃの断面積は１ｍｍ^２以上２．５ｍｍ^２以下とすることが好ましい。

次に、本発明のセラミックヒータ１に用いられる支持体２、抵抗体３の組成について説明する。本発明における支持体２を構成する絶縁性セラミックとしては、例えば窒化珪素質セラミックからなるもの挙げられる。

窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする主相粒子が、後述の焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部が、ＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＹ等の金属原子が固溶したものであってもよい。

例えば、次の一般式にて表されるサイアロンを例示することができる；
β−サイアロン：Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚ（ｚ＝０〜４．２）
α−サイアロン：Ｍ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６（ｘ＝０〜２）
Ｍ：Ｙ，Ｒ（ＲはＬａ，Ｃｅを除く希土類元素）。

窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）及び４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群から選ばれる少なくとも１種を前記のカチオン元素として、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜４０重量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、珪化物の形で添加され、酸化物の場合、焼結体中においては、主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。

焼結助剤成分が１重量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、４０重量％を超えると強度や靭性あるいは耐熱性の不足を招く。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは２〜１０重量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＳｃ、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。

特に高温で発熱させる場合には、窒化珪素質セラミックのＡｌの含有量をできる限り少なくすることが望ましい。更に好ましくは、使用原料あるいは製造プロセスにおける不可避的不純物として、１Ａ、２Ａ族元素の混入も極力減らす必要がある。

本発明における抵抗体３、すなわち小径部３ａ、連結部３ｂおよび大径部３ｃを構成する導電性セラミックとしては導電発熱できる導電性物質であればよいが、例えば支持体２が窒化珪素質セラミックの場合には、炭化タングステン（ＷＣ）と窒化珪素の混合物、あるいは、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）と窒化珪素との混合物が挙げられる。

導電性セラミックに含まれる絶縁性セラミック材料は５０重量％以下であることが好ましい。導電性セラミックにおける絶縁性セラミック材料の含有率が５０重量％を超えると、十分な発熱を確保できなくなるため好ましくない。

導電性セラミックにおける絶縁性セラミック材料の含有量は好ましくは２０重量％以上５０重量％以下である。導電性セラミックにおける絶縁性セラミック材料の含有量をこのような範囲とすることにより、支持体２との線膨張係数差を縮小して耐熱衝撃性を高めることができる。

次に、セラミックヒータ１の製造方法の一例について説明する。まず、セラミックヒータ１の抵抗体３となるべき未焼成抵抗体の製造について説明する。この未焼成抵抗体は、焼成することによって得られる抵抗体３の小径部３ａの断面積が大径部３ｃの断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内となるように製造されるものである。図４に未焼成抵抗体１０の成形例を示す。

図４に示すように、成形には、未焼成抵抗体１０が成形される射出空間が形成された第一金型１１および第二金型１２からなる分割金型を用いる。射出空間は、抵抗体３、すなわち小径部３ａ、連結部３ｂおよび大径部３ｃとなる部分が一体的に成形されるように連続した空間を有するものである。さらに、射出空間は、未焼成抵抗体１０を焼成して得られる抵抗体の各部の断面積の比率が所定の範囲となるように、各空間が調整されている。

また、第一金型１１および第二金型１２の各金型には、ピン１３、１４が摺動可能に挿入されており、ピン１３、１４の先端は射出空間まで挿入され、射出空間を形成するための一部となっている。ピン１３、１４の他方の端部はそれぞれピン支持部材１５、１６で固定されている。このピン１３、１４は後述するように未焼成抵抗体１０の型抜きを容易にするためのものである。

未焼成抵抗体１０の成形は、図４に示すように、第一金型１１と第二金型１２とを型合わせした状態で成形用材料を射出することにより行う。未焼成抵抗体１０を成形するための成形用材料は、抵抗体３を構成する炭化タングステン粉末、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末等からなる原料セラミック粉末を有機バインダと混練したものを加熱により溶融流動化させたものである。

成形された未焼成抵抗体１０は第一金型１１と第二金型１２とを開いて取り出される。このとき、図５に示すように、一方の金型である第一金型１１を引き上げる際、ピン１３の位置はそのままにして、第一金型１１のみを引き上げ、未焼成抵抗体１０と第一金型１１とを引き離す。その後、図６に示すように、第一金型１１およびピン１３（ピン支持部材１５）を同時に引き上げ、未焼成抵抗体１０とピン１３とを引き離す。さらに、他方の金型である第二金型１２についても同様の方法で、未焼成抵抗体１０を引き離す。

次に、セラミックヒータ１の支持体２となる２分割された未焼成支持体を金型プレス成形により成形する。この２分割された未焼成支持体には、それぞれ未焼成抵抗体１０を収容するための凹部が形成されている。２分割された未焼成支持体は、その凹部に未焼成抵抗体１０を収容し、嵌め合わせて組立体とする。そして、この組立体を金型のキャビティ内に収容し、この組立体の両側よりパンチを用いてプレス・圧縮し、未焼成支持体および未焼成抵抗体１０が一体化された複合成形体を得る。

複合成形体は、バインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約６００℃）で仮焼され、その後、所定の焼成温度（１７００℃以上：例えば約１８００℃前後）、雰囲気で焼成することにより焼結体とする。こうして得られた焼結体は、外周面に研磨等の加工を施すことにより、セラミックヒータ１とする。

次に、本発明のグロープラグについて説明する。図７は、グロープラグ２０の断面構造を示したものである。上述したセラミックヒータ１は支持体２の少なくとも先端部２ａが突出するようにその外周面が金属外筒２１で周方向に取り囲まれ、この金属外筒２１はその先端側が突出するように筒状の主体金具２２で外側から周方向に取り囲まれ保持されている。

主体金具２２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２０を固定するための、取付部としてのねじ部２３が形成されている。なお、主体金具２２は金属外筒２１に対し、例えば両者の内外周面の隙間を充填する形でろう付けや圧入を行うか、あるいは主体金具２２の先端側開口内縁と、金属外筒２１の外周面とを全周レーザー溶接する形で固定される。

主体金具２２の内側には、その後端側から、セラミックヒータ１に電力を供給するための金属軸２４が主体金具２２と絶縁状態にて配置されている。例えば、金属軸２４の後端側外周面と主体金具２２の内周面との間にセラミックリング２５を配置し、その後方側にガラス充填層２６を形成して固定する形としている。なお、セラミックリング２５の外周面には、径大部の形でリング側係合部２７が形成され、主体金具２２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２８に係合することで、軸線方向前方側への抜け止めがなされている。

金属軸６の後端部は主体金具２２の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ２９を介して端子金具３０がはめ込まれている。該端子金具３０は、周方向の加締め部３１により、金属軸２４の外周面に対して導通状態で固定されている。

一方、セラミックヒータ１の抵抗体３は、一方が、金属外筒２１に電気的に接続しており、他方が、セラミックヒータ１の後端側に圧入等により挿入されたリング部材３２と電気的に接続している。そして、リング部材３２と金属軸２４とをリード部材３３が電気的に接続している。

図８に、グロープラグ２０の金属外筒２１の先端面２１ａ付近を拡大した断面図を示す。本発明ではグロープラグ２０におけるセラミックヒータ１の固定位置として、このセラミックヒータ１の抵抗体３の小径部３ａの後端側端部（小径部３ａと連結部３ｂとの境界部分）から金属外筒２１の先端面２１ａまでの軸線方向の距離（Ｌ）が２ｍｍ以上となるようにすることを特徴とする。

もし、図９に示すように、金属外筒２１の先端側に逃げ加工がなされている場合には、上記距離（Ｌ）は、セラミックヒータ１の抵抗体３の小径部３ａの後端側端部から金属外筒２１の逃げ加工された部分である逃げ部２１ｂまでの軸線方向の距離とする。

上記距離（Ｌ）が２ｍｍ未満の場合、発熱部である小径部３ａで発生した熱が金属外筒２１に奪われ、その結果として昇温が遅くなり、一定温度に加熱するために電力をより多く消費してしまうことになる。

特に、抵抗体３、すなわち小径部３ａ、連結部３ｂおよび大径部３ｃを同一の導電性セラミックを用いて連続的に形成したものとした場合には、発熱部となる小径部３ａでより発熱するように、上述したように小径部３ａの断面積を大径部３ｃの断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内に調整する必要があるため、上記距離（Ｌ）を２ｍｍ以上とすることは重要である。距離（Ｌ）は２ｍｍ以上であれば必ずしも制限されるものではないが、好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上、本発明のセラミックヒータおよびグロープラグの構造、製造方法について詳細に説明したが、上述した構造、製造方法はあくまでも一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明のセラミックヒータおよびグロープラグの構造、製造方法は、本発明の趣旨に反しない限度において、適宜その構成を変更することが可能である。

以下、本発明について実施例を参照して説明する。

（実施例１〜５、比較例１）
平均粒径０．５μｍの炭化タングステン、平均粒径１．０μｍの窒化珪素および焼結助剤としてのＥｒ_２Ｏ_３をボールミル中で４０時間湿式混合して混合物を得た。この混合物をスプレードライ法により乾燥させ、造粒粉末を作製した後、バインダを４０〜６０体積％の割合となるように添加して、混練ニーダ中で１０時間混合した。その後、得られた混合物をペレタイザで約３ｍｍの大きさに造粒した。

さらに、図４〜６に示すような分割金型を有する射出成形機にこの造粒物を入れて射出成形し、折返し部を有する小径部の両端部に一対の連結部および大径部が連続的に形成された全体がＵ字状の未焼成抵抗体を得た。なお、未焼成抵抗体は大径部の断面積に対する小径部の断面積が異なる複数種類を作製した。

一方、平均粒径０．６μｍの窒化珪素、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５およびＷＯ_３を組み合わせた焼結助剤、ならびに、熱膨張調整剤としてのＭｏＳｉ_２をボールミル中で湿式混合し、バインダを加えた後、スプレードライ法により乾燥させ支持体用の混合粉末を得た。

次いで、未焼成発熱抵抗体を支持体用の混合粉末中に埋設してプレス成形を行い、焼成基体となる成形体を得た。その後、この成形体を８００℃の窒素雰囲気中で１時間の脱脂を行い、３００℃の大気雰囲気中で１０時間の酸化仮焼を実施した後、ホットプレス法で１７８０℃、３０ＭＰａの窒素常圧雰囲気下で９０分間かけて焼結し焼結体を得た。得られた焼結体を直径３．５ｍｍの略円筒状に研磨し、セラミックヒータ（実施例１〜５、比較例１）を得た。

このようにして作製したセラミックヒータにその支持体の少なくとも先端部が突出するように金属外筒および電極取り出しリングを圧入した後、このリングと金属軸とにＮｉ線を溶接し、これらを電気的に接続した。さらに、これらを主体金具に圧入して、外周を溶接した。さらに、ガラス充填層および絶縁ブッシュにより金属軸を主体金具に固定し、この金属軸に端子金具を取り付け、図７に示すようなグロープラグを得た。

なお、各セラミックヒータにおける抵抗体の小径部の断面積（ａ）、大径部の断面積（Ａ）、大径部の断面積（Ａ）に対する小径部の断面積（ａ）の比（ａ／Ａ）は表１に示す通りとした。

また、上記以外のセラミックヒータの外部形状、内部形状は共通とし、図１０に示すように、支持体２の先端部２ａから抵抗体３の折返し部３ｄの最も先端側部分までの軸線方向の距離は１ｍｍ、小径部３ａの長さ（Ｌ_ａ）は３ｍｍとし、セラミックヒータの全長は４１ｍｍとした。グロープラグ２０におけるセラミックヒータ１の固定位置も共通とし、セラミックヒータ１の抵抗体３の小径部３ａの後端側端部（小径部３ａと連結部３ｂとの境界部分）から外筒端先端２１ａまでの軸線方向の距離（Ｌ）は５ｍｍとした。

このような各グロープラグについて、室温抵抗値、飽和温度、この飽和温度での軸線方向に垂直な断面における外周面の最大温度と最低温度との差（Δｔ）および消費電力を測定した。結果を表１に示す。

なお、飽和温度、最大温度と最低温度との差（Δｔ）および消費電力の測定は、図１１に示すような装置を用いて行った。すなわち、コントローラ４０にて印加電圧を設定し、これにより直流電源４１を制御しグロープラグ２０に印加する電圧を制御した。そして、カメラ４２および本体４３からなる放射温度計４４にて、グロープラグ２０のセラミックヒータ１の先端部から軸線方向の後端部側に２ｍｍの部分における温度を測定した（放射率０．９３５）。

さらにオシロスコープ４５にて、直流電源４１から印加電圧および電流をモニターすると共に、放射温度計４４の測定温度をモニターした。このオシロスコープ４５は、印加電圧をトリガーとして、測定温度、印加電圧および電流のデータを同期して記録する。得られたデータをパーソナルコンピュータ４６にて編集し、消費電力を得た。なお、装置の詳細は表２に示す通りである。

また、各グロープラグについて通電耐久試験を行った。結果を表１に併せて示す。通電耐久試験における試験温度は印加電圧を調整し耐熱性の限界温度である１３５０℃とした。通電は、１分間の通電と３０秒間の通電停止（この間、圧縮エアーにて強制冷却）とを１サイクルとして、これを繰り返し行うものとした。通電サイクル数は５００００サイクルを上限とし、１０％以上抵抗値が変化した場合はその時点で試験を終了した。

表１から明らかなように、大径部の断面積（Ａ）に対する小径部の断面積（ａ）の比（ａ／Ａ）が１／２５．５に近いのものは最大温度と最低温度との差（Δｔ）が大きくなるものの、消費電力が抑制され、反対に１／２．６に近づくにつれて消費電力は高くなるものの、最大温度と最低温度との差（Δｔ）は小さくなることが認められた。また、１／２．６を超えると通電耐久性が格段に低下することが認められた。これらのことから、消費電力が抑制され、最大温度と最低温度との差（Δｔ）も少なく、通電耐久性に優れるものとするには、大径部の断面積（Ａ）に対する小径部の断面積（ａ）の比（ａ／Ａ）を１／２．６〜１／２５．５とすることがよいことが確認された。

（実施例６〜９、比較例２）
グロープラグにおけるセラミックヒータの固定位置の影響を調べるため、上記実施例２で用いたものと同様なセラミックヒータを用い、その小径部の後端側端部（小径部と連結部との境界部分）から外筒端先端までの距離（Ｌ）を表３に示すように変化させてグロープラグを作製した。

これらのグロープラグについて、室温抵抗値、飽和温度、この飽和温度での軸線方向に垂直な断面における外周面の最大温度と最低温度との差（Δｔ）および消費電力の測定を行った。また、各グロープラグについて通電耐久試験を行った。なお、飽和温度、最大温度と最低温度との差（Δｔ）および通電耐久試験の評価は、上記実施例１〜５、比較例１と同様にして行った。結果を表３に示す。

表３から明らかなように、小径部の後端側端部から外筒端先端までの距離（Ｌ）が２ｍｍ未満のものは消費電力が高く（この場合では５０Ｗを超え）、また通電耐久試験において４５０００サイクルで、図１２に示すように、金属外筒に耐熱不足による割れが観察された。これに対して小径部端部から外筒端先端までの距離（Ｌ）が２ｍｍ以上のものは、いずれも消費電力が低く（この場合では５０Ｗ未満）、通電耐久試験において５００００サイクルを超えても金属外筒に耐熱不足による割れは観察されなかった。

本発明のセラミックヒータの一例を示した断面図。 図１におけるＡ−Ａ断面を示した断面図。 図１におけるＢ−Ｂ断面を示した断面図。 未焼成抵抗体の成形例を示した断面図。 未焼成抵抗体の成形例を示した断面図。 未焼成抵抗体の成形例を示した断面図。 本発明のグロープラグを示した断面図。 グロープラグの先端側を拡大して示した断面図。 グロープラグの先端側を拡大して示した断面図。 実施例で作製したセラミックヒータを示した断面図。 発熱温度および消費電力の測定方法を示した模式図。 比較例２のグロープラグの金属外筒の破断部分を示した図。

符号の説明

１…セラミックヒータ、２…支持体（２ａ…先端部、２ｂ…後端部）、３…抵抗体（３ａ…小径部、３ｂ…連結部、３ｃ…大径部、３ｄ…折返し部）、２０…グロープラグ、２１…金属外筒（２１ａ…金属外筒の先端面、２１ｂ…逃げ部）、２２…主体金具、３０…金属端子

Claims (2)

1. 絶縁性セラミックからなり、軸線方向に延びる棒状の支持体と、前記支持体に埋設されると共に、一種類の導電性セラミックからなる抵抗体とを有するセラミックヒータであって、
   前記抵抗体は前記支持体の先端側で折り返された小径部と、該小径部の両端に自身の一端部が連結部を介して接続され、他端部が前記支持体の後端側から露出する一対の大径部とからなり、かつ、前記小径部の断面積は前記大径部の断面積の１／２．６〜１／２５．５の範囲内であることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 請求項１記載のセラミックヒータの先端側を突出させて周方向に取り囲む金属外筒と、前記金属外筒の先端側を突出させて前記金属外筒を保持する主体金具とを有し、
   前記抵抗体の小径部の後端側端部と前記金属外筒の先端面との軸線方向の距離が２ｍｍ以上であることを特徴とするグロープラグ。