JP2006127995A

JP2006127995A - セラミックヒータ及びその製造方法並びにグロープラグ

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Publication number: JP2006127995A
Application number: JP2004316726A
Authority: JP
Inventors: Shindo Watanabe; 進道渡▲邉▼
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP4562029B2

Abstract

【課題】比抵抗が小さく、抗折強度が大きい導電性セラミック焼結体及びその製造方法並びにこれを用いたセラミックヒータ及びセラミックグロープラグを提供する。
【解決手段】本発明のセラミックヒータは、窒化珪素と炭化タングステとを含有し、比抵抗が３９０〜１３００μΩ・ｃｍであり、且つ抗折強度が８００ＭＰａ以上である発熱抵抗体を有する。また、本発明のセラミックヒータの製造方法は、発熱抵抗体が、含有する酸素量が０．９質量％以下であり、焼成後、窒化珪素となる窒化珪素粉末と、焼成後、炭化タングステンとなる炭化タングステン粉末とを、該窒化珪素粉末と該炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、炭化タングステン粉末が５８〜７３質量％含有するように混合し、その後、焼成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックヒータ及びその製造方法並びにグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、比抵抗が小さく、抗折強度が大きい発熱抵抗体を備えたセラミックヒータ及びその製造方法並びにこのセラミックヒータが組み込まれ、急速昇温が可能なグロープラグに関する。

従来より、絶縁性セラミックの基体と、該基体に内装される発熱抵抗体とを有するセラミックヒータが知られている。このセラミックヒータは、ディーゼルエンジンの指導補助装置として使用されるグロープラグの発熱部等に用いられている（特許文献１及び特許文献２参照）。

ところで、このセラミックヒータに使用される発熱抵抗体は、一般的に、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する焼結体により成形されている。この焼結体は、抵抗を容易に制御でき、抗折強度も大きくすることができる。そして、多くの場合、抵抗発熱体における炭化タングステンの含有量を多くすることにより、低抵抗の焼結体が製造されている。
特開２００２−１７９４６４号公報特開２００２−２２０２８５号公報

ところで、近年、グロープラグの更なる急速昇温に対する要求がより高まっており、そのためにはセラミックヒータの更なる低抵抗化及び細径化が必要とされている。そのため、発熱抵抗体における炭化タングステンの含有量がより多くなる傾向にある。

しかし、発熱抵抗体における炭化タングステンの配合量を多くした場合、セラミック原料の焼結性が大きく低下することがある。更に、発熱抵抗体における窒化珪素の含有量が相対的に少なくなるため、抗折強度も低下する。この抗折強度の低下は、セラミックヒータを細径化したとき、より大きな問題となる。

本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、比抵抗が小さく、抗折強度が大きい発熱抵抗体を有するセラミックヒータ及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このセラミックヒータが組み込まれ、急速昇温が可能なグロープラグを提供することを目的とする。

発明者等は、セラミックヒータの発熱抵抗体に絶縁性セラミックとして含有されている窒化珪素には、通常、その表面等において生成した酸化ケイ素等の形態で不純物としての酸素が含有されている。この不純物酸素量が多いと、焼結し易くなり、窒化珪素の焼結粒子は微細なものになる。一方、不純物酸素量が少ない場合は、窒化珪素の粒成長が促進され、焼結粒子は針状粒子となり、この針状粒子の間隙において炭化タングステンの焼結粒子が成長し、且つ連接されて導電経路が形成される。そのため、比抵抗の小さい発熱抵抗体とすることができるという知見を得た。

本発明は以下のとおりである。
１．絶縁性セラミックからなる基体と、該基体に内装され、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する発熱抵抗体と、を有するセラミックヒータにおいて、前記発熱抵抗体は、比抵抗が３９０〜１３００μΩ・ｃｍであり、且つ抗折強度が８００ＭＰａ以上であることを特徴とするセラミックヒータ。
２．前記窒化珪素の焼結粒子には、長軸長さが４μｍ以上、且つ、短軸長さが２μｍ以上である針状粒子を有する請求項１に記載のセラミックヒータ。
３．請求項１または２に記載の前記セラミックヒータの先端部を突出させて、該セラミックヒータを保持する外筒と、少なくとも該外筒の後端部を保持する主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。
４．前記発熱抵抗体の間に１１Ｖの直流電圧を印加した場合に、該先端部の温度が１０００℃に達するのに要する時間が１〜２秒である請求項４に記載のグロープラグ。
５．絶縁性セラミックからなる基体と、該基体に内装され、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する発熱抵抗体と、を有するセラミックヒータの製造方法において、前記発熱抵抗体は、含有する酸素量が０．９質量％以下であり、焼成後窒化珪素となる窒化珪素粉末と、焼成後炭化タングステンとなる炭化タングステン粉末とを、該窒化珪素粉末と該炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、炭化タングステン粉末が５８〜７３質量％含有するように混合し、その後、焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。

本発明のセラミックヒータは、比抵抗が小さく、抗折強度が大きい発熱抵抗体として有用である。
更に、窒化珪素の焼結粒子には、長軸長さが４μｍ以上、且つ、短軸長さが２μｍ以上である針状粒子を有する場合は、導電性セラミックが粒成長し、且つ連接されてなる導電経路が容易に形成され、より比抵抗の小さい導電性セラミック焼結体とすることができる。
本発明のセラミックグロープラグは、本発明のセラミックヒータが組み込まれ、急速昇温が可能である。
更に、先端部の径が３．３ｍｍ以下であり、発熱抵抗体に取り付けられた一対のリード線端子の間に１１Ｖの直流電圧を印加した場合に、先端部の温度が１０００℃に達するのに要する時間が１〜２秒である場合は、近年の急速昇温に対する要求にも十分に応えられるセラミックグロープラグとすることができる。
本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、比抵抗が小さく、抗折強度が大きい発熱抵抗体を、容易に製造することができる。

［１］セラミックヒータ
本発明のセラミックヒータ１を、図１を用いて説明する。セラミックヒータ１は、軸方向に延びる基体１１と、この基体１１の内部に配設されたＵ字状の発熱抵抗体１２とを備える。尚、図１のセラミックヒータ１では、発熱抵抗体１２はＵ字状であるが、その形状は用途等により、適宜の形状とすることができる。基体１１は、発熱抵抗体１２に対して、例えば、−２０〜１５００℃の温度範囲において十分な絶縁性を有している必要がある。特に、発熱抵抗体１２に対して、１０^８倍以上の絶縁性を有していることが好ましい。

基体１１は絶縁性セラミックにより形成される。この絶縁性セラミックは特に限定されないが、例えば、窒化珪素、サイアロン及び窒化アルミニウム等が挙げられる。絶縁性セラミックは、窒化珪素、サイアロン及び窒化アルミニウムのうちの１種のみであってもよい。また、窒化珪素、サイアロン及び窒化アルミニウムのうちの少なくとも１種が８５質量％以上、好ましくは９０質量％以上含有されていてもよい。基体１１は、窒化珪素により形成されていることが好ましい。また、発熱抵抗体１２との熱膨張率の差を小さくするため、基体１１には、後述する発熱抵抗体１２に含有されている炭化タングステンが、基体１１を１００質量％とした場合に、１０質量％以下、特に５質量％以下含有されていてもよい。更に、発熱抵抗体１２に含有される各々の金属元素の硼化物等が含有されていてもよい。

一方、発熱抵抗体１２は、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する。
このうち窒化珪素は、窒化珪素粉末が焼成されて生成した焼結粒子として含有されている。この焼結粒子は窒化珪素のみからなっていてもよく、窒化珪素を主成分とし、これに少量の、例えば、焼結粒子を１００質量％とした場合に、１０質量％以下、特に５質量％以下の窒化アルミニウム、アルミナ等が含有されていてもよい。

一方、炭化タングステンは、炭化タングステン粉末が焼成されて生成した焼結粒子として含有されている。この炭化タングステンは、高温において焼成されること、及びセラミックヒータ１の使用温度を越える耐熱性を必要とすること、等を理由として十分に高い融点を有するものであることが好ましい。

発熱抵抗体１２には、窒化珪素と炭化タングステンの他に、通常、後記の焼結助剤に由来する成分が含有されている。更に、硼化タングステン、硼化チタン、硼化モリブデン（ＭｏＢ、Ｍｏ_２Ｂ、ＭｏＢ_２）、硼化クロム等の金属元素の硼化物などの他の金属化合物が含まれていてもよい。また、これらの他の金属化合物もセラミックヒータ１の使用温度を越える十分に高い融点を有するものであることが好ましい。

発熱抵抗体１２は、比抵抗が小さく、且つ抗折強度が大きい。
発熱抵抗体１２の比抵抗は３９０〜１３００μΩ・ｃｍであり、好ましくは３９０〜１０００μΩ・ｃｍ、より好ましくは３９０〜７００μΩ・ｃｍである。このように比抵抗の小さい発熱抵抗体１２を用いることで、昇温性能に優れたセラミックヒータ１とすることができる。更に、このセラミックヒータ１を組み込むことで、急速昇温が可能な後述するグロープラグ２とすることができる。
比抵抗は、発熱抵抗体１２からなる試験片の両端に測定端子をあて、ミリオームメータにより室温（２３〜２５℃）において抵抗値を測定し、この抵抗値に基づき、以下の計算式に従って算出することができる。尚、抵抗測定用の試験片としては、セラミックヒータ１から切り出した試験片、及びグロープラグ２を解体して取り出したセラミックヒータ１から切り出した試験片を用いることもできる。
比抵抗値＝（抵抗値〔μΩ〕×試験片の断面積〔ｃｍ^２〕）／試験片の長さ〔ｃｍ〕

発熱抵抗体１２の抗折強度は８００ＭＰａ以上であり、好ましくは８５０ＭＰａ以上（通常、７００〜８００ＭＰａ）である。抗折強度が８００ＭＰａ以上であれば、発熱抵抗体１２が容易に折損することのないセラミックヒータ１とすることができる。
なお、この抗折強度は、ＪＩＳＲ１６０１に準じて測定した３点曲げ強さである。

また、この発熱抵抗体１２における窒化珪素の焼結粒子は、長軸長さが４μｍ以上、短軸長さが２μｍ以上である針状粒子である。一方、長軸長さは１０μｍ以下である事が好ましく、短軸長さは長軸長さの１／２以下であることが好ましい。針状粒子の長軸長さが４μｍ以上、短軸長さが２μｍ以上であれば、この針状粒子の間隙において炭化タングステンの焼結粒子が粒成長し、且つ連接されて導電経路が形成される。そのため、比抵抗の小さい発熱抵抗体１２とすることができ、より優れた昇温性能を有するセラミックヒータ１とすることができる。また、このセラミックヒータ１を組み込むことで、より急速昇温が可能なグロープラグ２とすることができる。
なお、窒化珪素の焼結粒子が針状粒子であるとは、発熱抵抗体１２の断面を走査型電子顕微鏡により観察した場合に、１７×２１μｍ^２の面積の１０視野の各々において、上記の所定の寸法の針状粒子が２個以上観察されることを意味する。

［２］セラミックヒータの製造
このセラミックヒータ１、特に後述するようなグロープラグ２に組み込まれて用いられるセラミックヒータ１は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、窒化珪素粉末、炭化タングステン粉末、焼結助剤粉末及び溶媒等を所定の量比で混合し、混合粉末を調製する。

この窒化珪素粉末としては、含有される酸素量が０．９０質量％以下のものを用いる。この酸素量は、０．８５質量％以下、特に０．８０質量％以下（通常、１質量％以上）であることが好ましい。窒化珪素粉末に含有される酸素量が０．９０質量％以下であれば、焼成の際に窒化珪素粉末の粒成長が促進され、長軸長さが４μｍ以上、短軸長さが２μｍ以上の針状粒子を生成させることができる。その結果、炭化タングステンの焼結粒子からなる導電経路が十分に形成され、比抵抗の小さい発熱抵抗体１２とすることができ、さらには、優れた昇温性能を有するセラミックヒータ１とすることができる。更に、このセラミックヒータ１を組み込むことで、急速昇温が可能なグロープラグ２とすることができる。
なお、窒化珪素粉末に含有される酸素は、粉末粒子の表面等に酸化ケイ素などの形態で付着している不純物であり、その含有量は、例えば、酸素・窒素同時分析装置（米国ＬＥＣＯ社製、型式「ＴＣ−１３６」及び「ＥＦ−１００」、堀場製作所製、型式「ＥＭＧＡ−６２０Ｗ／Ｃ」等）により定量することができる。

そして、窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、炭化タングステン粉末は５８〜７３質量％であることが好ましい。この炭化タングステン粉末の含有量は６０〜７０質量％であることが好ましい。炭化タングステン粉末の含有量が５８〜７３質量％であれば、比抵抗が小さく、且つ抗折強度の大きい発熱抵抗体１２とすることができる。

セラミック原料には、窒化珪素粉末及び炭化タングステン粉末の他、通常、焼結助剤粉末が含有されている。
焼結助剤は特に限定されないが、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ及びＥｒ等の希土類元素の酸化物又は加熱により酸化物となる化合物を用いることができる。この希土類酸化物としては、Ｅｒ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３等が用いられることが多い。Ｅｒ_２Ｏ_３等の焼結後に粒界にて結晶相となる焼結助剤を用いた場合、抵抗発熱体１２の耐熱性をより向上させることができるため好ましい。また、焼結助剤としては、４族、５族及び６族元素の酸化物又は加熱により酸化物となる化合物を用いることもできる。この４族、５族及び６族元素の酸化物としては、ＴｉＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｏＯ_３及びＷＯ_３等が用いられることが多く、特にＶ_２Ｏ_５は融点が低く、且つ低温で焼結を促進することができる。焼結助剤としては、この他、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３等を用いることもできる。この焼結助剤は１種のみ用いてもよく、２種以上を用いてもよい。通常は２種以上の焼結助剤が用いられる。

セラミック原料は、例えば、窒化珪素粉末、炭化タングステン粉末、焼結助剤粉末及び溶媒等を、必要に応じて窒化珪素製等の玉石を用いて、ボールミル等の混合機により湿式混合し、その後、乾燥して混合粉末とすることで調製することができる。

なお、溶媒としては、水及び有機溶媒等を用いることができる。有機溶媒としては、カルビトール類、セロソルブ類、酢酸エステル類、１価アルコール類及びケトン類等が挙げられる。溶媒は１種のみ用いてもよく、２種以上を用いてもよい。溶媒の含有量は特に限定されないが、窒化珪素粉末と炭化タングステンとの合計を１００質量％とした場合に、２５〜２００質量％、好ましくは５０〜１００質量％である。

上記のようにして調製したセラミック原料及び有機バインダ等を用いて、射出成形等の方法により、セラミックヒータ１の発熱抵抗体１２となるＵ字状の成形体を形成する。その後、この成形体を、基体１１用の原料粉末、例えば、窒化珪素粉末に埋入する。埋入方法としては、基体１１用の原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、これらの半割型の間の所定位置に成形体を載置し、次いで、プレス成形する方法等が挙げられる。その後、これらを５〜１２ＭＰａの圧力で一体に加圧することにより、絶縁性基体１１の形状を有する粉末成形体に発熱抵抗体１２となる成形体が埋設された未焼成セラミックヒータが形成される。その後、この未焼成セラミックヒータを、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、所定の圧力及び温度で所要時間、ホットプレス焼成することにより、セラミックヒータ２を製造することができる。圧力、焼成温度及び焼成時間は特に限定されない。例えば、圧力は２００〜５００ＭＰａ、特に２００〜３００ＭＰａとすることができる。焼成温度は１７５０〜１８５０℃、特に１７５０〜１８３０℃とすることができる。焼成時間は３０〜１８０分、特に６０〜９０分とすることができる。

なお、有機バインダは特に限定されず、ポリプロピレン等の可塑剤、ワックス及び分散剤等が挙げられ、これらを適宜混合して使用される。有機バインダは１種のみ用いてもよく、２種以上を用いてもよい。有機バインダの含有量は特に限定されないが、窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、５〜５０質量％、好ましくは１０〜２０質量％である。

［３］グロープラグ
次に、上記セラミックヒータ１を用いたグロープラグ２について図２を用いて説明する。図２のように、グロープラグ２には、図１のようなセラミックヒータ１が先端側に配設されている。このセラミックヒータ１は、金属製の外筒２１に貫装され、保持されている。この外筒２１は、主体金具２２の先端側に溶接される。また、セラミックヒータ１は、上記したように、基体１１とその内部に保持されたＵ字状の発熱抵抗体１２とからなり、後端側に延びる一方の発熱抵抗体１２は、外筒２１に電気的に接続されている。さらに、発熱抵抗体１２の他方は、セラミックヒータ１の後端側に圧入されるリング部材２４に電気的に接続している。このリング部材２４は、リード部材２６を介して中軸２５に接続されている。尚、主体金具２２の外周には、グロープラグをエンジンに取り付けるための取り付けねじ部２３が螺刻され、さらに取り付ける際にインパクトレンチ等をあてがうための六角状の工具係合部２７が形成されている。

本発明のグロープラグ２に組み込まれたセラミックヒータ１の発熱抵抗体１２が配設されている部分の径が３．３ｍｍであり、発熱抵抗体の比抵抗１２が３９０〜１３００μΩ・ｃｍである場合は、グロープラグ２に１１Ｖの直流電圧を印加したときのグロープラグ２の先端部分、即ち、セラミックヒータ１の先端部（ディーゼルエンジンの燃焼室の方向を向いた一端部である。）における温度を１０００℃にまで昇温させるのに要する時間を１．０〜３．９秒とすることができる。同様に比抵抗が３９０〜１０００μΩ・ｃｍであるときは、１０００℃以上にまで昇温させるのに要する時間を１．０〜３．０秒とすることができ、比抵抗が３９０〜７００μΩ・ｃｍであるときは、１０００℃以上にまで昇温させるのに要する時間を１．０〜２．０秒とすることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
まず、実施例１〜７及び比較例１〜１１の発熱抵抗体１２の抗折強度を測定する。そこで、窒化珪素粉末（表１に記載の酸素量０．６５質量％、０．７８質量％、０．８７質量％及び１．０２質量％のものを用いた。粒径は０．８６〜１．１４μｍである。）と、炭化タングステン粉末（以後、ＷＣとも言う）（粒径は０．６０〜０．６５μｍである。）とを、表１に記載の割合で用いた。また、窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、焼結助剤として、４質量％のＥｒ_２Ｏ_３粉末及び２質量％のＳｉＯ_２粉末（平均粒径はいずれも１〜３μｍである。）、並びに溶媒として５０質量％の水を用いた。これらの窒化珪素粉末、炭化タングステン粉末、焼結助剤粉末及び水をボールミルに投入し、窒化珪素製の球石を用いて７２時間湿式混合し、その後、湯煎乾燥し、混合粉末とした。その後、得られた粉末を加圧して成形体を形成し、その成形体を窒素雰囲気下、１８００℃、２５０ＭＰａの条件でホットプレスにより１．５時間焼成した。そして、研磨を行い、長さ３６ｍｍ、幅４．０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍの試験片を作製した。この試験片を使用し、ＪＩＳＲ１６０１に準じて３点曲げ強さを測定した。スパンは２０ｍｍとした。クロスヘッド速度は０．５ｍｍ／分である。
結果を表１に併記する。

次に、上記記載の実施例１〜７及び比較例１〜１１の各々の試験片と同じ組成の焼結体からなる発熱抵抗体１２を備えるセラミックヒータ１を製造した。上記と同様に作成した混合粉末と、この混合粉末を１００質量％とした場合に、１５質量％の有機バインダ（ワックス８質量％、可塑剤３質量％、分散剤３質量％）とを混練機に投入し、４時間混練し、その後、得られた混練物を裁断してペレット状とし、これを射出成型機に投入してＵ字状の発熱抵抗体１２となる成形体を作製した。

一方、基体１１は、窒化珪素粉末（平均粒径は０．５〜１．０μｍである。）と、この窒化珪素粉末を１００質量％とした場合に、焼結助剤として、８質量％のＥｒ_２Ｏ_３粉末及び１質量％のＶ２Ｏ５粉末、２質量％のＷＯ３粉末、溶媒として１０質量％の水とをボールミルに投入し、４０時間湿式混合した。その後、スプレードライヤー法によって造粒し、この造粒物を圧粉した２個の半割型を用意した。次いで、上記の発熱抵抗体１２用成形体を２個の半割型の間の所定位置に載置し、プレス成形して埋入した。次いで、これらを６ＭＰａの圧力で一体に加圧し、未焼成セラミックヒータを作製した。その後、この未焼成セラミックヒータを６００℃で仮焼して有機バインダを除去し、仮焼体とした。次いで、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８００℃、６ＭＰａの条件でホットプレスにより１．５時間焼成して、図１のようなセラミックヒータ１を製造した。

このとき、発熱抵抗体１２の窒化珪素粉末について観察した。図３は、酸素量が０．７８質量％の窒化珪素粉末を用いた実施例４の発熱抵抗体１２の断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づく説明図である。また、図４は、酸素量が１．０２質量％の窒化珪素粉末を用いた比較例１１の抵抗発熱体１２の断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づく説明図である。
実施例４の場合は、粒成長が促進されて針状の窒化珪素粒子が生成しているのが観察される。一方、図４によれば、比較例１１の場合は、微細な粒子が多く観察される。これらより、図１の実施例４の抵抗発熱体１２では、導電経路が形成され易く、その結果、比抵抗が小さくなることが推察される。

そして、セラミックヒータ１において、発熱抵抗体１２の断面積が一定である部分（具体的には、Ｕ字状を除いた部分）から抵抗測定用の試験片を切り出す。そして、試験片の長さ［Ｌ（ｃｍ）、この実施例、比較例のセラミックヒータでは１ｃｍである。］と発熱抵抗体の断面積［Ｓ（ｃｍ^２）、この実施例、比較例のセラミックヒータでは０．０１５〜０．０１６ｃｍ^２である。］とを測定した。次いで、切り取られた試験片内の発熱抵抗体１２の抵抗値を室温（２３〜２５℃）でミリオームメータにより測定した。その後、この抵抗値に基づき、以下の計算式に従って比抵抗値を算出した。
比抵抗値（μΩ・ｃｍ）＝（抵抗値〔μΩ〕×試験片の断面積［Ｓ（ｃｍ^２）］／試験片の長さ［Ｌ（ｃｍ）］
結果を表１に併記する。

次いで、上記で製造した各々のセラミックヒータ１を、金属製の外筒２１に貫装し、保持した。一方、セラミックヒータ１の後端側にリング部材２４を圧入した。そして、リング部材２４にリード部材２６を溶接し、更に、リード部材２６を中軸２５に溶接した。そして、この外筒２１を主体金具２２の先端側に圧入し、固定することで、図２のようなグロープラグ２を作製した。

このグロープラグについて、１１Ｖの直流電圧を印加されるようにして昇温させたときのグロープラグの先端部分、即ち、セラミックヒータの先端部の温度を放射温度計にて連続的に測定した。そして、温度が１０００℃に達するまでに要する時間を計測した。結果を表１に併記する。

［４］抗折強度、比抵抗値及び昇温速度の評価結果
表１の結果によれば、窒化珪素粉末の酸素量が０．６５質量％と少ないものの、ＷＣ粉末の含有量が５５質量％と少ない比較例１では、抗折強度は問題ないものの、発熱抵抗体の比抵抗値は１７９０μΩ・ｃｍと大きい。また、窒化珪素粉末の酸素量が０．７８質量％と少ないものの、ＷＣ粉末の含有量が５０〜５５質量％と少ない比較例２〜４でも、抗折強度は問題ないものの、発熱抵抗体の比抵抗値が２１００〜６３００μΩ・ｃｍと大きい。更に、窒化珪素粉末の酸素量が０．８７質量％と少ないものの、ＷＣ粉末の含有量が５０〜５５質量％と少ない比較例６〜８でも、抗折強度は問題ないものの、発熱抵抗体の比抵抗値が１７６０〜７５００μΩ・ｃｍと大きい。

一方、窒化珪素粉末の酸素量が０．６５質量％と少なく、且つＷＣ粉末の含有量が６０質量％の含有量である実施例１では、抗折強度は十分であり、且つ発熱抵抗体の比抵抗値も７１０μΩ・ｃｍと小さい。また、窒化珪素粉末の酸素量が０．７８質量％と少なく、ＷＣ粉末の含有量が６０〜７０質量％の含有量である実施例２〜４でも、抗折強度は十分であり、発熱抵抗体の比抵抗値も４００〜９１０μΩ・ｃｍと小さい。更に、窒化珪素粉末の酸素量が０．８７質量％と少なく、ＷＣ粉末の含有量が６０〜７０質量％である実施例６〜８でも、抗折強度は十分であり、発熱抵抗体の比抵抗値も８５０〜１２８０μΩ・ｃｍと小さい。

更に、比較例５及び９では、酸素量の少ない（比較例５では、酸素量０．７８質量％、比較例９では、酸素量０．８７質量％）窒化珪素粉末を用いているものの、ＷＣの含有量が多いため（比較例５、９共に、ＷＣ粉末の含有量７５質量％）、発熱抵抗体の比抵抗値は十分に小さいものの、抗折強度が８００ＭＰａ未満である。また、比較例１０では、窒化珪素粉末の酸素量が過多（酸素量１．０２質量％）であるため、ＷＣ粉末の含有量が７０質量％と好ましい含有量であっても、発熱抵抗体の比抵抗値が大きい。更に、比較例１１では、窒化珪素粉末の酸素量が過多（酸素量１．０２質量％）であり、且つＷＣ粉末の含有量も７５質量％と多いため、比抵抗値が大きいばかりでなく、抗折強度も８００ＭＰａ未満である。

また、比抵抗値が７００〜１０００μΩ・ｃｍである実施例２、６及び７では、セラミックヒータの先端部が１０００℃に達するまでの所要時間は２．４〜２．８秒であり、優れた昇温性能を有していることが分かる。特に、比抵抗値が３９０〜７００μΩ・ｃｍである実施例３、及び４では、セラミックヒータの先端部が１０００℃に達するまでの所要時間は１．０〜１．３秒であり、より優れた昇温性能を有している。一方、比抵抗値が１７９０μΩ・ｃｍである比較例１では、セラミックヒータの先端部が１０００℃に達するまでの所要時間は４．４秒であり、昇温性能に劣り、急速昇温を要するセラミックグロープラグには用いることができない。尚、比抵抗値が２０００μΩ・ｃｍ以上である場合は、セラミックヒータの先端部が１０００℃に達するまでの所要時間が５．０秒以上であり、それ以上に比抵抗値が大きい比較例については抵抗を測定しなかった。

尚、本発明においては、上記の実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。例えば、本発明のセラミックヒータは、グロープラグばかりでなく、暖房用等の各種ヒータ、ウォータヒータ等にも使用することができる。

本発明のセラミックヒータは、各種の用途において加熱源として用いることができ、さらには、ディーゼルエンジンの始動補助装置である本発明のグロープラグ、及び燃焼式ヒータ等の着火源などの各種の用途において用いることができる。

本発明のセラミックヒータ１を説明するための縦断面図である。本発明のセラミックグロープラグ２を説明するための縦断面図である。酸素量が０．７８質量％の窒化珪素粉末を用いた実施例４の発熱抵抗体１２の断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づく説明図である。酸素量が１．０２質量％の窒化珪素粉末を用いた比較例１１の発熱抵抗体１２の断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果に基づく説明図である。

符号の説明

１；セラミックヒータ、１１；基体、１２；発熱抵抗体、２；グロープラグ、２１；主体金具、２２；外筒、２３；取り付けねじ部、２４；リング部材、２５；中軸、２６；リード部材、２７；工具係合部

Claims

絶縁性セラミックからなる基体と、
該基体に内装され、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する発熱抵抗体と、を有するセラミックヒータにおいて、
前記発熱抵抗体は、比抵抗が３９０〜１３００μΩ・ｃｍであり、且つ抗折強度が８００ＭＰａ以上であることを特徴とするセラミックヒータ。
前記窒化珪素の焼結粒子には、長軸長さが４μｍ以上、且つ、短軸長さが２μｍ以上である針状粒子を有する請求項１に記載のセラミックヒータ。
請求項１または２に記載の前記セラミックヒータの先端部を突出させて、該セラミックヒータを保持する外筒と、少なくとも該外筒の後端部を保持する主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。
前記発熱抵抗体の間に１１Ｖの直流電圧を印加した場合に、該先端部の温度が１０００℃に達するのに要する時間が１〜２秒である請求項３に記載のグロープラグ。
絶縁性セラミックからなる基体と、
該基体に内装され、窒化珪素と炭化タングステンとを含有する発熱抵抗体と、を有するセラミックヒータの製造方法において、
前記発熱抵抗体は、含有する酸素量が０．９質量％以下であり、焼成後窒化珪素となる窒化珪素粉末と、焼成後炭化タングステンとなる炭化タングステン粉末とを、該窒化珪素粉末と該炭化タングステン粉末との合計を１００質量％とした場合に、炭化タングステン粉末が５８〜７３質量％含有するように混合し、その後、焼成することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。