JP2010182443A - セラミックヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたセラミックヒータ及びグロープラグを提供することを課題とする。
【解決手段】 このセラミックヒータは、絶縁性セラミックで形成され、先端から後端へ軸線方向へ延びる基体と、導電性セラミックで形成され、前記基体の先端側に埋設され、折り返し形状を有する発熱部と、前記基体の後端側に埋設され、前記発熱部に通電する一対のリード部と、を有するセラミックヒータであって、前記軸線に直交する平面で切断したときの断面における、前記基体表面から正極側の発熱部までの最短距離をＡ、前記基体表面から負極側の発熱部までの最短距離をＢとすると、Ａ＜Ｂを満たすことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、セラミックヒータ及びグロープラグに関し、さらに詳しくは、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたセラミックヒータ及びグロープラグに関する。

ディーゼルエンジン、及び各種センサー等には、その始動を補助し、又は、早期に活性化させるために、グロープラグ、センサー用加熱ヒータ、及びファンヒータ用加熱ヒータ等が用いられる。例えば、ディーゼルエンジンは、シリンダ内に吸入した空気を圧縮し、断熱圧縮により高温になった空気に燃料を噴霧することで自己着火して燃焼するが、ディーゼルエンジンを冬季に始動させる場合、寒冷地で始動させる場合等には、外気及びエンジン本体等の温度が低いので圧縮だけで燃焼室内の空気を自己着火に必要な温度まで到達させることは容易ではない。そこで、ディーゼルエンジンには燃料の着火源としてグロープラグが使用されている。このようなグロープラグ用ヒータ、センサー用加熱ヒータ、及びファンヒータ用加熱ヒータ等として、例えば、絶縁性のセラミック基体内に、例えば導電性セラミック等で形成された抵抗発熱体を埋設した構造を有するものが知られている。

ところで、ディーゼルエンジンは、金属同士の接触面を潤滑して摩擦を少なくするべく、接触面にはエンジンオイルが介在している。正常動作しているディーゼルエンジンにおいても極少量のエンジンオイルが燃焼室へ滲入しうるが、ピストンリングの不具合等に起因して、燃焼室内に比較的多量のエンジンオイルが入り込むことがある。そうすると、セラミックヒータはエンジンオイル及びエンジンオイルを含む燃焼ガスに曝されることになる。このとき、セラミックヒータ、特にその先端部分にエンジンオイルが付着すると、エンジンオイルの有機成分が燃焼又は揮発して、エンジンオイルに含まれる灰分例えばカルシウム成分、亜鉛成分、イオウ成分、リン成分等がセラミックヒータ、特にその先端部分に付着・析出する。このようにして付着・析出した灰分、特にカルシウム成分によって、セラミックヒータ、特にその先端部分が腐食されることがある。セラミックヒータ、特にその先端部分が腐食されると、内部に埋設された抵抗発熱体が露出して酸化され、グロープラグが所期の機能を十分に発揮することができなくなる。

また、近年のディーゼルエンジンにおいては、グロープラグの発熱温度の高温化が要求されており、セラミックヒータの発熱温度が１２５０℃を超えることがある。このような高温環境に耐えるセラミックヒータの基体の材料として、耐熱衝撃性、耐高温強度、及び耐酸化性等に優れる点で、窒化珪素質セラミックが挙げられる。しかし、窒化珪素及びその表面に存在する酸化珪素は高温でカルシウム成分等と反応しやすい。したがって、セラミックヒータの発熱温度が１２５０℃を超えると、エンジンオイル中に含まれる灰分、特にカルシウム成分によってセラミックヒータが腐食されやすくなり、特に１３５０℃程度になると、セラミックヒータは急速に腐食されてしまう。このように、基体が窒化珪素質セラミックで形成されているセラミックヒータは、カルシウム成分等によって急速に腐食されてしまうおそれがある。

そこで、コーティング層を有するセラミックヒータがいくつか提案されている。例えば、特許文献１には「窒化珪素のグロープラグを酸化タンタルでコーティングする方法」（０００１欄、請求項１等参照。）が、特許文献２には「Ｓｉ_３Ｎ_４質焼結体内に埋設した発熱抵抗体に通電して発熱するようにしたグロープラグにおいて、前記Ｓｉ_３Ｎ_４質焼結体の表面にＡｌ_２Ｏ_３セラミックコーティング層を被着したことを特徴とする高耐蝕性グロープラグ」（特許請求の範囲（１）参照。）がそれぞれ記載されている。しかし、このようなコーティング層を有するセラミックヒータは、ディーゼルエンジンの駆動によって繰り返される加熱・冷却サイクルでコーティング層が基体から剥離してしまう。このため、セラミックヒータが腐食され易くなってしまう。

特開平０９−１７８１８３号公報 特開昭６３−２９７９２５号公報

この発明は、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたセラミックヒータ及びグロープラグを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、
（１）絶縁性セラミックで形成され、先端から後端へ軸線方向へ延びる基体と、
導電性セラミックで形成され、前記基体の先端側に埋設され、折り返し形状を有する発熱部と、
前記基体の後端側に埋設され、前記発熱部に通電する一対のリード部と、
を有するセラミックヒータであって、
前記軸線に直交する平面で切断したときの断面における、前記基体表面から正極側の発熱部までの最短距離をＡ、前記基体表面から負極側の発熱部までの最短距離をＢとすると、Ａ＜Ｂを満たすことを特徴とするセラミックヒータであり、
前記（１）の好ましい態様としては、
（２）０．２＜Ａ／Ｂ＜０．９５を満たすことを特徴とする（１）に記載のセラミックヒータであり、
（３）前記発熱部は、前記軸線に直交する平面で切断したときに現れる２つの断面部の断面形状が楕円であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のセラミックヒータであり、
前記課題を解決するための他の手段としては、
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のセラミックヒータを備えてなるグロープラグである。

この発明に係るセラミックヒータは、基体の軸線に直交する平面で切断したときの断面における、基体表面から正極側の発熱部までの最短距離Ａよりも基体表面から負極側の発熱部までの最短距離Ｂの方が大きく形成されて成る。したがって、従来は絶縁性セラミックで形成された基体にエンジンオイルが付着すると、これに含まれるカルシウム成分等により、基体特に負極側の発熱部が埋設されて成る領域が腐食され易かったのが、この発明によると、基体における負極側の発熱部が埋設されて成る領域が選択的に腐食されるのを防止することができる。したがって、この発明によれば、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたセラミックヒータを提供することができる。また、この発明に係るグロープラグはこの発明に係るセラミックヒータを備えているから、この発明によれば、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたグロープラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るセラミックヒータの一実施例であるセラミックヒータを示す、軸線Ｃ及び軸線Ｊを含む平面で切断したときの概略断面図である。 図２は、図１におけるセラミックヒータの先端領域近傍を示す拡大断面図である。 図３は、図２におけるセラミックヒータの軸線Ｃに直交する平面Ｐで切断したときの断面ＣＰを示す断面図である。 図４は、図２に示される先端領域近傍の表面温度分布をサーモグラフィで計測して得られる側面投影画像を説明する説明図である。 図５は、この発明に係るセラミックヒータの別の実施例であるセラミックヒータの軸線に直交する平面で切断したときの断面ＣＰ_２を示す断面図である。 図６は、この発明に係るセラミックヒータのまた別の実施例であるセラミックヒータを示す、軸線Ｃ及び軸線Ｊを含む平面で切断したときの概略断面図である。 図７は、この発明に係るグロープラグの一実施例であるグロープラグを示す概略断面図である。

この発明に係るセラミックヒータの一実施例であるセラミックヒータを、図面を参照して説明する。図１は、軸線Ｃ及び軸線Ｊを含む平面で切断したときの概略断面図である。このセラミックヒータ１は、図１に示されるように、軸線Ｃ方向に延在する棒状の基体３０と、この基体３０に埋設された抵抗体４０とを備えてなる。

抵抗体４０は、基体３０の先端側に埋設され、折り返し形状を有する発熱部４２と、発熱部４２に接続される先端部から電極取出部４５、４６まで軸線Ｃ方向に延在する一対のリード部４１，４１とを有している。このセラミックヒータ１において、発熱部４２と一対のリード部４１，４１とは一体に形成されている。発熱部４２は、一個の先端発熱部４４と、先端発熱部４４の端部それぞれから軸線Ｃ方向に延在して形成される一対の中間発熱部４３，４３とを有し、先端発熱部４４と一対の中間発熱部４３，４３とが一体に形成されている。このセラミックヒータ１における先端発熱部４４と一対の中間発熱部４３，４３それぞれとの境界及び一対の中間発熱部４３，４３それぞれと一対のリード部４１，４１それぞれとの境界は、図１においてそれぞれ破線で示されている。

一対のリード部４１，４１は、発熱部４２に通電するためのものであり、基体３０の軸線Ｃを挟んでその両側に軸線Ｃに沿って略平行となるように基体３０の後端面３３まで延伸し、基体３０の後端面３３に露出している。電極取出部４５，４６は、基体３０の外周面に露出するように設けられている。リード部４１，４１それぞれは、電極取出部４５，４６を除き、それぞれの軸線Ｊに垂直な平面で切断したときの断面部が軸線Ｊ方向にほぼ一定の面積を有するように、一対の中間発熱部４２，４２に接続される先端から後端面３３に露出している後端まで略同一の楕円形状になっている。リード部４１，４１それぞれは基本的に互いに同じ形状及び同じ寸法で形成されているが、形状及び寸法は基体３０の形状及び寸法、要求される温度等に応じて適宜調整することができる。なお、前記軸線Ｊは前記リード部４１の長手方向に直交する断面における、それぞれの重心を結んだ直線である。このセラミックヒータ１においては、電極取出部４５からリード部４１を介して発熱部４２、リード部４１、電極取出部４６へと電流が流れる。

図２は、図１におけるセラミックヒータ１の先端領域近傍を示す拡大断面図である。図２に示されるように、先端発熱部４４は、抵抗体４０の最先端に位置し、略円弧状又は略Ｕ字状に成形されている。先端発熱部４４は、一対の中間発熱部４３，４３を介して、一対のリード部４１，４１が接続されている。一対の中間発熱部４３，４３は、軸線Ｃに垂直な平面で切断したときのそれぞれの断面積が先端に向かって漸減している。中間発熱部４３，４３それぞれは基本的に対称に形成されているが、形状及び寸法は基体３０の形状及び寸法、要求される温度等に応じて適宜調整することができる。

先端発熱部４４は、その延在方向の断面積が一対の中間発熱部４３，４３の先端部における断面積と同一か又はそれよりも小さくなるように細く形成されている。このセラミックヒータ１においては、抵抗体４０に電圧が印加されると発熱部４２が発熱して高温となり、最も高温に達する最高発熱部４７は、先端発熱部４４と一対の中間発熱部４３，４３それぞれとの境界付近に存在する。換言すると、発熱部４２の長手方向に直交する断面積が小さくなる領域で発熱し、このセラミックヒータ１においては、先端発熱部４４と一対の中間発熱部４３，４３それぞれとの境界付近に発熱部４２の長手方向に直交する断面積が最も小さくなる領域を有し、この付近に最高発熱部４７が存在する。

図３は、図２におけるセラミックヒータ１の軸線Ｃに直交する平面Ｐで切断したときの断面ＣＰを示す断面図である。発熱部４２は、軸線Ｃに直交する任意の平面Ｐで切断したときの断面ＣＰにおける、基体３０表面から正極側の発熱部４２までの最短距離をＡ、基体３０表面から負極側の発熱部４２までの最短距離をＢとすると、Ａ＜Ｂを満足している。換言すると、抵抗体４０に通電したときに発熱する領域において、負極側の発熱部４２は正極側の発熱部４２よりも基体３０の内側に埋設されている。発熱部４２がＡ＜Ｂを満たすように基体３０に埋設されていると、絶縁性セラミックで形成された基体３０にエンジンオイルが付着した場合に、これに含まれるカルシウム成分等により、基体３０における負極側の発熱部４２が埋設されて成る領域が選択的に腐食されるのを防止することができる。

発熱部４２が基体３０に埋設される位置は、Ａ＜Ｂを満足している限り特に限定されないが、０．２＜Ａ／Ｂ＜０．９５を満足するのが好ましい。前記範囲内であると、基体３０における負極側の発熱部４２が埋設されて成る領域が選択的に腐食されるのを、さらに効果的に防止することができる。

抵抗体４０に通電したときに基体３０の表面が最も高温に達する最高発熱部３４付近は、エンジンオイルに含まれるカルシウム成分等により、特に腐食され易い。したがって、基体３０の最高発熱部３４付近に埋設されている発熱部４２が、０．２＜Ａ／Ｂ＜０．９５を満足するのが特に好ましい。

先端発熱部４４、中間発熱部４３及びリード部４１を有する抵抗体４０は、一対のリード部４１，４１それぞれの軸線Ｊ及び前記軸線Ｃを含む平面で切断したときの断面形状が、図２に示されるように、両脚が伸びた略Ｕ字型を成している。このセラミックヒータ１において、この略Ｕ字型の抵抗体４０の軸線Ｄは、基体３０の軸線Ｃよりも正極側の抵抗体４０が埋設されている方向に僅かにずれて配置されている。このセラミックヒータ１は、このように軸線Ｄが軸線Ｃに対して略平行にずらして配置されることにより、Ａ＜Ｂを満足している。なお、抵抗体４０の軸線Ｄは、抵抗体４０の長手方向に直交する断面それぞれの重心を結んだ直線である。

基体３０の表面から発熱部４２までの最短距離Ａ，Ｂは次のようにして計測することができる。まず、セラミックヒータ１における半径方向の複数方位から、セラミックヒータ１をＸ線透過撮影して、複数の撮影フィルムを得る。そして、基体３０の表面から正極側の発熱部４２及び負極側の発熱部４２までの距離をそれぞれ測定し、測定された最小の距離をそれぞれ最短距離Ａ，Ｂとする。なお、腐食したセラミックヒータの最短距離Ａ，Ｂを計測する場合には腐食する前の基体３０の仮想外周面からの距離とする。

基体３０の最高発熱部３４の位置を特定する方法としては以下の方法が挙げられる。セラミックヒータ１に電圧を印加して飽和温度まで発熱させた後、セラミックヒータ１の側面方向、すなわち棒状体のセラミックヒータ１の軸線Ｃに直交する方向からサーモグラフィでセラミックヒータ１の温度分布を計測すると、例えば図４に示される表面温度分布表示された側面投影画像が得られる。得られた側面投影画像において、最も高温に達した部分Ｈの中心位置を基体３０の最高発熱部３４とすることができる。なお、セラミックヒータ１に電圧を印加したときの飽和温度としては、例えば１３５０℃が挙げられる。

基体３０の最高発熱部３４付近における、最短距離Ａ、Ｂを測定する場合には次のようにして計測することができる。まず、前記のようにサーモグラフィで基体３０の最高発熱部３４を特定する。一方、セラミックヒータ１における半径方向の複数方位から、セラミックヒータ１をＸ線透過撮影して、複数の撮影フィルムを得る。そして、前記のようにして特定した最高発熱部３４に対応する位置において、すなわち最高発熱部３４を通り基体３０の軸線Ｃに直交する断面において基体３０の表面から正極側の発熱部４２及び負極側の発熱部４２までの距離をそれぞれ測定し、測定された最小の距離をそれぞれ最短距離Ａ、Ｂとする。

発熱部４２は、基体３０の最高発熱部３４における、基体３０の表面から正極側の発熱部４２までの最短距離Ａと基体３０の表面から正極側の発熱部４２までの最短距離Ｂとが、Ａ＜Ｂを満足し、かつ最短距離Ａ，Ｂが０．１〜０．９ｍｍに調整されているのが好ましく、最短距離Ａ，Ｂが０．２〜０．７ｍｍに調整されているのが特に好ましい。最短距離Ａと最短距離Ｂとが前記範囲内にあると、基体３０における負極側の発熱部４２が埋設されて成る領域が選択的に腐食されるのを防止することができると共に、セラミックヒータ１を所定の温度に加熱するときに先端発熱部４４を必要以上に発熱させる必要がないから、基体先端部３２の表面に例えば１２５０℃以上になる高温領域が必要以上に大きくなるのを防止することができ、その結果、エンジンオイルに含まれるカルシウム成分等により基体先端部３２が腐食される領域が必要以上に大きくなることを防止することができる。

発熱部４２における一対の中間発熱部４３，４３は、図３に示されるように、軸線Ｃに直交する平面Ｐで切断したときに２つの断面部４８，４８が現れる。このセラミックヒータ１において、これらの断面部４８，４８の断面形状は、楕円形であり、一対の中間発熱部４３，４３が対向する方向に圧縮された楕円形となっている。すなわち、この２つの楕円の短径が、基体３０の軸線Ｃと断面ＣＰとの交点Ｏ_１と、断面部４８，４８の重心Ｏ_２，Ｏ_２とを結ぶ直線上にある。

前記断面部４８，４８の断面形状は、基体３０の形状及び寸法、要求される温度等に応じて適宜調整することができ、例えば円形、楕円形、半円形、半楕円形、多角形、扁平状、及び棒状等の形状を挙げることができる。断面部４８，４８の断面形状は、交点Ｏ_１と重心Ｏ_２，Ｏ_２とを結ぶ直線上における断面部４８，４８の長さが、これに直交する方向の長さよりも小さくなる形状が特に好ましく、例えばこのような条件を満足する楕円形が特に好ましい。一対の中間発熱部４３，４３の断面形状が交点Ｏ_１と重心Ｏ_２，Ｏ_２とを結ぶ直線上における断面部４８，４８の長さが、これに直交する方向の長さよりも小さくなる形状であると、基体３０の表面温度が均一に成り易いので、局所的に基体３０の表面が高温になることにより、その高温部が選択的に腐食されるのを防止することができる。

図１及び図２に示されるように、抵抗体４０を埋設する基体３０は、一対のリード部４１，４１の全部及び一対の中間発熱部４３，４３の全部又は一部を埋設する同径部３１と、同径部３１の先端部から軸線Ｃ方向に延在し、先端発熱部４４の全部又は先端発熱部４４の全部及び一対の中間発熱部４３，４３の一部を埋設する基体先端部３２とを有している。なお、図１及び図２において、このセラミックヒータ１における同径部３１と基体先端部３２との境界は破線で示されている。

同径部３１は、軸線Ｃ方向に延在する棒状体とされ、一対のリード部４１，４１及び一対の中間発熱部４３，４３を内蔵することができる形状及び大きさになっている。このセラミックヒータ１において、同径部３１の軸線Ｃ方向に直交する断面形状は、略円形に形成されているが、要求される性能により、例えば、楕円形及び多角形等の適宜の形状に調整することができる。

基体先端部３２は、先端発熱部４４の全部又は先端発熱部４４の全部及び一対の中間発熱部４３，４３の一部を埋設し、このセラミックヒータ１において、基体先端部３４は最高発熱部３４を有している。換言すると、このセラミックヒータ１において、抵抗体４０は、セラミックヒータ１の最高発熱部３４が基体先端部３２内に位置するように形成されて基体３０に埋設されている。図１及び図２において、基体先端部３２は破線よりも先端側に位置する。

基体先端部３２は、同径部３１の先端部から軸線Ｃ方向に凸状に突出する曲面で形状されている。このような曲面で形成された基体先端部３２の形状として、例えば、軸線Ｃ方向の先端側に凸状に突出する、半球状、半楕円体状、錐状、テーパ状、Ｒ状、錐台状等が挙げられる。セラミックヒータ１において、基体先端部３２は、軸線Ｃ方向の先端側に全面が凸状に突出する半球状、半楕円体状、錐状であるのが好ましく、軸線Ｃ方向の先端側に全面が凸状に突出する半球状又は半楕円体状に形成されている。基体先端部３２が軸線Ｃ方向の先端側に凸状に突出する曲面で形状されていると、特に、軸線Ｃ方向の先端側に全面が凸状に突出する半球状又は半楕円体状に形成されていると、たとえ基体先端部３２にエンジンオイル及びその灰分が付着してもこれらが流動及び除去され易く、さらに、一部が腐食されても、この腐食された部分は一旦平面状となった後に、深さ方向に腐食が進行するから、結果的に、基体先端部３２のカルシウム成分等に対する耐食性をさらに向上させることができる。これに対して、基体先端部３２が前記した曲面で形成されていないと、前記灰分によってピット状に腐食が生じ、そのピット状腐食部分の腐食が局所的に進行して、基体先端部３２のカルシウム成分等に対する耐食性を維持することができなくなることがある。

セラミックヒータ１の寸法（前記した寸法を除く。）の一例を挙げると、セラミックヒータ１の全長（軸線Ｃ方向長さ）は４０〜６０ｍｍ、セラミックヒータ１（同径部３１）の直径は２〜４ｍｍ、セラミックヒータ１の表面から抵抗体４０までの距離は１００〜９００μｍ、一対のリード部４１，４１の軸線ＪＪ間隔は０．５〜２ｍｍである。

この発明に係るセラミックヒータにおける別の一実施例であるセラミックヒータ２は、図５に示されるように、基体３０２の軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面ＣＰ_２における、発熱部４２２の断面部４８２，４８２の形状が扁平状又は棒状になっていること以外は、セラミックヒータ１と同様に形成されている。したがって、このセラミックヒータ２の発熱部４２２は、Ａ＜Ｂを満足している。

この発明に係るセラミックヒータにおけるまた別の一実施例であるセラミックヒータ３は、図６に示されるように抵抗体４０３の軸線Ｄが基体３０３の軸線Ｃに対して正極側の発熱部４２の方向に傾いていること以外は、セラミックヒータ１と同様に形成されている。抵抗体４０３の軸線Ｄは、基体３０３の全長の２分の１となる位置を中心にして正極側の発熱部４２の方向に傾いており、このセラミックヒータ３においては、抵抗体４０３の軸線Ｄと基体３０３の軸線Ｃとのなす角θは２°である。したがって、このセラミックヒータ２の発熱部４２３は、基体３０３の最高発熱部３４３付近において、Ａ＜Ｂを満足している。

基体の軸線Ｃと抵抗体の軸線Ｄとのなす角θは、基体の表面から発熱部までの最短距離Ａ，Ｂが１００μｍ以上となる範囲内において、セラミックヒータ及び抵抗体の寸法に応じて適宜調整することができる。

セラミックヒータの基体を形成する絶縁性セラミックとして、窒化珪素質セラミック等が挙げられる。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又はＮの一部が、Ａｌ又はＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、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。なお、「主成分」とはセラミック中の最も質量の高い成分をいう。
（１）β−サイアロン：Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ （ｚは０超４．２以下）
（２）α−サイアロン：Ｍ_Ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６ （ｘは０超２以下）
ここで、ＭはＬｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｒ（ＲはＬａ，Ｃｅを除く希土類元素）である。

また、窒化珪素質セラミックには、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表における第３族、第４族、第５族、第１３族（例えばＡｌ）及び第１４族（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１５質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物又はシリケート等の複合酸化物の形態にて含有される。

窒化珪素以外の焼結助剤成分（例えば、希土類元素を含む化合物、酸化アルミニウム等）が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１５質量％を超えると強度や靭性又は耐熱性の不足を招くことがある。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは５〜１３質量％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を含む化合物（例えば酸化物）等を用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂを含む化合物は、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。

セラミックヒータの抵抗体を形成する導電性セラミックは、導電発熱できる導電性セラミック材料を含有していればよく、例えば、導電性セラミック材料単独、導電性セラミック材料と絶縁性セラミックとの混合物等が挙げられる。導電性セラミック材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等が挙げられる。前記混合物としては、例えば、導電性セラミック材料としての炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）又は二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）と窒化珪素質セラミックとの混合物等が挙げられる。このような混合物で抵抗体を形成すると基体との線膨張係数差が縮小して耐熱衝撃性を高めることができる。

抵抗体は一種類の導電性セラミックで形成されてもよく、また、先端発熱部、リード部、中間発熱部がそれぞれ電気抵抗率の異なる導電性セラミックでそれぞれ形成されてもよい。導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は、特に限定されず、例えば、（１）同種の導電性セラミック材料を含有する混合物におけるその含有量を互いに異ならせる方法、（２）電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック材料を用いる方法、（３）前記（１）と前記（２）とを組み合わせる方法等が挙げられる。

前記（１）の方法において、例えば、先端発熱部を形成する第一導電性セラミックは、導電性セラミック材料の含有率を１０〜３０体積％、残部を絶縁性セラミックとするのがよい。導電性セラミック材料の含有率が３０体積％を超えると導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなることがある。リード部及び／又は中間発熱部を形成する第二導電性セラミックは、導電性セラミック材料の含有率を１５〜３５体積％、残部を絶縁性セラミックとするのがよい。導電性セラミック材料の含有率が３５体積％を超えると、焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、基体との熱膨張係数差が大きくなり、焼結時のクラックが生じやすくなる。一方、１５体積％未満では一対のリード部での発熱が大きくなりすぎて、発熱部の発熱効率が悪化することがある。

この発明に係るセラミックヒータは、絶縁性セラミックとなる基体形成用混合粉末及び導電性セラミックとなる抵抗体形成用混合粉末を調製し、抵抗体形成用混合粉末で未焼成抵抗体を成形し、基体形成用混合粉末を圧粉した半割型に未焼成抵抗体を載置して、基体形成用混合粉末を載せて成形し、得られた成形体を、所望により脱脂仮焼した後、焼結して、製造される。

簡単に説明すると、絶縁性セラミック、導電性セラミック材料及び焼結助剤等を所定の量比で混合し、基体形成用混合粉末及び抵抗体形成用混合粉末を調整する。これらの混合粉末は、湿式等、通常の方法によって混合されることができる。所望により、このようにして調製された各混合粉末に適量のバインダ等を配合して混合した後、造粒する。

抵抗体形成用混合粉末の造粒物を用いて、射出成形、スクリーン印刷、シート成形、及び押出し成形等により、未焼成抵抗体を成形する。抵抗体の発熱部における軸線方向に直交する断面の形状を楕円形にするには、射出成形又は押出し成形等により未焼成抵抗体を所望の形状に成形するとよい。このとき、成形体の発熱部を研磨加工、テーパ加工、Ｒ面加工等して、未焼成抵抗体を作製することもできる。その後、この未焼成抵抗体を、基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の所定位置に未焼成抵抗体を載置した後、基体形成用混合粉末をのせてプレス成形して、成形体とする。また、図５に示すように、薄様状の抵抗体すなわち抵抗体の軸線方向に直交する断面の形状を扁平状にするには、スクリーン印刷、シート成形等により未焼成抵抗体を成形するとよい。

基体形成用混合粉末を圧粉した半割型に未焼成抵抗体を載置する際には、基体の表面から正極側の発熱部までの最短距離Ａと負極側の発熱部までの最短距離Ｂとの関係が、Ａ＜Ｂを満足するように調整する。最短距離Ａと最短距離Ｂとが前記関係を満足するようにする方法として、例えば、未焼成抵抗体の軸線が基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の軸線の位置よりも正極側の抵抗体が配置される方向に平行移動させるようにして、未焼成抵抗体を載置する方法を挙げることができる。この他には、例えば、図６に示されるように、未焼成抵抗体の軸線が基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の軸線に対して正極側の発熱部が配置される方向に傾くようにして、未焼成抵抗体を載置する方法を挙げることができる。

次いで、成形体を所望により脱脂仮焼すると、基体の粉末成形体に抵抗体となる未焼成抵抗体が埋設された成形体が得られる。この成形体を、焼成炉に収容し、焼成する。焼成方法として、ホットプレス法、ガス圧焼成法、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法等が挙げられる。例えば、ホットプレス法では、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、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成する。加圧力は例えば２０〜３０ＭＰａ程度とすることができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は１７００〜１８５０℃、特に１７００〜１８００℃、焼成時間は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることができる。焼成環境は窒素雰囲気下等の非酸化性雰囲気下で行うことができる。このような半割型を使用する方法は、例えば、特開２００７−２４００８０号公報等に記載の方法を参考にして、実施することができる。

次いで、得られた焼結体を例えば平面研削盤等で所望の寸法に研削して、焼結体の先端部を研磨加工、テーパ加工、Ｒ面加工等して、セラミックヒータを製造することができる。

この発明に係るセラミックヒータは、前記実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、セラミックヒータ１等の基体先端部３２は軸線Ｃ方向に沿って軸線Ｃ方向先端側に凸状に突出する曲面で形状されてなる半球状又は半楕円体状となっているが、この発明において、基体先端部３２の形状は、特に限定されず、例えば、同径部と同様に棒状体等に形成されていてもよい。また、セラミックヒータ１等における同径部３１はその断面が略円形又は楕円形の棒状体又は柱状体とされているが、この発明において、同径部の形状すなわちセラミックヒータの外形は、特に限定されず、例えば、円柱体、楕円柱体、直方体等の形状とされてもよい。

セラミックヒータ１等において軸線Ｊ方向に垂直な平面におけるリード部４１，４１それぞれの断面形状は、特に限定されず、種々の形状にすることができる。例えば、扇形、円形、半円径、楕円形、半楕円形、矩形等とすることができる。

この発明に係るセラミックヒータは、発熱部が、基体の軸線に直交する平面で切断したときの断面における、基体表面から正極側の発熱部までの最短距離Ａよりも基体表面から負極の発熱部までの最短距離Ｂの方が大きく形成されて成る。従来のセラミックヒータは、絶縁性セラミックで形成された基体にエンジンオイルが付着すると、これに含まれるカルシウム成分等により、基体における負極側の発熱部が埋設されて成る領域が腐食され易かった。しかし、この発明によると、基体における負極側の発熱部が埋設されて成る領域が選択的に腐食されるのを防止することができ、その結果、カルシウム成分等に対する耐食性に優れたセラミックヒータを提供することができる。

特に、この発明に係るセラミックヒータの発熱部が、０．２＜Ａ／Ｂ＜０．９５を満足するように基体に埋設されていると、セラミックヒータはカルシウム成分等に対するより一層高い耐食性を発揮することができる。

さらに、この発明に係るセラミックヒータの発熱部が、基体の軸線に直交する平面で切断したときに現れる２つの断面部の断面形状が楕円となるように形成されていると、基体の表面温度が均一になり易いので、局所的に基体の表面が高温になることにより、その高温部が選択的に腐食されるのを防止することができる。その結果、セラミックヒータはカルシウム成分等に対するさらに高い耐食性を発揮することができる。

この発明に係るセラミックヒータの用途は、例えば、グロープラグ用ヒータ、センサー用加熱ヒータ、ファンヒータ用加熱ヒータ等として好適に用いられる。これらの中でも、この発明に係るセラミックヒータは、カルシウム成分等に対する高い耐食性を発揮するから、特に使用環境が１２５０℃以上になる用途、さらには使用環境が１３００℃以上になる用途、例えば、ディーゼルエンジン等に好適に使用されることができる。

また、この発明に係るセラミックヒータはカルシウム成分等に対する高い耐食性を発揮するから、この発明に係るセラミックヒータ及びこのセラミックヒータを備えたグロープラグは、カルシウム成分等を含む環境下で使用される用途、例えば、カルシウム成分等を含有するエンジンオイルが存在するディーゼルエンジン等に特に好適に使用されることができる。

この発明に係るセラミックヒータをグロープラグ用ヒータとして用いた、この発明に係るグロープラグの一実施例を説明する。このグロープラグ１０は、図７に示されるように、セラミックヒータ１を備え、より詳細に説明すると、グロープラグ１０は、セラミックヒータ１、外筒９０、主体金具９３、中軸９４を備えている。グロープラグ１０は、基体３０の少なくとも基体先端部３２が突出するようにセラミックヒータ１の外周面が外筒９０で周方向に取り囲まれ、この外筒９０が略円筒状の主体金具９３の先端部に固定されて、成る。主体金具９３と外筒９０とは、例えば、両者の内外周面の隙間を充填するようにろう付け若しくは圧入して、又は、主体金具９３の先端側開口内縁と外筒９０の外周面とを全周レーザー溶接して、固定される。

主体金具９３は、中央周側面にグロープラグ１０をエンジンのシリンダヘッド（図示せず。）に取り付けることができるように雄ねじ部９８が形成されている。主体金具９３の外筒９０に接合されていない側には六角形状をなす鍔状の工具係合部９９が形成されており、前記シリンダヘッドにグロープラグ１０を螺合する際に、使用される工具が係合できるようになっている。

主体金具９３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製の中軸９４が、円筒形状の絶縁部材９５と絶縁係止部材９６とで主体金具９３と絶縁状態となるように、配置固定されている。絶縁係止部材９６は、筒体の一端が外側に張り出してなるフランジを有しており、中軸９４の金具近傍に取り付けられるかしめ部材９７と工具係合部９９とが該フランジで係止されている。かしめ部材９７は、外周から押圧されてかしめられている。これにより、中軸９４と主体金具９３との間でフランジが係止された絶縁係止部材９６が固定されるので、中軸９４からの抜出が防止されるようになっている。

一方、セラミックヒータ１の抵抗体４０は、一方のリード部４１がその外周面に形成された電極取出部４６で外筒９０に電気的に接続されており、他方のリード部４１がその外周面に形成された電極取出部４５で電極円筒体９１及び導線９２を介して中軸９４と電気的に接続されている。したがって、このグロープラグ１０において、中軸９４から導線９２、電極円筒体９１及び電極取出部４５を介して電極取出部４６及び外筒９０へと電流が流れるので、抵抗体４０において電極取出部４５を有する側が正極、電極取出部４６を有する側が負極となっている。

グロープラグ１０は、以下のようにして製造される。すなわち、この発明に係るセラミックヒータ１に、基体の少なくとも基体先端部３２が突出するように、外筒９０と電極円筒体９１とを圧入した後、この電極円筒体９１と中軸９４とにＮｉ線を溶接し、これらを電気的に接続する。次いで、これらを主体金具９３の先端に圧入して溶接し、絶縁部材９５、絶縁係止部材９６及びかしめ部材９７で中軸９４を主体金具９３に固定して、グロープラグを製造することができる。

この発明に係るグロープラグは、この発明に係るセラミックヒータを備えているから、カルシウム成分等に対する高い耐食性を発揮する。この発明に係るグロープラグが、軸線に直交する断面形状が楕円形である中間発熱部を有するセラミックヒータを備えていると、カルシウム成分等に対するより一層高い耐食性等を発揮する。なお、この発明に係るグロープラグは、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。

（セラミックヒータの作製）
平均粒径０．７μｍのＷＣ、平均粒径１．０μｍの窒化珪素及び焼結助剤としてのＥｒ_２Ｏ_３をボールミル中で４０時間湿式混合して抵抗体形成用混合粉末を得た（この混合粉末中のＷＣの含有率は２７体積％（６３質量％））。この抵抗体形成用混合粉末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。射出成形機にこの造粒物を入れて射出成形して、未焼成抵抗体を得た。

一方、平均粒径０．６μｍの窒化珪素、焼結助剤としてのＥｒ_２Ｏ_３、並びに、熱膨張調整剤としてのＣｒＳｉ_２、ＷＳｉ_２及びＳｉＣ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、基体を形成するための基体形成用混合粉末を得た。

次いで、基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の所定位置に未焼成抵抗体を載置した後、これに基体成形用混合粉末をのせてこれらをプレス成形して、セラミックヒータとなる成形体を得た。この成形体を８００℃の窒素雰囲気中で１時間の脱脂仮焼を行い、次いで、ホットプレス法により、０．１ＭＰａの窒素雰囲気下で、１７８０℃、加圧力３０ＭＰａ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３．３ｍｍの略円筒状に研磨すると共に、基体の先端部を研磨加工して、図１に示されるセラミックヒータ１と同様の形状を有するセラミックヒータを作製した。

実施例１〜１０のセラミックヒータを作製する場合には、基体形成用混合粉末の半割型に未焼成抵抗体を載置するときに、未焼成抵抗体の軸線Ｄが基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の軸線Ｃの位置よりも正極側の未焼成抵抗体の方向に所定距離だけ平行移動させた位置になるようにして、発熱部４２における前記最短距離Ｂが前記最短距離Ａよりも所定距離だけ大きくなるように調整した。

比較例１のセラミックヒータを作製する場合には、未焼成抵抗体の軸線Ｄが基体形成用混合粉末を圧粉した半割型の軸線Ｃに一致するようにして、発熱部４２における前記最短距離Ｂと前記最短距離Ａとが同一になるように調整した。

実施例１１のセラミックヒータは次のようにして作製した。まず、実施例１〜１０のセラミックヒータの抵抗体成形用混合粉末にバインダ及び溶剤を添加して３本ロールにて混練し、抵抗体用ペーストを調製した。次に、基体形成用混合粉末を圧粉した溝付き半割型の所定位置にメタルマスクをセットし、上記抵抗体用ペーストを発熱部の厚みが１００μｍになるように抵抗体のパターンに印刷した後、これに基体成形用混合粉末をのせてこれらをプレス成形して、セラミックヒータとなる成形体を得た。この成形体を上述した実施例１〜１０のセラミックヒータと同様にして焼成して焼結体を得て、基体の先端部を研磨加工して、図５に示されるセラミックヒータ２と同様の形状を有するセラミックヒータを作製した。

（抵抗体の埋設位置の測定）
抵抗体の基体に対する埋設位置は次のようにして測定した。まず、前述のように製造したセラミックヒータに電圧を印加して、セラミックヒータの軸線Ｃに直交する方向から放射温度計にて温度分布を計測し、表面温度分布表示された側面投影画像を得た。この側面投影画像から最高温度１３５０℃となる最高発熱部の位置を特定した。一方、セラミックヒータにおける半径方向の複数方位から、セラミックヒータを透過Ｘ線撮影して、複数の撮影フィルムを得た。そして、前記最高発熱部に対応する位置を通り、軸線Ｃに直交する平面における、基体の表面から正極側の発熱部までの最短距離Ａと基体の表面から負極側の発熱部までの最短距離Ｂとを測定した。その結果を表１に示した。

（グロープラグの製造）
製造したセラミックヒータそれぞれに、その基体の少なくとも先端部が突出するように外筒９０と電極円筒体９１とを圧入した後、この電極円筒体９１と中軸９４とにＮｉ線を溶接し、これらを電気的に接続した。これらを主体金具９３の先端に圧入して溶接した。次いで、絶縁部材９５、絶縁係止部材９６及びかしめ部材９７で中軸９４を主体金具９３に固定して、実施例１〜１０及び比較例１のグロープラグを製造した。

（オイル滴下試験）
実施例１〜１１及び比較例１のグロープラグを用いて以下の方法で腐食試験を行った。セラミックヒータに埋設された抵抗体における一対のリード部の軸線Ｊ及び軸線Ｃを含む平面に対して垂直方向から、グロープラグの先端領域にエンジンオイル（商品名「Ｅｓｓｏ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌオイル ＳＥＡ ０Ｗ−３０」、エクソンモービル社製、カルシウム成分の含有量約２７３０ｐｐｍ）０.０１ｍＬ／滴をプランジャーポンプで滴下して、セラミックヒータの表面温度が１３５０℃に達するように印加電圧を制御してグロープラグに１分間通電した後、通電を停止して１分間冷却する操作を１サイクルとして３００サイクル連続して行い、３００サイクル毎に抵抗を測定した。前記操作は抵抗体が断線するまで行い、オイル滴下試験の判定は、抵抗体が断線するまでのサイクル数が２０００未満を「×」、２０００以上４０００未満を「△」、４０００以上を「○」とした。この判定が「△」以上であれば、ディーゼルエンジン用のグロープラグとして好適に用いることができる。これらの結果を表１に示す。

表１に示された結果から明らかなように、基体の表面から正極側の発熱部までの最短距離Ａと負極側の発熱部までの最短距離Ｂとの関係が、Ａ＜Ｂを満たす場合には、オイル滴下試験による腐食量は少なく、オイル中に含まれるカルシウム成分等に対する耐食性に優れていた。一方、発熱部がＡ＝Ｂを満たすように配置された比較例１はオイル滴下試験による腐食量が多かった。また、実施例１１のグロープラグでは、セラミックヒータの表面における軸線に直交する周方向の温度差が他の実施例に比べて大きく、抵抗体が断線した後の基体にはクラックが認められた。

１ セラミックヒータ
１０ グロープラグ
３０、３０２、３０３ 基体
３１ 同径部
３２ 基体先端部
３３ 後端面
３４ 最高発熱部
４０、４０２、４０３ 抵抗体
４１ リード部
４２、４２２、４２３ 発熱部
４３、４３２、４３３ 中間発熱部
４４ 先端発熱部
４５、４６ 電極取出部
４７ 最高発熱部
４８ 断面部
９０ 外筒
９１ 電極円筒体
９２ 導線
９３ 主体金具
９４ 中軸
９５ 絶縁部材
９６ 絶縁係止部材
９７ かしめ部材
９８ 雄ねじ部
９９ 工具係合部
Ｃ、Ｊ、Ｄ 軸線
ＣＰ、ＣＰ_２ 断面

Claims (4)

1. 絶縁性セラミックで形成され、先端から後端へ軸線方向へ延びる基体と、
   導電性セラミックで形成され、前記基体の先端側に埋設され、折り返し形状を有する発熱部と、
   前記基体の後端側に埋設され、前記発熱部に通電する一対のリード部と、
   を有するセラミックヒータであって、
   前記軸線に直交する平面で切断したときの断面における、前記基体表面から正極側の発熱部までの最短距離をＡ、前記基体表面から負極側の発熱部までの最短距離をＢとすると、Ａ＜Ｂを満たすことを特徴とするセラミックヒータ。
2. ０．２＜Ａ／Ｂ＜０．９５を満たすことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記発熱部は、前記軸線に直交する平面で切断したときに現れる２つの断面部の断面形状が楕円であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータを備えてなるグロープラグ。

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