JP2545970B2 - 導電性セラミックヒータおよびこの導電性セラミックヒータの製造方法さらにはこの導電性セラミックヒータを有する自己制御型グロープラグ - Google Patents

導電性セラミックヒータおよびこの導電性セラミックヒータの製造方法さらにはこの導電性セラミックヒータを有する自己制御型グロープラグ

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、抵抗温度係数の小さい導電性セラミック材
料よりなる導電性セラミックヒータおよびこの導電性セ
ラミックヒータの製造方法さらには、この導電性セラミ
ックヒータを用いた自己制御型グロープラグに関するも
のである。
〔従来の技術〕 従来、TiN,MoSi2等の導電性セラミックとSi3N4等の絶
縁性のセラミックとを複合分散させた上、焼結すること
によりセラミック発熱体を得ていた。
しかし、このようなセラミック発熱体では、TiN,MoSi
2等の導電性セラミック粒子が固有に持つ抵抗温度係数
の影響が常に存在するため、抵抗温度係数の減少にも限
界があり、十分に小さな抵抗温度係数が得ることができ
なかった。
例えば、上記のセラミック発熱体と、この発熱体と直
列に電流制御用の抵抗体が設けられた自己制御型グロー
プラグが従来より知られているが、従来の発熱体では抵
抗温度係数が十分に小さくないため、発熱体の温度が上
昇してくると、発熱体自身抵抗値も増大し、電流制御用
の抵抗体による発熱体への電流の通電量を良好に制御す
ることができなくなり、十分な昇温特性を得ることがで
きなかった。
〔発明が解決しようとする課題〕
そこで、本発明は抵抗温度係数の極めて小さい導電性
セラミック材料よりなるセラミックヒータを得るととも
に、この導電性セラミックヒータを採用することによ
り、昇温特性の優れた自己制御型グロープラグを得るこ
とを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
従来、提案されてきた導電性セラミック材料としての
Mo5Si3は、Mo原子が過剰に含有しているため抵抗温度係
数が十分低いものではない。さらには、Mo5Si3よりもMo
原子の割合が少ないMoSi2では、Si原子が過剰に含有し
ており、これも抵抗温度係数が十分ひくいものではなか
った。
そこで、われわれ発明者らは、鋭意探究の結果Mo5Si3
Cを導電性セラミックス材料とすることにより、抵抗温
度係数が十分低くなることを見出した。
そこで、本発明では、少なくとも20重量%のMo5Si3C
を含む導電性セラミックヒータを提供するものである。
ここで、Mo5Si3Cは正確にはMo5-xSi3C1-y(0≦X≦
2,0≦Y<1)と表されるが、Xが2以下であるのは5
つのMo原子の内、2つの原子が格子欠陥を起こしやすい
ことに起因するものであり、Yが1より小さいのもま
た、Cが格子欠陥を起こしやすいことに起因するもので
あるが、格子欠陥を起こさない通常の場合が、Mo5Si3C
の組成であるので以下Mo5Si3Cと表す。
通電時において発熱体への通電を制御する電流制御用
の抵抗体が発熱体と直列に接続されている自己制御型グ
ロープラグであって、 発熱体が、少なくともMo5Si3Cを含有する導電性セラ
ミックヒータよりなり、 抵抗体が、前記発熱体の抵抗温度係数より大きい抵抗
温度係数をもつ材料よりなることを特徴とする自己制御
型グロープラグを提供する。
〔作用〕 Mo5Si3Cは、Mo5Si3よりもMo原子含有率が小さくてMo
原子が過剰でなく、かつMoSi2よりもSi原子の含有率が
小さくてSi原子が過剰ではなく、十分に低い抵抗温度係
数が得られる。
さらに、このセラミック材料を自己制御型グロープラ
グの発熱体に用いることによって、グロープラグへの通
電初期には発熱体の抵抗値を抵抗体の抵抗値よりも十分
大きくし、通電制御時には、発熱体の抵抗値を抵抗体の
抵抗値よりも小さくすることができ、そのため、発熱体
の発熱を敏速にし、かつ発熱体の過熱を有効に防止する
昇温特性の優れた自己制御型グロープラグを得ることが
できる。
〔第1実施例〕 Mo5Si3Cの製造方法について説明する。
平均粒径1μmのMo5Si3粉末にカーボンブラックを第
1表に示す如く0.5〜3.0wt%の所定量を添加し、ボール
ミルにて混合、粉砕した後、1700℃×60min、加圧300kg
/cm2、Arlatm下においてホットプレス焼成し、セラミッ
ク成形体を作成した。
このサンプル1〜6のMo5Si3Cの組成を含むセラミッ
ク成形体を真空中にて900℃まで昇温した後、4端子法
にて、サンプルの体積比抵抗を求め、室温での体積比抵
抗からの変化率を求め、た。
その結果を第1表に示す。また、比較例1〜3として
MoSi2,TiN,Mo5Si3を同一条件にて焼成したサンプルの結
果も記す。
第1表より明らかなように、Mo5Si3にカーボンブラッ
クを添加するにしたがい、焼成したセラミック中には、
Mo5Si3の他にMo5Si3と全く構造の異なるMo5Si3Cなる組
成が増加していき、従来、最も小さな抵抗温度係数を持
つMo5Si3よりもなお低い温度係数を得ることができた。
さらに、カーボンブラックを2.0wt%以上添加した場合
にはMo5Si3はほとんどMo5Si3Cの組成となり、抵抗温度
係数もほぼ安定させることができた。さらに、この安定
した抵抗温度係数の値は、比較例1〜3の導電性セラミ
ック材料の約5分の1〜20分の1という十分小さな抵抗
温度係数を有する導電性セラミック材料であった。
ここで上記、Mo5Si3Cを、出発原料としてMo5Si3にカ
ーボンブラックを添加することによって得たが、これに
限定されるものではなく、例えばMo微粉末、Si微粉末、
及びカーボン微粉末を所定割合で混合したものを用いて
も全くの同一の効果を得ることができる。
〔第2実施例〕 次に、Mo5Si3Cよりなる導電性セラミック材料を用い
て、セラミックヒータを作成した。
原子比にて、Mo:Si:C=5:3:1になるよう平均粒径1μ
mのMo5Si3とカーボンブラックとを配合し、この混合粉
末とさらに平均粒径10μmまたは1μmのSi3N4を、重
量比にて、Si3N4:Mo5Si3C=20〜80:80〜20になるよう配
合し、更に焼成助剤としてY2O3及びAl2O3を各5wt%添加
したものを、ボールミルにて12時間湿式混合した。ま
た、溶剤としてエタノールを用いた。そして上記混合粉
末を1700℃×60min、圧力300kg/cm2、Arlatm下において
ホットプレス焼成した。
このサンプルをサンプル7〜13として第1実施例と同
様に比抵抗及び、抵抗変化率を測定した。その結果を第
2表に示す。更にこのサンプルの抗折強度σも同時に示
した。
また比較例4〜5としてSi3N4とMoSi2とよりなるセラ
ミックヒータのそれぞれの特性を示した。
第2表より明らかなように、絶縁性セラミック材料と
してのSi3N4に導電性セラミック材料としてのMo5Si3Cを
分散せしめた上同時焼成することによって、導電性セラ
ミック材料としてMoSi2を用いた場合よりも十分に抵抗
温度係数を低い5.0×10-4deg-1以下とすることができ、
かつ低い抵抗温度係数を維持したまま希望する比抵抗を
持つ導電性セラミックヒータを得ることができた。
また、絶縁性セラミック材料としてのSi3N4を用いた
が、Si3N4に限るものではなく絶縁性セラミック材料で
あれば何でもよく、例えば、Al2O3,AlN,ZrO2等でも同等
の効果を得ることができる。
〔第3実施例〕 第1図は、本発明の導電性セラミック材料を適用した
グロープラグを示す。
第1図に示すようにこのグロープラグは円形断面を有
する支持部材2の先端内部に断面U字形のヒータ1が形
成してある。さらに、支持部材2には先端がヒータ1に
接続するタングステンの通電線3a,3bが埋設してある。
支持部材2の外周には金属パイプ4を取付け、該パイプ
4に筒状の金属ハウジング5の一端が接合してある。通
電線3aの後端は支持部材2の基端まで延びて基端に嵌着
した金属キャップ6に接続し、キャップ6およびニッケ
ル線7を介して図示しない電源に接続してある。通電線
3bの後端は金属スリーブに接続してある。
支持部材2とパイプ4とは支持部材2の表面にニッケ
ルメッキを施した後、ロウ付けを行なうことにより結合
せしめてある。またパイプ4とハウジング5はロウ付け
により結合せしめてある。
ヒータ1の組成は、平均粒径10μmの70重量%Si3N4
と平均粒径1μmの30重量%Mo5Si3Cであり、支持体2
の組成は平均粒径が1μmの72wt%Si3N4平均粒径が1
μmの28wt%MoSi2である。又、焼結助剤は両者共Y2O2,
Al2O3各々5%添加した。ここでこの支持体2の組成比
は、ヒータ1と支持体2の熱膨張係数が一致するように
選定してある。
ここでヒータ材料は、Si3N4粉末として、平均粒径10
μmのものを用いることにより、Mo5Si3C粒子がSi3N4
子を包み、Mo5Si3C粒子が連続する導電性の組織とし、
又、支持体2の材料は、Si3N4原料として平均粒径1μ
mのものを用いることにより導電性のMoSi2粒子が絶縁
性のSi3N4粒子に囲まれて分断され、これにより、電気
絶縁された組織としてある。
ここでヒータ1の材料として平均粒径10μmのSi3N4
を用いたのは第2実施例にも示したごとく、所望の比抵
抗を得るのに必要とされるMo5Si3Cの量を低減せしむる
ことにより、熱膨張係数の低減及び抗折強度の向上を画
るためである。
又支持体2の材料中にMoSi2を分散せしめたのは、ヒ
ータ材料と熱膨張係数を合致せしめ、両者間に発生する
熱応力を低減せしむるためである。
第2図は、このセラミックヒータの通電特性を示す。
第2図より明らかなように、Mo5Si3Cを含むヒータ1
を用いているので、ヒータ1の抵抗温度係数が十分に小
さく、一定電力消費型のグロープラグとして優れた特性
を得ることができた。
ここで、グロープラグの構造は第3実施例に限られる
ものでなく、セラミック導電材料であるMo5Si3Cを少な
くとも含むセラミックヒータを用いていればよい。
前記実施例では、Mo5Si3Cよりなる導電性セラミック
材料を、絶縁性セラミック材料と混合することによって
セラミックヒータを得たが、本発明の導電性セラミック
材料は、他にも用いられ、例えば、多層基板に用いられ
る抵抗体、または基板の配線等に用いてもよい。
〔第4実施例〕 第3図に、本発明の自己制御型グロープラグの模式図
を示す。また第1図と同一箇所を示すものは同一符号を
付した。
10はセラミック素子であり、このセラミック素子10に
は、第3実施例と同様の製造方法にて支持部材2に発熱
部であるヒータ1および電極3a,3bが形成されている。
素子内の電極3aはスリーブ4を介してハウジング5に
電気的に接続されており、電極3bはキャップ6、及びリ
ード線7を介して第2の抵抗体15に電気的に接続され、
抵抗体15の他端側は電極8に接続されている。
この抵抗体15はヒータ1よりも抵抗温度係数の大きな
例えばFe,Ni等より形成されている。
次にこの自己制御用グロープラグの作用を第4図を用
いて説明する。
本実施例の自己制御用グロープラグに通電過熱せしめ
るとヒータ1の抵抗値が抵抗体15の抵抗値よりも十分大
きいので、通電初期においては、ヒータ1の温度が急速
に上昇する。しかし、第4図より明らかなように通電40
秒後には抵抗体15の抵抗値がヒータ1の抵抗値より十分
大きくなり、ヒータ1への過剰な電流の供給を防止し、
ヒータ1の過熱を有効に防止する。
また、本実施例の自己制御型グロープラグを使用する
ことによって発熱部のR.T.係数(900℃時の抵抗値と20
℃時の抵抗値との比)が金属発熱体(ダングステン−レ
ニウム)を埋設したグロープラグでは約1.69であったも
のを、約1.20とすることができた。そのため発熱部にお
ける900℃の到達時間を従来の4.0秒から3.0秒へと大幅
に短縮した昇温特性のすぐれた自己制御型グロープラグ
を得ることができた。
〔発明の効果〕
Mo5Si3Cを導電性セラミック材料として用いることに
よって抵抗温度係数の十分小さい導電性セラミックヒー
タを得ることができた。
さらに発熱部と、この発熱部の抵抗温度係数より大き
な材料を制御部とする自己制御型グロープラグにおい
て、発熱部を上部Mo5Si3Cを含む抵抗温度係数の十分小
さい導電性セラミック材料より形成したので、昇温特性
の優れた自己制御型グロープラグを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用したグロープラグの一実施例を示
す断面図、第2図は第1図に示す実施例のグロープラグ
の通電特性図、第3図は本発明をグロープラグの他の実
施例を示す断面図、第4図は第3図に示すグロープラグ
の昇温特性図である。 1……発熱体,2……支持体,15……抵抗体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 信衛 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 日本 自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−28194(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも20重量%のMo5Si3Cを含むこと
    を特徴とする導電性セラミックヒータ。
  2. 【請求項2】Mo5Si3Cを含有し、かつ抵抗温度係数が5
    ×10-4deg-1以下であることを特徴とする導電性セラミ
    ックヒータ。
  3. 【請求項3】Mo5Si3又はMo微粉末とSi微粉末に、カーボ
    ンを0.5wt%以上添加し焼成することによって、Mo5Si3C
    を含む導電性セラミックヒータを得ることを特徴とする
    導電性セラミックヒータの製造方法。
  4. 【請求項4】前記Mo5Si3又はMo微粉末とSi微粉末に、カ
    ーボンを2.0wt%以上添加し焼成されたMo5Si3Cを含む導
    電性セラミックヒータを得ることを特徴とする請求項3
    記載の導電性セラミックヒータの製造方法。
  5. 【請求項5】通電時において発熱体への通電を制御する
    電流制御用の抵抗体が前記発熱体と直列に接続されてい
    る自己制御型グロープラグであって、 前記発熱体が、少なくともMo5Si3Cを含有する導電性セ
    ラミックヒータよりなり、 前記抵抗体が、前記発熱体の抵抗温度係数より大きい抵
    抗温度係数をもつ材料よりなることを特徴とする自己制
    御型グロープラグ。
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