JP2735725C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本発明はディーゼルエンジンの始動促進用グロープラグや、各種燃焼機器の点
火用ヒーター及び加熱機器の加熱用ヒーターに用いられる高温用のセラミック発
熱体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】 従来よりディーゼルエンジンの始動促進に用いられるグロープラグや各種点火
用及び加熱用ヒーターとして、耐熱金属製のシース内に耐熱絶縁粉末を充填し、
該耐熱絶縁粉末中に、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）等を主体とする高融点
金属線から成る発熱抵抗体を埋設したシーズヒーターや、高電圧の火花放電を利
用する各種点火装置が使用されていた。 【０００３】 しかしながら、前記シーズヒーターは耐熱金属製のシース内に充填された耐熱
絶縁粉末を介して発熱抵抗体の熱を伝えるため、短時間の急速昇温が困難であり
その上、耐摩耗性や耐久性に劣るという問題がある他、前記火花放電を利用した
各種点火装置も、点火時に雑音等の電波障害を生じたり、確実な点火という観点
からの信頼性に欠け、未着火の場合の安全性に問題がある等の欠点があった。 【０００４】 そこで、短時間の急速昇温が可能で、電波障害が発生せず、しかも確実に点火 して安全性を確保し、雰囲気を問わず長時間の使用が可能であり、耐摩耗性と耐
久性に優れた信頼性の高い発熱体として、無機導電材から成る発熱抵抗体をセラ
ミック焼結体中に埋設したセラミック発熱体が、広く利用されるようになってき
た。 【０００５】 なかでも、耐熱衝撃性及び高温強度が他のセラミックスよりも著しく優れた窒
化珪素質焼結体をヒーターの基体として使用し、一般にタングステン（Ｗ）やモ
リブデン（Ｍｏ）等の高融点金属もしくはこれらの化合物より成る発熱抵抗体を
基体中に埋設したり、前記高融点金属もしくはこれらの化合物を主体とする発熱
抵抗体ペーストを前記基体上にパターン印刷して焼成一体化してなるものが、広
く利用されている。 【０００６】 しかしながら、前記窒化珪素質焼結体をヒーターの基体とするセラミック発熱
体は、前記焼結体の粒界相が一般に低融点のガラス質を形成していることから、
通電加熱によりセラミック発熱体が１０００℃を越えると、粒界相の軟化による
窒化珪素質焼結体の強度劣化や、印加電圧による粒界相のイオン移動から組織劣
化を引き起こし、発熱抵抗体と窒化珪素質焼結体の熱膨張差により、発熱抵抗体
近傍の窒化珪素質焼結体にクラックを生じたり、耐酸化性に劣る等の欠点があっ
た。 【０００７】 そこで前記窒化珪素質焼結体の粒界相を結晶化することにより、高温での粒界
相の軟化によるセラミック焼結体の強度劣化を防止し、かつ印加電圧による粒界
相のイオン移動を阻止して、発熱抵抗体近傍の窒化珪素質焼結体がクラックを発
生したり、窒化珪素質焼結体自体が組織劣化を引き起こしたりすることを防止せ
んとしたセラミック発熱体が提案されている（特開平１−３１３３６２号公報参
照）。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、前記窒化珪素質焼結体を基体とするセラミック発熱体は、耐酸 化性に劣るＳｉ₃Ｎ₄・Ｙ₂Ｏ₃等に代表されるメリライト相や４Ｙ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂
・Ｓｉ₃Ｎ₄等に代表されるＹＡＭ相の結晶相を生成したり、それ以外に、必ず少
量と言えども低融点のガラス質を結晶粒界に残留してしまう。 【０００９】 しかも、前記グロープラグや各種点火用及び加熱用ヒーターとしてのセラミッ
ク発熱体は、一般に点火時には１０００〜１３００℃もの高温となり、中には点
火した火炎に曝されて１３５０℃を越えるものもある。 【００１０】 このような状況で長時間の連続通電を行った場合、前記低融点のガラス質のイ
オン移動を阻止することができず、更に、前記粒界相の結晶も酸化されてイオン
移動を起こし、パイプ状金具近傍の露出した窒化珪素質焼結体の側面にクラック
を生じたり、組織劣化を起こし、セラミック発熱体の寿命が急激に短くなってそ
の機能を失い、耐久性と信頼性に欠けるという課題があった。 【００１１】 【発明の目的】 本発明は前記欠点に鑑み開発されたもので、その目的は高温で長時間の連続使
用が可能である耐酸化性及び耐久性に優れたセラミック発熱体を提供することに
ある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】 本発明のセラミック発熱体は、無機導電材から成る発熱抵抗体を希土類元素及
び酸化珪素を含有して成る窒化珪素質焼結体中に埋設したセラミック発熱体にお
いて、前記窒化珪素質焼結体は希土類元素を酸化物換算した含有量に対する酸化
珪素（ＳｉＯ₂）の含有量のモル比が１．０〜２．５であることを特徴とするも
のである。 【００１３】 本発明のセラミック発熱体において、窒化珪素質焼結体中の希土類元素を酸化
物換算した含有量に対する酸化珪素（ＳｉＯ₂）の含有量のモル比、即ち、Ｓｉ
Ｏ₂の含有量（モル％）／希土類元素を酸化物換算した含有量（モル％）の値が １．０未満では、前記メリライト相やＹＡＭ相が生成され、該結晶相は耐酸化性
が悪く酸化されやすいことから、高温度で長時間、例えば数千サイクル以下の通
電でイオン移動を起こして粒界相が酸化されて体積膨張し、パイプ状金具近傍の
露出した窒化珪素質焼結体の側面で、かつ埋設した発熱抵抗体の陽極側の側面に
クラックが発生し、とりわけ埋設した発熱抵抗体が酸化されやすくなって断線し
てしまう。 【００１４】 一方、前記モル比が２．５を越えると、結晶中の粒界相にＳｉＯ₂ガラスに代
表される低融点ガラスを発生し、前記のような使用条件下では、１０００サイク
ル程度で低融点ガラスのイオン移動により、強度劣化を起こして発熱抵抗体と窒
化珪素質焼結体との熱膨張差から、パイプ状金具近傍の露出した窒化珪素質焼結
体の側面で、かつ埋設した発熱抵抗体の陰極側の側面にクラックを発生する。 【００１５】 よって窒化珪素質焼結体中の希土類元素を酸化物換算した含有量に対する酸化
珪素（ＳｉＯ₂）の含有量のモル比は、１．０〜２．５、望ましくは１．３〜１
．９の範囲に特定される。 【００１６】 【実施例】 以下、本発明のセラミック発熱体を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本
発明の一実施例に係るディーゼルエンジンの始動促進用に使用されるグロープラ
グに適用したセラミック発熱体を示す。 【００１７】 図１において、１は窒化珪素質焼結体３中に発熱抵抗体２を埋設したセラミッ
ク発熱体であり、セラミック発熱体１には段差部８を有するパイプ状金具４を外
嵌めして発熱抵抗体２のリード部５に接続するようにろう付けして一方の電極端
子として導出し、更に、パイプ状金具４と取付金具６とが重なる部分で少なくと
も取付金具６の先端内側に設けた段座７より取付金具６の先端側に間隙を有する
ようにして、前記パイプ状金具４の段差部８を取付金具６の先端内側に設けた段
座７に導電性ガスケット９を介して当接することにより電気的に接続固着させて いる。 【００１８】 一方、セラミック発熱体１の後端部には、パイプ状金具４と同時にろう接した
他方の発熱抵抗体２のリード部１０と接続する電極取出部１１の端面に、絶縁体
１２に挿通したフランジを有する端子棒１３が当接され、取付金具６の後端周縁
を絶縁体１２の端面で加締めて固着し、パイプ状金具４と取付金具６をろう接せ
ずに加圧接合して負電極とするとともに、セラミック発熱体１の後端部にろう接
した電極取出部１１と端子棒１３も同様に加圧接合して正電極とし、端子棒１３
にベークライト等の絶縁性ワッシャー１４をナット１５で固定することにより取
付金具６の負電極と、端子棒１３の正電極とが絶縁されてグロープラグが構成さ
れている。 【００１９】 また、セラミック発熱体１は、図２に示すような断面が半円形の棒状に成形し
た窒化珪素質成形体１６上に発熱抵抗体２を載置した後、その上面に別の窒化珪
素質成形体１７を重ねて加圧焼成して一体化したものである。 【００２０】 尚、本発明のセラミック発熱体において、無機導電材から成る発熱抵抗体とし
てはタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の高融点金
属の他、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、モリ
ブデンシリサイド（ＭｏＳｉ₂）や硼化ジルコニウム（ＺｒＢ₂）等の第４ａ族、
第５ａ族、第６ａ族の炭化物または窒化物等から成る線材、あるいは薄層状に形
成したものが好適に用いられる。 【００２１】 本発明のセラミック発熱体を評価するにあたり、先ず、比表面積が１２ｍ²／
ｇ、含有する不可避不純物としての酸素量、即ち酸化珪素（ＳｉＯ₂）が３重量
％以下で、結晶のα化率が９７％である窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末に、焼結助材
としての希土類元素の酸化物およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）と、窒化珪素質焼結体
中の酸素量調整用としての酸化珪素（ＳｉＯ₂）の配合量を種々設定した原料粉
末を２４時間、ボールミルにて湿式混合する。なお、上記各種原料は、例え ば後述する算出方法にて希土類酸化物としてＹｂ₂Ｏ₃が 4.0〜10.5重量％、酸化
珪素が 1.1〜4.4 重量％、アルミナが 0.5重量％、残部が窒化珪素となるように
配合した。 【００２２】 かくして得られた混合物の泥漿を噴霧乾燥して造粒し、プレス成形法により断
面が半円形の棒状の窒化珪素質成形体１６、１７を作製する。 【００２３】 次に、該成形体１６の平面上に、略Ｕ字形状のコイル状タングステン線と該コ
イル状タングステン線に接続したリード部５、１０を構成するタングステン線と
から成る発熱抵抗体２を載置し、該発熱抵抗体２を挟むように前記同形状の別の
窒化珪素質成形体１７を重ねて加圧焼成した。 【００２４】 かくして得られた焼結体の側面を研磨して前記リード部５の一部を露出させ、
少なくとも該露出部にメタライズ法やメッキ法等によりニッケル（Ｎｉ）等の金
属被膜を形成した後、パイプ状金具４に内挿し還元ガス雰囲気中で銀ろうにて接
合する。 【００２５】 一方、前記焼結体の端部に露出したリード部１０に、線材より成る電極取出部
１１を同様に銀ろうにて接合した後、取付金具６の先端部に内挿し、該取付金具
６と前記パイプ状金具４、及びセラミック発熱体１の後端部にろう接した電極取
出部１１と端子棒１３を加圧接合してそれぞれ正負の電極とし、評価用のグロー
プラグを作製した。 【００２６】 また、同時に前記窒化珪素質成形体のみを同一条件で加圧焼成した窒化珪素質
焼結体を酸素量分析用及び抗折強度評価用試料とし、酸素・窒素分析装置により
窒化珪素質焼結体の全酸素量を測定し、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末中に含有する
不可避不純物としての酸素量と、焼結助剤として添加した希土類元素の酸化物お
よびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）量から算出した酸素量を差引きし、残余の酸素量がシ
リコン（Ｓｉ）と反応してシリカ（ＳｉＯ₂）を形成するとしてその量を算 出した。 【００２７】 一方、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザーにより希土類元素を定量し、希土
類元素の酸化物換算の含有量を算出した。 【００２８】 更に、前記評価用試料を使用して、常温と１４００℃での抗折強度をＪＩＳ３
点曲げ強度試験法に基づき測定した。また、前記評価用試料を使用して、Ｘ線回
折装置によりＹＡＭ相の結晶相を有無とともにピーク強度の大小を同定した。 【００２９】 一方、直流電源より評価用のグロープラグに通電して、１４００℃の温度に急
速加熱した後、通電停止して圧搾空気を吹きつけて強制冷却するのを１サイクル
とする耐久試験を１００００サイクル実施し、該耐久試験前後の抵抗値を測定し
て発熱抵抗体の抵抗変化率を算出した。 【００３０】 更に、セラミック発熱体部のクラックの有無を蛍光探傷法により検査するとと
もに、セラミック発熱体の表面状態を顕微鏡にて観察した。以上の結果を表１及
び表２に示す。 【００３１】 【表１】 *印を付した試料番号は本発明の請求範囲外である。 【００３２】 【表２】 *印を付した試料番号は本発明の請求範囲外である。 【００３３】 表１及び表２から明らかなように、ＳｉＯ₂（モル％）／希土類元素酸化物（
モル％）のモル比が１．０未満の試料番号１、１０、１７、２４は、パイプ状金
具近傍の露出した窒化珪素質焼結体の側面で、かつ埋設した発熱抵抗体の陽極側
の側面にクラックが発生し、発熱抵抗体自体が断線している。 【００３４】 また、ＳｉＯ₂（モル％）／希土類元素酸化物（モル％）のモル比がともに２
．５を越える試料番号９、１６、２３、３０は、窒化珪素質焼結体の高温での抗
折強度が低く、かつパイプ状金具近傍の露出した窒化珪素質焼結体の側面で、か
つ埋設した発熱抵抗体の陰極側の側面にクラックを生じている。 【００３５】 それらに対して、本発明のセラミック発熱体の窒化珪素質焼結体はいずれも高
い抗折強度を保持し、通電耐久試験においても何ら変化が認められなかった。 【００３６】 【発明の効果】 叙上の如く、本発明のセラミック発熱体は、希土類元素を酸化物換算した含有
量に対する酸化珪素（ＳｉＯ₂）の含有量のモル比が１．０〜２．５である窒化
珪素質焼結体中に無機導電材から成る発熱抵抗体を埋設したことから、高温でも
高い抗折強度を保持しながら、発熱抵抗体の正負いずれの電極側の窒化珪素質焼
結体にもクラックの発生は勿論、組織の劣化もなく、かつ耐酸化性に優れ、とり
わけ高温での長時間の繰り返し使用が可能である耐久性と信頼性に優れたセラミ
ック発熱体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明に係るセラミック発熱体をディーゼルエンジンの始動促進用に使用され
るグロープラグに適用した一実施例を示す一部破断面図である。 【図２】 本発明に係るセラミック発熱体の製造工程を説明するための斜視図である。 【符号の説明】 １ セラミック発熱体 ２ 発熱抵抗体 ３ 窒化珪素質焼結体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】無機導電材から成る発熱抵抗体を希土類元素及び酸化珪素を含有
   して成る窒化珪素質焼結体中に埋設したセラミック発熱体において、前記窒化珪
   素質焼結体は希土類元素を酸化物換算した含有量と、酸素量から換算した酸化珪
   素（ＳｉＯ₂）の含有量とのモル比が１．０〜２．５であることを特徴とするセ
   ラミック発熱体。