JP3115254B2

JP3115254B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3115254B2
Application number: JP09094923A
Authority: JP
Inventors: 雅弘小西
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH1032079A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックヒータに
関し、例えばセラミックグロープラグ等に使用されるセ
ラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックグロープラグ等に使用
されるセラミックヒータとして、Ｓｉ₃Ｎ₄等を主体とす
る絶縁性のセラミック基体に対し、ＷＣを主体に構成さ
れるセラミック抵抗発熱体を埋設したものが知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記セラミックヒータ
においては、セラミック基体を構成するＳｉ₃Ｎ₄が、抵
抗発熱体の主成分であるＷＣよりも熱膨張係数が小さい
ため、加熱・冷却のサイクルを繰り返すと、抵抗発熱体
に上記熱膨張係数の差に基づく応力集中が起こって抵抗
発熱体の耐久性に問題が生ずる場合があった。

【０００４】本発明の課題は、加熱・冷却のサイクルを
繰り返しても、抵抗発熱体の耐久性に問題が生じにくい
セラミックヒータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、セラミック基体中に、セラミック導電材料からなる
抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータに係るものであ
り、上述の課題を解決するために下記の特徴を有する。
すなわち、セラミック導電材料は、該セラミック導電材
料の一断面において、マトリックスセラミック相中に導
電性セラミック相粒子が分散した構造を有し、かつ該導
電性セラミック相を３０〜８０重量％の範囲で含有す
る。また、セラミック導電材料の一断面において、ある
半径で仮想的な円を描き、該円内における導電性セラミ
ック相粒子の面積比率が６０％以上となっている場合
に、該円で囲まれた領域を導電性セラミック相粒子の偏
在部として定義し、その偏在部の最大径が５μｍを超え
ないものとされる。

【０００６】本願発明者らは、抵抗発熱体を構成する導
電性セラミック材料中の、上述のような導電性セラミッ
ク相粒子の偏在部の最大径が５μｍを超えないように設
定することで、ヒータに対し加熱・冷却のサイクルを繰
り返し加えた場合の抵抗発熱体の耐久性が著しく向上す
ることを見い出したのである。

【０００７】上記セラミックヒータにおいて抵抗発熱体
の耐久性が向上する原因は以下のように推測される。す
なわち、セラミック導電材料においては、導電性セラミ
ック相とマトリックスセラミック相とは一般に熱膨張係
数が異なるものとなっている。その結果、導電性セラミ
ック相粒子が偏在した偏在部と、それよりも導電性セラ
ミック相粒子の体積比率が小さい周囲の部分（以下、周
囲部分という）との間で、その平均の熱膨張係数に差が
生じ、それら偏在部と周囲部分との境界には、該熱膨張
係数差に基づく応力が発生する。この応力は偏在部の寸
法が大きくなるほど増大する傾向にあり、これが一定以
上に大きくなると該応力に基づく抵抗発熱体の破壊が生
じやすくなる。しかしながら、偏在部の大きさを５μｍ
以下とすることにより上記応力の値を比較的小さくで
き、破壊が生じにくくなるものと考えられる。

【０００８】ここで、導電性セラミックス相粒子の偏在
部の大きさは、導電性セラミックス相粒子の粒径とその
凝集個数とによって定まる。そして抵抗発熱体の耐久性
向上の観点からは、偏在部の大きさは５μｍ以下の範囲
でなるべく小さくすることが望ましいといえるが、あま
り小さくし過ぎると、導電性セラミックス相粒子の平均
粒径も相当小さく設定しなければならず、導電性セラミ
ックス相のもととなる原料粉末の調製コストが増大する
問題が生ずる。従って、そのような問題が生じない範囲
内で偏在部の大きさの下限値を設定するのがよい。

【０００９】一方、導電性セラミック相の抵抗発熱体に
対する含有率は、３０〜８０重量％の範囲で調整するこ
とが望ましい。含有率が３０重量％未満になると、抵抗
発熱体の電気比抵抗が大きくなり過ぎて、十分な発熱が
得られなくなる。一方、８０重量％を超えると焼結が不
十分となり、良好な抵抗発熱体が得られなくなる。それ
故、導電性セラミック相の含有量は３０〜８０重量％の
範囲で調整され、より望ましくは５０〜７０重量％の範
囲で調整するのがよい。

【００１０】抵抗発熱体を構成するセラミック導電材料
のマトリックスセラミック相は、例えばＳｉ₃Ｎ₄又はＡ
ｌＮが主成分となるように構成することができる。ま
た、導電性セラミック相の材質としては、Ｗ、Ｔａ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒの各硅化物、炭
化物、ホウ化物及び窒化物を例示でき、特にＷ炭化物及
びＭｏ珪化物を本発明に好適に使用することができる。
その理由については後述する。一方、セラミック基体
は、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＡｌＮのいずれかが主成分となるよう
に構成できる。

【００１１】次に、セラミックヒータの発熱を飽和温度
で制御する場合、該飽和温度は、その抵抗発熱体が該飽
和温度でどの程度の電気抵抗値を有しているかで決まる
こととなる。そのようなセラミックヒータを例えばグロ
ープラグに使用する場合、そのヒータ昇温性能に対して
は、機関の始動性を向上させるためになるべく短時間で
飽和温度に到達する、いわゆる速熱性が要求されること
が多い。

【００１２】そして、導電性セラミック相の材質として
は、なるべく大きい正の抵抗温度係数を有するものを用
いることが、速熱性のグロープラグを実現する上で有利
となる。その理由は次の通りである。まず、図１０
（ａ）に示すように、導電性セラミック成分として、そ
れぞれ室温でほぼ等しい電気比抵抗値Ｒ0を有するとと
もに抵抗温度係数がλ1、λ2（ただしλ1＞λ2：簡単の
ため、それぞれ温度によらず一定の値を示すものと考え
る）である成分１と成分２について考える。

【００１３】この場合、飽和温度ＴSでの両者の電気比
抵抗はそれぞれ、（成分１）Ｒ1＝Ｒ0＋λ1ΔＴ ‥‥‥(1) （成分２）Ｒ2＝Ｒ0＋λ2ΔＴ ‥‥‥(2) となるが、λ1＞λ2であるから、該飽和温度ＴSでは電
気比抵抗は前者のほうが高くなる。すなわち、Ｒ1＞Ｒ2 ‥‥‥(3) である。従って、このような成分１と成分２を使用して
セラミックヒータを作製すると、図１０（ｂ）に示すよ
うに、抵抗発熱体を構成する複合セラミック中の導電性
セラミック成分の配合量を、成分１を使用する材質Ａに
おいて、成分２を使用する材質Ｂよりも多くすることに
よって、両材質Ａ及び材質Ｂは、同じ通電電圧でかつ所
定の飽和温度ＴSにおいて、ほぼ同一の電気比抵抗を有
するものとなる。

【００１４】ところが、室温Ｔ0、すなわち通電開始時
の状況について考えると、材質ＡのほうがＢよりも導電
性セラミック成分の配合比率が多く、しかも成分１と成
分２の電気比抵抗は室温Ｔ0ではほぼ等しいことから、
成分１を使用する材質Ａのほうが、成分２を使用する材
質Ｂよりも複合セラミックの電気比抵抗は小さくなる。
その結果、抵抗温度係数の高い成分１を使用する材質Ａ
の方が通電初期において大電流を流すことができ、その
結果図１１に示すように、飽和温度ＴSに到達するまで
の時間を短くすることができるようになる。また、ヒー
タが発熱して温度が上昇するほど電気比抵抗が増大して
電流が流れにくくなることから、セラミックヒータに温
度の自己調整機能が生じ、ヒータの過昇等が起こりにく
くなる。

【００１５】なお、抵抗温度係数の値は、実際には温度
により変化することの方が多いので、１０００℃におけ
る電気比抵抗の値Ｒ1000と２５℃における電気比抵抗の
値Ｒ25との比Ｒ1000／Ｒ25を、平均的な抵抗温度係数を
反映した指標として用いることが可能である。本発明で
使用する導電性セラミック相の材質としては、該Ｒ1000
／Ｒ25が１〜２０の範囲内にある材質を選定するのがよ
い。Ｒ1000／Ｒ25が１を下回ると、温度の自己調整機能
が期待できなくなる。また、Ｒ1000／Ｒ25が２０を上回
ると高温での電気比抵抗が高くなり過ぎて、ヒータを十
分に発熱させることができなくなる場合がある。なお、
通電初期において大電流を流すことを可能とし、速熱性
を高めるためには、室温での電気比抵抗Ｒ0がなるべく
小さい材質が望ましい。具体的には、該室温での電気比
抵抗Ｒ0は、１．０×１０^-3Ωcm以下である材質を選定
するのがよい。

【００１６】また、導電性セラミック相の材質は、抵抗
温度係数λと室温での電気比抵抗の他に、熱膨張率ρ及
び融点Ｔm等も考慮して選定するようにする。熱膨張率
ρは、セラミック基体の熱膨張率との差が大きすぎると
セラミックヒータの通電耐久性が確保できなくなる場合
がある。具体的には、導電性セラミック相の熱膨張率ρ
1とセラミック基体の熱膨張率ρ2との差（ρ1−ρ2）
が、１０．０×１０^-6／℃以内となっていることが望ま
しい。また、融点Ｔmは、セラミックヒータの実用最高
温度を考慮して、１５００℃以上のものを使用すること
が望ましい。

【００１７】そして、上述の条件に合致する導電セラミ
ック材料として、前述の、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍ
ｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒの各硅化物、炭化物、ホウ化
物及び窒化物を例示することができる。表１は、そのよ
うな導電性セラミックのいくつかの材質について、その
具体的な材料特性値をまとめたものである（出典：「高
融点化合物物性便覧」（１９９４年、日ソ通信社））。

【００１８】

【表１】

【００１９】そして、これら材質のうち、特にＷ炭化物
及びＭｏ珪化物を本発明に好適に使用することができ
る。この場合、導電性セラミック相は、例えばＷ炭化物
及びＭｏ珪化物の少なくともいずれかが主成分となるよ
うに構成できる。Ｗ炭化物及びＭｏ珪化物は、セラミッ
ク基体の基本セラミック成分としてＳｉ₃Ｎ₄あるいはＡ
ｌＮを使用する場合、それとの熱膨張係数差が比較的小
さいことから、これを用いて構成した抵抗発熱体の耐久
性が良好である。また、融点も２０００℃以上と非常に
高く、より高温まで昇温可能な抵抗発熱体が得られる利
点がある。

【００２０】また、Ｍｏ珪化物のうち特にＭｏＳｉ₂は
室温での電気比抵抗が比較的小さく、しかも大きな抵抗
温度係数を有しており、速熱性に特に優れた抵抗発熱体
を得ることができる。ただし、Ｍｏ₅Ｓｉ₃も本発明に好
適に使用することができる。なお、導電性セラミック相
をＭｏ珪化物を含有するものとして構成する場合、その
Ｍｏ珪化物は、ＭｏＳｉ₂相とＭｏ₅Ｓｉ₃相との少なく
ともいずれかを主体とするものとして構成できる。この
場合、ＭｏＳｉ₂相とＭｏ₅Ｓｉ₃相とを単独で用いて
も、両方を混在させて用いていずれでもよい。なお、抵
抗発熱体を焼成により製造する場合、原料段階で配合さ
れているのがＭｏＳｉ₂のみでＭｏ₅Ｓｉ₃が含有されて
いなくとも、ＭｏＳｉ₂の一部が焼成中に例えば焼結助
剤等の影響によりＭｏ₅Ｓｉ₃に転化して、ＭｏＳｉ₂及
びＭｏ₅Ｓｉ₃の混相状態が不可避的に形成される場合が
ある。

【００２１】ここで、導電性セラミック相をＷ炭化物及
びＭｏ珪化物の少なくともいずれかで構成し、さらにそ
の抵抗発熱体に対するＷ炭化物及びＭｏ珪化物の合計含
有率を３０〜８０重量％の範囲で調整する場合、Ｗ炭化
物及びＭｏ珪化物の含有量を直接同定することが困難で
あれば、抵抗発熱体中のＷないしＭｏ成分が、全てＷＣ
ないしＭｏＳｉ₂の形で存在していると仮定して算出さ
れるそれらＷＣないしＭｏＳｉ₂の推定合計含有量が３
０〜８０重量％となるように、該ＷないしＭｏ成分の含
有量が調整されていればよい。この場合、抵抗発熱体中
のＷないしＭｏ成分の含有量は、蛍光Ｘ線分析あるいは
ＩＣＰ発光分光分析等の公知の方法にて特定することが
可能である。

【００２２】なお、抵抗発熱体は、前述の原料粉末に対
し、所定量の焼結助剤を配合して焼結したものとして構
成することができる。この場合、焼結助剤は、Ｙ₂Ｏ₃、
Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の希土類酸化物あるいはアルカリ
土類金属酸化物等を使用することができる。焼結助剤の
配合比率は、０．８〜１０．５重量％の範囲で調整する
のがよい。焼結助剤の配合比率が０．８重量％未満にな
ると焼結が不十分となり、良好な抵抗発熱体が得られな
くなる。一方、配合比率が１０．５重量％を超えると、
抵抗発熱体の耐熱性が損なわれる。

【００２３】また、セラミック基体は、基本セラミック
成分中に調整セラミック成分として、基本セラミック成
分よりも熱膨張係数の大きい金属硅化物、金属炭化物、
金属ホウ化物及び金属窒化物の一種以上を、合計で１〜
３重量％の範囲で添加して焼成したものとして構成する
こともできる。セラミック基体に対し調整セラミック成
分が１〜３重量％の範囲で添加されることで、セラミッ
ク基体と抵抗発熱体との間の熱膨張係数の差を縮小して
応力集中を回避する効果が十分に得られ、しかも調整セ
ラミック成分に由来する酸化物の量が減少するので、前
述のポア形成に伴いヒータの耐久性が低下したりする心
配もない。酸化物の形成量が減少する原因としては、調
整セラミック成分の絶対量が少ないことの他に、焼結に
より形成される粒界相（例えば、粉末粒子間の相互拡散
により形成された相、あるいは焼結時に生ずる液相が粒
界付近で凝固したもの等）により調整セラミック成分の
粒子が覆われて、酸素との接触が回避ないし抑制される
ことが考えられる。一方、調整セラミック成分が１〜３
重量％の範囲内であれば、セラミック基体の焼結性がそ
れほど損なわれないため、焼結助剤の添加量を増やす必
要がなくなり、また添加量の微妙な調整も不要となる。

【００２４】調整セラミック成分の添加量が１重量％未
満になると、セラミック基体と抵抗発熱体との間の熱膨
張係数の差が大きくなり、抵抗発熱体に上記熱膨張係数
の差に基づく応力集中が起こってヒータの耐久性に問題
が生ずる場合がある。一方、３重量％を超えると、調整
セラミック成分に由来する酸化物の形成量が増大し、こ
れが昇華ないし蒸発することにより前述のポアが多数形
成されて、ヒータの耐久性に問題が生ずる場合がある。
また、セラミック基体の焼結性が低下するので、焼結助
剤の添加量を増加させなければならず、それに伴うセラ
ミック基体の耐熱性の低下が著しくなるとともに、焼結
助剤の添加量を微妙に調整しなければ、セラミック基体
の良好な焼結状態が得られなくなる問題も生ずる。それ
故、調整セラミック成分の添加量は１〜３重量％とさ
れ、さらに望ましくは２〜３重量％の範囲内で調整する
のがよい。

【００２５】調整セラミック成分としての金属硅化物、
金属炭化物、金属ホウ化物及び金属窒化物は、上記添加
量の範囲において熱膨張係数の調整効果が過不足なく達
成され、また化学的安定性が良好であることから、Ｗ、
Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒの各硅
化物、炭化物、ホウ化物及び窒化物の中から選定するこ
とが望ましい。また、基本セラミック成分は、セラミッ
ク基体として必要十分な耐熱衝撃性と抗折強度とを確保
する観点から、Ｓｉ₃Ｎ₄及びＡｌＮのいずれかを主体に
構成することが望ましい。

【００２６】上記構成において抵抗発熱体を、Ｍｏ珪化
物と窒化珪素とを主体とするＭｏ珪化物−窒化珪素系複
合セラミックで構成する場合、該Ｍｏ珪化物−窒化珪素
系複合セラミック中のＭｏ珪化物の含有重量Ｍ1と、窒
化珪素の含有重量Ｍ2との比Ｍ1／Ｍ2は、（２０／８
０）〜（８５／１５）の範囲で調整するのがよい。Ｍ1
／Ｍ2が（２０／８０）未満になると、抵抗発熱体とし
て必要な導電性を確保できなくなる。また、Ｍ1／Ｍ2が
（８５／１５）を超えると、抵抗発熱体の熱膨張係数が
大きくなりすぎ、セラミック基体側の熱膨張係数を最大
限に大きくなるよう調整しても、セラミックヒータの通
電耐久性を十分に確保できなくなる場合がある。Ｍ1／
Ｍ2は、望ましくは（４０／６０）〜（８５／１５）の
範囲で調整するのがよい。なお、Ｍｏ珪化物の含有重量
Ｍ1と窒化珪素の含有重量Ｍ2とを直接的に同定すること
が困難である場合には、Ｍｏ珪化物−窒化珪素系複合セ
ラミック中のＭｏ成分が全てＭｏＳｉ₂の形で存在する
と仮定して算出されるＭｏＳｉ₂の推定含有量Ｍ1と、同
じくその窒素成分が全てＳｉ₃Ｎ₄の形で存在すると仮定
して算出されるＳｉ₃Ｎ₄の推定含有量Ｍ2との比Ｍ1／Ｍ
2が、（２０／８０）〜（８５／１５）（望ましくは
（４０／６０）〜（８５／１５））となるように、Ｍｏ
成分及び窒素成分の含有量が調整されていればよい。

【００２７】また、基本セラミック成分は、所定の焼結
助剤成分あるいは不可避不純物等を含んでいてもよい。
焼結助剤成分は、Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｃａ
Ｏ、ＭｇＯ等の希土類酸化物あるいはアルカリ土類金属
酸化物で構成することができ、基本セラミック成分に対
する比率において、３〜１５重量％の範囲で添加するの
がよい。添加量が３重量％未満になるとセラミック基体
の焼結が不十分となる。一方、１５重量％を超えるとセ
ラミック基体の耐熱性が不足する。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照しつつ説明する。図１は、本発明に
係るセラミックヒータを使用したグロープラグを、その
内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープ
ラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ
１と、そのセラミックヒータ１の先端部２が突出するよ
うにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒
３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えてお
り、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金
属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合
されている。

【００２９】セラミックヒータ１の後端部には、金属線
により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端
が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウ
ジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着
されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング
４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたね
じ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４
に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジ
ング４に対して固定されている。また、ナット７と金属
ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれて
いる。そして、金属ハウジング４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５０を固定するた
めのねじ部５ａが形成されている。

【００３０】セラミックヒータ１は、図２に示すよう
に、一方の基端部から延び先端部で方向変換して他方の
基端部へ至る方向変換部１０ａと、その方向変換部１０
ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線部１０ｂと
を有するＵ字状の抵抗発熱体１０を備え、その各両端部
に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の一端が埋設
されるとともに、抵抗発熱体１０と電極部１１及び１２
の全体が、円形断面を有する棒状のセラミック基体１３
中に埋設されている。抵抗発熱体１０は、方向変換部１
０ａがセラミック基体１３の末端側に位置するように配
置されている。

【００３１】セラミック基体１３は、Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分
とするセラミック粉末に、Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃
等の希土類酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物等か
らなる焼結助剤成分を、４〜１５重量％の範囲で添加・
混合して焼結したものである。なお、セラミック基体１
３は、Ｓｉ₃Ｎ₄を主体とする基本セラミック成分中に、
調整セラミック成分として、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍ
ｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒの各硅化物、炭化物、ホウ化
物及び窒化物のなかから選ばれる１種ないし２種以上
（例えばＭｏＳｉ₂）を合計で１〜３重量％、望ましく
は２〜３重量％添加して、これを焼成したものとして構
成することもできる。

【００３２】また、抵抗発熱体１０は、導電性を有する
セラミック、例えばＷＣ、ＭｏＳｉ₂及びＭｏ₅Ｓｉ₃の
少なくともいずれかを主成分とする粉末及びＳｉ₃Ｎ₄を
主成分とする粉末に、セラミック基体１３に使用された
ものと同様の焼結助剤成分を、０．８〜１０．５の範囲
で添加・混合して焼結したものである。その焼結体組織
は、Ｓｉ₃Ｎ₄系基質（マトリックスセラミック相）中
に、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂及びＭｏ₅Ｓｉ₃の少なくともいず
れかを主成分とする導電性セラミック相粒子が分散した
ものとなっている。ここで、その焼結体組織において、
ある半径で仮想的な円を描き、該円内における導電性セ
ラミック相粒子の面積比率が６０％以上となっている場
合に、該円で囲まれた領域を導電性セラミック相粒子の
偏在部として定義し、その偏在部の最大径が５μｍを超
えないように調整される。なお、導電性セラミックの原
料粉末としてＭｏＳｉ₂を使用する場合、その一部が焼
成中に例えば焼結助剤等の影響によりＭｏ₅Ｓｉ₃に転化
する場合がある。従って、この場合には、ＭｏＳｉ₂及
びＭｏ₅Ｓｉ₃の混相状態が形成されることが多い。一
方、電極部１１及び１２はタングステンあるいはタング
ステン−レニウム合金等の高融点金属材料で構成され
る。

【００３３】次に、図２において、セラミック基体１３
の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域
に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法
（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該
金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう
付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接
合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１
の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成さ
れており、ここに結合部材５がろう付けされている。こ
のように構成することで、図示しない電源から、金属軸
６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介して抵抗発
熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒
３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジ
ンブロックを介して接地される。

【００３４】以下、セラミックヒータ１の製造方法につ
いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、抵抗発
熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した
金型３１に対し電極材３０を、その一方の端部が該キャ
ビティ３２内に入り込むように配置する。そしてその状
態で、導電性セラミック粉末、Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とする
粉末、焼結助剤粉末及びバインダを含有するコンパウン
ド３３を射出することにより、同図（ｂ）に示すよう
に、電極材３０とＵ字状の導電性セラミック粉末成形部
３４とが一体化された一体成形体３５を作成する。な
お、導電性セラミック粉末成形部３４はほぼ円形の断面
を有するように形成される。

【００３５】上記コンパウンド３３の調製は、例えば以
下のようにして行われる。まず、ＷＣあるいはＭｏＳｉ
₂等の導電性セラミック原料、Ｓｉ₃Ｎ₄原料及び焼結助
剤を配合する。そして、その配合物を、溶媒及びセラミ
ックボール等の粉砕メディアとともに粉砕機（例えば回
転式ボールミル、あるいはアトライターや振動ミルなど
の高エネルギーミル等）に投入し、配合した原料が目標
粒度となるように混合・粉砕する。ここで、その粉砕条
件（例えば、回転式のボールミルの場合は回転数、粉砕
時間、投入する溶媒ないし粉砕メディアの量など）は、
焼結体中の導電性セラミック粒子の偏在部の大きさが５
μｍ以下となるように調整される。例えば、導電性セラ
ミック原料としてＷＣを用いる場合、粉砕前の配合原料
において、Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末の粒径範囲が０．３〜２．
０μｍ、平均粒径が０．８μｍであり、ＷＣ原料粉末の
粒径範囲が０．５〜１４μｍ、平均粒径が１．８μｍで
ある場合に、ＷＣ原料粉末の含有比率によらず、粉砕後
における混合物の粒径範囲が０．１〜１．５μｍ、平均
粒径が０．７μｍとなるように粉砕条件設定を行うのが
よい。なお、粒度分布及び平均粒径は、レーザー解析法
を用いて測定することができる。

【００３６】粉砕が終了すれば、粉砕メディアと原料ス
ラリーとを分離し、さらにスラリー中の溶媒を蒸発させ
ることにより、導電性セラミック粉末が得られる。この
導電性セラミック粉末に、ワックスや樹脂により構成さ
れるバインダーを混練し、さらにその混練物を一定寸法
にペレタイジングすることで、射出成形用コンパウンド
が得られる。

【００３７】一方、セラミック基体１３を形成するセラ
ミック粉末には、所定量のバインダが添加され、その後
これを金型プレス成形することにより、図４（ａ）に示
すような、上下別体の分割予備成形体３６，３７とされ
る。これら分割予備成形体３６，３７は、上記一体成形
体３５に対応した形状の凹部３８がその合わせ面３９ａ
に形成されている。次いで、この凹部３８に一体成形体
３５を収容し、分割予備成形体３６，３７を該型合わせ
面３９ａにおいて型合わせする。そして、図５（ａ）に
示すように、その状態でこれら分割予備成形体３６，３
７及び一体成形体３５を、金型６１のキャビティ６１ａ
内に収容し、パンチ６２，６３を用いてプレス・圧縮す
ることにより、図５（ｂ）及び図６（ａ）に示すよう
に、これらが一体化された複合成形体３９が形成され
る。ここで、そのプレス方向は、分割予備成形体３６，
３７の合わせ面３９ａに対しほぼ直角に設定される。

【００３８】こうして得られた複合成形体３９は、まず
バインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約
８００℃）で仮焼され、図６（ｂ）に示す仮焼体３９’
とされる。続いて図５（ｂ）に示すように、この仮焼体
３９’が、グラファイト等で構成されたホットプレス用
成形型６５，６６のキャビティ６５ａ，６６ａにセット
される。仮焼体３９’は、炉６４内で両成形型６５，６
６の間で加圧されながら所定の温度（例えば約１８００
℃前後）で焼成されることにより、図６（ｃ）に示すよ
うな焼成体７０となる。このとき、図４（ｂ）に示す導
電性セラミック粉末成形部３４が抵抗発熱体１０を、分
割予備成形体３６，３７がセラミック基体１３をそれぞ
れ形成することとなる。また、各電極材３０はそれぞれ
電極部１１及び１２となる。

【００３９】ここで、仮焼体３９’は、図６（ｂ）に示
すように、分割予備成形体３６，３７の合わせ面３９ａ
に沿う方向に圧縮されながら焼成体７０となる。そし
て、図６（ｃ）に示すように、導電性セラミック粉末成
形部３４の直線部３４ｂは、その円状断面が上記圧縮方
向につぶれるように変形することにより、楕円状断面を
有した抵抗発熱体１０の直線部１０ｂとなる。次いで、
図６（ｄ）に示すように、焼成体７０の外周面に研磨等
の加工を施すことにより、セラミック基体１３の断面が
円形に整形されて最終的なセラミックヒータ１となる。

【００４０】なお、図７に示すように、セラミック基体
粉末の成形体に対し、導電性セラミック粉末のペースト
を用いて発熱体形状をパターン印刷し、これを焼成する
ことによりその印刷パターンを焼結して、抵抗発熱体１
０とするようにしてもよい。

【００４１】また、本発明のセラミックヒータは、グロ
ープラグに限らず、バーナ着火用あるいは酸素センサ用
の加熱素子等に使用することもできる。

【００４２】

【実施例】上述の方法により、図２に示す形状の各種セ
ラミックヒータ１を作成した。なお、抵抗発熱体１０に
おけるＷＣ成分の含有量を３０〜８０重量％の範囲で調
整した（実施例１〜４）。また、ホットプレス焼成は、
１７５０℃、３００ｋｇ／ｃｍ²で３０分行った。セラ
ミックヒータは各組成ごとに２本ずつ作成し、そのうち
の１本を切断して、その抵抗発熱体部分の断面を研磨
後、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという）を用いてそ
の研磨面におけるＷＣ系粒子の凝集状況を観察するとと
もに、ＷＣ系粒子が、面積率（すなわち体積比率）にお
いて６０％以上存在している領域を本発明でいう偏在部
とみなした。実施例１〜４のセラミックヒータについて
は、その偏在部の最大寸法はいずれも５μｍ以下となっ
ていた。一方、比較のために、ＷＣ成分が３０重量％未
満のもの及び８０重量％を超えるもの（比較例１及び
２）も合わせて作成した。なお、これら比較例のセラミ
ックヒータについては、ＷＣ系粒子の偏在部のうち最大
のものの大きさが５μｍを超えるように、具体的には８
〜１０μｍとなるように設定された。

【００４３】これらセラミックヒータに対し、以下の方
法により通電耐久性試験を行った。すなわち、セラミッ
クヒータに対し一定の電圧により通電し、１４００℃に
温度が平衡してから５分保持した後、通電を停止して１
分保持する工程を１サイクルとして、各セラミックヒー
タ毎にこれを１００００サイクル繰返し、その段階で１
回目の通電時よりも１５０℃以上の発熱温度の低下が見
られたものを不良、そうでなかったものを良とすること
により判定した。結果を表２に示す。なお、表２には、
抵抗発熱体の組成を示しているが、これは該抵抗発熱体
中のＷ、Ｓｉ及びＹの各成分の含有量をＩＣＰ発光分光
分析法により求め、これをもとに、Ｗ成分が全てＷＣの
形で存在し、Ｓｉ成分が全てＳｉ₃Ｎ₄の形で存在し、Ｙ
成分が全てＹ₂Ｏ₃の形で存在していると仮定して算出さ
れるＷＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄及びＹ₂Ｏ₃の推定含有量で表してい
る。

【００４４】

【表２】

【００４５】すなわち、実施例のセラミックヒータにつ
いてはいずれも良好な通電耐久性を示したのに対し、比
較例１のセラミックヒータは通電耐久性が不十分であっ
た。このことは、比較例１のセラミックヒータにおいて
は、ＷＣ含有量が多すぎて焼結が十分進行しなかった結
果、抵抗発熱体はその強度が不足し、加えてＷＣ粒子の
偏在部の寸法が大きいことから、その周囲部分との間で
熱膨張係数差に基づき比較的大きな応力が発生して、抵
抗発熱体が破損・断線に至ったためと推測される。一
方、ＷＣ含有量の少ない比較例２のセラミックヒータに
ついては電気抵抗が高すぎ、十分な発熱が得られなかっ
た。

【００４６】図８は、実施例３のセラミックヒータの、
抵抗発熱体部分のＳＥＭ組織写真を示す（倍率は、図中
に記載している）。組織中、白っぽく表われている部分
がＷＣ系粒子に、黒っぽく表われている部分がＳｉ₃Ｎ₄
系基質に対応していると考えられる。ＷＣ系粒子は比較
的均一に分散しており、５μｍを超える偏在部は観察さ
れない。一方、図９は、比較例１のセラミックヒータの
抵抗発熱体部分のＳＥＭ組織写真を示しており、ＷＣ系
粒子のかなり大きい偏在部（寸法１０μｍ程度）が形成
されていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープ
ラグの一例を示す正面部分断面図。

【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。

【図３】セラミックヒータの製造工程説明図。

【図４】図３に続く工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】本発明のセラミックヒータの製造方法におけ
る、複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模式
図。

【図７】本発明のセラミックヒータの変形例を示す断面
図。

【図８】実施例のセラミックヒータの、抵抗発熱体の断
面組織を示すＳＥＭ写真。

【図９】比較例のセラミックヒータの、抵抗発熱体の断
面組織を示すＳＥＭ写真。

【図１０】抵抗発熱体を構成する導電性セラミック成分
の抵抗温度係数と、得られるセラミックヒータの昇温特
性との関係を概念的に示す説明図。

【図１１】図１０に続く説明図。

【符号の説明】

１セラミックヒータ１０抵抗発熱体１３セラミック基体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基体中に、セラミック導電材
料からなる抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにお
いて、前記セラミック導電材料は、該セラミック導電材
料の一断面において、マトリックスセラミック相中に導
電性セラミック相粒子が分散した構造を有し、かつ該導
電性セラミック相を３０〜８０重量％の範囲で含有する
とともに、前記セラミック導電材料の一断面において、
ある半径で仮想的な円を描き、該円内における前記導電
性セラミック相粒子の面積比率が６０％以上となってい
る場合に、該円で囲まれた領域を前記導電性セラミック
相粒子の偏在部として定義し、その偏在部の最大径が５
μｍを超えないことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】前記導電性セラミック相は、Ｗ、Ｔａ、
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒの各珪化物、
炭化物、ホウ化物及び窒化物のなかから選ばれる１種又
は２種以上を主成分とするものである請求項１記載のセ
ラミックヒータ。
【請求項３】前記導電性セラミック相は、Ｗ炭化物及
びＭｏ珪化物の少なくともいずれかを主成分とするもの
である請求項２記載のセラミックヒータ。
【請求項４】前記導電性セラミック相はＭｏ珪化物を
含有し、かつ該Ｍｏ珪化物はＭｏＳｉ₂相とＭｏ₅Ｓｉ₃
相との少なくともいずれかを主体とするものである請求
項３記載のセラミックヒータ。
【請求項５】前記導電性セラミック相の前記抵抗発熱
体中での含有率は、３０〜８０重量％の範囲で調整され
ている請求項３又は４に記載のセラミックヒータ。
【請求項６】前記セラミック基体は、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＡ
ｌＮのいずれかを主成分とするものである請求項１ない
し５のいずれかに記載のセラミックヒータ。