JP3144535B2

JP3144535B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP3144535B2
Application number: JP18438495A
Authority: JP
Inventors: 恒夫伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: JPH0935854A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性焼結体の内
部に無機導電材からなる棒状のセラミック発熱体を埋設
してなるセラミックヒータに関するもので、内燃機関
（例えば、ディーゼルエンジン等）の始動補助装置とし
て用いられるグロープラグや、センサの加熱手段、暖房
装置の加熱手段等に用いられる技術である。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばグロープラグには、図６に
示されるセラミックヒータ１００が用いられている。こ
のセラミックヒータ１００は、無機導電材である発熱コ
イル１０１（タングステン線をコイル状に形成したも
の）を略Ｕ字形に設け、絶縁性焼結体１０２（例えば、
窒化硅素質焼結体）の内部に埋設したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このセラミックヒータ
１００は、図４に示すように、定電圧（例えば、１１
Ｖ）に対して過電圧（例えば、１４Ｖ）が印加された場
合、発熱コイル自身が自己温度制御機能を有さないた
め、定格温度（実線Ａで示すように、例えば１１００
℃）に対して高温（実線αで示すように、例えば１５０
０℃）に昇温し、発熱コイル１０１の耐久性が劣化する
不具合があった。

【０００４】この種の不具合を解決する手段として、抵
抗値の異なる材質よりなる２種類の発熱コイルを接合
し、抵抗値の小さい発熱コイルに自己温度制御機能を持
たせる技術が知られている。しかるに、接合された発熱
コイル自身に自己温度制御機能を持たせるためには、上
述のように、２種類の発熱コイルを接合するために、部
品点数が増加するとともに、製造工程が増加して作業性
が劣化するとともに、製造コストが増加する要因となる
不具合があった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、２種類の発熱コイルを接合するこ
となく、自己温度制御機能をもたせて過電圧印加時にお
ける温度上昇を抑えることのできるセラミックヒータの
提供にある。

【０００６】

〔請求項１の手段〕

セラミックヒータは、半断面における先端側が略半円状
を呈し、絶縁性焼結体の内部に無機導電材からなる棒状
のセラミック発熱体を埋設してなる。そして、前記セラ
ミックヒータの先端側で前記セラミック発熱体の略Ｕ字
状を呈する棒状の主要発熱部が配置され、該主要発熱部
に続けて前記主要発熱部よりも断面積が大きい棒状の主
要抵抗部が配置されていることを特徴とする。

【０００７】〔請求項２の手段〕請求項１のセラミックヒータにおいて、前記セラミック
発熱体の棒状の主要抵抗部の断面積は、棒状の主要発熱
部の断面積より大きく、且つ前記主要発熱部の断面積の
１０倍以下に設けられたことを特徴とする。

【０００８】〔請求項３の手段〕請求項１または請求項２のセラミックヒータにおいて、
前記セラミック発熱体は、棒状の主要発熱部の先端から
棒状の主要抵抗部までの長さＬ1 と、主要抵抗部の長さ
Ｌ2 との比が、Ｌ1 ：Ｌ2 ＝１：１〜３であることを特
徴とする。

【０００９】〔請求項４の手段〕請求項１ないし請求項
３のいずれかに記載のセラミックヒータは、内燃機関の
始動補助装置として使用されるグロープラグの発熱手段
として用いられたことを特徴とする。

【００１０】

【発明の作用および効果】請求項１のセラミックヒータ
は、棒状のセラミック発熱体の断面積を変化させること
で、抵抗値の大きい部分と、抵抗値の小さい部分とが生
じ、結果的に棒状のセラミック発熱体の断面積の大きい
部分（抵抗値の小さい部分）が自己温度制御機能を奏す
る。このため、過電圧が印加された際におけるセラミッ
クヒータの温度上昇を抑えることができる。また、棒状
のセラミック発熱体を絶縁性焼結体の内部に埋設するこ
とにより、セラミック発熱体の強度不足を補い、長時間
の連続稼働が可能になる。このように、セラミックヒー
タは、セラミックヒータの耐久性を延ばし、信頼性を高
めることができる。

【００１１】また、棒状のセラミック発熱体の断面積を
変化させることで、抵抗値の大きい部分と、抵抗値の小
さい部分とを作るため、１つの材質で自己温度制御機能
を持つ主要抵抗部と、発熱機能を持つ主要発熱部とを設
けることができる。このため、従来のように、抵抗値の
異なった材質の発熱コイルを接合することがなく、部品
点数の減少および作業工程の低減によって、製造コスト
を抑えることができる。

【００１２】なお、請求項２を採用することで、粉末内
でプレス成形される前の状態における焼成前の棒状のセ
ラミック発熱体は、主要抵抗部の断面積が、主要発熱部
の断面積より大きく、かつ主要発熱部の約１０倍の断面
積以下に設けられる。主要抵抗部の断面積を主要発熱部
の断面積より大きく設けることにより、断面積の大きい
主要抵抗部の抵抗値が、断面積の小さい主要発熱部の抵
抗値よりも小さくなり、断面積の大きい主要抵抗部によ
って自己温度制御機能を持たせることができるためであ
る。

【００１３】主要抵抗部の断面積を、主要発熱部の断面
積の約１０倍より大きく設けると、主要抵抗部の抵抗値
が小さくなりすぎ、自己温度制御機能がなくなる。ま
た、焼成前の棒状のセラミック発熱体は、比較的壊れや
すいため、主要抵抗部の断面積を、主要発熱部の断面積
の約１０倍より大きく設けると、棒状のセラミック発熱
体の重量バランスによって、棒状のセラミック発熱体に
亀裂や破損が生じ易い。そして、主要抵抗部の断面積
を、主要発熱部の断面積の１０倍以下に設けることによ
り、亀裂や破損が生じ難く、焼成前の棒状のセラミック
発熱体の取扱が容易となり、製造作業が容易となる。

【００１４】請求項３を採用し、Ｌ2 ／Ｌ1 ≧１とする
ことで、主要抵抗部の抵抗値が有効に機能し、自己温度
制御機能が顕著になる。また、Ｌ2 ／Ｌ1 ＞３である
と、全体の抵抗値が大きくなり、温度上昇が遅くなる。

【００１５】また、請求項４を採用することにより、自
己温度制御機能を持たせ、かつ製造コストの低いセラミ
ックヒータがグロープラグに採用でき、結果的に、グロ
ープラグの信頼性が向上し、かつコストを抑えることが
できる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明のセラミックヒータを内燃機関
の始動補助装置として使用されるグロープラグの発熱手
段として用いた実施例を、図面を用いて説明する。〔第１実施例の構成〕図１ないし図５は実施例を説明す
る図面で、図１はグロープラグの断面図、図２は粉末内
でプレス成形される前における棒状のセラミック発熱体
の側面図、図３はセラミックヒータの斜視図である。

【００１７】グロープラグ１は、内燃機関に締結される
略筒状の主体金具２、この主体金具２に挿入されるとと
もに一部が主体金具２の外部へ突出するセラミックヒー
タ３、このセラミックヒータ３のアース電極４を主体金
具２にアース接地させるとともにセラミックヒータ３を
先端側内部に固着する金属外筒５、主体金具２内に配置
されてセラミックヒータ３の通電電極６に接続するリー
ドコイル７、このリードコイル７に接続される端子中軸
８、この端子中軸８を主体金具２内に絶縁保持させるガ
ラスシール９等から構成される。

【００１８】主体金具２は、周囲に締結用のネジ２ａ、
および締結用の六角部２ｂを備えた筒状金属体で、内燃
機関に締結されることで、車両にアース接地される。セ
ラミックヒータ３は、後述する製造方法によって製造さ
れるもので、略棒状の窒化硅素質焼結体１１（窒化硅素
を主体とした絶縁性焼結体）の内部に、略Ｕ字形に形成
された棒状のセラミック発熱体１２を埋設してなる。

【００１９】棒状のセラミック発熱体１２は、発熱素材
を略Ｕ字型に射出成形した後に焼結されたもので（製造
方法は後述する）、先端側で略Ｕ字を呈する断面積が小
さい主要発熱部１２ａと、この主要発熱部１２ａより断
面積が大きい主要抵抗部１２ｃとからなる一体なもの
で、この主要抵抗部１２ｃにおける主要発熱部１２ａと
の接続部分にはテーパ部１２ｂが設けられている。

【００２０】棒状のセラミック発熱体１２は、主要抵抗
部１２ｃの断面積が、主要発熱部１２ａの断面積より大
きく、且つ主要発熱部１２ａの断面積の１０倍以下に設
けられている。棒状のセラミック発熱体１２は、図２に
示すように、主要発熱部１２ａの先端から主要抵抗部１
２ｃまでの長さＬ1 と、テーパ部１２ｂを含む主要抵抗
部１２ｃの長さＬ2 との比が、Ｌ1 ：Ｌ2 ＝１：１〜３
の関係を満足することが望ましい。なお、Ｌ2 ／Ｌ1 ≧
１とすることで、主要抵抗部１２ｃの抵抗値が下がり、
自己温度制御機能が顕著になる。また、Ｌ2 ／Ｌ1 ＞３
の場合は、セラミック発熱体１２全体の抵抗値が大きく
なり、温度上昇が遅くなる不具合が生じる。

【００２１】本実施例では、主要発熱部１２ａの断面積
が約０．８ｍｍ²、テーパ部１２ｂを除く主要抵抗部１
２ｃの断面積が約３．２ｍｍ²に設けられ、Ｌ1 ＝３ｍ
ｍ、Ｌ2 ＝８ｍｍに設けられている。また、セラミック
ヒータ３の先端から、主要発熱部１２ａの先端までの距
離αは１ｍｍに設けられ、セラミックヒータ３の外径寸
法βは直径３．５ｍｍに設けられている。

【００２２】また、棒状のセラミック発熱体１２は、定
格電圧（例えば１１Ｖ）が印加された場合に、主要発熱
部１２ａ近傍のセラミック発熱体１２の表面温度は放射
温度計による測定で１０００℃以上（例えば、１１００
℃）の定格温度に昇温し、主要抵抗部１２ｃ近傍のセラ
ミック発熱体１２の表面温度は放射温度計による測定で
１０００℃未満となるように設けられている。

【００２３】さらに、棒状のセラミック発熱体１２の両
端には、上述の通電電極６およびアース電極４がそれぞ
れ接続されており、この通電電極６およびアース電極４
も窒化硅素質焼結体１１内に埋設されている。なお、通
電電極６は、セラミックヒータ３の端部（棒状のセラミ
ック発熱体１２とは異なった側）において周囲に露出
し、アース電極４は、セラミックヒータ３の中間の外周
において周囲に露出する。

【００２４】金属外筒５は、セラミックヒータ３の中間
外周に固着されるとともに、主体金具２の先端内に固着
されて、主体金具２内にセラミックヒータ３を保持する
機能と、セラミックヒータ３のアース電極４を主体金具
２にアース接地する機能とを果たす。

【００２５】リードコイル７は、主体金具２内において
絶縁配置されて、通電電極６と端子中軸８とを接続する
もので、通電電極６と端子中軸８とに溶接によって接合
されている。端子中軸８は、外部の通電回路より通電を
受ける接続端子で、図示しない接続具を端子中軸８に固
定するためのナット８ａを備える。なお、端子中軸８に
装着された絶縁体８ｂは、図示しない接続具と主体金具
２とを絶縁させる絶縁リングである。ガラスシール９
は、主体金具２の端部の内側において端子中軸８を絶縁
保持するためのものである。

【００２６】次に、グロープラグ１の製造方法を説明す
る。なお、使用される数値や材質は一例であって、用い
られる数値や材質に本願発明が限定されるものではな
い。

【００２７】１）平均粒径が０．５μｍのＷ、Ｔａ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒより選ばれた少
なくとも１種類以上の硅化物、炭化物あるいは窒化物
（例えば、炭化タングステン＝ＷＣ、窒化タンタル＝Ｔ
ａＮ）からなる主体原料に、焼結剤（例えば、窒化硅
素）と、焼結助剤（例えば、Ｙ₂Ｏ₃、Ａ1₂Ｏ₃）とを
添加し、所定時間（例えば、７２時間）に亘って湿式粉
砕混合する（第１行程）。

【００２８】２）第１行程で得られた泥しょうを容器に
空けて所定時間（例えば、１２時間）に亘って乾燥する
（第２行程）。３）第２行程で得られた粉末を混練ニーダー中で、数種
のバインダーを添加し、３時間に亘って混練する（第３
行程）。４）第３行程で得られた混練物を、ペレタイザーにて約
１ｍｍ粒に粉砕する（第４行程）。

【００２９】５）第４行程で得られた造粒物を、射出成
形機にて、立体のＵ字状に形成する。なお、この射出成
形機にて成形される成形物（焼成前の棒状のセラミック
発熱体１２）は、焼結後に、主要抵抗部１２ｃの断面積
が主要発熱部１２ａの断面積より大きく、且つ主要発熱
部１２ａの断面積の１０倍以下となるように設けられ
る。具体的な一例を示すと、焼結前における主要抵抗部
１２ｃの最大径が、主要発熱部１２ａの最小径より大き
く、且つ最小径の約３倍の径以下に設けられる。そし
て、射出成形された焼成前のセラミック発熱体１２の端
部に、通電端子とアース端子とをそれぞれ接続する（第
５行程）。以上の行程によって、焼成前の棒状のセラミ
ック発熱体１２が製造される。

【００３０】６）平均粒径が０．７μｍの窒化硅素を主
要材料とし、Ｙ₂Ｏ₃、Ａ1₂Ｏ₃粉末を添加し、粉末を
湿式粉砕混合し、バインダーを加えた後、スプレードラ
イにより混合粉末を得る（第６行程）。７）第６行程で得られた混合粉末中に、先に作成した焼
成前の棒状のセラミック発熱体１２を埋設し（図３参
照）、プレス成形した後、ホットプレス法で、１７５０
℃、３００ｋｇ／ｃｍ²の条件下で３０分に亘って焼成
して焼結体を得る（第７行程）。

【００３１】８）第７行程で得られた焼成体を、略棒状
に研磨し、セラミックヒータ３の外形を仕上げるととも
に、通電端子とアース端子を外部に露出させる（第８行
程）。以上の行程によって、窒化硅素質焼結体１１内に
棒状のセラミック発熱体１２が埋設されたセラミックヒ
ータ３が完成する。

【００３２】９）次に、完成されたセラミックヒータ３
に、金属外筒５およびリードコイル７をろう付け接合す
る（第９行程）。１０）リードコイル７の端を端子中軸８と溶接した後、
主体金具２内に金属外筒５をろう付けし、ガラスシール
９によって端子中軸８を主体金具２内に絶縁保持させる
（第１０行程）。１１）最後に、端子中軸８に絶縁体８ｂを装着した後、
ナット８ａを端子中軸８にねじ込む。以上の行程によっ
て、異なった断面積を備える棒状のセラミック発熱体１
２を用いたセラミックヒータ３を採用したグロープラグ
１が完成する。

【００３３】〔実験結果〕上記実施例のセラミックヒー
タ３と、図６で示した従来技術のセラミックヒータ１０
０（１種類の発熱コイル１０１によって発熱部を構成す
るもの）とを用いて、過電圧の印加に対する昇温テスト
および耐久テストを行なった。その結果を図４および図
５に示す。

【００３４】過電圧の印加に対する昇温テストは、定電
圧が例えば１１Ｖであるのに対して、１４Ｖの過電圧を
セラミックヒータ３、１００に印加し、上昇した温度を
測定した。なお、定電圧での定格温度は実線Ａで示すよ
うに約１１００℃である。従来技術のセラミックヒータ
１００は、過電圧が印加された場合、実線αで示すよう
に、約１５００℃に昇温した。これに対し、本実施例の
セラミックヒータ３は、過電圧が印加された場合、実線
Ｂで示すように、約１３５０℃に昇温した。

【００３５】このように、本実施例のセラミックヒータ
３は、過電圧（１４Ｖ）が印加された際、従来に比較し
て約１５０°温度低下効果がある。なお、主要抵抗部１
２ｃの自己温度制御機能は、主要発熱部１２ａの断面積
に対し、主要抵抗部１２ｃの断面積が約４倍の時（焼成
前のプレス成形前において、主要抵抗部１２ｃとなる最
大径が、主要発熱部１２ａとなる最小径の約２倍の時）
に最良となる。

【００３６】耐久テストは、１４Ｖの過電圧を４分間印
加し、１分間OFF するサイクルを繰り返してセラミック
ヒータ３、１００に与え、断線が発生するまでのサイク
ル数を測定した。この耐久テストにおける従来技術のセ
ラミックヒータ１００は、図５のグラフＣに示すよう
に、約５０００サイクル目で断線が発生した。これに対
し、本実施例のセラミックヒータ３は、グラフＤに示す
ように、約１５０００サイクル目で断線が発生した。こ
のように、本実施例のセラミックヒータ３は、過電圧
（１４Ｖ）が印加された耐久テストを行った際、従来に
比較して約３倍寿命が延びる効果がある。

【００３７】なお、主要抵抗部と主要発熱部の断面積比
を等倍〜１０倍まで種々変更したものを試験したとこ
ろ、本実施例である４倍において最も温度低下効果が大
きく、等倍及び１０倍の場合に従来技術のセラミックヒ
ータとほぼ同一であった。即ち、等倍及び１０倍の場合
には、過電圧時の温度低下がほとんどなく、耐久テスト
における断線発生サイクルも約５０００サイクルであっ
た。

【００３８】〔実施例の効果〕本実施例のグロープラグ
１に使用されるセラミックヒータ３は、棒状のセラミッ
ク発熱体１２の断面積を、主要発熱部１２ａと、テーパ
部１２ｂを含む主要抵抗部１２ｃとに変化させることに
よって、抵抗値の大きい主要発熱部１２ａと、抵抗値の
小さい主要抵抗部１２ｃとが生じ、結果的に断面積の大
きい部分（抵抗値の小さい部分）の主要抵抗部１２ｃが
自己温度制御機能を奏する。このため、過電圧に対する
昇温テストで示したように、過電圧が印加された際にお
けるセラミックヒータ３の温度上昇を抑えることがで
き、結果的に耐久テストで示したように、セラミックヒ
ータ３の寿命が伸び、このセラミックヒータ３を使用す
るグロープラグ１の信頼性を高めることができる。

【００３９】また、棒状のセラミック発熱体１２の断面
積を、主要発熱部１２ａと主要抵抗部１２ｃとに変化さ
せることで、断面積が大きく、抵抗値の小さい主要抵抗
部１２ｃで自己温度制御機能を持たせることができる。
このため、従来のように、抵抗値の異なった材質の発熱
コイルを接合することがなく、部品点数の減少および作
業工程の低減によって、セラミックヒータ３の製造コス
トを抑えることができ、結果的にこのセラミックヒータ
３を使用するグロープラグ１のコストを抑えることがで
きる。

【００４０】さらに、焼成前の棒状のセラミック発熱体
１２は、比較的壊れやすいが、最大径（主要抵抗部１２
ｃ）を最小径（主要発熱部１２ａ）の約３倍の径以下
（焼結後においては主要発熱部１２ａの断面積に対して
主要抵抗部１２ｃの断面積を１０倍以下）に設けたた
め、主要抵抗部１２ｃと主要発熱部１２ａとの重量差が
小さく、焼結前の棒状のセラミック発熱体１２の重量バ
ランスによって焼結前の棒状のセラミック発熱体１２に
亀裂や破損が生じ難い。このため焼成前の棒状のセラミ
ック発熱体１２の取扱が容易となり、製造作業が容易と
なる。

【００４１】〔変形例〕上記の実施例では、本発明のセ
ラミックヒータをグロープラグに適用した例を示した
が、暖房用のセラミックヒータや、センサ用のセラミッ
クヒータ、産業用機器に使用される局部加熱用のセラミ
ックヒータなど、他のセラミックヒータに適用しても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】グロープラグの半断面図である（実施例）。

【図２】セラミックヒータの断面図である（実施例）。

【図３】セラミックヒータの斜視図である（実施例）。

【図４】昇温テストの結果を示すグラフである（実施
例）。

【図５】耐久テストの結果を示すグラフである（実施
例）。

【図６】セラミックヒータの断面図である（従来技
術）。

【符号の説明】

１グロープラグ３セラミックヒータ１１窒化硅素質焼結体（絶縁性焼結体）１２棒状のセラミック発熱体１２ａ主要発熱部１２ｃ主要抵抗部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半断面における先端側が略半円状を呈
し、絶縁性焼結体の内部に無機導電材からなる棒状のセ
ラミック発熱体を埋設してなるセラミックヒータにおい
て、前記セラミックヒータの先端側で前記セラミック発
熱体の略Ｕ字状を呈する棒状の主要発熱部が配置され、
該主要発熱部に続けて前記主要発熱部よりも断面積が大
きい棒状の主要抵抗部が配置されていることを特徴とす
るセラミックヒータ。
【請求項２】請求項１のセラミックヒータにおいて、
前記セラミック発熱体の棒状の主要抵抗部の断面積は、
棒状の主要発熱部の断面積より大きく、且つ前記主要発
熱部の断面積の１０倍以下に設けられたことを特徴とす
るセラミックヒータ。
【請求項３】請求項１または請求項２のセラミックヒ
ータにおいて、前記セラミック発熱体は、棒状の主要発
熱部の先端から棒状の主要抵抗部までの長さＬ1 と、主
要抵抗部の長さＬ2 との比が、Ｌ1 ：Ｌ2 ＝１：１〜３
であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載のセラミックヒータは、内燃機関の始動補助装置とし
て使用されるグロープラグの発熱手段として用いられた
ことを特徴とするセラミックヒータ。