JP4018998B2

JP4018998B2 - Ceramic heater and glow plug

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Publication number: JP4018998B2
Application number: JP2003049437A
Authority: JP
Inventors: 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004259610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータおよび、それを用いたグロープラグに関する。詳しくは、本発明は石油ファンヒーターの着火用ヒータなどに使用されるセラミックヒータ、またはその他の加熱に用いられるセラミックヒータおよびディーゼルエンジンの始動促進用などに使用されるグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特許文献１などに開示されているように、図３に示す略棒状のセラミックヒータ３２の一端側を筒状体３４に密着するように挿入して使用する、ディーゼルエンジン用のグロープラグ３０が知られている。グロープラグ３０は、グロープラグ本体３１、中軸３３、筒状体３４およびセラミックヒータ３２を備える。また、このセラミックヒータ３２は、中軸３３を介してグロープラグ本体３１に電気的に接続されている。さらに、セラミックヒータ３２の一端側はグロープラグ本体３１および筒状体３４によって覆われて保護されている。
【０００３】
このようなグロープラグ３０に用いられるセラミックヒータ３２は、電圧印加時に基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ３２の根元部分の温度差が大きくなることによる熱衝撃や、腐蝕雰囲気でかつ、１０００℃以上の高温で用いられるため、筒状体３４によって覆われていない露出部分の基体の損傷が激しく、セラミックヒータ３２の強度が低下したり、耐久性が劣化したりする問題があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１３２９４９号公報（第５頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年燃焼効率の向上のため、ますますグロープラグ３０の急速昇温化が要求されるようになってきた。そのため、特にグロープラグ３０への電圧印加時に急速にセラミックヒータ３２が昇温するため、筒状体３４によって覆われていない露出部分の基体の温度分布が悪くなり、このときの温度差による熱衝撃によって基体の損傷が大変起こりやすくなってきた。特に、露出するセラミックヒータ３２の根元部分（図３における部位Ｃ）から亀裂が生じ、破損することも多々あった。このため、セラミックヒータに対して、これまで以上に耐熱衝撃性を備えることが望まれている。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、基体の温度分布を均一にして、基体の耐熱衝撃性を向上させたセラミックヒータおよび、このセラミックヒータを用いて、急速に昇温しても十分な耐久性を有するグロープラグを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持するとともに、棒状基体の少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、電気絶縁性膜の厚さが薄くなっている。
【０００８】
これにより電圧を印加した際、発熱体から発生する熱を棒状基体の先端から逃げにくくし、棒状基体の他端へ効率的に伝えることができ、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして、均一化することができるので、熱衝撃を受けにくくなる。
【０００９】
また、電気絶縁性セラミックスは窒化物セラミックスとすることが望ましい。窒化物セラミックスは、他のセラミックスより熱伝導率が高く、棒状基体の先端から他端側へ効率的に熱を伝えることができ、棒状基体の先端から他端側への温度差を小さくすることができるからである。そして、窒化物セラミックスの中でも窒化ケイ素質セラミックスとすることにより、高温強度や熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。
【００１０】
さらに、電気絶縁性セラミックスは窒化物セラミックスとしたときは、電気絶縁性膜をシリカ膜とすることが望ましい。シリカ膜はほとんどの窒化物セラミックスよりも熱伝導率が低く、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして均熱化する効果が高いからである。さらに、棒状基体を構成する電気絶縁性セラミックスとして窒化ケイ素質セラミックスや炭化ケイ素セラミックスなどのケイ素を含有するセラミックス材料を用いた場合、棒状基体の内部に埋設されている抵抗発熱体を用いて、大気中で加熱するという極めて簡単な操作で、シリカ膜を棒状基体の表面に設けることができるという特徴を有する。
【００１１】
そして、電気絶縁性膜の棒状基体周方向における厚みばらつきを１２％以下とすることが望ましい。これは厚みばらつきが１２％を超えると周方向の温度分布が悪化し、電圧印加時の繰り返し熱衝撃により発熱体への負荷が大きくなることから、発熱体が抵抗変化を起こしセラミックヒータの性能が劣化する恐れがあるためである。
【００１２】
なお、ここでいう電気絶縁性膜の棒状基体の周方向の厚みばらつきは、以下のように測定する。棒状基体の先端部から根元部までの間で任意の点において、棒状基体の外周面を周方向に均等に８点選び、その部分の電気絶縁性膜の厚みを測定し、最大値と最小値の差を８点の平均値で割ったものを周方向の厚みばらつきと定める。また、厚みの測定は、同じ条件で電気絶縁性膜を作製した同一形状のリファレンスの試料の表面を破断することによって測定を行う。
【００１３】
さらに、本発明のセラミックヒータの製造方法は、棒状基体の先端から他端側に向けて、基体表面の温度が低くなるように温度勾配を設けた状態で、電気絶縁性膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
棒状基体の先端から他端側に向けて、基体表面の温度が低くなるように温度勾配を設ける方法は、棒状基体を嵌装した筒状体根元部に熱伝導性のよいヒートシンクブロックなどを装着し、棒状基体に埋設されたセラミックヒータに通電して棒状基体を昇温すればよい。このとき、棒状基体と外部との熱の出入りが飽和した平衡状態になるようにすると、筒状体の根元部からは、上記ヒートシンクブロックを介して熱が外部に激しく流出するため、棒状基体は、ちょうど先端部から根元部に向けて表面の温度勾配が低くなった状態で安定する。
【００１５】
このように、棒状基体の先端部から根元部に向けて温度勾配が低くなった状態とし、この状態で電気絶縁性膜の形成を行うことにより、棒状基体の先端から他端側の根元部方向に向かうにつれて、形成される膜の厚さを薄くすることができる。
【００１６】
例えば、電気絶縁性膜としてシリカの酸化膜を窒化ケイ素製の棒状基体に形成する場合、最も温度が高い棒状基体の先端で、酸化の速度が大きく、他の部分に比べて酸化膜が厚くなり、先端から他端側に向かうにつれて、酸化膜の厚さを薄くすることができる。
【００１７】
その他、ＣＶＤなどによって電気絶縁性膜を棒状基体の表面に成膜する場合にも、最も温度が高い棒状基体の先端で、反応速度が大きく、他の部分に比べて膜を厚く成膜することが可能となる。
【００１８】
また特に、電圧印加直後は、棒状基体の先端の発熱体が急速に加熱され、棒状基体表面の温度勾配が、非常に大きくなるため、電気絶縁性膜の形成速度の勾配も大きい。したがって、電圧印加−所定時間経過後電圧切断−所定時間経過後電圧印加のサイクルを適度に調整することにより、棒状基体表面の電気絶縁性膜の膜厚の勾配をコントロールすることが可能となる。
【００１９】
また、本発明のグロープラグは、本発明のセラミックヒータにグロープラグ本体を取り付けたことを特徴とする。本発明のセラミックヒータは、棒状基体の先端と他端側との温度差を小さくして、均熱化する効果を有していることから、本発明のセラミックヒータが備えられた本発明のグロープラグでは、動作中も表面の温度は均一に保たれるため、熱衝撃を受けにくくなる。したがって、セラミックヒータの強度が低下したり、耐久性が劣化したりすることを防ぐことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明のセラミックヒータの断面図である。セラミックヒータ１０は棒状基体１１、抵抗発熱体１２、給電部１３ａおよび１３ｂ、筒状体１４を備える。棒状基体１１は窒化ケイ素質セラミックスからなり、先端側の内部に抵抗発熱体１２を埋設するとともに、他端側に給電部１３ａ、１３ｂを表面に露出させて保護する。さらに、棒状基体１１は給電部１３ａ、１３ｂが存在する側の端部が筒状体に嵌装されて保持されている。
【００２２】
抵抗発熱体１２はＵ字形の棒状体であり、棒状基体１１内に埋設される形で配設されている。さらに、この抵抗発熱体１２は導電成分、抵抗温度係数を調節するための調整成分、および絶縁成分であるセラミック成分を含有している。また、給電部１３ａ、１３ｂは図１に示すように、セラミックヒータ１０外から供給される電力を棒状基体１１内の抵抗発熱体１２へ給電できるように、それぞれの端部は棒状基体１１の表面に配設され、他端部はそれぞれ抵抗発熱体１２の端部に接続されている。
【００２３】
また、筒状体１４はステンレスなどの導電材料によって形成され、棒状基体１１を嵌装し、ロウ付けなどにより固着されている。また、給電部１３ａと筒状体１４は互いに電気的に接触し、筒状体１４自体が接地電極としての作用を有しているため、筒状体１４を他の部材に取り付けたときに、筒状体１４自体を介して、給電することが可能となる。
【００２４】
本発明のセラミックヒータ１０の表面には、少なくとも筒状体１４から突き出した部分の表面に、棒状基体１１よりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜１５が形成され、かつ棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて、電気絶縁性膜１５の厚さが薄くなっている。さらに、棒状基体１１の周方向における電気絶縁性膜１５の厚みばらつきは、１２％以下となっている。
【００２５】
給電部１３ａ、１３ｂに外部電源から通電すると、棒状基体１１内に設けられたＵ字型の抵抗発熱体１２の端部に給電され、抵抗発熱体１２が発熱を開始する。発生した熱は棒状基体１１内部を伝導して、表面に到達する。
【００２６】
このとき、棒状基体１１の表面から熱が外部に向かって放出されるが、棒状基体１１の根元部は筒状体１４などが接しているため、熱が逃げやすい。したがって、棒状基体１１の表面温度分布は、先端部よりも根元部のほうが低くなりやすいが、本発明のセラミックヒータにおいては、棒状基体１１の先端部から根元部にかけて、熱伝導率が低い電気絶縁性膜１５が、先端部は厚く、根元部は薄くなるように設けられているため、棒状基体１１の表面温度分布を均一化する作用効果を奏する。
【００２７】
図２は、本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。グロープラグ２０は、本発明のセラミックヒータ１０と、グロープラグ本体２１、中軸２２を備える。また、セラミックヒータ１０の他端側は、グロープラグ本体２１に嵌装され、ロウ付けなどで固着されている。
【００２８】
また、セラミックヒータ１０の抵抗発熱体１２の一端は、給電部１３ｂと導電性の棒材から構成される中軸２２を経てプラグ電極２３に接続され、さらに他端側は給電部１３ａ、筒状体１４を介して、グロープラグ本体２１と電気的に接続されている。したがって、プラグ電極２３とグロープラグ本体２１に給電すれば、セラミックヒータ１０を加熱することができる。
【００２９】
本発明のセラミックヒータおよびグロープラグの製造方法は以下のとおりである。
【００３０】
棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスは通常、抵抗発熱体１２及びリード線などと一体に焼成され、焼成後これらは一体となっている。この電気絶縁性セラミックスは抵抗発熱体１２およびリード線などに対して−２０〜１５００℃において十分な絶縁性を有すればよい。特に、抵抗発熱体に対して、１０^８倍以上の絶縁性を有することが好ましい。
【００３１】
この電気絶縁性セラミックスを構成する成分は特に限定されないが、窒化物セラミックスが望ましい。窒化物セラミックスは、比較的熱伝導率が高く、棒状基体１１の先端から他端側へ効率的に熱を伝えることができ、棒状基体１１の先端と他端側との温度差を小さくすることができるからである。例えば、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちのいずれかのみから構成されてもよく、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちの少なくとも一種を主成分としてもよい。
【００３２】
特に、窒化物セラミックスの中でも窒化ケイ素質セラミックスとすることにより、熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。この窒化ケイ素質セラミックスは、窒化ケイ素を主成分とするものが広く含まれ、窒化ケイ素のみならず、サイアロンなども含まれる。さらに、通常、焼結助剤（Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒなどの各酸化物など）が数質量％（２〜１０質量％程度）配合されて焼成される。また、焼結助剤粉末は特に限定されず、窒化ケイ素の焼成に一般に用いられる希土類酸化物などの粉末を使用することができる。とくに、Ｅｒ_２Ｏ_３など、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼結助剤粉末を用いると耐熱性が高くなることからより好ましい。
【００３３】
さらに、抵抗発熱体１２を構成する各金属元素の硼化物が含有されてもよく、下記導電成分との熱膨張率の差を小さくするために少量の導電成分を含有してもよい。
【００３４】
また、抵抗発熱体１２は、通常、導電成分と絶縁成分とを含有する。この導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒ等から選ばれる１種以上の元素の珪化物、炭化物又は窒化物等の少なくとも１種であり、絶縁成分は窒化ケイ素質焼結体等である。特に、絶縁成分及び／又は絶縁体を構成する成分に窒化ケイ素が含有される場合は、導電成分として炭化タングステン、珪化モリブデン、窒化チタン又は珪化タングステン等の少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００３５】
導電成分は、絶縁成分及び絶縁体を構成する成分との熱膨張差が小さいことが好ましく、融点はセラミックヒータの使用温度（１４００℃以上、更には１５００℃以上）を越えることが好ましい。また、抵抗発熱体１２中に含まれる導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、抵抗発熱体を１００体積％とした場合に、導電成分を１５〜４０体積％とすることが好ましく、２０〜３０体積％とすることがより好ましい。
【００３６】
セラミックヒータ１０を作製するためには、まず、上記抵抗発熱体１２を構成する成分として示した導電成分と、絶縁成分を含有するペーストを作製し、これを上記の電気絶縁性セラミックス中に埋入させることが必要である。
【００３７】
まず、ペーストは、通常、ペースト全体を１００質量％とした場合に、導電成分及び絶縁成分を合計で７５〜９０質量％含有する。このペーストは、例えば、これらの成分を各原料粉末として所定量を湿式混合し、その後、乾燥させ、更に、ポリプロピレン、ワックス等の所定量のバインダ等と混合することにより得ることができる。このペーストは更に、適度に乾燥させて取り扱い易いように成形加工したペレット状等のものであってもよい。
【００３８】
また、埋入はどのように行ってもよいが、例えば、型内に突出するリード線の長さを調節して固定し、この型内に上記ペーストを注入することにより行うことができる。更に、所定の形状に成形したペーストにリード線を挿入するように接触長を調製し、埋入させることもできる。
【００３９】
その他、棒状基体の原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面に適度なバインダなどを調合した上記ペーストを作り、これを発熱部リード部および電極部の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントして形成しても良い。
【００４０】
このようにして、この抵抗発熱体１２を棒状基体１１用の原料とともに、プレス成形して一体に加圧することにより、基体の形状を有する粉末成形体を得る。そして、さらにこのセラミックヒータ成形体を、黒鉛製などの加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、必要に応じて仮焼してバインダを除去した後、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することによって、セラミックヒータ１０を得ることができる。
【００４１】
セラミックヒータ１０の表面には、少なくとも筒状体１４から突き出した部分の表面に、棒状基体１１よりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜１５が、棒状基体１１の先端から根元部にかけて膜の厚さが薄くなるように形成されている。この電気絶縁性膜１５および膜厚の分布を得るためには、セラミックヒータ１０自身に通電して大気中で発熱させるとともに、棒状基体１１の先端から他端側に向けて、棒状基体１１の温度が低くなるように温度勾配を設け、その状態で電気絶縁性膜１５を熱酸化やＣＶＤなどの方法により形成してやれば良い。
【００４２】
特に、棒状基体１１を構成する材料として、窒化ケイ素質セラミックスや炭化ケイ素セラミックスなどのケイ素を含有するセラミックス材料を用いた場合、棒状基体１１の表面を熱酸化してやるだけで、電気絶縁性膜として熱伝導率の低いシリカ膜を棒状基体１１の表面に設けることができるという利点がある。
【００４３】
そこで、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１に電気絶縁性膜１５としてシリカ膜を形成する方法を説明する。
【００４４】
まず、棒状基体１１を嵌装した筒状体１４根元部に熱伝導性のよいヒートシンクブロックを装着し、セラミックヒータ１０に通電して棒状基体１１を高温にする。そして、棒状基体１１を熱飽和させ、熱の出入りが飽和している状態で保つと、筒状体１４の根元部からは、上記ヒートシンクブロックを介して熱が外部に激しく流出するため、棒状基体１１は、ちょうど先端部から根元部に向けて温度勾配が低くなった状態で安定する。この状態で、大気中で所定時間保持することにより、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面にシリカの酸化膜が形成される。このとき、最も温度が高い棒状基体１１の先端で、酸化の速度が大きく、他の部分に比べてシリカの酸化膜が厚くなる。このようにして、棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて、シリカの酸化膜の厚さを薄くすることができる。
【００４５】
なお、上記棒状基体１１の加熱は、セラミックヒータ１０自体に通電して加熱させるのが、最も手軽であるが、電気絶縁性膜１５の厚さを制御するときは、棒状基体１１を電気炉や外部ヒータのような外部加熱装置によって加熱する手法を併用することが望ましい。
【００４６】
上述の方法により作製したセラミックヒータ１０を、ステンレス製の筒状体１４に嵌装し、ロウ付けした後、中軸２２を取り付ける。その後、中軸２２などを取り付けたセラミックヒータ１０を、グロープラグ本体２１にロウ付けおよびかしめを行うことで固定し、グロープラグ２０が完成する。
【００４７】
また、本発明者は検討の結果、電気絶縁性膜１５の厚みは、３０μｍ〜１４０μｍの範囲で形成するのが好ましいことを見いだした。薄すぎると、セラミックヒータの断熱効果が薄れ、厚すぎるとセラミックヒータに発生する熱応力が高くなるからである。
【００４８】
そして、電気絶縁性膜１５の棒状基体１１の周方向における厚みばらつきを１２％以下とすることが望ましい。これは厚みばらつきが１２％を超えると周方向の温度分布が悪化し、電圧印加時の繰り返し熱衝撃により抵抗発熱体１２への負荷が大きくなることから、抵抗発熱体１２が抵抗変化を起こしセラミックヒータの性能が劣化する恐れがあるためである。この電気絶縁性膜１５の厚みを調整するためには、セラミックヒータ１０自体に通電して加熱するだけではなく、電気炉や外部ヒータのような外部加熱装置を併用することが必要である。これにより、セラミックヒータ１０の均熱性を良く保つことができるので、周方向の厚みばらつきを抑えることが可能となる。したがって、セラミックヒータ１０自体への通電加熱と、外部加熱装置による加熱を適切に組み合わせれば良い。
【００４９】
また、電気絶縁性膜１５の厚みを均一にするには、セラミックヒータの長手方向の温度勾配も均一にする必要があるが、セラミックヒータ１０自体への通電加熱だけでは長手方向の温度分布を均一にすることは難しいため、外部加熱を併用して、長手方向の温度分布を小さく保つことが望ましい。
【００５０】
さらに、セラミックヒータ１０自体に通電した直後は、抵抗発熱体１２が急速に加熱されるため、棒状基体１１表面の温度勾配が、非常に大きくなる。そのため、電気絶縁性膜１５の形成速度の勾配が大きくなる。したがって、通電−切断のサイクルを適度に調整することにより、棒状基体１１表面の電気絶縁性膜の膜厚の勾配をコントロールすることができる。
【００５１】
なお、電気絶縁性膜の長手方向厚みの変化率は、先端部（グロープラグ電圧印加時の最高温度部）厚みと根元部の周方向厚みの平均値により、
１００×（先端部−根元部）／根元部（％）
の式により、計算した値であるが、この電気絶縁性膜の長手方向厚みの変化率が６％以上１２％以下であることが望ましい。その理由として、６％より小さいときは、セラミックヒータの長手方向の温度差が大きくなり、抗折強度が劣化しやすいという問題があり、１２％を超えるとセラミックヒータの長手方向の温度差は小さくなるが、根元部の温度が高くなるため、筒状体１４の表面が酸化しやすいという問題があるからである。
【００５２】
また、電気絶縁性膜１５は、棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスよりも熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上小さいことが望ましい。この値よりも低いと棒状基体１１の表面温度を均熱化する効果に乏しいためである。
【００５３】
さらに、上述のように、棒状基体１１を構成する材料として、窒化ケイ素質セラミックスが好ましいことから、電気絶縁性膜１５の材質としては、窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面を熱酸化してやるだけで、電気絶縁性膜１５として熱伝導率の低いシリカ膜を棒状基体１１の表面に設けることができるため、シリカが最も望ましい。
【００５４】
その他、棒状基体１１として、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（約６０Ｗ／ｍ・ｋ）を用いたときは、プラズマＣＶＤや熱ＣＶＤなどにより容易に形成することができる比較的熱伝導率の高い窒化シリコン（約３５Ｗ／ｍ・ｋ）を電気絶縁性膜１５として用いることも可能となる。
【００５５】
上述の説明では、熱酸化により、棒状基体１１に電気絶縁性膜１５を形成する方法を説明したが、これに限るものではなく、セラミックヒータ１０に温度勾配を設けた状態でＣＶＤやスパッタなどにより電気絶縁性膜１５を成膜しても良い。この方法によって、例えば、棒状基体１１の材質が窒化ケイ素やアルミナ、窒化アルミニウムといった電気絶縁性セラミックスの表面にシリカや窒化シリコンなどの絶縁膜を形成することができる。
【００５６】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００５７】
次に示す方法により、図１に示すセラミックヒータ１０を作製した。
【００５８】
棒状基体１１を構成する電気絶縁性セラミックスの主成分として９０〜９２モル％の窒化ケイ素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化ケイ素を窒化ケイ素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０質量％と１〜５質量％添加混合して原料粉末を調整した。
【００５９】
その後、原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを発熱部リード部および電極部の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントした。
【００６０】
さらに、上記リード部と電極部成形体の間に、タングステンを主成分とする導電体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成することにより、棒状基体１１と抵抗発熱体１２を一括焼成した。
【００６１】
その後、導体部の一部を露出させ、電極取り出し部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中で焼成してメタライズ層を形成、Ｎｉからなるメッキ層を施した後、筒状体１４に棒状基体１１を嵌装したのち、ロウ付けを行って、図１に示す本願のセラミックヒータ１０を得た。
【００６２】
次に、筒状体１４に棒状基体１１を嵌装した根元部にヒートシンクとして、アルミニウムの円盤状のブロックを装着した。その後、セラミックヒータ１０に通電して最高温度まで到達させた。平衡状態に達した時点でセラミックヒータ１０の先端から１ｍｍ〜３ｍｍの範囲の最高温度１４００℃とし、棒状基体１１の根元部の温度が２５０℃〜７００℃となるようにセラミックヒータ１０に印加する電圧を設定し、５分間保持した。
【００６３】
この熱サイクルを１００回繰り返すことによりシリカ膜の厚みを変えた試料を作製した。さらに、外部加熱炉として、１０００℃の酸化炉でセラミックヒータの筒状体から突き出した部分を均一に加熱処理して、周方向の厚みばらつきの均一化を図った試料も作製を行った。
【００６４】
それぞれ用意した試料の均熱性については、棒状基体の先端２ｍｍの位置の周方向の温度分布を均等に８点放射温度計により測定し、その平均温度を他端側手前２ｍｍの位置の周方向の温度分布を均等に８点放射温度計により測定した値の平均温度の温度差を求めた。
【００６５】
また、シリカ膜の厚さは、同一ロットで作製した試料を抜き取り、必要部位を破断して断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して厚さを確認した。なお、長手方向の厚み変化率を求めるために、厚さは先端部、根元部の２箇所を測定するとともに、周方向も輪切りにして断面を観測して厚さの確認を行い、周方向の厚みばらつきも測定した。
【００６６】
次に、セラミックヒータの発熱体に電圧を印加して発熱体をジュール発熱させ、セラミックヒータの飽和温度が１４００℃となるようにし、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気をセラミックヒータ最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を２分とした熱サイクルで１００００サイクル後の抗折強度を調べた。
【００６７】
セラミックヒータの直径は３．２ｍｍであり、ステンレス製筒状体内に挿入固定した状態における片持ち試験を行い、抗折強度を求めた。
【００６８】
また、上述した窒化ケイ素質セラミックス製の棒状基体１１の表面に熱酸化により電気絶縁性膜１５としてシリカ膜を設ける方法以外にも、本発明の範囲内の試料として、ＣＶＤ法でシリカ膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２２）、高純度アルミナセラミックス上にＣＶＤ法でシリカ膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２３）、窒化アルミニウムセラミックス上にＣＶＤ法で窒化シリコン膜を設けたもの（試料Ｎｏ．２４）の作製も行った。
【００６９】
さらに、本発明の範囲外の試料として、筒状体１４に棒状基体１１が嵌装されている根元部に昇温用のヒータを取り付け、熱処理を行うことにより、シリカ膜を棒状基体１１の先端から他端側に向かうにつれて厚く形成した試料も作製し、試料Ｎｏ．１３〜２０とした。また、棒状基体１１の高純度アルミナセラミックスよりも熱伝導率が大きい窒化シリコン膜をＣＶＤ法により設けたもの（試料Ｎｏ．２５）についても作製を行った。
【００７０】
そして、従来例として、電気絶縁性膜を設けないもの（試料Ｎｏ．２６）についても作製を行った。これらの試料はすべて上記の本発明の実施例と全く同様にして評価を実施した。以上の結果を表１および表２に示す。
【００７１】
なお、抗折強度は、基体の筒状体に覆われていない側の先端側２ｍｍの位置を加圧する片持ち抗折試験（筒状体端から加圧点までのスパン１２ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎ）によって求めた。また、抗折強度については１００００サイクル後の抗折強度で評価し、試料１０本の平均強度が４５０ＭＰａ以上の条件を○、４５０ＭＰａ未満３５０ＭＰａを超える条件を△、３５０ＭＰａ以下の条件を×とした。
【００７２】
さらに、抵抗変化については１００００サイクル後の抵抗変化率で評価し、１０％以上のものが０本の条件を○、１本以上３本以下の条件を△、４本を超える条件を×とした。
【００７３】
そして、総合判定として、上記の２つの評価項目に対して、○が２つのものを◎（大変良い）、○が１つのものを○（良い）、△が２つのものを△（許容範囲内）、×を１つでも含むものを×（不可）とした。
【００７４】
【表１】

【００７５】
【表２】

【００７６】
表１、表２に示した結果より、本発明の範囲内であるＮｏ．１〜１２、およびＮｏ．２２〜２４の試料については、抗折強度、抵抗変化率の評価項目すべてにおいて、許容範囲内の結果を得ることができた。しかしながら、試料Ｎｏ．１３〜２１、Ｎｏ．２５に示した本発明の範囲外である試料は、抗折強度、抵抗変化率の全項目にわたって、良好な結果を得ることができなかった。また、従来例のＮｏ．２６も良好な結果は得られなかった。
【００７７】
以下、各試料について得られた結果の説明を行う。
【００７８】
最初に、Ｎｏ．１〜１２の試料については、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みが棒状基体の他端側のシリカ膜の厚みよりも厚く、断熱効果が得られ、基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が小さくなり、耐熱衝撃性が向上する傾向が見られた。
【００７９】
しかしながら、本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１〜５の試料については、シリカ膜の長手方向の変化率が１２％以上あり、抗折強度は５４０ＭＰａ以上の良好な結果が得られたものの、ステンレスからなる筒状体１４の温度が上がりすぎて表面が一部酸化する傾向となったため、許容範囲ぎりぎりとみなし、△の評価とした。
【００８０】
本願発明の範囲外である、Ｎｏ．１３〜２０の試料については、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みが棒状基体１１の他端側のシリカ膜の厚みよりも薄い試料であるＮｏ．１３〜２０は、当然ながら長手方向の厚み変化率は負の値となり、基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなって、抗折強度が悪化する傾向があった。
【００８１】
また、本発明の範囲内の試料の中でもＮｏ．１〜２、Ｎｏ．４〜７、Ｎｏ．１０〜１２の試料についてはシリカ膜の周方向の厚みばらつきが１２％以下であり、周方向の温度差を抑えることができたため、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が高くなり、抵抗変化率が１０％を超える試料は３本以下と少なく、良好な結果となった。
【００８２】
それに対して、シリカ膜の周方向の厚みばらつきが１２％以上の試料Ｎｏ．３、８、９については周方向の温度差を抑えることができず、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が悪化する傾向があった。
【００８３】
また、棒状基体１１の先端側のシリカ膜の厚みと棒状基体１１の他端側のシリカ膜の厚みに差を持たせずに膜の作製を行ったＮｏ．２１は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化する傾向があった。
【００８４】
シリカをＣＶＤで成膜したＮｏ．２２は、熱酸化で成膜を行ったＮｏ．１１と同等の結果が得られた。
【００８５】
さらに、棒状基体１１の材質を高純度アルミナセラミックスとし、それよりも低い熱伝導率を有するシリカをＣＶＤにより成膜して電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２３は、抗折強度が３７０ＭＰａであり、抵抗変化が１０％を超えた試料が１本と優れた結果を示し、本発明の効果が得られることが確認された。
【００８６】
また、棒状基体１１の材質を窒化アルミニウムセラミックスとし、それよりも低い熱伝導率を有する窒化シリコンを電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２４は抗折強度が３５０ＭＰａであり、抵抗変化が１０％を超えた試料が１本であって、本発明の効果が得られることを確認した。
【００８７】
一方、棒状基体１１の高純度アルミナセラミックスよりも高い熱伝導率を有する窒化シリコンを電気絶縁性膜とした試料であるＮｏ．２５は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化し、抵抗変化が１０％を超えた試料も４本であって悪い結果となった。
【００８８】
さらに、電気絶縁性膜のない従来例の試料であるＮｏ．２６は基体発熱体側の温度と露出するセラミックヒータ１０の根元部分の温度差が大きくなり、抗折強度が悪化する傾向があり、なおかつ周方向の温度差を抑えることができず、抵抗発熱体への耐熱衝撃性が悪化する傾向があった。
【００８９】
また、今回の実施例により良好な結果が得られた、試料Ｎｏ．５の条件で作製したセラミックヒータ１０に、中軸２２を取り付けて、グロープラグ本体２１にロウ付けおよびかしめを行って固定し、グロープラグ２０を作製したところ、電圧を印加して発熱体をジュール発熱させ、グロープラグ先端の飽和温度が１４００℃とし、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気を最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を２分とした熱サイクルで５００００サイクルの評価を行ったが、筒状体１４と棒状基体１１との接触点をはじめ、どの点においても全く破損は認められず、グロープラグとして優れた耐熱衝撃性を示すことがわかった。
【００９０】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータ、およびグロープラグは、電気絶縁性セラミックスからなる棒状基体の先端に抵抗発熱体を埋設し、上記棒状基体の他端を筒状体に嵌装して保持したセラミックヒータからなり、上記棒状基体には、少なくとも筒状体から突き出した部分の表面に、上記電気絶縁性セラミックスよりも低い熱伝導率を有する電気絶縁性膜が形成され、かつ上記棒状基体の先端から他端側に向かうにつれて、上記電気絶縁性膜の厚さを薄くすることによって筒状体によって覆われていない露出部分の基体の温度分布の悪化を低減し、電圧印加時の耐熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータの断面図である。
【図２】本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。
【図３】従来のグロープラグの断面図である。
【符号の説明】
１０：セラミックヒータ
１１：棒状基体
１２：抵抗発熱体
１３ａ：給電部
１３ｂ：給電部
１４：筒状体
１５：電気絶縁性膜
２０：グロープラグ
２１：グロープラグ本体
２２：中軸
２３：プラグ電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater and a glow plug using the ceramic heater. More specifically, the present invention relates to a ceramic heater used for an ignition heater of a petroleum fan heater or the like, or a ceramic heater used for other heating and a glow plug used for accelerating starting of a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, etc., a glow plug for a diesel engine that is used by inserting one end side of a substantially rod-shaped ceramic heater 32 shown in FIG. 30 is known. The glow plug 30 includes a glow plug body 31, a middle shaft 33, a cylindrical body 34, and a ceramic heater 32. The ceramic heater 32 is electrically connected to the glow plug body 31 via the middle shaft 33. Furthermore, one end side of the ceramic heater 32 is covered and protected by the glow plug body 31 and the cylindrical body 34.
[0003]
The ceramic heater 32 used in such a glow plug 30 has a thermal shock caused by a large temperature difference between the temperature on the base heating element side and the exposed base portion of the ceramic heater 32 when a voltage is applied, a corrosive atmosphere, and 1000 ° C. Since it is used at the above high temperature, there is a problem that the exposed portion of the substrate which is not covered by the cylindrical body 34 is severely damaged, and the strength of the ceramic heater 32 is lowered or the durability is deteriorated.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-132949 A (page 5, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, rapid increase in temperature of the glow plug 30 has been required to improve combustion efficiency. For this reason, the temperature of the ceramic heater 32 rises rapidly particularly when a voltage is applied to the glow plug 30, so that the temperature distribution of the exposed portion of the substrate that is not covered by the cylindrical body 34 deteriorates, and thermal shock due to the temperature difference at this time As a result, the substrate is very easily damaged. In particular, cracks were often generated from the root portion of the exposed ceramic heater 32 (site C in FIG. 3) and were often damaged. For this reason, it is desired that the ceramic heater has more thermal shock resistance than ever before.
[0006]
The present invention solves such problems, and a ceramic heater in which the temperature distribution of the substrate is made uniform and the thermal shock resistance of the substrate is improved, and the ceramic heater is used to rapidly raise the temperature. However, an object of the present invention is to provide a glow plug having sufficient durability.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The ceramic heater of the present invention is a ceramic heater in which a resistance heating element is embedded at the tip of a rod-shaped substrate made of electrically insulating ceramic, and the other end of the rod-shaped substrate is fitted and held in a cylindrical body, and at least the rod-shaped substrate An electrically insulating film having a thermal conductivity lower than that of the electrically insulating ceramic is formed on the surface of the portion protruding from the cylindrical body, and the thickness of the electrically insulating film increases from the tip of the rod-shaped substrate toward the other end. Is getting thinner.
[0008]
As a result, when a voltage is applied, the heat generated from the heating element is less likely to escape from the tip of the rod-shaped substrate, and can be efficiently transmitted to the other end of the rod-shaped substrate. Can be made smaller and uniform, making it less susceptible to thermal shock.
[0009]
The electrically insulating ceramic is preferably a nitride ceramic. Nitride ceramics have higher thermal conductivity than other ceramics, can efficiently transfer heat from the tip of the rod-shaped substrate to the other end, and reduce the temperature difference from the tip of the rod-shaped substrate to the other end. Because you can. By using silicon nitride ceramics among nitride ceramics, a ceramic heater and a glow plug that are resistant to high-temperature strength and thermal shock and have excellent durability can be obtained.
[0010]
Furthermore, when the electrically insulating ceramic is a nitride ceramic, it is desirable that the electrically insulating film be a silica film. This is because the silica film has a lower thermal conductivity than most nitride ceramics, and has a high effect of soaking the temperature by reducing the temperature difference between the tip and the other end of the rod-like substrate. Further, when a silicon-containing ceramic material such as silicon nitride ceramics or silicon carbide ceramics is used as the electrically insulating ceramic constituting the rod-shaped substrate, a resistance heating element embedded in the rod-shaped substrate is used to The silica film can be provided on the surface of the rod-like substrate by a very simple operation of heating in the inside.
[0011]
The thickness variation in the circumferential direction of the rod-like substrate of the electrically insulating film is desirably 12% or less. This is because when the thickness variation exceeds 12%, the temperature distribution in the circumferential direction deteriorates, and the load on the heating element increases due to repeated thermal shocks during voltage application. This is because it may deteriorate.
[0012]
In addition, the thickness dispersion | variation in the circumferential direction of the rod-shaped base | substrate of an electrically insulating film here is measured as follows. At any point between the tip and the base of the rod-shaped substrate, select eight points on the outer circumferential surface of the rod-shaped substrate equally in the circumferential direction, measure the thickness of the electrical insulating film at that point, and determine the maximum and minimum values. Is divided by the average value of 8 points to determine the thickness variation in the circumferential direction. Further, the thickness is measured by breaking the surface of the reference sample having the same shape in which the electrically insulating film is produced under the same conditions.
[0013]
Furthermore, the method for manufacturing a ceramic heater according to the present invention includes forming an electrically insulating film in a state where a temperature gradient is provided from the tip of the rod-shaped substrate to the other end so that the temperature of the substrate surface decreases. Features.
[0014]
A method of providing a temperature gradient from the tip of the rod-shaped substrate toward the other end so that the temperature of the substrate surface is lowered is to install a heat-conductive block with good thermal conductivity at the base of the cylindrical body fitted with the rod-shaped substrate. Then, the rod-shaped substrate may be heated by energizing the ceramic heater embedded in the rod-shaped substrate. At this time, if the heat input / output between the rod-shaped substrate and the outside is in an equilibrium state, the rod-shaped substrate is heated from the root of the cylindrical body to the outside through the heat sink block. , Stable in a state where the temperature gradient of the surface is low just from the tip to the root.
[0015]
In this way, the temperature gradient is lowered from the tip of the rod-shaped substrate toward the root portion, and by forming the electrically insulating film in this state, the direction of the root portion on the other end side from the tip of the rod-shaped substrate is determined. The thickness of the film to be formed can be reduced as it goes to.
[0016]
For example, when a silica oxide film is formed on a silicon nitride rod-shaped substrate as an electrically insulating film, the oxidation rate is large at the tip of the rod-shaped substrate having the highest temperature, and the oxide film is thicker than other portions. The thickness of the oxide film can be reduced from the front end toward the other end.
[0017]
In addition, when an electrical insulating film is formed on the surface of a rod-shaped substrate by CVD or the like, the reaction rate is high at the tip of the rod-shaped substrate having the highest temperature, and the film is deposited thicker than other portions. Is possible.
[0018]
In particular, immediately after the voltage is applied, the heating element at the tip of the rod-shaped substrate is heated rapidly, and the temperature gradient on the surface of the rod-shaped substrate becomes very large, so the gradient of the formation rate of the electrically insulating film is also large. Therefore, it is possible to control the gradient of the thickness of the electrically insulating film on the surface of the rod-shaped substrate by appropriately adjusting the cycle of voltage application-voltage disconnection after a predetermined time elapse-voltage application cycle after a predetermined time elapse.
[0019]
The glow plug of the present invention is characterized in that a glow plug body is attached to the ceramic heater of the present invention. Since the ceramic heater of the present invention has the effect of equalizing the temperature by reducing the temperature difference between the tip and the other end of the rod-shaped substrate, the glow heater of the present invention provided with the ceramic heater of the present invention is provided. The plug is less susceptible to thermal shock because the surface temperature is kept uniform during operation. Therefore, it is possible to prevent the strength of the ceramic heater from being lowered and the durability from being deteriorated.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic heater of the present invention. The ceramic heater 10 includes a rod-shaped substrate 11, a resistance heating element 12,

power feeding parts

13 a and 13 b, and a cylindrical body 14. The rod-shaped substrate 11 is made of silicon nitride ceramics, and a resistance heating element 12 is embedded inside the tip side, and the

power feeding portions

13a and 13b are exposed on the surface and protected on the other end side. Furthermore, the rod-like base body 11 is held by fitting the end portion on the side where the

power feeding portions

13a and 13b are present into a cylindrical body.
[0022]
The resistance heating element 12 is a U-shaped rod-like body, and is arranged in a form embedded in the rod-like base body 11. Further, the resistance heating element 12 contains a conductive component, an adjustment component for adjusting the temperature coefficient of resistance, and a ceramic component which is an insulating component. Further, as shown in FIG. 1, the

power feeding portions

13 a and 13 b each have an end portion on the surface of the rod-shaped substrate 11 so that electric power supplied from outside the ceramic heater 10 can be fed to the resistance heating element 12 in the rod-shaped substrate 11. The other end portion is connected to the end portion of the resistance heating element 12, respectively.
[0023]
The cylindrical body 14 is made of a conductive material such as stainless steel, and is fitted with the rod-like base 11 and fixed by brazing or the like. In addition, since the power feeding unit 13a and the cylindrical body 14 are in electrical contact with each other, and the cylindrical body 14 itself has a function as a ground electrode, when the cylindrical body 14 is attached to another member, Power can be supplied via the cylindrical body 14 itself.
[0024]
On the surface of the ceramic heater 10 of the present invention, an electrically insulating film 15 having a thermal conductivity lower than that of the rod-shaped substrate 11 is formed at least on the surface of the portion protruding from the cylindrical body 14, and the tip of the rod-shaped substrate 11 The thickness of the electrically insulating film 15 decreases from the other end toward the other end. Furthermore, the thickness variation of the electrical insulating film 15 in the circumferential direction of the rod-shaped substrate 11 is 12% or less.
[0025]
When the

power feeding units

13a and 13b are energized from an external power source, power is supplied to the end of the U-shaped resistance heating element 12 provided in the rod-shaped base 11, and the resistance heating element 12 starts to generate heat. The generated heat is conducted inside the rod-shaped substrate 11 and reaches the surface.
[0026]
At this time, heat is released from the surface of the rod-shaped substrate 11 to the outside. However, since the base portion of the rod-shaped substrate 11 is in contact with the cylindrical body 14 or the like, the heat easily escapes. Therefore, the surface temperature distribution of the rod-shaped substrate 11 tends to be lower at the root portion than at the tip portion. However, in the ceramic heater of the present invention, electrical insulation having a low thermal conductivity from the tip portion to the root portion of the rod-shaped substrate 11. Since the conductive film 15 is provided so that the tip portion is thick and the root portion is thin, the effect of making the surface temperature distribution of the rod-shaped substrate 11 uniform can be obtained.
[0027]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a glow plug using the ceramic heater of the present invention. The glow plug 20 includes the ceramic heater 10 of the present invention, a glow plug main body 21 and a middle shaft 22. Further, the other end side of the ceramic heater 10 is fitted into the glow plug body 21 and fixed by brazing or the like.
[0028]
Further, one end of the resistance heating element 12 of the ceramic heater 10 is connected to the plug electrode 23 via a middle shaft 22 composed of a power feeding portion 13b and a conductive bar, and the other end side is connected to the power feeding portion 13a and the cylindrical body. 14, the glow plug body 21 is electrically connected to the glow plug body 21. Therefore, the ceramic heater 10 can be heated by supplying power to the plug electrode 23 and the glow plug body 21.
[0029]
The manufacturing method of the ceramic heater and glow plug of the present invention is as follows.
[0030]
The electrically insulating ceramic constituting the rod-shaped substrate 11 is usually fired integrally with the resistance heating element 12 and the lead wire, and these are integrated after firing. This electrically insulating ceramic is sufficient if it has sufficient insulation at -20 to 1500 ° C. with respect to the resistance heating element 12 and the lead wires. Especially for resistance heating elements, 10 ⁸ It is preferable that the insulating property is twice or more.
[0031]
The components constituting this electrically insulating ceramic are not particularly limited, but nitride ceramics are desirable. Nitride ceramics has a relatively high thermal conductivity, can efficiently transfer heat from the tip of the rod-shaped substrate 11 to the other end, and reduce the temperature difference between the tip and the other end of the rod-shaped substrate 11. Because you can. For example, it may be composed of only one of silicon nitride ceramics, sialon, and aluminum nitride ceramics, and at least one of silicon nitride ceramics, sialon, and aluminum nitride ceramics may be the main component.
[0032]
In particular, by using silicon nitride ceramic among nitride ceramics, a ceramic heater and a glow plug that are resistant to thermal shock and excellent in durability can be obtained. This silicon nitride ceramics includes a wide variety of silicon nitride as a main component, and includes not only silicon nitride but also sialon. Furthermore, usually, a sintering aid (each oxide such as Y, Yb, Er, etc.) is blended by several mass% (about 2-10 mass%) and fired. Further, the sintering aid powder is not particularly limited, and powders such as rare earth oxides generally used for firing silicon nitride can be used. In particular, Er ₂ O ₃ For example, it is more preferable to use a sintering aid powder in which the grain boundaries when sintered are crystal phases.
[0033]
Further, a boride of each metal element constituting the resistance heating element 12 may be contained, and a small amount of a conductive component may be contained in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient from the following conductive component.
[0034]
In addition, the resistance heating element 12 usually contains a conductive component and an insulating component. This conductive component is at least one of silicide, carbide or nitride of one or more elements selected from W, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr, Hf, V, and Cr, etc. Is a silicon nitride sintered body or the like. In particular, when silicon nitride is contained in the insulating component and / or the component constituting the insulator, it is preferable to use at least one of tungsten carbide, molybdenum silicide, titanium nitride, tungsten silicide, and the like as the conductive component.
[0035]
The conductive component preferably has a small difference in thermal expansion between the insulating component and the component constituting the insulator, and the melting point preferably exceeds the operating temperature of the ceramic heater (1400 ° C. or higher, more preferably 1500 ° C. or higher). Further, the amount ratio of the conductive component and the insulating component contained in the resistance heating element 12 is not particularly limited, but when the resistance heating element is 100% by volume, the conductive component is preferably 15 to 40% by volume. It is more preferable to set it as 20-30 volume%.
[0036]
In order to manufacture the ceramic heater 10, first, a paste containing the conductive component and the insulating component shown as the components constituting the resistance heating element 12 is prepared, and this is embedded in the electrically insulating ceramic. It is necessary to make it.
[0037]
First, the paste usually contains a conductive component and an insulating component in a total amount of 75 to 90% by mass when the entire paste is 100% by mass. This paste can be obtained, for example, by wet mixing predetermined amounts of these components as raw material powders, then drying, and further mixing with a predetermined amount of a binder such as polypropylene or wax. The paste may further be in the form of pellets that are appropriately dried and molded so as to be easy to handle.
[0038]
The embedding may be performed in any way, for example, by adjusting and fixing the length of the lead wire protruding into the mold and pouring the paste into the mold. Furthermore, the contact length can be adjusted and embedded so that the lead wire is inserted into the paste formed into a predetermined shape.
[0039]
In addition, a raw material powder of a rod-shaped substrate is obtained by a press molding method, and the above paste in which an appropriate binder is prepared on the upper surface of the molded body is made, and this is screen-printed into a conductor shape of a heating part lead part and an electrode part May be formed by printing.
[0040]
In this manner, the resistance heating element 12 is press-molded together with the raw material for the rod-shaped substrate 11 and pressed together to obtain a powder molded body having the shape of the substrate. And further, this ceramic heater molded body is housed in a pressing die such as graphite, and this is housed in a firing furnace, and after calcination as necessary to remove the binder, the required time at a predetermined temperature, The ceramic heater 10 can be obtained by hot press firing.
[0041]
On the surface of the ceramic heater 10, an electrically insulating film 15 having a thermal conductivity lower than that of the rod-shaped substrate 11 is formed on the surface of at least a portion protruding from the cylindrical body 14 from the tip to the root portion of the rod-shaped substrate 11. It is formed to be thin. In order to obtain the electrical insulating film 15 and film thickness distribution, the ceramic heater 10 itself is energized to generate heat in the atmosphere, and the temperature of the rod-shaped substrate 11 is increased from the tip of the rod-shaped substrate 11 toward the other end. A temperature gradient is provided so as to be low, and the electrical insulating film 15 may be formed by a method such as thermal oxidation or CVD in that state.
[0042]
In particular, when a silicon-containing ceramic material such as silicon nitride ceramics or silicon carbide ceramics is used as the material constituting the rod-shaped substrate 11, the surface of the rod-shaped substrate 11 is thermally oxidized as an electrically insulating film. There is an advantage that a silica film having a low conductivity can be provided on the surface of the rod-shaped substrate 11.
[0043]
Therefore, a method of forming a silica film as the electrically insulating film 15 on the rod-like substrate 11 made of silicon nitride ceramic will be described.
[0044]
First, a heat sink block having good thermal conductivity is attached to the base portion of the cylindrical body 14 fitted with the rod-shaped substrate 11, and the ceramic heater 10 is energized to raise the rod-shaped substrate 11 to a high temperature. When the rod-shaped substrate 11 is saturated with heat and kept in a state where the heat flow is saturated, heat flows out from the root of the cylindrical body 14 to the outside through the heat sink block. 11 is stabilized in a state where the temperature gradient is lowered from the tip portion toward the root portion. In this state, a silica oxide film is formed on the surface of the rod-like substrate 11 made of silicon nitride ceramics by holding in the atmosphere for a predetermined time. At this time, the oxidation rate is high at the tip of the rod-shaped substrate 11 having the highest temperature, and the silica oxide film is thicker than other portions. In this way, the thickness of the silica oxide film can be reduced as it goes from the tip of the rod-shaped substrate 11 to the other end.
[0045]
The rod-shaped substrate 11 is most easily heated by energizing the ceramic heater 10 itself. However, when the thickness of the electric insulating film 15 is controlled, the rod-shaped substrate 11 is heated to an electric furnace or the like. It is desirable to use a method of heating by an external heating device such as an external heater.
[0046]
The ceramic heater 10 produced by the above-described method is fitted on the stainless steel cylindrical body 14 and brazed, and then the center shaft 22 is attached. Thereafter, the ceramic heater 10 to which the middle shaft 22 or the like is attached is fixed to the glow plug body 21 by brazing and caulking, whereby the glow plug 20 is completed.
[0047]
In addition, as a result of studies, the present inventor has found that the thickness of the electrical insulating film 15 is preferably formed in the range of 30 μm to 140 μm. This is because if the thickness is too thin, the heat insulating effect of the ceramic heater is reduced.
[0048]
The thickness variation in the circumferential direction of the rod-shaped substrate 11 of the electrical insulating film 15 is desirably 12% or less. This is because when the thickness variation exceeds 12%, the temperature distribution in the circumferential direction deteriorates, and the load on the resistance heating element 12 increases due to repeated thermal shocks when a voltage is applied. This is because the performance of the heater may be deteriorated. In order to adjust the thickness of the electrical insulating film 15, it is necessary not only to energize and heat the ceramic heater 10 itself, but also to use an external heating device such as an electric furnace or an external heater. Thereby, since the soaking | uniform-heating property of the ceramic heater 10 can be kept well, it becomes possible to suppress the thickness variation of the circumferential direction. Therefore, it is only necessary to appropriately combine the energization heating to the ceramic heater 10 itself and the heating by the external heating device.
[0049]
Further, in order to make the thickness of the electrical insulating film 15 uniform, it is necessary to make the temperature gradient in the longitudinal direction of the ceramic heater uniform, but the temperature distribution in the longitudinal direction is made uniform only by energization heating to the ceramic heater 10 itself. Therefore, it is desirable to keep the temperature distribution in the longitudinal direction small by using external heating together.
[0050]
Furthermore, immediately after the ceramic heater 10 itself is energized, the resistance heating element 12 is rapidly heated, so that the temperature gradient on the surface of the rod-shaped substrate 11 becomes very large. For this reason, the gradient of the formation rate of the electrical insulating film 15 increases. Therefore, the gradient of the thickness of the electrically insulating film on the surface of the rod-shaped substrate 11 can be controlled by appropriately adjusting the energization / cutting cycle.
[0051]
In addition, the rate of change in the longitudinal thickness of the electrical insulating film is determined by the average value of the tip portion (maximum temperature portion when glow plug voltage is applied) thickness and the circumferential thickness of the root portion,
100 x (tip-root) / root (%)
The rate of change in the thickness in the longitudinal direction of the electrical insulating film is preferably 6% or more and 12% or less. The reason is that when the temperature is smaller than 6%, the temperature difference in the longitudinal direction of the ceramic heater becomes large and the bending strength tends to deteriorate, and when it exceeds 12%, the temperature difference in the longitudinal direction of the ceramic heater becomes small. However, since the temperature of the root portion becomes high, there is a problem that the surface of the cylindrical body 14 is easily oxidized.
[0052]
Moreover, it is desirable that the electrical insulating film 15 has a thermal conductivity of 5 W / m · k or less smaller than that of the electrically insulating ceramic constituting the rod-shaped substrate 11. This is because if it is lower than this value, the effect of soaking the surface temperature of the rod-shaped substrate 11 is poor.
[0053]
Furthermore, as described above, silicon nitride ceramics is preferable as the material constituting the rod-shaped substrate 11, and therefore the surface of the rod-shaped substrate 11 made of silicon nitride ceramics is thermally oxidized as the material of the electrically insulating film 15. As a result, a silica film having a low thermal conductivity can be provided on the surface of the rod-shaped substrate 11 as the electrically insulating film 15, and therefore silica is most desirable.
[0054]
In addition, when aluminum nitride having a high thermal conductivity (about 60 W / m · k) is used as the rod-shaped substrate 11, nitriding with a relatively high thermal conductivity that can be easily formed by plasma CVD, thermal CVD, or the like. Silicon (about 35 W / m · k) can also be used as the electrically insulating film 15.
[0055]
In the above description, the method of forming the electrical insulating film 15 on the rod-shaped substrate 11 by thermal oxidation has been described. However, the present invention is not limited to this, and the ceramic heater 10 is provided with a temperature gradient by CVD or sputtering. An electrically insulating film 15 may be formed. By this method, for example, an insulating film such as silica or silicon nitride can be formed on the surface of an electrically insulating ceramic material such as silicon nitride, alumina, or aluminum nitride.
[0056]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
[0057]
The ceramic heater 10 shown in FIG. 1 was produced by the following method.
[0058]
90 to 92 mol% of silicon nitride as the main component of the electrically insulating ceramic constituting the rod-shaped substrate 11, 2 to 10 mol% of rare earth element oxide as a sintering aid, aluminum oxide, silicon oxide as silicon nitride and rare earth element The raw material powder was prepared by adding and mixing 0.2 to 2.0 mass% and 1 to 5 mass%, respectively, with respect to the total amount of oxide.
[0059]
Thereafter, a raw material powder is obtained by press molding to obtain a molded body, and a heating element paste in which an appropriate organic solvent and solvent are added and mixed with tungsten is formed on the upper surface of the molded body, and this is formed into a conductor shape of the heating part lead part and electrode part. Printed by screen printing.
[0060]
Further, a conductor mainly composed of tungsten is sandwiched and adhered between the lead part and the electrode part molded body, and hot press firing is performed at a temperature of about 1650 to 1800 ° C., whereby the rod-shaped substrate 11 and the resistance heating element are formed. 12 was calcined.
[0061]
Thereafter, a part of the conductor part is exposed, an electrode lead-out part is formed, a paste containing Ag-Cu is applied, fired in vacuum to form a metallized layer, and a plating layer made of Ni is applied, After the rod-like base 11 was fitted to the cylindrical body 14, brazing was performed to obtain the ceramic heater 10 of the present application shown in FIG.
[0062]
Next, an aluminum disk-like block was attached as a heat sink to the base portion where the rod-like base 11 was fitted to the cylindrical body 14. Thereafter, the ceramic heater 10 was energized to reach the maximum temperature. When the equilibrium state is reached, the maximum temperature is 1400 ° C. in the range of 1 mm to 3 mm from the tip of the ceramic heater 10, and the voltage applied to the ceramic heater 10 so that the temperature of the base portion of the rod-shaped substrate 11 is 250 ° C. to 700 ° C. Was set and held for 5 minutes.
[0063]
By repeating this thermal cycle 100 times, samples with different thicknesses of the silica film were prepared. Further, as an external heating furnace, a sample that uniformly heat-processed a portion protruding from the cylindrical body of the ceramic heater in an oxidation furnace at 1000 ° C. to uniform the thickness variation in the circumferential direction was also manufactured.
[0064]
Regarding the thermal uniformity of each of the prepared samples, the temperature distribution in the circumferential direction at the position of 2 mm at the tip of the rod-shaped substrate was measured evenly with an 8-point radiation thermometer, and the average temperature was measured in the circumferential direction at a position of 2 mm in front of the other end. The temperature difference of the average temperature of the values obtained by uniformly measuring the temperature distribution with an 8-point radiation thermometer was obtained.
[0065]
Further, the thickness of the silica film was confirmed by extracting a sample prepared in the same lot, breaking a necessary portion, and observing a cross section with an SEM (scanning electron microscope). In addition, in order to obtain the rate of change in thickness in the longitudinal direction, the thickness is measured at two points, the tip and root, and the thickness is checked by observing the cross section with the circumferential direction cut in the circumferential direction. Thickness variation was also measured.
[0066]
Next, voltage is applied to the heating element of the ceramic heater to cause Joule heating of the heating element so that the saturation temperature of the ceramic heater becomes 1400 ° C., the voltage application time is 5 minutes, and then the voltage is cut and compressed air at normal temperature The bending strength after 10,000 cycles was examined in a heat cycle in which the time for forced cooling was 2 minutes by spraying the ceramic heater on the highest heat generating portion of the ceramic heater.
[0067]
The diameter of the ceramic heater was 3.2 mm, and a cantilever test was performed in a state where the ceramic heater was inserted and fixed in a stainless steel cylindrical body to determine the bending strength.
[0068]
In addition to the method of providing a silica film as the electrically insulating film 15 by thermal oxidation on the surface of the rod-like substrate 11 made of the silicon nitride ceramic described above, a silica film is provided by a CVD method as a sample within the scope of the present invention. (Sample No. 22), a high purity alumina ceramic provided with a silica film by CVD (sample No. 23), an aluminum nitride ceramic provided with a silicon nitride film by CVD (sample No. 22). 24) was also produced.
[0069]
Furthermore, as a sample out of the scope of the present invention, a heater for raising the temperature is attached to the root portion where the rod-shaped substrate 11 is fitted to the cylindrical body 14, and heat treatment is performed, so that the silica film is attached to the tip of the rod-shaped substrate 11. A sample formed thicker from the other end toward the other end was also prepared. 13-20. Further, a sample (sample No. 25) in which a silicon nitride film having a higher thermal conductivity than the high-purity alumina ceramics of the rod-shaped substrate 11 was provided by the CVD method was also produced.
[0070]
As a conventional example, a sample (sample No. 26) without an electrically insulating film was also manufactured. All of these samples were evaluated in the same manner as in the above-described examples of the present invention. The above results are shown in Tables 1 and 2.
[0071]
The bending strength is a cantilever bending test in which the position of the tip side 2 mm on the side not covered by the cylindrical body of the substrate is pressed (span 12 mm from the end of the cylindrical body to the pressing point, crosshead speed 0 0.5 mm / min). The bending strength was evaluated based on the bending strength after 10,000 cycles. The condition where the average strength of 10 samples was 450 MPa or more was evaluated as ◯, the condition exceeding 450 MPa and 350 MPa as Δ, and the condition as 350 MPa or less as X.
[0072]
Furthermore, the resistance change was evaluated by the resistance change rate after 10,000 cycles. The condition of 10% or more is 0 condition, the condition of 1 or more and 3 or less is △, and the condition of more than 4 is defined as x. .
[0073]
As a comprehensive judgment, for the above two evaluation items, ◯ is ◎ (very good), ◯ is one (good), △ is two (△ within the allowable range). ) And those containing at least one x were defined as x (impossible).
[0074]
[Table 1]

[0075]
[Table 2]

[0076]
From the results shown in Tables 1 and 2, No. 1 within the scope of the present invention. 1-12, and No. 1 With respect to the samples 22 to 24, results within an allowable range could be obtained in all evaluation items of bending strength and resistance change rate. However, sample no. 13-21, no. The sample outside the scope of the present invention shown in No. 25 could not obtain good results over all items of bending strength and resistance change rate. In addition, No. of the conventional example. 26 did not give good results.
[0077]
Hereinafter, the results obtained for each sample will be described.
[0078]
First, no. For the samples 1 to 12, the thickness of the silica film on the tip side of the rod-shaped substrate 11 is thicker than the thickness of the silica film on the other end side of the rod-shaped substrate, and a heat insulating effect is obtained. The temperature difference of the base part of the heater 10 became small and the tendency for a thermal shock resistance to improve was seen.
[0079]
However, among samples within the scope of the present invention, no. Regarding the samples 1 to 5, although the rate of change in the longitudinal direction of the silica film was 12% or more and the bending strength was a good result of 540 MPa or more, the temperature of the cylindrical body 14 made of stainless steel was too high. Since the surface tends to be partially oxidized, it was regarded as the limit of the allowable range, and was evaluated as Δ.
[0080]
No. which is outside the scope of the present invention. Nos. 13 to 20 are samples in which the thickness of the silica film on the tip side of the rod-shaped substrate 11 is thinner than the thickness of the silica film on the other end side of the rod-shaped substrate 11. Naturally, in 13 to 20, the rate of change in thickness in the longitudinal direction is a negative value, and the temperature difference between the temperature of the base heating element and the exposed base portion of the ceramic heater 10 tends to increase, and the bending strength tends to deteriorate. It was.
[0081]
Among the samples within the scope of the present invention, No. 1-2, no. 4-7, no. For the samples 10 to 12, the thickness variation in the circumferential direction of the silica film was 12% or less, and the temperature difference in the circumferential direction could be suppressed. Therefore, the thermal shock resistance to the resistance heating element was increased, and the resistance change rate was The number of samples exceeding 10% was as small as 3 or less, and good results were obtained.
[0082]
On the other hand, sample No. with a thickness variation of 12% or more in the circumferential direction of the silica film. Regarding 3, 8, and 9, the temperature difference in the circumferential direction could not be suppressed, and the thermal shock resistance to the resistance heating element tended to deteriorate.
[0083]
Further, No. 1 was prepared without making a difference between the thickness of the silica film on the tip side of the rod-shaped substrate 11 and the thickness of the silica film on the other end side of the rod-shaped substrate 11. In No. 21, the temperature difference between the base heating element side and the exposed base portion of the ceramic heater 10 increased, and the bending strength tended to deteriorate.
[0084]
No. 1 in which silica was deposited by CVD. No. 22 is a No. 22 film formed by thermal oxidation. A result equivalent to 11 was obtained.
[0085]
Furthermore, the sample No. 1 is a sample in which the rod-shaped substrate 11 is made of high-purity alumina ceramics and silica having a lower thermal conductivity is formed by CVD to form an electrically insulating film. No. 23 had a bending strength of 370 MPa, and one sample having a resistance change exceeding 10% showed an excellent result, and it was confirmed that the effect of the present invention was obtained.
[0086]
In addition, No. 1 is a sample in which the rod-shaped substrate 11 is made of aluminum nitride ceramics, and silicon nitride having a lower thermal conductivity is used as an electrically insulating film. No. 24 had a flexural strength of 350 MPa and one sample having a resistance change exceeding 10%, and it was confirmed that the effect of the present invention was obtained.
[0087]
On the other hand, No. 1 is a sample in which silicon nitride having a higher thermal conductivity than the high-purity alumina ceramic of the rod-shaped substrate 11 is used as an electrically insulating film. In No. 25, the temperature difference between the temperature of the base heating element and the exposed base portion of the ceramic heater 10 was increased, the bending strength was deteriorated, and the resistance change exceeded 10%. .
[0088]
Further, a conventional sample having no electrical insulating film, No. In No. 26, the temperature difference between the base heating element side and the exposed base portion of the ceramic heater 10 increases, and the bending strength tends to deteriorate, and the temperature difference in the circumferential direction cannot be suppressed, leading to a resistance heating element. There was a tendency for the thermal shock resistance to deteriorate.
[0089]
In addition, Sample No. which obtained good results according to this example was obtained. The center shaft 22 is attached to the ceramic heater 10 manufactured under the conditions of 5 and fixed to the glow plug body 21 by brazing and caulking, and the glow plug 20 is manufactured. Thermal cycle in which the saturation temperature at the tip of the glow plug is 1400 ° C., the voltage application time is 5 minutes, and then the forced cooling is performed by cutting the voltage and blowing the normal temperature compressed air to the highest heat generating part and cooling it. 50000 cycles were evaluated, but no damage was observed at any point including the contact point between the cylindrical body 14 and the rod-shaped substrate 11, and it was found that the thermal plug had excellent thermal shock resistance as a glow plug. .
[0090]
【The invention's effect】
The ceramic heater and the glow plug of the present invention comprise a ceramic heater in which a resistance heating element is embedded at the tip of a rod-shaped base made of electrically insulating ceramic and the other end of the rod-shaped base is fitted and held in a cylindrical body. The rod-like substrate has an electrically insulating film having a lower thermal conductivity than that of the electrically insulating ceramic formed on at least the surface of the portion protruding from the cylindrical body, and the other end side from the tip of the rod-like substrate. By reducing the thickness of the electrical insulating film, the deterioration of the temperature distribution of the exposed portion of the substrate that is not covered by the cylindrical body is reduced. An excellent ceramic heater and glow plug can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic heater according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a glow plug using the ceramic heater of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional glow plug.
[Explanation of symbols]
10: Ceramic heater
11: Rod-shaped substrate
12: Resistance heating element
13a: Power feeding unit
13b: Power feeding unit
14: cylindrical body
15: Electrical insulating film
20: Glow plug
21: Glow plug body
22: Middle shaft
23: Plug electrode

Claims

In a ceramic heater in which a resistance heating element is embedded at the tip of a rod-shaped base made of electrically insulating ceramic, the other end of the rod-shaped base is fitted and held in a cylindrical body, and protrudes from at least the cylindrical body of the rod-shaped base. An electrically insulating film having a thermal conductivity lower than that of the electrically insulating ceramic is formed on the surface of the portion, and the thickness of the electrically insulating film increases from the tip of the rod-shaped substrate toward the other end. A ceramic heater that is thin.

The ceramic heater according to claim 1, wherein the electrically insulating ceramic is a nitride ceramic, and the electrically insulating film is a silica film.

The ceramic heater according to claim 2, wherein the nitride ceramic is a silicon nitride ceramic.

The ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, wherein a thickness variation in the circumferential direction of the rod-shaped substrate of the electrical insulating film is 12% or less.

Glow plug, characterized in that fitted with glow plug body to the ceramic heater according to any one of claims 1-4.