JP6342653B2

JP6342653B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ

Info

Publication number: JP6342653B2
Application number: JP2013260889A
Authority: JP
Inventors: 朝島袋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: JP2015117871A

Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用または炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、自動車エンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータ、測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータおよびこれを備えたグロープラグに関するものである。

グロープラグに用いられるセラミックヒータは、導体を構成する導電性セラミックスと、セラミック体を構成する絶縁性セラミックスとで構成されているものが知られている。この導体は、棒状のセラミック体に埋設されており、発熱抵抗体とリードとで構成されている。従来の発熱抵抗体の一般的な形状は、セラミック体の基端（後端）部から延びて先端部で折り返し、再び基端部へ戻るＵ字状等の形状であった。

特公平５−２８４７８号公報

近年、より急速に昇温できるヒータが要求されている。このような要求として、例えばエンジンの始動時に急速に昇温させるということがあり、そのためには発熱抵抗体に大電流を流す必要がある。しかしながら、発熱抵抗体に大電流を流した場合には、その一部が局所的に発熱してしまう結果、ヒータの温度分布が不均一になってしまうという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、発熱抵抗体に大電流を流した場合にも、ヒータの温度分布を均一に制御することが可能な、高い信頼性および耐久性を有するヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供することにある。

中心軸を有する棒状のセラミック体と、該セラミック体に前記中心軸に沿って埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の端部のそれぞれに接続されるとともに、該端部から前記セラミック体の後端に向かって伸びる一対のリードとを備え、該発熱抵抗体は、それぞれ
前記セラミック体の前記中心軸に沿って伸びて前記セラミック体の先端側において接続された第１らせん部と第２らせん部とから成り、前記第１らせん部の軸と前記第２らせん部の軸とが重なっているとともに、前記第１らせん部と前記第２らせん部とは、前記第１らせん部と前記第２らせん部との重なっている軸に対して線対称の関係にあり、前記一対のリードは、前記第１らせん部に接続された第１のらせん状部と前記第２らせん部に接続された第２のらせん状部とを有し、前記第１のらせん状部の軸と前記第２のらせん状部の軸とが重なっているとともに、前記第１のらせん状部と前記第２のらせん状部とは、前記第１のらせん状部と前記第２のらせん状部との重なっている軸に対して線対称の関係にあることを特徴とするものである。

また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記発熱抵抗体は、前記第１らせん部と前記第２らせん部との接続部が前記中心軸上に位置しているとともに、前記接続部に前記セラミック体の先端側に向かう凸部を有しており、該凸部の全体が前記セラミック体に埋設されていることを特徴とするものである。

また、本発明のヒータは、上記の構成において、前記凸部が前記中心軸に重なって出ていることを特徴とするものである。

また、本発明のグロープラグは、上記のいずれかの構成のヒータと、該ヒータの後端側に取り付けられた筒状の金属部材とを備えていることを特徴とするものである。

本発明のヒータによれば、発熱抵抗体がセラミック体の中心軸に沿って伸びてセラミック体の先端側において接続された第１らせん部と第２らせん部とから成り、第１らせん部の軸と第２らせん部の軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１らせん部と第２らせん部とが線対称の関係にある。このように、発熱抵抗体を全体として対称ならせん形状にすることで、これに応じてセラミック体の高温部の分布がらせん状になる。セラミック体の高温部の分布がらせん状になっていると、高温部と低温部とが交互に配置され、かつそれら高温部と低温部との間隔が短くなるため、セラミック体の高温部から低温部へ熱が移動しやすくなる。その結果、発熱抵抗体に大電流を流した場合にその一部が局所的に発熱したとしても、高温部と低温部との温度差をより小さくすることができるため、ヒータの温度分布が均一になるように制御することが可能となる。これによって、高い信頼性および耐久性を有するヒータを提供することができる。

また、本発明のグロープラグによれば、上記のヒータと、このヒータの後端側に取り付けられた筒状の金属部材を備えていることから、発熱抵抗体に大電流を流した場合にもヒータの温度分布が均一になるように制御することが可能なものとなる。

本発明のヒータの実施形態の一例を示す概略透視上面図である。（ａ）は図１におけるＡ領域を示す概略透視部分上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す断面ｉ〜iiiにおける断面図である。（ａ）は図２（ａ）と同様の概略透視部分上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す断面ｉ〜ivにおける断面図である。（ａ）は図２（ａ）と同様の概略透視部分上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す断面ｉ〜ivにおける断面図である。本発明のグロープラグの実施形態の一例を示す、一部を断面で示した概略透視上面図である。

以下、本発明の実施形態に係るヒータについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明のヒータの実施形態の一例を示す概略透視上面図である。図１に示すように、このヒータ１０は、中心軸Ｃを有する棒状のセラミック体１と、セラミック体１に中心軸Ｃに沿って埋設された発熱抵抗体２とを備えている。発熱抵抗体２は、それぞれセラミック体１の中心軸Ｃに沿って伸びてセラミック体１の先端側において接続された第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとから成り、第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂが線対称の関係にある。発熱抵抗体２を第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとを組み合わせて全体としてもらせん形状にすることで、これに応じてセラミック体１の高温部の分布がらせん状になる。セラミック体１の高温部の分布がらせん状になっていると、高温部と低温部とが交互に配置され、かつそれら高温部と低温部との間隔が短くなるため、セラミック体１において高温部から低温部へ熱が移動しやすくなる。その結果、発熱抵抗体２に大電流を流した場合にその一部が局所的に発熱したとしても、セラミック体１において高温部と低温部の温度差を従来よりも小さくすることができるため、ヒータ１０の温度分布が均一になるように制御することが可能となる。

本実施形態のヒータ１０におけるセラミック体１は、中心軸Ｃを有する棒状に形成されたものである。このセラミック体１には発熱抵抗体２およびリード３が埋設されている。ここで、本例におけるセラミック体１はセラミックスから成る。これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１０を提供することが可能になる。具体的には、本例におけるセラミ
ック体１は、酸化物セラミックス，窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。特に、セラミック体１は、窒化珪素質セラミックスから成ることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％のＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物および０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３を加え、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ_２量が１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ_２を混合し、所定の形状に成形し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することによって得ることができる。

セラミック体１は、中心軸Ｃを有する棒状、例えば丸棒状あるいは角棒状等のものであり、その長さが例えば２０〜５０ｍｍに形成され、丸棒状の場合にはその直径が例えば３〜５ｍｍに形成される。

なお、セラミック体１として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合は、原料にＭｏＳｉＯ_２，ＷＳｉ_２等を混合して分散させることが好ましい。この場合には、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体２の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

発熱抵抗体２は、セラミック体１中に中心軸Ｃに沿って伸びるように配置されて埋設されている。本例のヒータ１０において発熱抵抗体２は、それぞれセラミック体１の中心軸Ｃに沿って伸びてセラミック体１の先端側において接続された第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとから成る。そして、第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとが線対称の関係にある。この関係の概略を図１および図２に示している。

図２（ａ）はセラミック体１の先端側の部分である図１におけるＡ領域を拡大して示す概略透視部分上面図であり、先端側を図の左側にして後端側の図示を省略している。第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとは、それぞれ中心軸Ｃの周りにらせん状に配置されていることから、図２（ａ）においては発熱抵抗体２のうち先端側から第１らせん部２ａは図における下側を、第２らせん部２ｂは図における上側を通り、途中で交差して見える所からは第１らせん部２ａは図における上側を、第２らせん部２ｂは図における下側を通って描かれている。また図２（ｂ）は、発熱抵抗体２がらせん状に配置されている様子を示している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す断面ｉ〜iiiにおける断面図であり、それぞれセラミ
ック体１の後端側から先端側を見たときの断面を、セラミック体１の左右を図における左右として示している。断面ｉにおいては、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとが左右に並んで配置されている。そこから少し後端側に移動した断面iiにおいては、第１らせん部２ａが左上に移動し、第２らせん部２ｂが右下に移動して配置されている。そこからさらに少し後端側に移動した断面iiiにおいては、第１らせん部２ａが上側に移動し、第２
らせん部２ｂが下側に移動して配置されている。このように、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとがセラミック体１の中心軸Ｃに沿ってその周りにらせん状に伸びて配置されていることによって、発熱抵抗体２が全体として対称ならせん形状になっている。

なお、本例においては第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とは重なって中心軸Ｃに一致しているが、両者が重なっている軸は、ヒータ１０に要求される仕様に応じて中心軸Ｃからずれていてもよい。また、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部はセラミック体１の先端側に位置しているが、その位置は先端側において適宜に設定してよい。

発熱抵抗体２の形成材料としては、Ｗ，ＭｏまたはＴｉなどの炭化物，窒化物または珪化物などを主成分とするものを使用することができる。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、セラミック体１との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料の中でも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱抵抗体２の材料として優れている。さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合には、発熱抵抗体２は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を２０質量％以上の含有率で添加したものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック体１中において、発熱抵抗体２となる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力が加わった状態にある。これに対して、発熱抵抗体２中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック体１のそれに近付けて、ヒータ１０の昇温時および降温時におけるセラミック体１と発熱抵抗体２との熱膨張率の差による熱応力を緩和することができる。また、発熱抵抗体２に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱抵抗体２の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、発熱抵抗体２に含まれる窒化珪素の含有量は２０質量％〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２５質量％〜３５質量％がよい。また、発熱抵抗体２への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜１２質量％添加することもできる。

発熱抵抗体２は断面形状が図２に示すような楕円形状の他に円形状あるいは三角形状、四角形状などの多角形状でもよく、その太さは、例えば０．５〜２ｍｍである。発熱抵抗体２の長さは、らせん形状の長さが例えば４〜８ｍｍであり、抵抗体自体の全体の長さが例えば６〜１０ｍｍである。さらに、第１らせん部２ａおよび第２らせん部２ｂのらせんの径は例えば５〜８ｍｍであり、らせんのピッチ（リードともいう、１回転で進む長さ）は例えば１〜２ｍｍである。

セラミック体１には発熱抵抗体２と同様にリード３が埋設されている。リード３は、発熱抵抗体２の後端に接続されるとともにセラミック体１の後端側に伸びてセラミック体１の表面に設けられた端子部に通じている。具体的には、発熱抵抗体２の第１らせん部２ａおよび第２らせん部２ｂの後端にそれぞれリード３が接合されていて、一方のリード３はセラミック体１の後端寄りの側面に設けられた端子部に導出され、他方のリード３はセラミック体１の後端の中央に設けられた端子部に導出されている。

本例においては、リード３についても発熱抵抗体２と同様に、それぞれセラミック体１の中心軸Ｃに沿って伸びている、セラミック体１の先端側において第１らせん部２ａに接続された第１のらせん状部と第２らせん部２ｂに接続された第２のらせん状部とから成り、セラミック体１の側面の端子部と後端の端子部とに引き出されるところまでが、これら第１のらせん状部の軸と第２のらせん状部の軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１のらせん状部と第２のらせん状部とが線対称の関係にあるものとなっている。このようにリード３が発熱抵抗体２と同様に全体として対称ならせん形状になっていると、発熱抵抗体２から端子部までのリード３自体の長さが長くなるので、端子部の温度が低くなり、端子部に対する熱によるダメージを低減することができる。

なお、リード３は、発熱抵抗体２との接続部からそれぞれ直線状にセラミック体１の後端側に伸びて、そのまま後端の端子部に接続され、また途中で曲がって側面の端子部に接続されているものであってもよい。

このリード３は、発熱抵抗体２と同様の材料を用いて形成される。リード３は、例えば、発熱抵抗体２よりも断面積を大きくしたり、セラミック体１の形成材料の含有率を発熱抵抗体２よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなってい
る。特に、ＷＣが、セラミック体１との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード３の材料として好適である。また、リード３は無機導電体であるＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を含有量が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素の含有量を増すにつれてリード３の熱膨張率をセラミック体１を構成する窒化珪素の熱膨張率に近付けることができる。また、窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、リード３の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、リード３における窒化珪素の含有量は１５質量％〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２０質量％〜３５質量％とするのがよい。

また、リード３の断面形状および太さは発熱抵抗体２と同様でよいが、ヒータ１０に要求される仕様に応じてこれらを発熱抵抗体２と異ならせていてもよい。らせん形状にする場合のらせんの寸法も、発熱抵抗体２と同様でよいが、異ならせていてもよい。長さはセラミック体１の内部において必要な長さに適宜設定すればよい。

次に、図３は、本発明のヒータの実施形態の他の例であるヒータ２０を示す図２と同様の図である。図３（ａ）は図２（ａ）と同様の概略透視部分上面図であって、本例のヒータ２０の構成はヒータ１０と基本的に同じである。図３（ｂ）も図２（ｂ）と同様の断面図であるが、図３（ａ）に示す断面ｉ〜iii（図２（ａ）に示す断面ｉ〜iiiと同様である）に加えて、断面ivにおける断面図も示している。

図３に示すヒータ２０は、ヒータ１０とは異なる点として、発熱抵抗体２は、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部がセラミック体１の中心軸Ｃ上に位置しているとともに、この接続部にセラミック体１の先端側に向かう凸部４を有している。発熱抵抗体２における第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部は、発熱抵抗体２の折り返し部となる部分であり、この接続部がセラミック体１の中心軸Ｃ上に位置していることにより、温度が低くなりがちなセラミック体１の先端部の中心に高温部が位置することとなるので、セラミック体１の先端部における高温部と低温部との温度差を小さくすることができる。さらに、この折り返し部付近に凸部４があることによって、温度が低くなりがちなセラミック体１の先端部を発熱抵抗体２の一部である凸部４でもって温めることができるため、ヒータ２０の温度分布をより均一に制御することが可能となる。

図３（ｂ）の断面ivにおける断面図に示すように、セラミック体１の後端側から先端側を見たときに、本例では凸部４がセラミック体１の中心からは右側にずれた位置に配置されている。この凸部４は、セラミック体１の中心から左にずれていても、あるいは上または下にずれていてもよく、ヒータ２０に要求される仕様に応じて、セラミック体１の先端部を温めるのに好適な位置に配置すればよい。この凸部４の形状は、板状、円柱状または直方体状等である。また大きさは、太さを例えば０．０５〜０．５ｍｍに、長さを例えば０．１〜０．５ｍｍに設定するとよい。

次に、図４は、本発明のヒータの実施形態の他の例であるヒータ３０を示す図３と同様の図である。図４（ａ）は図３（ａ）と同様の概略透視部分上面図であって、本例のヒータ３０の構成はヒータ２０と基本的に同じである。図４（ｂ）も図３（ｂ）と同様の断面図であり、図４（ａ）に示す断面ｉ〜ivにおける断面図を示している。

図４に示すヒータ３０は、ヒータ２０とは異なる点として、発熱抵抗体２は、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部がセラミック体１の中心軸Ｃ上に位置しているとともに、この接続部にセラミック体１の先端側に向かう凸部４を有しており、この凸部４がセラミック体１の中心軸Ｃに重なって接続部から出ている。発熱抵抗体２における第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部は、発熱抵抗体２の折り返し部となる部分であり、折り返し部は発熱抵抗体２の他の部分よりも応力が加わる部分である。この折り返
し部が中心軸Ｃ上に位置しているとともに、その中央に凸部４があることで、折り返し部中央において発熱抵抗体２の体積が増加することとなり、それによって応力への耐久性が増すため、繰り返し使用時に折り返し部にクラックが入り難くなり、繰り返し使用における昇温耐久性を向上させることが可能となる。さらに、ヒータ２０における凸部４と同様に、ヒータ３０の温度分布をより均一に制御することが可能となる。

次に、図５は、本発明のグロープラグの実施形態の一例を示す、一部を断面で示した概略透視上面図である。図５に示すように、このグロープラグ５０は、上述のヒータ１０と、ヒータ１０の後端側に取り付けられた筒状の金属部材５を備えている。また、金属部材５の内側に配置されてヒータ１０の後端の端子部に取り付けられた電極金具６とを備えている。本実施形態のグロープラグ５０によれば、上述のヒータ１０を使用していることから、大電流を流した場合にも温度分布が均一になるように制御することが可能となる。また、ヒータ１０に代えてヒータ２０またはヒータ３０を用いてもよく、その場合には温度分布をより均一に制御することが可能となるとともに、さらに発熱抵抗体２の折り返し部にクラックが入り難くなることからセラミック体１においてもマイクロクラックの発生を抑えることが可能となるので、繰り返し使用における昇温耐久性を向上させることが可能となり、グロープラグの繰り返しの耐久性を向上させることが可能となる。

金属部材５は、セラミック体１を保持するための部材である。金属部材５は、筒状の部材であって、セラミック体１の後端側を囲むように取り付けられている。すなわち、筒状の金属部材５の内側に棒状のセラミック体１が挿入されている。金属部材５は、セラミック体１の後端側の側面に設けられてリード３が接続された端子部に電気的に接続されている。金属部材５は、例えば、ステンレスまたは鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金から成る。

金属部材５とセラミック体１とは、端子部を間に挟んでろう材によって接合されている。ろう材は、金属部材５とセラミック体１との間にセラミック体１の後端側を囲むように設けられている。このろう材は、基本的にはセラミック体１の後端側の側面の全周に層状に設けられている。これにより、金属部材５がセラミック体１に強固に接合され、リード３が端子部およびろう材を介して金属部材５と電気的に接続される。

ろう材としては、ガラス成分を５〜２０質量％含んだ銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ろう、ＡｇろうまたはＣｕろう等を用いることができる。ガラス成分はセラミック体１のセラミックスとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいため、ろう材とセラミック体１との接合強度またはろう材と金属部材５との接合強度を向上させることができる。

電極金具６は、金属部材５の内側に位置してセラミック体１の後端に端子部に電気的に接続するように取り付けられている。電極金具６は、種々の形態のものを用いることができるが、図５に示す例では、セラミック体１の後端に端子部を含んで被さるように取り付けられるキャップ部と外部の接続電極に電気的が接続されるコイル状部とが線状部で接続された構成である。この電極金具６は、金属部材５との間で短絡が生じないように、金属部材５の内周面から離れて保持されている。

電極金具６は、外部の接続電極との接続における応力緩和のために設けられたコイル状部を有する金属線である。電極金具６は、リード３が接続されている端子部に接触している。電極金具６は、リード３に電気的に接続されるとともに、外部の電源からの接続電極（図示せず）に電気的に接続される。外部の電源によって金属部材５と電極金具６との間に電圧を加えることによって、金属部材５および電極金具６を介して発熱抵抗体２に電流を流すことができる。電極金具６は、例えばニッケルまたはステンレスから成る。

次に、本実施の形態のヒータ１０の製造方法の一例について説明する。

本実施の形態のヒータ１０は、例えば、上記本実施の形態の構成における発熱抵抗体２、リード３およびセラミック体１の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。

まず、導電性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む、発熱抵抗体２およびリード３と成る導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含むセラミック体１と成るセラミックペーストを作製する。

次に、導電性ペーストを用いて射出成形法等によって発熱抵抗体２と成る所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。具体的には、所定パターンの金型内に、導電性ペーストを充填して加熱することによって成形体を形成し、これを冷却して取り出したものが発熱抵抗体２となる。このとき、先端側において接続された第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとからなり、これら第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とが重なっている発熱抵抗体２の成形体を形成するには、上金型と下金型とを組み合わせた際に空洞部が発熱抵抗体２のらせん形状になる金型に、焼成後に抵抗体になる導電性ペーストを充填することで、発熱抵抗体２の成形体が得られる。

そして、この発熱抵抗体２を金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード３と成る所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。このとき、第１らせん部２ａに接続された第１のらせん状部と第２らせん部２ｂに接続された第２のらせん状部とから成るリード３の成形体を形成して発熱抵抗体２に接続するには、上金型と下金型とを組み合わせた際に発熱抵抗体２を保持する空間があり、かつリード３となる空洞部がリード３のらせん形状になる金型に、焼成後に導体（低抵抗の抵抗体）になる導電性ペーストを充填することで、リード３の成形体が得られる。

これにより、全体として対称ならせん形状の発熱抵抗体２と、この発熱抵抗体２に接続されたらせん形状のリード３とが、金型内に保持された状態となる。

次に、金型内にこれら発熱抵抗体２およびリード３を保持した状態で、金型の一部をセラミック体１の成形用のものに取り替えた後、金型内にセラミック体１と成るセラミックペーストを充填する。これにより、発熱抵抗体２およびリード３がセラミックペーストの成形体中に埋設されたヒータ１０の成形体が得られる。

次に、得られた成形体を例えば１６５０℃〜１７８０℃の温度、３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力で焼成することにより、ヒータ１０を作製することができる。なお、焼成は水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

なお、ヒータ２０，３０のように、発熱抵抗体２の第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部に凸部４を形成する場合には、発熱抵抗体２の成形体を形成する際に、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部に凸部４となる空洞を設けた金型を用いればよい。

（実施例１）
本発明の実施例のヒータを、まず実施形態の一例であるヒータ１０について以下のようにして作製した。

まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を５０質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を３
５質量％、樹脂バインダーを１５質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して図１および図２に示すような形状の発熱抵抗体２を作製した。

ここで、本発明の実施例である試料１として、上金型と下金型とを組み合わせた際に空洞部が発熱抵抗体２のらせん形状になる金型に、焼成後に抵抗体になる導電性ペーストを充填することによって、先端側において接続された第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとから成り、第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとが線対称の関係にある発熱抵抗体２を作製した。このらせん形状の寸法は、発熱抵抗体２の太さを１ｍｍとし、第１らせん部２ａおよび第２らせん部２ｂの長さをそれぞれ６ｍｍとし、らせんの径を４ｍｍとし、らせんのピッチを２ｍｍとした。

一方、比較評価用の試料２として、後端部から直線状に延びて先端部で折り返し、再び後端部へ戻るＵ字状の発熱抵抗体を作製した。この発熱抵抗体の寸法は、発熱抵抗体の太さを１ｍｍとし、Ｕ字状部の長さを６ｍｍ、幅（間隔）を４ｍｍとした。

次に、試料１および試料２の発熱抵抗体をそれぞれ金型内に保持した状態で、リードとなる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、発熱抵抗体と接続させた。ここで、試料１においては上金型と下金型とを組み合わせた際に発熱抵抗体２を保持する空間があり、かつリード３となる空洞部がリード３のらせん形状になる金型に、焼成後に導体（低抵抗の抵抗体）になる導電性ペーストを充填することによって、発熱抵抗体２の第１らせん部２ａおよび第２らせん部２ｂにそれぞれ接続されたらせん形状のリード３を作製した。このらせん形状の寸法は、リード３の太さを２ｍｍとし、らせん形状の長さを２５ｍｍとし、らせんの径を４ｍｍとし、らせんのピッチを２ｍｍとした。これによって、図１および図２に示すような形状の発熱抵抗体２およびリード３を形成した。

一方、試料２においては、発熱抵抗体の後端にそれぞれ接続された直線形状のリードを作製した。このリードの寸法は、リードの太さを２ｍｍ、長さを２５ｍｍとし、間隔を４ｍｍとした。これによって、全体としてＵ字状の発熱抵抗体およびリードを形成した。

次に、試料１および試料２の発熱抵抗体およびリードをそれぞれ金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を８５質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ_２Ｏ_３）を１０質量％、発熱抵抗体およびリードに熱膨張率を近付けるための炭化タングステン（ＷＣ）を５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、セラミック体の中に発熱抵抗体およびリードが埋設された構成のヒータの成形体を形成した。

次に、得られたヒータの成形体を円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、１７００℃の温度、３５Ｍｐａの圧力でホットプレスを行ない焼結して、本発明の実施例となる試料１および比較例となる試料２のヒータを作製した。

そして、試料１および試料２について、発熱抵抗体に大電流を流した場合におけるヒータの温度分布を測定した。具体的には、設定温度を１２００℃として５Ａの電流を流すように発熱抵抗体に電圧を印加して、電圧印加開始５分後のヒータの温度分布を放射温度計を用いて測定した。

その結果、試料１では、らせん状の発熱抵抗体の配置に沿って、高温部と低温部とがらせん状に分布していたのに対して、試料２ではＵ字状の発熱抵抗体に沿って、高温部と低温部とが棒状（直線状）に分布していた。そして、試料１ではセラミック体１の表面の温度が最高温度部で１２５０℃、最低温度部で１２３０℃であった。これに対して、試料２
ではセラミック体の表面の温度が最高温度部で１２６０℃、最低温度部で１２１０℃であった。

この結果、試料２ではヒータの最高温度部と最低温度部の差が５０℃と大きかったのに対して、試料１ではその差が２０℃と小さかった。これにより、本発明によれば、ヒータの温度分布をより均一に制御することが可能であることが分かった。

（実施例２）
次に、本発明の実施例のヒータを、実施形態の一例であるヒータ２０，３０について以下のようにして作製した。

まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を５０質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を３５質量％、樹脂バインダーを１５質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して図３および図４に示すような形状の発熱抵抗体２を作製した。

ここで、本発明の実施例である試料３、試料４として、上金型と下金型とを組み合わせた際に空洞部が発熱抵抗体２のらせん形状になる金型に、焼成後に抵抗体になる導電性ペーストを充填することによって、先端側において接続された第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとから成り、第１らせん部２ａの軸と第２らせん部２ｂの軸とが重なっているとともに、この重なっている軸に対して第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとが線対称の関係にある発熱抵抗体２を作製した。

このとき、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部がセラミック体１の中心軸上に位置しているとともに、接続部にセラミック体１の先端側に向かう凸部４となる空洞を有している金型を使用することで、第１らせん部２ａと第２らせん部２ｂとの接続部がセラミック体１の中心軸上に位置しているとともに、接続部にセラミック体１の先端側に向かう凸部４を有するらせん状の発熱抵抗体２を得た（試料３）。

また、凸部４となる空洞がセラミック体１の中心軸に重なって出ている金型を使用することで、セラミック体１の中心軸に重なって出ている凸部４を有する発熱抵抗体２を得た（試料４）。

これら試料３および試料４の発熱抵抗体２のらせん形状の寸法は、発熱抵抗体２の太さを１ｍｍとし、らせん部の長さを６ｍｍとし、らせんの径を４ｍｍとし、らせんのピッチを２ｍｍとした。

次に、試料３および試料４の発熱抵抗体２をそれぞれ金型内に保持した状態で、上金型と下金型とを組み合わせた際に発熱抵抗体２を保持する空間があり、かつリード３となる空洞部がリード３のらせん形状になる金型に、焼成後に導体になる導電性ペーストを充填することによって、発熱抵抗体２の第１らせん部２ａおよび第２らせん部２ｂにそれぞれ接続されたらせん形状のリード３を作製した。このらせん形状の寸法は、リードの太さを２ｍｍとし、らせん形状の長さを２５ｍｍとし、らせんの径を４ｍｍとし、らせんのピッチを２ｍｍとした。これによって、図３および図４に示すような形状の発熱抵抗体２およびリード３をそれぞれ試料３および試料４として形成した。

次に、試料３および試料４の発熱抵抗体２およびリード３をそれぞれ金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末を８５質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ_２Ｏ_３）を１０質量％、発熱抵抗体２およびリード３に熱膨張率を近付けるための炭化タングステン（ＷＣ）を５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、セラミック体１の中に発熱抵抗体２およびリード３が埋設
された構成のヒータとなる成形体を形成した。

次に、得られたヒータの成形体を円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、１７００℃の温度、３５ＭＰａの圧力でホットプレスを行なって焼結させて、本発明の実施例となる試料３および試料４のヒータを作製した。

そして、試料１、試料３および試料４について、発熱抵抗体２に大電流を流した場合におけるヒータ先端の温度分布を測定した。具体的には、設定温度を１２００℃として５Ａの電流を流すように発熱抵抗体２に電圧を印加して、電圧印加開始５分後のヒータの温度分布を放射温度計を用いて測定した。

その結果、試料１では、ヒータ先端の表面の温度が最高温度部で１２５０℃、最低温度部で１２３０℃であった。これに対して、試料３ではヒータ先端の表面の温度が最高温度部で１２５０℃、最低温度部で１２３５℃であった。また、試料４ではヒータ先端表面の温度が最高温度部で１２５０℃、最低温度部で１２４０℃であった。

この結果、試料１ではヒータ先端の表面の最高温度部と最低温度部の差が２０℃であったのに対して、試料３ではその差が１５℃と小さく、試料４ではその差が１０℃とさらに小さかった。これにより、本発明によれば、発熱抵抗体２が凸部４を有していることによって、ヒータ先端の表面の温度分布をより均一に制御することが可能であることが分かった。

そして、以上の試料１〜試料４について、昇温耐久性の試験を行なった。ここでは、試料１〜試料４のそれぞれについて、３０秒間通電して１２００℃まで昇温し、その後６０秒間通電を停止するサイクルにて、繰返しＯＮ−ＯＦＦ試験を実施した。

その結果、試料２のヒータでは耐久寿命（サイクル数）が約６００００サイクルであった。これに対し、耐久寿命（サイクル数）が試料１のヒータでは約３０００００サイクル、試料３のヒータでは約３５００００サイクル、試料４のヒータでは約４０００００サイクルとなった。

これによって、本発明の実施例のヒータ（試料１、３、４）によれば、比較例のヒータ（試料２）に比べて、耐久寿命が５倍以上になることが分かった。

１０，２０，３０：ヒータ
１：セラミック体
２：発熱抵抗体
３：リード
４：凸部
５：金属部材
５０：グロープラグ

Claims

中心軸を有する棒状のセラミック体と、該セラミック体に前記中心軸に沿って埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の端部のそれぞれに接続されるとともに、該端部から前記セラミック体の後端に向かって伸びる一対のリードとを備え、
該発熱抵抗体は、それぞれ前記セラミック体の前記中心軸に沿って伸びて前記セラミック体の先端側において接続された第１らせん部と第２らせん部とから成り、前記第１らせん部の軸と前記第２らせん部の軸とが重なっているとともに、
前記第１らせん部と前記第２らせん部とは、前記第１らせん部と前記第２らせん部との重なっている軸に対して線対称の関係にあり、
前記一対のリードは、前記第１らせん部に接続された第１のらせん状部と前記第２らせん部に接続された第２のらせん状部とを有し、前記第１のらせん状部の軸と前記第２のらせん状部の軸とが重なっているとともに、
前記第１のらせん状部と前記第２のらせん状部とは、前記第１のらせん状部と前記第２のらせん状部との重なっている軸に対して線対称の関係にあることを特徴とするヒータ。
前記発熱抵抗体は、前記第１らせん部と前記第２らせん部との接続部が前記中心軸上に位置しているとともに、前記接続部に前記セラミック体の先端側に向かう凸部を有しており、該凸部の全体が前記セラミック体に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記凸部が前記中心軸に重なって出ていることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータと、該ヒータの後端側に取り付けられた筒状の金属部材とを備えていることを特徴とするグロープラグ。