JP6360341B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータに関するものである。

従来、ディーゼルエンジンにおいては、低温時の燃料の自着火を補助するために、グロープラグが使用されている。グロープラグによって燃焼室内が昇温されることにより、低温時にもディーゼルエンジンの始動が可能となる。近年、エンジンの始動までに要する時間を短縮するため、グロープラグには、急速な温度上昇性能が求められている。

また、排ガス中のＮｏｘ低減のため、ディーゼルエンジンにおいては、圧縮比の低下が求められている。圧縮比の低いディーゼルエンジンにおいても、低温時に安定的に燃料を着火させるために、グロープラグには、高温（たとえば、１３００℃以上）に燃焼室内を加熱する性能が求められている。

そのような急速な温度上昇および高温の保持が求められるグロープラグのセラミックヒータにおいて、さらに、ヒータ外に熱が逃げることによるグロープラグの熱効率の低下を防止するために、以下のような技術が開発されている。すなわち、セラミックヒータにおいて、発熱部の基体には、熱伝導率が高い窒化アルミニウム質セラミックを採用し、発熱部を支持する支持部の基体においては、熱伝導率が低い窒化ケイ素質セラミックを採用する技術が開発されている（特許文献１）。

特許第２９９８９９９号 特開２００４−２５９６１０号公報 特開平７−１１９９６９号公報 特開平７−１９０３６０号公報 特開平７−２１７８８４号公報

しかし、上記技術において発熱部に使用されている窒化アルミニウム質セラミックは、近年求められている１３００℃を超える加熱を、多数回（たとえば１０万回以上）繰り返す使用には、耐え得ない。また、窒化アルミニウム質セラミックは、近年求められているほどの急速な温度上昇にも耐え得ない。より具体的には、窒化アルミニウム質セラミックをセラミックヒータとして使用し、セラミックヒータの温度を急速に上昇させると、割れてしまう。すなわち、特許文献１の技術は、高温性能と、耐久性と、急速な温度上昇性能とを、近年求められる程度に達成しうるものではない。このような課題は、高温による加熱と、急速な温度上昇と、耐久性とがいずれも要求されるセラミックヒータにおいて、広く存在する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、セラミックヒータが提供される。このセラミックヒータは、通電によって発熱する発熱体と、前記発熱体を保持する絶縁性の基体部と、を備える。そして、セラミックヒータは、Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（０≦Ｚ＜４．２）で表される窒化ケイ素またはサイアロンを含む。前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、第１の部分と、前記第１の部分よりも前記セラミックヒータが他の構造に支持される部分に近い第２の部分と、を備える。前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記Ｚの値が大きい。このような態様においては、発熱体、または発熱体を保持する基体部において、窒化ケイ素またはサイアロンを採用する。このため、１３００℃を超える高温に発熱しても、繰り返し使用に耐える。また、上記態様においては、セラミックヒータが他の構造に支持される部分に近い第２の部分において、第１の部分よりもＺの値が大きいサイアロンを採用する。このため、他の構成が同じであって、第１の部分と第２の部分においてＺの値が等しい態様に比べて、セラミックヒータの熱のうち、他の構造に支持される部分から他の構造に逃げる量を少なくすることができる。よって、他の構成が同じであって、第１の部分と第２の部分においてＺの値が等しい態様に比べて、高温性能および耐久性を維持しつつ、高効率を達成しうる。

（２）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記第１の部分は、前記第２の部分よりも、前記セラミックヒータの軸の方向について先端側に位置する態様とすることができる。このような態様においては、エンジンの燃焼室内を昇温するために高温になる先端側に第１の部分が位置し、第１の部分に比べて高温になりにくい後端側に第２の部分が位置する。第１の部分はＺの値が小さく熱伝導性が高いため、一部が高温になっても、その熱は第１の部分全体に伝導され、大きな温度差が生じにくい。このため、第１の部分において、クラックが生じにくく、クラックが伸展しにくい。また、第２の部分はＺの値が大きく熱伝導性が低いものの、第１の部分に比べて高温にさらされにくい。このため、第２の部分も、クラックが生じにくく、クラックが伸展しにくい。

（３）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記基体部が、前記第１および第２の部分を備える態様とすることができる。このような態様とすれば、発熱体にくらべて基体部の体積が大きい態様において、他の構造に支持される部分を介して、セラミックヒータから他の構造に逃げる量を、効果的に低減することができる。

（４）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記発熱体が、前記第１および第２の部分を備える態様とすることができる。このような態様とすれば、基体部にくらべて発熱体の体積が大きい態様において、他の構造に支持される部分を介して、セラミックヒータから他の構造に逃げる量を、効果的に低減することができる。

（５）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記発熱体および前記基体部が、それぞれ前記第１および第２の部分を備える態様とすることができる。

（６）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記第１および第２の部分を備える前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、前記第１の部分から前記第２の部分に向かう方向に沿って、前記Ｚの値が大きくなるように構成される、態様とすることができる。第１の部分と第２の部分が互いに接続され、それぞれ一定のＺの値を有する窒化ケイ素またはサイアロンで構成される態様においては、第１の部分と第２の部分の接続部分において組成がステップ状に急激に変化する。このため、第１の部分と第２の部分のＺの値が適切ではない場合、第１の部分と第２の部分の接続部分においてクラックが生じる可能性がある。しかし、上記の態様においては、第１の部分内および第２の部分内において、第１の部分から第２の部分に向かう方向に沿ってＺの値が大きくなるように構成されるため、クラックが生じる可能性が低い。

（７）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記セラミックヒータでもっとも温度が高くなる第１の地点の表面温度が１２００℃以上で飽和する電圧を印加した作動時に、前記第１の部分と前記第２の部分の境界は、前記第１の地点と、前記第１の地点から前記第２の部分に向かう方向に向かって最初に表面温度が６００℃以下になる第２の地点と、の間に位置するように構成される、態様とすることができる。このような態様とすれば、最も高い温度よりも十分に温度が低い第２の地点からサイアロンのＺの値が切り替わる境界までの間に所定の距離を確保することができる。このため、セラミックヒータから外部への熱の流出を、第２の部分において、十分、低減することができる。

（８）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記基体部の後端における前記Ｚの値は０．１７以上である、態様とすることができる。このような態様とすれば、発熱体にくらべて基体部の体積が大きい態様において、他の構造に支持される部分を介して、セラミックヒータから他の構造に逃げる量を、より効果的に低減することができる。

（９）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記発熱体の後端における前記Ｚの値は０．３１以上である、態様とすることができる。このような態様とすれば、基体部にくらべて発熱体の体積が大きい態様において、他の構造に支持される部分を介して、セラミックヒータから他の構造に逃げる量を、より効果的に低減することができる。

（１０）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記基体部の後端における前記Ｚの値は０．１７以上であり、前記発熱体の後端における前記Ｚの値は０．３１以上である、態様とすることができる。このような態様とすれば、他の構造に支持される部分を介して、セラミックヒータから他の構造に逃げる量を、より効果的に低減することができる。

（１１）本発明の一形態によれば、グロープラグが提供される。このグロープラグは；上記のいずれかの形態のセラミックヒータと；前記セラミックヒータを支持する前記他の構造としての金属外筒であって、前記第２の部分の一部を囲む金属外筒と、を備える。前記第１の部分は前記金属外筒から露出している。このような態様とすれば、Ｚの値が大きく熱伝導性が高い第１の部分から金属外筒に熱が逃げる可能性を低減することができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、グロープラグまたはセラミックヒータの製造方法、その製造方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

グロープラグ１０の断面図。 セラミックヒータ４０の断面図。

Ａ．実施形態：
（１）グロープラグ１０の構造：
図１は、グロープラグ１０の断面図である。グロープラグ１０は、主体金具２０と、外筒３０と、セラミックヒータ４０と、リング４５と、中軸５０と、Ｏリング５５と、絶縁部材６０と、端子７０とを備えている。グロープラグ１０の中心軸Ａｃを、図１において、一点鎖線で示す。

グロープラグ１０は、主体金具２０においてディーゼルエンジンのシリンダーヘッドに固定される。グロープラグ１０がシリンダーヘッドに固定された状態において、グロープラグ１０の一方の端に位置するセラミックヒータ４０の先端は、ディーゼルエンジンの燃焼室内に露出する。一方、グロープラグ１０の他方の端に位置する端子７０には、プラグコードが接続され、電力が供給される。本明細書では、グロープラグ１０において、セラミックヒータ４０が配されている側の端を「先端」と呼ぶ。グロープラグ１０において、端子７０が配されている側の端を「後端」と呼ぶ。図１において、グロープラグ１０の先端を「Ｌｅ１」で示す。グロープラグ１０の後端を「Ｂｅ１」で示す。

主体金具２０は、略筒状の形状を有する。主体金具２０は、導電性を有する素材で構成される。本実施形態において、主体金具２０は、金属で形成される。主体金具２０の内部には、外筒３０の一部と、セラミックヒータ４０の一部と、リング４５と、中軸５０の一部と、Ｏリング５５と、絶縁部材６０の一部と、が配される。

外筒３０は、導電性を有する素材で構成される。本実施形態において、外筒３０は、金属で形成される。外筒３０は、主体金具２０の先端に取り付けられる。その結果、外筒３０は、主体金具２０と電気的に接続される。外筒３０は、セラミックヒータ４０を保持する。

セラミックヒータ４０は、長手方向の中央近傍の部分Ｐｓを外筒３０によって囲まれて、保持されている。セラミックヒータ４０の先端側の部分および後端側の部分は、外筒３０から露出している。セラミックヒータ４０は、発熱体４２と、基体部４４とを備える。基体部４４は絶縁体である。発熱体４２は導電性を有する。発熱体４２は基体部４４内に保持されている。ただし、発熱体４２は２箇所において基体部４４表面から露出している。発熱体４２は基体部４４表面から露出している一方の箇所４２７において、外筒３０に電気的に接続されている。発熱体４２は基体部４４表面から露出している他方の箇所４２５において、リング４５を介して中軸５０に電気的に接続されている。発熱体４２は、外筒３０や中軸５０を介して電圧を印加されることにより、発熱する。

リング４５は、内部が塞がれており、両端に開口を有する略筒状の形状を有する。リング４５は、導電性を有する素材で構成される。本実施形態において、リング４５は、金属で形成される。リング４５は、先端側の開口を通じて空隙内にセラミックヒータ４０の後端部を受け入れ、これを保持している。また、リング４５は、後端側の開口を通じて空隙内に中軸５０の先端部を受け入れ、これを保持している。その結果、セラミックヒータ４０と中軸５０は、リング４５を介して接続される。また、セラミックヒータ４０の発熱体４２は、基体部４４表面から露出している箇所４２５において、リング４５を介して中軸５０に電気的に接続される。

中軸５０は、導電性を有する素材で構成される。本実施形態において、中軸５０は、金属で形成される。中軸５０は、主体金具２０の内部において、リング４５を介してセラミックヒータ４０の後端部と接続される。その結果、中軸５０は、リング４５を介してセラミックヒータ４０の発熱体４２と電気的に接続される。中軸５０は、絶縁部材６０を介して、主体金具２０に保持される。また、中軸５０は、主体金具２０の内部において、主体金具２０の内壁とは空隙をあけて位置している。その結果、中軸５０と主体金具２０とは、絶縁されている。

Ｏリング５５は、絶縁性の樹脂で構成される。Ｏリング５５は、中軸５０の外周であって、絶縁部材６０の先端と接する位置に配される。Ｏリング５５の外周は、主体金具２０の内周面と接する。その結果、主体金具２０の内壁と中軸５０の外周との間の空隙は、後端部側においてＯリング５５によって気密に封止されている。

絶縁部材６０は、主体金具２０の後端部において、筒状の主体金具２０の空隙内に一部を配されて、固定されている。絶縁部材６０の後端部は、主体金具２０から露出している。絶縁部材６０は、中軸５０を保持している。中軸５０は、絶縁部材６０を貫通している。その結果、中軸５０の後端部は、主体金具２０から露出している。主体金具２０の外部に露出している中軸５０の後端部には、端子７０が接続される。

端子７０は、導電性を有する素材で構成される。本実施形態において、端子７０は、金属で形成される。端子７０は、中軸５０に固定されている。その結果、端子７０は、中軸５０と電気的に接続されている。一方、端子７０と主体金具２０の間には、絶縁部材６０が介在する。このため、端子７０と主体金具２０は、絶縁されている。

端子７０に接続されたプラグコードによって、端子７０と主体金具２０の間に電圧が印加されることにより、端子７０、中軸５０、リング４５、発熱体４２、外筒３０、主体金具２０に電流が流れ、発熱体４２が発熱する。外筒３０および主体金具２０は、ディーゼルエンジンのシリンダーヘッドを介して接地されている。

（２）セラミックヒータ４０の構造：
図２は、セラミックヒータ４０の断面図である。図２において、外筒３０を破線で示す。本明細書では、セラミックヒータ４０において、燃焼室に露出される側の端を「先端」と呼ぶ。セラミックヒータ４０において、中軸５０に接続される側の端を「後端」と呼ぶ。図２において、セラミックヒータ４０の先端を「Ｌｅ４」で示す。セラミックヒータ４０の後端を「Ｂｅ４」で示す。

前述のように、セラミックヒータ４０は、発熱体４２と、基体部４４とを備える。基体部４４は絶縁体である。より具体的には、基体部４４は、サイアロンで構成される。「サイアロン」とは、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のＳｉ位置にＡｌが、Ｎ位置にＯが置換固溶した窒化ケイ素系のセラミックスである。サイアロンは、化学式Ｓｉ_(6-Z)Ａｌ_ZＯ_ZＮ_(8-Z)で表される（０≦Ｚ＜４．２）。なお、前記化学式においてＺ＝０の場合は、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）である。本明細書においては、説明を簡略化するために、Ｚ＝０の態様（すなわち、窒化ケイ素）を含めて、「サイアロン」と表記することがある。

本実施形態においては、セラミックヒータ４０の基体部４４が、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）系のセラミックスで構成されているため、グロープラグ１０は、１３００℃以上の高温で燃焼室内を加熱することができる。また、グロープラグ１０は、そのような高温への昇温の繰り返しに耐えうる。

基体部４４の後端側に位置する部分４４２を構成するサイアロンは、基体部４４の先端側に位置する部分４４１を構成するサイアロンよりも、そのＺの値が大きい。なお、第１の部分について、第２の部分よりも「Ｚの値が小さい」か否かは、以下のように判断される。すなわち、第１の部分から無作為に選んだ５箇所以上の選択部分のＺの値の平均値が、第２の部分から無作為に選んだ第１の部分の選択部分と同数の選択部分のＺの値の平均値よりも、小さい場合に、第１の部分について第２の部分よりも「Ｚの値が小さい」ものとする。

基体部４４の先端側の部分４４１を、以下では、基体部４４の「先端側部分４４１」と呼ぶ。基体部４４の後端側の部分４４２を、以下では、基体部４４の「後端側部分４４２」と呼ぶ。グロープラグ１０の中心軸Ａｃ方向についての、基体部４４における先端側部分４４１と後端側部分４４２の境界の位置を、図２において、ＤＬで示す。

セラミックヒータ４０は、基体部４４の後端側部分４４２の一部Ｐｓにおいて、外筒３０に囲まれて、支持されている。すなわち、後端側部分４４２は、先端側部分４４１よりも、セラミックヒータ４０が外筒３０に支持されている部分Ｐｓに近いといえる。また、先端側部分４４１は、外筒３０から露出している。

サイアロンにおいて、Ｚの値が大きいということは、サイアロン中のＡｌやＯの含有量が大きいということである。ＡｌやＯの含有量が大きいと、主としてＳｉ₃Ｎ₄で構成されるサイアロンの結晶格子のひずみが大きくなる。その結果、サイアロンの熱伝導性が低くなる。

基体部４４の先端側部分４４１は、後述する発熱体４２の発熱部４２８による高熱にさらされる。しかし、基体部４４の先端側部分４４１は、Ｚの値が小さく熱伝導性が高い素材で構成される。このため、基体部４４の先端側部分４４１のうち、発熱部４２８に接している部分と、発熱部４２８から遠い部分との間における温度差が小さい。その結果、高熱にさらされる先端側部分４４１においても、クラックが生じにくく、かつクラックが伸展しにくい。

一方、後端側部分４４２に含まれる部分Ｐｓにおいて、セラミックヒータ４０は、外筒３０に支持されている。このため、セラミックヒータ４０の熱は、後端側部分４４２の被支持部分Ｐｓから外筒３０、主体金具２０を介して、エンジンに流出する。しかし、基体部４４の後端側部分４４２は、Ｚの値が大きく熱伝導性が低い素材で構成される。このため、先端側部分４４１の熱がエンジンに伝導しにくい。よって、本実施形態のような構成を備えない態様に比べて、同じ消費電力において、セラミックヒータ４０は、より短時間で所定の温度に到達し得、また、より高い温度を維持し得る。

また、本実施形態においては、先端側部分４４１と後端側部分４４２の両方において、サイアロンを採用している。このため、両者のＺの値を調整することで先端側部分４４１と後端側部分４４２の特性を調整することができる。このため、先端側部分４４１と後端側部分４４２において、異種の素材、たとえば、サイアロンとサイアロン系ではない素材とをそれぞれ使用する態様に比べて、先端側部分４４１と後端側部分４４２の境界において、クラックが生じにくく、クラックが伸展しにくいように、先端側部分４４１と後端側部分４４２を設計することが容易である。

発熱体４２は基体部４４内に保持されている。発熱体４２は、炭化タングステン、酸化エルビウム（Ｅｒ₂Ｏ₃）、および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を含む素材中にサイアロンの粒子が配された構造を有する。構成要素の組成比や、サイアロンの粒子の大きさを調整することにより、発熱体４２の抵抗率を調整することができる。発熱体４２は、たとえば、５５〜７０質量％の炭化タングステンと、２８〜３５質量％のサイアロンと、２〜１０質量％の酸化エルビウム（Ｅｒ₂Ｏ₃）および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と、を含む構成とすることができる。

発熱体４２は、一対の導電部４２４，４２６と、発熱部４２８とを備える。一対の導電部４２４，４２６は、グロープラグ１０の中心軸Ａｃの方向に沿って伸びている。導電部４２４の一部４２５は、基体部４４から露出している。露出部分４２５は、リング４５を介して中軸５０と電気的に接続される。導電部４２６の一部４２７は、基体部４４から露出している。露出部分４２７は、外筒３０と電気的に接続される。中心軸Ａｃに垂直な面における導電部４２４，４２６の断面積の大きさは、露出部分４２５，４２７を除いて、一定である。なお、導電部４２４，４２６の断面積の大きさは、基体部４４の断面積よりも小さい。

発熱部４２８は、一対の導電部４２４，４２６を、それらの先端において接続している。発熱部４２８は、中心軸Ａｃに垂直な面における断面積の大きさが導電部４２４，４２６と同じである部分と、導電部４２４，４２６よりも小さい部分とを備える。一対の導電部４２４，４２６と接続されている端部において、発熱部４２８の断面積は、導電部４２４，４２６との断面積と同じである。発熱部４２８は、先端Ｌe４近傍において、もっとも断面積の小さい二つの部分４２９を有する。通電時には、発熱部４２８は、この部分４２９において、最も高温となる。

発熱体４２の後端側に位置する部分４２２に含まれるサイアロンは、発熱体４２の先端側に位置する部分４２１に含まれるサイアロンよりも、そのＺの値が大きい。発熱体４２の先端側の部分４２１を、以下では、発熱体４２の「先端側部分４２１」と呼ぶ。発熱体４２の後端側の部分４２２を、以下では、発熱体４２の「後端側部分４２２」と呼ぶ。発熱体４２における先端側部分４２１と後端側部分４２２の境界の位置は、基体部４４における先端側部分４４１と後端側部分４４２の境界の位置ＤＬと一致している。セラミックヒータ４０は、基体部４４の後端側部分４４２の一部Ｐｓにおいて、外筒３０に支持されている。このため、発熱体４２の後端側部分４２２は、発熱体４２の先端側部分４２１よりも、セラミックヒータ４０が外筒３０に支持されている部分Ｐｓに近いといえる。

なお、本実施形態においては、発熱部４２８は、先端側部分４２１と一致する。導電部４２４，４２６は、後端側部分４２２と一致する。すなわち、導電部４２４，４２６に含まれるサイアロンのＺの値は、発熱部４２８に含まれるサイアロンのＺの値よりも大きい。そして、通電時に最も高温となる部分４２９は、先端側部分４２１に含まれる。

発熱体４２の先端側部分４２１は、発熱部４２８の断面積が最も小さい部分４２９においてもっとも高温となる。しかし、発熱体４２の先端側部分４２１は、Ｚの値が小さく熱伝導性が高いサイアロンを含むように構成される。このため、発熱体４２の先端側部分４２１のうち、発熱部４２８と、発熱部４２８から遠い部分との間における温度差が小さい。その結果、高温となる先端側部分４２１においても、クラックが生じにくく、かつクラックが伸展しにくい。

一方、後端側部分４２２の一部Ｐｓにおいて、セラミックヒータ４０は、外筒３０に支持され、中軸５０に接続されている。このため、セラミックヒータ４０の熱は、後端側部分４２２から外筒３０、主体金具２０を介して、また、中軸５０、絶縁部材６０、主体金具２０を介して、エンジンに流出する。しかし、発熱体４２の後端側部分４２２は、Ｚの値が大きく熱伝導性が低いサイアロンを含むように構成される。このため、先端側部分４２１の熱がエンジンに伝導しにくい。よって、本実施形態のような構成を備えない態様に比べて、同じ消費電力において、セラミックヒータ４０は、より短時間で所定の温度に到達し得、また、より高い温度を維持し得る。

また、本実施形態においては、いずれも窒化ケイ素系セラミックで構成される先端側部分４２１および後端側部分４２２について、それぞれ適切なＺの値を設定することにより、高い効率を有し、かつ、発熱体４２の先端側部分４２１および後端側部分４２２の間で断線が起こりにくいセラミックヒータ１０を構成することができる。

なお、発熱体４２における先端側部分４２１と後端側部分４２２の境界の位置であり、基体部４４における先端側部分４４１と後端側部分４４２の境界の位置である、位置ＤＬは、セラミックヒータ４０の軸方向について、以下のような場所にある。すなわち、通電時に、セラミックヒータ４０の表面の温度のうち最も高い温度を有する地点Ｐｔ１の温度が１２００℃で飽和する電圧をセラミックヒータ４０に印加した場合に、セラミックヒータ４０の表面において、地点Ｐｔから後端Ｂｅ４（後端側部分４２２，４４２）に向かう向きＤ１に沿って並ぶ地点のうち、最初に表面温度が６００℃以下になる地点Ｐｔ２と、地点Ｐｔ１と、の間に、位置ＤＬは位置する。なお、図２に示す向きＤ１は、先端側部分４２１から後端側部分４２２に向かう向き、または先端側部分４４１から後端側部分４４２に向かう向きとして、把握することもできる。

このような態様とすることにより、サイアロンのＺの値が切り替わる境界ＤＬを、最高温度の地点Ｐｔ１よりも後端側に配することができる。そして、最高温度よりも十分に温度が低い地点Ｐｔ２からサイアロンのＺの値が切り替わる境界ＤＬまでの間に所定の距離をおくことができる。このため、セラミックヒータ４０からエンジンへの熱の流出を、後端側部分４４２，４２２において、十分、低減することができる。

なお、本実施形態の先端側部分４２１，４４１が、「課題を解決するための手段」における「第１の部分」に相当する。後端側部分４２２，４４２が、「第２の部分」に相当する。地点Ｐｔ１が「第１の地点」に相当する。地点Ｐｔ２が「第２の地点」に相当する。

Ｂ．実施例：
セラミックヒータ４０について、基体部４４の先端側部分４４１および後端側部分４４２と、発熱体４２の先端側部分４２１および後端側部分４２２と、のサイアロンのＺの値を様々に変更して、消費電力と、耐久性について評価した。実験結果を表１に示す。

実施例１〜５においては、基体部４４の後端側部分４４２のＺの値は、基体部４４の先端側部分４４１のＺの値以上である。また、実施例１〜５においては、発熱体４２の後端側部分４２２のＺの値は、発熱体４２の先端側部分４２２のＺの値以上である。そして、実施例１〜３，５においては、基体部４４の後端側部分４４２のＺの値は、０．１７以上である。実施例４，５においては、発熱体４２の後端側部分４２２のＺの値は、０．３１以上である。

比較例１〜８においては、基体部４４の後端側部分４４２のＺの値は、基体部４４の先端側部分４４１のＺの値以下である。また、比較例１〜８においては、発熱体４２の後端側部分４２２のＺの値は、発熱体４２の先端側部分４２２のＺの値以下である。上記各部のサイアロンのＺの値以外の点は、各実施例および比較例のセラミックヒータの構成は同じである。

消費電力については、各セラミックヒータについて、セラミックヒータの表面の温度のうち最も高い温度を有する地点Ｐｔ１の温度が１２００℃となる一定の電圧を印加した場合に、消費される電力で評価した。そして、基体部４４の先端側部分４４１および後端側部分４４２、ならびに発熱体４２の先端側部分４２１および後端側部分４２２のいずれについても、サイアロンのＺの値を０に設定した比較例１に対する消費電力の改善率を計算した。

また、耐久性については、セラミックヒータの表面の温度のうち最も高い温度を有する地点の温度が１３５０℃となる一定の電圧を印加することとし、１分間の通電と、３０秒間の通電停止とを、繰り返し行った。なお、３０秒間の通電停止の際には、セラミックヒータに対して、圧縮空気による冷却を行った。そして、セラミックヒータの室温抵抗値を測定し、室温抵抗値が１０％以上変化したサイクル数が５万サイクル未満であったセラミックヒータについては、表１において×を付した。セラミックヒータの室温抵抗値が１０％以上変化したサイクル数が５万サイクル以上１０万サイクル未満であったセラミックヒータについては、表１において△を付した。通電と通電停止を１０万回繰り返しても、セラミックヒータの室温抵抗値が１０％以上変化しなかったセラミックヒータについては、表１において○を付した。

なお、本実施例においては、各部のサイアロンのＺの値以外の点は、互いに構成が等しい実施例および比較例を用意した。そして、それらについて、上記の基準値（５万回および１０万回）に基づいて耐久性の評価を３段階で評価した。セラミックヒータが本実施例において採用された構成以外の構成を備える場合にも、各部のサイアロンのＺの値以外の点を同一として、サンプルを用意し、適切に基準値を設定すれば、耐久性についての３段階評価において、本実施例と同様のＺの値について、好ましい評価となると考えられる。

総合判定は、表２に従って行った。すなわち、電力改善率が１０％以上で、かつ耐久性が○であるセラミックヒータについては、◎とした。電力改善率が４％以上１０％未満で、かつ耐久性が○であるセラミックヒータについては、○とした。電力改善率が４％未満で、かつ耐久性が○であるものについては、△とした。電力改善率が４％以上で、かつ耐久性が△であるセラミックヒータについては、△とした。他の評価のセラミックヒータについては、×とした。

表１より、消費電力については、実施例１〜５ならびに比較例３〜６，８が優れており、実施例２，３，５ならびに比較例３，５，６が、特に優れていることが分かる。耐久性については、実施例１〜５ならびに比較例１〜３、７，８が優れており、実施例１〜５が、特に優れていることが分かる。その結果、総合判定は、実施例１〜５が優れており、実施例２，３，５が特に優れていることが分かる。

Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態においては、発熱体４２は、基体部４４内に保持される。そして、発熱体４２の断面積の大きさは、基体部４４の断面積よりも小さい。しかし、セラミックヒータは、そのような態様に限られない。発熱体の断面積の大きさが、基体部の断面積よりも大きい態様とすることもできる。また、すなわち、発熱体は、セラミックヒータの表面に位置する発熱部と；発熱部と接続され、基体部を挟んでセラミックヒータ内部に位置する導電部と、を備える態様とすることもできる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施形態の発熱体４２においては、発熱部４２８は、先端側部分４２１と一致する。導電部４２４，４２６は、後端側部分４２２と一致する。しかし、本発明はそのような態様には限られない。すなわち、発熱部４２８と導電部４２４，４２６の境界は、先端側部分４２１と後端側部分４２２の境界ＤＬよりも、先端側にあってもよいし、後端側にあってもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例においては、発熱体４２および基体部４４は、サイアロンのＺの値が異なる部分の境界は一致している。しかし、発熱体において異なるＺの値を有するサイアロンを含んで構成される部分の境界と、基体部において異なるＺの値を有するサイアロンで構成される部分の境界とは、一致していなくともよい。すなわち、発熱体において異なるＺの値を有するサイアロンを含んで構成される部分の境界は、基体部において異なるＺの値を有するサイアロンで構成される部分の境界よりも先端側にあってもよいし、後端側にあってもよい。

Ｃ４．変形例４：
上記実施形態においては、発熱体４２の先端側部分４２１、発熱体４２の後端側部分４２２、基体部４４の先端側部分４４１、基体部４４の後端側部分４４２は、それぞれＺの値が一定値であるサイアロンで構成される。しかし、発熱体と基体部との少なくとも一方は、先端側部分から後端側部分に向かう方向に沿って、Ｚの値が大きくなるように構成される態様とすることもできる。

Ｃ５．変形例５：
上記実施形態においては、発熱体４２および基体部４４は、サイアロンのＺの値が異なる部分として、先端側と後端側の二つの部分を有する。しかし、発熱体は、サイアロンのＺの値が異なる３個以上の部分を備えていてもよい。基体部も、サイアロンのＺの値が異なる３個以上の部分を備えていてもよい。また、発熱体および基体部のうち一方は、サイアロンのＺの値が、セラミックヒータの軸方向について一定であり、第１の部分と第２の部分とを備えない態様であってもよい。

Ｃ６．変形例６：
上記実施例においては、基体部４４は、サイアロンで構成される。しかし、基体部は、サイアロンに加えて、焼結助剤として、希土類酸化物（たとえば、イッテルビウム（Ｙｂ）酸化物、エルビウム（Ｅｒ）酸化物など）と、アルミニウム（Ａｌ）酸化物とを含むこともできる。

また、上記実施例においては、発熱体４２は、５５〜７０質量％の炭化タングステンと、２８〜３５質量％のサイアロンと、２〜１０質量％の酸化エルビウム（Ｅｒ₂Ｏ₃）および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と、を含む構成である。しかし、発熱体は、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）から主になる組成物であってもよい。なお、本明細書において「Ｘを主成分とする」または「Ｘから主になる」とは、全組成中に含まれる各成分のうちＸの割合（質量％）が最も大きいことを意味する。

Ｃ７．変形例７：
上記実施形態においては、セラミックヒータ４０は、基体部４４の後端側部分４４２の一部Ｐｓにおいて、外筒３０に支持されている。しかし、セラミックヒータは、後端側部分以外の部分において、外筒３０に支持される態様とすることもできる。ただし、基体部の先端側部分よりも後端側部分に近い部位において、支持されることが好ましい。なお、セラミックヒータの被支持部分と、基体部の先端側部分との距離は、セラミックヒータの被支持部分と、基体部の先端側部分との間の最も近い部分同士の距離とする。セラミックヒータの被支持部分と、基体部の後端側部分との距離は、セラミックヒータの被支持部分と、基体部の後端側部分との間の最も近い部分同士の距離とする。なお、基体部の先端側部分とセラミックヒータの被支持部分との間に基体部の後端側部分が位置することが好ましい。

Ｃ８．変形例８：
先端側部分と後端側部分が互いに接続され、それぞれ一定のＺの値を有する窒化ケイ素またはサイアロンで構成される態様においては、先端側部分と後端側部分の接続部分において組成がステップ状に変化する。このため、先端側部分と後端側部分のＺの値が適切ではない場合、先端側部分と後端側部分の接続部分においてクラックが生じる可能性がある。しかし、先端側部分から後端側部分に向かう方向に沿って徐々にＺの値が大きくなるように構成される態様とすれば、クラックが生じる可能性を低くすることができる。たとえば、後端側部分のＺ値が先端側部分のＺ値よりも大きいように、後端側部分および先端側部分を構成しつつ、以下のような構成を有する態様とすることができる。すなわち、先端側部分内において、Ｚの値が先端側部分から後端側部分に向かう方向に沿って徐々に大きくなり、後端側部分内においても、Ｚの値が先端側部分から後端側部分に向かう方向に沿って徐々に大きくなる態様とすることができる。このような態様とすれば、先端側部分と後端側部分の接続部分におけるＺ値の差を小さくすることができる。なお、先端側部分内および後端側部分内のＺの値の変化は、ステップ状でもよいし、連続的な変化でもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…グロープラグ
２０…主体金具
３０…外筒
４０…セラミックヒータ
４２…発熱体
４４…基体部
４５…リング
５０…中軸
５５…Ｏリング
６０…絶縁部材
７０…端子
４２１…発熱体４２の先端側部分
４２２…発熱体４２の後端側部分
４２４，４２６…導電部
４２５，４２７…露出部分
４２８…発熱部
４２９…断面積の小さい部分
４４１…基体部４４の先端側部分
４４２…基体部４４の後端側部分
Ａｃ…ロープラグ１０の中心軸
Ｂｅ１…グロープラグ１０の後端
Ｂｅ４…セラミックヒータ４０の後端
ＤＬ…先端側部分４４１，４２１と後端側部分４４２，４２２の境界の位置
Ｌｅ１…グロープラグ１０の先端
Ｌｅ４…セラミックヒータ４０の先端
Ｐｓ…セラミックヒータ４０が外筒３０に保持される部分

Claims (9)

1. 通電によって発熱する発熱体と、前記発熱体を保持する絶縁性の基体部と、を備えるセラミックヒータであって、
   Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（０≦Ｚ＜４．２）で表される窒化ケイ素またはサイアロンを含み、
   前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、
   第１の部分と、前記第１の部分よりも前記セラミックヒータが他の構造に支持される部分に近い第２の部分と、を備え、
   前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記Ｚの値が大きく、
   前記発熱体が、前記第１および第２の部分を備える、セラミックヒータ。
2. 通電によって発熱する発熱体と、前記発熱体を保持する絶縁性の基体部と、を備えるセラミックヒータであって、
   Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（０≦Ｚ＜４．２）で表される窒化ケイ素またはサイアロンを含み、
   前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、
   第１の部分と、前記第１の部分よりも前記セラミックヒータが他の構造に支持される部分に近い第２の部分と、を備え、
   前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記Ｚの値が大きく、
   前記発熱体および前記基体部が、それぞれ前記第１および第２の部分を備える、セラミックヒータ。
3. 請求項１または２に記載のセラミックヒータであって、
   前記第１および第２の部分を備える前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、前記第１の部分から前記第２の部分に向かう方向に沿って、前記Ｚの値が大きくなるように構成される、セラミックヒータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータであって、
   前記セラミックヒータでもっとも温度が高くなる第１の地点の表面温度が１２００℃以上で飽和する電圧を印加した作動時に、
   前記第１の部分と前記第２の部分の境界は、前記第１の地点と、前記第１の地点から前記第２の部分に向かう方向に向かって最初に表面温度が６００℃以下になる第２の地点と、の間に位置するように構成される、セラミックヒータ。
5. 通電によって発熱する発熱体と、前記発熱体を保持する絶縁性の基体部と、を備えるセラミックヒータであって、
   Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（０≦Ｚ＜４．２）で表される窒化ケイ素またはサイアロンを含み、
   前記発熱体と前記基体部との少なくとも一方は、
   第１の部分と、前記第１の部分よりも前記セラミックヒータが他の構造に支持される部分に近い第２の部分と、を備え、
   前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記Ｚの値が大きく、
   前記基体部が、前記第１および第２の部分を備え、
   前記基体部の後端における前記Ｚの値は０．１７以上である、セラミックヒータ。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータであって、
   前記発熱体の後端における前記Ｚの値は０．３１以上である、セラミックヒータ。
7. 請求項２、または請求項２に従属する請求項３もしくは４に記載のセラミックヒータであって、
   前記基体部の後端における前記Ｚの値は０．１７以上であり、
   前記発熱体の後端における前記Ｚの値は０．３１以上である、セラミックヒータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックヒータであって、
   前記第１の部分は、前記第２の部分よりも、前記セラミックヒータの軸の方向について先端側に位置する、セラミックヒータ。
9. グロープラグであって、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載のセラミックヒータと、
   前記セラミックヒータを支持する前記他の構造としての金属外筒であって、前記第２の部分の一部を囲む金属外筒と、を備え、
   前記第１の部分は前記金属外筒から露出している、グロープラグ。

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