JP6608627B2 - セラミックヒータおよびグロープラグ - Google Patents
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Description
この形態のセラミックヒータによれば、発熱抵抗体におけるクラックの進展を抑える効果を、より高めることができる。
この形態のグロープラグによれば、セラミックヒータの比抵抗が小さいため、グロープラグに印加される電圧が比較的低い場合であっても、十分な通電性能を確保して、発熱量を確保することが可能になる。また、セラミックヒータの強度低下が抑えられると共に、発熱抵抗体におけるクラック発生が抑えられているため、グロープラグ全体の耐久性を向上させることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態としてのグロープラグ500の概略構成を表わす断面模式図である。本実施形態のグロープラグ500は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関に取り付けられて、内燃機関の始動時における点火を補助する熱源として機能する。グロープラグ500は、ディーゼル微粒子捕集フィルター(DPF)の再活性バーナーシステムにおいて用いることもできる。図1に示すように、グロープラグ500は、主な構成要素として、主体金具510と、外筒540と、セラミックヒータ100と、中軸520と、リング550と、を備えている。なお、本明細書では、図1におけるグロープラグ500の軸線O方向の下方側をグロープラグ500の「先端側」と呼び、上方側を「後端側」と呼んで説明する。
セラミックヒータ100の発熱抵抗体20は、既述したように、炭化タングステン(WC)および窒化珪素(Si3N4)を含む導電性のセラミックによって形成されている。本実施形態の発熱抵抗体20において、任意の断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合は、好ましくは33〜67%である。発熱抵抗体20において、任意の断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合は、40%以上としてもよく、45%以上としてもよい。また、任意の断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合は、60%以下としてもよく、55%以下としてもよい。
図3は、セラミックヒータ100の製造方法を示す工程図である。セラミックヒータ100を製造する際には、まず、炭化タングステン粉末および窒化珪素粉末を用意する(ステップS100)。このステップS100で用意する炭化タングステン粉末の粒径(平均粒径)によって、発熱抵抗体20における炭化タングステン凝集体の平均径を制御することができ、窒化珪素粉末の粒径(平均粒径)によって、発熱抵抗体20における窒化珪素粒子の平均径を制御することができる。例えば、ステップS100で用意する炭化タングステン粉末の粒径を大きくするほど、発熱抵抗体20における炭化タングステン凝集体の平均径を大きくすることができる。炭化タングステン粉末の平均粒径は、空気透過法の一つであるフィッシャー法により測定すればよい。
・変形例1:
上記した実施形態では、発熱抵抗体20を、均一な導電性セラミックによって構成したが、異なる構成としてもよい。例えば、発熱抵抗体20において、部位毎に炭化タングステン(WC)の含有割合を異ならせて、部位毎に比抵抗を異ならせてもよい。具体的には、例えば、発熱抵抗体20の先端部における炭化タングステン(WC)の割合を、後端側よりも小さくすることで、先端部の比抵抗を後端側より大きくしてもよい。このような場合であっても、発熱抵抗体のいずれの部位においても、任意の断面において、全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合、および、炭化タングステン凝集体の平均径の値を、既述した範囲とすることで、実施形態と同様の効果が得られる。なお、炭化タングステン(WC)の含有割合が部位毎に異なる発熱抵抗体20を採用する場合には、例えば、ステップS120で導電性セラミック成形体を作製する際に、炭化タングステンの含有割合が異なる部位を、それぞれ別々に射出成形により作製すればよい。
実施形態では、発熱抵抗体20の任意の断面において、ラインインターセプト法により計測した窒化珪素の粒子の平均径は、炭化タングステン凝集体の平均径よりも小さいこととしたが、異なる構成としてもよい。窒化珪素の粒子の平均径が、炭化タングステン凝集体の平均径と同等以上であっても、発熱抵抗体20の任意の断面において、全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合、および、炭化タングステン凝集体の平均径の値が、既述した範囲であれば、実施形態と同様の効果が得られる。
実施形態では、セラミックヒータ100を、グロープラグ用ヒータとして用いたが、異なる構成としてもよい。バーナーの着火用のヒータ、ガスセンサの加熱用ヒータ、あるいは暖房用等の各種ヒータが備えるセラミックヒータにおいて、本願発明を適用することができる。
実施形態では、発熱抵抗体20はU字形状としたが、異なる形状としてもよい。セラミックヒータの用途に応じて、U字状以外の形状を適宜採用することができる。
図3に基づき説明した方法により、サンプル1〜25のセラミックヒータを作製した。各サンプルは、発熱抵抗体の原料として用いた炭化タングステン粉末の平均粒径が異なること以外は、共通する材料を用いて製造した。炭化タングステン粉末の平均粒径は、空気透過法の一つであるフィッシャー法により測定した値である。ステップS110で混合粉末を調整する際の条件は、以下の通りである。
各サンプルの発熱抵抗体の任意の断面における、全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合(WC面積比)は、既述したように、電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いて測定した。すなわち、各サンプルについて、発熱抵抗体を含む任意の断面を得て、得られた断面について、鏡面研磨、およびプラズマエッチング処理を施した。その後、上記断面を3000倍に拡大した任意の視野において、EPMA(日本電子株式会社製JXA−8800)を用いてWC領域の範囲を特定し、特定したWC領域の面積の合計を、当該視野全体の面積で除して、WC面積比を求めた。なお、既述した図2は、サンプル2についてのSEM画像を示す。
各サンプルの発熱抵抗体の任意の断面における、炭化タングステン凝集体の平均径(WC凝集径)および窒化珪素の粒子の平均径は、既述したように、ラインインターセプト法によって測定した。すなわち、発熱抵抗体の任意の断面における3000倍の観察視野の画像上において、所定長さの直線を複数本平行に引き、粒子(タングステン凝集体または窒化珪素の粒子)を上記直線が横切った部分の直線の長さの平均値を、平均粒径とした。各粒径を測定する際には、上記した直線が横切る粒子の数を50以上確保した。
各サンプルの発熱抵抗体の比抵抗は、以下のようにして測定した。まず、各セラミックヒータにおいて、発熱抵抗体の断面積が一定である部分(発熱抵抗体がU字に折れ曲がる折れ曲がり部分を除いた部分)から抵抗測定用の試験片を切り出す。そして、試験片の長さL(cm)と発熱抵抗体の断面積S(cm2)とを測定した。各試験片の長さは、1cmに揃えた。次いで、切り取られた試験片内の発熱抵抗体の抵抗値を室温(23〜25℃)にて、ミリオームメータにより測定した。その後、この抵抗値に基づき、以下の計算式に従って比抵抗値を算出した。
比抵抗値(μΩ・cm) =
(抵抗値〔μΩ〕× 試験片の断面積[S(cm2)])/試験片の長さ[L(cm)]
各サンプルのセラミックヒータの強度としては、以下のようにして抗折強度を測定した。抗折強度は、JIS R 1601に準じて、3点曲げ強度を測定した。この際のスパンは12mmとし、クロスヘッド速度は0.5mm/分とした。測定に用いた各サンプルの直径は3.3mm、各サンプルの全長は45mmである。
各サンプルのクラック発生率は、目視によりクラックの有無を確認した後に発生率を算出した。すなわち、各サンプルのセラミックヒータを、基体と発熱抵抗体との界面まで鏡面研磨を行ない、当該鏡面において軸線O方向における基体と発熱抵抗体との界面の長さが最も長くなるようにした。そして、得られた鏡面研磨面を、光学顕微鏡を用いて観察し、上記界面における発熱抵抗体を目視で確認して、クラックの発生有無を判定した。クラック発生率を評価する際には、各サンプルについて100個のセラミックヒータを用意した(n=100)。クラック発生率の評価は、クラック発生率が0%以上、2%未満であれば「◎」、2%以上、4%未満であれば「○」、4%以上、6%未満であれば「△」、6%以上であれば「×」とした。
20…発熱抵抗体
21…第1リード部
22…第2リード部
23…第1の電位側の接続端子接続端子
24…第2の電位側の接続端子接続端子
25…先端部
27…第1の電位側の端部端部
28…第2の電位側の端部端部
100…セラミックヒータ
500…グロープラグ
510…主体金具
511…雄ねじ部
512…軸孔
520…中軸
530…端子金具
540…外筒
542…軸孔
550…リング
560…絶縁部材
570…封止部材
Claims (2)
- 絶縁性セラミックからなる基体と、該基体内に形成されて炭化タングステン(WC)および窒化珪素(Si3N4)を含有する発熱抵抗体と、を備えるセラミックヒータにおいて、
前記発熱抵抗体の任意の断面において、
全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合が33〜67%であり、
ラインインターセプト法により計測した炭化タングステン凝集体の平均径が、1.4〜7.0μmであり、
ラインインターセプト法により計測した窒化珪素の粒子の平均径は、前記炭化タングステン凝集体の平均径よりも小さいことを特徴とする
セラミックヒータ。 - セラミックヒータと、該セラミックヒータの発熱する端部を先端側に突出させつつ該セラミックヒータを囲んで保持する筒状部材と、前記セラミックヒータに電圧を印加するための導電性部材と、を備えるグロープラグであって、
前記セラミックヒータとして、請求項1に記載のセラミックヒータを備えることを特徴とする
グロープラグ。
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