JPH01317170A - 導電性セラミックヒータおよびこの導電性セラミックヒータの製造方法さらにはこの導電性セラミックヒータを有する自己制御型グロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、抵抗温度係数の小さいセラミック材料に関す
るものであり、例えば、自己制御型グロープラグの発熱
体に用いて有効なものである。

〔従来の技術〕

従来、ＴｉＮ、Ｍｏ５Ｌ等の導電性セラミックと３１３
　Ｎ−等の絶縁性のセラミックとを複合分散させた上、
焼結することによりセラミック発熱体を得ていた。

しかし、このようなセラミック発熱体では、ＴｉＮ、Ｍ
ｏＳｉ２等の導電性セラミック粒子が固有に持つ抵抗温
度係数の影響が常に存在するため、抵抗温度係数の減少
にも限界があり、十分に小さな抵抗温度係数が得ること
ができなかった。

例えば、上記のセラミック発熱体と、この発熱体と直列
に電流制御用の抵抗体が設けられた自己制御型グロープ
ラグが従来より知られているが、従来の発熱体では抵抗
温度係数が十分に小さくな・　　いため、発熱体の温度
が上昇してくると、発熱体自身抵抗値も増大し、電流制
御用の抵抗体による発熱体への電流の通電量を良好に制
御することができなくなり、十分な昇温特性を得ること
ができなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、本発明は抵抗温度係数の極めて小さい導電性セ
ラミック材料を得るとともに、この導電性セラミック材
料を用いることにより、昇温特性の優れた自己制御型グ
ロープラグを得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

従来、提案されてきた導電性セラミック材料としてのＭ
ｏ５Ｓｉｚは、Ｍｏ原子が過剰に含有しているため抵抗
温度係数が十分低いものではない。

さらには、Ｍｏ５Ｓｉ３よりもＭｏ原子の割合が少ない
ＭｏＳｉ２では、Ｓｉ原子が過剰に含有しく３） ており、これも抵抗温度係数が十分ひくいものではなか
った。

そこで、われわれ発明者らは、鋭意探究の結果Ｍｏ５Ｓ
４３Ｃを導電性セラミックス材料とすることにより、抵
抗温度係数が十分低くなることを見出した。

そこで、本発明では、第１の発明としてＭｏ５Ｓｉ３Ｃ
を導電性セラミック材料として採用する。

ここで、Ｍｏ、Ｓｉ３Ｃは正確にはＭ　ｏ　５−、Ｓ　
ｉ　３ＣＩ−Ｙ（Ｏ≦Ｘ≦２．０≦Ｙ＜１）と表さレル
カ、ｘが２以下であるのは５つのＭｏ原子の内、２つの
原子が格子欠陥を起こしやすいことに起因するものであ
り、Ｙが１より小さいのもまた、Ｃが格子欠陥を起こし
やすいことに起因するものであるが、格子欠陥を起こさ
ない通常の場合が、Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃの組成であるので以
下Ｍ　ｏ　５Ｓ　ｉ３　Ｃと表す。

通電時において発熱体への通電を制御する電流制御用の
抵抗体が発熱体と直列に接続されている自己制御型グロ
ープラグであって、 発熱体が、少なくともＭｏ５Ｓｉ３Ｇを含有する導電性
セラミック材料よりなり、 抵抗体が、前記発熱体の抵抗温度係数より大きい抵抗温
度係数をもつ材料よりなることを特徴とする自己制御型
グロープラグを提供する。

〔作用〕

ＭＯｓＳ４２Ｃは、Ｍｏ、Ｓｔ、よりもＭｏ原子含有率
が小さくてＭｏ原子が過剰でなく、かつＭｏ５ｉｚより
もＳｉ原子の含有率が小さくてＳｉ原子が過剰ではなく
、十分に低い抵抗温度係数が得られる。

さらに、このセラミック材料を自己制御型グロープラグ
の発熱体に用いることによって、グロープラグへの通電
初期には発熱体の抵抗値を抵抗体の抵抗値よりも十分大
きくし、通電制御時には、発熱体の抵抗値を抵抗体の抵
抗値よりも小さくすることができ、そのため、発熱体の
発熱を敏速にし、かつ発熱体の過熱を有効に防止する昇
温特性の優れた自己制御型グロープラグを得ることがで
きる。

〔第１実施例〕 Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃの製造方法について説明する。

平均粒径１μｍのＭｏ５Ｓｉ３粉末にカーボンブラック
を第１表に示す如＜０．５〜３．０　ｗ　ｔ％の所定量
を添加し、ボールミルにて混合、粉砕した後、１７００
’ＣＸ６０ｍ　ｉ　ｎ、加圧３００　ｋｇ／ｃＴＩｌ。

Ａｒ　ｌ　ａ　ｔｍ下においてホットプレス焼成し、セ
ラミック成形体を作成した。

このサンプル１〜６のＭｏ５Ｓｉ：＋Ｃの組成ヲ含むセ
ラミック成形体を真空中にて９００°Ｃまで昇温した後
、４端子法にて、サンプルの体積比抵抗を求め、室温で
の体積比抵抗からの変化率を求めた。

その結果を第１表に示す。また、比較例１〜３としてＭ
ｏ　Ｓ　ｉｚ　、　Ｔ　ｉＮ、　Ｍｏｓ　Ｓ　ｉ３を同
一条件にて焼成したサンプルの結果も記す。

（以下余白） （ワ） 第１表より明らかなように、Ｍｏ５Ｓｉ３にカーボンブ
ラックを添加するにしたがい、焼成したセラミック中に
は、Ｍｏ５Ｓｉｚの他にＭｏ５Ｓｉ、。

と全く構造の異なるＭｏ５Ｓｉ３Ｃなる組成が増加して
いき、従来、最も小さな抵抗温度係数を持つＭｏ５Ｓ＋
、、よりもなお低い温度係数を得ることができた。さら
に、カーボンブラックを２．０ｗｔ％以上添加した場合
にはＭｏ５Ｓｉ３はほとんどＭｏ５Ｓｉ３Ｃの組成とな
り、抵抗温度係数もほぼ安定させることができた。さら
に、この安定した抵抗温度係数の値は、比較例１〜３の
導電性セラミック材料の約５分の１〜２０分の１という
十分小さな抵抗温度係数を有する導電性セラミック材料
であった。

ここで上記、Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃを、出発原料としてＭｏ５
Ｓｉ３にカーボンブラックを添加することによって得た
が、これに限定されるものではなく、例えばＭｏ微粉末
、Ｓｔ微粉末、及びカーボン微粉末を所定割合で混合し
たものを用いても全くの同一の効果を得ることができる
。

〔第２実施例〕 次に、ＭＯｓＳｉｉＣよりなる導電性セラミック材料を
用いて、セラミックヒータを作成した。

原子比にて、Ｍｏ　：Ｓｉ　：Ｃ＝５　：３　：　１に
なるよう平均粒径１μｍのＭｏ５Ｓｉ、、とカーボンブ
ラックとを配合し、この混合粉末とさらに平均粒径１０
μｍまたは１μｍのＳｉ３Ｎ４を、重量比にて、Ｓ　１
ｓＮ４　：Ｍｏ５Ｓ　１ｚｃ＝２０〜８０：８０〜２０
になるよう配合し、更に焼成助剤としてＹ２Ｏ，及びＡ
２□０．を各５ｗｔ％添加したものを、ボールミルにて
１２時時間式混合した。

また、溶剤としてエタノールを用いた。そして上記混合
粉末を１７００°ＣＸ６０ｍ１ｎ、圧力３００ｋｇ／ｃ
ＩＩ１．．Ａ　ｒ　ｌ　ａ　ｔ　ｍ下においてホットプ
レス焼成した。

このサンプルをサンプル７〜１３として第１実施例と同
様に比抵抗及び、抵抗変化率を測定した。

その結果を第２表に示す。更にこのサンプルの抗折強度
σも同時に示した。

また比較例４〜５としてＳｉ、Ｎ、とＭｏ５ｉｚとより
なるセラミックヒータのそれぞれの特性を示した。

第２表より明らかなように、絶縁性セラミック材料とし
てのＳｉ、Ｎ４に導電性セラミック材料としてのＭ　ｏ
　ｓＳ　４３Ｃを分散せしめた土間時焼成することによ
って、導電性セラミック材料としてＭｏ５ｉｚを用いた
場合よりも十分に抵抗温度係数を低い５．　ＯＸ　１０
−’ｄ　ｅ　ｇ−’以下とすることができ、かつ低い抵
抗温度係数を維持したまま希望する比抵抗を持っヒータ
用セラミンクを得ることができた。

また、絶縁性セラミック材料としての５１３Ｎ４を用い
たが、Ｓｉ、Ｎ４に限るものではなく絶縁性セラミック
材料であれば何でもよ（、例えば、Ａ　Ｉｔ　２０３　
、　Ａ　ＲＮ、　、Ｚ　ｒ　Ｏｘ等でも同等の効果を得
ることができる。

〔第３実施例〕 第１図は、本発明の導電性セラミック材料を適用したグ
ロープラグを示す。

第１図に示すようにこのグロープラグは円形断面を有す
る支持部材２の先端内部に断面Ｕ字形のヒータ１が形成
しである。さらに、支持部材２には先端がヒータ１に接
続するタングステンの通電線３ａ、３ｂが埋設しである
。支持部材２の外周には金属パイプ４を取付け、該パイ
プ４に筒状の金属ハウジング５の一端が接合しである。

通電線３ａの後端は支持部材２の基端まで延びて基端に
嵌着した金属キャップ６に接続し、キャップ６およびニ
ッケル線７を介して図示しない電源に接続しである。通
電線３ｂの後端は金属スリーブに接続しである。

支持部材２とパイプ４とは支持部材２の表面にニッケル
メッキを施した後、ロウ付けを行なうことにより結合せ
しめである。またパイプ４とノ＼ウジング５はロウ付げ
により結合せしめである。

ヒータ１の組成は、平均粒径１０μｍの７０重量％５ｔ
３Ｎａ　と平均粒径１μｍの３０重量％Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃ
であり、支持体２の組成は平均粒径が１μｍの７２ｗｔ
％Ｓｔ３Ｎｍ平均粒径が１μｍの２８ｗｔ％Ｍ　ｏ　Ｓ
　ｉ　ｚである。又、焼結助剤は両者共Ｙ２０□、Ａｌ
ｚＯ＋各々５％添加した。

ここでこの支持体２の組成比は、ヒータ１と支持体２の
熱膨張係数が一致するように選定しである。

ここでヒータ材料は、５ｉ３Ｎｔ粉末として、平均粒径
１０μｍのものを用いることにより、Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃ粒
子が５ｉｓＮ４粒子を包み、ＭＯｓＳｊｓＣ粒子が連続
する導電性の組織とし、又、支持体２の材料は、５ｉｓ
Ｎｎ原料として平均粒径１μｍのものを用いることによ
り導電性のＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　２粒子が絶縁性のＳｉ３Ｎ
、粒子に囲まれて分断され、これにより、電気絶縁され
た組織としである。

ここでヒータ１の材料として平均粒径１０μｍのＳ＋３
Ｎａを用いたのは第２実施例にも示したごとく、所望の
比抵抗を得るのに必要とされるＭ　ｏ　ｓＳ　１３Ｇの
量を低減せしむることにより、熱膨張係数の低減及び抗
折強度の向上を画るためである。

又支持体２の材料中にＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　ｚを分散せしめ
たのは、ヒータ材料と熱膨張係数を合致せしめ、両者間
に発生する熱応力を低減せしむるためである。

第２図は、このセラミックヒータの通電特性を示す。

第２図より明らかなように、Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃを含むヒー
タ１を用いているので、ヒータ１の抵抗温度係数が十分
に小さく、一定電力消費型のグロープラグとして優れた
特性を得ることができた。

ここで、グロープラグの構造は第３実施例に限られるも
のでなく、セラミック導電材料であるＭｏ５Ｓｉ３Ｃを
少なくとも含むセラミックヒータを用いていればよい。

前記実施例では、Ｍｏ５Ｓｉ３Ｃよりなる導電性セラミ
ック材料を、絶縁性セラミ・ツク材料と混合することに
よってセラミックヒータを得たが、本発明の導電性セラ
ミック材料は、他にも用６ｔられ、例えば、多層基板に
用いられる抵抗体、また番よ基板の配線等に用いてもよ
い。

〔第４実施例〕 第３図に、本発明の自己制御型グロープラグの模式図を
示す。また第１図と同一箇所を示すものは同一符号を付
した。

１０はセラミック素子であり、このセラミック素子１０
には、第３実施例と同様の製造方法にて支持部材２に発
熱部であるヒータ１および電極３ａ、３ｂが形成されて
いる。

素子内の電極３ａはスリーブ４を介してハウジング５に
電気的に接続されており、電極３ｂはキャップ６、及び
リード線７を介して第２の抵抗体１５に電気的に接続さ
れ、抵抗体１５の他端側は電極８に接続されている。

この抵抗体１５はヒータ１よりも抵抗温度係数の大きな
例えばＦｅ、Ｎｉ等より形成されている。

次にこの自己制御用グロープラグの作用を第４図を用い
て説明する。

本実施例の自己制御用グロープラグに通電過熱せしめる
とヒータ１の抵抗値が抵抗体１５の抵抗値よりも十分大
きいので、通電初期においては、ヒータ１の温度が急速
に上昇する。しかし、第４図より明らかなように通電４
０秒後には抵抗体１５の抵抗値がヒータ１の抵抗値より
十分大きくなり、ヒータ１への過剰な電流の供給を防止
し、ヒータ１の過熱を有効に防止する。

また、本実施例の自己制御型グロープラグを使用するこ
とによって発熱部のＲ，Ｔ、係数（９００°Ｃ時の抵抗
値と２０°Ｃ時の抵抗値との比）が金属発熱体（タング
ステン−レニウム）を埋設したグロープラグでは約１．
６９であったものを、約１゜２０とすることができた。

そのため発熱部における９００°Ｃの到達時間を従来の
４．０秒から３．０秒へと大幅に短縮した昇温特性のす
ぐれた自己制御型グロープラグを得ることができた。

〔発明の効果〕

Ｍｏ５Ｓｉ、Ｃを導電性セラミック材料として用いるこ
とによって抵抗温度係数の十分小さいセラミック材料を
得ることができた。

さらに発熱部と、この発熱部の抵抗温度係数より大きな
材料を制御部とする自己制御型グロープラグにおいて、
発熱部を上部Ｍｏ５ＳｊａＣを含む抵抗温度係数の十分
小さい導電性ナラミック材料より形成したので、昇温特
性の優れた自己制御型グロープラグを得ることができた
。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を適用したグロープラグの一実施例を示
す断面図、第２図は第１図に示す実施例のグロープラグ
の通電特性図、第３図は本発明をグロープラグの他の実
施例を示す断面図、第４図は第３図に示すグロープラグ
の昇温特性図である。 １・・・発熱体、２・・・支持体、１５・・・抵抗体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともＭｏ＿５Ｓｉ＿３Ｃを含むことを特徴
   とする導電性セラミック材料。
2. （２）Ｍｏ＿５Ｓｉ＿３Ｃを含有し、かつ抵抗温度係数
   が５×１０＾−＾４ｄｅｇ＾−＾１以下である導電性セ
   ラミック材料。
3. （３）通電時において発熱体への通電を制御する電流制
   御用の抵抗体が前記発熱体と直列に接続されている自己
   制御型グロープラグであって、 前記発熱体が、少なくともＭｏ＿５Ｓｉ＿３Ｃを含有す
   る導電性セラミック材料よりなり、 前記抵抗体が、前記発熱体の抵抗温度係数より大きい抵
   抗温度係数をもつ材料よりなることを特徴とする自己制
   御型グロープラグ。