JPH0452598B2

JPH0452598B2 -

Info

Publication number: JPH0452598B2
Application number: JP58122653A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Matsushita; Ryutaro Jinbo; Ken Takahashi; Seiichi Yamada; Seijiro Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-07-06
Filing date: 1983-07-06
Publication date: 1992-08-24
Also published as: JPS6014784A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明はセラミツクヒータに係り、特に急速加
熱性に優れ、グロープラグ（予熱栓）等に使用す
るのに好適なセラミツクヒータに関する。〔発明の背景〕デイーゼルエンジンでは、予備燃焼室内にグロ
ープラグを備え、始動時にはまずグロープラグを
1000℃前後に予熱して燃料への着火を助ける方式
が一般に行われている。従来、グロープラグとし
て金属外管の中に金属線ヒータを内蔵したものが
使用されている。しかしながら、このようなグロ
ープラグでは予熱を開始してから金属外管の表面
温度が1000℃前後にまで達する時間が比較的長
く、特に低温時においては予熱時間がさらに長く
なり始動までに10秒以上の待ち時間を要するとい
う欠点があつた。乗用車ではこの待ち時間（予熱
時間）が問題であり、急速始動の実現が強く望ま
れている。また従来、セラミツクスを用いた発熱体として
は、窒化ケイ素や酸化アルミニウムのセラミツク
体中にタングステン、モリブデンなどを用いた金
属線状発熱抵抗体を埋設したものがある。これら
の発熱体では金属とセラミツクスという特性の異
なるものを組み合わせているため、焼成が難しく
かつ発熱体として用いる場合にも急速加熱による
熱衝撃やくり換し通電によるヒートサイクルでの
特性変化が問題となり、使用温度がこれによつて
制限されるという欠点があつた。一方、点火装置として、Ｕ字型のセラミツクス
発熱体が提案されている。（特公昭57−44892）。
しかしこのようなセラミツク発熱体をデイーゼル
エンジンのグロープラグ等に使用する場合、Ｕ字
型の発熱体には内部空間部を有しているために機
械的強度が弱くエンジンの振動等によつて長期的
な使用に問題が生じる欠点があつた。またセラミ
ツク発熱体をＵ字型に成形することは製作上手間
を要する欠点があつた。〔発明の目的〕本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、1000℃前後までの昇温時間が短かく、堅固
で、高温耐久性に優れ、しかも長い使用寿命を有
するセラミツクヒータを提供するものである。〔発明の概要〕上記目的を達成するため、本発明に係るセラミ
ツクヒータは、導電性セラミツクス焼結体からな
る導電部と絶縁性セラミツクス焼結体からなる絶
縁部とが一体焼結されたセラミツクヒータにおい
て、前記導電性セラミツクス焼結体は炭化ケイ素
を主成分とし、Al又はAl化合物からなる焼結助
剤及び周期律表の4a族及び5a族元素の炭化物、
ホウ化物及び窒化物の少なくとも１種の導電材を
含む焼結体からなるものである。〔発明の実施例〕以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳
細に説明する。第１図は本発明の一例を示し、図において１は
導電路がＵ字形を有するヒータ部材、２はＵ字形
ヒータ部１の中央溝部を埋めて一体に接合された
絶縁部材である。３はヒータ部材の端部に接合さ
れた一対のリード端子である。導電性セラミツク
からなるヒータ部材１はＵ字型となつているので
グロープラグのように限られたスペース内でヒー
タ部材１の寸法を小さくでき、かつヒータ部材１
の露出を大きくし、燃料の着火を確実にできる。
またＵ字型のヒータ部材１の中央溝部は開口とす
ることなく、絶縁部材２で埋設されているので機
械的補強と導電路間の電気絶縁性とグロープラグ
の気密構造とを容易にすることができる。ヒータ部材１を構成する導電性セラミツクとし
て、周期律表の4a族及び5a族元素の炭化物、ホ
ウ化物または窒化物等の非酸化物導電材の群から
選ばれた１種以上とSiCとSiCの焼結助剤である
Al又はAl化合物とからなる焼結体であつて、こ
の焼結体中の非酸化物導電材は20〜80重量％が望
ましい。ヒータ部材に上記材料を選んだ理由は次の通り
である。まずAlまたはAl化合物を焼結助剤とす
る緻密なSiC焼結体は耐熱温度が高く、高強度
で、しかも耐熱衝撃性、耐酸化性に優れるため非
酸化物導電材を結合するマトリツクス材として好
適である。またAl及びAl₂O₃、AlN、AlPO₄等の
Al化合物の添加は上記の効果以外に、元来高抵
抗であるSiCの抵抗率を0.1〜10Ωcmに低減する効
果があり、非酸化物導電材の含有量が少ない領域
におけるヒータ部材の抵抗率調整が容易になる利
点がある。前記非酸化物導電材の一群は、グロープラグの
使用温度範囲で実用上十分な耐熱、耐酸化を有
し、長期間の使用に対しても安定した抵抗特性を
維持するのに有効である。特に前記の非酸化物導
電材は抵抗率が金属並に小さく、かつ抵抗温度特
性が正であり、その結果SiCとの複合焼結体であ
るヒータ部材の抵抗率を10¹〜10^-5Ωcmの範囲内
で自由に調整でき、かつ非酸化物導電材の種類あ
るいは組合せを適当に選ぶことにより所望の正の
抵抗温度係数が得られる。ヒータ部材に正の抵抗
温度特性を持たせることは高温時の電流急増によ
る熱破壊が防止できるのでヒータ部材には必須の
特性である。さらにヒータ部材中における非酸化
物導電材の含有量が20重量％よりも少ないとヒー
タ部材が負の抵抗温度特性を有するようになり、
80重量％よりも多いとヒータ部材の強度が低下す
る。一方、Ｕ字型のヒータ部材の中央溝部を埋める
絶縁性セラミツクスは高強度、耐熱耐酸化性、並
びに高温での電気絶縁性に優れ、しかもヒータ部
材と焼結温度がほぼ等しいものを選定することが
望ましい。このような点を考慮すると絶縁性セラ
ミツクスにはSiC、Si₃N₄、AlN又はAl₂O₃を主成
分とすることが望ましい。さらに導電性セラミツクスがSiCを成分として
含み、絶縁性セラミツクスがSiCを主成分とする
ものであれば、両者の結合性が良く、両者の熱膨
張係数の差異を小さくすることができる。また熱
膨張係数が約４×10^-5／℃のSiCと熱膨張係数が
７〜８×10^-6／℃またはそれ以上であるTi、Zr、
Nbなどの炭化物、窒化物、ホウ化物等とを組合
せて複合させた導電性セラミツクスの場合、熱膨
張係数を６×10^-6／℃程度とすることができ、絶
縁性のAlNの熱膨張係数にほぼ一致させること
ができる。本発明のセラミツクヒータの製造例を図面に基
いて説明する。まずヒータ部材組成物および絶縁
物組成物をそれぞれ平板状に仮成形して所定形状
の成形体に切り出し後、第２図に示すように積層
する。図中、１１，１２，１３，１４はヒータ部
材組成物成形体、１５は絶縁部材組成物成形体で
ある。この積層体を所定圧力で本成形し、セラミ
ツクスヒータの成形体を作製し、次いでホツトプ
レス焼結してヒータ素材を得る。このヒータ素材
を第３図に示す如く所定形状に切断（図中Ａ，Ｂ
は切断方向を示す）した後、ヒータ部端部にリー
ド端子を接合する。このようにして目的とするセ
ラミツクヒータを量産できる。本発明において、ヒータの先端部に肉薄部を形
成することもできる。肉薄部を形成することによ
つて、ヒータの先端が局所的に赤熱するため、燃
料への着火が一層確実に行なわれる。また肉薄部
の肉厚を調整することによつて先端部の電気抵抗
を調整することも可能となる。またヒータ部材と
プラグ栓体との絶縁性を図るためにヒータ部材の
側面に絶縁層を設けることができ、さらにヒータ
部材の全面に薄い絶縁層を設け、ヒータ部材を保
護することもできる。このような絶縁層として、
ヒータ部材の中央溝部に埋設される絶縁性セラミ
ツクスと同一組成のもの、得られるセラミツクヒ
ータを大気中で予め1200〜1500℃で加熱して形成
したもの、Al₂O₃を主成分とする耐熱性の無機接
着剤等によつて形成することができる。使用に先
立つて予め絶縁層を設けることによつてヒータ部
材の耐熱性を低下させることなく、耐食性、耐環
境性の改善が期待できる。第４図はヒータの先端部に肉薄部を形成する例
を示している。Ｕ字型のヒータ部材２２の中央溝
部に絶縁部材２３を埋設し、ヒータ部材２２の側
面に絶縁層２１を設けた素材を第３図に示すよう
に切断加工した後ヒータの先端部を切削加工によ
つて肉薄部２５が形成される。次いでヒータ部材
２２の端部にリード端子２４を接続する。第５図におけるヒータの先端部に肉薄部が形成
されたヒータの更に他の例は、第３図に示す切断
加工（Ａ方向、Ｂ方向の切断加工）の前にヒータ
素材の両端部をそれぞれ切削加工して薄肉部４１
を形成し、然る後第３図に示す切断加工を施すこ
とによつて製造される。本実施例においても、切
断加工後のヒータ素材毎に切削加工を行う必要が
ないので量産性が向上することになる。実施例１黒色SiC粉末49重量％、Al₂O₃粉末１重量％及
びZrB₂粉末50重量％の混合粉に成形バインダ
（５％PVA溶液）を10重量部加え、ライカイ機で
30分間混合した後16メツシユのフルイに通してヒ
ータ部組成物を調整した。一方AlN粉末に成形バインダ（５％PVA溶液）
を20重量部加え、混合した後16メツシユのフルイ
で整粒して絶縁部組成物を調整した。次いでヒータ部組成物及び絶縁部組成物を平板
状に仮成形し、これから第２図に示す如く所定形
状の成形体を切り出した後積層した。この積層体
を所定圧力で本成形してセラミツクヒータの成形
体を作製した。続いて上記成形体を真空ホツトプレス装置を用
いて、圧力300Kg／cm²、温度1950℃、保持時間1h
の条件でホツトプレス燃結してヒータ素材を得
た。このヒータ素材を第３図に示す如く所定形状に
切断した後、ヒータ部端部にNiリード端子を高
温メタライズ法で接合して第１図に示したと同様
のセラミツクヒータを作成した。得られたセラミツクヒータは、室温時の抵抗値
が約0.1Ω（抵抗率は約1.5×10^-4Ωcm）、先端部を
1000℃にした時の抵抗値が約0.3Ωであり、グロ
ープラグ用ヒータとして好ましい抵抗温度特性を
有する。また同ヒータの絶縁部材であるAlN焼
結体は相対密度が98.5％の緻密質で、室温時に
10¹¹Ωcm以上の抵抗率を有し、ヒータ先端部を約
1200℃に赤熱しても絶縁性が失なわれることはな
かつた。本実施例になるセラミツクヒータについて、昇
温性能及び昇温くり返し試験を行つた結果を第６
図及び７図に示した。昇温性能は第６図の曲線Ａ
に示したように先端赤熱部が1000℃に到達するま
での時間は12V印加の時に約0.9秒であり、極め
て急速な加熱が可能である。また室温と1100℃の
昇温くり返し試験は第７図に示した如く、10万サ
イクル後の抵抗値変動は約３％と小さく、通電耐
久性に優れている。さらに本実施例のセラミツク
ヒータの先端部温度を1000±100℃に制御して連
続1000時通電した後の抵抗値変動は約３％であ
り、高温耐久性にも優れている。さらに本実施例のセラミツクヒータを用いて第
８図に示す如きグロープラグを作成し、これを６
気筒のデイーゼルエンジンに装着して着火テスト
を行つた結果、全気筒共に約１秒以内に着火始動
し、ほぼ予熱なしでガソリンエンジン並の急速始
動が可能であつた。この始動テストは約１万回く
り返したが、ヒータの破損等のトラブルは起ら
ず、またヒータ抵抗値の変動も３％以内であつ
た。実施例２黒色SiC粉末49重量％、焼結助剤のAlN粉末１
重量％及び導電材のTiC粉末50重量％を混合し、
実施例１と同様にしてヒータ部組成物を調整し
た。一方緑色SiC粉末99重量％とBeO1重量％とか
らなる絶縁部組成物を実施例１と同様にして調整
した。上記の両組成物から前記実施例１と同じ方法に
よりヒータ成形体を作成し、次いで真空ホツトプ
レス装置を用いて、圧力300Kg／cm²、温度2000℃、
1hの条件でホツトプレス焼結してヒータ素材を
得た。このヒータ素材から第３図に示したと同様
のヒータエレメントを切りだし、Niリードを接
合して第１図と同じ構造のセラミツクヒータを得
た。得られたセラミツクヒータは、室温時の抵抗値
が0.1Ω、ヒータ先端部を1000℃に赤熱させた時
の抵抗値は約0.28Ωであつた。またSiC絶縁部は
相対密度98.5％の緻密質で、室温時に10¹⁴Ωcm以
上の抵抗率を有し、先端部を1200℃に加熱しても
絶縁性は失なわれていない。さらに本実施例のセラミツクヒータを用いて作
つたグロープラグについても前記実施例１と同様
な方法で昇温性能、昇温くり返しテスト及び実エ
ンジンによる着火性テストを行つたが、いずれの
特性も前記実施例１の場合と同等の結果であつ
た。上記実施例において、グロープラグ用ヒータを
例に説明したが、本発明は家電品や産業機器等の
各種ヒータあるいはガスレンジ、暖房器具、ボイ
ラ等における気体および液体燃料の点火装置等に
適用することもできる。実施例３黒色SiC粉末、焼結助剤のAl₂O₃粉末及び非酸
化物系導電材粉末を表１に示すように混合し、実
施例１と同様にしてヒータ部組成物を調整した。
一方、AlN粉末単独からなる絶縁部組成物を実
施例１と同様にして調整した。上記した両組成物
から前記実施例１と同じ方法によりヒータ成形体
を作成し、これを真空ホツトプレスを用いて減圧
下（10^-4〜10^-5Torr）、圧力300Kg／cm²、温度
1900〜2050℃の条件でホツトプレス焼結してヒー
タ素材を得た。このヒータ素材から第３図に示し
たと同様なヒータエレエメントを切り出したあ
と、抵抗値調整（室温時、0.1〜0.15Ω）と赤熱部
形成のためヒータ先端部を肉薄に加工し、次いで
ヒータ両端部にNiリードを接合して第４図と同
じ構造のセラミツクヒータを作製した。得られたセラミツクヒータの特性を表１に示し
た。室温時の抵抗値約0.1Ωに対して、このヒー
タに直流12Vを印加して通電しヒータ先端部の温
度が1000℃に達したときの抵抗値は約0.15〜
0.48Ωであり、いずれの試料も前記したようにヒ
ータとして好ましい正の抵抗温度係数を有する。
また同ヒータのAIN絶縁部材は相対密度95％以
上の緻密質で、室温時に10¹¹Ωcm以上の高い抵抗
率を有し、ヒータ先端部を約1000℃に赤熱しても
絶縁性が失われることはなかつた。さらに、昇温
性能すなわちヒータ先端部温度が1000℃に達する
までの時間は、いずれも２秒以内であり極めて速
熱性に優れる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、セラミツクス焼結体を炭化ケ
イ素を主成分とし、Al又はAl化合物からなる焼
結助剤及び周期律表の4a族、5a族及び6a族元素
の炭化物、ホウ化物及び窒化物の少なくとも１種
の導電材を含む焼結体にて形成したので、耐熱性
が高く、高温安定性及び通電耐久性に優れたセラ
ミツクヒータが得られるのは勿論、ヒータ部材の
抵抗率調整が容易となり、更に長期間安定した抵
抗特性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本発明に係るセラミツクヒータの構
成の一例を示す平面図、第１図Ｂは第１図Ａの側
面図、第２図および第３図は本発明に係るセラミ
ツクヒータの製造工程を示す説明図、第４図Ａは
本発明に係るセラミツクヒータの構成の他の例を
示す平面図、第４図Ｂは第４図Ａの側面図、第５
図は本発明に係るセラミツクヒータの構成の更に
他の例を示す側面図、第６図は本発明実施例にな
るセラミツクヒータの昇温性能を示す特性図、第
７図は本発明実施例になるセラミツクヒータの昇
温くり返し試験における抵抗値経時変化を示す
図、第８図は本発明のセラミツクヒータを用いた
グロープラグを一部破断して示す図である。１，２２，３１……ヒータ部材、２，２３，３
２……絶縁部材、３，２４……リード端子。

Claims

【特許請求の範囲】１導電性セラミツクス焼結体からなる導電部と
絶縁性セラミツクス焼結体からなる絶縁部とが一
体焼結されたセラミツクヒータにおいて、前記導
電性セラミツクス焼結体は炭化ケイ素を主成分と
し、Al又はAl化合物からなる焼結助剤及び周期
律表の4a族及び5a族元素の炭化物、ホウ化物及
び窒化物の少なくとも１種の導電材を含む焼結体
からなることを特徴とするセラミツクヒータ。２特許請求の範囲第１項において、前記導電性
セラミツクスが、SiCとAl又はAl化合物からなる
焼結助剤と非酸化物系導電材とを含有し、正の抵
抗温度特性を有する焼結体であるセラミツクヒー
タ。３特許請求の範囲第１項において、前記絶縁性
セラミツクスがAlN、Si₃N₄、SiCまたはAl₂O₃を
主成分とする焼結体であるセラミツクヒータ。４特許請求の範囲第１項において、ヒータの先
端部が、絶縁部材の外周囲部にヒータ部材が一体
接合された状態で肉薄状に形成されているセラミ
ツクヒータ。５特許請求の範囲第２項において、前記非酸化
物系導電材が、前記ヒータ部材中に20〜80重量％
含有されているセラミツクヒータ。