JPH07119969A

JPH07119969A - セラミックスヒータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07119969A
Application number: JP28420493A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村; Hidenori Kita; 英紀北; Takemoto Hirai; 岳根平井
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JP3075660B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、外殻、充填部材及び金属コイルと
の境界に隙間がなく、速熱性を向上させた安定した強度
を有する信頼性に富んだ自己電流制御型のセラミックス
ヒータ及びその製造方法を提供する。【構成】本発明は、緻密質セラミックスの外殻１の両
側に無収縮セラミックスの充填部材２，３を充填し、外
殻１の中央にセラミックス粉末から成る低熱伝導セラミ
ックス部材５を配置し、外殻１の壁面の微細孔及び開放
端部を密封膜４で閉鎖して外殻１内を真空状態に密封す
る。金属コイル１０は、充填部材２が位置する外殻１の
内壁面７に接触状態の発熱体コイル６と、低熱伝導セラ
ミックス部材５が位置する外殻１の内壁面８から隔置状
態の電流制御用コイル９から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、ディーゼル
エンジン等に使用されるセラミック製グロープラグを構
成するセラミックスヒータ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン用グロープラ
グとしては、特開昭６２−１４１４２４号公報に開示さ
れたものがある。該グロープラグは中空状ホルダの先端
部に筒状セラミックスヒータを設けたものであり、該セ
ラミックスヒータは、絶縁性セラミックスから成る薄板
状絶縁体と該薄板状絶縁体の両側面及び一端部に積層さ
れる導電性セラミックスによる薄板状抵抗体とから成る
積層体を幅方向に曲げて筒状体を形成し、該筒状体の後
端側外周部に導電性セラミックスによる保護パイプを嵌
装させて焼成して一体的に成形したものである。

【０００３】また、自己電流制御型グロープラグとして
は、タングステン線等による発熱線をセラミック材中に
埋設した棒状セラミックスを用い、熱伝達効率を向上さ
せ、発熱線への通電電力を自己制御して発熱特性を改善
し、ヒータ部分での過熱を防止するものが知られてい
る。このような自己電流制御型グロープラグとして、発
熱線よりも正の抵抗温度係数の大きな材料にて形成した
シーズ型抵抗体を、通電電力制御要素としてグロープラ
グ内で発熱線と直列接続するようにした２種類の材料で
構成されているものである。例えば、自己電流制御型グ
ロープラグとして、特公平４−３４０５２号公報、特公
昭６０−１９４０４号公報、特開昭５９−１５７４２３
号公報等に開示されたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
自己電流制御型グロープラグは、遮熱エンジン等の高温
燃焼室での使用では、耐熱性、熱ショックに対する強
度、高温強度等について十分なものとはいえないもので
あった。また、従来開示されている自己制御型グロープ
ラグは、炭化タングステン線を用いて作製した発熱線コ
イルとＮｉ線コイルを用いて作製した抵抗体コイルとを
接続し、両者を抵抗温度係数が異なる材料で作製した
り、或いは巻線の発熱体と抵抗体とを異なった形状に作
製したものであるので、使用中にＮｉ線が過熱によって
断線したり、経時変化によって劣化するという問題があ
り、しかも構造が複雑になり、コスト、強度に関して満
足できるものではなかった。

【０００５】また、従来の自己電流制御型グロープラグ
では、タングステン線等の発熱線をセラミックス中に成
形時に埋設して焼結するため、焼結は加圧焼結が必要と
なり、ホットプレス即ち一軸加圧焼結が通常行われてい
る。そのため、セラミックス中に埋設される発熱線の形
状が制限され、二次元の構造になることから、セラミッ
クス製外殻の内壁面或いは内包のセラミックスと発熱線
との間が離れ、熱伝達効率が低下し、セラミックスヒー
タの速熱性が低下するという問題がある。また、発熱部
がタングステン線とＳｉ₃Ｎ₄とがホットプレス時に一
体化された構造のセラミック製グロープラグでは、タン
グステン線とＳｉ₃Ｎ₄との境界に隙間が形成され、該
隙間から水分或いは酸素が侵入し、腐食等が発生すると
いう問題が発生する。特に、タングステン線とＳｉ₃Ｎ
₄との境界の隙間から水分或いは酸素が侵入するのを防
止するため、境界を密封しなければならないという問題
がある。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、自己電流制御型のセラミックス発
熱体及びその製造方法を提供することであり、外殻内に
充填する材料を異ならせて外殻の内部中間領域の遮熱度
を大きくして電流制御用コイルを配置して電流制御部を
構成し、外殻の内部先端領域の遮熱度を小さくして熱放
散量を大きくして発熱部を構成し、発熱部と電流制御部
を流れる電流を調節して最適の発熱量を確保する自己電
流制御型に構成し、特に、外殻、充填部材及び金属コイ
ルとの境界に隙間がなく、発熱部における金属コイル及
び充填部材と外殻との境界の隙間を無くして熱伝達効率
を向上させ、境界からの水分或いは酸素の侵入を防止
し、安定した強度を確保できる信頼性に富んだセラミッ
クスヒータ及びその製造方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、次のように構成されている。即ち、この
発明は、一端が閉鎖され且つ他端が開放した緻密質セラ
ミックスから作製された外殻、該外殻の内部両側に内包
された無収縮セラミックスから成る充填部材、前記外殻
の内部中央に配置されている低熱伝導セラミックス、及
び前記充填部材が充填されている前記外殻の先端側の内
壁面に接触状態に配置されている部分と前記低熱伝導セ
ラミックスが配置されている前記外殻の内壁面から隔置
状態に配置されている部分を有する金属コイル、から構
成したことを特徴とするセラミックスヒータに関する。

【０００８】また、このセラミックスヒータにおいて、
前記金属コイルは、タングステン線で作製され、前記外
殻の内壁面に接触状態に配置されている前記部分が発熱
体コイルを構成し、また前記外殻の内壁面から隔置状態
に配置されている前記部分が電流制御用コイルを構成し
ているものである。

【０００９】また、このセラミックスヒータにおいて、
前記無収縮セラミックスはＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ
₂，ＴｉＯＮを含んでいるものである。

【００１０】また、このセラミックスヒータにおいて、
前記外殻はＳｉ₃Ｎ₄から構成され、前記低熱伝導セラ
ミックス部材はＳｉ₃Ｎ₄と金属窒化物又は酸化物で構
成されているものである。

【００１１】また、この発明は、一端が閉鎖され且つ他
端が開放すると共に壁面に微細孔を形成した緻密質セラ
ミックスから外殻を作製すると共に、高融点金属線から
金属コイルを作製し、前記金属コイルが前記外殻の閉鎖
端側の内壁面に接触し且つ中間の内壁面に隔置するよう
に前記金属コイルを前記外殻の内部に配置すると共に、
前記外殻の一端側にＳｉとＴｉを含む原料、中間に低熱
伝導セラミックス及び他端側にＳｉとＴｉを含む原料を
充填した後、これをＮ₂雰囲気内で反応焼成し、前記Ｓ
ｉとＴｉを含む原料をＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，
ＴｉＯＮの無収縮セラミックスに変化させて該無収縮セ
ラミックスを前記外殻の緻密質セラミックスに密着さ
せ、次いで、真空中で前記外殻の前記微細孔を密封膜で
密閉したことを特徴とするセラミックスヒータの製造方
法に関する。

【００１２】

【作用】この発明によるセラミックスヒータ及びその製
造方法は、上記のように構成されており、次のように作
用する。即ち、このセラミックスヒータは、一端が閉鎖
され且つ他端が開放した緻密質セラミックスの外殻の内
部両側に無収縮セラミックスから成る充填部材を内包
し、前記外殻の内部中央に低熱伝導セラミックスを配置
し、前記外殻内に配置された金属コイルを、前記充填部
材が充填されている前記外殻の先端側の内壁面に接触状
態に配置されている部分と前記低熱伝導セラミックス部
材が配置されている前記外殻の内壁面から隔置状態に配
置されている部分からしたので、前記外殻の内壁面に接
触状態に配置されている前記金属コイルの部分が発熱体
コイルを構成し、また前記外殻の内壁面から隔置状態に
配置されている前記金属コイルの部分が電流制御用コイ
ルを構成することになる。

【００１３】従って、前記金属コイルに電流を流せば、
前記発熱体コイルで発生した熱は前記外殻を加熱して外
部に放熱するのに対して、前記電流制御用コイルで発生
する熱は遮熱されて温度が上昇し、温度上昇に伴って前
記電流制御用コイルに流れる電流が抑制され、電流制御
部を構成する。即ち、前記電流制御用コイルが高温にな
れば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイルに流れ
る電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が自己制御
され、最適値に制御されることになる。

【００１４】特に、前記外殻の両側の前記充填部材を構
成する無収縮セラミックスは、Ｓｉ及びＴｉを含んでい
る原料を緻密質のＳｉ₃Ｎ₄からなる外殻内に充填して
Ｎ₂ガス内で反応焼成することによって、ＳｉとＴｉと
をＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮに変化させ
るものであり、前記外殻を緻密質Ｓｉ₃Ｎ₄で作製して
おけば、焼成時にＴｉＮが膨張し、外殻のＳｉ₃Ｎ₄と
反応Ｓｉ₃Ｎ₄とが密着することができ、しかも、加圧
無しで焼成しても、ＴｉＮの膨張作用によって外殻と充
填部材との間の境界に隙間が発生せず、前記金属コイル
を三次元形状に形成しても該金属コイルと前記外殻との
接触状態を悪化させることがなく、熱伝達効率を向上で
き、発熱部での迅速な昇温を可能にする。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明によるセラ
ミックスヒータ及びその製造方法の実施例を説明する。
図１はこの発明によるセラミックスヒータの一実施例を
示す断面図、図２は図１のセラミックスヒータにおける
外殻の一実施例を示す平面図、及び図３は図２の外殻の
スリットを密封膜で閉鎖した状態を示す平面図である。

【００１６】このセラミックス発熱体は、主として、デ
ィーゼルエンジン等に組み込まれるセラミック製グロー
プラグに使用されるものであり、内殻と外殻１とから成
る二重構造に構成し、発熱線としての金属コイル１０を
埋設する内殻のセラミックスを焼成時に膨張するセラミ
ックスを用い、外殻１を緻密質セラミックスでパイプ状
に作製し、外殻１の内部両側に無収縮セラミックスから
成る充填部材２，３を内包し、外殻１の内部中央に低熱
伝導セラミックス部材５を配置し、更に、金属コイル１
０を外殻１内で充填部材２，３及び低熱伝導セラミック
ス部材５に配置したものである。

【００１７】外殻１は、一端が閉鎖端部１５に形成さ
れ、他端が開放端部に形成された窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄
等の緻密質セラミックスから作製されている。更に、外
殻１は、その壁面を貫通する長手方向に延びるスリッ
ト、或いは壁面を貫通する孔等の微細孔１６が形成され
ており、これらの微細孔を通じて製造時に内部に存在す
るガスを吸引して内部を真空にするものであり、しかも
微細孔１６を外殻１に形成することによってガス圧をか
けて焼成する時に、外殻１内に配置されたＳｉ，Ｔｉの
原料を三次元加圧焼結を可能にするものである。

【００１８】このセラミックスヒータにおいて、外殻１
の両側に内包された充填部材２，３を構成する無収縮セ
ラミックスは、ＳｉとＴｉとの原料を焼成することによ
ってＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮを含んで
いる多孔質セラミックスに転化したものであり、焼成前
のＳｉとＴｉとの原料の体積と焼成後のＳｉ₃Ｎ₄，Ｔ
ｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮとの体積が実質的に同一であ
り、焼結収縮を起こさないものである。従って、緻密質
Ｓｉ₃Ｎ₄の外殻１の内壁面７，１４と無収縮セラミッ
クスの充填部材２，３の外面との間の境界には隙間が発
生しないものである。また、外殻１の内部中央に配置さ
れている低熱伝導セラミックス５は、Ｓｉ₃Ｎ₄と金属
窒化物又は酸化物で構成されているセラミックス粉末、
セラミックス繊維或いはセラミックスウィスカーで構成
されているものである。即ち、低熱伝導セラミックス５
は、ＳｉＣウィスカー、Ｓｉ₃Ｎ₄ウィスカー、Ａｌ₂
Ｏ₃ウィスカー、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂ウィスカー、セ
ラミック粉末、又はＳｉ₃Ｎ₄多孔材で構成され、特
に、電流制御用コイル９の周辺のセラミックスは空気と
同等の低熱伝導率の材料に構成することが遮熱構造上好
ましいものである。

【００１９】また、金属コイル１０は、高融点金属等の
タングステン線で三次元形状のコイルに作製され、外殻
１の内壁面７に接触状態に配置されている部分が発熱体
コイル６を構成し、また外殻１の内壁面１４から隔置状
態に配置されている部分が電流制御用コイル９を構成し
ているものである。更に、金属コイル１０は、発熱体コ
イル６の一端と電流制御用コイル９の一端とを接続する
接続線１１、発熱体コイル６の他端に接続した外殻１内
を延びて無収縮セラミックスの充填部材３から突出する
接続線１２、及び電流制御用コイル９の他端に接続して
外殻１内を延びて無収縮セラミックスの充填部材３から
突出する接続線１３を有している。

【００２０】このセラミックスヒータは、セラミック製
グロープラグに組み込められるものであり、外殻１の端
部は、例えば、絶縁ブッシュ等の絶縁体を介在して電極
を中空部内に取り付けた中空状本体に固定されている。
この場合に、中空状本体は、耐熱合金等の金属から作製
され、他の部品への取り付けのためのねじ等を備えてい
る。そして、接続線１３の端部が電極に接続され、接続
線１２の端部が中空状本体に接続されている。従って、
このセラミックスヒータでは、電流は、電極→接続線１
３→電流制御用コイル９→接続線１１→発熱体コイル６
→接続線１２→中空状本体の経路で流れるように構成さ
れる。

【００２１】次に、この発明によるセラミックスヒータ
の製造方法の一実施例を説明する。このセラミックスヒ
ータの製造方法は、まず、一端を閉鎖端部１５に且つ他
端を開放端部に形成すると共に、図２に示すように、壁
面を貫通する長手方向に延びるスリット、壁面を貫通す
る孔等の微細孔１６を形成した外殻１を、緻密質セラミ
ックスから作製する。一方、タングステン線等から三次
元形状の金属コイル１０を作製する。次いで、タングス
テン線等の金属コイル１０を、外殻１の一端側の内壁面
７に接触し、中間の内壁面８に隔置するように外殻１の
内部に配置すると共に、外殻１の内部一端側にＳｉとＴ
ｉを含む原料、中間にセラミックス粉末等の低熱伝導セ
ラミックス部材及び他端側にＳｉとＴｉを含む原料を充
填する。その後、ＳｉとＴｉを含む原料と低熱伝導セラ
ミックス部材５とを充填した外殻１を、ガス圧９．９ｋ
ｇｆ／ｃｍ²以下のＮ₂雰囲気内で焼結し、ＳｉとＴｉ
を含む原料をＳｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮ
の多孔質セラミックス即ち無収縮セラミックスに転化さ
せて充填部材２，３を形成し、無収縮セラミックスを外
殻１の緻密質セラミックスに密着させる。

【００２２】更に、このセラミックスヒータを真空中に
配置し、図３に示すように、外殻１の壁面に形成した微
細孔１６をガラスやろう材等の密封膜４で封止し、外殻
１の内部を密封してセラミックスヒータを作製した。従
って、このセラミックスヒータは、従来のものに比較し
て、製造が容易であり、製造コストを低減でき、しかも
安定した信頼性に富んだセラミック製グロープラグに組
み込むセラミックスヒータを作製できる。

【００２３】このセラミックスヒータは、上記の構成に
よって、発熱体コイル６が発熱部を構成するが、発熱体
コイル６が外殻１の内壁面７に接触しており、しかも発
熱体コイル６を埋める状態に無収縮セラミックスの充填
部材２が配置され、無収縮セラミックスの充填部材２が
外殻１の内壁面７に接触しているので、外殻１の全体が
均一に温度上昇すると共に、発熱部の熱伝導性が極めて
良好になり、通電すると直ちに昇温し、速熱性を向上さ
せることができる。即ち、図４には、発熱体の通電時間
（ｓｅｃ）に対する上昇温度（℃）のグラフが示されて
いる。この発明によるセラミックスヒータが本発明品と
して点線で示され、また、従来のグロープラグが従来品
として実線で示されている。図４から分かるように、本
発明品は従来品に比較して通電時間が短くて所定の温度
まで直ちに昇温しており、速熱性に優れていることが分
かる。

【００２４】

【発明の効果】この発明によるセラミックスヒータ及び
その製造方法は、上記のように構成されており、次のよ
うな効果を有する。即ち、このセラミックスヒータは、
緻密質セラミックスの外殻の内部両側に無収縮セラミッ
クスの充填部材を内包し、前記外殻の内部中央に低熱伝
導セラミックスを配置し、金属コイルが前記充填部材が
充填されている前記外殻の先端側の内壁面に接触状態に
且つ前記低熱伝導セラミックスが位置する前記外殻の内
壁面から隔置状態に配置されているので、前記外殻の内
壁面に接触状態に配置されている前記金属コイルの部分
が発熱体コイルを構成し、また前記外殻の内壁面から隔
置状態に配置されている前記金属コイルの部分が電流制
御用コイルを構成することになる。従って、前記金属コ
イルに電流を流せば、前記発熱体コイルが発熱部を構成
して前記外殻を加熱して熱を放熱し、これに対して、前
記電流制御用コイルは前記低熱伝導セラミックスで遮熱
されて温度が上昇し、そこで、前記電流制御用コイルが
高温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイ
ルに流れる電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が
自己制御され、最適値に制御されて安定することにな
る。

【００２５】このセラミックスヒータは、上記の構成に
よって前記発熱体コイルが発熱部を構成するが、前記発
熱体コイルが前記外殻の内壁面に接触して配置されてい
るので、前記外殻全体が均一に温度上昇する。前記外殻
の内壁面に前記発熱体コイルが密着し、前記発熱体コイ
ルを埋める状態に前記充填部材が充填されているので、
前記発熱部の熱伝導性が極めて良好になり、通電すると
直ちに昇温し、速熱性を向上させることができる。

【００２６】また、このセラミックスヒータでは、連続
した１本のタングステン線等の金属コイルで前記発熱体
コイルと前記電流制御用コイルが作製されているので、
例えば、中央に貫通孔を有し且つ外周面に螺旋溝を有す
るセラミック製コイル作製治具を使用して簡単に作製す
ることができ、途中に接続部が存在しないので、電気的
にも信頼性に富んだ耐久性に富んだ前記金属コイルを安
価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるセラミックスヒータの一実施例
を示す断面図である。

【図２】図１のセラミックスヒータにおける外殻の一実
施例を示す平面図である。

【図３】図２の外殻のスリットを密封膜で閉鎖した状態
を示す平面図である。

【図４】この発明によるセラミックスヒータと従来のグ
ロープラグの通電時間に対する上昇温度を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１外殻２，３充填部材４密封膜５低熱伝導セラミックス（セラミックウィスカー、
セラミック粉末）６発熱体コイル７，８，１４内壁面９電流制御用コイル１０金属コイル１１，１２，１３接続線１５閉鎖端部１６微細孔（スリット）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が閉鎖され且つ他端が開放した緻密
質セラミックスから作製された外殻、該外殻の内部両側
に内包された無収縮セラミックスから成る充填部材、前
記外殻の内部中央に配置されている低熱伝導セラミック
ス、及び前記充填部材が充填されている前記外殻の先端
側の内壁面に接触状態に配置されている部分と前記低熱
伝導セラミックスが配置されている前記外殻の内壁面か
ら隔置状態に配置されている部分を有する金属コイル、
から構成したことを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】前記金属コイルは、タングステン線で作
製され、前記外殻の内壁面に接触状態に配置されている
前記部分が発熱体コイルを構成し、また前記外殻の内壁
面から隔置状態に配置されている前記部分が電流制御用
コイルを構成していることを特徴とする請求項１に記載
のセラミックスヒータ。
【請求項３】前記無収縮セラミックスはＳｉ₃Ｎ₄，
ＴｉＮ，ＴｉＯ₂，ＴｉＯＮを含んでいることを特徴と
する請求項１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項４】前記外殻はＳｉ₃Ｎ₄から構成され、前
記低熱伝導セラミックスはＳｉ₃Ｎ₄と金属窒化物又は
酸化物で構成されていることを特徴とする請求項１に記
載のセラミックスヒータ。
【請求項５】一端が閉鎖され且つ他端が開放すると共
に壁面に微細孔を形成した緻密質セラミックスから外殻
を作製すると共に、高融点金属線から金属コイルを作製
し、前記金属コイルが前記外殻の閉鎖端側の内壁面に接
触し且つ中間の内壁面に隔置するように前記金属コイル
を前記外殻の内部に配置すると共に、前記外殻の一端側
にＳｉとＴｉを含む原料、中間に低熱伝導セラミックス
及び他端側にＳｉとＴｉを含む原料を充填した後、これ
をＮ₂雰囲気内で反応焼成４、前記ＳｉとＴｉを含む原
料をＳｉ₃Ｎ₄とＴｉＮの無収縮セラミックスに変化さ
せて該無収縮セラミックスを前記外殻の緻密質セラミッ
クスに密着させ、次いで、真空中で前記外殻の前記微細
孔を密封膜で密閉したことを特徴とするセラミックスヒ
ータの製造方法。