JPH11233239A

JPH11233239A - セラミックスヒーター又はセラミックスグロープラグ及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JPH11233239A
Application number: JP3826298A
Authority: JP
Inventors: Arihito Tanaka; 有仁田中; Chihiro Sakurai; 千尋桜井; Toshitsugu Miura; 俊嗣三浦; Takashi Aota; 隆青田
Original assignee: Jidosha Kiki Co Ltd
Current assignee: Jidosha Kiki Co Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】コストが安価で、より高温でのホットプレス
においても、抵抗発熱体の亀裂発生を抑止できるセラミ
ックスヒーター又はセラミックスグロープラグ及びそれ
らの製造方法を提供する。【解決手段】抵抗発熱体である高融点金属の発熱線８
に予め１９００℃〜３０００℃での熱処理を施すことに
よって、その結晶粒１を長手方向に延びた形状に形成し
たのち、該発熱線８を、モリブデン珪化物を５〜２５体
積％含有したセラミックス粉体と一体化焼結するセラミ
ックスヒーター又はセラミックスグロープラグの製造方
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの副燃焼室や燃焼室内を予熱するセラミックスヒータ
ー又はセラミックスグロープラグ及びそれらの製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のセラミックスヒーターは、窒化ケ
イ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）セラミックス中に抵抗発熱体である
タングステン線（以下、Ｗ線と略す）を包埋し、ホット
プレスで一体化焼成することによって製造している。し
かし、１７００℃を越える高温でホットプレスを行う
と、包埋されたＷ線の表面に亀裂が生じることがある。
この亀裂が発生したセラミックスヒーターは、初期的な
抵抗増加を招き、さらにその後の通電発熱の反復によ
り、亀裂成長に起因した抵抗増加や断線が発生し、製品
機能上問題になるおそれがあった。また、Ｗ線の線径が
小さなものほど上記亀裂が発生しやすいため、使用可能
な線径範囲が限定され、Ｗ線発熱体の設計自由度が低
く、広範な電圧要求や形状制約に応じることが困難であ
った。

【０００３】上記セラミックスヒーターにおけるＷ線の
亀裂発生を抑制するには、以下の２通りの方法がある。 (a) 添加する焼結助剤を最適化し、ホットプレス温度を
１７００℃以下の低い温度とする方法。 (b) 抵抗発熱体として、Ｗ線の代わりにＲｅ−Ｗ線など
の延性の優れた合金を使用する方法。方法(a) は、希土類系焼結助剤の使用が最近主流になり
つつあり、その焼結可能温度は一般に１８００℃以上の
高温であるため、ホットプレス温度を１７００℃以下に
することは困難である。また、方法(b) によると、窒化
ケイ素セラミックスとレニウム（Ｒｅ）が活発な反応を
生じ、低融点のＲｅ珪化物を生成するため、ホットプレ
ス温度を高くできないという制約があった。さらに、こ
のＲｅ−Ｗ合金は、抵抗温度係数が一般にＷ（タングス
テン）に比べて小さく、ブレーキコイルと組み合わせて
使用する２コイル型の自己制御型セラミックスグロープ
ラグなどにおいては使用に適するが、１コイル型の自己
飽和型セラミックスグロープラグで使用する場合、飽和
温度と急速発熱の両立が困難であった。

【０００４】上記抵抗発熱体の亀裂に対する他の対策方
法としては、金属Ｗ線の表面に無機化合物をコーティン
グする技術が、特開昭６１−１７９０８４号や特開平７
−１３５０６８号で提案されている。しかし、コーティ
ング層は極めて脆く脱落しやすいため、Ｗ線のハンドリ
ングやセラミックス粉体への包埋及びプレス成形の過程
において剥離しやすかった。この方法は、わずか一カ所
でもコーティング層の剥離が生じると、その部分で亀裂
が発生し、製品機能上致命的な障害となるため、工程管
理が困難であり、製造コストも高くなり、実用化が困難
であった。

【０００５】以上の理由により、抵抗発熱体として金属
Ｗ線を使用する代わりに、無機導電性セラミックスを発
熱素子としたセラミックスグロープラグ又はセラミック
ス材料が、例えば、特開平４−２５７６１５号及び特開
平１−３１７１７０号公報に提案されている。特開平４
−２５７６１５号公報に記載されたグロープラグは、先
端側に導電性サイアロン等の導電性セラミックス材によ
る第１の発熱体を埋設したものであり、特開平１−３１
７１７０号公報に記載されたセラミックス材料は、Ｍｏ
₃Ｓｉ₃Ｃを導電性セラッミックス材料として採用した
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、無機導
電性セラミックスを用いたセラミックスグロープラグに
よると、一般に、無機導電性セラミックスは窒化ケイ素
セラミックスに比べて線膨張係数が高いため、実用化に
当たって、両者の線膨張係数を合致させるために複雑な
プロセスが必要であった。即ち、構造体セラミックス側
への線膨張係数向上用材料の添加や無機導電性材料の窒
化ケイ素セラミックスへの分散状態の制御などの工程が
必要であった。また、歩留まりの低下、構造体セラミッ
クスへの添加成分の引き起こす副作用等の問題があっ
た。さらに、無機導電性セラミックスを抵抗発熱体とし
て成形する場合、射出成形やスクリーン印刷などの複雑
なプロセスが必要となり、コスト的に不利であった。

【０００７】本願の発明者らは、鋭意研究の結果、上記
金属Ｗ線の亀裂発生メカニズムは、１６５０℃〜１９０
０℃で発生する一次再結晶に起因した脆化に支配された
亀裂であることを見い出した。即ち、ホットプレス時に
上記温度にさらされた金属Ｗ線は極めて脆い状態とな
り、その後の冷却過程で、周囲の窒化ケイ素セラミック
スとの線膨張係数との差に起因した熱応力によって亀裂
が発生することがわかった。また、再結晶は表面から内
部へと順次発生するので、この亀裂の長さは金属Ｗ線の
一次再結晶深さに大きく依存し、該一次再結晶深さは線
径に依存せずほぼ一定であるため、細い線径ほどこの亀
裂の影響を大きく受けることが判明した。本発明は、上
記知見に基づいて、コストが安価で、より高温でのホッ
トプレスにおいても、金属Ｗ線の亀裂発生を抑止できる
セラミックスヒーター又はセラミックスグロープラグ及
びそれらの製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、セラミ
ックスの中に埋設された抵抗発熱体が高融点金属の発熱
線であるセラミックスヒーター又はセラミックスグロー
プラグにおいて、上記発熱線の線径がφ０．４ｍｍ以下
であり、該発熱線の結晶粒の形状が、長手方向粒径
（Ｌ）／径方向粒径（Ｔ）＝Ｒとしたときに、Ｒが１．
５〜１００の異方性を有し、かつ径方向粒径（Ｔ）が５
μｍ以上であるセラミックスヒーター又はセラミックス
グロープラグにある。上記抵抗発熱体としては、タング
ステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等を主体とする高融
点金属が好ましい。また、上記元素以外にも、ニオブ
（Ｎｂ），ハフニウム（Ｈｆ），イリジウム（Ｉｒ）等
を用いることができる。なお、発熱線の線径の下限値は
φ０．０１ｍｍであり、結晶粒の径方向粒径（Ｔ）の上
限値は６０μｍである。本発明の実施態様の一つは、上
記セラミックスにモリブデン珪化物を５〜２５体積％含
有させたセラミックスヒーター又はセラミックスグロー
プラグである。さらに、本発明の別の要旨は、抵抗発熱
体である高融点金属の発熱線を予め１９００℃〜３００
０℃での熱処理を施したのち、この発熱線をセラミック
スと一体化焼結するセラミックスヒーター又はセラミッ
クスグロープラグの製造方法にある。本発明の別の態様
は、上記発熱線をコイリングしてコイルに形成したの
ち、１９００℃〜３０００℃での熱処理を施し、次い
で、該発熱線をセラミックスと一体化焼結する方法であ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を詳
細に説明する。図１は、本発明に係るセラミックスヒー
ターの製造工程を示すフローチャートである。まず、抵
抗発熱体となる金属Ｗ線を伸線し、コイリングしてコイ
ル形状に成形する。次いで、このコイルに１９００〜３
０００℃の熱処理を施したのち、セラミックス粉体中へ
包埋し、該セラミックス粉体をプレス成形する。そし
て、脱脂をしたのち、１６５０〜１９００℃でホットプ
レスを実施する。上記熱処理により、図２に示すよう
に、金属Ｗ線の結晶粒１の形状は長手方向に延びた異方
性を有するものになる。この異方性組織は、金属Ｗ線に
添加されたドープ材の効果によるものであり、この結晶
粒１の形状変化により、亀裂２の進行が妨げられ、抵抗
増加を抑制する。これに対し、熱処理を施さない場合
は、図３に示すように、ホットプレス時の１６５０℃〜
１９００℃への昇温により直径数μｍ〜１０μｍの等軸
形状の結晶形状となるが、この結晶粒１の形状では、粒
界３に発生した亀裂２が該粒界３を伝わって伝播しやす
い状態にあり、容易に亀裂２を進行させるものと推定さ
れる。また、一度１９００℃〜３０００℃で熱処理して
長手方向に延びた結晶粒１の異方性組織は、その後の１
６５０℃〜１９００℃のホットプレスではいっさい変化
せずに、亀裂２の進行を抑制するものと考えられる。

【００１０】上記熱処理は、金属Ｗ線の素線の段階で施
すと、その後のコイリング工程での応力に線材が耐えき
れず抵抗発熱体としての形状を得る上で制約を生じる。
一方、ホットプレス後では、すでに亀裂が発生してお
り、効果を有さないばかりでなく、周辺のセラミックス
の耐熱性限界を越えて熱処理が不可能である。よって、
コイリング工程とホットプレス工程との間で、上記熱処
理を実施することが好ましい。熱処理温度は、これを１
９００℃未満にすると、二次再結晶に伴う延性回復は十
分ではなく、亀裂の進行を抑制するという効果を望めな
い。また、３０００℃を越える温度での熱処理は実用上
は通電加熱による方法しかないが、通電中に断線するこ
とが多くあったり、ホットプレス後に抵抗増加を来すた
め不適である。よって、熱処理温度は、１９００〜３０
００℃が好ましい。さらに、熱処理時間としては、０．
５分〜６０分が好ましい。この熱処理時間が０．５分未
満の場合、再結晶が不十分で、目的とする結晶形状が得
られないという不具合が生じ、６０分を超えると、線材
の脆化が促進されてしまうという不具合が発生するから
である。なお、本発明に係るセラミックスグロープラグ
の内部の概略図を図４に示す。このセラミックスグロー
プラグ４の外周はターミナルキャップ５で覆われてお
り、ターミナルキャップ５の内部に筒状のパイプ６が嵌
入され、さらにその内側に棒状に形成されたセラミック
ス７が配設されている。このセラミックス７の内部に
は、抵抗発熱体である金属Ｗ線のコイル８と、該コイル
８に接続された導電体であるリード部分９が埋設されて
いる。

【００１１】

【実施例】〔実施例１〕セラミックスとして窒化ケイ素
セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄）を、抵抗発熱体として線径
がφ０．２０ｍｍの金属Ｗ線を、焼結助剤としてＹ₂Ｏ
₃を用いた。この金属Ｗ線に１５００〜３３００℃の範
囲で熱処理を施したのち、窒化ケイ素セラミックス中に
包埋し、ホットプレスを１９００℃で実施した。このの
ち、上記金属Ｗ線の抵抗増加率、結晶粒径を測定し、金
属Ｗ線の熱処理温度ごとにまとめて表１に示す。ここ
で、結晶粒径のうち、長手方向の粒径をＬ、径方向の粒
径をＴ、Ｌ／ＴをＲとした。この表１から、金属Ｗ線の
熱処理温度のうち、熱処理温度１９００〜３０００℃の
範囲は、径方向粒径（Ｔ）≧５μｍ、かつ、Ｒ＝１．５
〜１００の条件を満たすことがわかる。

【００１２】

【表１】

【００１３】〔実施例２〕次いで、セラミックスとして
窒化ケイ素セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄）を、抵抗発熱体
として線径がφ０．２０ｍｍの金属Ｗ線を、焼結助剤と
してＹ₂Ｏ₃を用いた。この金属Ｗ線に１５００〜２２
００℃の範囲で熱処理を施したのち、窒化ケイ素セラミ
ックス中に包埋し、ホットプレスを１９００℃で実施し
た。上記金属Ｗ線の抵抗増加率、結晶粒径を測定し、金
属Ｗ線の熱処理温度ごとにまとめて表２に示す。この表
２から、金属Ｗ線の熱処理温度のうち、１８００〜２２
００℃の範囲は、径方向粒径（Ｔ）≧５μｍ、かつ、Ｒ
＝１．５〜１００の条件を満たすことがわかる。

【００１４】

【表２】

【００１５】〔実施例３〕各種線径の金属Ｗ線に熱処理
を施したときと施さなかったときの金属Ｗ線の抵抗増加
率、及びそれらの加熱冷却サイクルの反復後の抵抗増加
率を測定した。ここで、セラミックスとして窒化ケイ素
セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄）を、抵抗発熱体として線径
がφ０．０５〜φ０．２０ｍｍの金属Ｗ線を、焼結助剤
としてＹ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃を用いた。この金属Ｗ線に
２２００℃で熱処理を施したのち、窒化ケイ素セラミッ
クス中に包埋し、１７００〜１９００℃でホットプレス
を実施した。次いで、上記金属Ｗ線の抵抗増加率を測定
し、Ｗ線の線径とホットプレス温度ごとに分けてまとめ
て表３〜表６に示す。つまり、表３は金属Ｗ線に２２０
０℃の熱処理を施した場合の抵抗増加率を示し、これに
対して表４は、金属Ｗ線に熱処理を施さない場合の抵抗
増加率を示す。また、表５は金属Ｗ線に２２００℃の熱
処理を施し、１００００回の加熱冷却サイクルを反復し
た場合の抵抗増加率を示し、これに対して表６は、金属
Ｗ線に熱処理を施さずに、１００００回の加熱冷却サイ
クルを反復した場合の抵抗増加率を示す。

【００１６】

【表３】

【００１７】

【表４】

【００１８】

【表５】

【００１９】

【表６】

【００２０】表３では、金属Ｗ線に２２００℃の熱処理
を施すことにより、各線径による抵抗増加率の差異があ
まりなくなり、φ０．１０ｍｍ以下でも特に問題ない
が、表４では、線径がφ０．１０ｍｍ以下になると抵抗
増加率が大きくなり、特にホットプレス温度が１９００
℃では、抵抗増加率が無限大、即ち断線に至った。ま
た、表５では、金属Ｗ線に２２００℃の熱処理を施すこ
とにより、１００００回の加熱冷却サイクル反復後の抵
抗増加率は、各線径による抵抗増加率の差異があまりな
くなり、φ０．１０ｍｍ以下でも特に問題ないが、表６
では、線径がφ０．１０ｍｍ以下になると全てのホット
プレス温度において、抵抗増加率が無限大、即ち断線に
至った。よって、金属Ｗ線に２２００℃の熱処理を施す
ことで、線径がφ０．１ｍｍ以下の金属Ｗ線では抵抗増
加が大きく、加熱冷却反復により断線が容易に生じてし
まうという従来の不具合が完全に解消した。また、本発
明により、φ０．０５ｍｍの線径を有する金属Ｗ線でも
包埋可能になり、従来製造不可能であった高電圧仕様に
も耐えられる製品が製造可能になった。

【００２１】〔実施例４〕さらに、耐酸化性が優れ、高
温で使用可能なことが知られる希土類焼結助剤（例え
ば、イットリア，イッテルビア，バナジア）との組み合
わせで試験した結果を表７に示す。

【００２２】

【表７】

【００２３】この表７は、セラミックスとして窒化ケイ
素（Ｓｉ₃Ｎ₄）セラミックスを、抵抗発熱体として金
属Ｗ線を、セラミックスの焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃を用
い、上記金属Ｗ線に２２００℃の熱処理を施し、セラミ
ックス粉体に包埋したのち、１７００〜１９００℃の温
度でホットプレスを実施したものについて、１００００
回の加熱冷却サイクルを反復したときの金属Ｗ線の抵抗
増加率及び、セラミックスの酸化層の厚さの測定値を示
したものである。従来は、１９００℃でのホットプレス
ができなかったために、この焼結助剤を用いた場合、相
対密度が十分にあがらずに本来の耐酸化性が発揮でき
ず、表面からの連続気孔を通じてＷ線の酸化が進行して
断線するということがあったが、本発明により、１９０
０℃でのホットプレスが可能になり、高温耐酸化性の優
れたセラミックスヒーターの製造が可能になった。

【００２４】〔実施例５〕表８には、窒化ケイ素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）セラミックスにＭｏ珪化物（ＭｏＳｉ₂）を添
加し、さらに細い線径の金属Ｗ線をヒーターとしたとき
の抵抗増加率を比較例として示す。

【００２５】

【表８】

【００２６】Ｍｏ珪化物は、ＭｏＳｉ₂に代表されるよ
うに、その線膨張係数が８．２５×１０^-6／℃であり、
窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の３．４０×１０^-6／℃とＷ
の４．６×１０^-6／℃よりも大きい値となっている。Ｍ
ｏ珪化物の連続パスが形成されない範囲（２５体積％以
下）で添加することにより、セラミックスの線膨張係数
を金属Ｗ線の値に近づけることが可能になり、両者の間
に発生する熱応力を緩和することが可能である。これら
の添加による抵抗増加率抑制の効果が表８に表れてい
る。全体的に、ＭｏＳｉ₂の添加量が増大するほど抵抗
増加率が低下することがわかる。しかし、強度、耐酸化
性などの総合的性能とのかねあいから、ＭｏＳｉ₂の添
加量を５〜２５体積％の範囲で選択するのが適切であ
る。なお、表８には、２２００℃の熱処理を施していな
い、線径がφ０．０５ｍｍの金属Ｗ線の抵抗増加率も示
しているが、あらゆるＭｏＳｉ₂の添加量に対して、抵
抗増加率は無限大であり、全く効果を有さなかった。こ
れはＭｏ珪化物の添加が、熱処理と複合することにより
初めて有効性を表すことを示している。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、セラ
ミックスの中に埋設された抵抗発熱体が高融点金属の発
熱線であるセラミックスヒーター又はセラミックスグロ
ープラグにおいて、上記発熱線の線径がφ０．４ｍｍ以
下であり、該発熱線の結晶粒の形状が、長手方向粒径
（Ｌ）／径方向粒径（Ｔ）＝Ｒとしたときに、Ｒが１．
５〜１００であり、かつ径方向粒径（Ｔ）が５μｍ以上
であるので、上記発熱線に発生した亀裂の進行が妨げら
れ、抵抗増加を抑制するという効果を奏する。また、本
発明の一態様によれば、上記セラミックスにモリブデン
珪化物が５〜２５体積％含有されており、発熱線の結晶
粒の形状が、Ｒが１．５〜１００、かつ径方向粒径
（Ｔ）が５μｍ以上であるという条件と複合されると、
抵抗増加を抑制するという効果を奏する。さらに、本発
明の別の態様によれば、抵抗発熱体である高融点金属の
発熱線に予め１９００℃〜３０００℃での熱処理を施
し、この発熱線をセラミックスと一体化焼結するので、
上記発熱線の結晶粒の形状が長手方向に延びたものとな
り、発熱線に亀裂が発生しても、その進行が阻止されて
抵抗増加を抑制することができる。そして、本発明の更
に別の態様によれば、上記発熱線をコイリングしてコイ
ルに形成したので、コイリング成形性を損なうことな
く、発熱線の亀裂の進行が阻止されて抵抗増加を抑制す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックスヒーターの製造工程
を示すフローチャートである。

【図２】熱処理を施した抵抗発熱体の組織を示す、倍率
が１０００倍の模式図である。

【図３】熱処理を施さない抵抗発熱体の組織を示す、倍
率が１０００倍の模式図である。

【図４】本発明に係るセラミックスグロープラグの内部
を示す概略図である。

【符号の説明】

１結晶粒２亀裂３結晶粒界４セラミックスグロープラグ５ターミナルキャップ６パイプ７セラミックス８コイル９リード部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青田隆埼玉県東松山市神明町２丁目11番６号自動車機器株式会社松山工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスの中に埋設された抵抗発熱
体が高融点金属の発熱線であるセラミックスヒーター又
はセラミックスグロープラグにおいて、上記発熱線の線
径がφ０．４ｍｍ以下であるとともに、該発熱線の結晶
粒の形状が、長手方向粒径（Ｌ）／径方向粒径（Ｔ）＝
Ｒとしたときに、Ｒが１．５〜１００であり、かつ径方
向粒径（Ｔ）が５μｍ以上であることを特徴とするセラ
ミックスヒーター又はセラミックスグロープラグ。
【請求項２】上記セラミックスにモリブデン珪化物が
５〜２５体積％含有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ー又はセラミックスグロ
ープラグ。
【請求項３】抵抗発熱体である高融点金属の発熱線に
１９００℃〜３０００℃での熱処理を施したのち、この
発熱線をセラミックスと一体化焼結することを特徴とす
るセラミックスヒーター又はセラミックスグロープラグ
の製造方法。
【請求項４】上記発熱線をコイリングしてコイルに形
成したのち、熱処理を施したことを特徴とする請求項３
に記載のセラミックスヒーター又はセラミックスグロー
プラグの製造方法。