JP4262847B2

JP4262847B2 - セラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグ

Info

Publication number: JP4262847B2
Application number: JP31153299A
Authority: JP
Inventors: 一穂立松; 雅弘小西; 進道渡邉
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: JP2001132948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、発熱抵抗体の形成に用いられるＷＣ等の導電成分に含まれるＦｅ分による窒化珪素原料等、セラミック原料の焼結性の低下が抑えられ、優れた抗折強度と耐久性とを併せ有するセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグに関する。本発明のセラミックヒータは、ディーゼルエンジンのグロープラグの加熱源の他、各種の用途において使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
グロープラグ等に使用されるセラミックヒータとして、窒化珪素質焼結体に、ＷＣ等の導電成分を含む発熱抵抗体を埋設したものが知られている。このＷＣ等は、超硬合金等の分野においては、一般に、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ等を用いて焼成される。この焼成は１３５０〜１５５０℃程度の比較的低温で行うことができる。しかし、得られる焼結体の使用最高温度も１０００℃以下に限定され、１２００℃前後、或いはそれ以上の温度域において用いられるグロープラグ等のヒータとして使用することはできない。
【０００３】
そこで、発熱抵抗体に含まれる絶縁成分を形成するためのセラミック原料の焼成を、発熱抵抗体の耐熱性の低下が少ない焼結助剤を使用し、且つ緻密化が損なわれない範囲で可能な限り少量用いて行うことにより、使用最高温度の高いヒータとする方法が一般に実用化されている。しかし、ＷＣ等に含まれる不純物がセラミック原料の焼結性を低下させるため、焼結助剤を十分に減量することができず、これまでヒータの使用最高温度は１３００℃が限界であった。また、この不純物による部分的な焼結不良により抗折強度及び耐久性のばらつきを生じ、品質が安定しないこともあった。
【０００４】
この種のセラミックヒータはグロープラグの加熱源として有用である。通常、ディーゼルエンジンに使用されるグロープラグには、乗用車等であれば１２Ｖ、大型トラック等であれば２４Ｖの定格バッテリー電圧が直接印加されるが、近年、ワイヤーハーネスの軽量化のため、電流を抑える必要が生じ、バッテリー電圧を２４Ｖを越えて高くしなければならなくなっている。しかし、このような高い電圧をグロープラグに印加した場合、セラミックヒータの基体を構成するセラミックのマイグレーションを起因とし、発熱抵抗体の粒界におけるイオン移動を生じ易くなる。そのため、発熱抵抗体の粒界成分が基体へと移動し、発熱抵抗体の組織が粗くなり、これが原因で、特に、２４Ｖを越える高電圧を印加した場合は、断線し易くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題点を解決するものであり、ＷＣ等の導電成分の原料に含まれるＦｅ分による窒化珪素原料等、セラミック原料の焼結性の低下が抑えられ、品質が安定しており、優れた抗折強度と耐久性とを併せ有するセラミックヒータ及びそれを備えるグロープラグを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータは、窒化珪素質焼結体からなる基体と、該基体に埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータにおいて、該発熱抵抗体に含有されるＦｅ量が０．０４３５重量％以下であり、上記発熱抵抗体は導電成分であるＷＣと窒化珪素質焼結体からなる絶縁成分とからなり、該導電成分に含有されるＦｅ量が０．０７５重量％以下であることを特徴とする。
【０００７】
また、この発熱抵抗体は導電成分と絶縁成分とからなり、導電成分に含有されるＦｅ量が０．０７５重量％以下である。発熱抵抗体に含有されるＦｅ量は、Ｆｅ分を積極的に含有させなければ、焼成後、導電成分となる原料に不純物として含まれているＦｅ量と実質的に同量である。そして、発熱抵抗体における導電成分の量比が高い場合であっても、発熱抵抗体に含有されるＦｅ量が０．０４３５重量％以下であれば、絶縁成分を形成する窒化珪素原料等のセラミック原料の焼結性の低下が十分に抑えられる。
【０００８】
更に、不純物として含まれているＦｅ量が少ないＷＣを導電成分原料として用いた場合は、導電成分に含有されるＦｅ量を０．０４６重量％以下とすることができる。このように導電成分に含有されるＦｅ量が少なければ、焼成後、絶縁成分となる窒化珪素原料等のセラミック原料の焼結性の低下を特に十分に抑えることができるため好ましい。尚、本発明において、Ｆｅ量はＸ線マイクロアナライザーにより定量することができる。
【０００９】
上記「基体」は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。この焼結体は、窒化珪素のみからなるものであってもよいし、窒化珪素を主成分とし、これに少量の窒化アルミニウム、アルミナ等が含有されるものであってもよい。また、サイアロンであってもよい。
【００１０】
上記「発熱抵抗体」は導電成分と絶縁成分により構成される。
導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種以上の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物等のうちの少なくとも１種が焼成され、形成される。また、絶縁成分は、通常、窒化珪素質焼結体からなる。導電成分は、特に、その熱膨張率が基体を構成する窒化珪素質焼結体、若しくは絶縁成分である窒化珪素質焼結体と大きな差がないものが好ましい。熱膨張率の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時の基体及び発熱抵抗体における亀裂の発生が抑えられる。そのような導電成分としては、ＷＣ、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ又はＷＳｉ₂等が挙げられる。更に、この導電成分としては、その融点がセラミックヒータの使用温度を越え、耐熱性の高いものが好ましい。導電成分の融点が高ければ使用温度域におけるヒータの耐熱性も向上する。
【００１１】
導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、発熱抵抗体を１００体積部とした場合に、導電成分を１５〜４０体積部とすることができ、特に２０〜３０体積部とすることができる。
【００１２】
本発明のセラミックヒータは、以下のようにして製造することができる。
導電成分の原料粉末として、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏ等の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物等からなる粉末を使用する。また、絶縁成分の原料粉末として窒化珪素原料粉末等のセラミック原料粉末及び焼結助剤粉末を用いる。この焼結助剤粉末としては、希土類酸化物粉末が多用されるが、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３等、一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化物等の粉末を使用することもできる。これらの焼結助剤粉末は１種のみを使用してもよいが、２種以上を併用することが多い。尚、Ｅｒ_２Ｏ_３等、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼結助剤粉末を用いると耐熱性がより高くなるため好ましい。
【００１３】
これら導電成分用原料粉末、セラミック原料粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式等、通常の方法によって行うことができる。
導電成分用原料粉末、セラミック原料粉末及び焼結助剤粉末は、これらの合計量を１００体積部とした場合に、導電成分用原料粉末を１５〜４０体積部、特に２０〜３０体積部、残部をセラミック原料粉末と焼結助剤粉末とで８５〜６０体積部、特に８０〜７０体積部とすることができる。
【００１４】
このようにして調製した混合粉末に、適量のバインダー等を配合して混練した後、造粒し、これを用いて、射出成形等の方法により、焼成後、発熱抵抗体となる成形体とすることができる。また、この成形体の所定の位置にタングステン等の金属からなるリード線が取り付けられる。
【００１５】
その後、この成形体を、基体用原料粉末に埋入する。その方法としては、基体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、これらの半割型の間の所定位置に成形体を載置した後、プレス成形する方法等が挙げられる。次いで、これらを一体に５０〜１２０気圧程度に加圧することにより、基体の形状を有する粉末成形体に発熱抵抗体となる成形体が埋設されたセラミックヒータ成形体が得られる。このセラミックヒータ成形体を、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することにより、セラミックヒータを製造することができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は１７００〜１８５０℃、焼成時間は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることができる。
【００１６】
本発明のセラミックヒータは品質が安定しており、優れた抗折強度と耐久性とを併せ有する。即ち、本発明のセラミックヒータでは、ＪＩＳＲ１６０１に準じて測定した抗折強度が１０００ＭＰａ以上であり、且つ１３００℃における通電と通電の停止とを５０００サイクル繰り返した場合に、断線を生ずることのないセラミックヒータとすることができる。更に、抗折強度が１２５０ＭＰａ以上であり、且つ１４００℃における通電と通電の停止とを１００００サイクル繰り返した場合に、断線を生ずることのないセラミックヒータとすることができる。
【００１７】
本発明のセラミックヒータでは、その抗折強度は、１０００〜１４００ＭＰａとすることができ、特に１１００〜１４００ＭＰａ、更には１２００〜１４００ＭＰａとすることができる。また、抗折強度の最少値と平均値との差は、１００ＭＰａ以下とすることができ、特に８０ＭＰａ以下、更には５０ＭＰａ以下とすることができる。更に、抗折強度の平均値と最小値との差の平均値に対する割合は、９％以下とすることができ、特に７％以下、更には５％以下とすることができる。
【００１８】
また、本発明のセラミックヒータでは、１３００℃における通電と通電の停止とを、５０００サイクル以上、特に８０００サイクル以上、更には１００００サイクル繰り返しても、断線等を生ずることのない優れたセラミックヒータとすることができる。更に、特に、本発明のセラミックヒータでは、１４００℃における通電と通電の停止とを５０００サイクル以上、特に８０００サイクル以上、更には１００００サイクル繰り返しても、断線等を生ずることのないより優れた耐久性を有するセラミックヒータとすることができる。
【００１９】
本発明では、前記のように、優れた抗折強度と耐久性とを併せ有するセラミックヒータとすることができ、抗折強度が１０００〜１４００ＭＰａであり、且つ１３００℃、特に１４００℃における通電と通電の停止とを、５０００サイクル以上繰り返しても、断線等を生ずることのない優れたセラミックヒータとすることができる。また、抗折強度が１１００〜１４００ＭＰａであり、且つ１３００℃、特に１４００℃における通電と通電の停止とを、８０００サイクル以上繰り返しても、断線等を生ずることのない優れたセラミックヒータとすることもできる。更に、抗折強度が１２００〜１４００ＭＰａであり、１３００℃、特に１４００℃における通電と通電の停止とを、１００００サイクル繰り返しても、断線等を生ずることのない優れたセラミックヒータとすることもできる。
【００２０】
本発明のグロープラグは、本発明のセラミックヒータを備え、２４Ｖ以上の電圧が印加されることを特徴とする。本発明のセラミックヒータでは、熱抵抗体の形成に用いる焼結助剤を減量することができ、粒界成分の移動を抑えることができる。そのため、このセラミックヒータを加熱源として備えるグロープラグでは、使用時、ヒータが断線等の問題を生ずることがなく、耐久性に優れる。尚、このグロープラグにおいて、印加される電圧は、人体の感電防止等の観点から５０Ｖ以下、特に４２Ｖ以下であることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックヒータを実施例により更に詳しく説明する。
（１）セラミックヒータの作製
８５重量％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として、１０重量％のＥｒ₂Ｏ₃粉末及び５重量％のＳｉＯ₂粉末を配合して絶縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４２重量％と導電成分用原料であるＷＣ粉末（表１に記載のＦｅ分を含有する。）５８重量％とを、７２時間湿式混合した後、乾燥し、混合粉末を得た。その後、この混合粉末とバインダーとを混練機に投入し、４時間混練した。次いで、得られた混練物を裁断してペレット状とし、これを射出成型機に投入してタングステン製のリード線が両端に嵌合されたＵ字状の発熱抵抗体となる成形体を得た。
【００２２】
一方、８３重量％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として１０重量％のＥｒ₂Ｏ₃粉末、５重量％のＳｉＯ₂粉末及び２重量％のＭｏＳｉ₂粉末を配合し、４０時間湿式混合したものをスプレードライヤー法によって造粒し、この造粒物を圧粉した２個の半割型を用意した。その後、発熱抵抗体となる成形体を２個の半割型の間の所定位置に載置し、プレス成形して埋入した後、これらを７０気圧の圧力で一体に加圧し、未焼成のセラミックヒータを得た。次いで、この未焼成のセラミックヒータを６００℃で仮焼してバインダーを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８００℃で１．５時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒータを作製した。
【００２３】
（２）セラミックヒータ及びこのヒータを組み込んだグロープラグの構成
図２は、（１）において得られたセラミックヒータの縦断面図である。また、図１は、このセラミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図である。このグロープラグ１は、図１のように発熱する部位である先端側にセラミックヒータ２を備える。また、このセラミックヒータ２は図２のように、基体２１、発熱抵抗体２２及び給電部２３ａ、２３ｂにより構成されている。
【００２４】
基体２１は窒化珪素焼結体からなり、埋設される発熱抵抗体２２、及び給電部２３ａ、２３ｂは、この基体２１によって保護されている。発熱抵抗体２２はＵ字形の棒状体からなり、基体２１に埋設される形態で配設されている。更に、この発熱抵抗体２２には、導電成分及び絶縁成分が含有されている。また、タングステンからなる給電部２３ａ、２３ｂは図１のように、外部からセラミックヒータ２に供給される電力を基体２１に埋設される発熱抵抗体２２へ給電できるように、それぞれその一端は基体２１の表面に位置し、他端は発熱抵抗体２２の両端に接続されている。
【００２５】
（３）抗折強度及び耐久性の評価
▲１▼抗折強度；ＪＩＳＲ１６０１に準じて３点曲げ強度を測定した。スパンは２０ｍｍとし、クロスヘッド速度は０．５ｍｍ／分とした。
▲２▼耐久性；発熱抵抗体に通電し、セラミックヒータの表面において最高温となる部位の温度を１３００℃又は１４００℃とし、通電を１分間継続した後、通電を１分間停止し、この通電と通電の停止とを繰り返した。
結果を表１に併記する。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１の結果によれば、本発明の範囲内である実験例１〜５のセラミックヒータでは、抗折強度の最少値は１２０５〜１２９０ＭＰａ、平均値は１２８５〜１３５０ＭＰａ、最大値は１３６０〜１４２０ＭＰａであり、強度のばらつきが比較的小さく、特に、最少値が１１００ＭＰａ、更には１２００ＭＰａを下回る強度の小さいものはないことが分かる。また、耐久性も、１３００℃ばかりでなく１４００℃においても１００００サイクル繰り返し試験した場合に、断線等の問題はまったくなく、非常に優れていることが分かる。更に、本発明の範囲内である実験例６〜７では、抗折強度の平均値は１１９０〜１２８５ＭＰａであり、耐久性も、１３００℃では８５００サイクルまでは断線せず、実用上、問題のないセラミックヒータが得られていることが分かる。
【００２８】
尚、本発明においては、上記の実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ等、ＷＣ以外の導電成分であっても、Ｆｅ量が少量、例えば、０．０５重量％以下である場合は、より優れた抗折強度を有し、且つ１４００℃における１００００サイクルの耐久試験によっても何ら問題を生ずることのないセラミックヒータとすることができる。また、本発明のセラミックヒータはグロープラグばかりでなく、暖房用等の各種ヒータにも使用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、抗折強度が大きく、特定の温度における耐久性に優れたセラミックヒータとすることができる。また、本発明では、より優れた抗折強度を有し、且つ１４００℃という高温における耐久性に優れたセラミッヒータとすることができる。また、本発明のグロープラグは、本発明のセラミックヒータを加熱源として備え、使用時、ヒータの断線等を生ずることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータを用いたグロープラグを説明するための縦断面図である。
【図２】セラミックヒータを説明するための縦断面図である。
【符号の説明】
１；グロープラグ、２；セラミックヒータ、２１；基体、２２；発熱抵抗体、２３ａ、２３ｂ；給電部。

Claims

窒化珪素質焼結体からなる基体と、該基体に埋設される発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータにおいて、該発熱抵抗体に含有されるＦｅ量が０．０４３５重量％以下であり、上記発熱抵抗体は導電成分であるＷＣと窒化珪素質焼結体からなる絶縁成分とからなり、該導電成分に含有されるＦｅ量が０．０７５重量％以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
該導電成分に含有されるＦｅ量が０．０４６重量％以下である請求項１記載のセラミックヒータ。
請求項１又は２記載のセラミックヒータを備え、２４Ｖ以上の電圧が印加されることを特徴とするグロープラグ。