JPH0286086A - 発熱部露出型セラミックヒータの製造方法 - 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〕 本発明はセラミックヒータの製造方法に係り、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
に好適なセラミックヒータの製造方法に関するゆ ［従来の技術〕 ディ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’Ｃ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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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った。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、セラミッ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ック体中にタングス
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ッ
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返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って制限さ
れるという欠点があった。

一方、点火装置として、Ｕ字型のセラミックス発熱体が
提案されている。（特公昭５７−４４８９２号公報）。

しかしこのようなセラミック発熱体をディーゼルエンジ
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
ジンの振動等によって長期的な使用に問題が生じる欠点
があった。またセラミック発熱体をＵ字型に成形するこ
とは製作上手間を要する欠点があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、１
０００℃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
るセラミックヒータの製造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１本発明に係るセラミックヒー
タの製造方法は、導電性セラミックス焼結体からなる導
電部と絶縁性セラミックス焼結体からなる絶縁部とが一
体焼結されたセラミックヒータの製造方法において前記
一体焼結された部材を切断し、個々のヒータ回路を形成
するようにしたものである。ここで、前記絶縁部を介し
て前記導電部を両側に積層し、且つ前記両側の導電部が
互いに導通するように前記導電性セラミックス焼結体を
設け、板厚方向に切断し、Ｕ字型回路を形成するのがよ
い。

〔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
。導電性セラミックからなるヒータ部材１はＵ字型とな
っ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ックとして１周期
律表の４ａ族、５ａ族または６ａ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ＡＱ又はＡ
Ｑ化合物とからなる焼結体であって、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ＡＱまたはＡＱ化合物を燃結助剤とする緻密なＳｉ
Ｃ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
トリックス材として好適である。ＡＱ及びＡｎ２０．、
ＡＲＮ、Ａｌ２Ｐｏ４等のＡＱ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−’
Ｑｃｍ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
ラミックスは高強度、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７　’）　スＩｃはＳｉＣ，Ｓｉ
、Ｎ、、、ＡｆｌＮ又はＡ１１２０゜を主成分とするこ
とが望ましい。

さらに導電性セラミックスがＳｉＣを成分として含み、
絶縁性セラミックスが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　Ｘ　１
０−’／’ＣのＳｉＣと熱膨張係数が７〜８Ｘ１０″″
６／℃またはそれ以上であるＴ　ｘ　＋　Ｚ　ｒ　ｔ　
Ｎ　ｂ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ックスの場合、熱膨張係数を６
Ｘ１０−’／”Ｃ程度とすることかでき、絶縁性のＡＱ
Ｎの熱膨張係数にほぼ一致させることができる。

本発明のセラミックヒータの製造例を図面に基づいて説
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
、セラミックスヒータの成形体を作製し、次いでホット
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ックヒ
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って、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。また肉薄部の内厚を調整することによっ
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ＡＩ　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ックス
と同一組成のもの、得られるセラミックヒータを大気中
で予め１２００〜１５００℃で加熱して形成したもの、
ＡＱ２０３を主成分とする耐熱性の無機接着剤等によっ
て形成することができる。

使用に先立って予め、￥！縁層を設けることによってヒ
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って肉薄部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（六方向、
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って製造される。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％、Ａｎ２０．粉末１重量％及
びＺｒＢ、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！Ｉ！Ｉ整した。

一方ＡＱＮ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ｖＬｆＦｊ体を所定圧力で本
成形してセラミッ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ットプレス装置を用いて、圧
力３００　ｋｇ／ａ１、温度１９５０’Ｃ１保持時間１
ｈの条件でホッ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ックヒータを
作成した。

得られたセラミックヒータは、室温時の抵抗値が約０．
１Ω（抵抗率は約１．５　Ｘ　１０″″４ΩＣ＋ａ）、
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ＡＱＮ焼結体
は相対密度が９８．５％の緻密質で、室温時に１０１１
Ωａｍ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
われることはなかった。

本実施例になるセラミックヒータについて、昇温性能及
び昇温くり返し試験を行った結果を第６図及び第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
セラミックヒータの先端部温度を１０００±１００℃に
制御して連続１０００時間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ッ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気筒のディーゼ
ルエンジンに装着して着火テストを行った結果、全気筒
共に約１秒以内で着火始動し、は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った。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％以内であった。

実施例２ 黒色ＳｉＣ粉末４９重量％、焼結助剤のＡＱＮ粉末１重
量％及び導電材のＴｉＣ粉末５０ｆｆｉ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。

一方縁色ＳｉＣ粉末９９重量％とＢｅ１１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。

上記の両組酸物から前記実施例１と同じ方法によりヒー
タ成形体を作成し１次いで真空ホットプレス装置を用い
て、圧力３００　ｋｇ／ｃＪ、温度２０００℃、１ｈの
条件でホッ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
セラミックヒータを得た。

得られたセラミックヒータは、室温時の抵抗値が０．１
Ω、ヒータ先端部を１０００℃に赤熱させた時の抵抗値
は約０．２８Ωであった。またＳｉＣ絶縁部は相対密度
９８．５％の緻密質で、室温時に１０１４ΩｃＩ１１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ックヒータを用いて作ったグロ
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
ストを行ったが、いずれの特性も前記実施例１の場合と
同等の結果であった。

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。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ヒータ部がＵ字型で露出した直熱型で
あるため１０００℃前後までの昇温速度が非常に速く、
シかもＵ字型の中央溝部は絶縁部材で一体に接合されて
補強されているので機械的に堅固にすることができる。

またヒータ部材および絶縁部材は耐熱ｄを高くできるの
で、高温安定性と通電耐久性に優れたセラミックヒータ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係るセラミックヒータの構成の
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ックヒー
タの製造工程を示す説明図、第４図（Ａ）は本発明に係
るセラミッ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
るセラミッ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ックヒータの昇温性
能を示す特性図、第７図は本発明実施例になるセラミッ
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ッ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、２，２３．３２・・
絶縁部材、３．２４・・・リード端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導電性セラミックス焼結体からなる導電部と絶縁性
   セラミックス焼結体からなる絶縁部とが一体焼結された
   セラミックヒータの製造方法において、前記一体焼結さ
   れた部材を切断し、個々のヒータ回路を形成するように
   したことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。 ２、前記絶縁部を介して前記導電部を両側に積層し、且
   つ前記両側の導電部が互いに導通するように前記導電性
   セラミックス焼結体を設け、板厚方向に切断し、Ｕ字型
   回路を形成する特許請求の範囲第１項記載のセラミック
   ヒータの製造方法。