JPH04370690A - セラミックス発熱体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温で使用されるセラ
ミックス発熱体に関し、例えばエンジン用グロープラグ
やエンジン用吸排気ヒータ等に使用されるセラミックス
発熱体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高温の環境で使用されるヒー
タとして、耐熱性の高いセラミックス発熱体が知られて
いる。このセラミックス発熱体には、ＳｉＣ（炭化ケイ
素）の様にセラミックス自身が発熱する発熱体素子を備
えたものや、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等を主成分とす
るセラミックス材料に、発熱抵抗体として例えばＷ（タ
ングステン）線が埋め込まれた発熱体素子を備えたもの
などがある。

【０００３】上記セラミックス発熱体は、例えば図７に
示す様に、エンジン用セラミックスグロープラグＰ１等
に利用されており、このグロープラグＰ１は、Ｗ線Ｐ２
を内蔵した円柱形状の発熱体素子Ｐ３に、円筒形状の金
属電極Ｐ４が外嵌された構成を有している。

【０００４】そして、上記グロープラグＰ１においては
、発熱体素子Ｐ３のＷ線Ｐ２と金属電極Ｐ４との接合は
、発熱体素子Ｐ３と金属電極Ｐ４との間の筒状の空間Ｐ
５に、銀ローＰ６を流し込んだ焼ばめロー付によって行
なわれている。また、上記金属電極Ｐ４の材料として、
従来より純Ｎｉ，或いはインコネル６００（Ｆｅ７重量
％，Ｃｒ１５．５重量％，残部Ｎｉ）等の耐熱・耐食金
属が用いられている。これは発熱体素子Ｐ３自身が高温
になることによって、金属電極Ｐ４もかなり高温になる
ため、電極自身にも耐熱性が要求されるからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記金
属電極Ｐ４の熱膨脹係数は、下記表１に示す様に、セラ
ミックス製の発熱体素子Ｐ３の熱膨張係数と比べるとか
なり大きいので、以下の■，■の様な問題があった。

【０００６】

【表１】

【０００７】■上記金属電極Ｐ４と発熱体素子Ｐ３との
材料の熱膨張係数が大きく異なるため、金属電極Ｐ４と
発熱体素子Ｐ３の電極取り出し部分（Ｗ線Ｐ２の取り出
し部分）とを化学的に直接接合することは難しく、よっ
て、従来の焼ばめロー付の様な設計で接合せざるを得な
いので、設計上の制約があった。

【０００８】■また、こうした焼ばめロー付けの様な物
理的な接合方法では、発熱体素子Ｐ３の加熱・冷却の繰
り返しによって、金属電極Ｐ４とＷ線Ｐ２の取り出し部
分との接触不具合が発生し易くなり、耐久性に問題があ
った。本発明は、上記課題を解決するためになされ、発
熱体素子の電極取り出し部分とそれに接続される電極と
を確実に接合でき、しかも設計上の制約が少ないセラミ
ックス発熱体を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の請求項１の発明は、セラミックス発熱体素子と該発熱
体素子に取り付けられた電極とからなる発熱体において
、上記電極がセラミックス材料を主成分とする材料にて
形成されたことを特徴とするセラミックス発熱体を要旨
とする。

【００１０】また、請求項２の発明は、上記電極を形成
するセラミックス材料の熱膨脹係数が、上記セラミック
ス発熱体素子の熱膨張係数と同等又はそれ以上である請
求項１記載のセラミックス発熱体を要旨とする。

【００１１】ここで、セラミックス発熱体素子としては
、例えばセラミックス自身が発熱抵抗体となるもの（Ｓ
ｉＣ）や、セラミックス中に発熱抵抗体を埋め込んだも
の（Ｓｉ３Ｎ４中にＷ線埋設）等が挙げられる。上記電
極材料としては、セラミックスを主成分とする低熱膨脹
材が挙げられ、例えばＳｉ３Ｎ４　−ＴｉＮ，Ｓｉ３Ｎ
４　−Ｎｉ，Ｓｉ３Ｎ４　−ＺｒＮ，Ａｌ２ＴｉＯ５−
Ｎｉ，ＴｉＢ２−Ｎｉ，ＷＣ−Ｃｏ等の導電性のあるセ
ラミックス複合材やセラミックス−金属複合材、或いは
単独で導電性のあるＴｉＢ２，ＴｉＮ等のセラミックス
材料などが採用できる。

【００１２】上記電極材料とセラミックス発熱体素子と
の熱膨脹係数は、同等がよいが、場合によっては（セラ
ミックス発熱体素子材料の熱膨脹係数＋２×１０−６）
［１／℃］、更には（セラミックス発熱体素子材料の熱
膨脹係数＋４×１０−６）［１／℃］程度までの範囲で
も好適である。

【００１３】また、電極材料を構成する材料は、耐酸化
性に優れた材料が好ましく、電極材料の電気抵抗は、１
Ωｃｍ以下が好ましい。上記電極とセラミックス発熱体
素子との接合は、Ｔｉ／Ａｇ／Ｃｕ，Ｔｉ／Ｃｕ，Ｔｉ
／Ａｇ／Ｃｕ／Ｎｉ　，Ｔｉ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｉｎ　，Ｔ
ｉ／Ｎｉ／Ｃｕ等の活性金属の合金を介在させ接合する
方法や、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｒ　，Ｎｉ，Ｎｉ／Ｃｒ等の金
属ないし合金を介在させる方法など、導電性のある層を
介在させるものであれば何でもよい。

【００１４】更に、電極とセラミックス発熱体素子との
接合では、両部材の間に、Ｎｉ，Ａｇ等の軟質金属を必
要に応じて介在させてもよい。また、上記接合は、ホッ
トプレスによる方法でもよく、その場合には、上記の様
な金属の層を介在させることなく直接に接合してもよい
。

【００１５】

【作用】本発明のセラミックス発熱体では、電極はセラ
ミックス材料を主成分とする材料にて形成されており、
この電極とセラミックス発熱体素子とが、例えば拡散接
合，ロー付，ホットプレス或はその他周知の化学的反応
等を利用した接合方法で取り付けられている。

【００１６】従って、セラミックス発熱体素子と電極と
の熱膨張係数が近いので、セラミックス発熱体素子の発
熱・冷却が繰り返された場合にも、電極の接続部分の強
固な接合状態が維持されることになる。特に、上記電極
を形成するセラミックス材料の熱膨脹係数が、セラミッ
クス発熱体素子の熱膨張係数と同等又はそれ以上である
場合には、使用時の発熱体素子の方が電極よりも温度が
高いので、その耐久性が一層向上することになる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例であるセラミックスヒ
ータ及びその製造方法について説明する。図１は第１実
施例のセラミックスヒータの全体構成を示し、図２，３
は各部の構成を示している。

【００１８】図１に示す様に、本実施例のセラミックス
ヒータ１は、セラミックス本体２内にＷ線３が埋め込ま
れたセラミックス発熱体素子４と、セラミックス発熱体
素子４の後端側の両側に接合された一対のセラミックス
電極７，８とから構成されている。

【００１９】上記セラミックス本体２は、図２に示す様
に、縦１０ｍｍ，横５０ｍｍ，高さ５ｍｍの柱状の部材
であり、主成分がＳｉ３Ｎ４から構成されて、耐熱性及
び絶縁性を備えている。また、上記Ｗ線３は、電流が流
されると発熱する略Ｕ字状の発熱抵抗体であり、その一
方の端部３ａは、図２（Ｂ）の上方に曲がってセラミッ
クス本体２の上面２ａに露出し、また他方の端部３ｂは
、同図の下方に曲がってセラミックス本体２の下面２ｂ
に露出している。

【００２０】更に、上記一対のセラミックス電極７，８
は、図１及び図３に示す様に、縦１０ｍｍ，横２０ｍｍ
，高さ２ｍｍの板状の部材であり、主としてＴｉＮ及び
Ｓｉ３Ｎ４から構成されている。このセラミックス電極
７，８は、セラミックス発熱体素子４の後端側を挟むよ
うにして対向して接合されており、セラミックス電極７
，８の各々の内側面で、上記Ｗ線３の端部３ａ，３ｂと
電気的に接続されている。尚、セラミックス電極７，８
の端部近傍には、リード線取り付け用の直径３ｍｍの接
続孔１０が設けられている。

【００２１】次に、上記構成のセラミックスヒータ１の
製造方法について、図４の分解斜視図に基づいて説明す
る。■まず、セラミックス発熱体素子４の本体２の材料
として、Ｓｉ３Ｎ４９０重量％，残部Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２
Ｏ３の粉末を用い、それらの粉末の混合物の中央に、Ｗ
線３を埋め込んで、金型プレスを行なった。

【００２２】■その後、プレスした成形物を、加圧力２
００ｋｇ／ｍ２の下で、１７２０℃で３０分間にわたり
、高周波ホットプレス装置で加熱して、セラミックス発
熱体素子４を製作した。■次に、Ｗ線３の端部３ａ，３
ｂである電極取出し部分を、ダイヤモンドグラインダー
で削り加工した。

【００２３】■一方、セラミックス電極７，８の材料と
して、例えばＳｉ粉末とＴｉＮ粉末とを、例えば後述す
る表２に記載する様な所定の量にて混合し、金型プレス
にて成形した。■その後、プレスした成形物を、窒素ガ
ス雰囲気中にて１７００℃で３時間加熱して、セラミッ
クス電極７，８作成した。

【００２４】■そして、セラミックス発熱体素子４とセ
ラミックス電極７，８との間に、ロー材として市販のＡ
ｇ／Ｃｕ／Ｔｉ箔１２，１３を介在させて、真空中にて
８５０℃で加熱し、セラミックス発熱体素子４とセラミ
ックス電極７，８とのロー付接合を行なって、セラミッ
クスヒータ１を得た。

【００２５】次に、本実施例の効果を確認するために行
った実験例１，２について、詳細に説明する。 （実験例１）この実験では、セラミックス電極材料とし
て、下記表２に示す材料を使用し、上述した製造方法で
、セラミックスヒータの試料を各５個づつを製造した。 そして、各試料におけるセラミックス電極の接合状況，
３０〜８００℃における熱膨張係数や電気抵抗を調べた
。その結果を、同じく下記表２に示すが、このうちＮｏ
１〜４の試料が本実施例のもので、Ｎｏ５，６は比較例
の試料である。

【００２６】

【表２】

【００２７】この実験の結果、実施例のＮｏ１〜４の試
料には、接合状態に異常は認められなかったが、比較例
のＮｏ５の試料には５個中３個について、またＮｏ６の
試料には５個中４個について、セラミックス発熱体素子
に割れが生じた。更に、上記表２から明かな様に、実施
例のＮｏ１〜４の試料は、熱膨張係数は小さくて、セラ
ミックス発熱体素子の熱膨張係数（Ｓｉ３Ｎ４：２．８
×１０−６［１／℃］，ＳｉＣ：４．５×１０−６［１
／℃］）に近く、しかも電気抵抗がそれほど大きくなく
好適であった。それに対して、比較例のＮｏ５，６の試
料では、材料が金属であるので、電気抵抗は小さいが熱
膨張係数が極めて大きく、セラミックス発熱体素子に接
合される電極としては不適なものである。

【００２８】（実験例２）また、上記実験例１で使用し
た試料のうち、接合状態の良い（もしくは悪化していな
い）試料を用いて、加熱冷却サイクル試験を行った。こ
の加熱冷却サイクル試験とは、−４０℃の冷却と３５０
℃の加熱とのサイクルを交互に繰り返すもので、各試料
においてこのサイクルを２００回行った。

【００２９】その結果、実施例のＮｏ１〜４の試料のロ
ー材に若干の酸化が見られたが、導通には何等異常は見
られなかった。それに対して、比較例のＮｏ５，６の試
料は、電極とセラミックス発熱体素子とがはずれてしま
い、導通に異常が見られた。この様に、本実施例のセラ
ミックスヒータ１は、頻繁に加熱冷却サイクルが繰り返
された場合でも、電極とセラミックス発熱体素子との接
合に異常が生じにくく、極めて耐久性に優れているとい
う顕著な効果を奏する。

【００３０】次に、第２実施例のセラミックスヒータ及
びその製造方法について、図５に基づいて説明する。図
５に示す様に、本実施例のセラミックスヒータ２０は、
セラミックス電極２２，２３とセラミックス発熱体素子
２５との接合方法が、上記第１実施例のセラミックスヒ
ータ１と大きく異なる。

【００３１】つまり、本実施例では、一対のセラミック
ス電極２２，２３とセラミックス発熱体素子２５との間
に、セラミックス発熱体素子２５側から、厚さ５μｍの
Ｔｉ箔２６，２７，厚さ１０μｍのＣｕ箔２８，２９，
厚さ０．２ｍｍのＮｉ板３０，３１，厚さ５μｍのＴｉ
箔３２，３３を介在させている。そして、これらの各部
材を積層した状態で、真空中にて１２００℃で３０分間
加熱して、セラミックス電極２２，２３とセラミックス
発熱体素子２５とを接合し、その後１０００℃で拡散処
理を施してセラミックスヒータ２０を得た。

【００３２】次に、この第２実施例の効果を確認するた
めに行った実験例３，４について説明する。 （実験例３）本実験例では、上記表２の材料を使用し、
第２実施例の方法で各々５個のセラミックスヒータの試
料を製造した。そして、上記実験例１と同様に、接合状
態を観察した。その結果、実施例であるＮｏ１〜３の試
料は、全数接合に異常が認められなかった。またＮｏ４
の試料については、５個の試料中１個に、セラミックス
発熱体素子にクラックが入ったのみであった。それに対
して、比較例のＮｏ５，６の試料では、全数セラミック
ス発熱体素子に割れが生じた。

【００３３】（実験例４）また、上記実験例３で使用し
た試料のうち、実施例のＮｏ１〜４の試料を用いて、加
熱冷却サイクル試験を行った。この加熱冷却サイクル試
験では、セラミックス電極にステンレス製ナットとボル
トを接続して交流１００Ｖの通電を行い、それとともに
、交流の電流値や送風量等を調節して、室温から７００
℃まで変化させた。そして、この加熱冷却サイクルを１
０００サイクル実施した。

【００３４】その結果、Ｎｏ２，３の試料は、５個とも
導通に全く異常は認められず、電極にも変色はなかった
。 また、Ｎｏ１，４の試料では、電極表層が酸化していた
が、導通に異常はなかった。尚、酸化の度合はＮｏ１の
方が少なかった。この様に、本実施例のセラミックスヒ
ータ２０は、加熱冷却サイクルの温度変化量が大きくま
たサイクル数が多くても、セラミックス電極２２，２３
とセラミックス発熱体素子２５との接合に異常が生じに
くく、極めて耐久性に優れているという顕著な効果を奏
する。

【００３５】次に、第３実施例のセラミックスヒータ及
びその製造方法について、図６に基づいて説明する。図
６に示す様に、本実施例のセラミックスヒータ４０は、
上記第１，２実施例の様な金属線が発熱するタイプと異
なり、セラミックス自身が発熱するＳｉＣからなるセラ
ミックス発熱体素子４１を備えたものである。

【００３６】つまり、本実施例では、発熱体として、中
央部の幅３ｍｍ，厚さ３ｍｍ，長さ４０ｍｍで、両端が
広幅（１５ｍｍ）に形成されたＳｉＣからなるセラミッ
クス発熱体素子４１が使用されている。そして、このセ
ラミックス発熱体素子４１の両端の上下面には、上記実
施例１，２と同様な素材からなるセラミックス電極４２
が接合されている。

【００３７】そして、上記セラミックス電極４２のロー
付けによる接合は、Ａｇ９５重量％及びＴｉ５重量％か
らなるペーストを用いて、真空中にて１０００℃に加熱
されて行われ、本実施例のセラミックスヒータ４０が製
造される。次に、この第３実施例の効果を確認するため
に行った実験例５について説明する。

【００３８】（実験例５）本実験例では、上記表２のＮ
ｏ４，５の材料を使用し、第３実施例の方法で各々５個
のセラミックスヒータの試料を製造した。そして、上記
実験例１と同様に、接合状況や導通の状態を観察した。

【００３９】その結果、実施例であるＮｏ４の試料は、
全数接合に異常が認められず、導通にも異常はなかった
。 それに対して、比較例のＮｏ５の試料は、ロー付け時に
セラミックス発熱体素子が割れてしまった。この様に、
本実施例のセラミックスヒータ４０は、セラミックス自
身が発熱するタイプのヒータであるが、金属線が発熱す
るタイプのヒータと同様にその接合性が高く、十分に実
用に供するものである。

【００４０】

【発明の効果】以上の如く本発明のセラミックスヒータ
は、電極がセラミックス材料を主成分とする材料にて形
成されているので、セラミックス発熱体素子と電極との
接合性が高いという特長がある。また、電極取付け部が
高温にさらされても劣化しないので、ヒータの加熱温度
や使用温度を上げる等のヒータの高温化が可能となる。 更に、加熱・冷却のくり返しに対する耐久性が極めて高
いという効果がある。その上、従来の様にヒータに使用
する部材や形状の制限が少なくなるので、ヒータの設計
が自由になるという利点もある。

【００４１】特に、上記電極の熱膨張係数が、セラミッ
クス発熱体素子の熱膨張係数と同等又はそれ以上である
場合には、上記接合性や耐久性が一層向上するという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のセラミックスヒータを示
す斜視図である。

【図２】第１実施例のセラミックス発熱体素子の平面及
び正面を示す説明図である。

【図３】第１実施例のセラミックス電極の平面及び正面
を示す説明図である。

【図４】第１実施例のセラミックスヒータを分解して示
す斜視図である。

【図５】第２実施例のセラミックスヒータを分解して示
す正面図である。

【図６】第３実施例のセラミックス発熱体素子及びセラ
ミックスヒータを示す説明図である。

【図７】従来のセラミックスヒータを一部破断して示す
説明図である。

【符号の説明】

１，２０，４０…セラミックスヒータ ３…Ｗ線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　セラミックス発熱体素子と該発熱体素
   子に取り付けられた電極とからなる発熱体において、上
   記電極がセラミックス材料を主成分とする材料にて形成
   されたことを特徴とするセラミックス発熱体。
2. 【請求項２】　　上記電極を形成するセラミックス材料
   の熱膨脹係数が、上記セラミックス発熱体素子の熱膨張
   係数と同等又はそれ以上である請求項１記載のセラミッ
   クス発熱体。