JPH07119970A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミックヒータは、非常に高い温度で長時
間に渡って使用されることから、抵抗値が増大し、発熱
量が低下したり、また、発熱体と電極の界面にクラック
を発生することがある。本発明は、これらの状況を鑑み
て耐久性の高いセラミックヒータを提供するものであ
る。 【構成】 そのために、絶縁性セラミック体１２に埋設
される発熱体１１を少なくとも３本以上の並列な抵抗体
で構成し、また、前記発熱体１１と前記電極１３、１４
の接合部分である電極接合部１１ａの前記発熱体１１の
単位長さ当たりの抵抗値を、前記発熱体１１の発熱部１
１ｂの単位当たりの抵抗値よりも小さくしたことによっ
て、目的を達成するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、セラミックグ
ロープラグに用いられるセラミックヒータ等に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックグロープラグなどに用
いられているセラミックヒータには、例えば、特開平１
−３１７１０号公報に示されるように、絶縁性セラミッ
ク体中に発熱体と、該発熱体に結合された電極とが埋設
され、前記発熱体に前記電極を介して電力を供給するこ
とによって、前記発熱体を発熱させる構造を有したもの
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き構造のセラミックヒータは、以下に記す様に耐久性
において課題がある。第１の課題は、セラミックヒータ
が非常に高い温度で使われるために、長時間の使用にお
いて、抵抗値が増大し、その結果、発熱量が小さくな
り、そして、場合によりついには発熱しなくなることも
あることから、更に、耐久性を向上させる必要があると
いうものである。

【０００４】また、第２の課題は、近年のエンジンの高
出力化に伴い、更に高い温度にまで発熱できるセラミッ
クヒータが、必要とされてきているのであるが、前記発
熱体と前記電極との接合部で、前記発熱体にクラックを
発生することがあるために、更に、耐久性を向上させる
必要が有るというものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そのために、第１の課題
に対応して、絶縁性セラミックから成る絶縁性セラミッ
ク体と、該セラミック体中に埋設され、しかも電圧印加
によって発熱する発熱体と、該発熱体に電気的に接続さ
れた電極とから構成されたセラミックヒータにおいて、
前記発熱体が、少なくとも２本以上の並列に配置された
抵抗体からなることを特徴とした構成とすることによっ
て、また、第２の課題に対応して、絶縁性セラミックか
ら成る絶縁性セラミック体と、該セラミック体中に埋設
され、しかも電圧印加によって発熱する発熱体と、該発
熱体に電気的に接続された電極とから構成されたセラミ
ックヒータにおいて、前記発熱体と前記電極との接合部
分である電極接合部の前記発熱体の単位長さ当たりの抵
抗値を、前記発熱体の発熱部の単位当たりの抵抗値より
も小さくしたことを特徴とした構成とすることによっ
て、また、さらに、２つの課題に対応して絶縁性セラミ
ックから成る絶縁性セラミック体と、該セラミック体中
に埋設され、しかも電圧印加によって発熱する発熱体
と、該発熱体に電気的に接続された電極とから構成され
たセラミックヒータにおいて、前記発熱体が、少なくと
も２本以上の並列に配置された抵抗体からなり、しかも
前記発熱体と前記電極との接合部分である電極接合部の
前記発熱体の単位長さ当たりの抵抗値を、前記発熱体の
発熱部の単位当たりの抵抗値よりも小さくしたことを特
徴とした構成とすることによって、課題を解決するもの
である。

【０００６】

【作用】請求項１に記した如く、第１の課題に対して
は、発熱体としての抵抗体を少なくとも３本以上として
構成したことにより、該抵抗体の１本が断線しても充分
な発熱が得られる。また、請求項２に記した如く、第２
の課題に対しては、前記発熱体と前記電極との接合部分
である電極接合部の前記発熱体の単位長さ当たりの抵抗
値を、前記発熱体の発熱部の単位当たりの抵抗値よりも
小さくしたことによって、前記発熱体の前記電極接合部
の温度が抑えられ、クラックの発生が抑制される。さら
に、請求項３に記した如く、請求項１と請求項２を組み
合わせたことにより、抵抗体の１本が断線しても充分な
発熱が得られ、且つ前記発熱体の前記電極接合部の温度
が抑えられ、クラックの発生が抑制される。

【０００７】

【発明の効果】以上の作用により、請求項１により第１
の課題に対しては、抵抗体の１本が断線しても充分な発
熱が得られるので、耐久性が改善される。また、請求項
２により第２の課題に対しては、クラックの発生が抑制
されることから、耐久性が改善される。さらに、請求項
３においては、抵抗体の１本が断線しても充分な発熱が
得られ、そのうえさらに、クラックの発生が抑制される
ことから、耐久性が改善される。

【０００８】

【実施例】

（第１実施例）図１は、第１の課題に対応する発明のセ
ラミックヒータ２の実施例である。図１（ア）は、前記
セラミックヒータ２の断面を表す図である。図１（イ）
は、Ａ−Ａ断面を表した図であり、また、図１（ウ）
は、Ｂ−Ｂ断面を表した図である。

【０００９】前記セラミックヒータ２は、略円形断面を
有する棒状の窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック
体１２の内部に、略Ｕ字形状をなす導電性セラミックか
らなる３本の並列な発熱体１１１、１１２、１１３と、
該発熱体１１１、１１２、１１３に電気的に結合された
タングステンなどの高融点金属線よりなる一対の電極１
３、１４を埋設して有しており、前記電極１３、１４の
一端１３ａ，１４ａは、前記セラミックヒータの側面に
露出して形成されている。

【００１０】図２は、図１に記したセラミックヒータ２
を組付けたセラミックグロープラグ１の断面図である。
前記セラミックヒータ２の前記電極１３の一端１３ａが
露出する前記セラミックヒータ２の側面２ａには、ニッ
ケルメッキが施されており、前記セラミックヒータ２を
保持するための金属製中空パイプ３がろう付けにより固
定されている。また、前記セラミックヒータ２の前記電
極１４の一端１４ａが露出する前記セラミックヒータ２
の端部２ｂにもニッケルメッキが施されており、コイル
状の金属線５がろう付け固定されている。そして、前記
中空パイプ３を、エンジンへの取り付けねじ部４ａを備
えた筒状の金属製ハウジング４に、一部がろう付けによ
り、接合されている。また、前記金属線５の一端は、ね
じ部６ａを備えた中軸６に溶接され、そして、前記中軸
６はガラスシール７によって封着されるとともに、固定
されている。さらに、絶縁ブッシュ８によって位置固定
され、ナット９を締めつけて、前記中軸６は強固に固定
されている。

【００１１】このような構成として、図示されていない
電源と電気的に接続されて、前記中軸６、前記金属線
５、前記電極１４、前記発熱体１１１、１１２及び１１
３、前記電極１３、前記中空パイプ３、前記ハウジング
４を介して図字してないエンジンブロックへとアースさ
れる。さらに、前記の並列に配置された発熱体１１は、
上記の例では３本としたが、同様に、２本、４本、５本
のものも作製し、試験に供した。

【００１２】なお、前記発熱体１１は、窒化珪素を主成
分にした絶縁性セラミック体中に、同一材質、同一組成
の導電性セラミックを埋設する事により作製した。この
ようにすることによって、いずれのタイプのものも、断
面積を同じ値とする事が出来るため、抵抗値は同じ値と
なる。以下に、上記構成によるセラミックグロープラグ
の耐久性について記す。前記耐久試験条件は、前記セラ
ミックグロープラグ１の通電時の温度条件として、前記
セラミックヒータ２の温度が、１２００℃になるように
通電発熱状態を１分、強制的に空冷し室温まで冷却する
非発熱状態を１分、を１サイクルとして行った。前記通
電発熱状態の印加電圧は、常に１１Ｖ一定とした。試験
の繰り返しにより抵抗値が上昇し、エンジンの始動性が
悪くなる８５０℃以下にしか発熱出来なくなった場合
に、それまでの繰り返し数を試験品の寿命とした。以上
に記した耐久性についての評価結果を図４に示す。ま
た、並列発熱体の断線数と発熱温度の関係を図５に示
す。

【００１３】図４において、並列抵抗体の数が、１（従
来例）、２本の場合は製品としての寿命は、２万サイク
ルである。そして、並列抵抗体の数が、増えるに連れ
て、製品としての寿命も長くなり、並列抵抗体の数が
３、４本の場合、２万６千サイクルとなり、寿命が３０
％改善される。また、並列抵抗体の数を５本にした場
合、寿命が４０％も改善される。

【００１４】さらに、図５から、たとえば、並列抵抗体
の数が５本の場合、その発熱温度は、１本が断線した
時、１０８０℃であり、２本の時９２０℃、３本の時７
２０℃であり、２本が断線するまで使用可能である。し
たがって、並列抵抗体を３本以上とすることによって、
断線形態を改善でき、寿命を改善することが出来る。以
上、上記実施例においては、前記発熱体１１は、導電体
性セラミックからなる例を示したが、他の実施例を図６
に記す。図６に記したセラミックヒータ２は、窒化珪素
を主成分にした絶縁性セラミック体１２のグリーンシー
トを作製し、そのうえに発熱体１１を構成する印刷パタ
ーンを形成し、さらに前記のグリーンシートに耐熱金属
製のタングステンからなる電極１３、１４を配して、前
記のグリーンシートを適当量積層したのちに、ホットプ
レスにて加圧焼成して作製された。このようにして作製
した前記セラミックヒータ２を、上記実施例同様に組付
けてセラミックグロープラグ１とし、前記の評価試験を
実施したが、前記発熱体１１を構成する並列な抵抗体が
３本以上あれば、寿命は改善される。更に、前記セラミ
ックヒータ２の発熱分布特性を改善するために、前記発
熱体１１の印刷パターンを複数のグリーンシートに形成
し、また積層してホットプレスにて加圧焼成して作製し
たセラミクヒータ２を組付けたセラミックグロープラグ
１においても並列な抵抗体が３本以上あれば、寿命は改
善される。尚、前記電極１３、１４は、線状のものでも
板状のものでも、又印刷されたパターンであってもよ
い。また前記の発熱体１１は、タングステンなどの金属
線、或いは印刷パターンであっても同様の効果が得られ
る。

【００１５】以上より、セラミックヒータ２の構成とし
て並列抵抗体が、３本以上あれば、発熱体の材質、製造
法に無関係に寿命を改善できる。 （第２実施例）次に第２の課題に対応する実施例につい
て記す。図７は、本実施例の一例であるセラミックヒー
タ２の断面図を記したものである。また、図８は、本実
施例のセラミックヒータの部分断面図を表したものであ
る。前記セラミックヒータ２は、略円形断面を有する棒
状の窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック体１２の
内部に、略Ｕ字形状をなす導電性セラミックからなる発
熱体１１と該発熱体１１に電気的に結合されたタングス
テンなどの高融点金属線よりなる一対の電極１３、１４
を埋設して有しており、前記電極１３、１４の一端１３
ａ，１４ａは、前記セラミックヒータ２の側面に露出し
て形成されている。前記発熱体１１と前記電極１３、１
４との前記発熱体側接合部１１ａの通電時の発熱量が、
単位長さ当たりの抵抗値を小さくすることで他の前記発
熱体部分である発熱部１１ｂの発熱量よりも小さくなる
ように、前記発熱体接合部１１ａの断面積を他の発熱体
部分１１ｂの断面積よりも１．３倍大きく作製した。

【００１６】そして前記セラミックヒータ２の前記電極
１３の一端１３ａが露出する前記セラミックヒータ２の
側面２ａには、ニッケルメッキが施されており、前記セ
ラミックヒータ２を保持するための金属製中空パイプ３
がろう付けにより固定されている。また、前記セラミッ
クヒータ２の前記電極１４の一端１４ａが露出する前記
セラミックヒータ２の端部２ｂにもニッケルメッキが施
されており、コイル状の金属線５がろう付け固定されて
いる。そして、前記中空パイプ３の一部が、エンジンへ
の取り付けねじ部４ａを備えた筒状の金属製ハウジング
４に、ろう付け接合されている。また、前記金属線５の
一端は、ねじ部６ａを備えた中軸６に溶接され、そし
て、ガラスシール７によって封着されるとともに、固定
されている。さらに、絶縁ブッシュ８によって位置固定
され、ナット９を締めつけて、前記中軸６は強固に固定
されている。以上の如くセラミックグロープラグ１を作
製した。ここで、図７に記したＬは、前記発熱体側接合
部１１ａの長さであり、該長さＬを０から５ｍｍ迄の物
を作製して評価試験に供した。

【００１７】評価試験は、前記セラミックヒータ２を１
２００℃に発熱し、この発熱状態で前記セラミックヒー
タ２を水中に投入し、その繰り返しにより、前記セラミ
ックヒータ２にクラックが発生するまで続け、前記クラ
ックが発生するまでの繰り返し数をもって寿命とした。
評価結果を、図９に記す。図９より明らかなように、従
来例であるＬ＝０ｍｍの場合は、１５回の繰り返しで寿
命に至ったが、Ｌが大きくなるに連れて、寿命の改善が
図られ、Ｌ＝１ｍｍ以上とすることによって、大きな効
果が得られる。尚、本評価試験をエンジン使用環境と比
較した場合、前記評価の繰り返し数が２０サイクル以上
であれば、およそ、車自体の寿命まで保証される程度の
耐久性を具備できたと言える。又、Ｌ≧２ｍｍとするこ
とにより、耐久寿命を大幅に改善できる。

【００１８】以上、第２の課題に対応した実施例につい
て述べてきたが、第１実施例に記した如き他の実施例
（図６）、即ち図６に記したセラミックヒータ２は、窒
化珪素を主成分にした絶縁性セラミック体１２のグリー
ンシートを作製し、そのうえに発熱体１１を構成する印
刷パターンを形成し、さらに前記のグリーンシートに耐
熱金属製のタングステンからなる電極１３、１４を配し
て、前記のグリーンシートを適当量積層したのちに、ホ
ットプレスにて加圧焼成して作製され、このようにして
作製した前記セラミックヒータ２を、上記実施例同様に
組付けてセラミックグロープラグ１とし、前記の評価試
験を実施しても上述の効果と同様の効果が得られること
は、言うまでもない。

【００１９】（第３実施例）次に、前記第１の課題と前
記第２の課題との両者を解決する第３実施例について図
１０に一例を記す。図において、（ア）は、第１実施例
を説明するための断面図である。（イ）は、Ａ−Ａ断面
を説明するための断面図である。（ウ）は、Ｂ−Ｂ断面
を説明するための断面図である。前記セラミックヒータ
２は、略円形断面を有する棒状の窒化珪素を主成分とす
る絶縁性セラミック体１２の内部に、略Ｕ字形状をなす
導電性セラミックからなる３本の並列な発熱体１１１、
１１２、１１３と、発熱体接続部１１ａを構成する３ｍ
ｍ以上の長さである発熱部接続体１１４、１１５と、前
記発熱体１１１、１１２、１１３及び、前記発熱部接続
体１１４、１１５に電気的に結合されたタングステンな
どの高融点金属線よりなる一対の電極１３、１４を埋設
して有しており、前記電極１３、１４の一端１３ａ，１
４ａは、前記セラミックヒータ２の側面に露出して形成
されている。以上の如く作製された前記セラミックヒー
タ２は、上述の実施例と同様にセラミックグロープラグ
１として組付けられて、上述と同様な評価試験を実施し
た。その結果、並列な発熱体が３本以上備えられ、且つ
前記寸法Ｌ≧１ｍｍであれば、前記第１の課題及び前記
第２の課題は、それぞれ解決することが明らかとなっ
た。

【００２０】尚、上記実施例においては、グロープラグ
の例をとったことから、前記発熱体を、少なくとも３本
以上の並列に配置された抵抗体としたが、２本以上の並
列に配置された抵抗体としても充分な耐久性を有したセ
ラミックヒータとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ア）は、第１実施例を説明するための断面図
である。（イ）は、Ａ−Ａ断面を説明するための断面図
である。（ウ）は、Ｂ−Ｂ断面を説明するための断面図
である。

【図２】第１実施例のセラミックヒータを装着したセラ
ミックグロープラグである。

【図３】第１実施例の発熱体の回路構成を説明するため
の図である。

【図４】第１実施例の評価試験結果を記したグラフであ
る。

【図５】第１実施例の評価試験結果を記したグラフであ
る。

【図６】第１実施例のセラミックヒータの他の実施例の
断面図を表したものである。

【図７】第２実施例のセラミックヒータの断面図を表し
たものである。

【図８】第２実施例のセラミックヒータの部分断面図を
表したものである。

【図９】第２実施例の評価試験結果を記したグラフであ
る。

【図１０】（ア）は、第１実施例を説明するための断面
図である。（イ）は、Ａ−Ａ断面を説明するための断面
図である。（ウ）は、Ｂ−Ｂ断面を説明するための断面
図である。

【符号の説明】

１ セラミックグロープラグ ２ セラミックヒータ ３ 中空パイプ ４ ハウジング ５ 金属線 ６ 中軸 ７ ガラスシール ８ 絶縁ブッシュ ９ ナット １１ 発熱体 １１１、１１２、１１３、１１−１、１１−２、１１−
３ 発熱体 １１４、１１５ 発熱部接続体 １１ａ 発熱体接合部 １１ｂ 発熱部 １２ セラミック絶縁体 １３、１４ 電極 １３ａ，１４ａ 電極の一端

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性セラミックから成る絶縁性セラミ
   ック体と、該セラミック体中に埋設され、しかも電圧印
   加によって発熱する発熱体と、該発熱体に電気的に接続
   された電極とから構成されたセラミックヒータにおい
   て、 前記発熱体が、少なくとも２本以上の並列に配置された
   抵抗体からなることを特徴としたセラミックヒータ。
2. 【請求項２】 絶縁性セラミックから成る絶縁性セラミ
   ック体と、該セラミック体中に埋設され、しかも電圧印
   加によって発熱する発熱体と、該発熱体に電気的に接続
   された電極とから構成されたセラミックヒータにおい
   て、 前記発熱体と前記電極との接合部分である発熱体接合部
   の前記発熱体の単位長さ当たりの抵抗値を、前記発熱体
   の発熱部の単位当たりの抵抗値よりも小さくしたことを
   特徴とするセラミックヒータ。
3. 【請求項３】 絶縁性セラミックから成る絶縁性セラミ
   ック体と、該セラミック体中に埋設され、しかも電圧印
   加によって発熱する発熱体と、該発熱体に電気的に接続
   された電極とから構成されたセラミックヒータにおい
   て、 前記発熱体が、少なくとも２本以上の並列に配置された
   抵抗体からなり、しかも前記発熱体と前記電極との接合
   部分である発熱体接合部の前記発熱体の単位長さ当たり
   の抵抗値を、前記発熱体の発熱部の単位当たりの抵抗値
   よりも小さくしたことを特徴とするセラミックヒータ。