JPH07139737A

JPH07139737A - セラミック発熱体

Info

Publication number: JPH07139737A
Application number: JP16088494A
Authority: JP
Inventors: Norio Okuda; 憲男奥田; Hiroyuki Arima; 裕之有馬
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1995-05-30

Abstract

(57)【要約】【目的】消費電力が小さく、先端から５ｍｍ未満の位置
を最高発熱部とする先端発熱が可能で、かつ発熱温度の
飽和時におけるセラミック発熱体の円周方向の最大温度
差が極めて小さく、長時間の連続稼動が可能で、複雑な
構造を必要としない耐久性と信頼性に優れたセラミック
発熱体を得る。【構成】電気絶縁性のセラミック焼結体２中に、略平行
な独立した２層の無機導電材から成る発熱抵抗体層３、
４と、発熱抵抗体層３、４の各端部に接続した高融点金
属の線材から成るリード部５、６と、リード部５、６に
それぞれ接続した無機導電材から成る複数個に分割した
層状の電極取り出し部７、８を埋設して成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンの始
動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱する自
己飽和型のグロープラグをはじめとする各種加熱用ヒー
ター等に好適な高温用のセラミック発熱体に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来よりディーゼルエンジンの始動促進
に用いられるグロープラグや各種点火用及び加熱用ヒー
ターとして、耐熱金属製のシース内に耐熱絶縁粉末を充
填し、該耐熱絶縁粉末中にニッケル（Ｎｉ）−クロム
（Ｃｒ）等を主体とする高融点金属線から成る発熱抵抗
体を埋設したシーズヒーターや、高電圧の火花放電を利
用する各種点火装置が使用されていた。

【０００３】しかしながら、前記シーズヒーターは、耐
熱金属製のシース内に充填された耐熱絶縁粉末を介して
発熱抵抗体の熱を伝えるため、短時間の急速昇温が困難
であり、その上、耐摩耗性や耐久性に劣るという問題が
ある他、前記火花放電を利用した各種点火装置も、点火
時に雑音等の電波障害を生じたり、確実な点火と未着火
の場合の安全性という点からの信頼性に欠ける等の欠点
があった。

【０００４】そこで、短時間の急速昇温が可能で、電波
障害が発生せず、しかも確実に点火して安全性を確保
し、耐摩耗性と耐久性に優れた信頼性の高い発熱体とし
て、無機導電材から成る発熱抵抗体をセラミック焼結体
中に埋設したセラミック発熱体が、内燃機関のグロープ
ラグをはじめ、各種加熱用ヒーターとして広く利用され
るようになってきた。

【０００５】とりわけ、内燃機関のグロープラグ用のセ
ラミック発熱体としては、例えば、図４に示すようにセ
ラミック焼結体１２中に、捲回した高融点金属の線材か
ら成る発熱抵抗体１３を埋設し、高温での耐久性能を向
上させることにより、急速昇温性能を高めるとともに発
熱温度を自己飽和するものや、図５に示すようにセラミ
ック焼結体１６中に、高融点金属の線材から成る発熱抵
抗体１７を埋設し、該発熱抵抗体１７より大きい正の抵
抗温度係数を有する線材から成る抵抗体１８を前記発熱
抵抗体１７に直列に接続し、通電して昇温する際の発熱
抵抗体１７の加熱電流を自己制御するもの等が提案され
ている（特公平１−５５３６９号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記自
己飽和するセラミック発熱体では、例えば、１１Ｖの電
圧を６０秒間印加した場合には消費電力が６０Ｗ程度、
突入電流も１８Ａ程度と小さいものの、セラミック発熱
体の最高発熱部を先端から５ｍｍ未満とする先端発熱が
困難であり、また、１４Ｖの印加電圧で１３５０℃の発
熱温度に自己飽和させた場合には、セラミック発熱体の
円周方向の最大温度差が約６０℃とかなり大となる。

【０００７】一方、前記自己制御するセラミック発熱体
では、例えば、１１Ｖの電圧を６０秒間印加した時の消
費電力が９０〜１００Ｗ、突入電流も２２Ａ程度とかな
り大きくなり、通電制御装置を必要とするとともに、加
熱電流を自己制御する前記線材から成る抵抗体１８が、
通電加熱の断続的稼働により抵抗変化を生じる等、耐久
性の劣化を招き易く、その上、複雑な構造となってコス
ト高となる。

【０００８】また、電極取り出し部１４及び１９が、い
ずれも埋設した金属線材から成るリード部１５及び２０
を焼結一体化後、研削して表面に露出させたものである
ことから、熱膨張差によりセラミック焼結体と露出した
金属線材から成るリード部１５及び２０との境界に隙間
を生じ、該隙間から酸素や水分等の侵入により、稼働中
にセラミック焼結体１２にクラックが発生する恐れがあ
る等、種々の課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は前記欠点に鑑み開発されたもの
で、その目的は、消費電力が小さく、先端から５ｍｍ未
満の位置を最高発熱部とする先端発熱が可能で、かつ発
熱温度の飽和時におけるセラミック発熱体の円周方向の
最大温度差が極めて小さく、高温での絶縁抵抗の劣化を
防止した長時間の連続稼動が可能で、複雑な構造を必要
とせず、耐久性に優れたセラミック発熱体を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック発熱
体は、電気絶縁性セラミック焼結体中に、スクリーン印
刷方法等で形成した平行な独立した少なくとも２層の無
機導電材から成る発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層に接
続した高融点金属の線材等から成るリード部と、該リー
ド部に接続するスクリーン印刷方法等で形成した無機導
電材から成る層状の電極取り出し部を１層以上、それぞ
れ電気絶縁性セラミック焼結体中に埋設して一体化した
ことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明のセラミック発熱体によれば、埋設した
無機導電材から成る発熱抵抗体をスクリーン印刷方法等
で層状に形成することから、セラミック発熱体の先端部
を集中加熱することが可能となり、かつ発熱部の容積が
小さいことから消費電力が小さくなる。

【００１２】また、前記無機導電材から成る発熱抵抗体
を略平行な独立した少なくとも２層とすることにより、
発熱温度の飽和時におけるセラミック発熱体の円周方向
の最大温度差が小さくなり、かつ急速昇温特性が向上す
るとともに、発熱抵抗体層の厚さを薄くすることがで
き、該発熱抵抗体層を形成する時にクラック等の不都合
が発生しないようになる。

【００１３】更に、リード部を高融点金属の線材等で構
成することから導通抵抗が低く、余分な発熱を生ぜず、
かつ該リード部に接続する電極取り出し部を、スクリー
ン印刷方法等で形成した１層以上の無機導電材から成る
層状とするとともに複数個に分割して設けることによ
り、セラミック焼結体との熱膨張差が小さくなって隙間
を生じることがなく、酸素や水分等の侵入がなく、長時
間の連続稼動における電極取り出し部の耐久性及び信頼
性が向上することになる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明のセラミック発熱体の一実施例
を図面に基づき説明する。図１は本発明のセラミック発
熱体を示す斜視図であり、図２は図１のセラミック発熱
体の側面図である。

【００１５】図１及び図２において、１は電気絶縁性の
セラミック焼結体２中に、略平行な独立した２層の無機
導電材から成る発熱抵抗体層３、４と、発熱抵抗体層
３、４の各端部に接続した高融点金属の線材から成るリ
ード部５、６と、リード部５、６にそれぞれ接続した無
機導電材から成る２層を成し複数個に分割した電極取り
出し部７、８を埋設し、電極取り出し部７、８の一部が
セラミック焼結体２の外周面に露出するとともに、発熱
抵抗体層３、４側のセラミック焼結体２の先端が略球面
で、少なくとも発熱抵抗体層３、４を埋設したセラミッ
ク焼結体２の断面が円形を成すセラミック発熱体であ
る。

【００１６】尚、電気絶縁性のセラミック焼結体２とし
ては、高温での耐酸化性や強度に優れた窒化珪素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）を主成分とする焼結体が好適である。

【００１７】また、無機導電材から成る発熱抵抗体層
３、４あるいは層状の電極取り出し部７、８等の主成分
は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウ
ム（Ｒｅ）等の高融点金属やその合金の他、例えばタン
グステンカーバイド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）や
硼化ジルコニウム（ＺｒＢ₂）等の第４ａ族、第５ａ
族、第６ａ族の炭化物または窒化物等があり、とりわけ
タングステンカーバイド（ＷＣ）が好ましい。

【００１８】更に、電気絶縁性のセラミック焼結体２
が、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とする焼結体の場
合には、発熱抵抗体層３、４あるいは電極取り出し部
７、８等はタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分と
し、セラミック焼結体２の主成分である窒化珪素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）粉末を添加混合したものが好適である。

【００１９】前記無機導電材から成る発熱抵抗体層３、
４は、熱膨張率の点から炭化タングステン（ＷＣ）が６
５〜９５重量％、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が５〜３５重
量％の組成から成るものが良く、とりわけ炭化タングス
テン（ＷＣ）が７５〜９０重量％、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ
₄）が１０〜２５重量％の組成が好ましく、また、前記
発熱抵抗体層３、４の厚さは、発熱抵抗体層にクラック
等の不都合を発生しないようにするためには、少なくと
も最高発熱部で２．３〜１５０μm 、特に８〜５３μm
の範囲が望ましい。

【００２０】尚、電極取り出し部７、８の無機導電材の
導通抵抗は、発熱抵抗体層３、４より低いことが必要で
あり、電極取り出し部は１層以上の層状とすることが望
ましく、スルーホール等で電気的に接続するようにし、
発熱抵抗体層の層数より少なく形成しても良い。

【００２１】一方、リード部５、６には、高融点金属で
あるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウ
ム（Ｒｅ）やその合金等が上げられるが、とりわけタン
グステン（Ｗ）が好適である。

【００２２】本発明のセラミック発熱体を評価するにあ
たり、先ず、高純度の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末に、
焼結助剤としてイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）や希土類元素の
酸化物を添加混合して調製した造粒体を使用し、プレス
成形法等、周知の成形法により図３に示すような平板状
の窒化珪素を主成分とするセラミック成形体９、１０、
１１を作製する。

【００２３】次に、タングステンカーバイド（ＷＣ）と
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各微粉末を用い、その配合量
を種々設定して混合した原料粉末に溶媒を加えてペース
トを調製し、スクリーン印刷法等により設計抵抗値に基
づいた各種寸法と厚さの略Ｕ字形状のパターンで、かつ
該パターンの先端がセラミック焼結体の先端より５ｍｍ
以内に位置するように、セラミック成形体９及び１０の
表面に発熱抵抗体層３及び４を形成する。

【００２４】一方、電極取り出し部７及び８は、８５重
量％のタングステンカーバイド（ＷＣ）と１５重量％の
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各微粉末から成るペーストを
使用して前記セラミック成形体９及び１０の発熱抵抗体
層３及び４と反対側の端部表面に、それぞれ前記同様に
して幅約０．７ｍｍ、厚さ約７０μm のパターンを４
個、セラミック成形体９及び１０の側面まで平行に所定
の配置で形成した。

【００２５】次に、発熱抵抗体層４と電極取り出し部８
を同一面上にそれぞれ印刷形成したセラミック成形体９
と、セラミック成形体１０の発熱抵抗体層と電極取り出
し部を印刷形成していない面との間に、リード部６とし
て直径０．２５ｍｍのタングステン（Ｗ）線を発熱抵抗
体層４と電極取り出し部８にそれぞれ接続するように挟
み込む。

【００２６】次に、セラミック成形体１０のもう一方の
面上に形成した発熱抵抗体層３と電極取り出し部７にそ
れぞれ接続するように、リード部５として前記同様のタ
ングステン（Ｗ）線を、発熱抵抗体層と電極取り出し部
を印刷形成しないセラミック成形体１１で挟み込み、炭
素（Ｃ）を含む還元性の雰囲気下、１７５０℃の温度で
１時間、加圧焼成した。

【００２７】かくして得られたセラミック焼結体の周囲
を研磨し、発熱抵抗体層側の先端を略球面とするととも
に断面円形に加工し、埋設した各電極取り出し部の端面
を円柱側面に露出させ、直径約３．５ｍｍのセラミック
発熱体を作製した。

【００２８】かくして得られたセラミック発熱体を用い
て、少なくとも電極取り出し部の露出部にメタライズ法
やメッキ法等によりニッケル（Ｎｉ）等の金属被膜を形
成した後、セラミック発熱体の側面に露出した一方の電
極取り出し部と接続するように筒状金具を外嵌めし、還
元性の雰囲気中で銀ろうにて接合して負電極とし、他方
の電極取り出し部に、線材またはキャップ状の金具より
成る電極取り出し金具を前記同様に銀ろうにて接合して
正電極として接続し、正負の電極を導出した評価用のセ
ラミック発熱体を作製した。

【００２９】次いで、前記評価用のセラミック発熱体を
使用し、前記発熱抵抗体層に１１Ｖの直流電圧を６０秒
間印加して１１５０℃まで急速昇温し、その時の消費電
力と突入電流を測定するとともに、通電してから８００
℃の温度に到達するまでの時間を求めた。

【００３０】一方、飽和して一定の温度に達した後、放
射温度計にて非接触で筒状金具から露出したセラミック
発熱体の先端からの表面温度分布を測定し、前記先端か
らの最高発熱部の距離を求めた。

【００３１】また、前記評価用のセラミック発熱体の円
周方向の温度差は、１４Ｖの直流電圧を印加して発熱温
度を１３５０℃に飽和させ、最高発熱部の周囲を放射温
度計にて非接触で温度分布を測定し、最大温度差を求め
た。

【００３２】更に、前記評価用のセラミック発熱体に１
４Ｖの直流電圧を２分間通電して１４００℃まで急速昇
温した後、通電を停止して２分間圧搾空気を吹きつけ強
制冷却する工程を１サイクルとする高負荷耐久試験を、
５００００サイクル実施し、試験前後で測定したセラミ
ック発熱体の抵抗値が、耐久試験後に２０％以上変化し
たものを不良と判定した。

【００３３】尚、８０重量％のタングステンカーバイド
（ＷＣ）と２０重量％の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の組成
から成る発熱抵抗体を１層のみ形成し、電極取り出し部
を前記評価用のセラミック発熱体と同一組成で１層形成
してリード部とそれぞれ接続して作製したセラミック発
熱体を比較例とした。以上の結果を表１及び表２に示
す。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】表１及び表２の結果より、比較例の試料番
号２６は、耐久試験結果は良いものの最高発熱部の円周
方向の温度差が６４℃と極めて大きく、急速昇温特性も
４．５秒と良くないのに対して、本発明品では最高発熱
部の円周方向の温度差は３５℃以下で、急速昇温特性も
４．３秒以下と優れていることが明らかとなった。

【００３７】

【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミック発熱体
は、埋設した無機導電材から成る発熱抵抗体層を独立し
た少なくとも２層に形成することから、セラミック発熱
体の先端から５ｍｍ未満の位置を集中加熱することが可
能となり、かつ発熱部の容積が小さいことから消費電力
も小さくなり、その上、発熱温度の飽和時におけるセラ
ミック発熱体の円周方向の最大温度差が極めて小さく、
急速昇温特性が向上するとともに、発熱抵抗体層の厚さ
を薄くすることができ、該発熱抵抗体層を焼成一体化す
る時の残留応力によるクラック等の発生も解消する。

【００３８】更に、リード部を高融点金属で構成するこ
とから導通抵抗が低く、余分な発熱をせず、かつ該リー
ド部に接続する電極取り出し部を、発熱抵抗体層と同様
に無機導電材から成る層状とするとともに複数個に分割
して設けることにより、セラミック焼結体との熱膨張差
が小さくなって熱履歴を繰り返しても隙間を生じること
がなく、酸素や水分等の侵入もなく、電極取り出し部の
耐久性及び信頼性が向上する。

【００３９】以上の結果、長時間の連続稼動が可能で、
複雑な構造を必要としない耐久性に優れたセラミック発
熱体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック発熱体の一実施例を示す斜
視図である。

【図２】図１のセラミック発熱体の側面図である。

【図３】本発明のセラミック発熱体を製造する工程を説
明するための斜視図である。

【図４】従来の内燃機関のグロープラグに適用した自己
飽和型セラミック発熱体の要部を示す断面図である。

【図５】従来の内燃機関のグロープラグに適用した自己
制御型セラミック発熱体の要部を示す断面図である。

【符号の説明】

１セラミック発熱体２セラミック焼結体３、４発熱抵抗体層５、６リード部７、８電極取り出し部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性セラミック焼結体中に、独立し
た少なくとも２層の無機導電材の発熱抵抗体層と、該発
熱抵抗体層に接続した高融点金属から成るリード部と、
該リード部に接続した無機導電材から成る層状の電極取
り出し部を埋設したことを特徴とするセラミック発熱
体。