JPH09184626A - セラミックヒータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ表面の温度分布が良好であり、また、
グロープラグ等の応用製品への組み付けを安価に行うこ
とができるセラミックヒータを提供する。 【解決手段】 セラミックヒータ１は、セラミック基体
１３と、そのセラミック基体１３に埋設され、その両端
に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗
発熱するセラミック発熱体１０とを備えて構成される。
セラミック発熱体１０は、一方の基端部から延び先端部
で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その
方向変換部の各基端部から同方向に延びる直線部１０ｂ
とを備えるとともに、それら直線部１０ｂの断面形状
が、それら直線部１０ｂの対向方向において圧縮された
楕円状とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン用のグロープラグや、バーナ着火用あるいは酸素セン
サ用の加熱素子等に使用されるセラミックヒータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックグロープラグに使用さ
れるセラミックヒータとして、絶縁性セラミック基体に
対し、通電により抵抗発熱するセラミック発熱体を埋設
した構成を有するものが知られている。セラミック発熱
体には、その通電のために線状又はロッド状の電極部の
一端が埋設される。

【０００３】上述のようなセラミックヒータは、例えば
下記のようにして製造されている。すなわち、図９
（ａ）に示すように、まず射出成形等により、Ｕ字形の
導電性セラミック粉末成形体１３４（焼成後にセラミッ
ク発熱体となる）と電極部１３０との一体成形体１３５
を作る。一方、これとは別に、上記一体成形体１３５を
収容するための凹部１３８がその合わせ面に形成された
分割予備成形体１３６及び１３７（焼成後にセラミック
基体となる）を、基体セラミック粉末を用いてプレス成
形等により作製する。次に、上記凹部１３８に一体成形
体１３５を収容して分割予備成形体１３６及び１３７を
型合わせした後、これらを金型を用いてプレス・一体化
することにより、図９（ｂ）に示す複合成形体１３９を
得る。ここで、そのプレス方向は、図１０（ａ）に示す
ように分割予備成形体１３６及び１３７の合わせ面１３
９ａとほぼ直角に設定される。こうして得られた複合成
形体１３９に対し、同図（ｂ）に示すように、上記プレ
ス方向と同方向に加圧しながら焼成を行うホットプレス
処理が施され、さらに得られた焼成体の外周面に研磨を
施すことにより同図（ｃ）に示すセラミックヒータ１０
０が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の製造方法によれ
ば、図９（ａ）に示すように、複合成形体１３９におい
てＵ字形の導電性セラミック粉末成形体１３４の２本の
直線部１３４ｂは、分割予備成形体１３６及び１３７の
合わせ面１３９ａ上に配置される。そして、ホットプレ
ス処理においては、該複合成形体１３９に対し上記合わ
せ面１３９ａと直交する方向に加圧力が付加されるの
で、図１０（ｃ）に示すように、セラミック発熱体１１
０の各直線部１１０ｂの断面形状は、それらの対向方向
において長い楕円状に形成されることとなる。その結
果、直線部１１０ｂの表面からヒータ１００の表面まで
の距離が不均一となり、図１１に示すように、特にその
楕円短軸方向における距離Ｌ1と長軸方向における距離
Ｌ2との差が大きくなる結果、ヒータ表面の温度分布に
ムラを生じやすい欠点がある。そこで、図１０（ｄ）に
示すように、直線部１１０ｂの断面の楕円短軸方向にお
いて、ヒータ１００の断面寸法を小さくすることが考え
られるが、このような構成はヒータ外周面の研磨加工が
面倒である他、例えば当該ヒータ１００をグロープラグ
等に組み付ける場合、ヒータ１００を収容する外筒等の
断面形状もこれに対応した形状のものとしなければなら
ず、プラグの製造コストの上昇を招く問題が生ずる。

【０００５】本発明の課題は、ヒータ表面の温度分布が
良好であり、また、グロープラグ等の応用製品への組み
つけを安価に行うことができるセラミックヒータ及びそ
の製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明の
セラミックヒータは、セラミック基体と、そのセラミッ
ク基体に埋設され、その両端に接続された電極部を介し
て通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体
とを備えて構成され、上述の課題を解決するためにセラ
ミック発熱体が、一方の基端部から延び先端部で方向変
換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換
部の各基端部から同方向に延びる２本の直線部とを備
え、それら直線部の断面形状が、それら直線部の対向方
向において圧縮された楕円状とされたことを特徴とす
る。

【０００７】セラミック発熱体の２本の直線部の断面形
状を上述のようなものとすることにより、直線部表面か
らヒータ表面までの距離の不均一が是正され、ひいては
ヒータ表面の温度分布にムラが生じにくくなる。特に、
その楕円状の断面に対し、その長軸長さＰと短軸長さＱ
との比Ｐ／Ｑを１．２〜２．５の範囲内で設定すること
により、温度分布のムラはさらに生じにくくなる。な
お、より望ましくは、Ｐ／Ｑを１．６〜２．０で設定す
るのがよい。

【０００８】ここで、セラミック基体の断面は、セラミ
ック発熱体の２本の直線部の軸線間距離をほぼ等分する
位置にその中心を有する円形に形成することができる。
これにより、直線部の断面の楕円短軸方向と長軸方向と
の間において、該直線部の表面からヒータ表面までの距
離の差が小さくなり、ヒータ表面の温度分布をさらに均
一なものとすることができる。また、セラミック基体の
断面形状を円形とすることにより、ヒータ外周面の研磨
加工が容易となり、また、セラミックヒータをグロープ
ラグ等の応用製品に組み付ける場合において、ヒータを
保持する外筒等の部品の製造が容易となり、ひいては該
応用製品の製造コスト低減にも寄与する。

【０００９】上述のセラミックヒータの製造方法は、下
記の工程を含むことを特徴とする。 第一の成形工程：円状断面を有し、一方の基端部から
延び先端部で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換
部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びる２
本の直線部とを備えた導電性セラミック粉末成形部と、
その両端に接続された電極部とを有する一体成形体を製
造する。 第二の成形工程：一体成形体の外側を基体セラミック
粉末により覆った後これを圧縮することにより、その基
体セラミック粉末成形部内に一体成形体が埋設・一体化
された複合成形体を製造する。 焼成工程：複合成形体を、導電性セラミック粉末成形
部の２本の直線部の対向方向において加圧しながらこれ
を焼成することにより、円状断面を有する導電性セラミ
ック粉末成形部が楕円状断面を有するセラミック発熱体
とされ、基体セラミック粉末成形部がセラミック基体と
された焼成体を得る。

【００１０】上記方法によれば、円状断面を有する導電
性セラミック粉末成形部を、その直線部の対向方向に沿
う加圧力を加えながら焼成することにより、楕円状断面
を有するセラミック発熱体を容易に得ることができ、ひ
いては本発明のセラミックヒータを高能率で製造するこ
とができる。

【００１１】上記第二の成形工程は、より具体的には下
記の各工程を含むものとすることができる。 合わせ面において互いに型合わせされるとともに、そ
の合わせ面上に導電性セラミック粉末成形部の２本の直
線部が配列するように一体成形体を収容する凹部が形成
された分割予備成形体を、基体セラミック粉末により作
製する。 上記凹部に一体成形体を収容した状態で、分割予備成
形体を型合わせする。 それら型合わせされた一体成形体と分割予備成形体と
を、合わせ面とほぼ直交する向きに加圧して一体化する
ことにより、複合成形体を形成する。この場合、焼成工
程において複合成形体は、分割予備成形体の合わせ面に
沿う方向に加圧される。

【００１２】上記方法によれば、分割予備成形体を使用
することにより、導電性セラミック粉末成形部の基体セ
ラミック粉末成形部に対する位置決めを極めて容易に行
うことができ、セラミックヒータの製造効率向上に寄与
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照しつつ説明する。図１は、本発明に
係るセラミックヒータを使用したグロープラグを、その
内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープ
ラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ
１と、そのセラミックヒータ１の先端部２が突出するよ
うにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒
３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えてお
り、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金
属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合
されている。また、セラミックヒータ１の後端部には、
金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５
の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金
属ハウジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部
に嵌着されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウ
ジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成さ
れたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジ
ング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属
ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７
と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込
まれている。そして、金属ハウジング４の外周面には、
図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定
するためのねじ部５ａが形成されている。

【００１４】セラミックヒータ１は、図２に示すよう
に、一方の基端部から延び先端部で方向変換して他方の
基端部へ至る方向変換部１０ａと、その方向変換部１０
ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線部１０ｂと
を有するＵ字状のセラミック発熱体１０を備え、その各
両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端
部が埋設されるとともに、セラミック発熱体１０と電極
部１１及び１２の全体が、円形断面を有する棒状のセラ
ミック基体１３中に埋設されている。また、セラミック
発熱体１０は、方向変換部１０ａがセラミック基体１３
の末端側に位置するように配置されている。さらに、各
電極部１１及び１２は、セラミック基体１３中において
セラミック発熱体１０から離間する方向に延びるととも
に、その一方のもの（１２）は外筒３内において、他方
のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍
において、それぞれその後端部がセラミック基体１３の
表面に露出して、露出部１１ａ及び１２ａを形成してい
る。

【００１５】また、セラミック発熱体１０の方向変換部
１０ａからは、２本の直線部１０ｂがほぼ平行に延びて
おり、図３に示すように、その各々の断面形状は、それ
ら直線部１０ｂの対向方向において圧縮された楕円状と
されている。また、セラミック基体１３の断面は、セラ
ミック発熱体１０の２本の直線部１０ｂの軸線間距離を
ほぼ等分する位置Ｏにその中心を有する円形に形成され
ている。これにより、例えば図１１に示す従来のセラミ
ックヒータ１００に比べ、直線部１０ｂの表面からヒー
タ表面までの距離は、断面の楕円短軸方向（Ｌ1）と長
軸方向（Ｌ2）との間でその差が小さくなっている。ま
た、セラミック基体１３の断面形状は円形とされてお
り、これを保持するグロープラグ５０の外筒３も円筒状
のものとなっている。さらに、各直線部１０ｂは、その
楕円状の断面に対し、その長軸長さＰと短軸長さＱとの
比Ｐ／Ｑが１．２〜２．５、より望ましくは１．６〜
２．０の範囲で設定される。

【００１６】セラミック発熱体は、導電性を有するセラ
ミック、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、硅化モリブ
デン（Ｍｏ₂Ｓｉ₃）、炭化タングステンと窒化硅素（Ｓ
ｉ₃Ｎ₄）との複合物等により構成されるが、炭化硅素
（ＳｉＣ）など半導体セラミックスを使用することもで
きる。また、電極部１１及び１２はタングステン（Ｗ）
あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融
点金属材料で構成される。一方、セラミック基体１３
は、主に絶縁性のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、
チタニア（ＴｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライ
ト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ジルコン（ＺｒＯ₂・Ｓ
ｉＯ₂）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５
ＳｉＯ₂）、窒化硅素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）等により構成される。

【００１７】図２において、セラミック基体１３の表面
には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニ
ッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えば
メッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層
を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けによ
り接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介
して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部
１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されてお
り、ここに結合部材５がろう付けされている。このよう
に構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図
１）、結合部材５及び電極部１１を介してセラミック発
熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒
３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジ
ンブロックを介して接地される。

【００１８】以下、セラミックヒータ１の製造方法につ
いて説明する。まず、図４（ａ）に示すように、セラミ
ック発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を
有した金型３１に対し電極材３０を、その一方の端部が
該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そし
て、その状態で、導電性セラミック粉末とバインダとを
含有するコンパウンド３３を射出することにより、同図
（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の導電性セラ
ミック粉末成形部３４とが一体化された一体成形体３５
を作成する。なお、導電性セラミック粉末成形部３４は
ほぼ円形の断面を有するように形成される。

【００１９】一方これとは別に、セラミック基体１３を
形成するセラミック粉末を予め金型プレス成形すること
により、図５（ａ）に示すような、上下別体に形成され
た分割予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら
分割予備成形体３６及び３７は、上記一体成形体３５に
対応した形状の凹部３８がその合わせ面３９ａに形成さ
れている。次いで、この凹部３８に一体成形体３５を収
容し、分割予備成形体３６及び３７を該型合わせ面３９
ａにおいて型合わせする。そして、図６（ａ）に示すよ
うに、その状態でこれら分割予備成形体３６、３７及び
一体成形体３５を、金型６１のキャビティ６１ａ内に収
容し、パンチ６２及び６３を用いてプレス・圧縮するこ
とにより、図５（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、こ
れらが一体化された複合成形体３９が形成される。ここ
で、そのプレス方向は、分割予備成形体３６及び３７の
合わせ面３９ａに対しほぼ直角に設定される。

【００２０】こうして得られた複合成形体３９は、まず
バインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約
８００℃）で仮焼され、図７（ｂ）に示す仮焼体３９’
とされる。続いて図６（ｂ）に示すように、この仮焼体
３９’が、グラファイト等で構成されたホットプレス用
成形型６５及び６６のキャビティ６５ａ及び６６ａにセ
ットされる。仮焼体３９’は、炉６４内で両成形型６５
及び６６の間で加圧されながら所定の温度（例えば約１
８００℃）で焼成されることにより、図７（ｃ）に示す
ような焼成体７０となる。このとき、図５（ｂ）に示す
導電性セラミック粉末成形部３４がセラミック発熱体１
０を、分割予備成形体３６及び３７がセラミック基体１
３をそれぞれ形成することとなる。また、各電極材３０
はそれぞれ電極部１１及び１２となる。

【００２１】ここで、仮焼体３９’は、図６（ｂ）に示
すように、分割予備成形体３６及び３７の合わせ面３９
ａに沿う方向に圧縮されながら焼成体７０となる。そし
て、図７（ｃ）に示すように、導電性セラミック粉末成
形部３４の直線部３４ｂは、その円状断面が上記圧縮方
向につぶれるように変形することにより、楕円状断面を
有したセラミック発熱体１０の直線部１０ｂとなる。次
いで、図７（ｄ）に示すように、焼成体７０の外周面に
研磨等の加工を施すことにより、セラミック基体１３の
断面が円形に整形されて最終的なセラミックヒータ１と
なる。

【００２２】なお、本発明のセラミックヒータは、グロ
ープラグに限らず、バーナ着火用あるいは酸素センサ用
の加熱素子等に使用することもできる。

【００２３】

【実施例】上述のようにして得られたセラミックヒータ
１と、比較例として図１１に示す断面構造を有する従来
形のセラミックヒータ１００とのそれぞれに対し、室温
から、ヒータ表面の最高到達温度が９００℃となるまで
これを３秒で昇温させたときの、そのヒータ表面の温度
分布を調べた。図８に示すように、その温度測定点は、
２本の直線部１０ｂないし１１０ｂの軸線を結ぶ直線を
基準線として、Ａ：基準線とヒータ表面との交点近傍、
Ｂ：ヒータ断面の中心を通り上記基準線に直交する直線
とヒータ表面との交点近傍、Ｃ：ヒータ表面上において
上記Ａ及びＢを結ぶ線分の中点近傍、の３点である。す
なわち、実施例のセラミックヒータ１においては、各測
定点の温度はＡ＞Ｂ＞Ｃの順で低くなったが、ＡとＣと
の温度差は１０℃と小さく、比較的均一な温度分布が得
られた。一方、比較例のセラミックヒータ１００におい
ては、Ａ＞Ｃ＞Ｂの順で温度が低くなり、ＢとＡの温度
差は４０℃とかなり不均一な温度分布を示した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープ
ラグの一例を示す正面部分断面図。

【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図。

【図４】セラミックヒータの製造工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】図５に続く工程説明図。

【図７】本発明のセラミックヒータの製造方法におけ
る、複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模式
図。

【図８】本発明の一実施例としてのセラミックヒータの
表面温度分布を、従来のセラミックヒータと比較して測
定した実験の結果説明図。

【図９】従来のセラミックヒータの製造工程説明図。

【図１０】従来のセラミックヒータの製造方法におけ
る、複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模式
図。

【図１１】従来のセラミックヒータの断面図。

【符号の説明】

１ セラミックヒータ １０ セラミック発熱体 １１、１２ 電極部 １０ｂ 直線部 １３ セラミック基体 ３４ 導電性セラミック粉末成形部 ３５ 一体成形体 ３６、３７ 分割予備成形体 ３９ 複合成形体 ７０ 焼成体 ５０ グロープラグ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基体と、そのセラミック基体
   に埋設され、その両端に接続された電極部を介して通電
   されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備
   えたセラミックヒータにおいて、 前記セラミック発熱体は、一方の基端部から延び先端部
   で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その
   方向変換部の各基端部から同方向に延びる２本の直線部
   とを備え、それら直線部の断面形状が、それら直線部の
   対向方向において圧縮された楕円状とされていることを
   特徴とするセラミックヒータ。
2. 【請求項２】 前記セラミック発熱体は、その直線部の
   楕円状の断面に対し、その長軸長さＰと短軸長さＱとの
   比Ｐ／Ｑが１．２〜２．５の範囲内で設定されている請
   求項１記載のセラミックヒータ。
3. 【請求項３】 前記セラミック基体の断面は、前記セラ
   ミック発熱体の前記２本の直線部の軸線間距離をほぼ等
   分する位置にその中心を有する円形に形成されている請
   求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２に記載のセラミックヒー
   タの製造方法であって、 円状断面を有し、一方の基端部から延び先端部で方向変
   換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換
   部の各基端部から同方向に延びる２本の直線部とを備え
   た導電性セラミック粉末成形部と、その両端に接続され
   た電極部とを有する一体成形体を製造する第一の成形工
   程と、 その一体成形体の外側を基体セラミック粉末により覆っ
   た後これを圧縮することにより、その基体セラミック粉
   末成形部内に前記一体成形体が埋設・一体化された複合
   成形体を製造する第二の成形工程と、 その複合成形体を、前記導電性セラミック粉末成形部の
   ２本の直線部の対向方向において加圧しながら焼成する
   ことにより、円状断面を有する前記導電性セラミック粉
   末成形部が楕円状断面を有する前記セラミック発熱体と
   され、前記基体セラミック粉末成形部が前記セラミック
   基体とされた焼成体を得る焼成工程と、 を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
5. 【請求項５】 前記第二の成形工程は、 合わせ面において互いに型合わせされるとともに、その
   合わせ面上に前記導電性セラミック粉末成形部の前記２
   本の直線部が配列するように前記一体成形体を収容する
   凹部が形成された分割予備成形体を、前記基体セラミッ
   ク粉末により作製する工程と、 前記凹部に前記一体成形体を収容した状態で、前記分割
   予備成形体を型合わせする工程と、 それら型合わせされた前記一体成形体と前記分割予備成
   形体とを、前記合わせ面とほぼ直交する向きに加圧して
   一体化することにより、前記複合成形体を形成する工程
   とを含み、 前記焼成工程において前記複合成形体は、前記分割予備
   成形体の合わせ面に沿う方向に加圧される請求項４記載
   のセラミックヒータの製造方法。