JPH09190874A - セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック発熱体の通電耐久性に優れ、また
温度分布にムラが生じにくい構造を有するセラミックヒ
ータを提供する。 【解決手段】 セラミックヒータ１は、円状断面を有す
るセラミック基体１３と、それに埋設され、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
て他方の記端部へ至る方向変換部１０ａ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１０ｂ
とを備え、それら直線部１０ｂの断面は、セラミック基
体１３の断面内に設定された仮想的な円状領域１３ａに
各々内接する楕円状とされる。円状領域１３ａの径φＸ
とセラミック基体の断面径φＹとの比φＸ／φＹは、
０．３〜０．７の範囲内で設定される。また、直線部１
０ｂの楕円状の断面において、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
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。このようなセラ
ミックヒータは、例えば板状あるいはシート状の絶縁性
セラミック粉末成形体の表面に、導電性セラミック粉末
に溶媒を加えて混練したペーストを用いてパターン印刷
を行ったものを複数用意してこれを積層し、その積層体
をホットプレス等により焼成することにより製造されて
いる。この場合、該印刷された導電性セラミック粉末の
パターンが焼結されてセラミック発熱体が形成されるこ
ととなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示すように、
上述のようなセラミックヒータ１００においては、パタ
ーン印刷に基づくセラミック発熱体１０１の厚さが１０
〜３０μmと薄く、セラミック発熱体１０１のセラミッ
ク基体１０２に対する体積率が小さいので、セラミック
ヒータ１００表面の温度分布に不均一が生じやすい。ま
た、セラミック発熱体１０１は、上述のように非常に薄
く形成されているため、焼成時に寸法収縮のばらつきの
影響を受けて厚さが不均一になりやすい。そのため、セ
ラミック発熱体１０１に発熱ムラが生じやすく、長期に
渡る通電耐久性が確保できない場合がある。

【０００４】本発明の課題は、セラミック発熱体の通電
耐久性に優れたセラミックヒータを提供することにあ
る。

【０００５】

【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、外周の少なくとも一部が円弧状に
形成された断面を有するセラミック基体と、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、
下記の特徴を備える。すなわち、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
断面が、セラミック基体の断面内に設定された仮想的な
円状領域（以下、発熱体存在域ともいう）に各々内接す
る楕円状とされる。また、その仮想的な円状領域の径φ
Ｘとセラミック基体の断面径φＹとの比φＸ／φＹが
０．３〜０．７の範囲内で設定される。さらに、直線部
の楕円状の断面は、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る。なお、
セラミック基体の断面径φＹは、セラミック基体の断面
外周の全体が円弧状に形成される場合、すなわち、断面
外周が円状に形成される場合は、その円状の外周の直径
により定義されるものとする。また、一部のみが円弧状
に形成される場合は、φＹは、その円弧状の外周部を与
える円状領域の直径として定義されるものとする。

【０００６】すなわちφＸ／φＹが０．３〜０．７とな
るように発熱体存在域を確保しつつ、Ｐ／Ｑを１．２〜
２．５とすることにより、セラミックヒータ表面を速や
かにかつ均一に発熱させることができる。Ｐ／Ｑが１．
２〜２．５の範囲を外れて設定されると、セラミックヒ
ータ表面に発熱ムラが生ずる場合がある。また、φＸ／
φＹが０．３未満となると、セラミック発熱体表面から
セラミック基体表面までの距離が大きくなり過ぎて、セ
ラミックヒータ表面の温度上昇が鈍くなる問題が生ず
る。一方、セラミック発熱体の強度は一般にそれほど高
くないため、セラミック基体は該セラミック発熱体を補
強する役割も果たしている。しかしながら、φＸ／φＹ
が０．７を越えると、セラミック発熱体表面からセラミ
ック基体表面までの距離が小さくなり過ぎ、上述の補強
効果が不十分となる場合も生じうる。それ故、φＸ／φ
Ｙは上述の範囲に設定される。なお、より望ましくは、
Ｐ／Ｑを１．６〜２．０とし、φＸ／φＹを０．５〜
０．６とするのがよい。

【０００７】次に、セラミック発熱体は、その直線部の
楕円状の断面の短軸長さＱを０．１mm以上に設定するこ
とで、発熱体のセラミック基体に対する体積率が大きく
なり、セラミックヒータの温度分布を均一なものとする
ことができる。また、焼成時における寸法収縮のばらつ
きの影響が小さくなるので、セラミック発熱体に発熱ム
ラが生じにくくなり、ひいてはセラミック発熱体の長期
に渡る通電耐久性を確保することができる。短軸長さＱ
は、より望ましくは０．５mm以上に設定される。

【０００８】セラミック発熱体の各直線部の断面は、そ
れら直線部の対向方向において圧縮された楕円状に形成
することができる。これにより、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。このようなセ
ラミックヒータの製造方法として、下記の工程を含むも
のを採用することができる。 第一の成形工程：前述のセラミック発熱体に対応した
形状を有する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、上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
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。

【０００９】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る。

【００１０】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、複合粉末成形体を形成する。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。

【００１１】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、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。

【００１２】

【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。

【００１３】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。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の先端
側に位置するように配置されている。また、各電極部１
１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。

【００１４】また、図３に示すように、セラミック発熱
体１０の各直線部１０ｂの断面形状は、それらの対向方
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。また、直線部１
０ｂの断面は、セラミック基体の断面内に設定され、上
記Ｏを中心とする仮想的な円状領域（発熱体存在域）１
３ａに各々内接している。また、その発熱体存在域１３
ａの径φＸとセラミック基体の断面径φＹとの比φＸ／
φＹは、０．３〜０．７（望ましくは０．５〜０．６）
の範囲内で設定されている。さらに、セラミック発熱体
は、その直線部の楕円状の断面において、その長軸長さ
Ｐと短軸長さＱとの比Ｐ／Ｑが１．２〜２．５（望まし
くは１．６〜２．０）の範囲内で設定され、かつＱが
０．１mm以上（望ましくは０．５mm以上）とされてい
る。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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に一体射出成形体３５
を収容し、分割予備成形体３６及び３７を該型合わせ面
３９ａ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
及び一体射出成形体３５を、金型６１のキャビティ６１
ａ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。

【００１９】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。

【００２０】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（図７
（ｃ））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。

【００２１】なお、図９に示すように、直線部１０ｂの
断面の楕円長軸方向において、セラミック基体１３の両
側を一部切り欠くことにより、平坦部１３ａを形成する
ことができる。これにより、直線部１０ｂの表面からセ
ラミック基体１３の表面までの距離のばらつきがさらに
是正され、ヒータ表面の温度分布をより均一なものとす
ることができる。

【００２２】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】

（実施例１）上述の方法により作製したセラミックヒー
タ１と、比較例として図１０に示すようなセラミックヒ
ータ１００とをそれぞれ用意した。セラミックヒータ１
００においては、薄層状のセラミック発熱体１０１がパ
ターン印刷法により、ヒータ１００の軸線を挟んで上下
及び左右に２層ずつ、計４層形成されている。これら各
セラミックヒータを、その表面の最高温度が１４００℃
となるように昇温したときの、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、実施例
のセラミックヒータについては、２本の直線部１０ｂの
軸線を結ぶ直線を基準線Ｈとして、Ａ：基準線Ｈとヒー
タ表面との交点近傍、Ｂ：ヒータ断面の中心Ｏを通り上
記基準線Ｈに直交する直線Ｊ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点とした。また、比較例のセラミック
ヒータ１００については、Ａ：ヒータ断面の中心Ｏを通
り各セラミック発熱体１０１の層面に沿う直線とヒータ
表面との交点近傍、Ｂ：ヒータ断面の中心Ｏを通り各セ
ラミック発熱体１０１の層面と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点とした。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の順で低くなり、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、Ｃ＞Ｂ＞Ａの順で
温度が低くなり、ＣとＡの温度差は３０℃とかなり不均
一な温度分布を示した。

【００２４】（実施例２）上述の方法により、Ｑ、Ｐ／
Ｑ及びφＸ／φＹの値を各種変化させたセラミックヒー
タを作製し、その通電耐久性を調べた。通電耐久性は、
セラミックヒータに対し一定の電圧により通電し、温度
が平衡してから５分保持した後、室温まで冷却して３分
保持する工程を１サイクルとして、各セラミックヒータ
毎にこれを１００００サイクル繰返し、その段階で１回
目の通電時よりも１５０℃以上の発熱温度の低下が見ら
れたものを不良（×）、そうでなかったものを良（○）
とすることにより判定した。なお、通電電圧は、１回目
通電時におけるヒータの最高到達温度が１４００℃とな
るように設定した。結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】Ｑ、Ｐ／Ｑ及びφＸ／φＹの各値が本発明
の要件を満たすセラミックヒータは、いずれも良好な通
電耐久性を示していることがわかる。

【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】実施例１における、セラミックヒータの温度測
定点の位置を示す模式図。

【図９】セラミック基体の両側に平坦部を形成したセラ
ミックヒータの例を示す断面図。

【図１０】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 １３ａ 仮想的な円状領域（発熱体存在域）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周の少なくとも一部が円弧状に形成さ
   れた断面を有するセラミック基体と、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は、前記セラミック基体の断面内に
   設定された仮想的な円状領域に各々内接する楕円状とさ
   れ、 その仮想的な円状領域の径φＸと、前記セラミック基体
   の断面径φＹとの比φＸ／φＹが０．３〜０．７の範囲
   内で設定され、さらに、 前記直線部の楕円状の断面は、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
   た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、前記Ｑの値が
   ０．１mm以上に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】 前記セラミック発熱体の各直線部の断面
   は、それら直線部の対向方向において圧縮された楕円状
   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。