JP4153849B2 - セラミックヒータおよびそれを用いたグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータおよび、それを用いたグロープラグに関する。詳しくは、石油ファンヒーターの着火用、または、その他の加熱に用いられるセラミックヒータおよびそのセラミックヒータを用いてディーゼルエンジンの始動促進用などに使用されるグロープラグに関する。

近年、排気ガスの規制に対応するため、ディーゼルエンジンの燃焼方式が、副燃焼室を有するタイプから、直接噴射型、いわゆる直噴型に移行し、さらに、マルチバルブ化が行われてきている。このような直接噴射型のディーゼルエンジンに用いるグロープラグは、シリンダヘッドの壁面を通って主燃焼室に臨むため、副燃焼室を予熱するタイプに比べて全長を長くし、しかも、細径にすることが必要である。さらに、シリンダヘッドの強度を確保するためにシリンダヘッドの厚さを大きくする必要がある。

そのため、グロープラグを装着する挿入孔が非常に細く、しかも、長くなってきており、それに合わせてグロープラグも非常に細長く形成する必要がでてきた。

従って、前述のようなグロープラグの長尺化の要求に応えるとともに、セラミックヒータの全長を短縮してコストダウンを図るために、セラミックヒータを、その発熱体が埋設されている発熱部が外部に突出するようにして金属製外筒の一端側に固定した構造のグロープラグが提案されている。

例えば、図３に特許文献１に開示された従来のグロープラグを示す。特許文献１のグロープラグは金属製外筒８の先端開口部から内部にガラス３０Ａによりセラミックヒータ６を保持固定して構成されている。

このセラミックヒータ６は、絶縁性セラミックスからなる円筒状のセラミック体６ａ中に、高融点金属（例えばタングステン等）のコイルや導電性セラミックス等の発熱抵抗体６４を埋設してなる。そして、セラミック体６ａの端面６ｂの中央部に、外周部６ｂｆよりも突出した円形の突出部６ｂｅを形成するとともに、この突出部６ｂｅの側面に、発熱抵抗体６４に接続された陽極側リード線６８の先端部６８ａの側面を露出させている。一方、電極取り出し金具１２の先端にはカップ状（有底円筒状）に形成した陽極端子５０を接続し、この陽極端子５０をセラミックヒータ６の端面６ｂに形成された突出部６ｂｅに嵌合させてロウ付けにより接合している。また、発熱抵抗体６４の陰極側の引出部を絶縁性セラミックスの側面から露出させて金属製外筒８に接続している。

セラミックヒータ６の製造としては、焼結時に陽極側リード線６８を偏芯させて焼成を行い、焼結成形後のセラミックヒータ６の端面６ｂを研削等により段付き形状にして円形突出部６ｂｅを形成し、その円形突出部６ｂｅの側面にリード線６８の先端６８ａが露出するようにしている。

特許文献１においてはカップ状の陽極端子５０をセラミックヒータ３０の端部の円形突出部６ｂｅに嵌合させてロウ付けしたので、このロウ付け部分１６の強度が向上する。さらに、ロウ付け部分１６を端面６ｂから突出させたので、その周囲の部分にロウ材が残らず、電極取り出し金具１２と金属製外筒８との短絡を防止することができるというものである。
特開２００２−１２２３２６号公報（第８頁、図１）

特許文献１のように、陽極端子５０を突出部６ｂｅに嵌合し、ロウ付けにより接続するようにした構成では、これら両者を確実に接続できる点で優れているが、陽極端子５０の局所発熱が発生しやすくセラミックヒータの通電耐久性が悪化する問題があった。

このため、セラミックヒータ６に対して、これまで以上に通電耐久性を備えることが望まれてきている。

本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、陽極端子の局所発熱を抑えて、通電耐久性を十分に備えるセラミックヒータおよび、このセラミックヒータを用いて急速に昇温することが可能なグロープラグを提供することを目的とする。

本発明のセラミックヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体中に内蔵された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続され前記セラミック体の表面側に導出されたリード線と、該リード線と接続され前記セラミック体の表面に露出した引出部と、該引出部の露出部と接続された陽極端子とを備えている。そして、前記セラミック体の一方端面に突出部を形成するとともに、前記引出部が前記突出部の側壁の複数箇所で露出し、かつ、前記引出部の露出部が、前記突出部の側壁を介して対向する位置に形成されるとともに前記露出部のそれぞれに前記陽極端子が接続可能に構成されていることを特徴とする。

また、前記突出部の外径Ａと前記セラミック体の外径Ｂとの比が、０．４≦Ａ／Ｂ≦０．８８であるのが好ましい。

さらに、前記引出部の露出部の断面積が１×１０^５〜６．８×１０^５μｍ^２であることが好ましい。

そして、金属製外筒の先端開口部に上述のセラミックヒータを挿入固定したことを特徴とするグロープラグを提供する。

本発明の構成によれば、引出部が突出部の側壁の複数箇所から引き出されて露出し、その露出部のそれぞれに陽極端子が接続可能に構成されている。そのため、陽極端子から高い電圧を印加したとしても、少ない電流を引出部に流すことが可能となり、引出部の発熱が抑えられる。さらに、引出部の露出部が、突出部の側壁を介して対向する位置に形成されることから、引出部の局所発熱箇所の距離を極大にすることができるので、突出部の熱応力を抑え通電耐久性を高めることができる。
従って、電圧印加時における突出部の耐熱衝撃に強く、通電耐久性の優れたセラミックヒータを提供することができる。また、このような耐熱衝撃に強いセラミックヒータを用いたグロープラグでは着火不良がなく信頼性を格段に向上させることが可能である。

本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

図１は、本発明のセラミックヒータの断面図、図２は本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。

図１に示すように、本発明のセラミックヒータ１０は、セラミック体１１中に内蔵する発熱抵抗体１２と、発熱抵抗体１２の一方側に接続してセラミック体１１の端面側に導出するリード線１５ｂと、リード線１５ｂと接続しセラミック体１１の表面に露出させる引出部１３ａと、引出部１３ａの露出部と接続する陽極端子１４とが形成されている。また、発熱抵抗体１２の他方側に接続してセラミック体１１の側面側に導出するリード線１５ａと、そのリード線１５ａの先端と接続し、セラミック体１１の側面に露出する引出部１３ｂとが形成され、陰極側に接続可能に構成されている。

セラミック体１１は棒状の電気絶縁性セラミックスからなり、その一方端面は突出部１６を形成している。また、先端側の内部には発熱抵抗体１２を埋設させている。この発熱抵抗体１２はＵ字形の棒状体であり、導電成分、抵抗温度係数を調節するための調整成分、および絶縁成分であるセラミック成分を含有している。また、引出部１３ａ、１３ｂは図１に示すように、リード線１５ａ、１５ｂの先端に接続されており、特に、引出部１３ａはリード線１５ｂの先端に接続されて突出部１６の側壁の２カ所に引き出され露出している。

陽極端子１４は材質がＳＵＳ３０４、等からなり、先端がカップ状に形成し外部から所定電圧が印加可能に構成されている。この陽極端子１４は上述の引出部１３ｂから側壁の２カ所に引き出され２カ所が露出したものを確実に接続するために形成したものであり、露出部を増加させても陽極端子１４を確実に接続させることができる。陽極端子１４の先端をカップ状に形成したが、これに限定されず、露出部に対応して先端が複数に別れて接続可能に構成しても良い。

そして、引出部１３ａに外部電源から通電すると、セラミック体１１内に設けられたＵ字型の発熱抵抗体１２の端部に給電されて発熱抵抗体１２が発熱を開始するが、発生した熱はセラミック体１１内部を伝導して表面に到達する。

しかし、引出部１３ａに陽極端子１４に印加した直後は、発生した熱がセラミック体１１内部を十分に伝わっておらず、突出部１６は引出部１３ａの発熱によりセラミック体１１との温度差が生じる。従って、突出部１６において引出部１３ａに局所発熱が発生しセラミックヒータ１０の通電耐久性が悪化しやすい。

本発明のセラミックヒータ１０においては、突出部１６の側壁に陽極端子１４と接続する２つ以上の引出部１３ａが露出させており、その露出部のそれぞれに陽極端子１４が接続可能に設けられているため、突出部１６の部分抵抗を下げることができ、電圧突入時の引出部１３ａの局所発熱を抑えることができ、突出部１６の熱応力を抑え通電耐久性を高めることができる。

そして、更に好ましい形態としては、図１に示すように、引出部１３ａの露出部が、突出部１６を介して対向する位置に形成するのがよい。このような位置に形成することによって、わずかにも発生する引出部１３ａの局所発熱箇所の距離を極大にすることができ、突出部１６の熱応力を抑え通電耐久性を高めることができる。

さらに、突出部１６の外径Ａとセラミック体１１の外径Ｂとの比が、０．４≦Ａ／Ｂ≦０．８８とするのがよい。外径の比Ａ／Ｂが０．４より小さいと引出部１３ａの側面を露出させている距離が長くなるため、引出部１３ａの抵抗が高くなり、電圧突入時に突出部１６に局所発熱が発生し、これに伴う熱応力が高くなり、外径の比Ａ／Ｂが０．８８より大きいと突出部１６の直径が細くなり突出部１６の耐荷重が低くなり、突出部１６にクラックが発生する。このクラックは引出部１３ａが１箇所で片側にのみ形成される場合に発生しやすくなる。

さらに、引出部１３ａの露出部の面積が１×１０^５〜６．８×１０^５μｍ^２とするのがよい。引出部１３ａの断面積が１×１０^５ μｍ^２より小さいと引出部１３ａの側面と陽極端子１４との接触抵抗が高くなり、電圧突入時に突出部１６に局所発熱が発生し、これに伴う熱応力が高くなる。また、引出部１３ａの露出部の面積が６．８×１０^５μｍ^２より大きいと引出部１３ａが突出部１６における異物としての影響が大きくなり、熱応力に伴うクラックが引出部１３ａおよび突出部１６に発生する。

セラミック体１１を構成する電気絶縁性セラミックスは、通常、発熱抵抗体１２及びリード線１５ａ、１５ｂなどと一体に焼成され、焼成後これらは一体となっている。この電気絶縁性セラミックスは発熱抵抗体１２およびリード線１５ａ、１５ｂなどに対して−２０〜１５００℃において十分な絶縁性を有すればよい。特に、発熱抵抗体１２に対して、１０^８倍以上の絶縁性を有することが好ましい。

この電気絶縁性セラミックスを構成する成分は特に限定されないが、窒化物セラミックスが望ましい。窒化物セラミックスは、比較的熱伝導率が高く、セラミック体１１の先端から他端側へ効率的に熱を伝えることができ、セラミック体１１の先端と他端側との温度差を小さくすることができるからである。例えば、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちのいずれかのみから構成されてもよく、窒化ケイ素質セラミックス、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちの少なくとも一種を主成分としてもよい。

特に、窒化物セラミックスの中でも窒化ケイ素質セラミックスとすることにより、熱衝撃に強く、耐久性の優れたセラミックヒータ、およびグロープラグとすることができる。この窒化ケイ素質セラミックスは、窒化ケイ素を主成分とするものが広く含まれ、窒化ケイ素のみならず、サイアロンなども含まれる。さらに、通常、焼結助剤（Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒなどの各酸化物など）が数質量％（２〜１０質量％程度）配合されて焼成される。また、焼結助剤粉末は特に限定されず、窒化ケイ素の焼成に一般に用いられる希土類酸化物などの粉末を使用することができる。とくに、Ｅｒ_２Ｏ_３など、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼結助剤粉末を用いると耐熱性が高くなることからより好ましい。

さらに、発熱抵抗体１２を構成する各金属元素の硼化物が含有されてもよく、下記導電成分との熱膨張率の差を小さくするために少量の導電成分を含有してもよい。

また、発熱抵抗体１２は、通常、導電成分と絶縁成分とを含有する。この導電成分は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒ等から選ばれる１種以上の元素の珪化物、炭化物又は窒化物等の少なくとも１種であり、絶縁成分は窒化ケイ素質焼結体等である。特に、絶縁成分及び／又は絶縁体を構成する成分に窒化ケイ素が含有される場合は、導電成分として炭化タングステン、珪化モリブデン、窒化チタン又は珪化タングステン等の少なくとも１種を用いることが好ましい。

導電成分は、絶縁成分及び絶縁体を構成する成分との熱膨張差が小さいことが好ましく、融点はセラミックヒータの使用温度（１４００℃以上、更には１５００℃以上）を越えることが好ましい。また、発熱抵抗体１２中に含まれる導電成分と絶縁成分との量比は特に限定されないが、発熱抵抗体１２を１００体積％とした場合に、導電成分を１５〜４０体積％とすることが好ましく、２０〜３０体積％とすることがより好ましい。

図２に示すグロープラグ２６は、ハウジング２５の先端に保持された金属製外筒２２の先端開口部からセラミックヒータ１０を挿入固定して構成されている。

セラミックヒータ１０の陰極側に接続されて露出した引出部１３ｂは金属製外筒２２の内部側でロウ付けにより電気的に接続されている。この金属製外筒２２はステンレスなどの導電材料によって形成され、セラミック体１１を嵌装し、ロウ付けなどにより固着されている。また、引出部１３ｂと金属製外筒２２は互いに電気的に接触し、金属製外筒２２自体が接地電極としての作用を有しているため、金属製外筒２２を他の部材に取り付けたときに、金属製外筒２２自体を介して給電することが可能となる。

本発明のセラミックヒータおよびそれを用いたグロープラグの製造方法を説明する。

セラミックヒータ１０を作製するためには、まず、発熱抵抗体１２を構成する成分として示した導電成分と、絶縁成分を含有するペーストを作製し、これを上記の電気絶縁性セラミックス中に埋入させる。

まず、ペーストは、通常、ペースト全体を１００質量％とした場合に、導電成分及び絶縁成分を合計で７５〜９０質量％含有する。このペーストは、例えば、これらの成分を各原料粉末として所定量を湿式混合し、その後、乾燥させ、更に、ポリプロピレン、ワックス等の所定量のバインダ等と混合することにより得ることができる。このペーストは更に、適度に乾燥させて取り扱い易いように成形加工したペレット状等のものであってもよい。

また、埋入はどのように行ってもよいが、例えば、型内に突出するリード線の長さを調節して固定し、この型内に上記ペーストを注入することにより行うことができる。更に、所定の形状に成形したペーストにリード線を挿入するように接触長を調製し、埋入させることもできる。

その他、棒状基体の原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面に適度なバインダなどを調合した上記ペーストを作り、これを発熱部リード部および電極部の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントして形成しても良い。

このようにして、この発熱抵抗体１２をセラミック体１１用の原料とともに、プレス成形して一体に加圧することにより、基体の形状を有する粉末成形体を得る。そして、さらにこのセラミックヒータ成形体を、黒鉛製などの加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、必要に応じて仮焼してバインダを除去した後、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することによって、セラミックヒータ１０を得ることができる。

セラミックヒータ１０の端面１６ａの中央部に、外周部１６ａｂよりも突出した円形の突出部１６ａａを形成するとともに、この突出部１６ａａの側面に、発熱抵抗体１２に接続された陽極側リード線１５ｂを介して引出部１３ａの側面を露出させている。一方、カップ状（有底円筒状）に形成した陽極端子１４と、この引出部１３ａを前記セラミックヒータ１０の端面１６ｂに形成された突出部１６ａａに嵌合させてロウ付けにより接合している。

円形の突出部１６は、突出形状のメス型形状のダイヤ砥石によって研削することによって形成したり、セラミックヒータ１０は成形体の際に切削して形状を成形しても良い。また、セラミックヒーター１０の成形体をプレス成形する際の金型にて形状を成形しても良い。

上述の方法により作製したセラミックヒータ１０を、ステンレス製の金属製外筒２２に嵌装し、ロウ付けした後、ハウジング２５にロウ付けおよびかしめを行うことで固定し、グロープラグ２６が完成する。

なお、本発明のセラミックヒータ１０は、焼結時に陽極側リード線１５ｂを偏芯させておき、焼結成形後のセラミックヒータ１０の端面１６ｂを研削等により段付き形状にして突出部１６を形成し、その突出部１６の側壁にリード線１５ｂから引き出された引出部１３ａの両側面を直接露出するようにしている。この構成によりリード線１５ｂの側面に陽極端子１４の先端が複数分岐して接続されるため、接続面積が大きくとることができ、接続をより確実にすることができる。また、陽極端子１４の先端をカップ状に形成し、突出部１６に嵌合させてロウ付けしたので、このロウ付け部分１６の強度が向上する。

次に本発明の実施例を説明する。

次に示す方法により、図１に示すセラミックヒータ１０を作製した。

セラミック体１１を構成する電気絶縁性セラミックスの主成分として９０〜９２モル％の窒化ケイ素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化ケイ素を窒化ケイ素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０質量％と１〜５質量％添加混合して原料粉末を調整した。

その後、原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを発熱抵抗体１２および引出部１３の導体形状にスクリーン印刷法によりプリントした。

さらに、上記発熱抵抗体１２と引出部１３成形体の間に、タングステンを主成分とする導電体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成することにより、セラミック体１１と発熱抵抗体１２を一括焼成した。

次にセラミックヒータ１０の端面１６ａの中央部に、研削により外周部１６ａｂよりも突出した円形の突出部１６ａａを形成するとともに、この突出部１６ａａの側面に、発熱抵抗体１２に接続された陽極側リード線１５ｂを介して引出部１３ａの側面を露出させた。一方、カップ状に形成した陽極端子１４と、この引出部１３ａを前記セラミックヒータ１０の端面１６ｂに形成された突出部１６ａａに嵌合させてロウ付けにより接合させた。

引出部１３ａは４ヶ所、２ヶ所、１ヶ所とし、それぞれの引出部１３ａの方向を対向および片側とした。引出部１３ａを対向の配置とするには４ヶ所の場合、突出部１６の周方向９０°おきに均等に２組の対向引出部１３ａとし、２ヶ所の場合、突出部１６の周方向１８０°おきの１組の対向引出部１３ａとした。引出部１３ａが対向に配置されるには隣り合う引出部が９０°以上離れていればよいとした。

また、引出部１３ａを片側の配置とするには、突出部１６の周方向３０°以内の範囲に全ての引出部１３ａを集約させて配置した。

さらに、前記突出部１６の外径Ａと前記セラミック体１１の外径Ｂとの比Ａ／Ｂを様々に変化させたセラミックヒータ１０のサンプルを作成した。

また、前記引出部１３ａの断面積も様々に変化させたセラミックヒータ１０のサンプルを作成した。

それぞれ用意したサンプルの発熱抵抗体１２に電圧を印加して発熱抵抗体１２をジュール発熱させ、セラミックヒータの飽和温度が１４００℃となるような電圧Ａを印加し、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気をセラミックヒータ最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を３分とした熱サイクルで１００００サイクルの通電耐久試験後の温度変化を調べる評価を実施した。

以上の結果を表１に示す。

なお、温度変化については１００００サイクルの通電耐久試験後に、耐久試験前のセラミックヒータの飽和温度が１４００℃となるような電圧Aを印加した際の温度変化とした。

そして、判定として、温度変化が-２５℃以内のものを◎（大変良い）、-４５℃以内のものを○（良い）、−１００℃以内のものを△（許容範囲内）、−１００℃を越えるものを×（不可）とした。

表１に示した結果より、本発明の範囲内であるＮｏ．１〜３３のサンプルについては、１００００サイクル後の温度変化において、許容範囲内の結果を得ることができた。しかしながら、試料Ｎｏ．３４〜４２に示した本発明の範囲外であるサンプルは、１００００サイクル後の温度変化において、良好な結果を得ることができなかった。

Ｎｏ．２〜８、Ｎｏ．１４〜２０のサンプルについては、複数の引出部を備え、引出部方向が対向し、直径比が０．４≦Ａ／Ｂ≦０．８８であり、引出部の断面積が１×１０５〜６．８×１０５μm2であることから１００００サイクル後の温度変化は-２５℃以内の大変良い結果が得られた。

さらに、比較例としてＮｏ．３６、Ｎｏ．３９〜４２のサンプルにおいては引出部３ａまたは突出部１６にクラックも観察された。

また、今回の実施例により良好な結果が得られた、Ｎｏ．１〜３３の条件で作製したセラミックヒータ１０に、金属製外筒２２、ハウジング２５をロウ付けおよびかしめを行って固定し、グロープラグ２６を作製したところ、電圧を印加して発熱体をジュール発熱させ、グロープラグ先端の飽和温度が１４００℃とし、電圧印加時間を５分、その後電圧をカットし常温の圧縮空気を最高発熱部に吹き付け冷却させることにより強制冷却する時間を３分とした熱サイクルで１００００サイクルの評価を行ったが、１００００サイクル後の温度変化は-２５℃以内の大変良い結果が得られ、金属製外筒２２とセラミック体２１との接触点をはじめ、どの点においても全く破損は認められず、グロープラグとして優れた耐熱衝撃性を示すことがわかった。

本発明のセラミックヒータの断面図である。 本発明のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。 従来のセラミックヒータを用いたグロープラグの断面図である。

符号の説明

１０：セラミックヒータ
１１：セラミック体
１２：発熱抵抗体
１３：引出部
１４：陽極端子
１５：リード線
１６：突出部
２０：セラミックヒータ
２２：金属製外筒
２４：陽極端子
２５：ハウジング
２６：グロープラグ

Claims (4)

1. 棒状のセラミック体と、該セラミック体中に内蔵された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続され前記セラミック体の表面側に導出されたリード線と、該リード線と接続され前記セラミック体の表面に露出した引出部と、該引出部の露出部と接続された陽極端子とを備えたセラミックヒータにおいて、前記セラミック体の一方端面に突出部を形成するとともに、前記引出部が前記突出部の側壁の複数箇所で露出し、かつ、前記引出部の露出部が、前記突出部の側壁を介して対向する位置に形成されるとともに前記露出部のそれぞれに前記陽極端子が接続可能に構成されていることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 前記突出部の外径Ａと前記セラミック体の外径Ｂとの比が、０．４≦Ａ／Ｂ≦０．８８であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記引出部の露出部の面積が１×１０^５〜６．８×１０^５μｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
4. 金属製外筒の先端開口部に請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータを挿入固定したことを特徴とするグロープラグ。

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