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JP3078418B2 - セラミック発熱体 - Google Patents

セラミック発熱体

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Publication number
JP3078418B2
JP3078418B2 JP05038689A JP3868993A JP3078418B2 JP 3078418 B2 JP3078418 B2 JP 3078418B2 JP 05038689 A JP05038689 A JP 05038689A JP 3868993 A JP3868993 A JP 3868993A JP 3078418 B2 JP3078418 B2 JP 3078418B2
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JP
Japan
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heating element
ceramic
ceramic heating
heating resistor
base material
Prior art date
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JP05038689A
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English (en)
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JPH06251862A (ja
Inventor
三千雄 大野
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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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
動補助用グロープラグや、各種燃焼機器の点火用及び各
種加熱機器や測定機器の加熱用ヒーター等に用いられる
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、確実な点火という観点か
らの信頼性に欠け、未着火の場合の安全性に問題がある
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、1000℃前後のヒ
ーターとして内燃機関のグロープラグをはじめ、広く利
用されるようになってきた。
【0005】前記セラミック発熱体としては、例えば図
3に示すように高融点金属の一種であるモリブデン(M
o)の珪化物を発熱抵抗体15としたり、該モリブデン
(Mo)の珪化物を含有した絶縁体を発熱抵抗体の基体
16とするものが提案されている(特開平2−5123
5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、前記セ
ラミック発熱体17を1000℃前後のヒーターとして
急速昇温すると、飽和温度が1300℃以上の高温とな
り、前記発熱抵抗体15が酸化して抵抗変化を起こし、
高温耐久性が劣化する恐れがあるため、ブレーキングコ
イル18等の部品を余分に設けて温度を下げて使用しな
ければならず、また、前記基体16に関しても1300
℃を超える高温下では絶縁抵抗が低下し、前記同様に高
温耐久性に劣る恐れがあり、複雑な構造の上、高コスト
となる等の課題がある。
【0007】
【発明の目的】本発明は前記欠点に鑑み開発されたもの
で、その目的は発熱抵抗体及び基体の耐酸化性を向上さ
せ、かつ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。
【0008】
【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、母材が窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分
とし、該母材より大きい熱膨張係数を有する金属の炭化
物、珪化物、窒化物および硼化物より選ばれた一種以上
を3〜25重量%含有し、かつその含有物が3〜25μ
mの平均粒径を有するセラミック焼結体中に無機導電材
から成る発熱抵抗体を埋設し、とりわけ前記セラミック
焼結体中に埋設した発熱抵抗体の発熱部における両電極
間の絶縁抵抗が、1400℃の高温において10.0k
Ω/mm以上であることを特徴とするものである。
【0009】
【作用】本発明のセラミック発熱体は、母材を窒化珪素
または窒化アルミニウムを主成分とし、該母材より大き
い熱膨張係数を有する金属の炭化物、珪化物、窒化物お
よび硼化物より選ばれた一種以上を3〜25重量%含有
させ、かつその含有物が3〜25μmの平均粒径を有す
るセラミック焼結体中に無機導電材から成る発熱抵抗体
を埋設することにより、母材の耐酸化性が向上して、高
温での耐久性が増すこととなる。
【0010】
【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
熱体の基体を成す窒化珪素(Si3 4 )を主成分とす
る母材に、含有物がモリブデン(Mo)の珪化物(Mo
Si2 )であるセラミック焼結体を示す組織を200倍
に拡大した模式図である。
【0011】図1において、2は窒化珪素(Si
3 4 )を主成分とする母材4中に、含有物5として珪
化モリブデン(MoSi2 )の粒子を分散して成るセラ
ミック焼結体である。
【0012】図2は本発明のセラミック発熱体をディー
ゼルエンジンの始動補助用に使用されるグロープラグに
適用した一実施例を示す断面図である。
【0013】図1及び図2において、1はセラミック焼
結体2中に無機導電材から成る発熱抵抗体3を埋設した
セラミック発熱体で、セラミック発熱体1の発熱部6の
発熱抵抗体3は、コイル状に密に捲回した無機導電材か
ら成る発熱抵抗線7で構成され、発熱抵抗線7の軸芯方
向の断面形状は偏平な楕円形状を成し、基体を成すセラ
ミック焼結体2が、窒化珪素(Si3 4 )または窒化
アルミニウム(AlN)を主成分とする母材4中に、含
有物5として珪化モリブデン(MoSi2 )の粒子を分
散して成るものである。
【0014】前記セラミック発熱体1には、筒状金具8
を外嵌めして一方の電極端子として導出し、該筒状金具
8と取付金具9をろう接して負電極とし、セラミック発
熱体1の後端部には電極取り出し金具10をろう接して
他方の電極端子として導出するとともに、端子棒11と
も接続して正電極とし、端子棒11にベークライト等の
絶縁性ワッシャー12を挿通してナット13で固定する
ことにより、取付金具9の負電極と端子棒11の正電極
とが絶縁されたグロープラグ14が構成されている。
【0015】尚、発熱抵抗体3を構成する無機導電材か
ら成るコイル状の発熱抵抗線7は、タングステン
(W)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)等の高
融点金属またはその合金の他、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から成る線材が好適である。
【0016】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(Si3 4 )粉末8
8.4重量%に、焼結助剤としてイッテリビア(Yb2
3 )等の第3a族元素の酸化物を11.6重量%添加
混合した原料粉末と、平均粒径が1.6μm、酸素量が
0.9重量%の窒化アルミニウム(AlN)粉末86.
0重量%に、焼結助剤としてイットリア(Y2 3 )を
12.0重量%とカルシア(CaO)を2.0重量%添
加混合した原料粉末に、それぞれ母材より大きい熱膨張
係数を有する金属、例えばモリブデン(Mo)、クロム
(Cr)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)等の平均
粒径が3〜25μmの炭化物、珪化物、窒化物および硼
化物より選ばれた一種以上を、その種類と添加量を種々
変えて調製したそれぞれの混合物から成る造粒体を使用
し、プレス成形法により2種類の母材から成る棒状のセ
ラミック成形体を作製する。
【0017】次に、直径が0.02mmのタングステン
線を捲回したコイル状の発熱抵抗線と、該発熱抵抗線に
接続したリード線部を構成するタングステン線とから成
る発熱抵抗体を、母材主成分と第3a族元素の酸化物や
アルミナ(Al2 3 )、モリブデン(Mo)の珪化
物、チタン(Ti)の窒化物等の焼結助剤から成る泥漿
中に浸漬して乾燥した後、前記成形体上に載置し、前記
組成物を付着した発熱抵抗体を挟むように前記同形状の
別のセラミック成形体を重ねて加圧焼成した。
【0018】かくして得られた焼結体の側面を研磨して
前記リード線の一部を露出させ、少なくとも該露出部に
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、筒状金具を外嵌めし、還元ガス
雰囲気中で銀ろうにて接合して負電極とし、一方、前記
焼結体の端部に露出したリード線に、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
直径約3.4mmの評価用のセラミック発熱体を作製し
た。
【0019】次いで、前記評価用のセラミック発熱体の
一部を使用し、基体中に分散して存在する前記母材より
大きい熱膨張係数を有する金属の炭化物、珪化物、窒化
物および硼化物等の含有量をICP発光分光分析法にて
測定するとともに、前記セラミック発熱体の断面を研磨
加工した後、研磨面を走査型電子顕微鏡にて撮影し、写
真より前記含有物の平均粒径を求めた。
【0020】また、前記セラミック発熱体と同様にして
作製した略並行に埋設した発熱部の発熱抵抗線の間隔と
ほぼ同寸法の電極部を有する評価用試料を用いて、前記
発熱抵抗線に通電して加熱し、放射温度計にて表面温度
を測定しながら、1400℃に保持した時の前記発熱部
の両電極間の抵抗を測定し、単位距離当たりの抵抗値を
算出して絶縁抵抗とした。
【0021】一方、他の前記評価用のセラミック発熱体
を使用し、14Vの直流を2分間通電して1450℃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、断線して発熱しなくなるまで継続した。以上の
結果を表1及び表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】その結果、前記含有量が3重量%未満では
1400℃の絶縁抵抗は高いものの、高温耐久試験が1
0000サイクル以下と低く、逆に25重量%を超える
と絶縁抵抗が極端に低くなり、一方、前記含有物の平均
粒径が3μm未満では絶縁抵抗が10.0kΩ/mm未
満となり、逆に25μmを超えると高温耐久試験は10
000サイクル以下となった。これに対し、本願発明の
セラミック発熱体は、1400℃における10.0kΩ
/mm以上の絶縁抵抗を有し、かつ高温耐久試験も13
000サイクル以上であることが確認できた。
【0025】叙上の如く、本発明のセラミック発熱体
は、母材を窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分と
し、該母材より大きい熱膨張係数を有する金属の炭化
物、珪化物、窒化物および硼化物より選ばれた一種以上
を3〜25重量%含有させ、その含有物が3〜25μm
の平均粒径を有し、かつ1400℃の絶縁抵抗が10.
0kΩ/mm以上であるセラミック焼結体中に無機導電
材から成る発熱抵抗体を埋設したことから、発熱抵抗体
及び母材の耐酸化性を向上させ、かつ高温での絶縁抵抗
の劣化を防止し、長時間の連続稼働が可能で、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基体を成す窒化珪
素(Si3 4 )を主成分とする母材に、含有物がモリ
ブデン(Mo)の珪化物(MoSi2 )であるセラミッ
ク焼結体を示す組織を200倍に拡大した模式図であ
る。
【図2】本発明のセラミック発熱体をディーゼルエンジ
ンの始動補助用に使用されるグロープラグに適用した一
実施例を示す断面図である。
【図3】従来の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 発熱抵抗体 4 母材 5 含有物

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック焼結体中に無機導電材から成る
    発熱抵抗体を埋設したセラミック発熱体において、前記
    セラミック発熱体が窒化珪素または窒化アルミニウムを
    主成分とする母材に、該母材より熱膨張係数が大なる金
    属の炭化物、珪化物、窒化物および硼化物より選ばれた
    一種以上を3〜25重量%含有し、該含有物の平均粒径
    が3〜25μmであるとともに、前記発熱抵抗体の少な
    くとも発熱部における両電極間の絶縁抵抗が、1400
    ℃で10.0kΩ/mm以上であることを特徴とするセ
    ラミック発熱体。
JP05038689A 1993-02-26 1993-02-26 セラミック発熱体 Expired - Lifetime JP3078418B2 (ja)

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