JP3880275B2

JP3880275B2 - Ceramic heater and glow plug using the ceramic heater

Info

Publication number: JP3880275B2
Application number: JP2000053101A
Authority: JP
Inventors: 信行堀田; 孝哉吉川; 正也伊藤; 雅弘小西; 進道渡辺
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2001241660A

Description

【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に使用されるセラミックヒータ及びそのセラミックヒータが使用されるグロープラグに関する。さらに詳しくは、セラミックヒータ内に配設されたセラミック発熱体による抵抗発熱によってセラミックヒータ表面の最高温度となる部分を先端に近付ける技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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Ｕ字状をした方向変換部を有するセラミック発熱体を埋設する構成を有するものが知られている。そして、セラミック発熱体には、その通電のために端部側において線状の電極の一端が埋設されている。この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。即ち、まず、射出成形等により、焼成後にセラミック発熱体となるＵ字形の導電性セラミック粉末成形体と電極との一体成形体を作る。このときＵ字形の部分は、ほぼ同一外径のロッド状に形成されている。一方、これとは別に、上記一体成形体を収容するための凹部がその合わせ面に形成され、焼成後にセラミック基体となる分割予備成形体を、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。次に上記凹部に一体成形体を収容して分割予備成形体を型合わせした後、これらを金型を用いてプレス・一体化することにより複合成形体を得る。ここで、そのプレス方向は、分割予備成形体の合わせ面とほぼ直角に設定される。こうして得られた複合成形体に対し、上記プレス方向と直角方向、即ち、合わせ面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セラミックヒータが得られる。
【０００３】
このようにホットプレスされることによって作製されたセラミックヒータは、内部のセラミック発熱体がホットプレス時のプレス方向に潰れた形状になる。しかし、Ｕ字状の方向変換部の頂部は、プレス方向が断面に対して垂直方向であるために、焼成前の導電性セラミック粉末成形体の形状と相似形になる。つまり、焼成前は、Ｕ字形のロッド状に形成されているため、ホットプレス焼成後においても円形を保つことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のセラミックヒータ内部におけるセラミック発熱体の発熱状態をＦＥＭ解析したところ、Ｕ字状の方向変換部の頂部内径側において局所的な微小部分に集中発熱していることが分かり、Ｕ字状の方向変換部の頂部中間から外径側においてはまったくと言って良いほどに発熱していないことが分かった。このため、セラミックヒータ表面は、最高温度となる部分が先端ではなく、線状の電極の一端が埋設された端部側に寄った部分が最高温度になっていたのである。その結果、セラミックヒータ先端の昇温特性が若干劣っていたり、無駄な電力を消費したり、局所的な微小部分で発熱が集中するためにその部分でクラックが発生する可能性が高くなることから耐久性の上で問題が生じることが予想される。
【０００５】
一例として、従来のセラミックヒータの先端温度分布を、ＦＥＭ解析によって算出した結果を図１４及び図１５に示す。図１５は、セラミックヒータ内部の断面をとったときの単位体積あたりの発熱量分布を示したものであって、発熱の低い部分を黒で表し、白くなるほど発熱量が多くなっていることを表している。この解析結果によると、頂部の内径側のみが発熱することによって、この部分から熱が各部に拡散していくものと考えられる。また、図１４は、横軸をセラミックヒータの最先端位置０として、この位置から端部方向に表面に沿った距離を示し、縦軸をその距離における温度を示したものである。この解析結果から上述したように、セラミックヒータ表面の最高温度となる部分が先端ではなく、端部側に寄った部分であることが分かる。
【０００６】
本発明の課題は、セラミックヒータ内に配設されたセラミック発熱体の局所的な発熱を防止でき、セラミックヒータの先端表面が最高温度になる優れた耐久性を有するセラミックヒータ及びその様なセラミックヒータを使用するグロープラグを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
第１の発明のセラミックヒータは、軸線方向棒状のセラミック基体と、このセラミック基体の内部に埋設され、自身の端部側から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、セラミック発熱体は、Ｕ字状の方向変換部を備えるとともに、この方向変換部の頂部横断面形状における幅ｂよりも基部側の幅ｂ’がｂ＞ｂ’の関係を満足する部分を有することを特徴とする。
【００１１】
従来構造のセラミックヒータ内に配設されたセラミック発熱体は、上述したように焼成前においてＵ字形の部分をほぼ同一の径のロッド状にしていたため、焼成後においてもＵ字状の部分の幅がほぼ一定であった。このため、焼成後において円形断面になる頂部では、内径側において局所的な発熱をしてしまうのである。内径側の面積を増大させる方法として、頂部での断面形状がたとえ円形であったとしても第１発明のように頂部での面積を増大させる方法がある。このように、方向変換部の頂部における幅ｂよりも基部側の幅ｂ’がｂ＞ｂ’の関係を満足することによって上述のような問題を解消することができるのである。なお、頂部での断面形状は必ずしも円形に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限りどのような形状であっても良い。
【００１２】
次に、第２の発明のセラミックヒータは、軸線方向棒状のセラミック基体と、セラミック基体の内部に埋設され、自身の端部側から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、セラミック発熱体は、Ｕ字状の方向変換部を備えるとともに、方向変換部の頂部横断面形状における幅ｂの中央６０％の範囲における端部側輪郭線と、端部側輪郭線の中央での接線とで形成される面積Ａと、幅ｂを直径とする仮想円を、端部側輪郭線の中央で接するように描いたときに、中央６０％の範囲において仮想円と接線とで形成される面積Ａ’とが、Ａ’＞Ａの関係を満足する部分を有することを特徴とする。このような構成にすることによって、特に局所的な発熱をしやすい中央６０％の範囲における、内径側の面積を増大させることができる。なお、頂部での断面形状は、本発明の効果を奏する限りどのような形状であっても良い。例えば、長方形や正方形であっても良いし、楕円形状であっても良い。また、図９の様な形状であっても良い。更に、第１発明と第２発明とを組み合わせた形状であっても本発明の効果を更に向上させることができるものである。
【００１３】
次に、第３の発明のセラミックヒータは、頂部横断面形状は、その幅の中央６０％の範囲における端部側輪郭線が単数又は２本の直線によって形成されており、２本の直線によって構成されている場合には、その挟角αが、１６０゜≦α＜１８０゜であることを特徴とする。本発明は図７の様な菱形の頂点をＲ状にした形状や図９の様な形状に構成されている場合の直線の挟角αを規定したものである。単数の直線で端部側輪郭線が形成されている場合には、挟角α＝１８０゜の場合と考えられるため、αは、１６０゜≦α≦１８０゜と考えれば良い。このような構成にすることによって、局所的な発熱をする頂部内径側の面積をさらに大きくすることができることから、本発明の効果をより一層達成しやすくすることができる。また、焼成後にセラミック発熱体となるＵ字形の導電性セラミック粉末成形体と電極との一体成形体は射出成形等によって成形されるため、作業上の問題から抜きテーパを作ることが好ましい。この抜きテーパは１゜程度必要であると考えられることから、端部側輪郭線の開角αは、α≦１７８゜であることが好ましい。なお、第１発明から第３発明のいずれか２つ以上を組み合わせた形状であっても本発明の効果を更に向上させることができるものである。
【００１５】
先端が細径に形成されたセラミックヒータの先端内に、セラミック発熱体の方向変換部の頂部が位置するように配置されたセラミックヒータは、上述のようなセラミック発熱体の抵抗発熱によって、細径に形成された部分がこのセラミックヒータ表面の最高温度となる。従って、セラミックヒータ先端の昇温特性を改善できるとともに、無駄な消費電力を抑制することができる。
【００１６】
上述したような、セラミックヒータをディーゼルエンジン用のグロープラグに用いれば、ディーゼルエンジンへの着火特性を改善することが可能になる。このセラミックヒータ表面の最高温度となる部分が最先端であるとより好ましい。
【００１７】
【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。即ち、セラミックグロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、セラミックヒータ１の曲面状に形成された先端２側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をその外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えている。そして、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の一方の端部に嵌着されている。そして、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ネジ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締め付けることにより、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セラミックグロープラグ５０を固定するためのネジ５ａが形成されている。
【００１８】
セラミックヒータ１は、円柱状の直棒１４部分の先端２を曲面状に形成することによって、直棒１４部分に対し細径に形成されている。また、セラミックヒータ１は、図２に示すように、一方の端部から延びた後方向変換して他方の端部へ至る方向変換部１０ａと、その方向変換部１０ａの各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、その各両端部にロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設される。一方、セラミック発熱体１０は、図３にその全体図及び図７に頂部１０ｃで断面をとった場合の半断面図に示すような形状をしており、方向変換部１０aと直線部１０bとの接続部分において最も断面積が小さくなっている。この方向変換部１０ａと直線部１０ｂとの接続部における幅ｂ’及び厚みｃ’に対して、頂部１０ｃに向かうに従って幅が大きく、かつ厚みが薄くなる形状になっている。そして、頂部１０ｃでは、ほぼ菱形の頂点をＲ状にした断面形状をしている。
【００１９】
なお、本実施形態では、方向変換部１０ａと直線部１０ｂとの接続部における幅ｂ’及び厚みｃ’はそれぞれｂ’＝１．２ｍｍ、ｃ’＝０．８ｍｍに設定してある。また、直線部１０ｂにおける幅ｂ”及び厚みｃ”はそれぞれｂ”＝２ｍｍ、ｃ”＝１．２ｍｍに設定してある。さらに、本実施形態では、頂部１０ｃでの断面形状の頂点をＲ状にしたほぼ菱形の形状に形成したが、楕円形としても良い。電圧印加の初期にセラミックヒータ１の表面での温度がオーバーシュート特性を持つように、方向変換部１０ａの断面積は直線部１０ｂよりも小さくされているが、方向変換部１０ａと直線部１０ｂは、断面積が互いに等しくなるように形成することもできる。
【００２０】
このセラミック発熱体１０は、その頂部１０ｃがセラミックヒータ１のセラミック基体１３の曲面状に形成された先端２内に位置するように配置されている。なお、頂部１０ｃは、セラミック基体１３の最先端から１〜３ｍｍの範囲、望ましくは０．５〜３ｍｍの範囲で設定されている。また、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、それぞれの後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。そして、セラミック発熱体１０に埋設された各先端１１ｂ及び１２ｂは、外筒３の端面３ａよりも該外筒３側に入り込むように配置されている。該先端から外筒３の端面３ａ間での距離が２〜２０ｍｍ、望ましくは３〜２０ｍｍの範囲で設定されている。
【００２１】
セラミック発熱体は、導電性を有するセラミックス、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、タングステン（Ｗ）、珪化タングステン（ＷＳｉ_２）などの低抵抗材料と窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの絶縁性材料との複合物等により構成されるが、炭化珪素（ＳｉＣ）などの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）等の高融点金属材料合金で構成される。なお、電極部１１及び１２は、セラミック発熱体１０を構成する材料群から選ばれた前述の低抵抗材料によって構成しても良い。この場合、電極部１１及び１２は少なくともセラミック発熱体１０よりも抵抗値を低く設定する。また、本実施形態ではセラミック発熱体１０の両端部側に電極部１１及び１２を接続したが、セラミック発熱体１０の両端部を直接セラミック基体１３の表面に露出させて導通させるようにしても良い。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_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ジルコン（ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等により構成される。
【００２２】
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を含む領域を除いた部分にガラス（図示せず）を焼き付け、そのガラス層を介して、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。一方、電極部１２は、ろう付け時に、露出部１２aとろう材とが直接接合されるため、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。この通電により、セラミック発熱体１０は抵抗発熱することとなる。なお、本実施形態では電極部１２を外筒３内で露出部１２aを形成させたが、外筒３外におけるセラミック基体１３中央部で露出部１２aを形成し、コイル状の結合部材を介して外筒３にろう付けさせて導通するようにしても良い。
【００２３】
ここで、電極部１１及び１２の各先端１１ｂ及び１２ｂが、外筒３の端面３ａよりも該外筒３側に入り込むように配置することで、電極部１１及び１２とセラミック発熱体１０との界面部分Ｐが、セラミックヒータの通電発熱やエンジンからの被熱により膨張／収縮しやすい外筒３の端面近傍部から離れて位置することとなり、上記膨張／収縮に伴う外筒３からの圧縮応力が、該界面部分Ｐに作用しにくくなる。その結果、該界面部分Ｐの近傍においてセラミック発熱体１０にクラック等が発生することを防止ないし抑制することができる。ここで、電極部１１及び１２の各先端１１ｂ及び１２ｂから外筒３の端面３ａまでの距離ｌが２ｍｍ未満になると、上記効果が達成されなくなる場合がある。距離ｌはより望ましくは３ｍｍ以上に設定するのがよい。一方、距離ｌが２０ｍｍを超過した場合は、セラミック発熱体１０の外筒３内に存在する長さが長くなり、外筒３とセラミックヒータ１とを接合しているろう材が、発熱体１０からの発熱を過度に受けて溶融・流出する等の問題が生ずる場合がある。それ故、距離ｌは２０ｍｍ以下に設定される。
【００２４】
セラミックヒータ１は、例えば下記のような方法により製造することができる。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に対して電極材３０を、そ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射出成形体３５を作成する。なお、焼成後に直線部１０bとなる部分３４ｂは、断面形状をほぼ円形に形成してある。
【００２５】
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予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら予備成形体３６及び３７は、セラミック基体１３を、その軸線とほぼ平行な断面により２分割したと仮定した場合の、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割部に相当する部分に、上記一体成形体３５に対応した形状の凹部３８が形成されている。そして、この凹部３８に一体射出成形体３５を収容し、上下の予備成形体３６及び３７を型合わせするとともに、その状態でこれら予備成形体３６，３７及び一体射出成形体３５をさらに金型を用いてプレス・一体化することにより、図５（ｂ）に示すような、複合成形体３９を作成する。
【００２６】
こうして得られた複合成形体３９は、まず射出成形による導電性セラミック粉末成形部３４あるいは予備成形体３６及び３７からバインダ成分を除去するために仮焼され、続いて図６（ａ）に示すように、グラファイト等で構成された成形機４０の間で加圧しながら所定の温度でホットプレス焼成を行うことにより、同図（ｂ）に示すような焼成体４１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機３４がセラミック発熱体１０を、予備成形体３６及び３７がセラミック基体１３を、さらに電極材３０が電極部１１及び１２をそれぞれ形成することとなる。その後、焼成体４１の外面に、必要に応じて研磨等の加工を施すことにより、図２に示すようなセラミックヒータ１が得られる。
【００２７】
【実施例】
次に本発明の効果を示すための実験例について説明する。試料Ｎｏ．（１）〜（７）は本発明に係る実施例であり、Ｎｏ．（８）は本実施例との効果の差を確認するための比較品である。試料Ｎｏ．（１）〜（３）は、頂部１０ｃの断面形状が楕円の場合の実施例であり、試料Ｎｏ．（４）〜（６）は、図９に示す断面形状にした場合の実施例であり、試料Ｎｏ．（７）は、ほぼ菱形の頂点をＲ状にした断面形状の場合の実施例を示す。そして、幅ｂと厚みｃ、及び試料（４）〜（７）の場合にはその幅ｂの中央６０％の範囲における基部側輪郭線の挟角αを種々の形状のものを用意した。なお、試料Ｎｏ．（１）〜（３）は、図１０に、試料Ｎｏ．（４）〜（６）は、図９に、試料Ｎｏ．（７）は、図８にその頂部における断面形状の拡大図を示す。これらの図面には、それぞれ基端側輪郭線１０ｄの中央で接するように接線２０と仮想円２１及び幅の中央６０％の範囲を示す仮想線２２を点線で示してある。
【００２８】
試料Ｎｏ．（４）〜（７）は、頂部１０ｃの横断面形状は、その幅の中央６０％の範囲における基部側輪郭線１０ｄが２本の直線によって形成されている。この２本の直線の挟角αは、試料Ｎｏ．（４）、（５）及び試料Ｎｏ．（７）は、１６０゜≦α＜１８０゜に形成され、試料Ｎｏ．（６）は、α＝１５６゜＜１６０゜に形成されている。
【００２９】
なお、比較品である試料Ｎｏ．（８）の頂部の断面形状は図１１に示すような円形の断面形状である。従って、幅ｂと厚みｃは、いずれも直径と同一になる。また、この断面における幅ｂ、即ち、直径と基部側の幅ｂ’とは同一であり、この断面における厚みｃ、即ち、直径と基部側の厚みｃ’とは同一である。これらの各試料に付いて、昇温特性、消費電力、通電耐久の各試験を行った結果を図１２に示す。また、この図１２には、接線２０と幅ｂの中央６０％の範囲を示す仮想線２２と基端側輪郭線１０ｄとで囲まれる面積Ａと、接線２０と幅ｂの中央６０％の範囲を示す仮想線２２と仮想円２１とで囲まれる面積Ａ’とを同時に示してある。
【００３０】
これらの試験結果から、幅ｂが大きく、厚みｃが薄い試料（７）が各試験とも最も良好な結果を示していることが分かる。なお、各試験の試験方法を下記に示す。昇温特性試験：通電開始から６０秒経過後に、曲面状に形成された先端２の温度が１３５０℃となる電圧を印加した場合に、印加開始から３秒経過後の先端２の温度を計測する。この場合において、８００℃以上８５０℃未満の範囲を可（△）、８５０℃以上９００℃未満の範囲を良（○）、９００℃以上を優（◎）として判断した。消費電力試験：温度定常時に、曲面状に形成された先端２の温度が１３５０℃となる電圧を印加した場合の温度定常時の消費電力を計測する。この場合において、８０Ｗ以上を並（×）、７５Ｗ以上８０Ｗ未満の範囲を可（△）、７０Ｗ以上７５Ｗ未満の範囲を良（○）、７０Ｗ未満の範囲を優（◎）として判断した。通電耐久試験：温度定常時に、曲面状に形成された先端２の温度が１３５０℃となる電圧で、１分通電、１分通電遮断し、通電遮断時エアーにて強制冷却するサイクルを１サイクルとして耐久試験を行った場合に、セラミック発熱体の抵抗値上昇等の要因で先端２の温度が１３００℃以下になるまでのサイクル数を測定する。この場合において、１５０００サイクル以上２００００サイクル未満の範囲を並（×）、２００００サイクル以上２５０００サイクル未満の範囲を可（△）、２５０００サイクル以上３００００サイクル未満の範囲を良（○）、３００００サイクル行っても異常のないものを優（◎）として判断した。
【００３１】
これらの試験結果から、以下のことが確認された。
１．幅ｂと厚みｃとが、ｂ＞ｃの関係を満足する試料Ｎｏ．（１）〜（３）及び試料Ｎｏ．（７）は比較例である試料Ｎｏ．（８）と比較して、通電耐久性に優れていることが分かる。
２．幅ｂよりも基部側の幅ｂ’がｂ＞ｂ’の関係を満足する試料Ｎｏ．（１）及び試料Ｎｏ．（７）は比較例である試料Ｎｏ．（８）と比較して、通電耐久性に優れていることが分かる。
３．面積Ａと、面積Ａ’とが、Ａ’＞Ａの関係を満足する試料Ｎｏ．（１）〜（７）は比較例である試料Ｎｏ．（８）と比較して、通電耐久性に優れていることが分かる。
４．幅ｂの中央６０％の範囲における基部側輪郭線が単数又は２本の直線によって形成されている試料Ｎｏ．（４）〜（７）の内、挟角αが、１６０゜≦α≦１８０゜である試料Ｎｏ．（４）、（５）及び試料Ｎｏ．（７）は、挟角αが、１５６゜となる試料（６）と比較して更に通電耐久性が向上していることが分かる。
５．厚みｃよりも基部側の厚みｃ’がｃ＜ｃ’の関係を満足する試料Ｎｏ．（２）、（３）及び試料Ｎｏ．（７）は比較例である試料Ｎｏ．（８）と比較して、通電耐久性に優れているとともに、セラミック発熱体の最高温度部をセラミック基体の更に最先端側に配置することができることから、昇温特性も向上していることが分かる。また、消費電力も更に低減できている。
６．幅ｂと厚みｃとが、ｂ＞ｃの関係を満足し、幅ｂよりも基部側の幅ｂ’がｂ＞ｂ’の関係を満足し、面積Ａと、面積Ａ’とが、Ａ’＞Ａの関係を満足し、挟角αが、１６０゜≦α≦１８０゜であり、厚みｃよりも基部側の厚みｃ’がｃ＜ｃ’の関係を満足する試料Ｎｏ．（７）は、昇温特性、消費電力、通電耐久性ともに最も良好であることが分かる。
【００３２】
次に、通電耐久性、消費電力、昇温特性ともに最も良好な試料Ｎｏ．（７）と、比較例である試料Ｎｏ．（８）について、温度定常時に曲面状に形成された先端２の温度が１３５０℃となる電圧を印加した場合における温度定常時の温度分布を測定した結果を図１３に示す。この図１３は、横軸をセラミックヒータの最先端位置を０として、この位置から基部方向に表面に沿った距離を示し、縦軸をその距離における温度を示したものである。なお、この図１３中の記号Ｐは、セラミックヒータ１における先端２と直棒１４との境界の位置を示す。この結果、試料Ｎｏ．（７）は、セラミックヒータの最先端の温度が最も高く、基部側に向かうに従って温度が低くなっていることが分かる。これに対して比較例である試料Ｎｏ．（８）は、セラミックヒータ表面の最高温度となる部分が先端２になく、基部側に寄った位置であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一例を示す正面部分断面図である。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図である。
【図３】セラミック発熱体の全体図である。
【図４】セラミックヒータの製造工程説明図である。
【図５】図４に続く工程説明図である。
【図６】図５に続く工程説明図である。
【図７】本発明に係るセラミック発熱体を頂部で断面としたときの半断面図である。
【図８】本発明に係るセラミック発熱体の頂部拡大図である。
【図９】本発明の他の実施例に係るセラミック発熱体の頂部拡大図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係るセラミック発熱体の頂部拡大図である。
【図１１】本発明の比較例に係るセラミック発熱体の頂部拡大図である。
【図１２】本発明の実験結果を示す図面である。
【図１３】本発明の実施例及び比較例に係るセラミックヒータの温度分布を示す図面である。
【図１４】従来のセラミックヒータの温度分布を示す図面である。
【図１５】従来のセラミックヒータの断面における温度分布をＦＥＭ解析によって求めた図面である。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
２先端
１０セラミック発熱体
１０ａ方向変換部
１０ｂ直線部
１０ｃ頂部
１０ｄ基端側輪郭線
１１電極部
１２電極部
１３セラミック基体
２０接線
２１仮想円
２２仮想線（幅の中央６０％を示す線）
５０セラミックグロープラグ
α 挟角
ｂ幅
ｃ厚み[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater used in a glow plug for a diesel engine and a glow plug in which the ceramic heater is used. More specifically, the present invention relates to a technique for bringing the portion of the surface of the ceramic heater that is at the maximum temperature due to resistance heat generation by a ceramic heating element disposed in the ceramic heater to the tip.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, ceramic heaters used for ceramic glow plugs have a structure in which an insulating ceramic base is embedded with a ceramic heating element having a U-shaped direction changing portion that generates resistance when energized. Yes. In the ceramic heating element, one end of a linear electrode is embedded on the end side for energization. This ceramic heater is manufactured as follows, for example. That is, first, an integral molded body of a U-shaped conductive ceramic powder molded body that becomes a ceramic heating element after firing and an electrode is formed by injection molding or the like. At this time, the U-shaped portion is formed in a rod shape having substantially the same outer diameter. On the other hand, a separate preform for forming a ceramic base after firing is formed by press molding or the like using the base ceramic powder. Next, the integral molded body is accommodated in the concave portion, the divided preforms are molded, and then these are pressed and integrated using a mold to obtain a composite molded body. Here, the pressing direction is set substantially perpendicular to the mating surface of the divided preform. The composite molded body thus obtained is subjected to a hot press treatment in which firing is performed while pressing in the direction perpendicular to the pressing direction, that is, the mating surface direction, and the outer peripheral surface of the obtained fired body is polished. Thus, a ceramic heater is obtained.
[0003]
The ceramic heater manufactured by hot pressing in this way has a shape in which the internal ceramic heating element is crushed in the pressing direction during hot pressing. However, the top of the U-shaped direction changing portion is similar to the shape of the conductive ceramic powder compact before firing because the pressing direction is perpendicular to the cross section. That is, since it is formed in a U-shaped rod shape before firing, it remains circular even after hot press firing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of FEM analysis of the heat generation state of the ceramic heating element in the conventional ceramic heater as described above, it can be seen that concentrated heat is generated in a local minute portion on the inner diameter side of the top of the U-shaped direction changing portion. It was found that heat was not generated at all from the middle of the top of the letter-shaped direction changing portion to the outer diameter side. For this reason, on the surface of the ceramic heater, the portion at which the maximum temperature is reached is not the tip, but the portion close to the end portion where one end of the linear electrode is embedded is at the maximum temperature. As a result, the temperature rise characteristics at the tip of the ceramic heater are slightly inferior, wasteful power is consumed, and heat is concentrated in a small local area, so there is a high possibility that a crack will occur in that area. Problems with durability are anticipated.
[0005]
As an example, FIG. 14 and FIG. 15 show the results of calculating the tip temperature distribution of a conventional ceramic heater by FEM analysis. FIG. 15 shows the calorific value distribution per unit volume when the cross section inside the ceramic heater is taken. The low calorific value is shown in black, and the calorific value increases as it becomes white. ing. According to this analysis result, it is considered that only the inner diameter side of the top portion generates heat, so that heat diffuses from this portion to each portion. FIG. 14 shows the distance along the surface from the position to the end portion from the position where the horizontal axis is the most advanced position 0 of the ceramic heater, and the vertical axis shows the temperature at that distance. From this analysis result, as described above, it can be seen that the portion of the ceramic heater surface where the maximum temperature is reached is not the tip but a portion near the end.
[0006]
An object of the present invention is to prevent a local heat generation of a ceramic heating element disposed in a ceramic heater and to have a superior durability in which the tip surface of the ceramic heater has a maximum temperature, and such a ceramic heater. It is to provide a glow plug that uses.
[0010]
[Means for solving the problems and actions / effects]
FirstThe ceramic heater of the present invention is a ceramic heater comprising an axial rod-shaped ceramic base, and a ceramic heating element embedded in the ceramic base and generating resistance heat when energized from its end side. The heating element includes a U-shaped direction changing portion, and has a portion in which the width b ′ on the base side of the top cross-sectional shape of the direction changing portion satisfies the relationship of b> b ′. Features.
[0011]
  As described above, the ceramic heating element disposed in the ceramic heater having the conventional structure has the U-shaped portion formed into a rod shape having substantially the same diameter before firing. Therefore, the width of the U-shaped portion after firing is also the same. Was almost constant. For this reason, in the top part which becomes a circular section after baking, it generates heat locally on the inner diameter side. As a method to increase the inner diameter areaThe topEven if the cross-sectional shape of the section is circular,1Method for increasing the area at the top as in the inventionIs. Thus, than the width b at the top of the direction changerBaseThe above-mentioned problem can be solved by satisfying the relation b> b 'of the width b' on the part side. The cross-sectional shape at the top is not necessarily limited to a circle, and any shape may be used as long as the effect of the present invention is achieved..
[0012]
  Next2The ceramic heater of the present invention is a ceramic heater comprising an axial rod-shaped ceramic base, and a ceramic heating element embedded in the ceramic base and generating resistance heat when energized from its end side. The body includes a U-shaped direction changing portion, and includes an end portion side contour line in a range of the center 60% of the width b in the top cross-sectional shape of the direction changing portion, and a tangent line at the center of the end portion side contour line. The area formed by the virtual circle and the tangent in the range of 60% of the center when the virtual circle having a diameter of width b and the area A formed by A ′ has a portion that satisfies the relationship of A ′> A. By adopting such a configuration, it is possible to increase the area on the inner diameter side, particularly in the range of the center 60% where local heat generation is likely to occur. Note that the cross-sectional shape at the top may be any shape as long as the effects of the present invention are achieved. For example, it may be a rectangle, a square, or an oval shape. Moreover, the shape as shown in FIG. 9 may be used. Further, the first inventionWhenFirst2inventionWhenEven if it is the shape which combined these, the effect of this invention can be improved further.
[0013]
  Next3In the ceramic heater of the invention, the top cross-sectional shape is such that the end side outline in the range of the center 60% of the width is formed by a single line or two straight lines, and is constituted by two straight lines Is characterized in that the included angle α is 160 ° ≦ α <180 °. The present invention prescribes a straight sandwiching angle α when the rhombus apex as shown in FIG. 7 is formed into an R shape or as shown in FIG. When the end side outline is formed by a single straight line, it is considered that the included angle α = 180 °, and therefore α can be considered as 160 ° ≦ α ≦ 180 °. By adopting such a configuration, the area on the inner diameter side of the top portion where local heat generation is performed can be further increased, so that the effect of the present invention can be more easily achieved. Moreover, since the U-shaped conductive ceramic powder molded body and the electrode, which are ceramic heating elements after firing, are formed by injection molding or the like, it is preferable to make a taper from the viewpoint of work. Since the draft taper is considered to require about 1 °, the opening angle α of the end side outline is preferably α ≦ 178 °. From the first invention to the first3Even if it is the shape which combined any two or more of invention, the effect of this invention can be improved further.
[0015]
  Ceramic heater with a small tipCeramic heater arranged so that the top of the direction changing part of the ceramic heating element is located in the tip of the heaterThe portion formed in a small diameter becomes the maximum temperature of the surface of the ceramic heater due to the resistance heating of the ceramic heating element as described above. Therefore, it is possible to improve the temperature rise characteristic at the tip of the ceramic heater and to suppress wasteful power consumption.
[0016]
If a ceramic heater as described above is used for a glow plug for a diesel engine, it becomes possible to improve the ignition characteristics of the diesel engine. It is more preferable that the portion of the ceramic heater surface where the maximum temperature is reached is the most advanced.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples shown in the drawings. FIG. 1 shows a glow plug using a ceramic heater according to the present invention together with its internal structure. That is, the ceramic glow plug 50 includes a ceramic heater 1 provided at one end thereof, a metal outer cylinder 3 that covers an outer peripheral surface of the ceramic heater 1 so that a tip 2 side formed in a curved shape of the ceramic heater 1 protrudes, A cylindrical metal housing 4 or the like that covers the outer cylinder 3 from the outside is provided. The ceramic heater 1 and the outer cylinder 3 and the outer cylinder 3 and the metal housing 4 are joined by brazing. In addition, one end of a coupling member 5 whose both ends are formed in a coiled spring shape by a metal wire is fitted from the outside to the rear end portion of the ceramic heater 1, and the other end side is inserted into the metal housing 4. The metal shaft 6 is fitted on one end. The other end side of the metal shaft 6 extends to the outside of the metal housing 4, and a nut 7 is screwed into a screw portion 6 a formed on the outer peripheral surface of the metal shaft 6, and is tightened toward the metal housing 4. The metal shaft 6 is fixed to the metal housing 4. An insulating bush 8 is fitted between the nut 7 and the metal housing 4. A screw 5 a for fixing the ceramic glow plug 50 to an engine block (not shown) is formed on the outer peripheral surface of the metal housing 4.
[0018]
The ceramic heater 1 is formed in a small diameter with respect to the straight bar 14 part by forming the tip 2 of the cylindrical straight bar 14 part into a curved surface. Further, as shown in FIG. 2, the ceramic heater 1 includes a direction changing part 10a extending from one end part to the other end part and changing in the same direction from each end part of the direction changing part 10a. A U-shaped ceramic heating element 10 having two linear portions 10b extending to the ends of the rod-shaped electrode portions 11 and 12 is embedded at both ends thereof. On the other hand, the ceramic heating element 10 has a shape as shown in FIG. 3 as an overall view and in FIG. 7 as a half sectional view when the cross section is taken at the top portion 10c. The ceramic heating element 10 includes a direction changing portion 10a and a straight portion 10b. The cross-sectional area is the smallest at the connecting portion. The width b 'and the thickness c' at the connecting portion between the direction changing portion 10a and the straight portion 10b are larger and thinner toward the top portion 10c. And in the top part 10c, it has the cross-sectional shape which made the rhombus apex substantially R shape.
[0019]
  In the present embodiment, the width b 'and the thickness c' at the connecting portion between the direction changing portion 10a and the linear portion 10b are set to b '= 1.2 mm and c' = 0.8 mm, respectively. In addition, the width b ″ and the thickness c ″ of the straight portion 10b are set to b ″ = 2 mm and c ″ = 1.2 mm, respectively. Furthermore, in this embodiment, the cross-sectional shape at the top portion 10c.SummitAlthough the point is formed in an approximately rhombus shape with an R shape, it may be oval. The cross-sectional area of the direction changing portion 10a is made smaller than that of the straight portion 10b so that the temperature on the surface of the ceramic heater 1 has an overshoot characteristic at the initial stage of voltage application, but the direction changing portion 10a and the straight portion 10b are The cross-sectional areas may be equal to each other.
[0020]
The ceramic heating element 10 is arranged such that the top portion 10c is located in the tip 2 formed in the curved shape of the ceramic base 13 of the ceramic heater 1. Note that the top portion 10c is set in a range of 1 to 3 mm, desirably 0.5 to 3 mm from the forefront of the ceramic base 13. Each of the electrode portions 11 and 12 extends in a direction away from the ceramic heating element 10 in the ceramic base 13, and one of the electrodes (12) is in the outer cylinder 3 and the other (11) is the ceramic base. In the vicinity of the other end portion of 13, the respective rear end portions are exposed on the surface of the ceramic base 13 to form exposed portions 12 a and 11 a. And each front-end | tip 11b and 12b embed | buried under the ceramic heat generating body 10 is arrange | positioned so that it may enter this outer cylinder 3 side rather than the end surface 3a of the outer cylinder 3. FIG. The distance from the tip to the end surface 3a of the outer cylinder 3 is set in the range of 2 to 20 mm, preferably 3 to 20 mm.
[0021]
Ceramic heating elements include conductive ceramics such as tungsten carbide (WC), molybdenum silicide (MoSi).₂), Tungsten (W), tungsten silicide (WSi)₂) And other low resistance materials and silicon nitride (Si₃N₄), Etc., or a semiconductor ceramic such as silicon carbide (SiC) can be used. The electrode portions 11 and 12 are made of a refractory metal material alloy such as tungsten (W) or tungsten-rhenium (Re). The electrode portions 11 and 12 may be made of the above-described low resistance material selected from the material group constituting the ceramic heating element 10. In this case, the electrode parts 11 and 12 are set to have a resistance value lower than that of at least the ceramic heating element 10. Further, in the present embodiment, the electrode portions 11 and 12 are connected to both end sides of the ceramic heating element 10, but both end portions of the ceramic heating element 10 may be directly exposed on the surface of the ceramic base 13 to be conducted. . On the other hand, the ceramic base 13 is mainly made of insulating ceramics such as alumina (Al₂O₃), Silica (SiO₂), Zirconia (ZrO₂), Titania (TiO₂), Magnesia (MgO), mullite (3Al₂O₃・ 2SiO₂), Zircon (ZrO₂・ SiO₂), Cordierite (2MgO · 2Al)₂O₃・ 5SiO₂), Silicon nitride (Si₃N₄), Aluminum nitride (AlN), or the like.
[0022]
In FIG. 2, glass (not shown) is baked on the surface of the ceramic substrate 13 except for the region including the exposed portion 12a of the electrode portion 12, and the ceramic substrate 13 and the outer cylinder are interposed through the glass layer. 3 are joined by brazing. On the other hand, the electrode portion 12 is electrically connected to the outer cylinder 3 because the exposed portion 12a and the brazing material are directly joined at the time of brazing. Further, the coupling member 5 is also brazed to a region including the exposed portion 11 a of the electrode portion 11. By comprising in this way, it supplies with electricity to the ceramic heat generating body 10 via the metal shaft 6 (FIG. 1), the coupling member 5, and the electrode part 11 from the power supply which is not shown in figure, Furthermore, the electrode part 12, the outer cylinder 3, It is grounded through a metal housing 4 (FIG. 1) and an engine block (not shown). By this energization, the ceramic heating element 10 generates resistance heat. In the present embodiment, the exposed portion 12a is formed in the outer cylinder 3 in the electrode portion 12. However, the exposed portion 12a is formed in the central portion of the ceramic base 13 outside the outer tube 3, and the coil-shaped coupling member is interposed therebetween. The outer cylinder 3 may be brazed to be conducted.
[0023]
Here, the tips 11b and 12b of the electrode parts 11 and 12 are arranged so as to enter the outer cylinder 3 side with respect to the end surface 3a of the outer cylinder 3, whereby the electrode parts 11 and 12 and the ceramic heating element 10 The interface portion P is located away from the vicinity of the end surface of the outer cylinder 3 which is easily expanded / contracted due to energization heat generation from the ceramic heater or heat from the engine, and the compressive stress from the outer cylinder 3 due to the expansion / contraction is described above. However, it becomes difficult to act on the interface portion P. As a result, it is possible to prevent or suppress the occurrence of cracks or the like in the ceramic heating element 10 in the vicinity of the interface portion P. Here, when the distance 1 from the respective tips 11b and 12b of the electrode portions 11 and 12 to the end surface 3a of the outer cylinder 3 is less than 2 mm, the above effect may not be achieved. The distance l is more preferably set to 3 mm or more. On the other hand, when the distance l exceeds 20 mm, the length existing in the outer cylinder 3 of the ceramic heating element 10 becomes longer, and the brazing material joining the outer cylinder 3 and the ceramic heater 1 becomes the heating element 10. Problems such as melting and outflow due to excessive heat generation from the pipe may occur. Therefore, the distance l is set to 20 mm or less.
[0024]
The ceramic heater 1 can be manufactured, for example, by the following method. First, as shown in FIG. 4A, the electrode material 30 is inserted into the mold 31 having the U-shaped cavity 32 corresponding to the ceramic heating element 10 so that the end portion enters the cavity 32. To place. Then, in this state, by injecting a compound 33 containing conductive ceramic powder and a binder, as shown in FIG. 5B, the electrode material 30 and the U-shaped conductive ceramic powder molding portion 34 Is formed into an integrated injection-molded body 35. The portion 34b that becomes the straight portion 10b after firing has a substantially circular cross-sectional shape.
[0025]
On the other hand, separately from this, by pre-molding the ceramic powder forming the ceramic base 13 by die press molding, pre-formed bodies 36 and 37 formed as separate upper and lower bodies as shown in FIG. 5A are prepared. Keep it. These preforms 36 and 37 are formed in a shape corresponding to each of the divided parts when the ceramic base 13 is assumed to be divided into two parts by a cross section substantially parallel to the axis thereof. A concave portion 38 having a shape corresponding to the integrally formed body 35 is formed in a corresponding portion. Then, the integral injection molded body 35 is accommodated in the recess 38, and the upper and lower preformed bodies 36 and 37 are mold-matched, and in this state, the preformed bodies 36 and 37 and the integral injection molded body 35 are further molded. By using and pressing and integrating, a composite molded body 39 as shown in FIG. 5B is created.
[0026]
The composite molded body 39 thus obtained is first calcined in order to remove the binder component from the conductive ceramic powder molded portion 34 or the preformed bodies 36 and 37 by injection molding, and subsequently, as shown in FIG. 6 (a). Further, by performing hot press firing at a predetermined temperature while pressing between molding machines 40 made of graphite or the like, a fired body 41 as shown in FIG. At this time, the conductive ceramic powder molding machine 34 shown in FIG. 5 (b) forms the ceramic heating element 10, the preforms 36 and 37 form the ceramic base 13, and the electrode material 30 forms the electrode portions 11 and 12, respectively. It will be. Then, the ceramic heater 1 as shown in FIG. 2 is obtained by processing the outer surface of the fired body 41 as necessary, such as polishing.
[0027]
【Example】
  Next, experimental examples for showing the effects of the present invention will be described. Sample No.(1)~(7)Is an example according to the present invention.(8)Is a comparative product for confirming the difference in effect from this example. Sample No.(1)~(3)Is an example when the cross-sectional shape of the top portion 10c is an ellipse.(4)~(6)Is an example in which the cross-sectional shape shown in FIG.(7)These show the Example in the case of the cross-sectional shape which made the rhombus apex substantially R shape. And width b and thickness c, and a sample(4)~(7)In this case, various shapes of the included angle α of the base side outline in the range of 60% of the center of the width b were prepared. Sample No.(1)~(3)Is shown in FIG.(4)~(6)Is shown in FIG.(7)FIG. 8 shows an enlarged view of the cross-sectional shape at the top. In these drawings, the tangent line 20, the imaginary circle 21, and the imaginary line 22 indicating the range of the center 60% of the width are shown by dotted lines so as to contact each other at the center of the base end side outline 10d.
[0028]
  Sample No.(4)~(7)In the cross-sectional shape of the top portion 10c, the base-side contour line 10d in the range of the center 60% of the width is formed by two straight lines. The included angle α of these two straight lines is the sample No.(4), (5)And Sample No.(7)Is formed at 160 ° ≦ α <180 °.(6)Is formed such that α = 156 ° <160 °.
[0029]
  Sample No. which is a comparative product.(8)The cross-sectional shape of the top of the circular cross-sectional shape as shown in FIG. Therefore, both the width b and the thickness c are the same as the diameter. In addition, the width b in this cross section, that is, the diameter and the width b 'on the base side is the same, and the thickness c in this cross section, that is, the diameter and the thickness c' on the base side are the same. FIG. 12 shows the results of each test of temperature rise characteristics, power consumption, and energization durability for each of these samples. Further, in FIG. 12, the area A surrounded by the imaginary line 22 indicating the range of the center 60% of the tangent line 20 and the width b and the base end side outline 10d, and the range of the center 60% of the tangent line 20 and the width b. An area A ′ surrounded by a virtual line 22 and a virtual circle 21 is shown at the same time.
[0030]
  From these test results, a sample having a large width b and a small thickness c(7)It can be seen that each test shows the best results. In addition, the test method of each test is shown below. Temperature rise characteristic test: When a voltage at which the temperature of the tip 2 formed in a curved surface is 1350 ° C. is applied 60 seconds after the start of energization, the temperature of the tip 2 after 3 seconds from the start of application is measured. . In this case, a range of 800 ° C. or more and less than 850 ° C. was judged as acceptable (Δ), a range of 850 ° C. or more and less than 900 ° C. was judged as good (◯), and 900 ° C. or more was judged as excellent (◎). Power consumption test: Measure power consumption at steady temperature when a voltage at which the temperature of the tip 2 formed in a curved surface is 1350 ° C. is applied at steady temperature. In this case, 80 W or more was judged as normal (×), a range from 75 W to less than 80 W was acceptable (Δ), a range from 70 W to less than 75 W was judged as good (◯), and a range less than 70 W was judged as excellent (◎). Energization endurance test: A cycle in which the temperature of the tip 2 formed in a curved surface is 1350 ° C. when the temperature is steady is energized for 1 minute, interrupted for 1 minute, and forcedly cooled with air when energized. When the durability test is performed, the number of cycles until the temperature of the tip 2 becomes 1300 ° C. or less due to factors such as an increase in the resistance value of the ceramic heating element is measured. In this case, the range from 15000 cycles to less than 20000 cycles is normal (x), the range from 20000 cycles to less than 25000 cycles is acceptable (Δ), the range from 25000 cycles to less than 30000 cycles is good (◯), and 30000 cycles are performed. Also, those with no abnormalities were judged as excellent (◎).
[0031]
  From these test results, the following was confirmed.
1. Sample No. 2 in which the width b and the thickness c satisfy the relationship b> c.(1)~(3)And Sample No.(7)Is a sample No. as a comparative example.(8)It can be seen that the current-carrying durability is superior to
2. Sample No. 2 in which the width b 'on the base side with respect to the width b satisfies the relationship b> b'.(1)And Sample No.(7)Is a sample No. as a comparative example.(8)It can be seen that the current-carrying durability is superior to
3. Sample No. A in which the area A and the area A ′ satisfy the relationship of A ′> A.(1)~(7)Is a sample No. as a comparative example.(8)It can be seen that the current-carrying durability is superior to
4). Sample No. in which the base side outline in the range of 60% of the center of the width b is formed by a single line or two straight lines.(4)~(7)Among them, the sample No. in which the included angle α is 160 ° ≦ α ≦ 180 °.(4), (5)And Sample No.(7)Is the included angle α,156 °Sample to be(6)It can be seen that the energization durability is further improved as compared with the above.
5. Sample No. 2 in which the thickness c ′ on the base side with respect to the thickness c satisfies the relationship c <c ′.(2), (3)And Sample No.(7)Is a sample No. as a comparative example.(8)As compared with the above, it is excellent in energization durability, and the maximum temperature portion of the ceramic heating element can be disposed on the most advanced side of the ceramic substrate, so that it can be seen that the temperature rise characteristics are also improved. In addition, power consumption can be further reduced.
6). The width b and the thickness c satisfy the relationship b> c, the width b ′ closer to the base than the width b satisfies the relationship b> b ′, and the area A and the area A ′ are represented by A ′. > A, the included angle α is 160 ° ≦ α ≦ 180 °, and the thickness c ′ on the base side with respect to the thickness c satisfies the relationship c <c ′.(7)It is understood that the temperature rise characteristics, power consumption, and energization durability are the best.
[0032]
  Next, the sample No. with the best energization durability, power consumption, and temperature rise characteristics was obtained.(7)Sample No. as a comparative example.(8)FIG. 13 shows the result of measuring the temperature distribution at the time of steady temperature when a voltage at which the temperature of the tip 2 formed in a curved surface at the temperature steady state is 1350 ° C. is applied. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the distance along the surface in the base direction from this position, where the most advanced position of the ceramic heater is 0, and the vertical axis indicates the temperature at the distance. The symbol P in FIG. 13 indicates the position of the boundary between the tip 2 and the straight bar 14 in the ceramic heater 1. As a result, sample no.(7)The highest temperature of the ceramic heater is the highest, and the temperature decreases toward the base side.RukoI understand. In contrast, Sample No. as a comparative example.(8)It can be seen that the portion of the ceramic heater surface where the maximum temperature is reached is not at the tip 2 but at a position closer to the base side.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front partial sectional view showing an example of a glow plug of the present invention.
FIG. 2 is a front sectional view of the ceramic heater.
FIG. 3 is an overall view of a ceramic heating element.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process of a ceramic heater.
FIG. 5 is a process explanatory diagram subsequent to FIG. 4;
6 is a process explanatory diagram subsequent to FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a half cross-sectional view of the ceramic heating element according to the present invention as a cross section at the top.
FIG. 8 is an enlarged top view of a ceramic heating element according to the present invention.
FIG. 9 is an enlarged top view of a ceramic heating element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an enlarged top view of a ceramic heating element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an enlarged top view of a ceramic heating element according to a comparative example of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing experimental results of the present invention.
FIG. 13 is a drawing showing temperature distribution of ceramic heaters according to examples and comparative examples of the present invention.
FIG. 14 is a view showing a temperature distribution of a conventional ceramic heater.
FIG. 15 is a drawing in which a temperature distribution in a cross section of a conventional ceramic heater is obtained by FEM analysis.
[Explanation of symbols]
1 Ceramic heater
2 Tip
10 Ceramic heating element
10a Direction change part
10b Straight section
10c top
10d Proximal contour line
11 Electrode section
12 Electrode section
13 Ceramic substrate
20 Tangent
21 virtual circle
22 Virtual line (line showing the center 60% of the width)
50 ceramic glow plug
α
b width
c Thickness

Claims

In a ceramic heater comprising an axial rod-shaped ceramic base and a ceramic heating element embedded in the ceramic base and generating heat by being energized from the end side of the ceramic base,
The ceramic heating element includes a U-shaped direction changing portion, and a portion where the width b ′ on the end side satisfies the relationship of b> b ′ with respect to the width b in the top cross-sectional shape of the direction changing portion. A ceramic heater comprising:

In a ceramic heater comprising an axial rod-shaped ceramic base and a ceramic heating element embedded in the ceramic base and generating heat by being energized from the end side of the ceramic base,
The ceramic heating element includes a U-shaped direction change portion, an end side contour line in a range of the center 60% of the width b in the top cross-sectional shape of the direction change portion, and the end side contour line. When a virtual circle having an area A formed by a tangent at the center and a diameter of width b is drawn so as to touch the center of the edge side contour line, A ceramic heater characterized in that an area A ′ formed by the tangent line has a portion satisfying a relationship of A ′> A.

When the top cross-sectional shape is formed by one or two straight lines in the range of the center 60% of the width and is constituted by two straight lines, the included angle is 3. The ceramic heater according to claim 2 , wherein α is 160 ° ≦ α <180 °.

The ceramic heater has a tip formed with a small diameter, and the top of the direction changing portion of the ceramic heating element is disposed so as to be located in the tip of the ceramic heater, and the ceramic heating element The ceramic heater according to any one of claims 1 to 3 , wherein the tip of the surface of the ceramic heater having the highest temperature due to resistance heat generation is the tip.

The ceramic heater according to any one of claims 1 to 4 , wherein a portion of the surface of the ceramic heater where the maximum temperature is reached is the most advanced.

A glow plug comprising the ceramic heater according to claim 1 .