JP5989896B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータに関するものである。

車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、セラミックヒータが知られている。セラミックヒータとしては、例えば、特開２０００−１５６２７５号公報（以下、特許文献１という）に開示されたセラミックヒータが挙げられる。

特許文献１に開示されたセラミックヒータは、セラミック構造体と、セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、セラミック構造体に埋設されて発熱抵抗体に接続された給電線とを備えている。

しかしながら、特許文献１に開示されたセラミックヒータは、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線にクラック等が生じる可能性があった。これにより、給電線の抵抗値が変化してしまい、局所的に異常な発熱をしてしまう可能性があった。その結果、セラミックヒータの高温環境下で繰り返し使用した場合における長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明の１つの態様に基づくセラミックヒータは、セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック構造体に埋設されて一端が前記発熱抵抗体に接続された給電線とを具備しており、該給電線は、金属から成るとともに、外周部の金属粒子の粒径よりも中心部の金属粒子の粒径が大きい。

本発明の実施形態の例のセラミックヒータを示す断面図である。 図１に示すセラミックヒータの部分拡大断面図である。 図１に示すセラミックヒータを用いたグロープラグを示す断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照して説明する。

＜セラミックヒータの構成＞
図１に示すように、本発明の実施形態の例のセラミックヒータ１０は、セラミック構造体１と、セラミック構造体１に埋設された発熱抵抗体２と、セラミック構造体１に埋設されて一端が発熱抵抗体２に接続された給電線３とを具備している。セラミックヒータ１０は、例えば、自動車エンジンのグロープラグ等に用いることができる。

＜セラミック構造体の構成＞
セラミック構造体１は、内部に発熱抵抗体２と給電線３とが埋設された部材である。セラミック構造体１の内部に発熱抵抗体２および給電線３を設けることによって、発熱抵抗体２および給電線３の耐環境性を向上させることができる。セラミック構造体１は、例えば、棒状または板状の部材である。

セラミック構造体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、セラミック構造体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

セラミック構造体１は、特に窒化珪素質セラミックスから成ることが好ましい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。窒化珪素質セラミックスから成るセラミック構造体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合して、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成るセラミック構造体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。

なお、セラミック構造体１に窒化珪素質セラミックスを用いて、さらに後述する発熱抵抗体２にＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック構造体１に、さらにＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を混合して分散させておくことが好ましい。発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック構造体１に分散させておくことによって、セラミック構造体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。その結果、セラミックヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

セラミック構造体１の形状が棒状である場合、より具体的には円柱状である場合には、セラミック構造体１の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック構造体１の直径は、例えば３〜５ｍｍに設定される。

＜発熱抵抗体の構成＞
発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック構造体１に埋設されている。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック構造体１の内部を伝わって、セラミック構造体１の表面が高温になる。そして、セラミック構造体１の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、セラミックヒータ１０がヒータとして機能する。セラミック構造体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば自動車用ディーゼルエンジンの内部に供給される軽油等が挙げられる。

発熱抵抗体２は、セラミック構造体１の先端側に設けられている。発熱抵抗体２は、縦断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して平行な断面）の形状が、例えば折返し形状になっている。詳しくは、発熱抵抗体２は、２つの平行な直線部分２１と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分２１を折り返して繋ぐ連結部分２２とを有している。発熱抵抗体２はセラミック構造体１の先端付近で折り返している。発熱抵抗体２の先端（連結部分２２のうち最も先端側の部分）から発熱抵抗体２の後端（直線部分２１の後端）までの長さは、例えば、発熱抵抗体２の長さ方向において２〜１０ｍｍに設定される。なお、発熱抵抗体２の横断面（発熱抵抗体２の長さ方向に対して垂直な断面）の形状は、円形状、楕円形状または矩形状等に設定することができる。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。セラミック構造体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、セラミック構造体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。さらに、炭化タングステンは耐熱性に優れている。

さらに、セラミック構造体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２が炭化タングステンを主成分とするとともに、発熱抵抗体２に窒化珪素が２０質量％以上添加されていることが好ましい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック構造体１の熱膨張率とを近付けることができる。これにより、セラミックヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック構造体１との間に生じる熱応力を低減することができる。

＜給電線の構成＞
給電線３は、発熱抵抗体２に外部の電源を接続するための部材である。給電線３は、セラミック構造体１に埋設されている。給電線３は、発熱抵抗体２の２つの直線部分２１のそれぞれに対応して、セラミック構造体１の長さ方向に沿って２本設けられている。給電線３は、発熱抵抗体２のそれぞれの端部に電気的に接続されている。すなわち、給電線３は、発熱抵抗体２のそれぞれの端部に接している。給電線３は、発熱抵抗体２の端部からセラミック構造体１の後端側にかけて設けられている。

給電線３は、例えば金属のリード線から成る。給電線３に用いられるリード線としては、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）またはニオブ（Ｎｂ）等の金属リード線が挙げられる。給電線３は、発熱抵抗体２と比較して、単位長さ当たりの抵抗が低く設定されている。

そして、図２に示すように、給電線３は、外周部３１の金属粒子の粒径よりも中心部３２の金属粒子の粒径が大きい構成になっている。このように、給電線３において、外周部３１の金属粒子の粒径よりも中心部３２の金属粒子の粒径を大きくすることによって、外周部３１の金属粒子の粒界と中心部３２の金属粒子の粒界とが接する部分を減らすことができる。これにより、例えば、外周部３１で生じたクラックが外周部３１の粒界を伝って中心部３２に近付いたとしても、中心部３２の内部にクラックが進展することを抑制できる。これにより、高温環境下で繰り返し使用した場合に給電線３の抵抗値が変化してしまうことを抑制できる。その結果、給電線３が異常な発熱をしてしまう可能性を低下させることができ、セラミックヒータ１０の高温環境下で繰り返し使用した場合における長期信頼性を向上させることができる。

さらに、外周部３１の金属粒子の粒径が小さいことによって、金属粒子の粒界が多くなることから、外周部３１において給電線３に微細な変形を起こしやすくすることができる。そのため、ヒートサイクル下において、セラミック構造体１と給電線３との熱膨張差に起因する熱応力が生じたとしても、給電線３の外周部３１が変形しやすくなっていることから、この熱応力を外周部３１が変形することによって吸収することができる。これにより、給電線３にクラックが生じる可能性を低減できる。

金属粒子の粒径の比較は、例えば以下の方法で行なうことができる。給電線３の縦断面（給電線３の長さ方向に対して平行な断面）の写真を撮影して、この断面において、給電線３の長さ方向に平行な仮想直線を中心部３２および外周部３１のそれぞれに引いたときに、この仮想直線上に存在する粒子の数が中心部３２よりも外周部３１において多い場合には、外周部３１における金属粒子の粒径が中心部３２における金属粒子の粒径よりも小さいと見なすことができる。この際の仮想直線の長さは、金属粒子の大きさに応じて適宜に設定可能であるが、例えば３００μｍに設定すればよい。

外周部３１の金属粒子の粒径を中心部３２の金属粒子の粒径よりも大きくするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、例えば、給電線３としてＷから成るリード線を用いる場合には、焼成前のリード線に含まれるカリウム（Ｋ）の量を１０ｐｐｍ未満に設定しておくとともに、セラミック構造体１に用いられるバインダー中に含まれるＫの量が５０ｐｐｍ以上になるように設定しておく。具体的には、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）を投入することでＫの量を５０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下とすればよい。そして、ホットプレスによってセラミック構造体１と給電線３とを一体的に焼成すればよい。これにより、焼成の際にセラミック構造体１から給電線３の外周部３１にＫが拡散する。ここで、Ｗから成る給電線３にＫを拡散させて焼成すると、Ｗの外周部は、Ｋが拡散していることによって再結晶粒の成長が抑えられて二次再結晶化しにくくなることにより、焼成後の金属粒子の粒径が小さくなる。つまり、Ｋが多く含まれている給電線３の外周部３１においては、金属粒子の粒径が小さくなり、Ｋが少ししか含まれていない給電線３の中心部３２においては、再結晶粒が成長することによって金属粒子の粒径を大きくすることができる。このようにして、本実施形態のセラミックヒータ１０における給電線３を得ることができる。

さらに、給電線３は、中心部３２の弾性率が外周部３１の弾性率よりも大きいことが好ましい。中心部３２の弾性率を外周部３１の弾性率よりも大きくするためには、上記と同様の方法を用いることができる。具体的には、Ｗから成る給電線３のうち外周部３１にＫが多く含まれている構成にすればよい。Ｋを多く含んでいる部分は、Ｋを少ししか含んでいない領域と比較して、粒径が小さくなっている。粒径が小さいと、金属組織の粒と粒との接点が多くなることで金属粒界での変形を起こし易くなることから、外周部３１の弾性率が中心部３２の弾性率と比較して小さくなる。中心部３２の弾性率を大きくしておくことによって、中心部３２が変形することを抑制できる。その結果、給電線３の伸び縮みが小さくなることからクラックを進展しにくくすることができる。

さらに、中心部３２の金属粒子間の粒界が周方向で異なる向きの複数の面を有していることが好ましい。粒界が周方向で異なる向きであり同一方向を向いていないことによって、クラックが給電線３の長さ方向に進展しにくくなる。

さらに、中心部３２の金属粒子と外周部３１の金属粒子との間の粒界が、給電線３の長さ方向で異なる向きの複数の面を有していることが好ましい。外周部３１と中心部３２との間の粒界を凸凹状にすることによって、クラックが給電線３の長さ方向に進展しにくくなる。

また、給電線３は、内部に複数のボイドが存在していることが好ましい。給電線３の内部にボイドが存在していることによって、発熱抵抗体２から発せられた熱が給電線３を伝わって逃げてしまうことを抑制できる。給電線３の内部にボイドを形成するためには、以下の方法を用いることができる。例えば、給電線３がタングステンから成る場合には、溶融したタングステンに微量のドープ材を添加して分散させる。その後、タングステンを冷却して硬化させた後に加工することによって、内部にボイドが形成された給電線３を得ることができる。このドープ材としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）またはシリカ（ＳｉＯ_２）等を用いることができる。

給電線３の内部のボイドは、特に給電線３の中心部３２の金属粒子間の粒界に存在していることが好ましい。クラックが進展しやすい粒界にボイドがあることによって、給電線３におけるクラックの進展を止めることができる。

＜電極引出部の構成＞
図１に戻って、セラミックヒータ１０は、さらに２つの電極引出部４を有している。電極引出部４は、２つの給電線３に外部の電極をそれぞれ電気的に接続するための部材である。電極引出部４は、セラミック構造体１に設けられている。一方の電極引出部４が一方の給電線３に接続されるとともに、他方の電極引出部４が他方の給電線３に接続されている。電極引出部４は、一端がセラミック構造体１の内部において給電線３に接するとともに、他端がセラミック構造体１の表面に露出している。

電極引出部４は、発熱抵抗体２と同様の材料によって形成することができる。電極引出部４は、発熱抵抗体２と比較して、単位長さ当たりの抵抗が低く設定されている。

＜接続金具の構成＞
セラミックヒータ１０は、さらに接続金具５を有している。接続金具５は電極引出部４のうちセラミック構造体１の表面に露出している部分に接続されている。セラミックヒータ１０は、接続金具５によって外部の電極に接続される。本実施形態のセラミックヒータ１０においては、接続金具５としてコイル状の金具を用いている。接続金具５は、セラミック構造体１を囲むように設けられている。

＜グロープラグについて＞
セラミックヒータ１０は、例えば、グロープラグに用いられる。具体的には、図３に示すように、グロープラグ１００は、セラミックヒータ１０とセラミックヒータ１０を保持する金属製保持部材２０（シース金具）とを備えている。セラミックヒータ１０の後端側は、筒状の金属製保持部材２０に挿入されているとともに、電力供給端子３０によって外部の電源に接続されている。本実施形態のセラミックヒータ１０は、給電線３において中心部３２の内部にクラックが進展することが抑制されていることによって、グロープラグ１００に用いた場合に、長期信頼性を向上させることができる。

＜セラミックヒータの製造方法について＞
セラミックヒータ１０の製造方法について説明する。まず、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等のセラミック粉末に、焼結助剤を含有させてセラミック構造体１の原料となるセラミック粉体を作製する。

次に、このセラミック粉体をセラミックスラリーにした後に、シート状に成形して、セラミックグリーンシートを２つ作製する。このとき、セラミックグリーンシートには、バインダーにＫ_２Ｏを５０ｐｐｍ以上含ませることが好ましい。これにより、焼成時にセラミック構造体１から給電線３にＫを拡散させることができる。

次に、一方のセラミックグリーンシートの上に、発熱抵抗体２となる発熱抵抗体２用導電性ペーストおよび電極引出部４用導電性ペーストのパターンをそれぞれ印刷して、第１成型体を得る。ここで、発熱抵抗体２用導電性ペーストおよび電極引出部４用導電性ペーストの材料としては、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏまたはＷ等の高融点金属を主成分とするものを用いる。発熱抵抗体２用導電性ペーストおよび電極引出部４用導電性ペーストは、これらの高融点金属に、セラミック粉体、バインダーおよび有機溶剤等を調合することで作製できる。

なお、発熱抵抗体２用導電性ペーストとして、セラミック構造体１と同一材料から成るセラミック粉体を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率をセラミック構造体１の熱膨張率に近付けることができる。

また、他方のセラミックグリーンシートの上には、発熱抵抗体２と電極引出部４との間に給電線３が位置するように、給電線３を埋設した第２成形体を作製する。給電線３は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、ＴａまたはＮｂ等の高純度の金属リード線を使用する。特に、金属リード線としては、含有するＫの量が１０ｐｐｍ以下であるものを使用する。

得られた第１成型体と第２成型体とを重ね合わせることで、内部に発熱抵抗体２用導電性ペースト、給電線３および電極引出部４用導電性ペーストによるパターンが形成された第３成型体を得る。

次に、得られた第３成型体を１５００〜１８００℃で焼成することにより、セラミックヒータ１０を作製することができる。このとき、セラミック構造体１から給電線３にＫを拡散させることによって、給電線３の外周部３１において金属粒子の粒径を小さくすることができる。これにより、外周部３１の金属粒子の粒径よりも中心部３２の金属粒子の粒径が大きい給電線３を具備したセラミックヒータ１０を得ることができる。なお、焼成は不活性ガス雰囲気中または還元雰囲気中で行なうことが好ましい。また、圧力を加えた状態で焼成することが好ましい。

本発明の実施例のセラミックヒータを以下のようにして作製した。

まず、セラミック構造体１の原料として、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ_２Ｏ_３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ_２粉末を３．５質量％および酸化アルミニウム粉末を１．５質量％混合して、原料粉末を作製した。その後、この原料粉末を用いてプレス成型によってセラミック構造体１となる第１成型体および第２成型体を作製した。このとき、窒化珪素粉末に用いられているバインダーに１００ｐｐｍの含有量となるＫ_２Ｏを含有させた。

次に、発熱抵抗体２および電極引出部４となる導電性ペーストとして、炭化タングステン（ＷＣ）粉末７０質量％に原料粉末３０質量％を混合し、適当な有機溶剤および溶媒を添加したものを作製した。次に、導電性ペーストをセラミック構造体１となる第１成型体の表面にスクリーン印刷法に塗布した。

第１成型体と第２成形体とを重ねて密着させた際に発熱抵抗体２と電極引出部４との間に位置するように、給電線３を埋設した。給電線３としては、タングステン純度９９．９％であってＫの量が５ｐｐｍ以下であるＷリードピンを用いた。そして、第１成型体と第２成型体とを重ね合わせることで、セラミック構造体１の内部に発熱抵抗体２、給電線３および電極引出部４を有する第３成型体を得た。

次に、第３成形体を円筒状の炭素製の型に入れた後、還元雰囲気中で、１７００℃の温度および３５ＭＰａの圧力でホットプレス焼成を行ない、セラミックヒータ１０（試料１）を作製した。

一方、比較評価用のセラミックヒータ（試料２）を作製した。試料２においては、給電線３として、タングステン純度９９．０％であってＫの量が２０ｐｐｍであるＷリードピンを使用した。

次に、得られたセラミックヒータを直径４ｍｍφ、全長４０ｍｍの円柱状に研磨加工し、表面に露出した電極引出部４にＮｉから成るコイル状の接続金具５をろう付けした。

そして、準備した各試料のヒータに、電圧を印加して１５００℃にまで昇温して、断続的に通電を行なった。具体的には、１５００℃±２５℃での通電を１分間継続し、１分間通電を止めてエアー冷却を行なう。これを１サイクルとして、１００００サイクルの通電を行なった。そして、初期の抵抗値と１００００サイクル後の抵抗値とを測定して、試料１と試料２との間で抵抗変化率の比較を行なった。なお、抵抗の測定には以下の方法を用いた。具体的には、２５℃の恒温槽にヒータ先端を浸し、セラミックヒータの温度を２５℃で安定させた後に抵抗を測定した。

また、１００００サイクル終了後に、給電線３部分をカットし、鏡面研磨加工を行ない、鏡面研磨面をイオントリミング処理した。そして、ＳＥＭを用いて２０００倍の倍率で縦断面を観察した。

その結果、比較例である試料２のヒータは、１００００サイクル終了後の抵抗変化率が２５％であり、さらに給電線３部分をＳＥＭ観察した結果では、給電線３の外周部３１の金属粒子の粒径が中心部３２の金属粒子の粒径よりも大きくなっていた。さらに、クラックが給電線３の外周部３１から中心部３２にまで到達していた。

これに対し、本発明の実施例である試料１のセラミックヒータ１０は、１００００サイクル終了後の抵抗変化が無かった。また、ＳＥＭ観察にて外周部３１の金属粒子の粒径よりも中心部３２の金属粒子の粒径が大きくなっており、クラックが給電線３の中心部３２に進展していないことが確認できた。また、給電線３の外径は０．３ｍｍφであって、そのうち外周から０．０２ｍｍの領域が外周部３１、残りの領域が中心部３２となっていた。さらに外周部３１における金属粒子の粒径は５〜２０μｍ程度であり、中心部３２における金属粒子の粒径は４０〜８０μｍ程度であった。

１：セラミック構造体
２：発熱抵抗体
２１：直線部分
２２：連結部分
３：給電線
３１：外周部
３２：中心部
４：電極引出部
５：接続金具
６：導体層
１０：セラミックヒータ
２０：金属製保持部材
３０：電力供給端子
１００：グロープラグ

Claims (7)

1. セラミック構造体と、該セラミック構造体に埋設された発熱抵抗体と、前記セラミック構造体に埋設されて一端が前記発熱抵抗体に接続された給電線とを具備しており、該給電線は、金属からなるとともに、外周部の金属粒子の粒径よりも中心部の金属粒子の粒径が大きいセラミックヒータ。
2. 前記給電線は、前記中心部の弾性率が前記外周部の弾性率よりも大きい請求項１に記載のセラミックヒータ。
3. 前記給電線は、前記中心部の金属粒子間の粒界が周方向で異なる向きの複数の面を有している請求項１または請求項２記載のセラミックヒータ。
4. 前記給電線は、前記中心部の金属粒子と前記外周部の金属粒子との間の粒界が長さ方向で異なる向きの複数の面を有している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
5. 前記給電線は、内部に複数のボイドが存在する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
6. 前記給電線は、前記中心部の金属粒子間の粒界に複数の前記ボイドが存在する請求項５に記載のセラミックヒータ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセラミックヒータと、該セラミックヒータを保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグ。

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