JP2001052845A

JP2001052845A - セラミックヒータ

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Publication number: JP2001052845A
Application number: JP11228552A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Konishi; 雅弘小西
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2001-02-23
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: JP3799195B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リード線を合理的に配置して、高融点金属
又は導電性セラミックからなる抵抗発熱体におけるクラ
ックの発生、及びリード線における断線の発生を抑制な
いし防止し得るセラミックヒータを提供する。【解決手段】セラミック基体１３の半径をＲとし、
任意のリード線１１，１２の表面とセラミック基体１３
の表面との最短距離をＬとして、０．３≦Ｌ／Ｒ≦０．
８に設定することにより、リード線１１，１２を応力に
関して中立線となるセラミックヒータ１の中心軸線に近
づけて配置できる。したがって、製造段階において又は
使用段階において、抵抗発熱体１０におけるクラックの
発生及びリード線１１，１２における断線の発生を、製
造工程を大幅に変更したりすることなく、抑制し又は防
止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばグロープラ
グに用いられるセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば図１１（ａ）に示すよう
に、金属製の外筒１０１の先端にセラミックヒータ１０
２を保持させたグロープラグ１００が知られており、デ
ィーゼルエンジン等の始動促進に使用されている。セラ
ミックヒータ１０２は、例えば棒状の絶縁性セラミック
基体１０３の先端部に、導電性セラミックスにより形成
されたＵ字形のセラミック発熱体１０４（抵抗発熱体）
を埋設し、その両端に接続されたリード線１０５を介し
て通電することによりこれを抵抗発熱させるものとして
構成される。ここで、リード線１０５は、その先端部を
セラミック発熱体１０４の各端部内に埋設することによ
りこれに接続される。この他にも導電性セラミックの代
りに、タングステン線等の高融点金属を用いた抵抗発熱
体を埋設した形式のセラミックヒータも知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなセラミック
ヒータ１０２において、発熱用ヒータやディーゼルエン
ジン等の始動促進用グロープラグ１００等の製造工程
中、若しくは使用中に、セラミック発熱体１０４にクラ
ックＫが発生したり、リード線１０５に断線Ｓを生じた
りする場合がある（図１１（ｂ））。即ち、ホットプレ
ス焼成後のセラミックヒータ１０２（セラミック基体１
０３）表面研磨作業の際やグロープラグ１００の製造工
程における外筒１０１のろう付け作業の際の機械的な外
力を受けたり、又は使用中におけるセラミック発熱体１
０４の冷熱サイクルに伴う熱応力を受けることによっ
て、クラックＫや断線Ｓの発生を見る場合がある。

【０００４】このようなクラックＫや断線Ｓが発生する
のは、セラミックヒータ１０２の製造工程中におけるホ
ットプレス焼結時に、脱脂工程で除去されなかった有機
バインダに含まれる残炭素分がリード線１０５の表面に
おいて反応層Ｔを形成し、この反応層Ｔが機械強度的に
弱い領域となっているのが一因と考えられる。即ち、こ
のような反応層は焼結していないため、緻密化していな
いがさがさの状態の領域がセラミックヒータ１０２内に
存在することになる。セラミックヒータ１０２内の限ら
れた断面積内にこのような緻密化していない領域が存在
することにより、セラミックヒータ１０２の機械的強度
が不足することになるものと考えられる。また、リード
線１０５とセラミック発熱体１０４との材質上の差異に
伴い、両者の熱膨張率の差が、クラックＫや断線Ｓの発
生に関与していることも充分に予測される。

【０００５】リード線１０５として多くの場合Ｗ（タン
グステン）又はＷ合金が使用されている。リード線１０
５をＰｔ（白金）等の他の高融点金属で構成することも
考えられるが、これらの金属を用いても反応層Ｔの形成
が常になくなるとは限らないこと、及びリード線１０５
とセラミック発熱体１０４との材質上の差異に伴う両者
の熱膨張率の差は依然として存在することから、クラッ
クＫや断線Ｓの発生を抑制ないし防止し得る他の効果的
な手段が望まれている。

【０００６】本発明の課題は、リード線を合理的に配置
して、高融点金属又は導電性セラミックからなる抵抗発
熱体におけるクラックの発生、及びリード線における断
線の発生を抑制ないし防止し得るセラミックヒータを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のセラミックヒータは、軸状
の絶縁性セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設
される抵抗発熱体と、前記セラミック基体に埋設される
とともに、自身の一端部が前記抵抗発熱体の両端に接続
される一対のリード線とを備え、前記リード線の接続部
における軸直交断面でみて、前記セラミック基体の半径
をＲとし、任意の前記リード線の表面と前記セラミック
基体の表面との最短距離（以下、単に最短距離という）
をＬとして、０．３≦Ｌ／Ｒ≦０．８を満足することを
特徴とする。

【０００８】上記本発明によれば、セラミック基体の半
径をＲとし、最短距離をＬとして、０．３≦Ｌ／Ｒ≦
０．８に設定することにより、リード線を応力に関して
中立線となるセラミックヒータの中心軸線に近づけて配
置できる。したがって、製造段階において又は使用段階
において、抵抗発熱体におけるクラックの発生及びリー
ド線における断線の発生を、製造工程を大幅に変更した
りすることなく、抑制し又は防止できる。なお、セラミ
ック基体の半径Ｒは１．５〜２．５ｍｍの場合におい
て、この傾向はより強くなることが確認されている。

【０００９】しかも本発明のリード線は、Ｗ又はＷ合金
により形成することができるので、既存のセラミックヒ
ータと同様の加熱性能を維持しつつ、製造段階や使用段
階でのリード線における断線の発生を抑制又は防止し
て、歩留まりや品質の向上も図ることができる。

【００１０】さらに本発明の抵抗発熱体は、導電性セラ
ミックスにより形成されたセラミック発熱体としてもよ
い。耐久性に優れた特性を有する（繰り返し使用に耐え
る）導電性セラミックスを用いることにより、セラミッ
クヒータの寿命を向上させることができる。一方、リー
ド線をセラミックヒータの中心軸線に近づけて配置する
に伴い、少なくともリード線の接続重なり（埋設）部分
の抵抗発熱体もセラミックヒータの中心軸線に近づけ
て、すなわちセラミックヒータの表面からは遠ざけて配
置される場合がある。この場合には発熱特性（短時間で
のヒータ表面の昇温）からみると不利となる。しかし、
発熱特性に優れた導電性セラミックスの採用により、こ
れらの不利は解消可能となる。

【００１１】ここで、上記導電性セラミックスは、導電
性を担う成分としてＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ
から選ばれた少なくとも１種の炭化物、窒化物又は珪化
物を含有することができる。これらの導電性セラミック
スの採用により、一層発熱特性に優れたセラミックヒー
タが得られる。

【００１２】さらに本発明のリード線の端部は、セラミ
ック発熱体に埋設され、セラミック発熱体に対するリー
ド線の軸線方向の挿入深さＨを、０．３≦Ｈ≦７ｍｍに
設定できる。０．３ｍｍ未満の場合には、リード線のセ
ラミック発熱体からの脱落やリード線とセラミック発熱
体との間の導通不良の可能性が高まる。また、７ｍｍを
超える場合には、リード線の接触面積が増大するため反
応層の領域が増える。反応層の領域が増加すると、この
部分の機械的強度が低下する恐れが大きくなる。したが
って、リード線を上記の範囲でセラミック発熱体に埋設
することにより、セラミックヒータの機械的強度を確保
できるとともに、セラミックヒータの製造工程中に、リ
ード線とセラミック発熱体との間に導通不良を生じた
り、リード線が折れたりする不良数を減らすことができ
るため、製品歩留まりが向上する。

【００１３】さらに本発明のリード線の線径φＤは、
０．２≦φＤ≦０．８ｍｍに設定できる。０．２ｍｍよ
りも小さい場合には、リード線の電気抵抗値が上昇する
ため、発熱体に十分な電力を供給することが困難にな
り、また断線を生じやすくなる。また、０．８ｍｍを超
える場合には、リード線の接触面積が大きくなるため、
反応層の形成される面積が増大する。セラミックヒータ
内の限られた断面積内にこのような緻密化していない反
応層の面積が増大すると、セラミックヒータの機械的強
度が不足することになる。したがって、リード線径をこ
の範囲内に収めることにより、発熱体に十分な電力を供
給することができるとともに、セラミックヒータの強度
を確保することができる。

【００１４】さらに本発明は、半径１．５ｍｍの半円柱
面を有し、１２ｍｍの間隔を隔てて配置された２つの支
点上に、最短距離を形成する方向を下に向けて載置さ
れ、半径１．５ｍｍの半円柱面を有する荷重点が、両支
点間の中央上方であって、抵抗発熱体とリード線との軸
線方向における接続重なり長さの中点において、上方か
ら当接し、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの荷重
が印加され、破断時の最大荷重から導かれる最大曲げ応
力を抗折強度σとして測定したときに、σ≧４００ＭＰ
ａに設定できる。これにより、抵抗発熱体におけるクラ
ックの発生及びリード線における断線の発生を抑制し又
は防止するのに充分な機械的強度（最大曲げ応力）を有
するセラミックヒータが、確実に得られる。

【００１５】

【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用いたグロープラグを、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、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されるとともに、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
周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合される。
このナット７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。

【００１６】セラミックヒータ１は、図２に示すよう
に、ほぼ円形の断面を有する軸状の絶縁性セラミック基
体１３中に、一方の基端部から延びた後、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１０ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線部１
０ｂとを有するＵ字状のセラミック発熱体１０（抵抗発
熱体）を備えている。さらに、セラミック発熱体１０の
両端部には、線状又はロッド状の一対のリード線１１及
び１２の先端部が埋設される。そのセラミック発熱体１
０は、セラミックヒータ１の先端部２において、その方
向変換部１０ａがセラミックヒータ１の先端側を向くよ
うに埋設されている。

【００１７】また、各リード線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
する方向に延びている。そして、その一方のもの（１
２）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
１２ａ及び１１ａを形成している。

【００１８】セラミック発熱体１０は、導電性を有する
セラミックス、例えば導電性を担う成分としてＷ，Ｍ
ｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒから選ばれた少なくとも１
種の炭化物、窒化物又は珪化物を含有するセラミックス
により形成することができる。具体的には、炭化タング
ステン（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、炭化
タングステンと窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）との複合物等に
より構成されるが、炭化珪素（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、リード線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_２Ｏ_３）、シリカ（Ｓｉ
Ｏ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（Ｔｉ
Ｏ_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・５Ｓｉ
Ｏ_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。

【００１９】図２において、セラミック基体１３の表面
には、そのリード線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）により形成されている。そ
して、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、リード線１２
がその露出部１２ａを介して外筒３と導通している。ま
た、リード線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及びリード線
１１を介してセラミック発熱体１０に対して通電され、
さらにリード線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。

【００２０】［実施例］以下、本発明に係るセラミック
ヒータ１について、具体的実施例をその製造方法ととも
に説明する。まず、図３（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に対しリード線材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、ＷＣ−Ｓｉ_３Ｎ_４系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、リード線材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。

【００２１】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４（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。ここで、セ
ラミック基体１３を形成するセラミック粉末は、例えば
平均粒子径０．５〜１．５μｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末７５〜
９５重量％と、平均粒子径０．５〜１．５μｍのＥｒ_２
Ｏ_３粉末１〜１５重量％と、平均粒子径０．５〜１．５
μｍのＳｉＯ_２粉末０．５〜１０重量％と、平均粒子径
０．５〜１．５μｍのＭｏＳｉ_２粉末０．５〜１０重量
％とを混合して調製する。なお、Ｅｒ_２Ｏ_３の代わり
に、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等他の希土類元素酸化物を用
いてもよい。また、ＳｉＯ_２の代わりに、ＳｉＯ_２とＡ
ｌ_２Ｏ_３との混合物を用いたり、Ａｌ_２Ｏ_３のみを用い
たりしてもよい。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、各々その分割面に相当する部分
に、上記一体射出成形体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３
６、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４（ｂ）に示すよう
な、複合成形体３９を作成する。

【００２２】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からバインダ成分等を除去す
るために、Ｓｉ_３Ｎ_４系セラミック粉末に埋設した状態
で、Ｎ_２雰囲気中で仮焼され脱脂が行われる。続いて、
図５（ａ）に示すように、離型剤を塗布した脱脂後の複
合成形体３９を上下金型（カーボン型）４０の間にセッ
トし、３００ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧しながら１８００℃
で９０分間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４
（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１０を、予備成形体３６及び３７がセラミッ
ク基体１３を、リード線材３０がリード線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
外面にセンタレス研磨加工を施すことにより、図６に示
すようなセラミック基体外径２Ｒが例えば２Ｒ＝３．５
ｍｍのセラミックヒータ１が得られる。

【００２３】図６は、射出成形によって製造されるセラ
ミックヒータ１の代表的な断面構造例を示す。図６にお
いて、セラミックヒータ１のセラミック発熱体１０は、
軸直交断面において、中心軸線を挟んで両側に疑似楕円
形の形態を有する。一方、軸断面においては、その直線
部１０ｂが、方向変換部１０ａと断面積が略等しい（図
では幅が略等しい）先端側直線部１０ｂ１と、方向変換
部１０ａよりも断面積が大きい（図では先端側直線部１
０ｂ１から中心軸側のみ拡幅し、方向変換部１０ａより
も幅が大きい）基端側直線部１０ｂ２とから形成されて
いる。

【００２４】［試験例１］図３（ａ）において、キャビ
ティ３２に対するリード線材３０の相対的な位置を変更
して、第１の試験品を作成した。具体的には、図６に示
すセラミックヒータ１完成時のリード線１１，１２の埋
設部における軸直交断面において、セラミック基体１３
の半径をＲとし、最短距離をＬとして、Ｌ／Ｒを、０．
１〜０．９まで変化させた。なお、試験品はＬ／Ｒごと
に３個ずつ作成した。

【００２５】次にホットプレス焼成及び表面研磨を行っ
て得られた試験品（各Ｌ／Ｒごとに３個）に対し、次の
ような耐久試験を実施した。すなわち、セラミックヒー
タ１のリード線１１，１２に６０秒間通電後６０秒間通
電停止を１サイクルとして、連続２０，０００サイクル
の繰り返し耐久試験を行った。その後、図６に表される
３点曲げ抗折試験を実施し、抗折強度σを求めた。その
試験手順は次のように行う。まず、３点曲げ抗折試験
装置２０の２つの支点２１，２２は、略水平方向にスパ
ンｌ＝１２ｍｍの間隔を隔てて配置され、支点２１，２
２の上面はそれぞれ半径ｒ＝１．５ｍｍの半円柱面２１
ａ，２２ａに形成されている。表面粗さが０．８μｍＲ
ｍａｘ（最大高さ）以下に表面研磨されたセラミックヒ
ータ１の先端部２が、最短距離Ｌを形成する方向を下に
向けた状態で、両支点２１，２１の半円柱面２１ａ，２
２ａ上に跨るように載置される。次に、下面に半径ｒ
＝１．５ｍｍの半円柱面２３ａが形成される荷重点２３
が、両支点２１，２２間の中央上方であって、セラミッ
ク発熱体１０（抵抗発熱体）に対するリード線１１，１
２の軸線方向の挿入深さＨ（接続重なり長さ）の中点に
おいて、セラミックヒータ１に上方から当接する。そ
して、セラミックヒータ１に、クロスヘッド速度０．５
ｍｍ／ｍｉｎの荷重を印加し、セラミックヒータ１の破
断時の最大荷重Ｐから導かれる最大曲げ応力を抗折強度
σとして測定する（若しくは計算して求める）。

【００２６】すなわち、破断時の最大荷重をＰ、支点２
１，２２間距離をｌ、セラミック基体１３の半径をＲと
したとき、抗折強度σは、次式で求められる。 σ＝（Ｐ・ｌ）／（π・Ｒ^３）（１）図６に示す通り、３点曲げ抗折試験装置２０に対するセ
ラミックヒータ１のセット位置に関して、最も破壊が起
こりやすい最短距離Ｌを形成する方向を下に向け、かつ
荷重Ｐの印加方向と一致させて、垂直方向に置くことに
より、ここで求められたセラミックヒータ１の抗折強度
σは、曲げに対する設計上の許容応力として意味付けら
れる。すなわち、セラミック焼成体は一般的に圧縮には
強いが引張りには弱い。３点曲げ試験の場合、セラミッ
クヒータ１の軸直交断面において、断面の下方側で引張
応力が生じ、上方側で圧縮応力が生じているから、下端
側から破壊が発生する。したがって、最短距離Ｌを形成
する方向を下に向けることによって、前記反応層が最も
下方に位置することになるので、最短距離Ｌを形成する
部分から破壊が起こるようになる。なお、例えば抗折強
度σ≧４００ＭＰａに設定すれば、セラミック発熱体１
０（抵抗発熱体）におけるクラックの発生及びリード線
１１，１２における断線の発生を抑制し又は防止するの
に充分な機械的強度（最大曲げ応力）を有するセラミッ
クヒータ１か否かを、上記した３点曲げ抗折試験により
確実にかつ容易に検査できる。

【００２７】上記［試験例１］の３点曲げ抗折試験に用
いた試験装置２０は、ＡＧ−５０００型オートグラフ
（島津製作所製、５００ｋｇｆロードセル装着）であ
る。なお、セラミックヒータ１の先端から荷重点２３ま
での水平方向距離Ｍは、図６の実施例の場合Ｍ＝７．５
ｍｍであり、また、図６において、＋側のリード線１２
が上方側（荷重点２３の位置する側）にセットされてい
る。また、支点２１，２２及び荷重点２３の形態につい
て、図６に示すトンネル形状以外に、円柱状や半円柱状
などでもよく、半円柱面２１ａ，２２ａ，２３ａを有し
ていればよい。さらに、その他の測定条件は、ＪＩＳ
Ｒ１６０１（ファインセラミックスの曲げ強さ試験方
法）に準拠する。

【００２８】一方、個々の試験品について、リード線１
１，１２間の電気抵抗値を測定し、リード線１１，１２
同士の接触がないかを確認した。

【００２９】以上の抗折強度と、電気抵抗値の測定結果
を図７に示す。抵抗強度σが４００ＭＰａに達しない場
合、及び電気抵抗値が４００ｍΩに達しない場合は不良
品とし、不良品の有（×）無（○）により、耐久試験の
結果判定を行った。図７で見る通り、Ｌ／Ｒが０．３以
上では、抗折強度σが４００ＭＰａ以上の充分な機械的
強度を確保しており、一方、Ｌ／Ｒが０．８以下では、
電気抵抗値が４００ｍΩ以上の充分な絶縁性が保たれて
いる。なお、Ｌ／Ｒが０．３未満では、セラミック発熱
体１０に対するリード線１１，１２の軸線方向の挿入部
がセラミック基体１３の表面に近づいていくので、充分
な抗折強度σが得られなくなり、また、Ｌ／Ｒが０．８
を超えると、この挿入部が中心に寄りすぎショート（絶
縁破壊）の可能性が高くなる。

【００３０】［試験例２］再び、図３（ａ）において、
キャビティ３２に対するリード線材３０の相対的な位置
を変更して、第２の試験品を作成した。具体的には、図
３（ｂ）において、導電性セラミック粉末成形部３４
（セラミック発熱体１０）に対するリード線材３０，３
０（リード線１１，１２）の軸線方向の挿入深さＨを、
０．２〜８ｍｍまで変化させた。なお、試験品は挿入深
さＨごとに１０個ずつ作成した。

【００３１】次にこのようにして得られた試験品（各挿
入深さＨごとに１０個）に対し、リード線材３０，３０
（リード線１１，１２）と導電性セラミック粉末成形部
３４（セラミック発熱体１０）との間の導通試験を実施
し、導通不良の個数を数えた。一方、個々の試験品につ
いてホットプレス焼成を行い、図６に示すセラミックヒ
ータ１を作成した。そして、図６に表される３点曲げ抗
折試験を実施し、抗折強度σを求め、抗折強度σが４０
０ＭＰａ未満である個数を数えた。なお、３点曲げ抗折
試験の実施方法は、［試験例１］に準拠する。

【００３２】ここで、抗折強度σのしきい値を４００Ｍ
Ｐａに設定したのは、［試験例１］において充分な機械
的強度（曲げ強さ）を確保できることが確認されたから
である。なお、試験品１０個のうち、不良品（抗折強度
σが４００ＭＰａ未満又は導通不良の個数が０のときは
優（○）、１〜２個のときは可（△）、３個以上のとき
は不可（×）と評価する。

【００３３】以上の抗折強度と、導通状態の測定結果を
図８に示す。図８で見る通り、図３の射出成形によって
製造されたセラミックヒータ１の場合、挿入深さＨが７
ｍｍ以下では、抗折強度σが４００ＭＰａ以上の機械的
強度をほぼ確保しており、一方、挿入深さＨが０．３ｍ
ｍ以上では、導通が良好な状態がほぼ保たれている。な
お、挿入深さＨが０．３ｍｍ未満では、リード線１１，
１２のセラミック発熱体１０（あるいは射出成形体）か
らの脱落や導通不良の可能性が高まり、また、挿入深さ
Ｈが７ｍｍを超えると、リード線１１，１２とセラミッ
ク発熱体１０との接触面積の増大につれて反応層が増
え、機械強度的に弱くなる恐れが増す。ところで、後述
の図１０（ｂ）の厚膜印刷によって製造されたセラミッ
クヒータ１Ｂの場合、射出成形よりも精密な処理ができ
るため、挿入深さＨの下限値を０．３ｍｍ以下にまで広
げることが可能である。

【００３４】［試験例３］再び、図３（ａ）において、
キャビティ３２に対するリード線材３０の線径φＤを変
更して、第３の試験品を作成した。具体的には、リード
線材３０（リード線１１，１２）の線径φＤを、０．１
〜０．９ｍｍまで変化させた。なお、試験品は線径φＤ
ごとに１０個ずつ作成した。

【００３５】次にホットプレス焼成及び表面研磨を行っ
て得られた試験品（各線径φＤごとに１０個）に対し、
図６に表される３点曲げ抗折試験を実施し、抗折強度σ
を求め、抗折強度σが４００ＭＰａ未満である個数を数
えた。一方、個々の試験品について、リード線１１，１
２間の通電試験を実施し、断線した個数を数えた。な
お、３点曲げ抗折試験の実施方法は、［試験例１］及び
［試験例２］に準拠する。

【００３６】試験品１０個のうち、不良品（抗折強度σ
が４００ＭＰａ未満又は断線状態）の個数が０のときは
優（○）、１〜２個のときは可（△）、３個以上のとき
は不可（×）と評価する。

【００３７】以上の抗折強度と、断線チェックの測定結
果を図９に示す。図９で見る通り、リード線径φＤが
０．８ｍｍ以下では、抗折強度σが４００ＭＰａ以上の
機械的強度をほぼ確保しており、一方、リード線径φＤ
が０．２ｍｍ以上では、リード線の断線がほとんどない
状態が保たれている。なお、リード線径φＤが０．２ｍ
ｍ未満では、リード線１１，１２が細すぎて断線の恐れ
が高まり、また、リード線径φＤが０．８ｍｍを超える
と、リード線１１，１２とセラミック発熱体１０との接
触面積の増大につれて反応層が増え、機械強度的に弱く
なる恐れが増す。

【００３８】図１０には、本発明に係るセラミックヒー
タの別実施例を示し、図１０（ａ）は図６の第一実施例
に代わる第二実施例の正面断面図及びＢ−Ｂ横断面図、
図１０（ｂ）はさらに別の第三実施例のＣ2−Ｃ2縦断面
図及びＣ1−Ｃ1横断面図である。図１０（ａ）は、射出
成形によって製造されるセラミックヒータの図６に代わ
る断面構造例を示す。図１０（ａ）において、セラミッ
クヒータ１’のセラミック発熱体１０’は、軸直交断面
において、中心軸線を挟んで両側に疑似半月形の形態を
有する。一方、軸断面においては、その直線部１０ｂ’
が、方向変換部１０ａ’と断面積が略等しい（図では幅
が略等しい）先端側直線部１０ｂ１’と、方向変換部１
０ａ’よりも断面積が基端側へ向かうに従い徐々に小さ
くなる（図では先端側直線部１０ｂ１’から表面側のみ
幅縮小し、方向変換部１０ａ’よりも基端側へ向かうに
従い徐々に狭くなる）基端側直線部１０ｂ２’とから形
成されている。また、３点曲げ抗折試験装置２０に対す
るセラミックヒータ１’のセットは、図６と同様、最短
距離Ｌを形成する方向を下に向け、かつ荷重Ｐの印加方
向と一致させて行われる。

【００３９】図１０（ｂ）は、厚膜印刷によって製造さ
れるセラミックヒータ１”（ヒータ本体）の断面構造例
を示す。例えばＷＣ等の導電性セラミックスペーストを
用いてスクリーン印刷等によりパターン形成されたセラ
ミック発熱体１０”を絶縁性のセラミック基体１３”中
に埋設するとともに、セラミック発熱体１０”に４本の
リード線１１”、１１”、１２”、１２”を埋設し、こ
れらを焼成することにより、セラミックヒータ１”が得
られる。図１０（ｂ）において、セラミックヒータ１”
のセラミック発熱体１０”は、軸直交断面において、４
本のリード線１１”、１１”、１２”、１２”の接線状
の形態を有する。一方、軸断面においては、その直線部
１０ｂ”が、方向変換部１０ａ”と断面積が略等しい
（図では幅が略等しい）先端側直線部１０ｂ１”と、方
向変換部１０ａ”よりも断面積が大きい（図では先端側
直線部１０ｂ１”から両側において拡幅し、方向変換部
１０ａ”よりも幅が大きい）基端側直線部１０ｂ２”と
から形成されている。なお、図１０（ｂ）に示すセラミ
ックヒータ１”は、１個のセラミック発熱体１０”と一
対のリード線１１”、１２”を組として、２組のヒータ
を備えた４極構造で構成されている。また、３点曲げ抗
折試験装置２０に対するセラミックヒータ１”のセット
は、図６と同様、最短距離Ｌを形成する方向を下に向
け、かつ荷重Ｐの印加方向と一致させて行われるが、図
示の都合上一部省略した。

【００４０】本発明の抵抗発熱体として、導電性セラミ
ックスにより形成されたセラミック発熱体の他に、Ｗあ
るいはＷ−Ｒｅ合金等の金属製発熱線又は発熱コイル等
であってもよい。なお、図６、図１０等で示されるよう
な、本発明の主要部をなすセラミックヒータ１，１’、
１”の内部構造については、切断等の破壊手段によらな
くても、Ｘ線等の透過装置により可視化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックヒータを用いたグロー
プラグの一例を示す正面部分断面図。

【図２】図１のセラミックヒータの正面断面図。

【図３】セラミックヒータの製造工程説明図。

【図４】図３に続く工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】本発明に係るセラミックヒータの第一実施例を
示す正面断面図及びＡ−Ａ横断面図。

【図７】試験例１の測定結果を示す表。

【図８】試験例２の測定結果を示す表。

【図９】試験例３の測定結果を示す表。

【図１０】本発明に係るセラミックヒータの別実施例を
示し、図１０（ａ）は第二実施例の正面断面図及びＢ−
Ｂ横断面図、図１０（ｂ）は第三実施例のＣ2−Ｃ2縦断
面図及びＣ1−Ｃ1横断面図。

【図１１】従来のグロープラグのセラミックヒータの構
造を示す模式図。

【符号の説明】

１セラミックヒータ２先端部１０セラミック発熱体（抵抗発熱体）１１，１２リード線１３セラミック基体２１，２２支点２３荷重点 φＤリード線の線径Ｈセラミック発熱体に対するリード線の軸線
方向の挿入深さ（接続重なり長さ）Ｌ任意のリード線の表面とセラミック基体の
表面との最短距離Ｒセラミック基体の半径 σ 抗折強度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸状の絶縁性セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設される抵抗発熱体と、前記セラミック基体に埋設されるとともに、自身の一端
部が前記抵抗発熱体の両端に接続される一対のリード線
とを備え、前記リード線の接続部における軸直交断面でみて、前記
セラミック基体の半径をＲとし、任意の前記リード線の
表面と前記セラミック基体の表面との最短距離（以下、
単に最短距離という）をＬとして、０．３≦Ｌ／Ｒ≦
０．８を満足することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】前記リード線は、Ｗ又はＷ合金により形
成されている請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】前記抵抗発熱体は、導電性セラミックス
により形成されたセラミック発熱体である請求項１又は
２記載のセラミックヒータ。
【請求項４】前記導電性セラミックスは、導電性を担
う成分としてＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒから選
ばれた少なくとも１種の炭化物、窒化物又は珪化物を含
有する請求項３記載のセラミックヒータ。
【請求項５】前記リード線の端部は前記セラミック発
熱体に埋設され、該セラミック発熱体に対する前記リー
ド線の軸線方向の挿入深さＨが、０．３≦Ｈ≦７ｍｍで
ある請求項３又は４記載のセラミックヒータ。
【請求項６】前記リード線の線径φＤが、０．２≦φ
Ｄ≦０．８ｍｍである請求項１ないし５のいずれかに記
載のセラミックヒータ。
【請求項７】半径１．５ｍｍの半円柱面を有し、１２
ｍｍの間隔を隔てて配置された２つの支点上に、前記最
短距離を形成する方向を下に向けて載置され、半径１．５ｍｍの半円柱面を有する荷重点が、前記両支
点間の中央上方であって、前記抵抗発熱体と前記リード
線との軸線方向における接続重なり長さの中点におい
て、上方から当接し、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの荷重が印加さ
れ、破断時の最大荷重から導かれる最大曲げ応力を抗折強度
σとして測定したときに、σ≧４００ＭＰａである請求
項１ないし６のいずれかに記載のセラミックヒータ。