セラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグ
【課題】 金属管をロウ付けするロウ付け部近傍における高温下での通電耐久性に優れたセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供する。
【解決手段】 棒状のセラミック基体２と、セラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３と電気的に接続され、一端がセラミック基体２の側面に引き出されるようにセラミック基体２に埋設された第１の電極引出部４１と、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層５とを備え、メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６が設けられてメタライズ層５と金属管６とが接合されるセラミックヒータであって、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層５２とからなることを特徴とする。
【解決手段】 棒状のセラミック基体２と、セラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３と電気的に接続され、一端がセラミック基体２の側面に引き出されるようにセラミック基体２に埋設された第１の電極引出部４１と、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層５とを備え、メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６が設けられてメタライズ層５と金属管６とが接合されるセラミックヒータであって、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層５２とからなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグに関する。詳しくは、本発明は石油ファンヒーターの着火用ヒーターなどに使用されるセラミックヒータ、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ディーゼルエンジンの始動促進などに使用されるグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性セラミックスからなる棒状のセラミック基体の先端側に、導電性セラミックス等からなるＵ字状の発熱抵抗体を埋設し、この発熱抵抗体の陰極側と電気的に接続された第１の電極引出部をセラミック基体の側面に引き出して金属製外筒（金属管）に接続するとともに、発熱抵抗体の陽極側と電気的に接続された第２の電極引出部をセラミック基体の後端に引き出して電極取り出し金具の一端に接続するようにしたセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグが知られている。
【０００３】
そして、金属製外筒がセラミック基体の側面に引き出された第１の電極引出部とロウ付けにより電気的に接続されるとともに、電極取り出し金具がセラミック基体の後端に引き出された第２の電極引出部とロウ付けにより電気的に接続された構成のグロープラグが提案されている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室内に燃料の噴射を行う副室式から、直接シリンダ内に燃料を噴射する直接噴射式に移行してきている。このような直接噴射式のディーゼルエンジンに用いられるグロープラグは、シリンダヘッドの壁面に設けられた貫通孔から一部が主燃焼室に突出するように配置される。ここで、シリンダヘッドの強度を確保するために貫通孔を細くする必要があることから、副室式のディーゼルエンジンに用いるグロープラグに比べて細径にすることが要求される。また、細径にすることによって、金属管とセラミック基体の側面に引き出された第１の電極引出部とのロウ付け部近傍の温度がより高温になることから、これまで以上にロウ付け部近傍の高温下での通電耐久性が望まれている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、金属管をロウ付けするロウ付け部近傍における高温下での通電耐久性に優れたセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と電気的に接続され、一端が前記セラミック基体の側面に引き出されるように前記セラミック基体の内部に埋設された第１の電極引出部と、前記セラミック基体の側面の前記第１の電極引出部を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層とを備え、該メタライズ層を覆うように前記セラミック基体の外側に金属管が設けられて前記メタライズ層と前記金属管とが接合されるセラミックヒータであって、前記メタライズ層は、前記第１の電極引出部に接合して形成された活性金属を含む第１メタラ
イズ層と、前記第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層とからなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第２メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層が前記第２メタライズ層よりも後方に位置することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との境界部において、前記第２メタライズ層が前記第１メタライズ層の上側に重なるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１の電極引出部が前記セラミック基体の後方に配置されており、前記メタライズ層が前記第１の電極引出部から前記セラミック基体の先方に向かって形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセラミックヒータによれば、活性金属を含む第１メタライズ層のセラミック基体および第１の電極引出部との反応性および密着性が高いことから、メタライズ層が第１の電極引出部から剥離し難くなり、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上する。また、第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層は柔らかい材料であって高温時の応力発生を軽減できることから、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略断面図である。
【図２】図１に示すセラミックヒータの要部拡大図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略側面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【図６】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のセラミックヒータの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略断面図であり、図２は図１に示すセラミックヒータの要部拡大図である。
【００１７】
図１に示すセラミックヒータ１は、棒状のセラミック基体２と、セラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３と電気的に接続され、一端がセラミック基体２の側面に引き出されるようにセラミック基体２に埋設された第１の電極引出部４１と、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層５とを備え、メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６が設けられてメタライズ層５と金属管６とが接合されるセラミックヒータであって、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライ
ズ層５２とからなることを特徴とするものである。
【００１８】
棒状のセラミック基体２は、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，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なり、特に窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスからなるセラミック基体２は、例えば、主成分の窒化珪素を７９〜９０質量％、焼結助剤としてＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を１０〜１４質量％、ＭｏＳｉ2を３〜５質量％、Ａｌ２Ｏ３を０．１〜２．０質量％を所定の形状に成型
し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。セラミック基体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに形成され、セラミック基体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成されている。
【００１９】
また、セラミック基体２として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合、ＭｏＳｉＯ２，ＷＳｉ２等が混合され分散されているのが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
棒状のセラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３は、例えばＵ字状に形成されており、一端から他端にかけて電流が流れることで発熱するようになっている。通常、発熱抵抗体３はセラミックヒータ１の先端側が最も発熱するように埋設される。この発熱抵抗体３は、Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができる。上記の材料のなかでも、炭化タングステン（ＷＣ）が、セラミック基体２との熱膨張率の差が小さいこと、高い耐熱性を有すること、および比抵抗が小さいことから、発熱抵抗体３の形成材料として優れている。
【００２１】
セラミック基体２が窒化珪素質セラミックスからなり、発熱抵抗体３が炭化タングステンを主成分とする場合において、発熱抵抗体３には窒化珪素が２０質量％以上添加されているのが好ましい。発熱抵抗体３に含まれる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック基体２の熱膨張率に近づけて、セラミックヒータ１の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。また、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は２０質量％〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２５質量％〜３５質量％がよい。また、発熱抵抗体３への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜１２質量％添加することもできる。
【００２２】
また、セラミック基体２には第１の電極引出部４１が埋設されていて、この第１の電極引出部４１の一端がセラミック基体２の側面に引き出されている。そして、第１の電極引出部４１の他端は、リード部７１を介して発熱抵抗体３の一端に電気的に接続されている。一方、セラミック基体２には第２の電極引出部４２が埋設されていて、この第２の電極引出部４２の一端がセラミック基体２の後端に引き出されている。そして、第２の電極引出部４２の他端はリード部７２を介して発熱抵抗体３の他端に電気的に接続されている。
【００２３】
第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２は、発熱抵抗体３と同様の材料により形成され、不要な発熱を抑えるために発熱抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。換言すれば、発熱抵抗体３が第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２よりも高抵抗であることによって、発熱抵抗体３で確実に高温が得られ
るようになっている。また、リード部７１、７２も第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２と同様に発熱抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているもので、例えばＷ、Ｍｏ等の高融点金属を主成分とするリードピンからなるものである。
【００２４】
そして、図２に示すように、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位には周方向にメタライズ層５が形成されている。
【００２５】
このメタライズ層５は、当該メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６を設けるために形成されたものであり、第１の電極引出部４１の一端と電気的に接続されている。このメタライズ層５は、例えば１０〜１５０μｍの厚み、長手方向に２〜３０ｍｍの長さに形成される。
【００２６】
そして、図２に示すように、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層５２とからなることが重要である。
【００２７】
第１メタライズ層５１は、Ａｇ、Ｃｕなどの金属粉末にＴｉ、Ｍｇなどの活性金属を含むペーストにより形成されたもので、セラミック基体２および第１の電極引出部４１との反応性および密着性が高いものである。したがって、メタライズ層５（第１メタライズ層５１）が第１の電極引出部４１から剥離し難くなり、第１の電極引出部４１がむき出しになることが抑制されることから、高温使用時の第１の電極引出部４１の耐久性が向上する。なお、第１メタライズ層５１は、例えば、セラミック基体２の側面に引き出された第１の電極引出部４１の長手方向の距離の１〜３．５倍程度、具体的には、第１の電極引出部４１の長手方向の距離が２ｍｍのとき２〜７ｍｍ程度に形成するのがよい。
【００２８】
第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成された第２メタライズ層５２は、Ｎｉ、Ｍｎなどの金属粉末にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系などのガラスを含むペーストにより形成されたもので、第１メタライズ層５１に比べて柔らかい材料である。したがって、高温時の応力発生を軽減できることから、低温−高温繰返しによるセラミック基体２へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【００２９】
ここで、図３に示すように、第２メタライズ層５２はセラミック基体２の側面の全周にわたって環状に形成されているのが好ましく、このような形状になっていることで、円周方向の熱膨張による応力が均一になるとともに、メタライズ層５（第２メタライズ層５２）が剥離し難くなるからである。また、第１メタライズ層５１は第１の電極引出部４１を覆うように形成されていればよいが、図４に示すように、第１メタライズ層５１も第２メタライズ層５２と同様に、セラミック基体２の側面の全周にわたって環状に形成されているのが好ましく、このような形状になっていることで、円周方向の熱膨張による応力が均一になるとともに、メタライズ層５（第１メタライズ層５１）が剥離し難くなるからである。すなわち、セラミックヒータ１の低温−高温の繰返しに対する耐久性が向上する。
【００３０】
また、図２および図５に示すように、第１メタライズ層５１と第２メタライズ層５２との境界部において、第２メタライズ層５２が第１メタライズ層５１の上側に重なるように形成されているのが好ましい。第２メタライズ層５２とセラミック基体２および第１の電極引出部４１との関係よりも、第１メタライズ層５１とセラミック基体２および第１の電極引出部４１との反応性が高い（密着性が良い）ことから、第２メタライズ層５２が第１メタライズ層５１の上側に重なることで、高温下でのメタライズ層５の剥離がより抑制されるためである。
【００３１】
また、図６に示すように、第１メタライズ層５１は第２メタライズ層５２よりも後方に
位置しているのが好ましい。ここで、後方とは、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）から遠ざかる図の右側を意味する。第１メタライズ層５１をセラミック基体２の後方に配置することで、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）からの熱影響が小さくなり、第１メタライズ層５１を剥離し難くして高温下での使用に対する第１の電極引出部４１の耐久性を向上させるとともに、熱応力の発生を軽減するためである。
【００３２】
また、図２に示すように、第１の電極引出部４１がセラミック基体２の後方に配置されており、メタライズ層５が第１の電極引出部４１からセラミック基体２の先方に向かって形成されているのが好ましい。第１の電極引出部４１をセラミック基体２の後方に配置することで、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）からの熱影響が小さくなり、メタライズ層５を剥離し難くして高温下での使用に対する第１の電極引出部４１の耐久性を向上させるとともに、熱応力の発生を軽減するためである。
【００３３】
なお、図２に示すように、メタライズ層５の表面にはメッキ層８１が形成されているのが好ましい。メタライズ層５の外側に金属管６が設けられ、ロウ材８２によりメタライズ層５と金属管６とが接合されるが、メタライズ層５の表面にメッキ層８１が形成されていることで、ロウ材８２の流れを良くし、ロウ付け強度を増すことができる。メッキ層８１としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕが好ましく、特にＮｉが好ましい。これにより、信頼性の高いセラミックヒータ１とすることができる。なお、メッキ層８１の形成には、通常電解バレルメッキが用いられる。
【００３４】
以上述べたように、本発明のセラミックヒータによれば、メタライズ層が第１の電極引出部から剥離し難くなり、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上する。また、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【００３５】
以下、本発明のセラミックヒータの製造方法の一例について説明する。
【００３６】
まず、セラミック基体２となる半割の成型体を、例えば窒化珪素粉末７９〜９０質量％に、イッテルビウム（Ｙｂ），イットリウム（Ｙ），エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤１０〜１４質量％、ＭｏＳｉ2を３〜５質量％、酸化アルミニ
ウムを０．１〜２．０質量％混合した原料粉末を周知のプレス成型法あるいは射出成型法等により成型する。
【００３７】
次に、発熱抵抗体３、第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２となるペーストをセラミック基体２となる半割の成型体の表面にスクリーン印刷法や射出成型法にて塗布する。ここで、ペーストは、炭化タングステン（ＷＣ），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２），二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の導電性セラミックスに、セラミック基体２の主成分となる絶縁性セラミックスを、例えば導電性セラミックス５０〜８０質量％、絶縁性セラミックス２０〜５０質量％の含有比率内で含有比率を変化させてなるものである。
【００３８】
一方、タングステン等の高融点金属を主成分とするリード部７１，７２となるリードピンを、後述のそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させた際に発熱抵抗体３と電極引出部（第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２）との間にリード部が位置するように埋設したセラミック基体２となる別の半割の成型体を作製する。
【００３９】
次に、発熱抵抗体３と電極引出部（第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２）との間にリード部が位置するようにそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させ、１６５０〜１７８０℃程度の温度で焼成して断面矩形の焼結体を得る。特に、還元雰囲気中で３０〜５０ＭＰａ程度の圧力下で焼成することが好ましい。
【００４０】
そして、焼結終了後、必要に応じて機械加工することで、図１に示したような棒状のセラミック基体２が完成する。
【００４１】
作製されたセラミック基体２の後方に配置された第１の電極引出部４１を覆うように活性金属を含む第１メタライズ層用ペーストをセラミック基体２の全周にわたって環状に塗布し、７５０〜９５０℃程度で熱処理して焼付ける。ここで、第１メタライズ層用ペーストは、例えばＡｇ、Ｃｕなどの金属粉末にＴｉ、Ｍｇなどの活性金属を含むペーストである。
【００４２】
また、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分にガラスを含む第２メタライズ層用ペーストを、第１メタライズ層５１との境界部において、第１メタライズ層５１の上側に重なるように塗布し、９００〜１０５０℃程度で熱処理して焼付ける。ここで、第２メタライズ層用ペーストは、例えばＮｉ、Ｍｎなどの金属粉末にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系やＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系のガラスを含むペーストである。
【００４３】
なお、メタライズ層用ペースト（第１メタライズ層用ペースト、第２メタライズ層用ペースト）の塗布方法としては、例えばメタライズ層用ペーストをスプレーにて塗布する方法やスクリーン印刷にて塗布する方法が挙げられる。また、メタライズ層用ペーストの焼付け方法は、例えば真空中で焼付ける方法やアームガス等による還元雰囲気中で焼付ける方法がある。
【００４４】
次に、メタライズ層用ペーストを焼付け後、形成されたメタライズ層５の表面にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等のメッキを施してメッキ層８１を形成する。メッキ処理には電解および無電解のバレルメッキ等が挙げられる。メッキ処理後、図１に示す金属管６と陽極端子９をロウ付け接合することにより、セラミックヒータ１が完成する。なお、ロウ付けに使用するロウ材８２はＡｕやＣｕ等の金属を主成分とし、ロウ付けは真空状態にて８５０〜１０５０℃程度の温度で真空ロウ付けする方法が挙げられる。
【００４５】
以上述べた製造方法によれば、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上し、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制されたセラミックヒータを得ることができる。
【実施例】
【００４６】
本発明の実施例を説明する。
【００４７】
以下に示す方法により、図１に示すセラミックヒータを作製した。
【００４８】
まず、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ２Ｏ３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ2粉末を３．５質量％、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りセラミック基体となる半割の成型体を作製した。
【００４９】
次に、発熱抵抗体、第１の電極引出部および第２の電極引出部となるペーストをセラミック基体となる半割の成型体の表面にスクリーン印刷法にて図１の形状に塗布した。ここで、ペーストは、タングステン粉末に窒化珪素粉末を混合し、適当な有機溶剤、溶媒を添加してなるものを用いた。なお、発熱抵抗体および第１の電極引出部、第２の電極引出部は、タングステン粉末７１質量％、窒化珪素粉末２９質量％の割合で混合したものを用いた。
【００５０】
一方、タングステンを主成分とするリード部（Ｗリードピン）を後述のそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させた際に発熱抵抗体と電極引出部との間にリード部が位置するように埋設したセラミック基体となる別の半割の成型体を作製した。そして、２つの半割の成型体を重ねて密着させ、還元雰囲気中において温度１７５０℃、圧力４５ＭＰａの下でホットプレス焼成することによりの焼結体を得た。
【００５１】
その後、機械加工により、図１に示すような棒状のセラミック基体へ加工し、第１の電極引出部および第２の電極引出部のそれぞれの一端を露出させた。
【００５２】
次に、第１の電極引出部を覆うように以下に述べるいくつかの種類（サンプル１〜５）のメタライズ層を形成したセラミックヒータを作製した。
【００５３】
サンプル１として、第１の電極引出部を覆い、金属管とセラミック基体との間の全周にわたってＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉを主成分とするメタライズペーストをスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、引き出された第１の電極引出部の端部の後端から後方３ｍｍの部位から第１の電極引出部の端部の先端から先方１７ｍｍの部位まで合計２２ｍｍの長さにメタライズ層を形成した。また、メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５４】
サンプル２として、図３に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うようにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて塗布し、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部においてこれらが互いに重ならないように周方向にわたってスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５５】
サンプル３として、図４に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部においてこれらが互いに重ならないように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層と第２メタライズ層との間には０．２ｍｍの間隙を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５６】
サンプル４として、図５に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１
の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部において第２メタライズ層が第１メタライズ層の上側に重なるように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５７】
サンプル５として、図６に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外で、かつ、第１メタライズ層よりもセラミック基体の先方（発熱抵抗体側）にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部において第２メタライズ層が第１メタライズ層の上側に重なるように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に６ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５８】
上記それぞれのサンプルのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有した第１メタライズ層を形成するメタライズペーストの焼付けは、真空中において９００℃で行なった。また、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とする第２メタライズ層を形成するメタライズペーストの焼付けは、アームガスによる還元雰囲気中において１０００℃で行なった。
【００５９】
メタライズぺーストを焼付け後、サンプル１〜５のそれぞれについて、メタライズ層の表面に電解バレルメッキ法によりＮｉメッキのメッキ層を形成した。メッキ処理後、図１に示す金属管と陽極端子とを真空中において９５０℃でロウ付けし、接合することによりサンプル１〜５のセラミックヒータを完成させた。
【００６０】
そして、得られたセラミックヒータ（サンプル１〜５）に１４００℃となるような電圧を印加して、発熱抵抗体を５分間ジュール発熱させた後、電圧をカットし、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を２分間行なう熱サイクル試験（通電耐久試験）を行い、１００００サイクル後での抵抗変化を評価した。その結果を表１に示す。また、判定として抵抗変化率が７％以下のものを◎（大変良い）、７％を超えて１０％以下のものを○（良い）、１０％を超えるものを×（許容範囲外）とした。
【００６１】
また、得られたセラミックヒータ（サンプル１〜５）を無通電の状態で５００℃の炉中で５分間外部過熱し、その後大気中に出し冷却ファンで３分間冷却する熱サイクル試験（電極耐久試験）を行い、１００００サイクル後での抵抗変化を評価した。また、判定として抵抗変化率が０．３％以下のものを◎（大変良い）、０．３％を超えて０．５％以下のものを○（良い）、０．５％を超えるものを×（許容範囲外）とした。その結果を表２に示す。
【００６２】
なお、抵抗変化については各サンプル５本ずつ用意し、２５℃の高温槽にセラミックヒ
ータ先端を浸し、２５℃で安定させた後、初期抵抗とそれぞれの試験後で抵抗を測定し、その間の抵抗変化率の平均値を評価した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
表１によれば、本発明の実施例であるサンプルＮｏ．２〜５は、比較例のサンプルＮｏ．１に比べて１００００サイクルの通電耐久試験後の抵抗変化率が良好であり、特にサンプルＮｏ．５は抵抗変化率が７％以内と大変良い結果が得られることがわかる。
【００６６】
また、表２によれば、本発明の実施例であるサンプルＮｏ．２〜５は、比較例のサンプルＮｏ．１に比べ１００００サイクルの電極耐久試験後の抵抗変化率が良好であり、特にサンプルＮｏ．３、４、５は抵抗変化率が３％以内と大変良い結果が得られることがわかる。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・セラミックヒータ
２・・・セラミック基体
３・・・発熱抵抗体
４１・・・第１の電極引出部
４２・・・第２の電極引出部
５・・・メタライズ層
５１・・・第１メタライズ層
５２・・・第２メタライズ層
６・・・金属管
７１，７２・・・リード部
８１・・・メッキ層
８２・・・ロウ材
９・・・陽極端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグに関する。詳しくは、本発明は石油ファンヒーターの着火用ヒーターなどに使用されるセラミックヒータ、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ディーゼルエンジンの始動促進などに使用されるグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性セラミックスからなる棒状のセラミック基体の先端側に、導電性セラミックス等からなるＵ字状の発熱抵抗体を埋設し、この発熱抵抗体の陰極側と電気的に接続された第１の電極引出部をセラミック基体の側面に引き出して金属製外筒（金属管）に接続するとともに、発熱抵抗体の陽極側と電気的に接続された第２の電極引出部をセラミック基体の後端に引き出して電極取り出し金具の一端に接続するようにしたセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグが知られている。
【０００３】
そして、金属製外筒がセラミック基体の側面に引き出された第１の電極引出部とロウ付けにより電気的に接続されるとともに、電極取り出し金具がセラミック基体の後端に引き出された第２の電極引出部とロウ付けにより電気的に接続された構成のグロープラグが提案されている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室内に燃料の噴射を行う副室式から、直接シリンダ内に燃料を噴射する直接噴射式に移行してきている。このような直接噴射式のディーゼルエンジンに用いられるグロープラグは、シリンダヘッドの壁面に設けられた貫通孔から一部が主燃焼室に突出するように配置される。ここで、シリンダヘッドの強度を確保するために貫通孔を細くする必要があることから、副室式のディーゼルエンジンに用いるグロープラグに比べて細径にすることが要求される。また、細径にすることによって、金属管とセラミック基体の側面に引き出された第１の電極引出部とのロウ付け部近傍の温度がより高温になることから、これまで以上にロウ付け部近傍の高温下での通電耐久性が望まれている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、金属管をロウ付けするロウ付け部近傍における高温下での通電耐久性に優れたセラミックヒータおよびこれを備えたグロープラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体の内部に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と電気的に接続され、一端が前記セラミック基体の側面に引き出されるように前記セラミック基体の内部に埋設された第１の電極引出部と、前記セラミック基体の側面の前記第１の電極引出部を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層とを備え、該メタライズ層を覆うように前記セラミック基体の外側に金属管が設けられて前記メタライズ層と前記金属管とが接合されるセラミックヒータであって、前記メタライズ層は、前記第１の電極引出部に接合して形成された活性金属を含む第１メタラ
イズ層と、前記第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層とからなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第２メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層が前記第２メタライズ層よりも後方に位置することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との境界部において、前記第２メタライズ層が前記第１メタライズ層の上側に重なるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のセラミックヒータは、上記構成において、前記第１の電極引出部が前記セラミック基体の後方に配置されており、前記メタライズ層が前記第１の電極引出部から前記セラミック基体の先方に向かって形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセラミックヒータによれば、活性金属を含む第１メタライズ層のセラミック基体および第１の電極引出部との反応性および密着性が高いことから、メタライズ層が第１の電極引出部から剥離し難くなり、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上する。また、第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層は柔らかい材料であって高温時の応力発生を軽減できることから、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略断面図である。
【図２】図１に示すセラミックヒータの要部拡大図である。
【図３】本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略側面図である。
【図４】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【図５】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【図６】本発明のセラミックヒータの他の実施形態の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のセラミックヒータの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略断面図であり、図２は図１に示すセラミックヒータの要部拡大図である。
【００１７】
図１に示すセラミックヒータ１は、棒状のセラミック基体２と、セラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３と電気的に接続され、一端がセラミック基体２の側面に引き出されるようにセラミック基体２に埋設された第１の電極引出部４１と、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層５とを備え、メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６が設けられてメタライズ層５と金属管６とが接合されるセラミックヒータであって、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライ
ズ層５２とからなることを特徴とするものである。
【００１８】
棒状のセラミック基体２は、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，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なり、特に窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスからなるセラミック基体２は、例えば、主成分の窒化珪素を７９〜９０質量％、焼結助剤としてＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を１０〜１４質量％、ＭｏＳｉ2を３〜５質量％、Ａｌ２Ｏ３を０．１〜２．０質量％を所定の形状に成型
し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。セラミック基体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに形成され、セラミック基体２の直径は例えば３〜５ｍｍに形成されている。
【００１９】
また、セラミック基体２として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合、ＭｏＳｉＯ２，ＷＳｉ２等が混合され分散されているのが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、セラミックヒータ１の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
棒状のセラミック基体２に埋設された発熱抵抗体３は、例えばＵ字状に形成されており、一端から他端にかけて電流が流れることで発熱するようになっている。通常、発熱抵抗体３はセラミックヒータ１の先端側が最も発熱するように埋設される。この発熱抵抗体３は、Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができる。上記の材料のなかでも、炭化タングステン（ＷＣ）が、セラミック基体２との熱膨張率の差が小さいこと、高い耐熱性を有すること、および比抵抗が小さいことから、発熱抵抗体３の形成材料として優れている。
【００２１】
セラミック基体２が窒化珪素質セラミックスからなり、発熱抵抗体３が炭化タングステンを主成分とする場合において、発熱抵抗体３には窒化珪素が２０質量％以上添加されているのが好ましい。発熱抵抗体３に含まれる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック基体２の熱膨張率に近づけて、セラミックヒータ１の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。また、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は２０質量％〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２５質量％〜３５質量％がよい。また、発熱抵抗体３への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜１２質量％添加することもできる。
【００２２】
また、セラミック基体２には第１の電極引出部４１が埋設されていて、この第１の電極引出部４１の一端がセラミック基体２の側面に引き出されている。そして、第１の電極引出部４１の他端は、リード部７１を介して発熱抵抗体３の一端に電気的に接続されている。一方、セラミック基体２には第２の電極引出部４２が埋設されていて、この第２の電極引出部４２の一端がセラミック基体２の後端に引き出されている。そして、第２の電極引出部４２の他端はリード部７２を介して発熱抵抗体３の他端に電気的に接続されている。
【００２３】
第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２は、発熱抵抗体３と同様の材料により形成され、不要な発熱を抑えるために発熱抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。換言すれば、発熱抵抗体３が第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２よりも高抵抗であることによって、発熱抵抗体３で確実に高温が得られ
るようになっている。また、リード部７１、７２も第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２と同様に発熱抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているもので、例えばＷ、Ｍｏ等の高融点金属を主成分とするリードピンからなるものである。
【００２４】
そして、図２に示すように、セラミック基体２の側面の第１の電極引出部４１を含む部位には周方向にメタライズ層５が形成されている。
【００２５】
このメタライズ層５は、当該メタライズ層５を覆うようにセラミック基体２の外側に金属管６を設けるために形成されたものであり、第１の電極引出部４１の一端と電気的に接続されている。このメタライズ層５は、例えば１０〜１５０μｍの厚み、長手方向に２〜３０ｍｍの長さに形成される。
【００２６】
そして、図２に示すように、メタライズ層５は、第１の電極引出部４１に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層５１と、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層５２とからなることが重要である。
【００２７】
第１メタライズ層５１は、Ａｇ、Ｃｕなどの金属粉末にＴｉ、Ｍｇなどの活性金属を含むペーストにより形成されたもので、セラミック基体２および第１の電極引出部４１との反応性および密着性が高いものである。したがって、メタライズ層５（第１メタライズ層５１）が第１の電極引出部４１から剥離し難くなり、第１の電極引出部４１がむき出しになることが抑制されることから、高温使用時の第１の電極引出部４１の耐久性が向上する。なお、第１メタライズ層５１は、例えば、セラミック基体２の側面に引き出された第１の電極引出部４１の長手方向の距離の１〜３．５倍程度、具体的には、第１の電極引出部４１の長手方向の距離が２ｍｍのとき２〜７ｍｍ程度に形成するのがよい。
【００２８】
第１の電極引出部４１との接合部以外の部分に形成された第２メタライズ層５２は、Ｎｉ、Ｍｎなどの金属粉末にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系などのガラスを含むペーストにより形成されたもので、第１メタライズ層５１に比べて柔らかい材料である。したがって、高温時の応力発生を軽減できることから、低温−高温繰返しによるセラミック基体２へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【００２９】
ここで、図３に示すように、第２メタライズ層５２はセラミック基体２の側面の全周にわたって環状に形成されているのが好ましく、このような形状になっていることで、円周方向の熱膨張による応力が均一になるとともに、メタライズ層５（第２メタライズ層５２）が剥離し難くなるからである。また、第１メタライズ層５１は第１の電極引出部４１を覆うように形成されていればよいが、図４に示すように、第１メタライズ層５１も第２メタライズ層５２と同様に、セラミック基体２の側面の全周にわたって環状に形成されているのが好ましく、このような形状になっていることで、円周方向の熱膨張による応力が均一になるとともに、メタライズ層５（第１メタライズ層５１）が剥離し難くなるからである。すなわち、セラミックヒータ１の低温−高温の繰返しに対する耐久性が向上する。
【００３０】
また、図２および図５に示すように、第１メタライズ層５１と第２メタライズ層５２との境界部において、第２メタライズ層５２が第１メタライズ層５１の上側に重なるように形成されているのが好ましい。第２メタライズ層５２とセラミック基体２および第１の電極引出部４１との関係よりも、第１メタライズ層５１とセラミック基体２および第１の電極引出部４１との反応性が高い（密着性が良い）ことから、第２メタライズ層５２が第１メタライズ層５１の上側に重なることで、高温下でのメタライズ層５の剥離がより抑制されるためである。
【００３１】
また、図６に示すように、第１メタライズ層５１は第２メタライズ層５２よりも後方に
位置しているのが好ましい。ここで、後方とは、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）から遠ざかる図の右側を意味する。第１メタライズ層５１をセラミック基体２の後方に配置することで、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）からの熱影響が小さくなり、第１メタライズ層５１を剥離し難くして高温下での使用に対する第１の電極引出部４１の耐久性を向上させるとともに、熱応力の発生を軽減するためである。
【００３２】
また、図２に示すように、第１の電極引出部４１がセラミック基体２の後方に配置されており、メタライズ層５が第１の電極引出部４１からセラミック基体２の先方に向かって形成されているのが好ましい。第１の電極引出部４１をセラミック基体２の後方に配置することで、最も発熱する発熱部（発熱抵抗体３の先端側）からの熱影響が小さくなり、メタライズ層５を剥離し難くして高温下での使用に対する第１の電極引出部４１の耐久性を向上させるとともに、熱応力の発生を軽減するためである。
【００３３】
なお、図２に示すように、メタライズ層５の表面にはメッキ層８１が形成されているのが好ましい。メタライズ層５の外側に金属管６が設けられ、ロウ材８２によりメタライズ層５と金属管６とが接合されるが、メタライズ層５の表面にメッキ層８１が形成されていることで、ロウ材８２の流れを良くし、ロウ付け強度を増すことができる。メッキ層８１としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕが好ましく、特にＮｉが好ましい。これにより、信頼性の高いセラミックヒータ１とすることができる。なお、メッキ層８１の形成には、通常電解バレルメッキが用いられる。
【００３４】
以上述べたように、本発明のセラミックヒータによれば、メタライズ層が第１の電極引出部から剥離し難くなり、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上する。また、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制することができる。
【００３５】
以下、本発明のセラミックヒータの製造方法の一例について説明する。
【００３６】
まず、セラミック基体２となる半割の成型体を、例えば窒化珪素粉末７９〜９０質量％に、イッテルビウム（Ｙｂ），イットリウム（Ｙ），エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素の酸化物からなる焼結助剤１０〜１４質量％、ＭｏＳｉ2を３〜５質量％、酸化アルミニ
ウムを０．１〜２．０質量％混合した原料粉末を周知のプレス成型法あるいは射出成型法等により成型する。
【００３７】
次に、発熱抵抗体３、第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２となるペーストをセラミック基体２となる半割の成型体の表面にスクリーン印刷法や射出成型法にて塗布する。ここで、ペーストは、炭化タングステン（ＷＣ），二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２），二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の導電性セラミックスに、セラミック基体２の主成分となる絶縁性セラミックスを、例えば導電性セラミックス５０〜８０質量％、絶縁性セラミックス２０〜５０質量％の含有比率内で含有比率を変化させてなるものである。
【００３８】
一方、タングステン等の高融点金属を主成分とするリード部７１，７２となるリードピンを、後述のそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させた際に発熱抵抗体３と電極引出部（第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２）との間にリード部が位置するように埋設したセラミック基体２となる別の半割の成型体を作製する。
【００３９】
次に、発熱抵抗体３と電極引出部（第１の電極引出部４１および第２の電極引出部４２）との間にリード部が位置するようにそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させ、１６５０〜１７８０℃程度の温度で焼成して断面矩形の焼結体を得る。特に、還元雰囲気中で３０〜５０ＭＰａ程度の圧力下で焼成することが好ましい。
【００４０】
そして、焼結終了後、必要に応じて機械加工することで、図１に示したような棒状のセラミック基体２が完成する。
【００４１】
作製されたセラミック基体２の後方に配置された第１の電極引出部４１を覆うように活性金属を含む第１メタライズ層用ペーストをセラミック基体２の全周にわたって環状に塗布し、７５０〜９５０℃程度で熱処理して焼付ける。ここで、第１メタライズ層用ペーストは、例えばＡｇ、Ｃｕなどの金属粉末にＴｉ、Ｍｇなどの活性金属を含むペーストである。
【００４２】
また、第１の電極引出部４１との接合部以外の部分にガラスを含む第２メタライズ層用ペーストを、第１メタライズ層５１との境界部において、第１メタライズ層５１の上側に重なるように塗布し、９００〜１０５０℃程度で熱処理して焼付ける。ここで、第２メタライズ層用ペーストは、例えばＮｉ、Ｍｎなどの金属粉末にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系やＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系のガラスを含むペーストである。
【００４３】
なお、メタライズ層用ペースト（第１メタライズ層用ペースト、第２メタライズ層用ペースト）の塗布方法としては、例えばメタライズ層用ペーストをスプレーにて塗布する方法やスクリーン印刷にて塗布する方法が挙げられる。また、メタライズ層用ペーストの焼付け方法は、例えば真空中で焼付ける方法やアームガス等による還元雰囲気中で焼付ける方法がある。
【００４４】
次に、メタライズ層用ペーストを焼付け後、形成されたメタライズ層５の表面にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等のメッキを施してメッキ層８１を形成する。メッキ処理には電解および無電解のバレルメッキ等が挙げられる。メッキ処理後、図１に示す金属管６と陽極端子９をロウ付け接合することにより、セラミックヒータ１が完成する。なお、ロウ付けに使用するロウ材８２はＡｕやＣｕ等の金属を主成分とし、ロウ付けは真空状態にて８５０〜１０５０℃程度の温度で真空ロウ付けする方法が挙げられる。
【００４５】
以上述べた製造方法によれば、高温使用時の第１の電極引出部の耐久性が向上し、低温−高温繰返しによるセラミック基体へのダメージ（マイクロクラック）を抑制されたセラミックヒータを得ることができる。
【実施例】
【００４６】
本発明の実施例を説明する。
【００４７】
以下に示す方法により、図１に示すセラミックヒータを作製した。
【００４８】
まず、窒化珪素粉末を８５質量％、焼結助剤としてＹｂ２Ｏ３粉末を１０質量％、ＭｏＳｉ2粉末を３．５質量％、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りセラミック基体となる半割の成型体を作製した。
【００４９】
次に、発熱抵抗体、第１の電極引出部および第２の電極引出部となるペーストをセラミック基体となる半割の成型体の表面にスクリーン印刷法にて図１の形状に塗布した。ここで、ペーストは、タングステン粉末に窒化珪素粉末を混合し、適当な有機溶剤、溶媒を添加してなるものを用いた。なお、発熱抵抗体および第１の電極引出部、第２の電極引出部は、タングステン粉末７１質量％、窒化珪素粉末２９質量％の割合で混合したものを用いた。
【００５０】
一方、タングステンを主成分とするリード部（Ｗリードピン）を後述のそれぞれの半割の成型体を重ねて密着させた際に発熱抵抗体と電極引出部との間にリード部が位置するように埋設したセラミック基体となる別の半割の成型体を作製した。そして、２つの半割の成型体を重ねて密着させ、還元雰囲気中において温度１７５０℃、圧力４５ＭＰａの下でホットプレス焼成することによりの焼結体を得た。
【００５１】
その後、機械加工により、図１に示すような棒状のセラミック基体へ加工し、第１の電極引出部および第２の電極引出部のそれぞれの一端を露出させた。
【００５２】
次に、第１の電極引出部を覆うように以下に述べるいくつかの種類（サンプル１〜５）のメタライズ層を形成したセラミックヒータを作製した。
【００５３】
サンプル１として、第１の電極引出部を覆い、金属管とセラミック基体との間の全周にわたってＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉを主成分とするメタライズペーストをスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、引き出された第１の電極引出部の端部の後端から後方３ｍｍの部位から第１の電極引出部の端部の先端から先方１７ｍｍの部位まで合計２２ｍｍの長さにメタライズ層を形成した。また、メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５４】
サンプル２として、図３に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うようにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて塗布し、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部においてこれらが互いに重ならないように周方向にわたってスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５５】
サンプル３として、図４に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部においてこれらが互いに重ならないように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層と第２メタライズ層との間には０．２ｍｍの間隙を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５６】
サンプル４として、図５に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１
の電極引出部との接合部以外の部分にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部において第２メタライズ層が第１メタライズ層の上側に重なるように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に４ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の後端から後方２ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成するとともに第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５７】
サンプル５として、図６に示す形状のメタライズ層を形成した。具体的には、第１の電極引出部を覆うように全周にわたってＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有したメタライズペーストをスクリーン印刷にて環状に塗布、焼付けし、第１メタライズ層を形成した。さらに、第１の電極引出部との接合部以外で、かつ、第１メタライズ層よりもセラミック基体の先方（発熱抵抗体側）にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とするメタライズペーストを、第１メタライズ層と第２メタライズ層との境界部において第２メタライズ層が第１メタライズ層の上側に重なるように全周にわたって環状にスクリーン印刷にて塗布、焼付けし、第２メタライズ層を形成した。なお、セラミック基体の後方側面に引き出された第１の電極引出部の端部は長手方向に２ｍｍの長さとなっていて、この第１の電極引出部を覆うように長手方向に６ｍｍの長さに第１メタライズ層を形成した。そして、第１メタライズ層の先端から先方１６ｍｍの部位まで第２メタライズ層を形成した。第１メタライズ層の厚みは５５μｍとし、第２メタライズ層の厚みは２５μｍとした。
【００５８】
上記それぞれのサンプルのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有した第１メタライズ層を形成するメタライズペーストの焼付けは、真空中において９００℃で行なった。また、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスとＮｉとを主成分とする第２メタライズ層を形成するメタライズペーストの焼付けは、アームガスによる還元雰囲気中において１０００℃で行なった。
【００５９】
メタライズぺーストを焼付け後、サンプル１〜５のそれぞれについて、メタライズ層の表面に電解バレルメッキ法によりＮｉメッキのメッキ層を形成した。メッキ処理後、図１に示す金属管と陽極端子とを真空中において９５０℃でロウ付けし、接合することによりサンプル１〜５のセラミックヒータを完成させた。
【００６０】
そして、得られたセラミックヒータ（サンプル１〜５）に１４００℃となるような電圧を印加して、発熱抵抗体を５分間ジュール発熱させた後、電圧をカットし、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を２分間行なう熱サイクル試験（通電耐久試験）を行い、１００００サイクル後での抵抗変化を評価した。その結果を表１に示す。また、判定として抵抗変化率が７％以下のものを◎（大変良い）、７％を超えて１０％以下のものを○（良い）、１０％を超えるものを×（許容範囲外）とした。
【００６１】
また、得られたセラミックヒータ（サンプル１〜５）を無通電の状態で５００℃の炉中で５分間外部過熱し、その後大気中に出し冷却ファンで３分間冷却する熱サイクル試験（電極耐久試験）を行い、１００００サイクル後での抵抗変化を評価した。また、判定として抵抗変化率が０．３％以下のものを◎（大変良い）、０．３％を超えて０．５％以下のものを○（良い）、０．５％を超えるものを×（許容範囲外）とした。その結果を表２に示す。
【００６２】
なお、抵抗変化については各サンプル５本ずつ用意し、２５℃の高温槽にセラミックヒ
ータ先端を浸し、２５℃で安定させた後、初期抵抗とそれぞれの試験後で抵抗を測定し、その間の抵抗変化率の平均値を評価した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
表１によれば、本発明の実施例であるサンプルＮｏ．２〜５は、比較例のサンプルＮｏ．１に比べて１００００サイクルの通電耐久試験後の抵抗変化率が良好であり、特にサンプルＮｏ．５は抵抗変化率が７％以内と大変良い結果が得られることがわかる。
【００６６】
また、表２によれば、本発明の実施例であるサンプルＮｏ．２〜５は、比較例のサンプルＮｏ．１に比べ１００００サイクルの電極耐久試験後の抵抗変化率が良好であり、特にサンプルＮｏ．３、４、５は抵抗変化率が３％以内と大変良い結果が得られることがわかる。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・セラミックヒータ
２・・・セラミック基体
３・・・発熱抵抗体
４１・・・第１の電極引出部
４２・・・第２の電極引出部
５・・・メタライズ層
５１・・・第１メタライズ層
５２・・・第２メタライズ層
６・・・金属管
７１，７２・・・リード部
８１・・・メッキ層
８２・・・ロウ材
９・・・陽極端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と電気的に接続され、一端が前記セラミック基体の側面に引き出されるように前記セラミック基体に埋設された第１の電極引出部と、前記セラミック基体の側面の前記第１の電極引出部を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層とを備え、該メタライズ層を覆うように前記セラミック基体の外側に金属管が設けられて前記メタライズ層と前記金属管とが接合されるセラミックヒータであって、前記メタライズ層は、前記第１の電極引出部に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層と、前記第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層とからなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記第２メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されてい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。
【請求項３】
前記第１メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記第１メタライズ層が前記第２メタライズ層よりも後方に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との境界部において、前記第２メタライズ層が前記第１メタライズ層の上側に重なるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記第１の電極引出部が前記セラミック基体の後方に配置されており、前記メタライズ層が前記第１の電極引出部から前記セラミック基体の先方に向かって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項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、前記セラミック基体の外側に設けられた金属管とを含むことを特徴とするグロープラグ。
【請求項１】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体に埋設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体と電気的に接続され、一端が前記セラミック基体の側面に引き出されるように前記セラミック基体に埋設された第１の電極引出部と、前記セラミック基体の側面の前記第１の電極引出部を含む部位に周方向に形成されたメタライズ層とを備え、該メタライズ層を覆うように前記セラミック基体の外側に金属管が設けられて前記メタライズ層と前記金属管とが接合されるセラミックヒータであって、前記メタライズ層は、前記第１の電極引出部に接合して形成された活性金属を含む第１メタライズ層と、前記第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成されたガラスを含む第２メタライズ層とからなることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記第２メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されてい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。
【請求項３】
前記第１メタライズ層が前記セラミック基体の側面の全周にわたって環状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記第１メタライズ層が前記第２メタライズ層よりも後方に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との境界部において、前記第２メタライズ層が前記第１メタライズ層の上側に重なるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記第１の電極引出部が前記セラミック基体の後方に配置されており、前記メタライズ層が前記第１の電極引出部から前記セラミック基体の先方に向かって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項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、前記セラミック基体の外側に設けられた金属管とを含むことを特徴とするグロープラグ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−３３３４０（Ｐ２０１２−３３３４０Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７０７４４（Ｐ２０１０−１７０７４４）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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