セラミックヒータ
【課題】優れた急速昇温性を有し、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを提供することである。
【解決手段】棒状のセラミック基体１１と、該セラミック基体１１中に埋設された発熱体１２とを備え、発熱体１２は、セラミック基体１１の先端側に延びる２本の線状部１２ａ，１２ｂと、これらの線状部１２ａ，１２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部２ｃとを有し、セラミック基体１１の軸方向に垂直で、かつ、２本の線状部１２ａ，１２ｂを含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部１２ａが円形ないし楕円形であり、他方の線状部１２ｂが多角形である。
【解決手段】棒状のセラミック基体１１と、該セラミック基体１１中に埋設された発熱体１２とを備え、発熱体１２は、セラミック基体１１の先端側に延びる２本の線状部１２ａ，１２ｂと、これらの線状部１２ａ，１２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部２ｃとを有し、セラミック基体１１の軸方向に垂直で、かつ、２本の線状部１２ａ，１２ｂを含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部１２ａが円形ないし楕円形であり、他方の線状部１２ｂが多角形である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグ、ガス、灯油などを使用する給湯器や石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータなどに好適なセラミックヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１４は、上記のような用途に用いられる従来のセラミックヒータを示す斜視図である。図１５は、図１４のＸ１−Ｘ１線断面図である。このセラミックヒータは、棒状のセラミック基体１中に、発熱体２と、一端側が発熱体２に接続されたリード３と、リード３の他端側との導通をとるための電極４とが埋設されている。この電極４には、セラミック基体１の側面に設けられた電極金具５が接続されている。発熱体２は、セラミック基体１の先端側に延びる２本の線状部２ａ，２ｂと、これらの線状部２ａ，２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部２ｃとからなる。
【０００３】
図１６(a)，(b)は、図１５のＹ１−Ｙ１線断面図である。図１６(a)は線状部２ａ，２ｂの断面形状を示す一例であり、図１６(b)は線状部２ａ，２ｂの断面形状を示す他の例である。従来のセラミックヒータでは、図１６(a)，(b)に示すように、発熱体２の線状部２ａ，２ｂがセラミック基体１中に均等な位置に配置されており、２本の線状部２ａ，２ｂの断面形状は同じ形状である（例えば、特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００２−２８９３２７
【特許文献２】特開２００２−３３４７６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来から、セラミックヒータには以下のような特性が要求されている。すなわち、燃料をすばやく燃焼させることにより低温で発生する煤などを減少させることが望まれている。また、寒冷地などの低温地帯においても始動性が確保されるという点で急速昇温性が望まれている。これらの要求は、近年、益々強くなってきている。急速昇温させるために発熱体径を細くすることや、ヒータ径を細くすることが試みられている。これにより立ち上がる速度は速くできるが、設定温度よりも温度が過度に上昇した後、設定値に落ち着く現象、所謂オーバーシュートを起こし一定の温度になる（定常状態になる）までの時間が長くなるという問題があった。このような場合、ヒータの燃焼温度が高いことに起因して窒素酸化物が発生して環境に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、優れた急速昇温性を有し、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、前記一方の線状部の中心と前記他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離よりも短いことを特徴とする。
【０００９】
本発明における前記断面において、前記他方の線状部の断面積は前記一方の線状部の断面積よりも小さくなっているのが好ましい。また、前記断面において、前記セラミック基体の断面が円形なし楕円形であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であるので、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。すなわち、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であるので、ヒータに大電流を流したときに、断面形状が円形ないし楕円形である一方の線状部と比較して他方の線状部における多角形の角部では電送損失が大きくなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【００１１】
本発明の第２のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いときには、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。線状部の周囲長が長くなることで、熱がセラミック基体に奪われやすくなる。また、線状部の断面形状において、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線の方向に対して垂直な方向は、前記直線方向と比較すると、互いに熱の影響を与え難い方向である。したがって、一方の線状部における前記垂直な方向の長さと線状部の周囲長とを他方の線状部よりも長くすることにより、他方の線状部を優先的に発熱させやすくなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【００１２】
本発明の第３のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離よりも短いときには、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。すなわち、上記断面において、最短距離Ｌが短い方の線状部（上記他方の線状部）に比べて長い方の線状部（上記一方の線状部）の方が周囲のセラミック基体に熱を奪われやすいことに起因して、上記他方の線状部の方が優先的に発熱して発熱量が多くなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態にかかるセラミックヒータについて図面を参照し詳細に説明する。図１は本実施形態のセラミックヒータを示す斜視図であり、図２は図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。図１及び図２に示すように、このセラミックヒータは、棒状の絶縁性セラミック基体１１中に、導電性のセラミックスからなる発熱体１２と、一端側が発熱体１２に接続されたリード１３と、リード１３の他端側との導通をとるための電極１４とが埋設されている。この電極１４には、セラミック基体１１の側面に設けられた電極金具１５が接続されている。発熱体１２は、セラミック基体１１の先端側に延びる２本の線状部１２ａ，１２ｂと、これらの線状部１２ａ，１２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部１２ｃとからなる。なお、以下の第１〜第３の実施形態において、線状部の形態が異なる場合であっても線状部の符号は、すべて同じ符号１２ａ，１２ｂを用いることとする。
【００１４】
図３(a)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状の一例を示し、図３(b)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状の他の例を示し、図３(c)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の例を示している。図３(a)〜(c)に示すように、線状部１２ａ，１２ｂの断面形状は、一方の線状部１２ａが円形ないし楕円形であり、他方の線状部１２ｂが多角形である。このセラミックヒータに電流を流すと、断面形状が円形ないし楕円形である一方の線状部１２ａと比較して他方の線状部１２ｂにおける多角形の角部では電送損失が大きくなる。その結果、一方の線状部１２ａに比べて他方の線状部１２ｂの方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部１２ａと他方の線状部１２ｂ間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部１２ａ，１２ｂ間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。線状部１２ｂでは、角部の角度が小さいほど伝送損失が大きくなって昇温速度が高まるので、本発明における多角形は三角形〜六角形であるのが好ましい。
【００１５】
図３(d)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の例を示している。図３(d)に示すように、断面形状が多角形の線状部１２ｂの断面積が円形の線状部１２ａの断面積よりも小さいときには、線状部１２ｂの抵抗が高くなるので伝送損失がさらに大きくなる。これにより、通電時に線状部１２ｂの昇温速度をより高めることができる。また、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われる。このため目標温度付近では熱平衡によりオーバーシュートがより抑制される。
【００１６】
セラミック基体１１の断面形状は円形ないし楕円形であるのがよい。セラミック基体１１の断面形状が多角形の場合には、曲線である場合と比較してその角部の熱容量が大きくなる。したがって、断面形状が円形ないし楕円形であると、多角形である場合よりも熱引きが少なくなるので、昇温速度が速くなる。
【００１７】
セラミック基体１１を構成する絶縁性セラミックスは、高温での絶縁特性が優れている点からアルミナ質セラミックス又は窒化珪素質セラミックスが好ましいが、特に急速昇温時の耐久特性が高い点で窒化珪素質セラミックスがより好ましい。窒化珪素質セラミックスの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主相粒子が、焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。主相は珪素（Ｓｉ）あるいは窒素（Ｎ）の一部がアルミニウム（Ａｌ）あるいは酸素（Ｏ）で置換され、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであっても良い。本実施形態におけるセラミック基体１１は、窒化珪素粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（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を添加した上記セラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形によりセラミック基体１１を成形するのがよい。セラミック基体１１を成形する金型は、上下２分割されたものであり、発熱体１２やリード１３を装着できるように設計されており、射出成形にて作製できる。
【００１８】
発熱体１２の材料としては、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）および二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の周知の導電性セラミックスを用いることができる。以下、炭化タングステンを用いた場合を例に挙げて説明する。まず、ＷＣ粉末を準備し、このＷＣ粉末に、セラミック基体１１との熱膨張係数を減少させるためにセラミック基体１１の主成分となる窒化珪素質セラミックスなどの絶縁性セラミックスを配合することが望ましい。絶縁性セラミックスと導電性セラミックスとの含有比率を変化させることにより、発熱体１２の電気抵抗を所望の値に調整することができる。発熱体１２は、ＷＣ粉末にセラミック基体１１の主成分となる絶縁性セラミックスである窒化珪素質セラミックスを配合したセラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形により成形することが望ましい。金型形状は焼成後の発熱体１２が図３のような断面形状になるように設計される。
【００１９】
発熱体１２と導通を得るためのリード１３は、Ｗ等の抵抗の小さい金属ピンなどで形成されていてよいが、より好ましくは発熱体１２と同様に絶縁性セラミックスと導電性セラミックスを配合することでセラミック基体１１との熱膨張係数差を低減することができる。リードの電気抵抗は、発熱部よりも小さく設定される。
【００２０】
リード１３及び電極１４は、セラミック基体１１と同様、周知のプレス成形でも成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形で成形するのがよい。
【００２１】
上下２分割された状態で成形されたセラミック基体１１と、発熱体１２と、リード１３と、電極１４とを作製し、これらを所定の配置に組み立てた後、脱脂工程を経て、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７８０℃程度の温度、３０〜５０ＭＰａ程度の圧力でホットプレスにより焼成する。このようにして得られた焼結体の表面に露出した電極１４に図１に示すような電極金具１５をロウ付けしてセラミックヒータを得ることができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図４は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の一例を示す。この実施形態では、一方の線状部１２ａの中心と他方の線状部１２ｂの中心とを結ぶ直線Ｌに対して垂直な方向の長さが、一方の線状部１２ａの方が他方の線状部１２ｂよりも長くなっている。すなわち、図４において、一方の線状部１２ａにおける長さβが、他方の線状部１２ｂにおける長さαよりも長くなっている。また、他方の線状部の周囲の長さが一方の線状部の周囲の長さよりも長くなっている。これにより、周囲長の長い一方の線状部１２ａは、他方の線状部１２ｂと比較してセラミック基体に熱を奪われやすくなるので、ヒータ等で使用される大電流を流したときには、他方の線状部１２ｂの方から加速的に加熱され、昇温に速度の速いヒータを得ることができる。また、線状部の断面形状において、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線の方向に対して垂直な方向は、前記直線方向と比較すると、互いに熱の影響を与え難い方向であるので、他方の線状部がより優先的に昇温しやすくなる。
【００２３】
また、一方の長さが、他方の長さより長いことにより、昇温の過渡状態では昇温速度の差に起因した温度差ができて、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートが抑制される。すなわち、温度が一定になる平衡状態までの所要時間が短くなるヒータを得ることが出来る。好ましくは、長さの差が大きい方が、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【００２４】
なお、第２の実施形態における「線状部の中心」とは、線状部の断面形状が円、楕円または正多角形の場合にはこれらの中心のことである。また、正多角形以外の多角形の場合には、複数の対角線が交わる点を中心とする。さらに、線状部の断面形状が上記以外の場合には、次のようにして中心を求める。線状部の断面における最大長の部位に直線１を引き、この直線に対して垂直な方向の最大長の部位に直線２を引き、直線１と直線２が交わった部分を中心とする。
【００２５】
（第３の実施形態）
図５(a)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の一例を示す。この実施形態では、線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離を比較すると、一方の線状部１２ａにおける最短距離δが他方の線状部１２ｂにおける最短距離γよりも長くなっている。これにより、ヒータ等で使用される大電流を流したとき長さγの方の発熱体がセラミック基体への熱引きが大きくなるため、熱をセラミック基体に奪われてしまい短いδの方の発熱体がある側の方から加速的に加熱され、昇温に速度の速いヒータを得ることが出来る。
【００２６】
また、一方の長さγが、他方の長さδより短いことにより、昇温の過渡状態では昇温速度の差に起因した温度差ができて、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートが抑制される。すなわち、温度が一定になる平衡状態までの所要時間が短くなるヒータを得ることが出来る。好ましくは、長さの差が大きい方が、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【００２７】
また、図５(b)に示すように、線状部１２ｂの断面積が線状部１２ａの断面積よりも小さいことにより、抵抗が高くなるため電送損失がさらにおおきくなる。これにより、他方の線状部１２ｂがさらに加速的に加熱され昇温速度が速くなる。また、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【実施例１】
【００２８】
まず、主成分の窒化珪素に対して焼結助剤３〜１２重量％のＹｂ２Ｏ３を添加して調整したセラミック原料粉末を用いて、有機バインダと混練したコンパウンドを作製した。ついで、このコンパウンドを射出成形機にて加熱溶融し流動化させて成形し、セラミック基体１１を作製した。図６は、射出成形に用いた金型の一例を示す断面図である。この金型は上金型６１と下金型６２に２分割できる構造になっている。これを用いてセラミック基体１１を構成する上半分と下半分をそれぞれ成形した。図７は、セラミック基体１１を構成する部材（上半分）１１ａ，部材（下半分）１１ｂを示す断面図である。後述するように、発熱体を種々の形状に成形する際には、その形状に合わせてセラミック基体の形状も適宜変更した。
【００２９】
発熱体１２は、次のようにして作製した。すなわち、主成分であるＷＣに対して、セラミック基体１１に用いたセラミック原料粉末を２０〜４５重量％添加して調整したセラミック粉末を準備し、このセラミック粉末を有機バインダと混練したコンパウンドを作製した。ついで、このコンパウンドを加熱溶融し流動化させて射出成形機にて所定の形状に成形した。図８は、発熱体１２の成形に使用した金型の一例を示す断面図である。この金型は、上金型２１と下金型２２に２分割できる金型である。この金型を用いると、断面形状が円形の発熱体を成形することができる。他の断面形状を有した発熱体は、所定の断面形状を有した金型を用いて作製した。リード１３、電極１４についても発熱体１２と同様に原料粉末からコンパウンドを作製し成形した。
【００３０】
上記のようにして得られるセラミック基体１１ａとセラミック基体１１ｂに各種形状の発熱体１２とリード１３、電極１４を配置し、組み立て後、４００〜５００℃で２４〜７２時間の脱脂工程を経た脱脂体を、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７８０℃の温度、３０〜５０ＭＰａの圧力でホットプレスにより焼成した。最後に、得られた焼結体の表面に露出した電極１４に、図１に示すような電極金具１５をロウ付けして、図９(a)〜(e)の断面形状をもつセラミックヒータを作製した。セラミックヒータの外形寸法は厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、全長４０ｍｍであった。
【００３１】
各セラミックヒータに所定の電圧をかけて発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。結果を表１に示す。
【表１】
【００３２】
表１からわかるように、発熱体１２ａ，１２ｂの形状がＡ−１（図９(a)），Ｂ−１（図９(b)），Ｃ−１（図９(c)）に比べて、発熱体１２ａ，１２ｂの形状が異なり一方が多角形であるＤ−１（図９(d)），Ｅ−１（図９(e)），Ｆ−１（図９(f)）の方が、昇温時間が約１．０秒速いことが判明した。さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、発熱体１２ａ，１２ｂの形状がＡ−１，Ｂ−１，Ｃ−１に比べて、Ｄ−１，Ｅ−１，Ｆ−１の方が１０秒〜１５秒速いことが判明した。
【実施例２】
【００３３】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。発熱体１２の線状部１２ａ，１２ｂは、その断面形状が、図１０(a)〜(e)に示す形状になる金型を用いて成形した。線状部１２ｂの長さα及び線状部１２ａの長さβが表２に示す長さになるような金型を用いて発熱体１２を作製した。
【００３４】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表２に示す。
【表２】
【００３５】
表２からわかるように、線状部１２ａ，１２ｂの長さが同じであるサンプルＡ−２（図１０(a)），Ｂ−２（図１０(b)）に比べて、長さαよりも長さβの方が長いサンプルＣ−２（図１０(c)）、Ｄ−２（図１０(d)）、Ｅ−２（図１０(e)）の方が、昇温時間が１．０秒以上速いことが、判明した。さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、Ａ−２、Ｂ−２に比べて、Ｃ−２、Ｄ−２、Ｅ−２の方が、１０秒以上速いことが判明した。なお、Ｃ−２、Ｄ−２、Ｅ−２は、線状部１２ｂの周囲長よりも線状部１２ａの周囲長の方が長い。
【実施例３】
【００３６】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。発熱体１２の線状部１２ａ，１２ｂは、その断面形状が、図１１(a)〜(e)に示す形状になる金型を用いて成形した。線状部１２ｂからセラミック基体１１の外表面までの最短距離γ、及び線状部１２ａからセラミック基体１１の外表面までの最短距離δが表３に示す長さになるような金型を用いて発熱体１２を作製した。
【００３７】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表３に示す。
【表３】
【００３８】
表３からわかるように、発熱体２Ｅ、２Ｆからセラミック基体１１の外表面までの最短距離Ｌをγ、δが同じ長さであるサンプルＡ−３（図１１(a)）、Ｂ−３（図１１(b)）に比べて、発熱体２Ｅ、２Ｆからセラミック基体１１の外表面までのγがδより長いサンプルであるＣ−３（図１１(c)）、Ｄ−３（図１１(d)）、Ｅ−３（図１１(e)）の方が、昇温時間が１．０秒以上速いことが、判明した。
【００３９】
さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、最短距離γと最短距離δが同じ長さであるサンプルＡ−３、Ｂ−３に比べて、最短距離δが最短距離γより長いサンプルＣ−３、Ｄ−３、Ｅ−３の方が約１０秒速いことが判明した。
【実施例４】
【００４０】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３、および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。線状部１２ａ，１２ｂは図１２に示す断面形状とした。Ｇ−１（図１２(b)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＦ−１（図１２(a)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＦ−１と相似形で、断面積をＦ−１の１／３倍とした。Ｇ−２（図１２(d)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＥ−２（図１２(c)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＥ−２と相似形で、断面積をＥ−２の１／３倍とした。Ｇ−３（図１２(f)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＤ−３（図１２(e)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＤ−３と相似形で、断面積をＤ−３の１／３倍とした。
【００４１】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表４に示す。
【表４】
【００４２】
表４からわかるように、断面形状が相似形状でありそれぞれ２Ｇの断面積が２Ｈの断面積の１／３倍としたＧ−１、Ｇ−２、Ｇ−３は、昇温時間、平衡状態到達時間ともに、Ｆ−１、Ｅ−２、Ｄ−３より、より速くなったことが判明した。
【実施例５】
【００４３】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。線状部１２ａ，１２ｂの断面形状をＧ−１（図１３(a)）、Ｇ−２（図１３(b)）、Ｇ−３（図１３(c)）と同様とし、セラミック基体１１の断面形状を円形としたＨ−１（図１３(d)）、Ｈ−２（図１３(e)）、Ｈ−３（図１３(f)）、楕円としたＩ―１（図１３(g)）、Ｉ―２（図１３(h)）、Ｉ―３（図１３(i)）をそれぞれ作製した。
【００４４】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表５に示す。
【表５】
【００４５】
表５からわかるように、セラミック基体１１の断面が円形となるものＨ−１、Ｈ−２、Ｈ−３、楕円となるものＩ―１、Ｉ―２、Ｉ―３は、昇温時間、平衡状態到達時間いずれかにおいて、Ｇ−１、Ｇ−２、Ｇ−３に比べて、より良好な結果が出たことが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態にかかるセラミックヒータを模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】(a)は、図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状の一例を説明するための断面図であり（図２のＹ−Ｙ線の位置で図１のセラミックヒータを切断したときの断面図）、(b)〜(d)は発熱体の断面形状の他の例をそれぞれ説明するための断面図である。
【図４】図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状のさらに他の例を示す断面図である。
【図５】(a)及び(b)は、図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】セラミック基体を成形するための金型を示す断面図である。
【図７】図１のセラミックヒータのセラミック基体を示す断面図である。
【図８】発熱体を成形するための金型を示す断面図である。
【図９】(a)〜(f)は、実施例１において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１０】(a)〜(e)は、実施例２において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１１】(a)〜(e)は、実施例３において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１２】(a)〜(f)は、実施例４において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１３】(a)〜(i)は、実施例５において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１４】従来のセラミックヒータを示す斜視図である。
【図１５】図１４のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図１６】(a)及び(b)は、図１４のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状の一例を説明するための断面図である（図１５のＹ１−Ｙ１線の位置で図１４のセラミックヒータを切断したときの断面図）。
【符号の説明】
【００４７】
１１ セラミック基体
１２ 発熱体
１２ａ，１２ｂ 線状部
１３ リード
１４ 電極
１５ 電極金具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグ、ガス、灯油などを使用する給湯器や石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用ヒータなどに好適なセラミックヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１４は、上記のような用途に用いられる従来のセラミックヒータを示す斜視図である。図１５は、図１４のＸ１−Ｘ１線断面図である。このセラミックヒータは、棒状のセラミック基体１中に、発熱体２と、一端側が発熱体２に接続されたリード３と、リード３の他端側との導通をとるための電極４とが埋設されている。この電極４には、セラミック基体１の側面に設けられた電極金具５が接続されている。発熱体２は、セラミック基体１の先端側に延びる２本の線状部２ａ，２ｂと、これらの線状部２ａ，２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部２ｃとからなる。
【０００３】
図１６(a)，(b)は、図１５のＹ１−Ｙ１線断面図である。図１６(a)は線状部２ａ，２ｂの断面形状を示す一例であり、図１６(b)は線状部２ａ，２ｂの断面形状を示す他の例である。従来のセラミックヒータでは、図１６(a)，(b)に示すように、発熱体２の線状部２ａ，２ｂがセラミック基体１中に均等な位置に配置されており、２本の線状部２ａ，２ｂの断面形状は同じ形状である（例えば、特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００２−２８９３２７
【特許文献２】特開２００２−３３４７６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来から、セラミックヒータには以下のような特性が要求されている。すなわち、燃料をすばやく燃焼させることにより低温で発生する煤などを減少させることが望まれている。また、寒冷地などの低温地帯においても始動性が確保されるという点で急速昇温性が望まれている。これらの要求は、近年、益々強くなってきている。急速昇温させるために発熱体径を細くすることや、ヒータ径を細くすることが試みられている。これにより立ち上がる速度は速くできるが、設定温度よりも温度が過度に上昇した後、設定値に落ち着く現象、所謂オーバーシュートを起こし一定の温度になる（定常状態になる）までの時間が長くなるという問題があった。このような場合、ヒータの燃焼温度が高いことに起因して窒素酸化物が発生して環境に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、優れた急速昇温性を有し、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、前記一方の線状部の中心と前記他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３のセラミックヒータは、棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離よりも短いことを特徴とする。
【０００９】
本発明における前記断面において、前記他方の線状部の断面積は前記一方の線状部の断面積よりも小さくなっているのが好ましい。また、前記断面において、前記セラミック基体の断面が円形なし楕円形であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であるので、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。すなわち、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であるので、ヒータに大電流を流したときに、断面形状が円形ないし楕円形である一方の線状部と比較して他方の線状部における多角形の角部では電送損失が大きくなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【００１１】
本発明の第２のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いときには、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。線状部の周囲長が長くなることで、熱がセラミック基体に奪われやすくなる。また、線状部の断面形状において、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線の方向に対して垂直な方向は、前記直線方向と比較すると、互いに熱の影響を与え難い方向である。したがって、一方の線状部における前記垂直な方向の長さと線状部の周囲長とを他方の線状部よりも長くすることにより、他方の線状部を優先的に発熱させやすくなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【００１２】
本発明の第３のセラミックヒータによれば、発熱体がセラミック基体の先端側に延びる２本の線状部とこれらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、セラミック基体の軸方向に垂直でかつ２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離よりも短いときには、優れた急速昇温性を有し、かつ、定常状態になるまでの所要時間を短くすることができる。すなわち、上記断面において、最短距離Ｌが短い方の線状部（上記他方の線状部）に比べて長い方の線状部（上記一方の線状部）の方が周囲のセラミック基体に熱を奪われやすいことに起因して、上記他方の線状部の方が優先的に発熱して発熱量が多くなる。その結果、一方の線状部に比べて他方の線状部の方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部と他方の線状部間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態にかかるセラミックヒータについて図面を参照し詳細に説明する。図１は本実施形態のセラミックヒータを示す斜視図であり、図２は図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。図１及び図２に示すように、このセラミックヒータは、棒状の絶縁性セラミック基体１１中に、導電性のセラミックスからなる発熱体１２と、一端側が発熱体１２に接続されたリード１３と、リード１３の他端側との導通をとるための電極１４とが埋設されている。この電極１４には、セラミック基体１１の側面に設けられた電極金具１５が接続されている。発熱体１２は、セラミック基体１１の先端側に延びる２本の線状部１２ａ，１２ｂと、これらの線状部１２ａ，１２ｂの先端同士をつなぐ折り返し部１２ｃとからなる。なお、以下の第１〜第３の実施形態において、線状部の形態が異なる場合であっても線状部の符号は、すべて同じ符号１２ａ，１２ｂを用いることとする。
【００１４】
図３(a)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状の一例を示し、図３(b)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状の他の例を示し、図３(c)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の例を示している。図３(a)〜(c)に示すように、線状部１２ａ，１２ｂの断面形状は、一方の線状部１２ａが円形ないし楕円形であり、他方の線状部１２ｂが多角形である。このセラミックヒータに電流を流すと、断面形状が円形ないし楕円形である一方の線状部１２ａと比較して他方の線状部１２ｂにおける多角形の角部では電送損失が大きくなる。その結果、一方の線状部１２ａに比べて他方の線状部１２ｂの方が急速に加熱昇温することになる。これにより、従来のように２本の線状部が同じ断面形状の場合と比較して昇温速度を高めることができる。また、昇温の途中段階においては、一方の線状部１２ａと他方の線状部１２ｂ間で昇温速度の差に起因した温度差が生じるが、目標温度に到達する過程で両方の線状部１２ａ，１２ｂ間で熱交換が行われることに加え、従来のように発熱体全体の径を細くしたり、セラミック基体の径を細くする必要がないのでオーバーシュートが生じるのを抑制することができる。これにより、短時間で定常状態に達するセラミックヒータを得ることができる。線状部１２ｂでは、角部の角度が小さいほど伝送損失が大きくなって昇温速度が高まるので、本発明における多角形は三角形〜六角形であるのが好ましい。
【００１５】
図３(d)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の例を示している。図３(d)に示すように、断面形状が多角形の線状部１２ｂの断面積が円形の線状部１２ａの断面積よりも小さいときには、線状部１２ｂの抵抗が高くなるので伝送損失がさらに大きくなる。これにより、通電時に線状部１２ｂの昇温速度をより高めることができる。また、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われる。このため目標温度付近では熱平衡によりオーバーシュートがより抑制される。
【００１６】
セラミック基体１１の断面形状は円形ないし楕円形であるのがよい。セラミック基体１１の断面形状が多角形の場合には、曲線である場合と比較してその角部の熱容量が大きくなる。したがって、断面形状が円形ないし楕円形であると、多角形である場合よりも熱引きが少なくなるので、昇温速度が速くなる。
【００１７】
セラミック基体１１を構成する絶縁性セラミックスは、高温での絶縁特性が優れている点からアルミナ質セラミックス又は窒化珪素質セラミックスが好ましいが、特に急速昇温時の耐久特性が高い点で窒化珪素質セラミックスがより好ましい。窒化珪素質セラミックスの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主相粒子が、焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。主相は珪素（Ｓｉ）あるいは窒素（Ｎ）の一部がアルミニウム（Ａｌ）あるいは酸素（Ｏ）で置換され、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであっても良い。本実施形態におけるセラミック基体１１は、窒化珪素粉末にイッテリビウム（Ｙｂ）やイットリウム（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を添加した上記セラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形によりセラミック基体１１を成形するのがよい。セラミック基体１１を成形する金型は、上下２分割されたものであり、発熱体１２やリード１３を装着できるように設計されており、射出成形にて作製できる。
【００１８】
発熱体１２の材料としては、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）および二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等の周知の導電性セラミックスを用いることができる。以下、炭化タングステンを用いた場合を例に挙げて説明する。まず、ＷＣ粉末を準備し、このＷＣ粉末に、セラミック基体１１との熱膨張係数を減少させるためにセラミック基体１１の主成分となる窒化珪素質セラミックスなどの絶縁性セラミックスを配合することが望ましい。絶縁性セラミックスと導電性セラミックスとの含有比率を変化させることにより、発熱体１２の電気抵抗を所望の値に調整することができる。発熱体１２は、ＷＣ粉末にセラミック基体１１の主成分となる絶縁性セラミックスである窒化珪素質セラミックスを配合したセラミック原料粉末を、周知のプレス成形法等によりプレス成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形により成形することが望ましい。金型形状は焼成後の発熱体１２が図３のような断面形状になるように設計される。
【００１９】
発熱体１２と導通を得るためのリード１３は、Ｗ等の抵抗の小さい金属ピンなどで形成されていてよいが、より好ましくは発熱体１２と同様に絶縁性セラミックスと導電性セラミックスを配合することでセラミック基体１１との熱膨張係数差を低減することができる。リードの電気抵抗は、発熱部よりも小さく設定される。
【００２０】
リード１３及び電極１４は、セラミック基体１１と同様、周知のプレス成形でも成形できるが、好ましくは、形状が金型に沿って自由に決められる射出成形で成形するのがよい。
【００２１】
上下２分割された状態で成形されたセラミック基体１１と、発熱体１２と、リード１３と、電極１４とを作製し、これらを所定の配置に組み立てた後、脱脂工程を経て、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７８０℃程度の温度、３０〜５０ＭＰａ程度の圧力でホットプレスにより焼成する。このようにして得られた焼結体の表面に露出した電極１４に図１に示すような電極金具１５をロウ付けしてセラミックヒータを得ることができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図４は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の一例を示す。この実施形態では、一方の線状部１２ａの中心と他方の線状部１２ｂの中心とを結ぶ直線Ｌに対して垂直な方向の長さが、一方の線状部１２ａの方が他方の線状部１２ｂよりも長くなっている。すなわち、図４において、一方の線状部１２ａにおける長さβが、他方の線状部１２ｂにおける長さαよりも長くなっている。また、他方の線状部の周囲の長さが一方の線状部の周囲の長さよりも長くなっている。これにより、周囲長の長い一方の線状部１２ａは、他方の線状部１２ｂと比較してセラミック基体に熱を奪われやすくなるので、ヒータ等で使用される大電流を流したときには、他方の線状部１２ｂの方から加速的に加熱され、昇温に速度の速いヒータを得ることができる。また、線状部の断面形状において、一方の線状部の中心と他方の線状部の中心とを結ぶ直線の方向に対して垂直な方向は、前記直線方向と比較すると、互いに熱の影響を与え難い方向であるので、他方の線状部がより優先的に昇温しやすくなる。
【００２３】
また、一方の長さが、他方の長さより長いことにより、昇温の過渡状態では昇温速度の差に起因した温度差ができて、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートが抑制される。すなわち、温度が一定になる平衡状態までの所要時間が短くなるヒータを得ることが出来る。好ましくは、長さの差が大きい方が、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【００２４】
なお、第２の実施形態における「線状部の中心」とは、線状部の断面形状が円、楕円または正多角形の場合にはこれらの中心のことである。また、正多角形以外の多角形の場合には、複数の対角線が交わる点を中心とする。さらに、線状部の断面形状が上記以外の場合には、次のようにして中心を求める。線状部の断面における最大長の部位に直線１を引き、この直線に対して垂直な方向の最大長の部位に直線２を引き、直線１と直線２が交わった部分を中心とする。
【００２５】
（第３の実施形態）
図５(a)は、図２のＹ−Ｙ線断面図であって２本の線状部１２ａ，１２ｂの断面形状のさらに他の一例を示す。この実施形態では、線状部の表面からセラミック基体の表面までの最短距離を比較すると、一方の線状部１２ａにおける最短距離δが他方の線状部１２ｂにおける最短距離γよりも長くなっている。これにより、ヒータ等で使用される大電流を流したとき長さγの方の発熱体がセラミック基体への熱引きが大きくなるため、熱をセラミック基体に奪われてしまい短いδの方の発熱体がある側の方から加速的に加熱され、昇温に速度の速いヒータを得ることが出来る。
【００２６】
また、一方の長さγが、他方の長さδより短いことにより、昇温の過渡状態では昇温速度の差に起因した温度差ができて、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートが抑制される。すなわち、温度が一定になる平衡状態までの所要時間が短くなるヒータを得ることが出来る。好ましくは、長さの差が大きい方が、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【００２７】
また、図５(b)に示すように、線状部１２ｂの断面積が線状部１２ａの断面積よりも小さいことにより、抵抗が高くなるため電送損失がさらにおおきくなる。これにより、他方の線状部１２ｂがさらに加速的に加熱され昇温速度が速くなる。また、昇温速度の差に起因した温度差がより大きくなるため、温度勾配により両側での熱交換が行われるため最高温度付近では熱平衡により、狙いの温度に発熱した後のオーバーシュートがより抑制される。
【実施例１】
【００２８】
まず、主成分の窒化珪素に対して焼結助剤３〜１２重量％のＹｂ２Ｏ３を添加して調整したセラミック原料粉末を用いて、有機バインダと混練したコンパウンドを作製した。ついで、このコンパウンドを射出成形機にて加熱溶融し流動化させて成形し、セラミック基体１１を作製した。図６は、射出成形に用いた金型の一例を示す断面図である。この金型は上金型６１と下金型６２に２分割できる構造になっている。これを用いてセラミック基体１１を構成する上半分と下半分をそれぞれ成形した。図７は、セラミック基体１１を構成する部材（上半分）１１ａ，部材（下半分）１１ｂを示す断面図である。後述するように、発熱体を種々の形状に成形する際には、その形状に合わせてセラミック基体の形状も適宜変更した。
【００２９】
発熱体１２は、次のようにして作製した。すなわち、主成分であるＷＣに対して、セラミック基体１１に用いたセラミック原料粉末を２０〜４５重量％添加して調整したセラミック粉末を準備し、このセラミック粉末を有機バインダと混練したコンパウンドを作製した。ついで、このコンパウンドを加熱溶融し流動化させて射出成形機にて所定の形状に成形した。図８は、発熱体１２の成形に使用した金型の一例を示す断面図である。この金型は、上金型２１と下金型２２に２分割できる金型である。この金型を用いると、断面形状が円形の発熱体を成形することができる。他の断面形状を有した発熱体は、所定の断面形状を有した金型を用いて作製した。リード１３、電極１４についても発熱体１２と同様に原料粉末からコンパウンドを作製し成形した。
【００３０】
上記のようにして得られるセラミック基体１１ａとセラミック基体１１ｂに各種形状の発熱体１２とリード１３、電極１４を配置し、組み立て後、４００〜５００℃で２４〜７２時間の脱脂工程を経た脱脂体を、還元雰囲気下、１６５０℃〜１７８０℃の温度、３０〜５０ＭＰａの圧力でホットプレスにより焼成した。最後に、得られた焼結体の表面に露出した電極１４に、図１に示すような電極金具１５をロウ付けして、図９(a)〜(e)の断面形状をもつセラミックヒータを作製した。セラミックヒータの外形寸法は厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、全長４０ｍｍであった。
【００３１】
各セラミックヒータに所定の電圧をかけて発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。結果を表１に示す。
【表１】
【００３２】
表１からわかるように、発熱体１２ａ，１２ｂの形状がＡ−１（図９(a)），Ｂ−１（図９(b)），Ｃ−１（図９(c)）に比べて、発熱体１２ａ，１２ｂの形状が異なり一方が多角形であるＤ−１（図９(d)），Ｅ−１（図９(e)），Ｆ−１（図９(f)）の方が、昇温時間が約１．０秒速いことが判明した。さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、発熱体１２ａ，１２ｂの形状がＡ−１，Ｂ−１，Ｃ−１に比べて、Ｄ−１，Ｅ−１，Ｆ−１の方が１０秒〜１５秒速いことが判明した。
【実施例２】
【００３３】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。発熱体１２の線状部１２ａ，１２ｂは、その断面形状が、図１０(a)〜(e)に示す形状になる金型を用いて成形した。線状部１２ｂの長さα及び線状部１２ａの長さβが表２に示す長さになるような金型を用いて発熱体１２を作製した。
【００３４】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表２に示す。
【表２】
【００３５】
表２からわかるように、線状部１２ａ，１２ｂの長さが同じであるサンプルＡ−２（図１０(a)），Ｂ−２（図１０(b)）に比べて、長さαよりも長さβの方が長いサンプルＣ−２（図１０(c)）、Ｄ−２（図１０(d)）、Ｅ−２（図１０(e)）の方が、昇温時間が１．０秒以上速いことが、判明した。さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、Ａ−２、Ｂ−２に比べて、Ｃ−２、Ｄ−２、Ｅ−２の方が、１０秒以上速いことが判明した。なお、Ｃ−２、Ｄ−２、Ｅ−２は、線状部１２ｂの周囲長よりも線状部１２ａの周囲長の方が長い。
【実施例３】
【００３６】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。発熱体１２の線状部１２ａ，１２ｂは、その断面形状が、図１１(a)〜(e)に示す形状になる金型を用いて成形した。線状部１２ｂからセラミック基体１１の外表面までの最短距離γ、及び線状部１２ａからセラミック基体１１の外表面までの最短距離δが表３に示す長さになるような金型を用いて発熱体１２を作製した。
【００３７】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表３に示す。
【表３】
【００３８】
表３からわかるように、発熱体２Ｅ、２Ｆからセラミック基体１１の外表面までの最短距離Ｌをγ、δが同じ長さであるサンプルＡ−３（図１１(a)）、Ｂ−３（図１１(b)）に比べて、発熱体２Ｅ、２Ｆからセラミック基体１１の外表面までのγがδより長いサンプルであるＣ−３（図１１(c)）、Ｄ−３（図１１(d)）、Ｅ−３（図１１(e)）の方が、昇温時間が１．０秒以上速いことが、判明した。
【００３９】
さらに、平衡状態到達時間に関しても同様に、最短距離γと最短距離δが同じ長さであるサンプルＡ−３、Ｂ−３に比べて、最短距離δが最短距離γより長いサンプルＣ−３、Ｄ−３、Ｅ−３の方が約１０秒速いことが判明した。
【実施例４】
【００４０】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３、および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。線状部１２ａ，１２ｂは図１２に示す断面形状とした。Ｇ−１（図１２(b)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＦ−１（図１２(a)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＦ−１と相似形で、断面積をＦ−１の１／３倍とした。Ｇ−２（図１２(d)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＥ−２（図１２(c)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＥ−２と相似形で、断面積をＥ−２の１／３倍とした。Ｇ−３（図１２(f)）は、線状部１２ａの断面形状及び断面積がＤ−３（図１２(e)）と同じとし、線状部１２ｂの断面形状がＤ−３と相似形で、断面積をＤ−３の１／３倍とした。
【００４１】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表４に示す。
【表４】
【００４２】
表４からわかるように、断面形状が相似形状でありそれぞれ２Ｇの断面積が２Ｈの断面積の１／３倍としたＧ−１、Ｇ−２、Ｇ−３は、昇温時間、平衡状態到達時間ともに、Ｆ−１、Ｅ−２、Ｄ−３より、より速くなったことが判明した。
【実施例５】
【００４３】
セラミック基体１１、発熱体１２、リード１３および電極１４は実施例１と同様の方法を用いて作製した。線状部１２ａ，１２ｂの断面形状をＧ−１（図１３(a)）、Ｇ−２（図１３(b)）、Ｇ−３（図１３(c)）と同様とし、セラミック基体１１の断面形状を円形としたＨ−１（図１３(d)）、Ｈ−２（図１３(e)）、Ｈ−３（図１３(f)）、楕円としたＩ―１（図１３(g)）、Ｉ―２（図１３(h)）、Ｉ―３（図１３(i)）をそれぞれ作製した。
【００４４】
作製したそれぞれのセラミックヒータに所定の電圧をかけ発熱させて、先端から２ｍｍの位置（図２のＹ−Ｙ線の位置）で線状部１２ｂの温度を放射温度計にて測定し、１０００℃に達するまでの昇温時間を測定した。また、セラミックヒータの温度がオーバーシュート後、一定の温度（バラツキが±５℃以下）で平衡状態に達するまでの平衡状態到達時間を測定した。これらの結果を表５に示す。
【表５】
【００４５】
表５からわかるように、セラミック基体１１の断面が円形となるものＨ−１、Ｈ−２、Ｈ−３、楕円となるものＩ―１、Ｉ―２、Ｉ―３は、昇温時間、平衡状態到達時間いずれかにおいて、Ｇ−１、Ｇ−２、Ｇ−３に比べて、より良好な結果が出たことが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態にかかるセラミックヒータを模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】(a)は、図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状の一例を説明するための断面図であり（図２のＹ−Ｙ線の位置で図１のセラミックヒータを切断したときの断面図）、(b)〜(d)は発熱体の断面形状の他の例をそれぞれ説明するための断面図である。
【図４】図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状のさらに他の例を示す断面図である。
【図５】(a)及び(b)は、図１のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】セラミック基体を成形するための金型を示す断面図である。
【図７】図１のセラミックヒータのセラミック基体を示す断面図である。
【図８】発熱体を成形するための金型を示す断面図である。
【図９】(a)〜(f)は、実施例１において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１０】(a)〜(e)は、実施例２において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１１】(a)〜(e)は、実施例３において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１２】(a)〜(f)は、実施例４において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１３】(a)〜(i)は、実施例５において評価したセラミックヒータの発熱体の断面形状をそれぞれ示す断面図である。
【図１４】従来のセラミックヒータを示す斜視図である。
【図１５】図１４のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図１６】(a)及び(b)は、図１４のセラミックヒータにおける発熱体の断面形状の一例を説明するための断面図である（図１５のＹ１−Ｙ１線の位置で図１４のセラミックヒータを切断したときの断面図）。
【符号の説明】
【００４７】
１１ セラミック基体
１２ 発熱体
１２ａ，１２ｂ 線状部
１３ リード
１４ 電極
１５ 電極金具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、前記一方の線状部の中心と前記他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項３】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離よりも短いことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】
前記断面において、前記他方の線状部の断面積が前記一方の線状部の断面積よりも小さい請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記断面において、前記セラミック基体の断面が円形なし楕円形である請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項１】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部が円形ないし楕円形であり、他方の線状部が多角形であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の周囲の長さが他方の線状部の周囲の長さよりも長く、前記一方の線状部の中心と前記他方の線状部の中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向の長さが、一方の線状部の方が他方の線状部よりも長いことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項３】
棒状のセラミック基体と、該セラミック基体中に埋設された発熱体とを備えたセラミックヒータであって、前記発熱体は、前記セラミック基体の先端側に延びる２本の線状部と、これらの線状部の先端同士をつなぐ折り返し部とを有し、前記セラミック基体の軸方向に垂直で、かつ、前記２本の線状部を含む平面で切ったときの断面において、一方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離が他方の線状部の表面から前記セラミック基体の表面までの最短距離よりも短いことを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項４】
前記断面において、前記他方の線状部の断面積が前記一方の線状部の断面積よりも小さい請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記断面において、前記セラミック基体の断面が円形なし楕円形である請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２６５８９３（Ｐ２００７−２６５８９３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９１５２０（Ｐ２００６−９１５２０）
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]