JPS59134585A - 発熱体の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発熱体の構造に関するものであり、特に、デ
ィーゼルエンジン用グロープラグ等として用いるのに適
した発熱体に関するものである。

近年、種々の気体及び液体燃料の点火栓等に用いるのに
適したセラミックヒータが開発されてきている。これら
従来のセラミックヒータは、セラミック中に金属抵抗体
（Ｎｌ、Ｎ１−Ｃｒ、　ＦｅＣｒ、　Ｗ、　Ｍｏ、　Ｐ
ｔ等）を線状、板状、コイル状に埋設してなるものであ
る。特に、ディーゼルエンジン用グロープラグとして適
したものとして、特開昭５５−１２６９８９号公報に開
示されているような窒化珪素を主成分とするセラミック
体中にタングステン、モリブテン等を主体とする高融点
金属よシなる板状もしくは線条の発熱抵抗体を埋設した
ものが提案されている。このような従来のセラミックヒ
ータは、耐蝕性、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性にすぐ
れたものであるが、発熱抵抗体の埋設の仕方に難しさが
あったり、発熱抵抗体の形状や比抵抗の選択に制限があ
る等の問題がある。この点詳述すると、発熱抵抗体とし
てタングステン線を使用している場合、焼成時に窒化珪
素中の珪素と反応して珪化物が生成され、焼成前後で抵
抗値が変化してしまう傾向にあった。その上、タングス
テン線は、加工性が悪く、またぜい性でもあるので、加
工上の問題もある。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点にかんが
みて、耐蝕性、・耐、熱性、耐酸化性ｊ平熱衝撃性等に
すぐれ且つ昇温特性が極めて良くまた容易に安価に製造
しうるような発熱体の構造を提供することである。

本発明によれば、セラミック中に金属抵抗体を埋設する
代りに、高融点非金属抵抗体を埋設した構造とすること
によシ、前述の目的は達成される。

次に、添付図面に基づいて本発明の実施例について本発
明をより詳細に説明する。

第１図はデーゼルエンジン用グロープラグのヒータ部と
して構成した本発明の一実施例としての発熱体の構造を
示す概略斜視図、第２図は第１図の発熱体の縦断面図、
第５図は第１図の発熱体の横断面図である。この実施例
の発熱体は、５１３Ｎ４（窒化珪素）、ｓ＋ｃ　（炭化
珪素）、ＡｔＮ、サイアロン、Ａｔ２０３等のセラミッ
ク体１中に、導電性カー？ン、Ｍｏ５１２、ＴＩＮ等の
高融点非金属抵抗体２を埋設してなっている。

次に、この第１図の発熱体の製造方法の１例について第
４図を参照して説明しておく。

第４図（Ａ）に示すように、先ず、導電性カーがンを主
成分とする焼結体３を、機械加工によう適当な板状又は
線状に形成する。また、例えば、窒化珪素又は炭化珪素
を主成分としたセラミック母材を成形して、第４図（Ｅ
３）　Ｋ示すようなセラミック下部構成体４を形成する
。このセラミック下部構成体４の上面には、第４図（Ａ
）に示した焼結体３を配置するのに適したセット溝５を
形成しておく。次に、第４図（Ｃ）　Ｋ断面図にて示す
ように、セラミック下部構成体４のセット溝５に焼結体
３を配置する。そして、第４図（Ｄ）に示すように、焼
結体３を配置したセラミック下部構成体４を成形シリン
ダ６内に配置し、その上部に前述したセラミック母材と
同様の粉状体７を充填して、矢印で示す如く圧力を加え
て、加圧成形する。その後、不活性ガス下でのホットプ
レス焼成を行なうことによシ、第１図に示したような構
造の発熱体を得ることができる。この場合、焼結体３は
、抵抗体１とな襲、セラミック下部構成体４及びセラミ
ック母材粉状体７がセラミック体１七なっている。

前述したような製造方法によれば、焼結体３及びセラミ
ック下部構成体４の形状を予め選定しておくことによシ
、任意の形状の発熱体を容易に形成することができる。

例えば、第５図及び第６図の縦断面図及び横断面図に示
すような形状の発熱体でも、第７図及び第８図の縦断面
図及び横断面図に示すような形状の発熱体でも容易に形
成することができる。第５図及び第６図の発熱体では、
抵抗体２Ａの断面形状が半円形とされており、第７図及
び第８図の発熱体では、セラミック体ＩＡの断面形状が
矩形とされており、抵抗体２Ｂは、ヒータの先端部にて
巾を狭くされておシ、こうすることによシ、先端部の抵
抗がよシ高くなシ、先端部にてより高い発熱を得ること
がてき、これはディーゼルエンジン用グロープラグとし
て使用する場合でも、好都合である。

第９図は、本発明の別の実施例の発熱体を示す第６図と
同様の概略横断面図である。この実施例の発熱体では、
窒化珪素又は炭化珪素を主成分とするセラミック体１Ｂ
中に埋設された導電性カー♂ンを主成分とする焼結体で
ある抵抗体２ｃの周囲には、炭化珪素の保護層８が施さ
れている。このような保護層８を設けると、次のような
効果がである。

（１）　　焼成時（約１５００〜２５００ｍ？：）及び
使用時（約１ｏｏｏ℃）に導電性カーボンが高温ニより
セラミック母材と反応するのを防止することができるに
従って、発熱抵抗体２ｃの抵抗値が焼成前後で変化する
のを防止でき、また発熱抵抗体２Ｃの抵抗値が長時間使
用中に変化しないようにすることができ、また発熱抵抗
体のその他の特性変化や劣化を防止でき、またセラミッ
ク母材の変質や劣化、特性変化を防止できる。

（２）導電性カーボンの保護になる。すなわち、導電性
カーボンの強度を増し、硬さを増して耐摩耗性を増し、
酸化防止を行なうことができるので、製造段階での取シ
扱すが容易となるう（３）　　この保護層８は、相当の
抵抗をもった絶縁層となるので、信頼性を向上させるこ
とができる。

（４）　　セラミック母材とのなじみが良くなる。

次に、このような保護層８の形成法について説明する。

先ず、転化法によって保護層８を形成するには、ＳＩＯ
がス中に、導電性カーボンの焼結体を置き。

１６００℃から２０００℃、特に、１８００１：に加熱
することにより、その焼結体の表面を炭化珪素（ＳＩＣ
）に転化する。この転化法によれば、時間、温度、黒鉛
化度等にょカＳＩＣ化層の厚みを調整でき、このＳＩＣ
化層の厚みは、０．０１〜１ｗｎ程度が適当である。

もう１つの形成法としては、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｌｃａ
ｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）　があり、こ
のＣＶＤ法によって保護層８を形成するには１例えば、
メチルトリクロルシランＳｌ　（ＣＨ３）ｃｚ３　　ガ
ス中に、導電性カーがンの焼結体を置き、１２００°か
ら１７００℃に加熱することによシ、焼結体の表面にＳ
ＩＣを沈積させる。このＣＶＤ法によると、ＳＩＣ層の
厚み調整も前述の転化法と同様に行なえる上、高純度の
ＳＩＣ層を得ることができる。

前述したように転化法によるＳＩＣ化層の転化深さを容
易に調整できるので、これによシ、第１０図の縦断面図
に示すように、ＳＩＣ化層の深さを局所的に又は漸次変
化させた導電性カーボンの焼結体を抵抗体として埋設す
ることにより、必要箇所のみの抵抗値を上げ、発熱量を
変えた発熱体とすることが極めて容易にできる。すなわ
ち、第１０図の発熱体では、窒化珪素等のセラック体Ｉ
Ｃに埋設された導電性カーボンの焼結体２Ｄは、前述し
たような転化法によシ、先端部にいく程深くまで転化さ
れたＳＩＣ化層８Ａを有している。従って、焼結体２Ｄ
の導電性カーボンの残音は、先端部程少なくなっており
、従って、先端部程抵抗値が大となり、先端部程発熱量
の多いものとされている。

前述した実施例では、発熱抵抗体としての４！性カーが
ンを主成分とする焼結体のまわシの保護層として炭化珪
素を施したのであるが、本発明の別の実施例によれば、
窒化ホウ素の保護層が施される。このような窒化ホウ素
の保護層の形成方法としては、次の種々な方法が考えら
れる。

（１）窒化ホウ素等の粉末と分散剤（水、アルコール等
）の混合体を導電性カーがンの焼結体のまわりに塗布や
吹付したり、または、その焼結体をその混合体中に浸漬
して後、乾燥して分散剤を除去し、窒化ホウ素の層を焼
結体の表面に形成する方法。

（２）窒化ホウ素粉を液化ガス（フロンガスなど）に混
合し、これを焼結体に吹付は塗布する方法。

（３）窒化ホウ素粉と結合剤（無機系等）の混合体を焼
結体に塗布、吹付又は浸漬後、熱処理にょシ焼結体表面
にコーティングする方法。

（４）　　導電性カーぜンの焼結体を、窒化ホウ素粉中
に埋設して成形する方法。

このように発熱抵抗体としての導電性カーｒンの焼結体
のまわシに窒化ホウ素の被覆を設けるのは次の点で好ま
しい。

（１１絶縁性に優れている（　＞　１０１４Ωｃｍ）。

（２）　　被覆処理が容易にできる。

（３）　　導電性カーボンの変質や有効断面積の変化を
防止できる。

（４）焼結体の周囲に成形される窒化珪素と反応せず、
またなじみが良い。

第１１図は、本発明の更に別の実施例の発熱体の構造を
示す縦断面図である。この実施例の発熱体では、窒化珪
素又は炭化珪素又は主成分とするセラミック体１０中に
埋設される発熱抵抗体としての導電性カーボンを主成分
とする焼結体２Ｅには、タングステン系、モリブデン系
又はニッケル系等の高融点金属からなる板状又は線状の
リード部材９が接続されている。特に、窒化珪素又は炭
化珪素のセラミック体中に埋設する場合Ｋ　ｔｄ：、　
、第１２図に示すように、焼結体２Ｅとリード部材９と
に炭化珪素又は窒化ホウ素を主成分とする保護層１０を
施しておくとよい。焼結体２Ｅとリード部材９との接続
は、両者接合部をメッキ（銅系）し、銀ロー等によ多接
合してもよいし、または、焼結体２ＥＶｃ対してリード
部材９の先端をねじ込むような構造によってもよいし、
更に、これに銀ロー付けを付加してもよいし、また、リ
ード部材９の先端部に圧入溝を形成しておいてそれらを
焼結体２Ｅの両端部へプレスばめするようにしてもよい
。このように、リード部材９を設けると、このセラミッ
クヒータを保持する金属金具（ホルダ）の外部接続端子
と焼結体２Ｅとの接続を、セラミック体ＩＤから露出し
たリード部材９の端部にて行なうことができるので、き
わめて容易に行なえる。

前述したように、本発明の発熱体は、セラミック体中に
金属抵抗体の代漫に、高融点非金属抵抗体を埋設、焼結
あるいは同時焼結させてなるものであるから、従来のこ
の種発熱体であるセラミックヒータの特徴である耐蝕性
、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性を保持しつつ次のよう
な利点を有する。

（１）抵抗体の形状が任意に設計でき、かつ比抵抗の調
節が可能なので、抵抗値の範囲が広くどれ、種々の用途
のヒータとして設計できる。例えば、黒鉛質の比抵抗は
、５　Ｘ　１ｏ−ａ〜５　Ｘ　１０−”Ωα、Ｍｏ５１
２、ＴＩＮの比抵抗は、２　Ｘ　１ｏ−ｓΩＱ以上であ
る。

（２）抵抗体とセラミックの組合せによっては常圧焼結
が可能であシ、金属線を埋設する時のＨ，Ｐ焼成に比べ
て簡単で安価な製造プロセスとすることができる。

黒鉛質は、抵抗Ｙ易度特性が負の領域を持つので正の抵
抗温度特性の金属抵抗体に比べて基本的に昇温特性は良
くなる。

例えば、ディーゼルエンジン用グロープラグとして設計
した場合、従来の如く窒化珪素のセラミック体中にタン
グステンワイヤーを埋設したものでは、初期抵抗０．１
Ωに設定し１２Ｖ印加して９００℃捷でセラミック表面
が昇温するに要する時間を測定したとζろ約２．５秒で
あったのに対し、本発明により窒化珪素のセラミック体
中に黒鉛質の抵抗体を埋設したものでは約１゜０秒、窒
化珪素のセラミック体中にＭｏ　Ｓ　Ｉ　２の抵抗体を
埋設したものでは約２．０秒、窒化珪素のセラミック体
中にＴＩＮの抵抗体を埋設したものでは約２．０秒であ
り、本発明によれば、昇温特性が更に改善されることが
明らかである。

【図面の簡単な説明】

添付図面の第１図は本発明の一実施例として発熱体の構
造を示す概略斜視図、第２図は第１図の発熱体の縦断面
図、第５図は第１図の発熱体の横断図、第４図（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）及び（０）は第１図の発熱体の製造方法
の１例を説明するための概略図、第５図及び第６図は本
発明の別の実施例の発熱体の構造を示す縦断面図及び横
断面図、第７図及び第８図は本発明の更に別の実施例の
発熱体の構造を示す縦断面図及び横断面図、第９図は本
発明の他の実施例の発熱体を示す概略横断面図、第１０
図は本発明の更に別の実施例の発熱体の構造を示す縦断
面図、第１１図は本発明の更に別の実施例の発熱体の構
造を示す縦断面図、第１２図は第１１図のような発熱体
の埋設体の別の例を示す概略図である。 １、］　Ａ、Ｉ　Ｂ、Ｉ　Ｃ，］　］Ｄ−セ５ミック体
２．２Ａ、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ、２Ｅ−・・高融点非金属
抵抗体、８、ｌｏ・・・保繰層、８Ａ・・・転化された
炭化珪素層、９・・・リード部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１セラミック中に高融点非金属抵抗体を埋設したこ
   とを特徴とする発熱体。 （２）　　前記セラミックは、窒化珪素を主成分とする
   セラミック母材から形成されている特許請求の範囲第（
   １１項記載の発熱体。 （３）　　前記セラミックは、炭化珪素を主成分とする
   セラミック母材から形成されている特許請求の範囲第（
   １）項記載の発熱体。 （４）前記高融点非金属抵抗体は、４電性カーがンを主
   成分とする焼結体である特許請求の範囲第（１１項から
   第（３）項のうちのいずれかに記載の発熱体。 （５）　　前記高融点非金属抵抗体は、Ｍｏ５１２を主
   成分とする焼結体である特許請求の範囲第（１）項から
   第（３）項のうちのいずれかに記載の発熱体。 （６）　　前記高融点非金属抵抗式は、ＴＩＮを主成分
   とする焼結体である特許請求の範囲第（１）項から第（
   ３）項のうちのいずれかに記載の発熱体。 （７）　　前記高融点非金属抵抗体は、黒鉛質を主成分
   とする焼結体であって、その外面には、窒化ホウ素の保
   護層が施されている特許請求の範囲第（２）項又は第（
   ３）項記載の発熱体。 （８）　　前記高融点非金属抵抗体は、導電性カーゲン
   を主成分とする焼結体であって、その表面には炭化珪素
   層が施されている特許請求の範囲第（２）項又はｍ　１
   ３）項記載の発熱体。 （９）前記焼結体は、板状又は線状である特許請求の範
   囲第（４）項から第（８）項のうちのいずれかに記載の
   発熱体。 顛　前記セラミック中には、前記高融点非金属抵抗体に
   接続する高融点金属リードが埋設されている特許請求の
   範囲第〔１）項から第（９）項のうちのいずれかに記載
   の発熱体。