JP2007226972A - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大を招くことなく、密度ムラに起因する不具合を抑制することの可能なセラミックヒータの製造方法を提供する。
【解決手段】素子成形体３１を成形する工程と、絶縁性セラミック材料粉末を用いて半割絶縁成形体４０を成形する工程と、外枠５２を具備する金型装置を用い、セットされた半割絶縁成形体４０上の所定位置に、素子成形体３１を設置し、さらに絶縁性セラミック粉末を充填し上からプレスすることで、素子成形体３１を絶縁成形体で保持した保持体を得る工程と、保持体を加圧焼成して焼成体を得る工程とを経ることでセラミックヒータが製造される。素子成形体３１は、１対の棒状のリード部及び略Ｕ字状の連結部を備え、当該連結部のうち先端側の所定区間は小断面積部３６となっている。保持体形成工程では、絶縁性セラミック材料粉末を小断面積部３６においてより厚く充填する。
【選択図】 図１３

Description

導電性セラミックからなる発熱素子が絶縁性セラミックからなる基体にて保持されてなるセラミックヒータの製造方法に関する。

従来、ディーゼルエンジンの始動補助等に用いられるグロープラグは、筒状の主体金具、棒状の中軸、通電により発熱する発熱素子を内蔵するヒータ、絶縁部材、外筒、かしめ部材等を備えている。主体金具の内周側には後端側へ一端を突出させた中軸が収容され、該中軸の先端側にはヒータが設けられている。また、主体金具の先端部には外筒が接合され、この外筒によってヒータが保持されている。一方、主体金具の後端側においては、絶縁部材が中軸と主体金具との間隙に挿入され、絶縁部材の後端側にはかしめ部材が中軸を固定するようにして設けられている。

ところで、上記ヒータとして、セラミックヒータが採用される場合がある。セラミックヒータは、導電性を有するセラミック製の発熱素子が、絶縁性を有するセラミック製の基体にて保持されることで構成されている。この場合において、発熱素子に電圧を印加するための陰極・陽極の両電極取出部が後端側に設けられ、一方の電極取出部は主体金具に電気的に接続され、他方の電極取出部は中軸に電気的に接続される（例えば、特許文献１等参照）。

このようなセラミックヒータは、一般に、次のようにして製造される。まず、絶縁性セラミック材料粉末（少なくとも焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末）を用いて半割絶縁成形体を成形する。当該成形にあっては、例えば平面長方形状の開口を有する外枠と、前記開口に対応した凸部を具備する下型・上型とからなる金型装置が用いられる。そして、開口に下型の凸部が嵌め込まれた状態で、絶縁性セラミック材料粉末が充填され、上型によって上からプレス圧縮が施され、これにより下側の半割絶縁成形体が成形される。前記上型の凸部には、後記する素子成形体の下半分の形状を模した突起が一体形成されており、前記プレス圧縮により形成された下側の半割絶縁成形体には、素子成形体を収容するための収容凹部が形成される。

一方で、焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料からなる素子成形体を、例えば射出成形により成形しておく。

次に、長方形状の開口を有する外枠と、前記開口に対応した凸部を具備する下型・上型とからなる金型装置を用い、開口に下型の凸部を嵌め込んだ状態で、前記下側の半割絶縁成形体を開口内にセットし、さらに前記素子成形体を前記下側の半割絶縁成形体の収容凹部に収容し、さらに絶縁性セラミック材料粉末を前記外型に擦り切り状態で充填する。その後、上型によって上からプレス圧縮を施す。これにより、前記素子成形体を絶縁成形体で保持した保持体が得られる。そして、当該保持体を仮焼し、その後加圧条件下で焼成（ホットプレス）して焼成体を得る。さらに焼成体外周を研磨して所定の整形を施すことで、導電性を有するセラミック製の発熱素子が、絶縁性を有するセラミック製の基体にて保持されてなる上記セラミックヒータが得られる。
特開２００２−３６４８４２号公報

ところで、前記発熱素子を構成する素子成形体は、１対の棒状の導電部と、導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部とを備え、連結部のうち先端部分が主に発熱を行う発熱抵抗部となっている。尚、各導電部に前記電極取出部が一体形成されているのが一般的である。通常、導電部は長手方向に同一の太さを有しているが、連結部のうち発熱抵抗部というのは導電部に比べてかなり細い。

しかしながら、従来では、前記プレス圧縮に際し、太い部分と細い部分とを何ら考慮することなく粉末を充填していた。このため、素子成形体の太い部分（導電部）と当該部分を内包する絶縁性セラミック材料粉末が、プレス時にプレス方向への押圧力を制限してしまうという現象が起こってしまうおそれがあった。換言すれば、素子成形体の細い部分（発熱抵抗体）を内包する絶縁性セラミック材料粉末が、プレス時において十分にプレスされずに、密度ムラが発生してしまうおそれがあった。その結果、焼成後においても前記密度ムラによる悪影響が残ってしまい、セラミックヒータ先端の発熱部分の強度が低いものとなってしまうおそれがあった。

また、上記の現象は、素子成形体（そのうちでも特に細い部分）と、外枠内壁面との距離が比較的近い場合により起こりやすい。このため、前記距離をより大きく確保したうえでプレスすることも考えられなくはないが、この場合、基体を構成する材料の浪費を招来するとともに、コストの増大を招いてしまうこととなり、妥当でない。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの増大を招くことなく、密度ムラに起因する不具合を抑制することの可能なセラミックヒータの製造方法を提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果等を付記する。

構成１．本構成のセラミックヒータの製造方法は、導電性を有するセラミック製の発熱素子が絶縁性を有するセラミック製の基体にて保持されてなるセラミックヒータを製造するにあたり、
焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料から素子成形体を成形する素子成形工程と、
焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から半割絶縁成形体を成形する半割絶縁成形体成形工程と、
枠形状をなす外枠を具備する金型装置を用い、前記半割絶縁成形体を前記外枠内にセットして、セットされた前記半割絶縁成形体上の所定位置に、前記素子成形体を載置し、さらにその上から前記絶縁性セラミック材料粉末を充填し、上からプレスすることで、前記素子成形体を絶縁成形体で保持した保持体を得る保持体形成工程と、
前記保持体を加圧条件下で焼成して焼成体を得る焼成工程とを備え、
前記素子成形体は、焼成後に導電性セラミックとしてなる１対の棒状の導電部及び前記導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部を備え、当該連結部のうち先端側の所定区間は、前記導電部の断面積の５０％以下の断面積を有する小断面積部となっており、
前記保持体形成工程において、
少なくとも前記小断面積部と前記外枠の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるよう前記素子成形体を載置するとともに、前記絶縁性セラミック材料粉末を前記導電部側に比べて前記小断面積部側に厚く充填するようにしたことを特徴とする。

上記構成１によれば、保持体形成工程に際し、予め成形された半割絶縁成形体が外枠内にセットされ、セットされた半割絶縁成形体上の所定位置に、予め成形された素子成形体が載置される。さらにその上から絶縁性セラミック材料粉末が充填され、上からプレスされることで、前記素子成形体を絶縁成形体で保持した保持体が得られる。その後、焼成工程において保持体が加圧条件下で焼成されて焼成体が得られる。

前記素子成形体は、１対の棒状の導電部及び導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部を備え、当該連結部のうち先端側の所定区間は、前記導電部の断面積の５０％以下の断面積を有する小断面積部となっており、かつ、前記保持体形成工程においては、少なくとも小断面積部と外枠の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるよう素子成形体が載置される。ここで、小断面積部と外枠の内壁面との距離が２ｍｍ以下と比較的小さいため、基体を構成する材料の浪費を抑制しつつ保持体を得ることができる。

また、保持体形成工程においては、絶縁性セラミック材料粉末が、導電部側に比べて小断面積部側に厚く充填される。このため、導電部の断面積の５０％以下の断面積を有する小断面積部が存在し、かつ、小断面積部と外枠の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるような条件下であっても、比較的断面積の大きい導電部と当該部分を内包する絶縁性セラミック材料粉末が、プレス時にプレス方向への押圧力を制限してしまうという現象が起こりにくくなる。換言すれば、小断面積部側において、より多くの粉末が充填されているため、当該部分においても十分にプレスを行うことが可能となる。従って、プレスに伴う密度ムラの発生を起こりにくくでき、結果として、焼成後における密度ムラによる悪影響を抑制することができる。

構成２．本構成のセラミックヒータの製造方法は、上記構成１の前記保持体形成工程において、前記外枠として、前記導電部側に比べて前記小断面積部側の高さが高く形成された外枠を用い、前記絶縁性セラミック材料粉末を当該外枠内に擦り切り状態で充填することを特徴とする。

上記構成２のように、絶縁性セラミック材料粉末が外枠内に擦り切り状態で充填されるようにすることで、充填される粉末の量の安定化を図ることができる。また、導電部側に比べて小断面積部側の高さが高く形成された外枠を用いることにより、擦り切り状態で充填すれば、確実に導電部側に比べて小断面積部側が一定量だけ厚く充填されることとなり、各回毎の増量や減量といった調整を必要としない。そのため、作業の簡素化を図ることができる。

構成３．本構成のセラミックヒータの製造方法は、上記構成１の前記保持体形成工程において、前記外枠として、前記半割絶縁成形体上の所定位置に前記素子成形体を載置したときに少なくとも前記素子成形体の小断面積部に対応して上端部分の内側に傾斜したテーパ面が形成された外枠を用い、前記絶縁性セラミック材料粉末を擦り切り状態で充填した後、前記素子成形体及び半割絶縁成形体を前記外枠に対し相対的に下動させ、その後、上からプレスすることを特徴とする。

上記構成３によれば、素子成形体の小断面積部に対応して上端部分の内側に傾斜したテーパ面が形成された外枠が用いられる。このため、粉末を擦り切り状態で充填した時点では、テーパ面が存在する分、他の部分に比べて多くの粉末が存在することになる。そして、擦り切り状態で充填された後、素子成形体及び半割絶縁成形体が外枠に対し相対的に下動させられる。すると、それまでテーパ面上にあった粉末が内側に流下し、少なくとも素子成形体の小断面積部における粉末が、導電部側に比べてより厚く充填されることになる。そのため、プレスに伴う密度ムラの発生を起こりにくくでき、上述した構成１による作用効果がより確実に奏されることとなる。また、外枠の上端部分に突出部分を設けなくてもよいので、金型装置の大型化、複雑化を抑制することができる。

前記素子成形体の連結部の断面積が、導電部から小断面積部にかけて漸減するよう構成されている場合、上記構成３を採用するにあたり、テーパ面としては、次の構成４のように設定されているのが望ましい。

構成４．本構成のセラミックヒータの製造方法は、上記構成３において、前記素子成形体の連結部は、前記導電部から前記小断面積部にかけて断面積が漸減するよう構成されており、
前記テーパ面は、前記半割絶縁成形体上の所定位置に前記素子成形体が設置された状態において、前記連結部の先端側の始端位置から所定区間隔てた終端位置にかけて形成されており、前記終端位置は、前記連結部のうち断面積が前記導電部の５０％となっている位置と、前記導電部の先端位置との間に設定されていることを特徴とする。

上記構成４によれば、単に小断面積部に対応する部分のみならず、連結部のうち断面積が前記導電部の５０％となっている位置を超えて、テーパ面が延設されていることになる。このため、連結部のうち、断面積が導電部の５０％を超えている部分に対しても、粉末がより厚く充填されることになる。そのため、プレスに伴う密度ムラの発生をより一層起こりにくくできる。尚、前記終端位置が、前記導電部の先端位置よりも後端側に位置していると、導電部に対応して厚く充填される部分が生じてしまうため望ましくない。

また、保持体の厚みに対し、素子成形体の厚みが比率として著しく小さいような場合には、上述したような密度ムラが生じにくい。それ故、次の構成５のような場合には、上記各構成が非常に有効となる。

構成５．本構成のセラミックヒータの製造方法は、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記保持体の厚みに対する前記素子成形体のプレス方向に占める厚さの割合が４０％以上であることを特徴とする。このように、素子成形体のプレス方向に占める厚さの割合が４０％以上である場合に、上述した密度ムラの懸念が生じやすいのであって、上記各構成の効果がより一層引き立つこととなる。

また、プレス後の焼成工程において、等方加圧のように、各方向から均等に圧力がかけられるような場合には、密度ムラの不具合が比較的生じにくい。この点、次の構成６のような場合には、上記各構成が非常に有効となる。

構成６．本構成のセラミックヒータの製造方法は、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記焼成工程においては、前記保持体を一軸加圧条件下で焼成するものであることを特徴とする。このように、保持体を一軸加圧条件下で焼成する場合に、上述した密度ムラの懸念が生じやすいのであって、上記各構成の効果がより一層引き立つこととなる。また、加圧のための構成の簡素化をも図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず、本発明に係る製造方法によって製造されるセラミックヒータを備えるグロープラグの一例について、図１，２を参照しつつ説明する。図１は、グロープラグ１の縦断面図であり、図２は、セラミックヒータ４を中心に示す部分拡大断面図である。尚、図１，２においては、図の下側をグロープラグ１（セラミックヒータ４）の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、グロープラグ１は、主体金具２、中軸３、セラミックヒータ４、絶縁部材５，６、外筒７、かしめ部材８等を備えている。主体金具２は、略円筒状をなし、その長手方向中央部外周には、グロープラグ１をエンジンのシリンダヘッド（図示略）に取付けるための雄ねじ部１１が形成されている。また、主体金具２の後端部外周には六角形状をなす鍔状の工具係合部１２が形成されており、前記シリンダヘッドにグロープラグ１を螺合する際に、使用される工具が係合されるようになっている。

主体金具２の内周側には、後端側へ一端を突出させた金属製で丸棒状の中軸３が収容されている。この中軸３の外周と主体金具２の内周との間にはリング状の絶縁部材５が設けられており、中軸３の中心軸と、主体金具２の中心軸とが軸線Ｃ１上で一致するように中軸３が固定されている。さらに、主体金具２の後端側より、中軸３を挿通させた状態で、別の絶縁部材６が設けられている。当該絶縁部材６は、筒状部１３及びフランジ部１４を具備しており、筒状部１３が前記中軸３と主体金具２との隙間に嵌合されている。また、前記絶縁部材６の上端側より、略円筒状のかしめ部材８が中軸３に嵌合されている。かしめ部材８は、その先端面が前記絶縁部材６のフランジ部１４に当接した状態で、その胴部外周においてかしめられている。これにより、中軸３と主体金具２との間に嵌合された絶縁部材６が固定され、中軸３からの抜けが防止されるようになっている。

また、主体金具２の先端部には金属製の外筒７が接合されている。より詳しくは、外筒７は後端側に厚肉部１５を有しており、当該厚肉部１５の後端外周には段状の係合部１６が形成されている。そして、当該係合部１６に前記主体金具２の先端内周が係合されている。

前記中軸３の先端側にはセラミックヒータ４が設けられている。セラミックヒータ４は、基体２１及び発熱素子２２を備えている（図２参照）。すなわち、基体２１は、絶縁性セラミックからなり、焼成され、かつ先端が曲面状に加工されており、その内部において、焼成された導電性セラミックからなる発熱素子２２が埋設状態で保持されている。このセラミックヒータ４は、その胴部外周が、前記外筒７によって保持されている。尚、セラミックヒータ４のうち、外筒７よりも後端側の部分は、主体金具２内部に収容された格好となっているが、セラミックヒータ４が外筒７によって強固に位置決め固定されていることから、主体金具２には接触しない構造となっている。

さらに、前記中軸３の先端は、小径部１７となっており、当該小径部１７は主体金具２の長手方向略中央に位置している。また、前記セラミックヒータ４の後端には電極リング１８が嵌め込まれており、当該電極リング１８と、前記中軸３の小径部１７とがリード線１９によって接続され、両者間の電気的導通が図られている。

次に、セラミックヒータ４の詳細について図２を参照しつつ説明する。前述のとおり、セラミックヒータ４は、絶縁性セラミックよりなり、軸線Ｃ１方向に延びる略同径で丸棒状の基体２１を有し、その内部に、導電性セラミックよりなり断面略Ｕ字状をなす発熱素子２２が保持されている。発熱素子２２は、１対の棒状のリード部２３，２４と、前記リード部２３，２４の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部２５とを備え、連結部２５のうち特に先端側の部分が発熱部２６となっている。発熱部２６は、いわゆる発熱抵抗体として機能する部位であり、曲面状に形成されたセラミックヒータ４の先端部分において、その曲面に合わせた略Ｕ字形状をなしている。本実施形態では、発熱部２６の断面積がリード部２３，２４の断面積よりも小さくなるように構成されており、通電時には、主に発熱部２６において積極的に発熱が行われるようになっている。より詳しくは、連結部２５のうち先端側の所定区間が、前記リード部２３，２４の断面積の５０％以下の断面積を有するものとなっており、当該区間が本実施形態における発熱部２６に対応している。尚、この発熱部２６は、後述する小断面積部３６とほぼ対応している。

また、リード部２３，２４は、前記連結部２５の両端に接続されており、それぞれセラミックヒータ４の後端へ向けて互いに略平行に延設されている。そして、一方のリード部２３の後端寄りの位置には、電極取出部２７が外周方向に突設され、セラミックヒータ４の外周面に露出状態とされている。同様に、他方のリード部２４の後端寄りの位置にも、電極取出部２８が外周方向に突設され、セラミックヒータ４の外周面に露出状態とされている。前記一方のリード部２３の電極取出部２７は、セラミックヒータ４の長手方向（軸線Ｃ１方向）において、前記他方のリード２４の電極取出部２８よりも後端側に位置している。

電極取出部２８の露出部分は、外筒７の内周面に対して接触しており、これにより外筒７とリード部２４との電気的導通が図られている。また、電極取出部２７の露出部分に対応して、前述した電極リング１８が嵌められており、この電極リング１８の内周面に電極取出部２７が接触して、電極リング１８とリード部２３との電気的導通が図られている。すなわち、電極リング１８にリード線１９を介して電気的に接続された前記中軸３と、外筒７に係合し電気的に接続された主体金具２とが、グロープラグ１において、セラミックヒータ４の発熱部２６に通電するための陽極・陰極として機能する。

尚、本実施形態では、基体２１を構成する材料として、窒化珪素（又はフッ化珪素）が用いられる。また、発熱素子２２を構成する材料として、窒化珪素を主成分とし、タングステンカーバイトを２０容量％混合した導電性セラミック材料（少なくとも焼成後に導電性を有する材料）が用いられる。勿論、上述したように、発熱部２６においてより積極的に発熱が行われるよう、発熱部２６に対してリード部２３，２４の導電性が高くなるように、両者の材質を異ならせることとしてもよい。

以上がグロープラグ１の構成の概略であるが、かかるグロープラグ１のセラミックヒータ４を作製するにあたり、従来の不具合を抑制するべく、本実施形態では以下の製造方法に従ってセラミックヒータ４を作製することとしている。以下には、図３〜図１６等を参照しつつ、セラミックヒータ４の製造方法上の特徴について説明する。

図３は、セラミックヒータ４の各製造工程を示すフローチャートである。同図に示すように、セラミックヒータ４の製造工程においては、まず、素子成形体３１の成形が行われる（Ｓ１）。素子成形体３１は、前述した発熱素子２２のいわば前駆体である。当該素子成形体３１の成形についてより詳しく説明すると、上記のとおり窒化珪素とタングステンカーバイトに焼結助剤を混入させたものを水の中でスラリー状とし、スプレードライを施すことで、粉末状態とする。当該粉末とバインダとしての樹脂チップとを混練し、射出成形を行い、その後、バインダの一部を灰化させる（取り除く）べく加熱乾燥を行うことで、素子成形体３１が作製される。

作製される素子成形体３１は、図４に示すように、未焼成のリード部３３，３４と、リード部３３，３４の先端側（図の左側）を連結する略Ｕ字形状の未焼成の連結部３５とを備えている。本実施形態ではリード部３３，３４が導電部を構成する。また、本実施形態にあっては、リード部３３，３４の後端側を接続するサポート部３９も一体形成されている。すなわち、焼成前のセラミックは機械的強度が弱く、また連結部３５は比較的細いため、加工過程において割れや、折れといった不具合の発生が懸念される。本実施形態では、連結部３５、リード部３３，３４及びサポート部３９によって、素子成形体３１を全体として環状に構成することで、リード部３３，３４の重量による負荷が連結部３５とサポート部３９とで分散され、これにより、連結部３５の割れ等の不具合防止が図られている。なお、サポート部３９は焼成後において切断されるものであるため、切断をより容易に行うという観点から同図よりも細いものを採用してもよい。勿論、かかるサポート部３９を省略する構成を採用しても何ら差し支えない。

さて、本実施形態では、素子成形体３１の連結部３５のうち先端側の所定区間が、前記リード部３３，３４の断面積の５０％以下の断面積を有する「小断面積部３６」（図９（ｃ）における散点模様部分参照）となっている。本実施形態では、小断面積部３６のうち最も細い部位は、前記リード部３３，３４の断面積の１７％程度となっている。また、素子成形体３１の連結部３５は、リード部３３，３４の先端位置から前記小断面積部３６にかけて断面積が漸減するよう構成されている。

また、素子成形体３１の成形工程とは別に、基体２１の半分を構成する半割絶縁成形体４０の成形が行われる（図３のＳ２）。より詳しく説明すると、まず半割絶縁成形体４０を構成する材料の粉末を用意する。上記のとおり窒化珪素（又はフッ化珪素）に焼結助剤を混入させたものを水の中でスラリー状とし、そこにバインダを添加後、スプレードライを施すことで、粉末（顆粒）状態とする。そして、当該絶縁性セラミック粉末を用いたうえで半割絶縁成形体４０の成形が行われる。

図５は、半割絶縁成形体４０の成形に使用される金型装置４１を示す斜視図であり、図６は成形過程の一部を示す金型装置４１の断面図である。これらの図に示すように、金型装置４１は、枠形状をなす外枠４２と、当該外枠４２に対し上下動可能な下型４３及び上型４４とを備えている。前記外枠４２は、平面視長方形状をなす開口４５を有している。また、下型４３には、前記開口４５と同形状をなし、半割絶縁成形体４０の外側面を成形するための成形面を具備する凸部４６が一体形成されている。また、上型４４にも、前記開口４５と同形状をなし、半割絶縁成形体４０の上面を成形するための凸部４７が一体形成されている。当該凸部４７には、前記素子成形体３１の下半分を収容する収容凹部４８（図７等参照）を形成するための成形突起（図示略）が一体形成されている。

尚、この工程で成形される半割絶縁成形体４０（後述する保持体６１も同様）の外周面両側部は湾曲形状をなしており、前記下型４３の凸部４６自身も前記湾曲面を形成するべく湾曲面（図５における２点鎖線参照）を具備しているのであるが、これ以降の図においては便宜上凸部４６を単に直方体形状として表現し、図における凸部４６の湾曲面の記載を省略することとする（後述する保持体成形用の下型５２、上型５３の凸部５６，５７についても同様）。

さて、上記金型装置４１を用い、まずは、外枠４２の開口４５に下型４３の凸部４６を挿通させた状態とし、図６に示すように、前記開口４５内に、前述の絶縁性セラミック粉末を所定量充填する。次に、この状態から上型４４を下動させ、所定圧力でプレス加圧する。その後、上型４４を上動させ、下型４３を下動させることで、図７に示すように、収容凹部４８の形成された半割絶縁成形体４０が得られる。尚、上記素子成形体３１の成形（Ｓ１）と、半割絶縁成形体４０の成形（Ｓ２）とは、どちらが先に行われてもよい。

次に、上記素子成形体３１及び半割絶縁成形体４０、並びに、絶縁性セラミック粉末を用いた保持体６１の成形が行われる（図３のＳ３）。図８は、保持体６１の成形に使用される金型装置５１を示す斜視図であり、図９（ａ）は金型装置５１の外枠５２の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＪ−Ｊ線断面図である。これらの図に示すように、保持体成形用の金型装置５１も、枠形状をなす外枠５２と、当該外枠５２に対し上下動可能な下型５３及び上型５４とを備えている。外枠５２は、平面視長方形の開口５５を有している。また、下型５３には、前記開口５５と同形状をなし、前記半割絶縁成形体４０の外側面（下側面）を支持可能な凸部５６が一体形成されている。また、上型５４にも、前記開口５５と同形状をなし、保持体６１の外側面（上側面）を成形可能な成形面を有する凸部５７が一体形成されている。

但し、本実施形態では、少なくとも前記半割絶縁成形体４０上の収容凹部４８に設置される素子成形体３１の小断面積部３６に対応して、外枠５２の上端内周部分には内側に傾斜するテーパ面５８が形成されている。本実施形態におけるテーパ面５８は、平面略コ字状に、つまり３方に形成されており、それぞれの傾斜角度はテーパ面５８上の粉末が内側下方へ流下するのに十分な角度（例えば４５度）に設定されている。

また、本実施形態では、両側に形成されたテーパ面５８は、小断面積部３６に対応する部分のみならず、小断面積部３６を超えるようにして延設されている。具体的には、図９（ｃ）に示すように、長手方向両側部の２ヶ所のテーパ面５８は、外枠５２内にセットされた半割絶縁成形体４０上の収容凹部４８に前記素子成形体３１が設置された状態において、連結部３５の先端側の始端位置Ｔ１から所定区間Ｌだけ隔てた終端位置Ｔ２にかけて形成されている。そして、前記終端位置Ｔ２は、連結部３５のうち断面積がリード部３３，３４の５０％となっている位置ＨＦと、リード部３３，３４の先端位置ＤＳとの間に設定されている。換言すれば、単に小断面積部３６に対応する部分のみならず、連結部３５のうち断面積がリード部３３，３４の５０％となっている位置ＨＦを超えた位置においても、テーパ面５８が形成されているのである。

上記金型装置５１を用いた保持体６１の成形過程について説明すると、まずは、図１０に示すように、外枠５２の開口５５に下型５３の凸部５６を挿通させた状態とする。また、前記半割絶縁成形体４０を外枠５２内の下型５３上にセットして、セットされた半割絶縁成形体４０上の収容凹部４８に、素子成形体３１を設置する（図１１参照）。このとき、外枠５２は比較的幅狭に設定されており、設置された素子成形体３１と外枠５２の内壁面との距離が２ｍｍ以下とされる。例えば小断面積部３６と外枠５２の内壁面との距離Ｎ１，Ｎ２は、それぞれ１．６５ｍｍ，１．５ｍｍとなっている（図９（ｃ）参照）。

次に、図１２に示すように、前記開口５５内に、前述の絶縁性セラミック粉末を擦り切り状態で充填する。このとき、同図に示すように、前記テーパ面５８上にも、粉末が充填されることとなる。

続いて、この状態から下型５３を下動させる。これに伴い、素子成形体３１及び半割絶縁成形体４０が外枠５２に対し下動させられる。勿論、下型５３の下動に代えて、外枠５２を上動させることとしてもよい。すると、図１３に示すように、外枠５２内に充填されていた粉末も下動するとともに、それまでテーパ面５８上にあった粉末が内側に流下し、少なくとも小断面積部３６に対応する部位の粉末が、リード部３３，３４側に比べてより厚く充填されることになる。

そして、その状態で、図１４に示すように、上型５４の凸部５７を開口５５に挿通させて上型５４を下動させ、所定圧力でプレス加圧する。このプレスに際しては、小断面積部３６側において、より多くの粉末が充填されているため、当該小断面積部３６においても十分にプレスを行うことができ、プレスに伴う密度ムラの発生が起こりにくい。その後、上型５４を上動させ、下型５３を下動させることで、図１５に示すように、素子成形体３１が絶縁成形体６０で保持された保持体６１が得られる。尚、本実施形態では、当該保持体６１の厚みに対する素子成形体３１のプレス方向に占める割合が４０％以上となるように設定される（例えば、保持体６１の厚みに対するリード部３３，３４の厚みが５０％程度となるように設定される）。

次に、上記保持体６１の成形後、脱脂が施される（図３のＳ４）。すなわち、得られる保持体６１中には未だバインダが存在しているため、当該バインダを灰化する、つまり取り除くべく、窒素ガス雰囲気下８００℃で１時間の仮焼（脱脂、脱バインダ処理）を行う。その後、保持体６１の外表面全体に離型剤が塗布される（図３のＳ５）。

続いて、保持体６１が焼成工程に供される（図３のＳ６）。この工程では、いわゆるホットプレス法による焼成が行われる。すなわち、図示しないホットプレス加工機を用い、非酸化雰囲気下で、１８００℃、１時間、ホットプレス圧力３００ｋｇｆ／平方センチメートルで図１６（ａ）に示す保持体６１を加圧・加熱することによって、図１６（ｂ）に示す焼成体６２を得る。尚、ホットプレス加工機では、焼成後の焼成体６２が略円柱状となるように、その形状を矯正するための凹部が形成された（上述したセラミックヒータ４の外形に準じた形状が凹設された）金型が用いられてホットプレス加工が行われる。このとき、保持体６１は、図１６（ａ）において矢印で示すように一軸加圧条件下で加圧され、焼成が施される。

その後、焼成体６２の後端側を切断する端面切断工程が行われる（Ｓ７）。すなわち、焼成体６２の後端側がダイヤモンドカッタ等で切断される。これにより、上述したサポート部３９が切除され、その端面からリード部３３，３４の後端面が露出した焼成体６２が得られる。この切断は、発熱素子２２のリード部２３とリード部２４とが発熱部２６を介さずに短絡することがないようにするために行うものであり、その切断位置は、前記電極取出部２７よりも後端側であればよい。つまり、この切断工程を経ることで、前記射出成形工程において連結部３５、リード部３３，３４及びサポート部３９により構成されていた素子成形体３１が、非環状となるように開放されることとなる。勿論、射出成形工程において、元来サポート部を有しない素子成形体を得るような場合には、当該端面切断工程は不要となる。

その後、前記焼成体６２に対し、各種研磨加工（図３のＳ７）を施すことで、上述したセラミックヒータ４の完成体が得られる。尚、研磨加工としては、公知のセンタレス研磨機を用いて焼成体６２の外周を研磨し、電極取出部２７，２８を外周面から露出させるセンタレス研磨や、基体２１先端部の曲面加工を施し、外側面と発熱部２６（小断面積部３６）との距離の均一化を図るためのＲ研磨などがある。

以上詳述したように、本実施形態によれば、素子成形体３１の連結部３５のうち先端側の所定区間は、リード部３３，３４の断面積の５０％以下の断面積を有する小断面積部３６となっており、かつ、保持体６１の形成工程においては、少なくとも小断面積部３６と外枠５２の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるよう素子成形体３１が設置される。ここで、小断面積部３６と外枠５２の内壁面との距離が２ｍｍ以下と比較的小さいため、絶縁性セラミック材料の浪費を抑制することができる。

一方で、上記のように小断面積部３６と外枠５２の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるような条件下では、リード部３３，３４等及びこれらを内包する絶縁性セラミック粉末が、プレス時にプレス方向への押圧力を制限してしまうことが懸念される。特に、保持体６１の厚みに対する素子成形体３１のプレス方向に占める割合が４０％以上となるように設定されており、厚みの差異がプレスに影響を及ぼすことが考えられ、さらに、その後の焼成時のホットプレス加工が一軸加圧条件下で加圧されるものであるため、その懸念はより大きいものといえる。しかしながらこの点、本実施形態では、リード部３３，３４側に比べて小断面積部３６側において絶縁性セラミック粉末がより厚く充填される。このため、上記懸念の残存する条件下であっても、小断面積部３６における押圧力の制限現象が起こりにくくなる。換言すれば、小断面積部３６側において、より多くの粉末が充填されているため、当該部分においても十分にプレスを行うことが可能となる。従って、プレスに伴う密度ムラの発生を起こりにくくでき、結果として、その後の焼成、及び焼成後における密度ムラによる悪影響を抑制することができる。

また、本実施形態では、素子成形体３１の小断面積部３６に対応して、外枠５２の上端部分には内側に傾斜するテーパ面５８を形成することとした。このため、粉末を擦り切り状態で充填した時点では、テーパ面５８が存在する分、他の部分に比べて多くの粉末が存在することになる。そして、擦り切り状態で充填された後、素子成形体３１及び半割絶縁成形体４０が外枠５２に対し相対的に下動させられる。すると、それまでテーパ面５８上にあった粉末が内側に流下し、少なくとも素子成形体３１の小断面積部３６における粉末が、リード部３３，３４側に比べてより厚く充填される。そのため、上述した作用効果がより確実に奏されることとなる。また、外枠５２の上端部分に突出部分を設けなくてもよいので、金型装置５１の大型化、複雑化を抑制することができる。さらに、擦り切り状態で充填した後は、粉末の増量や減量といった調整を必要としない。そのため、作業の簡素化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、単に小断面積部３６に対応する部分のみならず、連結部３５のうち断面積がリード部３３，３４の５０％となっている位置ＨＦを超えて、テーパ面５８が延設されている。このため、連結部３５のうち、断面積がリード部３３，３４の５０％を超えている部分に対しても、粉末がより厚く充填されることになる。そのため、プレスに伴う密度ムラの発生をより一層起こりにくくできる。

なお、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、素子成形体３１の小断面積部３６に対応して、外枠５２の上端部分には内側に傾斜するテーパ面５８を形成することとし、外枠５２の上面の高さを異ならせるようなことは特段行っていない。これに対し、外枠の高さを部位によって適宜異ならせることとしてもよい。例えば、図１７（ａ）に示すように、上面が一般部７２に比べて、小断面積部に対応する部位（図中左部）が高い大容量部７３を具備する外枠７１を用いてもよい。また、図１７（ｂ）に示すように、小断面積部に対応する部位である図の左側から、リード部に対応する部位である図の右側にかけて高さが漸減するテーパ面８２を有する外枠８１を採用してもよい。さらに、図１７（ｃ）に示すように、一般部９２と大容量部７３との間にテーパ面９４を具備する外枠９３を採用することもできる。

上記のように、絶縁性セラミック材料粉末が外枠７１，８１，９１内に擦り切り状態で充填されたときに、小断面積部側がより厚く充填されるよう、外枠７１，８１，９１の高さを部位によって異ならせる構成とすることで、上記実施形態のように、下型５３を下動させたりしなくて済み、工数の低減を図ることができる。

また、高さが均等な外枠を用いた上で、粉末を投入して擦り切った後、さらに小断面積部に対応して粉末を追加して充填投入することとしてもよい。

また、上記実施形態では、下側の半割絶縁成形体４０を外枠５２内にセットして、セットされた半割絶縁成形体４０上の収容凹部４８に、素子成形体３１を載置し、さらにその上から絶縁性セラミック材料粉末を充填し、上からプレスする場合、すなわち、絶縁成形体６０の上側を成形する場合について説明しているが、下側の半割絶縁成形体４０を成形する場合にも、本発明の技術思想を適用することがより望ましい。絶縁成形体６０の上側を成形する場合に本発明を適用することで密度ムラの抑制を図ることは十分可能ではあるが、下側の半割絶縁成形体４０を成形する際にも本発明の技術思想を適用することによって、素子成形体３１を保持体６１の中心位置に保持しやすくできるからである。

（ｂ）上記実施形態のセラミックヒータ４は、丸棒状、すなわち、断面円形状である場合に具体化されているが、必ずしも断面円形状である必要はなく、例えば断面楕円形状でも、断面長円形状でも断面多角形状でもよい。

（ｃ）セラミックヒータ４の外周面に発熱素子２２の一部を露出させる構成としてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、保持体６１の断面形状が略長円形状となるようにしたが、その断面形状は、円形であっても、矩形であっても、或いは多角形であってもよい。

（ｅ）上記実施形態では、前記半割絶縁成形体４０を成形する金型装置４１として、上型４４でプレスするタイプのものを採用しているが、可能であれば射出成形等他の方法により成形してもよい。また、上記実施形態の下型４３，５３同士及び上型４４，５４同士を共用してもよい。

（ｆ）上記実施形態における電極取出部２７，２８を省略する構成としてもよい。例えば、上記端面切断工程でサポート部３９が切断されることで露出したリード部２３，２４の部分を電極として主体金具２や中軸３への電気的接続を行ってもよい。

本実施形態のグロープラグの構成を示す縦断面図である。 セラミックヒータを中心に示すグロープラグの部分拡大断面図である。 セラミックヒータの製造方法を示すフローチャートである。 素子成形体の斜視図である。 半割絶縁成形体の成形に使用される金型装置を示す斜視図である。 成形過程の一部を示す金型装置の断面図である。 半割絶縁成形体を示す斜視図である。 保持体の成形に使用される金型装置を示す斜視図である。 （ａ）は金型装置の外枠の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＪ−Ｊ線断面図であり、（ｃ）は外枠の開口部内にセットされた半割絶縁成形体上の収容凹部に素子成形体を設置した状態を示す部分拡大平面図である。 開口部内にセットされた半割絶縁成形体上の収容凹部に素子成形体を設置した状態を模式的に示す外枠等の断面図である。 半割絶縁成形体上の収容凹部に素子成形体を設置する過程を説明する斜視図である。 素子成形体を設置した上にさらに粉末を充填した状態を示す外枠等の断面図である。 図１２の状態から下型を下動させた状態を示す外枠等の断面図である。 図１３の状態から上型でプレスした状態を示す金型装置の断面図である。 保持体を示す斜視図である。 （ａ）は保持体の焼成時におけるプレス方向を示す断面図であり、（ｂ）は得られる焼成体を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ別の実施形態における外枠を示す側面模式図である。

符号の説明

１…グロープラグ、４…セラミックヒータ、２１…基体、２２…発熱素子、２３，２４…リード部、２５…連結部、２６…発熱部、３１…素子成形体、３３，３４…導電部を構成するリード部、３５…連結部、３６…小断面積部、４０…半割絶縁成形体、４８…収容凹部、５１…金型装置、５２…外枠、５３…上型、５４…下型、５５…開口、５８…テーパ面、６１…保持体、６２…焼成体、７１，８２，９１…外枠。

Claims (6)

1. 導電性を有するセラミック製の発熱素子が絶縁性を有するセラミック製の基体にて保持されてなるセラミックヒータの製造方法であって、
   焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料から素子成形体を成形する素子成形工程と、
   焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から半割絶縁成形体を成形する半割絶縁成形体成形工程と、
   枠形状をなす外枠を具備する金型装置を用い、前記半割絶縁成形体を前記外枠内にセットして、セットされた前記半割絶縁成形体上の所定位置に、前記素子成形体を載置し、さらにその上から前記絶縁性セラミック材料粉末を充填し、上からプレスすることで、前記素子成形体を絶縁成形体で保持した保持体を得る保持体形成工程と、
   前記保持体を加圧条件下で焼成して焼成体を得る焼成工程とを備え、
   前記素子成形体は、焼成後に導電性セラミックとしてなる１対の棒状の導電部及び前記導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部を備え、当該連結部のうち先端側の所定区間は、前記導電部の断面積の５０％以下の断面積を有する小断面積部となっており、
   前記保持体形成工程において、
   少なくとも前記小断面積部と前記外枠の内壁面との距離が２ｍｍ以下となるよう前記素子成形体を載置するとともに、前記絶縁性セラミック材料粉末を前記導電部側に比べて前記小断面積部側に厚く充填するようにしたことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
2. 前記保持体形成工程において、前記外枠として、前記導電部側に比べて前記小断面積部側の高さが高く形成された外枠を用い、前記絶縁性セラミック材料粉末を当該外枠内に擦り切り状態で充填す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の製造方法。
3. 前記保持体形成工程において、前記外枠として、前記半割絶縁成形体上の所定位置に前記素子成形体を載置したときに少なくとも前記素子成形体の小断面積部に対応して上端部分の内側に傾斜したテーパ面が形成された外枠を用い、前記絶縁性セラミック材料粉末を擦り切り状態で充填した後、前記素子成形体及び半割絶縁成形体を前記外枠に対し相対的に下動させ、その後、上からプレスす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の製造方法。
4. 前記素子成形体の連結部は、前記導電部から前記小断面積部にかけて断面積が漸減するよう構成されており、
   前記テーパ面は、前記半割絶縁成形体上の所定位置に前記素子成形体が設置された状態において、前記連結部の先端側の始端位置から所定区間隔てた終端位置にかけて形成されており、前記終端位置は、前記連結部のうち断面積が前記導電部の５０％となっている位置と、前記導電部の先端位置との間に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のセラミックヒータの製造方法。
5. 前記保持体の厚みに対する前記素子成形体のプレス方向に占める厚さの割合が４０％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
6. 前記焼成工程においては、前記保持体を一軸加圧条件下で焼成するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法。
   

Images