JP2015122140A - セラミックヒータ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、耐酸化性の低下を抑制した、セラミックヒータ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】仮焼体１８ｂを、ホットプレス法により圧縮しつつ焼結するセラミックヒータ素子１８の製造方法は、黒鉛製のプレス型８と複数の仮焼体１８ｂとをプレス方向ＨＰに交互に積層して積層体８ａを構成する積層工程と、積層体８ａが黒鉛からなる筒状の容器５で、プレス方向ＨＰに直交する直交方向ＨＣから包囲された形態とする包囲工程と、積層体８ａをプレス方向ＨＰに圧縮しつつ、容器５とともに加熱して、仮焼体１８ｂを焼結する焼結工程とを備え、包囲工程では、黒鉛製で可撓性を有する耐熱シート材５０を、積層体８ａのうら直交方向ＨＣ周囲と容器５との間に位置させ、焼結工程では、積層体８ａの圧縮で、プレス型８よりも直交方向ＨＣ外側に突出した仮焼体１８ｂを耐熱シート材５０に当接させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、グロープラグや、ガスセンサの検出素子の加熱用ヒータ等に使用するセラミックヒータ素子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用のグロープラグや、ガスセンサの検出素子の加熱用ヒータ等に、セラミックヒータ素子が使用されている。セラミックヒータ素子としては、主として窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる棒状の絶縁基体中に、窒化珪素と導電性セラミック材料、例えば炭化タングステン（ＷＣ）とからなる発熱抵抗体が埋設したものが知られている。このようなセラミックヒータ素子の製造方法としては、ホットプレス法による焼成がある。

ホットプレス法による焼成には、例えば、誘導加熱方式の焼成炉が用いられる。その一例として、特許文献１には、誘導加熱方式のホットプレス用焼成炉を用いたセラミックヒータ素子の製造方法が、ホットプレス用焼成炉の図面と共に開示されている（特許文献１の図４，図５参照）。また、特許文献２，３には、ホットプレス法によるセラミックヒータ素子の焼成に用いるホットプレス用成形型の形状が、より具体的に開示されている（特許文献２の図３〜図５、特許文献３の第４図Ｄ参照）。

図９及び図１０に、特許文献１に記載の誘導加熱方式のホットプレス用焼成炉４０（以下、単に焼成炉４０という）を用いた従来のセラミックヒータ素子の製造方法を示す。図９は、焼成炉４０及びその内部の様子を示す縦断面図であり、焼成炉４０をグロープラグ用のセラミックヒータ素子（以下、単にヒータ素子ともいう）の焼成に用いた場合を例示したものである。但し、この図９では、特許文献１の図４と異なり、特許文献２，３のように、焼成炉４０で用いるホットプレス用成形型４８の形状を、より具体的に示した。また、図１０は、焼成炉４０の焼成室ＢＣの横断面図である。焼成炉４０は、円筒状で内部に焼成室ＢＣを形成するモールド４１、このモールド４１内に挿入し加圧に用いる上下一対のプレス棒４２、及びモールド４１の外側に配置され、モールド４１に高周波を印加して、焼成室ＢＣ内を加熱するための加熱コイル４３を有する。

モールド４１内には、４枚の仕切板４６及び４片の割型４７が配置されており、これらモールド４１、仕切板４６及び割型４７により、内部が四角筒状の焼成室ＢＣをなす外形円筒状の容器４５が構成されている。具体的には、仕切板４６は、プレス棒４２の加圧軸に沿うプレス方向ＨＰ（上下方向）に延びる板状をなし、図１０に示すように平面視で４枚が四角形状に配置されて、これらの内側に四角筒状の焼成室ＢＣを形成している。また、割型４７は、その外側表面がモールド４１の内周形状に合わせた円弧面とされる一方、内側表面は仕切板４６に合わせた平面とされた円弧の柱状で、各仕切板４６とモールド４１との間に１片ずつ配置されている。なお、容器４５（モールド４１、仕切板４６及び割型４７）並びにプレス棒４２は、焼成時の高温下での強度を確保するために、いずれも黒鉛製とされている。

焼成によりヒータ素子となる棒状の素子成形体は、ホットプレス法による焼成、すなわち、焼結による本焼成前に、一旦、仮焼して仮焼体１８ｂとされる。その後、仮焼体１８ｂを、ホットプレス用成形型４８（以下、単にプレス型４８ともいう）で挟持して、このプレス型４８と複数の仮焼体１８ｂとをプレス方向ＨＰ（上下方向）に交互に積層した積層体４８ａを構成する。そして、この積層体４８ａを、モールド４１、仕切板４６及び割型４７で構成される容器４５（焼成室ＢＣ）内に配置する。
なお、各プレス型４８には、複数の仮焼体１８ｂが載置される凹部４８ｂが列状に形成され、この凹部４８ｂに多数の仮焼体１８ｂを敷き詰めるように配置する。
また、積層体４８ａの上下には、２枚の板材４９が、プレス棒４２との間に、それぞれ１枚ずつ配置されている。なお、積層体４８ａを構成するプレス型４８、及び板材４９も、いずれも黒鉛製とされている。
そして、加熱コイル４３により、モールド４１に高周波を印加して、容器４５（焼成室ＢＣ）内を加熱するとともに、板材４９を介して一対のプレス棒４２により、容器４５（焼成室ＢＣ）内の積層体４８ａをプレス方向ＨＰ（上下方向）に加圧して、仮焼体１８ｂを焼結し、本焼成を行う。

特開２０１２−１０４３８５号公報 特開２００４−３１９１２７号公報 特開平４−１７４９９１号公報

このように、焼成炉４０を構成する各部材はいずれも黒鉛からなるので、本焼成時の高温下でヒータ素子（仮焼体１８ｂ）は、強い還元雰囲気に晒される。特にプレス型４８（積層体４８ａ）の外周部付近に配置されたヒータ素子（仮焼体１８ｂ）は、その影響を受け易い傾向にある。

即ち、耐熱性の高いセラミックヒータ素子を作製するためには、絶縁基体の窒化珪素粒子間の粒界相の耐熱性を上げる必要がある。そこで、焼結助剤として、粒界相の融点が高い組成系が選択されるが、逆に焼結性は低下する。一般に、希土類酸化物−シリカ系の粒界相を形成するにあたっては、その融点＋およそ５０℃以上（例えば、Ｅｒ₂Ｏ_3-ＳｉＯ₂系では、その融点１６８０℃＋５０℃＝１７３０℃以上）の高い焼成温度が必要となる。すると、揮発するＳｉＯガスが増加して、プレス型４８同士の間の空間のうちでも、焼成室ＢＣ内の各空所と雰囲気の流通容易な端縁位置では酸素分が不足した状況になりやすいと考えられる。

セラミックヒータ素子の発熱抵抗体中に炭化タングステン（ＷＣ）などの炭化物を用いる場合、本焼成前に素子成形体を仮焼するにあたり、高温下での酸化仮焼を行うことはできない。このため、素子成形体の仮焼は、６００〜８００℃程度で行われ、仮焼体１８ｂのセラミック中に若干（例えば０．６ｗｔ％程度）のバインダー由来の残炭が生じることがある。すると、この炭素成分によって、ヒータ素子（仮焼体１８ｂ）の本焼成時に、さらに酸素欠乏となりやすい。
酸素が欠乏していると、窒化珪素粒子に酸素欠乏相（メリライト相（Ｅｒ₂Ｓｉ₃Ｎ₄Ｏ₃）やＪ相（Ｅｒ₄Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ₇））が生じ易く、耐酸化性が低下する上、粒界相が安定化せず、耐熱性が低下する傾向にある。

さらに容器４５、特に仕切板４６及び割型４７は、使用によってすり減り、消耗する為、使用回数の増加と共に各部材間のクリアランスが広くなり、例えば、図９及び図１０に示す積層体４８ａと仕切板４６の間の間隙のように、焼成室ＢＣ内の空所の体積も増加する傾向にある。すると、仮焼体１８ｂの窒化珪素中の不純物酸素、及び、焼結助剤であるＳｉＯ₂から揮発したＳｉＯガスが、仮焼体１８ｂの周囲から、焼成室ＢＣ内の空所、さらには焼成室ＢＣ外の空間に拡散し易くなり、仮焼体１８ｂの周囲において、雰囲気の還元性がさらに増大し、酸素が欠乏しやすい。その結果、焼成後のセラミックヒータ素子の絶縁基体に酸素欠乏相であるメリライト相やＪ相などがさらに生成され易くなり、セラミックヒータ素子の基体の耐酸化性、耐熱性が低下する。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、耐熱性、耐酸化性の低下を抑制した、セラミックヒータ素子の製造方法を提供する。

その一態様は、セラミック粉末を成形した基体成形部と、上記基体成形部内に埋設された抵抗体成形部とを有する棒状の未焼成成形体を仮焼した仮焼成体を、ホットプレス法によりプレス方向に圧縮しつつ焼結する、絶縁性の基体に抵抗体を埋設したセラミックヒータ素子の製造方法であって、黒鉛製のプレス型と複数の上記仮焼体とを上記プレス方向に交互に積層して、上記プレス型同士の間に上記仮焼体を挟んだ積層体を構成する積層工程と、上記積層体が黒鉛からなる筒状の容器で、上記プレス方向に直交する直交方向から包囲された形態とする包囲工程と、上記積層体を上記プレス方向に圧縮しつつ、上記容器とともに加熱して、上記仮焼体を焼結する焼結工程と、を備え、上記積層体は、上記プレス型同士の間に挟まれた複数の上記仮焼体の一部が、上記焼結工程における圧縮によって、上記プレス型よりも上記直交方向外側に突出するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなり、上記包囲工程では、黒鉛製で可撓性を有するシート状の耐熱シート材を、上記積層体のうち上記直交方向周囲と上記容器との間に位置させ、上記焼結工程では、上記積層体の圧縮で、上記プレス型よりも上記直交方向外側に突出した上記仮焼体を上記耐熱シート材に当接させるセラミックヒータ素子の製造方法である。

このセラミックヒータ素子の製造方法では、包囲工程において、黒鉛製で可撓性を有する耐熱シート材を、積層体のうち直交方向周囲と容器との間に位置させている。そして、焼結工程では、積層体の圧縮で、プレス型よりも直交方向外側に突出した仮焼体を耐熱シート材に当接させている。これにより、耐熱シート材が積層体と容器との間に生じる間隙を埋めるので、耐熱シート材が無い場合に比して、積層体と容器との間の雰囲気（気体）がプレス方向に流通するのが制限される。しかも、突出した仮焼体が耐熱シート材に当接するので、この突出した仮焼体により、積層体のプレス型と耐熱シート材の間の雰囲気（気体）がプレス方向に流通するのがさらに制限される。かくして、焼結工程での雰囲気（気体）の流通による基体における耐熱性、耐酸化性の低下を抑制したセラミックヒータ素子を製造できる。仮焼体が積層体と容器との間を流通する還元雰囲気に長時間晒されながら焼結されることが抑制され、セラミックヒータ素子の基体の一部において、焼結された基体中に酸素欠乏相（例えば窒化珪素において、メリライト相，Ｊ相）が多く生成されるのを防止できるからであると考えられる。

黒鉛製で可撓性を有する耐熱シート材としては、黒鉛粒子からなる可撓性の黒鉛シート、黒鉛繊維の布材などが挙げられる。黒鉛シートとしては、例えば、パナソニック社製グラファイトシートのＰＧＳグラファイトシート（商標名）、カネカ社製グラファイトシートのグラフィニティ（商標名）、東洋炭素社製可撓性黒鉛シートのＰＡＲＭＡ−ＦＯＩＬ（商標名）などが挙げられる。

なお、耐熱シート材の配置にあたっては、焼結工程における積層体の圧縮によって、プレス型よりも直交方向外側に突出した仮焼体が耐熱シート材に確実に当接するように、積層体と容器との間に生じる間隙の大きさに応じて、耐熱シート材の厚みを変更したり重ねる枚数を変更して、適正な厚みの耐熱シート材を配置すると良い。また、プレス型と耐熱シート材との間に隙間が生じないように、すなわち、仮焼体が耐熱シート材に当接した状態で、プレス型も耐熱シート材に当接するように、シートの厚みや枚数を選択するのが、さらに好ましい。

さらに、上述のセラミックヒータ素子の製造方法であって、前記積層体は、平面視矩形板状の前記プレス型と、このプレス型上に縦横に並べて配置した複数の略四角柱状の前記仮焼体とを前記プレス方向に交互に積層した直方体状をなし、前記焼結工程における圧縮によって、上記プレス型同士の間に挟まれた上記仮焼体の側面部または長手方向の端部が、上記プレス型の周囲の四辺よりも前記直交方向外側にそれぞれ突出するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなるセラミックヒータ素子の製造方法とすると良い。

このセラミックヒータ素子の製造方法では、直方体状をなす積層体により、多くの素子を同時に焼成することができ、加えて、耐熱シート材を配置して、雰囲気の流通を制限しているので、耐久性、耐酸化性の高い、均一な特性のセラミックヒータ素子を多数同時に製造できる。

さらに、上述のセラミックヒータ素子の製造方法であって、前記積層体は、前記焼結工程における圧縮によって、前記プレス型間に挟まれた隣り合う前記仮焼体の側面同士が互いに密着するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなるセラミックヒータ素子の製造方法とすると良い。

このセラミックヒータ素子の製造方法では、焼結工程における圧縮によって、隣り合う仮焼体の側面同士が互いに密着するように、プレス型内に仮焼体を配置するので、積層体（プレス型）内において、仮焼体の周囲の雰囲気が、より安定になり、仮焼体をさらに適切に焼結することができる。

セラミックヒータを備えるグロープラグの一例を示す縦断面図である。 未焼成成形体の構造を示す説明図である。 未焼成成形体の一体化の方法を示す説明図である。 実施形態に係るホットプレス用焼成炉及びその内部の様子を示す縦断面図である。 実施形態に係るホットプレス用焼成炉の焼成室の横断面図である。 実施形態に係るホットプレス用成形型及びこれに配置された仮焼体を示す平面図である。 焼結工程におけるホットプレス用成形型及び仮焼体と容器との関係を示す説明図である。 黒鉛シートの厚みとメリライト相ピーク強度比の関係を示すグラフである。 従来のホットプレス用焼成炉及びその内部の様子を示す縦断面図である。 従来のホットプレス用焼成炉の焼成室の横断面図である。

以下、グロープラグ用のセラミックヒータ素子の製造を、図面を参照しつつ具体的に説明する。まず、グロープラグの構造について説明する。

図１は、グロープラグの一例を示す縦断面図である。グロープラグ１０は、セラミックヒータ１１と、このセラミックヒータ１１の後端部を内部に保持する筒状の主体金具１２とを備える。主体金具１２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１０を固定するための、取付部としてのねじ部１２１が形成され、後端部にはエンジンブロックへの固定の際に締め付けに用いる工具が係合する、断面六角形の工具係合部１２２が形成されている。

主体金具１２の内部には、後端側からセラミックヒータ１１に電力を供給するための棒状で金属製の中軸１３が、自身の後端部を主体金具１２から突出させた状態で主体金具１２と絶縁状態で配置されている。主体金具の後端部において、この中軸１３の周囲には絶縁性素材であるフッ素ゴム等からなるＯリング１４とナイロン等の樹脂製の絶縁ブッシュ１５が配置されている。絶縁ブッシュ１５は、自身の後端側に径方向外側へ鍔状に張り出したフランジ部１５１と、その先端側に当該フランジ部１５１よりも細く筒状をなす小径部１５２とを有している。この絶縁ブッシュ１５は、フランジ部１５１の先端向き面が主体金具１２の後端へ当接するよう、小径部１５２が主体金具１２の筒孔の後端部へ隙間嵌めされる形で中軸１３の周囲に配置される。この小径部１５２の先端面に押圧されるとともに主体金具１２の筒孔及び中軸１３に当接するようにＯリング１４は配設され、グロープラグ１０の後端部における、内部と外部との気密が保たれている。

主体金具１２の後方に延出した中軸１３の後端部には、端子金具１７が嵌め込まれている。端子金具１７は、径方向の加締め部１７ａにより、中軸１３の外周面に導通状態で固定されている。

セラミックヒータ１１は、ヒータ素子１８と、このヒータ素子１８を先端部が突出するように内部に保持する金属外筒１９とを有する。金属外筒１９は全体として筒状をなし、先端側に比較的薄肉に形成された小径部１９１、その小径部の後端側に拡径するテーパ部１９２を介して比較的肉厚に形成された大径部１９３、さらに大径部の後端側に、主体金具１２の筒孔と略同一の外径を有し大径部１９３よりも小径の係合部１９４を備えている。この係合部１９４を主体金具１２の筒孔先端へ挿入し、大径部１９３の後端向き面と主体金具１２の先端面とを当接させ、その当接部を全周レーザー溶接する形で金属外筒１９と主体金具１２とを固定している。

ヒータ素子１８は、主として窒化珪素からなる絶縁基体２１中に、窒化珪素と炭化タングステンとからなる発熱抵抗体２２が埋設された棒状の形態を有する。発熱抵抗体２２は、ヒータ素子１８の先端側ＧＳに配置されるＵ字状を有する発熱部２３と、この発熱部２３の両端部に接続され、ヒータ素子１８の軸線方向ＨＪに沿って後端側ＧＫに向けて延伸する一対の直線状のリード部２４，２５とを有する。リード部２４，２５のうち、一方のリード部２４には、直線状部分の後端寄りの部位から径方向へ分岐し、ヒータ素子１８の側面へ露出する接地用通電端子部２６が形成され、ヒータ素子１８を圧入保持する金属外筒１９を介して主体金具１２に電気的に接続されている。また、他方のリード部２５には、直線状部分のうち、接地用通電端子部２６よりもさらに後端寄りの部位から径方向へ分岐し、ヒータ素子１８の側面へ露出する電源側通電端子部２７が形成されている。中軸１３の先端に接合され円筒状をなすリング部材１６が、ヒータ素子１８の後端部に外嵌めされ、これにより電源側通電端子部２７は中軸１３に電気的に接続されている。これにより、発熱抵抗体２２のＵ字状に折り返された発熱部２３が抵抗発熱する。

このようなヒータ素子１８は、以下のようにして製造することができる。
図２に、焼成によりヒータ素子１８となる未焼成成形体１８ａの構造を示す。なお、未焼成成形体１８ａは、長手方向ＨＮに延びる角棒状（四角柱状）であり、焼成後に研磨加工されて、図１に示す丸棒状（円柱状）のヒータ素子１８となる。
この未焼成成形体１８ａを得るには、まず、成形材料を射出成形して、焼成後に発熱抵抗体２２となる抵抗体成形部２２ａを作製する。成形材料は、窒化珪素粉末及び炭化タングステン粉末に焼結助剤粉末等を配合した抵抗体用原料粉末と、有機バインダとを混練したコンパウンドを加熱により溶融流動化させたものである。

また、別途、窒化珪素粉末に焼結助剤粉末等を配合した基体用原料粉末をプレス成形することにより、上下別体に形成された一対の基体成形部２１ａを作製する。基体成形部２１ａの合わせ面には、それぞれ抵抗体成形部２２ａに対応した形状の凹部２８が形成されている。

次いで、凹部２８に抵抗体成形部２２ａを収容するようにして、基体成形部２１ａを合わせ面において嵌め合わせる。そして、図３に示すように、金型３１に収容し、一対のパンチ３２によりプレス成形することにより一体化して未焼成成形体１８ａとする。次に、この未焼成成形体１８ａについて、バインダ成分を除去するために、図示しない仮焼炉を用いて、６００〜８００℃で仮焼を行う。これにより、未焼成成形体１８ａを仮焼した仮焼体１８ｂが得られる。さらに、この仮焼体１８ｂに対して、図４のホットプレス用焼成炉１を用いて、後述する焼結工程でホットプレス法による焼結（本焼成）を行う。そして、焼成後に、側面部を円柱状にし、先端部を半球状にするなどの研磨加工を行ってヒータ素子１８とする。

図４及び図５に、誘導加熱方式のホットプレス用焼成炉１（以下、単に焼成炉１という）を用いて仮焼体１８ｂを焼成する様子を示す。図４は、焼成炉１及びその内部の様子を示す縦断面図であり、図５は、焼成炉１の焼成室ＢＣの横断面図である。焼成炉１は、図９及び図１０に示した従来の焼成炉４０と同様の構成を有する。すなわち、焼成炉１は、円筒状で内部に焼成室ＢＣを形成するモールド２、このモールド２に挿入し加圧に用いる上下一対のプレス棒３、及びモールド２の外側に配置され、モールド２に高周波を印加して、焼成室ＢＣ内を加熱するための加熱コイル４を有する。

さらにモールド２内には、４枚の仕切板６及び４片の割型７が配置されており、これらモールド２、仕切板６及び割型７により、内部が四角筒状の焼成室ＢＣをなす外形円筒状の容器５が構成されている。具体的には、仕切板６は、プレス棒３の加圧軸に沿うプレス方向ＨＰ（上下方向）に延びる板状をなし、図５に示すように平面視で４枚が四角形状に配置されて、これらの内側に四角筒状の焼成室ＢＣを形成している。また、割型７は、その外側表面がモールド２の内周形状に合わせた円弧面とされる一方、内側表面は仕切板６に合わせた平面とされた円弧の柱状で、各仕切板６とモールド２との間に１片ずつ配置されている。なお、容器５（モールド２、仕切板６及び割型７）並びにプレス棒３は、いずれも黒鉛製とされている。

また、未焼成成形体１８ａを仮焼した複数の仮焼体１８ｂを、黒鉛製のホットプレス用成形型８（以下、単にプレス型８ともいう）で挟持する。そして、このプレス型８と複数の仮焼体１８ｂとをプレス方向ＨＰ（上下方向）に交互に積層して積層体８ａとする（積層工程）。なお、各プレス型８には、複数の仮焼体１８ｂが積載される凹部８ｂが列状に形成され、この凹部８ｂに多数の仮焼体１８ｂを敷き詰めるように配置する。具体的には、プレス型８は、図６に示すように、平面視矩形板状であり、図４に示した凹部８ｂは、棒状の仮焼体１８ｂをその長手方向ＨＮに複数個（図６では４個）並べて配置可能なように、プレス型８の一辺に沿う方向（図６において縦方向ＨＶ）に延びている。さらに、凹部８ｂは、プレス型８の他辺に沿う方向（図６において横方向ＨＨ）に、複数列設けられている。そして、各プレス型８の凹部８ｂに複数の仮焼体１８ｂを、図６において縦方向ＨＶ及び横方向ＨＨに並べて配置し、プレス型８同士で挟持したものを、複数積層して積層体８ａとする。
なお、積層体８ａは、その外周部（プレス型８の周囲の四辺８ｓｓ）において、プレス型８同士の間に挟まれた仮焼体１８ｂの側面部及び長手方向ＨＮの端部が、上下のプレス型８の間から露出している（図４，図６参照）。

次いで、このように積層した積層体８ａが、モールド２、仕切板６及び割型７で構成される焼成炉１の容器５でプレス方向ＨＰ（上下方向）に直交する直交方向ＨＣ（プレス棒３及び容器５の径方向：図４参照）から包囲された形態とする（包囲工程）。

ところで、前述した従来の焼成炉４０を用いた焼成と同様、積層体８ａと仕切板６との間に隙間が生じやすく、仮焼体１８ｂの周囲において、雰囲気の還元性が増大し、酸素が欠乏しやすい。このため、焼成後のヒータ素子１８の絶縁基体２１に酸素欠乏相であるメリライト相やＪ相などが生成されて、ヒータ素子１８の絶縁基体２１の耐酸化性、耐熱性が低下する虞がある。

そこで、本実施形態のヒータ素子１８の製造方法では、包囲工程において、積層体８ａが容器５に包囲された形態とするにあたり、黒鉛製で可撓性を有する黒鉛シート５０（耐熱シート材）を、積層体８ａのうち直交方向周囲と容器の仕切板６との間に位置させておく。なお、黒鉛シート５０としては、具体的には、東洋炭素社製可撓性黒鉛シートのＰＡＲＭＡ−ＦＯＩＬ（商標名）を用いており、この黒鉛シート５０を、図４〜図６に示すように、積層体８ａの直交方向ＨＣの周囲全体に配置する。
具体的には、包囲工程では、まず、積層体８ａの直交方向ＨＣの周囲全体を黒鉛シート５０で包囲し、次いで、その周囲に仕切板６及び割型７をこの順に配置する。そして、これら積層体８ａ、黒鉛シート５０、仕切板６及び割型７を一体としたものを、円筒状のモールド２内に収容する。かくして、黒鉛シート５０が、積層体８ａのうち直交方向ＨＣ周囲と容器５の仕切板６との間に位置し、積層体８ａが容器５（モールド２、仕切板６及び割型７）で直交方向ＨＣから包囲された形態となる。

そして、包囲工程の後、焼結工程において、加熱コイル４により、モールド２に高周波を印加して、焼成室ＢＣ内を加熱するとともに、一対のプレス棒３により、黒鉛製の板材９を介して、焼成室ＢＣ内の積層体８ａをプレス方向ＨＰ（上下方向）に加圧して、仮焼体１８ｂを焼結する。
なお、この焼結工程では、積層体８ａの圧縮で、仮焼体１８ｂの側面部及び長手方向ＨＮの端部が、プレス型８の周囲の四辺８ｓｓよりも直交方向ＨＣ外側に突出する（図７（ａ）及び図７（ｂ）参照）。これにより、このプレス型８よりも直交方向ＨＣ外側に突出した仮焼体１８ｂが黒鉛シート５０に当接する。

すなわち、この製造方法では、包囲工程で黒鉛シート５０を配置して、焼結工程において、プレス型８よりも直交方向ＨＣ外側に突出した仮焼体１８ｂを黒鉛シート５０に当接させている。これにより、黒鉛シート５０が積層体８ａと容器５（仕切板６）との間に生じる間隙を埋めるので、黒鉛シート５０が無い場合に比して、積層体８ａと容器５との間の雰囲気（気体）がプレス方向ＨＰに流通するのが制限される。しかも、突出した仮焼体１８ｂが黒鉛シート５０に当接するので、この突出した仮焼体１８ｂにより、積層体８ａのプレス型８と黒鉛シート５０との間の雰囲気（気体）がプレス方向ＨＰに流通するのがさらに制限される。これにより、焼結された基体２１中に酸素欠乏相（メリライト相、Ｊ相）が多く生成されるのが防止でき、基体２１における耐熱性、耐酸化性の低下を抑制したヒータ素子１８を製造できる。

なお、黒鉛シート５０を配置するにあたっては、容器５の仕切板６と積層体８ａとの間に生じる間隙に合わせて、適切な厚みの黒鉛シート５０を選択する必要がある。次に、黒鉛シート５０の厚みの決定手法について説明する。
表１は、焼成後のセラミックヒータ素子の耐酸化性とメリライト相ピーク強度比の関係を示す。なお、メリライト相ピーク強度比Ｘは、Ｘ線回折試験において、回折角２θが３２°付近に現れるメリライト相の回折ピーク強度をＡとし、回折角２θが２７°付近に現れるβ−Ｓｉ₃Ｎ₄結晶相の回折ピーク強度をＢとし、回折角２θが３４°付近及び３６°付近に現れるβ−Ｓｉ₃Ｎ₄結晶層の回折ピーク強度のうち高い方をＣとしたとき、Ｘ＝Ａ／（（Ｂ＋Ｃ）／２）×１００（％）で与えられる。セラミックヒータ素子の連続通電試験では、メリライト相ピーク強度比が高い素子では耐酸化性の性能が低下する傾向にあり、品質に問題ない閾値は５％以下である。

また、本実施形態における黒鉛シート５０の厚みと、焼成後のヒータ素子１８のメリライト相ピーク強度比の関係を図８のグラフに示す。この図８に示すように、黒鉛シート５０の厚みが厚いほど、焼成後のヒータ素子１８のメリライト相ピーク強度比が低下しており、黒鉛シート５０を配置したことにより、メリライト相ピーク強度比を低下させる効果があることが確認できた。そして、本実施形態では、メリライト相ピーク強度比を５％以下にするには、黒鉛シート５０の厚みは０．１ｍｍ以上が必要であった。一方、黒鉛シート５０の厚みを１．０ｍｍ以上にすると、黒鉛シート５０が変形しにくくなって、積層体８ａと容器５との間に生じる間隙を埋めるのに適さなくなる。このため、本実施形態では、黒鉛シート５０の厚みを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下にすることとした。

以上で説明したように、本実施形態のヒータ素子１８の製造方法では、包囲工程において、可撓性を有する黒鉛シート５０を、積層体８ａのうち直交方向ＨＣ周囲と容器５との間に位置させ、焼結工程では、積層体８ａの圧縮で、プレス型８よりも直交方向ＨＣ外側に突出した仮焼体１８ｂを黒鉛シート５０に当接させている。これにより、黒鉛シート５０が積層体８ａと容器５との間に生じる間隙を埋めるので、積層体８ａと容器５との間の雰囲気（気体）がプレス方向ＨＰに流通するのが制限される。しかも、突出した仮焼体１８ｂが黒鉛シート５０に当接するので、積層体８ａのプレス型８と黒鉛シート５０との間の雰囲気（気体）の流通がさらに制限される。なお、本実施形態では、黒鉛シート５０の厚みは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とした。これにより、焼結工程での雰囲気（気体）の流通による基体２１における耐熱性、耐酸化性の低下を抑制したヒータ素子１８を製造できる。

さらに、本実施形態のヒータ素子１８の製造方法では、直方体状をなす積層体８ａにより、多くの素子を同時に焼成することができ、加えて、黒鉛シート５０を配置して、雰囲気の流通を制限しているので、耐久性、耐酸化性の高い、均一な特性のヒータ素子１８を多数同時に製造できる。

さらに、本実施形態のヒータ素子１８の製造方法では、焼結工程における圧縮によって、隣り合う仮焼体１８ｂの側面同士が互いに密着するように、プレス型８内に仮焼体１８ｂを配置するので、積層体８ａ（プレス型８）内において、仮焼体１８ｂの周囲の雰囲気が、より安定になり、仮焼体１８ｂをさらに適切に焼結することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

例えば、実施形態では、グロープラグ１０のセラミックヒータ素子１８の製造方法への適用例を示したが、ガスセンサの検出素子の加熱用ヒータ等、その他のセラミックヒータ素子の製造方法に、本発明を適用しても良い。
また、実施形態では、黒鉛製の耐熱板材として、東洋炭素社製可撓性黒鉛シートのＰＡＲＭＡ−ＦＯＩＬ（商標名）を用いた黒鉛シート５０を、容器５と積層体８ａとの間の間隙に配置した。しかし、耐熱板材としては、この他に、パナソニック社製グラファイトシートのＰＧＳグラファイトシート（商標名）や、カネカ社製グラファイトシートのグラフィニティ（商標名）などを用いても良い。

ＢＣ 焼成室
１，４０ 焼成炉
２，４１ モールド（容器）
３，４２ プレス棒
４，４３ 加熱コイル
５，４５ 容器
６，４６ 仕切板（容器）
７，４７ 割型（容器）
８，４８ ホットプレス用成形型（プレス型）
８ａ，４８ａ 積層体
８ｂ，４８ｂ 凹部
８ｓｓ （プレス型の）四辺
９，４９ 板材
５０ 黒鉛シート（耐熱シート材）
ＨＰ プレス方向
ＨＣ 直交方向
１０ グロープラグ
１１ セラミックヒータ
１２ 主体金具
１８ セラミックヒータ素子（ヒータ素子）
１８ａ 未焼成成形体
１８ｂ 仮焼体
１９ 金属外筒
２１ 絶縁基体
２１ａ 基体成形部
２２ 発熱抵抗体
２２ａ 抵抗体成形部
２３ 発熱部
２４，２５ リード部

Claims (3)

1. セラミック粉末を成形した基体成形部と上記基体成形部内に埋設された抵抗体成形部とを有する棒状の未焼成成形体を仮焼した仮焼体を、ホットプレス法によりプレス方向に圧縮しつつ焼結する、絶縁性の基体に抵抗体を埋設したセラミックヒータ素子の製造方法であって、
   黒鉛製のプレス型と複数の上記仮焼体とを上記プレス方向に交互に積層して、上記プレス型同士の間に上記仮焼体を挟んだ積層体を構成する積層工程と、
   上記積層体が黒鉛からなる筒状の容器で、上記プレス方向に直交する直交方向から包囲された形態とする包囲工程と、
   上記積層体を上記プレス方向に圧縮しつつ、上記容器とともに加熱して、上記仮焼体を焼結する焼結工程と、を備え、
   上記積層体は、
   上記プレス型同士の間に挟まれた複数の上記仮焼体の一部が、上記焼結工程における圧縮によって、上記プレス型よりも上記直交方向外側に突出するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなり、
   上記包囲工程では、
   黒鉛製で可撓性を有するシート状の耐熱シート材を、上記積層体のうち上記直交方向周囲と上記容器との間に位置させ、
   上記焼結工程では、
   上記積層体の圧縮で、上記プレス型 よりも上記直交方向外側に突出した上記仮焼体を上記耐熱シート材に当接させる
   セラミックヒータ素子の製造方法。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータ素子の製造方法であって、
   前記積層体は、
   平面視矩形板状の前記プレス型と、このプレス型上に縦横に並べて配置した複数の四角柱状の前記仮焼体とを前記プレス方向に交互に積層した直方体状をなし、
   前記焼結工程における圧縮によって、上記プレス型同士の間に挟まれた上記仮焼体の側面部または長手方向の端部が、上記プレス型の周囲の四辺よりも前記直交方向外側にそれぞれ突出するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなる
   セラミックヒータ素子の製造方法。
3. 請求項２に記載のセラミックヒータ素子の製造方法であって、
   前記積層体は、
   前記焼結工程における圧縮によって、前記プレス型間に挟まれた隣り合う前記仮焼体の側面同士が互いに密着するように、上記プレス型間に上記仮焼体が配置されてなる
   セラミックヒータ素子の製造方法。

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