JP2015156268A

JP2015156268A - セラミックヒータ製造装置およびセラミックヒータの製造方法

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Publication number: JP2015156268A
Application number: JP2014030139A
Authority: JP
Inventors: 章夫井原; Akio Ihara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: JP6405095B2

Abstract

【課題】セラミックヒータを製造する技術を提供する。【解決手段】筒状のモールド部材５２と、モールド部材５２の外部に配置される加熱部材６０と、モールド部材５２の内壁に接するようにモールド部材の内部に配置される空隙調整部材５４と、空隙調整部材５４を配置後のモールド部材５２の内部に形成される空隙に対してモールド部材５２の軸線の方向に沿って挿入される一対のプレス部材５８であって、空隙に挿入されたプレス部材５８と空隙調整部材５４とによって形成される焼成室５７に配置された被焼成物を加圧するためのプレス部材５８とを備え、焼成室５７に配置された被焼成物をプレス部材５８によって加圧するとともに加熱部材６０によって加熱してセラミックヒータを製造するセラミックヒータ製造装置であって、空隙調整部材５４の熱膨張係数が、モールド部材５２の熱膨張係数および焼成後のセラミックヒータの熱膨張係数より大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックヒータを製造する技術に関する。

ディーゼル機関の始動促進用のグロープラグ、バーナーの着火用のヒータ、あるいは、ガスセンサの加熱用ヒータ等にセラミックヒータが使用されている。セラミックヒータは、熱伝導性が良好な電気絶縁性セラミック焼結体中に、高融点金属やその化合物、またはこれらを主成分とする各種無機導電材からなる発熱抵抗体を埋設した構成を有し、例えば、ホットプレス法により製造される。ホットプレス法に用いる焼成炉としては、例えば、誘電加熱方式の焼成炉がある。誘電加熱方式の焼成炉は、例えば、焼成室を形成する筒状のモールドと、モールド内に挿入されて被焼成物の加圧に用いられる一対のプレス棒と、モールドを加熱するためにその外側に配置されるコイルと、を備える構成が採用されている。このような焼成炉では、コイルから高周波により主としてモールドの外側付近が加熱され、この熱が内側に伝わることで加熱が行われる。このような焼成炉を用いた焼成では、被焼成物、すなわち焼成によりセラミックヒータ本体となる未焼成ヒータをホットプレス用成形型で挟持して積層体とする。ホットプレス用成形型は、一般に未焼成ヒータが配置される複数列の凹部を有する波板状の部材である。ホットプレス用成形型と未焼成ヒータとを加圧軸方向から交互に積層して積層体とし、積層体を一対のプレス棒で加圧しながら、焼成炉に設けられたコイルによって加熱して焼成することによってセラミックヒータを製造する。

特開２０１２−１０１９７９号公報

ホットプレス法に用いる焼成炉は、焼成室の側面を取り囲むように４枚の空隙調整部材（カーボンスリーブ）が配置され、空隙調整部材の外側にカーボン製のモールド（カーボンモールド）が配置される。焼成室内は、複数の凹部を有する波状の板状部材と柱状の未焼成ヒータとが積層されている。焼成室内における未焼成ヒータの主成分の熱膨張係数が、空隙調整部材、カーボンモールド、および板状部材よりも低い場合、焼成後の降温時には、円筒状のカーボンモールドは内側に収縮するが、焼成によって生成されたセラミックヒータは収縮量が小さいため、板状部材から突出し、さらに、空隙調整部材を介してカーボンモールドを押圧し、カーボンモールドに応力を加える。さらに、ホットプレス法による焼成を繰り返すと、カーボンモールドは酸化消耗により強度が徐々に低下する。酸化消耗により強度が低下したカーボンモールドに、焼成後のセラミックヒータによって応力が加えられると、カーボンモールドが割れる虞がある。特に柱状のセラミックヒータを製造する場合、平面状のセラミックヒータを焼成する場合と比較して、セラミックヒータの板状部材からの突出が生じやすく、カーボンモールドの割れが生じやすい。このため、カーボンモールドの割れを抑制する手段として、降温途中の焼成炉からカーボンモールドを取り出す方法や、セラミックヒータの焼成数を少なくする方法が挙げられるが、前者は設備コストが大きく、後者は生産性が悪化するといった欠点がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、以下のセラミックヒータ製造装置が提供される。筒状のモールド部材と；前記モールド部材の外部に配置される加熱部材と；前記モールド部材の内壁に接するように前記モールド部材の内部に配置される空隙調整部材と；前記空隙調整部材を配置後の前記モールド部材の前記内部に形成される空隙に対して前記モールド部材の軸線の方向に沿って挿入される一対のプレス部材であって、前記空隙に挿入された前記プレス部材と前記空隙調整部材とによって形成される焼成室に配置された被焼成物を加圧するためのプレス部材とを備え；前記焼成室に配置された前記被焼成物を前記プレス部材によって加圧するとともに前記加熱部材によって加熱してセラミックヒータを製造するセラミックヒータ製造装置。前記空隙調整部材の熱膨張係数が、前記モールド部材の熱膨張係数および焼成後の前記セラミックヒータの熱膨張係数より大きい。

モールド部材と、加熱部材と、空隙調整部材と、プレス部材とを用いたセラミックヒータ製造装置によってセラミックヒータを製造する場合、焼成室に配置した被焼成物をプレス部材で加圧しながら加熱部材で加熱して焼成する。その後、焼成によって製造されたセラミックヒータを降温させるために、セラミックヒータを焼成室に配置したままセラミック製造装置を降温させる。このとき、モールド部材、空隙調整部材、セラミックヒータは、各々、収縮する。膨張および収縮の少ないセラミックヒータを製造する場合、セラミック製造装置の降温によるセミックヒータの収縮量は小さい。この形態のセラミックヒータ製造装置によると、空隙調整部材の熱膨張係数が、モールド部材の熱膨張係数および焼成後のセラミックヒータの熱膨張係数より大きいので、セラミック製造装置が降温する際の空隙調整部材の収縮量は、モールド部材およびセラミックヒータと比較して大きくなる。この結果、モールド部材が収縮した際に、セラミックヒータによるモールド部材内壁の押圧を緩和、抑制することができる。

（２）上記形態のセラミックヒータ製造装置において、さらに、前記空隙調整部材の内壁に接するように配置され、厚さを調整可能な板状の仕切板を備える。

この形態のセラミックヒータ製造装置によると、仕切板の厚さを調整することによって、焼成室の体積、および、焼成室の軸線に垂直な方向の断面積を調整することができる。

（３）上記形態のセラミックヒータ製造装置において、前記モールド部材の内壁によって形成される領域の前記軸線に垂直な方向の断面積をＦとしたとき；前記焼成室の前記軸線に垂直な方向の断面積が０.３２Ｆ以上０．５７Ｆ以下である。

この形態のセラミックヒータ製造装置によると、セラミックヒータによるモールド部材内壁の押圧を好適に抑制することができる。

（４）上記形態のセラミックヒータ製造装置において、さらに、前記焼成室の内部に前記軸線の方向に重畳して配置され、前記軸線に垂直な方向のうち所定の方向に沿って形成された複数の凹部を有する複数の板状部材を備え；前記プレス部材は、前記複数の前記板状部材を前記軸線の方向に加圧し；前記セラミックヒータは、前記重畳された２つの前記板状部材のそれぞれの前記凹部の間に形成される空間に配置された前記被焼成物が、前記プレス部材によって加圧されながら、前記加熱部材によって加熱されることによって製造される。

この形態のセラミックヒータ製造装置によると、棒状のセラミックヒータを量産することができる。

（５）本発明の他の形態によれば、セラミックヒータの製造方法が提供される。このセラミックヒータの製造方法は、筒状のモールド部材の外部に加熱部材を配置し；製造後の前記セラミックヒータおよび前記モールド部材よりも熱膨張係数が大きい空隙調整部材を前記モールド部材の内壁に接するように前記モールド部材の内部に配置し；前記空隙調整部材を配置後の前記モールド部材の内部に形成される空隙に被焼成物を配置するとともに、前記モールド部材の軸線の方向から一対のプレス部材を挿入して前記被焼成部材を挟持前記プレス部材によって前記被焼成物を加圧するとともに、前記加熱部材で前記被焼成物を加熱する。

この形態のセラミックヒータの製造方法によると、空隙調整部材の熱膨張係数が、モールド部材の熱膨張係数および焼成後のセラミックヒータの熱膨張係数より大きくなるように調整するので、被焼成物を焼成後にモールド部材や空間調整部材等を降温させた際の空隙調整部材の収縮量は、モールド部材およびセラミックヒータと比較して大きくなる。従って、モールド部材が収縮した際に、セラミックヒータによるモールド部材内壁の押圧を緩和、抑制することができる。

また、このような形態によれば、低コスト化、省資源化、製造の容易化等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、グロープラグの製造方法、グロープラグ製造装置等の形態で実現することができる。

セラミックヒータを用いたグロープラグの一例を示す断面図である。セラミックヒータ製造装置の構成を示す断面図である。セラミックヒータ製造装置のＡ−Ａ断面図である。未焼成ヒータを製造する様子を示す説明図である。未焼成ヒータを仮焼する様子を示す説明図である。ホットプレス法による未焼成ヒータの焼成を説明する説明図である。セラミックヒータ製造装置のＢ−Ｂ断面図である。実験例１〜７による実験結果を示す説明図である。実験例８〜１３による実験結果を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
本発明の第１実施形態では、セラミックヒータ２０と、セラミックヒータを製造するためのセラミックヒータ製造装置５０とについて説明する。セラミックヒータ製造装置５０は、被焼成物を焼成してセラミックヒータ２０を製造するための焼成炉である。被焼成物は、セラミック粉末からなるものであれば特に限定されないが、本実施形態では、グロープラグに用いられるセラミックヒータ２０を例示して説明する。

（Ａ１）セラミックヒータ：
図１は、セラミックヒータを用いたグロープラグの一例を示す断面図である。グロープラグ１０は、自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関において、燃焼を補助する発熱体として機能する。

グロープラグ１０は、主な構成要素として、セラミックヒータ２０と、外筒３０と、主体金具３２と、金属軸３４と、Ｏリング３６と、絶縁ブッシュ３８と、端子金具４０と、リング４４とを備える。外筒３０は、セラミックヒータ２０の先端が突出するようにセラミックヒータ２０を保持する。外筒３０は、テーパー状のテーパー部３１を備える。グロープラグ１０が内燃機関に固定された際、テーパー部３１は、内燃機関のプラグ取付孔のテーパー座面に当接する。

主体金具３２は、セラミックヒータ２０の後端部を内部に保持する筒状の金属製部材である。主体金具３２の外周面には、グロープラグ１０を内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのネジ部３３が形成されている。ネジ部３３がシリンダヘッドのプラグ取付孔に螺合することによって、グロープラグ１０が内燃機関に固定される。

主体金具３２の内部には、後端側からセラミックヒータ２０に電力を供給するための柱状の金属軸３４が配置されている。主体金具３２の後端部において、金属軸３４の周囲には絶縁性のフッ素ゴムからなるＯリング３６と、ナイロン等の樹脂製の絶縁ブッシュ３８が配置されている。Ｏリング３６は、主体金具３２の筒穴および金属軸３４に当接するように配置され、グロープラグ１０の後端部における内部と外部との気密を保っている。主体金具３２の後方に延出した金属軸３４の後端部には、端子金具４０が嵌めこまれている。

セラミックヒータ２０は、絶縁性セラミックからなる基体２２の内部に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体２４が埋設された棒状の形態を有する。セラミック抵抗体２４は、セラミックヒータ２０の先端側に配置されるＵ字状部分と、この両端部に接続されセラミックヒータ２０の軸線方向に沿って延伸された一対の直線状部材とを有する。直線状部分の一方には径方向へ分岐してセラミックヒータ２０の外側へ露出する電極取出部２６が形成されている。電極取出部２６は、セラミックヒータ２０を圧入保持する外筒３０を介してエンジンの筐体に電気的に接続されている。直線状部分の他方には、電極取出部２６よりも後方において径方向へ分岐してセラミックヒータ２０の外側へ露出する電極取出部２８が形成されている。

リング４４は、金属軸３４の先端部に接合されると共に、セラミックヒータ２０の後端部に接合される円筒状の金属製部材である。リング４４を介して、金属軸３４と電極取出部２８とが電気的に接続されている。端子金具４０から電力が供給されると、金属軸３４、リング４４、電極取出部２８を通じてセラミック抵抗体２４に電力が供給され、セラミックヒータ２０が発熱する。そして、セラミック抵抗体２４は、電極取出部２６、外筒３０、内燃機関（エンジン）の筐体を通じて接地されている。

基体２２を構成する絶縁性セラミックには、例えば窒化珪素質セラミックが採用される。窒化珪素質セラミックは、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とする主相粒子が、焼結助剤成分に由来した粒界相により結合されている。窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）、および４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群、およびＭｇから選ばれる少なくとも１種を、基体２２全体における含有量において１〜１０質量％含有させることができる。これらの成分は、主に酸化物の形で添加され、基体２２中において、主に酸化物あるいはシリケートなど複合酸化物の形態で含有される。焼結助剤成分の含有量は、例えば２〜８質量％とすることが好ましい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。セラミック抵抗体２４を構成する導電性セラミックには、導電性成分としての炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）、二珪化タングステン（ＷＳｉ₂）等と、絶縁性成分としての窒化珪素等と、の混合物が採用される。

本実施形態のセラミックヒータ製造装置５０は、上述のグロープラグ１０が備えるセラミックヒータ２０を製造する際に用いられる。なお、上記説明したグロープラグ１０は、一般的な構成を有するグロープラグの一例である。本実施形態のセラミックヒータ製造装置５０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としては、他の構成のグロープラグを採用することも可能である。

（Ａ２）セラミックヒータ製造装置：
図２は、セラミックヒータ製造装置５０の構成を示す断面図である。また、図３は、図２に示した線分Ａ−Ａにおけるセラミックヒータ製造装置５０の断面図である。図２および図３を用いてセラミックヒータ製造装置５０の構成を説明する。セラミックヒータ製造装置５０は、誘導加熱式のホットプレス用焼成炉である。セラミックヒータ製造装置５０は、上述のセラミックヒータ２０を製造するために用いられる。

セラミックヒータ製造装置５０は、モールド部材５２と、空隙調整部材５４と、仕切板５６と、プレス部材５８と、加熱部材６０とを備える。モールド部材５２は、グラファイト製の円筒状の部材である。以下、モールド部材５２の軸線を軸線ＡＬとも呼ぶ。

空隙調整部材５４は、モールド部材５２の内壁に接するようにモールド部材５２の内部に配置される。空隙調整部材５４は、グラファイト製であり、外側表面がモールド部材５２の内壁の形状に合わせた円弧状に成形され、内側表面が平面上に成形されている。

仕切板５６は、グラファイト製の板状の部材であり、例えば図３（Ａ）に示すように、空隙調整部材５４の内壁に沿って４枚配置される。プレス部材５８は、仕切板５６の内側に形成された焼成室５７に挿入され被焼成物の加圧に用いられる一対の柱状部材である。加熱部材６０は、モールド部材５２の外部に配置されモールド部材５２に高周波を印加して加熱するためのコイルである。

焼成室５７は、仕切板５６およびプレス部材５８で囲まれる領域である。仕切板５６は、厚さが調整可能であり、図３（Ｂ）に示すように、仕切板５６の厚さを変更することによって、焼成室５７の軸線ＡＬに垂直な方向の断面積を調整することができる。

本実施形態においては、モールド部材５２の割れを抑制するために、セラミックヒータ製造装置５０の空隙調整部材５４の熱膨張係数は、モールド部材５２の熱膨張係数および焼成によって生成されたセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きくなるように調整されている。また、仕切板５６を使用する場合は、仕切板５６の熱膨張係数についても、モールド部材５２の熱膨張係数および焼成によって生成されたセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きくなるように調整することが好ましい。そうすれば、モールド部材５２の割れをより効果的に抑制することができる。各部材の熱膨張係数をこのように調整する詳細な理由については、後述の実験例において説明する。

（Ａ３）セラミックヒータの製造方法：
セラミックヒータ２０の製造方法について説明する。図４は、未焼成ヒータ２０ａを製造する様子を示す説明図である。図４に示すように、成形用材料を射出成形して、セラミック抵抗体２４となる未焼成抵抗体２４ａを作製する。成形用材料は、例えば上記した導電性セラミックの組成が得られるように、炭化タングステン粉末、窒化珪素粉末、および焼結助剤粉末が配合された原料セラミック粉末と、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を用いる。

また、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未焼成分割基体２２ａ，２２ｂを作製する。未焼成分割基体２２ａ,２４ｂの合わせ面には、それぞれ未焼成抵抗体２４ａに対応した形状の凹部が形成されている。

未焼成分割基体２２ａ，２２ｂ、および、未焼成抵抗体２４ａを用意した後、未焼成分割基体２２ａおよび未焼成分割基体２２ｂの凹部に未焼成抵抗体２４ａを収容して、未焼成分割基体２２ａと未焼成分割基体２２ｂとを嵌め合わせたものを、図５に示す金型８０に収容して一体化し未焼成ヒータ２０ａを生成する。そして、バインダ成分を除去するために、未焼成ヒータ２０ａを６００〜８００℃で仮焼する。仮焼後の未焼成ヒータ２０ａを、セラミックヒータ製造装置５０を用いてホットプレス法による焼成を実施し、セラミックヒータ２０を生成する。

図６は、セラミックヒータ製造装置５０を用いて、ホットプレス法によって未焼成ヒータ２０ａを焼成する方法について説明する説明図である。また、図７は、図６に示した線分Ｂ−Ｂにおけるセラミックヒータ製造装置５０の断面図である。

図６に示すように、未焼成ヒータ２０ａを仮焼した後、焼成室５７に、板状部材としてのホットプレス用成形型６５と未焼成ヒータ２０ａとを交互に積層して配置する。ホットプレス用成形型６５は、軸線ＡＬに垂直な所定の方向に沿って複数の凹部６７を有する。焼成室５７に配置されるホットプレス用成形型６５のうち、焼成室５７の最下段および最上段に配置されるホットプレス用成形型６５は、一方の面に複数の凹部６７が形成されており、他方の面は平坦状である。焼成室５７に配置されるホットプレス用成形型６５のうち、焼成室５７の最下段および最上段以外に配置されるホットプレス用成形型６５は、両面に複数の凹部６７が形成されている。

ホットプレス用成形型６５と未焼成ヒータ２０ａとを積層する際には、上下一対のホットプレス用成形型６５の凹部６７に未焼成ヒータ２０ａを配置する。図７に示すように、上下一対のホットプレス用成形型６５の間には、未焼成ヒータ２０ａを縦横に複数配列する。

焼成室５７にホットプレス用成形型６５と未焼成ヒータ２０ａとからなる積層体を配置した後、一対のプレス部材５８により積層体を軸線ＡＬ方向に加圧しながら、加熱部材６０によってモールド部材５２を加熱して、未焼成ヒータ２０ａを焼成する。

図７に示すように、本実施形態においては、モールド部材５２の大きさは、内径３００ｍｍ、外径４３５ｍｍ、高さ５００ｍｍである。空隙調整部材５４は、最大厚みが４５ｍｍである。また、図６に示すように、焼成室５７は、モールド部材５２の高さ方向の中心から１００ｍｍの範囲に形成されるようにプレス部材５８とモールド部材５２との相対位置が調整されている。

焼成は、例えば、非酸化性雰囲気中、焼成温度１７００〜１８５０℃、焼成時間１〜２時間、プレス部材５８によって圧力３５０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧して実施することができる。焼成終了後、プレス部材５８で加圧した状態で、所定時間放置し、未焼成ヒータ２０ａの焼成によって生成されたセラミックヒータ２０を降温する。その後、セラミックヒータ製造装置５０からセラミックヒータ２０を取り出す。このようにしてセラミックヒータ２０を製造することができる。

（Ａ４）実験例：
本実験例では、空隙調整部材５４、モールド部材５２、セラミックヒータ２０の、各熱膨張係数と、モールド部材５２の耐久性との関係について調べた。具体的には、空隙調整部材５４の熱膨張係数が異なるセラミックヒータ製造装置５０を用意し、各セラミックヒータ製造装置５０でセラミックヒータ２０の焼成を複数回（上限３００回）行い、モールド部材５２が割れるまでの焼成回数を測定した。

図８は、実験例１〜７による実験結果を示す説明図である。実験例１〜７の構成は次の通りである。モールド部材５２の大きさは、内径３００ｍｍ、外径４３５ｍｍ、高さ５００ｍｍとした。空隙調整部材５４の最大厚みは、４５ｍｍとした。仕切板５６は、焼成室５７の大きさが図８に「燃焼室」として示す各大きさになるように、厚みを調整した。セラミックヒータ製造装置５０による未焼成ヒータ２０ａの焼成は、常圧の窒素雰囲気下で、プレス圧力３５０ｋｇｆ／ｃｍ²、焼成温度１８００℃、焼成時間９０分とした。なお、焼成室５７は、モールド部材５２の高さ方向の中心から１００ｍｍの範囲に形成されるようにプレス部材５８とモールド部材５２との相対位置が調整されている（図６）。

図８において「熱膨張係数」として示した値は、各空隙調整部材５４の熱膨張係数、モールド部材５２の熱膨張係数、セラミックヒータ２０の熱膨張係数をそれぞれ示している。なお、本実験例における熱膨張係数は線膨張係数である。

図８において「セラミックヒータの突出量」として示した値は、セラミックヒータ製造装置５０によって未焼成ヒータ２０ａを焼成して生成されたセラミックヒータ２０の軸方向の長さと、焼成室５７の同方向の長さとの差を示している。軸線ＡＬ方向に加圧されながら焼成された後、降温されたセラミックヒータ２０の軸方向（セラミックヒータ２０本体の軸方向）の全長は、降温後の同方向の焼成室５７の長さより長くなり、セラミックヒータ２０は焼成室５７の寸法から突出する。以下に具体的に説明する。

焼成時には、高温かつ高圧力によって、未焼成ヒータ２０ａは溶融する。溶融時の未焼成ヒータ２０ａの軸方向の長さは、焼成室５７の大きさに依存する。焼成時には、モールド部材５２は膨張するため、モールド部材５２の内径は広がり、焼成室５７は拡張される。従って、焼成時には、未焼成ヒータ２０ａは、軸方法に延びる。降温時には、未焼成ヒータ２０ａは固化してセラミックヒータ２０となる。降温後のセラミックヒータ２０の長さは、焼成時に延びた未焼成ヒータ２０ａの長さを基準として、降温による温度差とセラミックヒータ２０の熱膨張係数に基づいて決定される。一方、降温後の焼成室５７の大きさは、焼成前と同じとすることができる。

従って「セラミックヒータの突出量」は、焼成温度１８００℃に加熱し膨張した時点のモールド部材５２および空隙調整部材５４によって形成される焼成室５７の大きさに基づいて算出した未焼成ヒータ２０ａの大きさと、降温後に収縮したモールド部材５２および空隙調整部材５４の大きさに基づいて算出した焼成室５７の大きさとから、計算によって求めることができる。

図８において「モールド割れまでの焼成回数」として示した値は、実測値である。各実験例における実験条件でセラミックヒータ２０の焼成を上限３００回として繰り返し行い、モールド部材５２が割れるまでの焼成回数を測定した。

図８において「１焼成あたりの生産数」として示した内容は、１回の焼成で製造可能なセラミックヒータ２０の数を、所定の基準に基づいて「多」「中」「少」で評価した。

図８において「量産性」として示した内容は、「モールド割れまでの焼成回数」と「１焼成あたりの生産数」とから、所定の基準に基づいて「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」で評価した。生産量は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に、低下していく。すなわち、Ａは量産性が最も高く、Ｄは量産性が最も低いことを示す。

図８に示すように、焼成室５７の寸法が同じ場合、空隙調整部材５４の熱膨張係数を、モールド部材５２の熱膨張係数およびセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きくすることにより、セラミックヒータ２０の焼成後の降温時に、モールド部材５２の収縮量に比べて空隙調整部材５４の収縮量が大きくなり、セラミックヒータの突出量が小さくなる。その結果、降温時に、セラミックヒータ２０によるモールド部材５２内壁の押圧が緩和され、モールド割れが抑制される。

特に、モールド内面積に対する焼成室面積比が０．３２以上０．５７以下のとき、空隙調整部材５４の熱膨張係数を、モールド部材５２の熱膨張係数およびセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きくすることによって、モールド部材５２の割れが抑制される効果が顕著に表れることが実験によって確認された。空隙調整部材５４の熱膨張係数を、モールド部材５２の熱膨張係数およびセラミックヒータ２０の熱膨張係数と比較して、より大きくすることで、より大きな焼成室５７でも空隙調整部材５４の割れが抑制されることが確認された。

次に、空隙調整部材５４の熱膨張係数を大きくすることによるモールド割れの抑制の効果と、未焼成ヒータ２０ａとホットプレス用成形型６５との積層数との関係を、実験例８〜１３によって調べた。

図９は、実験例８〜１３による実験結果を示す説明図である。図９において「セラミックヒータ層の高さ」として示した値は、焼成後における焼成室５７内部に配置されているセラミックヒータ２０の高さの合計を示す。焼成後の焼成室５７の高さは、積層されているセラミックヒータ２０の高さと、積層されているホットプレス用成形型６５の高さの合計である。「セラミックヒータ層の高さ」は、焼成後の焼成室５７の高さのうち、積層されたセラミックヒータ２０のみの高さの合計を示す。一つのセラミックヒータ２０の大きさは各実験において同じであるので、「セラミックヒータ層の高さ」が大きいほど、未焼成ヒータ２０ａとホットプレス用成形型６５との積層数が大きいことを示している。

図９に示すように、未焼成ヒータ２０ａとホットプレス用成形型６５との積層数を増加させても、空隙調整部材５４の熱膨張係数を大きくすることによるモールド割れの抑制の効果があることが確認された。なお、未焼成ヒータ２０ａとホットプレス用成形型６５との積層数は、モールド部材５２を加熱した際の均熱帯の範囲内で増加させる。

以上説明したように、セラミックヒータ製造装置５０は、空隙調整部材５４の熱膨張係数が、モールド部材５２の熱膨張係数およびセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きいので、セラミックヒータ製造装置５０が降温する際の空隙調整部材５４の収縮量は、モールド部材５２およびセラミックヒータ２０と比較して大きくなる。この結果、セラミックヒータ２０の焼成後の降温時における、セラミックヒータ２０によるモールド部材５２内壁の押圧が緩和され、モールド割れを抑制することができる。

セラミックヒータ製造装置５０は、仕切板５６を備える。このため、焼成室５７の軸線ＡＬに垂直な方向の断面積を調整することができる。さらに、モールド内面積に対する焼成室面積比が０．３２以上０．５７以下のとき、セラミックヒータ２０によるモールド部材５２内壁の押圧を好適に抑制することができ、モールド部材５２の割れが抑制される効果が顕著に表れることが確認された。

セラミックヒータ製造装置５０は、ホットプレス用成形型６５を用いて未焼成ヒータ２０ａを積層し焼成するので、セラミックヒータ２０を量産することができる。さらに、セラミックヒータ製造装置５０は、空隙調整部材５４の熱膨張係数を、モールド部材５２の熱膨張係数およびセラミックヒータ２０の熱膨張係数より大きくすることによって、未焼成ヒータ２０ａとホットプレス用成形型６５との積層数に関わらず、モールド割れを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｂ１）変形例１：
上記実施形態においては、セラミックヒータ製造装置５０は仕切板５６を備えたが、セラミックヒータ製造装置５０が仕切板５６を備えない構成を採用してもよい。焼成室５７の大きさを変更しない場合には、セラミックヒータ製造装置５０は仕切板５６を備えなくても、セラミックヒータ２０を製造することができる。また、この場合においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

（Ｂ２）変形例２：
上記実施形態においては、セラミックヒータ製造装置５０を用いて、グロープラグに用いられるセラミックヒータを製造したが、バーナーの着火用のヒータ、あるいは、ガスセンサの加熱用ヒータ等を製造するとしてもよい。この場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…グロープラグ
２０…セラミックヒータ
２０ａ…未焼成ヒータ
２２ａ…未焼成分割基体
２４…セラミック抵抗体
２４ａ…未焼成抵抗体
２６…電極取出部
２８…電極取出部
３０…外筒
３１…テーパー部
３２…主体金具
３３…ネジ部
３４…金属軸
３６…Ｏリング
３８…絶縁ブッシュ
４０…端子金具
４４…リング
５０…セラミックヒータ製造装置
５２…モールド部材
５４…空隙調整部材
５６…仕切板
５７…焼成室
５８…プレス部材
６０…加熱部材
６５…ホットプレス用成形型
６７…凹部
８０…金型
ＡＬ…軸線

Claims

筒状のモールド部材と、
前記モールド部材の外部に配置される加熱部材と、
前記モールド部材の内壁に接するように前記モールド部材の内部に配置される空隙調整部材と、
前記空隙調整部材を配置後の前記モールド部材の前記内部に形成される空隙に対して前記モールド部材の軸線の方向に沿って挿入される一対のプレス部材であって、前記空隙に挿入された前記プレス部材と前記空隙調整部材とによって形成される焼成室に配置された被焼成物を加圧するためのプレス部材とを備え、
前記焼成室に配置された前記被焼成物を前記プレス部材によって加圧するとともに前記加熱部材によって加熱してセラミックヒータを製造するセラミックヒータ製造装置であって、
前記空隙調整部材の熱膨張係数が、前記モールド部材の熱膨張係数および焼成後の前記セラミックヒータの熱膨張係数より大きい
セラミックヒータ製造装置。
請求項１記載のセラミックヒータ製造装置であって、さらに、
前記空隙調整部材の内壁に接するように配置され、厚さを調整可能な板状の仕切板を備える
セラミックヒータ製造装置。
請求項１または請求項２記載のセラミックヒータ製造装置であって、
前記モールド部材の内壁によって形成される領域の前記軸線に垂直な方向の断面積をＦとしたとき、
前記焼成室の前記軸線に垂直な方向の断面積が０.３２Ｆ以上０．５７Ｆ以下である
セラミックヒータ製造装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセラミックヒータ製造装置であって、さらに、
前記焼成室の内部に、前記軸線の方向に重畳して配置され、前記軸線に垂直な方向のうち所定の方向に沿って形成された複数の凹部を有する複数の板状部材を備え、
前記プレス部材は、前記複数の前記板状部材を前記軸線の方向に加圧し、
前記セラミックヒータは、前記重畳された２つの前記板状部材のそれぞれの前記凹部の間に形成される空間に配置された前記被焼成物が、前記プレス部材によって加圧されながら、前記加熱部材によって加熱されることによって製造される
セラミックヒータ製造装置。
セラミックヒータの製造方法であって、
筒状のモールド部材の外部に加熱部材を配置し、
製造後の前記セラミックヒータおよび前記モールド部材よりも熱膨張係数が大きい空隙調整部材を前記モールド部材の内壁に接するように前記モールド部材の内部に配置し、
前記空隙調整部材を配置後の前記モールド部材の内部に形成される空隙に被焼成物を配置するとともに、前記モールド部材の軸線の方向から一対のプレス部材を挿入して前記被焼成部材を挟持し、
前記プレス部材によって前記被焼成物を加圧するとともに、前記加熱部材で前記被焼成物を加熱する
セラミックヒータの製造方法。