JP4676653B2

JP4676653B2 - セラミック素子の製造装置

Info

Publication number: JP4676653B2
Application number: JP2001209847A
Authority: JP
Inventors: 信行堀田; 啓之鈴木; 孝哉吉川; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003025195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グロープラグ用のセラミックヒータ等、円柱形状のセラミック焼結体に発熱体等の埋設体が埋設されているセラミック素子の製造装置に関する。更に詳しくは、埋設体がセラミック焼結体の径方向の中心軸上に位置するように研磨することができるセラミック素子の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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のセラミックヒータは、セラミック焼結体に発熱体を埋設したものが多い。このようなグロープラグは図１及び２に示すように、発熱体２２と、この発熱体２２へ給電を行うリード線２３、２４とがセラミック焼結体２１に埋設されているセラミックヒータ２を、金具１１に設けた構成となっている。また、使用するセラミックヒータは耐熱性に優れているため、通電により急速に発熱し昇温させることが可能である。
この具体例として、特許３００４１３４号公報、特開平１０−１１０９５１号公報、特開２０００−１２１０５５号公報、特開２０００−１３０７５４号公報及び特開２０００−１９３２４１号公報を挙げることができる。
【０００３】
このようなセラミックヒータを作製するには、射出成型法等を用いて作製した未焼成の発熱体をセラミック粉末中に埋設し、プレス成型法等を用いて棒状で未焼成のセラミック成形体を形成する。次いで、この未焼成のセラミック成形体をホットプレス焼成法等の公知の焼成方法を用いて焼成し、図４に例示するような研磨前セラミックヒータ２０を得る。その後、この研磨前セラミックヒータ２０の外周面にセンタレス研磨等の研磨加工を施してセラミックヒータ２が得られる。
【０００４】
このセラミックヒータ２を組み込んだグロープラグ１は、燃料等の可燃性流体の着火及び燃焼を促進するために、できるだけセラミックヒータの全周において均等な発熱が得られるようにすることが望ましい。また、均等な発熱を行うにはセラミック焼結体の径方向の中心に発熱体を位置させることが好ましい。発熱体からセラミックヒータの表面までの距離が略同じとなり、熱の伝導が均等になるためである。
【０００５】
しかし、セラミック焼結体２１中における発熱体２２は、埋設時の位置精度を容易に高めることができず、埋設時に片寄ることがあるため温度ムラが発生して均等な発熱が十分に得られない問題がある。
この問題を解決するために、発熱体となる導電材の粒子径や粒度組成を規定することで有効発熱部領域の発熱温度分布を均一化したセラミックヒータが特開平９−１８０８６３号公報に開示されている。また、セラミックヒータを一旦発熱させてセラミックヒータ表面の温度分布を温度検出手段によって測定した後、得られた温度分布に基づいて温度の低い部分のセラミック焼結体を切削し、薄層化することで均熱化したセラミックヒータが特開平１１−１６２６２０号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平９−１８０８６３号公報に例示される方法では発熱体の片寄りによってセラミックヒータの均熱性が低下する場合がある。また、特開平１１−１６２６２０号公報に例示される方法では、複雑形状の切削等を行う必要があり、煩雑であった。
ところで、埋設時の発熱体の位置精度を高めるには成型圧力、焼結体の重量及び焼結体の寸法精度等の多数のパラメータを管理制御する必要がある。これらの管理制御を行うとセラミックヒータの製造工数が増えてしまい、製造コストの低減の妨げになる。また、センタレス研磨加工は、焼結体の外周に沿った研磨を行うために、研磨前の焼結体内の発熱体の位置精度が低くて片寄りがあった場合であっても、これを矯正することができず、加工後も発熱体の位置が片寄ったものとなる。このため、セラミックヒータの均熱性が低下する。
【０００７】
また、作製するセラミック焼結体の径をより大きくして、発熱体が片寄って埋設された場合であっても、セラミック焼結体表面及び発熱体の間の厚みを一定以上確保する必要があった。従って、余分に確保した厚みの分だけセラミックヒータの小型化が困難になるとともに、セラミック焼結体の熱容量も大きくなり、省電力化、昇温性能の向上が難しくなる問題が生じる。
本発明は、このような問題点を解決するものであり、セラミック焼結体の径方向の中心軸上に発熱体が位置するように研磨をすることが可能なセラミック素子の製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック素子の製造装置は、セラミック焼結体２１に埋設される埋設体２２の中心部が回転軸上となるよう研磨し、略円柱形状のセラミック素子２を作製するためのセラミック素子の製造装置であって、Ｘ線検知部３１、回転制御部３２及びＸ線透過像処理部３３を備え、該Ｘ線検知部は、該セラミック焼結体にＸ線照射を行うＸ線照射部３１１と、該セラミック焼結体を透過したＸ線透過像を検知するＸ線透過像検知部３１２とを具備し、該回転制御部３２は、該セラミック焼結体を保持しながら回転させ、該Ｘ線透過像処理部３３は、該Ｘ線透過像検知部から得られたＸ線透過像を画像処理して該埋設体の輪郭を求める輪郭検出部３３２と、該輪郭検出部により得られた該輪郭に対応して上記回転の動作を該回転制御部に指示する回転指示部３３５と、該輪郭検出部により検出された輪郭の中心部を通過する直線を回転軸として出力する回転軸出力部３３３とを具備することを特徴とする。
【０００９】
上記「セラミック素子」は、上記「セラミック焼結体」に任意の上記「埋設体」を埋設し円柱形状に研磨して製造される素子であればよい。この例としてグロープラグに用いられる上記埋設体が発熱体であるセラミックヒータ等を挙げることができる。また、セラミック素子は、リード線等の任意の要素を配設することができる。
【００１０】
上記「輪郭検出部」及び上記「回転軸出力部」は、焼成したセラミック焼結体中に埋設された埋設体の位置を検出し、その埋設体の中心部を求める手段である。
また、セラミック焼結体中に埋設された埋設体の位置を検知するための像を得るには、生産性を考慮すればＸ線を用いることが好ましい。更に、Ｘ線を用いた具体的な装置としては、埋設体を埋設したセラミック焼結体を透過したＸ線像の処理をして断面像を得ることができるＸ線マイクロフォーカス装置やＸ線ＣＴ装置を例示することができる。
【００１１】
上記「研磨」は任意の回転軸によってセラミック焼結体を略円柱形状に加工することができる方法であればよく、円筒研削盤でトラバース研削を用いて研磨する方法等を例示することができる。また、上記研磨は、粗研磨及びセンタレス研磨をこの順に行い、該粗研磨は上記埋設体の中心部が上記回転軸となるよう、上記セラミック焼結体の外周を研磨することができる。
つまりトラバース研削等による研磨は研磨時間が掛かるため、セラミック焼結体の形状がおおよそ円柱状になるまでトラバース研削等による粗研磨を行い、その後はセンタレス研磨等によって本研磨を行うことで、埋設体の位置精度を高く保ったまま、短時間で大量の研磨が可能となる。センタレス研磨は外周面を均等厚さで研磨するため、研磨前の断面形状が略真円であれば研磨後も真円であり、且つ中心のずれがほとんど生じないためである。
【００１２】
尚、センタレス研磨加工の研磨代は、セラミックヒータの直径が約３．５ｍｍの場合、通常２００〜３００μｍ（好ましくは５０〜１９０μｍ、より好ましくは８０〜１８０μｍ、更に好ましくは１００〜１６０μｍ）の範囲に設定されることが多い。また、本発明においては、画像処理手段によって検出された埋設体の中心部を通る回転軸に沿ってセンタレス研磨加工を行うため、２００μｍ以下の研磨代を設定することが可能である。研磨代の設定を少なくすることで、研磨に要する時間を短縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜１５を用いて本発明のセラミック素子の製造装置を実施例により更に詳しく説明する。本実施例のセラミック素子の製造装置は、セラミック素子であるグロープラグ用のセラミックヒータを製造するために用いられる。また、セラミックヒータの全製造工程のうち焼成した研磨前セラミックヒータを円柱形状に研磨する工程で用いられる。
【００１４】
１．本セラミック素子の製造装置の構成及び使用方法
（１）セラミック素子の製造装置の構成
本実施例のセラミック素子製造装置３は図８に示すように、Ｘ線検知部３１、回転制御部３２及びＸ線透過像処理部３３を備える。
Ｘ線検知部３１は、Ｘ線照射部３１１及びＸ線透過像検知部３１２を具備するＸ線マイクロフォーカス装置である。また、Ｘ線照射部３１１は、研磨前セラミックヒータ２０のＸ線透過像を検知するためのＸ線源である。更に、Ｘ線透過像検知部３１２はＸ線照射部３１１から発せられ、研磨前セラミックヒータ２０を透過したＸ線透過像の検知を行い、得られた信号を３３１に送信する。
また、回転制御部３２は、Ｘ線検知部３１にてＸ線透過像の検知を行う研磨前セラミックヒータ２０を保持しながら任意の角度だけ回転させる装置である。
【００１５】
Ｘ線透過像処理部３３は、画像信号取込部３３１、輪郭検出部３３２、画像出力部３３３、画像表示部３３４及び回転指示部３３５を備える。
画像信号取込部３３１は、Ｘ線透過像検知部３１２から送信されるＸ線透過像信号を取り込む。また、輪郭検出部３３２は、画像信号取込部３３１によって得られたＸ線透過像信号を画像処理して埋設体の輪郭を求める装置である。更に、画像出力部３３３は回転軸出力部であり、検出された輪郭からその幅を求めて対応する回転軸を求め、その表示をＸ線透過像に重ねて、回転軸の位置や画像データを画像表示部３３４に出力する装置である。回転指示部３３５は、輪郭検出部３３２によって検出された輪郭に対応して回転動作の制御を行うため回転制御部３２に指示する装置である。
【００１６】
（２）セラミックヒータの構成
初めに、研磨対象となるセラミック素子であるセラミックヒータの構成について説明する。
本セラミック素子製造装置３の研磨対象となるセラミックヒータ２は、図１及び図２に示すようにグロープラグ１の先端部分に篏装されて用いられるものであり、図３に示すように、セラミック焼結体２１と、このセラミック焼結体２１内に埋設される埋設体である発熱体２２と、発熱体２２に電圧を印加するためのリード線２３、２４とを備える。また、セラミックヒータ２の形状は、研磨前は図４及び図６に示すように直方体形状であるが、研磨によって図１〜３に示すような略円柱形状となる。
【００１７】
セラミック焼結体２１は、窒化硅素焼結体でありホットプレスにて焼結形成される。また、焼成直後の形状は図４及び図６に示すように直方体であるが、本セラミック素子製造装置３を用いて研磨を行うことで、図３に示すような略円柱形状となる。更に、発熱体２２は、セラミック焼結体２１の焼結前に埋設され、炭化タングステンによって導電性を付与された略Ｕ字形状の窒化珪素焼結体であり、給電により発熱する。また、リード線２３、２４はタングステン等によって構成され、セラミック焼結体２１に埋設された発熱体２２に外部から給電を行う。
【００１８】
（３）研磨時の回転軸の決定方法
本セラミック素子の製造装置を用いて、研磨時の回転軸を決定する方法について説明する。
研磨前セラミックヒータ２０のＸ線透過像から得ることができるセラミック焼結体２１及び発熱体２２（図４参照）の輪郭像は一種類に限られず、研磨前セラミックヒータ２０の長尺方向を軸として回転させることで、例えば図４及び図６に示すように、撮影した方向によって異なる輪郭像を得ることができる。また、発熱体２２の形状はＵ字形状であるため、図５に示すように輪郭像がＵ字形状にみえる平面像の場合は、その幅２６１、２６２が最大となり、図７に示すように輪郭像が棒形状にみえる側面像の場合は、その幅２６３、２６４が最小となる。
【００１９】
つまり、研磨前セラミックヒータ２０を回転制御部３２によって回転させて、発熱体２２の輪郭の幅が最小及び最大となる２種類のＸ線透過像を得ることで、研磨時の回転軸の位置決定に必要な発熱体２２の位置を特定することができる。
また、この２種類のＸ線透過像における発熱体２２の輪郭像を横断する、２本の横断線（図６においては２６１、２６２、図７においては２６３、２６４）の中間点を通過する直線２５は、埋設体である発熱体２２の中心部を通過する線であり、これを研磨時の回転軸として出力することで、研磨時の回転軸を決定するという本製造装置の目的を達成することができる。
【００２０】
（４）セラミック素子の製造装置の動作
上記「（３）研磨時の回転軸の決定方法」により研磨時の回転軸を決定する手順を順に説明する。
初めに、回転軸を求める研磨前セラミックヒータ２０をその長尺方向が回転軸となるように回転制御部３２へ取付ける。また、研磨前セラミックヒータ２０のＸ線透過像をＸ線検知部３１を用いて取得し、画像信号取込部３３１を介して輪郭検出部３３２へ送信し、輪郭検出部３３２によってセラミック焼結体２１及び発熱体２２（図４参照）の輪郭像を求める。更に、発熱体２２の横断線（図５における２６１、２６２、図７における２６３、２６４）を求め、この線長が最小又は最大となる輪郭像が得られるまで、回転指示部３３５を介して回転制御部３２へ指示を送信し、研磨前セラミックヒータ２０を回転させる。
【００２１】
次いで、画像出力部３３３は得られた最大横断線２６１、２６２と最小横断線２６３、２６４のそれぞれの中間点を通過する直線２５を回転軸として求め、その表示をＸ線透過像に重ねて画像表示部３３４に出力する。
また、研磨前セラミックヒータ２０に得られた回転軸の位置は、研磨時に利用できるように記憶される。この例として、回転軸の位置をレーザ光によって研磨前セラミックヒータ２０の回転軸が露出する面に刻印したり、回転軸の位置を再現可能な座標情報として研磨時の固定装置に送信することを挙げることができる。
【００２２】
（５）研磨方法
「（４）セラミック素子の製造装置の動作」にて求めた回転軸を回転の中心となるよう、セラミック焼結体２１を円筒研削盤に固定し、セラミック焼結体２１の外周をトラバース研削によって粗研磨を行う。次いで、センタレス研磨加工による本研磨を行って目的とするセラミックヒータ２を得る。この作製されたセラミックヒータ２は、図３に示すようにセラミック焼結体２１中の先端側の径方向の中心軸上に発熱体２２が位置する。
【００２３】
（６）グロープラグの作製
上記各工程を経ることによって作製されたセラミックヒータ２は、図１及び図２に示すように金具１１内に挿入固定され、グロープラグ１が作製される。
このグロープラグ１は、発熱する部位である先端側に発熱体２２が配置される形でセラミックヒータ２を備える。セラミックヒータ２は、金属製の固定筒１２に貫装、保持される。一方、この固定筒１２は金具１１の先端側にロウ付けにより固定される。尚、金具１１の外周には、グロープラグ１をエンジンに取り付けるための取り付けねじ部１３が螺刻され、さらに取り付ける際にインパクトレンチをあてがうための六角状の工具係合部１４が形成されている。
【００２４】
２．芯振れの検討
本セラミック素子の製造装置によって作製される直径３．３４ｍｍの実施例と、粗研磨を行わずにセンタレス研磨を行った直径３．５ｍｍの比較例とを用意し、その発熱体２２が埋設されている部位を切断して、セラミックヒータの中心軸に対する発熱体の中心部を通る回転軸のずれ（以下、「芯振れ」という。図１５を参照。）を計測し、プロットした結果を図９〜１２に示す。
図９及び図１０は実施例のセラミックヒータの芯振れのプロットであり、図９は先端側（図５では１０１）、図１０は端子側（図５では１００）である。また、セラミックヒータの先端からそれぞれ５ｍｍ、１０ｍｍの位置である。
一方、図１１及び図１２は比較例のセラミックヒータの芯振れのプロットであり、図１１は先端側、図１２は端子側である。尚、発熱体及びセラミック焼結体表面の間の最小厚さは、実施例及び比較例のいずれも０．１６ｍｍ以上である。
【００２５】
図９及び図１０に示すように、本実施例のセラミックヒータでは、発熱体のヒータ先端側及び端子側のいずれも芯振れが約０．０４ｍｍ以内と、約±１％の誤差内に収まっていることがわかる。一方、図１１及び図１２に示すように、比較例のセラミックヒータでは、約０．１ｍｍ以内と、約±３％の誤差が生じており、実施例より発熱体の片寄りが大きいことがわかる。
このように、本発明のセラミック素子の製造装置によって製造されるセラミックヒータは、比較例より直径が小さいにもかかわらず、芯振れが少なく発熱体が中心に位置している。
【００２６】
３．発熱特性の検討
印加電圧が１０Ｖ、１１Ｖの条件で、上記「２．芯振れの検討」と同じ実施例及び比較例のセラミックヒータの発熱特性を求め、図１３及び図１４に示す。図１３に示すように印加電圧が１０Ｖの場合、比較例のセラミックヒータの発熱温度が１１２０〜１１６０℃であるのに対し、芯振れが少なく外形を細くすることができたため、表面積が少なくなり熱逃げによるロスが少なくなった本実施例のセラミックヒータでは１１７０〜１２１０℃と高温を得ることができた。また、比較例の平均電力が８１．５Ｗであるのに対し、実施例の平均電力が８０．０Ｗと低消費電力であった。
更に、図１４に示すように印加電圧が１１Ｖの場合、比較例が１２３０〜１２８０℃、９３．２Ｗであるのに対し、本実施例は１２９０〜１３３０℃と高温・低消費電力のセラミックヒータを得ることができた。
【００２７】
４．本セラミック素子の製造装置の効果
本セラミック素子の製造装置は、セラミック焼結体中に埋設された埋設体である発熱体の中心部を通る回転軸を求めることができるため、その回転軸を径方向の中心軸上としてセラミック焼結体の外周を粗研磨を行うことで、従来のようなセラミック焼結体の作製時の厳重な精度の管理をしなくても、セラミック焼結体中に埋設された埋設体の中心位置の精度を高めることができる。
このように、埋設体である発熱体がセラミック焼結体の径方向の中心軸上に位置するセラミックヒータは、発熱体が片寄って埋設された場合を考慮して、セラミック焼結体表面と発熱体との厚みを余分に確保する必要がなく、同じ発熱体を用いてより直径を小さくすることができ、小型化が従来より容易になる。その結果、発熱体から発せられる熱がより短い時間でセラミック焼結体の外周に伝導し、セラミックヒータの昇温性能が向上する。また、発熱の伝達時間の短縮、発熱むらの減少及び熱容量の減少によって、必要な発熱に要する電力を低減することができる。
【００２８】
更に、本発明のセラミック素子の製造装置は、従来の製造方法のような分割予備焼結体や複合焼結体を作製するプレス成形工程における発熱体の埋設位置精度の管理を厳密にする必要がなく、製造歩留まりの向上及び製造コストの低減を図ることができる。
【００２９】
尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、セラミック素子の製造装置はセラミックヒータの製造に限らず、他の用途に用いることができる。
また、本実施例では、横断線２６１、２６２等が最大及び最小となる２種類のＸ線透過像を用いて回転軸を決定したが、これに限らず、異なった基準で得た２種類のＸ線透過像を用いて回転軸を決定することができる。例えば、セラミック焼結体の方向（例えば平面及び側面となる位置）を基準にする２種類のＸ線透過像を用い、これらのＸ線透過像から横断線２６１、２６２等を求め、その中間点を通過する直線から回転軸を決定することができる。
【００３０】
更に、セラミック焼結体及び発熱体の形状も実施例に示す直方体形状及びＵ字形状に限られず、任意の形状とすることができるし、発熱体及びリード線の材質も任意に選択することができる。また、本製造装置は、回転軸の決定にのみの工程に限られず、研磨作業等のため装置を付加し、研磨工程等にも使用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のセラミック素子の製造装置によれば、セラミック焼結体中に埋設された埋設体の中心部を通る回転軸を求めることができ、その回転軸を径方向の中心軸上としてセラミック焼結体の外周を研磨することで、従来のようなセラミック焼結体の作製時の厳重な管理をしなくとも、セラミック焼結体中に埋設された埋設体の中心位置の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータを備えるグロープラグを説明するための模式断面図である。
【図２】グロープラグのセラミックヒータ部分を説明するための部分拡大断面図である。
【図３】セラミックヒータ内の発熱体の好ましい位置を説明するための平面からみた模式断面図である。
【図４】研磨前のセラミック焼結体の形状と、発熱体の位置を説明するための平面からみた模式断面図である。
【図５】発熱体の横断線の位置を説明するための平面からみた模式断面図である。
【図６】研磨前のセラミック焼結体の形状と、発熱体の位置を説明するための平面からみた模式断面図である。
【図７】発熱体の横断線の位置を説明するための平面からみた模式断面図である。
【図８】本セラミック素子の製造装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図９】実施例のセラミックヒータの先端側（図５では１０１）で求めた発熱体の芯振れのプロット図である。また、Ｘ軸は図５における左右方向、Ｙ軸は図６における左右方向である。
【図１０】実施例のセラミックヒータの端子側（図５では１００）で求めた発熱体の芯振れのプロット図である。また、Ｘ軸は図５における左右方向、Ｙ軸は図６における左右方向である。
【図１１】比較例のセラミックヒータの先端側（図５では１０１）で求めた発熱体の芯振れのプロット図である。また、Ｘ軸は図５における左右方向、Ｙ軸は図６における左右方向である。
【図１２】比較例のセラミックヒータの端子側（図５では１００）で求めた発熱体の芯振れのプロット図である。また、Ｘ軸は図５における左右方向、Ｙ軸は図６における左右方向である。
【図１３】実施例及び比較例のセラミックヒータに１０Ｖ電源を接続した時の先端温度を示すグラフである。
【図１４】実施例及び比較例のセラミックヒータに１１Ｖ電源を接続した時の先端温度を示すグラフである。
【図１５】芯振れの状態を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１；グロープラグ、１１；金具、１２；固定筒、２；セラミックヒータ、２０；研磨前セラミックヒータ、２１；セラミック焼結体、２２；発熱体、２３、２４；リード線、２５；回転軸、３；セラミック素子製造装置、３１；Ｘ線検知部、３１１；Ｘ線照射部、３１２；Ｘ線透過像検知部、３２；回転制御部、３３；Ｘ線透過像処理部、３３１；画像信号取込部、３３２；輪郭検出部、３３３；画像出力部、３３４；画像表示部、３３５；回転指示部。

Claims

セラミック焼結体２１に埋設される埋設体２２の中心部が回転軸上となるよう研磨し、略円柱形状のセラミック素子２を作製するためのセラミック素子の製造装置であって、
Ｘ線検知部３１、回転制御部３２及びＸ線透過像処理部３３を備え、
該Ｘ線検知部は、該セラミック焼結体にＸ線照射を行うＸ線照射部３１１と、該セラミック焼結体を透過したＸ線透過像を検知するＸ線透過像検知部３１２とを具備し、
該回転制御部３２は、該セラミック焼結体を保持しながら回転させ、
該Ｘ線透過像処理部３３は、該Ｘ線透過像検知部から得られたＸ線透過像を画像処理して該埋設体の輪郭を求める輪郭検出部３３２と、該輪郭検出部により得られた該輪郭に対応して上記回転の動作を該回転制御部に指示する回転指示部３３５と、該輪郭検出部により検出された輪郭の中心部を通過する直線を回転軸として出力する回転軸出力部３３３とを具備することを特徴とするセラミック素子の製造装置。
上記セラミック素子は、上記埋設体が発熱体であるセラミックヒータである請求項１記載のセラミック素子の製造装置。
上記研磨は、粗研磨及びセンタレス研磨をこの順に行い、該粗研磨は上記埋設体の中心部が上記回転軸となるよう、上記セラミック焼結体の外周を研磨する請求項１又は２に記載のセラミック素子の製造装置。