JP6438909B2 - セラミックヒータおよびグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータおよびセラミックヒータを用いるグロープラグに関する。

従来から、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として、セラミックヒータを有するグロープラグが用いられている。セラミックヒータの構成として、導電性を有するセラミック製の発熱体が絶縁性を有するセラミック製の基体の内部に配置された構成が知られている。基体および発熱体は、窒化珪素を含むセラミック材料を焼結して作製される。窒化珪素の焼結性は低いため、一般に焼結助剤がセラミック材料に混合されて用いられることで、窒化珪素の焼結性を向上させている。また、このような焼結助剤として、希土類元素を含む焼結助剤が用いられることがある（例えば、特許文献１，２参照）。希土類元素を用いることで、窒化珪素からなる主相同士の間の粒界に存在するガラス相の融点を上昇させて、基体の耐酸化性を向上できる。

国際公開第２０１２／０７３４７６号パンフレット 特開２００８−２９３８０４号公報

焼結助剤に希土類元素を用いたセラミック材料により作製された基体は、非常に高い温度環境下（例えば１０００℃よりも高い高温環境下）では、基体表面に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の皮膜が形成されるため、耐酸化性が向上する。しかしながら、相対的に低い温度環境下（例えば１０００℃以下の低温環境下）においては、かかる皮膜が形成されないために基体の酸化が進行し、基体の耐酸化性が低下するという問題がある。この酸化には、例えばメリライト型希土類酸化物（Ｙ_２ＳＩ_３ＯＮ_４）等の酸窒化物が寄与していると考えられており、焼結助剤に含まれる希土類元素の添加量を減らすことで、この酸窒化物の生成量を抑制でき、低温環境下における基体の耐酸化性の低下を抑制できる。一方、焼結助剤に含まれる希土類元素の量を減らした場合、焼結性が低下するという問題を解決できない。このような問題は、グロープラグに用いられるセラミックヒータに限らず、着火用のヒータ装置や各種センサ装置などに用いられる任意のセラミックヒータにおいて生じ得る。このため、基体の耐酸化性の向上と焼結性の向上とを両立可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題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。
[形態１]本発明の一形態によれば、窒化珪素を主成分として希土類元素をさらに含有し軸線方向に延設された基体と、前記基体の内部に埋設され、互いに前記軸線方向に沿って延設された２つの延設部及び前記２つの延設部の先端部同士を接続する連結部を含む導電部と、を備えるセラミックヒータが提供される。このセラミックヒータは、前記軸線方向と直交し前記２つの延設部が現われる断面において、前記セラミックヒータの中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記セラミックヒータの表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率に比べて高く；前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、０．６ａｔｍ％以上２．０ａｔｍ％以下であり；前記表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率の６５％以上９０％以下である；ことを特徴とする。

（１）本発明の一形態によれば、窒化珪素を主成分として希土類元素をさらに含有し軸線方向に延設された基体と、前記基体の内部に埋設され、互いに前記軸線方向に沿って延設された２つの延設部及び前記２つの延設部の先端部同士を接続する連結部を含む導電部と、を備えるセラミックヒータが提供される。このセラミックヒータは、前記軸線方向と直交し前記２つの延設部が現われる断面において、前記セラミックヒータの中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記セラミックヒータの表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率に比べて高く、前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、０．６ａｔｍ％以上２．０ａｔｍ以下である、ことを特徴とする。
この形態のセラミックヒータによれば、セラミックヒータの中心部の基体における希土類元素の含有率は、セラミックヒータの表層部の基体における希土類元素の含有率に比べて高い。つまり、中心部の基体における希土類元素の含有率は相対的に高い。加えて、セラミックヒータの中心部の基体における希土類元素の含有率は０．６ａｔｍ％以上である。このため、焼成時に十分な液相を供給することができ、焼結性を向上できる。なお、セラミックヒータの中心部の基体における希土類元素の含有率は２．０ａｔｍ％以下であるので、低温環境下での基体の耐酸化性の低下を抑制できる。他方、表層部の基体における希土類元素の含有率は相対的に低いので、低温環境下での表層部の耐酸化性の低下を抑制できる。基体における表層部の耐酸化性は基体全体の耐酸化性に大きく影響を与えるため、上記形態のセラミックヒータによれば、低温環境下における基体全体の耐酸化性を向上できる。したがって、上記形態のセラミックヒータによれば、基体の耐酸化性の向上と焼結性の向上とを両立できる。

（２）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記導電部は、各前記延設部における先端側部位と前記連結部とにより形成された発熱部と、該発熱部に連なり各前記延設部における後端側部位によりそれぞれ形成された２つのリード部と、を有し、前記断面は、前記発熱部が現れる断面であってもよい。この形態のセラミックヒータによれば、発熱部が現れる断面、すなわち、基体において、他の部分に比べて高温となり得る部分において、基体の耐酸化性と焼結性とをいずれも向上できる。したがって、基体の他の部分も含めて基体全体の耐酸化性と焼結性とをいずれも向上できる。

（３）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率の６５％以上９０％以下である、ことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータによれば、表層部の基体における希土類元素の含有率は、中心部の基体における希土類元素の含有率の６５％以上９０％以下であるので、かかる範囲から外れた構成に比べて、基体の焼結性と耐酸化性とのバランスを向上できる。かかる相対的な希土類元素の含有率が６５％よりも低い場合、焼結時に液相量が不足するために粒界部分に微細な空孔が生じ、焼結性が低下するものと推測される。一方、かかる相対的な希土類元素の含有率が９０％よりも高い場合、表層部の基体において低温環境下で酸化が進んでクラックが生じ、低温環境下における耐酸化性が低下するものと推測される。

（４）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる少なくとも１種である、ことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータによれば、粒界相の結晶化を促進して、高温環境下での耐酸化性を向上できる。

（５）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記希土類元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）である、ことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータによれば、粒界相の結晶化をより促進して、高温環境下での耐酸化性をより向上できる。加えて、比較的入手し易いイッテルビウム（Ｙｂ）を用いるので、セラミックヒータの製造コストを低く抑えることができる。

（６）上記形態のセラミックヒータにおいて、前記表層部の前記基体における前記希土類元素の含有量は、０．５ａｔｍ％以上１．０５ａｔｍ％以下であってもよい。この形態のセラミックヒータによれば、セラミックヒータの表層部の基体における希土類元素の含有率は０．５ａｔｍ％以上１．０５ａｔｍ％以下であるため、低温環境下での基体の耐酸化性の低下をさらに抑制できる。

本発明は、セラミックヒータ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、グロープラグ、セラミックヒータの製造方法、およびグロープラグの製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのセラミックヒータを適用したグロープラグの構成を示す断面図である。 図１に示すヒータを中心としたグロープラグの部分拡大断面図である。 ヒータの断面図である。 グロープラグの製造手順を示す工程表である。 工程Ｐ１２０の処理内容を模式的に示す説明図である。 工程Ｐ１２５の処理内容を模式的に示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのセラミックヒータを適用したグロープラグの構成を示す断面図である。図１は、グロープラグ１００の軸線Ｃ１を含むグロープラグ１００の断面を示している。なお、後述するセラミックヒータ４（以下、単に「ヒータ４」と呼ぶ）の断面は、図１では模式的に表わされている。グロープラグ１００は、棒状の外観形状を有し、主体金具２と、中軸３と、絶縁部材５と、ピン端子８と、外筒７と、ヒータ４と、電極リング１８とを主に備えている。なお、図１では、グロープラグ１００の軸線Ｃ１と平行にＸ軸が設定され、Ｘ軸と垂直にＹ軸およびＺ軸が設定されている。以降では、グロープラグ１００において軸線Ｃ１に沿ってヒータ４が設けられている側を、「先端側」と呼び、軸線Ｃ１に沿って中軸３が配置されている側を、「後端側」と呼ぶ。

主体金具２は、軸孔９を備えた略円筒状の外観形状を有する金属製の部材である。主体金具２の外周面において、後端側に工具係合部１２が、中央部分に雄ねじ部１１が、それぞれ形成されている。工具係合部１２は、所定の工具と係合可能な外観形状（例えば、六角形状）を有しており、グロープラグ１００が図示しないエンジンのシリンダヘッド等に取り付けられる際に、所定の工具と係合される。雄ねじ部１１は、グロープラグ１００が図示しないエンジンのシリンダヘッドに取り付けられる際に、シリンダヘッドに形成されている雌ネジに螺合する。

中軸３は、金属製の丸棒状の部材であり、後端側の一部が主体金具２の後端から突出するように、主体金具２の軸孔９に収容されている。中軸３の先端側には、電極リング１８の一端が嵌めこまれている。中軸３は、電極リング１８を介してヒータ４と電気的に接続されている。

絶縁部材５は、後端側にフランジ部６を有する筒状の外観形状を有し、絶縁性材料により形成されている。絶縁部材５の先端側は、主体金具２の後端側から軸孔９に嵌め込まれており、フランジ部６は、工具係合部１２の後端面に接している。絶縁部材５の軸孔には、中軸３の後端側の一部が挿入されており、絶縁部材５は、主体金具２の軸線及び中軸３の軸線がいずれもグロープラグ１００の軸線Ｃ１と一致するように中軸３を固定する。フランジ部６の後端面は、ピン端子８の先端面と接している。絶縁部材５は、主体金具２と中軸３との間、および主体金具２とピン端子８との間を電気的に絶縁する。

ピン端子８は、略円筒状の外観形状を有し、フランジ部６と接した状態で、主体金具２の後端から突出した中軸３の後端部を囲むようにかしめられている。このようにピン端子８がかしめられることにより、中軸３と主体金具２との間に嵌合された絶縁部材５が固定され、中軸３からの絶縁部材５の抜けが防止される。

外筒７は、軸孔１０を有する略筒状の外観形状の金属製部材であり、主体金具２の先端側に接合されている。外筒７の後端側には、厚肉部１５及び係合部１６が形成されている。係合部１６は、厚肉部１５よりも後端側に配置され、外周径が厚肉部１５の外周径よりも小さい。係合部１６は、主体金具２の軸孔９に嵌められている。厚肉部１５は、主体金具２の先端側に溶接されており、主体金具２よりも先端側に配置されている。外筒７は、ヒータ４の軸線がグロープラグ１００の軸線Ｃ１と一致するように、軸孔１０においてヒータ４を保持する。なお、外筒７は、請求項における「金属筒体」に相当する。

ヒータ４は、先端が曲面である円柱状の外観形状を有し、外筒７の軸孔１０に嵌め込まれている。ヒータ４の先端側の一部は、外筒７から先端側へ突出しており、グロープラグ１００が図示しないエンジンのシリンダヘッド等に取り付けられた際に図示しない燃焼室内に露出される。ヒータ４の後端側の一部は、外筒７から突出して主体金具２の軸孔９に収容されている。ヒータ４の詳細構成については後述する。ヒータ４は、窒化珪素を主成分とするセラミック系成形材料により成形されている。電極リング１８は、ヒータ４の後端に嵌め込まれている。

図２は、図１に示すヒータを中心としたグロープラグの部分拡大断面図である。なお、図２において図１と同じ構成部には、同じ符号を付してその説明を省略する。ヒータ４は、基体２１及び導電部２２を備えている。基体２１は、絶縁性セラミックにより形成されている。基体２１は、軸線Ｃ１に沿って延設して先端が曲面である略円柱状の外観形状を有する。基体２１の内部には、導電部２２が埋設されている。

導電部２２は、２つの延設部３１，３２と、連結部３３と、２つの電極部２７，２８とを備えている。２つの延設部３１，３２は、それぞれ導電性セラミックからなる棒状の部材であり、基体２１内部に配置されている。２つの延設部３１，３２は、互いに長手方向が平行となるように、また、それぞれの軸線（軸線）Ｃ１１，Ｃ１２がグロープラグ１００の軸線Ｃ１と平行となるように配置されている。また、２つの延設部３１，３２は、３つの軸線Ｃ１，Ｃ１１，Ｃ１２が、１つの仮想平面上に位置するように配置されている。

延設部３１は、先端側に位置する先端側部位３１１と、後端側に位置して先端側部位３１１に連なる後端側部位３１２とからなる。先端側部位３１１の直径は、後端側部位３１２の直径よりも小さい。後端側部位３１２の後端寄りの位置には、電極部２７が配置されている。電極部２７は、後端側部位３１２と一体形成され、外周方向（Ｙ軸方向）に突出して形成されている。電極部２７において、後端側部位３１２に連なる側とは反対側の端部は、基体２１の表面に露出して電極リング１８の内周面に接している。このようにして、電極リング１８と延設部３１とが電気的に接続される。

他方の延設部３２も、延設部３１と同様な構成を有する。すなわち、延設部３２は、先端側部位３２１と後端側部位３２２とからなり、後端側部位３２２の後端寄りの位置に、電極部２８を備える。電極部２８において、後端側部位３２２に連なる側とは反対側の端部は、基体２１の表面に露出して外筒７の内周面に接している。このようにして、外筒７と延設部３２とが電気的に接続される。

連結部３３は、略Ｙ軸方向に延設し、先端側部位３１１の先端および先端側部位３２１の先端に、それぞれ連なる。連結部３３の直径は、先端側部位３１１の直径および先端側部位３２１の直径と略等しい。

上述の延設部３１、延設部３２、および連結部３３からなる導電部２２の構成は、以下のように言い換えることができる。すなわち、導電部２２は、２つの後端側部位３１２，３２２からなる直径の比較的大きな２つのリード部３１２，３２２と、２つの先端側部位３１１，３２１および連結部３３からなる直径が比較的小さな発熱部３５とを備える。以降では、２つのリード部を、２つの後端側部位３１２，３２２の符号を用いて、２つのリード部３１２，３２２とも呼ぶ。

２つのリード部３１２，３２２は、いずれも発熱部３５に連なり、発熱部３５に電流を導く。上述のように発熱部３５の直径は、２つのリード部３１２，３２２の直径に比べて小さいため発熱し易く、例えば、１０００℃以上まで昇温する。ヒータ４は、ピン端子８、中軸３、および電極リング１８を介して供給される電流を、電極部２７、リード部３１２を介して発熱部３５に導き、リード部３２２、電極部２８を介して外筒７、主体金具２へ流すことで、発熱部３５が発熱して昇温する。発熱部３５は、使用時において、例えば１０００℃以上の温度まで昇温する。

後述するように、ヒータ４の製造の際に用いられる、基体２１の基材であるセラミック材料には、希土類元素が含まれている。そのため、完成品の基体２１にも希土類元素が含まれている。本実施形態のヒータ４では、ヒータ４の中心部の基体２１における希土類元素の含有率と、ヒータ４の表層部の基体２１における希土類元素の含有率とは、互いに異なる。以下、その含有率について、図３を用いて説明する。

図３は、ヒータ４の断面図である。図３では、図２におけるＡ−Ａ断面を示す。Ａ−Ａ断面は、軸線Ｃ１と垂直な断面であり、発熱部３５を含む断面である。ヒータ４の断面の外形形状は、略円形である。本実施形態において、ヒータ４の直径は、およそ３ｍｍ（ミリメートル）である。

図３に示す断面には、発熱部３５のうち、２つの先端側部位３１１，３２１が現れている。これら２つの先端側部位３１１，３２１は、ヒータ４の重心ｐ２を挟んで互いに点対称の関係となるように配置されている。

本実施形態のヒータ４では、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における希土類元素の含有率αａは、ヒータ４の表層部Ｓｂの基体２１における希土類元素の含有率αｂよりも高い。また、本実施形態において、含有率αａは、０．６ａｔｍ％（原子基準濃度）以上２．０ａｔｍ％以下である。なお、上記２つの含有率αｂ，αａは、下記式（１）に示す関係が成り立ってもよい。
０．６５≦αｂ／αａ≦０．９ ・・・（１）

また、本実施形態において、含有率αｂは、０．５ａｔｍ％以上１．４ａｔｍ％以下であることが好ましい。含有率αｂが０．５ａｔｍ％以上１．４ａｔｍ％以下であることで、低温環境下における耐酸化性を向上できる。さらには、含有率αｂは、０．５ａｔｍ％以上１．０５ａｔｍ％以下であることが好ましい。

本実施形態において、ヒータ４の中心部Ｓａおよびヒータ４の表層部Ｓｂとは、それぞれ図３に示す、第１領域ＳＡ内に設けられる領域Ａｒ２および第２領域ＳＢ内に設けられる領域Ａｒ１を意味する。領域Ａｒ１と領域Ａｒ２とは、いずれも円形の領域であり、互いに面積が等しい。第１領域ＳＡは、基体２１において延設部３１の先端側部位３１１と延設部３２の先端側部位３２１との間に位置する部位を示す。第２領域ＳＢは、基体２１において第１領域ＳＡを除いた部位を示す。上述の領域Ａｒ１は、自身の全範囲が第２領域ＳＢに含まれればよく、図３に示す位置に限定されない。同様に、上述の領域Ａｒ２は、自身の全範囲が第１領域ＳＡに含まれればよく、図３に示す位置に限定されない。また、２つの領域Ａｒ１，Ａｒ２は、互いに面積が等しければ、その形状は円形に限定されるものではなく、例えば、矩形等の任意の形状であってもよい。２つの領域Ａｒ１，Ａｒ２の面積は、それぞれ１００μｍ^２（平方マイクロメートル）以上であることが好ましい。

本実施形態では、ヒータ４の中心部Ｓａ（領域Ａｒ２）は、第１領域ＳＡのうち、ヒータ４の重心ｐ２を中心とした所定長さｒ１（２５μｍ（マイクロメートル））を半径とする円形の領域である。また、本実施形態では、ヒータ４の表層部Ｓｂ（領域Ａｒ１）は、第２領域ＳＢのうち、ヒータ４の外周表面Ｓｆ１から所定の距離ｄ１だけ内側に位置する点ｐ１を中心とした所定長さｒ１を半径とする円形の領域である。本実施形態において、所定の距離ｄ１は、１００μｍである。

また、本実施形態において、基体２１に含まれる希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる少なくとも１種である。なお、これらの元素のうち、製造コストや安定的に入手できるという観点から、エルビウム（Ｅｒ）およびイッテルビウム（Ｙｂ）が好ましい。更に、耐酸化性の観点からイッテルビウム（Ｙｂ）が更に好ましい。

以下、上記構成を有するグロープラグ１００の製造方法について、図４〜６を用いて説明する。

Ａ２．グロープラグ１００の製造方法：
図４は、グロープラグ１００の製造手順を示す工程表である。まず、導電部２２の成形材料が作製され（工程Ｐ１０５）、基体２１の成形材料が作製される（工程Ｐ１１０）。なお、これら２つの工程Ｐ１０５，Ｐ１１０は、この順序とは逆の順序で実行されてもよい。また、これら２つの工程Ｐ１０５，Ｐ１１０は、同時に実行されてもよい。本実施形態において、導電部２２の成形材料は、セラミック（主に、窒化珪素、タングステンカーバイド、焼結助剤）を主成分とするペレットであり、例えば、セラミックとバインダ等を、ニーダーを用いて混練し、その後ペレット化して作製することができる。また、本実施形態では、バインダは、特に限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレン等の可塑性樹脂、ワックス、分散剤及び可塑剤等を、１種又は２種以上を混合して用いることができる。本実施形態において、焼結助剤は、上述した希土類元素、すなわち、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる希土類酸化物の少なくとも１種を含む。なお、焼結助剤は、希土類酸化物の他、アルミナ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）、酸化タングステン（ＷＯ_３）シリカ（ＳｉＯ_２）等を含んでも良い。

本実施態様において、基体２１の成形材料は、セラミック（主に、窒化珪素および焼結助剤）を主成分とするペレットであり、例えば、セラミックとバインダ等を、ニーダー（混練機）を用いて混練し、その後ペレット化して作製することができる。バインダおよび焼結助剤は、上述した導電部２２の焼結助剤と同様である。ここで、ステップＰ１１０における焼結助剤中の希土類元素の量は、ヒータ４が完成した段階で、ヒータ４の中心部の基体２１における希土類元素の含有率が０．６ａｔｍ％以上となるような含有率に調整されている。このような量は、例えば、実験により求めて設定することができる。

導電部の中間成形体２００を、工程Ｐ１０５で得られた成形材料を用いて射出成形にて作製する（工程Ｐ１１５）。本実施形態において、「導電部の中間成形体２００」とは、後述する脱脂および焼成工程を経て導電部２２となる部材を意味する。なお、射出成形に代えて、粉末プレス成形、および鋳込み成形等の任意の成形方法により、導電部の中間成形体２００を作製してもよい。

工程Ｐ１１５で得られた導電部の中間成形体２００の片面側に、半割り状の基体２１の中間成形体を成形する（工程Ｐ１２０）。導電部の中間成形体２００の他方の面側に、基体２１の中間成形体の残部を形成して、ヒータ４の中間成形体を得る（工程Ｐ１２５）。工程Ｐ１２０，Ｐ１２５では、いずれも工程Ｐ１１０で得られた成形材料を用いた射出成形により実行される。なお、射出成形に代えて、粉末プレス成形、および鋳込み成形等の任意の成形方法により作製してもよい。

図５は、工程Ｐ１２０の処理内容を模式的に示す説明図である。図６は、工程Ｐ１２５の処理内容を模式的に示す説明図である。図５に示すように、工程Ｐ１２０では、まず、導電部の中間成形体２００を下金型４００に形成されたキャビティ４２０内に配置し、導電部の中間成形体２００の上半分を覆うように上金型５００を配置する。導電部２２の中間成形体２００は、導電部２２とほぼ相似形の外観形状を有する。すなわち、導電部の中間成形体２００は、リード部３１２に対応するリード対応部２１２と、リード部３２２に対応するリード対応部２２２と、発熱部３５に対応する発熱対応部２３５と、２つの電極部２７，２８に対応する２つの電極対応部２２７，２２８とを備えている。２つのリード対応部２１２，２２２は、後述する脱脂、焼成、研磨および切断等の工程を経て２つのリード部３１２，３２２となる。同様に、発熱対応部２３５および２つの電極対応部２２７，２２８は、それぞれ、後述する脱脂、焼成、研磨および切断等の工程を経て、発熱部３５および２つの電極部２７，２８になる。また、導電部の中間成形体２００は、後端連結部２５０を備えている。後端連結部２５０は、導電部の中間成形体２００において、発熱対応部３３５とは反対側において、２つのリード対応部２１２，２２２の端部同士を連結する。後端連結部２５０は、２つのリード対応部２１２，２２２の相対的な位置がずれることを抑制して、中間成形体２００の取扱いを容易にするために設けられている。

下金型４００に形成されたキャビティ４２０は、導電部２２の中間成形体２００の下半分が収容可能な形状に形成されている。上金型５００は、下金型４００との合わせ面側が開口した中空の直方体状の外観形状を有する。上金型５００の長手方向の一方の端面Ｓｆ５には、成形材料を上金型５００の内部に充填するための射出孔が設けられている。上述のように導電部の中間成形体２００、下金型４００、および上金型５００を配置した後、上金型５００内に工程Ｐ１１０で得られた成形材料を射出して、半割り状の基体２１の中間成形体を、導電部の中間成形体２００の片側面側（図５における上方面側）に成形する。このようにして、図６に示す中間成形体７００が得られる。

工程Ｐ１２５では、工程Ｐ１２０で得られた中間成形体７００を、上下反転させて図６に示す姿勢として新たな下金型６００のキャビティ６２０内に配置する。次に、中間成形体７００の上半分を覆うように上金型５００を配置する。下金型６００に形成されたキャビティ６２０は、中間成形体７００における半割り状の基体２１の中間成形体の部分がちょうど収容可能な形状に形成されている。この上金型５００は、図５に示す上金型５００と同じである。上述のように中間成形体７００、下金型６００、および上金型５００を配置した後、上金型５００内に工程Ｐ１１０で得られた成形材料を射出して、中間成形体７００の上半分に基体２１の中間成形体の残部を形成する。このようにして、ヒータ４の中間成形体が得られる。本実施形態において、「ヒータ４の中間成形体」とは、後述する脱脂、焼成、研磨および切断等の工程を経てヒータ４となる部材を意味する。

図４に示すように、工程Ｐ１２５においてヒータ４の中間成形体が得られると、ヒータ４の中間成形体の脱脂が実行される（工程Ｐ１３０）。ヒータ４の中間成形体には、バインダが含まれているので、加熱（仮焼成）することにより、かかるバインダが取り除かれる。例えば、ヒータ４の中間形成体を、窒素雰囲気中にて８００℃で６０分加熱してもよい。工程Ｐ１３０の後、本焼成が実行される（工程Ｐ１３５）。かかる本焼成では、工程Ｐ１３０のいわゆる仮焼成に比べて、高温で加熱が行なわれる。例えば、最高１８５０℃程度まで昇温されるように加熱される。また、本焼成では、１気圧以下で焼成を行うとともに、１気圧以上７気圧以下の窒素雰囲気下で焼成を行なってもよい。

ここで、本実施形態では、この本焼成（工程Ｐ１３５）においてヒータ４（ヒータ４の中間成形体）の表層部Ｓｂから希土類元素を揮発させることにより、中心部Ｓａにおける希土類元素の含有率αａが表層部Ｓｂにおける希土類元素の含有率αｂよりも高くなるように調整している。このように中心部Ｓａにおける含有率αａが表層部Ｓｂにおける含有率αｂよりも高くなるように表層部Ｓｂから希土類元素を揮発させるための焼成条件は、実験により求めることができる。例えば、最高温度、その最高温度を維持する時間、窒素ガスを導入した後における最高温度に達した際の炉内圧力、その窒素ガスの導入温度の維持時間などの焼成条件を適宜調整してヒータ４を作製し、かかるヒータ４の表層部Ｓｂおよび中心部Ｓａの希土類元素の含有率を測定する。このようにして、焼成条件の調整および希土類元素の含有率の測定を繰り返し実行して、上記式（１）を満たす焼成条件を特定することができる。

本焼成の後、研磨加工及び切断加工が実行される（工程Ｐ１４０）。研磨加工により、電極部２７，２８が基体２１の表面から露出する。また、切断加工により、工程Ｐ１３５により得られた焼成体の後端部、すなわち、後端連結部２５０に相当する部分が取り除かれる。上述した工程Ｐ１０５〜Ｐ１４０により、ヒータ４が完成する。その後、図１に示すグロープラグ１００の各構成部が組みつけられ（工程Ｐ１４５）、グロープラグ１００が完成する。なお、主体金具２等の各構成部の製造方法としては、公知の方法を採用できる。上述の工程Ｐ１０５〜Ｐ１４０は、ヒータ４の製造方法に相当する。

以上説明した本実施形態のヒータ４によれば、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における希土類元素の含有率αａは、ヒータ４の表層部Ｓｂの基体２１における希土類元素の含有率αｂに比べて高い。加えて、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における希土類元素の含有率αａは０．６ａｔｍ％以上である。そのため、焼成時に十分な液相を供給でき、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における焼結性を向上できる。また、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における希土類元素の含有率αａは２．０ａｔｍ％以下であるので、低温環境下における基体２１の耐酸化性の低下を抑制できる。他方、表層部Ｓｂの基体２１における希土類元素の含有率αｂは相対的に低いので、低温環境下における表層部Ｓｂの耐酸化性の低下を抑制できる。基体２１における表層部Ｓｂの耐酸化性は基体２１全体の耐酸化性に大きな影響を与えるため、本実施形態のヒータ４によれば、基体２１全体の耐酸化性を向上できる。したがって、上記実施形態のヒータ４によれば、基体２１の耐酸化性の向上と焼結性の向上とを両立できる。また、焼結助剤に用いられる希土類元素として、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる少なくとも１種であるので、粒界相の結晶化を促進して、高温環境下での耐酸化性を向上できる。

Ｂ．実施例：
上述した実施形態のヒータ４と同一または同様なヒータを試料として作製し、これら試料について、耐酸化性試験および焼結性試験を行なった。耐酸化性試験では、１３００℃（高温環境）での耐酸化性と、８００℃（低温環境）での耐酸化性とを評価した。下記表１は、耐酸化性試験および焼結性試験の試験結果を示す。なお、表１では、耐酸化性および焼結性試験の結果（評価結果）に加えて、各試料についての希土類種別と、中心部Ｓａの希土類元素の含有率αａと、表層部Ｓｂの希土類元素の含有率αｂと、これら含有率の割合αａ／αｂとが記載されている。

Ｂ１．１３００℃耐酸化性試験：
１３００℃耐酸化性試験では、まず、上述した実施形態のヒータ４と同様な９つのヒータ（試料１〜９）を作製した。なお、試料１〜９のうち、試料７における希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）であり、他の試料１〜７，８，９における希土類元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）であった。また、試料１〜９の焼成条件をそれぞれ異ならせることで、試料１〜９の含有率αａ，αｂの組み合わせを互いに異ならせた。

なお、これら９つ試料１〜９は、電極部２７，２８を有していない点において、上述した実施形態のヒータ４と異なる。その他の構成および製造方法は、上述した実施形態のヒータ４と同じである。電極部２７，２８が存在する場合、ヒータ４の外周表面Ｓｆ１に露出する電極部２７，２８から酸化が進んで導電部２２が酸化し、基体２１の耐酸化性を正確に特定できない。このため、試料１〜９を、電極部２７，２８を省略して作製した。次に、作製した試料１〜９の重量および表面積を測定した。次に、試料１〜９を、所定の温度で所定期間加熱した。具体的には、１３００℃で５０時間加熱した。その後、加熱後の試料１〜９の重量を測定した。そして、加熱前後における単位面積当たりの重量の変化量に応じて耐酸化性を評価した。具体的には、単位面積当たりの重量の変化量が少ないほど耐酸化性が高いと評価し、変化量が多いほど耐酸化性が低いと評価した。窒化珪素の酸化が進むと基体２１における単位面積当たりの重量は増加する。したがって、加熱前後における重量の変化が多いということは、窒化珪素の酸化がより進んでいることを意味し、それは、基体の耐酸化性が低いことを示す。上記表１では、単位面積当たりの重量の変化が０．２０ｇ／ｃｍ^２以下である場合に、「○（最も高い）」と評価し、０．２０ｇ／ｃｍ^２よりも大きく０．２８ｇ／ｃｍ２以下である場合に、「△（２番目に高い）」と評価し、０．２８ｇ／ｃｍ^２よりも大きい場合に、「×（最も低い）」と評価した。

また、比較例としてのヒータ４を３種類（試料１０〜１２）作製し、これら試料１０〜１２についても耐酸化性試験および焼結性試験を実行し、各性能について評価した。比較例の試料１０は、中心部Ｓａの希土類元素の含有率αａが０．６ａｔｍ％以上ではない点において、上述した実施形態のヒータ４と異なる。比較例の試料１１は、中心部Ｓａの希土類元素の含有率αａが２．０ａｔｍ％以下ではない点において、上述した実施形態のヒータ４と異なる。比較例の試料１２は、中心部Ｓａの希土類元素の含有率αａが、表層部Ｓｂの希土類元素の含有率αｂよりも低い点において、上述した実施形態のヒータ４と異なる。

１３００℃耐酸化性試験の評価結果では、試料１〜９のうち、試料７，８を除く他の試料１〜６，９において、最も高い「○」の評価となった。また、試料７，８については、２番目に高い「△」であった。このように試料１〜９について比較的高い評価となったのは、ヒータ４の中心部Ｓａの基体２１における希土類元素の含有率αａが０．６ａｔｍ％以上であったためである。なお、比較例の試料１１，１２についても、中心部Ｓａの含有率αａが０．６ａｔｍ％以上であるため耐酸化性評価は「○」であったものと推測される。これに対して、比較例の試料１０については、中心部Ｓａの含有率αａが０．６ａｔｍ％未満である。したがって、中心部Ｓａの希土類元素（Ｙｂ）が少量であるため、高温環境下での耐酸化性評価が「×」になったものと推測される。

ここで、試料３と試料７とに着目すると、２つの試料は、希土類種別において異なり、含有率αａ，αｂは、互いに等しい。耐酸化性の評価結果は、試料３が「○」であるのに対して、試料６が「△」であった。かかる評価結果から、焼結助剤に含有する希土類元素としては、エルビウム（Ｅｒ）よりもイッテルビウム（Ｙｂ）が、高温環境下での耐酸化性の観点で好ましいことが理解できる。

なお、各試料１〜１２の中心部Ｓａの希土類元素の含有率αａと、表層部Ｓｂの希土類元素の含有率αｂとは、以下のように測定した。すなわち、各試料を作成する際の焼成条件をそれぞれ同じにした１２種類のヒータを、各試料１〜１２とは別に作製し、これら１２種類の試料を、それぞれ発熱部３５において軸線Ｃ１と垂直に切断し、現れた断面における中心部Ｓａおよび表層部Ｓｂについて、それぞれ電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて希土類元素の含有率を測定した。なお、ＥＰＭＡに代えて、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により希土類元素の含有率を測定してもよい。

Ｂ２．８００℃耐酸化性試験：
８００℃耐酸化性試験では、上記１３００℃耐酸化性試験に用いた試料１〜１２と同様な１２種類（１２個）のヒータ（試料１〜１２）を作製した。次に、試料１〜１２を、所定の温度で所定期間加熱した。具体的には、８００℃で５０時間加熱した。その後、加熱後の試料１〜１２の断面を観察し、耐酸化性を評価した。具体的には、表面からの酸化の進行が少ないほど耐酸化性が高いと評価し、酸化の進行が多いほど耐酸化性が低いと評価した。上記表１では、酸化の進行が表面から２０μｍ未満である場合に「◎（最も高い）」と評価し、酸化の進行が表面から２０μｍ以上３０μｍ未満である場合に「○（２番目に高い）」と評価し、酸化の試行が表面から３０μｍ以上５０μｍ未満である場合に「△（３番目に高い）」と評価し、酸化の進行が表面から５０μｍ以上である場合に、「×（最も低い）」と評価した。

８００℃耐酸化性試験の評価結果では、試料１〜９のうち、試料１〜４，６〜８において、最も高い「◎」の評価となった。また、試料５については、２番目に高い「○」であった。また、試料９については、３番目に高い「△」であった。このように試料１〜９について比較的高い評価となったのは、表層部Ｓｂの基体２１における希土類元素の含有率αｂを相対的に低減させ、低温環境下での耐酸化性の低下を抑制できたためであると推測される。なお、比較例の試料１０についても、中心部Ｓａの含有率αａが表層部Ｓｂの含有率αｂよりも高いので、上記と同じ理由により、耐酸化性評価は「○」であったものと推測される。これに対して、比較例の試料１２については、中心部Ｓａの含有率αａが表層部Ｓｂの含有率αｂよりも低い。したがって、表層部Ｓｂに希土類元素（Ｙｂ）が多量に存在するために、比較的低い温度環境下において表層部Ｓｂの酸化が進み、耐酸化性評価が「×」になったものと推測される。

また、比較例の試料１１については、中心部Ｓａの含有率αａが表層部Ｓｂの含有率αｂよりも高いものの、中心部Ｓａの含有率αａが２．０ａｔｍ％を超えている。したがって、中心部Ｓａに希土類元素（Ｙｂ）が多量に存在するために、比較的低い温度環境下において酸化が進み、耐酸化性評価が「×」になったものと推測される。

ここで、試料１〜６に着目すると、表層部Ｓｂの含有率αｂが１．０５ａｔｍ％以下の試料１〜４，６は、耐酸化性評価が「◎」であるのに対して、表層部Ｓｂの含有率αｂが１．３の試料５は、耐酸化性試験が「○」であった。かかる評価結果から、表層部Ｓｂの含有率αｂは、０．５ａｔｍ％以上１．０５ａｔｍ％以下であることが好ましい。

Ｂ３．焼結性試験：
焼結性試験では、まず、上述した実施形態のヒータ４の製造方法に従って９つのヒータを作製した。また、上述の耐酸化性試験の比較例と同様な３つのヒータを作製した。これら合計１２個のヒータは、電極部２７，２８を含んでいる点において、上述した耐酸化性試験の１２個の試料１〜１２と異なり、その他の構成、および焼成条件を含む製造方法は、上述した試料１〜１２と同じである。なお、上述のように、中心部Ｓａの含有率αａが表層部Ｓｂの含有率αｂよりも高くなるように調整するためには、焼成条件の調整が重要なポイントとなり、導電部２２を含むか否かは大きな影響を与えない。そこで、焼結性試験において、上述の試料１〜１２に対応する試料についても、試料１〜１２と呼ぶものとする。次に、１２個の試料１〜１２について、相対密度を測定した。本実施例では、アルキメデス法により密度測定を行い、かかる測定値と理論密度値とから相対密度を求めた。そして、相対密度が高いほど焼結性が高いと判断した。相対密度が高いほど、粒界部分に生じる空孔が少ないことが推測され、したがって焼結性（焼き締められた状態となる性質）が高いと評価できる。なお、本実施例では、本焼成における最高焼成温度は１８５０℃以下であり、そのときの炉内の圧力は７ａｔｍ以下であるものとした。上記表１では、相対密度が９８％以上である場合に「○（最も高い）」と評価し、９７％以上９８％未満である場合に「△（２番目に高い）」と評価し、９７％未満である場合に「×（最も低い）」と評価した。

焼結性試験の評価結果では、試料１〜１２のうち、試料８，１０を除く他の試料１〜７，９，１１，１２において、最も高い「○」の評価となった。また、試料８については、２番目に高い「△」であった。このように試料１〜９について比較的高い評価となったのは、中心部Ｓａにおける希土類元素の含有率αａがいずれも０．６ａｔｍ％以上と比較的高いためであると推測される。比較例の試料１１，１２についても、中心部Ｓａにおける希土類元素の含有率αａが０．６ａｔｍ％以上と比較的高いために、焼結性評価は「○」であったものと推測される。これに対して、比較例の試料１０については、中心部Ｓａにおける希土類元素の含有率αａが０．５０ａｔｍ％と比較的低いために、焼結性評価が「×」になったものと推測される。

ここで、試料８の含有率の比（αｂ／αａ）は、６０．０％であり、他の試料１〜６の含有率の比に比べて小さい。含有率の比が６０．０％と比較的低い場合、焼結時に液相量が不足するために粒界部分に微細な空孔が生じ、焼結性が低下するものと推測される。このような、試料１〜６と、試料７，８との比較からも理解できるように、２つの含有率の比（αｂ／αａ）が上記式（１）を満たすことで、焼結性を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態および実施例において、２つの含有率αａ，αｂを規定する際の中心部Ｓａおよび表層部Ｓｂは、発熱部３５のうち、２つの先端側部位３１１，３２１が現れる断面における中心部Ｓａおよび表層部Ｓｂであったが、本発明はこれに限定されない。２つの先端側部位３１１，３２１に代えて、２つの後端側部位３１２，３２２が現れる断面における中心部および表層部であってもよい。すなわち、一般には、２つの延設部３１，３２が現れる断面における中心部Ｓａおよび表層部Ｓｂにより、２つの含有率αａ，αｂを規定してもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施形態および実施例において、各延設部３１，３２は、それぞれ単一の部材（中間成形体）から形成されていたが、本発明はこれに限定されない。各延設部を複数種類の部材により構成してもよい。例えば、延設部３１において、先端側部位３１１に相当する部材と、後端側部位３１２に相当する部材とを、互いに異なる種類の部材で構成してもよい。この構成では、例えば、先端側部位３１１に相当する部材におけるタングステンカーバイドの含有率を、後端側部位３１２に相当する部材におけるタングステンカーバイドの含有率よりも低くして、先端側部位３１１の比抵抗をより大きくして発熱し易くすることもできる。かかかる構成においては、先端側部位３１１に相当する部材と後端側部位３１２に相当する部材との境界から連結部３３までの間は、請求項における先端側部位の下位概念に相当する。

Ｃ３．変形例３：
上記実施形態および実施例において、ヒータ４の中心部Ｓａは、ヒータ４の重心ｐ２を中心とした所定長さｒ１を半径とする円形の領域Ａｒ２であったが、本発明はこれに限定されない。ヒータ４の重心を中心とする矩形などの任意の形状の領域であってもよい。また、ヒータ４の重心を中心としない、第１領域ＳＡ内の任意の位置の領域であってもよい。

また、上記実施形態および実施例において、ヒータ４の表層部Ｓｂは、ヒータ４の外周表面Ｓｆ１から所定の距離ｄ１だけ内側に位置する点ｐ１を中心とした所定長さｒ１を半径とする円形の領域Ａｒ１であったが、本発明はこれに限定されない。外周表面Ｓｆ１から所定の距離だけ内側に入った点の集合である円周と、外周表面Ｓｆ１との間の領域であってもよい。また、外周表面Ｓｆ１を含んだ領域としてもよい。さらには、第２領域ＳＢ内の任意の位置の領域であってもよい。

Ｃ４．変形例４：
上記実施形態および実施例では、導電部２２の成形材料における導電性材料は、タングステンカーバイドであったが、これに代えて、珪化モリブデンや珪化タングステン等の、任意の導電性材料を用いることができる。

Ｃ５．変形例５：
上記実施形態では、ヒータ４は、グロープラグ１００に用いられるセラミックヒータであったが、グロープラグ１００に代えて、バーナーの着火用のヒータ、ガスセンサの加熱用ヒータ、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）に使用されるセラミックヒータであってもよい。

本発明は、上述の実施形態、実施例および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本実施形態、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。

２…主体金具
３…中軸
４…ヒータ
５…絶縁部材
６…フランジ部
７…外筒
８…ピン端子
９，１０…軸孔
１１…雄ねじ部
１２…工具係合部
１５…厚肉部
１６…係合部
１８…電極リング
２１…基体
２２…導電体
２７，２８…電極部
３１，３２…延設部
３３…連結部
３５…発熱部
１００…グロープラグ
２００…中間成形体
２１２，２２２…リード対応部
２２７…電極対応部
２３５…発熱対応部
２５０…後端連結部
３１１…先端側部位
３１２…後端側部位（リード部）
３２１…先端側部位
３２２…後端側部位（リード部）
３３５…発熱対応部
４００…下金型
４２０…キャビティ
５００…上金型
６００…下金型
６２０…キャビティ
７００…中間成形体
Ａｒ１，Ａｒ２…領域
Ｃ１，Ｃ１１，Ｃ１２…軸線
Ｓａ…中心部
Ｓｂ…表層部
Ｓｆ１…外周表面
Ｓｆ５…端面
ｄ１…距離
ｐ１…点
ｐ２…重心

Claims (6)

1. 窒化珪素を主成分として希土類元素をさらに含有し軸線方向に延設された基体と、前記基体の内部に埋設され、互いに前記軸線方向に沿って延設された２つの延設部及び前記２つの延設部の先端部同士を接続する連結部を含む導電部と、を備えるセラミックヒータであって、
   前記軸線方向と直交し前記２つの延設部が現われる断面において、前記セラミックヒータの中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記セラミックヒータの表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率に比べて高く、
   前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、０．６ａｔｍ％以上２．０ａｔｍ％以下であり、
   前記表層部の前記基体における前記希土類元素の含有率は、前記中心部の前記基体における前記希土類元素の含有率の６５％以上９０％以下である、
   ことを特徴とする、セラミックヒータ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記導電部は、各前記延設部における先端側部位と前記連結部とにより形成された発熱部と、該発熱部に連なり各前記延設部における後端側部位によりそれぞれ形成された２つのリード部と、を有し、
   前記断面は、前記発熱部が現れる断面である、
   ことを特徴とする、セラミックヒータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる少なくとも１種である、
   ことを特徴とする、セラミックヒータ。
4. 請求項３に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記希土類元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）である、
   ことを特徴とする、セラミックヒータ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のセラミックヒータにおいて、
   前記表層部の前記基体における前記希土類元素の含有量は、０．５ａｔｍ％以上１．０５ａｔｍ％以下である、
   ことを特徴とする、セラミックヒータ。
6. セラミックヒータと、該セラミックヒータを保持する金属筒体とを備えるグロープラグであって、
   前記セラミックヒータが、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のセラミックヒータである、
   ことを特徴とする、グロープラグ。

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