(57)【要約】【課題】強度及び耐久性が向上したセラミックヒータ又はグロープラグを提供する。【解決手段】絶縁性セラミックの基体１１０と、基体１１０に埋設される導電性セラミックの発熱抵抗体１２０とを有するセラミックヒータ４０である。導電性セラミックは、炭化タングステンと窒化珪素とを主成分としている。絶縁性セラミックは、窒化珪素の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物とを有する。基体１１０におけるＸ線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｘとし、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｙとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が０．０５以上０．４以下である。【選択図】図２
2019021501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性セラミックの基体と、前記基体に埋設される導電性セラミックの発熱抵抗体とを有するセラミックヒータであって、
前記導電性セラミックは、炭化タングステンと窒化珪素とを主成分としており、
前記絶縁性セラミックは、窒化珪素の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物とを有し、
前記基体におけるＸ線回折チャートにおいて、前記窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｘとし、前記Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｙとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が０．０５以上０．４以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記基体におけるＸ線回折チャートにおいて、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｚとしたとき、前記ピーク強度Ｘと前記ピーク強度Ｚの比率であるピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘが０．０５以下であ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。
【請求項３】
前記絶縁性セラミックに含まれるＷ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＭｏＳｉ２からなる群より選択される１種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体の平均円相当径が０．０５μｍ以上０．９０μｍ以下であ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。
【請求項４】
前記粒界相に、さらにＥｒ２Ｓｉ２Ｏ７及び／又はＹｂ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックヒータと、
前記セラミックヒータの後端部を内部に保持する筒状の主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミックヒータ、及びグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、グロープラグなどに用いられるセラミックヒータとして、導電性セラミックからなる発熱抵抗体が、絶縁性セラミックからなる基体中に埋設されて保持された構成が知られている。
このようなセラミックヒータは、一般的に、発熱抵抗体を構成する素材の方が、基体を構成する素材よりも熱膨張係数が大きい傾向にある。両者間における熱膨張係数の相違が大きい場合には、例えば高温状態から冷却状態に至る過程で熱収縮量が大きく相違することとなり、熱応力に起因して基体又は発熱抵抗体に亀裂が生じてしまう等のおそれがある。
そこで、特許文献１では、基体の熱膨張係数を発熱体の熱膨張係数に近づけるべく、基体を構成する素材に、より熱膨張係数の大きい金属珪化物を含ませることが検討されている。具体的には、ＷＳｉ２等の金属珪化物を基体に含有させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基体の熱膨張係数と発熱体の熱膨張係数とは近づくものの、基体を構成する絶縁性セラミックの主成分である窒化珪素と、窒化珪素の粒界相に存在するＷＳｉ２等との熱膨張差が大きくなり、その結果、粒界を起点にして熱応力に起因して亀裂が生じてしまうことがあった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、珪化物の種類及び量を調整してセラミックヒータの耐久性を向上させることを目的とするものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）絶縁性セラミックの基体と、前記基体に埋設される導電性セラミックの発熱抵抗体とを有するセラミックヒータであって、
前記導電性セラミックは、炭化タングステンと窒化珪素とを主成分としており、
前記絶縁性セラミックは、窒化珪素の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物とを有し、
前記基体におけるＸ線回折チャートにおいて、前記窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｘとし、前記Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｙとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が０．０５以上０．４以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【０００６】
この構成のセラミックヒータでは、基体にＷ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３が所定の量含まれているから、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、セラミックヒータの耐久性が向上する。
【０００７】
（２）前記基体におけるＸ線回折チャートにおいて、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｚとしたとき、前記ピーク強度Ｘと前記ピーク強度Ｚの比率であるピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘが０．０５以下であることを特徴とする（１）に記載のセラミックヒータ。
【０００８】
この構成のセラミックヒータでは、基体中に含まれるＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２が少量となり、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２によって粒界が過剰に押し広げられて破壊の起点となることが抑制される。よって、セラミックヒータの強度及び耐久性が向上する。
【０００９】
（３）前記絶縁性セラミックに含まれるＷ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＭｏＳｉ２からなる群より選択される１種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体の平均円相当径が０．０５μｍ以上０．９０μｍ以下であることを特徴とする（１）に記載のセラミックヒータ。
【００１０】
この構成のセラミックヒータでは、セラミックヒータの室温及び高温の機械的特性を維持しつつ、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違を小さくして、耐久性を向上することができる。
【００１１】
（４）前記粒界相に、さらにＥｒ２Ｓｉ２Ｏ７及び／又はＹｂ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
【００１２】
この構成のセラミックヒータでは、粒界の耐熱性が向上して、高温におけるセラミックヒータの軟化が抑制され、高温下での強度向上が図られる。
【００１３】
（５）（１）乃至（４）のいずれか１項に記載のセラミックヒータと、前記セラミックヒータの後端部を内部に保持する筒状の主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。
【００１４】
この構成のグロープラグでは、用いられるセラミックヒータの基体に、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３が所定の量含まれているから、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、グロープラグとしての耐久性が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、強度及び耐久性が向上したセラミックヒータ又はグロープラグを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】グロープラグの一例を示す断面概略図である。
【図２】図１で示すグロープラグのうち、セラミックヒータを含む部分を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】図３は、図２で示すセラミックヒータの一部を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、セラミックヒータの製造方法の一例を説明する説明図である。図４（Ｂ）は、セラミックヒータの製造過程で成形された成形体を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ１．グロープラグの構成
図１は、第１実施形態のグロープラグの一例を示す概略図である。図２は、図１で示すグロープラグ１のうちのセラミックヒータ４０を含む部分を示す拡大断面図である。図１、図２において図示されたラインＣＬは、グロープラグ１の中心軸を示している。図１、図２において図示された断面は、中心軸ＣＬを含む断面である。
【００１８】
以下、中心軸ＣＬのことを「軸線ＣＬ」とも呼び、中心軸ＣＬと平行な方向を「軸線方向」とも呼ぶ。中心軸ＣＬを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、中心軸ＣＬを中心とする円の円周方向を「周方向」とも呼ぶ。中心軸ＣＬと平行な方向のうち、図１における下方向を第１方向Ｄ１と呼ぶ。第１方向Ｄ１は、後述する端子部材８０からセラミックヒータ４０に向かう方向である。図中の第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３とは、互いに垂直な方向であり、いずれも、第１方向Ｄ１と垂直な方向である。以下、第１方向Ｄ１を、先端方向Ｄ１とも呼び、第１方向Ｄ１の反対方向を、後端方向Ｄ１ｒとも呼ぶ。また、図１における先端方向Ｄ１側をグロープラグ１の先端側と呼び、図１における後端方向Ｄ１ｒ側をグロープラグ１の後端側と呼ぶ。
【００１９】
図１のように、グロープラグ１は、主体金具２０と、中軸３０と、セラミックヒータ４０と、Ｏリング５０と、絶縁部材６０と、金属外筒７０（以下、単に「外筒７０」とも呼ぶ）と、端子部材８０と、接続部材９０と、を含む。
【００２０】
主体金具２０は、中心軸ＣＬに沿って延びる貫通孔２０Ａを有する筒状の部材である。主体金具２０は、後端方向Ｄ１ｒ側の端部に形成された工具係合部２８と、工具係合部２８よりも先端方向Ｄ１側に設けられた雄ネジ部２２と、を含む。工具係合部２８は、グロープラグ１の脱着時に、図示しない工具と係合する部分である。雄ネジ部２２は、図示しない内燃機関の取付孔に形成された雌ネジに螺合するためのネジ山を含んでいる。主体金具２０は、導電性材料（例えば、炭素鋼等の金属）で形成されている。
【００２１】
主体金具２０の貫通孔２０Ａには、中軸３０が収容されている。中軸３０は、丸棒状の部材である。中軸３０は、導電性材料（例えば、ステンレス鋼）で形成されている。中軸３０の後端方向Ｄ１ｒ側の端部である後端部３９は、主体金具２０の後端方向Ｄ１ｒ側の開口部２０Ｂから後端方向Ｄ１ｒに向かって突出している。
【００２２】
開口部２０Ｂの近傍において、中軸３０の外面と、主体金具２０の貫通孔２０Ａの内面と、の間には、Ｏリング５０が設けられている。Ｏリング５０は、弾性材料（例えば、ゴム）で形成されている。主体金具２０の開口部２０Ｂには、リング状の絶縁部材６０が装着されている。絶縁部材６０は、筒状部６２と、筒状部６２の後端方向Ｄ１ｒ側に設けられたフランジ部６８と、を含む。筒状部６２は、中軸３０の外面と、主体金具２０の開口部２０Ｂを形成する部分の内面と、の間に挟まれている。絶縁部材６０は、例えば、樹脂によって形成されている。主体金具２０は、これらＯリング５０及び絶縁部材６０を介して、中軸３０を支持している。
【００２３】
絶縁部材６０の後端方向Ｄ１ｒ側には、端子部材８０が配置されている。端子部材８０は、キャップ状の部材であり、導電性材料（例えば、ニッケル等の金属）で形成されている。端子部材８０と主体金具２０との間には、絶縁部材６０のフランジ部６８が挟まれている。端子部材８０には、中軸３０の後端部３９が挿入されている。端子部材８０が加締められることによって、端子部材８０が後端部３９に固定されている。このような構造により、端子部材８０と中軸３０とが電気的に接続されている。
【００２４】
主体金具２０の先端方向Ｄ１側の開口部２０Ｃには、外筒７０が固定されている。外筒７０は、例えば、圧入や溶接などによって開口部２０Ｃに固定されている。外筒７０は、中心軸ＣＬに沿って延びる貫通孔７０Ａを有する筒状の部材である。外筒７０は、導電性材料（例えば、ステンレス鋼）で形成されている。
【００２５】
外筒７０の貫通孔７０Ａには、通電によって発熱するセラミックヒータ４０が挿入されている。セラミックヒータ４０は、中心軸ＣＬに沿って延びるように配置された棒状の部材である。外筒７０は、セラミックヒータ４０の先端部４１が露出した状態で、セラミックヒータ４０の中央部分の外周面を、保持している。セラミックヒータ４０の後端部４９は、主体金具２０の貫通孔２０Ａに収容されている。
【００２６】
セラミックヒータ４０の後端部４９には、接続部材９０が固定されている。接続部材９０は、中心軸ＣＬに沿って延びる貫通孔を有する円筒状の部材であり、導電性材料（例えば、ステンレス鋼）で形成されている。接続部材９０の先端方向Ｄ１側には、セラミックヒータ４０の後端部４９が圧入されている。接続部材９０の後端方向Ｄ１ｒ側には、中軸３０の先端方向Ｄ１側の端部である先端部３１が圧入されている。このような構造により、中軸３０と接続部材９０とが電気的に接続されている。
【００２７】
Ａ２．セラミックヒータ４０の構成
次に、図２、図３などを参照し、セラミックヒータ４０について説明する。図２、図３では、第１態様のセラミックヒータ４０の詳細を説明する。図２は、外筒７０、接続部材９０、セラミックヒータ４０などの、より詳細な断面図を示すものである。図３は、図２で示す断面図の一部を更に拡大した断面拡大図を示すものである。
【００２８】
図２のように、セラミックヒータ４０は、後端側から先端側へ軸線方向に沿って延びる丸棒状の基体１１０と、基体１１０の内部に埋設された略Ｕ字状の発熱抵抗体１２０（以下、単に「抵抗体１２０」と呼ぶ）とを含む。セラミックヒータ４０は、材料を焼成することによって、形成される。
【００２９】
基体１１０は、絶縁性セラミックで形成されている。絶縁性セラミックは、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物とを有している。
希土類元素化合物における希土類元素は、特に限定されないが、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｅｒ（エルビウム）から選ばれ、好ましくは、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）が選ばれる。希土類元素は、焼結助剤としての酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）等に由来している。なお、希土類元素化合物としては、例えば、Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７、Ｙｂ２Ｓｉ２Ｏ７、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７が挙げられ、Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７及び／又はＹｂ２Ｓｉ２Ｏ７が特に好ましい。Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７及び／又はＹｂ２Ｓｉ２Ｏ７を粒界相に有するセラミックヒータ４０では、粒界の耐熱性が向上して、高温におけるセラミックヒータ４０の軟化が抑制され、高温下での強度向上が図られる。
【００３０】
基体１１０における希土類元素の成分割合は、特には限定されないが、基体全体を１００質量％とした場合に、好ましくは５．５〜１１．５質量％である。希土類元素の成分割合をこの範囲とすると、セラミックヒータ４０の室温強度、高温強度、耐久性等の特性が良好となるからである。
基体１１０におけるＷ（タングステン）又はＭｏ（モリブデン）の成分割合は、特には限定されないが、基体全体を１００質量％とした場合に、好ましくは０．８〜７．５質量％である。Ｗ又はＭｏの成分割合をこの範囲とすると、セラミックヒータ４０の室温強度、高温強度、耐久性等の特性が良好となるからである。Ｗ又はＭｏの成分は、焼結助剤としての酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）に由来している。
なお、各成分割合については、セラミックヒータ（焼結体）４０を切断して、断面を表面研磨し、電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、定量される金属換算値である。
【００３１】
本実施形態では、基体１１０におけるＸ線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｘとし、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｙとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が０．０５以上０．４以下である。ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値がこの範囲であると、基体１１０にＷ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３が所定の量含まれることになって、基体１１０と抵抗体１２０との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体１１０の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、セラミックヒータ４０の耐久性が向上する。
ここで、ピーク強度Ｘ、Ｙについて説明する。ピーク強度Ｘは、窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度である。具体的には、２θ＝３３．６°付近のピーク強度をピーク強度Ｘとしている。
一方、ピーク強度Ｙは、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面におけるピーク強度である。Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶の（４１１）面は、ともに２θ＝４２．７°付近でピークを有している。すなわち、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３の結晶のいずれの（４１１）面も、共に同じ空間群Ｉ４／ｍｃｍであり、格子定数もほぼ変わらないため、ピークを分離できない。本実施形態では、この４２．７°付近のピーク強度をピーク強度Ｙとしている。
なお、本実施形態における各ピークは、Ｘ線源をＣｕＫα１とし、波長１．５４６０Åとした場合のピークを用いている。以下、同様である。
【００３２】
本実施形態では、基体１１０におけるＸ線回折チャートにおいて、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２の結晶の（１０１）面におけるピーク強度をピーク強度Ｚとしたとき、ピーク強度Ｘとピーク強度Ｚの比率であるピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘは特に限定されないが、好ましくは０．０５以下である。
ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘの値がこの範囲であると、基体１１０中に含まれるＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２が少量となり、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２によって粒界が過剰に押し広げられて破壊の起点となることが抑制される。よって、セラミックヒータ４０の強度及び耐久性が向上する。
ここで、ピーク強度Ｚについて説明する。ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２の結晶の（１０１）面は、ともに２θ＝３０．１°付近でピークを有している。すなわち、ＷＳｉ２又はＭｏＳｉ２の結晶のいずれの（１０１）面も、共に同じ空間群Ｉ４／ｍｍｍであり、格子定数もほぼ変わらないため、ピークを分離できない。本実施形態では、この３０．１°付近のピーク強度をピーク強度Ｚとしている。
【００３３】
本実施形態では、基体１１０に含まれるＷ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＭｏＳｉ２からなる群より選択される１種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体の平均円相当径は、特に限定されないが、好ましくは０．０５μｍ以上０．９０μｍ以下である。粒子、又は凝集体の平均円相当径がこの範囲であると、セラミックヒータ４０の室温及び高温の機械的特性を維持しつつ、基体１１０と抵抗体１２０との熱膨張係数の相違を小さくして、耐久性を向上することができる。
ここで、平均円相当径の測定方法について説明する。基体１１０中に含まれるＷ５Ｓｉ３等の粒子、又は凝集体の平均円相当径を求めるにはセラミックヒータ４０の任意の横断面において、断面に鏡面研磨処理を施し、ＦＥ−ＳＥＭにより１００００倍で観察する。この観察によって得られた組織写真について、任意の異なる５カ所を単位面積（９μｍ×１２μｍ）で切り出して、それぞれ組織写真を二階調化し、その後、画像解析ソフトウェアで解析して平均円相当径を求める。
【００３４】
抵抗体１２０は、導電性セラミックで形成されている。抵抗体１２０を形成する導電性セラミックは、炭化タングステン（ＷＣ）と窒化珪素とを主成分としている。抵抗体１２０は、炭化タングステンと窒化珪素以外にも、焼結助剤等を含有することができる。焼結助剤等の含有量は、例えば抵抗体１２０の全体を１００質量％とした場合に１０質量％以下が好ましい。また、炭化タングステンと窒化珪素とは、これらの合計量を１００質量％とした場合に、炭化タングステンは好ましくは６０〜８５質量％であり、一方、窒化珪素は好ましくは１５〜４０質量％である。
【００３５】
基体１１０の先端部（すなわち、セラミックヒータ４０の先端部４１）は、先端側に向かって徐々に細くなっている。抵抗体１２０の電気伝導率は、基体１１０の電気伝導率よりも高い。抵抗体１２０は、通電がなされることによって発熱する。
【００３６】
図２のように、抵抗体１２０は、２本のリード部として構成される第１導電部１２２、第２導電部１２３と、第１導電部１２２及び第２導電部１２３に接続された発熱部１２１と、電極取出部１２４、１２５と、を含んでいる。第１導電部１２２、第２導電部１２３は、基体１１０の後端１１０Ａ側から先端１１０Ｂ側に向かって延びる一対の導電部である。第１導電部１２２、第２導電部１２３の各々は、セラミックヒータ４０の後端部４９から先端部４１の近傍まで軸線ＣＬと平行に延びている。第１導電部１２２と第２導電部１２３は、中心軸ＣＬを挟んでおおよそ対称な位置に配置されている。第１導電部１２２から第２導電部１２３へ向かう方向が、第３方向Ｄ３である。
【００３７】
発熱部１２１は、導電性セラミックからなり、セラミックヒータ４０の先端部４１において基体１１０に埋設される部分であり、第１導電部１２２の先端方向Ｄ１側の端部と第２導電部１２３の先端方向Ｄ１側の端部とを接続する構成をなす。発熱部１２１は、第１導電部１２２から先端側に延びる第１抵抗部１２１Ａと、第２導電部１２３から先端側に延びる第２抵抗部１２１Ｂと、第１抵抗部１２１Ａ及び第２抵抗部１２１Ｂの先端側を連結する連結部１２１Ｃと、を備える。発熱部１２１の形状は、折り返し形状であり、具体的にはセラミックヒータ４０の先端部４１の湾曲した外面形状に合わせて湾曲する略Ｕ字状となっている。
【００３８】
発熱部１２１は、一対の導電部である第１導電部１２２及び第２導電部１２３と同一の導電性セラミック材料によって構成されている。発熱部１２１の断面積は、第１導電部１２２及び第２導電部１２３のそれぞれの断面積よりも小さい。具体的には、発熱部１２１のいずれの位置においても、断面積が、第１導電部１２２及び第２導電部１２３のそれぞれにおけるいずれの位置の断面積よりも小さくなっている。従って、発熱部１２１の単位長さ当たりの電気抵抗は、第１導電部１２２及び第２導電部１２３の単位長さ当たりの電気抵抗よりも大きい。ゆえに、抵抗体１２０の通電時には、発熱部１２１の温度が、第１導電部１２２及び第２導電部１２３の温度と比べて急速に上昇する。なお、抵抗体１２０における「断面積」とは、導通経路の方向（電流が流れる方向）に対して垂直な断面の面積である。
【００３９】
第１導電部１２２の後端方向Ｄ１ｒ側の部分には、第１電極取出部１２４が接続されている。第１電極取出部１２４は、径方向に沿って延びる部材であり、内側の端部は第１導電部１２２に接続され、外側の端部は、セラミックヒータ４０の外面に露出する。第１電極取出部１２４の露出部分は、外筒７０の内周面に接触している。このような構造により、外筒７０と第１導電部１２２とが電気的に接続された状態となる。
【００４０】
第２導電部１２３の後端方向Ｄ１ｒ側の部分には、第２電極取出部１２５が接続されている。第２電極取出部１２５は、径方向に沿って延びる部材であり、第１電極取出部１２４よりも、後端方向Ｄ１ｒ側に配置されている。第２電極取出部１２５の内側の端部は、第２導電部１２３に接続され、外側の端部は、セラミックヒータ４０の外面に露出する。第２電極取出部１２５の露出部分は、接続部材９０の内周面に接触している。このような構造により、接続部材９０と第２導電部１２３とが電気的に接続された状態となる。
【００４１】
Ａ３．セラミックヒータの製造
次に、セラミックヒータ４０の製造方法を説明する。
セラミックヒータ４０の製造方法において、まず、抵抗体１２０の材料が生成される。具体的には、導電性化合物の粉末と、窒化珪素と、焼結助剤と、水と、を混合することによって、スラリーが生成される。生成されたスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練機によって混練することによって、図２等で示す抵抗体１２０の材料として、混合物が生成される。導電性化合物としては、上述した種々の化合物を採用可能である。
【００４２】
このように抵抗体１２０の材料を生成した後、生成された混合物を成形することによって、成形体が生成される。成形方法としては、例えば射出成形が採用される。以上により、未焼成の抵抗体（以下「未焼成抵抗体」と呼ぶ）が、成形される。なお、他の成形方法（例えば、プレス成形）を採用してもよい。
【００４３】
図４（Ａ）には、後述する未焼成のセラミックヒータの分解斜視図が示されている。図中の部材１２０Ｚは、未焼成抵抗体を示している（以下「未焼成抵抗体１２０Ｚ」と呼ぶ）。図示するように、未焼成抵抗体１２０Ｚは、未焼成の導電部１２２Ｚ、１２３Ｚと、未焼成の発熱部１２１Ｚと、未焼成の電極取出部１２４Ｚ、１２５Ｚと、を含んでいる。
【００４４】
更に、基体１１０の材料が生成される。具体的には、絶縁性セラミック（窒化珪素）粉末と、焼結助剤と、水と、を混合することによって、スラリーが生成される。生成されたスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練機によって混練することによって、基体１１０の材料として、混合物が生成される。
本実施形態においては、希土類元素を含んだ焼結助剤である酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）等の少なくとも１種が用いられる。本実施形態においては、さらに、Ｗ又はＭｏを含んだ焼結助剤である酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）の少なくとも１種が用いられる。また、これらの焼結助剤の他に、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を併用することができる。
焼結助剤の含有量は、特に限定されないが、例えば出発原料の総量（窒化珪素粉末と、焼結助剤の合計量１００質量％）に対して５〜２０質量％とすることができる。
【００４５】
このように基体１１０の材料を生成した後、生成された混合物を成形することによって、未焼成の成形体が成形される。図４（Ｂ）で示す部材４０Ｚは、成形される成形体を示している（以下「成形体４０Ｚ」と呼ぶ）。図４（Ａ）の分解斜視図は、図４（Ｂ）で示す成形体４０Ｚの基体１１０に対応する部分を、中心軸ＣＬを通る平面で２等分して得られる２つの部分１１０Ｙ、１１０Ｚと、成形された未焼成抵抗体１２０Ｚとを示している。第１部分１１０Ｚは、未焼成抵抗体１２０Ｚの一部を収容するための第１凹部１１１Ｚを有している。図示を省略するが、第２部分１１０Ｙも、同様の凹部を有している。未焼成抵抗体１２０Ｚは、これらの部分１１０Ｙ、１１０Ｚに挟まれている。
【００４６】
このような成形体４０Ｚは、以下のように成形される。図示しない成形型の内の所定位置に、上述した方法で成形された未焼成抵抗体１２０Ｚを配置する。そして、混錬によって生成された基体の材料を、射出成形により未焼成抵抗体１２０Ｚを覆うように、成形する。以上により、図４（Ｂ）で示す成形体４０Ｚが成形される。
【００４７】
なお、他の成形方法を採用してもよい。例えば、第１部分１１０Ｚをプレス成形する。そして、図示しない成形型の内の所定位置に第１部分１１０Ｚを配置する。次に、第１部分１１０Ｚの第１凹部１１１Ｚに、未焼成抵抗体１２０Ｚを嵌め込む。次に、成形型の内の第２部分１１０Ｙに対応する空間内に、上述した方法で生成された基体材料を充填し、プレス成形によって、成形体４０Ｚを成形する。
【００４８】
なお、基体の材料の生成は、成形体４０Ｚの成形よりも前の任意のタイミングで実行可能である。例えば、抵抗体１２０の材料の生成の前や後であってもよく、未焼成抵抗体１２０Ｚの成形の前や後であってもよい。
【００４９】
このように成形体４０Ｚが成形された後、成形体４０Ｚからバインダを除去するために、仮焼が行われる。仮焼は、例えば、摂氏４００度以上、摂氏８００度以下の温度で、行われる。仮焼の後、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）を行っても良い。
【００５０】
このように成形体４０Ｚの仮焼が行われた後、成形体４０Ｚが焼成される。これにより、焼結された部材（焼成体とも呼ぶ）が、生成される。焼成方法としては、例えば常圧焼成法が採用される。常圧焼成法を採用する場合、例えば、摂氏１５００度以上、１８００度以下の温度で、０．１ＭＰａ以上、１ＭＰａ以下の圧力の非酸化雰囲気下（好ましくは、窒素分圧が０．０５ＭＰａ以上）で、焼成が行われる。常圧焼成法は、安価に大量の成形体４０Ｚの焼成が可能である。
【００５１】
なお、本発明における「ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘ」「ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘ」は、焼結助剤の量、焼成の際の窒素分圧等を調整することによりコントロールすることができる。
具体的には、焼結助剤の量を増加させると「ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘ」、「ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘ」が増加し、焼結助剤の量を減少させると「ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘ」、「ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘ」が減少する。また、窒素分圧を相対的に低くすると、「ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘ」は減少しつつ「ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘ」は増加し、窒素分圧を相対的に高くすると、「ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘ」は増加しつつ「ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘ」は減少する。
【００５２】
なお、焼成方法としては、他の方法を採用してもよい。例えば、ガス圧焼成法、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）、ホットプレス法等を採用可能である。ガス圧焼成法を採用する場合、例えば、摂氏１５００度以上、１９５０度以下の温度で、５ＭＰａ以上、１２ＭＰａ以下の圧力の非酸化雰囲気下で、焼成が行われる。熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）を採用する場合、例えば、常圧焼成法、又は、ガス圧焼成法で１次焼成が行われる。その後に、摂氏１４５０度以上、１９００度以下の温度で、１２ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下の圧力の窒素雰囲気下で、焼成（２次焼成）が行われる。ホットプレス法を採用する場合、例えば、０．１ＭＰａ以上、１ＭＰａ以下の非酸化雰囲気下で、摂氏１４５０度以上、１９００度以下の温度で、１０ＭＰａ以上、５０ＭＰａ以下の１軸加圧の下で、焼成が行われる。
【００５３】
このように成形体４０Ｚに対する焼成が行われた後、成形体４０Ｚを焼成して得られる焼成体（図示せず）が、研磨加工される。これにより、焼成体の外形が、所定の形状に加工される。
【実施例】
【００５４】
実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００５５】
１．セラミックヒータの作製
抵抗体１２０の材料としての混合物を射出成形によって未焼成抵抗体１２０Ｚとした。未焼成抵抗体１２０Ｚを、成形型の内の所定位置に配置した。そして、混錬によって生成された基体１１０の材料を、未焼成抵抗体１２０Ｚを覆うように、プレス成形して成形体４０Ｚを得た。成形体４０Ｚを脱脂した後、仮焼した。仮焼の後、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）を行った。その後、成形体４０Ｚを常圧焼成し、研磨してセラミックヒータ４０を得た。
なお、実施例及び比較例では、セラミックヒータ４０の基体１１０における粒界相の希土類元素化合物が表１に記載の化合物となるように、基体１１０の焼結助剤の１種を酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化エルビウムから選択した。また、実施例及び比較例では、表１で、「Ｗ又はＭｏ」の欄に「Ｗ」と記載されている場合は、焼結助剤として酸化タングステンを用い、「Ｍｏ」と記載されている場合は、焼結助剤として酸化モリブデンを用いた。
希土類元素、Ｗ、Ｍｏの量は、上述の焼結助剤の量を調整することによってコントロールした。なお、これらの元素成分の割合については、セラミックヒータ（焼結体）４０を切断して、断面を表面研磨して、電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、定量される金属換算値であり、製造時の含有量ではない。元素成分の割合は、１５ｋＶ−φ２０μｍで分析エリアを緻密な均質固溶体と仮定分析し、標準試料強度に対して理論補正（ＺＡＦ法）を行い算出した。
【００５６】
【表１】
2019021501.tif 000003
【００５７】
２．試験
２．１  ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値（表１では、「Ｙ／Ｘ」と略す）
各ピークは、Ｘ線源をＣｕＫα１とし、波長１．５４６０Åとした場合のピークを用いた。
ピーク強度Ｘは、窒化珪素の結晶の（１０１）面におけるピーク強度であるが、このピーク強度は、具体的には２θ＝３３．６°付近のピークを用いて測定した。
ピーク強度Ｙは、２θ＝４２．７°付近のピークを用いて測定した。
【００５８】
２．２  ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘの値（表１では、「Ｚ／Ｘ」と略す）
各ピークは、Ｘ線源をＣｕＫα１とし、波長１．５４６０Åとした場合のピークを用いた。
ピーク強度Ｘは、上記と同様に、具体的には２θ＝３３．６°付近のピークを用いて測定した。
ピーク強度Ｚは、２θ＝３０．１°付近のピークを用いて測定した。
【００５９】
２．３  平均円相当径
セラミックヒータ４０の任意の横断面において、断面に鏡面研磨処理を施し、ＦＥ−ＳＥＭにより１００００倍で観察した。この観察によって得られた組織写真について、任意の異なる５カ所を単位面積（９μｍ×１２μｍ）で切り出して、それぞれ組織写真を二階調化し、その後、画像解析ソフトウェア（三谷商事株式会社製  ＷｉｎＲＯＯＦ）で解析して平均円相当径を求めた。
平均円相当径は、基体１１０に含まれるＷ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＭｏＳｉ２からなる群より選択される１種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体に係るものである。
【００６０】
２．４  室温強度
セラミックヒータ４０の室温強度の測定には、各実施例及び各比較例ごとに１０個のセラミックヒータ４０のサンプルを用いた。３点支持曲げ試験（支点間距離＝１２ｍｍ、クロスヘッド速度＝０．５ｍｍ／分）を行い、折れた時の最大曲げ応力を算出した。１０個のサンプルの曲げ応力の平均曲げ応力をセラミックヒータの室温強度として採用した。この試験は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準じて行われた。評価は次のようにした。
◎（極めて良好）：７５０ＭＰａ以上
○（良好）：７００ＭＰａ以上７５０ＭＰａ未満
×（不良）：７００ＭＰａ未満
【００６１】
２．５  高温強度
セラミックヒータ４０の高温強度の測定には、各実施例及び各比較例ごとに５個のセラミックヒータ４０のサンプルを用いた。１３００℃の環境下において、４点支持曲げ試験（外部支点間距離＝３０ｍｍ、内部支点間距離＝１０ｍｍ、クロスヘッド速度＝０．５ｍｍ／分）を行い、折れた時の最大曲げ応力を算出した。５個のサンプルの曲げ応力の平均曲げ応力をセラミックヒータの高温強度として採用した。この試験は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０４に準じて行われた。評価は次のようにした。
◎（極めて良好）：２５０ＭＰａ以上
○（良好）：２００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ未満
×（不良）：２００ＭＰａ未満
【００６２】
２．６  ＯＮＯＦＦ耐久性
次のように、グロープラグ１のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを繰り返して耐久性を評価した。
［ＯＮ状態］  グロープラグの最高発熱部が１ｓｅｃで１０００℃となるように昇温し、その後、最高温度が１２５０℃に更に昇温して停止した。
［ＯＦＦ状態］  ３０ｓ風冷した。
評価は次のようにした。
◎（極めて良好）：６００００サイクルを超えて断線
○（良好）：２５０００サイクルを越えて６００００サイクル以下で断線
△（可）：８０００サイクルを越えて２５０００サイクル以下で断線
×（不可）：８０００サイクル以下で断線
【００６３】
３．試験結果
試験結果を表１に併記する。
Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物を有し、ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が、０．０５以上０．４以下の実施例１〜１０は、室温強度、高温強度、ＯＮＯＦＦ耐久性の全ての性能で評価が「○」以上（良好以上）であった。
これに対して、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物を有さない比較例１は、室温強度、高温強度、ＯＮＯＦＦ耐久性の全ての性能での評価が「×」（不良）であった。
ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が、０．０５以上０．４以下の範囲を外れた比較例２〜３は、室温強度の評価が「×」以上（不良）であった。また、比較例２〜３は、ＯＮＯＦＦ耐久性の評価が「△」（可）であった。
これらの結果から、Ｗ５Ｓｉ３又はＭｏ５Ｓｉ３で表される珪化物を有し、ピーク強度Ｙ／ピーク強度Ｘの値が、０．０５以上０．４以下であると、室温強度、高温強度、ＯＮＯＦＦ耐久性の全てが優れていることが確認された。
なお、比較例の特性が劣る理由については次のように推測される。
比較例１では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが含まれないので、セラミックヒータの焼結性が低下し、その結果、室温強度が低くなったと推測される。また、比較例１では、基体にＷ５Ｓｉ３で表される珪化物が含まれないので、熱膨張に対する効果がなく、ＯＮＯＦＦ耐久性が低くなったと推測される。
比較例２では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが過剰に含まれるため、珪化物の粒径が大きくなり、その結果、粗大粒の影響で室温強度が低くなったと推測される。また、基体においてＷ５Ｓｉ３の割合が過剰になるため、ＯＮＯＦＦ耐久性が低くなったと推測される。
比較例３では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが少ないため、セラミックヒータの焼結性が低下し、その結果、室温強度が低くなったと推測される。また、生成する珪化物が少ないため、熱膨張に対する効果が少なく、ＯＮＯＦＦ耐久性の評価が「△」（可）となったと推測される。
【００６４】
次にピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘについて検討する。ピーク強度Ｚ／ピーク強度Ｘが０．０５以下である実施例１〜８、１０は、この強度比が０．０５よりも大きい実施例９に比べて、ＯＮＯＦＦ耐久性が優れていることが確認された。
実施例９は、ＷＳｉ２割合が大きく、熱膨張に対する効果が過剰となり、ＯＮＯＦＦ耐久性の評価が「○」（良好）に止まったものと推測される。
【００６５】
次に基体１１０に含まれるＷ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＭｏＳｉ２からなる群より選択される１種以上の粒子、又は粒子の凝集体の平均円相当径について検討する。粒子、又は粒子の凝集体の平均円相当径が０．０５μｍ以上０．９０μｍ以下である実施例１〜８は、この値が０．９０μｍよりも大きい実施例１０に比べて、室温強度が優れていることが確認された。
実施例１０では、平均円相当径が大きく、実施例１〜８と比較して、珪化物が分散せずに凝集しているため室温での強度が低下し、室温強度の評価が「○」（良好）に止まったものと推測される。
【００６６】
次に粒界相の希土類元素化合物について検討する。粒界相に、Ｙｂ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在する実施例１〜６、９〜１０は、高温強度の評価が「◎」（極めて良好）であった。粒界相に、Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在する実施例７は、高温強度の評価が「◎」（極めて良好）であった。
一方、粒界相に、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在する実施例８は、高温強度の評価が「○」（良好）であった。
この結果から、粒界相に、Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７及び／又はＹｂ２Ｓｉ２Ｏ７の結晶が存在すると、高温強度が極めて優れていることが確認された。このような結果となるのは、Ｅｒ、Ｙｂの希土類元素化合物の結晶が、Ｙの希土類元素化合物の結晶に比べて、耐熱性が高いためであると推測される。
【００６７】
＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施例や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る。
【符号の説明】
【００６８】
１…グロープラグ
２０…主体金具
２０Ａ…貫通孔
２０Ｂ…開口部
２０Ｃ…開口部
２２…雄ネジ部
２８…工具係合部
３０…中軸
３１…先端部
３９…後端部
４０…セラミックヒータ
４０Ｚ…成形体（部材）
４１…先端部
４９…後端部
５０…Ｏリング
６０…絶縁部材
６２…筒状部
６８…フランジ部
７０…外筒
７０…金属外筒
７０Ａ…貫通孔
８０…端子部材
９０…接続部材
１１０…基体
１２０…発熱抵抗体（抵抗体）
１２０Ｚ…未焼成抵抗体（部材）
１２１…発熱部
１２１Ａ…第１抵抗部
１２１Ｂ…第２抵抗部
１２１Ｃ…連結部
１２１Ｚ…発熱部
１２２…第１導電部
１２３…第２導電部
ＣＬ…軸線
【図１】
2019021501.tif 000004
【図２】
2019021501.tif 000005
【図３】
2019021501.tif 000006
【図４】
2019021501.tif 000007