(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性セラミックにより形成された基体と、前記基体の内部に埋設され、導電性セラミックにより形成された発熱素子と、を有するセラミックヒータの製造方法であって、
（ａ）前記発熱素子の中間成形体である素子成形体を作製する工程と、
（ｂ）前記素子成形体が前記基体の中間成形体に埋設されたセラミックヒータ中間成形体を作製する工程と、
（ｃ）前記セラミックヒータ中間成形体を加圧しつつ焼成炉により焼成する工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１）前記焼成炉内を減圧して真空とする工程と、
（ｃ２）前記焼成炉内が真空になってから、前記焼成炉内を昇温させる工程と、
（ｃ３）前記焼成炉内の昇温途中において、前記焼成炉内に窒素を含むガスを導入する工程と、
を含み、
前記基体は、窒化珪素を主成分とし、珪化クロムを含む絶縁性セラミックにより形成され、
前記発熱素子は、窒化珪素を主成分とし、タングステンの珪化物、炭化物、及び窒化物のうち少なくとも一種を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法において、
前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、
前記工程（ｃ３）は、前記焼成炉内の温度が１３００℃を超える場合に、前記焼成炉に前記ガスを導入する工程を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータの製造方法において、
前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、
前記工程（ｃ３）は、前記焼成炉内の温度が１６００℃未満である場合に、前記焼成炉に前記ガスを導入する工程を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のセラミックヒータの製造方法において、
前記工程（ｃ）は、
（ｃ４）前記焼成炉内が真空になってから前記セラミックヒータ中間成形体のプレス加圧を開始して、前記焼成炉内が真空の状態において該プレス加圧におけるプレス圧力が最大となるように、前記セラミックヒータ中間成形体を加圧する工程、を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のセラミックヒータの製造方法において、
前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、
前記工程（ｃ４）は、前記焼成炉内が真空の状態であり、且つ、前記焼成炉内の温度が１４７５℃未満の温度である状態において前記プレス加圧におけるプレス圧力が最大となるように、前記セラミックヒータ中間成形体を加圧する工程、を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項６】
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の製造方法により製造されたセラミックヒータであって、
前記基体の表面において、珪化クロムのＸ線強度のピーク値（Ｓ）に対する、炭化クロムのＸ線強度のピーク値（Ｔ）の比Ｔ／Ｓが２．００以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項７】
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の製造方法により製造されたセラミックヒータ、または、請求項６に記載のセラミックヒータを備えることを特徴とする、グロープラグ。
【請求項８】
セラミックヒータを有するグロープラグの製造方法であって、
前記セラミックヒータは、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の製造方法により製造されたセラミックヒータ、または、請求項６に記載のセラミックヒータである、グロープラグの製造方法。
【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その製造方法、並びにグロープラグ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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は、通電により発熱する発熱素子を内蔵するヒータを備えている。このヒータとして、セラミックヒータが採用される場合がある。セラミックヒータは、導電性を有するセラミック製の発熱素子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を有する。さらに、より高温条件下での使用を可能とすべく、発熱素子が、タングステン（Ｗ）の珪化物や炭化物、窒化物を含有する導電性セラミックにより形成され、基体が、窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックにより形成されることがある。
【０００３】
また、セラミックヒータは、次のようにして製造される。まず、基体となるべき絶縁成形体の内部に、発熱素子となるべき素子成形体が配置されてなる保持体を作製する。次に、加圧焼成工程において、いわゆるホットプレス法により、保持体を加圧焼成する。その後、焼成後の保持体（焼成体）の外形を整えることで、セラミックヒータが得られる。なお、加圧焼成工程においては、生産性向上の観点から、複数の保持体が同時に加圧焼成される。
【０００４】
ところで、発熱素子をＷの炭化物等を含有する材料により形成し、基体を、窒化珪素を主成分とする材料により形成した場合には、発熱素子を構成する材料の熱膨張係数と、基体を構成する材料の熱膨張差との差が比較的大きなものとなり得る。熱膨張係数の差が大きくなると、加熱・冷却に伴い基体に残留する応力が大きくなり、基体に亀裂等の損傷が生じてしまうおそれがある。そこで、基体の損傷を抑制すべく、基体に対して高熱膨張性の珪化クロム（ＣｒＳｉ２）を含有させることで、発熱素子を構成する材料の熱膨張係数と、基体を構成する材料の熱膨張係数との差を小さくする手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９３８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、基体にＣｒＳｉ２が含有されているにも関わらず、基体の損傷抑制効果に乏しいセラミックヒータが製造されてしまうという問題がある。そこで、基体の損傷をより確実に抑制可能なセラミックヒータ及びその製造方法、並びにグロープラグ及びその製造方法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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］絶縁性セラミックにより形成された基体と、前記基体の内部に埋設され、導電性セラミックにより形成された発熱素子と、を有するセラミックヒータの製造方法であって、（ａ）前記発熱素子の中間成形体である素子成形体を作製する工程と、（ｂ）前記素子成形体が前記基体の中間成形体に埋設されたセラミックヒータ中間成形体を作製する工程と、（ｃ）前記セラミックヒータ中間成形体を加圧しつつ焼成炉により焼成する工程と、を備え、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記焼成炉内を減圧して真空とする工程と、（ｃ２）前記焼成炉内が真空になってから、前記焼成炉内を昇温させる工程と、（ｃ３）前記焼成炉内の昇温途中において、前記焼成炉内に窒素を含むガスを導入する工程と、を含み、前記基体は、窒化珪素を主成分とし、珪化クロムを含む絶縁性セラミックにより形成され、前記発熱素子は、窒化珪素を主成分とし、タングステンの珪化物、炭化物、及び窒化物のうち少なくとも一種を含むことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【０００８】
（１）本発明の一形態によれば、絶縁性セラミックにより形成された基体と、前記基体の内部に埋設され、導電性セラミックにより形成された発熱素子と、を有する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：（ａ）前記発熱素子の中間成形体である素子成形体を作製する工程と；（ｂ）前記素子成形体が前記基体の中間成形体に埋設されたセラミックヒータ中間成形体を作製する工程と；（ｃ）前記セラミックヒータ中間成形体を加圧しつつ焼成炉により焼成する工程と；を備え、前記工程（ｃ）は：（ｃ１）前記焼成炉内を減圧して真空とする工程と；（ｃ２）前記焼成炉内が真空になってから、前記焼成炉内を昇温させる工程と；（ｃ３）前記焼成炉内の昇温途中において、前記焼成炉内に窒素を含むガスを導入する工程と；を含む。
【０００９】
本願発明者の鋭意検討により、ＣｒＳｉ２（珪化クロム）を含有する基体を備えるグロープラグにおいて、以下の理由により基体の損傷が生じることが見出された。ＣｒＳｉ２を含有する基体を備えるグロープラグでは、製造時における加圧焼成工程において、ＣｒＳｉ２の多くが、Ｃｒの酸化物（酸化クロム：ＣｒＯ）を経てＣｒの炭化物（炭化クロム：Ｃｒ３Ｃ２）に変化する。Ｃｒ３Ｃ２は、その熱膨張係数がＣｒＳｉ２の熱膨張係数よりも低い。従って、Ｃｒ３Ｃ２が多く生成され、基体中のＣｒＳｉ２が減少すると、基体の熱膨張係数を十分に増大させることができなくなる。その結果、発熱素子を構成する材料の熱膨張係数と、基体を構成する材料の熱膨張差との差が比較的大きくなり、加熱・冷却に伴い基体に残留する応力が大きくなって、基体に亀裂が生じる等の損傷が発生する。
【００１０】
一方、この形態のセラミックヒータの製造方法によれば、焼成炉内の昇温途中において、焼成炉内に窒素を含むガスが導入されるので、基体に含まれる窒化珪素の分解を抑制でき、基体の損傷を確実に抑制できる。その上、ＣｒＳｉ２（珪化クロム）からＣｒ３Ｃ２（炭化クロム）が生成される際にはＣｒＯが過渡的物質として生成されるが、上記形態のセラミックヒータの製造方法によれば、焼成炉内が真空になってから加圧焼成が行われるので、ＣｒＯの生成要因となる酸素成分（例えば、ＳｉＯなど）をより確実に焼成炉外に排出することができる。これにより、加圧焼成工程におけるＣｒ３Ｃ２の生成を極めて効果的に抑制できる。その結果、得られたセラミックヒータの基体中にＣｒＳｉ２を十分に残存させることができる。このため、基体と発熱素子との熱膨張係数の差を抑制でき、かかる差に起因する基体の損傷を抑制できる。
【００１１】
（２）上記形態のセラミックヒータの製造方法において、前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、前記工程（ｃ３）は、前記焼成炉内の温度が１３００℃を超える場合に、前記焼成炉に前記ガスを導入する工程を含むことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータの製造方法によれば、焼成炉内の温度が１３００℃を超える温度となるまで、真空状態でセラミックヒータ中間成形体が加圧されるので、ＣｒＯの生成要因となる酸素成分（例えば、ＳｉＯなど）をより確実に焼成炉外に排出することができ、焼成時におけるＣｒ３Ｃ２の生成を極めて効果的に抑制することができる。その結果、基体中にＣｒＳｉ２を十分に残存させることができる。
【００１２】
（３）上記形態のセラミックヒータの製造方法において、前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、前記工程（ｃ３）は、前記焼成炉内の温度が１６００℃未満である場合に、前記焼成炉に前記ガスを導入する工程を含むことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータの製造方法によれば、焼成炉内の温度が１６００℃未満である場合に焼成炉に窒素を含むガスが導入されるので、窒化珪素から窒素が揮発してＷＳｉ２（二珪化タングステン）が生成されるために、発熱素子がもろくなって損傷し易くなることを抑制できる。
【００１３】
（４）上記形態のセラミックヒータの製造方法において、前記工程（ｃ）は、（ｃ４）前記焼成炉内が真空になってから前記セラミックヒータ中間成形体のプレス加圧を開始して、前記焼成炉内が真空の状態において該プレス加圧におけるプレス圧力が最大となるように、前記セラミックヒータ中間成形体を加圧する工程、を含むことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータの製造方法によれば、ＣｒＳｉ２が液相に変化する時点において既にプレス圧力が最大に達しているように構成できるので、ＣｒＳｉ２がＣｒＯに変化する空間的な自由度を抑えて、ＣｒＳｉ２がＣｒＯに変化せずに液相のまま存在する可能性を高めることができる。このため、基体の焼成収縮がより進行し易くなり、基体と発熱素子との界面におけるクラックの発生をより抑制できる。
【００１４】
（５）上記形態のセラミックヒータの製造方法において、前記工程（ｃ２）は、時間の経過につれて前記焼成炉内がより高温となるように前記焼成炉内を昇温させる工程を含み、前記工程（ｃ４）は、前記焼成炉内が真空の状態であり、且つ、前記焼成炉内の温度が１４７５℃未満の温度である状態において前記プレス加圧におけるプレス圧力が最大となるように、前記セラミックヒータ中間成形体を加圧する工程、を含むことを特徴としてもよい。この形態のセラミックヒータの製造方法によれば、ＣｒＳｉ２の融点である１４７５℃未満の温度である状態においてプレス圧力が最大となるので、ＣｒＳｉ２が液相に変化する時点において既にプレス圧力が最大に達しているように確実に構成できる。
【００１５】
（６）本発明の他の形態によれば、上記形態のセラミックヒータの製造方法より製造された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、前記基体の表面において、珪化クロムのＸ線強度のピーク値（Ｓ）に対する、炭化クロムのＸ線強度のピーク値（Ｔ）の比Ｔ／Ｓが２．００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、基体の表面において、珪化クロム（ＣｒＳｉ２）のＸ線強度のピーク値に対する、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）のＸ線強度のピーク値の比が２．００以下とされている。すなわち、ＣｒＳｉ２からＣｒ３Ｃ２への変化が抑制され、基体中にＣｒＳｉ２が十分に残存するように構成されている。このため、基体の熱膨張係数を十分に増大させることができ、加熱・冷却に伴い基体に残留する応力を低減させることができる。その結果、基体の損傷をより確実に抑制することができる（すなわち、ＣｒＳｉ２を含有させることによる基体の損傷抑制効果をより確実に発揮させることができる）。
【００１６】
また、Ｃｒ３Ｃ２は、その融点がＣｒＳｉ２の融点よりも高い。そのため、Ｃｒ３Ｃ２が多く生成されてしまうと、基体から発熱素子に対するＣｒ成分の拡散量が少なくなり、発熱素子を構成する窒化珪素の粒成長が抑制されてしまう。その結果、発熱素子の抵抗値が狙いの抵抗値よりも大きなものとなってしまうという事象も、本願発明者により見出された。
【００１７】
これに対し、上記形態のセラミックヒータによれば、基体の表面において、珪化クロム（ＣｒＳｉ２）のＸ線強度のピーク値に対する炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）のＸ線強度のピーク値の比が２．００以下とされている。そのため、ＣｒＳｉ２が基体に十分残存しており、加圧焼成時において、基体(絶縁成形体)から発熱素子（素子成形体）に対してＣｒ成分がより確実に拡散することとなり、発熱素子（素子成形体）を構成する窒化珪素における粒成長を促進させることができる。その結果、発熱素子の抵抗値が大きくなってしまうことをより確実に防止でき、発熱素子の抵抗値を安定的に狙いの抵抗値とすることができる。
【００１８】
本発明は、セラミックヒータの製造方法、および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、グロープラグや、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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１の構成を示す説明図である。
【図２】グロープラグ１が備えるセラミックヒータ４を中心に示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態としてのセラミックヒータ４の製造方法を含むグロープラグ１の製造手順を示す工程表である。
【図４】工程Ｓ１１０で形成された素子成形体と、工程Ｓ１１５で形成された半割絶縁成形体とを示す斜視図である。
【図５】工程Ｓ１２０で形成されたセラミックヒータ中間成形体の構成を示す斜視図である。
【図６】工程Ｓ１３５における焼成の様子を模式的に示す説明図である。
【図７】窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）におけるセラミックヒータ中間成形体３０、および窒素焼成工程により得られる焼成体４０を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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１の構成を示す説明図である。図１（ａ）はグロープラグ１の断面図であり、図１（ｂ）はグロープラグ１の正面図である。図２は、グロープラグ１が備えるセラミックヒータ４を中心に示す部分拡大断面図である。なお、図１（ａ）は、グロープラグ１の軸線ＣＬ１を含む断面を示している。以降においては、図の下側（後述する外筒５が配置されている側）を先端側と呼び、図の上側（後述する端子ピン６が配置されている側）を後端側と呼ぶ。
【００２１】
図１（ａ），（ｂ） に示すように、グロープラグ１は、ハウジング２、中軸３、セラミックヒータ４、外筒５、および端子ピン６を備えている。
【００２２】
ハウジング２は、所定の金属材料、例えばＳ４５Ｃ等の鉄系素材によって形成され、軸線ＣＬ１方向に治って延びる軸孔７を有している。さらに、ハウジング２の軸線ＣＬ１方向中央部外周には、グロープラグ１をエンジンのシリンダヘッド等に取付けるための雄ねじ部８が形成されている。併せて、ハウジング２の後端部外周には断面六角形状をなす工具係合部９が形成されており、シリンダヘッド等にグロープラグ１（雄ねじ部８）を取付ける際には、当該工具係合部９に使用される工具が係合されるようになっている。
【００２３】
また、ハウジング２の軸孔７には、丸棒状の形状を有する金属製の中軸３が収容されている。さらに、中軸３の先端部は、金属材料、例えばＳＵＳ等の鉄系素材によって形成された円筒状の接続部材１０の後端部に圧入されるとともに、接続部材１０の先端部には、セラミックヒータ４の後端部が圧入されている。これにより、中軸３とセラミックヒータ４とは接続部材１０を介して機械的且つ電気的に接続されている。加えて、中軸３の先端側には、その外径が先端側に向けて徐々に細径化されてなる括れ部１３が形成されており、括れ部１３によって、中軸３に伝わる応力の緩和等が図られている。なお、接続部材１０に代えて、所定のリード線などにより中軸３とセラミックヒータ４とを電気的に接続することとしてもよい。
【００２４】
さらに、中軸３の後端部には、金属製の端子ピン６が加締め固定されており、端子ピン６の先端部及びハウジング２の後端部の間には、両者間における直接的な通電（短絡）を防止すべく、絶縁性素材からなる絶縁ブッシュ１１が設けられている。加えて、軸孔７内の気密性の向上等を図るべく、ハウジング２及び中軸３の問には、絶縁ブッシュ１１の先端部と接触するようにして絶縁性素材からなるＯリング１２が設けられている。
【００２５】
外筒５は、所定の金属材料によって筒状に形成されている。外筒５は、セラミックヒータ４の軸線ＣＬ１方向に沿った中間部分を保持しており、セラミックヒータ４の先端部は外筒５の先端から露出した状態となっている。さらに、外筒５は、自身の後端部が軸孔７に挿入された状態で、ハウジング２及び外筒５の接触箇外縁に沿ってレーザー溶接を施すことで、ハウジング２に接合されている。
【００２６】
次に、セラミックヒータ４の詳細について説明する。図２に示すように、セラミックヒータ４は、軸線ＣＬ１方向に延びる丸棒状の基体２１と、その内部に配置されて長細いＵ字状をなす発熱素子２２とを備えている。基体２１は、窒化珪素を主成分とし、珪化クロム（ＣｒＳｉ２）を所定量（例えば、１質量％以上１０質量％以下）含む絶縁性セラミックによって構成されている。
【００２７】
発熱素子２２は、窒化珪素を主成分とし、タングステン（Ｗ）の珪化物、炭化物、及び、窒化物のうちの少なくとも一種（本実施形態では、ＷＣ） を所定量（例えば、６０質量％以上７０質量％以下）含む導電性セラミックにより構成されている。発熱素子２２は、セラミックヒータ４の先端部に配置されるＵ字状の発熱部２３と、発熱部２３のそれぞれの端部から後端側に向けて延びる一対の棒状のリード部２４，２５とを備えている。発熱部２３は、いわゆる発熱抵抗体として機能する部位であり、曲面状に形成されたセラミックヒータ４の先端部分において、その曲面に沿うようにしてＵ字状に形成されている。
【００２８】
リード部２４，２５は、それぞれセラミックヒータ４の後端側に向けて互いに略平行に延設されている。一方のリード部２４の後端寄り位置には、電極取出部２６が外周方向に突設されている。電極取出部２６は、セラミックヒータ４の外周面に露出している。同様に、他方のリード部２５の後端寄りの位置は、電極取出部２７が外周方向に突設されている。電極取出部２７は、セラミックヒータ４の外面に露出している。なお、リード部２４の電極取出部２６は、軸線ＣＬ１方向に沿って、他方のリード部２５の電極取出部２７よりも後端側に位置している。
【００２９】
電極取出部２６の露出部分は、接続部材１０の内周面に接触しており、接続部材１０に接続された中軸３とリード部２４との電気的導通が図られている。 また、電極取出部２７の露出部分は、外筒５の内周面に対して接触しており、外筒５に接合されたハウジング２とリード部２５との電気的導通が図られている。
【００３０】
Ａ２．グロープラグの製造：
本実施形態のセラミックヒータの製造方法では、加圧焼成工程における条件を後述のように設定することで、基体２１のＣｒ３Ｃ２含有量を比較的低く抑えるようにしている。さらには、基体２１の表面において、ＣｒＳｉ２のＸ線強度のピーク値に対する、Ｃｒ３Ｃ２のＸ線強度のピーク値の比（ピーク強度比）を２．００以下としている。
【００３１】
なお、Ｘ線強度は、所定の測定条件（Ｘ線源：ＣｕＫα１、出力：３０ｋＶ／１５ｍＡ、発散スリット：１．２５° 、散乱スリット：１．２５°、受光スリット：０．３ｍｍ、２θ：２０°〜５０°、ステップ幅（間隔）：０．０２°、走査速度：６°／分）とした所定のＸ線回折装置（例えば、株式会社リガク製Ｍｉｎｉ  Ｆｌｅｘ２）を用いることで測定することができる。
【００３２】
図３は、本発明の一実施形態としてのセラミックヒータ４の製造方法を含むグロープラグ１の製造手順を示す工程表である。まず、原料調整工程（Ｓ１０５）において、ＷＣ粉末に窒化珪素粉末を加えたものを水の中でスラリー状にするとともに、スプレードライを施し、乾燥させる。そして、乾燥させた粉末に対してバインダや可塑剤、分散剤等を混入して混練し、粉末状の素子材料を得る。
【００３３】
素子成形体形成工程（Ｓ１１０）において、素子材料にバインダを混入したものを混錬するとともに、かかる素子材料を射出成形することで、素子成形体を作製する。次に、半割絶縁成形体形成工程（Ｓ１１５）において、素子成形体の製造とは別に、基体２１の半分を構成する半割絶縁成形体を製造する。具体的には、まず、窒化珪素粉末にＣｒＳｉ２粉末や焼結助剤を混入させたものを水の中でスラリー状とし、そこにバインダを添加後、スプレードライを施して基体材料を得る。そして、得られた基体材料を所定の金型装置によりプレス成形することで、半割絶縁成形体を得る。なお、金型装置としては、例えば、平面視長方形状の開口を有する枠形状の外枠と、当該外枠に対して上下動可能な下型及び上型とを備えたものが用いられる。基体材料を用いたプレス成形では、まず、外枠の一方側の開口に下型を挿通した上で、外枠内に基体材料を所定量充填する。そして、外枠の他方側の開口に上型をセットした上で、上型を下動させ、所定圧力で基体材料をプレスする。
【００３４】
図４は、工程Ｓ１１０で形成された素子成形体と、工程Ｓ１１５で形成された半割絶縁成形体とを示す斜視図である。素子成形体３２は、発熱素子２２と同様な外観形状を有する。半割絶縁成形体３１Ｘは、素子成形体３２を収容するための収容凹部３１Ａを有する。なお、素子成形体３２の成形（工程Ｓ１１０）と、半割絶縁成形体３１Ｘの成形（工程Ｓ１１５）とは、どちらを先に行うこととしてもよい。
【００３５】
図３に示すセラミックヒータ中間成形体形成工程（Ｓ１２０）において、素子成形体３２と、半割絶縁成形体３１Ｘ及び上述の基体材料とを用いてセラミックヒータ中間成形体の成形が行われる。
【００３６】
図５は、工程Ｓ１２０で形成されたセラミックヒータ中間成形体の構成を示す斜視図である。図５に示すようにセラミックヒータ中間成形体３０は、素子成形体３２が基体材料からなる絶縁成形体３１に埋設された構造を有する。このセラミックヒータ中間成形体３０の成形に際しても、上述の半割絶縁成形体の形成時と同様に所定の金型装置が使用される。この所定の金型装置としては、例えば、上述と同様の枠形状をなす外枠と、かかる外枠に対して上下動可能な下型及び上型とを備える金型装置を用いてもよい。
【００３７】
セラミックヒータ中間成形体形成工程（Ｓ１２０）においては、まず、外枠の一方側の開口に下型を挿通した上で、下型の上に半割絶縁成形体３１Ｘをセットする。次いで、図４に示すように、セットされた半割絶縁成形体３１Ｘの収容凹部３１Ａに、素子成形体３２を設置する。次に、外枠の他方側の開口から外枠内に基体材料を充填する。その後、上型を外枠の他方側の開口に挿通した上で、上型を下動させ、所定圧力でプレスする。これにより、図５に示すように、外枠内に充填された基体材料及び半割絶縁成形体３１Ｘからなる絶縁成形体３１と、素子成形体３２とが一体化されてなるセラミックヒータ中間成形体３０が得られる。
【００３８】
図３に示す脱脂工程（Ｓ１２５）において、セラミックヒータ中間成形体３０を、窒素雰囲気下で所定温度、例えば約８００℃にて加熱し、素子成形体３２や絶縁成形体３１中の可塑剤やバインダを除去する。離型剤塗布工程（Ｓ１３０）において、セラミックヒータ中間成形体３０の外表面全体に離型剤を塗布する。
【００３９】
次に、セラミックヒータ中間成形体３０の加圧焼成工程が実行される（Ｓ１３５）。この工程では、焼却炉を用いたいわゆるホットプレス法により、セラミックヒータ中間成形体３０の焼成が行なわれる。
【００４０】
図６は、工程Ｓ１３５における焼成の様子を模式的に示す説明図である。図６（ａ）は、セラミックヒータ中間成形体３０がセットされた焼成炉５０の断面を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＪ−Ｊ断面を示す。
【００４１】
焼成炉５０は、円筒状のモールド５１と、モールド５１に挿通され、セラミックヒータ中間成形体３０にプレス圧力を加えるための一対のプレス棒５２と、モールド５１の外周側に配置され、モールド５１に高周波を印加して加熱するコイル５３とを備えている。なお、図６（ｂ）では、コイル５３は、図示の便宜上省略されている。モールド５１内には、プレス棒５２による加圧方向に延び、焼成室５４を規定する複数の仕切板５５が平面視矩形に配置され、仕切板５５とモールド５１との間には、これらの隙間を埋めるための調整板５６が配置されている。本実施形態において、上述したモールド５１、プレス棒５２、仕切板５５、および調整板５６は、それぞれカーボンにより形成されている。
【００４２】
加圧焼成主程（Ｓ１３５）においては、断面半円状とされた複数の凹部がそれぞれ平行に延びてなるプレス用成形型５７を、上述の凹部にセラミックヒータ中間成形体３０を配置した状態で積層すると共に、セラミックヒータ中間成形体３０が配置された各プレス用成形型５７を焼成室５４に配置する。そして、コイル５３から高周波を印加することでモールド５１を加熱し、モールド５１の加熱により焼成炉５０（焼成室５４）内を加熱しつつプレス棒５２によりプレス用成形型５７をプレスすることで、セラミックヒータ中間成形体３０を加圧焼成する。
【００４３】
図３に示すように、加圧焼成工程（Ｓ１３５）は、真空焼成工程（Ｓ１３５ａ）と、真空焼成工程に続き実行される窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）とからなる。真空焼成工程（Ｓ１３５ａ）では、焼成室５４内を減圧して真空雰囲気とし、かかる真空雰囲気下で、焼成炉５０（焼成室５４）内を昇温させつつ、プレス棒５２からセラミックヒータ中間成形体３０に所定の圧力を加えることで、セラミックヒータ中間成形体３０を加圧焼成する。上述の所定の圧力としては、例えば、最大圧力が２０〜４０ＭＰａである圧力としてもよい。つまり、徐々に圧力を増加させて最大圧力が２０〜４０ＭＰａとなるように制御してセラミックヒータ中間成形体３０に圧力を加えてもよい。なお、徐々に圧力を増加させることに代えて、当初より最大圧力を加えてもよい。本実施形態において、真空状態とは、１０Ｐａ以下である状態を意味する。本実施形態において、この真空焼成工程（Ｓ１３５ａ）は、焼成炉５０（焼成室５４）内の温度が１３００℃以上且つ１６００℃未満の範囲内の所定温度に到達するまで行われ、かかる所定温度に達すると、窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）が実行される。なお、真空焼成工程においては、図示しない所定のポンプにより、焼成炉５０内からガスを排出することで、焼成炉５０（焼成室５４）内が真空状態とされる。
【００４４】
窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）において、加圧窒素雰囲気下で、セラミックヒータ中間成形体３０を加圧焼成する。具体的には、上述の真空焼成工程（Ｓ１３５ａ）に引き続いて焼成炉５０（焼成室５４）の加熱を継続して実行しつつ、焼成炉５０（焼成室５４）内に窒素ガスを導入し、焼成炉５０（焼成室５４）内を所定の圧力に加圧された窒素が充満する状態にするとともに、焼成炉５０内をさらに所定温度まで昇温させる。この加圧された窒素の所定の圧力とは、０．１ＭＰａ以上としてもよい。また、上述した焼成炉５０内の所定温度としては、例えば１８００℃としてもよい。そして、所定の加熱時間に亘ってプレス棒５２により所定の圧力をセラミックヒータ中間成形体３０に加えることで、セラミックヒータ中間成形体３０を加圧焼成する。上述の所定の加熱時間としては、例えば、１〜２時間としてもよい。また、上述の所定の圧力としては、最大圧力が２０〜４０ＭＰａである圧力としてもよい。その後、セラミックヒータ中間成形体３０を冷却することで、焼成体が得られる。
【００４５】
図７は、窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）におけるセラミックヒータ中間成形体３０、および窒素焼成工程により得られる焼成体４０を示す断面図である。図７（ａ）は、窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）におけるセラミックヒータ中間成形体３０の断面を示し、図７（ｂ）は、焼成体４０の断面を示す。窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）では、セラミックヒータ中間成形体３０は、図７（ａ）において白抜きの矢印に示すように、一軸加圧条件下で加圧される。その結果、図７（ｂ）に示すように、焼成体４０は、セラミックヒータ中間成形体３０に比べて小型化して略真円状の断面形状を有することとなる。
【００４６】
図３に示す研磨工程（Ｓ１４０）では、焼成体４０に各種研磨加工が施される。その結果、上述したセラミックヒータ４が得られる。研磨加工としては、公知のセンタレス研磨機を用いて焼成体４０の外周を研磨し、電極取出部２６，２７を外周面から露出させるセンタレス研磨や、基体２１の先端部に曲面加工を施し、外周面と発熱部２３との距離の均一化を図るためのＲ研磨などが含まれる。その後、組み付け工程（Ｓ１４５）が実行され、セラミックヒータ４に、ハウジング２等の各構成部が組みつけられてグロープラグ１が完成する。なお、ハウジング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Ｓ１０５〜Ｓ１４０は、セラミックヒータ４の製造方法に相当する。
【００４７】
以上説明した実施形態では、焼成炉５０（焼成室５４）の昇温途中において、焼成炉５０（焼成室５４）内に窒素ガスを導入して窒素焼成工程を実行するので、焼成工程において、発熱素子２２および基体２１を構成する窒化珪素の分解を抑制でき、発熱素子２２および基体２１の損傷を抑制できる。
【００４８】
また、真空焼成工程は、焼成炉５０内の温度が少なくとも１３００℃以上の所定温度に到達するまで行われるように構成されている。従って、ＣｒＯの生成要因となる酸素成分（例えば、ＳｉＯなど）をより確実に焼成炉５０外に排出することができ、焼成時におけるＣｒ３Ｃ２の生成を極めて効果的に抑制することができる。その結果、得られたセラミックヒータ４の基体２１中にＣｒＳｉ２を十分に残存させることができ、ピーク強度比が２．００以下のセラミックヒータ４をより確実に、かつ、より容易に得ることができる。セラミックヒータ４のピーク強度比を２．００以下に抑えることにより、基体２１の熱膨張係数を十分に増大させることができ、加熱・冷却に伴い基体に残留する応力を低減させることができる。このため、基体２１の損傷をより確実に抑制することができる。
【００４９】
また、得られたセラミックヒータ４の基体２１中にＣｒＳｉ２を十分に残存させることができるので、加圧焼成時において、基体２１（絶縁成形体３１）から発熱素子２２（素子成形体３２）に対してＣｒ成分がより確実に拡散して、発熱素子２２（素子成形体３２）を構成する窒化珪素における粒成長を促進させることができる。その結果、発熱素子２２の抵抗値が大きくなってしまうことをより確実に防止でき、発熱素子２２の抵抗値を安定的に狙いの抵抗値とすることができる。
【００５０】
ここで、１６００℃以上の高温環境では、窒化珪素から窒素が揮発してＷＳｉ２（二珪化タングステン）が生成されるために、発熱素子２２や基体２１自体がもろくなって損傷し易くなる。すなわち、基体２１と発熱素子２２との界面以外の部位におけるクラックの発生や、基体２１の外表面の欠損等の不具合が生じ易くなる。しかしながら、本実施形態では、焼成炉５０（焼成室５４）内の温度が１６００℃未満の所定温度に到達すると、窒素焼成工程が実行され、焼成炉５０（焼成室５４）内に窒素が導入されるので、窒素の揮発分解を抑制して発熱素子２２および基体２１の損傷を抑制できる。
【００５１】
Ｂ．第１実施例：
上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、真空焼成温度を種々変更し、また、加圧焼成工程における加圧力が最大圧力に達するタイミングを種々変更して、加圧力が最大圧力に達するときの焼成炉５０の温度（以下、「最大圧力到達温度」と呼ぶ）と真空焼成温度との組み合わせ毎に、１０００本のセラミックヒータのサンプルを作製した。また、比較例として、加圧焼成工程において、窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）を省略して製造したセラミックヒータ（後述するサンプル８）と、真空焼成温度を１６００℃に設定して製造したセラミックヒータ（後述するサンプル９）とを作製した。そして、製造された各サンプルについて、発熱素子２２と基体２１との界面におけるクラックの有無を超音波探傷により確認し、クラックが存在する比率（界面クラック発生率）を特定する実験を行った。本実施例では、界面クラック発生率は、各サンプル（１０００本）のうち、発熱素子２２と基体２１との界面に１つでもクラックが生じていたセラミックヒータの割合を意味する。
【００５２】
下記表１に、第１実施例の試験結果を示す。表１では、真空焼成温度、最大圧力到達温度、および界面クラック発生率に加えて、各サンプルにおけるＣｒ化合物構成相と、各サンプルの試験結果の評価を示している。評価値「Ａ」は、界面クラック発生率が０．０％であり、「Ｂ」は、界面クラック発生率が０．０％以上０．５％以下であり、「Ｃ」は界面クラック発生率が０．５％よりも大きく２％以下であり、「Ｄ」は界面クラック発生率が２％よりも大きいことを示す。なお、評価値「Ａ」および「Ｂ」の界面クラック発生率が０．０％の差異は、以下のとおりである。すなわち、評価「Ｂ」は、発熱素子２２と基体２１との界面においてクラックは発生していないが、かかる界面以外の部位においてクラックが発生している場合の評価を意味する。これに対して、評価「Ａ」は、上記界面はもちろん界面以外の部位においてもクラックが発生している場合の評価を意味する。すなわち、評価Ａが最もクラックの発生が抑えられていたことを示し、以下、Ｂ，Ｃ，Ｄの順序で、クラックの発生がより抑えられていたことを示す。
【００５３】
【表１】
0006654818.tif 000002
【００５４】
表１に示すように、実施例のサンプル１〜７のいずれにおいても、Ｃｒ化合物構成相として、ＣｒＳｉ２が含まれていた。このため、界面クラック発生率も２％未満に抑えられ、評価もＡ〜Ｃと比較的高かった。これに対して、比較例のサンプル８では、Ｃｒ化合物構成相として、ＣｒＳｉ２が含まれていなかった。このため、界面クラック発生率が２．４％と高く、評価もＤと最低であった。なお、比較例９のサンプルは、Ｃｒ化合物構成相として、ＣｒＳｉ２のみで構成され、界面クラック発生率が０％と良好であった。しかしながら、発熱素子２２と基体２１との界面以外の部位におけるクラックの発生が認められたため、評価は「Ｂ」であった。また、サンプル９では、窒化珪素の分解によりＷＳｉ２が生じ、基体２１の表面の欠損等のセラミックヒータの劣化が認められた。これは、サンプル９における真空焼成温度が１６００℃と非常に高いために窒化珪素から窒素が揮発して窒化珪素が分解し、基体２１表面の欠損等が生じたものと推測される。このため、評価は「Ｂ」であったが、セラミックヒータ全体としての品質は、実施例のサンプルに比べて低いものであった。
【００５５】
ここで、サンプル６，７は、評価が「Ａ」であり、他の実施例のサンプル１〜５および比較例のサンプル８，９と比べてクラック発生率が低く、かつ、発熱素子２２と基体２１との界面以外の部位においてクラックは生じていなかった。これら２つのサンプル６，７の最大圧力到達温度（１３００℃または１２００℃）は、他のサンプル１〜５および比較例のサンプル８，９とは異なり、いずれも真空焼成温度よりも低い。換言すると、サンプル６，７については、焼成炉５０内が真空雰囲気である段階、すなわち、窒素ガス導入前の比較的早い段階で、最大圧力でセラミックヒータ中間成形体３０が加圧されていた。ＣｒＳｉ２の融点は、１４７５℃であるため、サンプル６，７については、ＣｒＳｉ２が液相に変化する時点において既に最大圧力に達している。このように大きな圧力がセラミックヒータ中間成形体３０に加えられると、ＣｒＳｉ２がＣｒＯに変化する空間的な自由度が抑えられるために、ＣｒＳｉ２は、ＣｒＯに変化せずに液相のまま存在することができる。このため、焼成収縮がより進行し易くなり（絶縁成形体３１から素子成形体３２へのＣｒ成分の拡散がし易くなり）、クラックの発生がより抑制されたものと推測される。
【００５６】
以上の第１実施例の試験結果より、窒化珪素の分解を抑えて基体２１および発熱素子２２の損傷防止を図るためには、真空焼成温度を１６００℃未満、より好ましくは、１５５０℃以下に抑えることが好ましいといえる。また、ＣｒＳｉ２のＣｒＯへの変化を抑えて基体の損傷防止を図るためには、焼成炉５０内が真空雰囲気である段階で、プレス圧力が最大となることが好ましいといえる。また、焼成炉５０内が真空雰囲気であり且つ焼成炉５０内の温度が１４７５℃よりも低い温度の段階でプレス圧力が最大となることが、より好ましいといえる。
【００５７】
Ｃ．第２実施例：
上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、真空焼成工程における到達温度（真空焼成温度）を種々変更し、各真空焼成温度で３０本のセラミックヒータのサンプルを１組ずつ作製した。そして、各サンプルについて、Ｘ線回折法により、ＣｒＳｉ２のＸ線強度のピーク値に対する、Ｃｒ３Ｃ２のＸ線強度のピーク値の比の平均値（ピーク強度比）を測定するとともに、発熱素子の平均抵抗値、抵抗値のバラツキ（３σ）、および残留応力の平均値を計測する試験を行った。下記表２に、第２実施例の試験結果を示す。なお、残留応力の平均値が１８０ＭＰａ以下であれば、基体及び発熱素子の熱膨張差による基体の損傷をより確実に防止できるといえる。また、各サンプルともに、３００ｍΩの抵抗値を狙いとして発熱素子の成分や形状を設定し、計測された発熱素子の平均抵抗値が狙い抵抗値（３００ｍΩ）の±１０％（±３０ｍΩ）以内であり、抵抗値のバラツキ（３σ）が３０ｍΩ以下であれば、狙いの抵抗値を有する発熱素子を安定的に得られるといえる。
【００５８】
各サンプルともに、発熱素子を、ＷＣ及び窒化珪素からなる素子材料により射出成形し、基体を、窒化珪素を主成分としＣｒＳｉ２を含有する基体材料によりプレス成形した。また、残留応力は、所定の圧子により慕体に対して圧痕を打ち、形成された圧痕から延びる亀裂の長さに基づいて計測した。
【００５９】
【表２】
0006654818.tif 000003
【００６０】
表２に示すように、ピーク強度比を２．００以下としたサンプル（サンプル１１〜１４）は、残留応力の平均値が１８０ＭＰａ以下となるとともに、発熱素子の平均抵抗値が狙い抵抗値の±１０％以内で、かつ、抵抗値のバラツキ（３σ）が３０ｍΩ以下となり、基体の損傷をより確実に防止できるとともに、発熱素子の抵抗値を安定的に狙いの抵抗値にできることが分かった。ここで、残留応力が低減したのは、ＣｒＳｉ２に比べて熱膨張性に劣るＣｒ３Ｃ２の生成が抑制されたことにより、基体中に高熱膨張性のＣｒＳｉ２が十分に含有されることとなり、基体が優れた熱膨張性を有することとなったためであると考えられる。また、発熱素子の抵抗値を安定的に狙いの抵抗値にできたのは、ＣｒＳｉ２に比べて融点の高いＣｒ３Ｃ２の生成が抑制されたことにより、加圧焼成時に、発熱素子に対してＣｒ成分が十分に拡散することとなり、発熱素子を構成する窒化珪素の粒成長が促進されたことによると考えられる。
【００６１】
さらに、真空焼成温度を高くするほど、ピーク強度比を低減させることができ、真空焼成温度を１３００℃を超える温度とすることで、ピーク強度比が２．００以下のサンプルをより確実に製造できることが明らかとなった。これは、真空焼成温度を高めたことで、Ｃｒ３Ｃ２の生成要因となる酸素成分（ＳｉＯなど）が焼成炉外へとより確実に排出されたためであると考えられる。
【００６２】
また特に、真空焼成温度を１４００℃以上とすることで、ピーク強度比を０．０５以下に低減させることができ、抵抗値のバラツキ（３σ）を極めて小さくできることが縫認された。これは、真空焼成時において、より多くの酸素成分が焼成炉外へと排出されたためであると考えられる。
【００６３】
以上の第２実施例の試験結果より、基体の損傷防止を図りつつ、発熱素子の抵抗値を安定的に狙いの抵抗値とするためには、ＣｒＳｉ２のＸ線強度のピーク値に対する、Ｃｒ３Ｃ２のＸ線強度のピーク値の比（ピーク強度比）を２．００以下とすることが好ましいといえる。
【００６４】
また、発熱素子の抵抗値を層安定化させるという観点では、ピーク強度比をより小さくすることが好ましく、ピーク強度比を０．０５以下とすることが好ましいといえる。
【００６５】
さらに、ピーク強度比をより確実に２．００以下とし、基体の損傷抑制効果等を有するセラミックヒータをより確実に製造するという点から、真空焼成工程を、焼成炉内の温度が少なくとも１３２０℃に到達するまで行うことが好ましく、１４００℃に到達するまで行うことが一層好ましいといえる。
【００６６】
Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
上記実施形態および実施例において、素子成形体３２は、射出成形法により形成されていたが、他の成形手法により素子成形体を得ることとしてもよい。例えば、所定のバインダを配合した素子材料をシート成形することで導電性のシートを作製するとともに、かかる導電性のシートを所定の金型により打抜くことで素子成形体を得てもよい。また、素子材料に所定のバインダ及び溶媒を混合したスラリーを作製するとともに、かかるスラリーを半割絶縁成形体の収容凹部に流し込み、乾燥（溶媒揮発）させることで素子成形体を得てもよい。
【００６７】
Ｄ２．変形例２：
上記実施形態および実施例のセラミックヒータ４は、丸棒状、すなわち、断面が円形である形状に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、断面形状が楕円、長円、および多角形など、任意の形状である形状に形成されてもよい。また、板状の基体を複数形成し、その聞に発熱素子を挟み込んだいわゆる板状ヒータに、本発明を適用してもよい。
【００６８】
Ｄ３．変形例３：
上記実施形態および実施例では、発熱素子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てもよい。
【００６９】
Ｄ４．変形例４：
上記実施形態および実施例では、窒素焼成工程（Ｓ１３５ｂ）において、焼成炉５０内に導入されるガスは窒素ガスであったが、窒素ガスに限らず、窒素を含有する任意のガスであってもよい。かかる構成においても、窒化珪素の分解を抑制することができる。
【００７０】
Ｄ５．変形例５：
上記実施形態および実施例では、ＣｒＳｉ２のＸ線強度のピーク値に対する、Ｃｒ３Ｃ２のＸ線強度のピーク値の比（ピーク強度比）は２．００以下であったが、２．００よりも大きな値であってもよい。この構成においても、焼成炉の昇温途中において焼成炉内に窒素を含有するガスを導入することにより、基体に含まれる窒化珪素の分解を抑制でき、基体の損傷を抑制できる。
【００７１】
Ｄ６．変形例６：
上記実施形態および実施例では、セラミックヒータ４は、グロープラグ１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１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。
【００７２】
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。
【符号の説明】
【００７３】
１…グロープラグ
２…ハウジング
３…中軸
４…セラミックヒータ
５…外筒
６…端子ピン
７…軸孔
９…工具係合部
１０…接続部材
１１…絶縁ブッシュ
１２…Ｏリング
１３…括れ部
２１…基体
２２…発熱素子
２３…発熱部
２４，２５…リード部
２６，２７…電極取出部
３０…セラミックヒータ中間成形体
３１…絶縁成形体
３１Ａ…収容凹部
３１Ｘ…半割絶縁成形体
３２…素子成形体
４０…焼成体
５０…焼成炉
５１…モールド
５２…プレス棒
５３…コイル
５４…焼成室
５５…仕切板
５６…調整板
５７…プレス用成形板
【図１】
0006654818.tif 000004
【図２】
0006654818.tif 000005
【図３】
0006654818.tif 000006
【図４】
0006654818.tif 000007
【図５】
0006654818.tif 000008
【図６】
0006654818.tif 000009
【図７】
0006654818.tif 000010