(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック基体に、導電性セラミックからなる発熱部材が埋設された構成を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
前記構成を備えるよう、焼成後に前記発熱部材になる材料を射出成形して前記発熱部材の射出成形体を形成し、当該射出成形体を前記絶縁性セラミック基体とともにプレス工程により一体成形して一体成形物を形成した後に、
前記一体成形物を１７００℃以上でホットプレス焼成する第１焼成工程と、
前記ホットプレス工程後に１５００℃以上１８００℃以下、５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の窒素雰囲気でＨＩＰを行う第２焼成工程と、
を備える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よって製造したセラミックヒータに対し、
当該セラミックヒータの発熱部材の一端および他端に端子金具と主体金具とをそれぞれ電気的に接続してグロープラグを製造す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、導電性セラミック製の発熱部材が絶縁性セラミック製の基体に埋設されてなるセラミックヒータの製造方法に関し、またそのセラミックヒータを備えたグロープラグを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの始動補助として用いられるグロープラグは、従来からヒータ部材として有底筒状の金属シース内に絶縁性セラミック粉末と金属製発熱コイルとを内装させてなるヒータを使用した、いわゆるメタルグロープラグが使用されてきた。近年では耐熱性や耐久性の観点からこのようなヒータに変わって絶縁性セラミック基体に導電性のセラミックからなる発熱部材を埋設させたセラミックヒータを使用したセラミックグロープラグが注目されつつある。セラミックヒータは長期間にわたる耐久性や急速昇温に対する耐久性に優れるためである。
【０００３】
年々高まりつつある地球規模での環境意識の高まりからエンジンには排気ガスの低エミッション化の要求がある。低エミッション化を達成するためにはエンジン自身の改良にとどまらず、エンジンを如何に効率よく始動させ、また安定化させるかということも検討され、グロープラグにはより過酷な状況下・使用条件にも耐えうる性能を備えていることが望まれている。このような要求に応えるヒータとしてセラミックヒータがあげられる。
【０００４】
セラミックヒータは絶縁性のセラミックと導電性のセラミックとが組み合わされ一体となって構成される。その種類も多岐にわたり、自身の表層に発熱する導電性セラミックを配置して表面が発熱するように構成したタイプ（たとえば特許文献１参照）、自身の表層は絶縁性セラミックとし、その内部に導電性セラミックからなる発熱部材と、その発熱部材への電力供給用リード線として金属線を内在させたタイプ（たとえば特許文献２参照）、電力供給用リード線をも導電性セラミックとして構成したオールセラミックタイプ（たとえば特許文献３）等、様々である。（なお、本明細書において特許文献１のようにヒータの表層が導電性セラミックである表面が発熱するタイプを"表面発熱タイプ"、特許文献２，３のようにヒータの表層が絶縁性セラミックであり、発熱部材がその絶縁性セラミックの内部に収容されたタイプを"内部発熱タイプ"と便宜的に呼称する。）
【０００５】
表面発熱タイプのセラミックヒータは、導電性セラミックがヒータの表面を構成して露出しているので、ヒータ表面への付着物があるとヒータの特性が変わってしまうおそれがあったり、外部からの応力によって導電性セラミックに亀裂が入ったりしてしまうおそれがある。このため、特に耐久性の面では内部発熱タイプのセラミックヒータが優位性をもつ。このような観点においては内部発熱タイプのものが好ましいともいえる。
【０００６】
ところでセラミックヒータの製造方法には、未焼成状態の絶縁性セラミックを基体とし、その内部に導電性セラミック（および金属線）を内在させ一体とした後に同時に焼成するという手法がある。絶縁性セラミックの内部に金属線を内在するタイプのものは金属線の熱膨張係数が絶縁性セラミックや導電性セラミックに比較して大きいため、クラック等を生じ不良を生じ得やすい。この観点においては内部発熱タイプのものでも特にオールセラミックタイプのものが製造工程上でも優位性を持つといえる。
【０００７】
そしてその製造方法は、特許文献３によると概略次の通りである。
まず、基体となる窒化珪素粉末を種々の材料と混合・調製し、所望の形状に成形する。別途、発熱部材となる材料を混合・調製し、前記基体に所望の形状に発熱体パターンを形成する。こうして得られるヒータ成形体を、窒素圧１．５気圧以上の雰囲気中にて１７００℃〜１９００℃の範囲で焼成する。さらに、上記焼成後に、１０００気圧以上の不活性雰囲気中で１６００℃〜１９００℃で熱間静水圧（ＨＩＰ）焼成を行う。
【特許文献１】特表２００３−５０３２２８
【特許文献２】特開２００５−１４７５３３
【特許文献３】特開平１０−１０６７２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の製造方法に従いセラミックヒータを作製すると、"良好に"作製できたものは優れた耐久性を持ち得ていた。しかしながら、本発明者等の試行によると"良好に"セラミックヒータを製造すること自体が困難であった。これは次のような相違に基づくものと考えられる。
【０００９】
特許文献３では導電性セラミックをペースト状に印刷することによって発熱部材（ヒータ成形体）を得ることを当該製造方法の例とし、また発熱部材を「高融点金属化合物を発熱体形状に成形したもの」であってもよいとしている。そこで本発明者等は焼成後に発熱部材を構成する材料をあらかじめ形成しておき、その成形体を焼成後に絶縁性セラミック基体をなす材料に埋設し、一体としたものを特許文献３に記載の条件にてホットプレス焼成・ＨＩＰ焼成をすることによってセラミックヒータを作製したが、かような方法にて作製したセラミックヒータは"良好に"作製できたものはわずかであった。
【００１０】
この問題につき、本発明者等が鋭意研究・試行を重ねたところ次のような考察に至った。
セラミックヒータ、特にグロープラグに用いるものは急速昇温を行うため、セラミックヒータの全体が均一に加熱するようにするためには発熱部材の体積は比較的大きい方が有利であることから、埋設する導電性セラミックからなる発熱部材を比較的太く構成することが好ましく、そのような構成のセラミックヒータの作製を試みた。しかしながら、比較的太い発熱部材を内在するセラミックヒータの作製においてホットプレス焼成を行っても、セラミックヒータ全体に均一な圧力を与えた状態での焼成は困難である。そのため、セラミックヒータは不均一な圧力下での焼成となるため、残留気孔等を生じ、欠陥を持つセラミックヒータとなってしまう。このようなセラミックヒータに対してＨＩＰ焼成を行うことにより、基体が緻密化し、信頼性の高いセラミックヒータを得ることが期待できることが特許文献３による効果である。
【００１１】
埋設された発熱部材がペースト状とは異なりある程度の太さを有すると、発熱部材の周囲では特に不均一な圧力による悪影響が生じやすい。ＨＩＰ焼成によって上記欠陥を解消するためには、ペースト状に形成した発熱部材を用いたセラミックヒータと、あらかじめ太めに形成した発熱部材（成形体）を用いたセラミックヒータとでは同一の条件では良好なものを得ることは困難である。
【００１２】
本発明者等は急速昇温に適したセラミックヒータを実現するために、特有の形状とその形状に対する特殊な焼成条件を見いだしたものである。本発明は、上記問題を解決するためのセラミックヒータの製造方法を提供することを目的の一つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、
窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック基体に、導電性セラミックからなる発熱部材が埋設された構成を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
前記構成を備えるよう、焼成後に前記発熱部材になる原料を射出成形して前記発熱部材の射出成形体を形成し、当該射出成形体を前記絶縁性セラミック基体とともにプレス工程により一体成形して一体成形物を形成した後に、
前記一体成形物を１７００℃以上でホットプレス焼成する第１焼成工程と、
前記ホットプレス工程後に１５００℃以上１８００℃以下、５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の窒素雰囲気でＨＩＰを行う第２焼成工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明により製造されるセラミックヒータの発熱部材の一端および他端に端子金具と主体金具とをそれぞれ電気的に接続してグロープラグを製造してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上記のセラミックヒータの製造方法により急速昇温に適したセラミックヒータ、およびそのセラミックヒータを用いたグロープラグを製造することが可能となる。なお、請求項１に記載するセラミックヒータの製造方法では、絶縁性セラミック基体の内部において金属製のリード線と導電性発熱部材とが接続されていない構成を意とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の製造方法により作製されるセラミックヒータ１００を使用したグロープラグ５００を示す。
【００１７】
セラミックヒータ１００は軸線Ｏ方向に伸びた棒状をなし、焼成されて絶縁性を備えるセラミックからなる基体１０に、略Ｕ字状に焼成されて導電性を備えるセラミックからなる発熱部材２０が埋設された構成を備える。発熱部材２０の先端（図面下方）はＵ字状に後方へ曲げ返された形状であるとともに、後方へ向かって伸びるリード部２１，２２に比べて断面積が小さくなるように形状とされている。一方、発熱部材２０のうちの後端側には電極取出部２３，２４がリード部２１，２２からそれぞれ軸線Ｏに垂直な径方向へ向かい、基体１０の表面に露出するように形成されている。なお、基体１０が請求項に記載する絶縁性セラミック基体であり、発熱部材２０が導電性セラミックからなる発熱部材に相当する。
【００１８】
この電極取出部２３，２４はたとえば図１に示すようなグロープラグ５００として構成されるときに、電極取出部２３、２４のそれぞれにセラミックヒータ１００を発熱させるための電源の正極と負極とが接続されるためのものである。図１の形態では電極取出部２３は主体金具５１０と電気的に接続し、電極取出部２４は中軸５２０と電気的に接続した状態にある。グロープラグ５００は図示しないエンジンに雄ねじ部５１１が螺合されることにより発熱部材２０の一端側（電極取出部２３）が電気的に接地される。他方、中軸５２０の後端に固着されたピン端子５３０には図示しない電源（たとえばバッテリ）の正極が接続され、セラミックヒータ１００に電力が供給されることによって、グロープラグ５００は発熱する機能を果たす。
【００１９】
さて、本発明のセラミックヒータ１００の製造方法について説明する。
図２は、セラミックヒータ１００の各製造工程を示すフローチャートである。なお、各ステップを「Ｓ」と表記する。セラミックヒータ１００はこのフローチャートに示すように、まず材料が調製される（Ｓ１）。この材料調製工程Ｓ１では基体１０の材料と発熱部材２０の材料がそれぞれ別個に調製される。基体１０の材料の調製工程は、平均粒子径が０．７μｍの窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末と平均粒子径が１．０μｍの焼結助剤としての希土類酸化物（Ｅｒ２Ｏ３）、さらにＣｒＳｉ２、ＷＳｉ２を窒化珪素玉石を使用し、エタノール中にて４０時間の湿式混合粉砕を行う工程である。このようにして基体１０の材料を得る。他方、発熱部材２０の材料の調製工程は、平均粒子径０．７μｍの窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末とタングステンカーバイド粉末（ＷＣ）さらに焼結助剤としての希土類酸化物（Ｅｒ２Ｏ３）および有機バインダを溶媒と混合し、泥漿を得、攪拌、乾燥を経るものであり、このようにして材料粉末を得る。
【００２０】
Ｓ２はそれぞれ得られた材料をセラミックヒータ１００の概形を成すように成形する工程である。Ｓ１にて得られた基体１０の材料を図３に示す分割成形体３１０にプレス成型する。他方、発熱部材２０の材料を図３に示す射出成形体３２０に射出成形する。
【００２１】
次いで得られた分割成形体３１０，３１０と射出成形体３２０とをプレスし、一体成形体３５０を得る（一体プレス工程Ｓ３）。この工程は、一方の分割成形体の凹部に射出成形体３２０を収容し、対となる他方の分割成形体３１０で挟み込み、図示外のプレス機にてプレス加工を施し、一体成形体３５０を形成する工程である（図４に一体成形体３５０を示す。）。
【００２２】
次の脱脂工程Ｓ４では、一体成形体３５０に含まれるバインダを取り除く工程である。この処理は一体成形体３５０に対し、８００℃の窒素雰囲気下で、１時間の脱バインダ処理が施される。
【００２３】
次に焼成が行われる。この焼成工程は第１焼成工程であるホットプレス焼成Ｓ５と第２焼成工程であるＨＩＰ焼成Ｓ６とが行われる。これら第１，第２焼成工程の詳細条件については後述する。焼成を経て焼成体４００が得られる。
【００２４】
次いで焼成体４００の後端を切断する端部切断工程が行われる（Ｓ７）。この工程は、図５に示すように、焼成体４００の後端が軸線に直交する断面で切断され、発熱部材２０が閉路から開路とされる工程である。
【００２５】
さらに、センタレス研磨工程Ｓ８を経てセラミックヒータ１００は完成する。完成したセラミックヒータ１００は基体１０に対して発熱部材２０が占める体積の割合が１０％以上となるように構成されている。
【００２６】
さて、前述の第１および第２焼成工程の焼成条件について説明する。
本発明は焼成条件により上記セラミックヒータ１００が欠陥なく作製できるようにするものである。下表１に実施例１〜４および比較例１〜４として焼成条件を示す。なお、それぞれの実施例および比較例で作製したセラミックヒータ１００の材料、寸法等はすべて上記説明したものと同一のものである。
【００２７】
【表１】
0004803651.tif 000002
【００２８】
まず、比較のために一体成形体３５０を１７８０℃、２５ＭＰａの一軸加圧下にて２時間のホットプレス焼成を行う。次いで行うＨＩＰ焼成はそれぞれ焼成温度、焼成圧力を異ならせた窒素雰囲気下で行う（比較例１はＨＩＰ焼成自体を行わない）。焼成されたそれぞれの焼成体４００についてその断面の観察を行い、気孔の残り度合い（残留気孔）および粒径の観察を行った。
【００２９】
ＨＩＰ焼成条件が１５００℃以上１８００℃以下、圧力５０ＭＰａ〜２００ＭＰａであった実施例１〜４についてはいずれも残留気孔がわずかであり、異常粒成長したものもみられず、良好な焼成体４００を得られた。一方、ＨＩＰ焼成を行わなかった比較例１、ＨＩＰ焼成温度が１３００℃と１５００℃未満であった比較例２については異常粒成長はみられないものの残留気孔が本発明の実施例である１〜４に比べると多かった。また、ＨＩＰ焼成温度が１８５０℃と１８００℃を超えた条件の比較例３については、残留気孔は少ないものの異常粒成長してしまっており、強度が低下しているおそれがある。また、ＨＩＰ焼成圧力が０．９ＭＰａと低い条件であった比較例４では、ＨＩＰ焼成による残留気孔の減少の効果が少なく、比較例１，２同様に残留気孔が多くみられた。
【００３０】
以上説明したように、導電性発熱部材が絶縁性セラミック基体に対して占める体積割合を１０％以上とするような太い発熱部材を有するセラミックヒータを製造する際には、１７００℃以上のホットプレス焼成後に行うＨＩＰ焼成の条件を１５００℃以上１８００℃以下とし、５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の窒素雰囲気とすることが有効である。
【００３１】
このように作製したセラミックヒータを使用してグロープラグを製造すれば容易に良好なものを製造することができ、また、優れた耐久性をも備えるものとなる。
【００３２】
また、本発明の製造方法のように、基体に対する発熱部材が占める体積割合が大きいセラミックヒータを製造する際、ホットプレス焼成後にＨＩＰ焼成を行うことによって、ＨＩＰ焼成前までに発熱部材に形成されていたマイクロクラックや残留気孔を取り除き、良好なセラミックヒータを製造することが可能となる。その結果としてクラックが形成されていたために発熱部材の抵抗値がわずかに高く、ばらつきを生じていてもそれらの悪影響を減じることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の製造方法によって製造されるセラミックヒータ１００の半断面図と、そのセラミックヒータ１００を使用して製造されるグロープラグ５００の半断面図である。
【図２】セラミックヒータ１００の各製造工程を示すフローチャートである。
【図３】一体プレス工程において一体とされる前の基体３１０と射出成形体３２０とを示す斜視図である。
【図４】一体プレス工程後の一体成形体３５０を示す図である。
【図５】焼成工程後に行う端部切断工程を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  絶縁性セラミック基体
２０  （導電性セラミック）発熱部材
１００  セラミックヒータ
３５０  一体成形体
５００  グロープラグ
【図１】
0004803651.tif 000003
【図２】
0004803651.tif 000004
【図３】
0004803651.tif 000005
【図４】
0004803651.tif 000006
【図５】
0004803651.tif 000007