JP2007240080A - セラミックヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】製造過程において素子成形体にクラックが発生することによる不具合を抑制することのできるセラミックヒータを提供する。
【解決手段】セラミックヒータは、１対の棒状のリード部、リード部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部、及び、各リード部から外周方向に突出する電極取出部を具備し、導電性セラミックからなる発熱素子と、発熱素子を保持する絶縁性セラミックからなる基体とを備える。上記セラミックヒータは、素子成形体３１を成形しておき、そのまわりを絶縁性セラミック粉末で固めるプレス成形を施して保持体を得た後、保持体を脱脂し加圧条件下で焼成することで得られる。素子成形体３１の電極取出部３７，３８のうち少なくとも付け根部分を、外周側ほど先細りする湾曲面５１を具備する変化部５２とし、変化部５２のリード部長手方向の長さＲ２及び当該長手方向に直交する突出方向の長さＲ１をいずれも０．５ｍｍ以上とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、導電性セラミックからなる発熱素子が絶縁性セラミックからなる基体にて保持されてなる棒状のセラミックヒータ及び当該セラミックヒータを備えるグロープラグに係り、特に、前記発熱素子が、１対の棒状の導電部からセラミックヒータの外周方向に突出する電極取出部を具備してなるものに関する。

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、筒状の主体金具、棒状の中軸、通電により発熱する発熱素子を内蔵するヒータ、絶縁部材、外筒、かしめ部材等を備えている。ディーゼルエンジンが要する性能やコスト面からヒータを金属製シースとするメタルグロープラグや、ヒータをセラミックヒータとするセラミックグロープラグが使用されている。

ところで、このセラミックグロープラグは概略次の構成を備えている。すなわち、主体金具の内周側には後端側へ一端を突出させた中軸が配設され、該中軸の先端側にはセラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）が設けられている。また、主体金具の先端部には外筒が接合され、この外筒によってヒータが保持されている。一方、主体金具の後端側においては、絶縁部材が中軸と主体金具との間隙に挿入され、絶縁部材の後端側にはかしめ部材が中軸を固定するようにして設けられている。

上記セラミックヒータは、導電性セラミックからなる発熱素子が、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ることで構成されている。この場合において、発熱素子に電圧を印加するための陰極・陽極の両電極取出部が後端側に設けられ、一方の電極取出部は主体金具に電気的に接続され、他方の電極取出部は中軸に電気的に接続される（例えば、特許文献１等参照）。この電気的な接続の方法としては金属製の外筒やリング部材への圧入が考えられる。

このようなセラミックヒータは、一般に、次のようにして製造される。まず、焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料粉末から、例えば射出成形により素子成形体を成形しておく。素子成形体は、前記発熱素子を構成するものであって、１対の棒状の導電部と、導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部とを備え、連結部のうち先端部分が主に発熱を行う発熱抵抗部となっている。前記電極取出部は、基体中に埋設されたときに各導電部の後端部において、基体の外周方向に向けて導電部から突出して一体形成されている。

一方で、焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末を用いて半割絶縁成形体を成形しておく。半割絶縁成形体には、素子成形体を収容するための収容凹部が形成される。

次に、例えば長方形状の開口を有する外枠と、前記開口に対応した凸部を具備する下型・上型とからなる金型装置を用い、開口に下型の凸部を嵌め込んだ状態で、前記下側の半割絶縁成形体を開口内にセットし、さらに前記素子成形体を前記半割絶縁成形体の収容凹部に配置（又は載置）し、さらに前記素子成形体を埋めるようにして絶縁性セラミック材料粉末を充填し、その後、上型によって上からプレス圧縮を施す。これにより、前記素子成形体を絶縁成形体で保持した保持体が得られる。そして、当該保持体を脱脂（仮焼）し、その後加圧条件下で焼成（ホットプレス）して焼成体を得る。さらに焼成体外周を研磨して所定の整形を施すことで、導電性セラミックからなる発熱素子が、絶縁性セラミックからなる基体にて保持されてなる上記セラミックヒータが得られる。また、このようにして得られたセラミックヒータが用いられて、セラミックグロープラグが製造され、使用に供される。
特開２００２−３６４８４２号公報

しかしながら、前記素子成形体は、バインダ（樹脂成分）を含有しており、上述した脱脂（仮焼）工程において、バインダ揮発に伴い体積収縮を起こす。このとき、体積収縮にうまく追従できずに、前記素子成形体のうち、電極取出部と導電部との境界部分、つまり、電極取出部の付け根部分にクラックが生じてしまうおそれがある。そして、このように一旦クラックが発生すると、焼成後にくびれが形成されてしまったり、抵抗値が不安定となったりして、製品としての信頼性低下の要因となってしまうおそれがある。

これに対し、脱脂工程に際しての急激な体積収縮を回避するべく、素子成形体の射出成形後において、「乾燥工程」を設け、予備的に一部のバインダを除去しておくことも考えられる。このような手法によれば、脱脂工程におけるバインダの揮発量が抑制されることから、クラックの発生をある程度抑えることができる。

ところが、近年では、セラミックヒータの細径化、長尺化の要請が高まってきており、かかる要請に応えるためには、発熱素子の細径化が必須となってくる。この場合、素子成形体も全体として細くせざるを得ず、収縮に対する耐久性が低下してしまい、より一層クラックが発生してしまうおそれが高まる。さらには、細径の素子成形体を射出成形しようとした場合、成形時のキャビティ内での流動性を確保するためにバインダの含有量を従来よりも増大させることがある。この場合、脱脂時における体積収縮もさらに大きくなってしまい、折角事前に予備的な乾燥工程を設けたとしても、クラックが発生してしまうことが依然として起こりうる。

このように、乾燥工程の追加は、素子成形体のクラックの発生について根本的な解決にはなっておらず、特に細径化の要望には十分には応えることができなかった。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造過程において素子成形体にクラックが発生することによる不具合を抑制し、ひいては使用中においても不具合の生じることのないセラミックヒータを提供することにある。また、そのセラミックヒータを使用してなるグロープラグを提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果等を付記する。

構成１．本構成のセラミックヒータは、軸線方向に延びる一対の棒状の導電部と、当該導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部と、前記導電部から前記軸線に垂直な方向へ向けて前記導電部より突出された電極取出部とを備えた導電性を有するセラミック製の発熱素子が、前記軸線方向に延びる棒状で絶縁性を有するセラミック製の基体中に埋設されてなるセラミックヒータであって、
前記発熱素子の前記電極取出部のうち少なくとも前記導電部寄り部位は、前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する断面積減少部となっていることを特徴とする。

ここで、「外周方向へいくほど先細りする湾曲面又はテーパ面」とあるのは、一方の導電部及びこの導電部から軸線に垂直な方向（以下、径方向ともいう）へ突出して形成される一方の電極取出部の両軸心を通過する仮想平面での破断面をみたときに、導電部と電極取出部とのコーナー部分の破断線が、直角状となっておらず、コーナー部側に凸の曲線状又は斜線状となっていることを意味するものである。代表的な湾曲面としてはＲ面が挙げられ、代表的なテーパ面としてはＣ面が挙げられる。

上記構成１によれば、このように湾曲面やテーパ面を形成していることによって、繰り返して加熱・冷却がこの部位に及んでも発熱素子が破断する等してヒータとして異常を来すことを防ぐことが可能となる。

構成２．本構成のセラミックヒータは、上記構成１において、少なくとも前記断面積減少部の前記軸線に垂直な長さが、前記導電部から前記基体の外周面までの長さに対して０．９以下であることを特徴とする。

ここで、「断面積減少部」とは、電極取出部の突出する方向に対して垂直な仮想平面でこの電極取出部の破断面をみたときの断面積が、突出する方向へいくほど減少していることを意味するものである。

発熱素子の電極取出部がセラミックヒータの表面に露出する部位（以下単に露出部位ともいう）まで湾曲面又はテーパ面となっている場合を想定すると、電極取出部の断面積はセラミックヒータ表面の露出部位において最も小さい構成となる。すると、僅かではあったとしても電極取出部のうち露出部位が最も抵抗値が高くなるために発熱することが考えられる。上記のようにセラミックヒータが金属製のリング部材や外筒などに圧入等によって外嵌される構成であると、その当接面には大気（酸素）が入り込む可能性があるため、露出部位は酸化し、接触抵抗が増大してしまうおそれがある。

これに対して上記構成２によれば、電極取出部の断面積減少部の導電部から基体の外周面まで長さを基体の長さ（厚み）に対して０．９以下とすることによって、露出部位を含む電極取出部の外周付近の断面積を同じとするか又は突出する方向にいくにしたがって大きくなる構成とすることができる。このため、上記おそれを解消することができる。

また特にその断面積を同じとすることにより、次の問題をも解消することができる。

電極取出部の径方向への突出長の僅かな相違により、例えば外周面の研磨度合いのちょっとした相違により、ヒータ１本１本ごとに電極取出部の露出位置が導電部長手方向に相違することとなる。このため、上記のように金属製のリング部材又は外筒に圧入される場合には、金属製のリング部材又は外筒の端縁から電極取出部までの距離にばらつきが生じやすく、前記距離の設定を正確に行うことが非常に困難となることが懸念される。この点、上記構成（断面積を同じとする構成）によれば、発熱素子の電極取出部のうち前記変化部よりも外周側は、導電部長手方向に直交する方向に延びる柱状の同径部となる。しかも、発熱素子の電極取出部の突出長に対する発熱素子の変化部の突出長の比が０．９以下である。このため、例えば外周面の研磨度合いに製品間で多少の差異が生じたとしても、電極取出部の導電部長手方向の露出位置を常に一定に保つことができる。その結果、金属製のリング又は筒状体が圧入される場合における、その端縁から電極取出部までの距離の製品毎のばらつきによる不具合を払拭できる。

また、クラックの発生を抑制するという観点からは、例えば次の構成３のようにすることも可能である。

構成３．本構成のセラミックヒータは、構成１又は２において、
前記発熱素子は、
焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料粉末から形成されるとともに、当該導電性セラミック材料粉末が焼成されて前記導電部、前記連結部及び前記電極取出部となる部位を備える素子成形体が焼成されてなる発熱素子であって、
前記基体は、
焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から形成される絶縁成形体が焼成されてなる基体であって、
前記セラミックヒータは、
前記素子成形体が前記絶縁成形体に埋設されるように前記素子成形体のまわりを前記絶縁性セラミック材料粉末で固めるプレス成形を施すことで、前記素子成形体を前記絶縁成形体で保持した保持体を得た後、当該保持体を脱脂し、加圧条件下で焼成することで得られるセラミックヒータであり、
前記素子成形体の前記電極取出部のうち、少なくとも前記導電部寄り部位は前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する過渡断面積減少部となっており、
前記過渡断面積減少部の前記導電部長手方向の長さ及び当該長手方向に直交する突出方向の長さが、いずれも０．５ミリメートル以上であることを特徴とする。

上記構成３によれば、素子成形体の電極取出部のうち少なくとも導電部寄り部位が、外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する過渡断面積減少部となっており、過渡断面積減少部の前記導電部長手方向の長さ及び当該長手方向に直交する突出方向の長さが、いずれも０．５ミリメートル以上である。このため、保持体が脱脂される際に、素子成形体に収縮応力がかかることになったとしても、導電部と電極取出部とが角状に交わっていないので、前記応力の集中が回避される。すなわち、収縮応力が分散されることとなり、脱脂時におけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。その結果、製造過程において素子成形体にクラックが発生することによる不具合を抑制することができる。

また、クラックの発生を抑制するという観点からは、例えば次の構成４のようにすることも可能である。

構成４．本構成のセラミックヒータは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、
前記発熱素子は、
焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料粉末から形成されるとともに、当該導電性セラミック材料粉末が焼成されて前記導電部、前記連結部及び前記電極取出部となる部位を備える素子成形体が焼成されてなる発熱素子であって、
前記基体は、
焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から形成される絶縁成形体が焼成されてなる基体であって、
前記セラミックヒータは、
前記素子成形体が前記絶縁成形体に埋設されるように前記素子成形体のまわりを前記絶縁性セラミック材料粉末で固めるプレス成形を施すことで、前記素子成形体を前記絶縁成形体で保持した保持体を得た後、当該保持体を脱脂し、加圧条件下で焼成することで得られるセラミックヒータであり、
前記素子成形体の前記電極取出部のうち、少なくとも前記導電部寄り部位は前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する過渡断面積減少部となっており、
前記過渡断面積減少部の前記導電部長手方向に対する前記湾曲面又はテーパ面のなす角度が、３０度以上７５度以下であることを特徴とする。

構成４によれば、基本的には、上記構成１と同様の作用効果が奏される。なお、導電部長手方向に対する前記過渡断面積減少部のなす角度が３０度未満の場合には、上記構成２の作用効果の段で述べたような同径部が存在しないと、当該段において述べた不具合が生じてしまうし、同径部を設けたとしても、その径は細いものとなってしまうこととなり妥当でない。また、素子成形体を構成する素材の浪費を招いてしまうこととなり好ましくない。一方、導電部長手方向に対する前記過渡断面積減少部のなす角度が７５度を超える場合には、導電部寄り部位が導電部長手方向と直角である場合と同様のクラックの発生が懸念される。

なお、近年におけるセラミックヒータの細径化、長尺化の要請に応えるべく、次の構成５，６のような場合には、特に上記各構成が非常に有効となる。

構成５．本構成のセラミックヒータは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記発熱素子の前記各導電部の断面積が１．５平方ミリメートル以下であることを特徴とする。

構成６．本構成のセラミックヒータは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記素子成形体は、前記各導電部の断面積が２．０平方ミリメートル以下であり、かつ、全長が３０ミリメートル以上であることを特徴とする。

構成５，６のように、各導電部の断面積が比較的細かったり、あるいは全長が長い場合には、脱脂時における各導電部の耐久性の低さによるクラックの発生が懸念されるところであるが、上述の各構成を採用することで、クラックの懸念を払拭したうえで、細径化の要請に応えることが可能となる。

勿論、上記セラミックヒータを用いて、次の構成とすることも可能である。

構成７．構成１乃至６のいずれかに記載のセラミックヒータを備えるグロープラグ。

構成７のように、上記セラミックヒータを使用して、グロープラグを形成することによって、セラミックヒータに上記不具合の生じ得ないグロープラグを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず、本発明に係るセラミックヒータを備えるグロープラグの一例について、図１，２を参照しつつ説明する。図１は、グロープラグ１の縦断面図であり、図２は、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。尚、図１，２においては、図の下側をグロープラグ１（セラミックヒータ４）の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、グロープラグ１は、主体金具２、中軸３、セラミックヒータ４、絶縁部材５，６、外筒７、かしめ部材８等を備えている。主体金具２は、略円筒状をなし、その長手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（図示略）に取付けるための雄ねじ部１１が形成されている。また、主体金具２の後端部外周には六角形状をなす鍔状の工具係合部１２が形成されており、前記シリンダヘッドにグロープラグ１を螺合する際に、使用される工具が係合されるようになっている。

主体金具２の内周側には、後端側へ一端を突出させた金属製で丸棒状の中軸３の他端が収容されている。この中軸３の外周と主体金具２の内周との間にはリング状の絶縁部材５が設けられており、中軸３の中心軸と、主体金具２の中心軸とが軸線Ｃ１上で一致するように中軸３が固定されている。さらに、主体金具２の後端側より、中軸３を挿通させた状態で、別の絶縁部材６が設けられている。当該絶縁部材６は、筒状部１３及びフランジ部１４を具備しており、筒状部１３が前記中軸３と主体金具２との隙間に嵌合されている。また、前記絶縁部材６の上端側より、略円筒状のかしめ部材８が中軸３に嵌合されている。かしめ部材８は、その先端面が前記絶縁部材６のフランジ部１４に当接した状態で、その胴部外周においてかしめられている。これにより、中軸３と主体金具２との間に嵌合された絶縁部材６が固定され、中軸３からの抜けが防止されるようになっている。

また、主体金具２の先端部には金属製の外筒７が接合されている。より詳しくは、外筒７は後端側に厚肉部１５を有しており、当該厚肉部１５の後端外周には段状の係合部１６が形成されている。そして、当該係合部１６に前記主体金具２の先端内周が係合されている。

前記中軸３の先端側にはセラミックヒータ４が設けられている。セラミックヒータ４は、基体２１及び発熱素子２２を備えている（図２参照）。すなわち、基体２１は、絶縁性セラミックからなり、焼成され、かつ先端が曲面状に加工されており、その内部において、焼成された導電性セラミックからなる発熱素子２２が埋設状態で保持されている。このセラミックヒータ４は、その胴部外周が、前記外筒７によって保持されている。尚、セラミックヒータ４のうち、外筒７よりも後端側の部分は、主体金具２内部に収容された格好となっているが、セラミックヒータ４が外筒７によって強固に位置決め固定されていることから、主体金具２には接触しない構造となっている。

さらに、前記中軸３の先端は、小径部１７となっており、当該小径部１７は主体金具２の長手方向略中央に位置している。また、前記セラミックヒータ４の後端には電極リング１８が嵌め込まれており、当該電極リング１８と、前記中軸３の小径部１７とがリード線１９によって接続され、両者間の電気的導通が図られている。

次に、セラミックヒータ４の詳細について図２を主として参照しつつ説明する。前述のとおり、セラミックヒータ４は、絶縁性セラミックよりなり、軸線Ｃ１方向に延びる略同径で丸棒状の基体２１を有し、その内部に、導電性セラミックよりなり断面略Ｕ字状をなす発熱素子２２が保持されている。発熱素子２２は、導電部としての１対の棒状のリード部２３，２４と、前記リード部２３，２４の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部２５とを備え、連結部２５のうち特に先端側の部分が発熱部２６となっている。発熱部２６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、その曲面に合わせた略Ｕ字形状をなしている。本実施形態では、発熱部２６の断面積がリード部２３，２４の断面積よりも小さくなるように構成されており、通電時には、主に発熱部２６において積極的に発熱が行われるようになっている。

また、リード部２３，２４は、前記連結部２５の両端に接続されており、それぞれセラミックヒータ４の後端へ向けて互いに略平行に延設されている。本実施形態では、リード部２３，２４の断面積は１．５平方ミリメートル以下（例えば１．４平方ミリメートル）と比較的細めに設定されている。そして、一方のリード部２３の後端寄りの位置には、電極取出部２７が外周方向に突設され、セラミックヒータ４の外周面に露出状態とされている。同様に、他方のリード部２４の後端寄りの位置にも、電極取出部２８が外周方向に突設され、セラミックヒータ４の外周面に露出状態とされている。前記一方のリード部２３の電極取出部２７は、セラミックヒータ４の長手方向（軸線Ｃ１方向）において、前記他方のリード２４の電極取出部２８よりも後端側に位置している。

電極取出部２８の露出部分は、外筒７の内周面に対して接触しており、これにより外筒７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の露出部分に対応して、前述した電極リング１８が嵌められており、この電極リング１８の内周面に電極取出部２７が接触して、電極リング１８とリード部２３との電気的導通が図られている。すなわち、電極リング１８にリード線１９を介して電気的に接続された前記中軸３と、外筒７に係合し電気的に接続された主体金具２とが、グロープラグ１において、セラミックヒータ４の発熱部２６に通電するための陽極・陰極として機能する。本実施形態における電極取出部２７，２８は、その付け根部分（導電部寄り部位）が、外周方向へいくほど細くなる湾曲面５１１を具備する変化部５２１となっており、変化部５２１よりも外周側は、柱状の同径部５３１となっている（図１０（ａ）参照）。本実施形態では、変化部５２１が「断面積減少部」に相当する。また、電極取出部２７（２８）の突出長Ｔに対する変化部５２１の突出長Ｒ１′の比が０．９以下とされている。尚、当該電極取出部２７，２８の詳細については後述する。

また、本実施形態では、基体２１を構成する材料として、窒化珪素が用いられる。また、発熱素子２２を構成する材料として、窒化珪素を主成分とし、タングステンカーバイトを２０容量％混合した導電性セラミックが用いられる。勿論、上述したように、発熱部２６においてより積極的に発熱が行われるよう、発熱部２６に対してリード部２３，２４の導電性が高くなるように、両者の材質を異ならせることとしてもよい。

以上がグロープラグ１の構成の概略であるが、かかるグロープラグ１のセラミックヒータ４を作製するにあたり、本実施形態では以下の製造方法に従ってセラミックヒータ４を作製することとしている。以下には、図３〜図１０等を参照しつつ、セラミックヒータ４の製造方法上の特徴について説明する。

図３は、セラミックヒータ４の各製造工程を示すフローチャートである。同図に示すように、セラミックヒータ４の製造工程においては、まず、素子成形体３１の成形が行われる（Ｓ１）。素子成形体３１は、前述した発熱素子２２のいわば前駆体である。当該素子成形体３１の成形についてより詳しく説明すると、上記のとおり窒化珪素とタングステンカーバイトに焼結助剤を混入させたものを水の中でスラリー状とし、スプレードライを施すことで、粉末状態とする。当該粉末とバインダとしての樹脂チップとを混練し、射出成形を行い、その後、バインダの一部を灰化させる（取り除く）べく予備的に加熱乾燥を行うことで、素子成形体３１が作製される。

作製される素子成形体３１は、図４に示すように、未焼成のリード部３３，３４と、リード部３３，３４の先端側（図の左側）を連結する略Ｕ字形状の未焼成の連結部３５と、を備えている。本実施形態ではリード部３３，３４が素子成形体３１の導電部を構成する。本実施形態の素子成形体３１にあっては、前記リード部３３，３４の断面積が２．０平方ミリメートル以下（例えば１．８５平方ミリメートル）に設定されており、かつ、全長が３０ミリメートル以上（例えば３５ミリメートル）に設定されており、比較的細径となっている。

また、一方のリード部３３には、電極取出部３７（上記電極取出部２７に対応）が他方のリード部３４の位置する側とは反対側である外周方向に突出形成されている。また、他方のリード部３４の後端寄りの位置にも、電極取出部３８（上記電極取出部２８に対応）が前記一方のリード部３３の位置する側とは反対側である外周方向に突出形成されている。さらに、本実施形態にあっては、リード部３３，３４の後端側を接続するサポート部３９も一体形成されている。すなわち、焼成前のセラミックは機械的強度が弱く、また連結部３５は比較的細いため、加工過程において割れや、折れといった不具合の発生が懸念される。本実施形態では、連結部３５、リード部３３，３４及びサポート部３９によって、素子成形体３１を全体として環状に構成することで、リード部３３，３４の重量による負荷が連結部３５とサポート部３９とで分散され、これにより、連結部３５の割れ等の不具合防止が図られている。なお、サポート部３９は焼成後において切断されるものであるため、切断をより容易に行うという観点から同図よりも細いものを採用してもよい。勿論、かかるサポート部３９を省略する構成を採用しても何ら差し支えない。

本実施形態では、前記電極取出部３７，３８に構成上の特徴を有している。図５に示すように、電極取出部３７，３８は、その付け根部分（導電部寄り部位）が、外周方向へいくほど細くなる湾曲面（Ｒ面）５１を具備する変化部５２と、変化部５２よりも外周側（図５の上側）に位置し、リード部３３，３４長手方向に直交する方向（図の上下方向）に延びる円柱状の同径部５３とからなっている。本実施形態では、この変化部５２が「過渡断面積減少部」に相当する。変化部５２のリード部３３，３４長手方向の長さＲ２及び当該長手方向に直交する突出方向の長さＲ１は、いずれも０．５ミリメートル以上（例えば０．６ミリメートル）となっている。また、その先の同径部５３の突出長Δｔは、例えば０．２ミリメートルに設定されている。

さて、セラミックヒータ４の製造過程の説明に戻り、素子成形体３１の成形工程とは別に、基体２１の半分を構成する半割絶縁成形体４０の成形が行われる（図３のＳ２）。より詳しく説明すると、まず半割絶縁成形体４０を構成する材料の粉末を用意する。上記のとおり窒化珪素に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すことで、粉末（顆粒）状態とする。そして、当該絶縁性セラミック粉末を用いたうえで半割絶縁成形体４０の成形が行われる。

半割絶縁成形体４０の成形には所定の金型装置（図示せず）が使用される。金型装置としては、例えば枠形状をなす、つまり平面視長方形状をなす開口を有する外枠と、当該外枠に対し上下動可能な下型及び上型とを備えている。そして、外枠の開口に下型の凸部を挿通させた状態とし、開口内に、前述の絶縁性セラミック粉末を所定量充填し、この状態から上型を下動させ、所定圧力でプレス加圧する。これにより、図６に示すように、収容凹部４８の形成された半割絶縁成形体４０が得られる。尚、上記素子成形体３１の成形（Ｓ１）と、半割絶縁成形体４０の成形（Ｓ２）とは、どちらが先に行われてもよい。

次に、上記素子成形体３１及び半割絶縁成形体４０、並びに、絶縁性セラミック粉末を用いた保持体６１の成形が行われる（図３のＳ３）。この保持体６１の成形に際しても所定の金型装置（図示せず）が使用される。金型装置としては、例えば上記同様枠形状をなす外枠と、当該外枠に対し上下動可能な下型及び上型とを備えている。そして、外枠の開口に下型の凸部を挿通させた状態とし、その上に前記半割絶縁成形体４０をセットして、セットされた半割絶縁成形体４０上の収容凹部４８に、素子成形体３１を設置する（図７参照）。次に、前記開口内に、前述の絶縁性セラミック粉末を充填し、上型の凸部を開口に挿通させて上型を下動させ、所定圧力でプレス加圧する。これにより、図８に示すように、素子成形体３１が絶縁成形体６０で保持された保持体６１が得られる。

次に、上記保持体６１の成形後、脱脂が施される（図３のＳ４）。すなわち、得られる保持体６１中には未だバインダが存在しているため、当該バインダを灰化する、つまり取り除くべく、窒素ガス雰囲気下８００℃で１時間の仮焼（脱脂、脱バインダ処理）を行う。当該脱脂工程に際し、素子成形体３１に収縮応力がかかることが起こりうる。特に、素子成形体３１中のバインダの含有率が絶縁成形体６０中のバインダの含有率を上回るような場合には、絶縁成形体６０よりも素子成形体３１の方が収縮しやすい。この場合、収容凹部４８に収容されていた素子成形体３１の電極取出部３７，３８が絶縁成形体６０に引っかかるようにして応力を受けることが懸念される。しかしながらこの点、本実施形態では、電極取出部３７，３８の付け根部分が、外周側ほど先細りする湾曲面（Ｒ面）５１を具備する変化部５２となっている。このため、素子成形体３１に上記のような収縮応力がかかったとしても、リード部３３，３４と電極取出部３７，３８とが角状に交わっていないので、前記応力の集中が回避される。すなわち、収縮応力が分散されることとなり、脱脂時においてクラックが生じにくいものとなる。

その後、保持体６１の外表面全体に離型剤が塗布される（図３のＳ５）。続いて、保持体６１が焼成工程に供される（図３のＳ６）。この工程では、いわゆるホットプレス法による焼成が行われる。すなわち、図示しないホットプレス加工機を用い、非酸化雰囲気下で、１８００℃、１時間、ホットプレス圧力３００ｋｇｆ／平方センチメートルで図９（ａ）に示す保持体６１を加圧・加熱することによって、図９（ｂ）に示す焼成体６２を得る。尚、ホットプレス焼成炉では、焼成後の焼成体６２が略円柱状となるように、その形状を矯正するための凹部が形成された（上述したセラミックヒータ４の外形に準じた形状が凹設された）カーボン治具が用いられてホットプレス焼成が行われる。このとき、保持体６１は、図９（ａ）において矢印で示すように一軸加圧条件下で加圧され、焼成が施される。

その後、焼成体６２の後端側を切断する端面切断工程が行われる（図３のＳ７）。すなわち、焼成体６２の後端側がダイヤモンドカッタ等で切断される。これにより、上述したサポート部３９が切除され、その端面からリード部３３，３４の後端面が露出した焼成体６２が得られる。この切断は、発熱素子２２のリード部２３とリード部２４とが発熱部２６を介さずに短絡することがないようにするために行うものであり、その切断位置は、前記電極取出部２７よりも後端側であればよい。つまり、この切断工程を経ることで、前記射出成形工程において連結部３５、リード部３３，３４及びサポート部３９により構成されていた素子成形体３１が、非環状となるように開放されることとなる。勿論、射出成形工程において、元来サポート部を有しない素子成形体を得るような場合には、当該端面切断工程は不要となる。

その後、前記焼成体６２に対し、各種研磨加工（図３のＳ７）を施すことで、上述したセラミックヒータ４の完成体が得られる。尚、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６２の外周を研磨し、電極取出部２７，２８を外周面から露出させるセンタレス研磨や、基体２１先端部の曲面加工を施し、外側面と発熱部２６との距離の均一化を図るためのＲ研磨などがある。

以上詳述したように、本実施形態によれば、素子成形体３１の電極取出部３７，３８の付け根部分が、外周側ほど先細りする湾曲面（Ｒ面）５１を具備する変化部５２となっている。また、変化部５２のリード部３３，３４長手方向の長さＲ２及び当該長手方向に直交する突出方向の長さＲ１は、いずれも０．５ミリメートル以上となっている。このため、脱脂工程に際し素子成形体３１に収縮応力がかかったとしても、リード部３３，３４と電極取出部３７，３８とが角状に交わっていないので、応力の集中を回避でき、クラックの発生を抑制することができる。その結果、製造過程において素子成形体３１にクラックが発生することによる不具合を抑制することができる。

また、上記セラミックヒータ４がグロープラグ１として使用に供される場合には、電極取出部２７，２８において電気的導通を図るべく、その外周において金属製の電極リング１８や外筒７が嵌め込まれる（圧入される）。この場合、グロープラグ１の使用時において、電極リング１８や外筒７の端縁とセラミックヒータ４外周との隙間から、酸素が入り込み、発熱素子２２の導電成分（タングステンカーバイト）が酸化されてしまうといった事態をより確実に防止する必要がある。当該発電素子２２の酸化防止をより確実に行うためには、電極リング１８や外筒７の端縁から電極取出部２７，２８までの距離の設定を正確に行うことが非常に重要となってくる。

ここで、図１０（ｂ）に示すように発熱素子の電極取出部の最外周部が湾曲面となっている場合を想定すると、電極取出部の突出長の僅かな相違により、例えば外周面の研磨度合いのちょっとした相違により、電極取出部の露出位置が導電部長手方向に相違することとなる。例えば同図に示すように、研磨の程度が大きくて電極取出部の突出長ＴＺが比較的短いときには、電極リング１８の端縁から電極取出部までの距離ＬＺ１は比較的短いものになるのに対し、研磨の程度が小さくて電極取出部の突出長ＴＺが比較的長いときには、電極リング１８の端縁から電極取出部までの距離ＬＺ１は比較的長いものになる。従って、上記のように発熱素子の電極取出部の最外周部が湾曲面となっていると、電極リング１８等の端縁から電極取出部までの距離にばらつきが生じやすく、前記距離の設定を正確に行うことが非常に困難となることが懸念される。

この点、本実施形態によれば、図１０（ａ）に示すように、発熱素子２２の電極取出部（図では一方のリード部２３側の電極取出部２７を示している）のうちテーパ面５１１を具備する変化部５２１よりも外周側は、リード部２３長手方向に直交する方向に延びる柱状の同径部５３１となっている。しかも、電極取出部２７（２８）の突出長Ｔ（Ｔ＝変化部５２１の突出長Ｒ１′＋同径部５３１の突出長ΔＴ）に対する変化部５２１の突出長Ｒ１′の比が０．９以下とされる。このため、例えば外周面の研磨度合いに製品間で多少の差異が生じたり、発熱素子２２の配置が基体２１に対して多少ずれていたりしても、電極取出部２７（２８）のリード部２３（２４）長手方向の露出位置を常に一定に保つことができる。その結果、電極リング１８等が圧入される場合における、その端縁から電極取出部２７（２８）までの距離ＬＺ１，ＬＺ２の製品毎のばらつきによる不具合を払拭できる。

次に、上述した作用効果を確認するべく、リード部の断面積、電極取出部の変化部等を種々変更することで各種サンプルを作製し、種々の評価を試みた。その実験結果を表１に示すとともに、各サンプルについて説明する。

先ず、リード部の断面積が比較的大きな素子成形体（リード部断面積＝３．５２平方ミリメートル）を作製し、セラミックヒータを作製した（サンプル１）。この場合、変化部の各長さＲ１，Ｒ２は比較的小さい０．３ミリメートルではあったが、リード部の断面積が大きかったため、クラックは発生しなかった。これに対し、リード部の断面積が比較的小さな素子成形体（リード部断面積＝２．８２平方ミリメートル）を作製し、セラミックヒータを作製した（サンプル２）。この場合、変化部の各長さＲ１，Ｒ２は比較的小さい０．３ミリメートルであり、リード部の付け根部分に３０個中１個のサンプルにクラックが発生してしまった。

一方、リード部の断面積が比較的小さく、かつ、変化部の大きな素子成形体（リード部断面積＝２．８２平方ミリメートル）を作製し、セラミックヒータを作製した（サンプル３，４）。各サンプルにおける変化部の長さＲ１，Ｒ２は、本実施形態を充足する０．５ミリメートル、０．８ミリメートルであり、これらの場合においてクラックは発生しなかった。

但し、同じリード部断面積の素子成形体を作製し、セラミックヒータを作製した場合であっても、電極取出部の突出長Ｔに対する変化部突出長Ｒ１′の比が０．９以上（Ｒ１′／Ｔ＝１．０）の場合（サンプル５）には、クラックは発生しなかったものの、発熱素子としたときの電極露出についての評価が芳しくなかった。すなわち、電極露出面積又は露出位置にばらつきが生じてしまった。このことは、上述したように、電極リング１８等が圧入される場合における、その端縁から電極取出部までの距離の製品毎のばらつきを意味するものである。

また、リード部の断面積がより一層小さな素子成形体（リード部断面積＝１．８５平方ミリメートル）を作製し、セラミックヒータを作製した場合においても同様のことがいえる（サンプル６〜９）。すなわち、素子成形体の変化部の各長さＲ１，Ｒ２が比較的小さい０．３ミリメートルのサンプル６については、リード部の付け根部分に３０個中３個のサンプルにクラックが発生してしまった。これに対し、変化部の長さＲ１，Ｒ２が、本実施形態を充足する０．５ミリメートル、０．８ミリメートルであるサンプル７，８については、クラックは発生しなかった。

一方、同じリード部断面積の素子成形体を作製し、セラミックヒータを作製した場合であっても、電極取出部の突出長Ｔに対する変化部突出長Ｒ１′の比が０．９以上（Ｒ１′／Ｔ＝１．０）の場合（サンプル９）には、クラックは発生しなかったものの、発熱素子としたときの電極露出についての評価が芳しくなかった。

なお、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、素子成形体３１の電極取出部３７，３８の付け根部分が、湾曲面（Ｒ面）５１を具備する変化部５２となっている場合について具体化することとしている。つまり、変化部５２の湾曲面（Ｒ面）が、Ｒ１＝Ｒ２の断面円弧状である場合が例示されている。

この点、必ずしもＲ１＝Ｒ２である必要はなく、Ｒ２がＲ１よりも大きい構成であってもよい（但し、Ｒ１，Ｒ２ともに０．５ミリメートル以上）。従って、例えば図１１（ａ）に示すように、断面楕円形状の湾曲面の変化部８１を有するものであってもよい（但し、Ｌ１，Ｌ２ともに０．５ミリメートル以上）。但し、上記のとおり、Ｒ２＞Ｒ１、Ｌ２＞Ｌ１としたほうが、素子成形体の長手方向の収縮力を緩和する領域が広くなるという点で、より望ましい。

（ｂ）また、変化部は必ずしも湾曲面状でなくてもよく、例えば図１１（ｂ）に示すＣ面に代表されるようなテーパ面を有する変化部８２であってもよい。但し、変化部８２のリード部長手方向の長さＣ１及び当該長手方向に直交する突出方向の長さＣ２はいずれも０．５ミリメートル以上であることが望ましい。また、当該要件を満たす限り、必ずしもＣ１＝Ｃ２である必要はなく、Ｃ２＞Ｃ１であってもよい。また、リード部長手方向に対する前記テーパ面のなす角度θが、３０度以上７５度以下であることが望ましい。テーパ面のなす角度θが３０度未満の場合には、上記実施形態のような同径部がないと、電極リング等が圧入される場合における、その端縁から電極取出部までの距離のばらつきといった不具合が生じてしまうし、同径部を設けたとしても、その径は細いものとなってしまうこととなり妥当でない。また、素子成形体を構成する素材の浪費を招いてしまうこととなり好ましくない。一方、前記テーパ面のなす角度θが７５度を超える場合には、付け根部が直角である場合と同様のクラックの発生が懸念され、この場合も好ましくない。尚、上記のとおり、Ｃ２＞Ｃ１としたほうが、素子成形体の長手方向の収縮力を緩和する領域が広くなるという点で、より望ましい。

（ｃ）上記実施形態のセラミックヒータ４は、丸棒状、すなわち、断面円形状である場合に具体化されているが、必ずしも断面円形状である必要はなく、例えば断面楕円形状でも、断面長円形状でも断面多角形状でもよい。

（ｄ）上記実施形態では、保持体６１の断面形状が略長円形状となるようにしたが、その断面形状は、円形であっても、矩形であっても、或いは多角形であってもよい。

（ｅ）上記実施形態では、前記半割絶縁成形体４０を成形したうえで保持体６１を成形することとしているが、そのような段階を省略して、素子成形体のまわりを、絶縁性セラミックを主成分とする粉末で一気に固めるプレス成形を施すことで、保持体を得ることとしてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、素子成形体３１に関し予備的な乾燥を施すこととしているが、当該予備的な乾燥を省略することとしてもよい。

本実施形態のグロープラグの構成を示す縦断面図である。 セラミックヒータを中心に示すグロープラグの部分拡大断面図である。 セラミックヒータの製造方法を示すフローチャートである。 素子成形体の斜視図である。 素子成形体の電極取出部を示す部分拡大平面図である。 半割絶縁成形体を示す斜視図である。 半割絶縁成形体上の収容凹部に素子成形体を設置する過程を説明する斜視図である。 保持体を示す斜視図である。 （ａ）は保持体の焼成時におけるプレス方向を示す断面図であり、（ｂ）は得られる焼成体を示す断面図である。 （ａ）は本実施形態の発熱素子の電極取出部等を示す部分拡大断面図であり、（ｂ）は同径部がない場合の不具合を説明する部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）はいずれも別の実施形態を示す素子成形体の電極取出部等を示す部分拡大平面図である。

符号の説明

１…グロープラグ、４…セラミックヒータ、２１…基体、２２…発熱素子、２３，２４…導電部としてのリード部、２５…連結部、２７，２８…電極取出部、３１…素子成形体、３３，３４…導電部としてのリード部、３５…連結部、３７，３８…電極取出部、５１…湾曲面、５２…変化部、５３…同径部、６１…保持体、６２…焼成体、８１…変化部、８２…変化部、５１１…湾曲面、５２１…変化部、５３１…同径部。

Claims (7)

1. 軸線方向に延びる一対の棒状の導電部と、当該導電部の先端部同士を連結する略Ｕ字状の連結部と、前記導電部から前記軸線に垂直な方向へ向けて前記導電部より突出された電極取出部とを備えた導電性を有するセラミック製の発熱素子が、前記軸線方向に延びる棒状で絶縁性を有するセラミック製の基体中に埋設されてなるセラミックヒータであって、
   前記発熱素子の前記電極取出部のうち少なくとも前記導電部寄り部位は、前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する断面積減少部となっていることを特徴とするセラミックヒータ。
2. 少なくとも前記断面積減少部の前記軸線に垂直な長さが、前記導電部から前記基体の外周面までの長さに対して０．９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。
3. 前記発熱素子は、
   焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料粉末から形成されるとともに、当該導電性セラミック材料粉末が焼成されて前記導電部、前記連結部及び前記電極取出部となる部位を備える素子成形体が焼成されてなる発熱素子であって、
   前記基体は、
   焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から形成される絶縁成形体が焼成されてなる基体であって、
   前記セラミックヒータは、
   前記素子成形体が前記絶縁成形体に埋設されるように前記素子成形体のまわりを前記絶縁性セラミック材料粉末で固めるプレス成形を施すことで、前記素子成形体を前記絶縁成形体で保持した保持体を得た後、当該保持体を脱脂し、加圧条件下で焼成することで得られるセラミックヒータであり、
   前記素子成形体の前記電極取出部のうち、少なくとも前記導電部寄り部位は前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する過渡断面積減少部となっており、
   前記過渡断面積減少部の前記導電部長手方向の長さ及び当該長手方向に直交する突出方向の長さが、いずれも０．５ミリメートル以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
4. 前記発熱素子は、
   焼成後に導電性を有する導電性セラミック材料粉末から形成されるとともに、当該導電性セラミック材料粉末が焼成されて前記導電部、前記連結部及び前記電極取出部となる部位を備える素子成形体が焼成されてなる発熱素子であって、
   前記基体は、
   焼成後に絶縁性を有する絶縁性セラミック材料粉末から形成される絶縁成形体が焼成されてなる基体であって、
   前記セラミックヒータは、
   前記素子成形体が前記絶縁成形体に埋設されるように前記素子成形体のまわりを前記絶縁性セラミック材料粉末で固めるプレス成形を施すことで、前記素子成形体を前記絶縁成形体で保持した保持体を得た後、当該保持体を脱脂し、加圧条件下で焼成することで得られるセラミックヒータであり、
   前記素子成形体の前記電極取出部のうち、少なくとも前記導電部寄り部位は前記外周方向へいくほど細くなる湾曲面又はテーパ面を具備する過渡断面積減少部となっており、
   前記過渡断面積減少部の前記導電部長手方向に対する前記湾曲面又はテーパ面のなす角度が、３０度以上７５度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックヒータ。
5. 前記発熱素子の前記各導電部の断面積が１．５平方ミリメートル以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
6. 前記素子成形体は、前記各導電部の断面積が２．０平方ミリメートル以下であり、かつ、全長が３０ミリメートル以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセラミックヒータ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のセラミックヒータを備えるグロープラグ。
   

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