JP2011018455A - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックヒータの製造で、その後端面と外周面とのなす角に、カケ、ワレ等の欠損部が発生するのを防止する。
【解決手段】棒状のセラミック基体１１内に抵抗発熱体２１が内蔵されたセラミックヒータ１０であって、焼成後に外周面１４が仕上げられたヒータ仕掛品１０ｂの段階において、その後端面１５ａを研磨して仕上げる工程を含むセラミックヒータ１０の製法で、同ヒータ仕掛品１０ｂのヒータ１０の後端をなす位置の外周面１４に、その周方向に連続する切欠き溝５１をレーザ加工によって形成する。この溝５１は、溝壁面のうちの後端面側を向く溝壁面が溝底５３に向かうにしたがって後端面側に向って傾斜する後端向き傾斜溝壁面５５をなすように形成する。この溝５１で切断し、研磨完了後の後端面１５と外周面１４とのなす角に、後端向き傾斜溝壁面５５の少なくとも一部を残存させて後端面を仕上げる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動促進（予備加熱）のグロープラグ等に使用されるセラミックヒータの製造方法に関する。

図７は、グロープラグ２０１の一例を示したものである（特許文献１）。このグロープラグ２０１は、通電することにより発熱する抵抗発熱体２１を内蔵した棒状（丸棒状）のセラミックヒータ１０と、このセラミックヒータ１０を、先端内側に保持する筒状の主体金具６１等から構成されている。同図のものではセラミックヒータ１０は主体金具６１とは別の金属製筒状体７１内にその先端部１３を突出させて固定されており、その金属製筒状体７１の後端を主体金具６１の先端に溶接によって固定して組み付けられた構成とされている。

このグロープラグ２０１に使用されている、セラミックヒータ１０（ヒータ素子）は、同図中の拡大図に示したように、セラミックヒータ本体をなすセラミック基体１１が丸棒状で先端１３が半球面状をなし、抵抗発熱体２１がその先端寄り部位に内蔵されている。この抵抗発熱体２１は導電性セラミック等からなり、セラミックヒータ１０の後端面１５に向けて折返し状に延びるＵ字形をなしている。そして、そのＵ字の各脚部の後端２３，２４には、それぞれ中継線（リード部）３１，３２が接続されており、各中継線３１，３２はセラミックヒータ１０（以下、単にヒータ１０ともいう）の後端面１５に向けてセラミック基体１１内においてその軸線Ｇに沿って延びる形で内蔵されている。また、その各中継線３１，３２の後端寄り部位における側部には、電圧印加用（通電用）の各電極端子（電極取り出し部）３５，３６が、ヒータ１０の外周面（セラミック基体１１の外周面）１４において先後位置を異にして露出、形成されている。このうち、相対的に先端側に位置する電極端子（図７右側の端子）３５は、金属製筒状体７１の内面に圧接されて接地電極をなしている。また、相対的に後端側に位置する電極端子（図７左側の端子）３６は、ヒータ１０の後端部に外嵌（圧入）された電気接続用の金属リング（筒体）８１の内面に圧接されている。この金属リング８１は、主体金具６１の内側で絶縁を保持して配置された金属製の中軸（軸体）８３の先端に電気的に接続されており、その中軸８３の後端に取付けられた外部接続用端子８５と導通が保持されている。なお、本願書類において、グロープラグ２０１及びそれを構成するセラミックヒータ１０、さらにはこのヒータ１０を構成する抵抗発熱体２１等の各部品、さらにはそれらの各部位ないし部分に関して「先端」とは、図７におけるそれらの下端をいい、「後端」とは、その逆の端をいう。

ところで、前記したようなセラミックヒータ１０は、概略、次のようにして製造される。例えば、別途、製造された、抵抗発熱体２１及びこれに連なるように電極端子３５，３６付きの中継線３１，３２形成用の成形体（これらが導電性セラミックからなる場合）を、セラミック基体１１をなすセラミック成形体（未焼成体）内に内蔵されるように、プレス成形により一体化する。そして、この成形体を脱脂処理して仮焼成体とし、この仮焼成体をホットプレス法によって焼成する。この場合、ヒータ１０をなす焼成体が多数連なる多数個取りとなって焼成される場合には、個々に分割してヒータ単体をなす棒状の焼成体とする。その後、このヒータ単体をなす焼成体の外周面を例えばセンタレス研磨して仕上げ、各電極端子３５，３６を所定部位に露出させる。そして、後端面１５をヒータ１０の軸線Ｇに垂直な平面となるように砥石（ダイヤモンド砥石）で、例えば、０．５ｍｍ程度の研磨代として平面研磨して仕上げる。また、要すれば、その後端面１５と外周面１４とのなす角（コーナ）には、周方向に沿って所定の面取り（０．１〜０．５ｍｍ程度の傾斜面取り（又は半径が０．１〜０．５ｍｍ程度のアール（曲面）面取り））が付与されるように研磨加工する。その後、先端１３を凸となす半球面状に研磨仕上げすることで、セラミックヒータ（完成品）となる。本願書類において、研磨は、研磨又は研削を意味するものとして使用している。

なお、このようなセラミックヒータ１０は、外径が例えば３．５ｍｍ程度の太さであり、したがって、セラミック材とはいえ後端面１５の研磨仕上げも、研磨代が０．５ｍｍ程度であれば、研磨においてもさほど困難性はない。しかし、焼成体であるセラミックヒータ単体（以下、ヒータ仕掛品ともいう）の状態において、次記するように、その後端部に、２〜３ｍｍの長さとなるような多くの研磨代（不要部）が存在するものでは、通常、１回の研磨代が３〜１０μｍであることからして、相当多数（回）の研磨工程を経ることを余儀なくされる。

ここで、ヒータ仕掛品においてその後端部に多くの研磨代が存在するものの代表例としては、図８に示したように、焼成後、ヒータ単体にしたヒータ仕掛品（焼結体）１０ａが、その中継線３１，３２の後端３７，３８において、抵抗発熱体２１のＵ字とは逆向きのＵ字形などによる連結体（支持体）４１で繋がっている構成を有する場合である（特許文献２）。例えば、抵抗発熱体２１及びこれに連なる両中継線３１，３２が、抵抗の異なる導電性セラミックで一体的に成形される場合、その一体成形体は、セラミック基体とともに焼成される前は原料粉体（導電性セラミック）を圧縮して固めた状態のものである。このため、中継線（焼成前の成形体）３１，３２の各脚端である後端３７，３８が自由端のままであると、抵抗発熱体２１（焼成前の成形体）に対し、各中継線３１，３２の自由端側は形状保持性が低く、壊れやすい。このため、セラミック基体（成形体）に内蔵させるまでの取扱いに難点がある。一方、その中継線３１，３２の各脚端部の後端３７、３８を、それらの成形時に例えば同素材で繋げたものとして一体成形しておけば、そうした難点は解消される。他方、このような成形体を用いて同時焼成してなるヒータ仕掛品１０ａにおいては、その後、連結体４１の脚部を、図８中の切断線Ｓ１で切断する必要がある。そして、このようなヒータ仕掛品１０ａの後端面１５ａから切断線Ｓ１までは、２〜３ｍｍあるため、後端部に多くの研磨代が存在することになるわけである。

特開平４−２３６０１０号公報 特開２００６−４０８８２号公報

ところで、連結体４１の有無に関係なく、上記の製造過程では、焼成体であるヒータ仕掛品１０ａの外周面１４ａを研磨した後、その後端面１５ａを研磨仕上げすることになる。このため、その研磨後の後端面１５と外周面１４とのなす角（コーナ）には、カケ、ワレ等の欠損（以下、単に「カケ」ともいう）が発生することがある。これは、外周面を研磨仕上げした後のヒータ仕掛品においては、その外周面１４と後端面１５ａの角（コーナ）が鋭利な角をなしているためである。すなわち、外周縁にこのような鋭利な角のある後端面１５ａを平面研磨する際には、砥石の接触時にカケが発生しやすいためである。因みに、砥石による１回の研磨量を１０μｍとして、５０回、後端面を０．５ｍｍの研磨代として仕上げた場合、本願発明者らの調査では、セラミック基体１１が窒化珪素の場合には、カケ（ただし、先後方向の幅、外周面からの深さが共に、０．１ｍｍ以上あるカケ、ワレ。）の発生率は８％程度あった。

また、ヒータ１０の後端は、このような平面研磨の終了後に、その後端面１５と外周面１４とのなす角に面取り（いわゆる糸面取り）を形成するのが普通である。この面取りは、平面研磨によってその角に発生した微小なカケを除去する効果もある。反面、この研磨過程においても、新たにカケが発生することもある。

さらに、図８に示したような、連結体４１を有するヒータ仕掛品１０ａにおいては、その後端面１５ａにおける研磨代が大きいことから研磨回数も多く要するため、その平面研磨で、一層カケが発生しやいすい。また、砥石の摩耗も早くなる。そこで、このようなものでは、後端面の研磨仕上げに先立ち、その大きい研磨代部分をカッタ（ダイヤモンドカッタ、又はダイヤモンド砥石）で切断したり、研削（削り取る）したりして、研磨代を適量にした後、その後端面を平面研磨して仕上げることも考えられる。ところが、このような切断等をする際には、カッタ等の切込み開始当初における衝撃が大きいため、その切り込み箇所の外周面（切断面の外周縁）に大きなカケが発生しやすい。しかも、このようなカケはその後の平面研磨や面取り研磨では除去できない場合が多い。このように、従来、ヒータ仕掛品の後端の仕上げ工程においては、その各段階で、後端面と外周面とのなす角にカケが発生しがちであるといった問題があった。しかも、このようなカケは、その後の取り扱いで受ける諸種の外力、衝撃により、さらに大きく進展することもある。

一方、このようなカケの存在は、「外観不良」に止まらず、次のような重大な問題を引き起こす可能性もある。図７に示したグロープラグ２０１を参照しながら説明する。それは、同図のヒータ１０のように、電気接続用の金属リング８１（パイプ）がヒータ１０の後端部位に締り嵌め（圧入）状態で外嵌されている場合である。すなわち、この場合には金属リング８１の内面を、同ヒータ１０の外周面に露出する後方の電極端子３６の表面（露出面）に圧接させている。同時に、この金属リング８１は、その電極端子（露出部）３６の酸化を防止するため、それを露出させないようにその内面で確実に覆う形で、セラミック基体１１の表面１４に密着させる必要がある。一方、電極端子３６の後端点Ｐ１よりヒータ１０の後端面１５までのセラミック部位の先後間の寸法Ｌ１は、このような酸化防止も考慮して必要寸法（例えば１ｍｍ）が与えられている。したがって、ヒータ１０の後端面１５と外周面１４とのなす角に、上記したようなカケが発生している場合には、そのカケのある分、電極端子３６の後端点Ｐ１より後方に存在するセラミック部位の先後間の寸法が小さくなってしまう。したがって、電極端子３６の酸化防止作用が損なわれる可能性が高くなる。

すなわち、このようなヒータ１０を組み込んでなるグロープラグ２０１においては、寸法Ｌ１が小さくなるほど、ヒータ１０の後端において熱変化や衝撃等により、セラミック基体１１の外周面（電極端子の露出面）１４と金属リング８１の内面との間に微小な空隙が発生しやすく、電極端子３６が酸化し易い状態におかれている。そして、その酸化が起きれば、電極端子３６と金属リング８１間における導通抵抗が増大するから、グロープラグの発熱性能に影響を及ぼす可能性がある。しかも、このようなカケは、グロープラグ２０１が使用されるような過酷な条件下では進展ないし増大する傾向にある。

こうしたことから従来は、ヒータ１０、とくにグロープラグ用のヒータ１０については、その後端のカケについて全数検査を実施し、カケ不良として排除していたが、その発生割合が高く、これが製造歩留まりの低下を招く要因ともなっていた。このようなカケの発生を根絶するためには、後端面や面取り加工時においてカケが発生しないように１回の研磨量（研削代）を極力小さくして研磨回数（送り回数）を増すことも提案される。しかし、例えば、後端面の研磨において、１回の研磨量を半減して、研磨回数を倍増、例えば２００回を４００回に倍増しても、カケ不良は根絶できないのが実情であり、製造効率や歩留まりの低下の点で効果的対応とはいえない。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたもので、製造効率や製造歩留まりの低下を招くことなく、ヒータの後端面と外周面とのなす角に、カケ、ワレ等の欠損部が発生するのを効果的に防止できるようにしたセラミックヒータの製法を提供することをその目的とする。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、棒状のセラミック基体内に抵抗発熱体が内蔵されたセラミックヒータであって、焼成後に外周面が仕上げられたヒータ仕掛品の段階において、その後端面を研磨して仕上げる研磨仕上げ工程を含むセラミックヒータの製造方法において、
前記ヒータ仕掛品においてセラミックヒータの後端をなす位置の外周面に、その周方向に連続する切欠き溝を、その溝壁面のうちの後端面側を向く溝壁面が溝底に向かうにしたがって後端面側に向って傾斜する後端向き傾斜溝壁面をなすようにレーザ加工によって形成しておき、
研磨完了後の後端面と外周面とのなす角に、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残すように、前記ヒータ仕掛品の後端面を研磨して仕上げる研磨仕上げ工程を含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して切断する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で折って、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して切断する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して、該切欠き溝の後方部位を研削して除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法である。

請求項５に記載の発明は、前記セラミックヒータは、前記セラミック基体内の先端寄り部位に前記抵抗発熱体を内蔵していると共に、該抵抗発熱体に電圧を印加すべき２本の中継線を該セラミック基体内で後端に向けて延びる形で内蔵しており、しかも、該抵抗発熱体及び該中継線が導電性セラミックで形成されており、
前記ヒータ仕掛品の段階において、その後端部内においては、前記中継線の各後端に、導電性セラミックからなる連結体がその連結体自身の後端において折返し状をなして連結されている一方、
前記連結体は、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から該連結体に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚が、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から前記中継線に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚より厚くなる配置で、前記ヒータ仕掛品の後端部位内に内蔵されており、
セラミックヒータの後端をなす位置を、前記中継線の後端より後方に内蔵された前記連結体の側部に位置させ、この位置に前記切欠き溝を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータの製造方法である。

請求項６に記載の発明は、前記セラミックヒータがグロープラグ用のセラミックヒータであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックヒータの製造方法である。

請求項１の発明は、切欠き溝（以下、単に溝ともいう）をレーザ加工によって形成しているから、その溝形成時にカケが生じることはない。そして、その溝壁面を含む溝内面及び、溝壁面と外周面とのなす角部はセラミックの溶融組織が固化した状態（再焼結状態）で存在することになる。そして、後端面の研磨完了後、すなわち、その研磨仕上げ工程の終了後におけるその後端面と外周面とのなす角には、この溝のうちの前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させている。したがって、例えば、溝を形成した段階のヒータ仕掛品についてその後端面の研磨をし始めた場合、その研磨が切欠き溝より後方で進行している過程で、その外周縁にカケが生じたとしても、そのカケは切欠き溝の存在により、その溝より先端側に進展するのを止められる。また、後端面の研磨が進行して、その外周縁が溝の後端向き傾斜溝壁面に及んでいるときは、その後端面と後端向き傾斜溝壁面とのなす角は鋭利な角度で交差していない。このため、その研磨の途中段階及び研磨終了段階における後端面の外周縁、すなわち、セラミックヒータにおける後端面の外周縁にカケが発生することが有効に防止される。なお、本発明においては、請求項２に記載したように、切欠き溝で切断してから、その切断面である後端面の研磨を開始してもよい。このような場合、その切断後の後端面（の外周縁）が後端向き傾斜溝壁面と、鋭利な角度でなく交差している状態を得ることができるため、その切断においてもカケの発生が有効に防止される。したがって、後端面の研磨代が大きい場合に好適である。

また、請求項１の発明では、研磨完了後においては前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させているため、その後、従来のように別途、面取り加工（研磨）をする必要はない。したがって、必然的に面取りに起因するカケの発生の可能性をゼロにすることができる。すなわち、本発明によれば、後端面の研磨仕上げにおけるカケの発生を有効に防止できる上に、従来、行っていた面取り工程を省略できる。これにより本発明によれば、カケの検査工程を省略できるか、少なくとも簡易検査にすることができるため、ヒータの製造効率を著しく高めることができる。なお、本発明においては、研磨完了後の後端面と外周面とのなす角に、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させるように、前記ヒータ仕掛品の後端面を研磨して仕上げるのであるが、この残存量は、カケの発生防止の観点からは、なるべく多いほうがよく、少なくとも、従来の面取りに対応する大きさを確保するように設定するのが好ましい。これは、請求項２以下の発明でも同様である。

さらに、本発明ではカケの発生を効果的に防止できるため、例えば、グロープラグとして組立てられた際においては、上記したようにセラミックヒータの後端の外周面に露出する電極端子を覆う形で金属リングが嵌められて電気的接続が確保されるような場合においても、その電極端子の酸化防止に有効である。

本発明における切欠き溝は、前記ヒータ仕掛品の外周面に、その周方向に連続するように形成する。この意味は、ヒータ仕掛品の軸線に垂直な平面と、その外周面とが交差する部位において周方向に連続するように形成すると言う意味である。このようなレーザ加工による切欠き溝は、レーザ光を、例えば、棒状のセラミック基体の外周面に対し、その焦点がその外周面又はその近傍に位置するように設定して、同基体の軸線に垂直方向に照射しつつ、相対的にセラミック基体をその軸線回りに、所定角度づつ或いは連続して回転させることで形成される。そして、このようにレーザ光を照射する場合には、概略、溝底が狭い、断面Ｖ字状の切欠き溝となる。したがって、本発明の後端向き傾斜溝壁面を有する切欠き溝は、断面Ｖ字状の切欠き溝をレーザ加工で形成することで容易に形成できる。ただし、本発明では、切欠き溝は、「後端向き傾斜溝壁面」を有すれば十分であるから、断面Ｖ字である必要は必ずしもないし、後端向き傾斜溝壁面が凸となす曲面をなしていてもよい。なお、切欠き溝は、後端面の研磨、或いは長い研磨代を切断、研削する際においてカケの発生防止が図られるように、その溝の開口幅、溝深さ、溝角度を決めればよい。そして、そのような溝が得られるように、レーザ光の照射条件（出力、焦点位置、照射時間等）を調整して、その溝を形成すればよい。

請求項２の発明では、前記研磨仕上げ工程の前に、すなわち、後端面の研磨に先立ち、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させて切断することとしている。このため、本発明では後端面の研磨代を低減できるため、研磨工程を簡略化できる。上記したように、後端面の研磨代が大きくなる場合に好適である。このように切断する場合には、カッタを切欠き溝の後端向き傾斜溝壁面の先後方向の途中部位か、それより後方での切断となる。すなわち、本発明では、切欠き溝の後端向き傾斜溝壁面においてその一部を残存させる形で切断する場合においても、その切断面と後端向き傾斜溝壁面とが鈍角で交差するためにカケが発生しにくい。また、溝底より後方に切断面ができるように切断する場合も同様にカケが発生し難いし、例えその切断後の後端面の外周縁にカケが発生したとしても、そのカケの進展は溝底で止められる。なお、このように溝で切断する場合、その溝は深いほうが好ましい。というのは、溝が深いほうが研磨対象をなす切断後の後端面の横断面積を小さくでき、したがって、研磨が容易となると共に砥石（ダイヤモンド砥石）の寿命延長（摩耗の低減）も図られるためである。また、本発明において、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させて切断する際には、切断後において、研磨完了後の後端面と外周面とのなす角に、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させ得るように、その研磨代を確保すればよい。

ところで、本発明とは別に、外周面が仕上げられたヒータ仕掛品の後端に大きい研磨代がある場合、その研磨代部分を切断して後端面を研磨仕上げしてから、その後端面と外周面とのなす角にレーザ光を照射して面取りをつけることも考えられる。しかし、このような工程の場合には、切断時に後端面の外周縁にカケが発生しやすいし、カケが大きくなりやすい。そして、このような大きなカケはレーザで除去（面取り）するとしても容易でない。しかも、大きいカケを除去する設定で、そのレーザ加工をするとすれば非効率であるのに対し、本発明ではこうした問題もない。

請求項３の発明のように、切欠き溝で折って切断する場合には、切断工程をより簡略化できる。すなわち、セラミック基体が脆性材であることから、応力集中を利用して溝底で容易に折って切断できる。このため、このようにして切断することで、切断工程の簡易、迅速化が図られる。前記ヒータ仕掛品において、その後端面から形成される切欠き溝までの寸法、すなわち、研磨代（不要部）が大きく、溝を深く形成できる場合に好適である。

請求項４の発明では、前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させて、該切欠き溝の後方部位を研削して除去したものである。前記ヒータ仕掛品において、その後端面から形成される切欠き溝までの寸法が、後端面の平面研磨のみでは研磨量として大きいが、切断に適するほどの長さのない場合に好適である。請求項２〜４において、前記研磨仕上げ工程の前に、すなわち、後端面の研磨に先立ち、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させる場合、その残存量は、研磨工程短縮の点からは、なるべく多くなるようにするのが好ましい。

請求項５に記載の発明は、セラミックヒータにおける抵抗発熱体及び中継線が導電性セラミックからなり、中継線の各後端を導電材からなる連結体で連結してなる場合に好適である。上記もしたように、このように連結体で連結した場合には、この連結体はセラミックヒータにおいて断線状態にする必要があり、ヒータ仕掛品の後端部に多くの研磨代（不要部）が不可避的に存在する。このような構成のものでは、切欠き溝は除去される後端部分の先端となる位置に形成することになる。他方、前記連結体は、抵抗発熱体及び中継線をなす成形体（未焼成体）において、その形状保持作用が果たされるように、各中継線の後端を安定して支持していればよい。一方、本発明における切欠き溝は、その目的からして溝深さが適度に深い方がよい反面、切欠き溝が深くなり、中継線をなす導電性セラミックの部位に切込まれているのは好ましくない。というのは、レーザ光が導電性セラミックに到達すると、その酸化、膨張により、セラミック基体にクラックの発生を招いてしまうためである。

これに対して、請求項５に記載の発明では、連結体のセラミック基体内の内蔵構成を、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から該連結体に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚が、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から前記中継線に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚より厚くなる配置で、前記ヒータ仕掛品の後端部位内に内蔵し、切欠き溝を前記中継線の後端より後方に内蔵された前記連結体の側部に位置させて形成している。したがって、請求項５に記載の発明では、中継線をなす導電性セラミックに切り込むことなく、前記中継線の側方において切欠き溝を形成する場合に比べて深い切欠き溝を形成できる。その結果、溝形成時にクラックの発生を招くことなく、切断過程ではその切断を容易にできる効果が得られる。

本発明の製法で製造されるセラミックヒータの一部破断面図。 図１のセラミックヒータの製造工程の説明図であり、各工程におけるヒータ仕掛品を簡略化及び誇張して示した図。 図２−Ａの第１次ヒータ仕掛品の後端部の拡大図。 図３の右側面図（後端面側から見た図）。 図２−Ｃの第３次ヒータ仕掛品の後端部の拡大図。 図２−Ｄの第４次ヒータ仕掛品の後端部の拡大図。 従来のグロープラグの一例を示す断面図、及びその要部の拡大図。 従来のグロープラグに用いるセラミックヒータを製造する過程のヒータ仕掛品（焼結体）の断面図。

本発明の実施の形態について図１〜図６に基づいて詳細に説明する。ただし、本形態で製造されるのは図１に示したセラミックヒータ１０であり、これは図７に示したグロープラグに使用されているセラミックヒータ１０と同様に、一定の円形断面をなす丸棒状（長さ４２ｍｍ、直径３．３ｍｍの円柱状）のもので、先端部１３が半球面状に形成されたものである。ただし、このヒータ１０は、窒化珪素質セラミックからなるセラミック基体（絶縁基体）１１中の先端寄り部位の内部に、後端面１５に向けて折返す形でＵ字形をなす、導電性セラミックからなる抵抗発熱体２１が内蔵されている。そして、この抵抗発熱体２１の各端部２３，２４には、抵抗発熱体２１よりも低抵抗の導電性セラミックからなる中継線（リード部）３１，３２が接続され、その各中継線３１，３２はセラミックヒータ１０の後端面１５に向けてセラミック基体１１内においてその軸線Ｇに沿って延びる形で内蔵されている。また、その各中継線３１，３２の後端寄り部位における側部には、電圧印加用（通電用）の各電極端子（電極取り出し部）３５，３６が、ヒータ１０の外周面（セラミック基体１１の外周面）１４において先後位置を異にして露出、形成されている。

このようなセラミックヒータ１０は、別途、製造された、抵抗発熱体２１及びこれに連なる電極端子３５，３６付きの中継線３１，３２をなす成形体（導電性セラミックからなる未焼成成形体）を、セラミック基体１１をなすセラミック成形体（未焼成体）内の所定位置に内蔵されるようにプレス成形し、この成形体を脱脂処理して仮焼成体とし、この仮焼成体をホットプレス法によって焼成し、その後、図２−Ａに示した、ヒータ単体をなす丸棒状の第１次ヒータ仕掛品１０ａとし、これから次のような工程を経て製造される。なお、図２は製造工程の説明図であり、ヒータ仕掛品は簡略化して誇張して示している。

図２−Ａに示した第１次ヒータ仕掛品１０ａは、各中継線３１，３２の後端（図２右端）側に、中継線と同素材からなる連結体４１が自身の後端において折り返す形のＵ字状をなして内蔵されており、その連結体４１の各脚端（先端）が各中継線３１，３２の後端３７、３８にそれぞれ一体的に接続されている。ただし、図３に示したように、連結体４１はその脚部４３が、各中継線３１，３２よりも細く形成され、各中継線３１，３２の後端３７，３８にそれぞれ同心状に接続されている。なお、各中継線３１，３２及び連結体４１の脚部４３ともに、図４に示したように横断面円形をなしており、その横断面において、第１次ヒータ仕掛品１０ａの軸線（中心）Ｇを通る径方向に位置し、対称に配置されている。この結果、第１次ヒータ仕掛品１０ａの外周面１４ａから連結体４１に至るまでのセラミック基体１１におけるセラミックの肉厚（最小肉厚）Ｔ１が、外周面１４ａから中継線３１，４１に至るまでのセラミック基体１１におけるセラミックの肉厚（最小肉厚）Ｔ２より厚くなっている。

なお、第１次ヒータ仕掛品１０ａは、その外周面１４ａが研磨前であることから、完成品であるセラミックヒータ１０よりその研磨代（図２−Ａ中に２点鎖線で示す）分、太い状態にある。また後端部には連結体４１が内蔵されている分、長い研磨代部を有している。なお、図２−Ａ、図３に示したように、この第１次ヒータ仕掛品１０ａにおいては、中継線３１，３２の後端３７，３８より後方に配置された連結体４１の側部のうち、連結体４１の先端寄り部位の位置において、軸線Ｇに垂直に引いた線（軸線Ｇに垂直な平面）Ｓ１が、ヒータ１０完成品における後端面１５をなすように設定されている。なお、この線Ｓ１から第１次ヒータ仕掛品１０ａの後端面１５ａまでの寸法Ｌ２は約３ｍｍである。このような、第１次ヒータ仕掛品１０ａは、その後、例えばバレル研磨にて表面全体を粗研磨仕上げした後、センタレス研磨でその外周面１４ａを仕上げて一定の円断面の丸棒状となるように仕上げる。こうして、図２−Ｂに示したように、各電極端子３５，３６を外周面１４に露出させて、本発明における「外周面が仕上げられたヒータ仕掛品」である第２次ヒータ仕掛品１０ｂを得る。

次に、この第２次ヒータ仕掛品１０ｂの外周面１４のうち、ヒータ完成品の後端面１５をなす位置（線Ｓ１）において、周方向（軸線Ｇに垂直な）に連続する切欠き溝５１をレーザ加工により形成し、図２−Ｃに示した第３次ヒータ仕掛品１０ｃを得る。こうすることで、本例では、図２−Ｃ、図５に示したように、中継線３１，３２の後端３７，３８より後方に配置された連結体４１の脚部４３の側部であって、連結体４１の先端寄り部位の位置に切欠き溝５１が形成される。同図において切欠き溝５１は溝断面をＶ字形として示している。なお、本例では、切欠き溝５１はその溝底５３が、微量、線Ｓ１より後端側に位置するように設定されているが、溝底５３が線Ｓ１に位置するようにしてもよい。本例では、切欠き溝５１は、設計上、例えば、溝の開口幅Ｗが０．２ｍｍで、深さＦが０．１ｍｍとしている。ただし、この溝５１はレーザ加工で形成されるものであるから、溝５１の内面、及びその開口縁と外周面１４とのなすコーナは溶融後固化したものとなる。なお、溝底５３など溝内面は連結体４１及び中継線に到達していない。レーザ加工では、このような切欠き溝５１が得られるように、レーザ光の照射条件（出力、焦点位置、照射時間等）を設定すればよい。

上記のようにして切欠き溝５１を形成した後の第３次ヒータ仕掛品１０ｃは、その状態の後端面１５ａをダイヤモンド砥石で研磨を繰り返して完成品における後端面１５をなす位置（線Ｓ１）まで、研磨を繰り返すこととして仕上げてもよいが、本例では線Ｓ１より微量、すなわち、後端面の研磨代分、後方の後端向き傾斜溝壁面５５又は溝底５３において切断後の後端面が露出するように、後端部をその切欠き溝５１で切断して、図２−ｄに示したように第４次ヒータ仕掛品１０ｄを得る。この切断により、切断面をなす後端面の外周縁には切欠き溝５１を形成していた後端向き傾斜溝壁面５５が存在することになる。なお切断はダイヤモンド砥石（カッタ）で行えばよい。

そして、図６に示したように、この切断後の後端面１５ｄを軸線Ｇに垂直にダイヤモンド砥石で所定の研磨代（ハッチング部分）を平面研磨して、所望とする表面粗さの後端面１５を得る。この研磨（研磨仕上げ工程）では、適数回の研磨を繰り返し、研磨完了後の後端面と外周面１４とのなす角に、後端向き傾斜溝壁面５５の少なくとも一部を残存させる。その後は、先端側を半球面状に研磨することで、図１に示したヒータ（完成品）１０を得る。そして、このヒータ１０は、図７に示したグロープラグにおけるヒータとして使用される。

上記したように、本形態の製法では、外周面１４が仕上げられたヒータ仕掛品である第２次ヒータ仕掛品１０ｂにおいて、その外周面１４に切欠き溝５１を形成するのをレーザ加工によって行っている。したがって、その形成過程でカケが発生することはない。また、このようにして溝５１が形成された第３次ヒータ仕掛品１０ｃを、その溝５１で切断して、その切断面である後端面１５ｄを研磨して仕上げている。ここで、本形態ではその切断を溝底５３より、微量、後端向き傾斜溝壁面５５に入り込んだ位置、又は溝底５３で切断している。このため、切断後の後端面１５ｄと後端向き傾斜溝壁面５５とのなす角は鋭利な角度で交差しないから、その切断において後端面１５ｄをなす外周縁にカケが発生することもない。また、その後、この後端面１５ｄを研磨して仕上げる際にも同様の理由からカケが発生することがない。さらに、切断することなく第３次ヒータ仕掛品１０ｃの後端面１５ａから研磨を繰り返して仕上げる場合に比べると、研磨代を格段と小さくできるから研磨時間を格段と短くできるし、砥石の摩耗も低減できる。

そして、研磨完了後においては後端向き傾斜溝壁面５５の少なくとも一部を残存させている。したがって、これが実質的に面取りをなすため、従来のように、別途、面取りを形成する必要もない。因みに、本形態ではその溝５１の断面寸法からして、０．１に近いＣ面取りが形成される。したがって、必然的に面取り研磨においてカケが発生する可能性をゼロにすることができる。このように、本製法によればカケの発生を効果的に防止できるから、その検査工程を省略できるか、少なくとも簡易検査にすることができるため、製造効率を高めることができる。

因みに、本形態で後端を仕上げた場合には、ヒータサンプル数１００（本）でカケの発生は０（ゼロ）であった。これに対して、従来製法では次のようであった。すなわち、平面研磨のみで仕上げた場合には、サンプル数１００でカケの発生は８であり、その後、０．１のＣ面取りを行ってもカケの発生は解消されなかった。また、平面研磨後、０．３のＣ面取りを行っても、サンプル数１００で、２本についてカケの発生が解消されなかった。従来製法では、このように大きい面取りを実施したとしても、依然としてカケ発生不良が見られた。この事実は、とりもなおさず本発明の効果を実証するものといえる。このように本形態の製法で製造されたヒータ１０は、その後端面の外周にカケが発生するのが防止されるため、図７に示したグロープラグに使用され、その後端部位に金属リング８１が締り嵌め（圧入）状態で外嵌されて、その内面を電極端子３６の表面（露出面）に圧接させて、電気的接続がされる場合においては、その電極端子３６の酸化防止にも効果がある。

前記形態においては、連結体４１の側部において、すなわち、セラミック基体１１の外周面１４からのその肉厚Ｔ１が比較的厚い部位において切欠き溝５１を形成しているため、中継線３１，３２に切り込むことなく、その溝５１の深さＦを深く形成できる。その結果、その溝５１での切断を容易にすることができる。また、これにより研磨完了後に後端向き傾斜溝壁面５５を多めに残存させることができるため、後端面１５の外周縁に比較的大きな面取りを形成できる。なお、外周面の研磨後は、その研磨代分、Ｔ１、Ｔ２とも減少するが、肉厚Ｔ１＞Ｔ２の関係は研磨後においても同じであるため、図５では図３と同様に示している。

上記においては、切断後の後端面が溝底５３より、微量、後端向き傾斜溝壁面５５に入り込んだ位置、又は溝底５３で切断した場合で説明したが、逆に、切断後の後端面がその溝５１における先端向き傾斜溝壁面５７を通る位置で切断してもよい。この場合には、その切断過程やその後の研磨過程で、その切断後になす後端面の外周縁と、残存する先端向き傾斜溝壁面５７とのなす角にカケが生じることもあるが、仮に生じたとしても、溝底５３でそのカケの進展は止められる。

前記形態では、第３次ヒータ仕掛品１０ｃに形成した切欠き溝５１で切断するのにカッタ（ダイヤモンド砥石）で切断して、その切断部より後方を切り落とす場合で説明したが、このような切断に代えて、セラミックヒータ１０が脆性材からなることから、溝５１で折って切断してもよい。このようにして折って切断することとすれば、簡易、迅速にその切断ができる。なお、この切断は、溝５１における応力集中を利用するものであるから、その場合の溝５１は、それが例えばＶ字断面のものである場合には、できるだけ、その開口幅Ｗを小さくして深さＦを大きくするのが、切断上、好ましいことは言うまでもない。しかも、このようにすれば容易に溝底５３で正しく切断できるし、その切断時に、切断後の後端面の外周縁である後端向き傾斜溝壁面５５にカケが発生するのも効果的に防止できる。

また、本発明では、第３次ヒータ仕掛品１０ｃにおいて切欠き溝５１で、後端向き傾斜溝壁面５５の少なくとも一部を残存させて、切欠き溝５１の後方部位を、例えば、図２−Ｃ、図５の線Ｓ１の後端側に必要な研磨代を残した上で、それより後方の後端までの部位を研削して除去し、その後、後端面を研磨して仕上げることとしてもよい。すなわち、後端までの部位を削り取ってしまってから、後端面を研磨して仕上げることとしてもよい。そのヒータ仕掛品の後端面から切欠き溝までの寸法が、後端面を平面研磨のみで仕上げるには研磨量が大きいが、切断に適するほどの長さのない場合に好適である。なお、切欠き溝の断面形状や大きさは、後端向き傾斜溝壁面を有するものであり、その溝での切断時や、後端面の研磨時においてカケの発生またはその進展が溝で止められるように、ヒータの材質、或いは太さや研磨等の条件に応じて適宜に設定すればよい。

上記形態のヒータ仕掛品のように、後端に連結体があるものではその研磨代が比較的長くなるために、切欠き溝で切断等した後で後端面を研磨して仕上げるのが好ましい。しかし、このような連結体を設けない場合には研磨代を小さくできるから、切断等することなく後端面を直接研磨で仕上げてもよい。また、連結体を設けるとしても研磨代が短い場合には、上記形態の第３次ヒータ仕掛品における後端面から切欠き溝まで研磨を繰り返すことで、その研磨仕上げをしてもよい。これらは上記したとおりである。すなわち、本発明では、外周面が仕上げられたヒータ仕掛品において、ヒータ完成品の後端をなす位置の外周面に、その周方向に連続する切欠き溝を、その溝壁面のうちの後端面側を向く溝壁面が溝底に向かうにしたがって後端面側に向って傾斜する後端向き傾斜溝壁面をなすようにレーザ加工によって形成しておく工程と、その後で、研磨完了後の後端面と外周面とのなす角に、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残存させるように、ヒータ仕掛品の後端面を研磨して仕上げる工程を含んでいればよい。

なお、切欠き溝のレーザ加工による形成においては、上記形態における第２次ヒータ仕掛品１０ｂを軸線Ｇ回りに回転可能のチャックでその先端側を保持して、その停止状態においてスポット的にレーザ光を所定時間、第２次ヒータ仕掛品の表面の所定位置に照射して凹部（奥細り円錐穴）を形成し、その後、第２次ヒータ仕掛品を軸線Ｇ回りに所定角度（例えば、１０度）回転させて、同様の照射を行い、これを順次繰り返すことで、凹部が周方向に連なるものとして溝をなすように形成すればよい。また、レーザ光の照射を行いつつ、ヒータ仕掛品を軸線Ｇ回りに一定の速度で回転させて形成してもよい。その照射条件は、所望とする溝寸法が得られるように適宜に設定すればよい。また、この溝の形成においては、１回目の照射における焦点を表面に一致させて、溝開口幅が狭くて深い溝を形成し、２回目の照射における焦点を表面から離してその表面における溝幅が広い溝を形成するなど、焦点位置を変更して複数回の照射を行うことで形成してもよい。

上記形態例では、本発明の製法の対象であるヒータを構成する抵抗発熱体や中継線ともに導電性セラミックからなるものとしたが、本発明のセラミックヒータは、ヒータ本体であるセラミック基体がセラミックからなるものであればよく、抵抗発熱体及び中継線はタングステンやモリブデンなどの高融点金属で形成したヒータにおいても適用できる。また、本発明の製法は、グロープラグ用のセラミックヒータに限られず、バーナーの着火用のセラミックヒータ、或いはガスセンサの加熱用のセラミックヒータなど、広く棒状をなすセラミックヒータの製造方法に適用できる。したがって、セラミックヒータは、丸棒状のものに限られず角棒状のものであっても適用できる。なお、セラミックヒータをなすセラミックは、窒化珪素に限られず、その他のセラミック（例えば、窒化アルミニウム、アルミナ）からなるものであってもよい。

１１ セラミック基体
１０ セラミックヒータ
１０ｂ 焼成後に外周面が仕上げられたヒータ仕掛品
１５ 研磨完了後の後端面
１５ａ 焼成後に外周面が仕上げられたヒータ仕掛品の後端面
１４ 焼成後に仕上げられた外周面
２１ 抵抗発熱体
３１，３２ 中継線
３７，３８ 中継線の後端
４１ 連結体
５１ 切欠き溝
５３ 溝底
５５ 後端向き傾斜溝壁面
Ｔ１ ヒータ仕掛品の外周面から連結体に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚
Ｔ２ ヒータ仕掛品の外周面から中継線に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚

Claims (6)

1. 棒状のセラミック基体内に抵抗発熱体が内蔵されたセラミックヒータであって、焼成後に外周面が仕上げられたヒータ仕掛品の段階において、その後端面を研磨して仕上げる研磨仕上げ工程を含むセラミックヒータの製造方法において、
   前記ヒータ仕掛品においてセラミックヒータの後端をなす位置の外周面に、その周方向に連続する切欠き溝を、その溝壁面のうちの後端面側を向く溝壁面が溝底に向かうにしたがって後端面側に向って傾斜する後端向き傾斜溝壁面をなすようにレーザ加工によって形成しておき、
   研磨完了後の後端面と外周面とのなす角に、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残すように、前記ヒータ仕掛品の後端面を研磨して仕上げる研磨仕上げ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。
2. 前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して切断する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
3. 前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で折って、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して切断する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
4. 前記研磨仕上げ工程の前に、前記ヒータ仕掛品を、前記切欠き溝で、前記後端向き傾斜溝壁面の少なくとも一部を残して、該切欠き溝の後方部位を研削して除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータの製造方法。
5. 前記セラミックヒータは、前記セラミック基体内の先端寄り部位に前記抵抗発熱体を内蔵していると共に、該抵抗発熱体に電圧を印加すべき２本の中継線を該セラミック基体内で後端に向けて延びる形で内蔵しており、しかも、該抵抗発熱体及び該中継線が導電性セラミックで形成されており、
   前記ヒータ仕掛品の段階において、その後端部内においては、前記中継線の各後端に、導電性セラミックからなる連結体がその連結体自身の後端において折返し状をなして連結されている一方、
   前記連結体は、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から該連結体に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚が、前記ヒータ仕掛品においてその外周面から前記中継線に至るまでのセラミック基体におけるセラミックの肉厚より厚くなる配置で、前記ヒータ仕掛品の後端部位内に内蔵されており、
   セラミックヒータの後端をなす位置を、前記中継線の後端より後方に内蔵された前記連結体の側部に位置させ、この位置に前記切欠き溝を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータの製造方法。
6. 前記セラミックヒータがグロープラグ用のセラミックヒータであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックヒータの製造方法。

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