JP4092172B2

JP4092172B2 - セラミックヒータの製造方法及びグロープラグの製造方法

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Publication number: JP4092172B2
Application number: JP2002306313A
Authority: JP
Inventors: 進道渡邉; 雅弘小西; 勝久藪田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: DE10255859B4; US20030126736A1; US7020952B2; JP2003229236A; DE10255859A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製造時、或いは使用時に十分な抗折強度を有し、折損などが抑えられたセラミックヒータに関すると共に、そのセラミックヒータを用いるグロープラグの製造方法に関する。なお、本発明の方法により製造されるセラミックヒータは、ディーゼルエンジンの始動に使用される上述したグロープラグのほか、酸素センサ等の各種のガスセンサなどにおける加熱源として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの始動、或いは各種センサの早期活性等において、絶縁性セラミック基体（以下、単に「基体」ということもある。）に発熱抵抗体が埋設されたセラミックヒータが使用されている。このセラミックヒータは、特に、１２００℃以上にまで昇温させる必要があるグロープラグ等で使用され、ＷＣ、ＭｏＳｉ_２等の導電性セラミック焼結体を含有する発熱抵抗体を、高温での耐食性に優れた窒化珪素質セラミック焼結体からなる絶縁性セラミック基体に埋設した構造のものが多い。また、この絶縁性基体には、発熱体に通電するため、Ｗ等の高融点金属からなる一対の通電用リード線（以下、単に「リード線」ということもある。）が埋設されており、それぞれの一端部は発熱抵抗体の両端部に接続され、他端部は基体表面に表出し、このリード線を通じて発熱抵抗体に外部から電力が供給される。
【０００３】
また、このようなセラミックヒータを用いたグロープラグ（セラミックグロープラグ）としては、セラミックヒータの外側に金属外筒を組み付け、さらに金属外筒の外側に機関取付用の主体金具を組み付けて構成されるものが一般的に知られている。セラミックヒータ、より具体的には窒化珪素質セラミック焼結体からなる基体に金属外筒を組み付けるには、活性ロー材を用いた金属−セラミック接合を採用する手法もあるが、接合部の品質バラツキを招き易いため、セラミックヒータの外周面に、ロー材との固着性を向上させるためのガラス層を焼き付け、そのガラス層と金属外筒の内周面との間にロー材を充填して接合する方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなセラミックヒータでは、上述のように、それぞれ熱膨張係数等が異なる基体と、発熱抵抗体と、通電用リード線とが接する部分があり、ここでは熱膨張差などにより複雑な内部応力が発生している。そのため、この部分がセラミックヒータのうちで最も強度が小さく、ヒータの製造時、或いは使用時に、基体及び発熱抵抗体の形成に用いられるセラミック等の種類によっては、発熱抵抗体と通電用リード線との接続部（嵌め合い部）において折損することがある。また、折損にまで至らなくても亀裂が生じたり、強度が低下する等の問題がある。また、セラミックヒータを用いるグロープラグを製造するにあたり、上述したセラミックヒータの外周面に形成したガラス層を介して金属外筒の内側にロー付け固定する時に、基体と発熱抵抗体、通電用リード線とが接する部分に応力が大きく及ぶため、発熱抵抗体と通電用リード線との接続部において亀裂が生じたり、最悪の場合にはセラミックヒータの折損を招くことがある。
【０００５】
このような問題を解決するため、例えば、特開平７−２８２９６０号公報には、発熱抵抗体の両端部に接続されるそれぞれのリード線の先端をＲ取りして応力集中を緩和する方法が開示されている。しかし、このような構造面での改良では、基体、発熱抵抗体、リード線の各々の熱膨張差による複雑な応力の発生を十分に抑えることができず、折損等を防止することができない場合がある。また、セラミックヒータと金属外筒との組付け時に、セラミックヒータの折損などの不具合を抑制することができない場合がある。
【０００６】
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、十分な抗折強度を有し、製造時、或いは使用時の熱衝撃等による折損などが抑えられたセラミックヒータの製造方法を提供することを目的とする。また、セラミックヒータと金属外筒との組付け時といったグロープラグの製造時に、セラミックヒータの折損などの不具合が生ずるのを抑えたグロープラグの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒータの製造方法は、絶縁性セラミック粉末から形成された未焼成基体と、該未焼成基体に埋設された未焼成発熱抵抗体と、該未焼成基体に埋設され、一端部が該未焼成発熱抵抗体の両端部にそれぞれ埋設された一対の通電用リード線と、を備える未焼成セラミックヒータを焼成し、その後、該基体と該発熱抵抗体と該通電用リード線とが接する部分に発生する内部応力を緩和するために、９００〜１６００℃で、１０分〜４時間熱処理することを特徴とする。
本発明では、上記焼成の後、焼成されたセラミックヒータを研磨し、上記通電用リード線の他端部を上記未焼成基体が焼成されてなる基体の表面に表出させ、次いで、不活性雰囲気下、上記熱処理を行うセラミックヒータの製造方法とすることができる。
【０００８】
また、上記通電用リード線の一端部は、上記未焼成発熱抵抗体が焼成されてなる発熱抵抗体に埋設されており、上記熱処理の後、上記の方法により測定した３点曲げ強さ（Ｓａ）（本明細書では、この３点曲げ強さを「抗折強度」ということもある。）が、該熱処理を行わずに測定した３点曲げ強さ（Ｓｎ）と比べて５〜３５％向上するセラミックヒータの製造方法とすることができる。
【０００９】
一方、本発明のグロープラグの製造方法は、金属外筒と、絶縁性セラミックから構成される基体と、上記基体に埋設される発熱抵抗体と、上記基体に埋設され、一端部が該発熱抵抗体の両端部にそれぞれ埋設される一対の通電用リード線とを有すると共に、上記金属外筒の内側に固定されるセラミックヒータと、を備えるグロープラグの製造方法であって、絶縁性セラミック粉末から形成され、焼成されて上記基体となる未焼成基体と、該未焼成基体に埋設され、焼成されて上記発熱抵抗体となる未焼成発熱抵抗体と、該未焼成基体に埋設され、一端部が該未焼成発熱抵抗体の両端部にそれぞれ接続された一対の通電用リード線と、を有する未焼成セラミックヒータを焼成するヒータ形成工程と、上記ヒータ形成工程を経て得られたセラミックヒータを、上記基体と上記発熱抵抗体と上記通電用リード線とが接する部分に発生する内部応力を緩和するために、９００〜１６００℃で、１０分〜４時間熱処理する熱処理工程と、上記熱処理工程を経たセラミックヒータを上記金属外筒の内側にロー付けするロー付け工程と、を備えることを特徴とする。
本発明では、上記ヒータ形成工程に続いて、上記セラミックヒータを研磨し、上記通電用リード線の他端部を上記基体の表面に表出させる研磨工程を有し、その研磨工程に続く上記熱処理工程において、該セラミックヒータを不活性雰囲気下で熱処理するグロープラグの製造方法とすることができる。
【００１０】
また、上記セラミックヒータは、その外周面にガラス層を有し、上記ロー付け工程にて該ガラス層を介して上記金属外筒の内側にロー付けされるものであり、上記ガラス層は、上記熱処理工程後に設けられるガラス層形成工程にて、セラミックヒータの外周面に形成されるグロープラグの製造方法とすることができる。さらに、上記熱処理工程における最高温度は、上記ガラス層形成工程の最高温度以上に設定するとよい。
【００１１】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、焼成後のセラミックヒータに対し９００〜１６００℃の範囲内で熱処理を施すことによって、熱膨張係数等が異なる基体と、発熱抵抗体と、通電用リード線とが接する部分に発生する内部応力を緩和することが可能となる。その結果、発熱抵抗体と通電用リード線との接続部近傍における抗折強度を向上させることができ、製造時、或いは使用時におけるヒータの折損、上記接続部近傍における亀裂の発生などを抑えることができる。
【００１２】
また、熱処理を行うにあたって、セラミックヒータ（基体）の表面に通電用リード線の他端部が表出される場合は、不活性雰囲気下で熱処理を行うようにすることで、Ｗ（タングステン）やＷ−Ｒｅ（レニウム）合金等からなる通電用リード線を酸化させることなく、通電用リード線自身の信頼性を維持しつつヒータの抗折強度を向上させることができる。更に、この熱処理を採用することによって、熱処理しない場合に比べて、特定の方法により評価したヒータの抗折強度を十分に向上させることができる。
【００１３】
また、本発明のグロープラグの製造方法によれば、ヒータ形成工程を経たセラミックヒータであって、金属外筒の内側にロー材によりロー付け固定される前段階にあるセラミックヒータに対し９００〜１６００℃の範囲内で熱処理を施すことにより、熱膨張係数等が異なる基体と、発熱抵抗体と、通電用リード線とが接する部分に発生する内部応力を緩和することが可能となる。その結果、発熱抵抗体と通電用リード線との接続部近傍における抗折強度を向上させることができ、セラミックヒータの製造時、さらにはセラミックヒータと金属外筒との組付け時（具体的には、ロー付け工程時）といったグロープラグの製造時におけるセラミックヒータの折損、上記接続部近傍における亀裂の発生などを抑えることができ、信頼性の高いグロープラグを提供することができる。
【００１４】
また、熱処理工程に先立って、焼成後のセラミックヒータ（基体）の表面に通電用リード線の他端部を表出させる研磨工程を含む場合、研磨工程を経たセラミックヒータを不活性雰囲気下で熱処理することで、ＷやＷ−Ｒｅ合金等からなる通電用リード線を酸化させることなく、通電用リード線の信頼性を維持しつつヒータの抗折強度を向上させることができる。
【００１５】
上記「熱処理」の方法は特に限定されず、焼成後のヒータを加熱炉に収容し、静置する方法が、装置が簡便であり、操作が容易であるという観点から好ましい。熱処理温度は９００〜１６００℃であり、１０００〜１５５０℃、特に１１００〜１５００℃、更には１１５０〜１４５０℃であることが好ましい。熱処理温度が９００℃未満では、抗折強度が十分に向上せず、１６００℃を越えると、絶縁性セラミック基体に希土類酸化物を含有させる場合に、基体中の融点の高い希土類酸化物系等の結晶相が軟化、融解することがあり、却って抗折強度が低下することがある。
【００１６】
熱処理時間は、１０分〜４時間であり、特に１０分〜３時間とすることが好ましい。この熱処理時間が１０分未満では、抗折強度の向上がみられない。また、通常、１〜３時間程度の熱処理で抗折強度を十分に向上させることができる。尚、４時間を越えて熱処理しても特に問題はないが、それ以上の抗折強度の向上はなく、意味がない。更に、この熱処理は常圧で行うことができるが、加圧したり、減圧したりして行ってもよい。尚、焼結体を熱処理するにあたり、上記熱処理温度範囲内の任意の温度を一定に維持させながら所定時間保持させる他に、上記温度範囲内にて所定の加熱パターンに従って温度を変動させつつ所定時間保持させてもよい。
【００１７】
また、熱処理雰囲気も特に限定されず、大気雰囲気等であってもよい。但し、焼成後のセラミックヒータを研磨し、通電用リード線の他端部を基体の表面に表出させたうえで熱処理する場合は、上述したようにリード線として用いられることが多いＷやＷ−Ｒｅ合金等の金属の酸化を抑えるため、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気等の不活性雰囲気において熱処理することが好ましい。更に、熱処理温度が１５００℃を越える高温である場合は、還元雰囲気では焼結助剤として用いられた酸化物等が還元されることがあり、酸化雰囲気では通電用リード線の他端部が基体の表面に表出しない場合でも絶縁性セラミック基体（特に窒化珪素質セラミックからなる場合）の酸化が顕著になるため、同様に不活性雰囲気下に熱処理することが好ましい。
【００１８】
ところで、本発明のグロープラグの製造方法によれば、セラミックヒータと金属外筒とのロー付け工程において、セラミックヒータとロー材（ロー材層）との固着性を向上させるべく、ロー付け工程前にセラミックヒータの外周面にガラス層を形成するためのガラス層形成工程を設けることができる。そして、このガラス層形成工程を有する場合には、熱処理工程を該ガラス層形成工程の前に行うことが重要となる。
【００１９】
ガラス層形成工程は、通常セラミックヒータの外周面の所要個所にガラス成分を塗着させ、例えば１２００℃程度に調温された焼付炉内を通過させることにより行われる。そのため、このガラス層形成工程の際に、セラミックヒータの抗折強度を向上させるための熱処理を兼用して行うことが可能なように一見考えられる。しかし、セラミックヒータの熱処理による効果を充足するために、ガラス層形成工程の温度や熱処理時間を調整してしまうと、ガラス層自体の溶融等を引き起こし、正常なガラス層を形成する目的に影響を来たすことにつながる。また、セラミックヒータの外周面にガラス層を形成した後に熱処理を行うことも考えられるが、正常なガラス層を維持した状態で熱処理工程を行うことが必須となるために、熱処理温度や時間といった熱処理条件が限られ、セラミックヒータの抗折強度を向上させることを目的とした熱処理工程を充分に行えないことにつながり兼ねない。
【００２０】
そこで、本発明のグロープラグの製造方法にあっては、ガラス層形成工程前に、セラミックヒータの抗折強度を向上させることを目的にした熱処理工程を独立して設けているのである。これにより、ガラス層を考慮して熱処理条件が制限されることはなく、セラミックヒータに対し充分な熱処理を行うことが可能になると共に、正常なガラス層が外周面に形成されたセラミックヒータを後工程のロー付け工程にまわすことができる。さらに、ガラス層形成工程前に熱処理工程を設けることで、上述したように熱処理条件の制限がなくなるので、十分に高い温度（ガラス層形成工程の最高温度よりも高い最高温度）で熱処理を行え、抗折強度に優れるセラミックヒータを比較的短時間で効率良く得ることができる。
【００２１】
また、本発明により得られるセラミックヒータでは、熱処理の後、上記の方法により測定した３点曲げ強さ（Ｓａ）を、熱処理を行わずに測定した３点曲げ強さ（Ｓｎ）と比べて５〜３５％、特に７〜３５％、更には１０〜３５％向上させることができる。特に、熱処理温度が１１５０〜１４５０℃である場合は、２５〜３５％と大きく向上させることができ、ヒータの折損等を十分に抑えることができる。尚、Ｓａ及びＳｎは、同様の原料を使用し、同様の工程により製造した５〜１０本のセラミックヒータの各々について測定した３点曲げ強さの平均値である。
【００２２】
また、本発明の方法により製造されたセラミックヒータでは、３点曲げ強さの絶対値は５００〜１０００ＭＰａ、特に７００〜１０００ＭＰａ、更には７５０〜１０００ＭＰａとすることができる。このように十分な抗折強度を有することから、このセラミックヒータは、例えばグロープラグに適用されたときの使用時においても、燃焼圧等の外部からの衝撃に十分に耐え、折損することはない。さらに、セラミックヒータを金属外筒の内側にロー付け固定するロー付け工程時といったグロープラグの製造時に、セラミックヒータが折損したり、発熱抵抗体と通電用リード線との接続部近傍に亀裂が生じることを抑制することができる。
【００２３】
上記「未焼成基体」は目的により種々の絶縁性セラミック粉末を選択して形成することができるが、代表的なものとして、窒化珪素を主成分として形成され、焼成により窒化珪素質焼結体となるものが挙げられる。窒化珪素の含有量は、未焼成基体を１００質量％とした場合に、８０質量％以上、特に９０質量％以上であることが好ましい。窒化珪素質焼結体は、窒化珪素粒子及び粒界ガラス相からなるものであってもよいし、これに加えて粒界に結晶相（例えば、ダイシリケート相）が析出していてもよい。更に、窒化珪素質焼結体は、窒化アルミニウム、アルミナ及びサイアロン等を含有していてもよく、それに合わせて絶縁性セラミック粉末を調製すればよい。
【００２４】
上記「未焼成発熱抵抗体」には、導電性セラミックと絶縁性セラミックとが含有される。
導電性セラミックとしては、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種以上の金属元素の珪化物、炭化物、窒化物又はホウ化物等のうちの少なくとも１種が挙げられる。更に、絶縁性セラミックは、通常、窒化珪素である。導電性セラミックは、特に、その熱膨張係数が、絶縁性セラミックである窒化珪素等、もしくは基体を形成するための窒化珪素等と大きな差がないものが好ましい。絶縁性セラミックとの熱膨張係数の差が小さい導電性セラミックであれば、焼成後、ヒータ使用時に基体と発熱抵抗体との界面近傍における亀裂の発生が抑えられる。そのような導電性セラミックとしては、ＷＣ、ＭｏＳｉ_２、ＴｉＮ又はＷＳｉ_２などが挙げられる。また、この導電性セラミックとしては、その融点がセラミックヒータの使用温度を越える耐熱性の高いものが好ましい。導電性セラミックの融点が高ければ使用温度域におけるヒータの耐久性も向上する。
【００２５】
導電性セラミックと絶縁性セラミックとの量比は特に限定されないが、未焼成発熱抵抗体を１００体積部とした場合に、導電性セラミックを１５〜４０体積部とすることができ、特に２０〜３０体積部とすることが好ましい。尚、未焼成発熱抵抗体は、焼成後、通電により発熱する抵抗体、即ち、発熱抵抗体となる。
【００２６】
上記「通電用リード線」は、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｍｏ及びＮｂ等から選ばれる金属或いはこれらの金属を主成分とする合金などにより形成することができ、特に、Ｗが多用される。また、この通電用リード線の線形、断面形状は特には限定されない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図３は、セラミックヒータを用いたグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。グロープラグ２は、発熱する部位である先端側にセラミックヒータ１を備える。セラミックヒータ１は、ステンレス鋼等のＦｅ系金属よりなる金属外筒２１の内側に先端部が突出するように貫装され、この金属外筒２１はエンジンに取り付けるためのネジ部が形成された主体金具２２の先端部に保持されている。セラミックヒータ１の後端部には、リードコイル１５の一端が外側から嵌合されるとともに、その他端側は、主体金具２２内に挿通された金属からなる中軸１６の一方の端部に嵌着されている。そして、中軸１６の他方の端部側は主体金具２２の外側へ延びるとともに、その外周面にナット１７が螺合される。このナット１７を主体金具２２に向けて締め付けることにより、中軸１６が主体金具２２に対して固定される。またナット１７と主体金具２２との間には絶縁ブッシュ１９が嵌め込まれている。
【００２８】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、基体１１、発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂにより構成されている。なお、図２はセラミックヒータ１の縦断面図を示している。基体１１は窒化珪素質焼結体からなり、埋設される発熱抵抗体１２及び通電用リード線１３ａ、１３ｂは、この基体１１により保護されている。発熱抵抗体１２は、導電性セラミックと絶縁性セラミックとからなり、一方の端部から延びた後、方向転換して他方の端部に延びる略Ｕ字形状に形成されている。また、Ｗ等からなる通電用リード線１３ａ、１３ｂは、外部からセラミックヒータ１に供給される電力を発熱抵抗体１２に給電できるように、各々その一端部は発熱抵抗体１２の両端部に接続されて当該発熱抵抗体１２との間で接続部（嵌め合い部）１４を形成している。各通電用リード線１３ａ、１３ｂは、基体１１中において発熱抵抗体１２から離間する方向に延び、それぞれの他端部が基体１１の外表面に表出して、表出部（露出部）１３ｃ、１３ｄを形成している。
【００２９】
図３において、基体１１の外表面には、通電用リード線１３ａ、１３ｂの一方のもの、ここでは通電用リード線１３ｂの表出部１３ｄを含む領域に、ニッケル等の金属薄膜（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成されている。そして、その金属薄膜を介して基体１１と金属外筒２１とがロー付けにより接合されるとともに、通電用リード線１３ｂがその表出部１３ｄを介して金属外筒２１と導通している。また、他方の通電用リード線１３ａの表出部１３ｃを含む領域にも同様に金属薄膜（図示せず）が形成されており、ここにリードコイル１５がロー付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、中軸１６、リードコイル１５及び通電用リード線１３ａを介して発熱抵抗体１２に対して通電され、さらに通電用リード線１３ｂ、金属外筒２１、主体金具２２、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。この通電により、発熱抵抗体は発熱することになる。
【００３０】
金属外筒２１はと主体金具２２との間はロー付けにより接合されている。また、セラミックヒータ１に対し金属外筒２１は、セラミックヒータ１（基体１１）の外周面と接して配置されるガラス層１８と、ガラス層１８の外周面と金属外筒２１の内周面とに接して配置されるロー材層とを介して組み付けられている（通電用リード線１３ａ、１３ｂの表出部１３ｃ、１３ｄの部分は、ガラス層１８が除去されている）。このガラス層１８は、ガラスマトリックスに、アルミナからなる骨材粒子を分散させたものである。ガラスマトリックスは、例えばＳｉをＳｉＯ_２換算にて７０質量％以上９０質量％以下、ＢをＢ_２Ｏ_３換算にて１０質量％以上３０質量％以下含有する硼珪酸ガラスより形成することができる。骨材粒子の配合率は、ガラス層表面に観察される骨材粒子の面積率において、１０％〜４０％以下に調整されている。また、ロー材層に使用するロー材は、液相線温度が７００℃以上１２００℃未満のものが使用され、例えばＡｇ−Ｃｕ系等のＡｇ系ロー材からなる。
【００３１】
本発明においてセラミックヒータは、以下の製造方法によって製造することができる。
未焼成発熱抵抗体を形成するための原料としては、導電性セラミック粉末、絶縁性セラミック粉末（具体的には、窒化珪素を主体とするセラミック粉末）及び焼結助剤粉末を用いる。この焼結助剤粉末としては、希土類酸化物粉末が多用されるが、Ａｌ₂Ｏ₃或いはＳｉＯ_２等の一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化物等の粉末を使用することもできる。これらの焼結助剤粉末は１種のみを使用してもよいが、通常、希土類酸化物粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末或いは希土類酸化物粉末とＳｉＯ_２粉末のように２種以上を併用することが多い。なお、希土類酸化物として、Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３又はＹｂ_２Ｏ_３等を用いた場合は、粒界相(結晶相)の耐熱性がより高くなるため好ましい。
【００３２】
これら導電性セラミック粉末、絶縁性セラミック粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式等、通常の方法によって行うことができる。
【００３３】
導電性セラミック粉末、絶縁性セラミック粉末及び焼結助剤粉末は、これらの合計量を１００体積部とした場合に、導電性セラミック粉末を１５〜４０体積部、特に２０〜３０体積部、絶縁性セラミック粉末と焼結助剤粉末とで８５〜６０体積部、特に８０〜７０体積部とすることができる。
【００３４】
このようにして調製した混合粉末に、適量のバインダ等を配合して混練した後、射出成形等の成形方法により、略Ｕ字形状の未焼成発熱抵抗体を形成することができる。また、この略Ｕ字形状の未焼成発熱抵抗体の両端部にＷ等の金属からなる一対の通電用リード線の一端部が埋設される形態で固定され、取り付けられる。
【００３５】
その後、この一対の通電用リード線が接続された未焼成発熱抵抗体を、絶縁性セラミック粉末を主体とし、導電性セラミック粉末及び焼結助剤粉末を所定の量比で混合した基体用原料粉末に埋入する。その方法としては、基体用原料粉末を圧粉した半割型であって、未焼成発熱抵抗体及び通電用リード線が収まる凹部を有する半割型を２個準備し、これら半割型の間に未焼成発熱抵抗体を載置した後、プレス成形する方法等が挙げられる。次いで、これらを一体に５〜１２ＭＰａ程度に加圧することにより、基体の形状を有する粉末成形体に未焼成発熱抵抗体及び通電用リード線が埋設された未焼成セラミックヒータが得られる。この未焼成セラミックヒータを脱脂した後、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、これを焼成炉に収容し、不活性雰囲気下、所定の温度で所要時間、ホットプレス焼成することにより、焼結体（セラミックヒータ）とすることができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は１６５０〜１８５０℃、特に１７００〜１８００℃、焼成時間は３０〜１５０分、特に６０〜９０分とすることができる。
【００３６】
そして、このようなヒータ形成工程を経て得られたセラミックヒータは、続く研磨工程にて、基体（セラミックヒータ）の外表面を所定量研磨し、各通電用リード線の他端部を基体の外表面から表出させる。そして、研磨後のセラミックヒータを加熱炉に収容し、熱処理工程として熱処理を行うことによって、抗折強度を向上させたセラミックヒータを製造することができる。なお、熱処理工程における熱処理条件については、不活性雰囲気（具体的には、窒素ガス雰囲気）下で、熱処理温度９００〜１６００℃、熱処理時間１０分〜４時間で行うものとする。なお、この熱処理温度の最高温度は、後述するガラス層形成工程における最高温度以上とすることが短時間で熱処理による抗折強度向上の効果を得る上で好ましく、例えば熱処理温度の最高温度を１４００℃とし、ガラス層形成工程における最高温度を１２００℃として行うことができる。
【００３７】
ついで、図３に示すグロープラグ２の製造方法の一例を説明する。
Ｓｉ、Ｂ等の硼珪酸ガラスの成分源と粉末を用いてガラス粉末を作り、このガラス粉末に、骨材粒子となるアルミナ粉末と粘土鉱物及び有機バインダを適量配合し、さらに水を加えて混合することによりガラス粉末スラリーを形成する。そして、ガラス層形成工程として、まず上述したヒータ形成工程、研磨工程及び熱処理工程を経ることで得られたセラミックヒータ１の外周面に、ガラス粉末スラリーを塗布してガラス粉末塗布層を形成し、これを乾燥する。この状態のセラミックヒータ１を加熱炉に挿入して所定温度（例えば、１２００℃）に加熱して、ガラス粉末塗布層をセラミックヒータ１の外周面に焼き付け、ガラス層１８とする。
【００３８】
そして、ガラス層形成工程に続いてロー付け工程を行う。まず、セラミックヒータ１のガラス層１８の外側に金属外筒２１を配置する。金属外筒２１は、該金属外筒２１の内周面とガラス層１８の外周面との間に、０．０５〜０．１５ｍｍの隙間が形成されるように、セラミックヒータ１と同軸状に配置される。そして、金属外筒２１の内周面とガラス層１８の外周面との隙間にロー材を配置させた組立体を作製し、加熱炉中に該組立体を配置して、大気中で所定温度範囲にて加熱処理（ロー付け）する。すると、ロー材が溶融し、金属外筒２１とガラス層１８との隙間に充填される。その後、組立体を炉冷ないし空冷することにより、溶融したロー材が凝固し、ロー材層が形成される。その後、金属外筒１８に接合されたセラミックヒータ１に対して、公知の手法を採用してリードコイル１５、中軸１６、主体金具２２等を組み付け、グロープラグ２を得る。
【００３９】
【実施例】
本発明により得られるセラミックヒータの種々の試験品、以下のようにして作成し、さらに試験品に対する評価を行った。
【００４０】
（１）セラミックヒータの製造
８６質量％の窒化珪素粉末に、焼結助剤として１０質量％のＹｂ_２Ｏ_３粉末及び４質量％のＳｉＯ_２粉末を配合して絶縁成分原料とし、この絶縁成分原料４０質量部（以下、「部」と略記する。）と、導電性セラミックであるＷＣ粉末６０部とを配合し、未焼成発熱抵抗体用原料とした。その後、この原料を７２時間湿式混合し、乾燥して混合粉末を得た。次いで、この混合粉末とバインダとを混練機に投入し、４時間混練した。その後、得られた混練物を裁断してペレット状とした。一方、射出成形金型の所定位置に一対のＷ製リード線を配置した後、射出成形機により上記ペレット状とした混練物を射出し、通電用リード線の一端側が両端に接続された略Ｕ字状の未焼成発熱抵抗体を得た。
【００４１】
一方、８６部の窒化珪素粉末に、１１部のＹｂ_２Ｏ_３粉末及び３部のＳｉＯ_２粉末、並びに５部のＭｏＳｉ_２粉末を配合し、４０時間湿式混合したものをスプレードライヤ法によって造粒し、この造粒物を圧粉して、未焼成発熱抵抗体及び通電用リード線が収まる凹部を有する２個の半割型を準備した。その後、未焼成発熱抵抗体を２個の半割型間に載置し、プレス成形して埋入した後、これらを６．９ＭＰａの圧力で一体に加圧し、未焼成セラミックヒータを得た。次いで、この未焼成セラミックヒータを６００℃で仮焼してバインダを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８００℃で２４ＭＰａの圧力を負荷して１．５時間、ホットプレス焼成し、焼結体を得た。次いで、得られた焼結体の表面を所定量研磨して、各通電用リード線の他端部を基体の外表面から表出させた軸断面円形状のセラミックヒータ(直径３．５ｍｍ)を得た。
【００４２】
そして、この方法により作製した６０本のセラミックヒータ（試験品）について、１０本は熱処理せず、また、他の５０本については各々１０本を、１０００℃、１２００℃、１４００℃、１５００℃及び１６００℃で熱処理した。熱処理は、それぞれ所定温度に調温された加熱炉に１０本のセラミックヒータを収容し、窒素ガス雰囲気下、常圧で、１時間行った。また、熱処理後、炉への通電を停止して自然放冷させ、室温にまで降温させてからセラミックヒータを取り出した。
【００４３】
（２）３点曲げ強さの測定
上記（１）で熱処理した５０本のセラミックヒータ及び熱処理していない１０本のセラミックヒータについて、下記の方法により３点曲げ強さを測定した。
ＪＩＳＲ１６０１に準じ、スパン間１２ｍｍ、クロスヘッド移動速度０．５ｍｍ／分、温度２５℃で、発熱抵抗体の端部のうちの通電用リード線が埋設された位置に対応する基体の表面に荷重を加えて測定した。基体の表面に荷重を加えて測定するにあたって、より具体的には、発熱抵抗体の端面から当該発熱抵抗体に埋設された通電用リード線の先端までの軸線の方向における長さの中間部の位置に対応する基体の表面に荷重を加えて行った。結果を図１に記載する。なお、図１において、○はそれぞれの温度で熱処理した各々１０本（合計５０本）のセラミックヒータ及び熱処理していない１０本のセラミックヒータのそれぞれの３点曲げ強さであり、●は各１０本のセラミックヒータの３点曲げ強さから算出した平均値である。
【００４４】
上記のようにして算出した平均値及び図１の結果によれば、熱処理しない場合、及びそれぞれの温度で熱処理した場合の各々１０本のセラミックヒータの３点曲げ強さの平均値は、熱処理しない場合が５９２ＭＰａ、１０００、１２００、１４００、１５００及び１６００℃の温度で熱処理した場合が、それぞれ６９１ＭＰａ、７６９ＭＰａ、７８９ＭＰａ、７５９ＭＰａ及び６４８ＭＰａである。このように、熱処理によって３点曲げ強さの平均値が少なくとも９．５％向上しており、特に１２００〜１５００℃で熱処理した場合は、２８．２〜３３．３％とより大きく向上していることが分かる。更に、１２００〜１５００℃の熱処理温度であれば、各々の最小値でみても８．６〜１２．７％向上していた。これらの結果から、焼成後、特定の熱処理を施したセラミックヒータでは、製造時ばかりでなく、グロープラグに適用されたときの使用時においても燃焼圧等の外部からの衝撃にも耐え、折損が十分に抑えられることが推察される。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理温度と３点曲げ強さとの相関を示すグラフである。
【図２】セラミックヒータを説明するための縦断面図である。
【図３】先端部にセラミックヒータを組み込んだグロープラグを説明するための縦断面図である。
【符号の説明】
１；セラミックヒータ、１１；基体（絶縁性セラミック基体）、１２；発熱抵抗体、１３ａ、１３ｂ；通電用リード線、１３ｃ、１３ｄ；表出部、１８；ガラス層、２；グロープラグ、２１；金属外筒、２２；主体金具。

Claims

金属外筒と、
絶縁性セラミックから構成される基体と、上記基体に埋設される発熱抵抗体と、上記基体に埋設され、一端部が該発熱抵抗体の両端部にそれぞれ埋設される一対の通電用リード線とを有すると共に、上記金属外筒の内側に固定されるセラミックヒータと、を備えるグロープラグの製造方法であって、
絶縁性セラミック粉末から形成され、焼成されて上記基体となる未焼成基体と、該未焼成基体に埋設され、焼成されて上記発熱抵抗体となる未焼成発熱抵抗体と、該未焼成基体に埋設され、一端部が該未焼成発熱抵抗体の両端部にそれぞれ接続された一対の通電用リード線と、を有する未焼成セラミックヒータを焼成するヒータ形成工程と、
上記ヒータ形成工程を経て得られたセラミックヒータを、上記基体と上記発熱抵抗体とが接する部分に発生する内部応力を緩和するために、９００〜１６００℃で、１０分〜４時間熱処理する熱処理工程と、
上記熱処理工程を経たセラミックヒータを上記金属外筒の内側にロー付けするロー付け工程と、を備え、
上記セラミックヒータは、その外周面にガラス層を有し、上記ロー付け工程にて該ガラス層を介して上記金属外筒の内側にロー付けされるものであり、上記ガラス層は、上記熱処理工程後に設けられるガラス層形成工程にて、セラミックヒータの外周面に形成される
ことを特徴とするグロープラグの製造方法。
上記ヒータ形成工程に続いて、上記セラミックヒータを研磨し、上記通電用リード線の他端部を上記基体の表面に表出させる研磨工程を有しており、その研磨工程に続く熱処理工程において、該セラミックヒータを不活性雰囲気下で熱処理する請求項１に記載のグロープラグの製造方法。
上記熱処理工程における最高温度は、上記ガラス層形成工程の最高温度以上である請求項１に記載のグロープラグの製造方法。