ヒータ用成形体及びセラミックヒータ
【課題】セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、ヒータ用成形体ひいてはセラミックヒータを安定して製造できるようにする。
【解決手段】ヒータ用成形体４０において、両接続部５３ａ、５３ｂの軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に直交する両軸部５２ｂ、５２ｃの厚みをａ（ｍｍ）、平面に直交するＵ字部５１の厚みをｂ（ｍｍ）、ヒータ用成形体４０を焼成したヒータ線２０を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体３６、２７とともにセラミックヒータ１とした場合のセラミックヒータ１の軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、ヒータ用成形体４０は、ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足する。
【解決手段】ヒータ用成形体４０において、両接続部５３ａ、５３ｂの軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に直交する両軸部５２ｂ、５２ｃの厚みをａ（ｍｍ）、平面に直交するＵ字部５１の厚みをｂ（ｍｍ）、ヒータ用成形体４０を焼成したヒータ線２０を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体３６、２７とともにセラミックヒータ１とした場合のセラミックヒータ１の軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、ヒータ用成形体４０は、ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータ用成形体及びセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来のグロープラグが開示されている。このグロープラグは、筒状の主体金具と、この主体金具の先端部内側に配置された柱状のセラミックヒータと、主体金具の後端側に配置された中軸とを備えたものである。主体金具はディーゼルエンジンのシリンダヘッドに固定され、中軸はバッテリに電気的に接続される。
【０００３】
特許文献１開示のセラミックヒータは、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）質の絶縁材料からなる柱状の基体と、この基体内に内装された抵抗体とからなる。抵抗体は、セラミックヒータの先端部に埋設される発熱部と、発熱部と接続された状態で基体に埋設されつつ基体の他端側に延びる一対のリード部とを備えている。なお、各リード部には、基体の他端部表面に露出する電極部が一体に接続されている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、その外周に金属外筒及び金属リングが設けられており、一方の電極部は金属外筒を介して主体金具と電気的に接続され、他方の電極部は金属リングを介して中軸と電気的に接続されている。
【０００４】
抵抗体を構成する発熱部及びリード部は、例えば炭化タングステン（ＷＣ）とＳｉ3Ｎ4との混合物からなる導電材料の焼結体である。発熱部はＷＣの配合量が少なくされて導電性が低くなっており、リード部はＷＣの配合量が多くされて導電性が高くなっている。このため、セラミックヒータに通電することによって、セラミックヒータの先端に位置する抵抗体の発熱部がリード部に比べてより発熱するようになっている。これにより、グロープラグはディーゼルエンジンの始動時やアイドリング時に活用される。
【０００５】
この種のセラミックヒータは以下の製造方法により製造されていた。まず、例えばＷＣの配合量を少なくした導電材料によって後に発熱部となるＵ字部を射出成形した後、ＷＣの配合量を多くした導電材料によって後にリード部となる軸部を射出成形し、軸部とＵ字部とが一体となったヒータ用成形体を得る。なお、リード部と一体に接続される電極部となる突出部も軸部と一体に成形されている。
【０００６】
得られたヒータ用成形体は、後に基体となる絶縁材料製の支持体に内装された後、プレスされて複合成形体とされる。その後、この複合成形体は、脱バインダー処理され、ホットプレス等で１７００°Ｃ以上、例えば約１８００°Ｃ前後で焼成される。こうして得られた焼結体が研磨され、セラミックヒータとなる。
【０００７】
こうして、得られたセラミックヒータは、熱伝導性に優れ、急速昇温が可能になっている。また、このセラミックヒータは、抵抗体が導電材料の焼結体であることから、高温での耐蝕性に優れ、優れた耐久性も発揮する。さらに、このセラミックヒ−タは、リード部に金属リード線を用いたセラミックヒータと比較し、ＷやＷ−Ｒｅ合金等の線材を曲げたり、切断したりする金属リード線の作製工程を不要とする他、射出成形金型の共有化と工程の大幅な簡略化とを実現することから、大量生産及び低廉化を可能としている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２２８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ＷＣの配合量を少なくした導電材料によってＵ字部を射出成形した後、ＷＣの配合量を多くした導電材料によって軸部を射出成形し、軸部とＵ字部とが一体となったヒータ用成形体を得る製造方法では、軸部とＵ字部とに関して、同一の導電材料でないこと及び１回の射出成形によって双方が同時に成形されないことに起因して、軸部とＵ字部との接合面に明確に異なる相同士の接する界面が生じることとなる。このため、この場合には、軸部とＵ字部との接合面の密着性を充分に高くすることができないことから、ヒータ用成形体の取り扱い時に、軸部とＵ字部との接合面で剥離が生じる等の不具合を完全に排除することが困難であり、歩留まりの向上についても限界がある。
【００１０】
その上、近年、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、その製造コストをさらに低廉化したいという要求もある。
【００１１】
そこで、これらの問題を解決する方策として、同一の導電材料を用いた単純な１回の射出成形工程によって軸部とＵ字部とを同時に成形し、ヒータ用成形体とする方法が考えられる。こうして得られるヒータ用成形体は、軸部とＵ字部との接合面がなくなり、これらの剥離を生じることがなくなる。また、この場合、１回の射出成形工程によってヒータ用成形体を得ることができるとともに、２種類の導電材料を準備する必要もないことから、製造コストの低廉化も実現できると考えられる。
【００１２】
しかしながら、軸部とＵ字部とを同一の導電材料で１回射出成形したヒータ用成形体に基づくセラミックヒータの場合にも、発熱部において良好な発熱性能が当然に要求される。このため、このセラミックヒータにおいて、軸部とＵ字部とを異なる導電材料で２回射出成形したセラミックヒータと同様の発熱性能を維持しようとすれば、Ｕ字部の断面積を軸部の断面積よりもさらに減らさざるを得ないこととなる。この場合、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が脱型時に折れ易く、安定してヒータ用成形体を製造することができず、セラミックヒータの歩留まりが極端に悪化してしまう。
【００１３】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、ヒータ用成形体ひいてはセラミックヒータを安定して製造できるようにすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行った。そして、軸部とＵ字部とを同一の導電材料で射出成形したセラミックヒータにあっては、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部の軸方向の長さ、両軸部の軸芯を含む平面に直交する軸部の厚み、その平面に直交するＵ字部の厚み及びセラミックヒータの軸方向の長さの設定が重要であることを発見し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明のヒータ用成形体は、一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体であって、
前記接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両前記軸部の軸芯を含む平面に直交する該軸部の厚みをａ（ｍｍ）、該平面に直交する前記Ｕ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、前記ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合の該セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足することを特徴とする。
【００１６】
本発明のヒータ用成形体は、両軸部、両接続部及びＵ字部が同一の導電材料で射出成形されている。このため、こうして得られるヒータ用成形体は、軸部とＵ字部との接合面がなくなり、これらの剥離を生じることがない。また、この場合、１回の射出成形工程によってヒータ用成形体を得ることができるとともに、２種類の導電材料を準備する必要もないことから、製造コストの低廉化も実現できる。
【００１７】
そして、本発明のヒータ用成形体は、Ｕ字部の厚みｂ（ｍｍ）と軸部の厚みａ（ｍｍ）との比、接続部の勾配の大きさ（ａ−ｂ）／２Ｌ及び接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が脱型時に折れることを抑制して、高い歩留まりで安定的にヒータ用成形体を製造することができる適正範囲を後述する実験及び検討によって見出して規定したものである。
【００１８】
この適正範囲は、射出成形される材料が導電材料であるという特殊性や、ヒータ用成形体の形状自体も細径長尺の一対の軸部とＵ字部との組み合わせであるという特殊性等を考慮したものである。このように本発明のヒータ用成形体は、特有の材料面及び形状面での技術的制約の中で独自に鋭意検討して見出すにいたったものである。
【００１９】
具体的には、本発明のヒータ用成形体は、接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両軸部の軸芯を含む平面に直交する軸部の厚みをａ（ｍｍ）、その平面に直交するＵ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合のセラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
Ｕ字部の厚みｂ（ｍｍ）と軸部の厚みａ（ｍｍ）との比に関して、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）
接続部の勾配の大きさ（ａ−ｂ）／２Ｌに関して、
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、
Ｌ≦ｃ／３…（式３）
の３つの式を満足する軸部と接続部とＵ字部とを備えている。
【００２０】
そのような適正範囲内でヒータ用成形体を製造することにより、軸部とＵ字部との間において、抵抗体の厚みが急激に変化することがなくなり、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部での応力集中を緩和することができる。そのため、接続部が脱型時に折れ難くなる。そのため、Ｕ字部は、所望の発熱性能が発揮できるような小さな断面積でＵ字状に形成されることが可能となり、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、セラミックヒータ製造時の歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００２１】
したがって、本発明のヒータ用成形体は安定して製造される。また、このヒータ用成形体に基づくセラミックヒータの発熱性能も維持される。このため、このヒータ用成形体によれば、高い品質のセラミックヒータを安価に製造することが可能となる。
【００２２】
両軸部、両接続部及びＵ字部は、同一の導電材料で射出成形されている。それらに用いられる導電材料は、導電性セラミック及び絶縁性セラミックにて構成され得る。導電性セラミックとしては、例えば、ＷＣ、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ2）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ2）等、周知のものを採用できる。また、絶縁性セラミックとしては、窒化珪素質の絶縁性セラミックを採用することができる。それにより導電性セラミックと窒化珪素との含有比率を変化させて、耐熱衝撃性を高めながら、発熱部の電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００２３】
軸部は、セラミックヒータの基体内に内装される抵抗体を構成するリード部になるものである。そのため、軸部は一対をなして軸方向に延びる棒状体となっている。リード部には高導電性と低発熱性とが求められるので、軸部は棒状体の断面積がＵ字部よりも大きくされている。また、軸部には、各リード部に一体に接続されてセラミックヒータの表面に露出する電極部となるべき突出部が一体に形成され得る。
【００２４】
Ｕ字部は、セラミックヒータの基体内に内装される抵抗体を構成し、Ｕ字状に形成された発熱部になるものである。このＵ字部は両軸部と同一の導電材料で射出成形される。そのため、発熱部には良好な発熱性能が求められるので、Ｕ字部は両軸部よりも断面積が減らされている。
【００２５】
接続部は、軸部とＵ字部との間に位置する一対のものであり、断面積の異なる軸部の先端とＵ字部の後端とを連結している。このため、接続部は、Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくされている。また、両接続部は、両軸部及びＵ字部と同一の導電材料で射出成形される。
【００２６】
両軸部と両接続部とＵ字部とが一体に射出成形されて形成されたヒータ用成形体は、歩留まり向上のため、射出成形金型から脱型される際に、損傷が生じないことが要求されている。特に、接続部については、形状が適正でないと、折損等の損傷が生じる可能性が高い。そこで、発明者らが鋭意検討した結果に基づき、後述する通り、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が適正な形状とされている。こうして、軸部と接続部とＵ字部とが一体となってヒータ用成形体となっている。
【００２７】
本発明のヒータ用成形体は、軸部、接続部及びＵ字部が上記式１〜３を満足する。以下、各式について詳述する。
【００２８】
本発明のヒータ用成形体は、ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）に対して、ｂがａ／１．５より大きくなると、Ｕ字部の厚みｂが軸部の厚みａに近づくと同時に、Ｕ字部の断面積も軸部の断面積に近づくこととなる。この場合、このヒータ用成形体が焼成された抵抗体においては、発熱部の電気抵抗値が低くなってリード部の電気抵抗値に近づくこととなり、セラミックヒータの先端部のみで十分な発熱性能を発揮するということができなくなる。
【００２９】
一方、本発明のヒータ用成形体は、式１に対して、ｂがａ／１０より小さくなると、Ｕ字部の厚みｂが軸部の厚みａよりも大幅に小さくなると同時に、Ｕ字部の断面積が軸部の断面積よりも大幅に小さくなる。この場合、Ｕ字部の断面積が細くなり過ぎて、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じ、ヒータ用成形体の製造時の歩留まりが大幅に低下することになる。
【００３０】
また、本発明のヒータ用成形体は、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）に反して、（ａ−ｂ）／２Ｌが１／２．４より大きくなると、脱型の際に、接続部に応力集中しやすくなる。このため、接続部で折損等が生じ易くなり、ヒータ用成形体の製造時の歩留まりが大幅に低下することになる。
【００３１】
さらに、本発明のヒータ用成形体は、Ｌ≦ｃ／３…（式３）に反して、Ｌがｃ／３より大きくなると、このヒータ用成形体が焼成された抵抗体において、軸部が焼成されてなるリード部と、Ｕ字部が焼成されてなる発熱部との間のテーパ部で、電気抵抗値が緩やかに変化する領域が長くなり過ぎて、その領域で無駄な発熱を生じることになる。このため、良好な発熱性能を発揮できなくなる。
【００３２】
特に、本発明のヒータ用成形体において、
ｂ≧０．５（ｍｍ）…（式４）
であることが望ましい。ｂが０．５（ｍｍ）以上の場合、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じないために十分なＵ字部の断面積をより確実に確保することができる。このため、歩留まりを低下させることなくヒータ用成形体を射出成形することが可能となり、良好な発熱性能をより確実に発揮させることが可能となる。
【００３３】
また、本発明のヒータ用成形体は、導電材料がＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分とし得る。この場合、ヒータ用成形体は、導電性及び発熱特性等の電気的特性と、焼結体としての強度等の機械的特性とを最適なものに調整し易くなり、一層の作用効果を奏することが可能となる。
【００３４】
本発明は、ヒータ用成形体としてだけでなく、セラミックヒータとしても成立する。
【００３５】
すなわち、本発明のセラミックヒータは、一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体を得た後、該ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装し、両該軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ該支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら、該ヒータ用成形体を該支持体とともに焼成することにより、該支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、該ヒータ用成形体が該基体内に内装された抵抗体とされたセラミックヒータであって、
該抵抗体は、該軸部が焼成されたリード部と、該Ｕ字部が焼成された発熱部と、該接続部が焼成されたテーパ部とを有するものであり、
前記テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両前記リード部の軸芯を含む平面に直交する該リード部の厚みをａ’（ｍｍ）、該平面に直交する前記発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、前記セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ’／１０≦ｂ’≦ａ’／１．５、（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４及びＬ’≦ｃ／３を満足することを特徴とする。
【００３６】
本発明のセラミックヒータは、具体的には、下記の通り、製造されるものである。
【００３７】
最初に、両軸部、両接続部及びＵ字部が同一の導電材料からなる上記本発明のヒータ用成形体が射出成形される。この後、ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装する。そして、ヒータ用成形体は支持体とともにプレスされて複合成形体とされ、脱バインダ処理される。
【００３８】
その後、複合成形体は、両軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら焼成される。具体的には、ホットプレス等で１７００°Ｃ以上、例えば約１８００°Ｃ前後で焼成される。こうして得られた焼結体が研磨され、セラミックヒータとなる。なお、支持体の軸芯は、支持体自体の軸芯、複合成形体の軸芯とほぼ共通し、ヒータ用成形体の軸部の軸芯とほぼ平行である。
【００３９】
このセラミックヒータは、支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、ヒータ用成形体が基体内に内装された抵抗体とされたものである。そして、抵抗体は、軸部が焼成されたリード部と、Ｕ字部が焼成された発熱部と、接続部が焼成されたテーパ部とを有するものである。
【００４０】
このセラミックヒータにおいて、抵抗体は、テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両リード部の軸芯を含む平面に直交するリード部の厚みをａ’（ｍｍ）、その平面に直交する発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
発熱部の厚みｂ’（ｍｍ）とリード部の厚みａ’（ｍｍ）との比に関して、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式５）
テーパ部の勾配の大きさ（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’に関して、
（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４…（式６）
テーパ部の軸方向の長さＬ’（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、
Ｌ’≦ｃ／３…（式７）
の３つの式を満足するリード部とテーパ部と発熱部とを備えている。
【００４１】
このセラミックヒータは、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定する適正範囲内となるように製造される。また、セラミックヒータ自体が発熱性能を維持することができる。
【００４２】
具体的に説明すれば、このセラミックヒータにおいて、ヒータ用成形体と支持体とからなる複合成形体が焼成される際に、両軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を受ける。このため、ヒータ用成形体は圧縮力の作用方向に扁平に潰れるように変形し、焼成されて抵抗体となる。一方、ヒータ用成形体は、軸部の両軸芯を含む平面に直交し、かつ支持体の軸芯に直交する方向には膨張しようとするが、この膨張は治具等により規制される。このため、ヒータ用成形体は軸部の両軸芯を含む平面に直交し、かつ支持体の軸芯に直交する方向には潰れないまま焼成されて抵抗体となる。
【００４３】
このため、抵抗体におけるテーパ部の軸方向の長さＬ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体における接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。また、抵抗体におけるリード部の厚みａ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体における軸部の厚みａ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。また、抵抗体におけ発熱部の厚みｂ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体におけるＵ字部の厚みｂ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。
【００４４】
このように、本発明のセラミックヒータは、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定された適正範囲内となるように製造されることにより、前出の発明のヒータ用成形体における式１〜３に規定された適正範囲をすべて満たすこととなる。
【００４５】
このため、前出の発明のヒータ用成形体の作用効果と同様の理由により、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、セラミックヒータ製造時の歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００４６】
したがって、本発明のセラミックヒータは、発熱性能を維持しながら、安定して製造される。このため、このセラミックヒータは、高い品質と製造コストの低廉化とを実現することができる。
【００４７】
特に、本発明のセラミックヒータにおいて、
ｂ’≧０．５（ｍｍ）…（式８）
であることが望ましい。ｂ’が０．５（ｍｍ）以上の場合、上述の理由により、前出の発明のヒータ用成形体について、式４に規定された適正範囲を満たすことを意味し、前出の発明のヒータ用成形体と同様の作用効果を相することができる。
【００４８】
また、本発明のセラミックヒータは、導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分とし得る。この場合も、上述の理由により、前出の発明のヒータ用成形体と同様の作用効果を相することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照しつつ本発明を具体化した実施例１〜１０及び比較例１〜５を説明する。
【００５０】
まず、図１及び図２に示すように、実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体４０を適用したセラミックヒータ１及びこのセラミックヒータ１を用いたグロープラグ５０を説明する。
【００５１】
このグロープラグ５０は、筒状の主体金具４と、この主体金具４の先端部内側に金属外筒３を介して配置され、先端に発熱部１１をもつ柱状のセラミックヒータ１と、主体金具４の後端部に配置された中軸６と、中軸６とセラミックヒータ１の後端部とを接続する接続金具１７及び金属リング１８とを備えたものである。
【００５２】
セラミックヒータ１は、窒化珪素質の絶縁材料からなる柱状の基体１４と、この基体１４内に内装された抵抗体２０とからなる。抵抗体２０は、基体１４の一端側内部に埋設された発熱部１１と、発熱部１１と接続された状態で基体１４に埋設されつつ基体１４の他端側に延びる一対のリード部１２ｂ、１２ｃとからなる。各リード部１２ｂ、１２ｃには、基体１４の他端側表面に露出する電極部１２ａ、１２ｄが一体に接続されている。一方の電極部１２ｄは金属外筒３を介して主体金具４と電気的に接続され、他方の電極部１２ａは金属リング１８及び接続金具１７を介して中軸６と電気的に接続されている。
【００５３】
すなわち、中軸６の前端部には接続金具１７の後端部が固定されており、接続金具１７の前端部は金属リング１８に固定されている。金属リング１８は、セラミックヒータ１の後端部に嵌合されており、一方の電極部１２ａの露出した面と接触している。これにより中軸６は接続金具１７及び金属リング１８を介して一方の電極部１２ａと電気的に接続されている。
【００５４】
また、金属外筒３はセラミックヒータ１の中央部に嵌合されている。この金属外筒３は他方の電極部１２ｄと接触しており、これにより主体金具４は金属外筒３を介して他方の電極部１２ｄと電気的に接続されている。
【００５５】
基体１４は、窒化珪素質の絶縁体からなる柱状のものである。窒化珪素質の絶縁体は、例えば窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を主成分とする主相粒子が焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部がＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。
【００５６】
発熱部１１と、電極部１２ａ、１２ｄをもつリード部１２ｂ、１２ｃとは、導電性セラミック及び絶縁性セラミックからなる導電材料の焼結体である。
【００５７】
発熱部１１及びリード部１２ｂ、１２ｃの全てについて、同一の導電材料が採用されている。そして、発熱部１１及びリード部１２ｂ、１２ｃが同一材料であるがゆえに、リード部１２ｂ、１２ｃは、発熱部１１に比べて、断面積が大きくされることにより、電気抵抗値が低くされ、所望の高導電性と低発熱性とを確保している。他方、発熱部１１は、リード部１２ｂ、１２ｃに比べて、断面積が小さくされることにより、電気抵抗値が高くされ、所望の発熱性能を確保している。
【００５８】
なお、主体金具４の外周面にはねじ部５が形成されている。グロープラグ５０は、主体金具４のねじ部５が図示しないディーゼルエンジンのシリンダヘッドに螺合される。これにより、セラミックヒータ１の先端部がディーゼルエンジンの燃焼室内に位置される。また、中軸６の後端部に接続されるキャップ１９がバッテリに電気的に接続される。そして、中軸６、接続金具１７、金属リング１８、一方の電極部１２ａ、リード部１２ｂ、発熱部１１、他方のリード部１２ｃ、他方の電極部１２ｄ、金属外筒３及び主体金具４の順で電流が流れ、セラミックヒータ１の先端の発熱部１１が発熱する。こうして、ディーゼルエンジンは燃焼室内の予熱が行われる。
【００５９】
上記セラミックヒータ１の抵抗体２０となるヒータ用成形体４０として、以下の手順で実施例１〜１０及び比較例１〜５のものを製造した。
【００６０】
最初に、図３（ａ）に示すように、一対をなして軸方向に平行に延びる軸部５２ｂ、５２ｃと、両軸部５２ｂ、５２ｃよりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部５１と、両軸部５２ｂ、５２ｃをＵ字部５１に連結する一対の接続部５３ａ、５３ｂとを備えたヒータ用成形体４０を得る。ヒータ用成形体４０の焼成により、図１、２に示す通り、Ｕ字部５１は発熱部１１となり、軸部５２ｂ、５２ｃはリード部１２ｂ、１２ｃとなり、接続部５３ａ、５３ｂはテーパ部１３ａ、１３ｂとなる。軸部５２ｂ、５２ｃには突出部５２ａ、５２ｄが形成されており、ヒータ用成形体４０の焼成により、突出部５２ａ、５２ｄはリード部１２ｂ、１２ｃの電極部１２ａ、１２ｄとなる。
【００６１】
この際、まず、ヒータ用成形体４０の導電材料を以下の通りの構成となるように調合した。この導電材料は、焼成後にＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2及びＥｒ2Ｏ3からなる絶縁セラミックが３０質量％含有され、ＷＣが７０質量％含有される。また、この絶縁セラミック１００質量％中に、ＳｉＯ2が２質量％含有され、Ｅｒ2Ｏ3が５質量％含有される。そのため、各材料が焼成後に上記の配合比になるように、Ｓｉ3Ｎ4粉末、ＷＣ粉末、ＳｉＯ2粉末、Ｅｒ2Ｏ3粉末及び熱可塑性樹脂を混合して、この導電材料を得た。なお、不純物は無視した。
【００６２】
そして、図３（ａ）及び図４に示すように、この導電材料によってヒータ用成形体４０を射出成形した。ヒータ用成形体４０の射出成形金型の上下型の分割面は、図３（ａ）に示すＹ−Ｙ面（両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面）と同一とした。
【００６３】
この際、実施例１〜１０及び比較例１〜５の各々について、両接続部５３ａ、５３ｂの軸方向の長さＬ（ｍｍ）、両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に直交する両軸部５２ｂ、５２ｃの厚みａ（ｍｍ）、その平面に直交するＵ字部５１の厚みｂ（ｍｍ）を図５及び表１に示す通りに設定した。具体的には、射出成形用金型のキャビティのａ、ｂ及びＬに相当する箇所を表１に示すような寸法に切削加工した。そして、これらの射出成形金型を実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体４０の射出成形に適用した。このため、これらの射出成形金型によって得られた各ヒータ用成形体４０において、ａ、ｂ及びＬは、当然に表１に示す通り略同一寸法に成形されるはずである。このため、実際にはヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬを測定せず、外観検査で樹脂充填不良がないこと、反り等変形がないことを確認しているだけであるが、ヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬは、金型のキャビティにおけるａ、ｂ及びＬに相当する部分の寸法と略同一寸法であるとみなすことができる。このため、ヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬは、表１の設定値と略同一寸法であるとみなして、以下に説明を続ける。
【００６４】
【表１】
【００６５】
なお、図３（ａ）及び図４に示すように、突出部５２ａ、５２ｄは、軸方向に長い略六角形をなしている。このため、通電用成形体４０を容易に金型から抜くことができる。また、両軸部５２ｂ、５２ｃにおけるＵ字部５１とは反対側の先端部に仮接続部５５が一体成形されている。このため、軸部５２ｂ、５２ｃの両端がＵ字部５１と仮接続部５５とによって連結されることとなり、ヒータ用成形体４０の変形やたわみが抑制され、脱型時や次工程への搬送等の際の破損をより確実に防止することができている。
【００６６】
こうして、１回の射出成形工程によって、Ｕ字部５１及び軸部５２ｂ、５２ｃを備えたヒータ用成形体４０を形成することが可能となり、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００６７】
この後、得られたヒータ用成形体４０を適用し、以下の工程により、セラミックヒータ１を製造した。この際、一方において、図４に示すように、焼成後に基体１４の約半分を構成する第１支持体３７を用意した。この第１支持体３７は、焼成後にＳｉ3Ｎ4が９０質量％、Ｅｒ2Ｏ3が９質量％、ＳｉＯ2が１質量％の配合比になるように、Ｓｉ3Ｎ4粉末、Ｅｒ2Ｏ3粉末及びＳｉＯ2粉末からなる混合粉末が成形されたものである。第１支持体３７にはヒータ用成形体４０を収容するための凹部３７ａが凹設されている。得られたヒータ用成形体４０を第１支持体３７の凹部３７ａ内に収容した。
【００６８】
この後、ヒータ用成形体４０側に上記混合粉末を載せ、プレス成形することにより、基体１４の残部をなす第２支持体３６も形成して、複合成形体３０を得た。その後、この複合成形体３０は、脱バインダー処理され、ホットプレス等で約１８００°Ｃ前後で焼成された後、研磨されて、（ｂ）に示す焼結体１ａを得た。なお、図３（ｂ）では、基体１４の外形を示す線を仮想線（二点鎖線）で表し、抵抗体２０を示す線を実線で表している。こうして、焼結体１ａが仕上げ処理をされることにより、第１、２支持体３７、３６によって基体１４を構成するとともに、ヒータ用成形体４０によって基体１４内に内装される抵抗体２０を構成しているセラミックヒータ１が得られた。
【００６９】
このような製造方法に関して、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０から図３（ｂ）に示す焼結体１ａに至る過程を図６（ａ）〜（ｄ）及び図７（ａ）〜（ｄ）を用いてさらに詳しく説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＢ−Ｂ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＢ−Ｂ断面に変化する過程を示し、図７（ａ）〜（ｄ）は図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＣ−Ｃ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＣ−Ｃ断面に変化する過程を示す。
【００７０】
図６（ａ）及び図７（ａ）に示す通り、ヒータ用成形体４０が射出成形金型８０ａ、８０ｂ内で射出成形された後、脱型された。その後、ヒータ用成形体４０は乾燥工程として乾燥処理された（実施例１〜１０及び比較例１〜５では、２００°Ｃ−５０分間）。
【００７１】
次に、ヒータ用成形体４０は、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示す通り、第１支持体３７と内装され、その上部に前記混合粉末を載せられた後、プレス成形された。その結果、基体１４の残部をなす第２支持体３６がともに形成された複合成形体３０が得られた。複合成形体３０は、所定の温度（例えば６００°Ｃ）でそのまま保持されることにより、バインダ成分等が除去された。
【００７２】
そして、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示す通り、この複合成形体３０は、グラファイト等で構成された図示しないホットプレス用成形型によって加圧保持され、焼成炉中で所定の焼成温度（１７００°Ｃ以上：例えば１８００°Ｃ程度）で焼成された。これにより、複合成形体３０は、図中の矢印が示すように、ヒータ用成形体４０の両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に平行で、かつ支持体３６、３７の軸芯に垂直な方向に作用する圧縮力によって、潰れるように変形し、焼結体１ａが得られた。この際、ヒータ用成形体４０は、軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯同士が接近するとともに、両軸部５２ｂ、５２ｃ、両接続部５３ａ、５３ｂ及びＵ字部５１が加圧力の作用方向に潰れるように変形するものである。
【００７３】
こうして得られた焼結体１ａは、図３（ｂ）、図６（ｄ）及び図７（ｄ）に示す通り、外周面がセンターレスグラインダ等によって研磨された。その結果、基体１４の断面が円形になったセラミックヒータ１が得られた。
【００７４】
この後、図３（ｂ）に示す通り、焼結体１ａの発熱部１１側先端部が半球状に研磨され、その一方で、反対の先端部にある仮接続部５５が焼成されてなる仮接続部焼結体５５ａを含む基体１３の余剰部分５６が切除された。こうして、図８（ａ）及び（ｂ）に示すセラミックヒータ１が完成した。
【００７５】
こうして得られた実施例１〜１０及び比較例１〜５のセラミックヒータ１は、直径が３．５ｍｍ、軸方向の長さｃ（ｍｍ）が４１ｍｍとされている。
【００７６】
そして、得られたセラミックヒータ１が例えばグロープラグ５０に適用される場合、接続金具１７、金属リング１８及び主体金具４等の部材と組み合わせられ、図１に示すグロープラグ５０が完成する。
【００７７】
こうして得られた実施例１〜１０及び比較例１〜５について、完成したセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０の主要寸法測定を実施した。測定には、Ｘ線写真（マイクロフォーカス）等の非破壊検査手法を適用した。測定箇所については、図９に示す通り、抵抗体２０のテーパ部１３ａ、１３ｂの軸方向の長さＬ’（ｍｍ）、リード部１２ｂ、１２ｃの厚みａ’（ｍｍ）、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）を測定した。主要寸法測定の結果を表２に示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’は、表１に示すヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬと比べて、結果的に略同一寸法となっている。これは、この実施例１〜１０及び比較例１〜５の製造方法において、図６（ｃ）及び図７（ｃ）の図中の矢印が示すように、ヒータ用成形体４０の両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に平行で、かつ支持体３６、３７の軸芯に垂直な方向に作用する圧縮力によって、潰れるように変形しながら、焼成されて、焼結体１ａとされるからである。
【００８０】
一方、ヒータ用成形体４０はａ、ｂ及びＬを潰す方向には変形しない。このため、抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’は、ヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬと比べて、結果的に略同一寸法のままとなるのである。このため、実施例１〜１０及び比較例１〜５と同様のセラミックヒータ１に関して、完成品であるセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’を測定することができれば、そのａ’、ｂ’及びＬ’をヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬとみなすことができるのである。また、完成品であるセラミックヒータ１のセラミック組織をＸ線回折法等によって解析することにより、焼成時の圧縮力の作用方向を特定することができる。
【００８１】
ここで、実施例１〜１０及び比較例１〜５について、本発明による効果を確認するための試験を実施した。具体的には、実施例１〜７及び比較例１〜３については、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定を実施し、実施例８〜１０及び比較例４、５については、セラミックヒータ１をグロープラグ５０に組み付けた状態での通電試験を実施した。
【００８２】
まず、実施例１〜７及び比較例１〜３について実施したヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定について、詳細及び結果を説明する。
【００８３】
ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定の方法は、１ショット４個取りの射出成形金型を用いて、２５ショット、１００個のヒータ用成形体４０を製作し、２００°Ｃ−５０分の乾燥工程の後に、拡大鏡検査にて、外観にクラック等の割れがないかを検査するものである。歩留まり（％）測定の結果を表２に示す。
【００８４】
なお、実施例１〜７及び比較例１〜３のヒータ用成形体４０は全て
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）
Ｌ≦ｃ／３…（式３）
ｂ≧０．５（ｍｍ）…（式４）
の式を満たしている。
【００８５】
特に、ｂが０．５（ｍｍ）以上の場合、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じないために十分なＵ字部５１の断面積をより確実に確保することができる。実際、実施例１〜７及び比較例１〜３のヒータ用成形体４０においては、射出成形時の流動性不足による未充填部は発生していなかった。また、後述する施例８〜１０及び比較例４５のヒータ用成形体４０においても式４を満たしており、射出成形時の流動性不足による未充填部は発生していなかった。このため、歩留まりを低下させることなくヒータ用成形体４０を射出成形することがより確実にできるようになっている。このため、良好な発熱性能をより確実に実現できる。
【００８６】
そして、実施例１〜７のヒータ用成形体４０は全て
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
を満たしている。そのため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂの形状が相対的に緩やか勾配になっている。
【００８７】
なお、実施例１〜７において、ヒータ用成形体４０は全て、上記式１〜４に規定された範囲内となるように成形され、かつ上述の焼成工程を含む製造方法で実施例１〜７のセラミックヒータ１に適用されるから、表２に示すように、完成した実施例１〜７のセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’も、結果的に上記式５〜８に規定された範囲内となっている。そして、このようなａ、ｂ及びＬとａ’、ｂ’及びＬとの関係は、後述の実施例８〜１０及び比較例１〜５にも当然に当てはまるので、以下説明は省略する。
【００８８】
その結果、ヒータ用成形体４０の製造工程における歩留まり測定の結果は、歩留まり９０％以上と向上している。そして、実施例３〜７のように、勾配（ａ−ｂ）／２Ｌを１／３以下とさらに緩やかにすることによって、歩留まりは９９％以上と飛躍的に向上している。
【００８９】
その理由は、ヒータ用成形体４０を脱型する際に、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間での厚みの変化による接続部５３ａ、５３ｂでの応力集中を緩和することができるからであると考えられる。そのため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂが脱型時に折れ難くなっている。そのため、所望の発熱性能が発揮できるような小さな断面積でＵ字部５１がＵ字状に形成されることが可能となり、セラミックヒータ１の発熱性能を維持しながら、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まりを大幅に向上させることができているのである。
【００９０】
これに対して、比較例１〜３は、式１、式３及び式４は満たすものの、
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
を満たさない。このため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂの形状が実施例１〜７に比較して、きつい勾配になっている。
【００９１】
その結果、ヒータ用成形体４０の製造工程における歩留まり測定の結果は、歩留まりが良いものでも８９％であり、９０％未満に低下している。その理由は、ヒータ用成形体４０を脱型する際に、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間での厚みの急激な変化によって、接続部５３ａ、５３ｂでの応力集中が生じ易くなるからであると考えられる。そのため、ヒータ用成形体４０は、脱型時にたわみや変形等による荷重を受けると、接続部５３ａ、５３ｂ近辺で折損等の不具合が生じ易くなり、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まりを向上させることができなくなるのである。
【００９２】
こうして、実施例１〜７のヒータ用成形体４０は、高い歩留まりで製造されることが可能となっているのである。
【００９３】
次に、実施例８〜１０及び比較例４、５のセラミックヒータ１について、グロープラグ５０に組み付けた状態での通電試験を実施した。通電試験は、上述の方法により製造されたセラミックヒータ１をグロープラグ５０に組み付けた後、そのグロープラグ５０に通電して、セラミックヒータ１の発熱部１１の飽和温度が１２００°Ｃ±２５°Ｃとなるように調整した後の消費電力を測定するものである。消費電力の測定結果も表２に示す。
【００９４】
ここで、実施例８、９及び比較例４は、上述の実施例１〜７に対して、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）を増加させて、リード部１２ｂ、１２ｃの厚みａ’（ｍｍ）に近づけたものである。言い換えれば、Ｕ字部５１の厚みｂ（ｍｍ）を増加させて、軸部部５２ｂ、５２ｃの厚みａ（ｍｍ）に近づけたものである。実施例８、９は式１〜８の全てを満たしている。一方、比較例４は、式１、５を満たさず、それ以外の式２〜４、６〜８を満たしている。具体的には、比較例４は、ｂが式１の上限を超え、ｂ’が式５の上限を超えている。
【００９５】
これにより、発熱部１１の断面積のリード部１２ｂ、１２ｃの断面積に対する比率は増加する傾向となる。通電試験による消費電力の測定は、こうした傾向においても、これらのセラミックヒータ１が発熱部１１の発熱性能を維持できているかを確認することができる。
【００９６】
この結果、表２に示すように、実施例８、９、比較例４の順番で、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）のリード部１２ａ、１２ｂの厚みａ’に対する比率が増加するにつれて、消費電力が増加している。
【００９７】
その際、実施例８、９では、消費電力が７０Ｗ未満という結果であり、抵抗体２０をなすリード部１２ｂ、１２ｃと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１が主要な発熱部分となって、リード部１２ｂ、１２ｃでは電力を浪費していない。このため、充分な発熱性能を維持できていると言える。
【００９８】
それに対して、比較例４では、消費電力が７０Ｗ以上という結果であり、抵抗体２０をなすリード部１２ｂ、１２ｃと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１の断面積が増加して、リード部の断面積に近づき、発熱部１１のみならず、リード部までが発熱するようになって、リード部１２ｂ、１２ｃが電力を無駄に浪費している。このため、充分な発熱性能を維持できていないと言える。
【００９９】
さらに、別の観点からの評価として、実施例８、１０及び比較例５は、上述の実施例１〜７に対して、テーパ部１３ａ、１３ｂの長さＬ’（ｍｍ）を長くしたものである。言い換えれば、接続部１３の長さＬ（ｍｍ）を長くしたものである。実施例８，１０は式１〜８の全てを満たしている。一方、比較例５は、式３、７を満たさず、それ以外の式１、２、４〜６、８を満たしている。具体的には、比較例５は、Ｌが式３の上限を超え、Ｌ’が式７の上限を超えている。
【０１００】
これにより、発熱部１１からリード部１２ｂ、１２ｃへと断面積が増加する部分の長さが長くなる傾向となる。通電試験による消費電力の測定は、こうした傾向においても、これらのセラミックヒータ１が発熱部１１の発熱性能を維持できているかを確認することができる。
【０１０１】
この結果、表２に示すように、実施例８、実施例１０、比較例５の順番で、テーパ部１３ａ、１３ｂの長さＬ’が長くなるにつれて、消費電力が増加している。
【０１０２】
その際、実施例８、１０では、消費電力が７０Ｗ未満という結果であり、テーパ部１３ａ、１３ｂと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１が主要な発熱部分となって、テーパ部１３ａ、１３ｂでは電力を浪費していない。このため、充分な発熱性能を維持できていると言える。
【０１０３】
それに対して、比較例５では、消費電力が７０Ｗ以上という結果であり、テーパ部１３ａ、１３ｂと発熱部１１とを比べた場合、テーパ部１３ａ、１３ｂが長くなって体積が増加し、発熱部１１のみならず、テーパ部１３ａ、１３ｂまでが発熱するようになって、テーパ部１３ａ、１３ｂが電力を無駄に浪費している。このため、充分な発熱性能を維持できていないと言える。
【０１０４】
なお、上述の実施例１〜７に関して、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）のリード部１２ａ、１２ｂの厚みａ’（ｍｍ）に対する比率は、実施例８、９よりも小さくされている。また、テーパ部１３ａ，１３ｂの長さは、実施例８、１０よりも短くされている。このため、実施例１〜７に関しては、通電試験を行うまでもなく、発熱部１１が主要な発熱部分となって、リード部１２ｂ、１２ｃ又はテーパ部１３ａ、１３ｂは電力を無駄に浪費していないと推定できる。このため、実施例１〜７は、充分な発熱性能を維持できていると推定できる。
【０１０５】
こうして、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、グロープラグ５０に適用されても、良好な発熱性能を維持できているのである。
【０１０６】
したがって、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０においては、高い歩留まりで製造されることが可能となっており、セラミックヒータ１の発熱性能を維持しながら、その製造コストの低廉化を実現することができているのである。特に、実施例３〜７においてはこの効果が顕著なのである。
【０１０７】
そして、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０は、導電材料がＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としている。このため、ヒータ用成形体４０は、導電性及び発熱特性等の電気的特性と、焼結体としての強度等の機械的特性とを最適なものに調整し易くなっており、一層の作用効果を奏することができているのである。
【０１０８】
また、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定する適正範囲内となるように製造されている。これは、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０が式１〜３に規定する適正範囲内となるように製造されていることと同義である。これにより、このセラミックヒータ１に適用されるヒータ用成形体４０は、射出成形される際に、軸部５２ｂ、５２ｃの先端とＵ字部５１の後端とを連結する接続部５３ａ、５３ｂが脱型時に折れることが抑制され、高い歩留まりで安定的に製造されることが可能となる。このため、セラミックヒータ１自体も、発熱性能を維持することができている。このため、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、前出のヒータ用成形体４０と同様の作用効果を奏することができているのである。
【０１０９】
以上において、本発明を実施例１〜１０に即して説明したが、実施例１〜１０は特許請求の範囲に記載した発明以外に以下の発明を内包している。
【０１１０】
（１）一対をなして軸方向に平行に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部を該Ｕ字部に連結する一対の接続部とを備えたヒータ用成形体において、
両前記軸部、両前記接続部及び前記Ｕ字部は同一の導電材料で射出成形され、該Ｕ字部の軸芯に直交する方向の断面積は両該軸部の軸芯に直交する方向の断面積より小さいことを特徴とするヒータ用成形体。
【０１１１】
（１）の発明では、セラミックヒータの発熱性能を維持することができるとともに、１回の射出成形工程によって、Ｕ字部及び軸部を備えたヒータ用成形体を形成することが可能となり、製造コストの低廉化を実現することができる。
【０１１２】
（２）両前記軸部の前記Ｕ字部とは反対側の先端部には各該軸部を連結する仮接続部が一体に形成されていることを特徴とする（１）記載のヒータ用成形体。
【０１１３】
（２）の発明では、両軸部の両端がＵ字部と仮接続部とによって連結されることとなり、ヒータ用成形体の変形やたわみが抑制され、脱型時や次工程への搬送等の際の破損をより確実に防止することができる。
【０１１４】
また、本発明は上記実施例１〜１０に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は例えばグロープラグ等に使用されるヒータ用成形体及びセラミックヒータに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体を適用したセラミックヒータを組み込んだグロープラグの断面図である。
【図２】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体を適用したセラミックヒータを組み込んだグロープラグ要部拡大断面図である。
【図３】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）はヒータ用成形体の正面図及び側面図であり、（ｂ）はヒータ用成形体の焼結体の正面図及び側面図である。
【図４】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体の製造工程の一部を示す斜視図である。
【図５】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、図３（ａ）に示されたＺ部の要部拡大断面図である。
【図６】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）〜（ｄ）は製造工程の一部を順を追って示すためものであって、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＢ−Ｂ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＢ−Ｂ断面に変化する過程を示すＢ−Ｂ断面の要部拡大断面図である。
【図７】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）〜（ｄ）は製造工程の一部を順を追って示すためものであって、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＣ−Ｃ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＣ−Ｃ断面に変化する過程を示すＣ−Ｃ断面の要部拡大断面図である。
【図８】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）は完成したセラミックヒータの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図９】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、図８（ａ）に示されたＸ部の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１…セラミックヒータ
１１…発熱部
１２ｂ、１２ｃ…リード部
１３ａ、１３ｂ…テーパ部
１４…基体
２０…抵抗体
３６、３７…支持体
４０…ヒータ用成形体
５１…Ｕ字部
５２ｂ、５２ｃ…軸部
５３ａ、５３ｂ…接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータ用成形体及びセラミックヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来のグロープラグが開示されている。このグロープラグは、筒状の主体金具と、この主体金具の先端部内側に配置された柱状のセラミックヒータと、主体金具の後端側に配置された中軸とを備えたものである。主体金具はディーゼルエンジンのシリンダヘッドに固定され、中軸はバッテリに電気的に接続される。
【０００３】
特許文献１開示のセラミックヒータは、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）質の絶縁材料からなる柱状の基体と、この基体内に内装された抵抗体とからなる。抵抗体は、セラミックヒータの先端部に埋設される発熱部と、発熱部と接続された状態で基体に埋設されつつ基体の他端側に延びる一対のリード部とを備えている。なお、各リード部には、基体の他端部表面に露出する電極部が一体に接続されている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、その外周に金属外筒及び金属リングが設けられており、一方の電極部は金属外筒を介して主体金具と電気的に接続され、他方の電極部は金属リングを介して中軸と電気的に接続されている。
【０００４】
抵抗体を構成する発熱部及びリード部は、例えば炭化タングステン（ＷＣ）とＳｉ3Ｎ4との混合物からなる導電材料の焼結体である。発熱部はＷＣの配合量が少なくされて導電性が低くなっており、リード部はＷＣの配合量が多くされて導電性が高くなっている。このため、セラミックヒータに通電することによって、セラミックヒータの先端に位置する抵抗体の発熱部がリード部に比べてより発熱するようになっている。これにより、グロープラグはディーゼルエンジンの始動時やアイドリング時に活用される。
【０００５】
この種のセラミックヒータは以下の製造方法により製造されていた。まず、例えばＷＣの配合量を少なくした導電材料によって後に発熱部となるＵ字部を射出成形した後、ＷＣの配合量を多くした導電材料によって後にリード部となる軸部を射出成形し、軸部とＵ字部とが一体となったヒータ用成形体を得る。なお、リード部と一体に接続される電極部となる突出部も軸部と一体に成形されている。
【０００６】
得られたヒータ用成形体は、後に基体となる絶縁材料製の支持体に内装された後、プレスされて複合成形体とされる。その後、この複合成形体は、脱バインダー処理され、ホットプレス等で１７００°Ｃ以上、例えば約１８００°Ｃ前後で焼成される。こうして得られた焼結体が研磨され、セラミックヒータとなる。
【０００７】
こうして、得られたセラミックヒータは、熱伝導性に優れ、急速昇温が可能になっている。また、このセラミックヒータは、抵抗体が導電材料の焼結体であることから、高温での耐蝕性に優れ、優れた耐久性も発揮する。さらに、このセラミックヒ−タは、リード部に金属リード線を用いたセラミックヒータと比較し、ＷやＷ−Ｒｅ合金等の線材を曲げたり、切断したりする金属リード線の作製工程を不要とする他、射出成形金型の共有化と工程の大幅な簡略化とを実現することから、大量生産及び低廉化を可能としている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２２８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ＷＣの配合量を少なくした導電材料によってＵ字部を射出成形した後、ＷＣの配合量を多くした導電材料によって軸部を射出成形し、軸部とＵ字部とが一体となったヒータ用成形体を得る製造方法では、軸部とＵ字部とに関して、同一の導電材料でないこと及び１回の射出成形によって双方が同時に成形されないことに起因して、軸部とＵ字部との接合面に明確に異なる相同士の接する界面が生じることとなる。このため、この場合には、軸部とＵ字部との接合面の密着性を充分に高くすることができないことから、ヒータ用成形体の取り扱い時に、軸部とＵ字部との接合面で剥離が生じる等の不具合を完全に排除することが困難であり、歩留まりの向上についても限界がある。
【００１０】
その上、近年、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、その製造コストをさらに低廉化したいという要求もある。
【００１１】
そこで、これらの問題を解決する方策として、同一の導電材料を用いた単純な１回の射出成形工程によって軸部とＵ字部とを同時に成形し、ヒータ用成形体とする方法が考えられる。こうして得られるヒータ用成形体は、軸部とＵ字部との接合面がなくなり、これらの剥離を生じることがなくなる。また、この場合、１回の射出成形工程によってヒータ用成形体を得ることができるとともに、２種類の導電材料を準備する必要もないことから、製造コストの低廉化も実現できると考えられる。
【００１２】
しかしながら、軸部とＵ字部とを同一の導電材料で１回射出成形したヒータ用成形体に基づくセラミックヒータの場合にも、発熱部において良好な発熱性能が当然に要求される。このため、このセラミックヒータにおいて、軸部とＵ字部とを異なる導電材料で２回射出成形したセラミックヒータと同様の発熱性能を維持しようとすれば、Ｕ字部の断面積を軸部の断面積よりもさらに減らさざるを得ないこととなる。この場合、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が脱型時に折れ易く、安定してヒータ用成形体を製造することができず、セラミックヒータの歩留まりが極端に悪化してしまう。
【００１３】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、ヒータ用成形体ひいてはセラミックヒータを安定して製造できるようにすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行った。そして、軸部とＵ字部とを同一の導電材料で射出成形したセラミックヒータにあっては、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部の軸方向の長さ、両軸部の軸芯を含む平面に直交する軸部の厚み、その平面に直交するＵ字部の厚み及びセラミックヒータの軸方向の長さの設定が重要であることを発見し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明のヒータ用成形体は、一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体であって、
前記接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両前記軸部の軸芯を含む平面に直交する該軸部の厚みをａ（ｍｍ）、該平面に直交する前記Ｕ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、前記ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合の該セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足することを特徴とする。
【００１６】
本発明のヒータ用成形体は、両軸部、両接続部及びＵ字部が同一の導電材料で射出成形されている。このため、こうして得られるヒータ用成形体は、軸部とＵ字部との接合面がなくなり、これらの剥離を生じることがない。また、この場合、１回の射出成形工程によってヒータ用成形体を得ることができるとともに、２種類の導電材料を準備する必要もないことから、製造コストの低廉化も実現できる。
【００１７】
そして、本発明のヒータ用成形体は、Ｕ字部の厚みｂ（ｍｍ）と軸部の厚みａ（ｍｍ）との比、接続部の勾配の大きさ（ａ−ｂ）／２Ｌ及び接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が脱型時に折れることを抑制して、高い歩留まりで安定的にヒータ用成形体を製造することができる適正範囲を後述する実験及び検討によって見出して規定したものである。
【００１８】
この適正範囲は、射出成形される材料が導電材料であるという特殊性や、ヒータ用成形体の形状自体も細径長尺の一対の軸部とＵ字部との組み合わせであるという特殊性等を考慮したものである。このように本発明のヒータ用成形体は、特有の材料面及び形状面での技術的制約の中で独自に鋭意検討して見出すにいたったものである。
【００１９】
具体的には、本発明のヒータ用成形体は、接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両軸部の軸芯を含む平面に直交する軸部の厚みをａ（ｍｍ）、その平面に直交するＵ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合のセラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
Ｕ字部の厚みｂ（ｍｍ）と軸部の厚みａ（ｍｍ）との比に関して、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）
接続部の勾配の大きさ（ａ−ｂ）／２Ｌに関して、
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、
Ｌ≦ｃ／３…（式３）
の３つの式を満足する軸部と接続部とＵ字部とを備えている。
【００２０】
そのような適正範囲内でヒータ用成形体を製造することにより、軸部とＵ字部との間において、抵抗体の厚みが急激に変化することがなくなり、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部での応力集中を緩和することができる。そのため、接続部が脱型時に折れ難くなる。そのため、Ｕ字部は、所望の発熱性能が発揮できるような小さな断面積でＵ字状に形成されることが可能となり、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、セラミックヒータ製造時の歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００２１】
したがって、本発明のヒータ用成形体は安定して製造される。また、このヒータ用成形体に基づくセラミックヒータの発熱性能も維持される。このため、このヒータ用成形体によれば、高い品質のセラミックヒータを安価に製造することが可能となる。
【００２２】
両軸部、両接続部及びＵ字部は、同一の導電材料で射出成形されている。それらに用いられる導電材料は、導電性セラミック及び絶縁性セラミックにて構成され得る。導電性セラミックとしては、例えば、ＷＣ、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ2）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ2）等、周知のものを採用できる。また、絶縁性セラミックとしては、窒化珪素質の絶縁性セラミックを採用することができる。それにより導電性セラミックと窒化珪素との含有比率を変化させて、耐熱衝撃性を高めながら、発熱部の電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００２３】
軸部は、セラミックヒータの基体内に内装される抵抗体を構成するリード部になるものである。そのため、軸部は一対をなして軸方向に延びる棒状体となっている。リード部には高導電性と低発熱性とが求められるので、軸部は棒状体の断面積がＵ字部よりも大きくされている。また、軸部には、各リード部に一体に接続されてセラミックヒータの表面に露出する電極部となるべき突出部が一体に形成され得る。
【００２４】
Ｕ字部は、セラミックヒータの基体内に内装される抵抗体を構成し、Ｕ字状に形成された発熱部になるものである。このＵ字部は両軸部と同一の導電材料で射出成形される。そのため、発熱部には良好な発熱性能が求められるので、Ｕ字部は両軸部よりも断面積が減らされている。
【００２５】
接続部は、軸部とＵ字部との間に位置する一対のものであり、断面積の異なる軸部の先端とＵ字部の後端とを連結している。このため、接続部は、Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくされている。また、両接続部は、両軸部及びＵ字部と同一の導電材料で射出成形される。
【００２６】
両軸部と両接続部とＵ字部とが一体に射出成形されて形成されたヒータ用成形体は、歩留まり向上のため、射出成形金型から脱型される際に、損傷が生じないことが要求されている。特に、接続部については、形状が適正でないと、折損等の損傷が生じる可能性が高い。そこで、発明者らが鋭意検討した結果に基づき、後述する通り、軸部の先端とＵ字部の後端とを連結する接続部が適正な形状とされている。こうして、軸部と接続部とＵ字部とが一体となってヒータ用成形体となっている。
【００２７】
本発明のヒータ用成形体は、軸部、接続部及びＵ字部が上記式１〜３を満足する。以下、各式について詳述する。
【００２８】
本発明のヒータ用成形体は、ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）に対して、ｂがａ／１．５より大きくなると、Ｕ字部の厚みｂが軸部の厚みａに近づくと同時に、Ｕ字部の断面積も軸部の断面積に近づくこととなる。この場合、このヒータ用成形体が焼成された抵抗体においては、発熱部の電気抵抗値が低くなってリード部の電気抵抗値に近づくこととなり、セラミックヒータの先端部のみで十分な発熱性能を発揮するということができなくなる。
【００２９】
一方、本発明のヒータ用成形体は、式１に対して、ｂがａ／１０より小さくなると、Ｕ字部の厚みｂが軸部の厚みａよりも大幅に小さくなると同時に、Ｕ字部の断面積が軸部の断面積よりも大幅に小さくなる。この場合、Ｕ字部の断面積が細くなり過ぎて、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じ、ヒータ用成形体の製造時の歩留まりが大幅に低下することになる。
【００３０】
また、本発明のヒータ用成形体は、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）に反して、（ａ−ｂ）／２Ｌが１／２．４より大きくなると、脱型の際に、接続部に応力集中しやすくなる。このため、接続部で折損等が生じ易くなり、ヒータ用成形体の製造時の歩留まりが大幅に低下することになる。
【００３１】
さらに、本発明のヒータ用成形体は、Ｌ≦ｃ／３…（式３）に反して、Ｌがｃ／３より大きくなると、このヒータ用成形体が焼成された抵抗体において、軸部が焼成されてなるリード部と、Ｕ字部が焼成されてなる発熱部との間のテーパ部で、電気抵抗値が緩やかに変化する領域が長くなり過ぎて、その領域で無駄な発熱を生じることになる。このため、良好な発熱性能を発揮できなくなる。
【００３２】
特に、本発明のヒータ用成形体において、
ｂ≧０．５（ｍｍ）…（式４）
であることが望ましい。ｂが０．５（ｍｍ）以上の場合、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じないために十分なＵ字部の断面積をより確実に確保することができる。このため、歩留まりを低下させることなくヒータ用成形体を射出成形することが可能となり、良好な発熱性能をより確実に発揮させることが可能となる。
【００３３】
また、本発明のヒータ用成形体は、導電材料がＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分とし得る。この場合、ヒータ用成形体は、導電性及び発熱特性等の電気的特性と、焼結体としての強度等の機械的特性とを最適なものに調整し易くなり、一層の作用効果を奏することが可能となる。
【００３４】
本発明は、ヒータ用成形体としてだけでなく、セラミックヒータとしても成立する。
【００３５】
すなわち、本発明のセラミックヒータは、一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体を得た後、該ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装し、両該軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ該支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら、該ヒータ用成形体を該支持体とともに焼成することにより、該支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、該ヒータ用成形体が該基体内に内装された抵抗体とされたセラミックヒータであって、
該抵抗体は、該軸部が焼成されたリード部と、該Ｕ字部が焼成された発熱部と、該接続部が焼成されたテーパ部とを有するものであり、
前記テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両前記リード部の軸芯を含む平面に直交する該リード部の厚みをａ’（ｍｍ）、該平面に直交する前記発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、前記セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ’／１０≦ｂ’≦ａ’／１．５、（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４及びＬ’≦ｃ／３を満足することを特徴とする。
【００３６】
本発明のセラミックヒータは、具体的には、下記の通り、製造されるものである。
【００３７】
最初に、両軸部、両接続部及びＵ字部が同一の導電材料からなる上記本発明のヒータ用成形体が射出成形される。この後、ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装する。そして、ヒータ用成形体は支持体とともにプレスされて複合成形体とされ、脱バインダ処理される。
【００３８】
その後、複合成形体は、両軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら焼成される。具体的には、ホットプレス等で１７００°Ｃ以上、例えば約１８００°Ｃ前後で焼成される。こうして得られた焼結体が研磨され、セラミックヒータとなる。なお、支持体の軸芯は、支持体自体の軸芯、複合成形体の軸芯とほぼ共通し、ヒータ用成形体の軸部の軸芯とほぼ平行である。
【００３９】
このセラミックヒータは、支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、ヒータ用成形体が基体内に内装された抵抗体とされたものである。そして、抵抗体は、軸部が焼成されたリード部と、Ｕ字部が焼成された発熱部と、接続部が焼成されたテーパ部とを有するものである。
【００４０】
このセラミックヒータにおいて、抵抗体は、テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両リード部の軸芯を含む平面に直交するリード部の厚みをａ’（ｍｍ）、その平面に直交する発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
発熱部の厚みｂ’（ｍｍ）とリード部の厚みａ’（ｍｍ）との比に関して、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式５）
テーパ部の勾配の大きさ（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’に関して、
（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４…（式６）
テーパ部の軸方向の長さＬ’（ｍｍ）とセラミックヒータの軸方向の長さｃ（ｍｍ）との比に関して、
Ｌ’≦ｃ／３…（式７）
の３つの式を満足するリード部とテーパ部と発熱部とを備えている。
【００４１】
このセラミックヒータは、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定する適正範囲内となるように製造される。また、セラミックヒータ自体が発熱性能を維持することができる。
【００４２】
具体的に説明すれば、このセラミックヒータにおいて、ヒータ用成形体と支持体とからなる複合成形体が焼成される際に、両軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を受ける。このため、ヒータ用成形体は圧縮力の作用方向に扁平に潰れるように変形し、焼成されて抵抗体となる。一方、ヒータ用成形体は、軸部の両軸芯を含む平面に直交し、かつ支持体の軸芯に直交する方向には膨張しようとするが、この膨張は治具等により規制される。このため、ヒータ用成形体は軸部の両軸芯を含む平面に直交し、かつ支持体の軸芯に直交する方向には潰れないまま焼成されて抵抗体となる。
【００４３】
このため、抵抗体におけるテーパ部の軸方向の長さＬ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体における接続部の軸方向の長さＬ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。また、抵抗体におけるリード部の厚みａ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体における軸部の厚みａ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。また、抵抗体におけ発熱部の厚みｂ’（ｍｍ）は、ヒータ用成形体におけるＵ字部の厚みｂ（ｍｍ）と略同一寸法のままとなる。
【００４４】
このように、本発明のセラミックヒータは、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定された適正範囲内となるように製造されることにより、前出の発明のヒータ用成形体における式１〜３に規定された適正範囲をすべて満たすこととなる。
【００４５】
このため、前出の発明のヒータ用成形体の作用効果と同様の理由により、セラミックヒータの発熱性能を維持しながら、セラミックヒータ製造時の歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００４６】
したがって、本発明のセラミックヒータは、発熱性能を維持しながら、安定して製造される。このため、このセラミックヒータは、高い品質と製造コストの低廉化とを実現することができる。
【００４７】
特に、本発明のセラミックヒータにおいて、
ｂ’≧０．５（ｍｍ）…（式８）
であることが望ましい。ｂ’が０．５（ｍｍ）以上の場合、上述の理由により、前出の発明のヒータ用成形体について、式４に規定された適正範囲を満たすことを意味し、前出の発明のヒータ用成形体と同様の作用効果を相することができる。
【００４８】
また、本発明のセラミックヒータは、導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分とし得る。この場合も、上述の理由により、前出の発明のヒータ用成形体と同様の作用効果を相することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照しつつ本発明を具体化した実施例１〜１０及び比較例１〜５を説明する。
【００５０】
まず、図１及び図２に示すように、実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体４０を適用したセラミックヒータ１及びこのセラミックヒータ１を用いたグロープラグ５０を説明する。
【００５１】
このグロープラグ５０は、筒状の主体金具４と、この主体金具４の先端部内側に金属外筒３を介して配置され、先端に発熱部１１をもつ柱状のセラミックヒータ１と、主体金具４の後端部に配置された中軸６と、中軸６とセラミックヒータ１の後端部とを接続する接続金具１７及び金属リング１８とを備えたものである。
【００５２】
セラミックヒータ１は、窒化珪素質の絶縁材料からなる柱状の基体１４と、この基体１４内に内装された抵抗体２０とからなる。抵抗体２０は、基体１４の一端側内部に埋設された発熱部１１と、発熱部１１と接続された状態で基体１４に埋設されつつ基体１４の他端側に延びる一対のリード部１２ｂ、１２ｃとからなる。各リード部１２ｂ、１２ｃには、基体１４の他端側表面に露出する電極部１２ａ、１２ｄが一体に接続されている。一方の電極部１２ｄは金属外筒３を介して主体金具４と電気的に接続され、他方の電極部１２ａは金属リング１８及び接続金具１７を介して中軸６と電気的に接続されている。
【００５３】
すなわち、中軸６の前端部には接続金具１７の後端部が固定されており、接続金具１７の前端部は金属リング１８に固定されている。金属リング１８は、セラミックヒータ１の後端部に嵌合されており、一方の電極部１２ａの露出した面と接触している。これにより中軸６は接続金具１７及び金属リング１８を介して一方の電極部１２ａと電気的に接続されている。
【００５４】
また、金属外筒３はセラミックヒータ１の中央部に嵌合されている。この金属外筒３は他方の電極部１２ｄと接触しており、これにより主体金具４は金属外筒３を介して他方の電極部１２ｄと電気的に接続されている。
【００５５】
基体１４は、窒化珪素質の絶縁体からなる柱状のものである。窒化珪素質の絶縁体は、例えば窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を主成分とする主相粒子が焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部がＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。
【００５６】
発熱部１１と、電極部１２ａ、１２ｄをもつリード部１２ｂ、１２ｃとは、導電性セラミック及び絶縁性セラミックからなる導電材料の焼結体である。
【００５７】
発熱部１１及びリード部１２ｂ、１２ｃの全てについて、同一の導電材料が採用されている。そして、発熱部１１及びリード部１２ｂ、１２ｃが同一材料であるがゆえに、リード部１２ｂ、１２ｃは、発熱部１１に比べて、断面積が大きくされることにより、電気抵抗値が低くされ、所望の高導電性と低発熱性とを確保している。他方、発熱部１１は、リード部１２ｂ、１２ｃに比べて、断面積が小さくされることにより、電気抵抗値が高くされ、所望の発熱性能を確保している。
【００５８】
なお、主体金具４の外周面にはねじ部５が形成されている。グロープラグ５０は、主体金具４のねじ部５が図示しないディーゼルエンジンのシリンダヘッドに螺合される。これにより、セラミックヒータ１の先端部がディーゼルエンジンの燃焼室内に位置される。また、中軸６の後端部に接続されるキャップ１９がバッテリに電気的に接続される。そして、中軸６、接続金具１７、金属リング１８、一方の電極部１２ａ、リード部１２ｂ、発熱部１１、他方のリード部１２ｃ、他方の電極部１２ｄ、金属外筒３及び主体金具４の順で電流が流れ、セラミックヒータ１の先端の発熱部１１が発熱する。こうして、ディーゼルエンジンは燃焼室内の予熱が行われる。
【００５９】
上記セラミックヒータ１の抵抗体２０となるヒータ用成形体４０として、以下の手順で実施例１〜１０及び比較例１〜５のものを製造した。
【００６０】
最初に、図３（ａ）に示すように、一対をなして軸方向に平行に延びる軸部５２ｂ、５２ｃと、両軸部５２ｂ、５２ｃよりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部５１と、両軸部５２ｂ、５２ｃをＵ字部５１に連結する一対の接続部５３ａ、５３ｂとを備えたヒータ用成形体４０を得る。ヒータ用成形体４０の焼成により、図１、２に示す通り、Ｕ字部５１は発熱部１１となり、軸部５２ｂ、５２ｃはリード部１２ｂ、１２ｃとなり、接続部５３ａ、５３ｂはテーパ部１３ａ、１３ｂとなる。軸部５２ｂ、５２ｃには突出部５２ａ、５２ｄが形成されており、ヒータ用成形体４０の焼成により、突出部５２ａ、５２ｄはリード部１２ｂ、１２ｃの電極部１２ａ、１２ｄとなる。
【００６１】
この際、まず、ヒータ用成形体４０の導電材料を以下の通りの構成となるように調合した。この導電材料は、焼成後にＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2及びＥｒ2Ｏ3からなる絶縁セラミックが３０質量％含有され、ＷＣが７０質量％含有される。また、この絶縁セラミック１００質量％中に、ＳｉＯ2が２質量％含有され、Ｅｒ2Ｏ3が５質量％含有される。そのため、各材料が焼成後に上記の配合比になるように、Ｓｉ3Ｎ4粉末、ＷＣ粉末、ＳｉＯ2粉末、Ｅｒ2Ｏ3粉末及び熱可塑性樹脂を混合して、この導電材料を得た。なお、不純物は無視した。
【００６２】
そして、図３（ａ）及び図４に示すように、この導電材料によってヒータ用成形体４０を射出成形した。ヒータ用成形体４０の射出成形金型の上下型の分割面は、図３（ａ）に示すＹ−Ｙ面（両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面）と同一とした。
【００６３】
この際、実施例１〜１０及び比較例１〜５の各々について、両接続部５３ａ、５３ｂの軸方向の長さＬ（ｍｍ）、両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に直交する両軸部５２ｂ、５２ｃの厚みａ（ｍｍ）、その平面に直交するＵ字部５１の厚みｂ（ｍｍ）を図５及び表１に示す通りに設定した。具体的には、射出成形用金型のキャビティのａ、ｂ及びＬに相当する箇所を表１に示すような寸法に切削加工した。そして、これらの射出成形金型を実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体４０の射出成形に適用した。このため、これらの射出成形金型によって得られた各ヒータ用成形体４０において、ａ、ｂ及びＬは、当然に表１に示す通り略同一寸法に成形されるはずである。このため、実際にはヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬを測定せず、外観検査で樹脂充填不良がないこと、反り等変形がないことを確認しているだけであるが、ヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬは、金型のキャビティにおけるａ、ｂ及びＬに相当する部分の寸法と略同一寸法であるとみなすことができる。このため、ヒータ用成形体４０のａ、ｂ及びＬは、表１の設定値と略同一寸法であるとみなして、以下に説明を続ける。
【００６４】
【表１】
【００６５】
なお、図３（ａ）及び図４に示すように、突出部５２ａ、５２ｄは、軸方向に長い略六角形をなしている。このため、通電用成形体４０を容易に金型から抜くことができる。また、両軸部５２ｂ、５２ｃにおけるＵ字部５１とは反対側の先端部に仮接続部５５が一体成形されている。このため、軸部５２ｂ、５２ｃの両端がＵ字部５１と仮接続部５５とによって連結されることとなり、ヒータ用成形体４０の変形やたわみが抑制され、脱型時や次工程への搬送等の際の破損をより確実に防止することができている。
【００６６】
こうして、１回の射出成形工程によって、Ｕ字部５１及び軸部５２ｂ、５２ｃを備えたヒータ用成形体４０を形成することが可能となり、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００６７】
この後、得られたヒータ用成形体４０を適用し、以下の工程により、セラミックヒータ１を製造した。この際、一方において、図４に示すように、焼成後に基体１４の約半分を構成する第１支持体３７を用意した。この第１支持体３７は、焼成後にＳｉ3Ｎ4が９０質量％、Ｅｒ2Ｏ3が９質量％、ＳｉＯ2が１質量％の配合比になるように、Ｓｉ3Ｎ4粉末、Ｅｒ2Ｏ3粉末及びＳｉＯ2粉末からなる混合粉末が成形されたものである。第１支持体３７にはヒータ用成形体４０を収容するための凹部３７ａが凹設されている。得られたヒータ用成形体４０を第１支持体３７の凹部３７ａ内に収容した。
【００６８】
この後、ヒータ用成形体４０側に上記混合粉末を載せ、プレス成形することにより、基体１４の残部をなす第２支持体３６も形成して、複合成形体３０を得た。その後、この複合成形体３０は、脱バインダー処理され、ホットプレス等で約１８００°Ｃ前後で焼成された後、研磨されて、（ｂ）に示す焼結体１ａを得た。なお、図３（ｂ）では、基体１４の外形を示す線を仮想線（二点鎖線）で表し、抵抗体２０を示す線を実線で表している。こうして、焼結体１ａが仕上げ処理をされることにより、第１、２支持体３７、３６によって基体１４を構成するとともに、ヒータ用成形体４０によって基体１４内に内装される抵抗体２０を構成しているセラミックヒータ１が得られた。
【００６９】
このような製造方法に関して、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０から図３（ｂ）に示す焼結体１ａに至る過程を図６（ａ）〜（ｄ）及び図７（ａ）〜（ｄ）を用いてさらに詳しく説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＢ−Ｂ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＢ−Ｂ断面に変化する過程を示し、図７（ａ）〜（ｄ）は図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＣ−Ｃ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＣ−Ｃ断面に変化する過程を示す。
【００７０】
図６（ａ）及び図７（ａ）に示す通り、ヒータ用成形体４０が射出成形金型８０ａ、８０ｂ内で射出成形された後、脱型された。その後、ヒータ用成形体４０は乾燥工程として乾燥処理された（実施例１〜１０及び比較例１〜５では、２００°Ｃ−５０分間）。
【００７１】
次に、ヒータ用成形体４０は、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示す通り、第１支持体３７と内装され、その上部に前記混合粉末を載せられた後、プレス成形された。その結果、基体１４の残部をなす第２支持体３６がともに形成された複合成形体３０が得られた。複合成形体３０は、所定の温度（例えば６００°Ｃ）でそのまま保持されることにより、バインダ成分等が除去された。
【００７２】
そして、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示す通り、この複合成形体３０は、グラファイト等で構成された図示しないホットプレス用成形型によって加圧保持され、焼成炉中で所定の焼成温度（１７００°Ｃ以上：例えば１８００°Ｃ程度）で焼成された。これにより、複合成形体３０は、図中の矢印が示すように、ヒータ用成形体４０の両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に平行で、かつ支持体３６、３７の軸芯に垂直な方向に作用する圧縮力によって、潰れるように変形し、焼結体１ａが得られた。この際、ヒータ用成形体４０は、軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯同士が接近するとともに、両軸部５２ｂ、５２ｃ、両接続部５３ａ、５３ｂ及びＵ字部５１が加圧力の作用方向に潰れるように変形するものである。
【００７３】
こうして得られた焼結体１ａは、図３（ｂ）、図６（ｄ）及び図７（ｄ）に示す通り、外周面がセンターレスグラインダ等によって研磨された。その結果、基体１４の断面が円形になったセラミックヒータ１が得られた。
【００７４】
この後、図３（ｂ）に示す通り、焼結体１ａの発熱部１１側先端部が半球状に研磨され、その一方で、反対の先端部にある仮接続部５５が焼成されてなる仮接続部焼結体５５ａを含む基体１３の余剰部分５６が切除された。こうして、図８（ａ）及び（ｂ）に示すセラミックヒータ１が完成した。
【００７５】
こうして得られた実施例１〜１０及び比較例１〜５のセラミックヒータ１は、直径が３．５ｍｍ、軸方向の長さｃ（ｍｍ）が４１ｍｍとされている。
【００７６】
そして、得られたセラミックヒータ１が例えばグロープラグ５０に適用される場合、接続金具１７、金属リング１８及び主体金具４等の部材と組み合わせられ、図１に示すグロープラグ５０が完成する。
【００７７】
こうして得られた実施例１〜１０及び比較例１〜５について、完成したセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０の主要寸法測定を実施した。測定には、Ｘ線写真（マイクロフォーカス）等の非破壊検査手法を適用した。測定箇所については、図９に示す通り、抵抗体２０のテーパ部１３ａ、１３ｂの軸方向の長さＬ’（ｍｍ）、リード部１２ｂ、１２ｃの厚みａ’（ｍｍ）、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）を測定した。主要寸法測定の結果を表２に示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’は、表１に示すヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬと比べて、結果的に略同一寸法となっている。これは、この実施例１〜１０及び比較例１〜５の製造方法において、図６（ｃ）及び図７（ｃ）の図中の矢印が示すように、ヒータ用成形体４０の両軸部５２ｂ、５２ｃの軸芯を含む平面に平行で、かつ支持体３６、３７の軸芯に垂直な方向に作用する圧縮力によって、潰れるように変形しながら、焼成されて、焼結体１ａとされるからである。
【００８０】
一方、ヒータ用成形体４０はａ、ｂ及びＬを潰す方向には変形しない。このため、抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’は、ヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬと比べて、結果的に略同一寸法のままとなるのである。このため、実施例１〜１０及び比較例１〜５と同様のセラミックヒータ１に関して、完成品であるセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’を測定することができれば、そのａ’、ｂ’及びＬ’をヒータ用成形体４０におけるａ、ｂ及びＬとみなすことができるのである。また、完成品であるセラミックヒータ１のセラミック組織をＸ線回折法等によって解析することにより、焼成時の圧縮力の作用方向を特定することができる。
【００８１】
ここで、実施例１〜１０及び比較例１〜５について、本発明による効果を確認するための試験を実施した。具体的には、実施例１〜７及び比較例１〜３については、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定を実施し、実施例８〜１０及び比較例４、５については、セラミックヒータ１をグロープラグ５０に組み付けた状態での通電試験を実施した。
【００８２】
まず、実施例１〜７及び比較例１〜３について実施したヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定について、詳細及び結果を説明する。
【００８３】
ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まり（％）測定の方法は、１ショット４個取りの射出成形金型を用いて、２５ショット、１００個のヒータ用成形体４０を製作し、２００°Ｃ−５０分の乾燥工程の後に、拡大鏡検査にて、外観にクラック等の割れがないかを検査するものである。歩留まり（％）測定の結果を表２に示す。
【００８４】
なお、実施例１〜７及び比較例１〜３のヒータ用成形体４０は全て
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５…（式１）
Ｌ≦ｃ／３…（式３）
ｂ≧０．５（ｍｍ）…（式４）
の式を満たしている。
【００８５】
特に、ｂが０．５（ｍｍ）以上の場合、射出成形時の流動性不足による未充填部の発生や脱型時の折損等の問題が生じないために十分なＵ字部５１の断面積をより確実に確保することができる。実際、実施例１〜７及び比較例１〜３のヒータ用成形体４０においては、射出成形時の流動性不足による未充填部は発生していなかった。また、後述する施例８〜１０及び比較例４５のヒータ用成形体４０においても式４を満たしており、射出成形時の流動性不足による未充填部は発生していなかった。このため、歩留まりを低下させることなくヒータ用成形体４０を射出成形することがより確実にできるようになっている。このため、良好な発熱性能をより確実に実現できる。
【００８６】
そして、実施例１〜７のヒータ用成形体４０は全て
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
を満たしている。そのため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂの形状が相対的に緩やか勾配になっている。
【００８７】
なお、実施例１〜７において、ヒータ用成形体４０は全て、上記式１〜４に規定された範囲内となるように成形され、かつ上述の焼成工程を含む製造方法で実施例１〜７のセラミックヒータ１に適用されるから、表２に示すように、完成した実施例１〜７のセラミックヒータ１の基体１４内に内装された抵抗体２０におけるａ’、ｂ’及びＬ’も、結果的に上記式５〜８に規定された範囲内となっている。そして、このようなａ、ｂ及びＬとａ’、ｂ’及びＬとの関係は、後述の実施例８〜１０及び比較例１〜５にも当然に当てはまるので、以下説明は省略する。
【００８８】
その結果、ヒータ用成形体４０の製造工程における歩留まり測定の結果は、歩留まり９０％以上と向上している。そして、実施例３〜７のように、勾配（ａ−ｂ）／２Ｌを１／３以下とさらに緩やかにすることによって、歩留まりは９９％以上と飛躍的に向上している。
【００８９】
その理由は、ヒータ用成形体４０を脱型する際に、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間での厚みの変化による接続部５３ａ、５３ｂでの応力集中を緩和することができるからであると考えられる。そのため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂが脱型時に折れ難くなっている。そのため、所望の発熱性能が発揮できるような小さな断面積でＵ字部５１がＵ字状に形成されることが可能となり、セラミックヒータ１の発熱性能を維持しながら、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まりを大幅に向上させることができているのである。
【００９０】
これに対して、比較例１〜３は、式１、式３及び式４は満たすものの、
（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４…（式２）
を満たさない。このため、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間の接続部５３ａ、５３ｂの形状が実施例１〜７に比較して、きつい勾配になっている。
【００９１】
その結果、ヒータ用成形体４０の製造工程における歩留まり測定の結果は、歩留まりが良いものでも８９％であり、９０％未満に低下している。その理由は、ヒータ用成形体４０を脱型する際に、軸部５２ｂ、５２ｃとＵ字部５１との間での厚みの急激な変化によって、接続部５３ａ、５３ｂでの応力集中が生じ易くなるからであると考えられる。そのため、ヒータ用成形体４０は、脱型時にたわみや変形等による荷重を受けると、接続部５３ａ、５３ｂ近辺で折損等の不具合が生じ易くなり、ヒータ用成形体４０の製造時の歩留まりを向上させることができなくなるのである。
【００９２】
こうして、実施例１〜７のヒータ用成形体４０は、高い歩留まりで製造されることが可能となっているのである。
【００９３】
次に、実施例８〜１０及び比較例４、５のセラミックヒータ１について、グロープラグ５０に組み付けた状態での通電試験を実施した。通電試験は、上述の方法により製造されたセラミックヒータ１をグロープラグ５０に組み付けた後、そのグロープラグ５０に通電して、セラミックヒータ１の発熱部１１の飽和温度が１２００°Ｃ±２５°Ｃとなるように調整した後の消費電力を測定するものである。消費電力の測定結果も表２に示す。
【００９４】
ここで、実施例８、９及び比較例４は、上述の実施例１〜７に対して、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）を増加させて、リード部１２ｂ、１２ｃの厚みａ’（ｍｍ）に近づけたものである。言い換えれば、Ｕ字部５１の厚みｂ（ｍｍ）を増加させて、軸部部５２ｂ、５２ｃの厚みａ（ｍｍ）に近づけたものである。実施例８、９は式１〜８の全てを満たしている。一方、比較例４は、式１、５を満たさず、それ以外の式２〜４、６〜８を満たしている。具体的には、比較例４は、ｂが式１の上限を超え、ｂ’が式５の上限を超えている。
【００９５】
これにより、発熱部１１の断面積のリード部１２ｂ、１２ｃの断面積に対する比率は増加する傾向となる。通電試験による消費電力の測定は、こうした傾向においても、これらのセラミックヒータ１が発熱部１１の発熱性能を維持できているかを確認することができる。
【００９６】
この結果、表２に示すように、実施例８、９、比較例４の順番で、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）のリード部１２ａ、１２ｂの厚みａ’に対する比率が増加するにつれて、消費電力が増加している。
【００９７】
その際、実施例８、９では、消費電力が７０Ｗ未満という結果であり、抵抗体２０をなすリード部１２ｂ、１２ｃと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１が主要な発熱部分となって、リード部１２ｂ、１２ｃでは電力を浪費していない。このため、充分な発熱性能を維持できていると言える。
【００９８】
それに対して、比較例４では、消費電力が７０Ｗ以上という結果であり、抵抗体２０をなすリード部１２ｂ、１２ｃと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１の断面積が増加して、リード部の断面積に近づき、発熱部１１のみならず、リード部までが発熱するようになって、リード部１２ｂ、１２ｃが電力を無駄に浪費している。このため、充分な発熱性能を維持できていないと言える。
【００９９】
さらに、別の観点からの評価として、実施例８、１０及び比較例５は、上述の実施例１〜７に対して、テーパ部１３ａ、１３ｂの長さＬ’（ｍｍ）を長くしたものである。言い換えれば、接続部１３の長さＬ（ｍｍ）を長くしたものである。実施例８，１０は式１〜８の全てを満たしている。一方、比較例５は、式３、７を満たさず、それ以外の式１、２、４〜６、８を満たしている。具体的には、比較例５は、Ｌが式３の上限を超え、Ｌ’が式７の上限を超えている。
【０１００】
これにより、発熱部１１からリード部１２ｂ、１２ｃへと断面積が増加する部分の長さが長くなる傾向となる。通電試験による消費電力の測定は、こうした傾向においても、これらのセラミックヒータ１が発熱部１１の発熱性能を維持できているかを確認することができる。
【０１０１】
この結果、表２に示すように、実施例８、実施例１０、比較例５の順番で、テーパ部１３ａ、１３ｂの長さＬ’が長くなるにつれて、消費電力が増加している。
【０１０２】
その際、実施例８、１０では、消費電力が７０Ｗ未満という結果であり、テーパ部１３ａ、１３ｂと発熱部１１とを比べた場合、発熱部１１が主要な発熱部分となって、テーパ部１３ａ、１３ｂでは電力を浪費していない。このため、充分な発熱性能を維持できていると言える。
【０１０３】
それに対して、比較例５では、消費電力が７０Ｗ以上という結果であり、テーパ部１３ａ、１３ｂと発熱部１１とを比べた場合、テーパ部１３ａ、１３ｂが長くなって体積が増加し、発熱部１１のみならず、テーパ部１３ａ、１３ｂまでが発熱するようになって、テーパ部１３ａ、１３ｂが電力を無駄に浪費している。このため、充分な発熱性能を維持できていないと言える。
【０１０４】
なお、上述の実施例１〜７に関して、発熱部１１の厚みｂ’（ｍｍ）のリード部１２ａ、１２ｂの厚みａ’（ｍｍ）に対する比率は、実施例８、９よりも小さくされている。また、テーパ部１３ａ，１３ｂの長さは、実施例８、１０よりも短くされている。このため、実施例１〜７に関しては、通電試験を行うまでもなく、発熱部１１が主要な発熱部分となって、リード部１２ｂ、１２ｃ又はテーパ部１３ａ、１３ｂは電力を無駄に浪費していないと推定できる。このため、実施例１〜７は、充分な発熱性能を維持できていると推定できる。
【０１０５】
こうして、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、グロープラグ５０に適用されても、良好な発熱性能を維持できているのである。
【０１０６】
したがって、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０においては、高い歩留まりで製造されることが可能となっており、セラミックヒータ１の発熱性能を維持しながら、その製造コストの低廉化を実現することができているのである。特に、実施例３〜７においてはこの効果が顕著なのである。
【０１０７】
そして、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０は、導電材料がＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としている。このため、ヒータ用成形体４０は、導電性及び発熱特性等の電気的特性と、焼結体としての強度等の機械的特性とを最適なものに調整し易くなっており、一層の作用効果を奏することができているのである。
【０１０８】
また、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、上述の通り、焼成時に作用する圧縮力の作用方向が規定されるとともに、上記式５〜７に規定する適正範囲内となるように製造されている。これは、実施例１〜１０のヒータ用成形体４０が式１〜３に規定する適正範囲内となるように製造されていることと同義である。これにより、このセラミックヒータ１に適用されるヒータ用成形体４０は、射出成形される際に、軸部５２ｂ、５２ｃの先端とＵ字部５１の後端とを連結する接続部５３ａ、５３ｂが脱型時に折れることが抑制され、高い歩留まりで安定的に製造されることが可能となる。このため、セラミックヒータ１自体も、発熱性能を維持することができている。このため、実施例１〜１０のセラミックヒータ１は、前出のヒータ用成形体４０と同様の作用効果を奏することができているのである。
【０１０９】
以上において、本発明を実施例１〜１０に即して説明したが、実施例１〜１０は特許請求の範囲に記載した発明以外に以下の発明を内包している。
【０１１０】
（１）一対をなして軸方向に平行に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部を該Ｕ字部に連結する一対の接続部とを備えたヒータ用成形体において、
両前記軸部、両前記接続部及び前記Ｕ字部は同一の導電材料で射出成形され、該Ｕ字部の軸芯に直交する方向の断面積は両該軸部の軸芯に直交する方向の断面積より小さいことを特徴とするヒータ用成形体。
【０１１１】
（１）の発明では、セラミックヒータの発熱性能を維持することができるとともに、１回の射出成形工程によって、Ｕ字部及び軸部を備えたヒータ用成形体を形成することが可能となり、製造コストの低廉化を実現することができる。
【０１１２】
（２）両前記軸部の前記Ｕ字部とは反対側の先端部には各該軸部を連結する仮接続部が一体に形成されていることを特徴とする（１）記載のヒータ用成形体。
【０１１３】
（２）の発明では、両軸部の両端がＵ字部と仮接続部とによって連結されることとなり、ヒータ用成形体の変形やたわみが抑制され、脱型時や次工程への搬送等の際の破損をより確実に防止することができる。
【０１１４】
また、本発明は上記実施例１〜１０に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は例えばグロープラグ等に使用されるヒータ用成形体及びセラミックヒータに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体を適用したセラミックヒータを組み込んだグロープラグの断面図である。
【図２】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体を適用したセラミックヒータを組み込んだグロープラグ要部拡大断面図である。
【図３】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）はヒータ用成形体の正面図及び側面図であり、（ｂ）はヒータ用成形体の焼結体の正面図及び側面図である。
【図４】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体の製造工程の一部を示す斜視図である。
【図５】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、図３（ａ）に示されたＺ部の要部拡大断面図である。
【図６】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）〜（ｄ）は製造工程の一部を順を追って示すためものであって、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＢ−Ｂ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＢ−Ｂ断面に変化する過程を示すＢ−Ｂ断面の要部拡大断面図である。
【図７】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）〜（ｄ）は製造工程の一部を順を追って示すためものであって、図３（ａ）に示すヒータ用成形体４０のＣ−Ｃ断面から図３（ｂ）に示す焼結体１ａのＣ−Ｃ断面に変化する過程を示すＣ−Ｃ断面の要部拡大断面図である。
【図８】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、（ａ）は完成したセラミックヒータの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図９】実施例１〜１０及び比較例１〜５のヒータ用成形体に係り、図８（ａ）に示されたＸ部の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１…セラミックヒータ
１１…発熱部
１２ｂ、１２ｃ…リード部
１３ａ、１３ｂ…テーパ部
１４…基体
２０…抵抗体
３６、３７…支持体
４０…ヒータ用成形体
５１…Ｕ字部
５２ｂ、５２ｃ…軸部
５３ａ、５３ｂ…接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体であって、
前記接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両前記軸部の軸芯を含む平面に直交する該軸部の厚みをａ（ｍｍ）、該平面に直交する前記Ｕ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、前記ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合の該セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足することを特徴とするヒータ用成形体。
【請求項２】
ｂ≧０．５（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１記載のヒータ用成形体。
【請求項３】
前記導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としていることを特徴とする請求項１又は２記載のヒータ用成形体。
【請求項４】
一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体を得た後、該ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装し、両該軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ該支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら、該ヒータ用成形体を該支持体とともに焼成することにより、該支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、該ヒータ用成形体が該基体内に内装された抵抗体とされたセラミックヒータであって、
該抵抗体は、該軸部が焼成されたリード部と、該Ｕ字部が焼成された発熱部と、該接続部が焼成されたテーパ部とを有するものであり、
前記テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両前記リード部の軸芯を含む平面に直交する該リード部の厚みをａ’（ｍｍ）、該平面に直交する前記発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、前記セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ’／１０≦ｂ’≦ａ’／１．５、（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４及びＬ’≦ｃ／３を満足することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】
ｂ’≧０．５（ｍｍ）であることを特徴とする請求項４記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としていることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックヒータ。
【請求項１】
一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体であって、
前記接続部の軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、両前記軸部の軸芯を含む平面に直交する該軸部の厚みをａ（ｍｍ）、該平面に直交する前記Ｕ字部の厚みをｂ（ｍｍ）、前記ヒータ用成形体を焼成した抵抗体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体とともにセラミックヒータとした場合の該セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ／１０≦ｂ≦ａ／１．５、（ａ−ｂ）／２Ｌ≦１／２．４及びＬ≦ｃ／３を満足することを特徴とするヒータ用成形体。
【請求項２】
ｂ≧０．５（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１記載のヒータ用成形体。
【請求項３】
前記導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としていることを特徴とする請求項１又は２記載のヒータ用成形体。
【請求項４】
一対をなして軸方向に延びる軸部と、両該軸部よりも小さい断面積でＵ字状に形成されたＵ字部と、両該軸部の先端と該Ｕ字部の後端とを連結し、該Ｕ字部側から両該軸部側に向かって断面積が大きくなる一対の接続部とを備え、両該軸部、両該接続部及び該Ｕ字部が同一の導電材料で射出成形されたヒータ用成形体を得た後、該ヒータ用成形体を軸方向に延びる絶縁材料製の支持体に内装し、両該軸部の軸芯を含む平面に平行であってかつ該支持体の軸芯に垂直な方向に圧縮力を作用させながら、該ヒータ用成形体を該支持体とともに焼成することにより、該支持体が軸方向に延びる柱状の基体とされ、該ヒータ用成形体が該基体内に内装された抵抗体とされたセラミックヒータであって、
該抵抗体は、該軸部が焼成されたリード部と、該Ｕ字部が焼成された発熱部と、該接続部が焼成されたテーパ部とを有するものであり、
前記テーパ部の軸方向の長さをＬ’（ｍｍ）、両前記リード部の軸芯を含む平面に直交する該リード部の厚みをａ’（ｍｍ）、該平面に直交する前記発熱部の厚みをｂ’（ｍｍ）、前記セラミックヒータの軸方向の長さをｃ（ｍｍ）としたとき、
ａ’／１０≦ｂ’≦ａ’／１．５、（ａ’−ｂ’）／２Ｌ’≦１／２．４及びＬ’≦ｃ／３を満足することを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】
ｂ’≧０．５（ｍｍ）であることを特徴とする請求項４記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記導電材料はＷＣとＳｉ3Ｎ4との混合物又はＭｏＳｉ2とＳｉ3Ｎ4との混合物を主成分としていることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックヒータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−７３４６８（Ｐ２００６−７３４６８Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５８５６１（Ｐ２００４−２５８５６１）
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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