JP2003040678A

JP2003040678A - セラミックヒータ及びその製造方法

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Publication number: JP2003040678A
Application number: JP2001229215A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tatematsu; 一穂立松; Masahiro Konishi; 雅弘小西; Takeshi Yamaguchi; 猛山口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP4454191B2; EP1282341A2; EP1282341A3; US7282669B2; EP1282341B1; US20030029856A1

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度、耐久性に優れたセラミックヒー
タと、その製造方法とを提供する。【解決手段】セラミックヒータ１は、窒化珪素質セラ
ミック基体１３中に抵抗発熱体１０を埋設した構造を有
し、窒化珪素質セラミック基体１３が、焼結助剤に由来
する酸素成分を含み、該窒化珪素質セラミック基体１３
の表面から１ｍｍ内部までの表層部における平均的な酸
素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされている。この
ようなセラミックヒータ１は、ホットプレス焼成工程を
経て製造することができ、該焼成工程を行うための焼成
治具について、そのキャビティ内面から所定深さのＳｉ
Ｃ／Ｃ複合層を備えたものを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グロープラグ等に
使用されるセラミックヒータとその製造方法とに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックグロープラグ等に使用
されるセラミックヒータとして、絶縁性のセラミック基
体に対し、セラミック導電材料等で構成された抵抗発熱
体を埋設した構造を有するものが知られている。セラミ
ック基体としては、窒化珪素質セラミックが耐熱衝撃性
や高温強度に優れていることから広く用いられている。

【０００３】ところで、上記のようなセラミック基体で
構成されるセラミックヒータは、該セラミック基体の仮
成形体を焼成して機械的強度を向上させる場合が多い
が、上記窒化珪素質セラミックとセラミック導電材料と
の熱膨張係数・焼結性が異なるため、常圧焼成では各材
料の境界部にクラックが発生する等の問題が生じる場合
がある。そこで、所定の圧力下にてホットプレス焼成を
行う場合が多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ホットプレス焼成
では、上記仮成形体に接して圧力を加える治具としてカ
ーボン治具を用い、仮成形体とカーボンの間にＢＮ等の
離型剤を介在させて行うが、焼成中に窒化珪素質セラミ
ックのＳｉとカーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化す
るため下記のような問題が生じている。例えば、Ｃによ
る還元雰囲気中で焼成を行うために、窒化珪素の焼結助
剤に用いる酸化物が焼成中に当該窒化珪素セラミックの
表面側に移動しやすくなり、組成不均一を生じる場合が
あり、結果として部分的な強度低下を引き起こす場合が
ある。また、焼結助剤に希土類酸化物を用いた場合、焼
成によりセラミック基体にメリライト結晶相が生成しや
すくなり、該メリライト結晶相が１０００℃前後での低
温酸化を引き起こすことに起因して、セラミック基体
（セラミックヒータ）が割れに至る場合がある。

【０００５】さらには、窒化珪素質セラミックのＳｉと
カーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化することにより
以下のような問題も生じる。例えば、窒化珪素表面の焼
け不良による強度が低下する場合がある。また、窒化珪
素とカーボンが焼成中に反応することにより窒化珪素質
セラミックと治具とが密着し、熱膨張係数が異なる材料
同士が密着した状態で焼成後に冷却されてカーボン治具
が割れる場合がある。さらに、カーボン治具が酸化消耗
しやすく治具の寿命が短くなる場合がある。

【０００６】本発明の課題は、機械的強度、耐久性に優
れたセラミックヒータと、その製造方法とを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明のセラミックヒータは、窒
化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造
を有するセラミックヒータであって、前記窒化珪素質セ
ラミック基体は、該窒化珪素質セラミック基体の表面か
ら０．１ｍｍ内部までの表層部における平均的な酸素成
分濃度が０．４〜３．２重量％とされていることを特徴
とする。

【０００８】上記の構成によれば、セラミック基体の表
層部における酸素成分濃度を０．４〜３．２重量％とし
たために、表層部における組成不均一による部分的な強
度低下が生じ難くなった。該酸素成分濃度が０．４重量
％未満の場合、該表層部における窒化珪素質層の緻密性
が低下する場合があり、十分な強度が得られない場合が
ある。また、該酸素成分濃度が３．２重量％を超える場
合も、十分な強度が得られない場合がある。なお、酸素
成分濃度は好ましくは０．６〜２．０重量％とするのが
よい。

【０００９】また、セラミック基体が希土類成分を含む
場合、メリライト結晶相が可及的に存在しない、若しく
は存在していても１重量％以下の含有率とすると、該メ
リライト結晶相に基づく低温酸化等が生じ難くなり、結
果的にセラミックヒータの機械的強度向上につながり得
る。なお、メリライト結晶は希土類元素をＲとして、一
般式：Ｒ_２Ｓｉ_３Ｎ_４Ｏ_３で表される化合物の結晶のこ
とを言う。

【００１０】このようなセラミックヒータは、以下のよ
うな方法により製造することができる。すなわち、本発
明のセラミックヒータの製造方法は、窒化珪素質セラミ
ック基体の成形体又は仮焼体を、焼成治具を用いてホッ
トプレス焼成する工程を含み、前記焼成治具は、前記成
形体又は仮焼体をセットするための湾曲形状のキャビテ
ィが複数連設された態様をなし、該焼成治具のキャビテ
ィ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳ
ｉＣを含有して構成されていることを特徴とする。な
お、この場合、キャビティ内面から０．５ｍｍとは、キ
ャビティ内面に沿った湾曲形状での領域によって考える
もので、治具の厚み方向での０．５ｍｍをいうものでは
ない。

【００１１】すなわち、焼成治具のキャビティ内面から
少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部をＳｉＣを含有
して構成したために、当該焼成治具を用いてのホットプ
レス焼成時に、窒化珪素質セラミック基体の成形体又は
仮焼体のＳｉと、焼成治具の成分との間で反応（具体的
にはＣ成分との反応）が生じ難くなり、窒化珪素表面の
焼け不良による強度低下を防止ないし抑制することが可
能となり得る。また、窒化珪素質セラミック基体と焼成
治具が反応し難いために両者が密着し難く、結果的に両
者の熱膨張係数の違いに基づく焼成から冷却過程におけ
る治具の割れ等を防ぐことが可能となり得る。また、焼
成治具が酸化され難くなるため、該焼成治具の寿命が向
上する。さらに、本発明においては、１回のホットプレ
ス焼成する工程にてセラミックヒータを複数製造するた
めに、焼成治具は、窒化珪素質セラミック基体の成形体
又は仮焼体を配置して当該基体に圧力を伝えることにな
る湾曲形状のキャビティを一面に複数連設した態様をな
し、各キャビティにより焼成治具の一面は凹凸形状（波
型形状）を構成している。この場合、治具のキャビティ
形状が湾曲であるために、ホットプレス焼成時に窒化珪
素質セラミック基体の成形体又は仮焼体と焼成治具との
間で接触面積が大きくなり、基体となるべき成形体又は
仮焼体に均一な圧力を加えることができるとともに、キ
ャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層
部がＳｉＣを主体に含有しているために、成形体又は仮
焼体のＳｉと治具の成分との間での反応を抑える効果が
一層顕著に現れるものとなる。

【００１２】また、上記窒化珪素質セラミック基体の成
形体又は仮焼体は焼結助剤を含むものとすることができ
る。この場合、本発明においては上述の通りホットプレ
ス焼成を行う場合の焼成治具の表層部がＳｉＣを含有し
て構成されているため、焼成中におけるＣによる還元性
が、例えばＣを主体として構成されたカーボン治具を用
いる場合と比較して低下する。したがって、例えば酸化
物（希土類酸化物）等の焼結助剤が焼成中にセラミック
基体の表層部に移動して焼結助剤成分が不均一化する等
の不具合を防止ないし抑制することが可能となり、した
がってセラミック基体中の組成不均一等も生じ難くな
り、結果的に機械的強度の低下を防止ないし抑制するこ
とが可能となり得る。

【００１３】このように、本発明のセラミックヒータの
製造方法において、上記のような焼成治具を用いること
により、連続したキャビティにより生産性が向上すると
ともに、焼成治具の耐久性が向上し、さらにセラミック
ヒータを製造する上で、焼成治具とセラミック基体の成
形体又は仮焼体との間の接触面積が大きくなるにも拘ら
ず両者間の反応が生じ難くなり、当該セラミックヒータ
の機械的強度低下等の問題が生じ難くなり得る。

【００１４】上記のような焼成治具は、以下のような方
法により得ることができる。すなわち、湾曲形状のキャ
ビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当
該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成
される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上
の温度（上限は２３００℃程度）にてホットプレス焼成
することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から
少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化して
なる治具を前記焼成治具として得ることができる。ま
た、湾曲形状のキャビティが複数連設したＣを主体とす
るカーボン治具の少なくともキャビティ内面にＳｉ化合
物又はＳｉを主体とする組成物を塗布又はコーティング
し１５００℃以上の温度（上限は２３００℃程度）に加
熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面か
ら少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化し
てなる治具を前記焼成治具として得ることも可能であ
る。

【００１５】また、上記ＳｉＣを含有する表層部は、好
ましくはＳｉＣを主体として構成されるものとするのが
よい。ここで、ＳｉＣを主体として構成されるとは、該
表層部を構成する成分のうちＳｉＣ成分が最も含有量の
多い成分であることを意味し、例えばＳｉＣとＣとの比
が６：４のＳｉＣ／Ｃ複合層とすることもできる。ま
た、ＳｉＣ単体で構成されたＳｉＣ系治具を用いること
も可能であるが、価格等を考慮するとＳｉＣ／Ｃ複合層
を備えた治具とすることが望ましい。なお、本発明にお
いて焼成治具の表層部は、当該焼成治具の表面から少な
くとも０．５ｍｍ内部までがＳｉＣを含む層であればよ
く、該０．５ｍｍよりも内部においてＳｉＣを含む層が
形成されていてもよいことは言うまでもない。逆にＳｉ
Ｃを含む層がキャビティ内面から０．５ｍｍ未満の場合
は、上記本発明の効果が十分に発揮されない場合があ
る。

【００１６】次に、本発明のセラミックヒータにおける
窒化珪素質セラミック基体の組織は、例えば、窒化珪素
を主成分とするＳｉ_３Ｎ_４相粒子が、焼結助剤成分に由
来した粒界相（結合相）により結合された形態のもので
ある。焼結助剤成分は、主に結合相を構成するが、一部
が主相（Ｓｉ_３Ｎ_４相）中に取り込まれることもあり得
る。なお、結合相中には、焼結助剤として意図的に添加
した成分のほか、不可避不純物、例えば窒化珪素原料粉
末に含有されている酸化珪素などが含有されることがあ
る。

【００１７】上記焼結助剤成分は、例えば希土類成分の
ほか、本発明の効果が損なわれない範囲にて、ＳｉやＡ
ｌなど、周期律表の４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂの各族の
元素成分を使用できる。これらは、原料段階にて主に酸
化物の形で添加することができる。希土類成分として
は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、
Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用
いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高
温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。

【００１８】

【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１は、本発明の
製造方法によって製造されるセラミックヒータを使用し
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。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設け
られたセラミックヒータ１と、そのセラミックヒータ１
の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属製の
外筒３、さらにその外筒３を外側から覆う筒状の金属ハ
ウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と外筒
３との間及び外筒３と金属ハウジング４との間は、それ
ぞれろう付けにより接合されている。

【００１９】セラミックヒータ１の後端部には、金属線
により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端
が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウ
ジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着
されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング
４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたね
じ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４
に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジ
ング４に対して固定されている。また、ナット７と金属
ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれて
いる。そして、金属ハウジング４の外周面には、図示し
ないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するた
めのねじ部５ａが形成されている。

【００２０】セラミックヒータ１は、図２に示すよう
に、Ｕ字状のセラミック抵抗発熱体（以下、単に発熱体
という）１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状
の電極部１１及び１２の先端部が埋設されるとともに、
発熱体１０と電極部１１及び１２の全体が、円形断面を
有する棒状の窒化珪素質セラミック基体１３中に埋設さ
れている。発熱体１０は、方向変換部１０ａがセラミッ
ク基体１３の先端側に位置するように配置され、この方
向変換部１０ａの両端部に直線部１０ｂ，１０ｂが各々
連結している。

【００２１】セラミック基体１３は、例えばＳｉ_３Ｎ_４
粉末に、Ｅｒ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の焼結助
剤粉末を３〜１５重量％の範囲で添加・混合して焼結し
たものであり、その表面から０．１ｍｍ内部までの表層
部は、平均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％と
されている。なお、セラミック基体１３の表面から１．
０ｍｍ内部までの表層部の酸素成分濃度については、基
体１３の表面から１．０ｍｍ内部までの表層部を削り出
し、それらを粉砕した上で非分散赤外線吸収法を利用し
て特定した。また、発熱体１０は、例えば導電性セラミ
ック粉末としてのＷＣあるいはＭｏＳｉ_２粉末とＳｉ_３
Ｎ_４粉末との混合粉末に対し、セラミック基体１３に使
用されたものと同様の焼結助剤成分を、０．８〜１０．
５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであり、
その焼結体組織は、Ｓｉ_３Ｎ_４系基質（マトリックスセ
ラミック相）中にＷＣあるいはＭｏＳｉ_２系粒子が分散
したものとなっている。一方、電極部１１及び１２は、
Ｗ、Ｗ−Ｒｅ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｔａ、ニクロム等の
金属線で構成される。

【００２２】図２において、セラミック基体１３の表面
には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニ
ッケル等の金属薄層（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、該金属薄層
を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けによ
り接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介
して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部
１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されてお
り、ここに結合部材５がろう付けされている。このよう
に構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図
１）、結合部材５及び電極部１１を介して発熱体１０に
対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウ
ジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを
介して接地される。

【００２３】以下、セラミックヒータ１の製造方法につ
いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、発熱体
１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型
３１に対し電極材３０を、その一方の端部が該キャビテ
ィ３２内に入り込むように配置する。そしてその状態
で、例えばＳｉ_３Ｎ_４を主成分とする粉末８５重量％及
び焼結助剤粉末１５重量％（例えば１０重量％のＹｂ_２
Ｏ_３と５重量％のＳｉＯ _２とからなる）とからなる絶縁
成分用原料４５重量％と、ＷＣ粉末（あるいはＭｏＳｉ
_２粉末）５５重量％とを２４時間湿式混合した後、乾燥
して得た混合粉末を、バインダ（有機結合剤）とともに
コンパウンド３３として射出する。これにより、同図
（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の発熱体成形
体３４とが一体化された一体成形体３５を作成する。な
お、発熱体成形体３４はほぼ円形の軸断面を有するよう
に形成されるとともに、方向変換部３４ａと直線部３４
ｂ，３４ｂが形成される（図４（ａ）参照）。

【００２４】一方これとは別に、セラミック基体１３を
形成するための原料粉末を予め金型プレス成形すること
により、図４（ａ）に示すような、上下別体に形成され
た分割予備成形体３６，３７を用意しておく。具体的に
は、例えば窒化珪素粉末８３重量％に焼結助剤としてＹ
ｂ_２Ｏ_３粉末１０重量％及びＳｉＯ_２粉末５重量％、さ
らにＭｏＳｉ_２粉末２重量％を配合して原料粉末とし、
これをバインダとともに２０時間湿式混合したものをス
プレードライにより造粒し、この造粒粉末を圧粉した２
個の分割予備成形体３６，３７を用意した。

【００２５】これら分割予備成形体３６，３７は、上記
一体成形体３５に対応した形状の凹部３８がその合わせ
面３９ａに形成されている。次いで、この凹部３８に一
体成形体３５を収容し、分割予備成形体３６，３７を該
型合わせ面３９ａにおいて型合わせする（図４（ｂ）参
照）。そして、図５（ａ）に示すように、その状態でこ
れら分割予備成形体３６，３７及び一体成形体３５を、
金型６１のキャビティ６１ａ内に収容し、パンチ６２，
６３を用いてプレス・圧縮することにより、図６（ａ）
に示すように、これらが一体化された複合成形体３９が
形成される。ここで、そのプレス方向は、分割予備成形
体３６，３７の合わせ面３９ａに対しほぼ直角に設定さ
れる。

【００２６】こうして得られた複合成形体３９は、まず
原料粉末中のバインダ成分等を除去するために所定の温
度（例えば約６００℃）で仮焼され、図６（ｂ）に示す
仮焼体３９’とされる（なお、仮焼体は、広義の意味に
おいて複合成形体であるとみなす）。続いて図５（ｂ）
に示すように、この仮焼体３９’がホットプレス用成形
型（焼成治具）６５，６５のキャビティ６５ａ，６５ａ
にセットされる。このホットプレス用成形型（焼成治
具）６５，６５において、キャビティ６５ａ，６５ａの
内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部が、Ｓ
ｉＣを主体とするＳｉＣ及びＣの複合層として構成され
ている（すなわち、表層部がＳｉＣ化されている）。さ
らに、ホットプレス用成形型（焼成治具）６５のキャビ
ティ６５ａは、湾曲形状をなすとともに、治具６５の一
面に複数連設された態様をなし、一回のホットプレス工
程にて複数の焼成体を製造し得ることが可能である。

【００２７】ここで、キャビティ６５ａの内面には離型
剤が塗布される。例えば、図８（ａ）に示すように、溶
媒（例えばエタノール）中に離型剤粉末７０（例えば窒
化硼素（ＢＮ）の微粉末）とアルミナ粉末７１とを、分
散剤とともに配合して塗布用懸濁液ＳＬを作る。そし
て、これを図８（ｂ）に示すように、刷毛８０等により
手動塗布したり、あるいは図８（ｃ）に示すようにスプ
レーノズル８１により噴霧塗布したりすることができ
る。塗布後、溶媒を蒸発・乾燥させることにより、離型
剤粉末７０とアルミナ粉末７１との複合塗布層７２が形
成される。なお、このような複合塗布層７２は、仮焼体
３９’の外面に塗布することも可能である。

【００２８】上記のように複合塗布層７２を形成した成
形型６５にセットされた仮焼体３９’は、図５（ｂ）に
示すように、焼成炉６４（以下、単に炉６４という）内
で両成形型６５，６５の間で加圧されながら所定の焼成
保持温度（１７００℃以上：例えば約１８００℃前後）
で焼成されることにより、図６（ｃ）に示すような焼成
体７０となる。このとき、図４（ｂ）に示す発熱体成形
体３４が発熱体１０を、分割予備成形体３６，３７がセ
ラミック基体１３をそれぞれ形成することとなる。ま
た、各電極材３０はそれぞれ電極部１１及び１２とな
る。なお、焼成は、不純物酸素分圧を０．０１〜１００
Ｐａとした常圧の窒素を導入して焼成温度（例えば１８
００℃）まで昇温し、該雰囲気中にて焼成保持する条件
を例示できる。

【００２９】上記焼成により、仮焼体３９’は、図６
（ｂ）に示すように、分割予備成形体３６及び３７の合
わせ面３９ａに沿う方向に圧縮されながら焼成体７０と
なる。そして、図６（ｃ）に示すように、発熱体成形体
３４の直線部３４ｂ（図４参照）は、その円状断面が上
記圧縮方向につぶれるように変形することにより、楕円
状断面を有した発熱体１０の直線部１０ｂとなる。得ら
れた焼結体７０は、図６（ｄ）に示すように、外周面に
研磨等の加工を施すことにより、セラミック基体１３の
断面が円形とされて最終的なセラミックヒータ１とな
る。

【００３０】なお、図７に示すように、セラミック基体
粉末の成形体に対し、導電性セラミック粉末のペースト
を用いて発熱体形状をパターン印刷し、これを焼成する
ことによりその印刷パターンを焼結して、抵抗発熱体１
０とするようにしてもよい。また、抵抗発熱体は、Ｗや
Ｗ−Ｒｅ等の高融点金属にて構成してもよい。

【００３１】本実施例にて用いるホットプレス用成形型
（焼成治具）６５，６５の製造方法について説明する。
ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の製法と
しては、例えば２種類のものを採用することができる。
一つは、湾曲形状のキャビティが複数連設した例えば炭
素（グラファイト）を主体とするカーボン治具の当該キ
ャビティに、Ｓｉ化合物（窒化珪素等）又はＳｉを主体
として構成される化合物の成形体又は仮焼体を、１３０
０℃以上にて非酸化雰囲気（例えばＮ_２雰囲気や真空雰
囲気）下でホットプレス焼成することにより、該カーボ
ン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部
までの表層部がＳｉＣ化してなる治具をホットプレス用
成形型（焼成治具）６５，６５として得ることができ
る。もう一つは、同様に湾曲形状のキャビティが複数連
設した炭素（グラファイト）を主体とするカーボン治具
の表面（キャビティ内面含む）に、Ｓｉ化合物（窒化珪
素等）又はＳｉを主体とする組成物（ＳＣ）を、図８
（ｂ）又は図８（ｃ）に示した塗布用懸濁液ＳＬと同様
に塗布又はコーティングし、１５００℃以上の温度にて
非酸化雰囲気（例えばＮ_２雰囲気や真空雰囲気）下で加
熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面か
ら少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化し
てなる治具をホットプレス用成形型（焼成治具）６５，
６５として得ることも可能である。いずれの方法におい
ても、キャビティ６５ａの表面から０．５ｍｍまでの表
層部においてＳｉＣを含む層が表面に沿ってムラなく形
成され、これにより仮焼体３９’と焼成治具が反応する
等の不具合を防止ないし抑制することが可能となり得
る。

【００３２】なお、ホットプレス用成形型（焼成治具）
６５，６５について、その厚さ方向における断面により
切断して表面を研摩し、ＥＰＭＡにより各元素の分布状
態を調べ、観察された各元素の特性Ｘ線の強度マッピン
グを行い、線分析を利用して成分濃度の分布を調べるこ
とで、上記キャビティ６５ａの内面からの上記ＳｉＣを
含む層の存在及び領域範囲（厚さ）を特定することがで
きる。

【００３３】

【実験例】まず、発熱体用原料粉末は以下のように調整
した。すなわち、平均粒径１．０μｍの窒化珪素原料粉
末８５重量％と、焼結助剤粉末としてＹｂ_２Ｏ_３粉末を
１０重量％及びＳｉＯ_２粉末を５重量％とを配合して絶
縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４５重量％
と、ＷＣ粉末５５重量％とをボールミルにて２４時間湿
式混合したのち乾燥し、混合粉末を得た。その後、この
混合粉末に所定量のバインダを添加して混錬機に投入
し、４時間混錬した。次いで、得られた混錬物を裁断し
てペレット状とし、これを金型３１（図３参照）を備え
た射出成形機に投入してＷのリード線が両端に嵌合され
たＵ字状の導電体となる成形品（一体成形体）３５を得
た（図３参照）。

【００３４】一方、セラミック基体用原料粉末は以下の
ように調整した。すなわち、平均粒径０．６μｍの窒化
珪素原料粉末８３重量％と、焼結助剤としてのＹｂ_２Ｏ
_３粉末１０重量％及びＳｉＯ_２粉末５重量％と、ＭｏＳ
ｉ_２粉末２重量％とを配合し、バインダとともに２０時
間湿式混合したものをスプレードライにより造粒した
後、この造粒粉末を圧粉して図４に示す２個の分割予備
成形体３６，３７を用意した。その後、上記成形品３５
を２個の分割予備成形体３６，３７の間の所定位置にセ
ットし、一体プレス成形して図５（ａ）及び図６（ａ）
に示す複合成形体３９を得た。

【００３５】次いで、この複合成形体３９をＮ_２雰囲気
中６００℃で脱脂（仮焼）してバインダを除去し、脱脂
体（仮焼体）３９’を得た（図６参照）。次にこの仮焼
体３９’にＢＮ等の離型剤を塗布し、これを図５（ｂ）
に示したホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５
を用いて炉６４内にてホットプレス焼成した。焼成条件
は、窒素雰囲気下、１８００℃、２０ｋｇ／ｃｍ^２で６
０分間である。この焼成後、焼成品を研磨することによ
り図２に示すセラミッヒータ１を作成し、これを組付け
て図１に示すグロープラグ５０を作成した。

【００３６】得られたセラミックヒータ１に関してＪＩ
ＳＲ１６０１の抗折試験により抗折強度（３点曲げ強
さ）（ＭＰａ）を測定し、さらに該ヒータ１の表面に対
してＸ線回折を行うことによりメリライト結晶相の有無
を調べた。また、セラミックヒータ１を組み付けたグロ
ープラグに直流電源より１０００℃の温度に急速加熱を
１分間行った後、１分間通電を停止して空気を吹き付け
て強制冷却するのを１サイクルとする通電耐久試験を行
い、当該セラミックヒータにおける割れの有無観察を１
００００サイクルまで行った。

【００３７】一方、焼成時におけるホットプレス用成形
型（焼成治具）６５，６５の割れの発生率（割れ率）
を、（割れ枚数）／（（１ホットプレス焼成工程での投
入枚数）×（焼成回数））×１００（％）により算出し
た。なお、焼成回数は１００回とした。また、割れてい
ないホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の繰
り返し使用の限界焼成回数をカウントした。

【００３８】なお、上記ホットプレス焼成を行うための
ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５は、その
キャビティ６５ａ，６５ａの内面からの表層部を、表１
に示すような種々の方法にて種々の態様でＳｉＣ化した
ものを用いた。例えば実施例１及び２は、グラファイト
で構成されるカーボン治具を用いて窒化珪素組成物（Ｓ
ｉＣ化用組成物）を１４００，１６００℃でそれぞれ仮
ホットプレス焼成し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ
化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。
また、実施例３〜６は、グラファイトで構成されるカー
ボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末又
はＳｉ粉末の泥しょうを塗布した後、所定の温度に昇温
し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を
用いてセラミックヒータを作成した。実施例７，８は、
グラファイトで構成されるカーボン治具のキャビティが
形成された表面をＳｉ_３Ｎ_４粉末で覆い、所定の温度に
昇温し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治
具を用いてセラミックヒータを作成した。実施例９は、
ＳｉＣで構成されるＳｉＣ焼成治具を用いてセラミック
ヒータを作成した。

【００３９】一方、比較例１はグラファイトで構成され
るカーボン治具を用いて焼成治具を用いてセラミックヒ
ータを作成したもの、比較例２はカーボン治具を用いて
窒化珪素組成物（ＳｉＣ化用組成物）を１２００℃で仮
ホットプレス焼成した後の焼成治具を用いてセラミック
ヒータを作成したものである。また、比較例３は、カー
ボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末の
泥しょうを塗布した後、１４００℃に昇温する処理を施
した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したも
の、比較例４は、カーボン治具のキャビティが形成され
た表面をＳｉ_３Ｎ _４粉末で覆い、１４００℃に昇温する
処理を施した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成
したものである。なお、これらカーボン治具に対する各
処理を施した後の焼成治具について、形成されるＳｉＣ
／Ｃ複合層のキャビティ内面からの深さについて前述し
たＥＰＭＡ観察より求めた。以上の結果を表１に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】このように、実施例１〜８のような条件に
てカーボン治具をＳｉＣ化処理することで得られる焼成
治具は、表１に示すようにキャビティ内面から０．７〜
６．７ｍｍ程度の深さのＳｉＣ／Ｃ複合層が形成されて
おり、これら実施例１〜８と実施例９の焼成治具は、比
較例１〜４と比較してＳｉＣが表層部において多くＳｉ
Ｃ／Ｃ複合層が形成されていることが分かる（具体的に
は実施例の場合、複合層の深さが０．５ｍｍ以上）。実
施例１〜９のセラミックヒータについては、そのセラミ
ックヒータ性能として抗折強度、通電耐久性が比較例１
〜４と比較して優れた性能を具備していことが分かる。
また、セラミック基体の表面におけるメリライト結晶相
の存在も確認されなかった。さらに、焼成治具は、割れ
率が０．５〜２．０％と低く、治具の繰り返し使用限界
数も２５〜４２回であって、比較例１〜４と比較して高
い耐久性を具備していることが分かる。

【００４２】なお、本明細書において「主成分」あるい
は「主体となる成分」とは、特に断りがないかぎり、最
も重量含有率の高くなる成分を意味するものとして用い
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープ
ラグの一例を示す正面部分断面図。

【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。

【図３】セラミックヒータの製造工程説明図。

【図４】図３に続く工程説明図。

【図５】図４に続く工程説明図。

【図６】複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模
式図。

【図７】本発明のセラミックヒータの別実施例を示す断
面図。

【図８】本発明のセラミックヒータ製造方法の一実施例
における、その特徴部分を、変形例とともに示す工程説
明図。

【符号の説明】

１セラミックヒータ１０セラミック抵抗発熱体１３窒化珪素質セラミック基体６５ホットプレス用成形型（焼成治具）６５ａキャビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口猛愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 3K092 PP16 QA01 QB02 QB62 QB74 RA02 RB08 RB22 VV31 VV40 4G001 BA04 BA08 BA24 BA32 BA49 BA60 BB04 BB08 BB22 BB24 BB32 BB49 BB73 BC13 BC23 BC42 BC47 BC48 BC52 BC54 BD13 BD21 BE15 BE31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱
体を埋設した構造を有するセラミックヒータにおいて、前記窒化珪素質セラミック基体は、該窒化珪素質セラミ
ック基体の表面から１ｍｍ内部までの表層部における平
均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされてい
ることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱
体を埋設した構造を有するセラミックヒータの製造方法
において、前記窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体を、
焼成治具を用いてホットプレス焼成する工程を含み、前記焼成治具は、前記成形体又は仮焼体をセットするた
めの湾曲形状のキャビティが複数連設された態様をな
し、該焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５
ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを含有して構成されてい
ることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
【請求項３】前記キャビティが複数連設したＣを主体
とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又
はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々
セットし１３００℃以上の温度にてホットプレス焼成す
ることにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少
なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してな
る治具を前記焼成治具として用いる請求項２記載のセラ
ミックヒータの製造方法。
【請求項４】前記キャビティが複数連設したＣを主体
とするカーボン治具の少なくともキャビティ内面に、Ｓ
ｉ化合物又はＳｉを主体とする組成物を塗布又はコーテ
ィングし１５００℃以上の温度に加熱することにより、
該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５
ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を前記焼
成治具として用いる請求項２記載のセラミックヒータの
製造方法。