JP3886699B2

JP3886699B2 - Glow plug and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3886699B2
Application number: JP2000098795A
Authority: JP
Inventors: 雅人谷口; 雅弘小西
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001280640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グロープラグ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、セラミックヒータの強度を向上させると共に、セラミック発熱体の長さを短くして、過剰な電力消費を抑えることができるグロープラグ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン等の始動促進に使用されるグロープラグとしては、図１０に示すように、筒状主体金具２の先端にセラミックヒータ４の先端部を突出するように配設された金属外筒１を保持させたグロープラグＰ２が広く使用されている。グロープラグＰ２のセラミックヒータ４は、絶縁性の基体セラミック４１と、当該基体セラミック４１の内部に設けられたセラミック発熱体４２及びリード線４３とを備え、しかも、上記基体セラミック４１、セラミック発熱体４２及びリード線４３はいずれも異種材料で構成されているのが通常である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このうち、基体セラミック４１とセラミック発熱体４２は共にセラミックであることから、材質的には類似し、膨張係数が近似しているが、リード線４３は一般に金属材料を使用しているのでセラミックとの間に膨張係数の差がある。そして、１４００℃前後の高温で使用されるグロープラグにおいて、材料間の膨張係数の差が大きいと、この膨張差が起因となってセラミックヒータにクラックが生じる場合がある。また、燃焼室内では、エンジン燃焼に伴い大きな燃焼圧がセラミックヒータに付加される場合もあるので、セラミックヒータを構成するセラミック焼結体は特に強度的に優れていることを要するが、セラミック焼結体中に金属等の異種材料を埋設すると、焼結体の強度が低下する場合がある。かかるクラックを防止するため、膨張係数ができる限りセラミックに近いタングステン（Ｗ）等の金属材料をリード線に使用していたが、依然として十分とはいえない。
【０００４】
一方、上記膨張係数の差に起因するクラックを防止するため、セラミック発熱体４２を延長してセラミック発熱体４２とリード線４３の接続部分を、先端部よりも温度の低いシリンダヘッドとの接触部であるテーパー部２’よりも上方側にもっていく手段も講じられている。しかし、この場合はセラミック発熱体４２が必然的に長くなる結果、ヒータ表面温度を確保するために過剰な電力を消費することになるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、セラミックヒータの強度を向上させると共に、セラミック発熱体の長さを短くして、過剰な電力消費を抑えることができるグロープラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記実情に鑑みてグロープラグ及びその製造方法について検討した結果、上記セラミック発熱体の一端又は両端を上記基体セラミックの表面に露出させ、この露出部分を含む上記基体セラミックの表面に活性を持つ元素を含有する活性ロウ材を焼き付けることにより導電層を設けることによって、上記セラミック発熱体と電気接続させることにより、上記目的を達成できることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００７】
本第１発明のグロープラグは、絶縁性の基体セラミック及び該基体セラミックの内部に設けられたセラミック発熱体を有するセラミックヒータを備えるグロープラグにおいて、上記セラミック発熱体の一端又は両端が上記基体セラミックの表面に露出し、且つ、この露出部分を含む上記基体セラミック表面に設けられることによって上記セラミック発熱体と電気接続された導電層を備え、該導電層は活性を持つ元素を含有する活性ロウ材を焼き付けることにより設けられたことを特徴とする。
【０００８】
本第１発明のグロープラグについて、図１及び図２に基づいて説明する。
図２に示すように、セラミックヒータ４は、基体セラミック４１と、該基体セラミック内に埋設されている略Ｕ字状のセラミック発熱体４２と、その端部４２Ｂに接続されているリード線４３と、を備えている。そして、セラミック発熱体４２のうち、リード線４３と接続していない端部４２Ａは、セラミックヒータ４の側部表面に露出しており、導電層５及び金属外筒１を介して筒状主体金具２と電気接続されている。尚、リード線４３の端部４３Ｂは図２に示すように、セラミックヒータ４の後部で表面に露出し、バネ状の外部接続線７を介して端子電極３に電気接続されている。
【０００９】
本第１発明における上記「セラミック発熱体」４２の大きさ、形状については限定はなく、必要に応じて種々の大きさ、形状とすることができる。例えば、セラミック発熱体４２の縦半断面における幅は、通常０．５〜３ｍｍ、好ましくは１〜２．５ｍｍ、更に好ましくは１．５〜２ｍｍである。この幅が０．５ｍｍ未満では製造時の強度上の問題があり、断線の原因となるため好ましくない。一方、セラミックヒータ４の外径寸法は限られているため、セラミック発熱体４２の縦断面幅が３ｍｍを超えると略Ｕ字状に形成されたセラミック発熱体４２の間に挟まれた基体セラミック４１の幅を狭くせざるを得ない。このため、耐電圧が低下し、ショート若しくはマイグレーションを生じる可能性があるので好ましくない。また、この縦半断面における幅は図２に示すように、通常、セラミック発熱体４２全体で同じであるが、図７に示すように、セラミック発熱体４２のうちの一部が広くなっていてもよい。更に、上記「セラミック発熱体」４２の材質については、導電性のセラミック材料である限り、その種類には特に限定はなく、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄とＷＣ又はＭｏＳｉ₂との混合焼結体やＳｉＣ等を用いることができる。
【００１０】
図１に示すグロープラグでは、上記「セラミック発熱体」４２の端部４２Ａが上記基体セラミック４１の表面に露出し、セラミック発熱体露出部分を形成している。これにより、基体セラミック４１中に埋設されるリード線を１本だけにすることができ、その結果、異種材料であるリード線を埋設することによるセラミックヒータの強度低下を防止することができる。本第１発明のグロープラグにおいて、基体セラミック４１の表面に露出させるのは、図２に示すように一方の端部４２Ａのみでもいいが、図８に示すように、端部４２Ａ、４２Ｂの両方を露出させると、異種材料であるリード線を埋設しない分、焼結体の強度がさらに向上し、端部４２Ａ、４２Ｂとリード線４３との接続部分の断線がないのでより好ましい。また、上記セラミック発熱体露出部分を設ける箇所については限定はなく、図７の端部４２Ｂに示すように、基体セラミックの上部表面にまでセラミック発熱体４２を延長して設けることもできるが、図２に示すように基体セラミックの側部表面に設けると、セラミック発熱体の長さを短くでき、過剰な電力消費を抑えることができるので好ましい。
【００１１】
本第１発明のグロープラグにおける上記「導電層」５は、上記セラミック発熱体が露出している部分を覆うように上記基体セラミック表面に設けられている。そして、従来のリード線による接続に変わり、この導電層５により、上記セラミック発熱体４２は電気的に筒状主体金具２と接続されている。かかる構造を有することにより、セラミックと膨張係数の差がある異種材料で構成されるリード線を基体セラミック中に埋設することをせずにすむので、膨張係数の差に起因するクラックを防止することができる。
【００１２】
上記「導電層」５は、セラミック発熱体４２の端部４２Ａ及び／又は４２Ｂと直接接合できる材質であり、例えば、活性を持つ元素であるＴｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒを含有し、若しくはＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕに活性を持つ元素であるＴｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒを添加してなる。また、これらのうちの２種以上を複合させて用いることもできる。また、上記「導電層」５の厚みについては特に限定はないが、本第５発明に示すように、通常は１〜３００μｍ、好ましくは５０〜２００μｍ、更に好ましくは１００〜１５０μｍである。この導電層の厚みが１μｍ未満では導電層５の材質によっては抵抗値が増大することがあるので好ましくなく、一方、３００μｍを超えると導電層５の剥離が生じるおそれがあるので好ましくない。
【００１３】
本第１発明の上記「基体セラミック」４１の材質についても、絶縁性であれば特に限定はなく、Ａｌ_２Ｏ_３等を用いてもよいが、Ｓｉ_３Ｎ_４等を主成分としたセラミック粉末焼結体が耐熱衝撃性、強度、靭性等のバランスの点から好ましい。また、上記「基体セラミック」４１の形状は、通常、図１に示すように先端が丸面の円柱形状であるが、特に限定はなく、製造するグロープラグに応じて種々の形状とすることができる。また、本第６発明に示すように、上記露出部分が基体セラミック４１の側面にある場合、上記「基体セラミック」４１の上記導電層５を配設する部分は、平面となるよう面取りをすることができる（図７（ｂ）参照）。このような構成を有することにより、導電層５の形成手法の選択幅が広がるので好ましい。
【００１４】
また、セラミックヒータ４は、第４発明に示すように、保持層１０を介して金属外筒１に固定されている構成とすることができる。この保持層１０としては、ガラス等の絶縁材料を用いても良いが、セラミック発熱体４２の少なくとも一方が金属外筒１内で基体セラミック４１の表面に露出している場合には、導電層５と金属外筒１との電気接続手段を別途設ける必要がある。例えば、図８に示すように導電層５を筒状主体金具２の内部方向である金属外筒１の上部にまで延設し、延設された上部のみ導電層５を厚くして、導電層５と金属外筒１とを直接電気接続する方法が考えられる。その他、図９に示すように導電層５を更に上部にまで延設してセラミック発熱体４２を主体金具２から絶縁状態にして、外部の端子と接続する方法もある。導電層５と金属外筒１との電気接続を兼ねるためには、電気伝導性を持つロウ材を用いることが望ましい。この場合、ロウ材の材質としてＴｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ等の活性を持つ元素を含まないロウ材を使用することが望ましい。活性を持つ元素を含むと、セラミックヒータ４と金属外筒１とが直接接合されることになるが、セラミックヒータ４と金属外筒１との熱膨張係数の差が大きいため、エンジンの運転中に受ける冷熱の繰り返しにより保持層１０やセラミックヒータ４にクラックが生じる可能性がある。
【００１５】
本第７発明に示すように、上記基体セラミックの上記導電層５を配設する部分を覆うように、上記セラミックヒータ４と金属外筒１との間隙に絶縁層６を設けることができる。これにより、図８及び図９に示すようにセラミック発熱体の端部４２Ａ、４２Ｂの両方を金属外筒１内で基体セラミック４１の表面に露出させている場合、両端子が金属外筒１を通じて短絡することを防止することができるので好ましい。
【００１６】
上記「絶縁層」６を構成する材料についても、絶縁性である限り特に限定はなく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミック材料やガラス等を用いることができる。この中で、本第８発明に示すようにガラスを用いると、金属外筒１等に直接接合できることから生産性の面において好ましく、特にＳｉＯ_２純度が９０％以上の高融点ガラスを用いると、後の金属外筒１とセラミックヒータ４をロウ材によって接合する場合においてロウ付けする温度で溶出しないことから好ましい。この場合、上記導電層５は、絶縁層６の形成条件において、軟化溶融しない材質を用いることが望ましい。また、ロウ材によって金属外筒１とセラミックヒータ４とを接合する場合には、ロウ付けを行う条件において導電層５及び絶縁層６が軟化溶融しない材質を用いることが望ましい。尚、上記「絶縁層」６の厚みについては特に限定はないが、通常は１０〜２００μｍ、好ましくは２０〜１００μｍ、更に好ましくは３０〜６０μｍである。この絶縁層の厚みが１０μｍ未満では絶縁破壊を生じるおそれがあるので好ましくなく、一方、２００μｍを超えると構造体としての強度が低下するおそれがあるので好ましくない。
【００１７】
エンジンの燃焼状態を検出するため、本第９発明に示すように、イオン電流を検出するためのイオン検出電極９を上記セラミックヒータ４内に設けることができる。このイオン検出電極９の大きさ、形状、設ける箇所については特に限定はなく、セラミック発熱体４２とは別に設けることもできるが、できる限りセラミックヒータ４内へ異物を埋設することを避けるために、図９に示すように、セラミック発熱体４２の一部を基体セラミック４１の側部表面に露出させるように設けることもできる。
【００１８】
本第１０発明のグロープラグの製造方法は、セラミック発熱体の一端又は両端を基体セラミックの表面に露出させ、その後、この露出部分を含む上記基体セラミック表面に活性を持つ元素を含有する活性ロウ材を焼き付けることにより導電層を設けることを特徴とする。上記「導電層」は、例えば、材料をバット印刷、スクリーン印刷により焼付けを行うことにより設けることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実験例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
（１）実験例のグロープラグの構成
以下の試験に用いる実験例のグロープラグの構成を、以下の図１、図７、図８及び図９に示す。図１に示すように、実験例のグロープラグＰ１は、金属外筒１と、該金属外筒１を保持する筒状主体金具２と、該筒状主体金具２に絶縁して挿着される端子電極３と、上記金属外筒１内に嵌挿され、内部にＵ字状のセラミック発熱体４２が配設されたセラミックヒータ４と、該セラミックヒータ４と上記金属外筒１との間に設けられる保持層１０となるロウ材と、を備える。また、金属外筒１内において、基体セラミック４１の側部表面に露出された上記セラミック発熱体４２の一端４２Ａの表面を覆うように、φ３ｍｍ、厚み１０μｍのＡｕ−Ｎｉ−Ｔｉ系ロウ材によって導電層５が形成されている。更に、図７（ａ）のグロープラグのａ−ａ’断面図である図７（ｂ）に示すように、実験例のグロープラグＰ１において、上記基体セラミック４１の上記導電層５を配設する部分は、平面となるように長さ１．５ｍｍ、最大深さ約０．２ｍｍの面取りがされている。
【００２０】
図７（ａ）のグロープラグは、Ｕ字状のセラミック発熱体４２の一端４２Ａを基体セラミック４１の側部表面に露出させて導電層５及び保持層１０となるロウ材を介して金属外筒１に電気接続されている。また、他端４２Ｂを基体セラミック４１の上部表面に露出させて導電層５を介して外部接続線７と電気接続されている。そして、セラミック発熱体４２の４２Ａ側での幅は１ｍｍであり、４２Ｂ側での幅は２ｍｍである。導電層５は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系の活性ロウ材であり、厚みは５０μｍに形成されている。
【００２１】
図８のグロープラグは、Ｕ字状のセラミック発熱体４２の両端を基体セラミック４１の側面に露出させている。また、導電層５はＴｉ、Ｍｏ、Ｃｕの三層で構成され、厚みは１０μｍ、幅１ｍｍで軸に平行に配設されている。セラミック発熱体４２の端部４２Ａに接続するように設けられた導電層５は、主体金具２の内部方向に金属外筒１の上部にまで延設されており、この導電層５の上から金属外筒１の上部近辺まで絶縁層６を配設して被覆する。また、金属外筒１の上部で導電層５の厚みを増大させてあり、金属外筒１と直接接合させることによって電気的に接続する構造としている。また、セラミック発熱体４２の端部４２Ｂに接続するように設けられた導電層５は、セラミックヒータ４の上部まで延設されている。尚、上記絶縁層６は、金属外筒１とセラミックヒータ４とを直接保持する保持層１０となっており、ガラス製で、厚さは２０μｍである。
【００２２】
図９のグロープラグは、Ｕ字状のセラミック発熱体４２の途中にイオン電流検出電極９を設け、金属外筒１よりも先端側の基体セラミック４１の側面に露出させている。また、導電層５はＮｉ−Ｔｉ−Ｐｄ系の活性ロウ材であり、厚みは８０μｍに形成されている。イオン電流検出を行うため、セラミック発熱体４２は主体金具２から絶縁されている。このため、セラミック発熱体４２の端部４２Ａに接続するように設けられた導電層５は、主体金具２の内部にまで延設されている。この導電層５はコイル状の外部接続線７及びリード線８を介して図示しない端子に接続されている。また、セラミック発熱体４の端部４２Ｂに接続するように設けられた導電層５は、セラミックヒータ４の上端部にまで延設されている。一方、絶縁層６が基体セラミック４１の表面に形成された導電層５を覆うように形成され、更に、金属外筒１との間に保持層１０となるロウ材が充填されている。尚、端部４２Ｂに接続するように設けられた導電層５と端部４２Ａに接続するように設けられた導電層５との導通を取っているコイル状の外部接続線７とが絶縁されるように絶縁層６が金属外筒１より上面の方まで設けられている。更に、基体セラミック４１の表面に露出しているイオン電流検出電極９を覆うように上記絶縁層６が設けられている。尚、上記絶縁層６はガラス製で、厚さは３０μｍである。
【００２３】
尚、図８及び図９のグロープラグは、基体セラミック４１の表面をセラミック発熱体４２の端部４２Ａ及び４２Ｂが露出している部分から上面の方まで２面巾が３ｍｍとなるように面取りされている。
【００２４】
（２）実験例のグロープラグの調製
セラミック発熱体の原料として、ＷＣ６０質量％と、絶縁性セラミック（Ｓｉ_３Ｎ_４：８５質量部、希土類酸化物：１０質量部、ＳｉＯ_２：５質量部）４０質量％を用いる。これに分散剤と溶剤を添加して、粉砕・乾燥した後、有機バインダーを加えて造粒物を製造する。そして、図３に示すように、Ｗ線を所定長に切断して所定形状に成形し、銀を３μｍの厚さに電気メッキして被覆したリード線４３の一端と連結するように上記造粒物を射出成型し、図４に示す略Ｕ字形状の未焼結セラミック発熱体４２’とリード線４３との一体物を成形する。
【００２５】
次に、基体セラミック４１を構成するセラミック粉末を調整する。当該セラミック粉末の原料は、Ｓｉ₃Ｎ₄８５質量％と、希土類酸化物１０質量％と、ＳｉＯ₂５質量％とからなる。これら原料に有機バインダーを加えて造粒物を製造する。当該造粒物を用いて、図５（ａ）に示すように１対の半割プレス体４１Ａ、４１Ｂを作り、そして、図５（ｂ）に示すように、この半割プレス体４１Ａに、図４に示す上記一体物を載置し、その上に半割プレス体４１Ｂをさらに載置してプレスすることによりプレス成形体を成形する。そして、このプレス成形体を窒素ガス雰囲気中、１７５０℃で、圧力２０ＭＰａを加えながらホットプレスし、半球先端部を有する略丸棒状のセラミック焼結体を成形する。次いで、このセラミック焼結体の外表面を研摩して円柱状の所定寸法に仕上げると共に、リード線の端部４３Ｂとセラミック発熱体の端部４２Ａを基体セラミック４１の表面に露出させることによりセラミックヒータ４が完成する。
【００２６】
そして、このセラミックヒータ４のセラミック発熱体露出部分に導電層を設ける。図１、図７及び図９に示すグロープラグでは、上記各材質で構成されるペーストを真空中で１０５０℃で焼き付けることにより、導電層を設けている。また、図８のグロープラグでは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕをそれぞれ順に２μｍ、３μｍ、５μｍスパッタリングすることにより設けられている。更に、この後、ガラス製の絶縁層をセラミックヒータの外周を被覆するように設けている。なお、図８に示すグロープラグでは、絶縁層６をパターン化して端部４２Ｂ側の導電層５を覆うように絶縁層６が金属外筒１より上面の方まで設けられる。
【００２７】
絶縁層６を配設した後、図１，図７及び図９のグロープラグでは、セラミックヒータ４と金属外筒１との間に形成された間隙にロウ材を流し込むことによって、セラミックヒータ４が金属外筒１に保持される。そして、セラミックヒータ４と外部接続線７とがロウ付けにより電気的に接続される。図８のグロープラグでは基体セラミック４１の表面に設けられた絶縁層６となるガラスによって直接金属外筒１に接合される。そして、このセラミックヒータ４を筒状主体金具２内に挿入し、金属外筒１の後部が筒状主体金具２の保持部の内壁にロウ付けされ、更に、端子電極３が筒状主体金具２に固定されることにより、グロープラグが完成する。
【００２８】
上述した導電層５の材質、絶縁層６の材質及び保持層１０となるロウ材以外に、適用可能な材質及び形成条件の例を下記の表１に示す。この表１に示す実験例はいずれも図１のグロープラグに適用したものである。これらの実験例のいずれにおいても、導電層５は、絶縁層６の形成条件において、軟化溶融しない材質を用いてある。また、金属外筒１にセラミックヒータ４を保持させるロウ付けを行う条件において導電層５が軟化溶融しない材質を用いている。尚、絶縁層６も、ロウ付けを行う条件において軟化溶融しない材質であることが望ましい。しかし、絶縁層６の材質としてガラスを使用する場合には、軟化したとしても粘度が高いために、短時間であれば特に問題となることはない。また、これらの実験例では、上述のように窒化珪素を主体とする材質により基体セラミック４１が形成されている。この基体セラミック４１の耐熱性を考慮して、導電層５を形成する条件は、１３００℃以下としている。また、エンジンに装着された際に燃焼室内に突出される金属外筒１は、燃焼火炎にさらされることになるため、金属外筒１にセラミックヒータ４を保持させる保持層１０となるロウ材の材質は融点（液相点）の高いものであることが望ましい。この様な条件を考慮すると、例えば、導電層５の融点（液相点）は９００℃〜１３００℃であることが望ましく、絶縁層６の融点（軟化点）は７００℃〜１２００℃であることが望ましく、保持層１０となるロウ材の融点（液相点）は７５０℃〜１１００℃であることが望ましい。また、これらの実験例は、いずれも後述する通電耐久試験を３００００回行っても異常が生じていないことが確認されている。
【００２９】
【表１】

【００３０】
（２）グロープラグの性能評価
▲１▼通電耐久試験
上記方法により製造され、図１、図７及び図８に示す構成であるグロープラグと、比較例として図１０に示す従来型のグロープラグを用いて通電耐久性を評価した。この試験方法は、セラミックヒータの先端部温度が１４５０℃となるように電圧をかけて、通電１分−通電停止１分（常温まで冷却）の通電耐久試験を３００００回行った。その結果を以下の表２に示す。尚、表２の「発熱体長さ」の項で「ａ／ｂｍｍ」と記載されているのは、セラミックヒータの先端部から端部４２Ａまでの距離がａｍｍであり、セラミックヒータの先端部から端部４２Ｂまでの距離がｂｍｍであるという意味である。また、表２の消費電力は、セラミックヒータの先端部温度が１４５０℃での消費電力である。
【００３１】
【表２】

【００３２】
▲２▼セラミックヒータの抗折強度
全長４０ｍｍ、直径３．５ｍｍの外形寸法を持つ、図１、図７及び図８に示す構造を有する各セラミックヒータと、図１０に示すセラミックヒータを各１０本づつ用意した。そして、図６に示すように、ＪＩＳ３点曲げ強度試験を行うことにより、セラミックヒータの抗折強度を測定した。この結果を以下の表３に示す。尚、図６において、セラミックヒータの下の支点間の距離（Ｌ）は３０ｍｍであり、各セラミックヒータの最も強度の弱い位置及び方向で測定した。例えば、図１に示すセラミックヒータの場合には、リード線とセラミック発熱体との接続部分に該当する位置から外力（Ｆ）を加えている。
【００３３】
【表３】

【００３４】
（３）実施例の効果
表２より、図１０に示す従来型のグロープラグを用いた比較例１〜５の各グロープラグでは、セラミック発熱体の長さが長いことから、１４５０℃における消費電力が８０Ｗと、高い消費電力であることを示している。また、最も破損し易いリード線とセラミック発熱体との接続部が２ヵ所あることから、通電耐久試験の結果も、４２００〜６０００回で、上記接続部において断線を引き起こしている。
【００３５】
これに対し、図１に示すグロープラグを用いた実験例７及び８では、最も破損し易い発熱体接続部が比較例より１ヵ所少ないことから、通電耐久性試験では６０００〜６５００回で断線と、若干比較例より耐久性が向上しており、また、発熱体長さを比較例より短くすることができるため、消費電力は６０Ｗと、比較例よりも更に低くすることができる。また、実験例９及び１０では、発熱体長さが実験例１及び２より長いので、消費電力は８０Ｗと、比較例１〜５と同程度であるが、通電耐久性試験では３００００回行って異常なしであり、高耐久性を示していることが分かる。
【００３６】
また、図７に示すグロープラグを用いた実験例１１〜１３では、発熱体長さは長いため、消費電力は８０Ｗと比較例１〜５と同程度であるが、最も破損し易い発熱体接続部がないことから、通電耐久試験において３００００回行っても異常が認められず、高耐久性であることが分かる。更に、図８に示すグロープラグを用いた実験例１４〜１６では、発熱体長さを短くすることができるので、消費電力も４０Ｗと低い値とすることができ、しかも、最も破損し易い発熱体接続部がないことから、通電耐久試験を３００００回行っても異常が認められず、高耐久性であることが分かる。
【００３７】
表３より、実験例１７〜１９の各セラミックヒータと比較例６のセラミックヒータについて、セラミックヒータの抗折強度を測定した結果、比較例６のセラミックヒータは、セラミック基体と材質が異なるリード線がセラミック基体に２本埋設されていることから、抗折強度が７２０ＭＰａと低い値を示している。これに対し、リード線がセラミック基体に１本埋設されている実験例１７のセラミックヒータ（図１）では、異物であるリード線が１本少ないので、抗折強度が８８０ＭＰａと改善されていることが分かる。また、異物であるリード線を有しない実験例１８（図７）及び１９（図８）の各セラミックヒータでは、抗折強度がそれぞれ１１６０ＭＰａ、１３６０ＭＰａと、かなり高い値を示していることから、強度的に優れたセラミックヒータであることが分かる。
【００３８】
尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本第１発明〜第９発明のグロープラグによれば、セラミック発熱体の一端又は両端を上記基体セラミックの表面に露出させ、この露出部分を覆うように上記基体セラミック表面に導電層を設け、上記セラミック発熱体と電気接続させている。これにより、セラミックヒータ中に金属製のリード線のような異種材料を埋設する必要がないので、異種材料を埋設することによるセラミックヒータの強度低下を防止すると共に、セラミック発熱体の長さを短くして、過剰な電力消費を抑えることができる。また、本第１０〜第１２発明のグロープラグの製造方法によれば、上記利点を有するグロープラグを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例のグロープラグの縦断面図である。
【図２】図１に示すグロープラグの要部拡大縦断面図である。
【図３】セラミック発熱体とリード線の一体物を射出成形により製造するところを示す説明図である。
【図４】セラミック発熱体とリード線の一体物の説明図である。
【図５】プレス成形体を成形するところを示す説明図である。
【図６】ヒータ抗折強度試験の説明図である。
【図７】実験例の他のグロープラグの要部拡大縦断面図（ａ）と、ａ−ａ’間の横断面図（ｂ）である。
【図８】実験例の他のグロープラグの要部拡大縦断面図である。
【図９】実験例の他のグロープラグの要部拡大縦断面図である。
【図１０】従来のグロープラグの要部拡大縦断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow plug and a manufacturing method thereof, and more specifically, a glow plug capable of improving the strength of a ceramic heater and shortening the length of a ceramic heating element to suppress excessive power consumption and the manufacturing thereof. Regarding the method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a glow plug used for promoting start-up of a diesel engine or the like, as shown in FIG. 10, a metal outer cylinder disposed so as to project the tip of the ceramic heater 4 at the tip of the cylindrical metal shell 2. A glow plug P2 holding 1 is widely used. The ceramic heater 4 of the glow plug P2 includes an insulating base ceramic 41, a ceramic heating element 42 and a lead wire 43 provided inside the base ceramic 41, and the base ceramic 41 and the ceramic heating element 42. The lead wire 43 and the lead wire 43 are usually made of different materials.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Among these, since the base ceramic 41 and the ceramic heating element 42 are both ceramics, they are similar in material and have similar expansion coefficients. However, since the lead wire 43 generally uses a metal material, There is a difference in expansion coefficient. In a glow plug used at a high temperature of around 1400 ° C., if the difference in expansion coefficient between materials is large, cracks may occur in the ceramic heater due to this difference in expansion. Also, in the combustion chamber, a large combustion pressure may be applied to the ceramic heater as the engine burns, so the ceramic sintered body constituting the ceramic heater needs to be particularly excellent in strength. When dissimilar materials such as metals are embedded in the body, the strength of the sintered body may decrease. In order to prevent such cracks, a metal material such as tungsten (W), which has an expansion coefficient as close as possible to that of ceramic, has been used for the lead wire, but it is still not sufficient.
[0004]
On the other hand, in order to prevent cracks due to the difference in expansion coefficient, the ceramic heating element 42 is extended so that the connecting portion between the ceramic heating element 42 and the lead wire 43 is in contact with the cylinder head whose temperature is lower than the tip. Means for taking the taper part 2 'to the upper side is also taken. However, in this case, there is a problem that excessive power is consumed to ensure the heater surface temperature as a result of the ceramic heating element 42 being necessarily long.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a glow plug capable of improving the strength of a ceramic heater and shortening the length of a ceramic heating element to suppress excessive power consumption and a method of manufacturing the same The purpose is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of examining the glow plug and the manufacturing method thereof in view of the above circumstances, the present inventors have exposed one or both ends of the ceramic heating element on the surface of the base ceramic, and on the surface of the base ceramic including the exposed portion. Contains active elements By baking active brazing material It has been found that the object can be achieved by providing a conductive layer and electrically connecting to the ceramic heating element, thereby completing the present invention.
[0007]
The glow plug according to the first aspect of the present invention is a glow plug comprising an insulating base ceramic and a ceramic heater having a ceramic heating element provided inside the base ceramic, wherein one end or both ends of the ceramic heating element are made of the base ceramic. A conductive layer exposed on the surface and electrically connected to the ceramic heating element by being provided on the surface of the base ceramic including the exposed portion, the conductive layer containing an active element Provided by baking active brazing material It is characterized by that.
[0008]
The glow plug of the first invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, the ceramic heater 4 includes a base ceramic 41, a substantially U-shaped ceramic heating element 42 embedded in the base ceramic, and a lead wire 43 connected to the end 42B. It is equipped with. Of the ceramic heating element 42, the end 42 A that is not connected to the lead wire 43 is exposed on the side surface of the ceramic heater 4, and the cylindrical metallic shell is interposed via the conductive layer 5 and the metal outer cylinder 1. 2 is electrically connected. As shown in FIG. 2, the end portion 43 B of the lead wire 43 is exposed to the surface at the rear portion of the ceramic heater 4 and is electrically connected to the terminal electrode 3 through a spring-like external connection line 7.
[0009]
The size and shape of the “ceramic heating element” 42 in the first invention are not limited, and can be various sizes and shapes as required. For example, the width in the longitudinal half section of the ceramic heating element 42 is usually 0.5 to 3 mm, preferably 1 to 2.5 mm, and more preferably 1.5 to 2 mm. If the width is less than 0.5 mm, there is a problem in strength at the time of manufacture, which causes disconnection, which is not preferable. On the other hand, since the outer diameter of the ceramic heater 4 is limited, if the longitudinal cross-sectional width of the ceramic heating element 42 exceeds 3 mm, the base ceramic 41 sandwiched between the ceramic heating elements 42 formed in a substantially U shape. The width of must be narrowed. For this reason, since a withstand voltage falls and a short circuit or a migration may arise, it is unpreferable. Further, as shown in FIG. 2, the width in the longitudinal half section is usually the same for the entire ceramic heating element 42, but a part of the ceramic heating element 42 is widened as shown in FIG. Also good. Further, the material of the “ceramic heating element” 42 is not particularly limited as long as it is a conductive ceramic material. _Three N _Four And WC or MoSi ₂ And a mixed sintered body or SiC can be used.
[0010]
In the glow plug shown in FIG. 1, the end portion 42A of the “ceramic heating element” 42 is exposed on the surface of the base ceramic 41 to form an exposed portion of the ceramic heating element. As a result, only one lead wire can be embedded in the base ceramic 41, and as a result, the strength of the ceramic heater can be prevented from being lowered by embedding the lead wire of a different material. In the glow plug according to the first aspect of the present invention, only one end 42A may be exposed on the surface of the base ceramic 41 as shown in FIG. 2, but both

ends

42A and 42B are exposed as shown in FIG. Is more preferable because the strength of the sintered body is further improved and the connection portion between the

end portions

42A and 42B and the lead wire 43 is not broken. Moreover, there is no limitation on the location where the exposed portion of the ceramic heating element is provided, and the ceramic heating element 42 can be extended to the upper surface of the base ceramic as shown by an end 42B in FIG. As shown in FIG. 2, it is preferable to provide it on the side surface of the base ceramic because the length of the ceramic heating element can be shortened and excessive power consumption can be suppressed.
[0011]
The “conductive layer” 5 in the glow plug of the first invention is provided on the surface of the base ceramic so as to cover a portion where the ceramic heating element is exposed. The ceramic heating element 42 is electrically connected to the cylindrical metal shell 2 by the conductive layer 5 instead of the conventional lead wire connection. By having such a structure, it is not necessary to embed a lead wire made of a different material having a difference in expansion coefficient from that of the ceramic in the base ceramic, thereby preventing cracks due to the difference in expansion coefficient. Can do.
[0012]
The “conductive layer” 5 is a material that can be directly bonded to the end portions 42A and / or 42B of the ceramic heating element 42. The For example, Is an active element Ti, V, Hf, Zr Containing Or Au, Ni, Pt, Ag, Pd, Cu Is an active element Add Ti, V, Hf, Zr Become . Also, of these of Two or more kinds can be used in combination. The thickness of the “conductive layer” 5 is not particularly limited. 5 As shown in the invention, it is usually 1 to 300 μm, preferably 50 to 200 μm, more preferably 100 to 150 μm. If the thickness of the conductive layer is less than 1 μm, the resistance value may increase depending on the material of the conductive layer 5. On the other hand, if the thickness exceeds 300 μm, the conductive layer 5 may be peeled off.
[0013]
The material of the “base ceramic” 41 of the first invention is not particularly limited as long as it is insulating. ₂ O ₃ Etc. may be used, but Si ₃ N ₄ From the viewpoint of the balance of thermal shock resistance, strength, toughness and the like, a ceramic powder sintered body containing as a main component is preferable. Further, the shape of the “base ceramic” 41 is usually a cylindrical shape with a rounded tip as shown in FIG. 1, but there is no particular limitation, and various shapes may be used depending on the glow plug to be manufactured. it can. In addition, this book 6 As shown in the invention, when the exposed portion is on the side surface of the base ceramic 41, the portion of the “base ceramic” 41 where the conductive layer 5 is disposed can be chamfered so as to be flat (FIG. 7). (See (b)). Having such a configuration is preferable because the selection range of the formation method of the conductive layer 5 is widened.
[0014]
The ceramic heater 4 is 4 As shown in the invention, the metal outer cylinder 1 may be fixed via the holding layer 10. As the holding layer 10, an insulating material such as glass may be used. However, when at least one of the ceramic heating elements 42 is exposed on the surface of the base ceramic 41 in the metal outer cylinder 1, the conductive layer 5 is used. It is necessary to separately provide electrical connection means between the metal outer cylinder 1 and the metal outer cylinder 1. For example, as shown in FIG. 8, the conductive layer 5 is extended to the upper part of the metal outer cylinder 1 which is the internal direction of the cylindrical metal shell 2, and the conductive layer 5 is thickened only at the extended upper part. A method of directly electrically connecting 5 and the metal outer cylinder 1 is conceivable. In addition, as shown in FIG. 9, there is also a method in which the conductive layer 5 is further extended to the upper part so that the ceramic heating element 42 is insulated from the metal shell 2 and connected to an external terminal. In order to serve as an electrical connection between the conductive layer 5 and the metal outer cylinder 1, it is desirable to use a brazing material having electrical conductivity. In this case, it is desirable to use a brazing material that does not contain an active element such as Ti, V, Hf, or Zr as the brazing material. When an element having activity is included, the ceramic heater 4 and the metal outer cylinder 1 are directly joined. However, since the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic heater 4 and the metal outer cylinder 1 is large, the engine is in operation. There is a possibility that cracks may occur in the holding layer 10 and the ceramic heater 4 due to the repetition of the cold heat applied to the substrate.
[0015]

Book number

7 As shown in the invention, an insulating layer 6 can be provided in the gap between the ceramic heater 4 and the metal outer cylinder 1 so as to cover a portion of the base ceramic where the conductive layer 5 is disposed. As a result, as shown in FIGS. 8 and 9, when both ends 42 A and 42 B of the ceramic heating element are exposed on the surface of the base ceramic 41 in the metal outer cylinder 1, both terminals pass through the metal outer cylinder 1. A short circuit can be prevented, which is preferable.
[0016]
The material constituting the “insulating layer” 6 is not particularly limited as long as it is insulative. For example, Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ Such ceramic materials and glass can be used. In this, this book 8 When glass is used as shown in the invention, it is preferable in terms of productivity because it can be directly bonded to the metal outer cylinder 1 or the like, and particularly SiO. ₂ Use of a high melting point glass having a purity of 90% or more is preferable because it does not elute at a brazing temperature when the metal outer cylinder 1 and the ceramic heater 4 are joined by a brazing material. In this case, the conductive layer 5 is preferably made of a material that does not soften and melt under the formation conditions of the insulating layer 6. Moreover, when joining the metal outer cylinder 1 and the ceramic heater 4 with a brazing material, it is desirable to use a material that does not soften and melt the conductive layer 5 and the insulating layer 6 under the brazing conditions. The thickness of the “insulating layer” 6 is not particularly limited, but is usually 10 to 200 μm, preferably 20 to 100 μm, and more preferably 30 to 60 μm. If the thickness of this insulating layer is less than 10 μm, dielectric breakdown may occur, which is not preferable. On the other hand, if the thickness exceeds 200 μm, the strength of the structure may decrease, which is not preferable.
[0017]
In order to detect the combustion state of the engine, 9 As shown in the invention, an ion detection electrode 9 for detecting an ionic current can be provided in the ceramic heater 4. The size, shape, and location of the ion detection electrode 9 are not particularly limited, and can be provided separately from the ceramic heating element 42. In order to avoid burying foreign matter in the ceramic heater 4 as much as possible, As shown in FIG. 9, a part of the ceramic heating element 42 may be provided so as to be exposed on the side surface of the base ceramic 41.
[0018]
In the glow plug manufacturing method according to the tenth aspect of the present invention, one or both ends of the ceramic heating element are exposed on the surface of the base ceramic, and then the active element is contained on the surface of the base ceramic including the exposed portion. By baking active brazing material A conductive layer is provided. Above `` conductive layer '' Is For example , Material is baked by butt printing and screen printing That Can be provided.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, regarding the present invention, Experimental example And it demonstrates concretely, giving a comparative example.
(1) Experimental example Glow plug configuration
Used for the following tests Experimental example The structure of the glow plug is shown in FIGS. 1, 7, 8 and 9 below. As shown in FIG. Experimental example The glow plug P1 includes a metal outer cylinder 1, a cylindrical metal shell 2 that holds the metal outer cylinder 1, a terminal electrode 3 that is insulated and attached to the cylindrical metal shell 2, and the metal outer cylinder. 1, a ceramic heater 4 in which a U-shaped ceramic heating element 42 is disposed, and a brazing material that serves as a holding layer 10 provided between the ceramic heater 4 and the metal outer cylinder 1. And comprising. Further, in the metal outer cylinder 1, a conductive material is conductive by an Au—Ni—Ti brazing material having a diameter of 3 mm and a thickness of 10 μm so as to cover the surface of one end 42 A of the ceramic heating element 42 exposed on the side surface of the base ceramic 41. Layer 5 is formed. Furthermore, as shown in FIG. 7B, which is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of the glow plug of FIG. Experimental example In the glow plug P1, the portion of the base ceramic 41 on which the conductive layer 5 is disposed is chamfered to have a length of 1.5 mm and a maximum depth of about 0.2 mm.
[0020]
The glow plug shown in FIG. 7A has a metal outer cylinder through a brazing material that exposes one end 42A of a U-shaped ceramic heating element 42 on the side surface of the base ceramic 41 to form the conductive layer 5 and the holding layer 10. 1 is electrically connected. The other end 42 B is exposed on the upper surface of the base ceramic 41 and is electrically connected to the external connection line 7 through the conductive layer 5. The width of the ceramic heating element 42 on the 42A side is 1 mm, and the width on the 42B side is 2 mm. The conductive layer 5 is a Cu—Sn—Ti-based active brazing material and has a thickness of 50 μm.
[0021]
In the glow plug of FIG. 8, both ends of a U-shaped ceramic heating element 42 are exposed on the side surface of the base ceramic 41. The conductive layer 5 is composed of three layers of Ti, Mo, and Cu, and has a thickness of 10 μm and a width of 1 mm, and is arranged in parallel to the axis. The conductive layer 5 provided so as to be connected to the end portion 42A of the ceramic heating element 42 is extended to the upper part of the metal outer cylinder 1 in the inner direction of the metal shell 2, and the metal is formed from above the conductive layer 5. An insulating layer 6 is disposed and covered to the vicinity of the upper portion of the outer cylinder 1. In addition, the thickness of the conductive layer 5 is increased at the upper part of the metal outer cylinder 1, and the structure is such that it is electrically connected by being directly joined to the metal outer cylinder 1. The conductive layer 5 provided so as to be connected to the end portion 42 B of the ceramic heating element 42 extends to the upper portion of the ceramic heater 4. The insulating layer 6 is a holding layer 10 that directly holds the metal outer cylinder 1 and the ceramic heater 4 and is made of glass and has a thickness of 20 μm.
[0022]
The glow plug of FIG. 9 is provided with an ion current detection electrode 9 in the middle of a U-shaped ceramic heating element 42 and is exposed on the side surface of the base ceramic 41 on the tip side of the metal outer cylinder 1. The conductive layer 5 is a Ni—Ti—Pd-based active brazing material and has a thickness of 80 μm. In order to perform ion current detection, the ceramic heating element 42 is insulated from the metal shell 2. Therefore, the conductive layer 5 provided so as to be connected to the end portion 42 A of the ceramic heating element 42 extends to the inside of the metal shell 2. The conductive layer 5 is connected to a terminal (not shown) via a coiled external connection line 7 and a lead wire 8. The conductive layer 5 provided so as to connect to the end portion 42 B of the ceramic heating element 4 extends to the upper end portion of the ceramic heater 4. On the other hand, the insulating layer 6 is formed so as to cover the conductive layer 5 formed on the surface of the base ceramic 41, and is further filled with a brazing material to be the holding layer 10 between the metal outer cylinder 1. It is to be noted that the conductive layer 5 provided so as to be connected to the end portion 42B and the coil-shaped external connection line 7 that conducts the conductive layer 5 provided so as to be connected to the end portion 42A are insulated. Thus, the insulating layer 6 is provided from the metal outer cylinder 1 to the upper surface. Further, the insulating layer 6 is provided so as to cover the ion current detection electrode 9 exposed on the surface of the base ceramic 41. The insulating layer 6 is made of glass and has a thickness of 30 μm.
[0023]
8 and 9, the surface of the base ceramic 41 is chamfered so that the width of the two faces is 3 mm from the portion where the

end portions

42A and 42B of the ceramic heating element 42 are exposed to the upper surface. Yes.
[0024]
(2) Experimental example Glow plug preparation
As a raw material of the ceramic heating element, WC 60% by mass and insulating ceramic (Si ₃ N ₄ : 85 parts by mass, rare earth oxide: 10 parts by mass, SiO ₂ : 5 parts by mass) 40% by mass is used. A dispersant and a solvent are added to this, pulverized and dried, and then an organic binder is added to produce a granulated product. Then, as shown in FIG. 3, the granulation is performed so that the W wire is cut into a predetermined length, shaped into a predetermined shape, and connected to one end of a lead wire 43 coated with silver by electroplating to a thickness of 3 μm. The product is injection-molded, and an integral product of the substantially U-shaped unsintered ceramic heating element 42 ′ and the lead wire 43 shown in FIG. 4 is formed.
[0025]
Next, the ceramic powder constituting the base ceramic 41 is adjusted. The raw material of the ceramic powder is Si _Three N _Four 85 mass%, rare earth oxide 10 mass%, SiO ₂ 5% by mass. An organic binder is added to these raw materials to produce a granulated product. Using the granulated material, a pair of half-pressed bodies 41A and 41B are made as shown in FIG. 5 (a), and as shown in FIG. The above-described integrated body shown in FIG. 4 is placed, and a half-pressed body 41B is further placed thereon and pressed to form a press-molded body. Then, this press-formed body is hot-pressed in a nitrogen gas atmosphere at 1750 ° C. while applying a pressure of 20 MPa to form a substantially round bar-shaped ceramic sintered body having a hemispherical tip. Next, the outer surface of the ceramic sintered body is polished to finish a predetermined cylindrical shape, and the end 43B of the lead wire and the end 42A of the ceramic heating element are exposed to the surface of the base ceramic 41, thereby heating the ceramic heater. 4 is completed.
[0026]
Then, a conductive layer is provided on the ceramic heating element exposed portion of the ceramic heater 4. In the glow plug shown in FIGS. 1, 7, and 9, the conductive layer is provided by baking the paste made of each of the above materials at 1050 ° C. in vacuum. In the glow plug of FIG. 8, Ti, Mo, and Cu are provided by sputtering in order of 2 μm, 3 μm, and 5 μm, respectively. Further, after that, a glass insulating layer is provided so as to cover the outer periphery of the ceramic heater. In the glow plug shown in FIG. 8, the insulating layer 6 is provided from the metal outer cylinder 1 to the upper surface so that the insulating layer 6 is patterned to cover the conductive layer 5 on the end 42B side.
[0027]
After the insulating layer 6 is provided, in the glow plugs of FIGS. 1, 7, and 9, the brazing material is poured into the gap formed between the ceramic heater 4 and the metal outer cylinder 1, so that the ceramic heater 4 It is held by the metal outer cylinder 1. The ceramic heater 4 and the external connection line 7 are electrically connected by brazing. In the glow plug of FIG. 8, the glow plug is directly joined to the metal outer cylinder 1 by the glass serving as the insulating layer 6 provided on the surface of the base ceramic 41. The ceramic heater 4 is inserted into the cylindrical metal shell 2, the rear portion of the metal outer cylinder 1 is brazed to the inner wall of the holding portion of the cylindrical metal shell 2, and the terminal electrode 3 is connected to the cylindrical metal shell 2. The glow plug is completed by being fixed to.
[0028]
Table 1 below shows examples of applicable materials and forming conditions other than the material of the conductive layer 5, the material of the insulating layer 6, and the brazing material to be the holding layer 10 described above. Shown in Table 1 Experimental example Are applied to the glow plug of FIG. these Experimental example In any case, the conductive layer 5 is made of a material that does not soften and melt under the formation conditions of the insulating layer 6. Further, a material that does not soften and melt the conductive layer 5 is used under the condition of brazing for holding the ceramic heater 4 on the metal outer cylinder 1. The insulating layer 6 is also preferably made of a material that does not soften and melt under the conditions for brazing. However, when glass is used as the material for the insulating layer 6, the viscosity is high even if it is softened. Also these Experimental example Then, as described above, the base ceramic 41 is made of a material mainly composed of silicon nitride. In consideration of the heat resistance of the base ceramic 41, the conditions for forming the conductive layer 5 are set to 1300 ° C. or lower. Further, since the metal outer cylinder 1 protruding into the combustion chamber when mounted on the engine is exposed to the combustion flame, the brazing material of the brazing material which becomes the holding layer 10 for holding the ceramic heater 4 on the metal outer cylinder 1. It is desirable that the material has a high melting point (liquidus point). In consideration of such conditions, for example, the melting point (liquidus point) of the conductive layer 5 is desirably 900 ° C. to 1300 ° C., and the melting point (softening point) of the insulating layer 6 is 700 ° C. to 1200 ° C. The melting point (liquidus point) of the brazing material to be the holding layer 10 is preferably 750 ° C. to 1100 ° C. Also these Experimental example In any case, it has been confirmed that no abnormality has occurred even if the energization durability test described later is performed 30000 times.
[0029]
[Table 1]

[0030]
(2) Glow plug performance evaluation
(1) Energization durability test
The energization durability was evaluated using a glow plug manufactured by the above method and having the configuration shown in FIGS. 1, 7, and 8 and a conventional glow plug shown in FIG. 10 as a comparative example. In this test method, a voltage was applied so that the tip temperature of the ceramic heater was 1450 ° C., and an energization endurance test of energization 1 minute-energization stop 1 minute (cooled to room temperature) was performed 30000 times. The results are shown in Table 2 below. Note that “a / bmm” in the “Heat-generating element length” section of Table 2 is that the distance from the tip of the ceramic heater to the end 42A is amm. This means that the distance to the part 42B is bmm. The power consumption in Table 2 is the power consumption when the tip temperature of the ceramic heater is 1450 ° C.
[0031]
[Table 2]

[0032]
(2) Folding strength of ceramic heater
Each ceramic heater having the overall dimensions of 40 mm in total length and 3.5 mm in diameter and having the structure shown in FIGS. 1, 7 and 8 and 10 ceramic heaters shown in FIG. 10 were prepared. Then, as shown in FIG. 6, the bending strength of the ceramic heater was measured by performing a JIS three-point bending strength test. The results are shown in Table 3 below. In FIG. 6, the distance (L) between the fulcrums under the ceramic heater was 30 mm, and the measurement was made at the position and direction where the strength of each ceramic heater was the weakest. For example, in the case of the ceramic heater shown in FIG. 1, an external force (F) is applied from a position corresponding to a connecting portion between the lead wire and the ceramic heating element.
[0033]
[Table 3]

[0034]
(3) Effects of the embodiment
From Table 2, in each of the glow plugs of Comparative Examples 1 to 5 using the conventional glow plug shown in FIG. 10, since the length of the ceramic heating element is long, the power consumption at 1450 ° C. is as high as 80 W. It is shown that. In addition, since there are two connection portions between the lead wire and the ceramic heating element that are most easily damaged, the result of the current-carrying durability test is also 4200 to 6000 times, causing disconnection at the connection portion.
[0035]
In contrast, the glow plug shown in FIG. 1 was used. Experimental example 7 and 8, since the heating element connecting portion that is most likely to be damaged is one place less than the comparative example, in the energization durability test, the disconnection was 6000 to 6500 times, and the durability was slightly improved compared to the comparative example, Since the length of the heating element can be made shorter than that of the comparative example, the power consumption can be further reduced to 60 W as compared with the comparative example. Also, Experimental example 9 and 10, the heating element length is Experimental example Since it is longer than 1 and 2, the power consumption is 80 W, which is about the same as that of Comparative Examples 1 to 5, but in the energization durability test, it is found that there is no abnormality after 30,000 times and shows high durability.
[0036]
Moreover, the glow plug shown in FIG. 7 was used. Experimental example In Nos. 11 to 13, since the heating element length is long, the power consumption is 80 W, which is about the same as that of Comparative Examples 1 to 5, but there is no heating element connecting part that is most easily damaged. No abnormalities are observed, and it can be seen that it is highly durable. Furthermore, the glow plug shown in FIG. 8 was used. Experimental example 14 to 16, since the length of the heating element can be shortened, the power consumption can be set to a low value of 40 W, and there is no heating element connecting portion that is most easily damaged. No abnormalities are observed even when the test is performed, and it can be seen that it is highly durable.
[0037]
From Table 3, Experimental example As a result of measuring the bending strength of each of the ceramic heaters 17 to 19 and the ceramic heater of Comparative Example 6, the ceramic heater of Comparative Example 6 was embedded with two lead wires made of a material different from that of the ceramic substrate in the ceramic substrate. Therefore, the bending strength is as low as 720 MPa. In contrast, one lead wire is embedded in the ceramic substrate. Experimental example In the ceramic heater of FIG. 17 (FIG. 1), it can be seen that the bending strength is improved to 880 MPa because there is less lead wire as a foreign matter. Also, it does not have lead wires that are foreign matter Experimental example In each of the ceramic heaters 18 (FIG. 7) and 19 (FIG. 8), the bending strengths are 1160 MPa and 1360 MPa, which are very high values, respectively, which indicates that the ceramic heater is excellent in strength.
[0038]
The present invention is not limited to the specific examples described above, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose and application.
[0039]
【The invention's effect】
The first invention to the first 9 According to the glow plug of the invention, one end or both ends of the ceramic heating element are exposed on the surface of the base ceramic, and a conductive layer is provided on the surface of the base ceramic so as to cover the exposed portion, and is electrically connected to the ceramic heating element. ing. As a result, it is not necessary to embed different materials such as metal lead wires in the ceramic heater, so that the strength of the ceramic heater can be prevented from being reduced by burying the different materials, and the length of the ceramic heating element can be shortened. Thus, excessive power consumption can be suppressed. In addition, this book 10th to 12th According to the method for manufacturing a glow plug of the invention, a glow plug having the above advantages can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1] Experimental example It is a longitudinal cross-sectional view of the glow plug.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of a main part of the glow plug shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing that an integrated body of a ceramic heating element and a lead wire is manufactured by injection molding.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an integrated ceramic heating element and lead wire.
FIG. 5 is an explanatory view showing a place where a press-formed body is formed.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a heater bending strength test.
[Fig. 7] Experimental example It is the principal part expansion longitudinal cross-sectional view (a) of other glow plugs, and the cross-sectional view (b) between aa '.
[Fig. 8] Experimental example It is a principal part expanded longitudinal cross-sectional view of other glow plugs.
FIG. 9 Experimental example It is a principal part expanded longitudinal cross-sectional view of other glow plugs.
FIG. 10 is an enlarged vertical cross-sectional view of a main part of a conventional glow plug.

Claims

In a glow plug including an insulating base ceramic and a ceramic heater having a ceramic heating element provided inside the base ceramic, one or both ends of the ceramic heating element are exposed on the surface of the base ceramic, and the exposure A conductive layer electrically connected to the ceramic heating element by being provided on the surface of the base ceramic including the portion, the conductive layer being provided by baking an active brazing material containing an active element Glow plug.

The glow plug according to claim 1, wherein the element having the activity is Ti, V, Hf, or Zr.

The glow plug according to claim 2, wherein the conductive layer is formed by adding an element having the activity to Au, Ni, Pt, Ag, Pd, or Cu.

The ceramic heater is held via a holding layer by a metal outer tube surrounding the tip so as to protrude from the tip, and at least one end of the ceramic heating element is exposed to the surface of the base ceramic in the metal outer tube. The glow plug according to any one of claims 1 to 3.

The glow plug according to claim 1, wherein the conductive layer has a thickness of 1 to 300 μm.

The glow plug according to claim 1, wherein a portion of the base ceramic on which the conductive layer is disposed is formed in a plane.

The glow plug according to claim 1, wherein an insulating layer is provided so as to cover at least a part of a portion of the base ceramic on which the conductive layer is disposed.

The glow plug according to claim 7, wherein the material constituting the insulating layer is glass.

The glow plug according to claim 1, wherein an ion detection electrode is provided in the ceramic heater.

One or both ends of the ceramic heating element are exposed on the surface of the base ceramic, and then an active brazing material containing an active element is baked on the base ceramic surface including the exposed portion, thereby providing a conductive layer. Manufacturing method for glow plugs.

The method for manufacturing a glow plug according to claim 10, wherein the element having the activity is Ti, V, Hf, or Zr.

12. The method for manufacturing a glow plug according to claim 11, wherein the conductive layer is formed by adding an element having the activity to Au, Ni, Pt, Ag, Pd, or Cu.