JP4596684B2

JP4596684B2 - グロープラグ

Info

Publication number: JP4596684B2
Application number: JP2001173260A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; 信行堀田; 啓之鈴木; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002364844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のようなグロープラグとして、筒状の主体金具の先端部内側に、棒状のセラミックヒータの先端部を突出させる形で配置したものが広く使用されている。セラミックヒータへの通電は、主体金具の後端部に設けられた金属軸（電源に接続される）と、該金属軸及びセラミックヒータを接続する金属リード部を介して行われる。従来のグロープラグにおいてセラミックヒータと金属リード部との接続は、例えば特開平１０−２０５７５３号公報あるいは特開２０００−３５６３４３号公報に開示されているように、金属リード部の先端部をコイル状に形成し、ヒータ端子が露出形成されたセラミックヒータの後端部をその内側に挿入して、両者をろう付けすることにより行われてきた。また、セラミックヒータの他方の端子を、金属リングを介して主体金具に接続し、グロープラグが取り付けられるエンジンブロックを介して接地する構造も多く採用されているが、この金属リングもまた、ろう付けによりセラミックヒータに接合されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ろう付けによる接合形態は、ろう材を挟み込む形で被接合材を組み立てる工程や、ろう材を溶融させる加熱工程など工数が多いため能率が悪い欠点がある。また、セラミックと金属リードあるいは金属リング等の金属部材の接合であるため、高価な活性ろう材を使用しなければならず、さらにろう付けのための加熱温度や雰囲気等も調整が微妙であり、前記した工数増大の問題とも相俟って製造コストの高騰につながりやすいという問題がある。
【０００４】
また、グロープラグのセラミックヒータを発熱させるためには、該セラミックヒータに埋設されている抵抗発熱体に電流を通電する。上記のように、セラミックヒータと金属リングとの組み付けを締りばめで嵌合する場合、抵抗発熱体への通電は、該金属リングを介して行なわれる。そのため、該金属リングとセラミックヒータとが接触することにより生じる接触抵抗が問題となる。この接触抵抗は、所望の電流を抵抗発熱体に通電しようとしたときの妨げとなる場合があったり、その値が大きすぎると、該金属リングとセラミックヒータとの接触部分にて発熱してしまう可能性もある。特に、締りばめで嵌合する場合、ろう付けよりも上記接触抵抗が上昇する傾向にある。
【０００５】
本発明の課題は、金属リング及びセラミックヒータの組付けが簡便であり、さらに、抵抗発熱体への通電が良好に行なわれるグロープラグを提供することにある。
【０００６】
【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、本発明のグロープラグは、
棒状の形態を有するとともに自身の先端部に抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が自身の外周面に露出形成されたセラミックヒータを有し、かつ、
前記セラミックヒータの外周面に露出している前記ヒータ端子を覆うとともにこれと導通する金属嵌合部材が、前記セラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられているグロープラグにおいて、
前記金属嵌合部材はリング状にて形成されており、前記セラミックヒータから前記金属嵌合部材を取り外した分解状態において、前記金属嵌合部材の内径をｄ1、同じく該分解状態における前記ヒータ端子の形成位置での前記セラミックヒータの外径をｄ2として、ｄ2−ｄ1が、８μｍ以上であって前記金属嵌合部材の取付位置における前記セラミックヒータの外径の２％以下の範囲に調整されており、
前記金属嵌合部材は、ビッカース硬さＨｖが１７０以上のＦｅ系合金にて構成されており、
前記金属嵌合部材を前記セラミックヒータから取り外したとき、前記金属嵌合部材側の前記セラミックヒータとの嵌合面における面粗さＲｚ1が１０μｍ以下とされるとともに、前記セラミックヒータ側の前記金属嵌合部材との嵌合面における面粗さＲｚ2が５μｍとされており、
前記抵抗発熱体の通電抵抗を、前記金属嵌合部材が前記セラミックヒータに取り付けられている状態で、該金属嵌合部材を介して室温にて測定するとともに、その値をＲ1とし、前記金属嵌合部材を前記セラミックヒータから取り外して、前記ヒータ端子を露出させ、該ヒータ端子から直接通電する形で室温にて測定した値をＲ2としたとき、
（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ2×１００≦２０（％）・・・条件１
となることを特徴とする。
【０００７】
上記のような本発明のグロープラグにおいては、抵抗発熱体に通電するときに生じる、金属リング等の金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合による接触抵抗を低く抑えられることができる。これにより、抵抗発熱体に電流を容易に導通することが可能となり、抵抗発熱体における発熱を良好に行うことができる。また、金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合部分における望まざる発熱を抑制することにもなり、ひいては、発熱による金属嵌合部材の膨張等を抑制することができ、金属嵌合部材とセラミックヒータとの間の嵌合を良好に維持できる。
【０００８】
上記規定の接触抵抗において、（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ2×１００≦２０（％）・・・条件１を満足するように、金属嵌合部材を作製するとともに、セラミックヒータに嵌合する。このとき、該金属嵌合部材を嵌合することにより、セラミックヒータのみでの通電抵抗に対して、２０％以下の範囲の接触抵抗であれば許容される。嵌合後における接触抵抗が嵌合前の通電抵抗（セラミックヒータのみの抵抗）に対して、２０％を超えていると、金属嵌合部材の嵌合により接触抵抗が大幅に増加する。その結果、抵抗発熱体への通電が阻害され、抵抗発熱体における発熱が十分に行なわれない。ひいては、セラミックヒータの温度が十分に上昇せず、良好なグロープラグの使用が行なわれない。さらに、金属嵌合部材とセラミックヒータとの接触面において、該接触抵抗により該接触面で温度が過剰に上昇することになる。これにより、該温度の上昇に伴って、該接触面が酸化され易くなり、さらに接触抵抗が増加するという悪循環に陥る。一方で、上記条件１を満足する場合には、抵抗発熱体への通電も良好に行なわれ、該抵抗発熱体での発熱が十分に行なわれる。その結果、セラミックヒータの最高到達温度が低下せず、グロープラグとして好適に使用できるものである。なお、上記接触抵抗は、（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ2×１００≦１０（％）の条件をさらに満足するようにすれば、上記効果をより効果的に得ることができる。
【０００９】
また、本明細書において、金属嵌合部材とセラミックヒータの接触抵抗とは、金属嵌合部材がセラミックヒータに取り付けられている状態で、該金属嵌合部材を介して室温にて抵抗発熱体に通電するときの通電抵抗の測定値Ｒ1から、金属嵌合部材を前記セラミックヒータから取り外して、前記ヒータ端子を露出させ、該ヒータ端子から直接抵抗発熱体に通電するときの通電抵抗の測定値Ｒ2を引いた値（つまり、Ｒ1−Ｒ2）とする。
【００１０】
さらに、本発明においては、Ｒ1−Ｒ2（接触抵抗）≦５０ｍΩ・・・条件２となるのがよい。これにより、金属嵌合部材とセラミックヒータとの接触に基づく接触抵抗の発生を十分に抑制することが可能である。また、エンジンの始動を行う場合、グロープラグのセラミックヒータにおける温度を１０００℃以上に上昇させるのが好ましい。しかしながら、接触抵抗がある程度高くなると、エンジン始動時において、抵抗発熱体への通電が十分に行なわれず、セラミックヒータが発熱するのに長時間かかることになる。上記条件２を満足することにより、抵抗発熱体への通電が良好に行なわれ、目標到達温度（１０００℃）までの到達時間が軽減する。一方、接触抵抗が５０ｍΩを超えると、抵抗発熱体への十分な電流の導通が行なわれなくなり、そのため、セラミックヒータの温度が目標到達温度（１０００℃）に到達するのに長時間を要する。また、金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合部分で発熱し易くなり、耐久性の確保において好ましくない。接触抵抗は、より望ましくは、２５ｍΩ以下に抑制するのがよく、さらに望ましくは、１０ｍΩ以下に制限するのがよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のグロープラグの一例を、その内部構造とともに示すものである。また、図２は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ５０は、セラミックヒータ１とこれを保持する主体金具４とを有する。セラミックヒータ１は棒状の形態を有し、自身の先端部２に抵抗発熱体１１が埋設されている。また、抵抗発熱体１１に通電するための第一ヒータ端子１２ａが自身の後端部外周面に露出形成されている。また、主体金具４は、セラミックヒータ１の外側を同軸的に覆う筒状に形成され、軸線Ｏ方向における内周面前端部がヒータ保持面４ａとされている。そして、該ヒータ保持面４ａにてセラミックヒータ１を、第二端子リング３を介して間接的に、かつ前記先端部２を突出させる形で保持している。さらに、ヒータ保持面４ａよりも後方側において、セラミックヒータ１の後端部外周面と主体金具４の内周面との間には、リング配置隙間Ｇが形成されている。
【００１２】
次に、主体金具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、取付部としてのねじ部５が形成され、後端部には金属軸６が取り付けられている。該金属軸６は棒状の形態をなし、主体金具４の後端部内側に軸線Ｏ方向に挿入されるとともに、該軸線Ｏ方向において自身の先端面６ｆがセラミックヒータ１の後端面２ｒと対向する形で配置されている。他方、リング配置隙間Ｇにおいてセラミックヒータ１の後端部外周面には、第一ヒータ端子１２ａと導通する第一端子リング１４が、締まり嵌め状態にて該第一ヒータ端子１２ａを覆うように取り付けられている。そして、金属軸６と第一ヒータ端子１２ａとは、一端が第一端子リング１４に結合され、他端が金属軸６に結合された金属リード部１７により、電気的に接続されている。
【００１３】
セラミックヒータ１の外周面には、軸線Ｏ方向において第一ヒータ端子１２ａよりも前方側に、抵抗発熱体１１に通電するための第二ヒータ端子１２ｂが露出形成されている。そして、該第二ヒータ端子１２ｂを覆うとともにこれと導通する円筒状の第二端子リング３が、セラミックヒータ１の後端部を自身の後方側に突出させた状態にて、該セラミックヒータ１の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられている。そして、主体金具４は、円筒状のヒータ保持面４ａにおいて該第二端子リング３の外周面に取り付けられている。
【００１４】
そして、本発明においては、金属嵌合部材としての第一端子リング１４及び第二端子リング３（以下、単にリング１４、３ともいう）をセラミックヒータ１に嵌合することによるヒータ端子１２ａ，１２ｂとの接触抵抗は、前述の条件１（（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ2×１００≦２０（％））を満足するようにする。さらに、前述の条件２（Ｒ1−Ｒ2≦５０ｍΩ）を満足するのがよい。第二端子リング３による該接触抵抗の測定方法は次のようにする。先ず、図８（ａ）に示すように、グロープラグ５０から第二端子リング３が取り付けられたままの状態のセラミックヒータ１を取り出す。このとき、第二ヒータ端子１２ｂと第二端子リング３とは導通状態である。ついで、第二端子リング３と第一ヒータ端子１２ａとの間に電流を通電し抵抗を測定して、その測定値を分解前抵抗Ｒ1（Ω）とする。次に、図８（ｂ）に示すように、嵌合している第二端子リング３をセラミックヒータ１から取り外して分解状態とする。そして、セラミックヒータ１の外周面に露出された第二ヒータ端子１２ｂと第一ヒータ端子１２ａとの間の抵抗を測定し、分解後抵抗Ｒ2（Ω）とする。金属嵌合部材としての第二端子リング３と第二ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗は、Ｒ2−Ｒ1（Ω）として表す。また、第一端子リング１４においても、同様の方法において、接触抵抗を測定することができる。また、分解前抵抗（Ｒ1）は、第一端子リング１４及び第二端子リング３とを取付けたままでの通電抵抗として、これに基づいて第一端子リング１４及び第二端子リング３の両者に起因する接触抵抗を、本明細書中の接触抵抗としてもよい。
【００１５】
また、接触抵抗の低減においては、金属嵌合部材、つまりリング３、１４の材質や肉厚ｔ、ｔ’によっても変化する。図５に示すように、セラミックヒータ１から金属嵌合部材としての第一端子リング１４あるいは第二端子リング３を取り外した分解状態において、該金属嵌合部材の内径をｄ１（ｄ１’）、同じく該分解状態における第一ヒータ端子１２ａ（第二ヒータ端子１２ｂ）の形成位置でのセラミックヒータ１の外径をｄ２（ｄ２’）として、ｄ２−ｄ１（ｄ２’−ｄ１’）（以下、分解後締め代という：本明細書では、室温状態での値を意味する）が８μｍ以上であって前記金属嵌合部材の取付位置における前記セラミックヒータの外径の２％以下の範囲、特に８〜１００μｍの範囲に調整されていることが望ましい。また、後述するように、主体金具４を金属嵌合部材とする場合も同様の規定が可能である。
【００１６】
上記分解後締め代は、セラミックヒータ１から取り外したときのリング１４，３の弾性復帰量、つまり、リング１４，３によるセラミックヒータ１への弾性緊束力を反映したパラメータと見ることができる。該分解後締め代が８μｍ未満では、通常のグロープラグの使用温度範囲にリング３あるいは１４が昇温したとき、必要な緊束力が確保できなくなる。例えば、第一端子リング１４においては第一ヒータ端子１２ａとの接触抵抗の増大が、第二端子リング３においては第一ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗の増大が、具体的な不具合として発生することにつながる。他方、分解後締め代が、第一端子リング１４あるいは第二端子リング３の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％（例えば、該外径が３．５ｍｍの場合、７０μｍ）を超えるとセラミックヒータ１に過剰な緊束力が作用し、割れやクラック等の発生につながる場合がある。なお、リング３，１４の肉厚が小さい場合は、リング自体の塑性変形量が増加するため、分解後締め代を１００μｍ以上に設定することが本質的に不可能な場合がある。なお、上記分解後締め代ｄ２−ｄ１あるいはｄ２’−ｄ１’は、より望ましくは１５〜４０μｍの範囲に調整するのがよい。また、同じ分解後締め代の値であっても、弾性緊束力の値を高める観点においてはリングの肉厚が大きい方がより有利であり、ひいては、接触抵抗の低減にも寄与することになる。なお、本実施形態では、気密性が要求される第二端子リング３の肉厚ｔ’を、第一端子リング１４の肉厚ｔよりも大きく設定している。
【００１７】
金属嵌合部材としての第一及び第二端子リング１４、３等を構成する素材としては、高温強度と、材料コストとのバランスを考慮して、一定以上の硬さ及び耐熱性を有した、例えば、Ｆｅ系合金を使用するのが望ましい。特に、分解後締め代を高めて弾性緊束力を十分に確保するためには、ビッカース硬さ（ＪＩＳ：Ｚ２２４４（１９９８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）Ｈｖが１７０以上（望ましくは３５０以上）のＦｅ系合金の使用が推奨される。このようなＦｅ系合金として、ＳＵＳ６３０あるいはＳＵＳ６３１等の析出硬化系ステンレス鋼を好適に使用できる。例えばＳＵＳ６３０は、ＪＩＳＧ４３０３（１９８８）に規定されたＨ９００、Ｈ１０２５、Ｈ１０７５あるいはＨ１１０５のいずれかの熱処理により時効析出硬化させることができ、特にＨ９００処理を行ったものはＨｖ３５０以上を確保できる。他方、ＳＵＳ６３１は同規格のＴＨ１０５０あるいはＲＨ９５０の熱処理により時効析出硬化させることができ、いずれもＨｖ３５０以上を確保できる。また、硬さの点では若干劣るが、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼を使用することもできる。
【００１８】
なお、より高い耐熱性を確保し、また、高温での緊束力低下をさらに抑制することが要求される場合には、鉄基超耐熱合金（例えばインコロイ９０９（インコ社の商品名））の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金（例えばワスパロイ（ユナイテッドテクノロジー社の商品名））の時効硬化品、あるいは非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５（インコ社の商品名））の加工硬化品等を使用することも可能である。ただし、これらの材質は高価であり、グロープラグの通常の使用環境であって、第一端子リング１４の到達温度が５０〜２００℃程度、第二端子リング３の到達温度が５００〜７００℃までの範囲に留まる場合は、前記した析出硬化型ステンレス鋼など、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＮｂあるいはＡｌなど、マトリックス固溶強化あるいは析出物形成のために添加する合金元素の合計含有量が、５０質量％以下の範囲に制限されたＦｅ系合金にて構成することが望ましい。ただし、これらの合計含有量は、高温強度あるいは耐食性確保の観点から、２０質量％以上は添加されていることが望ましい。
【００１９】
さらに、接触抵抗低減の観点においては、金属嵌合部材をセラミックヒータ１から取り外したときの、金嵌合部材側の嵌合面における面粗さＲｚ1が、１０μｍ以下となるようにするのがよい。また、金属嵌合部材をセラミックヒータ１から取り外したときの、セラミックヒータ１側の嵌合面における面粗さＲｚ2が５μｍとするのがよい。取り外し後の嵌合面における面粗さが上記範囲を超えると、金属嵌合部材とセラミックヒータ１との接触面積が減少して、十分な両者の嵌合ができなくなり、ひいては、接触抵抗の増加に通じる。望ましくは、Ｒｚ1を６μｍ以下、Ｒｚ2を３μｍ以下とするのがよい。
【００２０】
なお、本明細書において面粗さＲｚ（Ｒｚ1及びＲｚ2）は、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（１９９４）に規定された方法により測定されたそれぞれの面の十点平均粗さ（Ｒｚ）をいう。なお、測定長さは３．２ｍｍ、カットオフ値は０．８ｍｍとする。また、各嵌合面における面粗さを規定するためには、上記十点平均粗さＲｚ以外に、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲmax等を採用することも当然可能である。金属嵌合部材及びセラミックヒータの嵌合面における算術平均粗さ（Ｒａ1及びＲａ2）、及び最大高さ（Ｒmax1及びＲmax2）も同様に、上記ＪＩＳに規定された方法により測定されたものをいうものとし、カットオフ値、基準長さ及び評価長さは、上記ＪＩＳに規定されているものを用いるものとする。
【００２１】
以上、金属嵌合部材としての第一及び第二端子リング１４、３とセラミックヒータ１との接触抵抗の場合について述べているが、本発明はこれに限られるものではなく、主体金具４を金属嵌合部材とした場合であっても同様になりたつものである。この場合、その接触抵抗は、主体金具４を取りはずす前後におけるヒータ端子間の通電抵抗の差とする。
【００２２】
すなわち、図７に示すように、主体金具４のヒータ保持面４ａにおいて、セラミックヒータ１の外周面を、締まり嵌め嵌合により直接保持させる構成を採用することも可能である。この場合、主体金具４を金属嵌合部材とすることができる。リング配置隙間Ｇを形成するために、主体金具４の内周面の軸線Ｏ方向における先端部を、縮径部４ｒにより縮径し、その縮径部４ｒの内周面をヒータ保持面４ａとすることができる。なお、図１及び図２の構成においても、リング配置隙間Ｇを拡大するために、主体金具４に若干の縮径部４ｒ’を形成しているが、第二端子リング３の厚みを増すことで、該縮径部４ｒ’は省略することが可能である。
【００２３】
次に、主体金具４と第二端子リング３との組み付け形態については、例えば両者の内外周面の隙間を充填する形でろう付けするか、あるいは主体金具４の先端側開口内縁と第二端子リング３の外周面とを全周レーザー溶接する形で固定するようにしてもよいが、本実施形態では、主体金具４もヒータ保持面４ａにおいて、第二端子リング３の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けるようにしている。これにより、グロープラグ５０の組立て工程を一層簡略化することができる。また、主体金具４の第二端子リング３に対する嵌合面（ヒータ保持面４ａ）が、第二端子リング３とセラミックヒータ１との嵌合面と重なる形となるので、セラミックヒータ１に対する第二端子リング３の緊束力に主体金具４の緊束力が重畳され、第二端子リング３とセラミックヒータ１との嵌合の気密性を一層高めることができる。
【００２４】
セラミックヒータ１への各端子リング１４，３の組み付けは、例えば図４に示すように、個々の端子リング１４あるいは３をセラミックヒータ１に対し、端部から軸線方向に挿入しつつ圧入する方法で組み付けることができる。なお、圧入に代えて焼き嵌めを用いてもよい。このうち、第一端子リング１４については、第一ヒータ端子１２ａとの導通が確保できる程度の緊束力が得られればよい。他方、第二端子リング３については、第二ヒータ端子１２ｂとの導通確保に加え、嵌合面における気密性を確保する必要があることから、第一端子リング１４よりは強い緊束力が求められる。いずれも、室温ではもちろん、各部に熱膨張が生ずるセラミックヒータ１の温度上昇時においても、必要十分な緊束力が確保されていることが重要である。一般に、セラミックと金属を比較した場合、インバーなどの特殊な合金を除けば、金属のほうが線膨張係数が高く、端子リング１４，３は昇温時には緊束力が緩みやすくなる傾向にある。なお、端子リング１４，３の到達温度は、グロープラグ５０が取り付けられるエンジンの運転状況によっても異なるが、例えば５０〜２００℃程度である。
【００２５】
図２に示すように、金属リード部１７は、金属軸６と第一端子リング１４との間で屈曲した形で配置されている。これにより、セラミックヒータ１の発熱により加熱／冷却サイクルが加わった場合でも、金属リード部１７は、その屈曲部分で膨張／収縮を吸収することができ、ひいては金属リード部１７と第一端子リング１４との接合部に過度の応力が集中して接触不良や断線等の不具合が生ずることを防止できる。他方、金属リード部１７と金属軸６との接合を容易にかつ強固に行なうために、金属リード部１７の金属軸６との接合端部が金属軸６の外周面先端部に対し、平面状の接合面をもって結合されている。例えば、金属リード部１７と金属軸６とを抵抗溶接により接合する場合、接合面を平面状としておくことは、抵抗溶接時の加圧力を均等に付加し、欠陥の少ない溶接部を形成する上でも有利となる。
【００２６】
他方、金属リード部１７と第一端子リング１４との接合は、第一端子リング１４をセラミックヒータ１に圧入等により組み付ける際に邪魔とならないように、先に第一端子リング１４をセラミックヒータ１に組み付けておいてから、その組み付けられた第一端子リング１４の例えば外周面に金属リード部１７の末端部を接合することが望ましい。この場合、その接合方法としては、抵抗溶接が採用可能である。
【００２７】
次に、セラミックヒータ１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に抵抗発熱体１１が埋設された棒状のセラミックヒータ素子として構成されている。本実施形態においては、セラミックヒータ１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体１０が埋設されたものとして構成されている。セラミック抵抗体１０は、セラミックヒータ１の先端部に配置される第一導電性セラミックからなり、抵抗発熱体として機能する第一抵抗体部分１１と、各々該第一抵抗体部分１１の後方側において、セラミックヒータ１の軸線Ｏ方向に延伸する形で配置され、先端部が第一抵抗体部分１１の通電方向における両端部にそれぞれ接合されるとともに、第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなる１対の第二抵抗体部分１２，１２とを有する。そして、セラミック抵抗体１０の１対の第二抵抗体部分１２，１２には、それぞれ軸線Ｏ方向における互いに異なる位置に分岐部が形成され、それら分岐部の、セラミックヒータ１の表面への露出部が、それぞれ第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂを形成してなる。
【００２８】
なお、抵抗発熱体１１への通電は、例えば図６に示すように、セラミック基体１３中に埋設されるＷ等の高融点金属線材からなる埋設リード線１８，１９を介して行なうこともできる。この場合、第一ヒータ端子は埋設リード線１８の、また第二ヒータ端子は埋設リード線１９の、各露出部１８ａ及び１９ａとして形成される。なお、この場合においても、第一端子リング１４及び第二端子リング３とセラミックヒータ１との間の接触抵抗は、本発明の範囲内となっている。
【００２９】
次に、セラミック基体１３を構成する絶縁性セラミックとして、本実施形態では窒化珪素質セラミックが採用されている。窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする主相粒子が、後述の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。
【００３０】
窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）及び４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を前記のカチオン元素として、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１０質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。焼結助剤成分が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１０質量％を超えると強度や靭性あるいは耐熱性の不足を招く。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは２〜８質量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、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、Ｈｏ、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。
【００３１】
次に、セラミック抵抗体１０を構成する第一抵抗体部分１１及び第二抵抗体部分１２，１２は、前記した通り電気抵抗率の異なる導電性セラミックにて構成されている。両導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は特に限定されず、例えば、
▲１▼同種の導電性セラミック相を用いつつ、その含有量を互いに異ならせる方法；
▲２▼電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック相を採用する方法；
▲３▼▲１▼と▲２▼の組合せによる方法；
等、種々例示できるが、本実施形態では▲１▼の方法を採用している。
【００３２】
導電性セラミック相としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等、周知のものを採用できる。本実施形態ではＷＣを採用している。なお、セラミック基体１３との線膨張係数差を縮小して耐熱衝撃性を高めるために、セラミック基体１３の主成分となる絶縁性セラミック相、ここでは窒化珪素質セラミック相を配合することができる。従って、絶縁性セラミック相と導電性セラミック相との含有比率を変化させることにより、抵抗体部分を構成する導電性セラミックの電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００３３】
具体的には、抵抗発熱部をなす第一抵抗体部分１１の材質である第一導電性セラミックは、導電性セラミック相の含有率を１０〜２５体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が２５体積％を超えると、導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなる。
【００３４】
他方、第二抵抗体部分１２，１２は、その第一抵抗体部分１１に対する導通経路となるものであり、その材質である第二導電性セラミックは導電性セラミック相の含有率を１５〜３０体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が３０体積％を超えると焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、エンジン予熱のために通常使用される温度域に到達しても電気抵抗率の上昇が不十分となり、電流密度を安定化させるための自己飽和機能が実現できなくなる場合がある。他方、１５体積％未満では第二抵抗体部分１２，１２での発熱が大きくなりすぎて、第一抵抗体部分１１の発熱効率が悪化することにつながる。本実施形態では、第一導電性セラミック中のＷＣの含有率を１６体積％（５５質量％）、第二導電性セラミック中のＷＣの含有率を２０体積％（７０質量％）としている（残部いずれも窒化珪素質セラミック（焼結助剤含む）。
【００３５】
本実施形態においてセラミック抵抗体１０は、第一抵抗体部分１１がＵ字形状をなし、そのＵ字底部がセラミックヒータ１の先端側に位置するように配置され、第二抵抗体部分１２，１２は、該Ｕ字形状の第一抵抗体部分１１の両端部からそれぞれ軸線Ｏ方向に沿って後方に延伸する、互いに略平行な棒状部とされている。
【００３６】
セラミック抵抗体１０において第一抵抗体部分１１は、動作時に最も高温となるべき先端部１１ａに対して電流を集中するために、該先端部１１ａを両端部１１ｂ、１１ｂよりも細径としている。そして、第二抵抗体部分１２，１２との接合面１５は、その先端部１１ａよりも径大となった両端部１１ｂ、１１ｂに形成されている。
【００３７】
なお、図６のように、埋設リード線１８，１９をセラミック中に配置する構造では、高温下でヒータ駆動用の電圧を印加したときに、埋設リード線１８、１９を構成する金属原子が、その電界勾配による電気化学的な駆動力を受けてセラミック側に強制拡散する、いわゆるエレクトロマイグレーション効果によって消耗し、断線等を生じやすくなる場合がある。しかし、図２の構成では埋設リード線が廃止されていることから、上記エレクトロマイグレーション効果の影響を本質的に受けにくい利点がある。
【００３８】
次に、図１に示すように、主体金具４の後端部内側には、前述の通り、セラミックヒータ１に電力を供給するための金属軸６が主体金具４と絶縁状態にて配置されている。本実施形態では、金属軸６の後端側外周面と主体金具４の内周面との間にセラミックリング３１を配置し、その後方側にガラス充填層３２を形成して固定する形としている。なお、セラミックリング３１の外周面には、径大部の形でリング側係合部３１ａが形成され、主体金具４の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部４ｅに係合することで、軸線方向前方側への抜け止めがなされている。また、金属軸６のガラス充填層３２と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている（図では網掛けを描いた領域）。さらに、金属軸６の後端部は主体金具４の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ８を介して端子金具７がはめ込まれている。該端子金具７は、周方向の加締め部９により、金属軸６の外周面に対して導通状態で固定されている。
【００３９】
グロープラグ５０は、主体金具４の取付部５において、セラミックヒータ１の先端部２が燃焼室内に位置するようにディーゼルエンジンに取り付けられる。そして、端子金具７を電源に接続することで、金属軸６→金属リード１７→第一端子リング１４→セラミックヒータ１→第二端子リング３→主体金具４→（エンジンブロックを介して接地）の順序で電流が流れ、セラミックヒータ１の先端部２が発熱して、燃焼室内の予熱を行なうことができる。
【００４０】
以下、グロープラグ５０の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、セラミック抵抗体１０となるべき抵抗体粉末成形部３４を、射出成形により作成する。また、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、上下別体に形成された基体成形体としての分割予備成形体３６，３７を用意しておく。これら分割予備成形体３６，３７には、上記抵抗体粉末成形部３４に対応した形状の凹部３７ａ（分割予備成形体３６側の凹部は図面に表れていない）をその合わせ面に形成しておき、ここに抵抗体粉末成形部３４を収容して分割予備成形体３６，３７を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図３（ｂ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９を作る。
【００４１】
こうして得られた複合成形体３９を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、例えば約１８００℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨にすればセラミックヒータ１が得られる。そして、図４に示すように、該セラミックヒータ１に第一端子リング１４及び第二端子リング３を例えば圧入により締まり嵌め嵌合させ、さらに金属リード部１７及び主体金具４などの必要な部品を組み付ければ、図１に示すグロープラグ５０が完成する。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、図１に示す形態のセラミックヒータ１を、上記説明した方法により作製した。ただし、セラミックヒータ１の長さは４０ｍｍ、外径は３．５ｍｍであり、第二抵抗体部分１２、１２の太さは１ｍｍ、さらに第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂは、各々直径０．８ｍｍの円状領域とした。
【００４３】
他方、前記したＳＵＳ６３０（Ｈ９００時効硬化処理品：Ｈｖ＝約４００）を用いて第一端子リング１４及び第二端子リング３を作製した。第一端子リング１４の肉厚は０．３ｍｍとし、その内径ｄ１ｉは３．４５ｍｍとなるものを用意した。他方、第二端子リング３の肉厚は０．８５ｍｍとし、その内径ｄ１ｉ’が３．４５ｍｍとなるものを用意した。
【００４４】
ついで、上記の第一端子リング１４及び第二端子リング３を、セラミックヒータ１の所定位置に圧入により組み付けた。なお、圧入時において各リングの内面には潤滑剤（パスキンＭ３０（商品名：共栄社化学（株）社製）を適量塗布し、圧入後に３００℃にて該潤滑剤の分解処理を行なっている。
【００４５】
そして、この圧入後の第一端子リング１４を取り外し、第一ヒータ端子１２ａを露出させ、第二端子リング３及び該第一ヒータ端子１２ａ間に電流を通電したときの抵抗を測定し、分解前抵抗Ｒ1とした。ついで、セラミックヒータ１から第一端子リング１４及び第二端子リング３を取り外し、第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂを露出させ、これらの間に電流を通電して抵抗を測定し、分解後抵抗Ｒ2とした。これらの測定はいずれも室温（２０℃）にて行った。Ｒ1からＲ2を減ずることにより第二端子リング３とセラミックヒータとが嵌合することによる接触抵抗（Ｒ1−Ｒ2）の値を求めた。
【００４６】
また、第一端子リング１４及び第二端子リング３を取り外す前の状態のグロープラグ５０において、これらの端子リング間に１１Ｖの直流電圧を６０秒間連続して印加した。このような通電を行うことにより、６０秒後には、温度は一定となり定常状態となる。
（実施例１）
実施例１として、このときのセラミックヒータ１の先端における定常状態での最高到達温度を測定した。得られた接触抵抗及び最高到達温度との結果を表１及び図９に示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１及び図９においては、条件１を満足する本発明のグロープラグにあっては、定常状態において、１２００℃以上の温度に最高到達温度が維持されている。一方、条件１を満足しない本発明範囲外となると、最高到達温度が急激に低下してしまうことがわかる。
【００４９】
（実施例２）
上記実施例１において、条件１を満足するものについては、最高到達温度にはほとんど変化がなく、どの実施例においても良好な最高到達温度を示す、しかしながら、これらの実施例においても、目標到達温度に達するまでの時間には差異が認められた。すなわち、条件１を満足する本発明品である実施例Ｎｏ．１〜３について、エンジンを始動（燃料に着火）するのに必要な目標到達温度（１００００℃）まで、セラミックヒータの温度が到達する時間を測定した。得られた接触抵抗（ｍΩ）および１０００℃到達時間（秒）を表２及び図１０に示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
表２及び図１０によれば、本発明品である実施例Ｎｏ．１、２、３の内でも、条件２を満足する実施例Ｎｏ．１及び２においては、１０００℃までの到達時間が４秒であるために、エンジンの始動が迅速に行えるものである。条件２を満足しない実施例Ｎｏ．３にあっては、目標到達温度への到達時間という観点においては、実施例Ｎｏ．１及び２に及ばないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一実施例を示す縦断面図。
【図２】図１の要部を示す縦断面図。
【図３】図１のグロープラグの製造工程の説明図。
【図４】図２に続く説明図。
【図５】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図６】図１のグロープラグの第一変形例を示す要部縦断面図。
【図７】同じく第二変形例を示す要部縦断面図。
【図８】接触抵抗の測定方法を説明した図。
【図９】実施例の実験結果を示す第一のグラフ。
【図１０】実施例の実験結果を示す第二のグラフ。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
２先端部
３第二端子リング（金属嵌合部材）
４主体金具（金属嵌合部材）
４ａヒータ保持面
１０セラミック抵抗体
１１第一抵抗体部分（抵抗発熱体）
１２，１２第二抵抗体部分
１２ａ第一ヒータ端子（ヒータ端子）
１２ｂ第二ヒータ端子（ヒータ端子）
１４第一端子リング（金属嵌合部材）
４１金属被膜層
５０グロープラグ

Claims

棒状の形態を有するとともに自身の先端部に抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が自身の外周面に露出形成されたセラミックヒータを有し、かつ、
前記セラミックヒータの外周面に露出している前記ヒータ端子を覆うとともにこれと導通する金属嵌合部材が、前記セラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられているグロープラグにおいて、
前記金属嵌合部材はリング状にて形成されており、前記セラミックヒータから前記金属嵌合部材を取り外した分解状態において、前記金属嵌合部材の内径をｄ1、同じく該分解状態における前記ヒータ端子の形成位置での前記セラミックヒータの外径をｄ2として、ｄ2−ｄ1が、８μｍ以上であって前記金属嵌合部材の取付位置における前記セラミックヒータの外径の２％以下の範囲に調整されており、
前記金属嵌合部材は、ビッカース硬さＨｖが１７０以上のＦｅ系合金にて構成されており、
前記金属嵌合部材を前記セラミックヒータから取り外したとき、前記金属嵌合部材側の前記セラミックヒータとの嵌合面における面粗さＲｚ1が１０μｍ以下とされるとともに、前記セラミックヒータ側の前記金属嵌合部材との嵌合面における面粗さＲｚ2が５μｍとされており、
前記抵抗発熱体の通電抵抗を、前記金属嵌合部材が前記セラミックヒータに取り付けられている状態で、該金属嵌合部材を介して室温にて測定するとともに、その値をＲ1とし、前記金属嵌合部材を前記セラミックヒータから取り外して、前記ヒータ端子を露出させ、該ヒータ端子から直接通電する形で室温にて測定した値をＲ2としたとき、
（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ2×１００≦２０（％）となることを特徴とするグロープラグ。
Ｒ1−Ｒ2≦５０ｍΩとなる請求項１に記載のグロープラグ。