JP4673503B2

JP4673503B2 - グロープラグ

Info

Publication number: JP4673503B2
Application number: JP2001173121A
Authority: JP
Inventors: 信行堀田; 孝哉吉川; 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: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002364841A

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】
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。そこで、特開２０００−３５６３４３号公報には、セラミックヒータの接地側端子への金属リングの組付けを焼き嵌めにより行なう方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−３５６３４３号公報においては、筒状の金属リングの後端部がセラミックヒータの後端縁よりも後方に延出する構成となっており、セラミックヒータの後端部外周面の全体が金属リングに覆われている。この場合、ヒータ外周面への金属リードの接合を行なうことができないので、ヒータ後端面から金属リードを延出させる形とならざるを得ない。しかし、この構成は、セラミックヒータの金属リードの接続部を別焼結体（あるいは成形体）として形成するか、成形体中に金属リードの端部を埋設してセラミックヒータの焼結を行なわなければならない。前者の方法では、金属リードの接続部を別焼結体とする分だけ工数が余分にかかり、後者の方法では、金属リードを、セラミックと同時焼成が可能なＷ等の高価な高融点金属により構成しなければならず、いずれも製造コストの高騰につながる問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、金属リードのセラミックヒータへの組付けが簡便であり、ひいては安価に製造可能な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第一ヒータ端子が自身の後端部外周面に露出形成されたセラミックヒータと、
筒状に形成されるとともに、セラミックヒータを、後端部及び先端部をそれぞれ軸線Ｏ方向において突出させる形で自身の内側に保持するヒータ保持リングと、
内燃機関への取付部が外周面に形成され、ヒータ保持リングに結合される筒状の主体金具と、
第一ヒータ端子を覆う形でセラミックヒータの後端部外周面に圧入による締り嵌め状態にて取り付けられることにより、第一ヒータ端子と直接導通する金属製の第一端子リングと、
一端が第一端子リングに結合された金属リード部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記本発明のグロープラグの構成では、主体金具が一体化されるヒータ保持リングよりも後方側に、第一ヒータ端子が形成されたセラミックヒータの後端部を突出させ、そのセラミックヒータの後端部外周面に第一端子リングを圧入による締り嵌めにより配置し、ここに金属軸への導通を取るための金属リード部を接合する。これにより、金属リードのセラミックヒータへの組付け部分から、工数を要する金属／セラミックのろう付け構造を排除できる。また、圧入による締り嵌めにより取り付けられた第一端子リングに金属リード部を接合するだけなので、特開２０００−３５６３４３号公報のように金属リード部をセラミックヒータへ埋め込み接合するといった面倒な工程も不要である。このように、本発明のグロープラグの構成によると、金属リードのセラミックヒータへの組付けを簡便に行なうことができ、ひいては安価に製造可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、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とこれを保持するヒータ保持リング３、及びこれに結合された主体金具４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。ヒータ保持リング３は筒状に形成され、セラミックヒータ１を、後端部及び先端部２をそれぞれ軸線Ｏ方向において突出させる形で自身の内側に保持する。主体金具４は、ヒータ保持リング３に同軸的に結合される筒状に形成されている。
【０００９】
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。該外金属軸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、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と導通する金属製の第一端子リング１４が、締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。金属リード部１７はこの第一端子リング１４に金属／金属接合により取り付けられるので、金属／セラミックのろう付け構造や、金属リード部１７のセラミックヒータ１への埋め込み接合といった、工数を要する複雑な構造が排除され、安価に製造可能である。また、第一端子リング１４をセラミックヒータ１に締り嵌めにより嵌合させるので、ろう付けによる従来構造のようにろう材層が介在せず、金属軸６と第一端子リング１４との同軸度を確保しやすい。これにより、金属リード部１７と、金属軸６あるいは第一端子リング１４との接合面にずれ等を生じにくくなり、ひいては良好で高強度の接合部を形成できる。
【００１０】
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の外周面に締り嵌め状態にて取り付けられている。
【００１１】
この構成により、セラミックヒータ１へ通電するための２つのヒータ端子１２ａ，１２ｂのいずれに対しても、端子リング１４，３が締り嵌め状態にて取り付けられ、グロープラグの組立構造の一層の簡略化が図られている。
【００１２】
次に、第二ヒータ端子１２ｂは、軸線Ｏ方向において、第一ヒータ端子１２ａよりも前方側に配置され、第二端子リング３がヒータ保持リングに兼用されるとともに、該第二端子リング３に主体金具４が取り付けられている。この構成によると、第二端子リング３がヒータ保持リングに兼用されるので、部品点数が削減され、本発明のグロープラグをより安価に提供できる。
【００１３】
主体金具４は、具体的には、該第二端子リング３（ヒータ保持リング）の外周面に取り付けられている。これによると、主体金具４とセラミックヒータ１との間に介挿された第二端子リング３をスペーサとすることで、該第二端子リング３よりも後方側に突出させたセラミックヒータ１の後端部外周面と、主体金具４のヒータ保持面４ａよりも後方側の内周面との間に適度な隙間を形成することができる。これにより、セラミックヒータ１の後端部に第一端子リング１４を配置することが一層容易となる。
【００１４】
なお、主体金具４の第二端子リング３（ヒータ保持リング）に対する結合形態はこれに限られるものではない。例えば、図８においては、第二端子リング３の後端部に形成された拡径部３ａの内側に主体金具４の前端部を嵌合させ、その嵌合部分を締り嵌め嵌合あるいは溶接等により結合している。また、図９に示す態様では、第二端子リング３（ヒータ保持リング）の後端部外周面に主体金具４の前端部内周面を嵌合させるとともに、主体金具４の前端面を、第二端子リング３の外周面に形成された突出部（本実施形態では周方向の鍔状部である）の後端面に当接させることで、位置決めを図るようにしている。
【００１５】
また、図７に示すように、第二端子リング３（ヒータ保持リング）に相当する部分を主体金具４と一体形成し、その内周面４ａにおいてセラミックヒータ１の外周面を、締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。
【００１６】
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も第二端子リング３（ヒータ保持リング）の外周面に締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の組立工程を一層簡略化することができる。また、主体金具４のヒータ保持リングを第二端子リング３とする本態様では、該第二端子リング３に対する嵌合面が、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。
【００１７】
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。
【００１８】
この場合、リングの材質や肉厚ｔによっても昇温時に確保される緊束力のレベルは異なるが、図５に示すように、セラミックヒータ１から第一端子リング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、第一端子リング１４の内径をｄ１、同じく該分解状態における第一ヒータ端子１２ａの形成位置でのセラミックヒータ１の外径をｄ２として、ｄ２−ｄ１（以下、第一端子リング１４の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以上であって第一端子リング１４の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％以下の範囲に調整されていることが望ましい。また、セラミックヒータ１から第二端子リング３を取り外した分解状態において、第二端子リング３の内径をｄ１’、同じくセラミックヒータ１の外径をｄ２’として、ｄ２’−ｄ１’（以下、第二端子リング３の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）も同様に、８μｍ以上であって第二端子リング３の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％以下の範囲に調整されていることが望ましい。
【００１９】
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、前記温度範囲にリング３あるいは４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、分解後締め代を上記上限値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る。
【００２０】
第一端子リング１４及び第二端子リング３の材質としては、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Ｆｅ系合金を使用することが望ましい。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、抵抗溶接を採用することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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６（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。
【００３８】
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。
【００３９】
上記実施形態のグロープラグ５０においては、セラミックヒータ１への通電経路が、第二ヒータ端子１２ｂを主体金具４を介してエンジンブロックに接地する形で形成されていたが、主体金具４を通電経路形成に関与させない形で設けることもできる。図１０に示すグロープラグ１５０はその一例を示すもので、主体金具４は、第一ヒータ端子１２ａ，１８ａ及び第二ヒータ端子１２ｂ，１８ｂのいずれとも電気的に絶縁された形にてセラミックヒータ１を保持するものとされる。このように構成すると、セラミックヒータ１を含む電気回路系統の設計に柔軟性が付与され、グロープラグを用いた種々の付加機能回路を、随時切り換えて使用することが容易となる。
【００４０】
主体金具４をセラミックヒータ１と絶縁するためには、以下のような構成を採用すると好都合である。すなわち、図１０に示すように、セラミックヒータ１の外周面に対し、軸線Ｏ方向において第二端子リング３’よりも前方側に、該第二端子リング３’とは別体のヒータ保持リング３００を取り付け、主体金具４を該ヒータ保持リング３００に取り付けるようにする。第二端子リング３’には、樹脂等からなる絶縁被覆１６ａに覆われた第二金属リード部１６の前端部が抵抗溶接等により結合されている。他方、第一端子リング１４には、図２に同様に金属軸６との電気的結合を取るための金属リード部１７の前端部が結合されている。第二金属リード部１６は、これら金属リード部１７、金属軸６及び主体金具４とは絶縁された状態で、主体金具４の後端に導かれ、電気的な取り出し部を形成する。これにより、図示しない電源から、金属軸６、金属リード部１７、第一端子リング１４、抵抗発熱体１０、第二端子リング３’、金属リード部１６を経て通電がなされる。
【００４１】
上記のグロープラグ１５０においては、抵抗発熱体と一体化され、かつ自身の表面の一部をセラミックヒータの表面にイオン電流検出面として露出させるイオン電流検出電極部１５が設けられている。イオン電流検出電極部１５は、耐食性導電性材料、例えばＰｔないしその合金等の貴金属にて構成することができる。グロープラグ１５０は、エンジンの暖機が完了するまではヒータ１の通電発熱が継続されるが、暖機完了後には基本的に用済みとなる。そこで、上記のような構造付加により、グロープラグ１５０にをイオン電流検出プローブとして流用する工夫が図られている。エンジン始動時においては、抵抗発熱体１０を発熱用の電源に接続して通電発熱させることにより暖機を行なう一方、暖機が終了した後は、イオン電流発生用に電源及び通電経路の切り換えを行ない、接地されたエンジンブロック中の燃焼室内面とイオン電流検出電極部との間でイオン電流を発生させるようにする。なお、イオン電流の信号に不完全燃焼などの状況を反映した波形が検出された場合には、再度発熱用の電源に切り換えて抵抗発熱体を発熱させ、燃焼補助を行なうようにすることもできる。
【００４２】
図１１は、上記グロープラグ１５０を用いたイオン電流検出装置の電気的な構成の一例を示している。該装置では、セラミックヒータ１の一方の端子（ここでは金属軸６側）が電源側配線部５０１に接続され、他方の端子（第二金属リード部１６側）が接地側配線部５０２に接続されている。なお、各配線部５０１，５０２には、それら配線部が形成する導通路を各々開放／接続の間で切り換えるスイッチ部５３及び５３１が設けられている。これらはいずれも、エンジン制御部及びイオン電流検出部として機能するＥＣＵ（Engine Controlling Unit：ＣＰＵを主体に構成される）５２からの制御信号を受けて作動するリレー、あるいは無接点スイッチ部としてのパワートランジスタ、ＩＧＢＴ（InsulatedGate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）、サイリスタ等にて構成される。
【００４３】
他方、電源側配線部５０１のスイッチ部５３をバイパスする形にて、イオン電流測定配線部５０３が設けられている。該配線部５０３上には電流検出抵抗５２１と、該配線部が形成する導通路を開放／接続の間で切り換えるスイッチ部５３０が設けられている。スイッチ部５３０は、ＥＣＵ５２からの制御信号を受けて作動する機械接点式リレーあるいは無接点スイッチ部としてのフォトＭＯＳリレー等にて構成される。また、電流検出抵抗５２１の両端電圧の差が差動増幅器５２２により増幅され、イオン電流検出信号としてＥＣＵ５２に入力される。なお、５５は、車両に搭載されているバッテリーであり、発熱電源部として機能する。また、５２４は該バッテリー電圧に基づいてイオン発生電流を発生させるイオン発生電源部である。そして、スイッチ部５３，５３０，５３１は。電源切り換え部として機能する。また、ＥＣＵ５２には、エンジン冷却水の温度をモニタするための水温センサ５２５と、エンジン回転数をモニタするための回転数センサ５２６との各検出信号が入力されている。
【００４４】
エンジン始動時においては、ヒータ１を発熱用のバッテリー５５に接続して通電発熱させることにより、渦流室４５１内の暖機を行なう。このとき、ＥＣＵ５２は、スイッチ部５３，５３１を閉じて電源側配線部５０１及び接地側配線部５０２がバッテリー５５に直結された状態とし、スイッチ部５３０を開いてイオン電流検出用配線部５０３には電流が流れないようにする。そして、水温センサ５２５による冷却水温度が暖機温度に到達すれば、スイッチ部５３，５３１を開くとともにスイッチ部５３０を閉じ、イオン電流発生用に電源及び通電経路の切り換えを行なう。これにより、接地されたエンジンブロック中の渦流室４５１の内面と、セラミックヒータ１に設けられたイオン検出電極部１４（図１０）との間に、イオン発生電源部５２４によりイオン電圧が印加され、イオン放電流が発生する。
【００４５】
この状態にて渦流室４５１内に燃焼ガスが流入するとイオン放電流が変動し、燃焼状態を反映したイオン電流波形がイオン電流検出用配線部５０３に生ずる。この波形は、電流検出抵抗５２１により差動増幅器５２２を介してＥＣＵ５２により検出される。例えば、ＥＣＵ５２は、水温センサ５２５あるいは回転数センサ５２６により冷却水温度あるいはエンジン回転数をモニタし、水温が低すぎたりあるいはエンジン回転数が低すぎたりした場合は、暖機不十分と判断して、再びスイッチ部５３０を開き、スイッチ部５３，５３１を閉じる処理を行なってヒータ１を一定時間発熱させ、暖機予熱を行なうようにする。
【００４６】
【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。
【００４７】
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、セラミックヒータ１への組み付け前の外径をｄ２ｉとして、ｄ２ｉ−ｄ１ｉにて規定される初期締め代が５〜２５０μｍ（セラミックヒータ１の外径に対し、０．１４〜７．１％）の種々の値となるように調整したものを用意した。他方、第二端子リング３の肉厚は０．８５ｍｍとし、その内径ｄ１ｉ’は、第一端子リング１４と同様に定義された初期締め代が５０μｍとなるように固定的に設定した。
【００４８】
そして、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））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。
【００４９】
そして、圧入後の第一端子リング１４及び第二端子リング３間の直列抵抗を測定し、予め測定済みのセラミックヒータ１の固有抵抗を減ずることによりリングとヒータ端子との接触抵抗の値を求めた。また、第一端子リング１４の初期締め代を５０μｍとしたものについては、前記したろう付けによる比較例品とともに、室温（２０℃）から４００℃までの種々の温度での、第一端子リング１４及び第二端子リング３間の直列抵抗値を測定した。
【００５０】
そして、上記の抵抗測定が終了後、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から取り外し、前記した分解後締め代を測定した。なお、分解後締め代は、端子リングの取り外しを容易に行なうことができたものは、取り外した端子リングの内径と、セラミックヒータ１の外径とを直接測定して分解後締め代を算出した。他方、端子リングの取り外しが困難であったものは、以下のようにして測定を行なった。まず、端子リングを内側のセラミックヒータ１とともに縦に２つに切断して分解し、切断後の端子リングとセラミックヒータ１との各断片の内周面及び外周面形状をレーザー式３次元形状測定機にて測定した。そして、その測定プロファイルから各周面の弧状の外形線断片を抽出し、それら外形線断片を円周補間して切断前の周面を推定復元し、該復元された各周面の内径及び外径から分解後締め代を算出した。図１２は、第一端子リング１４及び第二端子リング３の初期締め代と分解後締め代との関係を示すものであるが、初期締め代が１０μｍを超えるとリングに生ずる塑性変形が顕著となり、分解後に弾性的に復帰可能な変形量が減少する結果、分解後締め代の増加が鈍るようになる。そして、初期締め代が５０μｍ以上になると分解後締め代はほとんど増加しなくなり、分解後締め代の最大化のために必要十分な初期締め代の値がおおむね５０μｍ程度であることがわかる。また、図１３に示すように、分解後締め代の値を８μｍ以上に確保することで、接触抵抗値を顕著に減少させることができ、良好な導通状態が得られていることがわかる。そして、図１４は、初期締め代の値として５０μｍを採用した場合の直列抵抗値の温度依存性を示すが、接触不良等を本質的に起こしにくいろう付け接合品と比較しても、その傾向はほとんど同じであり、締り嵌め嵌合を採用しているにもかかわらず、ろう付け品と何ら遜色ない導通状態が得られていることがわかる。なお、
【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】同じく第三変形例を示す要部縦断面図。
【図９】同じく第四変形例を示す要部縦断面図。
【図１０】同じく第五変形例を示す要部縦断面図。
【図１１】図１０のグロープラグを用いたイオン電流検出装置の一例を示す回路図。
【図１２】実施例の実験結果を示す第一のグラフ。
【図１３】同じく第二のグラフ。
【図１４】同じく第三のグラフ。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
２先端部
３，３’ 第二端子リング
４主体金具
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
１２ｂ第二ヒータ端子
１４第一端子リング
１７金属リード部
５０，１５０グロープラグ
３００ヒータ保持リング

Claims

棒状の形態を有するとともに自身の先端部（２）に抵抗発熱体（１１）が埋設され、また、前記抵抗発熱体に通電するための第一ヒータ端子（１２ａ，１８ａ）が自身の後端部外周面に露出形成されたセラミックヒータ（１）と、
筒状に形成されるとともに、前記セラミックヒータ（１）を、前記後端部及び前記先端部（２）をそれぞれ軸線（Ｏ）方向において突出させる形で自身の内側に保持するヒータ保持リング（３，３００）と、
内燃機関への取付部（５）が外周面に形成され、前記ヒータ保持リング（３，３００）に結合される筒状の主体金具（４）と、
前記第一ヒータ端子（１２ａ）を覆う形で前記セラミックヒータ（１）の後端部外周面に圧入による締り嵌め状態にて取り付けられることにより、前記第一ヒータ端子（１２ａ）と直接導通する金属製の第一端子リング（１４）と、
一端が前記第一端子リング（１４）に結合された金属リード部（１７）と、
を備えたことを特徴とするグロープラグ（５０）。
前記セラミックヒータ（１）の外周面において、前記軸線（Ｏ）方向において前記第一ヒータ端子（１２ａ，１８ａ）と異なる位置に、前記抵抗発熱体に通電するための第二ヒータ端子（１２ｂ，１９ａ）が露出形成され、
該第二ヒータ端子（１２ｂ，１９ａ）を覆うとともにこれと導通する第二端子リング（３）が、前記セラミックヒータ（１）の前記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）の外周面に圧入による締り嵌め状態にて取り付けられている請求項１記載のグロープラグ（５０）。
前記第二ヒータ端子（１２ｂ，１９ａ）は、前記軸線（Ｏ）方向において、前記第一ヒータ端子（１２ａ，１８ａ）よりも前方側に配置され、前記第二端子リング（３）が前記ヒータ保持リングに兼用され、該第二端子リング（３）に前記主体金具（４）が取り付けられている請求項２に記載のグロープラグ（５０）。
前記主体金具（４）の後端部に金属軸（６）が配置され、
前記金属リード部（１７）の他端が該金属軸（６）に結合されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のグロープラグ（５０）。
前記主体金具（４）は、前記第一ヒータ端子（１２ａ，１８ａ）及び前記第二ヒータ端子（１２ｂ，１８ｂ）のいずれとも電気的に絶縁された形にて前記セラミックヒータ（１）を保持するものである請求項２に記載のグロープラグ（５０）。
前記セラミックヒータ（１）の外周面には、前記軸線（Ｏ）方向において前記第二端子リング（３）よりも前方側に、該第二端子リング（３）とは別体のヒータ保持リング（３００）が取り付けられ、前記主体金具（４）が該ヒータ保持リング（３００）に取り付けられている請求項５記載のグロープラグ（１５０）。
前記主体金具（４）が前記ヒータ保持リング（３，３００）の外周面に締り嵌め状態にて取り付けられている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のグロープラグ（５０）。
前記セラミックヒータ（１）から前記第一端子リング（１４）を取り外した分解状態において、前記第一端子リング（１４）の内径をｄ１、同じく該分解状態における前記第一ヒータ端子（１２ａ）の形成位置での前記セラミックヒータ（１）の外径をｄ２としてｄ２−ｄ１が、８μｍ以上であって前記第一端子リング（１４）の取付位置における前記セラミックヒータ（１）の外径の２％以下の範囲に調整されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載のグロープラグ（５０）。
前記セラミックヒータ（１）から前記第二端子リング（３）を取り外した分解状態において、前記第二端子リング（３）の内径をｄ１’、同じく前記セラミックヒータ（１）の外径をｄ２’としてｄ２’−ｄ１’が、８μｍ以上であって前記第二端子リング（３）の取付位置における前記セラミックヒータ（１）の外径の２％以下の範囲に調整されている請求項２ないし８のいずれか１項に記載のグロープラグ（５０）。
前記第一端子リング（１４）がビッカース硬さ１７０以上のＦｅ系合金にて構成されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載のグロープラグ（５）。
前記第二端子リング（３）がビッカース硬さ１７０以上のＦｅ系合金にて構成されている請求項２ないし１０のいずれか１項に記載のグロープラグ（５）。