JP6117043B2 - ヒータユニットおよびそれを備えたグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、通電によって発熱する発熱部を埋設したヒータユニットおよびそれを備えたグロープラグに関する。

円柱状の基体の先端部に、通電によって発熱する発熱部を埋設するセラミックヒータを備え、ディーゼルエンジンの始動補助やＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の再生等に用いるグロープラグが知られている。グロープラグは、金属製で筒状の主体金具の先端部にセラミックヒータを保持し、発熱部の一方の電極部が主体金具と電気的に接続されている。また、主体金具の軸孔内に、主体金具とは絶縁した状態で配置する金属製の中軸に、発熱部の他方の電極部が電気的に接続されている。グロープラグは、主体金具と中軸との間への通電によって発熱部が発熱し、ディーゼルエンジンの始動を補助したり、ＤＰＦに導入する排気ガスを加熱したりする用途に用いられる。

セラミックヒータは、後端部において、発熱部への通電のための電極部を側周面に露出させた状態に形成される。セラミックヒータは、主体金具の先端に接合するヒータ保持用の外筒内に配置され、ロウ付けによって、外筒に保持される（例えば特許文献１参照）。セラミックヒータの側周面に露出する電極部は、ロウ材を介して外筒と電気的に接続することで、外筒を介し、主体金具と導通状態になる。

特開２００４−２８４１３号公報

しかしながら、近年のディーゼルエンジンの高性能化に伴いグロープラグにかかる熱負荷が従来よりも高くなった。このため、外筒およびロウ材がセラミックヒータの基体と比べて従来よりも大きく熱膨張し、セラミックヒータに対して働く引っ張り応力が大きくなった。セラミックヒータの側周面に露出する電極部は基体と比べて硬度が低く、ロウ材が、電極部との接合部位にて電極部を引っ張ることによって電極部と基体との界面に応力が集中し、電極部が破損してしまう虞が生じた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ロウ材の熱膨張に伴う電極部の破損を防止できるヒータユニットおよびそれを備えたグロープラグを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、軸線方向に延びる筒状の外筒と、ロウ付けによって前記外筒の内部に保持され、且つ、保持位置において、自身の側周面に露出する第一電極部が、ロウ材を介し、前記外筒と電気的に接続するセラミックヒータと、を有するヒータユニットであって、前記セラミックヒータは、絶縁性セラミックからなり、前記軸線方向に延びる柱状の基体と、前記基体の先端部に埋設され、通電によって発熱する発熱部と、前記基体に埋設され、前記発熱部の両端にそれぞれ接続し、前記軸線方向に沿って前記基体の後端側へ向けて延びる一対のリード部と、前記基体に埋設され、前記基体の後端部において、前記一対のリード部のうちの一方のリード部と接続し、前記基体の前記側周面に露出する第一露出面を有する前記第一電極部と、を備え、前記基体の軸線と前記第一電極部とを含む断面を見たときに、前記基体の径方向において、前記第一露出面の位置は、全体が、前記基体の前記側周面の位置よりも内側に位置し、且つ、前記基体は、前記側周面と、前記第一電極部の前記第一露出面とをテーパ状に接続するテーパ面をさらに備えたことを特徴とするヒータユニットが提供される。

ヒータユニットがエンジン等から受ける熱負荷によってロウ材が熱膨張して伸張する場合、第一電極部がロウ材に引っ張られることによって、第一電極部と基体との界面に応力が集中する。第一電極部は、少なくとも露出面の一部が基体の側周面よりも径方向内向きに凹んだ位置にある。すなわち、第一電極部の露出面の少なくとも一部を底壁とし、基体を側壁とする凹み内で、第一電極部がロウ材と接合する形態である。ゆえに、ロウ材が熱膨張した場合、凹み内においては側壁を構成する基体がロウ材の伸張を抑制するため、第一電極部がロウ材から加えられる引っ張り応力が低減するので、第一電極部の破損を防止することができる。

第一電極部の露出面の全体が基体の側周面よりも径方向内向きに凹んだ位置にあれば、第一電極部は、第一電極部の露出面の全部を底壁とし、基体を側壁とする凹み内で、ロウ材と接合する形態にすることができる。ゆえに、ロウ材が熱膨張した場合、凹み内においては側壁を構成する基体がロウ材の伸張を抑制し、第一電極部の全体に対してロウ材から加えられる引っ張り応力が低減するので、より確実に、第一電極部の破損を防止することができる。

ロウ材が熱膨張により伸張する場合に、第一電極部における凹み内の側壁と基体の側周面とがなす稜角部分にも応力が集中する。凹みの側壁を構成する部分をテーパ面に形成することによって、上記稜角部分は断面が鈍角によって構成されるので、ロウ材の熱膨張に伴う応力に対する耐性が向上し、破損を防止することができる。

第１態様において、前記第一電極部は、セラミック材料を含んで形成されてもよい。第一電極部がセラミック材料を含むことで、第一電極部は剛性を高めることができる。ゆえに、ロウ材が熱膨張によって伸張した場合に、第一電極部は、ロウ材から受ける引っ張り応力に対して十分に耐えることができ、第一電極部の破損を防止することができる。

第１態様において、前記セラミックヒータは、前記基体に埋設され、前記基体の後端部において、前記一対のリード部のうちの他方のリード部と接続し、前記第一電極部よりも前記軸線方向の後端側で前記基体の前記側周面に露出する第二露出面を有する第二電極部をさらに備え、前記基体の軸線と前記第二電極部とを含む断面を見たときに、前記基体の径方向において、前記第二露出面の位置は、少なくとも一部が前記基体の前記側周面の位置よりも内側に位置してもよい。第一電極部と同様に、第二電極部も、露出面の少なくとも一部を底壁とし、基体を側壁とする凹み内で、第二電極部がロウ材と接合する形態である。ゆえに、ロウ材が熱膨張した場合、凹み内においては側壁を構成する基体がロウ材の伸張を抑制するため、第二電極部がロウ材から加えられる引っ張り応力が低減するので、第二電極部の破損を防止することができる。

第１態様において、前記第二電極部は、セラミック材料を含んで形成されてもよい。第二電極部がセラミック材料を含むことで、第二電極部は剛性を高めることができる。ゆえに、ロウ材が熱膨張によって伸張した場合に、第二電極部は、ロウ材から受ける引っ張り応力に対して十分に耐えることができ、第二電極部の破損を防止することができる。

本発明の第２態様によれば、請求項１または２に記載のヒータユニットと、前記軸線方向に延びる筒状をなし、自身の先端部において、前記ヒータユニットを保持する主体金具と、前記主体金具内を前記軸線方向に沿って延びる棒状をなし、前記セラミックヒータの後端部に接続し、前記一対のリード部のうちの他方のリード部と電気的に接続する中軸と、を備え、前記セラミックヒータは、前記第一電極部が、ロウ材を介し、前記主体金具と電気的に接続することを特徴とするグロープラグが提供される。グロープラグが請求項１または２に記載のヒータユニットを備えることで、第１態様と同様に、セラミックヒータの第一電極部の破損を防止することができる。

本発明の第３態様によれば、請求項３または４に記載のヒータユニットと、前記軸線方向に延びる筒状をなし、自身の先端部において、前記ヒータユニットの前記外筒を保持する主体金具と、環状をなし、ロウ付けによって、前記セラミックヒータの前記軸線方向における前記第二電極部の形成位置を含む部分を保持する環状部材と、前記主体金具内を前記軸線方向に沿って延びる棒状をなし、前記環状部材と接続する中軸と、を備え、前記セラミックヒータは、前記第一電極部と前記第二電極部とが、それぞれロウ材を介し、前記主体金具と前記環状部材とに電気的に接続することを特徴とするグロープラグが提供される。グロープラグが請求項３または４に記載のヒータユニットを備えることで、第１態様と同様に、グロープラグが備えるセラミックヒータの第一電極部および第二電極部の破損を防止することができる。

グロープラグ１の縦断面図である。 図１の二点鎖線Ｊで示す円の部分を拡大したセラミックヒータ２の部分断面図である。 図２の二点鎖線Ｋで示す円に含まれるセラミックヒータ２の部分断面図である。 セラミックヒータ２の製造過程について説明するための図である。 グロープラグ１の製造過程について説明するための図である。 電極取出部２２５付近を拡大したセラミックヒータ２０２の断面図を示す変形例である。 電極取出部３２５付近を拡大したセラミックヒータ３０２の断面図を示す変形例である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１を参照し、本発明に係るセラミックヒータ２を備えるグロープラグ１の全体の構造について説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。以下の説明では主体金具４の軸線を軸線ＡＸとし、軸線ＡＸを、主体金具４に組み付けられた、グロープラグ１を構成する各部品の位置関係や向き、方向を説明する上での基準とする。軸線ＡＸの延伸方向（以下、「軸線ＡＸ方向」ともいう）において、セラミックヒータ２が配置された側（図１における下側）をグロープラグ１の先端側とする。

図１に示すグロープラグ１は、例えば直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室（図示外）に取り付けられ、エンジン始動時の点火を補助する熱源として利用される。グロープラグ１は、主体金具４と、外筒８と、セラミックヒータ２と、中軸３と、接続端子５と、絶縁部材６と、Ｏリング７と、接続リング７５を備える。

まず、セラミックヒータ２について説明する。セラミックヒータ２は丸棒状をなし、先端部（以下、「ヒータ先端部」という）２２が半球状に曲面加工された絶縁性セラミックからなる基体２１を有する。セラミックヒータ２は基体２１の内部に、導電性セラミック（例えば窒化ケイ素と炭化タングステンの複合材料）からなる断面略Ｕ字状の発熱素子２４を埋設する。発熱素子２４は、発熱部２７とリード部２８，２９を有する。発熱部２７はヒータ先端部２２に位置し、ヒータ先端部２２の曲面にあわせて両端が後方へ向けて折り返す形状を有する。リード部２８，２９は発熱部２７の両端にそれぞれ接続し、セラミックヒータ２の後端部（以下、「ヒータ後端部」という）２３へ向けて互いに略平行に延びる。発熱部２７の断面積はリード部２８，２９の断面積よりも小さく成形されており、通電時、主に発熱部２７において発熱が行われる。

また、リード部２８，２９は、セラミックヒータ２の中央より後端側において径方向外向きに突出する電極取出部２５，２６をそれぞれ有する。電極取出部２５，２６は軸線ＡＸ方向において互いにずれた位置に設けられ、それぞれセラミックヒータ２の側周面２０に露出する。電極取出部２５，２６の詳細については後述する。

次に、外筒８について説明する。外筒８は軸線ＡＸ方向に延びる円筒状の金属部材である。外筒８は、ロウ付けによって、セラミックヒータ２の胴部分を筒孔８４内に保持する。ヒータ先端部２２およびヒータ後端部２３は、外筒８の両端からそれぞれ露出する。外筒８の胴部８１の後端側には、肉厚の鍔部８２が形成されている。鍔部８２は後端に、後述する主体金具４の先端部（以下、「金具先端部」という）４１に係合する段状の金具係合部８３を有する。セラミックヒータ２の電極取出部２５，２６のうち先端側に形成された電極取出部２５は、外筒８の筒孔８４の内周面に接触し、外筒８と電気的に接続する。

外筒８の金具係合部８３から後端側に露出するヒータ後端部２３には、金属製で筒状の接続リング７５が配置される。接続リング７５は、外筒８とは接触しない位置で、ロウ付けによって、ヒータ後端部２３に固定される。セラミックヒータ２の電極取出部２６は接続リング７５の内周面に接触し、接続リング７５と電気的に接続する。後述する主体金具４の金具先端部４１が外筒８の金具係合部８３と接合することによって、電極取出部２５は、外筒８を介して主体金具４と電気的に接続する。電極取出部２６に接続する接続リング７５は主体金具４内に配置されるが、外筒８がセラミックヒータ２と主体金具４を非接触の状態に位置決めする。よって接続リング７５は主体金具４に接触せず、絶縁される。

次に、主体金具４について説明する。主体金具４は、軸線ＡＸ方向に貫通する軸孔４３を有する長細い筒状の金属部材である。金具先端部４１は外筒８の金具係合部８３に係合し、外筒８を介してセラミックヒータ２の電極取出部２５と電気的に接続する。金具先端部４１と金具係合部８３との合わせ部位にはレーザ溶接が施され、主体金具４は外筒８と一体に接合する。金具先端部４１と後端部（以下、「金具後端部」という）４５との間の金具胴部４４は軸線ＡＸ方向に長く形成されている。金具胴部４４は、後端側の外周面に、グロープラグ１を内燃機関のエンジンヘッド（図示外）に取り付けるためのねじ山が形成された取付部４２を有する。金具後端部４５は、グロープラグ１をエンジンヘッドに取り付ける際に使用される工具が係合する工具係合部４６を備える。工具係合部４６は、軸線ＡＸに対する断面の形状が、例えば六角形状をなす。軸孔４３は、工具係合部４６内で内径が金具胴部４４よりも拡大されており、径の異なる部位間を、先端側へ向けてテーパ状に先細るテーパ部４７が接続する。

次に、中軸３について説明する。中軸３は軸線ＡＸ方向に延びる棒状の金属部材である。中軸３は主体金具４の軸孔４３を挿通し、軸孔４３の内周面に対し間隙をおいて、すなわち非接触の状態で、軸孔４３内に配置される。中軸３は、先端部（以下、「中軸先端部」という）３１が拡径し、さらにその先端に、接続リング７５の内周に係合するため小径のリング係合部３４を備える。リング係合部３４と接続リング７５とが係合した状態で、中軸先端部３１と接続リング７５との合わせ部位にレーザ溶接が施されることで、中軸先端部３１は接続リング７５と一体に接合する。すなわち中軸３は、接続リング７５を介し、軸線ＡＸに沿ってセラミックヒータ２と一体に連結する。これにより中軸３は、接続リング７５を介してセラミックヒータ２の電極取出部２６と電気的に接続する。したがって、主体金具４と中軸３とが、セラミックヒータ２の発熱部２７に電圧を印加するための電極として機能する。

中軸３の後端部（以下、「中軸後端部」という）３２は、主体金具４の後端（換言すれば、金具後端部４５）から突出する。中軸後端部３２は、外周面の全体に、後述する接続端子５を加締めて電気的な接続を確保するためのローレット状の表面加工が施された取付部３３を有する。中軸先端部３１と中軸後端部３２との間の中軸胴部３５は、軸孔４３内で軸線ＡＸ方向に長く延びる。

中軸胴部３５の中軸後端部３２寄りの部位は、主体金具４の工具係合部４６内で軸孔４３の内径が拡大された部位に位置する。この部位において、中軸胴部３５と金具後端部４５との間には、Ｏリング７と絶縁部材６が配置される。Ｏリング７は、耐熱性、絶縁性および弾性を有する部材、例えばフッ素ゴム、アクリルゴム、シリコンゴム等を材料に、円環状に形成される。Ｏリング７は主体金具４の軸孔４３のテーパ部４７におけるテーパ面と、中軸３の外周面と、後述の絶縁部材６の先端面とに当接して配置され、軸孔４３の気密性を保つ。

絶縁部材６は、主体金具４と中軸３および接続端子５（後述）との接触による短絡を防止するため、例えばナイロン（登録商標）等、耐熱性および絶縁性を有する部材から形成される筒体である。絶縁部材６は内部に中軸後端部３２を挿通した状態で中軸胴部３５に配置される。絶縁部材６は後端側に形成された鍔部６１が主体金具４の後端に当接することで位置決めされ、主体金具４と中軸３とを絶縁状態に維持する。中軸後端部３２の取付部３３は、絶縁部材６よりも更に後方に配置される。

接続端子５は中軸３の中軸後端部３２に固定するキャップ形状の金属部材である。接続端子５は、鍔部５１、固定部５２、突起部５３を備える。固定部５２は先端面が開口する有底筒状を有する。鍔部５１は、固定部５２の先端側の側面において、一周にわたって径方向外向きに突出する。突起部５３は、固定部５２の後端から後方へ向けてピン状に突出する。接続端子５は、中軸後端部３２に被せて取付部３３に嵌め込んだ状態で、固定部５２における外周面の少なくとも一部を内向きに加締めることによって、中軸３に固定される。接続端子５は絶縁部材６を軸線ＡＸ方向先端側へ向けて押圧した状態で固定される。絶縁部材６は、主体金具４の工具係合部４６内において、先端面でＯリング７を先端向きに押圧した状態で位置決め固定される。Ｏリング７は、絶縁部材６に押圧され、上記のように、軸孔４３のテーパ部４７におけるテーパ面と、中軸３の外周面とに当接し、軸孔４３の気密性を確保する。

接続端子５の突起部５３には、グロープラグ１がエンジンヘッド（図示外）に取り付けられる際に、プラグキャップ（図示外）が嵌められる。セラミックヒータ２の発熱素子２４は、外筒８および主体金具４を介してエンジンに接地される発熱部２７の一端側と、接続端子５および中軸３を介してプラグキャップに接続される他端側との間に通電されることによって、発熱する。

このような構成を有する本実施形態のグロープラグ１において、セラミックヒータ２は、上記したようにロウ付けによって外筒８に保持され、ヒータ後端部２３に接続リング７５が固定される。従来よりも高い熱負荷がかかる使用環境において、電極取出部２５，２６の破損を防止するため、本実施形態において、セラミックヒータ２は以下に説明する構成を有する。

図２に示すように、軸線ＡＸと電極取出部２５，２６を含むセラミックヒータ２の断面において、セラミックヒータ２の電極取出部２５，２６は、それぞれ、リード部２８，２９から径方向外向きに突出する。電極取出部２５，２６は、それぞれセラミックヒータ２の側周面２０に露出する露出面１５，１６を有する。

図３に示すように、軸線ＡＸおよび電極取出部２５を含むセラミックヒータ２の断面をみたときに、軸線ＡＸに対する径方向において、基体２１の側周面２０の位置をＱとする。軸線ＡＸに対する径方向において、電極取出部２５の露出面１５の位置をＰとしたとき、露出面１５の位置Ｐは、側周面２０の位置Ｑよりも径方向の内側（軸線ＡＸ寄り）に位置する。言い換えると、電極取出部２５の露出面１５は、基体２１の側周面２０において、側周面２０よりも径方向内向きに凹んだ位置に形成されている。そして、露出面１５の周囲は、側周面２０と露出面１５とをテーパ状に接続するテーパ面１７によって囲われている。

前述したように、セラミックヒータ２は、図２に示すように、外筒８の筒孔８４内に配置され、ロウ付けによって、外筒８に径方向に保持される。すなわち、セラミックヒータ２の基体２１の側周面２０と、外筒８の筒孔８４の内周面との間には、ロウ材９１が介在する。ロウ材９１は、セラミックヒータ２の側周面２０と、外筒８の筒孔８４の内周面とにそれぞれ接合し、筒孔８４内でセラミックヒータ２を位置決めし、固定する。また、図３に示すように、ロウ材９１は、電極取出部２５の露出面１５およびテーパ面１７が基体２１の側周面２０に対して形成する凹み部９６内にも配置され、電極取出部２５と接合する。これにより、電極取出部２５と外筒８とは、ロウ材９１を介し、電気的に接続し、主体金具４が外筒８を介してセラミックヒータ２と導通する。

ところで、グロープラグ１がエンジン等から熱負荷を受けると、外筒８およびロウ材９１が、セラミックヒータ２の基体２１と比べて大きく熱膨張し、セラミックヒータ２に対して引っ張り応力が大きく働く。ロウ材９１が熱膨張により軸線ＡＸ方向に伸張する場合、セラミックヒータ２の基体２１の側周面２０に露出する電極取出部２５は、ロウ材９１によって引っ張られて軸線ＡＸ方向に広げられ、電極取出部２５と基体２１との界面に応力が集中する。本実施形態のセラミックヒータ２は、電極取出部２５を基体２１の側周面２０に対して凹んだ状態に形成したことによって、ロウ材９１が熱膨張した場合において電極取出部２５に加わる引っ張りの応力を低減し、電極取出部２５の破損を防止することができる。

具体的に、図３に示すように、熱膨張によってロウ材９１が軸線ＡＸ方向に伸張する場合、電極取出部２５における凹み部９６内よりも径方向外側の位置では、矢印Ａ１で示すように、ロウ材９１が軸線ＡＸ方向に広がるように大きく伸張する。凹み部９６内におけるロウ材９１は、上記同様、軸線ＡＸ方向に伸張し、電極取出部２５を軸線ＡＸ方向に広げる。電極取出部２５の露出面１５は周囲をテーパ面１７が囲う構成であるため、凹み部９６内におけるロウ材９１の伸張は、矢印Ａ２で示すように、テーパ面１７によって遮られる。すなわち、凹み部９６内におけるロウ材９１は、凹み部９６外と比べて熱膨張による伸張が抑制される。したがって、熱膨張による伸張に伴いロウ材９１が電極取出部２５に加える引っ張り応力は、凹み部９６が非形成の場合と比べ、抑制される。よって、ロウ材９１の熱膨張に伴い生ずる電極取出部２５と基体２１との界面における応力は緩和され、電極取出部２５の破損が防止される。テーパ面１７は、上記のように、露出面１５の周囲に形成されているので、ロウ材９１が軸線ＡＸ方向のみならず、例えば軸線ＡＸに対する周方向に伸張した場合でもロウ材９１の伸張を抑制でき、電極取出部２５の破損を防止することができる。

また、ロウ材が熱膨張により伸張する場合に、凹み部９６における側壁を構成するテーパ面１７と、基体２１の側周面２０とがなす稜角部分にも応力が集中する。電極取出部２５の露出面１５の周囲にテーパ面１７が形成されたことによって、稜角部分は断面が鈍角によって構成される。これにより、ロウ材９１の熱膨張に伴う応力に対し、稜角部分の耐性が向上するので、稜角部分の破損を防止することができる。

なお、本実施形態では、電極取出部２５の露出面１５の位置Ｐと、基体２１の側周面２０の位置Ｑとの間の大きさＤを、０．１〜５０μｍに設定している。位置Ｐと位置Ｑとの間の大きさＤが０．１μｍ未満の場合、凹み部９６外において伸張するロウ材９１が電極取出部２５に与える引っ張りの応力を、基体２１のテーパ面１７によって十分に緩和できず、電極取出部２５と基体２１との界面に応力が集中して電極取出部２５の破損を招く虞がある。位置Ｐと位置Ｑとの間の大きさＤが５０μｍより大きい場合、グロープラグ１の製造過程において外筒８の筒孔８４の内周面とセラミックヒータ２の基体２１の側周面２０との間にロウ材９１を流し込んだ場合に、ロウ材９１が凹み部９６内を満たせず、ロウ材９１と電極取出部２５との接合が不十分になる虞がある。

また、図２に示すように、電極取出部２６は、電極取出部２５と同様の構成を有する。電極取出部２６の露出面１６は、基体２１の側周面２０において、凹んだ位置に形成されている。露出面１６の周囲は、側周面２０と露出面１６とをテーパ状に接続するテーパ面１８によって囲われている。接続リング７５内にセラミックヒータ２のヒータ後端部２３を配置し、ロウ付けによって、ヒータ後端部２３に接続リング７５が固定される。すなわち、ヒータ後端部２３における基体２１の側周面２０と、接続リング７５の内周面との間にロウ材９２が介在する。ロウ材９２は、電極取出部２６の露出面１６およびテーパ面１８が基体２１の側周面２０に対して形成する凹み部９７内にも配置され、電極取出部２６と接合する。電極取出部２６と接続リング７５とはロウ材９２を介して電気的に接続し、中軸３が接続リング７５を介してセラミックヒータ２と導通する。そして、上記同様、セラミックヒータ２の径方向において、電極取出部２６の露出面１６の位置と、基体２１の側周面２０の位置との間の大きさも０．１〜５０μｍに設定されている。

このようなセラミックヒータ２は、概略、以下のように作製する。まず、「形成工程」において、図４示すように、導電性のセラミック粉末やバインダ等を原料とし、射出成形によって、セラミックヒータ２の発熱素子２４（図１参照）の原形となる素子成形体１１０を形成する。素子成形体１１０は、略Ｕ字形状の未焼成の発熱部１１１の両極に未焼成のリード部１１５，１１６を接続し、リード部１１５とリード部１１６を略平行に配置して形成する。リード部１１５，１１６の末端に、両者を接続するサポート部１１９を設け、素子成形体１１０を環状にして強度を得ることで、製造時の取扱容易性を確保する。研磨後に基体２１（図１参照）の側周面２０に露出され、グロープラグ１の外筒８および接続リング７５との電気的な接続を担う、未焼成の電極取出部１２５，１２６を、それぞれリード部１１５，１１６に形成する。

また、バインダ等の添加剤を添加した絶縁性セラミックの原料粉末を材料としてプレス成形を行い、未焼成の基体１２０を作製する。基体１２０は、半割状の成形体として一対の平板に成形し、対向する合わせ面に、素子成形体１１０を収容するための凹部１２１を形成する。なお、基体１２０の合わせ面とは反対側の外側面において、長手方向の角部を面取りしている。素子成形体１１０を半割の基体１２０の凹部１２１内に配置し、対の半割の基体１２０で挟み、基体１２０内に収容する。さらに図示外のプレス機にてプレス加工を施し、素子成形体１１０と基体１２０を一体にした複合成形体１３０を成形する。複合成形体１３０に、窒素雰囲気下で８００℃、１時間の脱バインダ処理を施す。

次に「焼成工程」において、公知のホットプレス法による複合成形体１３０の焼成を行う。複合成形体１３０を図示しない成形型に径方向に挟み、圧縮して変形させながら加熱する。複合成形体１３０を焼成することによって、焼成体１４０が形成される。

次に「研磨工程」において、焼成体１４０の後端側の端面の切断と、センタレス研磨を行う。焼成体１４０の素子成形体１１０にサポート部１１９を設けた側の端面を切断し、サポート部１１９を除去する。そして公知のセンタレス研磨機を用い、焼成体１４０の外周を研磨する。焼成体１４０の八角形の外周を円形に研磨することによって、セラミックヒータ２の基体２１の側周面２０を形成する。また、焼成体１４０の外周の研磨によって、リード部２８，２９からそれぞれ突出する電極取出部２５，２６が側周面２０から露出される。さらに、焼成体１４０の発熱部２７を設けた側の端部（ヒータ先端部２２）を半球状に研磨する。また、基体２１のヒータ先端部２２側の側周面２０において、側周面２０がヒータ先端部２２側へ向けて先細るテーパ状になるように、側周面２０を研磨する。

次に「凹部形成工程」において、電極取出部２５，２６の露出面１５，１６が、それぞれ、側周面２０よりも０．１〜５０μｍの範囲で径方向内向きに凹んだ位置に配置されるように、電極取出部２５，２６を切削する。電極取出部２５，２６の切削によって残った側周面２０の稜角部分を削り、露出面１５，１６の周囲を囲んで露出面１５，１６と側周面２０とを接続するテーパ面１７，１８を形成する。このようにして、電極取出部２５，２６が凹部形状をなすセラミックヒータ２を作製する。

そして、セラミックヒータ２を備えるグロープラグ１は、概略、以下のように組み立てる。「ヒータ配置工程」では、図５に示すように、セラミックヒータ２をヒータ後端部２３における矢印Ｎで示す位置にて治具（図示略）で保持する。所定の形状に成形した外筒８の筒孔８４内に、セラミックヒータ２を挿通する。環状に形成したロウ付け前の状態のロウ材９１を、ヒータ後端部２３側からセラミックヒータ２に嵌め込み、外筒８の金具係合部８３の後端面に配置する。また、ヒータ後端部２３に、ステンレス等の鋼材をパイプ状に成形した接続リング７５を外嵌めして配置する。接続リング７５内に、環状に形成したロウ付け前の状態のロウ材９２を挿入してセラミックヒータ２の後端面に配置する。接続リング７５は、外筒８に接触しないようにヒータ後端部２３を保持する治具で位置決めする。

「ロウ付け工程」では、外筒８の金具係合部８３の後端面に配置したロウ材９１、および、セラミックヒータ２の後端面に配置したロウ材９２を加熱する。ロウ材９１は溶融し、外筒８の筒孔８４の内周面と、セラミックヒータ２の基体２１の側周面２０との間に流れ込む。ロウ材９１は、冷却によって固化すると、外筒８の筒孔８４の内周面と、基体２１の側周面２０とをロウ付けによって接合する。ロウ材９１は、電極取出部２５における凹み部９６（図３参照）内にも流れ込み、外筒８と電極取出部２５との間に介在して両者を電気的に接続する。ロウ材９２も同様に加熱によって溶融し、接続リング７５の内周面と、ヒータ後端部２３における基体２１の側周面２０との間に流れ込む。ロウ材９２は冷却によって固化し、接続リングの内周面と、基体２１の側周面２０とをロウ付けによって接合する。ロウ材９２は、電極取出部２６における凹み部９７（図３参照）内にも流れ込み、接続リング７５と電極取出部２６との間に介在して両者を電気的に接続する。なお、電気的な導通を安定化させるために、接続リング７５の内周面にはＡｕやＣｕ等のめっきを施すとよい。

なお、ロウ付け工程では、外筒８および接続リング７５のセラミックヒータ２へのロウ付けを同時に行ってもよいが、外筒８とセラミックヒータ２のロウ付けを行ってから、ヒータ後端部２３へのロウ付けによる接続リング７５の固定を行ってもよい。あるいは、ヒータ後端部２３へのロウ付けによる接続リング７５の固定を行った後、外筒８とセラミックヒータ２のロウ付けを行ってもよい。

次に「中軸接合工程」において、セラミックヒータ２と外筒８とが一体となったヒータ一体部材１５０と、中軸３とを接合する。中軸３は、一定の寸法に切断された鉄系材料（例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼）からなる棒状部材に、塑性加工や切削等を行って形成する。ヒータ一体部材１５０の接続リング７５の内周に、中軸３の中軸先端部３１に設けたリング係合部３４の外周を係合させる。中軸３の中軸先端部３１と接続リング７５との合わせ部位に、外周からレーザを照射して溶接し、中軸３とヒータ一体部材１５０とを一体に接合した中軸一体部材１６０を得る。

次に「金具接合工程」において、中軸一体部材１６０と主体金具４とを接合する。主体金具４は、炭素鋼を筒状に鍛造後、切削加工により取付部４２のねじ山を形成し、めっき等の仕上げ処理を行って作製する。主体金具４の軸孔４３内に、中軸一体部材１６０の中軸３を中軸後端部３２側から挿通する。主体金具４の金具先端部４１を外筒８の金具係合部８３に外嵌めする。主体金具４と外筒８との合わせ部位に外周からレーザを照射して溶接し、中軸一体部材１６０の外筒８と、主体金具４とを一体に接合する。

次に「端子組付工程」において、中軸３の中軸後端部３２にＯリング７および絶縁部材６を係合し、主体金具４の工具係合部４６内で軸孔４３の内径が拡大された部位に配置する。中軸３の中軸後端部３２に接続端子５を嵌め込み、接続端子５で絶縁部材６を先端側に向けて押圧した状態で、固定部５２を、例えば周方向の４方向から径方向内向きに加締める。接続端子５が中軸３の中軸後端部３２に固定され、グロープラグ１が完成する。

以上説明したように、セラミックヒータ２がエンジン等から受ける熱負荷によってロウ材９１が熱膨張して伸張する場合、電極取出部２５がロウ材９１に引っ張られることによって、電極取出部２５と基体２１との界面に応力が集中する。電極取出部２５は、少なくとも露出面１５の一部が基体２１の側周面２０よりも径方向内向きに凹んだ位置にある。すなわち、電極取出部２５の露出面１５の少なくとも一部を底壁とし、基体２１を側壁とする凹み部９６内で、電極取出部２５がロウ材９１と接合する形態である。ゆえに、ロウ材９１が熱膨張した場合、凹み部９６内においては側壁を構成する基体２１がロウ材９１の伸張を抑制するため、電極取出部２５がロウ材９１から加えられる引っ張り応力が低減するので、電極取出部２５の破損を防止することができる。

そして、電極取出部２５の露出面１５の全体が基体２１の側周面２０よりも径方向内向きに凹んだ位置にあれば、電極取出部２５は、露出面１５の全部を底壁とし、基体２１を側壁とする凹み部９６内で、ロウ材９１と接合する形態にすることができる。ゆえに、ロウ材９１が熱膨張した場合、凹み部９６内においては側壁を構成する基体２１がロウ材９１の伸張を抑制し、電極取出部２５の全体に対してロウ材９１から加えられる引っ張り応力が低減するので、より確実に、電極取出部２５の破損を防止することができる。また、ロウ材９１が熱膨張により伸張する場合に、電極取出部２５における凹み部９６内の側壁と基体２１の側周面２０とがなす稜角部分にも応力が集中する。凹み部９６の側壁を構成する部分をテーパ面１７に形成することによって、上記稜角部分は断面が鈍角によって構成されるので、ロウ材９１の熱膨張に伴う応力に対する耐性が向上し、破損を防止することができる。また、電極取出部２５がセラミック材料を含むことで、電極取出部２５は剛性を高めることができる。ゆえに、ロウ材９１が熱膨張によって伸張した場合に、電極取出部２５は、ロウ材９１から受ける引っ張り応力に対して十分に耐えることができ、電極取出部２５の破損を防止することができる。

電極取出部２５と同様に、電極取出部２６も、露出面１６の少なくとも一部を底壁とし、基体２１を側壁とする凹み部９７内で、電極取出部２６がロウ材９２と接合する形態である。ゆえに、ロウ材９２が熱膨張した場合、凹み部９７内においては側壁を構成する基体２１がロウ材９２の伸張を抑制するため、電極取出部２６がロウ材９２から加えられる引っ張り応力が低減するので、電極取出部２６の破損を防止することができる。また、電極取出部２６がセラミック材料を含むことで、電極取出部２６は剛性を高めることができる。ゆえに、ロウ材９２が熱膨張によって伸張した場合に、電極取出部２６は、ロウ材９２から受ける引っ張り応力に対して十分に耐えることができ、電極取出部２６の破損を防止することができる。

なお、本発明は各種の変形が可能である。凹部形成工程では、電極取出部２５，２６を切削して露出面１５，１６を側周面２０よりも凹んだ位置に形成してからテーパ面１７，１８を形成した。これに限らず、電極取出部２５，２６をその周囲の領域ごと切削し、側周面２０よりも凹む露出面１５，１６およびテーパ面１７，１８を一度の切削加工で形成してもよい。

または、図６に示すセラミックヒータ２０２のように、電極取出部２２５の露出面２１５の周囲にテーパ面を形成せず、露出面２１５のみが基体２２１の側周面２２０よりも凹んだ位置に配置されるように、電極取出部２２５を形成してもよい。電極取出部２２５の露出面２１５が基体２２１の側周面２２０に対して形成する凹み部２９６内で熱膨張によりロウ材２９１が伸張しても、矢印Ａ３で示すように、ロウ材２９１の伸張は基体２２１によって構成される凹み部２９６の周壁に遮られる。ゆえに、電極取出部２２５に対してロウ材２９１が付与する引っ張りの応力が抑制され、電極取出部２２５と基体２２１との界面における応力が緩和されるので、電極取出部２２５の破損を防止することができる。

あるいは、図７に示すセラミックヒータ３０２のように、基体３２１の側周面３２０に露出する電極取出部３２５の一部を削り、露出面３１５の一部が側周面３２０よりも凹んだ位置に配置されるように、電極取出部３２５を形成してもよい。電極取出部３２５の露出面３１５が基体３２１の側周面３２０に対して形成する凹み部３９６は、電極取出部３２５を削って構成するため基体３２１内に位置し、周囲が基体２２１によって構成される周壁に囲われる。凹み部３９６内で熱膨張によりロウ材３９１が軸線ＡＸ方向に伸張した場合、ロウ材３９１は、矢印Ａ４で示すように、電極取出部３２５の露出面３１５を押圧するが、基体３２１が構成する周壁によって、伸張が遮られる。ゆえに、電極取出部３２５に対してロウ材３９１が付与する引っ張りの応力は抑制され、電極取出部３２５と基体３２１との界面における応力が緩和されるので、電極取出部３２５の破損を防止することができる。なお、上記図６、図７において図示しないが、接続リング７５と電気的に接続する電極取出部２６側についても同様である。

電極取出部２５，２６を含む発熱素子２４は、窒化ケイ素と炭化タングステンの複合材料による導電性セラミックを用いて形成したが、その他の材料を用いて形成してもよい。また、電極取出部２５，２６、あるいは電極取出部２５，２６およびリード部２８，２９を、発熱部２７とは異なる材料を用いて形成してもよい。また、セラミックヒータ２は、接続リング７５に接続する電極取出部２６については側周面２０に対する凹部状に形成せず、外筒８に接続する電極取出部２５側のみを側周面２０に対して凹部状に形成する構成としてもよい。

なお、本実施形態において、電極取出部２５が、本発明の「第一電極部」に相当する。セラミックヒータ２およびセラミックヒータ２をロウ付けによって保持する外筒８が、「ヒータユニット」に相当する。リード部２８が「一方のリード部」に相当する。露出面１５が「第一露出面」に相当する。リード部２９が「他方のリード部」に相当する。露出面１６が「第二露出面」に相当する。電極取出部２６が「第二電極部」に相当する。接続リング７５が「環状部材」に相当する。

１ グロープラグ
２ セラミックヒータ
３ 中軸
４ 主体金具
８ 外筒
１５，１６ 露出面
１７，１８ テーパ面
２０ 側周面
２１ 基体
２２ ヒータ先端部
２３ ヒータ後端部
２５，２６ 電極取出部
２７ 発熱部
２８，２９ リード部
４１ 金具先端部
７５ 接続リング
９１，９２ ロウ材
９６，９７ 凹み部

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる筒状の外筒と、ロウ付けによって前記外筒の内部に保持され、且つ、保持位置において、自身の側周面に露出する第一電極部が、ロウ材を介し、前記外筒と電気的に接続するセラミックヒータと、を有するヒータユニットであって、
   前記セラミックヒータは、
   絶縁性セラミックからなり、前記軸線方向に延びる柱状の基体と、
   前記基体の先端部に埋設され、通電によって発熱する発熱部と、
   前記基体に埋設され、前記発熱部の両端にそれぞれ接続し、前記軸線方向に沿って前記基体の後端側へ向けて延びる一対のリード部と、
   前記基体に埋設され、前記基体の後端部において、前記一対のリード部のうちの一方のリード部と接続し、前記基体の前記側周面に露出する第一露出面を有する前記第一電極部と、
   を備え、
   前記基体の軸線と前記第一電極部とを含む断面を見たときに、前記基体の径方向において、前記第一露出面の位置は、全体が、前記基体の前記側周面の位置よりも内側に位置し、
   且つ、前記基体は、前記側周面と、前記第一電極部の前記第一露出面とをテーパ状に接続するテーパ面をさらに備えたこと
   を特徴とするヒータユニット。
2. 前記第一電極部は、セラミック材料を含んで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記セラミックヒータは、前記基体に埋設され、前記基体の後端部において、前記一対のリード部のうちの他方のリード部と接続し、前記第一電極部よりも前記軸線方向の後端側で前記基体の前記側周面に露出する第二露出面を有する第二電極部をさらに備え、
   前記基体の軸線と前記第二電極部とを含む断面を見たときに、前記基体の径方向において、前記第二露出面の位置は、少なくとも一部が前記基体の前記側周面の位置よりも内側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
4. 前記第二電極部は、セラミック材料を含んで形成されたことを特徴とする請求項３に記載のヒータユニット。
5. 請求項１または２に記載のヒータユニットと、
   前記軸線方向に延びる筒状をなし、自身の先端部において、前記ヒータユニットを保持する主体金具と、
   前記主体金具内を前記軸線方向に沿って延びる棒状をなし、前記セラミックヒータの後端部に接続し、前記一対のリード部のうちの他方のリード部と電気的に接続する中軸と、
   を備え、
   前記セラミックヒータは、前記第一電極部が、ロウ材を介し、前記主体金具と電気的に接続することを特徴とするグロープラグ。
6. 請求項３または４に記載のヒータユニットと、
   前記軸線方向に延びる筒状をなし、自身の先端部において、前記ヒータユニットの前記外筒を保持する主体金具と、
   環状をなし、ロウ付けによって、前記セラミックヒータの前記軸線方向における前記第二電極部の形成位置を含む部分を保持する環状部材と、
   前記主体金具内を前記軸線方向に沿って延びる棒状をなし、前記環状部材と接続する中軸と、
   を備え、
   前記セラミックヒータは、前記第一電極部と前記第二電極部とが、それぞれロウ材を介し、前記主体金具と前記環状部材とに電気的に接続することを特徴とするグロープラグ。

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