JP2000130755A

JP2000130755A - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JP2000130755A
Application number: JP10306202A
Authority: JP
Inventors: Takanori Mizuno; 隆徳水野; Taro Goto; 太郎後藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】金属外筒から露出したセラミック部分の曲げ
強度が強く、かつ、速熱性に優れ、さらに燃焼気流を乱
すことの少ないセラミックグロープラグを提供する。【解決手段】セラミックヒータ素子４の金属外筒３か
ら先端側に露出した部分の直径に径差を設けて２段とな
るように、基体セラミック１１が金属外筒３から露出し
た付近の基径Ｄ１より基体セラミック１１の先端近傍の
先端径Ｄ２が細くなるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの始動時に着火源として用いられるグロープラグに関
し、特に発熱体をセラミックの中に埋設し一体に焼結し
たセラミックグロープラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来実用化されているセラミックグロー
プラグは、例えば特開昭５９−２３１３２２号公報に記
載されているように、タングステン（Ｗ）等の細線から
なる発熱線コイルとリード線とを接続したものを窒化珪
素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の粉末中に埋設し焼結成形してセラミ
ックヒータ素子としたものであった。この種のセラミッ
クグロープラグは金属発熱線コイルの作製に手間と費用
がかかり、コスト高になるという問題点があった。

【０００３】そこで、特開平９−１４６５９号公報に記
載されているように、金属線からなる発熱線コイルの代
わりに、タングステン（Ｗ）合金等の導電材料の粉末と
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の粉末を混合したものを成形して
セラミック発熱体とし、基体セラミックとなる窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）と共に焼結成形してセラミックヒータ素子
としたものが研究されている。この種のセラミックグロ
ープラグではセラミック発熱体を埋設した基体セラミッ
クを円柱形状に形成し、その側周を金属外筒で支持する
と共に基体セラミックの先端部を露出させ、燃焼室に曝
して先端部を着火源とするものであった。そして、円柱
形状の基体セラミックは金属外筒に覆われた根本部分も
燃焼室に曝される先端部分も同じ外径にしたものであっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、根本部
分も先端部分も同じ外径のストレートの基体セラミック
では基体セラミックの外径が太くなりがちであった。こ
れは、セラミックヒータ素子の先端すなわち基体セラミ
ックの先端はディーゼルエンジンの燃焼室に曝され激し
い燃焼気流に曝される。このため、基体セラミックの先
端部には燃焼室の気流による曲げ抗圧荷重が掛かる。基
体セラミックの金属外筒から露出したセラミック露出部
分は、この曲げ抗圧荷重をセラミック自体の強度により
支えなければならない。このため、基体セラミックの外
径は曲げ抗圧強度を強くするため太くなりがちであっ
た。

【０００５】基体セラミックの外径が太くなると、第１
に基体セラミック先端部の熱容量が大きくなることか
ら、第２にセラミック発熱体から基体セラミック表面ま
での肉厚が厚くなることから、セラミックグロープラグ
の昇温特性のうち速熱性が悪くなるという問題点があっ
た。ここで速熱性とはグロープラグに電圧が印加されて
から先端部がいかに早く始動可能となる目安の温度（８
００℃）に達するかという特性である。また、燃焼室に
突き出したセラミックグロープラグの先端部はディーゼ
ルエンジンの始動時にのみ必要であり始動時以外は燃焼
室の燃焼気流を乱す邪魔物になる。従って、基体セラミ
ックの外径は細ければ細いほど好ましく、太い基体セラ
ミックは燃焼気流を乱すという問題点があった。

【０００６】そこで、本発明は、金属外筒から露出した
セラミック部分の曲げ強度が強く、かつ、昇温特性の速
熱性に優れ、さらに先端部が小さく燃焼気流を乱すこと
の少ない、優れたセラミックグロープラグを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のうち請求項１記載の発明は、主体金具と、
その主体金具に保持された金属外筒と、その金属外筒に
外周部を保持されて先端部を露出させ略円柱状をした電
気絶縁物からなる基体セラミックと、その基体セラミッ
ク中に埋設されて通電により発熱するセラミック発熱体
と、を備えるセラミックグロープラグにおいて、前記基
体セラミックが金属外筒から露出した付近の基体セラミ
ックの直径（以下基径Ｄ１と称す）より基体セラミック
の先端近傍の直径（以下先端径Ｄ２と称す）が細くなる
ように（Ｄ１＞Ｄ２）形成されていることを特徴とす
る。

【０００８】このように形成すると、金属外筒から露出
した基体セラミックに掛かる曲げ荷重による応力が集中
する部分である金属外筒の端縁近傍の基体セラミックの
径は基径Ｄ１であり、太い。このため、曲げ荷重に強く
なる。そして、基体セラミックの先端部はその径が先端
径Ｄ２であり、細い。このため、セラミック発熱体から
基体セラミック表面までの肉厚が薄くなり、また、先端
部が細いだけその熱容量が小さくなり、昇温特性の速熱
性が良くなる。さらに、基体セラミックの先端部が細く
小さいため、燃焼室の燃焼気流を乱す度合いが小さくな
る。

【０００９】ここで、請求項２記載の発明のように、前
記基体セラミックが、前記基径Ｄ１の部分から前記先端
径Ｄ２の部分へ移行する径差のある部分が滑らかな曲線
で形成されていることを特徴とすることができる。この
ように形成すると、径差のある部分への曲げ荷重による
応力集中が緩和されるから、より曲げ荷重に強くなる。
また、熱傾斜の集中も緩和され、耐久性に優れる。

【００１０】ここで、請求項３記載の発明のように、前
記基体セラミックの基径Ｄ１が、３．３５ｍｍ以上ある
ことを特徴とすることができる。このように形成する
と、実際のディーゼルエンジンの燃焼室で発生する燃焼
気流による曲げ荷重に充分耐え、実用的に充分耐久性の
あるセラミックグロープラグを提供することができる。

【００１１】ここで、請求項４記載の発明のように、前
記基体セラミックの先端径Ｄ２が、基径Ｄ１以下であ
り、かつ、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、（単位はｍｍ）
であることを特徴とすることができる。このように形成
すると、基体セラミックの先端部の実用的な強度を確保
しながら、昇温特性の速熱性を良好に保つことができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照し説明する。図１は本発明に係るセラミックグロ
ープラグの部分断面図である。セラミックグロープラグ
１の主体金具２は低炭素鋼で構成され、プラグレンチと
嵌合する６角形部２Ａと、シリンダヘッドに螺合するね
じ部２Ｂとを備えている。主体金具２の先端には燃焼室
との密閉を図るシート面２Ｃが形成されている。主体金
具２の先端から図面下方に突出してステンレス材（ＳＵ
Ｓ）からなる金属外筒（スリーブ）３が配設されてい
る。その金属外筒３に保護されて略円柱形状で先端が半
球状のセラミックヒータ素子４が配設され、その先端部
を金属外筒３から図面下方に露出させている。金属外筒
３は主体金具２にロウ付け固着され、セラミックヒータ
素子４は金属外筒３にロウ付け固着されている。

【００１３】主体金具２の後退側（図面上部）には低炭
素鋼からなる中軸５が配設されている。中軸５はセラミ
ックグロープラグ１の電極となる部材であり、その上部
にねじ部５Ａが形成されている。中軸５はガラスシール
材６により主体金具２の中心に位置するようにされ、絶
縁体７を介してナット８により固定されている。中軸５
とセラミックヒータ素子４とはリードコイル９により電
気的に接続されている。

【００１４】図２はセラミックグロープラグ１の先端部
を拡大して示し、特に、セラミックヒータ素子４の内部
構造を示す断面図である。セラミックヒータ素子４は略
円柱形状をした電気絶縁体である基体セラミック１１の
中に、Ｕ字形状をしたセラミック発熱体１２と、そのセ
ラミック発熱体の両端に嵌合された第１及び第２のリー
ド線１３，１４が埋設されている。第１のリード線１３
は基体セラミック１１の上端近傍の側周に露出し、リー
ドコイル９にロウ付けされる。第２のリード線１４は基
体セラミック１１の中程の側周に露出し、金属外筒３に
ロウ付けされる。

【００１５】従って、中軸５に電圧（通常＋１１Ｖ程
度）を印加すると電流は、中軸５、リードコイル９、第
１のリード線１３、セラミック発熱体１２、第２のリー
ド線１４、金属外筒３、主体金具２と流れ接地される。
この電流によりＵ字形状をしたセラミック発熱体１２の
先端部が強く発熱し基体セラミック１１の先端部を加熱
する。

【００１６】セラミックヒータ素子４の構成についてさ
らに詳細に説明する。セラミックヒータ素子４の本体と
なる基体セラミック１１には電気絶縁体である窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）の焼成体を用いる。セラミック発熱体１２
には導電材料であるタングステンカーバイト（ＷＣ）と
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）との混合物を焼結したものを用い
る。リード線１３，１４には耐熱性のある純タングステ
ン（Ｗ）線を用いる。

【００１７】セラミックヒータ素子４の製造方法につい
て簡単に説明する。、タングステンカーバイト（ＷＣ）等の導電材料に規
定量の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）及び焼結助剤を添加し、湿
式にて７２Ｈｒ混合粉砕を行う。、その泥漿を乾燥後、粉末状態とし、混練機中にその
粉末及び成形補助バインダーを投入し、４Ｈｒ混練す
る。、その混練した導電材料をペレット状に裁断し、射出
成形機に投入してインサート成形のようにしてリード線
１３，１４が嵌合したセラミック発熱体１２を成形す
る。、基体セラミックの材料となる窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
に焼結助剤を添加し、４０Ｈｒ湿式にて混合粉砕した
後、噴霧乾燥により造粒粉末とする。、上記で得られた粉末中にで得られたリード線１
３，１４が嵌合したセラミック発熱体１２を埋没し、一
体プレスする。、上記の一体プレス品をホットプレス法により焼成す
る。、上記の焼成体を円柱形状に研磨し、先端側を半球状
にＲ研磨し、セラミックヒータ素子４とする。このと
き、上記焼成体のうち金属外筒３に覆われる部分及び金
属外筒３から露出した付近に相当する部分の直径Ｄ１よ
り先端側の部分の直径Ｄ２が縮径されて径差ができるよ
うに先端部をより細く研磨する。そして、径差のある部
分Ｒが滑らかな曲線を形成するよう研磨する。

【００１８】図２を参照し、上記のように製造されたセ
ラミックヒータ素子４を用いたセラミックグロープラグ
１では、基体セラミック１１が金属外筒３から露出した
セラミック露出部分は、金属外筒３付近の金属外筒３の
内径と等しい直径（基径Ｄ１）を持つ部分と、より先端
側で縮径されやや細い直径（先端径Ｄ２）を持つ部分と
がある。基径Ｄ１部分の長さＬ１は、Ｌ１＝３．０、
（単位はｍｍ以下同じ）であり、先端径Ｄ２部分の長さ
Ｌ２は、Ｌ２＝６．０、である。従って、セラミック露
出長Ｌ３は、Ｌ３＝９．０、である。基径Ｄ１部分から
先端径Ｄ２部分へ移行する径差のある部分Ｒは滑らかな
曲線で形成され、階段状にならないようにＲがつけられ
ている。先端径Ｄ２部分の基体セラミック１１の肉厚Ｔ
（基体セラミックの表面からセラミック発熱体１２まで
の距離）は基径Ｄ１部分の肉厚に比べて薄くなるように
作られている。基径Ｄ１は、Ｄ１＝３．３０〜３．５
０、の種々のものを用意し、先端径Ｄ２は、Ｄ２＝３．
３０、から基径Ｄ１までの種々のものを用意した。

【００１９】図３は上記で用意した種々の基径Ｄ１及び
先端径Ｄ２を有するセラミックグロープラグ１での、セ
ラミックヒータ素子４の素子径（先端径Ｄ２）と曲げ荷
重に対する抗圧強度との関係を示すグラフ図である。抗
圧強度はセラミックヒータ素子４を金属外筒３に組み込
んだ状態でセラミックヒータ４の先端すなわち基体セラ
ミック１１の先端に曲げ荷重を加え、セラミックヒータ
素子４が折損した時の荷重をＫｇｆで表した。グラフ図
の縦軸は抗圧強度であり、単位はＫｇｆである。横軸は
先端径Ｄ２であり、単位はｍｍである。

【００２０】図中で記号□でプロットし、破線Ｄにより
示されるデータは、Ｄ１＝Ｄ２，すなわち基径Ｄ１と先
端径Ｄ２が等しく先端部が縮径されていない従来のスト
レートのセラミックヒータ素子でその径を変えていった
時のもので、対比のためのデータである。破線Ｄのデー
タによれば、素子径（先端径Ｄ２）が３，５０ｍｍから
３．３０ｍｍまで細くなるだけで、抗圧強度は５５．０
Ｋｇｆから３１．０Ｋｇｆまで大幅に低下している。

【００２１】これに対して、図中で記号○でプロット
し、直線Ａにより示されるデータは、基径Ｄ１が、Ｄ１
＝３．５０、のものである。直線Ａのデータによれば、
先端径Ｄ２を３．４０，３．３５，３．３０と細くして
いっても抗圧強度の低下は５５．０Ｋｇｆから５４．０
Ｋｇｆまでの僅少の低下に止まっている。図中で記号△
でプロットし直線Ｂにより示されるデータは基径Ｄ１
が、Ｄ１＝３．４０、のものであり、記号◇でプロット
し直線Ｃにより示されるデータは基径Ｄ１が、Ｄ１＝
３．３５，のものである。いずれのデータも先端径Ｄ２
の減少に伴う抗圧強度の低下は僅少であり、従来例の破
線Ｄのデータと大きな隔たりを示している。

【００２２】本発明品に係るデータを示す直線Ａ，Ｂ、
Ｃの勾配が破線Ｄの勾配に比べてはるかに緩いことは、
先端径Ｄ２が細くても長さＬ１＝３．０ｍｍの基径Ｄ１
部分の存在によりセラミックヒータ素子４が強い抗圧強
度を持つに至ったことを示している。このことは、本発
明の効果である先端部の径が小さくとも金属外筒から露
出したセラミック部分の曲げ強度が強いという特徴を如
実に示すものである。

【００２３】次に、基体セラミック１１の基径Ｄ１は最
低限どの程度必要かについて検討する。実際のディーゼ
ルエンジンにセラミック露出長Ｌ３＝１１．０ｍｍのも
のを装着し実機耐久試験を行った結果、セラミックヒー
タ素子の折損が発生した。このときの推定抗圧荷重は３
０Ｋｇｆであった。この対策として抗圧強度が３５Ｋｇ
ｆのものを用いたところ問題は発生しなかった。以上の
ことから抗圧強度が３５Ｋｇｆ以上のセラミックグロー
プラグを用いれば実際のエンジンで問題が生じないと考
えられる。抗圧強度が３５Ｋｇｆ以上という条件を図３
のグラフ図から見れば、直線Ｃのデータから、基径Ｄ１
は３．３５ｍｍ以上あることが望ましい。この結論は請
求項３の発明を支持するものである。

【００２４】図４はセラミックヒータ素子４の素子径
（先端径Ｄ２）と温度係数との関係を示すグラフ図であ
る。ここで温度係数とはグロープラグの速熱性を評価す
るためこの明細書で仮に定義した係数であり、通電開始
後５秒経過時の先端温度と４０秒経過時の先端温度との
比（５秒時温度／４０秒時温度）をいう。５秒時温度は
グロープラグの先端が昇温途中の温度であり、これに対
して４０秒時温度はほぼ飽和温度に達した温度である。
従って、上記で定義した温度係数が１．０に近いほど素
早く昇温する速熱性に優れたグロープラグといえる。

【００２５】図４は基径Ｄ１が、Ｄ１＝３．５０，のセ
ラミックグロープラグでのデータをプロットしたもので
あり、横軸は先端径Ｄ２で単位はｍｍ、縦軸は上記で定
義した温度係数である。データはほぼ直線に乗り、先端
径Ｄ２が細くなるほど高い温度係数を示している。この
ように、先端径Ｄ２が小さくなるほど高い温度係数を示
すのは、先端径Ｄ２が小さいほど基体セラミック１１の
肉厚Ｔが薄くなりセラミック発熱体１２の温度が素早く
基体セラミック１１の表面に伝わることと、先端径Ｄ２
が小さいほどセラミックヒータ素子４の先端部の容積が
小さくなりそれだけ熱容量が小さくなるためであると考
えられる。

【００２６】図３及び図４のデータからセラミックヒー
タ素子４の先端径Ｄ２は、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、
であることが望ましい。先端径Ｄ２が３．３０ｍｍ未満
になると図３の直線Ｃのデータから抗圧強度が３５Ｋｇ
ｆに近づき、製品のバラツキによってはセラミックヒー
タ素子４の折損を懸念しなければならなくなる。また、
基体セラミック１１の肉厚Ｔが余りに薄くなると燃料腐
食（高温での使用による燃料によるセラミックの腐食）
に対しての余裕度が無くなり好ましくない。一方、先端
径Ｄ２が３．５０ｍｍを超過すると図４のデータから上
記温度係数が０．８６を下回り、速熱性に欠けたセラミ
ックグロープラグになる。速熱性に欠けたグロープラグ
を急速昇温させるためには飽和温度を高くしなければな
らず、飽和温度を高くするとセラミックグロープラグの
耐久性が低下する。従って、先端径Ｄ２は、３．３０≦
Ｄ２≦３．５０、であることが望ましい。この結論は請
求項４の発明を支持するものである。

【００２７】なお、セラミックヒータ素子４を径差のあ
る２段構造とせず、従来のストレートの形状のまま、基
体セラミック１１の肉厚Ｔを全長にわたって薄くして昇
温特性の速熱性を良くしようとしても問題が生ずる点に
ついて触れておく。、基体セラミック１１の削り代を大
きくして肉厚Ｔを薄くしようとするとセラミックヒータ
素子４の径が細くなり、図３の破線Ｄで示すように素子
の抗圧強度が急激に低下して強度が確保できなくなる。
また、セラミックヒータ素子４の径を維持し抗圧強度を
確保して肉厚Ｔのみを薄くすれば、速熱性は達成できる
かも知れないが、素子の先端径は大きいままであり、燃
焼室の燃焼気流を乱すという問題点は残ったままであ
る。従って、本発明のようにセラミックヒータ素子４を
径差のある２段構造とすることが好ましいのである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、セラミ
ックヒータ素子の金属外筒から先端側に露出した部分の
直径に径差を設けて２段となるように、基体セラミック
が金属外筒から露出した付近の基径Ｄ１より基体セラミ
ックの先端近傍の先端径Ｄ２が細くなるように（Ｄ１＞
Ｄ２）形成したものであるから、金属外筒から露出した
セラミック部分の曲げ強度が強く、かつ、先端部の昇温
特性の速熱性に優れるという優れた効果がある。また、
先端径Ｄ２を小さくできるからセラミックヒータ素子の
先端部を小さくでき、燃焼室の燃焼気流の乱れが少なく
なるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックグロープラグの部分断
面図である。

【図２】セラミックグロープラグの先端部を拡大して示
す断面図である。

【図３】素子径と抗圧強度との関係を示すグラフ図であ
る。

【図４】素子径と温度係数との関係を示すグラフ図であ
る。

【符号の説明】

１セラミックグロープラグ２主体金具３金属外筒４セラミックヒータ素子１１基体セラミック１２セラミック発熱体Ｄ１基径Ｄ２先端径Ｒ径差部Ｔ肉厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主体金具と、その主体金具に保持された
金属外筒と、その金属外筒に外周部を保持されて先端部
を露出させ略円柱状をした電気絶縁物からなる基体セラ
ミックと、その基体セラミック中に埋設されて通電によ
り発熱するセラミック発熱体と、を備えるセラミックグ
ロープラグにおいて、前記基体セラミックが金属外筒から露出した付近の基体
セラミックの直径（以下基径Ｄ１と称す）より基体セラ
ミックの先端近傍の直径（以下先端径Ｄ２と称す）が細
くなるように（Ｄ１＞Ｄ２）形成されていることを特徴
とするセラミックグロープラグ。
【請求項２】前記基体セラミックが、前記基径Ｄ１の
部分から前記先端径Ｄ２の部分へ移行する径差のある部
分が滑らかな曲線で形成されていることを特徴とする請
求項１記載のセラミックグロープラグ。
【請求項３】前記基体セラミックの基径Ｄ１が、３．
３５ｍｍ以上あることを特徴とする請求項１又は２記載
のセラミックグロープラグ。
【請求項４】前記基体セラミックの先端径Ｄ２が、基
径Ｄ１以下であり、かつ、３．３０≦Ｄ２≦３．５０、
（単位はｍｍ）であることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載のセラミックグロープラグ。