JP2004028413A

JP2004028413A - Glow plug and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004028413A
Application number: JP2002183151A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Konishi; 小西　雅弘; Takeshi Yamaguchi; 山口　猛
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a glow plug where a ceramic heater cannot be easily broken and an improved value for pull strength for a metal outer cylinder can be secured even if the ceramic heater having a small diameter is used. <P>SOLUTION: A glass layer 21' is formed (processes 1/2) to cover the outer periphery surface of a ceramic substrate 13 in the ceramic heater 1. The outer periphery surface of the formed glass surface 21' is subjected to roughening treatment by an alkali treatment liquid TS, and a scatter recess 21p is formed on the outer periphery surface of a glass layer 21 (process 3). Then, a metal outer cylinder 3 is arranged so that the outer periphery surface of the glass layer 21 subjected to roughening treatment is surrounded, and a brazing material is filled into a gap between the inner periphery surface of the metal outer cylinder 3 and the outer periphery surface of the glass layer 21 to form a brazing material layer 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はグロープラグとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックグロープラグとして、絶縁性のセラミック基体に抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータを有するものが知られている。具体的には、セラミックヒータの外側に金属外筒を組み付け、さらに該金属外筒の外側に機関取付用の主体金具を組み付けてグロープラグとする。窒化珪素やアルミナ等で構成されたセラミック基体に金属外筒を組み付けるには、活性ろう材を用いた金属−セラミック接合を採用する方法もあるが、接合部の品質にバラツキが生じやすい問題がある。そこで、セラミックヒータの外周面に、ろう材との濡れ性を向上させるためのガラス層を焼き付け、そのガラス層と金属外筒との隙間にろう材を充填して組み付ける方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法においては、ろう材層を充填する金属外筒の組付け時や、あるいはその金属外筒に主体金具を溶接やろう付けにより組み付ける際に、セラミックヒータの金属外筒からの抜強度が低下したり、セラミックヒータに折損が生じたりしやすい問題がある。これは、金属からなるろう材層と、酸化物を主成分とするガラス層との線膨張係数の差が大きく、ろう付けや溶接後の冷却時に、充填されたろう材層あるいは金属外筒が大きく収縮し、セラミックヒータ側に強いバックストレスを作用させることが原因と考えられる。
【０００４】
そこで、特公昭６３−７２８７号公報には、使用するガラス層の線膨張係数の範囲を規定することにより、セラミックヒータの折損防止や抜強度向上を図る提案がなされている。しかしながら、ガラス層の線膨張係数を、ろう材層や金属外筒の線膨張係数に近づける方法には限界があり、小型化ひいてはセラミックヒータの細径化が進む近年のグロープラグにおける耐久性確保には、もはや十分とはいえなくなってきている。なお、特公昭６３−７２８７号公報には、参考技術として、発泡成分を配合したガラスを用い、ガラス層を多孔質化させて表面を粗化することにより、セラミックヒータの抜強度を向上させる方法が提案されている。しかし、ガラスの多孔質化による強度不足のため熱間での抜強度が却って低下し、好ましくないとされている。
【０００５】
本発明の課題は、細径のセラミックヒータを用いた場合でも、セラミックヒータの折損が生じにくく、金属外筒に対する抜強度も良好な値を確保できるグロープラグとその製造方法と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、
金属外筒と、軸状のセラミック基体の先端部に抵抗発熱体を埋設した構造を有し、金属外筒の内側に固定されるセラミックヒータとを有し
セラミックヒータと金属外筒との間に、セラミックヒータの外周面と接して配置されるガラス層と、ガラス層の外周面と金属外筒の内周面とに接して配置されるろう材層とが形成され、
ガラス層は、ろう材層と接する外周面が散点状の凹部により粗化されてなり、かつ、該凹部の形成された表層部よりも内層部が緻密とされたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のグロープラグの製造方法は、
金属外筒と、軸状のセラミック基体の先端部に抵抗発熱体を埋設した構造を有し、金属外筒の内側に固定されるセラミックヒータとを有するグロープラグの製造方法において、
セラミック基体の外周面を覆うガラス層を形成するガラス層形成工程と、
形成されたガラス層の外周面に散点状の凹部を形成する凹部形成工程と、
粗化処理されたガラス層の外周面を取り囲むように金属外筒を配置し、該金属外筒の内周面とガラス層の外周面との隙間にろう材を充填してろう材層を形成するろう材充填工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明によると、グロープラグを構成するセラミックヒータの金属外筒に対する抜強度が大幅に向上する。また、ろう材層を充填する金属外筒の組付け時や、あるいはその金属外筒に主体金具を溶接やろう付けにより組み付ける際に、セラミックヒータに折損等の不具合が生ずることを大幅に抑制できる。
【０００９】
上記効果が達成される要因として、以下のようなことが考えられる。
▲１▼凹部が形成されたガラス層とろう材との密着力がアンカー効果により高められ、セラミックヒータの抜強度が向上する。
▲２▼ガラス層の外周面に形成された凹部は、ろう材層により開口が塞がれると空孔となり、ろう材の凝固収縮による締め付け力が作用すると空孔がつぶれ、応力緩和されてセラミックヒータの折損が防止される。
▲３▼特公昭６３−７２８７号公報のグロープラグの参考技術として開示されているガラス層は、発泡剤添加により表層部のみならず、内層部まで多孔質に形成されており、ガラス層自体の強度を十分に確保できず、セラミックヒータの抜強度を確保できない。しかし、本発明のグロープラグのガラス層は、凹部が形成される表層部よりも内層部が緻密なのでガラス層の強度が高く、抜強度が向上する。
【００１０】
本発明によるセラミックヒータの折損防止効果は、セラミックヒータの金属外筒内に位置する部分の外径が２ｍｍ以上３ｍｍ以下の、細径のグロープラグにおいて特に顕著である。
【００１１】
本明細書において「主成分」は、最も質量含有率の高い成分をいう。セラミックヒータのセラミック基体は、高温強度に優れた窒化珪素やアルミナを主成分として構成できる。ガラス層は、焼成後のセラミック基体の表面にガラス粉末（スラリー）層を塗付形成し、これをガラス軟化点以上（かつ、セラミック基体の焼成温度以下）に昇温して焼き付けることにより形成する。ガラスの主成分は、ＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３など酸性酸化物を主成分とするものを使用でき、特に、強度や耐熱性を考慮した場合、ＳｉＯ_２を主成分とするものを使用することが望ましい。特に、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系の硼珪酸ガラスは軟化点が比較的低く、焼付けが容易であり、かつ強度的にも良好であるので、本発明に好適に使用できる。硼珪酸ガラスは、例えばＳｉをＳｉＯ_２換算にて７０質量％以上９０質量％以下、ＢをＢ_２Ｏ_３換算にて５質量％以上３０質量％以下含有するものを使用できる。また、使用するガラスには、軟化点や流動性を調整する目的で、アルカリ金属成分（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋなど）、アルカリ土類金属成分（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなど）及びその他の金属成分（Ｚｎなど）の酸化物を、副成分として配合することができ、例えば微量のＫ_２Ｏを配合できる。また、ガラス層焼付けのために使用するガラス粉末（スラリー）には、形成したガラス粉末堆積層の形状保持力を高める目的で、適量の粘土鉱物や有機バインダを配合できる。
【００１２】
ガラス層には、焼付け時の軟化状態におけるガラスの保形性を高め、流れ落ちを防止するための骨材粒子を配合できる。骨材粒子は、ガラス相をなすマトリックス部分（以下、ガラスマトリックスという）よりも高融点のセラミック粒子、例えばアルミナ粒子を配合することができる。ガラスマトリックス中への分散性を考慮した場合、骨材粒子の平均粒径は１μｍ以上３０μｍ以下の範囲に調整するのがよい。また、骨材粒子の配合率は、ガラス層表面に観察される骨材粒子の面積率において、１０％以上４０％以下となっていることが望ましい。骨材粒子の面積率が４０％を超えると焼付け時のガラス層の流動性が損なわれ、緻密なガラス層が得にくくなる。また、骨材粒子の面積率が１０％未満になると焼付け時におけるガラス層の流れ落ち防止効果が不十分となる。
【００１３】
また、ろう材は、ガラス層との反応性が低く、かつ、ガラス層の軟化点よりも融点が低いろう材にて構成することが望ましい。このようなろう材として、例えば純ＡｇやＡｇ−Ｃｕ系などのＡｇ系ろう材を使用できる。なお、金属外筒がＦｅ系金属あるいはＮｉ系金属よりなる場合、上記ろう材層は金属外筒の内周面には密着接合するが、ガラス層とは反応活性が低いため、ほとんど接合しない。従って、ろう材層及びガラス層を介して金属外筒を組み付けたセラミックヒータは、例えば、金属外筒に軸線方向の切れ目を入れて分解すると、ろう材層もろとも除去され、ガラス層の外周面を露出させることができるので、表面を観察可能である。
【００１４】
本明細書においては、ガラス層の外周面に観察される凹部の寸法を、ガラス層外周面を拡大観察した画像上において凹部外形線に対し、凹部領域内部を横切らない外接平行線を、該凹部外形線との位置関係を変えながら各種引いたとき、その平行線の最小間隔ｄｍｉｎ　と、最大間隔ｄｍａｘとの平均値（すなわち、ｄ＝（ｄｍｉｎ＋ｄｍａｘ）／２）にて表す。前記したアンカー効果（▲１▼）や応力緩和効果（▲２▼）の発現に顕著に寄与するのは、主に寸法５０μｍ以上の凹部であり、ガラス層の外周面には、該寸法５０μｍ以上の凹部の合計面積率が、１０％以上５０％以下となるように形成することが望ましい。寸法５０μｍ以上の凹部の面積率が１０％未満では、セラミックヒータの折損防止や抜強度向上の効果が顕著でなくなる。また、寸法５０μｍ以上の凹部の面積率が５０％を超えると、セラミックヒータの抜強度を十分に確保することができなくなる。なお、形成される凹部の寸法は２００μｍ以下であることが望ましい。寸法２００μｍ以上の凹部が形成されると、前記した応力緩和効果が十分に得られなくなる可能性がある。
【００１５】
次に、ガラス層表面への凹部形成処理は、化学的粗化処理により行なうことができる。具体的には、セラミックヒータに形成されたガラス層の表面を、ガラスマトリックスを溶解可能な処理液と接触させて表層部の一部を化学的に溶解除去することにより、散点状の凹部を容易に形成できる。特に、前記した骨材粒子を配合したガラスを用いる場合は、その骨材粒子に対しガラスマトリックスを選択的に溶解する処理液を用いると、骨材粒子間のガラスマトリックス侵食により骨材粒子が脱落し、層表面に散点状の凹部をより形成しやすくなる。
【００１６】
ガラス層を、前記したＳｉＯ_２あるいはＢ_２Ｏ_３などの酸性酸化物を主成分とするもので構成する場合は、化学的粗化処理の処理液としてアルカリ性処理液を使用することが、粗化効果に優れているので望ましい。アルカリ性処理液としては、例えばＮａＯＨやＫＯＨの水溶液を使用できる。
【００１７】
なお、化学的粗化処理に変えて、スパッタエッチングやイオンエッチングなどのドライエッチングによる粗化処理や、ショットブラスト等の機械的粗化処理を用いてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るセラミックヒータを用いたグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、セラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属外筒３、さらにその金属外筒３を外側から覆う筒状の主体金具４等を備えている。セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合されるとともに、その他端側は、主体金具４内に挿通された金属軸６の一方の端部に嵌着されている。そして、金属軸６の他方の端部側は主体金具４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合される。このナット７を主体金具４に向けて締めつけることにより、金属軸６が主体金具４に対して固定されている。また、ナット７と主体金具４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、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を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【００１９】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、ほぼ円形の断面を有する軸状の絶縁性セラミック基体１３中に、一方の基端部から延びた後、方向変換して他方の基端部へ至る形態、例えばＵ字形態に形成された本体部１０ａと、その本体部１０ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線状のリード線接続部１０ｂとを有するセラミック抵抗発熱体１０を備えている。さらに、セラミック抵抗発熱体１０の両端部には、線状又はロッド状の一対のリード線１１及び１２の先端部が埋設される。そのセラミック抵抗発熱体１０は、セラミックヒータ１の先端部２において、その本体部１０ａがセラミックヒータ１の先端側を向くように埋設されている。
【００２０】
また、各リード線１１及び１２は、セラミック基体１３中においてセラミック抵抗発熱体１０から離間する方向に延びている。そして、その一方のもの（１２）は金属外筒３内において、他方のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍において、それぞれその後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。
【００２１】
セラミック抵抗発熱体１０は、炭化タングステン（ＷＣ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、炭化珪素（ＳｉＣ）などの導電性セラミックスからなり、セラミック基体１３は、窒化珪素質セラミックやアルミナ質セラミックなどの絶縁性セラミックスからなる。また、リード線１１及び１２はタングステン（Ｗ）あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融点金属材料で構成される。なお、セラミック抵抗発熱体１０に代えて、高融点金属材料からなる抵抗発熱線を発熱体として用いてもよい。
【００２２】
図２において、セラミック基体１３の表面には、それらリード線１１，１２の一方のもの、ここではリード線１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成されている。そして、該金属薄層を介してセラミック基体１３と金属外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、リード線１２がその露出部１２ａを介して金属外筒３と導通している。また、他方のリード線１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及びリード線１１を介してセラミック抵抗発熱体１０に対して通電され、さらにリード線１２、金属外筒３、主体金具４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。この通電により、セラミック抵抗発熱体１０は抵抗発熱することとなる。
【００２３】
図１において、金属外筒３と主体金具４との間はろう付けにより接合されている。他方、図２において、セラミックヒータ１に対し金属外筒３は、セラミックヒータ１の外周面と接して配置されるガラス層２１と、ガラス層２１の外周面と金属外筒３の内周面とに接して配置される金属ろう材層２２とを介して組み付けられている（リード線１２の露出部１２ａの部分が、ガラス層２１が除去されている）。
【００２４】
図５に示すように、ガラス層２１は、ガラスマトリックスＧＬに、アルミナからなる骨材粒子ＵＰを分散させたものである。ガラスマトリックスＧＬは、軟化点が８５０℃以上１２００℃未満のものが使用され、例えばＳｉをＳｉＯ_２換算にて７０質量％以上９０質量％以下、ＢをＢ_２Ｏ_３換算にて１０質量％以上３０質量％以下含有する硼珪酸ガラスよりなる。また、骨材粒子ＵＰの平均粒径は１μｍ以上３０μｍ以下であり、ガラス層２１全体におけるその配合率は、ガラス層２１の表面に観察される骨材粒子ＵＰの面積率（あるいは体積含有率）において、１０％以上４０％以下である。
【００２５】
また、ろう材層２２に使用するろう材は、液相線温度が７００℃以上１２００℃未満のものが使用され、例えばＡｇ−Ｃｕ系等のＡｇ系ろう材からなる。また、金属外筒３は、ステンレス鋼等のＦｅ系金属よりなる。
【００２６】
図３に示すように、ガラス層２１は、金属ろう材層２２と接する外周面が散点状の凹部２１ｐにより粗化されてなり、かつ、該凹部２１ｐの形成された表層部２１ｓよりも内層部２１ｂが緻密に形成されてなる。ガラス層２１の外周面に観察される、寸法５０μｍ以上の凹部の合計面積率は１０％以上５０％以下に調整される。
【００２７】
以下、図１のグロープラグの、製造方法の一例を説明する。
セラミックヒータ１は、図２の抵抗発熱体１０となる導電性セラミック粉末の成形体を、リード線１１及び１２が一体化された複合成形体として、射出成型（インサート成型）により製造する。また、金型プレス成型を用いて、セラミック基体１３となる粉末成形体を分割形態にて製造し、これに、上記の複合成形体を埋設・一体化して、最終的な成形体とする。成形体は、バインダ成分等を除去するために仮焼後、ホットプレスにより焼成され、セラミックヒータ１とされる。
【００２８】
次に、ガラス粉末スラリーの調製を以下のようにして行なう。まず、Ｓｉ、Ｂ等の硼珪酸ガラスの成分源となる成分源粉末（例えば、Ｓｉ成分はＳｉＯ_２粉末、Ｂ成分はＨ_３ＢＯ_３粉末）を、所期の軟化点（例えば８５０℃以上１０００℃以下）が得られる組成となるように配合・混合する。次いで、その混合物を１０００℃以上１５００℃以下の温度範囲で加熱・溶融させ、その溶融物を水中に投じて急冷・ガラス化し、さらに粉砕することによりガラス粉末を作る。そして、この釉薬粉末に、骨材粒子となるアルミナ粉末と、カオリン、蛙目粘土等の粘土鉱物及び有機バインダとを適量配合し、さらに水を加えて混合することによりガラス粉末スラリーを得る。
【００２９】
そして、図４の工程１に示すように、このガラス粉末スラリーＳＬを噴霧ノズルからセラミックヒータ１の外周面に噴霧・塗布することにより、ガラス粉末塗布層２１”を形成し、これを乾燥する。こうして得られたガラス粉末塗布層２１”付のセラミックヒータ１を、工程２に示すように、加熱炉に挿入してガラス軟化点以上である８５０℃以上１０００℃以下の所定温度に加熱して、ガラス粉末塗布層２１”をセラミックヒータ１の外周面に焼き付け、ガラス層２１’とする。
【００３０】
ガラス層２１’を焼き付けたセラミックヒータ１は、工程３に示すように、凹部形成処理用の処理液ＴＳ中に所定時間浸漬する。処理液ＴＳは、例えばＮａＯＨやＫＯＨ等のアルカリ成分を２５質量％以上４５質量％以下の範囲で含有するアルカリ処理液（例えば水溶液）である。この処理液は、骨材粒子ＵＰに対しガラスマトリックスを選択的に溶解するものであり、図５に示すように、骨材粒子ＵＰ間のガラスマトリックスＧＬが溶解侵食され、骨材粒子ＵＰの脱落を伴ないながら、多数の凹部２１ｐがガラス層２１の外周面に散点状に形成される。処理後はセラミックヒータ１を処理液ＴＳより引き上げ、洗浄・乾燥する。
【００３１】
図４に戻り、ガラス層２１への凹部形成処理が終了したセラミックヒータ１の、該ガラス層２１の外側に金属外筒３を配置する。金属外筒３の内径は、ガラス層２１の形成部分におけるセラミックヒータ１の外径よりも、例えば０．１〜０．３ｍｍ程度大きく設定し、図示しない治具を用いて同軸的に位置決め配置する。すると、金属外筒３の内周面とガラス層２１の外周面との間に、０．０５〜０．１５ｍｍの隙間が形成される。そして、金属外筒３の上方においてセラミックヒータ１の上端部にろう材コイルＳＣを嵌め入れて組立体とし、工程４に示すように、加熱炉中に該組立体を配置して、大気中で９００℃以上１０６０℃以下の温度範囲にて加熱処理する。すると、ろう材コイルＳＣが溶融し、金属外筒３とガラス層２１との隙間に浸透して充填される。その後、組立体を炉冷ないし空冷することにより、溶融したろう材が凝固し、ろう材層２２が形成される。
【００３２】
ろう材層２２は上記の凝固時に大きく収縮する。他方、ガラス層２１は、その内側のセラミックヒータ１とともに線膨張係数が小さいため、その収縮量はろう材層２２と比較してはるかに小さい。従って、上記凝固時に、セラミックヒータ１はろう材層２１から半径方向の強い締め付け力が作用する。ろう材層２１は金属外筒３の内面には密着接合されているので、この締め付け力により、金属外筒３がセラミックヒータ１に対して固定される。
【００３３】
上記の締め付け力が過度に大きくなると、セラミックヒータ１にクラックや折損が生じる場合がある。特に、図２において、リード線１１，１２とセラミック抵抗発熱体１０との接続部分は強度的に低いため、クラック等を生じやすい。こうした不具合は、セラミックヒータ１の外径が２ｍｍ以上３ｍｍ以下程度の細径のグロープラグを製造する際に発生しやすく、しばしば不良の原因となりうる。しかしながら、本発明においては、図３に示すように、ガラス層２１の表面に多数の凹部２１ｐが形成され、その開口がろう材層２２による塞がれて空孔２１ｇを形成している。収縮しようとするろう材層２２は、空孔２１ｇをつぶす形でガラス層２１の表面を永久変形させたり、あるいはろう材層２２自体が空孔２１ｇ（凹部２１ｐ）内に食い込んだりして締め付け応力を適度に緩和する。その結果、セラミックヒータ１にクラックや折損が生ずる不具合を効果的に抑制することができる。また、空孔２１ｇが形成される表層部以外においては、ガラス層２１は緻密に構成されているから、ガラス層２１全体としては強度が高く、セラミックヒータ１の金属外筒３に対する抜強度も良好に確保できる。
【００３４】
【実施例】
図１及び図２に示す形態のグロープラグの種々の試験品を、以下のようにして作製した。セラミックヒータ１として、外径を２．５ｍｍと３．５ｍｍとの２水準とし、長さを一律に４５ｍｍに設定したものを、ホットプレス焼成により作製した。セラミック基体の材質は窒化珪素であり、抵抗発熱体の材質は炭化タングステンと窒化珪素との混合物である。
【００３５】
次に、ガラス粉末スラリーを以下のように調製した。まず、原料としてＳｉＯ_２（純度９９．５％）及びＨ_３ＢＯ_３粉末（純度９８．５％）粉末を、ガラス組成がＳｉＯ_２：８０質量％、Ｂ_２Ｏ_３：２０質量％となるように配合し、その混合物を１０００〜１５００℃に加熱して溶融させ、その溶融物を水中に投じて急冷・ガラス化し、さらにアルミナ製ポットミルにより粒径５０μｍ以下に粉砕することにより硼珪酸ガラス粉末を作製した。そして、このガラス粉末１００質量部に対し、骨材粒子となるＡｌ_２Ｏ_３粉末（純度９９．５％）を、アルミナ粉末粒子の体積比率が６％となるように配合し、さらに、粘土鉱物としてのニュージーランドカオリンを３質量部、及び有機バインダとしてのＰＶＡを２質量部、及び水を１００質量部加えて混合することによりガラス粉末スラリーを得た。
【００３６】
このガラス粉末スラリーを、図４の工程１のように噴霧ノズルよりセラミックヒータ１の外周面に噴霧後、乾燥してガラス粉末塗付層２１”を形成した。なお、乾燥後のガラス粉末塗付層２１”の厚さは５０μｍ程度である。該ガラス粉末塗付層２１”は、工程２に従い、大気中にて１１００℃にて焼付け処理し、ガラス層２１’とした。
【００３７】
次に、ガラス層２１’への凹部形成処理を、図４の工程３に従い行なった。まず、化学的粗化処理の処理液として、ＮａＯＨを１０〜５５質量％の種々の濃度にて含有するアルカリ水溶液を調製した。そして、上記２種類の外径のガラス層付セラミックヒータを、各処理液について１００個ずつ、室温にて３０秒浸漬した後引上げ、水洗・乾燥することにより凹部形成した。また、比較例として、凹部形成処理を施さないセラミックヒータも用意した。凹部形成処理後のガラス層２１の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、寸法５０μｍ以上の凹部を画像処理にて抽出することにより、面積率をそれぞれ求めた。そして、該面積率が５０％以上のものを「Ａ」、１５％以上５０％未満のものを「Ｂ」、１０％以上１５％未満のものを「Ｃ」、１０％未満のものを「Ｄ」としてランク付けした。なお、図７は、表１の番号６の試験品（実施例品）の、粗化処理後におけるガラス層表面のＳＥＭ観察画像であり、同じく図８は、表１の番号１の試験品（粗化処理しない比較例品）のガラス層表面のＳＥＭ観察画像である。また、ガラス層の外周面の算術平均粗さは、前記したＪＩＳ：Ｂ０６０１に記載された方法により測定した。
【００３８】
次に、凹部形成処理後のセラミックヒータ１の外側に、内径がそれぞれ３．６ｍｍ及び３．７ｍｍ（ガラス層２１との間の径差：０．１６ｍｍ）、長さ２２ｍｍのステンレス鋼製の金属外筒を配置し、図４の工程４に従い、ろう材充填を行なった。使用したろう材は純Ａｇろうであり、ろう材の溶融充填は、大気中にて１０４０℃に３．５時間加熱することにより行なった。
【００３９】
上記のように金属外筒３を組み付けたセラミックヒータ１は、図６に示すように、金属外筒３の内径方向の両端部を、セラミックヒータ１の外周面に略外接する、軸線と平行な切断面が生ずるように切断除去し、金属外筒３より突出したセラミックヒータ１の先端部２を、支持リング１の内側に挿入するとともに、金属外筒３の下端面を、支持リング１の上端面にて支持した。この状態にてセラミックヒータ１の上端面を、圧縮試験のヘッドにより支持リング１に向けて押し込み、金属外筒３がセラミックヒータ１から離脱するときの最大荷重を求め、これを金属外筒３の内周面積で除した値を、密着強度（抜強度）として評価した。また、金属外筒３を離脱させた後のセラミックヒータ１の外周面を蛍光探傷法により調べ、クラックないし折損の認められたものの個数比率を求めた。以上の結果を表１（セラミックヒータ１の外径：２．５ｍｍ）及び表２（同：３．５ｍｍ）に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【表２】

【００４２】
この結果によると、アルカリ処理液によりガラス層の表面を凹部形成処理したものは、ガラス層の外周面に観察される寸法５０μｍ以上の凹部の面積率を１０％以上５０％以下に調整することにより、セラミックヒータの折損が少なく、かつ、金属外筒とセラミックヒータとの密着強度（抜強度）も良好に確保されていることがわかる。そして、表１と表２との比較より、セラミックヒータの外径が２．５ｍｍと細径化した場合は、３ｍｍを超える径大のセラミックヒータを用いる場合よりも、ガラス層の凹部形成処理の効果がより顕著に表れていることもわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一実施形態を示す縦部分断面図。
【図２】図１のセラミックヒータ部分を拡大して示す縦断面図。
【図３】凹部形成処理されたガラス層とろう材層とを模式的に示す図。
【図４】本発明のグロープラグの製造方法の一例を示す工程説明図。
【図５】化学的粗化処理によりガラス層に凹部を形成する様子を示す模式説明図。
【図６】セラミックヒータの抜強度測定法を模式的に示す説明図。
【図７】本発明の方法に従い粗化処理したガラス層表面のＳＥＭ観察画像。
【図８】粗化処理しないガラス層表面のＳＥＭ観察画像。
【符号の説明】
１　セラミックヒータ
３　金属外筒
１３　セラミック基体
１０　セラミック抵抗発熱体
２１　ガラス層
２１ｐ　凹部
２２　ろう材層
５０　グロープラグ
ＴＳ　アルカリ性処理液[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow plug and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a ceramic glow plug, one having a ceramic heater in which a resistance heating element is embedded in an insulating ceramic base is known. Specifically, a metal outer cylinder is assembled outside the ceramic heater, and a metal shell for engine mounting is assembled outside the metal outer cylinder to form a glow plug. In order to assemble a metal outer cylinder to a ceramic base made of silicon nitride, alumina, or the like, there is a method of employing metal-ceramic bonding using an active brazing material. However, there is a problem that the quality of the bonded portion tends to vary. . Therefore, a method has been proposed in which a glass layer for improving the wettability with the brazing material is baked on the outer peripheral surface of the ceramic heater, and the gap between the glass layer and the metal outer tube is filled with the brazing material and assembled.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above method, when assembling the metal outer cylinder filled with the brazing material layer, or when assembling the metallic shell to the metal outer cylinder by welding or brazing, the ceramic heater is removed from the metal outer cylinder. There is a problem that the strength is easily reduced and the ceramic heater is apt to be broken. This is because the difference in linear expansion coefficient between the brazing material layer made of metal and the glass layer mainly composed of oxide is large, and the brazing material layer or metal outer cylinder that is filled becomes large during cooling after brazing or welding. It is considered that the shrinkage causes strong back stress to act on the ceramic heater side.
[0004]
Therefore, Japanese Patent Publication No. 63-7287 proposes to prevent the breakage of the ceramic heater and to improve the pull-out strength by defining the range of the linear expansion coefficient of the glass layer to be used. However, there is a limit to a method for bringing the linear expansion coefficient of the glass layer closer to the linear expansion coefficient of the brazing material layer or the metal outer cylinder. Is no longer enough. Japanese Patent Publication No. 63-7287 discloses a method for improving the removal strength of a ceramic heater by using glass mixed with a foaming component and making the glass layer porous and roughening the surface as a reference technique. Has been proposed. However, due to insufficient strength due to the glass being made porous, the hot-drawing strength is rather lowered, which is considered to be undesirable.
[0005]
It is an object of the present invention to provide a glow plug and a method for manufacturing the same, in which even when a ceramic heater having a small diameter is used, breakage of the ceramic heater is less likely to occur, and a sufficient value of the pull-out strength with respect to a metal outer cylinder can be secured. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Functions / Effects]
In order to solve the above problems, the glow plug of the present invention
Metal outer cylinder, having a structure in which a resistance heating element is embedded at the tip of a shaft-shaped ceramic base, and having a ceramic heater fixed inside the metal outer cylinder
A glass layer disposed between the ceramic heater and the metal outer cylinder in contact with the outer peripheral surface of the ceramic heater; and a brazing material layer disposed in contact with the outer peripheral surface of the glass layer and the inner peripheral surface of the metal outer cylinder. Is formed,
The glass layer is characterized in that the outer peripheral surface in contact with the brazing material layer is roughened by scattered concave portions, and the inner layer portion is denser than the surface layer portion in which the concave portions are formed.
[0007]
Further, the method for manufacturing a glow plug according to the present invention includes:
In a method for manufacturing a glow plug having a metal outer cylinder and a structure in which a resistance heating element is embedded at the tip of a shaft-shaped ceramic base, and having a ceramic heater fixed inside the metal outer cylinder,
A glass layer forming step of forming a glass layer covering the outer peripheral surface of the ceramic base,
A concave portion forming step of forming a scattered concave portion on the outer peripheral surface of the formed glass layer,
A metal outer cylinder is arranged so as to surround the outer peripheral surface of the roughened glass layer, and a gap between the inner peripheral surface of the metal outer cylinder and the outer peripheral surface of the glass layer is filled with a brazing material to form a brazing material layer. Brazing material filling process,
It is characterized by including.
[0008]
According to the present invention, the pull-out strength of the ceramic heater constituting the glow plug with respect to the metal outer cylinder is greatly improved. Moreover, when assembling the metal outer cylinder filled with the brazing material layer, or when assembling the metal shell to the metal outer cylinder by welding or brazing, it is possible to significantly suppress the occurrence of problems such as breakage of the ceramic heater. .
[0009]
The following are conceivable factors for achieving the above effects.
{Circle around (1)} The adhesion between the glass layer in which the concave portions are formed and the brazing material is increased by the anchor effect, and the pull-out strength of the ceramic heater is improved.
(2) The concave portion formed on the outer peripheral surface of the glass layer becomes a hole when the opening is closed by the brazing material layer, and when the tightening force due to the solidification shrinkage of the brazing material acts, the hole is collapsed, stress is relaxed, and the ceramic is reduced. The breakage of the heater is prevented.
{Circle over (3)} The glass layer disclosed as a reference technology of the glow plug in Japanese Patent Publication No. 63-7287 is made porous not only on the surface layer but also on the inner layer by adding a foaming agent. The strength cannot be sufficiently secured, and the removal strength of the ceramic heater cannot be secured. However, since the inner layer portion of the glass layer of the glow plug of the present invention is denser than the surface layer portion in which the concave portion is formed, the strength of the glass layer is high, and the pull-out strength is improved.
[0010]
The effect of preventing breakage of the ceramic heater according to the present invention is particularly remarkable in a small-diameter glow plug in which the outer diameter of a portion of the ceramic heater located in the metal outer cylinder is 2 mm or more and 3 mm or less.
[0011]
In this specification, the “main component” refers to a component having the highest mass content. The ceramic base of the ceramic heater can be composed mainly of silicon nitride or alumina having excellent high-temperature strength. The glass layer is formed by coating a glass powder (slurry) layer on the surface of the fired ceramic substrate, heating the glass powder to a temperature above the glass softening point (and below the firing temperature of the ceramic substrate), and baking. . The main component of glass is SiO ₂ And B ₂ O ₃ For example, a material containing an acidic oxide as a main component can be used. ₂ It is desirable to use one containing as a main component. In particular, SiO ₂ -B ₂ O ₃ Since the borosilicate glass has a relatively low softening point, is easy to bake, and has good strength, it can be suitably used in the present invention. Borosilicate glass can be formed, for example, by converting Si to SiO ₂ 70% by mass to 90% by mass in conversion, B is B ₂ O ₃ Those containing from 5% by mass to 30% by mass in conversion can be used. In addition, for the purpose of adjusting the softening point and fluidity, the glass to be used includes an alkali metal component (Li, Na, K, etc.), an alkaline earth metal component (Mg, Ca, Sr, Ba, etc.) and other metals. An oxide of a component (Zn or the like) can be blended as an auxiliary component. ₂ O can be blended. The glass powder (slurry) used for baking the glass layer may contain an appropriate amount of a clay mineral or an organic binder for the purpose of increasing the shape retention of the formed glass powder deposition layer.
[0012]
The glass layer may contain aggregate particles for enhancing the shape retention of the glass in a softened state during baking and preventing run-off. The aggregate particles can be mixed with ceramic particles having a higher melting point than a matrix portion forming a glass phase (hereinafter referred to as a glass matrix), for example, alumina particles. In consideration of the dispersibility in the glass matrix, the average particle size of the aggregate particles is preferably adjusted to a range of 1 μm or more and 30 μm or less. Further, the compounding ratio of the aggregate particles is desirably 10% or more and 40% or less in the area ratio of the aggregate particles observed on the surface of the glass layer. If the area ratio of the aggregate particles exceeds 40%, the fluidity of the glass layer during baking is impaired, and it becomes difficult to obtain a dense glass layer. On the other hand, if the area ratio of the aggregate particles is less than 10%, the effect of preventing the glass layer from falling off during baking becomes insufficient.
[0013]
Further, the brazing material is preferably made of a brazing material having low reactivity with the glass layer and having a melting point lower than the softening point of the glass layer. As such a brazing material, for example, an Ag-based brazing material such as pure Ag or Ag-Cu-based can be used. When the metal outer cylinder is made of an Fe-based metal or a Ni-based metal, the brazing material layer is closely bonded to the inner peripheral surface of the metal outer cylinder, but hardly bonded to the glass layer because of its low reaction activity. Therefore, in a ceramic heater in which a metal outer cylinder is assembled via a brazing material layer and a glass layer, for example, when the metal outer cylinder is cut along an axial line and disassembled, the brazing material layer is removed together with the outer peripheral surface of the glass layer. Can be exposed, so that the surface can be observed.
[0014]
In the present specification, the dimension of the concave portion observed on the outer peripheral surface of the glass layer, the outer contour of the concave portion on an image obtained by observing the enlarged outer peripheral surface of the glass layer, a circumscribed parallel line that does not cross the inside of the concave region, the concave portion When various lines are drawn while changing the positional relationship with the outline, the average value of the minimum interval dmin and the maximum interval dmax of the parallel lines is expressed by d = (dmin + dmax) / 2. The recesses having a size of 50 μm or more mainly contribute to the development of the anchor effect (1) and the stress relaxation effect (2), and the size of 50 μm or more is formed on the outer peripheral surface of the glass layer. Is desirably formed so that the total area ratio of the concave portions is 10% or more and 50% or less. If the area ratio of the concave portion having a dimension of 50 μm or more is less than 10%, the effects of preventing breakage of the ceramic heater and improving the pull-out strength are not significant. On the other hand, if the area ratio of the concave portion having a size of 50 μm or more exceeds 50%, it becomes impossible to sufficiently secure the pull-out strength of the ceramic heater. It is desirable that the size of the recess formed is 200 μm or less. If a concave portion having a size of 200 μm or more is formed, there is a possibility that the above-described stress relaxation effect cannot be sufficiently obtained.
[0015]
Next, the concave portion forming process on the glass layer surface can be performed by a chemical roughening process. Specifically, the surface of the glass layer formed on the ceramic heater is brought into contact with a processing solution capable of dissolving the glass matrix to chemically dissolve and remove a part of the surface layer portion, thereby forming a scattered concave portion. It can be easily formed. In particular, when a glass containing the above-described aggregate particles is used, if a treatment liquid that selectively dissolves the glass matrix with respect to the aggregate particles is used, the aggregate particles fall off due to glass matrix erosion between the aggregate particles. This makes it easier to form scattered concave portions on the layer surface.
[0016]
The glass layer is made of SiO as described above. ₂ Or B ₂ O ₃ In the case of using a composition containing an acidic oxide as a main component, it is desirable to use an alkaline treatment liquid as the treatment liquid for the chemical roughening treatment because the treatment is excellent in the roughening effect. As the alkaline treatment liquid, for example, an aqueous solution of NaOH or KOH can be used.
[0017]
Instead of the chemical roughening treatment, a roughening treatment by dry etching such as sputter etching or ion etching or a mechanical roughening treatment such as shot blasting may be used.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples shown in the drawings.
FIG. 1 shows a glow plug using a ceramic heater according to the present invention together with its internal structure. That is, the glow plug 50 has a ceramic heater 1 provided at one end thereof, a metal outer cylinder 3 that covers the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 so that the tip 2 protrudes, and the metal outer cylinder 3 from the outside. A covering metal shell 4 and the like are provided. At the rear end of the ceramic heater 1, one end of a coupling member 5, both ends of which are formed into a helical spring shape by a metal wire, is fitted from the outside, and the other end is a metal inserted into the metal shell 4. It is fitted to one end of the shaft 6. The other end of the metal shaft 6 extends to the outside of the metal shell 4, and a nut 7 is screwed into a screw portion 6a formed on the outer peripheral surface. The metal shaft 6 is fixed to the metal shell 4 by tightening the nut 7 toward the metal shell 4. An insulating bush 8 is fitted between the nut 7 and the metal shell 4. On the outer peripheral surface of the metal shell 4, a screw portion 5a for fixing the glow plug 50 to an engine block (not shown) is formed.
[0019]
As shown in FIG. 2, the ceramic heater 1 extends from one base end into a shaft-shaped insulating ceramic base 13 having a substantially circular cross section, and then changes its direction to reach the other base end. A ceramic resistance heating element 10 having a main body 10a formed in a shape, for example, a U-shape, and two linear lead wire connecting portions 10b extending in the same direction from respective base ends of the main body 10a. ing. Further, the ends of a pair of linear or rod-

like lead wires

11 and 12 are embedded in both ends of the ceramic resistance heating element 10. The ceramic resistance heating element 10 is embedded at the tip 2 of the ceramic heater 1 such that the main body 10a faces the tip of the ceramic heater 1.
[0020]
Each of the

lead wires

11 and 12 extends in the ceramic base 13 in a direction away from the ceramic resistance heating element 10. One of them (12) is exposed in the metal outer cylinder 3, and the other (11) is near the other end of the ceramic base 13, and its rear end is exposed on the surface of the ceramic base 13, respectively. The exposed portions 12a and 11a are formed.
[0021]
The ceramic resistance heating element 10 is made of tungsten carbide (WC), molybdenum silicide (MoSi). ₂ ), Conductive ceramics such as silicon carbide (SiC), and the ceramic base 13 is formed of insulating ceramics such as silicon nitride ceramics and alumina ceramics. The

lead wires

11 and 12 are made of a refractory metal material such as tungsten (W) or a tungsten-rhenium (Re) alloy. Instead of the ceramic resistance heating element 10, a resistance heating wire made of a high melting point metal material may be used as the heating element.
[0022]
In FIG. 2, a thin metal layer (not shown) of nickel or the like is provided on the surface of the ceramic base 13 in a region including one of the

lead wires

11 and 12, here, the exposed portion 12 a of the lead wire 12. (For example, plating or vapor deposition). The ceramic base 13 and the metal outer cylinder 3 are joined by brazing via the thin metal layer, and the lead wire 12 is electrically connected to the metal outer cylinder 3 via the exposed portion 12a. Similarly, a thin metal layer is formed in a region including the exposed portion 11a of the other lead wire 11, and the joining member 5 is brazed to the thin metal layer. With this configuration, power is supplied from a power source (not shown) to the ceramic resistance heating element 10 via the metal shaft 6 (FIG. 1), the coupling member 5 and the lead wire 11, and furthermore, the lead wire 12, the metal outer cylinder 3, grounded via metal shell 4 (FIG. 1) and an engine block (not shown). This energization causes the ceramic resistance heating element 10 to generate resistance heating.
[0023]
In FIG. 1, the metal outer cylinder 3 and the metal shell 4 are joined by brazing. On the other hand, in FIG. 2, the metal outer cylinder 3 is arranged so as to be in contact with the outer peripheral surface of the ceramic heater 1, the outer peripheral surface of the glass layer 21 and the inner peripheral surface of the metal outer cylinder 3. (The glass layer 21 is removed from the exposed portion 12a of the lead wire 12) via the metal brazing material layer 22 disposed in contact with the metal wire.
[0024]
As shown in FIG. 5, the glass layer 21 is obtained by dispersing aggregate particles UP made of alumina in a glass matrix GL. A glass matrix GL having a softening point of 850 ° C. or more and less than 1200 ° C. is used. ₂ 70% by mass to 90% by mass in conversion, B is B ₂ O ₃ It is made of borosilicate glass containing 10% by mass or more and 30% by mass or less in conversion. The average particle size of the aggregate particles UP is 1 μm or more and 30 μm or less, and the compounding ratio of the entire glass layer 21 is determined by the area ratio (or volume content) of the aggregate particles UP observed on the surface of the glass layer 21. In the above, it is 10% or more and 40% or less.
[0025]
The brazing material used for the brazing material layer 22 has a liquidus temperature of 700 ° C. or more and less than 1200 ° C., and is made of, for example, an Ag-based brazing material such as an Ag—Cu-based material. The metal outer cylinder 3 is made of an Fe-based metal such as stainless steel.
[0026]
As shown in FIG. 3, the outer peripheral surface of the glass layer 21 which is in contact with the metal brazing material layer 22 is roughened by scattered concave portions 21p, and the inner layer is more inner than the surface layer portion 21s where the concave portions 21p are formed. The portion 21b is formed densely. The total area ratio of the concave portions having a size of 50 μm or more observed on the outer peripheral surface of the glass layer 21 is adjusted to 10% or more and 50% or less.
[0027]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the glow plug of FIG. 1 will be described.
The ceramic heater 1 is manufactured by injection molding (insert molding) of a molded body of conductive ceramic powder to be the resistance heating element 10 of FIG. 2 as a composite molded body in which the

lead wires

11 and 12 are integrated. In addition, a powder compact to be the ceramic base 13 is manufactured in a divided form using die press molding, and the above-mentioned composite compact is embedded and integrated into this to form a final compact. The molded body is calcined in order to remove a binder component and the like, and then calcined by a hot press to obtain the ceramic heater 1.
[0028]
Next, a glass powder slurry is prepared as follows. First, a component source powder serving as a component source of borosilicate glass such as Si or B (for example, Si component is SiO 2 ₂ Powder, B component is H ₃ BO ₃ (Powder) is blended and mixed so as to have a composition that provides an intended softening point (for example, 850 ° C. or more and 1000 ° C. or less). Next, the mixture is heated and melted in a temperature range of 1000 ° C. or more and 1500 ° C. or less, and the molten material is poured into water to be rapidly cooled and vitrified, and further pulverized to produce glass powder. Then, a glass powder slurry is obtained by mixing an appropriate amount of an alumina powder, which is to be aggregate particles, a clay mineral such as kaolin and frogme clay, and an organic binder with the glaze powder, further adding water and mixing.
[0029]
Then, as shown in Step 1 of FIG. 4, the glass powder slurry SL is sprayed and applied to the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 from a spray nozzle to form a glass powder application layer 21 ″, which is dried. The ceramic heater 1 with the glass powder coating layer 21 ″ thus obtained is inserted into a heating furnace and heated to a predetermined temperature of 850 ° C. to 1000 ° C., which is higher than the glass softening point, as shown in Step 2. The glass powder coating layer 21 ″ is baked on the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 to form a glass layer 21 ′.
[0030]
The ceramic heater 1 on which the glass layer 21 'has been baked is immersed in a treatment liquid TS for forming a concave portion for a predetermined time as shown in Step 3. The treatment liquid TS is, for example, an alkaline treatment liquid (for example, an aqueous solution) containing an alkali component such as NaOH or KOH in a range of 25% by mass to 45% by mass. This treatment liquid selectively dissolves the glass matrix with respect to the aggregate particles UP. As shown in FIG. 5, the glass matrix GL between the aggregate particles UP is dissolved and eroded, and the aggregate particles UP fall off. A large number of concave portions 21p are formed on the outer peripheral surface of the glass layer 21 in a scattered manner while accompanied by the following. After the treatment, the ceramic heater 1 is pulled up from the treatment liquid TS, and is washed and dried.
[0031]
Returning to FIG. 4, the metal outer cylinder 3 is disposed outside the glass layer 21 of the ceramic heater 1 in which the concave portion forming process on the glass layer 21 has been completed. The inner diameter of the metal outer cylinder 3 is set to be, for example, about 0.1 to 0.3 mm larger than the outer diameter of the ceramic heater 1 in the portion where the glass layer 21 is formed, and is coaxially positioned using a jig (not shown). . Then, a gap of 0.05 to 0.15 mm is formed between the inner peripheral surface of the metal outer cylinder 3 and the outer peripheral surface of the glass layer 21. Then, a brazing material coil SC is fitted to the upper end of the ceramic heater 1 above the metal outer cylinder 3 to form an assembly, and as shown in Step 4, the assembly is disposed in a heating furnace, and Heat treatment is performed in a temperature range of 900 ° C. to 1060 ° C. Then, the brazing material coil SC is melted and penetrates into the gap between the metal outer cylinder 3 and the glass layer 21 to be filled. Thereafter, by cooling the assembly in a furnace or air, the molten brazing material is solidified, and a brazing material layer 22 is formed.
[0032]
The brazing material layer 22 contracts greatly during the above-described solidification. On the other hand, since the glass layer 21 has a small coefficient of linear expansion together with the ceramic heater 1 inside, the shrinkage is much smaller than that of the brazing material layer 22. Therefore, at the time of the solidification, the ceramic heater 1 receives a strong clamping force in the radial direction from the brazing material layer 21. Since the brazing material layer 21 is closely adhered to the inner surface of the metal outer cylinder 3, the metal outer cylinder 3 is fixed to the ceramic heater 1 by this tightening force.
[0033]
If the tightening force is excessively large, cracks or breaks may occur in the ceramic heater 1. In particular, in FIG. 2, since the connection portions between the

lead wires

11 and 12 and the ceramic resistance heating element 10 are low in strength, cracks and the like are easily generated. Such a defect is likely to occur when manufacturing a small-diameter glow plug in which the outer diameter of the ceramic heater 1 is about 2 mm or more and 3 mm or less, and often causes a defect. However, in the present invention, as shown in FIG. 3, a large number of recesses 21p are formed on the surface of the glass layer 21, and the openings thereof are closed by the brazing material layer 22 to form holes 21g. The shrinking brazing material layer 22 permanently deforms the surface of the glass layer 21 by crushing the holes 21g, or the brazing material layer 22 itself digs into the holes 21g (recesses 21p) to tighten the tightening stress. Moderately relaxed. As a result, cracks and breakage in the ceramic heater 1 can be effectively suppressed. Since the glass layer 21 is densely formed except for the surface layer where the holes 21g are formed, the strength of the entire glass layer 21 is high, and the pull-out strength of the ceramic heater 1 with respect to the metal outer cylinder 3 is also good. Can be secured.
[0034]
【Example】
Various test articles of the glow plug in the form shown in FIGS. 1 and 2 were produced as follows. A ceramic heater 1 having an outer diameter of two levels of 2.5 mm and 3.5 mm and a uniform length of 45 mm was produced by hot press firing. The material of the ceramic base is silicon nitride, and the material of the resistance heating element is a mixture of tungsten carbide and silicon nitride.
[0035]
Next, a glass powder slurry was prepared as follows. First, as a raw material, ₂ (Purity 99.5%) and H ₃ BO ₃ Powder (98.5% purity) powder with a glass composition of SiO ₂ : 80% by mass, B ₂ O ₃ : Blend so as to be 20% by mass, heat the mixture to 1000 to 1500 ° C. to melt it, throw the melt into water, quench and vitrify it, and pulverize it to a particle size of 50 μm or less with an alumina pot mill. Thus, a borosilicate glass powder was produced. Then, for 100 parts by mass of this glass powder, Al serving as aggregate particles is used. ₂ O ₃ Powder (purity: 99.5%) was blended so that the volume ratio of the alumina powder particles was 6%, 3 parts by mass of New Zealand kaolin as a clay mineral, and 2 parts by mass of PVA as an organic binder, And 100 parts by mass of water were added and mixed to obtain a glass powder slurry.
[0036]
This glass powder slurry was sprayed onto the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 from a spray nozzle as in step 1 of FIG. 4 and then dried to form a glass powder coating layer 21 ″. The dried glass powder coating was applied. The thickness of the layer 21 ″ is about 50 μm. The glass powder coated layer 21 ″ was baked at 1100 ° C. in the air according to Step 2 to obtain a glass layer 21 ′.
[0037]
Next, a concave portion forming process for the glass layer 21 'was performed according to step 3 in FIG. First, an alkaline aqueous solution containing NaOH at various concentrations of 10 to 55% by mass was prepared as a treatment liquid for the chemical roughening treatment. Then, the above two types of ceramic heaters having an outer diameter with a glass layer were immersed in 100 pieces of each treatment solution at room temperature for 30 seconds, pulled up, washed with water and dried to form a concave portion. Further, as a comparative example, a ceramic heater which was not subjected to the recess forming process was also prepared. The surface of the glass layer 21 after the concave portion formation processing was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the concave portions having a size of 50 μm or more were extracted by image processing to obtain the area ratios. Then, "A" indicates that the area ratio is 50% or more, "B" indicates 15% or more and less than 50%, and "C" indicates 10% or more and less than 15%. ". FIG. 7 is an SEM observation image of the glass layer surface after the roughening treatment of the test sample No. 6 in Table 1 (Example product), and FIG. 8 is also the test sample No. 1 in Table 1 (Example product). It is a SEM observation image of the glass layer surface of a comparative example product without roughening treatment). The arithmetic average roughness of the outer peripheral surface of the glass layer was measured by the method described in JIS: B0601 described above.
[0038]
Next, on the outside of the ceramic heater 1 after the concave portion forming process, a stainless steel metal having an inner diameter of 3.6 mm and 3.7 mm (diameter difference from the glass layer 21: 0.16 mm) and a length of 22 mm, respectively. The outer cylinder was arranged, and the filler material was filled in accordance with step 4 in FIG. The brazing filler metal used was pure Ag brazing, and the melting and filling of the brazing filler metal was performed by heating to 1040 ° C. in the atmosphere for 3.5 hours.
[0039]
As shown in FIG. 6, the ceramic heater 1 having the metal outer cylinder 3 assembled as described above has both ends in the inner diameter direction of the metal outer cylinder 3 substantially circumscribing the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 and is parallel to the axis. The ceramic heater 1 is cut and removed so that a cut surface is formed, and the tip 2 of the ceramic heater 1 protruding from the metal outer cylinder 3 is inserted into the inside of the support ring 1, and the lower end face of the metal outer cylinder 3 is It was supported at the end face. In this state, the upper end surface of the ceramic heater 1 is pushed toward the support ring 1 by the head of the compression test, and the maximum load when the metal outer cylinder 3 separates from the ceramic heater 1 is obtained. The value divided by the inner peripheral area was evaluated as the adhesion strength (pull strength). Further, the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 after detaching the metal outer cylinder 3 was examined by a fluorescent flaw detection method, and the number ratio of cracks or breakage was determined. The above results are shown in Table 1 (outer diameter of ceramic heater 1: 2.5 mm) and Table 2 (3.5 mm).
[0040]
[Table 1]

[0041]
[Table 2]

[0042]
According to this result, in the case where the surface of the glass layer was subjected to the concave forming treatment with the alkali treatment liquid, the area ratio of the concave having a dimension of 50 μm or more observed on the outer peripheral surface of the glass layer was adjusted to 10% or more and 50% or less. It can be seen that the ceramic heater has less breakage and that the adhesion strength (extraction strength) between the metal outer cylinder and the ceramic heater is well secured. From the comparison between Table 1 and Table 2, when the outer diameter of the ceramic heater is reduced to 2.5 mm, the concave portion forming process of the glass layer is more performed than when a ceramic heater having a diameter larger than 3 mm is used. It can also be seen that the effect is more pronounced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical partial sectional view showing an embodiment of a glow plug of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a ceramic heater part of FIG. 1;
FIG. 3 is a view schematically showing a glass layer and a brazing material layer on which a concave portion is formed.
FIG. 4 is a process explanatory view showing one example of a method for manufacturing a glow plug of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a state in which a concave portion is formed in a glass layer by a chemical roughening treatment.
FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a method of measuring the pull-out strength of a ceramic heater.
FIG. 7 is an SEM observation image of the surface of a glass layer roughened according to the method of the present invention.
FIG. 8 is an SEM observation image of the surface of a glass layer without a roughening treatment.
[Explanation of symbols]
1 ceramic heater
3 Metal outer cylinder
13 Ceramic substrate
10. Ceramic heating element
21 Glass layer
21p recess
22 Brazing material layer
50 glow plug
TS alkaline treatment liquid

Claims

A metal outer cylinder, having a structure in which a resistance heating element is embedded at the tip of a shaft-shaped ceramic base, and having a ceramic heater fixed inside the metal outer cylinder, the ceramic heater and the metal outer cylinder; A glass layer disposed in contact with the outer peripheral surface of the ceramic heater, and a brazing material layer disposed in contact with the outer peripheral surface of the glass layer and the inner peripheral surface of the metal outer cylinder,
The glass layer is characterized in that the outer peripheral surface in contact with the brazing material layer is roughened by scattered concave portions, and that the inner layer portion is denser than the surface layer portion in which the concave portions are formed. Glow plug to do.

2. The glow plug according to claim 1, wherein the ceramic heater has an outer diameter of 2 mm or more and 3 mm or less in a portion located inside the metal outer cylinder. 3.

A method for manufacturing a glow plug, comprising: a metal outer cylinder, having a structure in which a resistance heating element is embedded at a tip end of a shaft-shaped ceramic base, and having a ceramic heater fixed inside the metal outer cylinder.
A glass layer forming step of forming a glass layer covering the outer peripheral surface of the ceramic substrate,
A concave portion forming step of forming a scattered concave portion on the outer peripheral surface of the formed glass layer,
Disposing the metal outer cylinder so as to surround the outer peripheral surface of the roughened glass layer, and filling a gap between the inner peripheral surface of the metal outer cylinder and the outer peripheral surface of the glass layer with a brazing filler metal; A brazing material filling step for forming a layer,
A method for manufacturing a glow plug, comprising:

4. The method for manufacturing a glow plug according to claim 3, wherein the recess forming step is performed by a chemical roughening process.

5. The method for manufacturing a glow plug according to claim 4, wherein the glass layer contains an acidic oxide as a main component, and an alkaline treatment liquid is used as a treatment liquid for the chemical roughening treatment.

In the concave portion forming step, the scattered concave portions are formed such that, among concave portions observed on the outer peripheral surface of the glass layer, those having a size of 50 μm or more have a total area ratio of 10% or more and 50% or less. A method for manufacturing a glow plug according to any one of claims 3 to 5.