JP2007247994A - セラミックグロープラグおよびセラミックグロープラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックヒータ３０と中軸２０とをリング部材４０を用いて電気的におよび機械的に剛の状態にて接続する構成を備えたグロープラグであり、セラミックヒータ３０への通電をリング部材４０に施した金属層（メッキ層４０ｍ）を介して行う場合に、リング部材４０と電極取出部３４との接触抵抗の上昇を防ぎ、製造過程においてリング部材４０とセラミックヒータ３０との圧入荷重の低減を達成しつつ、両者のズレや抜けを抑制する構成を提供する。
【解決手段】
リング部材４０に施す金属層の厚さを０．４μｍ以上１．５μｍ以下とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの予熱や始動補助等に用いられるグロープラグに関し、特に抵抗発熱体が絶縁性セラミック製の基体に埋設された構成を備えるものに関する。

従来、上記のようなグロープラグとして、筒状のハウジングの先端部内側に、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。そして、グロープラグへの通電は、他端が主体金具の後端側へ突出するように設けられ、接続端子として機能する中軸へバッテリ等の外部電源が接続されることによってなされている。中軸へ供給された電力は、中軸の一端が金属リード線や金属製の環状部材（金属嵌合部材）を介してセラミックヒータの外表面に露出した一方の電極取出部と接続されており、セラミックヒータへ供給される。セラミックヒータにおいては一方の電極取出部から一方のリード部、抵抗発熱体、他方のリード部、他方の電極取出部へと通電し、他方の電極取出部に電気的に接続されたハウジングを介してエンジンヘッドに接地されることによって電気的な経路が確立されている。

上記経路を形成するために、セラミックヒータの後端寄りの外表面には一方の電極取出部が露出しており、この露出部に接触するように金属製の環状部材が圧入等の締まり嵌め状態にて固定されている。この環状部材のセラミックヒータへの圧入に際して圧入荷重の低減を目的としたり、継続的使用によって生じる電極取出部と環状部材との接触抵抗の増大を抑制することを目的として環状部材の内周面に軟質性の金属層を形成することを本出願人は出願している（特願２００３−３７３８６０：特許文献１参照）。なお、上記通電の経路の構成として金属リード線を用いず、環状部材に直接中軸を接合する構成を備えるものもある（特許文献２参照）。

上記特許文献においては、圧入荷重の低減および接触抵抗の増大抑制を課題としていたため、環状部材の内表面に軟質性の金属層、具体的にはイオン化傾向がＮｉ以下の、たとえばＡｕメッキを施し、その金属層がセラミックヒータの外表面に露出した電極取出部（すなわち露出部）の面積に対して３０％以上と当接するようにしたり、その厚みを０．２〜１０μｍとすることを課題解決のための技術的手法としていた。

ところで、上記の環状部材に直接中軸を接合する構成を備えたものは次のように作製され得る。まず、セラミックヒータ、内表面にＡｕメッキが施された環状部材、中軸、ハウジング（ハウジング本体とヒータ保持外筒）および必要に応じて接続端子等をそれぞれ作製する。そして、環状部材およびヒータ保持外筒をセラミックヒータに締まり嵌め固定する。一方、セラミックヒータと環状部材とが一体となったものに対して中軸の先端と環状部材の後端とを圧入や溶接により機械的に剛な状態となるように固定する。さらに中軸まで一体となったセラミックヒータ一体物をハウジングの先端から挿通させ、ヒータ保持外筒とハウジングを接合し、概形を完成させる。グロープラグ後端部は例えばハウジング後端から突出した中軸の一部にピン形状の接続端子を加締め固定する。なお、その他部材（Ｏリングや絶縁ブッシュ等）は必要に応じて適宜組み合わせている。
特願２００３−３７３８６０号（特開２００４−２５１６１３号公報） 特開２００４−２５１６１３号公報

さて、上記のように作製されるセラミックグロープラグにおいて、環状部材に施すＡｕメッキ層を０．２〜１０μｍとすることで、圧入荷重が過大となることもなく、また使用においても電極取出部と環状部材との間での接触抵抗が著しく上昇してしまうものはなかった。しかしながら、セラミックグロープラグの試験を行うためにエンジンへ取り付ける際に不具合が生じ得た。それは、環状部材とセラミックヒータとの接合がゆるみ、セラミックヒータへの導通経路がとぎれてしまう不具合である。

グロープラグをエンジンに取り付ける際に、作業者は作業効率やグロープラグ取り付けに要するリードタイムを気にするあまり、半ば強引な力でグロープラグの接続端子と電源供給のためのコードやターミナルプレート（電極板）を接続する作業を行うことがある。こうした場合に、セラミックヒータの外径や環状部材、果てはＡｕメッキの製造公差が許容範囲の極限をとりうると、このような不具合が生じ得るのである。すなわち引き抜き強度の低下が懸念されるのである。

本発明の目的はセラミックヒータへの環状部材の圧入荷重の低減および接触抵抗の増大を抑制しつつも引き抜き強度が十分に高められたセラミックグロープラグを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明のセラミックグロープラグは、軸線に沿って棒状の形態をなし絶縁性セラミックからなる基体と、１対のリード部と、当該リード部の先端同士を接続する抵抗発熱体と、前記リード部の一方から前記基体の外表面まで前記軸線に垂直な方向へ形成される少なくとも１つの電極取出部と、を有するセラミックヒータと、
前記セラミックヒータの後端の外周に配設される金属嵌合部材であって、自身の表面にイオン化傾向がＮｉ以下の金属層を有し、当該金属層を介して前記電極取出部と電気的に接続されるとともに、前記セラミックヒータの後端の外周には自身の先端が締まり嵌め状態にて嵌合される金属嵌合部材と、前記金属嵌合部材の後端と自身の先端部とが機械的に剛に接合されて当該金属環状部材と電気的に接続される中軸と、前記セラミックヒータの一部および前記中軸の一部を自身の端部からそれぞれ突出させ、前記セラミックヒータと前記中軸とを自身の内部に直接的または間接的に保持するハウジングとを備えたセラミックグロープラグであって、
前記金属層の厚みが０．４μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。

さらに本発明のセラミックグロープラグは、前記環状部材と中軸との接合が圧入によってなされており、前記金属層の厚みが０．６μｍ以上１．２μｍ以下であることを特徴とする。

また本発明のセラミックグロープラグを製造する方法としては、セラミックヒータの後端外周面に前記環状部材の先端を締まり嵌め状態にて固定する第１工程と、前記第１工程後に前記環状部材の後端に前記中軸を圧入固定する第２工程と、を備えることを特徴とする。

上記構成のごとく、金属層の厚みをある特定範囲とすることにより引き抜き強度が良好に得られることを見いだした。すなわち、金属層の厚みが１．５μｍを超えていたり、０．４μｍ未満であった場合、圧入荷重の低減や接触抵抗の増大を抑制する効果は得られるものの、後述する試験結果に示すように引き抜き強度の向上という観点では十分な結果が得られないことがあった。これを上記のごとく、０．４μｍ以上１．５μｍ以下の範囲とすることにより従来の効果に加え、より優れた引き抜き強度を有するグロープラグを提供することが可能となったのである。

そして、セラミックヒータに対して環状部材を締まり嵌め固定し、その環状部材に中軸を圧入固定する構成であると、圧入固定をする際に環状部材がセラミックヒータの所定位置からズレてしまうことがある。これは、セラミックヒータに対する環状部材の固着力が小さいために生じる問題である。したがって、このような構成を備える場合には金属層の厚みの精度をより向上させることが望ましく、０．６μｍ以上１．２μｍ以下とすることが有効である。

上記不具合が生じやすいのは、セラミックヒータの先端から環状部材に圧入を行い、その後に中軸が環状部材をセラミックヒータの先端方向へ応力を及ぼす工程により製造されるためである。そのため、このような製造方法にてグロープラグを作製する際には、本構成がより有効となるのである。

以下、本発明のグロープラグについて図面を参照して説明する。なお、図面上下方向を軸線ＡＸ方向とし、下方を先端、上方を後端として説明する。
図１は、本発明の一実施形態のセラミックグロープラグ１００（以下単にグロープラグ１００ともいう）の全体を示す半断面図である。グロープラグ１００は、概略、ハウジング１０、中軸２０、セラミックヒータ３０、リング部材４０、ピン端子５０が組み合わされて構成されている。なお、リング部材４０が金属嵌合部材に相当する。

筒状のハウジング１０はハウジング本体部１１とヒータ保持外筒１６とからなり軸線ＡＸに沿って自身の内部が貫通した内孔１０ｈ（１１ｈ，１６ｈ）を備える略円筒状の部材である。ヒータ保持外筒１６にはセラミックヒータ３０がその内孔１０ｈ（１６ｈ）に保持されている。ハウジング本体部１１の後端部１１ｋ（１０ｋ）からは中軸２０の後端部２０ｋが突出し、この中軸２０とセラミックヒータ３０とがハウジング１０の内孔１０ｈ（１１ｈ）内にてリング部材４０によって機械的にかつ電気的に接続されている。突出した中軸２０の後端部２０ｋにはピン端子５０が加締め固定されている。また、中軸２０とハウジング１０の内孔１０ｈ内には気密封止、水密封止のためのＯリング１０１が介在し、ハウジング１０の後端部１０ｋの内周側およびこの後端部１０ｋよりも後端側には、絶縁ブッシュ１０２が中軸２０と内孔１０ｈとの間およびピン端子５０とハウジング１０の後端部１０ｋとの間に配置されている。グロープラグ１００はこのようにセラミックヒータ３０と中軸２０とを自身の内部に保持する構成を備えている。

ハウジング１０はハウジング本体部１１とヒータ保持外筒１６とが互いに接合されて構成されている。ハウジング本体部１１はＳ４５Ｃ相当の鉄系素材からなる円筒状を呈しており、外周面の中腹には図示外のディーゼルエンジンへの取り付けのためのねじ部１１ｎが転造により形成されている。このねじ部１１ｎよりも後端側の後端部１１ｋにはディーゼルエンジンへ取り付ける際に六角レンチやプラグレンチ等の工具が係合する工具係合部１１ｅが形成されている。また、後端部１１ｋの内周側は、後端側に向かって内孔１０ｈを拡径するテーパ部１０ｔ、およびこのテーパ１０ｔのさらに後端側に隣接する大径孔１０ｄが形成されている。

一方、ヒータ保持外筒１６はＳＵＳ４３０からなり、鍔状部（大円筒部１６ｄ）を有する略筒状を呈しており、セラミックヒータ３０が圧入されることによってこのセラミックヒータ３０を保持する内孔１６ｈが自身の内周に形成されている。ヒータ保持外筒１６の外形は、先端側に比較的薄肉の小円筒部１６ｓ、この小円筒部１６ｓの後端側に隣接して後端向きに拡径するテーパ１６ｔ、さらにこのテーパ１６ｔに続き小円筒部１６ｓよりも大径でハウジング本体部１１と略同一の外径を有する大円筒部１６ｄ、さらに大円筒部１６ｄよりも後端側には大円筒部１６ｄよりも小径の係合円筒部１６ｋが形成されている。なお、図示しないディーゼルエンジンへグロープラグ１００として取り付けられる際には、テーパ１６ｔが燃焼室との気密を確保するシールとしての役割を担う。

中軸２０はＳ４３０からなり棒状の形態を呈している。その先端部はリング部材４０と嵌合するように先端小径部２０ｓが先端向きの係合端面２０ｔを境界として形成され、一方後端部はピン端子５０が取り付けられるためにややその他の部位よりも小径の後端部２０ｋとして形成されている。なお、先端小径部２０ｓと後端部２０ｋとの間にはその外径を細く、くびらせた中央小径部２０ｃが中軸２０に伝わる応力緩和等を目的として形成されている（図１、図４参照）。

さて、本発明の要点である金属層が設けられるリング部材４０はＳＵＳ６３０製の円筒形状をなしている。内径はセラミックヒータ３０の後端部３０ｋおよび中軸２０の先端小径部２０ｓのそれぞれの外径と略同径とする一方、外径は中軸２０の係合端面２０ｔよりも後端部分の外径と略同径としてなる。なお、本実施例においてはメッキ層４０ｍが金属層に相当する（図２（ｃ）参照）。

セラミックヒータ３０は棒状の絶縁性セラミック基体３１に、導電性セラミックからなる抵抗発熱体３２および１対のリード部３３、３３が埋設されている。セラミックヒータ３０の先端寄りの内部に位置する抵抗発熱体３２は導電性セラミックがＵ字状に形成されたものであり、この抵抗発熱体３２の各基端から後方へ向かって延びる２本のリード部３３が同様に導電製セラミックから形成されている。なお、リード部３３の一方はヒータ３０の後端部３０ｋにおいて前記リング部材４０と導通可能な電極取出部３４が軸線ＡＸに垂直な径方向へセラミック基体３１の表面に露出するように形成されている。リード部３３の他方は前記電極取出部３４より先端側にて、ヒータ保持外筒１６と導通可能な電極取出部３５が同様に径方向に形成されている。

次に上記それぞれの部材が組み合わされグロープラグ１００を構成する過程について図２ないし図５により説明する。なお、従来周知の構成と特に変わらない部位についてはその説明を簡略ないしは省略する。

リング部材４０およびヒータ保持外筒１６は、別工程にてそれらの表面にＡｕメッキ加工が施され、メッキ層４０ｍが形成されている。具体的にはまず下地層としてのＮｉストライクメッキ層を形成した後、Ａｕストライクメッキ層、さらにＡｕメッキ層の順に形成している。なお、本発明において、このＮｉストライクメッキ層、Ａｕストライクメッキ層、Ａｕメッキ層を含めてメッキ層といい、金属層に相当する。なお、この厚さｔはリング部材４０の内周側の厚さで０．８μｍである（図２（ｃ）参照）。

メッキ層４０ｍが形成された後、リング部材４０は、後端側からセラミックヒータ３０が挿通（圧入）される。これにより、リング部材４０は自身の内周面がセラミックヒータ３０の後端部３０ｋの表面に露出した電極取出部３４に当接して、自身の内部にセラミックヒータ３０の後端部３０ｋを収めてセラミックヒータ３０と組み合わされる（図２（ａ）、（ｂ）参照）。なお、この組み合わせの工程において、リング部材４０をセラミックヒータ３０の後端部３０ｋに固定するときに要する力が圧入荷重である。メッキ層を図２（ｃ）にリング部材４０のＡ−Ａ断面図として示すが、この図２（ｃ）は説明のため誇張描写したものである。

次いで、リング部材４０と同じ方向からヒータ保持外筒１６にセラミックヒータ３０を挿通（圧入）する。これにより、電極取出部３５とリング部材４０の内周面とが当接して電気的な接続が果たされる。なお、ヒータ保持外筒１６はリング部材４０と接触しないように軸線ＡＸ方向に離間させて圧入固定されている（図３（ａ）、（ｂ）参照）。こうしてセラミックヒータ３０、リング部材４０、ヒータ保持外筒１６が一体となったヒータ一体構成物１０５が構成される。

次いでヒータ一体構成物１０５に対して中軸２０が接合される。中軸２０の先端部は係合端面２０ｔを境界としてより小径となる先端小径部２０ｓが形成されている。この先端小径部２０ｓがリング部材４０へ後端側から圧入され、係合端面２０ｔとリング部材４０の後端面とが当接して位置決めされる（図４（ａ）参照）。そして、この当接しあった部位に対してレーザ溶接が行われ、ヒータ一体構成物１０５と中軸２０とが一体化される（この一体物を便宜的に中軸一体構成物１０６とも称する（図４（ｂ）参照））。なお、このときの圧入荷重が過剰であると中軸２０がリング部材４０と位置決めされた後にさらにリング部材４０を先端方向へ押圧する状態となり、リング部材４０がセラミックヒータ３０の所定位置（後端部３０ｋ）からズレてしまうことがあるが、本発明ではこのズレの発生を最小限にとどめられるように厚さを設定したメッキ層４０ｍが形成されている。

次いで中軸一体構成物１０６に対してハウジング本体部１１が組み合わされる。この工程によってハウジング本体部１１とヒータ保持外筒１６とが一体に接合され、ハウジング１０として一体となる。なお、一体に接合するに際しては、ヒータ保持外筒１６の後端に形成した係合円筒部１６ｋにハウジング本体部１１の内孔１０ｈのうち先端側を圧入して位置決めし、両者の当接面にレーザを照射して溶接を行えばよい（図５（ａ）参照）。

その後、図５（ｂ）に示すようにハウジング本体部１１の内孔１０ｈの後端寄りに形成されたテーパ１０ｔと中軸２０とに当接するようにＯリング１０１を嵌挿し、このＯリング１０１を先端向きに押圧するように絶縁ブッシュ１０２を配置する。さらに、Ｏリング１０１と絶縁ブッシュ１０２とを固定しつつ、中軸２０をハウジング１０に対して係止するためにピン端子５０を先端向きに押圧しつつ、中軸２０の後端小径部２０ｋに対して軸線ＡＸ方向に垂直な径方向からピン端子５０を加締め固定する。こうして図１に示すグロープラグ１００は完成する。

さて、上記リング部材４０に対して施したＡｕメッキ層の厚さに関する検証試験を行った結果を示す。
（スライド強度測定試験）
まず、メッキ層の厚さを種々変えたリング部材４０を上記製法にて作製する。なお、リング部材４０は前述したＳＵＳ６３０製の円筒形状をなし、その肉厚が０．２５ｍｍ、軸線方向への長さが６．０ｍｍ、内径がφ３．２９ｍｍである。また、その厚さはメッキ工程のうちＡｕメッキ層の形成工程の処理時間を変更することにより、０．２μｍ、０．４μｍ、０．６μｍ、０．８μｍ、１．２μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの８種を形成している。それぞれメッキ層の厚さが異なったリング部材４０が用いられたヒータ一体構成物１０５をメッキ層の厚さごとに５０本ずつ作製する。作製されたヒータ一体構成物１０５を、そのヒータ保持外筒１６をテーパ１６ｔにより試験台（図示外）に支持し、中軸２０とリング部材４０との位置合わせを行ったうえで上方から中軸２０の先端小径部２０ｓをリング部材４０に圧入する方向へ荷重を加える。この荷重を加え続け、リング部材４０が固定される正規の位置から位置ズレを生じた時点での荷重を取得する。この取得した値をスライド強度〔ｋｇｆ〕と称し、サンプルごとにその平均値（ＡＶＧ）およびその標準偏差（ＡＶＧ±４σ）を計算し表１に示す。なお、ヒータ一体構成物１０５を構成するセラミックヒータ３０の外径はφ３．３０ｍｍである。

この表１の結果からメッキ層の厚さを０．６μｍ、０．８μｍ、１．２μｍ、１．５μｍとしたサンプル３，４，５，６についてはスライド強度の平均値がいずれも１９０ｋｇｆを超え、製造過程においてリング部材４０のセラミックヒータ３０への固定に際し、その位置ズレを生じる割合は極少となると判断し「○」と判定した。一方、メッキ層の厚さが０．２μｍ、０．４μｍ、２．０μｍ、３．０μｍとしたサンプル１，２，７，８については、スライド強度が１９０ｋｇｆ未満となってしまい、リング部材４０の位置ズレが生じるおそれがある、若しくは生じてしまったため「×」と判定した。

（引き抜き荷重測定試験）
次に、メッキ層の厚みを０．４μｍ、１．５μｍとした２種類のリング部材４０をそれぞれ複数個ずつ作製する。そして、このリング部材４０を用いてヒータ一体構成物１０５を前述の製造方法にしたがって作製する。すなわち、リング部材４０をセラミックヒータ３０の後端部３０ｋに圧入固定し、さらにレーザ溶接によって溶接する。作製された中軸一体構成物１０６のサンプルそれぞれに対してリング部材４０がセラミックヒータ３０から引き抜かれるときに要する力を測定する。この測定した値を引き抜き強度〔ｋｇｆ〕と称し、サンプルごとにその平均値（ＡＶＧ）およびその標準偏差（ＡＶＧ±４σ）を計算し表２に示す。なお、作成したサンプルはスライド強度測定試験と同一の寸法である。

この結果、少なくともメッキ層の厚みを０．４μｍと１．５μｍとしたものについては引き抜き強度が１５０ｋｇｆ以上であったので、引き抜き強度は十分に保証されたものであったことが確認できた。したがって、上記範囲のメッキ層の厚みを有していればセラミックヒータ３０からリング部材４０が抜けてしまう不具合の生じにくいグロープラグを提供することができる。

以上、実施例および検証試験に基づき本発明を説明してきたが、本発明は上記実施例になんら限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲での適宜変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記検証試験では金属層をＡｕメッキ層を形成するメッキ法として行っているが、既存のいかなる薄膜形成技術（例えば真空蒸着法やスパッタ法等）を用いても何ら変わりは無いものである。

本発明のグロープラグ１００の全体の半断面図である。また一部を拡大し、当該拡大図中にてさらに一部を破断して説明する図である。 本発明のグロープラグ１００の製造過程を示し、特にセラミックヒータ３０とリング部材４０とを示す図である。 本発明のグロープラグ１００の製造過程を示し、特にヒータ一体構成物１０５を示す図である。 本発明のグロープラグ１００の製造過程を示し、特にヒータ一体構成物１０５と中軸２０との接合を示す図である。 本発明のグロープラグ１００の製造過程を示し、特に（ａ）ハウジング本体部１１とヒータ保持外筒１６との接合、（ｂ）グロープラグ１００の後端部を示すものである。

符号の説明

１０ ハウジング
２０ 中軸
３０ セラミックヒータ
３１ 基体
３２ 抵抗発熱体
３３ リード部
３４，３５ リード部
４０ リング部材
５０ ピン端
１００ グロープラグ

Claims (4)

1. 軸線に沿って棒状の形態をなし絶縁性セラミックからなる基体と、
   １対のリード部と、当該リード部の先端同士を接続する抵抗発熱体と、前記リード部の一方から前記基体の外表面まで前記軸線に垂直な方向へ形成される少なくとも１つの電極取出部と、
   を有するセラミックヒータと、
   前記セラミックヒータの後端の外周に配設される金属嵌合部材であって、
   自身の表面にイオン化傾向がＮｉ以下の金属層を有し、当該金属層を介して前記電極取出部と電気的に接続されるとともに、前記セラミックヒータの後端の外周には自身の先端が締まり嵌め状態にて嵌合される金属嵌合部材と、
   前記金属嵌合部材の後端と自身の先端部とが機械的に剛に接合されて当該金属嵌合部材と電気的に接続される中軸と、
   前記セラミックヒータの一部および前記中軸の一部を自身の端部からそれぞれ突出させ、前記セラミックヒータと前記中軸とを自身の内部に直接的または間接的に保持するハウジングと
   を備えたセラミックグロープラグであって、
   前記金属層の厚みが０．４μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とするセラミックグロープラグ。
2. 前記環状部材と中軸との接合が圧入によってなされており、前記金属層の厚みが０．６μｍ以上１．２μｍ以下であ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。
3. 請求項１または２に記載のセラミックグロープラグの製造方法であって、
   セラミックヒータの後端部に前記環状部材の先端を締まり嵌め状態にて固定する第１工程と、
   前記第１工程後に前記環状部材の後端に前記中軸を圧入固定する第２工程と、
   を備えることを特徴とするセラミックグロープラグの製造方法。
4. 前記第１工程における前記環状部材の前記セラミックヒータへの締まり嵌め固定は、当該環状部材を前記セラミックヒータの先端側から挿通させ、圧入する工程であることを特徴とする請求項３記載のセラミックグロープラグの製造方法。
   

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