JP2011017504A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクルによる接点部分での断線を避けることが可能なグロープラグを提供する。
【解決手段】グロープラグ（１）は、発熱体（５）と、発熱体の一方の端に接続された負極側電極（５ａ）と、他方の端に接続され発熱体に接続されていない端面（５ｄ）に接続孔（５ｃ）が形成されたセラミックの正極側電極（５ｂ）と、略円柱形状を有し、負極側電極の端を側面に露出し接続孔を底面に露出した状態で発熱体と負極側及び正極側電極とを内部に収納するセラミックヒータ（４）と、負極側電極に電気的に接続し、発熱体の収納位置に対応するセラミックヒータの発熱部（４ａ）を外部に露出した状態でセラミックヒータを保持する金属製外筒（８）と、接続孔に挿入され端面にろう付け接合される金属製の電極取り出し部材（１０）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明はセラミックヒータのグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの強度確保のためにシリンダヘッドを厚くすることがある。これに伴い、ディーゼルエンジンに採用されるグロープラグを長尺化、細径化する要請がある。これには、グロープラグ内のセラミックヒータから電極を取り出す電極取り出し部の構造を改良する必要がある。
グロープラグの電極取り出し部に関する公報開示の技術として、例えば、セラミックス発熱体からの一方のリード部端部と電極取り出し金具の一端とをセラミックヒータ内部で電気的に接続するために、発熱体の後端部にセラミックス成形体またはセラミックス焼結体による接続子を埋設し、この接続子の電極取り出し金具挿入孔に電極取り出し金具の一端を挿入して、電極取り出し金具の他端をセラミックス発熱体の後端面から後方に延設させる技術がある（特許文献１参照）。

特開２０００−１２１０５５号公報

ところで、セラミックス発熱体からのリード部や電極取り出し金具には、通常、鉄線やニッケル線等の金属線が用いられる。接続子の電極取り出し金具挿入孔内において、セラミックス発熱体のリード部端部と電極取り出し金具の一端との間は、銀ろう等のろう材で埋められて電気的に接続される。ここで、リード部や電極取り出し金具を構成する金属線及びろう材は、接続子を構成するセラミックよりも一般に線膨張係数が高い。このため、ろう付け後に金属部分が収縮することにより接合部の界面に引張り応力が形成される恐れがあった。また、この電極取り出し金具に熱サイクルが作用するとき接合部の界面に亀裂が生じれば、接点抵抗が増加して発熱により接点部分で断線を引き起こす恐れがあった。

本発明は、金属とセラミックとが接合する箇所を極力減らし、或いは、接合箇所の形状を工夫して、製造時に引張り応力が形成されることを避け、製造後に熱サイクルによる接点部分での断線を避けることが可能なグロープラグを提供することを目的とする。

以下、本発明について上記課題を解決するための手段を説明する。尚、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

上記課題を解決するために、本発明にかかるグロープラグ（１）は、発熱体（５）と、発熱体（５）の一方の端に接続された第１の端子（５ａ）と、発熱体（５）の他方の端に接続された第２の端子であって、発熱体（５）に接続されていない端面（５ｄ）に接続孔（５ｃ）が形成された、セラミックの第２の端子（５ｂ）と、略円柱形状を有し、第１の端子（５ａ）の発熱体（５）に接続されていない端を略円筒形状の側面に露出し、第２の端子（５ｂ）の接続孔（５ｃ）を略円筒形状の底面に露出した状態で、発熱体（５）と第１及び第２の端子（５ａ，５ｂ）とを内部に収納するセラミックヒータ（４）と、第１の端子（５ａ）に電気的に接続し、発熱体（５）の収納位置に対応するセラミックヒータ（４）の発熱部（４ａ）を外部に露出した状態でセラミックヒータ（４）を保持する金属製外筒（８）と、第２の端子（５ｂ）の接続孔（５ｃ）に挿入され、第２の端子（５ｂ）の端面（５ｄ）にろう付け接合される、金属製の電極取り出し部材（１０）とを有することを特徴とする。

ここで、電極取り出し部材（１０）は、第２の端子（５ｂ）の端面（５ｄ）の全体にろう付け接合される。これにより、接合面積が大きくなるので電極取り出し部材（１０）と第２の端子（５ｂ）との電気的接合を更に確実にできる。
また、第２の端子（５ｂ）の接続孔（５ｃ）に挿入された電極取り出し部材（１０）は更に、接続孔（５ｃ）の内側面にろう付け接合される。これにより、電極取り出し部材（１０）と第２の電極（５ｂ）との間の空隙を埋めて、機械的接合を確実にできる。

更に、グロープラグ（１）は、第２の端子（５ｂ）の接続孔（５ｃ）が露出したセラミックヒータ（４）の底面に小径部（５ｅ）が形成される。これにより、第２の端子（５ｂ）の端面（５ｄ）のろう付け接合部と金属製外筒（８）との沿面距離を確保できる。
更にまた、グロープラグ（１）は、第２の端子（５ｂ）の接続孔（５ｃ）が露出したセラミックヒータ（４）の底面にテーパ（５ｆ）が形成される。これにより、第２の端子（５ｂ）の端面（５ｄ）と金属製外筒（８）との沿面距離を確保できる。

本発明によれば、製造時におけるろう付け後の引張り応力の形成を避け、熱サイクルによる接点部分での断線を避けることができる。

本実施形態に係るグロープラグの縦断面図である。 図１に示すグロープラグの要部であるアセンブリの拡大断面図である。 図１に示すグロープラグのセラミックヒータの後端部分の変形例を示す拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態（実施形態）を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るグロープラグの一例としてのディーゼルエンジン用のセラミックヒータ型グロープラグ１の縦断面図、図２は、その要部であるアセンブリ２の拡大断面図である。

（構成）
図１に示すように、グロープラグ１はアセンブリ２と外部接続端子１４とハウジング１６と絶縁ブッシュ２４とアルミニウム製のナット２６とを有して構成される。アセンブリ２は金属製外筒８とセラミックヒータ４と電極取り出し線１０と電極取り出しロッド１２とが一体になって構成される。
図２に示すように、金属製外筒８は例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が円筒形状になって構成される。金属製外筒８の内壁には発熱体５の一方の電極５ａが接続される（後述）。

セラミックヒータ４は、本体を構成するセラミックス絶縁体６の先端に発熱体５を収納し、発熱部４ａを形成する。発熱体５は通電を行う一対の電極５ａ，５ｂに接続し、焼結されて形成される。発熱体５は例えば窒化珪素と炭化タングステンを成分とした導電性セラミック（発熱体粉末）がＵ字形状になって構成される。本発明に係る第１の電極の一例としての負極側電極５ａと第２の電極の一例としての正極側電極５ｂとはいずれも、発熱体５を構成する導電性セラミック（発熱体粉末）よりも低抵抗の導電性セラミックにより構成される。セラミックス絶縁体６は例えば窒化珪素と珪化モリブデンを成分とした非導電性セラミック等で構成される。尚、発熱体５は高融点金属材であっても良い。例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、レニウム（Ｒｅ）等、融点が２０００℃以上の金属が好ましく用いられる。

負極側電極５ａは発熱体５の一方の端（負極）に接続され、セラミックス絶縁体６の外周面（側面）に露出して形成される。セラミックヒータ４が金属製外筒８に銀ろう等を用いてろう付けにより固定されるとき、セラミックヒータ４の外周面に露出する負極側電極５ａは同時に、金属製外筒８の内壁にろう付け接合されて、金属製外筒８に電気的に接続される。
一方、正極側電極５ｂは発熱体５の他方の端（正極）に接続される。正極側電極５ｂはセラミックヒータ４の後端（底面）までセラミックス絶縁体６の内部を伸びる。セラミックヒータ４の後端には、例えば成形型によって接続孔５ｃが形成される。接続孔５ｃには本発明に係る電極取り出し部材の一例としての電極取り出し線１０が挿入される。この電極取り出し線１０が正極側電極５ｂの端面５ｄに銀ろう等のろう材９でろう付け接合される。このとき、ろう材９が端面５ｄの全体を覆うようにろう付け接合されると、接合面積が大きくなって好ましい。

電極取り出し線１０は例えば軟鋼線材等の金属線で構成される。本実施形態ではΦ０．５ｍｍの軟鋼線材ＳＷＲＭ６を用いた。電極取り出し線１０は発熱体５の正極側電極５ｂに電気的に接続する。電極取り出し線１０は他方の端（後端部）にコイル状のコイル部１０ｂが形成される。電極取り出し線１０のコイル部１０ｂ内には電極取り出しロッド１２（図１）の先端部１２ａが挿入される。
金属製外筒８内の内部空間には絶縁性の耐熱絶縁粉体２０が充填される。これにより、電極取り出し線１０は金属製外筒８内に固定される。耐熱絶縁粉体２０は、例えばマグネシア（ＭｇＯ）等で構成される。

図１に戻って説明を続ける。
電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂは、外部接続端子１４の先端部１４ａにバット溶接等により固定される。
電極取り出しロッド１２は例えばニッケルやステンレス、炭素鋼等の導電性金属の剛体で構成される。電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２が金属製外筒８の内部を通って延びる本構成により、発熱体５（図２）の正極側電極５ｂ（図２）は外部接続端子１４の先端部１４ａに電気的に接続している。

金属製外筒８の開口部８ｂには、例えばシリコンゴム、フッ素ゴム等のゴム製のシール部材２２が挿入されている。このシール部材２２が金属製外筒８の開口部８ｂ内に挿入されるので、絞り加工により縮径するスエージング加工時に耐熱絶縁粉体２０がこぼれることを防止できる。また、電極取り出しロッド１２が金属製外筒８に接触することも防止できる。
図１に示すように、以上の構成を有するアセンブリ２がハウジング１６に挿入されてグロープラグ１が形成される。
外部接続端子１４は、電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂが固定される先端部１４ａと、先端部１４ａとは反対側の後端に設けられたバッテリ接続用のねじ部１４ｂとを有する。

ハウジング１６の外面のほぼ中間部には、エンジン（不図示）のシリンダヘッド（不図示）への取り付け用ねじ部１６ｅが形成され、後端部１６ｃの外面には、このねじ部１６ｅを締め付けるための六角ナット部が設けられている。
セラミックヒータ４は、金属製外筒８内にろう付け等により接合され、この金属製外筒８を介してエンジンのシリンダヘッド（図示せず）への取付け金具である円筒状のハウジング１６に固定されている。

以上の構成を有するグロープラグ１におけるセラミックヒータ４の後端部分の形状を以下に説明する。図３は、セラミックヒータ４の後端部分の拡大図である。図３（ａ）はセラミックヒータ４の後端部分の第１の変形例、図３（ｂ）は第２の変形例を示し、図３（ｃ）は図２に示したアセンブリ２におけるセラミックヒータ４の後端部分の拡大図を比較参照のために示す。
図３（ａ）に示すように、セラミックヒータ４の底面に小径部５ｅが形成される。小径部５ｅは、セラミックヒータ４の底面が金属製外筒８の内壁から離間して形成され、図示のように、内部に正極側電極５ｂを備える。小径部５ｅの端面には正極側電極５ｂの端面５ｄの中央に接続孔５ｃが露出し、電極取り出し線１０が挿入されて、端面５ｄと電極取り出し線１０とがろう付け接合される。図３（ｃ）に示すセラミックヒータ４の後端部分の形状に比して、ろう付け接合部と金属製外筒８の内壁とは沿面距離が確保される。

図３（ｂ）に示すように、セラミックヒータ４の底面にテーパ５ｆが形成される。テーパ５ｆは、セラミックヒータ４の底面が金属製外筒８の内壁から離間して形成され、図示のように、内部に正極側電極５ｂを備える。テーパ５ｆの端面には正極側電極５ｂの端面５ｄの中央に接続孔５ｃが露出し、電極取り出し線１０が挿入されて、端面５ｄと電極取り出し線１０とがろう付け接合されている。後述する組立時において、テーパ５ｆが形成されることで、ろう付け接合部と金属製外筒８の内壁との沿面距離を確保できる。

（製造方法）
以上の構成を有するグロープラグ１の製造方法を、図１及び図２を用いて以下に説明する。始めに、アセンブリ２の製造方法を説明する。
発熱体粉末の射出成形により発熱体５を作成する。低抵抗の導電性セラミックにより電極５ａ，５ｂを射出成形で作成する。このとき、正極側電極５ｂの後端側に、接続孔５ｃを形成するための高融点金属線（不図示）を挿入しておく。高融点金属線として、例えばモリブデン（Ｍｏ）が挙げられる。

一方、セラミックヒータ４を形成する原料粉末（上述の非導電性セラミック）を金型プレス成形して、上下別体に形成された分割成形体（不図示）を用意する。これら分割成形体には合わせ面に、発熱体５及び電極５ａ，５ｂの配置に対応した形状の凹部（不図示）を予め形成する。
先に作成された発熱体５及び電極５ａ，５ｂを分割成形体の凹部に収容して、合わせ面において嵌め合わせる。更に、プレス・圧縮して、一体化された複合成形体を得る。得られた複合成形体を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、好ましくは約１８００℃前後で焼成して焼成体とし、更に外周面を円筒状に研磨してセラミックヒータ４を得る。

セラミックヒータ４の先端部側を半球状に研削加工する。続いて、正極側電極５ｂの後端側の高融点金属線をケミカル溶解により除去して、接続孔５ｃを形成する。例えば王水と硫酸との混合液にセラミックヒータ４を浸漬し、モリブデン線を溶解させる。２４時間の浸漬で０．５ｍｍのモリブデン線を完全に溶解できることを確認している。
セラミックヒータ４の後端部側を、金属製外筒８の先端部８ａ内に挿入してろう付け等により固定する。このとき、セラミックヒータ４の外周面に露出した負極側電極５ａは、金属製外筒８の内面にろう材等により接合される。

セラミックヒータ４の後端の接続孔５ｃに、電極取り出し線１０の先端を挿入する。そして、電極取り出し線１０を正極側電極５ｂの後端面にろう付けして、電極取り出し線１０と正極側電極５ｂとを電気的に接続する。
金属製外筒８の内部で電極取り出し線１０を電極取り出しロッド１２に連結する。
金属製外筒８の内部空間内で電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２の周囲に耐熱絶縁粉体２０を充填する。そして、金属製外筒８の開口部８ｂに、シール部材２２を挿入する。

その後、電極取り出し線１０と電極取り出しロッド１２との接続部が収容されている金属製外筒８の後部側をスエージング加工して、金属製外筒８の後部側の外径を縮径する。このスエージング加工を行うことにより、耐熱絶縁粉体２０を高密度化して電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２を金属製外筒８内に固定する。
スエージング加工により金属製外筒８に固定された電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂに、外部接続端子１４の先端１４ａをバット溶接等により固定する。

以上に説明した方法により製造されたアセンブリ２がハウジング１６に挿入されてグロープラグ１が製造される。続いて、グロープラグ１の製造方法を説明する。
アセンブリ２を、外部接続端子１４の後端のねじ部１４ｂ側を先にしてハウジング１６の先端部１６ａから内部孔１６ｂ内に挿入する。アセンブリ２をハウジング１６の内部まで挿入し金属製外筒８の後部側からハウジング１６の内部孔１６ｂ内に圧入して、この金属製外筒８をハウジング１６に固定する。なお、金属製外筒８のハウジング１６への固定手段は圧入に限らずその他の方法で固定しても良い。

アセンブリ２をハウジング１６内に挿入して固定すると、外部接続端子１４の後端に形成されたバッテリ接続用のねじ部１４ｂがハウジング１６の後端部１６ｃから突出した状態になる。このねじ部１４ｂの外方からシール部材（Ｏリング）２８及び絶縁ブッシュ２４を嵌合させて、ハウジング１６の後端の大径孔１６ｄ内に挿入し、その外側からアルミ製のナット２６を螺合して外部接続端子１４をハウジング１６に固定する。
以上により、グロープラグ１が製造される。

（作用及び効果）
以上に説明したように、グロープラグ１は、発熱体５と、発熱体５の負極に接続された負極側電極５ａと、発熱体５の正極に接続され端面５ｄに接続孔５ｃが形成された正極側電極５ｂと、負極側電極５ａを側面に露出し正極側電極５ｂの接続孔５ｃを底面に露出した状態で発熱体５と負極側電極５ａ及び正極側電極５ｂとを内部に収納するセラミックヒータ４と、負極側電極５ａに電気的に接続しセラミックヒータ４の発熱部４ａを外部に露出した状態でセラミックヒータ４を保持する金属製外筒８と、正極側電極５ｂの接続孔５ｃに挿入され正極側電極５ｂの端面５ｄにろう付け接合される電極取り出し線１０とを有する。正極側電極５ｂの端面５ｄにおいて、金属製の電極取り出し線１０は側面がセラミック（正極側電極５ｂ）とろう付け接合される。よって、製造時におけるろう付け後の降温で電極取り出し線１０は収縮するが、径方向の収縮量は小さいのでろう付け接合部分に形成される引張り応力は接合に影響を与えるほど大きくはない。また、このろう付け接合個所は例えばセラミックヒータ４の発熱部４ａから離れているので、製造後において熱サイクルの影響が少なく、接点部分での断線を避けることができる。

電極取り出し線１０は、正極側電極５ｂの端面５ｄの全体にろう付け接合される。接合面積が大きくなり、電極取り出し線１０と正極側電極５ｂとの電気的接合を更に確実にできる。
また、正極側電極５ｂの接続孔５ｃに挿入された電極取り出し線１０は更に、接続孔５ｃの内側面にろう付け接合される。接合面積が大きくなるので、電極取り出し線１０と正極側電極５ｂとの間の空隙を埋めて、機械的接合を確実にできる。

更に、グロープラグ１は、正極側電極５ｂの接続孔５ｃが露出したセラミックヒータ４の底面に小径部５ｅが形成される。正極側電極５ｂの端面５ｄのろう付け接合部と金属製外筒８との沿面距離を確保できる。
更にまた、グロープラグ１は、正極側電極５ｂの接続孔５ｃが露出したセラミックヒータ４の底面にテーパ５ｆが形成される。正極側電極５ｂの端面５ｄのろう付け接合部と金属製外筒８との沿面距離を確保できる。

１…グロープラグ、２…アセンブリ、４…セラミックヒータ、４ａ…発熱部、５…発熱体、５ａ…負極側電極（第１の端子）、５ｂ…正極側電極（第２の端子）、５ｃ…接続孔、５ｄ…端面、５ｅ…小径部、５ｆ…テーパ、６…セラミックス絶縁体、８…金属製外筒、９…ろう材、１０…電極取り出し線（電極取り出し部材）、１６…ハウジング、２０…耐熱絶縁粉体

Claims (5)

1. 発熱体（５）と、
   前記発熱体（５）の一方の端に接続された第１の端子（５ａ）と、
   前記発熱体（５）の他方の端に接続された第２の端子であって、当該発熱体に接続されていない端面（５ｄ）に接続孔（５ｃ）が形成された、セラミックの第２の端子（５ｂ）と、
   略円柱形状を有し、前記第１の端子（５ａ）の前記発熱体（５）に接続されていない端を略円筒形状の側面に露出し、前記第２の端子（５ｂ）の前記接続孔（５ｃ）を略円筒形状の底面に露出した状態で、当該発熱体と当該第１及び第２の端子とを内部に収納するセラミックヒータ（４）と、
   前記第１の端子（５ａ）に電気的に接続し、前記発熱体（５）の収納位置に対応する前記セラミックヒータ（４）の発熱部（４ａ）を外部に露出した状態で当該セラミックヒータを保持する金属製外筒（８）と、
   前記第２の端子（５ｂ）の前記接続孔（５ｃ）に挿入され、当該第２の端子の前記端面（５ｄ）にろう付け接合される、金属製の電極取り出し部材（１０）と
   を有することを特徴とするグロープラグ（１）。
2. 請求項１に記載のグロープラグにおいて、前記電極取り出し部材（１０）は、前記第２の端子（５ｂ）の前記端面（５ｄ）の全体にろう付け接合されることを特徴とするグロープラグ。
3. 請求項１又は２に記載のグロープラグにおいて、前記第２の端子（５ｂ）の前記接続孔（５ｃ）に挿入された前記電極取り出し部材（１０）は更に、当該接続孔の内側面にろう付け接合されることを特徴とするグロープラグ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のグロープラグにおいて、前記第２の端子（５ｂ）の前記接続孔（５ｃ）が露出した前記セラミックヒータ（４）の底面に小径部（５ｅ）が形成されることを特徴とするグロープラグ。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のグロープラグにおいて、前記第２の端子（５ｂ）の前記接続孔（５ｃ）が露出した前記セラミックヒータ（４）の底面にテーパ（５ｆ）が形成されることを特徴とするグロープラグ。

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