JP2017089948A - Ceramic glow plug - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関における、燃料の圧縮着火を補助するセラミックグロープラグに関する。 The present invention relates to a ceramic glow plug for assisting compression ignition of fuel in an internal combustion engine such as a diesel engine.
グロープラグは、例えば、ディーゼルエンジンに形成されたプラグ取付孔に挿入されており、エンジンの冷間時における、圧縮着火を補助するために用いられる。また、セラミックグロープラグは、少なくとも、発熱抵抗体が埋設された棒状のセラミック基体と、セラミック基体の周囲に設けられた金属管により構成されている。セラミック基体の表面には、その内部の発熱抵抗体に通電をするために、発熱抵抗体の両端部に位置する一対の電極引出部が配置されている。 The glow plug is inserted into, for example, a plug mounting hole formed in a diesel engine, and is used to assist compression ignition when the engine is cold. The ceramic glow plug includes at least a rod-shaped ceramic base in which a heating resistor is embedded and a metal tube provided around the ceramic base. On the surface of the ceramic substrate, a pair of electrode lead portions located at both ends of the heating resistor is arranged to energize the heating resistor inside.
このような構造を有するセラミックグロープラグとしては、例えば、特許文献1に開示されたものがある。特許文献1においては、陰極を構成する第1の電極引出部はセラミック基体の側面に配置されており、陽極を構成する第2の電極引出部はセラミック基体の端面に配置されている。また、セラミック基体の側面における、第1の電極引出部にはメタライズ層を設け、メタライズ層を覆うようにセラミック基体の外側に金属管を設けて、ロウ材を介してメタライズ層と金属管とを接合している。また、メタライズ層は、第1の電極引出部に接合して形成された、活性金属を含む第1メタライズ層と、第1の電極引出部との接合部以外の部分に形成された、ガラスを含む第2メタライズ層とから構成されている。そして、セラミック基体及び第1の電極引出部との反応性及び密着性を高めることができる第1メタライズ層により、メタライズ層が第1の電極引出部から剥離することを抑制している。また、柔らかい材料であって高温時の応力発生を軽減できる第2メタライズ層により、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルによる金属管からセラミック基体へのダメージを抑制している。
An example of a ceramic glow plug having such a structure is disclosed in
しかしながら、特許文献1においては、セラミック基体における陰極を構成する第1の電極引出部が活性金属を含む第1メタライズ層によって金属管に接合されていることにより、次の課題が生じる。すなわち、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルによって金属管が膨張・収縮を繰り返す際には、金属管とセラミック基体との線膨張係数の差によって、金属管から第1メタライズ層と第2メタライズ層の両方に同等に熱応力が加わることになる。この時、ガラスを含む第2メタライズ層においては熱応力が吸収されたとしても、活性金属を含む第1メタライズ層においては熱応力が十分に吸収されず、金属管からセラミック基体に加わる熱応力によって、セラミック基体の第1メタライズ層の周辺が損傷するおそれがある。
However, in
また、特許文献1においては、セラミック基体における陽極を構成する第2の電極部は、ロウ付けのみによりロウ接合されている。そのため、特許文献1においては、第2の電極引出部を応力から保護するための特別な工夫はなされていない。特に、陽極を構成する第2の電極引出部をセラミック基体の側面に配置したい場合には、グロープラグをエンジンヘッドに形成されたプラグ取付孔に締結する際に生じる捩り応力、グロープラグ自体を組み付け固定する際に生じる捩り応力等から、陽極の周辺を如何にして保護することができるかが課題となる。
In
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、陽極と陰極をセラミック基体の側面に配置し、陰極を金属管としてのスリーブに固定する場合において、セラミック基体における陽極の周辺と陰極の周辺の両方を応力から保護することができるセラミックグロープラグを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and in the case where the anode and the cathode are arranged on the side surface of the ceramic substrate and the cathode is fixed to a sleeve as a metal tube, the periphery of the anode and the periphery of the cathode in the ceramic substrate. It is an object of the present invention to provide a ceramic glow plug that can protect both from stress.
本発明の一態様は、棒状のセラミック基体(21)、該セラミック基体に埋設されて通電によって発熱するヒータ素子(22)、該ヒータ素子の一端に接続され、上記セラミック基体の基端部(211)における側面(201)に設けられた陽極(23)、及び上記ヒータ素子の他端に接続され、上記セラミック基体の側面における、上記陽極よりも先端側に設けられた陰極(24)を有するセラミックヒータ(2)と、
エンジンヘッド(11)のプラグ取付孔(12)内に締結されるハウジング(32)と、
該ハウジングの先端側に連結されると共に、上記セラミックヒータの先端部(212)を露出させる状態で上記セラミックヒータの側面に装着され、かつ上記陰極と導通されたスリーブ(31)と、
上記ハウジング内に挿通された通電端子(4)と、
上記セラミック基体の上記基端部の側面と上記通電端子の側面とに装着され、上記陽極と導通されたキャップ(5)と、を備え、
上記陽極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記キャップとは、上記セラミック基体との反応層(61)を有する活性金属メタライズ層(6)と、該活性金属メタライズ層と上記キャップとを接合するロウ材(65)とを介して接合されており、
上記陰極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記スリーブとは、上記セラミック基体に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有するガラスメタライズ層と(7)、該ガラスメタライズ層と上記スリーブとを接合するロウ材(75)とを介して接合されている、セラミックグロープラグ(1)にある。
One embodiment of the present invention includes a rod-shaped ceramic base (21), a heater element (22) embedded in the ceramic base and generating heat when energized, connected to one end of the heater element, and a base end (211 of the ceramic base) And a cathode (24) provided on the side surface (201) of the ceramic substrate, and a cathode (24) connected to the other end of the heater element and provided on the side of the ceramic substrate on the tip side of the anode. A heater (2);
A housing (32) fastened in the plug mounting hole (12) of the engine head (11);
A sleeve (31) connected to the front end side of the housing and attached to the side surface of the ceramic heater in a state in which the front end portion (212) of the ceramic heater is exposed and electrically connected to the cathode;
An energization terminal (4) inserted into the housing;
A cap (5) attached to a side surface of the base end portion of the ceramic substrate and a side surface of the energization terminal and electrically connected to the anode;
The side surface of the ceramic substrate including the surface of the anode and the cap join the active metal metallization layer (6) having a reaction layer (61) with the ceramic substrate, and the active metal metallization layer and the cap. It is joined via a brazing material (65),
The side surface of the ceramic substrate including the surface of the cathode and the sleeve are a glass metallized layer containing a glass component and a conductive metal component to be bonded to the ceramic substrate, and the glass metallized layer and the glass metallized layer. The ceramic glow plug (1) is joined via a brazing material (75) that joins the sleeve.
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記セラミックグロープラグにおいては、陰極の表面を含むセラミック基体の側面とスリーブとは、ガラスメタライズ層とロウ材とを介して接合されている。セラミックグロープラグの使用時において、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルを受けて、セラミック基体及びスリーブは、熱膨張及び熱収縮を繰り返す。そして、スリーブとセラミック基体との線膨張係数の差によって、スリーブの熱膨張・熱収縮による体積変化量は、セラミック基体の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも大きくなる。このとき、スリーブと、セラミック基体における陰極の周辺とが、反応層を形成しないガラスメタライズ層を介して接合されていることにより、溶接などで強固に結合された場合よりも、ガラスメタライズ層が応力緩衝部として作用することができ、スリーブからセラミック基体における陰極の周辺に加わる熱応力をガラスメタライズ層によって吸収することができる。これにより、セラミック基体における陰極の周辺に、スリーブの膨張・収縮に伴う熱応力が加わることを抑制することができる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the ceramic glow plug, the side surface of the ceramic substrate including the surface of the cathode and the sleeve are joined via a glass metallized layer and a brazing material. When the ceramic glow plug is used, the ceramic base body and the sleeve repeat thermal expansion and thermal contraction in response to a cooling cycle accompanying combustion of the engine. Due to the difference in linear expansion coefficient between the sleeve and the ceramic base, the volume change due to thermal expansion / shrinkage of the sleeve becomes larger than the volume change due to thermal expansion / heat shrinkage of the ceramic base. At this time, since the sleeve and the periphery of the cathode in the ceramic substrate are bonded via a glass metallized layer that does not form a reaction layer, the glass metallized layer is more stressed than when it is firmly bonded by welding or the like. It can act as a buffer part, and thermal stress applied from the sleeve to the periphery of the cathode in the ceramic substrate can be absorbed by the glass metallized layer. Thereby, it can suppress that the thermal stress accompanying expansion | swelling and shrinkage | contraction of a sleeve is added to the periphery of the cathode in a ceramic base | substrate.
一方、陽極の表面を含むセラミック基体の側面とキャップとは、活性金属メタライズ層とロウ材とを介して接合されている。活性金属メタライズ層は、セラミック基体の反応成分と反応した活性金属成分による反応層によって、接合されている。セラミック基体における陽極の周辺は、反応層を介してキャップに強固に接合することができる。これにより、セラミック基体と活性金属メタライズ層の反応層とが一体化され、セラミック基体における陽極の周辺において、セラミックグロープラグをエンジンヘッドのプラグ取付孔に締結する際に生じる捩り応力、セラミックグロープラグ自体を組み付ける際に生じる捩り応力等から保護することができる。 On the other hand, the side surface of the ceramic substrate including the surface of the anode and the cap are joined via an active metal metallized layer and a brazing material. The active metal metallization layer is joined by a reaction layer of an active metal component that has reacted with a reaction component of the ceramic substrate. The periphery of the anode in the ceramic substrate can be firmly bonded to the cap via the reaction layer. Thereby, the ceramic base and the reaction layer of the active metal metallization layer are integrated, and the torsional stress generated when the ceramic glow plug is fastened to the plug mounting hole of the engine head around the anode in the ceramic base, the ceramic glow plug itself It is possible to protect against torsional stress or the like generated when assembling.
また、セラミック基体における陽極の周辺は、スリーブよりも小型であるキャップに接合されている。また、キャップにおける、セラミック基体の側面との接合部分の厚みは、スリーブの厚みよりも薄い。それ故、セラミックグロープラグの使用時において、キャップの熱膨張・熱収縮による体積変化量は、スリーブの熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも小さくなり、キャップからセラミック基体に加わる熱応力は、スリーブからセラミック基体に加わる熱応力に比べて小さくなる。そのため、セラミック基体における陽極の周辺とキャップとは、活性金属メタライズ層を介して強固に接合したとしても、キャップから陽極の周辺に加わる熱応力を小さく維持することができる。これにより、セラミック基体にクラック等が生じないようにし、ヒータ素子のリード部を断線等から保護することができる。 In addition, the periphery of the anode in the ceramic substrate is joined to a cap that is smaller than the sleeve. Further, the thickness of the joint portion of the cap with the side surface of the ceramic substrate is smaller than the thickness of the sleeve. Therefore, when the ceramic glow plug is used, the volume change due to thermal expansion / shrinkage of the cap is smaller than the volume change due to thermal expansion / thermal shrinkage of the sleeve, and the thermal stress applied from the cap to the ceramic substrate is This is smaller than the thermal stress applied from the sleeve to the ceramic substrate. Therefore, the thermal stress applied from the cap to the periphery of the anode can be kept small even if the periphery of the anode in the ceramic substrate and the cap are firmly bonded via the active metal metallization layer. As a result, cracks and the like are not generated in the ceramic substrate, and the lead portion of the heater element can be protected from disconnection or the like.
以上のごとく、上記セラミックグロープラグによれば、陽極と陰極をセラミック基体の側面に配置し、陰極をスリーブに固定する場合において、セラミック基体における陽極の周辺と陰極の周辺の両方を応力から保護することができる。 As described above, according to the ceramic glow plug, when the anode and the cathode are arranged on the side surface of the ceramic substrate and the cathode is fixed to the sleeve, both the periphery of the anode and the periphery of the cathode in the ceramic substrate are protected from stress. be able to.
(実施形態1)
セラミックグロープラグの実施形態につき、図1〜図5を用いて説明する。
本実施形態のセラミックグロープラグ1は、図1に示すごとく、セラミックヒータ2、スリーブ31、ハウジング32、通電端子4及びキャップ5を備える。
セラミックヒータ2は、図2に示すごとく、棒状のセラミック基体21、ヒータ素子22、リード部221、222、陽極23及び陰極24を有する。ヒータ素子22は、セラミック基体21に埋設されており、通電によって発熱する。ヒータ素子22の一端は、リード部221によって陽極23に接続されており、ヒータ素子22の他端は、リード部222によって陰極24に接続されている。陽極23は、リード部221の一端に位置し、セラミック基体21の基端部211における側面201に設けられている。陰極24は、リード部222の他端に位置し、セラミック基体21の側面201における、陽極23よりも先端側に設けられている。
(Embodiment 1)
An embodiment of a ceramic glow plug will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 2, the
ハウジング32は、エンジンヘッド11のプラグ取付孔12内に締結されている。スリーブ31は、ハウジング32の先端側にレーザー溶接によって接合されている。また、スリーブ31は、セラミックヒータ2の先端部212を露出させる状態でセラミックヒータ2の側面201に装着されており、陰極24と導通されている。通電端子4は、陽極23に通電を行うための棒形状を有しており、ハウジング32内に挿通されている。キャップ5は、セラミック基体21の基端部211の側面201と通電端子4の側面とに装着されており、陽極23と通電端子4とを導通させている。
The
陽極23の表面を含むセラミック基体21の側面201とキャップ5とは、図3に示すごとく、活性金属メタライズ層6、メッキ層63及びロウ材65を介して接合されている。活性金属メタライズ層6は、セラミック基体21との反応層61及び導通層62を有する。メッキ層63は、活性金属メタライズ層6の表面に設けられている。ロウ材65は、メッキ層63とキャップ5とを接合している。
The
陰極24の表面を含むセラミック基体21の側面201とスリーブ31とは、図4に示すごとく、ガラスメタライズ層7、メッキ層73及びロウ材75を介して接合されている。ガラスメタライズ層7は、セラミック基体21に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有する。メッキ層73は、ガラスメタライズ層7の表面に設けられている。ロウ材75は、メッキ層73とスリーブ31とを接合している。また、本形態のロウ材65、75による接合は、ロウ材65、75による一般的な融着のみによるロウ接合ではなく、ロウ材65、75による融着と、所謂締まりばめとを組み合わせた接合としている。
なお、図3、図4等においては、説明を分かりやすくするために、活性金属メタライズ層6、反応層61、導通層62、メッキ層63、ロウ材65、ガラスメタライズ層7、メッキ層73及びロウ材75の厚みを誇張して示す。
The
3 and 4 and the like, for the sake of easy understanding, the active metal metallized
セラミックグロープラグ1は、図1に示すごとく、エンジンヘッド11の燃焼室13内にセラミックヒータ2の先端部212を突出させるようにして、プラグ取付孔12に配置される。セラミックグロープラグ1は、セラミックヒータ2のヒータ素子22に陽極23と陰極24を介して通電を行って、燃焼室13内における燃料混合気の予熱を行うものである。
As shown in FIG. 1, the
セラミックグロープラグ1は、スリーブ31の一部をエンジンヘッド11のプラグ取付孔12に当接させ、ハウジング32の基端部に形成された雄螺子部を、エンジンヘッド11のプラグ取付孔12に形成された雌螺子部に螺合させてプラグ取付孔12に取り付けられる。セラミックグロープラグ1において、エンジンヘッド11の燃焼室13側に位置する側を先端側といい、その反対側を基端側という。
In the
セラミックヒータ2は、図1に示すごとく、スリーブ31及びハウジング32の先端側の内周に配置されており、セラミックヒータ2の先端部212はスリーブ31の先端から突出している。
セラミックヒータ2のセラミック基体21は、円形状の断面を有しており、Si3N4等のセラミックから構成されている。
As shown in FIG. 1, the
The
セラミックヒータ2は、図2に示すごとく、セラミック基体21と、セラミック基体21の先端部分に配置された発熱部としてのヒータ素子22と、ヒータ素子22と陽極23とを接続するリード部221と、ヒータ素子22と陰極24とを接続するリード部222と、陽極23及び陰極24とを有している。ヒータ素子22は、リード部221、222に比べて抵抗値が高い材料から構成されている。陽極23及び陰極24から各リード部221、222を介してヒータ素子22に通電することにより、ヒータ素子22が発熱してセラミックヒータ2による燃焼室13内の燃料混合気の加熱を行う。ヒータ素子22は、先端側に折り返し部を有するU字形状に形成されている。ヒータ素子22は、例えばSi3N4(窒化ケイ素)とWC(タングステンカーバイト)から構成されており、リード部221、222は、例えばW(タングステン)から構成されている。陽極23及び陰極24は、WC等から構成されている。陽極23は、セラミック基体21の側面201における、周方向の一部に配置されており、陰極24は、セラミック基体21の側面201における、周方向の一部であって、陽極23が配置された周方向の位置とは反対側に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
スリーブ31は、ハウジング32の先端側に連結されており、ハウジング32よりも縮径して形成されている。スリーブ31は、プラグ取付孔12に当接させるための第1厚肉部311と、第1厚肉部311の先端側に隣接して設けられ、第1厚肉部311よりも外径が縮小した第2厚肉部312と、第2厚肉部312の先端側に隣接して設けられ、第2厚肉部312よりも外径が縮小した薄肉部313とを有している。陰極24は、セラミック基体21における、第2厚肉部312との対向部分に設けられている。スリーブ31は、ガラスメタライズ層7、メッキ層73及びロウ材75を介して、セラミックヒータ2に接合されている。セラミックヒータ2の陰極24は、スリーブ31を介してエンジンヘッド11に導通されている。
The
ハウジング32には、図1に示すごとく、雄螺子部が形成されており、プラグ取付孔12の内周面には、雌螺子部が形成されている。この雄螺子部を雌螺子部に螺合することにより、セラミックグロープラグ1をエンジンヘッド11に締結している。また、プラグ取付孔12の先端側部分121は、図2に示すごとく、基端側部分122に比べて縮径しており、先端側部分121と基端側部分122との間には段部123が形成されている。この段部123に、スリーブ31の第1厚肉部311が当接している。これにより、燃焼室13内の燃焼ガスが外部に漏出することを防止している。スリーブ31は、ステンレス鋼等の金属から構成されている。ハウジング32は、炭素鋼等の金属から構成されている。
As shown in FIG. 1, a male screw portion is formed in the
通電端子4の先端部は、キャップ5の基端側の内周面に嵌合している。通電端子4の基端部は、セラミックグロープラグ1の外部に配置された電源と接続されている。通電端子4は、炭素鋼等の金属から構成されている。
The distal end portion of the energizing
キャップ5は、セラミックヒータ2の基端部211の外周面に嵌合している。キャップ5の全体の厚みは、スリーブ31の第2厚肉部312の厚みよりも薄く形成されている。ヒータ素子22の陽極23は、キャップ5を介して通電端子4に導通されている。キャップ5は、ステンレス鋼等の金属から構成されている。
The
活性金属メタライズ層6は、セラミック基体21の表面に形成された反応層61と、反応層61の表面に形成された導通層62とを有している。
反応層61は、図3に示すように、陽極23の表面を含むセラミック基体21の基端部211の側面201の全周に形成されている。反応層61は、活性金属メタライズ層6中の活性金属成分であるTiが、セラミック基体21中のセラミック成分であるSi3N4と反応したTi5Si3の層から構成されている。反応層61は、キャップ5と、セラミック基体21及び陽極23との密着性を確保するものである。なお、活性金属メタライズ層6は、Mg等を活性金属成分として用いてもよい。
The active
As shown in FIG. 3, the reaction layer 61 is formed on the entire circumference of the
導通層62は、反応層61の表面の全周に形成されており、活性金属メタライズ層6中の導通成分であるAgから構成されている。導通層62は、キャップ5と、陽極23との導通性を確保するものである。なお、活性金属メタライズ層6は、Cu等を導通成分として用いてもよい。
また、導通層62の表面には、ロウ材65の流動性を改善するためのメッキ層63が形成されている。メッキ層63は、導通層62の表面の全周に形成されており、Ni等から構成されている。
セラミック基体21の側面201とキャップ5とは、セラミック基体21におけるメッキ層63とキャップ5との隙間に配置されたロウ材65によって接合されている。ロウ材65は、メッキ層63の表面の全周に形成されており、Ag等から構成されている。
The conductive layer 62 is formed on the entire circumference of the surface of the reaction layer 61 and is composed of Ag which is a conductive component in the active metal metallized
A plating layer 63 for improving the fluidity of the
The
ガラスメタライズ層7は、図4に示すように、陰極24の表面を含むセラミック基体21の基端部211を除く側面201の全周に形成されている。ガラスメタライズ層7は、金属成分であるMnと、ガラス成分であるSiO2−B2O3とを含んでいる。金属成分は、スリーブ31と陰極24との導通性を確保するものである。ガラス成分は、スリーブ31とセラミック基体21との線膨張係数の差を小さくするとともに、ガラスメタライズ層7の強度を向上させて、セラミック基体21の耐クラック性を向上させるものである。なお、ガラスメタライズ層7は、Ni等を金属成分として用いてもよく、SiO2−Al2O3等をガラス成分として用いてもよい。
As shown in FIG. 4, the glass metallized
また、ガラスメタライズ層7の表面には、ロウ材75の流動性を改善して、スリーブ31とセラミックヒータ2との隙間へのロウ材75の充填性を向上させるためのメッキ層73が形成されている。メッキ層73は、ガラスメタライズ層7の表面の全周に形成されており、Ni等から構成されている。
セラミック基体21の側面201とスリーブ31とは、セラミック基体21におけるメッキ層73とスリーブ31との隙間に配置されたロウ材75によって接合されている。ロウ材75は、ガラスメタライズ層7の表面の全周に形成されており、Ag等から構成されている。スリーブ31とメッキ層73は、後述する締まりばめとロウ材75によって接合されている。
Further, a
The
次に、本実施形態のセラミックヒータ2の接合方法及びセラミックグロープラグ1の組付方法につき、説明する。
セラミック基体21の側面201に活性金属メタライズ層6を形成するにあたっては、活性金属メタライズ層6を形成するための第1ペーストを、陽極23の表面を含むセラミック基体21の基端部211の側面201の全周に塗布する。そして、この第1ペーストを熱処理して、活性金属メタライズ層6を基端部211の側面201の全周に形成する。この第1ペーストは、Ag等の金属粉末及びTi等の活性金属を含むものである。第1ペーストの熱処理を行うときには、第1ペースト中の活性金属成分であるTiが、セラミック基体21中のセラミック成分であるSi3N4と反応し、セラミック基体21の側面201には、反応層61であるTi5Si3の層を形成する。そして、反応層61の表面には、Agによる導通層62が形成される。こうして、反応層61と導通層62とを有する活性金属メタライズ層6が形成される。また、活性金属メタライズ層6の表面には、ロウ材65の流動性を改善するためのNi等のメッキ層63を形成する。
Next, a method for joining the
In forming the active
また、セラミック基体21の側面201にガラスメタライズ層7を形成するに当たっては、ガラスメタライズ層7を形成するための第2ペーストを、陰極24の表面を含むセラミック基体21の側面201の全周に塗布する。この第2ペーストは、セラミック基体21の基端部211の側面201を除く部分に塗布する。そして、この第2ペーストを熱処理して、ガラスメタライズ層7をセラミック基体21の側面201の全周に形成する。この第2ペーストは、Mn等の金属成分及びSiO2等のガラス成分を含むものである。第2ペーストの熱処理を行うときには、第2ペースト中の金属成分であるMn及びガラス成分であるSiO2は、セラミック基体21中のセラミック成分であるSi3N4と反応せず、反応層は形成されない。そして、セラミック基体21の側面201には、金属成分とガラス成分とが混合されたガラスメタライズ層7が形成される。このガラスメタライズ層7は反応層を有していないことにより、セラミック基体21の側面201に接着された状態で形成される。また、ガラスメタライズ層7の表面には、ロウ材75の流動性を改善し充填性を向上するためのNi等のメッキ層73を形成する。
このようにして、セラミック基体21の側面には、活性金属メタライズ層6及びガラスメタライズ層7が形成される。
In forming the glass metallized
In this way, the active metal metallized
次いで、活性金属メタライズ層6及びガラスメタライズ層7が形成されたセラミックヒータ2をスリーブ31内に配置すると共に、セラミックヒータ2の外周にキャップ5を装着して、セラミックグロープラグ1を組み付ける。
セラミックヒータ2をスリーブ31内に配置するに当たっては、スリーブ3を加熱すると共に、スリーブ31の内周とセラミックヒータ2の外周(側面201)との隙間に、溶融させたロウ材75を流し込む。この時、メッキ層73によってロウ材75の流れが円滑になり、スリーブ31の内周とセラミックヒータ2の外周との隙間がロウ材75によって充填される。その後、スリーブ31が冷却されるときに、ロウ材75が凝固すると共に、スリーブ31の内径が収縮し、スリーブ31からセラミックヒータ2に圧力が加わった状態で、セラミックヒータ2とスリーブ31とが、充填されたロウ材75によってロウ接合されるとともに、所謂締まりばめとなって固定される。こうして、ガラスメタライズ層7、メッキ層73及びロウ材75を介して、セラミックヒータ2の側面201とスリーブ31とが固定される。
Next, the
In disposing the
また、セラミックヒータ2の外周にキャップ5を装着するに当たっては、キャップ5をロウ付けのために約860℃程度に加熱して膨張させ、キャップ5とセラミックヒータ2との隙間を更に拡大させる。そして、キャップ5の内周とセラミックヒータ2の外周(側面201)との隙間に、溶融させたロウ材65を流し込む。この時、メッキ層63によってロウ材65の流れが円滑になり、キャップ5の内周とセラミックヒータ2の外周との隙間がロウ材65によって充填される。その後、キャップ5が冷却されるときに、ロウ材65が凝固すると共に、キャップ5の内径が収縮し、セラミックヒータ2とキャップ5とがロウ材65によってロウ接合される。こうして、活性金属メタライズ層6、メッキ層63及びロウ材65を介して、セラミックヒータ2の側面201とキャップ5とが固定される。
Further, when attaching the
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本形態のセラミックグロープラグ1においては、陰極24の表面を含むセラミック基体21の側面201とスリーブ31とは、ガラスメタライズ層7とメッキ層73とロウ材75とを介して締まりばめとロウ接合により接合固定されている。セラミックグロープラグ1の使用時において、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルを受けて、セラミック基体21及びスリーブ31は、熱膨張及び熱収縮を繰り返す。そして、スリーブ31とセラミック基体21との線膨張係数の差によって、スリーブ31の熱膨張・熱収縮による体積変化量は、セラミック基体21の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも大きくなる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the
このとき、スリーブ31と、セラミック基体21における陰極24の周辺とは、反応層を形成しないガラスメタライズ層7を介して接合されている。そのため、スリーブ31とセラミック基体21との線膨張係数の差によって、スリーブ31からセラミック基体21における陰極24の周辺に加わる熱応力を小さくするとともに、ガラスメタライズ層7のガラス成分によってセラミック基体21の耐クラック性を向上させることができる。これにより、セラミック基体21における陰極24の周辺に、スリーブ31の膨張・収縮に伴う熱応力によるクラック等が発生することを抑制し、リード部221、222に断線等の不具合が発生することを抑制することができる。
At this time, the
一方、陽極23の表面を含むセラミック基体21の側面201とキャップ5とは、活性金属メタライズ層6とメッキ層63とロウ材65とを介して接合固定されている。活性金属メタライズ層6は、セラミック基体21の反応成分と反応した活性金属成分による反応層61によって、接合されている。セラミック基体21における陽極23の周辺は、反応層61を介してキャップ5に強固に接合することができる。これにより、セラミック基体21と活性金属メタライズ層6の反応層61とが一体化され、セラミック基体21における陽極23の周辺において、セラミックグロープラグ1をエンジンヘッド11のプラグ取付孔12に締結する際に生じる捩り応力、セラミックグロープラグ1自体を組み付ける際に生じる捩り応力等から保護することができる。
On the other hand, the
また、セラミック基体21における陽極23の周辺は、スリーブ31よりも小型であるキャップ5に接合されている。また、キャップ5における、セラミック基体21の側面201との接合部分の厚みは、スリーブ31の第2厚肉部312の厚みよりも薄い。それ故、セラミックグロープラグ1の使用時において、キャップ5の熱膨張・熱収縮による体積変化量は、スリーブ31の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも小さくなり、キャップ5からセラミック基体21に加わる熱応力は、スリーブ31からセラミック基体21に加わる熱応力に比べて小さくなる。そのため、セラミック基体21における陽極23の周辺とキャップ5とは、活性金属メタライズ層6を介して強固に接合したとしても、キャップ5から陽極23の周辺に加わる熱応力を小さく維持することができる。これにより、セラミック基体21にクラック等が生じないようにし、ヒータ素子22のリード部221、222を断線等から保護することができる。
以上のごとく、本形態のセラミックグロープラグ1によれば、陽極23と陰極24をセラミック基体21の側面201に配置し、陰極24をスリーブ31に固定する場合において、セラミック基体21における陽極23の周辺と陰極24の周辺の両方を応力から保護することができる。
The periphery of the
As described above, according to the
また、本形態のセラミックグロープラグ1においては、第1厚肉部311、第2厚肉部312及び薄肉部313の3段階に厚みが変化したスリーブ31を用いることにより、次の効果を得ることができる。具体的には、セラミックヒータ2の陰極24は、薄肉部313よりも厚く形成された第2厚肉部312と対向する部分に設けられている。これにより、陰極24からスリーブ31への熱の移動を促進することができ、セラミックヒータ2に生じる熱をスリーブ31を介してエンジンヘッド11へ迅速に逃がすことができる。
Further, in the
セラミックヒータ2は、ヒータ素子22の発熱によって先端側部分が最も加熱され、セラミックヒータ2における熱は、先端側から基端側へと移動することになる。このとき、第2厚肉部312が薄肉部313よりも厚く形成されていることにより、第2厚肉部312における熱の移動速度は薄肉部313における熱の移動速度よりも早くなる。そして、陰極24が、熱の移動速度が速くなる第2厚肉部312と対向する部分に設けられていることにより、陰極24に熱が滞留しにくくすることができる。これにより、陰極24に熱応力が生じにくくすることができる。
The tip of the
一方、薄肉部313に厚みは、極力薄くしていることにより、薄肉部313とエンジンヘッド11のプラグ取付孔12とのクリアランスを極力大きくすることができる。そして、このクリアランスを大きくすることにより、燃焼室13内の燃料混合気が薄肉部313とプラグ取付孔12とのクリアランスに流入しやすくなる。これにより、セラミックグロープラグ1を使用して燃焼室13内の燃料混合気の燃焼を行う際に、スリーブ31の表面又はプラグ取付孔12の表面に付着するカーボンを焼失させることが可能になる。そのため、セラミックグロープラグ1を使用するエンジンの耐カーボン性を向上させることができる。
また、薄肉部313の厚みを薄くすることにより、プラグ取付孔12を小径化して、エンジンヘッド11の強度を向上させることもできる。
On the other hand, by making the thickness of the
Further, by reducing the thickness of the
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、ロウ材65、75は、Agに限らずCu系のロウ材料にしてもよい。Cu系のロウ材65、75を用いる場合には、応力緩和効果を更に高めることができる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention. For example, the
1 セラミックグロープラグ
2 セラミックヒータ
31 スリーブ
32 ハウジング
4 通電端子
5 キャップ
6 活性金属メタライズ層
63 メッキ層
65 ロウ材
7 ガラスメタライズ層
73 メッキ層
75 ロウ材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
エンジンヘッド(11)のプラグ取付孔(12)内に締結されるハウジング(32)と、
該ハウジングの先端側に連結されると共に、上記セラミックヒータの先端部(212)を露出させる状態で上記セラミックヒータの側面に装着され、かつ上記陰極と導通されたスリーブ(31)と、
上記ハウジング内に挿通された通電端子(4)と、
上記セラミック基体の上記基端部の側面と上記通電端子の側面とに装着され、上記陽極と導通されたキャップ(5)と、を備え、
上記陽極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記キャップとは、上記セラミック基体との反応層(61)を有する活性金属メタライズ層(6)と、該活性金属メタライズ層と上記キャップとを接合するロウ材(65)とを介して接合されており、
上記陰極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記スリーブとは、上記セラミック基体に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有するガラスメタライズ層と(7)、該ガラスメタライズ層と上記スリーブとを接合するロウ材(75)とを介して接合されている、セラミックグロープラグ(1)。 A rod-shaped ceramic base (21), a heater element (22) embedded in the ceramic base and generating heat when energized, connected to one end of the heater element, and on the side surface (201) of the base end (211) of the ceramic base A ceramic heater (2) having a provided anode (23) and a cathode (24) connected to the other end of the heater element and provided on the side of the ceramic substrate on the tip side of the anode;
A housing (32) fastened in the plug mounting hole (12) of the engine head (11);
A sleeve (31) connected to the front end side of the housing and attached to the side surface of the ceramic heater in a state in which the front end portion (212) of the ceramic heater is exposed and electrically connected to the cathode;
An energization terminal (4) inserted into the housing;
A cap (5) attached to a side surface of the base end portion of the ceramic substrate and a side surface of the energization terminal and electrically connected to the anode;
The side surface of the ceramic substrate including the surface of the anode and the cap join the active metal metallization layer (6) having a reaction layer (61) with the ceramic substrate, and the active metal metallization layer and the cap. It is joined via a brazing material (65),
The side surface of the ceramic substrate including the surface of the cathode and the sleeve are a glass metallized layer containing a glass component and a conductive metal component to be bonded to the ceramic substrate, and the glass metallized layer and the glass metallized layer. A ceramic glow plug (1) joined via a brazing material (75) joining the sleeve.
上記陰極は、上記セラミック基体における、上記厚肉部との対向部分に設けられている、請求項1に記載のセラミックグロープラグ。 The sleeve is provided with a cylindrical thick part (312) facing a part of the side surface of the ceramic base including the surface of the cathode, and adjacent to the distal end side of the thick part, the thick part A thin cylindrical portion (313) having a reduced outer diameter than
2. The ceramic glow plug according to claim 1, wherein the cathode is provided on a portion of the ceramic substrate facing the thick portion.
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