JP3044632B2 - セラミックヒータ型グロープラグ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディ−ゼルエンジンの副
燃焼室または燃焼室内を予熱するために用いられるグロ
−プラグに関し、特に速熱性および自己温度制御性を有
し長時間にわたるアフターグローを達成し得る自己温度
制御型のセラミックヒータ型グロープラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン用グロープラグとし
て従来から種々の構造を有するものが知られており、そ
の中で近年セラミックヒータ型のものが、速熱型として
機能し得る等の理由から注目を集めている。

【０００３】たとえば特開昭５７−４１５２３号公報な
どには、タングステン（Ｗ）やレニウム合金（Ｒｅ）等
による発熱線を絶縁性セラミック材中に埋設するように
したセラミックヒータを用いたものが知られており、こ
の種のセラミックヒータ型グロープラグは、従来一般的
であったシース型に比べ熱伝達効率の面で優れ、発熱特
性や温度立上り特性を向上させて速熱型としての性能を
得ている。しかし、このようなセラミックヒータ型グロ
ープラグでは、ヒータ内には一種類の発熱線が埋設され
ているだけであり、ヒータ単体で発熱線での発熱特性を
所要の昇温特性と飽和温度特性とを有する状態に制御す
るという自己温度制御性を得ることは困難で、通電回路
上に電力制御用の抵抗線等を付設することが必要であっ
た。

【０００４】このため、たとえば特公昭６３−４７９６
４号公報などによって、グロープラグを構成する金属製
ホルダ内で上述したセラミックヒータの後端側に、ヒー
タ側への通電電力を制御し得る抵抗体を内設してなる金
属製シースによる補助ヒータを、直列に接続するように
した構成のものが、従来既に提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構造によるグロープラグにあっては、セラミックヒー
タと共に、シース型の補助ヒータを別個に用いることが
必要であり、全体の部品点数が多くなり、製造面でも問
題で、コスト高を招いてしまう。また、電力制御用のシ
ース型補助ヒータを、グロープラグの金属製ホルダ内に
配置させる構造であるために、温度上昇が不要であるホ
ルダ内が高温となり、各部の耐熱強度面から問題とな
り、信頼性に欠けるばかりでなく、無駄な電力消費を生
じる等の問題を避けられなかった。

【０００６】また、正の抵抗温度係数の異なる二種類の
金属線を、直列状態で接続して絶縁性セラミック材中に
埋設してなるセラミックヒータ構造も、たとえば特開昭
５８−１１０９１９号公報等により提案されている。し
かし、このような構造を採用するにあたっては、絶縁性
セラミック材としてたとえば窒化ケイ素を用いた場合
に、その焼結温度が約１８００℃にも及ぶために、これ
に耐え得る正の抵抗温度係数の小さい金属線材の選択が
困難であるという問題があり、このような点をも考慮し
なければならない。

【０００７】特に、近年この種のグロープラグにあって
は、エンジン始動後において一定時間の間、グロープラ
グに対し通電状態を維持することでエンジン内部での燃
焼を円滑かつ適切に行なえるようにするという、いわゆ
るアフターグロー方式を採用することに対しての要求が
大きく、しかもそのアフターグロー時間を可能な限り長
時間にすることが必要とされている。そして、このよう
なアフターグロー時における通電制御を行なううえで上
述したような従来のセラミックヒータでは、耐熱強度等
を始めとして耐久性等の面で問題となるもので、このよ
うな点をも考慮し、速熱型としての機能や自己温度制御
機能を発揮させ得るとともに、全体の構造も簡素化し得
るような何らかの対策を講じることが望まれている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した要請に応えるた
めに本発明（請求項１記載の発明）に係るセラミックヒ
ータ型グロープラグは、絶縁性セラミック材による棒状
セラミックヒータ内でその先端側に、導電性セラミック
材による第１の発熱体を、抵抗体として埋設するととも
に、前記ヒータの後端側で第１の発熱体に直列接続され
る抵抗体として、この第１の発熱体よりも正の抵抗温度
係数の大きな導電性セラミック材からなる第２の発熱体
を埋設するとともに、前記抵抗体のリード部を導電性セ
ラミック材により形成し、前記第２の発熱体に直接接続
した状態で絶縁性セラミック材中に埋設させて設けるこ
とにより、セラミックヒータを構成したものである。

【０００９】また、本発明（請求項２記載の発明）に係
るセラミックヒータ型グロープラグは、請求項１におい
て、前記第１、第２の発熱体を、窒化チタンを含有する
窒化ケイ素を主成分とし、かつ窒化チタンの含有率を変
えることにより正の抵抗温度係数をそれぞれ設定した導
電性サイアロンによって形成したものである。また、本
発明（請求項３記載の発明）に係るセラミックヒータ型
グロープラグは、請求項１または請求項２において、前
記第２の発熱体と前記リード部とを同一材質の導電性セ
ラミック材により一体的に形成したものである。また、
本発明（請求項４記載の発明）に係るセラミックヒータ
型グロープラグは、請求項１、請求項２または請求項３
において、前記第１の発熱体と第２の発熱体とを、端面
どうしの突き当てにより直接接続したものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、通電初期においてはセラミッ
クヒータ先端側の導電性セラミック材製の第１の発熱体
に対し大電力を供給し、急速に発熱させて速熱型として
の性能を発揮させ得るとともに、所定時間経過後におい
て第１の発熱体への通電電力を、セラミックヒータ後端
側に埋設した電力制御用抵抗体となる導電性セラミック
材製の第２の発熱体により制御し、速熱型としての機能
を発揮し得るとともに、適切な飽和温度特性が得られ、
また長時間にわたるアフターグローを行なうことが可能
となる。

【００１１】

【実施例】図１および図２は本発明に係るセラミックヒ
ータ型グロープラグの一実施例を示す。これらの図にお
いて、全体を符号１０で示すグロープラグの概略構成
を、図２を用いて簡単に説明すると、このグロープラグ
１０は、二種類の発熱体とそのリード部とからなる抵抗
体１１をたとえば窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の絶縁性セ
ラミック材中に埋設してなる棒状セラミックヒータ１２
と、このヒータ１２を先端部において保持する略管状を
呈する金属製ホルダ１３とを備えている。

【００１２】そして、このホルダ１２の後端側には、合
成樹脂材等からなる絶縁ブッシュ１４を介して外部接続
端子１５が嵌め込まれて保持され、またこの外部接続端
子１５の内方端は、前記セラミックヒータ１２の後端部
にフレキシブルワイヤ等の金属導線１６を介して接続さ
れている。なお、図中１６ａは金属導線１６に嵌装され
た絶縁性スリーブ、さらに１３ａはホルダ１３外周に形
成されたねじ部で、図示しないエンジンシリンダヘッド
側のねじ孔に螺合され、ヒータ１２先端を副燃焼室（燃
焼室）内に突出させた状態で配置させるためのものであ
る。

【００１３】また、上述したセラミックヒータ１２は、
断面が略楕円状を呈し、前記抵抗体１１を金型内に保持
した状態で充填されるセラミック粉末を成形、焼結した
り、あるいは一対の成形後のセラミック棒の接合面間に
抵抗体１１を挾み込んだ状態で加圧焼結したりすること
で形成される。この場合、このセラミックヒータ１２の
断面形状を略楕円形状としたのは、円形に比べセラミッ
ク材の密度を向上させ、その強度、絶縁性、熱伝導率を
より効果的とするためで、これに限定されるものではな
い。さらに、このセラミックヒータ１２の材質として
は、絶縁性、熱伝導率の優れたシリコン系非酸化物、た
とえば窒化ケイ素等のようなシリコン系窒化物などが望
ましいが、これに限定されない。

【００１４】また、図中１７はセラミックヒータ１２の
長手方向中央部に嵌装して固定された補強用の金属製パ
イプで、ヒータ１２の断面形状に合わせた内孔を有し、
ヒータ１２の外周部に形成したニッケル等の金属メタラ
イズ層により銀ろう付けなどにより固着されている。な
お、図中１８，１９はヒータ１２の中央部後端寄りの部
分と後端部とに嵌装され金属メタライズ層を介して銀ろ
う付けされているターミナルキャップで、一方はリード
部１８ａを介して金属製パイプ１７に接続され、さらに
ろう付け等によりホルダ１３にアース接続されるととも
に、他方が前記金属導線１６と陽極接続されている。

【００１５】本発明によれば、上述した構成によるセラ
ミックヒータ型グロープラグ１０において、絶縁性セラ
ミック材による棒状セラミックヒータ１２内でその先端
側に、図１および図２から明らかなように、導電性セラ
ミック材として導電性サイアロンにより略Ｕ字状を呈す
るように形成されている第１の発熱体２０を、発熱用抵
抗体として埋設するとともに、前記ヒータ１２の後端側
で第１の発熱体２０の両端部にそれぞれ直列に接続され
る電力制御用の抵抗体として、この第１の発熱体２０よ
りも正の抵抗温度係数の大きな導電性セラミック材（た
とえば上述した第１の発熱体２０を形成する導電性サイ
アロンよりも正の抵抗温度係数の大きい導電性サイアロ
ン）により略直線薄板状に形成されている第２の発熱体
２１，２１を略平行して埋設することにより、セラミッ
クヒータ１２を構成したところに特徴を有している。

【００１６】ここで、上述した第１の発熱体２０を形成
する導電性セラミック材として、たとえば窒化ケイ素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とするβサイアロンまたはαとβ
との混相しているサイアロンに、導電性付与材としての
窒化チタン（ＴｉＮ）の含有量を増減することで、その
固有抵抗を任意に選択して用いることができるサイアロ
ン(SIAlON)等を用いるとよい。すなわち、上述したサイ
アロンに対し、ＴｉＮを約２０％以上添加すると、導電
性を有すること（いわゆる導電性サイアロン）が確認さ
れており、またそれ以上加えることにより固有抵抗値が
連続的に変化することが知られており、上述したＴｉＮ
の含有率を選択したものを適宜利用すればよい。

【００１７】このような導電性サイアロンの抵抗温度係
数は、図３に示したＴｉＮ量と抵抗比との関係によって
表されている通りであり、この導電性サイアロンによる
第１の発熱体２０の正の抵抗温度係数を小さくなるよう
に設定すればよい。しかし、このような導電性セラミッ
ク材としては、上述した導電性サイアロンに限定され
ず、要は高温状態（たとえば１２００℃程度まで）でも
性能的に安定し、相対的に第２の発熱体２１よりも抵抗
温度係数が小さく、しかも耐熱衝撃性等に優れてなるセ
ラミック材であればよく、たとえばＳｉＣおよび周期律
表の４ａ族、５ａ族または６ａ族元素の炭化物、ホウ化
物、窒化物または炭窒化物等の非酸化物導電材の群から
選ばれた一種以上と焼結結合材であるＡｌまたはＡｌ化
合物等を含有するサイアロン焼結体が考えられる。この
ような導電性セラミック材による第１の発熱体２０を、
絶縁性セラミック材中に埋設する際には、導電性セラミ
ック材を粉末状態のままで混入したり、予め成形したも
のを埋設してもよいものである。

【００１８】また、上述した第２の発熱体２１，２１と
しては、上述した第１の発熱体２０を形成する導電性サ
イアロンに比べて相対的に正の抵抗温度係数が大きい導
電性セラミック材、たとえば第１の発熱体２０に用いる
導電性サイアロンとはＴｉＮ量を変えて抵抗温度係数を
異ならせた導電性サイアロンを用いて形成するとよい。
ここで、このような第２の発熱体２１，２１を形成する
導電性サイアロンとしては、図３においてＴｉＮ量が２
７．５ｖｏｌ％のもの、あるいはそれ以上の添加量の大
きいものを用いる一方、第１の発熱体２０としてＴｉＮ
量が２３．０ｖｏｌ％のものを用いると、これら間での
抵抗温度係数を大、小異ならせることが可能である。こ
のような導電性セラミック材による第２の発熱体２１，
２１を、絶縁性セラミック材中に埋設する際には、上述
した第１の発熱体２０と共に、導電性セラミック材を粉
末状態のままで混入したり、予め成形したものを埋設し
たりすればよい。

【００１９】図中２２，２３は前記第２の発熱体２１，
２１の後端部から前記各ターミナルキャップ１８，１９
に接続されるように延設されているリード部である。こ
れらのリード部２２，２３は、上述した第１、第２の発
熱体２０，２１と同様に、導電性セラミック材で形成さ
れている。このような導電性セラミック材としては、た
とえば上述した第２の発熱体２１，２１を形成する導電
性サイアロンと同一材質のものを、断面積を大きくして
用いればよい。このような導電性サイアロンで形成すれ
ば、これらのリード部２２，２３を、第２の発熱体２
１，２１と一体的に製造できるばかりでなく、このセラ
ミックヒータ１２全体を、金属材を全く含まないオール
セラミックで形成でき、耐熱性、耐熱衝撃性等の面から
有利なものとすることができる。さらに、これに加え
て、セラミックヒータ１２の基材部分を構成する絶縁性
セラミック材として、たとえば窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
系のものを用いると、ヒータ１２を全て窒化ケイ素（Ｓ
ｉ₃Ｎ₄）系のもので構成でき、その利点は大きい。

【００２０】なお、上述した第２の発熱体２１，２１
は、上述した第１の発熱体２０の両端部と各リード部２
２，２３の先端部とに、それぞれ突き当て状態で一連に
接続した場合を例示しているが、これらの部分での接続
手法としてはこれに限定されず、これらの材質等に応じ
て所要の電気的接続状態が得られるように適宜選択すれ
ばよい。

【００２１】このような構成による本発明によるセラミ
ックヒータ１２によれば、通電初期においてはセラミッ
クヒータ１２先端側の第１の発熱体２０に対し大電力を
供給し、急速に発熱させて速熱型としての性能を発揮さ
せ得るとともに、所定時間経過後において第１の発熱体
２０への通電電力を、セラミックヒータ１２後端側に埋
設した電力制御用抵抗体となる第２の発熱体２１，２１
により制御し、速熱型としての機能を発揮し得るととも
に、長時間にわたるアフターグローを行なうことが可能
となる。

【００２２】また、本実施例では、セラミックヒータ１
２において、第１の発熱体２０は勿論、第２の発熱体２
１，２１をも、金属製ホルダ１３先端部に保持するため
の金属製パイプ１７よりも外方に位置させるように配設
しており、これにより両発熱体２０，２１の温度上昇に
よって、ヒータ１２とパイプ１７との接合部や、ターミ
ナルキャップ１８，１９との接合部などに悪影響が及ば
ないようにし、また電力制御用抵抗体としての第２の発
熱体２１，２１部分でのパイプ１７を介したホルダ１３
側への伝熱を抑制し、所要の温度上昇状態を得て電力制
御機能を発揮し得るように構成しており、その利点は明
かであろう。

【００２３】このような構成によれば、自己温度制御型
のグロープラグ１０を、必要最小限の部品点数によって
簡単にしかも安価に形成し得るばかりでなく、セラミッ
クヒータ１２先端の発熱部分がセラミック材のみで構成
されるために、耐熱強度や耐久性の面で優れ、長時間に
わたるアフターグローが可能で、また該セラミック部分
のみが発熱するために、無駄な電力消費がなく、耐熱強
度面での信頼性を確保できる等の利点を奏する。

【００２４】なお、上述した実施例では、第２の発熱体
２１，２１として、第１の発熱体２０を形成する導電性
セラミック材としての導電性サイアロンに比べ、正の抵
抗温度係数が大きくなるように、図３から明らかなよう
に、ＴｉＮの添加量を多くした導電性サイアロンを用い
て形成した場合を説明したが、これに限定されず、上述
した第１の発熱体２０を形成する導電性セラミック材よ
りも正の抵抗温度係数が、上述した関係を維持できる程
度に大きい導電性セラミック材を用いて形成すればよ
い。また、本発明は上述した実施例構造に限定されず、
グロープラグ１０各部の形状、構造等を、適宜変形、変
更することは自由であり、種々の変形例が考えられよ
う。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るセラミ
ックヒータ型グロープラグによれば、絶縁性セラミック
材による棒状セラミックヒータ内でその先端側に、導電
性セラミック材による第１の発熱体を、発熱用抵抗体と
して埋設するとともに、該ヒータの後端側で第１の発熱
体に直列接続される電力制御用抵抗体として、この第１
の発熱体よりも正の抵抗温度係数の大きな導電性セラミ
ック材からなる第２の発熱体を埋設するとともに、第２
の発熱体に接続されるリード部を導電性セラミック材に
より形成し絶縁性セラミック材中に埋設させて設けるこ
とによって、セラミックヒータを構成するようにしたの
で、簡単かつ安価な構成にもかかわらず、以下に述べる
優れた効果を奏する。

【００２６】すなわち、通電初期においてはセラミック
ヒータ先端側の第１の発熱体に対し大電力を供給し、急
速に発熱させて速熱型としての性能を発揮させ得るとと
もに、所定時間経過後において第１の発熱体への通電電
力を、セラミックヒータ後端側に埋設した電力制御用抵
抗体となる第２の発熱体により制御し、迅速な赤熱化を
得て速熱型としての機能を発揮し得るとともに、適切な
飽和温度特性が得られ、自己温度制御型としての機能を
発揮させることができ、またエンジンの排気、騒音対策
としての長時間にわたるアフターグローを行なうことが
可能となる等の種々優れた効果がある。

【００２７】特に、本発明によれば、発熱用抵抗体とし
ての第１の発熱体が、電力制御用抵抗体となる第２の発
熱体、さらにリード部をも含めて、導電性セラミック材
によって形成されていることから、セラミックヒータと
しての耐熱強度面で優れ、耐久性を向上させることが可
能で、長時間にわたるアフターグローを図るうえで効果
を発揮し得るものである。また、グロープラグにおいて
セラミックヒータ部分のみで発熱することから、余分な
個所での発熱は不要で、無駄な電力消費がなく、耐熱強
度等での信頼性の面でも優れている等の利点もある。

【００２８】また、本発明によれば、第２の発熱体とリ
ード部とを同一材質の導電性セラミック材により断面積
を変えるだけで一体的に形成しているから、製造が簡単
に行え、コスト面でも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラ
グの一実施例を示し、要部とするセラミックヒータ部分
を拡大した概略断面図である。

【図２】 図１におけるセラミックヒータを用いたグロ
ープラグ全体の概略構成を示す概略断面図である。

【図３】 導電性サイアロンのＴｉＮ量と抵抗比との関
係を示す特性図である。

【符号の説明】

１０…セラミックヒータ型グロープラグ、１１…抵抗
体、１２…セラミックヒータ、１３…金属製ホルダ、１
５…外部接続端子、１７…金属製パイプ、２０…導電性
セラミック材による第１の発熱体、２１…導電性セラミ
ック材による第２の発熱体、２２…導電性セラミック材
によるリード部、２３…導電性セラミック材によるリー
ド部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23Q 7/00 H05B 3/14

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抵抗体を絶縁性セラミック材中に埋設す
   ることにより形成される棒状セラミックヒータを備えて
   いるセラミックヒータ型グロープラグにおいて、 前記抵抗体を、導電性セラミック材により形成され前記
   セラミックヒータ先端側に埋設された第１の発熱体と、
   この第１の発熱体よりも正の抵抗温度係数の大きな導電
   性セラミック材により形成され前記第１の発熱体に直列
   に接続された第２の発熱体とによって構成するととも
   に、 前記抵抗体のリード部を導電性セラミック材により形成
   し前記第２の発熱体に直接接続した状態で前記絶縁性セ
   ラミック材中に埋設させて設けた ことを特徴とするセラ
   ミックヒータ型グロープラグ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックヒータ型グロ
   ープラグにおいて、 前記第１、第２の発熱体を、窒化チタンを含有する窒化
   ケイ素を主成分とし、かつ窒化チタンの含有率を変える
   ことにより正の抵抗温度係数をそれぞれ設定した導電性
   サイアロンによって形成したことを特徴とするセラミッ
   クヒータ型グロープラグ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のセラミッ
   クヒータ型グロープラグにおいて、 前記第２の発熱体と前記リード部とを同一材質の導電性
   セラミック材により一体的に形成したことを特徴とする
   セラミックヒータ型グロープラグ。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３記載
   のセラミックヒータ型グロープラグにおいて、 前記第１の発熱体と第２の発熱体とを、端面どうしの突
   き当てにより直接接続したことを特徴とするセラミック
   ヒータ型グロープラグ。