JP3589176B2 - セラミックヒータ型グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの始動補助用として使用されるグロープラグに係り、特に、発熱体としてセラミックヒータを用いたセラミックヒータ型グロープラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁性セラミックス中に、高融点金属（例えばタングステン等）のコイルや導電性セラミックス等の発熱体を埋設し、または導電性セラミックスの発熱体の一部を露出させる等、絶縁性セラミックスと発熱体としての無機導電体とを複合して形成したセラミックヒータを、金属製外筒内にロウ付けにより固定し、前記発熱体の負極側のリード線を絶縁性セラミックスの側面から取り出して金属製外筒に接続するとともに、正極側のリード線を、絶縁性セラミックスの前記発熱体が埋設された位置と逆の端面側で電極取り出し金具の一端に接続し、さらに、この電極取り出し金具の他端に外部接続端子を接続するように構成したセラミックヒータ型グロープラグが従来から知られている。
【０００３】
セラミックヒータ型グロープラグは、一般に、セラミックヒータを金属製外筒内に挿入し、セラミックヒータの前記発熱体が保持されている先端部側の発熱部を、金属製外筒の先端から外方へ突出させた状態にして、セラミックヒータの外周面と金属製外筒の内周面とをロウ付け（通常は銀ロウ付け）によって固定し、さらに、この金属製外筒の前記発熱部から遠い側の端部（後端部）を、ハウジングの内部孔に圧入し、または挿入してロウ付け等により固定している。このような構造のグロープラグでは、発熱と冷却を繰り返す温度サイクルにさらされると、セラミックヒータが金属製外筒の内部側に徐々に入り込む「入り込み現象」が発生する場合がある。
【０００４】
このセラミックヒータの入り込み現象は、以下の原因で発生するものと考えられる。すなわち、グロープラグのハウジングは、エンジンのシリンダヘッドに固定されているが、このシリンダヘッドは水冷されておりほぼ１００℃位に保持されている。一方、グロープラグの発熱部であるセラミックヒータの先端部は、発熱によりほぼ１４００℃程度の高温になる。その熱影響により、金属製外筒のセラミックヒータ側では、７００℃程度の高温にさらされている。他方、金属製外筒の後端側（ハウジング固定側）は、ほぼ１００℃の温度になるので、このセラミックヒータと金属製外筒の組立体として、全体に軸方向に大きな温度勾配が生じることになる。
【０００５】
前記セラミックヒータと金属製外筒とをロウ付けするロウ材として、通常銀ロウ材（ＢＡｇ−８等）を用いており、その液相線温度は約７８０℃である。従って、発熱時には、セラミックヒータと金属製外筒に前述のような温度勾配が生じると、両者のロウ付け部分の、金属製外筒の先端側（セラミックヒータの発熱部側）では７００℃程度の銀ロウ材の融点に近い温度になっており、その部位のロウ材が柔らかくなって流動化傾向が現れる。それに対し、ロウ付け部分のハウジングに近い部位は、温度が低くロウ材は固化したままである。
【０００６】
また、金属製外筒の材料は、一般にはステンレス鋼（ＳＵＳ４３０材等）を用いており、その線膨張係数は１０．４Ｅ−６／ｄｅｇであって、セラミックヒータの一般的材料である窒化珪素の線膨張係数３．２Ｅ−６／ｄｅｇの三倍以上である。従って、高温時の金属製外筒はセラミックヒータよりもかなり大きく膨張する（特に軸方向に伸びる）ことになり、金属製外筒とセラミックヒータとに軸方向の相対変位が生じる。
【０００７】
そのため、グロープラグの発熱時には、セラミックヒータと金属製外筒とのロウ付け部分は、大きな温度勾配が生じ、セラミックヒータの発熱部に近い先端部側は、温度が高く、セラミックヒータと金属製外筒とに軸方向の大きな相対変位が生じるとともに、その部位のロウ材が前述のように流動化傾向を示している。それに対し、ハウジングに近い後端部側は、温度が低く、金属製外筒とセラミックヒータとの軸方向の相対変位は小さく、しかも、その部位のロウ材は固化したままである。
【０００８】
その結果、発熱時に温度が上昇すると、金属製外筒のセラミックヒータの発熱部側先端部が、セラミックヒータに対して軸方向にせり出してくる。この状態は、逆に言えば、セラミックヒータが金属製外筒の内部に入り込むことになる。この状態から発熱を停止し冷却されると、金属製外筒は収縮し始める。このときに温度の降下に従ってロウ材は固化していくので、金属製外筒が収縮するに従ってセラミックヒータを引き込もうとする力が生じる。言い換えると、前記発熱時にセラミックヒータが金属製外筒内に入り込んだ状態を保持しようとする力が生じる。
【０００９】
そのとき、セラミックヒータと金属製外筒とのロウ付け部分の後部（ハウジング側）は、前述のように温度が低く、セラミックヒータと金属製外筒との相対変位もロウ材の流動化も生じていないので、元の状態に保持しようとする力、すなわち、前記先端部分に生じる力に対抗する力が生じ、その力が前記先端側に生じた力よりも小さければ、セラミックヒータの入り込み現象が生じることになる。逆に、その力が大きければ入り込み現象は生じない。
【００１０】
前記のような原因で発生する「入り込み現象」を防止するための技術がすでに提案されている（特開昭６１−１０７６８８号公報、実開平３−５０６５号公報等）。前者の公報には、支持体（セラミックヒータ）の外周面に凹所を形成するとともに、スリーブ（金属製外筒）には嵌合穴を設け、この嵌合穴内に金属製の嵌合部材を挿入し、セラミックヒータと金属製外筒との間および嵌合部材と嵌合穴との間をロウ付けすることにより、セラミックヒータが金属製外筒内に入り込むことを防止する構成が記載されている。また、後者の公報には、セラミックヒータの先端側を大径とした段付き形状とし、この段部を金属製外筒の先端面に当接させた状態で、セラミックヒータと金属製外筒とをロウ付け固定した構成が記載されている。
【００１１】
前者の公報に記載された構成は、セラミックヒータと金属製外筒との間にすべりが発生すると、セラミックヒータの加工部分（前記凹所）に応力が集中して亀裂を生じる等のおそれがあり、しかも、構造が複雑で加工コストが高く、実用化することが困難である。また、後者の公報に記載された構成は、セラミックヒータに段付き加工を施すので、加工が困難で、しかもコスト高であるという問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、従来はセラミックヒータと金属製外筒との銀ロウ付けによる接合部分の長さを充分に長くとることにより、接合部分の安全率を確保することが一般に行われていた。しかしながら、セラミックヒータと金属製外筒との接合部分の長さを長くすることは、必然的にセラミックヒータの長さを長くすることになり、しかも、使用する銀ロウ材の量も増加するので、全体のコストを引き上げる結果となっていた。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、セラミックヒータの長さを短縮し、セラミックヒータと金属製外筒との接合長さを短くしても、セラミックヒータの金属製外筒内への入り込み現象を抑止することができ、コストを削減することができるセラミックヒータ型グロープラグを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係るセラミックヒータ型グロープラグは、絶縁性セラミックスと無機導電体で形成したセラミックヒータと、このセラミックヒータの外周に嵌合されてロウ付けにより接合された金属製外筒と、この金属製外筒の後部側が挿入固定されたハウジングとを備え、前記セラミックヒータの発熱体側先端部が金属製外筒の先端部から外方へ突出するとともに、後端部が金属製外筒の内部に位置するようになっており、さらに、前記金属製外筒のハウジングへの固定部端からの突き出し長さをＬ、セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さをＡとしたときに、下記の関係式を満足することを特徴とするものである。
Ｌ−Ａ＜−５ｍｍ、または、０＜Ｌ−Ａ
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さＡが、以下の条件を満たすことを特徴とするものである。
Ａ＞５ｍｍ
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施の形態により本発明を説明する。図１は本発明の一実施の形態に係るセラミックヒータ型グロープラグ（全体を符号１で示す）の縦断面図、図２はその要部の拡大図である。このグロープラグ１のハウジング２はほぼ円筒状をしており、その内部に段付きの軸方向孔４が形成されている。このハウジング２の内部孔４の中央部４ｂは小径になっており、後に説明するセラミックヒータを固定する図の左側に、前記小径部４ｂより僅かに内径の大きい中径部４ａが形成されている。このセラミックヒータが固定される中径部４ａの左方に位置する開口部４ｅは、セラミックヒータ固定部（中径部）４ａよりもやや内径が大きくなっている。また、外部接続端子と絶縁部材を固定する図の右側は大径部４ｃになっている。
【００１７】
前記ハウジング２の内部孔４（段付きの軸方向孔）の中径部４ａ内には、セラミックヒータ６がロウ付け（銀ロウ付け）により接合された金属製外筒８の後部８ｄ側が圧入され、または挿入されてロウ付け等により固定されている。この金属製外筒８は、ハウジング２への挿入時に、内部側の端面（後端面）８ａがハウジング２の内部孔４の中径部４ａと小径部４ｂとの間の段部４ｄに当接して位置決めが行われる。
【００１８】
セラミックヒータ６は、その本体部を構成するセラミックス絶縁体６２の内部に、高融点金属（例えばタングステン（Ｗ）等）をコイル状にした発熱線（発熱体）６４が埋め込まれた発熱部６ａを有しており、この発熱部６ａが、前記金属製外筒８の先端８ｂから外部へ突出するとともに、この発熱部６ａの後方側が金属製外筒８内に挿入されており、その後端面６ｂが金属製外筒８の内部に位置している。なお、この実施の形態では、発熱体６ａを高融点金属としているが、導電性セラミックスやシート状の発熱体等にしても良く、導電性セラミックスの発熱体の一部を絶縁性セラミックスから露出させる等、セラミックヒータ６は、絶縁性セラミックスと発熱体としての無機導電体とを複合して形成したものであればよい。
【００１９】
前記セラミックヒータ６の内部に埋め込まれたコイル状発熱線６４の一端６４ａに負極側のリード線６６が接続されるとともに、他端６４ｂに正極側のリード線６８が接続されている。負極側のリード線６６は、金属製外筒８の内部側でセラミックス絶縁体６２の外面に露出して金属製外筒８の内面にロウ付けにより電気的に接続されている。一方、正極側のリード線６８は、端部６８ａがセラミックヒータ６の前記後端面６ｂ側に伸びており、セラミックヒータ６の内部で電極取り出し金具１２の一端１２ａに接続されている。
【００２０】
前記電極取り出し金具１２の一端１２ａをセラミックヒータ６の正極側リード線６８の端部６８ａに接続する場合には、セラミックヒータ６の後方側端部６ｄ内に電極取り出し金具取付け孔６ｃを形成し、この電極取り出し金具取付け孔６ｃ内に前記正極側リード線６８の端部６８ａの側面を露出させておく。そして、この電極取り出し金具取付け孔６ｃ内に電極取り出し金具１２の先端部１２ａを挿入し、ロウ付け（銀ロウ付け）することにより、セラミックヒータ６の正極側リード線６８と電極取り出し金具１２とを電気的に接続している。
【００２１】
前記セラミックヒータ６と金属製外筒８、およびセラミックヒータ６の正極側リード線６８と電極取り出し金具１２とを銀ロウ付けにより接合する工程について、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）により説明する。先ず、金属製外筒８内にセラミックヒータ６を挿入し、これら金属製外筒８とセラミックヒータ６とをロウ付け治具１４内に取り付けて位置合わせをする。セラミックヒータ６と金属製外筒８とを位置決めをした状態では、セラミックヒータ６の先端の発熱部６ａは金属製外筒８の先端８ｂから外部に突出し、前記電極取り出し金具１２が接続される逆の端部６ｄは金属製外筒８の内部に位置している。
【００２２】
なお、前記セラミックヒータ６の銀ロウ付けを行う部分（その外周面と、電極取り出し金具取付け孔６ｃの内周面）には、金属Ｎｉ層を形成する等の表面処理を行っている。つまり、セラミックヒータ６の前記部分に、Ｎｉペーストを塗布した後、メタライジング処理、すなわち、９５０度程度の温度で焼いて、ペースト中の金属成分（Ｎｉ）を金属被膜化する処理を行う。
【００２３】
次に、セラミックヒータ６の後端部６ｄに形成されて、正極側リード線６８の端部６８ａの側面が露出している電極取り出し金具取付け孔６ｃ内に、電極取り出し金具１２の一端１２ａ挿入する。その後、線状の銀ロウ材２６を、外径が前記金属製外筒８の内径とほぼ同じぐらいの外径を有するコイル状に巻き、金属製外筒８の内部に挿入してセラミックヒータ６の端面６ｂ上に載せる（図３（ａ）参照）。この状態にして水素中で９００℃に加熱することにより、銀ロウ材２６が溶けて（図３（ｂ）参照）、セラミックヒータ６の外周面と金属製外筒８の内周面との間の隙間や、セラミックヒータ６の端部６ｄに形成された取付け孔６ｃの内面と電極取り出し金具１２の外面との間に流れ込みロウ付けが行われる（図３（ｃ）参照）。
【００２４】
さらに、ハウジング２の内部孔４の大径部４ｃ（図１の右方）内には、外部接続端子１８の外周面に一体的に固定された絶縁部材（絶縁ブッシュ）２０が挿入され固定されている。外部接続端子１８の外周には綾目ローレット等の凹凸が形成されて、絶縁性樹脂からなる絶縁ブッシュ２０が固着されており、この絶縁ブッシュ２０が前記内部孔４の大径部４ｃ内に挿入され、ハウジング２の端部２ａをかしめることにより固定されている。
【００２５】
この外部接続端子１８は、軸芯部を貫通する軸方向貫通穴１８ａが形成されており、この貫通穴１８ａ内を、一端１２ａが前記セラミックスヒータ６の正極側リード線６８に接続された電極取り出し金具（電極取り出し線）１２が挿通され、その他端部１２ｂが外部側の端面１８ｂ（図１の右端）にロウ付け、またはかしめ等により電気的に接続されている。さらに、ハウジング２のかしめられた端部２ａの外側には、ワッシャ状の絶縁部材２２を嵌合させ、アルミ製のナット２４を外部接続端子１８の締め付けねじ部１８ｃに締結している。
【００２６】
前記構成のセラミックヒータ型グロープラグ１は、前述のように加熱・冷却の温度サイクルを繰り返すことにより、セラミックヒータ６が金属製外筒８内に徐々に入り込んでしまういわゆる「入り込み現象」が発生する場合がある。そこで、この入り込み現象が発生することを防止するために、セラミックヒータ６、金属製外筒８およびハウジング２等の各部材のサイズ（長さあるいは太さ等）および各部材２、６、８間の相対的位置や、これら各部材の材質と線膨張係数等、さらに前記各部材間の固定方法等について、前記セラミックヒータ６の金属製外筒８内への入り込み現象が発生する場合と発生しない場合の限界条件を確認するために試験を行った。
【００２７】
確認試験を行うにあたり、先ず、前述の「入り込み現象」を発生させる要因について検討した。検討の結果、以下の各項目が入り込み現象を発生させる要因であると推定される。
ａ：金属製外筒８とセラミックヒータ６とのロウ付け部分の軸方向の温度分布（温度勾配）、
ｂ：金属製外筒８とセラミックヒータ６との相対変位、つまり、金属製外筒８の外方へのせり出し量、
ｃ：冷却時のセラミックヒータ６の引き込み力、
ｄ：冷却時のセラミックヒータ６の引き込み力に対する対抗力。
【００２８】
また、前記要因ａ〜ｄに影響すると考えられる各部材のサイズ、材質等として以下の点が挙げることができる。
１．金属製外筒８の、ハウジング２への固定端（ハウジング内部孔４の中径部４ａと開口部４ｅとの間の位置４ｆ）から外部への突き出し長さ（図１および図２中のＬ参照）。
この金属製外筒８のハウジング２からの突き出し長さＬは、前記入り込み現象の原因となると推定される要因のすべての項目（ａ〜ｄ）に関連すると考えられる。
２．セラミックヒータ６の金属製外筒８内への挿入長さ（図中のＡ参照）。これはセラミックヒータ６と金属製外筒８とのロウ付け長さである。
このロウ付け長さも、前記推定要因のすべて（ａ〜ｄ）に関連すると考えられる。
３．金属製外筒８の内径（φｄ）および外径（φＤ）。
４．セラミックヒータ６の外径（φｄ）。
これら金属製外筒８とセラミックヒータ６の内径および外径は、前記推定要因のａ、ｃ、ｄに関連すると考えられる。
５．セラミックヒータ６の発熱部（ヒータ部分）６ａとロウ付け部分Ａとの距離、つまり、セラミックヒータ６の金属製外筒８からの突き出し長さ（図中のＴ参照）。
このセラミックヒータ６の突き出した部分の長さＴは、前記推定要因のすべて（ａ〜ｄ）に関連すると考えられる。
６．セラミックヒータ６と金属製外筒８との半径方向の隙間。
この隙間は、前記ロウ付け加工時にロウ材が流れ込み両者６、８を接合する部分であり、前記推定要因のｃ、ｄに関連すると考えられる。
７．金属製外筒８の材質および線膨張係数。
８．セラミックヒータ６の材質および線膨張係数。
９．ロウ材の材質および線膨張係数。
これら金属製外筒８，セラミックヒータ６およびロウ材の材質および線膨張係数は、前記推定要因のｃ〜ｄに関連すると考えられる。
１０．金属製外筒８のハウジング２への固定長さ（図中のＢ参照）、および固定方法。この金属製外筒８とハウジング２との固定部は、金属製外筒８への温度伝達やセラミックヒータ６の後端の固定に影響する。
この金属製外筒８とハウジング２との固定部は、前記推定要因のａ、ｃ、ｄに関連すると考えられる。
【００２９】
前述のように、セラミックヒータ型グロープラグ１を構成する各部材２、６、８の材質およびサイズ等が、前記推定要因に影響を与え、「入り込み現象」が発生する場合と発生しない場合があると考えられる。そこで、これら各部材のサイズ、材質等を各種変更した試験試料を用い、実車によるものも含めて耐久試験を行い、「入り込み現象」の発生する場合と発生しない場合との境界条件を確認した。
【００３０】
先ず、確認試験の試料内容について説明する。材質は、セラミックヒータ６が窒化珪素性セラミックスで、線膨張係数は３．２Ｅ−６／ｄｅｇである。また、金属製外筒８は、ＳＵＳ４３０（フェライト系）で、線膨張係数が１０．４Ｅ−６／ｄｅｇのものと、Ｎｉ（ニッケル）を約７０％含むニッケル耐熱合金で、線膨張係数が１３．３Ｅ−６／ｄｅｇの二種を使用した。さらに、ロウ材は、銀ロウ材ＢＡｇ−８を使用した。
【００３１】
前記金属製外筒８のハウジング２からの突き出し長さＬは、１０ｍｍと２０ｍｍの二種を、セラミックヒータ６の金属製外筒８内への挿入長さＡは、３ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１２．５ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍの各長さのもの八種類を用いた。太さは、金属製外筒８の外径φＤが、φ４．０ｍｍと５．０ｍｍの二種、セラミックヒータ６の外径φｄが、φ３．０ｍｍと３．５ｍｍのそれぞれ二種を使用した。さらに、セラミックヒータ６の金属製外筒８からの突き出し長さＴを、７．０ｍｍと９．０ｍｍの二種とした。また、金属製外筒８のハウジング２への固定部の長さＢを１０．ｍｍと２０ｍｍの二種とした。なお、金属製外筒８のハウジング２への固定方法は、圧入とロウ付けの二種とした。
【００３２】
金属製外筒８とセラミックヒータ６との隙間は、一般には片側で５０μ〜１００μであるので、この試料では片側で７５μとした。さらに、セラミックヒータ６の、外周に金属製外筒８の先端８ｂが位置している部分（図中のＣ参照）の温度が７００℃になるように、セラミックヒータ６の先端の温度を設定する。この試験試料では、セラミックヒータ６の先端温度が１４００℃〜１５００℃に設定することにより、前記Ｃ点の温度を、前記銀ロウ材（ＢＡｇ−８）の液相線温度（７８０℃）に近い７００℃にすることができた。
【００３３】
次に、試験条件について説明する。この試験は、前記試料としての各部材を組み立てたセラミックヒータ型グロープラグ１を、シリンダヘッドに相当する治具（ブロック）にねじによって固定し、以下の条件で電流を通電する。
【００３４】
通電条件は、
１）セラミックヒータ６の先端温度が１４００℃または１５００℃で、外周に金属製外筒８の先端８ｂが位置している部分Ｃのセラミックヒータ６の温度が７００℃になる電流を通電する。前記セラミックヒータ６の先端温度は、セラミックヒータ６のＣ点の温度が銀ロウ材の融点に近い７００℃になる温度を予備実験により求める。なお、印加電圧は１２ボルトである。
２）上記電流で３０秒ＯＮ→３０秒ＯＦＦを繰り返す。３０秒ＯＮ時には、セラミックヒータ６の先端温度が１４００℃または１５００℃、金属製外筒８の先端８ｂが位置している部分のセラミックヒータ６の温度が７００℃、ハウジング２の温度が約１００℃になる。３０秒ＯＦＦ時には、セラミックヒータ６の先端温度が約１００℃、ハウジング２の温度も約１００℃になる。この場合には、ＯＦＦになると同時にエアを吹きかけて空冷する。
３）前記ＯＮ、ＯＦＦのサイクルを１００００回実施する。
１００００回実施した後に、セラミックヒータ６の入り込み現象の有無の確認と金属製外筒８とセラミックヒータ６との間の気密チェックを行う。
【００３５】
以上の試験条件により確認試験１を行った。この確認試験１は、通電条件が、セラミックヒータ６の先端温度１５００℃（Ｃ点の温度は７００℃）、印加電圧１２．５ボルト。試料の内容が、Ｔ＝９．０ｍｍ、φＤ＝φ５．０ｍｍ、φｄ＝３．５ｍｍ、Ｂ＝１０ｍｍ、金属製外筒８のハウジング２への固定方法は、圧入とロウ付けの二種、金属製外筒８の材質はＳＵＳ４３０で、ＬおよびＡを変えながら試験を行った。
【００３６】
確認試験１の結果を図４に示す。金属製外筒８のハウジング２への固定方法がロウ付けの場合と圧入の場合、およびＬの値が１０ｍｍの場合と２０ｍｍの場合のいずれも、Ｌ−Ａ（金属製外筒８の固定端４ｆとセラミックヒータ６の後端面６ｂとの軸方向の位置関係）が−２．５ｍｍと−５ｍｍの時にだけ入り込み現象が発生している。Ｌ−Ａがその他の数値の場合には、入り込み現象は発生していない。但し、セラミックヒータ６の金属製外筒８内への挿入長さＡが３ｍｍの場合には、入り込み現象は発生しないが、金属製外筒８とセラミックヒータ６との間の気密不良が生じた。
【００３７】
また、確認試験２は、通電条件が、セラミックヒータ６の先端温度１４００℃（Ｃ点の温度は７００℃）、印加電圧１２．５ボルト。試料の内容が、Ｔ＝７．０ｍｍ、φＤ＝φ４．０ｍｍ、φｄ＝３．０ｍｍ、Ｂ＝１０ｍｍ、金属製外筒８のハウジング２への固定方法は圧入、金属製外筒８の材質をＳＵＳ４３０とニッケル耐熱合金の二種、Ｌを１０ｍｍに固定して、Ａの値を変えながら試験を行った。
【００３８】
確認試験２の結果を図５に示す。セラミックヒータ６の突き出し長さＴを短くするとともに、金属製外筒８の外径φＤおよびセラミックヒータ６の外径φｄを確認試験１の時よりも小さくしたが、結果は前記確認試験１の結果と変わらず、Ｌ−Ａが、−２．５ｍｍと−５ｍｍの時にだけ入り込み現象が発生している。また、金属製外筒８の材質を線膨張係数の大きいニッケル耐熱合金に変更した場合でも、試験結果は変わらず、Ｌ−Ａが、−２．５ｍｍと−５ｍｍの時にだけ入り込み現象が発生している。さらに、セラミックヒータ６の金属製外筒８内への挿入長さＡが３ｍｍの場合だけ金属製外筒８とセラミックヒータ６との間の気密が不良になった。
【００３９】
また、確認試験３では、試料としてのセラミックヒータ型グロープラグ１をシリンダヘッドに相当する前記治具に固定して行う耐久試験ではなく、実車による耐久試験を行った。この確認試験３は、通電条件が、セラミックヒータ６の先端温度１４００℃（Ｃ点の温度は７００℃）、印加電圧１２．５ボルト。試料の内容は、Ｔ＝７．０ｍｍ、φＤ＝φ４．０ｍｍ、φｄ＝３．０ｍｍ、Ｂ＝１０ｍｍ、金属製外筒８のハウジング２への固定方法は圧入、金属製外筒８の材質をＳＵＳ４３０、Ｌを１０ｍｍに固定して、Ａの値を変えながら試験を行った。この実車試験では、Ａが５．０ｍｍ、１０．０ｍｍ、１５．０ｍｍ、２０ｍｍの四種類で行った。
【００４０】
試験の内容は、走行距離が２５０００ｋｍ、走行期間１３ヶ月、走行地域は市街地で、グロープラグの総通電回数は、３５００回であった。
【００４１】
確認試験３の結果を図６に示す。この試験の場合も、Ｌ−Ａが、−５．０ｍｍの時にだけ入り込み現象が発生した。この試験の結果も、前記各確認試験と一致している。
【００４２】
以上の確認試験の結果をまとめると、入り込み現象の発生は、Ｌ−Ａ（金属製外筒８の固定端４ｆとセラミックヒータ６の後端面６ｂとの軸方向の位置関係）にだけ依存しており、その他の条件、つまり金属製外筒８とセラミックヒータ６の径方向の寸法（φＤ、φｄ）や、金属製外筒８のハウジング２からの突き出し長さＬには影響されない。そして、入り込み現象が発生するのは、−５ｍｍ＜Ｌ−Ａ＜０の範囲だけであり、Ｌ−Ａ＜−５ｍｍまたは０＜Ｌ−Ａの範囲では入り込み現象は発生しない。
【００４３】
また、金属製外筒８のハウジング２への固定方法が圧入であるかロウ付けであるかは、入り込み現象に影響しない。さらに、金属製外筒８の材質も、前記条件内（ＳＵＳ４３０、ニッケル耐熱合金）であれば入り込み現象に影響しない。
【００４４】
但し、Ａ＜５ｍｍでは、確認試験後の金属製外筒８とセラミックヒータ６との間の気密が不良であった。結論として、金属製外筒８のハウジング２への固定端４ｆと、セラミックヒータ６の金属製外筒８内に位置する後端面６ｂとの間の軸方向の距離（Ｌ−Ａ）が、Ｌ−Ａ＜−５ｍｍ、またはＬ−Ａ＞０の範囲で、かつ、セラミックヒータ６の金属製外筒８内への挿入長さＡが、Ａ＞５ｍｍである場合に、入り込み現象が発生せず、しかも、気密性の確保できるセラミックヒータ型グロープラグ１を得ることができる。但し、気密性の保持を他の部分で行うようにすれば、Ａ＜５ｍｍの範囲でも実用化可能である。
【００４５】
前記確認試験により、金属製外筒８内にセラミックヒータ６が徐々に入り込む「入り込み現象」が発生する条件が明らかになった。この確認試験の結果について考察する。
【００４６】
先ず、金属製外筒８の固定端４ｆとセラミックヒータ６の後端面６ｂとの軸方向の位置関係（Ｌ−Ａ）と入り込み現象との関連について考察すると、
１）Ｌ−Ａ＜−５ｍｍの場合には、セラミックヒータ６の後端部６ｄが、金属製外筒８のハウジング２への固定部８ｄ内に充分に入り込んでおり、この入り込んだセラミックヒータ６の後端部６ｄは、グロープラグ１の加熱時でも低温（約１００℃）のハウジング２の影響を受けて温度は上昇しない。従って、セラミックヒータ６の先端部６ａが高温になったときに金属製外筒８のせり出しが生じ、その後、冷却時にセラミックヒータ６の引き込み力が発生したとしても、この引き込み力よりも、後端側の対抗する力の方が大きいので、入り込み現象は発生しない。
【００４７】
２）−５ｍｍ＜Ｌ−Ａ＜０の場合には、セラミックヒータ６の後端部６ｄが、金属製外筒８のハウジング２への固定部８ｄ内に若干入り込んでおり、この入り込んだセラミックヒータ６の後端部６ｄは、グロープラグ１の加熱時でも低温（約１００℃）のハウジング２の影響を受けて温度は上昇しないが、この範囲は極めて僅かである。従って、セラミックヒータ６の先端部６ａが高温になったときに金属製外筒８のせり出しが生じ、その後、冷却時にセラミックヒータ６の引き込み力が発生した場合、後端側に生じる入り込みへの対抗力は、前記引き込み力よりも小さいので、入り込み現象が発生してしまう。
【００４８】
３）０＜Ｌ−Ａの場合には、セラミックヒータ６の後端部６ｄが、金属製外筒８のハウジング２への固定部８ｄ内には全く入り込んでいない。よって、低温のハウジング２の影響をあまり受けず、グロープラグ１の加熱時には、金属製外筒８とセラミックヒータ６とのロウ付け部分は高温になり、全体として温度勾配は小さくなる。そのため、セラミックヒータ６と金属製外筒８とのロウ付け部分のロウ材が全体的に柔らかく流動化傾向を示す。この場合には、高温時に金属製外筒８が軸方向に膨張すると、セラミックヒータ６の後端部６ｄが拘束されていないので、金属製外筒８とともに動いてしまい、相対変位が生じにくくなる。従って、冷却時にセラミックヒータ６の引き込み力が生じないので、入り込み現象は発生しない。
【００４９】
前記のように−５ｍｍ＜Ｌ−Ａ＜０の場合を除き、Ｌ−Ａ＜−５ｍｍの場合および０＜Ｌ−Ａの場合に、金属製外筒８内へのセラミックヒータ６の入り込み現象の発生を抑止することができる。但し、０＜Ｌ−Ａの場合は、金属製外筒８のハウジング２内に固定されている部分８ｄ内に、セラミックヒータ６の後端部６ｄが全く挿入されない構造なので、セラミックヒータ６の長さが短縮される。これに対し、Ｌ−Ａ＜−５ｍｍの場合には、セラミックヒータ６の後端部６ｄが、前記金属製外筒８のハウジング２への固定部８ｄ内に５ｍｍを越える長さに渡って挿入されることになるので、セラミックヒータ６の長さが長くなりコストが増大するため、０＜Ｌ−Ａの構成にした方がコスト上は有利である。
【００５０】
次に、金属製外筒８の、ハウジング２への固定端（４ｆの位置）から外部への突き出し長さＬと入り込み現象との関連について考察する。金属製外筒８とセラミックヒータ６は、ハウジング２やシリンダヘッド（図示せず）に比べて熱容量が小さいので、グロープラグ１の発熱時に、金属製外筒８とセラミックヒータ６は、金属製外筒８のハウジング２への固定端４ｆ付近まではハウジング２やシリンダヘッドの影響を受けずに高温になり、その固定端４ｆ近くからハウジング２内への挿入部に沿ってハウジング２やシリンダヘッドの影響を受けて急激に温度が低下する。
【００５１】
そして、前記高温となった部分では、ロウ材が柔らかくなり流動化傾向を示しているので、金属製外筒８とセラミックヒータ６との線膨張係数の差による金属製外筒８のせり出しに対してあまり抵抗とはならない。また、冷却時にも、ハウジング２への固定端から突き出している先端部側は、ハウジング２やシリンダヘッドの影響を受けないので、ハウジング２の固定部側近くに比較して急激に温度が低下しない。従って、金属製外筒８の、ハウジング２への固定端から突き出している先端部側は入り込み現象に影響を与えない。
【００５２】
しかし、金属製外筒８のハウジング２からの突き出し長さＬが長くなると、金属製外筒８とセラミックヒータ６とのロウ付け部分の長さも必然的に長くなるので、そのロウ付け部分が金属製外筒８とセラミックヒータ６との相対変位に対して抵抗となり、冷却時に金属製外筒８がセラミックヒータ６を引き込む力に対抗する対抗力が、短い場合よりも大きくなるはずである。ところが、前述のようにハウジング２から突き出した先端部側のロウ付け部分は、冷却時の温度低下が遅いので、あまり抵抗力にはならず、しかも、長さが長くなるので、金属製外筒８の先端のセラミックヒータ６に対する相対変位は大きくなる。従って、冷却時のセラミックヒータ６を引き込む力が大きくなる。しかしながらこの引き込み力に対しては、前記対抗力が対抗するので、ロウ付け長さが長くなっても入り込み現象には影響しない。以上から、セラミックヒータ６の入り込み現象には、金属製外筒８のハウジング固定端付近のみが影響し、それよりも先端部の長さはあまり影響しないと考えられる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、絶縁性セラミックスと無機導電体で形成したセラミックヒータと、このセラミックヒータの外周に嵌合されてロウ付けにより接合された金属製外筒と、この金属製外筒の後部側が挿入固定されたハウジングとを備え、前記セラミックヒータの発熱体側先端部が金属製外筒の先端部から外方へ突出するとともに、後端部が金属製外筒の内部に位置するセラミックヒータ型グロープラグにおいて、前記金属製外筒のハウジングへの固定部端からの突き出し長さをＬ、セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さをＡとしたときに、関係式（Ｌ−Ａ＜−５ｍｍ、または、０＜Ｌ−Ａ）を満足する構成としたことにより、金属製外筒とセラミックヒータとの接合部分の長さを短くしても、セラミックヒータの入り込み現象が発生することを防止でき、接合部分に要するロウ材を節約することが可能でコストを削減することができる。また、セラミックヒータの長さも短縮することが可能であり、コスト削減が容易である。さらに、従来の構成のように、入り込み現象を防止するために、セラミックヒータの追加加工等をする必要ない。さらに、安全を見越してセラミックヒータの追加加工等を採用しても、その部分に作用する応力が減少するので、全体として破損を防止することが容易である。
【００５４】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記セラミックヒータ型グロープラグにおいて、セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さＡを、Ａ＞５ｍｍとしたことにより、入り込み現象を防止することに加えて、セラミックヒータと金属製外筒との間の気密を確実に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るセラミックヒータ型グロープラグの縦断面図である。
【図２】前記セラミックヒータ型グロープラグの要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】前記セラミックヒータ型グロープラグのセラミックヒータと金属製外筒をロウ付けにより接合する工程を説明する図である。
【図４】確認試験１の結果を示す表である。
【図５】確認試験２の結果を示す表である。
【図６】確認試験３の結果を示す表である。
【符号の説明】
２ ハウジング
６ セラミックヒータ
６ｂ セラミックヒータの先端部
６ｄ セラミックヒータの後端部
８ 金属製外筒
８ｂ 金属製外筒の先端部
８ｄ 金属製外筒の後部
６２ 絶縁性セラミックス
６４ 発熱体

Claims (2)

1. 絶縁性セラミックスと無機導電体で形成したセラミックヒータと、このセラミックヒータの外周に嵌合されてロウ付けにより接合された金属製外筒と、この金属製外筒の後部側が挿入固定されたハウジングとを備え、前記セラミックヒータの発熱体側先端部が金属製外筒の先端部から外方へ突出するとともに、後端部が金属製外筒の内部に位置するセラミックヒータ型グロープラグにおいて、
   前記金属製外筒のハウジングへの固定部端からの突き出し長さをＬ、セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さをＡとしたときに、下記の関係式を満足することを特徴とするセラミックヒータ型グロープラグ。
   Ｌ−Ａ＜−５ｍｍ、または、０＜Ｌ−Ａ
2. 請求項１に記載のセラミックヒータ型グロープラグにおいて、
   セラミックヒータの金属製外筒内への挿入長さＡが、以下の条件を満たすことを特徴とするセラミックヒータ型グロープラグ。
   Ａ＞５ｍｍ

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