JP3648315B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックヒータを用いたグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン等の始動促進に使用されるグロープラグとして、例えば図７（ａ）に示すように、金属製の外筒１０１の先端にセラミックヒータ１０２を保持させたものが知られている。セラミックヒータ１０２は、例えば棒状の絶縁性セラミック基体１０３の先端部に、導電性セラミックスにより形成されたＵ字形のセラミック発熱体１０４を埋設し、その両端に接続された電極部１０５を介して通電することによりこれを抵抗発熱させるものとして構成される。ここで、電極部１０５は、その末端部をセラミック発熱体１０４の各端部内に埋設することによりこれに接続される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなグロープラグ１００においては、セラミックヒータ１０２に対する通電やエンジン燃焼時の被熱・冷却の繰返しにより外筒１０１の膨張／収縮が起こり、セラミックヒータ１０２に圧縮応力が繰返し付加される。この圧縮応力は、セラミック発熱体１０４の発熱やエンジンからの被熱を受けやすい外筒１０１の先端部分１０１ａで特に大きくなりやすい傾向にある。ところで、この先端部分１０１ａ内には、電極部１０５が埋設されたセラミック発熱体１０４の端部１０４ａが位置しているが、図７（ｂ）に示すように、電極部１０５とセラミック発熱体１０４との界面には、両部の熱膨張率の差に基づき、例えば焼成後の冷却時等において隙間１０５ａ等の微小な欠陥が形成されていることがある。このような部分に外筒１０１の膨張／収縮に基づく圧縮応力が繰返し作用すると、上記欠陥を起点としてセラミック発熱体１０４にクラック等が発生することも考えられ、ひいては発熱体１０４の寿命を縮めることにもつながる。
【０００４】
本発明の課題は、セラミック発熱体の耐久性に優れたグロープラグを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、外筒内にセラミックヒータを、その先端部が該外筒の端面から突出するように配置した構造を有するグロープラグに係り、上述の課題を解決するために下記の特徴を有する。すなわち、該セラミックヒータは、セラミック基体と、外筒から突出するヒータ先端部においてそのセラミック基体に埋設され、自身の両端部にそれぞれ一端が埋設される電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備える。セラミック発熱体は、一方の基端部から延びて方向変換した後、他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びるとともに方向変換部よりも大きい断面積を有する２本の直線部とを備え、その方向変換部が前記ヒータ先端部側を向くように配置される。そして電極部は、セラミック発熱体に埋設されたその先端が、外筒の端面よりも該外筒側に入り込むように配置され、かつ該先端から外筒の端面までの距離が３〜１０mmの範囲で設定される。
【０００６】
すなわち、セラミック発熱体に埋設された電極部の先端を、外筒の端面よりも該外筒側に入り込むように配置すれば、電極部とセラミック発熱体との界面部分が、セラミックヒータの通電発熱やエンジンからの被熱により膨張／収縮しやすい外筒の端面近傍部から外れて位置するので、上記膨張／収縮に伴う外筒からの圧縮応力が、該界面部分に作用しにくくなる。そして、電極部の先端から外筒の端面までの距離を３〜１０mmの範囲に設定することで、上記圧縮応力に基づきセラミック発熱体にクラック等が発生することが効果的に防止ないし抑制される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、セラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。また、セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウジング４内に挿通された金属軸６の一方の端部に嵌着されている。そして、金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、金属ハウジング４の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【０００８】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、一方の基端部から延びた後方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部１０ａと、その方向変換部１０ａの各基端部から同方向に延びる２本の直線部１０ｂとを有するＵ字状のセラミック発熱体１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設される。そのセラミック発熱体１０は、セラミックヒータ１の先端部２において、ほぼ円形の断面を有するセラミック基体１３中に、その方向変換部１０ａがヒータ１の先端側を向くように埋設されている。なお、セラミック発熱体１０に電極部１１及び１２を介して通電したときのその抵抗発熱が、主にその方向変換部１０ａ（すなわち、セラミックヒータ１の先端近傍）で生ずるように、該方向変換部１０ａの断面積は直線部１０ｂよりも小さくされている。なお、方向変換部１０ａと直線部１０ｂは、断面積が互いにほぼ等しくなるように形成することもできる。
【０００９】
また、各電極部１１及び１２は、セラミック基体１３中においてセラミック発熱体１０から離間する方向に延びるとともに、その一方のもの（１２）は外筒３内において、他方のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍において、それぞれその後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。そして、セラミック発熱体１０に埋設された各先端１１ｂ及び１２ｂは、外筒３の端面３ａよりも該外筒側に入り込むように配置され、図３に示すように、該先端から外筒３の端面３ａまでの距離ｌが２〜１０mm、望ましくは３〜１０mmの範囲で設定されている。
【００１０】
セラミック発熱体は、導電性を有するセラミックス、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、硅化モリブデン（Ｍｏ₂Ｓｉ₃）、炭化タングステンと窒化硅素（Ｓｉ₃Ｎ₄）との複合物等により構成されるが、炭化硅素（ＳｉＣ）など半導体セラミックスを使用することもできる。また、電極部１１及び１２はタングステン（Ｗ）あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融点金属材料で構成される。一方、セラミック基体１３は、主に絶縁性のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ジルコン（ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）、窒化硅素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等により構成される。
【００１１】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介してセラミック発熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。この通電により、セラミック発熱体１０は抵抗発熱することとなる。
【００１２】
ここで、図３に示すように、電極部１１及び１２の各先端１１ｂ及び１２ｂが、外筒３の端面３ａよりも該外筒３側に入り込むように配置することで、電極部１１及び１２とセラミック発熱体１０との界面部分Ｐが、セラミックヒータの通電発熱やエンジンからの被熱により膨張／収縮しやすい外筒３の端面近傍部から外れて位置することとなり、上記膨張／収縮に伴う外筒３からの圧縮応力が、該界面部分Ｐに作用しにくくなる。その結果、該界面部分Ｐの近傍においてセラミック発熱体１０にクラック等が発生することが防止ないし抑制される。ここで、電極部１１及び１２の各先端１１ｂ及び１２ｂから外筒３の端面３ａまでの距離ｌが２mm未満になると、上記効果が達成されなくなる場合がある。距離ｌは、より望ましくは３mm以上に設定するのがよい。一方、距離ｌが１０mmを超過した場合は、セラミック発熱体１０の外筒３内に存在する長さが長くなり、外筒３とセラミックヒータ１とを接合しているろう材が、発熱体１０からの発熱を過度に受けて溶融・流出する等の問題が生ずる場合がある。それ故、距離ｌは１０mm以下に設定される。
【００１３】
セラミックヒータ１は、例えば下記のような方法により製造することができる。まず、図４（ａ）に示すように、セラミック発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対し電極材３０を、その端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そして、その状態で、導電性セラミック粉末とバインダとを含有するコンパウンド３３を射出することにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の導電性セラミック粉末成形部３４とが一体化された一体射出成形体３５を作成する。
【００１４】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するセラミック粉末を予め金型プレス成形することにより、図５（ａ）に示すような、上下別体に形成された予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら予備成形体３６及び３７は、セラミック基体１３を、その軸線とほぼ平行な断面により２分割したと仮定した場合の、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割面に相当する部分に、上記一体射出成形体３５に対応した形状の凹部３８が形成されている。そして、この凹部３８に一体射出成形体３５を収容し、上下の予備成形体３６及び３７を型合わせするとともに、その状態でこれら予備成形体３６、３７及び一体射出成形体３５をさらに金型を用いてプレス・一体化することにより、図５（ｂ）に示すような、複合成形体３９を作成する。
【００１５】
こうして得られた複合成形体３９は、まず射出成形による導電性セラミック粉末成形部３４あるいは予備成形体３６及び３７からバインダ成分を除去するために仮焼され、続いて図６（ａ）に示すように、グラファイト等で構成された成形型４０の間で加圧しながら所定の温度でホットプレス焼成を行うことにより、同図（ｂ）に示すような焼成体４１となる。このとき、図５（ｂ）に示す導電性セラミック粉末成形部３４がセラミック発熱体１０を、予備成形体３６及び３７がセラミック基体１３を、さらに電極材３０が電極部１１及び１２をそれぞれ形成することとなる。その後、焼成体４１の外面に、必要に応じて研磨等の加工を施すことにより、図２に示すようなセラミックヒータ１が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一例を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミック発熱体と外筒との位置関係を示す正面部分断面図。
【図４】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】従来のグロープラグのセラミックヒータの構造を示す模式図。
【符号の説明】
１ セラミックヒータ
３ 外筒
３ａ 端面
１０ セラミック発熱体
１０ａ 方向変換部
１１、１２ 電極部
１１ｂ、１２ｂ 先端
１３ セラミック基体
５０ グロープラグ

Claims (1)

1. 外筒内にセラミックヒータを、そのヒータ先端部が該外筒の端面から突出するように配置した構造を有するグロープラグであって、
   前記セラミックヒータは、
   セラミック基体と、
   前記外筒から突出するヒータ先端部においてそのセラミック基体に埋設され、自身の両端部にそれぞれ一端が埋設される電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備え、
   前記セラミック発熱体は、一方の基端部から延びて方向変換した後、他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びるとともに前記方向変換部よりも大きい断面積を有する２本の直線部とを備え、その方向変換部が前記ヒータ先端部側を向くように配置されるとともに、
   前記電極部は、前記セラミック発熱体に埋設されたその先端が、前記外筒の端面よりも該外筒側に入り込むように配置され、かつ該先端から前記外筒の端面までの距離が３〜１０ｍｍの範囲で設定されたことを特徴とするグロープラグ。

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