JP3818113B2 - セラミックスヒータ型グロープラグの製造方法 - 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スヒータを用いたセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスヒータとして、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の発熱体、あるいは、フィルム状の発熱体を埋設し、または導電性セラミックスの発熱体の一部を露出させ、その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の内面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発熱体から遠い側の端面において、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ものが従来から知られている、
【０００３】
前記セラミックスヒータの発熱体が設けられている先端側の発熱部を金属製外筒の外部に露出させるとともに、他端側をこの金属製外筒の内部に位置させた状態で固定し、さらに、この金属製外筒を介して、エンジンのシリンダヘッドへの取付け金具である管状ハウジング内に固定した構造のセラミックスヒータ型グロープラグが既に知られているが、このような構造のセラミックスヒータ型グロープラグにおいては、電極取り出し部分の抵抗増加をいかに抑制するかが非常に重要なポイントとなっている。
【０００４】
特に、発熱体の正極を外部に取り出す部分は、図９に示すように、セラミックスヒータ１の本体部である絶縁性セラミックス２の、発熱部（図示しないが図の左側に設けられている）と逆の端面に開口した電極取り出し金具取付け孔２ｂ内に電極取り出し金具１８の先端１８ａを挿入し、銀ロウ２０によるロウ付けを行うことで、正極側リード線８に接合されて前記取付け孔２ｂ内に露出している導電性セラミックス１２との電気的接続を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記電極取り出し金具１８に通常用いられている鉄線やＮｉ（ニッケル）線、および取付け孔２ｂ内の空間を埋める銀ロウ２０などは、いずれもその線膨張係数が、セラミックスヒータ１に通常用いられる窒化珪素セラミックスよりも高く。ロウ付け後は、内部の金属部品が縮み傾向にあることから、セラミックスヒータ側のリード部（導電性セラミックス１２）との界面に引っ張り応力を形成しやすいという問題があった。そのため、この電極取り出し部分に繰り返し高熱が作用することによって両者の界面に亀裂が生じ（図９の符号Ｃ参照）、次第に接点抵抗が増加して発熱し、ついには接点部分での断線を生じるという問題があった。
【０００６】
また、前記のような問題の発生を避けるために、セラミックス側の電極取り出し部に、導電性セラミックスではなく、金属タングステンを用いる方法がある。この構造の場合には、銀ロウと強固に接合されることから界面での亀裂発生のおそれはなく良好な品質を維持することができる。
【０００７】
しかしながら、前記のように金属タングステンをリード線として用いた場合には、この金属タングステンとセラミックスとの界面は必ず空隙を生じており、そこを通じて侵入した気体や湿度などがセラミックス内部での高温反応を生起し、セラミックスヒータの破損を招くという問題があった。これを抑制するには、リード線としての金属タングステンと、電極取り出し部材としての金属タングステンとを分離することが必要であるが、これは非常に狭隘な電気回路設計を招き、さらに、金属タングステンという応力集中部材が隣接することによる熱応力の集中という問題があり、現実的な解決策とはいえなかった、
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、セラミックス側の電極取り出し部分に、金属タングステンや高融点金属、金属間化合物からなる構造体を形成し、この構造体を中間層として介在させて、電極取り出し金具を導電性セラミックスに接合することにより、高温を繰り返し作用させても、接合部分の抵抗値が上昇せず、耐熱信頼性の高いセラミックス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。また、このセラミックスヒータ型グロープラグを簡単な工程で、しかも低コストで製造することができるセラミックヒータ型グロープラグの製造方法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に記載された発明は、絶縁性セラミックスと発熱体としての無機導電体で形成したセラミックスヒータを備え、前記絶縁性セラミックスの端部に形成した取付け孔内に電極取り出し金具を挿入し、この電極取り出し金具と前記発熱体の一方の電極としての導電性セラミックスとをロウ付けにより電気的に接続するセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法において、電極取り出し金具の取付け孔を形成する孔形成部材の表面にコイル状の高融点金属材料を巻き付けて装着し、この孔形成部材を、前記導電性セラミックスに接触させた状態で絶縁性セラミックス粉体中に配置し、セラミックスヒータを成形した後、前記孔形成部材を除去することにより取付け孔を形成し、この取付け孔内に電極取り出し金具の一端を挿入しロウ付けすることにより、前記高融点金属材料を介して導電性セラミックスと電極取り出し金具とを電気的に接続することを特徴とするものである。
【００１５】
この製造方法では、セラミックスヒータの端部に電極取り出し金具取り付け用の孔を形成する孔形成部材の表面に、コイル状の高融点金属材料を巻き付けて装着して一体化し、この孔形成部材をセラミックス成形体内に埋設した後、孔形成部材だけを除去することにより、取付け孔を形成するので、従来の電極取り出し金具取付け孔を形成する工程と同一の工程で、取り付け孔の形成と、高融点金属材料による中間材料層とを同時に形成することができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の製造方法は、前記請求項１に記載の製造方法において、絶縁性セラミックス粉体内に、前記発熱体、導電性セラミックスおよび前記高融点金属材料を装着した孔形成部材を配置し、一次成形をした後、ホットプレス焼成することによりセラミックス焼結体を成形し、その後、前記孔形成部材を除去することにより形成した取付け孔内に高融点金属材料を露出させ、この高融点金属材料を介して導電性セラミックスと電極取り出し金具とを電気的に接続したことを特徴とするものである。
【００１８】
【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スヒータ型グロープラグに用いられるセラミックスヒータ１の縦断面図である。このセラミックスヒータ１の本体部２は、絶縁性セラミックスの焼結体で形成されており、この本体部（セラミックス絶縁体）２中に、無機導電体または高融点金属材からなる発熱体４と、この発熱体４の両端部４ａ、４ｂにそれぞれ接続され、セラミックスヒータ１の外部への電極取り出しを行うリード部６、８とが埋設されている。これらリード部６、８はタングステン（Ｗ）等の高融点金属からなっている。
【００１９】
前記一方のリード部（負極側リード線）６の接続端部６ａは、この端部６ａに接合された箔状の導電性セラミックス１０を介して、前記セラミックス絶縁体２の後端部（発熱体４から遠い側の端部）２ａ寄りの外周面に露出され、金属製外筒（図示せず）の内周面にロウ付け等により電気的に接続されている。なお、図示は省略するが、特開２０００−１２１０５５（図５参照）等に示すように、このセラミックスヒータ１は、発熱体４が内部に埋設されている発熱部１ａを外部に突出させるとともに前記後端部２ａが内部に収容された状態で、金属製外筒の一端部に固定され、この金属製外筒の他端部が、エンジンのシリンダヘッドへの取付け金具となる管状のハウジングの先端部内に固定される。
【００２０】
また、他方のリード部（正極側リード線）８の接続端部８ａは、箔状の導電性セラミックス１２を介して電極取り出し金具（図示せず）に接続されている。前記セラミックスヒータ１の後端部（セラミックス絶縁体２の後端部）２ａには、電極取り出し金具取付け孔２ｂが形成されている。この取付け孔２ｂの内周面には、コイル状に巻いた金属タングステン線１６が、一部を前記導電性セラミックス１２に埋設した状態で設けられている。そして、この取付け孔２ｂ内に電極取り出し金具の先端が挿入され、前記金属タングステン線１６を介して、正極側リード線８に接合されている導電性セラミックス１２と電気的に接続されている。
【００２１】
一端が前記取付け孔２ｂ内で正極側リード線８に接続された電極取り出し金具の他端は、前述の管状ハウジングの他端側に絶縁体を介して保持されている外部接続端子に接続される。本発明に係るセラミックスヒータ型グロープラグは、前記構成のセラミックスヒータ１、このセラミックスヒータ１が固定された金属製外筒、金属製外筒が固定された管状ハウジング、前記セラミックスヒータ１の電極を取り出す電極取り出し金具およびこの電極取り出し金具の端部に接続された外部接続端子等により構成されている。
【００２２】
この実施の形態では、セラミックスヒータ１の後端部２ａの内部において、前記正極側リード線８と電極取り出し金具とが電気的に接続されており、この電極取り出し部を含めたセラミックスヒータ１の製造方法について、図１〜図３により説明する。
【００２３】
先ず、前記電極取り出し金具取付け孔２ｂを形成する孔形成部材１４の表面に金属タングステン線１６をコイル状に巻き付けておく。この孔形成部材１４としては、金属モリブデン（Ｍｏ）が好適であるが、その他の金属や易切削性セラミックス、炭素材料等も使用可能である。また、孔形成部材１４の表面に装着する中間材料としては、金属タングステン線１６が好適であるが、その他、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の高融点金属粉末を用いることができ、また、その形態としては、前述のような線材に限らず、箔状のものを用いることもできる。
【００２４】
次に、プレス成形や射出成形等によりセラミックス絶縁体２を一次成形する際に、前記孔形成部材１４をセラミックス成形体１Ａの内部に埋め込む。例えば、セラミックス絶縁体２を構成する量の半分の顆粒粉体を成形型内に入れ、その上に、発熱体４、負極側リード線６および正極側リード線８となるタングステンフィラメント、負極側リード線取り出し用の導電性セラミックス１０、正極側リード線取り出し用の導電性セラミックス１２等を配置し、さらに、正極側リード線取り出し用の導電性セラミックス１２上に、正極側リード線８と平行に、前記金属タングステン線１６を巻き付けた孔形成部材１４を載せる。この実施の形態では、導電性セラミックス１０、１２は箔状のものを用いており、この箔状セラミックス１０、１２の上に、リード線６、８および孔形成部材１４を載せている。さらにその上に、残り半分のセラミックスの顆粒粉体を被せてプレス成形を行う（図２（ａ）、（ｂ）は第１次成形によるセラミックス成形体１Ａを示す）。
【００２５】
前記プレス加工等により一次成形したセラミックス成形体１Ａを脱脂した後、ホットプレス焼成を行う（図２（ｃ）参照）。例えば、前記セラミックス成形体１Ａを黒鉛型に並べ、１７００℃〜２０００℃でホットプレスを行う。ホットプレス焼成が行われることにより、リード線６、８および孔形成部材１４に巻き付けられた金属タングステン線１６は、一部が箔状の導電性セラミックス１０、１２に埋もれた状態になり（図２（ｄ）参照）、強固に接合される。
【００２６】
その後、ホットプレスにより焼成されたセラミックス焼結体１Ｂ（図２（ｄ）参照）を、全体を円柱状に、そして、その発熱部１ａの先端を半球状に研削加工する（図３は研削加工後のセラミックス焼結体１Ｃを示す）。その後、王水エッチングや機械的方法により孔成形部材１４を除去する。例えば、王水エッチングによる場合には、セラミックス焼結体１Ｃを王水と硫酸の混合液に浸漬し、金属モリブデン（Ｍｏ）からなる孔形成部材１４を溶解させる。なお、王水と硫酸の混合液（溶解用の酸）では、孔形成部材１４のモリブデン（Ｍｏ）は溶解するが、その表面に巻き付けた金属タングステン線１６は溶解しない。
【００２７】
前記のようにホットプレス焼成後、王水エッチング等により孔形成部材１４を除去したセラミックスヒータ１では、その端部２ａに電極取り出し金具取付け孔２ｂが形成され、この取付け孔２ｂの内部に、コイル状の金属タングステン線１６が、導電性セラミックス１２に半ば埋設された状態で露出している。この状態の取付け孔２ｂ内に電極取り出し金具１８（図４参照）の先端１８ａを挿入し、銀ロウ２０によるロウ付けを行うことにより、電極取り出し金具１８とリード部８側の導電性セラミックス１２とを、中間材料としての金属タングステン線１６を介して接合する。
【００２８】
前述のように導電性セラミックス１２と電極取り出し金具１８とを金属タングステン線１６を介して銀ロウ付けにより接合するようにしたので、極めて優れたロウ付け性が得られ、強固な機械的結合が行われる。また、高温に長時間されされても、界面での電気抵抗上昇のない極めて良好な電気的接続が実現できる。
【００２９】
前記製造方法によれば、電極取り出し金具取り付け用の孔２ｂの形成と、中間材料層（この実施の形態ではコイル状の金属タングステン線１６）の形成とを同時に行うことができるので、コストを削減することができる。また、ホットプレス工法により、金属タングステン線１６を導電性セラミックス１２内に一部埋め込んだ状態にしているので、ロウ付け界面での強度が向上し、強固な機械的結合が可能であり、しかも、極めて信頼性の高い電気的接合を行うことができる。
【００３０】
さらに、金属質の中間材料が形成されるので、界面での応力緩和作用があり、取付け孔２ｂの内部に形成した接合物との間の線膨張係数のミスマッチによる熱応力を低減することが可能である。しかも、ロウ２０との濡れ性が、この中間材料層１６の形成により格段に向上し、歩留まりが向上する。特に、前記実施の形態では、金属モリブデンを孔形成部材１４とし、中間材料として金属タングステン線１６を使用した組み合わせなので、金属モリブデンマンドレルに金属タングステン線をコイル状に巻き付けたものが必要となるが、この組み合わせは電球のフィラメント製造過程で大量に生産されており、安価に入手可能であり、低コストで生産することができる。
【００３１】
前記第１の実施の形態では、電極取り出し部分に箔状の導電性セラミックス１２を用いた場合について説明したが、導電性セラミックスの形状は箔状に限るものではなく、筒状の導電性セラミックスと結合させるようにしても良い。図５〜図７は、円筒形状または、その他の筒形状の導電性セラミックスと結合した場合を示す図であり、これらの図により第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
円筒形状の導電性セラミックス１１２に、大径孔と、この大径孔に平行な小径孔が形成され、前記大径孔内に、前記第１の実施の形態と同様の金属モリブデンからなる孔形成部材１４の表面に金属タングステン線１６をコイル状に巻き付けたものを挿入するとともに、小径孔内に、正極側リード線８の一端８ａを挿入する。
【００３３】
この状態で、前記第１の実施の形態と同様に、セラミックスの顆粒粉体内に配置して、プレス成形等によってセラミックス成形体１Ａを一次成形する。このセラミックス成形体１Ａを脱脂後、ホットプレス焼成を行ってセラミックス焼結体１Ｂを得る。ホットプレスを行うことにより、正極側リード線８の端部８ａと導電性セラミックス１１２が強固に接合される。また、 孔形成部材１４に巻き付けられている金属タングステン線１６も、導電性セラミックス１１２内に一部埋設された状態となり、強固に接合される。
【００３４】
その後、王水エッチング等により、孔形成部材１４を除去すると、金属タングステン線１６の外周が導電性セラミックス１１２に一部埋もれた状態になるとともに、取付け孔２ｂの内面にコイル状に露出した状態になる。この取付け孔２ｂ内に電極取り出し金具１８の一端を挿入して銀ロウ付けを行うことにより、電極取り出し金具１８を、中間材料としての金属タングステン線１６を介して、セラミックスヒータ１の発熱体４のリード部８に電気的に接続する。円筒状の導電性セラミックス１１２を用いたこの実施の形態の場合も、前記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３５】
図８は、第３の実施の形態に係るセラミックスヒータ型グロープラグに用いられるセラミックスヒータ１の要部を示す断面図である。前記第２の実施の形態では、円筒形の導電性セラミックス１１２に、孔形成部材１４を挿入する大径孔と正極側リード線８の先端８ａを挿入する小径孔とを平行に形成してあったが、この実施の形態では、円筒形状の導電性セラミックス２１２の一端側に孔形成部材１４を挿入する大径孔２１２ａを、他端側に正極側リード線８の接続端部８ａを挿入する小径孔２１２ｂを形成してあり、これら大径孔２１２ａおよび小径孔２１２ｂにそれぞれ、金属タングステン線１６を巻き付けた孔形成部材１４と、正極側リード線８の接続端部８ａを挿入し、この状態で絶縁性セラミックスの顆粒粉体内に配置して、一次成形をした後、脱脂を行い、その後、ホットプレス焼成を行う。ホットプレス焼結体を得た後、王水によるエッチング等によって前記孔形成部材１４を除去して取付け孔２ｂを形成し、この取付け孔２ｂ内に電極取り出し金具１８の先端１８ａを挿入して、銀ロウ２０によるロウ付けによって接合する。
【００３６】
このように円筒形状の導電性セラミックス２１２の両端側に、正極側リード線８の接続端部８ａと電極取り出し金具１８の先端１８ａをそれぞれ挿入して固定する場合にも、従来の構成では、図１０に示すように、導電性セラミックス２１２と銀ロウ２０との界面に亀裂Ｃが生じるが、この実施の形態の構成では、前記各実施の形態と同様の作用効果を奏することができるので、極めて信頼性の高い電気的接合が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、絶縁性セラミックスと発熱体としての無機導電体で形成したセラミックスヒータを備え、前記絶縁性セラミックスの端部に形成した取付け孔内に電極取り出し金具を挿入し、この電極取り出し金具と前記発熱体の一方の電極としての導電性セラミックスとをロウ付けにより電気的に接続するセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法において、電極取り出し金具の取付け孔を形成する孔形成部材の表面にコイル状の高融点金属材料を巻き付けて装着し、この孔形成部材を、前記導電性セラミックスに接触させた状態で絶縁性セラミックス粉体中に配置し、セラミックスヒータを成形した後、前記孔形成部材を除去することにより取付け孔を形成し、この取付け孔内に電極取り出し金具の一端を挿入しロウ付けすることにより、前記高融点金属材料を介して導電性セラミックスと電極取り出し金具とを電気的に接続するようにしたので、従来の電極取り出し金具取付け孔の形成方法と同一の工程を行うだけで、電極取り出し金具取り付け用の孔と高融点金属材料の中間層とを同時に形成できるので、低コストでセラミックスヒータ型グロープラグを製造することができる。
【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スヒータ型グロープラグに用いられるセラミックスヒータの縦断面図である。
【図２】前記セラミックヒータの製造工程を説明する図であり、図（ａ）は一次成形をしたセラミックス成形体の縦断面図、図（ｂ）は図１の側面図、図（ｃ）はホットプレス工程を説明する図、図（ｄ）はセラミックス焼結体の側面図である。
【図３】前記セラミックス焼結体に研削加工を行った状態示す縦断面図である。
【図４】前記セラミックスヒータの電極取り出し部の構成を示す縦断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係るセラミックスヒータ型グロープラグに用いられるセラミックスヒータの製造工程を示す図であり、図（ａ）は一次成形によるセラミックス成形体の縦断面図、図（ｂ）はその側面図である。
【図６】第２の実施の形態のセラミックス焼結体の縦断面図である。
【図７】図６のセラミックス焼結体から孔形成部材を除去して、電極取り出し金具取付け孔を形成した状態を示す縦断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係るセラミックスヒータ型グロープラグに用いられるセラミックスヒータの電極取り出し部の構成を示す縦断面図である。
【図９】従来のセラミックスヒータの電極取り出し部の構成を示す断面図である。
【図１０】従来のセラミックスヒータの電極取り出し部の他の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ セラミックスヒータ
２ 絶縁性セラミックス
２ａ 取付け孔
４ 無機導電体（発熱体）
１２ 導電性セラミックス
１４ 孔形成部材
１６ 高融点金属材料
１８ 電極取り出し金具

Claims (2)

1. 絶縁性セラミックスと発熱体としての無機導電体で形成したセラミックスヒータを備え、前記絶縁性セラミックスの端部に形成した取付け孔内に電極取り出し金具を挿入し、この電極取り出し金具と前記発熱体の一方の電極としての導電性セラミックスとをロウ付けにより電気的に接続するセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法において、
   電極取り出し金具の取付け孔を形成する孔形成部材の表面にコイル状の高融点金属材料を巻き付けて装着し、この孔形成部材を、前記導電性セラミックスに接触させた状態で絶縁性セラミックス粉体中に配置し、セラミックスヒータを成形した後、前記孔形成部材を除去することにより取付け孔を形成し、この取付け孔内に電極取り出し金具の一端を挿入しロウ付けすることにより、前記高融点金属材料を介して導電性セラミックスと電極取り出し金具とを電気的に接続することを特徴とするセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
2. 絶縁性セラミックス粉体内に、前記発熱体、導電性セラミックスおよび前記高融点金属材料を装着した孔形成部材を配置し、一次成形をした後、ホットプレス焼成することによりセラミックス焼結体を成形し、その後、前記孔形成部材を除去することにより形成した取付け孔内に高融点金属材料を露出させ、この高融点金属材料を介して導電性セラミックスと電極取り出し金具とを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。

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