JP3861348B2

JP3861348B2 - セラミックグロープラグ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3861348B2
Application number: JP35533596A
Authority: JP
Inventors: 正和栗原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: JPH10185192A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，ディーゼルエンジンのシリンダ内を予熱するためのセラミックグロープラグ，特にその中軸とヒータとの接合構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来のセラミックグロープラグ９０は，図１３に示すごとく，金属製のハウジング６の中に嵌挿したセラミック製のヒータ２と，このヒータ２の基端部２１に向けてハウジング６内に挿入した通電用の中軸３と，上記ヒータ２と上記中軸３とを電気的に接続するための接続金具９４とよりなる。
上記接続金具９４は，図１３に示すごとく，金属線をコイル状に成形したヒータ保持部９４２と基端部９４１とからなる。そして，接続金具９４の基端部９４１と中軸３とは抵抗溶接してある。一方，ヒータ保持部９４２とヒータ２とは，ロウ接してある。
【０００３】
そして，記セラミックグロープラグ９０の製造に当たっては，上記ヒータ２と中軸３とを接続金具９４によって接合して一体化した後，これらをハウジング６中に挿入する。そして，ヒータ２に装着してロウ接した金属スリーブ２８をハウジング６にロウ接することにより，これらを固定する。
この時，上記中軸３は，ハウジング６と電気的に絶縁する必要がある。そのため，中軸３及び接続金具９４は，ハウジング６に接触しないように配設しなければならない。このため，ヒータ２と中軸３とは，ほぼ同一軸芯上に位置する状態，即ち同軸度が高い状態で接合されることが必要である。また，ハウジング６内への組付け時には，曲がり等が発生しないように十分な注意を払って慎重に行うことが必要である。
【０００４】
このような状況に鑑み，出願人は，ヒータ２と中軸３との同軸度を高め，かつ接合の信頼性を高めるため，接続金具として金属パイプを用い中軸３とかしめにより接合するセラミックグロープラグを既に提案済である（特願平８−７１４１７号出願参照）。即ち，図１４に示すように，パイプ状の接続金具４を用いてヒータ２と中軸３とを接続する。そのため，製造過程における中軸３と接続金具４との接合工程においては，接続金具４の内孔内に中軸３を差し込むだけで容易に高い同軸度が得られる。
【０００５】
そのため，この状態で接続金具４をその外周よりかしめても，中軸３と接続金具４との高い同軸度が維持される。それ故，中軸３をハウジング６内へ挿入する組付け作業を容易に行うことができる。
また，中軸３と接続金具４とは，上記のごとく接続金具４をその外周よりかしめることにより接合する。同図において符号３５，４５は，それぞれ中軸３と接続金具４のかしめ部である。そのため，接続金具４と中軸３との接合作業が非常に容易であり，大量生産時においても常に安定した接合状態が得られる。
【０００６】
その結果，エンジンに装着して使用しても，接続金具４が断線等することがなく，中軸と接続金具との確実な電気的導通を得ることができる。
なお，上記中軸３は，通常Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼によって形成されており，切削加工により成形されている。また，接続金具４はステンレス鋼により形成され絞り加工により成形されている。
【０００７】
【解決しようとする課題】
しかしながら，中軸と接続金具とは，断線等が生じないように確実に接合することに加えてその電気的な接触抵抗を低くし，かつ接触抵抗のバラツキを少なくすることが極めて重要である。
例えば，接触抵抗の具体的な値としては，中軸３と接続金具４との間で２０ｍΩ以下とすることが好ましい。しかしながら，直径３．５ｍｍ程度の上記中軸３を約０．２ｍｍかしめた場合において，炉中でエイジングを行うと従来は８０ｍΩを越えることが多く見られた（後述する図９参照）。
【０００８】
本発明は，かかる問題点に鑑みてなされたものであり，接続金具と中軸との間の接触抵抗が低く且つ接触抵抗のバラツキが少ないセラミックグロープラグ及びその製造方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１にかかるセラミックグロープラグは、その接続金具が絞り加工により成形された内孔を有するパイプ形状であって，この接続金具の内孔の基端部側には冷間鍛造により加工された上記中軸の先端部が挿入され，かつ上記接続金具を外周よりかしめることにより固定されており，かつ，上記中軸と接続金具とのかしめ部分における面接触率が８０％以上（線接触率が略９０％以上）であることを特徴とする。
【００１０】
なお，かしめ部の接触率は，かしめ部の全面積Ｓｏに対する接触面積Ｓ１の比率である面積接触率によって表すことができる他，後述する（１）式で示す線接触率等によって表現することができる。
即ち，中軸と接続金具とをかしめた場合に，両部材は面接触することになるが，両部材のかしめ部の面は１００％接触している訳ではない。即ち，図１１又は図１２（ｂ）に模式的に示すように，中軸３（かしめ部３５）と接続金具４（かしめ部４５）とは，その一部分が短い間隙ｇ_i（ｉ＝１〜ｎ）で間欠的に離隔している。
【００１１】
本願の発明者は，上記間隙の有無すなわち両部材の接触率の大小が，接触抵抗の大小を大きく左右することを究明した。即ち，空隙は単に加工後の接触抵抗値を決めるばかりではなく，空隙に含まれる空気等により経年的に酸化等を促進し，これによって接触抵抗を大幅に増大させることを究明した。
そして，かしめ時における両部材間の面接触率を８０％以上（線接触率が略９０％以上）とすることにより，かしめ時の接触抵抗の値を低くすると共にその後の経年的な変化（増加）を大幅に抑制することができることを究明した。
【００１２】
そして，請求項２に記載のように，接続金具をステンレス鋼により形成し，中軸をＳ１５ＣからＳ４５Ｃの炭素鋼により形成したセラミックグロープラグに対して，上記のように構成することにより２０ｍΩ以下の良好な接触抵抗が得られるようになり，その値はエイジング後においても大きく変化しないことを究明した（後述する実施形態例，図１０参照）。
また，かしめ前における中軸を冷間鍛造により加工することにより，中軸の表面の平滑度が図１２の（ａ）から図６（ａ）に示すように良好にすることが可能となり，その結果かしめ後の両部材の接触抵抗が大幅に低下することを究明した。
【００１３】
そして，請求項３の発明は，所定のかしめ応力を印加した場合において，前記中軸と接続金具とのかしめ部分における面接触率が８０％以上（線接触率が略９０％以上）となるように，前記中軸を冷間鍛造により加工することによって，かしめ前における中軸のかしめ部の表面の粗さを加工することを特徴とするセラミックグロープラグの製造方法にある。
即ち，両部材の接触率は，印加するかしめ応力と両部材の表面粗さとはによって変化するが，かしめ応力の大きさは通常接続金具が耐えられる強度によって制限を受け，表面粗さは主として中軸の表面粗さに左右される。
【００１４】
従って，接続金具の組成を良好な状態に維持することのできる範囲内の最大のかしめ応力を印加した場合には，中軸の表面粗さを適正な細かさとすることにより，かしめ部分に所望の接触率を得ることができる。そして，接触率が上記の値となるように高くすることにより，前記のように低い接触抵抗を達成することができる。
それ故，請求項３記載の発明によれば，中軸と接続金具との間に良好な接触抵抗が得られるセラミックグロープラグの製造方法を得ることができる。
【００１５】
そして，接続金具をステンレス鋼とした場合には，かしめによる接続金具の強度の低下を抑制するために，請求項４記載のように，かしめ応力を５００ＭＰａから１５００ＭＰａの範囲とすることが好ましい。その結果，かしめ部の接触率を上げ，接触抵抗を低くすると共に接触抵抗を安定化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本例は，図１に示すように，ハウジング６と，ハウジング６の先端寄りに嵌挿したセラミック製のヒータ２と，ヒータ２の基端部２１に向けてハウジング６内に挿入した通電用の中軸３と，ヒータ２と中軸３とを接続するための接続金具４とを有するセラミックグロープラグ１０である。
【００１７】
そして，接続金具４は内孔を有するパイプ形状であって，図２に示すように，接続金具４の内孔の基端部側には中軸３の先端部３２が挿入され，かつ接続金具４を外周よりかしめることにより固定されている。また，図３に示すように，中軸３と接続金具４とのかしめ部分３５，４５における面接触率は８０％以上（線接触率が略９０％以上）である。
そして，接続金具４はステンレス鋼により形成され，中軸３はＳ４５Ｃの炭素鋼により形成されている。
また，かしめ前における中軸３は冷間鍛造により加工し，切削により加工した場合よりも表面の粗さを細かくしてある。
【００１８】
以下それぞれについて説明を補足する。
上記のように，接続金具４におけるかしめ部４５は，図３に示すごとく，８方からかしめられ，８か所の凸部４５１と８か所の接触部４５２が形成されている。そして，その内側の中軸３のかしめ部３５は，略八角形に変形し，接続金具４と強固に嵌合している。そして，かしめることにより，図６（ａ）に示すようにかしめ前には互いに離隔していたかしめ部３５，４５は，同図（ｂ）に示すように互いに接触するようになる。
【００１９】
なお，かしめ前における接続金具４の径Ｄ１（図５）は，３．５ｍｍであり，かしめ後の径Ｄ２（図５）は３．３ｍｍである。そして，かしめ前における中軸３は冷間鍛造により製作され，その表面粗さは切削加工によって製作した場合よりも細かくなっている。即ち，冷間鍛造により製作することにより，切削後に研磨したのと同様の表面粗さとすることができる（模式図，図６（ａ）と図１２（ａ）参照）。
そして，接続金具４と中軸３とを上記のかしめ量（０．２ｍｍ）だけかしめた後における両部材の線接触率Ｃ，即ち図１１に示す諸量の間に成立する下式の値Ｃが９０％以上となるように，かしめ前の中軸３の表面粗さを製作する（面接触率に換算すると８１％以上）。
Ｃ＝｛（Ｌ−Σｇ_i）／Ｌ｝×１００，ｉ＝１〜ｎ・・・（１）
【００２０】
また，図２に示すように，接続金具４の上記内孔４０の先端部４０２には，ヒータ２の基端部２１を挿入してロウ接してある。
そして，図１に示すごとく，ヒータ２は金属スリーブ２８内に挿通すると共にこれにロウ接され，さらに金属スリーブ２８はハウジング６にロウ接されている。
また，中軸３の基端部３１は，図１に示すように，ハウジング６の開口部６０から上方に突出しており，開口部６０を閉止するようにブッシュ７２を介してナット７１が螺着してある。また，ハウジング６内において，中軸３とハウジング６の内壁との間には，半径方向の位置決めを行うための絶縁リング７４が介設され，また該絶縁リング７４の上方には，ガラスからなる絶縁体７３が配設されている。
【００２１】
次に，上記セラミックグロープラグ１０を製造するに当たっては，図４に示すように，まずヒータ２と，中軸３と，内孔４０を有するパイプ形状の接続金具４とを準備する。該接続金具４は，位置決め部としてのくびれ部４７を有すると共に，これを境にして小径の上部４０３と大径の下部４０２とを有する。上記接続金具４の上部４０３の内径は，中軸３の先端部３２の外径と略同一であり，一方接続金具４の先端部４０２の内径は，ヒータ２の基端部２１の外径と略同一である。
【００２２】
そして，接続金具４の先端部４０２には，上記ヒータ２とロウ材（図示略）を上記くびれ部４７に当接するまで挿入しロウ接する。
次いで，上記接続金具４の上部４０３には，中軸３の段部３２９が接続金具４の上端に当接するまで中軸３の下端部３２を挿入する。そして，図２に示すように，接続金具４の上記かしめ部４５を，その外周側からかしめる。これにより，中軸３と接続金具４とが接合され，中軸３とヒータ２とがほぼ同一軸芯上に位置して一体的に結合する。
【００２３】
また，上記ヒータ２には，金属スリーブ２８を装着し，上記ヒータ２と接続金具４とをロウ接する際に，同時にロウ接する。
そして，一体となった上記中軸３からヒータ２までをハウジング６内に挿入し，金属スリーブ２８とハウジング６の内壁とをロウ接する。
次いで，中軸３とハウジング６との間に絶縁リング７４及び絶縁体７３を配設し，また中軸３の上端部３１にはブッシュ７２を介してナット７１を螺着し，セラミックグロープラグ１０を得る。
【００２４】
次に，本例における作用効果につき説明する。
本例のセラミックグロープラグ１０では，接続金具４と中軸３とは，接続金具４をその外周よりかしめることにより接合する。そのため，接続金具４と中軸３との接合作業が容易であり，量産時においても常に安定した接合状態が得られる。
また，本例のセラミックグロープラグ１０における中軸３と接続金具４との間の接触抵抗値は，中軸３を切削加工により製造した従来品の場合に比べると大幅に低くなり，且つ接触抵抗値のバラツキは大幅に低下する。
【００２５】
即ち，かしめ直後におけるロット間の比較においては，図７に示すように，接触抵抗値が５ｍΩ以下になると共にその変動範囲が従来品よりも大幅に低下している（但し，●は従来品，○は本例のセラミックグロープラグを示す。図１０を除き以下同じ）。
そして，前記かしめ量（Ｄ１−Ｄ２）を０．０５ｍｍから０．４ｍｍの間で変化させた場合にも，かしめ直後の値は，図８に示すように，従来品よりも大幅に小さくなる（Ｄ１＝３．５ｍｍ）。
【００２６】
また，かしめ後に炉中において１００時間エイジングした場合においても，図９に示すように，接触抵抗値の大きさとその増加の傾向及びバラツキの大きさは従来品よりも大幅に小さくなる（かしめ量Ｄ１−Ｄ２＝０．２ｍｍ）。
また，両部材の線接触率Ｃの大きさを変えた場合においては，図１０に示すように，線接触率Ｃの値を９０％以上にすることにより，かしめ直後の値，炉中で２００℃１００時間エイジングした場合及び５００℃で１００時間エイジングした場合のいづれの場合においても，２０ｍΩ以下となった。
上記のように，いずれのケースにおいても本例の中軸３と接続金具３の間の接触抵抗は，大幅に低下する。
【００２７】
また，本例のセラミックグロープラグ１０においては，パイプ状の接続金具４を用いているから，接続金具４に中軸３を差し込むだけで，確実に中軸３と接続金具４との同軸度が精度良く得られるようになる。
一方，ヒータ２と接続金具４とは，その外径と内径とが略同一であって，これらを嵌合してロウ接する。そのため，ヒータ２と接続金具４とも容易に高い同軸度が得られる。
それ故，中軸３からヒータ２までは，ほぼ同一軸芯となり，ハウジング６への組付け作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のセラミックグロープラグの断面図。
【図２】図１の中軸と接続金具のかしめ部近傍の拡大図。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視線断面図。
【図４】図２の中軸と接続金具のかしめ前の断面図。
【図５】実施形態例の中軸と接続金具におけるかしめ前とかしめ後の接続金具の寸法Ｄ１，Ｄ２を模式的に示した断面図。
【図６】図５の矢印Ｋで示した実施形態例の中軸と接続金具のかしめ部の表面状態を模式的に示す図（（ａ）はかしめ前，（ｂ）はかしめ後）。
【図７】実施形態例のセラミックグロープラグと従来のセラミックグロープラグにおける中軸と接続金具との接触抵抗値の分布を示す図。
【図８】実施形態例のセラミックグロープラグと従来のセラミックグロープラグにおける中軸と接続金具との接触抵抗値をかしめ量を変えて測定した値をプロットした図。
【図９】実施形態例のセラミックグロープラグと従来のセラミックグロープラグにおける中軸と接続金具との接触抵抗値をエイジング温度を変えて測定した値をプロットした図（エイジング時間はいずれも１００時間，かしめ量はいずれも０．２ｍｍ）。
【図１０】実施形態例のセラミックグロープラグにおける中軸と接続金具との接触抵抗値をかしめ後の線接触率変えて測定した値をプロットした図（かしめ直後を○，２００℃の炉中で１００時間エイジングした後を■，５００℃の炉中で１００時間エイジングした後を▲で示す）。
【図１１】かしめ後の線接触率Ｃの定義式に含まれる諸量Ｌ，ｇ_iを模式的に示す図。
【図１２】従来のセラミックグロープラグの中軸と接続金具のかしめ部の表面状態を模式的に示す図（（ａ）はかしめ前，（ｂ）はかしめ後）。
【図１３】従来のセラミックグロープラグの断面図。
【図１４】従来の他のセラミックグロープラグの中軸及び接続金具の近傍の断面図。
【符号の説明】
２．．．ヒータ，
３．．．中軸，
３２．．．先端部，
４．．．接続金具，
６．．．ハウジング，

Claims

ハウジングと、このハウジングの先端寄りに嵌挿したセラミック製のヒータと、このヒータの基端部に向けてハウジング内に挿入した通電用の中軸と，上記ヒータと上記中軸とを接続するための接続金具とを有するセラミックグロープラグにおいて、上記接続金具は絞り加工により成形された内孔を有するパイプ形状であって，この接続金具の内孔の基端部側には冷間鍛造により加工された上記中軸の先端部が挿入され，かつ上記接続金具を外周よりかしめることにより固定されており，上記中軸と接続金具とのかしめ部における面接触率が８０％以上であることを特徴とするセラミックグロープラグ。
請求項１において，前記接続金具はステンレス鋼により形成され，前記中軸はＳ１５ＣからＳ４５Ｃの炭素鋼により形成されていることを特徴とするセラミックグロープラグ。
請求項１又は２に記載のセラミックグロープラグを製造する方法において，所定のかしめ応力を印加した場合において，前記中軸と接続金具とのかしめ部における面接触率が８０％以上となるように，前記中軸を冷間鍛造により加工することによって，かしめ前における前記中軸のかしめ部の表面の粗さを加工することを特徴とするセラミックグロープラグの製造方法。
請求項３において，かしめ応力を５００ＭＰａから１５００ＭＰａの範囲とすることを特徴とするセラミックグロープラグの製造方法。