JP4253444B2

JP4253444B2 - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JP4253444B2
Application number: JP2001045516A
Authority: JP
Inventors: 一穂立松; 信行堀田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: JP2002243150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇温特性を損なうことなく、放熱による電力ロスを低減させて消費電力を低下させると共に、耐久性に優れたセラミックグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されているセラミックグロープラグは、メタルグロープラグと比較して、セラミック素子そのものが発熱することにより急速加熱が可能であるという優れた点を有する。このようなセラミックグロープラグとしては、例えば図６に示すように、発熱素子４の一部を露出部として露出させた状態で金属外筒１が保持している構造のものが知られている。上記発熱素子４は、先端が丸面であり、軸線方向に延びる棒状の絶縁性セラミック４４の内部に、導電性セラミックスにより形成された略Ｕ字形状の発熱導電材４１と、発熱導電材４１の末端部内に埋設することにより電気的に接続されている電極４２、４３とを埋設している。そして、電極４２、４３を介して通電することにより、発熱素子４を発熱させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すような従来のセラミックグロープラグＡ’においては、発熱素子４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金属外筒１の膨張／収縮が起こり、発熱素子４に圧縮応力が繰返し付加されることがある。この圧縮応力は、発熱導電材４１の発熱やエンジンからの被熱を受けやすい金属外筒１の露出部側端面１１付近で特に大きくなりやすい傾向にある。また、発熱導電材４１のうち、電極４２、４３が埋設されて電気的に接続されている箇所では、例えば焼成後の冷却時等において、電極４２、４３と発熱導電材４１の熱膨張率の差に起因する微細隙間が形成されていることがある。
【０００４】
このような発熱導電材４１の接続部に金属外筒１の膨張／収縮に基づく圧縮応力が繰返し作用すると、発熱導電材４１の接続部付近からクラック等が発生し、セラミックグロープラグの寿命低下を引き起こすおそれがある。従来、かかる問題を解決したグロープラグとして、例えば、電極の露出部側端面を金属外筒側に入り込むように配置し、且つ上記金属外筒の露出部側端面から上記電極の露出部側端面までの距離を２〜１０ｍｍの範囲に設定したグロープラグがある（特開平９−１８４６２３号公報）。
【０００５】
しかし、上記先行技術に示されるグロープラグのように、電極の露出部側端面が金属外筒側に入り込むように配置されている場合、昇温時に発熱素子を保持する金属外筒からの放熱が大きくなる傾向がある。かかる放熱が大きくなると、放熱による電力ロスのために消費電力が上昇し、また、急速加熱が可能であるというセラミックグロープラグの効果が半減するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、昇温特性を損なうことなく消費電力を低下させて、放熱による電力ロスを低減すると共に、耐久性に優れたセラミックグロープラグを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記実情に鑑みてセラミックグロープラグの構造と、昇温特性、消費電力及び耐久性との関係について検討した結果、電極に反応層を形成させることによって熱膨張率の差に起因する応力を緩和し、更に、従来のセラミックグロープラグとは逆に、上記電極の露出部側端面を金属外筒の外部に位置するように配置した上で、上記電極の露出部側端面と、上記金属外筒の露出部側端面との軸線方向距離を４．０ｍｍを超える距離とすることにより、急速加熱が可能であるというセラミックグロープラグの長所を損なうことなく消費電力を低下させて、放熱による電力ロスを低減すると共に、耐久性に優れたセラミックグロープラグとすることができることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明のセラミックグロープラグは、発熱導電材と、該発熱導電材に電気的に接続された電極とを絶縁性セラミックの内部に埋設し、軸線方向に延びる発熱素子と、該発熱素子の露出部を外部に露出させた状態で上記発熱素子を保持する金属外筒と、を備えるセラミックグロープラグにおいて、上記発熱導電材は、発熱部と、該発熱部と形状が異なり、上記電極と電気的に接続する発熱部保持部と、から構成され、上記発熱導電材は上記発熱素子の露出部内に位置し、上記電極は上記絶縁性セラミック及び上記発熱導電材との間で反応層を形成し、且つ上記電極の露出部側端面は上記発熱素子の露出部内に位置すると共に、上記電極の露出部側端面と上記金属外筒の露出部側端面との軸線方向距離（Ｌ１）が５．５ｍｍ以上であり、上記電極の上記露出部側端面と上記発熱部保持部の露出部側端面との軸線方向距離（Ｌ２）が２．０ｍｍ以上であり、金属外筒の膨張／収縮に伴う金属外筒からの圧縮応力による発熱導電材と電極との接続部でのクラックの発生を抑制することを特徴とする。
【０００９】
本発明のセラミックグロープラグの一例を図１〜図２に示す。
図１に示すように、本発明のセラミックグロープラグＡは、金属外筒１と、該外筒１を保持する筒状主体金具２と、筒状主体金具２に絶縁して挿着される端子電極３と、金属外筒１内に嵌挿され、露出部を外部に露出させた状態で保持されている発熱素子４と、を備える。金属外筒１の後部は筒状主体金具２の内壁に銀ロウにより固着されている。また、端子電極３は、ガラスシールにより筒状主体金具２から絶縁して固定されている。
【００１０】
上記発熱素子４は、図２に示すように、全体形状がＵ字状であり、その横断面形状は略円状の発熱導電材４１と、この発熱導電材４１に電気的に接続されている電極４２、４３を絶縁性セラミック４４内に埋設した構成である。そして、上記発熱導電材４１は、横断面の略円状の径がそれぞれ異なる発熱部４１１と、発熱部保持部４１２とから構成される。また、上記電極４２、４３は、図２に示すように、露出部側端面４２Ａ、４３Ａを上記発熱導電材４１に埋設することにより、上記発熱導電材４１と電気的に接続されている。
【００１１】
本発明のグロープラグにおいて、上記電極４２、４３は上記絶縁性セラミック４４及び上記発熱導電材４１との間で反応層を形成している。上記「反応層」とは、発熱素子４の所定条件下における焼成工程下で生成させることができる。この反応層は、他の部分と比較してややポーラスな状態に形成されており、電極４２、４３と絶縁性セラミック４４及び発熱導電材４１との接合強度を向上させると共に、応力緩和の役割も果たすことができる。即ち、発熱導電材４１と電極４２、４３との接続部を金属外筒１の外部に位置させると、加熱時の温度上昇が顕著になるため、熱膨張係数の差に起因する応力を緩和して耐久性を向上させるためには、この反応層がなくてはならないものになる。
【００１２】
本発明のグロープラグにおいて、「発熱素子の露出部」とは、発熱素子４のうち、発熱素子４を保持する金属外筒１の外部に位置し、外部に露出している部分を示す。そして、本発明のグロープラグにおいて、上記発熱導電材４１及び上記電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａは、図２に示すように、発熱素子４の露出部内に位置している。かかる構成とすることにより、昇温時に発熱素子４を保持する金属外筒１からの放熱による電力ロスを抑え、セラミックグロープラグの急速加熱を可能にする。
【００１３】
本発明のグロープラグにおいて、上記電極４の露出部側端面４２Ａ、４３Ａと上記金属外筒１の露出部側端面１１との軸線方向距離（図２中のＬ１）は、通常４．０ｍｍを超え、好ましくは５．０ｍｍ以上、更に好ましくは６．０ｍｍ以上である。この距離が４．０ｍｍ以下であると、金属外筒１が発熱素子４の通電発熱やエンジンからの被熱により膨張・収縮を起こした場合、上記膨張／収縮に伴う金属外筒１からの圧縮応力が発熱導電体４１と電極４２、４３との接続部に加わる結果、この接続部でクラックが発生し、セラミックグロープラグの寿命低下を引き起こすので好ましくない。尚、本発明において、金属外筒１の露出部側端面１１と電極４２の露出部側端面４２Ａとの軸線方向距離、及び金属外筒１の露出部側端面１１と電極４３の露出部側端面４３Ａとの軸線方向距離の両方が４．０ｍｍを超えている構成とするのが好ましいが、どちらか片方の軸線方向距離が４．０ｍｍを超えている構成としてもよい。
【００１４】
上記「発熱導電材」４の形状については特に限定はなく、横断面形状が全体にわたって同一であってもよいが、図１及び図２に示すように、横断面形状がそれぞれ異なる発熱部４１１と、発熱部保持部４１２とからなる構成とすることができる。このように横断面形状がそれぞれ異なる発熱部４１１と、発熱部保持部４１２とからなる構成を有する発熱導電材４１において、上記電極４２の露出部側端面４２Ａと上記発熱部保持部４１２の露出部側端面４１２Ａとの軸線方向距離（図２中のＬ２）を２．０ｍｍ以上、好ましくは２．５ｍｍ以上、更に好ましくは３．０ｍｍ以上とすることができる。この距離が短い場合、電極４２と発熱部保持部４１２との接続部の温度が高くなり易く、その結果、絶縁性セラミック、導電材、電極の熱膨張の異なる影響で応力が発生し、端面近傍の電極導電材結合部でクラック発生、断線を引き起こすことがあるが、上記構成とすることにより、クラック発生、断線を効果的に抑制して、セラミックグロープラグの寿命延長を図ることができるので好ましい。尚、本発明において、発熱部保持部４１２の露出部側端面４１２Ａと電極４２の露出部側端面４２Ａとの軸線方向距離、及び発熱部保持部４１２の露出部側端面４１２Ａと電極４３の露出部側端面４３Ａとの軸線方向距離の両方が２．０ｍｍ以上である構成とするのが好ましいが、どちらか片方の軸線方向距離が２．０ｍｍ以上である構成としてもよい。
【００１５】
本発明の上記「発熱導電材」４１の材質については特に限定はなく、通常はＷＣ、Ｗ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｐｔ等を用いられる。また、上記「絶縁性セラミック」４４の材質としては、Ａｌ₂Ｏ₃を用いてもよいが、Ｓｉ₃Ｎ₄等を主成分としたセラミック粉末焼結体が強度、靭性等のバランスがとれている点から好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
（１）本実施例のセラミックグロープラグの構成
本実施例のセラミックグロープラグを図１及び図２に示す。
本実施例のグロープラグにおいて、金属外筒１は肉厚０．６ｍｍの耐熱金属であり、筒状主体金具２は炭素鋼製である。また、発熱導電材４１は、その表面から発熱素子４の表面までの距離が０．３ｍｍ以上となるように、絶縁性セラミック４４中に埋設しているので、使用中に発熱導電材４１が高温（８００℃〜１５００℃）になっても発熱導電材４１の酸化が防止できると共に、機械的強度を高く保持できる。
【００１７】
（２）本実施例のセラミックグロープラグの作成
まず、発熱導電材４１の原料を調整する。当該発熱導電材４１の原料は、ＷＣ６０．０質量％と、セラミック原料粉末（Ｓｉ₃Ｎ₄：８５質量部、希土類酸化物：１０質量部、ＳｉＯ₂：５質量部）４０質量％からなる。これに分散剤と溶剤を添加して、粉砕・乾燥した後、有機バインダーを加えて造粒物を製造する。次に、Ｗ線を所定長に切断して所定形状に成形して電極４２、４３を製造する。そして、図３に示すように、上記電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａと連結するように上記造粒物を射出成型し、図４に示すＵ字形状の未焼結の発熱導電材と電極４２、４３との一体物を成形する。
【００１８】
次に、絶縁性セラミック４４を構成するセラミック粉末を調整する。当該セラミック粉末の原料は、Ｓｉ₃Ｎ₄：８５質量部、希土類酸化物：１０質量部、ＳｉＯ₂：５質量部からなる。これらに有機バインダーを加えて造粒物を製造する。そして、当該造粒物で１対の半割プレス体４４Ａ、４４Ｂを作り、この半割プレス体４４Ａに図４に示す上記一体物を載置し、その上に半割プレス体４４Ｂをさらに載置してプレスすることにより、図５に示すプレス成形体４４Ｃを成形する。このプレス成形体４４Ｃを窒素ガス雰囲気中、１７５０℃で、２０ＭＰａの圧力を加えながらホットプレスし、半球先端部を有する略丸棒状のセラミック焼結体を成形する。そして、このセラミック焼結体の外表面を研摩して円柱状の所定寸法に仕上げると共に、電極４２、４３の他端側端面４２Ｂ、４３Ｂをセラミック焼結体の表面に露出させる。これにより発熱素子４が完成する。尚、いずれの実施例及び比較例とも、電極４２、４３と絶縁性セラミック４４及び発熱導電材４１との間に反応層が形成されていることが確認されている。
【００１９】
そして、上記発熱素子４を金属外筒１に嵌挿し、電気的に接続した後、上記発熱素子４と金属外筒１との組み立て体を筒状主体金具内に挿入し、金属外筒１の後部を筒状主体金具２の保持部の内壁に銀ろう付けして固着する。最後に、主体金具端の加締めを行い、本実施例のセラミックグロープラグＡが完成する。
【００２０】
（３）通電耐久試験によるセラミックグロープラグの性能評価
上記図１及び図２に示すグロープラグにおいて、電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａと発熱部保持部４１２の露出部側端面４１２Ａとの軸線方向距離（Ｌ２）を３．０ｍｍとし、電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａと上記金属外筒１の露出部側端面１１との軸線方向距離（Ｌ１）を以下の表１に示す値とした実施例１〜４及び比較例１〜４の各グロープラグを用いて、昇温時間、消費電力及び通電耐久試験によるグロープラグの耐久性を調べて性能評価を行った。昇温時間は、実施例１〜４及び比較例１〜４の各グロープラグを大気中で１３００℃で飽和する条件下で通電し、１３００℃飽和時の９００℃到達時間（ｓｅｃ）として測定した。また、消費電力は、１３００℃飽和時の消費電力（Ｗ）として測定した。更に、通電耐久試験は、通電１分（絶縁部の先端部温度１４００℃）−通電停止１分（常温まで冷却）を１サイクルとして行い、断線の有無を確認した。これらの結果を以下の表１に示す。尚、表１のＬ１の項におけるマイナスの数値は、上記電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａが金属外筒１の露出部側端面１１より内部に引っ込んでいる状態での上記電極４２、４３の露出部側端面４２Ａ、４３Ａと金属外筒１の発熱側端面１１との軸線方向距離を表している。
【００２１】
【表１】

【００２２】
また、上記図１及び図２に示すグロープラグにおいて、Ｌ１を８．０ｍｍ及び５．５ｍｍとし、Ｌ２を以下の表２に示す値とした実施例５〜１２及び比較例５〜６の各グロープラグを用いて、昇温時間、消費電力及び通電耐久試験によるグロープラグの耐久性を調べて性能評価を行った。昇温時間、消費電力及び通電耐久試験によるグロープラグの耐久性の評価方法は、上記の場合と同じである。これらの結果を以下の表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
（３）実施例の効果
表１より、上記Ｌ１が２．０ｍｍ以下の短い比較例１〜４の各セラミックグロープラグでは、通電耐久試験において、６０００〜１８０００サイクルで発熱導電材４１の接続部において断線を引き起こしていることが判る。また、Ｌ１が４．０ｍｍでは、通電耐久試験において、２００００サイクルを経ても断線を引き起こすことがないことから通電耐久性に優れていることが判るが、実施例１〜４と比較して、昇温時間が遅く、消費電力が依然として大きい。
【００２５】
これに対し、Ｌ１が４．０ｍｍを超えている実施例１〜４の各セラミックグロープラグでは、通電耐久試験において、２００００サイクルを経ても断線を引き起こすことがないことから、通電耐久性に優れていることが判る。しかも、昇温時間が比較例１〜４より速く、消費電力も比較例１〜４より少ないことから、実施例１〜４の各セラミックグロープラグは、比較例１〜４と比べて、昇温特性を損なうことなく、消費電力を低下させると共に、通電耐久性にも優れているものであることが判る。特に図７及び図８に示すように、Ｌ１が４．０ｍｍを超えると昇温速度が急激に速くなり、消費電力の低下も著しくなることから、Ｌ１が昇温速度及び消費電力に与える影響がかなり大きいことが判る。
【００２６】
また、表２より、Ｌ２が２．０ｍｍ未満の比較例５〜６では、昇温速度が速く、消費電力は低いことから昇温特性は保たれているのに対し、通電耐久試験では、１６０００〜１７０００サイクルで発熱導電材４１の接続部において断線を起こしており、通電耐久性に劣るものであることが判る。これに対し、Ｌ２が２．０ｍｍ以上である実施例５〜１２では、昇温時間が速く、消費電力は低いことから昇温特性は保たれており、その上、通電耐久試験において１８０００サイクルまで断線を引き起こしていないことから、比較例５及び６と比較して、通電耐久性にも優れていることが判る。即ち、Ｌ２が２．０ｍｍ以上である実施例５〜１２の各セラミックグロープラグは、比較例５及び６と比較して、昇温時間、消費電力、通電耐久性の各性質のバランスに優れたセラミックグロープラグであることが判る。更に、表１及び表２より、Ｌ１／Ｌ２が請求項１に係る発明の範囲内である実施例１〜１２は、範囲外である比較例１〜６と比べて、昇圧時間が短く、消費電力が低く、且つ優れた通電耐久性を示すことが判る。
【００２７】
尚、本発明のグロープラグとしては、前記具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更したものとすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のグロープラグによれば、上記構成により、従来のセラミックグロープラグと比べて、急速加熱が可能であるというセラミックグロープラグの長所を損なうことなく消費電力を低下させて、放熱による電力ロスを低減すると共に、耐久性に優れたセラミックグロープラグとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のグロープラグの縦断面図である。
【図２】図１に示すグロープラグの要部拡大縦断面図である。
【図３】発熱抵抗部と取出しリード線の一体物を射出成形により製造するところを示す説明図である。
【図４】発熱抵抗部と取出しリード線の一体物の説明図である。
【図５】プレス成形体の縦断面図である。
【図６】従来のセラミックグロープラグの要部拡大縦断面図である。
【図７】表１の距離Ｌ１（ｍｍ）と昇温時間（ｓｅｃ）との関係を示したグラフである。
【図８】表１の距離Ｌ１（ｍｍ）と消費電力（Ｗ）との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ａ’；セラミックグロープラグ、１；金属外筒、２；筒状主体金具、３；端子電極、４；発熱素子、４１；発熱導電材、４１１；発熱部、４１２；発熱部保持部、４２，４３；電極、４４；絶縁性セラミック

Claims

発熱導電材と、該発熱導電材に電気的に接続された電極とを絶縁性セラミックの内部に埋設し、軸線方向に延びる発熱素子と、該発熱素子の露出部を外部に露出させた状態で上記発熱素子を保持する金属外筒と、を備えるセラミックグロープラグにおいて、
上記発熱導電材は、発熱部と、該発熱部と形状が異なり、上記電極と電気的に接続する発熱部保持部と、から構成され、
上記発熱導電材は上記発熱素子の露出部内に位置し、上記電極は上記絶縁性セラミック及び上記発熱導電材との間で反応層を形成し、且つ上記電極の露出部側端面は上記発熱素子の露出部内に位置すると共に、上記電極の露出部側端面と上記金属外筒の露出部側端面との軸線方向距離（Ｌ１）が５．５ｍｍ以上であり、
上記電極の上記露出部側端面と上記発熱部保持部の露出部側端面との軸線方向距離（Ｌ２）が２．０ｍｍ以上であり、
金属外筒の膨張／収縮に伴う金属外筒からの圧縮応力による発熱導電材と電極との接続部でのクラックの発生を抑制することを特徴とするセラミックグロープラグ。