JP4294232B2

JP4294232B2 - セラミックヒータ及びそれを用いたグロープラグ

Info

Publication number: JP4294232B2
Application number: JP2001135622A
Authority: JP
Inventors: 雅人谷口; 信行堀田; 晴彦佐藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: EP1255075A2; EP1255075A3; US6720530B2; US20020162830A1; EP1255075B1; DE60227215D1; JP2002334768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグ等に使用されるセラミックヒータと、該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、上記のようなセラミックヒータとして、絶縁性のセラミック基体に対し、導電性セラミックからなる抵抗発熱体を埋設した構造を有するものが知られている。このようなセラミックヒータにおいては、セラミック基体中に埋設されたタングステン金属等からなる金属リードを介して抵抗発熱体への通電を行なっていたが、金属リードを使用する分だけ部品点数が増え、製造工数の増大も招きやすいのでコストアップを生じやすい問題があった。そこで、特許第３０４４６３２号公報には、主要な抵抗発熱部を第一抵抗体部分にて構成する一方、該第一抵抗体部分よりも低抵抗率の導電性セラミックからなる第二抵抗体部分を第一抵抗体部分への導通路として用い、金属リードを廃止したオールセラミック型のヒータ構造が開示されている。
【０００３】
また、抵抗率の異なる抵抗体部分を一体化することにより、通電初期においては第二抵抗体部分を介して第一抵抗部分に大電流を流して急速昇温させるとともに、目標温度に近づいたときの電流制御を第二抵抗体部分の電気抵抗上昇により行なう、いわゆる自己飽和型発熱特性を有したセラミックヒータを実現しやすい利点もある。該効果は、特開２０００−１３０７５４号公報においても、抵抗率の異なる２種類の抵抗体部分を接合したセラミック抵抗体に金属リードを介して通電するセラミックヒータの構造とともに、同様に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示された構造のセラミックヒータにおいては、異材質のセラミック抵抗体の接合面が必然的に形成されることになるが、電気抵抗率の異なる導電性セラミックは線膨張係数にも相当の差を有しているのが通常である。従って、グロープラグのように昇温／冷却が頻繁に繰り返される用途においては、上記線膨張率差に起因した熱応力が異種抵抗体部分の接合面に集中しやすく、特に接合面積が十分に確保できない場合には強度が不足して耐久性を十分に確保できなくなる問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、異種の抵抗体部分の接合体としてセラミック抵抗体が形成されつつも耐久性に優れたセラミックヒータと、これを用いたグロープラグを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために本発明のセラミックヒータは、
絶縁性セラミックからなるセラミック基体中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体が埋設された棒状のヒータ本体を有し、
セラミック抵抗体は、ヒータ本体の先端側に配置された第一導電性セラミックからなる先端部と、その先端部の通電方向における両端部に結合され、該先端部に対する通電路を形成するとともに、ヒータ本体の軸線方向後方に延伸する形で配置され、かつ先端部１１ａよりも通電断面積が大となる径大棒状部とを有し、
該径大棒状部は、先端部との接続端部側が第一導電性セラミックにて構成されて前記先端部とともに第一抵抗体部分を形成し、他方、径大棒状部の残余の部分が、第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなる第二抵抗体部分とされ、それら第一抵抗体部分と第二抵抗体部分との接合面が径大棒状部内に形成されてなることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のグロープラグは、上記本発明のセラミックヒータと、該セラミックヒータのヒータ本体を周方向に取り囲むとともに、軸線方向においてヒータ本体の先端部を突出させる形にて配置される金属外筒と、その金属外筒の軸線方向後端部に結合され、外周面に内燃機関への取付部が形成された主体金具とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記セラミックヒータにおいては、セラミック抵抗体の先端部が細径化することで、動作時に最も高温となるべき先端部に対して電流を集中でき、ひいてはコンパクトで発熱量の大きいセラミックヒータが得られる。そして、本発明においては、そのセラミック抵抗体を、第一抵抗体部分と第二抵抗体部分との接合体として構成するのであるが、既に説明した通り、その接合面は異材質のセラミック抵抗体の接合面であり、グロープラグのように昇温／冷却が頻繁に繰り返される用途においては、両セラミックの線膨張率差に起因した熱応力が接合面に集中しやすい。しかし、本発明によると、抵抗体が、先端部を局所的に細径化した特有の形態となっていることを利用し、上記の接合面をその径大棒状部に形成することで、接合面積を効果的に増大することに成功した。その結果、接合部の熱応力集中に対する強度マージンを拡大することが可能となり、より耐久性に優れたセラミックヒータを実現できる。また、接合面を径大棒状部に位置させることは、細径の先端部の区間内には接合面が形成されないことを意味するから、発熱により最も高温化するセラミック抵抗体の先端位置から接合面までの距離をその分長くでき、ひいては接合面に過大な温度勾配や、温度ヒステリシスの大きな加熱／冷却サイクルが加わることを抑制できる利点もある。
【０００９】
なお、本明細書の特許請求の範囲において各要件に付与した符号は、添付の図面の対応部分に付された符号を援用して用いたものであるが、あくまで発明の理解を容易にするために付与したものであり、特許請求の範囲における各構成要件の概念を何ら限定するものではない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のセラミックヒータを使用したグロープラグの一例を、その内部構造とともに示すものである。該グロープラグ５０はセラミックヒータ１を有し、そのヒータ本体２の先端部が突出するようにその外周面を覆う金属外筒３、さらにその金属外筒３を外側から覆う筒状の主体金具４等を備えている。主体金具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、取付部としてのねじ部５が形成されている。なお、主体金具４は金属外筒３に対し、例えば両者の内外周面の隙間を充填する形でろう付けするか、あるいは主体金具４の先端側開口内縁を、金属外筒３の外周面に全周レーザー溶接する形で固定される。
【００１１】
図２はセラミックヒータ１を拡大して示す断面図である。ヒータ本体２は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体１０が埋設された棒状の形態を有する。そして、セラミック抵抗体１０は、ヒータ本体２の先端部に配置される第一導電性セラミックからなる第一抵抗体部分１１と、各々該第一抵抗体部分１１の後方側において、ヒータ本体２の軸線Ｏの方向に沿って延伸する形で配置され、先端部が第一抵抗体部分１１の通電方向における両端部にそれぞれ接合されるとともに、第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなる１対の第二抵抗体部分１２，１２とを有する。なお、ヒータ本体２は、先端部と後端部とを除く本体部分が円柱状の外形をなし、軸線Ｏはその中心軸線として定義する。
【００１２】
セラミック基体１３を構成する絶縁性セラミックとして、本実施形態では窒化珪素質セラミックが採用されている。窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする主相粒子が、後述の焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部が、ＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。例えば、次の一般式にて表されるサイアロンを例示することができる；
β−サイアロン：Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚ（ｚ＝０〜４．２）
α−サイアロン：Ｍ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６（ｘ＝０〜２）
Ｍ：Ｌｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｒ（ＲはＬａ，Ｃｅを除く希土類元素）。
【００１３】
窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）及び４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を前記のカチオン元素として、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１０質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。焼結助剤成分が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１０質量％を超えると強度や靭性あるいは耐熱性の不足を招く。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは２〜８質量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００１４】
次に、抵抗発熱体１０を構成する第一抵抗体部分１１及び第二抵抗体部分１２，１２は、前記した通り電気抵抗率の異なる導電性セラミックにて構成されている。両導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は特に限定されず、例えば、
▲１▼同種の導電性セラミック相を用いつつ、その含有量を互いに異ならせる方法；
▲２▼電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック相を採用する方法；
▲３▼▲１▼と▲２▼の組合せによる方法；
等、種々例示できるが、本実施形態では▲１▼の方法を採用している。
【００１５】
導電性セラミック相としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等、周知のものを採用できる。本実施形態ではＷＣを採用している。なお、セラミック基体１３との線膨張係数差を縮小して耐熱衝撃性を高めるために、セラミック基体１３の主成分となる絶縁性セラミック相、ここでは窒化珪素質セラミック相を配合することができる。従って、絶縁性セラミック相と導電性セラミック相との含有比率を変化させることにより、抵抗体部分を構成する導電性セラミックの電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００１６】
具体的には、抵抗発熱部をなす第一抵抗体部分１１の材質である第一導電性セラミックは、導電性セラミック相の含有率を１０〜２５体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が２５体積％を超えると、導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなる。
【００１７】
他方、第二抵抗体部分１２，１２は、その第一抵抗体部分１１に対する導通経路となるものであり、その材質である第二導電性セラミックは導電性セラミック相の含有率を１５〜３０体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が３０体積％を超えると焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、エンジン予熱のために通常使用される温度域に到達しても電気抵抗率の上昇が不十分となり、電流密度を安定化させるための自己飽和機能が実現できなくなる場合がある。他方、１５体積％未満では第二抵抗体部分１２，１２での発熱が大きくなりすぎて、第一抵抗体部分１１の発熱効率が悪化することにつながる。なお、前記した通電電流の自己飽和機能を十分なものとするためには、第一導電性セラミック中の導電性セラミック相の含有率をＶ１（体積％）、第二導電性セラミック中の導電性セラミック相の含有率をＶ２（体積％）として、Ｖ１／Ｖ２が０．５〜０．９程度となるように、導電性セラミック相の含有に差をつけておくことが望ましい。本実施形態では、第一導電性セラミック中のＷＣの含有率が１６体積％（５５質量％）、第二導電性セラミック中のＷＣの含有率が２０体積％（７０質量％）としている（残部いずれも窒化珪素質セラミック（焼結助剤含む）。
【００１８】
本実施形態においてセラミック抵抗体１０は、第一抵抗体部分１１がＵ字形状をなし、そのＵ字底部がヒータ本体２の先端側に位置するように配置され、第二底後部１２，１２は、該Ｕ字形状の第一抵抗体部分１１の両端部からそれぞれ軸線Ｏ方向に沿って後方に延伸する、互いに略平行な棒状部とされている。
【００１９】
セラミック抵抗体１０において第一抵抗体部分１１は、動作時に最も高温となるべき先端部１１ａに対して電流を集中するために、該先端部１１ａを両端部１１ｂ、１１ｂよりも細径としている。そして、第二抵抗体部分１２，１２との接合面１５は、その先端部１１ａよりも径大となった両端部１１ｂ、１１ｂに形成されるとともに、第二抵抗体部分１２，１２の通電断面積（軸断面積）が、第一抵抗体部分１１の先端部１１ａの通電断面積（本明細書では、ヒータ本体２の軸線Ｏを含み、後述する基準平面Ｋと直交する平面による断面積により代表させる）よりも大きく設定されている。すなわち、Ｕ字形状のセラミック抵抗体１０全体としてみたとき、該セラミック抵抗体１０は、Ｕ字底をなす先端部１１ａに対し、その両端に先端部１１ａへの通電経路をなすとともに、該先端部１１ａよりも径大となる２本の径大棒状部Ｌｄ，Ｌｄが接続された形態をなし、かつ第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２，１２との接合面１５，１５が、いずれも径大棒状部Ｌｄ，Ｌｄに形成された形となっている。
【００２０】
すでに説明した通り、接合面１５，１５を径大棒状部Ｌｄ，Ｌｄに形成することで、接合面積を増大させることができ、ひいては熱応力集中に対する強度のマージンを拡大することができる。また、接合面１５を径大棒状部Ｌｄに位置させることことは、細径の先端部１１ａの区間内には少なくとも接合面１５が形成されないことを意味するから、発熱により最も高温化するセラミック抵抗体１０の先端位置から接合面１５までの距離をその分長くでき、ひいては接合面１５に過大な温度勾配や温度ヒステリシスの大きな加熱／冷却サイクルが加わることを抑制できる利点もある。
【００２１】
また、接合面１５は、最も単純な態様として、図１５に示すように、ヒータ本体２の軸線と直交する平面形態のものを採用することもできるが、図２の実施形態の接合面１５は、さらに以下のような特徴を有するものとなっている。
▲１▼図４に示すように、ヒータ本体２の軸線Ｏと直交する平面Ｐから逸脱した面を含み、接合面積のさらなる拡張が図られている。具体的には、ヒータ本体２の軸線Ｏと直交する平面Ｐに対し傾斜した傾斜面部１５ｔを有するものとされている。
▲２▼第二抵抗体部分１２，１２の各軸線Ｊ及びヒータ本体２の中心軸線Ｏを含む平面を基準平面Ｋとしたとき、接合面１５はその全体が、該基準平面Ｋと直交する面として形成されている。本実施形態では、ヒータ本体２の軸線Ｏも該基準平面Ｋ上に位置するものとされている。なお、第二抵抗体部分１２は、後述の接合部を除いた部分が楕円状断面の直柱状の形態とされ、軸線Ｊはその直柱状部分の延伸方向と直交する任意の断面の幾何学的重心位置を接続したものとして定義する。
【００２２】
上記▲１▼による効果は、以下の通りである。すなわち、傾斜面部１５ｔ自体がヒータ本体２の軸線Ｏと直交する平面Ｐから逸脱した面であるため、接合面積が拡張され、接合強度が向上する。また、傾斜面部１５ｔは形状が単純であり、後述するインサート成形時において、接合面１５における成形用材料のつきまわりが良好となり、気泡残留等による欠陥が形成されにくい。さらに、傾斜面部１５ｔにおいては、第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との各セラミックの分布比率が、ヒータ本体２の軸線Ｏ方向において徐々に変化するため、熱応力の局所集中が生じにくくなり、熱衝撃等が繰り返し加わった場合でも接合部の耐久性を良好に確保することができる。
【００２３】
また、▲２▼のようにすることは、傾斜面部１５ｔを採用する場合に、さらに以下のような効果をもたらす。すなわち、図２及び図４に示すように、この場合の傾斜面部１５ｔは、基準平面Ｋ（紙面と平行）に対し垂直となる。この傾斜面部１５ｔの傾斜方向は、図９に示すように、傾斜面部１５ｔにて接する第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との、ヒータ本体２の軸線Ｏに関する半径方向Ｒにおける位置関係を、第一抵抗体部分１１の方が外側に位置するように配置する態様と、図１０に示すようにその逆とする態様との２通りが可能である。しかし、特に図９の態様を採用した場合、発熱の大きい第一抵抗体部分１１の末端部が、伝熱性の良好な金属外筒３に近づき、セラミック抵抗体１０の接合面１５近傍の熱引きが促進される。その結果、接合強度が不足しやすい接合面１５近傍の温度勾配が緩和され、接合面１５へ熱応力が過度に集中する不具合をより回避しやすい利点を生ずる。他方、▲２▼のように接合面１５を形成することにより、傾斜面部１５ｔの有無に関係なく、製造工程上の特有の効果も生ずるが、これについては後述する。
【００２４】
なお、図４に示すように、セラミック抵抗体１０の第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との接合部（軸線Ｏの向きにおける接合面１５の存在区間を意味するものとする）は、ヒータ本体２の軸線Ｏと任意の位置において直交する平面による断面のうち、その断面積が最小となるものの該断面積をＳ0、及び接合面１５の全面積をＳとして、Ｓ／Ｓ0の値が１．２以上１０以下に調整されていることが望ましい。Ｓ／Ｓ0の値が１．２以下では、接合面１５を増大させる効果に乏しく、該値が１０以上では接合部が長くなり、セラミックヒータ１の不必要な寸法増大につながる。
【００２５】
また、接合面１５は、全面を傾斜面部として構成することもできるが、例えば後述するインサート成形によりセラミック抵抗体１０を製造する場合には、インサートとなる予備成形体の、接合面１５として予定された端面側の形状が、図３（ａ）に破線で示すように、傾斜面部の形成に伴い鋭角状の先端部を有するものとなり、欠け等の不具合を生じやすくなる場合がある。そこで、これを防止するために、接合面のうち、該先端部を形成する部位のみは角度の緩い傾斜面１５ｅとしたり、あるいは第二抵抗体部分１２の軸線Ｊと直交する平面として構成することが有効である。
【００２６】
図４において、第二抵抗体部分１２の軸線Ｊを含む任意の平面による断面において、ヒータ本体２の外形線と接合面１５を表す線との交点位置における交差角度をθとしたとき、該θが最小となる平面（図４において、この平面は基準平面Ｋである）による断面でのθの値を２０゜以上とすることが、上記成形体の欠け等を防止する上で望ましい。なお、θの最大値が、軸線Ｊと直交する平面を採用したときの９０゜となることは自明である。
【００２７】
傾斜面部１５ｔは形状単純化の観点から、図４に示すように、平面状にすることが望ましいが、傾斜面部効果が損なわれない範囲にて、図中に一点鎖線で示すように、若干の曲率を付与した曲面形状に形成してもよい。このようにすれば、接合面積の増大効果をさらに高めることができる。
【００２８】
図２に戻り、セラミック抵抗体１０の１対の第二抵抗体部分１２，１２は、それぞれ軸線方向後端部においてヒータ本体２の表面に露出しており、その露出部１２ａ，１２ａが該セラミック抵抗体１０への通電端子部１６，１７の接合領域とされている。この構造では、ヒータ本体２に通電用のリード線が埋設する必要がなく、該ヒータ本体２をオールセラミックにて構成できるので、製造工数の削減を図ることができる。また、金属リード線をセラミック中に埋設する構造では、高温下でヒータ駆動用の電圧を印加したときに、金属リード線を構成する金属原子が、その電界勾配による電気化学的な駆動力を受けてセラミック側に強制拡散する、いわゆるエレクトロマイグレーション効果によって消耗し、断線等を生じやすくなることがある。しかし、上記構造では通電端子部１６，１７が、導通路を形成する第二抵抗体部分１２，１２の露出部１２ａ，１２ａに接合されるのみで埋設形態となならないことから、上記エレクトロマイグレーション効果の影響を本質的に受けにくい利点もある。
【００２９】
本実施形態では、ヒータ本体２の軸線Ｏ方向後端部において、セラミック基体１３の一部を切り欠き形態とし、その切欠部１３ａに第二抵抗体部分１２の後端部を露出させている。これにより、上記の露出部１２ａ，１２ａを簡単に形成することができる。このような切欠部１３ａは、成形体の段階で形成しておいてもよいし、焼成後にグラインダ研削加工等により後形成しても、いずれでもよい。
【００３０】
また、通電端子部１６，１７は、例えばＮｉあるいはＮｉ合金等の金属製であり、第二抵抗体部分１２，１２に対し露出部１２ａ，１２ａにおいてろう付け接合されている。このろう付けは、金属−セラミック接合のため、これに適した活性ろう材を用いるか、あるいはその活性金属成分を蒸着等によりセラミック側に付着させてメタライズし、その後通常のろう材を用いて接合する手法を採用することが望ましい。ろう材としてはＡｇ系あるいはＣｕ系の公知のものが使用でき、活性金属成分としてはＴｉ、Ｚｒ及びＨｆの１種又は２種以上を使用することができる。
【００３１】
図１に示すように、主体金具４の内側には、その軸線Ｏ方向において後端側から、セラミックヒータ１に電力を供給するための金属軸６が主体金具４と絶縁状態にて配置されている。本実施形態では、金属軸６の後端側外周面と主体金具４の内周面との間にセラミックリング３１を配置し、その後方側にガラス充填層３２を形成して固定する形としている。なお、セラミックリング３１の外周面には、径大部の形でリング側係合部３１ａが形成され、主体金具４の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部４ｅに係合することで、軸線方向前方側への抜け止めがなされている。また、金属軸６のガラス充填層３２と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている（図では網掛けを描いた領域）。さらに、金属軸６の後端部は主体金具４の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ８を介して端子金具７がはめ込まれている。該端子金具７は、周方向の加締め部９により、金属軸６の外周面に対して導通状態で固定されている。
【００３２】
また、セラミック抵抗体１０の第二抵抗体部分１２，１２は、露出部１２ａ，１２ａにおいて、その一方が接地用通電端子部１６により金属外筒３を介して主体金具４に電気的に接続され、同じく他方が電源側通電端子部１７により金属軸６に電気的に接続されている。本実施形態では、第二抵抗体部分１２はヒータ本体２の外周面後端部に露出部１２ａを形成しており、ヒータ本体２は、軸線Ｏ方向において、後端面２ｒが金属外筒３の後端面３ｒよりも前方側に位置している。接地用金属リード部１６は、ヒータ本体２の露出部１２ａと金属外筒３の内周面後端部とをつなぐ形で配置され、さらに金属外筒３の、後述するヒータ本体２の切欠部１３ａの前端縁よりも後方に位置する部分の内側がガラス３０にて充填されている。これにより、接地用通電端子部１６は略全体がガラス３０内に埋没するので、振動等が加わっても断線や接触不良等を生じにくい。本実施形態では、接地用通電端子部１６は帯状の金属部材とされ、その一方の板面１６ａの前端部が、対応する第二抵抗体部分１２にろう付けにより接合される一方、他方の板面１６ｂの後端部が金属外筒３の内周面後端部に、例えばろう付けやスポット溶接により接合されている。これにより、接地用通電端子部１６の接合をより簡便に行なうことができる。
【００３３】
また、図１１及び図１２に示すように、セラミック抵抗体１０の第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との接合面１５の一部（図１１）又は全部（図１２）を、ヒータ本体２の軸線Ｏ方向において該金属外筒３の前端縁３ｆよりも後方側に位置する形で配置すれば、第一抵抗体部分１１の末端部が金属外筒３と接する形になるので、上記熱引き改善効果が一層高められる。この場合、図１１に示すように、接合面１５の一部のみが金属外筒３内に位置するようにすれば、第一抵抗体部分１１の発熱が金属外筒３に過剰に奪われる不具合も生じにくく、セラミックヒータ１の発熱効率を良好に維持する上でより好都合である。
【００３４】
以下、セラミックヒータ１（ヒータ本体２）の製造方法の一例について説明する。まず、セラミック抵抗体１０となるべき抵抗体粉末成形部３４（図６）を、射出成形、具体的にはインサート成形により作成する。図５はその工程の一例を示すものである。成形に使用する金型は、抵抗体粉末成形部３４の射出空間を基準平面Ｋに相当する分割面ＤＰにより分割して第一金型５０Ａ，５０Ｂと第二金型５１とに割り振った分割金型を用いる。
【００３５】
このうち、第二金型５１としては、第一抵抗体部分１１（図２）を成形するための空間５５と、第二抵抗体部分１２，１２（図２）を成形するための空間５６とが一体化された、第二側一体射出空間５７を有するものを用意する。他方、第一金型としては、図５（ａ）に示す予備成形金型５０Ａと、同図（ｂ）に示すインサート成形用金型５０Ｂとを用意する。予備成形金型５０Ａは、第二抵抗体部分１２，１２を予備成形体３４ｂ、３４ｂとして成形するための部分射出空間５８を有するとともに、該部分射出空間５８との隣接面５９が分割面ＤＰと垂直であり、かつ第二金型５１と型合わせされた際に、第二側一体射出空間５７のうち予備成形体３４ｂ，３４ｂの成形に使用されない空間部分５５を充填する充填部６０が、金型分割面から突出形成されたものである。他方、インサート成形用金型５０Ｂは、第一抵抗体部分１１（図２）を成形するための空間６１と、第二抵抗体部分１２，１２（図２）を成形するための空間６２とが一体化された第一側一体射出空間６３を有するものである。
【００３６】
まず、図５（ａ）に示すように、第二金型５１と予備成形金型５０Ａとを型合わせして、成形用材料ＣＰ１を射出することにより予備成形体３４ｂ，３４ｂを製造する。成形用材料ＣＰ１は、第二導電性セラミックの組成が得られるように配合された炭化タングステン粉末、窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末とからなる原料セラミック粉末に対し、有機バインダと混練したコンパウンドを加熱により溶融流動化させたものである。
【００３７】
予備成形体３４ｂ，３４ｂの射出成形が終われば、金型を型開きする。ここで、第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との接合面１５が、基準平面Ｋ、すなわち射出空間の分割面ＤＰに対し、直角な面のみによって形成されていることから、予備成形金型５０Ａを第二金型５１から分割面ＤＰと直角な方向に離脱させる形で、予備成形体３４ｂ，３４ｂを損傷させることなく簡単に型開きできる。
【００３８】
次いで、図５（ｂ）に示すように、その予備成形体３４ｂ，３４ｂを、第一側一体射出空間６３と第二側一体射出空間５７との対応する空間部５６，６２にインサートとして配置した状態で、第二金型５１とインサート成形用金型５０Ｂとを型合わせする。そして、残余の空間部５５，６１に成形用材料ＣＰ２を射出することにより、該射出成形部分３４ａ（図６）を予備成形体３４ｂ，３４ｂに一体化して抵抗体粉末成形部３４を得る。成形用材料ＣＰ２は、成形用材料ＣＰ１と同様のコンパウンドであるが、原料粉末は第一導電性セラミックの組成が得られるように配合されたものである。このとき、図５（ａ）の工程で得られた予備成形体３４ｂ，３４ｂを第二金型５１内に残した状態で、予備成形金型５０Ａをインサート成形用金型５０Ｂに交換し、引き続きインサート成形を行なうようにすれば一層能率的である。
【００３９】
なお、第一抵抗体部分１１と第二抵抗体部分１２との成形の順序は入れ替えてもよいが、予備成形金型として、第二側一体射出空間５７の空間部分５６を充填する充填部を形成したものが必要である。なお、本実施形態では、図２に示すように、ヒータ本体２の軸線Ｏ方向において、第一抵抗体部分１１の寸法が第二抵抗体部分１２の寸法よりも小とされているが、このような場合は、抵抗体粉末成形部３４の製造に際し、図５のように、第二抵抗体部分１２，１２に相当する部分を予備成形体３４ｂ，３４ｂとなすことで、以下のような利点を生ずる。すなわち、第二抵抗体部分１２，１２に相当する部分を射出成形する場合、図５（ａ）に示すように、キャビティの長手方向後端部に材料射出用のスプルＳＰ１を形成することが、成形用材料ＣＰ１をキャビティ内に均等に射出する観点において有利である。このとき、第二抵抗体部分１２，１２が長いと、成形用材料ＣＰ１の流動距離は相当長くなり、接合面位置に到達するまでに、溶融したバインダの温度がある程度低下することが避けがたい。しかし、第一抵抗体部分１１は寸法が小さいために、成形用材料ＣＰ２の流動距離は短く温度低下も起こりにくい。従って、インサート成形で２つの成形体部分を接合面にて一体化する場合、第二抵抗体部分１２，１２をインサートとして、第一抵抗体部分１１を後で形成するようにすれば、接合面に到達する時の成形用材料ＣＰ２の温度をより高くすることができ、強固で欠陥の少ない接合状態を得ることができる。
【００４０】
上記のようにして抵抗体粉末成形部３４を作成したら、セラミック基体１３を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、図６（ａ）に示すような、上下別体に形成された基体成形体としての分割予備成形体３６，３７を用意しておく。これら分割予備成形体３６，３７は、上記抵抗体粉末成形部３４に対応した形状の凹部３７ａ（分割予備成形体３６側の凹部は図面に表れていない）がその合わせ面に形成されている。次いで、この凹部に抵抗体粉末成形部３４を収容し、分割予備成形体３６，３７を上記合わせ面において嵌め合わせる。そして、図７（ａ）に示すように、その状態でこれら分割予備成形体３６，３７及び抵抗体粉末成形部３４の組立体を金型６１のキャビティ６１ａ内に収容し、パンチ６２，６３を用いてプレス・圧縮することにより、図６（ｂ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９とする。
【００４１】
こうして得られた複合成形体３９は、まずバインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約６００℃）で仮焼され、図６（ｂ）に示す仮焼体３９’とされる（なお、仮焼体は、広義の意味において複合成形体であるとみなす）。続いて図７（ｂ）に示すように、この仮焼体３９’が、グラファイト等で構成されたホットプレス用成形型６５，６５のキャビティ６５ａ，６５ａにセットされる。
【００４２】
上記のように成形型６５にセットされた仮焼体３９’を、図７（ｂ）に示すように、焼成炉６４（以下、単に炉６４という）内で両成形型６５及び６５の間で加圧しながら所定の焼成保持温度（１７００℃以上：例えば約１８００℃前後）及び雰囲気で焼成することにより、図８（ｃ）に示すような焼成体７０が得られる。
【００４３】
上記焼成により、図７（ｂ）の仮焼体３９’は、分割予備成形体３６及び３７の合わせ面３９ａに沿う方向に圧縮されながら、図８（ｃ）の焼結体７０となる。このとき、図８（ｂ）の、抵抗体粉末成形部３４の第二抵抗体部分用の成形部（予備成形体）３４ｂは、軸線Ｊが互いに接近する向きにおいて、その円状断面が上記圧縮方向につぶれるように変形することにより、楕円状断面を有した第二抵抗体部分１２となる。
【００４４】
こうして得られた図８（ｃ）の焼結体７０は、外周面に研磨等の加工を施すことにより、図８（ｄ）に示すように、セラミック基体１３の断面が円形に整形されて最終的な（セラミックヒータ１）ヒータ本体２となる。このセラミックヒータ１に金属外筒３、通電端子部１６，１７及び主体金具４などの必要な部品を組み付ければ、図１に示すグロープラグ５０が完成する。
【００４５】
なお、図１及び図２のグロープラグ５０に使用されるセラミックヒータ１は、セラミック抵抗体１０の接合面１５を傾斜面部１５ｔを含むものととしていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１３では、基準平面Ｋと直交する溝部１５ａを、第一抵抗体部分１１及び第二抵抗体部分１２の一方（本実施形態では第二抵抗体部分１２）に形成し、他方（本実施形態では第一抵抗体部分１１）には、基準平面Ｋと直交し、前記溝部１５ａと嵌合する凸条部１５ｂを形成した例である。図３（ｃ）は、接合面１５の第二抵抗体部分１２側（溝部１５ａの形成側）を模式的に示す斜視図である。また、図１４は、接合面１５に基準平面Ｋと直交する曲面１５ｃを形成した例であり、図３（ｂ）は、接合面１５の第二抵抗体部分１２側を模式的に示す斜視図である。なお、曲面１５ｃの両端部には、交差角度θを鈍くするための平面部１５ｄ，１５ｄが形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一実施例を示す縦断面図。
【図２】そのセラミックヒータを拡大して示す縦断面図及びＡ−Ａ断面図。
【図３】接合面の種々の形態を示す斜視図。
【図４】図１のグロープラグの接合面をさらに拡大して示す断面図。
【図５】図１のグロープラグの抵抗体粉末成形部を、インサート成形により製造する工程の一例を示す説明図。
【図６】図５の抵抗体粉末成形部を用いたセラミックヒータの製造工程説明図。
【図７】図６に続く工程説明図。
【図８】図１のヒータ本体先端部を拡大して示す断面図。
【図９】ヒータ本体先端部の第一変形例を示す断面図。
【図１０】同じく第二変形例を示す断面図。
【図１１】同じく第三変形例を示す断面図。
【図１２】同じく第四変形例を示す断面図。
【図１３】同じく第五変形例を示す断面図。
【図１４】同じく第六変形例を示す断面図。
【図１５】同じく第七変形例を示す断面図。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
２ヒータ本体
３金属外筒
３ｆ前端縁
４主体金具
１０セラミック抵抗体
１１第一抵抗体部分
１１ａ先端部
１２，１２第二抵抗体部分
１２ａ，１２ａ露出部
Ｌｄ，Ｌｄ棒状径大部
１３セラミック基体
１３ａ切欠部
１５接合面
１５ｔ傾斜面部
Ｋ基準平面
５０グロープラグ

Claims

絶縁性セラミックからなるセラミック基体（１３）中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体（１０）が埋設された棒状のヒータ本体（２）を有し、
前記セラミック抵抗体（１０）は、前記ヒータ本体（２）の先端側に配置された第一導電性セラミックからなる先端部（１１ａ）と、その先端部（１１ａ）の通電方向における両端部に結合され、該先端部（１１ａ）に対する通電路を形成するとともに、前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）方向後方に延伸する形で配置され、かつ前記先端部１１ａよりも通電断面積が大となる径大棒状部（Ｌｄ）とを有し、
該径大棒状部（Ｌｄ）は、前記先端部（１１ａ）との接続端部側が前記第一導電性セラミックにて構成されて前記先端部（１１ａ）とともに第一抵抗体部分（１１）を形成し、他方、前記径大棒状部（Ｌｄ）の残余の部分が、前記第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなる第二抵抗体部分（１２）とされ、それら第一抵抗体部分（１１）と第二抵抗体部分（１２）との接合面（１５）が前記径大棒状部（Ｌｄ）内に形成されてなることを特徴とするセラミックヒータ。
前記セラミック抵抗体（１０）の前記１対の第二抵抗体部分（１２，１２）が、それぞれ軸線（Ｊ）方向後端部において前記ヒータ本体（２）の表面に露出し、その露出部（１２ａ，１２ａ）が該セラミック抵抗体への通電端子部の接合領域とされている請求項１記載のセラミックヒータ（１）。
前記第一抵抗体部分（１１）と第二抵抗体部分（１２，１２）との接合面（１５）は、その少なくとも一部が前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）と直交する平面（Ｐ）から逸脱した面とされてなる請求項１又は２に記載のセラミックヒータ（１）。
前記接合面（１５）が、前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）と直交する平面（Ｐ）に対し傾斜した傾斜面部（１５ｔ）を有してなる請求項３記載のセラミックヒータ（１）。
前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）と前記第二抵抗体部分（１２）の軸線（Ｊ）とを含む平面を基準平面（Ｋ）として、前記傾斜面部（１５ｔ）を含む前記接合面（１５）が、該基準平面（Ｋ）と直交する形で形成され、
かつ、前記傾斜面部（１５ｔ）にて接する前記第一抵抗体部分（１１）と前記第二抵抗体部分（１２）とは、前記第一抵抗体部分（１１）の方が前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）に関する半径方向において外側に位置する請求項４記載のセラミックヒータ（１）。
請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミックヒータ（１）と、該セラミックヒータ（１）の前記ヒータ本体（２）を周方向に取り囲むとともに、軸線（Ｏ）方向において前記ヒータ本体（２）の先端部を突出させる形にて配置される金属外筒（３）と、
その金属外筒（３）の軸線（Ｏ）方向後端部に結合され、外周面に内燃機関への取付部（５）が形成された主体金具（４）と、
を備えたことを特徴とするグロープラグ（５０）。
前記セラミック抵抗体（１０）の前記第一抵抗体部分（１１）と前記第二抵抗体部分（１２）との接合面（１５）の一部が、前記ヒータ本体（２）の軸線（Ｏ）方向において該金属外筒（３）の前端縁（３ｆ）よりも後方側に位置する形で配置されている請求項６記載のグロープラグ（５０）。