JP4559671B2 - Glow plug and manufacturing method thereof - Google Patents

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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と、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、上記のようなグロープラグとして、筒状の主体金具の先端部内側に、棒状のセラミックヒータの先端部を突出させる形で配置したものが広く使用されている。セラミックヒータへの通電は、主体金具の後端部に設けられた金属軸(電源に接続される)と、該金属軸及びセラミックヒータを接続する金属リード部を介して行われる。従来のグロープラグにおいてセラミックヒータと金属リード部との接続は、例えば特開平10−205753号公報に開示されているように、金属リード部の先端部をコイル状に形成し、ヒータ端子が露出形成されたセラミックヒータの後端部をその内側に挿入して、両者をろう付けすることにより行われてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ろう付けによる接合形態は、ろう材を挟み込む形で被接合材を組み立てる工程や、ろう材を溶融させる加熱工程など工数が多いため能率が悪い欠点がある。また、セラミックと金属リード部あるいは金属リング等の金属部材の接合であるため、高価な活性ろう材を使用しなければならず、さらにろう付けのための加熱温度や雰囲気等も調整が微妙であり、前記した工数増大の問題とも相俟って製造コストの高騰につながりやすい。
【0004】
本発明の課題は、金属リード部のセラミックヒータへの組付けが簡便であって、しかも金属リード部の組付け強度及び導通の確保も確実に行なうことができるグロープラグと、その製造方法と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】
上記の課題を解決するために、本発明のグロープラグの第一の構成は、
棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が外周面に露出形成されたセラミックヒータと、
ヒータ端子を覆う形でセラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、ヒータ端子と導通する金属製の端子リングと、
端子リングの表面に超音波溶接部を介して溶接された金属リード部と、
を備えたことを特徴とする。
【0006】
また、本発明のグロープラグの製造方法は、
棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が外周面に露出形成されたセラミックヒータと、
ヒータ端子を覆う形でセラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、ヒータ端子と導通する金属製の端子リングと、
端子リングの表面に溶接される金属リード部とを備えたグロープラグの製造するために、
金属リード部と端子リングとの溶接接合部を超音波溶接により形成することを特徴とする。
【0007】
上記本発明のグロープラグの構成では、セラミックヒータの外周面に形成された端子リングを覆う形で金属製の端子リングを締まり嵌めにより配置し、ここに金属リード部を超音波溶接するようにした。これにより、金属リード部のセラミックヒータへの組付け部分から、工数を要する金属/セラミックのろう付け構造を排除でき、ひいては金属リード部のセラミックヒータへの組付けを簡便に行なうことができる。また、超音波溶接の採用により、溶接時の入熱量が制限されることから、得られる溶接接合部あるいはその近傍は、残留する熱応力が軽減される。従って、溶接割れ等の欠陥が生じにくくなり、金属リード部のセラミックヒータへの組み付け強度が高いグロープラグを実現できる。
【0008】
端子リングのセラミックヒータへの組み付けと、金属リード部の端子リングへの溶接との実施順序は、以下の2つのいずれかとなる。
▲1▼端子リングをセラミックヒータに締まり嵌め嵌合させた後、その端子リングに金属リード部を溶接する。
▲2▼端子リングに金属リード部を溶接した後、その端子リングをセラミックヒータに締まり嵌め嵌合させる。
【0009】
▲1▼の方法を採用した場合、本発明の構造によると、超音波溶接の採用により溶接時の入熱量が小さいため、端子リングに生じている嵌合の応力が解放されにくく、ひいては嵌合の緊束力が溶接後も高く維持できる。その結果、グロープラグ使用時の温度上昇により端子リングが熱膨張して緩みが生じやすくなる場合でも、緊束力のマージンが高められるため、端子リングとヒータ側端子との導通状態をより高温まで維持できる。他方、▲2▼の方法を採用した場合、溶接後に端子リングのセラミックヒータへの嵌合を行なうので、溶接の影響が嵌合の緊束力に本質的に及ばず、嵌合の緊束力を高く確保できる。また、前記した通り、超音波溶接による接合部には熱応力が残留し難いので、端子リングを嵌合する際の応力が新たに付加されても、溶接接合部に割れ等の不具合が生じ難い。いずれの場合も、本発明の構造を採用した結果として、端子リングを介した金属リード部とヒータ端子との導通確保を確実に行なうことができる。
【0010】
超音波溶接を採用する上記方法では、金属リード部と端子リングとを加圧接触させながら超音波による高速で微細な機械振動(以下、超音波機械振動という)を与え、金属リード部と端子リングとの間に金属/金属接触状態(あるいは塑性流動による合金化状態)を形成して両者を接合する。該超音波溶接は、被接合部材同士を接触状態で高速回転させることにより接合する摩擦圧接等と異なり、接合時に生ずる摩擦発熱が非常に小さい。また、金属リード部と端子リングとを加圧接触させて超音波機械振動を加えることにより、接触面の酸化物や汚れの層が瞬時に破壊され、清浄な金属層同士の接触と塑性流動とが進行するので、強固な接合状態を実現できる。
【0011】
超音波溶接により得られる溶接接合部は、機械振動による塑性流動に基づき、合金化して形成されるものと考えられる。従って、その溶接接合部の成分分布も、熱拡散が主体となる抵抗溶接等による溶接部とは明らかに異なるものとなる。本発明のグロープラグの第二の構成は、この観点から特徴部を捉えなおしたものであり、具体的には、棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が外周面に露出形成されたセラミックヒータと、
ヒータ端子を覆う形でセラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、ヒータ端子と導通する金属製の端子リングと、
端子リングの表面に溶接された金属リード部とを備え
金属リード部と端子リングとの溶接接合部には、該金属リード部)と端子リングとの接合界面から金属リード部側に、該金属リード部の構成金属成分と端子リングの構成金属成分(リング構成成分)との合金化層が形成されており、接合界面を横切る断面において、記リングの構成成分の濃度が極大値を示す第一領域Pと、極小値を示す第二領域(濃度反転領域)Sとが、溶接接合の方向に交互に形成された濃度分布が形成されていることを特徴とする。
【0012】
図3は、金属リード部と端子リングとの溶接接合部において、接合界面と交差する向きにリング構成成分の濃度分布プロファイルを測定した模式図である。この図は、例えばリング構成金属の主成分元素であるFeの場合を例示しているが、これに限定されるものではない。発熱の大きい抵抗溶接等の場合は、端子リング側から金属リード部側への成分移動が、主に熱拡散機構により進行するので、成分拡散はおおむねフィックの法則に従う。このため、金属リード部側の合金化層のリング構成成分は、図3に一点鎖線で示すように、接合界面から離れるにつれて単調に減少するプロファイル形状を示す。他方、超音波溶接を用いた場合は、熱拡散の進行は抵抗溶接等に比較すれば鈍くなる。しかし、金属リード部と端子リングとの接触界面付近で機械振動付加に伴う材料の塑性流動が生じ、それによる合金化が主体となる。その結果、図3に実線で示すように、リング構成成分の濃度が相対的に高い第一領域Pよりも接合界面に近い側に、リング構成成分の濃度が相対的に低くなる第二領域Sが、濃度反転領域の形で形成される。
【0013】
上記のようなプロファイルは、上記のような塑性流動に基づく合金化が主体となる場合に特有のものであり、超音波特有の高速機械振動により接触面の酸化物や汚れの層の破壊が瞬時に起こり、清浄な金属層同士の接触及び塑性流動が進行することを意味する。その結果、端子リングと金属リード部との間に強固な接合状態を実現できる。
【0014】
なお、上記のような合金化層を形成する場合、金属リード部の構成金属を、端子リングの構成金属よりも軟質のものとすることが、超音波振動による塑性流動ひいては合金化を促進する上で望ましい。一例として、端子リングをFeを主成分とする金属とし、金属リード部をNiを主成分とする金属とする組合せを例示できる。
【0015】
【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。また、図2は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ50は、セラミックヒータ1とこれを保持する主体金具4とを有する。セラミックヒータ1は棒状の形態を有し、自身の先端部2に抵抗発熱体11が埋設されている。
また、抵抗発熱体11に通電するための第一ヒータ端子12aが自身の後端部外周面に露出形成されている。また、主体金具4は、セラミックヒータ1の外側を同軸的に覆う筒状に形成され、軸線O方向における内周面前端部がヒータ保持面4aとされている。そして、該ヒータ保持面4aにてセラミックヒータ1を、他部材である円筒状の第二端子リング3を介して間接的に、かつ前記先端部2を突出させる形で保持している(従って、セラミックヒータ1を直接保持するのは第二端子リング3の内周面である)。さらに、ヒータ保持面4aよりも後方側において、セラミックヒータ1の後端部外周面と主体金具4の内周面との間には、リング配置隙間Gが形成されている。
【0016】
次に、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、後端部には金属軸6が取り付けられている。該外金属軸6は棒状の形態をなし、主体金具4の後端部内側に軸線O方向に挿入されるとともに、該軸線O方向において自身の先端面6fがセラミックヒータ1の後端面2rと対向する形で配置されている。他方、リング配置隙間Gにおいてセラミックヒータ1の後端部外周面には、第一ヒータ端子12aと導通する金属製の第一端子リング14が、締まり嵌め状態にて該第一ヒータ端子12aを覆うように取り付けられている。そして、金属軸6と第一ヒータ端子12aとは、一端が第一端子リング14に結合され、他端が金属軸6に結合された金属リード部17により、電気的に接続されている。
【0017】
セラミックヒータ1の外周面には、軸線O方向において第一ヒータ端子12aよりも前方側に、抵抗発熱体11に通電するための第二ヒータ端子12bが露出形成されている。そして、該第二ヒータ端子12bを覆うとともにこれと導通する円筒状の第二端子リング3が、セラミックヒータ1の後端部を自身の後方側に突出させた状態にて、該セラミックヒータ1の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられている。そして、主体金具4は、円筒状のヒータ保持面4aにおいて該第二端子リング3の外周面に取り付けられている。
【0018】
主体金具4のヒータ保持面4aとセラミックヒータ1の外周面との間に介挿された第二端子リング3をスペーサとすることで、該第二端子リング3よりも後方側に突出させたセラミックヒータ1の後端部外周面と、主体金具4のヒータ保持面4aよりも後方側の内周面との間にリング配置隙間Gを適度な量で形成することができる。該リング配置隙間Gを利用することで、セラミックヒータ1の後端部に第一端子リング14を配置することが可能となる。金属リード部17はこの第一端子リング14に金属/金属接合により取り付ければよいから、金属/セラミックのろう付け構造や、金属リード部17のセラミックヒータ1への埋め込み接合といった、工数を要する複雑な構造が排除され、安価に製造可能である。また、第一端子リング14をセラミックヒータ1に締まり嵌めにより嵌合させるので、ろう付けによる従来構造のようにろう材層が介在せず、金属軸6と第一端子リング14との同軸度を確保しやすい。これにより、金属リード部17と、金属軸6あるいは第一端子リング14との接合面にずれ等を生じにくくなり、ひいては良好で高強度の接合部を形成できる。
【0019】
本実施形態では、主体金具4もヒータ保持面4aにおいて、第二端子リング3の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けるようにしている。これにより、グロープラグ50の組立て工程を一層簡略化することができる。また、主体金具4の第二端子リング3に対する嵌合面(ヒータ保持面4a)が、第二端子リング3とセラミックヒータ1との嵌合面と重なる形となるので、セラミックヒータ1に対する第二端子リング3の緊束力に主体金具4の緊束力が重畳され、第二端子リング3とセラミックヒータ1との嵌合の気密性を一層高めることができる。
【0020】
セラミックヒータ1への各端子リング14,3の組み付けは、図6に示すように、個々の端子リング14あるいは3をセラミックヒータ1に対し、端部から軸線方向に挿入しつつ圧入する方法で組み付けることができる。なお、圧入に代えて焼き嵌めを用いてもよい。このうち、第一端子リング14については、第一ヒータ端子12aとの導通が確保できる程度の緊束力が得られればよい。他方、第二端子リング3については、第二ヒータ端子12bとの導通確保に加え、嵌合面における気密性を確保する必要があることから、第一端子リング14よりは強い緊束力が求められる。いずれも、室温ではもちろん、各部に熱膨張が生ずるセラミックヒータ1の温度上昇時においても、必要十分な緊束力が確保されていることが重要である。一般に、セラミックと金属を比較した場合、インバーなどの特殊な合金を除けば、金属のほうが線膨張係数が高く、端子リング14,3は昇温時には緊束力が緩みやすくなる傾向にある。
【0021】
この場合、リングの材質や肉厚tによっても昇温時に確保される緊束力のレベルは異なるが、図4に示すように、セラミックヒータ1から第一端子リング14あるいは第二端子リング3を取り外した分解状態において、第一端子リング14の内径をd1、同じく該分解状態における第一ヒータ端子12aの形成位置でのセラミックヒータ1の外径をd2として、d2−d1(以下、第一端子リング14の分解後締め代という:本明細書では、室温状態での値を意味する)が、8μm以上であって第一端子リング14の取付位置におけるセラミックヒータ1の外径の2%以下の範囲に調整されていることが望ましい。また、セラミックヒータ1から第二端子リング3を取り外した分解状態において、第二端子リング3の内径をd1’、同じくセラミックヒータ1の外径をd2’として、d2’−d1’(以下、第二端子リング3の分解後締め代という:本明細書では、室温状態での値を意味する)も同様に、8μm以上であって第二端子リング3の取付位置におけるセラミックヒータ1の外径の2%以下の範囲に調整されていることが望ましい。
【0022】
上記分解後締め代は、セラミックヒータ1から取り外したときのリング14,3の弾性復帰量、つまり、リング14,3によるセラミックヒータ1への弾性緊束力を反映したパラメータと見ることができる。該分解後締め代が8μm未満では、前記温度範囲にリング3あるいは4が昇温したとき、必要な緊束力が確保できなくなる。例えば、第一端子リング14においては第一ヒータ端子12aとの接触抵抗の増大が、第二端子リング3においては第一ヒータ端子12bとの接触抵抗の増大と気密性の低下とが、具体的な不具合として発生することにつながる。他方、分解後締め代が100μmを超えるとセラミックヒータ1に過剰な緊束力が作用し、割れやクラック等の発生につながる場合がある。なお、リング3,14の肉厚が小さい場合は、リング自体の塑性変形量が増加するため、分解後締め代を100μm以上に設定することが本質的に不可能な場合がある。なお、上記分解後締め代d2−d1あるいはd2’−d1’は、より望ましくは15〜40μmの範囲に調整するのがよい。また、同じ分解後締め代の値であっても、弾性緊束力の値を高める観点においてはリングの肉厚が大きい方がより有利である。
【0023】
第一端子リング14及び第二端子リング3の材質としては、高温強度と材料コストとのバランスを考慮して、一定以上の硬さ及び耐熱性を有したFe系合金を使用することが望ましい。特に、分解後締め代を高めて弾性緊束力を十分に確保するためには、ビッカース硬さ(JIS:Z2244(1998)に規定の方法により荷重10Nにて測定した値)Hvが170以上(望ましくは350以上)のFe系合金の使用が推奨される。このようなFe系合金として、ステンレス鋼、例えばSUS630あるいはSUS631等の析出硬化系ステンレス鋼を好適に使用できる。SUS630は、JISG4303(1988)に規定されたH900、H1025、H1075あるいはH1105のいずれかの熱処理により時効析出硬化させることができ、特にH900処理を行ったものはHv350以上を確保できる。他方、SUS631は同規格のTH1050あるいはRH950の熱処理により時効析出硬化させることができ、いずれもHv350以上を確保できる。また、硬さの点では若干劣るが、SUS430等のフェライト系ステンレス鋼を使用することもできる。
【0024】
次に、図2に示すように、金属リード部17は、金属軸6と第一端子リング14との間で屈曲した形で配置されている。これにより、セラミックヒータ1の発熱により加熱/冷却サイクルが加わった場合でも、金属リード部17は、その屈曲部分で膨張/収縮を吸収することができ、ひいては金属リード部17と第一端子リング14との接合部に過度の応力が集中して接触不良や断線等の不具合が生ずることを防止できる。また、金属リード部17と金属軸6との接合を容易にかつ強固に行なうために、金属リード部17の金属軸6との接合端部が金属軸6の外周面先端部に対し、平面状の接合面をもって結合されている。例えば、金属リード部17と金属軸6とを抵抗溶接により接合する場合、接合面を平面状としておくことは、抵抗溶接時の加圧力を均等に付加し、欠陥の少ない溶接接合部を形成する上でも有利となる。
【0025】
他方、金属リード部17は、その前端部において第一端子リング14の外周面に溶接接合されている。本発明においては、接合時の温度上昇が小さい溶接方法として、例えば後述する超音波溶接を採用する。これにより、図3に示すように、金属リード部17と端子リング14との溶接接合部には、金属リード部17と端子リング14との接合界面から金属リード部17側に、該金属リード部17の構成金属成分と端子リング14の構成金属成分(リング構成成分)との合金化層が形成され、該合金化層には、リング構成成分の濃度が、接合界面に近い側において遠い側よりも相対的に高くなる濃度反転領域Sが識別可能に形成される。換言すれば、接合界面を横切る断面において、リング構成成分の濃度が極大値を示す第一領域Pと、極小値を示す第二領域(濃度反転領域)Sとが、接合方向に交互に形成された濃度分布が形成される。
【0026】
金属リード部17の第一端子リング14への溶接は、図7(a)に示すように、第一端子リング14をセラミックヒータ1に圧入により締まり嵌め嵌合させた後、その第一端子リング14に金属リード部17を溶接する工程を採用できる。
金属製の第一端子リング14は、溶接時の入熱量が大きいと、その温度上昇により材料の降伏点が下がり、締まり嵌め時に生じたリングの弾性ひずみが塑性変形歪に転化され、弾性緊束力が損なわれてしまう場合がある。しかし、超音波溶接の採用により溶接時の入熱を抑制することで、上記のような弾性緊束力の低下を効果的に抑制することができる。
【0027】
一方、図7(b)に示すように、第一端子リング14に金属リード部17を溶接した後、その第一端子リング14をセラミックヒータ1に締まり嵌め嵌合させる工程を用いることもできる。この場合は、嵌合の緊束力に対し溶接の影響が本質的に及ばなくなる。また、溶接接合部への熱応力残留が抑制される結果、端子リングを嵌合する際の応力が新たに付加されても、溶接接合部に割れ等の不具合が生じ難い。
【0028】
次に、セラミックヒータ1は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体13中に抵抗発熱体11が埋設された棒状のセラミックヒータ素子として構成されている。本実施形態においては、セラミックヒータ1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が埋設されたものとして構成されている。セラミック抵抗体10は、セラミックヒータ1の先端部に配置される第一導電性セラミックからなり、抵抗発熱体として機能する第一抵抗体部分11と、各々該第一抵抗体部分11の後方側において、セラミックヒータ1の軸線O方向に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。そして、セラミック抵抗体10の1対の第二抵抗体部分12,12には、それぞれ軸線O方向における互いに異なる位置に分岐部が形成され、それら分岐部の、セラミックヒータ1の表面への露出部が、それぞれ第一ヒータ端子12a及び第二ヒータ端子12bを形成してなる。
【0029】
なお、抵抗発熱体11への通電は、例えば図10に示すように、セラミック基体13中に埋設されるW等の高融点金属線材からなる埋設リード線18,19を介して行なうこともできる。この場合、第一ヒータ端子は埋設リード線18の、また第二ヒータ端子は埋設リード線19の、各露出部18a及び19aとして形成される。
【0030】
次に、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)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。
【0031】
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。
【0032】
次に、セラミック抵抗体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。
【0033】
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)及び二珪化タングステン(WSi)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。
【0034】
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。
【0035】
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。本実施形態では、第一導電性セラミック中のWCの含有率を16体積%(55質量%)、第二導電性セラミック中のWCの含有率を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)。
【0036】
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字底部がセラミックヒータ1の先端側に位置するように配置され、第二抵抗体部分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。
【0037】
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に形成されている。
【0038】
なお、図10のように、埋設リード線18,19をセラミック中に配置する構造では、高温下でヒータ駆動用の電圧を印加したときに、埋設リード線112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場合がある。しかし、図2の構成では埋設リード線が廃止されていることから、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がある。
【0039】
次に、図1に示すように、主体金具4の後端部内側には、前述の通り、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。
【0040】
グロープラグ50は、主体金具4の取付部5において、セラミックヒータ1の先端部2が燃焼室内に位置するようにディーゼルエンジンに取り付けられる。そして、端子金具7を電源に接続することで、金属軸6→金属リード部17→第一端子リング14→セラミックヒータ1→第二端子リング3→主体金具4→(エンジンブロックを介して接地)の順序で電流が流れ、セラミックヒータ1の先端部2が発熱して、燃焼室内の予熱を行なうことができる。
【0041】
以下、グロープラグ50の製造方法について説明する。
まず、図5(a)に示すように、セラミック抵抗体10となるべき抵抗体粉末成形部34を、射出成形により作成する。また、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、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には、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)をその合わせ面に形成しておき、ここに抵抗体粉末成形部34を収容して分割予備成形体36,37を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図5(b)に示すように、これらが一体化された複合成形体39を作る。
【0042】
こうして得られた複合成形体39を脱バインダ処理後、ホットプレス等により1700℃以上、例えば約1800℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨にすればセラミックヒータ1が得られる。そして、図6に示すように、該セラミックヒータ1に第一端子リング14及び第二端子リング3を例えば圧入により締まり嵌め嵌合させる。
【0043】
また、金属リード部17を第一端子リング14に対し超音波溶接により接合する。この接合の順序は、前記した通り、第一端子リング14のセラミックヒータ1への組み付け後であっても組み付け前であってもいずれでもよい。超音波溶接は、例えば市販の超音波溶接機(例えば、商品名:USW−610Z20S等(超音波工業株式会社)を用いて行なうことができる。図8に、その工程の概略を示す。すなわち、被溶接接合部材である第一端子リング14を図示しない受台の上に置き、その外周面に金属リード部17を重ね合わせる。他方、図示しない超音波発振機に接続された振動アーム50の先端に振動子51を取り付ける。そして、該振動子51を一定の荷重Pにて金属リード部17に押し付け、その状態で振動アーム50を振幅A、周波数Qにて超音波振動させることにより、第一端子リング14と金属リード部17との接合面同士が塑性流動を介した固相接合により強固に接合される。
【0044】
そして、溶接接合部の金属リード部側の領域には、このときの機械振動による塑性流動に基づき、図3に示すように、リング構成成分の濃度が極大値を示す第一領域Pと、極小値を示す第二領域(濃度反転領域)Sとが、交互に形成された濃度分布構造を有する合金化層が形成される。これにより、端子リング14と金属リード部7との間に強固な接合状態が形成される。該合金化層の厚みは、厚さ最大となる位置にて10μm以上となっていることが、接合強度を十分に確保する観点において望ましい。
【0045】
良好な接合状態を得るには、超音波振動の運動エネルギーが、第一端子リング14と金属リード部17との接合面に沿った相対運動のエネルギーに効率よく変換されることが必要である。そのためには、振動子51の振動に伴う金属リード部17の追従移動性を高めること、具体的には、振動子51の先端面にローレットパターンなどの凹凸部を形成し、その凹凸部を金属リード部17に加圧により食い込ませた状態で溶接を行なうことが有効である。この場合、溶接後の金属リード部17には、図9に示すように、その凹凸部の食い込みパターン17aが転写される。
【0046】
例えば、第一端子リング14がFe系材料、例えばステンレス鋼にて構成される場合は、金属リード部17はNiを主成分(50質量%以上)とする金属や、あるいはNi含有量が比較的高いFe系合金(例えばインバーなど、Niを20〜50質量%含有するもの:以上を総称してNi含有金属という)を採用すると、ステンレス鋼中のFeと、金属リード部17中のNiとの親和性が高いため、得られる超音波溶接接合部の強度を高めることができる。この場合、超音波溶接時の前記した押付力Pは5〜50kgが適当である。また、超音波振動の周波数Qは19〜100kHz、振幅Aは10〜25μmが適当である。また、加振時間は0.02〜2秒程度が適当である。
【0047】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、図1に示す形態のセラミックヒータ1を、上記説明した方法により作製した。ただし、セラミックヒータ1の長さは40mm、外径は3.5mmであり、第二抵抗体部分12,12の太さは1mm、さらに第一ヒータ端子12a及び第二ヒータ端子12bは、各々直径0.8mmの円状領域とした。
【0048】
他方、前記したSUS630(H900時効硬化処理品:Hv=約400)を用いて第一端子リング14及び第二端子リング3を作製した。第一端子リング14の肉厚は0.5mmとし、その内径d1iは、セラミックヒータ1への組み付け前の外径をd2iとして、d2i−d1iにて規定される初期締め代が50μmとなるように調整したものを用意した。他方、第二端子リング3の肉厚は0.85mmとし、その内径d1i’は、第一端子リング14と同様に定義された初期締め代が50μmとなるように固定的に設定した。
【0049】
そして、上記の第一端子リング14及び第二端子リング3を、セラミックヒータ1の所定位置に圧入により組み付けた。なお、圧入時において各リングの内面には潤滑剤(パスキンM30(商品名:共栄社化学(株))を適量塗布し、圧入後に300℃にて該潤滑剤の分解処理を行なっている。その後、第一端子リングには、金属リード部17として、線径0.8mmの純Ni線(接合端部側をプレスにより扁平化している)を以下の条件により超音波溶接した;
・超音波周波数:19kHz
・超音波出力:600W
・加振時間:0.1秒
・振幅:25μm
・押付力:25kg。
他方、比較のため、上記の金属リード部17を抵抗溶接により第一端子リング14に接合した試験品も同様に作製した。
【0050】
上記の試験品を用いて、室温(20℃)から400℃までの種々の温度での、第一端子リング14及び第二端子リング3間の直列抵抗値を測定した。その結果を図11に示す。これによると、抵抗溶接を用いた比較例品は300℃以上の温度域で抵抗値が急上昇しているのに対し、超音波溶接を用いたものはそのような抵抗値の急上昇は見られず、高温でも良好な導通状態が保たれていることがわかる。また、上記の抵抗測定が終了後、第一端子リング14をセラミックヒータ1から取り外し、前記した分解後締め代を測定した。その結果、抵抗溶接を用いた比較例品は分解後締め代が略ゼロに近い値であったのに対し、超音波溶接を用いたものは17μmの分解後締め代が確保できていたことがわかった。
【0051】
図12は、第一端子リング14と金属リード部17との溶接接合部分を、接合界面と直交する向きに切断・研磨し、Feの濃度分布を、走査型電子顕微鏡(SEM)に内蔵したEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)により面分析した、二次元マッピング画像を示すものであり、(a)が超音波溶接品、(b)が抵抗溶接品である。画像中、白く現われている領域ほどFe濃度が高いことを意味する。いずれも、接合界面から金属リード部側に離間する向きに、Fe濃度が減少する合金化層が形成されているが、(a)の超音波溶接品では、接合界面から離間する向きにおいてFe濃度が大きく変動している結果、縞状の濃淡模様が見られる。これは、超音波振動による塑性流動により生じたものと考えられ、接合界面から離間する向きにおいて、Fe濃度が極大となる第一領域(白く現われている部分)と、極小となる第二領域(濃度反転領域:黒く現われている部分)とがはっきり識別される。他方、(b)の抵抗溶接品は、Fe濃度が単調に減少する均一なグラデーション模様が接合界面から金属リード部側に形成され、上記の第一領域と第二領域とは識別されない。これは、第一端子リング14のFe成分が、金属リード部17側に向けフィックの法則に従い熱拡散したためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のグロープラグの一実施例を示す縦断面図。
【図2】図1の要部を示す縦断面図。
【図3】溶接接合部に形成される合金化層の概念説明図。
【図4】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図5】図1のグロープラグの製造工程の説明図。
【図6】図5に続く説明図。
【図7】図6に続く説明図。
【図8】超音波溶接の工程説明図。
【図9】超音波溶接部の外観上の特徴を説明する図。
【図10】図1のグロープラグの一変形例を示す要部縦断面図。
【図11】実施例の実験結果を示すグラフ。
【図12】超音波溶接及び抵抗溶接による端子リングと金属リード部との接合部断面をEPMA面分析したときの、Fe濃度の二次元マッピング画像。
【符号の説明】
1 セラミックヒータ
2 先端部
3 第二端子リング
4 主体金具
4a ヒータ保持面
10 セラミック抵抗体
11 第一抵抗体部分(抵抗発熱体)
12,12 第二抵抗体部分
12a 第一ヒータ端子
12b 第二ヒータ端子
14 第一端子リング(端子リング)
17 金属リード部
50 グロープラグ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow plug for preheating a diesel engine and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, glow plugs such as those described above are widely used in which the tip portion of a rod-shaped ceramic heater protrudes inside the tip portion of a cylindrical metal shell. Energization of the ceramic heater is performed through a metal shaft (connected to a power source) provided at the rear end portion of the metallic shell and a metal lead portion connecting the metal shaft and the ceramic heater. In the conventional glow plug, the connection between the ceramic heater and the metal lead portion is formed by, for example, forming the tip portion of the metal lead portion in a coil shape and exposing the heater terminal as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-205753. This has been done by inserting the rear end of the ceramic heater into the inside and brazing the two.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the joining form by brazing has a drawback that the efficiency is poor due to a large number of man-hours such as a process for assembling the materials to be joined by sandwiching the brazing material and a heating process for melting the brazing material. In addition, since it is the joining of ceramic and metal members such as metal leads or metal rings, expensive active brazing materials must be used, and the heating temperature and atmosphere for brazing are also delicately adjusted. In combination with the above-described problem of increasing man-hours, the manufacturing cost is likely to increase.
[0004]
An object of the present invention is to provide a glow plug capable of easily assembling a metal lead portion to a ceramic heater and ensuring the assembly strength and conduction of the metal lead portion, and a method for manufacturing the same. It is to provide.
[0005]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, the first configuration of the glow plug of the present invention is:
A ceramic heater having a rod-like shape and embedded with a resistance heating element, and a heater terminal for energizing the resistance heating element is exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring that is electrically connected to the heater terminal by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater so as to cover the heater terminal,
A metal lead welded to the surface of the terminal ring via an ultrasonic weld;
It is provided with.
[0006]
In addition, the method for manufacturing the glow plug of the present invention includes:
A ceramic heater having a rod-like shape and embedded with a resistance heating element, and a heater terminal for energizing the resistance heating element is exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring that is electrically connected to the heater terminal by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater so as to cover the heater terminal,
To manufacture a glow plug with a metal lead welded to the surface of the terminal ring,
A weld joint between the metal lead and the terminal ring is formed by ultrasonic welding.
[0007]
In the above-described glow plug configuration of the present invention, a metal terminal ring is disposed by interference fitting so as to cover the terminal ring formed on the outer peripheral surface of the ceramic heater, and the metal lead portion is ultrasonically welded thereto. . As a result, the metal / ceramic brazing structure requiring man-hours can be eliminated from the part where the metal lead part is attached to the ceramic heater, and as a result, the metal lead part can be easily attached to the ceramic heater. Further, since the amount of heat input at the time of welding is limited by adopting ultrasonic welding, residual thermal stress is reduced in the welded joint obtained or in the vicinity thereof. Therefore, defects such as weld cracks are less likely to occur, and a glow plug having a high assembly strength of the metal lead portion to the ceramic heater can be realized.
[0008]
The order of assembly of the terminal ring to the ceramic heater and welding of the metal lead portion to the terminal ring is one of the following two.
(1) After the terminal ring is tightly fitted and fitted to the ceramic heater, the metal lead portion is welded to the terminal ring.
(2) After welding the metal lead part to the terminal ring, the terminal ring is tightly fitted to the ceramic heater.
[0009]
When the method of (1) is adopted, according to the structure of the present invention, the amount of heat input at the time of welding is small due to the adoption of ultrasonic welding, so that the fitting stress generated in the terminal ring is difficult to be released, and as a result The tight binding force can be maintained high after welding. As a result, even when the terminal ring thermally expands due to temperature rise when using a glow plug, the tightness margin is increased, so the continuity between the terminal ring and the heater side terminal is increased to a higher temperature. Can be maintained. On the other hand, when the method (2) is adopted, since the terminal ring is fitted to the ceramic heater after welding, the influence of the welding does not substantially affect the tightness of the fit, and the tightness of the fit. Can be secured high. In addition, as described above, since the thermal stress hardly remains in the joint portion by ultrasonic welding, even if a stress at the time of fitting the terminal ring is newly added, a defect such as a crack is hardly generated in the weld joint portion. . In either case, as a result of adopting the structure of the present invention, it is possible to ensure the conduction between the metal lead portion and the heater terminal via the terminal ring.
[0010]
In the above method employing ultrasonic welding, the metal lead portion and the terminal ring are subjected to high-speed and fine mechanical vibration (hereinafter referred to as ultrasonic mechanical vibration) while being brought into pressure contact with the metal lead portion and the terminal ring. A metal / metal contact state (or an alloyed state by plastic flow) is formed between the two, and the two are joined. The ultrasonic welding, unlike the friction welding that joins the members to be joined by rotating them at high speed in a contact state, generates very little frictional heat during joining. In addition, by applying ultrasonic mechanical vibration by applying pressure contact between the metal lead part and the terminal ring, the oxide or dirt layer on the contact surface is instantaneously destroyed, and contact between the clean metal layers and plastic flow Therefore, a strong bonded state can be realized.
[0011]
A weld joint obtained by ultrasonic welding is considered to be formed by alloying based on plastic flow caused by mechanical vibration. Therefore, the component distribution of the welded joint is also clearly different from the welded part by resistance welding or the like mainly composed of thermal diffusion. The second configuration of the glow plug of the present invention is a recapture of the features from this point of view. Specifically, the glow plug has a rod-like form and a resistance heating element is embedded, and the resistance heating element is energized. A ceramic heater in which a heater terminal is exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring that is electrically connected to the heater terminal by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater so as to cover the heater terminal,
A metal lead portion welded to the surface of the terminal ring, and the metal lead portion is connected to the metal lead portion side from the joint interface between the metal lead portion and the terminal ring. The first region in which the alloying layer of the constituent metal component of the part and the constituent metal component of the terminal ring (ring constituent component) is formed , and the concentration of the constituent component of the ring shows the maximum value in the cross section across the joining interface A concentration distribution is formed in which P and a second region (concentration inversion region) S exhibiting a minimum value are alternately formed in the direction of the welding joint .
[0012]
FIG. 3 is a schematic diagram in which the concentration distribution profile of the ring constituent components is measured in the direction intersecting the joint interface at the weld joint between the metal lead portion and the terminal ring. This figure illustrates the case of Fe, which is a main component element of the ring constituent metal, for example, but is not limited to this. In the case of resistance welding or the like that generates a large amount of heat, component movement from the terminal ring side to the metal lead portion side proceeds mainly by the thermal diffusion mechanism, so that component diffusion generally follows Fick's law. For this reason, the ring component of the alloying layer on the metal lead portion side exhibits a profile shape that monotonously decreases as the distance from the bonding interface increases, as indicated by a dashed line in FIG. On the other hand, when ultrasonic welding is used, the progress of thermal diffusion becomes dull compared to resistance welding or the like. However, plastic flow of the material accompanying mechanical vibration is generated near the contact interface between the metal lead portion and the terminal ring, and alloying by the material is mainly performed. As a result, as shown by a solid line in FIG. 3, the second region S in which the concentration of the ring component is relatively low is closer to the bonding interface than the first region P in which the concentration of the ring component is relatively high. Is formed in the form of a density inversion region.
[0013]
The above profile is unique when alloying based on plastic flow as described above is the main component, and the destruction of the oxide or dirt layer on the contact surface is instantaneous due to the high-speed mechanical vibration unique to ultrasonic waves. It means that contact between the clean metal layers and plastic flow proceed. As a result, a strong joined state can be realized between the terminal ring and the metal lead portion.
[0014]
When forming the alloying layer as described above, it is preferable to make the constituent metal of the metal lead portion softer than the constituent metal of the terminal ring in order to promote plastic flow by ultrasonic vibration, and thus alloying. Is desirable. As an example, a combination in which the terminal ring is a metal mainly composed of Fe and the metal lead portion is a metal mainly composed of Ni can be exemplified.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of the glow plug of the present invention together with its internal structure. FIG. 2 is an enlarged view of the main part. The glow plug 50 includes a ceramic heater 1 and a metal shell 4 that holds the ceramic heater 1. The ceramic heater 1 has a rod-like form, and a resistance heating element 11 is embedded in the front end portion 2 thereof.
Moreover, the 1st heater terminal 12a for supplying with electricity to the resistance heating element 11 is exposedly formed by the own rear end part outer peripheral surface. The metal shell 4 is formed in a cylindrical shape that coaxially covers the outside of the ceramic heater 1, and the front end portion of the inner peripheral surface in the direction of the axis O serves as a heater holding surface 4 a. Then, the ceramic heater 1 is held by the heater holding surface 4a indirectly through the cylindrical second terminal ring 3 which is another member and in a form in which the tip portion 2 protrudes (accordingly, It is the inner peripheral surface of the second terminal ring 3 that directly holds the ceramic heater 1). Further, a ring arrangement gap G is formed between the outer peripheral surface of the rear end portion of the ceramic heater 1 and the inner peripheral surface of the metal shell 4 on the rear side of the heater holding surface 4a.
[0016]
Next, the outer peripheral surface of the metal shell 4 is formed with a screw portion 5 as an attachment portion for fixing the glow plug 50 to an engine block (not shown), and a metal shaft 6 is attached to the rear end portion. . The outer metal shaft 6 has a rod shape and is inserted in the direction of the axis O inside the rear end of the metal shell 4, and its front end surface 6 f faces the rear end surface 2 r of the ceramic heater 1 in the direction of the axis O. Are arranged in the form of On the other hand, on the outer peripheral surface of the rear end portion of the ceramic heater 1 in the ring arrangement gap G, a metal first terminal ring 14 electrically connected to the first heater terminal 12a covers the first heater terminal 12a in an interference fit state. It is attached as follows. The metal shaft 6 and the first heater terminal 12 a are electrically connected by a metal lead portion 17 having one end coupled to the first terminal ring 14 and the other end coupled to the metal shaft 6.
[0017]
On the outer peripheral surface of the ceramic heater 1, a second heater terminal 12b for energizing the resistance heating element 11 is exposed and formed in front of the first heater terminal 12a in the axis O direction. The cylindrical second terminal ring 3 that covers the second heater terminal 12b and is electrically connected to the second heater terminal 12b projects the rear end of the ceramic heater 1 toward the rear side of the ceramic heater 1. It is attached to the outer peripheral surface with an interference fit. The metal shell 4 is attached to the outer peripheral surface of the second terminal ring 3 on a cylindrical heater holding surface 4a.
[0018]
The ceramic protruded rearward from the second terminal ring 3 by using the second terminal ring 3 interposed between the heater holding surface 4a of the metal shell 4 and the outer peripheral surface of the ceramic heater 1 as a spacer. The ring arrangement gap G can be formed in an appropriate amount between the outer peripheral surface of the rear end portion of the heater 1 and the inner peripheral surface on the rear side of the heater holding surface 4a of the metal shell 4. By using the ring arrangement gap G, the first terminal ring 14 can be arranged at the rear end portion of the ceramic heater 1. Since the metal lead portion 17 may be attached to the first terminal ring 14 by metal / metal bonding, the metal / ceramic brazing structure or the complicated bonding that requires man-hours such as embedded bonding of the metal lead portion 17 to the ceramic heater 1 is required. The structure is eliminated and it can be manufactured at low cost. Further, since the first terminal ring 14 is fitted to the ceramic heater 1 by interference fitting, the brazing material layer is not interposed as in the conventional structure by brazing, and the coaxiality between the metal shaft 6 and the first terminal ring 14 is increased. Easy to secure. Thereby, it becomes difficult to produce a shift | offset | difference etc. in the joining surface of the metal lead part 17, and the metal shaft 6 or the 1st terminal ring 14, and a favorable and high intensity | strength joining part can be formed by extension.
[0019]
In the present embodiment, the metal shell 4 is also attached to the outer peripheral surface of the second terminal ring 3 in a tight fit state on the heater holding surface 4a. Thereby, the assembly process of the glow plug 50 can be further simplified. Further, the fitting surface (heater holding surface 4 a) of the metal shell 4 with respect to the second terminal ring 3 overlaps with the fitting surface of the second terminal ring 3 and the ceramic heater 1. The tightness of the metal shell 4 is superimposed on the tightness of the terminal ring 3, and the tightness of the fitting between the second terminal ring 3 and the ceramic heater 1 can be further enhanced.
[0020]
As shown in FIG. 6, the terminal rings 14 and 3 are assembled to the ceramic heater 1 by pressing the individual terminal rings 14 or 3 into the ceramic heater 1 while being inserted in the axial direction from the end portion. be able to. Note that shrink fitting may be used instead of press-fitting. Of these, the first terminal ring 14 only needs to have a binding force sufficient to ensure electrical continuity with the first heater terminal 12a. On the other hand, for the second terminal ring 3, in addition to ensuring conduction with the second heater terminal 12b, it is necessary to ensure airtightness on the fitting surface, and therefore a tighter binding force than that of the first terminal ring 14 is required. It is done. In any case, it is important that a necessary and sufficient binding force is secured not only at room temperature but also at the time of temperature rise of the ceramic heater 1 in which thermal expansion occurs in each part. In general, when ceramic and metal are compared, except for special alloys such as invar, metal has a higher coefficient of linear expansion, and terminal rings 14 and 3 tend to loosen tightly when the temperature rises.
[0021]
In this case, although the level of the binding force secured at the time of temperature rise varies depending on the material of the ring and the thickness t, as shown in FIG. 4, the first terminal ring 14 or the second terminal ring 3 is connected from the ceramic heater 1. In the disassembled state, the inner diameter of the first terminal ring 14 is d1, and the outer diameter of the ceramic heater 1 at the position where the first heater terminal 12a is formed in the disassembled state is d2. The post-decomposition fastening allowance of the ring 14 is a value at room temperature in this specification) is 8 μm or more and 2% or less of the outer diameter of the ceramic heater 1 at the mounting position of the first terminal ring 14. It is desirable that the range is adjusted. In the disassembled state in which the second terminal ring 3 is removed from the ceramic heater 1, d2′−d1 ′ (hereinafter referred to as the second terminal ring 3), where the inner diameter of the second terminal ring 3 is d1 ′ and the outer diameter of the ceramic heater 1 is d2 ′. Similarly, the tightening allowance after disassembly of the two-terminal ring 3 (which means a value in a room temperature state in this specification) is also 8 μm or more, and the outer diameter of the ceramic heater 1 at the mounting position of the second terminal ring 3 It is desirable to adjust to a range of 2% or less.
[0022]
The post-disassembly tightening allowance can be regarded as a parameter reflecting the elastic return amount of the rings 14 and 3 when removed from the ceramic heater 1, that is, the elastic binding force to the ceramic heater 1 by the rings 14 and 3. If the tightening allowance after decomposition is less than 8 μm, the required tight force cannot be secured when the temperature of the ring 3 or 4 rises to the above temperature range. For example, an increase in contact resistance with the first heater terminal 12a in the first terminal ring 14 and an increase in contact resistance with the first heater terminal 12b and a decrease in hermeticity are concrete in the second terminal ring 3. It will lead to occur as a malfunction. On the other hand, if the tightening allowance after disassembly exceeds 100 μm, an excessive tight force acts on the ceramic heater 1 and may lead to the occurrence of cracks, cracks, and the like. In addition, when the thickness of the rings 3 and 14 is small, the amount of plastic deformation of the rings themselves increases, so that it may be essentially impossible to set the allowance after disassembly to 100 μm or more. Note that the post-decomposition tightening allowance d2-d1 or d2′-d1 ′ is more preferably adjusted to a range of 15 to 40 μm. Further, even if the tightening value after disassembly is the same, it is more advantageous that the ring thickness is larger from the viewpoint of increasing the value of the elastic binding force.
[0023]
As a material for the first terminal ring 14 and the second terminal ring 3, it is desirable to use an Fe-based alloy having a certain level of hardness and heat resistance in consideration of the balance between high temperature strength and material cost. In particular, in order to increase the tightening allowance after disassembly and ensure a sufficient elastic binding force, the Vickers hardness (measured at a load of 10 N by a method prescribed in JIS: Z2244 (1998)) Hv is 170 or more ( The use of an Fe-based alloy (preferably 350 or more) is recommended. As such an Fe-based alloy, stainless steel, for example, precipitation hardening stainless steel such as SUS630 or SUS631 can be suitably used. SUS630 can be age-precipitated and hardened by heat treatment of any of H900, H1025, H1075 or H1105 specified in JIS G4303 (1988). On the other hand, SUS631 can be age precipitation hardened by heat treatment of TH1050 or RH950 of the same standard, and both can ensure Hv350 or more. Moreover, although it is slightly inferior in terms of hardness, ferritic stainless steel such as SUS430 can also be used.
[0024]
Next, as shown in FIG. 2, the metal lead portion 17 is arranged in a bent shape between the metal shaft 6 and the first terminal ring 14. Thereby, even when a heating / cooling cycle is applied due to heat generated by the ceramic heater 1, the metal lead portion 17 can absorb expansion / contraction at the bent portion, and thus the metal lead portion 17 and the first terminal ring 14. It is possible to prevent the occurrence of problems such as contact failure and disconnection due to excessive stress concentration at the joint portion. Further, in order to easily and firmly join the metal lead portion 17 and the metal shaft 6, the joining end portion of the metal lead portion 17 with the metal shaft 6 is planar with respect to the outer peripheral surface tip portion of the metal shaft 6. It is connected with the joint surface. For example, when the metal lead portion 17 and the metal shaft 6 are joined by resistance welding, making the joining surface flat makes it possible to apply a pressure force during resistance welding evenly and form a weld joint with few defects. This is also advantageous.
[0025]
On the other hand, the metal lead portion 17 is welded to the outer peripheral surface of the first terminal ring 14 at the front end portion thereof. In the present invention, for example, ultrasonic welding described later is employed as a welding method with a small temperature rise during joining. As a result, as shown in FIG. 3, the welded joint between the metal lead portion 17 and the terminal ring 14 is connected to the metal lead portion 17 side from the joint interface between the metal lead portion 17 and the terminal ring 14. An alloying layer of the constituent metal component 17 and the constituent metal component (ring constituent component) of the terminal ring 14 is formed. In the alloyed layer, the concentration of the ring constituent component is closer to the side closer to the bonding interface than the far side. Also, the density inversion region S that is relatively high is formed to be distinguishable. In other words, in the cross section crossing the bonding interface, the first region P in which the concentration of the ring component has a maximum value and the second region (concentration inversion region) S in which the concentration value is a minimum value are alternately formed in the bonding direction. A concentration distribution is formed.
[0026]
As shown in FIG. 7A, welding of the metal lead portion 17 to the first terminal ring 14 is performed by press-fitting the first terminal ring 14 into the ceramic heater 1 and then fitting the first terminal ring 14 to the first terminal ring 14. The process of welding the metal lead part 17 to 14 can be adopted.
If the metal first terminal ring 14 has a large amount of heat input during welding, the yield point of the material is lowered due to the temperature rise, and the elastic strain of the ring generated at the time of interference fitting is converted into a plastic deformation strain. Power may be lost. However, by suppressing the heat input during welding by adopting ultrasonic welding, it is possible to effectively suppress the decrease in the elastic binding force as described above.
[0027]
On the other hand, as shown in FIG. 7B, after the metal lead portion 17 is welded to the first terminal ring 14, a process of fitting the first terminal ring 14 to the ceramic heater 1 can be used. In this case, the influence of welding is essentially not exerted on the tight binding force. In addition, as a result of suppressing the thermal stress remaining in the welded joint, even if a new stress is applied when the terminal ring is fitted, defects such as cracks are unlikely to occur in the welded joint.
[0028]
Next, the ceramic heater 1 is configured as a rod-shaped ceramic heater element in which a resistance heating element 11 is embedded in a ceramic base 13 made of an insulating ceramic. In this embodiment, the ceramic heater 1 is configured such that a ceramic resistor 10 made of conductive ceramic is embedded in a ceramic base 13 made of insulating ceramic. The ceramic resistor 10 is made of a first conductive ceramic disposed at the tip portion of the ceramic heater 1, and a first resistor portion 11 that functions as a resistance heating element and a rear side of the first resistor portion 11, respectively. The ceramic heater 1 is arranged so as to extend in the direction of the axis O, and the tip portion is joined to both end portions in the energizing direction of the first resistor portion 11 and has a lower resistivity than the first conductive ceramic. And a pair of second resistor portions 12 and 12 made of two conductive ceramics. The pair of second resistor portions 12 and 12 of the ceramic resistor 10 are formed with branch portions at different positions in the axis O direction, and these branch portions are exposed to the surface of the ceramic heater 1. However, the first heater terminal 12a and the second heater terminal 12b are respectively formed.
[0029]
Note that the energization of the resistance heating element 11 can also be performed through embedded lead wires 18 and 19 made of a refractory metal wire such as W embedded in the ceramic substrate 13 as shown in FIG. In this case, the first heater terminal is formed as the exposed lead 18 and the second heater terminal is formed as the exposed portions 18 a and 19 a of the embedded lead 19.
[0030]
Next, in this embodiment, a silicon nitride ceramic is adopted as the insulating ceramic constituting the ceramic base 13. The structure of the silicon nitride ceramic is such that main phase particles mainly composed of silicon nitride (Si 3 N 4 ) are bonded by a grain boundary phase derived from a sintering aid component described later. The main phase may be one in which a part of Si or N is substituted with Al or O, or may be one in which metal atoms such as Li, Ca, Mg, and Y are dissolved in the phase. .
[0031]
In the silicon nitride ceramic, at least one selected from the group of elements 3A, 4A, 5A, 3B (for example Al) and 4B (for example Si) in the periodic table and Mg is used as the cation element. It can be made to contain 1-10 mass% in conversion of an oxide in content in the whole body. These components are mainly added in the form of oxides, and are contained in the sintered body mainly in the form of complex oxides such as oxides or silicates. When the sintering aid component is less than 1% by mass, it is difficult to obtain a dense sintered body, and when it exceeds 10% by mass, the strength, toughness or heat resistance is insufficient. The content of the sintering aid component is desirably 2 to 8% by mass. When a rare earth component is used as the sintering aid component, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu can be used. Among these, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb can be suitably used because they promote the crystallization of the grain boundary phase and improve the high temperature strength.
[0032]
Next, the first resistor portion 11 and the second resistor portions 12 and 12 constituting the ceramic resistor 10 are made of conductive ceramics having different electric resistivity as described above. The method for making the electrical resistivity of the two conductive ceramics different from each other is not particularly limited. For example,
(1) A method in which the same kind of conductive ceramic phase is used and the contents thereof are different from each other;
(2) A method of using different types of conductive ceramic phases having different electric resistivity;
Method by combination of (3) (1) and (2);
In this embodiment, the method (1) is adopted.
[0033]
As the conductive ceramic phase, for example, well-known materials such as tungsten carbide (WC), molybdenum disilicide (MoSi 2 ), and tungsten disilicide (WSi 2 ) can be employed. In this embodiment, WC is adopted. In order to reduce the difference in coefficient of linear expansion from the ceramic substrate 13 and increase the thermal shock resistance, an insulating ceramic phase, which is the main component of the ceramic substrate 13, here, a silicon nitride ceramic phase can be blended. Therefore, by changing the content ratio between the insulating ceramic phase and the conductive ceramic phase, the electrical resistivity of the conductive ceramic constituting the resistor portion can be adjusted to a desired value.
[0034]
Specifically, in the first conductive ceramic that is the material of the first resistor portion 11 that forms the resistance heating portion, the content of the conductive ceramic phase is 10 to 25% by volume, and the remainder is the insulating ceramic phase. Is good. If the content of the conductive ceramic phase exceeds 25% by volume, the conductivity becomes too high and a sufficient calorific value cannot be expected. If the content is less than 10% by volume, the conductivity becomes too low, and similarly the calorific value. Cannot be secured sufficiently.
[0035]
On the other hand, the second resistor parts 12 and 12 serve as a conduction path to the first resistor part 11, and the second conductive ceramic as the material has a content of the conductive ceramic phase of 15 to 30 volumes. %, The balance should be an insulating ceramic phase. If the content of the conductive ceramic phase exceeds 30% by volume, densification by firing becomes difficult and the strength tends to be insufficient, and even if the temperature reaches the normal temperature range for preheating the engine, the electrical resistivity is reduced. In some cases, the rise is insufficient, and the self-saturation function for stabilizing the current density cannot be realized. On the other hand, if it is less than 15% by volume, heat generation in the second resistor portions 12 and 12 becomes too large, leading to deterioration in heat generation efficiency of the first resistor portion 11. In the present embodiment, the content of WC in the first conductive ceramic is 16% by volume (55% by mass), and the content of WC in the second conductive ceramic is 20% by volume (70% by mass) (the balance). Both are silicon nitride ceramics (including sintering aids).
[0036]
In the present embodiment, the ceramic resistor 10 is arranged such that the first resistor portion 11 is U-shaped and the bottom of the U-shape is located on the tip side of the ceramic heater 1. These are rod-like portions that are substantially parallel to each other and extend backward from the both end portions of the U-shaped first resistor portion 11 along the direction of the axis O, respectively.
[0037]
In the ceramic resistor 10, the first resistor portion 11 has a diameter smaller than that of both end portions 11 b and 11 b in order to concentrate current on the end portion 11 a that should be at the highest temperature during operation. And the joining surface 15 with the 2nd resistor part 12 and 12 is formed in the both ends 11b and 11b which became larger diameter than the front-end | tip part 11a.
[0038]
As shown in FIG. 10, in the structure in which the buried lead wires 18 and 19 are arranged in the ceramic, when a heater driving voltage is applied at a high temperature, the metal atoms constituting the buried lead wire 112 are subjected to the electric field. In some cases, it is consumed by a so-called electromigration effect that is forcedly diffused to the ceramic side under the electrochemical driving force due to the gradient, and breakage or the like is likely to occur. However, since the embedded lead wire is abolished in the configuration of FIG. 2, there is an advantage that it is hardly affected by the electromigration effect.
[0039]
Next, as shown in FIG. 1, the metal shaft 6 for supplying electric power to the ceramic heater 1 is disposed in an insulated state from the metal shell 4 inside the rear end portion of the metal shell 4 as described above. Yes. In the present embodiment, the ceramic ring 31 is disposed between the rear end side outer peripheral surface of the metal shaft 6 and the inner peripheral surface of the metal shell 4, and the glass filling layer 32 is formed and fixed on the rear side thereof. . A ring-side engagement portion 31a is formed on the outer peripheral surface of the ceramic ring 31 in the form of a large diameter portion, and a metal fitting formed in the shape of a circumferential step near the rear end of the inner peripheral surface of the metal shell 4 By engaging with the side engaging portion 4e, it is prevented from slipping forward in the axial direction. Moreover, the outer peripheral surface part which contacts the glass filling layer 32 of the metal axis | shaft 6 is uneven | corrugated by knurling etc. (area | region which shaded in the figure). Further, the rear end portion of the metal shaft 6 extends rearward of the metal shell 4, and the terminal metal fitting 7 is fitted into the extended portion via an insulating bush 8. The terminal fitting 7 is fixed in a conductive state to the outer peripheral surface of the metal shaft 6 by a caulking portion 9 in the circumferential direction.
[0040]
The glow plug 50 is attached to the diesel engine so that the tip 2 of the ceramic heater 1 is positioned in the combustion chamber at the attachment 5 of the metal shell 4. And by connecting the terminal fitting 7 to the power source, the metal shaft 6 → the metal lead portion 17 → the first terminal ring 14 → the ceramic heater 1 → the second terminal ring 3 → the metal fitting 4 → (grounded through the engine block) In this order, current flows, the tip 2 of the ceramic heater 1 generates heat, and the combustion chamber can be preheated.
[0041]
Hereinafter, a method for manufacturing the glow plug 50 will be described.
First, as shown in FIG. 5A, a resistor powder molding portion 34 to be the ceramic resistor 10 is formed by injection molding. Moreover, the division | segmentation preforming bodies 36 and 37 as a base-molding body formed in the upper-lower separate body are prepared by carrying out the die press molding of the raw material powder for forming the ceramic base | substrate 13 previously. A concave portion 37a having a shape corresponding to the resistor powder molding portion 34 (a concave portion on the side of the divided preform body 36 is not shown in the drawing) is formed on the mating surfaces of the divided preforms 36 and 37. The resistor powder molding portion 34 is accommodated here, and the divided preforms 36 and 37 are fitted on the mating surfaces, and further pressed and compressed to integrate them as shown in FIG. 5 (b). A composite molded body 39 is produced.
[0042]
The composite molded body 39 thus obtained is subjected to a binder removal treatment, and then fired at 1700 ° C. or higher, for example, around about 1800 ° C. by a hot press or the like to obtain a fired body, and the outer peripheral surface is polished into a cylindrical shape. 1 is obtained. Then, as shown in FIG. 6, the first terminal ring 14 and the second terminal ring 3 are tightly fitted to the ceramic heater 1 by press fitting, for example.
[0043]
Further, the metal lead portion 17 is joined to the first terminal ring 14 by ultrasonic welding. As described above, this joining sequence may be either after assembly of the first terminal ring 14 to the ceramic heater 1 or before assembly. Ultrasonic welding can be performed using, for example, a commercially available ultrasonic welding machine (for example, trade name: USW-610Z20S, etc. (Ultrasonic Industry Co., Ltd.). The first terminal ring 14 as a welded joining member is placed on a cradle (not shown), and the metal lead portion 17 is overlaid on the outer peripheral surface of the first terminal ring 14. On the other hand, the tip of the vibration arm 50 connected to an ultrasonic oscillator (not shown). Then, the vibrator 51 is attached to the metal lead portion 17 with a constant load P, and the vibrating arm 50 is ultrasonically vibrated with an amplitude A and a frequency Q in this state, thereby The joint surfaces of the terminal ring 14 and the metal lead part 17 are firmly joined by solid phase joining via plastic flow.
[0044]
Then, in the region on the metal lead portion side of the welded joint, based on the plastic flow due to the mechanical vibration at this time, as shown in FIG. 3, the first region P in which the concentration of the ring constituent component shows the maximum value, and the minimum An alloyed layer having a concentration distribution structure in which second regions (concentration inversion regions) S showing values are alternately formed is formed. As a result, a strong bonding state is formed between the terminal ring 14 and the metal lead portion 7. The thickness of the alloying layer is preferably 10 μm or more at the position where the thickness is maximum, from the viewpoint of sufficiently securing the bonding strength.
[0045]
In order to obtain a good bonding state, it is necessary that the kinetic energy of the ultrasonic vibration is efficiently converted into the energy of relative movement along the bonding surface between the first terminal ring 14 and the metal lead portion 17. For this purpose, the follow-up mobility of the metal lead portion 17 accompanying the vibration of the vibrator 51 is improved. Specifically, an uneven portion such as a knurled pattern is formed on the tip surface of the vibrator 51, and the uneven portion is made of metal. It is effective to perform welding in a state where the lead portion 17 is bitten by pressurization. In this case, as shown in FIG. 9, the biting pattern 17a of the uneven portion is transferred to the metal lead portion 17 after welding.
[0046]
For example, when the first terminal ring 14 is made of an Fe-based material, for example, stainless steel, the metal lead portion 17 has a relatively high Ni content or a relatively high Ni content. When a high Fe-based alloy (for example, Invar or the like containing 20 to 50% by mass of Ni: the above is collectively referred to as Ni-containing metal), Fe in stainless steel and Ni in the metal lead portion 17 are used. Since the affinity is high, the strength of the obtained ultrasonic welded joint can be increased. In this case, the pressing force P at the time of ultrasonic welding is suitably 5 to 50 kg. Further, the frequency Q of the ultrasonic vibration is suitably 19 to 100 kHz, and the amplitude A is suitably 10 to 25 μm. The excitation time is suitably about 0.02 to 2 seconds.
[0047]
【Example】
Hereinafter, experimental results performed to confirm the effects of the present invention will be described.
First, the ceramic heater 1 having the form shown in FIG. 1 was produced by the method described above. However, the length of the ceramic heater 1 is 40 mm, the outer diameter is 3.5 mm, the thickness of the second resistor portions 12 and 12 is 1 mm, and the first heater terminal 12a and the second heater terminal 12b are each of a diameter. A circular area of 0.8 mm was used.
[0048]
On the other hand, the 1st terminal ring 14 and the 2nd terminal ring 3 were produced using above-mentioned SUS630 (H900 age-hardening processed goods: Hv = about 400). The wall thickness of the first terminal ring 14 is 0.5 mm, and its inner diameter d1i is such that the outer diameter before assembly to the ceramic heater 1 is d2i and the initial tightening allowance defined by d2i-d1i is 50 μm. I prepared the adjusted one. On the other hand, the wall thickness of the second terminal ring 3 was 0.85 mm, and the inner diameter d1i ′ was fixedly set so that the initial tightening margin defined in the same manner as the first terminal ring 14 was 50 μm.
[0049]
And said 1st terminal ring 14 and 2nd terminal ring 3 were assembled | attached to the predetermined position of the ceramic heater 1 by press injection. At the time of press-fitting, an appropriate amount of lubricant (Paskin M30 (trade name: Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) is applied to the inner surface of each ring, and after the press-fitting, the lubricant is decomposed at 300 ° C. The first terminal ring was ultrasonically welded as a metal lead portion 17 with a pure Ni wire having a wire diameter of 0.8 mm (the joining end portion was flattened by pressing) under the following conditions;
・ Ultrasonic frequency: 19 kHz
・ Ultrasonic output: 600W
・ Excitation time: 0.1 second ・ Amplitude: 25 μm
-Pushing force: 25 kg.
On the other hand, for comparison, a test product in which the metal lead portion 17 was joined to the first terminal ring 14 by resistance welding was also produced.
[0050]
The series resistance value between the first terminal ring 14 and the second terminal ring 3 at various temperatures from room temperature (20 ° C.) to 400 ° C. was measured using the above-described test product. The result is shown in FIG. According to this, the resistance value of the comparative example product using resistance welding rapidly increases in the temperature range of 300 ° C. or higher, while that of the ultrasonic welding method does not show such a rapid increase in resistance value. It can be seen that a good conduction state is maintained even at high temperatures. Moreover, after said resistance measurement was complete | finished, the 1st terminal ring 14 was removed from the ceramic heater 1, and the above-mentioned after-disassembly interference was measured. As a result, the comparative product using resistance welding had a post-decomposition tightening margin close to zero, while that using ultrasonic welding was able to secure a post-decomposition tightening margin of 17 μm. all right.
[0051]
FIG. 12 shows an EPMA in which a weld joint portion between the first terminal ring 14 and the metal lead portion 17 is cut and polished in a direction perpendicular to the joint interface, and the Fe concentration distribution is incorporated in a scanning electron microscope (SEM). The two-dimensional mapping image which was surface-analyzed by (Electron Probe Micro Analyzer) is shown, (a) is an ultrasonic welded product, (b) is a resistance welded product. The white area in the image means that the Fe concentration is higher. In either case, an alloying layer in which the Fe concentration decreases in a direction away from the joint interface toward the metal lead portion side is formed. In the ultrasonic welded product of (a), the Fe concentration in the direction away from the joint interface. As a result of a large fluctuation, a striped shading pattern is seen. This is considered to be caused by plastic flow due to ultrasonic vibration, and in the direction away from the bonding interface, the first region where the Fe concentration is maximized (the white portion) and the second region where it is minimized The density inversion area: the black part) is clearly identified. On the other hand, in the resistance welded product (b), a uniform gradation pattern in which the Fe concentration monotonously decreases is formed on the metal lead portion side from the joint interface, and the first region and the second region are not distinguished. This is considered to be because the Fe component of the first terminal ring 14 was thermally diffused toward the metal lead portion 17 side according to Fick's law.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a glow plug of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the main part of FIG.
FIG. 3 is a conceptual explanatory diagram of an alloying layer formed in a welded joint.
FIG. 4 is a diagram for explaining a part used for calculating a post-disassembly tightening allowance.
FIG. 5 is an explanatory view of a manufacturing process of the glow plug of FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram following FIG. 5;
FIG. 7 is an explanatory diagram following FIG. 6;
FIG. 8 is an explanatory diagram of ultrasonic welding processes.
FIG. 9 is a view for explaining the external features of an ultrasonic weld.
10 is a longitudinal sectional view of an essential part showing a modification of the glow plug of FIG. 1. FIG.
FIG. 11 is a graph showing experimental results of Examples.
FIG. 12 is a two-dimensional mapping image of Fe concentration when an EPMA surface analysis is performed on a cross section of a joint between a terminal ring and a metal lead by ultrasonic welding and resistance welding.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic heater 2 Front-end | tip part 3 Second terminal ring 4 Main metal fitting 4a Heater holding surface 10 Ceramic resistor 11 First resistor part (resistance heating element)
12, 12 Second resistor portion 12a First heater terminal 12b Second heater terminal 14 First terminal ring (terminal ring)
17 Metal lead 50 Glow plug

Claims (7)

棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体(11)が埋設され、また、前記抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子(12a)が外周面に露出形成されたセラミックヒータ(1)と、
前記ヒータ端子(12a)を覆う形で前記セラミックヒータ(1)の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、前記ヒータ端子(12a)と導通する金属製の端子リング(14)と、
前記端子リング(14)の表面に超音波溶接部を介して溶接された金属リード部(17)と、
を備えたことを特徴とするグロープラグ。
A ceramic heater (1) having a rod-like shape and having a resistance heating element (11) embedded therein, and a heater terminal (12a) for energizing the resistance heating element exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring (14) that is electrically connected to the heater terminal (12a) by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater (1) so as to cover the heater terminal (12a).
A metal lead (17) welded to the surface of the terminal ring (14) via an ultrasonic weld;
Glow plug characterized by having.
棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体(11)が埋設され、また、前記抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子(12a)が外周面に露出形成されたセラミックヒータ(1)と、
前記ヒータ端子(12a)を覆う形で前記セラミックヒータ(1)の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、前記ヒータ端子(12a)と導通する金属製の端子リング(14)と、
前記端子リング(14)の表面に溶接された金属リード部(17)とを備え
前記金属リード部(17)と前記端子リング(14)との溶接接合部には、該金属リード部(17)と端子リング(14)との接合界面から前記金属リード部(17)側に、該金属リード部(17)の構成金属成分と前記端子リング(14)の構成金属成分(以下、リング構成成分という)との合金化層が形成されており、前記接合界面を横切る断面において、前記リングの構成成分の濃度が極大値を示す第一領域Pと、極小値を示す第二領域(濃度反転領域)Sとが、前記溶接接合の方向に交互に形成された濃度分布が形成されていることを特徴とするグロープラグ。
A ceramic heater (1) having a rod-like shape and having a resistance heating element (11) embedded therein, and a heater terminal (12a) for energizing the resistance heating element exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring (14) that is electrically connected to the heater terminal (12a) by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater (1) so as to cover the heater terminal (12a).
A metal lead portion (17) welded to the surface of the terminal ring (14), and the metal lead portion (17) at a welded joint between the metal lead portion (17) and the terminal ring (14). From the joint interface between the terminal ring (14) and the metal lead portion (17), the metal component of the metal lead portion (17) and the metal component of the terminal ring (14) (hereinafter referred to as ring component) And a second region (concentration reversal region) in which the concentration of the constituent components of the ring exhibits a maximum value and a second region (concentration inversion region) in which the concentration is minimum. A glow plug characterized in that a concentration distribution is formed in which S and C are alternately formed in the direction of the welding joint .
前記断面において、最も厚くなる位置における前記合金化層の厚みが10μm以上である請求項2記載のグロープラグ(50)。The glow plug (50) according to claim 2, wherein the thickness of the alloying layer at the thickest position in the cross section is 10 µm or more. 前記端子リング(14)がステンレス鋼により構成され、前記金属リード部(17)がNiを主成分とする金属により構成されている請求項1ないし3のいずれか1項に記載のグロープラグ(50)。The glow plug (50) according to any one of claims 1 to 3, wherein the terminal ring (14) is made of stainless steel, and the metal lead portion (17) is made of a metal mainly composed of Ni. ). 棒状の形態を有するとともに抵抗発熱体(11)が埋設され、また、前記抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子(12a)が外周面に露出形成されたセラミックヒータ(1)と、
前記ヒータ端子(12a)を覆う形で前記セラミックヒータ(1)の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられることにより、前記ヒータ端子(12a)と導通する金属製の端子リング(14)と、
前記端子リング(14)の表面に溶接される金属リード部(17)と、
を備えたグロープラグの製造するために、
前記金属リード部(17)と前記端子リング(14)との溶接接合部を超音波溶接により形成することを特徴とするグロープラグ(50)の製造方法。
A ceramic heater (1) having a rod-like shape and having a resistance heating element (11) embedded therein, and a heater terminal (12a) for energizing the resistance heating element exposed on the outer peripheral surface;
A metal terminal ring (14) that is electrically connected to the heater terminal (12a) by being attached to the outer peripheral surface of the ceramic heater (1) so as to cover the heater terminal (12a).
A metal lead portion (17) welded to the surface of the terminal ring (14);
To manufacture glow plugs with
A method for manufacturing a glow plug (50), wherein a weld joint between the metal lead portion (17) and the terminal ring (14) is formed by ultrasonic welding.
前記端子リング(14)を前記セラミックヒータ(1)に締まり嵌め嵌合させた後、その端子リング(14)に前記金属リード部(17)を超音波溶接する請求項5記載のグロープラグ(50)の製造方法。The glow plug (50) according to claim 5, wherein after the terminal ring (14) is tightly fitted to the ceramic heater (1), the metal lead portion (17) is ultrasonically welded to the terminal ring (14). ) Manufacturing method. 前記端子リング(14)に前記金属リード部(17)を超音波溶接した後、その端子リング(14)を前記セラミックヒータ(1)に締まり嵌め嵌合させる請求項5記載のグロープラグ(50)の製造方法。The glow plug (50) according to claim 5, wherein after the metal lead portion (17) is ultrasonically welded to the terminal ring (14), the terminal ring (14) is tightly fitted to the ceramic heater (1). Manufacturing method.
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