JP4672910B2

JP4672910B2 - グロープラグの製造方法

Info

Publication number: JP4672910B2
Application number: JP2001173276A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; 信行堀田; 啓之鈴木; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002364845A

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の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン予熱用の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とを介して行われる。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号公報あるいは特開２０００−３５６３４３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。また、セラミックヒータの他方の端子を、金属外筒を介して主体金具に接続し、グロープラグが取り付けられるエンジンブロックを介して接地する構造も多く採用されているが、この金属外筒もまた、ろう付けによりセラミックヒータに接合されている。
【０００３】
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あるいは金属外筒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。そこで、特開２０００−３５６３４３号公報には、セラミックヒータの接地側端子への金属外筒の組付けを焼き嵌めにより行なう方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックヒータと金属外筒との組み付けを、例えば圧入嵌合により行う場合、セラミックヒータの金属外筒への圧入がスムーズに行えることが重要である。
圧入による嵌合方法においては、セラミックヒータの外径と金属外筒の内径との径差、いわゆる締め代が重要なパラメータとなる。締め代には、各々の部材を組み付ける前に測定される初期締め代と、一旦組み付けたのちに分解して測定される分解後締め代がある。なかでも、分解後締め代に関して言えば、部材の弾性変形量に大きく関与していると考えられる。すなわち、分解後締め代が小さすぎる場合には、緊束力が不足して十分な接合強度が得られない。
【０００５】
分解後締め代を十分に確保するためには、各々を組み付ける前に測定される初期締め代を大きくすればよいように思われる。ところが、初期締め代を大きくすればするほどセラミックヒータの金属外筒への圧入がスムーズに行えなくなる。すなわち、圧入荷重が増大してセラミックヒータに割れ、クラック等が生じてしまう。
【０００６】
本発明の課題は、セラミックヒータと金属外筒との圧入嵌合をスムーズに行えるグロープラグの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【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製造方法は、
自身の内部に抵抗発熱体が埋設された棒状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの外周面に取り付けられた金属外筒と、その金属外筒を保持する主体金具とを備えたグロープラグの製造方法であって、
金属外筒の軸線方向における少なくとも一方の端部内周面に、開口端に向かうほど軸線方向において拡径するテーパ面を形成し、
該テーパ面の形成されている側から、金属外筒へセラミックヒータを圧入して嵌合させることを特徴とする。
【０００８】
同じく課題を解決するために、本発明のグロープラグの製造方法は、
自身の内部に抵抗発熱体が埋設された棒状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの外周面に取り付けられた金属外筒と、その金属外筒を保持する主体金具とを備えたグロープラグの製造方法であって、
金属外筒の軸線方向における少なくとも一方の端部に、軸線方向においてこれと隣接する部分よりも肉厚を減じた薄肉部を形成し、
薄肉部が形成されている側から、金属外筒へセラミックヒータを圧入して嵌合させることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明のグロープラグの製造方法は、いずれにおいてもセラミックヒータと金属外筒との組み付けを圧入により行うものである。上記した製造方法の前者において、圧入時には金属外筒の内側に形成されたテーパ面をセラミックヒータが徐々に滑り移動していくので、金属外筒の軸線とセラミックヒータの軸線とを一致させることが容易となり、圧入をスムーズに行える。すなわち、圧入時の荷重を減ずることができる。圧入荷重を減じることができれば、セラミックヒータに割れやクラックが生じる恐れも少なくなり、ひいては金属外筒とセラミックヒータとが確実に接合され、気密性の保たれたグロープラグを実現できる。
【００１０】
後者においては、端部に肉厚を減じた薄肉部を形成し、この薄肉部の形成されている側からヒータを圧入するものである。この薄肉部は、セラミックヒータを金属外筒に圧入する際、金属外筒の内径が拡大する方向に弾性的あるいは塑性的に変形するので、金属外筒の軸線に対するセラミックヒータの軸線の傾きをある程度修正する作用があり、直線的かつスムーズな圧入に寄与する。圧入がスムーズに行えれば、割れやクラックの発生を防止できる。また、テーパ面と薄肉部とを併せて形成してヒータの圧入を行えば、相乗的な効果が期待できる。
【００１１】
【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とこれを保持する金属外筒３、及びこれに結合された主体金具４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。金属外筒３は筒状に形成され、セラミックヒータ１を、後端部及び先端部２をそれぞれ軸線Ｏ方向において突出させる形で自身の内側に保持する。主体金具４は、金属外筒３に同軸的に結合される筒状に形成されている。
【００１２】
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６５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、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。金属リード部１７はこの端子リング１４に金属／金属接合により取り付けられるので、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、端子リング１４をセラミックヒータ１に締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。
【００１３】
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金属外筒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の外周面に圧入嵌合により取り付けられている。
【００１４】
上記の構成によると、主体金具４とセラミックヒータ１との間に介挿された金属外筒３をスペーサとすることで、該金属外筒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適度な隙間を形成することができる。これにより、セラミックヒータ１の後端部に端子リング１４を配置することが一層容易となる。
【００１５】
なお、図８に示すように、主体金具４と金属外筒３（図中破線部に相当）とを兼用した構成を採用することも可能である。金属外筒３を、主体金具４と一体に形成することにより、セラミックヒータ１を主体金具４に直接圧入できる。この場合、部品点数を少なくできるという点において有利である。
【００１６】
次に、主体金具４と金属外筒３との組み付け形態については、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の先端側開口内縁と金属外筒３の外周面とを全周レーザー溶接する形で固定するようにしてもよいが、本実施形態では、主体金具４もヒータ保持面４ａにおいて、金属外筒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の金属外筒３に対する嵌合面（ヒータ保持面４ａ）が、金属外筒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に対する金属外筒３の緊束力に主体金具４の緊束力が重畳され、金属外筒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。
【００１７】
セラミックヒータ１への端子リング１４及び金属外筒３の組み付けは、例えば図５に示すように、端子リング１４あるいは金属外筒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。このうち、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、金属外筒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、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及び金属外筒３は昇温時には緊束力が緩みやすくなる傾向にある。
【００１８】
この場合、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６に示すように、セラミックヒータ１から端子リング１４あるいは金属外筒３を取り外した分解状態において、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、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以上であって端子リング１４の取付位置におけるヒータ本体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。
【００１９】
また、セラミックヒータ１から金属外筒３を取り外した分解状態にて測定される金属外筒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、そのｄ２’−ｄ１’（以下、金属外筒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以上であって金属外筒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。
【００２０】
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端子リング１４及び金属外筒３の弾性復帰量、つまり、それら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、前記温度範囲に金属外筒３あるいは端子リング１４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、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、金属外筒３においては第二ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗の増大が、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、第一端子リング１４あるいは金属外筒３の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％（例えば、該外径が３．５ｍｍの場合、７０μｍ）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、金属外筒３，端子リング１４の肉厚が小さい場合は、それら自体の塑性変形量が増加するため、分解後締め代を上記上限値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。
【００２１】
端子リング１４及び金属外筒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、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。例えば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。
【００２２】
なお、より高い耐熱性を確保し、また、高温での緊束力低下をさらに抑制することが要求される場合には、鉄基超耐熱合金（例えばインコロイ９０９（インコ社の商品名））の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金（例えばワスパロイ（ユナイテッドテクノロジー社の商品名））の時効硬化品、あるいは非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５（インコ社の商品名））の加工硬化品等を使用することも可能である。ただし、これらの材質は高価であり、グロープラグの通常の使用環境であって、端子リング１４の到達温度が５０〜２００℃程度、金属外筒３の到達温度が５００〜７００℃程度である場合には、前記した析出硬化型ステンレス鋼など、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＮｂあるいはＡｌなど、マトリックス固溶強化あるいは析出物形成のために添加する合金元素の合計含有量が、５０質量％以下の範囲に制限されたＦｅ系合金にて構成することが望ましい。ただし、これらの合計含有量は、高温強度あるいは耐食性確保の観点から、２０質量％以上は添加されていることが望ましい。
【００２３】
また、図３（ａ）と、その部分拡大断面図とに示すように、軸線Ｏ方向における金属外筒３の端部内周面には、開口端に向かうほど拡径するかたちにてテーパ面３ｐが形成されている。そして、先に図６に示した通り、肉厚がｔ’である隣接部分（図６参照）よりも肉厚を減じた薄肉部３０が形成されている。金属外筒３の外周面部、あるいは内周面部に、この切り欠き部３ｋを形成することによって薄肉部３０を生じさせることができる。さらに、金属外筒３の内周面部を切り欠く（「面取りする」という概念を含む）ことによってもテーパ面３ｐが形成される場合がある。図３（ａ）に示す例において、薄肉部３０における内周面は、テーパ面３ｐを含んで形成されている。
【００２４】
セラミックヒータ１を金属外筒３に圧入する際には、テーパ面３ｐをセラミックヒータ１が徐々に滑り移動していくものであるから、セラミックヒータ１を金属外筒３に対して直線的に挿入でき、スムーズに圧入させることが可能となる。すなわち、圧入時の荷重を減ずることができるので、割れやクラックの発生を防止できる。なお、セラミックヒータ１の先端部２に、先端に向かうほど径小となる形態でテーパ面を設け、そのテーパ面に続く部分を球面状の丸め部とすれば（図示せず）、上記金属外筒３への圧入を一層容易に行える。
【００２５】
図３（ａ）の部分拡大断面図に示されるように、テーパ面３ｐは、金属外筒３の内側に凸のアール面、あるいは軸線Ｏに対して一定の角度傾斜した傾斜面（Ｃ面）とすることができる。また、切り欠き部３ｋによって切り取られた形の金属外筒３の外側部分は、概ね矩形形状とすることができる。コーナー３ｒには微小なアールを施すことが好ましい。さらに、この金属外筒３を主体金具４に取り付ける方法として圧入嵌合を採用できるので、その圧入をスムーズなものとするためにテーパ３ｇを設けるとよい。また、薄肉部３０の厚さは、隣接する厚肉部分の１５〜８０％に定めることができる。１５％を下回ると、強度が確保できなくなる恐れがある。他方、８０％を超えると、セラミックヒータ１を金属外筒３に圧入する際、この薄肉部３０が変形しにくくなり、圧入をスムーズに行えるようにする効果が期待できなくなるので好ましくない。いずれにせよ、薄肉部３０の軸線Ｏ方向への長さとともに、圧入荷重をなるべく減ずることができるように調整されるのがよい。
【００２６】
また、テーパ面３ｐを例えばアール面とする場合には、その曲率半径が０．２ｔ’〜２５ｔ’（ｔ’：金属外筒３の肉厚）となるように調整することが、あるいは傾斜角度を一定にした面取りを行う場合には、その面取り角度が軸線Ｏに対して６０°以下、面取り寸法が金属外筒３の肉厚ｔ’の２０％〜９０％程度となるように調整することが、テーパ面３ｐを形成する際の加工容易性、及ぼす効果の観点において望ましい。なお、本実施形態においてはテーパ面３ｐと切り欠き部３ｋとが同時に形成された形態を例示したが、図３（ｂ）あるいは図３（ｃ）に示すように、各々単独で設けることも可能である。
【００２７】
また、図３（ａ）に示すように、金属外筒３の外周面には、金属外筒３の軸線Ｏ方向における中心よりも該軸線Ｏ方向に関するいずれかの端部寄りに、周方向に鍔状に突出する凸条部３１を形成することができる。薄肉部３０は、該凸条部３１が形成されている側の端部に、その凸条部３１よりも肉厚を減じた部分として形成するとよい。この凸条部３１を治具で支持して、セラミックヒータ１を金属外筒３に圧入すれば、金属外筒３の軸線Ｏ方向への座屈変形を抑制できる。また、この凸条部３１の上面３２と、主体金具４の下端面とが接するように、あるいは凸条部３１の周面３３と、主体金具４のヒータ保持面４ａとが接するように金属外筒３と主体金具４とを圧入嵌合させることができる。また、この凸条部３１において、金属外筒３と主体金具４とをレーザー溶接、電子ビーム溶接等の方法により全周溶接することも可能である。
【００２８】
次に、図２に示すように、金属リード部１７は、金属軸６と端子リング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。他方、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、欠陥の少ない溶接部を形成する上でも有利となる。
【００２９】
他方、金属リード部１７と端子リング１４との接合は、端子リング１４をセラミックヒータ１に圧入等により組み付ける際に邪魔とならないように、先に端子リング１４をセラミックヒータ１に組み付けておいてから、その組み付けられた端子リング１４の例えば外周面に金属リード部１７の末端部を接合することが望ましい。この場合、その接合方法としては、抵抗溶接を採用できる。
【００３０】
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。
【００３１】
なお、抵抗発熱体１１への通電は、例えば図７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。
【００３２】
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_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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
なお、図７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１８，１９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。
【００４１】
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。
【００４２】
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１７→端子リング１４→セラミックヒータ１→金属外筒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。
【００４３】
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４（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４（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。
【００４４】
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。一方、金属外筒３に対しては、前述したようにテーパ面３ｐ及び／又は薄肉部３０を形成する。そして、図５に示すように、それらの形成されている側から、金属外筒３へセラミックヒータ１を圧入して嵌合させるとともに、端子リング１４を圧入によりセラミックヒータ１に取り付け、さらに金属リード部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】
【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１．０ｍｍ、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。
【００４６】
他方、前記したＳＵＳ６３０（Ｈ９００時効硬化処理品：Ｈｖ＝約４００）を用い、上記セラミックヒータ１との初期締め代が、まず４０μｍとなるようにその内径を調整した金属外筒３を作製した。この金属外筒３の外径は５．２ｍｍとした。
【００４７】
上記初期締め代に調整された金属外筒３に、図１１に示す通りに、圧入側の端部に加工を施した本発明の実施例１〜３に相当する金属外筒３を作製した。実施例１における面取り寸法はＣ０．３ｍｍとした。実施例２は、金属外筒３の外径が４．５ｍｍとなるように薄肉加工を施した。実施例３は、（実施例１＋実施例２）である。なお、金属外筒３の軸線Ｏ方向への長さは２０ｍｍとした。
【００４８】
そして、金属外筒３の内面に潤滑剤（パスキンＭ３０（商品名：共栄社化学（株）社）を適量塗布し、上記金属外筒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、圧入完了後にクラックが生じていないかＸ線検査を行った。
【００４９】
以上の実験を、各々の実施例及び比較例について、初期締め代が５０，６０，７０μｍ…に調整した金属外筒３を用い順次行い、クラックを発生させることなく圧入できた初期締め代を調べた。結果を図９に示す。グラフが高いほど好ましい例である。また、同様にして、素子折れ（破損・クラックの概念を含む）を発生させることなく圧入できた初期締め代を、各々の実施例及び比較例について調べた。結果を図１０に示す。
【００５０】
図９及び図１０からも明らかな通り、本発明の方法を採用すれば、初期締め代を大きくしてもセラミックヒータを金属外筒に確実に圧入できる。特に、実施例３の形態においては効果は絶大であり、初期締め代が比較例の２倍以上であってもクラック、割れを発生させることなくスムーズに圧入できた。
【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】金属外筒及びその端部における拡大断面図。
【図４】図１のグロープラグの製造工程の説明図。
【図５】図２に続く説明図。
【図６】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図７】図１のグロープラグの第一変形例を示す要部縦断面図。
【図８】同じく第二変形例を示す要部縦断面図。
【図９】圧入後のクラック発生判定結果を示すグラフ。
【図１０】圧入時の素子折れ判定結果を示すグラフ。
【図１１】実験の実施形態における金属外筒の模式図。
【符号の説明】
１セラミックヒータ
３金属外筒
４主体金具
１１発熱抵抗体
３０薄肉部
３１凸条部
５０グロープラグ
３ｐテーパ面
３ｋ切り欠き部
Ｏ軸線

Claims

自身の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設された棒状のセラミックヒータ（１）と、該セラミックヒータ（１）の外周面に取り付けられた金属外筒（３）と、その金属外筒（３）を保持する主体金具（４）とを備えたグロープラグ（５０）の製造方法であって、
前記金属外筒（３）の軸線（Ｏ）方向における少なくとも一方の端部内周面に、開口端に向かうほど前記軸線（Ｏ）方向において拡径するテーパ面（３ｐ）を形成し、
該テーパ面（３ｐ）の形成されている側から、前記金属外筒（３）へ前記セラミックヒータ（１）を圧入して嵌合させることを特徴とするグロープラグ（５０）の製造方法。
自身の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設された棒状のセラミックヒータ（１）と、該セラミックヒータ（１）の外周面に取り付けられた金属外筒（３）と、その金属外筒（３）を保持する主体金具（４）とを備えたグロープラグ（５０）の製造方法であって、
前記金属外筒（３）の軸線（Ｏ）方向における少なくとも一方の端部に、前記軸線（Ｏ）方向においてこれと隣接する部分よりも肉厚を減じた薄肉部（３０）を形成し、
該薄肉部（３０）が形成されている側から、前記金属外筒（３）へ前記セラミックヒータ（１）を圧入して嵌合させることを特徴とするグロープラグ（５０）の製造方法。