JP5027536B2 - セラミックヒータ及びグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、グロープラグ等の着火源等に用いられるセラミックヒータ、及び、これを用いたグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの予熱用に使用されるグロープラグは、近年、特に急速昇温可能なものの需要が増加している。例えば、１１Ｖの印加で２〜３秒程度で１０００℃に到達する程の昇温性能が求められている。このような要求を満たすために、例えば特許文献１〜３では、導電性のセラミックである窒化珪素−炭化タングステン複合焼結体により、先端部（発熱部）が高抵抗で、リード部が低抵抗な発熱抵抗体を形成している。

特開２００２−２０３６６５号公報 特開２００２−２２０２８５号公報 特開２００２−２８９３２７号公報

しかしながら、例えば特許文献２に記載されているように、低抵抗化のために炭化タングステンの含有量を増加させると、それに比例して窒化珪素−炭化タングステン複合焼結体からなる発熱抵抗体の熱膨張係数も大きくなるため、窒化珪素質焼結体からなる絶縁基体との熱膨張係数の差も大きくなる。このため、その製造過程や使用過程において、大きな熱応力を受けることとなり、発熱抵抗体と絶縁基体との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が起こりやすくなる。

また、急速昇温を実現するために、発熱抵抗体は、先端の発熱部を細くし、リード部を太くする構造としている。それ故、径大化されたリード部では、製造過程や使用過程で掛かる熱応力も大きくなるため、発熱抵抗体と絶縁基体との界面で隙間が生じる等の不具合が起こりやすい。また、リード部を導電性セラミックで構成するオールセラミックヒータは、タングステンリード線の代替としてリード部が導電性セラミックで形成されるため、タングステンリード線を使用するヒータに比して発熱抵抗体の全長が長くなる。このために、製造過程や使用過程でこの発熱抵抗体に掛かる熱応力も大きくなりがちである。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、製造過程や使用過程において発熱抵抗体と絶縁基体との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が起こりにくいセラミックヒータ及びこれを用いた信頼性の高いグロープラグを提供することを目的とする。

このために、軸線方向に延びる形態をなし、通電により自身の先端部が発熱するセラミックヒータであって、絶縁性のセラミックからなり、前記軸線方向に延びる形態をなす絶縁基体と、導電性のセラミックからなり、前記絶縁基体に埋設されてなる発熱抵抗体と、を備え、前記発熱抵抗体は、前記絶縁基体の先端部に埋設され、基端側から先端側に延び、方向転換した後、再び基端側に延びる形態をなし、通電により発熱する発熱部と、この発熱部の基端にそれぞれ接続し、前記軸線方向の基端側に延びる形態をなす一対のリード部と、この一対のリード部にそれぞれ接続すると共に、径方向外側に延びて外部に露出してなる一対のリード取出部と、を含み、前記軸線方向に直交する前記セラミックヒータの断面のうち、前記リード部が存在する任意の断面において、前記セラミックヒータの断面積をＳａとし、一対の前記リード部の断面積の合計をＳ１としたときに、式 Ｓ１≧０．１５Ｓａを満たしてなるセラミックヒータとするのも好ましい。

絶縁性のセラミックからなる絶縁基体と導電性のセラミックからなる発熱抵抗体とでは、熱膨張係数が異なるため、セラミックヒータの製造過程や使用過程において熱応力が掛かることにより、絶縁基体と発熱抵抗体との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が発生しやすい。
これに対し、セラミックヒータの断面積をＳａとし、一対のリード部の断面積の合計をＳ１としたときに、リード部の合計断面積Ｓ１を小さく、具体的には０．３４Ｓａ以下、更には０．２５Ｓａ以下とすることにより、絶縁基体と発熱抵抗体との界面に掛かる応力を小さくできる。

一方、リード部の合計断面積Ｓ１が０．１５Ｓａ未満となると、発熱抵抗体のリード部が細くなり過ぎるために、発熱抵抗体（リード部）自身の強度が低下し、クラック等が発生するおそれが増大する。
これに対し、上述のセラミックヒータでは、リード部の合計断面積Ｓ１を、０．１５Ｓａ以上と大きくしているので、発熱抵抗体のリード部を十分な太さとし、リード部自身の強度を高く保つことができるので、リード部にクラック等が発生することを抑制できる。

「発熱抵抗体」は、導電性セラミックからなるものであればよく、例えば導電成分と絶縁成分とから構成される導電性のセラミックが挙げられる。導電成分としては、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ等から選ばれる１種類以上の金属元素の珪化物、炭化物、窒化物等が挙げられる。また、絶縁成分としては、例えば窒化珪素が挙げられる。
また、「絶縁基体」は、絶縁性のセラミックからなるものであればよく、例えば窒化珪素質焼結体が挙げられる。この窒化珪素質焼成体としては、窒化珪素のみからなるものでもよいし、窒化珪素を主成分とし、これに少量の窒化アルミニウム、アルミナ等が含有されるものでもよい。

そしてその解決手段は、軸線方向に延びる形態をなし、通電により自身の先端部が発熱するセラミックヒータであって、絶縁性のセラミックからなり、前記軸線方向に延びる形態をなす絶縁基体と、導電性のセラミックからなり、前記絶縁基体に埋設されてなる発熱抵抗体と、を備え、前記発熱抵抗体は、前記絶縁基体の先端部に埋設され、基端側から先端側に延び、方向転換した後、再び基端側に延びる形態をなし、通電により発熱する発熱部と、この発熱部の基端にそれぞれ接続し、前記軸線方向の基端側に延びる形態をなす一対のリード部と、この一対のリード部にそれぞれ接続すると共に、径方向外側に延びて外部に露出してなる一対のリード取出部と、を含み、前記軸線方向に直交する前記セラミックヒータの断面が円状、楕円状または長円状を有する形態をなし、前記断面のうち、前記リード部が存在する任意の断面において、この断面の中心を通る仮想直線のうち、この仮想直線に沿って測った一対の前記リード部同士の間隙が最小となる線分を含む仮想直線を最小仮想直線として、この最小仮想直線と一方の前記リード部の周縁とが交わる点のうち前記中心側の点をＡ点とし、この最小仮想直線と他方の前記リード部の周縁とが交わる点のうち前記中心側の点をＥ点とし、この断面の中心を中心とし、この断面の長径の２分の１の直径を有する仮想円を描いて、この仮想円と一方の前記リード部の周縁とが交わる点をＢ点及びＣ点とし、この仮想円と他方の前記リード部の周縁とが交わる点をＦ点及びＧ点としたときに、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βが、共に１６０度以上１７５度以下であるセラミックヒータである。

線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角αまたは線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βが、１６０度未満である場合、製造過程や使用過程で、絶縁基体と発熱抵抗体（リード部）との界面のうち、特にＡ点、Ｅ点付近に応力が集中しやすくなる。このため、Ａ点、Ｅ点付近において、発熱抵抗体と絶縁基体との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が起こりやすくなる。
一方、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角αまたは線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βが、１７５度を超える場合、焼成前の発熱抵抗体を射出成形する際、発熱抵抗体の型抜きが困難になるおそれがある。

これに対し、本発明では、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βを１６０度以上としているので、Ａ点、Ｅ点付近に応力が集中することを抑制できる。従って、絶縁基体とリード部との界面、特にＡ点、Ｅ点付近において隙間が生じる等の不具合を、効果的に防止できる。
また、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βを１７５度以下としているので、焼成前の発熱抵抗体を射出成形する際に、発熱抵抗体の型抜きを確実に行うことができる。

更に、上記のセラミックヒータであって、前記軸線方向に直交する前記セラミックヒータの断面のうち、前記リード部が存在する任意の断面において、前記セラミックヒータの断面積をＳａとし、一対の前記リード部の断面積の合計をＳ１としたときに、式 Ｓ１≧０．１５Ｓａを満たしてなるセラミックヒータとすると良い。

前述したように、リード部の合計断面積Ｓ１が０．１５Ｓａ未満となると、発熱抵抗体のリード部が細くなり過ぎるために、発熱抵抗体（リード部）自身の強度が低下し、クラック等が発生するおそれが増大する。
これに対し、本発明では、リード部の合計断面積Ｓ１を、０．１５Ｓａ以上と大きくしているので、発熱抵抗体のリード部を十分な太さとし、リード部自身の強度を高く保つことができるので、リード部にクラック等が発生することを抑制できる。

また、他の解決手段は、上記のセラミックヒータを備えるグロープラグである。

本発明のグロープラグでは、前述したように使用過程で絶縁基体と発熱抵抗体との界面に隙間が生じる等の不具合が起こりにくいセラミックヒータを用いるので、信頼性の高いグロープラグとすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に本実施形態のグロープラグ１００の縦断面図を示す。また、図２に本実施形態のセラミックヒータ１１０の縦断面図を示す。更に、図３及び図４にセラミックヒータ１１０の軸線ＡＸ方向に直交する断面のうち、リード部１１７，１１７が存在する部分の断面（図２のＡ−Ａ断面）を示す。

このグロープラグ１００は、軸線ＡＸ方向に延びる形態をなし、セラミックからなるセラミックヒータ１１０と、このセラミックヒータ１１０の基端側を覆って保持する筒状の主体金具１５０とを備える。セラミックヒータ１１０は、後述するように、使用過程で発熱抵抗体１１５と絶縁基体１１１との界面に隙間が生じる等の不具合が起こりにくくされているので、このグロープラグ１００は信頼性が高い。

セラミックヒータ１１０は、固定筒１２０を介して主体金具１５０の貫通孔１５０ｈ内に保持されると共に、通電により発熱する先端部１１０ｓ側が主体金具１５０の先端部１５０ｓから突出している。セラミックヒータ１１０は、図２に示すように、軸線ＡＸ方向に延びる円柱状で先端（図２中、下端）が半球状に丸められた絶縁基体１１１と、この絶縁基体１１１の内部に軸線ＡＸ方向に沿って埋設された発熱抵抗体１１５とを有する。
絶縁基体１１１は、絶縁性のセラミックである窒化珪素質焼結体により形成されており、直径Ｄが３．３ｍｍ、軸線ＡＸ方向の長さが４２ｍｍである。また、この絶縁基体１１１の室温における熱膨張係数は３．２ｐｐｍ／℃である。

発熱抵抗体１１５は、導電性のセラミックである窒化珪素−炭化タングステン複合焼結体により形成されており、発熱部１１６と一対のリード部１１７，１１７と一対のリード取出部１１８ａ，１１８ｂとからなる。この発熱抵抗体１１５の軸線ＡＸ方向の全長Ｌは、４０．０ｍｍである。また、この発熱抵抗体１１５に含まれる窒化珪素粒子の平均粒径は、０．６μｍである。また、この発熱抵抗体１１５の室温における熱膨張係数は３．８ｐｐｍ／℃である。このため、絶縁基体１１１と発熱抵抗体１１５との室温における熱膨張係数の差は、０．６ｐｐｍ／℃である。
このうち発熱部１１６は、図２中の破線ＢＬよりも先端側（下方）の部分であり、絶縁基体１１１の先端部１１１ｓに埋設され、基端側（図２中、上方）から先端側（図２中、下方）に延び、方向転換した後、再び基端側に延びる形態をなし、通電により高温に発熱する。この発熱部１１６は、高抵抗とするため、リード部１１７，１１７よりも細く形成されている。

次に、リード部１１７，１１７について説明する。リード部１１７，１１７は、発熱部１１６の基端１１６ｋ，１１６ｋにそれぞれ接続し、軸線ＡＸ方向の基端側に同じ太さ（同じ断面積）で延びる形態をなす。リード部１１７，１１７は、低抵抗とするため、発熱部１１６よりも太く形成されている。図３に示す、図２におけるＡ−Ａ断面（軸線ＡＸ方向に直交する断面）から判るように、リード部１１７，１１７は、その断面が概略楕円形状であり、絶縁基体１１１の中心ｇを含む仮想の直線ｔｌに対して、互いに対向する対称形をなす。

このセラミックヒータ１１０の断面全体の面積Ｓａは、８．５５ｍｍ² である。一方、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１は、１．６８ｍｍ² である。従って、このセラミックヒータ１１０は、Ｓ１＝０．２０Ｓａであるから、式 Ｓ１≦０．３４Ｓａを満たし、更には、式 Ｓ１≦０．２５Ｓａを満たしている。一方、このセラミックヒータ１１０は、式 Ｓ１≧０．１５Ｓａも満たしている。

前述したように、絶縁基体１１１（熱膨張係数３．２ｐｐｍ／℃）と発熱抵抗体１１５（熱膨張係数３．８ｐｐｍ／℃）とでは、室温における熱膨張係数の差が０．６ｐｐｍ／℃以上であるため、セラミックヒータ１１０の製造過程や使用過程において熱応力が掛かることにより、絶縁基体１１１と発熱抵抗体１１５との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が発生しやすい。

しかし、本実施形態では、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１を、式 Ｓ１≦０．３４Ｓａ、更には、式 Ｓ１≦０．２５Ｓａを満たすように小さくしている。このようにリード部１１７，１１７の断面積Ｓ１を小さくすることにより、製造過程や使用過程で絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面に掛かる応力が小さくなる。従って、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面において、従来よりも両者間に隙間が生じる等の不具合が起こりにくくなる。
その一方で、本実施形態では、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１を、式 Ｓ１≧０．１５Ｓａを満たすようにしているので、製造過程や使用過程で発熱抵抗体１１５（リード部１１７）自体にクラック等が発生してしまうことを抑制でき、良好な発熱抵抗体とすることができる。

また、このセラミックヒータ１１０の断面において、この断面の中心ｇを通る仮想直線のうち、この仮想直線に沿って測った一対のリード部１１７，１１７同士の間隙が最小となる線分を含む仮想直線を最小仮想直線ｋｌとする。そして、この最小仮想直線ｋｌ上における、一対のリード部１１７，１１７同士の間隙をａ、一対のリード部１１７，１１７のそれぞれの寸法をｂ，ｃとする。本実施形態では、この間隙ａ（絶縁基体１１１のうちリード部１１７，１１７に挟まれた部分１１１ｍの最小厚み）は、０．４３ｍｍである（ａ＝０．４３ｍｍ）。また、各リード部１１７，１１７の寸法ｂ，ｃは、共に１．００ｍｍである（ｂ＝ｃ＝１．００ｍｍ）。また、絶縁基体１１１のうち、リード部１１７，１１７の径方向外側に位置しリード部１１７，１１７を覆う部分１１１ｎ，１１１ｎの肉厚（最小仮想直線ｋｌ上における肉厚）ｄ，ｅは、共に０．４３５ｍｍである（ｄ＝ｅ＝０．４３５ｍｍ）。

また、このセラミックヒータ１１０の断面において、別途図４に示すように、最小仮想直線ｋｌと一方（図中、左側）のリード部１１７の周縁１１７ｙとが交わる点のうち中心ｇ側の点をＡ点とし、最小仮想直線ｋｌと他方（図中、右側）のリード部１１７の周縁１１７ｙとが交わる点のうち中心ｇ側の点をＥ点とする。また、この断面において、この断面の中心ｇを中心とし、この断面の直径Ｄ（３．３ｍｍ）の２分の１の直径ＤＫ（１．６５ｍｍ）を有する仮想円ｋｃを描く。そして、この仮想円ｋｃと一方（図中、左側）のリード部１１７の周縁１１７ｙとが交わる点をＢ点及びＣ点とし、この仮想円ｋｃと他方（図中、右側）のリード部１７の周縁１１７ｙとが交わる点をＦ点及びＧ点とする。更に、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角をαとし、線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角をβとする。本実施形態のセラミックヒータ１１０では、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α、及び、線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βは、共に１６０度以上１７５度以下（具体的にはそれぞれ１７０度）となる。

線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角αまたは線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βが、１６０度未満である場合、製造過程や使用過程で、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面のうち、特にＡ点、Ｅ点付近に応力が集中しやすくなる。このため、Ａ点、Ｅ点付近において、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合が起こりやすくなる。一方、角αまたは角βが、１７５度を超える場合、後述するように焼成前（未焼成）の発熱抵抗体１１５を射出成形する際、発熱抵抗体１１５の型抜きが困難になるおそれがある。

これに対し本実施形態では、角α及び角βを１６０度以上としているので、Ａ点、Ｅ点付近に応力が集中することを抑制できる。従って、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面、特にＡ点、Ｅ点付近において隙間が生じる等の不具合を、効果的に防止できる。また、角α及び角βを１７５度以下としているので、後述するように焼成前の発熱抵抗体１１５を射出成形する際に、発熱抵抗体１１５の型抜きを確実に行うことができる。

次に、リード取出部１１８ａ，１１８ｂについて説明する（図２参照）。リード取出部１１８ａ，１１８ｂは、一対のリード部１１７，１１７にそれぞれ接続すると共に、径方向外側に延びて外部に露出している。リード取出部１１８ａ，１１８ｂ同士は、軸線ＡＸ方向に見て、互いに５ｍｍの間隙Ｋをあけて配設されている。先端側（図１、図２中、下方）に位置する一方のリード取出部１１８ａは、固定筒１２０を介して主体金具１５０に電気的に接続している。一方、基端側（図１、図２中、上方）に位置する他方のリード取出部１１８ｂは、後述するように、リードコイル１５３を介して通電端子１５１に電気的に接続している。

（実施例）
本実施形態の効果を検証するために、本発明に係る実施例１〜１１として、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１を０．１５Ｓａ〜０．３４Ｓａの範囲で異ならせると共に、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βを異ならせて、１１種類のセラミックヒータ１１０を製造した。具体的には、表１に示すように、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１を、０．１５Ｓａ、０．２５Ｓａ、０．３０Ｓａ、０．３４Ｓａ（なお、Ｓａは前述の値と同様で８．５５ｍｍ² ）とした。また、角α及び角βを、１４０度、１５０度、１６０度、１７０度、１７５度とした。
なお、各々のセラミックヒータ１１０のリード部１１７，１１７同士の間隙ａは１．０ｍｍとした。

そして、各々のセラミックヒータ１１０について、通電耐久試験を行った。具体的には、この通電耐久試験は、室温下において、直流電源をセラミックヒータ１１０に接続し、セラミックヒータ１１０の表面温度が２秒間で１４５０℃に達するように電圧を調整して印加・加熱し、その後、３０秒間の空冷により室温まで冷却する。これを１サイクルとして、発熱抵抗体１１５が破損するまでのサイクル数を測定した。

その結果、通電耐久試験において、角α及び角βをそれぞれ１７０度とした実施例１，３，６及び１０では、断面積Ｓ１を０．１５Ｓａ〜０．３４Ｓａの範囲で変更しているが（具体的には、実施例１ではＳ１＝０．１５Ｓａ、実施例３ではＳ１＝０．２５Ｓａ、実施例６ではＳ１＝０．３０Ｓａ、実施例１０ではＳ１＝０．３４Ｓａ）、いずれも通電耐久性が良好であった。具体的には、通電耐久試験のサイクル数は、実施例１では５５１２８サイクル、実施例３では２８０５６サイクル、実施例６では１９５２０サイクル、実施例１０では１７５０３サイクルであった。

なお、実施例１がとりわけ良好な結果を示していることは、断面積Ｓ１がこの４サンプル中、最も小さく残留応力が最も小さいためであると推測される。また、発熱抵抗体１１５の成形において容易に作成し得る範囲内で、角α及び角βの角度をそれぞれ１７５度と大きくした実施例１１では、通電耐久試験のサイクル数が１９０８７と、同じ断面積Ｓ１を有する実施例１０に比して、更に良好な結果が得られた。

ここで、角α及び角βがそれぞれ１７０度である場合における通電耐久試験の結果を評価基準とする。そして、それぞれ同一の断面積Ｓ１を有するサンプルにおいて、角α及び角βの角度が１７０度の場合に対し通電耐久性がどの程度であったかを示したものが、表中の「通電耐久比」である。
この通電耐久比によると、角α及び角βをそれぞれ１６０度とした実施例５及び９では、基準（１７０度のもの）に対して８割程度の通電耐久性を保持していた。これに対し、角α及び角βをそれぞれ１４０度とした実施例２，４及び７、並びに、角α及び角βをそれぞれ１５０度とした実施例８では、基準に対して大幅に通電耐久性が低下してしまっている。このことから、角α及び角βは成形上問題のない範囲で大きくすることが好ましいが、その下限値は通電耐久性の観点から１６０度以上であると良いことが確認される。
なお、断面積Ｓ１が０．２５Ｓａ、角α及び角βがそれぞれ１４０度である実施例２が、実施例４及び７に比較して通電耐久比の低下度合いが著しいのは、この角α及び角βが通電耐久性に与える影響度が断面積Ｓ１の小さいものに対してより顕著である傾向を示すものである。

これらの結果から、リード部１１７，１１７の合計断面積Ｓ１を、０．１５Ｓａ≦Ｓ１≦０．３４Ｓａとすることにより、更に好ましくは、０．１５Ｓａ≦Ｓ１≦０．２５Ｓａとすることにより、通電耐久性試験において、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合を効果的に抑制できることが判る。
また、角α及び角βを１６０度以上１７５度以下とすることにより、通電耐久性試験において、絶縁基体１１１とリード部１１７，１１７との界面で両者間に隙間が生じる等の不具合を効果的に抑制できることが判る。

次に、グロープラグ１００のその他の部分について説明する（図１参照）。セラミックヒータ１１０の外周には、筒状の固定筒１２０が装着され、ロウ材により固着されている。そして、この固定筒１２０は、主体金具１５０の貫通孔１５０ｈに挿入されて、ロウ材により固着されている。

筒状の主体金具１５０には、棒状の通電端子１５１が挿通されている。この通電端子１５１の先端部１５１ｓと、上述のセラミックヒータ１１０の基端部１１０ｋとは、リードコイル１５３を介して、電気的に接続されている。具体的には、リードコイル１５３が、通電端子１５１の先端部１５１に巻き付いた状態で溶接されると共に、セラミックヒータ１１０の基端部１１０ｋに巻き付き、この基端部１１０ｋに設けられたリード取出部１１８ｂ（図２参照）に接触した状態で、溶接されている。一方、通電端子１５１の基端側部分は、主体金具１５０内を通って主体金具１５０の基端部１５０ｋから基端側（図中上側）に突出している。この突出した部分の外周には雄ネジが螺刻されて、雄ねじ部１５１ｎを形成している。

主体金具１５０の基端部１５０ｋは、グロープラグ１００をディーゼルエンジンに取り付けるに際して、トルクレンチ等の工具を係合させるための六角断面形状の工具係合部１５０ｒとされている。また、そのすぐ先端側には、取付用ねじ部１５０ｔが形成されている。また、主体金具１５０の基端部１５０ｋには、貫通孔１５０ｈに座ぐり部１５０ｚが形成され、ここに通電端子１５１が挿通したゴム製のＯリング１６１とナイロン製の絶縁ブッシュ１６３とがはめ込まれている。そして更にその基端側には、この絶縁ブッシュ１６３の脱落を防止するための押さえリング１６５が装着されている。この押さえリング１６５は、その外周に加締めることにより通電端子１５１に固定されている。また、通電端子１５１の押さえリング１６５に対応する部分は、加締め結合力を高めるため、その外周面にローレット加工が施されたローレット部１５１ｒとされている。押さえリング１６５の基端側には、ナット１６７が螺合されている。このナット１６７は、図示しない通電用のケーブルを通電端子１５１に固定するためのものである。

このようなグロープラグ１００は、主体金具１５０の取付用ねじ部１５０ｔを利用して、図示しないディーゼルエンジンのシリンダヘッドに形成した取付孔に取り付けられる。これにより、セラミックヒータ１１０の先端部１１０ｓ側が、エンジンの燃焼室内に配置される。この状態で、通電端子１５１に車載のバッテリを電源として電圧を印加すると、通電端子１５１から、リードコイル１５３、一方のリード取出部１１８ｂ、一方のリード部１１７、発熱部１１６、他方のリード部１１７、他方のリード取出部１１８ａ及び主体金具１５０を通じて電流が流れる。これにより、発熱部１１６が存在するセラミックヒータ１１０の先端部１１０ｓが急速に昇温する。セラミックヒータ１１０の先端側が所定の温度まで加熱された状態において、図示しない燃料噴霧装置のノズルから燃料を噴霧することで、燃料の着火が補助され、燃料の燃焼により、ディーゼルエンジンが始動する。

上述したセラミックヒータ１１０及びグロープラグ１００は、公知の手法により製造することができる。
セラミックヒータ１１０は、次のようにして製造する。即ち、窒化珪素原料粉末８８質量部に、焼結助剤としてＹｂ₂Ｏ₃ 粉末１０質量部及びＳｉＯ₂ 粉末２質量部を配合して、絶縁成分用原料とする。この絶縁成分用原料４０質量％と導電性セラミックであるＷＣ粉末６０質量％とを７２時間湿式混合した後、乾燥させ、混合粉末を得る。その後、この混合粉末とバインダとを混練機に投入し、４時間混練する。次に、得られた混練物を裁断してペレット状とする。次に、発熱抵抗体１１５に対応したＵ字形状のキャビティを有する射出成形用金型に対して、射出成形機により上記のペレット状とした混練物を射出し、導電性セラミックからなる未焼成発熱抵抗体を得る。

この際、前述したリード部１１７，１１７の断面における線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角αまたは線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角β（図４参照）が、１７５度を超える場合、発熱抵抗体１１５の型抜きが困難になるおそれがある。しかし、本実施形態では、角α及び角βを１７５度以下（具体的には１７０度）としているので、発熱抵抗体１１５の型抜きを確実に行うことができる。

また一方で、窒化珪素原料粉末８６質量部に、焼結助剤としてＹｂ₂Ｏ₃ 粉末１１質量部、ＳｉＯ₂ 粉末３質量部及びＭｏＳｉ2粉末５質量部を配合し、４０時間湿式混合したものをスプレードライヤ法によって造粒し、この造粒物を圧粉した２個の半割型を用意する。なお、この２個の半割型は、完成後の絶縁基体１１１を、その軸線ＡＸと略平行な断面により２分割したときの、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割面に相当する部分に、上記未焼成発熱抵抗体に対応した形状の凹部が形成されている。そして、この凹部に未焼成発熱抵抗体を収容し、２個の半割型を型合わせすると共に、その状態で加圧して一体化し、未焼成のセラミックヒータを得る。

次に、この未焼成のセラミックヒータを窒素雰囲気下、６００℃で仮焼して、射出成形による未焼成発熱抵抗体、絶縁基体となる未焼成体からバインダ等を除去し、仮焼体を得る。その後、この仮焼体を黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、２９．４ＭＰａで加圧しながら１８００℃で１．５時間ホットプレス焼成し、焼成体を得る。そして、焼成体の表面（外面）にセンタレス研磨加工を施せば、セラミックヒータ１１０が完成する。

グロープラグ１００は、次のようにして製造する。即ち、まず、上記のセラミックヒータ１１０と通電端子１５１とをリードコイル１５３を介して接続する。また、セラミックヒータ１１０に固定筒１２０を装着して、ロウ材により両者を固着する。その後、主体金具１５０を用意し、主体金具１５０貫通孔１０５ｈ内にセラミックヒータ１１０、通電端子１５１及び固定筒１１０を挿入し、主体金具１５０と固定筒１２０とをロウ材により固着する。その後は、主体金具１５０の基端部１５０ｋに形成された座ぐり部１５０ｚに、Ｏリング１６１をはめ込み、更に絶縁ブッシュ１６３をはめ込む。そして更に、押さえリング１６５を加締めて装着する。また、ナット１６７を所定位置に固定すれば、グロープラグ１００が完成する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態に係るグロープラグの縦断面図である。 実施形態に係るセラミックヒータの縦断面図である。 実施形態に係るセラミックヒータのうち、図２のＡ−Ａ断面図である。 実施形態に係るセラミックヒータのうち、線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βについて示す、図２のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１００ グロープラグ
１１０ セラミックヒータ
１１０ｓ （セラミックヒータの）先端部
１１０ｋ （セラミックヒータの）基端部
１１１ 絶縁基体
１１１ｓ （絶縁基体の）先端部
１１５ 発熱抵抗体
１１６ 発熱部
１１６ｋ （発熱部の）基端
１１７ リード部
１１８ａ，１１８ｂ リード取出部
１２０ 固定筒
１５０ 主体金具
１５１ 通電端子
ＡＸ 軸線
Ｌ （発熱抵抗体の軸線方向の）全長
Ｋ （リード取出部同士の軸線方向の）間隙
Ｄ 絶縁基体の直径
ｇ 中心
ｋｌ 最小仮想直線
ａ （リード部同士の）間隙
ｂ，ｃ （リード部の並び方向における、リード部の）寸法
ｄ，ｅ （絶縁基体のうちリード部を覆う部分の）肉厚

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる形態をなし、通電により自身の先端部が発熱するセラミックヒータであって、
   絶縁性のセラミックからなり、前記軸線方向に延びる形態をなす絶縁基体と、
   導電性のセラミックからなり、前記絶縁基体に埋設されてなる発熱抵抗体と、
   を備え、
   前記発熱抵抗体は、
   前記絶縁基体の先端部に埋設され、基端側から先端側に延び、方向転換した後、再び基端側に延びる形態をなし、通電により発熱する発熱部と、
   この発熱部の基端にそれぞれ接続し、前記軸線方向の基端側に延びる形態をなす一対のリード部と、
   この一対のリード部にそれぞれ接続すると共に、径方向外側に延びて外部に露出してなる一対のリード取出部と、を含み、
   前記軸線方向に直交する前記セラミックヒータの断面が円状、楕円状または長円状を有する形態をなし、
   前記断面のうち、前記リード部が存在する任意の断面において、
   この断面の中心を通る仮想直線のうち、この仮想直線に沿って測った一対の前記リード部同士の間隙が最小となる線分を含む仮想直線を最小仮想直線として、
   この最小仮想直線と一方の前記リード部の周縁とが交わる点のうち前記中心側の点をＡ点とし、
   この最小仮想直線と他方の前記リード部の周縁とが交わる点のうち前記中心側の点をＥ点とし、
   この断面の中心を中心とし、この断面の長径の２分の１の直径を有する仮想円を描いて、
   この仮想円と一方の前記リード部の周縁とが交わる点をＢ点及びＣ点とし、
   この仮想円と他方の前記リード部の周縁とが交わる点をＦ点及びＧ点としたときに、 線分ＡＢと線分ＡＣとのなす角α及び線分ＥＦと線分ＥＧとのなす角βが、共に１６０度以上１７５度以下である
   セラミックヒータ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータを備えるグロープラグ。

Images