JP6668690B2

JP6668690B2 - セラミックグロープラグ

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Publication number: JP6668690B2
Application number: JP2015218522A
Authority: JP
Inventors: 石那田　貞次; 貞次石那田; 裕史中尾; 郁也安藤; 村井　博之; 博之村井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: JP2017089948A; DE102016121091A1; DE102016121091B4

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関における、燃料の圧縮着火を補助するセラミックグロープラグに関する。

グロープラグは、例えば、ディーゼルエンジンに形成されたプラグ取付孔に挿入されており、エンジンの冷間時における、圧縮着火を補助するために用いられる。また、セラミックグロープラグは、少なくとも、発熱抵抗体が埋設された棒状のセラミック基体と、セラミック基体の周囲に設けられた金属管により構成されている。セラミック基体の表面には、その内部の発熱抵抗体に通電をするために、発熱抵抗体の両端部に位置する一対の電極引出部が配置されている。

このような構造を有するセラミックグロープラグとしては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１においては、陰極を構成する第１の電極引出部はセラミック基体の側面に配置されており、陽極を構成する第２の電極引出部はセラミック基体の端面に配置されている。また、セラミック基体の側面における、第１の電極引出部にはメタライズ層を設け、メタライズ層を覆うようにセラミック基体の外側に金属管を設けて、ロウ材を介してメタライズ層と金属管とを接合している。また、メタライズ層は、第１の電極引出部に接合して形成された、活性金属を含む第１メタライズ層と、第１の電極引出部との接合部以外の部分に形成された、ガラスを含む第２メタライズ層とから構成されている。そして、セラミック基体及び第１の電極引出部との反応性及び密着性を高めることができる第１メタライズ層により、メタライズ層が第１の電極引出部から剥離することを抑制している。また、柔らかい材料であって高温時の応力発生を軽減できる第２メタライズ層により、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルによる金属管からセラミック基体へのダメージを抑制している。

特開２０１２−３３３４０号公報

しかしながら、特許文献１においては、セラミック基体における陰極を構成する第１の電極引出部が活性金属を含む第１メタライズ層によって金属管に接合されていることにより、次の課題が生じる。すなわち、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルによって金属管が膨張・収縮を繰り返す際には、金属管とセラミック基体との線膨張係数の差によって、金属管から第１メタライズ層と第２メタライズ層の両方に同等に熱応力が加わることになる。この時、ガラスを含む第２メタライズ層においては熱応力が吸収されたとしても、活性金属を含む第１メタライズ層においては熱応力が十分に吸収されず、金属管からセラミック基体に加わる熱応力によって、セラミック基体の第１メタライズ層の周辺が損傷するおそれがある。

また、特許文献１においては、セラミック基体における陽極を構成する第２の電極部は、ロウ付けのみによりロウ接合されている。そのため、特許文献１においては、第２の電極引出部を応力から保護するための特別な工夫はなされていない。特に、陽極を構成する第２の電極引出部をセラミック基体の側面に配置したい場合には、グロープラグをエンジンヘッドに形成されたプラグ取付孔に締結する際に生じる捩り応力、グロープラグ自体を組み付け固定する際に生じる捩り応力等から、陽極の周辺を如何にして保護することができるかが課題となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、陽極と陰極をセラミック基体の側面に配置し、陰極を金属管としてのスリーブに固定する場合において、セラミック基体における陽極の周辺と陰極の周辺の両方を応力から保護することができるセラミックグロープラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、棒状のセラミック基体（２１）、該セラミック基体に埋設されて通電によって発熱するヒータ素子（２２）、該ヒータ素子の一端に接続され、上記セラミック基体の基端部（２１１）における側面（２０１）に設けられた陽極（２３）、及び上記ヒータ素子の他端に接続され、上記セラミック基体の側面における、上記陽極よりも先端側に設けられた陰極（２４）を有するセラミックヒータ（２）と、
エンジンヘッド（１１）のプラグ取付孔（１２）内に締結されるハウジング（３２）と、
該ハウジングの先端側に連結されると共に、上記セラミックヒータの先端部（２１２）を露出させる状態で上記セラミックヒータの側面に装着され、かつ上記陰極と導通されたスリーブ（３１）と、
上記ハウジング内に挿通された通電端子（４）と、
上記セラミック基体の上記基端部の側面と上記通電端子の側面とに装着され、上記陽極と導通されたキャップ（５）と、を備え、
上記陽極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記キャップとは、上記セラミック基体の表面に形成された反応層（６１）及び該反応層６１の表面に形成された導通層（６２）を有する活性金属メタライズ層（６）と、該活性金属メタライズ層と上記キャップとを接合するロウ材（６５）とを介して接合されており、
上記陰極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記スリーブとは、上記セラミック基体に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有し、かつ反応層が形成されていないガラスメタライズ層と（７）、該ガラスメタライズ層と上記スリーブとを接合するロウ材（７５）とを介して接合されている、セラミックグロープラグ（１）にある。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記セラミックグロープラグにおいては、陰極の表面を含むセラミック基体の側面とスリーブとは、ガラスメタライズ層とロウ材とを介して接合されている。セラミックグロープラグの使用時において、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルを受けて、セラミック基体及びスリーブは、熱膨張及び熱収縮を繰り返す。そして、スリーブとセラミック基体との線膨張係数の差によって、スリーブの熱膨張・熱収縮による体積変化量は、セラミック基体の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも大きくなる。このとき、スリーブと、セラミック基体における陰極の周辺とが、反応層を形成しないガラスメタライズ層を介して接合されていることにより、溶接などで強固に結合された場合よりも、ガラスメタライズ層が応力緩衝部として作用することができ、スリーブからセラミック基体における陰極の周辺に加わる熱応力をガラスメタライズ層によって吸収することができる。これにより、セラミック基体における陰極の周辺に、スリーブの膨張・収縮に伴う熱応力が加わることを抑制することができる。

一方、陽極の表面を含むセラミック基体の側面とキャップとは、活性金属メタライズ層とロウ材とを介して接合されている。活性金属メタライズ層は、セラミック基体の反応成分と反応した活性金属成分による反応層によって、接合されている。セラミック基体における陽極の周辺は、反応層を介してキャップに強固に接合することができる。これにより、セラミック基体と活性金属メタライズ層の反応層とが一体化され、セラミック基体における陽極の周辺において、セラミックグロープラグをエンジンヘッドのプラグ取付孔に締結する際に生じる捩り応力、セラミックグロープラグ自体を組み付ける際に生じる捩り応力等から保護することができる。

また、セラミック基体における陽極の周辺は、スリーブよりも小型であるキャップに接合されている。また、キャップにおける、セラミック基体の側面との接合部分の厚みは、スリーブの厚みよりも薄い。それ故、セラミックグロープラグの使用時において、キャップの熱膨張・熱収縮による体積変化量は、スリーブの熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも小さくなり、キャップからセラミック基体に加わる熱応力は、スリーブからセラミック基体に加わる熱応力に比べて小さくなる。そのため、セラミック基体における陽極の周辺とキャップとは、活性金属メタライズ層を介して強固に接合したとしても、キャップから陽極の周辺に加わる熱応力を小さく維持することができる。これにより、セラミック基体にクラック等が生じないようにし、ヒータ素子のリード部を断線等から保護することができる。

以上のごとく、上記セラミックグロープラグによれば、陽極と陰極をセラミック基体の側面に配置し、陰極をスリーブに固定する場合において、セラミック基体における陽極の周辺と陰極の周辺の両方を応力から保護することができる。

実施形態１における、セラミックグロープラグの断面図。実施形態１における、セラミックヒータ周辺の断面図。実施形態１における、陽極周辺の拡大断面図。実施形態１における、陰極周辺の拡大断面図。実施形態１における、活性金属メタライズ層及びガラスメタライズ層が形成されたセラミックヒータの断面図。

（実施形態１）
セラミックグロープラグの実施形態につき、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態のセラミックグロープラグ１は、図１に示すごとく、セラミックヒータ２、スリーブ３１、ハウジング３２、通電端子４及びキャップ５を備える。
セラミックヒータ２は、図２に示すごとく、棒状のセラミック基体２１、ヒータ素子２２、リード部２２１、２２２、陽極２３及び陰極２４を有する。ヒータ素子２２は、セラミック基体２１に埋設されており、通電によって発熱する。ヒータ素子２２の一端は、リード部２２１によって陽極２３に接続されており、ヒータ素子２２の他端は、リード部２２２によって陰極２４に接続されている。陽極２３は、リード部２２１の一端に位置し、セラミック基体２１の基端部２１１における側面２０１に設けられている。陰極２４は、リード部２２２の他端に位置し、セラミック基体２１の側面２０１における、陽極２３よりも先端側に設けられている。

ハウジング３２は、エンジンヘッド１１のプラグ取付孔１２内に締結されている。スリーブ３１は、ハウジング３２の先端側にレーザー溶接によって接合されている。また、スリーブ３１は、セラミックヒータ２の先端部２１２を露出させる状態でセラミックヒータ２の側面２０１に装着されており、陰極２４と導通されている。通電端子４は、陽極２３に通電を行うための棒形状を有しており、ハウジング３２内に挿通されている。キャップ５は、セラミック基体２１の基端部２１１の側面２０１と通電端子４の側面とに装着されており、陽極２３と通電端子４とを導通させている。

陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１とキャップ５とは、図３に示すごとく、活性金属メタライズ層６、メッキ層６３及びロウ材６５を介して接合されている。活性金属メタライズ層６は、セラミック基体２１との反応層６１及び導通層６２を有する。メッキ層６３は、活性金属メタライズ層６の表面に設けられている。ロウ材６５は、メッキ層６３とキャップ５とを接合している。

陰極２４の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１とスリーブ３１とは、図４に示すごとく、ガラスメタライズ層７、メッキ層７３及びロウ材７５を介して接合されている。ガラスメタライズ層７は、セラミック基体２１に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有する。メッキ層７３は、ガラスメタライズ層７の表面に設けられている。ロウ材７５は、メッキ層７３とスリーブ３１とを接合している。また、本形態のロウ材６５、７５による接合は、ロウ材６５、７５による一般的な融着のみによるロウ接合ではなく、ロウ材６５、７５による融着と、所謂締まりばめとを組み合わせた接合としている。
なお、図３、図４等においては、説明を分かりやすくするために、活性金属メタライズ層６、反応層６１、導通層６２、メッキ層６３、ロウ材６５、ガラスメタライズ層７、メッキ層７３及びロウ材７５の厚みを誇張して示す。

セラミックグロープラグ１は、図１に示すごとく、エンジンヘッド１１の燃焼室１３内にセラミックヒータ２の先端部２１２を突出させるようにして、プラグ取付孔１２に配置される。セラミックグロープラグ１は、セラミックヒータ２のヒータ素子２２に陽極２３と陰極２４を介して通電を行って、燃焼室１３内における燃料混合気の予熱を行うものである。

セラミックグロープラグ１は、スリーブ３１の一部をエンジンヘッド１１のプラグ取付孔１２に当接させ、ハウジング３２の基端部に形成された雄螺子部を、エンジンヘッド１１のプラグ取付孔１２に形成された雌螺子部に螺合させてプラグ取付孔１２に取り付けられる。セラミックグロープラグ１において、エンジンヘッド１１の燃焼室１３側に位置する側を先端側といい、その反対側を基端側という。

セラミックヒータ２は、図１に示すごとく、スリーブ３１及びハウジング３２の先端側の内周に配置されており、セラミックヒータ２の先端部２１２はスリーブ３１の先端から突出している。
セラミックヒータ２のセラミック基体２１は、円形状の断面を有しており、Ｓｉ₃Ｎ₄等のセラミックから構成されている。

セラミックヒータ２は、図２に示すごとく、セラミック基体２１と、セラミック基体２１の先端部分に配置された発熱部としてのヒータ素子２２と、ヒータ素子２２と陽極２３とを接続するリード部２２１と、ヒータ素子２２と陰極２４とを接続するリード部２２２と、陽極２３及び陰極２４とを有している。ヒータ素子２２は、リード部２２１、２２２に比べて抵抗値が高い材料から構成されている。陽極２３及び陰極２４から各リード部２２１、２２２を介してヒータ素子２２に通電することにより、ヒータ素子２２が発熱してセラミックヒータ２による燃焼室１３内の燃料混合気の加熱を行う。ヒータ素子２２は、先端側に折り返し部を有するＵ字形状に形成されている。ヒータ素子２２は、例えばＳｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）とＷＣ（タングステンカーバイト）から構成されており、リード部２２１、２２２は、例えばＷ（タングステン）から構成されている。陽極２３及び陰極２４は、ＷＣ等から構成されている。陽極２３は、セラミック基体２１の側面２０１における、周方向の一部に配置されており、陰極２４は、セラミック基体２１の側面２０１における、周方向の一部であって、陽極２３が配置された周方向の位置とは反対側に配置されている。

スリーブ３１は、ハウジング３２の先端側に連結されており、ハウジング３２よりも縮径して形成されている。スリーブ３１は、プラグ取付孔１２に当接させるための第１厚肉部３１１と、第１厚肉部３１１の先端側に隣接して設けられ、第１厚肉部３１１よりも外径が縮小した第２厚肉部３１２と、第２厚肉部３１２の先端側に隣接して設けられ、第２厚肉部３１２よりも外径が縮小した薄肉部３１３とを有している。陰極２４は、セラミック基体２１における、第２厚肉部３１２との対向部分に設けられている。スリーブ３１は、ガラスメタライズ層７、メッキ層７３及びロウ材７５を介して、セラミックヒータ２に接合されている。セラミックヒータ２の陰極２４は、スリーブ３１を介してエンジンヘッド１１に導通されている。

ハウジング３２には、図１に示すごとく、雄螺子部が形成されており、プラグ取付孔１２の内周面には、雌螺子部が形成されている。この雄螺子部を雌螺子部に螺合することにより、セラミックグロープラグ１をエンジンヘッド１１に締結している。また、プラグ取付孔１２の先端側部分１２１は、図２に示すごとく、基端側部分１２２に比べて縮径しており、先端側部分１２１と基端側部分１２２との間には段部１２３が形成されている。この段部１２３に、スリーブ３１の第１厚肉部３１１が当接している。これにより、燃焼室１３内の燃焼ガスが外部に漏出することを防止している。スリーブ３１は、ステンレス鋼等の金属から構成されている。ハウジング３２は、炭素鋼等の金属から構成されている。

通電端子４の先端部は、キャップ５の基端側の内周面に嵌合している。通電端子４の基端部は、セラミックグロープラグ１の外部に配置された電源と接続されている。通電端子４は、炭素鋼等の金属から構成されている。

キャップ５は、セラミックヒータ２の基端部２１１の外周面に嵌合している。キャップ５の全体の厚みは、スリーブ３１の第２厚肉部３１２の厚みよりも薄く形成されている。ヒータ素子２２の陽極２３は、キャップ５を介して通電端子４に導通されている。キャップ５は、ステンレス鋼等の金属から構成されている。

活性金属メタライズ層６は、セラミック基体２１の表面に形成された反応層６１と、反応層６１の表面に形成された導通層６２とを有している。
反応層６１は、図３に示すように、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の基端部２１１の側面２０１の全周に形成されている。反応層６１は、活性金属メタライズ層６中の活性金属成分であるＴｉが、セラミック基体２１中のセラミック成分であるＳｉ₃Ｎ₄と反応したＴｉ₅Ｓｉ₃の層から構成されている。反応層６１は、キャップ５と、セラミック基体２１及び陽極２３との密着性を確保するものである。なお、活性金属メタライズ層６は、Ｍｇ等を活性金属成分として用いてもよい。

導通層６２は、反応層６１の表面の全周に形成されており、活性金属メタライズ層６中の導通成分であるＡｇから構成されている。導通層６２は、キャップ５と、陽極２３との導通性を確保するものである。なお、活性金属メタライズ層６は、Ｃｕ等を導通成分として用いてもよい。
また、導通層６２の表面には、ロウ材６５の流動性を改善するためのメッキ層６３が形成されている。メッキ層６３は、導通層６２の表面の全周に形成されており、Ｎｉ等から構成されている。
セラミック基体２１の側面２０１とキャップ５とは、セラミック基体２１におけるメッキ層６３とキャップ５との隙間に配置されたロウ材６５によって接合されている。ロウ材６５は、メッキ層６３の表面の全周に形成されており、Ａｇ等から構成されている。

ガラスメタライズ層７は、図４に示すように、陰極２４の表面を含むセラミック基体２１の基端部２１１を除く側面２０１の全周に形成されている。ガラスメタライズ層７は、金属成分であるＭｎと、ガラス成分であるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃とを含んでいる。金属成分は、スリーブ３１と陰極２４との導通性を確保するものである。ガラス成分は、スリーブ３１とセラミック基体２１との線膨張係数の差を小さくするとともに、ガラスメタライズ層７の強度を向上させて、セラミック基体２１の耐クラック性を向上させるものである。なお、ガラスメタライズ層７は、Ｎｉ等を金属成分として用いてもよく、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃等をガラス成分として用いてもよい。

また、ガラスメタライズ層７の表面には、ロウ材７５の流動性を改善して、スリーブ３１とセラミックヒータ２との隙間へのロウ材７５の充填性を向上させるためのメッキ層７３が形成されている。メッキ層７３は、ガラスメタライズ層７の表面の全周に形成されており、Ｎｉ等から構成されている。
セラミック基体２１の側面２０１とスリーブ３１とは、セラミック基体２１におけるメッキ層７３とスリーブ３１との隙間に配置されたロウ材７５によって接合されている。ロウ材７５は、ガラスメタライズ層７の表面の全周に形成されており、Ａｇ等から構成されている。スリーブ３１とメッキ層７３は、後述する締まりばめとロウ材７５によって接合されている。

次に、本実施形態のセラミックヒータ２の接合方法及びセラミックグロープラグ１の組付方法につき、説明する。
セラミック基体２１の側面２０１に活性金属メタライズ層６を形成するにあたっては、活性金属メタライズ層６を形成するための第１ペーストを、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の基端部２１１の側面２０１の全周に塗布する。そして、この第１ペーストを熱処理して、活性金属メタライズ層６を基端部２１１の側面２０１の全周に形成する。この第１ペーストは、Ａｇ等の金属粉末及びＴｉ等の活性金属を含むものである。第１ペーストの熱処理を行うときには、第１ペースト中の活性金属成分であるＴｉが、セラミック基体２１中のセラミック成分であるＳｉ₃Ｎ₄と反応し、セラミック基体２１の側面２０１には、反応層６１であるＴｉ₅Ｓｉ₃の層を形成する。そして、反応層６１の表面には、Ａｇによる導通層６２が形成される。こうして、反応層６１と導通層６２とを有する活性金属メタライズ層６が形成される。また、活性金属メタライズ層６の表面には、ロウ材６５の流動性を改善するためのＮｉ等のメッキ層６３を形成する。

また、セラミック基体２１の側面２０１にガラスメタライズ層７を形成するに当たっては、ガラスメタライズ層７を形成するための第２ペーストを、陰極２４の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１の全周に塗布する。この第２ペーストは、セラミック基体２１の基端部２１１の側面２０１を除く部分に塗布する。そして、この第２ペーストを熱処理して、ガラスメタライズ層７をセラミック基体２１の側面２０１の全周に形成する。この第２ペーストは、Ｍｎ等の金属成分及びＳｉＯ₂等のガラス成分を含むものである。第２ペーストの熱処理を行うときには、第２ペースト中の金属成分であるＭｎ及びガラス成分であるＳｉＯ₂は、セラミック基体２１中のセラミック成分であるＳｉ₃Ｎ₄と反応せず、反応層は形成されない。そして、セラミック基体２１の側面２０１には、金属成分とガラス成分とが混合されたガラスメタライズ層７が形成される。このガラスメタライズ層７は反応層を有していないことにより、セラミック基体２１の側面２０１に接着された状態で形成される。また、ガラスメタライズ層７の表面には、ロウ材７５の流動性を改善し充填性を向上するためのＮｉ等のメッキ層７３を形成する。
このようにして、セラミック基体２１の側面には、活性金属メタライズ層６及びガラスメタライズ層７が形成される。

次いで、活性金属メタライズ層６及びガラスメタライズ層７が形成されたセラミックヒータ２をスリーブ３１内に配置すると共に、セラミックヒータ２の外周にキャップ５を装着して、セラミックグロープラグ１を組み付ける。
セラミックヒータ２をスリーブ３１内に配置するに当たっては、スリーブ３を加熱すると共に、スリーブ３１の内周とセラミックヒータ２の外周（側面２０１）との隙間に、溶融させたロウ材７５を流し込む。この時、メッキ層７３によってロウ材７５の流れが円滑になり、スリーブ３１の内周とセラミックヒータ２の外周との隙間がロウ材７５によって充填される。その後、スリーブ３１が冷却されるときに、ロウ材７５が凝固すると共に、スリーブ３１の内径が収縮し、スリーブ３１からセラミックヒータ２に圧力が加わった状態で、セラミックヒータ２とスリーブ３１とが、充填されたロウ材７５によってロウ接合されるとともに、所謂締まりばめとなって固定される。こうして、ガラスメタライズ層７、メッキ層７３及びロウ材７５を介して、セラミックヒータ２の側面２０１とスリーブ３１とが固定される。

また、セラミックヒータ２の外周にキャップ５を装着するに当たっては、キャップ５をロウ付けのために約８６０℃程度に加熱して膨張させ、キャップ５とセラミックヒータ２との隙間を更に拡大させる。そして、キャップ５の内周とセラミックヒータ２の外周（側面２０１）との隙間に、溶融させたロウ材６５を流し込む。この時、メッキ層６３によってロウ材６５の流れが円滑になり、キャップ５の内周とセラミックヒータ２の外周との隙間がロウ材６５によって充填される。その後、キャップ５が冷却されるときに、ロウ材６５が凝固すると共に、キャップ５の内径が収縮し、セラミックヒータ２とキャップ５とがロウ材６５によってロウ接合される。こうして、活性金属メタライズ層６、メッキ層６３及びロウ材６５を介して、セラミックヒータ２の側面２０１とキャップ５とが固定される。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本形態のセラミックグロープラグ１においては、陰極２４の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１とスリーブ３１とは、ガラスメタライズ層７とメッキ層７３とロウ材７５とを介して締まりばめとロウ接合により接合固定されている。セラミックグロープラグ１の使用時において、エンジンの燃焼に伴う冷熱サイクルを受けて、セラミック基体２１及びスリーブ３１は、熱膨張及び熱収縮を繰り返す。そして、スリーブ３１とセラミック基体２１との線膨張係数の差によって、スリーブ３１の熱膨張・熱収縮による体積変化量は、セラミック基体２１の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも大きくなる。

このとき、スリーブ３１と、セラミック基体２１における陰極２４の周辺とは、反応層を形成しないガラスメタライズ層７を介して接合されている。そのため、スリーブ３１とセラミック基体２１との線膨張係数の差によって、スリーブ３１からセラミック基体２１における陰極２４の周辺に加わる熱応力を小さくするとともに、ガラスメタライズ層７のガラス成分によってセラミック基体２１の耐クラック性を向上させることができる。これにより、セラミック基体２１における陰極２４の周辺に、スリーブ３１の膨張・収縮に伴う熱応力によるクラック等が発生することを抑制し、リード部２２１、２２２に断線等の不具合が発生することを抑制することができる。

一方、陽極２３の表面を含むセラミック基体２１の側面２０１とキャップ５とは、活性金属メタライズ層６とメッキ層６３とロウ材６５とを介して接合固定されている。活性金属メタライズ層６は、セラミック基体２１の反応成分と反応した活性金属成分による反応層６１によって、接合されている。セラミック基体２１における陽極２３の周辺は、反応層６１を介してキャップ５に強固に接合することができる。これにより、セラミック基体２１と活性金属メタライズ層６の反応層６１とが一体化され、セラミック基体２１における陽極２３の周辺において、セラミックグロープラグ１をエンジンヘッド１１のプラグ取付孔１２に締結する際に生じる捩り応力、セラミックグロープラグ１自体を組み付ける際に生じる捩り応力等から保護することができる。

また、セラミック基体２１における陽極２３の周辺は、スリーブ３１よりも小型であるキャップ５に接合されている。また、キャップ５における、セラミック基体２１の側面２０１との接合部分の厚みは、スリーブ３１の第２厚肉部３１２の厚みよりも薄い。それ故、セラミックグロープラグ１の使用時において、キャップ５の熱膨張・熱収縮による体積変化量は、スリーブ３１の熱膨張・熱収縮による体積変化量よりも小さくなり、キャップ５からセラミック基体２１に加わる熱応力は、スリーブ３１からセラミック基体２１に加わる熱応力に比べて小さくなる。そのため、セラミック基体２１における陽極２３の周辺とキャップ５とは、活性金属メタライズ層６を介して強固に接合したとしても、キャップ５から陽極２３の周辺に加わる熱応力を小さく維持することができる。これにより、セラミック基体２１にクラック等が生じないようにし、ヒータ素子２２のリード部２２１、２２２を断線等から保護することができる。
以上のごとく、本形態のセラミックグロープラグ１によれば、陽極２３と陰極２４をセラミック基体２１の側面２０１に配置し、陰極２４をスリーブ３１に固定する場合において、セラミック基体２１における陽極２３の周辺と陰極２４の周辺の両方を応力から保護することができる。

また、本形態のセラミックグロープラグ１においては、第１厚肉部３１１、第２厚肉部３１２及び薄肉部３１３の３段階に厚みが変化したスリーブ３１を用いることにより、次の効果を得ることができる。具体的には、セラミックヒータ２の陰極２４は、薄肉部３１３よりも厚く形成された第２厚肉部３１２と対向する部分に設けられている。これにより、陰極２４からスリーブ３１への熱の移動を促進することができ、セラミックヒータ２に生じる熱をスリーブ３１を介してエンジンヘッド１１へ迅速に逃がすことができる。

セラミックヒータ２は、ヒータ素子２２の発熱によって先端側部分が最も加熱され、セラミックヒータ２における熱は、先端側から基端側へと移動することになる。このとき、第２厚肉部３１２が薄肉部３１３よりも厚く形成されていることにより、第２厚肉部３１２における熱の移動速度は薄肉部３１３における熱の移動速度よりも早くなる。そして、陰極２４が、熱の移動速度が速くなる第２厚肉部３１２と対向する部分に設けられていることにより、陰極２４に熱が滞留しにくくすることができる。これにより、陰極２４に熱応力が生じにくくすることができる。

一方、薄肉部３１３に厚みは、極力薄くしていることにより、薄肉部３１３とエンジンヘッド１１のプラグ取付孔１２とのクリアランスを極力大きくすることができる。そして、このクリアランスを大きくすることにより、燃焼室１３内の燃料混合気が薄肉部３１３とプラグ取付孔１２とのクリアランスに流入しやすくなる。これにより、セラミックグロープラグ１を使用して燃焼室１３内の燃料混合気の燃焼を行う際に、スリーブ３１の表面又はプラグ取付孔１２の表面に付着するカーボンを焼失させることが可能になる。そのため、セラミックグロープラグ１を使用するエンジンの耐カーボン性を向上させることができる。
また、薄肉部３１３の厚みを薄くすることにより、プラグ取付孔１２を小径化して、エンジンヘッド１１の強度を向上させることもできる。

本発明は上記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において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、ロウ材６５、７５は、Ａｇに限らずＣｕ系のロウ材料にしてもよい。Ｃｕ系のロウ材６５、７５を用いる場合には、応力緩和効果を更に高めることができる。

１セラミックグロープラグ
２セラミックヒータ
３１スリーブ
３２ハウジング
４通電端子
５キャップ
６活性金属メタライズ層
６３メッキ層
６５ロウ材
７ガラスメタライズ層
７３メッキ層
７５ロウ材

Claims

棒状のセラミック基体（２１）、該セラミック基体に埋設されて通電によって発熱するヒータ素子（２２）、該ヒータ素子の一端に接続され、上記セラミック基体の基端部（２１１）における側面（２０１）に設けられた陽極（２３）、及び上記ヒータ素子の他端に接続され、上記セラミック基体の側面における、上記陽極よりも先端側に設けられた陰極（２４）を有するセラミックヒータ（２）と、
エンジンヘッド（１１）のプラグ取付孔（１２）内に締結されるハウジング（３２）と、
該ハウジングの先端側に連結されると共に、上記セラミックヒータの先端部（２１２）を露出させる状態で上記セラミックヒータの側面に装着され、かつ上記陰極と導通されたスリーブ（３１）と、
上記ハウジング内に挿通された通電端子（４）と、
上記セラミック基体の上記基端部の側面と上記通電端子の側面とに装着され、上記陽極と導通されたキャップ（５）と、を備え、
上記陽極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記キャップとは、上記セラミック基体の表面に形成された反応層（６１）及び該反応層６１の表面に形成された導通層（６２）を有する活性金属メタライズ層（６）と、該活性金属メタライズ層と上記キャップとを接合するロウ材（６５）とを介して接合されており、
上記陰極の表面を含む上記セラミック基体の側面と上記スリーブとは、上記セラミック基体に接着されるガラス成分及び導通性を有する金属成分を含有し、かつ反応層が形成されていないガラスメタライズ層と（７）、該ガラスメタライズ層と上記スリーブとを接合するロウ材（７５）とを介して接合されている、セラミックグロープラグ（１）。
上記活性金属メタライズ層の上記反応層は、活性金属成分であるＴｉ及びＭｇの少なくとも一方を含有し、
上記活性金属メタライズ層の上記導通層は、導通成分であるＡｇ及びＣｕの少なくとも一方を含有し、
上記ガラスメタライズ層の上記金属成分は、Ｍｎ及びＮｉの少なくとも一方を含有する、請求項１に記載のセラミックグロープラグ。
上記スリーブは、上記陰極の表面を含む上記セラミック基体の側面の一部に対向する円筒状の厚肉部（３１２）と、該厚肉部の先端側に隣接して設けられ、該厚肉部よりも外径が縮小した円筒状の薄肉部（３１３）とを有しており、
上記陰極は、上記セラミック基体における、上記厚肉部との対向部分に設けられている、請求項１又は２に記載のセラミックグロープラグ。
上記キャップにおける、上記セラミック基体の側面との接合部分の厚みは、上記厚肉部の厚みよりも薄い、請求項３に記載のセラミックグロープラグ。