JP6869694B2

JP6869694B2 - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JP6869694B2
Application number: JP2016209556A
Authority: JP
Inventors: 裕介弓田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: JP2018071842A

Description

本発明は、セラミックグロープラグに関する。

グロープラグとしては、セラミックス製のヒータ素子を用いたセラミックグロープラグが知られている（特許文献１，２）。ヒータ素子は、セラミックス製の支持体の中にセラミックス製の発熱抵抗体を埋設させ、これらを焼結することによって作製される。このヒータ素子は金属製の外筒の中に圧入され、さらに、この外筒が主体金具等の他の部材と組み合わされてセラミックグロープラグが完成する。

特開２０１１−３３３１８号公報特開２０１６−９６３９号公報

しかし、全体の外径が比較的細いタイプのセラミックグロープラグでは、外筒の肉厚が薄いので、外筒にヒータ素子を圧入する際に外筒が伸縮して外筒の外表面にシワ状の変形が発生する場合がある。このような変形が外筒に発生すると、ヒータ素子と外筒の接触面積が減少し、接触抵抗の上昇等の性能低下が生じる可能性がある。また、外筒には、ヒータ素子をしっかりと保持するための保持力も要求されるが、この保持力も低下する可能性がある。従来は、このような外筒に関する種々の課題について、十分な検討と対策がなされていないのが実情であった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、セラミックス製の発熱抵抗体を含むセラミックス製のヒータ素子と、前記ヒータ素子が圧入された金属製の外筒とを有するセラミックグロープラグが提供される。このセラミックグロープラグにおいて、前記外筒は、炭素当量が３．３１重量％以上でビッカース硬度が２２０ＨＶ以上の鉄合金で形成されていることを特徴とする。
このセラミックグロープラグによれば、外筒の外表面におけるシワ状の変形の発生を抑制できる。また、外筒の保持力を十分に確保することができる。

（２）上記セラミックグロープラグにおいて、前記外筒は、炭素当量とビッカース硬度とを２つの軸とするグラフにおいて、
（ａ）炭素当量が３．３１重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第１点と、
（ｂ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２５５ＨＶである第２点と、
（ｃ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第３点と、
のそれぞれを結ぶ直線で囲まれた領域内にあるものとしてもよい。
この構成によれば、外筒の外表面におけるシワ状の変形の発生を更に確実に抑制でき、また、外筒の保持力を更に十分に確保できる。

（３）上記セラミックグロープラグにおいて、前記外筒の外表面の二乗平均粗さＲｑが、０．８μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、外筒の外表面におけるシワ状の変形が十分に小さく、また、接触抵抗の経年変化を十分に小さくすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、セラミックグロープラグの製造方法等の形態で実現することができる。

一実施形態としてのセラミックグロープラグを示す正面図。セラミックグロープラグの要部の組立体の斜視図。外筒の炭素当量とビッカース硬度とを軸とするグラフ。外筒の表面粗さと抵抗値変化量の関係を示すグラフ。

図１は、本発明の一実施形態としてのセラミックグロープラグ１００の部分断面を示す説明図である。図１には、グロープラグ１００の軸心ＳＣを境界として、概ね、紙面右側にグロープラグ１００の外観形状を図示し、紙面左側にグロープラグ１００の断面形状を図示した。本実施形態の説明では、グロープラグ１００における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

グロープラグ１００は、熱を発生させるヒータ素子１８０を備える。ヒータ素子１８０は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関９０の始動時における点火を補助する熱源として機能する。グロープラグ１００は、ヒータ素子１８０の他、中軸１２０と、主体金具１５０と、外筒１７０とを備える。グロープラグ１００の軸心ＳＣは、グロープラグ１００を構成する各部材の軸心でもある。ヒータ素子１８０は、その全体がセラミックス製であり、絶縁性セラミックで形成された基体１８１と、導電性セラミックで形成され、基体１８１の先端部に設けられた発熱抵抗体１８２と、発熱抵抗体１８２の後端側に設けられたリード部１８４とを有する。

中軸１２０は、導電性を有する金属体である。中軸１２０は、軸心ＳＣを中心に延びた円柱状を成す。中軸１２０は、グロープラグ１００の外部から供給される電力をヒータ素子１８０へと中継する。中軸１２０は、中軸１２０の後端側において、グロープラグ１００の外部から、端子１１０を介して給電を受け付ける。他の実施形態では、中軸１２０は、中軸１２０の後端側において、グロープラグ１００の外部から直接的に給電を受け付けてもよい。本実施形態では、中軸１２０は、中軸１２０の先端側において、円筒状の金属リング１６０を介してヒータ素子１８０のリード部１８４に設けられた２つの電極部（後述）のうちの一方に電気的に接続される。他の実施形態では、中軸１２０は、中軸１２０の先端側において、ヒータ素子１８０と直接的に接続されてもよい。

主体金具１５０は、導電性を有する金属体である。主体金具１５０は、軸心ＳＣを中心に延びた筒状を成す。主体金具１５０は、軸孔１５２と、工具係合部１５４と、雄ネジ部１５６とを備える。主体金具１５０としては、例えば、雄ネジ部１５６の呼び径がＭ８程度の比較的細いものが利用される。

軸孔１５２は、軸心ＳＣを中心に延びた貫通孔である。軸孔１５２の内径は、中軸１２０の外形より大きい。軸孔１５２の内側で、中軸１２０が軸心ＳＣ上に位置決めされ、軸孔１５２と中軸１２０との間には、軸孔１５２と中軸１２０とを電気的に絶縁する空隙が形成される。本実施形態では、軸孔１５２の後端側には、円筒状を成す絶縁部材１３０と、環状を成す絶縁部材１４０とを介して、中軸１２０が取り付けられる。

工具係合部１５４は、内燃機関９０に対するグロープラグ１００の取り付けおよび取り外しに用いられる工具（図示しない）に係合可能に構成されている。主体金具１５０の雄ネジ部１５６は、内燃機関９０に形成された雌ネジに嵌り合うことによって、内燃機関９０に対して固定可能に構成されている。

外筒１７０は、導電性を有する金属体である。外筒１７０は、軸心ＳＣを中心に延びた筒状を成す。外筒１７０は、中央付近に設けられた大径部１７６（「鍔部１７６」とも呼ぶ）と、大径部１７６よりも先端側に設けられたストレート部１７４と、大径部１７６とストレート部１７４との間に設けられたテーパ部１７５と、大径部１７６よりも後端側に設けられた後端部１７８とを有する。外筒１７０の大径部１７６は、内燃機関９０に設けられたグローホール内のテーパ部に対して係合する。外筒１７０の後端部１７８は、主体金具１５０の先端側に溶接されている。外筒１７０のストレート部１７４からは、ヒータ素子１８０が突出する。外筒１７０の材質は、鉄合金であり、本実施形態では、フィライト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０など）である。他の実施形態では、外筒１７０の材質は、析出硬化系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１）等の他の種類の鉄合金であってもよい。外筒１７０は、外筒１７０の軸孔を形成する内周面１７２を有する。内周面１７２には、ヒータ素子１８０が接触した状態で保持されている。なお、外筒１７０のストレート部１７４の外径は、例えば４．１ｍｍ以上４．４ｍｍ以下の範囲に設定される。このとき、外筒１７０のストレート部１７４の肉厚は、例えば０．４５ｍｍ以上０．６５ｍｍの範囲に設定される。また、ヒータ素子１８０の外径は、例えば３．１ｍｍ以上３．３ｍｍの範囲に設定される。

図２は、グロープラグ１００の要部の組立体２００の斜視図である。この組立体２００は、金属リング１６０と外筒１７０とヒータ素子１８０とを圧入工程で組み立てたものである。外筒１７０は、先端側のストレート部１７４と、後端側の大径部１７６と、その間にあるテーパ部１７５とを有する。ストレート部１７４は、大径部１７６よりも外径が小さく、肉厚も薄い。外筒１７０にシワが発生する場合には、主にストレート部１７４で発生する。

圧入工程では、まず金属リング１６０へヒータ素子１８０を圧入して一体とする。この金属リング１６０と一体となったヒータ素子１８０をさらに外筒１７０へ圧入し、図２に示す組立体２００を作製する。その後、この組立体２００の金属リング１６０へ中軸１２０（図１）を圧入し、レーザ溶接を行ってヒータ−中軸組立体を作製する。そして、この組立体に主体金具１５０を被せ、主体金具１５０と外筒１７０とをレーザ溶接する。そして、図示しないＯリングや絶縁ブッシュを取り付けた後、主体金具１５０の後端部から突出した中軸１２０の後端部に接続端子を加締め固定することによって、グロープラグ１００が完成する。

ヒータ素子１８０のリード部１８４には、２つの電極部１８５，１８６が設けられている。第１の電極部１８５は、外筒１７０の内面に接触して電気的に接続される。第２の電極部１８６は、金属リング１６０の内面に接して電気的に接続される。外筒１７０と金属リング１６０は、グロープラグ１００を内燃機関９０に取り付けた状態で、外部の電源の正極と負極の端子に電気的に接続される。

従来技術でも説明したように、外筒１７０にヒータ素子１８０を圧入する際に外筒１７０が伸縮して外筒１７０の外表面にシワ状の変形が発生する場合がある。このような変形が外筒１７０に発生すると、ヒータ素子１８０と外筒１７０の接触面積が減少し、接触抵抗の上昇等の性能低下が生じる可能性がある。以下で説明するように、本願の発明者は、外筒１７０の炭素当量とビッカース硬度を調整することによって、このような課題を解決できることを見出した。

図３は、外筒１７０の炭素当量とビッカース硬度とを２つの軸とするグラフである。横軸は炭素当量であり、縦軸はビッカース硬度である。炭素当量Ｃeqは、以下の（１）式で表される。

ここで、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖは、外筒１７０の成分元素である炭素と、シリコンと、マンガンと、ニッケルと、クロムと、モリブデンと、バナジウムの重量％である。

図３のデータを取得する際に、外筒１７０の材料としてはＳＵＳ４３０を使用した。ＳＵＳ４３０の成分元素の重量％の最大値及び最小値と、それらに対応する炭素当量Ceqは表１の通りである。

図３のデータを得るために、まず、ＳＵＳ４３０の組成範囲内において各成分の重量％を異ならせた複数の金属素材を用いて、外径が約８ｍｍの中実の棒状部材を作製した。その後、中実棒状部材の外径を線引き工程で減少させて、外径を約７ｍｍとした。外筒１７０のビッカース硬度は、主としてこの線引き工程における加工率に依存する。すなわち、加工率が高ければ外筒１７０のビッカース硬度は高くなり、加工率が低ければ外筒１７０のビッカース硬度も低くなる。そして、線引き後の中実棒状部材を切断し、その外周と中心を研削することによって外筒１７０を作製した。こうして作製した複数の外筒１７０についてビッカース硬度を測定した。また、これらの外筒１７０を用いて図２に示した組立体２００の複数のサンプルを作成し、プッシュバック量（後述）と、外筒１７０のストレート部１７４の表面粗さとを測定した。

プッシュバック量とは、組立体２００に通電熱サイクル試験（後述）を行った前後において、外筒１７０からヒータ素子１８０の先端部が突出している突出量が減少した減少量を意味する。外筒１７０の保持力が高い場合にはプッシュバック量は少なく、外筒１７０の保持力が低い場合にはプッシュバック量は多い。通電熱サイクル試験は、１分間でヒータ温度が３００℃になるように組立体２００に通電し、その後、通電を停止して１分間風冷するサイクルを５万サイクル繰り返す試験である。

通電熱サイクル試験後に、外筒１７０からのヒータ素子１８０の突出量の減少値をプッシュバック量として測定した。図３においては、プッシュバック量が０．１ｍｍ未満のサンプルはプッシュバック量が小さい点として表示し、プッシュバック量が０．１ｍｍ以上のサンプルはプッシュバック量が大きい点として表示した。プッシュバック量が小さいサンプルは、外筒１７０の保持力が大きいので好ましい。図３に示した複数のサンプルの中で、プッシュバック量が大きなサンプルは、炭素当量が３．３１重量％でビッカース硬度が２１４ＨＶと２１９ＨＶの２つのサンプルだけであり、他のサンプルはプッシュバック量が十分に小さく、十分な保持力が確保されていた。

外筒１７０の表面粗さＲｑの測定は、以下の試験条件で実施した。
＜表面粗さＲｑの試験条件＞
・試験装置：真円度・簡易粗さ測定機Roundtest RA-2100（株式会社ミツトヨ製）
・測定箇所：外筒１７０のストレート部１７４の中央部の外周
・使用測定子：粗さスタイラス先端角度６０°／半径２μｍ
・検査方法：金属リング１６０を３点チャックで固定して回転させ、外筒１７０のストレート部１７４の上側と下側で水平出しを行い、水平出しした箇所の中央部で表面粗さＲｑを測定する。
なお、「表面粗さＲｑ」は、二乗平均粗さを意味する。また、本明細書において、表面粗さＲｑは、外筒１７０のシワ状の変形の大きさを示す指標として使用している。

図３において、表面粗さＲｑが０．８μｍ未満のサンプルは表面粗さＲｑが小さい点として表示し、表面粗さＲｑが０．８μｍ以上のサンプルは表面粗さＲｑが大きい点として表示した。これらのサンプルの中で、表面粗さＲｑが大きなサンプルは、炭素当量とビッカース硬度の組合せが（３．３０５重量％，２４０ＨＶ）、（３．３２重量％，２５３ＨＶ）、（３．３４重量％，２５７ＨＶ）、（３．３５重量％，２５６ＨＶ）の４つサンプルだけであり、他のサンプルは表面粗さＲｑが十分に小さく、外筒１７０にあまりシワ状の変形が発生していなかった。但し、表面粗さＲｑが大きいと判定された４つのサンプルについても、実用上は合格品とし得る範囲内にあった。

図３の結果から、外筒１７０の材料として、以下の条件１を満足する鉄合金を用いた場合に、外筒１７０のシワ状の変形の発生が少なく、かつ、十分な保持力を確保できることが理解できる。
＜条件１＞炭素当量が３．３１重量％以上でビッカース硬度が２２０ＨＶ以上である。

但し、条件１を満たしている場合にも、表面粗さＲｑが大きなサンプルが見受けられる。従って、条件１の代わりに下記の条件２を満足することが特に好ましい。
＜条件２＞
炭素当量とビッカース硬度とを２つの軸とするグラフ（図３）において、炭素当量とビッカース硬度が、下記の３つの点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のそれぞれを結ぶ直線で囲まれた領域内にある。
（ａ）炭素当量が３．３１重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第１点Ｐ１
（ｂ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２５５ＨＶである第２点Ｐ２
（ｃ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第３点Ｐ３
なお、これらの３つの点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のそれぞれを結ぶ直線上の点も、この条件３を満たすものとする。この条件２を満足すれば、外筒１７０のシワ状の変形の発生を更に確実に抑制でき、また、外筒１７０の保持力を更に十分に確保できる。

図４は、外筒１７０の表面粗さＲｑと組立体２００の抵抗値変化量の関係を示すグラフである。抵抗値変化量は、上述した通電熱サイクル試験の前後における抵抗値の増加量である。抵抗値変化量は、組立体２００の部材間の接触抵抗の経年変化を示す指標であり、抵抗値変化量が小さい方が好ましい。図４の結果から、表面粗さＲｑ（二乗平均粗さ）が０．８ｍｍ以下では抵抗値変化量が極めて小さく、組立体２００内（すなわちグロープラグ１００内）の接触抵抗の経年変化を十分に小さくできる点で好ましいことが理解できる。

・変形例
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
セラミックグロープラグとしては、図１に示したもの以外の種々の構成を有するセラミックグロープラグを本発明に適用することが可能である。特に、端子金具や絶縁体の具体的な形状については、様々な変形が可能である。

９０…内燃機関
１００…セラミックグロープラグ
１１０…端子
１２０…中軸
１３０…絶縁部材
１４０…絶縁部材
１５０…主体金具
１５２…軸孔
１５４…工具係合部
１５６…雄ネジ部
１６０…金属リング
１７０…外筒
１７２…内周面
１７４…ストレート部
１７５…テーパ部
１７６…大径部
１７８…後端部
１８０…ヒータ素子
１８１…基体
１８２…発熱抵抗体
１８４…リード部
１８５，１８６…電極部
２００…組立体

Claims

セラミックス製の発熱抵抗体を含むセラミックス製のヒータ素子と、前記ヒータ素子が圧入された金属製の外筒とを有するセラミックグロープラグであって、
前記外筒は、炭素当量が３．３１重量％以上でビッカース硬度が２２０ＨＶ以上の鉄合金で形成されており、
前記外筒は、炭素当量とビッカース硬度とを２つの軸とするグラフにおいて、
（ａ）炭素当量が３．３１重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第１点と、
（ｂ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２５５ＨＶである第２点と、
（ｃ）炭素当量が３．３４重量％でビッカース硬度が２２０ＨＶである第３点と、
のそれぞれを結ぶ直線で囲まれた領域内にあることを特徴とするセラミックグロープラグ。
請求項１記載のセラミックグロープラグであって、
前記外筒の外表面の二乗平均粗さＲｑが、０．８μｍ以下であることを特徴とするセラミックグロープラグ。