JPH03140710A

JPH03140710A - グロープラグ

Info

Publication number: JPH03140710A
Application number: JP27796589A
Authority: JP
Inventors: Toyoki Ichihashi; 市橋　豊紀; Toshiyasu Shimonaka; 下中　利康; Takanori Fujiwara; 藤原　貴典
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1991-06-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はセラミックス焼結体製の発熱部を備えたグロー
プラグに係り、特に耐熱性が著しく改善されたグロープ
ラグに関する。

［従来の技術］セラミックス焼結体製の発熱部を備えたグロープラグに
おいては、該発熱部はＷ（タングステン）等の高融点金
属線を発熱体とし、これを焼結体表面から奥深く埋設す
るように焼結した構成となっている。なお、この発熱部
は筒状のケーシングの先端から突出するように該ケーシ
ングに同者される。このケーシングは、その外周に雄ね
じが刻設されており、内燃機関等に螺着される。

発熱部を構成するセラミックス焼結体としては、５ｉａ
Ｎ４　（窒化珪素）が採用されることが多い。

［発明が解決しようとする課題］従来のグロープラグは、自動車用ディーゼルエンジン向
けに開発されたものであり、通常の使用条件では表面温
度が９００℃前後である。しかしながら、例えばガスイ
ンジェクションディーゼルエンジンのようにその表面温
度がさらに高くなる使用条件の下では、次のような理由
から使用に耐えない。

即ち、 ■　発熱体が、焼結体表面から奥深く埋設されているこ
と ■　Ｓｉ３Ｎ＊の熱伝導率が低いことにより、表面温度を高温に保持しようとすると、内外の
温度差が大きくなり、熱応力が大きくなる。この結果破
損する。また、Ｓｉ３Ｎ４とＷの線膨張係数が異なるた
め、焼結後残留応力が発生するという欠点もある。

このように、従来のグロープラグは高温下での使用がで
きず、耐熱性が低いという問題があった。

本発明は上記従来の問題点を解決し、耐熱性、耐久性が
より改善されたグロープラグを提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］請求項（１）のグロープラグは、発熱体が窒化アルミニ
ウム（ＡＩＬＮ）系焼結体表面に設けられているグロー
プラグにおいて、該発熱体は該ＡλＮ系焼結体の少なく
とも一部を被覆する被覆層を形成するものであって、か
つ、前記発熱体は耐酸化性被膜で被覆されていることを
特徴とする請求項（２）のグロープラグは、請求項（１）のグロー
プラグにおいて、発熱体と耐酸化性被膜との間には絶縁
性被膜が形成されていることを特徴とする。

なお、本発明においてＡＪＺＮ系焼結体としては、ＡＪ
２Ｎ焼結体の他、ＡＩＬＮ−窒化ホウ素（ＢＮ）焼結体
等が挙げられ、そのＡＪ２Ｎ含有量は５０重量％以上の
ものが好ましい。

このような発熱体は、ＡｕＮ系焼結体発熱部の全表面を
被覆するものであっても、部分的に被覆するものであっ
ても良い。部分的に被覆する場合、被覆層はＡＪＺＮ系
焼結体発熱部表面に均等に配置されるように形成するの
が好ましい。

発熱体としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ等が挙げられるが、通
常の場合、ＡｉＮと熱膨張係数の近いことがらＷが好適
である。

また、耐酸化性被膜材料としては特に制限はないが、炭
化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）　　窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等が
挙げられ、被膜の緻密性と膜厚の面からＣＶＤ法による
コーテイング膜が好ましい。

また、絶縁性被膜としては、ＡｆＮ、酸化アルミニウム
（Ａ　Ｉｔ　２０３）　、Ｓ　Ｚ　Ｃ％　Ｓ　Ｌ　３Ｎ
　４が挙げられ、発熱体被膜の緻密性、腐食低減の面か
らＰＶＤ法によるコーテイング膜が好ましい。

発熱部の耐酸化性被覆材料には、 ■　高温においても耐酸化性、耐食性に優れている。

■　熱膨張係数が発熱部（ＡＪ２Ｎ系焼結体）の熱膨張
係数に近い。

■　熱伝導率が高い。

■　発熱部（発熱体又はＡＩＬＮ系焼結体）との密着性
が良い。

等の特性が要求されるが、ＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜は
上記のすべての特性を満足する好適な材料である。即ち
ＣＶＤ−５ｉＣ被膜は絶縁性も高く、 ■　緻密で高純度であるところから高温においても耐酸
化性、耐食性が高い、従って、発熱体、Ａｊ２Ｎ焼結体
の酸化を防止するとともに発熱部の耐酸化性、耐食性を
向上させる。

ＩＩ　　熱膨張係数が４．５Ｘ１０−８／（室温〜４０
０℃）でＡｊ２Ｎ系焼結体の熱膨張係数に近い。従って
、気相法によるＳｉＣ付着後の残留応力が小さく、熱サ
イクルによる疲労が少ない。

ＩＩ＋　　熱伝導率は１００Ｗ／ｍ−ｋ（室温）である
ＡλＮ焼結体より低いが、他のセラミックスに比較すれ
ば高熱伝導体に属する。従って、ＳｉＣ被膜の内外の温
度差は小さく、被膜形成による温度分布の変化は小さい
。

ＩＶＡＪＺＮ系焼結体との濡れ性は非常に良好である。

という優れた特性を備えるものである。

［作用］本発明のグロープラグにおいては、ＡＪＺＮ系焼結体表
面に設けられた発熱体がＡＪＺＮ系焼結体の外表面の少
なくとも一部を被覆する被Ｎ層を形成している。このよ
うに、ＡｕＮ系焼結体の外表面に発熱体が膜状に形成さ
れているため、高温使用に際しても、Ａｊ２Ｎ系焼結体
の表面と内部との温度勾配は緩やかになり、熱応力は低
減される。これに対し、発熱体が焼結体表面から奥深く
埋設されている場合には、グロープラグが高温になった
際、ＡＪ２Ｎ系焼結体内部と、焼結体表面との間の温度
勾配が急になるため、焼結体表面付近に高い引張熱応力
が発生し、この熱応力により割れが発生する。

また、発熱体はグロープラグ本体の表面近傍に位置する
こととなり、熱効率が高くなり、消費電力は低減される
。

しかして、発熱部はＡＪ２Ｎ系焼結体で構成されるため
、次のような作用効果が奏される。

■　熱伝導率が高い。

■　熱膨張係数がＷ発熱体の熱膨張係数に近い。

■　電気体積抵抗率が高い。

■　強度が高い。

■　高温においてもＷと反応しない。

これらの特性は、グロープラグ用セラミックス焼結体が
必要とする特性とすべて合致するものであり、ＡＩＮ系
焼結体、特にＡＪ２Ｎ焼結体はグロープラグ用セラミッ
クス焼結体に好適な材料である。

特に、■、■については従来の５ｉａＮ＋焼結体にない
優れた特性である。

ＡＡＮ焼結体の熱伝導率は１００〜１５０Ｗ／ｍ−ｋ（
室温）、５Ｌ３Ｎ４焼結体の熱伝導率は約２０Ｗ／ｍ−
ｋ（室温）である。高温になると両者の熱伝導率は低下
する。１０００℃における熱伝導率は両者とも室温の局
程度であり、ＡｉＮ焼結体の優位性は室温時と同等であ
る。グロープラグ形状、使用雰囲気条件、表面温度が等
しい場合、従来のＳｉ３Ｎ＋焼結体からＡ４２Ｎ焼結体
に替えると発熱部の内外の温度差を１１５以下に低減で
きる。熱応力は温度差以外にヤング率、熱膨張係数、ポ
アソン比の影響を受けるので、これらの物性値を考慮し
て比較すると、従来の５Ｌ３Ｎ＋焼結体に比べ、ＡＪ２
Ｎ焼結体の場合熱応力はＡ以下に低減できる。この結果
、従来のＳｉ３Ｎ＋焼結体をＡｊ２Ｎ焼結体に替えるこ
とにより高温での耐熱性を向上できる。

特に、ＡｆＮ焼結体に対して発熱体としてＷを用いた場
合には、次のような効果が奏される。

即ち、Ｗ、５ｉｉＮ４焼結体、ＡｉＬＮ焼結体の熱膨張
係数は表−１に示す通りである。

表−１ＳｉｚＮ４焼結体、ＩＱＮ焼結体の焼結温度は近い。焼
結温度〜室温までの温度差が等しいとすると焼結後Ｗ発
熱体に発生する残留応力の大きさは、Ｗと焼結体の熱膨
張係数の差の大小によって決まる。表−１の熱膨張係数
が焼結温度まで適用できるとすれば、Ｗと５ｉｚＮ＋焼結体との熱膨張係数の差＝２、２　Ｘ
　１　ｏ−’／’ｔ：ＷとＡ４２Ｎ焼結体との熱膨張係数の差＝０、　６Ｘ　
１０−”／ｌになる、この結果、従来のＳｉ３Ｎ４焼結体に比べ、Ａ
ＩＮ焼結体では、焼結後、Ｗ発熱体に発生する残留応力
がＡ程度に低減する。残留応力が低減すれば、熱サイク
ルによるＷ発熱体の疲労損傷が低減し、耐久性が向上す
る。

以上述べたように、従来の５ｉｚＮ＋焼結体に比べ、Ａ
ｊ２Ｎ焼結体はグロープラグ用セラミックス焼結体に好
適な材料であることがいえる。

ところで、ＡｊＺＮ系焼結体の表面を被覆する発熱体は
、そのまま外部に露出した状態では酸化されて劣化する
。また、ＡｕＮ系焼結体の発熱体で被覆されていない露
出面も酸化劣化する。即ち、例えば、Ａｊ２Ｎ焼結体は
、非酸化雰囲気では１８００℃まで使用可能であるが、
酸化雰囲気では１０００℃以上になると、６ｊｌＮが０
２と反応してＡＪＺ２０３に変化し高温での耐酸化性が
劣る。

−ａのグロープラグの使用条件は、大気中で発熱部表面
温度が１０００℃以上である。従って、Ａ１．Ｎ焼結体
の高温耐酸化性を改善する必要がある。なぜなら、グロ
ープラグは熱サイクルを繰り返すため、高温時にＡｊｌ
Ｎ焼結体の酸化により生じたＡｌ１２０３層はＡｌ１Ｎ
焼結体から剥離する。

この過程を繰り返すとＡｌ２Ｎ焼結体は消耗する。

そこで、発熱部の外表面は耐酸化性被膜で被覆する必要
がある。特に耐酸化性被膜を形成したのみでは、絶縁性
を十分に確保できない場合には、絶縁性被膜で被覆した
後、更に耐酸化性被膜で被覆する。

［実施例］以下図面に示す実施例を参照しながら本発明について更
に詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るグロープラグの縦断面
図、第２図は第１図の要部拡大図、第３図は第２図ＩＩ
Ｉ　−ＩＩＩ線に沿う断面図である。符号１はケーシン
グであり、該筒状であってその周面にねじ２が刻設され
ている。該ケーシング１の後端には電気絶縁材３を介し
て中心電極保持部材４が設けられている。この中心１ｉ
ｔｆｉ保持部材４にはナツト（図示せず）を介してプラ
ス側リード線が連結される。

符号５は発熱部を示し、ケーシング１にその基端側が挿
入され該発熱部５の外周面とケーシング１の内周面とが
ろう付により固着されている。図中にドツトを付し、符
号６で示す領域がろう付部分を示す。

本発明において、この発熱部５は、ＡλＮの焼結体７と
、Ｗ発熱体１１と、Ｗ製導電部８とを備える。Ｗ製導電
部８は、Ａｌ２Ｎ焼結体７内に埋設されたＷワイヤ８Ａ
と、Ａｌ２Ｎ焼結体７の外表面を被覆するＷ被覆層８Ｂ
とで構成される。Ｗ被覆層８Ｂはろう付部分６まで設け
られ、該ろう付部分において、ろう付によりケーシング
１に導通されている。そして、発熱部５はその表面に気
相法によるＡＩＮ被膜９及びＳｉＣ被膜１ｏが形成され
ている。

なお、前記中心電極保持部材４には中心電極１１が挿通
、係持されており、該中心型ｉｆ　１の先端面は焼結体
７の端面に当接している。そして、この端面にはＷワイ
ヤ８Ａの一端が露出しており、ろう付により該Ｗワイヤ
８Ａの一端と中心電極１１とが接合され、導通されてい
る。

このようなグロープラグにおいて、Ｗ発熱体１１ａの膜
厚は０．５〜２０μｍが好ましい、Ｗワイヤ８Ａは、Ａ
ｌ１Ｎ焼結体７が直径３〜１２ｍｍのＡｌ２Ｎ焼結体の
場合、直径０．３〜２ｍｍのワイヤであることが好まし
い、また、Ｗ被覆層８Ｂの膜厚は３０〜２００μｍとす
るのが好ましい。更に、絶縁性被膜であるＡｊＺＮ被膜
９の膜厚は１〜３０μｍ１耐酸化性被膜であるＳｉＣ被
膜１０の膜厚は５〜８００μｍであることが好ましい。

本実施例においては、次のような仕様で製作した。

ＡＩＬＮ焼結体７直径ニアｍｍＷワイヤ８Ａ直径：１．ＯｍｍＷ発熱体１１ａ膜厚：１．ｕｎ（ＰＶＤ法による。）Ｗ被覆Ｊｉ１８Ｂ膜厚：１００μｍ（ＣＶＤ法による。）Ａ４２Ｎ被膜９膜厚：５μｍ（ＰＶＤ法による。）ＳｉＣ被膜１０膜厚：１００μｍ（ＣＶＤ法による。）なお、第１図〜第３図に示すグロープラグにおいて、Ａ
、ＱＮ被膜９はなくても良く、Ｗ被覆層８Ｂ上に、直接
ＳｉＣ被膜１ｏを形成したものであっても良い。

第４図は本発明の別の実施例を示す発熱部の部分斜視図
である。

本実施例においては、ＡｕＮ焼結体７の外周面のＷ発熱
体１１ｂを帯状のＷ膜で螺旋状に形成した点が第１図〜
第３図に示すグロープラグと異なり、他の構成は同様と
した。

この場合、Ｗ発熱体ｆｌｂの帯状のＷ膜の幅ＷＩは０．
３〜１０ｍｍ程度、また螺旋の間隔Ｗ２は０．３〜１０
ｍｍ程度とするのが好ましい。

本実施例においては、’ｆｉ　Ｈ＝　１　ｍ　ｍ、　Ｗ
　２　＝　１ｍｍとして製作した。

第５図は本発明の更に別の実施例を示す発熱部の部分斜
視図、第６図は先端部の拡大断面図である。

本実施例のグロープラグは、Ａ４２Ｎ焼結体７の代りに
Ａｊ２Ｎ−ＢＮ焼結体（ＢＮ含有ｆｔ２０重量％）７Ａ
を用い、その外周面に螺旋状の溝７ａを形成し、この溝
７ａ内にＷ発熱体１１ｃを形成した点が第１図〜第３図
に示すグロープラグと異なり、その他の構成は同様とし
た。

この場合、溝７ａの幅Ｗ３は０．３〜１０ｍｍ程度、ま
た、螺旋の間隔Ｗ４は０．３〜１０ｍｍ程度、深さｈは
０．００５〜０．２ｍｍ程度とするのが好ましい。

本実施例においては、Ｗ２　＝　１　ｍｍ、　Ｗ４−１
ｍｍ％　ｈ＝ｏ、０１０ｍｍとして製作した。

第７図は本発明の更に別の実施例を示す発熱部の部分斜
視図である。

本実施例においては、ＡｕＮ焼結体７の外周面のＷ発熱
体ｆｌｄを数本の帯状に形成した点が第４図に示すグロ
ープラグと異なり、他の構成は同様とした。

この場合、Ｗ発熱体ｌｉｄの帯の間隔ｗ５は０．３〜１
０ｍｍ程度とするのが好ましい。

本実施例においては、Ｗ５＝１ｍｍとして製作した。

第８図は本発明の更に別の実施例を示す発熱部の部分斜
視図である。

本実施例においては、Ａ４Ｎ焼結体７の外周面のＷ発熱
体ｌｉｅをジグザグ状の帯で形成した点が第４図に示す
グロープラグと異なり、他の構成は同様とした。

この場合、Ｗ発熱体ｌｉｅの帯の巾ｗ６は０．３〜１０
ｍｍ％帯の間隔Ｗ７は０．３〜１０ｍｍ程度とするのが
好ましい。

本実施例においては、Ｗ　６　＝１　ｍ　ｍ　％　Ｗ　
７　＝１ｍｍとして製作された。

これら第１図〜第８図に示すいずれのグロープラグにお
いても、発熱体がＷよりなり、焼結体がＡλＮ系焼結体
よりなるため、発熱体と焼結体の熱膨張係数がほぼ一致
し、焼結後の残留応力が小さく熱サイクルによる疲労損
傷が少ない。しかも、焼結体の高熱伝導率に加えて、外
面のＷ発熱体の存在のために、焼結体の内外の温度差が
小さく、温度差による熱応力も小さい。

また、ＡＪ：ＬＮ及びＷの酸化防止のために発熱部５の
表面に形成されたＳｉＣ被膜１０は、緻密で高純度であ
るところから、発熱部５の耐酸化性及び耐食性が高めら
れ、耐久性が著しく向上する。

しかも、発熱部５と被膜１０とは、熱膨張係数がほぼ一
致しているため、被膜１０付着後の残留応力が小さい。

また、被膜１０は熱伝導率が高く、被膜１０の内外の温
度差は小さい。特にＡＩＬＮ被膜９を介在させた場合、
これがＷとＳｉＣとの間の緩衝層として作用し、上記効
果に優れる。

このため、上記実施例のグロープラグは、いずれも１３
００℃以上の高温使用でも熱応力による割れ等が発生す
ることはなく、良好な使用状態が得られた。

このようなグロープラグの発熱部５は、ＡＪ２Ｎ粉末中
にＷワイヤ８Ａを埋設して焼結し、次いで、必要に応じ
−てＡＩＮ系焼結体の溝加工をした後、常法によりＣＶ
Ｄ法等でＷ被覆層８Ｂ及びＷ発熱体１１ａ〜ｌｉｅを形
成することにより、容易に製造することができる。

［発明の効果］以上詳述した通り、本発明のグロープラグは、耐熱性に
著しく優れ、耐酸化性、耐食性も極めて良好であり、耐
久性が高い。このため、ガスインジェクションディーゼ
ル機関等の高い使用温度にも優れた耐久性を示し、長期
間安定に使用することが可能とされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係るグロープラグの縦断面図、第２図
は第１図の要部拡大図、第３図は第２図のＩＩＩ　−Ｉ
ＩＩ線に沿う断面図、第４図は他の実施例に係るグロー
プラグの発熱部を示す部分斜視図、第５図は別の実施例
に係るグロープラグの発熱部を示す部分斜視図、第６図
は同グロープラグの縦断面図、第７図はさらに別の実施
例に係るグロープラグの発熱部を示す部分斜視図、第８
図はさらに他の実施例に係るグロープラグの発熱部を示
す部分斜視図である。５・・・発熱部、１・・・ケーシング、７・・・ＡｕＮ焼結体、８Ｂ・・・Ｗ被覆層、９・・・ＡｕＮ被膜、　　　１０・・・ＳｉＣ被膜、１
１、　ｌｌａ、　ｌｌｂ、　ｌｌｃ、　ｌｉｄ、　ｌｌ
ｅ　−・・Ｗ発熱体。８Ａ・・・Ｗワイヤ、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）発熱体が窒化アルミニウム系焼結体表面に設けら
れているグロープラグにおいて、該発熱体は該窒化アル
ミニウム系焼結体発熱部の少なくとも一部を被覆する被
覆層を形成するものであって、かつ、前記発熱部は耐酸
化性被膜で被覆されていることを特徴とするグロープラ
グ。
（２）発熱体と耐酸化性被膜との間には絶縁性被膜が形
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載のグロープラグ。