JPH03282123A - デイーゼルエンジン用グロープラグ - Google Patents

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〕 本発明はディーゼルエンジンの副燃焼室あるいは燃焼室
内の予熱に使用されるディーゼルエンジン用グロープラ
グに関し、特に速熱型の機能を有し、かつ長時間のアフ
ターグロー化を達成しうる、セラミック製ディーゼルエ
ンジン用グロープラグの改良に関するものである。

〔従来の技術〕

一般にディーゼルエンジンは低温時の始動性が悪いため
、副燃焼室または燃焼室内にグロープラグを設置し、こ
れを通電発熱することにより、吸気温度を上昇または着
火している。この種のグロープラグとしては、金属製シ
ース内に耐熱絶縁粉末を充填し、鉄クロム、ニッケル等
からなるコイル状発熱線を埋設した、いわゆるシース型
と称するものが一般的である。またそれ以外にも特開昭
５７−４１５２３号公報等に示されるように、タングス
テン等の発熱線を絶縁性を有する窒化珪素等のセラミッ
ク材中に埋設した棒状ヒータを使用した発熱線埋め込み
型が知られている。このような発熱線埋め込み型は、耐
熱絶縁粉末およびシースを間接加熱する従来のシース型
に比べ　熱伝達効率を向上させ得ると共に、発熱特性の
面でも優れ、加熱時に短時間で赤熱して温度立ち上がり
特性を大幅に向上させ、速熱型の性能を有するために、
近年実車への採用が増加しつつある。

しかしながら、上記発熱線埋め込み型のグロープラグは
、例えば窒化珪素のような絶縁性セラミック材の内部に
タングステン等の金属製発熱線を埋設した構造であり、
両部材間の熱膨張率が異なるため、特に発熱時における
急激な温度上昇とその繰り返し使用により、グロープラ
グの耐久性を減するおそれがある。従って耐熱強度等の
信頼性の面で問題がある。

上記問題点を解消するものとして、発熱線を絶縁性セラ
ミックと略々間等の熱膨張率を有する導電性セラミック
材で形成したグロープラグが、特開昭６０−９０８５号
公報や同６０−１４７８４号公報等により提案されてい
る。

しかしいずれもグロープラグとして使用するには、構造
上および機能面からの問題があり、実用化するには至っ
ていない。すなわち前者は、発熱体となる導電性セラミ
ック材を絶赫性セラミック材中に埋設した構造であり、
熱伝導率はシース型より優れるものの、間接的加熱であ
るために、速熱型としての機能は不十分であり、さらに
その成形加工が煩雑である等の問題点がある。また後者
は、発熱体がヒータ表面側に露出し、速熱型の機能は十
分であるが、その発熱体を単にＵ字型を呈する部材の積
層構造によって形成し、かつその両端部をヒータ後端部
に導いたのみであるため、その電極取り出しの構造が複
雑化し、コスト高を招く。

また、近年この狸のグロープラグにあっては、ディーゼ
ルエンジンの始動性の向上やそのターボ化に伴う使用条
件の高温化に対する耐久性、さらには吸気負圧ヤ燃焼時
の爆圧増大に対する気密性を要求されるようになってき
ている。

そこで、本発明者らは上記問題点を解決するために、特
開昭６３−２９７９２Ｏ公報等に示すような、導電性セ
ラミックによって形成さ九たＵ字状発熱部と、絶縁性セ
ラミックによって形成さ九たスリット部閉塞密閉用部材
の組合せによる、自己飽和性を有する直熱型のセラミッ
クヒータを提案した。そして上記発明によって、急速昇
温性および長寿命を兼ね備えかつ、製作が容易であるデ
ィーゼルエンジン用グロープラグが得られることが明か
となった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが本発明者らが、上記グロープラグの実用性を、
さらに高めるべく鋭意研究を進めてきた結果、以下のよ
うな課題が存在することが判明した。

すなわち、例えば特開昭６３−２９７６２Ｏ号公報によ
るガラス接着剤による導電性セラミック部材と、絶縁性
セラミック部材の接合構造ではセラミンクヒータ部と、
金属製ホルダ部間の絶縁抵抗は良好だが気密性に問題が
あり、特願昭６２−２８０１５２号公報による導電性セ
ラミック部材と、絶縁性セラミック部材の金属ろう相接
合による構造を実施すると、ガラス絶ｍ膜と金属ろう材
の熱膨張率の相違、ガラス絶縁膜と金属ろう材のぬれ性
などの関係により、まれにではあるがガラス絶縁膜にひ
び割れが発生し、セラミックヒータ部とそれを保持する
金属製ホルダ部の間の絶縁抵抗が低下するおそれがある
という問題である。

本発明は、上記従来技術に存在する課題を解決し、絶縁
性と信頼性とを大幅に向上するディーゼルエンジン用グ
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〕

上記目的を達成するために、ＩＩの発明においては、一
端を外部に突出させた状態で中空状ホルダの先端部にセ
ラミックヒータを保持し、このセラミックヒータの略Ｕ
字形状の発熱部とこの発熱部の後端部から後方に延設し
た一対のリード部とを、窒化珪素系セラミックあるいは
炭化珪素系セラミックに、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ等ｎ［ａ、Ｉ
Ｖａ、Ｖａ族金属元素の窒化物、炭化物、ほう化物、ほ
う窒化物、炭窒化物、酸窒化物を少なくとも１種類以上
添加してなる導電性セラミック材で一体に構成するディ
ーゼルエンジン用グロープラグにおいて、該セラミック
ヒータのリード部の金属ハウジング部との接合部位に、
ガラス膜等からなる緻密な絶縁層と、セラミック厚膜か
らなる絶縁層を組み合わせた、少なくとも２層以上より
なる絶縁構造な有することを特徴とする。

第２の発明は、前記の緻密な絶縁層が、ＳｉＯ２、Ｂ　
２Ｏ３、Ａ　ｌ　２Ｏ　ａ、ＺｒＯ２等のガラス膜であ
ることを特徴とする。

第３の発明は、前記のセラミック厚膜からなる絶縁層の
材質が、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ＋、ＭｇＯ、ムライト等の
厚膜であることを特徴とする。

〔作用〕

本発明において、上記手段を取ることにより以下のよう
な作用がある。すなわち、 （１）前記のセラミック厚膜からなる絶ｍＩＷを第１層
として、導電性セラミックによるセラミックヒータ部の
リード部外周に直接配することにより、緻密な絶縁膜と
金属ろう材の熱膨張率の相違、ぬれ性などの関係により
発生する恐れがあるひび割れを完全に防止することがで
き、ガラス膜等からなる緻密な絶縁層を第２ＮＩとして
、前記セラミック厚膜からなる絶縁層の外周に配するこ
とにより、導電性セラミックによるセラミックヒータ部
と、金属ハウジング部の接合部における気密性、絶縁性
を完全に保つことができる。

（２）前記のガラス膜等の緻密な絶縁層が、ＳｉＯ２、
Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等のガラス膜であるこ
とより、気密性、絶縁性を完全に保つことができ、しか
も上記組成を含有する市販のガラスペーストをスクリー
ン印刷等の手法により前記セラミック厚膜からなる絶Ｆ
ａ層の外周に配することにより、容易にＲ密な絶ｍ層を
得ることができる。

（３）前記のセラミック厚膜からなる絶！屡の材質が、
Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ムライト等の厚膜であ
ることにより、絶縁性を完全に保つとともに、緻密な絶
縁層を熱膨張差によるひび割れから保護することができ
る。しかも上記組成を含有する市販の耐熱性無機接着剤
を使用することにより、刷毛塗り、筆塗り、へら塗り、
デイスペンサーによる充填などの手法を使って、容易に
セラミック厚膜からなる絶縁層を得ることができる。ま
た、上記セラミック厚膜からなる絶縁層をダイヤモンド
砥石等で平滑に研磨することにより、前記緻密な絶縁層
を容易に形成することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係るディーゼルエンジン用グロープラ
グの全体構成を示す縦断面図、第２図は第１図における
矢視Ｂ拡大断面図、第３図ないしｊＩ６図は本発明の実
施例を示す拡大斜視図、第７図ないし第１０図は第３図
ないし第６図に各々対応する第１図におけるＡ−Ａ線断
面拡大図である。

第１図において、 Ａ、一端を外部に突出させた状態で中空状ホルダ２の先
端部にセラミックヒータ１を保持する。

Ｂ、このセラミックヒータ１を略Ｕ字形状の発熱部１１
とこの略Ｕ字形状の発熱部の後端部から後方に延設した
一対のリード部１２とを導電性セラミック材によって一
体に構成する。

Ｃ０前記リード部１２間に形成されるスリット１４に、
絶縁性セラミック材からなる絶縁シート１３を、リード
部１２と絶縁シート１３間に活性金属からなる反応層を
有するメタライズ層を形成し、金属ろう材１５を介して
一体的に接合する。

Ｄ、沙なくとも前記一方のリード部１２後端部を金属導
ａ３１を介して前記ホルダ−２後端部に絶縁状態で保持
した外部接続端子３２と接続する。

次に第２図は第１図における矢視Ｂ拡大断面図であり、
同一部分は第１図と同一の参照符号で示す。第２図にお
いて、少なくとも前記一方のリード部１２外側面をガラ
ス膜等からなる緻密な絶縁層１６と、セラミック厚膜か
らなる絶Ｈ’Ｊ１７を組み合わせた、少なくとも２層以
上よりなる絶縁構造を介して前記ホルダ２内に接合保持
する。

次に第３図ないし第６図は本発明の実施例を示す拡大斜
視図、第７図ないし第１０図はｊＩ３図ないし第６図に
各々対応する第１図におけるＡ−Ａ線断面拡大図であり
、同一部分は第１図、第２図と同一の参照符号で示す。

第３図および第７図において、セラミックヒータ１のリ
ード部１２外側面にセラミック厚膜からなる絶縁層１７
を第１層として形成するために、予め切り欠き部１３ａ
を形成した絶縁シート１３をスリット１４に挿入して金
属ろう材１５が、ガラス膜等からなる緻密な絶縁層１６
と接触しな０構造とする。

また、第４図および第８図には第３図と同様に金属ろう
材１５が、直接ガラス膜等からなる緻密な絶縁＃１６と
接触しない構造とし、セラミック厚膜からなる絶縁Ｎ１
７を第１層として形成するために、セラミックヒータ１
のリード部１２外側面にセラミックヒータ１と絶縁シー
ト１３を一体的に接合した後に、円周状に切り欠き部１
２ａを設けた例を示す。

また、第５図および第９図には第３図と同様に金属ろう
材１５が、ガラス膜等からなる緻密な絶縁層１６と接触
しない構造とし、セラミック厚膜からなる絶縁層１７を
第１層として形成するために、セラミックヒータ１のリ
ード部１２外側面にセラミックヒータ１と絶縁シート１
３を一体的に接合した後に、長手方向に切り欠き部１２
ａを設けた例を示す。

また、第６図および第１０図には第３図と同様に金属ろ
う材１５が、ガラス膜等からなる緻密な絶縁層１６と接
触しない構造とし、セラミック厚膜からなる絶ｍ層１７
を第１Ｎとして形成するために、セラミックヒータ１の
リード部１２外側面にセラミックヒータ１と絶縁シート
１３を一体的に接合した後に、接線方向に切り欠き部１
２ａを設けた例を示す。

次に本グロープラグの製造方法について説明する。前記
のセラミックヒータ１は、５ｉ３Ｎ４９４゜４重量部、
Ｙ２Ｏ３２，５重量部、ＡｌＮ２１Ｒ固溶体３．１重量
部よりなるβ型サイアロンに、所望の固有抵抗率を得る
のに必要なＴｉＮを添加した導電性サイアロン造粒粉を
、冷間静水圧プレスで成形し、窒素雰囲気中において１
８２Ｏ℃で５時間した素材を研削加工や放電加工するこ
とにより得ることができる。

そして、上記の加工後に第１図のムライトセラミックよ
りなる絶縁シート１３を第２図のＴｉ　−Ｃｕ合金より
なる金属ろう材１５を介して、第１図のスリット１４内
に一体的に接合する。接合を実施する場合の条件として
、８６０°Ｃ３分間、２＊１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空中で
行うと良い。この場合絶縁シート１３には第３図に示す
ように切り欠き部１３ａを設けておいても良い。また第
３図に従わない場合は、セラミックヒータ１と絶縁シー
ト１３を一体的に接合した後に、第４図、第５図、第６
図に示すごとく、リード部１２に研削加工により切り欠
き部１２ａを設けても良い。

次に上記接合および加工によって得られる第３図のリー
ド部１２の切り火き部１２ａまたは第４図、第５図、第
６図の絶縁シート１３の切り欠き部１３ａに、セラミッ
ク厚膜からなる絶縁層１７を第１層として形成する。こ
の場合、所望の形状をした絶縁性セラミックの部材を上
記切り欠き部１２ａまたは切り欠き部１３ａに嵌合して
も製作可能だが、製作にコストがかかり、良い結果は得
られない。

本発明の場合、第２図におけるセラミック厚膜からなる
絶縁層１７を第１層として形成するために、Ａ　ｌ　２
Ｏ３、ＺｒＯ２，ＭｇＯ、ムライト等組成を含有する市
販の耐熱性無機接着剤を使用する。

この場合、刷毛塗り、筆塗り、へら塗り、デイスペンサ
ーによる充填などの手法を使って、容易にセラミック厚
膜からなる絶、ＩＩＪを形成することができる。また、
常温または１００’Ｃ前後の比較的低温において熱処理
することにより、セラミック厚膜を硬化することができ
、製作上有利な作用を示す。

次に第２図におけるガラス膜等からなる緻密な絶８Ｎ１
６を第２層としてセラミックヒータ１のリード部１２の
外周に形成するために、セラミック厚膜からなる絶縁Ｎ
１７を硬化後に、研削加工テ平滑ニシタノチニ、５ｉＣ
ｈ、Ｂ　２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の組成を含有
する市販のガラスペーストをスクリーン印刷等の手法に
より前記セラミック厚膜からなる絶縁Ｎ１７の外周に配
する。この場合、第２図に示すように上記緻密な絶縁層
１６は前記セラミック厚膜からなる絶縁層１７を完全に
覆うように形成する事により、気密性を保持することが
できる。上記緻密な絶ａ！１６はスクリーン印刷等の手
法により前記セラミック厚膜からなる絶縁層１７の外周
に形成後、大気中で８３０℃、２Ｏ分間の熱処理を実施
することにより硬化し、絶縁層としての機能を果たす。

上記緻密な絶縁層１６を形成、熱処理後に更にその外周
にＡｇ−Ｐｄよりなる金属膜を形成する。

これはセラミックヒータ１と中空状ホルダ２を第２図に
おける銀ろう２１により接合する際に銀ろう２１の流れ
を良くすると共に、濡れ性を改善することにより、強固
な接合を得られるという作用がある。この場合、Ａｇ−
Ｐｄよりなる金属膜は市販のペースト材を使用し、緻密
な絶縁層１６と同様にスクリーン印刷等の手法を用いて
形成することができる。また、熱処理条件も大気中で８
３０℃、２Ｏ分間と同様であり、緻密な絶縁層１６と共
通の生産設備を使用できるという利点もある。

次に第１図におけるセラミックヒータ１のリード部１２
の接続端子側の電極部１８に、メタライズＪ’Ｗ１９を
介して電極キャップ３３を接合しセラミックヒータ１の
組立が完成する。この場合、メタライズＮ１９はＡｇ−
Ｉｎ−Ｔｉ−Ｃｕよりなるろう材を使用するのが好まし
い。上記Ａｇ−Ｉｎ−Ｔｉ−Ｃｕよりなるろう材は、市
販の金属粉末にバインダーと溶剤を配合して製作し、刷
毛塗り、ヘラ塗り、筆塗り、デイスペンサーによる吐出
などの手法で電極部１８に塗布され、電極キャップ３３
を嵌合後に２＊１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空中で７５０℃３
分間の熱処理で接合される。熱処理温度が７５０℃と緻
密な絶縁層１６の熱処理温度８３０°Ｃよりも低温であ
るために、緻密な絶縁層１６の絶縁性の低下や熱膨張に
よるひび割れなどの発生を防ぐことができるという、好
ましい効果がある。

次に、第１図における完成したセラミックヒータ１は、
電極キャップ３３に金属導線３１を介して前記中空状ホ
ルダ２後端部に絶縁状態で保持した外部接続端子３２に
スポット溶接により接合された後、中空状ホルダ２に嵌
合され、ｆｔ５２図における銀ろう２１を介して接合さ
れる。更に外部接続端子３２は金属パイプ３４および絶
縁ブツシュ３５を介して、中空状ホルダ２の後端部をカ
シメることにより固定される。最後に絶縁リング３６、
固定用ナツト３７および外部リード締付用ナツト３８を
取り付けて、ディーゼルエンジン用グロープラグが完成
する。

上記ディーゼルエンジン用グロープラグは中空状ホルダ
２の外周部のネジ部２２をエンジンのシリンダヘッドに
設けたネジ穴（図示せず）に螺合することにより電気的
にアース接続すると共にセラミックヒータ１の略Ｕ字形
状の発熱部１１を副燃焼室または燃焼室内に突出させて
配置する。−方バッテリー（図示せず）からのリード線
をナツト３７．３８間で挟持することにより外部接続端
子３２と接続する。

以上に示す本実施例のグロープラグについて、セラミッ
クヒータと金属製ホルダ間の電気絶縁性、気密性を評価
すると。

（１）セラミックヒータと金属製ホルダ間に、直流電圧
３０Ｖを印加して流れる洩れ電流を測定すると、改善前
のグロープラグの場合、電゛流値が１００μＡ以上を示
す不合格品が約１５％以上発生するのに対し、本実施例
によれば１００μＡ以上の電流値を示すことは無かった
。

（２）セラミックヒータと金属製ホルダ間に、直流電圧
を印加して、絶縁抵抗が破壊される電圧値を測定すると
、改善前のグロープラグの場合、約８０Ｖで破壊が発生
するのに対し、本実施例によれば約３００ｖまで電圧値
をあげることができた。

（３）金属製ホルダ内に、１５　Ｋ　ｇ　ｆ　／　ｍ　
ｍ　２の空気圧を印加し、水中で１分間に洩れる空気量
を測定すると、セラミックヒータと絶縁シートの接合に
ガラス接着剤を使用した場合、５ｃｃ／ｍｉｎ以上の洩
れが発生する不合格品が約５０％発生するのに対し、本
実施例による改善前のグロープラグでは発生は０％であ
り、本実施例によって製作した場合でも、洩れによる不
合格の発生は無かった。

以上に示すように、本実施例によれば気密性を悪化させ
ることなく、絶縁性を改善したグロープラグが得られる
ことが明かとなった。

〔発明の効果〕

本発明のディーゼルエンジン用グロープラグは、以上記
述のような構成であるから下記の効果を奏することがで
きる。

（１）簡単な構造であるにも拘らず、発熱部がヒータ外
表面に露出しているから従来型に比べて迅速かつ確実な
先端赤熱化を達成し、速熱型としての機能を発揮できる
。

（２）セラミックヒータの発熱部およびリード部を同一
材料の導電性セラミックで形成するため、ヒータ発熱時
における急激な温度上昇によってもワレ等の事故を発生
せず、耐熱温度等の信頼性を確保し得る。

（３）先端発熱部の熱容量が小さいため自己温度飽和性
を有し、その結果エンジンの排気、騒音対策としての長
時間のアフターグローが容易となる。

（４）全体の構造が簡単であるため、成形加工、組立が
容易であり、生産性が極めて高い。

（５）セラミックヒータと金属製ホールダ間の、電気絶
縁が完全であり、ひび割れが発生しないため、安全性、
気密性および信頼性が大幅に向上させえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るディーゼルエンジン用グロープラ
グの全体構成を示す縦断面図、第２図は第１図における
矢視Ｂ拡大断面図、第３図な（、ｓし第６図は本発明の
実施例を示す拡大斜視図、第７図ないし第１０図は第３
図ないし第６図に各々対応する第１図におけるＡ−Ａ線
断面拡大図である。 １：セラミックヒータ、２：ホルダ、１１：発熱部、　
１２：　リード部、　１３：絶縁シート、　１４ニスリ
ツト。 第２図 １：セラミックヒータ　　２：ホルダ　、１１：発熱部
、１２：　リード部、１６：ガラス膜絶縁層、１７：セ
ラミック厚膜絶縁層、１８：電極部、１９：メタライズ
層、２１：銀ろう、３１：金属導線、３３：電極キャッ
プ １： セラミックヒータ １１： 発熱部、 １２： リード部、 １２ａ： 切り欠き部、 １３：絶縁シー ト、 １３ａ： 切り欠き部、 １４ニ スリット １：セラミックヒータ １１：　発熱部、 １２： リード部、 １２ａ：切り欠き部、 １３：絶縁シ ト、 １４： スリット 第７図 と 第９図 と ２： ホルダ １２： シー ト、 １５：金属ろう材。 １７：セラミツク厚膜絶４ 第８図 と 第１０図 と ド部、 １３：絶縁シー ６： ガラス農地り＃層、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端を外部に突出させた状態で中空状ホルダの先
   端部にセラミックヒータを保持し、このセラミックヒー
   タの略Ｕ字形状の発熱部とこの発熱部の後端部から後方
   に延設した一対のリード部とを、窒化珪素系セラミック
   あるいは炭化珪素系セラミックに、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ等I
   IIａ、IVａ、Ｖａ族金属元素の窒化物、炭化物、ほう化
   物、ほう窒化物、炭窒化物、酸窒化物を少なくとも１種
   類以上添加してなる導電性セラミック材で一体に構成す
   るディーゼルエンジン用グロープラグにおいて、該セラ
   ミックヒータのリード部の金属ハウジング部との接合部
   位に、ガラス膜等からなる緻密な絶縁層と、セラミック
   厚膜からなる絶縁層を組み合わせた、少なくとも２層以
   上よりなる絶縁構造を有することを特徴とする、デイー
   ゼルエンジン用グロープラグ。
2. （２）前記の緻密な絶縁層が、ＳｉＯ＿２、Ｂ＿２Ｏ＿
   ３、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＺｒＯ＿２等のガラス膜であるこ
   とを特徴とする請求項（１）記載のデイーゼルエンジン
   用グロープラグ。
3. （３）前記のセラミック厚膜からなる絶縁層の材質が、
   Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＺｒＯ＿２、ＭｇＯ、ムライト等の厚
   膜であることを特徴とする請求項（１）および（２）記
   載のデイーゼルエンジン用グロープラグ。